JP2023551557A - ピストン圧縮機のためのピストンリング - Google Patents

Abstract

ピストンリング（１）の第１環状体（１０）と第２環状体（２０）とは、軸方向（Ａ）に隣接して互いに同心に配置される。第１環状体（１０）は、径方向外方に向く外面（１１）と、上部フランク（１２）および下部フランク（１３）と、径方向内方に向く内面（１４）と、を有する。第２環状体（２０）は、複数のシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）を備える分割型シールリング（２０）として設計される。シールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）は各々、少なくとも１つのガイド手段（４ａ～４ｃ、５ａ～５ｃ）によって第１環状体（１０）上に案内される。ガイド手段（４ａ～４ｃ、５ａ～５ｃ）は、周方向（Ｕ）における第１環状体（１０）に対するシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）同士の捩れを防止するとともに、軸方向（Ａ）に対して横方向のシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）同士の変位を許容する。

Description

本発明は、ピストン圧縮機のためのピストンリングと、そのようなピストンリングを有しているピストン圧縮機と、に関する。

ピストン圧縮機では、シリンダ内を往復するピストンによって、作動媒体が圧縮される。ピストンとシリンダ内壁との間に形成される環状間隙をシールするシール部材（シール要素）は、ピストンリングと呼ばれる。

特許文献１に記載されたピストンリングは、摩擦シール要素としてデサインされたシールリングを備えている。シールリングは、シリンダ内壁に沿って摺動する。ピストンリングは複数の支持（サポート）リングを備えている。ピストンリングの軸方向の両側には支持リングが、すなわちベースリングとカバーリングとが、配置されている。シールリングには、シールリングの内方に、接線方向に延びている（走る）３つの切れ目がある。これらの切れ目は、シールリングを３つのシールリングセグメントに分割する。シールリングの内方に沿って配置されたクランプリングは、予圧を発生させることで、個々のシールリングセグメント同士をシリンダ内壁に押し付ける。材料のアブレーションによる磨耗（ウィアー）は、個々のシールリングセグメント同士が、シリンダ内壁の方向に作用する圧力によって押し戻されることによって、補われる。その結果、シールリングは、径方向に良好な適合性を示しているだけでなく、シリンダ内壁に対して良好なシールを形成しているので、発生し得る漏れを防止または軽減することができる。このようなピストンリングは、圧縮室が５０ＭＰａ（５００ｂａｒ）を超える高圧負荷と、高温負荷と、のうちの少なくとも１つを有しているピストン圧縮機との組み合わせに適している。

欧州特許出願公開第３５５５５０２号明細書

このようなピストンリングの欠点は、シールリングまたはシールリングセグメントが押し戻されるときに損傷する虞れがあることによって、シールリングが、特定状況下では減少したシール効果を有している虞れがあることである。

本発明は、前述の先行技術に基づき、先行技術のそのようなおよびさらなる欠点を排除すること、特に、冒頭で述べたタイプのピストンリングを規定すること、を目的としている。その中で、シール要素は、損傷のリスクなしにピストン圧縮機のシリンダ内壁に確実かつ良好にシール接触していることを目的とする。

本発明はさらに、より有利な動作特性、特に一層長い耐用年数を有している、以下に述べるような少なくとも１つのピストンリングを備えているピストン圧縮機を提供するという目的に基づく。

この目的は、独立請求項の特徴を有しているピストンリングおよびピストン圧縮機によって解決される。従属請求項は、本発明のさらに有利な実施形態に関する。
この目的は特に、軸方向に隣接して配置されているとともに互いに同心である第１環状体および第２環状体を備えている、ピストン圧縮機用のピストンリングによって解決される。第１環状体は、径方向外方に向いた外面（外方面）と、上部フランク（上部側面）と、下部フランク（下部側面）と、および、径方向内方に向いた内面（内方面）と、を有している。第２環状体は、セグメント化されたシールリングとして、すなわち分割型シールリングとして、設計されていることで、複数のシールリングセグメントを備えている。各シールリングセグメントは、径方向外方に向けられたシール面と、上部および下部シールリングセグメントフランクと、ならびに、径方向内方に向けられた内面（内方面）と、を有している。組立状態では、分割型シールリングは、したがって、径方向外方に向けられた外方シール面（シールリング外面）と、上部シールリングフランクおよび下部シールリングフランクと、および、径方向内方に向けられた内方シール面（シールリング内面）と、を有している。シールリングセグメント同士は各々、少なくとも１つのガイド手段によって、第１環状体上に案内されている。ガイド手段は、第１環状体に対するシールリングセグメント同士の周方向への回転を実質的に防止しているとともに、シールリングセグメント同士の軸方向に対する横方向への変位を、すなわち外方への変位を、許容する。

各々の環状体に関する「軸方向」という用語は、本発明の目的のために、各々の環状体の回転軸線（リング直径に対して垂直）に沿って延びている方向を意味する。
本発明の目的のために、「軸方向に対する横方向」の変位は、第２環状体によって形成された環状面の実質的に内部で、仮想平面に対して実質的に垂直なシールセグメントの変位、を意味している。この仮想平面は、環状面に対して垂直に延びているとともに、回転軸線を通って延びている。

本発明に従って設計されたピストンリングは、好ましくは、往復圧縮機のピストンのピストンリング溝内に配列することができる。そして本発明のピストンリングは、先行技術から知られているピストンリングとで比較して、個々のシールリングセグメント同士が動作中（運転中）に周方向に衝突できないという利点を有している。したがって、提案された設計手段は、シールリングセグメントの損傷を防止するとともに、ピストンリングの耐用年数を延ばすことができる。

分割型シールリングの領域では、ピストンリングは、圧縮室からガスが抜けるのを防ぐべく、相手面に対して、例えばピストン圧縮機のシリンダライナのシリンダ内壁に対して、シールする。個々のシールリングセグメントは、シリンダ内壁に沿って摺動する摩擦シール要素として設計されている。それによってピストンリングは、乾式運転（ドライランニング）または潤滑式で動作することができる。本発明によるピストンリングは、好ましくは、圧縮室が高圧負荷であるような、圧縮室が特に５０ＭＰａ（５００ｂａｒ）～１００ＭＰａ（１０００ｂａｒ）の間であるような、ピストン圧縮機との組み合わせに適している。

組立状態において、本発明によるピストンリングは、径方向外方に向けられたピストンリング外面と、径方向内方に向けられたピストンリング内面と、両者間に配置されているとともに互いに実質的に平行に間隔をあけられた２つのピストンリングフランクと、を有している。本発明によるピストンリングの使用において、一方のピストンリングフランクは、圧縮室に面している。他方である反対側のピストンリングフランクは、クランクケースに面する。

好ましい実施形態では、ガイド手段は、第１環状体の接触フランクと、シールリングセグメントと、が互いに正対するように延びているように設計されることで構成されている。

例えば、ガイド手段は、ガイド溝内に係合するガイドリブとして設計される。本発明によれば、ガイドリブがシールリング側に配置（アレンジ、構成）されるとともに、ガイド溝が第１環状体に配置されることが考えられる。また、本発明によれば、ガイドリブが第１環状体に配置されるとともに、ガイド溝がシールリング側に配置されることが考えられる。原理的には、両方の環状体同士が、ガイドリブとガイド溝との両方を有している。ガイドリブとガイド溝は、２つの環状体の接触フランク同士に、接触フランク同士が互いにフォームフィットするように延びている（走行する、ランする）ように形成および配置されることも考えられる。

ガイド手段を接触フランクに組み込むことによって、設計の手間が最小限に抑えられるだけでなく、ピストンリングの機械的負荷容量が増加する。
本発明によるピストンリングの好ましい実施形態では、ガイド溝の深さは、０．５ｍｍ～４ｍｍの間であり、好ましくは１ｍｍ～２ｍｍの間である。代替的にまたは追加的に、ガイド溝の幅は、１０ｍｍ～５０ｍｍの間であり、好ましくは２０ｍｍ～４０ｍｍの間であり、特に好ましくは２５ｍｍ～３５ｍｍの間である。

このようなピストンリングは、シールリングセグメント同士が第１環状体上で特に確実にガイド（案内）される、という利点を有している。
本発明によるピストンリングの好ましい実施形態では、第１環状体は、一体（ワンピース）で、好ましくはエンドレスで、作られる。これによって、漏れ出しが減少するとともに、ピストンリングの機械的強度が増加する。

本発明によるピストンリングの代替実施形態では、第１環状体は、複数のベースリングセグメントを備えているセグメント化されたベースリングとして、すなわち分割型ベースリングとして、形成されている。これによって、第１環状体の取付が容易になる。極めて好ましくは、ベースリングセグメントの数は、分割型シールリングのシールリングセグメントの数に対応していることによって、このことは、ピストンリングの組立をさらに容易にする。

本発明によるピストンリングのさらに好ましい実施形態では、第１環状体は、３つのベースリングセグメントから形成されている。第２環状体は、３つのシールリングセグメントから形成されている。この場合、３つのベースリングセグメントと３つのシールリングセグメントとの各々は、１２０°の円弧上に延びている。それによって、ベースリングまたはシールリングセグメントの各々は、本発明によるピストンリングの意図した使用中に、同じ機械的負荷を経験する。

好ましくは、分割型シールリングでは、軸方向のシールリング高さが１ｍｍ～６ｍｍの範囲にある。よって、第２環状体は、軸方向で可能な限りコンパクトであるとともに、スペースをとらない。

運転状態において、本発明によるピストンリングは、ピストンの周方向ピストンリング溝内に配置される。周方向ピストンリング溝は、ピストン圧縮機の運転中に、流体が圧縮室から、シールリングセグメント同士の後方に位置する溝空間に浸透することによって、十分な流体圧力があれば、シールリングセグメント同士を相手面に、例えばピストン圧縮機のシリンダライナのシリンダ内壁に、外方に押し付けることができるように、設計されている。この目的のためには、周方向ピストンリング溝における、ピストンリング同士の軸方向のバックラッシュが、十分に大きいことが必要である。

よって、分割型シールリングの径方向内方に面する内面に対して静止することでシールリングセグメントを相手面に押し付けるクランプリングは、不要になる。シリンダ内壁に対するシールリングセグメント同士の流体圧依存の接触圧力は、シールリングセグメント同士の径方向外向きのシール表面から除去される材料が少ないことも意味する。

さらなる好ましい実施形態において、本発明によるピストンリングはさらに、互いに隣接するシールリングセグメント同士の２つの対向する端部によって各々の場合に形成されるリングジョイントをシール（密封）するための、少なくとも１つの追加シール要素を備えている。１つまたは複数のこのようなシール要素を設けることによって、本発明による使用時に２つの互いに隣接するシールリングセグメント同士間で発生する漏れを、著しく低減することができる。

好ましい実施形態では、本発明によるピストンリングは、まさに１つの追加シール要素を備えている。この追加シール要素は、シングルカットリングとして設計されている。シングルカットリングのリング端部同士のうちの１つは、シングルカットリングのリング平面に位置しているとともに径方向外方に向けられている突起を有しているように設計されている。この突起は、シールリングセグメントの内方に存在する凹部に係合する。シングルカットリングは、シールリングセグメントの径方向内方に配置されているとともに、各々の場合に２つの隣接するシールリングセグメント同士の間に存在するリングジョイントの全てをシールする。一体型（ワンピース）設計によって、このようなシール要素は、製造が容易であるだけでなく、組立が早いとともに、機械的負荷に耐えることができる。

好ましくは、シングルカットリングの突起が係合可能な凹部は、シールリング側に配置されたガイド手段の領域に配置される。
好ましい実施形態では、本発明によるピストンリングは、第１環状体および第２環状体に加えて、第３環状体を任意に備えて構成されることができる。第３環状体は、径方向外方に向けられた外面と、上部フランクおよび下部フランクと、ならびに、径方向内方に向けられた内面と、を有している。この実施形態では、分割型（セグメント化された）シールリングは、第１環状体と第３環状体との間に配置される。

第１環状体および第３環状体は、分割型シールリングの軸方向両側に配置された支持リングである。
作動状態（動作状態、運転状態）において、第３環状体は、好ましくは、軸方向においてシールリングに隣接して低圧側に配置されているとともに、相手方に対して接触せずにしかし可能な限り少ないクリアランスで延びている（走行する）ようにディメンジョン（寸法付け）される。

このようなピストンリングは、サンドイッチピストンリングとも呼ばれていることで、リーク率（漏れ速度）を低減することができる。
特に好ましくは、第３環状体は、特にエンドレスの、一体型設計である。これによって、漏れ量をさらに顕著に低減することができる。

本発明によるピストンリングのサンドイッチ設計によって、分割型シールリングとして設計された第２環状体を、プラスチック材料から作ることが可能になる。すなわち第２環状体を、支持リング無しで高圧差をシールする「セルフサポート」設計にはそれ自体では適していないプラスチック材料から、作ることが可能になる。

好ましい実施形態では、分割型シールリングは、実質的にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で作られているが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、またはそれらの混合物、などの高温ポリマーも非常に高い圧力差が存在する場合に用いられる。このようなポリマーは、その機械的特性によって、基本的に変形することなく高い差圧に耐えることができるだけでなく、高い耐熱性を示す。オプションとして、分割型シールリングは、１つまたは複数のフィラー、特にカーボン、グラファイト、ガラス繊維、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、および／またはブロンズ（青銅）、で充填することができる。これによって、特にシールリングのドライランニング（乾式走行）特性を向上させることが可能になる。

好ましい実施形態では、第１環状体および／または第３環状体は、実質的に高温ポリマー、特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）またはエポキシ樹脂、繊維複合材料、特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）またはエポキシ樹脂のマトリックス中の炭素繊維、金属、特に銅合金、またはエンジニアリングセラミックス、特に酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、または窒化ケイ素、で作られている。このような材料は、非常に高い機械的強度を有しているので、ピストンリングの耐用年数を大幅に増やすことができる。任意に、第１環状体および／または第３環状体は、１つまたは複数の充填剤（フィラー）、特に炭素、グラファイト、ガラス繊維、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、および／またはブロンズ（青銅）、で充填することができる。これによって、特に、それらのドライランニング特性を改善することが可能となる。

本発明によるサンドイッチピストンリングの好ましい実施形態では、分割型シールリングのうちの少なくとも１つのシールリングセグメントは、第１環状体上および第３環状体上に案内（ガイド）される。好ましくは、分割型シールリング同士のうちの全てのシールリングセグメントは、第１環状体上および第３環状体上に案内される。これによって、一方では、シールリングセグメント同士の特に確実な案内を実現しているとともに、他方では、３つの環状体の設置方向を指定することが可能となる。よって、本発明によるピストンリングの組立または設置時の誤差を低減することができる。

ピストン圧縮機の運転中にピストンリング溝に一時的に貯蔵されたガスの戻り流れは、上述の周方向ピストンリング溝におけるピストンリングの軸方向バックラッシュに加えて、いわゆる圧力均等化または戻り流路によって、かなり改善することができる。よって、シールリングセグメント同士はこの段階において実質的にシール効果を有さないので、したがって摩耗を受けない。

本発明によるピストンリングの好ましい実施形態では、第１環状体または第３環状体は、シールリングから離れる方向に面するフランク（側面）に、径方向に延びている少なくとも１つの戻り流路（リターンフローチャネル）を有している。戻り流路は、フランク幅（フランク寸法）全体にわたって径方向に延びていることで、本発明によるピストンリングの使用において圧縮室に向かう。好ましくは、戻り流路は、三角形の面取りを有している。

特に好ましくは、ピストンリングの組立状態における戻り流路は、分割型シールリングのセグメント端部の領域に各々で配置されている。それによって、ピストンリング溝に一時的に貯蔵された流体の戻り流れは、再び著しく改善され得る。

第１環状体およびもしあれば第３環状体は、運転から暖まった状態でシリンダボア内に「間隙なく」適合（「隙間なく」フィット）していると有利である。第１環状体および存在する場合には第３環状体が、慣らし運転中に詰まらない（ジャムしない）ようにするべく、本発明によるピストンリングまたはサンドイッチピストンリングの好ましい実施形態では、第１環状体の径方向外方に向けられた外面と、第３環状体の径方向外方に向けられた外面と、のうちの少なくとも一方は、分割型シールリングから始まって軸方向に、好ましくは円錐方向に、テーパ状に設計されている。

これによって、第１環状体および／または第３環状体の径方向外方に向いた外面は、慣らし運転中に軸方向の全高にわたって除去する必要はないので、そうでなければシリンダ内壁の上に延びていることが理解できないような領域のみが除去される。したがって、本発明によるピストンリングまたはサンドイッチピストンリングは、動作温度（運転温度）において、シリンダボア内で遊びなく配置される。

本発明によるピストンリングの代替的な実施形態では、第１環状体は、径方向外方の環状縁部に、シールリングから離れる方向に面取りを有している。ここにおける面取り角度は、好ましくは１°～１０°の間である。さらにまたは代替的に、面取りのウェブ高さは、少なくとも４ｍｍである。

本発明によるピストンリングの代替実施形態では、第３環状体は、径方向外方の環状縁部に、シールリングに面する面取りを有している。ここにおける面取り角度は、好ましくは１°～１０°の間である。追加的または代替的に、面取りのウェブの高さは、少なくとも４ｍｍである。

本発明によるピストンリングの好ましい実施形態では、シールリングの組立状態において、各々の場合、２つの互いに隣接するシールリングセグメント同士は、各々のシールリングセグメント同士の内方からシール面まで径方向に延びている径方向断面（交線）に沿って、接触している。言い換えれば、シールリングの組立状態において、２つの互いに隣接するシールリングセグメント同士は、径方向内方に向けられたシールリング内面についての接線に対して、本質的に９０°に対応する交差角を形成する交差線に沿って、互いに接触している。

このようなシールリングセグメント同士は、特に頑丈であるとともに、製造が促進される（容易である）。
本発明によるピストンリングの代替的な好ましい実施形態では、各々のシールリングセグメント同士の端部同士は、周方向において軸方向段差を有している。この実施形態では、隣接するシールリングセグメント同士の段差付き端部同士は、軸方向に少なくとも部分的に重なることで、軸方向シールを形成するように配置（構成、アレンジ）される。

シールリングセグメント同士のこの設計は、特にセグメント端部の領域において、軸方向シールの改善をもたらす。
この目的は、上記のような少なくとも１つのピストンリングを備えているピストン圧縮機によって、特に乾式走行（ドライランニング）ピストン圧縮機によって、さらに解決される。

以下、図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。ここで、同一または対応する要素には、基本的に同一の参照符号が付されている。

第１環状体の透視図（斜視図）。 図１ａに示された第１環状体の上面図。 図１ａに示された第１環状体の底面図。 分割型シールリングとして設計されている第２環状体の透視図。 図２ａに示した分割型シールリングの上面図。 第３環状体の上面図。 図１ａに示す第１環状体と、図２ａに示す第２環状体と、を備えているピストンリングを示す図。 ３つの環状体を備えているピストンリング。 ピストン上に配置されたシール配置（シール配列、シールアレンジメント、シール構成）を通る長手方向断面図。 シール配置の第２実施形態を通る縦断面図。 分割型第１環状体およびバットキャップを備えている、ピストンリングの分解図。 図８の第１環状体の底面図。 図９ａの線Ｘ－Ｘに沿った第１環状体の断面図。 図８の第２環状体の上面図。 図８の第３環状体の上面図。 図１１ａのＹ－Ｙ線に沿った第３環状体の断面図。

図１ａは、第１環状体１０の透視図である。第１環状体１０は、径方向外方に向けられた外面（外方面）１１と、上部フランク１２と、下部フランク１３と、および、径方向内方に向けられた内面（内方面）１４と、を有している。第１環状体１０は、エンドレスリングとして設計されている。第１環状体１０は、３つの戻り（リターン、還流）流路２を備えている。３つの戻り流路２は、周方向に分布しているとともに、フランク幅（フランク寸法）全体に沿って径方向に延びている。戻り流路２は各々、戻り流路２から上部フランク１２への移行部（遷移部）に、２つの三角形の面取り３を有している。戻り流路２から離れる向きの下部フランク１３において、第１環状体１０はさらに、周方向に分布する３つのガイド手段５ａ～５ｃを備えている。この実施形態例では、以下に詳細に説明するように、ガイド手段５ａ～５ｃは、溝状の凹部として設計されている。

図１ｂは、図１ａの第１環状体１０の上面図である。示されているのは、面取り３を有している３つの戻り流路２である。３つの戻り流路２は、上部フランク１２に配置されているとともに、径方向に延びている。３つの戻り流路２は、リング軸線（Ａ）に対して周方向Ｕに１２０°オフセットされている。ガイド手段５ａ～５ｃの中心同士と、各戻り流路２の中心同士と、は周方向Ｕに互いに対して６０°オフセットして配置されている。

図１ｃは、図１ａおよび図１ｂの第１環状体１０の底面図である。示されているのは、３つの溝状凹部５ａ～５ｃである。３つの溝状凹部５ａ～５ｃは、第１環状体１０の下部フランク１３上において、軸方向Ａに対して横方向に延びている（走る）。これら溝状凹部５ａ～５ｃは、周方向Ｕにおいて互いに１２０°だけオフセットして配置されている。この実施形態では、溝状凹部５ａ～５ｃでは各々、溝幅Ｂ_Ｎが２７．５ｍｍであるとともに、溝深さＴ_Ｎが１．６ｍｍである。

図２ａは、３つのシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）を備えている分割型シールリング２０である、第２環状体２０の透視図である。組立状態において、分割型シールリング２０は、径方向外方に向けられたシールリング外面（２１）と、上部シールリングフランク２２および下部シールリングフランク２３と、径方向内方に向けられたシールリング内面（２４）と、を有している。これらの面（２１～２４）は各々、第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃの各々の径方向外方に向けられたシール面２１ａ～２１ｃと、上部シールリングセグメントフランク２２ａ～２２ｃおよび下部シールリングセグメントフランク２３ａ～２３ｃと、および、径方向内方に向けられた内面２４ａ～２４ｃ（明確化のために図２ａでは参照符号が示されていない）と、によって形成されている。３つのシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）は、各々、ガイドリブとして設計されたガイド手段４ａ～４ｃを有している。

図２ｂは、図２ａに示す分割型シールリング２０の上面図である。分割型シールリング２０は、３つの径方向断面Ｓを有している。各々の径方向断面Ｓは、分割型シールリング２０の内方から、分割型シールリング２０のシール面（２１）まで径方向に延びている。３つのシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）の各々は、１２０°の円弧上に延びているとともに、ガイドリブ４ａ～４ｃを備えている。ガイドリブ４ａ～４ｃは、周方向Ｕに１２０°だけ互いにオフセットして配置されている。ガイドリブ４ａ～４ｃが、図１ａ～図１ｃに示す第１環状体１０のガイド溝５ａ～５ｃに本質的に「遊びなく」係合できるように、ガイドリブ４ａ～４ｃの幅Ｂ_Ｒは選定される。したがって、周方向Ｕにおける第１環状体１０上の第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃの、相互捩れまたは変位が防止される。なお、図示の実施形態例では、ガイドリブ４ａ～４ｃの幅Ｂ_Ｒは約２７．５ｍｍである。ガイドリブ４ａ～４ｃの深さＴ_Ｒは約１．５ｍｍである。

図３は、第３環状体３０の上面図である。この第３環状体３０は、径方向外方に向けられた外面３１と、上部フランク３２および下部フランク（図示せず）と、ならびに、径方向内方に向けられた内面３４と、を有している。第３環状体３０は、エンドレスリングとして形成されている。第１環状体１０、分割型シールリング２０、および第３環状体３０、は周方向Ｕに対して直交して延びている軸方向Ａに、連続して配置されている。分割型シールリング２０（図３には不図示）は、第１環状体１０と第３環状体３０との間に配置されている。

図４は、図１ａに示す第１環状体１０と、図２ａに示す第２環状体２０と、を備えているピストンリング１を示している。第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃは、ガイド手段４ａ～４ｃ、５ａ～５ｃによって、第１環状体１０上に案内される。図示の実施形態例では、ガイド手段４ａ～４ｃ、５ａ～５ｃは、第１環状体１０と第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃとの、接触フランク同士の互いに噛み合う（インターロッキング）構成によって形成されている。この場合、分割型シールリング２０側に配置（アレンジ、構成）されたガイドリブ４ａ～４ｃは、カバーリング１０側に配置されたガイド溝５ａ～５ｃに、第１環状体１０に対する第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃの周方向Ｕへの捩れが本質的に防止されているだけでなく、第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃが軸方向Ａに対して横方向に変位できるように、係合する（噛み合う）。

図５は、第１環状体１０、第２環状体２０、および第３環状体３０、を備えているピストンリング１を通る縦断面を示す。第２環状体２０は、３つのシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）を有している分割型の（セグメント化された、セグメンテッド）シールリングとして設計されている。分割型シールリング２０は、第１環状体１０と第３環状体３０との間に配置される。第１環状体１０は、圧縮室Ｖに面する上部フランク１２に、ピストンリング１の組立状態において、分割型シールリング２０のセグメント端部の領域において軸方向Ａにオフセットして配置された複数の戻り流路２を各々有している。図５に示す実施形態例では、互いに接触する第１、第２、第３環状体１０、２０、３０のフランクは、互いに正対するように延びている（走行する）ように設計されている。よって、全ての第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃ（第１シールリングセグメント２０ａについてのみ図示）は、第１環状体１０上および第３環状体３０上のガイド手段４ａ～４ｃ、５ａ～５ｃ、９ａ～９ｃによってガイドされる。この文脈において、第１シールリングセグメント２０ａは、第１環状体１０に面する上部フランク２２ａに、ガイドリブとして設計されたガイド手段４ａを有している。このガイド手段４ａは、分割型シールリング２０に面する第１環状体１０の下部フランク１３に形成されているガイド溝として設計されたガイド手段５ａに、係合する。第１シールリングセグメント２０ａはさらに、第３環状体３０に面する下部フランク２３ａに、ガイド溝として設計されている第２ガイド手段（４ａ）を備えている。第２ガイド手段（４ａ）は、分割型シールリング２０に面する第３環状体３０の上部フランク３２に配置されたガイド手段９ａに、噛み合う。ガイド手段５ａ、４ａ、４ａ、９ａは、それらガイド手段５ａ、４ａ、４ａ、９ａを備えている第１、第２、および第３環状体１０、２０、３０の取付方向が軸方向Ａに予め定められているように、各々のフランク（１３、２２ａ、２３ａ、３２）に形成されている。本実施形態では、軸方向のシールリング高さＨ_Ｄは、４．５ｍｍである。

図６は、シリンダ内壁４１を有しているシリンダ４０と、ピストン５０と、格納状態でピストン５０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１と、を備えて構成されているピストン圧縮機１００を通る縦断面を示す。ピストン５０は、マルチピースピストンとして設計されているので、軸方向Ａに次々に配置された複数のピストン体５１を備えている。各ピストン体５１は、ピストンリング１を受け入れるための周方向ピストンリング溝７を形成するチャンバディスク５２を有している。図６において、往復式のピストン圧縮機１００の圧縮室Ｖは上部に配置されており、低圧側のクランクケースＫは下部に配置されている。ピストンリング１は、分割型シールリング２０と、任意のクランプリング６０と、第１環状体１０と、第３環状体３０と、を備えて構成されている。クランプリング６０は、好ましくは、直進する第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃが特に無圧状態であっても、外方に向けられた外方シール面２１でシリンダ内壁４１に耐えるように、径方向Ｒの外方に作用する事前ロードを分割型シールリング２０に作用させる。本実施形態例では、第１環状体１０はカバーリングとして、第３環状体３０は支持（サポート）リングまたはベースリングとして、設計されている。ピストンリング１は、径方向Ｒに離間することで、チャンバディスク５２に対して内方間隙８を形成している。内方間隙８は、圧縮室Ｖに面するカバーリング１０のフランクに形成された戻り流路２と、圧縮室Ｖ側の外方間隙６と、を介することで、さらに上方に存在するとともに図示の図では見えない空間に、流体伝達可能に接続されている。

図７は、図６のピストン圧縮機１００を通る縦断面を示すが、しかし、新しい状態、すなわち分割型シールリング２０が摩耗する前の状態における本発明によるピストンリング１の第２実施形態を示している。有利な実施形態では、分割型シールリング２０または図示された第１シールリングセグメント２０ａは、新しい状態におけるその径方向外方に向けられた外方シール面２１が、カバーリング１０の外面１１を越えるとともに、ベースリング（３０）の外面３１を越えることで、径方向Ｒに突き出るように設計されている。その結果、分割型シールリング２０は、慣らし運転段階においてシリンダ内壁４１に接触しているので、外方シール面２１とシリンダ内壁４１との間の間隙が極めて小さくなる。よって、内方間隙８に加えられた圧力によって、第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃが径方向Ｒの外方に押し出されるので、それによって分割型シールリング２０が、運転温度にあるときのシリンダ４０のボアの形状に適応するまで、外方シール面２１において分割型シールリング２０から材料が取り除かれる。往復式のピストン圧縮機１００の引き続きの運転（動作）において、第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃの外方シール面２１は、摩耗を受けることで、それによって、摩耗した第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃは、内方間隙８において加えられる圧力によって、径方向Ｒの外方に押し出される。そして、外方シール面２１の対応する摩耗によって、第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃが径方向Ｒの外方に押し出されることで、外方シール面２１とシリンダ内壁４１との間のシール効果は、摩耗が起こったにもかかわらず維持されるようになる。図７に示す実施形態例では、カバーリング（１０）および支持リング（３０）は各々、それらの径方向外方に向けられた外面１１および外面３１が、分割型シールリング２０を起点として、軸方向Ａに少なくとも部分的に円錐状にテーパするように設計されている。よって、カバーリング（１０）および支持リング（３０）の径方向外方の外面１１および外面３１は、収納状態および動作的（運転的）に温かい状態で、軸方向Ａの全高にわたってはシリンダ４０のシリンダ内壁に接しない。図６に示すピストンリングとは対照的に、図７に示すピストンリング１は、図示の第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃをシリンダ内壁４１に押し付けるためのクランプリング（図６では６０）を、分割型シールリング２０の径方向内方に向けられた内面には有していない。

図８は、分割型の第１環状体１０と、締結要素７１を有しているシングルカットリング７０と、分割型の第２環状体２０と、および第３環状体３０と、が軸方向Ａに隣接して配置されたピストンリング１のさらなる実施形態を示している。締結要素７１は、シングルカットリング７０の一方の端部に存在することで、第２環状体２０の内方に存在する凹部２５に係合可能な、径方向外方に向く突起の形態である。

図９ａは、図８の第１環状体１０の底面図である。第１環状体１０は、３つのベースリングセグメント１０ａ～１０ｃを備えている分割型ベースリングとして設計されている。各ベースリングセグメント１０ａ～１０ｃは１２０°の弧を描いて延びている。図示の実施形態では、ベースリング側に配置されたガイド手段５ａ～５ｃは、各々の場合で１１ｍｍの溝幅Ｂ_Ｎを有しているガイド溝として設計されている。ガイド溝（５ａ～５ｃ）は、各々の場合で、互いに隣接するベースリングセグメント１０ａ～１０ｃ同士の対向する２つの軸方向段差を有している突端同士によって形成されている。言い換えれば、参照符号５ａ．ａで指定された第１ベースリングセグメント１０ａの端部は、参照符号５ａ．ｃで指定された第３ベースリングセグメント１０ｃの端部とともに、第１ガイド溝５ａを形成する。従って、参照符号５ｃ．ｃおよび５ｃ．ｂで各々指定された第３ベースリングセグメント１０ｃの端部および第２ベースリングセグメント１０ｂの端部は、第３ガイド溝５ｃを形成している。参照符号５ｂ．ｂおよび５ｂ．ａで各々指定された第２ベースリングセグメント１０ｂの端部および第１ベースリングセグメント１０ａの端部は、第２ガイド溝５ｂを形成する。

図９ｂは、図９ａに示すベースリング１０を通る、図９ａの線Ｘ－Ｘに沿った断面を示す。軸方向Ａに段差が有るリングセグメント端部５ｃ．ｃおよび５ａ．ｃを有している完全な第３ベースリングセグメント１０ｃと、軸方向に段差が有るリングセグメント端部５ａ．ａを有している切断された第１ベースリングセグメント１０ａと、が示されている。この実施形態では、ベースリング１０は、３ｍｍの軸方向高さＨ_Ｇを有している。さらに、ベースリング１０は、ベースリング１０の径方向外方の環状縁部（リングエッジ）１５に、分割型シールリング（図示せず）から離れる方向に面取りを施している。本実施形態における面取り角度α_１は４°であるとともに、ウェブ高さＨ_Ｓは０．５ｍｍである。

図１０は、３つのシールリングセグメント（２０ａ～２０ｃ）を有している、図８に示す第２環状体２０の上面図である。各第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃは、１２０°の弧を描いて周方向Ｕに延びている。第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃ同士は、分割型シールリング２０の組立状態において、各々の第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃの内方からシール面まで径方向に延びている径方向断面Ｓの線に沿って、接する。互いに隣接する第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃ同士の対向する２つの端部同士は、各々リング端部間隙（リングエンドギャップ）８０を形成している。また、軸方向Ａに対して横方向に延びているとともに、周方向Ｕに互いに１２０°だけ相対的にオフセットされた３つのガイドリブ４ａ～４ｃが、示されている。この実施形態では、各ガイドリブ４ａ～４ｃは、各々１１ｍｍの幅Ｂ_Ｒを有している。ガイドリブ４ａ～４ｃの幅Ｂ_Ｒは、結果的に、ガイドリブ４ａ～４ｃが、図８に示す第１環状体１０のガイド溝５ａ～５ｃに本質的に「遊びなく」係合させることができるように、選択されている。図示の実施形態では、第１～第３シールリングセグメント２０ａ～２０ｃのうちの１つである第３シールリングセグメント２０ｃは、図８に示す締結要素７１を受け入れるべく、ガイドリブ４ｃの領域における内面２４ｃに、凹部２５を備えている。凹部２５は、分割型シールリング２０の全高にわたって軸方向Ａに延びている溝の形態で、設計されている。

図１１ａは、図８に示す第３環状体３０の上面図を示している。この第３環状体３０はエンドレス設計である。第３環状体３０は、径方向外方に向けられた外面３１と、上部フランク３２と、下部フランク３３（図１１ｂ）と、および、径方向内方に向けられた内面３４と、を有している。第３環状体３０はまた、分割型シールリング（図示せず）に面する径方向外方の環状縁部３５に、面取りを有している。

図１１ｂは、図１１ａの線Ｙ－Ｙに沿った、図１１ａに示す第３環状体３０の断面を示す。上部フランク３２および下部フランク３３と、分割型シールリング（図示せず）に面する上部フランク３２上の面取りを有している径方向外方の環状縁部３５と、が示されている。拡大図断面Ｚに示すように、本実施形態例における面取り角度α_３は４°であるとともに、ウェブ高さＨ_Ｓは０．５ｍｍである。

１…ピストンリング。
２…戻り流路。
３…三角形の面取り。

４…第２環状体上のガイド手段。
５…第１環状体上のガイド手段。
６…外方間隙。

７…ピストンリング円形溝。
８…内方間隙。
９…第３環状体上のガイド手段。

１０…第１環状体。
１１…第１環状体の外面。
１２…第１環状体の上部フランク。

１３…第１環状体の下部フランク。
１４…第１環状体の内面。
１５…第１環状体の径方向外方の環状縁部。

２０…第２環状体。
２１…第２環状体の外方シール面。
２２…第２環状体の上部フランク。

２３…第２環状体の下部フランク。
２４…第２環状体の内面。
２５…締結要素用のレセプタクル。

３０…第３環状体。
３１…第３環状体の外面。
３２…第３環状体の上部フランク。

３３…第３環状体の下部フランク。
３４…第３環状体の内面。
３５…第３環状体の径方向外方の環状縁部。

４０…シリンダ。
４１…シリンダ内壁。
５０…ピストン。

５１…ピストン体。
５２…チャンバディスク。
６０…クランプリング。

７０…追加シール要素。
７１…締結要素。
８０…リング端部間隙。

１００…ピストン圧縮機。
α_１…第１環状体上の面取り角度。
α_３…第３環状体上の面取り角度。

Ａ…軸方向。
Ｒ…径方向。
Ｕ…周方向。

Ｓ…断面線。
Ｂ_Ｎ…ガイド溝の幅。
Ｈ_Ａ…シールリングの高さ。

Ｈ_Ｄ…シールリングの高さ。
Ｈ_Ｇ…ベースリング高さ。
Ｈ_Ｓ…ウェブ高さ。

Ｔ_Ｎ…ガイド溝の深さ。
Ｂ_Ｒ…ガイドリブの幅。
Ｔ_Ｒ…ガイドリブの深さ。

Claims (20)

1. ピストンリング（１）、特にピストン圧縮機（１００）用のピストンリング、であって前記ピストンリングは、
   第１環状体（１０）および第２環状体（２０）を備えており、前記第１環状体（１０）および前記第２環状体（２０）は、軸方向（Ａ）において互いに隣接しているとともに同心に配置されており、
   前記第１環状体（１０）は、径方向外方に向けられた外面（１１）と、上部フランク（１２）および下部フランク（１３）と、および、径方向内方に向けられた内面（１４）と、を有しており、
   前記第２環状体（２０）は、複数のシールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を備えている分割型シールリング（２０）として形成されており、前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は各々、径方向外方に向けられたシール面（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）と、上部シールリングセグメントフランク（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）および下部シールリングセグメントフランク（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）と、および、径方向内方に向けられた内面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）と、を備えており、
   前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は各々、少なくとも１つのガイド手段（４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ）によって前記第１環状体（１０）上で案内されており、前記ガイド手段（４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ）は、周方向（Ｕ）における前記第１環状体（１０、２０）に対する前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の捩れを実質的に防止しているとともに、前記軸方向（Ａ）に対する横方向における前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の変位を許容する、
   ピストンリング（１）。
2. 前記ガイド手段（４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ）は、前記第１環状体（１０）と前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）との接触するフランク同士が、互いに正対するように延びているように構成されている、
   請求項１に記載のピストンリング（１）。
3. 前記ガイド手段（４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ）は、ガイド溝に係合するガイドリブとして形成されている、
   請求項１または２に記載のピストンリング（１）。
4. 前記ガイド溝の深さ（Ｔ_Ｎ）は、０．５ｍｍ～４ｍｍの間であり、好ましくは１ｍｍ～２ｍｍの間であることと、
   前記ガイド溝の幅（Ｂ_Ｎ）は、１０ｍｍ～５０ｍｍの間であり、好ましくは２０ｍｍ～４０ｍｍの間であり、特に好ましくは２５ｍｍ～３５ｍｍの間であることと、
   のうちの少なくとも１つが成立している、
   請求項３に記載のピストンリング（１）。
5. 前記第１環状体（１０）は一体に、好ましくはエンドレスに、形成されている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
6. 前記第１環状体（１０）は、複数個のベースリングセグメント（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を備えている分割型ベースリングとして形成されており、
   前記ベースリングセグメント（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）の数は、好ましくは前記分割型シールリング（２０）の前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の数に対応する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
7. 前記第１環状体（１０）は、３つのベースリングセグメント（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）によって形成されており、
   前記第２環状体（２０）は、３つの前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）によって形成されており、
   前記ベースリングセグメント（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）および前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は、各々１２０度の弧にわたって延びている、
   請求項１～６のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
8. 前記分割型シールリング（２０）は、１ｍｍ～６ｍｍの間の軸方向シールリング高さ（Ｈ_Ｄ）を有している、
   請求項１～７のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
9. 前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を相手面に押し付けるためのクランプリング（６０）は、前記分割型シールリング（２０）の径方向内方には配置されていない、
   請求項１～８のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
10. 前記ピストンリング（１）はさらに、
    互いに隣接する前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）同士の２つの対向する端部同士によって各々形成されるリング端部間隙（８０）同士をシールするための、少なくとも１つの追加シール要素（７０）を備えている、
    請求項１～９のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
11. 前記ピストンリング（１）は、正に１つの追加シール要素（７０）を備えており、前記追加シール要素（７０）はシングルカットリングとして形成されており、
    前記シングルカットリングの一方のリング端部は、前記シングルカットリングのリング平面内に横たわる径方向外方に向いた突起（７１）を有しているＬ字形であり、
    前記突起（７１）は、前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の内面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）上の凹部（２５）に係合可能にされており、
    前記凹部（２５）は、好ましくは、前記分割型シールリング（２０）上に配置された前記ガイド手段の領域内に配置されている、
    請求項１０に記載のピストンリング（１）。
12. 前記ピストンリング（１）はさらに、第３環状体（３０）を備えており、
    前記第３環状体（３０）は好ましくはエンドレスであり、
    前記第３環状体（３０）は、径方向外方に向けられた外面（３１）と、上部フランク（３２）および下部フランク（３３）と、および、径方向内方に向けられた内面（３４）と、を有しており、
    前記分割型シールリング（２０）は、前記第１環状体（１０）と前記第３環状体（３０）との間に配置されている、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
13. 前記分割型シールリング（２０）のうちの少なくとも１つの前記シールリングセグメントは、好ましくは全ての前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は、前記第１環状体（１０）上および前記第３環状体（３０）上に案内される、
    請求項１２に記載されたピストンリング（１）。
14. 前記第１環状体（１０）または第３環状体（３０）は、それらのフランクに、前記分割型シールリング（２０）から離れる方向に向くように少なくとも１つの径方向に延びている戻り流路（２）を備えており、
    前記戻り流路（２）は、フランク幅全体にわたって径方向に延びているとともに、前記ピストンリング（１）の意図する使用中に圧縮室（Ｖ）に向かっており、
    前記戻り流路（２）は、好ましくは三角形の面取り（３）を有している、
    請求項１～１３のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
15. 前記分割型シールリング（２０）から出発して、
    前記第１環状体（１０）の径方向外方に向けられた前記外面（１１）と、
    第３環状体（３０）の径方向外方に向けられた外面（３１）と、
    のうちの少なくとも１つは、前記軸方向（Ａ）にテーパ状であり、好ましくは円錐状にテーパ状である、
    請求項１～１４のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
16. 前記第１環状体（１０）は、径方向外方の環状縁部（１５）に、前記分割型シールリング（２０）から離れる方向に向く面取りを有しており、
    前記面取りの面取り角度（α_１）は好ましくは１°～１０°の間であることと、
    前記面取りのウェブ高（Ｈ_Ｓ）は好ましくは少なくとも４ｍｍであることと、
    のうちの少なくとも１つが成立している、
    請求項９～１４のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
17. 第３環状体（３０）は、前記分割型シールリング（２０）に面する径方向外方の環状縁部（３５）に面取りを有しており、
    前記面取りの面取り角度（α_３）は好ましくは１°～１０°の間であることと、
    前記面取りのウェブ高さ（Ｈ_Ｓ）は好ましくは少なくとも４ｍｍであることと、
    のうちの少なくとも１つが成立している、
    請求項９～１４のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
18. 前記分割型シールリング（２０）の組立状態において、２つの互いに隣接する前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）同士は、各々の前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の前記シール面（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）に向かって内面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）から径方向に延びている断面（Ｓ）の線に沿って、各々の場合で接触状態にある、
    請求項１～１７のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
19. 各々の前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の端部は、周方向（Ｕ）において前記軸方向に段差を有しているように設計されており、
    互いに隣接する前記シールリングセグメント（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）同士の前記段差が有る前記端部同士は、前記軸方向（Ａ）において少なくとも部分的に重なるように配置されることで軸方向シールを形成している、
    請求項１～１８のいずれか１項に記載のピストンリング（１）。
20. 請求項１～１９のいずれか１項に記載の少なくとも１つのピストンリング（１）を備えている、
    ピストン圧縮機（１００）、特に乾式走行ピストン圧縮機（１００）。

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