JP5393967B2

JP5393967B2 - 摺動材及び流体圧縮機械

Info

Publication number: JP5393967B2
Application number: JP2007253685A
Authority: JP
Inventors: 佳恵辻見; 信吾三宅; 恵介谷口
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009085051A

Description

本発明は摺動材及び流体圧縮機械に関し、より詳しくは、空気中、酸素を含まない流体中、のいずれにおいても耐摩耗性が向上し、特に窒素ガス等の酸素を含まない流体においては異常摩耗を防止することが可能な摺動材、及び該摺動材を用いた往復動圧縮機や往復動膨張機等の流体圧縮機械に関するものである。

従来、往復動圧縮機や往復動膨張機等に代表される流体圧縮機械は、金属製のシリンダと、このシリンダ内を往復動して流体を圧縮または膨張する金属製のピストンと、このピストンに環装されて前記シリンダの摺動面と摺動するピストンリングとから概略構成されている。
このピストンリングに用いられる材料としては、耐摩耗性に優れた非金属材料が用いられており、この非金属材料としては、ポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）と炭素繊維やグラファイト等とを混合したもの、ＰＴＦＥと青銅粉末等とを混合したもの、ＰＴＦＥと球状の炭素材と二硫化モリブデン等を混合したもの等が用いられている（例えば、特許文献１等参照）。
特開平１１−２７０６８０号公報

ところで、上述した従来のピストンリングでは、空気を圧縮する往復動圧縮機に適用した場合には問題が生じる虞が無かったが、窒素ガスを圧縮する窒素ガス往復動圧縮機に適用した場合、特に、ＰＳＡ式や分離膜式の窒素ガス発生装置により製造した窒素ガスを圧縮した場合、ピストンリングの摩耗が１０倍以上に増加し、その結果、ピストンリングの交換寿命が短くなるという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、往復動圧縮機やスクロール式の圧縮機等の流体圧縮機械に適用可能な摺動材の耐摩耗性を向上させることができ、したがって、摺動材の交換寿命を長くすることができ、特に、窒素ガス等の酸素を含まない流体中にて用いた場合においては異常摩耗を防止することができる摺動材及び流体圧縮機械を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために、窒素ガス等の酸素を含まない流体中における摺動材の表面状態に注目して鋭意検討を行った結果、摺動材を酸化銅、好ましくは酸化銅粉末を含有したものとすれば、摺動材の耐摩耗性を向上させることができ、したがって、摺動材の交換寿命を長くすることができ、特に、窒素ガス等の酸素を含まない流体中においては異常摩耗を防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の摺動材は、ポリテトラフルオルエチレンを基材とし、充填材の一部に酸化銅粉末を含有してなり、この酸化銅粉末の充填量は７．５〜２０質量％であることを特徴とする。

前記酸化銅粉末は、平均粒径が１０〜５０μｍであることが好ましい。

本発明の流体圧縮機械は、圧縮室がアルミニウム合金からなり、前記圧縮室の摺動面には陽極酸化処理が施されており、前記摺動面と摺動する摺動部材は、本発明の摺動材を備えてなることを特徴とする。

本発明の摺動材によれば、ポリテトラフルオルエチレンを基材とし、充填材の一部に酸化銅粉末を含有し、この酸化銅粉末の充填量を７．５〜２０質量％としたので、耐摩耗性を向上させることができ、したがって、交換寿命を延長することができる。
また、窒素ガス等の酸素を含まない流体中にて用いた場合に異常摩耗を防止することができる。

本発明の流体圧縮機械によれば、アルミニウム合金からなる圧縮室の摺動面と摺動する摺動部材は、本発明の摺動材を備えたので、対象となる流体を選ばずに、ピストンリングの耐摩耗性を向上させることができ、交換寿命を延長することができる。したがって、流体圧縮機械の保守点検を容易にすることができ、稼働率も向上させることができる。

本発明の摺動材及び流体圧縮機械の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

「摺動材」
本実施形態の摺動材は、ポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）を基材とし、充填材の一部に酸化銅を含有してなることを特徴とする摺動材である。

この基材は、ポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）を含有している必要があり、このポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）としては、変性ポリテトラフルオルエチレン（変性ＰＴＦＥ）を主成分としてもよい。

一方、充填材は、酸化銅の他、酸化銅以外の潤滑材、強化材等からなるもので、酸化銅としては、材料の分散性（均一性）を考慮すると酸化銅粉末が好ましい。
この酸化銅粉末の摺動材全体に対する含有率は７．５質量％以上かつ２０質量％以下であることが好ましい。

ここで、酸化銅粉末の摺動材全体に対する含有率を７．５質量％以上かつ２０質量％以下と限定した理由は、含有率が７．５質量％未満であると、摺動材自体の自己摩耗が大きくなり、したがって、耐摩耗性が低下し、交換寿命が短くなるからであり、一方、含有率が２０質量％を超えると、摺動材の硬度が高くなりすぎてしまい、この摺動材を流体圧縮機械のピストンリングに適用した場合にシリンダの摺動面における摩耗が大きくなるからである。

この酸化銅粉末の平均粒径は１０μｍ以上かつ５０μｍ以下が好ましい。
ここで、酸化銅粉末の平均粒径を１０μｍ以上かつ５０μｍ以下と限定した理由は、平均粒径が１０μｍ未満であると、シリンダ摺動面の表面粗さなどが影響してピストンリングの摺動面から酸化銅粉末が脱落することで、磨耗が増加するからであり、一方、平均粒径が５０μｍを超えると、酸化銅粉末の中心部が酸化しておらず銅のままであり、その結果摩耗が増加するからである。
この酸化銅粉末は、平均粒径が１０μｍ以下、例えば数μｍ以下の酸化銅微粉末が複数個凝集した状態の酸化銅粉末であってもよい。

酸化銅以外の潤滑材としては、黒鉛、コークス、青銅粉、二硫化モリブデン等が好適に用いられる。
強化材としては、炭素繊維、球状炭素等が好適に用いられる。

ここで、充填材に酸化銅を用いた理由について説明する。
充填材に従来の銅粉末を用いた場合、この銅粉末を含む摺動材を流体圧縮機械のピストンリングに適用し、この流体圧縮機械で空気を圧縮すると、このピストンリングの摺動面にて銅粉末が酸化し、生成した酸化銅がピストンリングの摺動面の耐摩耗性を向上させることにより、ピストンリングの摺動面の摩耗を防いでいることが分かった。
一方、上記の流体圧縮機械で窒素ガスを圧縮した場合、このピストンリングの摺動面においては銅粉末が酸化することがなく、しかも、この銅粉末が摺動により伸びてしまい、その結果、ピストンリングの摺動面の耐摩耗性が低下していることが分かった。

そこで、従来の銅粉末の代わりに酸化銅粉末を用い、この酸化銅粉末を含む摺動材を流体圧縮機械のピストンリングに適用すると、この流体圧縮機械で窒素ガス等の酸素を含まない流体を圧縮した場合においても、ピストンリングに含まれる酸化銅が摺動面の耐摩耗性を向上させ、異常摩耗を防止していることが分かった。
なお、この流体圧縮機械で空気を圧縮した場合においても、もちろん、摺動面の耐摩耗は低下しないことが分かった。

本実施形態の摺動材によれば、ポリテトラフルオルエチレンを基材とし、充填材の一部に酸化銅を含有したので、摺動材自体の耐摩耗性を向上させることができ、したがって、この摺動材を各種部材に適用した場合に、これら各種部材の交換寿命を延長することができる。
また、この摺動材を窒素ガス等の酸素を含まない流体中にて用いた場合には、異常摩耗を防止することができる。

「流体圧縮機械」
本実施形態の流体圧縮機械は、圧縮室がアルミニウム合金からなり、この圧縮室の摺動面には陽極酸化処理が施されており、この摺動面と摺動する摺動部材は、本実施形態の摺動材を備えてなることを特徴とする流体圧縮機械である。
この流体圧縮機械としては、無給油式往復動圧縮機、給油式往復動圧縮機等の往復動圧縮機、あるいは無給油式往復動膨張機、給油式往復動膨張機等の往復動膨張機が挙げられる。

図１は、本発明の第１の実施形態の無給油式往復動圧縮機を示す断面図であり、図において、１はアルミニウム合金からなる基体の摺動面１ａに陽極酸化処理が施されたシリンダ、２はシリンダ１内を往復動して流体を圧縮するピストン、３はピストン２に環装されて摺動面１ａと摺動するピストンリング、４はピストン２のピストンリング３より下方の位置に環装されて摺動面１ａと摺動するライダーリング、５はピストン２駆動用の連結棒、６はピストン２と連結棒５とを連結するピストンピンである。

この無給油式往復動圧縮機では、ピストンリング３に本実施形態の摺動材を適用したので、ピストンリング３の耐摩耗性を向上させることができ、交換寿命を延長することができる。したがって、この無給油式往復動圧縮機の保守点検を容易にすることができ、稼働率も向上させることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態の給油式往復動圧縮機を示す断面図であり、この給油式往復動圧縮機が第１の実施形態の無給油式往復動圧縮機と異なる点は、第１の実施形態の無給油式往復動圧縮機ではピストン２のピストンリング３より下方の位置にライダーリング４を環装したのに対し、本実施形態の給油式往復動圧縮機ではピストン２にライダーリング４を環装していない点である。
この給油式往復動圧縮機においても、第１の実施形態の無給油式往復動圧縮機と同様の効果を奏することができる。

以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
「実施例１〜９」
酸化銅粉末、ＰＴＦＥ、炭素繊維他を所定の配合量（質量％）となるように秤量し、次いで、ミキサーを用いて混合し、次いで、一軸成形機を用いて所定の形状に圧縮成形し、熱処理を行い、その後切削加工を施し、実施例１〜９各々の摺動材を作製した。これらの摺動材の形状は、外径８２ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚み８ｍｍのリング状とした。

ここでは、表１に示すように、平均粒径が５０μｍの酸化銅粉末を７．５質量％含有したものを実施例１、平均粒径が５０μｍの酸化銅粉末を１５質量％含有したものを実施例２、平均粒径が５０μｍの酸化銅粉末を２０質量％含有したものを実施例３、平均粒径が２５μｍの酸化銅粉末を７．５質量％含有したものを実施例４、平均粒径が２５μｍの酸化銅粉末を１５質量％含有したものを実施例５、平均粒径が２５μｍの酸化銅粉末を２０質量％含有したものを実施例６、平均粒径が１０μｍの酸化銅粉末を７．５質量％含有したものを実施例７、平均粒径が１０μｍの酸化銅粉末を１５質量％含有したものを実施例８、平均粒径が１０μｍの酸化銅粉末を２０質量％含有したものを実施例９とした。

「比較例１〜８」
銅粉末または酸化銅粉末、ＰＴＦＥ、炭素繊維他を所定の配合量（質量％）となるように秤量し、次いで、ミキサーを用いて混合し、次いで、一軸成形機を用いて所定の形状に圧縮成形し、熱処理を行い、その後切削加工を施し、比較例１〜８各々の摺動材を作製した。これらの摺動材の形状は、実施例１〜９と同様、外径８２ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚み８ｍｍのリング状とした。

ここでは、表２に示すように、平均粒径が５０μｍの銅粉末を１５質量％含有したものを比較例１、平均粒径が１００μｍの酸化銅粉末を１５質量％含有したものを比較例２、平均粒径が５０μｍの酸化銅粉末を５質量％含有したものを比較例３、平均粒径が５０μｍの酸化銅粉末を２５質量％含有したものを比較例４、平均粒径が２５μｍの酸化銅粉末を５質量％含有したものを比較例５、平均粒径が２５μｍの酸化銅粉末を２５質量％含有したものを比較例６、平均粒径が１０μｍの酸化銅粉末を５質量％含有したものを比較例７、平均粒径が１０μｍの酸化銅粉末を２５質量％含有したものを比較例８とした。

このようにして作製された実施例１〜９及び比較例１〜８各々の摺動材の摩耗試験を行った。
この摩耗試験は、アルミニウム合金ＡＤＣ３の表面に厚み２０μｍの硬質アルマイトを施し、次いで、この表面を研磨して表面粗さＲａが０．３μｍの円盤状の相手材を作製し、この相手材に、リング状の実施例１〜９及び比較例１〜８各々の摺動材を０．４ＭＰａの押付け力で押し付け、１．５ｍ／ｓの速度にて１００時間、試験を行った。なお、ここでは、空気、窒素ガスの２種類の雰囲気それぞれについて試験を行った。これらの試験結果を表１及び表２に示す。

表１及び表２によれば、実施例１〜９では、空気中、窒素ガス中ともに後述する目標摩耗速度０．９μｍ／ｈ以下の良好な摩耗特性を示していることが分かった。
一方、比較例１では、酸化銅粉末ではなく銅粉末を用いたために、空気中では良好な摩耗特性を示していたが、窒素ガス中では摩耗が増加していた。
また、比較例２では、平均粒径が大きい酸化銅粉末を用いたために、酸化銅粉末の中心部が酸化しておらず銅のままであり、比較例１と同様に窒素ガス中では摩耗が増加していた。
また、比較例３、５、７では、酸化銅粉末の含有量が少ないために、摩耗が大きい結果となった。
また、比較例４、６、８では、酸化銅粉末の含有量が多すぎるために、相対的にＰＴＦＥの含有率が減少し、摩耗が大きい結果となった。

ここで、目標磨耗速度について説明する。
実機において、ピストンリング（チップシールでも同様）は、耐久性の観点から１ｍｍ/１００００ｈを磨耗速度の限界値とし、それ以下の磨耗速度となるように材料および配合を調整して製作されている。実際の使用条件においては、温度条件等により磨耗量が増加する可能性があるため、１０％程度のマージンを見込む必要がある。そこで、ピストンリングの目標磨耗速度は、限界値に対してマージンを持った０．９μｍ/ｈ（０．９ｍｍ/１００００ｈ）と設定した。
なお、限界値の磨耗速度を少し越える比較例は、実機において使用可能ではあるが、マージンを含まないため採用の可能性は低い。そこで、本発明は、酸化銅粉末の充填量および平均粒径を、表１に記載の実施例とした。

本発明の摺動材は、基材がＰＴＦＥを含有し、充填材が酸化銅を含有した構成としたことにより、耐摩耗性を向上させることができ、したがって、交換寿命を延長することができるものであるから、無給油式往復動圧縮機、給油式往復動圧縮機等の往復動圧縮機、あるいは無給油式往復動膨張機、給油式往復動膨張機等の往復動膨張機におけるピストンリングはもちろんのこと、揺動式のリップリングやスクロール式のチップシール等へも適用可能であり、その工業的意義は極めて大である。

本発明の第１の実施形態の無給油式往復動圧縮機を示す断面図である。本発明の第２の実施形態の給油式往復動圧縮機を示す断面図である。

符号の説明

１シリンダ
１ａ摺動面
２ピストン
３ピストンリング
４ライダーリング
５連結棒
６ピストンピン

Claims

ポリテトラフルオルエチレンを基材とし、
充填材の一部に酸化銅粉末を含有してなり、
この酸化銅粉末の充填量は７．５〜２０質量％であり、
前記酸化銅粉末は、平均粒径が１０〜５０μｍであることを特徴とする摺動材。
圧縮室がアルミニウム合金からなり、
前記圧縮室の摺動面には陽極酸化処理が施されており、
前記摺動面と摺動する摺動部材は、請求項１記載の摺動材を備えてなることを特徴とする流体圧縮機械。
酸素を含まない流体を圧縮することに用いることを特徴とする請求項２記載の流体圧縮機械。