JP2017206964A - ラビリンスシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ラビリンスシール部とシリンダを非接触に保ちつつ、ピストンの側面における流体の流れを防止するラビリンスシール構造を提供することである。
【解決手段】本発明によるラビリンスシール構造は、シリンダ(1)内で上下動するピストン(2)と、前記ピストン(2)の外周に設けられたライダーリング(3)と、を有するラビリンスシール構造において、前記ライダーリング(3)は、線膨張率の異なる材料からなる二個以上の高線膨張リング(12)及び低線膨張リング(13)からなると共に、前記ピストン(2)のラビリンス部(11)はシリンダ(1)の内壁(1a)に対して非接触を保つようにした構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラビリンスシール構造に関し、特に、ガス圧縮機のピストンの側面における流体（圧縮ガス）の漏れを防止するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種のラビリンスシール構造としては、例えば、図４から図６で示される特許文献１の構成を挙げることができる。
すなわち、図４におけるシリンダ１内には、シリンダ１の内径より小さな外径を有するライダーリング３がピストン２に設けられている。前記ライダーリング３はシリンダ１に対して通常は非接触であるが、ピストン２の振れがシリンダ１内径に対して過大な場合はラビリンス部に先んじてライダーリング３がシリンダ１に接触することでピストンを支持する。これにより、ガスのシール機能を発揮するラビリンス部を非接触に保つことが可能となる。ここで、ピストン２の振れがシリンダ１内径に対して過大になる場合としては、シリンダ１内ガスの圧力が十分に高くなっておらずラビリンスの調芯効果が得られない圧縮機起動時やピストンロッドが熱による曲げ変形を起こした場合などが挙げられている。また、ライダーリング３の外周面には往復動方向に溝１５が設けられており、ガスの流れを阻害することなく往復動することができる。さらに、ライダーリング３の材質には無潤滑で高い摺動性を示すものが推奨され、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やグラファイトが例として挙げられている。

また、図７及び図８として示される特許文献２の圧縮機のピストンリングでシリンダ内ガスのシールを行う構造では次に説明するものが知られていた。すなわち、線膨張率の異なる二個のピストンリングを装着した構成である。
すなわち、空調用往復動圧縮機のピストン２に高温領域用ピストンリングと低温領域用ピストンリングの二個のピストンリング２１，２２が溝２３，２４を介して装着されている。二個のピストンリング２１，２２は、線膨張率の異なる材料で作られていると同時に常温における外径（以下、自由径と呼ぶ。）が異なるよう設計されている。従って、ある所定温度における二個のピストンリングの外径は互いに異なるようになっている。これにより、自由径が大きく線膨張率が小さいピストンリングが低温領域でシリンダ内面に密着し、自由径が小さく線膨張率が大きいピストンリングが高温領域でシリンダ内面に密着することで、両温度領域で優れたシール性を発揮することができる。

米国特許第３，６５３，３０３号明細書 特開２００３−９７４４２号公報

すなわち、前述の特許文献１のようにピストンを構成した時、圧縮機起動時の温度ではシリンダ内径より小さな外径を有するライダーリングを設置した場合であっても、運転中の温度ではライダーリングが膨張してシリンダ内面に押し付けられる寸法となり、異常な発熱と摩耗を生じる可能性がある。あるいは、運転中の温度で適切な外径となるライダーリングを設置した場合、起動時の温度でのライダーリング外径がラビリンス部の外径より小さくなり、ラビリンス部の保護機能を発揮しない可能性がある。これらの原因は、ライダーリングの線膨張範囲と比較してシリンダとラビリンス部との隙間が小さいことにある。一般に、ＰＴＦＥをはじめとした樹脂材料は、シリンダやラビリンス部に用いられる金属材料と比較して線膨張率が大きい。加えて、ラビリンスシール構造においては、ガスの漏れ量を減らすためにシリンダとラビリンス部の隙間を可能な限り狭く設定することが求められる。以上のことから、シリンダとラビリンス部の隙間値とライダーリングの線膨張範囲のバランスをとる設計が困難である。

また、前述の特許文献２の構成では、ピストンリングがピストンの支持機能とガスのシール機能を兼ねており、ピストンリングがシリンダ内面に常に接触した状態で運転を行う。これに対しラビリンスシール構造では、通常時はシリンダと非接触でありながら、ピストン振れが過大な場合にのみ支持機能を発揮する要素が求められる。

本発明は、圧縮機起動時の温度から運転中の温度までの全ての温度範囲でシリンダの内径より小かつラビリンス部の外径より大である外径となるライダーリングを用いて、ラビリンス部を非接触に保つことができるようにしたラビリンスシール構造を得ることを目的としている。

本発明によるラビリンスシール構造は、シリンダ内で上下動するピストンと、前記ピストンの外周に設けられたライダーリングとを有するラビリンスシール構造において、前記ライダーリングは、線膨張率の異なる材料からなる二個以上のリングからなる構成であり、また、前記リングの下部には、ラビリンス溝を有するラビリンス部が設けられ、前記ラビリンス部の第１外径は、前記ライダーリングの第２外径よりも小である構成である。

本発明によるラビリンスシール構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、シリンダ内で上下動するピストンと、前記ピストンの外周に設けられたライダーリングとを有するラビリンスシール構造において、前記ライダーリングは、線膨張率の異なる材料からなる二個以上のリングからなる構成であるため、圧縮機起動時のような低温状態から運転中のような高温状態までの温度範囲でシリンダの内径より小かつラビリンス部の外径より大な外径となる複数のライダーリングを用いて、ラビリンス部を非接触に保つことができるシール構造を提供できる。
また、前記リングの下部には、ラビリンス溝を有するラビリンス部が形成され、前記ラビリンス部の第１外周は、前記ライダーリングの第２外周よりも内側である構成であるため、ライダーリングの線膨張範囲の制約を受けずにシリンダとラビリンス部の隙間値を設定できるため、ラビリンスシール構造に採用される非常に狭い隙間値を用いることができる。また、温度領域によって複数のライダーリングが支持機能を分担することで、ライダーリング一個あたりの摺動時間が減少することになり、長寿命化できる効果がある。
さらに、従来のラビリンスシール構造のピストンを使用する往復動圧縮機においてピストンをガイドする役割を果たしていた案内軸受が不要となる。案内軸受が不要となることで、部品数を削減できるのはもちろん、高い精度が求められる組立作業を行う必要がなくなる。また、案内軸受を設置する空間を廃止し、圧縮機の全高を低減することが可能となるため、全体の振動を軽減できる効果がある。

本発明によるラビリンスシール構造を示す要部の断面図である。 図１の要部の低温状態を示す拡大断面図である。 図１の要部の高温状態を示す拡大断面図である。 従来のラビリンスシール構造を示す断面図である。 図４の要部を示す側面図である。 図４の要部を示す平面図である。 従来の圧縮機の断面図である。 図７の要部の拡大斜視図である。

本発明によるラビリンスシール構造は、ガス圧縮機のピストンの側面における流体（圧縮ガス）の漏れを防止するために、ピストンのライダーリングを、線膨張率の異なる材料からなる二個以上のリングからなる構成とすることにより、全ての温度範囲で、シリンダの内壁に対してラビリンス部を非接触に保つことができることである。

以下、図面と共に本発明によるラビリンスシール構造の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号１で示されるものは、図示しない往復動圧縮機のシリンダであり、このシリンダ１の内側にはピストン２が上下動自在に収容されている。
前記ピストン２は、上部ピストンディスク２ａと下部ピストンディスク２ｂを上下に一体化した構成である。

前記各ピストンディスク２ａ，２ｂには、第１貫通孔４及び第２貫通孔５が形成され、前記第１貫通孔４の下部には第１段部６が形成されている。

また、前記第２貫通孔５の上部には第２段部７及びピストンナット８が設けられており、前記第１段部６から前記第１貫通孔４内に挿入されたピストンロッド９は、前記第２貫通孔５を貫通した後、前記ピストンナット８に螺合する。
また、前記ピストンロッド９の径大部９ａは前記第１段部６に当接して位置決めされ、前記ピストンナット８は前記第２段部７で位置決めされ、前記ピストンナット８を締めることによって、前記各ピストンディスク２ａ，２ｂがピストン２として一体に締結される。

前記ピストン２の側部すなわち外周には、前記各ピストンディスク２ａ，２ｂを跨いで連通する状態で輪状凹部１０が形成されている。
前記輪状凹部１０内には、上部にライダーリング３を設けたラビリンス部１１が設けられている。
尚、前記ライダーリング３は前記ラビリンス部１１の上部に設けた場合を図１に示しているが、上部に限ることなく、中央部あるいは下部に設けることもできる。
前記ライダーリング３は、高線膨張リング１２及びこの高線膨張リング１２よりも低い線膨張の低線膨張リング１３が前記ピストン２の軸方向Ａに沿って積層され、このライダーリング３の下部にはラビリンススリーブ１４及びラビリンス溝１５からなる前記ラビリンス部１１が設けられている。
従って、前記ラビリンス部１１を備えたピストン２に線膨張率の異なる材料からなる二個以上のリング１２，１３が互いに上下方向に接触して重合した状態で設けられている。

次に動作について説明する。例えば、圧縮機起動時のような低温状態においては、低線膨張リング１３がラビリンススリーブ１４や高線膨張リング１２よりシリンダ１側に飛び出している構造となり（図２）、ラビリンススリーブ１４をシリンダ１と非接触に保つことができる。また、圧縮機運転中のような高温状態においては、高線膨張リング１２が熱により膨張し、ラビリンススリーブ１４や低線膨張リング１３よりシリンダ１側に飛び出す構造となり（図３）、ラビリンススリーブ１４をシリンダ１と非接触に保つことができる。

また、線膨張率が小さいライダーリング１３は、圧縮機起動時のような低温状態におけるシリンダ１の内径より小かつラビリンス部１１の外径より大なる外径となるよう設計されているため、低温状態においてピストン２の支持機能を発揮する。反対に、線膨張率が大きいライダーリング１２は、圧縮機運転中のような高温状態におけるシリンダ１の内径より小かつラビリンス部１１の外径より大なる外径となるよう設計されているため、圧縮機の温度が高温で安定した状態においてピストン２の支持機能を発揮する。なお、圧縮機起動時の温度から運転中の温度までの全ての温度範囲において全てのライダーリング３の外径はシリンダ１内径より小であるため、通常はシリンダ１と非接触でありながら、ピストン振れが過大な場合にのみピストン２の支持機能を発揮する。
尚、前記ラビリンス部１１の第１外径Ｄ１は、前記ライダーリング３の第２外径Ｄ２よりも小であるため、ラビリンススリーブ１４のシリンダ１の内面への接触を防止することができる。

尚、本発明によるラビリンスシール構造の要旨とするところは、次の通りである。
すなわち、シリンダ１内で上下動するピストン２と、前記ピストン２の外周に設けられたライダーリング３とを有するラビリンスシール構造において、前記ライダーリング３は、線膨張率の異なる材料からなる二個以上のリング１２，１３からなる構成であり、また、前記リング１２，１３の下部には、ラビリンス溝１５を有するラビリンス部１１が形成され、前記ラビリンス部１１の第１外径Ｄ１は、前記ライダーリング３の第２外径Ｄ２よりも小である構成である。

本発明によるラビリンスシール構造は、ピストンのラビリンス部の上部に設けたライダーリングを高線膨張リングと低温膨張リングで構成しているため、圧縮機起動時のような低温状態及び圧縮機運転中の高温状態でもシールが可能となり、シリンダに対するラビリンス部の非接触を保つことができ、圧縮機を高性能に維持することができる。

１ シリンダ
２ ピストン
２ａ 上部ピストンディスク
２ｂ 下部ピストンディスク
３ ライダーリング
４ 第１貫通孔
５ 第２貫通孔
６ 第１段部
７ 第２段部
８ ピストンナット
９ ピストンロッド
９ａ 径大部
１０ 輪状凹部
１１ ラビリンス部
１２ 高線膨張リング
１３ 低線膨張リング
１４ ラビリンススリーブ
１５ ラビリンス溝

Claims (2)

1. シリンダ(1)内で上下動するピストン(2)と、前記ピストン(2)の外周に設けられたライダーリング(3)とを有するラビリンスシール構造において、
   前記ライダーリング(3)は、線膨張率の異なる材料からなる二個以上のリング(12,13)からなる構成としたことを特徴とするラビリンスシール構造。
2. 前記ラビリンス部(11)の第１外径(D1)は、前記ライダーリング(3)の第２外径(D2)よりも小である構成としたことを特徴とする請求項１記載のラビリンスシール構造。

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