JP2015040519A - ピストン及びレシプロ圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側にシングル型ピストンリングは配置され、低圧側に複数型ピストンリングが配置されたピストンにおいて、複数型ピストンリングの負荷を低減する。
【解決手段】ピストンリングとして、複数の環状部材が一体化されてなる複数型ピストンリングと、単一の環状部材からなると共に複数型ピストンリングよりも高圧端寄りに配置される高圧側シングル型ピストンリングと、単一の環状部材からなると共に複数型ピストンリングよりも低圧端寄りに配置される低圧側シングル型ピストンリングとを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ピストン及びレシプロ圧縮機に関するものである。

周知のように、レシプロ圧縮機等では、シリンダ内において往復動されるピストンを備えている。このピストンには、ピストンヘッドやピストンロッドの他に、ピストンヘッドの周囲における気体漏れを抑止するためのピストンリングが設けられている。このようなピストンリングとしては、例えば特許文献１に示すように、一部が切断された単一の環状部材からなるシングル型ピストンリングや、２つの上記環状部材を一体化させてなるダブル型ピストンリングが用いられている。

シングル型ピストンリングは、一部が切断された環状部材からなるため、切断箇所で気体が漏れやすく単体でのシール性能は低い。また、ダブル型ピストンリングは、上記環状部材が切断された位置をずらして一体化されていることからシール性能が高い。特許文献１では、ピストンの高圧側にシングル型ピストンリングを設置し、ピストンの低圧側にダブル型ピストンリングを設置することによって、ピストンリングの摩耗を抑制している。

特開２００８−１５７０７６号公報

特許文献１によれば、複数設置されるシングル型ピストンリングによって、低圧側に向けて徐々に圧力が低下することから各ピストンリングでの高圧側と低圧側との差圧が小さくなり、ピストンリングの摩耗を抑制する点において効果が認められる。しかしながら、ピストンヘッドの長さは限られ、シングル型ピストンリングの設置個数も限られることから、ピストンの高圧側と低圧側との差圧が大きい場合、シングル型ピストンリングが配列された領域で十分に圧力を低下させることができない。このため、ダブル型ピストンリングにおける高圧側と低圧側との差圧が大きくなる。ダブル型ピストンリングは上述のようにシール性が高いことから、上記差圧が大きい場合には、ダブル側ピストンリングに対して大きな圧力が作用することなる。このため、ダブル型ピストンリングに対する負荷が大きくなり、ダブル型ピストンリングの寿命の低下を招くことから、メンテナンスの頻度を高くする要因となる。

なお、ダブル型ピストンリングに限らず、３つ以上の上記環状部材を一体化させたピストンリングでも同様の問題が生じるものと考えられる。つまり、複数の環状部材を一体化させたピストンリング（複数型ピストンリング）を用いた場合に、同様に、複数型ピストンリングの負荷が高くなると考えられる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高圧側にシングル型ピストンリングは配置され、低圧側に複数型ピストンリングが配置されたピストンにおいて、複数型ピストンリングの負荷を低減することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、一端側が他端側よりも高圧な空間に晒される高圧端であり他端側が低圧端であるピストンヘッドと、上記ピストンヘッドが固定されるピストンロッドと、上記ピストンヘッドの周面に設けられるピストンリングとを備えるピストンであって、上記ピストンリングとして、複数の環状部材が一体化されてなる複数型ピストンリングと、単一の環状部材からなると共に上記複数型ピストンリングよりも上記高圧端寄りに配置される高圧側シングル型ピストンリングと、単一の環状部材からなると共に上記複数型ピストンリングよりも上記低圧端寄りに配置される低圧側シングル型ピストンリングとを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記低圧端同士が離間されて対向配置される２つのピストンヘッドを備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記高圧側シングル型ピストンリング、及び、上記低圧側シングル型ピストンリングは、各々が上記ピストンロッドの軸方向に複数設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、内部に気体が取り込まれるシリンダと、上記シリンダの内部で往復動されるピストンとを備えるレシプロ圧縮機であって、上記ピストンとして、上記第１〜第３いずれかの発明であるピストンを備えるという構成を採用する。

本発明によれば、複数型ピストンリングよりもさらに低圧端寄りに、単一の環状部材からなる低圧側シングル型ピストンリングが配置されている。低圧側シングル型ピストンリングが複数型ピストンリングとピストンヘッドの低圧端との間に設置されることになるため、複数型ピストンリングの低圧側の圧力が直ぐにピストンヘッドの低圧端の圧力となることを防ぐことができる。したがって、低圧側シングル型ピストンリングが配置されていない場合と比較して、複数型ピストンリングにおける高圧側と低圧側との差圧を小さくすることができ、複数型ピストンリングの負荷を低減することができる。

本発明の一実施形態におけるピストンを備えるレシプロ圧縮機を模式的に示す平面図である。 レシプロエンジンの縦断面図である。 レシプロエンジンが備える第１ピストンの拡大図である。 本発明の一実施形態におけるピストンである第２ピストンの拡大図である。 （ａ）が高圧側シングル型ピストンリング及び低圧側シングル型ピストンリングの正面図であり、（ｂ）がダブル型ピストンリングの正面図である。 本発明の一実施形態におけるピストンである第２ピストンにおける圧力変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係るピストン及びレシプロ圧縮機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態のピストンを備えるレシプロ圧縮機１を模式的に示す平面図である。また、図２は、上記レシプロ圧縮機１の縦断面図である。レシプロ圧縮機１は、いわゆる三段圧縮機であり、図１に示すように、圧縮機本体２と、主電動機３と、カップリング４とを備えている。このようなレシプロ圧縮機１は、主電動機３で生成された動力を、カップリング４を介して圧縮機本体２に伝達し、圧縮機本体において空気等の気体を圧縮する。なお、図１においては、配管等の図示は省略している。

図２に示すように、圧縮機本体２は、ケーシング５と、一段シリンダ６と、二段シリンダ７と、三段シリンダ８と、第１ガス供給配管９と、第１ガス吐出配管１０と、第２ガス供給配管１１と、第２ガス吐出配管１２と、バランス室接続配管１３と、第３ガス供給配管１４と、第３ガス吐出配管１５と、クランクシャフト１６と、第１コネクティングロッド１７と、第２コネクティングロッド１８と、第１ピストン２０と、第２ピストン３０とを備えている。

ケーシング５は、クランクシャフト１６、第１コネクティングロッド１７、及び第２コネクティングロッド１８を収容しており、圧縮機本体２の中央部に配置されている。また、ケーシング５は、第１ピストン２０が備える後述のピストンロッド２１、及び、第２ピストン３０が備える後述のピストンロッド３１を摺動可能に支持する。

一段シリンダ６は、図２においてケーシング５の左側に取り付けられている。この一段シリンダ６は、全部で３段階に分けて圧縮される気体に対して第１段階の圧縮が行われる容器である。二段シリンダ７は、図２においてケーシング５の右側に取り付けられている。この二段シリンダ７は、一段シリンダ６から吐出された気体を取り込み、この気体に対して第２段階の圧縮を行うための容器である。三段シリンダ８は、二段シリンダ７のさらに右側に取り付けられている。この三段シリンダ８は、二段シリンダ７から吐出された気体を取り込み、この気体に対して第３段階の圧縮を行うための容器である。

第１ガス供給配管９は、一段シリンダ６に対して接続されており、外部から供給される気体を一段シリンダ６の内部に供給する。第１ガス吐出配管１０は、一段シリンダ６に対して接続されており、一段シリンダ６内において圧縮されて排出される気体を案内するための配管である。

第２ガス供給配管１１は、第１ガス吐出配管１０及び二段シリンダ７に対して接続されており、二段シリンダ７内の後述する昇圧室Ｓ２に対して一段シリンダ６から吐出された気体を供給する。第２ガス吐出配管１２は、二段シリンダ７に対して接続されており、二段シリンダ７内において圧縮されて排出される気体を案内するための配管である。

バランス室接続配管１３は、第１ガス吐出配管１０及び二段シリンダ７に対して接続されており、二段シリンダ７に設けられる後述のバランス室Ｓ３に対して接続されている。このバランス室接続配管１３は、バランス室Ｓ３に対して出入りする気体を案内する。

第３ガス供給配管１４は、第２ガス吐出配管１２及び三段シリンダ８に対して接続されており、三段シリンダ８内の後述する昇圧室Ｓ４に対して二段シリンダ７から吐出された気体を供給する。第３ガス吐出配管１５は、三段シリンダ８に対して接続されており、三段シリンダ８内において圧縮されて排出される気体を案内するための配管である。

なお、ここでは説明の便宜上、第１ガス吐出配管１０と第２ガス供給配管１１とが別部材であるものとして説明しているが、これらの配管は一体とされていても良い。また、第２ガス吐出配管１２と第３ガス供給配管１４とが別部材であるものとして説明しているが、これらの配管も一体とされていても良い。

クランクシャフト１６は、図１に示すカップリング４と接続されており、カップリング４を介して主電動機３から伝達される回転動力によって回転される。第１コネクティングロッド１７は、クランクシャフト１６と第１ピストン２０とに接続されている。この第１コネクティングロッド１７は、図２においてクランクシャフト１６の左側に配置されており、クランクシャフト１６の回転動力を直線動力に変換して第１ピストン２０に伝達する。第２コネクティングロッド１８は、クランクシャフト１６と第２ピストン３０とに接続されている。この第２コネクティングロッド１８は、図２においてクランクシャフト１６の右側に配置されており、クランクシャフト１６の回転動力を直線動力に変換して第２ピストン３０に伝達する。

図３は、第１ピストン２０の拡大図である。この図に示すように、第１ピストン２０は、ピストンロッド２１と、ピストンヘッド２２と、ダブル型ピストンリング２３と、ライダリング２４とを備えている。ピストンロッド２１は、一端が第１クロスヘッド３８に接続されると共に他端がピストンヘッド２２と接続された直線状の棒部材である。ピストンヘッド２２は、図２に示すように、一段シリンダ６の内部に収容されており、一段シリンダ６の内径よりも僅かに小さい外径とされた円筒部材である。このピストンヘッド２２は、図３に示す左端部と右端部との両側において気体を圧縮する。このようなピストンヘッド２２を収容する一段シリンダ６の内部は、図２に示すように、ピストンヘッド２２の左側の空間と右側の空間とが両方とも昇圧室Ｓ１とされている。

図３に示すように、ダブル型ピストンリング２３は、ピストンヘッド２２の周面に対して設けられており、ピストンロッド２１の軸方向に配列されて３つ設けられている。このダブル型ピストンリング２３は、ピストンヘッド２２の周面において気体が漏れることを防ぐものである。なお、このダブル型ピストンリング２３は、径を除いて、後述の第２ピストン３０のダブル型ピストンリング３５と同一の構成を有している。ライダリング２４は、ピストンヘッド２２の周面に対して設けられており、一段シリンダ６の内壁面に摺動可能に当接してピストンヘッド２２の重量を支える。なお、このライダリング２４は、例えば気体が通過できる溝等が設けられており、シール性は有していない。

第２ピストン３０は、本発明のピストンであり、二段シリンダ７及び三段シリンダ８の内部にて往復動されることで気体を圧縮する。図４は、第２ピストン３０の拡大図である。この図に示すように、第２ピストン３０は、ピストンロッド３１と、第１ピストンヘッド３２と、第２ピストンヘッド３３と、高圧側シングル型ピストンリング３４と、ダブル型ピストンリング３５（複数型ピストンリング）と、低圧側シングル型ピストンリング３６と、ライダリング３７とを備えている。

ピストンロッド３１は、一端が第２クロスヘッド３９に接続されると共に他端が第２ピストンヘッド３３と接続された直線状の棒部材である。第１ピストンヘッド３２は、図２に示すように、二段シリンダ７の内部に収容されており、二段シリンダ７の内径よりも僅かに小さい外径とされた円筒部材である。この第１ピストンヘッド３２は、第２ピストンヘッド３３よりも第２コネクティングロッド１８側においてピストンロッド３１に固定されている。第１ピストンヘッド３２は、図４に示す左端部においてのみ気体を圧縮する。このような第１ピストンヘッド３２を収容する二段シリンダ７の内部は、図２に示すように、第１ピストンヘッド３２の左側の空間のみが昇圧室Ｓ２とされている。

一方、二段シリンダ７の内部であって、第１ピストンヘッド３２の右側の空間は、バランス室Ｓ３とされている。このバランス室Ｓ３には、上述のように、バランス室接続配管１３によって、一段シリンダ６から排出された気体が出入りする。このため、本実施形態においては、第１ピストンヘッド３２の左側端が右側端よりも高圧な空間（昇圧室Ｓ２）に晒される高圧端３２ａとなり、右側端が低圧端３２ｂとなっている。

第２ピストンヘッド３３は、図２に示すように、三段シリンダ８の内部に収容されており、三段シリンダ８の内径よりも僅かに小さい外径とされた円筒部材である。この第２ピストンヘッド３３は、第１ピストンヘッド３２よりも小径とされている。第２ピストンヘッド３３は、図４に示す右端部においてのみ気体を圧縮する。このような第２ピストンヘッド３３を収容する三段シリンダ８の内部は、図２に示すように、第２ピストンヘッド３３の右側の空間のみが昇圧室Ｓ４とされている。

また、第２ピストンヘッド３３の左端部は、上記バランス室Ｓ３に臨んでいる。このため、本実施形態においては、第２ピストンヘッド３３の右側端が左側端よりも高圧な空間（昇圧室Ｓ４）に晒される高圧端３３ａとなり、左側端が低圧端３３ｂとなっている。

このように、本実施形態においては、第２ピストン３０は、低圧端３２ｂと低圧端３３ｂとが（低圧端同士）が離間されて対向配置された２つのピストンヘッド（第１ピストンヘッド３２及び第２ピストンヘッド３３）を備える、いわゆるタンデム型のピストンとされている。

図４に示すように、第１ピストンヘッド３２及び第２ピストンヘッド３３の周面には、高圧側シングル型ピストンリング３４と、ダブル型ピストンリング３５と、低圧側シングル型ピストンリング３６と、ライダリング３７とが設けられている。

図５（ａ）は、高圧側シングル型ピストンリング３４と、低圧側シングル型ピストンリング３６との正面図である。この図に示すように、高圧側シングル型ピストンリング３４と、低圧側シングル型ピストンリング３６とは、同一の部材であり、一部が切断された単一の環状部材からなる。なお、図４に示すように、第１ピストンヘッド３２に設けられる高圧側シングル型ピストンリング３４及び低圧側シングル型ピストンリング３６と、第２ピストンヘッド３３に設けられる高圧側シングル型ピストンリング３４及び低圧側シングル型ピストンリング３６とは、径が異なっている。このような高圧側シングル型ピストンリング３４と、低圧側シングル型ピストンリング３６とは、一部が切断されて、この切断部位から気体が抜けるため、シール性が低い。

図５（ｂ）は、ダブル型ピストンリング３５の正面図である。この図に示すように、ダブル型ピストンリング３５は、一部が切断された２つの環状部材が切断位置のずれた状態で一体化されてなる部材である。なお、図４に示すように、第１ピストンヘッド３２に設けられるダブル型ピストンリング３５と、第２ピストンヘッド３３に設けられるダブル型ピストンリング３５とは、径が異なっている。このようなダブル型ピストンリング３５は、気体が抜ける部位がないことからシール性が高い。

図４に示すように、第２ピストンヘッド３３においては、高圧端３３ａ側である右側に５つの高圧側シングル型ピストンリング３４が配置され、次に５つのダブル型ピストンリング３５が配置され、低圧端３３ｂ側である左側に２つの低圧側シングル型ピストンリング３６が配置されている。

また、第１ピストンヘッド３２においては、高圧端３２ａ側である左側に２つの高圧側シングル型ピストンリング３４が配置され、次に３つのダブル型ピストンリング３５が配置され、低圧端３２ｂ側である右側に２つの低圧側シングル型ピストンリング３６が配置されている。なお、高圧側シングル型ピストンリング３４、ダブル型ピストンリング３５、及び、低圧側シングル型ピストンリング３６の設置個数は、高圧側と低圧側との差圧に基づいて設定する。例えば、シール性を確保するために必要なダブル型ピストンリング３５の数を最初に決め、これらのダブル型ピストンリング３５における高圧側の圧力と低圧側の圧力とが、設定値となるように高圧側シングル型ピストンリング３４と低圧側シングル型ピストンリング３６との設置個数を決定する。

このように第２ピストン３０は、各ピストンヘッドに対して設けられるピストンリングとして、２つの環状部材が一体化されてなるダブル型ピストンリング３５と、単一の環状部材からなると共にダブル型ピストンリング３５よりも高圧端寄りに配置される高圧側シングル型ピストンリング３４と、単一の環状部材からなると共にダブル型ピストンリング３５よりも低圧端寄りに配置される低圧側シングル型ピストンリング３６とを備えている。

ライダリング３７は、第１ピストンヘッド３２及び第２ピストンヘッド３３の周面に対して設けられており、二段シリンダ７あるいは三段シリンダ８の内壁面に摺動可能に当接して第１ピストンヘッド３２あるいは第２ピストンヘッド３３の重量を支える。なお、このライダリング３７は、例えば気体が通過できる溝等が設けられており、シール性は有していない。

このような構成を有する圧縮機本体２では、第１ピストン２０及び第２ピストン３０が往復動されると、気体が、第１ピストン２０のピストンヘッド２２によって一段階目の圧縮がされ、第２ピストン３０の第１ピストンヘッド３２によって二段階目の圧縮がされ、第２ピストン３０の第２ピストンヘッド３３によって三段階目の圧縮がされて排出される。

ここで、本実施形態の第２ピストン３０によれば、ダブル型ピストンリング３５よりもさらに低圧端寄りに、単一の環状部材からなる低圧側シングル型ピストンリング３６が配置されている。図６は、第２ピストン３０の第２ピストンヘッド３３における圧力変化をグラフ化した図である。この図に示すように、低圧側シングル型ピストンリング３６がダブル型ピストンリング３５と第２ピストンヘッド３３の低圧端３３ｂとの間に設置されることになるため、ダブル型ピストンリング３５の低圧側の圧力が直ぐに第２ピストンヘッド３３の低圧端３３ｂの圧力（すなわちバランス室圧力）となることを防ぐことができる。したがって、低圧側シングル型ピストンリング３６が配置されていない場合と比較して、ダブル型ピストンリング３５における高圧側と低圧側との差圧を小さくすることができ、ダブル型ピストンリング３５の負荷を低減することができる。また、第１ピストンヘッド３２においても同様に、ダブル型ピストンリング３５の負荷を低減することができる。

また、本実施形態の第２ピストン３０は、低圧端３２ｂと低圧端３３ｂとが（低圧端同士）が離間されて対向配置された２つのピストンヘッド（第１ピストンヘッド３２及び第２ピストンヘッド３３）を備える、いわゆるタンデム型のピストンである。このようなタンデム型のピストンでは、２つのピストンヘッドの間が一般的にバランス室となり、低圧な領域となることから、低圧側シングル型ピストンリング３６を設置することによる、ダブル型ピストンリング３５の負荷低減効果が高い。

また、本実施形態の第２ピストン３０においては、高圧側シングル型ピストンリング３４、及び、低圧側シングル型ピストンリング３６の各々が、ピストンロッド３１の軸方向に複数設けられている。このため、ダブル型ピストンリング３５における高圧側と低圧側との差圧を、これらの個数によって調整することができ、ダブル型ピストンリング３５の負荷を調整することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明のピストンを三段圧縮機のレシプロ圧縮機１に用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の圧縮機のピストンとして用いることが可能である。さらには、内燃機関のピストンに適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、本発明のピストンがタンデム型のピストンである構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、単一のピストンヘッドを備えるピストンに適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、高圧側シングル型ピストンリング３４、及び、低圧側シングル型ピストンリング３６の各々が、ピストンロッド３１の軸方向に複数設けられている構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧側シングル型ピストンリング３４、及び、低圧側シングル型ピストンリング３６のいずれかが１つである構成を採用することも可能である。

１……レシプロ圧縮機、２……圧縮機本体、３……主電動機、４……カップリング、５……ケーシング、６……一段シリンダ、７……二段シリンダ、８……三段シリンダ、９……第１ガス供給配管、１０……第１ガス吐出配管、１１……第２ガス供給配管、１２……第２ガス吐出配管、１３……バランス室接続配管、１４……第３ガス供給配管、１５……第３ガス吐出配管、１６……クランクシャフト、１７……第１コネクティングロッド、１８……第２コネクティングロッド、２０……第１ピストン、２１……ピストンロッド、２２……ピストンヘッド、２３……ダブル型ピストンリング、２４……ライダリング、３０……第２ピストン（ピストン）、３１……ピストンロッド、３２……第１ピストンヘッド（ピストンヘッド）、３２ａ……高圧端、３２ｂ……低圧端、３３……第２ピストンヘッド（ピストンヘッド）、３３ａ……高圧端、３３ｂ……低圧端、３４……高圧側シングル型ピストンリング、３５……ダブル型ピストンリング、３６……低圧側シングル型ピストンリング、３７……ライダリング、３８……第１クロスヘッド、３９……第２クロスヘッド、Ｓ１……昇圧室、Ｓ２……昇圧室、Ｓ３……バランス室、Ｓ４……昇圧室

Claims (4)

1. 一端側が他端側よりも高圧な空間に晒される高圧端であり他端側が低圧端であるピストンヘッドと、前記ピストンヘッドが固定されるピストンロッドと、前記ピストンヘッドの周面に設けられるピストンリングとを備えるピストンであって、
   前記ピストンリングとして、
   複数の環状部材が一体化されてなる複数型ピストンリングと、
   単一の環状部材からなると共に前記複数型ピストンリングよりも前記高圧端寄りに配置される高圧側シングル型ピストンリングと、
   単一の環状部材からなると共に前記複数型ピストンリングよりも前記低圧端寄りに配置される低圧側シングル型ピストンリングと
   を備えることを特徴とするピストン。
2. 前記低圧端同士が離間されて対向配置される２つのピストンヘッドを備えることを特徴とする請求項１記載のピストン。
3. 前記高圧側シングル型ピストンリング、及び、前記低圧側シングル型ピストンリングは、各々が前記ピストンロッドの軸方向に複数設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のピストン。
4. 内部に気体が取り込まれるシリンダと、前記シリンダの内部で往復動されるピストンとを備えるレシプロ圧縮機であって、
   前記ピストンとして、請求項１〜３いずれかに記載のピストンを備えることを特徴とするレシプロ圧縮機。

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