(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリーピストン・スターリング装置に用いる低摩擦追従シール(4)であって、
上記フリーピストン・スターリング装置は、シリンダ(3)の内周面(3a),(3b)を相互に対向して往復運動するフリーピストン(1)と駆動ピストン(2)とを備え、
上記フリーピストン(1)は、ピストン部(12)とこのピストン部の一端に同心状に連設したロッド(11)とからなり、
上記駆動ピストン(2)は、中心に貫通穴(22)を有し、
上記貫通穴(22)は、所定の間隙だけ上記ロッド(11)の外径より大きな内径を有していると共にその内周面に円周溝(23)を形成してあり、
上記ロッド(11)は、上記駆動ピストン(2)の上記貫通穴(22)を貫通してその先端部(11a)を第１の円形バネ(5)に支持され、
上記フリーピストン(1)は、上記第１の円形バネ(5)と上記シリンダ(3)の上記内周面(3a)とで半径方向に位置決めされ、
上記駆動ピストン(2)は、この駆動ピストンの１端(21)を第２の円形バネ(6)に支持され、
上記駆動ピストン(2)は、上記第２の円形バネ(6)と上記シリンダ(3)の上記内周面(3b)とで半径方向に位置決めされているものであって、
上記低摩擦追従シール(4)は、上記駆動ピストン(2)の上記円周溝(23)内でスプリング(42)によってこの円周溝の１側面(23b)に圧着するように装着され、
上記低摩擦追従シール(4)は、薄板円板(41)を積層して構成され、
上記薄板円板(41)の外径(41a)は、上記駆動ピストン(2)に形成した上記円周溝(23)の内径(23a)より小さく形成され、
上記薄板円板(41)の中心には、上記ロッド(11)の外径より僅かに小さい内径の円形穴(41b)が形成されており、
上記円形穴（41b）の内周面の断面形状は、鋭角に形成してある
ことを特徴とするフリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シール。
【請求項２】
請求項１において、前記薄板円板は、円周上の１個所で分離したスリット部分を有している
ことを特徴とするフリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストンを支持するロッドと、このロッドが貫通する駆動ピストンの貫通穴との間隙からのガス洩を防止するために使用する、フリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高効率な外燃機関あるいは冷凍機として、いわゆるスターリング装置が提案されているが、小型軽量化を図るために、フリーピストン・スターリング装置（ディスプレサ型ともいう。）が採用されている。図１に、このフリーピストン・スターリング装置を冷凍機として構成した場合を示す。このフリーピストン・スターリング装置は、シリンダ３の内周面３ａ，３ｂを相互に対向して往復運動するフリーピストン１と駆動ピストン２とを備えている。
【０００３】
フリーピストン１の一端には、同心状のロッド１１が連設してあり、このロッドは、駆動ピストン２の中心に形成した貫通穴２２を貫通して、その先端部１１ａが第１の円形バネ５に支持されている。駆動ピストン２は、この駆動ピストンの一端２１を第２の円形バネ６に支持されている。そしてフリーピストン１は、第１の円形バネ５と、シリンダ３の内周面３ａとで半径方向に位置決めされており、一方駆動ピストン２は、第２の円形バネ６と、シリンダ３の内周面３ｂとで半径方向に位置決めされている。
【０００４】
ここで、このフリーピストン・スターリング装置の作用を概説する。駆動ピストン２は、リニアモータ１０１によって左右に往復運動し、この駆動ピストンの右側空間において、ケース１０２内に密閉したヘリウム等の高圧ガスを圧縮あるいは膨張させる。そして駆動ピストン２と対向して往復運動するフリーピストン１によって、この駆動ピストン２の右側空間にあるガスを、放熱器１０３、蓄熱器１０４及び吸熱器１０５を通過させて、フリ−ピストン１の右側空間に出し入れする。
【０００５】
すなわち、駆動ピストン２が右方向に移動すると、この駆動ピストンの右側空間内のガスが圧縮されて高温高圧になる。フリーピストン１の左右空間は、放熱器１０３、蓄熱器１０４及び吸熱器１０５の通路を経由して連通しているため、この左右空間の圧力は同じとなる。一方、フリーピストン１のロッド１１の端部１１ａには、ケース１０２内のガスの密閉圧力が掛かっており、この圧力はフリーピストンの左右空間の圧縮圧力より小さい。したがって、フリーピストン１の左端面に掛かる圧力は、右端面に掛かる圧力より、ロッドの断面面積分に相当する圧力差だけ少なくなり、フリーピストン１は左方向に移動する。
【０００６】
フリーピストン１が、左方向に移動すると、このフリーピストン１の左空間内にある圧縮高温ガスは、放熱器１０３で外部に熱の一部を放熱し、蓄熱器１０４で熱の一部を蓄熱し、次に吸熱器１０５を経由して右空間に移動する。次に、駆動ピストン２が左方向に移動すると、この駆動ピストンの右空間内のガス、及びこの右空間と連通しているフリーピストン１の右空間内のガスが膨張し低温低圧になる。そして、今度はフリーピストン１の左端面に掛かる圧力は、右端面に掛かる圧力より、ロッドの断面面積分に相当する圧力差だけ大きくなり、フリーピストン１は右方向に移動する。
【０００７】
フリーピストン１が、右方向に移動すると、このフリーピストン１の右空間内にある低温低圧ガスは、吸熱器１０５で外部から吸熱し、蓄熱器１０４に蓄積された熱を回収し、次に放熱器１０３を経由してフリーピストン１の左空間に移動する。以上を繰り返すことによって、このフリーピストン・スターリング冷凍機は、放熱器１０３で外部に放熱しつつ、吸熱器１０５で外部から外部の熱を吸熱する。また、圧縮行程で蓄熱器１０４に蓄熱した熱を、膨張行程で回収することによって、サイクル効率を大幅に向上さ
せている。
【０００８】
さて以上概説したフリーピストン・スターリング装置においては、駆動ピストン２の右側空間で圧縮あるいは膨張させたガスが、ロッド１１の外周面と、このロッドと相対往復運動する駆動ピストン２の貫通穴２２の内周面との半径方向の間隙から洩れないようにすることが必要になる。このため従来は、ロッド１１の外周面と、駆動ピストン２の貫通穴２２の内周面との間に、スリーブ等のシール部材を挿入してガス洩れを防止していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来のガス洩れ手段では、次の問題があった。すなわちガス洩れを効果的に防止するためには、半径方向の間隙が生じないように、シールの内周面をロッド１１の外周面に密着させる必要がある。一方、後述するように、フリーピストン１は、左右の極小さい圧力差によって往復運動を行なわせる機構を採用しているため、シール内周面とロッド１１の外周面との摩擦力を、極小さくする必要もある。したがって、フリ−ピストン１、駆動ピストン２、シリンダ３等を精密加工することにより、シール内周面とロッド１１の外周面との同心度、平行度を高精度に仕上げる必要があった。
【００１０】
しかるに、このような精密加工や品質管理は、コストが大幅に増加するだけでなく、ガス洩れを防止しつつ摩擦力を減少させるという、相反する要求を満足させることには自ずから限界があった。
【００１１】
そこで本発明の目的は、ガス洩れを効果的に防止しつつ、かつ摩擦力を減少させることができる、フリーピストン・スターリング装置の低摩擦追従シールを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、フリーピストン・スターリング装置に用いる低摩擦追従シールであって、このフリーピストン・スターリング装置は、シリンダの内周面を相互に対向して往復運動するフリーピストンと駆動ピストンとを備えている。フリーピストンは、ピストン部とこのピストン部の一端に同心状に連設したロッドとからなる。駆動ピストンは、中心に貫通穴を有し、この貫通穴は、所定の間隙だけロッド外径より大きな内径を有していると共に、その内周面に円周溝が形成してある。
【００１３】
ロッドは、駆動ピストンの貫通穴を貫通して、その先端部を第１の円形バネに支持されている。フリーピストンは、第１の円形バネとシリンダの内周面とで半径方向に位置決めされている。駆動ピストンは、この駆動ピストンの一端を第２の円形バネに支持されている。駆動ピストンは、第２の円形バネと上記シリンダの上記内周面とで半径方向に位置決めされている。
【００１４】
低摩擦追従シールは、駆動ピストンの円周溝内で、スプリングによってこの円周溝の一側面に圧着するように装着されている。この低摩擦追従シールは、薄板円板を積層して構成され、この薄板円板の外径は、駆動ピストンに形成した円周溝の内径より小さく形成してある。そして薄板円板の中心には、ロッドの外形より僅かに小さい内径の円形穴が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
このように発明を構成することにより、次の作用効果が得られる。すなわち、低摩擦追従シールを構成している、積層した薄板円板の中心円形穴の内径は、ロッドの外径より僅かに小さくしてあり、また、この薄板円板の外径は、駆動ピストンの貫通穴に形成した円周溝の内径より小さくしてある。したがって、薄板円板は、ロッドの外周面と間隙が生じないように密接しつつ、円周溝との半径方向の相対移動が可能となる。このため、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの同心度が多少ずれても、ガス洩れに対するシール性は確保できる。
【００１６】
また、低摩擦追従シールは、薄板円板を積層して構成し、スプリングで円周溝の一側面に圧着するものである。したがってロッドが多少傾いても、この積層した薄板円板が半径方向に相互にずれて移動することができるため、薄板円板の中心円形穴の内周面と、ロッドの外周面との密接性、並びに薄板円板相互間及び薄板円板と円周溝の一側面との密着性が確保できる。このため、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの平行度が多少ずれても、ガス洩れに対するシール性は確保できる。
【００１７】
したがって、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの同心度、平行度が緩和され、駆動ピストン、フリーピストン、シリンダ及び円形バネの製作、組み立て精度の要求を緩和でき、これによりコストの大幅な低減が可能となる。また、薄板円板の中心円形穴の内径と、ロッドの外径との差を小さく設定しても、上述した作用効果によって密接性が確保できるので、薄板円板の中心円形穴の内周面とロッドの外周面との摩擦を小さく抑えつつ、ガス洩れを効果的に防止できる。
【００１８】
請求項２に記載のフリーピストン・スターリング装置用の低摩擦追従シールは、請求項１に記載の薄板円板が、円周上の一箇所で分離してあることを特徴とする。
【００１９】
発明をこのように構成することにより、次の作用効果が得られる。すなわち、薄板円板の中心の円形穴の内径をロッドの外径より、僅かに小さく設定すると、この薄板円板は、円周方向の弾性力によって、ロッドの外周面に圧接されることになる。したがって、薄板円板の中心の円形穴の内周面が多少磨耗しても、この弾性力によってロッドの外周面との密接性を継続して確保することができる。また、分離したスロット部分からのガス洩れは、積層した薄板円板の円周方向位置が相互にズレることにより、防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に、このフリーピストン・スターリング装置を冷凍機として構成した場合を示す。このフリーピストン・スターリング装置は、シリンダ３の内周面３ａ，３ｂを相互に対向して往復運動するフリーピストン１と駆動ピストン２とを備えている。フリーピストン１は、アルミ製のピストン部１２とこのピストン部の一端に同心状に連設したロッド１１とからなり、表面を陽極酸化処理してある。なお、ピストン部１２の外周面には、シール１３が組み付けてあり、この外周面とシリンダ３の内周面３ａとの間隙からのガス洩れを防止している。
【００２１】
駆動ピストン２は、表面を陽極酸化処理したアルミ材からなり、中心に貫通穴２２を有し、この貫通穴は、所定の間隙だけロッド１１の外径より大きな内径を有していると共に、その内周面に矩形断面形状の円周溝２３が形成してある。円周溝２３には、後述する低摩擦追従シール４が組み付けてある。なお、駆動ピストン２の外周面には、シール２５，２５が組み付けてあり、この外周面とシリンダ３の内周面３ｂとの間隙からのガス洩れを防止している。
【００２２】
ロッド１１は、駆動ピストン２の貫通穴２２を貫通し、その先端部１１ａを第１の円形バネ５に支持されている。そしてフリーピストン１は、第１の円形バネ５と、シリンダ３の内周面３ａとで半径方向に位置決めされている。一方駆動ピストン２は、この駆動ピストンの１端２１を第２の円形バネ６に支持されており、この駆動ピストンは、この第２の円形バネとシリンダ３の内周面３ｂとで半径方向に位置決めされている。
【００２３】
次に図２〜図３を参照しつつ、上述した低摩擦追従シール４の組み付けと、構成とを説明する。低摩擦追従シール４は、駆動ピストン２の円周溝２３内で、スプリング４２によってこの円周溝の１側面２３ｂに圧着するように装着されている。なお、円周溝２３内に低摩擦追従シール４やスプリング４２を装着できるようにするために、この円周溝は、駆動ピストン２に部材２４をネジ部２４ａで螺設して形成するように構成してある。
【００２４】
低摩擦追従シール４は、板厚０．５〜１．０ｍｍのテフロン（登録商標）製の薄板円板４１を積層して構成されている。薄板円板４１の外径４１ａは、駆動ピストン２に形成した円周溝２３の内径２３ａより小さく形成してある。そして薄板円板４１の中心には、ロッド１１の外径より僅かに小さい内径の円形穴４１ｂが形成してあり、この円形穴の内周面の断面形状は、鋭角に形成してある。なお、円周溝２３の一側面２３ｂには、Ｏリング４３を組み付けて、薄板円板４１との接触面のシール性を高めている。
【００２５】
図４に、請求項２に記載の薄板円板１４１を示す。薄板円板１４１は、上述した薄板円板４１を、円周上一個所１４１ｃで分離したものである。
【００２６】
なお、薄板円板４１，１４１は、テフロン（登録商標）材に限らず、ホモポリマー・アセタール樹脂等のプラスチック材を用いることもできる。また、円周溝２３は一箇所に限らず、複数箇所設けて、それぞれに本発明による低摩擦追従シールを組み込む構造とすることもできる。さらに、薄板円板４１，１４１に金属等の耐熱材を使用することにより、フリーピストン・スターリング装置を外燃式原動機として構成する場合にも、本発明による低摩擦追従シールが適用可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
薄板円板は、ロッドの外周面と間隙が生じないように密接しつつ、駆動ピストンの貫通穴に形成した円周溝内で、半径方向に相対移動が可能となる。このため、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの同心度が多少ずれても、ガス洩れに対するシール性が確保できる。
【００２８】
また、ロッドが多少傾いても、積層した薄板円板が半径方向に相互にずれて移動することができるため、薄板円板とロッドの外周面との密接性、並びに薄板円板相互間及び薄板円板と円周溝の一側面との密着性が確保できる。このため、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの平行度が多少ずれても、ガス洩れに対するシール性が確保できる。
【００２９】
したがって、駆動ピストンの貫通穴とロッドとの同心度、平行度が緩和され、駆動ピストン、フリーピストン、シリンダ及び円形バネの製作、組み立て精度の要求を緩和でき、これによりコストの大幅な低減が可能となる。また、薄板円板の中心円形穴の内径と、ロッドの外径との差を小さく設定しても、上述した作用効果によって密接性が確保できるので、薄板円板の中心円形穴の内周面とロッドの外周面との摩擦を小さく抑えつつ、ガス洩れを効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリーピストン・スターリング装置の断面図である。
【図２】低摩擦追従シールの組み付けた場合の拡大断面図である。
【図３】薄板円板の断面図及び平面図である。
【図４】他の薄板円板の断面図及び平面図である。
【符号の説明】
１                    フリーピストン
１１                  ロッド
１１ａ                先端部
１２                  ピストン部
２                    駆動ピストン
２１                  一端
２２                  貫通穴
２３                  円周溝
３                    シリンダ
３ａ，３ｂ            内周面
４                    低摩擦追従シール
４１，１４１          薄板円板
４１ｂ，１４１ｂ      円形穴
４２                  スプリング
１４１ｃ              分離部分
【図１】
0004976625.tif 000002
【図２】
0004976625.tif 000003
【図３】
0004976625.tif 000004
【図４】
0004976625.tif 000005