JP2009063174A - 無潤滑の往復動圧縮機用ピストンリング及びそれを用いた往復動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダに対する攻撃性が低下し、かつ耐磨耗性が向上するよう、往復動圧縮機のピストンリングを改良する。
【解決手段】本発明は、ＰＴＦＥを基材とし、強化材や潤滑材等を充填したピストンリング２と、このピストンリング２が環装されたピストン１と、このピストン１が摺動自在に支持された金属製のシリンダ４とを具備する往復動流体機械において、ピストンリング２に、潤滑材及び球状の炭素材を充填したことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は往復動圧縮機及び膨張機に代表される往復動流流体機械に係り、特にそのピストンリングの改良に関する。

往復動圧縮機及び膨張機は、金属製のピストンと、このピストンが摺動自在に支持された金属製のシリンダとから概略構成されている。ここで、無給油式往復動圧縮機では、ピストンとシリンダとの摺動を円滑に行うため、図１に示すように、ピストン１にピストンリング２及びライダーリング３を環装し、ピストン１とシリンダ４との接触及びカジリを防止している。

一方、給油式往復動圧縮機では、ピストン１とシリンダ４との潤滑性が油により確保されているため、図２に示すように、ピストンリング２のみを備え、ライダーリング３は不要となっている。また、図１及び図２において、符号５はピストン１駆動用の連接棒、符号６はピストン１と連接棒５とを連結するピストンピンである。

従来、ピストンリング２には、例えば、炭素繊維やグラファイト等を混合したＰＴＦＥ（ポリ四弗化エチレン）を圧縮成形または押出成形により円環状に成形後熱処理し、切削加工したものが用いられる。ＰＴＦＥに青銅粉を混合する場合もある。

ところで、上記従来のピストンリング２では、炭素繊維の向きがピストン１の摺動方向に対し直角となることにより耐磨耗性を向上させている。従って、炭素繊維を増量すると、シリンダ４の内面を摩耗させる不都合が生じ、その結果、ピストンリング２の耐磨耗性が低下するにも拘わらず、炭素繊維の量を制限せざるを得なかった。一方、青銅粉を含有するピストンリング２は、耐磨耗性に優れるものの、緑青が発生するという問題を有していた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、シリンダに対する攻撃性が低く、かつ耐磨耗性に優れたピストンリングの提供をその目的としている。

本発明は、ＰＴＦＥを基材とし、強化材や潤滑材等を充填したピストンリングと、このピストンリングが環装されたピストンと、このピストンが摺動自在に支持された金属製のシリンダとを具備する往復動流体機械において、ピストンリングに、潤滑材及び球状の炭素材を充填したことを特徴としている。

球状の炭素材を用いる理由は、球状の炭素材では、従来の炭素繊維のような鋭いエッジがなく、シリンダに対する攻撃性が低いためである。また、炭素材の充填量は５〜２０％であることが望ましい。炭素材の充填量を５〜２０％とした理由は、充填量が５％未満だとピストンリングの耐磨耗性が低下し、充填量が２０％を越えるとシリンダに対する攻撃性が高まるためである。

更に、潤滑材には、金属粉末を用いることが望ましい。金属粉末としては、二硫化モリブデンの他、青銅粉、銅粉、錫粉等が挙げられる。潤滑材に上記金属を用いる理由は、上記金属は、潤滑材として従来用いられているグラファイトに比べ、自己摩耗が少ないためである。

また、二硫化モリブデンの含有量は２〜１０％、二硫化モリブデン以外の金属粉末の含有量は５〜２０％であることが望ましい。金属粉の含有量を上記範囲に規定した理由は、上記炭素材の場合と同様、充填量が２％または５％未満だとピストンリングの耐磨耗性が低下し、充填量が１０％または２０％を越えるとシリンダに対する攻撃性が高まるためである。

以上説明した通り、本発明の往復動流体機械では、ピストンリングの材質に、鋭いエッジがなく、シリンダに対する攻撃性の低い球状の炭素材と、自己摩耗が少ない二硫化モリブデンや青銅粉、銅粉、錫粉等とを組み合わせることにより、以下のような効果が得られる。
（１）ピストンリングの耐磨耗性が向上するため、リングの交換時間が延長される。
（２）シリンダに対する攻撃性が従来のピストンリング以下となるため、シリンダの交換頻度が少なくなる。
（３）ピストンリング及びシリンダの消耗が少なくなるため、運用コストが低下する。

以下、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
まず、ＰＴＦＥを基材とし、球状の炭素、青銅粉、及び二硫化モリブデンをそれぞれ図３の発明品１〜７の欄に示す比率で混合したものを、圧縮成型、熱処理、切削加工し、ピストンリング（発明品１〜７）を得た。また、比較品として、上記の材料及び炭素繊維やグラファイト等を、図３の比較品１〜７の欄に示す比率で混合したものを同様の手順で加工し、ピストンリング（比較品１〜６）を得た。

ここで、比較品１は発明品１の球状炭素に換えて炭素繊維を用いたもの、比較品２は発明品１の青銅粉及び二硫化モリブデンに換えて炭素繊維を用いたもの、比較品３は発明品１の青銅粉に換えてグラファイトを用いたもの、比較品４は発明品１の二硫化モリブデンに換えてグラファイトを用いたものである。また、比較品５，６は、球状炭素や青銅粉、あるいは二硫化モリブデンを用いず、炭素繊維とグラファイトのみを添加したものである。

そして、上記ピストンリングを、陽極酸化処理（アルマイト処理）が施されたアルミ合金製のシリンダを有する無給油式往復動圧縮機のピストン（径８２ｍｍ）に装着し、負荷１．０ＭＰａにて断続運転を行い、ピストンリング及びシリンダの摩耗量を測定するとともに、ピストンリングの引っ張り試験を行った。その結果を図４に示す。

図４の結果から、発明品のピストンリングを用いた場合には、ピストンリング、シリンダの摩耗量とも少ないことがわかる。一方、比較品１，６では、シリンダの摩耗量が多くなり、比較品２〜６では、ピストンリングの摩耗量が多くなる不都合が生じている。

図５は、青銅粉に換えて錫粉を用いた場合の例である。ここで、比較品７は発明品８の球状炭素に換えて炭素繊維を用いたもの、比較品８は発明品８の二硫化モリブデンに換えてグラファイトを用いたものである。

これらのピストンリングを用いた試験結果を図６に示す。図６の結果から、発明品のピストンリングを用いた場合には、金属粉末として錫粉を用いても、ピストンリング、シリンダの摩耗量とも少ないことがわかる。一方、比較品７では、シリンダの摩耗量が多くなり、比較品８では、ピストンリングの摩耗量が多くなる不都合が生じている。

無給油式往復動圧縮機の構造の例を示す要部断面図である。 給油式往復動圧縮機の構造の例を示す要部断面図である。 本発明の実施形態におけるピストンリングの組成を示す図である。 図３に示す組成のピストンリングの試験結果を示す図である。 本発明の実施形態におけるピストンリングの組成を示す図である。 図５に示す組成のピストンリングの試験結果を示す図である。

符号の説明

１ ピストン
２ ピストンリング
４ シリンダ

Claims (7)

1. ＰＴＦＥを基材とし、強化材や潤滑材等を充填したピストンリングと、このピストンリングが環装されたピストンと、このピストンが摺動自在に支持された金属製のシリンダとを具備する往復動流体機械において、
   前記ピストンリングに、潤滑材及び球状の炭素材を充填したことを特徴とする往復動流体機械。
2. 前記炭素材の充填量が５〜２０％であることを特徴とする請求項１記載の往復動流体機械。
3. 前記潤滑材が金属粉末を含有することを特徴とする請求項１または２記載の往復動流体機械。
4. 前記金属粉末が二硫化モリブデンを含有することを特徴とする請求項３記載の往復動流体機械。
5. 二硫化モリブデンの含有量が２〜１０％であることを特徴とする請求項４記載の往復動流体機械。
6. 前記金属粉末が、青銅粉及び／または銅粉及び／または錫粉を含有することを特徴とする請求項３，４または５記載の往復動流体機械。
7. 前記青銅粉及び／または銅粉及び／または錫粉の含有量が５〜２０％であることを特徴とする請求項６記載の往復動流体機械。

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