KR102483899B1

KR102483899B1 - 피스톤 링 및 압축기

Info

Publication number: KR102483899B1
Application number: KR1020207033719A
Authority: KR
Inventors: 나오후미 가네이; 도모히로 오츠카; 히로타카 이토; 히로아키 니이
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2023-01-03
Also published as: US20210156371A1; CN111989511A; US11346332B2; DE112019002189T5; CN111989511B; WO2019208182A1; CA3097100A1; JP7002401B2; KR20210002624A; JP2019190628A

Abstract

피스톤 링은, 실린더, 및 상기 실린더 내를 축 방향으로 왕복 운동하는 피스톤을 구비한 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일한다. 피스톤 링은, 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제1 링부와, 상기 제1 링부와 상기 축 방향으로 나열된 상태에서 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제2 링부를 구비한다. 상기 제2 링부는, 상기 제1 링부에 대하여 상기 실린더 내의 압축실과 반대측에 위치하도록 상기 피스톤의 외주부에 장착됨과 함께, 상기 제1 링부보다도 경도가 크다.

Description

피스톤 링 및 압축기

본 발명은 피스톤 링, 및 이를 구비한 압축기에 관한 것이다.

종래, 특허문헌 1 내지 3에 개시된 바와 같이, 왕복동 압축기 등에 있어서, 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하기 위하여 피스톤 링이 이용되고 있다. 이 피스톤 링을 피스톤의 외주부에 장착함으로써, 실린더의 압축실 내의 가스가 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 통해 누설되는 것을 방지할 수 있다.

특허문헌 1, 2에는, 단면에서 보아 거의 L자형인 한쪽 링 부재와, 당해 한쪽 링 부재에 끼워넣어진 다른 쪽 링 부재를 구비한 피스톤 링이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 3에는, 변성 폴리테트라플루오로에틸렌에 의하여 형성된 피스톤 링이 개시되어 있다.

특허문헌 1 내지 3에 개시된 피스톤 링은, 압축실로부터 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극으로 유입되는 가스의 압력을 받고, 이 압력에 의하여 저압측으로 돌출하도록 변형되는 일이 있다. 즉, 종래의 피스톤 링은, 압축실로부터 유입되는 가스의 압력에 견디지 못하고 변형되는 일이 있으며, 이것에 의하여 피스톤 링의 시일성이 손상된다는 과제가 있다.

일본 특허 공개 제2003-49945호 공보 일본 특허 공개 제2005-83578호 공보 일본 특허 제6068016호 공보

본 발명의 목적은, 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 더 확실히 시일하는 것이 가능한 피스톤 링, 및 이를 구비한 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 관한 피스톤 링은, 실린더, 및 상기 실린더 내를 축 방향으로 왕복 운동하는 피스톤을 구비한 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하기 위한 것이다. 이 피스톤 링은, 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제1 링부와, 상기 제1 링부와 상기 축 방향으로 나열된 상태에서 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제2 링부를 구비하고 있다. 상기 제2 링부는, 상기 제1 링부에 대하여 상기 실린더 내의 압축실과 반대측에 위치하도록 상기 피스톤의 외주부에 장착됨과 함께, 상기 제1 링부보다도 경도가 크다.

본 발명에 따르면, 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 더 확실히 시일하는 것이 가능한 피스톤 링, 및 이를 구비한 압축기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압축기의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 피스톤 링의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 참고예에 있어서의 피스톤 링의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 피스톤 링의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 관한 피스톤 링의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 3에 관한 피스톤 링의 구성을 모식적으로 도시하는 평면도이다.

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 관한 피스톤 링, 및 이를 구비한 압축기에 대하여 상세히 설명한다.

(실시 형태 1)

<압축기>

먼저, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압축기(1)의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은, 압축기(1)에 있어서의 피스톤(30)의 근방의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 또한 도 1은, 압축기(1)에 있어서의 일부의 구성 요소만을 도시하고 있으며, 압축기(1)는, 도 1에 도시되어 있지 않은 다른 임의의 구성 요소를 구비할 수 있다.

압축기(1)는 왕복동 압축기(레시프로 컴프레서)이며, 흡입 밸브(50)를 통해 실린더(20) 내로 흡입된 가스를 피스톤(30)에 의하여 승압하고, 승압된 가스를 토출 밸브(60)를 통해 배출하는 것이다. 도 1에 도시한 바와 같이 압축기(1)는 실린더(20)와 피스톤(30)과 피스톤 로드(40)와 피스톤 링(10)을 주로 구비하고 있다. 또한 도시는 생략하지만, 압축기(1)는 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드 및 크로스헤드 등을 더 구비하고 있다.

본 실시 형태에 있어서의 압축기(1)는, 연료인 수소 가스를 연료 전지 차에 보급하는 시설인 수소 스테이션에 이용되는 것이다. 즉, 압축기(1)에 의하여 고압 상태(예를 들어 35㎫ 이상 또는 40㎫ 이상)로 압축된 수소 가스를 디스펜서에 공급하고, 이 디스펜서로부터 연료 전지 차에 수소 가스를 보급할 수 있다. 그러나 본 발명의 압축기의 용도는 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, 본 실시 형태에 있어서의 압축기(1)의 각 구성 요소에 대하여 각각 설명한다.

실린더(20)는, 예를 들어 원통 형상으로 이루어지며, 가스를 승압하기 위한 압축실(22)을 갖고 있다. 도 1에 도시한 바와 같이 실린더(20)는 내벽면(21)을 가지며, 압축실(22)은 당해 내벽면(21)에 의하여 둘러싸여 있다. 압축실(22)의 용적을 피스톤(30)의 왕복 운동에 의하여 바꿈으로써, 압축실(22) 내로 흡입된 가스가 승압된다.

실린더(20)는, 예를 들어 JIS 규격의 SUH660, JIS 규격의 SUS316(부동태 피막을 포함함) 및 ASME 규격의 SA-638M(GRADE 660) 등의, Cr을 포함하는 강재로 이루어지는 것이다. 실린더(20)의 내벽면(21)에는 Cr의 자연 산화막이 형성된다. 또한 본 발명의 압축기에 있어서, 실린더의 구성 재료는 특별히 한정되지는 않는다.

실린더(20)의 내벽면(21)에 있어서의 산술 평균 조도(Ra)는 0.8 이하로 되어 있다. 이것에 의하여, 피스톤(30)의 왕복 운동 시에 있어서, 실린더(20)의 내벽면(21)에 대하여 피스톤 링(10)을 매끄럽게 미끄럼 이동시키는 것이 가능해진다. 또한 본 발명의 압축기는, 실린더의 내벽면에 있어서의 Ra가 상기 범위 내인 것에 한정되지는 않는다.

피스톤(30)은, 실린더(20)의 내경보다도 작은 외경의 원기둥 형상을 가지며, 실린더(20)의 내벽면(21)에 대하여 직경 방향(도 1 중의 좌우 방향)으로 대향하는 외주부(31)를 갖는다. 도 1에 도시한 바와 같이 피스톤(30)의 외주부(31)와 실린더(20)의 내벽면(21) 사이에는, 직경 방향으로 소정의 폭을 갖는 간극이 형성되어 있다.

피스톤(30)은 실린더(20) 내를 축 방향(도 1 중의 상하 방향)으로 왕복 운동하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 도시 생략된 원동기에 의한 회전 운동을 크랭크 샤프트 및 커넥팅 로드를 통해 피스톤 로드(40)의 축 방향의 왕복 운동으로 전환하고, 이것에 의하여 피스톤 로드(40)의 선단에 설치된 피스톤(30)을 축 방향으로 왕복 운동시킬 수 있다. 피스톤(30)의 왕복 운동에 의하여 압축실(22)의 용적이 바뀌어서, 압축실(22)로의 가스의 흡입과 흡입된 가스의 압축을 반복하여 행할 수 있다.

피스톤 링(10)은, 피스톤(30)의 외주부(31)와 실린더(20)의 내벽면(21) 사이의 간극을 시일하기 위한 부품이다. 피스톤 링(10)은 피스톤(30)의 외주부(31)에 장착되어 있으며, 피스톤(30)의 왕복 운동 시에 있어서 실린더(20)의 내벽면(21)에 대하여 미끄럼 이동한다.

피스톤 링(10)에 의하여 상기 간극을 시일함으로써 압축실(22)로부터의 가스 G1의 누설을 방지할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 압축기(1)는 이 피스톤 링(10)의 구성에 특징을 갖고 있으며, 이하, 이에 대하여 상세히 설명한다.

<피스톤 링>

도 2는, 피스톤 링(10)과 실린더(20)의 내벽면(21)의 미끄럼 이동 부분의 구성을 상세히 도시하고 있다. 또한 도 2 중의 피스톤 링(10)의 단면은, 도 4 중의 선분 Ⅱ-Ⅱ을 따른 단면에 상당한다. 도 2에 도시한 바와 같이 피스톤(30)의 외주부(31)에는, 직경 방향에 있어서 실린더(20)의 내벽면(21)에서 떨어지는 방향으로 오목한 홈(32)이 형성되어 있다. 홈(32)은, 축 방향으로 연장되는 홈 저면(32A)과, 당해 홈 저면(32A)에 연속 형성됨과 함께 직경 방향으로 연장되는 1쌍의 홈 벽면(32B)을 포함하며, 피스톤(30)의 주위 방향 전체에 걸쳐 환형으로 형성되어 있다.

이하의 설명에 있어서, 도 2 중의 상측의 홈 벽면(32B)을 「톱측 홈 벽면」이라 칭하고, 도 2 중의 하측의 홈 벽면(32B)을 「보텀측 홈 벽면」이라 칭하는 일이 있다. 도 2에 도시한 바와 같이 홈 벽면(32B)에는, 축 방향으로 연장됨과 함께 직경 방향에 있어서 홈 저면(32A)보다도 실린더(20)의 내벽면(21) 가까이에 위치하는 외주면(33)이 연속 형성되어 있다.

피스톤 링(10)은 원환형의 부품이며, 피스톤(30)의 홈(32) 내에 수용되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이 피스톤 링(10)의 축 방향의 두께 T1은, 홈 저면(32A)의 축 방향의 길이보다도 작게 되어 있으며, 예를 들어 1㎜ 이상이다. 또한 피스톤 링(10)의 직경 방향의 두께 T2는, 실린더(20)의 내벽면(21)과 피스톤(30)의 외주면(33) 사이의 간극보다도 크고, 또한 당해 내벽면(21)과 홈 저면(32A) 사이의 간극보다도 작게 되어 있다.

이 때문에 피스톤 링(10)은, 압축실(22)(도 1)로부터 유입되는 가스 G1의 압력에 의하여 축 방향으로 밀려, 내주 부분이 보텀측 홈 벽면(32B)으로 압박된 상태로 된다. 또한 피스톤 링(10)은, 홈(32) 내로 유입되는 가스 G1(톱측 홈 벽면(32B)을 따라 흐르는 가스 G1)에 의하여 내주면이 직경 방향 외향으로 밀려, 외주면이 실린더(20)의 내벽면(21)으로 압박되어 밀착된 상태로 된다. 이것에 의하여, 피스톤 링(10)에 의한 시일 효과가 확보된다.

피스톤 링(10)은, 피스톤(30)의 외주부(31)에 장착되는 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)를 구비하며, 이들이 축 방향으로 서로 겹쳐진 구성을 갖고 있다. 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)는 각각 별체로서 구성된 원환형의 부품이며, 예를 들어 직사각형 단면을 갖고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)는 각각 동일한 크기 및 형상을 갖고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2에 도시한 바와 같이 제1 링부(11)는, 실린더(20)의 내벽면(21)에 대하여 미끄럼 이동하는 제1 링 외주면(11A)과, 직경 방향에 있어서 제1 링 외주면(11A)과 반대측을 향하는 제1 링 내주면(11B)과, 압축실(22)(도 1)로부터 유입되는 가스 G1의 압력을 받는 제1 링 상면(11C)과, 축 방향에 있어서 제1 링 상면(11C)과 반대측을 향하는 제1 링 하면(11D)을 포함한다. 또한 제2 링부(12)는, 실린더(20)의 내벽면(21)에 대하여 미끄럼 이동하는 제2 링 외주면(12A)과, 직경 방향에 있어서 제2 링 외주면(12A)과 반대측을 향하는 제2 링 내주면(12B)과, 제1 링 하면(11D)측을 향하는 제2 링 상면(12C)과, 축 방향에 있어서 제2 링 상면(12C)과 반대측을 향하는 제2 링 하면(12D)을 포함한다.

제1 링부(11) 및 제2 링부(12)의 직경 방향의 두께는, 상술한 두께 T2에 상당한다. 또한 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)의 축 방향의 두께는, 상술한 링 전체의 두께 T1의 절반이다. 도 2에 도시한 바와 같이 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)는, 동일한 홈(32) 내에서 서로 맞닿음 가능하게(제1 링 하면(11D)과 제2 링 상면(12C)이 서로 맞닿도록) 배치되어 있다.

제1 링부(11)는, 도 2에 도시하는 시일 상태에 있어서 홈(32) 내에 수용되는 제1 피수용부와, 당해 시일 상태에 있어서 외주면(33)보다도 직경 방향 외측으로 돌출하여 내벽면(21)에 미끄럼 접촉하는 제1 미끄럼 접촉부를 갖는다. 제1 피수용부는, 제1 내주면(11B)을 포함하는 직사각형 단면의 부분이고, 제1 미끄럼 접촉부는, 제1 외주면(11A)을 포함하는 직사각형 단면의 부분이다.

마찬가지로 제2 링부(12)는, 도 2에 도시하는 시일 상태에 있어서 홈(32) 내에 수용되는 제2 피수용부와, 당해 시일 상태에 있어서 외주면(33)보다도 직경 방향 외측으로 돌출하여 내벽면(21)에 미끄럼 접촉하는 제2 미끄럼 접촉부를 갖는다. 제2 피수용부는, 제2 내주면(12B)을 포함하는 직사각형 단면의 부분이고, 제2 미끄럼 접촉부는, 제2 외주면(12A)을 포함하는 직사각형 단면의 부분이다.

도 2에 도시한 바와 같이 제2 링부(12)는 제1 링부(11)와 축 방향으로 나열됨과 함께, 제1 링부(11)에 대하여 실린더(20) 내의 압축실(22)(도 1)과 반대측에 위치하도록 피스톤(30)의 외주부(31)에 장착되어 있다. 달리 말하면 제2 링부(12)는, 축 방향에 있어서 압축실(22)과의 사이에 제1 링부(11)를 사이에 두는 위치에 배치되어 있다.

제2 링부(12)는 제1 링부(11)보다도 경도 및 강도가 크게 되어 있다. 구체적으로는, 제2 링부(12)의 인장 강도는, 예를 들어 30㎫ 이상이고, 제1 링부(11)의 인장 강도는 10㎫ 이상이다. 또한 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)의 내열 온도는, 예를 들어 200℃ 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이, 경도 및 강도가 큰 제2 링부(12)를 제1 링부(11)에 대하여 압축실(22)(도 1)과 반대측에 위치시킴으로써 이하와 같은 효과가 얻어진다.

도 3은, 제2 링부를 갖지 않는 참고예의 피스톤 링(100)을 이용하여 피스톤(300)의 외주부(310)와 실린더(200)의 내벽면(210) 사이의 간극을 시일하는 상태를 도시하고 있다. 이 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 피스톤 링(100)의 미끄럼 접촉부(외주면(330)보다도 직경 방향 외측으로 돌출하여 내벽면(210)에 미끄럼 접촉하는 부분)는, 압축실로부터 유입되는 가스 G100의 압력에 견디지 못하고 저압측을 향하여 돌출하도록 변형되어 버린다. 특히 본 실시 형태와 같이 고압의 수소 가스를 취급하는 압축기에서는, 피스톤 링에 가해지는 압력이 크기 때문에 이와 같은 문제가 생기기 쉽다.

이에 비해, 본 실시 형태에 관한 피스톤 링(10)에 따르면, 경도 및 강도가 큰 제2 링부(12)를, 도 2에 도시하는 위치(제1 링 하면(11D)에 맞닿는 위치)에 배치함으로써, 가스 G1의 압력에 의하여 제1 링부(11)가 저압측을 향하여 변형되는 것을 억제할 수 있다. 더 구체적으로는, 가스 G1의 압력에 의하여 축 방향(도 2 중의 하향)으로 밀리는 제1 링부(11)(외주면(33)보다도 직경 방향 외측으로 돌출한 부분)는, 제2 링 상면(12C)으로 지지됨으로써 저압측으로의 변형이 저지된다. 따라서 제1 링부(11)를 실린더(20)의 내벽면(21)에 밀착시켜 시일성을 확보함과 함께, 제1 링부(11)의 변형에 의한 파손을 방지할 수 있다.

다음으로, 피스톤 링(10)의 구성 재료에 대하여 상세히 설명한다.

제1 링부(11) 및 제2 링부(12)는, 변성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리아릴에테르케톤(PAEK; polyaryletherketone), 폴리이미드(PI; polyimide) 및 폴리벤조이미다졸(PBI; polybenzimidazole)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 주성분과, 카본 필러(CF; carbonfiller)를 갖는 첨가제를 포함한다. 「주성분」이란, 그 비율이 첨가제의 비율보다도 큰 것을 의미한다. 주성분으로서, 변성 PTFE, PAEK, PI 및 PBI로 이루어지는 군으로부터 2종 이상의 재료가 선택된 경우에는, 선택된 재료의 합계의 비율이 첨가제의 비율보다도 큰 것을 의미한다.

「PAEK」는, 벤젠환이 에테르 및 케톤에 의하여 결합된 직쇄상 폴리머의 총칭이며, 폴리에테르에테르케톤(PEEK; polyetheretherketone), 폴리에테르케톤(PEK; polyetherketone) 및 폴리에테르케톤케톤(PEKK; polyetherketoneketone) 등을 포함한다. 「PI」는 열경화성 및 열가소성의 것을 포함한다. 즉, 열경화성 폴리이미드 외에 폴리에테르이미드(PEI; polyetherimide) 등의 열가소성 폴리이미드(TPI; thermoplastic polyimide)가 포함된다. 또한 「변성 PTFE」는, PTFE의 불소가 소정의 관능기에 의하여 치환된 것이며, PTFE에 비해 강도를 높일 수 있다. 「CF」로서는 그래파이트나 카본파이버 등을 들 수 있다. 그래파이트로서는 일반적인 그래파이트나 나노 그래파이트가 있다. 카본파이버로서는 PAN(polyacrylonitrile)계와 피치(PITCH)계의 것이 있다.

CF의 첨가량은, 특별히 한정되는 것은 아니지만 5질량% 이상 40질량% 이하인 것이 바람직하다. CF를 5질량% 이상 첨가함으로써 피스톤 링(10)의 윤활성을 향상시킬 수 있다. 한편, 40질량%를 초과하여 CF를 첨가하면, 피스톤(30)의 왕복 운동 시에 실린더(20)의 내벽면(21)이 깎여 버린다. 이 때문에 CF의 첨가량은, 5질량% 이상 40질량% 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

또한 CF 이외의 첨가제로서, 예를 들어 폴리아미드이미드(PAI; polyamideimide)가 더 첨가되어도 된다. 이것에 의하여 피스톤 링(10)의 가공성을 높일 수 있다. 또한 상술한 「첨가제의 비율」이란, 첨가제가 CF만 포함하는 경우에는 CF의 비율을 의미하고, 첨가제가 CF 및 PAI를 포함하는 경우에는 CF와 PAI의 비율의 합계를 의미한다. 또한 본 실시 형태에 관한 피스톤 링(10)은 첨가제로서의 PTFE를 포함하지 않는다.

피스톤(30)을 왕복 운동시키면, 실린더(20)의 내벽면(21)에 대한 미끄럼 이동에 의하여 피스톤 링(10)의 외주면이 깎여 첨가제의 CF가 내벽면(21)에 부착된다. 이것에 의하여, 당해 내벽면(21)에 있어서 CF로 이루어지는 저마찰의 막이 형성된다. 따라서 양 미끄럼 이동면(피스톤 링(10)의 외주면과 실린더(20)의 내벽면(21))에 동일한 재료(CF)가 포함되는 상태로 되어서 피스톤 링(10)의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 실시 형태에 관한 압축기(1)는, 수소 스테이션에 있어서의 수소 가스의 승압에 이용된다. 여기서, 예를 들어 폴리페닐렌술파이드(PPS; polyphenylenesulfide)나 이황화몰리브덴(MoS₂) 등의 황 함유 재료를 피스톤 링의 재료로서 이용하면, 연료 전지 차에 공급되는 수소 가스에 대한 황의 혼입이 문제로 되는 경우가 있다. 이에 비해, 본 실시 형태와 같이 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)를, 황을 포함하지 않는 재료로 형성함으로써, 연료 전지 차에 대한 황의 혼입을 방지할 수 있다. 게다가 이들 재료에 의하면 피스톤 링(10)의 강도 및 미끄럼 이동성을, PPS나 MoS₂ 등의 재료를 이용한 경우와 동등하게 유지할 수 있다.

또한 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)는, PAEK(예를 들어 PEEK), PI 및 PBI로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 주성분을 포함하고 있어도 된다.

이들 재료에 의하면, 황뿐 아니라 할로겐이 수소 가스 중에 혼입하는 것을 방지할 수 있다.

제1 링부(11) 및 제2 링부(12)의 주성분을 구성하는 재료의 조합으로서는, 변성 PTFE만, PAEK만, PI만, PBI만, 변성 PTFE와 PAEK의 조합, 변성 PTFE와 PI의 조합, 변성 PTFE와 PBI의 조합, PAEK와 PI의 조합, PAEK와 PBI의 조합, PI와 PBI의 조합, 변성 PTFE와 PAEK와 PI의 조합, 변성 PTFE와 PAEK와 PBI의 조합, 변성 PTFE와 PI와 PBI의 조합, PAEK와 PI와 PBI의 조합, 및 변성 PTFE와 PAEK와 PI와 PBI의 조합을 들 수 있다. 또한 상기 조합에 있어서의 「PAEK」는 PEEK만이어도 되고, PEK만이어도 되고, PEKK만이어도 되고, PEEK와 PEK의 조합이어도 되고, PEEK와 PEKK의 조합이어도 되고, PEK와 PEKK의 조합이어도 되고, PEEK와 PEK와 PEKK의 조합이어도 된다. 이들 재료는 피스톤 링(10)의 내마모성 향상에 있어서도 바람직하다.

상기 재료의 조합은, 제2 링부(12)의 경도가 제1 링부(11)의 경도보다도 크고, 또한 제2 링부(12)의 강도가 제1 링부(11)의 강도보다도 크다는 관계가 만족되도록 선택된다. 일례로서 제1 링부(11)가, 변성 PTFE로 이루어지는 주성분을 포함하고, 제2 링부(12)가, PI 및 PEEK 중 적어도 1종으로 이루어지는 주성분을 포함하고 있어도 된다.

도 4는, 피스톤 링(10)을 축 방향에서 평면으로 본 때의 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 4 중에 있어서, 제1 링부(11)를 실선으로 나타내고 제2 링부(12)를 파선으로 나타내고 있다. 또한 도 4에서는 편의상, 제1 링부(11) 및 제2 링부(12)를 내경 및 외경이 각각 다르게 그리고 있지만, 양 링부의 내경 및 외경은 각각 동일하다. 또한 도 4 중에 있어서, 피스톤(30)의 도시는 생략되어 있다.

도 4에 도시한 바와 같이 제1 링부(11)에는, 주위 방향의 일부를 잘라 낸 제1 합구부(11A)가 형성되어 있다. 더 구체적으로는, 제1 링부(11)는, 제1 합구부(11A)에 대하여 직경 방향의 반대측에 위치하는 제1 기단부(11B)와, 제1 기단부(11B)로부터 제1 합구부(11A)를 향하여 원호형으로 연장되는 1쌍의 제1 암부(11C)를 갖고 있다. 1쌍의 제1 암부(11C)는, 제1 링부(11)의 원주의 절반보다도 약간 짧은 원호 길이를 가지며, 제1 기단부(11B)로부터 각각 반대 방향으로 연장되어 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 제1 합구부(11A)는, 1쌍의 제1 암부(11C)의 제1 선단면(11CC) 사이의 간극에 상당한다.

제2 링부(12)는 기본적으로 제1 링부(11)와 마찬가지의 형상을 갖고 있다. 즉, 제2 링부(12)에는, 주위 방향의 일부를 잘라 낸 제2 합구부(12A)가 형성되어 있다. 더 상세하게는, 제2 링부(12)는, 제2 합구부(12A)에 대하여 직경 방향의 반대측에 위치하는 제2 기단부(12B)와, 제2 기단부(12B)로부터 제2 합구부(12A)를 향하여 원호형으로 연장되는 1쌍의 제2 암부(12C)를 갖는다. 1쌍의 제2 암부(12C)는, 제2 링부(12)의 원주의 절반보다도 약간 짧은 원호 길이를 가지며, 제2 기단부(12B)로부터 각각 반대 방향으로 연장되어 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 제2 합구부(12A)는, 1쌍의 제2 암부(12C)의 제2 선단면(12CC) 사이의 간극에 상당한다.

이와 같이 제1 링부(11)에 제1 합구부(11A)를 형성함으로써, 제1 기단부(11B)를 중심으로 제1 암부(11C)를 넓혀서 제1 링부(11)를 용이하게 직경 확대할 수 있다. 이것에 의하여 제1 링부(11)를 피스톤(30)의 외주부(31)에 용이하게 장착할 수 있다.

또한 제2 링부(12)는, 축 방향에 있어서 제1 합구부(11A)와 겹쳐지는 부분(제2 기단부(12B))을 갖고 있다. 구체적으로는, 제2 기단부(12B)는 축 방향에서 보아 제1 합구부(11A)의 전체를 막도록 당해 제1 합구부(11A)와 축 방향으로 겹쳐져 있다. 이것에 의하여, 압축실(22)(도 1)로부터 제1 합구부(11A)로 유입된 가스는, 제2 기단부(12B)에 있어서 제2 링 상면(12C)(도 2)에 접촉하기 때문에 저압측으로의 가스 누설이 억제된다. 이와 같이 제2 링부(12)는, 제1 합구부(11A)를 막을 수 있는 형상이면 되며, 피스톤 링(10)의 전체 주위에 걸쳐 존재하고 있지 않아도 된다.

또한 본 실시 형태에서는, 제1 합구부(11A)와 제2 합구부(12A)가 서로 직경 방향의 반대측에 위치하는(주위 방향에 있어서 180° 어긋나는) 경우에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 상술한 바와 같은 가스 누설 방지 기능이 얻어지도록 제2 합구부(12A)가 제1 합구부(11A)에 대하여 주위 방향으로 어긋난 위치에 있으면 된다.

(실시 형태 2)

다음으로, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 피스톤 링(10A)에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 실시 형태 2에 관한 피스톤 링(10A)은, 기본적으로 실시 형태 1에 관한 피스톤 링(10)과 마찬가지의 구성을 구비하고 또한 마찬가지의 효과를 발휘하는 것이지만, 제2 링부(12)가 복수의 링 요소로 분할되어 있는 점에서 다르다. 이하, 실시 형태 1에 관한 피스톤 링(10)과 상이한 점에 대해서만 설명한다.

도 5는, 피스톤 링(10A)을 축 방향에서 평면으로 본 때의 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 제2 링부(12)는, 주위 방향으로 분할되는 복수의(본 실시 형태에서는 2개의) 제2 링 요소(71)를 포함한다. 각 제2 링 요소(71)는, 제2 링부(12)의 주위 방향을 따라 연장되는 원호 형상을 갖는 부품이며, 제2 링부(12)의 원주의 절반보다도 약간 짧은 원호 길이를 갖고 있다.

각 제2 링 요소(71)는, 홈(32)(도 2) 내에 수용된 상태에서 피스톤(30)의 외주부(31)에 각각 장착된다. 이 장착 상태에 있어서, 제2 링 요소(71)의 단부면끼리의 사이에는 제2 합구부(12A)가 형성된다. 본 실시 형태에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 직경 방향에 있어서 서로 반대측에 위치하는(주위 방향에 있어서 180° 어긋나게 위치하는) 2개의 제2 합구부(12A)가 형성된다.

2개의 제2 합구부(12A)는 각각, 제1 합구부(11A)에 대하여 주위 방향으로 어긋난 위치(예를 들어 90° 어긋난 위치)에 있다. 이 때문에 제2 링부(12)는, 실시 형태 1과 마찬가지로 축 방향에 있어서 제1 합구부(11A)와 겹쳐지는 부분(도 5 중의 상측의 제2 링 요소(71)의 중간 부분)을 갖고 있다. 이 때문에 실시 형태 1과 마찬가지의 가스 누설 방지 기능이 얻어진다.

실시 형태 2에 관한 피스톤 링(10A)에서는, 제2 링부(12)가 복수의 제2 링 요소(71)로 분할된 구성으로 함으로써, 제2 링부(12)를 피스톤(30)의 외주부(31)에 더 장착하기 쉬워진다. 즉, 실시 형태 1의 링 형상에서는, 제2 기단부(12B)를 중심으로 제2 암부(12C)를 크게 넓힐 필요가 있지만, 실시 형태 2에서는, 각 제2 링 요소(71)를 피스톤(30)의 홈(32)에 끼워넣는 것만으로 간단히 장착할 수 있다. 상술한 바와 같이 제2 링부(12)는, 경도 및 강도가 커서 장착 시에 직경 확대하는 것이 곤란하지만, 실시 형태 2와 같이 복수의 제2 링 요소(71)로 분할함으로써 장착의 용이성을 확보할 수 있다.

또한 실시 형태 2에서는, 제2 링부(12)가 2개의 제2 링 요소(71)로 분할되는 경우에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지는 않으며, 제2 링부(12)가, 3개 이상의 제2 링 요소(71)로 분할되어도 된다. 또한 각 제2 링 요소(71)의 크기가 동일한 경우에 한정되지는 않으며, 각 제2 링 요소(71)의 크기가 서로 달라도 된다.

(실시 형태 3)

다음으로, 본 발명의 실시 형태 3에 관한 피스톤 링(10B)에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다. 실시 형태 3에 관한 피스톤 링(10B)은, 기본적으로 실시 형태 2에 관한 피스톤 링(10A)(도 5)과 마찬가지의 구성을 구비하고 또한 마찬가지의 효과를 발휘하는 것이지만, 제1 링부(11)가 복수의 링 요소로 분할되어 있는 점에서 다르다. 이하, 실시 형태 2에 관한 피스톤 링(10A)과 상이한 점에 대해서만 설명한다.

도 6은, 피스톤 링(10B)를 축 방향에서 평면으로 본 때의 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 6에 도시한 바와 같이 제1 링부(11)는, 주위 방향으로 분할되는 복수의(본 실시 형태에서는 2개의) 제1 링 요소(72)를 포함한다. 각 제1 링 요소(72)는, 제1 링부(11)의 주위 방향을 따라 연장되는 원호 형상을 갖는 부품이며, 제1 링부(11)의 원주의 절반보다도 약간 짧은 원호 길이를 갖고 있다.

각 제1 링 요소(72)는, 홈(32)(도 2) 내에 수용된 상태에서 피스톤(30)의 외주부(31)에 장착된다. 이 장착 상태에 있어서, 제1 링 요소(72)의 단부면끼리의 사이에는 제1 합구부(11A)가 형성된다. 본 실시 형태에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 직경 방향에 있어서 서로 반대측에 위치하는(주위 방향에 있어서 180° 어긋나게 위치하는) 2개의 제1 합구부(11A)가 형성된다.

도 6에 도시한 바와 같이 제1 합구부(11A)는, 제2 합구부(12A)에 대하여 주위 방향으로 어긋난 위치(예를 들어 90° 어긋난 위치)에 있다. 이 때문에 제2 링부(12)는, 실시 형태 2와 마찬가지로 축 방향에 있어서 제1 합구부(11A)와 겹쳐지는 부분(각 제2 링 요소(71)의 중간 부분)을 갖고 있다. 이 때문에 실시 형태 2와 마찬가지의 가스 누설 방지 기능이 얻어진다.

본 실시 형태에 관한 피스톤 링(10B)에 따르면, 제1 링부(11)를 복수의 제1 링 요소(72)로 분할함으로써 제1 링부(11)의 장착의 용이성도 확보할 수 있다. 또한 제1 링부(11)가 2개의 제1 링 요소(72)로 분할되는 경우에 한정되지는 않으며, 제1 링부(11)가 3개 이상의 제1 링 요소(72)로 분할되어도 된다. 또한 각 제1 링 요소(72)의 크기가 동일한 경우에 한정되지는 않으며, 각 제1 링 요소(72)의 크기가 서로 달라도 된다.

또한 실시 형태 3에 관한 피스톤 링(10B)에 있어서, 제2 링부(12)가 복수의 제2 링 요소(71)로 분할되어 있지 않아도 된다. 즉, 실시 형태 3의 제1 링부(11)와 실시 형태 1의 제2 링부(12)가 조합되어도 된다. 이 경우에도, 제2 합구부(12A)가 축 방향에 있어서 제1 합구부(11A)와 겹쳐지지 않도록 위치 조정되는 것이 바람직하다.

또한 상기 실시 형태를 개략적으로 설명하면 이하와 같다.

상기 실시 형태에 관한 피스톤 링은, 실린더, 및 상기 실린더 내를 축 방향으로 왕복 운동하는 피스톤을 구비한 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하기 위한 것이다. 이 피스톤 링은, 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제1 링부와, 상기 제1 링부와 상기 축 방향으로 나열된 상태에서 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제2 링부를 구비하고 있다. 상기 제2 링부는, 상기 제1 링부에 대하여 상기 실린더 내의 압축실과 반대측에 위치하도록 상기 피스톤의 외주부에 장착됨과 함께, 상기 제1 링부보다도 경도가 크다.

이 피스톤 링은, 제1 링부와 제2 링부가 축 방향으로 나열됨과 함께, 제2 링부가 제1 링부에 대하여 압축실과 반대측에 위치하는 상태에서 피스톤의 외주부에 장착된다. 그리고 제2 링부는 제1 링부보다도 경도가 크다. 이 때문에, 압축실로부터 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극으로 가스가 유입되더라도, 이 가스의 압력을 받은 제1 링부가 저압측으로 변형되는 것을 제2 링부에 의하여 억제할 수 있다. 따라서 상기 실시 형태에 관한 피스톤 링에 따르면, 제1 링부의 변형에 의한 파손을 방지하여 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 더 확실히 시일할 수 있다.

여기서 말하는 「경도」란, 예를 들어 로크웰 경도(기호 HR)나 듀로미터 경도(기호 HDA, HDD, HDE)이다. 로크웰 경도는, JIS K7202-2나 JIS Z2245에 준거한 방법에 의하여 측정된다. 듀로미터 경도는, JIS K6253이나 JIS K7215에 준거한 방법에 의하여 측정된다. 또한 비커스 경도 등 다른 시험 방법에 의하여 측정되는 경도여도 된다.

상기 피스톤 링에 있어서, 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는, 상기 피스톤의 외주부에 있어서 상기 실린더의 내벽면에서 떨어지는 방향으로 오목하게 형성된 동일한 홈 내에서 서로 맞닿음 가능하게 배치되어도 된다.

이 구성에 따르면, 제2 링부를 제1 링부에 대하여 맞닿음 가능하게 배치함으로써 제1 링부의 변형을 더 확실히 방지할 수 있다.

상기 피스톤 링에 있어서, 상기 제2 링부는, 주위 방향으로 분할됨과 함께 상기 피스톤의 외주부에 각각 장착되는 복수의 링 요소를 포함하고 있어도 된다.

이 구성에 따르면, 제2 링부가 단체의 링 요소에 의하여 구성되는 경우에 비해 피스톤의 외주부에 대한 장착이 더 용이해진다. 즉, 제2 링부는, 경도가 크기 때문에 단체의 링 요소를 직경 확대하여 장착하는 것이 곤란한 것에 대하여, 상술한 바와 같이 복수의 링 요소로 분할함으로써 장착의 용이성을 확보할 수 있다.

상기 피스톤 링에 있어서, 상기 제1 링부에는, 주위 방향의 일부를 잘라 낸 합구부가 형성되어 있어도 된다. 상기 제2 링부는, 상기 축 방향에 있어서 상기 합구부와 겹쳐지는 부분을 갖고 있어도 된다.

이 구성에 따르면, 제1 링부에 합구부를 형성함으로써 제1 링부를 직경 확대하여 피스톤의 외주부에 용이하게 장착할 수 있다. 게다가 제2 링부가, 제1 링부의 합구부와 축 방향으로 겹쳐지는 부분을 갖기 때문에, 압축실로부터 제1 링부의 합구부로 유입된 가스가 저압측으로 누설되는 것을 방지할 수 있다.

상기 피스톤 링은, 수소 스테이션용의 상기 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하기 위한 것이어도 된다. 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는, 변성 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아릴에테르케톤, 폴리이미드 및 폴리벤조이미다졸로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 주성분과, 카본 필러를 갖는 첨가제를 포함하고 있어도 된다.

수소 스테이션용 압축기에 있어서의 피스톤 링의 재료로서, 예를 들어 폴리페닐렌술파이드나 이황화몰리브덴 등의 황 함유 재료가 있다. 그러나 이들 황 함유 재료로 형성된 피스톤 링을 이용한 경우, 연료 전지 차에 공급되는 수소 가스에 황이 혼입되어 버리는 일이 있다.

이에 비해, 상술한 바와 같이 황을 포함하지 않는 재료를 제1 링부나 제2 링부의 주성분 또는 첨가제로서 이용함으로써, 연료 전지 차에 대한 황의 혼입을 방지할 수 있다. 게다가 이들 재료에 의하면, 피스톤 링의 강도 및 미끄럼 이동성을, 폴리페닐렌술파이드나 이황화몰리브덴 등의 황 함유 재료를 이용한 경우와 동등하게 유지할 수 있다.

상기 피스톤 링에 있어서, 상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는, 폴리아릴에테르케톤, 폴리이미드 및 폴리벤조이미다졸로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 주성분을 포함하고 있어도 된다.

제1 링부 및 제2 링부의 주성분을 상기 재료로 형성함으로써, 연료 전지 차에 대한 할로겐의 혼입을 방지할 수 있다.

상기 피스톤 링에 있어서, 상기 제1 링부는, 변성 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 주성분을 포함하고 있어도 된다. 상기 제2 링부는, 폴리이미드 및 폴리에테르에테르케톤 중 적어도 1종으로 이루어지는 주성분을 포함하고 있어도 된다.

상기 재료를 주성분으로서 이용함으로써 피스톤 링의 강도 및 미끄럼 이동성을 더 높일 수 있다.

상기 실시 형태에 관한 압축기는, 가스를 승압하기 위한 압축실을 갖는 실린더와, 상기 압축실의 용적을 변화시키도록 상기 실린더 내를 축 방향으로 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하도록 상기 피스톤의 외주부에 장착된 상기 피스톤 링을 구비하고 있다.

이 압축기에 따르면, 상기 실시 형태에 관한 피스톤 링을 이용함으로써 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 더 확실히 시일할 수 있다.

상기 압축기에 있어서, 상기 실린더는, Cr을 포함하는 강재로 이루어져 있어도 된다.

상기 강재로 이루어지는 실린더를 구비한 압축기는, 수소 가스를 취급하는 용도에 있어서 특히 바람직하다.

상기 압축기에 있어서, 상기 실린더의 내벽면에 있어서의 산술 평균 조도가 0.8 이하여도 된다.

이것에 의하여, 피스톤이 왕복 운동할 때, 피스톤 링을 실린더의 내벽면에 대하여 매끄럽게 미끄럼 이동시킬 수 있다.

금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의하여 나타나며, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

수소 스테이션용의 압축기에 있어서,
가스를 승압하기 위한 압축실을 갖는 실린더와,
상기 압축실의 용적을 변화시키도록 상기 실린더 내를 축 방향으로 왕복 운동하는 피스톤과,
상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하도록 상기 피스톤의 외주부에 장착된 피스톤 링,
을 구비하고,
상기 피스톤 링은,
상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제1 링부와,
상기 제1 링부와 상기 축 방향으로 나열된 상태에서 상기 피스톤의 외주부에 장착되어, 상기 실린더의 내벽면에 대하여 미끄럼 이동 가능한 제2 링부를 구비하고,
상기 제2 링부는, 상기 제1 링부에 대하여 상기 실린더 내의 압축실과 반대측에 위치하도록 상기 피스톤의 외주부에 장착됨과 함께, 상기 제1 링부보다도 경도가 크고,
상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는,
변성 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아릴에테르케톤, 폴리이미드 및 폴리벤조이미다졸로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 주성분과,
카본 필러를 갖는 첨가제를 포함하고,
상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는, 황 함유 재료를 포함하지 않는 재료로 구성되는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는, 상기 피스톤의 외주부에 있어서 상기 실린더의 내벽면에서 떨어지는 방향으로 오목하게 형성된 동일한 홈 내에서 서로 맞닿음 가능하게 배치되는 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 링부는, 주위 방향으로 분할됨과 함께 상기 피스톤의 외주부에 각각 장착되는 복수의 링 요소를 포함하는 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 링부에는, 주위 방향의 일부를 잘라 낸 합구부가 형성되어 있고,
상기 제2 링부는, 상기 축 방향에 있어서 상기 합구부와 겹쳐지는 부분을 갖는 압축기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 링부 및 상기 제2 링부는, 폴리아릴에테르케톤, 폴리이미드 및 폴리벤조이미다졸로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 주성분을 포함하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1 링부는, 변성 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 주성분을 포함하고,
상기 제2 링부는, 폴리이미드 및 폴리에테르에테르케톤 중 적어도 1종으로 이루어지는 주성분을 포함하는 압축기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 실린더의 내벽면에 있어서의 산술 평균 조도가 0.8 이하인 압축기.