JP2009270437A - 圧縮機のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンリングによるシール性を向上し、圧縮機の体積効率を向上するとともに潤滑油吐出量を低減する。
【解決手段】ピストンリング溝内に、主構成材が樹脂からなるピストンリングを装着した圧縮機のピストンであって、ピストンリング溝とその両側に隣接するピストン外周面との間の角部のうち反ピストン頂面側の角部に、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、丸みまたは面取りを付与するとともに、ピストンリングに、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、前記角部の丸みまたは面取りが付与された部分に当接可能な湾曲面を設けたことを特徴とする本発明に係る圧縮機のピストン。
【選択図】図２

Description

本発明は、往復動式圧縮機のピストンに関し、とくに、ピストンリングとピストンリング溝の構造を関連させて改良した圧縮機のピストンに関する。

シリンダ（シリンダボア）内を往復動されるピストンを備えた圧縮機においては、通常、体積効率の向上をはかることや、被圧縮流体（例えば、冷媒）中に含まれる潤滑油を大量に圧縮機外に持ち出すことなく（潤滑油吐出量（いわゆるＯＣＲ）を低減しつつ）、クランク室内等に適正な潤滑油量を保持させること等が望まれる。このような要求を極力満たすようにするためには、ピストンの外周面にピストンリングを装着し、そのピストンリングに優れたシール性能を持たせることが好ましい。

特許文献１には、ピストン外周面の溝に環状のシールリングが装着され、圧力がかかったときに該シールリングがピストン径方向外側に突出できるようにした構造が示されているが、具体的な突出機構は示されていないので、どの程度のシール性向上効果があるのかが不明瞭である。

また、特許文献２には、圧縮気体をピストンリング溝底部に導入してピストンリングをシリンダ側に向けて押圧する構造が示されているが、ピストンに圧縮気体の導入流路を設けるための加工が必要となり、著しいコスト増加が避けられない。
特開平１０−１５３１７０号公報 特開平１０−６１５５１号公報

そこで本発明の課題は、往復動式圧縮機において、著しいコスト増加なしに、ピストンリングによるシール性を向上し、圧縮機の体積効率を向上するためのシリンダ内の高圧ガスのシリンダ外への（例えば、クランク室側への）漏れの低減をはかるとともに、潤滑部品を有するクランク室内等に適正な潤滑油量を確保し、かつ、圧縮機からの潤滑油吐出量（いわゆる、ＯＣＲ）を低減することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る圧縮機のピストンは、シリンダ内を往復動されるピストンの外周面に形成されたピストンリング溝内に、主構成材が樹脂からなるピストンリングを装着した圧縮機のピストンであって、前記ピストンリング溝とその両側に隣接するピストン外周面との間の角部のうち反ピストン頂面側の角部に、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、丸みまたは面取りを付与するとともに、前記ピストンリングに、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、前記角部の丸みまたは面取りが付与された部分に当接可能な湾曲面を設けたことを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る圧縮機のピストンにおいては、とくにピストンが流体圧縮方向にシリンダ内を摺動される際、ピストンリングの湾曲面がピストンリング溝の上記丸みまたは面取りが付与された角部に当接される。この当接は、湾曲面と丸みまたは面取り形状部との当接であるから、ピストン縦断面方向で見た断面内においてはピストンリングとピストンリング溝の角部とは点接触またはそれに近い接触形態となり、その点接触部を中心に、ピストン縦断面方向で見た断面内においてピストンリングは回動可能な状態でピストンリング溝の角部に支持されることになる。この点接触部を中心にピストンリングが断面面内方向に回動されると、ピストンリングの断面における他の部位、とくにピストンリングの断面形状における角部が、シリンダの内面に当接可能となり、回動により断面形状が傾いた形態でピストンリングの角部がシリンダ内面に当接されるため、この当接部もまた、ピストン縦断面方向で見た断面内において見た形態では点接触またはそれに近い接触形態となる。その結果、とくに圧縮行程においては、ピストン頂面側に存在する高圧流体は、少なくとも上記２点の点接触部でシール面圧が高められて効率よくシールされることになり、シール性が大幅に向上される。ピストンリングによるシール性が向上される結果、ピストン頂面側に存在する高圧流体の反ピストン頂面側（例えば、クランク室側）への漏れが大幅に低減され、圧縮機の体積効率が向上される。また、吸入行程では、ピストンは圧縮行程とは反対方向に摺動されることになるが、このとき、圧縮行程において回動されていたピストンリングの断面形状は回動前の元の形態に戻され、その状態ではピストンリングの外周面がシリンダの内周面に良好に摺接できる状態となり、安定したピストン摺動状態が確保されることになる。またこのとき、ピストンリングの外周面側の角部は、ピストンリングの外周面の反ピストン頂面側端部と上記湾曲面のピストンリング外周面側端部とで形成されることが可能である。この角部は、シリンダ内周面に対し、掻き取り機能を有する、いわゆるスクレーパ状の形状に形成可能であるので、吸入行程におけるピストンの摺動に伴ってシリンダ内周面に付着した潤滑油を適切に掻き落とすことが可能になる。掻き落とされた潤滑油はクランク室側に戻されるので、クランク室内での適正な潤滑油量が確保されるとともに、圧縮流体とともに圧縮機外に持ち出される潤滑油量が低減され、圧縮機からの潤滑油吐出量（いわゆる、ＯＣＲ）が低減されることになる。なお、上記説明では、説明の便宜上、ピストン縦断面方向で見ているので点接触部として説明したが、実際にはピストンリングは環状に延びているため、線接触となる。

このような本発明に係る圧縮機のピストンにおいては、上記ピストンリングの上記湾曲面以外のシリンダ側の面（ピストンリング外周面）およびピストン頂面側の面（ピストンリング上面）は、ともに平坦面に形成することができる。このような形状にすることにより、とくに吸入行程において、ピストンリング外周面はシリンダ内周面に対し良好に摺接することができ、ピストンリング上面は対向するピストンリング溝上面に良好に密接することが可能になる。

また、本発明では、上記両平坦面の端部間全長にわたって前述の湾曲面が延びている形態とすることが好ましく、それによって、前述の掻き取り機能等がより確実に発揮されることになる。

また、本発明では、上記ピストンリング溝の底部の幅が、その幅に対応する方向におけるピストンリングの幅よりも大きいことが好ましい。すなわち、ピストンリングがピストンリング溝内で少量自在に上下動できるようにしておき、これによって、上述の圧縮行程における所望の回動動作、吸入行程における回動復元動作を円滑に行わせることができるようになる。

また、本発明では、上記ピストンリングの主構成材が、ピストンの往復動に伴ってピストンリングがピストン縦断面方向で見た断面形状にて円滑に回動可能な樹脂からなることが好ましい。このような樹脂として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系の樹脂、または、固体潤滑剤（ＰＴＦＥ、グラファイト、二硫化モリブデン等）を含むポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）などが挙げられる。

このような本発明に係る圧縮機のピストンの構造は、例えば、被圧縮流体が冷媒である場合に好適なものである。但し、ピストンリングの主構成材が樹脂であるので、例えばその樹脂の耐熱性や耐久性が満たされる限り、冷媒以外にも適用可能である。

なかでも、本発明に係る圧縮機のピストンの構造は、耐久性や、長期間にわたって安定した作動が要求される車両用空調装置の圧縮機のピストンに好適なものである。

本発明に係る圧縮機のピストンによれば、ピストンリングの湾曲面とそれに対応するピストンリング溝の丸みまたは面取りが付与された角部とを断面内において点接触可能に構成し、かつ、その状態でピストンリングをピストン縦断面方向で見た断面形状にて回動可能に構成したので、著しいコスト増加を伴うことなく、ピストンリングによるシール部の面圧を高めてシール性を大幅に向上でき、圧縮機の体積効率を向上することができる。また、その回動形態を元の形態に復元させ、ピストンリング外周面と上記湾曲面との間の角部に潤滑油掻き取り機能を発揮させることにより、潤滑部品を有するクランク室内等に適正な潤滑油量を確保し、かつ、圧縮機からの潤滑油吐出量を低減することができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る圧縮機のピストンを示しており、ピストン１は、シリンダ２内を往復動される。ピストン１の外周面３には、ピストンリング溝４が外周面３に沿って環状に延びるように形成されている。つまり、ピストン頂面部Ｄから適切な距離離れた位置に、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈで囲まれる断面空間を有する溝として形成されている。このピストンリング溝４内に、主構成材が樹脂からなり環状に延びるピストンリング５が装着されている。ピストンリング溝４とその両側に隣接するピストン外周面３との間の角部のうち反ピストン頂面側の角部６には、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて（つまり、図１（Ａ）に示す断面方向で見た断面形状にて）、丸み７が付与されている（この丸み７の代わりに面取りが付与されていていてもよい〔図示略〕）。丸み７は、ピストンリング溝４の底面位置Ｇから外周面位置Ｈまでの区間で、コーナー部がＲ形状となるように、適当な長さにわたって形成されている。

ピストンリング５には、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、ピストンリング溝４の角部６の丸み７が付与された部分に当接可能な湾曲面８が形成されている。本実施態様では、図１（Ｂ）に示すように、ピストンリング５における湾曲面８以外の面、つまり、シリンダ２の内周面側の面９（Ａ−Ｃ間に延びる面）とピストン頂面側の面１０（Ａ−Ｂ間に延びる面）は、ともに平坦面に形成されており、湾曲面８は、両平坦面９、１０の端部間全長にわたって（Ｂ−Ｃ間にわたって）延びている。このピストンリング５の主構成材は、前述のような樹脂からなっており、ピストンリング５は、ピストン１の往復動に伴ってピストン縦断面方向で見た断面形状にて回動可能に構成されている。また、ピストンリング溝４の底部の幅（Ｆ−Ｇ間で表される幅）は、その幅に対応する方向におけるピストンリング５の幅（Ａ−Ｃ間で表される幅）よりも大きく設定されており、ピストンリング５は、ピストンリング溝４の幅（Ｆ−Ｇ間で表される幅）の範囲内で自在に上下動できるようになっている。

図２は、圧縮行程における状態を示している。図２に示すように、ピストン１の上方への摺動に伴って、圧縮中の高圧ガスによりピストンリング５がピストンリング溝４内を下方に向けて押される。ピストンリング５の湾曲面８がピストンリング溝４の下部角部６の丸み７が付与された部位に当接するとともに（当接部１１）、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて図２に示すように回動され、ピストンリング５の下部角部Ｃ点（図１参照）がシリンダ２の内周面に当接する（当接部１２）。このとき、ピストンリング５の上部角部Ｂ点（図１参照）も同時にピストンリング溝４の底面に当接するようにしてもよい（当接部１３）。

上記当接部１１、１２、１３、とくに当接部１１、１２はピストン縦断面方向で見た断面形状では点接触状態（実際には、ピストンリング５、ピストンリング溝４が環状に延びているため線接触状態）となり、平面同士の面接触状態に比べて面圧が大幅に高められ、ピストンリング５によるシール性能が大幅に高められる。したがって、高圧ガスの、ピストン下方に位置するクランク室への漏れが大幅に低減され、圧縮機の体積効率が向上される。

図３は、吸入行程における状態を示している。図３に示すように、ピストン１の下方への摺動に伴って、ピストンリング５がピストンリング溝４内を上方に向けて移動される。ピストンリング５の上面平坦面１０（Ａ−Ｂ間にわたる面、図１参照）が、ピストンリング溝４の上面（Ｅ−Ｆ間にわたる面、図１参照）に当接するとともに、ピストンリング５の外周面９（Ａ−Ｃ間にわたる面、図１参照）が、シリンダ２の内周面に当接し、図２の状態時に回動されていた断面形態が元の回動されていない形態に復元される。

この状態では、ピストンリング５は元の回動されていない姿勢に戻され、ピストンリング５の外周面９とシリンダ２の内周面とは断面形状にて面同士の当接状態となるため、ピストンリング５の姿勢は安定して維持されるとともに、ピストンリング５の外周面９はシリンダ２の内周面に良好に摺接できる状態となる。また、ピストンリング５の外周面側の下部角部（図１におけるＣ点部）は、掻き取り機能を有する、いわゆるスクレーパ状の形状に形成されているので、ピストン１の摺動に伴ってシリンダ２の内周面に付着した潤滑油が適切に掻き落とされる。掻き落とされた潤滑油は下方のクランク室側に戻されるので、クランク室内での適正な潤滑油量が確保されるとともに、圧縮ガスとともに圧縮機外に持ち出される潤滑油量が低減され、圧縮機からの潤滑油吐出量（いわゆる、ＯＣＲ）が適切に低減される。

本発明に係る圧縮機のピストンの構造は、あらゆる往復動式圧縮機のピストンに適用可能であり、とくに、車両用空調装置の冷媒圧縮機のピストンに好適なものである。

本発明の一実施態様に係る圧縮機のピストンの部分縦断面図である。 図１の圧縮機のピストンの圧縮行程における動作状態を示す部分縦断面図である。 図１の圧縮機のピストンの吸入行程における動作状態を示す部分縦断面図である。

符号の説明

１ ピストン
２ シリンダ
３ ピストンの外周面
４ ピストンリング溝
５ ピストンリング
６ 反ピストン頂面側の角部
７ 丸み
８ 湾曲面
９ ピストンリングのシリンダ内周面側の面
１０ ピストンリングのピストン頂面側の面
１１、１２、１３ 当接部

Claims (7)

1. シリンダ内を往復動されるピストンの外周面に形成されたピストンリング溝内に、主構成材が樹脂からなるピストンリングを装着した圧縮機のピストンであって、前記ピストンリング溝とその両側に隣接するピストン外周面との間の角部のうち反ピストン頂面側の角部に、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、丸みまたは面取りを付与するとともに、前記ピストンリングに、ピストン縦断面方向で見た断面形状にて、前記角部の丸みまたは面取りが付与された部分に当接可能な湾曲面を設けたことを特徴とする圧縮機のピストン。
2. 前記ピストンリングの前記湾曲面以外のシリンダ側の面およびピストン頂面側の面が、ともに平坦面に形成されている、請求項１に記載の圧縮機のピストン。
3. 前記両平坦面の端部間全長にわたって前記湾曲面が延びている、請求項２に記載の圧縮機のピストン。
4. 前記ピストンリング溝の底部の幅が、その幅に対応する方向における前記ピストンリングの幅よりも大きい、請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮機のピストン。
5. 前記主構成材が、ピストンの往復動に伴ってピストンリングがピストン縦断面方向で見た断面形状にて回動可能な樹脂からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮機のピストン。
6. 被圧縮流体が冷媒である、請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮機のピストン。
7. 車両用空調装置の圧縮機のピストンである、請求項１〜６のいずれかに記載の圧縮機のピストン。

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