JP2012026370A - ロッキングピストンのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】リップリング内周に背圧を回り易くしてリップリングのシール性能を向上させることができるとともに、背圧が強くなり過ぎないようにしてリップリングの破損を防止できるロッキングピストンのシール構造を提供する。
【解決手段】ピストンロッド１１の先端部１３に、シリンダ１０とピストンロッド１１との間をシールするためのリップリング２０と、前記リップリング２０を前記ピストンロッド１１に固定するためのリング押え３０と、を設けた。前記リング押え３０の上部には、前記リップリング２０のリップ部２２の上端面２３の少なくとも一部を覆うようにフランジ部３３を突出形成し、このフランジ部３３の一部には、前記ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときに前記リップリング２０の内側に加圧空気が入り込みやすくするための背圧導入部３４を設けた。
【選択図】図２

Description

この発明は、圧縮機のシリンダ内をピストンロッドが揺動しつつ摺動するロッキングピストンのシール構造に関するものである。

従来、圧縮機に使用されるピストンとして、クランク軸に連結したコネクティングロッドによりシリンダ内を揺動しながら往復するロッキングピストンが知られている。こうしたロッキングピストンにおいては、ピストンロッドの先端部にリップリングが設けられ、このリップリングによりシリンダとピストンロッドとの間をシールするようになっている。

しかしながら、このようなリップリングは、使用を継続するにつれて圧縮熱やシリンダ壁面への押し付け荷重による影響を受けて変形したり、継続使用によって摩耗したりするため、シール性能が低下し圧縮効率が低下していく。

こうしたリップリングのシール性能の低下を防止するために、特許文献１記載の発明においては、付勢部材によりピストンリングのリップ部をシリンダに向かって付勢し、ピストン本体とシリンダとの間をシールする構成が開示されている。

特開平０９−０６８２７９号公報

ところで、上記したようなリップリングはリング押えなどによってピストンロッドに固定されており、リップリングとリング押えとの間には間隙が生まれるようになっている。このため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、このリップリングとリング押えとの間に加圧空気が入り込み、リップリング内周より背圧を加え、リップリングのシール性能を向上させることができる。

しかしながら、この背圧が強過ぎると、急激な圧力変動や圧縮熱によってリップリングに負荷がかかり、変形や摩耗が発生してリップリングのシール性能が低下する原因となる。

また、変形や摩耗の結果リップリングが破損してしまうと、周囲部品に被害が拡大するケースが多い。すなわち、リップリングに対する負荷はピストンロッドの揺動方向に最大となるため、このピストンロッドの揺動方向でリップリングが破損することが多いが、ピストンロッドの揺動方向でリップリングが破損すると、揺動したピストンロッドがシリンダと直接接触してしまう（リップリングで衝撃を吸収できない）ため、ピストンロッドやシリンダが破損したり、ピストンロッドとシリンダとが接触したことに伴う振動で軸受や圧力計が破損・故障したりする原因となる。

そこで、本発明は、リップリング内周に背圧を回り易くしてリップリングのシール性能を向上させることができるとともに、背圧が強くなり過ぎないようにしてリップリングの破損を防止できるロッキングピストンのシール構造を提供することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、以下を特徴とする。

（請求項１）
請求項１に記載の発明は、以下の点を特徴とする。

すなわち、請求項１に記載のロッキングピストンのシール構造は、圧縮機のシリンダ内をピストンロッドが揺動しつつ摺動するロッキングピストンのシール構造において、前記ピストンロッドの先端部には、前記シリンダと前記ピストンロッドとの間をシールするためのリップリングと、前記リップリングを前記ピストンロッドに固定するためのリング押えと、が設けられ、前記リップリングは、中央部を前記リング押えに固定されるとともに、前記中央部の周囲に設けられたリップ部が前記リング押えの外周に沿って立ち上げられており、前記リング押えの上部には、前記リップ部の上端面の少なくとも一部を覆うようにフランジ部が突出形成されており、このフランジ部の一部には、前記ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときに前記リップリングの内側に加圧空気が入り込みやすくするための背圧導入部を設けたことを特徴とする。

（請求項２）
請求項２に記載の発明は、上記した請求項１記載の発明の特徴点に加え、以下の点を特徴とする。

すなわち、前記背圧導入部は、前記フランジ部に設けられた切欠き、開口又は貫通孔であることを特徴とする。

（請求項３）
請求項３に記載の発明は、上記した請求項１又は２記載の発明の特徴点に加え、以下の点を特徴とする。

すなわち、前記背圧導入部は、前記ピストンロッドの揺動方向には設けられていないことを特徴とする。

（請求項４）
請求項４に記載の発明は、上記した請求項１〜３のいずれかに記載の発明の特徴点に加え、以下の点を特徴とする。

すなわち、前記リング押えの側壁には、周溝が設けられており、この周溝に嵌め込まれたリングばねによって、前記リップリングを外側に押し広げるように形成されるとともに、前記背圧導入部は、前記リングばねの端部付近には設けられていないことを特徴とする。

請求項１に記載の発明は上記の通りであり、リング押えの上部には、リップ部の上端面の少なくとも一部を覆うようにフランジ部が突出形成されている。このようにリップ部の上端面の少なくとも一部を覆うことで、このフランジ部によってリップ部の内側に空気が入り込みにくく形成されている。すなわち、このフランジ部を設けたことによって、ピストンロッドの往復運動で発生する急激な圧力変動や圧縮熱がリップリングの内周部に直接伝わらないようにすることができ、リップリングの変形や摩耗を防止することができる。しかも、このフランジ部の一部には、前記ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときに前記リップリングの内側に加圧空気が入り込みやすくするための背圧導入部が設けられているため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、この背圧導入部から加圧空気が入り込み、リップリング内周より背圧を加え、リップリングのシール性能を向上させることができる。すなわち、一方では急激な圧力変動や圧縮熱の流入を防ぐことでリップリングの破損を防止し、他方ではリップリング内周に背圧を回り易くすることができる。

また、請求項３に記載の発明は上記の通りであり、前記背圧導入部は、ピストンロッドの揺動方向には設けられていない。このため、ピストンロッドの往復運動で最も大きな応力が発生するピストンロッドの揺動方向において、加圧空気が入り込むスピードを遅らせることができ、急激な圧力変動や圧縮熱による負荷を軽減できる。これにより、仮にリップリングが破損するとしても、ピストンロッドの揺動方向以外の場所が破損するように仕向けられるので、例えリップリングが破損したとしても、ユーザは圧力低下によってリップリングの破損を知ることができ、揺動したピストンロッドとシリンダが接触する前に修理ができるので、ピストンロッドとシリンダが接触することによる周囲被害を防止できる。

また、請求項４に記載の発明は上記の通りであり、前記リング押えの側壁には、周溝が設けられており、この周溝に嵌め込まれたリングばねによって、前記リップリングを外側に押し広げるように形成されている。このため、リングばねによってリップリングのシール性能を向上できる。しかも、前記背圧導入部は前記リングばねの端部付近には設けられていない。このため、例えば背圧導入部として切欠きや開口を設けた場合、継続使用によりリングばねの端部が外側に広がってしまった場合でも、この端部付近に切欠きや開口がないので、リングばねが飛び出してしまうことがない。また、例えば背圧導入部として貫通孔を設けた場合においても、リングばねの端部が貫通孔に引っ掛かることがない。

本発明の第１の実施形態であって、ロッキングピストンの縦断面図である。 本発明の第１の実施形態であって、（ａ）ピストンロッドの平面図、（ｂ）ピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図（Ａ−Ａ断面図）である。 本発明の第１の実施形態であって、リング押えを取り外した状態を示すピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図である。 本発明の第１の実施形態の変形例であって、（ａ）ピストンロッドの平面図、（ｂ）ピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図（Ｂ−Ｂ断面図）である。 本発明の第２の実施形態であって、（ａ）ピストンロッドの平面図、（ｂ）ピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図（Ｃ−Ｃ断面図）である。 本発明の第２の実施形態の変形例（その１）であって、（ａ）ピストンロッドの平面図、（ｂ）ピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図（Ｄ−Ｄ断面図）である。 本発明の第２の実施形態の変形例（その２）であって、（ａ）ピストンロッドの平面図、（ｂ）ピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図（Ｅ−Ｅ断面図）である。 本発明の第３の実施形態であって、ピストンロッドの平面図である。 本発明の第３の実施形態であって、（ａ）ピストンロッド先端部の縦断面一部拡大図（Ｆ−Ｆ断面図）、（ｂ）ピストンロッド先端部の横断面一部拡大図（Ｇ−Ｇ断面図）である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図を参照しながら説明する。

本実施形態に係るロッキングピストンは、圧縮機内に設けられるものであり、図１に示すように、シリンダ１０内にピストンロッド１１を収容したものである。

ピストンロッド１１は、シリンダ１０内を揺動しつつ摺動可能に形成されたものであり、このピストンロッド１１の先端部１３には、皿状のピストン部が形成されている。また、このピストンロッド１１の基部（大端部）の偏心位置に形成した軸受孔１２には、圧縮機本体に設けられたクランクシャフト（図示せず）が軸受けされており、このクランクシャフトは、圧縮機本体に設けられた回転駆動装置（図示せず）に作動連結されている。

このため、回転駆動装置を作動させることにより、クランクシャフトを回転させ、これによってピストンロッド１１の基部を偏心運動させて、ピストンロッド１１の先端部１３が摺動方向（図１における方向Ｄ１）に往復運動をするようになっている。すなわち、本実施形態に係る圧縮機は、クランクシャフトの回転によりピストンロッド１１を往復動させてシリンダ１０内に取り込まれた大気を圧縮し、圧縮空気で作動する各種装置や工具に向けて送出させるようになっている。

ところで、本実施形態に係るピストンロッド１１は、図１に示すようにピストン部が一体的に設けられている。このため、上記したようなピストンロッド１１の往復運動に伴い、ピストンロッド１１の先端部１３は摺動方向と直交する方向（図１における方向Ｄ２）に揺動することになる。

本実施形態においては、図１に示すように、ピストンロッド１１の先端部１３には、シリンダ１０とピストンロッド１１との間をシールするためのリップリング２０が設けられている。このリップリング２０は、円盤状のリング押え３０によって、上方から押さえつけられてピストンロッド１１に固定されている。詳しくは、図１に示すように、ピストンロッド１１との間にリップリング２０を挟み込むように、リング押え３０をピストンロッド１１の上面に形成された凹部に嵌合させ、リング押え３０を上方から挿通された固定用ボルト３６によってピストンロッド１１の上面に固定する。

このとき、リップリング２０は、図２（ｂ）に示すように、中央部２１をリング押え３０によって挟み込まれてピストンロッド１１に固定されるとともに、この中央部２１の周囲に設けられたリップ部２２がリング押え３０の外周に沿って立ち上げられるように形成されている。このリップリング２０は、合成樹脂、合成ゴム等の具体的にはポリテトラフルオロエチレン又は変成ポリテトラフルオロエチレン、銅又は青銅合金粉末、球状炭素又は炭素繊維、二酸化モリブデンの成分構成からなる非金属材料から形成され、全周にわたって切れ目がなく連続した円環状の部材である。このリップリング２０のリップ部２２は、ピストンロッド１１の先端部１３の揺動に合わせて弾性変形し、ピストンロッド１１とシリンダ１０との間の間隙を確実にシールするようになっている。

一方、上記リップリング２０をピストンロッド１１に固定するためのリング押え３０は、図２に示すように、上部にフランジ部３３を有しており、このフランジ部３３はリップ部２２の上端面２３の一部を覆うように水平方向に突出形成されている。また、このフランジ部３３は、周方向に４箇所の切欠き３４を有しており、この切欠き３４部分においては、リップ部２２の上端面２３が径方向に完全に露出するようになっている。正確には、図２（ａ）に示すように、リング押え３０の圧縮面（上面）に対して垂直な方向に投影したときに、フランジ部３３はリップ部２２の上端面２３の内周縁よりも外側まで延設されているが、切欠き３４部分においては、リップ部２２の上端面２３の内周縁よりも内側まで切欠かれている。本実施形態においては、この切欠き３４により、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときにリップリング２０の内側に加圧空気が入り込みやすくするための背圧導入部が形成されている。

ところで、このフランジ部３３の切欠き３４は、図２（ａ）に示すように、ピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２には設けられていない。このため、この揺動方向Ｄ２の両側におけるリップ部２２の上端面２３は、前記フランジ部３３に一部を覆われている。すなわち、ピストンロッド１１の往復運動で最も大きな応力が発生するピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２の両外側において、加圧空気が入り込むスピードを遅らせることができ、急激な圧力変動や圧縮熱による負荷を軽減できるようになっている。これにより、仮にリップリング２０が破損するとしても、ピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２以外の場所が破損するように仕向けられるので、例えリップリング２０が破損したとしても、ユーザは圧力低下によってリップリング２０の破損を知ることができ、揺動したピストンロッド１１とシリンダ１０が接触する前に修理ができるので、ピストンロッド１１とシリンダ１０が接触することによる周囲被害を防止できる。

また、このリング押え３０の側壁３１には周溝３２が設けられており、図２（ｂ）に示すように、この周溝３２にはリングばね４０が嵌め込まれている。このリングばね４０は、ピストンロッド１１とシリンダ１０との間の間隙を確実にシールするためにリップリング２０を内側から付勢するものである。すなわち、このリングばね４０の外周径はリングばね４０が接するリップ部２２の内周径よりもやや大きく形成されており、これにより、リップ部２２を外側に押し広げるように付勢する。

ところで、このリングばね４０は、図３に示すように、周方向の一部が欠けた形状をしており、端部４１を有するＣ字形となっている。このリングばね４０は、図３に示すように、端部４１がピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２にくるように配置される。ここで、このリングばね４０の端部４１付近において、リング押え３０のフランジ部３３に切欠き３４が設けられていない。このため、このリングばね４０の端部４１付近は、図２及び図３が示すように、前記リング押え３０のフランジ部３３によって覆われるようになっている。このため、継続使用によりリングばね４０の端部４１が外側に広がってしまった場合でも、この端部４１付近に切欠き３４がないので、リングばね４０が飛び出してしまうことがない。

上記したように、本実施形態によれば、リング押え３０の上部には、リップ部２２の上端面２３の少なくとも一部を覆うようにフランジ部３３が突出形成されている。このようにリップ部２２の上端面２３の少なくとも一部を覆うことで、このフランジ部３３によってリップ部２２の内側に空気が入り込みにくく形成されている。すなわち、このフランジ部３３が設けられていることよって、ピストンロッド１１の往復運動で発生する急激な圧力変動や圧縮熱がリップリング２０の内周部に直接伝わらないようにすることができ、リップリング２０の変形や摩耗を防止することができる。しかも、このフランジ部３３には、切欠き３４が設けられているため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、この切欠き３４から加圧空気が入り込み、リップリング２０内周より背圧を加え、リップリング２０のシール性能を向上させることができる。すなわち、一方では急激な圧力変動や圧縮熱の流入を防ぐことでリップリング２０の破損を防止し、他方ではリップリング２０内周に背圧を回り易くすることができる。

なお、図４が示すように、リングばね４０を設けないこととしてもよい。このようにリングばね４０を設けない場合でも、背圧によりリップリング２０のシール性能を向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

ここで、第２の実施形態におけるロッキングピストンの基本構造は、上記した第１の実施形態と同様であるので、同一となる説明を省略し、本実施形態の特徴点のみ述べることとする。すなわち、本実施形態は、背圧導入部として、第１の実施形態の切欠き３４の代わりに貫通孔３５を設けたことを特徴する。

すなわち、図５が示すように、第２の実施形態においても、リング押え３０の上部外周縁にはフランジ部３３が形成されており、このフランジ部３３は、図５（ａ）に示すように、リング押え３０の圧縮面（上面）に対して垂直な方向に投影したときに、リップ部２２の上端面２３の内周縁よりも外側まで延設されている。この点は第１の実施形態と同様であるが、このフランジ部３３には、第１の実施形態とは異なり、切欠き３４の代わりに丸孔の貫通孔３５が周方向に等間隔で設けられている。

この貫通孔３５は、ピストンロッド１１の摺動方向Ｄ１に上下に貫通して設けられ、下方においてリング押え３０の側壁３１に設けられた周溝３２と連通している。このため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、この貫通孔３５から周溝３２へと加圧空気が入り込んで、リップリング２０内周より背圧を加え、リップリング２０のシール性能を向上させることができる。

なお、図５に示す実施形態においては、貫通孔３５を周方向に等間隔で設けることとしたが、図６に示すように、ピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２には貫通孔３５を設けないこととしてもよい。このようにすれば、第１の実施形態と同様に、ピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２において加圧空気が入り込むスピードを遅らせることができ、急激な圧力変動や圧縮熱による負荷を軽減できるようになる。

また、図５に示す実施形態においては、貫通孔３５を丸孔で形成したが、貫通孔３５の形状は背圧をどの程度加えるか等によって適宜選択すればよい。例えば、図７に示すように、貫通孔３５を長孔で形成してもよい。

また、上記した実施形態においては、リングばね４０について特に言及していないが、第１の実施形態と同様に周溝３２にリングばね４０を設け、このリングばね４０によってリップリング２０を内側から付勢するようにしてもよい。このとき、リングばね４０の端部４１付近に貫通孔３５を設けないことが望ましい。このようにすれば、継続使用によりリングばね４０の端部４１が外側に広がってしまった場合でも、リングばね４０の端部４１が貫通孔３５に引っ掛かることがない。

上記したように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、フランジ部３３が設けられていることよって、ピストンロッド１１の往復運動で発生する急激な圧力変動や圧縮熱がリップリング２０の内周部に直接伝わらないようにすることができ、リップリング２０の変形や摩耗を防止することができる。しかも、このフランジ部３３には、貫通孔３５が設けられているため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、この貫通孔３５から加圧空気が入り込み、リップリング２０内周より背圧を加え、リップリング２０のシール性能を向上させることができる。すなわち、一方では急激な圧力変動や圧縮熱の流入を防ぐことでリップリング２０の破損を防止し、他方ではリップリング２０内周に背圧を回り易くすることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

ここで、第３の実施形態におけるロッキングピストンの基本構造は、上記した第１の実施形態と同様であるので、同一となる説明を省略し、本実施形態の特徴点のみ述べることとする。すなわち、本実施形態は、背圧導入部として、第１の実施形態の切欠き３４の代わりに開口３７を設けたことを特徴する。

すなわち、図８が示すように、第３の実施形態においても、リング押え３０の上部外周縁にはフランジ部３３が形成されているが、このフランジ部３３はピストンロッドの揺動方向Ｄ２に長軸を有する楕円形状となっている。

詳しくは、このフランジ部３３は、図９（ａ）に示すように、楕円形状の長軸方向においては、リング押え３０の圧縮面（上面）に対して垂直な方向に投影したときに、リップ部２２の上端面２３の内周縁よりも外側まで延設されている。

一方、楕円形状の短軸方向（ピストンロッドの揺動方向Ｄ２と直交する方向）においては、図９（ｂ）に示すように、このフランジ部３３は、リング押え３０の圧縮面（上面）に対して垂直な方向に投影したときに、リップ部２２の上端面２３の内周縁よりも内側にくるようになっており、これにより、リップ部２２の上端面２３を露出させる開口３７を形成している。このため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、この開口３７からリング押え３０の側壁３１に設けられた周溝３２へと加圧空気が入り込んで、リップリング２０内周より背圧を加え、リップリング２０のシール性能を向上させることができる。

上記したように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、フランジ部３３が設けられていることよって、ピストンロッド１１の往復運動で発生する急激な圧力変動や圧縮熱がリップリング２０の内周部に直接伝わらないようにすることができ、リップリング２０の変形や摩耗を防止することができる。しかも、このフランジ部３３には、開口３７が設けられているため、ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときには、この開口３７から加圧空気が入り込み、リップリング２０内周より背圧を加え、リップリング２０のシール性能を向上させることができる。すなわち、一方では急激な圧力変動や圧縮熱の流入を防ぐことでリップリング２０の破損を防止し、他方ではリップリング２０内周に背圧を回り易くすることができる。

１０ シリンダ
１１ ピストンロッド
１２ 軸受孔
１３ 先端部
２０ リップリング
２１ 中央部
２２ リップ部
２３ 上端面
３０ リング押え
３１ 側壁
３２ 周溝
３３ フランジ部
３４ 切欠き（背圧導入部）
３５ 貫通孔（背圧導入部）
３６ 固定用ボルト
３７ 開口（背圧導入部）
４０ リングばね
４１ 端部
Ｄ１ ピストンロッドの摺動方向
Ｄ２ ピストンロッドの揺動方向

Claims (4)

1. 圧縮機のシリンダ内をピストンロッドが揺動しつつ摺動するロッキングピストンのシール構造において、
   前記ピストンロッドの先端部には、前記シリンダと前記ピストンロッドとの間をシールするためのリップリングと、前記リップリングを前記ピストンロッドに固定するためのリング押えと、が設けられ、
   前記リップリングは、中央部を前記リング押えに固定されるとともに、前記中央部の周囲に設けられたリップ部が前記リング押えの外周に沿って立ち上げられており、
   前記リング押えの上部には、前記リップ部の上端面の少なくとも一部を覆うようにフランジ部が突出形成されており、このフランジ部の一部には、前記ロッキングピストンが圧縮方向に摺動したときに前記リップリングの内側に加圧空気が入り込みやすくするための背圧導入部を設けたことを特徴とする、ロッキングピストンのシール構造。
2. 前記背圧導入部は、前記フランジ部に設けられた切欠き、開口又は貫通孔であることを特徴とする、請求項１記載のロッキングピストンのシール構造。
3. 前記背圧導入部は、前記ピストンロッドの揺動方向には設けられていないことを特徴とする、請求項１又は２記載のロッキングピストンのシール構造。
4. 前記リング押えの側壁には、周溝が設けられており、この周溝に嵌め込まれたリングばねによって、前記リップリングを外側に押し広げるように形成されるとともに、
   前記背圧導入部は、前記リングばねの端部付近には設けられていないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のロッキングピストンのシール構造。

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