JP2009085023A - シリンダへのピストンの組付け方法及び構造 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップとならずに、簡易な手段で、シリンダ内面とピストンリング外周面間の適正隙間範囲を維持し、これによって、圧縮機等の所期の性能を発揮させる。
【解決手段】外周面にピストンリングを装着したピストンをシリンダの内部に組み付けるシリンダ１へのピストンの組付け方法において、ピストン１５の外周面に刻設された環状溝１９の嵌合面２４に先端部が鋭角に形成され一定方向に向けて連続的に連なる突起２５を設け、樹脂製のピストンリング２０を環状溝１９に挿入して該突起の配置方向に沿って移動させることにより、ピストンリング２０の内側面２０ｂを該突起に食い込ませながら該ピストンリングを該環状溝の嵌合面に嵌合させ、シリンダ１に対してピストンリング２０を芯合わせしながら該シリンダの内部にピストン１５を装着することにより、ピストンリング２０の外周面２０ａとシリンダ内面１ａとの隙間を許容隙間範囲内とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内面と該シリンダの内部で往復動するピストンに装着されたピストンリングとの間の隙間を簡易な手段で許容範囲内に精度良く組み立て可能にしたシリンダへのピストンの組付け方法及びその組付け方法で組み付けられた構造に関する。

従来、往復動圧縮機等において、シリンダ内面と該シリンダ内を往復動するピストンの外周面と間には、シリンダ内面とピストン外周面間の隙間をシールするために、ピストン外周面に設けられた環状溝にピストンリングが装着されている。また、該隙間の寸法精度は、シリンダ内径、ピストンリングの内外径及びピストン外径の加工精度を上げることで、許容範囲に維持してきた。

しかし、シリンダ内径、ピストンリングの内外径及びピストン外径の加工精度を高く維持するためには、高価な加工設備と多くの加工工数を要し、コストアップとなる。一方、高コストの加工設備を使用しない場合には、シリンダ内面とピストンリング外周面間の隙間が適正隙間範囲から逸脱してしまう場合があった。これにより、シリンダ内に形成される圧縮室から圧縮ガスが漏れてしまい、そのため、圧縮機は所期の性能を発揮できなかった。
また、通常ピストンリングは樹脂製であるため、寸法精度にバラツキが大きく、その分、シリンダとピストンの加工精度を上げる必要があった。

特許文献１（特開昭５４−３６６１０号公報）には、ピストンリングが装着されるピストンの環状溝の嵌合面にＶ字形突起を形成した往復動圧縮機が開示されている。特許文献１の往復動圧縮機では、該Ｖ字形突起によりピストンリングをシリンダ内面に強く押し付けることで、シリンダ内面とピストン外周面間のシール性能を維持している。

特開昭５４−３６６１０号公報

前述のように、圧縮機の所期の性能を発揮させるために、シリンダ内面とピストンリング外周面間の適正隙間範囲を維持する必要がある。そのため、従来は、シリンダ、ピストンリング及びピストンの加工精度を上げる必要があり、コストアップとなっていた。
また、特許文献１は、シリンダ内面とピストンリング外周面との間の良好なシール性能の維持を目的としており、シリンダ内面とピストン外周面間の適正隙間範囲を維持するための手段は開示されていない。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、コストアップとならずに、簡易な手段で、シリンダ内面とピストンリング外周面間の適正隙間範囲を維持し、これによって、圧縮機等の所期の性能を発揮させることを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のシリンダへのピストンの組付け方法は、
外周面にピストンリングを装着したピストンをシリンダの内部に組み付けるシリンダへのピストンの組付け方法において、
前記ピストンの外周面に先端部が鋭角に形成され一定方向に向けて連続的に連なる突起を設け、
樹脂製のピストンリングを前記ピストンの外周面に挿入して該突起の配置方向に沿って移動させることにより、該ピストンリングの内周面を該突起に食い込ませながら該ピストンリングを該ピストンの外周面に嵌合させ、
前記シリンダに対して該ピストンリングを芯合わせしながら該シリンダの内部にピストンを装着することにより、ピストンリングの外周面とシリンダ内面との隙間を許容隙間範囲内とするものである。

また、本発明のシリンダへのピストンの組付け構造は、
外周面にピストンリングを嵌合したピストンをシリンダに組み付けるシリンダへのピストンの組付け構造において、
前記ピストンの外周面に突設され先端部が鋭角に形成され一定方向に向けて連続的に連なる突起と、
内側面を該突起に食い込ませながら該ピストンの外周面に嵌合された樹脂製のピストンリングと、を備え、
前記シリンダに対して該ピストンリングを芯合わせしながら該シリンダの内部にピストンを装着することにより、該ピストンリングの外周面とシリンダ内面との隙間を許容隙間範囲内としてなるものである。

本発明では、ピストンリングが装着されるピストンの外周面に、先端部が鋭角に形成され一定方向に向けて連続的に連なる突起を設けておく。そして、樹脂製のピストンリングを用い、該ピストンリングを該突起が設けられたピストン外周面に挿入して該突起の配置方向に沿って移動させることにより、該ピストンリングの内周面を該突起に食い込ませながら該ピストンリングをピストン外周面に嵌合させる。

このようにピストンリングをピストンに装着した後で、シリンダの軸線に対して該ピストンリングを芯合わせしながらシリンダの内部にピストンを装着する。こうして、該ピストンリングの外周面とシリンダ内面との隙間を許容隙間範囲内とすることができる。これによって、ピストン、ピストンリング、シリンダ間、特にピストンリング外周面とシリンダ内面間を適正隙間範囲内に維持することができる。

従って、圧縮機などでは、圧縮室内に形成された圧縮ガスがピストンリング外周面とシリンダ内面間から漏れることがなくなるので、所期の性能を維持することができる。また、ピストン、ピストン、及びシリンダの加工精度を上げる必要がないので、コストアップとならず、これら部材の隙間管理が容易になる。

本発明方法において、ピストンリングの外周面の寸法を精度良く形成するためには、円筒形をなす内周面がシリンダの内周面に対して規定隙間を有するように寸法形成された型枠部と、該型枠部に連なり該の型枠部の内周面に対して徐々に拡径した内周面を有する入口部とからなる治具を用いるとよい。
即ち、ピストンの外周面にピストンリングを装着したピストンを該治具の入口部から挿入した後、ピストンリングの内周面を突起に食い込ませながらピストンリングを該型枠部まで圧入するようにする。

これによって、ピストンリングの外周面をシリンダ内面に対して規定隙間を有する寸法に精度良く形成することができる。本発明では、ピストンの外周面に突起を設け、該突起に対するピストンリングの食い込み量を調節することによって、ピストンリングの外径寸法を所定の寸法に調整することができる。

なお、前記治具を用いる場合に、ピストンリングをピストンの外周面に装着した後に、ピストンリングを装着したピストンを該治具に挿入して、ピストンリングの外径を規定寸法に形成してもよく、あるいは該治具を用いて、ピストンリングのピストンの外周面への嵌合とピストンリング外径の規定寸法への形成とを同時に行なってもよい。

また、本発明方法において、シリンダ及びピストンが無給油式往復動圧縮機を構成するピストン及びシリンダである場合に、ピストンリングを自己潤滑性樹脂、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などから構成すれば、ピストンリング、ピストン及びシリンダに潤滑油を供給する必要がない。
従って、シリンダの圧縮室に潤滑油が入り込まないので、圧縮空気中に油分が存在していることを嫌う、例えば、医療用、食品用、酸素補給用などの無給油式往復動空気圧縮機に好適である。

なお、無給油式圧縮機でない場合は、ピストンリングに、ＰＥＥＫ樹脂などのように耐摩耗性及び耐熱性の良好な材料を用いるとよい。

本発明装置において、突起の形状又は配置は種々考えられるが、例えば、ピストンの軸方向に沿って複数条並設されてなる直線状の突起とするか、あるいは該ピストン外周面の周方向に沿って並設された複数条のリング状突起又は螺旋状突起とすることができる。
前者の場合は、ピストンの軸方向に沿ってピストンリングを挿入しながらピストンリングを該ピストンの外周面に嵌合させるので、ピストンリングの挿入距離を短くでき、ピストンリングの装着が容易になる。また、前記治具を用いて、該治具にピストンリングを挿入する場合に、ピストンリングを直線状に挿入すればよく、挿入が容易になる。

また、後者の場合は、ピストンリングを環状溝の周方向に沿って回転させながらピストン外周面に挿入する。この場合、ピストンリングを回転させながら該ピストン外周面に嵌合することで、ピストンの軸芯に対するピストンリングの芯合わせが比較的容易になる。また、突起を螺旋状とした場合は、加工が容易になる。

突起の断面形状は、ピストンリングの内周面の食い込みが可能な形状であればよい。例えば、Ｖ字形状又は鋭利な先端を有するナイフ状のように、ピストンリングの時への食い込みが容易になる形状とするのがよい。また、断面をＶ字形状とすることにより、ピストンリングの突起への食い込み力を調節することにより、ピストンリングの突起に対する食い込み量を調節することができる。また、突起の断面形状をカミソリの刃程度の薄いものとすれば、ピストンリング内周面に対する食い込み量の微小な調整を可能とする。

本発明によれば、ピストンリング、ピストン及びシリンダの加工精度を上げることなく、ピストンリング、ピストン及びシリンダ間の適性隙間を維持することができる。従って、コストアップを招かず、圧縮機等に適用される場合には、圧縮室内に形成された圧縮ガスがシリンダ内面とピストンリング外周面との間から漏れるのを防止できるので、圧縮機等の性能低下を防止することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）

次に本発明を無給油式往復動空気圧縮機に適用した第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は該圧縮機の縦断立面図、図２はピストンの斜視図、図３は突起の断面形状の例を示す断面図、図４はピストンリングの斜視図、図５は、治具を用いてピストンリングをピストンに装着する工程を示す説明図である。

図１において、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属からなるシリンダ１の上端には、吸入弁板２及びスペーサ３を介して、シリンダヘッド４が取り付けられている。シリンダヘッド４の内部には、隔壁５を介して、吸入室６と吐出室７とに区分され、吸入室６の側面には吸入孔８が、吐出室７の側面には吐出孔９が穿設されている。

吸入室６の底部に面するスペーサ３には吸入孔１０が穿設され、スペーサ３と、吐出室７に面するスペーサ３には、夫々排気孔１１及び１２が穿設されている。スペーサ３には、排気孔１１の上端に面して、吐出室７内へ向かって開閉する吐出弁板１３が取り付けられている。

シリンダ１の内部には、アルミニウム合金製のピストン１５が摺動自在に嵌合され、ピストン１５に径方向に貫挿されたピストンピン１６は、コネクティングロッド１７を介して、クランクシャフト１８と連結されている。ピストン１５の外周面には環状溝１９が設けられ、環状溝１９には樹脂製のピストンリング２０が嵌合されている。ピストンリング２０は四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などの自己潤滑性樹脂で構成されている。

かかる構成において、クランクシャフト１８を回転させ、コネクティングロッド１７を介してピストン１５を往復運動させると、吸入孔８及び吸入孔１０を介して吸入された空気は圧縮され、排気孔１２、１１及び吐出孔９を経て吐出される。

図１及び図２において、本実施形態のピストン１５の構成は、大径部２３が外側に突出し、頭部にはヘッド部２１がボルト２２でピストン本体に取り付けられている。大径部２３とヘッド部２１との間には環状溝１９が形成され、該環状溝１９にピストンリング２０が嵌合される。２６はヘッド部２１をボルト２２でピストン本体に取り付けるためのネジ穴である。

環状溝１９の底面を形成する嵌合面２４には、ピストン１５の周方向に沿って夫々独立した複数条のリング状突起２５が突設されている。リング状突起２５の断面は、図３（ａ）に示すように、鋭利なナイフ状の段面２５ａをなすか、あるいは図３（ｂ）に示すように、Ｖ字形状２５ｂをなすように加工される。リング状突起２５間の間隔は、ピストンリング２０のリング状突起２５に対する食い込み量又はリング状突起２５の必要強度等を考慮して、適宜に決定される。

一方、図４に示すように、環状溝１９に嵌合されるピストンリング２０は、軸方向に切欠き２０ｃを有して、半径方向の拡大又は縮小が可能になっている。なお、切欠き２０ａはピストンリング２０の軸方向にある角度をなして斜めに形成されていてもよい。

次に、ピストンリング２０をピストン１５に装着する手順を図５に基づいて説明する。図５において、ピストンリング２０をピストン１５に装着する場合、治具３０の入口部３１は、その内面３１ａが入口側に向かって徐々に拡径した円錐状の形状をなす。そして、入口部３１の奥側に円筒形をなす型枠部３２が形成されている。型枠部３２の内面３２ａの寸法は、シリンダ１の内周面１ａと適正隙間を形成する寸法に設定されている。なお、治具３０の底面にはガス抜き用の孔３３が穿設されている。

まず、ピストンリング２０は、予め、ピストン１５の環状溝１９に嵌合されている。嵌合方法は、ピストンリング２０を突起２５が配置された方向、即ちピストン１５の周方向に回転しながら挿入することによって、ピストンリング２０の内周面２０ｂをリング状突起２５に食い込ませながら挿入すると、挿入が容易になる。

そして、ピストンリング２０の端面がピストン１５の大径部２３に当接するまでピストンリング２０を挿入する。その後、ピストンリング２０をピストン１５の環状溝１９に装着した状態で、ピストンリング２０を先にしてピストン１５を治具３０に入口部３１から挿入する。リング状突起２５をピストンリング２０の内周面２０ｂに食い込ませながら挿入し、ピストンリング２０が型枠部３２の内周面３２ａに挿入されるようにピストン１５を圧入する。この場合、ピストン１５に対して図示しない負荷装置により上側から荷重ｆを負荷して、ピストン１５を型枠部３２の内部に圧入する。

入口部３１の内面３１ａは開口部から徐々に縮径されているので、ピストン１５が治具３０に圧入されていくに従って、ピストンリング２０の内側面にリング状突起２５が食い込んでいく。入口部３１の奥に位置する型枠部３２の内面３２ａの寸法は、ピストン１５がシリンダ１の内部に組み込まれたときに、ピストンリング２０の外周面２０ａがシリンダ１の内面１ａと適正隙間範囲を形成するように設定されているので、ピストン１５が型枠部３２まで圧入されたとき、ピストンリング２０の外周面２０ａは、前記の適正寸法に形成される。

このようにして、ピストンリング２０を型枠部３２の終端まで圧入した後、ピストン１５を治具３０から引き抜く。その後、ピストン１５をシリンダ１の内部に組み付ける。その場合、シリンダ１の軸芯に対してピストンリング２０を芯合わせしながら組み付ける。これによって、シリンダ１とピストンリング２０の中心を一致させることができ、両者間の隙間を全周に亘って適正範囲とすることができる。

なお、ピストンリング２０のピストン１５への装着とピストン１５の治具３０への圧入とを同時に行なってもよい。この場合、ピストン１５をリング状突起２５の配置方向、即ちピストン１５の周方向に回転させながらピストンリング２０の環状溝１９への嵌合と、ピストン１５の治具３０への圧入を同時に行なう。これによって、一工程でピストンリング２０のピストン１５への装着と、ピストンリング２０の外周面２０ａの適正寸法の形成を同時に行なうことができる。

このように、本実施形態によれば、ピストン１５をシリンダ１に組み付ける場合に、簡素な構成の治具３０を用いるだけで、ピストンリング２０をピストン１５に装着することができる。そして、ピストン１５をシリンダ１に組み込んだときに、ピストンリング２０の外周面２０ａとシリンダ１の内面１ａとの間の隙間を適正範囲にすることができる。
本実施形態では、ピストンリング２０、ピストン１５及びシリンダ１の加工精度を上げる必要がないので、加工費が増大しない。

従って、シリンダ１、ピストン１５及びピストンリング２０間の隙間管理を容易にできるようになり、本実施形態のように、無給油式の往復動空気圧縮機を構成するシリンダ及びピストンに適用した場合、圧縮室内に形成された圧縮空気がシリンダ１とピストンリング２０間から漏れることがなくなるので、圧縮機性能の低下を招くことがない。

なお、突起２５の断面形状を図３（ａ）のように先端が鋭利なナイフ状としたときは、ピストンリング２０の内周面２０ｂへのリング状突起２５の食い込み量を微小に調整することができる。また、図３（ｂ）のようにＶ字形状とした場合は、外部からピストンリング２０に負荷される押圧力と食い込み量とが比例するので、該押圧力を要請することにより、食い込み量を正確に設定することができる。

本実施形態では、環状溝１９の嵌合面２４とピストンリング２０の内周面２０ｂとの間に隙間ｃが形成されるので、圧縮室の圧縮空気を切欠き２０ａから隙間ｃに導入することが可能になり、これによって、特許文献１と同様に、隙間ｃに導入された圧縮空気の空気圧により、ピストンリング２０がシリンダ１の内面１ａに押し付けられるので、シリンダ１とピストンリング２０間のシール性能を高めることができる。

前記第１実施形態は、無給油式の往復動空気圧縮機に適用した例であるが、本発明の用途はこれに限定されることはなく、例えば、リニアモータの直線駆動力を用いて、シリンダの内部でピストンを直線往復運動させながら、冷媒ガスなどの流体を吸入して圧縮し、圧縮された流体を吐出するリニア圧縮機（Ｌｉｎｅａｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）に適用することができる。
（実施形態２）

次に本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。図６は本実施形態のピストンの斜視図である。図６において、本実施形態のピストン１５は、環状溝１９の嵌合面２４にピストン１５の周方向に１本の連続した螺旋状の突起４０が形成されている。該突起４０の断面は、図３の（ａ）又は（ｂ）に示すように、ナイフ状又はＶ字形状をなす。その他の構成は前記第１実施形態と同一であり、同一の部位又は機器には同一の符号を付している。

かかる構成の本実施形態において、突起４０が螺旋状をなしているため、ピストンリング２０をピストン１５に装着させるときに、ピストンリング２０を突起４０の方向に回転させながら挿入することにより、ピストンリング２０の内側面２０ａを螺旋状突起４０に食い込ませながら、ネジのようにスムーズにピストンリング２０を挿入することができる。これによって、ピストンリング２０のピストン１５への装着が容易になるという利点がある。また、螺旋状突起４０は加工が容易である。
（実施形態３）

次に、本発明の第３実施形態を図に基づいて説明する。図７は本実施形態のピストン１５の斜視図である。図７において、本実施形態のピストン１５は、環状溝１９にピストン１５の軸方向に沿って間隔を有して複数条の直線状突起５０を突設したものである。

本実施形態においては、直線状突起５０を設けたことにより、ピストンリング２０のピストン１５への嵌合時に、直線状突起５０に沿って直線状に挿入するだけで、スムーズな挿入が可能になり、挿入が容易になるという利点がある。また、ピストンリング２０を装着したピストン１５を治具３０に挿入する場合でも、直線的状に挿入すればよいので、挿入が容易になる。

本発明によれば、ピストンをシリンダに組み付けるに際して、ピストン、ピストンリング及びシリンダ間の隙間管理を、これら部材の加工精度を上げることなく、従ってコスト増を招くことなく容易に行なうことができる。

本発明の第１実施形態に係る圧縮室の縦断立面図である。 前記第１実施形態に係るピストンの斜視図である。 前記第１実施形態に係る突起の断面形状の例を示す断面図である。 前記第１実施形態に係るピストンリングの斜視図である。 前記第１実施形態において、治具を用いてピストンリングをピストンに装着する工程を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るピストンの斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るピストンの斜視図である。

符号の説明

１ シリンダ
１ａ シリンダ内面
１５ ピストン
１９ 環状溝
２０ ピストンリング
２０ａ ピストンリング外周面
２０ｂ ピストンリング内周面
２４ 嵌合面
２５ リング状突起
２５ａ 突起のナイフ形状断面
２５ｂ 突起のＶ字形状断面
３０ 治具
３１ 入口部
３１ａ 入口部内周面
３２ 型枠部
３２ａ 型枠部内周面
４０ 螺旋状突起
５０ 縦形直線状突起
ｃ 隙間

Claims (7)

1. 外周面にピストンリングを装着したピストンをシリンダの内部に組み付けるシリンダへのピストンの組付け方法において、
   前記ピストンの外周面に先端部が鋭角に形成され一定方向に向けて連続的に連なる突起を設け、
   樹脂製のピストンリングを前記ピストンの外周面に挿入して該突起の配置方向に沿って移動させることにより、該ピストンリングの内周面を該突起に食い込ませながら該ピストンリングを該ピストンの外周面に嵌合させ、
   前記シリンダに対して該ピストンリングを芯合わせしながら該シリンダの内部にピストンを装着することにより、ピストンリングの外周面とシリンダ内面との隙間を許容隙間範囲内とすることを特徴とするシリンダへのピストンの組付け方法。
2. 円筒形をなす内周面が前記シリンダの内周面に対して規定隙間を有するように寸法形成された型枠部と、該型枠部に連なり該型枠部の内周面に対して徐々に拡径した内周面を有する入口部とからなる治具を用い、
   外周面に前記ピストンリングを装着したピストンを該治具の入口部から挿入した後、
   該ピストンリングの内周面を前記突起に食い込ませながら該ピストンリングを該型枠部まで圧入することを特徴とする請求項１に記載のシリンダへのピストンの組付け方法。
3. 前記シリンダ及びピストンが無給油式往復動圧縮機を構成するシリンダ及びピストンであり、前記ピストンリングが自己潤滑性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載のシリンダへのピストンの組付け方法。
4. 外周面にピストンリングを嵌合したピストンをシリンダに組み付けるシリンダへのピストンの組付け構造において、
   前記ピストンのピストンリングが装着される外周面に突設され先端部が鋭角に形成され一定方向に向けて連続的に連なる突起と、
   内側面を該突起に食い込ませながら該ピストンの外周面に嵌合された樹脂製のピストンリングと、を備え、
   前記シリンダに対して該ピストンリングを芯合わせしながら該シリンダの内部にピストンを装着することにより、該ピストンリングの外周面とシリンダ内面との隙間を許容隙間範囲内としてなることを特徴とするシリンダへのピストンの組付け構造。
5. 前記突起が前記ピストンの軸方向に沿って複数条並設されてなる直線状の突起であることを特徴とする請求項４に記載のシリンダへのピストンの組付け構造。
6. 前記突起が前記ピストンの周方向に沿って並設された複数条のリング状突起又は螺旋状突起であることを特徴とする請求項４に記載のシリンダへのピストンの組付け構造。
7. 前記突起の断面がＶ字形状又は鋭利な先端を有するナイフ状であることを特徴とする請求項４に記載のシリンダへのピストンの組付け構造。

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