JP2004028320A - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
【課題】スターリング冷凍機等において、ピストンリングの摺動面に磨耗が生じてもガスリークを防止できるようにしたピストンリングを提供する。
【解決手段】ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、一対のステップカット２は、ピストンリング１の厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組（第１ステップカット２Ａと第２ステップカット２Ｂ）設ける。これら２組のステップカット２Ａ、２Ｂは、下部垂直面と、これに続く中間水平面と、上部垂直面とをそれぞれ備える。凸部Ｐ、Ｑと凹部Ｒ、Ｓとの凹凸嵌合により相互に入り組んだ構造となり、合口隙間が生じてもガスバリアーとしての機能を発揮する。
【選択図】 図１
【解決手段】ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、一対のステップカット２は、ピストンリング１の厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組（第１ステップカット２Ａと第２ステップカット２Ｂ）設ける。これら２組のステップカット２Ａ、２Ｂは、下部垂直面と、これに続く中間水平面と、上部垂直面とをそれぞれ備える。凸部Ｐ、Ｑと凹部Ｒ、Ｓとの凹凸嵌合により相互に入り組んだ構造となり、合口隙間が生じてもガスバリアーとしての機能を発揮する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリングに係るもので、特にスターリング冷凍機のピストンに装着するのに適したピストンリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス圧縮機等のピントンにはピストンリングを装着し、ピストンの動きに伴ってピストンとシリンダとの間からガスリークが生じないように気密保持している。例えば、スターリング冷凍機の膨張部ピストンに用いられるピストンリングは、図８に示すようにピストンＡの下部に設けられた複数の凹溝Ｂ内にピストンリングＣをそれぞれ装着している。そして、ピストンリングＣは凹溝Ｂに装着しやすいように、例えば図９に示すように一部に凸部Ｄと凹部Ｅを有する一対のステップカットＦが設けられている。このピストンリングＣを凹溝Ｂに装着すると、一対のステップカットＦが凹凸嵌合により互いに組み合って環状となる。ステップカットＦはスターリング冷凍機運転時にピストンリングＣの合口Ｇ（凸部Ｄと凹部Ｅの突合せ接合部）の隙間がゼロになるように設計されている。尚、スターリング冷凍機の一例としては、特開平１１−３３７２０８号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のスターリング冷凍機において、長期間にわたる運転によりピストンリングＣの摺動面即ちシリンダの内壁に接触する外周面が磨耗すると、ピストンリングＣは徐々に凹溝Ｂから外側にせり出してくる。その結果として、図１０のようにピストンリングＣの内径が拡大してステップカットＦの合口Ｇに隙間Ｈが発生し、シリンダの下方部で生じる高温ガスが下部の合口隙間からピストンリングＣの内側に流入すると共に、上部の合口隙間から外側に排出され、これが複数のピストンリングＣで連鎖的に生じ、更にピストンＡとシリンダ（図略）とのわずかな隙間を通って冷凍発生部（ピストンＡの上方部）にガスリークする。このような冷凍発生部への高温ガスリークは、熱ロスによる冷凍性能の劣化を招く。
【０００４】
本発明は、上記のようなガスリークを防止するためになされ、スターリング冷凍機の長期間の運転によりピストンリングの摺動面に磨耗が生じても高温ガスが冷凍発生部へリークしないようにしたピストンリングを提供することを目的とする。
【０００５】
この目的を達成すべく本発明者らは鋭意研究した結果、ピストンリングのステップカットの構造に工夫を施すことによりガスリークを防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、ピストンリングの厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けたことを特徴とする。
【０００７】
又、請求項２の発明は、前記２組のステップカットは、ピストンリングの軸線方向に沿う下部垂直面と、この下部垂直面に続いてピストンリングの円周方向に沿う中間水平面と、この中間水平面に続いてピストンリングの軸線方向に沿う上部垂直面とをそれぞれ備えていることを特徴とする。
【０００８】
更に、請求項３の発明は、前記２組のステップカットにおいて、上部垂直面の厚さをピストンリングの厚さの１／２未満に設定することにより２組のステップカットの中間水平面を連結させたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、ピストンリングのステップカットを２組設けて交互に入り組む構造としたので、ピストンリングの摺動面が磨耗して徐々に合口に隙間が生じても、高温ガスはピストンリングの内側に流入しないので、冷凍発生部へのガスリークを防止して熱ロスによる冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るピストンリングの実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【００１１】
図１において、１はピストンリングであり、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とグラファイトを主成分として所定の大きさの欠環状に一体成形されたものである。このピストンリング１は、欠環部に一対のステップカット２が設けられている。
【００１２】
この場合、ステップカット２はピストンリング１の厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けてある。即ち、２組のうちの第１ステップカット２Ａは、ピストンリング１の摺動面１ａ（外面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１の軸線方向に沿う下部垂直面２Ａａと、この下部垂直面２Ａａに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ａｂと、この中間水平面２Ａｂに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ａｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面２Ａｄと、この下部垂直面２Ａｄに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ａｅと、この中間水平面２Ａｅに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ａｆとから構成されている。
【００１３】
又、２組のうちの第２ステップカット２Ｂは、ピストンリング１の非摺動面１ｂ（内面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１の軸線方向に沿う下部垂直面２Ｂａと、この下部垂直面２Ｂａに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ｂｂと、この中間水平面２Ｂｂに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ｂｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面２Ｂｄと、この下部垂直面２Ｂｄに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ｂｅと、この中間水平面２Ｂｅに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ｂｆとから構成されている。
【００１４】
これにより、第１ステップカット２Ａと第２ステップカット２Ｂとは、ピストンリング１の厚みのほぼ１／２であって厚みの中央を境として背中合わせ状態となり、一対のステップカット２は相反方向に突出する凸部Ｐ、Ｑを備えると共に、これらの凸部Ｐ、Ｑが嵌まり込む凹部Ｒ、Ｓを備えた形態となる。
【００１５】
凸部Ｐ、Ｑはそれぞれピストンリング１の高さのほぼ１／２の高さを有し、張り出し長さは下記計算式により設定する。
ｓ＝π（Ｄｓ−Ｄ０′） …（１）
ｅ＞ｓ＋ｔ＝π（Ｄｓ−Ｄ０′）＋ｈ／２ …（２）
ここで、Ｄ０：初期ピストンリング外径
ｈ：ピストンリング高さ
ｅ：張り出し長さ（ステップカット長さ）
ｓ：合口隙間
ｔ：ステップカット重なり部長さ
Ｄ０′：磨耗後のピストンリング外径
Ｄｓ：シリンダの内径
【００１６】
図４のようにピストンリング１の摺動面１ａが磨耗して合口隙間が広がっても、最低限必要なステップカット重なり部の寸法をｈ／２とする。そして、例えば次のような寸法の場合を例にとって計算する。
Ｄ０＝４９．９ｍｍ
ｈ＝５ｍｍ
Ｄ０′＝４８．９ｍｍ
Ｄｓ＝５０．０ｍｍ
初期ピストンリングの内径は４３．９ｍｍであり、磨耗量は０．５ｍｍである。これらの数値を上記（１）、（２）式に代入すると、
ｅ＞ｓ＋ｔ＝π（Ｄｓ−Ｄ０′）＋ｈ／２＝５．９６
となり、ステップカットの張り出し長さは６ｍｍ程度が望ましい。
ステップカット部をむやみに長くすると、ピストンリングの成形・加工が困難になると共に、シール性が完全ではないステップカット重なり部が増加することから、ピストンリングのとしての性能を損なう。従って、必要最小限のステップカット部長さにすることが望ましい。
【００１７】
このように構成されたピストンリング１を、図示しないスターリング冷凍機の膨張部ピストンの凹溝内に装着すると、ステップカット２における２組のステップカット２Ａ、２Ｂがそれぞれ凹凸嵌合して環状のピストンリングとなる。即ち、第１ステップカット２Ａの凸部Ｐは凹部Ｒに嵌まり込み、第２ステップカット２Ｂの凸部Ｑは凹部Ｓに嵌まり込む。図２（ａ）はステップカット２を組み合わせた状態でのピストンリング１の平面図を示し、図２（ｂ）は正面図を示している。尚、ピストンの凹溝は軸線方向に沿って３本並設され、これら３本の凹溝にピストンリング１をそれぞれ装着する。
【００１８】
スターリング冷凍機の運転時には、ピストンリング１の熱膨張によりステップカット２における２組のステップカット２Ａ、２Ｂの合口隙間がいずれもゼロになるように予め設計されている。従って、第１ステップカット２Ａでは、下部垂直面２Ａａと下部垂直面２Ａｄとが面接触し、上部垂直面２Ａｃと上部垂直面２Ａｆとが面接触している。尚、中間水平面２Ａｂと中間水平面２Ａｅも面接触する。第２ステップカット２Ｂも同様に、下部垂直面２Ｂａと下部垂直面２Ｂｄとが面接触し、上部垂直面２Ｂｃと上部垂直面２Ｂｆとが面接触し、中間水平面２Ｂｂと中間水平面２Ｂｅも面接触する。
【００１９】
スターリング冷凍機の長期間運転によってピストンリング１の摺動面１ａが磨耗すると、ピストンリング１が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。このピストンリング１の押し出しは、凹溝の底部に存在するガス（凹溝とピストンリングとの僅かな隙間から凹溝内に流入）の膨張圧力が作用することによる。磨耗に伴ってピストンリング１が押し出されると、ピストンリング１の摺動面１ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、ピストンリング１の内径が拡大することからステップカット２における２組のステップカット２Ａ、２Ｂの合口に隙間が生じる。
【００２０】
図３はステップカット２Ａ、２Ｂの合口に隙間が生じた状態を示している。第１ステップカット２Ａにおいて、下部垂直面２Ａａと下部垂直面２Ａｄとが離れて隙間Ｔが生じ、上部垂直面２Ａｃと上部垂直面２Ａｆとが離れて隙間Ｕが生じる。しかしながら、隙間Ｔに対しては、第２ステップカット２Ｂの凸部Ｑが凹部Ｓに嵌まり込んでおり、しかも凸部Ｑは前記ガス膨張圧力によって内側から外側に向けて押圧されて第１ステップカット２Ａ側に密着している。これにより、隙間Ｔは凸部Ｑにより閉塞されることとなり、高温ガスが隙間Ｔからピストンリング１の内側に入り込むことはない。又、隙間Ｕに対しては、凹部Ｒの垂直面が凸部Ｐの内側面に密着しており、隙間Ｕが凹部Ｒにより閉塞されることから高温ガスの流入を防止することができる。中間水平面２Ａｂと中間水平面２Ａｅとが密着していることも、高温ガスの流入防止に寄与している。
【００２１】
一方、第２ステップカット２Ｂにおいても同様に、下部垂直面２Ｂａと下部垂直面２Ｂｄとの間に生じる隙間Ｖは凹部Ｓによって閉塞され、上部垂直面２Ｂｃと上部垂直面２Ｂｆとの間に生じる隙間Ｗは第１ステップカット２Ａの凸部Ｐにより閉塞されるため、ピストンリング１の内側から外側にガスが抜け出ることはない。
【００２２】
従って、シリンダの下方部で生じる高温ガスが、ピストンリング１の内側に流入し、次いでピストンリング１の外側に排出されて膨張シリンダの冷凍発生部側にガスリークすることはなくなり、冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００２３】
図５は、本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。基本的な構成は第１実施形態のものに類似している。
図５において１１はピストンリングであり、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とグラファイトを主成分として所定の大きさの欠環状に一体成形されたものである。このピストンリング１１は、欠環部に一対のステップカット１２が設けられている。
【００２４】
ステップカット１２はピストンリング１１の厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けてある。即ち、２組のうちの第１ステップカット１２Ａは、ピストンリング１１の摺動面１１ａ（外面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１１の軸線方向に沿う下部垂直面１２Ａａと、この下部垂直面１２Ａａに続いてピストンリング１１の円周方向に沿う中間水平面１２Ａｂと、この中間水平面１２Ａｂに続いてピストンリング１１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ａｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面１２Ａｄと、この下部垂直面１２Ａｄに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面１２Ａｅと、この中間水平面１２Ａｅに続いてピストンリング１１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ａｆとから構成されている。
【００２５】
２組のうちの第２ステップカット１２Ｂは、ピストンリング１１の非摺動面１１ｂ（内面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１１の軸線方向に沿う下部垂直面１２Ｂａと、この下部垂直面１２Ｂａに続いてピストンリング１１の円周方向に沿う中間水平面１２Ｂｂと、この中間水平面１２Ｂｂに続いてピストンリング１１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ｂｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面１２Ｂｄと、この下部垂直面１２Ｂｄに続いてピストンリング１１の円周方向に沿う中間水平面１２Ｂｅと、この中間水平面１２Ｂｅに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ｂｆとから構成されている。
【００２６】
この第２実施形態においては、第１ステップカット１２Ａの下部垂直面１２Ａｄの厚さ（横幅）、及び第２ステップカット１２Ｂの上部垂直面１２Ｂｃの厚さ（横幅）をそれぞれピストンリング１１の厚さの１／２未満、この場合はほぼ１／３（厚さが薄くなるほど欠け易くなるため、１／３以上で１／２未満の範囲内であることが好ましい）に設定することで、第１ステップカット１２Ａの中間水平面１２Ａｂと第２ステップカット１２Ｂの中間水平面１２Ｂｂ、及び第１ステップカット１２Ａの中間水平面１２Ａｅと第２ステップカット１２Ｂｅをそれぞれ連結した構成に特徴を有する。
【００２７】
このように構成されたピストンリング１１を、図示しないスターリング冷凍機の膨張部ピストンの凹溝内に装着すると、ステップカット１２における２組のステップカット１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ凹凸嵌合して環状のピストンリングとなる。即ち、第１ステップカット１２Ａの凸部１Ｐは凹部１Ｒに嵌まり込み、第２ステップカット１２Ｂの凸部１Ｑは凹部１Ｓに嵌まり込む。図６（ａ）はステップカット１２を組み合わせた状態でのピストンリング１１の平面図を示し、図６（ｂ）は正面図を示している。尚、ピストンの凹溝は軸線方向に沿って３本並設され、これら３本の凹溝にピストンリング１１をそれぞれ装着する。
【００２８】
本実施形態においても、スターリング冷凍機の運転時には、ピストンリング１１の熱膨張によりステップカット１２における２組のステップカット１２Ａ、１２Ｂの合口隙間がいずれもゼロになるように予め設計されている。従って、第１ステップカット１２Ａでは、下部垂直面１２Ａａと下部垂直面１２Ａｄとが面接触し、上部垂直面１２Ａｃと上部垂直面１２Ａｆとが面接触している。第２ステップカット２Ｂも同様に、下部垂直面１２Ｂａと下部垂直面１２Ｂｄとが面接触し、上部垂直面１２Ｂｃと上部垂直面１２Ｂｆとが面接触する。尚、連結した一方の中間水平面１２Ａｂと中間水平面１２Ｂｂは、連結した他方の中間水平面１２Ａｅと中間水平面１２Ｂｅに面接触する。
【００２９】
スターリング冷凍機の長期間運転によってピストンリング１１の摺動面１１ａが磨耗すると、ピストンリング１１が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。このピストンリング１１の押し出しは、凹溝の底部に存在するガス（凹溝とピストンリングとの僅かな隙間から凹溝内に侵入）の膨張圧力が作用することによる。磨耗に伴ってピストンリング１１が押し出されると、ピストンリング１１の摺動面１１ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、ピストンリング１１の内径が拡大することからステップカット１２における２組のステップカット１２Ａ、１２Ｂの合口に隙間が生じる。
【００３０】
図７はステップカット１２Ａ、１２Ｂの合口に隙間が生じた状態を示している。第１ステップカット１２Ａにおいて、下部垂直面１２Ａａと下部垂直面１２Ａｄとが離れて隙間１Ｔが生じ、上部垂直面１２Ａｃと上部垂直面１２Ａｆとが離れて隙間１Ｕが生じる。しかしながら、隙間１Ｔに対しては、第２ステップカット１２Ｂの凸部１Ｑが凹部１Ｓに嵌まり込んでおり、しかも凸部１Ｑは前記ガス膨張圧力によって内側から外側に向けて押圧されて第１ステップカット１２Ａ側に密着している。これにより、隙間１Ｔは凸部１Ｑにより閉塞されることとなり、高温ガスが隙間１Ｔからピストンリング１１の内側に入り込むことはない。又、隙間１Ｕに対しては、凹部１Ｒの垂直面が凸部１Ｐの内側面に密着しており、隙間１Ｕが凹部１Ｒにより閉塞されることから高温ガスの流入を防止することができる。
【００３１】
第２ステップカット１２Ｂにおいても同様に、下部垂直面１２Ｂａと下部垂直面１２Ｂｄとの間に生じる隙間１Ｖは凹部１Ｓによって閉塞され、上部垂直面１２Ｂｃと上部垂直面１２Ｂｆとの間に生じる隙間１Ｗは第１ステップカット１２Ａの凸部１Ｐにより閉塞されるため、ピストンリング１１の内側から外側にガスが抜け出ることはない。
【００３２】
本実施形態では、前記のように連結した一方の中間水平面１２Ａｂと中間水平面１２Ｂｂは、連結した他方の中間水平面１２Ａｅと中間水平面１２Ｂｅに面接触する。上記第１実施形態では、中間水平面２Ａｂと中間水平面２Ｂｂとは分断され、中間水平面２Ａｅと中間水平面２Ｂｅも分断されているため、凸部Ｐと凸部Ｑとは線接触であったが、本実施形態では、凸部１Ｐと凸部１Ｑとは一部面接触となる。即ち、凸部１Ｐの下面と凸部１Ｑの下面とが一部面接触で接合することになる。これにより、本実施形態の場合は、第１実施形態に比して高温ガスのリーク作用が向上する。
【００３３】
従って、シリンダの下方部で生じる高温ガスが、ピストンリング１１の内側に流入し、次いでピストンリング１１の外側に排出されて膨張シリンダの冷凍発生部側にガスリークすることはなくなり、冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００３４】
尚、上記実施形態はいずれもスターリング冷凍機の膨張部ピストンに装着する例で説明したが、本発明のピストンリングはスターリング冷凍機の圧縮部ピストンに装着することもでき、更にスターリング冷凍機以外の機器や装置のピストンに装着することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る請求項１によれば、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、ピストンリングの厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けたので、ピストンリングの摺動面が磨耗してステップカットに隙間が生じても、互いに入り組んだステップカット構造により隙間を閉塞することができる。これにより、スターリング冷凍機の膨張部ピストンに装着すると、高温ガスが冷凍発生部にリークするのを防止して冷凍性能の劣化を防ぐ効果を奏する。
【００３６】
又、本発明に係る請求項２によれば、前記２組のステップカットは、ピストンリングの軸線方向に沿う下部垂直面と、この下部垂直面に続いてピストンリングの円周方向に沿う中間水平面と、この中間水平面に続いてピストンリングの軸線方向に沿う上部垂直面とをそれぞれ備えており、比較的簡単な構造であるためステップカットを低コストで一体成形することができる。
【００３７】
更に、本発明に係る請求項３によれば、前記２組のステップカットにおいて、上部垂直面の厚さをピストンリングの厚さの１／２未満に設定することにより２組のステップカットの中間水平面を連結させたので、面接触によるステップカット相互の接合面積を増大させることができ、これによりガスバリアー効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図２】第１実施形態におけるステップカットを組み合わせた状態を示すもので、（ａ）はピストンリングの平面図、（ｂ）はピストンリングの正面図である。
【図３】第１実施形態におけるステップカットの合口に隙間が生じた状態を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態におけるステップカット長さを計算する場合の参考図である。
【図５】本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図６】第２実施形態におけるステップカットを組み合わせた状態を示すもので、（ａ）はピストンリングの平面図、（ｂ）はピストンリングの正面図である。
【図７】第２実施形態におけるステップカットの合口に隙間が生じた状態を示す斜視図である。
【図８】従来例におけるスターリング冷凍機の膨張部ピストンにピストンリングを装着した状態を示す斜視図である。
【図９】従来例におけるピストンリングを示す斜視図である。
【図１０】従来例におけるピストンリングに合口隙間が生じた状態を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１…ピストンリング
２…ステップカット
２Ａ…第１ステップカット
２Ａａ、２Ａｄ…下部垂直面
２Ａｂ、２Ａｅ…中間水平面
２Ａｃ、２Ａｆ…上部垂直面
２Ｂ…第２ステップカット
２Ｂａ、２Ｂｄ…下部垂直面
２Ｂｂ、２Ｂｅ…中間水平面
２Ｂｃ、２Ｂｆ…上部垂直面
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリングに係るもので、特にスターリング冷凍機のピストンに装着するのに適したピストンリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス圧縮機等のピントンにはピストンリングを装着し、ピストンの動きに伴ってピストンとシリンダとの間からガスリークが生じないように気密保持している。例えば、スターリング冷凍機の膨張部ピストンに用いられるピストンリングは、図８に示すようにピストンＡの下部に設けられた複数の凹溝Ｂ内にピストンリングＣをそれぞれ装着している。そして、ピストンリングＣは凹溝Ｂに装着しやすいように、例えば図９に示すように一部に凸部Ｄと凹部Ｅを有する一対のステップカットＦが設けられている。このピストンリングＣを凹溝Ｂに装着すると、一対のステップカットＦが凹凸嵌合により互いに組み合って環状となる。ステップカットＦはスターリング冷凍機運転時にピストンリングＣの合口Ｇ（凸部Ｄと凹部Ｅの突合せ接合部）の隙間がゼロになるように設計されている。尚、スターリング冷凍機の一例としては、特開平１１−３３７２０８号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のスターリング冷凍機において、長期間にわたる運転によりピストンリングＣの摺動面即ちシリンダの内壁に接触する外周面が磨耗すると、ピストンリングＣは徐々に凹溝Ｂから外側にせり出してくる。その結果として、図１０のようにピストンリングＣの内径が拡大してステップカットＦの合口Ｇに隙間Ｈが発生し、シリンダの下方部で生じる高温ガスが下部の合口隙間からピストンリングＣの内側に流入すると共に、上部の合口隙間から外側に排出され、これが複数のピストンリングＣで連鎖的に生じ、更にピストンＡとシリンダ（図略）とのわずかな隙間を通って冷凍発生部（ピストンＡの上方部）にガスリークする。このような冷凍発生部への高温ガスリークは、熱ロスによる冷凍性能の劣化を招く。
【０００４】
本発明は、上記のようなガスリークを防止するためになされ、スターリング冷凍機の長期間の運転によりピストンリングの摺動面に磨耗が生じても高温ガスが冷凍発生部へリークしないようにしたピストンリングを提供することを目的とする。
【０００５】
この目的を達成すべく本発明者らは鋭意研究した結果、ピストンリングのステップカットの構造に工夫を施すことによりガスリークを防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、ピストンリングの厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けたことを特徴とする。
【０００７】
又、請求項２の発明は、前記２組のステップカットは、ピストンリングの軸線方向に沿う下部垂直面と、この下部垂直面に続いてピストンリングの円周方向に沿う中間水平面と、この中間水平面に続いてピストンリングの軸線方向に沿う上部垂直面とをそれぞれ備えていることを特徴とする。
【０００８】
更に、請求項３の発明は、前記２組のステップカットにおいて、上部垂直面の厚さをピストンリングの厚さの１／２未満に設定することにより２組のステップカットの中間水平面を連結させたことを特徴とする。
【０００９】
本発明では、ピストンリングのステップカットを２組設けて交互に入り組む構造としたので、ピストンリングの摺動面が磨耗して徐々に合口に隙間が生じても、高温ガスはピストンリングの内側に流入しないので、冷凍発生部へのガスリークを防止して熱ロスによる冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るピストンリングの実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【００１１】
図１において、１はピストンリングであり、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とグラファイトを主成分として所定の大きさの欠環状に一体成形されたものである。このピストンリング１は、欠環部に一対のステップカット２が設けられている。
【００１２】
この場合、ステップカット２はピストンリング１の厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けてある。即ち、２組のうちの第１ステップカット２Ａは、ピストンリング１の摺動面１ａ（外面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１の軸線方向に沿う下部垂直面２Ａａと、この下部垂直面２Ａａに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ａｂと、この中間水平面２Ａｂに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ａｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面２Ａｄと、この下部垂直面２Ａｄに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ａｅと、この中間水平面２Ａｅに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ａｆとから構成されている。
【００１３】
又、２組のうちの第２ステップカット２Ｂは、ピストンリング１の非摺動面１ｂ（内面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１の軸線方向に沿う下部垂直面２Ｂａと、この下部垂直面２Ｂａに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ｂｂと、この中間水平面２Ｂｂに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ｂｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面２Ｂｄと、この下部垂直面２Ｂｄに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面２Ｂｅと、この中間水平面２Ｂｅに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面２Ｂｆとから構成されている。
【００１４】
これにより、第１ステップカット２Ａと第２ステップカット２Ｂとは、ピストンリング１の厚みのほぼ１／２であって厚みの中央を境として背中合わせ状態となり、一対のステップカット２は相反方向に突出する凸部Ｐ、Ｑを備えると共に、これらの凸部Ｐ、Ｑが嵌まり込む凹部Ｒ、Ｓを備えた形態となる。
【００１５】
凸部Ｐ、Ｑはそれぞれピストンリング１の高さのほぼ１／２の高さを有し、張り出し長さは下記計算式により設定する。
ｓ＝π（Ｄｓ−Ｄ０′） …（１）
ｅ＞ｓ＋ｔ＝π（Ｄｓ−Ｄ０′）＋ｈ／２ …（２）
ここで、Ｄ０：初期ピストンリング外径
ｈ：ピストンリング高さ
ｅ：張り出し長さ（ステップカット長さ）
ｓ：合口隙間
ｔ：ステップカット重なり部長さ
Ｄ０′：磨耗後のピストンリング外径
Ｄｓ：シリンダの内径
【００１６】
図４のようにピストンリング１の摺動面１ａが磨耗して合口隙間が広がっても、最低限必要なステップカット重なり部の寸法をｈ／２とする。そして、例えば次のような寸法の場合を例にとって計算する。
Ｄ０＝４９．９ｍｍ
ｈ＝５ｍｍ
Ｄ０′＝４８．９ｍｍ
Ｄｓ＝５０．０ｍｍ
初期ピストンリングの内径は４３．９ｍｍであり、磨耗量は０．５ｍｍである。これらの数値を上記（１）、（２）式に代入すると、
ｅ＞ｓ＋ｔ＝π（Ｄｓ−Ｄ０′）＋ｈ／２＝５．９６
となり、ステップカットの張り出し長さは６ｍｍ程度が望ましい。
ステップカット部をむやみに長くすると、ピストンリングの成形・加工が困難になると共に、シール性が完全ではないステップカット重なり部が増加することから、ピストンリングのとしての性能を損なう。従って、必要最小限のステップカット部長さにすることが望ましい。
【００１７】
このように構成されたピストンリング１を、図示しないスターリング冷凍機の膨張部ピストンの凹溝内に装着すると、ステップカット２における２組のステップカット２Ａ、２Ｂがそれぞれ凹凸嵌合して環状のピストンリングとなる。即ち、第１ステップカット２Ａの凸部Ｐは凹部Ｒに嵌まり込み、第２ステップカット２Ｂの凸部Ｑは凹部Ｓに嵌まり込む。図２（ａ）はステップカット２を組み合わせた状態でのピストンリング１の平面図を示し、図２（ｂ）は正面図を示している。尚、ピストンの凹溝は軸線方向に沿って３本並設され、これら３本の凹溝にピストンリング１をそれぞれ装着する。
【００１８】
スターリング冷凍機の運転時には、ピストンリング１の熱膨張によりステップカット２における２組のステップカット２Ａ、２Ｂの合口隙間がいずれもゼロになるように予め設計されている。従って、第１ステップカット２Ａでは、下部垂直面２Ａａと下部垂直面２Ａｄとが面接触し、上部垂直面２Ａｃと上部垂直面２Ａｆとが面接触している。尚、中間水平面２Ａｂと中間水平面２Ａｅも面接触する。第２ステップカット２Ｂも同様に、下部垂直面２Ｂａと下部垂直面２Ｂｄとが面接触し、上部垂直面２Ｂｃと上部垂直面２Ｂｆとが面接触し、中間水平面２Ｂｂと中間水平面２Ｂｅも面接触する。
【００１９】
スターリング冷凍機の長期間運転によってピストンリング１の摺動面１ａが磨耗すると、ピストンリング１が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。このピストンリング１の押し出しは、凹溝の底部に存在するガス（凹溝とピストンリングとの僅かな隙間から凹溝内に流入）の膨張圧力が作用することによる。磨耗に伴ってピストンリング１が押し出されると、ピストンリング１の摺動面１ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、ピストンリング１の内径が拡大することからステップカット２における２組のステップカット２Ａ、２Ｂの合口に隙間が生じる。
【００２０】
図３はステップカット２Ａ、２Ｂの合口に隙間が生じた状態を示している。第１ステップカット２Ａにおいて、下部垂直面２Ａａと下部垂直面２Ａｄとが離れて隙間Ｔが生じ、上部垂直面２Ａｃと上部垂直面２Ａｆとが離れて隙間Ｕが生じる。しかしながら、隙間Ｔに対しては、第２ステップカット２Ｂの凸部Ｑが凹部Ｓに嵌まり込んでおり、しかも凸部Ｑは前記ガス膨張圧力によって内側から外側に向けて押圧されて第１ステップカット２Ａ側に密着している。これにより、隙間Ｔは凸部Ｑにより閉塞されることとなり、高温ガスが隙間Ｔからピストンリング１の内側に入り込むことはない。又、隙間Ｕに対しては、凹部Ｒの垂直面が凸部Ｐの内側面に密着しており、隙間Ｕが凹部Ｒにより閉塞されることから高温ガスの流入を防止することができる。中間水平面２Ａｂと中間水平面２Ａｅとが密着していることも、高温ガスの流入防止に寄与している。
【００２１】
一方、第２ステップカット２Ｂにおいても同様に、下部垂直面２Ｂａと下部垂直面２Ｂｄとの間に生じる隙間Ｖは凹部Ｓによって閉塞され、上部垂直面２Ｂｃと上部垂直面２Ｂｆとの間に生じる隙間Ｗは第１ステップカット２Ａの凸部Ｐにより閉塞されるため、ピストンリング１の内側から外側にガスが抜け出ることはない。
【００２２】
従って、シリンダの下方部で生じる高温ガスが、ピストンリング１の内側に流入し、次いでピストンリング１の外側に排出されて膨張シリンダの冷凍発生部側にガスリークすることはなくなり、冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００２３】
図５は、本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。基本的な構成は第１実施形態のものに類似している。
図５において１１はピストンリングであり、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とグラファイトを主成分として所定の大きさの欠環状に一体成形されたものである。このピストンリング１１は、欠環部に一対のステップカット１２が設けられている。
【００２４】
ステップカット１２はピストンリング１１の厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けてある。即ち、２組のうちの第１ステップカット１２Ａは、ピストンリング１１の摺動面１１ａ（外面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１１の軸線方向に沿う下部垂直面１２Ａａと、この下部垂直面１２Ａａに続いてピストンリング１１の円周方向に沿う中間水平面１２Ａｂと、この中間水平面１２Ａｂに続いてピストンリング１１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ａｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面１２Ａｄと、この下部垂直面１２Ａｄに続いてピストンリング１の円周方向に沿う中間水平面１２Ａｅと、この中間水平面１２Ａｅに続いてピストンリング１１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ａｆとから構成されている。
【００２５】
２組のうちの第２ステップカット１２Ｂは、ピストンリング１１の非摺動面１１ｂ（内面）寄りに設けられ、欠環部の一方の端部に設けられたピストンリング１１の軸線方向に沿う下部垂直面１２Ｂａと、この下部垂直面１２Ｂａに続いてピストンリング１１の円周方向に沿う中間水平面１２Ｂｂと、この中間水平面１２Ｂｂに続いてピストンリング１１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ｂｃ、及びこれらに対応するように他方の端部に設けられた下部垂直面１２Ｂｄと、この下部垂直面１２Ｂｄに続いてピストンリング１１の円周方向に沿う中間水平面１２Ｂｅと、この中間水平面１２Ｂｅに続いてピストンリング１の軸線方向に沿う上部垂直面１２Ｂｆとから構成されている。
【００２６】
この第２実施形態においては、第１ステップカット１２Ａの下部垂直面１２Ａｄの厚さ（横幅）、及び第２ステップカット１２Ｂの上部垂直面１２Ｂｃの厚さ（横幅）をそれぞれピストンリング１１の厚さの１／２未満、この場合はほぼ１／３（厚さが薄くなるほど欠け易くなるため、１／３以上で１／２未満の範囲内であることが好ましい）に設定することで、第１ステップカット１２Ａの中間水平面１２Ａｂと第２ステップカット１２Ｂの中間水平面１２Ｂｂ、及び第１ステップカット１２Ａの中間水平面１２Ａｅと第２ステップカット１２Ｂｅをそれぞれ連結した構成に特徴を有する。
【００２７】
このように構成されたピストンリング１１を、図示しないスターリング冷凍機の膨張部ピストンの凹溝内に装着すると、ステップカット１２における２組のステップカット１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ凹凸嵌合して環状のピストンリングとなる。即ち、第１ステップカット１２Ａの凸部１Ｐは凹部１Ｒに嵌まり込み、第２ステップカット１２Ｂの凸部１Ｑは凹部１Ｓに嵌まり込む。図６（ａ）はステップカット１２を組み合わせた状態でのピストンリング１１の平面図を示し、図６（ｂ）は正面図を示している。尚、ピストンの凹溝は軸線方向に沿って３本並設され、これら３本の凹溝にピストンリング１１をそれぞれ装着する。
【００２８】
本実施形態においても、スターリング冷凍機の運転時には、ピストンリング１１の熱膨張によりステップカット１２における２組のステップカット１２Ａ、１２Ｂの合口隙間がいずれもゼロになるように予め設計されている。従って、第１ステップカット１２Ａでは、下部垂直面１２Ａａと下部垂直面１２Ａｄとが面接触し、上部垂直面１２Ａｃと上部垂直面１２Ａｆとが面接触している。第２ステップカット２Ｂも同様に、下部垂直面１２Ｂａと下部垂直面１２Ｂｄとが面接触し、上部垂直面１２Ｂｃと上部垂直面１２Ｂｆとが面接触する。尚、連結した一方の中間水平面１２Ａｂと中間水平面１２Ｂｂは、連結した他方の中間水平面１２Ａｅと中間水平面１２Ｂｅに面接触する。
【００２９】
スターリング冷凍機の長期間運転によってピストンリング１１の摺動面１１ａが磨耗すると、ピストンリング１１が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。このピストンリング１１の押し出しは、凹溝の底部に存在するガス（凹溝とピストンリングとの僅かな隙間から凹溝内に侵入）の膨張圧力が作用することによる。磨耗に伴ってピストンリング１１が押し出されると、ピストンリング１１の摺動面１１ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、ピストンリング１１の内径が拡大することからステップカット１２における２組のステップカット１２Ａ、１２Ｂの合口に隙間が生じる。
【００３０】
図７はステップカット１２Ａ、１２Ｂの合口に隙間が生じた状態を示している。第１ステップカット１２Ａにおいて、下部垂直面１２Ａａと下部垂直面１２Ａｄとが離れて隙間１Ｔが生じ、上部垂直面１２Ａｃと上部垂直面１２Ａｆとが離れて隙間１Ｕが生じる。しかしながら、隙間１Ｔに対しては、第２ステップカット１２Ｂの凸部１Ｑが凹部１Ｓに嵌まり込んでおり、しかも凸部１Ｑは前記ガス膨張圧力によって内側から外側に向けて押圧されて第１ステップカット１２Ａ側に密着している。これにより、隙間１Ｔは凸部１Ｑにより閉塞されることとなり、高温ガスが隙間１Ｔからピストンリング１１の内側に入り込むことはない。又、隙間１Ｕに対しては、凹部１Ｒの垂直面が凸部１Ｐの内側面に密着しており、隙間１Ｕが凹部１Ｒにより閉塞されることから高温ガスの流入を防止することができる。
【００３１】
第２ステップカット１２Ｂにおいても同様に、下部垂直面１２Ｂａと下部垂直面１２Ｂｄとの間に生じる隙間１Ｖは凹部１Ｓによって閉塞され、上部垂直面１２Ｂｃと上部垂直面１２Ｂｆとの間に生じる隙間１Ｗは第１ステップカット１２Ａの凸部１Ｐにより閉塞されるため、ピストンリング１１の内側から外側にガスが抜け出ることはない。
【００３２】
本実施形態では、前記のように連結した一方の中間水平面１２Ａｂと中間水平面１２Ｂｂは、連結した他方の中間水平面１２Ａｅと中間水平面１２Ｂｅに面接触する。上記第１実施形態では、中間水平面２Ａｂと中間水平面２Ｂｂとは分断され、中間水平面２Ａｅと中間水平面２Ｂｅも分断されているため、凸部Ｐと凸部Ｑとは線接触であったが、本実施形態では、凸部１Ｐと凸部１Ｑとは一部面接触となる。即ち、凸部１Ｐの下面と凸部１Ｑの下面とが一部面接触で接合することになる。これにより、本実施形態の場合は、第１実施形態に比して高温ガスのリーク作用が向上する。
【００３３】
従って、シリンダの下方部で生じる高温ガスが、ピストンリング１１の内側に流入し、次いでピストンリング１１の外側に排出されて膨張シリンダの冷凍発生部側にガスリークすることはなくなり、冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００３４】
尚、上記実施形態はいずれもスターリング冷凍機の膨張部ピストンに装着する例で説明したが、本発明のピストンリングはスターリング冷凍機の圧縮部ピストンに装着することもでき、更にスターリング冷凍機以外の機器や装置のピストンに装着することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る請求項１によれば、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、ピストンリングの厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けたので、ピストンリングの摺動面が磨耗してステップカットに隙間が生じても、互いに入り組んだステップカット構造により隙間を閉塞することができる。これにより、スターリング冷凍機の膨張部ピストンに装着すると、高温ガスが冷凍発生部にリークするのを防止して冷凍性能の劣化を防ぐ効果を奏する。
【００３６】
又、本発明に係る請求項２によれば、前記２組のステップカットは、ピストンリングの軸線方向に沿う下部垂直面と、この下部垂直面に続いてピストンリングの円周方向に沿う中間水平面と、この中間水平面に続いてピストンリングの軸線方向に沿う上部垂直面とをそれぞれ備えており、比較的簡単な構造であるためステップカットを低コストで一体成形することができる。
【００３７】
更に、本発明に係る請求項３によれば、前記２組のステップカットにおいて、上部垂直面の厚さをピストンリングの厚さの１／２未満に設定することにより２組のステップカットの中間水平面を連結させたので、面接触によるステップカット相互の接合面積を増大させることができ、これによりガスバリアー効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図２】第１実施形態におけるステップカットを組み合わせた状態を示すもので、（ａ）はピストンリングの平面図、（ｂ）はピストンリングの正面図である。
【図３】第１実施形態におけるステップカットの合口に隙間が生じた状態を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態におけるステップカット長さを計算する場合の参考図である。
【図５】本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図６】第２実施形態におけるステップカットを組み合わせた状態を示すもので、（ａ）はピストンリングの平面図、（ｂ）はピストンリングの正面図である。
【図７】第２実施形態におけるステップカットの合口に隙間が生じた状態を示す斜視図である。
【図８】従来例におけるスターリング冷凍機の膨張部ピストンにピストンリングを装着した状態を示す斜視図である。
【図９】従来例におけるピストンリングを示す斜視図である。
【図１０】従来例におけるピストンリングに合口隙間が生じた状態を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１…ピストンリング
２…ステップカット
２Ａ…第１ステップカット
２Ａａ、２Ａｄ…下部垂直面
２Ａｂ、２Ａｅ…中間水平面
２Ａｃ、２Ａｆ…上部垂直面
２Ｂ…第２ステップカット
２Ｂａ、２Ｂｄ…下部垂直面
２Ｂｂ、２Ｂｅ…中間水平面
２Ｂｃ、２Ｂｆ…上部垂直面
Claims (3)
- ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、ピストンリングの厚さ方向に沿って且つピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして２組設けたことを特徴とするピストンリング。
- 前記２組のステップカットは、ピストンリングの軸線方向に沿う下部垂直面と、この下部垂直面に続いてピストンリングの円周方向に沿う中間水平面と、この中間水平面に続いてピストンリングの軸線方向に沿う上部垂直面とをそれぞれ備えていることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
- 前記２組のステップカットにおいて、上部垂直面の厚さをピストンリングの厚さの１／２未満に設定することにより２組のステップカットの中間水平面を連結させたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のピストンリング。
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