JPH0932922A - ピストンリング構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンリングの一定以上の摩耗を防止して
その切損を回避するピストンリング構造を提供する。 【解決手段】 ピストン３のリング溝４に装着され、ガ
ス圧を内周面１ｗに受けて拡径し、外周面１ｚがシリン
ダライナ２に押し付けられて摩耗するピストンリング１
に、当該リング１の外周面１ｚが一定量摩耗したときに
内周面１ｗに受けるガス圧を逃がすべく、リング内周面
１ｗから径方向外方へ向かって所定長さＬに形成された
ガス圧リリーフ溝１７，１８を設けたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、往復型の空気圧縮
機等に用いられるピストンリング構造に係り、特に、一
定以上の摩耗を防止するようにしたピストンリング構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７および図８に、往復型の空気圧縮機
に用いられるピストンリングａを示す。図示するよう
に、このピストンリングａは、シリンダｂ内を往復動す
るピストンｃのリング溝ｄに装着されるリング体が、周
方向に大片ｅと小片ｆとに四分割されて構成されてい
る。かかるピストンリングａは、その厚さｇがリング溝
ｄの溝幅ｈより薄く形成され、装着代ｉがリング溝ｄの
溝深さｊより小さく形成されている。

【０００３】この構成によれば、例えばピストンｃが図
８中矢印ｋで示すように上昇すると、ピストンｃ上方の
圧縮室内のガスがリングａとリング溝ｄとの間を周り込
んでリング溝ｄの奥に侵入し、そのガス圧が大片ｅおよ
び小片ｆの内周面ｍに作用して、ピストンリングａが拡
径される。この結果、ピストンリングａ（大片ｅおよび
小片ｆ）の外周面ｎがシリンダライナｂに押し付けら
れ、ガス漏れのシールが達成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるシール
は、ピストンリング外周面ｎがシリンダライナｂに押し
付けられ摺接することによってなされるため、リング外
周面ｎが摩耗することを意味する。この摩耗は、圧縮機
の運転中は連続してなされるため、長期運転によってリ
ング自身の径方向の厚さｐが極端に薄くなり、切損する
ことがある。

【０００５】特に、シリンダ内を潤滑油で潤滑しない無
給油式の空気圧縮機においては、ピストンリングａの材
質にカーボンやテフロン系の自己潤滑性材料を用いては
いるものの、潤滑油がないためリング外周面ｎの摩耗が
進行しやすく、ピストンリングａの摩耗切損は深刻な問
題となっている。

【０００６】一旦、ピストンリングａが切損すると、圧
縮漏れが生じるばかりでなく、切損したピストンリング
ａの破片が他の部品（例えば吐出弁など）と干渉し、そ
の機能を損なうことがあるため、圧縮機を緊急停止して
分解修理を行わなければならない。従って、ピストンリ
ングａの摩耗状況を頻繁にチェックする必要があり、圧
縮機の定期メンテナンスの間隔が短くなっていた。

【０００７】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、ピストンリングの一定以上の摩耗を防止してそ
の切損を回避するピストンリング構造を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ピストンのリング溝に装着され、ガス圧を
内周面に受けて拡径し、外周面がシリンダライナに押し
付けられて摩耗するピストンリングに、当該リングの外
周面が一定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を逃
がすべく、リング内周面から径方向外方へ向かって所定
長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設けて構成されて
いる‥‥。

【０００９】上記ガス圧リリーフ溝が、ピストンリング
の上下面にそれぞれ形成されていてもよい‥‥。

【００１０】上記ガス圧リリーフ溝の溝深さが、ピスト
ンリングの径方向外方に向かって徐々に浅くなるテーパ
状に形成されていてもよい‥‥。

【００１１】上記ガス圧リリーフ溝の溝幅が、ピストン
リングの径方向外方に向かって徐々に狭くなるテーパ状
に形成されていてもよい‥‥。

【００１２】の構成によれば、シリンダライナと摺接
するピストンリングの外周面が一定量摩耗すると、当該
リングの内周面に作用するガス圧がガス圧リリーフ溝を
通って逃がされるため、リングがそれ以上拡径されなく
なり、摩耗が止まる。

【００１３】の構成によれば、ピストンリングの上下
面にガス圧リリーフ溝を形成したので、ピストンの上昇
時および下降時の双方において、リングの内周面に作用
するガス圧が上下のガス圧リリーフ溝を通ってそれぞれ
逃がされる。

【００１４】の構成によれば、ガス圧リリーフ溝の溝
深さをテーパ状に形成したので、この溝を通ってリング
内周面から逃げるガス量は、リング外周面の摩耗が少な
いときには少量であり、摩耗が進行するにしたがって多
くなる。

【００１５】の構成によれば、ガス圧リリーフ溝の溝
幅をテーパ状に形成したので、この溝を通ってリング内
周面から逃げるガス量は、リング外周面の摩耗が少ない
ときには少量であり、摩耗が進行するにしたがって多く
なる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図面に
基づいて説明する。

【００１７】図１および図２は、無給油式の往復動型空
気圧縮機のピストンリング１を示すものである。図示す
るように、このピストンリング１は、シリンダ２内を往
復動するピストン３のリング溝４に装着されるリング体
を、周方向に大片１ａと小片１ｂとに四分割して構成さ
れている。これら大片１ａおよび小片１ｂは、カーボン
やテフロン系等の自己潤滑性材料から形成されており、
図３に示すように、ピストン３の内部に設けられたプッ
シュロッド５およびコイルスプリング６によって、径方
向外方に付勢されるようになっている。

【００１８】詳しくは、ピストン３のリング溝４の径方
向内方には、図３に示すように周方向に等間隔を隔てて
四個の収容孔７が形成されており、これら収容孔７にプ
ッシュロッド５およびコイルスプリング６が収容されて
いる。コイルスプリング６は、その一端がプッシュロッ
ド５の先端部に形成された係合部８に係合され、他端が
収容孔７の入口部に形成された拡径部９に係合されてい
る。この構成によれば、プッシュロッド５を収容孔７内
に挿入するとコイルスプリング６が引き伸ばされるた
め、その戻り力によって大片１ａおよび小片１ｂがプッ
シュロッド５を介して拡径されることになる。

【００１９】プッシュロッド５には、上記大片１ａおよ
び小片１ｂに形成された凹部１０と係合し、これらの位
置を保持する保持部１１が設けられている。プッシュロ
ッド５の保持部１１が大片１ａおよび小片１ｂの凹部１
０と係合することにより、大片１ａおよび小片１ｂがバ
ラバラになってリング溝４内を移動することが防止され
る。すなわち、上記プッシュロッド５は、ピストンリン
グ１の大片１ａおよび小片１ｂを拡径方向に付勢してシ
リンダライナ２に押し付けるプッシャとしての機能と、
大片１ａおよび小片１ｂの位置を保持するリテーナとし
ての機能とを備えている。

【００２０】大片１ａおよび小片１ｂからなるピストン
リング１は、図２(a) に示すようにピストン３のリング
溝４に装着され、前述したプッシュロッド５によってシ
リンダライナ２に押し付けられると共に位置保持され
る。リング溝４は、図中では１個しか示していないが、
実際にはピストン３の軸方向に多段に複数設けられてお
り、各溝４に同様にしてピストンリング１が装着され
る。かかるピストンリング１は、その厚さ１ｘがリング
溝４の溝幅４ｘより薄く形成され、装着代１ｙがリング
溝４の溝深さ４ｙより小さく形成されている。

【００２１】この構成によれば、例えばピストン３が図
２(a) 中矢印１２で示すように上昇すると、ピストン３
上方の圧縮室内のガスがリング１とリング溝４との間を
廻り込んでリング溝４の奥に侵入し、そのガス圧が大片
１ａおよび小片１ｂの内周面１ｗに作用して、大片１ａ
および小片１ｂが径方向外方に移動され、ピストンリン
グ１が拡径される。この結果、ピストンリング１すなわ
ち大片１ａおよび小片１ｂの外周面１ｚがシリンダライ
ナ２に押し付けられ、ピストン３とシリンダライナ２と
の間のガス漏れシールが達成される。

【００２２】かかるシールにより大片１ａおよび小片１
ｂの外周面１ｚが図３に仮想線１３で示すように摩耗し
ても、コイルスプリング６で付勢されたプッシュロッド
５がその摩耗に応じて大片１ａおよび小片１ｂを拡径す
るため、大片１ａおよび小片１ｂはシリンダライナ２に
対して常に適切な面圧が保たれる。よって、いつまでも
高い効率を維持することができる。また、大片１ａおよ
び小片１ｂは、その接合部１４が斜めに形成されている
ため、摩耗が進行しても接合部１４にギャップが生じる
ことはない。

【００２３】本実施形態の特徴とするところは、図１お
よび図２に示すように、ピストンリング１を構成する大
片１ａの上下面１５，１６に、その外周面１ｚが一定量
摩耗したときに内周面１ｗに受けるガス圧を逃がすべ
く、内周面１ｗから径方向外方へ向かって所定長さＬに
形成されたガス圧リリーフ溝１７，１８を設けた点にあ
る。このガス圧リリーフ溝１７，１８の溝長さＬは、大
片１ａが図４に仮想線１９で示すように限界まで摩耗し
たときに、図２(b) に示すように内周面１ｗに作用する
ガス圧を下方に逃がすことのできる長さに設定されてい
る。

【００２４】すなわち、大片１ａが図４に仮想線１９で
示す摩耗限界に至る以前は、図２(a) に示すように大片
１ａの下面１６とリング溝４の下面２０とはガス圧リリ
ーフ溝１８の延長部に位置するシール部２１によってシ
ールされるが、摩耗限界の直前にまで摩耗したときに
は、図２(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８がピス
トン３の側面２１より径方向外方へ突き出て、内周面１
ｗに作用するガス圧が下方に逃がされるようになってい
るのである。

【００２５】以上、大片１ａの下面１６に設けられたガ
ス圧リリーフ溝１８について説明してきたが、大片１ａ
の上面１５にも同様のガス圧リリーフ溝１７が設けられ
ている。このガス圧リリーフ溝１７は、ピストン３が下
降するときにピストン３下方の圧縮室からリング溝４内
に侵入したガス圧を、上方に逃がすために設けられる。
すなわち、本実施形態に係る空気圧縮機は、ピストン３
の上方と下方とに圧縮室を備えており、ピストン３上昇
時には上述の如く上方の圧縮室のガス圧で大片１ａおよ
び小片１ｂを拡径させ、ピストン３下降時には下方の圧
縮室のガス圧で大片１ａおよび小片１ｂを拡径させるよ
うになっているのである。

【００２６】従って、ピストン３の上方のみに圧縮室を
有するタイプの圧縮機においては、大片１ａの上面１５
のガス圧リリーフ溝１７は不要であり、大片１ａの下面
１６のガス圧リリーフ溝１８のみで十分である。下方か
ら上方へ流れるガス圧が存在しない以上、大片１ａの上
面１５にガス圧リリーフ溝１７を設けても、ほとんど意
味がないからである。よって、例えば本発明をディーゼ
ル機関やガソリン機関に適用した場合には、ピストンリ
ング１の下面１６のみにガス圧リリーフ溝１８を設けれ
ばよい。

【００２７】また、本実施形態においては、ガス圧リリ
ーフ溝１７，１８が大片１ａの上下面１５，１６に対に
なるように形成されているが、これに限らず例えば周方
向にずらして上下面１５，１６に形成してもよい。ま
た、本実施形態のようにガス圧リリーフ溝１７，１８を
大片１ａのみに設けるのではなく、さらに小片１ｂにも
設けてよいことは勿論である。また、ガス圧リリーフ溝
１７，１８の数は、本実施形態の数に限られず、それよ
り多くあるいは少なくしてもよい。

【００２８】以上の構成からなる本実施形態の作用につ
いて述べる。

【００２９】ピストン３のリング溝４に装着された大片
１ａおよび小片１ｂは、図４に仮想線１９で示す摩耗限
界に至る以前は、図２(a) に示すようにリング溝４内に
侵入したガス圧を内周面１ｗに受けることによって拡径
され、外周面１ｚがシリンダライナ２に押し付けられて
ガス漏れのシールを行う。

【００３０】その後、大片１ａおよび小片１ｂは、外周
面１ｚが摩耗するにしたがって内周面１ｗに作用するガ
ス圧に押されて図中左方へ移動される。そして、図４に
仮想線１９で示す摩耗限界の直前まで摩耗すると、図２
(b) に示すようにガス圧リリーフ溝１８がピストン３の
側面２１より径方向外方へ突き出て、大片１ａの内周面
１ｗに作用するガス圧が下方に逃がされる。

【００３１】すなわち、大片１ａの下面１６とリング溝
４の下面２０との間は、大片１ａが摩耗限界に至る以前
は図２(a) に示すようにガス圧リリーフ溝１８の延長部
に位置するシール部２１によってシールされるが、摩耗
限界の直前まで摩耗したときは図２(b) に示すようにガ
ス圧リリーフ溝１８によって開放されるのである。

【００３２】従って、以降、大片１ａは、その内周面１
ｗに作用するガス圧によりシリンダライナ２に押し付け
られることなくフリーとなり、それ以上の摩耗が防止さ
れる。よって、本実施形態によれば、従来のようにピス
トンリング１が際限なくすなわち切損するまで摩耗して
しまうことはなく、ピストンリング１の切損を確実に防
止できる。従って、圧縮機の信頼性が向上する。

【００３３】また、このようにトップリング（ピストン
３上面に一番近いリング）がフリーとなっても、図示し
ない次段のセカンドリングによって圧縮が保持されるた
め、効率の低下はほとんど生じない。そして、同様にセ
カンドリングがフリーとなってもサードリングによって
圧縮が保持される。よって、圧縮機のトータルの寿命が
延び、定期メンテナンスの間隔を延ばすことができる。

【００３４】なお、ガス圧リリーフ溝１７，１８が開放
されてピストンリング１がフリーになっても、当該リン
グ１は図３に示すコイルスプリング６およびプッシュロ
ッド５によって拡径されてシリンダライナ２に押し付け
られることになるが、この押付力は極めて弱いため、こ
れによってピストンリング１が摩耗することはほとんど
ない。

【００３５】本発明の別の実施の形態を図５(a)(b)(C)
に示す。

【００３６】図示するように、これら別の実施形態は、
上記ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８
ａが、ピストンリング１の径方向外方に向かって徐々に
浅くなるテーパ状に形成されている点を除き、前の実施
形態と同様の構成となっている。詳しくは、これらガス
圧リリーフ溝１７，１８の溝底面１７ｂ，１８ｂは、図
５(a) のものは直線状に傾斜されており、図５(b) のも
のは凹曲線状に傾斜されており、図５(C) のものは凸曲
線状に傾斜されている。

【００３７】かかる構成によれば、ピストンリング１
は、その外周面１ｚが摩耗するにしたがって内周面１ｗ
に作用するガス圧により図中左方へ移動され、ついには
ガス圧リリーフ溝１７，１８が開放されて、内周面１ｗ
に作用するガス圧が逃がされることになるが、最初はガ
ス圧リリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８ａの浅
い部分が開放されるためガスの逃げ量は少なく、その後
摩耗が進行するにしたがって徐々にガスの逃げ量が多く
なる。

【００３８】このようなピストンリング１によれば、リ
ング溝４内に侵入したガス圧は、摩耗が少ないときに
は、一部がリリーフ溝１７，１８の溝深さ１７ａ，１８
ｂの浅い部分から逃がされ、残りが内周面１ｗに作用し
てピストンリング１を拡径させる。そして、摩耗が多く
なると、その割合が逆転するようになる。このように、
ガス圧の一部を逃がし残りを拡径に用いることにより、
ピストン３とシリンダライナ２とのシール性が向上す
る。また、最終的には、ガス圧リリーフ溝１７，１８の
溝深さ１７ａ，１８ａの深い部分が開放されるため、確
実にピストンリング１をフリーにすることができる。

【００３９】さらに別の実施の形態を図６に示す。

【００４０】図示するように、この実施形態は、上記ガ
ス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃが、ピ
ストンリング１の径方向外方に向かって徐々に狭くなる
テーパ状に形成されている点を除き、最初の実施形態と
同様の構成となっている。

【００４１】この構成によれば、ガス圧リリーフ溝１
７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃをテーパ状に形成したの
で、この溝１７，１８を通ってリング内周面１ｗから逃
げるガス量は、リング外周面１ｚの摩耗が少ないときに
は少量であり、摩耗が進行するにしたがって多くなる。
従って、図５に示す実施形態と同様の作用効果を奏す
る。また、これら図５と図６の実施形態を組み合わせ
て、ガス圧リリーフ溝１７，１８の溝幅１７ｃ，１８ｃ
および溝深さ１７ａ，１８ａを共にテーパ状に形成して
もよい。

【００４２】なお、本発明に関連する先行技術として、
図９に示すものが知られている（特開平4-203370号公報
など）。この技術は、リング溝５０を形成するピストン
５１のランド部５２にガス圧リリーフ穴５３を形成し、
ピストンリング５４が一定量摩耗したならばリング内周
面５５に作用するガス圧を上記リリーフ穴５３から逃が
すようにしたものである。

【００４３】しかし、この技術ではピストン５１にリリ
ーフ穴５３を設けているため、リリーフ時期を調整する
ことができない。これに対し、本発明によれば、消耗品
であるピストンリング１にリリーフ溝１７，１８を設け
ているため、長さの異なるリリーフ溝１７，１８を設け
たピストンリング１を予め複数種類用意しておけば、圧
縮機の定期的なメンテナンス時等にこれらを交換するこ
とによって、容易にリリーフ時期を変更できる。

【００４４】また、メンテナンス時にピストンリング
１，５４の材質や硬度が変更されてその限界摩耗量が変
わった場合、先行技術ではピストン５１側にリリーフ穴
５３を設けているため全く対応できないのに対し、本発
明によればピストンリング１に設けられるリリーフ溝１
７，１８の長さをその材質等に応じて変更することによ
り容易に対応できる。

【００４５】また、先行技術では、リリーフ穴５３が開
放されると、ガス圧がダイレクトに次段のピストンリン
グ５６に作用するため、次段のピストンリング５６に悪
影響を及ぼす傾向がある。これに対して、本発明によれ
ば、図２(b) に示すようにリリーフ溝１８が開放される
と、ガス圧はピストンリング１を周り込みつつこの溝１
８を通って次段側へ流れる。このため、ラビリンス効果
が発揮されて干渉された後、次段のピストンリングに作
用することとなり、悪影響は生じない。

【００４６】また、先行技術では、ピストン５１の凹凸
に入り組んだランド部５２にリリーフ穴５３を形成する
必要があるためその加工は極めて困難であるのに対し、
本発明ではピストンリング１の表面にリリーフ溝１７，
１８を形成すればよいので容易に加工できる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るピスト
ンリング構造によれば、次のような効果を発揮できる。

【００４８】(1)ピストンリングの一定以上の摩耗を防
止でき、その切損を未然に防止することができる。

【００４９】(2)よって、寿命が長くなり、信頼性も向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すピストンリング構造
の斜視図である。

【図２】上記ピストンリングの作用を示す図であり、
(a) は摩耗限界前、(b) 摩耗限界直前の様子を表す。

【図３】上記ピストンリングが装着されたピストンの断
面図である。

【図４】上記ピストンリングの摩耗限界を示す図であ
る。

【図５】本発明の別の実施形態を示す図である。

【図６】さらに別の実施形態を示す図である。

【図７】従来例に係るピストンリング構造を示す斜視図
である。

【図８】上記ピストンリングがガス圧によってシリンダ
ライナに押し付けられる様子を示す図である。

【図９】関連技術を示すピストンの側断面図である。

【符号の説明】

１ ピストンリング １ｗ 内周面 １ｚ 外周面 ２ シリンダライナ ３ ピストン ４ リング溝 １５ ピストンリング上面 １６ ピストンリング下面 １７ ガス圧リリーフ溝 １７ａ 溝深さ １７ｃ 溝幅 １８ ガス圧リリーフ溝 １８ａ 溝深さ １８ｃ 溝幅 Ｌ 所定長さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 根橋 康文 長野県上伊那群辰野町伊那富3934 石川島 汎用機械株式会社辰野工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンのリング溝に装着され、ガス圧
   を内周面に受けて拡径し、外周面がシリンダライナに押
   し付けられて摩耗するピストンリングに、当該リングの
   外周面が一定量摩耗したときに内周面に受けるガス圧を
   逃がすべく、リング内周面から径方向外方へ向かって所
   定長さに形成されたガス圧リリーフ溝を設けたことを特
   徴とするピストンリング構造。
2. 【請求項２】 上記ガス圧リリーフ溝が、ピストンリン
   グの上下面にそれぞれ形成された請求項１記載のピスト
   ンリング構造。
3. 【請求項３】 上記ガス圧リリーフ溝の溝深さが、ピス
   トンリングの径方向外方に向かって徐々に浅くなるテー
   パ状に形成された請求項１乃至２記載のピストンリング
   構造。
4. 【請求項４】 上記ガス圧リリーフ溝の溝幅が、ピスト
   ンリングの径方向外方に向かって徐々に狭くなるテーパ
   状に形成された請求項１乃至２記載のピストンリング構
   造。