JP2020112131A - ガス圧縮機及びガス圧縮機の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスを圧縮する際に、高純度の圧縮ガスを出力し、かつ、摺動部材の摩耗による交換寿命を延ばすことができるガス圧縮機及びガス圧縮機の製造方法を提供する。
【解決手段】ガスを圧縮するガス圧縮機は、シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。前記第１摺動部材及び前記被摺動部材の両方の摺動面に非晶質炭素膜が形成されており、前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜において、前記非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、前記表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い。
【選択図】図４
【解決手段】ガスを圧縮するガス圧縮機は、シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。前記第１摺動部材及び前記被摺動部材の両方の摺動面に非晶質炭素膜が形成されており、前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜において、前記非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、前記表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い。
【選択図】図４
Description
本発明は、ガスを圧縮するガス圧縮機及びガス圧縮機の製造方法に関する。
ガスを圧縮するガス圧縮機は、シリンダライナと、シリンダライナの内部空間を往復するピストン及びこのピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材を備え、ピストン部材とシリンダライナとの接触する部分には、摩擦力の小さい樹脂製リングが用いられる。樹脂製リングは、例えば、ピストンリング、ライダーリング、ロッドパッキン等である。
ライダーリングはピストンとシリンダライナの金属接触を防止するための摺動部材であり、ピストンリングは圧縮したガスの漏れを防止するためにシールする機能を有する摺動部材であり、これらの摺動部材はピストンの外周に設けられている。ロッドパッキンは、ピストンロッドに沿ったガス漏れを防止するためにシールする機能を有する摺動部材である。
ライダーリングはピストンとシリンダライナの金属接触を防止するための摺動部材であり、ピストンリングは圧縮したガスの漏れを防止するためにシールする機能を有する摺動部材であり、これらの摺動部材はピストンの外周に設けられている。ロッドパッキンは、ピストンロッドに沿ったガス漏れを防止するためにシールする機能を有する摺動部材である。
ガス圧縮機では、ガス圧縮機によって圧縮されたガス中に、オイル成分が含まれないよう、無給油式ガス圧縮機が用いられる。このため、ピストンリング、ライダーリング、ロッドパッキンの表面部分には潤滑油は設けられない。このため、ピストンリング、ライダーリング、ロッドパッキンには、被摺動部材との間の摩擦を小さくするために、摩擦係数の低い材料が用いられる。例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド等の樹脂が用いられる。これらの材料は、金属製の被摺動部材に対する摩擦力が小さいため、摩耗寿命は長くなる。
例えば、圧力及び高圧の動作条件の下で使用される往復圧縮機における摺動面の耐摩耗性を長期間にわたり維持できる封止要素が知られている（特許文献１）。
具体的には、封止要素は、潤滑剤が封入された複数のマイクロカプセルが内部に分散されているＰＥＥＫ、ＰＢＳ（ポリブタジエン−スチレン）、あるいはＰＴＦＥ等の耐摩耗性ポリマーマトリクスから構成される。
具体的には、封止要素は、潤滑剤が封入された複数のマイクロカプセルが内部に分散されているＰＥＥＫ、ＰＢＳ（ポリブタジエン−スチレン）、あるいはＰＴＦＥ等の耐摩耗性ポリマーマトリクスから構成される。
しかし、当該封止要素の内部には潤滑剤が分散させているため、無給油式ガス圧縮機に用いることはできない。特に、圧縮機で水素を高圧に圧縮して燃料電池自動車に充填する場合、水素は高純度の品質が求められるので、上記封止要素の適用は不適である。
そこで、本発明は、ガスを圧縮する際に、純度の高い圧縮ガスを送出し、かつ、摺動部材の摩耗による交換寿命を伸ばすことができるガス圧縮機及びガス圧縮機の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、ガスを圧縮するガス圧縮機である。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。
前記第１摺動部材及び前記被摺動部材の両方の摺動面に非晶質炭素膜が形成されており、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜において、前記非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、前記表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。
前記第１摺動部材及び前記被摺動部材の両方の摺動面に非晶質炭素膜が形成されており、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜において、前記非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、前記表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い。
前記第１摺動部材は、フッ素を含む樹脂材料で構成され、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量が、前記表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない、ことが好ましい。
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量が、前記表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない、ことが好ましい。
前記第１摺動部材は、硫黄を含む添加材を含む樹脂材料で構成され、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まない、ことが好ましい。
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まない、ことが好ましい。
前記第１摺動部材は、脱硫処理部材である、ことが好ましい。
前記ガス圧縮機は、水素ガスを吸入して圧縮して送出する圧縮機である、ことが好ましい。
本発明の他の一態様は、ガスを圧縮するガス圧縮機である。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記被摺動部材に対して相対的に摺動する、前記第１摺動部材に比べて炭素の含有量が多いリング状の第２摺動部材と、を備える。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記被摺動部材に対して相対的に摺動する、前記第１摺動部材に比べて炭素の含有量が多いリング状の第２摺動部材と、を備える。
本発明のさらに他の一態様は、ガスを圧縮するガス圧縮機の製造方法である。
当該ガス圧縮機は、シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。
前記ガス圧縮機の製造方法は、 前記第１摺動部材あるいは前記被摺動部材の表面部分に炭素を主成分とする炭素膜を形成するステップと、
前記ピストン部材を駆動して、前記被摺動部材に対して前記第１摺動部材を相対的に摺動させることにより、前記炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、前記第１摺動部材の摺動面及び前記被摺動部材の被摺動面に形成するステップと、を有する。
当該ガス圧縮機は、シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。
前記ガス圧縮機の製造方法は、 前記第１摺動部材あるいは前記被摺動部材の表面部分に炭素を主成分とする炭素膜を形成するステップと、
前記ピストン部材を駆動して、前記被摺動部材に対して前記第１摺動部材を相対的に摺動させることにより、前記炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、前記第１摺動部材の摺動面及び前記被摺動部材の被摺動面に形成するステップと、を有する。
本発明のさらに他の一態様も、ガスを圧縮するガス圧縮機の製造方法である。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、前記被摺動部材に対して相対的に摺動する、前記第１摺動部材に比べて炭素の含有量が多い樹脂製のリング状の第２摺動部材と、を備える。
前記ガス圧縮機の製造方法は、 前記ピストン部材を駆動して、前記第１摺動部材及び前記第２摺動部材を前記被摺動部材に対して摺動させることにより、前記第２摺動部材に由来する炭素による非晶質炭素膜を前記被摺動部材及び前記第１摺動部材及び前記第２摺動部材の摺動面に形成するステップ、を有する。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、前記被摺動部材に対して相対的に摺動する、前記第１摺動部材に比べて炭素の含有量が多い樹脂製のリング状の第２摺動部材と、を備える。
前記ガス圧縮機の製造方法は、 前記ピストン部材を駆動して、前記第１摺動部材及び前記第２摺動部材を前記被摺動部材に対して摺動させることにより、前記第２摺動部材に由来する炭素による非晶質炭素膜を前記被摺動部材及び前記第１摺動部材及び前記第２摺動部材の摺動面に形成するステップ、を有する。
前記第２摺動部材を前記ガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をするステップを、有することが好ましい。
前記第１摺動部材を前記ガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をするステップを、有することが好ましい。
前記非晶質炭素膜における表面部分の炭素の含有量は、前記表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い、ことが好ましい。
前記摺動部材は、フッ素を含む樹脂材料で構成され、
前記非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量は、前記表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない、ことが好ましい。
前記非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量は、前記表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない、ことが好ましい。
前記摺動部材は、硫黄を含む添加剤を含む樹脂材料で構成され、
前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まない、ことが好ましい。
前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まない、ことが好ましい。
前記ガス圧縮機は、水素ガスを吸入して圧縮して送出する、ことが好ましい。
上述のガス圧縮機及びガス圧縮機の製造方法によれば、純度の高い圧縮ガスを送出し、かつ、摺動部材の摩耗による交換寿命を伸ばすことができる。
以下、一実施形態のガス圧縮機を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態のガス圧縮機１０の全体構成を示す構成図である。ガス圧縮機１０は駆動部３により駆動される。
ガス圧縮機１０は、図示されないタンクと吸込配管１２を介して連通された圧縮室（シリンダーの内部空間）１４を有するシリンダ１６と、このシリンダ１６内に往復摺動可能に配置されたピストン１８とを備える。詳細には、シリンダ１６内にはシリンダライナが設けられ、シリンダライナの内部空間をピストン１８が往復する。タンク内に貯留されたガスをピストン１８の往復摺動によりシリンダ１６の圧縮室１４内に吸い込んで高圧（例えば２０〜８０ＭＰａ）に圧縮するように構成されている。圧縮室１４の上方には、シリンダヘッド２４が設けられている。シリンダヘッド２４には、ガスの吸入弁及び吐出弁が設けられている。圧縮された圧縮ガスは、吐出弁及び吐出配管２０を通して送出されるようになっている。吐出配管２０には圧縮された圧縮ガスを冷却するためのクーラ２２が設けられている。
駆動部３は、ピストンロッド３１と、クロスヘッド３３と、連接棒３４と、クランクシャフト３６と、動力伝達機構３７と、駆動モータ３８とを備える。
ピストンロッド３１は、ピストン１８の基端に一端が連結されている。
クロスヘッド３３は、ピストンロッド３１の他端と連結しかつクロスヘッドガイド３２内に往復摺動可能に配置されている。
連接棒３４は、クロスヘッド３３に一端が連結されている。
クランクシャフト３６には、連接棒３４の他端が連結され、クランクシャフト３６はクランクケース３５の回転軸受に支持されている。
動力伝達機構３７は、プーリとベルトとを含む。
駆動モータ３８は、動力伝達機構３７を通してクランクシャフト３６に動力伝達可能に連結されている。したがって、駆動モータ３８の回転力によりクランクシャフト３６の回転及びクロスヘッドガイド３２内でのクロスヘッド３３の往復摺動を引き起こし、最終的にシリンダ１６内でのピストン１８の往復摺動を引き起こすようになっている。
ピストンロッド３１は、ピストン１８の基端に一端が連結されている。
クロスヘッド３３は、ピストンロッド３１の他端と連結しかつクロスヘッドガイド３２内に往復摺動可能に配置されている。
連接棒３４は、クロスヘッド３３に一端が連結されている。
クランクシャフト３６には、連接棒３４の他端が連結され、クランクシャフト３６はクランクケース３５の回転軸受に支持されている。
動力伝達機構３７は、プーリとベルトとを含む。
駆動モータ３８は、動力伝達機構３７を通してクランクシャフト３６に動力伝達可能に連結されている。したがって、駆動モータ３８の回転力によりクランクシャフト３６の回転及びクロスヘッドガイド３２内でのクロスヘッド３３の往復摺動を引き起こし、最終的にシリンダ１６内でのピストン１８の往復摺動を引き起こすようになっている。
図２は、ピストン１８及びピストンロッド３１付近を拡大して示す図である。ピストン１８には、ライダーリング５０が設けられている。ライダーリング５０は、ピストン１８とシリンダライナ１７の金属接触を防止するための摺動部材で、ピストン１８に設けられ、シリンダライナ１７を被摺動部材としてシリンダライナ１７に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状部材である。ライダーリング５０は、ピストン１８の外周に設けられた溝に配置されている。
ピストン１８には、複数のピストンリング５２が設けられている。ピストンリング５２は、圧縮室１４内の圧縮ガスがロッドパッキン５４側に漏れることのないようにピストン１８に設けられる。ピストンリング５２は、シリンダライナ１７と密に接触し、シリンダライナ１７を被摺動部材としてシリンダライナ１７に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状部材である。ピストンリング５２は、ピストン１８の外周に設けられた溝に配置されている。
シリンダ１６には、複数のロッドパッキン５４が設けられている。ロッドパッキン５４は、圧縮室１４内の圧縮ガスがピストンロッド３１の側に漏れることのないようにボトム側に設けられ、ピストンロッド３１と密に接触し、ピストンロッド３１を被摺動部材としてピストンロッド３１に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状部材である。ロッドパッキン５４は、シリンダ１６のボトム側に設けられたスペースに配置されている。
すなわち、ライダーリング５０、ピストンリング５２、及びロッドパッキン５４は、シリンダライナ１７あるいはピストンロッド３１を被摺動部材としてこの被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の摺動部材である。
すなわち、ライダーリング５０、ピストンリング５２、及びロッドパッキン５４は、シリンダライナ１７あるいはピストンロッド３１を被摺動部材としてこの被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の摺動部材である。
摺動部材は、被摺動部材との間の摩擦係数が小さくするために樹脂製であり、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド等の樹脂が用いられる。これらの樹脂には、耐久性向上のために、硫黄成分を含んだ添加材が含有されている。例えば、添加材としてＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂あるいは二硫化モリブデンが挙げられる。
このような摺動部材及び被摺動部材の両方の摺動面には非晶質炭素膜が形成されている。
この摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い。非晶質炭素膜は、樹脂との親和性が高く、金属製部材に比べて剥離しにくい。この非晶質炭素膜は、ダイヤモンドライクカーボンとなっているので高い硬度を有する。ダイヤモンドライクカーボンの摩擦係数は低いので、非晶質炭素膜の被摺動部材に対する摩擦係数は低く、その結果、摺動部材の摩耗による寿命長さは伸びる。
この摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い。非晶質炭素膜は、樹脂との親和性が高く、金属製部材に比べて剥離しにくい。この非晶質炭素膜は、ダイヤモンドライクカーボンとなっているので高い硬度を有する。ダイヤモンドライクカーボンの摩擦係数は低いので、非晶質炭素膜の被摺動部材に対する摩擦係数は低く、その結果、摺動部材の摩耗による寿命長さは伸びる。
このような非晶質炭素膜は、後述するように、非晶質炭素膜となる前の炭素膜を摺動部材の摺動面及び／または被摺動部材の摺動面に形成し、さらに、水素ガスを圧縮対象ガスとして、ピストン１８をシリンダライナ１７内で駆動させることにより得られる。
非晶質炭素膜の組成は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって調べることができる。ＸＰＳは、真空中で、Ｘ線を非晶質炭素膜が形成された試料に照射することにより、試料内から放出される光電子の運動エネルギを分光法で測定することで、試料の構成元素とその電子状態を分析することができる測定である。図３（ａ）〜（ｃ）は、被摺動部材の摺動面における非晶質炭素膜のＸＰＳ測定結果の一例を示す図である。図３（ａ）〜（ｃ）に示す例では、摺動部材の樹脂材料として添加剤としてＰＰＳを含有したＰＴＦＥを用いた。
図３（ａ）中の線Ｌ１は、非晶質炭素膜の表面部分のＸＰＳ測定結果であり、表面部分から数ｎｍまでの部分の情報を示し、線Ｌ２は、非晶質炭素膜の表面部分をプラズマにより４５．９ｎｍ除去した部分の情報を示す。
図３（ｂ）、（ｃ）は、ＸＰＳ測定結果中の一部分の光電子の運動エネルギを拡大して示した図である。
非晶質炭素膜の組成は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって調べることができる。ＸＰＳは、真空中で、Ｘ線を非晶質炭素膜が形成された試料に照射することにより、試料内から放出される光電子の運動エネルギを分光法で測定することで、試料の構成元素とその電子状態を分析することができる測定である。図３（ａ）〜（ｃ）は、被摺動部材の摺動面における非晶質炭素膜のＸＰＳ測定結果の一例を示す図である。図３（ａ）〜（ｃ）に示す例では、摺動部材の樹脂材料として添加剤としてＰＰＳを含有したＰＴＦＥを用いた。
図３（ａ）中の線Ｌ１は、非晶質炭素膜の表面部分のＸＰＳ測定結果であり、表面部分から数ｎｍまでの部分の情報を示し、線Ｌ２は、非晶質炭素膜の表面部分をプラズマにより４５．９ｎｍ除去した部分の情報を示す。
図３（ｂ）、（ｃ）は、ＸＰＳ測定結果中の一部分の光電子の運動エネルギを拡大して示した図である。
図３（ｂ）に示す運動エネルギの範囲は、炭素（ＳＰ３軌道）から放出される光電子の運動エネルギに該当する部分であり、図３（ｂ）中の５本の線は、プラズマによって表面部分を除去した測定結果を示す。具体的に、図３（ｂ）に示す線は、手前から奥側に向かって順に、０ｍｍ（除去なし）、２．７ｎｍ、８．１ｎｍ、１３．５ｎｍ、４５．９ｎｍ除去した測定結果を示す。炭素（ＳＰ３軌道）が放出する光電子の運動エネルギは２８５［ｅＶ］において光強度のピークを形成し、一方、炭素（ＳＰ２軌道）が放出する光電子の光強度のピークと異なり、炭素（ＳＰ３軌道）を識別することができる。５本の線のうち、最も手前の線が表面部分の測定結果であり、手前から奥側にすすむに連れて非晶質炭素膜の深い部分の測定結果を意味する。図３（ｂ）からわかるように、表面部分では炭素（ＳＰ３軌道）の含有量が最も多く、内部では、表面部分に比べて炭素（ＳＰ３軌道）の含有量が比べて少ない。これより、被摺動部材の摺動面には、炭素（ＳＰ３軌道）の含有量が多く、ダイヤモンドライクカーボン、すなわち非晶質炭素膜が形成しているといえる。このような被摺動部材の摺動面における非晶質炭素膜は、被摺動部材の摺動面の他に摺動部材の摺動面にも形成されていることがラマン光分析（試料から生じたラマン散乱光をスペクトルに分光して分析する手法）で確認されている。したがって、被摺動部材及び摺動部材の摺動面に、表面部分の炭素（ＳＰ３軌道）の含有量は内部に比べて多く、摩擦係数が小さい非晶質炭素膜が形成されるので、樹脂製のリング状部材の摩耗寿命が伸びる。
図３（ｃ）に示す運動エネルギの範囲は、フッ素から放出される光電子の運動エネルギに該当する部分であり、図３（ｃ）中の５本の線は、プラズマによって表面部分を除去した測定結果を示す。図３（ｃ）に示す線も、図３（ｂ）と同様に、手前から奥側に向かって順に、０ｍｍ（除去なし）、２．７ｎｍ、８．１ｎｍ、１３．５ｎｍ，４５．９ｎｍ除去した測定結果を示す。すなわち、５本の線のうち、最も手前の線が表面部分の測定結果であり、手前から奥側にすすむに連れて非晶質炭素膜の深い部分の測定結果を意味する。摺動部材は、ＰＴＦＥ製でありフッ素を含む樹脂材料で構成されるので、摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜においてもフッ素が含有している。しかし、図３（ｃ）からわかるように、非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量は、表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない。このため、非晶質炭素膜における表面部分の成分として、炭素（ＳＰ３軌道）が多く、ＳＰ３軌道による炭素の結合が多く存在しているといえる。
図３（ａ）の１７０［ｅＶ］付近は、硫黄から放出される光電子の運動エネルギに該当する部分であるが、図３（ａ）では、この付近には光強度のピークが存在しない。ＰＴＦＥには、耐久性向上のために、ＰＰＳ等の硫黄を含む添加材が充填されるが、非晶質炭素膜には見られない。これは、水素ガスを圧縮対象ガスとして、ピストン１８をシリンダライナ１７内で駆動させたとき、非晶質炭素膜の形成過程で、摺動部材が部分的に摩耗するとき、ＰＰＳの硫黄が水素ガスと反応して硫化水素として圧縮ガスに混入していると想定される。
したがって、非晶質炭素膜がフッ素や硫黄等の不純物を含まないためにも、摺動部材がフッ素を含む樹脂材料で構成される場合でも、摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量が、表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ないことが好ましい。また、摺動部材は、硫黄を含む添加材を含む樹脂材料で構成される場合でも、摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜は、硫黄を含まないことが好ましい。
このような非晶質炭素膜を効率よく作製するには、図４（ａ）〜（ｃ）に示すような方法を用いることが好ましい。
具体的には、摺動部材あるいは被摺動部材の表面部分に炭素を主成分（主成分とは、質量含有率で５０％超を有する成分をいう）とする炭素膜を形成する。この後、ピストン部材を駆動して、被摺動部材に対して摺動部材を相対的に摺動させることにより、炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、摺動部材の摺動面及び被摺動部材の被摺動面に形成する。
これにより、非晶質炭素膜における表面部分の炭素の含有量は、表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多くすることができる。
具体的には、摺動部材あるいは被摺動部材の表面部分に炭素を主成分（主成分とは、質量含有率で５０％超を有する成分をいう）とする炭素膜を形成する。この後、ピストン部材を駆動して、被摺動部材に対して摺動部材を相対的に摺動させることにより、炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、摺動部材の摺動面及び被摺動部材の被摺動面に形成する。
これにより、非晶質炭素膜における表面部分の炭素の含有量は、表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多くすることができる。
図４（ａ）〜（ｃ）は、摺動部材としてピストンリング５２を用い、被摺動部材としてシリンダライナ１７を用いて、非晶質炭素膜を形成する例を示す図である。図４（ａ）に示す例では、ピストンリング５２のシリンダライナ１７と接する摺動面に、炭素を主成分とする炭素膜６０を形成する。炭素膜６０は、圧縮ガスの生成のためにガス圧縮機を動作させてピストンリング５２がシリンダライナ１７に対して摺動することにより、トライボ・ケミカル反応により、炭素膜６０は、非晶質炭素膜になる。トライボ・ケミカル反応とは、摩擦しながら摺動する摺動面は、見かけ上の接触面積より非常に小さな接触部分で接しており、その部分は、摩擦に伴い高い圧力と温度に曝されて通常生じない化学反応を誘引する化学反応である。このように、ピストンリング５２の摺動面に炭素膜６０を形成することにより、ダイヤモンドライクカーボンである非晶質炭素膜を、ピストンリング５２の外周面及びシリンダライナ１７の内周面に効率よく形成することができる。
図４（ｂ）では、摺動部材としてピストンリング５２を用い、被摺動部材としてシリンダライナ１７を用い、シリンダライナ１７のピストンリング５２と接する摺動面に、炭素を主成分とする炭素膜６２を形成する。炭素膜６２は、圧縮ガスの生成のためにガス圧縮機を動作させてピストンリング５２がシリンダライナ１７に対して摺動することにより、トライボ・ケミカル反応により、炭素膜６２は、非晶質炭素膜になる。
この場合においても、シリンダライナ１７の摺動面に炭素膜６２を形成することにより、ダイヤモンドライクカーボンである非晶質炭素膜を、ピストンリング５２の外周面及びシリンダライナ１７の内周面に効率よく形成することができる。
この場合においても、シリンダライナ１７の摺動面に炭素膜６２を形成することにより、ダイヤモンドライクカーボンである非晶質炭素膜を、ピストンリング５２の外周面及びシリンダライナ１７の内周面に効率よく形成することができる。
炭素膜６０あるいは炭素膜６２をピストンリング５２あるいはシリンダライナ１７の摺動面に形成せずにガス圧縮機を動作させた場合、樹脂製のピストンリング５２が摩耗して樹脂の添加剤成分に含まれる炭素の成分が分離しても、トライボ・ケミカル反応により摺動面全面に摩擦係数の低い非晶質炭素膜は形成されない。しかも、図３（ｂ）に示すように表面部分における炭素含有量が内部に比べて高い非晶質炭素膜は形成されにくい。この点から、ピストンリング５２あるいはシリンダライナ１７の摺動面に、炭素膜６０あるいは炭素膜６２を予め形成することにより、一定の膜厚の非晶質炭素膜を摺動面全面に安定して形成することができる。
炭素膜６０のうち、非晶質炭素膜とならなかった余分なものは、生成された圧縮ガスとともに外部に送出される。
炭素膜６０のうち、非晶質炭素膜とならなかった余分なものは、生成された圧縮ガスとともに外部に送出される。
このような炭素膜６０、６２は、天然黒鉛を粉砕、粒子化した鱗状黒鉛粉末、あるいは土状黒鉛粉末を付着させて膜を形成してもよい。炭素膜６０、６２の炭素成分は黒鉛状のものに限らず、ガラス状炭素であってもよい。炭素膜６０、６２は、粉末状のものをピストンリング５２あるいはシリンダライナ１７の摺動面に付着させる場合の他に、黒鉛等を含んだスラリー状の液体を塗布、乾燥することにより形成することもできる。炭素膜６０、６２は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成することもできる。
図４（ｃ）では、摺動部材としてピストンリング５２、５３を用い、被摺動部材としてシリンダライナ１７を用いる。ピストンリング５３（第２摺動部材）は、ピストンリング５２（第１摺動部材）と同様に、被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の部材で、ピストンリング５２に比べて炭素（黒鉛）の含有量が多い。この場合においても、ガス圧縮機を駆動させて、すなわち、ピストン１８を駆動して、ピストンリング５２、５３を被摺動部材に対して摺動させることにより、ピストンリング５３に由来する炭素（黒鉛）による非晶質炭素膜をシリンダライナ１７及びピストンリング５２、５３の摺動面に形成する。この場合、ピストンリング５３の摩耗した微粒子からトライボ・ケミカル反応により非晶質炭素膜が形成される。この場合においても、ダイヤモンドライクカーボンである非晶質炭素膜を、ピストンリング５２、５３の外周面及びシリンダライナ１７の内周面に効率よく形成することができる。
なお、一実施形態によれば、ピストンリング５０、５２は、脱硫処理部材であることが、圧縮ガスの不純物を含ませない点から好ましい。例えば、脱硫処理として、ピストンリング５０、５２をガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をすることが好ましい。水素雰囲気中では、ピストンリング５０、５２中のＰＰＳ等に含まれる硫黄のうち、低分子中の硫黄が水素と反応して硫化水素ガスとなって、外部に放出され易い。このような硫黄をピストンリング５０、５２中から除去することにより、ピストンリング５０、５２由来の硫黄を含んだガスを圧縮ガスが不純物として含むことを抑制することができる。特に、水素ガスを圧縮ガスとしてガス圧縮機を駆動させる場合、ピストンリング５０、５２中の硫黄が水素と容易に反応して硫化水素ガスを生成して水素ガスに不純物として含まれる。例えば、圧縮した水素ガスを、燃料電池自動車に用いる場合、規格（ＩＳＯ−１４６８７−２：２０１２）において、全硫黄化合物（全ての硫黄化合物を硫化水素として定めた値）が０．００４ｐｐｍ以下であることが要求される。この点から、ピストンリング５０、５２は、脱硫処理部材であることが好ましく、例えば、ガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をすることが好ましい。また、ライダーリング５０及びロッドパッキン５４においても、同様の理由から、脱硫処理部材であることが好ましく、例えばガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をすることが好ましい。
水素雰囲気とは、例えば２００℃、５．５ＭＰａの雰囲気であり、水素雰囲気に、ピストンリング５０、５２、ライダーリング５０、及びロッドパッキン５４を例えば７時間放置する。なお、水素雰囲気圧力および水素雰囲気温度は、高圧・高温ほど、水素と硫黄の反応が促進されることから好ましいが、水素雰囲気温度は、過度に高くすると、ピストンリング５０、５２、ライダーリング５０、及びロッドパッキン５４の樹脂を損傷し易い。この点から、水素雰囲気温度は、１００℃〜２００℃であることが好ましい。
このように、ピストンリング５０、５２、ライダーリング５０、及びロッドパッキン５４に対して脱硫処理を施すことにより、例えば水素雰囲気中に曝露する処理を行うことにより、高純度の圧縮ガスを確保するために従来活性炭等を用いたフィルタの交換時期を大幅に伸ばすことができる。
水素雰囲気とは、例えば２００℃、５．５ＭＰａの雰囲気であり、水素雰囲気に、ピストンリング５０、５２、ライダーリング５０、及びロッドパッキン５４を例えば７時間放置する。なお、水素雰囲気圧力および水素雰囲気温度は、高圧・高温ほど、水素と硫黄の反応が促進されることから好ましいが、水素雰囲気温度は、過度に高くすると、ピストンリング５０、５２、ライダーリング５０、及びロッドパッキン５４の樹脂を損傷し易い。この点から、水素雰囲気温度は、１００℃〜２００℃であることが好ましい。
このように、ピストンリング５０、５２、ライダーリング５０、及びロッドパッキン５４に対して脱硫処理を施すことにより、例えば水素雰囲気中に曝露する処理を行うことにより、高純度の圧縮ガスを確保するために従来活性炭等を用いたフィルタの交換時期を大幅に伸ばすことができる。
以上説明したように、一実施形態によれば、摺動部材は、フッ素を含む樹脂材料で構成されるが、摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量は、表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない。したがって、非晶質炭素膜における表面部分における非晶質炭素膜中のフッ素は内部に比べて少なく、炭素の含有量が多いので、不純物が少ない非晶質炭素膜を形成することができ、摩耗特性も向上する。
また、一実施形態によれば、摺動部材は、硫黄を含む添加材を含む樹脂材料で構成されるが、摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜は硫黄を含まない。したがって、不純物が少ない非晶質炭素膜、すなわちダイヤモンドライクカーボンの膜を形成することができ、摩耗特性は向上する。
さらに、上記摺動部材は、脱硫処理部材であり、例えば予め水素雰囲気に曝露した部材である。摺動部材には、樹脂中に硫黄を含む添加材、例えば耐摩耗性向上のための補強材が含まれる。しかし、この硫黄の一部は、圧縮ガス中に不純物ガスとなる場合がある。特に、水素ガスを圧縮ガスとする場合、水素と反応して硫化水素ガスとなり易い。このため、不純物ガスを生成し難くするために、脱硫処理が施される、例えば、予め水素雰囲気に曝露した摺動部材が、ライダーリング５０、ピストンリング５２、及びロッドパッキン５４に用いられる。
また、一実施形態によれば、摺動部材は、硫黄を含む添加材を含む樹脂材料で構成されるが、摺動面それぞれに形成される非晶質炭素膜は硫黄を含まない。したがって、不純物が少ない非晶質炭素膜、すなわちダイヤモンドライクカーボンの膜を形成することができ、摩耗特性は向上する。
さらに、上記摺動部材は、脱硫処理部材であり、例えば予め水素雰囲気に曝露した部材である。摺動部材には、樹脂中に硫黄を含む添加材、例えば耐摩耗性向上のための補強材が含まれる。しかし、この硫黄の一部は、圧縮ガス中に不純物ガスとなる場合がある。特に、水素ガスを圧縮ガスとする場合、水素と反応して硫化水素ガスとなり易い。このため、不純物ガスを生成し難くするために、脱硫処理が施される、例えば、予め水素雰囲気に曝露した摺動部材が、ライダーリング５０、ピストンリング５２、及びロッドパッキン５４に用いられる。
また、一実施形態によれば、摺動部材として、被摺動部材に対して相対的に摺動する、他の摺動部材（第１摺動部材）に比べて炭素の含有量が多いリング状の摺動部材（第２摺動部材）を備える。この炭素の含有量が多いリング状の摺動部材は、摺動による摩耗によって分離した樹脂中の炭素の成分がトライボ・ケミカル反応により、一定の膜厚の非晶質炭素膜を安定して形成することができる。
また、炭素の含有量が多いリング状の摺動部材（第２摺動部材）は、脱硫処理部材であることが好ましく、例えばガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をすることが、圧縮ガスに不純物ガスを含めないようにできる点から好ましい。
また、炭素の含有量が多いリング状の摺動部材（第２摺動部材）は、脱硫処理部材であることが好ましく、例えばガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をすることが、圧縮ガスに不純物ガスを含めないようにできる点から好ましい。
以上、本発明のガス圧縮機及びガス圧縮機の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
３ 駆動部
１０ ガス圧縮機
１２ 吸込配管
１４ 圧縮室
１６ シリンダ
１７ シリンダライナ
１８ ピストン
２０ 吐出配管
２２ クーラ
２４ シリンダヘッド
３１ ピストンロッド
３２ クロスヘッドガイド
３３ クロスヘッド
３４ 連接棒
３５ クランクケース
３６ クランクシャフト
３７ 動力伝達機構
３８ 駆動モータ
５０ ライダーリング
５２、５３ ピストンリング
５４ ロッドパッキン
６０、６２ 炭素膜
１０ ガス圧縮機
１２ 吸込配管
１４ 圧縮室
１６ シリンダ
１７ シリンダライナ
１８ ピストン
２０ 吐出配管
２２ クーラ
２４ シリンダヘッド
３１ ピストンロッド
３２ クロスヘッドガイド
３３ クロスヘッド
３４ 連接棒
３５ クランクケース
３６ クランクシャフト
３７ 動力伝達機構
３８ 駆動モータ
５０ ライダーリング
５２、５３ ピストンリング
５４ ロッドパッキン
６０、６２ 炭素膜
前記第１摺動部材は、硫黄を含む添加材を含む樹脂材料で構成され、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まず、
前記ガス圧縮機は、水素ガスを吸入して圧縮して送出する圧縮機である、ことが好ましい。
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まず、
前記ガス圧縮機は、水素ガスを吸入して圧縮して送出する圧縮機である、ことが好ましい。
本発明の他の一態様は、ガスを圧縮するガス圧縮機である。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記被摺動部材に対して相対的に摺動することにより、非晶質炭化膜を形成するための黒鉛を供給する、前記第１摺動部材に比べて黒鉛の含有量が多いリング状の第２摺動部材と、を備える。
当該ガス圧縮機は、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記被摺動部材に対して相対的に摺動することにより、非晶質炭化膜を形成するための黒鉛を供給する、前記第１摺動部材に比べて黒鉛の含有量が多いリング状の第２摺動部材と、を備える。
本発明のさらに他の一態様は、ガスを圧縮するガス圧縮機の製造方法である。
当該ガス圧縮機は、シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。
前記ガス圧縮機の製造方法は、前記第１摺動部材あるいは前記被摺動部材の表面部分に炭素を主成分とする炭素膜を形成するステップと、
前記ピストン部材を駆動して、前記被摺動部材に対して前記第１摺動部材を相対的に摺動させることにより、前記炭素膜から、前記炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、前記第１摺動部材の摺動面及び前記被摺動部材の被摺動面に形成するステップと、を有する。
当該ガス圧縮機は、シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える。
前記ガス圧縮機の製造方法は、前記第１摺動部材あるいは前記被摺動部材の表面部分に炭素を主成分とする炭素膜を形成するステップと、
前記ピストン部材を駆動して、前記被摺動部材に対して前記第１摺動部材を相対的に摺動させることにより、前記炭素膜から、前記炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、前記第１摺動部材の摺動面及び前記被摺動部材の被摺動面に形成するステップと、を有する。
Claims (11)
- ガスを圧縮するガス圧縮機であって、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備え、
前記第１摺動部材及び前記被摺動部材の両方の摺動面に非晶質炭素膜が形成されており、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜において、前記非晶質炭素膜の表面部分における炭素の含有量は、前記表面部分より内側の部分の炭素の含有量に比べて多い、ことを特徴とするガス圧縮機。 - 前記第１摺動部材は、フッ素を含む樹脂材料で構成され、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜における表面部分のフッ素の含有量が、前記表面部分より内側の部分のフッ素の含有量に比べて少ない、請求項１に記載のガス圧縮機。 - 前記第１摺動部材は、硫黄を含む添加材を含む樹脂材料で構成され、
前記摺動面それぞれに形成される前記非晶質炭素膜は、硫黄を含まない、請求項１または２に記載のガス圧縮機。 - 前記第１摺動部材は、脱硫処理部材である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス圧縮機。
- 前記ガス圧縮機は、水素ガスを吸入して圧縮して送出する圧縮機である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス圧縮機。
- ガスを圧縮するガス圧縮機であって、
シリンダライナと、
前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、
前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記被摺動部材に対して相対的に摺動する、前記第１摺動部材に比べて炭素の含有量が多いリング状の第２摺動部材と、を備えることを特徴とするガス圧縮機。 - シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、を備える、ガスを圧縮するガス圧縮機の製造方法であって、
前記第１摺動部材あるいは前記被摺動部材の表面部分に炭素を主成分とする炭素膜を形成するステップと、
前記ピストン部材を駆動して、前記被摺動部材に対して前記第１摺動部材を相対的に摺動させることにより、前記炭素膜に比べて硬化した非晶質炭素膜を、前記第１摺動部材の摺動面及び前記被摺動部材の被摺動面に形成するステップと、を有することを特徴とするガス圧縮機の製造方法。 - シリンダライナと、前記シリンダライナの内部空間を往復するピストン及び前記ピストンに接続されたピストンロッドを含むピストン部材と、前記ピストン部材及び前記シリンダライナの一方の部材に設けられ、前記シリンダライナ及び前記ピストン部材の他方の部材を被摺動部材として前記被摺動部材に対して相対的に摺動する樹脂製のリング状の第１摺動部材と、前記被摺動部材に対して相対的に摺動する、前記第１摺動部材に比べて炭素の含有量が多い樹脂製のリング状の第２摺動部材と、を備える、ガスを圧縮するガス圧縮機の製造方法であって、 前記ピストン部材を駆動して、前記第１摺動部材及び前記第２摺動部材を前記被摺動部材に対して摺動させることにより、前記第２摺動部材に由来する炭素による非晶質炭素膜を前記被摺動部材及び前記第１摺動部材及び前記第２摺動部材の摺動面に形成するステップ、を有することを特徴とするガス圧縮機の製造方法。
- 前記第２摺動部材を前記ガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をするステップを、有する請求項８に記載のガス圧縮機の製造方法。
- 前記第１摺動部材を前記ガス圧縮機に組み込む前に、水素雰囲気に曝露する処理をするステップを、有する請求項７〜９のいずれか１項に記載のガス圧縮機の製造方法。
- 前記ガス圧縮機は、水素ガスを吸入して圧縮して送出する、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のガス圧縮機の製造方法。
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