JP3567344B2 - 給油式二段往復圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、潤滑油の消費量を低減しうるようにした給油式二段往復空気圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛沫給油式の二段圧縮形の往復空気圧縮機においては、クランクケース内の潤滑油を、クランクの回転により、掻き揚げて飛沫とし、圧縮機のシリンダに供給して、シリンダとピストンの摺動面に油膜を形成させ、摺動面の潤滑を保持している。この給油式空気圧縮機においては、適正量の潤滑油を供給することは重要である。もし少なすぎると、摺動面が焼き付きを起し、多すぎると、多量の潤滑油が圧縮空気中に混入し、かつ潤滑油の消費量が多くなる。
【０００３】
往復空気圧縮機のピストンには、圧縮空気をシールし、かつ潤滑油が圧縮空気中に混入するのを防ぐために、ピストンリングが設けられている。このピストンリングは通常３段設けられている。
【０００４】
ピストンの最上部の空気圧縮側の第１段目は、トップリングである。トップリングは、圧力リングであり、シリンダとの摺動面が、下方へ向かって広がるように、わずかに傾斜したテーパー形状になっており、圧縮空気のシールを主目的としている。
【０００５】
第２段目のセカンドリングは、トップリングと同じように、テーパー形状となった圧力リングであるが、テーパーの下端面を切り欠いた、アンダーカット形のリングであり、ピストンにおけるリング溝との間に、断面がコの字状のオイルだまりが形成されるようになっている。このセカンドリングは、圧縮空気のシールの役目と、オイル掻きリングで掻き落としきれなかった過剰なオイルを掻き落とし、必要な量の潤滑油膜を摺動面に均一に形成するという２つの役目を持っている。
【０００６】
第３段目のサードリングは、オイル掻きリングであって、必要以上の潤滑油がピストンの上部に行くのを阻止するためのものであり、シリンダとの摺動面の中央部に、円周方向の溝を形成した断面が凹状のもので、凹状の凹み部に、オイル逃がし孔が明けられている。そして、サードリングが挿入されるピストンのサードリング溝には、サードリングで掻き取られた潤滑油を、クランクケースに戻すためのオイル逃がし孔明けられている。
【０００７】
前記３本のピストンリングには、これらをピストンに挿入する際に、直径を広げるための合い口が設けられている。この合い口には、種々の形状があり、リングの上下で、合い口の位置をずらしたステップカット式、直径方向に直角に切断したストレートカット式、切り口が傾斜しているアングルカット式等がある。
【０００８】
圧縮圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下の二段空気圧縮機においては、前記ピストンリングは、従来、低圧側、高圧側共に、同じ構成のものが使用されている。しかし、二段空気圧縮機においては、低圧側シリンダでは、シリンダ室内の圧縮空気の圧力は、吸込み時の負圧から、１段目の圧縮圧力まで変化し、２段目では、１段目で圧縮された空気が供給されるので、高圧側のシリンダ内の空気が負圧になることはない。
【０００９】
圧縮機による空気圧縮の際、圧縮空気はシールされるが、ピストンリングの合い口および摺動面から、僅かの空気が漏洩して、クランクケース側に侵入する、いわゆるブローバイ現象が発生する。このブローバイ現象によって、クランクケース内の空気圧力は徐々に高くなるので、クランクケースには、空気圧力を抜気するためのブリーザが設けられている。
【００１０】
二段空気圧縮機の低圧側のシリンダにおいては、飛沫した潤滑油がシリンダに下供給されて、油膜が形成され、ピストンの下降時、低圧側のシリンダ室内が負圧になると、クランクケース内の圧力がシリンダ室内の圧力より高いため、シリンダに形成されている油膜は、圧力差によって、シリンダの上部に押し上げられる。そのため、潤滑油は、圧縮空気中に混入して吐出され、潤滑油の消費量は増大する。したがって、ブローバイガス量を減少させることが、オイル上がりを減少させ、オイルの消費量を低減させるための重要な要素となっている。
【００１１】
一方、高圧側のシリンダにおいては、高圧のために、合い口等から漏洩するブローバイガス量は、低圧側シリンダよりも多く、高圧側のクランクケース内の空気圧力は、一段と高められることとなる。そのため、オイル上がりやオイル消費量の増加が引き起こされる。しかし、二段圧縮機の高圧側のシリンダ室内の圧力が負圧になることはない。したがって、クランクケース内の圧力が高くなっても、圧力差によって、高圧側のシリンダのピストン上に、潤滑油を押し上げる作用は起り得ない。そのため、高圧側のピストンの構成を、低圧側のそれとは異なるものとして、合理化を図ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、二段空気圧縮機においては、高圧側のブローバイガスの量が、低圧側のオイル上がりを増して、オイル消費量を増大させることとなるが、その原因は、低圧側と高圧側のピストンセットの構成を変えて、高圧側のピストンセットのブローバイガス量増大の原因となっているピストンリング、特にセカンドリングのアンダーカット形の圧力リング、およびピストンに穿設されているオイル逃がし孔にあることが分かった。そのため、本発明においては、この原因を排除した、新規なピストンのセットを備える給油式二段往復圧縮機を得ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記目的は次のようにして達成される。
( １ ) 給油式二段往復圧縮機において、高圧側シリンダに嵌合されている高圧側ピストンの外周に３段のピストンリング溝を設け、圧縮室に最も近いピストンリング溝と、次位のピストンリング溝に、ともにテーパー形状をなす圧力リングを嵌合し、かつクランクケースに最も近い３番目のピストンリング溝を、底部にオイル逃がし孔が開けられていないものとするとともに、この３番目のピストンリング溝に、オイル掻きリングを嵌合し、さらに、低圧側シリンダに嵌合されている低圧側ピストンに、３段のピストンリング溝を設け、圧縮室に最も近いピストンリング溝にはテーパー形状の圧力リングを、次位のピストンリ ング溝には、テーパ形状でアンダーカット形の圧力リングを、３番目のピストンリング溝には、オイル掻きリングを嵌合する。
【００１４】
( ２ ) 上記 ( １ ) 項において、圧力リングを、合い口がステップカットされているものとする。
【００１５】
【作用】
二段往復圧縮機において、低圧側のピストンからのオイル上がり現象による、潤滑油消費量の増大が、高圧側のピストンからのブローバイ現象による、クランクケースの空気圧力を高めることによる影響が高いことが分かった。
【００１６】
このことから、ブローバイガス量を減少させるために、高圧側のピストンのセカンドリングのアンダーカット形の圧力リングを、トップリングと同じテーパー形状の圧力リングとすることによって、ブローバイガス量を減少させることができる。その理由は、アンダーカット形の圧力リングでは、リングの下部が、シリンダの円周に亘って切り欠かれており、高圧側のピストンに挿入されるリングには、常にシリンダ内部の数気圧の圧力が加わっているからである。
【００１７】
ピストンリングは、ピストンの上昇時、下降時共に、リング溝の下面に密着して摺動する。そして、圧縮空気は、ステップカットの合い口を通って、クランクケース側に漏洩する。アンダーカットのあるリングの場合、合い口から漏洩する空気は、リングの上面から、リング溝の底部を通って、リングの下面の合い口から排出されて、クランクケースに流入する。この場合、アンダーカットのあるリングでは、リングの下面の合い口から漏洩する空気は、アンダーカットにより、シリンダとアンダーカットの間のコの字状の溝部が、シリンダの全周に亘って形成されているので、空気は、リングの全周から、下方に排気されることになる。
【００１８】
このセカンドリングを、トップリングと同じテーパー形状の圧力リングとすることによって、漏洩する空気は、下面の合い口の隙間のみから下方に排気されることになり、漏洩するブローバイガス量は、アンダーカット形の圧力リングに比較して、数分の一に減少する。
【００１９】
第３段目のサードリングが挿入されるオイル掻きリング溝では、掻き取られた潤滑油をクランクケースに戻すためのオイル逃がし孔が、リング溝の底部から、ピストンの内部に向けて明けられている。そして、トップリングおよびセカンドリングから漏洩した空気は、圧力によって溝の下部に密着しているサードリングの上部から、前記逃がし孔を通って、クランクケースに排気される。
【００２０】
前記オイル逃がし孔は、比較的大きく、全周に亘って明けられているため、トップリングおよびセカンドリングから漏洩した空気は、ほとんどそのままクランクケースに排気される。
【００２１】
サードリングは、必要以上の潤滑油を、トップリングおよびセカンドリングに供給しないように、オイルをクランクケースに戻すものであるが、高圧側シリンダの場合、シリンダに加えられる空気圧力は常に高いため、オイル上がりの現象はなく、オイル制御の必要性は小さい。そこで、前記のようにオイル逃がし孔を設けないことによって、空気の漏洩は、オイル掻きリング部からの洩れを、ピストンのスカート部がシリンダに嵌合する隙間長さと、隙間に充満するオイルによって防止され、オイル逃がし孔のあるものに比較して、ブローバイガス量を、数分の１に減少させることができる。
【００２２】
以上説明したように、高圧側のピストンセットからのブローバイガス量を減少させるために、高圧側のピストンの第２段目のセカンドリングを、トップリングと同じテーパー状の圧力リングとし、かつ、第３段目のリング溝における、オイル逃がし孔をなくすことによって、ブローバイガス量を大幅に減少させることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。各図において、同一構成部品には同一符号を付して説明する。
【００２４】
図１に示す実施例は、高圧側のシリンダに本発明のピストンセットを組み込んだ主要部分の模式縦断面図である。図１において、１は、二段圧縮機の高圧側のシリンダ、２は、高圧側のピストン、３はトップリングで、高圧側のピストン２の外周に穿設されている３段のリング溝の第１段目に挿入されているテーパー形状の圧力リングである。４はセカンドリングで、トップリング３と同じテーパー形状の圧力リングである。５は、サードリングであるオイル掻きリングである。サードリング溝(2a) の底部には、通常は設けられているオイル逃がし孔は設けられていない。
【００２５】
図２の実施例は、トップリング３およびセカンドリング４を、図１のトップリングと同じテーパー形状の圧力リングとし、かつサードリング溝２ａの底部より、ピストンの内部に向かうオイル逃がし孔２ｂが明けられている高圧側ピストン２をそのまま使用している。
【００２６】
このピストンリング構成において、低圧側のピストンからのオイル上がりによるオイル消費量およびブローバイガス量を測定した実験結果によると、ブローバイガス量は、アンダーカット形のセカンドリングを使用したものに比較して、１９０００から８４００ｍｌ／ｍｉｎに減少し、かつオイル消費量は減少した。
【００２７】
図３の実施例は、第２段目のセカンドリングとして、テーパー形状でアンダーカット形の圧力リング６を使用し、かつサードリング溝のオイル逃がし孔をなくしたピストン構成を示すものである。このピストン構成において、前項と同じ条件で実験した結果、ブローバイガス量は、オイル逃がし孔２ｂのあるものに比較して、１９０００から８２００ｍｌ／ｍｉｎに減少し、オイル消費量も減少した。
【００２８】
セカンドリングをテーパー形状の圧力リング３とすることと、オイル逃がし孔２ｂをなくすこととの両者の手段を併用してあるため、高い効果が発揮されることが分かった。
【００２９】
図４は、低圧側に嵌入されているピストンの構成を示し、ピストンの径は異なるが、従来の高圧側ピストンセットと同じ構成である。図４において、１０は、低圧側のシリンダ、２０は、低圧側のピストン、３０は、トップリングでテーパー状の圧力リング、６０は、セカンドリングで、テーパー状でアンダーカット形の圧力リング、５０は、サードリングで、そのオイル掻きリング溝の底部には、オイル逃がし孔２０ｂが穿設されている。
【００３０】
図５は、トップリング３およびセカンドリングにおいて、合い口７がステップカット７ａされている例を示す。高圧側のシリンダで、常に数気圧加わっているシリンダの内圧によって、ピストンリング３はリング溝の下面に常に密着して摺動するため、漏洩する空気は、リング上面の隙間より、リング溝の内部、すなわち、リング内周の下面合い口７から漏洩する。このリングの下面部が、アンダーカットされている場合、合い口７から、リング全周、すなわち、シリンダの全周に廻り込んで漏洩するため、ブローバイガス量が多くなる。
【００３１】
図６は、本発明を実施した給油式二段往復圧縮機の全体構成の一例を示す一部断面図である。図６において、低圧側シリンダ１０のピストン２０の下降時、吸込口２０ａから吸気された空気は、シリンダカバー３１内の吸込弁を介して、低圧側シリンダ１０内に入る。その際、低圧側シリンダ１０内の圧力は、大気圧よりやや負圧になる。もし、吸込口濾過網が塵埃等で詰まっている場合には、吸込口の負圧は更に高くなり、前記したオイル上がり多くなる原因となる。これは、前記したように、クランクケース３６の内圧が吸込み負圧より高いと、ピストン２０とシリンダ１０との間の潤滑油が、圧力差によって、押し上げられることによるものである。
【００３２】
ピストン１０の上昇時、圧縮空気は、シリンダカバー３１内の吐出弁を介して、吐出管３２から中間冷却器３３に入って冷却される。中間冷却器３３の出口には、中間冷却器３３で凝縮された空気中に混入する油、水分を分離するためのフィルタ４０が配設されている。この冷却除湿された空気は、数気圧の圧力で高圧側シリンダカバーにおける吸込弁を介して、高圧側シリンダ１内に入る。
【００３３】
高圧側シリンダ１内には、常に数気圧以上の圧力が加えられており、油膜を常にクランクケース３６側に押さえ込んでいる。したがって、高圧側シリンダ１へのオイル上がりの現象が起こることはない。高圧側ピストン２の上昇時、吐出空気は、高圧側シリンダカバー３５内の吐出弁を介して吐出される。
【００３４】
クランクケース３６には、クランク軸の回転を直線運動に変換する連接棒３７、３８があり、低圧側ピストン２０および高圧側ピストン２は、相対的に往復運動する。
【００３５】
クランクケース３６内の潤滑油は、レベルゲージ３９によって管理されるが、潤滑油消費量が多いと、潤滑油の補給頻度が高くなり、レベルゲージ３９の管理が面倒となる。もし、この管理を怠ると、シリンダ部での焼付き等の重大な故障の原因となる。そのために、近年では、オイルレベルの管理を自動的に行う手段も開発されているが、原価高の要因となることは避けられない。
【００３６】
高圧側、低圧側からのブローバイ現象による空気は、クランクケース３６内に蓄積されるので、これを抜気するための逆止弁４２が、クランクケース３６の上に設けられている。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、高圧側と低圧側のピストンセットの構成を異にし、高圧側ピストンに挿入されるトップリングおよびセカンドリングを、共にテーパー形状の圧力リングとすることによって、ブローバイガス量を減少させて、低圧側シリンダからのオイル上がりを減少させ、クランクケースの潤滑油消費量を大幅に低減することができる。
【００３８】
また、高圧側のピストンに通常穿設されているオイル逃がし孔をなくし、ブローバイガス量の減少させることによって、潤滑油消費量を大幅に低減させることもできる。
【００３９】
さらに、また、オイル上がりの減少、潤滑油消費量の大幅な低減によって、潤滑油の節減、給油式二段往復圧縮機のオイル補給管理等のメンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高圧側のピストンのトップリングおよびセカンドリングをテーパー形状の圧力リングとし、サードリング挿入溝のオイル逃がし孔をなくしたピストンセットを示す縦断面図である。
【図２】高圧側のピストンのトップリングおよびセカンドリングを、テーパー形状の圧力リングとしたピストンリングセットの縦断面図である。
【図３】高圧側のピストンのサードリング溝のオイル逃がし孔をなくした断面図である。
【図４】高圧側のシリンダに嵌入されるピストンセットの従来例、および低圧側のシリンダに嵌入されるピストンセットの構成を示す断面図である。
【図５】合い口をステップカットしてあるピストンリングの一例を示す斜視図である。
【図６】本発明を実施する給油式二段往復圧縮機の全体構成を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１ 高圧側シリンダ
２ 高圧側ピストン
２ａ サードリング溝
２ｂ オイル逃がし孔
３ トップリング（圧力リング）
４ セカンドリング（圧力リング）
５ サードリング（オイル掻きリング）
６ アンダーカット形の圧力リング
７ 合い口
７ａ ステップカット
１０ 低圧側シリンダ
２０ 低圧側ピストン
２０ａ 吸込口
２０ｂ オイル逃がし孔
３０ トップリング
３１ シリンダカバー
３２ 吐出管
３３ 中間冷却器
３５ 高圧シリンダカバー
３６ クランクケース
３７ 連接棒
３８ 連接棒
３９ レベルゲージ
４０ フィルタ
４２ 逆止弁
５０ サードリング
６０ セカンドリング

Claims (2)

1. 給油式二段往復圧縮機において、高圧側シリンダに嵌合されている高圧側ピストンの外周に３段のピストンリング溝を設け、圧縮室に最も近いピストンリング溝と、次位のピストンリング溝に、ともにテーパー形状をなす圧力リングを嵌合し、かつクランクケースに最も近い３番目のピストンリング溝を、底部にオイル逃がし孔が開けられていないものとするとともに、この３番目のピストンリング溝に、オイル掻きリングを嵌合し、さらに、低圧側シリンダに嵌合されている低圧側ピストンに、３段のピストンリング溝を設け、圧縮室に最も近いピストンリング溝にはテーパー形状の圧力リングを、次位のピストンリング溝には、テーパ形状でアンダーカット形の圧力リングを、３番目のピストンリング溝には、オイル掻きリングを嵌合したことを特徴とする給油式二段往復圧縮機。
2. 圧力リングを、合い口がステップカットされているものとした請求項１記載の給油式二段往復圧縮機。

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