(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低摩耗樹脂材から形成された第１のピストンリングと、
樹脂材から形成された第２のピストンリングと、
高強度材料から形成されると共に、前記第１のピストンリング及び前記第２のピストンリングより外径が小さい突設部を有するＴ字状断面の支持リングとからなり、
前記支持リングの前記突設部を挟み込むように、前記第１のピストンリングと前記第２のピストンリングとを前記支持リングに組み込み、低温流体用昇圧ポンプのピストンの外周面に形成されたリング溝において、前記第１のピストンリング側を低圧側に配置すると共に、前記第２のピストンリング側を高圧側に配置したことを特徴とする低温流体用昇圧ポンプのピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリングに関するものであり、特に、低温の流体を圧縮して昇圧させる低温流体用昇圧ポンプに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
低温（例えば、−２５３℃から−１００℃）の流体（例えば、液体水素、液体窒素、液化天然ガス等）を圧縮して昇圧させる低温流体用昇圧ポンプとして、特許文献１、２に示すものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７５０２５号公報
【特許文献２】特開２００７−１００６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低温流体用昇圧ポンプには、通常のポンプと同様に、そのピストンの外周面にピストンリングが設けられている。ところが、低温流体用昇圧ポンプにおいては、低温流体を対象とするため、通常のポンプのように潤滑油を使用することができず、樹脂材からなるピストンリングを使用している。そして、使用する際には、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、互いの合い口３１ａ、３２ａを異なる位置にして、２つのピストンリング３１、３２を組み付けて使用している。
【０００５】
しかしながら、低温流体用昇圧ポンプにおいては、低温下であるため、ピストンリング３１、３２は収縮し、又、潤滑油が無いため、ピストンリング３１、３２は摩耗し、そして、これらのことにより、合い口３１ａ、３２ａが開口していく（図６（ｂ）参照）。その場合、図６（ｂ）に示すような構造では、高圧側のピストンリング３２に、圧縮圧力Ｐによる曲げ応力が発生し、ピストンリング３２が折損する（図６（ｃ）中の符号３３参照）。この折損により、ピストンリング３２からの漏れ量が増大し、ポンプ性能の低下につながることが問題となっている（図６（ｄ）参照）。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、折損を防止して、ポンプ性能の低下を防止することができる低温流体用昇圧ポンプのピストンリング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】
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
上記課題を解決する第１の発明に係る低温流体用昇圧ポンプのピストンリングは、
低摩耗樹脂材から形成された第１のピストンリングと、
樹脂材から形成された第２のピストンリングと、
高強度材料から形成されると共に、前記第１のピストンリング及び前記第２のピストンリングより外径が小さい突設部を有するＴ字状断面の支持リングとからなり、
前記支持リングの前記突設部を挟み込むように、前記第１のピストンリングと前記第２のピストンリングとを前記支持リングに組み込み、低温流体用昇圧ポンプのピストンの外周面に形成されたリング溝において、前記第１のピストンリング側を低圧側に配置すると共に、前記第２のピストンリング側を高圧側に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
第１の発明によれば、低圧側の第１のピストンリングを低摩耗樹脂材から形成することにより、摩耗による合い口の開口を抑制することができ、加えて、高圧側の第２のピストンリングを支持リングの突設部で補強することにより、圧縮圧力による曲げ応力への耐性を向上させることができる。この結果、高圧側の第２のピストンリングが折損するまでの時間（寿命）を延長して、ポンプ性能の低下を防止することが可能となる。又、第３の発明の場合と比較して、第１のピストンリング、第２のピストンリングの位置決めを確実に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図５を参照して、本発明に係る低温流体用昇圧ポンプのピストンリングの実施形態を説明する。
【参考例１】
【００１６】
図１は、本発明の参考例となるピストンリングを備えた低温流体用昇圧ポンプの概略縦断面図である。
【００１７】
本発明における低温流体用昇圧ポンプは、図示しない駆動部と、この駆動部により駆動されるポンプ部１とを、主たる構成とするものである。そして、図１に示すように、ポンプ部１は、ピストン２と、ピストンロッド３と、シリンダブロック４とを備えている。
【００１８】
ピストン２は、シリンダブロック４の内部に形成されたシリンダ５内に往復動可能に収容された略円筒形状の部材であり、その一端面（図１において下側の端面）により、低温流体（例えば、液体水素、液体窒素、液化天然ガス等）が圧縮（昇圧）されるようになっている。又、ピストン２の外周面、つまり、シリンダ５の内周面（シリンダ壁）と対向する面には、周方向に沿って複数本（本実施形態では３本）のリング溝６が形成されていると共に、これらのリング溝６内には、後述するピストンリングユニット７が各々配置されている。
【００１９】
ピストンロッド３は、円形断面の略棒状の部材であり、その一端部は、ピストン２の他端面の中央部に連結されると共に、その他端部は、図示しない駆動部の動力伝達部に接続されている。動力伝達部は、駆動源からの動力によりピストンロッド３を上下方向に直線的に往復動させるものである（図１中の実線矢印参照）。
【００２０】
シリンダブロック４は、その内部に略中空円筒状のシリンダ５を有する部材である。シリンダ５の底面（図１において下側の面）には、大気圧状態に近い低温流体が流入する流体流入口８と、ピストン２の一端面により圧縮された低温流体が流出する流体流出口９とが設けられている。これら流体流入口８及び流体流出口９には配管１０がそれぞれ接続されており、流体流入口８の上流側近傍及び流体流出口９の下流側近傍に位置する配管１０には、それぞれ逆止弁（チェック弁）１１、１２が設けられている。又、シリンダ５の上面（図１において上側の面）には、ピストンロッド３が貫通する貫通穴１３が設けられると共に、ピストンロッド３と貫通穴１３との間にはシール１４が設けられている。
【００２１】
以上の構成により、本発明における低温流体用昇圧ポンプでは、駆動源からの動力により上下方向へ直線的に往復動するピストンロッド３により、このピストンロッド３の一端部に接続されたピストン２がシリンダ５内を往復動し、流体流入口８からシリンダ５内に吸入された低温流体が、ピストン２の一端面により圧縮されて、所望の圧力（例えば、４０ＭＰａ程度）に圧縮された後、流体流出口９からシリンダブロック４の外部に導き出されるようになっている。
【００２２】
本発明における低温流体用昇圧ポンプのピストンリングユニット７は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来と同様に、樹脂材からなる２つのピストンリング２１、２２からなり、互いの合い口２１ａ、２２ａを異なる位置にして、２つのピストンリング２１、２２を組み付けている。
【００２３】
この状態のままでは、従来と同様に、低温収縮、摩耗により、合い口２１ａ、２２ｂが開口していき、高圧側のピストンリング２２に、圧縮圧力Ｐによる曲げ応力が発生し、ピストンリング２２が折損してしまうことになる。そこで、本参考例においては、ピストンリングユニット７を、低摩耗樹脂材から形成されたピストンリング２１と、高強度樹脂材から形成されたピストンリング２２とから構成し、低摩耗樹脂材からからなるピストンリング２１を低圧側に、高強度樹脂材からなるピストンリング２２を高圧側に配置している。
【００２４】
このように、低圧側のピストンリング２１を低摩耗樹脂材から形成することにより、摩耗による合い口２１ａの開口を抑制している。加えて、高圧側のピストンリング２２を高強度樹脂材から形成することにより、圧縮圧力Ｐによる曲げ応力への耐性を向上させている。この結果、ピストンリング２２が折損するまでの時間（寿命）を延長して、ポンプ性能の低下を防止することが可能となる。
【００２５】
なお、低圧側のピストンリング２１を形成する低摩耗樹脂材としては、フッ素樹脂系材料（例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等）に所定の充填材を入れることにより、所望の比摩耗量（単位荷重、単位摺動距離当たりの量）、例えば、０．１×１０-9［ｍｍ3／（Ｎ・ｍｍ）］以下とすることができる。
【００２６】
一方、高圧側のピストンリング２２を形成する高強度樹脂材としては、エンジニアリングプラスチック系材料（例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等）に所定の充填材を入れることにより、所望の高強度（曲げ強度）、例えば、低温下で２５０［ＭＰａ］以上とすることができる。
【参考例２】
【００２７】
図３は、本発明の参考例となるピストンリングの他の一例を示す図である。なお、本参考例においても、低温流体用昇圧ポンプの構成は、参考例１（図１）と同等のものでよいので、ここでは、低温流体用昇圧ポンプに関する重複する説明は省略する。
【００２８】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、本参考例において、低温流体用昇圧ポンプのピストンリングユニット７は、低摩耗樹脂材から形成されたピストンリング２１と、樹脂材から形成されると共に補強部材２４により強度が補強されたピストンリング２３とからなり、互いの合い口２１ａ、２３ａを異なる位置にして、２つのピストンリング２１、２３を組み付け、低摩耗樹脂材からからなるピストンリング２１を低圧側に、補強部材２４により補強されたピストンリング２３を高圧側に配置している。
【００２９】
補強部材２４は、ピストンリング２３の内部又は表面近傍に埋め込むように配置されている。又、補強部材２４は、ピストンリング２３の全周に渡って配置してもよいし、ピストンリング２１の合い口２１ａの位置に対応するように、ピストンリング２３の一部分に配置してもよい。補強部材２４としては、金属（例えば、真鍮、ステンレススチール等）や高強度樹脂材（例えば、ＰＥＥＫ系材料等）を用いることにより、ピストンリング２３を、所望の高強度（曲げ強度）、例えば、低温下で２５０［ＭＰａ］以上とすることができる。従って、高圧側のピストンリング２３は、参考例１のような高強度樹脂材から形成する必要はなく、強度の低い樹脂材でもよいし、低圧側のピストンリング２１と同じく、低摩耗樹脂材から形成してもよい。
【００３０】
このように、低圧側のピストンリング２１を低摩耗樹脂材から形成することにより、摩耗による合い口２１ａの開口を抑制すると共に、高圧側のピストンリング２３を補強部材２４で補強することにより、圧縮圧力Ｐによる曲げ応力への耐性を向上させている。この結果、ピストンリング２３が折損するまでの時間（寿命）を延長して、ポンプ性能の低下を防止することが可能となる。
【参考例３】
【００３１】
図４は、本発明の参考例となるピストンリングの更なる他の一例を示す図である。なお、本参考例においても、低温流体用昇圧ポンプの構成は、参考例１（図１）と同等のものでよいので、ここでも、低温流体用昇圧ポンプに関する重複する説明は省略する。
【００３２】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、本参考例において、低温流体用昇圧ポンプのピストンリングユニット７は、低摩耗樹脂材から形成されたピストンリング２１と、樹脂材から形成されたピストンリング２５と、ピストンリング２１とピストンリング２５との間に挟み込まれる補強リング２６とからなり、互いの合い口２１ａ、２５ａを異なる位置にすると共に、間に補強リング２６を挟み込むようにして、２つのピストンリング２１、２５を組み付け、低摩耗樹脂材からからなるピストンリング２１を低圧側に、ピストンリング２５を高圧側に配置している。
【００３３】
補強リング２６は、シリンダ５の内周面（シリンダ壁）に接触しないように、その外径がピストンリング２１及びピストンリング２５の外径より小さく形成されている。又、補強リング２６としては、前述した補強部材２４と同じように、金属（例えば、真鍮、ステンレススチール等）や高強度樹脂材（例えば、ＰＥＥＫ系材料等）を用いることができる。そして、この補強リング２６は、圧縮圧力Ｐによる力がピストンリング２５に働いても、ピストンリング２５の変形を抑制し、折損を防止する役割を果たしている。従って、高圧側のピストンリング２５は、参考例１のような高強度樹脂材から形成する必要はなく、強度の低い樹脂材でもよいし、低圧側のピストンリング２１と同じく、低摩耗樹脂材から形成してもよい。
【００３４】
このように、低圧側のピストンリング２１を低摩耗樹脂材から形成することにより、摩耗による合い口２１ａの開口を抑制すると共に、高圧側のピストンリング２５を補強リング２６で補強することにより、圧縮圧力Ｐによる曲げ応力への耐性を向上させている。この結果、ピストンリング２５が折損するまでの時間（寿命）を延長して、ポンプ性能の低下を防止することが可能となる。又、参考例２の場合と比較して、ピストンリング自体への特別な加工が不要となるため、ピストンリングユニット７の構造を簡便にして、製造工程を簡易にすることができる。
【実施例１】
【００３５】
図５は、本発明に係るピストンリングの実施形態の一例を示す図である。なお、本実施例においても、低温流体用昇圧ポンプの構成は、参考例１（図１）と同等のものでよいので、ここでも、低温流体用昇圧ポンプに関する重複する説明は省略する。
【００３６】
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施例において、低温流体用昇圧ポンプのピストンリングユニット７は、低摩耗樹脂材から形成されたピストンリング２１と、樹脂材から形成されたピストンリング２５と、ピストンリング２１及びピストンリング２５を支持する支持リング２７とからなり、互いの合い口２１ａ、２５ａを異なる位置にすると共に、間に支持リング２７の突設部２７ａを挟み込むようにして、支持リング２７に２つのピストンリング２１、２５を組み付け、低摩耗樹脂材からからなるピストンリング２１側を低圧側に、ピストンリング２５側を高圧側に配置している。
【００３７】
支持リング２７の突設部２７ａは、シリンダ５の内周面（シリンダ壁）に接触しないように、その外径がピストンリング２１及びピストンリング２５の外径より小さく形成されている。又、支持リング２７としては、前述した補強部材２４、補強リング２６と同じように、金属（例えば、真鍮、ステンレススチール等）や高強度樹脂材（例えば、ＰＥＥＫ系材料等）を用いることができる。そして、この支持リング２７の突設部２７ａは、圧縮圧力Ｐによる力がピストンリング２５に働いても、ピストンリング２５の変形を抑制し、折損を防止する役割を果たしている。従って、高圧側のピストンリング２５は、参考例１のような高強度樹脂材から形成する必要はなく、強度の低い樹脂材でもよいし、低圧側のピストンリング２１と同じく、低摩耗樹脂材から形成してもよい。
【００３８】
このように、低圧側のピストンリング２１を低摩耗樹脂材から形成することにより、摩耗による合い口２１ａの開口を抑制すると共に、高圧側のピストンリング２５を支持リング２７の突設部２７ａで補強することにより、圧縮圧力Ｐによる曲げ応力への耐性を向上させている。この結果、ピストンリング２５が折損するまでの時間（寿命）を延長して、ポンプ性能の低下を防止することが可能となる。又、参考例３の場合と比較して、ピストンリング２１、２５の位置決めを確実に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
将来の水素利用社会における水素利用形態として、液体水素は高密度での保存が可能であることから有力な候補の一つである。一方、燃料電池車をはじめとする水素自動車への水素貯蔵方式としては、高圧水素となる可能性が高い。常温・常圧水素ガスを３５ＭＰａ〜７０ＭＰａまで圧縮する場合に比べ、液体水素を３５ＭＰａ〜７０ＭＰａまで圧縮し、常温まで気化することで水素自動車へ充填する方法は圧縮動力において有利である。ところが、低温流体用昇圧ポンプを用いて、液体水素を直接圧縮する際には、極低温であること、そして、圧力が高いことから、上記［発明が解決しようとする課題］で説明したように、ピストンリングの折損を招きかねない。ピストンリングの性能は、ポンプ性能に直結するため極めて重要な部品である。そこで、上述した本発明に係るピストンリングを、低温流体用昇圧ポンプに適用することにより、単なる低温流体を圧縮する場合だけでなく、極低温の液体水素を高圧に圧縮する場合であっても、ピストンリングの折損を抑制して、ポンプ性能の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の参考例となるピストンリングを備えた低温流体用昇圧ポンプの概略縦断面図である。
【図２】本発明の参考例となるピストンリングの一例（参考例１）を示す図である。
【図３】本発明の参考例となるピストンリングの他の一例（参考例２）を示す図である。
【図４】本発明の参考例となるピストンリングの他の一例（参考例３）を示す図である。
【図５】本発明に係るピストンリングの実施形態の一例（実施例１）を示す図である。
【図６】低温流体用昇圧ポンプにおけるピストンリングの問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    ポンプ部
２    ピストン
５    シリンダ
６    リング溝
７    ピストンリングユニット
２１、２２、２３、２５  ピストンリング
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２５ａ  合い口
２４  補強部材
２６  補強リング
２７  支持リング
２７ａ  突設部
【図１】
0004950092.tif 000002
【図２】
0004950092.tif 000003
【図３】
0004950092.tif 000004
【図４】
0004950092.tif 000005
【図５】
0004950092.tif 000006
【図６】
0004950092.tif 000007