CN104214074A - 滑动部件及使用其的气体压缩机和分析仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制PTFE滑动材料的磨耗的滑动部件以及配备该滑动部件的气体压缩机和分析装置。为了避免PTFE滑动材料与接触材料金属的直接接触，在欲降低磨耗的PTFE滑动材料附近配置比PTFE更易于形成转移膜的树脂部件。

Description

滑动部件及使用其的气体压缩机和分析仪器

技术领域

本发明涉及滑动部件及使用该滑动部件的气体压缩机和分析仪器。

背景技术

空气等压缩气体被利用于多种行业部门的工厂，近年来惰性的压缩氮气或不含油雾的干净压缩气体的需求在上升。

压缩气体一般来说通过使用配备往复运动的活塞和气缸的压缩机来生产。通过将压缩前的气体送入气缸内的压缩室并利用活塞对其进行压缩来产生压缩气体。活塞一般来说配备活塞环。

所谓无油压缩机的活塞环上使用具有自润滑性的树脂材料，广泛使用比聚乙烯或尼龙等所谓树脂材料摩擦系数更低的PTFE（Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯）为主体的PTFE复合材料。PTFE具有摩擦系数低的特征，但同时也具有磨耗量多的特征。因此，为了更好地利用PTFE或者PTFE复合材料，需要在有效利用PTFE的低摩擦系数的同时降低磨耗量。

另一方面，在利用气体压缩机压缩空气的情况下和压缩氮气的情况下，存在氮气的情况下的活塞环的磨耗量比空气的情况下的活塞环的磨耗量多的问题。为了解决该问题，通过使PTFE或PTFE复合材料中包含氧化铜来使其硬化，从而提高PTFE或PTFE复合材料的耐磨耗性（参考专利文献1）。

此外，为了降低PTFE或PTFE复合材料的磨耗，已知：如果在它们滑动时很好地生成在接触材料的表面上形成的PTFE转移膜，则其具有降低摩擦的效果（参考非专利文献1）。

已有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-85051号公报

非专利文献

非专利文献1：竹内彰敏等3人，ライボロジスト（Tribology），第43卷，第3号，1998年，第258-261页

发明内容

发明要解决的技术问题

所述专利文献1针对压缩氮气时的活塞环磨耗量的降低具有一定的效果，但需要进一步降低磨耗量，延长其更换周期，从而达到运行成本的降低。

本发明的目的为提供一种降低PTFE滑动材料的磨耗的结构。

用于解决技术问题的技术手段

为了解决上述问题，在PTFE滑动件的附近配置由比PTFE更易于转移到金属上的树脂构成的滑动部件。

本发明的一种气体压缩机包括以金属为主体而成型的气缸、活塞和以PTFE树脂为主体而成型的活塞环，通过利用活塞对气缸内设置的压缩室内的气体进行压缩来产生压缩气体，该气体压缩机的特征在于：在上述活塞环的附近设置有与上述气缸相对滑动的滑动部，该滑动部由比上述PTFE树脂更易于转移到上述气缸的树脂构成，上述活塞环在上述滑动部滑动过的上述气缸上滑动。

本发明的一种分析仪器具有检测装置、样品台和导轨，通过使样品台在导轨上移动来进行样品台上的样品的分析，其特征在于：在上述样品台的与导轨相对滑动的部分上设置以PTFE树脂为主体的第一滑动部，在上述第一滑动部附近还设置与上述导轨相对滑动的第二滑动部，上述第二滑动部由比上述PTFE树脂更易于转移到上述导轨的树脂构成，上述第一滑动部在上述第二滑动部滑动过的上述导轨上滑动。

发明的效果

通过本发明可提供即使是氮气或干燥空气也能够降低PTFE滑动材料的磨耗、延长其更换周期的滑动部件以及使用该滑动部件的气体压缩机或分析仪器。

附图说明

图1是用于说明转移膜的有无与磨损粉末的关系的图。

图2是说明本发明的实施例1的滑动部的剖面图。

图3是图2的滑动部的放大图。

图4是表示用于研究转移膜与磨耗的关系的实验流程的图。

图5是表示转移膜与磨耗的关系的实验结果的图。

图6是说明本发明的实施例2的滑动部的剖面图。

图7是说明本发明的实施例3的滑动部的剖面图。

图8是说明本发明的实施例4的滑动部的剖面图。

图9是说明本发明的实施例5的滑动部的剖面图。

图10是说明本发明的实施例6的滑动部的剖面图。

图11是说明本发明的实施例6的变形例的滑动部的剖面图。

图12是说明本发明的实施例7的滑动部的剖面图。

图13是说明本发明的实施例8的滑动部的剖面图。

图14是说明本发明的实施例9的分析仪器的结构剖面图。

图15是一般的无油气体压缩机的剖面图。

图16是图15的滑动部的放大图。

附图标记的说明

3…压缩室

5…连接杆

20、21、22、23、24、25…活塞环

22a…PTFE复合材料

22b…增进转移膜形成的树脂材料

30、31…导向环

32…增进转移膜形成的树脂膜

40…气缸

41…气缸内表面

具体实施方式

以下利用附图说明本发明的实施例。

图15是一般的无油气体压缩机的剖面图。气体压缩机主要由构成压缩室3的气缸40、活塞1、吸入阀、排出阀（压缩气体侧）以及连接杆、带轮、电动机、壳体所构成。为了产生压缩气体，将电动机的动力通过带、带轮、连接杆传递到活塞，使活塞上下运动，通过吸入阀在压缩室内压缩气体。压缩后的气体通过排出阀排出到压缩气体的管道中。此时，活塞环在气缸40的内表面上滑动并磨耗，该磨耗量随着滑动次数的增加而增加。此外，导向环（rider ring）30用于固定活塞相对于气缸40的姿态而设。

图16是图15的活塞环在气缸40内表面滑动的滑动部的放大图，为说明转移膜（transfer film）的图。放大图中表示PTFE复合材料的活塞环20在气缸内表面41上滑动，活塞环20的一部分在气缸内表面41上形成转移膜28的情形。活塞环20隔着转移膜28与气缸40或气缸内表面41接触。这样，活塞环20以不与气缸内表面41的凹凸直接接触的方式滑动，因此能够降低磨耗。

假如不形成转移膜28，则活塞环20直接与气缸内表面41接触，气缸内表面41的凸部削磨活塞环20，结果导致活塞环20的磨耗。

【实施例1】

图1是用于说明树脂（PTFE树脂材料）相对于金属滑动时根据金属表面的转移膜的有无、磨损粉末如何产生的图。

图1（a）表示当前的微接触面上形成有转移膜的情况，金属和树脂隔着转移膜滑动。与此相对，图1（b）表示当前的微接触面上未形成转移膜的情况下，金属与树脂直接接触。因此，在滑动时树脂材料表面始终被金属表面削磨，磨损粉末的量相比具有转移膜的情况增加。

图1（c）是说明本发明的原理的图，表示本发明的微接触面。图1（c）中，将增进转移或生成增强的转移膜的材料配置在PTFE树脂材料的附近。表示通过比PTFE树脂更加增进转移（易于转移）的树脂材料，在金属表面形成由增进转移的树脂材料生成的转移膜的情形。根据该结构，对应于图1（a）中说明的形成有转移膜的情况，转移膜始终能够稳定地形成，因此避免了树脂（PTFE封装材料）与金属材料的直接接触，抑制了磨损粉末的产生，即能够降低磨耗量。

图2是表示本实施例的滑动部的剖面的图。如图2所示，本实施例由两个活塞环20和21构成，一个活塞环20为PTFE复合材料，另一个活塞环21由比PTFE复合材料更加易于形成转移膜的树脂构成。

此外，本实施例中除非特别说明，用树脂表示单独包含PTFE、聚乙烯、尼龙等树脂材料的材料或者由这些树脂材料与其它材料构成的复合材料。

作为比PTFE更增进转移的树脂可列举羧酸型、PPS（聚苯硫醚）和包醚链的高分子材料。此外，优选耐热性与PTFE等同。优选具有耐热性的理由是因为，由于滑动产生的摩擦热和压缩气体时产生的热，活塞环暴露在100度到200度温度的环境中。此外，优选包含醚链的高分子材料的理由为其具有提高金属与树脂的粘合力的效果。作为这样的树脂，所优选的可列举PFA（perfluoralkoxy，全氟烷氧基）、PAI（polyamide imide，聚酰胺酰亚胺）、PBT（polybutylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PEI（polyether imide，聚醚酰亚胺）、PEEK（polyetheretherketone，聚醚醚酮）、环氧树脂等。或者可列举包含这些中的至少一种的树脂。这里所举的树脂由于具有醚链，即使在由氮分子等无极性分子组成的气体或干燥空气中也能够比PTFE更容易转移到接触材料上。

图3表示图2的部分放大图。放大图中表示通过由比PTFE复合材料更容易形成转移膜的树脂构成的活塞环21在气缸内表面41上滑动在滑动面41上形成转移膜28的情形。通过该转移膜28，活塞环20通过转移膜28与气缸内表面41接触。其结果是，活塞环20即使在由氮分子等无极性分子组成的气体或干燥空气中也能够在不与气缸内表面41的凹凸相接触下滑动，能够抑制活塞环20磨耗。

由包含醚链的高分子材料构成的滑动部件生成比PTFE滑动材料形成的转移膜更厚的转移膜。或者在PTFE滑动材料几乎无法生成转移膜的严酷环境中，由包含醚链的高分子材料构成的滑动部件也能够比PTFE更容易地在滑动的金属表面形成转移膜。PTFE滑动材料通过由与自身不同的在金属表面形成转移膜的滑动材料构成的滑动部件所生成的转移膜，避免了与金属表面直接接触。其结果是，PTFE滑动材料即使在因环境原因自身形成转移膜的能力消失的情况下，也能够不受其影响，并且在不增加磨耗下进行滑动。

图4和图5表示PTFE和PFA的转移膜对PTFE复合材料的磨耗现象的影响的实验结果。图4表示其实验流程。在此，预滑（Presliding）为在金属表面附着欲转移的树脂的过程。预滑中，在大气中分别使PTFE和PFA滑动20分钟，准备两种分别附着了PTFE和PFA的其中之一的金属材料。在PTFE复合材料磨耗实验中，分别使通过预滑准备的两种金属材料在全新的PTFE复合材料上滑动60分钟，然后测量这些PTFE的磨耗量。图5是表示在通过预滑准备的金属材料上滑动后的各PTFE复合材料的磨耗量的实验结果。根据图5可知：根据金属表面附着的转移膜的种类不同，PTFE复合材料的磨耗量发生改变；相比PTFE转移膜，PFA转移膜降低PTFE复合材料的磨耗量的效果更大。根据该结果类推可知，在同时使PTFE复合材料和PFA滑动的情况和同时使PTFE复合材料和PTFE滑动的情况中，同时使前者PFA滑动的情况下能够更加降低PTFE复合材料的磨耗量。

【实施例2】

图6是表示实施例2中的滑动部的剖面的图。相比图2，图6所示的结构中PTFE复合材料的活塞环20和由比PTFE树脂更易于形成转移膜的树脂构成的活塞环21的位置不同，在活塞环21位于比活塞环20更靠气缸上部（或者说上死点）侧的点上不同。该结构的优点为：在图2的情况下由于活塞环21比活塞环20靠下，在活塞的上死点附近产生未通过活塞环21生成转移膜的位置，因此活塞环20滑动到未生成转移膜的位置。对此，在图6的情况下由于活塞环21位于活塞环20的上部，即使在活塞的上死点附近活塞环20也能够在活塞环21生成的转移膜上滑动，具有能够进一步抑制活塞环20的磨耗的特有效果。此外，当活塞来到气缸内的最下部时，虽然活塞环20在活塞环21未滑动的位置滑动，但由于虽然活塞上部的空间的压缩室为氮气，但活塞下部的空间在大气中，因此PTFE复合材料也易于生成转移膜，所以能够通过活塞环20自身形成的转移膜来抑制磨耗。

【实施例3】

图7是表示实施例3中的滑动部的剖面的图。相对于图2和图6，图7所示的结构中在PTFE复合材料的上下配置了两个由比PTFE树脂更易于形成转移膜的树脂构成的活塞环21这一点上不同。该结构的优点是在活塞环20在气缸内表面上下往复运动时，在气缸内表面的上部，在由活塞环20上部的活塞环21生成的转移膜上滑动，在气缸内表面的下部，在由活塞环20下部的活塞环21生成的转移膜上滑动。这样活塞环20能够始终在由活塞环21生成的转移膜上滑动。其结果是具有能够进一步地抑制磨耗的特有效果。

此外，在从实施例1到3的图2、图6、图7所举的活塞环的结构中，优选活塞环20与气缸内表面紧密接触使得压缩后的气体不从气缸与活塞的间隙泄漏。此外，对于活塞环21，由于作为优选而列举的PFA等材料比PTFE复合材料的摩擦系数更高，如果可能则可使活塞环21的最外径比活塞环20的最外径小，使活塞环20比活塞环21更紧密地接触气缸内表面41。

【实施例4】

图8是表示实施例4的滑动部的剖面的图。图8所示的结构在以往使用的PTFE复合材料的活塞环中嵌入增进转移膜形成的树脂材料22b。在该结构中，与从实施例1到实施例3所举的结构一样，增进转移膜形成的树脂材料22b在气缸内表面41上生成转移膜28，结果降低了由PTFE复合材料22a与增进转移膜形成的树脂材料22b构成的活塞环22的磨耗。

【实施例5】

图9是表示实施例5中的滑动部的剖面的图。图9所示的结构交换了图8的PTFE复合材料22a和增进转移膜形成的树脂材料22b。在图8的结构中，活塞位于上死点和下死点时，不发生基于增进转移膜形成的树脂材料22b的转移膜形成，结果活塞在上死点和下死点时PTFE复合材料22a被磨耗。而在图9中，即使活塞在上死点和下死点时，通过增进转移膜形成的树脂材料22b始终在气缸表面形成树脂转移膜，结果避免了由PTFE复合材料22a与增进转移膜形成的树脂材料22b构成的活塞环23的磨耗。

【实施例6】

图10和图11是表示实施例6中的滑动部的剖面的图。图10和图11所示的结构将PTFE复合材料22a和增进转移膜形成的树脂材料22b上下重叠。其效果与图8和图9的结构中所获得的效果大致相同。相比图8和图9，图10和图11的结构的特有效果为不需要将增进转移膜形成的树脂材料22b嵌入PTFE复合材料22a中。此外，与图2和图6的结构相比，由于减少了容纳活塞环的槽数，具有能够在活塞制造时削减槽加工所需的时间的特有效果。

【实施例7】

图12是表示实施例7中的滑动部的剖面的图。图12所示的结构由PTFE复合材料的活塞环20和比PTFE复合材料更易于形成转移膜的树脂的导向环31构成。该导向环31的作用是调整相对于气缸40的姿态和在气缸内表面41形成转移膜，抑制活塞环20的磨耗。由此，活塞环20即使在由氮分子等无极性分子组成的气体或干燥空气中也能够在由导向环31生成的转移膜上滑动，因此能够在不与气缸内表面41的凹凸直接接触下滑动，抑制了活塞环20磨耗。

【实施例8】

图13是表示实施例8中的滑动部的剖面的图。图13所示的结构中，作为图12的导向环31的替代，将增进转移膜形成的树脂膜32直接成膜于活塞1上。作为成膜法，在增进转移膜形成的树脂膜32为PFA的情况下，优选将活塞1放入加热成液体状的PFA中来铸造。此外，如果为PEEK、环氧树脂，则使用溶解其的有机溶剂将其溶解，接着将溶解其的有机溶剂涂布在活塞表面并成膜。

如上所述的气体压缩机即使在压缩由氮分子等无极性分子组成的气体或干燥空气的情况下也能够抑制活塞环20磨耗。

【实施例9】

图14是表示实施例9中的分析仪器的图。

分析仪器是测量、分析样品的物理特征或组成等的装置的总称，例如有测量半导体晶圆上的细微的电路图样的尺寸的扫描型电子显微镜的特征尺寸扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）等。这些分析仪器为了测量样品（sample）必须移动，因此需要滑动部件。分析仪器因检测细微构造或成分的特点，需要避免在滑动部件中使用润滑油。此外，由于滑动部件的磨损粉末可能影响检测结果，因此为对磨损粉末敏感的装置。

图14表示将本发明应用于一般的分析仪器的结构，表示在腔室50和在腔室内部51配置样品台53、检测装置52及样品55等的结构。在本分析仪器中，为了能够利用检测装置分析样品，将样品固定在样品台53上，并使其在导轨54上移动。样品台移动时为了使其在导轨上平滑地移动，在样品台与导轨之间设有PTFE复合材料56和增进转移膜形成的材料57。此外，将PTFE复合材料和增进转移膜形成的材料固定在样品台上，在导轨上滑动。应用本发明的分析仪器通过形成转移膜的材料在导轨表面形成树脂转移膜。因此，避免PTFE复合材料与导轨的直接接触，结果是降低了PTFE复合材料的磨耗。此外，由于磨损粉末的排出被抑制，能够实现优良的分析仪器。

此外，在图14中，所述滑动部与PTFE复合材料56及增进转移膜形成的材料57相互独立，但也可以形成为一体。

以上针对实施例进行说明，但本发明并不限定于上述的实施例，包含了各种变形例。例如，上述实施例是为了对本发明易懂地说明而进行的详细说明，并非限定必须具备所说明的全部的结构。此外，可将某实施例的结构的一部分替换成其它实施例的结构，或者可在某实施例中添加其它实施例的结构。另外，针对各实施例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、替换。例如可组合图6的活塞环21与图12的导向环31。

Claims (16)

1.一种气体压缩机，其包括以金属为主体而成型的气缸、活塞和以PTFE树脂为主体而成型的活塞环，通过利用活塞对气缸内设置的压缩室内的气体进行压缩来产生压缩气体，该气体压缩机的特征在于：

在所述活塞环的附近设置有与所述气缸相对滑动的滑动部，该滑动部由比所述PTFE树脂更易于转移到所述气缸的树脂构成，所述活塞环在所述滑动部滑动过的所述气缸上滑动。

2.如权利要求1所述的气体压缩机，其特征在于：

所述滑动部由含有醚链的高分子构成。

3.如权利要求2所述的气体压缩机，其特征在于：

所述含有醚链的高分子为包含PAI树脂、PBT树脂、PEI树脂、PGT树脂、PEEK树脂、环氧树脂中的至少一种的树脂。

4.如权利要求1至3中任一项所述的气体压缩机，其特征在于：

所述滑动部为第二活塞环。

5.如权利要求1至3中任一项所述的气体压缩机，其特征在于：

所述滑动部为导向环。

6.如权利要求1至3任一项所述的气体压缩机，其特征在于：

所述滑动部与所述活塞环形成为一体。

7.一种分析仪器，其具有检测装置、样品台和导轨，通过使样品台在导轨上移动来进行样品台上的样品的分析，其特征在于：

在所述样品台的与导轨相对滑动的部分上设置以PTFE树脂为主体的第一滑动部，在所述第一滑动部附近还设置与所述导轨相对滑动的第二滑动部，所述第二滑动部由比所述PTFE树脂更易于转移到所述导轨的树脂构成，所述第一滑动部在所述第二滑动部滑动过的所述导轨上滑动。

8.如权利要求7所述的分析仪器，其特征在于：

所述第二滑动部由含有醚链的高分子构成。

9.如权利要求8所述的分析仪器，其特征在于：

所述含有醚链的高分子为包含PAI树脂、PBT树脂、PEI树脂、PGT树脂、PEEK树脂、环氧树脂中的至少一种的树脂。

10.如权利要求7至9任一项所述的分析仪器，其特征在于：

所述第二滑动部与所述第一滑动部形成为一体。

11.一种滑动部件，其与以PTFE树脂为主体的PTFE复合材料部件共同使用，其特征在于：

所述滑动部件由比所述PTFE树脂更易于转移到相对滑动部件的树脂构成。

12.如权利要求11所述的滑动部件，其特征在于：

所述滑动部件由含有醚链的高分子构成。

13.如权利要求12所述的滑动部件，其特征在于：

所述含有醚链的高分子为包含PAI树脂、PBT树脂、PEI树脂、PGT树脂、PEEK树脂、环氧树脂中的至少一种的树脂。

14.如权利要求11至13中任一项所述的滑动部件，其特征在于：

所述滑动部件为活塞环。

15.如权利要求11至13中任一项所述的滑动部件，其特征在于：

所述滑动部为导向环。

16.如权利要求11至13中任一项所述的滑动部件，其特征在于：

所述滑动部件与所述PTFE复合材料部件形成为一体。