JP4750495B2

JP4750495B2 - Reciprocating compressor

Info

Publication number: JP4750495B2
Application number: JP2005214596A
Authority: JP
Inventors: 信吾三宅; 佳恵辻見
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP2007032359A

Description

本発明は、例えば空気等の流体を圧縮するのに好適に用いられる往復動圧縮機に関する。 The present invention relates to a reciprocating compressor suitably used to compress a fluid such as air.

一般に、空気等の流体を圧縮する小型の無給油式圧縮機として、所謂ロッキングピストンと呼ばれる揺動ピストンを用い、この揺動ピストンをシリンダ内で揺動しつつ往復動させる構成とした揺動型圧縮機が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。 Generally, as a small oil-free compressor that compresses fluid such as air, a swinging piston called a rocking piston is used, and the swinging type is configured to reciprocate while swinging in a cylinder. A compressor is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

この種の従来技術による揺動型圧縮機は、筒状のシリンダと、該シリンダ内を揺動しつつ往復動し該シリンダ内に圧縮室を画成する揺動ピストンと、該揺動ピストンに設けられ前記シリンダと揺動ピストンとの間をシールするシール部材とにより構成されている。 This type of conventional oscillating compressor includes a cylindrical cylinder, an oscillating piston that reciprocates while oscillating in the cylinder, and that defines a compression chamber in the cylinder. The seal member is provided and seals between the cylinder and the swing piston.

そして、このシール部材は、略円形のカップ状をなす環状のリップリングにより構成され、このリップリングは、耐熱性や耐摩耗性等を高めるためにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を基材とした複合材料を用いて成形加工されるものである。 And this sealing member is comprised by the cyclic | annular lip ring which makes a substantially circular cup shape, and this lip ring uses polytetrafluoroethylene (PTFE) as a base material in order to improve heat resistance, abrasion resistance, etc. It is molded using a composite material.

一方、無給油式圧縮機としては、シリンダ内でピストンを揺動させることなく往復動させるため、クランク軸とピストンとの間を連接棒（コネクティングロッド）により連結する構成とした往復動圧縮機も知られている。そして、この圧縮機にあっては、ピストンの外周側に形成したリング溝内にピストンリングを装着し、このピストンリングにより前記シリンダとピストンとの間をシールする構成としている（例えば、特許文献３参照）。 On the other hand, as a non-lubricated compressor, there is a reciprocating compressor configured to connect a crankshaft and a piston by a connecting rod (connecting rod) in order to reciprocate the piston without swinging in the cylinder. Are known. And in this compressor, it is set as the structure which mounts a piston ring in the ring groove formed in the outer peripheral side of a piston, and seals between the said cylinder and piston by this piston ring (for example, patent document 3). reference).

特開平８−２８４６９号公報JP-A-8-28469 特開平１０−１４８１７８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-148178 特開平１１−２７０６８０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-270680

ところで、上述した従来技術による揺動型圧縮機では、揺動ピストンに設けるシール部材として環状のリップリングを用いているために、例えば３ＭＰａ以上の高圧な圧縮空気を発生させる場合（例えば、２段式圧縮機の高圧側）には、圧縮熱と摩擦熱等の熱影響でリップリングが熱変形し易くなる。そして、場合によってはリップリングが損傷されてシール機能を失い、圧縮空気が漏洩する等の不具合を起こしてしまう。 By the way, in the oscillating compressor according to the above-described prior art, an annular lip ring is used as a seal member provided on the oscillating piston. On the high pressure side of the compressor, the lip ring is likely to be thermally deformed due to heat effects such as compression heat and frictional heat. In some cases, the lip ring is damaged, the sealing function is lost, and a problem such as leakage of compressed air occurs.

そこで、本発明者等は、揺動ピストンに設けるシール部材として、環状のリップリングに替えてピストンリングを用いることを検討した。しかし、従来（例えば、特許文献３等）から知られているピストンリングを用いた場合には、例えばピストンリングを拡，縮径させるために設けた合口部が、熱影響で溶着してシール機能自体を失うことがある。 Therefore, the present inventors examined using a piston ring instead of an annular lip ring as a seal member provided on the swing piston. However, when a piston ring known from the past (for example, Patent Document 3) is used, for example, a joint portion provided for expanding and reducing the diameter of the piston ring is welded due to heat and sealed. May lose itself.

即ち、ピストンリングの合口部は、圧縮機を連続運転するときにピストンリングが拡，縮径するに伴って互いに擦れ合い、圧縮熱、摩擦熱等の熱影響で溶着され固着状態になることがある。そして、このままの状態で圧縮運転を停止したときには、ピストンリングが徐々に熱収縮しリング径（外径）がシリンダ径に比較して小さくなる。しかも、合口部の固着によりピストンリングの弾性的な拡，縮径が困難となり、本来のシール機能を失うという未解決な問題がある。 In other words, the joint portion of the piston ring may rub against each other as the piston ring expands and contracts when the compressor is continuously operated, and may be welded and fixed due to heat effects such as compression heat and friction heat. is there. When the compression operation is stopped in this state, the piston ring gradually heat-shrinks and the ring diameter (outer diameter) becomes smaller than the cylinder diameter. Moreover, there is an unsolved problem that the elastic expansion and contraction of the piston ring becomes difficult due to the fixing of the joint portion, and the original sealing function is lost.

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、シール部材として用いるピストンリングの材料組成を変えることにより、圧縮流体の高圧化を図ることができ、合口部の溶着、固着等を防止して信頼性、寿命等を向上できるようにした往復動圧縮機を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to increase the pressure of the compressed fluid by changing the material composition of the piston ring used as the seal member. An object of the present invention is to provide a reciprocating compressor capable of preventing the welding, sticking and the like and improving the reliability, life, and the like.

上述した課題を解決するため、本発明は、筒状のシリンダと、該シリンダ内を往復動し該シリンダ内に圧縮室を画成するピストンと、該ピストンに設けられ前記シリンダとピストンとの間をシールするシール部材とからなり、前記シリンダと前記シール部材との摺動に油を用いない無給油式の往復動圧縮機に適用される。 To solve the problems described above, the present invention includes a tubular cylinder, a Lupi piston forming image compression chamber in the cylinder in the forward backward and in the cylinder, the cylinder and pins provided 該Pi piston Ri do and a seal member for sealing between the piston, is applied to an oilless reciprocating compressor which does not use oil to sliding between the seal member and the cylinder.

そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記シール部材は、前記ピストンに設けた環状のリング溝内に拡，縮径可能に装着され合口部を有したピストンリングにより構成し、このピストンリングは、フッ化アルコキシエチレン基をポリテトラフルオロエチレン中に添加し、室温下で２４時間にわたり１４ＭＰａの荷重を付加した後の永久変形率が３％以下となる変性ポリテトラフルオロエチレンを基材とし、この基材に少なくとも銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンを添加した複合材料により形成する構成としたことにある。 The feature of the configuration in which the invention of claim 1 is employed, the sealing member may expand before Kipi annular ring groove provided in the piston, formed by diametrically contractible mounted to a piston ring having a abutment portion In this piston ring, a modified polytetrafluoroethylene having a permanent deformation rate of 3% or less after adding a load of 14 MPa over 24 hours at room temperature after adding a fluorinated alkoxyethylene group to polytetrafluoroethylene. And a composite material obtained by adding at least a powder substance made of copper or bronze powder, spherical carbon, and molybdenum disulfide to the base material.

また、請求項２の発明によると、前記複合材料は、前記変性ポリテトラフルオロエチレンの他に、前記粉末物質を１０〜３０重量％、前記球状炭素を５〜１５重量％、前記二硫化モリブデンを３〜７重量％の範囲で含有する構成としている。 According to a second aspect of the present invention, the composite material comprises, in addition to the modified polytetrafluoroethylene, 10 to 30% by weight of the powder substance, 5 to 15% by weight of the spherical carbon, and the molybdenum disulfide. It is set as the structure contained in 3-7 weight%.

上述の如く請求項１に記載の発明は、シール部材として合口部を有したピストンリングを用い、このピストンリングは、フッ化アルコキシエチレン基をポリテトラフルオロエチレン中に添加し、永久変形率が３％以下となる変性ポリテトラフルオロエチレンの基材に対して、少なくとも銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンを添加した複合材料により形成しているので、このような複合材料からなるピストンリングの耐熱性、耐摩耗性を高めることができ、ピストンリングの合口部が圧縮熱、摩擦熱等の熱影響で溶着され固着状態になるのを防止できる。そして、このピストンリングによりピストンとシリンダとの間を長期にわたって良好にシールすることができる。 As described above, the invention according to claim 1 uses a piston ring having an abutment portion as a sealing member, and this piston ring is obtained by adding a fluoroalkoxyethylene group to polytetrafluoroethylene and having a permanent deformation rate of 3. % Of the modified polytetrafluoroethylene base material is made of a composite material containing at least a powder substance made of copper or bronze powder, spherical carbon and molybdenum disulfide. It is possible to improve the heat resistance and wear resistance of the resulting piston ring, and to prevent the joint portion of the piston ring from being welded and fixed due to the influence of heat such as compression heat and frictional heat. Then, it is possible to satisfactorily seal over a long period of time between the lipid piston and the cylinder by the piston ring.

この場合、ピストンリングの基材となる変性ポリテトラフルオロエチレンは、フッ化アルコキシエチレン基をポリテトラフルオロエチレン中に添加し、室温下で２４時間にわたり１４ＭＰａの荷重を付加した後の永久変形率が３％以下となり、熱膨脹によるクリープ（永久変形）も小さくできるため、ピストンリングとしての耐熱性を向上できると共に、ピストンリングの合口部が圧縮運転時の熱影響で溶着されて運転停止時に固着状態となるのを抑え、合口部の固着防止を図ることができる。そして、その後の運転再開時にもピストンリングが弾性的に拡，縮径するのを補償でき、シール性能を確保して長期間のメンテナンスフリー等を実現することができる。
しかも、複合材料の基材となる変性ポリテトラフルオロエチレンは、フッ化アルコキシエチレン（ＰＦＡ）基をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）中に添加したＰＦＡ変性ＰＴＦＥにより構成しているので、熱膨脹によるクリープ（永久変形）も小さく抑えることができ、ピストンリングの耐熱性、耐摩耗性を高め、耐久性、寿命を向上することができる。 In this case, the modified polytetrafluoroethylene serving as the base material of the piston ring has a permanent deformation rate after adding a 14 MPa load over 24 hours at room temperature by adding a fluorinated alkoxyethylene group to the polytetrafluoroethylene. 3% or less and creep (permanent deformation) due to thermal expansion can be reduced, so that the heat resistance of the piston ring can be improved, and the joint portion of the piston ring is welded due to the heat effect during compression operation and is fixed when the operation is stopped Therefore, it is possible to prevent the joint portion from sticking. Further, even when the operation is resumed thereafter, it is possible to compensate for the elastic expansion and contraction of the piston ring, ensuring the sealing performance and realizing a long-term maintenance-free operation.
Moreover, the modified polytetrafluoroethylene serving as the base material of the composite material is composed of PFA-modified PTFE in which a fluorinated alkoxyethylene (PFA) group is added to polytetrafluoroethylene (PTFE). (Permanent deformation) can also be suppressed, and the heat resistance and wear resistance of the piston ring can be increased, and the durability and life can be improved.

また、ピストンリングに用いる複合材料に前記基材（変性ポリテトラフルオロエチレン）に対して少なくとも銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンを添加しているので、ピストンリングの熱伝導性等を向上でき、圧縮運転時の熱をシリンダ側に逃がすことができる上に、優れた潤滑性を確保して耐摩耗性を向上することができる。これにより、圧縮運転時のシール性能を十分に確保することができ、例えば３ＭＰａ以上の圧力まで圧縮空気等の流体を高圧に圧縮することができる。そして、例えば２段式圧縮機の高圧側等に適用した場合でも、ピストンリングの耐久性、寿命を高め、信頼性を向上することができる。 In addition, since the composite material used for the piston ring is added with at least a powder substance made of copper or bronze powder, spherical carbon and molybdenum disulfide to the base material ( modified polytetrafluoroethylene), the heat conduction of the piston ring In addition, the heat during compression operation can be released to the cylinder side, and excellent lubricity can be secured to improve wear resistance. Thereby, the sealing performance at the time of the compression operation can be sufficiently secured, and for example, a fluid such as compressed air can be compressed to a high pressure up to a pressure of 3 MPa or more. For example, even when applied to the high-pressure side of a two-stage compressor, the durability and life of the piston ring can be increased and the reliability can be improved.

また、請求項２に記載の発明は、ポリテトラフルオロエチレンの他に、銅または青銅粉からなる粉末物質を１０〜３０重量％、球状炭素を５〜１５重量％、二硫化モリブデンを３〜７重量％の範囲で含有した複合材料を用いてピストンリングを形成することができ、ピストンリングの熱伝導性を高めて耐熱性、耐摩耗性を向上することができる。 In addition to the polytetrafluoroethylene, the invention described in claim 2 includes 10 to 30% by weight of a powder substance made of copper or bronze powder, 5 to 15% by weight of spherical carbon, and 3 to 7 of molybdenum disulfide. A piston ring can be formed using a composite material contained in the range of wt%, and the heat conductivity and wear resistance can be improved by increasing the thermal conductivity of the piston ring.

この場合、銅または青銅粉からなる粉末物質の含有量を１０重量％未満にすると、ピストンリングの熱伝導性が悪くなり、１０重量％以上まで増やすことにより熱伝導性を向上することができる。一方、粉末物質が３０重量％を越えると、圧縮空気等の吐出量（空気量）が低下する。これは、粉末物質の含有量が多くなり過ぎて、摩耗が過度に少ない状態となり、逆にピストンリングとしてのなじみ性が悪くなって、シール性能が低下することが原因と考えられる。 In this case, when the content of the powder substance made of copper or bronze powder is less than 10% by weight, the thermal conductivity of the piston ring is deteriorated, and the thermal conductivity can be improved by increasing the content to 10% by weight or more. On the other hand, when the powder substance exceeds 30% by weight, the discharge amount (air amount) of compressed air or the like decreases. This is presumably because the content of the powder substance is excessively increased, the wear is excessively reduced, and the conformability as a piston ring is deteriorated, resulting in a decrease in sealing performance.

また、球状炭素は、炭素繊維のようにエッジがなく、相手面（シリンダ壁面）への攻撃性を抑えて摩耗を低減することができる。しかし、球状炭素の含有量が５重量％未満になると、相手面（シリンダ壁面）への攻撃性が小さくなり過ぎて平滑化しないために、ピストンリング外周の摩耗が増大する傾向がある。また、球状炭素を１５重量％よりも多くすると、逆に相手面への攻撃性が高くなり、例えばシリンダ壁面の摩耗を増大させる原因となる。 Spherical carbon does not have an edge like carbon fiber, and can reduce wear by suppressing the aggressiveness to the mating surface (cylinder wall surface). However, if the spherical carbon content is less than 5% by weight, the aggressiveness to the mating surface (cylinder wall surface) becomes too small to smooth the surface, so that the wear on the outer periphery of the piston ring tends to increase. On the other hand, when the amount of spherical carbon is more than 15% by weight, on the contrary, the aggression against the mating surface is increased, which causes, for example, increased wear on the cylinder wall surface.

また、二硫化モリブデンの含有量が３重量％未満になると、ピストンリングとしての潤滑性が低下し、摺動特性が悪くなる傾向があり、逆に７重量％を越える二硫化モリブデンを含有させると、これによってポリテトラフルオロエチレンの含有量が減少して、摩耗が増大する傾向がみられる。 Moreover, when the content of molybdenum disulfide is less than 3% by weight, the lubricity as a piston ring tends to be lowered and the sliding characteristics tend to be deteriorated. Conversely, when molybdenum disulfide exceeding 7% by weight is contained. This tends to decrease the polytetrafluoroethylene content and increase wear.

以下、本発明の実施の形態に係る往復動圧縮機を、空気圧縮機に適用した場合を例に挙げ、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, the case where the reciprocating compressor according to the embodiment of the present invention is applied to an air compressor will be described as an example, and will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

ここで、図１ないし図５は本発明の第１の実施の形態を示している。図中、１は空気圧縮機のクランクケースで、該クランクケース１は、内部にクランク室２を画成し、このクランク室２内には、後述の出力軸４を介してクランク５およびバランスウエイト６が回転可能に設けられている。 Here, FIG. 1 to FIG. 5 show a first embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a crankcase of an air compressor. The crankcase 1 defines a crank chamber 2 therein, and a crank 5 and a balance weight are connected to the crank chamber 2 via an output shaft 4 described later. 6 is rotatably provided.

３はクランクケース１に並置して設けられた駆動源としての電動モータで、該電動モータ３は、モータケース３Ａ内に固定して設けられたステータ３Ｂと、該ステータ３Ｂの径方向内側に後述の出力軸４を介して回転可能に設けられたロータ３Ｃとにより大略構成されている。 Reference numeral 3 denotes an electric motor as a drive source provided in parallel with the crankcase 1. The electric motor 3 includes a stator 3B fixed in the motor case 3A and a radial inner side of the stator 3B, which will be described later. The rotor 3 </ b> C is rotatably configured via the output shaft 4.

４は電動モータ３のロータ３Ｃと一体に回転する出力軸で、該出力軸４は、軸方向の一側がモータケース３Ａに軸受を介して回転可能に支持され、軸方向の他側は、クランクケース１に軸受等を介して回転可能に支持されている。そして、出力軸４の他側は、クランク室２内へと突出して延び、その外周側には、クランク５とバランスウエイト６がクランク室２内で一体回転するように取付けられている。 Reference numeral 4 denotes an output shaft that rotates integrally with the rotor 3C of the electric motor 3. The output shaft 4 is rotatably supported on one side in the axial direction by a motor case 3A via a bearing, and the other side in the axial direction is a crank. The case 1 is rotatably supported via a bearing or the like. The other side of the output shaft 4 protrudes and extends into the crank chamber 2, and the crank 5 and the balance weight 6 are attached to the outer peripheral side so as to rotate integrally within the crank chamber 2.

７はクランクケース１上に搭載された筒状のシリンダで、該シリンダ７は、例えばアルミニウム合金からなる成形品に陽極酸化処理を施すことにより円筒体として形成されている。そして、シリンダ７の一側（基端側）は、クランク室２内に開口（連通）し、シリンダ７の他側（先端側）には、後述の弁座板８等により閉塞されている。また、シリンダ７内には、後述の圧縮室１９が弁座板８と揺動ピストン１４（ピストン部１８）との間に画成されるものである。 Reference numeral 7 denotes a cylindrical cylinder mounted on the crankcase 1, and the cylinder 7 is formed as a cylindrical body by subjecting a molded product made of, for example, an aluminum alloy to anodization. One side (base end side) of the cylinder 7 is opened (communication) into the crank chamber 2, and the other side (tip end side) of the cylinder 7 is closed by a valve seat plate 8 described later. In the cylinder 7, a compression chamber 19 described later is defined between the valve seat plate 8 and the swing piston 14 (piston portion 18).

８はシリンダ７の先端側に設けられた弁座板で、該弁座板８には、図１ないし図３に示す如く互いに離間して吸入穴８Ａ、吐出穴８Ｂが穿設されている。そして、弁座板８の吸入穴８Ａは、後述の吸入室１１Ａを圧縮室１９に連通させる。また、弁座板８の吐出穴８Ｂは、圧縮室１９を後述の吐出室１１Ｂに連通させるものである。 Reference numeral 8 denotes a valve seat plate provided on the front end side of the cylinder 7. The valve seat plate 8 is provided with a suction hole 8A and a discharge hole 8B spaced apart from each other as shown in FIGS. A suction hole 8 </ b> A of the valve seat plate 8 communicates a suction chamber 11 </ b> A described later to the compression chamber 19. Further, the discharge hole 8B of the valve seat plate 8 communicates the compression chamber 19 with a discharge chamber 11B described later.

９は弁座板８を介してシリンダ７上に搭載されたシリンダヘッドを示し、該シリンダヘッド９には、弁座板８との間に位置して隔壁１０が設けられ、この隔壁１０は、シリンダヘッド９内を吸入室１１Ａと吐出室１１Ｂとの２室に画成している。 Reference numeral 9 denotes a cylinder head mounted on the cylinder 7 via the valve seat plate 8. The cylinder head 9 is provided with a partition wall 10 located between the valve seat plate 8 and the partition wall 10. The inside of the cylinder head 9 is divided into two chambers, a suction chamber 11A and a discharge chamber 11B.

そして、シリンダヘッド９には、吸入室１１Ａ内に外気（空気）を流入させる吸気ポート９Ａと、吐出室１１Ｂから圧縮空気を外部に吐出させる吐出ポート９Ｂとが設けられている。なお、弁座板８とシリンダ７との間、および弁座板８とシリンダヘッド９との間は、それぞれガスケット（図示せず）等によって気密にシールされるものである。 The cylinder head 9 is provided with an intake port 9A for allowing outside air (air) to flow into the suction chamber 11A and a discharge port 9B for discharging compressed air from the discharge chamber 11B to the outside. The valve seat plate 8 and the cylinder 7 and the valve seat plate 8 and the cylinder head 9 are hermetically sealed by a gasket (not shown), respectively.

１２は吸入室１１Ａと圧縮室１９との間に位置して弁座板８に設けられた吸入弁で、該吸入弁１２は、吸入穴８Ａを開，閉するように弁座板８に取付けられている。そして、吸入弁１２は、後述する揺動ピストン１４のピストン部１８が上死点から下死点に移動するとき（吸入行程）に開弁し、下死点から上死点に移動するとき（圧縮行程）に閉弁するものである。 A suction valve 12 is provided between the suction chamber 11A and the compression chamber 19 and is provided in the valve seat plate 8. The suction valve 12 is attached to the valve seat plate 8 so as to open and close the suction hole 8A. It has been. The suction valve 12 opens when a piston portion 18 of the swing piston 14 to be described later moves from the top dead center to the bottom dead center (intake stroke), and moves from the bottom dead center to the top dead center ( The valve is closed during the compression stroke.

１３は吐出室１１Ｂと圧縮室１９との間に位置して弁座板８に設けられた吐出弁で、該吐出弁１３は、吐出穴８Ｂを開，閉するように弁座板８に取付けられている。そして、吐出弁１３は、揺動ピストン１４の圧縮行程で開弁し、吸入行程では閉弁するものである。 A discharge valve 13 is provided between the discharge chamber 11B and the compression chamber 19 and is provided on the valve seat plate 8. The discharge valve 13 is attached to the valve seat plate 8 so as to open and close the discharge hole 8B. It has been. The discharge valve 13 opens in the compression stroke of the swing piston 14 and closes in the suction stroke.

１４はシリンダ７内に往復動可能に挿嵌されたロッキングピストンとしての揺動ピストンで、該揺動ピストン１４は、一端側がクランク室２内に位置しクランク５に軸受１５を介して回転可能に連結されたリング部１６と、該リング部１６に一体形成されシリンダ７内へと伸長した棒状のピストンロッド１７と、該ピストンロッド１７の他端側に一体形成された円盤部としてのピストン部１８とにより構成されている。 Reference numeral 14 denotes a swinging piston as a locking piston that is fitted in the cylinder 7 so as to be able to reciprocate. The swinging piston 14 is positioned at one end side in the crank chamber 2 and is rotatable to the crank 5 via a bearing 15. The connected ring portion 16, a rod-shaped piston rod 17 integrally formed with the ring portion 16 and extending into the cylinder 7, and a piston portion 18 as a disk portion integrally formed on the other end side of the piston rod 17. It is comprised by.

そして、ピストン部１８は、シリンダ７の内径寸法よりも小さい外径寸法をもって略円盤状に形成され、前記クランク５の回転に伴ってシリンダ７内を左，右に揺動しつつ上，下に往復動するものである。また、ピストン部１８の外周側には、断面コ字形状をなすリング溝１８Ａが全周にわたって形成されている。そして、このリング溝１８Ａには、後述のピストンリング２１が装着されている。 The piston portion 18 is formed in a substantially disk shape with an outer diameter dimension smaller than the inner diameter dimension of the cylinder 7, and swings up and down while swinging left and right in the cylinder 7 as the crank 5 rotates. It reciprocates. Further, a ring groove 18A having a U-shaped cross section is formed on the outer peripheral side of the piston portion 18 over the entire circumference. A piston ring 21 described later is mounted in the ring groove 18A.

１９はシリンダ７内に画成される圧縮室で、この圧縮室１９は、揺動ピストン１４のピストン部１８によりシリンダ７内で弁座板８との間に形成されるものである。そして、揺動ピストン１４のピストン部１８は、前述した吸入行程で圧縮室１９内に吸入弁１２を介して空気を吸入し、圧縮行程では、圧縮室１９内で空気を圧縮しつつ、この圧縮空気を吐出弁１３を介して吐出させる。 Reference numeral 19 denotes a compression chamber defined in the cylinder 7, and this compression chamber 19 is formed between the valve seat plate 8 in the cylinder 7 by the piston portion 18 of the swing piston 14. The piston portion 18 of the swing piston 14 sucks air into the compression chamber 19 through the suction valve 12 in the above-described suction stroke, and compresses the air while compressing the air in the compression chamber 19 in the compression stroke. Air is discharged through the discharge valve 13.

２０は冷却風を発生させる冷却ファンで、該冷却ファン２０は、クランク室２内を軸方向に延びる出力軸４の先端側に設けられ、出力軸４によりクランク５と一体に回転駆動される。そして、冷却ファン２０は、クランク室２内に向けて冷却風を流通させ、クランクケース１、電動モータ３およびシリンダ７等を冷却するものである。 Reference numeral 20 denotes a cooling fan that generates cooling air. The cooling fan 20 is provided on the front end side of the output shaft 4 that extends in the axial direction in the crank chamber 2, and is driven to rotate integrally with the crank 5 by the output shaft 4. The cooling fan 20 cools the crankcase 1, the electric motor 3, the cylinder 7, etc. by circulating cooling air toward the crank chamber 2.

２１は揺動ピストン１４のピストン部１８とシリンダ７との間をシールするシール部材としてのピストンリングで、該ピストンリング２１は、耐熱性、耐摩耗性等を高めるため後述の複合材料を用いて、例えば図３ないし図５に示すように縮，拡径可能なリング体として成形されている。そして、ピストンリング２１には、その周方向の途中部位に合口部２１Ａ，２１Ｂが略Ｌ字状に切欠くようにして形成されている。 21 is a piston ring as a seal member for sealing between the piston portion 18 of the swing piston 14 and the cylinder 7, and the piston ring 21 is made of a composite material described later in order to improve heat resistance, wear resistance, and the like. For example, as shown in FIGS. 3 to 5, it is formed as a ring body that can be reduced and expanded. The piston ring 21 is formed with cutouts 21A and 21B cut out in a substantially L shape at a midway portion in the circumferential direction.

この場合、ピストンリング２１は、ピストン部１８のリング溝１８Ａ内に装着され、合口部２１Ａ，２１Ｂが互いに接近，離間することにより、リング溝１８Ａに対して縮，拡径されるものである。そして、ピストンリング２１は、その外周面が図１〜図３に示すようにリング溝１８Ａから径方向に突出し、シリンダ７の内周面に弾性的に接触する。これにより、ピストンリング２１は、揺動ピストン１４（ピストン部１８）がシリンダ７内で揺動しつつ往復動するときにも、ピストン部１８の外周面とシリンダ７の内周面との間を気密にシールし続けるものである。 In this case, the piston ring 21 is mounted in the ring groove 18A of the piston portion 18, and the diameters of the ring portion 18A are reduced and expanded with respect to the ring groove 18A when the joint portions 21A and 21B approach and separate from each other. And as for the piston ring 21, the outer peripheral surface protrudes from the ring groove 18A to radial direction as shown in FIGS. 1-3, and it contacts the inner peripheral surface of the cylinder 7 elastically. As a result, the piston ring 21 moves between the outer peripheral surface of the piston portion 18 and the inner peripheral surface of the cylinder 7 even when the swing piston 14 (piston portion 18) reciprocates while swinging in the cylinder 7. It keeps hermetically sealed.

ここで、ピストンリング２１の素材は、例えばグレード名が「７０−Ｊ」と呼ばれるポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）を基材とし、この基材に少なくとも銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンを添加した複合材料を用いて形成される。 Here, the material of the piston ring 21 is made of, for example, polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) whose grade name is “70-J” as a base material, and a powder substance made of at least copper or bronze powder on the base material, It is formed using a composite material to which spherical carbon and molybdenum disulfide are added.

そして、複合材料の基材となるＰＴＦＥ（グレード名が「７０−Ｊ」）とは、ＰＦＡ変性ＰＴＦＥとも呼ばれ、ＰＦＡ（フッ化アルコキシエチレン）基をＰＴＦＥ中に添加した所謂変性ＰＴＦＥにより構成されている。また、この変性ＰＴＦＥは、後述の表１にも示すように、例えば２３℃の室温下で２４時間にわたり１４ＭＰａの荷重を付加した後の永久変形率が、３％以下（例えば、２．６％）となり、室温下での永久変形を小さく抑えることができる。 PTFE (grade name is “70-J”) which is the base material of the composite material is also called PFA-modified PTFE, and is constituted by so-called modified PTFE in which a PFA (alkoxyfluorinated ethylene) group is added to PTFE. ing. Further, as shown in Table 1 to be described later, this modified PTFE has a permanent deformation rate of 3% or less (for example, 2.6%) after applying a load of 14 MPa for 24 hours at a room temperature of 23 ° C., for example. ) And permanent deformation at room temperature can be kept small.

しかも、この変性ＰＴＦＥは、例えば１５０℃の高温下で同様の試験を行った場合でも、その永久変形率は２０．７％となり、熱膨脹によるクリープ（永久変形）も小さく抑えることができる。このため、ピストンリング２１の材料として変性ＰＴＦＥを用いることにより、その耐熱性を向上できるものである。 Moreover, this modified PTFE has a permanent deformation rate of 20.7% even when the same test is performed at a high temperature of 150 ° C., for example, and the creep (permanent deformation) due to thermal expansion can be suppressed to a low level. For this reason, the heat resistance can be improved by using modified PTFE as the material of the piston ring 21.

また、ピストンリング２１の素材となる複合材料は、銅または青銅粉からなる粉末物質を１０〜３０重量％、前記球状炭素を５〜１５重量％、前記二硫化モリブデンを３〜７重量％、前記変性ＰＴＦＥと不可避不純物を４８〜８２重量％の範囲内で含有する構成としている。そして、前記複合材料の組成比は、変性ＰＴＦＥの含有率を５５〜８０重量％としたときに、残りの２０〜４５重量％を前記粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンの３物質で構成するのが好ましい。 The composite material used as the material of the piston ring 21 is 10 to 30% by weight of a powder substance made of copper or bronze powder, 5 to 15% by weight of the spherical carbon, 3 to 7% by weight of the molybdenum disulfide, The modified PTFE and inevitable impurities are contained in the range of 48 to 82% by weight. And as for the composition ratio of the composite material, when the content of the modified PTFE is 55 to 80% by weight, the remaining 20 to 45% by weight is composed of the powder substance, spherical carbon and molybdenum disulfide. Is preferred.

この場合、ピストンリング２１の素材となる複合材料は、前述した各成分をヘンシェルミキサ等の混合機により乾式混合し、得られた粉体を金型を用いて４０〜７８ＭＰａの圧力で成形（圧縮成形）するものである。そして、この成形品を高温（例えば、最高温度３７０℃）下で４時間程度にわたり焼成した後に、必要な機械加工等を施して図４、図５に示すように合口部２１Ａ，２１Ｂが設けられたピストンリング２１を形成する。 In this case, the composite material used as the material of the piston ring 21 is dry-mixed with the above-described components using a mixer such as a Henschel mixer, and the resulting powder is molded (compressed) at a pressure of 40 to 78 MPa using a mold. Molding). The molded product is fired at a high temperature (for example, a maximum temperature of 370 ° C.) for about 4 hours, and then subjected to necessary machining or the like to provide the abutting portions 21A and 21B as shown in FIGS. A piston ring 21 is formed.

本実施の形態による空気圧縮機は上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。 The air compressor according to the present embodiment has the above-described configuration, and the operation thereof will be described next.

まず、電動モータ３の出力軸４でクランク室２内のクランク５を回転駆動すると、これに伴って揺動ピストン１４のピストン部１８がシリンダ７内を揺動しつつ往復動する。これにより、揺動ピストン１４のピストン部１８は、吸入室１１Ａから圧縮室１９内に空気を吸入する吸入行程と、圧縮室１９内の空気を圧縮し圧縮空気として吐出室１１Ｂに吐出する圧縮行程とを繰返すようにして圧縮運転を行う。 First, when the crank 5 in the crank chamber 2 is rotationally driven by the output shaft 4 of the electric motor 3, the piston portion 18 of the swing piston 14 reciprocates while swinging in the cylinder 7. Thereby, the piston portion 18 of the swing piston 14 sucks air from the suction chamber 11A into the compression chamber 19 and compresses the air in the compression chamber 19 and discharges it as compressed air to the discharge chamber 11B. Repeat the compression operation.

そして、シリンダ７内でピストン部１８が圧縮運転を行っているときには、ピストン部１８が左，右に揺動（傾転）するに伴って、ピストンリング２１がピストン部１８のリング溝１８Ａから径方向に張出すように拡，縮径を繰り返す。これにより、ピストンリング２１の外周面は、シリンダ７の内周面に摺接し続け、ピストン部１８とシリンダ７との間を気密にシールすることができ、シリンダ７（圧縮室１９）内における空気の圧縮効率を高めることができる。 When the piston portion 18 is performing compression operation in the cylinder 7, the piston ring 21 has a diameter from the ring groove 18 </ b> A of the piston portion 18 as the piston portion 18 swings (tilts) to the left and right. Repeated expansion and contraction so as to project in the direction. As a result, the outer peripheral surface of the piston ring 21 continues to be in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder 7, and the space between the piston portion 18 and the cylinder 7 can be hermetically sealed, and the air in the cylinder 7 (compression chamber 19). The compression efficiency can be increased.

一方、電動モータ３への給電を停止し、圧縮運転を中断したときには、揺動ピストン１４（ピストン部１８）の往復動も電動モータ３と一緒に停止する。そして、例えば揺動ピストン１４が圧縮室１９内の空気を圧縮する圧縮行程で停止した場合には、圧縮空気が圧縮室１９内に残留することになる。 On the other hand, when power supply to the electric motor 3 is stopped and the compression operation is interrupted, the reciprocating motion of the swing piston 14 (piston portion 18) also stops together with the electric motor 3. For example, when the oscillating piston 14 stops in the compression stroke in which the air in the compression chamber 19 is compressed, the compressed air remains in the compression chamber 19.

しかし、ピストンリング２１の周方向途中部位には、略Ｌ字状に切欠いて形成した合口部２１Ａ，２１Ｂが存在し、ピストン部１８のリング溝１８Ａとピストンリング２１の内周との間には環状の空間が形成されている。このため、圧縮室１９内に残留した圧縮空気は、ピストンリング２１とリング溝１８Ａとの間の隙間を通じてクランク室２内へと徐々に漏出する。 However, in the middle of the piston ring 21 in the circumferential direction, there are joint portions 21A and 21B formed by cutting out in a substantially L shape, and between the ring groove 18A of the piston portion 18 and the inner periphery of the piston ring 21. An annular space is formed. For this reason, the compressed air remaining in the compression chamber 19 gradually leaks into the crank chamber 2 through the gap between the piston ring 21 and the ring groove 18A.

そして、その後に空気圧縮機を再起動するときには、シリンダ７（圧縮室１９）内がほぼ大気圧に近い状態まで圧力低下している。このため、空気圧縮機の再起動時には、電動モータ３等に余分な負荷が作用することはなく、円滑な再起動を行うことができる。 After that, when the air compressor is restarted, the pressure in the cylinder 7 (compression chamber 19) is reduced to a state close to the atmospheric pressure. For this reason, when the air compressor is restarted, an extra load does not act on the electric motor 3 and the like, and a smooth restart can be performed.

ところで、揺動ピストン１４のピストン部１８がシリンダ７内で圧縮運転を行う間に、ピストンリング２１はシリンダ７内の圧縮熱と摩擦熱等によって高温状態となる上に、ピストンリング２１を拡，縮径させるために設けた合口部２１Ａ，２１Ｂが、熱影響で溶着して本来のシール機能を失う虞れがある。 By the way, while the piston portion 18 of the oscillating piston 14 performs the compression operation in the cylinder 7, the piston ring 21 becomes a high temperature state due to the compression heat and frictional heat in the cylinder 7, and the piston ring 21 is expanded. There is a possibility that the joint portions 21A and 21B provided for reducing the diameter are welded due to thermal effects and lose their original sealing function.

即ち、ピストンリング２１の合口部２１Ａ，２１Ｂは、圧縮機を連続運転するときにピストンリング２１が拡，縮径するに伴って図５中の矢示ａ，ｂ方向で互いに擦れ合い、圧縮熱、摩擦熱等の熱影響で溶着され固着状態になることがある。そして、このままの状態で圧縮運転を停止したときには、ピストンリング２１が徐々に熱収縮しリング径（外径）がシリンダ径（シリンダ７の内径）に比較して小さくなるばかりでなく、合口部２１Ａ，２１Ｂの固着によりピストンリング２１の弾性的な拡，縮径が困難となり、本来のシール機能を失ってしまう虞れがある。 That is, the joint portions 21A and 21B of the piston ring 21 rub against each other in the directions indicated by arrows a and b in FIG. 5 as the piston ring 21 expands and contracts when the compressor is continuously operated. , May be welded and fixed due to thermal effects such as frictional heat. When the compression operation is stopped in this state, the piston ring 21 gradually shrinks and the ring diameter (outer diameter) becomes smaller than the cylinder diameter (inner diameter of the cylinder 7). , 21B makes it difficult to elastically expand and contract the piston ring 21, and the original sealing function may be lost.

そこで、本実施の形態では、ピストンリング２１の素材となる複合材料を、例えば表１にも示すようにグレード名が「７０−Ｊ」と呼ばれる変性ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を基材とし、この基材に少なくとも銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンを添加してなる複合材料により構成している。 Therefore, in the present embodiment, the composite material as the material of the piston ring 21 is based on a modified PTFE (polytetrafluoroethylene) whose grade name is “70-J” as shown in Table 1, for example, The base material is composed of a composite material obtained by adding at least a powder substance made of copper or bronze powder, spherical carbon and molybdenum disulfide.

また、ピストンリング２１の素材となる複合材料は、銅または青銅粉からなる粉末物質を１０〜３０重量％、前記球状炭素を５〜１５重量％、前記二硫化モリブデンを３〜７重量％、前記変性ＰＴＦＥと不可避不純物を４８〜８２重量％の範囲内で含有する構成としている。そして、前記複合材料の組成比は、変性ＰＴＦＥの含有率を５５〜８０重量％としたときに、残りの２０〜４５重量％を前記粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンの３物質で構成するのが好ましいものである。 The composite material used as the material of the piston ring 21 is 10 to 30% by weight of a powder substance made of copper or bronze powder, 5 to 15% by weight of the spherical carbon, 3 to 7% by weight of the molybdenum disulfide, The modified PTFE and inevitable impurities are contained in the range of 48 to 82% by weight. And as for the composition ratio of the composite material, when the content of the modified PTFE is 55 to 80% by weight, the remaining 20 to 45% by weight is composed of the powder substance, spherical carbon and molybdenum disulfide. Is preferred.

これにより、後述の試験データ（表２，３参照）からも確認できるように、ピストンリング２１の摩耗、合口部２１Ａ，２１Ｂの固着等を抑えることができ、後述の比較例に対して圧縮空気の空気量が低下する等の問題を防止できる。 As a result, as can be confirmed from test data (see Tables 2 and 3) described later, wear of the piston ring 21 and adhesion of the joint portions 21A and 21B can be suppressed. Problems such as a decrease in the amount of air can be prevented.

この場合、ピストンリングの基材となる変性ＰＴＦＥ（グレード名が「７０−Ｊ」）は、熱膨脹によるクリープ（永久変形）を小さく抑えることができる。このため、ピストンリング２１としての耐熱性を向上できると共に、ピストンリング２１の合口部２１Ａ，２１Ｂが圧縮運転時の熱影響で溶着されて運転停止時に固着状態となるのを抑え、合口部２１Ａ，２１Ｂの固着防止を図ることができる。そして、その後の運転再開時にもピストンリング２１が弾性的に拡，縮径するのを補償でき、シール性能を確保して長期間のメンテナンスフリー等を実現することができる。 In this case, the modified PTFE (grade name is “70-J”) serving as the base material of the piston ring can suppress creep (permanent deformation) due to thermal expansion to a small level. For this reason, while being able to improve the heat resistance as piston ring 21, it suppresses that joint part 21A, 21B of piston ring 21 is welded by the heat influence at the time of compression operation, and will be in a fixed state at the time of operation stop, joint part 21A, It is possible to prevent 21B from sticking. Further, even when the operation is resumed thereafter, the piston ring 21 can be compensated for elastic expansion and contraction, ensuring a sealing performance and realizing a long-term maintenance-free operation.

また、ピストンリング２１に用いる複合材料には、基材となる変性ＰＴＦＥに対して、銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンを添加しているので、ピストンリング２１の熱伝導性等を向上でき、圧縮運転時の熱をシリンダ７側に逃がすことができる上に、優れた潤滑性を確保して耐摩耗性を向上することができる。 Further, since the composite material used for the piston ring 21 is added with a powder material made of copper or bronze powder, spherical carbon and molybdenum disulfide to the modified PTFE serving as a base material, the heat conduction of the piston ring 21 It is possible to improve the properties and the like, and to release heat at the time of the compression operation to the cylinder 7 side, and it is possible to secure excellent lubricity and improve wear resistance.

これにより、圧縮運転時のシール性を十分に確保することができ、例えば３ＭＰａ以上の圧力まで圧縮空気等の流体を高圧に圧縮できる。そして、例えば２段式圧縮機の高圧側に設けるピストンリングに適用した場合でも、ピストンリング２１の耐久性、寿命を高め、信頼性を向上することができる。 Thereby, the sealing performance at the time of compression operation can be sufficiently secured, and for example, a fluid such as compressed air can be compressed to a high pressure up to a pressure of 3 MPa or more. For example, even when applied to a piston ring provided on the high-pressure side of a two-stage compressor, the durability and life of the piston ring 21 can be increased and the reliability can be improved.

また、ピストンリング２１の素材となる複合材料は、銅または青銅粉からなる粉末物質を１０〜３０重量％の範囲で含有し、前記球状炭素を５〜１５重量％の範囲で含有し、前記二硫化モリブデンを３〜７重量％の範囲で含有する構成としている。これにより、ピストンリング２１の熱伝導性を高めて耐熱性、耐摩耗性を向上することができる。 Further, the composite material as the material of the piston ring 21 contains a powder substance made of copper or bronze powder in the range of 10 to 30% by weight, the spherical carbon in the range of 5 to 15% by weight, and the two It is set as the structure which contains 3 to 7weight% of molybdenum sulfide. Thereby, the heat conductivity of piston ring 21 can be improved and heat resistance and wear resistance can be improved.

この場合、銅または青銅粉からなる粉末物質の含有量を、例えば１０重量％未満にすると、ピストンリング２１の熱伝導性が悪くなり、１０重量％以上に増やすことによって熱伝導性を向上することができる。一方、粉末物質が３０重量％を越えると、圧縮空気等の吐出量が低下する。これは、粉末物質の含有量が多くなり過ぎて、ピストンリング２１としてのなじみ性が悪くなり、シール性能が低下することが原因と考えられる。 In this case, if the content of the powder substance made of copper or bronze powder is less than 10% by weight, for example, the thermal conductivity of the piston ring 21 is deteriorated, and the thermal conductivity is improved by increasing it to 10% by weight or more. Can do. On the other hand, when the powder substance exceeds 30% by weight, the discharge amount of compressed air or the like decreases. This is presumably because the content of the powder substance is excessively increased, the conformability as the piston ring 21 is deteriorated, and the sealing performance is deteriorated.

また、前述した球状炭素は、炭素繊維のようにエッジがなく、相手面（シリンダ７の内周面）への攻撃性を抑えて摩耗を低減することができる。しかし、球状炭素の含有量が５重量％未満になると、相手面（シリンダ７の内周面）への攻撃性が小さくなり過ぎて平滑化しないために、ピストンリング２１外周の摩耗が増大する傾向がある。また、球状炭素を１５重量％よりも多くすると、逆に相手面への攻撃性が高くなり、例えばシリンダ７の内周面における摩耗を増大させる原因となる。 Moreover, the spherical carbon mentioned above does not have an edge like a carbon fiber, and can suppress wear by suppressing the aggressiveness to the other surface (inner peripheral surface of the cylinder 7). However, when the spherical carbon content is less than 5% by weight, the aggression on the mating surface (the inner peripheral surface of the cylinder 7) becomes too small and smoothing is not smoothed, so that the wear on the outer periphery of the piston ring 21 tends to increase. There is. On the other hand, when the amount of spherical carbon is more than 15% by weight, on the contrary, the attacking property to the mating surface is increased, and for example, the wear on the inner peripheral surface of the cylinder 7 is increased.

また、二硫化モリブデンの含有量が３重量％未満になると、ピストンリング２１としての潤滑性が低下し、摺動特性が悪くなる傾向がある。逆に７重量％を越える二硫化モリブデンを含有させると、これによって変性ＰＴＦＥ等の含有量が減少して、摩耗が増大する傾向がみられる。 Further, when the content of molybdenum disulfide is less than 3% by weight, the lubricity as the piston ring 21 is lowered, and the sliding characteristics tend to be deteriorated. On the other hand, when molybdenum disulfide exceeding 7% by weight is contained, the content of modified PTFE or the like is decreased by this, and there is a tendency for wear to increase.

また、変性ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の含有量を５５重量％未満にすると、ピストンリング２１としての強度が不足し、十分な耐摩耗性、シール性を確保することが難しい。一方、変性ＰＴＦＥの含有量が８０重量％を越えた場合には、他の添加材（含有成分）の量が不足し、摩耗低減の効果が十分に得られなくなる。 In addition, when the content of modified PTFE (polytetrafluoroethylene) is less than 55% by weight, the strength as the piston ring 21 is insufficient, and it is difficult to ensure sufficient wear resistance and sealability. On the other hand, when the content of the modified PTFE exceeds 80% by weight, the amount of other additives (containing components) is insufficient, and the effect of reducing wear cannot be obtained sufficiently.

このため、ピストンリング２１の素材として用いる複合材料は、銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンの３物質を、全体の２０〜４５重量％の範囲内とし、変性ＰＴＦＥを５５〜８０重量％の範囲内で含有する構成とするのが好ましい。これにより、ピストンリング２１の耐熱性、耐摩耗性を高め、その信頼性、寿命を向上することができる。 For this reason, the composite material used as the material of the piston ring 21 is a powder material made of copper or bronze powder, three materials of spherical carbon and molybdenum disulfide within the range of 20 to 45% by weight, and the modified PTFE is 55%. It is preferable to make it contain in the range of -80 weight%. Thereby, the heat resistance and wear resistance of the piston ring 21 can be increased, and its reliability and life can be improved.

以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention are shown below together with comparative examples. The present invention is not limited to these examples.

ここで、実施例で用いるＰＴＦＥ（グレード名が「７０−Ｊ」）とは、ＰＦＡ変性ＰＴＦＥとも呼ばれ、この変性ＰＴＦＥは、下記の表１にも示す如く、例えば２３℃の室温下で２４時間にわたり１４ＭＰａの荷重を付加した後の永久変形率が２．６％となり、室温下での永久変形が小さいという特性を有している。しかも、この変性ＰＴＦＥは、例えば１５０℃の高温下で同様の試験を行った場合でも、その永久変形率は２０．７％となり、熱膨脹によるクリープ（永久変形）も小さく抑えることができる。 Here, PTFE (grade name is “70-J”) used in the examples is also called PFA-modified PTFE. This modified PTFE is, for example, 24 at room temperature of 23 ° C. as shown in Table 1 below. The permanent deformation rate after applying a 14 MPa load over time is 2.6%, and the permanent deformation at room temperature is small. Moreover, this modified PTFE has a permanent deformation rate of 20.7% even when the same test is performed at a high temperature of 150 ° C., for example, and the creep (permanent deformation) due to thermal expansion can be suppressed to a low level.

一方、後述の比較例で用いる汎用のＰＴＦＥは、グレード名が「７−Ｊ」と呼ばれ、例えば２３℃の室温下で２４時間にわたり１４ＭＰａの荷重を付加した後の永久変形率が６．２％と大きくなり、例えば１５０℃の高温下では、永久変形率が３２．６％まで大きくなってしまう。 On the other hand, a general-purpose PTFE used in a comparative example to be described later has a grade name “7-J”, and has a permanent deformation rate of 6.2 after applying a 14 MPa load for 24 hours at a room temperature of 23 ° C., for example. For example, at a high temperature of 150 ° C., the permanent deformation rate increases to 32.6%.

この場合、実施例では、ピストンリング２１の素材となる複合材料の成分（変性ＰＴＦＥ、銅粉、球状炭素および二硫化モリブデン）を、下記の表２に示す重量比（重量％）で配合した後に、前述した通り圧縮成形、焼成手段等を用いて図４に示す如き合口部２１Ａ，２１Ｂが設けられたピストンリング２１を形成したものである。 In this case, in the example, after the components of the composite material (modified PTFE, copper powder, spherical carbon, and molybdenum disulfide) that are the raw materials of the piston ring 21 are blended at a weight ratio (% by weight) shown in Table 2 below. As described above, the piston ring 21 provided with the abutting portions 21A and 21B as shown in FIG. 4 is formed by using compression molding, firing means or the like.

そして、このピストンリング２１を図１ないし図３に示すように揺動ピストン１４（ピストン部１８）のリング溝１８Ａ内に装着し、この状態で空気圧縮機を３ＭＰａの吐出圧力で連続運転（例えば、３０分間だけ運転）し、圧縮室１９内の温度が室温に低下するまで圧縮機を冷却した後に、再び前述の連続運転（３０分間の運転）を行うというサイクルを、例えば１０００回繰り返して合計の運転時間が５００時間に達した段階で、ピストンリング２１等に異常がなく、圧縮運転が可能であるか否かを確認したものである。 The piston ring 21 is mounted in the ring groove 18A of the swinging piston 14 (piston portion 18) as shown in FIGS. 1 to 3, and the air compressor is continuously operated at a discharge pressure of 3 MPa in this state (for example, For 30 minutes), after cooling the compressor until the temperature in the compression chamber 19 drops to room temperature, the above-mentioned continuous operation (30 minute operation) is repeated for a total of 1000 cycles, for example. When the operation time reaches 500 hours, it is confirmed whether there is no abnormality in the piston ring 21 or the like and the compression operation is possible.

ここで、実施例のピストンリング２１で採用した複合材料は、下記の表２に示すように変性ＰＴＦＥ（７０−Ｊ）を７５重量％、粉末物質（銅粉）を１０重量％、球状炭素を１０重量％、二硫化モリブデンを５重量％含有して構成されている。 Here, as shown in Table 2 below, the composite material employed in the piston ring 21 of the example is 75% by weight of modified PTFE (70-J), 10% by weight of powdered material (copper powder), and spherical carbon. It contains 10% by weight and 5% by weight of molybdenum disulfide.

一方、比較例のピストンリングで採用した複合材料は、変性ＰＴＦＥ（７０−Ｊ）ではなく、汎用のＰＴＦＥ（７−Ｊ）を用いたものである。即ち、比較例で採用した複合材料は、表２に示すように、ＰＴＦＥ（７−Ｊ）を７５重量％、銅粉を１０重量％、球状炭素を１０重量％、二硫化モリブデンを５重量％含有している。 On the other hand, the composite material employed in the piston ring of the comparative example uses general-purpose PTFE (7-J) instead of modified PTFE (70-J). That is, as shown in Table 2, the composite material employed in the comparative example was 75 wt% PTFE (7-J), 10 wt% copper powder, 10 wt% spherical carbon, and 5 wt% molybdenum disulfide. Contains.

また、比較例のピストンリングは、表２に示す組成比の複合材料により実施例の場合と同様の圧縮成形、焼成手段等を用いて形成したものである。そして、比較例によるピストンリングも、揺動ピストン１４（ピストン部１８）のリング溝１８Ａ内に装着し、この状態で空気圧縮機を３ＭＰａの吐出圧力で連続運転（例えば、３０分間の運転）を行ったものである。 Further, the piston ring of the comparative example is formed by using the same compression molding and firing means as those of the example by using the composite material having the composition ratio shown in Table 2. The piston ring according to the comparative example is also mounted in the ring groove 18A of the oscillating piston 14 (piston portion 18), and in this state, the air compressor is continuously operated at a discharge pressure of 3 MPa (for example, operation for 30 minutes). It is what I did.

かくして、表３の試験データからも明らかなように、実施例によるピストンリング２１を用いた空気圧縮機では、運転初期の空気量が７５（リットル／分）であり、３０分の連続運転により空気量が７１（リットル／分）となった。そして、実施例の場合には、ピストンリング２１の摩耗がほとんどなく、合口部２１Ａ，２１Ｂの固着等を防止できることが確認された。 Thus, as is apparent from the test data in Table 3, the air compressor using the piston ring 21 according to the example has an air amount of 75 (liters / minute) at the initial stage of operation, and the air is continuously operated for 30 minutes. The amount was 71 (liters / minute). And in the case of the Example, it was confirmed that there was almost no abrasion of the piston ring 21, and adhesion of the joint parts 21A and 21B etc. can be prevented.

これに対し、比較例の場合には、３０分の連続運転で空気量が７０（リットル／分）であるものの、ピストンリングの合口部が溶融して固着し、ＮＧ（使用不可）となりその後の試験が不可能となった。この原因としては、実施例のように変性ＰＴＦＥ（７０−Ｊ）ではなく、比較例では汎用のＰＴＦＥ（７−Ｊ）を用いたことが、理由として考えられる。 On the other hand, in the case of the comparative example, although the air amount is 70 (liters / minute) in the continuous operation for 30 minutes, the joint portion of the piston ring is melted and fixed and becomes NG (unusable) thereafter. The test became impossible. The reason for this is considered to be the use of general-purpose PTFE (7-J) in the comparative example, not the modified PTFE (70-J) as in the examples.

従って、本実施の形態によれば、ピストンリング２１の素材となる複合材料に、グレード名が「７０−Ｊ」である変性ＰＴＦＥを基材として用いることにより、熱膨脹によるクリープ（永久変形）を小さく抑えることができ、合口部２１Ａ，２１Ｂが溶融して運転停止時に固着する等の問題をなくすことができる。 Therefore, according to the present embodiment, the modified PTFE whose grade name is “70-J” is used as the base material for the composite material that is the material of the piston ring 21, thereby reducing creep (permanent deformation) due to thermal expansion. It is possible to suppress such a problem that the joint portions 21A and 21B are melted and fixed when the operation is stopped.

また、ピストンリング２１の素材となる複合材料には、変性ＰＴＦＥからなる基材に対して、銅または青銅粉からなる粉末物質、球状炭素および二硫化モリブデンをそれぞれ適量だけ添加して配合することにより、ピストンリング２１とシリンダ７の耐摩耗性を向上でき、空気圧縮機としての寿命を高めることができると共に、長期間のメンテナンスフリーも実現することができる。 In addition, the composite material used as the material of the piston ring 21 is blended by adding an appropriate amount of a powder material made of copper or bronze powder, spherical carbon and molybdenum disulfide to a base material made of modified PTFE. The wear resistance of the piston ring 21 and the cylinder 7 can be improved, the life as an air compressor can be increased, and long-term maintenance-free operation can also be realized.

なお、前記実施の形態では、図４、図５に示す如くピストンリング２１の合口部２１Ａ，２１Ｂを略Ｌ字状に形成する場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えばピストンリングの途中部位を一定の角度で斜め下向きに切断するようにして合口部を形成してもよく、また、略コ字状に切欠くようにして合口部を形成してもよいものである。 In the above embodiment, the case where the joint portions 21A and 21B of the piston ring 21 are formed in a substantially L shape as shown in FIGS. 4 and 5 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, an abutting portion may be formed by cutting a middle portion of the piston ring obliquely downward at a certain angle, and may be cut into a substantially U-shape. A joint portion may be formed.

また、前記実施の形態では、揺動型圧縮機を空気圧縮機に適用した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば窒素、水素等の気体または冷媒等の流体を圧縮する揺動型圧縮機に適用してもよいものである。 Moreover, in the said embodiment, the case where the oscillating compressor was applied to the air compressor was described as an example. However, the present invention is not limited to this, and may be applied to an oscillating compressor that compresses a fluid such as a gas such as nitrogen or hydrogen or a refrigerant.

本発明の実施の形態による空気圧縮機を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing an air compressor by an embodiment of the invention. 空気圧縮機を図１中の矢示II−II方向からみた断面図である。It is sectional drawing which looked at the air compressor from the arrow II-II direction in FIG. ピストンが下死点に移動した状態を示す図２と同様位置の断面図である。It is sectional drawing of the same position as FIG. 2 which shows the state which the piston moved to the bottom dead center. 図１中のピストンリングを単体で示す斜視図である。It is a perspective view which shows the piston ring in FIG. 1 alone. 図４中のピストンリングを拡大して示す正面図である。It is a front view which expands and shows the piston ring in FIG.

Explanation of symbols

１クランクケース
４出力軸
５クランク
７シリンダ
８弁座板
９シリンダヘッド
１４揺動ピストン
１６リング部
１７ピストンロッド
１８ピストン部
１８Ａリング溝
１９圧縮室
２１ピストンリング
２１Ａ，２１Ｂ合口部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crankcase 4 Output shaft 5 Crank 7 Cylinder 8 Valve seat board 9 Cylinder head 14 Oscillating piston 16 Ring part 17 Piston rod 18 Piston part 18A Ring groove 19 Compression chamber 21 Piston ring 21A, 21B Abutment part

Claims

I from a tubular cylinder, a Lupi piston forming image compression chamber in the cylinder in the forward backward and in the cylinder, a seal member for sealing between said cylinder and piston provided 該Pi piston In the oil-free reciprocating compressor that does not use oil for sliding between the cylinder and the seal member ,
The sealing member is configured before Kipi annular ring groove provided in the piston expansion, the diameter can be mounted piston ring having an abutment portion,
This piston ring,
Based on a modified polytetrafluoroethylene having a permanent deformation rate of 3% or less after adding a 14 MPa load over 24 hours at room temperature after adding a fluoroalkoxyethylene group to polytetrafluoroethylene ,
Powder material composed of at least copper or bronze powder to a substrate of this,
Ball-shaped carbon and
Reciprocating compressor, characterized in that the arrangement is formed by a composite material obtained by adding molybdenum disulfide.

In addition to the modified polytetrafluoroethylene, the composite material contains 10 to 30% by weight of the powder substance, 5 to 15% by weight of the spherical carbon, and 3 to 7% by weight of the molybdenum disulfide. The reciprocating compressor according to claim 1, which is configured.