(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一対のステップカットが設けられた第１ピストンリング１と、第２ピストンリング８とを２段重ねにして図示を省略したピストンの凹溝内に装着する。この時、第１ピストンリング１のステップカット２と、第２ピストンリング８のステップカット９を円周方向にほぼ１８０°ずらして組み合わせる。又、第１ピストンリング１に設けられた係止部５、６と第２ピストンリング８に設けられた係止部１２、１３とを係合し、相互に回転を規制して回り止めを施す。【選択図】　　図１
2004036837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリングの一部に一対のステップカットが設けられ、このピストンリングをピストン部の凹溝に少なくとも２段重ねし、且つステップカットの合口を円周方向にずらして装着することを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記少なくとも２段重ねのピストンリングは、切り欠き又はピン等の係合手段によりに回り止めが施されてい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】
前記一対のステップカットはストレートカット又はアングルカットであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のピストンリング。
【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８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９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１０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、ステップカット構造のピストンリングをピストン部の凹溝に少なくとも２段重ねし、且つステップカットの合口を円周方向にずらして装着する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一対のステップカットが設けられ、このピストンリングをピストン部の凹溝に少なくとも２段重ねし、且つステップカットの合口を円周方向にずらして装着することを特徴とする。この構成によれば、１つのステップカットの合口に隙間が生じて高温ガスが内側に流入しても、段重ねされた他のピストンリングにより高温ガスの外側への排出が阻止されることから、シリンダ上方部へのガスリークが生じない。
【０００７】
又、本発明の請求項２は、前記少なくとも２段重ねのピストンリングは、切り欠き又はピン等の係合手段によりに回り止めが施されていることを特徴とする。
この構成によれば、ピストン部の凹溝内に段重ねされた２以上のピストンリングが相互に回り止めされ、各ピストンリングのステップカットの合口位置が確実に保持される。
【０００８】
更に、本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２においてピストンリングの一対のステップカットはストレートカット又はアングルカットであることを特徴とする。この構成によれば、従来の凹凸嵌合によるステップカットより構造が簡単であるためピストンリングの製造が容易となる。
【０００９】
【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について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るピストンリングの第１実施形態を示す分解斜視図である。
図中、１は第１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で欠環状に一体成形されたものである。この第１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。
【００１０】
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、これに対応させて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、第１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、相互に凹凸嵌合できるようにしてある。
【００１１】
又、ピストンリング１は、凹部４から少し離れた位置に上面から下方に向けて切り欠いた第１係止部５が形成され、この第１係止部５の対向側即ち１８０°円周方向に回った位置に同じく上面から下方に向けて切り欠いた第２係止部６が形成され、この２つの係止部５、６はほぼ半円状の水平面７で連結されている。
【００１２】
８は第２ピストンリングであり、第１ピストンリング１と類似形状のもので、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第１ピストンリング１と同径で欠環状に一体成形されている。この第２ピストンリング８も欠環部に一対のステップカット９が設けられている。
【００１３】
一対のステップカット９は、欠環部の一方の端部に設けられた凸部１０と、これに対応させて欠環部の他方の端部に設けられた凹部１１を備えている。この凸部１０と凹部１１は、第２ピストンリング８の摺動面８ａ（外面）側に円周方向に沿ってそれぞれ形成され、相互に凹凸嵌合できるようにしてある。
【００１４】
又、第２ピストンリング８は、凹部１１から少し離れた位置に下面から上方に向けて切り欠いた第１係止部１２が形成され、この第１係止部１２の対向側即ち１８０°円周方向に回った位置に同じく下面から上方に向けて切り欠いた第２係止部１３が形成され、この２つの係止部１２、１３はほぼ半円状の水平面１４で連結されている。尚、第１ピストンリング１における水平面７の上面からの距離と、第２ピストンリング８における水平面１４の下面からの距離とは同一寸法に設定される。
【００１５】
このように構成された第１ピストンリング１と第２ピストンリング８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２段重ねにして装着すると、第１ピストンリング１におけるステップカット２の凸部３と凹部４が凹凸嵌合し、第２ピストンリング８におけるステップカット９の凸部１０と凹部１１が凹凸嵌合してそれぞれ環状のピストンリングとなる。この時、第１ピストンリング１の上に第２ピストンリング８を重ね合わせ、第１ピストンリング１の第１係止部５には第２ピストンリング８の第２係止部１３を係合し、第１ピストンリング１の第２係止部６には第２ピストンリング８の第１係止部１２を係合する。
【００１６】
図２（ａ）は第１ピストンリング１と第２ピストンリング８とを２段重ねに組み合わせた状態での平面図を示し、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本の凹溝に上記２段重ねに組み合わせたピストンリングをそれぞれ装着する。又、２段重ねしたピストンリングの合計高さ（全高）が凹溝の内幅に合致するように予め寸法が設定される。
【００１７】
スターリング冷凍機の運転時には、第１ピストンリング１、第２ピストンリング８がいずれも熱膨張することにより、ステップカット２における凸部３と凹部４の合口隙間及びステップカット９における凸部１０と凹部１１の合口隙間がゼロに近い状態になるように予め設計されている。又、第１ピストンリング１と第２ピストンリング８との接合面が相互に密着し、上記係止部同士が相互に係合しているため、第１ピストンリング１と第２ピストンリング８は相互に回転が規制され回り止めされている。これにより、ガスシール性が保たれるので、シリンダの下方部からシリンダ内壁との僅かな隙間を介して上昇する高温ガスが、ピストンリング部分で遮断されて上方部の冷凍発生部へリークすることがない。
【００１８】
スターリング冷凍機の長期間運転によって第１ピストンリング１、第２ピストンリング８の摺動面１ａ、８ａが磨耗すると、第１ピストンリング１及び第２ピストンリング８が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。この外側へのせり出しは、凹溝の底部内に存在するガス（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１ａ、８ａの磨耗に伴って第１ピストンリング１及び第２ピストンリング８が徐々に押し出されると、摺動面１ａ、８ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、第１ピストンリング１及び第２ピストンリング８の内径が拡大することからステップカット２、９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と凹部４とが離れて隙間Ｓが生じる。しかしながら、隙間Ｓの上部には第２ピストンリング８が密着して位置しているため、膨張部ピストンの下方部で発生する高温ガスが隙間Ｓを通って第１ピストンリング１の内側に流入しても、第２ピストンリング８側から外側に出ることはない。これにより、高温ガスの上方への移動は阻止され、冷凍発生部へガスリークすることはない。
【００２０】
合口隙間Ｓから第１ピストンリング１の内側に流入した高温ガスの一部は、凹溝との間の僅かな隙間を介して反対側のステップカット９に生じた合口隙間（図略）に回り込むが、ごく微量であるから殆ど無視することができる。又、ステップカット９の合口隙間から第２ピストンリング８の内側に流入するが、合口隙間の下部には第１ピストンリング１が密着して位置しているため、第１ピストンリング１側から外側に出ることはない。
【００２１】
摺動面１ａ、８ａの磨耗が初期の段階では、ステップカット２の凸部３と凹部４及びステップカット９の凸部１０と凹部１１は、いずれも重なり合う部分が残されるため合口隙間が生じない。従って、高温ガスが第１ピストンリング１及び第２ピストンリング８の内側に流入することはない。
【００２２】
図４は、本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示す分解斜視図である。図中、２１は第１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で欠環状に一体成形されたものである。この第１ピストンリング２１は、欠環部に一対のステップカット２２が設けられている。
【００２３】
一対のステップカット２２は、欠環部の一方の端部に設けられた凸部２３と、これに対応させて欠環部の他方の端部に設けられた凹部２４を備えている。この凸部２３と凹部２４は、第１ピストンリング２１の摺動面２１ａ（外面）側に円周方向に沿ってそれぞれ形成され、相互に凹凸嵌合できるようにしてある。
【００２４】
又、第１ピストンリング２１の上面要所（例えば、凹部２４から円周方向にほぼ９０°離れた位置）に係合用のピン２５が突設されている。このピン２５は第１ピストンリング２１と一体に成形しても、或は第１ピストンリング２１の成形後に後付けするようにしても良い。
【００２５】
２６は第２ピストンリングであり、第１ピストンリング２１と類似形状のもので、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第１ピストンリング２１と同径で欠環状に一体成形されている。この第２ピストンリング２６も欠環部に一対のステップカット２７が設けられている。
【００２６】
一対のステップカット２７は、欠環部の一方の端部に設けられた凸部２８と、これに対応させて欠環部の他方の端部に設けられた凹部２９を備えている。この凸部２８と凹部２９は、第２ピストンリング２６の摺動面２６ａ（外面）側に円周方向に沿ってそれぞれ形成され、相互に凹凸嵌合できるようにしてある。
【００２７】
又、第２ピストンリング２６の下面には上記ピン２５に対応させてピン孔３０が設けられている。このピン孔３０は、第２ピストンリング２６と一体に成形しても、或は第２ピストンリング２６の成形後に孔加工するようにしても良い。ピン孔３０の内径はピン２５の外径より若干大きく形成し、後記する第１ピストンリング２１及び第２ピストンリング２６の内径拡大時に、相互にある程度自由に動けるようにすることで摺動面の偏磨耗を防止する。
【００２８】
このように構成された第１ピストンリング２１と第２ピストンリング２６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２段重ねにして装着すると、第１ピストンリング２１におけるステップカット２２の凸部２３と凹部２４が凹凸嵌合し、第２ピストンリング２６におけるステップカット２７の凸部１０と凹部１１が凹凸嵌合してそれぞれ環状のピストンリングとなる。この時、第１ピストンリング２１の上に第２ピストンリング２６を重ね合わせ、ピン２５をピン孔３０に挿入して係合する。
【００２９】
図５（ａ）は第１ピストンリング２１と第２ピストンリング２６とを２段重ねに組み合わせた状態での平面図を示し、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本の凹溝に上記２段重ねに組み合わせたピストンリングをそれぞれ装着する。又、２段重ねしたピストンリングの合計高さ（全高）が凹溝の幅に合致するように予め寸法が設定される。
【００３０】
スターリング冷凍機の運転時には、第１ピストンリング２１、第２ピストンリング２６がいずれも熱膨張することにより、ステップカット２２における凸部２３と凹部２４の合口隙間及びステップカット２７における凸部２８と凹部２９の合口隙間がゼロに近い状態になるように予め設計されている。又、第１ピストンリング２１と第２ピストンリング２６との接合面が相互に密着し、上記ピン２５とピン孔３０とが係合しているため、第１ピストンリング２１と第２ピストンリング２６は相互に回転が規制され回り止めされている。これにより、ガスシール性が保たれるので、シリンダの下方部からシリンダ内壁との僅かな隙間を介して上昇する高温ガスが、ピストンリング部分で遮断されて上方部の冷凍発生部へリークすることがない。
【００３１】
スターリング冷凍機の長期間運転によって第１ピストンリング２１、第２ピストンリング２６の摺動面１ａ、２６ａが磨耗すると、第１ピストンリング２１及び第２ピストンリング２６が押されて凹溝から徐々に外側にせり出してくる。この外側へのせり出しは、凹溝の底部内に存在するガス（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１ａ、２６ａの磨耗に伴って第１ピストンリング２１及び第２ピストンリング２６が徐々に押し出されると、摺動面１ａ、２６ａとシリンダ内壁との接触は維持されるが、第１ピストンリング２１及び第２ピストンリング２６の内径が拡大することからステップカット２２、２７の合口に隙間が生じる。
【００３２】
しかしながら、上記第１実施形態の場合と同様に、一方のピストンリングの合口隙間部分には他方のピストンリングが密着して位置しているため、膨張部ピストンの下方部で発生する高温ガスが合口隙間を通って一方のピストンリングの内側に流入しても、他方のピストンリング側から外側に出ることはない。これにより、高温ガスの上方への移動は阻止され、冷凍発生部へガスリークすることはない。
【００３３】
一方のピストンリングの合口隙間から内側に流入した高温ガスの一部は、凹溝との間の僅かな隙間を介して他方のピストンリングの合口隙間に回り込むが、ごく微量であるから殆ど無視することができる。
【００３４】
摺動面２１ａ、２６ａの磨耗が初期の段階では、ステップカット２２の凸部２３と凹部２４及びステップカット２７の凸部２８と凹部２９は、いずれも重なり合う部分が残されるため合口隙間が生じない。従って、高温ガスが第１ピストンリング２１及び第２ピストンリング２６の内側に流入することはない。
【００３５】
尚、第２実施形態ではピストンリングの回り止め係合手段として、ピン２５とピン孔３０とを用いた例を説明したが、これに限定されずに例えば類似の構造として突起と凹みによる係合手段を用いることができる。又、係合手段の位置はステップカット部から円周方向にほぼ９０°離れた位置に限定されず、例えば３０°〜１５０°離れた任意の位置でよく、更に複数箇所に設けるようにしてもよい。
【００３６】
図６は、本発明に係るピストンリグの第３実施形態を示すもので、図６（ａ）のように凹凸嵌合によるステップカットではなく、単にストレートカット３２を施したピストンリング３１を２段重ねて組み合わせる構成に特徴を有するものである。
【００３７】
図６（ｂ）はピストンリング３１を２段重ねに組み合わせた状態での平面図を示し、図６（ｃ）は正面図を示している。この場合、上下のピストンリング３１、３１のストレートカット３２、３２が直径方向で対向する位置となるように組み合わせて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２段重ねにして装着する。
【００３８】
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３１、３１の摺動面が磨耗してストレートカット３２、３２に合口隙間が生じても、上記第１実施形態及び第２実施形態の場合と同様に、一方のピストンリングの合口隙間部分には他方のピストンリングが密着して位置しているため、膨張部ピストンの下方部で発生する高温ガスが合口隙間を通って一方のピストンリングの内側に流入しても、他方のピストンリング側から外側に出ることはない。これにより、高温ガスの上方への移動は阻止され、冷凍発生部へのガスリークを大幅に抑制することができる。
【００３９】
尚、この場合も、２段のピストンリング３１が回転して合口隙間が一致しないように、切り欠き又はピン等の係合手段によりに回り止めを施すことが好ましい。又、２段のピストンリング３１でのストレートカット３２の位置は、上記のように円周方向に１８０°離すのみならず、例えば４５°〜１３５°離れた任意の位置でよい。但し、２つの合口隙間はなるべく遠く離れている方が好ましいので１８０°とすることが最良である。
【００４０】
図７は、本発明に係るピストンリグの第４実施形態を示すもので、図７（ａ）のように凹凸嵌合によるステップカットではなく、アングルカット４２を施したピストンリング４１を２段重ねて組み合わせる構成に特徴を有するものである。
【００４１】
図７（ｂ）はピストンリング４１を２段重ねに組み合わせた状態での平面図を示し、図７（ｃ）は正面図を示している。この場合も、上下のピストンリング４１、４１のアングルカット４２、４２が直径方向で対向する位置となるように組み合わせて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２段重ねにして装着する。
【００４２】
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４１、４１の摺動面が磨耗してアングルカット４２、４２に合口隙間が生じても、上記第１実施形態乃至第３実施形態の場合と同様に、一方のピストンリングの合口隙間部分には他方のピストンリングが密着して位置しているため、膨張部ピストンの下方部で発生する高温ガスが合口隙間を通って一方のピストンリングの内側に流入しても、他方のピストンリング側から外側に出ることはない。これにより、高温ガスの上方への移動は阻止され、冷凍発生部へのガスリークを大幅に抑制することができる。
【００４３】
尚、この場合においても、２段のピストンリング４１が回転して合口隙間が一致しないように、切り欠き又はピン等の係合手段によりに回り止めを施すことが好ましい。又、２段のピストンリング４１でのアングルカット４２の位置は、上記のように円周方向に１８０°離すのみならず、例えば４５°〜１３５°離れた任意の位置でよい。但し、２つの合口隙間はなるべく遠く離れている方が好ましいので１８０°とすることが最良である。
【００４４】
上記第１実施形態乃至第４実施形態は、いずれもピストンリングを２段重ねしてピストンの凹溝に装着した例で説明したが、２段重ねに限らず３段以上に重ねて装着することも可能である。又、スターリング冷凍機の膨張部ピストン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。
【００４５】
【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一対のステップカットが設けられ、このピストンリングをピストン部の凹溝に少なくとも２段重ねし、且つステップカットの合口を円周方向にずらして装着する構成であるから、１つのステップカットの合口に隙間が生じて高温ガスが内側に流入しても、段重ねされた他のピストンリングにより高温ガスの外側への排出が阻止され、シリンダ上方部へのガスリークが生じない。
【００４６】
又、本発明の請求項２によれば、前記少なくとも２段重ねのピストンリングは、切り欠き又はピン等の係合手段によりに回り止めが施されているので、ピストン部の凹溝内に段重ねされた２以上のピストンリングが相互に回り止めされ、各ピストンリングのステップカットの合口位置が確実に保持される。
【００４７】
更に、本発明の請求項３によれば、請求項１又は請求項２においてピストンリングの一対のステップカットはストレートカット又はアングルカットであることを特徴とし、従来の凹凸嵌合によるステップカットより構造が簡単であるため、ピストンリングの製造が容易となりコストダウンが図れる。
【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実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】（ａ）は第１実施形態のピストンリングを２段重ねに組み合わせた状態での平面図、（ｂ）は正面図である。
【図３】第１実施形態におけるピストンリングにステップカットの合口隙間が生じた状態を示す部分斜視図である。
【図４】本発明に係るピストンリングの第２実施形態を示す分解斜視図である。
【図５】（ａ）は第２実施形態のピストンリングを２段重ねに組み合わせた状態での平面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】本発明に係るピストンリングの第３実施形態を示すもので、（ａ）はピストンリングの正面図、（ｂ）はそのピストンリングを２段重ねに組み合わせた状態での平面図、（ｃ）は正面図である。
【図７】本発明に係るピストンリングの第４実施形態を示すもので、（ａ）はピストンリングの正面図、（ｂ）はそのピストンリングを２段重ねに組み合わせた状態での平面図、（ｃ）は正面図である。
【図８】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９】従来例におけるピストンリングを示す斜視図である。
【図１０】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…第１ピストンリング
２…ステップカット
３…凸部
４…凹部
５…第１係止部
６…第２係止部
８…第２ピストンリング
９…ステップカット
１０…凸部
１１…凹部
１２…第１係止部
１３…第２係止部
２１…第１ピストンリング
２２…ステップカット
２３…凸部
２４…凹部
２５…ピン
２６…第２ピストンリング
２７…ステップカット
２８…凸部
２９…凹部
３０…ピン孔
３１…ピストンリング
３２…ストレートカット
４１…ピストンリング
４２…アングルカット
【図１】
2004036837.tif 000003
【図２】
2004036837.tif 000004
【図３】
2004036837.tif 000005
【図４】
2004036837.tif 000006
【図５】
2004036837.tif 000007
【図６】
2004036837.tif 000008
【図７】
2004036837.tif 000009
【図８】
2004036837.tif 000010
【図９】
2004036837.tif 000011
【図１０】
2004036837.tif 000012