TWI804802B - 極低溫冷凍機及密封構件 - Google Patents

極低溫冷凍機及密封構件 Download PDF

Info

Publication number
TWI804802B
TWI804802B TW110102047A TW110102047A TWI804802B TW I804802 B TWI804802 B TW I804802B TW 110102047 A TW110102047 A TW 110102047A TW 110102047 A TW110102047 A TW 110102047A TW I804802 B TWI804802 B TW I804802B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
displacer
pressure
contact seal
seal
connecting rod
Prior art date
Application number
TW110102047A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202202789A (zh
Inventor
足立俊太郎
Original Assignee
日商住友重機械工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商住友重機械工業股份有限公司 filed Critical 日商住友重機械工業股份有限公司
Publication of TW202202789A publication Critical patent/TW202202789A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI804802B publication Critical patent/TWI804802B/zh

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3268—Mounting of sealing rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/002—Sealings comprising at least two sealings in succession
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3204—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip
    • F16J15/3208—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip provided with tension elements, e.g. elastic rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3436—Pressing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/50—Sealings between relatively-movable members, by means of a sealing without relatively-moving surfaces, e.g. fluid-tight sealings for transmitting motion through a wall
    • F16J15/52—Sealings between relatively-movable members, by means of a sealing without relatively-moving surfaces, e.g. fluid-tight sealings for transmitting motion through a wall by means of sealing bellows or diaphragms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S277/00—Seal for a joint or juncture
    • Y10S277/935—Seal made of a particular material
    • Y10S277/944—Elastomer or plastic
    • Y10S277/945—Containing fluorine
    • Y10S277/946—PTFE

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Polyurethanes Or Polyureas (AREA)

Abstract

[課題] 本發明提供一種長期可靠性優異之極低溫冷凍機用密封構件及具備該密封構件的極低溫冷凍機。 [解決手段] 密封構件(56)以沿軸向能夠往返移動的方式支撐將置換器驅動機構與置換器連接之連接桿(26)。密封構件(56)具備：襯套(80)，插通有連接桿(26)，並在與連接桿(26)之間設定作為非接觸密封件(83)起作用的徑向餘隙(84)；第1接觸密封件(81)，相對於徑向餘隙(84)在置換器驅動機構側保持於襯套(80)上以密封徑向餘隙(84)；及第2接觸密封件(82)，相對於徑向餘隙(84)在置換器側保持於襯套(80)上以密封徑向餘隙(84)。

Description

極低溫冷凍機及密封構件
本發明有關一種極低溫冷凍機及密封構件。
在極低溫冷凍機中，存在例如如吉福德-麥克馬洪(Gifford-McMahon；GM)冷凍機那樣具有置換器者，該置換器進行往返移動以使工作氣體的膨脹空間的容積周期性地變化。藉由與膨脹空間的周期性的容積變動適當同步地使膨脹空間的壓力變動而在極低溫冷凍機中構成冷凍循環。
作為驅動置換器的往返移動之代表性方式之一，存在如下類型，亦即，使用連接桿將電動馬達等驅動源與置換器機械連接。連接桿從收納置換器和膨脹空間之氣密容器的內部向外部貫穿設置於氣密容器中之桿插通孔並延伸。若由於工作氣體從氣密容器洩漏而導致膨脹空間的壓力下降，則極低溫冷凍機的冷凍能力下降。因此，在氣密容器的桿插通孔中安裝有密封構件以防止工作氣體的洩漏。 [先前技術文獻]
[專利文獻1] 日本特開2017-142036號公報
[發明所欲解決之問題]
在上述極低溫冷凍機中，在置換器進行往返移動時，連接桿相對於桿插通孔的密封構件滑動。在極低溫冷凍機長期運行中，由於反覆滑動而導致密封構件逐漸磨損，最終密封構件可能會喪失密封性能。雖基於運行條件而不同，但是例如由於連續運行幾年，密封構件可能會顯著劣化。密封構件的劣化導致極低溫冷凍機的冷凍能力的下降，因此不被期望。
本發明的一種實施樣態的例示性目的之一在於提供一種長期可靠性優異之極低溫冷凍機用密封構件及具備該密封構件的極低溫冷凍機。 [解決問題之技術手段]
依據本發明的一種實施樣態，極低溫冷凍機具備：置換器；置換器驅動機構；連接桿，將置換器驅動機構與置換器連接；及密封構件，以沿軸向能夠往返移動的方式支撐連接桿。密封構件具備：襯套，插通有連接桿，並在與連接桿之間設定作為非接觸密封件起作用的徑向餘隙；第1接觸密封件，相對於徑向餘隙在置換器驅動機構側保持於襯套上以密封徑向餘隙；及第2接觸密封件，相對於徑向餘隙在置換器側保持於襯套上以密封徑向餘隙。
依據本發明的一種實施樣態，密封構件以沿軸向能夠往返移動的方式支撐將置換器驅動機構與置換器連接之連接桿。密封構件具備：襯套，插通有連接桿，並在與連接桿之間設定作為非接觸密封件起作用的徑向餘隙；第1接觸密封件，相對於徑向餘隙在置換器驅動機構側保持於襯套上以密封徑向餘隙；及第2接觸密封件，相對於徑向餘隙在置換器側保持於襯套上以密封徑向餘隙。
另外，在方法、裝置、系統等之間彼此置換以上構成要件的任意組合或本發明的構成要件或表現形式者亦作為本發明的樣態而有效。 [發明之效果]
依據本發明，能夠提供一種長期可靠性優異之極低溫冷凍機用密封構件及具備該密封構件的極低溫冷凍機。
以下，參閱圖式對用於實施本發明之形態進行詳細的說明。在說明書及圖式中，對相同或等同的構成要件、構件、處理標註相同的符號，並適當省略重複之說明。所圖示之各部的縮尺或形狀係為了方便說明而簡單設定的，除非另有說明，則並不做限定性的解釋。實施形態為例示，其對本發明的範圍並不做任何限定。實施形態中所記載之所有特徵或其組合並不一定係發明的本質。
圖1係示意性地表示一種實施形態之極低溫冷凍機之圖。圖2係示意性地表示圖1所示之極低溫冷凍機的膨脹機的驅動機構之分解立體圖。
極低溫冷凍機10具備：壓縮機12，壓縮工作氣體(亦稱為冷媒氣體)；及膨脹機14，藉由隔熱膨脹來冷卻工作氣體。工作氣體例如為氦氣。膨脹機14亦稱為冷頭。膨脹機14具備對工作氣體進行預冷之蓄冷器16。極低溫冷凍機10具備氣體配管18，該氣體配管18包括分別連接壓縮機12和膨脹機14之第1管18a和第2管18b。所圖示之極低溫冷凍機10為單段式GM冷凍機。
如眾所周知，具有第1高壓之工作氣體從壓縮機12的吐出口12a經由第1管18a供給至膨脹機14。藉由膨脹機14中之隔熱膨脹，工作氣體從第1高壓減壓至低於第1高壓的第2高壓。具有第2高壓之工作氣體從膨脹機14經由第2管18b回收至壓縮機12的吸入口12b。壓縮機12壓縮所回收之具有第2高壓之工作氣體。如此，工作氣體再度升壓至第1高壓。通常，第1高壓及第2高壓均遠遠高於大氣壓。為了方便說明，第1高壓及第2高壓分別簡稱為高壓及低壓。通常，高壓例如為2～3MPa，低壓例如為0.5～1.5MPa。高壓與低壓的壓差例如為1.2～2MPa左右。
膨脹機14具備膨脹機可動部分20和膨脹機靜止部分22。膨脹機可動部分20構成為相對於膨脹機靜止部分22沿軸向(圖1中之上下方向)能夠往返移動。在圖1中由箭頭A表示膨脹機可動部分20的移動方向。膨脹機靜止部分22構成為以沿軸向能夠往返移動的方式支撐膨脹機可動部分20。又，膨脹機靜止部分22構成為將膨脹機可動部分20與高壓氣體(包括第1高壓氣體及第2高壓氣體)一同收納之氣密容器。
膨脹機可動部分20包括置換器24及驅動其往返移動之連接桿26。在置換器24中內建有蓄冷器16。在置換器24的內部空間填充有蓄冷材料，藉此在置換器24內形成蓄冷器16。置換器24例如具有沿軸向延伸之實質上圓柱狀的形狀，並且在軸向上具有實質上相同的外徑及內徑。因此，蓄冷器16亦具有沿軸向延伸之實質上圓柱狀的形狀。
膨脹機靜止部分22大致具有由氣缸28及驅動機構殼體30構成之兩部分結構。膨脹機靜止部分22的軸向上部為驅動機構殼體30，膨脹機靜止部分22的軸向下部為氣缸28，並且它們彼此緊密地耦合。氣缸28構成為引導置換器24的往返移動。氣缸28從驅動機構殼體30沿軸向延伸。氣缸28在軸向上具有實質上相同的內徑，因此氣缸28具有沿軸向延伸之實質上圓筒狀的內表面。該內徑稍微大於置換器24的外徑。
又，膨脹機靜止部分22包括冷凍機工作台32。冷凍機工作台32在軸向上與驅動機構殼體30相反的一側固定於氣缸28的末端。冷凍機工作台32係為了將膨脹機14所生成之寒冷傳導至其他物體而設置。該物體安裝於冷凍機工作台32上，並在極低溫冷凍機10的動作期間由冷凍機工作台32進行冷卻。冷凍機工作台32亦有時被稱為冷卻工作台或熱負載工作台。
氣缸28由置換器24劃分為膨脹空間34和上部空間36。置換器24在軸向一端與氣缸28之間劃定膨脹空間34，並在軸向另一端與氣缸28之間劃定上部空間36。膨脹空間34在置換器24的上止點具有最大容積，並且在置換器24的下止點具有最小容積。上部空間36在置換器24的上止點具有最小容積，並且在置換器24的下止點具有最大容積。冷凍機工作台32以包圍膨脹空間34的方式固定於氣缸28上。冷凍機工作台32與膨脹空間34熱耦合。
在極低溫冷凍機10的動作期間，蓄冷器16在軸向上的一側(在圖中為上側)具有蓄冷器高溫部16a，並且在相反的一側(在圖中為下側)具有蓄冷器低溫部16b。如此，蓄冷器16在軸向上具有溫度分布。包圍蓄冷器16之膨脹機14的其他構成要件(例如，置換器24及氣缸28)亦同樣地具有軸向溫度分布，從而膨脹機14在其動作期間在軸向的一側具有高溫部且在軸向的另一側具有低溫部。高溫部例如具有室溫程度的溫度。低溫部依據極低溫冷凍機10的用途而不同，但是例如將低溫部冷卻至包含在約100K至約10K的範圍內之某一溫度。
在本說明書中，為了方便說明，使用軸向、徑向、周向的用語。如箭頭A所圖示，軸向表示膨脹機可動部分20相對於膨脹機靜止部分22的移動方向。徑向表示與軸向垂直的方向(在圖中為橫向)，周向表示圍繞軸向之方向。有時將膨脹機14的某一要件在軸向上相對接近冷凍機工作台32的情況稱為「下」，並將相對遠離冷凍機工作台32的情況稱為「上」。因此，膨脹機14的高溫部及低溫部分別在軸向上位於上部及下部。該種表現僅用於幫助理解膨脹機14的要件之間的相對位置關係，與在現場設置時的膨脹機14的配置無關。例如，膨脹機14可以以使冷凍機工作台32朝向上方且使驅動機構殼體30朝向下方的方式設置。或者，膨脹機14亦可以以使軸向與水平方向一致的方式設置。
膨脹機14具備置換器驅動機構38，該置換器驅動機構38被膨脹機靜止部分22支撐且驅動置換器24。置換器驅動機構38例如包括電動馬達等馬達40及蘇格蘭軛機構42。連接桿26形成蘇格蘭軛機構42的一部分。連接桿26以藉由蘇格蘭軛機構42沿軸向驅動的方式與蘇格蘭軛機構42連接。連接桿26的直徑小於置換器24的直徑，例如連接桿26的直徑小於置換器24的直徑的一半。
置換器驅動機構38收納於被劃定為驅動機構殼體30的內部之低壓氣體室37中。第2管18b與驅動機構殼體30連接，藉此低壓氣體室37經由第2管18b與壓縮機12的吸入口12b連通。因此，低壓氣體室37通常維持為低壓。
如圖2所示，蘇格蘭軛機構42包括曲柄44及蘇格蘭軛46。曲柄44固定於馬達40的旋轉軸40a上。曲柄44在從固定旋轉軸40a之位置偏心之位置上具有曲柄銷44a。因此，若將曲柄44固定於旋轉軸40a上，則曲柄銷44a成為如下狀態，亦即，與馬達40的旋轉軸40a平行地延伸，並且從旋轉軸40a偏心。
蘇格蘭軛46包括軛板48及滾子軸承50。軛板48為板狀構件。在蘇格蘭軛46中，在其上部中央以向上方延伸的方式連接有上部桿52，並在其下部中央以向下方延伸的方式連接有連接桿26。在軛板48的中央形成有橫長窗48a。橫長窗48a沿著與上部桿52及連接桿26所延伸之方向(亦即，軸向)交叉之方向(例如，正交之方向)延伸。滾子軸承50能夠滾動地配設於橫長窗48a內。在滾子軸承50的中心形成有與曲柄銷44a卡合之卡合孔50a，曲柄銷44a貫穿卡合孔50a。
當馬達40被驅動並旋轉軸40a旋轉時，與曲柄銷44a卡合之滾子軸承50以描繪圓的方式旋轉。藉由使滾子軸承50以描繪圓的方式旋轉，蘇格蘭軛46沿軸向進行往返運動。此時，滾子軸承50在橫長窗48a內沿著與軸向交叉之方向進行往返移動。
如圖1所示，連接桿26將置換器驅動機構38與置換器24連接。連接桿26從低壓氣體室37貫穿上部空間36而向置換器24延伸。因此，藉由使蘇格蘭軛46沿軸向移動，置換器24在氣缸28內沿軸向進行往返移動。
如圖1所示，滑動軸承54及密封構件56設置於膨脹機靜止部分22的驅動機構殼體30中。上部桿52由滑動軸承54以沿軸向能夠移動的方式支撐，連接桿26由密封構件56以沿軸向能夠移動的方式支撐。因此，上部桿52、連接桿26、軛板48及蘇格蘭軛46成為沿軸向能夠移動的結構。
詳細內容如下所述，由於設置有密封構件56而導致驅動機構殼體30與氣缸28氣密地配置，因此低壓氣體室37與上部空間36隔離。在低壓氣體室37與上部空間36之間不存在直接的氣體流通。
膨脹機14具備迴轉閥58，該迴轉閥58與置換器24的軸向往返移動同步地切換膨脹空間34的吸氣和排氣。迴轉閥58作為用於將高壓氣體供給至膨脹空間34的供應路徑的一部分而發揮作用，並且作為用於將低壓氣體從膨脹空間34排出的排出路徑的一部分而發揮作用。迴轉閥58構成為與置換器24的往返移動同步地切換工作氣體的供給功能和排出功能，藉此控制膨脹空間34的壓力。迴轉閥58與置換器驅動機構38連接，並收納於驅動機構殼體30中。
又，膨脹機14具有殼體氣體流路64、置換器上蓋氣體流路66及置換器下蓋氣體流路68。高壓氣體從第1管18a經過迴轉閥58、殼體氣體流路64、上部空間36、置換器上蓋氣體流路66、蓄冷器16、置換器下蓋氣體流路68流入至膨脹空間34。來自膨脹空間34的返回氣體經過置換器下蓋氣體流路68、蓄冷器16、置換器上蓋氣體流路66、上部空間36、殼體氣體流路64、迴轉閥58容納於低壓氣體室37中。
殼體氣體流路64與驅動機構殼體30貫穿形成，以使氣體在膨脹機靜止部分22與上部空間36之間流通。
上部空間36在蓄冷器高溫部16a側形成於膨脹機靜止部分22與置換器24之間。更詳細而言，上部空間36在軸向上被驅動機構殼體30和置換器24夾住，並且被氣缸28沿周向包圍。上部空間36與低壓氣體室37相鄰。上部空間36亦稱為常溫室。上部空間36為形成於膨脹機可動部分20與膨脹機靜止部分22之間之可變容積。
置換器上蓋氣體流路66為置換器24中的至少一個開口，該置換器24中的至少一個開口形成為使蓄冷器高溫部16a與上部空間36連通。置換器下蓋氣體流路68為置換器24中的至少一個開口，該置換器24中的至少一個開口形成為使蓄冷器低溫部16b與膨脹空間34連通。在置換器24的側面設置密封部70，該密封部70封住置換器24與氣缸28之間的餘隙。密封部70可以以沿周向圍繞置換器上蓋氣體流路66的方式安裝於置換器24上。
膨脹空間34在蓄冷器低溫部16b側形成於氣缸28與置換器24之間。與上部空間36同樣地，膨脹空間34為形成於膨脹機可動部分20與膨脹機靜止部分22之間之可變容積，並且藉由置換器24相對於氣缸28的相對移動，膨脹空間34的容積與上部空間36的容積互補地變動。由於設置有密封部70，因此在上部空間36與膨脹空間34之間不存在直接的氣體流通(即，繞過蓄冷器16之氣體流動)。
迴轉閥58具備轉子閥構件60及定子閥構件62。轉子閥構件60以藉由馬達40的旋轉而旋轉的方式與馬達40的旋轉軸40a連接。轉子閥構件60以相對於定子閥構件62旋轉滑動的方式與定子閥構件62面接觸。轉子閥構件60藉由圖1所示之轉子閥軸承75以能夠旋轉的方式支撐於驅動機構殼體30內。定子閥構件62藉由定子閥固定銷73固定於驅動機構殼體30內。定子閥構件62構成為容納從第1管18a進入驅動機構殼體30之高壓氣體。
圖3係示意性地表示搭載於圖1所示之極低溫冷凍機上之密封構件56之圖。密封構件56以沿軸向能夠往返移動的方式支撐連接桿26。連接桿26貫穿被設置於驅動機構殼體30的下端部之桿插通孔77而從低壓氣體室37延伸至上部空間36。
密封構件56具備襯套80、第1接觸密封件81及第2接觸密封件82。第1接觸密封件81及第2接觸密封件82安裝於襯套80上，密封構件56構成為單個構件(構成為所謂的子組件)。
襯套80為連接桿26所插通之筒狀構件。連接桿26具有細長的圓柱狀的形狀，因此與此對應地，襯套80亦形成為圍繞連接桿26之圓筒狀。襯套80具有收納第1接觸密封件81之第1環狀凹部及收納第2接觸密封件82之第2環狀凹部。這兩個環狀凹部在襯套80的內周面上形成於襯套80的彼此相反的一側的軸向端部。
襯套80由樹脂材料形成。相對於襯套80滑動之連接桿26典型地由例如不鏽鋼等金屬材料形成。因此，藉由由樹脂材料形成襯套80，能夠防止或減少由於在連接桿26滑動時可能發生之與襯套80的接觸或干擾而引起之連接桿26的磨損或損傷。襯套80可以由例如聚四氟乙烯等氟樹脂或其他滑動性和/或耐久性優異之合成樹脂材料形成。如此，亦能夠防止或減少由於連接桿26的滑動而引起之襯套80的磨損或損傷。
作為非接觸密封件83起作用的徑向餘隙84設定於襯套80與連接桿26之間。徑向餘隙84相當於襯套80的內徑與連接桿26的外徑之差的一半。徑向餘隙84的尺寸如下設定，亦即，例如即使在襯套80上未設置有第1接觸密封件81及第2接觸密封件82，亦能夠密封低壓氣體室37與上部空間36之間的氣體流動，或減少至實質上不影響極低溫冷凍機10的冷凍性能的程度。徑向餘隙84可以在例如5μm至30μm的範圍內。或者，徑向餘隙84與連接桿26的直徑之比可以在例如0.005至0.03的範圍內。
襯套80(亦即，密封構件56)的軸向長度可以長於桿插通孔77的軸向長度(或者，驅動機構殼體30的厚度)的至少一半，例如亦可以為桿插通孔77的軸向長度的大致整個長度。如此，藉由使襯套80的軸長變長，能夠使非接觸密封件83變長，因此非接觸密封件83的密封性能得到提高。在容許之情況下，襯套80可以延伸至超過桿插通孔77的軸向長度，例如可以延伸至低壓氣體室37內。但是，為了避免與配置於低壓氣體室37內之蘇格蘭軛機構42等置換器驅動機構38的干擾，期望襯套80的軸長不超過桿插通孔77的軸向長度。
第1接觸密封件81相對於徑向餘隙84在置換器驅動機構38側保持於襯套80上以密封徑向餘隙84。第2接觸密封件82相對於徑向餘隙84在置換器24側保持於襯套80上以密封徑向餘隙84。
第1接觸密封件81在軸向上比襯套80的軸向長度的中間更靠上方保持於襯套80上，第2接觸密封件82在軸向上比襯套80的軸向長度的中間更靠下方保持於襯套80上。例如，第1接觸密封件81保持於襯套80的第1軸向端部，第2接觸密封件82保持於襯套80的與第1軸向端部相反的一側的第2軸向端部。
第1接觸密封件81具備：密封環86，與連接桿26接觸；及背環88(Buckling)，以將密封環86按壓至連接桿26的方式配置於密封環86與襯套80之間。同樣地，第2接觸密封件82具備密封環86及背環88。如此，第1接觸密封件81及第2接觸密封件82採用所謂的減阻密封件(Slipper seal)。密封環86由例如聚四氟乙烯等氟樹脂或其他滑動性和/或耐久性優異之合成樹脂材料形成。背環88可以為例如O形環或其他合成橡膠製的環。再者，第1接觸密封件81及第2接觸密封件82中的至少一者可以是例如O形環等其他密封構件，而不是減阻密封件。
密封構件56被設計成如下，亦即，在安裝有第1接觸密封件81(或第2接觸密封件82)時，襯套80實質上不會由於從第1接觸密封件81接收之反作用力而變形。因此，例如收納第1接觸密封件81之襯套80的第1環狀凹部(或襯套80的軸向端部)的剛性可以大於第1接觸密封件81的剛性(例如，密封環86的剛性)。又，密封環86的剛性可以大於背環88的剛性。
若襯套80的剛性不充分，則在襯套80的第1環狀凹部中，襯套80的軸向端部可能由於第1接觸密封件81要擴徑之彈性恢復力而變形。襯套80的變形使徑向餘隙84變化，從而可能對非接觸密封件83的密封性能或連接桿26的滑動造成不利影響。但是，在本實施形態中，襯套80具有充分的剛性，因此保持徑向餘隙84，以使其不產生該種不利影響或使該種不利影響最小化。
背環88的內徑可以大於襯套80的內徑(徑向餘隙84中之襯套80的內徑)。藉此，在密封環86未安裝於密封構件56上時，連接桿26與襯套80的內周面接觸，而不是與背環88接觸。如此，即使由於極低溫冷凍機10的長期運行而導致密封環86磨損(消失)，亦能夠藉由襯套80支撐連接桿26的滑動。雖然取決於材料的選擇，但是典型地，與背環88相比，襯套80的強度更為優異。可以避免由於密封環86磨損之後可能發生之背環88與連接桿26的接觸而引起之背環88的破損或背環88的破損所伴隨之異物的生成。
從第1接觸密封件81至第2接觸密封件82的軸向距離(亦即，非接觸密封件83的軸向長度)可以長於從第1接觸密封件81至低壓氣體室37側的驅動機構殼體30的內表面為止的距離。同樣地，非接觸密封件83的軸向長度可以長於從第2接觸密封件82至面向上部空間36之驅動機構殼體30的表面為止的距離。非接觸密封件83的軸向長度可以長於襯套80的軸長的至少一半。如此，藉由使非接觸密封件83變長，能夠提高非接觸密封件83的密封性能。
再者，第1接觸密封件81及第2接觸密封件82並不一定配置於襯套80的軸向末端。襯套80可以超過第1接觸密封件81而向軸向的上方延伸。襯套80可以超過第2接觸密封件82而向軸向的下方延伸。此時，可以在比第1接觸密封件81更靠軸向上方的襯套80與連接桿26之間形成作為追加的非接觸密封件而發揮作用之徑向餘隙。同樣地，可以在比第2接觸密封件82更靠軸向下方的襯套80與連接桿26之間形成作為追加的非接觸密封件而發揮作用之徑向餘隙。
密封構件56在桿插通孔77中安裝於驅動機構殼體30上。上墊圈90與密封構件56的上端相鄰，並且被夾在驅動機構殼體30與密封構件56之間。第1接觸密封件81在軸向上被襯套80與上墊圈90夾住並保持。又，下墊圈92與密封構件56的下端相鄰，並且被夾在驅動機構殼體30與密封構件56之間。第2接觸密封件82在軸向上被襯套80與下墊圈92夾住並保持。下墊圈92可以為例如C字狀的固定環，以密封構件56不會從驅動機構殼體30脫落至上部空間36的方式將密封構件56保持於驅動機構殼體30上。
又，在容納密封構件56之驅動機構殼體30的凹部與襯套80的外周面之間安裝有例如O形環等密封構件94。藉由密封構件94來防止氣體洩漏至密封構件56的外側。
以上，對實施形態之極低溫冷凍機10的結構進行了敘述。接著，對其動作進行說明。在置換器24位於下止點或接近下止點時，迴轉閥58切換成將壓縮機12的吐出口12a與膨脹空間34連接，從而冷凍循環的吸氣步驟開始。高壓氣體從迴轉閥58經由殼體氣體流路64、上部空間36、置換器上蓋氣體流路66進入蓄冷器高溫部16a。氣體在經過蓄冷器16的同時進行冷卻，並從蓄冷器低溫部16b經由置換器下蓋氣體流路68進入膨脹空間34。在氣體流入至膨脹空間34之期間，置換器24在氣缸28內從下止點朝向上止點向軸向上方動作。藉此，膨脹空間34的容積增加。如此，膨脹空間34被高壓氣體充滿。
在置換器24位於上止點或接近上止點時，迴轉閥58切換成將壓縮機12的吸入口12b與膨脹空間34連接，從而冷凍循環的排氣步驟開始。此時，在膨脹空間34內的高壓氣體膨脹並被冷卻。膨脹後之氣體從膨脹空間34經由置換器下蓋氣體流路68進入蓄冷器16。氣體在經過蓄冷器16的同時進行冷卻。氣體從蓄冷器16經過殼體氣體流路64、迴轉閥58、低壓氣體室37返回至壓縮機12。在氣體從膨脹空間34流出之期間，置換器24在氣缸28內從上止點朝向下止點向軸向下方動作。藉此，膨脹空間34的容積減小而低壓氣體從膨脹空間34排出。若排氣步驟結束，則吸氣步驟再度開始。
在驅動機構殼體30與連接桿26之間設置有密封構件56，並且從低壓氣體室37密封上部空間36及膨脹空間34，因此實質上不會產生從上部空間36及膨脹空間34向低壓氣體室37的氣體的洩漏。
以上為極低溫冷凍機10中之一次冷凍循環。極低溫冷凍機10反覆進行冷凍循環，從而將冷凍機工作台32冷卻至所期望的溫度。因此，極低溫冷凍機10能夠將與冷凍機工作台32熱耦合之物體冷卻至極低溫。
依據實施形態，密封構件56具備第1接觸密封件81及第2接觸密封件82，因此新製造之極低溫冷凍機10在從運行開始後一段時間(例如幾年左右)內有效地使用這兩個接觸密封件。與僅具有一個接觸式密封件的比較例之密封部相比，兩個接觸密封件分別應承受之負載成為約一半。能夠延遲由於與連接桿26的滑動而引起之第1接觸密封件81及第2接觸密封件82的磨損的進程，從而能夠長期維持這兩個接觸密封件的密封性能。
在極低溫冷凍機10的運行期間，置換器24周圍的壓力，亦即，上部空間36及膨脹空間34的壓力在第1壓力(高壓)與低於第1壓力的第2壓力(低壓)之間周期性地變動。置換器驅動機構38周圍的壓力，亦即，低壓氣體室37的壓力維持為第2壓力。非接觸密封件83具有第1壓力與第2壓力的中間壓。因此，與僅設置一個接觸式密封件的比較例相比，分別作用於第1接觸密封件81及第2接觸密封件82之壓差成為約一半。作用於第1接觸密封件81及第2接觸密封件82的負載減半，這會延長第1接觸密封件81及第2接觸密封件82的壽命。
而且，即使第1接觸密封件81及第2接觸密封件82經過極低溫冷凍機10的長期運行而磨損，由於密封構件56具有非接觸密封件83，因此亦不會失去密封構件56的密封性能。與有效地使用兩個接觸密封件時相比，非接觸密封件83個體的密封性能可能稍微差，但是能夠以不會顯著地損害極低溫冷凍機10的冷凍性能的方式設計非接觸密封件83。在僅設置一個接觸式密封件的比較例中，在接觸式密封件磨損時冷凍性能可能立即大幅度下降，但是依據實施形態，該種不利影響被消除或緩和。
因此，實施形態之密封構件56對接觸式密封構件的磨損具有穩健的設計。依據實施形態，能夠提供一種長期可靠性優異之極低溫冷凍機用密封構件56及具備該密封構件56的極低溫冷凍機10。
圖4係表示密封構件56的另一例之圖。如圖所示，密封構件56還可以具備中間接觸密封件96，該中間接觸密封件96以沿軸向分割非接觸密封件83的方式在第1接觸密封件81與第2接觸密封件82之間保持於襯套80上。非接觸密封件83被中間接觸密封件96分割為第1部分83a和第2部分83b。如此，藉由設置追加的接觸密封件，施加於各個接觸密封件之負載更加減小。
以上，依據實施例對本發明進行了說明。本領域技術人員應理解，本發明並不限定於上述實施形態，能夠進行各種設計變更，能夠進行各種變形例，並且該種變形例亦在本發明的範圍內。結合一種實施形態進行了說明之各種特徵亦能夠適用於其他實施形態中。藉由組合而產生之新的實施形態兼具所組合之實施形態各自的效果。
在一種實施形態中，密封構件56可以作為以能夠滑動的方式支撐上部桿52之滑動軸承54而安裝於驅動機構殼體30上。
在一種實施形態中，可以向驅動機構殼體30內導入高壓的工作氣體，並且置換器驅動機構38亦可以配置於高壓氣體室中。此時，在極低溫冷凍機的運行期間，置換器周圍的壓力在第1壓力與低於第1壓力的第2壓力之間周期性地變動，置換器驅動機構周圍的壓力維持為第1壓力。即使如此，亦與上述實施形態同樣地，非接觸密封件83能夠具有第1壓力與第2壓力的中間壓。
在上述實施形態中，以置換器驅動機構38包括蘇格蘭軛機構42之情況為例進行了說明，但是亦能夠適用於其他形式的置換器驅動機構。例如，極低溫冷凍機10可以為藉由氣壓驅動置換器24之所謂的氣體驅動型GM冷凍機。此時，從置換器24延伸之連接桿26代替蘇格蘭軛機構42而與驅動活塞剛性連接。驅動活塞可以收納於驅動機構殼體30中。以藉由作用於驅動活塞的壓力與作用於置換器24的壓力的壓力差來使置換器24沿軸向進行往返的方式控制作用於驅動活塞的壓力。關於作用於驅動活塞的壓力的控制，通常例如能夠利用迴轉閥58來進行。與上述實施形態同樣地，連接桿26被密封構件56以沿軸向能夠移動的方式支撐。同時，由密封構件56保持使置換器24沿軸向進行往返之壓力差。
在上述中，提及單段式GM冷凍機對實施形態進行了說明。本發明並不限於此，實施形態之密封構件56能夠適用於二段式GM冷凍機或多段式GM冷凍機、或者具有將置換器驅動機構與置換器連接之連接桿之其他極低溫冷凍機。
依據實施形態，使用具體的語句對本發明進行了說明，但是實施形態僅表示本發明的原理、應用的一方面，在實施形態中，在不脫離申請專利範圍中所規定之本發明的思想的範圍內，可以允許有很多變形例或配置的變更。
10:極低溫冷凍機 24:置換器 26:連接桿 38:置換器驅動機構 56:密封構件 80:襯套 81:第1接觸密封件 82:第2接觸密封件 83:非接觸密封件 84:徑向餘隙 86:密封環 88:背環
[圖1]係示意性地表示一種實施形態之極低溫冷凍機之圖。 [圖2]係示意性地表示圖1所示之極低溫冷凍機的膨脹機的驅動機構之分解立體圖。 [圖3]係示意性地表示搭載於圖1所示之極低溫冷凍機上之密封構件之圖。 [圖4]係表示密封構件的另一例之圖。
24:置換器
26:連接桿
30:驅動機構殼體
36:上部空間
37:低壓氣體室
38:置換器驅動機構
56:密封構件
77:桿插通孔
80:襯套
81:第1接觸密封件
82:第2接觸密封件
83:非接觸密封件
84:徑向餘隙
86:密封環
88:背環
90:上墊圈
92:下墊圈
94:密封構件

Claims (6)

  1. 一種極低溫冷凍機，其特徵係具備：置換器、置換器驅動機構、將前述置換器驅動機構與前述置換器連接之連接桿、及密封構件，以沿軸向能夠往返移動的方式支撐前述連接桿，前述密封構件具備：襯套，插通有前述連接桿並在與前述連接桿之間設定作為非接觸密封件起作用的徑向餘隙；第1接觸密封件，相對於前述徑向餘隙在前述置換器驅動機構側保持於前述襯套上以密封前述徑向餘隙；及第2接觸密封件，相對於前述徑向餘隙在前述置換器側保持於前述襯套上以密封前述徑向餘隙，在前述極低溫冷凍機的運行期間，前述置換器周圍的壓力在第1壓力與低於第1壓力的第2壓力之間周期性地變動，前述置換器驅動機構周圍的壓力維持為前述第1壓力或前述第2壓力中的任一個，前述非接觸密封件具有前述第1壓力與前述第2壓力的中間壓。
  2. 如請求項1所述之極低溫冷凍機，其中，進一步具備有：收納前述置換器驅動機構的驅動機構殼體、以及被夾在第1接觸密封件及第2接觸密封件的至少一方與 前述驅動機構殼體之間的墊圈。
  3. 如請求項1或2所述之極低溫冷凍機，其中，前述第1接觸密封件及前述第2接觸密封件中的至少一者具備：密封環，與前述連接桿接觸；及背環，以將前述密封環按壓至前述連接桿的方式配置於前述密封環與前述襯套之間。
  4. 如請求項1或2所述之極低溫冷凍機，其中，前述襯套由樹脂材料形成。
  5. 如請求項1或2所述之極低溫冷凍機，其中，前述密封構件還具備中間接觸密封件，前述中間接觸密封件以沿軸向分割前述非接觸密封件的方式在前述第1接觸密封件與前述第2接觸密封件之間保持於前述襯套上。
  6. 一種密封構件，以沿軸向能夠往返移動的方式支撐將置換器驅動機構與置換器連接之連接桿，前述密封構件的特徵係具備：襯套，插通有前述連接桿並在與前述連接桿之間設定作為非接觸密封件起作用的徑向餘隙；第1接觸密封件，相對於前述徑向餘隙在前述置換器驅動機構側保持於前述襯套上以密封前述徑向餘隙；及第2接觸密封件，相對於前述徑向餘隙在前述置換器 側保持於前述襯套上以密封前述徑向餘隙，在前述極低溫冷凍機的運行期間，前述置換器周圍的壓力在第1壓力與低於第1壓力的第2壓力之間周期性地變動，前述置換器驅動機構周圍的壓力維持為前述第1壓力或前述第2壓力中的任一個，前述非接觸密封件具有前述第1壓力與前述第2壓力的中間壓。
TW110102047A 2020-02-13 2021-01-20 極低溫冷凍機及密封構件 TWI804802B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-022796 2020-02-13
JP2020022796A JP7464398B2 (ja) 2020-02-13 2020-02-13 極低温冷凍機およびシール部品

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202202789A TW202202789A (zh) 2022-01-16
TWI804802B true TWI804802B (zh) 2023-06-11

Family

ID=77180787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110102047A TWI804802B (zh) 2020-02-13 2021-01-20 極低溫冷凍機及密封構件

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11754184B2 (zh)
JP (1) JP7464398B2 (zh)
KR (1) KR20210103394A (zh)
CN (1) CN113251685B (zh)
TW (1) TWI804802B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0615163Y2 (ja) * 1988-05-31 1994-04-20 エヌオーケー株式会社 パッキン
CN103032986A (zh) * 2011-10-05 2013-04-10 住友重机械工业株式会社 超低温制冷机及低温泵以及置换器
CN104235486A (zh) * 2013-06-10 2014-12-24 费希尔控制国际公司 具有一体的密封件的致动器衬套
TWI473956B (zh) * 2011-06-14 2015-02-21 Sumitomo Heavy Industries Cooler type freezer

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS53123751A (en) * 1977-04-05 1978-10-28 Kobe Steel Ltd Buffering provided at rod sealing portion of oil pressure cylinder
FI61558C (fi) * 1977-09-14 1982-08-10 Painetekniikka Oy Mekanisk axeltaetning
JPS569883Y2 (zh) * 1978-04-28 1981-03-05
JPH02128875U (zh) * 1989-03-31 1990-10-24
US5230498A (en) * 1990-10-09 1993-07-27 Fisher Controls International, Inc. Live load packing system
JP2003220454A (ja) * 2001-11-20 2003-08-05 Nok Corp 連鋳機用密封装置
CN201016393Y (zh) * 2006-12-12 2008-02-06 合肥锻压机床有限公司 带有密封圈保护套的导向套与活塞杆小间隙组件
JP5748711B2 (ja) 2012-07-25 2015-07-15 株式会社三菱東京Ｕｆｊ銀行 データベースドライバおよびプログラム
JP6017327B2 (ja) 2013-01-21 2016-10-26 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機
JP2014214769A (ja) 2013-04-23 2014-11-17 日本バルカー工業株式会社 シール構造
JP2017142036A (ja) 2016-02-12 2017-08-17 アイシン精機株式会社 Ｇｍ冷凍機
JP2019174061A (ja) 2018-03-29 2019-10-10 住友重機械工業株式会社 極低温冷凍機

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0615163Y2 (ja) * 1988-05-31 1994-04-20 エヌオーケー株式会社 パッキン
TWI473956B (zh) * 2011-06-14 2015-02-21 Sumitomo Heavy Industries Cooler type freezer
CN103032986A (zh) * 2011-10-05 2013-04-10 住友重机械工业株式会社 超低温制冷机及低温泵以及置换器
CN104235486A (zh) * 2013-06-10 2014-12-24 费希尔控制国际公司 具有一体的密封件的致动器衬套

Also Published As

Publication number Publication date
US11754184B2 (en) 2023-09-12
US20210254718A1 (en) 2021-08-19
JP7464398B2 (ja) 2024-04-09
CN113251685B (zh) 2022-11-22
JP2021127857A (ja) 2021-09-02
TW202202789A (zh) 2022-01-16
CN113251685A (zh) 2021-08-13
KR20210103394A (ko) 2021-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10018380B2 (en) Cryogenic refrigerator
JP4197341B2 (ja) 蓄冷器式冷凍機
TWI473956B (zh) Cooler type freezer
US20130025297A1 (en) Rotary valve and cryogenic refrigerator using same
US8899053B2 (en) Cryogenic refrigerator
US9657970B2 (en) Cryogenic refrigerator
JP2659684B2 (ja) 蓄冷器式冷凍機
KR20120139800A (ko) 디스플레이서 및 그 제조방법 및 축냉기식 냉동기
US9759455B2 (en) Cryogenic refrigerator
TWI804802B (zh) 極低溫冷凍機及密封構件
TW201942469A (zh) 極低溫冷凍機
JP6573845B2 (ja) 極低温冷凍機
CN107449171B (zh) 超低温制冷机
WO2019225471A1 (ja) 極低温冷凍機のロータリーバルブおよび極低温冷凍機
WO2023149130A1 (ja) ギフォード・マクマホン（ｇｍ）冷凍機の第１段ディスプレーサ、第１段ディスプレーサ組立体、およびギフォード・マクマホン冷凍機
US11725854B2 (en) Cryocooler
KR100592441B1 (ko) 압축기의 요크 구조
JP6532392B2 (ja) 極低温冷凍機
WO2023105964A1 (ja) 極低温冷凍機の分解方法
JP2017048937A (ja) 極低温冷凍機
KR100592440B1 (ko) 다단 압축기
JPH08152213A (ja) ガス圧縮・膨張機