特開 2025-90166 気体圧縮機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025090166

(43)【公開日】2025-06-17

(54)【発明の名称】気体圧縮機

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/00 20060101AFI20250610BHJP

【ＦＩ】

F04B39/00 107J

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023205236

(22)【出願日】2023-12-05

(71)【出願人】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】野崎 務

(72)【発明者】

【氏名】成澤 伸之

(72)【発明者】

【氏名】須藤 浩介

【テーマコード（参考）】

3H003

【Ｆターム（参考）】

3H003AA02

3H003AB07

3H003AC01

3H003BC03

3H003CB01

3H003CB08

(57)【要約】

【課題】ピストンリングの合口部における圧縮気体の漏洩を低減することができる気体圧縮機の提供。
【解決手段】気体圧縮機は、シリンダと、シリンダの内側で揺動しながら往復動し、圧縮室の気体を圧縮するピストンと、ピストンの外周に設けられたピストンリング１４９と、を備え、ピストンリング１４９は、ピストンリング１４９の外周の圧縮室側に傾斜面１４９ｊを有し、傾斜面１４９ｊは、ピストンリング１４９の軸心Ｊ１との成す角度である傾斜角がピストンの圧縮工程における最大揺動角度よりも大きい傾斜面領域を有する。
【選択図】図１０

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダと、
前記シリンダの内側で揺動しながら往復動し、シリンダ圧縮室の気体を圧縮するピストンと、
前記ピストンの外周に設けられたピストンリングと、を備え、
前記ピストンリングは、該ピストンリングの外周のシリンダ圧縮室側に傾斜面を有し、
前記傾斜面は、前記ピストンリングの軸心との成す角度である傾斜角が前記ピストンの圧縮工程における最大揺動角度よりも大きい傾斜面領域を有する、気体圧縮機。

【請求項2】

請求項１に記載の気体圧縮機において、
前記傾斜面は、前記ピストンリングの厚さ方向に関して、前記ピストンリングの合口部の重なり面である水平シール部よりもシリンダ圧縮室側に設けられている、気体圧縮機。

【請求項3】

請求項１に記載の気体圧縮機において、
前記傾斜面は、前記ピストンリングの周方向位置に関して周方向半周よりも広い範囲に設けられている、気体圧縮機。

【請求項4】

請求項１に記載の気体圧縮機において、
前記傾斜面は、前記ピストンリングの周方向位置に関して、揺動方向の一方側及び他方側のうち、前記圧縮工程において前記シリンダ圧縮室からより遠い側を含むように設けられている、気体圧縮機。

【請求項5】

請求項１に記載の気体圧縮機において、
前記ピストンリングは、前記傾斜面が設けられている周方向範囲に合口部を備える、気体圧縮機。

【請求項6】

請求項１に記載の気体圧縮機において、
前記傾斜面は、前記ピストンリングの周方向の所定範囲に形成される円錐面であり、
前記傾斜角は、前記所定範囲の中央において前記最大揺動角度よりも大きく、かつ、前記所定範囲の中央から端部に近づくほど大きく設定される、気体圧縮機。

【請求項7】

請求項１に記載の気体圧縮機において、
前記傾斜面は凸曲面であり、
前記凸曲面は、前記ピストンリングの厚さ方向に関してシリンダ圧縮室に近いほど前記傾斜角が大きい、気体圧縮機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気体圧縮機に関する。

【背景技術】

【0002】

レシプロ式圧縮機は、空気圧縮機や冷凍空調用圧縮機として広く普及している。ところで、レシプロ式圧縮機において圧縮中の作動流体が作動室からクランク室へ漏洩すると、圧縮機の効率が低下してしまう。そこで、ピストンとシリンダの隙間から作動流体の漏洩を防ぐ方法として、ピストンリングをピストン外周に設け、ピストンリングをシリンダに押し付ける方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ピストンリングは合口部を備え、合口部においてピストンリングの径を拡張してピストンに装着する構成になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－２３６５２３公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、揺動ピストン式レシプロ圧縮機ではピストンが揺動する。そのため、特定の揺動角においてピストンリングの合口部がシリンダ内周面に押し付けられ、合口部を介して作動室内の高圧空気がクランク室へ漏洩するという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様による気体圧縮機は、シリンダと、前記シリンダの内側で揺動しながら往復動し、シリンダ圧縮室の気体を圧縮するピストンと、前記ピストンの外周に設けられたピストンリングと、を備え、前記ピストンリングは、該ピストンリングの外周のシリンダ圧縮室側に傾斜面を有し、前記傾斜面は、前記ピストンリングの軸心との成す角度である傾斜角が前記ピストンの圧縮工程における最大揺動角度よりも大きい傾斜面領域を有する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、ピストンリングの合口部における圧縮気体の漏洩を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】気体圧縮機の構成を示す図である。

【図2】圧縮機本体の概略構成を示す図である。

【図3】ピストンおよび連接棒の構成を示す図である。

【図4】クランク角度とピストンの状態との関係を説明する図である。

【図5】クランク角度と揺動角度との関係を示す模式図である。

【図6】比較例におけるピストンの構成を示す分解斜視図である。

【図7】比較例におけるピストンリングの合口部の拡大図である。

【図8】比較例におけるピストンリングの合口隙間からの圧縮気体の漏れを説明する図である。

【図9】図８のピストンリングおよびシリンダ内周面を圧縮室側から見た図である。

【図10】実施形態におけるピストンリングの平面図である。

【図11】図１０のピストンリングをｘ軸方向のマイナス側から見た側面図である。

【図12】実施形態におけるピストンリングの傾斜面の形状を説明する図である。

【図13】図１２のピストンリングのＲ１断面およびＲ２断面を示す図である。

【図14】実施形態におけるピストンリングの合口隙間からの圧縮気体の漏れを説明する図である。

【図15】変形例を示す図である。

【図16】図１５に示すピストンリングおよびシリンダ内周面の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１～図１４を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。

【0009】

図１は気体圧縮機１の構成を示す図である。気体圧縮機１は、気体（例えば、空気）を圧縮する圧縮機本体１０と、それを駆動する電動機２と、圧縮機本体１０が吐出する気体を貯留するタンク３と、を備える。

【0010】

圧縮機本体１０および電動機２はタンク３上に設置されている。圧縮機本体１０に設けられた付図示のクランクシャフトには、圧縮機プーリ４が固定されている。電動機２の回転軸には電動機プーリ５が固定されている。圧縮機プーリ４と電動機プーリ５とには伝動ベルト６が掛け回されている。電動機２が回転駆動されて電動機プーリ５が回転すると、圧縮機プーリ４が回転駆動されて圧縮機本体１０のクランクシャフトが回転する。その結果、圧縮機本体１０による気体圧縮動作が行われる。圧縮気体は、シリンダ１１０の頂部に設けられたシリンダヘッド１１３内の排気室から、配管７を通じてタンク３へ吐出される。

【0011】

図２は、圧縮機本体１０の概略構成を示す図である。圧縮機本体１０は、クランクシャフト１６０と、シリンダ１１０と、シリンダ１１０内を往復動するピストン１０４と、クランクシャフト１６０とピストン１０４とを接続する連接棒１０２とを備える。シリンダ本体１１１はクランクケース１０９に接続され、クランクケース１０９によって形成されるクランク室１０９ａはシリンダ本体１１１の内部に連通している。クランクケース１０９には、クランク室１０９ａとクランクケース１０９の外部とを繋ぐ呼吸孔１０９ｂが形成されている。

【0012】

上述した圧縮機プーリ４と接続されるクランクシャフト１６０は、クランクジャーナル１６１と、クランクピン１６２と、クランクウエイト１６３と、クランクアーム１６４とを備える。クランクジャーナル１６１は、クランクケース１０９により回転自在に支持される。クランクシャフト１６０は、クランクジャーナル１６１の軸心Ｃｓを回転中心として回転する。クランクジャーナル１６１に設けられたクランクアーム１６４の一端には、連接棒１０２に連結されるクランクピン１６２が設けられている。

【0013】

クランクジャーナル１６１の軸心Ｃｓを中心にクランクシャフトが回転すると、クランクピン１６２の軸心Ｃｂは円形軌跡Ｐ上を移動する。例えば、クランクシャフト１６０が反時計回りに回転すると、クランクピン１６２の軸心Ｃｂは、円形軌跡Ｐ上を反時計回りに移動する。その結果、連接棒１０２の先端に固定されたピストン１０４は、シリンダ本体１１１内を揺動しつつ往復運動する。すなわち、ピストン１０４は、連接棒１０２と一体となってシリンダ内を揺動しながら往復する揺動型ピストンである。なお、クランクジャーナル１６１の軸心Ｃｓの位置は、シリンダ本体１１１の軸心Ｃｃに対してオフセット量δだけ図示左側にオフセットしている。

【0014】

連接棒１０２の基端部１２１には、圧縮室１１９（図２参照）内の気体圧力に基づく圧縮反力が加わる。このため、連接棒１０２の基端部１２１には、機械的強度が求められる。機械的強度の高い材料の一例としては、鉄系材料、アルミ系材料などの金属材料がある。

【0015】

図３は、ピストン１０４および連接棒１０２の構成を示す図である。連接棒１０２は、円筒状の基端部１２１と、半球状の先端部１２９と、基端部１２１と先端部１２９とを接続する直棒部１２０とを備える。先端部１２９は、球面側が直棒部１２０に接続され、平面側にピストン１０４が固定される。なお、ピストン１０４と先端部１２９との固定には、ボルト締結、溶接、圧入等が用いられる。

【0016】

連接棒１０２の基端部１２１には軸受１２８が設けられている。軸受１２８には、転がり軸受、滑り軸受などが用いされる。クランクピン１６２は、軸受１２８の内輪に固定される。基端部１２１に設けられた軸受１２８の軸心は、図３の紙面に直交しており、かつ、連接棒１０２の軸心Ｃ１上に配置されている。ピストン１０４は、ピストン本体１４０とピストンリング１４９とを有する。ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０の外周に形成された環状溝１４１に装着される。ピストン１０４の詳細については後述する。

【0017】

図２に戻って、シリンダ１１０について説明する。シリンダ１１０は、円筒状のシリンダ本体１１１と、バルブプレート１１２と、シリンダヘッド１１３とを備える。シリンダ１１０はクランクケース１０９に固定される。シリンダ本体１１１の上部開口端部を塞ぐように設けられるバルブプレート１１２は、シリンダ本体１１１とシリンダヘッド１１３とで挟持される。クランクシャフト１６０が回転すると、クランクピン１６２で連結された連接棒１０２の先端に固定されたピストン１０４が、シリンダ本体１１１内を揺動しながら往復動する。

【0018】

シリンダ本体１１１内には、ピストン１０４、シリンダ本体１１１およびバルブプレート１１２によって圧縮室１１９が形成される。シリンダヘッド１１３には、吸気室１１３ａと排気室１１３ｂとが形成されている。吸気室１１３ａは、バルブプレート１１２に形成された吸入孔１１２ａを介して、シリンダ本体１１１に形成された圧縮室１１９に連通している。一方、排気室１１３ｂは、バルブプレート１１２に形成された吐出孔１１２ｂを介して、シリンダ本体１１１に形成された圧縮室１１９に連通している。

【0019】

バルブプレート１１２には、リード弁タイプの吸入弁１１２ｃおよび吐出弁１１２ｄが取り付けられている。吸入弁１１２ｃは、吸入孔１１２ａの圧縮室１１９側の開口に対向して設けられ、吸入孔１１２ａを閉じている。吐出弁１１２ｄは、吐出孔１１２ｂの排気室１１３ｂ側の開口に対向して設けられ、吐出孔１１２ｂを閉じている。

【0020】

ピストン１０４がシリンダ１１０内を図示下方に移動することで、圧縮室１１９内の気体が膨張して圧縮室１１９の圧力が吸気室１１３ａの圧力よりも低くなると、それらの差圧により吸入弁１１２ｃが開く。その結果、吸入孔１１２ａを介して吸気室１１３ａの気体が圧縮室１１９内へ流入する。逆に、ピストン１０４がシリンダ１１０内を図示上方に移動することで、圧縮室１１９内の気体が圧縮されて圧縮室１１９の圧力が排気室１１３ｂの圧力よりも高くなると、それらの差圧により吐出弁１１２ｄが開く。その結果、吐出孔１１２ｂを介して圧縮室１１９内の気体が排気室１１３ｂへ流入する。

【0021】

図４は、クランクシャフト１６０のクランク角度αとピストン１０４の状態との関係を説明する図である。図４において、状態（ａ）はクランク角度αが０度の場合を示し、状態（ｂ）はα＝９０度の場合を示し、状態（ｃ）はα＝１８０度の場合を示し、状態（ｄ）はα＝２７０度の場合を示し、状態（ｅ）はα＝３６０度の場合を示す。ピストン１０４は、状態（ａ），（ｅ）で上死点となり、状態（ｃ）で下死点となる。状態（ａ）から状態（ｃ）までが吸入工程で、状態（ｃ）から状態（ｅ）までが圧縮行程である。

【0022】

ピストン１０４が上死点から下死点へ向かう吸入工程では、圧縮室１１９の気体が膨張し、圧縮室１１９の圧力が吸気室１１３ａ（図２参照）およびクランク室１０９ａ側の圧力よりも低くなる。その結果、吸入弁１１２ｃが開いて吸気室１１３ａの気体が圧縮室１１９内に吸い込まれるとともに、クランク室１０９ａ側の気体が、ピストン１０４とシリンダ１１０との間の隙間を通じて圧縮室１１９内に気体が吸い込まれる。ピストン１０４が下死点から上死点へ向かう圧縮工程では、圧縮室１１９の気体が圧縮され吐出弁１１２ｄから排出される。

【0023】

なお、図２に示した例では、クランクシャフト１６０の回転中心（すなわち、クランクジャーナル１６１の軸心Ｃｓ）は、シリンダ本体１１１の軸心Ｃｃ（ｙ軸）に対して図示左側にオフセットしている。一方、図４では、説明を簡単にするためにオフセット量δが０の場合を例に示した。

【0024】

クランクシャフト１６０は、図２において反時計回りに回転駆動されるものとする。図４では、説明の便宜上、クランクジャーナル１６１を通るｘ軸、ｙ軸で区切られる４つの領域を第１象限、第２象限、第３象限、第４象限とする。ｙ軸はシリンダ本体１１１の軸心に一致している。

【0025】

クランク角度αが０度の状態（ａ）では、クランクピン１６２はｙ軸のプラス側軸上に位置しており、ピストン１０４は上死点に位置する。状態（ａ）では、ピストン１０４およびピストンリング１４９は水平状態となる。

【0026】

クランクシャフト１６０が反時計回りに回転してクランク角度αが０度から増加すると、クランクピン１６２はｙ軸上から第２象限に移動するとともに、圧縮室１１９の容積が増加する。連接棒１０２の先端に固定されたピストン１０４は、シリンダ本体１１１の軸心に直交する方向への移動がシリンダ本体１１１の内壁によって規制される。そのため、クランクピン１６２が第２象限に移動すると、ピストン１０４は、ピストン１０４の図示右側が図示下側（図２のクランク室１０９ａの方向）に傾くように揺動する。

【0027】

クランク角度αが９０度の状態（ｂ）になると、クランクピン１６２はｘ軸上のマイナス側に位置し、吸入工程において最も揺動角度が大きくなる。ここでは、クランク角度αのときの揺動角度βをβ(α)のように表すことにする。すなわち、状態（ｂ）における揺動角度はβ(90)と表される。揺動中心Ｃ０はピストン１０４の略中央に位置し、状態（ｄ）のように連接棒１０２が揺動中心Ｃ０に対して図示右側に振れるように揺動した場合の揺動角度をプラスとし、逆に、状態（ｂ）のように図示左側に振れている場合の揺動角度をマイナスとする。すなわち、β(90)＜０である。

【0028】

クランク角度αが１８０度の状態（ｃ）になると、クランクピン１６２の位置はｙ軸上となり、揺動角度β(180)は０度となる。なお、β(180)は、クランク角度が１８０度の場合の揺動角度を表す。ピストン１０４は下死点の位置となり、ピストン１０４およびピストンリング１４９は水平状態となる。クランク角度αが１８０度を超えると圧縮室１１９の容積の縮小が開始され，圧縮室１１９内の気体が圧縮される。

【0029】

クランク角度αが２７０度の状態（ｄ）になると、クランクピン１６２はｘ軸上のプラス側に位置し、圧縮工程において最も揺動角度βが大きくなる。連接棒１０２は揺動中心Ｃ０に対して図示右側に振れるように揺動しているので、β(270)＞０である。図４に示す例では、シリンダ本体１１１の軸心（ｙ軸）に対するクランクジャーナル１６１の軸心のオフセット量δが０なので、β(270)＝－β(90)の関係が成り立っている。

【0030】

クランク角度αが３６０度となって状態（ｅ）になると、ピストン１０４はシリンダ本体１１１内を一往復して上死点に戻り、圧縮された気体の吐出しが完了する。

【0031】

図５は、クランク角度αと揺動角度βとの関係を模式的に示した図である。図５において、実線Ｌ１は図２に示したオフセット量δがゼロでない場合（図２に示す構成の場合）を示し、破線Ｌ２はオフセット量δ＝０の場合（図４に示す構成の場合）を示す。ここでは、図２の場合の揺動角度をβ１とし、図４の場合の揺動角度をβ２と表すことにする。

【0032】

オフセット量δがゼロでない実線Ｌ１の場合（図２）もゼロである破線Ｌ２の場合（図４）も、揺動角度β１，β２はクランク角度αが９０度で最小となり、２７０度で最大となる。すなわち、揺動角度β１，β２の絶対値｜β１｜，｜β２｜は、吸入工程ではα＝９０度で最大となり、圧縮工程ではα＝２７０度で最大となる。また、上死点および下死点となるクランク角度αは、オフセット量δがゼロの場合もゼロでない場合も、上死点は０度，３６０度で下死点は１８０度である。

【0033】

一方、揺動角度β１，β２がゼロとなるクランク角度αは、オフセット量δがゼロの場合（破線Ｌ２）はα＝０度であるが、オフセット量δがゼロでない場合（実線Ｌ１）には１８０度－α１および３６０度－α１となる。ここで、角度α１は、図２に示すようにクランクピン１６２の軸心Ｃｂがシリンダ本体１１１の軸心Ｃｃ上に位置する場合における、軸心Ｃｃ，Ｃｂを通る直線と軸心Ｃｃとの成す角度である。

【0034】

本実施の形態においては、ピストン１０４に装着されたピストンリング１４９の形状に特徴を有しており、その形状を有することで特有の効果を奏する。先ず、従来のピストンリングの形状と問題点について、図６～８に示す比較例を参照して説明する。

【0035】

図６は、ピストン本体１４０と比較例におけるピストンリング２４９とを示す分解斜視図である。上述したように、本実施形態においてはピストンリング１４９の形状が、図６に示すピストンリング２４９と異なっている。図６のピストン本体１４０と図３に示すピストン本体１４０とは同一形状である。

【0036】

ピストン本体１４０は略円板状に形成され、ピストン本体１４０の外周にはピストンリング２４９が装着される環状溝１４１が形成されている。ピストン１０４は、図４に示したように、シリンダ本体１１１の軸心Ｃｃに直交する方向の移動に関してはシリンダ内周面により拘束された状態で、シリンダ本体１１１内を揺動しつつ往復運動する。そのため、ピストン本体１４０は、円筒状のシリンダ内周面に対して揺動可能な形状であることが要求される。ピストン本体１４０の側周面１４２ａ，１４２ｂは、円筒形のシリンダ内周面に対して滑らかに揺動しつつ往復運動するように、球面状に形成されている。例えば、側周面１４２ａ，１４２ｂは、図４の揺動中心Ｃ０を中心とする球面の一部で構成される。

【0037】

ピストン本体１４０は、固体潤滑性の優れた材料で形成される。固体潤滑性の優れた材料の一例としては、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂に、強度などの機械的特性を改善するためにグラスファイバーなどの充填剤を入れた材料がある。ピストン本体１４０に固体潤滑性の優れた材料を用いることで、潤滑油を用いない構成とすることが可能である。潤滑油を用いない構成では、圧縮室１１９内の気体に潤滑油が混入することがなくなるという利点を有する。なお、本実施形態では、ピストンリング１４９は、ピストン本体１４０と同じ材料で形成される。

【0038】

比較例のピストンリング２４９は、矩形断面を有する略Ｃ字形状の部材である。そのため、ピストンリング２４９の外側面２４９ｄは略円筒面を形成している。ピストンリング２４９の端部２４９ａ，２４９ｂは厚さ（軸方向寸法）が薄くなっており、互いに重なり合っている。端部２４９ａ，２４９ｂの合計の厚さは、端部２４９ａ，２４９ｂ以外の領域の厚さと等しく設定されている。以下では、互いに重なり合う端部２４９ａ，２４９ｂの領域Ｂを合口部２４９ｃと呼ぶことにする。

【0039】

図７は、ピストンリング２４９の合口部２４９ｃの部分の拡大図である。合口部２４９ｃにおいては、両方の端部２４９ａ，２４９ｂが重なり合っている水平シール部２４９ｆと、水平シール部２４９ｆの両端の端部２４９ａ，２４９ｂが重なり合っていない隙間領域２４９ｅ，２４９ｇとが形成されている。以下では、隙間領域２４９ｅ，２４９ｇを合口隙間２４９ｅ，２４９ｇと呼ぶことにする。ピストンリング２４９の外側面２４９ｄの上端エッジ２４９ｉは、隙間領域２４９ｅの部分で途切れている。同様に、外側面２４９ｄの下端エッジ２４９ｍは、隙間領域２４９ｅの部分で途切れている。

【0040】

合口部２４９ｃにおける端部２４９ａ，２４９ｂが周方向にずれることで、ピストンリング２４９の径を変えることができる。なお、ピストンリング２４９が装着されたピストン１０４をシリンダ内に挿入する際には、自然状態のピストンリング２４９の外径をシリンダ内径寸法よりも小さくなるように弾性変形させて挿入する。

【0041】

ピストンリング２４９の軸方向がシリンダ本体１１１の軸方向と一致している場合には、ピストンリング２４９の外側面２４９ｄの全体がシリンダ内周面と密着する。ピストン１０４の上面側は圧縮室１１９に面しているので、端部２４９ａは圧縮室内の圧縮気体の圧力により端部２４９ｂに押し付けられ、水平シール部２４９ｆにおいて端部２４９ｂに密着している。そのため、隙間領域２４９ｅ，２４９ｇがあっても、シリンダ内周面の一周に亘ってピストンリング２４９の外側面２４９ｄが切れ目なく密着し、ピストンリング１４９の厚さ方向の気体漏洩が防止される。

【0042】

しかしながら、ピストン本体１４０の揺動に伴って、ピストンリング２４９がシリンダ内周面に対して水平状態だけでなく傾いた状態になると、ピストンリング２４９の厚さ方向の漏洩が生じる。図８，９は、ピストンリング２４９の合口隙間２４９ｅからの圧縮気体の漏れを説明するための模式図である。図８は、ピストン１０４が図４の状態（ｄ）にある場合、すなわち、クランク角度αが２７０度であって圧縮工程における揺動角度βの絶対値が最も大きくなった状態における、ピストンリング２４９とシリンダ内周面との接触状態を示したものである。

【0043】

図８において、ピストン本体１４０は図示左側が下がるように傾いている。図８における座標軸ｘ、ｙ、ｚは図４の場合と同様に設定されている。図４に示したように、ピストン１０４はｘｙ面内においてｘ方向に揺動する。紙面と直交するｚ方向は、揺動方向と直交する方向である。以下では、図８におけるｘ軸のマイナス方向を揺動方向の一方と定義し、ｘ軸のプラス方向を揺動方向の他方と定義する。なお、図８に示す例では、ピストンリング２４９は、合口隙間２４９ｅがｘ軸上に位置するようにピストン本体１４０に装着されている。

【0044】

ピストン本体１４０が図８のように傾くとピストンリング２４９も傾き、ピストンリング２４９の外側面２４９ｄの上端エッジ２４９ｉのみがシリンダ内周面１１１ａと接触することになる。図９は、ピストンリング２４９とシリンダ内周面１１１ａとを図８のｙ軸プラス側（圧縮室側）から見た図である。図９は、合口部２４９ｃにおけるピストンリング２４９とシリンダ内周面１１１ａとの接触状態を示す図である。なお、シリンダ内周面１１１ａは二点鎖線で示した。

【0045】

図８に示すように合口隙間２４９ｅは圧縮室側に面しているので、図９のように圧縮室側から合口隙間２４９ｅを見ると、合口隙間２４９ｅ、シリンダ内周面１１１ａおよび端部２４９ｂで囲まれた開口２５０が観察されることになる。そのため、図８の破線矢印Ｃで示すように、開口２５０を介して圧縮室１１９の圧縮気体が圧縮室側からクランク室側へと漏洩し、気体圧縮機１の吐出し空気量を低下させる要因となる。なお、寸法Ｇは、シリンダ内周面１１１ａに接触する外側面２４９ｄの上端エッジ２４９ｉから、端部２４９ｂの水平シール部側のエッジまでのｘ方向距離である。

【0046】

図１０，１１は、本実施形態におけるピストンリング１４９を説明する図である。図１０はピストンリング１４９の平面図であり、ピストンリング１４９の軸方向上側から見た図である。図１１は、図１０のピストンリング１４９をｘ軸方向のマイナス側から見た側面図である。図１０において、ｘ軸方向は揺動方向と一致しており、ｚ軸方向は揺動方向に直交する方向となっている。ピストンリング１４９の合口部１４９ｃは、揺動方向の一方の側に配置されるようにピストン本体１４０に装着される。図１０に示す例では、合口部１４９ｃの合口隙間１４９ｅがｘ軸上に位置するように配置されている。

【0047】

ピストンリング１４９の合口部１４９ｃを含む周方向領域には、傾斜面１４９ｊが形成されている。傾斜面１４９ｊは、揺動方向の一方のｘ軸（すなわち、合口隙間１４９ｅの中央）を中央とする角度２φの範囲に形成されている。図１０に示す例では、φは９０度よりも大きく設定され、傾斜面１４９ｊの範囲は揺動方向に直交する方向（ｚ軸）よりも右側（揺動方向の他方の側）にまで及んでいる。傾斜面１４９ｊは、外側面１４９ｄの上端を切り欠くように形成されている。ピストンリング１４９の周方向の角度範囲２φには、傾斜面１４９ｊと外側面１４９ｄとの交線である傾斜面下端エッジ１４９ｋが形成される。すなわち、傾斜面下端エッジ１４９ｋは、傾斜面１４９ｊによって切り欠かれた外側面１４９ｄの上端エッジも構成している。

【0048】

なお、外側面１４９ｄにおいて、傾斜面１４９ｊによって切り欠かれていない領域の上端エッジ１４９ｉ、および、外側面１４９ｄの下端エッジ１４９ｍは、ピストンリング２４９の上端エッジ２４９ｉの対応領域および下端エッジ２４９ｍと同様の形状となっている。

【0049】

ピストンリング１４９の端部１４９ａ，１４９ｂが重なり合う部分には、ピストンリング２４９の場合と同様に水平シール部１４９ｆが形成される。傾斜面１４９ｊは、傾斜面下端エッジ１４９ｋが水平シール部１４９ｆよりも軸方向上側に位置するように形成される。すなわち、傾斜面１４９ｊは、合口部１４９ｃの形成されている角度範囲を含み、かつ、水平シール部１４９ｆと交差しないように形成される。

【0050】

図１２は、傾斜面１４９ｊの形状を説明する図である。なお、合口部１４９ｃの図示は省略した。図１２において、ピストンリング１４９の軸心Ｊ１はｘ軸とｚ軸との交点（原点Ｏ）と一致している。符号Ｊ２で示す点は傾斜面１４９ｊを切削加工する際の加工中心軸を示しており、軸心Ｊ１に対してｘ軸上をプラス方向に位置ずれした位置に設定される。二点鎖線Ｌ１１，Ｌ１２で示す円形ラインで挟まれた領域Ｅが加工領域である。加工領域Ｅと軸心Ｊ１中心とするリング形状のピストンリング１４９との重なり領域（破線を施した領域）に、傾斜面１４９ｊが形成される。傾斜面１４９ｊは、周方向においてｘ軸と一致する位置において（すなわち揺動方向の一方において）最も深く形成される。軸心Ｊ１に対する加工中心軸Ｊ２のずれ量が大きいほど、傾斜面１４９ｊが形成される周方向範囲が小さくなる。

【0051】

加工面の形状は、加工中心軸Ｊ２を軸心とする円錐面をリング状に切り取った形状を有している。傾斜面１４９ｊの面形状は加工面の形状と同一の円錐面となる。以下では、円錐面の母線と加工中心軸Ｊ２との間の角度θ２を、円錐面の傾きと称することにする。円錐面の母線は、例えば、図１２の加工中心軸Ｊ２と動径Ｒ２とを含む平面と円錐面との交線である。また、ピストンリング１４９の軸心Ｊ１を含む平面（例えば、軸心Ｊ１と動径Ｒ１とを含む平面）と傾斜面１４９ｊとの交線に関して、その交線と軸心Ｊ１との成す角を傾斜面１４９ｊの傾斜角θ１と称することにする。

【0052】

図１２からも分かるように、ｘｙ平面は軸心Ｊ１および加工中心軸Ｊ２を含んでいるので、ｘ軸位置における傾斜面１４９ｊの傾斜角θ１は、円錐面の傾きθ２と等しくなる。しかし、傾斜面１４９ｊのその他の周方向位置においては、傾斜面１４９ｊの傾斜角θ１と円錐面の傾きθ２とは等しくならず、θ１＞θ２となっている。

【0053】

図１３は、図１２の動径Ｒ１を含む平面で断面したピストンリング１４９の断面（Ｒ１断面と称する）と、動径Ｒ２を含む平面で断面したピストンリング１４９の断面（Ｒ２断面と称する）とを図示したものである。円錐面である傾斜面１４９ｊの断面上の形状は、傾斜した線分で表される。Ｒ２断面における、傾斜面１４９ｊと加工中心軸Ｊ２との成す角は、円錐面の傾きθ２と一致している。一方、Ｒ１断面における、傾斜面１４９ｊと軸心Ｊ１との成す角（すなわち傾斜角）θ１は、θ１＞θ２である。

【0054】

図１４は、ピストンリング１４９を用いた場合の合口隙間１４９ｅからの圧縮気体の漏れを説明する模式図である。図１４の場合も、上述した図８と同様の揺動状態（図４の状態（ｄ））における断面を示す図である。すなわち、クランク角度αが２７０度であって圧縮工程における揺動角度βの絶対値が最も大きくなった状態を示している。以下では、この揺動角度β(270)を最大揺動角度βmaxと称することにする。

【0055】

ピストンリング１４９には傾斜面１４９ｊが形成されているので、図１４のようにピストンリング１４９が傾いた状態では、傾斜面下端エッジ１４９ｋがシリンダ内周面１１１ａに接触するようになる。一方、図８に示したピストンリング２４９の場合には、外側面２４９ｄの上端エッジ２４９ｉがシリンダ内周面１１１ａに接触する。すなわち、ピストンリング１４９の場合には、比較例のピストンリング２４９の場合と比べて、外側面１４９ｄにおけるより水平シール部１４９ｆに近い箇所がシリンダ内周面１１１ａに接触することになる。

【0056】

ピストンリング１４９を用いた場合の合口隙間１４９ｅに起因する漏洩開口（図９の開口２５０に対応する開口）のｘ方向寸法Ｇ１は、傾斜面下端エッジ１４９ｋから端部１４９ｂの上端エッジである水平シール部１４９ｆまでのｘ方向距離となる。一方、ピストンリング２４９を用いた場合の寸法Ｇ（図８参照）は、外側面２４９ｄの上端エッジ２４９ｉから水平シール部２４９ｆまでのｘ方向距離である。その結果、Ｇ＞Ｇ１の関係が成り立っている。すなわち、ピストンリング２４９に代えてピストンリング１４９を用いることで、合口隙間１４９ｅに起因する漏洩開口をより小さくすることができる。その結果、合口隙間１４９ｅからの圧縮気体の漏洩を低減することができ、気体圧縮機１の吐出し空気量の低下を抑制することができる。

【0057】

ところで、ピストンリング１４９の傾斜面１４９ｊの傾斜角θ１は、ピストン本体１４０が揺動した場合に傾斜面１４９ｊがシリンダ内周面１１１ａと接触しないような角度に設定される。図１４に示すように、ピストンリング１４９の外側面１４９ｄの圧縮室側延長面と傾斜面１４９ｊとの成す角は傾斜角θ１と等しい。また、図１４に示す揺動方向においては、ピストンリング１４９の外側面１４９ｄとシリンダ内周面１１１ａとの成す角は、ピストン本体１４０の最大揺動角度βmaxと等しい。揺動方向以外の外周方向位置においては、外側面１４９ｄとシリンダ内周面１１１ａとの成す角は最大揺動角度βmaxよりも小さくなる。そのため、傾斜面１４９ｊがシリンダ内周面１１１ａと接触しないようにするためには、図１４の揺動方向における角度θ１（＝θ２）がθ１＞βmaxとなるように傾斜面１４９ｊを形成すれば良い。

【0058】

また、傾斜面１４９ｊは、傾斜面下端エッジ１４９ｋが水平シール部１４９ｆよりも厚さ方向上側に位置するように形成される。例えば、図１４において、傾斜面下端エッジ１４９ｋが水平シール部１４９ｆよりも厚さ方向の下側に位置するように傾斜面１４９ｊを形成した場合、圧縮気体の圧力による水平シール部１４９ｆにおける押付け力の作用が消失し、圧縮室１１９の圧縮空気が水平シール部１４９ｆからクランク室側に漏洩するおそれがある。そのため、傾斜面１４９ｊは、傾斜面下端エッジ１４９ｋが水平シール部１４９ｆよりも厚さ方向の上側となるように形成するのが好ましい。

【0059】

なお、ピストンリング１４９が図１４に示すように傾く圧縮工程では、揺動方向の一方側においては、傾斜面下端エッジ１４９ｋがシリンダ内周面１１１ａと接触してシール機能を担っている。一方、揺動方向の他方側では、外側面１４９ｄの下端エッジ１４９ｍがシリンダ内周面１１１ａに接触している。そして、揺動方向と直交する方向では、ピストンリング１４９のシリンダ内周面１１１ａとの接触位置は、傾斜面下端エッジ１４９ｋから外側面１４９ｄの下端エッジ１４９ｍへと推移する。そのため、傾斜面下端エッジ１４９ｋから下端エッジ１４９ｍへの推移を適切に行わせるためには、傾斜面１４９ｊの周方向終端部は、図１０に示すように揺動方向の他方側に位置するのが好ましい。その結果、傾斜面１４９ｊは周方向の一部（角度２φの範囲）のみに形成されることになる。

【0060】

（変形例）
図１５は、上述した実施形態の変形例を示す図であり、変形例におけるピストンリング１４９を装着したピストン本体１４０を示す。図１５においても、図１４と同様に、図４の状態（ｄ）に示す揺動状態における断面を示している。図１０，１１に示したピストンリング１４９では、傾斜面１４９ｊは円錐面であって断面形状が直線（線分）である面であった。一方、変形例のピストンリング１４９の傾斜面１４９ｎは、外側に凸の曲面であって断面形状も外側に凸の曲線で構成されている。ピストンリング１４９のその他の構成は、図１０，１１に示したピストンリング１４９と同様であり、説明を省略する。

【0061】

図１６は、図１５に示したピストンリング１４９およびシリンダ内周面１１１ａの拡大図である。上述したように、凸曲面である傾斜面１４９ｎの断面形状は、外側に凸の曲線となっている。図１５，１６に示す例では、傾斜面１４９ｎは、断面曲線が円弧となるような凸曲面で形成されている。円弧の半径はｔ２であって、図１６に示す揺動方向においては、傾斜面１４９ｎは、厚さｔ１の端部１４９ａの上端から寸法ｔ２の範囲に形成されている。点Ｐ１で示す位置は、傾斜面１４９ｎの下端である。寸法ｔ２は、ｔ２＜ｔ１のように設定される。すなわち、傾斜面１４９ｎは、その下端が水平シール部１４９ｆよりも厚さ方向上側となるように形成される。

【0062】

揺動角度βがβ＝０の場合には、ピストンリング１４９の外側面１４９ｄがシリンダ内周面１１１ａに接触した状態となる。揺動角度βの大きさがゼロから大きくなるとピストンリング１４９が傾き始め、傾斜面１４９ｎとシリンダ内周面１１１ａとの接触位置がＰ１からＰ２の方向に移動する。そして、図１６に示すように揺動角度βが最大揺動角度βmaxになると、傾斜面１４９ｎとシリンダ内周面１１１ａとの接触位置は点Ｐ２で示す位置となる。

【0063】

傾斜面１４９ｎの傾斜角θ１は、凸曲面である傾斜面１４９ｎの接平面とピストンリング１４９の軸心Ｊ１（図１２参照）との成す角である。例えば、図１６の断面曲線である円弧の接線と軸心Ｊ１との成す角度である。傾斜角θ１は点Ｐ１ではゼロであって、点Ｐ１から点Ｐ２に近づくに従って角度が大きくなり、点Ｐ２において最大揺動角度βmaxとなる。さらに、点Ｐ２からピストンリング１４９の上端（圧縮室側の端部）に近づくに従い、傾斜角θ１は最大揺動角度βmaxからさらに大きくなる。

【0064】

傾斜面１４９ｎが凸曲面である変形例の場合も、寸法Ｇ１は図８の場合の寸法Ｇよりも小さくなる。その結果、合口隙間１４９ｅからの圧縮気体の漏洩を低減することができ、気体圧縮機１の吐出し空気量の低下を抑制することができる。

【0065】

上述した実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。

【0066】

（１）図２，９～１３，１６等に示すように、気体圧縮機１は、シリンダ１１０と、シリンダ１１０の内側で揺動しながら往復動し、圧縮室（シリンダ圧縮室）１１９の気体を圧縮するピストン１０４と、ピストン１０４の外周に設けられたピストンリング１４９と、を備え、ピストンリング１４９は、ピストンリング１４９の外周のシリンダ圧縮室側に傾斜面１４９ｊを有し、傾斜面１４９ｊは、ピストンリング１４９の軸心Ｊ１との成す角度である傾斜角θ１がピストン１０４の圧縮工程における最大揺動角度βmaxよりも大きい傾斜面領域を有する。

【0067】

例えば、図１２に示す平面で構成される傾斜面１４９ｊであれば、傾斜面１４９ｊの全領域で傾斜角θ１はθ１＞βmaxである。また、図１６に示す凸曲面で構成される傾斜面１４９ｎであれば、図１６における点Ｐ２よりも圧縮室側の傾斜角θ１はθ１＞βmaxである。このような傾斜面１４９ｊ、１４９ｎを有するピストンリング１４９においては、揺動方向の一方の側に設けられる合口部１４９ｃを傾斜面範囲に形成することで、合口部１４９ｃの圧縮室側に設けられた合口隙間１４９ｅによる圧縮気体の漏洩を低減することができる。その結果、気体圧縮機１の吐出し空気量の低下を抑制することができる。

【0068】

（２）上記（１）において、図１１，１４等に示すように、傾斜面１４９ｊは、ピストンリング１４９の厚さ方向に関して、ピストンリング１４９の合口部１４９ｃの重なり面である水平シール部１４９ｆよりも圧縮室側に設けられている。そのような構成とすることにより、水平シール部１４９ｆはクランク室側の位置することになる（図１４参照）。その結果、圧縮室側の圧縮気体の圧力により水平シール部１４９ｆが密着し、水平シール部１４９ｆにおける圧縮気体の漏洩が防止される。

【0069】

（３）上記（１）において、図１０等に示すように、傾斜面１４９ｊは、ピストンリング１４９の周方向位置に関して周方向半周よりも広い範囲（角度２φの範囲）に設けられている。そのため、傾斜面１４９ｊの周方向形成領域を揺動方向に直交する方向にも配置することができ、揺動方向に直交する方向におけるピストンリング１４９のシール性を確保することができる。

【0070】

（４）上記（１）において、図１０，１１，１４等に示すように、傾斜面１４９ｊは、ピストンリング１４９の周方向位置に関して、揺動方向の一方側及び他方側のうち、圧縮工程において圧縮室１１９からより遠い側（図１０のｘ軸マイナス側）を含むように設けられている。合口部１４９ｃは揺動方向の一方の側に設けられるので、傾斜面１４９ｊが合口部１４９ｃの領域に設けられることになり、合口隙間１４９ｅからの圧縮気体の漏洩を低減することができる。

【0071】

（５）上記（１）において、図１０，１１等に示すように、ピストンリング１４９は、傾斜面１４９ｊが設けられている周方向範囲に合口部１４９ｃを備える。合口部１４９ｃを傾斜面１４９ｊが形成されている周方向範囲に設けることで、合口隙間１４９ｅからの圧縮気体の漏洩を低減することができる。なお、図１０に示す例では、合口部１４９ｃは、合口隙間１４９ｅがｘ軸上となるように配置されているが、必ずしもこの周方向位置に限定されない。図１０の位置から時計回り方向または反時計回り方向にずれた位置に合口部１４９ｃを配置した場合でも、合口隙間１４９ｅからの漏洩を低減することができる。

【0072】

（６）上記（１）において、図１０～１３等に示すように、傾斜面１４９ｊは、ピストンリング１４９の周方向の所定範囲に形成される円錐面であり、傾斜角θ１は、所定範囲の中央において最大揺動角度βmaxよりも大きく、かつ、所定範囲の中央から端部に近づくほど大きく設定するのが好ましい。このように構成された傾斜面１４９ｊの周方向範囲に合口部１４９ｃを設けることで、合口隙間１４９ｅにおける圧縮気体の漏洩を低減することができる。また、図１５，１６に示す傾斜面１４９ｎのように、圧縮室（シリンダ圧縮室）１１９に近い側ほど傾斜角が大きい凸曲面としても良い。

【0073】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【符号の説明】

【0074】

１…気体圧縮機、２…電動機、１０…圧縮機本体、１０２…連接棒、１０４…ピストン、１０９…クランクケース、１０９ａ…クランク室、１１０…シリンダ、１１１…シリンダ本体、１１１ａ…シリンダ内周面、１１２…バルブプレート、１１３…シリンダヘッド、１１９…圧縮室（シリンダ圧縮室）、１４０…ピストン本体、１４１…環状溝、１４９，２４９…ピストンリング、１４９ａ，１４９ｂ，２４９ａ，２４９ｂ…端部、１４９ｃ，２４９ｃ…合口部、１４９ｄ，２４９ｄ…外側面、１４９ｅ，１４９ｇ，２４９ｅ，２４９ｇ…合口隙間、１４９ｆ，２４９ｆ…水平シール部、１４９ｉ，２４９ｉ…上端エッジ、１４９ｊ，１４９ｎ…傾斜面、１４９ｋ…傾斜面下端エッジ、１４９ｍ，２４９ｍ…下端エッジ、１６０…クランクシャフト、２５０…開口、Ｊ１…軸心、Ｊ２…加工中心軸、α…クランク角度、β，β(α)…揺動角度、β(270)，βmax…最大揺動角度、θ１…傾斜角、θ２…円錐面の傾き

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】