JP6033533B2 - 往復動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンリングを備えた往復動圧縮機に関する。

特許文献１に記載の空気圧縮機用ピストンリングは、ＰＴＦＥを基材とし潤滑材及び球状の炭素材を充填したことを特徴としている。

また、特許文献２に記載の空気圧縮機用シール材は、旧モース硬度が６〜８でありかつ平均粒径が１００μｍ以下の粉末状の硬質材料と、ポリテトラフルオロエチレン樹脂及び／または四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン樹脂とを含有する複合材料により構成され、硬質材料を、珪藻土、電気石、珪酸塩鉱物、金属酸化物から選択された１種または２種以上とし、四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン樹脂を、その分子量を５００万以上とし、かつ非熱可塑性としたことを特徴とする。

特願平１０−７８０４５ 特願２００４−１３５７８５

上記２つの特許文献に記載のリング材料は、耐摩耗性を向上させるものであるが、圧縮機の更なる小型、高圧化を図る場合、ピストンリング合口部の溶着が大きな課題となる。

そこで本発明は上記課題に鑑み、合口加工を施した拡縮径可能なピストンリングを備える往復動圧縮機において、運転による発熱でピストンリング合口部に溶着が発生しないピストンリングを有する往復動圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、ピストンリングを有するピストンがシリンダ内で往復動することにより、空気を圧縮し、圧縮時に潤滑油を用いない圧縮機本体と、前記圧縮機本体を駆動するモータとを備え、前記ピストンリングは、拡縮径可能な合口部を有し、熱可塑性樹脂であるＰＴＦＥを基材として、二硫化モリブデン、銅粉、炭素が充填され、充填された銅粉の粒径の分布は１００μｍ以上のものが１０％以下となることを特徴とする往復動圧縮機を提供する。

本発明によれば、圧縮機の運転による発熱でピストンリングの合口部が溶着が発生しないピストンリングを有する往復動圧縮機を提供することができる。

本発明の実施例１に係る圧縮機本体の側断面図である。 本発明の実施例１に係るピストンリングである。 本発明の実施例１に係るピストンリングの配合である。 本発明の実施例１に係る充填材のサイズと割合である。 本発明の実施例１に係る溶着確認の試験結果である。 本発明の実施例１に係るピストンリング合口部の拡大図である。 本発明の実施例２に係るピストンリングの配合である。 本発明の実施例２に係る充填材のサイズと割合である。 本発明の実施例２に係る溶着確認の試験結果である。

本発明の実施例に係る空気圧縮機本体及びピストンリング材料を図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本発明の実施例１に係る空気圧縮機において空気を圧縮する圧縮機本体の構造を、図１を参照しつつ以下に説明する。なお、本実施例では空気を圧縮する圧縮機で説明するが、その他の流体を圧縮する場合も同様な効果を奏することが可能である。

１は空気を圧縮する圧縮機本体である。圧縮機本体１は、クランクケース１Ａとクランクケース１Ａに取り付けられたシリンダ１８Ａ、１８Ｂを備えている。クランクケース１Ａ内にはモータ６のシャフト（回転軸）６Ａが貫通している。

１Ａは圧縮機本体１及びモータ６を覆うクランクケースである。クランクケース１Ａの一端側にはステータ２が直接固定され、ベアリング３が装着されており、ステータ２の取り付け側と反対側には、ベアリング４が装着された軸受箱５が勘合される構造となっている。また、クランクケース１Ａ内を貫通するシャフト６Ａの中央部にはキー１２を有する。また、空気をシールするためのピストンリング２４が装着されたピストン１４、空気をシールするためのリップリング２６が装着されたピストン２５が、ベアリング１５と偏心したエキセントリック１６を介してバランス１７と共に挿入される。ピストン１４、ピストン２５、バランス１７は、クランクケース１Ａおよび軸受箱５に装着された２個のベアリング３、４によって両側から支持されている。なお、本実施例では、高圧側のシリンダ１８Ａ内で往復動するピストン１４にのみピストンリング２４を設けたが、低圧側のシリンダ１８Ｂ内で往復動するピストン２５にも同様にピストンリング２４を設けてもよい。

６は圧縮機本体１を駆動するモータである。モータ６はステータ２、ベアリング３、シャフト６Ａ、キー７、ロータ８、ワッシャ９を有し、シャフト６Ａの端部には冷却ファン１０が設けられている。シャフト６Ａの一端側にキー７を介してロータ８が装着されている。ロータ８はワッシャ９と冷却ファン１０を取り付けるためのファンシャフト１１によって、軸方向に固定されている。

１０はステータ２、シリンダ１８Ａ、１８Ｂ、シリンダヘッド２１Ａ、２１Ｂなど空気圧縮機の構成要素を冷却するための冷却ファンである。冷却ファン１０はファンシャフト１１によってシャフト６Ａの端部に設けられ、モータ６によって駆動される。

１８Ａは、クランクケースに取り付けられた高圧側のシリンダである。本実施例では高低圧側にシリンダ１８Ａ、１８Ｂの２つを設け、一対のシリンダ１８Ａ、１８Ｂがクランクケースを挟んで互いに対向するように取り付けた。シリンダ１８Ａは、フランジ１９Ａ、空気弁２０Ａ、通しボルト２２Ａを備える。シリンダヘッド２１Ａ、クランクケース１Ａにはシリンダ１８Ａを取り付けるためのフランジ１９Ａが設けられており、シリンダ１８Ａ、空気弁２０Ａ、シリンダヘッド２１Ａが、通しボルト２２Ａによって前記フランジ１９Ａに固定され、圧縮室２３Ａを形成している。

同様に１８Ｂは、クランクケースに取り付けられた低圧側のシリンダである。シリンダ１８Ｂは、フランジ１９Ｂ、空気弁２０Ｂ、通しボルト２２Ｂを備える。シリンダヘッド２１Ｂクランクケース１Ａにはシリンダ１８Ｂを取り付けるためのフランジ１９Ｂが設けられており、シリンダ１８Ｂ、空気弁２０Ｂ、シリンダヘッド２１Ｂが、通しボルト２２Ｂによって前記フランジ１９Ｂに固定され、圧縮室２３Ｂを形成している。

本実施例における圧縮機本体１の動作について図１、図２を用いて説明する。本実施例における圧縮機本体１は前記ロータ８の駆動によりシャフト６Ａが回転すると、エキセントリック２７によってリップリング２６を有するピストン２５が圧縮室２３Ｂ内をリップリング２６がシリンダ１８Ｂと摺動しつつ往復運動する。リップリング２６を有するピストン２５が上死点から下死点へ向かう吸い込み工程ではクランクケース１Ａ、シリンダ１９Ｂを通じて圧縮室２３Ｂ内へ空気を吸い込み、逆に上死点へ向かう吐き出し工程では吸い込んだ空気を０．７ＭＰａ程度まで圧縮しつつ、空気弁２０Ｂ、シリンダヘッド２１Ｂを通じて吐き出す構造であり、吐き出された圧縮空気は配管２８を通して、高圧側のシリンダヘッド２１Ａへ送られる。低圧側と同様に、ロータ８の駆動によりシャフト６Ａが回転し、エキセントリック１６によってピストンリング２４を有するピストン１４が圧縮室２３Ａ内をピストンリング２４がシリンダ１８Ａと摺動しつつ往復運動することで、低圧側のシリンダ１８Ａより送られた圧縮空気は、ピストンリング２４を有するピストン１４が上死点から下死点へ向かう吸込み工程でシリンダヘッド２１Ａ、空気弁２０Ａを通じて圧縮室２３Ａ内へ吸い込まれ、逆に上死点へ向かう吐き出し工程で高圧縮の一例として、４．２ＭＰａ程度まで再度圧縮される。そこで圧縮された空気は配管２９を通し、空気タンク３０に貯留される。このように本実施例の圧縮機本体１は二段階に分けて空気を圧縮する二段圧縮機である。二段圧縮機は、一段圧縮の場合よりも低圧側、高圧側の圧力比が各々小さくなるため、効率がよくなることで圧縮部に発生する熱を少なくすることができる。しかし、本圧縮機は無給油式圧縮機であり、潤滑油を用いないため、ピストンリング２４にはＰＴＦＥを基材とし、二硫化モリブデン、銅粉、炭素などを充填した摺動性の高い、耐摩耗性に優れた部材が用いている。そのため、給油式に比べ圧縮部の温度が高くなる傾向がある。また、本圧縮機は４．０ＭＰａ以上の高圧空気を圧縮する高圧圧縮機ため、１．０ＭＰａ程度まで空気を圧縮する標準の圧縮機に比べ、圧縮により発生する圧縮熱が高くなり、圧縮部の温度が上昇する傾向にある。

次に、本発明の実施例１に係るピストンリング２４の溶着について図３、図４を参照しつつ以下に説明する。

実施例１に使用されるピストンリングには、主に図３に示すリークカットピストンリング２４Ａや図４に示すステップカットピストンリング２４Ｂが用いられる。このリークカットピストンリング２４Ａやステップカットピストンリング２４Ｂは合口部３１を有しており、その合口部３１が自在に拡縮径することで、圧縮工程時にピストンリング２４がシリンダ１８Ａの形状に合わせ変形することで、シリンダ１８Ａとピストンリング２４のシールを行う。

前述した通り、本圧縮機は無給油式圧縮機且つ高圧圧縮機のため、給油式圧縮機や１．０ＭＰａ程度の低圧圧縮機に比べ、圧縮部の温度が高くなる。更に現在、製品のニーズとして圧縮機の小型化、高圧化が進んでおり、それに伴い圧縮部の温度が上昇するという問題がある。圧縮部の温度が上昇すると、熱可塑性樹脂であるＰＴＦＥを基材にしたピストンリング２４は軟化する。ピストンリングが軟化状態のまま、圧縮機の運転により生成される圧縮空気でピストンリング合口部２５同士が押しつけられ常温まで冷やされると、ピストンリング合口部の溶着が発生する。これはピストンリングの主材料であるＰＴＦＥが熱可塑性樹脂であるため、リング軟化時に合口部同士が固着し、リング温度が低下するとＰＴＦＥが硬化するために起こる。尚、より高圧、例えば４．０ＭＰａ以上で合口部同士が押し付けられると合口部は更に溶着し易くなる。前述したように、リークカットピストンリング２４Ａやステップカットピストンリング２４Ｂは合口部３１を有しており、その合口部３１が自在に拡縮径することで、ピストンリングはシリンダ１８Ｂとシールするが、合口部が溶着すると、ピストンリングが拡縮径しないため（合口部同士が固着しリングの径が変わらないため）運転をしても圧縮機は昇圧しない。そのため、現在までは圧縮機本体１の冷却の高効率化などが進められてきたが、今後更なる高圧化、小型化を目指した場合に本問題に有効は手段の確立は不可欠である。そこで、冷却性の向上ではなく、以下に示す材料の改良により本問題を解決した。

従来、無給油式往復動圧縮機では、摺動性や放熱性を良くするためピストンリング２４には、例えば、グラファイト等を混合したＰＴＦＥ（ポリ四弗化エチレン）が用いられる。ＰＴＦＥに二硫化モリブデンや青銅粉を混合する場合もある。しかし、ステップカットピストンリング２４Ｂやリークカットピストンリング２４Ａのような合口部を持つピストンリング２４においては、前述した通りピストンリング２４の合口部の溶着という問題がある。

そこで、以下に上記問題を解決する本発明の具体的な実施の形態について説明する。まず、ＰＴＦＥを基材とし、リングの強度を向上させるため球状の炭素を、圧縮機の運転によりピストンリングの熱を放熱させるため銅粉を、リングとシリンダの摺動性を向上させるため二硫化モリブデンをそれぞれ図５の比較例１、実施例１〜２の欄に示す種類、比率で混合したものを、圧縮成型、熱処理、切削加工しピストンリング（比較例１、実施例１〜２）を得た。尚、混合した銅粉の粒径分布を図６に示す。ここで、図６に示すとおり、比較例１、実施例１〜２の銅粉の粒径分布は、比較例１では、１００μｍ以上のものが少なくとも１５％以上あり、実施例１では、１００μｍ以上のものが１０％、実施例２では、１００μｍ以上のものが０％である。

そして、上記ピストンリングを図１に示す圧縮機に装着し、高温、高負荷（４．２ＭＰａ）で連続運転を行い、温度がサチレートした後、負荷をかけた状態で圧縮機を常温まで冷却する溶着再現試験を実施した。その結果を図７に示す。

図７の結果から、比較例１では、溶着が発生し、実施例１、２では、溶着の発生を防ぐことができたことがわかる。即ち、ＰＴＦＥに充填している銅粉の粒径の分布を１００μｍ以上のものが１０％以下となるような分布とすることで溶着の発生を防ぐことができることがわかる。これは、ステップカットピストンリング２４Ｂやリークカットピストンリング２４Ａなどの縮径部をもつピストンリング２４の切削加工時に銅粉が加工面より脱落し、図９に示す孔３３の発生を防止できるからである。ピストンリング２４の合口部は刃物にて加工されるが、加工面にピストンリング２４に充填されていた銅粉３２が存在すると、図８のように加工時に銅粉３２が脱落する可能性がある。銅粉３２が加工時に脱落すると、ピストンリング合口部３１に図８、図９に示すような孔３３が多数発生し、運転により生成される圧縮空気でピストンリングの合口部同士が押し付けられた際、従来よりもピストンリング合口部同士が接触する面積が少なくなるため、合口接触面の面圧が上昇し溶着が発生しやすくなる。

そこで、充填している銅粉の粒径を細かくすることで、リング加工時に銅粉が脱落し難くすると共に、銅粉が脱落しても孔が小さいため、合口部の面圧上昇を防ぐことができる。

このように、ピストンリングのＰＴＦＥに充填している銅粉の粒径の分布を１００μｍ以上のものが１０％以下となるような分布とすることでピストンリング合口部の溶着を防止できると以下のような効果がある。
（１）ピストンリング合口部に特殊なコーティング等の処理を施す必要がなく安価で生成可能である
（２）圧縮機の小型化、高圧化による温度上昇が発生しても高信頼性のピストンリングを提供可能である。
（３）ピストンリング合口部を別工程で研磨加工する必要がなく安価で生成可能である。
（４）ピストンリング合口部を摩耗させるための慣らし運転を必要とせず、生産性を向上させることができる。

１ 圧縮機本体
１Ａ クランクケース
６ モータ
６Ａ シャフト
１０ 冷却ファン
１８ シリンダ
２１ シリンダヘッド
２４ ピストンリング

Claims (4)

1. ピストンリングを有するピストンがシリンダ内で往復動することにより、空気を圧縮し、圧縮時に潤滑油を用いない無給油式の圧縮機本体と、
   前記圧縮機本体を駆動するモータとを備え、
   前記ピストンリングは、拡縮径可能な合口部を有し、熱可塑性樹脂であるＰＴＦＥを基材として、二硫化モリブデン、銅粉、炭素が充填され、充填された銅粉の粒径の分布は１００μｍ以上のものが１０％以下となることを特徴とする往復動圧縮機。
2. 前記圧縮機本体は４．０ＭＰａ以上の圧力に昇圧させることを特徴とする請求項１に記載の往復動圧縮機。
3. 前記圧縮機本体は、低圧側のシリンダとピストンとで圧縮された空気をさらに高圧側のシリンダとピストンとで圧縮する二段圧縮を行うことを特徴とする請求項１に記載の往復動圧縮機。
4. 前記低圧側のピストンにリップリングを装着し、前記高圧側のピストンに前記ピストンリングを装着することを特徴とする請求項３に記載の往復動圧縮機。

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