JP6200696B2 - ガス圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、摺動部品およびそれを用いたガス圧縮機または分析機器に関する。

空気等の圧縮ガスは様々な業種の工場で利用され、近年では不活性な圧縮窒素ガスやオイルミストを含まないクリーンな圧縮ガスの需要が高まっている。

圧縮ガスは、一般に往復するピストンとシリンダを備えた圧縮機を使って作りだされる。圧縮ガスは、圧縮される前のガスをシリンダ内の圧縮室入れ、それをピストンで圧縮することで生成される。一般にピストンはピストンリングを備えている。
所謂オイルフリー圧縮機のピストンリングには、自己潤滑性を有する樹脂材が用いられ、ポリエチレンやナイロン等のいわゆる樹脂材料よりも摩擦係数が低いＰＴＦＥ(ｐｏｌｙｔｅｔｒａｌｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ)を主体とするＰＴＦＥ複合材が良く使われる。ＰＴＦＥは摩擦係数が低いという特徴を有するが、一方で摩耗量が多いという特徴も有する。そのためＰＴＦＥあるいはＰＴＦＥ複合材を利用するには、ＰＴＦＥの低い摩擦係数を活かしつつ、摩耗量を低減することが必要となる。

一方、ガス圧縮機で空気を圧縮する場合と、窒素ガスを圧縮する場合とで、ピストンリングの摩耗量は、窒素ガスの場合が空気の場合よりも多くなるという問題があった。これを解決するために、ＰＴＦＥあるいはＰＴＦＥ複合材に酸化銅を含有させることでそれを硬質化し、ＰＴＦＥあるいはＰＴＦＥ複合材の耐摩耗性を向上させていた（特許文献１参照）。

また、ＰＴＦＥあるいはＰＴＦＥ複合材の摩耗低減には、それらが摺動する際に、相手材の表面に形成するＰＴＦＥ移着膜が上手く生成されると、それが摩耗低減に効果があることが知られている（非特許文献１参照）。

特開２００９−８５０５１号公報

竹内彰敏ら３名、誌名：トライボロジスト、第４３巻、第３号、１９９８年、頁２５８−頁２６１

前記特許文献１は、窒素ガスを圧縮する場合のピストンリングの摩耗量低減について一定の効果はあるが、さらなる摩耗量低減を図ることで、その交換周期を延長し、その結果運転コストの低減を図る必要があった。

本発明の目的は、ＰＴＦＥ摺動材の摩耗を低減する構造、を提供することである。

上述の課題を解決するため、ＰＴＦＥ摺動材の近くに、ＰＴＦＥよりも金属に移着し易
い樹脂、からなる摺動部品を配置する。

本発明によれば、窒素ガスおよび乾燥空気であっても、ＰＴＦＥ摺動材の摩耗を低減し、その交換周期を延長できる摺動部品、およびそれを用いたガス圧縮機または分析機器を提供できる。

移着膜の有無と摩耗粉との関係を説明するための図である。 本発明の実施例１を説明する摺動部の断面図である。 図３の摺動部の拡大図である。 移着膜と摩耗との関係を調べるための試験のフローを示す図である。 移着膜と摩耗との関係の試験結果を示す図である。 本発明の実施例２を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例３を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例４を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例５を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例６を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例６の変形例を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例７を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例８を説明する摺動部の断面図である。 本発明の実施例９を説明する分析機器の構成断面図である。 一般的なオイルフリーガス圧縮機の断面図である。 図１５摺動部の拡大図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。
図１５は、一般的なオイルフリーガス圧縮機の断面図である。ガス圧縮機は主に、圧縮室３を構成するシリンダ４０、ピストン１、吸入弁、吐出弁（圧縮ガス側）と、連結棒、プーリ―、モータ、そして筐体からなる。圧縮ガスを生成するには、モータの動力をベルト、プーリ―、連結棒を通じてピストンに伝え、ピストンを上下させ、吸入弁を通って圧縮室にガスを圧縮させる。圧縮させたガスは、吐出弁を通って圧縮ガスの配管に吐出される。この際、ピストンリングは、シリンダ４０の内面と摺動して摩耗し、その量は摺動回数の増加に伴って増加する。また、ライダーリング３０は、シリンダ４０に対するピストンの姿勢を整えるために設けられている。

図１６は、図１５のピストンリングがシリンダ４０の内面と摺動する摺動部の拡大図であり、移着膜を説明する図である。拡大図には、ＰＴＦＥ複合材のピストンリング２０がシリンダ内面４１の上で摺動し、ピストンリング２０の一部がシリンダ内面４１で移着膜２８を形成する様子を示す。ピストンリング２０はシリンダ４０もしくシリンダ内面４１と、移着膜２８を介して接触する。そうすると、ピストンリング２０はシリンダ内面４１の凹凸と直接触れることなく摺動するので、摩耗を低減することができる。

仮に移着層２８が形成されないと、ピストンリング２０はシリンダ内面４１と直接接触し、シリンダ内面４１の凸部が、ピストンリング２０を削り取り、その結果、ピストンリング２０の摩耗が促進されることになる。

図１は、金属に対して樹脂（PTFE樹脂材料）が摺動した際に、金属表面に移着膜の有無によって摩耗粉がどのように発生するかを説明するための図である。
図１（a）は、現行のミクロ接触面の、移着膜ができる場合を示しており、金属と樹脂が移着膜を介して摺動する。それに対して、図１（ｂ）は、現行のミクロ接触面の、移着膜ができない場合を示しており、金属と樹脂が直接接触する。そのため、摺動の際に金属表面よって樹脂材表面が常に削られ、摩耗粉の量は移着膜が有る場合より増加する。

図１（ｃ）は、本発明の原理を説明する図であり、本発明のミクロ接触面を示したものである。図１（ｃ）は、移着を促進する、あるいは強化な移着膜を作る材料を、PTFE樹脂材料の近くに配置している。PTFE樹脂材料よりも移着を促進する樹脂材によって、金属表面に移着を促進する樹脂材からできた移着膜ができる様子を示す。この構造であれば、結果的に図１（a）で説明した、移着膜ができる場合に対応し、移着膜が常に安定してできるので、樹脂（PTFE樹脂材料）と金属材料の直接接触を避け、摩耗粉の発生を抑えること、即ち摩耗量を低減できる。

図２は、本実施例の摺動部の断面を示す図である。本実施例は、図２に示すように、２本のピストンリング２０と２１で構成されており、片方のピストンリング２０がＰＴＦＥ複合材で、もう一つがＰＴＦＥ複合材よりも移着膜を形成し易い樹脂からなるピストンリング２１で構成される。

なお、本実施例では特に断らない限り、樹脂とは、ＰＴＦＥ、ポリエチレン、ナイロン等の樹脂材料が各単体で含まれるもの、或いはそれら樹脂材料と他の材料とで構成される複合材を示す。

ＰＴＦＥよりも移着が促進される樹脂としては、カルボン酸やＰＰＳ（ポリフェーレンサルファイド）、または、エーテル鎖を含む高分子があげられる。また、耐熱性がＰＴＦＥと同等であることが望ましい。耐熱性をもつことが望ましい理由は、摺動による摩擦熱とガスを圧縮する際に発生する熱によって、ピストンリングは１００度から２００度の温度環境に曝されるからである。また、エーテル鎖を含む高分子であることが望ましい理由は、それが金属と樹脂との接着力を高める効果があるためである。そのような樹脂として望ましいものとして、ＰＦＡ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ）、ＰＡＩ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅｉｍｉｄｅ）、ＰＢＴ（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＩ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、エポキシ樹脂等が挙げられる。またそれらの何れかを少なくとも１種類以上含む樹脂が挙げられる。ここに挙げた樹脂は、エーテル鎖を有するため、窒素分子などの無極性分子からなるガスや乾燥空気中でも、相手材にＰＴＦＥよりも容易に移着膜を形成する。

図３は図２の部分的な拡大図を示す。拡大図には、ＰＴＦＥ複合材よりも移着膜を形成し易い樹脂からなるピストンリング２１がシリンダ内面４１の上で摺動することで、摺動面４１で移着膜２８を形成する様子を示している。この移着膜２８により、ピストンリング２０はシリンダ内面４１と、移着膜２８を介して接触する。その結果、ピストンリング２０は、窒素分子などの無極性分子からなるガスや乾燥空気中であっても、シリンダ内面４１の凹凸と直接触れることなく摺動し、ピストンリング２０が摩耗するのを抑えることができる。

エーテル鎖を含む高分子からなる摺動部材は、ＰＴＦＥ摺動材がつくる移着膜よりも、より厚い移着膜を形成する。或いはＰＴＦＥ摺動材が移着膜をほとんどつくらないようなある意味で過酷な環境でも、エーテル鎖を含む高分子からなる摺動部材は、摺動する金属表面にＰＴＦＥよりも容易に移着膜を形成する。ＰＴＦＥ摺動材は、自身とは別に金属表面に移着膜を形成する摺動材からなる摺動部品がつくる移着膜によって、金属表面と直接接触することが避けられる。その結果、ＰＴＦＥ摺動材は、環境によって自身が移着膜を形成する能力を消失した場合でも、その影響を受けることなく、そして摩耗を増やすことなく摺動することができる。

図４と図５は、ＰＴＦＥとＰＦＡの移着膜がＰＴＦＥ複合材の摩耗現象に与える影響を示す試験結果である。図４はその試験のフローを示す。ここで、プレスライディングとは金属材料の表面に移着させたい樹脂を付けるプロセスのことである。プレスライディングでは、大気中で２０分間、ＰＴＦＥとＰＦＡをそれぞれ摺動させ、ＰＴＦＥあるいはＰＦＡのどちらか一方が付いた金属材料を計２種類用意した。ＰＴＦＥ複合材摩耗試験では、プレスライディングで用意した２種類の金属材料を、それぞれ新品のＰＴＦＥ複合材で６０分間摺動させ、次にそれらＰＴＦＥの摩耗量を測定した。図５は、プレスライディングで準備した金属材料とで摺動させた各ＰＴＦＥ複合材の摩耗量を示す試験結果である。図５から、金属表面についた移着膜の種類によってＰＴＦＥ複合材の摩耗量が変わること、そしてＰＦＡの移着膜はＰＴＦＥの移着膜よりＰＴＦＥ複合材の摩耗量を減らす効果が大きいことが分かる。この結果から類推すると、ＰＴＦＥ複合材とＰＦＡを同時に摺動させた場合と、ＰＴＦＥ複合材とＰＴＦＥを同時に摺動させた場合とでは、前者のＰＦＡを同時に摺動させた場合の方が、ＰＴＦＥ複合材の摩耗量を低減できることが分かった。

図６は、実施例２における摺動部の断面を示す図である。図６に示す構成は、図２に対して、ＰＴＦＥ複合材製のピストンリング２０とＰＴＦＥ複合材よりも移着膜を形成し易い樹脂からなるピストンリング２１の位置が異なり、ピストンリング２１がピストンリング２０よりもシリンダの上部（或いは上死点）側にある点が異なる。この構成の利点は、図２の場合には、ピストンリング２１がピストンリング２０よりも下にあるので、ピストンの上死点付近で、ピストンリング２１によって移着膜が生成されない場所があるため、ピストンリング２０が移着膜が生成されない場所を摺動することになる。それに対して、図６の場合には、ピストンリング２１がピストンリング２０に上部にあることで、ピストンリング２０はピストンの上死点付近でもピストンリング２１によって生成された移着膜の上を摺動することができ、よりピストンリング２０の摩耗を抑えることができるという特有の効果がある。なお、ピストンがシリンダ内の最下部に来た時には、ピストンリング２０は、ピストンリング２１が摺動していない場所を摺動することになるが、ピストンの上の空間の圧縮室は窒素ガスであっても、ピストンの下の空間は大気中であるので、ＰＴＦＥ複合材でも移着膜を生成しやすいため、ピストンリング２０自身による移着膜の形成により摩耗を抑えることができる。

図７は、実施例３における摺動部の断面を示す図である。図７に示す構成は、図２及び図６に対して、ＰＴＦＥ複合材の上下に、ＰＴＦＥ複合材よりも移着膜を形成し易い樹脂からなるピストンリング２１が２本配置される点で異なる。この構成のメリットは、ピストンリング２０がシリンダ内面を上下に往復する際に、シリンダ内面の上部ではピストンリング２０の上部のピストンリング２１によって生成された移着膜の上を、また下部ではピストンリング２０の下部のピストンリング２１によって生成された移着膜の上を摺動する。よってピストンリング２０は、常に上下のピストンリング２１によって生成された移着膜の上を摺動することができる。その結果、ピストンリング２０は、より摩耗を抑えることができるという特有の効果がある。

なお、実施例１から３の図２、図６、図７に挙げたピストンリングの構成においては、ピストンリング２０は、シリンダとピストンの隙間から圧縮したガスを漏らさないようにシリンダ内面と密着させるようにすることが望ましい。またピストンリング２１は、望ましいとして挙げたＰＦＡ等の材料は、ＰＴＦＥ複合材よりも摩擦係数が高いため、可能であればピストンリング２０よりシリンダ内面４１に密着させないように、最外径を若干ピストンリング２０のそれよりも小さくした方が良い。

図８は、実施例４における摺動部の断面を示す図である。図８に示す構成は、従来使用していたＰＴＦＥ複合材のピストンリングに、移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂを埋め込み付けたものである。この構成では、実施例１から３に挙げた構成と同じように、移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂがシリンダ内面４１に移着膜２８を生成し、結果的にＰＴＦＥ複合材２２ａと移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂからなるピストンリング２２の摩耗が低減される。

図９は、実施例５における摺動部の断面を示す図である。図９に示す構成は、図８のＰＴＦＥ複合材２２ａと移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂを入れ替えたものである。図８の構成では、ピストンが上死点および下死点にあるときに、移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂによる移着膜形成が行われないこととなり、結果、ピストンが上死点および下死点にあるときにＰＴＦＥ複合材２２ａが摩耗する。しかし、図９では、ピストンが上死点および下死点にあっても、移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂによってシリンダ表面に樹脂移着膜が常に形成されることになり、結果的にＰＴＦＥ複合材２２ａと移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂからなるピストンリング２３の摩耗が避けられる。

図１０と図１１は、実施例６における摺動部の断面を示す図である。図１０と図１１に示す構成は、ＰＴＦＥ複合材２２ａと移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂを上下に重ねたものである。その効果は、図８および図９の構成で得られる効果とほぼ同じである。図１０と図１１の構成の特有の効果は、図８および図９に対して、ＰＴＦＥ複合材２２ａに移着膜形成を促進する樹脂材２２ｂを埋め込むといったことを必要としないことである。また図２や図６の構成と比較して、ピストンリングが収まる溝の数を削減できるため、ピストン作製の際には溝加工に掛ける時間を削減できるという特有の効果がある。

図１２は、実施例７における摺動部の断面を示す図である。図１２に示す構成は、ＰＴＦＥ複合材のピストンリング２０と、ＰＴＦＥ複合材よりも移着膜を形成し易い樹脂のライダーリング３１からなる。このライダーリング３１の役割はシリンダ４０に対する姿勢を整えることと、シリンダ内面４１に移着膜を形成し、ピストンリング２０の摩耗を抑えることである。これにより、ピストンリング２０は、窒素分子などの無極性分子からなるガスや乾燥空気中であっても、ライダーリング３１によって生成された移着膜の上を摺動するため、シリンダ内面４１の凹凸と直接触れることなく摺動し、ピストンリング２０が摩耗するのを抑えることができる。

図１３は、実施例８における摺動部の断面を示す図である。図１３に示す構成は、図１２のライダーリング３１の代わりに、移着膜形成を促進する樹脂フィルム３２をピストン１に直接成膜した点である。成膜法としては、ＰＦＡを移着膜形成を促進する樹脂フィルム３２とする場合、加熱して液体状にしたＰＦＡの中にシリンダ１を入れて鋳造することが望ましい。またＰＥＥＫやエポキシ樹脂であれば、それらが溶解する有機溶剤を用いて、それらを溶解させ、次にそれらが溶解した有機溶剤をピストン表面に塗布し、成膜してやれば良い。

以上説明したガス圧縮機は、窒素分子などの無極性分子からなるガスや乾燥空気を圧縮する場合であっても、ピストンリング２０が摩耗するのを抑えることができる。

図１４は、実施例９における分析機器を示す図である。
分析機器とは、試料の物理的な特徴や組成などを測定、分析する装置の総称であって、例えば、半導体ウェーハ上の微細な回路パターンの寸法を測定する走査型電子顕微鏡である測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等がある。これらの分析機器は、試料（サンプル）を測定するために移動させる必要があり、そのために摺動部材が必要である。分析機器は、微細な構造や、成分を検出する性質上、摺動部材に潤滑油の使用は避ける必要がある。また、摺動部での摩耗粉が検出結果に影響を及ぼしかねないので摩耗粉の排出を嫌う装置である。

図１４は、一般的な分析機器に本発明を適用した構成を示しており、チャンバー５０、チャンバー内部５１にサンプルステージ５３、検出装置５２及びサンプル５５等を配置した構成を示す。本分析機器においては、サンプルが検出装置で分析できるように、サンプルをサンプルステージ５３の上に固定し、それをガイドレール５４上で移動させる。サンプルステージの移動の際は、それがガイドレール上でスムーズに移動できるよう、サンプルステージとガイドレールの間にはＰＴＦＥ複合材５６と移着膜形成を促進する材料５７を設けている。またＰＴＦＥ複合材と移着膜形成を促進する材料は、サンプルステージに固定され、ガイドレールと摺動する。本発明を適用した分析機器では、ガイドレール表面に移着膜を形成する材料によって樹脂移着膜が形成される。そのため、ＰＴＦＥ複合材はガイドレールとの直接接触が避けられ、結果的にＰＴＦE複合材の摩耗は低減される。また、摩耗粉の排出が抑えられるので、好適な分析機器が実現できる。
なお、図１４においては、前記摺動部は、ＰＴＦＥ複合材５６と移着膜形成を促進する材料５７とを別体としたが、一体形成されていてもよい。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。例えば、図６のピストンリング２１と図１２のライダーリング３１の組み合わせとしてもよい。

３ 圧縮室
５ 連結棒
２０、２１、２２、２３、２４、２５ ピストンリング
２２ａ ＰＴＦＥ複合材
２２ｂ 移着膜形成を促進する樹脂材
２８ 移着膜
３０、３１ ライダーリング
３２ 移着膜形成を促進する樹脂フィルム
４０ シリンダ
４１ シリンダ内面

Claims (3)

1. 金属を主体として成型されたシリンダと、ピストンと、ＰＴＦＥ樹脂を主体として成型されたピストンリングを備え、シリンダ内に設けられた圧縮室内のガスをピストンで圧縮することで圧縮ガスを生成するガス圧縮機において、
   前記ピストンリングの前記圧縮室と反対側の近傍に前記シリンダと摺動する第２のピストンリングを設け、該第２のピストンリングは前記ＰＴＦＥ樹脂よりも前記シリンダに移着されやすい樹脂からなり、エーテル鎖を含む高分子であって、ＰＡＩ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＥＩ樹脂、ＰＧＴ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、エポキシ樹脂を少なくとも１種類含む樹脂であり、
   前記第２のピストンリングが摺動することで前記シリンダ上に移着膜を形成し、該移着膜が形成された前記シリンダ上を前記ピストンリングが摺動する、ことを特徴とするガス圧縮機。
2. 請求項１に記載のガス圧縮機であって、
   前記第２のピストンリングは、ライダーリングであることを特徴とするガス圧縮機。
3. 請求項１に記載のガス圧縮機であって、
   前記第２のピストンリングは、前記ピストンリングと一体形成されていることを特徴とするガス圧縮機。

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