JP2011002023A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】安価で組み付け作業性を向上させることができ、かつ確実にガスリークを低減させることができるピストンリングを提供する。
【解決手段】ピストンの外周に配置されることにより、ピストンとシリンダとの間のガスの通流を抑制するピストンリング２であって、外周部に形成された第一ステップカット部１２、および第二ステップカット部１３と、内周部に形成されたインナーリング部８と、を一体として備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、圧縮機等に用いられるピストンリングに関するものである。

従来から、シリンダ内をピストンが往復運動し、シリンダ内の容積を変化させることで例えば、天然ガス等を圧縮する所謂往復圧縮機（レシプロ圧縮機）が知られている。この種の圧縮機のピストンには、ピストンとシリンダとの間の気密性を高めるためにピストンリングが装着される場合が多い。ピストンリングの形状としては、ガスリークを抑制すべく、さまざまな技術が提案されている。

例えば、ピストンリングを合口部を有するシールリングと、このシールリングの内周面に接するバックアップリングとで構成し、それぞれの合口部が径方向で重ならないようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、合口位置の異なる２つのピストンリングにそれぞれ突起を形成し、これら突起の位置決めを行うガイドリングを２つのピストンリングの内周面に配置したものがある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、２つのピストンリングにそれぞれステップカットを形成し、各ステップカットの位置を１８０度ずらした状態で２つのピストリングを互いに軸方向に重ね合わせることができるように構成したものがある（例えば、特許文献３参照）。
また、ピストンリングの合口部に１対のステップカットを形成し、これら１対のステップカットをピストンリングの厚さ方向に沿って、かつピストンリングの円周方向に沿って位置をずらして形成された２組のステップカットで構成したものがある（例えば、特許文献４参照）。

特開２００１−３２９３５号公報 特開２００４−１２５１５９号公報 特開２００４−３６８３７号公報 特開２００４−２８３２０号公報

しかしながら、上述の特許文献１、特許文献２、および特許文献３にあっては、部品点数が増加すると共に部品管理が煩雑になる。このため、製造コストが増加すると共に、ピストンリングの組み付け作業性が低下するという課題がある。
また、上述の特許文献３、特許文献４にあっては、ピストンリングの加工が複雑になり、加工コストが増加するという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、安価で組み付け作業性を向上させることができ、かつ確実にガスリークを低減させることができるピストンリングを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、ピストン（例えば、実施形態におけるピストン３）の外周に配置されることにより、前記ピストンとシリンダ（例えば、実施形態におけるシリンダライナ５）との間のガスの通流を抑制するピストンリング（例えば、実施形態におけるピストンリング２）であって、外周部に形成されたステップカット部（例えば、実施形態における第一ステップカット部１２、第二ステップカット部１３）と、内周部に形成されたインナーリング部（例えば、実施形態におけるインナーリング部８）と、を一体として備えることを特徴とする。
このように構成することで、ピストンリングの外周部において、ステップカット部を形成することにより、軸方向に向かうガスの通流を低減できる。また、ステップカット部の内周面側をインナーリング部で被覆することができ、径方向に向かうガスの通流を防止できる。このため、簡単な構造でガスリークを確実に低減させることができる。
さらに、ステップカット部とインナーリング部とを一体として備えることにより、部品管理を容易化することができると共に、組み付け作業性を向上させることができる。

請求項２に記載した発明は、前記ステップカット部は、軸方向に交差する面（例えば、実施形態における中間水平面１２ｂ，１３ｂ）を有する第一合口部（例えば、実施形態におけるアウター側合口部１１）を備え、前記ガスの軸方向に沿う通流を抑制するように構成され、前記ステップカット部と前記インナーリングとの間に、軸方向に沿う面（例えば、実施形態における外周面８ａ、および内周面９ａ）を有する第二合口部（例えば、実施形態におけるインナー側合口部１０）を形成し、この第二合口部によって前記ガスの径方向に沿う通流を抑制するように構成したことを特徴とする。
このように構成することで、より確実にガスリークを低減させることが可能になる。また、より簡素な構造で安価なピストンリングを提供することが可能になる。

本発明によれば、ピストンリングの外周部において、ステップカット部を形成することにより、軸方向に向かうガスの通流を低減できる。また、ステップカット部の内周面側をインナーリング部で被覆することができ、径方向に向かうガスの通流を防止できる。このため、簡単な構造でガスリークを確実に低減させることができる。
さらに、ステップカット部とインナーリング部とを一体として備えることにより、部品管理を容易化することができると共に、組み付け作業性を向上させることができる。

本発明の実施形態における往復圧縮機に用いられるピストンリング２の装着部の要部拡大断面図である。 本発明の実施形態におけるピストンリングを示し、（ａ）はピストンリングを一方からみた斜視図、（ｂ）はピストンリングを他方からみた斜視図である。 図２（ａ）のＡ矢視図である。 本発明の実施形態におけるピストンリングを示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は製造方法についての説明図である。 本発明の実施形態におけるピストンリングの装着部の水素ガスの流れを示す説明図である。 本発明の実施形態におけるピストンリングに作用するガス圧の方向を示す説明図である。

（往復圧縮機）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、往復圧縮機１に用いられるピストンリング２の装着部の要部拡大断面図である。なお、図１において、図中上側を圧縮室Ｄとし、図中下側をガス吸入側Ｓとして説明する。
同図に示すように、往復圧縮機１は、例えば、水素ガス（Ｈ_２）を圧縮するためのものであって、この往復圧縮機１に用いられているピストンリング２は、ピストン３に装着されている。

ピストン３には、軸方向に沿って１対のリング溝４ａ，４ｂが形成されており、これらリング溝４ａ，４ｂにそれぞれピストンリング２が装着されている。ピストン３は、ピストンリング２の外周面２ａをシリンダライナ５の摺動面（内周面）５ａに摺接させた状態で軸方向に沿って往復運動するように構成されている。
シリンダライナ５は、金属等で形成されている。また、シリンダライナ５に、ピストンリング２との摺動性を高めるためのメッキやコーティングを施してもよい。さらに、シリンダライナ５をセラミックスや超鋼等との組み合わせにより形成してもよい。

各リング溝４ａ，４ｂの溝幅Ｍ１は、ピストンリング２の軸方向の肉厚Ｈ１よりも大きく設定されている。そして、１段目のリング溝４ａとピストンリング２の軸方向端面との間であって、圧縮室Ｄ側（高圧側）には、空隙Ｋ１が形成されるようになっている。また、２段目のリング溝４ｂとピストンリング２の軸方向端面との間であって、圧縮室Ｄ側（高圧側）には、空隙Ｋ１’が形成されるようになっている。

一方、各リング溝４ａ，４ｂの溝深さＭ２は、ピストンリング２の内径よりもリング溝４ａ，４ｂに対応する部位のピストン３の軸径が小さくなるように設定されている。そして、１段目のリング溝４ａとピストンリング２の内周面との間に、空隙Ｋ２が形成されるようになっている。また、２段目のリング溝４ｂとピストンリング２の内周面との間に、空隙Ｋ２’が形成されるようになっている。

（ピストンリング）
図２はピストンリング２を示し、（ａ）はピストンリング２を一方からみた斜視図、（ｂ）はピストンリング２を他方からみた斜視図である。図３は、図２（ａ）のＡ矢視図である。
図２（ａ）、図２（ｂ）、図３に示すように、ピストンリング２は樹脂で形成されたものであって、環状に形成されている。樹脂としては、例えば、フッ素系樹脂やＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）樹脂等、とりわけ機械的強度（強靭性）や耐熱性、耐薬品性に優れた所謂エンジニアリングプラスチックを原料としたものが使用される。しかしながら、これに限られるものではなく、例えば、グラスファイバー等を含む複合材を用いてもよい。

ピストンリング２は、径方向の厚さ方向中央よりもやや内側に、略半周に渡って切込み部６が形成されている。そして、この切込み部６よりも径方向内側をインナーリング部８とし、切込み部６よりも径方向外側をアウターリング部９として構成している。
また、切込み部６の一端には、この切込み部６から径方向内側に向かって小切込み部７が形成されている。これにより、インナーリング部８は、切込み部６の他端側を支点にして僅かに径方向に沿って弾性変形可能な状態になっている。すなわち、インナーリング部８とアウターリング部９との間には、インナーリング部８の外周面８ａと、アウターリング部９の内周面９ａとを有するインナー側合口部１０が形成されていることになる。

アウターリング部９には、インナー側合口部１０の周方向略中央に対応する部位に、アウター側合口部１１が形成されている。このアウター合口部１１は、１対のステップカット部１２，１３を有している。
アウターリング部９の一端に形成された第一ステップカット部１２は、軸方向に沿うと共に径方向に沿う上部垂直面１２ａと、上部垂直面１２ａに連なり、軸方向に略直交する中間水平面１２ｂと、中間水平面１２ｂに連なり、上部垂直面１２ａの形成方向と同様の方向に沿って形成された下部垂直面１２ｃとで構成されている。

また、アウターリング部９の他端に形成された第二ステップカット部１３は、第二ステップカット部１２の上部垂直面１２ａと対向する上部垂直面１３ａと、第一ステップカット部１２の中間水平面１２ｂと対向する中間水平面１３ｂと、第一ステップカット部１２の下部垂直面１２ｃと対向する下部垂直面１３ｃとで構成されている。
このように、各ステップカット部１２，１３を構成することにより、両者１２，１３は、周方向で凹凸嵌合した状態になる。

（製造方法）
ここで、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に基づいて、ピストンリング２の製造方法についての一例を説明する。図４は、ピストンリング２を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は製造手順を順に示した説明図である。
図４（ａ）に示すように、まず、金型等を用いて何ら切込みが施されていないリング２１を形成する。そして、このリング２１に、円弧状の刃（不図示）を用いて切込み部６を形成する。

続いて、図４（ｂ）に示すように、リング２１の軸方向両面から切込み刃（不図示）を用いて第一ステップカット部１２の各垂直面１２ａ，１２ｃ、および第二ステップカット部１３の各垂直面１３ａ，１３ｃを形成する。
そして、図４（ｃ）に示すように、リング２１の外周面から切込み刃（不図示）を用いて第一ステップカット部１２の中間水平面１２ｂ、および第二ステップカット部１３の中間水平面１３ｂを形成する。さらに、リング２１の軸方向一端であって、かつ内周面側に、切込み刃（不図示）を用いて小切込み部７を形成し、ピストンリング２が完成する。

なお、ピストンリング２の製造方法は、これに限られるものではなく、例えば、各切込み部６，７や各ステップカット部１２，１３をまとめて金型により成型してもよい。また、切削加工等を施してピストンリング２を製造してもよい。

（作用）
次に、図５、図６に基づいて、ピストンリング２の作用について説明する。
図５は、ピストンリング２の装着部の水素ガスの流れを示す説明図、図６は、ピストンリング２に作用するガス圧の方向を示す説明図である。
図５に示すように、ピストン３を往復運動させることにより、圧縮室Ｄが高圧になると、ピストン３とシリンダライナ５との間から１段目のリング溝４ａ内に水素ガスが流れ込む（図５における矢印Ｙ１参照）。

すると、図５、図６に示すように、１段目のリング溝４ａ内の圧力が高まり、空隙Ｋ１においては、ピストンリング２を低圧側、つまり、軸方向ガス吸入側Ｓに向かって押圧する力が作用する。一方、空隙Ｋ２においては、ピストンリング２を径方向外側に向かって押圧する力が作用する。
また、水素ガスが圧縮されることにより生じる熱でピストンリング２が膨張する。これにより、ピストンリング２の外周面２ａがシリンダライナ５の摺接面５ａを押圧する。

このとき、アウターリング部９のアウター側合口部１１は、水素ガスにより第一ステップカット部１２が第二ステップカット部１３側に向かって押圧されるので、各中間水平面１２ｂ，１３ｂのシール性が高まる。このため、アウター側合口部１１を軸方向に沿って通流しようとする水素ガス（図６における矢印Ｙ２参照）の流れが１対のステップカット部１２，１３によって阻害される。

一方、インナーリング部８がアウターリング部９に向かって押圧されるので、インナー側合口部１０のシール性が高まる。このため、インナー側合口部１０を軸方向に沿って通流しようとする水素ガス（図５、図６における矢印Ｙ３参照）の流れが阻害される。
また、インナーリング部８を設けることによって、アウター側合口部１１の内周面９ａ側が被覆された状態になる。このため、アウター側合口部１１を径方向に沿って通流しようとする水素ガスの流れが阻害される。これに加え、ピストンリング２が軸方向低圧側（ガス吸入側Ｓ）に向かって押圧されるので、ピストンリング２と１段目のリング溝４ａとの境界面２１のシール性が高まる。このため、この境界面２１を径方向に沿って通流しようとする水素ガス（図５における矢印Ｙ４参照）の流れが阻害される。

さらに、ピストンリング２の外周面２ａがシリンダライナ５の摺接面５ａを押圧するので、ピストンリング２とシリンダライナ５との間のシール性が高まる。このため、ピストンリング２とシリンダライナ５との間からのガスリークを低減することができる。
このように、１段目のリング溝４ａでのガスリークが低減され、１段目のリング溝４ａから僅かに漏れる水素ガスは、２段目のリング溝４ｂで確実にガス吸入側Ｓへのガスリークが抑制される。

ここで、２段目のリング溝４ｂにおけるピストンリング２の作用は、上述の１段目のリング溝４ａにおけるピストンリング２の作用と同様なので説明を省略する。なお、２段目のリング溝４ｂ内でのガス圧は、１段目のリング溝４ａ内でのガス圧よりも低くなるが、ガス吸入側Ｓと比較して高圧となるので、各合口部１０，１１のシール性と境界面２１のシール性を確保することができる。

引き続き、往復圧縮機１を長時間使用すると、ピストンリング２の外周面２ａが摩耗する。ここで、ピストンリング２の外周面２ａが摩耗した状態で径方向内側からガス圧を受けると、アウターリング部９が僅かに拡径変形することになる。アウターリング部９が拡径変形すると、この分第一ステップカット部１２の各垂直面１２ａ，１２ｃと、第二ステップカット部１３の各垂直面１３ａ，１３ｂとの間の間隙が大きくなる。

しかしながら、第一ステップカット部１２の中間水平面１２ｂと第二ステップカット部１３の中間水平面１３ｂとがガス圧により確実にシールされるので、アウター側合口部１１を軸方向に沿って通流しようとする水素ガスの流れを阻害することができる。また、アウター側合口部１１の内周面９ａ側がインナーリング部８によって被覆された状態になっているので、アウター側合口部１１を径方向に沿って通流しようとする水素ガスの流れも阻害することができる。

このように、ピストンリング２は、インナー側合口部１０、およびアウター側合口部１１がガス圧を利用してシールされることにより、ガスリークが低減される。すなわち、図２（ａ）に示すように、アウター側合口部１１の周方向の幅βは、ガスの種類、ピストンリング２の材質、寸法、加工精度（面粗度）等を考慮したうえで決定される。そして、アウター側合口部１１の幅βに基づいて、インナー側合口部１０の周方向の幅αが決定される。具体的には、幅α，βは、
３０°＜β＜６０°・・・（１）
２β＜α＜３β ・・・（２）
を満たすように設定することが望ましい。

しかしながら、幅α、βは、式（１）、式（２）を満たすように設定することに限られるものではない。例えば、幅βを大きく設定することにより第一ステップカット部１２の中間水平面１２ｂと第二ステップカット部１３の中間水平面１３ｂとの合わせ面積を大きく確保することができるので、この分アウター側合口部１１での軸方向に向かうガス通流に対するシール性を高めることが可能になる。

（効果）
したがって、上述の実施形態によれば、ピストンリング２をインナー側合口部１０（切込み部６）を間に挟んで径方向内側に配置されたインナーリング部８と、径方向外側に配置されたアウターリング部９とで構成し、アウターリング部９に１対のステップカット部１２，１３を形成することにより、軸方向に向かう水素ガスの通流と、径方向に向かう水素ガスの通流を低減することができる。このため、簡単な構造でガスリークを確実に低減させることができる。
さらに、各ステップカット部１２，１３が形成されているアウターリング部９とインナーリング部８とを一体として構成することにより、部品管理を容易化することができると共に、組み付け作業性を向上させることができる。

また、各ステップカット部１２，１３を軸方向に沿うと共に径方向に沿う上部垂直面１２ａ，１３ａと、上部垂直面１２ａ，１３ａに連なり、軸方向に略直交する中間水平面１２ｂ，１３ｂと、中間水平面１２ｂ，１３ｂに連なり、上部垂直面１２ａ，１３ａの形成方向と同様の方向に沿って形成された下部垂直面１２ｃ，１３ｃとで構成している。これに加え、各ステップカット部１２，１３を有するアウター側合口部１１の内周面９ａをインナーリング部８によって被覆可能に構成している。
このため、より確実にガスリークを低減させることが可能になる。また、より簡素な構造で安価なピストンリング２を提供することが可能になる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、往復圧縮機１が例えば水素ガスを圧縮するためのものである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、空気、メタンガス（ＣＨ_４）等のさまざまなガスを圧縮する往復圧縮機に本発明のピストンリング２を適用することが可能である。また、液体を圧縮する液体ポンプ等に用いられるピストンにも本発明のピストンリング２を適用することが可能である。

さらに、上述の実施形態では、ピストンリング２に略半周に渡って切込み部６を形成し、ここをインナー側合口部１０として構成している場合について説明した。しかしながら、切込み部６の形成範囲は、略半周に限定されるものではなく、任意の範囲で、かつ、少なくともアウター側合口部１１の内周面９ａをインナーリング部８で被覆可能とする範囲であればよい。

１…往復圧縮機 ２…ピストンリング ３…ピストン ５…シリンダライナ ８…インナーリング部 ８ａ…外周面（面） ９…アウターリング部 ９ａ…内周面（面） １０…インナー側合口部（第二合口部） １１…アウター側合口部（第一合口部） １２…第一ステップカット部（ステップカット部） １２ａ，１３ａ…上部垂直面 １２ｂ，１３ｂ…中間水平面（面） １２ｃ，１３ｃ…下部垂直面 １３…第二ステップカット部（ステップカット部）

Claims (2)

1. ピストンの外周に配置されることにより、
   前記ピストンとシリンダとの間のガスの通流を抑制するピストンリングであって、
   外周部に形成されたステップカット部と、
   内周部に形成されたインナーリング部と、
   を一体として備えることを特徴とするピストンリング。
2. 前記ステップカット部は、軸方向に交差する面を有する第一合口部を備え、前記ガスの軸方向に沿う通流を抑制するように構成され、
   前記ステップカット部と前記インナーリングとの間に、軸方向に沿う面を有する第二合口部を形成し、この第二合口部によって前記ガスの径方向に沿う通流を抑制するように構成したことを特徴とするピストンリング。

Images