JP2023516701A - ピストンリングアセンブリ、ピストン圧縮機、および、圧縮室を密閉する方法 - Google Patents

Abstract

ピストンリングアセンブリ１は第１および第２無端シールリング２、４と弾性リングキャリア３を備える。シールリング２、４は周方向Ｕに延びてそれぞれ外周面２ａ、４ａを有する。シールリング２、４は外周面２ａ、４ａに対して第１、第２中心点Ｍ１、Ｍ２を有する。シールリング２、４はそれぞれ周方向Ｕに対して垂直に延びる長手方向軸線Ｌを有する。リングキャリア３は周方向Ｕに拡がる。シールリング２、４がリングキャリア３において長手方向軸線Ｌの方向に次々と配置されるように、リングキャリア３ならびにシールリング２、４は相互に適合して設計される。シールリング２、４の中心点Ｍ１、Ｍ２は、長手方向軸線Ｌに対して径方向に互いに距離を置いて配置される。ピストンリングアセンブリ１の使用時、シールリング２、４はシリンダ１１の内壁１１ａに対して互いに反対方向に押圧される。

Description

本発明は、ピストンリングアセンブリに関する。本発明はさらに、ピストンリングアセンブリを備えているピストン圧縮機に関する。本発明はさらに、圧縮室を密閉（シール）する方法としての圧縮室密閉方法に関する。

シリンダと、そのシリンダの中で直線的に移動可能なピストンと、を備えているピストン圧縮機が知られている。１つの可能な実施形態では、ピストンリングがピストン上に配置されており、ピストンリングは、シリンダと可動ピストンとによって囲まれた圧縮室を密封（シール）するように、シリンダ壁に沿って摺動する。特許文献１は、図６において、ピストン上に配置されるとともにシリンダ壁に擦り付けられるピストンリングを有している乾式走行ピストン圧縮機を開示している。この公知のピストンリングは、負荷時に顕著なコールドフローを示しており、その結果、ピストンリングの摩耗が急速に進むので、高圧力差での使用には限られた範囲でしか適さない。特許文献２は、ピストン圧縮機のピストンロッドのためのシール配置（アレンジメント）を開示している。このシール配置は、摩耗補償のためにピストンロッドの走行方向に対して横方向に共通のリングキャリアに移動可能に取り付けられる２つの無端（エンドレス）シールリングを備えて構成されている。しかし、このシール配置は、シリンダと可動ピストンとによって囲まれた圧縮室の密閉には寄与していない。

国際公開第９８／０５５７８３号 米国特許出願公開第２０１３／０１５４１９７号明細書 欧州特許出願公開第１２７５８８８号明細書 国際公開第２０１８／１０８４６４号

本発明の目的は、より有利な作動特性を有しているピストンリングアセンブリおよびピストン圧縮機を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有しているピストンリングアセンブリによって解決される。従属請求項２～１１は、本発明のさらに有利な実施形態に関する。この目的はさらに、請求項１２の特徴を有しているピストン圧縮機によって解決される。従属請求項１３および１４は、更なる有利な実施形態に関わる。この目的はさらに、請求項１５の特徴を備えている、圧縮室を密封する方法によって解決される。従属請求項１６は、更なる有利な方法に関する。この目的はさらに、動的な圧力成分（動圧コンポーネント）を密封するための圧力遮断器（圧力ブレーカ）としての、請求項１７に記載のピストンリングアセンブリの使用によって解決される。

この目的は、特に、第１および第２無端シールリングと弾性リングキャリアとを備えている、ピストンリングアセンブリによって解決される。第１および第２シールリングは周方向に延びるとともに、それぞれが外周面を有している。第１シールリングは、その第１シールリングの外周面に対して第１中心点を有している。第２シールリングは、その第２シールリングの外周面に対して第２中心点を有している。ここで、第１および第２シールリングはそれぞれ、周方向に対して垂直に延びる長手方向軸線を有している。リングキャリアは、周方向に拡がっている。リングキャリアならびに第１および第２シールリングは、第１および第２シールリングがリングキャリア内で長手方向軸線の方向に連続して配置されているとともに、それら第１および第２シールリングの第１および第２中心点が長手方向軸線に対して径方向に相互に離間して配置されているように、相互に適合させるように設計されている。

この目的はさらに、シリンダを備えているピストン圧縮機によって解決される。ピストン圧縮機は、シリンダ内に配置されたピストンと、ピストン上に配置された本発明による少なくとも１つのピストンリングアセンブリと、を備えている。

ピストン圧縮機は、圧縮室を区画するシリンダとピストンとを備えている。ピストンは、有利には、圧縮室から出発して、長手方向軸線の方向に、第１部分セクションと、その第１部分セクションに続く第２部分セクションと、を有している。第１部分セクションに沿って、少なくとも１つのピストンリングアセンブリが配置されている。第２部分セクションに沿って、好ましくは静圧（静的圧力）を密封する少なくとも１つのピストンリングが配置されている。ピストンリングアセンブリは、好ましくは動圧成分を密封している。

この目的はさらに、シリンダと、そのシリンダの中に配置されて長手方向軸線の方向に移動可能なピストンと、によって区画される圧縮室を密封する方法で解決される。第１および第２無端シールリングを備えているピストンリングアセンブリは、ピストン上に配置される。第１および第２無端シールリングは、横方向にアイドル状態で押圧される。特に長手方向軸線に対して垂直な方向で、シリンダの内壁に対して互いに反対方向に、第１および第２無端シールリングは押圧される。シリンダの圧縮室内で上昇する内圧によって、ピストンの圧縮段階で、第１および第２無端シールリングは、シリンダの内壁に対してさらに互いに反対方向に押圧されることを特徴としている。

有利な実施形態では、本発明によるピストンリングアセンブリは、長手方向において完全に密閉されておらず、部分的にのみ密閉されている。このようなピストンリングアセンブリは、動圧成分を密封するための、圧力遮断器（圧力ブレーカ）として特に適している。

本発明によるピストンリングアセンブリは、極めて安定した設計が可能であり、高い印加圧力差、例えば５００ｂａｒ（５０ＭＰ）までの圧力に適しており、特に水素を圧縮するのに適しているという利点を有している。本発明によるピストンリングアセンブリが極めて安定している理由の１つは、シールリングが無端（エンドレス）かつワンピース（一部品、一体）設計であるとともに、シールリングは、好ましくは摩耗性材料、特に青銅、ネズミ鋳鉄（グレーキャストアイロン）、または焼結鉄などの金属で、もしくはＰＴＦＥまたは充填ＰＴＦＥ、もしくはＰＥＥＫ、ＰＩ、またはエポキシなどの高温ポリマーなどのプラスチックで、構成されていることである。本発明によるピストンリングアセンブリは、シリンダ内壁に互いに反対方向に押し付けられる２つのシールリングを備えて構成されている。その結果、各シールリングは、一方の側でシリンダの内壁に押し付けられるので、長手方向軸線に関して、特にシールリングが既に何らかの摩耗を示す場合、シールリングと、反対側のシリンダ内壁と、の間に小さな隙間が形成される。本発明によるピストンリングアセンブリは、長手方向に連続して配置された２つのシールリング、すなわち第１シールリングおよび第２シールリングを備えている。第１シールリングは、長手方向軸線に対して一方の側でシリンダ内壁に押し付けられており、第２シールリングは、長手方向軸線に対して反対側でシリンダ内壁に押し付けられている。これによって、長手方向において非常に良好なシール効果が得られるが、本発明によるピストンリングアセンブリは、シールリングとシリンダ内壁との間に発生し得る小さな隙間によって、必ずしも長手方向軸線方向において完全にシールされるわけではない。したがって、本発明によるピストンリングアセンブリは、いわゆる圧力遮断器（圧力ブレーカ）配置として特に適しており、そのタスク（課題）は、圧縮中に発生する圧力ピークを破壊または封鎖することであるが、そのような圧力遮断器配置は、長手方向軸線の方向に一定の漏れを有していてもよい。したがって、本発明によるピストンリングアセンブリは、動的に作用する圧力の力をかなり低減することができるという特別な利点を有しており、その結果、好ましくは本質的に静圧のみがピストンの第２セクションに沿って配置されて静圧を封鎖するピストンリングに作用している。もはや高い圧力成分を有している動圧はなく、かなり小さな圧力の力が、静圧を封鎖するピストンリングに作用しているので、ピストンリングの耐用期間またはサービス寿命はかなり増加することになる。

以下、本発明をいくつかの実施形態に基づき詳細に説明する。
実施形態の説明に用いる図面には、以下のものが示されている。

ピストンリングアセンブリの斜視分解図。 図１に示すリングキャリアの上面図。 図１に示されたシールリングの上面図。 図２に示されたリングキャリアの底面図。 交差線Ａ－Ａに沿ったリングキャリアを通る断面図。 図４の中央部の詳細図。 弛緩状態にあるピストンリングアセンブリを通る縦断面図。 シリンダと、ピストンと、および、ピストン内に配置されたピストンリングアセンブリと、を通る縦断面図。 図７に示すピストンリングアセンブリの上面図。 図７によるピストンリングアセンブリの交差線Ｂ－Ｂに沿った断面図。 図８によるピストンリングアセンブリの交差線Ｄ－Ｄに沿った断面図。 図８によるピストンリングアセンブリの交差線Ｃ－Ｃに沿った断面図。 図８による長手方向断面の詳細な特徴図。 ピストンリングアセンブリが中に配置されたピストンの側面図。 弛緩状態におけるピストンリングアセンブリの更なる実施形態を通る縦断面図。 弛緩状態にあるピストンリングアセンブリの更なる実施形態の上面図。 ピストンリングアセンブリの更なる実施形態を通る断面の詳細図。 ピストンリングアセンブリの更なる実施形態を通る断面の詳細図。 図２に示されるリングキャリアの更なる実施形態の底面図。 シールリングの更なる実施形態の上面図。 弛緩した状態の更なるピストンリングアセンブリを通る縦断面図。

原則として、図面において、同じ部品には同じ参照符号が付されている。
図１は、第１無端シールリングとしての第１シールリング２と、第２無端シールリングとしての第２シールリング４と、および、ワンピースまたは１部品リングキャリアとしてのリングキャリア３と、を備えているピストンリングアセンブリ１の第１実施形態を示している。

図２は、図１に示すリングキャリア３の平面図である。リングキャリア３は、リングキャリア中心点Ｍを中心として周方向Ｕに円状に拡がっている。リングキャリア３は、リングキャリア中心点Ｍを通るとともに周方向Ｕに対して垂直に延びる長手方向軸線Ｌを有している。リングキャリア３は、周方向Ｕの両側のそれぞれに端部３ａを有している。両方の端部３ａは、周方向Ｕに互いに離間することで、突部（バット）または隙間（ギャップ）Ｓを形成している。隙間Ｓは、好ましくは、周方向Ｕにおける幅が、第１シールリング２の外周長さ（アウターサーカムファレンシャル）の１％以上５％以下の範囲にある。第１シールリング２は、好ましくは、３０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲の直径を有しており、従って、好ましくは、９４ｍｍ以上７８５ｍｍ以下の範囲の外周長さを有している。リングキャリア３は、長手方向軸線Ｌの方向に延びる第１リングキャリアウェブ３ｅを備えて構成されている。第１リングキャリアウェブ３ｅは、周方向Ｕにおいてリングキャリア中心点Ｍと同心に拡がる（延びる）とともに、一定の壁厚Ｄ_１を有している。第１リングキャリアウェブ３ｅの凹状内面３ｇは、内半径Ｒ_１を有している。第１リングキャリアウェブ３ｅの凸状外面３ｉは、第１外半径Ｒ_２を有している。リングキャリア３は、第１リングキャリアウェブ３ｅを超えて長手方向軸線Ｌに対して径方向に突出する中間ウェブ３ｄも備えている。第１リングキャリアウェブ３ｅと中間ウェブ３ｄは、第１シールリング２を受け入れるための第１凹部３ｂを形成している。第１凹部３ｂは、長手方向軸線Ｌに対して垂直に拡がる軸受面３ｌ（３エル）と、凸状外面３ｉと、によって境界を形成している。

図３は、第１中心点Ｍ_１を有しているとともに内半径Ｒ_Ｄ１および外半径Ｒ_Ｄ２を有している、第１シールリング２の上面図である。任意選択的に、第１シールリング２は、例えば、図３に破線で示すように、第１中心点Ｍ_１に向かって突出するノーズ（鼻）状などの、固定部または回転防止装置２ｃを構成することも可能にされている。図３はまた、第２シールリング４の上面図であり、図示の実施形態では、第２シールリング４は第１シールリング２と同一の設計である。第２シールリング４は、第２中心点Ｍ_２を有しているとともに、順に内半径Ｒ_Ｄ１および外半径Ｒ_Ｄ２を有しており、また任意に固定部（４ｃ）を有していることができる。さらに、両第１および第２シールリング２、４は、端面において外周面２ａ、４ａと内周面２ｄ、４ｄとを有している。好ましくは、図３に示すように、第１および第２シールリング２、４は、同一デザインである。しかし、第１シールリング２および第２シールリング４は、それぞれ異なる内半径Ｒ_Ｄ１を有していることも可能にされている。

図４は、図２に示すリングキャリア３の、背面側を示す平面図である。リングキャリア３は、第１および第２シールリング２、４が長手方向軸線Ｌの方向に次々と配置されているとともに、第１および第２シールリング２、４の第１および第２中心点Ｍ_１、Ｍ_２が長手方向軸線Ｌに対して径方向および横方向に互いに距離を置いてまたはオフセットして配置されるように、第１および第２シールリング２、４を受け入れるように設計されている。リングキャリア３は、第２リングキャリアウェブ３ｆを備えている。第２リングキャリアウェブ３ｆの凹状内面３ｇは、リングキャリア中心点Ｍに対して同心状に周方向Ｕに拡がっているので、第１リングキャリアウェブ３ｅと第２リングキャリアウェブ３ｆとの共通の凹状内面３ｇは、それぞれ長手方向軸線Ｌの方向に同一の凹状コースを有しているかまたは同一のコースを有しているように、リングキャリア中心点Ｍに対して周方向に拡がっている。第２リングキャリアウェブ３ｆは、長手方向軸線Ｌに対して周方向Ｕに拡がる（延びる）とともに、さらに長手方向軸線Ｌの方向に延びている。リングキャリア３は順に、第２リングキャリアウェブ３ｆを越えて長手方向軸線Ｌに対して径方向に突出する中間ウェブ３ｄを備えて構成されている。第２リングキャリアウェブ３ｆは中間ウェブ３ｄと同様に、第２無端シールリングとしての第２シールリング４を受け入れるための第２凹部３ｃを形成している。第２凹部３ｃは、長手方向軸線Ｌに対して垂直に拡がる中間ウェブ３ｄの軸受面３ｋと、第２リングキャリアウェブ３ｆの凸状外面３ｈと、によって境界が形成されている。第２リングキャリアウェブ３ｆの凹状内面３ｇは、図２でも分かるように、リングキャリア中心点Ｍに対して同心円状に拡がっており、第１リングキャリアウェブ３ｅと同じ内半径Ｒ_１を有している。図２に示す第１リングキャリアウェブ３ｅは、周方向Ｕに沿って一定の壁厚Ｄ_１を有している。一方、図４に示す第２リングキャリアウェブ３ｆは、周方向Ｕに変化する壁厚を有している。第２リングキャリアウェブ３ｆの凸状外面３ｈが第３中心点Ｍ_３に対して同心円状に拡がるように、第２リングキャリアウェブ３ｆは設計されている。第３中心点Ｍ_３は、図４に示すようにおよび図６にさらに詳しく示すように、リングキャリア中心点Ｍに対してわずかに左方にズレている。図４は、リングキャリア３が対称となる対称面Ｎを示す。第３中心点Ｍ_３がリングキャリア中心点Ｍに対してわずかに左にズレているので、第２リングキャリアウェブ３ｆは、対称面Ｎとリングキャリア３との交点の領域において、第１リングキャリアウェブ３ｅの壁厚Ｄ_１よりも狭い壁厚Ｄ_２を有している。さらに第２リングキャリアウェブ３ｆの壁厚は、対称面Ｎにおける狭い壁厚Ｄ_２から始まって、周方向Ｕにおいて隙間（ギャップ）Ｓに向けて広い壁厚Ｄ_３へと増加するようになっている。図４は、第１補助線Ｎ_１と第２補助線Ｎ_２を示しており、第１補助線Ｎ_１はリングキャリア中心点Ｍを通り、第２補助線Ｎ_２は第３中心点Ｍ_３を通る。よって、特に図６から分かるように、第１補助線Ｎ_１と第２補助線Ｎ_２とのオフセットは、リングキャリア中心点Ｍと第３中心点Ｍ_３との間の中心距離Ｍ_Ｄを表すことになる。第１および第２シールリング２、４の第１および第２中心点Ｍ_１、Ｍ_２間の中心距離Ｍ_Ｄは、好ましくは０．１ｍｍ～１０ｍｍの範囲である。

図６は、図４の中心を拡大した詳細図であり、前述した特徴、すなわち、リングキャリア中心点Ｍと第３中心点Ｍ_３が、中心距離Ｍ_Ｄだけ相互に離間していることが示されている。図４に示すリングキャリア３に第１シールリング２と第２シールリング４とを配置した場合、第１シールリング２の第１中心点Ｍ_１はリングキャリア中心点Ｍと同一であり、第２シールリング４の第２中心点Ｍ_２は第３中心点Ｍ_３と同一である。このようにして、リングキャリア３に一緒に配置される第１シールリング２と第２シールリング４は、リングキャリア３において、長手方向軸線Ｌに対して径方向に、リングキャリア３によって予め定められた相互距離で相互に保持される。図１、図２、図４は、リングキャリア３が弛緩した状態を示している。後述するように、リングキャリア３は弾性変形可能にされているので、リングキャリア３の弾性変形の程度に応じて、リングキャリア中心点Ｍと第３中心点Ｍ_３との間の中心距離Ｍ_Ｄが変化し得ることを意味する。

図５は、図４による交差線Ａ－Ａに沿ったリングキャリア３を通る断面を示している。これは特に、第１リングキャリアウェブ３ｅが壁厚Ｄ_１を有しており、第２リングキャリアウェブ３ｆが交差線Ａ－Ａでより狭い壁厚Ｄ_２を有していること、を示している。言い換えれば、第３中心点Ｍ_３に対して同心円状に拡がる凸状外面３ｈが、選択した表現において、リングキャリア中心点Ｍに対して同心円状に拡がる凸状外面３ｉに対して左方にズレていることを示す。選択された表現において、リングキャリア中心点Ｍに対して同心円状に拡がる凸状外面３ｉは、中心距離Ｍ_Ｄだけ、左にズレている。２つの凸状外面３ｈ、３ｉのコースが、第１および第２シールリング２、４の中心の位置を決定しているので、第１シールリング２の第１中心点Ｍ_１および第２シールリング４の第２中心点Ｍ_２は、同様に中心距離Ｍ_Ｄに対応する相互間隔を有している。

図７は、図４に示す対称面Ｎに沿った、ピストンリングアセンブリ１の実施形態を通る縦断面を示しており、ピストンリングアセンブリ１は、リングキャリア３と第１および第２シールリング２、４とを備えて構成されている。リングキャリア３および第１および第２シールリング２、４をより良く表現するために、図７～図１２に示すピストンリングアセンブリ１では、図１～図６による実施形態と比較して、リングキャリア３ならびに第１および第２シールリング２、４が拡大して示されており、一方、内半径Ｒ_１は縮小されて示されている。第１および第２シールリング２、４またはそれらの第１および第２中心点Ｍ_１、Ｍ_２は、リングキャリア３において中心距離（中心点距離）Ｍ_Ｄだけ相互にオフセットされている。図７に示すリングキャリア３および図１、図２、図４、図５、図９、図１０に示すリングキャリア３は、いずれも弛緩した状態である。図７はまた、長手方向軸線Ｌに関して互いに反対側に配置された外面同士、すなわち、第１シールリング２の２つの外周面（外面）２ａ、２ｂと、第２シールリング４の２つの外周面（外面）４ａ、４ｂと、および、リングキャリア３および中間ウェブ３ｄの２つの外周面（外面）３ｍ、３ｎと、をそれぞれ示している。

図９は、図７に示されたピストンリングアセンブリ１の上面図を示しており、それによって、第２シールリング４にわたって長手方向軸線Ｌに対して径方向で右方に突出するリングキャリア３の中間ウェブ３ｄは、示されていない。さらに、図９は、リングキャリア中心点Ｍ、第１中心点Ｍ_１、第２中心点Ｍ_２、ならびに第３中心点Ｍ_３、および中心距離Ｍ_Ｄ、を示している。

図１０は、交差線Ｂ－Ｂに沿って図７に示すピストンリングアセンブリ１を通る断面を示している。第１リングキャリアウェブ３ｅおよび第１シールリング２は、それぞれリングキャリア中心点Ｍおよび長手方向軸線Ｌに対して、同心円状に拡がる。

図７に示すように、中間ウェブ３ｄは、周方向Ｕに拡がっている外周面３ｍ、３ｎを有している。外周面３ｍ、３ｎは、長手方向軸線Ｌに対して径方向外方に向けられている。第１凹部３ｂは、長手方向軸線Ｌに対して径方向に、第１凹部３ｂに配置すべき第１シールリング２と同じ幅を有している。よって、右方に示す図において、外周面３ｍと、第１シールリング２の外周面２ｂと、の両方はシリンダ１１の内壁に対して一緒に耐えることができる。外周面３ｍ、２ｂの両方は、ピストン１０の動作中にシリンダ１１の内壁としてのシリンダ内壁１１ａに対して耐える領域で、摩耗を受けることが可能にされている。

図８は、往復動圧縮機を通る縦断面図である。往復動圧縮機は、シリンダ内壁１１ａを有しているシリンダ１１を備えているとともに、このシリンダ１１内に長手方向軸線Ｌ方向に移動可能に配置されているピストン１０を備えている。ピストン１０は、いわゆるビルドピストンとして構成されており、第１ピストン部品１０ａと第２ピストン部品１０ｂとを備えている。第１ピストン部品１０ａと第２ピストン部品１０ｂとは、ピストンリングアセンブリ１が配置される中間空間を形成している。ピストン１０は、複数のピストン部品（１０ａ、１０ｂ）と、特に長手方向軸線Ｌの方向にそれら複数のピストン部品の中間空間に連続して配置された複数のピストンリングアセンブリ１と、を備えて構成されてもよい。図７に示すピストンリングアセンブリ１をシリンダ１１の内部に導入するべく、図７に示すように、ピストンリングアセンブリ１の両側で、第１および第２シールリング２、４および／またはリングキャリア３に力Ｆを作用させる。そうすることによってリングキャリア３を弾性変形させることで、第１および第２シールリング２、４の中心同士の相互距離としての中心距離Ｍ_Ｄ、すなわち長手方向軸線Ｌに対して径方向における第１シールリング２の第１中心点Ｍ_１と第２シールリング４の第２中心点Ｍ_２との間の距離、をシリンダ１１内に収容することができるようにする。リングキャリア３の弾性変形によって、第１および第２シールリング２、４に対して反力が作用する。図８に示す実施形態では、リングキャリア３は、第２シールリング４に対して径方向に作用する第１力Ｆ_Ｒ１を作用させるとともに、同時に、リングキャリア３は、径方向に作用する第１力Ｆ_Ｒ１とは逆方向に作用する力、すなわち第１シールリング２に対して径方向に作用する第２力Ｆ_Ｒ２を作用させる。また、第２シールリング４は、凸状外面３ｈを介して左方のリングキャリア３に接触しているので、第２シールリング４は、左方に示す図において、シリンダ内壁１１ａに径方向に作用する力Ｆ_Ｒ３を作用させる。リングキャリア３の弾性変形によって、凸状外面３ｈと第２シールリング４との間には、右方に隙間が形成されている。第１シールリング２は、凸状外面３ｉを介して右方のリングキャリア３に接触しているので、第１シールリング２には、図示右方の図においてシリンダ内壁１１ａに径方向に作用する力Ｆ_Ｒ４が作用している。このとき、リングキャリア３の弾性変形によって、凸状外面３ｉと第１シールリング２との間には左方に隙間が形成されている。このように、本発明によるピストンリングアセンブリ１は、第１シールリング２がその第１シールリング２の外周面２ｂでシリンダ内壁１１ａに押し付けられるとともに、第２シールリング４がその第２シールリング４の外周面４ｂでシリンダ内壁１１ａに反対側に押し付けられる、という特徴を有している。図１１は、図８に示すピストンリングアセンブリ１をＤ－Ｄ方向から見た上面図であるので、これによって、第１ピストン部品１０ａ、第２ピストン部品１０ｂ、およびシリンダ１１、は図１１に図示されていない。リングキャリア３の変形によって、第２シールリング４と凸状外面３ｈとの間に右方に隙間が形成されるので、長手方向軸線Ｌに対して垂直に拡がる軸受面３ｋが視認可能になっている。図１２は、交差線Ｃ－Ｃに沿って図８に示すピストンリングアセンブリ１を通る断面を示しているので、第１ピストン部品（部分）１０ａ、第２ピストン部品（部分）１０ｂ、およびシリンダ１１、は示されていない。リングキャリア３の変形によって、第１シールリング２と凸状外面３ｉとの間の左方に、隙間が形成される。なお、図１１および図１２では、リングキャリア３の変形を縮尺して示さず、表示のみとしている。

図１３は、図８に示す縦断面を若干拡大した拡大断面図を示す。新品時、第１および第２シールリング２、４は、シリンダ１１の内径（インサイドダイアミタ）と同じ外径（アウトサイドダイアミタ）、好ましくはシリンダ１１の内径よりも小さい外径、のいずれかを有している。第１および第２シールリング２、４の外径は、シリンダ１１の内径よりも０．１％以上小さいことが好ましく、特に好ましくは３％以上小さいことである。シリンダ１１は、好ましくは、３０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲内の内径を有している。図８で説明したように、リングキャリア３は、図示の図において、第２シールリング４を左方のシリンダ内壁１１ａに押し付けるので、図１３に示すように、右方のシリンダ内壁１１ａと、第２シールリング４の外周面４ａと、の間に隙間Ｓ_１が形成される。また、図８で説明したように、第１シールリング２は、リングキャリア３によって右方のシリンダ内壁１１ａに対して反対方向に押圧されているので、図１３には図示しない左方のシリンダ内壁１１ａと、第１シールリング２と、の間には、図示しない隙間Ｓ_１が形成される。

本発明によるピストンリングアセンブリ１をシリンダ１１の内部に挿入する前に、リングキャリア３を弾性変形させることで、ピストンリングアセンブリ１がシリンダ１１の内部に収まるようにする必要がある。シリンダ１１の内部に挿入された後、図８および図１３に示すように、ピストンリングアセンブリ１は、シリンダ１１の内壁であるシリンダ内壁１１ａの間に挟み込まれた状態になっている。往復圧縮機の減圧状態、すなわち圧縮機が停止しているとき、およびピストン１０が静止しているとき、それぞれ、図８に示すように、第１シールリング２および第２シールリング４は、力Ｆ_Ｒ３およびＦ_Ｒ４でそれぞれ反対方向にシリンダ内壁１１ａに押し当てられる。リングキャリア３の設計と、シリンダ１１内でのリングキャリアの弾性変形と、によって、第１シールリング２と第２シールリング４は、静止状態でシリンダ内壁１１ａに押圧されるようになっている。このように、第１シールリング２および第２シールリング４は、静止状態において、その後の圧縮工程にとって重要な初期位置をとる。図８に示すピストン１０が上方に移動した場合、またはピストン１０の移動によって圧縮室１４が縮小されることで、圧縮室１４の内容物が圧縮された場合、結果、圧縮室１４内に位置する流体の圧力が上昇する。この圧力上昇によって、第１シールリング２および第２シールリング４がそれぞれさらに大きな力Ｆ_Ｒ３、Ｆ_Ｒ４でシリンダ内壁１１ａに押し付けられるので、圧縮される流体の圧力が高くても、シリンダ内壁１１ａに対する第１および第２シールリング２、４の十分に大きな接触力を確保することができる。

本発明によるピストンリングアセンブリ１は、第１シールリング２と第２シールリング４とを備えており、両第１および第２シールリング２、４は環状で無端（エンドレス）、すなわち周方向に３６０°拡がっており、隙間を有しない。この環状（リング状）設計は、第１および第２シールリング２、４を特に安定して設計することができるという利点を有しているとともに、第１および第２シールリング２、４の強度は、作用圧力に適合した材料の選択によって高めることもできるので、第１および第２シールリング２、４のコールドフローを回避することが可能にされている。したがって、本発明によるピストンリングアセンブリ１は、例えば５００ｂａｒ（５０ＭＰ）までの非常に高い最終圧力まで流体を圧縮することに適しているので、特に水素を圧縮するためにも特に適している。このようなシールリングは、摩耗性材料、特に青銅、ネズミ鋳鉄、または焼結鉄などの金属で、もしくはＰＴＦＥまたは充填ＰＴＦＥ、もしくはＰＥＥＫ、ＰＩ、またはエポキシなどの高温ポリマーなどのプラスチックで、作られる。

リングキャリア３は、摩耗性材料で作られてもよいが、そうである必要はない。リングキャリア３は、好ましくは金属、特に鋼、ステンレス鋼、青銅、またはネズミ鋳鉄、もしくはプラスチック、特にＰＴＦＥまたは充填ＰＴＦＥ、もしくはＰＥＥＫ、ＰＩ、またはエポキシなどの高温ポリマーで作られる。

図１４は、長手方向軸線Ｌの方向に延びるピストン１０の側面図である。図示しないシリンダ１１と、ピストン１０と、は圧縮室１４を区画している。圧縮室１４から出発して、ピストン１０は、長手方向軸線Ｌの方向において、第１部分セクションＡ１と、その第１部分セクションＡ１に続く第２部分セクションＡ２と、を有している。第１部分セクションＡ１に沿って、少なくとも１つのピストンリングアセンブリ１が配置されている。図示の実施形態例では、長手方向軸線Ｌの方向に相互に間隔をあけて、４つのピストンリングアセンブリ１が存在する。第２部分セクションＡ２に沿って、静圧を密封する少なくとも１つのピストンリング１３が配置されている。図示の実施形態例では、長手方向軸線Ｌの方向に相互に間隔を置いて５つのピストンリング１３が存在する。さらに、ピストン１０には、ガイドリング１５も配設されている。このような静圧を密封するピストンリング１３は、例えば、特許文献３または特許文献４に開示されている。好ましくは、少なくとも１つのピストンリングアセンブリ１は、少なくとも動圧成分を低減する。好ましくは、圧縮室１４内に存在する圧力は、２種類の方法で、ピストン１０に沿って長手方向軸線Ｌの方向に低減される。２種類の方法は、長手方向軸線Ｌの方向において、圧縮室１４から始まって、ピストン１０の第１部分セクションＡ１に沿って動圧成分が低減されることと、第１部分セクションＡ１に続く第２部分セクションＡ２において静圧成分（静的圧力コンポーネント）が低減されることと、である。

図１５は、ピストンリングアセンブリ１の更なる実施形態を示している。図７に示す実施形態とは対照的に、図１５に示す実施形態におけるリングキャリア３は、外周面３ｍが長手方向軸線Ｌに向かって変位するように、より小さい外径を有している。リングキャリア３の外径は、ピストンリングアセンブリ１の外径よりも小さくなっている。この実施形態には、第１シールリング２および第２シールリング４のみがシリンダ内壁１１ａに接触できることと、または、シリンダ内壁１１ａによる反力（Ｆ）が第１シールリング２および第２シールリング４を介してのみピストンリングアセンブリ１に導入されることと、が確保されるという利点がある。

図１５に示されるように、ピストンリングアセンブリ１に、リングキャリア３に対して長手方向軸線Ｌに対して径方向外方に作用する力を及ぼすバネ１２を設けることが有利であることが判明する場合がある。図１５に示す実施形態例は、周方向Ｕに延びるバネ１２を示している。このバネ１２は、周方向に延びてリングキャリア３の凹状内面３ｇに設けられた溝３ｏに、周方向Ｕに配置されることが好ましい。バネ１２は、凹状内面３ｇの一部円周に沿って延びることも、全周に沿って延びることも、できる。

図１６は、リングキャリア３の更なる実施形態の上面図である。このリングキャリア３は、無端またはワンピース（一体）設計、特に環状設計であり、したがって図２に示す実施形態とは対照的に、突部または隙間Ｓを有しない。弾性材料の適切な選択によって、リングキャリア３に対して突部（Ｓ）を省略できるような弾性特性を与えることが可能にされている。

図１７および図１８はそれぞれ、ピストンリングアセンブリ１の更なる実施形態を通る断面の詳細図を示している。第１シールリング２および第２シールリング４は、長手方向軸線Ｌの進行方向に直列（１つの直ぐ次にもう１つが続くよう）に配置されているとともに、リングキャリア３内に配置されている。好ましくは、第１および第２シールリング２、４は、長手方向軸線Ｌの方向において互いに接触している。

ピストンリングアセンブリ１の第１シールリング２および／または第２シールリング４は、好ましくは、長手方向軸線Ｌに対して径方向での全周に沿って同じ幅を有している。更なる可能な実施形態では、周方向における幅も変化することが可能にされている。

図１９は、リングキャリア３の更なる実施形態の底面図であり、そのリングキャリア３の上側は図２に示されるように設計されている。したがって、このようなリングキャリア３の上側と下側とは、同一である。図２０は、第２シールリング４の更なる実施形態の上面図である。内周面４ｄと外周面４ａとが同じ第２中心点Ｍ_２を有している図３による第２シールリング４とは対照的に、図２０による実施形態では、内周面４ｄまたはその内周面４ｄの第４中心点Ｍ_４は、外周面４ａまたはその外周面４ａの第２中心点Ｍ_２に対して、ズラされている。従って、内周面４ｄは、外周面４ａに対して偏心して拡がる。図２１は、弛緩状態のピストンリングアセンブリ１を通る縦断面を示している。ここでは、リングキャリア３の２つの側面は、図１９および図２に示すように同一形状である。第１シールリング２は、図３に示すような形状である。第２シールリング４は、図２０に示すような形状である。リングキャリア３は、リングキャリア中心点Ｍと長手方向軸線Ｌと、を有している。第１シールリング２の第１中心点Ｍ_１は、長手方向軸線Ｌ方向においてリングキャリア中心点Ｍと同一位置にあるのに対し、第２シールリング４の第２中心点Ｍ_２は、図示の図において中心距離（中心点間距離）Ｍ_Ｄ（Ｍ_ｄ）だけ左方にズレて配置されている。このようにして、第１および第２シールリング２、４の第１および第２中心点Ｍ_１、Ｍ_２が長手方向軸線Ｌに対して相互に径方向に間隔をおいて配置されるという技術的効果は、図７に示すように、第１および第２凹部３ｂ、３ｃとその第１および第２凹部３ｂ、３ｃの凸状外面３ｈ、３ｉとがそれぞれ長手方向軸線Ｌに対して径方向にズレていることと、および／または、図２０に示すように、第１シールリング２および／または第２シールリング４がそれぞれ、長手方向軸線Ｌに対して径方向にズレている内周面４ｄおよび外周面４ａを有していることと、によって達成される。図７および図２１は、ピストンリングアセンブリ１の２つの実施形態を示している。ピストンリングアセンブリ１の２つの実施形態の外周面２ａ、４ａは同一に拡がるとともに、外周面２ａ、４ａは長手方向軸線Ｌに対して径方向に同一の中心距離Ｍ_Ｄ（Ｍ_ｄ）を有している。図２１に示すピストンリングアセンブリ１は、図８に示すのと同じ方法でシリンダ１１の内部に配置することが可能にされている。別の可能な実施形態では、第１および第２シールリング２、４の両方が、図２０に示すように偏心的に構成されていてもよい。好ましくは、第１シールリング２および／または第２シールリング４は、回転防止装置４ｃを備えて構成されている。この回転防止装置４ｃは、図２０に示すように、例えば、ノーズ状の構成を有していてもよい。更なる実施形態では、第１シールリング２および／または第２シールリング４の内周面２ｄ、４ｄと、リングキャリア３の凸状外面３ｉ、３ｈと、は図示のような円形コースを有していなくてもよく、例えば楕円形、多角形、または歯形、のコースを有していてもよい。したがって、リングキャリア３と第１および／または第２アライメントリング（２、４）と、のこのような相互成形によって回転防止装置が形成される。

Claims (17)

1. 第１および第２無端シールリングとしての第１および第２シールリング（２、４）と、弾性リングキャリアとしてのリングキャリア（３）と、を備えているピストンリングアセンブリ（１）であって、
   前記第１および第２シールリング（２、４）は周方向（Ｕ）に延びているとともにそれぞれ外周面（２ａ、４ａ）を有しており、
   前記第１シールリング（２）はその前記外周面（２ａ）に対して第１中心点（Ｍ_１）を有しており、
   前記第２シールリング（４）はその前記外周面（４ａ）に対して第２中心点（Ｍ_２）を有しており、
   前記第１および第２シールリング（２、４）はそれぞれ前記周方向（Ｕ）に対して垂直に延びる長手方向軸線（Ｌ）を有しており、
   前記リングキャリア（３）は前記周方向（Ｕ）に拡がっており、
   前記リングキャリア（３）および前記第１および第２シールリング（２、４）は、前記第１および第２シールリング（２、４）が前記リングキャリア（３）内で前記長手方向軸線（Ｌ）の方向に次々と配置されるように相互に適合されるように設計されており、
   前記第１および第２シールリング（２、４）の前記第１および第２中心点（Ｍ_１、Ｍ_２）は、前記長手方向軸線（Ｌ）に対して径方向に互いに距離を置いて配置されており、
   前記ピストンリングアセンブリ（１）の意図された使用において、前記第１および第２シールリング（２、４）はシリンダ（１１）の内壁（１１ａ）に対して反対方向に押圧される、
   ピストンリングアセンブリ。
2. 前記リングキャリア（３）はワンピースで設計されている、
   請求項１に記載のピストンリングアセンブリ。
3. 前記リングキャリア（３）は、前記周方向（Ｕ）に、突合せクリアランスを有している突部（Ｓ）を有している、
   請求項１または２に記載のピストンリングアセンブリ。
4. 前記リングキャリア（３）は、前記長手方向軸線（Ｌ）に対して径方向に拡がる中間ウェブ（３ｄ）を有しており、
   前記第１および第２シールリング（２、４）は、前記長手方向軸線（Ｌ）の方向に相互距離を置いて前記中間ウェブ（３ｄ）に対して耐えられる、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
5. 前記リングキャリア（３）は、前記第１シールリング（２）を受け入れるための第１凹部（３ｂ）と、前記第２シールリング（４）を受け入れるための第２凹部（３ｃ）と、を備えており、
   前記第１凹部（３ｂ）および前記第２凹部（３ｃ）は、前記長手方向軸線（Ｌ）の方向と、前記長手方向軸線（Ｌ）に対する径方向と、の両方において、相互にオフセットされている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
6. 前記リングキャリア（３）は、前記第１シールリング（２）を受け入れるための第１凹部（３ｂ）と、前記第２シールリング（４）を受け入れるための第２凹部（３ｃ）と、を備えており、
   前記第１凹部（３ｂ）および前記第２凹部（３ｃ）は、前記長手方向軸線（Ｌ）の方向にのみオフセットして配置されており、前記長手方向軸線（Ｌ）に対して径方向にはオフセットして配置されず、
   前記第１および第２シールリング（２、４）のうちの少なくとも１つは、前記外周面（２ａ、４ａ）に対して偏心して拡がる内周面（２ｄ、４ｄ）を有している、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
7. 前記第１および第２中心点（Ｍ_１、Ｍ_２）は、前記長手方向軸線（Ｌ）に対して径方向に０．１ｍｍ～１０ｍｍの間の範囲の相互距離を有している、
   請求項１～６のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
8. 前記ピストンリングアセンブリはさらに、前記周方向（Ｕ）に延びるスプリング（１２）を備えており、
   前記スプリングは、前記長手方向軸線（Ｌ）に関して外方に働く力を前記リングキャリア（３）に対して及ぼす、
   請求項１～７のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
9. 前記第１および第２シールリング（２、４）は摩耗性材料、特に青銅、ネズミ鋳鉄、焼結鉄のような金属、またはＰＴＦＥまたは充填ＰＴＦＥ、もしくはＰＥＥＫのような高温ポリマーのようなプラスチック、からなることと、
   前記リングキャリア（３）は、金属、特に鋼、ステンレス鋼、青銅、ネズミ鋳鉄からなるか、プラスチック、特にＰＴＦＥまたは充填ＰＴＦＥ、もしくはＰＥＥＫ、ＰＩ、エポキシのような高温ポリマー、からなることと、
   のうちの少なくとも一方が成立する、
   請求項１～８のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
10. 前記第１および第２シールリング（２、４）のうちの少なくとも１つは、前記長手方向軸線（Ｌ）の方向で前記リングキャリア（３）を越えて突出している、
    請求項１～９のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
11. 前記第１および第２シールリング（２、４）は、前記長手方向軸線（Ｌ）の進行方向においてすぐ続くように配置されている、
    請求項１～３および５～６のうちのいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ。
12. シリンダ（１１）を備えるピストン圧縮機であって、前記ピストン圧縮機は、
    前記シリンダ（１１）内に配置されたピストン（１０）と、
    前記ピストン（１０）上に配置された少なくとも１つの請求項１～１１のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリ（１）と、
    を備えている、ピストン圧縮機。
13. 新しい状態における前記第１および第２シールリング（２、４）は、前記シリンダ（１１）の内半径よりも少なくとも０．１％小さい、好ましくは少なくとも３％小さい、外半径（Ｒ_Ｄ２）を有している、
    請求項１２に記載のピストン圧縮機。
14. 前記シリンダ（１１）および前記ピストン（１０）は圧縮室（１４）を画定しており、
    前記ピストン（１０）は、前記圧縮室（１４）から出発して前記長手方向軸線（Ｌ）の方向に、第１部分セクション（Ａ１）と、前記第１部分セクション（Ａ１）に続く第２部分セクション（Ａ２）と、を有しており、
    前記少なくとも１つのピストンリングアセンブリ（１）は、前記第１部分セクション（Ａ１）に沿って配置されており、
    静圧を密封する少なくとも１つのピストンリング（１３）は、前記第２部分セクション（Ａ２）に沿って配置されている、
    請求項１２または１３に記載のピストン圧縮機。
15. 圧縮室（１４）を密封する方法であって、前記圧縮室（１４）はシリンダ（１１）と、前記シリンダ（１１）の中に配置されているピストン（１０）と、によって画定されており、前記ピストン（１０）は長手方向軸線（Ｌ）の方向に移動可能にされており、
    第１および第２無端シールリング（２、４）は前記ピストン（１０）上に配置されており、
    前記第１および第２無端シールリング（２、４）は、静止状態において、前記長手方向軸線（Ｌ）に対して横方向に互いに反対方向に前記シリンダ（１１）の内壁（１１ａ）に押し付けられており、
    前記シリンダ（１１）の前記圧縮室（１４）内で上昇する内圧によって、前記ピストン（１０）の圧縮段階において、前記第１および第２無端シールリング（２、４）は互いに反対方向に前記シリンダ（１１）の内壁（１１ａ）に対してさらに押し付けられる、
    方法。
16. 前記ピストン（１０）に沿った圧力は２つの異なる方法で低減されており、
    前記長手方向軸線（Ｌ）の方向において、前記圧縮室（１４）から始まって、動圧成分は、前記ピストン（１０）の第１部分セクション（Ａ１）に沿って低減されており、
    前記第１部分セクション（Ａ１）に続く第２部分セクション（Ａ２）において静圧成分は低減される、
    請求項１５に記載の方法。
17. 動圧成分を密封するための圧力遮断器としての、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載のピストンリングアセンブリの使用。

Images