JPWO2016208698A1 - Compressor and method of use thereof - Google Patents
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Abstract
本発明では、ピストンリングのシール性を向上させた圧縮機を提供することを目的とする。本発明は、シリンダと、前記シリンダ内のクランク室側と圧縮室側との間を往復動し、前記圧縮室の流体を圧縮するピストンと、該ピストンに設けられ前記シリンダ内のクランク室側と圧縮室側との間をシールするピストンリングを備え、前記ピストンリングは圧縮室側に設けられた上側合口とクランク室側に設けられた下側合口とを有し、前記上側合口において前記ピストンリングの内周側と外周側とが連通し、前記上側合口に連通し、前記下側合口には連通しない外周溝を前記ピストンリングの外周に設け、前記ピストンリングの内周側には、前記上側合口および前記下側合口を遮断する遮断部材を設けることを特徴とする圧縮機を提供する。An object of the present invention is to provide a compressor with improved sealing performance of a piston ring. The present invention includes a cylinder, a piston that reciprocates between a crank chamber side and a compression chamber side in the cylinder, and compresses a fluid in the compression chamber, and a crank chamber side in the cylinder provided in the piston. A piston ring that seals between the compression chamber side, the piston ring having an upper joint provided on the compression chamber side and a lower joint provided on the crank chamber side, and the piston ring at the upper joint An outer peripheral groove is provided on the outer periphery of the piston ring, and communicates with the upper joint, and does not communicate with the lower joint. Provided is a compressor characterized in that a shut-off member for shutting off the joint and the lower joint is provided.
Description
本発明は、圧縮機およびその使用方法に関する。 The present invention relates to a compressor and a method of using the same.
特許文献1では、一つのピストンリングが規定摩耗に達した場合にそのピストンリングの過摩耗を防止するためにピストンリングに絞り通路(オリフィス)を設け、摩耗限界に達したピストンリングに圧縮ガスが作用しなくなり、その後の摩耗の進行をなくす技術が示されている(第6図等)。
In
特許文献1に記載されたピストンリングにおいては、上面から下面に連通する通路が示されている。このようなピストンリングで摩耗が進行した場合には、連通した通路は、運転中のピストンの径方向の動きにより通路が開口したり閉口したりする。
In the piston ring described in
そのため、特許文献1に記載されたピストンリングでは連通した流路からの漏れが不安定となり、ピストンリングのシール性を十分に確保することができなかった。一方で、例えば複数のピストンリングを設けた場合、ピストンリングの摩耗が1つのピストンリングに偏り、ピストンリングを交換するまでの時間を延長することができなかった。
Therefore, in the piston ring described in
上記の点を鑑みて、本発明では、ピストンリングのシール性を向上させた圧縮機を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a compressor with improved piston ring sealing performance.
また、他の観点の本発明では、ピストンリングを交換するまでの時間を延長することができる圧縮機の使用方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a method of using a compressor that can extend the time until the piston ring is replaced.
上記課題を解決するため本発明は、シリンダと、前記シリンダ内のクランク室側と圧縮室側との間を往復動し、前記圧縮室の流体を圧縮するピストンと、該ピストンに設けられ前記シリンダ内のクランク室側と圧縮室側との間をシールするピストンリングを備え、前記ピストンリングは圧縮室側に設けられた上側合口とクランク室側に設けられた下側合口とを有し、前記上側合口においてピストンリングの内周側と外周側とが連通し、前記上側合口に連通し、前記下側合口には連通しない外周溝を前記ピストンリングの外周に設け、前記ピストンリングの内周側には、前記上側合口および前記下側合口を遮断する遮断部材を設けることを特徴とする圧縮機を提供する。 To solve the above problems, the present invention provides a cylinder, a piston that reciprocates between a crank chamber side and a compression chamber side in the cylinder, and compresses fluid in the compression chamber, and the cylinder provided in the piston. A piston ring that seals between the crank chamber side and the compression chamber side, the piston ring has an upper joint provided on the compression chamber side and a lower joint provided on the crank chamber side, An inner peripheral side and an outer peripheral side of the piston ring communicate with each other at the upper joint, and an outer peripheral groove that communicates with the upper joint and does not communicate with the lower joint is provided on the outer periphery of the piston ring. The present invention provides a compressor characterized in that a blocking member for blocking the upper joint and the lower joint is provided.
また、他の観点における本発明は、シリンダと、前記シリンダ内のクランク室側と圧縮室側との間を往復動し、前記圧縮室の流体を圧縮するピストンと、該ピストンに設けられ前記シリンダ内の前記クランク室側と前記圧縮室側との間をシールするピストンリングを複数備える圧縮機の使用方法であって、前記複数のピストンリングのうち、少なくとも1つが限界摩耗に達した後も前記圧縮機の使用を継続することを特徴とする圧縮機の使用方法を提供する。 According to another aspect of the present invention, there is provided a cylinder, a piston that reciprocates between a crank chamber side and a compression chamber side in the cylinder, and compresses fluid in the compression chamber, and the cylinder provided in the piston. A method of using a compressor comprising a plurality of piston rings for sealing between the crank chamber side and the compression chamber side, wherein at least one of the plurality of piston rings even after reaching the limit wear Provided is a method for using a compressor, characterized by continuing to use the compressor.
本発明によれば、ピストンリングのシール性を向上させた圧縮機を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the compressor which improved the sealing performance of the piston ring can be provided.
また、他の観点の本発明によれば、ピストンリングを交換するまでの時間を延長することができる圧縮機およびその使用方法を提供することができる。 According to another aspect of the present invention, it is possible to provide a compressor capable of extending the time until the piston ring is replaced, and a method for using the compressor.
まず、本発明の前提となる、往復動圧縮機の構成とピストンリングの構造について、図面を用いて説明する。 First, the configuration of a reciprocating compressor and the structure of a piston ring, which are the premise of the present invention, will be described with reference to the drawings.
図14に往復動圧縮機の概略構造を示す。図14において、(A)は全体構成図、(B)は圧縮機本体の拡大図を示している。図14に示すモータ15が回転駆動することにより、ベルト14を通じて圧縮機本体11のクランク室9内に設けられたクランク部18へ回転力が伝達され、クランク部18は回転運動する。
FIG. 14 shows a schematic structure of a reciprocating compressor. 14A is an overall configuration diagram, and FIG. 14B is an enlarged view of the compressor body. When the
クランク部18の回転運動が連接棒17に伝達され、ピストン7がシリンダ8内を往復動する。ピストン7がシリンダ8内を往復動することによって吸入口12から吸入した流体を圧縮室10内にて圧縮し、吐出口13からタンク16に向けて吐出し、タンク16に圧縮流体を貯留する。なお、圧縮機本体11で圧縮する流体は空気のほか、特定の気体(窒素・酸素・冷媒)であってもよい。また、圧縮機本体11は大気圧の流体を圧縮するものであってもよいし、昇圧された気体を再圧縮するブースタであってもよい。
The rotational motion of the
図3、4に示すように、ピストン7には、図1に示すピストンリング1がピストン7に形成されたリング溝19に設けられている。ピストンリング1は、圧縮室10側(ピストン7によって加圧される加圧側)からクランク室9側(ピストン7によって加圧されない非加圧側)へ流体が漏れないようにシールしている。なお、以降、圧縮室10側を上側、クランク室9側を下側に配置した場合を例に挙げて説明する。図1は往復動圧縮機に用いられるステップカット形状のピストンリング1の構造を示す。ステップカット形状のピストンリング1は圧縮室10側とクランク室9側の円周上の異なる位置に径方向内側から外側に向けて切り込みが入れられ、合口隙間2、3が形成されている。合口隙間2、3において、それぞれピストンリング1の内周側と外周側(径方向内側と外側の側面)とが連通している。ピストンリング1は、合口隙間2、3の間において、上側合口4と下側合口5とが重なり合う構造となっている。このような構造にすることによって、例えば、ピストン7が往復動に伴い傾斜する揺動型圧縮機においてもピストンリング1が拡縮径することで、圧縮室10のシール性を維持している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図2にピストンリング1の加工方法を示す。ピストンリング1は、合口隙間2、3が密着した状態の円形リングに対して、図2に示すようにL字型を組み合わせた形状のカッタ6で押し込むことで切り込みを入れる。これにより、合口隙間2、3、上側合口4、下側合口5を形成している。ピストンリング1はカッタ6で切り込みを入れるだけで加工ができるため、工数・コストをかけずに加工することが可能である。
FIG. 2 shows a method for processing the
図3にはこのピストンリング1を用いた場合の面圧バランスの状態を示す。ピストン7のリング溝19とピストンリング1との間には隙間があるためピストンリング1の背面(径方向内側の側面)に圧縮室10内の圧力Pcが作用する。一方、摺動面では上端(圧縮室10側)がPc、下端(クランク室9側)が大気のため三角形状の圧力分布となる。
FIG. 3 shows a state of surface pressure balance when the
この結果、摺動面と背面の圧力の一部が相殺され、(I)で示した領域の摺動面と背面の圧力差の平均が面圧P1として作用することになる。 As a result, a part of the pressure between the sliding surface and the back surface is canceled out, and the average of the pressure difference between the sliding surface and the back surface in the region indicated by (I) acts as the surface pressure P1.
図4には図1のA−A部断面形状を示す。ピストンリング1の合口は上側合口4と下側合口5が接触しており、合口隙間2と合口隙間3との間は遮断されている。そのため、ピストンリング1の上面から下面へ直接漏れを生じる流路は無い。
FIG. 4 shows a cross-sectional shape of the AA portion of FIG. The joint of the
しかし、図4に示すようにピストンリング1の合口隙間3はピストンリング1の背面から大気側(クランク室9側)へ開口しているため漏れ流路が存在する事となり、合口隙間3の幅が大きい場合はシール性が課題となっている。
However, as shown in FIG. 4, the
また、ピストンリング1を用いる場合はシリンダ8との間での摺動時の面圧が高いため、摩耗に伴う交換寿命の延長も課題となっていた。
Further, when the
ここで、特許文献1によるピストンリングを用いた場合、摩耗が一定ではなく、円周の一部の摩耗が進行する偏摩耗を生じることもある。この場合も通路の開口の度合いが場所によって変わることとなり、安定した通路の形成がなされない。そのため、摩耗の度合いが大きくなくてもピストンリングのシール性が低下して、十分にシールがなされない場合があった。
Here, when the piston ring according to
また、ピストンリングの摩耗により通路が開口する際、徐々に開口する。そのため、連通穴の形状によっては開口部からの漏れ量が少なくピストンリング背圧が変化しにくく、連通穴から十分に圧縮流体を流すことができない場合もあった。これにより、例えば、複数のピストンリングを設けた場合、ピストンリングの摩耗が1つのピストンリングに偏り、ピストンリングを交換するまでの時間を延長することができなかった。 Further, when the passage opens due to wear of the piston ring, it gradually opens. For this reason, depending on the shape of the communication hole, the amount of leakage from the opening is small and the piston ring back pressure hardly changes, and the compressed fluid may not flow sufficiently from the communication hole. Thereby, for example, when a plurality of piston rings are provided, the wear of the piston ring is biased to one piston ring, and the time until the piston ring is replaced cannot be extended.
以下に、本発明の各実施例における往復動圧縮機およびピストンリングを、図面を用いて説明する。 Below, the reciprocating compressor and piston ring in each Example of this invention are demonstrated using drawing.
図5は本実施例のピストンリング21の構造を示す図である。図5において、ピストンリング21はピストンリング1と同様のステップカット形状であり、合口隙間22、23において、それぞれピストンの内周側と外周側(径方向内側と外側の側面)とが連通している。また、ピストンリング21の外周(シリンダ8との摺動面)に外周溝26が設けられている。外周溝26はピストンリングの高さの中央に位置する場合を例に示している。ここで、ピストンリング21の高さとは、ピストンリング21の円周方向および径方向に垂直な方向をいい、ピストンリング21のピストンリング厚さとは、径方向をいう。
FIG. 5 is a view showing the structure of the
外周溝26の一端は、ピストンリング21の上側(シリンダ8の圧縮室10側)に設けられた合口隙間22に連通しておりピストンリング21の径方向内側の背面圧力もしくはシリンダ8内の圧力を容易に外周溝に導けるように構成されている。なお、外周溝26に穴を設け背面圧力を導けるように構成されても良い。この様に穴を設ける構造は以降で述べる他の実施例においても同様である。また、外周溝26の他端はピストンリング21の下側(シリンダ8内のクランク室9側)に設けられた合口隙間23近傍まで設けられているが合口隙間23には連通していない。その結果、ピストンリング21の背面から別途連通穴を加工することなく外周溝26には上側合口22から圧縮室10内の圧縮空気が導かれる。一方、外周溝26の反対側は下側合口23に連通していないために外周溝内の流体が漏れて性能低下することが防止できる。また、ピストンリング21内周には、ピストンリング21の内周側と外周側(径方向内側と外側)とを遮断する遮断部材としてのシールリング27を設けている。シールリング27はピストンリング21に追従して拡縮径するリング状の板で形成されている。シールリング27は、ピストンリング21の内周面に接触することで、合口隙間22、23から径方向内側をシールしている。例えば高さがリング21と同一の薄い鋼板製で内周に1.5巻き程設けた状態で示している。シールリング27は図7で説明するように合口隙間22、23を遮断できれば、材質、巻き数は前述によらず任意である。
One end of the outer
次に、図6はピストンリング21の面圧バランスを説明する図である。図6において、外周溝26には、上記したように、圧縮室10内の圧力Pcが導かれている。従って、摺動面の圧力分布は、外周溝26の上方の圧力はPcが一定で作用し、外周溝26の下端をPcとし、ピストンリング21の下端が大気となる分布となる。この場合、外周溝26の上方とピストンリング21の背面の圧力Pcはバランスすることになる。そのため、(II)で示した領域にしか摺動面と背面の圧力差は生じない。図4の場合と同様に、本実施例でも摺動面と背面の圧力差の平均P2が本実施例の摺動面の面圧となる。本実施例の摺動面の面圧P2と図4で示した摺動面の面圧P1との関係は、P2<P1となり、本実施例により面圧の低減が図れる。なお、図6では外周溝26の下端の高さがピストンリング21の高さの1/2の位置にある。この場合は、ピストンリング21の上側半分は背面側と摺動面側とで圧力差が生じない。そのため、P2=P1/2となり面圧を1/2に低減できることが判る。また、外周溝26の位置は上記に限定されるものではなく、ピストンリングの高さ方向のさらに下に設けることで、(II)で示した領域がさらに小さくなり、摺動面の面圧をさらに小さくすることができる。
Next, FIG. 6 is a diagram for explaining the surface pressure balance of the
次に図7では、シールリング27がピストンリング21の径方向内側と外側との間の流路を遮断している様子を示している。このように、シールリング27は合口隙間22、23のある位置でピストンリング21の径方向内側に設けられ、ピストンリング21の径方向内側と外側との間の流路を遮断することによりピストンリング21のシール性能が向上する。特にピストンリング21が限界摩耗に達するまでは安定したシール性を有する。
Next, FIG. 7 shows a state where the
本実施例におけるピストンリング21を用いた場合のピストンリング21の摩耗の状況を図8で説明する。破線は従来のピストンリング1の摩耗状況を模式的に示しており限界摩耗に至る時間はT0である。ここで、限界摩耗とはリング摺動面が摩耗して徐々に合口が広がるが、当初存在した上側合口4(24)と下側合口5(25)の重なりが無くなり、2つの合口隙間2(22)と3(23)の周方向の位置が重なり、連通したとき、つまり、合口の上から下への漏れ流路が開口するときの摩耗量を示す。一方、本実施例におけるピストンリング21は従来のピストンリング1に対して面圧が低減しているため摩耗が少なく限界摩耗に至る時間はT1まで延長される。
The state of wear of the
本実施例のピストンリングを2本用いて寿命延長を行った例を図9、図10を用いて説明する。 An example of extending the life using two piston rings of this embodiment will be described with reference to FIGS.
図9はピストン33にピストンリング31を2本設けた場合である。第一のピストンリング31−1が上側(圧縮室10側)に、第二のピストンリング31−2が下側(クランク室9側)に組みつけられている。第一のピストンリング31−1と第二のピストンリング31−2は、それぞれステップカット形状である点、それぞれの径方向内側にシールリング27が設けられている点などは、図5のピストンリング21と同様である。ピストンリング31のシール性は2本で同じでなくてもよい。例えば、第一のピストンリング31−1のシール性(単に圧力差当たりの流体の漏れ量)が第二のピストンリング31−2より良い場合は、ランド35及び第二のピストンリング31−2の背面36の圧力Pmはクランク室9側の圧力(例えば大気圧)に近くなる。すなわち、第一のピストンリング31−1のみで背面34とランド35との間をシールして圧縮し摩耗も第一のピストンリング31−1が第二のピストンリング31−2より多くなる。第一のピストンリング31−1が限界摩耗まで摩耗すると、図10に示したように第一のピストンリング31−1の上側合口37と下側合口38の重なっている部分がなくなり始める。上側合口37と下側合口38の重なっている部分が完全になくなると、第一のピストンリング31−1の上面と下面との間で漏れ流路が開口する。一方、第二のピストンリング31−2は摩耗が少ないため上側合口39と下側合口40は重なっており上から下へ開口する漏れ流路は無い。
FIG. 9 shows a case where two piston rings 31 are provided on the piston 33. The first piston ring 31-1 is assembled on the upper side (
この時の第一のピストンリング31−1と第二のピストンリング31−2の背面の圧力状態を、図9で説明する。第一のピストンリング31−1の合口が開口するため、第一のピストンリング31−1の背面34、ランド35および第二のピストンリング31−2の背面36の圧力はPm=Pcとなる。この結果、第一のピストンリング31−1の上下の圧力差が無くなるため第一のピストンリング31−1はこれ以上摩耗しなくなる。一方、第二のピストンリング31−2は第一のピストンリング31−1が限界摩耗に達した以降に圧縮室10の圧力を受けて圧縮室10とクランク室9との間をシールし、シリンダ8との間での面圧が増加することになり徐々に摩耗していく。
The pressure state of the back surfaces of the first piston ring 31-1 and the second piston ring 31-2 at this time will be described with reference to FIG. Since the joint of the first piston ring 31-1 is opened, the pressure on the
この場合の2本のリングの摩耗状況について図11を用いて説明する。 The wear situation of the two rings in this case will be described with reference to FIG.
図11は当初第一のピストンリング31−1で上下の圧力差を受ける場合を示している。第一のピストンリング31−1が限界摩耗に達するまで摩耗が多い様子を示している。第一のピストンリング31−1がT1時間で限界摩耗に達するとリングのシールが第二のピストンリング31−2に移り、以降第一のピストンリング31−1は摩耗せず、第二のピストンリング31−2のみが摩耗することになる。第二のピストンリング31−2が限界摩耗に達する時間T2が2本のピストンリングを交換するまでの寿命となる。 FIG. 11 shows a case where the first piston ring 31-1 initially receives a vertical pressure difference. It shows that the first piston ring 31-1 is heavily worn until it reaches the limit wear. When the first piston ring 31-1 reaches the limit wear in T1 time, the seal of the ring moves to the second piston ring 31-2, and thereafter the first piston ring 31-1 does not wear and the second piston ring 31-1 does not wear. Only the ring 31-2 will be worn. The time T2 at which the second piston ring 31-2 reaches the limit wear is the life until the two piston rings are replaced.
本実施例のピストンリング21を1本用いた場合の寿命は第一のピストンリング31−1の摩耗と同様となるので1本のピストンリング21を用いた場合の寿命は時間T1である。ピストンリングを2本用いた場合、一方のピストンリング(第一のピストンリング31−1)が限界摩耗に至ってもそのまま使用することですべてのピストンリングが限界摩耗に達するまでの寿命はT1からT2へ延長される事になる。また、図12に示すようにピストンリング21を3本設けた場合は、さらに寿命を延長できる。
Since the life when one
これまでは、第一のピストンリング31−1が最初にシールして摩耗が進むことで述べたが、最初に第二のピストンリング31−2が大きな面圧を受け、摩耗が進む場合でも最初に限界摩耗に達するピストンリングの順序が変わるだけで同様の推移、効果を生み出す。 Up to now, the first piston ring 31-1 was sealed first and the wear progressed. However, even if the second piston ring 31-2 first receives a large surface pressure and the wear proceeds, The same transition and effect are produced just by changing the order of the piston rings that reach the limit wear.
本実施例のピストンリングを複数用いる場合の他の効果を次に説明する。 Another effect when a plurality of piston rings of the present embodiment are used will be described below.
本実施例のピストンリングは、限界摩耗に達した場合に合口がリングの厚さ方向に急激に開口する。そのため、瞬時に上面と下面にかかる圧力差を第一のピストンリング31−1から第二のピストンリング31−2へ受け渡すことができる。 In the piston ring of the present embodiment, when the limit wear is reached, the abutment opens rapidly in the thickness direction of the ring. Therefore, the pressure difference applied to the upper surface and the lower surface can be instantaneously transferred from the first piston ring 31-1 to the second piston ring 31-2.
この結果、第一のピストンリング31−1を限界摩耗まで使用してもその後は第一のピストンリング31−1の上下の圧力差と摺動面にかかる面圧が瞬時になくなるため第一のピストンリング31−1が限界摩耗に達した以降は摩耗しない。 As a result, even if the first piston ring 31-1 is used up to the limit wear, the pressure difference between the upper and lower sides of the first piston ring 31-1 and the surface pressure applied to the sliding surface disappear instantaneously, so that the first The piston ring 31-1 does not wear after reaching the limit wear.
またピストンリングが摩耗すると、合口隙間22、23が開き、圧縮室10からの圧力を受けて、上側合口24が合口隙間23に落ち込む変形をする。このとき、本実施例の合口はステップカット形状で、半径方向の厚さが薄くならない形状である。そのため、上側合口24が合口隙間23に落ち込む変形をした場合も合口が開く寸前まで合口が強度を保つことができる。また、上側合口24の厚さを下側合口25の厚さよりも厚くすることでさらに合口の強度を保つことができる。これにより、複数のピストンリングが限界摩耗するまで使用することが可能となり、交換寿命を延長することができる。
When the piston ring is worn, the
また、複数のピストンリング(第一のピストンリング31−1と第二のピストンリング31−2のピストンリング)を用いた場合、少なくとも1つのピストンリング(第一のピストンリング31−1)が限界摩耗に達した後も残りの少なくとも1つのピストンリング(第二のピストンリング31−2)が限界摩耗に達していなければ、残りのすべてのピストンリング(第二のピストンリング31−2)が限界摩耗に達する前までは圧縮機の使用を継続することができる。これにより、いずれか1つのピストンリングが限界摩耗になった場合に交換するよりもピストンリングの交換寿命を延長することができる。 When a plurality of piston rings (piston rings of the first piston ring 31-1 and the second piston ring 31-2) are used, at least one piston ring (first piston ring 31-1) is limited. If the remaining at least one piston ring (second piston ring 31-2) has not reached the limit wear even after the wear has been reached, all remaining piston rings (second piston ring 31-2) have a limit. The compressor can be used until it reaches wear. Thereby, the replacement life of a piston ring can be extended rather than replacing when any one piston ring becomes a limit wear.
実施例1の第一のピストンリング31−1と第二のピストンリング31−2はそれぞれシールリング27で合口をシールしている。シールリング27の外周面と、シールリング27が接する第一のピストンリング31−1および第二のピストンリング31−2の内周面は必ずしも形状が完全には合致しない場合もある。この場合はシールリング27の外周面と第一のピストンリング31−1および第二のピストンリング31−2の内周面との間に微小な隙間が生じここを通る漏れを生じる可能性がある。
The first piston ring 31-1 and the second piston ring 31-2 of the first embodiment each seal the joint with a
そこで、本実施例では合口のシールを確実にしつつ、摩耗が進んだ場合にピストンリングの上面と下面にかかる圧力差を第一のピストンリングから第二のピストンリングへ確実に受け渡す構造を示す。 Therefore, in this embodiment, a structure is shown in which the pressure difference applied to the upper surface and the lower surface of the piston ring is reliably transferred from the first piston ring to the second piston ring when wear progresses while ensuring the sealing of the joint. .
図13を用いて本実施例のピストンリングについて説明する。なお、図13(A)および(B)は、ピストンリング41の下面を見やすくするため、ピストンリング41の上面と下面を逆にして示している。本実施例のピストンリング41は圧縮室10側(上面)が合口隙間42を有し、実施例1と同様のステップカット形状である。また、クランク室9側(下面)では、内周側と外周側とが重なり合ったリップ45を持ったリップカット形状で内周側のリップ45が外周側のリップ受け面46に接触している。このようにすることで、ピストンリング41の下面の径方向外側と内側にそれぞれ切り込みを入れて形成された合口隙間43から44への圧縮流体の漏れを低減した構造となっている。合口隙間43はピストンリング41の外周側(径方向外側)に連通し、合口隙間44はピストンリング41の内周側(径方向内側)に連通している。
The piston ring of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIGS. 13A and 13B, the upper surface and the lower surface of the piston ring 41 are shown reversed to make the lower surface of the piston ring 41 easier to see. The piston ring 41 of the present embodiment has a
本実施例の構造では、ピストンリング41のシールをリップ45で行っているが合口断面が小さいため限界まで使用するとリップ45が破損する場合がある。そこで、図13(B)に示すように、リングの摩耗が進んだ場合、合口のリップ45とリップ受け面46が重なりを残した状態でもリング背面から合口隙間43へ開口するように、リップ受け面46に長さLの溝47を設けている。
In the structure of the present embodiment, the piston ring 41 is sealed by the
なお、溝47はリップ45に設けてもよく、その場合、合口隙間43には開口せず、合口隙間44に開口することとなる。
The
本実施例でも実施例1と同様にこのピストンリング41を複数設けることで、シール性能を維持したまま、限界摩耗に達した時にピストンリング41の上面と下面にかかる圧力差の受け渡しが可能となり、実施例1と同様に寿命の延長が可能となる。 Also in this embodiment, by providing a plurality of the piston rings 41 as in the first embodiment, it becomes possible to transfer the pressure difference between the upper surface and the lower surface of the piston ring 41 when reaching the limit wear while maintaining the sealing performance. As in the first embodiment, the life can be extended.
他の実施例として、シール性能に余裕があれば、図4、5で示したステップカット形状のみのピストンリング21と図13のステップカット形状とリップカット形状とを設けたピストンリング41の組合せも可能である。この場合、どちらのリングを上に設けても効果に差は無く寿命延長が得られる。また、ピストンリング21(41)の外周に上側合口24(37、39)へ連通する外周溝26を設けて寿命延長できることは言うまでも無い。
As another embodiment, if there is a margin in sealing performance, a combination of the
本実施例では、ライダーリング50の材料と構造を変えることにより、乾燥ガス圧縮に用いる場合に寿命延長を図った例について説明する。実施例1、2と同一の構成に対しては同一の符号を付し、その説明を省略する。
In the present embodiment, an example will be described in which the material and structure of the
図14のピストン7には、ピストンリング1の下側(シリンダ8内のクランク室9側)に形成されたリング溝にライダーリング50が装着されている。
14 has a
ライダーリング50はピストン7が往復動するときにシリンダ8との間で発生する圧縮時の負荷方向の側圧を受けるものである。ライダーリング50は、ピストン7の側面に帯状に巻かれており、ピストン7とシリンダ8との接触を防止する。ライダーリング50は合口を有するリング形状である。
The
なお、本実施例では、図14に示す通り、ピストンリング1(21)を1つ用いた例を説明するが、図9、10に示すようにピストンリング31−1、31−2を複数用いてもよい。 In this embodiment, an example using one piston ring 1 (21) will be described as shown in FIG. 14, but a plurality of piston rings 31-1 and 31-2 are used as shown in FIGS. May be.
ここで、PTFE基材のピストンリング、ライダーリングを用いて大気を圧縮する場合はPTFEの移着膜が相手材(シリンダ)の摺動面に生成されPTFE同士の摺動となりピストンリング、ライダーリングの摩耗が抑えられ長寿命を達成できることが知られている。 Here, when compressing the atmosphere using the piston ring and rider ring of the PTFE base material, the transfer film of PTFE is generated on the sliding surface of the mating material (cylinder), and the PTFE slides between the piston ring and the rider ring. It is known that wear can be suppressed and a long life can be achieved.
一方、同構造で窒素ガス等の不活性乾燥ガスを圧縮すると、相手(シリンダ)摺動面に移着膜が生成されずピストンリング、ライダーリングの異常摩耗(大気圧縮時の20〜30倍)を生じる。これは、不活性乾燥ガスによりPTFEの移着膜の移着強度が低下するため移着膜が摺動面に残らずPTFE同士の摺動が行われないためである。なお、窒素ガスを圧縮する場合、シリンダ内のガスに接しているピストンリングは窒素ガス内の摺動となるが、ピストンリングから漏れ出たガスがライダーリングの摺動面に向けて流れ出すため、ライダーリングも窒素ガス内の摺動となる。窒素ガス圧縮においてはピストンリングだけでなく、ライダーリングの寿命延長も課題となる。 On the other hand, when inert dry gas such as nitrogen gas is compressed with the same structure, no transfer film is formed on the sliding surface of the counterpart (cylinder), and abnormal wear of the piston ring and rider ring (20 to 30 times that of atmospheric compression) Produce. This is because the transfer strength of the transfer film of PTFE is lowered by the inert dry gas, so that the transfer film does not remain on the sliding surface and the PTFE is not slid. In addition, when compressing nitrogen gas, the piston ring in contact with the gas in the cylinder slides in the nitrogen gas, but since the gas leaked from the piston ring flows out toward the sliding surface of the rider ring, The rider ring also slides in the nitrogen gas. In the nitrogen gas compression, not only the piston ring but also the life extension of the rider ring is an issue.
ここで、特許文献2(特開2014―214672号公報)によれば、移着強度の高い酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等をPTFE系摺動材の近くに設けることが記載されている。即ち、移着強度の強い樹脂の移着膜によってPTFEの移着膜の代わりとさせることでPTFEの摩耗を低減する技術が記載されている。具体的には、酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等でライダーリングを成形しPTFEで形成されたピストンリングの摩耗低減を行う構造が示されている。 According to Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2014-214672), a phenol resin, an epoxy resin, or the like containing an oxygen atom-containing functional group having a high transfer strength is provided near the PTFE-based sliding material. Have been described. That is, a technique for reducing the wear of PTFE by using a transfer film of a resin having a high transfer strength instead of the transfer film of PTFE is described. Specifically, there is shown a structure for reducing wear of a piston ring formed of PTFE by molding a rider ring with a phenol resin, an epoxy resin, or the like containing an oxygen atom-containing functional group.
しかし、酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等で形成されたライダーリングがピストンリングから離れていて、移着膜がピストンリングの摺動する位置まで十分に形成されない場合や、圧縮圧力が高く面圧が高い場合などはピストンリングの摩耗を抑えることができない。 However, if the rider ring formed of phenol resin or epoxy resin containing an oxygen atom-containing functional group is separated from the piston ring and the transfer film is not sufficiently formed to the position where the piston ring slides, or compression When the pressure is high and the surface pressure is high, wear of the piston ring cannot be suppressed.
ここで、ピストンリングとライダーリングの寿命の延長のみに着目すれば移着強度の高い酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等でピストンリング、ライダーリングを形成すれば良い。 Here, if attention is paid only to the extension of the life of the piston ring and the rider ring, the piston ring and the rider ring may be formed of a phenol resin or an epoxy resin containing an oxygen atom-containing functional group having a high transfer strength.
ところが、これらの樹脂は硬度が高く、柔軟性が低いため、ピストン7への組み付けを考慮すると、図15に示すような2分割構造での2つの合口を持つピストンリング48の構造とせざるを得ない。そのため、仮に合口をストレート形状にすると、ピストンリング内側にシールリング27を用いてもピストンリング48の合口の上方から下方へ抜ける漏れ通路ができる。これにより、合口からの漏れを低減できず性能低下が課題となる。
However, since these resins are high in hardness and low in flexibility, considering the assembly to the
ピストンリングを2分割構造にして、かつ図1に示したようなステップカット形状の合口を両端に持った構造も考えられる。しかし、この場合は図1に示した柔軟性を有したPTFE系リング(合口は1ヶ所)と異なり硬度が高い。そのため合口をステップカット形状にしたとしても、例えば合口の高さ方向の加工寸法誤差で漏れ通路が発生する。 A structure in which the piston ring is divided into two parts and a step-cut shaped joint as shown in FIG. However, in this case, unlike the PTFE ring having flexibility (shown at one joint) shown in FIG. 1, the hardness is high. Therefore, even if the abutment has a step-cut shape, for example, a leak passage is generated due to a processing dimension error in the height direction of the abutment.
一方、ピストンリングをPTFEで形成すれば、柔軟性があるため合口で高さ方向の加工寸法誤差による隙間を生じても圧力で合口が柔軟に変形して隙間を埋めるため漏れ通路を生じない。 On the other hand, if the piston ring is formed of PTFE, since there is flexibility, even if a gap due to a processing dimension error in the height direction is generated at the joint, the joint is flexibly deformed by pressure and the gap is filled, so that no leakage passage is generated.
そこで、窒素ガスを圧縮する場合は漏れが少なく圧縮性能が良く、ピストンリング、ライダーリングの寿命も延長できるピストンリング、ライダーリングの構造・材料が課題となる。 Therefore, when compressing nitrogen gas, the structure and material of the piston ring and the rider ring that can reduce the leakage, have good compression performance, and can extend the life of the piston ring and the rider ring are problems.
本実施例では、上記課題を解決するピストンリング21、ライダーリング50の構造・材料を提案するものである。本実施例では、ピストンリング21をPTFE系材料で形成し、ライダーリング50をピストンリング21よりも硬い材料で形成した。
In this embodiment, the structure and material of the
図16に酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等PTFEよりも硬い材料で製作されたライダーリング50の一例を示す。
FIG. 16 shows an example of a
図16Aにライダーリング50の初期状態の2つの合口隙間aが均等にある状態における平面図(上段)と側面図(下段)を示す。また、図16Bにピストン7に組付けた状態におけるライダーリング50の初期厚さと限界摩耗量の関係を示す。
FIG. 16A shows a plan view (upper stage) and a side view (lower stage) in a state where the two joint gaps a in the initial state of the
本実施例のライダーリング50は円筒を2分割にした2分割構造である。ライダーリング50は圧縮機運転中の側圧を受けた状態でピストンの姿勢を維持しピストン7とシリンダ8との接触を防止する目的のものであり、圧縮ガスのシールを目的としていないため2分割構造で合口がストレート形状でも機能上問題は無い。
The
この結果、ライダーリング50は酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の材料特性から得られる移着強度の高い移着膜で摩耗低減ができ、長寿命が得られる。一方、ピストンリング21は実施例1で示した面圧を低減した構造にてPTFE系材料で形成するため、前述した効果で材料に頼らず長寿命が得られる。また、柔軟性のあるPTFE系樹脂で合口が1ヶ所の一体型として構成するため、柔軟性があり合口の寸法誤差による漏れも少なくなり、シール性に優れた高性能な圧縮機が得られる。
As a result, the
本実施例によれば、ライダーリング50は酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の材料で構成し、ピストンリング21をPTFE系リングで実施例1、2に示す構造で構成することで、ピストンリング21、ライダーリング50の寿命とシール性に優れた高性能な圧縮機を得ることが可能となる。
According to the present embodiment, the
なお、ライダーリング50もピストンリング21と同様に実施例1に示した構造で面圧低減を行いPTFE系材料で構成することも考えられる。しかし、ライダーリング50はシリンダ8の側圧を機械的に受ける構造のため実施例1で説明したピストンリング1と同一の面圧バランスを考慮して設計することはできない。そのため、例えば面圧を1/2にする場合は面積を2倍にする必要がある。従って、ライダーリング50が大きくなり、ピストン7とピストン7の摺動を受けるシリンダ8も大きくなり、結果的に圧縮機が非常に大型化する。そのため、原価の増加や圧縮機振動の増加(ピストン7の大型化で往復動慣性力が大きくなりアンバランス力による振動が増加するため)などデメリットが大きく、ライダーリング50は本実施例で示したように酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の材料を用いて構成することが圧縮機として総合的に優れたものとなる。
It is also conceivable that the
また、これらの効果を有する材料の組合せは硬度(ショアー硬度(D))で示すと次のようになる。ピストンリング21(PTFE系リング)は柔軟性を有してシール性能を維持するためには硬度40以下が望ましい。また、ライダーリング50は薄肉で構成し強度を有するためには硬度55以上が望ましい。
The combination of materials having these effects is as follows in terms of hardness (Shore hardness (D)). The piston ring 21 (PTFE ring) is flexible and desirably has a hardness of 40 or less in order to maintain sealing performance. Also, the
一方、ピストンリング21は硬度40以上になると柔軟性が欠如し、合口の漏れが多くなるとともに合口が1ヶ所の一体型リングを開いてピストン7に装着することが困難となる。また、ライダーリング50は硬度55以下になると摩耗の増加や強度低下で組付け時に割れるなどの不具合を生じる。
On the other hand, when the hardness of the
本実施例では、2分割のライダーリング50の構造について説明する。実施例1−3と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
In the present embodiment, the structure of the two-
なお、本実施例では、図14に示す通り、ピストンリング1(21)を1つ用いた例を説明するが、図9、10に示すようにピストンリング31−1、31−2を複数用いてもよい。 In this embodiment, an example using one piston ring 1 (21) will be described as shown in FIG. 14, but a plurality of piston rings 31-1 and 31-2 are used as shown in FIGS. May be.
図16Aに示すライダーリング50は、運転中にシリンダ8との接触面(ライダーリング50の外周面)の摩耗が進むと合口が徐々に広がる。ライダーリング50が限界摩耗量まで摩耗し、2つの合口のうち一方の合口が接触し、反対側の合口が開いた場合のライダーリング50を図17に示す。また、ライダーリング50は2分割構造であり、一方の合口が接触した時、他方の合口の隙間は最大となる。このとき、接触した合口と反対側の合口の隙間をa‘(図17)とする。ピストン7とシリンダ8の接触が始まる前に交換が必要となるライダーリング50の限界摩耗量をδ(図16Bに示す)とする。また、2つの合口隙間を同じ寸法になるようにしたときの初期の合口隙間をa(図16Aに示す)とし、2つの合口隙間の合計をAとする。このとき、2×a=Aが成立する。限界摩耗時に接触した合口と反対側の合口の隙間a‘は
a‘=A+2×δ×π ・・・・(1)
となる。In the
It becomes.
なお、ライダーリング50の限界摩耗量δはライダーリング50の径方向の厚さとライダーリング50を装着するピストン7の溝の深さとの差よりも小さな値である。
The limit wear amount δ of the
ライダーリング50は圧縮機運転中に溝内で回転することにより均一に摩耗する。ところが、一方の合口が接触し、反対側の合口が完全に開いた状態(重なりのない状態)になると、合口が開いた位置(合口a’)とピストン7の負荷方向(ピストン7にクランク部18の回転方向の力が作用する方向)が一致すると合口が開いた位置にピストン7が入り込んでしまう。合口が開いた位置にピストン7が入り込んでしまうとライダーリング50が負荷で止まって動かなくなる。この結果、均一に摩耗せずに部分的な摩耗が生じ、ピストン7とシリンダ8との接触に至る寿命を短くすることになる。
The
図18A、Bに合口の一方が接触した場合でも反対側の合口が完全には開かないライダーリング50の構造を初期と限界摩耗時に分けて示す。図18Aに初期のライダーリング50の平面図と側面図を図18Bに限界摩耗時のライダーリング50の平面図と側面図を示す。図18Aに示した初期のライダーリング50は2つの合口隙間がaとなる場合の状態である。図18Bに示した限界摩耗時のライダーリング50は一方の合口(C矢視)が接触し、他方の合口(D矢視)が隙間a‘となるように開いている。
FIGS. 18A and 18B show the structure of the
図18A、Bに示したライダーリング50は、限界摩耗時に一方の合口を接触させても反対側の合口には上下に連続した鉛直な隙間が生じることはない。その結果、接触した合口の反対側が圧縮機の負荷方向と一致した場合でもピストン7がライダーリング50の合口隙間に入り込むことがなく、ライダーリング50の回転方向の動きが止まることはない。
In the
この状態を得るためには、接触した合口との反対側の合口隙間a‘よりも段差部の周方向の長さ(上側合口と下側合口が重なる部分の最大長さ)B(図18BのD矢視方向の側面図に示す長さ)が長いことが必要となる。 In order to obtain this state, the circumferential length of the step portion (maximum length of the portion where the upper joint and the lower joint overlap) B (see FIG. 18B in FIG. 18B) than the joint gap a ′ on the opposite side of the contact joint. The length shown in the side view in the direction of arrow D) is required to be long.
即ち、ライダーリングの合口の段差部の周方向の長さBを以下の式(2)を満たすように構成することで合口に鉛直方向の隙間が生じることがなくなる。 That is, by configuring the circumferential length B of the stepped portion of the rider ring joint so as to satisfy the following expression (2), a vertical gap is not generated at the joint.
B>A+2×δ×π・・・・・(2)
これにより、ライダーリング50の使用中に均一な摩耗を生じ、イレギュラーな寿命の低下を防止できる。B> A + 2 × δ × π (2)
As a result, uniform wear occurs during use of the
本実施例では、2分割のライダーリング50について限界摩耗時でも円滑に使用できる構造を説明する。実施例1−4と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
In the present embodiment, a description will be given of a structure that can be used smoothly even when the wear of the
なお、本実施例では、図14に示す通り、ピストンリング1(21)を1つ用いた例を説明するが、図9、10に示すようにピストンリング31−1、31−2を複数用いてもよい。 In this embodiment, an example using one piston ring 1 (21) will be described as shown in FIG. 14, but a plurality of piston rings 31-1 and 31-2 are used as shown in FIGS. May be.
本実施例は、2つの合口のうち一方の合口が接触して反対側の合口が開いたときでも鉛直な隙間ができず、ライダーリング50が回転方向の動きが止まらない構造に関するものである。
The present embodiment relates to a structure in which a vertical gap is not formed even when one of the two joints contacts and the opposite joint is opened, and the
図19A、Bを用いてこの構造と効果を説明する。 This structure and effect will be described with reference to FIGS. 19A and 19B.
図19Aのライダーリング52の合口は、軸線方向(ピストン7が往復運動する方向)に対して傾斜しており、側面から透視して見た場合に互いに交差するように設けられている。このライダーリングを展開した図が図19Bである。
The joint of the
一方、側面から透視して見た場合に交差しないライダーリング53の形状は図20Aであり展開した図が図20Bである。
On the other hand, the shape of the
何れの構造も合口の傾斜部の周方向長さ(上側合口と下側合口が重なる部分の最大長さ)Bが実施例4で示した式(2)で表される寸法の場合、限界摩耗時でも鉛直な隙間は生じない。 In any structure, in the case where the circumferential length (maximum length of the portion where the upper joint and the lower joint overlap) B is the dimension represented by the formula (2) shown in Example 4, the limit wear Even at times, vertical gaps do not occur.
ところが、図20A、Bに示すライダーリング53は、運転時に2分割構造のライダーリング53の合口で接触した場合、2つの合口において、同じ方向(図20Bにて鉛直方向に示した矢印の方向)に力が作用する。例えば、2分割構造の一方は2つの合口隙間でいずれも上方向、2分割構造の他方は2つの合口でいずれも下方向に力が作用する。従って、ピストン7のリング溝内で押し付けられてしまい、回転方向に動きづらくなる。一方、図19A、Bのライダーリング52場合は2つの合口において、反対方向(図19Bにて上下方向に示した矢印の方向)の力が作用する。例えば、2分割構造の一方は2つの合口隙間で上方向と下方向、2分割構造の他方は2つの合口で下方向と上方向に力が作用する。従って、ピストン7のリング溝内で押し付けられることを抑制でき、リング溝内で回転方向に動きづらくなることを防止できる。これにより、ライダーリング52の使用中に均一な摩耗を生じ、イレギュラーな寿命の低下を防止できる。
However, when the
1 ピストンリング
7 ピストン
8 シリンダ
9 クランク室
10 圧縮室
11 圧縮機本体
15 モータ
16 タンク
21 ピストンリング
22 合口隙間
23 合口隙間
24 上側合口
25 下側合口
26 外周溝
27 シールリング
31−1 第一のピストンリング
31−2 第二のピストンリング
33 ピストン
34、36 背面
35 ランド
37 第一の上側合口
38 第一の下側合口
39 第二の上側合口
40 第二の下側合口
41 ピストンリング
42 合口隙間
45 リップ
46 リップ受け部
47 溝
48 硬度の高い材料で形成したピストンリング
50、51、52、53 硬度の高い材料で形成したライダーリングDESCRIPTION OF
Claims (20)
前記ピストンリングは前記圧縮室側に設けられた上側合口と前記クランク室側に設けられた下側合口とを有し、
前記上側合口において前記ピストンリングの内周側と外周側とが連通し、
前記上側合口に連通し、前記下側合口には連通しない外周溝を前記ピストンリングの外周に設け、
前記ピストンリングの内周側には、前記上側合口および前記下側合口を遮断する遮断部材を設けることを特徴とする圧縮機。A cylinder, a piston that reciprocates between a crank chamber side and a compression chamber side in the cylinder and compresses fluid in the compression chamber, and the crank chamber side and the compression chamber provided in the piston in the cylinder With a piston ring that seals between the sides,
The piston ring has an upper joint provided on the compression chamber side and a lower joint provided on the crank chamber side,
The inner peripheral side and the outer peripheral side of the piston ring communicate with each other at the upper joint,
An outer peripheral groove that communicates with the upper joint and does not communicate with the lower joint is provided on the outer periphery of the piston ring,
The compressor characterized by providing the interruption | blocking member which interrupts | blocks the said upper side joint and the said lower side joint on the inner peripheral side of the said piston ring.
前記複数のピストンリングのうち、少なくとも1つが限界摩耗に達した後も前記圧縮機の使用を継続することを特徴とする圧縮機の使用方法。A cylinder, a piston that reciprocates between a crank chamber side and a compression chamber side in the cylinder and compresses fluid in the compression chamber, and the crank chamber side and the compression chamber provided in the piston in the cylinder A method of using a compressor comprising a plurality of piston rings for sealing between sides,
The method of using a compressor, wherein the compressor is continuously used even after at least one of the plurality of piston rings reaches a limit wear.
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