JP5435245B2

JP5435245B2 - 往復圧縮機

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Publication number: JP5435245B2
Application number: JP2012159580A
Authority: JP
Inventors: 秀作植田; 泰貴中谷
Original assignee: KAJI TECHNOLOGY CORPORATION
Current assignee: KAJI TECHNOLOGY CORPORATION
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2032-07-18
Also published as: JP2014020284A

Description

本発明は、水素ステーションなどに用いられ水素ガスなどを高圧ないし超高圧に圧縮する往復圧縮機に関する。

一般に、ガスを高圧に圧縮する往復圧縮機は、２段又はそれ以上の複数段の圧縮部を有し、低段側の圧縮部で圧縮されたガスを高段側の圧縮部に順次送って圧縮を繰り返し行うようになっている。また、他の圧縮機と組み合わせて使用し、低段側である他の圧縮機で圧縮されたガスを圧縮部に吸い込んで一段高圧に圧縮するようにすることもある。

そして、このような往復圧縮機の圧縮部の構造は、例えば特許文献１に開示されているように、低段側の圧縮部に連通された圧縮室を有するシリンダと、このシリンダ内に往復摺動可能に配置されたピストンと、このピストンの基端に連結されたクロスヘッドと、一端がクロスヘッドに、他端がクランク軸にそれぞれ連結された連接棒とを備え、クランク軸の回転運動をクロスヘッド及びピストンの往復運動に変換し、ピストンの往復運動によりシリンダの圧縮室内にガスを吸い込んで圧縮するようになっている。この場合、ピストンの外周面に複数の環状のピストンリング溝を設け、その各ピストンリング溝にそれぞれピストンリングを装着して、シリンダの圧縮室の気密性を確保するようになっている。

また、特許文献１には、各ピストンリングのシリンダ内面に接する押し当て力を均一にするために、ピストンリング溝のうち、ピストンの先端部（つまり圧縮室）に近い複数のピストンリング溝からそれぞれピストン先端側の圧縮室に連通する第１の連通孔を設けるとともに、ピストン先端のトップ側から遠いピストンリング溝に通じる第１の連通孔ほどその連通孔のガス流通抵抗が大きくなるように形成するなどの連通孔の構造を採用することと併せて、ピストンの外周面に多数のピストンリングを装着するに当たり、互いに所定距離離間する２以上のピストンリング群に分けて装着する一方、２つのピストンリング群の間に対応するシリンダ内面とピストンとの隙間にガス導入手段によりシリンダの圧縮室内に吸い込まれる圧縮ガスよりも低い所定圧の圧縮ガスを導入する構成を採用することが記載されている。

ところで、従来の往復圧縮機、特に、水素ステーションに用いられ水素ガスを１０００気圧（１００ＭＰａ）程度の超高圧に圧縮する往復圧縮機の場合、ピストンリングとしては、合口を有する単一の部材からなるものが使用されている。このピストンリングの合口は、ピストンリングを装着したピストンがシリンダ内に配置された組み付け状態で略閉じる大きさに設定されている。また、ピストンリングは、自己潤滑性を有する合成樹脂製のものが多く使用されている。

しかしながら、このものでは、ピストンリングの外周面が摩耗してピストンリングの肉厚が薄くなる従ってピストンリングの合口が次第に開いて来るため、その合口を通って圧縮ガスがシリンダの圧縮室側からクランク室側に漏れることになる。この漏れた圧縮ガスは、低段側の圧縮部の吸込み側に戻されるが、その量が多いと低段側の圧縮部での圧縮率の実質的な低下を来すことになるので、圧縮ガスの漏れ量を低減することが要請されている。この要請に応えるために、ピストンリングの合口が大きく開く前の早い時期にピストンリングを交換する必要があり、その分ピストンリングの実際上の寿命が短くなるという問題がある。

一方、ピストンリングの合口からの圧縮ガスの漏れ量を低減するためのいわゆるノンリーク型のピストンリングが種々提案され、実用化されている。例えば特許文献２には、ピストンリングを、段付き状の合口を有するシーリングと、このシーリングの内周面に接しかつ合口を有するバックアップリングとで構成し、シーリングの合口とバックアップリングの合口とが半径方向に重なり合わない状態に両リングを係合してなるものが開示されている。また、特許文献３には、ピストンリングを、合口を有する横断面がＬ字形の第１の部分リングと、この第１の部分リングのＬ字形の横断面に嵌め込まれかつ合口を有する第２の部分リングとで構成し、第１の部分リングの合口と第２の部分リングの合口とが半径方向に重なり合わない状態に両部分リングを係合してなるものが開示されている。

特開２００６−３７７８９号公報特開２００１−３２９３５号公報特開２００５−８３５７８号公報

そこで、本発明者らは、先ず、このようなノンリーク型のピストンリングを、超高圧に圧縮する往復圧縮機に用いることを考え、種々実験を行ったところ、以下のような知見を得た。すなわち、ノンリーク型のピストンリングでは、耐久性に問題がある。その原因としては、高段側の圧縮部の圧縮室ではガス圧が吸込み圧力と吐出圧力とで６０ＭＰａ程度変動するが、ノンリーク型のピストンリングは、複数の部品からなりかつ合口を塞ぐ構成になっていることから、圧力変動に追従することができず、破損や劣化などが生じ易くなるものと考えられる。

本発明はかかる点に鑑みてなされものであり、その課題とするところは、特に、上記の知見とガス導入手段により２つのピストンリング群の間に対応するシリンダ内面とピストンとの隙間にガス導入手段により所定圧の圧縮ガスを導入する構成に着目し、この２つのピストンリング群にそれぞれ合口を有する単一の部材からなる通常のピストンリングとノンリーク型のピストンリングとを適切に使い分けて用いることにより、圧縮ガスの漏れ量を有効に低減できるとともに、ピストンリングの長寿命化を図り得る往復圧縮機を提供せんとするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、低段側の圧縮部に連通された圧縮室を有するシリンダと、このシリンダ内に往復摺動可能に配置されたピストンとを備え、低段側の圧縮部から吐出された圧縮ガスをピストンの往復摺動によりシリンダの圧縮室内に吸い込んで一段高圧に圧縮するように構成された往復圧縮機において、上記ピストンの外周面に、多数のピストンリングを２つのピストンリング群に分けて装着し、同一のピストンリング群では隣接するピストンリング同士をピストンの軸方向に近接して設け、異なるピストンリング群同士は所定距離離間して設ける。上記２つのピストンリング群の間に対応するシリンダ内面とピストン外周面との隙間に上記圧縮室内に吸い込まれる圧縮ガスと同一又はそれよりも低い所定圧の圧縮ガスを導入するガス導入手段を更に備える。そして、上記２つのピストンリング群のうち、ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングを、合口を有する単一の部材で構成する一方、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングを、少なくとも、合口を有する第１の部材と、この第１の部材の合口を内側より覆う第２の部材とを備える構成にする。

この構成では、ピストンの外周面に装着される多数のピストンリングのうち、ガス導入手段により所定圧の圧縮ガスが導入されるシリンダ内面とピストン外周面との隙間を挟んでシリンダの圧縮室寄りであるピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングは、合口を有する単一の部材からなるため、シリンダの圧縮室内のガス圧が吸込み圧力と吐出圧力とで大きく変動するときでも破損や劣化などを生じることはない。このため、ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングは、その外周面が摩耗して肉厚が使用限度寸法になるまで使用することができる。一方、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、少なくとも、合口を有する第１の部材と、この第１の部材の合口を内側より覆う第２の部材とを備えたいわゆるノンリーク型のピストンリングであるため、これらのピストンリングにより圧縮ガスがシリンダ室側にまで漏れるのを可及的に低減することができる。しかも、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、ガス導入手段により導入される所定圧の圧縮ガスに晒されるだけであるため、耐久性が問題となることはない。以上のことから、圧縮ガスの漏れ量を可及的に低減することができるとともに、ピストン先端側のピストンリング群のピストンリング及びピストン基端側のピストンリング群のピストンリングの両方つまりピストンに装着される全てのピストンリングの寿命を延長させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の往復圧縮機において、上記ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリング及びこの各ピストンリングを装着するピストンのピストンリング溝の好ましい形態を提供するものである。すなわち、上記ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングは、内周面幅が外周面幅よりも小さくなるように一側面が段差状に形成され、この各ピストンリングを装着するピストンのピストンリング溝は、ピストンリングの断面形状に対応してピストン先端に近い側の側壁面が段差状に形成される構成にする。

この構成では、ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングを装着するピストンのピストンリング溝は、ピストンリングの内周面幅が外周面幅よりも小さくなるように一側面が段差状に形成されたピストンリングの断面形状に対応してピストン先端に近い側の側壁面が段差状に形成され、その段差部によりピストンの強度が高くなるため、隣接するピストンリング溝同士の間隔をその分短くすることができる。しかも、シリンダ内面に接するピストンリングの外周面を大きく確保することができるだけでなく、圧縮室側からのガス圧によりピストンリング溝の反圧縮室側（ピストン先端から遠い側）の側壁面に接するピストンリングの側面の接触面積であるシール面積を大きく確保することができるので、圧縮ガスの漏れ量をより低減することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の往復圧縮機において、上記ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングの好ましい形態を提供するものである。すなわち、上記ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、その第１の部材が２つの半円弧状の部材からなり、この２つの半円弧状の部材は、それぞれ両端部がステップカットされ、そのステップカット面同士を互いに重ね合わせて合口を構成するようになっている。また、第２の部材は、上記第１の部材の各合口に対応して配置された２つの部分裏当てと、上記第１の部材の内側に隙間を有した状態で嵌合されかつ上記各部分裏当てを第１の部材の合口に向かって進退移動可能にガイドするガイドリングとからなる。そして、上記第１の部材に、合口以外の箇所で半円弧状の部材毎に１つずつ一側面を凹陥してなる計２つの凹部を設けるとともに、この凹部及び合口以外の箇所でかつ円周方向に沿って所定間隔毎に半径方向に貫通する複数の圧力バランス孔を設け、上記第２の部材のガイドリングに、上記各凹部にそれぞれ嵌合する２つの凸部を設ける構成にする。

この構成では、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングにおける、合口を有する第１の部材は、２つの半円弧状の部材からなり、かつこの半円弧状の部材の両端部に形成したステップカット面同士を互いに重ね合わせて合口を構成するようになっており、この合口を内側より覆う第２の部材は、第１の部材の各合口に対応して配置された２つの部分裏当てと、第１の部材の内側に隙間を有した状態で嵌合されかつ上記各部分裏当てを第１の部材の合口に向かって進退移動可能にガイドするガイドリングとからなるため、第１の部材のシリンダ内面に対する密着性を高めることができるとともに、この第１の部材の合口からのガス漏れを部分裏当てにより効果的に低減することができる。しかも、第１の部材の２つの半円弧状の部材と第２の部材のガイドリングとは、ガイドリングに設けた凸部が半円弧状の部材に設けた凹部に嵌合して両者の円周方向の相対的な位置関係がずれないようになっているため、部分裏当てによる第１の部材の合口からのガス漏れの低減化をより効果的に図ることができる。また、各ピストンリングの内側に圧縮室側からの圧縮ガスが流入し、このガス圧により各ピストンリングの第１の部材の外周面がシリンダ内面に押し当てられるが、第１の部材に、隙間箇所である凹部及び合口以外の箇所でかつ円周方向に沿って所定間隔毎に半径方向に貫通する複数の圧力バランス孔が設けられ、これらの圧力バランス孔により第１の部材のシリンダ内面に対する押し当て力が低減調整されるため、第１の部材の摩耗を抑制することができ、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングの寿命をより延長することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の往復圧縮機において、上記ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、隣接する他のピストンリングとの間に介在される第１のディスタンスリングと、ピストンの心棒の外周面との間に介在される第２のディスタンスリングと共に１つのユニットを構成し、このユニットを多数ピストンの心棒の外周面に積層状態に装着してピストンリング群を構成する。この構成では、各ピストンリングをピストンのピストンリング溝に嵌め込む作業が不要になるため、その分組み立て作業が簡易なものになる。

以上のように、本発明の往復圧縮機によれば、ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングが合口を有する単一の部材からなり、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングが、少なくとも、合口を有する第１の部材と、この第１の部材の合口を内側より覆う第２の部材とを備えてなるため、圧縮ガスの漏れ量を可及的に低減することができるとともに、ピストン先端側のピストンリング群のピストンリング及びピストン基端側のピストンリング群のピストンリングの両方つまりピストンに装着される全てのピストンリングの寿命を延長させることができ、その長寿命化を図ることができる。

特に、請求項２に係る発明では、ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングを装着するピストンのピストンリング溝はピストン先端に近い側の側壁面が段差状に形成され、その段差部によりピストンの強度が高くなるため、隣接するピストンリング溝同士の間隔をその分短くすることができ、ピストンの小型化などに寄与することができる。しかも、シリンダ内面に接するピストンリングの外周面を大きく確保することができるだけでなく、圧縮室側からのガス圧によりピストンリング溝の反圧縮室側の側壁面に接するピストンリングの側面の接触面積であるシール面積を大きく確保することができるので、圧縮ガスの漏れ量の低減化をより図ることができる。

また、請求項３に係る発明では、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングにおける第１の部材のシリンダ内面に対する密着性を高めることができるとともに、第１の部材の合口からのガス漏れを第２の部材を構成する部分裏当てにより効果的に抑制することができるので、圧縮ガスの漏れ量の低減化をより一層図ることができる。しかも、第１の部材に、隙間箇所である凹部及び合口以外の箇所でかつ円周方向に沿って所定間隔毎に半径方向に貫通する複数の圧力バランス孔が設けられ、これらの圧力バランス孔により第１の部材のシリンダ内面に対する押し当て力が低減調整されるため、第１の部材の摩耗を抑制することができ、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングの長寿命化をより図ることができる。

さらに、請求項４に係る発明では、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、隣接する他のピストンリングとの間に介在される第１のディスタンスリングと、ピストンの心棒の外周面との間に介在される第２のディスタンスリングと共に１つのユニットを構成し、このユニットを多数ピストンの心棒の外周面に積層状態に装着してピストンリング群が構成されるため、各ピストンリングをピストンのリング溝に嵌め込む作業が不要になり、その分組み立て作業の簡易化を図ることができるという効果を併有する。

図１は本発明の一実施形態に係る２段式往復圧縮機の配管系統図である。図２は上記往復圧縮機の高段側圧縮部の構造を示す縦断側面図である。図３は図２のＸ付近の拡大図である。図４は図３のＹ付近の拡大図である。図５はピストン先端側のピストンリング群の１つのピストンリングの斜視図である。図６はピストンの基端側ピストン部付近の縦断側面図である。図７はピストン基端側のピストンリング群の１つのピストンリングの分解斜視図である。図８は上記ピストンリングの一構成部材である第１の部材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ線における断面図である。図９は同じくピストンリングの一構成部材であるガイドリングを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線における断面図、（ｃ）は底面図である。図１０は同じくピストンリングの一構成部材である部分裏当てを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。図１１は同じくピストンリングの一構成部材である第３の部材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線における断面図である。図１２は第１のディスタンスリングを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線における断面図である。図１３は第２のディスタンスリングを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線における断面図である。図１４はエンドリングを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線における断面図である。

以下、本発明を実施するための形態である実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る２段式往復圧縮機Ａの全体構成を示し、この往復圧縮機Ａは、低段側の圧縮部１と、高段側の圧縮部２とを備えている。この両圧縮部１，２は、同一の又は別々の駆動部３により駆動される。

上記低段側の圧縮部１は、圧縮室１１を有するシリンダ１２と、このシリンダ１２内に往復摺動可能に配置されたピストン１３とを備え、このピストン１３の往復摺動によりシリンダ１２の圧縮室１１内にガスを吸い込んで所定圧に圧縮するようになっている。この低段側の圧縮部１で圧縮されたガスは、連絡通路１４を通してタンク１５内に貯留され、所定圧（例えば３５ＭＰａ）に維持される。

上記高段側の圧縮部２は、上記タンク１５に連絡通路１６を介して連通された圧縮室２１を有するシリンダ２２と、このシリンダ２２内に往復摺動可能に配置されたピストン２３とを備え、低段側の圧縮部１から吐出されタンク１５内に貯留された圧縮ガスをピストン２３の往復摺動によりシリンダ２２の圧縮室２１内に吸い込んで一段高圧（例えば１００ＭＰａ）に圧縮するように構成されている。この高圧側の圧縮部２で圧縮された圧縮ガスは、送出通路２４を通して送出されるようになっており、この送出通路２４には圧縮部２で圧縮された圧縮ガスを冷却するためのクーラ２５が設けられている。

上記駆動部３は、図１に示す高段側の圧縮部２を駆動するものの場合、ピストン２３の基端に一端が連結されたピストンロッド３１と、このピストンロッド３１の他端が連結されかつガイドシリンダ３２内に往復摺動可能に配置されたクロスヘッド３３と、このクロスヘッド３３に一端が連結された連接棒３４と、この連接棒３４の他端が連結されかつクランクケース３５に回転自在に支持されたクランクシャフト３６と、このクランクシャフト３６にプーリとベルトとからなる動力伝達機構３７を通して動力伝達可能に連結された駆動モータ３８とを備え、駆動モータ３８の回転力によりクランクシャフト３６の回転及びガイドシリンダ３２内でのクロスヘッド３３の往復摺動を引き起こし、最終的にシリンダ２２内でのピストン２３の往復摺動を引き起こすようになっている。

上記高段側の圧縮部２のケース構造は、図２に示すように、クランクケース３５にディタンスピース４１を介在してシリンダ２２が取り付けられ、このシリンダ２２の先端（上端）にシリンダヘッド４２が取り付けられている。ディスタンスピース４１内にはピストンロッド３１が軸方向に摺動自在に配置されているとともに、このピストンロッド３１の外周に圧縮ガスのクランクケース３５への漏れを阻止するためのガスシール部４３が形成されている。シリンダ２２の圧縮室２１側からディスタンスピース４１内にまで漏れた圧縮ガスは、ディスタンスピース４１に設けた戻し口４６から戻し通路４７（図１参照）を通して低段側の圧縮部１の吸込み側に戻されるようになっている。尚、図１中、４８は戻し通路４７に設けられたフィルタである。

上記シリンダ２２の内面にはその軸方向の略全長に亘って延びる円筒状のシリンダライナ５１が嵌め込んで固着され、このシリンダライナ５１内をピストン２３が往復摺動するようになっている。ピストン２３は、ピストンロッド３１よりも直径が小さい棒状のものであり、その基端はピストンロッド３１の一端と同一軸線上に連結されている。このピストン２３の外周面には多数のピストンリング５２，５２，…及び５３，５３，…が２つのピストンリング群５４，５５に分かれて装着され、同一のピストンリング群５４，５５では隣接するピストンリング５２，５２又は５３，５３同士がピストン２３の軸方向に近接して設けられ、異なるピストンリング群５４，５５同士は所定距離離間して設けられている。

一方、上記２つのピストンリング群５４，５５の間に対応するシリンダ２２内面（詳しくはシリンダライナ５１内面）とピストン２３外周面との隙間には、図１に示す如くタンク１５に一端が接続されたガス導入手段としてのガス導入通路５６の他端が連通され、タンク１５内の所定圧のガスが導入されるようになっている。ここで、タンク１５内のガス圧は、本実施形態の場合、高段側の圧縮部２の圧縮室２１内に吸い込まれる圧縮ガスと同一圧力であるが、ガス導入通路５６に減圧弁を設けて、高段側の圧縮部２の圧縮室２１内に吸い込まれる圧縮ガスよりも低い所定圧（例えば３０ＭＰａ）に設定するようにしてもよい。

そして、上記ピストン２３は、図３及び図６に拡大詳示するように、その先端側のピストンリング群５４の各ピストンリング５２が装着される先端側ビストン部２３ａと、基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３が装着される基端側ピストン部２３ｂとで構成され、この両ピストン部２３ａ，２３ｂ同士は、ネジ部５７により結合されている。

上記先端側ピストン部２３ａは、図３に示すように、１つの部材からなり、その外周面には多数の環状のピストンリング溝６１，６１，…が軸方向に所定間隔毎に設けられ、この各ピストンリング溝６１にピストン２３先端側のピストンリング群５４の１つずつのピストンリング５２が装着されている。このピストンリング５２は、図５に示すように、１箇所に合口６２を有する単一の部材からなり、ピストンリング５２の合口６２は、ピストンリング５２を装着したピストン２３がシリンダ２２内に配置された組み付け状態で略閉じる大きさに設定されている。また、ピストンリング５２の材質は、自己潤滑性を有するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）や二流化モリブデン、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの合成樹脂又はこれらの樹脂とカーボンやカーボン繊維などとの複合材である。

また、上記ピストンリング５２は、図４に拡大詳示するように、内周面幅Ｂ１が外周面幅Ｂ２よりも小さくなるように一側面が段差状に形成されている。このピストンリング５２の断面形状に対応して、上記ピストンリング溝６１は、ピストン２３先端に近い側の側壁面６１ａが段差状に形成されている。尚、先端側ピストン部２３ａには、図示していないが、各ピストンリング５２のシリンダ２２内面に接する押し当て力を均一にするために、多数のピストンリング溝６１，６１，…のうち、先端側ピストン部２３ａの先端に近い複数のピストンリング溝６１，６１，…からそれぞれ先端側ピストン部２３ａの先端側の圧縮室２１に連通する第１の連通孔が設けられ、この第１の連通孔は、先端側ピストン２３ａの先端から遠いピストンリング溝６１に通じるものほどそのガス流通抵抗が大きくなるように形成されている。また、先端側ピストン部２３ａには、基端側ピストン部２３ｂとの結合部に近い複数のピストンリング溝６１，６１，…からそれぞれ先端側ピストン部２３ａと基端側ピストン部２３ｂとの結合部の隙間ひいてはシリンダ２２内面とピストン２３との間の隙間に連通する第２の連通孔が設けられ，この第２の連通孔は、先端側ピストン部２３ａと基端側ピストン部２３ｂとの結合部から遠いピストンリング溝６１に通じるものほどそのガス流通抵抗が大きくなるように形成されている。

一方、上記基端側ピストン部２３ｂは、図６に示すように、先端部にネジ部５７が形成された心棒７１と、この心棒７１の外周に装着されたピストン２３基端側のピストンリング群５５と、このピストンリング群５５を挟んで心棒７１の先端部外周及び基端部外周にそれぞれ嵌着されたエンドパイプ７２，７３とを備えてなる。

上記ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３は、図７に詳示するように、２箇所にそれぞれ合口７４を有する第１の部材７５と、この第１の部材７５の各合口７４を内側より覆う第２の部材７６と、上記第１の部材７５の変形を防止するために第１の部材７５の反圧縮室側側面に接して配置された第３の部材７７とからなる。

上記第１の部材７５は、図８にも示すように、２つの半円弧状の部材７８，７８からなり、この２つの半円弧状の部材７８，７８は、それぞれ両端部がステップカットされ、そのステップカット面７８ａ，７８ａ同士を互いに重ね合わせて合口７４を構成するようになっている。この第１の部材７５には、合口７４以外の箇所で半円弧状の部材７８毎に１つずつその円周方向略中央部に圧縮室側側面を凹陥してなる計２つの凹部７９，７９が設けられているとともに、この凹部７９及び合口７４以外の箇所でかつ円周方向に沿って所定間隔毎に半径方向に貫通する複数の圧力バランス孔８０，８０，…が設けられている。第１の部材７５の材質は、自己潤滑性を有するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）や二流化モリブデン、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの合成樹脂又はこれらの樹脂とカーボンやカーボン繊維などとの複合材である。

上記第２の部材７６は、上記第１の部材７５の各合口７４に対応して配置された２つの部分裏当て８１，８１と、上記第１の部材７５の内側に隙間を有した状態で嵌合されかつ上記各部分裏当て８１を第１の部材７５の合口７４に向かって進退移動可能にガイドするガイドリング８２とからなる。ガイドリング８２には、図９にも示すように、中心線を挟んで相対する２箇所にそれぞれ反圧縮室側側面より正面視で矩形状に切り欠いてなるガイド部８３が設けられているとともに、このガイド部８３と円周方向に９０度程離れた２箇所にそれぞれ圧縮室側側面と面一で半径方向外側に突出しかつ上記第１の部材７５の対応する凹部７９に嵌合する凸部８４が設けられている。部分裏当て８１は、図１０に拡大詳示するように、ガイドリング８２のガイド部８３に対応して円弧状に形成され、その両端は、互いに平行な面にカットされている。第２の部材７６のうち、部分裏当て８１の材質は、第１の部材７５のそれと同じく、自己潤滑性を有する合成樹脂又はそれとカーボンやカーボン繊維などとの複合材であるが、ガイドリング８２の材質は、ステンレス鋼などの金属である。

上記第３の部材７７は、図１１にも示すように、合口のない平板リング状のものであり、その内径は、上記ガイドリング８２の内径と略同一に設定され、外径はシリンダ２２（詳しくはシリンダライナ５１）の内径よりも若干小さく設定されている。この第３の部材７７の材質は、第１の部材７５のそれと同じく、自己潤滑性を有する合成樹脂又はそれとカーボンやカーボン繊維などとの複合材である。

そして、上記ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３は、その構成部材である第１〜第３の部材７５〜７７の外に、隣接する他のピストンリング５３との間に介在される図１２に示す如き平板リング状の第１のディスタンスリング８６と、ピストン２３の心棒７１の外周面との間に介在される図１３に示す如き筒形リング状の第２のディスタンスリング８７と共に１つのユニット８８を構成し、このユニット８８を多数ピストン２３の心棒７１の外周面に積層状態に装着するとともに、最下層のユニット８８とエンドパイプ７３との間及び最上層のユニット８８とエンドパイプ７２との間にそれぞれ図１４に示す如き平板リング状のエンドリング８９をピストン２３の心棒７１の外周面に装着した状態で配置することでピストン２３基端側のピストンリング群５５が構成されている。

上記基端側ピストン部２３ｂには、各ピストンリング５３のシリンダ２２内面に接する押し当て力を均一にするための連通路９１が形成されている。この連通路９１は、エンドリング８９の外周面から半径方向内側に向かって設けられた２つの横穴９２，９２と、この各横穴９２の内側端にそれぞれエンドリング８９のピストンリング側側面から連通して設けられた２つの縦孔９３，９３と、第２のディスタンスリング８７の外周面と各ピストンリング５３のガイドリング８２の内周面との隙間と、第１のディスタンスリング８６に設けられた連通孔９４とにより構成されている。第１のディスタンスリング８６に設けられる連通孔９４の個数は、エンドリング８９に近い第１のディスタンスリング８６の場合図１２に示す如く４つであるが、エンドリング８９から離れた第１のディスタンスリング８６の場合２つ又は１つである。このことなどから、連通路９１のガス流通抵抗は、エンドリング８９から遠く離れるほど大きくなるように設けられている。

次に、上記実施形態の作用効果について説明するに、ピストン２３の外周面に装着される多数のピストンリング５２，５２，…及び５３，５３，…のうち、ガス導入通路５６によりタンク１５内の所定圧の圧縮ガスが導入されるシリンダ２２内面とピストン２３外周面との隙間を挟んでシリンダ２２の圧縮室２１寄りであるピストン２３先端側のピストンリング群５４の各ピストンリング５２は、合口６２を有する単一の部材からなるため、シリンダ２２の圧縮室２１内のガス圧が吸込み圧力と吐出圧力とで大きく変動するときでも破損や劣化などを生じることはない。このため、ピストン２３先端側のピストンリング群５４の各ピストンリング５２は、その外周面が摩耗して肉厚が使用限度寸法になるまで使用することができる。

一方、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３は、合口７４を有する第１の部材７５と、この第１の部材７５の合口７４を内側より覆う第２の部材７６と、上記第１の部材７５の変形を防止するために第１の部材７５の反圧縮室側側面に接して配置された第３の部材７７とかなるいわゆるノンリーク型のピストンリングであるため、これらのピストンリング５３，５３，…により圧縮ガスがディスタンスピース４１側にまで漏れるのを可及的に低減することができる。しかも、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３は、ガス導入通路５６により導入されるタンク１５内の所定圧の圧縮ガスに晒されるだけであるため、耐久性が問題となることはない。

以上のことから、圧縮ガスの漏れ量を可及的に低減することができるとともに、ピストン２３先端側のピストンリング群５４のピストンリング５２及びピストン２３基端側のピストンリング群５５のピストンリング５３の両方つまりピストン２３に装着される全てのピストンリング５２，５３の寿命を延長させることができ、その長寿命化を図ることができる。

特に、本実施形態の場合、上記ピストン２３先端側のピストンリング群５４の各ピストンリング５２を装着するピストン２３のピストンリング溝６１は、ピストンリング５２の内周面幅Ｂ１が外周面幅Ｂ２よりも小さくなるように一側面が段差状に形成されたピストンリング５２の断面形状に対応してピストン先端に近い側の側壁面６１ａが段差状に形成され、その段差部によりピストン２２の強度が高くなるため、隣接するピストンリング溝６１，６１同士の間隔をその分短くすることができ、ピストン２３の小型化などに寄与することができる。しかも、シリンダ２２内面に接するピストンリング５２の外周面を大きく確保することができるだけでなく、圧縮室側からのガス圧によりピストンリング溝６１の反圧縮室側（ピストン先端から遠い側）の側壁面６１ｂに接するピストンリング５２の側面の接触面積であるシール面積を大きく確保することができるので、圧縮ガスの漏れ量をより低減することができる。

また、上記ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３における、合口６２を有する第１の部材７５は、２つの半円弧状の部材７８，７８からなり、かつこの半円弧状の部材７８，７８の両端部に形成したステップカット面７８ａ，７８ａ同士を互いに重ね合わせて合口６２を構成するようになっており、この合口６２を内側より覆う第２の部材７６は、第１の部材７５の各合口７４に対応して配置された２つの部分裏当て８１，８１と、第１の部材７５の内側に隙間を有した状態で嵌合されかつ上記各部分裏当て８１を第１の部材７５の合口７４に向かって進退移動可能にガイドするガイドリング８２とからなるため、第１の部材７５のシリンダ２２内面に対する密着性を高めることができるとともに、この第１の部材７５の合口７４からのガス漏れを部分裏当て８１により効果的に低減することができる。しかも、第１の部材７５の２つの半円弧状の部材７８，７８と第２の部材７８のガイドリング８２とは、ガイドリング８２に設けた凸部８４が半円弧状の部材７８に設けた凹部７９に嵌合して両者の円周方向の相対的な位置関係がずれないようになっているため、部分裏当て８１による第１の部材７５の合口７４からのガス漏れの低減化をより効果的に図ることができる。また、各ピストンリング５３の内側に圧縮室側からの圧縮ガスが連通路９１や隙間を通して流入し、このガス圧により各ピストンリング５３の第１の部材７５の外周面がシリンダ２２内面に押し当てられるが、第１の部材７５に、隙間箇所である凹部７９及び合口７４以外の箇所でかつ円周方向に沿って所定間隔毎に半径方向に貫通する複数の圧力バランス孔８０，８０，…が設けられ、これらの圧力バランス孔８０，８０，…により第１の部材７５のシリンダ２２内面に対する押し当て力が低減調整されるため、第１の部材７５の摩耗を抑制することができ、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３の寿命をより延長することができる。

さらに、上記ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３は、隣接する他のピストンリング５３との間に介在される第１のディスタンスリング８６と、ピストン２３の心棒７１の外周面との間に介在される第２のディスタンスリング８７と共に１つのユニット８８を構成し、このユニット８８を多数ピストン２３の心棒７１の外周面に積層状態に装着してピストンリング群５５を構成しているため、各ピストンリング５３をピストン２３のピストンリング溝に嵌め込む作業が不要になり、その分組み立て作業の簡易化を図ることができる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく，その他種々の形態を包含するものである。例えば上記実施形態では、２段式往復圧縮機Ａに適用した場合について述べたが、本発明は、２段式往復圧縮機Ａに限らず、多段式往復圧縮機に広く適用することができる。この場合、上記実施形態では、低段側の圧縮部１で圧縮されたガスを、一旦タンク１５内に貯留し、このタンク１５内の所定圧のガスを、連絡通路１６を通して高段側の圧縮部２の圧縮室２１に導くとともに、ガス導入通路５６を通してピストン２３の２つのピストンリング群５４，５５の間に対応するシリンダ２２内面とピストン２３外周面との隙間に導入するように構成したが、この構成の代わりに、低段側の圧縮部で圧縮されたガスを、直接高段側の圧縮部の圧縮室に導くとともに、分岐通路などを介してピストンの２つのピストンリング群の間に対応するシリンダ内面とピストン外周面との隙間に導入するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、ピストン２３の外周面に多数のピストンリング５２，５２，…及び５３，５３，…を２つのピストンリング群５４，５５に分けて装着するに当たり、ピストン２３先端側のピストンリング群５４の各ピストンリング５２を、ピストン２３（詳しくは先端側ピストン部２３ａ）の外周面に設けたピストンリング溝６１に装着する一方、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３を、隣接する他のピストンリング５３との間に介在される第１のディスタンスリング８６と、ピストン２３（詳しくは基端側ピストン部２３ｂ）の心棒７１の外周面との間に介在される第２のディスタンスリング８７と共に１つのユニット８８を構成し、このユニット８８を多数ピストン２３の心棒７１の外周面に積層状態に装着してピストンリング群５５を構成するようにしたが、本発明は、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３を、ピストン２３先端側のピストンリング群５４の各ピストンリング５２の場合と同じく、ピストン２３の外周面に設けたピストンリング溝に装着する構成にしてもよいのは勿論である。

さらに、上記実施形態では、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３を、２箇所にそれぞれ合口７４を有する第１の部材７５と、この第１の部材７５の各合口７４を内側より覆う第２の部材７６と、上記第１の部材７５の変形を防止するために第１の部材７５の反圧縮室側側面に接して配置された第３の部材７７とによって構成した場合について述べたが、本発明は、ピストン２３基端側のピストンリング群５５の各ピストンリング５３として、このものに限らず、例えば圧縮ガスの圧力が低い場合には上記第３の部材７７を省略してなるもの、あるいは合口を有する第１の部材と、この第１の部材の合口を内側より覆う第２の部材とを備えた他の従来公知のいわゆるノンリーク型のピストンリングを用いたものでもよい。

Ａ２段式往復圧縮機
Ｂ１内周面幅
Ｂ２外周面幅
１低段側の圧縮部
２高段側の圧縮部
２１圧縮室
２２シリンダ
２３ピストン
５２，５３ピストンリング
５４，５５ピストンリング群
５６ガス導入通路（ガス導入手段）
６１ピストンリング溝
６１ａ側壁面
６２，７４合口
７１心棒
７５第１の部材
７６第２の部材
７８半円弧状の部材
７８ａステップカット面
７９凹部
８０圧力バランス孔
８１部分裏当て
８２ガイドリング
８４凸部
８６第１のディスタンスリング
８７第２のディスタンスリング
８８ユニット

Claims

低段側の圧縮部に連通された圧縮室を有するシリンダと、このシリンダ内に往復摺動可能に配置されたピストンとを備え、低段側の圧縮部から吐出された圧縮ガスをピストンの往復摺動によりシリンダの圧縮室内に吸い込んで一段高圧に圧縮するように構成された往復圧縮機において、
上記ピストンの外周面には多数のピストンリングが２つのピストンリング群に分かれて装着され、同一のピストンリング群では隣接するピストンリング同士がピストンの軸方向に近接して設けられ、異なるピストンリング群同士は所定距離離間して設けられており、
上記２つのピストンリング群の間に対応するシリンダ内面とピストン外周面との隙間に上記圧縮室内に吸い込まれる圧縮ガスと同一又はそれよりも低い所定圧の圧縮ガスを導入するガス導入手段を更に備えており、
上記２つのピストンリング群のうち、ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングは、合口を有する単一の部材からなる一方、ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、少なくとも、合口を有する第１の部材と、この第１の部材の合口を内側より覆う第２の部材とを備えてなることを特徴する往復圧縮機。
上記ピストン先端側のピストンリング群の各ピストンリングは、内周面幅が外周面幅よりも小さくなるように一側面が段差状に形成されており、この各ピストンリングを装着するピストンのピストンリング溝は、ピストンリングの断面形状に対応してピストン先端に近い側の側壁面が段差状に形成されている請求項１記載の往復圧縮機。
上記ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、その第１の部材が２つの半円弧状の部材からなり、この２つの半円弧状の部材は、それぞれ両端部がステップカットされ、そのステップカット面同士を互いに重ね合わせて合口を構成するようになっており、第２の部材は、上記第１の部材の各合口に対応して配置された２つの部分裏当てと、上記第１の部材の内側に隙間を有した状態で嵌合されかつ上記各部分裏当てを第１の部材の合口に向かって進退移動可能にガイドするガイドリングとからなり、
上記第１の部材には、合口以外の箇所で半円弧状の部材毎に１つずつ一側面を凹陥してなる計２つの凹部が設けられているとともに、この凹部及び合口以外の箇所でかつ円周方向に沿って所定間隔毎に半径方向に貫通する複数の圧力バランス孔が設けられており、上記第２の部材のガイドリングには、上記各凹部にそれぞれ嵌合する２つの凸部が設けられている請求項１又は２記載の往復圧縮機。
上記ピストン基端側のピストンリング群の各ピストンリングは、隣接する他のピストンリングとの間に介在される第１のディスタンスリングと、ピストンの心棒の外周面との間に介在される第２のディスタンスリングと共に１つのユニットを構成し、このユニットを多数ピストンの心棒の外周面に積層状態に装着してピストンリング群が構成されている請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の往復圧縮機。