JP2005083578A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】両部分リングの均等な消耗が、比重の軽いガスおよび高い圧縮終圧の場合でも全耐用期間にわたって不変の良好なシール作用のもとで、簡単でかつ運転確実な形式で保証されることができるようなツイン・ピストンリングを提供する。
【解決手段】第１の部分リングのＬ字形の横断面に嵌め込まれた第２の部分リングが、ピストンリングの圧力側に配置されていて、第１の部分リングに加工成形された溝内において第１の部分リングの所属の突合せ箇所を圧力側でかつ軸線に近い内側で覆っているそれぞれ１つのノーズを備えているようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は、ピストンリング、特に比重の軽いガスのための行程ピストン・コンプレッサのためのピストンリングであって、当該ピストンリングが、同心的な２つの部分リングから成っており、両部分リングが、少なくともそれぞれ１つの突合せ箇所を備えており、第１の部分リングが、ほぼＬ字形の横断面を有しており、該横断面が、内側で軸線の方向に延びている第１の脚と、該脚に対して垂直に外向きに延びている第２の脚とを備えており、第２の部分リングが、第１の部分リングのＬ字形の横断面で見て方形もしくは正方形に欠けている部分にほぼ対応する横断面を有していて、第１の部分リングの突合せ箇所に対して周方向で回動させられた突合せ箇所を備えてピストンとシリンダとの間のギャップをシールしながら第１の部分リングに嵌め込まれている形式のものに関する。

ツイン・ピストンリング（TWIN-Kolbenring）としても公知の前記形式の構成部材は、かなり以前から（例えばイギリス特許第１２２２６０９号明細書に基づいて）公知であり、特に、例えば水素のような極めて軽いガスを極めて高い終圧に圧縮する場合に使用されている。この場合、漏れをできるだけ少なく維持するために、極めて高いシール作用を有するシールエレメントが使用されている。前記シール作用は、前記形式のツイン・ピストンリングにおいて、有利には、連続的に一貫したギャップまたは突合せ部が生じないように記載のように両部分リングが互いに係合させられることによって達成可能である。しかしながら特に、無潤滑（trockenlaufend）の、自滑性のプラスチックリングの場合、両部分リングに生じる不均等な摩耗は、１つの問題である。なぜならばこの場合、両部分リングはもはや完全には重ならず、ギャップを生ぜしめ、特に極めて軽いガスの場合には前記ギャップを通って高圧下で多量の漏れガス量が流れ、これにより、前記のようにシールされた無潤滑コンプレッサの圧送量率が著しく悪化させられるからである。この場合、さらに、とりわけシールする側で使用される方形リング（Rechteckring）が、ピストンとシリンダとの間の、設計上前提とされるギャップ内に押し出されることが不利である。

上記の問題に対処するために、例えば国際公開第９７／１９２８０Ａ１号パンフレットまたはヨーロッパ特許出願公開第１２７５８８８号明細書に基づいて、ツイン・ピストンリングの両部分リング間の当付け面を、両部分リングが半径方向で形状接続的（formschluessig）に連結されるように形成し、これにより運転中に両部分リングの均等な摩耗が生じ、しかも両部分リング間の不密部の発生ができるだけ防止されるようにすることが公知である。しかしながら、ツイン・ピストンリングのこの構成では、両部分リング間の、ほぼ半径方向に向けられた当付け面の比較的複雑な構成と、ひいては汚損および摩損時にこの領域にまたもや生じるシール問題および耐用年数問題とが、不利である。
イギリス特許第１２２２６０９号明細書 国際公開第９７／１９２８０Ａ１号パンフレット ヨーロッパ特許出願公開第１２７５８８８号明細書

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のツイン・ピストンリングを改良して、前記のような公知の配置形式の前記欠点が回避され、かつ特に、両部分リングの均等な消耗が、比重の軽いガスおよび高い圧縮終圧の場合でも全耐用期間にわたって不変の良好なシール作用のもとで、簡単でかつ運転確実な形式で保証されることができるようなツイン・ピストンリングを提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、第１の部分リングのＬ字形の横断面に嵌め込まれた第２の部分リングが、ピストンリングの圧力側に配置されていて、第１の部分リングに加工成形された溝内において第１の部分リングの所属の突合せ箇所を圧力側でかつ軸線に近い内側で覆っているそれぞれ１つのノーズを備えているようにした。

したがって本発明は、例えばイギリス特許第１２２２６０９号明細書に基づいて公知の、冒頭に述べた形式のツイン・ピストンリングの自体公知の使用から出発しており、この使用では、前記形式のリングが絞りリングとして使用され、しかも嵌め込まれた部分リングが圧力側に装着されている（つまり、全ツイン・ピストンリングは向きを逆さまにして使用される）。しかしながらこの場合、Ｌリングの突合せ箇所の領域に、−この事例では好ましい−不密部が生ぜしめられ、この不密部を介して、相前後して配置された前記形式の相応に多くの絞りリングにおいて、コントロールして減圧することが可能であるかもしくは減圧したい圧力を全てのリングにコントロールして分配することが可能である。当該使用事例では好ましくない前記不密部を排除するために、本発明によれば、記載のノーズが、圧力側に向けられた、嵌め込まれた部分リングに形成されており、前記ノーズが、第１の部分リングの突合せ箇所を圧力側および内側で覆っていて、ひいては前記形式のツイン・ピストンリングの前記問題を簡単な形式で排除している。さらに、両部分リングの、協働する当付け面は、単純に形成されていて、ひいては簡単に製作されることもできる。これにより、制作費が低減されるにもかかわらず、不変に良好なシール作用もしくは不変に僅かな漏れのもとで長い耐用年数が保証される。

本発明の特別に有利な別の実施態様では、第２の部分リングが、第１の部分リングに対するその当付け面に、圧力補償溝を備えていることが考えられている。本発明によるツイン・ピストンリングは圧力負荷下で、Ｌ字形の横断面を備えた第１の部分リングが、嵌め込まれた第２の部分リングを連行するように作業し、これにより、両リングは均等に磨耗する。第２の部分リングにおける前記圧力補償溝によって、第２の部分リングは「圧力補償され」、これにより、摩擦および磨耗が総じてリング幅・比に相応して最小化される。

より高い圧力で使用するために、本発明による原則的な構成によればそれ自体としては「複動式」（doppeltwirkend）のツイン・ピストンリングを「単動式」（einfachwirkend）のツイン・ピストンリングに変えるために、本発明のさらに有利な実施態様では、両部分リングに、圧力側の端面において、ほぼ半径方向に向けられた放圧溝が配置されていてよい。これにより、蓄えられた（eingespannt）圧力が圧力変化に際して放圧される。

第２の部分リングのノーズの領域における不均等な磨耗を予防するために、本発明のさらに有利な実施態様では、前記領域に圧力補償孔が配置されることができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図面に部分的に概略的に示した実施例を用いて詳しく説明する。

図１には、例えばイギリス特許第１２２２６０９号明細書に基づき公知の公知先行技術によるツイン・ピストンリングを示してある。第１の部分リング１（Ｌリングまたはアングルリング）は、嵌め込まれた第２の部分リングと一緒に、ピストン４の溝３内に配置されている。両部分リング１，２は、（図７に示した突合せ箇所５，６を備えて）一体的にかまたは−とりわけ小さいピストン直径もしくは破断の恐れのある材料の場合には−２つの部分から構成されていてよい。Ｌ字形の第１の部分リングは圧力側に装着されていて、嵌め込まれた第２の部分リングと一緒にピストン４をシールしている。両部分リング１，２は（ここでは図示しないが例えば前記イギリス特許第１２２２６０９号明細書に基づき公知であるように）、ピンまたはノーズによって回動を防止される。このために、前記突合せ箇所はそれぞれ相互にシールされ合う。（図１〜図６による図示において、両部分リング１，２間のギャップと、同じく図で見て右側で両部分リング１，２と溝３の壁との間のギャップと、両部分リング１，２とシリンダ７との間に形成されたギャップとは、単に図解のためにもしくは誇張して大きく示してあることを、顧慮されたい。）
圧力側（矢印１２）からギャップ８，９，１０を通って作用する圧力負荷に基づいて、填込みリング（第２の部分リング２）は、総じて、Ｌリング（第１の部分リング１）よりも強く負荷され、したがってより強く摩耗する。さらに、嵌め込まれた第２の部分リング２は、ピストン４とシリンダ７との間のギャップ１１において、（ギャップ１１内へ）押し出されるように負荷されている。この問題性に基づいて、前記のような公知のツイン・ピストンリングには、特に小さいシリンダ直径および軽いガスと一緒の使用に際して、ピストンリングの耐用年数に関する問題が繰り返し確認される。

例えばヨーロッパ特許出願公開第１２７５８８８号明細書に基づき公知の、図２による構成では、嵌め込まれた第２の部分リング２はノーズ１３で、やはりほぼＬ字形の第１の部分リング１の溝１４に係合している。これにより、摩耗はほぼ均等に両部分リング１，２に分配され、より長い寿命が達成される。この他の点では、図示のピストンリングの機能は、図１によるピストンリングの機能とほぼ同じである。

図３には、図１によるツイン・ピストンリングの既に公知の使用状態を示してある。この場合、嵌め込まれた第２の部分リング２は、圧力側（矢印１２）に装着されていて、したがって第１の部分リング１の突合せ箇所５（図３による断面図はこの突合せ箇所５を通って断面してある）をもはやシールしていない。つまり、図１によるツイン・ピストンリングをいわゆる絞りリングとしてこのように使用する場合（図２によるツイン・ピストンリングも、理論的に可能にかつ機能的に同じく使用されることができよう）、相前後して配置されたこのような形式の複数のピストンリングにわたって均等な減圧を可能にするための所望の不密部が生ぜしめられる。しかしながら、この組込み状態の使用は、常時、特殊な事例でしか有利ではない。なぜならば、部分リング１の突合せ箇所５を介した不密量は算出するのが困難であり、さらに、連続的な摩耗に基づいて絶えず変化するからである。

図４に示した、本発明による構成では、第１の部分リング１のＬ字形の横断面に嵌め込まれた第２の部分リング２は、（図３による構成に対応して）ピストンリングの圧力側（矢印１２）に配置されている。第２の部分リング２は、さらに、第１の部分リング１に加工成形された溝（図７における参照符号１７）内において第１の部分リング１の所属の突合せ箇所５（図４による断面図もやはりこの突合せ箇所５を通って断面してある）を圧力側（接触面１５）でかつ軸線に近い内側（接触面１６）で覆っているそれぞれ１つのノーズ１８を備えている。極めて簡単なこの形式で、第１の部分リング１の突合せ箇所５における不密部（図３参照）がシールされており、本発明によるツイン・ピストンリングは、この他の点では（図１の場合と同じように）簡単でかつ古典的な構造にもかかわらず、密である。本発明によるピストンリングは圧力負荷下で、Ｌ字形の第１の部分リング１が、シリンダ７とピストン４との間のギャップ１１内への押出しから守られた、嵌め込まれた第２の部分リング２を連行するように作業する。これにより、両部分リング１，２は均等に摩耗する。

この均等な摩耗をさらに減少できるようにするために、両部分リング１，２間の両当付け面１９，２０には、しかも有利にはこの領域における第２の部分リング２には、−図７にも示してあるように−圧力補償溝２１が設けられていてよい。この溝２１によって、嵌め込まれた第２の部分リング２は「圧力補償される」。この場合、Ｌ字形の第１の部分リング１は、嵌め込まれた第２の部分リング２を負荷下で引き続き連行するが、摩擦およびひいては摩耗は、リング幅比に相応して減少される。

これに対して図５には、前記のような圧力補償部なしの、本発明によるツイン・ピストンリングを示してある。Ｌ字形の第１の部分リング１は圧力側から圧力によって負荷され、これにより、第１の部分リング１の全軸方向幅にわたって、摩擦力が形成される。第１の部分リングと第２の部分リング２とは、摩擦力によって同様に負荷される。図６によれば、当付け面１９，２０の領域に圧力補償溝（図７における符号２１）が設けられている。これにより、Ｌ字形の第１の部分リング１は、圧力側から圧力によって負荷されるが、この場合、圧力補償溝２１を介して、嵌め込まれた第２の部分リング２の前方および後方で同じ圧力が形成され、ひいては第２の部分リング２が圧力補償されている。摩擦力と対向力とは、嵌め込まれた第２の部分リングの幅にわたって相殺され、この場合、Ｌ字形の第１の部分リング１においては、この部分リング１の摩擦面幅に相応した圧着力しか摩擦に対して有効な状態に保たれない。しかも、この押圧力の作用下でＬ字形の第１の部分リング１が嵌め込まれた第２の部分リング２を押圧するので、全摩耗面に対する減少された摩擦力によって、はるかに減少された摩耗しか生じない。

本発明による原則的な構成においてそれ自体としては複動式のピストンリングを、とりわけより高い圧力に対して好ましい単動式のピストンリングに変えるために、図７によれば、両部分リング１，２に、圧力側の端面２２において、ほぼ半径方向に向けられた放圧溝２３が配置される。これにより、蓄えられた圧力が圧力変化に際して放圧される。

図４だけに記号的に破線で示してあるように、第２の部分リング２のノーズ１８の領域には、圧力補償孔２４が配置されることもできる。この圧力補償孔２４によって、ノーズ１８の領域における不均等な摩耗が予防されることができる。この領域では、ツイン・ピストンリングのほぼ全周にわたって延びている圧力補償部は、これ以上延長されることができない。なぜならば、重なり領域で、圧力側とシールしたい側との間の接続部が生じる恐れがあるからである。このことによって、ノーズ１８の領域では、残りの周囲におけるような圧力補償は可能ではない。図示のような孔２４が状況によっては外周部における部分溝２５に接続されて設けられる場合、全リング幅に関して約２５％の圧力補償が得られる。

公知先行技術による組み込まれたツイン・ピストンリングの概略的な横断面図である。

公知先行技術による組み込まれたツイン・ピストンリングの概略的な横断面図である。

図１による組み込まれたツイン・ピストンリングを絞りリングとして公知のように使用した場合の概略的な横断面図である。

本発明によるツイン・ピストンリングの、図３による配置形式にほぼ対応する横断面図である。

圧力補償部なしの、図４に示した本発明によるピストンリングを（突き合わせ箇所から離れて断面して）示す図である。

圧力補償部を備えた、図４に示した本発明によるピストンリングを（突き合わせ箇所から離れて断面して）示す図である。

本発明によるピストンリングの（図４〜図６に示したものと同じような）実施形態を分解図で斜視図的に示す図である。

符号の説明

１，２ 部分リング、 ３ 溝、 ４ ピストン、 ５，６ 突合せ箇所、 ７ シリンダ、 ８，９，１０，１１ ギャップ、 １２ 圧力側、 １３ ノーズ、 １４ 溝、 １５，１６ 接触面、 １７ 溝、 １８ ノーズ、 １９，２０ 当付け面、 ２１ 圧力補償溝、 ２２ 端面、 ２３ 放圧溝、 ２４ 圧力補償孔、 ２５ 部分溝

Claims (4)

1. ピストンリング、特に比重の軽いガスのための行程ピストン・コンプレッサのためのピストンリングであって、当該ピストンリングが、同心的な２つの部分リング（１，２）から成っており、両部分リング（１，２）が、少なくともそれぞれ１つの突合せ箇所（５，６）を備えており、第１の部分リング（１）が、ほぼＬ字形の横断面を有しており、該横断面が、内側で軸線の方向に延びている第１の脚と、該脚に対して垂直に外向きに延びている第２の脚とを備えており、第２の部分リング（２）が、第１の部分リング（１）のＬ字形の横断面で見て方形もしくは正方形に欠けている部分にほぼ対応する横断面を有していて、第１の部分リング（１）の突合せ箇所（５）に対して周方向で回動させられた突合せ箇所（６）を備えてピストン（４）とシリンダ（７）との間のギャップ（８，１１）をシールしながら第１の部分リング（１）に嵌め込まれている形式のものにおいて、第１の部分リング（１）のＬ字形の横断面に嵌め込まれた第２の部分リング（２）が、ピストンリングの圧力側（１２）に配置されていて、第１の部分リング（１）に加工成形された溝（１７）内において第１の部分リング（１）の所属の突合せ箇所（５）を圧力側（１２，１５）でかつ軸線に近い内側（１６）で覆っているそれぞれ１つのノーズ（１８）を備えていることを特徴とするピストンリング。
2. 第２の部分リング（２）が、第１の部分リング（１）に対するその当付け面（１９，２０）に、圧力補償溝（２１）を備えている、請求項１記載のピストンリング。
3. 両部分リング（１，２）に、圧力側の端面（２２）において、ほぼ半径方向に向けられた放圧溝（２３）が配置されている、請求項１または２記載のピストンリング。
4. 第２の部分リング（２）のノーズ（１８）の領域に、圧力補償孔（２４）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストンリング。

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