JP2000045945A

JP2000045945A - 往復動圧縮機

Info

Publication number: JP2000045945A
Application number: JP10230113A
Authority: JP
Inventors: Shingo Miyake; 信吾三宅; Kazunari Komatsu; 一成小松
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】シリンダへのピストンの組付け性を向上さ
せ、起動時におけるピストンリングの耐摩耗性を向上さ
せた往復動空気圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】ピストンリング１７のシリンダ９への
組付け前外径寸法をシリンダ９の内径寸法以下に形成
し、かつピストンリング１７の線膨張係数がシリンダの
線膨張係数より大きい材料で構成することにより、常温
時ではピストンリング１７の外径はシリンダ９の内径以
下であるためシリンダ９の内面と接触していないが、運
転時には熱膨張によってピストンリング１７の外径はシ
リンダ９の内径と同径となりシリンダ９を摺動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば空気等の気
体を圧縮して吐出させるのに好適に用いられる往復動圧
縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、往復動圧縮機は空気等の気体を
圧縮して吐出するのに用いられる。また、気体を高い圧
力まで圧縮する場合には、複数のシリンダを設け、段階
的に圧力を上げていく多段式往復動圧縮機が用いられて
いる。

【０００３】この多段式往復動圧縮機（例えば２段式往
復動圧縮機）はクランクケースと、該クランクケースに
回転自在に設けられたクランク軸と、前記クランクケー
ス上に搭載された低圧側および高圧側のシリンダと、該
各シリンダ上に搭載された低圧側および高圧側のシリン
ダヘッドと、前記各シリンダ内に往復動可能に設けら
れ、該各シリンダヘッドとの間にそれぞれ圧縮室を画成
する低圧側および高圧側のピストンと、基端側が前記ク
ランク軸にそれぞれ接続され、先端側が該各ピストンに
接続された連接棒と、低圧側となるシリンダヘッドの吐
出側と高圧側となるシリンダヘッドの吸込側とを接続す
る中間配管とから大略構成されている。

【０００４】前記各ピストンには、圧縮室からの圧力が
クランクケース側に漏洩するのを防止するためのピスト
ンリングと、ピストンとシリンダの摺動性を円滑にする
ためのライダリングとが挿嵌されている。

【０００５】そして、この２段式往復動圧縮機は、クラ
ンク軸が電動モータ等の駆動源によって回転駆動される
と、該クランク軸に接続された連接棒を介して低圧側お
よび高圧側シリンダ内でそれぞれピストンを往復動させ
る。これにより、低圧側となるシリンダヘッドの吸込室
を介して低圧側シリンダ内に吸込んだ空気を低圧側のシ
リンダ内で圧縮して、吐出室から中間配管内に吐出し、
この圧縮空気を該中間配管を介して高圧側シリンダ内に
流入させ、高圧側シリンダ内で再圧縮して高圧の圧縮空
気として吐出するようになっている。そして、高圧側の
シリンダヘッドから吐出された圧縮空気は吐出配管を介
して空気タンク内に貯えられる。

【０００６】ここで、前記各ピストンリングは圧縮室と
クランクケース側の室との間をシールしているから、該
各ピストンリングには上側（圧縮室側）と下側（クラン
クケース側）とに差圧が生じ、このときの差圧が背圧と
なって作用する。この背圧によりピストンリングは、ま
ず、下側（クランクケース側）に押付けられ、次に、ピ
ストンリング内周面とリング溝の間にできた空間に背圧
が加えられることにより、各ピストンリングはシリンダ
内面（摺動面）に押付けられ、シール性を確保してい
る。

【０００７】また、ピストンリングおよびライダリング
はアルミ合金や鋳鉄等の金属性のシリンダおよびピスト
ンの摺動性を円滑にするために摺動性を有する炭素繊維
とグラファイトを複合した四弗化エチレン樹脂等の材質
からなり、ピストンリングは摩耗時での漏れを想定し、
寿命時間においてもシール性の低下を防ぐため、予め外
径を摩耗量分大きくしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の往復動圧縮機の
ピストンリングは、組付け前の外径をシリンダ内径より
も大きくし、シール性を確保しているため、組付け時に
は、このピストンリングをシリンダ内径まで縮めて組付
けなければならないため組付け作業に手間を要してい
た。さらに、室温下においてもピストンリングはシリン
ダ内面に押し付けられており、運転時には常にピストン
リング及びシリンダが摩耗する不具合が生じた。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑み、往復動圧縮
機を提供することを目的とする。

【００１０】

【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、クランクケースと、該クランクケース上
に搭載されたシリンダと、該シリンダ上に搭載されたシ
リンダヘッドと、前記シリンダヘッドとの間に圧縮室を
画成するピストンとを備え、前記ピストンにはその外周
側に環状のリング溝を設け、該リング溝には前記ピスト
ンとシリンダとの間をシールするピストンリングを挿嵌
してなる往復動圧縮機において、前記ピストンリング
は、前記シリンダへの組付け前の外径寸法が該シリンダ
内径寸法以下とし、かつ線膨張係数が該シリンダの線膨
張係数よりも大きい材料から構成され、運転時に熱膨張
してシリンダに摺動するようにしたことを特徴とする。

【００１１】このように構成したことにより、ピストン
のシリンダへの組付け性が向上する。また、室温下にお
いてピストンリングがシリンダ内面に押し付けられてお
らず、運転開始時においてはピストンリングとシリンダ
が当接していないため、これらの摩耗量を低減すること
ができ、ピストンリングとシリンダの摺動面の耐摩耗性
を向上することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の往復動圧縮機を図
１に基づき、往復動圧縮機として無給油式の２段式往復
動圧縮機を例に挙げて説明する。

【００１３】図１において、１は空気タンク（図示せ
ず）上に搭載され、往復動圧縮機の本体を構成するクラ
ンクケース、２は一端側が該クランクケース１内に軸受
（図示せず）を介して回転自在に配設されたクランク軸
をそれぞれ示し、該クランク軸２の他端側は軸受（図示
せず）を介して、前記クランクケース１外に突出し、そ
の突出端部には後述するプーリ２２が取り付けられてい
る。また、クランクケース１は上部側が一対の斜辺部１
Ａ，１Ｂによって山形状となる密閉箱として形成されて
いる。

【００１４】３はクランクケース１の斜辺部１Ａに設け
られた低圧側のシリンダを示し、該シリンダ３内は、後
述するピストン６が摺動する摺動面３Ａとなっている。

【００１５】４はシリンダ３上に弁板５を介して取付け
られたシリンダヘッドを示し、該シリンダヘッド４内に
は、前記弁板５上に位置して吸込ポート４Ａを有する吸
込室（図示せず）と吐出ポートを有する吐出室（図示せ
ず）とが形成されている。また、弁板５には、吸込室を
シリンダ３内と連通させる吸込穴（図示せず）と、吐出
室をシリンダ３内と連通させる吐出穴（図示せず）とが
穿設され、吸込穴には吸込弁（図示せず）が、吐出穴に
は吐出弁（図示せず）が開閉弁可能に設けられている。
なお、シリンダヘッド４の吸込室、吐出室、吐出ポー
ト、弁板５の吸込穴、吐出穴、吸込弁および吐出弁の構
成、作用については、後述する高圧側となるシリンダヘ
ッド１０の吸込室１０Ａ、吐出室１０Ｂ、吐出ポート１
０Ｄ、弁板１１の吸込穴１１Ａ、吐出穴１１Ｂ、吸込弁
１２および吐出弁１３と実質的に変わるところはない。

【００１６】６はシリンダ３内に往復動可能に挿嵌さ
れ、弁板５との間に圧縮室７を画成したピストンを示
し、該ピストン６の外周側には、該ピストン６とシリン
ダ３の摺動面３Ａとの間を気密にシールするピストンリ
ング（図示せず）と、摺動面３Ａに対してピストン６を
円滑に摺動させるライダリング（図示せず）とが装着さ
れている。尚、構成、作用については後述する高圧側と
なるピストンのピストンリングと実質的に変わるところ
はない。

【００１７】８は基端側がクランク軸２に連結され、先
端側がピストン６に連結された連接棒を示し、該連接棒
８は、基端側が前記クランク軸２によって旋回されるこ
とにより、先端側に連結されたピストン６をシリンダ３
内で往復動させる。

【００１８】９はクランクケース１の図中右側の斜辺部
１Ｂに設けられた高圧側のシリンダを示し、該シリンダ
９内は、後述のピストン１４が摺動する摺動面９Ａとな
っている。

【００１９】１０はシリンダ上に弁板１１を介して取付
けられたシリンダヘッドを示し、該シリンダヘッド１０
内には、図２に示す如く、弁板１１上に吸込室１０Ａと
吐出室１０Ｂとが形成されている。また、シリンダヘッ
ド１０には、吸込室１０Ａ内に空気を吸込むための吸込
ポート１０Ｃと、吐出室１０Ｂ内の圧縮空気を外部に吐
出させるための吐出ポート１０Ｄとが穿設されている。
一方、前記弁板１１には、吸込室１０Ａをシリンダ９内
と連通させる吸込穴１１Ａと、前記吐出室１０Ｂ内をシ
リンダ９内と連通させる吐出穴１１Ｂとが穿設され、該
吸込穴１１Ａには吸込弁１２が、吐出穴１１Ｂには吐出
弁１３が開閉弁可能に設けられている。

【００２０】１４はシリンダ９内に往復動可能に挿嵌さ
れ、弁板１１との間に圧縮室１５を画成したピストンを
示し、該ピストン１４は筒部１４Ａと蓋部１４Ｂとから
有蓋筒状に形成され、筒部１４Ａを介して後述の連接棒
２５に連結されている。

【００２１】１６はピストン１４の筒部１４Ａ外周側に
形成されたリング溝を示し、該各リング溝１６は、断面
方形状の環状角溝として形成されている。

【００２２】１７はリング溝１６に挿嵌されたピストン
リングを示し、このピストンリング１７の形状は実開昭
５７−１０４０５２号の第２図に示されるピストンリン
グと同形状であり、１ヶ所が切れた円形で、その合い口
は段形状に形成され、相重なり合って真円となるように
形成されている。

【００２３】また、ピストンリング１７は組付け性の向
上及び初期摩耗を低減するため、常温での外径をシリン
ダ９の内径以下とし、かつ運転時の温度上昇により外径
がシリンダ９の内径と同径となり、摺動する径に形成さ
れている。このピストンリング１７の材質として、シリ
ンダ９よりも線膨張係数の高いものを使用することで運
転時に空気の圧縮および摩擦による温度上昇によってピ
ストンリング１７が膨張して、シリンダ９の内周と接触
し、シール性を確保できる。この時、膨張した状態でピ
ストンリング１７をシリンダ９から外部に取り出した場
合、ピストンリングの外径はシリンダの内径より大きく
なることがあるが、組付けた状態でピストン１４の摺動
に差し支えがない程度の膨張でなければ構わない。

【００２４】１８はピストン１４の筒部１４Ａ外周側に
設けられたライダリングで、該ライダリング１８は摺動
面９Ａに対してピストン１４を円滑に摺動させるもので
ある。

【００２５】１９は基端側がクランク軸２に連結され、
先端側がピストン１４に連結された連接棒を示し、該連
接棒１９は、基端側が前記クランク軸２によって旋回さ
れることにより、先端側に連結されたピストン１４をシ
リンダ９内で往復動させるものである。

【００２６】２０は低圧側のシリンダヘッド４の吐出ポ
ートと高圧側のシリンダヘッド１０の吸込ポート１０Ｃ
との間に設けられた中間配管、２１は高圧側のシリンダ
ヘッド１０の吐出ポート１０Ｄに接続された吐出配管を
それぞれ示し、該吐出配管２１の他端側は空気タンクに
接続されている。

【００２７】２２はクランク軸２の突出端側に取付けら
れたプーリを示し、該プーリ２２は、ベルト（図示せ
ず）を介して駆動源となる電動モータ（図示せず）に連
結され、これにより、該電動モータの回転駆動時にはク
ランク軸２を回転させる。

【００２８】本実施の形態による２段式往復動圧縮機
は、上述の如き構成するもので、電動モータによってク
ランク軸２を回転駆動すると、低圧側のシリンダ３内で
はピストン６の往復動によって、低圧側のシリンダ３の
圧縮室７内に吸込まれた空気が中間配管２０に吐出され
る。尚、低圧側のシリンダ３内での作用は後述する高圧
側のシリンダ１０内での動作と実質的に変わるところは
ない。該中間配管２０を介して高圧側のシリンダヘッド
１０の吸込ポート１０Ｃより吸込室１０Ａ、吸込穴１１
Ａを介して吸込弁１２を開弁し、高圧側の圧縮室１５内
に中間圧力をもって供給される。そして、圧縮室１５内
に吸込まれた圧縮空気は、ピストン１４によって再圧縮
されて吐出穴１１Ｂを介して吐出弁１３を開弁し、吐出
室１０Ｂ，吐出ポート１０Ｄ、吐出配管２７を介して空
気タンク内に吐出され、該空気タンク内に貯えられるよ
うになっている。

【００２９】以上説明した実施の形態にあっては、ピス
トンリングの外径をシリンダ内径以下にしたことによ
り、ピストンのシリンダへの組付け性が向上する。ま
た、ピストンリング及びシリンダの起動時における摩耗
を低減することができとともに、起動時のモーターの負
荷を低減できる。

【００３０】なお、実施の形態で２段式往復動圧縮機を
示したが、往復動圧縮機であってピストンを有するもの
であれば、別段これに限ることはない。

【００３１】また、実施の形態でアルミ合金のピストン
及びシリンダを示したが、別段これに限ることはない。

【００３２】さらに、実施の形態では合い口が段形状に
形成され、相重なり合うことによって真円となる形状の
ピストンリングを示したが、別段これに限ることはな
く、Ｃ字状のもの、また、円形のものでもよい。

【００３３】

【実施例】実施例図３に示すように、このピストンリングの径に関して、
ピストンリングをピストンに組付け、相手シリンダとし
てアルミ合金に陽極酸化処理を施した材料を用い、無給
式往復動圧縮機にて、１．０ＭＰａの圧力で断続負荷運
転試験を行い、５０００時間後のピストンリング、シリ
ンダの摩耗量を測定した。実施例として四弗化エチレン
樹脂を基材に球状炭素、青銅粉、二硫化モリブデンを充
填して、圧力成形し、熱処理後、切削加工を行い、さら
に以下のような加熱処理を施したピストンリングを使用
した。アルミ合金の線膨張係数は２．３×（１０のマイ
ナス５乗）、ピストンリングの線膨張係数は１８×（１
０のマイナス５乗）であるため、シリンダ内径８５ｍ
ｍ、運転時温度上昇１００Ｋの場合、シリンダの内径は
８５．１９６ｍｍとなる。この温度状況下でピストンリ
ングがシリンダの内径と同等となるためには室温下のピ
ストンリングの外径をシリンダの内径の９８．２％であ
る８３．６６２ｍｍとなるよう加熱処理をした。

【００３４】比較例１実施例と同様の材料を使用し、従来の形状として摩耗量
分（４ｍｍ）外径を大きくしたピストンリングに実施例
と同様の試験を行った。

【００３５】比較例２実施例と同様の材料を使用し、外径を２ｍｍ大きくした
ピストンリングに実施例と同様の試験を行った。

【００３６】比較例３実施例と同様の材料を使用し、外径を２ｍｍ小さくした
ピストンリングに実施例と同様の試験を行った。

【００３７】この結果、実施例は比較例１，２と比べて
ピストンリングやシリンダの摩耗が少なく、耐久性に優
れており、比較例３については温度が上昇した後にあっ
てもピストンリングとシリンダが摺動しないため空気漏
れが生じ、圧力及び空気量が不足し、シール性を確保で
きないことが確認された。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、組
付け時のピストンリングがシリンダ内径より小さくなっ
たことにより、組付け性が向上する。また、ピストンリ
ングとシリンダが当接していない状態で運転が開始され
るため、ピストンリング及びシリンダの摩耗量が減少
し、これらの交換頻度を少なくでき、交換作業回数が減
る。また、交換頻度が少なくなったことにより材料費の
低減が可能となる。さらに、ピストンリングに加わる荷
重が小さいため、摩擦力が低減でき、消費電流を低くす
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の往復動空気圧縮機を示す
図である。

【図２】本発明の実施の形態の往復動圧縮機のピストン
部を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態の試験結果を比較例と対比
して示す図表である。

【符号の説明】

１クランクケース２クランク軸３低圧側シリンダ４シリンダヘッド６ピストン７圧縮室８連接棒９高圧側シリンダ９Ａ摺動面１０シリンダヘッド１４ピストン１５圧縮室１６リング溝１７ピストンリング１８ライダリング１９連接棒

フロントページの続きＦターム(参考） 3H003 AA02 AC02 AD01 AD03 BC03 CB08 CE04 3H076 AA02 BB26 BB45 CC34 CC61 3J044 AA02 AA18 BA06 BA07 BC06 CB40 CC30 DA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】クランクケースと、該クランクケース上
に搭載されたシリンダと、該シリンダ上に搭載されたシ
リンダヘッドと、前記シリンダヘッドとの間に圧縮室を
画成するピストンとを備え、前記ピストンにはその外周
側に環状のリング溝を設け、該リング溝には前記ピスト
ンとシリンダとの間をシールするピストンリングを挿嵌
してなる往復動圧縮機において、前記ピストンリング
は、前記シリンダへの組付け前の外径寸法が該シリンダ
内径寸法以下とし、かつ線膨張係数が該シリンダの線膨
張係数よりも大きい材料から構成され、運転時に熱膨張
してシリンダに摺動するようにしたことを特徴とする往
復動圧縮機。