JPH1061551A - オイルフリー往復圧縮機のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 樹脂製ピストンリングを装着するオイルフリ
ー往復圧縮機において、運転初期または、無負荷から負
荷運転に切替る際、大量のブローバイガス流によって異
常音が発生する。これを解消するための対策手段を提供
する。 【構成】 オイルフリー往復圧縮機の負荷運転初期のブ
ローバイガス流量を低減させるために、ピストン上昇時
の加圧空気を、ピストンリング溝底部に導入する流路を
ピストンに穿設するもので、その具体的手段が、ピスト
ン上面から複数個の小孔流路を穿孔するかまたは、ピス
トンリング溝上面の複数箇所に流路溝を穿設するピスト
ンである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】無給油式のオイルフリー往復空気
圧縮機の気筒で、ピストンとシリンダの間隙からのブロ
ーバイガス流によって発生する異常音を解消するための
ピストンの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】無給油式のオイルフリー往復空気圧縮機
において、該圧縮機のシリンダは、アルミニウムダイカ
スト成形で製作されている。そして、ピストンは、アル
ミニウムダイカストまたは、連接棒小端部への圧縮熱の
熱伝導を抑えて、小端部の温度上昇を抑制し、小端部軸
受け部の耐久性を保つために、樹脂で成形されたものが
使用されている。このオイルフリー往復圧縮機の気筒に
おいて、ピストンに装着されるピストンリングは、油膜
が形成されないシリンダボアを摺動して、シール性と、
潤滑性を維持しながら数千時間以上の耐久性が保持され
るものではなくてはならない。そのため、ピストンリン
グの材質は耐熱性、自己潤滑性を有するふっ素系樹脂を
主体とした合成樹脂が使用されている。

【０００３】上記ピストンリング溝に嵌入されるふっ素
系樹脂材からなるピストンリングは、金属製のピストン
リングのような張力がなく、シリンダボアに周接する付
勢力は極めて弱い接触となっている。そして、運転中
は、シリンダ内の圧縮空気圧力が、ピストンとシリンダ
の周壁の隙間を経て、ピストンリング溝の上面とピスト
ンリング上面との僅かな隙間より、前記空気がピストン
リング溝底部に侵入して、ピストンリング内周面に背圧
が加わり、ピストンリングをシリンダボアに押圧する力
が働くことによって摺動面のシールが保持されている。

【０００４】上記樹脂製ピストンリングの構成におい
て、運転中は、樹脂製ピストンリングが熱せられ、軟ら
かい状態となっているため、小さい背圧で、シリンダボ
アに周接する付勢力が働く。よって、摺動面のシール
は、小さな背圧で気密が確保されているが、運転初期の
圧縮圧力が低いときまたは、アンローダ制御による無負
荷運転から負荷運転に切替るときは、樹脂製のピストン
リングは、熱くなく、冷たい状態となっている。よっ
て、冷時の樹脂製ピストンリングは、硬く、シリンダ内
の圧力が小さいときは、背圧が弱いため、周接する付勢
力が弱く、ピストンリング外周より大量のブローバイガ
スが流れる。この大量のブローバイガスの流れが、ピス
トンとシリンダの間を流れてクランクケースに排気され
る際、異常音が発生する。そして、この大量のブローバ
イガスの流れは均一でなく、ピストンリングの周接が安
定するまで、断続的な流れとなり、不安定な断続音の発
生となる。上記異常音は圧縮機の機能上への影響は殆ど
ないが、使用者への不安感を抱かせることと、運転初期
の立上り安定性の問題が提起される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
無給油式のオイルフリー往復圧縮機において、ピストン
リング溝に嵌入される樹脂製ピストンリングが、金属製
リングのような張力がなく、シリンダボアに周接する付
勢力が弱く、シールが不完全なために、前記圧縮機の運
転初期、または運転制御で無負荷から負荷運転に切替る
際、すなわち、樹脂製ピストンリングの温度が上がらず
冷たい状態となっているときは、大量のブローバイガス
流がピストンリング外周より流れ、この大量のブローバ
イガス流がクランクケースに排出する際、異常音が発生
する。本発明は、この異常音を解消するために、ピスト
ン上昇時のシリンダ内の加圧空気を、ピストンリング溝
底部とピストンリング内周との間の空隙に瞬時に導入し
て、樹脂製ピストンリングが冷たく固いときに、充分な
背圧を加えることができるようにして、ピストンリング
のシール性を向上させて上記問題の解消を図るものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、クランクケー
スに潤滑油を貯溜しない無給油式のオイルフリー往復圧
縮機において、該圧縮機のピストンとシリンダの間隙か
ら漏洩するブローバイガス流によって発生する異常音を
解消するために、ピストンリング溝に嵌入する樹脂製ピ
ストンリングの内周と、ピストンリング溝底部との間の
空隙に、ピストン上昇時のシリンダ内の加圧空気を導入
する流路をピストンに穿設したオイルフリー往復圧縮機
のピストンである。そして、その具体的手段が、ピスト
ンリングの合い口位置を、導入流路と所定間隔で固定で
きる樹脂製ピストンを用い、該加圧空気導入流路を、ピ
ストン上面よりピストン溝底部の空隙に連通する、複数
個の小孔流路を穿孔して、該小孔流路より加圧空気を直
接導入して、ピストンリング内周より背圧を加え、負荷
運転初期のピストンリングのシール性を向上させるもの
である。

【０００７】また、他の実施例として、その具体的手段
が、ピストンリングの合い口位置を、導入流路と所定間
隔で固定できる樹脂製ピストンを用い、加圧空気導入流
路が、ピストンリング溝内上面に、ピストンリング溝底
部に連通する流路溝を複数箇所に穿設して、シリンダと
ピストン外周の隙間を介して、前記流路溝より加圧空気
を導入して、ピストンリング内周より背圧を加え、負荷
運転初期のピストンリングのシール性を向上させるオイ
ルフリー往復圧縮機のピストンである。

【０００８】また、上記具体的手段に対して、ピストン
リング溝に嵌入されるピストンリングの合い口位置が、
ピストンリング溝内で固定されないピストンにあって
は、ピストンリングの合い口が、ステップカット等、合
い口位置からのブローバイガス流量が、極力少なくなる
合い口形状のピストンリングを選択するオイルフリー往
復圧縮機のピストンである。

【０００９】

【作用】本発明は、オイルフリー往復圧縮機のピストン
に嵌入するふっ素系樹脂を主体とする合成樹脂材で製作
されるピストンリングが、金属製ピストンリングのよう
な張力がなく、シリンダボアに周接する際の接触力が弱
くシール性が不十分であり、特に圧縮機の負荷運転初期
において、樹脂製ピストンリングが常温状態すなわち、
冷たく硬い状態にあって、運転初期のシリンダ内圧が低
いとき、硬い状態の樹脂製ピストンリングの背圧力とし
ては弱く、ピストンリング外周からのブローバイガス流
量が多く異常音が発生する。そして、運転が進んで樹脂
製ピストンリングが熱くなると、軟らかくなるため、小
さな背圧力でシールが可能となる。すなわち、シリンダ
内の圧縮空気がピストン外周とシリンダボアの隙間を経
て、ピストンリング溝内上面の僅かな隙間よりピストン
リング溝底部に侵入して、ピストンリング内周面に背圧
が加わり、ピストンリングがシリンダボア面に押圧され
てシール性が向上して大量のブローバイガス流は止ま
り、異常音も解消する。

【００１０】この負荷運転初期の異常音を解消する手段
として、ピストン上昇時の圧縮空気圧力を前記ピストン
リング溝内上面の僅かな隙間を介さずに、直接ピストン
リング溝底部の空隙に連通する流路を穿設し、その流路
面積がピストンリング外周とシリンダボアとのシール不
完全な隙間より、十分広い流路断面積の流路として、シ
ール不完全な隙間から空気が漏れる前に、ピストンリン
グ内周面より背圧を加えることにより、冷時で、固い状
態の樹脂製ピストンリングであっても、シリンダボアに
周接する際の接触力を高めるので、シール性を向上さ
せ、ブローバイガス流量を低減させるようにするもので
ある。

【００１１】上記シール性を向上させる手段としては、
幾つかの方法がある、例えば、樹脂製ピストンリング内
周にばね材を使用して張力をあらかじめ増加しておく方
法がある。しかし、あらかじめシリンダボアとの接触力
を増加させる方法は、運転中は背圧も加わって接触力が
強くなり過ぎ、油膜形成がないシリンダボアで、強い接
触力で摺動すれば、樹脂製ピストンリングの摩耗は極端
に早くなり、長期の耐久性は保証できないものとなる。

【００１２】本発明のシリンダ内加圧空気をピストンリ
ング溝底部に連通する専用流路を設けて導入する方法
は、ばね等による付勢力を強める手段をとっていないこ
とから、ピストンリングの摩耗を早めることもなく、ま
た、実施例で詳述する簡単な背圧導入流路の加工によっ
て、異常音が解消され、他に影響を及ぼさないで、前記
効果を有するものである。

【００１３】ピストンリングには、ピストンリング溝に
嵌入するために必要な、リングを切断した、合い口が設
けられている。この合い口部は、ブローバイガス流を増
大させる難点箇所となっている。本発明の背圧を加える
ための加圧空気導入流路が、合い口部に合致すると、導
入された空気が合い口部から漏洩し、背圧の効果が極端
に減少する。したがって、本発明の具体的手段の例にお
いては、合い口位置が固定されるピストン機構を採用
し、合い口位置と導入流路が合致しない機構としてい
る。しかし、一般的ピストンにおいては、ピストンリン
グがピストンリング溝内で自由に回転する構造となって
いるものが多く、合い口位置は常に変動する。したがっ
て、この場合は、合い口位置が導入流路に合致するケー
スが有り得ることを前提に、ピストンリングの合い口形
状が、合い口からの洩れの少ない、ステップカット等の
ピストンリングを使用するようにするものである。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。図１は本発明の一実施例でピストン上面から加圧
空気を導入する流路を穿孔したピストンの断面図で、図
２は穿孔位置を示したピストンの上面図である。

【００１５】図１において、１はオイルフリー往復圧縮
機のピストン、２はシリンダ、２ａはシリンダボア、３
はふっ素系樹脂材のピストンリング、ピストンリング３
を嵌入するピストンリング溝４は、ピストン１にピスト
ンリング３の厚みに僅かの余裕をもった溝幅で穿設さ
れ、ピストンリング溝４の奥行は、ピストンリング内周
３ａと、ピストンリング溝底部４ａの間の全周に空隙が
できる深さで穿設されている。そして、ピストンリング
溝底部４ａよりさらに深く肉盗み用溝４ｂが形成されて
いるのは、ピストン成形時の肉やせ、または歪発生防止
のための肉盗み用溝４ｂで、該肉盗み用溝４ｂを利用し
て、加圧空気導入用小孔流路５が、ピストンリング溝４
に貫通して穿孔されている。該小孔流路５は、ピストン
リング３の合い口位置固定のピストン１では、合い口位
置に対して角度９０°の間隔で直径数ｍｍの小孔が対称
に２個穿孔されている。勿論小孔流路５の穿孔位置およ
び、孔数は上記に限定されるものではなく、ピストンリ
ング３の合い口位置に合致しない十分な間隔をもって穿
孔し、孔数も三個以上でもよいことは理解されよう。
尚、６は図示しないピストンピンを嵌合するための貫通
孔である。

【００１６】図２の上面図において、小孔流路５の穿孔
位置を示し、そして、ピストンリング溝４の構成をより
明確にするために、肉盗み用溝４ｂ、ピストンリング溝
底部４ａおよび、ピストンリング内周３ａを点線で示し
たものである。

【００１７】上記構成において、圧縮機の運転初期また
は、無負荷運転から負荷運転に切替るときは、ピストン
１の上昇時も吐出弁が低圧で開くので、シリンダ内圧力
は低圧で、ピストンリング溝４の上面とピストンリング
３の上面の僅かな隙間（略０．２〜０．３ｍｍ）から空
気が侵入して背圧が加わる状態にはならず、その間、冷
たく固い状態の樹脂製ピストンリング３の外周とシリン
ダボア２ａの摺動面間のシール不十分な隙間よりブロー
バイガスが流れて異常音が発生する。

【００１８】本発明は、圧縮機の運転初期、シリンダ内
の低圧時において、ピストン上昇時の衝撃的作用による
空気波が、樹脂製ピストンリング３の外周とシリンダボ
ア２ａの摺動面との隙間より洩れる前にピストン上面小
孔流路５より樹脂製ピストンリング溝底部４ａにできる
だけ早く直接侵入し、その圧力によって、樹脂製ピスト
ンリング内周面３ａに押圧力が加わって冷たく固い状態
の樹脂製ピストンリング３のシール性が向上する。一旦
シール性が高まると、樹脂製ピストンリング３のピスト
ンリング溝４の下面での接触抵抗があることと、樹脂製
ピストンリング３が熱せられて軟らかくなり、ピストン
リング溝底部側に収縮する作用は一切働かないことか
ら、シール性はそのまま保持され、空気タンク等に圧力
が溜まってシリンダ内圧力が高くなると、樹脂製ピスト
ンリング３への背圧も高まり、シールが安定した状態に
維持される。

【００１９】図３は本発明の他の実施例で、請求項３で
請求した加圧空気導入流路を、ピストンリング溝内上面
にピストンリング溝底部に連通する流路溝を穿設したピ
ストンの断面図である。そして図４は、前記流路溝部を
Ａ−Ａで断面した上面図である。図において、流路溝以
外の図１，２と同一構成要素は同一符号を付して説明
し、図１，２の説明と重複する部分は原則省略する。

【００２０】図３において、１０はピストンリング溝底
部４ａに連通する流路溝である。流路溝１０は、ピスト
ンリング溝底部４ａから肉盗み用溝４ｂまで伸長する深
さに、図４で示す、適当な幅で穿設されている。そして
この流路溝１０は、図１の小孔流路５の場合と同じよう
に、合い口位置に対して角度９０°の間隔をもって二ヶ
所に穿設されている。勿論この流路溝１０も、小孔流路
と同じように、二ヶ所に限定されるものではなく、ピス
トンリング３の合い口位置に合致しない間隔をもって、
三個以上穿設してもよいものである。また、流路溝１０
の流路断面積は、小孔流路５と同じように、負荷運転初
期の低圧空気がシリンダボア２ａとピストン上部の外周
を経て、流路溝１０から、ピストンリング内周面３ａに
背圧が加えられる断面積を有する流路である。但し、流
路溝１０の幅が、無制限に広いと、ピストンリング溝内
でのピストンリングの装着安定性、耐摩耗性に影響する
恐れがあり広い程よいものではない。

【００２１】図４において、肉盗み用溝４ｂの箇所に穿
設される流路溝１０は、ピストンリング内周面３ａより
十分深く、かつ、適当な幅で、ピストンの樹脂素材成形
時にあらかじめ形成されている。したがって、この発明
を実施するに際してのコストアップの要因は殆どなく、
従来コストで実施可能なものである。

【００２２】図５は、ピストンリング３の合い口位置を
固定するピストンの一例を示したものである。ピストン
１の樹脂成形時に、ピストンリング溝４の一ヶ所に、該
ピストンリング溝４を遮蔽する形で固定板４ｃが形成さ
れ、固定板４ｃを挟む形でピストンリングの合い口が嵌
入されることによって合い口位置が固定されている。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、オイルフリー往復
圧縮機の負荷運転初期（アンローダー運転から負荷運転
切り換わった初期を含む）において、樹脂製ピストンリ
ングが、冷たく、固い状態となっているときに、シリン
ダ内の圧力が小さくなっているため、樹脂製ピストンリ
ングにかかる背圧が小さく、樹脂製ピストンリングのシ
リンダボアに対する張り出し力が小さくなって、シール
効果が維持できないことにより生じるブローバイガス流
による異常音の発生を、ピストンリング溝底部に連絡し
てピストン上昇時の加圧空気をできるだけ早く直接導入
する流路を穿設して、運転初期のシリンダ内が低圧にお
いて、冷たく、固い状態の樹脂製ピストンリングの内周
に適正な背圧を素早くかけることができ、上記異常音が
解消される。

【００２４】また、運転初期のシリンダ内が低圧時の加
圧空気を直接導入する流路が、ピストン上面からの小孔
流路または、ピストンリング溝内上面に流路溝を穿設す
る方法とし、ピストン成形時にあらかじめ形成される加
工方法にしたことで、コストアップせずに異常音を解消
したオイルフリー往復圧縮機が提供できる。

【００２５】また、上記加圧空気導入流路によって異常
音を解消する手段は、樹脂製ピストンのピストンリング
合い口固定型ピストンに限らずアルミニウムダイカスト
製ピストンおよび、ピストンリング合い口位置がピスト
ンリング溝内で固定されないピストンにも適応可能な広
い応用範囲を有するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加圧空気導入流路を、ピストン上面か
らピストンリング溝底部に連通する小孔流路を穿孔した
ピストンの断面図である。

【図２】図１の穿孔位置を示すピストンの上面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例で、加圧空気導入流路をピ
ストンリング溝上面からピストンリング溝底部に連通す
る流路溝を穿設したピストンの断面図である。

【図４】図３の穿設位置を、流路溝部で断面したピスト
ンの上面図である。

【図５】ピストンリングの合い口部固定型ピストンにお
ける、合い口部の構成を示す側面図である。

【図６】従来のピストンの断面図である。

【符号の説明】

１ ピストン ２ シリンダ ２ａ シリンダボア ３ ピストンリング ３ａ ピストンリング内周面 ４ ピストンリング溝 ４ａ ピストンリング溝底部 ４ｂ 肉盗み用溝 ５ 小孔流路 １０ 流路溝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランクケースに潤滑油を貯溜しない無
   給油式のオイルフリー往復圧縮機において、該圧縮機の
   ピストンとシリンダの間隙から漏洩するブローバイガス
   流によって発生する異常音を解消するために、ピストン
   リング溝に嵌入する樹脂製ピストンリングの内周と、ピ
   ストンリング溝底部との間の空隙に、ピストン上昇時の
   シリンダ内の加圧空気を導入する流路をピストンに穿設
   したオイルフリー往復圧縮機のピストン。
2. 【請求項２】 ピストンリング溝底部に加圧空気を導入
   する流路をピストンに穿設するとき、加圧空気導入流路
   が、ピストン上面よりピストン溝底部の空隙に連通す
   る、複数個の小孔流路を穿孔した請求項１記載のオイル
   フリー往復圧縮機のピストン。
3. 【請求項３】 ピストンリング溝底部に加圧空気を導入
   する流路をピストンに穿設するとき、加圧空気導入流路
   が、ピストンリング溝内上面に、ピストンリング溝底部
   に連通する流路溝を複数箇所に穿設した請求項１記載の
   オイルフリー往復圧縮機のピストン。