JPH05263933A - 一方向弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ピストンリング等に一方向弁機能を持たせる。 【構成】ピストン３の周溝３内にコンプレッサーの圧縮
室１側に径方向複数箇所に溝４ａを形成したピストンリ
ング４と、反対側に径方向にらせん状に巻回したピスト
ンリング５を嵌挿し、テンションリング６でこれらピス
トンリング４，５をシリンダ２内周壁に圧接して摺動さ
せ、ピストン３の圧縮室１側への運動時は、圧縮室１側
の高圧ガスを溝４ａを介して隙間Ｃ₁ に導きピストンリ
ング４，５をシリンダ２に押し付けて、シール性を高
め、逆方向のピストン３の運動時は、反対側空間から隙
間Ｃ₁ 及び溝４ａを介して圧縮室１へガスを流入させ
る。また、ピストンリング５は径方向にらせん状に巻回
され、両端の切り口を周方向に離すことにより、ガス漏
れを可及的に防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリンダとピストンと
を含んで構成される各種のポンプ，エンジン等のシリン
ダ内壁とピストン外壁間に介装されて、その両側に形成
される２つの空間相互間の流体の流れを一方向にのみ流
れやすくした一方向弁装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、コンプレッサーにおいては、吸入
弁、バキュームポンプにおいては、排気弁を備えること
が夫々必須である。また、スターリング機関において
は、系内に密封されたガスが圧縮・膨張を繰り返すた
め、サイクル毎に圧縮室から少しずつガス漏れを生じ、
このガス漏れ量が大きくなると圧縮室における圧力変化
幅が減少して仕事量を減少させ、引いては出力を低下さ
せることになるので、多段のピストンリングを装着して
ガス漏れ防止を図っている。

【０００３】また、往復動内燃機関等においても、燃焼
室からの燃焼ガス漏れは有害であるため、同様にピスト
ンリングを多段装着して燃焼室からガス漏れを可及的に
抑制することを図っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記コ
ンプレッサーやバキュームポンプにおける吸入弁や排気
弁は、その駆動機構をも必要とし、構造の複雑，大型化
さらにはコストアップを招くこととなる。一方、スター
リング機関において、現状のピストンリングではガス漏
れが大きく、仕事率引いては出力低下が大きくなってい
た。特に、スターリング機関は密封サイクルであるため
作動ガスの汚れや熱交換器に対する問題から無潤滑運転
すことが望まれているが、その場合は更にガス漏れが増
大して出力を低下させていた。

【０００５】また、内燃機関の場合も同様にピストンリ
ングのガス漏れ抑止機能には限界があり、有害なブロー
バイガスの増大による出力低下を大きくしていた。本発
明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、
ピストンとシリンダとの間に設けられるピストンリング
の構造等を改良して作動流体の一方向の漏れは可及的に
抑制しつつ、逆方向には積極的に作動流体を流入させる
という弁機能を持たせるという全く新規な着想に基づく
構成により前記各種の問題を解決できるのみならず、広
い範囲に渡って応用されうる画期的な機能を有した一方
向弁装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため本発明に係る第
１の一方向弁装置は、シリンダ内を運動するピストンの
外壁と前記シリンダの内壁との一方に、弾性力により圧
接して摺動する２つの環状の弁体を、他方に形成された
周溝内にピストン運動方向に並べて嵌挿し、これら弁体
の両側に２つの空間を形成する一方、これら弁体と溝と
を弁体の前記摺動側とは反対側及び前記２つの空間が並
ぶ方向に隙間を持つ大きさに形成し、かつ、前記一方の
弁体は径方向に重ねてらせん状に巻回され、該一方の弁
体と溝との前記２つの空間の並び方向における対向面相
互が両者の接触により該一方の弁体に隣接する一方の空
間と該弁体摺動側とは反対側の隙間とを遮断するシール
性の高い形状に形成され、他方の弁体は該弁体と溝との
前記２つの空間の並び方向における対向面相互が接触，
非接触時共に該他方の弁体に隣接する他方の空間と弁体
摺動側とは反対側の隙間とを通じる隙間が大きく保持さ
れる面形状に形成されている構成とする。

【０００７】また、本発明に係る第２の一方向弁装置
は、シリンダ内を運動するピストンの外壁と前記シリン
ダの内壁との一方に、弾性力により圧接して摺動する２
つの環状の弁体を、他方に形成された周溝内にピストン
運動方向に並べて嵌挿し、これら弁体の両側に２つの空
間を形成する一方、これら弁体と溝とを弁体の前記摺動
側とは反対側及び前記２つの空間が並ぶ方向に隙間を持
つ大きさに形成し、かつ、一方の弁体は該弁体と溝との
前記２つの空間の並び方向における対向面相互が両者の
接触により該一方の弁体に隣接する一方の空間と該弁体
摺動側とは反対側の隙間とを遮断するシール性の高い形
状に形成され、他方の弁体は２つの空間の並び方向に重
ねて複数回らせん状に巻回され、該弁体と溝との前記２
つの空間の並び方向における対向面相互が接触，非接触
時共に該他方の弁体に隣接する他方の空間と弁体摺動側
とは反対側の隙間とを通じる隙間が大きく保持される面
形状に形成した構成とした。

【０００８】また、本発明に係る第３の一方向弁装置
は、シリンダ内を運動するピストンの外壁と前記シリン
ダの内壁との一方に、弾性力により圧接して摺動する弁
体を、他方に形成された周溝内に嵌挿し、該弁体の両側
にピストンの運動によって圧力の大小関係が逆転する２
つの空間を形成する一方、該弁体は径方向に重ねてらせ
ん状に巻回されると共に各巻回部分の隣接する周面相互
が少しずつずれるように軸方向の弾性力が付与され、弁
体と溝との前記２つの空間の並び方向の２つの対向面の
中、前記軸方向の弾性力により摺動面から離れた部分が
常時溝に圧接する側は、対向面相互が両者の接触により
当該一方の側の空間と該弁体摺動側とは反対側の隙間と
を遮断するシール性の高い形状に形成され、他方の対向
面側は対向面相互が接触，非接触時共に当該他方の側の
空間と弁体摺動側とは反対側の隙間とを通じる隙間が大
きく保持される面形状に形成した構成とした。

【０００９】

【作用】前記第１の一方向弁装置においては、らせん状
に巻回された一方の弁体と溝との前記対向面相互が接触
した場合は、他方の弁体と溝との前記対向面相互は弁体
摺動側と反対側の隙間に通じる隙間が確保されているの
で、該反対側の隙間に進入した流体の圧力により弁体は
摺動側方向へ押し付けられ、前記一方の弁体と溝との接
触する対向面のシール性が強化される。したがって、こ
の場合には、弁体と溝との間及び弁体摺動面相互間のシ
ール性が高められる結果２つの空間との間の流体の流動
が効果的に阻止される。

【００１０】一方、前記とは逆に弁体と溝との常時隙間
が確保されている側の対向面相互が接触している状態で
は、反対側の対向面相互に弁体摺動側と反対側の隙間に
通じる隙間が形成されるため、これらの隙間を介して２
つの空間の相互間で流体の流動が容易に行われる。ま
た、前記一方の弁体はらせん状に巻回された形状である
ため、径方向に拡開して容易に周溝に装着できると共
に、らせん状の弁体の両端の切り口を周方向に離して形
成することにより、ガス漏れを可及的に減少させること
ができる。

【００１１】第２の一方向弁装置も、基本的な作用は第
１の一方向弁装置と同様であるが、前記他方の弁体を２
つの空間の並び方向に重ねてらせん状に巻回した形状と
してあるため、それによって前記２つの空間の並び方向
における対向面相互が接触，非接触時共に当該他方の側
の空間と弁体摺動側とは反対側の隙間とを通じる隙間が
大きく保持されると共に、弁体を径方向に拡開して容易
に周溝に装着できる。

【００１２】第３の一方向弁装置においては、径方向に
重ねられて巻回されたらせん状の弁体の巻回部分の隣接
する周面相互が軸方向にずれるように弾性力を付与した
形状としてあるため、該弁体を周溝に嵌挿した状態で
は、２つの空間の並び方向の溝との対向面のうち一方は
弁体摺動側に近い部分が圧接し、他方は弁体摺動側から
離れた部分が圧接する。

【００１３】この状態で、ピストンを一方向へ移動し、
摺動摩擦によりシール性の高い形状の対向面相互が接触
する場合は反対側の空間から周溝内に導かれた高圧流体
によりシール性が強化され、また、この状態からピスト
ンを反対方向に運動させると前記シール面の一部は圧接
したままであるから２つの空間の圧力関係が逆転する前
は高圧ガスが漏れることがない。

【００１４】次いで、２つの空間の圧力関係が逆転する
と、逆転した高圧側空間の流体はらせん状の隣接する巻
回部分の隙間を拡げ、反対側対向面の隙間を介して容易
に流動する。これにより、ピストンの運動方向切換直後
の流体漏れも防止することができる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、第１の発明の実施例を示し、本発明に
係る一方向弁装置をコンプレッサーに適用したものであ
る。図において、吐出口１には、該吐出口１方向のみに
開くリード弁10が装着され、シリンダ２内に嵌挿される
ピストン３のシリンダ２との間に本発明に係る一方向弁
装置が装着される。即ち、ピストン３の周壁には周溝３
ａが形成され、該周溝３ａにはピストンリング４，５
と、これらピストンリング４，５の内周面側に装着さ
れ、ピストンリング４，５の外周面をシリンダ２内壁に
弾性力をもって圧接させるように拡開付勢するテンショ
ンリング６が嵌挿されている。なお、ピストンリング４
及びテンションリング６は合い口を有しており、この合
い口を拡げて周溝３ａ内に嵌挿できるようになってい
る。また、ピストンリング５は、径方向に複数回らせん
状に巻回したスパイラルリングに形成されており、これ
により合い口を有する場合と同様に拡開して周溝３ａに
嵌挿できると共に、両端の切り口位置をずらせるのでピ
ストンリング４，５相互間の対向面及びピストンリング
５と周溝３ａとの対向面は接触時のシール性が高い形状
に形成されている。

【００１６】また、ピストンリング４，５を重ねた軸方
向の厚さと、テンションリング６の軸方向の厚さとは周
溝３ａの軸方向の幅より狭く、かつ、テンションリング
６と周溝３ａとの間には隙間Ｃ₁ が形成されている。つ
まり、弁体と溝とを弁体の摺動側及び前記２つの空間が
並ぶ方向に隙間を持つ大きさに各部材が形成されてい
る。

【００１７】さらに、ピストンリング４とテンションリ
ング６には、吐出口１側に径方向に複数箇所の溝４ａ，
６ａが形成され、この溝４ａ，６ａにより該溝形成側の
ピストンリング４及びテンションリング６と周溝３ａと
の対向面相互は、両者の接触，非接触時共に吐出室７側
の空間と、前記隙間Ｃ₁ とを通じる隙間が大きく保持さ
れる形状となっている。

【００１８】かかる一方向弁装置を備えたコンプレッサ
ーの作動を説明する。ピストン２が、吐出室７方向に動
く圧縮行程時には、図１（Ｂ）に示すように、ピストン
リング４，５外周面とシリンダ２内壁との摺動摩擦抵抗
により、ピストンリング５の吐出室７側と反対側の側面
が周溝３ａの対向面に圧接しており、これにより、該圧
接部分のシール性が高められる。

【００１９】また、吐出室７側の圧力が高く、この圧力
が前記溝４ａ，６ａを通って隙間Ｃ ₁ に導かれ、テンシ
ョンリング６を介してピストンリング４，５をシリンダ
２内壁側へ押しつける方向に作用するので、ピストンリ
ング４，５とシリンダ内壁との摺動面のシール性も高め
られる。したがって、かかる吐出行程時の吐出室７から
大気空間側への作動流体の漏れを効果的に防止でき、リ
ード弁10を押し開いて作動流体を効率良く吐出すること
ができる。

【００２０】一方、ピストン２が吐出室７と反対側に移
動する膨張行程時には、図１（Ｃ）に示すようにピスト
ンリング４，５外周面とシリンダ２内壁との摺動摩擦抵
抗により、ピストンリング４の吐出室７側の側面が周溝
３ａの対向面に圧接し、ピストンリング５と周溝３ａと
の吐出室７と反対側の対向面相互は切り離されて隙間を
生じる。

【００２１】したがって、ピストンリング２の移動によ
り、吐出室７容積が拡大して、反対側空間の作動流体が
前記ピストンリング５と周溝３ａとの隙間から隙間
Ｃ₁ ，さらにはテンションリング６の溝６ａ，ピストン
リング４の溝４ａを通じて吐出室７側へ容易に流動す
る。これにより、膨張行程時に前記一方向弁装置を介し
て作動流体を吐出室７に吸入させることができ、別途吸
入弁を備える必要がなく一組の一方向弁装置を装着する
のみでよいから、安価で摩擦損失も減少でき消費電力も
低減することができる。

【００２２】また、かかる一方向弁装置の逆特性を利用
してバキュームポンプに適用することもできる。図２
は、バキュームポンプに適用した実施例を示し、吸い込
み口11にはシリンダ12とピストン13とで画成されるバキ
ューム室14方向へのみ開くリード弁15が装着され、ピス
トン13の周壁に形成された周溝13ａに、前記ピストンリ
ング４，５及びテンションリング６をコンプレッサーの
場合とは左右を入れ換えて装着してある。

【００２３】この場合、ピストン２がバキューム室14と
反対側へ移動する吸い込み行程では、リード弁15を開い
て吸い込み口11を介して該吸い込み口11に接続されるバ
キュームタンク等からバキューム室14内にガス（空気）
を吸い込み、ピストン13がバキューム室14側に移動する
排気行程で、バキューム室14に吸い込んだガスを前記一
方向弁装置を介して大気圧空間に排出する。

【００２４】かかるバキュームポンプの場合も、従来必
要であった排気弁が不要となり、同じく一方向弁装置を
一組装着するだけで十分な機能が得られるため安価で摩
擦損失が小さく消費電力を低減できる。また、第２の一
方向弁装置の実施例としてピストンリング４の代わりに
図３に示すように軸方向に重ねて複数開らせん状に巻回
したスパイラルリング４′を使用しても周溝３ａの対向
面との接触時に隙間を確保できるので同様の効果を得ら
れる。このものにおいて、ピストンリング５を前記径方
向にらせん状のスパイラルリングの代わりに通常の合い
口を有したピストンリングを使用してもよい。

【００２５】図４は単気筒圧縮試験機によって回転数６
００ｒｐｍで行った場合の実験結果を示し、図中は従
来型の流体流動方向性のないピストンリングを使用した
場合を示し、はピストンリング４，５及びテンション
リング６を周溝３ａにコンプレッサー機能を持たせて嵌
挿した第１の実施例の場合を示す。図で明らかなよう
に、本実施例装置の場合は、圧縮行程で高い圧力が得ら
れ、一方、膨張行程では空気の流入を良好にして負圧を
低く抑えられる特性となっている。

【００２６】これら実施例では、テンションリング６を
使用したが、ピストンリング４，５自体を拡開弾性力の
強い材料で形成することによりテンションリングを省略
することもできる。図５は、第３の一方向弁装置に係る
実施例を示す。図において、ピストン41の周壁に形成さ
れた周溝41ａには、径方向多重にらせん状に巻回された
スパイラルリング42の最も内周側に装着されてスパイラ
ルリング42をシリンダ43内壁に圧接させる弾性力を付与
するテンションリング44が嵌挿されている。

【００２７】前記スパイラルリング42は、各巻回部分の
隣接する周面相互が軸方向に少しずつずれる弾性力が付
与されて形成され、該スパイラルリング42の軸方向の弾
性力により、自然状態では、スパイラルリング42の外周
側の圧縮室側の側面42ａが周溝41ａの対向面に圧接する
と共に、内周側の圧縮室と反対側の側面42ｂが周溝41ａ
の対向面に圧接して装着されている。また、スパイラル
リング42の圧縮室側の側面42ａには径方向に複数の溝42
ｃが形成されている。

【００２８】この状態で、ピストン41が圧縮室方向に移
動するときにはスパイラルリング42の外周面とシリンダ
43内壁との摺動面の摩擦抵抗とピストン41の慣性力と
が、スパイラルリング42の持つ弾性力に打ち勝ち、スパ
イラルリング42の圧縮室と反対側の側面42ｂの全面が周
溝41ａの対向面に圧接する。この場合、圧縮室側の高圧
流体がテンションリング44の内周面と周溝41ａとの隙間
に流入する。これにより、スパイラルリング42の側面42
ｂと周溝41ａの対向面とのシール性が確保されると共
に、スパイラルリング42の外周面がシリンダ43内壁に押
しつけられて摺動のシール性を強化されることにより、
圧縮室45側の高圧流体の低圧側空間への漏れを確実に防
止できる。

【００２９】一方、ピストン41が圧縮室とは反対側に移
動する膨張行程時には、例えば内燃機関の燃焼行程時の
ように膨張行程ではあっても、圧縮室側の方が圧倒的に
高圧である場合は、前記圧縮室側への移動時と同様の状
態が保持され、高圧流体の漏れを確実に防止できる。ま
た、同じく内燃機関の排気行程終了食後の吸入行程時の
ような場合は、圧縮室側圧力の方が少し高い状況がある
が、この場合は、スパイラルリング42の軸方向の弾性力
により自然状態の時と同様スパイラルリング42の圧縮室
側の側面42ａの外周側と周溝41ａとの対向面が圧接する
と共に、側面42ｂの内周側と周溝41ａの対向面とが圧接
する。

【００３０】これにより、圧縮室側の圧力が高い間はス
パイラルリング42の各接触面相互及びシリンダ43内壁と
の摺動面相互が圧接して高いシール性を確保できるので
低圧側への漏れを防止できる。一方、前記膨張行程が進
行して圧縮室45側と反対側の圧力の方が高くなったとき
は該圧力がスパイラルリング42の軸方向にずれた各面に
作用して前記弾性による側面42ａの圧接部分をシリンダ
43内壁との摺動側と反対側に移動させつつ、各巻回部分
の接触面相互に隙間を開けつつ圧縮室側に流体が流動す
る。

【００３１】このように、本実施例では、ピストンの運
動方向の切換により圧力関係が逆転するものにおいて、
運動方向切換直後の流体漏れをも確実に防止して流体漏
れを可及的に防止できるのである。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、ピストンの一方向の運動時は、一方の弁体と溝との
シール性の高い形状の対向面相互が接触し、他方の弁体
と溝との隙間に進入した圧力により該弁体を摺動側方向
へ押し付けてシール性が強化され弁体両側空間相互の流
体の流動が効果的に阻止され、また、ピストンの逆方向
の運動時は弁体と溝との常時確保されている隙間を通じ
て弁体両側空間相互の流体の流動が容易に行われ、良好
な一方向弁機能が得られる。

【００３３】また、第１の一方向弁装置では、一方の弁
体が径方向にらせん状に巻回された形状であり、他方の
弁体は合い口が形成されているため、夫々径方向に拡開
して容易に周溝に装着でき、また、らせん状の弁体の両
端の切り口を周方向に離して形成することにより、ガス
漏れを可及的に減少させることができる。また、第２の
一方向弁装置では、２つの空間の並び方向に重ねてらせ
ん状に巻回した弁体によって常時隙間が確保される。

【００３４】更に、第３の一方向弁装置では、ピストン
の運動方向切換直後のガス漏れも効果的に防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の一方向弁装置の実施例の全
体構成及び各部の運動時の状態及び弁体の形状を示す
図。

【図２】前記第１の一方向弁装置の第２の実施例の構成
を示す図。

【図３】本発明に係る第２の一方向弁装置に使用される
弁体の形状を示す斜視図。

【図４】前記各実施例における作動特性を従来例と比較
して示す線図。

【図５】本発明に係る第３の一方向弁装置の実施例の要
部の運動時の状態及び弁体の形状を示す図。

【符号の説明】

２，43 シリンダ ３，41 ピストン ３ａ，41ａ 周溝 ４，５ ピストンリング ４′，44 スパイラルリング ６，44 テンションリング ７ 吐出室 14 バキューム室

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｋ 13/00 Ｚ 7001−3Ｈ (72)発明者 戸田 富士夫 埼玉県草加市旭町４−１−３−205 (72)発明者 松尾 政弘 埼玉県蕨市北町４−２−22

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダ内を運動するピストンの外壁と前
   記シリンダの内壁との一方に、弾性力により圧接して摺
   動する２つの環状の弁体を、他方に形成された周溝内に
   ピストン運動方向に並べて嵌挿し、これら弁体の両側に
   ２つの空間を形成する一方、これら弁体と溝とを弁体の
   前記摺動側とは反対側及び前記２つの空間が並ぶ方向に
   隙間を持つ大きさに形成し、かつ、前記一方の弁体は径
   方向に重ねてらせん状に巻回され、該一方の弁体と溝と
   の前記２つの空間の並び方向における対向面相互が両者
   の接触により該一方の弁体に隣接する一方の空間と該弁
   体摺動側とは反対側の隙間とを遮断するシール性の高い
   形状に形成され、他方の弁体は該弁体と溝との前記２つ
   の空間の並び方向における対向面相互が接触，非接触時
   共に該他方の弁体に隣接する他方の空間と弁体摺動側と
   は反対側の隙間とを通じる隙間が大きく保持される面形
   状に形成されていることを特徴とする一方向弁装置。
2. 【請求項２】シリンダ内を運動するピストンの外壁と前
   記シリンダの内壁との一方に、弾性力により圧接して摺
   動する２つの環状の弁体を、他方に形成された周溝内に
   ピストン運動方向に並べて嵌挿し、これら弁体の両側に
   ２つの空間を形成する一方、これら弁体と溝とを弁体の
   前記摺動側とは反対側及び前記２つの空間が並ぶ方向に
   隙間を持つ大きさに形成し、かつ、一方の弁体は該弁体
   と溝との前記２つの空間の並び方向における対向面相互
   が両者の接触により該一方の弁体に隣接する一方の空間
   と該弁体摺動側とは反対側の隙間とを遮断するシール性
   の高い形状に形成され、他方の弁体は２つの空間の並び
   方向に重ねて複数回らせん状に巻回され、該弁体と溝と
   の前記２つの空間の並び方向における対向面相互が接
   触，非接触時共に該他方の弁体に隣接する他方の空間と
   弁体摺動側とは反対側の隙間とを通じる隙間が大きく保
   持される面形状に形成したことを特徴とする一方向弁装
   置。
3. 【請求項３】シリンダ内を運動するピストンの外壁と前
   記シリンダの内壁との一方に、弾性力により圧接して摺
   動する弁体を、他方に形成された周溝内に嵌挿し、該弁
   体の両側にピストンの運動によって圧力の大小関係が逆
   転する２つの空間を形成する一方、該弁体は径方向に重
   ねてらせん状に巻回されると共に各巻回部分の隣接する
   周面相互が少しずつずれるように軸方向の弾性力が付与
   され、弁体と溝との前記２つの空間の並び方向の２つの
   対向面の中、前記軸方向の弾性力により摺動面から離れ
   た部分が常時溝に圧接する側は、対向面相互が両者の接
   触により当該一方の側の空間と該弁体摺動側とは反対側
   の隙間とを遮断するシール性の高い形状に形成され、他
   方の対向面側は対向面相互が接触，非接触時共に当該他
   方の側の空間と弁体摺動側とは反対側の隙間とを通じる
   隙間が大きく保持される面形状に形成したことを特徴と
   する一方向弁装置。