(57)【要約】  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。
2016208698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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備え、
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。
【請求項２】
前記下側合口において前記ピストンリングの外周側と内周側とが連通することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記ピストンリングを複数備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記下側合口において、前記ピストンリングの内周面と外周面とが重なり合った構造であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項５】
前記内周側と前記外周側とが重なり合った部分に溝を設けることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機。
【請求項６】
複数の前記ピストンリングのうち、一方の前記下側合口において、前記ピストンリングの外周側と内周側とが連通し、他方の前記下側合口において、前記ピストンリングの内周面と外周面とが重なり合った構造であることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
【請求項７】
複数の前記ピストンリングのうち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請求項３に記載の圧縮機。
【請求項８】
前記遮断部材は前記ピストンリングの内周面に接触するリング状の板であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項９】
前記ピストンと前記シリンダとの接触を防止するライダーリングを備え、前記ライダーリングを前記ピストンリングよりも硬い材料で形成することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項１０】
前記ピストンリングのショアー硬度を４０以下とし、前記ライダーリングのショアー硬度を５５以上とすることを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。
【請求項１１】
前記ライダーリングは複数の合口を有し、複数の前記合口によって複数に分割していることを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。
【請求項１２】
前記ライダーリングの複数の前記合口の隙間の寸法の合計をＡ、前記合口の周方向長さをＢ、限界摩耗量をδとしたとき、Ｂ＞Ａ＋２×δ＋π  とすることを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。
【請求項１３】
前記ライダーリングに形成された複数の前記合口は軸線方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。
【請求項１４】
前記ライダーリングに形成された複数の前記合口は側面から見て互いに交差することを特徴とする請求項１３に記載の圧縮機。
【請求項１５】
前記ピストンリングはＰＴＦＥを基材とし、前記ライダーリングは酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
前記複数のピストンリングは前記圧縮室側と前記クランク室側にそれぞれ切り込みを入れて形成された合口隙間が周方向の異なる位置に設けられ、前記圧縮室側に設けられた前記合口隙間からと前記クランク室側に設けられた合口隙間が連通したときに限界摩耗に達することを特徴とする請求項１６に記載の圧縮機の使用方法。
【請求項１８】
前記複数のピストンリングは前記圧縮室側に形成された上側合口と前記クランク室側に形成された下側合口が重なり合った構造であり、前記上側合口と前記下側合口の重なりがなくなったときに限界摩耗に達することを特徴とする請求項１６に記載の圧縮機の使用方法。
【請求項１９】
前記圧縮室側の合口隙間は前記ピストンリングの外周側と内周側とで連通していることを特徴とする請求項１７に記載の圧縮機の使用方法。
【請求項２０】
複数の前記ピストンリングの内周側に前記合口隙間を遮断する遮断部材を設けることを特徴とする請求項１７に記載の圧縮機の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機およびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２０３３７０号公報
【特許文献２】特開２０１４―２１４６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ステップカットピストンリングの構造を示す図である。
【図２】ステップカットピストンリングの合口加工の方法を示す図である。
【図３】ステップカットピストンリングの面圧バランスを示す図である。
【図４】図１のＡ部の漏れ通路を示す図である。
【図５】本発明の実施例１におけるピストンリングの構造を示す図である。
【図６】本発明の実施例１におけるピストンリングの面圧バランスを示す図である。
【図７】本発明の実施例１におけるピストンリングの合口の構造を示す図である。
【図８】従来のピストンリングと本発明の実施例１におけるピストンリングの摩耗量の比較を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例１におけるピストンリングを２本用いた場合のピストンの断面図である。
【図１０】本発明の実施例１におけるピストンリングを２本用いた場合にピストンを合口側から見た図である。
【図１１】本発明の実施例１におけるピストンリングを２本用いた場合の摩耗量を示す図である。
【図１２】本発明の実施例２におけるピストンリングを３本用いた場合の摩耗量を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２におけるピストンリングの合口の構造を示す図である。
【図１４】往復動圧縮機の構造を示す図である。
【図１５】硬度の高い材料で形成したピストンリングの構造を示す図である。
【図１６Ａ】本発明の実施例３における高硬度のライダーリングの初期の構造を示す図である。
【図１６Ｂ】本発明の実施例３における高硬度のライダーリングの初期厚さと限界摩耗時の関係を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施例３における高硬度のライダーリングの限界摩耗時に合口の一端が接触した場合の構造を示す図である。
【図１８Ａ】本発明の実施例４における高硬度のライダーリングの初期の構造を示す図である。
【図１８Ｂ】本発明の実施例４における高硬度のライダーリングの限界摩耗時の構造を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の実施例５における高硬度のライダーリングの構造を示す図である。
【図１９Ｂ】本発明の実施例５における高硬度のライダーリングの展開図である。
【図２０Ａ】本発明の実施例５における高硬度のライダーリングの構造を示す図である。
【図２０Ｂ】本発明の実施例５における高硬度のライダーリングの展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【実施例１】
【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。
【実施例２】
【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
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。【００４９】
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。
【実施例３】
【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
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。【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
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。【００５８】
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。【００５９】
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。【００６０】
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。【００６１】
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。【００６２】
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。【００６３】
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。【００６４】
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。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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。【００６８】
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。【００６９】
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。【００７０】
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。【００７１】
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。
【実施例４】
【００７２】
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。【００７３】
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。【００７４】
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。【００７５】
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。【００７６】
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。【００７７】
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。【００７８】
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。【００７９】
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。【００８０】
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。【００８１】
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。
【実施例５】
【００８２】
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。【００８３】
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。【００８４】
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。【００８５】
図１９Ａ、Ｂを用いてこの構造と効果を説明する。【００８６】
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。【００８７】
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。【００８８】
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。【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
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
【図１】
2016208698.tif 000003
【図２】
2016208698.tif 000004
【図３】
2016208698.tif 000005
【図４】
2016208698.tif 000006
【図５】
2016208698.tif 000007
【図６】
2016208698.tif 000008
【図７】
2016208698.tif 000009
【図８】
2016208698.tif 000010
【図９】
2016208698.tif 000011
【図１０】
2016208698.tif 000012
【図１１】
2016208698.tif 000013
【図１２】
2016208698.tif 000014
【図１３】
2016208698.tif 000015
【図１４】
2016208698.tif 000016
【図１５】
2016208698.tif 000017
【図１６Ａ】
2016208698.tif 000018
【図１６Ｂ】
2016208698.tif 000019
【図１７】
2016208698.tif 000020
【図１８Ａ】
2016208698.tif 000021
【図１８Ｂ】
2016208698.tif 000022
【図１９Ａ】
2016208698.tif 000023
【図１９Ｂ】
2016208698.tif 000024
【図２０Ａ】
2016208698.tif 000025
【図２０Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年3月27日(2017.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記圧縮室の気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備え、
前記ピストンリングは、周方向の異なる位置に、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、
前記上側合口の周方向の隙間に連通し、前記下側合口の周方向の隙間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。
【請求項２】
前記下側合口において前記ピストンリングの外周側と内周側とが連通することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記ピストンリングを複数備えることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記下側合口において、前記ピストンリングの内周面と外周面とが重なり合った構造であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項５】
前記内周側と前記外周側とが重なり合った部分に溝を設けることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機。
【請求項６】
複数の前記ピストンリングのうち、一方の前記下側合口において、
前記ピストンリングの外周側と内周側とが連通し、他方の前記下側合口において、前記ピストンリングの内周面と外周面とが重なり合った構造であることを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
【請求項７】
複数の前記ピストンリングのうち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請求項３に記載の圧縮機。
【請求項８】
前記遮断部材は前記ピストンリングの内周面に接触するリング状の板であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項９】
前記ピストンと前記シリンダとの接触を防止するライダーリングを備え、前記ライダーリングを前記ピストンリングよりも硬い材料で形成することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項１０】
前記ピストンリングのショアー硬度を４０以下とし、前記ライダーリングのショアー硬度を５５以上とすることを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。
【請求項１１】
前記ライダーリングは複数の合口を有し、複数の前記合口によって複数に分割していることを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。
【請求項１２】
前記ライダーリングの複数の前記合口の隙間の寸法の合計をＡ、前記合口の周方向長さをＢ、限界摩耗量をδとしたとき、Ｂ＞Ａ＋２×δ＋πとすることを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。
【請求項１３】
前記ライダーリングに形成された複数の前記合口は軸線方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。
【請求項１４】
前記ライダーリングに形成された複数の前記合口は側面から見て互いに交差することを特徴とする請求項１３に記載の圧縮機。
【請求項１５】
前記ピストンリングはＰＴＦＥを基材とし、前記ライダーリングは酸素原子含有官能基を含んだフェノール樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項９に記載の圧縮機。
【国際調査報告】
2016208698.tif 000027
2016208698.tif 000028
2016208698.tif 000029
2016208698.tif 000030