JP2015036570A

JP2015036570A - ピストンリング

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Publication number: JP2015036570A
Application number: JP2013168032A
Authority: JP
Inventors: 聖丘野; Sei Okano
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Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: JP6256674B2

Abstract

【課題】ピストンリングの寿命を長期化し、合わせて気密性を維持すること。
【解決手段】
径方向の所定値以上の拡張を防止するストッパー手段２６を有する合い口２２を含む第１のリング部材２０に径方向の漏れを防止することができる合い口３２を有する第２のリング部材３０及び周方向の漏れを防止する合い口４２を有する第３のリング部材４０を積層し、ストッパー手段２６によって寿命を長期化し、第２及び第３のリング部材３０、４０気密性を向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、往復動オイルフリーコンプレッサ等のピストン摺動部の気密を維持するのに用いられるピストンリングの改良に関するものである。

一般に、ピストンリングは、ピストンに巻き付けるために、直角又は斜角の合い口１０１、１０２を有するが(図９参照)、これらのピストンリング１００は、摩耗が進行して痩せてくると、リングの径が大きくなって合い口の隙間が拡大し気密が低下するため、図５乃至図８に示されるように、摩耗が進行しても気密が低下することがないようにした種々のピストンリングが提案され又は実用化されている。

図５に記載のピストンリング１００は、厚み方向に相対する単純ステップ状の合い口１１１(図５（Ａ）参照)又は厚み方向に噛み合うステップ状の合い口１１２(図５（Ｂ）参照)を有する。これらのピストンリング１００は、ステップによって合い口の周方向の接触面の面積を拡大して摩耗による漏れを少なくしているが、これらの合い口は、ピストンリングの径方向の隙間を塞ぐことができないので漏れを防止することができない欠点があった。なお、図５（Ａ）の単純ステップ状の合い口１１１を有するピストンリングは、例えば、特許文献１の図７に開示されている。

図６に記載のピストンリング１００は、上下２つのリング片１００Ａ、１００Ｂから成る多層の形態であり、各リング片１００Ａ、１００Ｂのそれぞれ異なる位置に直角合い口１１３Ａ、１１３Ｂを有し、一方のリング片１００Ａには直角の合い口１１３Ａを有する部分の外周にへこみ１１３ＡＲが設けられ、他方のリング片１００Ｂにはリング片１００Ａのへこみ１１３ＡＲを補完するような突部１００ＢＰが設けられている。

また、図７に記載のピストンリング１００は、多重型ではなく、一体型であるが、厚み方向と径方向とに相対するステップ状の合い口１１４を有し、この合い口１１４の一方の部分Ｅ１は、符号１１４ＲＡで示す逆Ｌ字形の横断面を有し、他方の部分Ｅ２は、この逆Ｌ字形部分Ｅ１に係合してピストンリング１００の本体の断面と同じ断面を形成するように補完する符号１１４ＲＢで示すような形状を有している。

これらの図６及び図７に記載のピストンリング１００は、いずれも、図５に記載のステップ状の合い口を有するピストンリングに比べて、ピストンリングの摩耗時の漏れは少ないが、ピストンリング１００の摩耗によってリングの内周が痩せてくると、図６のピストンリング１００の突部１００ＢＰや図７のピストンリング１００の補完部分Ｅ２の部分１１４ＲＢが薄肉化してピストンＰＣの外周面とピストンリング１００の内周面との間の隙間に薄肉化した突部１００ＢＰや補完部分Ｅ２が食い込んで気密性を喪失する欠点があった。これは、図６及び図７の摩耗前の図部分（Ｂ）と摩耗後の図部分（Ｃ）とを対比すると、容易に理解することができる。

図８に記載のピストンリング１００は、合い口１１６の周方向の半部には図７の形態と同様の形態の厚み方向に噛み合う補完合い口部分１１６Ｔを有し、周方向の他の半部には径方向の合い口部分１１６Ｄを有し、且つ径方向の合い口部分１１６Ｄは、補完合い口部分１１６Ｔの反対の方向に向けて内周側に接触面が変位するようなテーパ状となっている。これらの合い口部分１１６Ｔ、１１６Ｄは、連続して一体に形成されている。この形態のピストンリングは、特許文献２の図３に開示されている。このピストンリングは、図５乃至図７のピストンリングよりも摩耗時の気密の低下は少ないが、摩耗自体を防止することができない欠点を有する。

上記図５乃至図８のいずれの従来技術によるピストンリングも、摩耗によって痩せると、最早、使用に耐えない状態となり、寿命が短い欠点があった。

特開２００８−８８８４２号特開２０１３−４４２７２号

本発明が解決しようとする第１の課題は、使用に耐える程度の気密を維持しつつ長期にわたって摩耗を防止して長期の寿命を保持することができるピストンリングを提供することにある。

本発明が解決しようとする第２の課題は、高い気密性を維持しつつ摩耗を防止して長期の寿命を保持することができるピストンリングを提供することにある。

本発明の第１の課題解決手段は、相互に積層され、周方向の異なる部位に位置する合い口をそれぞれ有する複数のリング部材から成り、その少なくとも１つのリング部材（第１のリング部材）の合い口は、径方向に相対する周壁片から成り、且つ摩耗によって前記相対する周壁片が所定値以上周方向にずれて前記リング部材が径方向に広がるのを阻止するストッパー手段を有することを特徴とするピストンリングを提供することにある。

本発明の第1の課題解決手段において、前記第１のリング部材の合い口の周壁片は、径方向に相対して噛み合う歯を有し、前記ストッパー手段は、前記リング部材の摩耗による所定値以上の径方向の拡張を抑制するようにギャップを介して相対する歯肩部から成っている形態とするのが好ましい。

本発明の第２の課題解決手段は、相互に積層され、周方向の異なる部位に位置する合い口をそれぞれ有する複数のリング部材から成り、その少なくとも１つのリング部材(第１のリング部材)の合い口は、径方向に相対する周壁片から成り、且つ摩耗によって前記相対する周壁片が所定値以上周方向にずれて前記リング部材が径方向に広がるのを阻止するストッパー手段を有し、他の１つのリング部材（第２のリング部材）の合い口は、前記第1のリング部材の合い口とは周方向の異なる位置にあって径方向に相対する歯なしの周壁片から成っていることを特徴とするピストンリングを提供することにある。

本発明の第２の課題解決手段において、前記第１のリング部材の合い口の周壁片は、径方向に相対して噛み合う歯を有し、前記ストッパー手段は、前記リング部材の摩耗による所定値以上の径方向の拡張を抑制するようにギャップを介して相対する歯肩部から成っている形態とするのが好ましい。

本発明の第２の課題解決手段において、更に他の１つのリング部材(第３のリング部材)を含み、前記第３のリング部材の合い口は、前記第２のリング部材の合い口に対応する位置にあって周方向に相対する周壁片から成っている形態とすることができる。

本発明によれば、複数の積層リング部材から成っていて、その少なくとも１つのリング部材(第１のリング部材)は、径方向に相対して係合する周壁片から成っており、且つ摩耗によって相対する壁片が所定値以上周方向にずれて第１のリング部材が径方向に広がるのを阻止するストッパー手段を有するので、ピストンとこれに巻き付けられたピストンリングとの間の隙間は、このストッパー手段によって所定値以上は拡大することがなく、従ってピストンリングの摩耗によって寿命が短くなるのを有効に防止することができる。

特に、このストッパー手段が第１のリング部材の合い口の壁片の相互に噛み合う歯に設けられてギャップを介して相対する歯肩部から成っていると、ギャップが埋まるまでの摩耗によるリング部材の径方向の拡張が生ずるが、相対する周壁片の歯肩部が衝合すると、リング部材は、それ以上の径方向の拡張を生ずることがなく、従って、リング部材は、ピストンに対して摩耗が生ずる程度まで係合することはなく、使用に耐える最低限の気密を維持しつつ摩耗による寿命の短縮を防止することができる。

また、第１のリング部材に径方向の漏れを防止することができる合い口を有する第２のリング部材及び周方向の漏れを防止する第３のリング部材の一方又は双方を積層すると、寿命の長期化に加えて気密性を向上することができる。特に、第１乃至第３のリング部材を積層すると、最大限の気密性を維持しつつ長期の寿命を保持することができるので最も有利である。

は、本発明の最も好ましい形態のピストンリングを装着したピストンの垂直断面図であり、同図（Ａ）は、ピストン装着直後の状態、同図（Ｂ）は、ピストンリングが摩耗した状態を、それぞれ示す。は、図１のピストンリングに用いられる３つの異なる形態のリング部材を同図（Ａ）乃至（Ｃ）にそれぞれ平面で示し、またこれらリング部材の積層状態を同図（Ｄ）に側面で示す図である。は、図１のピストンリングの合い口部分の要部を拡大した断面図であり、同図（Ａ）は、図１（Ａ）に相応する装着直後の状態、同図（Ｂ）は、摩耗後の状態を示す。は、同図（Ａ）（Ｂ）は、図３（Ａ）（Ｂ）のそれぞれの状態にある第１のリング部材の平面図、同図（Ｃ）は、同図（Ａ）の要部の拡大図である。は、厚み方向に相対する合い口を有する従来技術による２つの異なるピストンリングを示し、同図（Ａ）（Ｂ）は、それぞれその平面図、同図（Ａ’）（Ｂ’）は、それぞれ同図（Ａ）（Ｂ）のピストンリングの側面図である。は、従来技術による二重積層型ピストンリングを示し、同図（Ａ）はその斜視図、同図（Ｂ）（Ｃ）は、このピストンリングの摩耗前と摩耗後の状態の断面図である。は、厚み方向と径方向とに相対する合い口を有する従来技術によるピストンリングを示し、同図（Ａ）はその斜視図、同図（Ｂ）（Ｃ）は、このピストンリングの摩耗前と摩耗後の状態の断面図である。は、厚み方向と径方向とに相対する合い口を有する他の異なる従来技術によるピストンリングの斜視図である。は、直角又は斜角の合い口を有する最も単純な従来技術によるピストンリングの斜視図である。

本発明の最も好ましい形態のピストンリング１０が図１及び図２に示されている。このピストンリング１０は、図１に示すように、ピストンＰのリング係入溝ＰＧに係入してシリンダＣとピストンＰとの間の気密を維持するように装着される。

本発明のピストンリング１０は、少なくとも２つ以上の多層のリング部材から成り、図示の形態では、図２（Ａ）乃至（Ｃ）に順次積層した３層のリング部材２０、３０、４０から成っており、各リング部材２０、３０、４０は、相互に異なる形態の合い口２２、３２、４２を有する。図２（Ａ）乃至（Ｃ）は、３つのリング部材２０、３０、４０が積層した状態(図２（Ｄ）参照)での合い口２２、３２、４２の位置を示している。

第１のリング部材２０の合い口２２は、リングの径方向に相対して係合する周壁片２２Ａ、２２Ｂから成り、これらの相対する周壁片２２Ａ、２２Ｂが摩耗によって周方向にずれてもリング部材２０が所定値以上は径方向に広がるのを阻止するストッパー手段２６を含んでいる。

この第１のリング部材２０の合い口２２の周壁片２２Ａ、２２Ｂは、図２（Ａ）、図４（Ａ）、特に図４（Ｃ）に示すように、径方向に相対して噛み合う略台形の歯２４Ａ、２４Ｂをそれぞれ有し、ストッパー手段２６は、リング部材２０の摩耗による所定値以上の径方向の拡張を抑制するようにギャップ２４ｇを介して相対する歯肩部２４ＡＳ、２４ＢＳから成っている。

図４（Ｃ）に示すように、図示の形態では、歯２４Ａ、２４Ｂは、それぞれ周方向に隣接して設けられて相対する壁片２２Ａ、２２Ｂの噛み合い凹み２５Ａ、２５Ｂに係入している。

ストッパー手段２６の歯肩部２４ＡＳ、２４ＢＳは、図４（Ｃ）に示すように、これらの隣接する歯２４Ａ、２４Ｂの周方向に相対する壁にギャップ２４ｇを介して径方向に延びる面を有するように形成されている。従って、この第１のリング部材２０は、シリンダＣとの接触による摩耗が生じると、ギャップ２４ｇがなくなるように歯肩部２４ＡＳと２４ＢＳとが衝合するまで径方向に拡張するが、それ以上は、径方向に拡張することがないため、以後摩耗を生ずることがない。なお、このため、ギャップ２４ｇによる摩耗代分だけリング部材２０とシリンダＣとの間に隙間ｇｃ（図３参照）が生じ、若干の漏れが生じ、気密性が低下するが、この漏れ隙間ｇｃは、使用に耐えることができる程度に維持されるように設定される。隙間ｇｃは、視認できない程度であるため、図３では明確には示されていない。

第２のリング部材３０は、図２（Ｂ）に示すように、その合い口３２が第１のリング部材２０の合い口２２とは周方向に異なる位置、好ましくは、第１のリング部材２０の合い口２２とは１８０°にずらせた位置となるように、第１のリング部材２０に対して積層される。

第２のリング部材３０の合い口３２は、図２（Ｂ）に示すように、径方向に相対する歯なしの周壁片３２Ａ、３２Ｂか成っている。従って、この第２のリング部材３０は、合い口３２を有しない部分が第１のリング部材２０の合い口２２に積層することになり、第１のリング部材２０の合い口２２からの漏れを補足的に防止する機能を有する。また、この第２のリング部材３０の合い口３２は、第１のリング部材２０の合い口２２がない部分に積層されるので、第２のリング部材３０が摩耗によって痩せて径方向に拡張することがあっても、第１のリング部材２０の合い口がない部分でシリンダＣとピストンＰとの隙間Ｇから遮断されて第２のリング部材３０の痩せた部分が隙間Ｇに食い込むことがない。

第３のリング部材４０は、その合い口４２が第２のリング部材３０の合い口３２に対応する位置となるように第２のリング部材３０の上に積層され、この合い口４２は、ギャップを介して周方向に相対する周壁片（壁面）から成っている。これは、図９（Ａ）の従来技術の合い口を有するリング部材と同じ構造を有する。

この第３のリング部材４０は、第１のリング部材２０の合い口２２を有しない部分とで第２のリング部材３０の合い口３２の厚み方向の隙間３２ｇを挟んで第２のリング部材３０の合い口３２の気密漏れを防止している。

図１及び図２の形態のピストンリング１０は、図１及び図２（Ｄ）に示すように、ピストンＰの嵌合溝ＰＧ内に第１のリング部材２０の上に第２及び第３のリング部材３０、４０を順次積み上げて係入される。この積層状態でピストンＰ内に係入されたピストンリング１０がシリンダＣ内でピストン運動すると、ピストンリング１０の各リング部材２０、３０、４０は、運動中に図３（Ａ）で示すような圧力を受けつつ、シリンダＣの内周面を摺動する。この摺動によって各シリンダ部材２０、３０、４０が摩耗して図３（Ｂ）に示すように痩せてくるが、図３（Ａ）と図３（Ｂ）及び図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを対比して解るように、第１のリング部材２０は、合い口２２のストッパー手段２６のギャップ(摩擦代)２４ｇがなくなるまでは径方向に拡張するが、ギャップ２４ｇがなくなって歯肩部２４ＡＳと２４ＢＳとが衝合すると、それ以上は、拡張することがない。従って、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、径方向の拡張が停止した後に、第１のリング部材２０に摩耗が生じて若干の隙間ｇｃ(既に述べたように、図３（Ｂ）では明瞭には示されていない)が生じるが、それ以上は、第１のリング部材２０が摩耗することはない。

一方、第２及び第３のリング部材３０、４０は、第１のリング部材２０の合い口２２に隙間が生じても、その隙間を閉じて第１のリング部材２０の合い口２２からの気密漏れを防止する機能を有する。

第２及び第３のリング部材３０、４０の合い口３２、４２は、径方向及び厚み方向の漏れを防止するように相互に作用すると共に、第１のリング部材２０の合い口２２のない部分で塞がれて合い口３２、４２からの気密漏れを防止している。

第２及び第３のリング部材３０、４０は、図３（Ｂ）に示すように、摩耗によって痩せてくるが、その痩せた部分が第１のリング部材２０によってシリンダＣとピストンＰとの隙間Ｇ内に食い込むのが防止され、痩せた部分の食い込みによってピストンＰの摺動性を阻害することはない。

図示の実施の形態では、図２（Ａ）乃至（Ｃ）の第１乃至第３のリング部材２０、３０、４０を積層してピストンリング１０を構成したが、本発明のピストンリング１０は、２つ以上のリング部材の積層物から成り、その少なくとも１つのリング部材は、第１のリング部材２０であり、他の少なくとも１つのリング部材は、第１のリング部材２０の合い口２２とは周方向に異なる位置に合い口を有する任意のリング部材とすることができる。このようにすると、第１のリング部材２０の合い口２２のストッパー手段２６によって第１のリンク部材２０は、使用に耐える程度の隙間を残してそれ以上の摩耗を防止することができ、また他の少なくとも１つのリング部材の合い口を有しない部分によって第１のリング部材２０の合い口２２の残存隙間による気密漏れを有効に防止することができる。

本発明のピストンリング１０の他の組み合わせの具体的な形態を掲げると、下記の（ａ）乃至（ｃ）の通りである。
（ａ）図２（Ａ）の２つ又は３つの第１のリング部材２０をその合い口２２を周方向に異ならせて組み合わせて積層した形態
（ｂ）図２（Ａ）の第１のリング部材２０と図２（Ｂ）の第２のリング部材３０とをその合い口２２、３２を異ならせて組み合わせ積層した形態。
（ｃ）図２（Ａ）の第１のリング部材２０と図２（Ｃ）の第３のリング部材４０とをその合い口２２、４２を異ならせて組み合わせ積層した形態。
（ｄ）図２（Ａ）の第１のリング部材２０と従来技術による図５、図７、図８及び図９のいずれかに記載のリング部材とをその合い口を異ならせて組み合わせ積層した形態。

図１及び図２の実施の形態と（ａ）乃至（ｄ）のいずれの形態でも、第１のリング部材２０によって使用に耐える程度の気密漏れを許容しつつ長寿命を維持することができ、また第１のリング部材２０に組み合わせられるリング部材に応じて更に気密性も維持することができる。

本発明によれば、ストッパー手段を含む合い口を有する第１のリング部材にこの第1のリング部材の合い口とは異なる周位置に合い口を有する他の任意の追加のリング部材を積層しているので、第１のリング部材によって寿命を延長することができる上に追加のリング部材によって気密性を向上することができるので、産業上の利用性が向上する。

Ｃシリンダ
Ｐピストン
ＰＧリング係入溝
１０ピストンリング
２０、３０、４０３層のリング部材
２２、３２、４２合い口
２２Ａ、２２Ｂ合い口２２の周壁片
２６ストッパー手段
２４Ａ、２４Ｂ略台形の歯
２４ＡＳ、２４ＢＳ歯肩部
２４ｇギャップ
２５Ａ、２５Ｂ凹み
Ｇリング部材２０とシリンダＣとの間の隙間
３２Ａ、３２Ｂ合い口３２の周壁片
４２Ａ、４２Ｂ合い口４２の周壁片（壁面）

Claims

相互に積層され、周方向の異なる位置に合い口をそれぞれ有する複数のリング部材から成り、その少なくとも１つのリング部材（第１のリング部材）の合い口は、径方向に相対する周壁片から成り、且つ摩耗によって前記相対する周壁片が所定値以上周方向にずれて前記リング部材が径方向に広がるのを阻止するストッパー手段を有することを特徴とするピストンリング。
請求項1に記載のピストンリングであって、前記第１のリング部材の合い口の周壁片は、径方向に相対して噛み合う歯を有し、前記ストッパー手段は、前記リング部材の摩耗による所定値以上の径方向の拡張を抑制するようにギャップを介して相対する歯肩部から成っていることを特徴とするピストンリング。
相互に積層され、周方向の異なる位置に合い口をそれぞれ有する複数のリング部材から成り、その少なくとも１つのリング部材(第１のリング部材)の合い口は、径方向に相対する周壁片から成り、且つ摩耗によって前記相対する周壁片が所定値以上周方向にずれて前記リング部材が径方向に広がるのを阻止するストッパー手段を有し、他の１つのリング部材（第２のリング部材）の合い口は、径方向に相対する歯なしの周壁片か成っていることを特徴とするピストンリング。
請求項３に記載のピストンリングであって、前記第１のリング部材の合い口の周壁片は、径方向に相対して噛み合う歯を有し、前記ストッパー手段は、前記リング部材の摩耗による所定値以上の径方向の拡張を抑制するようにギャップを介して相対する歯肩部から成っていることを特徴とするピストンリング。
請求項３又は４に記載のピストンリングであって、更に他の１つのリング部材(第３のリング部材)を含み、前記第３のリング部材の合い口は、前記第２のリング部材の合い口に対応する位置にあって周方向に相対する周壁片から成っていることを特徴とするピストンリング。