(57)【要約】【課題】スターリング冷凍機等において、ピストンリングの摺動面に磨耗が生じてもガスリークを防止できるようにしたピストンリングを提供する。【解決手段】ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、凸部３には側部垂直面３ａと、少なくとも３つの平面３ｂ、３ｃ、３ｄとが設けられ、凹部４には凸部３に対応させて側部垂直面４ａと、３つの平面４ｂ、４ｃ、４ｄが設けられる。平面のうち中央の平面３ｄ、４ｄは傾斜面とし、又傾斜面３ｄ、４ｄは連続する複数の多面構造にすることがある。更に、円弧状又は円弧状近傍の湾曲面に形成することがある。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、凸部と凹部がピストンリングの円周方向に沿って設けられ、凸部と凹部を突き合わせる垂直面と、凸部と凹部を接合する少なくとも３つの平面とを備えていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記３つの平面は、垂直面と、水平面と、その間に挟まれた傾斜面とからなることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】
前記平面は、垂直面と、水平面と、その間に挟まれた複数の連続する傾斜面とからなることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項４】
ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、凸部と凹部を突き合わせる垂直面と、凸部と凹部を接合する前記ピストンリングの厚さ方向に湾曲する湾曲面とを備えたことを特徴とするピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリングに係るもので、特にスターリング冷凍機のピストンに装着するのに適したピストンリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス圧縮機等のピントンにはピストンリングを装着し、ピストンの動きに伴ってピストンとシリンダとの間からガスリークが生じないように気密保持している。例えば、スターリング冷凍機の膨張部ピストンに用いられるピストンリングは、図６に示すようにピストンＡの下部に設けられた複数の凹溝Ｂ内にピストンリングＣをそれぞれ装着している。そして、ピストンリングＣは凹溝Ｂに装着しやすいように、例えば図７に示すように一部に凸部Ｄと凹部Ｅを有する一対のステップカットＦが設けられている。このピストンリングＣを凹溝Ｂに装着すると、一対のステップカットＦが凹凸嵌合により互いに組み合って環状となる。ステップカットＦ部はスターリング冷凍機運転時にピストンリングＣの合口Ｇ（凸部Ｄと凹部Ｅの突合せ接合部）の隙間がゼロになるように設計されている。尚、スターリング冷凍機の一例としては、特開平１１−３３７２０８号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のスターリング冷凍機において、長期間にわたる運転によりピストンリングＣの摺動面即ちシリンダの内壁に接触する外周面が磨耗すると、ピストンリングＣは徐々に凹溝Ｂから外側にせり出してくる。その結果として、図８のようにピストンリングＣの内径が拡大してステップカットＦの合口Ｇに隙間Ｈが発生し、シリンダの下方部で生じる高温ガスが下部の合口隙間からピストンリングＣの内側に流入すると共に、ピストンリングＣの背面（内面）側を通って上部の合口隙間から外側に排出され、これが複数のピストンリングＣで連鎖的に生じ、更にピストンＡとシリンダ（図略）とのわずかな隙間を通って冷凍発生部（ピストンＡの上方部）にガスリークする。このような冷凍発生部への高温ガスのリークは、熱ロスによる冷凍性能の劣化を招く。
【０００４】
本発明は、上記のようなガスリークを防止するためになされ、スターリング冷凍機の長期間の運転によりピストンリングの摺動面に磨耗が生じても高温ガスが冷凍発生部へリークしないようにしたピストンリングを提供することを目的とする。
【０００５】
この目的を達成すべく本発明者らは鋭意研究した結果、ピストンリングのステップカットの構造に工夫を施すことによりガスリークを防止できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１は、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、凸部と凹部がピストンリングの円周方向に沿って設けられ、凸部と凹部を突き合わせる垂直面と、凸部と凹部を接合する少なくとも３つの平面とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
又、本発明の請求項２は、前記３つの平面は、垂直面と、水平面と、その間に挟まれた傾斜面とからなることを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明の請求項３は、前記平面は、垂直面と、水平面と、その間に挟まれた複数の連続する傾斜面とからなることを特徴とする。
【０００９】
そして、本発明の請求項４は、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、凸部と凹部を突き合わせる垂直面と、凸部と凹部を接合する前記ピストンリングの厚さ方向に湾曲する湾曲面とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、ピストンリングの摺動面が磨耗して合口隙間が生じてもステップカットの凸部と凹部の接合面が離れることはなく、相互に重なり合う部分が生じることにより合口隙間から高温ガスが流入するのを阻止することができる。又、ステップカットの凸部と凹部との接合面は、傾斜面を含む多面構造とし或は傾斜面を複数の連続する傾斜面とし、又は湾曲面とすることにより接合面積を増大させ、もってガスシール性を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るピストンリングの実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【００１２】
図１において、１はピストンリングであり、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とグラファイトを主成分として所定の大きさの欠環状に一体成形されたものである。このピストンリング１は、欠環部に一対のステップカット２が設けられている。
【００１３】
一対のステップカット２は、欠環部の一方の端部に設けられた凸部３と、欠環部の他方の端部に設けられた凹部４を備えている。この凸部３と凹部４は、ピストンリング１の摺動面１ａ（外面）側に円周方向に沿ってそれぞれ形成され、凹凸嵌合できるようにしてある。
【００１４】
凸部３は、凹部４に突き合わせる側部垂直面３ａと、凹部４に接合する下部水平面３ｂ、上部垂直面３ｃ及び下部水平面３ｂと上部垂直面３ｃとの間に挟まれた傾斜面３ｄとを備えている。又、下部水平面３ｂはピストンリング１の底面より少し高い位置（ほぼ高さの１／３）に形成され、上部垂直面３ｃはピストンリング１の内面より少し内側位置（ほぼ厚さの１／３）に形成されている。
【００１５】
凹部４は、凸部３に突き合わせる側部垂直面４ａと、凸部３に接合する下部水平面４ｂ、上部垂直面４ｃ及び下部水平面４ｂと上部垂直面４ｃとの間に挟まれた傾斜面４ｄとを備えている。そして、下部水平面４ｂは上記凸部３の下部水平面３ｂに対応させてピストンリング１の底面より高い位置に形成され、上部垂直面４ｃは凸部３の上部垂直面３ｃに対応させてピストンリング１の内面より内側に形成されている。下部水平面３ｂが低すぎたり、上部垂直面４ｃが内面に近すぎると凹部４の欠けが生じやすくなる。
【００１６】
このように構成されたピストンリング１を、図示しないスターリング冷凍機の膨張部ピストンの凹溝内に装着すると、ステップカット２の凸部３と凹部４とが凹凸嵌合して環状のピストンリングとなる。図２（ａ）はステップカット２を組み合わせた状態でのピストンリング１の平面図を示し、図２（ｂ）は正面図を示している。尚、ピストンの凹溝は軸線方向に沿って３本並設され、これら３本の凹溝にピストンリング１をそれぞれ装着する。
【００１７】
スターリング冷凍機の運転時には、ピストンリング１の熱膨張によりステップカット２における凸部３と凹部４の合口隙間がいずれもゼロになるように予め設計されている。従って、突き合わされた凸部３の側部垂直面３ａと凹部４の側部垂直面４ａとが面接触し、凹部４側の先端面４ｅと凸部３側の基端面３ｅとが面接触する。そして、凸部３の下部水平面３ｂは凹部４の下部水平面４ｂと、凸部３の上部垂直面３ｃは凹部４の上部垂直面４ｃと、凸部３の傾斜面３ｄは凹部４の傾斜面４ｄとそれぞれ接合する。これにより、ステップカット２のガスシール性が保たれ、高温ガスのリークを阻止することができる。
【００１８】
スターリング冷凍機の長期間運転によってピストンリング１の摺動面１ａが磨耗すると、ピストンリング１が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。このピストンリング１の押し出しは、凹溝の底部に存在するガス（凹溝とピストンリングとの僅かな隙間から凹溝内に流入）の膨張圧力が作用することによる。摺動面の磨耗に伴ってピストンリング１が徐々に押し出されると、ピストンリング１の摺動面１ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、ピストンリング１の内径が拡大することからステップカット２の合口に隙間が生じる。
【００１９】
図３はステップカット２の合口に隙間が生じた状態を示している。即ち、凸部３の側部垂直面３ａと凹部４の側部垂直面４ａとが離れて隙間Ｔが生じ、凹部４の先端面４ｅと凸部３の基端面３ｅとが離れて隙間Ｒが生じる。しかしながら、隙間Ｔに対しては、凹部４の３つの平面４ｂ、４ｃ、４ｄにより隙間Ｔの奥が閉塞されているため、膨張部ピストンの下方部で発生する高温ガスがピストンリング１の内面側に流入することはない。又、凸部３の３つの平面３ｂ、３ｃ、３ｄと凹部４の３つの平面４ｂ、４ｃ、４ｄとが緊密に接合しているため、高温ガスの隙間Ｒ側への移動も不可能である。更に、凹部４の下部水平面４ｂは、ピストンリング１の底面より高い位置にあるため、その下部水平面４ｂより下方部の摺動面１ａ部がシリンダの内壁面に密着しており、これにより隙間Ｔへの高温ガスの流入は実質的に微少である。
【００２０】
一方、隙間Ｒに対しては、高温ガスがピストンリング１の内面側に流入するが、この隙間Ｒの上部は凸部３の上部垂直面３ｃと図示を省略した凹溝とにより閉塞されているためピストンリング１の内面側から外面側に排出されることはない。これにより、冷凍発生部への高温ガスのリークは防止され、熱ロスによる冷凍性能の劣化を招くことがない。
【００２１】
ピストンリング１の摺動面１ａの磨耗により内径が拡大して凸部３と凹部４の凹凸嵌合が外れないように、凸部３の円周方向の張り出し長さとこれに対応する凹部４の円周方向の奥行きとが予め適正に設定されている。
【００２２】
図４は、本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。基本の構成は上記第１実施形態のものと類似するが、ステップカット１２の凸部１３の傾斜面１３ｄを連続する２面構造とし、これに対応して凹部１４の傾斜面１４ｄを２面構造とした構成に特徴を有する。
【００２３】
この構成の場合、凸部１３と凹部１４との凹凸嵌合において相互の接合面積を増大させることができる。従って、高温ガスに対するシール性が向上することになる。上記傾斜面１３ｄ、１４ｄの面数を増やせば更に接合面積の増大を図ることが可能である。
【００２４】
図５は、本発明に係る第３実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。この実施形態は上記第２実施形態を発展させたものである。即ち、ステップカット２２の凸部２３及び凹部２４に傾斜面ではなくピストンリングの厚さ方向に円弧状又は円弧状近傍に湾曲する湾曲面２３ｆ、２４ｆをそれぞれ設けた構成に特徴を有する。
【００２５】
この構成の場合、凸部２３と凹部２４との凹凸嵌合において相互の接触面を多面の連続傾斜面よりも一層接合面積を増大させることができる。従って、高温ガスに対するシール性を更に一層向上させ、これにより冷凍発生部へのガスリークを確実に阻止することができる。
【００２６】
上記実施形態はいずれもスターリング冷凍機の膨張部ピストンに装着する例で説明したが、本発明のピストンリングはスターリング冷凍機の圧縮部ピストンに装着することもでき、更にスターリング冷凍機以外の機器や装置のピストンに装着することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１によれば、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、凸部と凹部がピストンリングの円周方向に沿って設けられ、凸部と凹部を突き合わせる垂直面と、凸部と凹部を接合する少なくとも３つの平面とを備えているので、凸部と凹部との凹凸嵌合において、相互の接合面積が２面の場合に比して増大し、これにより高温ガスに対するガスシール性が向上して冷凍発生部へのガスリークを防止し、冷凍性能の劣化を招くことがなくなる。
【００２８】
又、本発明に係る請求項２によれば、前記３つの平面は、垂直面と、水平面と、その間に挟まれた傾斜面とからなり、及び請求項３によれば、前記平面は、垂直面と、水平面と、その間に挟まれた複数の連続する傾斜面とからなるので、１つの傾斜面又は連続する複数の傾斜面によって凸部と凹部の接合面積を調整することが可能となり、ガスシール性の適格なピストンリングを製作することができる。
【００２９】
更に、本発明に係る請求項４の発明によれば、ピストンリングの一部に凸部と凹部を有する一対のステップカットが設けられ、この一対のステップカットを凹凸嵌合により互いに組み合わせてピストン部の凹溝に装着するピストンリングであって、前記一対のステップカットは、凸部と凹部を突き合わせる垂直面と、凸部と凹部を接合する前記ピストンリングの厚さ方向に湾曲する湾曲面とを備えているので、複数の連続する傾斜面に比して凸部と凹部の接合面積を一層増大させることができガスシール性に優れたピストンリングを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態におけるステップカットを組み合わせた状態を示すもので、（ａ）はピストンリングの平面図、（ｂ）はピストンリングの正面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態におけるステップカットの合口に隙間が生じた状態を示す斜視図である。
【図４】本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図５】本発明に係るピストンリングの第３実施形態を示すステップカット部分の斜視図である。
【図６】従来例におけるスターリング冷凍機の膨張部ピストンにピストンリングを装着した状態を示す斜視図である。
【図７】従来例におけるピストンリングを示す斜視図である。
【図８】従来例におけるピストンリングに合口隙間が生じた状態を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１…ピストンリング
１ａ…摺動面
２…ステップカット
３…凸部
３ａ…側部垂直面
３ｂ…下部水平面
３ｃ…上部垂直面
３ｄ…傾斜面
３ｅ…基端面
３ｆ…湾曲面
４…凹部
４ａ…側部垂直面
４ｂ…下部水平面
４ｃ…上部垂直面
４ｄ…傾斜面
４ｅ…先端面
４ｆ…湾曲面
１２…ステップカット
１３…凸部
１３ｄ…傾斜面
１４…凹部
１４ｄ…傾斜面
２２…ステップカット
２３…凸部
２３ｆ…湾曲面
２４…凹部
２４ｆ…湾曲面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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