JP2012031756A - 無給油式往復動型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐久性を発揮可能な無給油式往復動型圧縮機を提供する。
【解決手段】本発明の無給油式往復動型圧縮機は、シリンダボア５ａが形成されたハウジング５と、シリンダボア５ａ内を往復動し、外周面にリング溝２０ａが形成されたピストン２０と、リング溝２０ａに嵌合され、ピストン２０の往復動によってシリンダボア５ａと摺接するピストンリング２０ｂとを備えている。シリンダボア５ａとピストン２０との間には潤滑油が供給されない。ピストンリング２０ｂはＰＴＦＥを主体としている。シリンダボア５ａの内周面には、バインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末及び無機充填材を含有する摺動層５ｂが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダボアとピストンとの間に潤滑油が供給されない無給油式往復動型圧縮機に関する。

往復動型圧縮機は、シリンダボアが形成されたハウジングと、シリンダボア内を往復動するピストンとを備えている。この種の圧縮機において、ピストンの外周面にリング溝が形成され、リング溝にピストンリングが嵌合されることがある。ピストンリングは、ピストンの往復動によってシリンダボアと摺接する。

シリンダボアとピストンとの間に潤滑油が供給されない無給油式往復動型圧縮機の場合、アルマイト又は鋳鉄によってシリンダボアを形成するとともに、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を主体とするピストンリングが採用され得る（例えば、特許文献１〜４）。

特開平８−２５２５０７号公報 特開２００５−２４８７２９号公報 特開平１１−２７０６８０号公報 特開２００９−６３１７４号公報

しかし、無給油式往復動型圧縮機において、金属製のシリンダボアに対し、ＰＴＦＥを主体とするピストンリングを摺動させると、ピストンリングが大きく摩耗する。このため、長期の使用によってシリンダボア内をピストンが直接摺動することもあり、圧縮機の耐久性が懸念される。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、優れた耐久性を発揮可能な無給油式往復動型圧縮機を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の無給油式往復動型圧縮機は、シリンダボアが形成されたハウジングと、該シリンダボア内を往復動し、外周面にリング溝が形成されたピストンと、該リング溝に嵌合され、該ピストンの往復動によって該シリンダボアと摺接するピストンリングとを備え、該シリンダボアと該ピストンとの間に潤滑油が供給されない無給油式往復動型圧縮機において、
前記ピストンリングはＰＴＦＥを主体とし、
前記シリンダボアの内周面には、バインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末及び無機充填材を含有する摺動層が形成されていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の無給油式往復動型圧縮機では、ピストンがシリンダボア内を往復動すると、シリンダボアとピストンとの間に潤滑油が供給されない状態の下、ＰＴＦＥを主体とするピストンリングがバインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末及び無機充填材を含有する摺動層上を摺動する。

ＰＴＦＥ同士の摺動は、特開２００７−２４６８３６号等に記載されているように、相手材に自己のＰＴＦＥを移着させて摩擦係数を下げるとともに、摩耗量を少なくする。また、ＰＴＦＥを主体とするピストンリング等の摺動部材は、充填材の種類によって摩擦特性、摩耗特性に特徴が発揮されることも知られている（三菱電線工業時報「充てん材による四ふっ化エチレン樹脂の摩擦・摩耗挙動への影響について」松浦王昭及び加納康司著、２００４年４月）。

しかしながら、本発明に係るピストンリングと摺動層との間の摺動時の挙動、両者による摩擦特性及び摩耗特性等は知られていない。発明者らは、無給油式往復動型圧縮機において、本発明に係るピストンリング及び摺動層を採用することにより、ピストンリング及び摺動層が低い摩擦係数を発揮しつつ実用的に少ない摩耗量を実現できることを発見し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、上記公知の技術からすれば、ＰＴＦＥ同士の摺動を無給油式往復動型圧縮機に採用した場合、つまり、無給油式往復動型圧縮機において、ＰＴＦＥを主体とするピストンリングを採用しつつ、シリンダボアの内周面にＰＴＦＥからなる摺動層を形成した場合には、ＰＴＦＥ同士の摺動と同様、相手材に自己のＰＴＦＥを移着させて摩擦係数を下げることは可能であると考えられる。しかし、発明者らの試験結果によれば、この場合には、ピストンリング及び摺動層の摩耗量が無給油式往復動型圧縮機としては依然として多い。ＰＴＦＥを主体とするピストンリングは摩耗量の減少、圧縮特性の向上、剛性の上昇、熱的寸法安定性の向上、硬度の上昇等を目的として銅系粉末等が含まれるため、摺動層がＰＴＦＥだけからなる場合には、摺動層の耐摩耗性が十分でなく、摺動層が大きく摩耗するとともに、ＰＴＦＥ同士のなじみ効果が打ち消されてピストンリングも大きく摩耗したものと考えられる。

この点、本発明の無給油式往復動型圧縮機では、摺動層中において、無機充填材がバインダ樹脂によって結合されている。このため、摺動層の耐摩耗性が向上し、摺動層が摩耗し難くなっているとともに、ＰＴＦＥ同士のなじみ効果が維持されてピストンリングも摩耗し難くなっているものと考えられる。特に、摺動層中のＰＴＦＥ粉末がバインダ樹脂によって結合されていることから、相手材であるピストンリングへの移着量がバインダ樹脂によって制御され、ＰＴＦＥ同士のなじみ効果が維持され易いと考えられる。

したがって、本発明の無給油式往復動型圧縮機では、ピストンリング及び摺動層が低い摩擦係数を発揮しつつ実用的に少ない摩耗量を実現し、優れた耐久性を発揮することが可能である。

本発明の無給油式往復動型圧縮機において、ピストンリングはＰＴＦＥを主体とするものであれば、種々のものが適宜選択され得る。ＰＴＦＥが主体とは、ＰＴＦＥが４０質量％以上含有され、銅系粉末等の充填材が６０質量％未満であることをいう。充填材としては、銅系粉末の他、ガラス繊維、カーボン又はグラファイト、カーボン繊維、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、耐熱性樹脂、着色料、カップリング剤等が採用され得る。

発明者らの試験結果によれば、摺動層はカップリング剤を含有していることが好ましい（請求項２）。カップリング剤がバインダ樹脂とＰＴＦＥ粉末又は無機充填材との結合力を安定させるためであると考えられる。

カップリング剤としては、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤等を採用することができる。発明者らの試験結果によれば、カップリング剤として、シランカップリング剤を採用することが好ましい。シランカップリング剤としては、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、２−（３、４エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、ｐ−スチリルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−トリエトキシシリル−Ｎ−（１、３−ジメチル−ブチリデン）プロピルアミン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（ビニルベンジル）−２−アミノエチル−３−アミノプロピルトリメトキシシランの塩酸塩、特殊アミノシラン、３−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、３−クロロプロピルトリメトキシシラン、３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス（トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、３−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等を採用することができる。

本発明の無給油式往復動型圧縮機において、バインダ樹脂及び無機充填材は種々のものが適宜選択され得る。バインダ樹脂としては、ポリアミドイミド及びポリイミド等からなるポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の耐熱性に優れたものを採用することができる。コスト及びバインダ樹脂としての特性を考慮すると、ポリアミドイミドが最適である。摺動層用塗料組成物はこれらのバインダ樹脂の未硬化のものを用いる。無機充填材としては、ＴｉＯ₂粉末、ＭｏＳ₂粉末、グラファイト粉末、ＣａＦ₂粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＳｉＯ₂粉末、ＳｉＣ粉末等を採用することができる。

発明者らの試験結果によれば、バインダ樹脂はポリアミドイミドであり、無機充填材は、ＴｉＯ₂粉末及びＣａＦ₂粉末の少なくとも１種であることが好ましい（請求項３）。発明者らの試験結果によれば、特に、無機充填材はＴｉＯ₂粉末を有することが好ましい（請求項４）。ＴｉＯ₂粉末を無機充填材として用いた摺動層は耐摩耗性及び耐焼付き性の点で良好である。これは、特にＴｉＯ₂粉末はバインダ樹脂への分散性が優れていることから、摺動層の表面平滑性及びＰＴＦＥ粒子の脱落防止において優れた効果を発揮することにより、耐摩耗性の向上が著しいと考えられる。なお、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型のいずれのＴｉＯ₂粉末も採用することもできるが、光触媒作用によるバインダ樹脂の劣化及びコストを考慮すると、ルチル型のＴｉＯ₂粉末が最適である。

発明者らの試験結果によれば、摺動層は、ＰＴＦＥ粉末の質量／バインダ樹脂の質量が０．２〜０．４であることが好ましい（請求項５）。ＰＴＦＥ粉末の質量／バインダ樹脂の質量（以下、Ｐ／Ｂと記載する。）が０．２未満では、ＰＴＦＥ同士の摺動による摩擦係数の低減効果が得られ難く、ピストンリングの摩耗量が大きい。また、この場合、ピストンリングの充填材が表面に現れてシリンダボアの摺動層が引っ掛かれ易いため、摺動層も摩耗し易い。Ｐ／Ｂが０．４を超えると、摺動層が軟質になって摩耗し易く、摩耗した部分にピストンリングの摩耗粉が貯まり、その摩耗粉がピストンリングを攻撃し、ピストンリングも摩耗し易い。

実施例の無給油式往復動型圧縮機の全体を示す断面図である。 実施例の無給油式往復動型圧縮機の一部を拡大して示す拡大断面図である。 試験１〜３で使用した試験装置を示し、図（Ａ）は側面図、図（Ｂ）は上面図である。 試験１に係り、試験品毎のピストンリングの摩耗量と摺動層の摩耗量とを示すグラフである。 試験２に係り、Ｐ／Ｂとピストンリングの摩耗量との関係を示すグラフである。 試験２に係り、Ｐ／Ｂと摺動層の摩耗量との関係を示すグラフである。 試験３に係り、カップリング剤の有無とピストンリング及び摺動層の摩耗量との関係を示すグラフである。

（実施例）
以下、本発明の無給油式往復動型圧縮機を多段圧縮機に具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。

実施例の多段圧縮機は、図１に示すように、３段に気体を圧縮するものである。この多段圧縮機は、カムケース１と、第１〜３エンドプレート２〜４と、第１〜３シリンダブロック５〜７と、第１〜３シリンダヘッド８〜１０とを備えている。カムケース１、第１〜３エンドプレート２〜４、第１〜３シリンダブロック５〜７及び第１〜３シリンダヘッド８〜１０がハウジングである。

カムケース１は中心軸線Ｏに直交する断面で見てＹ字形状をしており、その内部には同じくＹ字形状のカム室１ａが形成されている。カム室１ａ内には、中心軸線Ｏに沿って延びる駆動軸１１が図示しないモータによって回転可能に設けられており、駆動軸１１には中心軸線Ｏ回りに回転可能なカム１２が固定されている。カム１２の外周面がプロフィールとされている。

中心軸線Ｏから放射方向に延びるカムケース１の三つの先端にはそれぞれ第１〜３エンドプレート２〜４を介して第１〜３シリンダブロック５〜７が固定されている。

図２に示すように、第１エンドプレート２にはボス２ａがカム室１ａに向かって形成されており、ボス２ａには中心軸線Ｏから離れる方向に延びる軸孔２ｂが貫設されている。第１シリンダブロック５には軸孔２ｂと同心で中心軸線Ｏから離れる方向に延びる第１シリンダボア５ａが貫設されている。

第１シリンダブロック５の先端には、第１弁ユニット１３を介して第１シリンダヘッド８が接合されている。第１弁ユニット１３は、吸入ポート１４ａ及び吐出ポート１４ｂが貫設された弁板１４と、第１シリンダボア５ａ側で弁板１４に当接されて吸入ポート１４ａを閉じ得る吸入弁１５と、第１シリンダボア５ａとは逆側で弁板１４に当接されて吐出ポート１４ｂを閉じ得る吐出弁１６とからなる。吸入弁１５及び吐出弁１６は差圧によって弾性変形するようになっている。

第１シリンダヘッド８には、第１吸入室８ａ及び第１吐出室８ｂが形成されている。第１吸入室８ａは吸入ポート１４ａ及び吸入弁１５を介して第１シリンダボア５ａと連通するようになっている。第１吐出室８ｂは吐出弁１６及び吐出ポート１４ｂを介して第１シリンダボア５ａと連通するようになっている。

第１エンドプレート２の軸孔２ｂ内には、第１ピストンロッド１７が往復動可能に収納されており、軸孔２ｂと第１ピストンロッド１７との間には軸封装置４１が設けられている。第１ピストンロッド１７の一端にはカム１２と摺接する第１フランジ１８が固定されており、第１ピストンロッド１７の他端には第１ピストンヘッド１９が固定されている。第１ピストンヘッド１９、第１ピストンロッド１７及び第１フランジ１８によって第１ピストン２０が構成されている。

第１フランジ１８には、ばね座１８ａが形成されており、第１エンドプレート２とばね座１８ａとの間には、第１ピストン２０を下死点側に付勢する第１コイルばね２１が設けられている。第１シリンダボア５ａにおける第１ピストンヘッド１９と第１弁ユニット１３との間が第１圧縮室２２とされている。

第１ピストンヘッド１９の外周面には第１リング溝２０ａが凹設されており、第１リング溝１９ａには第１ピストンリング２０ｂが嵌合されている。第１ピストンリング２０ｂは、ＰＴＦＥを主体とし、銅系粉末等を充填材として含有するものである。これら第１リング溝２０ａ及び第１ピストンリング２０ｂは１条には限られない。

第１シリンダボア５ａの内周面には第１摺動層５ｂが形成されている。第１摺動層５ｂは、バインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末、無機充填材及びカップリング剤を含有する摺動層用塗料組成物を第１シリンダボア５ａの内周面に塗布し、硬化させたものである。バインダ樹脂としてはポリアミドイミドを採用し、無機充填材としてはＴｉＯ₂粉末を採用し、カップリング剤としてはシランカップリング剤を採用している。

図１に示す第２、３エンドプレート３、４、第２、３シリンダブロック６、７、第２、３シリンダボア６ａ、７ａ、第２、３シリンダヘッド９、１０、第２、３弁ユニット２３、２４、第２、３ピストン２５、２６、第２、３リング溝２５ａ、２６ａ、第２、３ピストンリング２５ｂ、２６ｂ、第２、３摺動層６ｂ、７ｂ及び第２、３コイルばね２７、２８もそれぞれ上記と同様の構成である。そして、第２、３ピストン２５、２６と第２、３弁ユニット２３、２４との間は、それぞれ第２、３圧縮室２９、３０とされている。第２圧縮室２９は、第２弁ユニット２３を介して第２吸入室９ａ及び第２吐出室９ｂと連通している。第３圧縮室３０は、第３弁ユニット２４を介して第３吸入室１０ａ及び第３吐出室１０ｂと連通している。

この多段圧縮機では、第１〜３ピストン２０、２５、２６のストロークは同じであるが、前段から後段に向けて順に第１〜３圧縮室２２、２９、３０の容積が小さくなっている。つまり、この多段圧縮機では、第１圧縮室２２における気体の圧縮行程が第１段目の圧縮行程となり、第２圧縮室２９における気体の圧縮行程が第２段目の圧縮行程となり、第３圧縮室３０における気体の圧縮行程が最終である第３段目の圧縮行程となる。また、第１〜３シリンダボア５ａ〜７ａは、それぞれカム１２の回転方向に沿って、所定の角度で配置されている。

第１吸入室８ａには、図示しない気体の供給元であるボンベ等から延びる吸入管１０１が接続されている。また、第１吐出室８ｂと第２吸入室９ａとは配管１０２によって接続されている。さらに、第２吐出室９ｂと第３吸入室１０ａとは配管１０３によって接続されている。そして、第３吐出室１０ｂには吐出管１０４が接続されており、吐出管１０４は図示しない気体の供給先へと接続されている。

以上のように構成された多段圧縮機では、カム１２が１回転する間に、例えば天然ガス等の気体が第１圧縮室２２で昇圧され、第２圧縮室２９でさらに昇圧され、第３圧縮室３０でさらに昇圧される。こうして、第１〜３圧縮室２２、２９、３０が３段に気体を圧縮する。

この間、この多段圧縮機では、第１〜３ピストン２０、２５、２６が第１〜３シリンダボア５ａ〜７ａ内を往復動すると、第１〜３シリンダボア５ａ〜７ａと第１〜３ピストン２０、２５、２６との間に潤滑油が供給されない状態の下、第１〜３ピストンリング２０ｂ、２５ｂ、２６ｂが第１〜３摺動層５ｂ、６ｂ、７ｂ上を摺動する。ここで、この多段圧縮機では、第１〜３ピストンリング２０ｂ、２５ｂ、２６ｂ及び第１〜３摺動層５ｂ、６ｂ、７ｂが特定のものであるため、第１〜３ピストンリング２０ｂ、２５ｂ、２６ｂ及び第１〜３摺動層５ｂ、６ｂ、７ｂが低い摩擦係数を発揮しつつ実用的に少ない摩耗量を実現する。

したがって、この多段圧縮機では、優れた耐久性を発揮することが可能である。

（試験１）
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す試験装置を用い、ピストンリングの摩耗量及び摺動層の摩耗量を測定した。試験装置は、試験品１〜７の摺動層を相手材５１として固定した固定具５２と、ＰＴＦＥを主体とし、銅系粉末等を充填材として含有するピストンリング５３を保持した保持具５４とからなる。相手材５１の摺動面５１ａはφ４３（ｍｍ）の円弧状に形成されている。

試験品１はバインダ樹脂、ＴｉＯ₂粉末、ＣａＦ₂粉末及びシランカップリング剤からなるものであり、試験品２〜５はバインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末、ＴｉＯ₂粉末、ＣａＦ₂粉末及びシランカップリング剤からなるものであり、試験品６はアルミニウム合金（ＡＨＳ−Ｔ６）であり、試験品７はバインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末、ＴｉＯ₂粉末及びＣａＦ₂粉末からなるものである。表１に試験品１〜５、７の組成を示す。

ピストンリング５３と相手材５１との間の荷重１００Ｎ（面圧３．５ＭＰａ）、ピストンリング５３と相手材５１との間の摺速０．６７ｍ／秒、ピストンリング５３と相手材５１との間の温度１２０°Ｃの条件で試験を行い、４時間後のピストンリング５３の摩耗量（μｍ）及び摺動層の摩耗量（μｍ）を確認した。結果を図４及び表２に示す。

図４及び表２より、試験品２〜５、７の摺動層では、試験品１、６の摺動層と比較し、ピストンリングの摩耗量が大きく低減されることがわかった。

（試験２）
試験１の結果をＰＴＦＥ粉末の質量／バインダ樹脂の質量（Ｐ／Ｂ）で評価した。結果を図５及び図６に示す。

図５及び図６より、摺動層はＰ／Ｂが０．２〜０．４であることが好ましいことがわかる。

（試験３）
また、カップリング剤による効果をさらに確認するため、Ｐ／Ｂ＝０．４である試験品４の摺動層と、試験品４からシランカップリング剤を抜いた試験品７の摺動層とを用意し、同様にピストンリング５３の摩耗量（μｍ）及び摺動層の摩耗量（μｍ）を求めた。結果を図７に示す。

図７より、試験品４の組成において、カップリング剤の有無がピストンリング及び摺動層の耐摩耗性に寄与することがわかる。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は、天然ガスの充填装置等に利用可能な圧縮機に利用可能である。

５ａ、６ａ、７ａ…シリンダボア
１、２〜４、５〜７、８〜１０…ハウジング
２０ａ、２５ａ、２６ａ…リング溝
２０、２５、２６…ピストン
２０ｂ、２５ｂ、２６ｂ…ピストンリング
５ｂ、６ｂ、７ｂ…摺動層

Claims (5)

1. シリンダボアが形成されたハウジングと、該シリンダボア内を往復動し、外周面にリング溝が形成されたピストンと、該リング溝に嵌合され、該ピストンの往復動によって該シリンダボアと摺接するピストンリングとを備え、該シリンダボアと該ピストンとの間に潤滑油が供給されない無給油式往復動型圧縮機において、
   前記ピストンリングはＰＴＦＥを主体とし、
   前記シリンダボアの内周面には、バインダ樹脂、ＰＴＦＥ粉末及び無機充填材を含有する摺動層が形成されていることを特徴とする無給油式往復動型圧縮機。
2. 前記摺動層はカップリング剤を含有している請求項１記載の無給油式往復動型圧縮機。
3. 前記バインダ樹脂はポリアミドイミドであり、前記無機充填材は、ＴｉＯ₂粉末及びＣａＦ₂粉末の少なくとも１種である請求項１又は２記載の無給油式往復動型圧縮機。
4. 前記無機充填材はＴｉＯ₂粉末を有する請求項３記載の無給油式往復動型圧縮機。
5. 前記摺動層は、前記ＰＴＦＥ粉末の質量／前記バインダ樹脂の質量が０．２〜０．４である請求項１乃至４のいずれか１項記載の無給油式往復動型圧縮機。

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