JP2022547901A - 圧縮炭素繊維強化複合材料で作られたシーリング要素及び／又は支持リング - Google Patents

Abstract

本発明は、炭素繊維強化複合材料のチップの混合物の圧縮成形によって製造された、特に往復動圧縮機用のシーリング要素及び／又は支持リングに関する。チップの少なくとも一部は、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含み、シーリング要素及び／又は支持リング内の炭素繊維はランダムな繊維配向を有する。

Description

本発明は、炭素繊維強化複合材料のチップの混合物の圧縮成形によって製造された、特に往復動圧縮機用のシーリング要素及び／又は支持リング、そのようなシーリング要素及び／又は支持リングの製造方法、及び少なくとも１つのそのようなシーリング要素及び／又は支持リングを含む往復動圧縮機に関するものである。

ピストンリング又はパッキングリングなどのシーリング要素、ピストンガイドリングなどのガイドリング、及びピストンガイドリングなどのガイドシールは、その役割を果たすために幅広い要求を満たす必要がある。特に、適切な硬度、十分に高い引張強度、十分に高い破断点伸び、良好な形状順応性、高い耐老化性、低い圧力クリープ及びコールドフロー傾向、優れた耐薬品性、優れた耐熱性、及び（用途によっては）おそらく高い耐オゾン性を備える必要がある。例えば、シーリング要素が動いたとしても機能するようにするには、良好な形状順応性が必要である。さらに、長期間の運転後でも、負荷がかかった状態での低温状態での不可逆的な塑性変形を防ぐには、圧力クリープとコールドフローの傾向が低いことが不可欠である。

優れた特性とするために、シーリング要素は、多くの場合、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）をベースにした組成物から作られる。ＰＴＦＥは、例えば、非常に広い熱的適用範囲、ほぼ普遍的な耐薬品性、及び優れた耐光性、耐候性、及び熱水蒸気に対する耐性を特徴としている。さらに、ＰＴＦＥは、非常に優れた滑り特性、優れた耐接着性、優れた電気的特性、及び優れた誘電特性を特徴としている。しかし、コールドフローを低減し、機械的特性を向上させるために、ＰＴＦＥは通常、純粋な形態では使用されず、フィラーで強化される。例えば、炭素、グラファイト、二硫化モリブデン、又は青銅の粒子がフィラーとして使用される。最近では、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などの繊維が埋め込まれたＰＴＦＥマトリックスを使用した繊維強化複合材料が、この目的で多く使用されるようになってきている。しかし、このようなＰＴＦＥベースの材料は、機械的安定性が限られているため、より低い圧力範囲でのシーリング要素又は支持リングの用途に限定される。高圧での用途には、ポリイミド、ポリアリールエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの高性能ポリマーをベースにした対応する材料が使用される。例えば、１０重量％の炭素繊維が埋め込まれたＰＥＥＫのマトリックスを有するものなどの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が、この目的のために使用される。

通常、このような炭素繊維強化プラスチックで作られたシーリング要素及び支持リングは、通常最大長１ｍｍの炭素短繊維を使用した射出成形によって製造される。そのような短繊維は、製造される構成要素の輪郭に沿って並び、製造された構成要素の表面から突出しないという利点を有する。繊維長が通常約０．１ｍｍの短繊維が内部に使われている顆粒を焼結することにより、そのような構成要素を製造することも知られている。顆粒は圧力下で焼結され、繊維は製造された構成要素の内部にある。しかしながら、このように製造されるシーリング要素及び支持リングには強度に欠点があり、それらの比較的低い気密性、ならびにそれらの過度に高く不均一な熱膨張には改善が必要である。

これに基づいて、本発明は、強度が増し、より高い気密性、改善された低く、特に均一な熱膨張を特徴とし、往復動圧縮機での使用に特に適したシーリング要素又は支持リングを提供することを目的とする。

本発明によれば、この目的は、炭素繊維強化複合材料のチップの混合物の圧縮成形によって製造された、特に往復動圧縮機用のシーリング要素及び／又は支持リングによって解決され、チップの少なくとも一部は、３～２０ｍｍの長さを有する炭素繊維を含有し、好ましくは、シーリング要素及び／又は支持リング内の炭素繊維はランダムな繊維配向を有する。

この解決手段は、チップの少なくとも一部が３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含む、炭素繊維強化複合材料のチップの混合物の圧縮成形によって製造されたそのようなシーリング要素及び／又は支持リングが、強度の向上を示すだけでなく、特に高い気密性、及び改善された低く、特に均一な熱膨張を示すという驚くべき発見に基づいている。圧縮成形では、炭素繊維強化複合材料のチップを金型のキャビティに導入し、キャビティを加熱するとともにプランジャーを使用して閉じる。その結果、成形コンパウンドがキャビティの形状にプレスされる。小さなチップがキャビティに注がれると、それらはランダムに配置され、完成した構成要素にランダムな繊維配向が生じる。つまり、すべての方向に向いた炭素繊維が、完成した構成要素に含まれる。結果として、少なくとも大部分が等方性の特性を有するシーリング要素及び支持リングが得られる。特に、本発明によるシーリング要素及び支持リングは、比較的均一な熱膨張を特徴とし、プレス方向の熱膨張は、それに対する横断方向の熱膨張よりもわずかに高い。さらに、本発明によるシーリング要素及び支持リングは、プレス方向に対する横断方向における非常に低い熱膨張を特徴とし、その熱膨張は特に鋼の熱膨張の範囲内である。プレス方向では、熱膨張は炭素繊維強化複合材料のマトリックスを形成するプラスチックの熱膨張に対応する。熱膨張が小さいため、シーリング要素又は支持リングと、シール又は支持される構成要素との間（ピストンロッドと支持リングとの間など）に必要なクリアランスはわずかであるので、生じる隙間は一定の狭いものとなる。これにより、運転中の局所的な加熱のリスク、ひいては詰まりのリスクも軽減される。この材料は加熱された際に膨張しにくいのに対し、従来の支持リングは加熱すると膨張し、その結果、ピストンロッドに接触し、支持リングとピストンロッドとの間の摩擦及び相互加熱を引き起こす。本発明によるシーリング要素及び支持リングの機械的特性もまた比較的均一である。さらに、本発明によるシーリング要素及び支持リングは、より高い気密性を特徴とする。したがって、適切に製造されたバルブプレートを重ね合わせることが可能であり、その結果、非常に精密な表面が得られる。プレートはまた、非常に耐衝撃性があり、非常に耐熱性があり、温度係数が低く、軽量である。最後に、予想外にも、炭素繊維は３～２０ｍｍと比較的長いにもかかわらず、シーリング要素又は支持リングからはみ出さず、その結果、ピストンロッドなどの別の構成要素を擦らなかった。むしろ、本発明の文脈において、炭素繊維は、これらが構成要素から突出すると、それらの端部で砕けることが示されている。これらすべての理由から、本発明によるシーリング要素又は支持リングは、ピストン圧縮機での使用に特に適している。

本発明によれば、シーリング要素及び／又は支持リング内の炭素繊維は、少なくとも２次元で、好ましくは３次元すべてでランダムな繊維配向を有する。すなわち、繊維によって付与される特性は、少なくとも２次元で、好ましくは３次元すべてにおいて等方性又は大部分が等方性である。

本発明によれば、シーリング要素又は支持リングは、炭素繊維強化複合材料のチップから作製され、チップの少なくとも一部は、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含む。炭素繊維の長さが３ｍｍ未満である場合、強度の増加及び低く均一な熱膨張などの本発明の利点は、もはや所望の程度まで得られない。炭素繊維が２０ｍｍよりも長いと、圧縮成形によって構成要素内の十分に高い繊維ランダム配向がもたらされないため、特性の均一性は所望の程度まで達成されない。

本発明によれば、チップの少なくとも一部は、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含む。本発明の上記の利点を高度に達成するために、本発明のさらなる開発において、圧縮成形で使用されるチップの少なくとも５０％、さらに好ましくは少なくとも６０％又は７０％、特に好ましくは少なくとも８０％及び非常に好ましくは少なくとも９０％が、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を有するようにすることを提案する。

最も好ましくは、圧縮成形で使用されるすべてのチップは、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含む。
３～２０ｍｍの長さの炭素繊維に加えて、チップは異なる長さの炭素繊維を含んでいてもよい。しかしながら、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含む各チップにおいて、含まれている炭素繊維の少なくとも５０％、さらに好ましくは少なくとも６０％又は７０％、特に好ましくは少なくとも８０％、そして非常に好ましくは少なくとも９０％が、３～２０ｍｍの長さを有することが好ましい。さらに好ましくは、３～２０ｍｍの長さを有する炭素繊維を含む各チップのすべての炭素繊維は、３～２０ｍｍの長さを有する。

最も好ましくは、圧縮成形で使用されるすべてのチップは、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維のみを有する。本発明の目的のために、これは、チップに含まれる炭素繊維のそれぞれが３～２０ｍｍの間の長さを有することを意味すると理解されるが、各炭素繊維が３～２０ｍｍの間の長さである限り、すべての繊維の長さは必ずしも同じである必要はない。したがって、それぞれが５ｍｍの長さを有する第１の炭素繊維、それぞれが１０ｍｍの長さを有する第２の炭素繊維、及びそれぞれが１５ｍｍの長さを有する第３の炭素繊維を含むチップは、３～２０ｍｍの長さを有する炭素繊維のみを含むチップである。

上記のすべての実施形態において、３～２０ｍｍの長さを有する炭素繊維を含むチップが、３～１０ｍｍの長さを有する炭素繊維を含む場合、特に好ましい。
圧縮成形に使用される金型を充填するときに良好なランダム配向を得るために、本発明のアイデアのさらなる発展において、大きすぎないチップを使用することを提案する。特に、少なくとも実質的に正方形又は長方形の断面を有する少なくとも実質的に板状であり、長さが３～２０ｍｍであり、幅が１～１０ｍｍであり、厚さが１～５ｍｍのチップを用いた際に、良好な結果が得られる。したがって、圧縮成形で使用されるチップの少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも６０％又は７０％、特に好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９０％、最も好ましくはすべてが、３～２０ｍｍの長さ、１～１０ｍｍの幅、１～０．５ｍｍの厚さを有することが好ましい。特に、チップの長さは３～１０ｍｍであることが好ましい。

好ましくは、個々のチップ内の炭素繊維は、少なくとも互いに実質的に平行に配置されている。本願の目的のために、個々のチップにおける炭素繊維の少なくとも実質的に平行な配置は、炭素繊維の少なくとも８０％の長手方向繊維軸が、チップの炭素繊維の少なくとも８０％の他のすべての長手方向繊維軸から２０°を超えて逸脱しないことを意味する。好ましくは、これは、少なくとも９０％、より好ましくは少なくとも９５％、最も好ましくはチップのすべての炭素繊維に適用される。最も好ましくは、繊維の長手方向軸は、互いに１０°以下、さらに好ましくは５°以下、特に好ましくは２°以下、最も好ましくは１°以下だけずれている。最も好ましくは、チップのすべての炭素繊維は互いに平行である。

個々のチップにおける炭素繊維のそのような平行又は少なくとも実質的に平行な配置は、好ましくは、炭素繊維強化複合材料の少なくとも１つのテープを最初に提供することによって達成することができる。上記少なくとも１つのテープ内の炭素繊維は、平行に又は少なくとも実質的に平行に配置されており、上記少なくとも１つのテープが炭素繊維方向に対して横断方向に切断されて、それぞれが３～２０ｍｍの長さを有するチップになる。そのため、テープの炭素繊維の平行性は、そこから製造されたチップ内で維持される。

特に、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップが、２０～７０重量％、好ましくは４０～７０重量％の炭素繊維、特に好ましくは、６０～７０重量％の炭素繊維、例えば、約６５重量％の炭素繊維を含み、１００重量％までの残りの部分が少なくとも１つの熱可塑性物質である場合、良好な特性を有するシーリング要素又は支持リングが得られる。

マトリックス材料は、必要とされる特性に応じて選択される。チップ、特に３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップのマトリックス材料の適切な例は、ポリフェニレンスルフィド、ペルフルオロアルコキシポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリアミド、及び前述の熱可塑性物質の２つ以上の任意の混合物からなる群から選択される熱可塑性プラスチックである。

非常に好ましい実施形態によれば、少なくとも３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップは、熱可塑性物質として１種以上のポリエーテルエーテルケトンを含む。
特に良好な結果は、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップであって、２０～７０重量％の炭素繊維、好ましくは４０～７０重量％の炭素繊維、特に好ましくは６０％～７０重量％の炭素繊維、例えば約６５重量％の炭素繊維を含み、１００重量％までの残りの部分が１種以上のポリエーテルエーテルケトンであるチップで得られる。

本発明を推進するために、シーリング要素及び／又は支持リングは、以下の工程を含む方法によって得ることが可能であるか、又は得られるものであることを提案する。
ｉ）炭素繊維強化複合材料の少なくとも１つのテープであって、内部で炭素繊維が少なくとも実質的に平行に配置されている前記少なくとも１つのテープを提供する工程、
ｉｉ）炭素繊維方向を横断するように、前記少なくとも１つのテープをそれぞれ３～２０ｍｍの長さのチップに切断する工程、
ｉｉｉ）チップを金型に入れる工程、
ｉｖ）金型内のチップを加熱する工程、及び
ｖ）金型内のチップを圧縮する工程。

好ましくは、工程ｉｉ）において、少なくとも１つのテープは、それぞれが１～１０ｍｍの幅を有するチップに切断され、チップの幅は長さよりも小さい。
特に均質な特性を有するシーリング要素又は支持リングを得るために、工程ｉｉｉ）においてランダムな配向でチップを金型に導入することが好ましい。

使用するプラスチックに応じて、工程ｉｉｉ）のチップは、好ましくは１２０～４５０℃の温度に、特に好ましくは３２０～４５０℃の温度に加熱される。
特に工程ｉｖ）でチップを０．１～３０ＭＰａの圧力で圧縮すると、特に熱膨張及び気密性に関して良好な結果が得られる。

本発明によるシーリング要素及び支持リングは、シールパッキンの支持リングとして、シールリングとして、バルブリングとして、バルブプレートとして、又はポペットバルブのポペットとして特に適している。

本発明の別の目的は、上記のようなシーリング要素及び／又は上記のような支持リングを含む往復動圧縮機である。

Claims (15)

1. 炭素繊維強化複合材料のチップの混合物の圧縮成形によって製造された、特に往復動圧縮機用のシーリング要素及び／又は支持リングであって、チップの少なくとも一部は、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含有し、シーリング要素及び／又は支持リング内の炭素繊維はランダムな繊維配向を有する、シーリング要素及び／又は支持リング。
2. ３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含有するチップは、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維以外の長さの繊維を含まないことを特徴とする、請求項１に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
3. チップの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６０％又は７０％、特に好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも９０％、最も好ましくはすべてのチップが、３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
4. 個々のチップ内の炭素繊維は、少なくとも互いに実質的に平行に配置されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
5. ３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップが、２０～７０重量％の炭素繊維、好ましくは４０～７０重量％の炭素繊維、特に好ましくは６０～７０重量％の炭素繊維を含み、１００重量％までの残りの部分が少なくとも１つの熱可塑性物質であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
6. ３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップが、３～１０ｍｍの長さの炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
7. ３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップが、ポリフェニレンスルフィド、ペルフルオロアルコキシポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリアミド、及び前述の熱可塑性物質の２つ以上の任意の混合物からなる群から選択される少なくとも１つの熱可塑性プラスチックを含むことを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
8. ３～２０ｍｍの長さの炭素繊維を含むチップは、熱可塑性物質として１種以上のポリエーテルエーテルケトンを含むことを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リングであって、
   ｉ）炭素繊維強化複合材料の少なくとも１つのテープであって、内部で炭素繊維が少なくとも実質的に平行に配置されている前記少なくとも１つのテープを提供する工程、
   ｉｉ）炭素繊維方向を横断するように、前記少なくとも１つのテープをそれぞれ３～２０ｍｍの長さのチップに切断する工程、
   ｉｉｉ）チップを金型に入れる工程、
   ｉｖ）金型内のチップを加熱する工程、及び
   ｖ）金型内のチップを圧縮する工程
   を含む方法によって得ることが可能であることを特徴とする、シーリング要素及び／又は支持リング。
10. 工程ｉｉ）において、前記少なくとも１つのテープは、それぞれが１～１０ｍｍの幅を有するチップに切断され、チップの幅は長さよりも小さいことを特徴とする、請求項９に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
11. 工程ｉｉｉ）において、チップはランダムな配向で金型に導入されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
12. 工程ｉｉｉ）において、チップは、好ましくは１２０～４５０℃の温度に、好ましくは３２０～４５０℃の温度に加熱されることを特徴とする、請求項９～１１のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
13. 工程ｉｖ）において、チップは０．１～３０ＭＰａの圧力で圧縮されることを特徴とする、請求項９～１２のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
14. シールパッキンの支持リング、シールリング、バルブリング、バルブプレート、又はポペットバルブのポペットであることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リング。
15. 請求項１～１４のいずれか一項に記載のシーリング要素及び／又は支持リングを少なくとも１つ含むピストン圧縮機。