JP3799629B2 - ピストンリング構造 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復型の空気圧縮機等に用いられるピストンリング構造に係り、特に、一定以上の摩耗を防止するようにしたピストンリング構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７および図８に、往復型の空気圧縮機に用いられるピストンリングａを示す。図示するように、このピストンリングａは、シリンダｂ内を往復動するピストンｃのリング溝ｄに装着されるリング体が、周方向に大片ｅと小片ｆとに四分割されて構成されている。かかるピストンリングａは、その厚さｇがリング溝ｄの溝幅ｈより薄く形成され、装着代ｉがリング溝ｄの溝深さｊより小さく形成されている。
【０００３】
この構成によれば、例えばピストンｃが図８中矢印ｋで示すように上昇すると、ピストンｃ上方の圧縮室内のガスがリングａとリング溝ｄとの間を周り込んでリング溝ｄの奥に侵入し、そのガス圧が大片ｅおよび小片ｆの内周面ｍに作用して、ピストンリングａが拡径される。この結果、ピストンリングａ（大片ｅおよび小片ｆ）の外周面ｎがシリンダライナｂに押し付けられ、ガス漏れのシールが達成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかるシールは、ピストンリング外周面ｎがシリンダライナｂに押し付けられ摺接することによってなされるため、リング外周面ｎが摩耗することを意味する。この摩耗は、圧縮機の運転中は連続してなされるため、長期運転によってリング自身の径方向の厚さｐが極端に薄くなり、切損することがある。
【０００５】
特に、シリンダ内を潤滑油で潤滑しない無給油式の空気圧縮機においては、ピストンリングａの材質にカーボンやテフロン系の自己潤滑性材料を用いてはいるものの、潤滑油がないためリング外周面ｎの摩耗が進行しやすく、ピストンリングａの摩耗切損は深刻な問題となっている。
【０００６】
一旦、ピストンリングａが切損すると、圧縮漏れが生じるばかりでなく、切損したピストンリングａの破片が他の部品（例えば吐出弁など）と干渉し、その機能を損なうことがあるため、圧縮機を緊急停止して分解修理を行わなければならない。従って、ピストンリングａの摩耗状況を頻繁にチェックする必要があり、圧縮機の定期メンテナンスの間隔が短くなっていた。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ピストンリングの一定以上の摩耗を防止してその切損を回避するピストンリング構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、シリンダ内を往復移動するピストンのリング溝に装着され、上記ピストンの上昇時に上記リング溝の下面に押し付けられると共に上記ピストンの上方で生じたガス圧を内周面に受けて拡径し、外周面が上記シリンダに押し付けられて摩耗するピストンリングのリング下面をフラットに形成し、該リング下面に、このピストンリングの外周面が所定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を上記ピストンの下方に逃がすべく、上記内周面から径方向外方へ向かって所定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設け、該ガス圧リリーフ溝の上記所定長さは、上記外周面が上記所定量摩耗する前は上記リング溝の下面で覆われ、上記外周面が上記所定量摩耗すると上記下面から露出する長さに設定されており、上記ピストンリングを周方向に複数に分割し、分割された各片同士の接合部を上記ピストンリングの外周面の接線に対して斜めに形成したものである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、シリンダ内を往復移動するピストンのリング溝に装着され、上記ピストンの下降時に上記リング溝の上面に押し付けられると共に上記ピストンの下方で生じたガス圧を内周面に受けて拡径し、外周面が上記シリンダに押し付けられて摩耗するピストンリングのリング上面をフラットに形成し、該リング上面に、このピストンリングの外周面が所定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を上記ピストンの上方に逃がすべく、上記内周面から径方向外方へ向かって所定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設け、該ガス圧リリーフ溝の上記所定長さは、上記外周面が上記所定量摩耗する前は上記リング溝の上面で覆われ、上記外周面が上記所定量摩耗すると上記上面から露出する長さに設定されており、上記ピストンリングを周方向に複数に分割し、分割された各片同士の接合部を上記ピストンリングの外周面の接線に対して斜めに形成したものである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、上記ピストンリングを周方向に複数に分割してなる各片の内周面に、上記ピストンに径方向移動可能に取り付けられたプッシュロッドが係合される凹部を形成したものである。
【００１１】
請求項４に係る発明は、上記プッシュロッドがコイルスプリングによって径方向外方に付勢され、その付勢力によって上記各片の外周面が上記シリンダに押し付けられるものである。
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、ピストンリングの内周面にはピストンの上方で生じたガス圧が作用するためピストンリングが拡径されてシリンダに押し付けられるところ、ピストンがシリンダ内を往復動することでピストンリングの外周面が所定量摩耗すると、ピストンリングの内周面に作用する上記ガス圧がガス圧リリーフ溝を通ってピストンの下方に逃がされるため、リングがそれ以上拡径されなくなり、摩耗が止まる。また、ピストンリングを構成する各片同士の接合部が斜めに形成されているので、ピストンリング外周面の摩耗が進行しても、上記接合部にギャップが生じることはない。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１とは逆にピストンの下方にガス圧が生じるものが前提となり、ピストンリングの内周面にピストンの下方で生じたガス圧が作用するためピストンリングが拡径されてシリンダに押し付けられるところ、ピストンの往復動によってピストンリングの外周面が所定量摩耗すると、ピストンリングの内周面に作用する上記ガス圧がガス圧リリーフ溝を通ってピストンの上方に逃がされるため、リングがそれ以上拡径されなくなり、摩耗が止まる。また、ピストンリングを構成する各片同士の接合部が斜めに形成されているので、ピストンリング外周面の摩耗が進行しても、上記接合部にギャップが生じることはない。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、ピストンリングを構成する各片に形成した凹部にピストンに取り付けられたプッシュロッドが係合されることで、各片がバラバラになってリング溝内を移動することが防止される。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、プッシュロッドがコイルスプリングにより径方向外方に付勢されることで、上記各片の外周面がシリンダに押し付けられるので、上記プッシュロッドは、各片の位置を保持するリテーナ機能と各片をシリンダに押し付けるプッシャ機能とを発揮する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１および図２は、無給油式の往復動型空気圧縮機のピストンリング１を示すものである。図示するように、このピストンリング１は、シリンダ２内を往復動するピストン３のリング溝４に装着されるリング体を、周方向に大片１ａと小片１ｂとに四分割して構成されている。これら大片１ａおよび小片１ｂは、カーボンやテフロン系等の自己潤滑性材料から形成されており、図３に示すように、ピストン３の内部に設けられたプッシュロッド５およびコイルスプリング６によって、径方向外方に付勢されるようになっている。
【００１８】
詳しくは、ピストン３のリング溝４の径方向内方には、図３に示すように周方向に等間隔を隔てて四個の収容孔７が形成されており、これら収容孔７にプッシュロッド５およびコイルスプリング６が収容されている。コイルスプリング６は、その一端がプッシュロッド５の先端部に形成された係合部８に係合され、他端が収容孔７の入口部に形成された拡径部９に係合されている。この構成によれば、プッシュロッド５を収容孔７内に挿入するとコイルスプリング６が引き伸ばされるため、その戻り力によって大片１ａおよび小片１ｂがプッシュロッド５を介して拡径されることになる。
【００１９】
プッシュロッド５には、上記大片１ａおよび小片１ｂに形成された凹部１０と係合し、これらの位置を保持する保持部１１が設けられている。プッシュロッド５の保持部１１が大片１ａおよび小片１ｂの凹部１０と係合することにより、大片１ａおよび小片１ｂがバラバラになってリング溝４内を移動することが防止される。すなわち、上記プッシュロッド５は、ピストンリング１の大片１ａおよび小片１ｂを拡径方向に付勢してシリンダライナ２に押し付けるプッシャとしての機能と、大片１ａおよび小片１ｂの位置を保持するリテーナとしての機能とを備えている。
【００２０】
大片１ａおよび小片１ｂからなるピストンリング１は、図２(a) に示すようにピストン３のリング溝４に装着され、前述したプッシュロッド５によってシリンダライナ２に押し付けられると共に位置保持される。リング溝４は、図中では１個しか示していないが、実際にはピストン３の軸方向に多段に複数設けられており、各溝４に同様にしてピストンリング１が装着される。かかるピストンリング１は、その厚さ１ｘがリング溝４の溝幅４ｘより薄く形成され、装着代１ｙがリング溝４の溝深さ４ｙより小さく形成されている。
【００２１】
この構成によれば、例えばピストン３が図２(a) 中矢印１２で示すように上昇すると、ピストン３上方の圧縮室内のガスがリング１とリング溝４との間を廻り込んでリング溝４の奥に侵入し、そのガス圧が大片１ａおよび小片１ｂの内周面１ｗに作用して、大片１ａおよび小片１ｂが径方向外方に移動され、ピストンリング１が拡径される。この結果、ピストンリング１すなわち大片１ａおよび小片１ｂの外周面１ｚがシリンダライナ２に押し付けられ、ピストン３とシリンダライナ２との間のガス漏れシールが達成される。
【００２２】
かかるシールにより大片１ａおよび小片１ｂの外周面１ｚが図３に仮想線１３で示すように摩耗しても、コイルスプリング６で付勢されたプッシュロッド５がその摩耗に応じて大片１ａおよび小片１ｂを拡径するため、大片１ａおよび小片１ｂはシリンダライナ２に対して常に適切な面圧が保たれる。よって、いつまでも高い効率を維持することができる。また、大片１ａおよび小片１ｂは、その接合部１４が斜めに形成されているため、摩耗が進行しても接合部１４にギャップが生じることはない。
【００２３】
本実施形態の特徴とするところは、図１および図２に示すように、ピストンリング１を構成する大片１ａの上下面１５，１６に、その外周面１ｚが一定量摩耗したときに内周面１ｗに受けるガス圧を逃がすべく、内周面１ｗから径方向外方へ向かって所定長さＬに形成されたガス圧リリーフ溝１７，１８を設けた点にある。このガス圧リリーフ溝１７，１８の溝長さＬは、大片１ａが図４に仮想線１９で示すように限界まで摩耗したときに、図２(b) に示すように内周面１ｗに作用するガス圧を下方に逃がすことのできる長さに設定されている。
【００２４】
すなわち、大片１ａが図４に仮想線１９で示す摩耗限界に至る以前は、図２(a) に示すように大片１ａの下面１６とリング溝４の下面２０とはガス圧リリーフ溝１８の延長部に位置するシール部２１によってシールされるが、摩耗限界の直前にまで摩耗したときには、図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８がピストン３の側面２１より径方向外方へ突き出て、内周面１ｗに作用するガス圧が下方に逃がされるようになっているのである。
【００２５】
以上、大片１ａの下面１６に設けられたガス圧リリーフ溝１８について説明してきたが、大片１ａの上面１５にも同様のガス圧リリーフ溝１７が設けられている。このガス圧リリーフ溝１７は、ピストン３が下降するときにピストン３下方の圧縮室からリング溝４内に侵入したガス圧を、上方に逃がすために設けられる。すなわち、本実施形態に係る空気圧縮機は、ピストン３の上方と下方とに圧縮室を備えており、ピストン３上昇時には上述の如く上方の圧縮室のガス圧で大片１ａおよび小片１ｂを拡径させ、ピストン３下降時には下方の圧縮室のガス圧で大片１ａおよび小片１ｂを拡径させるようになっているのである。
【００２６】
従って、ピストン３の上方のみに圧縮室を有するタイプの圧縮機においては、大片１ａの上面１５のガス圧リリーフ溝１７は不要であり、大片１ａの下面１６のガス圧リリーフ溝１８のみで十分である。下方から上方へ流れるガス圧が存在しない以上、大片１ａの上面１５にガス圧リリーフ溝１７を設けても、ほとんど意味がないからである。よって、例えば本発明をディーゼル機関やガソリン機関に適用した場合には、ピストンリング１の下面１６のみにガス圧リリーフ溝１８を設ければよい。
【００２７】
また、本実施形態においては、ガス圧リリーフ溝１７，１８が大片１ａの上下面１５，１６に対になるように形成されているが、これに限らず例えば周方向にずらして上下面１５，１６に形成してもよい。また、本実施形態のようにガス圧リリーフ溝１７，１８を大片１ａのみに設けるのではなく、さらに小片１ｂにも設けてよいことは勿論である。また、ガス圧リリーフ溝１７，１８の数は、本実施形態の数に限られず、それより多くあるいは少なくしてもよい。
【００２８】
以上の構成からなる本実施形態の作用について述べる。
【００２９】
ピストン３のリング溝４に装着された大片１ａおよび小片１ｂは、図４に仮想線１９で示す摩耗限界に至る以前は、図２(a) に示すようにリング溝４内に侵入したガス圧を内周面１ｗに受けることによって拡径され、外周面１ｚがシリンダライナ２に押し付けられてガス漏れのシールを行う。
【００３０】
その後、大片１ａおよび小片１ｂは、外周面１ｚが摩耗するにしたがって内周面１ｗに作用するガス圧に押されて図中左方へ移動される。そして、図４に仮想線１９で示す摩耗限界の直前まで摩耗すると、図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８がピストン３の側面２１より径方向外方へ突き出て、大片１ａの内周面１ｗに作用するガス圧が下方に逃がされる。
【００３１】
すなわち、大片１ａの下面１６とリング溝４の下面２０との間は、大片１ａが摩耗限界に至る以前は図２(a) に示すようにガス圧リリーフ溝１８の延長部に位置するシール部２１によってシールされるが、摩耗限界の直前まで摩耗したときは図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８によって開放されるのである。
【００３２】
従って、以降、大片１ａは、その内周面１ｗに作用するガス圧によりシリンダライナ２に押し付けられることなくフリーとなり、それ以上の摩耗が防止される。よって、本実施形態によれば、従来のようにピストンリング１が際限なくすなわち切損するまで摩耗してしまうことはなく、ピストンリング１の切損を確実に防止できる。従って、圧縮機の信頼性が向上する。
【００３３】
また、このようにトップリング（ピストン３上面に一番近いリング）がフリーとなっても、図示しない次段のセカンドリングによって圧縮が保持されるため、効率の低下はほとんど生じない。そして、同様にセカンドリングがフリーとなってもサードリングによって圧縮が保持される。よって、圧縮機のトータルの寿命が延び、定期メンテナンスの間隔を延ばすことができる。
【００３４】
なお、ガス圧リリーフ溝１７，１８が開放されてピストンリング１がフリーになっても、当該リング１は図３に示すコイルスプリング６およびプッシュロッド５によって拡径されてシリンダライナ２に押し付けられることになるが、この押付力は極めて弱いため、これによってピストンリング１が摩耗することはほとんどない。
【００３５】
本発明の別の実施の形態を図５(a)(b)(C) に示す。
【００３６】
図示するように、これら別の実施形態は、上記ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａが、ピストンリング１の径方向外方に向かって徐々に浅くなるテーパ状に形成されている点を除き、前の実施形態と同様の構成となっている。詳しくは、これらガス圧リリーフ溝１７，１８の溝底面１７ｂ，１８ｂは、図５(a) のものは直線状に傾斜されており、図５(b) のものは凹曲線状に傾斜されており、図５(C) のものは凸曲線状に傾斜されている。
【００３７】
かかる構成によれば、ピストンリング１は、その外周面１ｚが摩耗するにしたがって内周面１ｗに作用するガス圧により図中左方へ移動され、ついにはガス圧リリーフ溝１７，１８が開放されて、内周面１ｗに作用するガス圧が逃がされることになるが、最初はガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａの浅い部分が開放されるためガスの逃げ量は少なく、その後摩耗が進行するにしたがって徐々にガスの逃げ量が多くなる。
【００３８】
このようなピストンリング１によれば、リング溝４内に侵入したガス圧は、摩耗が少ないときには、一部がリリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ｂの浅い部分から逃がされ、残りが内周面１ｗに作用してピストンリング１を拡径させる。そして、摩耗が多くなると、その割合が逆転するようになる。このように、ガス圧の一部を逃がし残りを拡径に用いることにより、ピストン３とシリンダライナ２とのシール性が向上する。また、最終的には、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａの深い部分が開放されるため、確実にピストンリング１をフリーにすることができる。
【００３９】
さらに別の実施の形態を図６に示す。
【００４０】
図示するように、この実施形態は、上記ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃが、ピストンリング１の径方向外方に向かって徐々に狭くなるテーパ状に形成されている点を除き、最初の実施形態と同様の構成となっている。
【００４１】
この構成によれば、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃをテーパ状に形成したので、この溝１７，１８を通ってリング内周面１ｗから逃げるガス量は、リング外周面１ｚの摩耗が少ないときには少量であり、摩耗が進行するにしたがって多くなる。従って、図５に示す実施形態と同様の作用効果を奏する。また、これら図５と図６の実施形態を組み合わせて、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃおよび溝深さ１７ａ，１８ａを共にテーパ状に形成してもよい。
【００４２】
なお、本発明に関連する先行技術として、図９に示すものが知られている（特開平4-203370号公報など）。この技術は、リング溝５０を形成するピストン５１のランド部５２にガス圧リリーフ穴５３を形成し、ピストンリング５４が一定量摩耗したならばリング内周面５５に作用するガス圧を上記リリーフ穴５３から逃がすようにしたものである。
【００４３】
しかし、この技術ではピストン５１にリリーフ穴５３を設けているため、リリーフ時期を調整することができない。これに対し、本発明によれば、消耗品であるピストンリング１にリリーフ溝１７，１８を設けているため、長さの異なるリリーフ溝１７，１８を設けたピストンリング１を予め複数種類用意しておけば、圧縮機の定期的なメンテナンス時等にこれらを交換することによって、容易にリリーフ時期を変更できる。
【００４４】
また、メンテナンス時にピストンリング１，５４の材質や硬度が変更されてその限界摩耗量が変わった場合、先行技術ではピストン５１側にリリーフ穴５３を設けているため全く対応できないのに対し、本発明によればピストンリング１に設けられるリリーフ溝１７，１８の長さをその材質等に応じて変更することにより容易に対応できる。
【００４５】
また、先行技術では、リリーフ穴５３が開放されると、ガス圧がダイレクトに次段のピストンリング５６に作用するため、次段のピストンリング５６に悪影響を及ぼす傾向がある。これに対して、本発明によれば、図２(b) に示すようにリリーフ溝１８が開放されると、ガス圧はピストンリング１を周り込みつつこの溝１８を通って次段側へ流れる。このため、ラビリンス効果が発揮されて干渉された後、次段のピストンリングに作用することとなり、悪影響は生じない。
【００４６】
また、先行技術では、ピストン５１の凹凸に入り組んだランド部５２にリリーフ穴５３を形成する必要があるためその加工は極めて困難であるのに対し、本発明ではピストンリング１の表面にリリーフ溝１７，１８を形成すればよいので容易に加工できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るピストンリング構造によれば、次のような効果を発揮できる。
【００４８】
(1)ピストンリングの一定以上の摩耗を防止でき、その切損を未然に防止することができる。
【００４９】
(2)よって、寿命が長くなり、信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すピストンリング構造の斜視図である。
【図２】上記ピストンリングの作用を示す図であり、(a) は摩耗限界前、(b) 摩耗限界直前の様子を表す。
【図３】上記ピストンリングが装着されたピストンの断面図である。
【図４】上記ピストンリングの摩耗限界を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図６】さらに別の実施形態を示す図である。
【図７】従来例に係るピストンリング構造を示す斜視図である。
【図８】上記ピストンリングがガス圧によってシリンダライナに押し付けられる様子を示す図である。
【図９】関連技術を示すピストンの側断面図である。
【符号の説明】
１ ピストンリング
１ｗ 内周面
１ｚ 外周面
２ シリンダライナ
３ ピストン
４ リング溝
１５ ピストンリング上面
１６ ピストンリング下面
１７ ガス圧リリーフ溝
１７ａ 溝深さ
１７ｃ 溝幅
１８ ガス圧リリーフ溝
１８ａ 溝深さ
１８ｃ 溝幅
Ｌ 所定長さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復型の空気圧縮機等に用いられるピストンリング構造に係り、特に、一定以上の摩耗を防止するようにしたピストンリング構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７および図８に、往復型の空気圧縮機に用いられるピストンリングａを示す。図示するように、このピストンリングａは、シリンダｂ内を往復動するピストンｃのリング溝ｄに装着されるリング体が、周方向に大片ｅと小片ｆとに四分割されて構成されている。かかるピストンリングａは、その厚さｇがリング溝ｄの溝幅ｈより薄く形成され、装着代ｉがリング溝ｄの溝深さｊより小さく形成されている。
【０００３】
この構成によれば、例えばピストンｃが図８中矢印ｋで示すように上昇すると、ピストンｃ上方の圧縮室内のガスがリングａとリング溝ｄとの間を周り込んでリング溝ｄの奥に侵入し、そのガス圧が大片ｅおよび小片ｆの内周面ｍに作用して、ピストンリングａが拡径される。この結果、ピストンリングａ（大片ｅおよび小片ｆ）の外周面ｎがシリンダライナｂに押し付けられ、ガス漏れのシールが達成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかるシールは、ピストンリング外周面ｎがシリンダライナｂに押し付けられ摺接することによってなされるため、リング外周面ｎが摩耗することを意味する。この摩耗は、圧縮機の運転中は連続してなされるため、長期運転によってリング自身の径方向の厚さｐが極端に薄くなり、切損することがある。
【０００５】
特に、シリンダ内を潤滑油で潤滑しない無給油式の空気圧縮機においては、ピストンリングａの材質にカーボンやテフロン系の自己潤滑性材料を用いてはいるものの、潤滑油がないためリング外周面ｎの摩耗が進行しやすく、ピストンリングａの摩耗切損は深刻な問題となっている。
【０００６】
一旦、ピストンリングａが切損すると、圧縮漏れが生じるばかりでなく、切損したピストンリングａの破片が他の部品（例えば吐出弁など）と干渉し、その機能を損なうことがあるため、圧縮機を緊急停止して分解修理を行わなければならない。従って、ピストンリングａの摩耗状況を頻繁にチェックする必要があり、圧縮機の定期メンテナンスの間隔が短くなっていた。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ピストンリングの一定以上の摩耗を防止してその切損を回避するピストンリング構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、シリンダ内を往復移動するピストンのリング溝に装着され、上記ピストンの上昇時に上記リング溝の下面に押し付けられると共に上記ピストンの上方で生じたガス圧を内周面に受けて拡径し、外周面が上記シリンダに押し付けられて摩耗するピストンリングのリング下面をフラットに形成し、該リング下面に、このピストンリングの外周面が所定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を上記ピストンの下方に逃がすべく、上記内周面から径方向外方へ向かって所定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設け、該ガス圧リリーフ溝の上記所定長さは、上記外周面が上記所定量摩耗する前は上記リング溝の下面で覆われ、上記外周面が上記所定量摩耗すると上記下面から露出する長さに設定されており、上記ピストンリングを周方向に複数に分割し、分割された各片同士の接合部を上記ピストンリングの外周面の接線に対して斜めに形成したものである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、シリンダ内を往復移動するピストンのリング溝に装着され、上記ピストンの下降時に上記リング溝の上面に押し付けられると共に上記ピストンの下方で生じたガス圧を内周面に受けて拡径し、外周面が上記シリンダに押し付けられて摩耗するピストンリングのリング上面をフラットに形成し、該リング上面に、このピストンリングの外周面が所定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を上記ピストンの上方に逃がすべく、上記内周面から径方向外方へ向かって所定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設け、該ガス圧リリーフ溝の上記所定長さは、上記外周面が上記所定量摩耗する前は上記リング溝の上面で覆われ、上記外周面が上記所定量摩耗すると上記上面から露出する長さに設定されており、上記ピストンリングを周方向に複数に分割し、分割された各片同士の接合部を上記ピストンリングの外周面の接線に対して斜めに形成したものである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、上記ピストンリングを周方向に複数に分割してなる各片の内周面に、上記ピストンに径方向移動可能に取り付けられたプッシュロッドが係合される凹部を形成したものである。
【００１１】
請求項４に係る発明は、上記プッシュロッドがコイルスプリングによって径方向外方に付勢され、その付勢力によって上記各片の外周面が上記シリンダに押し付けられるものである。
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、ピストンリングの内周面にはピストンの上方で生じたガス圧が作用するためピストンリングが拡径されてシリンダに押し付けられるところ、ピストンがシリンダ内を往復動することでピストンリングの外周面が所定量摩耗すると、ピストンリングの内周面に作用する上記ガス圧がガス圧リリーフ溝を通ってピストンの下方に逃がされるため、リングがそれ以上拡径されなくなり、摩耗が止まる。また、ピストンリングを構成する各片同士の接合部が斜めに形成されているので、ピストンリング外周面の摩耗が進行しても、上記接合部にギャップが生じることはない。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１とは逆にピストンの下方にガス圧が生じるものが前提となり、ピストンリングの内周面にピストンの下方で生じたガス圧が作用するためピストンリングが拡径されてシリンダに押し付けられるところ、ピストンの往復動によってピストンリングの外周面が所定量摩耗すると、ピストンリングの内周面に作用する上記ガス圧がガス圧リリーフ溝を通ってピストンの上方に逃がされるため、リングがそれ以上拡径されなくなり、摩耗が止まる。また、ピストンリングを構成する各片同士の接合部が斜めに形成されているので、ピストンリング外周面の摩耗が進行しても、上記接合部にギャップが生じることはない。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、ピストンリングを構成する各片に形成した凹部にピストンに取り付けられたプッシュロッドが係合されることで、各片がバラバラになってリング溝内を移動することが防止される。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、プッシュロッドがコイルスプリングにより径方向外方に付勢されることで、上記各片の外周面がシリンダに押し付けられるので、上記プッシュロッドは、各片の位置を保持するリテーナ機能と各片をシリンダに押し付けるプッシャ機能とを発揮する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１および図２は、無給油式の往復動型空気圧縮機のピストンリング１を示すものである。図示するように、このピストンリング１は、シリンダ２内を往復動するピストン３のリング溝４に装着されるリング体を、周方向に大片１ａと小片１ｂとに四分割して構成されている。これら大片１ａおよび小片１ｂは、カーボンやテフロン系等の自己潤滑性材料から形成されており、図３に示すように、ピストン３の内部に設けられたプッシュロッド５およびコイルスプリング６によって、径方向外方に付勢されるようになっている。
【００１８】
詳しくは、ピストン３のリング溝４の径方向内方には、図３に示すように周方向に等間隔を隔てて四個の収容孔７が形成されており、これら収容孔７にプッシュロッド５およびコイルスプリング６が収容されている。コイルスプリング６は、その一端がプッシュロッド５の先端部に形成された係合部８に係合され、他端が収容孔７の入口部に形成された拡径部９に係合されている。この構成によれば、プッシュロッド５を収容孔７内に挿入するとコイルスプリング６が引き伸ばされるため、その戻り力によって大片１ａおよび小片１ｂがプッシュロッド５を介して拡径されることになる。
【００１９】
プッシュロッド５には、上記大片１ａおよび小片１ｂに形成された凹部１０と係合し、これらの位置を保持する保持部１１が設けられている。プッシュロッド５の保持部１１が大片１ａおよび小片１ｂの凹部１０と係合することにより、大片１ａおよび小片１ｂがバラバラになってリング溝４内を移動することが防止される。すなわち、上記プッシュロッド５は、ピストンリング１の大片１ａおよび小片１ｂを拡径方向に付勢してシリンダライナ２に押し付けるプッシャとしての機能と、大片１ａおよび小片１ｂの位置を保持するリテーナとしての機能とを備えている。
【００２０】
大片１ａおよび小片１ｂからなるピストンリング１は、図２(a) に示すようにピストン３のリング溝４に装着され、前述したプッシュロッド５によってシリンダライナ２に押し付けられると共に位置保持される。リング溝４は、図中では１個しか示していないが、実際にはピストン３の軸方向に多段に複数設けられており、各溝４に同様にしてピストンリング１が装着される。かかるピストンリング１は、その厚さ１ｘがリング溝４の溝幅４ｘより薄く形成され、装着代１ｙがリング溝４の溝深さ４ｙより小さく形成されている。
【００２１】
この構成によれば、例えばピストン３が図２(a) 中矢印１２で示すように上昇すると、ピストン３上方の圧縮室内のガスがリング１とリング溝４との間を廻り込んでリング溝４の奥に侵入し、そのガス圧が大片１ａおよび小片１ｂの内周面１ｗに作用して、大片１ａおよび小片１ｂが径方向外方に移動され、ピストンリング１が拡径される。この結果、ピストンリング１すなわち大片１ａおよび小片１ｂの外周面１ｚがシリンダライナ２に押し付けられ、ピストン３とシリンダライナ２との間のガス漏れシールが達成される。
【００２２】
かかるシールにより大片１ａおよび小片１ｂの外周面１ｚが図３に仮想線１３で示すように摩耗しても、コイルスプリング６で付勢されたプッシュロッド５がその摩耗に応じて大片１ａおよび小片１ｂを拡径するため、大片１ａおよび小片１ｂはシリンダライナ２に対して常に適切な面圧が保たれる。よって、いつまでも高い効率を維持することができる。また、大片１ａおよび小片１ｂは、その接合部１４が斜めに形成されているため、摩耗が進行しても接合部１４にギャップが生じることはない。
【００２３】
本実施形態の特徴とするところは、図１および図２に示すように、ピストンリング１を構成する大片１ａの上下面１５，１６に、その外周面１ｚが一定量摩耗したときに内周面１ｗに受けるガス圧を逃がすべく、内周面１ｗから径方向外方へ向かって所定長さＬに形成されたガス圧リリーフ溝１７，１８を設けた点にある。このガス圧リリーフ溝１７，１８の溝長さＬは、大片１ａが図４に仮想線１９で示すように限界まで摩耗したときに、図２(b) に示すように内周面１ｗに作用するガス圧を下方に逃がすことのできる長さに設定されている。
【００２４】
すなわち、大片１ａが図４に仮想線１９で示す摩耗限界に至る以前は、図２(a) に示すように大片１ａの下面１６とリング溝４の下面２０とはガス圧リリーフ溝１８の延長部に位置するシール部２１によってシールされるが、摩耗限界の直前にまで摩耗したときには、図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８がピストン３の側面２１より径方向外方へ突き出て、内周面１ｗに作用するガス圧が下方に逃がされるようになっているのである。
【００２５】
以上、大片１ａの下面１６に設けられたガス圧リリーフ溝１８について説明してきたが、大片１ａの上面１５にも同様のガス圧リリーフ溝１７が設けられている。このガス圧リリーフ溝１７は、ピストン３が下降するときにピストン３下方の圧縮室からリング溝４内に侵入したガス圧を、上方に逃がすために設けられる。すなわち、本実施形態に係る空気圧縮機は、ピストン３の上方と下方とに圧縮室を備えており、ピストン３上昇時には上述の如く上方の圧縮室のガス圧で大片１ａおよび小片１ｂを拡径させ、ピストン３下降時には下方の圧縮室のガス圧で大片１ａおよび小片１ｂを拡径させるようになっているのである。
【００２６】
従って、ピストン３の上方のみに圧縮室を有するタイプの圧縮機においては、大片１ａの上面１５のガス圧リリーフ溝１７は不要であり、大片１ａの下面１６のガス圧リリーフ溝１８のみで十分である。下方から上方へ流れるガス圧が存在しない以上、大片１ａの上面１５にガス圧リリーフ溝１７を設けても、ほとんど意味がないからである。よって、例えば本発明をディーゼル機関やガソリン機関に適用した場合には、ピストンリング１の下面１６のみにガス圧リリーフ溝１８を設ければよい。
【００２７】
また、本実施形態においては、ガス圧リリーフ溝１７，１８が大片１ａの上下面１５，１６に対になるように形成されているが、これに限らず例えば周方向にずらして上下面１５，１６に形成してもよい。また、本実施形態のようにガス圧リリーフ溝１７，１８を大片１ａのみに設けるのではなく、さらに小片１ｂにも設けてよいことは勿論である。また、ガス圧リリーフ溝１７，１８の数は、本実施形態の数に限られず、それより多くあるいは少なくしてもよい。
【００２８】
以上の構成からなる本実施形態の作用について述べる。
【００２９】
ピストン３のリング溝４に装着された大片１ａおよび小片１ｂは、図４に仮想線１９で示す摩耗限界に至る以前は、図２(a) に示すようにリング溝４内に侵入したガス圧を内周面１ｗに受けることによって拡径され、外周面１ｚがシリンダライナ２に押し付けられてガス漏れのシールを行う。
【００３０】
その後、大片１ａおよび小片１ｂは、外周面１ｚが摩耗するにしたがって内周面１ｗに作用するガス圧に押されて図中左方へ移動される。そして、図４に仮想線１９で示す摩耗限界の直前まで摩耗すると、図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８がピストン３の側面２１より径方向外方へ突き出て、大片１ａの内周面１ｗに作用するガス圧が下方に逃がされる。
【００３１】
すなわち、大片１ａの下面１６とリング溝４の下面２０との間は、大片１ａが摩耗限界に至る以前は図２(a) に示すようにガス圧リリーフ溝１８の延長部に位置するシール部２１によってシールされるが、摩耗限界の直前まで摩耗したときは図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８によって開放されるのである。
【００３２】
従って、以降、大片１ａは、その内周面１ｗに作用するガス圧によりシリンダライナ２に押し付けられることなくフリーとなり、それ以上の摩耗が防止される。よって、本実施形態によれば、従来のようにピストンリング１が際限なくすなわち切損するまで摩耗してしまうことはなく、ピストンリング１の切損を確実に防止できる。従って、圧縮機の信頼性が向上する。
【００３３】
また、このようにトップリング（ピストン３上面に一番近いリング）がフリーとなっても、図示しない次段のセカンドリングによって圧縮が保持されるため、効率の低下はほとんど生じない。そして、同様にセカンドリングがフリーとなってもサードリングによって圧縮が保持される。よって、圧縮機のトータルの寿命が延び、定期メンテナンスの間隔を延ばすことができる。
【００３４】
なお、ガス圧リリーフ溝１７，１８が開放されてピストンリング１がフリーになっても、当該リング１は図３に示すコイルスプリング６およびプッシュロッド５によって拡径されてシリンダライナ２に押し付けられることになるが、この押付力は極めて弱いため、これによってピストンリング１が摩耗することはほとんどない。
【００３５】
本発明の別の実施の形態を図５(a)(b)(C) に示す。
【００３６】
図示するように、これら別の実施形態は、上記ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａが、ピストンリング１の径方向外方に向かって徐々に浅くなるテーパ状に形成されている点を除き、前の実施形態と同様の構成となっている。詳しくは、これらガス圧リリーフ溝１７，１８の溝底面１７ｂ，１８ｂは、図５(a) のものは直線状に傾斜されており、図５(b) のものは凹曲線状に傾斜されており、図５(C) のものは凸曲線状に傾斜されている。
【００３７】
かかる構成によれば、ピストンリング１は、その外周面１ｚが摩耗するにしたがって内周面１ｗに作用するガス圧により図中左方へ移動され、ついにはガス圧リリーフ溝１７，１８が開放されて、内周面１ｗに作用するガス圧が逃がされることになるが、最初はガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａの浅い部分が開放されるためガスの逃げ量は少なく、その後摩耗が進行するにしたがって徐々にガスの逃げ量が多くなる。
【００３８】
このようなピストンリング１によれば、リング溝４内に侵入したガス圧は、摩耗が少ないときには、一部がリリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ｂの浅い部分から逃がされ、残りが内周面１ｗに作用してピストンリング１を拡径させる。そして、摩耗が多くなると、その割合が逆転するようになる。このように、ガス圧の一部を逃がし残りを拡径に用いることにより、ピストン３とシリンダライナ２とのシール性が向上する。また、最終的には、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａの深い部分が開放されるため、確実にピストンリング１をフリーにすることができる。
【００３９】
さらに別の実施の形態を図６に示す。
【００４０】
図示するように、この実施形態は、上記ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃが、ピストンリング１の径方向外方に向かって徐々に狭くなるテーパ状に形成されている点を除き、最初の実施形態と同様の構成となっている。
【００４１】
この構成によれば、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃをテーパ状に形成したので、この溝１７，１８を通ってリング内周面１ｗから逃げるガス量は、リング外周面１ｚの摩耗が少ないときには少量であり、摩耗が進行するにしたがって多くなる。従って、図５に示す実施形態と同様の作用効果を奏する。また、これら図５と図６の実施形態を組み合わせて、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃおよび溝深さ１７ａ，１８ａを共にテーパ状に形成してもよい。
【００４２】
なお、本発明に関連する先行技術として、図９に示すものが知られている（特開平4-203370号公報など）。この技術は、リング溝５０を形成するピストン５１のランド部５２にガス圧リリーフ穴５３を形成し、ピストンリング５４が一定量摩耗したならばリング内周面５５に作用するガス圧を上記リリーフ穴５３から逃がすようにしたものである。
【００４３】
しかし、この技術ではピストン５１にリリーフ穴５３を設けているため、リリーフ時期を調整することができない。これに対し、本発明によれば、消耗品であるピストンリング１にリリーフ溝１７，１８を設けているため、長さの異なるリリーフ溝１７，１８を設けたピストンリング１を予め複数種類用意しておけば、圧縮機の定期的なメンテナンス時等にこれらを交換することによって、容易にリリーフ時期を変更できる。
【００４４】
また、メンテナンス時にピストンリング１，５４の材質や硬度が変更されてその限界摩耗量が変わった場合、先行技術ではピストン５１側にリリーフ穴５３を設けているため全く対応できないのに対し、本発明によればピストンリング１に設けられるリリーフ溝１７，１８の長さをその材質等に応じて変更することにより容易に対応できる。
【００４５】
また、先行技術では、リリーフ穴５３が開放されると、ガス圧がダイレクトに次段のピストンリング５６に作用するため、次段のピストンリング５６に悪影響を及ぼす傾向がある。これに対して、本発明によれば、図２(b) に示すようにリリーフ溝１８が開放されると、ガス圧はピストンリング１を周り込みつつこの溝１８を通って次段側へ流れる。このため、ラビリンス効果が発揮されて干渉された後、次段のピストンリングに作用することとなり、悪影響は生じない。
【００４６】
また、先行技術では、ピストン５１の凹凸に入り組んだランド部５２にリリーフ穴５３を形成する必要があるためその加工は極めて困難であるのに対し、本発明ではピストンリング１の表面にリリーフ溝１７，１８を形成すればよいので容易に加工できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るピストンリング構造によれば、次のような効果を発揮できる。
【００４８】
(1)ピストンリングの一定以上の摩耗を防止でき、その切損を未然に防止することができる。
【００４９】
(2)よって、寿命が長くなり、信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すピストンリング構造の斜視図である。
【図２】上記ピストンリングの作用を示す図であり、(a) は摩耗限界前、(b) 摩耗限界直前の様子を表す。
【図３】上記ピストンリングが装着されたピストンの断面図である。
【図４】上記ピストンリングの摩耗限界を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図６】さらに別の実施形態を示す図である。
【図７】従来例に係るピストンリング構造を示す斜視図である。
【図８】上記ピストンリングがガス圧によってシリンダライナに押し付けられる様子を示す図である。
【図９】関連技術を示すピストンの側断面図である。
【符号の説明】
１ ピストンリング
１ｗ 内周面
１ｚ 外周面
２ シリンダライナ
３ ピストン
４ リング溝
１５ ピストンリング上面
１６ ピストンリング下面
１７ ガス圧リリーフ溝
１７ａ 溝深さ
１７ｃ 溝幅
１８ ガス圧リリーフ溝
１８ａ 溝深さ
１８ｃ 溝幅
Ｌ 所定長さ
Claims (4)
- シリンダ内を往復移動するピストンのリング溝に装着され、上記ピストンの上昇時に上記リング溝の下面に押し付けられると共に上記ピストンの上方で生じたガス圧を内周面に受けて拡径し、外周面が上記シリンダに押し付けられて摩耗するピストンリングのリング下面をフラットに形成し、
該リング下面に、このピストンリングの外周面が所定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を上記ピストンの下方に逃がすべく、上記内周面から径方向外方へ向かって所定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設け、
該ガス圧リリーフ溝の上記所定長さは、上記外周面が上記所定量摩耗する前は上記リング溝の下面で覆われ、上記外周面が上記所定量摩耗すると上記下面から露出する長さに設定されており、
上記ピストンリングを周方向に複数に分割し、分割された各片同士の接合部を上記ピストンリングの外周面の接線に対して斜めに形成したことを特徴とするピストンリング構造。 - シリンダ内を往復移動するピストンのリング溝に装着され、上記ピストンの下降時に上記リング溝の上面に押し付けられると共に上記ピストンの下方で生じたガス圧を内周面に受けて拡径し、外周面が上記シリンダに押し付けられて摩耗するピストンリングのリング上面をフラットに形成し、
該リング上面に、このピストンリングの外周面が所定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を上記ピストンの上方に逃がすべく、上記内周面から径方向外方へ向かって所定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設け、
該ガス圧リリーフ溝の上記所定長さは、上記外周面が上記所定量摩耗する前は上記リング溝の上面で覆われ、上記外周面が上記所定量摩耗すると上記上面から露出する長さに設定されており、
上記ピストンリングを周方向に複数に分割し、分割された各片同士の接合部を上記ピストンリングの外周面の接線に対して斜めに形成したことを特徴とするピストンリング構造。 - 上記ピストンリングを周方向に複数に分割してなる各片の内周面に、上記ピストンに径方向移動可能に取り付けられたプッシュロッドが係合される凹部を形成した請求項１又は２記載のピストンリング構造。
- 上記プッシュロッドがコイルスプリングによって径方向外方に付勢され、その付勢力によって上記各片の外周面が上記シリンダに押し付けられる請求項３記載のピストンリング構造。
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