JPH089985B2

JPH089985B2 - 無給油式往復圧縮機及び膨張機

Info

Publication number: JPH089985B2
Application number: JP2108837A
Authority: JP
Inventors: 敏雄飯田
Original assignee: 岩田塗装機工業株式会社
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH04214970A

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11
1a,111b,111c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,105
b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、その分圧縮率の低下を生じやす
い。

かかる欠点解消するために、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始されているが、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
60−26236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耐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接機を提供することにある。

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異なく長期に亙って高圧縮効率
（膨張効率）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）に記載した発明（第１発明）かかる目的を達成するために、第１発明は、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（自己潤滑性複合材）
を用い、該複合材でピストン体を形成したものである。

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300℃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。

さらに、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りかじりか生じる
異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、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異な
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.請求孔２）、３）記載の第２発明の概要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、複合材自体の耐熱
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。

そこで請求孔２）に記載した発明においては、シリン
ダー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（熱電搬）機能を分離し、外周部
の内少なくともシリンダー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し、前記ピストン頂部
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
長して設ける事により、前記した欠点の解消を図ったも
のである。

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
が蓄熱される異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、該自己潤滑性耐熱材を例えば耐熱温度の
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。

また、請求孔３）に記載し発明においては、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
記放熱効果か一層向上し、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
ともシリンダー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、更にはフッ素樹脂形成する事も可能であ
る。

そして本発明の構成は第４図に記載したように、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、シリンダー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.請求項４）〜６）記載の第３発明の概要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、下記の考えより出発してい
る。

まず、圧縮工程時のシリンダと密接するサイドスラス
ト側をピン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という問題
点がある。

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複合材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摺
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、シリンダと対峙するピストン摺動面を自己
潤滑性複合材で形成してもよく、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
己潤滑性複合材で形成してもよい。

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。

そして、前記ピストンリングの合い口の回り止め機能
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、本発明は請求項４）記載の単段圧縮機のみに限定
される事なく、請求項５）記載の無給油式単段往復膨張
機や請求項６）記載の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
トン上昇工程を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ーと摺擦
する外周面側は自己潤滑性複合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。

そして、請求項５）の膨張機の場合は、耐熱性を考慮
する必要がないため、ピストン本体の成形材料はCOPNA
樹脂若しくはその複合材（自己潤滑性複合材）のみに限
定されず、PTFE系樹脂若しくはその複合材で形成するこ
とができる。

「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2,3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（第２
図）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.
LTD）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200〜3
00KG/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:4.4X10^-5/deg、熱伝導率1.12kcal/m/.hr℃の物理
的特性を有し、従来のアルミ合金（熱膨張率:2.3X10^-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1/86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.
1X10^-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
（2.1X10^-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
リング５を２本設ける必要がなく、１本で所定シール効
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を用いたものと本実施例に
かかるピストン１を用いたものとで（ピストン径50mm）
7kgf/cm²の連続負荷運転を行ない、負荷運転1000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10
00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。

即ちピストン頂部にピストン芯体10Aを露出させた状
態で、シリンダ２と摺接するピストン10の外周と前記ピ
ン孔12部位に前記複数材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、ピストン頂部で発生した圧縮熱がピストン10の内周
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125〜1
30℃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21Bで、該21Bに囲繞される
ヘッド部21Aをアルミ合金で構成し、該ヘッド部21A内周
面側に、下方に垂下する多数の放熱フィン21C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21C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、ヘッド部1Aとシ
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
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
厚で形成したアルミ材からなるピストンヘッド30A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30A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30B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41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11
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。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。即ち、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
樹脂骨格に持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51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に位
置している為に、サイドスラスト部は前記離間部位52を
含むピストリン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
の合い口部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形材料は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18
0゜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る。

【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）は判断
面図、（ｂ）は底面図とそのＡ−Ａ′線断面図である。第８図は第３発明を無給油式単段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10
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。

Claims

【特許請求の範囲】

【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
給油式往復圧縮機及び膨張機において、前記ピストン体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
性複合材で形成すると共に、少なくともピストン頂部附近におるピストンとシリンダ
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、ピストン上部側の直径を下部側の直径より小に形成し、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事を特徴とす
る無給油式往復圧縮機及び膨張機
【請求項２】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
給油式往復圧縮機及び膨張機において、前記ピスント体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で、又
ピストン頂部を良熱伝導性材料で夫々形成し、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
側まで延設したことを特徴とする無給油式往復圧縮機及
び膨張機
【請求項３】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
給油式往復圧縮機及び膨張機において、前記ピストン体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で、又
ピストンリング上方のトップランド部を含むピストン頂
部を良熱伝導材料で形成すると共に、該トップランプ部
の外径を、その下方のピストン径より僅かに小に設定
し、前記ピストン頂部と前記ピストン体とを任意の固定手段
を用いて一体化したことを特徴とする無給油式往復圧縮
機及び膨張機
【請求項４】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
潤滑性複合材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
【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
潤滑性耐熱材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段往
復膨張機
【請求項６】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複合材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