KR102657058B1

KR102657058B1 - 피스톤 링

Info

Publication number: KR102657058B1
Application number: KR1020207030856A
Authority: KR
Inventors: 한스 군나르 퀴비스트
Original assignee: 페더럴-모굴 예테보리 에이비
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2024-04-15
Also published as: JP2021518517A; KR20200136969A; WO2019185546A1; CN112105849B; EP3546805A1; EP3775630A1; CN112105849A; JP7299233B2

Abstract

피스톤 링이 제공된다. 피스톤 링은 기하학적 축을 중심으로 원주 방향을 따라 연장하는 메인 섹션, 제1 설부와 제2 설부를 포함하고, 사용 중에 제1 설부는 제2 설부와 중첩되어 접촉 계면을 형성하도록 구성된다. 메인 섹션에서, 상기 외주연 표면은 원주 방향으로 연장하는 테이퍼지는 제1 표면 부분을 포함하고, 상기 테이퍼지는 제1 표면 부분은 테이퍼 시작점을 구비한다. 상기 제1 설부에 인접한 곳에서, 상기 테이퍼 시작점은 메인 섹션의 나머지 부분에서의 테이퍼 시작점의 위치에 비해 근위 방향에 위치된다.

Description

피스톤 링

본 발명은 피스톤 링, 특히 대형 엔진에 사용되도록 의도되는 종류의 피스톤 링에 관한 것이다.

피스톤 링은, 메인 섹션의 두 단부가 폐쇄형 링을 형성하기 위해 중첩 영역에서 상호 결합하는 설부를 통해 서로 연결됨으로써 형성될 수 있다. 피스톤 링은 통상적으로 피스톤의 외주연 부분에 있는 링 홈에 장착된다. 피스톤 링은 탄력적이고, 실린더의 내측 표면과 미끄럼 접촉되도록 의도된다. 피스톤 링은 피스톤 및 실린더와 함께 엔진의 연소실을 형성할 수 있다.

예를 들어, 선박 엔진과 같은 대형 디젤 엔진에 사용되기에 바람직한 종류의 피스톤 링은 엔진의 작동 중에 극한의 조건에 노출된다. 고도의 마모, 열 및 부식 발생은 피스톤 링을 빠르게 마모시켜, 교체가 필요하도록 한다. 피스톤 링의 수명을 연장하기 위한 많은 방법들이 제시되어 왔다. 이들 중 일부 방법은 피스톤 링의 가장 노출되는 부분에, 바람직하게는 그 외주연에 마모-내성 층이나 코팅을 도포하는 것을 제시한다.

피스톤 링은 테이퍼진 외측 표면(테이퍼진 주행 프로파일)을 구비할 수 있고, 마모 코팅은 테이퍼진 표면에 제공된다. 깊은 주행 프로파일은 연소실의 고압이 피스톤 링의 외주연에 작용할 수 있도록 한다. (축 방향으로 보았을 때) 긴 테이퍼는 피스톤 링의 내주연에 작용하는 고압의 대부분을 상쇄시키기 때문에 짧은 테이퍼보다 우수하다. 따라서, 이는 주행 프로파일 깊이가 마모 코팅의 수명 동안 지속될 수 있도록 한다. 긴 테이퍼는 압력 완화 관점에서 유리한 반면, 이러한 프로파일의 피스톤 링은 중첩 영역에서 누출 위험이 있다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 공지된 피스톤 링의 단점을 완화시키는 것이다. 이러한 목적 및 이하에서 명확하게 언급되는 다른 목적들은 첨부된 독립 청구항에 명시되어 있는 피스톤 링에 의해 달성된다. 몇몇 다양한 예시적인 실시예들이 종속 청구항에 명시되어 있다.

본 발명은, 피스톤 링의 외주연 프로파일을 변형시킴으로써 두 가지 기술적 요건, 즉 중첩 영역에서의 밀봉 효과와 절충하지 않으면서 적절한 압력 해제(내주연 표면에 작용하는 고압을 적어도 부분적으로 상쇄)를 획득될 수 있다는 사상에 기인한다. 특히, 본 발명의 발명자는 원주 대부분을 따라서 축 방향으로 비교적 긴 테이퍼를 가지면서, 중첩 영역 및 중첩 영역에 이웃하는 곳에서는 짧은 테이퍼를 가짐으로써, 압력 상쇄 기능을 유지하면서도 중첩 영역에서의 누출 위험을 감소시킬 수 있다는 것을 깨달았다. 가장 일반적인 통찰에 의하면, 본 발명은, 테이퍼진 표면이 제공되는 외측 표면을 구비하는 피스톤 링으로, 테이퍼가 테이퍼 시작점으로부터 반경 방향 내측으로 연장하고, 중첩 영역 부근에서 (축 방향에서 보았을 때) 테이퍼 시작점이 변하는 피스톤 링에 관한 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 피스톤 링이 제공된다.

피스톤 링은,

기하학적 축을 중심으로 원주 방향을 따라 연장하는 메인 섹션;

메인 섹션의 제1 단부로부터 메인 섹션의 제2 단부까지 연장하는 제1 설부;

메인 섹션의 제2 단부로부터 메인 섹션의 제1 단부까지 연장하는 제2 설부;

근위 플랭크;

원위 플랭크; 및

상기 플랭크들을 상호 연결하는 외주연 표면;을 포함하고,

사용 중에, 제1 설부는 제2 설부에 중첩하여 접촉 계면을 형성하도록 구성되고,

메인 섹션에서, 상기 외주연 표면은 원주 방향으로 연장하는 테이퍼지는 제1 표면 부분을 포함하고, 상기 제1 표면 부분은 상기 제1 표면 부분이 근위 방향으로 그리고 반경 방향 내측으로 테이퍼지기 시작하는 테이퍼 시작점을 구비하며,

상기 제1 설부와 상기 제2 설부에 인접한 곳에서, 상기 제1 표면 부분의 상기 테이퍼 시작점이 메인 섹션의 나머지 부분에서의 상기 테이퍼 시작점의 위치에 대해 근위 방향으로 위치되는 것을 특징으로 한다.

본 명세서에서는 "근위" 및 "원위"라는 두 용어가 축 방향에서 서로 반대 방향을 가리키도록 사용된다. 예를 들어, 근위 방향은 위쪽 방향, 원위 방향은 아래쪽 방향을 향한다. 보통, 피스톤 링은, 근위 플랭크가 연소 챔버를 향하고, 원위 플랭크가 연소 챔버로부터 멀어지는 방향을 향하도록 피스톤에 장착될 것이다.

전술한 것으로부터, 상기 설부들에 인접한 테이퍼 시작점이 메인 섹션의 나머지 부분에서의 테이퍼 시작점보다 근위 방향에 위치되기 때문에, 테이퍼지는 제1 표면 부분이 메인 섹션의 나머지 부분보다 (설부들에 이웃하는 곳에서) 국부적으로 더 짧다는 것을 이해해야 한다. 더 짧은 테이퍼링은 누출 위험을 감소시키고, 메인 섹션의 나머지 부분에서의 더 긴 테이퍼는 피스톤 링의 내주연 및 외주연 사이에 적절한 압력 상쇄를 제공한다.

중첩 영역, 특히 제1 설부에도 더 짧은 테이퍼가 존재할 수 있다. 하지만, 일부 실시예에서, 중첩 영역(제1 설부 포함)에서의 외주연 표면은 테이퍼지지 않을 수 있다(즉, 축 및 피스톤 링이 활주할 실린더에 대해 실질적으로 평행할 수 있다).

"인접하다"는 표현은 설부들에 바로 접한다는(bordering) 것에 국한되도록 의도되지 않음을 이해해야 한다. 그보다는 설부들의 부근을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 다르게 말하면, 제1 설부에 가장 가깝게 위치되는 테이퍼지는 제1 표면 부분의 원주 방향 부분과, 제2 설부에 가장 가깝게 위치되는 원주 방향 부분이 구비하는 테이퍼 시작점은, 테이퍼지는 제1 표면 부분의 나머지 부분의 테이퍼 시작점보다 근위 방향에 있다.

테이퍼지는 제1 표면 부분의 테이퍼 시작점의 위치 변화는 제1 및 제2 설부를 향하면서 테이퍼 시작점이 근위 방향으로 점진적 상승(rising)함에 의해 달성되는 것이 적절할 수 있다. 테이퍼지는 제1 표면 부분에서의 테이퍼 시작점으로부터 중첩 영역에서의 테이퍼 시작점으로의 전이부(transition) 길이는 폐쇄된 링의 원주의 5%미만인 것이 적절할 수 있다.

피스톤 링(1)의 적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 외주연 표면(19)은 이중 테이퍼 프로파일을 가지고, 바람직하게는 상기 외주연 표면이 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)과 테이퍼지는 제3 부분(23)을 포함하며, 상기 제1 표면 부분(21), 제2 표면 부분(22) 및 제3 표면 부분(23)은 주행 표면이고, 이들 표면은 상기 링의 외주연 표면에 위치되는 것이 가장 바람직하다. 따라서, 상기 표면 부분(23, 22, 21)들은 통상적으로 엔진 작동 중에 실린더 라이너에 접촉할 것이므로, 테이퍼지는 표면들은 주행 표면이고 링의 외주연 표면에 위치된다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 테이퍼지는 제1 표면 부분은 닫힌 링의 원주의 적어도 75%를 차지한다. 테이퍼지는 제1 표면 부분이 차지하는 영역은 중첩 영역으로부터 (원주 방향으로) 180°에 위치되는 지점에 대해 대칭적이다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 설부와 제2 설부 사이의 접촉 계면의 가장 근위 방향에 있는 부분은 상기 축에 실직적으로 수직인 기하학적 평면에 놓인다. 일부 실시예에서, 가장 근위 방향에 있는 부분은 제1 설부와 제2 설부 사이의 평평한 접촉 계면을 따를 수 있다. 이러한 경우, 평평한 접촉 계면 부분은 상기 기하학적 평면과 일치할 것이다. 다른 실시예에서, 가장 근위 방향에 있는 부분은 만곡된 접촉 계면의 단부(예컨대 단면이 원의 1/4 형상을 형성)일 수 있다.

일부 예시적 실시예에 따르면, 제1 설부에서 상기 외주연 표면은 상기 기하학적 평면의 근위 방향으로 연장하고, 제2 설부에서 상기 외주연 표면은 상기 기하학적 평면의 원위 방향으로 연장한다. 일부 예시적 실시예에서, 제1 설부는 상기 기하학적 평면의 근위 방향 및 원위 방향 모두에서 연장하여, 중첩 영역에서 근위 및 원위 방향으로 제2 설부를 둘러쌀 수 있다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 피스톤 링의 원주 대부분을 따라서, 테이퍼지는 제1 표면 부분의 상기 테이퍼 시작점은 상기 기하학적 평면의 근위 방향에 위치하고, 테이퍼링은 상기 기하학적 평면을 지나 근위 방향으로 연장한다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면 제1 설부에서, 상기 외주연 표면은 상기 기하학적 평면으로부터 연장하는 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분을 포함한다. 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분은 상기 기하학적 평면으로부터 근위 방향으로 피스톤 링의 근위 플랭크까지 완전히 또는 부분적으로 연장할 수 있다.

테이퍼지지 않는 제2 표면 부분이 기하학적 평면과 근위 플랭크 사이의 축 방향 거리의 일부분에서만 연장하는 실시예에서, 이는 테이퍼지는 제3 표면 부분으로 바뀌는(transit) 것이 적절할 수 있다. 이는, 제1 설부에서 외주연 표면이 반경 방향 내측으로 테이퍼지는 제3 표면 부분을 추가적으로 포함하고, 테이퍼가 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분의 근위 단부로부터 시작하여 근위 방향으로 연장하는 적어도 하나의 예시적인 실시예에 반영된다. 테이퍼지는 제3 표면 부분은 근위 플랭크까지 연장하는 것이 적절할 수 있다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 테이퍼지는 제3 표면 부분의 테이퍼 각도는 테이퍼지는 제1 표면 부분의 테이퍼 각도와는 다르다. 예를 들어, 적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 테이퍼지는 제3 표면 부분의 테이퍼 각도는 테이퍼지는 제1 표면 부분의 테이퍼 각도보다 크다. 테이퍼지는 제3 표면 부분(일반적으로 테이퍼지는 제1 표면 부분보다 짧은 축 방향 연장부를 구비할 수 있음)에서 비교적 더 큰 테이퍼 각도를 가지는 것의 이점은, 더 큰 테이퍼 각도가 더 짧은 축 방향 연장부에 의해 발생할 수 있는 압력 상쇄 능력 면에서의 손실을 적어도 부분적으로 보상한다는 점이다. 하지만, 일부 예시적인 실시예에서는 제1 및 제3 표면 부분에서 테이퍼 각도가 실질적으로 동일할 수 있다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 테이퍼지는 제1 및/또는 제3 표면 부분의 테이퍼 각도가 일정할 수 있다. 하지만, 다른 실시예에서는 제1 및 제3 표면 부분 중 적어도 하나의 테이퍼 각도가 표면 부분의 축 방향 연장부를 따라 달라질 수 있다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 테이퍼지는 제1 표면 부분과 테이퍼지는 제3 표면 부분의 각각은 상기 근위 플랭크까지 연장하고, 테이퍼지는 제3 표면 부분은 제1 설부로부터 메인 섹션으로, 테이퍼지는 제1 표면 부분까지 원주 방향으로 연장한다. 따라서, 테이퍼지는 제3 표면 부분은 메인 섹션의 제1 단부로부터 원주 방향 양쪽으로 연장하는데, 한쪽 방향으로는 제1 설부를 따라 연장하고, 다른 한쪽 방향으로는 메인섹션을 따라 연장하여 테이퍼지는 제1 표면 부분과 접한다.

전술한 것으로부터, 적어도 일부 실시예에서, 피스톤 링의 원주 대부분을 따라서 비교적 작은 테이퍼 각도를 가지지만, 상기 긴 테이퍼가 국부적으로 (중첩 영역 및 중첨 영역에 인접한 부분에서) 축 방향으로 짧되 비교적 큰 테이퍼 각도에 의해 보상되는 테이퍼로 대체됨으로써, 피스톤 링의 외주연 표면이 충분한 압력 상쇄를 제공한다는 것을 이해해야 한다. 또한, 더 짧은 테이퍼가 피스톤 링을 지나 제어되지 않은 가스 누출의 위험을 감소시킨다.

제1 설부와 유사하게, 제2 설부 및/또는 제2 설부에 인접한 영역에도 비교적 큰 테이퍼 각도를 갖는 축 방향으로 짧은 테이퍼가 제공될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 제2 설부에 인접한 곳에 메인 섹션의 상기 외주연 표면은 제3 표면 부분과 동일한 테이퍼 각도를 갖는 테이퍼지는 제4 표면 부분을 포함한다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 제2 설부에서 상기 외주연 표면은 상기 기하학적 평면으로부터 테이퍼지지 않게 연장한다. 제2 설부에서 테이퍼지지 않는 주연부 표면은 원위 플랭크까지 원위 방향으로 연장하는 것이 바람직하다.

적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 메인 섹션에서, 상기 외주연 표면은, 반경 방향 외측으로 볼록하고 원주 방향으로 연장하고 상기 테이퍼지는 제1 표면 부분의 근위 방향에 위치되는 배럴(barrel)-형상의 표면 부분을 포함한다. 배럴-형상의 표면 부분은 외측으로 볼록한 곳이 외주연 표면의 축 방향 연장부의 대략 중앙에 위치되도록, 축 방향 연장부를 구비하는 것이 적절할 수 있다. 이러한 경우, 테이퍼지는 제1 표면 부분의 테이퍼 시작점은 외측으로 볼록한 곳의 근위 방향에 위치된다. 또한, 누출 위험 감소 및 충분한 압력 상쇄를 제공하기 위해, 테이퍼지는 제1 표면 부분은 제1 설부에서 더 근위 방향으로 위에 위치될 수 있다. 제1 설부에서, 배럴-형상의 표면 부분은 테이퍼지는 제1 표면 부분과 제2 설부와의 접촉 계면 사이에 위치될 수 있다.

제2 설부는 테이퍼지는 제1 표면 부분이 결여되고, 배럴-형상의 표면 부분만 존재하는 것이 적절할 수 있다.

제1 및 제2 설부 사이에는 다양한 결합 가능성이 고려될 수 있지만, 적어도 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 설부는 반경 방향으로 메인 섹션의 외측에서 그리고 축 방향으로 원위 방향에서 원주 방향을 따라 연장하도록 형성되는 결합 홈을 구비할 수 있으며, 제2 설부는 상기 결합 홈과 결합하도록 구성된다.

본 발명은 중첩 영역을 지나 제어되지 않은 누출의 위험을 감소시키는 이점을 가지고 있지만, 본 발명을, 원주 방향으로 중첩 영역의 외측, 즉 메인 섹션 상에 또는 메인 섹션에서의 누출 제어를 달성하기 위한 수단들과 조합하는 것도 가능할 것이다. 누출 제어의 원리는 링 팩 내에서 기계적 부하를 분산시키는 것이다. 따라서, 일부 실시예에서 희망하는 경우, 고압측에서 저압측으로의 가스 질량 유동을 달성하기 위해, 메인 섹션의 외측 내에 또는 외측에 하나 이상의 유동 경로가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 실시예에 따른 피스톤 링의 사시도로, 장착되지 않은 상태의 피스톤 링을 나타낸다.
도 2는 도 1의 피스톤 링의 상세한 사시도로, 피스톤(도시되지 않음)에 장착되고 난 이후의 상태를 나타낸다.
도 3은 도 2의 선 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 4는 도 2의 선 B-B를 따라 절단된 단면도이다.
도 5는 도 2의 선 C-C를 따라 절단된 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 실시예와 유사하게 중첩 영역에서 절단된, 본 발명의 적어도 하나의 또 다른 예시적인 실시예에 따른 피스톤 링의 단면도이다.

도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 외주연 표면이 빗금친 영역으로 도시되어 있다. 빗금친 영역은 일반적으로 단면을 나타내기 위해 사용되지만, 도 1 및 도 2에 있는 외주연 표면의 빗금친 영역은 피스톤 링을 따라 형성되는 다양한 테이퍼들을 시각적으로 구분하여, 이하의 설명의 이해를 용이하게 하도록 표시되었다.

도 1은 본 발명의 적어도 하나의 예시적 실시예에 따른 피스톤 링(1)의 사시도이며, 피스톤 링(1)이 장착되지 않은 상태로 나타나 있다. 피스톤 링(1)은 기하학적 중심 축(X)을 중심으로 원주 방향을 따라 연장한다. 피스톤 링(1)은 메인 섹션(3)의 제1 단부(7)로부터 메인 섹션(3)의 제2 단부(9)를 향해 연장하는 제1 설부(5)와, 메인 섹션(3)의 제2 단부(9)로부터 메인 섹션(3)의 제1 단부(7)를 향해 연장하는 제2 설부(11)를 구비한다.

메인 섹션(3)의 단면은 피스톤 링(1)의 원주를 따라 실질적으로 변하지 않고, 도 2에 도시된 (c)의 형상을 구비한다. 하지만, 2개의 설부(5, 11)에 인접한 곳에서 메인 섹션(3)의 단면이 변하며, (도 2에 도시되어 있는 결합된 상태에서) 설부(5, 11)들에 의해 형성되는 중첩 영역(13)에서의 단면도 변한다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 피스톤 링(1) - 도면들에서 위쪽을 향하는 플랭크로서 도시되어 있음 - 은 근위 플랭크(15)와 원위 플랭크(17)를 구비한다. 도시된 예시적 실시예에서, 근위 플랭크(15)는 메인 섹션(3) 전체와 제1 설부(5)를 따라 원주 방향으로 연장하고, 원위 플랭크(17)는 메인 섹션(3) 전체와 제2 설부(11)를 따라 연장한다. 예를 들어, 근위 및 원위 플랭크들이 메인 섹션으로부터 두 설부로 연장하는 다른 예시적 실시예들도 고려할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 근위 및 원위 플랭크(15, 17)가 축(X)에 수직으로 연장하는 실질적으로 평평한 표면인 것으로 도시되어 있지만, 다른 플랭크 프로파일도 고려할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 플랭크(15, 17)들의 (반경 방향으로의) 내주연 및 외주연은 축(X)에 평행하게 연장하는 표면인 피스톤 링의 내주연 표면 및 외주연 표면으로 변하는 둥근 엣지에 의해 형성될 수 있다.

도 1에는 외주연 표면이 다르게 빗금칙 영역들로 나타나 있다. 외주연 표면(19)은 근위 플랭크(15)와 원위 플랭크(17)를 상호 연결한다. 이하에 더욱 상세하게 설명되겠지만 다르게 빗금친 부분들은 테이퍼지지 않은 표면(22), 테이퍼 각도가 더 작은 테이퍼진 표면(21) 및 상대적으로 테이퍼 각도가 더 큰 테이퍼진 표면(23)을 나타낸다.

도시된 예시적 실시예에 따르면, 더 작은 각도를 갖는 테이퍼진 표면(21)은 거의 전체 메인 섹션(3)을 따라 원주 방향으로 연장하고 비교적 더 큰 축방향 연장부를 구비하며, 비교적 더 큰 테이퍼 각도를 갖는 테이퍼진 표면(23)은 메인 섹션(3)에서 설부(5, 11)에 인접한 곳과 하나 또는 두 설부(5, 11)에만 존재하고, 비교적 짧은 축방향 연장부를 구비한다. 하지만, 다른 실시예에서는 비교적 테이퍼 각도가 더 큰 테이퍼진 표면(23)이 하나 또는 두 설부(5, 11)에서 생략될 수 있고, 심지어는 메인 섹션(3)에서도 생략될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 설부(5, 11)들은 그 대신에 표면(22)과 같이 테이퍼지지 않은 외측 표면을 제공할 수 있다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 피스톤 링(1)이 피스톤에 장착될 때, 제1 및 제2 설부(5, 11)는 서로 결합하도록 이동된다. 결합된 상태에서, 제1 설부(5)는 제2 설부(11)에 중첩되어 접촉 계면(25)을 형성한다. 이러한 접촉 계면(25)을 구비하는 피스톤 섹션의 이 원주 부분은 중첩 영역(13)으로서도 지칭될 수 있다. 도시된 예시적 실시예에서는 제1 및 제2 설부(5, 11) 사이에 2개의 다른 접촉 표면이 있다. 즉, 축(X)에 실질적으로 평행한 접촉 표면과 축(X)에 실질적으로 수직인 접촉 표면이 있다.

메인 섹션(3)에서, 상기 외주연(19) 표면은 테이퍼진 제1 표면 부분(21)(위에서는 작은 테이퍼를 갖는 테이퍼진 표면(21)으로 지칭됨)을 포함한다. 테이퍼진 제1 표면 부분(21)은, 상기 제1 표면 부분이 근위 방향으로 반경 방향 내측으로 테이퍼지기 시작하는 테이퍼 시작부(31)를 구비한다. 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)의 테이퍼 각도는 도 3및 도 5에서 α로 표시된다.

제1 및 제2 설부(5, 11)에 인접한 곳에서 테이퍼 시작부(31)가 근위 방향으로 올라가, 중첩 영역 근처에서는 국부적으로 테이퍼 시작부(31)가 메인 섹션(3)의 나머지부분에서의 상기 테이퍼 시작부(31)의 위치에 비해 근위 방향에 위치된다. 이는 테이퍼 시작부(31)가 도 5의 테이퍼 시작부(31)보다 근위 방향에 위치되는 도 3에서 볼 수 있다. 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)(위에서는 테이퍼 지지 않는 표면(22)으로 지칭됨)은 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)의 상기 테이퍼 시작부(31)로부터 원위 방향으로 연장한다. 따라서, 메인 섹션(3)의 대부분의 원주를 따라, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)과 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)은 평행하게 이웃하는 관계로 주행한다.

도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)은 설부(5, 11)로 연장한다. 하지만, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)은 설부(5, 11)로 연장하지 않는다. 대신, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)은 또 다른 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)(위에서는 테이퍼 각도가 비교적 더 큰 테이퍼진 표면(23)으로 지칭됨)의 테이퍼 시작부(33)로 변한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 메인 섹션(3)의 양 단부(7, 9)에 존재하지만, (테이퍼지는 제1 표면 부분(21)과 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)과는 대조적으로) 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 연속적으로(uninterruptedly) 연장하지는 않는다. 메인 섹션(3)의 제1 단부(7)에 있는 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 메인 섹션(3)의 제2 단부(9)에 있는 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)으로부터 원주 방향으로 분리된다. 따라서, 메인 섹션(3)의 제2 단부(9)에 있는 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 대안적으로 테이퍼지는 제4 표면 부분으로서 지칭될 수도 있는데, 이때 테이퍼지는 제4 표면 부분은 메인 섹션(3)의 제1 단부(7)에 있는 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)과 동일한 테이퍼 각도(또는 다른 각도)를 가질 수 있다. 중첩 영역(13)의 중앙 지점에서 보았을 때, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 양쪽 원주 방향으로 동일한 거리로 적절하게 연장할 수 있다.

테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)은 설부(5, 11) 및 설부(5, 11)에 인접한 곳에서, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)의 상기 테이퍼 시작점(33)으로부터 원위 방향으로 연장한다. 따라서, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)과 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)은 중첩 영역(13) 및 중첩 영역(13)에 인접한 곳에서 평행하게 이웃하는 관계로 주행한다.

도 2는 피스톤 링(1)의 원주를 따른 3개의 다양한 단면 형상 a, b, 및 c를 나타내며, 단면은 각각 절단선 A-A, B-B, 및 C-C를 따라 취해진 것이다. 형상 a는 도 3에 확대되어 도시되어 있고, 형상 b는 도 4에, 그리고 형상 c는 도 5에 확대되어 도시되어 있다.

형상 b에 표시되어 있는 중첩 영역(13)으로부터 시작하면, 그리고 특히 도 4를 참조하면, 제1 설부(5)와 제2 설부(11)는 접촉 계면(25), 축(X)에 평행하게 연장하는 부분(25a), 그리고 축(X)에 수직으로 연장하는 또 다른 부분(25b)을 구비한다. 후자는 제1 및 제2 설부(5, 11) 사이의 가장 근위 방향의 접촉 지점(들)을 형성하기도 한다. 따라서, 접촉 계면의 이러한 후자 부분은 축(X)에 수직인 기하학적 평면(P)에 놓여지는 것으로 고려될 수 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)은 제2 설부(11)를 따라서 계면 부분(25a)을 지나(across)(즉, 기하학적 평면(P)을 지나) 제1 설부(5)까지 조금 더 연장하여, 제1 설부(5)에서 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)으로 변한다. 하지만, 다른 실시예에서는 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)이 생략되어, 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)이 근위 플랭크(15)까지 실질적으로 전체적으로 연장할 수도 있음에 유의한다.

이제, 피스톤(1)의 대부분의 원주 방향 연장부의 단면을 나타내는 단면 형상 c로 넘어가면, 그리고 특히 도 5를 참조하면, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)의 테이퍼 시작점(31)은 외주연 표면(19)의 원위 방향 반쪽에서 기하학적 평면(P)의 원위 방향에서 시작하여, 기하학적 평면(P)을 지나 근위 방향으로 연장하는 것을 볼 수 있다. 적어도 일부 예시적 실시예에서, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)의 축방향 길이는 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)의 축방향 길이의 적어도 2배일 수 있다.

특히 도 3을 참조하면, 단면 a는 제1 설부(5)에 인접한 곳의 메인 섹션(3)의 단면을 나타내며, 그 위치에서 제1 테이퍼지는 표면 부분(21)의 테이퍼 시작점(31)은 제1 설부(5)를 향해 가까워지면서 근위 방향으로 점진적으로 상승한다. 외주연 표면(19)의 이러한 원주 방향 위치에서, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)의 테이퍼 시작점(31)은 여전히 기하학적 평면(P)으로부터 원위 방향에 있고, 기하학적 평면(P)을 넘어 근위 방향으로 연장한다. 하지만, 그 축방향 길이는 도 5에 도시된 것보다 짧고, 원위 방향으로 이웃하는 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)이 더 길다. 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)은 테이퍼 각도 α를 가지고, 근위 방향으로 이웃하는 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 테이퍼 각도 β를 가지며, 이는 도 4에 도시된 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)의 각도이기도 하다. 테이퍼 각도 β는 테이퍼 각도 α보다 크다. 예를 들어, 테이퍼 각도 α는 1° 내지 3°일 수 있고, 테이퍼 각도 β는 α보다 0° 내지 3° 큰 것이 적절할 수 있다. 외주연 표면이 베럴-형 표면 부분과 결합되는 테이퍼진 표면 부분을 구비하는 본 명세서에서 언급되는 실시예들(그리고 이러한 표면 부분들의 조합을 구비하는 다른 실시예들)에서, 테이퍼진 표면 부분의 테이퍼 각도는 1° 내지 6°가 적절할 수 있다.

더 큰 테이퍼 각도 베타를 구비하는 것의 장점은 압력 해제 측면에서 테이퍼의 더 짧은 축 방향 연장부를 보상한다는 것이다.

변하는 테이퍼 시작점(설부(5, 11)에 이웃하는 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)이 메인 섹션(3)의 나머지 부분에서의 상기 테이퍼 시작점의 위치와 비교하여 더 근위 방향에 위치되는 테이퍼 시작점(31)을 구비함) 자체가 종래 기술의 단점을 완화시키기도 하지만, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예는 특히 유리함을 이해해야 한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 중첩 영역(13)에서, 외주연 표면(19)은 평평하게 시작하여 평평하게 끝난다(flat-to-flat). 환언하면, 외주연 표면(19)은 기하학적 평면(P)(이 경우, 수평 접촉 계면(25))의 양측으로부터 시작하여, 적어도 처음에는 테이퍼지지 않은 방식으로 연장한다. 제1 설부(5)에서 테이퍼지지 않은 표면(22)의 축방향 연장부는 짧지만(그리고 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)에 근위 방향으로 접함), 중첩 영역에서의 누출 위험을 효율적으로 줄이기에 충분하다.

도시된 예시적 실시예에 나타나 있는 바와 같이, 제1 설부(5)와 제2 설부(11) 사이의 접촉 계면(25)의 가장 근위 방향에 있는 부분은 상기 축(X)에 실질적으로 수직인 상기 기하학적 평면(P)에 놓여진다. 이는 도 4와 관련하여 도시된 서로 실질적으로 수직인 두 계면 부분(25a, 25b)을 구비하는 실시예와, 도 6과 관련하여 도시된 접촉 계면(25c)이 원의 1/4을 형성하는 실시예 모두에 대해 적용된다. 두 실시예 모두에서, 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)은 제1 설부(5)에서는 상기 기하학적 평면(P)의 근위 방향으로 연장하고, 제2 설부(11)에서는 상기 기하학적 평면(P)의 원위 방향으로 연장한다. 또한, 도 4의 실시예에서, 축(X)에 수직인 계면 부분(25b)은 기하학적 평면(P)과 일치(coincide)한다는 점에 유의한다.

도시된 실시예들은 이중-테이퍼진 외주연 표면(19)으로 도시되었지만, 다른 실시예도 고려할 수 있다. 예를 들어, 하나의 예시적 실시예에 따르면, 외주연 표면은 반경 방향 외측으로 볼록한 바렐-형 표면 부분을 포함할 수 있다. 바렐-형 표면 부분은 원주 방향으로 연장하여, 상기 테이퍼진 제1 표면 부분(21)의 원위 방향에 위치될 수 있다. 따라서, 테이퍼지지 않은 제2 표면 부분(22)이, 테이퍼지지 않은 제2 표면 부분(22)의 축방향 연장부에 비해 메인 섹션(3)의 대부분을 따라 더 큰 축방향 연장부를 적절하게 구비하는 바렐-형 표면 부분으로 대체되어, 둘러싸는 실린더에 접촉할 원주 방향으로 연장하는 외측으로 볼록한 부분(bulge)이 외주연 표면(19)의 대략 중앙에 위치될 수 있다. 이러한 경우, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)은, 외측으로 볼록한 부분의 근위 방향에 위치하여, 결과적으로 도 1 및 도 2에 도시된 테이퍼 시작점(31)에 비해 (메인 섹션(3)의 원주의 대부분을 따라) 더 근위 방향에 위치할 것이다.

또한, 제1 설부(5)는, 메인 섹션(3)의 반경 방향에 대해 외측, 그리고 축 방향에 대해 원위 방향 측에서 원주 방향을 따라 연장하도록 형성되는 결합 홈으로서 도시되어, 제2 설부(11)가 상기 결합 홈과 결합할 수 있도록 되어 있지만, 다른 구조도 고려할 수 있다. 예를 들어, 제1 설부(5)가 반경 방향 외측으로, 메인 섹션(3)의 제2 단부(9)를 향해 개방되는 결합 홈을 구비하여, 도시된 실시예의 것과 유사하지만, 원위 방향으로 폐쇄되어, 제1 설부가 제2 설부의 근위 방향 및 원위 방향으로 연장할 수 있다.

본 발명의 각 양태의 바람직한 특징들은 필요한 부분만 약간 수정하여 다른 각각의 양태에도 적용된다.

Claims

기하학적 축(X)을 중심으로 원주 방향을 따라 연장하는 메인 섹션(3);
메인 섹션(3)의 제1 단부(7)로부터 메인 섹션(3)의 제2 단부(9)를 향해 연장하는 제1 설부(tongue section)(5);
메인 섹션(3)의 제2 단부(9)로부터 메인 섹션(3)의 제1 단부(7)를 향해 연장하는 제2 설부(11);
근위 플랭크(15);
원위 플랭크(17); 및
상기 플랭크(15, 17)들을 상호 연결하는 외주연 표면(19);을 포함하는 피스톤 링(1)에 있어서,
사용할 때, 제1 설부(5)는 제2 설부(11)와 중첩되어 접촉 계면(25, 25a, 25b, 25c)을 형성하도록 구성되고,
메인 섹션(3)에서, 상기 외주연 표면(19)은 원주 방향으로 연장하는 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)을 포함하고, 상기 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)은 테이퍼 시작점(31)을 가지되, 상기 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)이 상기 테이퍼 시작점으로부터 근위 방향으로(proximally), 그리고 반경 방향 내측으로 테이퍼지며,
상기 제1 설부(5)와 제2 설부(11)에 인접한 곳에서, 상기 제1 표면 부분(21)의 테이퍼 시작점(31)은 메인 섹션(3)의 나머지 부분에서의 테이퍼 시작점(31)의 위치에 대해 더 근위 방향에 위치하고,
상기 외주연 표면(19)은 이중 테이퍼 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항에 있어서, 상기 외주연 표면(19)은 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)과 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)을 포함하며, 상기 제1 표면 부분(21), 제2 표면 부분(22) 및 제3 표면 부분(23)은 주행 표면인 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 표면 부분(21), 제2 표면 부분(22) 및 제3 표면 부분(23)은 상기 링의 외주연 표면에 위치되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항에 있어서, 제1 설부(5)와 제2 설부(11) 사이의 접촉 계면(25, 25a, 25b, 25c)의 가장 근위 방향에 있는(most proximal) 부분은 상기 축(X)에 실질적으로 수직인 기하학적 평면(P)에 놓여지고,
- 제1 설부(5)에서, 외주연 표면(19)은 상기 기하학적 평면(P)의 근위 방향으로 연장하고,
- 제2 설부(11)에서, 외주연 표면(19)은 상기 기하학적 평면(P)의 원위 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제4항에 있어서, 피스톤 링(1)의 원주 대부분을 따라서, 상기 테이퍼 시작점(31)은 상기 기하학적 평면(P)의 원위 방향에 위치되고, 테이퍼링은 상기 기하학적 평면(P)을 지나 근위 방향으로 연장하며,
제1 설부(5)에서, 상기 외주연 표면(19)은 상기 기하학적 평면(P)으로부터 연장하는 테이퍼지지 않은 제2 표면 부분(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제4항 또는 제5항에 있어서, 제1 설부(5)에서, 외주연 표면(19)은 반경 방향 내측으로 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)을 추가적으로 포함하고, 테이퍼링은 테이퍼지지 않는 제2 표면 부분(22)의 근위 단부로부터 시작하여 근위 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항에 있어서, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)의 테이퍼 각도(β)가 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)의 테이퍼 각도(α)보다 큰 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제7항에 있어서, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)과 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)의 각각은 상기 근위 플랭크(15)로 연장하고, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)은 제1 설부(5)로부터 메인 섹션(3)으로, 테이퍼지는 제1 표면 부분(21)까지 원주 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제2 설부(11)에 인접한 곳에서, 메인 섹션(3)의 상기 외주연 표면(19)은, 테이퍼지는 제3 표면 부분(23)과 동일한 테이퍼 각도(β)를 갖는 테이퍼지는 제4 표면 부분(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항에 있어서, 제2 설부(11)에서, 상기 외주연 표면(19, 22)이 상기 축(X)에 실질적으로 수직인 기하학적 평면(P)으로부터 테이퍼지지 않게 연장하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항에 있어서, 메인 섹션에서, 상기 외주연 표면은 배럴-형상의 표면 부분을 포함하고, 바랠-형상의 표면 부분은 반경 방향 외측으로 볼록하고, 원주 방향으로 연장하며, 상기 테이퍼지는 제1 표면 부분의 원위 방향에 위치되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
제1항에 있어서, 제1 설부(5)가 반경 방향으로는 메인 섹션(3)의 외측, 그리고 축 방향으로는 원위 측에서 원주 방향을 따라 연장하도록 형성되는 결합 홈을 구비하고, 제2 설부(11)가 상기 결합 홈과 결합하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.