JP2012117393A - ピストンリング及び昇圧ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側樹脂製リングが圧力集中に起因して折損することを防止したピストンリングを提供する。
【解決手段】互いの合口が重ならないように配置して低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０をピストン往復運動方向に重ねるとともに、低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０の内周面側に樹脂製インナーリング１３及び金属製バックアップリング１４を組み付けて一体化したピストンリング１０Ａにおいて、高圧側樹脂製リング２０が金属製の補強部材として金属製補強リング２１を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温流体等を圧縮して昇圧させるピストン式ポンプに適用されるピストンリング及びこのピストンリングを備えた昇圧ポンプに関する。

従来、低温（たとえば−２５３℃から−１００℃程度）の流体（たとえば液体水素、液体窒素及び液化天然ガス等）を圧縮して昇圧させる低温流体用の昇圧ポンプとしては、たとえば図８に示すように、ピストンの外周面にピストンリングを有するピストン式ポンプが知られている。
この低温流体用昇圧ポンプ１は、外周面に複数本のリング溝７が形成されたピストン２と、リング溝７内に配置される複数本のピストンリング６と、これらピストン２及びピストンリング６をその内部に形成されたポンプシリンダ５内に収容するシリンダブロック４とを備えている。なお、図中の符号３はピストンロッド、８ａは流入口、８ｂは流出口、９ａ，９ｂは逆止弁である。（たとえば、特許文献１参照）

図５〜図７に示すピストンリング６は、圧縮時にポンプシリンダ５とピストン２との間から流体が漏出することを防止するため、ピストン２の外周面に取り付けられるシール部材である。
従来のピストンリング６は、低圧側樹脂製リング１１と高圧側樹脂製リング１２とが２段に重ねて配置され、その内周側には樹脂製のインナーリング１３が取り付けられている。図示のインナーリング１３は、内周側中央部付近に凹溝部１３ａが形成され、この凹溝部１３ａには、金属製のバックアップリング１４が装着されている。なお、このピストンリング１０において、低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング１２を２段に重ねて配置する方向は、ピストン４が往復運動する方向となる。

この場合、低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング１２の断面形状は矩形、凹溝部１３ａを含むインナーリング１３の断面形状は矩形、そして、バックアップリング１４の断面形状は矩形または円形である。
そして、図示の低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング１２は、いずれもリングを分離させた合口１１ａ，１２ａを備えている。

低圧側樹脂製リング１１には、完成状態で高圧側樹脂性リング１２の合口１２ａに入り込む凸部１１ｂが設けられ、高圧側樹脂製リング１２には、低圧側樹脂性リング１１の合口１１ａに入り込む凸部１２ｂが設けられている。すなわち、二つの樹脂製リング１１，１２は、一方の合口１１ａに他方の凸部１２ｂが入り込み、他方の合口１２ａに一方の凸部１１ｂが入り込むことで、互いの合口１１ａ，１２ａが周方向で重ならないよう１８０度ずれた配置となっている。

一方、オイルレス圧縮機に適用するピストンリング装置として、２本の密着するリングで構成し、リングの合い口を異なる位置に固定するストッパを設けて、ピストン・シリンダ間の機密を保つようにしたものがある。（たとえば、特許文献２参照）
また、金属製リングと、金属製リングを半径方向外方に押圧する樹脂製リングとからなる往復機関用の組合せピストンリングについて、金属製リングを押圧する樹脂製リングの張力をエンジンの始動時から高回転時にわたって適正な値とし、良好なシール性を得る技術が開示されている。（たとえば、特許文献３参照）

特開２００９−２８７５７０号公報 実開昭６２−１７９４６５号公報 特開２００７−１００６４６号公報

ところで、上述した従来のピストンリング６は、二つの樹脂性リング（低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング１２）に設けられた合口１１ａ，１２ａが重ならないように配置した状態で一体に組み立てられ、ピストン２に装着される。こうしてピストン２に装着されたピストンリング６は、ポンプシリンダ５の内部でピストン２を往復運動（図７の矢印Ｓを参照）させて流体を圧縮するポンプ運転が実施されることにより、高圧側樹脂製リング１２に対して、低圧側樹脂製リング１１の合口１１ａと相対する部分（図６のハッチングＰ付近）に作用する圧力の集中が生じる。すなわち、高圧側樹脂性リング１２には、低圧側樹脂製リング１１の合口１１ａに入り込むように設けた凸部１２ｂが存在しており、高圧側樹脂性リング１２に作用する圧力は、特に凸部１２ｂの周辺部に対して集中する。

このような圧力集中は、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素樹脂等により成形された高圧側樹脂製リング１２を変形させるので、合口１１ａの開口が開いて広がることにより、ハッチング部Ｐの受圧面積を増すこととなる。このため、高圧側樹脂製リング１２が圧力に耐えられなくなり、特に、低圧側と高圧側との差圧が大きいピストンポンプのピストンリングとして使用するような場合には、大きな圧力集中を受けて折損することも考えられる。

上述したように、ピストンリング６の高圧側樹脂製リング１２が圧力集中に起因して折損することは、ピストンリング６を備えた低温流体用昇圧ポンプ１の信頼性や耐久性の面で好ましいことではない。このような背景から、低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング１２をピストン往復運動方向に重ね、互いの合口が重ならないように配置したピストンリング６においては、高圧側樹脂製リング１２が圧力集中に起因して折損しない構造が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高圧側樹脂製リングが圧力集中に起因して折損することを防止したピストンリング及びこのピストンリングを備えた昇圧ポンプを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るピストンリングは、互いの合口が重ならないように配置して低圧側樹脂製リング及び高圧側樹脂製リングをピストン往復運動方向に重ねるとともに、低圧側樹脂製リング及び高圧側樹脂製リングの内周面側に樹脂製インナーリング及び金属製バックアップリングを組み付けて一体化したピストンリングであって、前記高圧側樹脂製リングが金属製の補強部材を備えていることを特徴とするものである。

このような本発明のピストンリングによれば、前記高圧側樹脂製リングが金属製の補強部材を備えているので、圧力集中に対する強度を増して折損を防止できる。

上記の発明において、好適な補強部材としては、１）高圧側樹脂製リングの内部に埋め込まれた金属製補強リング、２）高圧側樹脂製リングの内周面側に嵌め込まれた金属製補強リング、３）高圧側樹脂製リングの樹脂間でピストン往復運動方向に挟持された金属製補強リング、４）低圧側樹脂製リング及び高圧側樹脂製リングの間に挟持された金属製補強リング等がある。

本発明に係る昇圧ポンプは、シリンダ内をピストンが往復運動して流体を圧縮するピストン式ポンプの昇圧ポンプであって、前記ピストンの外周面に請求項１に記載のピストンリングが装着されていることを特徴とするものである。

このような本発明の昇圧ポンプによれば、前記ピストンの外周面に請求項１に記載のピストンリングが装着されているので、ピストンリングの折損防止により昇圧ポンプの信頼性や耐久性が向上する。

上述した本発明によれば、圧力集中を受けるピストンリングの高圧側樹脂製リング側に金属製の補強部材を設けたので、圧力集中に対する強度が増して折損を防止できるようになり、信頼性や耐久性が増すという顕著な効果が得られる。
また、本発明のピストンリングを採用して昇圧ポンプのピストンに装着すれば、昇圧ポンプ自体の信頼性や耐久性を向上させることができる。

本発明に係るピストンリング及び昇圧ポンプの第１の実施形態として、ピストンリング構造例を示す縦断面図（図５のＡ−Ａ断面図）である。 本発明に係るピストンリング及び昇圧ポンプの第２の実施形態として、ピストンリング構造例を示す縦断面図（図５のＡ−Ａ断面図）である。 本発明に係るピストンリング及び昇圧ポンプの第３の実施形態として、ピストンリング構造例を示す縦断面図（図５のＡ−Ａ断面図）である。 本発明に係るピストンリング及び昇圧ポンプの第４の実施形態として、ピストンリング構造例を示す縦断面図（図５のＡ−Ａ断面図）である。 本発明及び従来構造のピシトンリングを示す外観斜視図である。 従来のピストンリング構造例を示す分解斜視図である。 従来のピストンリング構造例を示す縦断面図（図５のＡ−Ａ断面図）である。 低温流体用昇圧ポンプの一例として、ピストン式ポンプを示す外観平面図である。

以下、本発明に係るピストンリング及び昇圧ポンプの一実施形態を図面に基づいて説明する。

このような低温流体用昇圧ポンプ１には、ポンプシリンダ５内をピストン２が往復運動して低温流体を圧縮するピストン式ポンプが用いられる。図示の低温流体用昇圧ポンプ１は、ポンプシリンダ５内で軸方向に往復動するピストン２が低温流体を昇圧させる構造となっている。
なお、低温流体用昇圧ポンプ１では、ピストンロッド３が図の上部に動作する際に、配管(番号付与なし)から逆止弁９ａを経て低温流体が流入し、ピストンロッド３が下部に動作する際に昇圧されて逆止弁９ｂから排出される。

＜第１の実施形態＞
上述した低温流体用昇圧ポンプ１は、圧縮時にポンプシリンダ５とピストン２との間から流体が漏出することを防止するため、たとえば図１及び図５に示すように構成されたピストンリング１０Ａを備えている。なお、図１に示す本実施形態のピストンリング１０Ａは、図５に示す従来のピストンリング１０と外観は全く同じであるから、同じ構成部材には同じ符号を付し、異なる部材については符号を併記する。

このピストンリング１０Ａは、ピストン２の外周面に装着されるリング状部材であり、ピストン往復運動方向（図面では上下方向）に重ねた低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０と、低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０の内周面側に組み付けられる樹脂製のインナーリング１３及び金属製のバックアップリング１４とを一体化した構成とされる。なお、凹溝部１３ａを含むインナーリング１３の断面形状は矩形でとされるが、バックアップリング１４の断面形状については、たとえば矩形または円形等、特に限定されることはない。

低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０は、いずれも矩形の断面形状を有している。また、図示の低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０は、いずれもリングを分離させた合口１１ａ，２０ａを備えている。この合口１１ａ，２０ａは、リング形状を分離させた部分である。
そして、低圧側樹脂製リング１１には、完成状態で高圧側樹脂性リング２０の合口２０ａに入り込む凸部１１ｂが設けられ、高圧側樹脂製リング２０には、低圧側樹脂性リング１１の合口１１ａに入り込む凸部２０ｂが設けられている。すなわち、二つの樹脂製リング１１，２０は、一方の合口１１ａに他方の凸部２０ｂが入り込み、他方の合口２０ａに一方の凸部１１ｂが入り込むことにより、互いの合口１１ａ，２０ａが周方向で重ならないよう１８０度ずれた配置となっている。

このように、互いの合口１１ａ，２０ａが重ならないように配置して低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０をピストン往復運動方向に重ねるとともに、低圧側樹脂製リング１１及び高圧側樹脂製リング２０の内周面側に樹脂製のインナーリング１３及び金属製のバックアップリング１４を組み付けて一体化した構成のピストンリング１０Ａは、高圧側樹脂製リング２０が金属製の補強部材を有している。
本実施形態では、金属製の補強部材として、高圧側樹脂製リング２０の樹脂内部に完全に埋め込まれた金属製補強リング２１を備えている。

ここで、上述した低圧側樹脂製リング１１、高圧側樹脂製リング２０及びインナーリング１３に好適な樹脂としては、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素樹脂やポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）のような熱可塑性の超耐熱高分子樹脂が例示される。
また、バックアップリング１４や金属製補強リング２１に好適な金属としては、たとえばステンレス材（ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等）がある。

このように構成されたピストンリング１０Ａは、シリンダ５の内部でピストン２を往復運動させて流体を圧縮するポンプ運転が実施されると、高圧側樹脂製リング２０に対し、低圧側樹脂製リング１１の合口１１ａと相対する部分に集中して圧力が作用する。すなわち、高圧側樹脂性リング２０には、低圧側樹脂製リング１１の合口１１ａに入り込むように設けた凸部２０ｂが存在しているので、高圧側樹脂性リング２０に作用する圧力は、特に凸部２０ｂの周辺部に対して集中することとなる。

このような圧力集中に対し、本実施形態のピストンリング１０Ａは、高圧側樹脂製リング２０の樹脂内部に埋設した金属製補強リング２１を備えているので、圧力集中に対する強度を増して折損を防止することができる。すなわち、樹脂より機械的な強度の高い金属を補強材として埋設したので、圧力に対する高圧側樹脂製リング２０の強度が増して折損しにくくなる。
従って、本実施形態のピストンリング１０Ａは、圧力集中を受けるピストンリング１０Ａの高圧側樹脂製リング２０側が金属製補強リング２１により補強されているので、圧力集中に対する強度が増して折損を防止できるようになり、信頼性や耐久性が向上する。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係るピストンリングの第２の実施形態について、図２を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と相違する部分（高圧側樹脂製リングの断面構造）を中心に説明するものとし、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態のピストンリング１０Ｂは、金属製の補強部材として使用する金属製補強リング３１が、高圧側樹脂製リング３０の内周面側に形成した凹溝部３０ａに嵌め込まれている。このような金属製補強リング３１の嵌め込み構造は、金属製の補強部材を樹脂内に埋設する構造と比較して製造が容易である。

従って、このような構造の高圧側樹脂製リング３０としても、圧力集中に対する強度を増して折損を防止することができる。すなわち、樹脂より機械的な強度の高い金属が補強材として凹溝部３０ａに嵌め込まれているので、圧力に対する高圧側樹脂製リング３０の強度が増して折損しにくくなる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係るピストンリングの第３の実施形態について、図３を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と相違する部分（高圧側樹脂製リングの断面構造）を中心に説明するものとし、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態のピストンリング１０Ｃでは、高圧側樹脂製リング４０を構成する樹脂層４１をピストン往復運動方向に二分割するようにして、板状の金属製補強リング４２が挟持されている。すなわち、本実施形態の高圧側樹脂製リング４０は、高圧側から順に、樹脂層４１、金属製補強リング４２及び樹脂層４１よりなる三層構造となっている。

このような積層構造の高圧側樹脂製リング４０は、金属製の補強部材を樹脂内に埋設する構造と比較して製造が容易である。
また、このような構造の高圧側樹脂製リング４０としても、圧力集中に対する強度を増して折損を防止することができる。すなわち、樹脂より機械的な強度の高い金属が補強材として積層されているので、圧力に対する高圧側樹脂製リング４０の強度が増して折損しにくくなる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明に係るピストンリングの第４の実施形態について、図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と相違する部分（高圧側樹脂製リングの断面構造）を中心に説明するものとし、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態のピストンリング１０Ｄでは、高圧側樹脂製リング５０の上面（低圧側の面）に金属製補強リング５１を配置し、低圧側樹脂製リング１１の下面（高圧側の面）との間に挟持した構成を採用している。換言すれば、高圧側樹脂製リング５０と低圧側樹脂製リング１１との間に、金属製補強リング５１を挟持した構成となっている。

このような構造の高圧側樹脂製リング５０は、金属製の補強部材を樹脂内に埋設する構造と比較して製造が容易である。
また、このような構造の高圧側樹脂製リング５０としても、圧力集中に対する強度を増して折損を防止することができる。すなわち、樹脂より機械的な強度の高い金属が補強材として積層されているので、圧力に対する高圧側樹脂製リング５０の強度が増して折損しにくくなる。

そして、上述したピストンリング１０Ａ〜１０Ｄのいずれかを採用してピストン２に装着した低温流体用昇圧ポンプ１は、ピストンリング１０Ａ〜１０Ｄの強度が増して折損しにくくなるので、たとえば極低温のＬＮＧを大気圧から３０ＭＰａ程度の高圧に昇圧するような運転をしても良好な信頼性や耐久性を得ることができる。すなわち、上述した本実施形態によれば、圧力集中を受けるピストンリング１０Ａ〜１０Ｄの高圧側樹脂製リング側に金属製の補強部材が設けられているので、圧力集中に対する強度の向上により折損を防止できる。この結果、ピストンリング１０Ａ〜１０Ｄの信頼性や耐久性が増すので、このピストンリング１０Ａ〜１０Ｄを採用して低温流体用昇圧ポンプ１のような昇圧ポンプのピストン４に装着すれば、昇圧ポンプ自体の信頼性や耐久性が向上する。

ところで、上述した実施形態では、昇圧ポンプが低温流体を昇圧する低温流体用昇圧ポンプ１として説明したが、具体的には、液体水素や液体窒素、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化炭酸ガス、液化プロパンガスのような低温流体を昇圧させるピストン式ポンプは勿論のこと、低温流体以外の流体を取り扱う昇圧ポンプにも適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 低温流体昇圧ポンプ
２ ピストン
３ ピストンロッド
４ シリンダブロック
５ シリンダ
６ ピストンリング
９ａ，９ｂ 逆止弁
１０Ａ〜１０Ｄ ピストンリング
１１ 低温側樹脂製リング
１１ａ，１２ａ，２０ａ 合口
１１ｂ，１２ｂ，２０ｂ 凸部
１２，２０，３０，４０，５０ 高温側樹脂製リング
１３ インナーリング
１４ バックアップリング

Claims (2)

1. 互いの合口が重ならないように配置して低圧側樹脂製リング及び高圧側樹脂製リングをピストン往復運動方向に重ねるとともに、低圧側樹脂製リング及び高圧側樹脂製リングの内周面側に樹脂製インナーリング及び金属製バックアップリングを組み付けて一体化したピストンリングであって、
   前記高圧側樹脂製リングが金属製の補強部材を備えていることを特徴とするピストンリング。
2. シリンダ内をピストンが往復運動して流体を圧縮するピストン式ポンプの昇圧ポンプであって、
   前記ピストンの外周面に請求項１に記載のピストンリングが装着されていることを特徴とする昇圧ポンプ。
   

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