JP3413961B2 - スターリングエンジン用ピストンリング - Google Patents
スターリングエンジン用ピストンリングInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2253/00—Seals
- F02G2253/02—Reciprocating piston seals
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
- F05C2225/04—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、スターリングエンジン
のピストンに装着されるピストンリングに関する。 【０００２】 【従来の技術】スターリングエンジンでは、図３に示す
如く、少くとも１個のシリンダ２の夫々は、その内部を
往復摺動するピストン１によって膨張室６と、圧縮室７
とに分離され、膨張室６はヒータ８、蓄熱器（又は蓄冷
器）９、クーラ１０、流路１１を介して圧縮室７に連通
している。ピストン１には、図示しないクランク軸に連
結されたロッド５が結合されている。 【０００３】ピストン１が、シリンダ６内を往復摺動す
る際、膨張室６及び圧縮室７内に封入されたガスは、た
とえば、膨張又は圧縮により圧力の高低圧の変化が互い
に逆になる如く交互に変化する。その１例を図５に示
す。図の縦軸は圧力（MPa)を、横軸はピストン1 の位置
をロッド５に連結されたクランク軸の回転角度で示す。
実線で示す曲線Ａは膨張室６の圧力変動を、破線で示す
曲線Ｂは圧縮室７の圧力変動を示す。 【０００４】このようなスターリングエンジンでは、膨
張室６と圧縮室７との間はピストン１の外周に形成され
た環状のリング溝３に装着されたピストンリング４によ
りシールされている。リング溝３は、一般的には複数
本、図３に示す例では３本形成され、その夫々にピスト
ンリング４、４′、４″が装着されている。 【０００５】従来、スターリングエンジンでは、シール
性を向上させる目的で、図４に示す如く、主に４ふっ化
エチレン樹脂（以下ＰＴＦＥと記す）をベースとした材
料で製作され、段付き合い口を有するシールリング４ａ
に、バックシールリング４ｂ、その内側に装着される内
張りリング４ｃを組合せ装着して使用しており、さらに
耐久性の面から多段（図４の例では３段）で使用してい
る例が多い。ピストンリングをこのように構成したこと
により、シール性は良好となるが、摩耗量が多いと云う
問題点があった。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のスタ
ーリングエンジンのピストンリングの上述の問題点にか
んがみ、良好なシール性を保持し、しかも摩耗量の少い
スターリングエンジン用ピストンリングを提供すること
を課題とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明によるスターリングエンジン用ピストンリングは、
３本以上のシールリング部材より成り、その両端のもの
以外の少くとも１本を段付き合い口を有し、ベース樹脂
がＰＴＦＥ製のリングとし、その他を直角合い口を有す
る耐熱樹脂製のリングとしたことを特徴とする。 【０００８】 【作用】段付き合い口を有するＰＴＦＥ製リングを多段
に設けた従来のスターリングエンジン用ピストンリング
の摩耗量が多いとう問題点を解明するため、種々の実験
を行ない、その結果を検討したところ、スターリングエ
ンジンはシリンダの上・下ともが変動圧力空間であるた
め、シールリング間（ランド空間）の圧力に段数の効果
が現われず、各シールリング間の圧力が各シールリング
の極くわずかのシールの方向性の違いにより、最高圧力
になる場合と最低圧力になる場合とがあり、いずれもシ
ールリングの両側にかゝる圧力差としては最大差圧に近
い値を示すことが判明した。 【０００９】その１例を図４及び図５により説明する。
図５中に１点鎖線で示す曲線Ｃは、図４のシールリング
４、４″間のランド空間の圧力を、２点鎖線で示す曲線
Ｃ′はシールリング４′、４″間のランド空間の圧力の
実測結果の１例である。曲線ＣとＣ′は、各シールリン
グ４、４′、４″の両方向のシール性が全く同じである
場合は中間圧力となるものと推定されるが、夫々のシー
ルリングにシールの方向性が出るため、運転開始後ある
程度時間が経過すると、必らず最高圧力か、最低圧力の
いずれかの圧力を示す。このため、例えばシールリング
４には、図５中に斜線で示す圧力差がたえず負荷されて
いることになる。 【００１０】その結果、ランド空間が中間圧力の場合に
対して、ランド空間が最高圧力（又は最低圧力）となる
場合は、シールリングにかゝる圧力差が大きくなり、摩
耗を増大させるものと判断される。 【００１１】本発明の構成によれば、ピストンの往復動
による膨張室、圧縮室の変動圧力の殆んどを、膨張室
側、圧縮室側に配置された２本又はそれ以上の本数の直
角合い口を有する耐熱性樹脂製リングで受け持ち、極く
小さな圧力差とシール性をその中間の１本又は２本以上
の段付き合い口を有するＰＴＦＥ製リングで受持つこと
により、シール性を犠牲にすることなく耐摩耗性を向上
させることができる。 【００１２】 【実施例】以下に、本発明の実施例を、図面に基づい
て、詳細に説明する。 【００１３】図１は、本発明のスターリングエンジン用
ピストンリングの実施例のリングの組合せを示す断面図
とその各リングの合い口形状を示す斜視図を対応させて
示した図である。 【００１４】この実施例では、ピストンリングは３本の
シールリングより構成され、膨張室側及び圧縮室側の各
１本のシールリング１２及び１２′は直角合い口を有す
る耐熱性樹脂、例えば充填材入りポリイミド樹脂製で、
真中の１本のリング４のみが従来のものと同様、段付き
合い口を有するＰＴＦＥ製のものである。シールリング
１２、１２′はメインリング１２ａ、１２′ａの内側に
夫々内張りリング１２ｃ、１２′ｃを装着して構成され
ており、シールリング４は従来同様メインリング４ａと
バックシールリング４ｂ及び内張りリング４ｃとにより
構成されている。 【００１５】この場合の各部の圧力測定結果を図２に示
す。曲線Ａ、Ｂは、図５と同様、膨張室及び圧縮室の変
動圧力を示す。１点鎖線で示す曲線Ｆは、シールリング
１２、４間のランド空間の圧力を、２点鎖線で示す曲線
Ｆ′はシールリング１２′、４間のランド空間の圧力を
示す。この場合、中間シールリング４にかゝる圧力差
は、図２に斜線で示すように極く小さなものとなり、シ
ールリング４のシール性の方向性が変っても、絶対値が
変動するのみで、圧力差は変らない。 【００１６】これにより、本実施例の場合は、図４及び
図５で説明した従来例に比較して、シールリングの受け
る圧力差は約１／６となり、シール性を受持つシールリ
ング４は１本であるにも拘わらず、その耐久性は格段に
向上する。又、圧力差を受け持つ耐熱性樹脂リング１
２、１２′はシール性は良くないものの、耐久性は良好
なため、耐久性の面から問題は発生しない。 【００１７】図６に、図４に示す従来例と、図１に示す
本発明の実施例について、往復動試験機により次の試験
条件で試験を行ない、各シールリングのＴ寸法（半径方
向の厚さ）の摩耗量を計測した結果を示す。 ＜試験条件＞ 封入圧力 Ｐ＝４MPa 封入ガス ヘリウム 変動圧力幅 ΔＰ＝３MPa 回転数 Ｎ＝1,４００ rpm シリンダ ＳＵＳ３０４イオン窒化 面粗度 0.５
Rz 運転時間 1,０００時間 従来例、本実施例とも、シールリング No.１が膨張室
側、 No.３が圧縮室側、No.２が中間リングである。従
来例では３本のシールリングすべてが充填材入りＰＴＦ
Ｅ製段付き合い口を有するリングであり、本実施例では
中間リングのみが充填材入りＰＴＦＥ製段付き合い口を
有するリングで、両側の２つは充填材入りポリイミド樹
脂製の直角合い口を有するリングである。各リングの寸
法はすべてφ６５×２×3.５である。 【００１８】上記の実施例では、シールリングが３本で
両側の２本を耐熱性樹脂製リングとした例について説明
したが、シールリングの本数をそれ以上として耐久性を
さらに向上させることも可能である。その場合、中間の
段付き合い口を有するリングを２本以上とすることも、
両側の直角合い口を有する耐熱性樹脂製リングの数を増
すことも可能である。 【００１９】 【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、スターリ
ングエンジンのピストンの往復動による変動圧力の殆ん
どを膨張室及び圧縮室側に配置された２本又はそれ以上
の本数の直角合い口を有する耐熱性樹脂製リングで受持
ち、極く小さな圧力差とシール性を中間の段付き合い口
を有するＰＴＦＥ製リングで受け持つようにしたことに
より、シール性を損なうことなく、耐摩耗性を向上させ
ることができ、耐久性の向上に顕著な効果が得られる。
のピストンに装着されるピストンリングに関する。 【０００２】 【従来の技術】スターリングエンジンでは、図３に示す
如く、少くとも１個のシリンダ２の夫々は、その内部を
往復摺動するピストン１によって膨張室６と、圧縮室７
とに分離され、膨張室６はヒータ８、蓄熱器（又は蓄冷
器）９、クーラ１０、流路１１を介して圧縮室７に連通
している。ピストン１には、図示しないクランク軸に連
結されたロッド５が結合されている。 【０００３】ピストン１が、シリンダ６内を往復摺動す
る際、膨張室６及び圧縮室７内に封入されたガスは、た
とえば、膨張又は圧縮により圧力の高低圧の変化が互い
に逆になる如く交互に変化する。その１例を図５に示
す。図の縦軸は圧力（MPa)を、横軸はピストン1 の位置
をロッド５に連結されたクランク軸の回転角度で示す。
実線で示す曲線Ａは膨張室６の圧力変動を、破線で示す
曲線Ｂは圧縮室７の圧力変動を示す。 【０００４】このようなスターリングエンジンでは、膨
張室６と圧縮室７との間はピストン１の外周に形成され
た環状のリング溝３に装着されたピストンリング４によ
りシールされている。リング溝３は、一般的には複数
本、図３に示す例では３本形成され、その夫々にピスト
ンリング４、４′、４″が装着されている。 【０００５】従来、スターリングエンジンでは、シール
性を向上させる目的で、図４に示す如く、主に４ふっ化
エチレン樹脂（以下ＰＴＦＥと記す）をベースとした材
料で製作され、段付き合い口を有するシールリング４ａ
に、バックシールリング４ｂ、その内側に装着される内
張りリング４ｃを組合せ装着して使用しており、さらに
耐久性の面から多段（図４の例では３段）で使用してい
る例が多い。ピストンリングをこのように構成したこと
により、シール性は良好となるが、摩耗量が多いと云う
問題点があった。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のスタ
ーリングエンジンのピストンリングの上述の問題点にか
んがみ、良好なシール性を保持し、しかも摩耗量の少い
スターリングエンジン用ピストンリングを提供すること
を課題とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明によるスターリングエンジン用ピストンリングは、
３本以上のシールリング部材より成り、その両端のもの
以外の少くとも１本を段付き合い口を有し、ベース樹脂
がＰＴＦＥ製のリングとし、その他を直角合い口を有す
る耐熱樹脂製のリングとしたことを特徴とする。 【０００８】 【作用】段付き合い口を有するＰＴＦＥ製リングを多段
に設けた従来のスターリングエンジン用ピストンリング
の摩耗量が多いとう問題点を解明するため、種々の実験
を行ない、その結果を検討したところ、スターリングエ
ンジンはシリンダの上・下ともが変動圧力空間であるた
め、シールリング間（ランド空間）の圧力に段数の効果
が現われず、各シールリング間の圧力が各シールリング
の極くわずかのシールの方向性の違いにより、最高圧力
になる場合と最低圧力になる場合とがあり、いずれもシ
ールリングの両側にかゝる圧力差としては最大差圧に近
い値を示すことが判明した。 【０００９】その１例を図４及び図５により説明する。
図５中に１点鎖線で示す曲線Ｃは、図４のシールリング
４、４″間のランド空間の圧力を、２点鎖線で示す曲線
Ｃ′はシールリング４′、４″間のランド空間の圧力の
実測結果の１例である。曲線ＣとＣ′は、各シールリン
グ４、４′、４″の両方向のシール性が全く同じである
場合は中間圧力となるものと推定されるが、夫々のシー
ルリングにシールの方向性が出るため、運転開始後ある
程度時間が経過すると、必らず最高圧力か、最低圧力の
いずれかの圧力を示す。このため、例えばシールリング
４には、図５中に斜線で示す圧力差がたえず負荷されて
いることになる。 【００１０】その結果、ランド空間が中間圧力の場合に
対して、ランド空間が最高圧力（又は最低圧力）となる
場合は、シールリングにかゝる圧力差が大きくなり、摩
耗を増大させるものと判断される。 【００１１】本発明の構成によれば、ピストンの往復動
による膨張室、圧縮室の変動圧力の殆んどを、膨張室
側、圧縮室側に配置された２本又はそれ以上の本数の直
角合い口を有する耐熱性樹脂製リングで受け持ち、極く
小さな圧力差とシール性をその中間の１本又は２本以上
の段付き合い口を有するＰＴＦＥ製リングで受持つこと
により、シール性を犠牲にすることなく耐摩耗性を向上
させることができる。 【００１２】 【実施例】以下に、本発明の実施例を、図面に基づい
て、詳細に説明する。 【００１３】図１は、本発明のスターリングエンジン用
ピストンリングの実施例のリングの組合せを示す断面図
とその各リングの合い口形状を示す斜視図を対応させて
示した図である。 【００１４】この実施例では、ピストンリングは３本の
シールリングより構成され、膨張室側及び圧縮室側の各
１本のシールリング１２及び１２′は直角合い口を有す
る耐熱性樹脂、例えば充填材入りポリイミド樹脂製で、
真中の１本のリング４のみが従来のものと同様、段付き
合い口を有するＰＴＦＥ製のものである。シールリング
１２、１２′はメインリング１２ａ、１２′ａの内側に
夫々内張りリング１２ｃ、１２′ｃを装着して構成され
ており、シールリング４は従来同様メインリング４ａと
バックシールリング４ｂ及び内張りリング４ｃとにより
構成されている。 【００１５】この場合の各部の圧力測定結果を図２に示
す。曲線Ａ、Ｂは、図５と同様、膨張室及び圧縮室の変
動圧力を示す。１点鎖線で示す曲線Ｆは、シールリング
１２、４間のランド空間の圧力を、２点鎖線で示す曲線
Ｆ′はシールリング１２′、４間のランド空間の圧力を
示す。この場合、中間シールリング４にかゝる圧力差
は、図２に斜線で示すように極く小さなものとなり、シ
ールリング４のシール性の方向性が変っても、絶対値が
変動するのみで、圧力差は変らない。 【００１６】これにより、本実施例の場合は、図４及び
図５で説明した従来例に比較して、シールリングの受け
る圧力差は約１／６となり、シール性を受持つシールリ
ング４は１本であるにも拘わらず、その耐久性は格段に
向上する。又、圧力差を受け持つ耐熱性樹脂リング１
２、１２′はシール性は良くないものの、耐久性は良好
なため、耐久性の面から問題は発生しない。 【００１７】図６に、図４に示す従来例と、図１に示す
本発明の実施例について、往復動試験機により次の試験
条件で試験を行ない、各シールリングのＴ寸法（半径方
向の厚さ）の摩耗量を計測した結果を示す。 ＜試験条件＞ 封入圧力 Ｐ＝４MPa 封入ガス ヘリウム 変動圧力幅 ΔＰ＝３MPa 回転数 Ｎ＝1,４００ rpm シリンダ ＳＵＳ３０４イオン窒化 面粗度 0.５
Rz 運転時間 1,０００時間 従来例、本実施例とも、シールリング No.１が膨張室
側、 No.３が圧縮室側、No.２が中間リングである。従
来例では３本のシールリングすべてが充填材入りＰＴＦ
Ｅ製段付き合い口を有するリングであり、本実施例では
中間リングのみが充填材入りＰＴＦＥ製段付き合い口を
有するリングで、両側の２つは充填材入りポリイミド樹
脂製の直角合い口を有するリングである。各リングの寸
法はすべてφ６５×２×3.５である。 【００１８】上記の実施例では、シールリングが３本で
両側の２本を耐熱性樹脂製リングとした例について説明
したが、シールリングの本数をそれ以上として耐久性を
さらに向上させることも可能である。その場合、中間の
段付き合い口を有するリングを２本以上とすることも、
両側の直角合い口を有する耐熱性樹脂製リングの数を増
すことも可能である。 【００１９】 【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、スターリ
ングエンジンのピストンの往復動による変動圧力の殆ん
どを膨張室及び圧縮室側に配置された２本又はそれ以上
の本数の直角合い口を有する耐熱性樹脂製リングで受持
ち、極く小さな圧力差とシール性を中間の段付き合い口
を有するＰＴＦＥ製リングで受け持つようにしたことに
より、シール性を損なうことなく、耐摩耗性を向上させ
ることができ、耐久性の向上に顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のシールリングの組合せと各シ
ールリングの合い口形状とを対応させて示す断面図及び
斜視図である。 【図２】本発明の実施例の各部の圧力変動を示す曲線図
である。 【図３】本発明が適用されるスターリングエンジンのシ
リンダを中心とする構成を示す説明図である。 【図４】従来のスターリングエンジンのピストンリング
のシールリングの組合せの１例と各シールリングの合い
口形状とを対応させて示す断面図及び斜視図である。 【図５】その従来例の各部の圧力変動を示す曲線図であ
る。 【図６】本発明の実施例と従来例の夫々を構成する各シ
ールリングの摩耗試験結果を比較して示すグラフであ
る。 【符号の説明】 １ ピストン ２ シリンダ ３ リング溝 ４ ＰＴＦＥ製段付き合い口を有するシールリング ５ ロッド ６ 膨張室 ７ 圧縮室 １２ 耐熱性樹脂製直角合い口を有するシールリング
ールリングの合い口形状とを対応させて示す断面図及び
斜視図である。 【図２】本発明の実施例の各部の圧力変動を示す曲線図
である。 【図３】本発明が適用されるスターリングエンジンのシ
リンダを中心とする構成を示す説明図である。 【図４】従来のスターリングエンジンのピストンリング
のシールリングの組合せの１例と各シールリングの合い
口形状とを対応させて示す断面図及び斜視図である。 【図５】その従来例の各部の圧力変動を示す曲線図であ
る。 【図６】本発明の実施例と従来例の夫々を構成する各シ
ールリングの摩耗試験結果を比較して示すグラフであ
る。 【符号の説明】 １ ピストン ２ シリンダ ３ リング溝 ４ ＰＴＦＥ製段付き合い口を有するシールリング ５ ロッド ６ 膨張室 ７ 圧縮室 １２ 耐熱性樹脂製直角合い口を有するシールリング
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 実開 昭52−96162（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F16J 9/16
F16J 9/28
F02G 1/053
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 シリンダ内を往復摺動するピストンによ
り分離される、該シリンダ内の２つの作動室の圧力が、
前記ピストンの１サイクル往復動中に圧力の高低が変化
するスターリングエンジンの前記ピストンに装着される
ピストンリングにおいて、 該ピストンリングは、３本以上のシールリング部材より
成り、その両端のもの以外の少くとも１本を段付き合い
口を有し、ベース樹脂がＰＴＦＥ製のリングとし、その
他を直角合い口を有する耐熱性樹脂製のリングとしたこ
とを特徴とするピストンリング。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13391194A JP3413961B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | スターリングエンジン用ピストンリング |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13391194A JP3413961B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | スターリングエンジン用ピストンリング |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07317902A JPH07317902A (ja) | 1995-12-08 |
| JP3413961B2 true JP3413961B2 (ja) | 2003-06-09 |
Family
ID=15115982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13391194A Expired - Fee Related JP3413961B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | スターリングエンジン用ピストンリング |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3413961B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5422883B2 (ja) * | 2007-11-14 | 2014-02-19 | トヨタ自動車株式会社 | ピストン機関及びスターリングエンジン |
-
1994
- 1994-05-25 JP JP13391194A patent/JP3413961B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07317902A (ja) | 1995-12-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |