JPH04214970A - 無給油式往復圧縮機及び膨張機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は無給油式往復圧縮機と膨張機に係り、特に自己
潤滑性材料で形成したピストンリングが嵌合されたピス
トン体と金属製のシリンダからなる無給油式往復圧縮機
と膨張機に関する。

「従来の技術」 従来より、ピストンとシリンダ間の円滑な摺動性を確保
する為に、例えば第３図に示すように、アルミその他の
金属材で形成したピストン１０のトップ側からスカート
側に至る外周面のほぼ全域に亙って多段状にリング溝Ｉ
ＩＩａ、ＩＩＩｂ、ＩＩＩｃを凹設し、該リング溝にフ
ッ素樹脂その他の自己潤滑性樹脂からなるピストンリン
グ１０５ａ、１０５ｂとライダーリング１０６を環設す
るとともに、該リング外径をピストンのランド部１０２
（ピストンリングをリング溝の上下で保持するリング状
凸部）外径より僅かに大に設定する事により、自己潤滑
性のピストンリング１０５ａ、１０５ｂとライダーリン
グ１０６（以下リング体という）のみがシリンダと接触
し、これによりピストンとシリンダ間の円滑な摺動性を
保証する事が出来る様に構成した無給油式圧縮機や膨張
機は公知である。

さてかかる流体機械の場合、シリンダがピストンリング
より固い金属材料で形成されている為に、前記摺接によ
りリング体が摩耗し且つ長時間運転によりその摩耗限界
を越えると、ピストンの外周（ランド部）が直接シリン
ダに摺接し、かじり等が発生する場合がある。

特に５ｋｇｆ／ｃｍ２以上の圧縮比を有する圧縮機の場
合、最大圧縮時に３００℃前後の圧縮熱がピストン上面
に印加されているために熱膨張が生じ、僅かなリング体
の摩耗でも前記ピストンがシリンダに摺擦してしまうと
いう問題を生じてしまう。

かかる欠点を解消するために、公知の圧縮機においては
前記リング体に摺動性能のよいポリテトラフルオロエチ
レン（ＰＴＦＥ）系の樹脂材料を用いると共に、ピスト
ン／シリンダ間のクリアランスを、ピストン外径に対し
１〜２％（５０ｍｍφのピストン外径に対し、０．５〜
１ｍｍ）程度に設定している。

しかしながらかかる構成を取ると圧縮初期若しくは断続
運転時等においてはピストン／シリンダ間のクリアラン
スが無用に大になり、その分圧縮効率の低下を生じやす
い。

かかる欠点を解消するために、アルミ材からなるピスト
ンの表面に自己潤滑性樹脂を被膜処理し、ピストン外周
が直接シリンダに摺接した場合でも、かじり等の発生を
防止するようにした技術が開示されているが、従来ピス
トンリング等に多用されている前記ＰＴＦＥ等の自己潤
滑性樹脂の耐熱強度は２００〜２５０℃前後である為に
、前記したように断熱圧縮比を５ｋｇｆ／ｃｍ２以上に
高くした場合に、前記圧縮熱が容易に前記ＰＴＦＥの耐
熱温度以上になり、ピストン表面被膜の劣化、変形、更
にはアルミ材からなるピストン本体との間で生じる熱膨
張率等の差異に起因して剥離や亀裂等が生じる恐れがあ
り、この為かかる技術は圧縮熱による温度上昇の少ない
低圧用の圧縮機以外に適用不可能であるという欠点を有
す。

又、前記いずれの従来技術においてもピストン自体が金
属材、特に軽量化を達成するために、アルミ材で形成し
ているが、アルミ材は熱伝導率が高い為にピストン頂面
で受熱した圧縮熱はピストン全体に伝わり、特にピスト
ンピンを介してピストンを駆動する連接棒の動きを伝え
るピン孔部も高温となり、而も無給油圧縮機の場合前記
ピストンピン部を油冷却する等の手段を取り得ないため
に、耐熱性を有する軸受け部品等を使用したりしなけれ
ばならず、而も該ピストンピン部が他の軸受けに比較し
て単位面積当りの荷重が大であり結果として耐熱性と耐
荷重性を有する軸受けを用いなければならず、前記高コ
スト化と耐久性の低下を引起こしやすい。

さて往復圧縮機は一般に気密シールを行うピストンリン
グを、リング溝内への挿入を可能にするために、円形リ
ングの一端を切断したＣの字形状をしているが、特に無
給油式圧縮機の場合は前記したように、給油式圧縮機に
比較してピストン／シリンダ間のクリアランスが大であ
りこの為前記リング端部同士の接合部（合い口）よりの
ガス洩れが生じやすい。

この為通常の圧縮機と同様に無給油式圧縮機においても
前記合い口部をステップカット等の形状に工夫を懲らす
と共に、該リングを多段状に配置し、各リングの合い口
が軸方向の同一位置に合致しないように周方向に位置を
ずらして配置しているが、このような構成を取っても、
上下のピストンリング間に存在するピストンランド部と
シリンダ間にはリング状のクリアランスが存在する為に
該クリアランスを介して隣接するリングの合い口同士が
連通してしまい、ガス洩れを防止し得ない。

かかる欠点を解消する為に、前記ピストンのリング溝内
にピンその他のピストンリングの固定手段を配し前記合
い口部を圧縮工程時のシリンダと密接するサイドスラス
ト側に位置固定させるような技術が考えられる。（かか
る技術は給油タイプの圧縮機の分野では日本国実公昭６
０−２６２３６号にて公知であるが、無給油式圧縮機の
分野では新規である。） しかしながら無給油式圧縮機においては前記したように
ピストンがシリンダに対し非接触の状態を維持している
為にシリンダと密接するサイドスラスト側をピストンリ
ングの合い口部でシールしようとしても、軸方向に切断
される合い口部が存在する限り、その完全な封止を行う
事が出来ず、而も無給油式圧縮機で使用されるピストン
リングは、金属製ではなく樹脂体である為に一部を切り
欠いて前記ピンに係合させるような構造は取りにくく、
前記合い口部と対応する箇所にピンを設けると、前記合
い口部が離間してその離間部位よりガス洩れが生じてし
まう。

「発明が解決しようとする課題」 本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、かじりや圧縮効
率（膨張効率）が低下する事のない無給油式往復圧縮機
／膨張機を提供する事を目的とする。

本発明の他の目的とする所は、高い圧縮熱がピストン頂
部と接触する場合でもピストンの変形や劣化等が生じる
事のない無給油式往復圧縮機を提供する事にある。

本発明の他の目的とする所は、リング合い口よりのガス
洩れやかじりが生じる事なく長期に亙って高圧縮効率（
目張効率）を維持し得る無給油式往復圧縮機／膨張機を
提供する事にある。

「課題を解決するための手段」 Ａ、請求項１）〜４）に記載した発明（第１発明）かか
る目的を達成するために、請求項１に記載した発明にお
いては、近年開発された熱硬化性縮合多環多核芳香族樹
脂（以下ＣＯＰＮＡ樹脂という）を成形材料に用い、該
樹脂に摺動性を高める耐熱材料、例えば黒鉛と必要に応
じて炭素繊維等の強度性を高める材料等を混入して、耐
熱性と強度性に加えて自己潤滑性を高めた樹脂系複合材
を用い、該複合材でピストン体を形成した点にある。

Ｂ、請求項５）〜９）に記載された発明（第２発明）さ
て前記発明はピストン自体がアルミ材に比較して熱伝導
が低いために、ピストンピンの高熱化は防げるが、逆に
ピストン頂部に高熱が蓄熱され、複合材自体のたい熱温
度を超えないまでも圧縮効率が低下してしまう恐れがあ
る。

そこで請求項５）に記載した発明においては、シリンダ
及びピストンピン部との円滑な摺動機能と、吐出／吸込
弁と対面する頂部、言い変えれば圧縮熱と接触するピス
トン頂部側の耐熱（熱伝搬）機能を分離し、外周部の内
少なくともシリンダと摺擦される部位とピストンピン孔
部を自己潤滑性耐熱材料で、又ピストン頂部をアルミ等
の良熱伝導性材料で夫々形成する事により、前記した欠
点の解消を図ったものである。

Ｃ、請求項１０）〜１３）に記載された発明（第３発明
）本発明は前記したようにピストンリングの合い口部の
ガス洩れを阻止する為に、下記３つの考えより出発して
いる。

その第１は圧縮工程時のシリンダと密接するサイドスラ
スト側をピストンリングの合い口部でシールしようとし
ても、軸方向に切断される合い口部が存在する限り、そ
の完全な封止を行う事が出来ず、而も従来の無給油式圧
縮機においてはピストンとシリンダ間は非接触状態を維
持している為に、前記合い口部のみで封止しなければな
らず、給油式圧縮機に比較してその条件が悪い。

そこで本発明は前記第１発明の様にピストン若しくはそ
の摺動面を自己潤滑性材料で形成しピストン自体のシリ
ンダとの摺接を可能にし、圧縮工程時のシリンダと密接
するサイドスラスト部に位置するピストン自体の周面で
実質的に気密封止を可能にした点を第１の特徴とする。

この場合、第２発明の様に、シリンダと対峙するピスト
ン摺動面を自己潤滑性材料で形成してもよく、又シリン
ダ側若しくはシリンダとピストンの両者若しくはその表
層部のみを自己潤滑性材料で形成してもよい。

しかしながら前記の様に構成しても、前記サイドスラス
ト部にリング溝が存在する場合はその封止はピストンリ
ング、言い換えればそのリング溝位置に存在するピスト
ンリングの合い口部に封止条件が依存してしまう。

そこで本発明においては前記サイドスラスト位置にリン
グ溝を設ける事なく、該リング溝を前記サイドスラスト
部で離間されるＣの字状に形成してピストン周面自体で
封止可能にする。

「作用」 Ａ、第１発明の作用 かかる発明によれば前記ＣＯＰＮＡ樹脂自体の熱変形温
度が２５０℃以上であり且つ該成形樹脂に黒鉛等のより
高耐熱性の材料を加えて成形するものである為に、耐熱
性を優に３００℃前後若しくはそれ以上に維持出来るた
めに、断熱圧縮比を５ｋｇｆ／ｃｍ２以上（圧縮熱が３
００℃前後）に設定した場合でもピストンに何等熱変形
が生じる事なく長期に亙って耐熱劣化が生じる事はない
。

而も前記複合材は摺動性を高める黒鉛等を混入して成形
した為に、それ自体で自己潤滑性機能を有し、結果とし
てピストン自体がシリンダと摺接してもかじり等が生じ
る事なく円滑な摺動性能を得る事が出来る。

而も、熱膨張率はアルミ材に比較して数段低いためにピ
ストン／シリンダ間のクリアランスを小にしても問題が
生じる事なく、これにより却って圧縮効率の向上を図る
事が出来る。この場合熱膨張によるかじりが生じる事な
く高圧縮効率を得るために、最も好ましいクリアランス
はかじりが生じない範囲できっちり嵌合可能に、より具
体的にはピストン直径に対し常温で０．１〜０．５％程
度に設定するのがよく、そして特に前記ピストンは熱伝
導率がアルミ材に比して小さいために、ピストン頂部へ
の圧縮熱蓄熱量が多く圧縮運転時にピストン上部と下部
における熱膨張率が異なる結果、ピストン／シリンダ間
のクリアランスが不均一になり圧縮効率に悪影響を及ぼ
し易い。そこで本発明の好ましい実施例においてはピス
トン上部側の直径を下部側の直径に比較して相対的に小
、好ましくは逆テーパ状に形成するのがよい。

一方前記複合材がアルミ材に比較して熱伝導率が数段小
さい事はピストンピン側の軸受け部に取っては逆に好ま
しい作用が生じる。

即ち複合材で形成したピストンは熱伝導率が小さいため
に、ピストン頂面で受熱した圧縮熱が該頂部よりピスト
ンピン側に伝わるより、金属製のシリンダより放熱され
る率が多く、結果としてピストンピン孔部の高温化が抑
制される事となり、結果として耐熱性を考慮する事なく
ピストンピン部を形成し得ると共に、該ピストン自体に
自己潤滑性機能をもたせたために、、特別な軸受け部材
を設ける事なく直接ピストンピンを嵌合させる事が可能
となる。

これにより部品点数の削減と低コスト化が可能になると
共に、前記ピン孔部が高温に曝される事がないために、
耐久性の向上が図れる。

又前記ピン孔部はピストンの上昇工程から下降工程若し
くは下降工程から上昇工程に移行時に衝撃を受け、従来
の軸受けを用いる構造では前記衝撃により軸受けの劣化
等が生じてしまうが、本発明においては、弾性力を有す
る複合材からなるピストン自体を軸受けとして機能させ
たために、ピストンにより前記衝撃を吸収し、耐久性の
向上を図る事が出来る。

Ｂ、第２発明の作用 かかる構成によれば、圧縮熱と接触するピストン頂部側
はアルミ等の材質により形成されている為に、例え断熱
圧縮比を高くし圧縮熱が３００℃前後まで上昇しても該
頂部が変形若しくは劣化する事なく、而も前記頂部は吸
込時の冷気が触れることによって冷却されるので、圧縮
熱が蓄熱される事なく吐出空気を介して容易に放出され
、結果としてその下方に位置する自己潤滑性耐熱材で形
成された部位への伝熱温度が圧縮熱に近いところまで高
温化する事なく、該自己潤滑性材料を例え耐熱温度の低
いフッ素樹脂で形成しても容易に耐熱温度以下に維持す
る事が可能となる。

この場合特に、ピストン頂部とともに圧縮熱が最も伝達
し易いトップランド１４部を良熱伝導体を用いて形成す
る事により前記放熱効果が一層向上し、更に耐熱温度の
低いフッ素樹脂の使用が一層可能になるが、この場合は
該トップランド部の外径を、その下方のピストン径より
僅かに小に設定し、シリンダ側との摺擦を避けるように
構成する事によりトップランド部のかじりを防止し、円
滑なピストン摺動性能を保証し得る。即ち前記ピストン
本体の少なくともシリンダと摺擦する外周面側は自己潤
滑性耐熱材で形成され、而も該外周面側は前記したよう
に圧縮熱の伝熱を極力避けている為に、耐熱温度の低い
材料でも円滑な摺動性の確保が容易になる。

従って本発明におけるところの自己潤滑性耐熱材料は、
必ずしもＣＯＰＮＡ樹脂の複合材のみに限定される事な
く、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂若
しくはその複合材、更にはフッ素樹脂で形成する事も可
能である。

そして本発明の構成は請求項７）（第４図、優先権主張
１）に記載したように、金属材で形成したピストン芯体
周囲に前記複合材を一体成形してピストンを形成したも
ので、より詳細にはピストン頂部とその背面側に金属材
からなる芯体を露出させた状態で、シリンダと摺接する
ピストン外周と前記ピン孔部位を前記複合材を用いて厚
肉に一体成形してもよく、 又請求項８）に記載したように、ピストン本体を自己潤
滑性耐熱材料で形成しつつ、少なくとも吐出弁と対面す
るピストン頂部側に良熱伝導性の金属体を配し、任意の
固定手段を用いて両者間を一体化してもよい。

この場合ピストン頂部側の良熱伝導体を、直接的に若し
くはリベット等の連結体を介して実質的にピストン頂部
の裏面側まで延設する事により、ピストン内部より放熱
させる事によってピストン摺動面側への熱移動を減少さ
せ、外周部側の温度上昇を極力避けピストンとシリンダ
間の円滑な摺動性の確保を図ることが可能となる。

Ｃ、第３発明の作用 そして、前記ピストンリングの合い口の廻り止め機能を
、前記サイドスラスト位置に形成された離間部位を利用
し、該リング溝の離間部とピストンリングの組合せにお
いて円状になり、該シール円を利用して前記シリンダを
気密的にシール可能に構成する事が出来る。

尚、本発明は前記単段圧縮機のみに限定される事なく、
無給油式単段往復膨張機や無給油式多段往復圧縮機にも
適用可能であり、前者の膨張機の場合は膨張工程時のシ
リンダと密接するサイドスラスト部に位置するピストン
自体に前記構成を取ればよく、又後者の多段往復圧縮機
の場合は、低段側においてはピストン上昇工程時のシリ
ンダと密接するサイドスラスト部に、又高段側において
はピストン上昇工程と下降工程の両サイドスラスト部に
、夫々前記構成を施せばよい。

即ち前記ピストン本体の少なくともシリンダと摺擦する
外周面側は自己潤滑性耐熱材で形成されているとともに
、前記したように圧縮熱の伝熱を極力避けている為に、
前記した円滑な摺動性の確保が容易になる。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に
詳しく説明する。ただしこの実施例に記載されている構
成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特
定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに
限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

先ず第１図に基づいて本発明が適用される無給油圧縮機
の要部構成について説明するに、２及び３はアルミその
他の良導電性の金属材からなるシリンダとシリンダヘッ
ドで、両部材１、２間に吐出弁４Ａと吸込弁４Ｂが組込
まれたスペーサ４が挟持されている。そして前記シリン
ダヘッド３内は隔壁３Ａにより分割されており、夫々対
応する隔室に吸込弁４Ｂと連通する吸込口３Ｂと、吐出
弁４Ａと連通する吐出口３Ｃを設けている。

一方シリンダ２内にはピストンリング５が環設されたピ
ストン１が嵌装されており、公知のように不図示のクラ
ンク軸８の回転により連接棒６ピストンピン７を介して
前記ピストン１が往復動し、これにより前記吸込弁４Ｂ
を介してピストン１頂部空間に吸い込まれた空気が断熱
圧縮されて吐出弁４Ａより吐出口３Ｃ側に吐出され、所
定の圧縮動作が行われる。かかる動作は既に周知である
為にその説明を省略する。

さて第２図は前記無給油圧縮機に組込まれるピストンと
シリンダ部分の要部構成を示す第１発明の実施例にであ
る。

シリンダ２は、公知の様にアルミ合金からなり、外周面
にフィン２ａを又内周面側のピストン摺動部を硬質アル
マイト処理を施している。

次にピストン１の形状を説明する前に、該ピストン１の
製造手順について詳細に説明する。

本ピストン１は、ＵＳＰ４、７５８、６５３に示される
様に、パラ位に１つづつ計２つのメチレン鎖を持つベン
ゼン環が縮合多環芳香族化合物の間を架橋して形成され
るＣＯＰＮＡ樹脂（日本国特許公開公報６２−５２１、
５２２）に基づいて形成されるレジン材料（商品名ＳＫ
レジン：ＳＵＭＩＴＯＭＯ　ＭＥＴＡＬＳ　ＣＯ．ＬＴ
Ｄ）と黒鉛粉末を６：４の割合で混合した成形材料を用
い、該成形材料を成形温度１７０〜２２０℃、成形圧力
２００〜３００ＫＧ／ｃｍ２、硬化時間を１分／１ｍｍ
厚の成形条件をで公知のフェノール樹脂の成形と同様な
圧縮成形手段又は射出成形手段にて成形を行なう。

そしてこのようにして形成されたピストン１は、熱膨張
率：４．４×１０−５／ｄｅｇ，熱伝導率１．１２ｋｃ
ａｌ／ｍ／．ｈｒ℃の物理的特性を有し、従来のアルミ
合金（熱膨張率：２．３×１０−５／ｄｅｇ、熱伝導率
：０．０１３ｋｃａｌ／ｍ／．ｈｒ℃）で形成したピス
トン１に比して熱膨張率で１．９倍、熱伝導率で１／８
６倍と、断熱性と蓄熱性の高いピストン１が形成し得た
。

次にそのピストン１形状について説明するに、外径形状
はピストン頂部１３より下方のスカート部にかけて熱勾
配を配慮した寸法差で下方に広がるテーパ状をなし、例
えばピストン１とシリンダ２との熱膨張率の差△ｂは２
．１×１０−５／ｄｅｇであるために、ピストン１上部
と下部の温度差を△ｔ、ピストン１外径をＰとした場合
に、△ｔ．Ｐ（２．１×１０−５／ｄｅｇ）のテーパ差
に設定すれば、圧縮運転時におけるピストン１／シリン
ダ２のクリアランスを均一に維持する事が出来る。

又前記クリアランスはピストン頂部１３で受熱する圧縮
熱が３００℃前後であるために、ピストン１直径に対し
常温で０．１〜０．５％程度に設定することにより、圧
縮運転時にかじりが生じる事なく、且つピストン１／シ
リンダ２間のクリアランスも往復動に差し支えない最小
値にとどめることが出来、これによりピストン１外周全
体がシリンダ２面との摺動面として機能させる事が出来
る為にピストンの黒鉛がシリンダに転移してより摺動性
並びにシール性を向上させる。これにより、後記ピスト
ンリング５の合い口部５ａその他よりピストン１周面を
通って生じるガス洩れを大幅に低減でき、圧縮効率の向
上が図れる。

又、前記ピストン１の頂部側より順次リング溝１１、及
びピン孔１２が形成されている。

リング溝１１は極力ピストン頂部１３近傍にリング円状
に凹設し、該リング溝１１にＰＴＦＥ樹脂で作られたピ
ストンリング５を嵌装する。

尚、本実施例においてはピストン自体にある程度のシー
ル効果を持たせているために、従来装置の様にピストン
リング５を２本設ける必要がなく、１本で所定のシール
効果を得る事が出来る。

前記ピン孔１２は前記ピストン１のほぼ中間位置に貫装
し、該ピン孔１２が直接軸受けとして機能するように研
磨加工を施す。

そして前記ピン孔１２にピストンピン７を装設させて連
接棒６を介してクランク軸の回転運動によりピストン１
の上下運動を行う。

この場合ピストン１の上昇工程から下降工程若しくは下
降工程から上昇工程に移行時に衝撃を受け、従来の軸受
けを用いる構造では前記衝撃により軸受けの劣化等が生
じてしまうが、本発明においては、弾性力を有するピス
トン１自体を軸受けとして機能させたために、ピストン
１により前記衝撃を吸収し、耐久性の向上を図る事が出
来る。

そしてかかる実施例において前記無給油圧縮機に第３図
に示す従来のピストン１０１を用いたもの本実施例にか
かるピストン１を用いたもので（ピストン径５０ｍｍ）
７ｋｇｆ／ｃｍ２の連続負荷運転を行ない、負荷運転１
０００時間運転で夫々分解確認を行なったところ、従来
の圧縮機は１０００時間運転でピストン１のランド部で
かじり跡がみられ、又ピストンピン７部のピン孔１２に
嵌装した軸受けもベアリングが摩耗し負荷運転時の騒音
が大きくなっている事が確認された。一方本実施例のも
のは１０００時間経過してもピストン１の摺動面になじ
み跡がみられるがかじりは発生せず、又ピン孔１２部の
摩耗程度も微小であり、ピストンピン７部との間でガタ
が生じていない事が確認された。又温度の面でみるとピ
ストン部で２５℃の低減が見られた。

第４図は前記圧縮機に用いられる第２発明の実施例に係
るピストン１で、金属材で形成したピストン芯体１０Ａ
周囲に前記複合材１０Ｂを厚肉に一体成形してピストン
１０を形成したものである。

その具体的構成を簡単に説明すると、前記ピストン芯体
１０Ａはアルミ合金で形成され、その上面を平面状に形
成するとともに、内周面側に軸方向に沿ってフィン状突
起１４を設けている。

そしてかかるピストン芯体１０Ａの外周囲とピストンピ
ン孔１２部位に前記複合材１０Ｂを厚肉に一体成形して
ピストン１０を形成する。

即ちピストン頂部１３とその背面側にピストン芯体１０
Ａを露出させた状態で、シリンダ２−と摺接するピスト
ン１０外周と前記ピン孔１２部位に前記複合材１０Ｂが
厚肉に囲繞させる。

尚前記複合材１０Ｂの肉厚は５０φのピストン１０の場
合、好ましくはピン孔１２部に１〜３ｍｍ、外周部に２
〜３ｍｍ前後の肉厚になるように設定するのがよい。

かかる実施例によれば前記第１実施例と同様な効果が得
られると共に、最も高温となるピストン頂部１３と内周
面側は熱伝導性のよいアルミ合金で形成されているため
に、ピストン頂部１３で発生した圧縮熱がピストン１０
内周面を通って放熱され高圧圧縮機の利用が可能となる
とともに、圧縮効率の向上が図れる。

例えばピストン１全体を複合材で形成した第２図に示す
実施例１と、本実施例のピストン１０についてその各部
の温度上昇を７ｋｇｆ／ｃｍ２で１Ｈ負荷運転した後に
ついて確認してみるに、実施例１のものはピストン１裏
面で１２５〜１３０℃の温度上昇があるのに対し本実施
例のものは８０〜９０℃と大幅低下がみられ、又ピスト
ンピン孔１２部位に付いても実施例１のものより１０℃
前後の温度低下がみられ、その分耐久性が向上する事が
推定できた。

第５図は前記実施例の変形例を示し、ピストン２０の外
周部全てを前記耐熱性複合材２０Ｂで、該ピストンに囲
繞されるヘッド部２０Ａをアルミ合金で構成し、該ヘッ
ド部２０Ａ内周面側に、下方に垂下する多数の放熱フィ
ン２１を設けたピストン１が開示されており、かかる実
施例によれば前記実施例の効果に加えて、前記放熱フィ
ン２１によりピストン頂部１３の放熱がより大になり、
ピストン１冷却効果が一段と高められるとともに外周部
２１Ｂ全てが自己潤滑性耐熱複合材で形成されている為
に、シリンダ２との摺擦が完全に遮断される。

さて前記第２実施例においては圧縮熱を直接受熱するト
ップランド１４部１ｂにも樹脂系材料が存在するために
、該樹脂系材料が前記した高耐熱性のコプナ樹脂系複合
材を用いる以外にない。

そこで第６図は前記欠点を解消するために、リング溝１
１部の上側のトップランド１４とピストン頂部１３を所
定肉厚で形成したアルミ材からなるピストンヘッド３０
Ａと、該ヘッド３０Ａと一体成形で形成した自己潤滑性
耐熱材からなるピストン本体３０Ｂからなる。

リング溝１１部の上側のトップランド１４とピストン頂
部１３を所定肉厚でを含むヘッド２０Ａ側をアルミ材で
形成し、その下方のリング溝１１を含むピストン本体３
０Ｂを一体的に成型したものである。

そしてヘッド３０Ａはトップランド１４部１ｂの外径を
、その下方のピストン本体３０Ｂ径より僅かに小に設定
するとともに、その下端側３１を断面鍵形状に内側に折
曲し、ピストン本体３０Ｂとの組付けの容易化を図って
いる。

ピストン本体３０Ｂは前記実施例と同様にＳＫレジンに
黒鉛を４０％混合した成型材料を用い、該成型材料を用
いて前もって成型硬化した前記ヘッド３０Ａと一体的に
鋳込み成形を行う事により形成してもよいが、ピストン
頂部１３側の熱が直接樹脂体に接触しないために、ピス
トンリング５と同様なＰＴＦＥ樹脂若しくはその複合材
を用いる事が可能である。

又かかる実施例によれば、ピストン頂部１３とともに圧
縮熱が最も伝達し易いトップランド１４まで良熱伝導性
のヘッド３０Ａで形成されている為に放熱効果が一層向
上するとともに、ピストン本体側に前記材料を用いたが
故に耐熱温度が３００℃以上と熱変形の少ない良好なピ
ストン１の形成が可能となる。

第７図はリベットによる結合手段を用いた他の実施例で
ピストン本体４０Ｂとヘッド４０Ａを夫々個別に形成し
た後、両者間をリベット２５で一体的に固定させている
。

即ち前記ヘッド４０Ａは、前記ピストン１をリング溝１
１上面側より水平に切断した形状を有する円板板状をな
し、その直径を下方に位置する自己潤滑性樹脂材料から
なるピストン本体４０Ｂの直径より僅かに小に形成して
いる、そして該ヘッド４０Ａとピストン本体４０Ｂ間は
、第７図（ｂ）（ｃ）に示すように、良熱伝導性の４本
のリベット４１で一体的に固定しつつ該リベット端４１
ａがピストン頂部１３の裏面側まで延設するように構成
する。これによりヘッド４０Ａ側に伝熱した圧縮熱がリ
ベット４１を介してピストン１下方に放熱させたり、又
ピストン本体４０Ｂ全体へ拡散させる事が可能になり、
ヘッド４０Ａを薄肉化させた場合の熱かかる実施例にお
いては前記実施例と同様な効果を得る事が出来ると共に
、前記ヘッド４０Ａと本体間を良熱伝導性のリベット２
５で固定しつつ該リベット端４１ａがピストン頂部１３
の裏面側まで延設するように構成する。これによりヘッ
ド４０Ａ側に伝熱した圧縮熱がリベット４１を介してピ
ストン１下方に放熱させたり、又ピストン本体４０Ｂ全
体へ拡散させる事が可能になり、ヘッド４０Ａを薄肉化
させた場合の熱的不具合を解消出来る。

第８図及び第９図は、第３発明が適用される単段式無給
油往復圧縮機の要部構成を示す。

ピストン５０は前記第１実施例と同様にＣＯＰＮＡ樹脂
）を樹脂骨格に特つコンパウンド化した粒状レジンに黒
鉛を４０％混合した成型材料を一体成形して形成され、
第９図に示すようにその外周面上に、ピストンリング溝
５１と、ピストンピン挿入用のピン孔１２が削成若しく
は穿設されている。

そして前記リング溝５１はその断面形状を上下端部及び
側端部を面取りする事なく断面コの字状をなし、そして
そのリング形状をピストン１の全周面に対し円周状に形
成するのではなくＣの字状に形成し、そのリング溝５１
が形成されない部位（離間部位５２）がピン孔１２挿設
方向に対し直交する一の線上に位置するように作成する
。

言い換えればピストン１全周面全てが前記リング溝５１
により分断される事なく前記一の直交線上においてのみ
軸方向に連続する様に前記リング溝５１の位置設定を行
っている。

一方ピストンリング５は公知の様にＰＴＦＥ樹脂でで形
成すると共に、その断面形状をリング溝５１に合わせて
上下端部及び側端部を面取りする事なく断面矩形状をな
し、そしてその平面形状は該リング５を前記リング溝５
１に嵌合／圧縮変形させた際に前記リング溝５１と同形
になるように且つ、その端部の合い口５ａを前記リング
溝５１の終端にきっちり密着するように形成する。

そして前記ピストン１にピストンリング５を嵌合させた
後、前記離間部位５２が、圧縮工程（上昇工程）時にシ
リンダ２と密接するサイドスラスト部Ｓ１−Ｓ’１に位
置する様にシリンダ２内にピストン５０を組み込む。

かかる実施例によれば、ピストンの離間部位５２が、圧
縮工程時にシリンダ２と密接するサイドスラスト部２０
に位置している為に、サイドスラスト部２０は前記離間
部位５２を含むピストン５０周面自体で封止され、そし
てピストンリング５は周方向に移動する事なく、該離間
部位５２でその合いロ部５０が位置保持されている為に
、該離間部５２を接点とする内接円がピストン５０とピ
ストンリング５との間で形成出来る。

この結果、前記サイドスラスト部Ｓ１−Ｓ’１以外の部
位では、ピストン５０とシリンダ２間は離間しているが
、その部分では前記ピストンリング５がシリンダ２周面
に内接しているために、該リング溝５１の離間部位５２
とピストンリングの組合せにおいてシリンダ２全周に亙
ってシールされる円状になり、該シール円を利用して前
記シリンダ２を気密的にシール可能に構成する事が出来
る。

第１０図は本第３発明を無給油式単段往復膨張機に適用
した他の実施例で、前記圧縮機の場合は、ピストン５０
上面側に圧縮空気を受圧する為にクランク軸７の回転方
向が左回りの場合は左側にサイドスラスト部Ｓ１−Ｓ’
１が存在するが、膨張機の場合は前記圧縮機と異なり、
膨張工程はピストン下降工程時に存在する為に、クラン
ク軸７の回転方向と逆側、即ち回転方向が左回りの場合
は右側にサイドスラスト部Ｓ１−Ｓ’１が存在する事と
なり、この結果膨張機の場合は前記離間部位５２を前記
圧縮機と逆側のピストン周面上に形成する。

尚前記膨張機の場合は耐熱性を考慮する必要がないため
にピストン本体の成型材料はＣＯＰＮＡ樹脂若しくはそ
の複合材のみに限定される事なく、ポリテトラフルオロ
エチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂若しくはその複合材で形成
する事も可能である。

第１１図は本発明を無給油式二段往復圧縮機に適用した
他の実施例で、二段圧縮機の場合は吸込工程時において
も低圧側で圧縮された空気圧が高圧側ピストンにかかり
、この結果吸込工程におけるサイドスラスト部Ｓ１−Ｓ
’１は圧縮工程におけるサイドスラスト部Ｓ１−Ｓ’１
と１８０゜隔てた逆側に位置する事になる。

従って高圧側にピストン５０Ａ／シリンダ２Ａ間には吸
込工程でも圧縮工程でも何れの場合でも気密シールを図
る必要があり、この為本実施例においては前記リング溝
５１Ａ、５１Ｂを上下に二本設けると共に、該リング溝
５１Ａ、５１Ｂを１８０゜対称に削成し、夫々前記実施
例と同様に形成したピストンリング５Ａ、５Ｂを嵌合さ
せる。

この結果、例えば高段側の吸込工程時（第１１図Ａ参照
）ではトップリング５Ａ側のサイドスラスト部５３Ａが
シールされ、高段側の圧縮工程時（第１１図Ｂ参照）に
はセカンドリング５Ｂ側のサイドスラスト部５３Ｂがシ
ールされる事となり、結果として吸込工程と圧縮工程の
何れの工程でも確実なシールが可能となる。

「発明の効果」 以上記載した如く本第１発明によれば、熱硬化性縮合多
環多核芳香族を用いることによって、従来工業用の圧縮
機において不可能であった全樹脂製の、もしくは摺動部
全体を樹脂としたピストンを用いた圧縮機が可能となり
、ピストンの軽量化による前述の如き効果、素材による
摺動面の形成による構造の単純化に加えピストンの耐久
性が大きく向上するとともに長期の使用によって摩耗が
進行しても、致命的な欠陥が生ずること無く長期間ノー
メンテナンスが可能となり、かじりや圧縮効率（膨張効
率）が低下する事のない無給油式往復圧縮機／膨張機を
提供する事出来る。

また、本第２発明によれば、シリンダとの円滑な摺動機
能と、吐出／吸込弁と対面する頂部、言い変えれば圧縮
熱と接触するピストン頂部側の耐熱機能を分離し、外周
部の内少なくともシリンダと摺擦される部位を自己潤滑
性耐熱材料で、又ピストン頂部をアルミ等の前記耐熱材
料より熱伝導性の高い良熱伝導性材料で夫々形成した為
に、かじりや圧縮効率が低下する事がなく而も高い圧縮
熱がピストン頂部と接触する場合でもピストン頂部を吸
気時の冷気で冷却が繰り返されるためピストン頂部の温
度を低減出来、よって摺動面となるピストン外周及びピ
ストン孔への温度伝播による温度上昇を押えることでピ
ストンの変形や劣化等が生じる事のない無給油式往復圧
縮機を提供するのない無給油式往復圧縮機を提供する事
が出来る。

更に、本第３発明によれば、従来の無給油式流体機械に
比較してピストンリング合い口よりのガス洩れを完全に
封止し、而も前記ピストンリングの廻り止めとして機能
する離間部位はピストン自体に一体に形成されているた
めに、構成が極めて簡単且つ永続的に劣化が生じないの
みならず、長年使用により却ってなじみ性が出、長期に
亙って高圧縮効率を維持し得る。

等の種々の著効を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される無給油往復圧縮機を示す断
面図、第２図は第１発明の実施例に係る無給油式往復圧
縮機の要部構成を示す断面図、第３図は従来技術の無給
油式往復圧縮機の要部構成を示す断面図、第４図、第５
図及び第６図はいずれも第２発明の夫々の実施例に係る
ピストンを示す断面図である。 第７図は他の実施例に係るピストンを示し（ａ）は半断
面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線断
面図である。 第８図は第３発明を無給油式単板往復圧縮機に適用した
一の実施例を示す正面断面図とそのＡ−Ａ’線断面図、
第９図はそのピストン周面形状を示す要部斜視図、第１
０図は第３発明を無給油式単段往復膨張機に適用した他
の実施例を示す概略図とそのＢ−Ｂ’線断面図である。 第１１図は本発明を無給油式二段往復圧縮機に適用した
他の実施例を示す概略図で（Ａ）は高段側の吸込工程を
、（Ｂ）は高段側の圧縮工程にある場合にピストンとシ
リンダ間の摺接状況を示す。 特許出願人：岩田塗装機工業株式会社 代理人：弁理士　高橋昌久

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自己潤滑性材料で形成したピストンリング
   が 嵌合されたピストン体と金属製のシリンダからなる無給
   油式往復圧縮機／膨張機において、前記ピストンを熱硬
   化性縮合多環多核芳香族樹脂と、黒鉛その他の摺動性を
   高める耐熱材料とを含む自己潤滑性複合材で形成した事
   を特徴とする無給油往復圧縮機／膨張機
2. 【請求項２】前記ピストン体の胴部に貫装したピン孔に
   、 軸受けを介する事なくピストンピンを直接軸支させた請
   求項１）記載の無給油往復圧縮機／膨張機
3. 【請求項３】
   少なくともピストン頂部附近におけるピスト ン／シリンダ間のクリアランスをピストン直径に対し常
   温で０．１〜０．５％の範囲に設定した請求項１）記載
   の無給油往復圧縮機／膨張機
4. 【請求項４】ピストン上部側の直径を下部側の直径より
   小 に形成した請求項１）記載の無給油往復圧縮機／膨張機
5. 【請求項５】自己潤滑性材料で形成したピストンリング
   が 嵌合されたピストン体と金属製のシリンダからなる無給
   油式往復圧縮機／膨張機において、前記ピストン外周部
   の内少なくともシリンダと摺擦される部位とピストンピ
   ン孔部を自己潤滑性耐熱材料で、又ピストン頂部を良熱
   伝導性材料で夫々形成した事を特徴とする無給油式往復
   圧縮機／膨張機
6. 【請求項６】ピストン頂部とともに第一
   のピストンリング 上方のトップランド部を良熱伝導材料で形成するととも
   に、該トップランド部の外径を、その下方のピストン径
   より僅かに小に設定した事を特徴とする請求項５）記載
   の無給油式往復圧縮機／膨張機
7. 【請求項７】良熱伝導性
   材料で形成したピストン芯体周囲 に、熱硬化性縮合多環多核芳香族樹脂と、黒鉛その他の
   摺動性を高める耐熱材料とを含む自己潤滑性複合材を一
   体成形してピストンを形成した事を特徴とする請求項５
   ）記載の無給油式往復圧縮機／膨張機
8. 【請求項８】自己潤滑性耐熱材料で形成したピストン本
   体 の、ピストン頂部側に良熱伝導体を配し、両者間を任意
   の固定手段を用いて一体化した事を特徴とする請求項５
   ）記載の無給油式往復圧縮機／膨張機
9. 【請求項９】前記
   頂部側の良熱伝導体を実質的にピストン 頂部の裏面側まで延設した請求項５）記載の無給油式往
   復圧縮機／膨張機
10. 【請求項１０】自己潤滑性材料で形成したピストンリン
    グが嵌合されたピストンを含む無給油式単段往復圧縮機
    において、少なくともピストン又は／及びシリンダの摺
    動面を自己潤滑性材料で形成するとともに、該ピストン
    の周面上に形成されるリング溝を、その両端間が小間隔
    で離間するＣの字状に形成し、該離間部位が、圧縮工程
    時にシリンダと密接するサイドスラスト部に位置する様
    にピストンを組み込み、該離間部位とピストンリングの
    組合せにおいて、前記シリンダを気密的にシール可能に
    構成したことを特徴とする無給油式単段往復圧縮機
11. 【請求項１１】自己潤滑性材料で形成したピストンリン
    グが嵌合されたピストンを含む無給油式単段往復膨張機
    において、少なくともピストン又は／及びシリンダの摺
    動面を自己潤滑性材料で形成するとともに、該ピストン
    の周面上に形成されるリング溝を、その両端間が小間隔
    で離間するＣの字状に形成し、該離間部位が、膨張工程
    時にシリンダと密接するサイドスラスト部に位置する様
    にピストンを組み込み、該離間部位とピストンリングの
    組合せにおいて、対応するシリンダを気密的にシール可
    能にしたことを特徴とする無給油式単板往復圧縮機
12. 【請求項１２】低段側と高段側のいずれにも自己潤滑性
    材料で形成したピストンリングが嵌合されたピストンを
    含む無給油式多段往復圧縮機において、少なくとも低段
    側も高段側もピストン又は／及びシリンダの摺動面を自
    己潤滑性材料で形成するとともに、該ピストンの周面上
    に形成されるリング溝を、その両端間が小間隔で離間す
    るＣの字状に形成し、低段側においてはピストン上昇工
    程時のシリンダと密接するサイドスラスト部に、又高段
    側においてはピストン上昇工程と下降工程の両サイドス
    ラスト部に、夫々前記離間部位が位置するようにピスト
    ンを組み込み、該離間部位とピストンリングの組合せに
    おいて、対応する各シリンダを気密的にシール可能にし
    たことを特徴とする無給油式多段往復圧縮機
13. 【請求項１３】自己潤滑性材料で形成したピストンリン
    グが嵌合されたピストンを含む無給油式往復圧縮機／膨
    張機において、ピストン周面の少なくともシリンダと摺
    動する部位を自己潤滑性材料で形成すると共に、該ピス
    トンの周面上に形成されたリング溝を、その両端間が小
    間隔で離間するＣの字状に形成した事を特徴とする無給
    油式往復圧縮機／膨張機