JP5725093B2 - 高圧対応のロッキングピストン - Google Patents

Description

本発明は、高圧対応のロッキングピストンに関する。

一般に、多段圧縮機は大気圧を低圧用の圧縮機によって圧縮した後、圧縮された空気を高圧用の圧縮機によってさらに圧縮してより高圧に昇圧させる多段圧縮機が知られている。

圧縮機に使用されるピストンとしては、レシプロエンジンなどに採用されている通常の円筒型のピストンとシリンダ内を揺動しながら往復するロッキングピストンとが知られている。円筒型ピストンは、ピストン部がシリンダの軸心に沿って移動するので作動が安定するが、構造が複雑で高価である。これに対し、ロッキングピストンは構造が簡単で比較的安価であるが、ピストン部がシリンダ内で揺動する構造のため、ピストン部とシリンダとの間のスペースが変化し、スペースが最大になるときは円筒型ピストンにおけるスペースに比べて大きくなるので、ピストン部に設けたリップリングは柔軟でなければならない。ところが、このような構造のロッキングピストンを多段圧縮機の高圧側に採用すると、リップリングは高圧の荷重に耐えられずに変形するので、リップリングとシリンダとの間のスペースから空気が漏れて圧縮効率が低下する。従来はロッキングピストンは低圧用の圧縮機に採用され、高圧用の圧縮機には円筒型ピストンが採用される例が多い。

その半面、ロッキングピストンは構造が簡単であるから、故障も少なく、安価でもある。したがって、高圧側の圧縮機に採用することができるように改善が望まれていた。これに対応するものとして、高圧側にもロッキングピストンを採用した構造の圧縮機が知られている（特許文献１参照）。これは、リップリングの背面側に合成樹脂製の肉厚のドーナツ板状サポートリングを重ねて設け、サポートリングをピストン部から少しだけはみ出す構成とすることにより、リップリングの過度の変形を防止しようとするものである。

特開２００３−２２２０７７公報

しかしながら、サポートリングは高圧には耐えられるが、その外径とシリンダの内径とのオーバーラップ部分がない、つまり、ピストン部の揺動運動時のピストン部・シリンダ間のスペースの変化に対応する部分がない。そして、サポートリングがピストン部の外周面から突出するはみ出し部分の寸法は、ピストン部が揺動する際の最小と最大のスペースの中間のスペースに対応する分とせざるを得ない。したがって、上記スペースが最大になるときには十分にリップリングの変形を防止することは難しいという問題があった。

本発明は上記問題点を解消し、リップリングを改善することによって、高圧にも対応することができるロッキングピストンを提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、コネクティングロッドの先端に一体に設けられてシリンダ内を揺動しながら摺動する皿状のピストン本体と、ピストン本体の上部に設けられるリング押えと、ピストン本体とリング押えとの間に設けられてシリンダ内面との間をシールする非金属製リップリングとを備えたロッキングピストンにおいて、上記リップリングは、ピストン本体とリング押えとの間に挟持されるドーナツ板状のベース部と、ベース部の外周端から起立形成されてピストン本体とシリンダ内面との間をシールするリップ部とから構成され、ベース部とリップ部の両外側面が接する外側コーナー部の曲率半径は、ベース部とリップ部の両内側面が接する内側コーナー部の曲率半径にリップリングの厚さを加えた寸法よりも小さく形成され、上記リップ部には、高圧領域でシール作用をする高圧領域用シール部と、上記高圧領域用シール部の上部に設けられて低圧領域でシール作用をする低圧領域用シール部と、が設けられ、上記高圧領域用シール部は、前記曲率半径によって肉厚に形成されたコーナー部からの立ち上がり部分を含んで上記ベース部及び上記低圧領域用シール部よりも肉厚に形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、上記リップリングの最外径はシリンダの内径よりも大きく、かつピストン本体の最大傾斜時に接するシリンダ内面の楕円の長径よりも大きく形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、上記リップリングのベース部の下面は、上記内側コーナー部の曲面の少なくとも内側エンド部と垂直に交わる部位からシリンダ側にかけてピストン本体の上面と接面していることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、上記ロッキングピストンがシリンダに対して傾斜していない状態において、リップリングは、少なくともベース部の上面の延長が上記シリンダの内面と接する部位より下側から上端側にかけて上記シリンダと接面していることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、上記ロッキングピストンが最大に傾斜した時には、上記シリンダとのスペースが小さい上側において、上記リップリングは、上記内側コーナー部の外側エンド部と直角に交わる部位よりも下方の領域でシリンダと接触していることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、上記ロッキングピストンが最大に傾斜した時には、上記シリンダとのスペースが大きい側において上記リップリングのリップ部とリング押えとのスペースＤ１は、ピストン本体上部とシリンダ間のスペースＤ２以下とすることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、上記リップリングのリップ部とリップリングを押えるリング押えとの間にスペースを形成し、少なくとも上記リング押えの外周面を上記シリンダの内径と略同じ大きさの直径を有する略球形の表面形状をなすように形成したことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれかにおいて、上記リップリングのベース部の上面は、上記内側コーナー部の曲面の内側エンド部より中心側に離れた部位でリング押えの下面と接触し始めるようにしたことを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれかにおいて、上記リング押えとピストン本体とは、リップリングのベース部の内側で直接に当接していることを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれかにおいて、上記リング押えとピストン本体とは、少なくとも使用状態の圧力が作用したときに、リップリングのベース部の内側で中間材を介して当接していることを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０のいずれかにおいて、リング押えには、リップリングのベース部との接面部に押し当てる環状突起を形成したことを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、請求項１〜１１のいずれかにおいて、上記ピストン本体の上面には、リップリングのベース部の中央開口部の開口縁部を押し上げる環状突起を形成したことを特徴とする。

請求項１３に係る発明は、請求項１〜１２のいずれかにおいて、上記コネクティングロッドは揺動方向に幅広に形成されているとともに、コネクティングロッドの幅方向と直交する方向には変形抑制部が形成され、この変形抑制部はピストン本体の下面に接合されていることを特徴とする。

請求項１４に係る発明は、請求項１〜１３のいずれかにおいて、上記ピストン本体とリング押えの少なくとも一方の外周面には、リップリングと同等以上の強度を有する非金属製の保護部材を設けたことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、リップリングには、高圧領域でシール作用をする高圧領域用シール部と低圧領域でシール作用をする低圧領域用シール部とを設けたので、低圧状態のときは、高圧領域で作用する高圧領域用シール部は弾性変形しにくいが、低圧領域用シール部は低圧状態で弾性変形して十分なシール効果を確保することができる。したがって、高圧状態でもリップリングに対する背圧上昇が小さくなり、シリンダへの押し付け力が低減し、リップリングの摩耗を有効に防止することができる。

また、ベース部とリップ部の両外側面が接する外側コーナー部の曲率半径は、ベース部とリップ部の両内側面が接する内側コーナー部の曲率半径にリップリングの厚さを加えた寸法よりも小さく形成されているから、ピストン本体とシリンダとリップリング間にできるスペースが小さくなる。したがって、コーナー部のボリュームが相対的に大きくなり、ピストン本体の上方からのシリンダの内圧が加わっても内圧による応力が小さくなるので、リップリングの変形を良好に抑制することができる。しかも、シリンダの内圧が上昇しても、リップ部が外側へ張る力は低いのでリップリングの摩耗量は低減する。

請求項２に係る発明によれば、リップリングの最外径はシリンダの内径よりも大きく、かつピストン本体の最大傾斜時に接するシリンダ内面の楕円の長径よりも大きく形成されているから、リップリングには、シリンダ内面に対してオーバーラップする部分が発生するので、シリンダとロッキングピストンとの間を確実にシールすることができる。

請求項３に係る発明によれば、リップリングのベース部の下面は、内側コーナー部の曲面の少なくとも内側エンド部と垂直に交わる部位からシリンダ側にかけてピストン本体の上面と接面しているから、ピストン本体とシリンダとリップリングとの間にできるスペースは小さくなるように抑制される。このため、請求項２に係る発明と同様な作用効果を得ることができる。

請求項４に係る発明によれば、ロッキングピストンがシリンダに対して傾斜していない状態において、外側コーナー部の外側エンド部は上記上面延長対応部位よりも下側に位置することになるので、コネクティングロッドのピストン本体とシリンダとリップリングとの間にできるスペースは小さくなるように抑制される。このため、請求項２に係る発明と同様な作用効果を得ることができる。

請求項５に係る発明によれば、最大傾斜時には、シリンダとのスペースが小さい上側において、リップリングは、内側コーナー部の外側エンド部と直角に交わる部位よりも下方の領域でシリンダと接触しているので、コネクティングロッドのピストン本体とリップリングとシリンダとの間のスペースは小さくなる。このため、請求項２に係る発明と同様な作用効果を得ることができる。また、最大傾斜時のオーバーラップ量が十分なので、外側に張る力はリップ部の弾性により補なわれてシール性を確保することができる。

請求項６に係る発明によれば、上記ロッキングピストンが最大に傾斜した時には、上記シリンダとのスペースが大きい側において上記リップリングのリップ部とリング押えとのスペースＤ１は、ピストン本体上部とシリンダ間のスペースＤ２以下としたから、最大に傾斜した時でもピストン本体またはリング押えがシリンダに直接当たることがない。また、リング押えの塑性変形量を抑えることができる。

請求項７に係る発明によれば、リップリングのリップ部とリング押えとの間に微小なスペースを形成し、少なくとも上記リング押えの外周面を上記シリンダの内径と略同じ大きさの直径を有する略球形の表面形状をなすように形成したから、ロッキングピストンの揺動運動に基づく慣性により発生した圧力上昇によって、リップリングやリング押えがシリンダに押し付けられて変形するのを効果的に抑制し、繰り返し応力を防ぎ、リップリングの疲労を防ぐことができる。

請求項８に係る発明によれば、リップリングのベース部の上面は、内側コーナー部の曲面の内側エンド部より中心側に離れた部位でリング押えの下面と接触し始めるようにしたから、内側エンド部と接触開始部位との間のストレート部はリング押えの下面には接触しない離反領域となり、応力が分散され、コーナー部に応力集中が起きにくい。

請求項９に係る発明によれば、リング押えとピストン本体とは、リップリングのベース部の内側で直接に当接しているから、リング押えとピストン本体との間の間隔は一定となるので、リップリングが過度の押圧力で挟みつけられて変形することがない。また、リング押えがピストン本体から浮かない。このため、固定用ボルトへの応力が緩和され、締め付けトルクの維持が可能となる。

請求項１０に係る発明によれば、リング押えとピストン本体とは、少なくとも使用状態の圧力が作用したときに、リップリングのベース部の内側で中間材を介して当接しているから、請求項１４の場合と同様の効果を得ることができる。

請求項１１に係る発明によれば、リング押えには、リップリングのベース部との接面部に押し当てる環状突起を形成したので、リング押えの環状突起がリップリングのベース部との接面部に強く押し当てられることにより、環状突起が上記接面部に食い込む。このため、リップリングがピストン本体上で移動するのを防いでリップリングを確実に固定する。そして、ピストン部とシリンダとの間を良好にシールすることができる。

請求項１２に係る発明によれば、ピストン本体の上面には、リップリングのベース部の中央開口部の開口縁部を押し上げる環状突起を形成したから、リップリングの開口縁部が環状突条により押し上げられ、ベース部とリング押えとの間のスペースをなくすことができ、シリンダの上室の内圧がピストン部の下部の下室に漏れることがない。

請求項１３に係る発明によれば、コネクティングロッドが揺動方向に幅広に形成されていることにより、ピストン本体は揺動方向に変形しにくくなっている。しかも、コネクティングロッドには変形抑制部が形成されているので、コネクティングロッドはその揺動方向と直交する方向にも強化されているとともに、ピストン本体も、同方向に変形しにくくなっている。圧力によるピストン本体の変形は、揺動方向とこれに直交する方向とでは変形が大きく異なる。このために固定用ボルトには大きな応力が発生する。しかし、リブ状の変形抑制部によってこの応力を低減することができる。

請求項１４に係る発明によれば、ピストン本体とリング押えの少なくとも一方の外周面には、リップリングと同等以上の強度を有する非金属製の保護部材が設けられている。したがって、リップリングがメンテナンス時間を過ぎても継続使用されるときは、リップリングが摩耗して金属製のピストン本体又はリング押えが直接にシリンダに接触して擦り合い、傷がついて圧縮効率が低下したり、故障したりする恐れがある。ところが、保護部材を設けることにより、ピストン本体又はリング押えが接触する前に保護部材が直接にシリンダと接触し、ピストン本体又はリング押えが直接にシリンダ内面に接触して擦ることがないから、シリンダを保護することができる。

なお、ライナーとピストンリングの外周面は、シリンダの内径と同じかそれよりもわずかに小さい程度の直径を有する略球形の表面形状をなすように形成されていてもよい。この球面形状により、ロッキングピストンの揺動運動に基づく慣性により発生した圧力上昇によって、ライナーやライナー押えがシリンダに押し付けられたときの押圧力によって変形するのを効果的に抑制することができ、また繰り返し応力を防ぎ、ライナーの疲労を防ぐことができる。

また、ピストンリングは連続したものではなく、一部が切断され、またピストンリングはライナー押えの外周に形成された収納溝に遊びをもって収納されている。このため、ピストンリングは収納溝内で径方向に伸縮することが可能となっている。したがって、ピストン本体に背圧を受けたときにピストンリングは外方に押し広げられるので、ピストン本体が傾いてもライナーによって線シールを維持することができる。また、強度的に十分な厚みがとれるので、寸法公差は大幅に緩和される。

本発明に係る多段（二段）圧縮機の縦断面図 （ａ）〜（ｇ）はそれぞれ本発明に係るリップリングのいろいろな態様の中央断面図 （ａ）（ｂ）は揺動角を小さくした形態、（ｃ）は通常の揺動角のロッキングピストンの形態を示す断面図 高圧用ロッキングピストンの要部の断面図 図４のロッキングピストンの一部（外側コーナー部）を変更して示した拡大図 （ａ）（ｂ）はそれぞれ別の形態のリップリングの中央断面図 図４のロッキングピストンの最大傾斜時の状態を示す断面図 （ａ）（ｂ）はコネクティングロッドの変形抑制部の他の態様を示す正面図及びその側面図 （ａ）（ｂ）はコネクティングロッドの変形抑制部の他の態様を示す正面図及びその横断面図 保護部材を設けた場合のロッキングピストンの断面図 ロッキングピストンの他の実施形態を示す断面図 上記多段（二段）圧縮機を搭載したエアコンプレッサの斜視図

図１は多段（二段）圧縮機を示す。この多段圧縮機は低圧用圧縮機Ａと高圧用圧縮機Ｂとを連結したもので、上記各圧縮機Ａ、Ｂのシリンダ１、２にはロッキングピストン３、４が揺動かつ摺動自在に収容されている。各ロッキングピストン３、４はコネクティングロッド５、６の先端（小端部）に皿状のピストン部７、８を一体的に設け、コネクティングロッド５、６の基部（大端部）の偏心位置に形成した軸受孔１０、１１には、装置本体の中心部に配置したクランクシャフト１２が軸受けされている。クランクシャフト１２は図示しない回転駆動装置に作動連結されている。

上記圧縮機Ａ、Ｂは、クランクシャフト１２の回転により低圧（一次圧）側の圧縮機Ａのロッキングピストン３を往復動させて低圧側のシリンダ１内に取り込まれた大気を圧縮して高圧（二次圧）側の圧縮機Ｂのシリンダ２に送り込み、この圧縮空気を高圧側のピストン４を往復動させることによりさらに圧縮して高圧に昇圧させ、圧縮空気で作動する各種装置や工具に向けて送出させるものである。

ところで、高圧側の圧縮機のロッキングピストン４は、次のような構造的特徴を有している。

まず、高圧側のロッキングピストン４のピストン部８の外径は、低圧側のロッキングピストン３のピストン部７よりも小さく形成されている。高圧側のピストン部８に対する圧縮荷重が低圧側のピストン部７の圧縮荷重に比べて急激に大きくならないようにするためである。

上記各ロッキングピストン３、４のピストン部７、８の外周にはピストン３、４とシリンダ１、２との間をシールするリップリング１３、１４が取り付けられている。リップリング１３、１４は合成樹脂、合成ゴム等の具体的にはポリテトラフルオロエチレン又は変成ポリテトラフルオロエチレン、銅又は青銅合金粉末、球状炭素又は炭素繊維、二酸化モリブデンの成分構成からなる非金属材料から形成され、全周にわたって切れ目がなく連続した円環状の部材である。

高圧側の圧縮機のロッキングピストン４のリップリング１４は、高圧領域でシリンダ２の内面に接してシール作用をする程度に弾性変形可能なシール部（リップ部）を有している。

そのため、上記リップリング１４は、次のような構造的特徴を有している。

すなわち、上記リップリング１４の外径のシリンダ２の内径に対するオーバーラップ量は、少なくとも低圧側のロッキングピストン３のリップリング１３の外径のシリンダ１の内径に対するオーバーラップ量よりも小さくなるように形成されている。これは、リップリング１４のオーバーラップ部分が大きいと、必然的に弾性も高く柔軟になるので、高圧の内圧を受けたときに変形しやすく、変形した部分からエア漏れが発生し、シール不良を起こすおそれがあるからである。したがって、高圧側のロッキングピストン４のリップリング１４のオーバーラップ量を、少なくとも低圧側のそれよりも小さくすることにより、高圧を受けたときに弾性変形しにくくなるように設定されている。

さらに、高圧側のリップリング１４の外周に形成されたリップ部１５の高さ（リップ高さ）は、少なくとも低圧側のリップリング１４のリップ高さよりも低くなるように形成されている。

これも、リップ高さが高いと、弾性も高くなり、高圧の作用を受けたときに変形しやすく、エア漏れによるシール不良を起こすおそれがあるからであり、またシリンダ２内にピストン部８を収納する作業を容易にするためである。

高圧側のリップリング１４のリップ部１５の高さは低圧側よりも低く形成されているので、弾性も低く、外側に張るための圧力が高くなるため、高圧の作用を受けても変形しにくいため、応力低減やエア漏れによるシール不良を起こすおそれが小さい。また、組付け時にリップリング１４をシリンダ２内に収納する作業は困難ではない。作業時にリップ部１５をシリンダ２内に収納できるように縮める力は、リップ部１５を縮める荷重とリップ部１５のシリンダ２の内面に接触する面積との関係より、低圧時と比較して±１０％以内に設定するのがよい。

なお、高圧側のロッキングピストンのリップリング１４には、図２（ａ）に示されるように、少なくとも上述のようなオーバーラップ量やリップ高さを備えていることが要求されるが、圧縮機の起動時等のように、高圧側のシリンダ２内の圧力が十分に上がらす、低圧状態になっているときは、高圧領域で作用するリップリング１４のリップ部１５は弾性変形しにくいので、条件によってはシール性を発揮できない可能性がある。そこで、図２（ｂ）に示されるように、上記リップリング１４のリップ部１５には、高圧領域でシール作用をする小径の高圧領域用として下部シール部１６と低圧領域でシール作用をする大径の低圧領域用として上部シール部１７とを一体的に設けるようにするのが好ましい。下部シール部１６は肉厚に形成されているのに対し、上部シール部１７は肉薄で比較的弾性変形しやすくなっている。下部シール部１６と上部シール部１７との間には段部１８が形成されている。

上記リップリング構成によれば、低圧状態のときは、高圧領域で作用するリップリング１４の下部シール部１６は、弾性変形しにくいが、上部シール部１７は低圧状態で弾性変形して十分なシール効果を確保することができる。このように、低圧状態でもシール性を発揮することができるので、高圧状態でもリップリング１４に対する背圧上昇が小さくなり、シリンダ２への押し付け力が低減し、リップリング１４の摩耗を有効に防止することができる。

なお、下部シール部１６と上部シール部１７の配設構造は上述の形態に限定されない。例えば、同図（ｃ）のように、上部シール部１７と下部シール部１６との間に段を設けず、上下のシール部１６、１７が連続する構造であってもよく、あるいは同図（ｄ）のように、上部シール部１７を外側に反るように形成して弾性変形しやすくなるように構成してもよく、あるいは同図（ｅ）のように、上部シール部１７を下部シール部１６からそのまま延長した形状の構成にしてもよい。

また、下部シール部１６の上部に連続的に上部シール部１７を形成する構造ではなく、同図（ｆ）のように、下部シール部１６と上部シール部１７とを別個に形成し、上部シール部１７は下部シール部１６よりも中心に近い内側から斜め上方に突出するように形成されている。上部シール部１７の上端は下部シール部１６の上方まで延出形成され、高さも上部シール部１７の方が高い。したがって、上部シール部１７の方が下部シール部１６よりも弾性変形しやすく、低圧に対応できる。この場合、同図（ｇ）のように、上部シール部１６を高圧用、下部シール部１７を低圧用として構成してもよい。

また、高圧に対応するためには、リップリング１４の形状だけでなく、高圧側の圧縮機のロッキングピストン４の揺動角を低圧側の圧縮機のロッキングピストン３の揺動角より小さくなるように設定するようにしてもよい。揺動角αは、ロッキングピストン４のストロークＬ、つまりコネクティングロッド６の中心軸Ｐから揺動回転中心Ｏ１までの距離と、揺動回転中心Ｏ１からリップリング１４によるシール部の中心Ｏ２までの距離とで決まる。揺動角αを小さくするためには、図３（ａ）に示されるように、ロッキングピスト４ンのストロークＬを変えないで、揺動回転中心Ｏ１からシール部の中心Ｏ２までの距離によって示されるコネクティングロッド６の長さを長くするか、あるいは同図（ｂ）に示されるように、コネクティングロッド６の長さを変えないで、ロッキングピストン４のストロークＬを小さくするかによればよい。

なお、同図（ｃ）は揺動角を小さくする前のロッキングピストン４の最大傾斜状態を示す参考図である。同図においてα０は揺動角、Ｌ０はストロークを示す。

次に、高圧に対応するロッキングピストンの構成について詳しく説明する。

図４は高圧側のロッキングピストンで、このロッキングピストン４は、コネクティングロッド６の先端に一体に設けられてシリンダ２内を揺動しながら摺動する皿状のピストン本体１８と、ピストン本体１８の上部に設けられてピストン本体１８よりもやや小径のリング押え２０と、ピストン本体１８とリング押え２０との間に設けられてシリンダ２内面との間をシールするリップリング１４とを備えている。リップリング１４は合成樹脂、合成ゴム等の非金属材料から形成されている。

ピストン本体１８の上面には円形凹部２１が形成され、これに対し、リング押え２０は円形状で、中央下部には円形凸部２２が突出形成されている。そして、ピストン本体１８の円形凹部２１の内側にリング押え２０の円形凸部２２が嵌合し、リング押え２０は上方から挿通された固定用ボルト２３によってピストン本体１８の上面に固定されている。リップリング１４は円環状に形成され、中央開口部２４（図２（ａ）参照）がリング押え２０の円形凸部２２に嵌合した状態で、上部のリング押え２０と下部のピストン本体１８との間に挟まれて固定されている。

リップリング１４は、ピストン本体１８とリング押え２０との間に挟持されるドーナツ板状のベース部２５と、ベース部２５の外周端から斜め上方に起立形成されてピストン本体１８とシリンダ２内面との間をシールするリップ部１５とから構成されている。また、ベース部２５とリップ部１５との間には断面が円弧状に湾曲したコーナー部２６が形成されている。このコーナー部２６は、図５に示されるように、ベース部２５とリップ部１５の両外側面が接する外側コーナー部２７と、ベース部２５とリップ部１５の両内側面が接する内側コーナー部２８とから構成されている。そして、外側コーナー部２７の曲率半径ｒ１と内側コーナー部２８の曲率半径ｒ２とリップリング１４の厚さｔとの間には次のような関係がある。

ｒ１＜ｒ２＋ｔ
つまり、外側コーナー部２７の曲率半径ｒ１は、内側コーナー部２８の曲率半径ｒ２にリップリング１４の厚さｔを加えた寸法よりも小さく形成されている。つまり、コーナー部２６の厚さは、リップリング１４のベース部２５とリップ部１５の厚さよりも大きくなるように設定されている。外側コーナー部２７の曲率半径はゼロでもよい。

また、図６（ａ）のように、コーナー部の形状が曲線ではなく直線の面取り形状で外側コーナー部２７も面取りよりも内側コーナー部２８の面取りが大きくなるように設定してもよい。あるいは同図（ｂ）のようにコーナー部２６の厚さがベース部２５、リップ部１５の厚さより大きくなるようにコーナー部の曲率を小さく設定（外側コーナー部２７が小さい曲率、内側コーナー部２８は曲率ゼロ）にしてもよい。

これにより、ピストン本体１８の上方からの内圧による応力が小さくなり、内圧による変形を抑制することができ、コネクティングロッドのピストン本体１８とシリンダ２とリップリング１４間にできるスペースＳが小さくなる。

また、リップリング１４の最外径はシリンダ２の内径よりも大きい。さらにいえば、リップリング１４は、ピストン本体１８の最大傾斜時に接するシリンダ２の内面の楕円の長径よりも大きく形成されている。このように、リップリング１４には、シリンダ２に対してオーバーラップする部分があるから、シリンダ２とロッキングピストン３との間を確実にシールすることができる。高圧を受けたときに弾性変形しにくくなるよう、低圧側のロッキングピストン３のリップリング１４のオーバーラップ量よりも小さくなるように形成されている。

さらに、ロッキングピストン４がシリンダ２に対して傾斜していない図４及び図５の状態において、上記リップリング１４のベース部２５の下面３０は、上記内側コーナー部２８の曲面の少なくとも内側エンド部２８ａと垂直に交わる部位２９ａからシリンダ２側にかけての領域でピストン本体１８の上面と接面している。

また、リップリング１４は、少なくともベース部２５の上面３１の延長３１ａがシリンダ２の内面と接する部位２９ｂから上端にかけてシリンダ２と接面している。なお、図５の外側コーナー部２７は図４の外側コーナー部２７よりも湾曲しているものとして示されている。

以上のように、外側コーナー部２７の内側エンド部２７ａは少なくとも上記交わり部位２９ａよりも外側に位置することになり、同様に、外側コーナー部２７の外側エンド部２７ｂは少なくとも上記上面延長対応部位２９ｂよりも下側に位置することになるので、コネクティングロッド３のピストン本体１８とシリンダ２とリップリング１４との間にできるスペースＳは小さくなるように抑制される。

次に、図３（ｃ）及び図７に示されるように、ロッキングピストンの最大傾斜時には、上側はリップリング１４とシリンダ２とのスペースが小さくなるが、この状態のときは、内側コーナー部２８の外側エンド部２８ｂと直角に交わる部位２９ｃよりも下方の領域でシリンダ２と接触するように構成されている。

上述の構成によれば、リップリング１４がシリンダ２の内面とは、少なくともコーナー部を含む領域、つまりリップリング１４のベース部２５とリップ部１５の厚さよりも大きいコーナー部を含む領域で接触することになる。このように、ロッキングピストン４が傾いたり、傾動による慣性が働いたりすることによって発生するシリンダ２への横方向への押し付け力を、上記領域つまりリップリング１４のコーナー部側で受けることにより、リップ部１５が過度に変形するのを良好に抑えることができ、全体の強度を確保することができる。また、シリンダ２の内圧が上昇しても、リップ部１５が外側へ張る力は低いのでリップリング１４の摩耗量が低減する。また、最大傾斜時のオーバーラップ量が十分に確保されるので、外側に張る力はリップ部１５の弾性により補なわれてシール性を確保することができる。

ところで、図７に示されるように、最大傾斜時において、上記リップリング１４のリップ部１５とリング押え２０とのスペースＤ１は、ピストン本体１８上部とシリンダ２間のスペースＤ２以下となっている。したがって、最大に傾斜した時でもピストン本体１８またはリング押え２０がシリンダに直接当たることがない。また、リング押え２０の塑性変形量を抑えることができる。

また、図５に示されるように、リップリング１４のベース部２５の上面３１は、上記内側コーナー部２８の曲面の内側エンド部２８ａより適宜間隔ｌだけ中心側に離れた部位でリング押え２０の下面と接触している。内側エンド部２８ａと上記接触開始部位との間はストレート部３２で、このストレート部３２はリング押え２０の下面には接触しない離反領域として構成されている。その理由は、上記内側エンド部２８ａでリング押え２０に直接に接触させると、コーナー部２６に応力が集中してしまうためである。コーナー部２６のほかに離反領域ｌを設けることによって応力が分散され、応力集中が起きないようにすることができる。

ところで、リップリング１４のリップ部１５の内周面とリング押え２０の外周面との間には微小な隙間Ｑが形成されている。リップ部１５とリング押え２０との間の隙間Ｑは、シリンダ２内に組みつけられた状態で、例えば直径４１ｍｍのリップリングの場合、１ｍｍ以下とするのが好ましい。１ｍｍを越えると、リップリングの変形量が大きくなりシリンダ２との摺動抵抗、つまり繰り返し応力が大きく、リップリング１４の摩耗量が増加する。

さらに、ロッキングピストン４はシリンダ２内で揺動運動をするので、少なくともリング押え２０の外周面３３は、リップリング１４によるシール部の中心を中心とする略球形の表面形状をなすように形成されている。リング押え２０の外周面を規定する球状面の大きさは、シリンダ２の内径と同じ大きさ又はそれよりもわずかに小さい程度の直径を有する球面形状となっている。なお、上記球面形状は、リング押え２０だけでもよいが、リップリング１４とピストン本体１８を含めた外周面に形成してもよい。

表面形状を略球状にすることにより、ロッキングピストン４の揺動運動に基づく慣性により発生した圧力上昇によって、リップリング１４やリング押え２０がシリンダ２に押し付けられて変形するのを効果的に抑制し、繰り返し応力を防ぎ、リップリング１４の疲労を防ぐことができる。

ところで、図４に示されるように、リング押え２０の円形凸部２２の下面とピストン本体１８の円形凹部２１の上面とは、リップリング１４のベース部２５の内側で直接に当接している。このため、リング押え２０とピストン本体１８との間の間隔は一定となる。この間隔はベース部２５の厚さよりも小さいが、その押圧力は一定であり、ベース部２５は過度の押圧力で挟みつけられて変形することがない。また、リング押え２０がピストン本体１８から浮かないので、ロッキングピストン４の揺動運動に基づく慣性により発生した圧力上昇によって、リップリング１４やリング押え２０がシリンダ２に押し付けられたときに発生する固定用ボルト２３への応力が緩和され、締め付けトルクの維持が可能となる。

また、リング押え２０とピストン本体１８とは、直接に当接する形態に限定されない。使用状態の圧力が作用したときに、リップリング１４のベース部２５の内側で中間材（図示せず）を介して当接するように構成してもよい。中間材としては、金属板のようなものでよく、また時間経過により硬化する接着剤を使用してもよい。

さらに、リング押え２０の下面には、図５に示されるように、リップリング１４のベース部２５との接面部に押し当てる環状突起３４が形成されている。リング押え２０が固定用ボルト２３によりピストン本体１８に締め付けられてリング押え２０の環状突起３４がリップリング１４のベース部２５との接面部に強く押し当てられることにより、環状突起３４が上記接面部に食い込むので、リップリング１４がピストン本体１８上で移動するのを防いでリップリング１４を確実に固定する。そして、ピストン部とシリンダ２との間を良好にシールすることができる。

なお、高圧側の圧縮機のロッキングピストン４は、低圧側の圧縮機のロッキングピストン４よりも突起高さを高くするのが好ましい。

また、ピストン本体１８の上面には、その円形凹部２１の外周縁部に、リップリング１４のベース部２５の中央部に形成された円形の中央開口部の開口縁部を押し上げる環状突条３５が形成されている。

これにより、リップリング１４の開口縁部が環状突条３５により押し上げられるから、ベース部２５とリング押え２０との間のスペースをなくして確実にシールすることができ、シリンダ２の上室の内圧がピストン部８の下部の下室に漏れることがない。

次に、コネクティングロッドは、図３（ｃ）等に示されるように、揺動方向に幅広に形成されているが、さらに、コネクティングロッド６の幅方向と直交する方向には、図４に示されるように、リブ状の変形抑制部３６が形成され、この変形抑制部３６はピストン本体１８の下面に接合されている。コネクティングロッド６が揺動方向に幅広に形成されていることにより、ピストン本体１８も揺動方向に変形しにくくなっている。しかも、コネクティングロッド６には変形抑制部３６が形成されているので、コネクティングロッド６はその揺動方向と直交する方向にも強化されているとともに、ピストン本体１８も、同方向に変形しにくくなっている。圧力によるピストン本体１８の変形は、揺動方向とこれに直交する方向とでは変形が大きく異なる。このために固定用ボルト２３には大きな応力が発生する。しかし、リブ状の変形抑制部３６によってこの応力を低減することができる。

また、変形制御部３６は、図８（ａ）（ｂ）のように、コネクティングロッド６の揺動方向に幅広に形成されているが、大端部側を狭く、小端部側を広くするとともに、大端部側には幅方向に直交する方向に変形抑制部３６を形成するように構成してもよい。また、図９（ａ）（ｂ）に示すように、コネクティングロッド６と変形抑制部３６を大端部から小端部まで同じ大きさの断面十字型に形成してもよい。

また、図１０に示されるように、ピストン本体１８とリング押え２０の外周面には、リップリング１４と同等以上の強度を有する非金属製の保護部材３７ａ、３７ｂを設けるようにしてもよい。リップリング１４がメンテナンス時間を過ぎても継続使用される場合があるが、このような場合でも、リップリング１４が摩耗して金属製のピストン本体１８又はリング押え２０が直接にシリンダ２に接触して擦り合い、傷がついて圧縮効率が低下したり、故障したりする恐れがある。ところが、リップリング１４と同様の非金属材からなる保護部材３７ａ、３７ｂを設けることにより、ピストン本体１８又はリング押え２０が接触する前に保護部材３７ａ、３７ｂが直接にシリンダ２と接触し、ピストン本体１８又はリング押え２０が直接にシリンダ２内面に接触して擦ることがないから、シリンダ２を保護することができる。なお、保護部材は３７ａ、３７ｂの一方にのみ設ける構成でもよい。

図１１は高圧対応のロッキングピストンの他の実施形態を示すもので、このロッキングピストン４は、基本的構成は前述の形態と同じであるが、コネクティングロッド６の先端に一体に設けられてシリンダ２内を揺動しながら摺動する皿状のピストン本体１８ａと、ピストン本体１８の上部に設けられてピストン本体１８ａよりもやや小径のライナー押え２０ａと、ピストン本体１８ａとライナー押え２０ａとの間に設けられてシリンダ２の内面との間をシールするシール部を構成するライナー３８と、上記ライナー押え２０ａの外周に設けられたピストンリング３９とを備えている。ピストン本体１８ａとライナー押え２０ａとは、それぞれ前述のピストン本体１８とリング押え２０に相当する部材である。また、ライナー押え２０ａとピストン本体１８ａとの取付け態様は、前述の形態のリング押え２０とピストン本体１８と同じである。

ライナー３８の外周面４０は、シリンダ２の内径と同じかそれよりもわずかに小さい程度の直径を有する略球形の表面形状をなすように形成されている。この球面形状により、ロッキングピストン４の揺動運動に基づく慣性により発生した圧力上昇によって、ライナー３８やライナー押え２０ａがシリンダ２に押し付けられたときの押圧力によって変形するのを効果的に抑制することができ、また繰り返し応力を防ぎ、ライナー３８の疲労を防ぐことができる。

また、ピストンリング３９は連続したものではなく、一部がカットされ、リング押え２０の外周に形成された収納溝４２に遊びをもって収納されている。このため、ピストンリング３９は収納溝４２内で径方向に伸縮することが可能となっている。したがって、ピストン本体１８ａとライナー押え２０ａが背圧を受けたときにピストンリング３９は外方に押し広げられるので、ピストン本体１８ａとライナー押え２０ａが傾いてもライナー３８によって線シールを維持することができる。また、強度的に十分な厚みがとれるので、寸法公差は大幅に緩和される。

ライナー３８とピストンリング３９も、保護部材３７と同様の非金属材から構成されている。また、ピストンリング３９の周面も略球面である。

なお、図１２は上述の多段圧縮機を搭載したエアコンプレッサで、４３はモータ、４４は多段圧縮機である。低圧側の圧縮機４７で圧縮された空気はエアホース４５を介して高圧側の圧縮機４６に供給され、この圧縮空気はさらに高圧側の圧縮機４６で圧縮され、エアホース４８を介してエアタンク４９に貯留されるように構成されている。そして、上記エアコンプレッサの底部にはモータの制御部品を取り付けたプリント基板５０が配置されている。プリント基板５０の下部には制御機器５２が配置され、また両側部は上方に折り曲げられている。この折り曲げ部５１は基板全体の反りを防いで強度を確保するためとこの両側部内側を冷却ファン５３による風が流れることによって放熱を促進させる機能を有する。なお、プリント基板５０の下面には、図示しないが、ポッティング加工が施されている。

１、２ シリンダ
３、４ ロッキングピストン
６、７ コネクティングロッド
１４ リップリング
１５ リップ部
２４ ベース部
２０ リング押え
２７ 外側コーナー部
２８ 内側コーナー部

Claims (14)

1. コネクティングロッドの先端に一体に設けられてシリンダ内を揺動しながら摺動する皿状のピストン本体と、ピストン本体の上部に設けられるリング押えと、ピストン本体とリング押えとの間に設けられてシリンダ内面との間をシールする非金属製リップリングとを備えたロッキングピストンにおいて、
   上記リップリングは、ピストン本体とリング押えとの間に挟持されるドーナツ板状のベース部と、ベース部の外周端から起立形成されてピストン本体とシリンダ内面との間をシールするリップ部とから構成され、
   ベース部とリップ部の両外側面が接する外側コーナー部の曲率半径は、ベース部とリップ部の両内側面が接する内側コーナー部の曲率半径にリップリングの厚さを加えた寸法よりも小さく形成され、
   上記リップ部には、高圧領域でシール作用をする高圧領域用シール部と、上記高圧領域用シール部の上部に設けられて低圧領域でシール作用をする低圧領域用シール部と、が設けられ、
   上記高圧領域用シール部は、前記曲率半径によって肉厚に形成されたコーナー部からの立ち上がり部分を含んで上記ベース部及び上記低圧領域用シール部よりも肉厚に形成されていることを特徴とする、高圧対応のロッキングピストン。
2. 上記リップリングの最外径はシリンダの内径よりも大きく、かつピストン本体の最大傾斜時に接するシリンダ内面の楕円の長径よりも大きく形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の高圧対応のロッキングピストン。
3. 上記リップリングのベース部の下面は、上記内側コーナー部の曲面の少なくとも内側エンド部と垂直に交わる部位からシリンダ側にかけてピストン本体の上面と接面していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高圧対応のロッキングピストン。
4. 上記ロッキングピストンがシリンダに対して傾斜していない状態において、リップリングとシリンダとは、少なくともベース部の上面の延長が上記シリンダの内面と接する部位から上端側にかけて上記シリンダと接面していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
5. 上記ロッキングピストンが最大に傾斜した時には、上記シリンダとのスペースが小さい上側において、上記リップリングは、上記内側コーナー部の外側エンド部と直角に交わる部位よりも下方の領域でシリンダと接触していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
6. 上記ロッキングピストンが最大に傾斜した時には、上記シリンダとのスペースが大きい側において上記リップリングのリップ部とリング押えとのスペースＤ１は、ピストン本体上部とシリンダ間のスペースＤ２以下とすることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
7. 上記リップリングのリップ部とリップリングを押えるリング押えとの間にスペースを形成し、少なくとも上記リング押えの外周面を上記シリンダの内径と略同じ大きさの直径を有する略球形の表面形状をなすように形成したことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
8. 上記リップリングのベース部の上面は、上記内側コーナー部の曲面の内側エンド部より中心側に離れた部位でリング押えの下面と接触し始めるようにしたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
9. 上記リング押えとピストン本体とは、リップリングのベース部の内側で直接に当接していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
10. 上記リング押えとピストン本体とは、少なくとも使用状態の圧力が作用したときに、リップリングのベース部の内側で中間材を介して当接していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
11. リング押えには、リップリングのベース部との接面部に押し当てる環状突起を形成したことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
12. 上記ピストン本体の上面には、リップリングのベース部の中央開口部の開口縁部を押し上げる環状突起を形成したことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
13. 上記コネクティングロッドは揺動方向に幅広に形成されているとともに、コネクティングロッドの幅方向と直交する方向には変形抑制部が形成され、この変形抑制部はピストン本体の下面に接合されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。
14. 上記ピストン本体とリング押えの少なくとも一方の外周面には、リップリングと同等以上の強度を有する非金属製の保護部材を設けたことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の高圧対応のロッキングピストン。

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