JP2006097548A - 摺動部材及びそれを備えた往復動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐摩耗性、熱伝導性に優れ、さらなる高圧化、長寿命化に対応することが可能な摺動部材及びそれを備えた往復動圧縮機を提供する。
【解決手段】 本発明のライダーリング（摺動部材）は、青銅粉を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下、炭素繊維を１重量％以下含有し、残部が変性ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる複合材料を用いたことを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、耐摩耗性、熱伝導性に優れた摺動部材及びそれを備えた往復動圧縮機に関するものである。

従来、空気圧縮機としては、ピストンの往復運動により空気の吸い込み、圧縮、吐出を行う無給油式の往復動型空気圧縮機がある（例えば、特許文献１参照）。
この種の往復動型空気圧縮機は、アルミニウム合金からなるシリンダと、このシリンダの端部に設けられ吸込通路および吐出通路を有するシリンダヘッドと、このシリンダ内を往復動するピストンと、このピストンの外周溝に装着されるピストンリングおよびライダーリングとを備えている。
このシリンダの内壁には、表面硬度を高めるために、陽極酸化処理による皮膜が形成されている。この皮膜は、膜厚が５０μｍ〜７０μｍとなる様に陽極酸化処理が施される。

ライダーリングは、ピストンリングより幅広のリング状のもので、シリンダ内壁を摺動することにより、ピストンおよびシリンダの内壁の摩耗を減少させると共に、ピストンの傾きを防止している。このライダーリングは、例えば、球状炭素を１０重量％〜３０重量％含む四フッ化エチレン樹脂等の低摩擦材により構成されている。
この往復動型空気圧縮機では、このライダーリングがシリンダ内壁を摺動することにより、ピストンがシリンダ内を滑動することができる。

一方、シリンダ内をピストンが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、空気等の流体を圧縮する無給油式のスクロール式流体機械がある（例えば、特許文献２参照）。
この種のスクロール式流体機械は、鏡板の一主面側に渦巻状のラップ部が立設された一対のスクロールを、ラップ部が重なり合う様に対向配置して圧縮室を形成し、これらラップ部の歯先にはチップシールが取り付けられている。
チップシールは、耐摩耗性を高めるために、例えば、青銅粉１５〜３０重量％、炭素繊維５〜１５重量％、二硫化モリブデン２〜１０重量％を含み、残部を四フッ化エチレン樹脂とした樹脂材料により形成されている。
特開２０００−２８３０４３号公報 特開２００２−１９５１７５号公報

ところで、上述した従来の往復動型空気圧縮機では、さらなる高圧化、長寿命化が求められており、ライダーリングにおいても、耐摩耗性の向上、熱伝導性の向上が求められている。
従来のライダーリングは、現在の使用条件下では何等問題無く使用することができるが、さらなる高圧化、長寿命化に対応するためには、現在のライダーリングでは、耐摩耗性が不十分で、シリンダ内壁の摩耗も大きく、耐摩耗性、熱伝導性をさらに改良する必要があるという問題点があった。
また、上述した従来のスクロール式流体機械においても、上記の往復動型空気圧縮機と同様、さらなる高圧化、長寿命化に対応するためには、現在のチップシールの耐摩耗性、熱伝導性をさらに改良する必要がある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、熱伝導性に優れ、さらなる高圧化、長寿命化に対応することが可能な摺動部材及びそれを備えた往復動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、本発明は次の様な摺動部材及びそれを備えた往復動圧縮機を提供した。
すなわち、本発明の摺動部材は、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下含有し、残部は変性ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする。

本発明の摺動部材では、さらに、炭素材料を１重量％以下含有することが好ましい。
前記炭素材料は、炭素繊維および／または球状炭素であることが好ましい。

本発明の往復動圧縮機は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなりかつ内壁に陽極酸化処理が施されたシリンダと、このシリンダ内を往復移動するピストンと、このピストンの外周溝に装着され前記シリンダの内壁を摺動する本発明の摺動部材とを備えてなることを特徴とする。

本発明の摺動部材によれば、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下含有し、残部を変性ポリテトラフルオロエチレンとしたので、耐摩耗性、熱伝導性共に向上させることができ、摺動部材のさらなる長寿命化、高信頼化を図ることができる。

本発明の往復動圧縮機によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなりかつ内壁に陽極酸化処理が施されたシリンダと、このシリンダ内を往復移動するピストンと、このピストンの外周溝に装着され前記シリンダの内壁を摺動する本発明の摺動部材とを備えたので、摺動部材とシリンダ内壁との間の摺動性を向上させることができ、シリンダ内壁の摩耗量を減少させることができる。したがって、往復動圧縮機のさらなる長寿命化、高信頼化を図ることができる。

本発明の摺動部材及びそれを備えた往復動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、往復動圧縮機として無給油式の往復動型空気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型空気圧縮機の要部を示す縦断面図であり、この往復動型空気圧縮機１は、シリンダ２と、このシリンダ２内を往復動するピストン３と、シリンダ２の上端部に設けられ吸込通路４および吐出通路５を有するシリンダヘッド６と、シリンダ２とシリンダヘッド６とに挟持される弁座部材７と、ピストン３の外周溝３ａに装着されるピストンリング８および外周溝３ｂに装着されるライダーリング（摺動部材）９とにより構成されている。

シリンダ２は、例えば、アルミニウム合金鋳物により形成され、その内壁には、ライダーリング９の摺動による摩耗を防止するために、陽極酸化処理によりアルミニウム合金より硬度の高いアルマイト皮膜２ａが形成されている。これにより、鋳造品よりも肉厚を薄くすることが可能になり、軽量化が図られることで燃費が向上すると共に、加工費が低減されることでより安価なものになっている。
ピストン３も、シリンダ２と同様、アルミニウム合金鋳物により形成されている。

シリンダヘッド６もシリンダ２と同様、アルミニウム合金鋳物により形成されている。
弁座部材７は、アルミニウム合金より展性に富む材料、例えば、鉄合金により形成され、図２に示すように、略正方形板状の本体１１の中心線Ｌに沿って吸込通路４に連通する吸込ポート１２が形成され、この吸込ポート１２の両側に吐出通路５に連通する一対の吐出ポート１３が形成されている。

この本体１１の上面には、ピストン３の上動に連動して吐出ポート１３の弁座１３ａを開とする吐出弁板１４が八の字状に取り付けられ、これらの吐出弁板１４、１４各々の上方には、吐出弁板１４の開弁動位置を規制するための吐出弁板規制部材１５が取付ボルト１６により本体１１に固定され、さらに、吐出ポート１３の近傍かつ吐出弁板規制部材１５の下方に円形状の凹部１７が形成されている。

また、この本体１１の下面には、ピストン３の下動に連動して吸込ポート１２の弁座１２ａを開とする吸込弁板２１が取り付けられ、この吸込弁板２１は弁座１２ａを開閉する部分側の端部が自由端とされると共に弁座１２ａと反対側の端部がパーカ鋲２２により本体１１に固定されている。

ピストンリング８は、シリンダ２の内壁２ａとピストン３の外周部との隙間からの空気の漏れを防止するもので、例えば、ＰＴＦＥ複合材により形成されている。
ライダーリング９は、シリンダ２の内壁を摺動する際の摺動抵抗を低減し、シリンダ２の内壁に形成されたアルマイト皮膜２ａを摩耗させない様にすると共に、ピストン３がシリンダ２の内壁に対して傾斜するのを防止するためのもので、ピストンリング８より幅広の板状体が円筒状に曲げ加工され、ピストン３の外周溝３ａに装着された際に周方向の両端部が重なる様になっている。

このライダーリング９は、摺動部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、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下含有し、残部が変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）からなる複合材料が好適である。

ここで、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下と限定した理由は、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、青銅粉末の含有量が１０重量％未満では、青銅粉末の量が少なく、摩耗が増大するという問題が生じ、また、５０重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの割合が減少するために、材料の保持性が低下し、摩耗が増大する。

また、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下と限定した理由は、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、二硫化モリブデンの含有量が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、１０重量％を超えると、強度が低下するという問題が生じる。
このライダーリング９では、上記の様な組成とすることにより、耐摩耗性、熱伝導性共に改善され、さらなる長寿命化、高信頼化が可能になる。

上記の複合材料は、さらに、炭素材料を１重量％以下含有することが好ましい。
ここで、炭素材料を１重量％以下と限定した理由は、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、炭素材料は硬質であるから、１重量％を超えると相手面への攻撃性が高くなり、相手面、すなわちシリンダ２のアルマイト皮膜２ａの摩耗が増大するという問題が生じる。

この様な組成とすることにより、ピストン３がシリンダ２の内壁を摺動する際に、このシリンダ２の内壁における摩耗量が減少し、その結果、シリンダ２のさらなる長寿命化、高信頼化が可能になる。
この炭素材料は、炭素繊維および／または球状炭素が好ましい。

このライダーリング９の材料組成としては、例えば、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下、炭素繊維を１重量％以下含有し、残部を変性ポリテトラフルオロエチレンとした複合材料が好ましい。

この様に、ライダーリング９は、二硫化モリブデンおよび変性ポリテトラフルオロエチレンにより摺動抵抗が低減されると共に、青銅粉末により圧縮強度が高まる。さらに、耐久性が向上するので、ライダーリング９の交換時期の遅延が可能になる。
また、青銅粉末は熱伝導性が良いので、ピストン３からシリンダ２への熱伝導性が向上し、ピストン３の放熱性が高まる。

本実施形態のライダーリング９によれば、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下含有し、残部を変性ポリテトラフルオロエチレンとしたので、耐摩耗性、熱伝導性共に改善することができる。したがって、ライダーリング９の長寿命化、高信頼化を図ることができる。
さらに、炭素材料を１重量％以下含有することとすれば、耐摩耗性がさらに優れたものとなり、ライダーリング９のさらなる長寿命化、高信頼化を図ることができる。

本実施形態の往復動型空気圧縮機１によれば、ピストン３の外周溝３ｂにライダーリング９を装着したので、ライダーリング９とシリンダ２の内壁との間の摺動性を向上させると共に、このシリンダ２の内壁の摩耗量を減少させることができる。したがって、往復動型空気圧縮機１のさらなる長寿命化、高信頼化を図ることができる。

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１〜５］
青銅粉、二硫化モリブデン、炭素繊維、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）粉末各々を表１に示す配合比となるように秤量し、ヘンシェルミキサーを用いてこれらを均一に乾式混合し、その後、得られた混合物を所定の金型に充填し、この金型に４０ＭＰａの圧力を掛けつつ２５℃にて数分間、圧縮成形した。その後、最高３７０℃にて約２４時間、熱処理を施し、変性ＰＴＦＥ複合材を作製した。
次いで、これらの変性ＰＴＦＥ複合材に切削加工を施し、円筒形状の実施例１〜５のライダーリング９を得た。

［比較例１〜１６］
青銅粉、二硫化モリブデン、炭素繊維、球状炭素、ポリイミド、黒鉛、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）粉末、汎用ポリテトラフルオロエチレン（汎用ＰＴＦＥ）粉末各々を表１に示す配合比となるように秤量し、ヘンシェルミキサーを用いてこれらを均一に乾式混合し、その後、得られた混合物を所定の金型に充填し、この金型に４０ＭＰａの圧力を掛けつつ２５℃にて数分間、圧縮成形した。その後、最高３７０℃にて約２４時間、熱処理を施し、変性ＰＴＦＥ複合材を作製した。
次いで、これらの変性ＰＴＦＥ複合材に切削加工を施し、円筒形状の比較例１〜１６のライダーリングを得た。

次いで、実施例１〜５および比較例１〜１６各々のライダーリングについて耐久試験を行った。
ここでは、シリンダとしては、アルミニウム合金製のシリンダ２の内壁に膜厚が５０μｍのアルマイト皮膜２ａが形成されたものを用い、ピストンとしては、アルミニウム合金製のピストン３を用い、このピストン３の外周溝３ａに上記の各ライダリングを装着し、実施例１〜５および比較例１〜１６各々の耐久試験用サンプルを得た。
次いで、これらの耐久試験用サンプルに対して、１１ｋＷのオイルフリーベビコン（日立製作所製）にて１００００時間、耐久試験を行った。

この試験の後、各々の耐久試験用サンプルについて、５個のサンプルのライダーリング摩耗量（μｍ）およびシリンダ摩耗量（μｍ）を測定し、その平均値を求めた。
耐久試験結果を表１に示す。なお、ライダーリング摩耗量（μｍ）の合格ラインは５００μｍ以下、シリンダ摩耗量（μｍ）の合格ラインは２５μｍ以下である。

表１によれば、実施例１〜５では、ライダーリング摩耗量およびシリンダ摩耗量共に小さく、ライダーリング用材料として優れていることが明らかとなった。
一方、比較例１〜７、１６は、汎用ＰＴＦＥを用いているために、ライダーリング摩耗量が極めて大きく、ライダーリング用材料としては適さないものであった。
これは、変性ＰＴＦＥは耐熱性がよく、高温下においてもクリープし難く、剛性が高いということが影響しているためと考えられる。

また、比較例８〜１０は、汎用ＰＴＦＥを用い、しかも炭素材料を１０重量％含有しているために、ライダーリング摩耗量は小さいものの、シリンダ摩耗量が極めて大きく、ライダーリング用材料としては適さないものであった。
また、比較例１１〜１５は、変性ＰＴＦＥを用いているものの、青銅粉、二硫化モリブデン、炭素繊維のいずれかが本発明の範囲外であるために、ライダーリング摩耗量、シリンダ摩耗量のいずれか一方が合格ラインを超えており、ライダーリング用材料として不十分なものであった。

本発明は、青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下含有し、残部を変性ポリテトラフルオロエチレンとした複合材料を用いた摺動部材であるから、無給油式の往復動型空気圧縮機のライダーリングに適用することはもちろんのこと、無給油式の往復動型空気圧縮機以外の様々な様式の往復動圧縮機のライダーリング、ピストンリング、リップリング等に適用することも可能である。

本発明の一実施形態の無給油式の往復動型空気圧縮機の要部を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態の無給油式の往復動型空気圧縮機の弁座部材を示す平面図である。

符号の説明

１ 往復動型空気圧縮機
２ シリンダ
２ａ アルマイト皮膜
３ ピストン
３ａ、３ｂ 外周溝
４ 吸込通路
５ 吐出通路
６ シリンダヘッド
７ 弁座部材
８ ピストンリング
９ ライダーリング
１１ 本体
１２ 吸込ポート
１２ａ 弁座
１３ 吐出ポート
１３ａ 弁座
１４ 吐出弁板
１５ 吐出弁板規制部材
１６ 取付ボルト
１７ 凹部
２１ 吸込弁板
２２ パーカ鋲

Claims (4)

1. 青銅粉末を１０重量％以上かつ５０重量％以下、二硫化モリブデンを３重量％以上かつ１０重量％以下含有し、残部は変性ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする摺動部材。
2. 炭素材料を１重量％以下含有してなることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
3. 前記炭素材料は、炭素繊維および／または球状炭素であることを特徴とする請求項２記載の摺動部材。
4. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなりかつ内壁に陽極酸化処理が施されたシリンダと、このシリンダ内を往復移動するピストンと、このピストンの外周溝に装着され前記シリンダの内壁を摺動する請求項１、２または３記載の摺動部材とを備えてなることを特徴とする往復動圧縮機。

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