JP2005264049A - シール材及びそれを備えた揺動式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐摩耗性に優れ、その結果、長寿命化が可能なシール材及びそれを備えた流体機械を提供する。
【解決手段】 本発明のシール材は、１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質と、炭素繊維と、二硫化モリブデンと、ポリテトラフルオロエチレンとを含有したものであり、この粉末物質は、銅、金、銀のいずれか１種が好ましく、ポリテトラフルオロエチレンは、室温にて１４ＭＰａの圧力を加えた状態で２４時間放置し、その後圧力を除いて２４時間放置した後の永久変形量が５％以上であることを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、耐摩耗性に優れたシール材及びそれを備えた揺動式圧縮機に関するものである。

従来、シリンダ内を揺動しつつ往復動する揺動ピストン式の往復動圧縮機としては、例えば空気等の流体を圧縮する無給油式の往復動圧縮機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図２は、従来の無給油式の往復動圧縮機の一例を示す断面図であり、図において、１は円筒状のシリンダ、２はシリンダ１の上端部に設けられたシリンダヘッド、３はシリンダヘッド２内に設けられてその内部を吸入室Ａと吐出室Ｂに画成する隔壁、４はシリンダ１とシリンダヘッド２との間に設けられ吸入ポート５及び吐出ポート６が形成された弁板であり、この弁板４とシリンダ１との間、及び弁板４とシリンダヘッド２との間は、ガスケット（図示せず）により気密に封止されている。

７は弁板４に設けられて吸入ポート５を開閉する吸入弁、８は弁板４に設けられて吐出ポート６を開閉する吐出弁、９はシリンダ１内に設けられた揺動ピストン、１０はリップリング（シール材）である。
吸入弁７は、揺動ピストン９が上死点から下死点に移動するときに開弁し、下死点から上死点に移動するときに閉弁する。
また、吐出弁８は、揺動ピストン９が下死点から上死点に移動するときに開弁し、上死点から下死点に移動するときに閉弁する。

また、リップリング１０は、揺動ピストン９のコネクティングロッド１１に円板状のリテーナ１２をボルト１３、１３を用いて締結することにより、揺動ピストン９の外周側に固定されている。このリップリング１０と弁板４と揺動ピストン９により圧縮室Ｃが画成されている。
このリップリング１０は、シリンダ１との摺動性、耐熱性、耐摩耗性、潤滑性が要求されるために、自己潤滑性及び可撓性に優れ、さらに、摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が用いられている。
この往復動圧縮機では、リップリング１０のリップ部１０ａがシリンダ１の内周面に摺接することにより、シリンダ１と揺動ピストン９との間を気密にシールしている。

一方、摺動材としては、四フッ化エチレン樹脂を５０〜９３％、鉛を２０〜４５％、銅−鉛共晶粉末を３〜３５％、炭素繊維を３〜３５％、二硫化モリブデンを１〜２０％含むもの（例えば、特許文献２参照）、あるいは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）・変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）、熱伝導性及び耐摩耗性に優れた銅合金であるブロンズ粉末、球状炭素・炭素繊維、二硫化モリブデンを含むもの（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。
特開２００３−１６１２６０号公報 特開平７−２１６１７７号公報 特開２００２−１７４１８８号公報

ところで、上述した従来の往復動圧縮機においては、特に、連続運転時において顕著となるのであるが、揺動ピストン９の揺動運動に伴ってシリンダ１の内壁とリップリング１０のリップ部１０ａとが強く摺接するために、リップリング１０の寿命の確保が難しいという問題点があった。
また、このリップリング１０は圧縮室Ｃからの圧縮熱と摩擦熱とにより高温状態になり、強度の低下により摩耗が促進され、したがって、寿命が低下するという問題点があった。
また、従来の摺動材においては、揺動ピストンの動きがスクロール圧縮機や往復動圧縮機とは異なるため、シールを十分に行うためには局所的にシリンダと強く接する必要がある。特に、変性ポリテトラフルオロエチレンを用いた場合、摺動材が固いためにシリンダとリップリングが面接触せずに線接触することとなり、リップリングの寿命が短くなってしまうという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、耐摩耗性に優れ、その結果、長寿命化が可能なシール材及びそれを備えた揺動式圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は次の様なシール材及びそれを備えた揺動式圧縮機を提供した。
すなわち、本発明のシール材は、１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質と、炭素繊維と、二硫化モリブデンと、ポリテトラフルオロエチレンとを含有してなることを特徴とする。

このシール材では、１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質を含有したことにより、この粉末物質がポリテトラフルオロエチレン中に均一に分散することで、摺動面での摩擦により発生する熱が摺動面から速やかに散逸し、この摺動面の温度上昇が抑制される。これにより、シール材の温度上昇が抑制され、摩耗量が減少し、その結果、耐摩耗性に優れたものとなる。これにより、長寿命化が可能となる。

前記粉末物質は、銅、金、銀の群から選択された１種であることが好ましい。
前記ポリテトラフルオロエチレンは、室温にて１４ＭＰａの圧力を加えた状態で２４時間放置し、その後圧力を除いて２４時間放置した後の永久変形量が５％以上であることが好ましい。
このシール材は、粉末物質を５〜１５重量％、炭素繊維を５〜１５重量％、二硫化モリブデンを３〜８重量％、ポリテトラフルオロエチレンを７０〜８０重量％含有したことが好ましい。

本発明の揺動式圧縮機は、本発明のシール材を備えてなることを特徴とする。
この揺動式圧縮機では、用いるシール材が１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質を含んでいることにより、シール材の温度上昇が抑制され、摩耗量が減少し、その結果、耐摩耗性に優れたものとなる。これにより、揺動式圧縮機の長寿命化が可能になる。

本発明のシール材によれば、１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質を含有したので、摩擦により発生する熱を速やかに散逸させることができ、温度上昇を抑制することができ、シール材の摩耗量を減少させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。したがって、シール材の長寿命化を図ることができる。

本発明の揺動式圧縮機によれば、本発明のシール材を備えたので、シール材の温度上昇を抑制することができ、摩耗量を減少させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。したがって、揺動式圧縮機の長寿命化を図ることができる。

本発明のシール材及びそれを備えた揺動式圧縮機の一実施形態について図面を参照して説明する。
ここでは、揺動式圧縮機として無給油式の往復動圧縮機を例に取り説明する。

図１は、本発明の一実施形態の無給油式の往復動圧縮機を示す断面図であり、図において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図において、２１は円筒状のシリンダであり、このシリンダ２１は、アルミニウム合金からなる成型品の表面に陽極酸化処理が施されている。
２２はリップリング（シール材）であり、コネクティングロッド１１の先端の周縁部に位置してコネクティングロッド１１の取付フランジ１１ａとリテーナ１２との間に挟持される平環状の固定部２２ａと、この固定部２２ａの周縁部から揺動ピストン９の径方向外方に突出しかつ圧縮室Ｃ側に屈曲することによりシリンダ２１の内周面に全周に沿って摺接するカップ状のリップ部２２ｂとにより構成されている。

このリップリング２２は、シール材としての機能を発揮することができるような材料であればよく、１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質と、炭素繊維と、二硫化モリブデンと、ポリテトラフルオロエチレンとを含有する複合材料が好適である。

上記の粉末物質は、銅（Ｃｕ：１００℃における熱伝導率が３９５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）、金（Ａｕ：１００℃における熱伝導率が３１３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）、銀（Ａｇ：１００℃における熱伝導率が４２２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）のいずれか１種が好ましい。これらの中でも、特に実用上好ましい材料は、銅である。
表１に、銅の物性値を示す。なお、従来より用いられてきた銅合金として青銅及び黄銅の物性値も参考に示してある。

上記のポリテトラフルオロエチレンは、室温にて１４ＭＰａの圧力を加えた状態で２４時間放置し、その後圧力を除いて２４時間放置した後の永久変形量（以下、圧縮永久変形量とも称する）が５％以上であることが好ましい。
ここで、上記の永久変形量を５％以上と限定した理由は、この永久変形量が５％未満では、変形が生じ難くなるために、摺動部の面圧が局所的に高くなったままとなり、その結果、摩耗が大きくなるからである。

この様な材料組成としては、例えば、粉末物質を５〜１５重量％、炭素繊維を５〜１５重量％、二硫化モリブデンを３〜８重量％、ポリテトラフルオロエチレンを７０〜８０重量％含有した複合材料が好適である。
ここで、粉末物質を５〜１５重量％と限定した理由は、耐摩耗性に優れ、目標とする寿命を達成することができるからである。なお、５重量％未満では、粉末物質の量が少なく、摩耗が増大するという問題が生じ、また、１５重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの割合が少なくなり、各材料の保持性が劣り、摩耗が増大するという問題が生じる。

また、炭素繊維を５〜１５重量％と限定した理由は、耐摩耗性に優れ、目標とする寿命を達成することができるからである。なお、５重量％未満では、相手面への攻撃性が小さく、平滑化しないため、シールの摩耗が増大するという問題が生じ、また、１５重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの量が少なく、また、相手面への攻撃性が高くなり、シールの摩耗が増大するという問題が生じる。

また、二硫化モリブデンを３〜８重量％と限定した理由は、耐摩耗性に優れ、目標とする寿命を達成することができるからである。なお、３重量％未満では、潤滑性が不足し、摩耗が増大するという問題が生じ、また、８重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの量が少なく、各材料の保持性が劣り、摩耗が増大するという問題が生じる。

また、ポリテトラフルオロエチレンを７０〜８０重量％と限定した理由は、７０重量％未満では、強度が不足し、摩耗が大きくなる要因となるからであり、また、８０重量％を超えると、充填材の量が不足し、摩耗が大きくなる要因となるからである。

この様な構成としたリップリング２２は、摩耗量が極めて小さく、従来のリップリングに比べて耐摩耗性が大幅に向上している。
これにより、このリップリング２２を用いた無給油式の往復動圧縮機は、例えば、２０００時間の連続運転を行った場合においても、リップリング２２の摩耗が極めて小さく、往復動圧縮機の寿命も従来に比べて格段に長くなる。

本実施形態のリップリング２２によれば、１００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質と、炭素繊維と、二硫化モリブデンと、ポリテトラフルオロエチレンとを含有する複合材料により構成したので、摺動面での摩擦熱を速やかに散逸させることができ、摩耗量を低減することができる。したがって、耐摩耗性を大幅に向上させることができる。

また、本実施形態の無給油式の往復動圧縮機によれば、本実施形態のリップリング２２を備えたので、リップリング２２のシリンダ２１に対する摺動性を向上させることができ、摩耗量を小さくすることができる。したがって、往復動圧縮機の寿命を格段に延ばすことができる。
したがって、この往復動圧縮機を長時間連続運転を行った場合においても、リップリング２２の摩耗を極めて抑制することができ、往復動圧縮機の寿命を格段に長くすることができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
［実施例１〜７］
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、銅粉と、炭素繊維と、二硫化モリブデンとを、表１に示す配合比（表１では重量％で表してある）となるようにそれぞれ秤量し、これをヘンシェルミキサーを用いて乾式混合し、得られた粉体を所定の金型を用いて４０〜８０ＭＰａの圧力で一軸成形し、次いで、この成形体を最高温度３７０℃にて４時間、焼成した。その後、得られた焼成品を機械加工することにより、例えば、外径（φ）６０ｍｍ、内径（φ）４０ｍｍ、厚み（ｔ）１ｍｍの形状の実施例１〜７各々のリップリングを作製した。

［比較例１］
ポリテトラフルオロエチレンと、銅粉に替えた青銅粉と、炭素繊維と、二硫化モリブデンとを、表２に示す配合比（表２では重量％で表してある）となるようにそれぞれ秤量し、その後、実施例に準じて比較例１のリップリングを作製した。

［比較例２〜９］
ポリテトラフルオロエチレンと、銅粉と、炭素繊維と、二硫化モリブデンとを、表２に示す配合比となるようにそれぞれ秤量し、その後、実施例に準じて比較例２〜９のリップリングを作製した。

［実施例８〜１１］
ポリテトラフルオロエチレンの圧縮永久変形量の影響を調べるために、表３に示す様に、圧縮永久変形量の異なるポリテトラフルオロエチレンを４種作製し、これらのポリテトラフルオロエチレンと、銅粉と、炭素繊維と、二硫化モリブデンとを、実施例１と同様の配合比となるように、それぞれ秤量し、その後、実施例１に準じて実施例８〜１１のリップリングを作製した。
なお、圧縮永久変形量の異なるポリテトラフルオロエチレンは、圧縮永久変形量の小さい変性ポリテトラフルオロエチレンと、圧縮永久変形量の大きいポリテトラフルオロエチレンとの配合比を変えることにより調整した。

［比較例１０〜１２］
表４に示す様に、圧縮永久変形量が５％未満のポリテトラフルオロエチレンを３種作製し、これらのポリテトラフルオロエチレンと、銅粉と、炭素繊維と、二硫化モリブデンとを、実施例１と同様の配合比となるように、それぞれ秤量し、その後、実施例１に準じて比較例１０〜１２のリップリングを作製した。
なお、このポリテトラフルオロエチレンは、実施例８〜１１と同様、圧縮永久変形量の小さい変性ポリテトラフルオロエチレンと、圧縮永久変形量の大きいポリテトラフルオロエチレンとの配合比を変えることにより調整した。

表６は実施例１〜１１各々のリップリングの摩耗量（μｍ）を測定した結果であり、表７は比較例１〜１２各々のリップリングの摩耗量（μｍ）を測定した結果である。ここでは、これらのリップリングを０．７５ｋｗの往復動圧縮機に用い、この往復動圧縮機を０．７ＭＰａの吐出圧で連続運転した時の２０００時間連続運転後の各リップリングの摩耗量（μｍ）を測定した。

表６及び表７によれば、実施例１〜１１の摩耗量は２５０μｍ以下であるのに対し、比較例１〜１２の摩耗量は２５０μｍを越えていることが分かった。
これにより、実施例１〜１１のリップリングは、比較例１〜１２のリップリングに比べて耐摩耗性に優れていることが明らかになった。

本発明のシール材は、耐摩耗性に優れたものであるから、無給油式の往復動圧縮機はもちろんのこと、それ以外のスクロール圧縮機等の流体機械へも適用することができ、その効果は非常に大きい。

本発明の一実施形態の無給油式の往復動圧縮機を示す断面図である。 従来の無給油式の往復動圧縮機を示す断面図である。

符号の説明

３ 隔壁
４ 弁板
５ 吸入ポート
６ 吐出ポート
７ 吸入弁
８ 吐出弁
９ 揺動ピストン
１１ コネクティングロッド
１１ａ 取付フランジ
１２ リテーナ
１３ ボルト
２１ シリンダ
２２ リップリング
２２ａ 固定部
２２ｂ リップ部

Claims (5)

1. １００℃における熱伝導率が３００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の粉末物質と、炭素繊維と、二硫化モリブデンと、ポリテトラフルオロエチレンとを含有してなることを特徴とするシール材。
2. 前記粉末物質は、銅、金、銀の群から選択された１種であることを特徴とする請求項１記載のシール材。
3. 前記ポリテトラフルオロエチレンは、室温にて１４ＭＰａの圧力を加えた状態で２４時間放置し、その後圧力を除いて２４時間放置した後の永久変形量が５％以上であることを特徴とする請求項１または２記載のシール材。
4. 前記粉末物質を５〜１５重量％、前記炭素繊維を５〜１５重量％、前記二硫化モリブデンを３〜８重量％、前記ポリテトラフルオロエチレンを７０〜８０重量％含有したことを特徴とする請求項１、２または３記載のシール材。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載のシール材を備えてなることを特徴とする揺動式圧縮機。

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