KR102402384B1 - 피스톤 링, 왕복동 압축기, 피스톤 링의 선정 방법 및 피스톤 링의 수명 평가 방법 - Google Patents

피스톤 링, 왕복동 압축기, 피스톤 링의 선정 방법 및 피스톤 링의 수명 평가 방법 Download PDF

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Abstract

피스톤 링은, 왕복동 압축기에 사용되는 것이며, 폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내이다.

Description

피스톤 링, 왕복동 압축기, 피스톤 링의 선정 방법 및 피스톤 링의 수명 평가 방법{PISTON RING, RECIPROCATING COMPRESSOR, METHOD FOR SELECTING PISTON RING, AND METHOD FOR EVALUATING LIFE OF PISTON RING}
본 발명은, 피스톤 링, 왕복동 압축기, 피스톤 링의 선정 방법 및 피스톤 링의 수명 평가 방법에 관한 것이다.
종래, 왕복동 압축기에 있어서, 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 통한 압축실로부터의 가스 누설을 방지하기 위해, 피스톤 링이 사용되고 있다. 일본 특허 출원 공개 특개 제2003-49945호 공보(특허문헌 1)에는, 이와 같은 피스톤 링의 일례로서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Poly Tetra Fluoro Ethylene) 또는 폴리페닐렌술피드(PPS: Poly Phenylene Sulfide)의 재료로 형성된 피스톤 링이 기재되어 있다.
본 발명자들은, PPS를 포함하는 피스톤 링을 수소 스테이션용 왕복동 압축기에 사용한 경우에, 이하의 문제가 발생하는 것에 주목하였다. 즉, 수소 가스의 압축 동작 중에 피스톤 링에 포함되는 PPS의 황 성분이 가스화되고, 가스화된 황 성분이 압축 가스 중에 혼입되고, 당해 압축 가스가 황 성분을 포함한 상태에서 연료 전지 자동차(FCV: Fuel Cell Vehicle)에 충전되는 경우가 있다. 이 경우, 가스 중의 황 성분이, 연료 전지의 정상적인 작동에 악영향을 미칠 가능성이 있다(예를 들어, 발전 효율의 저하).
이 때문에, 수소 스테이션용 왕복동 압축기에서는, PPS를 포함하는 피스톤 링의 사용을 피할 필요가 있지만, PPS를 포함하지 않는 피스톤 링에서는, PPS를 포함하는 피스톤 링에 비해 수명이 대폭 저하된다. 따라서, PPS를 포함하지 않는 피스톤 링을 사용한 경우에는, FCV에 대한 황 성분의 혼입을 억제할 수 있는 한편, 피스톤 링의 시일성을 장기의 운전 기간에 걸쳐 유지하는 것이 곤란해진다.
본 발명의 목적은, PPS를 포함하지 않더라도 장기의 운전 기간에 걸쳐 시일성을 유지하는 것이 가능한 피스톤 링, 당해 피스톤 링을 구비한 왕복동 압축기, 당해 피스톤 링을 선정하는 방법 및 당해 피스톤 링의 수명을 평가 가능한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 일 국면에 의하면, 피스톤 링은, 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링이며, 폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내이다.
본 발명의 다른 국면에 의하면, 왕복동 압축기는, 수소 스테이션에 있어서 수소 가스를 소정의 압력까지 승압시키는 왕복동 압축기이며, 수소 가스가 흡입되는 압축실이 형성된 실린더체와, 상기 실린더체 내에 배치되며, 상기 압축실의 용적이 변하도록 상기 실린더체 내를 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 외주부에 장착되며, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더체의 내벽면 사이의 간극을 시일하는 상기 피스톤 링을 구비하고 있다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 피스톤 링의 선정 방법은, 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링을 선정하는 방법이며, 폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내인 것을, 피스톤의 외주부에 장착되는 피스톤 링으로서 선정한다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 피스톤 링의 수명 평가 방법은, 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링의 수명을 평가하는 방법이며, 상기 왕복동 압축기의 운전 시간과, 상기 피스톤 링과 실린더체 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력의 상관 관계를 조사하는 것과, 상기 공간 내의 압력이 미리 정해진 역치에 도달할 때의 상기 운전 시간을 상기 상관 관계에 기초하여 결정하고, 결정된 상기 운전 시간을 상기 피스톤 링의 수명으로서 평가하는 것을 포함한다.
본 발명에 따르면, PPS를 포함하지 않더라도 장기의 운전 기간에 걸쳐 시일성을 유지하는 것이 가능한 피스톤 링, 당해 피스톤 링을 구비한 왕복동 압축기, 당해 피스톤 링을 선정하는 방법 및 당해 피스톤 링의 수명을 평가 가능한 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 왕복동 압축기의 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 왕복동 압축기에 있어서의 각 압축부의 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 3은 왕복동 압축기의 운전 기간과 수명 도달률의 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 피스톤 링의 인장 강도와 피스톤 링의 목표 수명 도달률의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 도면에 기초하여, 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.
(왕복동 압축기)
먼저, 본 실시 형태에 관한 왕복동 압축기(1)(레시프로 압축기)의 구성을, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 왕복동 압축기(1)는, 수소 스테이션에 있어서 수소 가스를 소정의 압력까지(예를 들어, 0.7㎫로부터 82㎫까지) 승압시키는 것이다. 왕복동 압축기(1)에 의해 압축된 수소 가스는, 축압기(도시 생략)에 있어서 저류되며, 프리쿨러(도시 생략)에 있어서 브라인 등과의 열교환을 통해 냉각된 후, 디스펜서(도시 생략)에 의해 FCV로 연료로서 충전된다.
왕복동 압축기(1)는, 크랭크 샤프트(도시 생략)와, 크랭크 케이스(20)와, 수소 가스를 압축하는 제1 압축부(100) 및 제2 압축부(200)와, 접속부(300)와, 피스톤 링(2)을 주로 구비하고 있다. 본 실시 형태에 관한 왕복동 압축기(1)는, 5개의 압축실이 직렬로 마련된 5단의 압축기이며, 제1 압축부(100) 및 제2 압축부(200)가 중력 방향(도 1 중의 상하 방향)으로 연장되는 자세로 설치되어 있다. 그러나, 압축실의 단수는 특별히 한정되지 않는다. 또한 제1 압축부(100) 및 제2 압축부(200)가 수평 방향으로 연장되는 자세로, 왕복동 압축기(1)가 설치되어 있어도 된다. 이하, 왕복동 압축기(1)의 각 구성 요소를 각각 설명한다.
크랭크 케이스(20)는, 크랭크 샤프트를 보유 지지함과 함께 도 1 중의 상향으로 개구되는 상자형 본체(22)와, 본체(22)의 개구를 막는 형상을 갖는 덮개부(24)를 갖고 있다.
제1 압축부(100)는, 제1 왕복동 변환부(110)와, 제1 실린더체(120)와, 제1 가압부(130)를 갖고 있다. 제1 왕복동 변환부(110)는, 크랭크 샤프트에 접속되어 있고, 크랭크 샤프트의 회전에 수반하여 크랭크 샤프트의 축 방향에 대하여 직교하는 방향(도 1 중의 상하 방향)을 따라서 직선적으로 왕복 운동한다.
제1 실린더체(120)는, 제1 저단 실린더(121)와, 제1 고단 실린더(124)를 갖고 있다. 제1 저단 실린더(121) 및 제1 고단 실린더(124)의 내부는, 예를 들어 원통형으로 가공되어 있고, 수소 가스가 흡입되는 압축실이 형성되어 있다.
제1 저단 실린더(121)는, 덮개부(24)의 상부에 접속되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 저단 실린더(121)의 내부에는, 가장 저단의 압축실인 제1 압축실(121S)과, 제1 압축실(121S)보다도 하나 고단측의 압축실인 제2 압축실(122S)이 각각 마련되어 있다.
제1 고단 실린더(124)는, 제1 저단 실린더(121)의 상부에 접속되어 있다. 제1 고단 실린더(124)의 내경은, 제1 저단 실린더(121)의 내경보다도 작게 설정되어 있다. 제1 고단 실린더(124)의 내부에는, 제2 압축실(122S)보다도 둘 고단측의 압축실인 제4 압축실(124S)이 마련되어 있다.
제1 가압부(130)는, 제1 저단 피스톤(132)과, 제1 고단 피스톤(134)을 갖고 있다. 제1 저단 피스톤(132)은, 원기둥형으로 형성되며, 제1 왕복동 변환부(110)의 제1 피스톤 로드(116)의 상단부에 접속되어 있다. 제1 저단 피스톤(132)은, 제1 저단 실린더(121) 내에 배치되며, 제1 압축실(121S) 및 제2 압축실(122S)의 용적이 변하도록 제1 저단 실린더(121) 내를 상하 방향으로 왕복 운동한다.
보다 구체적으로는, 제1 저단 실린더(121) 내에 있어서, 제1 저단 피스톤(132)보다도 도 2 중 하측의 공간이 제1 압축실(121S)로 되어 있고, 제1 저단 피스톤(132)보다도 도 2 중 상측의 공간이 제2 압축실(122S)로 되어 있다. 즉, 제1 압축실(121S)과 제2 압축실(122S)은, 제1 저단 피스톤(132)을 사이에 두고 격리되어 있다. 제1 실린더체(120)에서는, 제1 저단 피스톤(132)이 미끄럼 이동 방향에 있어서의 일방측(도 2 중의 하측)으로 변위하였을 때 제1 압축실(121S) 내에서 수소 가스가 압축된다. 한편, 제1 저단 피스톤(132)이 미끄럼 이동 방향에 있어서의 타방측(도 2 중의 상측)으로 변위하였을 때 제2 압축실(122S) 내에서 수소 가스가 압축된다.
제1 고단 피스톤(134)은, 원기둥형으로 형성됨과 함께, 제1 저단 피스톤(132)의 상부에 접속되어 있다. 제1 고단 피스톤(134)은, 제1 고단 실린더(124) 내에 배치되며, 제4 압축실(124S)의 용적이 변하도록 제1 고단 실린더(124) 내를 상하 방향으로 왕복 운동한다. 구체적으로는, 제1 고단 피스톤(134)은, 미끄럼 이동 방향에 있어서의 타방측(도 2 중의 상측)으로 변위하였을 때, 제4 압축실(124S) 내에서 수소 가스를 압축한다.
제1 저단 피스톤(132) 및 제1 고단 피스톤(134)은, 동시에 동일한 방향으로 미끄럼 이동하기 때문에, 제2 압축실(122S) 및 제4 압축실(124S)에서는 수소 가스가 동시에 압축된다. 또한 제1 압축실(121S) 및 제2 압축실(122S)은, 제1 저단 피스톤(132)의 양측에 형성되어 있기 때문에, 제1 압축실(121S)의 흡입 타이밍이 제2 압축실(122S)의 토출 타이밍과 동일하게 되고, 제1 압축실(121S)의 토출 타이밍이 제2 압축실(122S)의 흡입 타이밍과 동일하게 된다.
제2 압축부(200)는, 제2 왕복동 변환부(210)와, 제2 실린더체(220)와, 제2 가압부(230)를 갖고 있다. 제2 왕복동 변환부(210)는, 제1 왕복동 변환부(110)와 180도 위상이 어긋난 상태에서 크랭크 샤프트에 접속되어 있고, 크랭크 샤프트의 회전에 수반하여 크랭크 샤프트의 축 방향에 대하여 직교하는 방향(도 1 중의 상하 방향)을 따라서 직선적으로 왕복 운동한다. 또한, 제2 왕복동 변환부(210)의 제1 왕복동 변환부(110)에 대한 위상의 어긋남은, 엄밀하게 180도일 필요는 없고, 수도 내지 십수도 어긋나 있어도 된다. 제2 왕복동 변환부(210)의 구조는, 기본적으로 제1 왕복동 변환부(110)의 구조와 동일하다.
제2 실린더체(220)는, 제2 저단 실린더(223)와, 제2 고단 실린더(225)를 갖고 있다. 제2 저단 실린더(223) 및 제2 고단 실린더(225)의 내부는, 예를 들어 원통형으로 가공되어 있고, 수소 가스가 흡입되는 압축실이 형성되어 있다.
제2 저단 실린더(223)는, 제1 저단 실린더(121)와 나란히 덮개부(24)의 상부에 접속되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 저단 실린더(223)의 내부에는, 제2 압축실(122S)보다도 하나 고단측의 압축실인 제3 압축실(223S)이 마련되어 있다.
제2 고단 실린더(225)는, 제2 저단 실린더(223)의 상부에 접속되어 있다. 제2 고단 실린더(225)의 내경은, 제2 저단 실린더(223)의 내경보다도 작게 설정되어 있다. 제2 고단 실린더(225)의 내부에는, 제4 압축실(124S)보다도 하나 고단측의 압축실인 제5 압축실(225S)이 마련되어 있다.
제2 가압부(230)는, 제2 저단 피스톤(233)과, 제2 고단 피스톤(235)을 갖고 있다. 제2 저단 피스톤(233)은 원기둥형으로 형성되며, 제2 왕복동 변환부(210)의 제2 피스톤 로드(216)의 상단부에 접속되어 있다. 제2 저단 피스톤(233)은, 제2 저단 실린더(223) 내에 배치되며, 제3 압축실(223S)의 용적이 변하도록 제2 저단 실린더(223) 내를 상하 방향으로 왕복 운동한다. 제2 고단 피스톤(235)은, 원기둥형으로 형성됨과 함께, 제2 저단 피스톤(233)의 상부에 접속되어 있다. 제2 고단 피스톤(235)은, 제2 고단 실린더(225) 내에 배치되며, 제5 압축실(225S)의 용적이 변하도록 제2 고단 실린더(225) 내를 상하 방향으로 왕복 운동한다.
제2 저단 피스톤(233)은, 미끄럼 이동 방향에 있어서의 타방측(도 2 중의 상측)으로 변위하였을 때, 제3 압축실(223S) 내에서 수소 가스를 압축한다. 제2 고단 피스톤(235)도, 미끄럼 이동 방향에 있어서의 타방측(도 2 중의 상측)으로 변위하였을 때, 제5 압축실(225S) 내에서 수소 가스를 압축한다. 제3 압축실(223S) 및 제5 압축실(225S)에서는, 수소 가스가 동시에 압축된다. 또한 상술한 바와 같이, 제2 왕복동 변환부(210)의 위상이 제1 왕복동 변환부(110)의 위상과 180도 어긋나 있기 때문에, 제2 가압부(230)가 제3 압축실(223S) 및 제5 압축실(225S)에 있어서 수소 가스를 압축하는 것과 동시에, 제1 가압부(130)가 제1 압축실(121S)에 있어서 수소 가스를 압축한다.
접속부(300)는, 왕복동 압축기(1)에 있어서의 각 압축실끼리를 접속하고 있다. 구체적으로는, 접속부(300)는, 제1 압축실(121S)과 제2 압축실(122S)을 접속하는 제1 접속 유로(301)와, 제2 압축실(122S)과 제3 압축실(223S)을 접속하는 제2 접속 유로(302)와, 제3 압축실(223S)과 제4 압축실(124S)을 접속하는 제3 접속 유로(303)와, 제4 압축실(124S)과 제5 압축실(225S)을 접속하는 제4 접속 유로(304)를 갖고 있다. 이에 의해, 왕복동 압축기(1) 내에 있어서, 제1 압축실(121S)로부터, 제2 압축실(122S), 제3 압축실(223S), 제4 압축실(124S), 제5 압축실(225S)로 순으로 연결되는 수소 가스의 유로가 형성되어 있다. 제3 압축실(223S)과 제5 압축실(225S) 사이의 압력차는, 40㎫ 이상 90㎫ 이하이고, 일례로서 약 60㎫이다. 또한 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 접속 유로(302)에는, 당해 제2 접속 유로(302) 내에 있어서의 수소 가스의 압력을 검지하는 압력 센서(3)가 마련되어 있다.
왕복동 압축기(1)의 구동 시에는, 제1 압축실(121S)에 흡입된 수소 가스는 압축된 후, 제1 압축실(121S)로부터 토출되는 것과 동일한 타이밍에 제2 압축실(122S)에 흡입된다. 제2 압축실(122S)에 흡입된 수소 가스는 압축된 후, 제2 압축실(122S)로부터 토출되는 것과 동일한 타이밍에 제3 압축실(223S)에 흡입된다. 또한, 제3 압축실(223S) 내의 수소 가스는 토출되는 것과 동일한 타이밍에 제4 압축실(124S)에 흡입된다. 제4 압축실(124S) 내의 수소 가스는 토출되는 것과 동일한 타이밍에 제5 압축실(225S)에 흡입된다.
(피스톤 링)
다음에, 피스톤 링(2)에 대하여 상세하게 설명한다. 피스톤 링(2)은, 각 피스톤(제1 저단 피스톤(132), 제1 고단 피스톤(134), 제2 저단 피스톤(233), 제2 고단 피스톤(235))의 외주부에 장착되며, 당해 피스톤의 외주부와 실린더체(제1 저단 실린더(121), 제1 고단 실린더(124), 제2 저단 실린더(223), 제2 고단 실린더(225))의 내벽면 사이의 간극을 시일하는 원환형 부품이다. 피스톤 링(2)을 장착함으로써, 각 압축실로부터의 가스 누설을 억제할 수 있다. 피스톤 링(2)은, 각 피스톤의 외주면을 따라서 환형으로 형성된 오목 홈(도시 생략) 내에 장착되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제2 고단 피스톤(235)의 외주부에 복수의 피스톤 링(2)이 장착되어 있어, 당해 복수의 피스톤 링(2)에 의해 제2 고단 피스톤(235)의 외주부와 제2 고단 실린더(225)의 내벽면 사이의 간극이 시일됨으로써, 제5 압축실(225S)로부터 제3 압축실(223S) 및 제2 접속 유로(302)측으로의 수소 가스의 누설이 억제되어 있다. 또한 다른 피스톤(제1 저단 피스톤(132), 제1 고단 피스톤(134) 및 제2 저단 피스톤(233))의 외주부에도 피스톤 링(2)이 마찬가지로 장착되어 있어, 각 압축실(제2 압축실(122S), 제3 압축실(223S) 및 제4 압축실(124S))로부터의 수소 가스의 누설이 억제되어 있다. 또한, 각 피스톤에 장착되는 피스톤 링(2)의 개수는 특별히 한정되지 않지만, 본 실시 형태에서는, 제2 고단 피스톤(235)에 약 20개의 피스톤 링(2)이 장착되어 있다.
피스톤 링(2)은, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드(PPS)를 포함하지 않는 것이다. 또한 피스톤 링(2)은, PTFE와, 폴리이미드(PI: Poly Imide)의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, PPS를 포함하지 않는 것이어도 된다. 「PTFE 및 PEEK」 또는 「PTFE 및 PI」가, 피스톤 링(2)의 「베이스 레진」이다.
이와 같이, PPS를 포함하지 않는 피스톤 링(2)을 사용함으로써, PPS 유래의 황 성분이 압축 가스(수소 가스) 중에 혼입되는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 연료(수소 가스)의 충전 시에 FCV 내에 황 성분이 혼입되는 것을 억제하여, 황 성분이 연료 전지의 정상적인 작동에 영향을 주는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 통상, PPS를 포함하지 않는 피스톤 링에서는 시일 수명이 대폭 저하되는 데 비해, 본 실시 형태에 관한 피스톤 링(2)에 의하면, 인장 강도를 적절한 범위 내로 조정함으로써, 수소 가스 중으로의 황 성분의 혼입을 억제함과 함께, 시일 수명의 저하를 억제하는 것도 가능하다. 구체적으로는, 본 실시 형태에 관한 피스톤 링(2)은, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내로 되어 있다. 이에 의해, FCV로의 황 성분의 혼입을 억제 가능해짐과 함께, 인장 강도가 상기 범위 외인 경우에 비해 시일 수명을 길게 할 수 있다. 그 결과, 장기에 걸치는 왕복동 압축기(1)의 운전 중에 있어서도 충분한 시일성을 유지하여, 각 압축실로부터의 가스 누설을 억제하는 것이 가능해진다. 피스톤 링(2)의 인장 강도는, 55㎫ 이하인 것이 바람직하고, 또한 45㎫ 이상인 것이 바람직하고, 44.8㎫ 이상 55㎫ 이하인 것이 보다 바람직하다.
피스톤 링(2)은 시판품이며, 그 「인장 강도(인장 세기)」는 피스톤 링의 카탈로그 등에 기재된 공칭값이다. 그러나, 「인장 강도(인장 세기)」는, JIS K7161(플라스틱-인장 특성의 시험 방법 제1부:통칙)에 기초하여 측정되는 값이어도 된다.
또한 피스톤 링(2)은, 상기 베이스 레진 외에, 예를 들어 카본 파이버나 그래파이트 등의 첨가제를 더 포함하고 있어도 된다. 카본 파이버로서는, PAN(Poly Acrylo Nitrile)계와 피치(PITCH)계의 것이 있다. 그래파이트로서는, 인공 그래파이트나 천연 그래파이트가 있다. 그러나, 이들 첨가제는 본 발명의 피스톤 링에 있어서 필수의 성분은 아니며, 포함되지 않아도 된다.
(피스톤 링의 선정 방법)
다음에, 본 발명의 실시 형태에 관한 피스톤 링의 선정 방법을 설명한다.
본 실시 형태에 관한 피스톤 링의 선정 방법은, 상술한 왕복동 압축기(1)의 제조 전에 있어서, 각 피스톤(제1 저단 피스톤(132), 제1 고단 피스톤(134), 제2 저단 피스톤(233), 제2 고단 피스톤(235))에 장착되는 피스톤 링을 선택하는 방법이다.
구체적으로는, 상술한 본 실시 형태에 관한 피스톤 링(2), 즉 PTFE와, PEEK 및 PI 중 한쪽의 수지를 베이스 레진으로서 포함함과 함께, PPS를 포함하지 않고, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내인 것을, 왕복동 압축기(1)의 제조 공정에 있어서 상기 각 피스톤의 외주부에 장착되는 피스톤 링으로서 선정한다.
(피스톤 링의 수명 평가 방법)
다음에, 본 실시 형태에 관한 피스톤 링의 수명 평가 방법을 설명한다.
상술한 본 실시 형태에 관한 왕복동 압축기(1)에서는, 제2 고단 피스톤(235)에 장착된 피스톤 링(2)의 마모가 진행되면, 제5 압축실(225S)로부터 제2 고단 피스톤(235)의 외주부와 제2 고단 실린더(225)의 내벽면 사이의 간극을 통해 제3 압축실(223S)로 누출되는 수소 가스의 양이 증가된다. 이에 의해, 제3 압축실(223S)에 있어서의 수소 가스의 처리 능력을 초과해 버리는 결과, 제2 접속 유로(302) 내에 있어서의 수소 가스의 압력(이하, 「제3단 흡입압」이라고도 칭함)이 상승한다. 본 실시 형태에 관한 피스톤 링의 수명 평가 방법에서는, 이하와 같이, 왕복동 압축기(1)의 운전 중에 있어서 제3단 흡입압을 압력 센서(3)에 의해 계속적으로 감시함으로써, 제2 고단 피스톤(235)에 장착된 피스톤 링(2)의 수명을 평가한다.
먼저, 왕복동 압축기(1)의 운전 시간과, 제3단 흡입압의 상관 관계를 조사한다. 구체적으로는, 왕복동 압축기(1)의 운전을 소정 기간 계속하고, 그 동안에, 압력 센서(3)에 의한 제3단 흡입압의 측정을 계속한다.
제3단 흡입압은, 피스톤 링(2)과 제2 고단 실린더(225) 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력, 즉 제2 접속 유로(302) 내의 압력이다.
이에 의해, 도 3에 예시적으로 도시한 바와 같이, 왕복동 압축기(1)의 운전 기간(횡축)과, 제3단 흡입압(종축)의 관계를 나타내는 그래프가 얻어진다. 동 그래프의 횡축은, 왕복동 압축기(1)의 통산의 운전 시간을 5시간(수소 스테이션의 1일당 규정 운전 시간)으로 제산한 값이다. 또한 동 그래프의 종축은, 제3단 흡입압의 역치(피스톤 링(2)의 수명이 도래하였다고 간주할 때의 제3단 흡입압의 값)에 대한 제3단 흡입압의 실제의 측정값의 비율(수명 도달률(％))을 나타내고 있다. 또한 동 그래프 중의 (1)은, 플롯 데이터에 기초하여 최소 제곱법에 의해 산출한 회귀 직선이다. 또한, (1)은 회귀 직선 대신에 회귀 곡선이어도 된다.
다음에, 제3단 흡입압이 미리 정해진 역치에 도달할 때, 즉 도 3의 그래프의 종축값인 수명 도달률이 100(％)으로 될 때의 왕복동 압축기(1)의 운전 시간을, 상기 상관 관계에 기초하여 결정하고, 결정된 운전 시간을 피스톤 링(2)의 수명으로서 평가한다. 구체적으로는, 도 3 중의 회귀 직선(1)을 나타내는 식에 y값으로서 100(％)을 대입하였을 때의 x값(도 3 중의 점 P1에 있어서의 x값)을, 피스톤 링(2)의 수명으로서 추정한다.
하기의 표 1의 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 5의 각 피스톤 링의 수명을, 상기 실시 형태에 관한 피스톤 링의 수명 평가 방법에 따라서 평가하였다. 또한, 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 5의 각각에 있어서, 동일한 피스톤 링을 제2 고단 피스톤(235)에 20개 장착하였다.
실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 5의 각 피스톤 링의 재료 및 인장 강도(㎫)는, 하기의 표 1에 나타내는 바와 같다. 표 1 중에 있어서, 「○」 표시는 해당하는 재료가 피스톤 링에 포함되어 있음을 의미하고, 「×」 표시는 해당하는 재료가 피스톤 링에 포함되어 있지 않음을 의미한다. 실시예 1에서는 PTFE와 PI의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 실시예 2에서는 PTFE와 PEEK의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이었다. 「CF」는 카본 파이버, 「GP」는 그래파이트, 「TPI」는 열가소성 폴리이미드를 각각 의미한다. 또한 「목표 수명 도달률(％)」은, 각 피스톤 링에 대하여 수명 도달률을 100％로 하였을 때 회귀 직선으로부터 얻어지는 운전 기간을, 비교예 1의 피스톤 링에 대하여 수명 도달률을 100％로 하였을 때 회귀 직선으로부터 얻어지는 운전 기간에 의해 제산하여 100을 곱한 값(％)이다. 도 4는 표 1의 데이터에 기초하는 그래프이며, 각 피스톤 링의 인장 강도(횡축)와, 목표 수명 도달률(종축)의 관계를 도시하고 있다.
Figure 112020038018668-pat00001
표 1 및 도 4에 도시한 결과에 기초하여, 이하와 같이 고찰할 수 있다.
먼저, 비교예 1과 마찬가지로 베이스 레진을 PTFE로 하고, 또한 PPS를 첨가하지 않은 비교예 3에서는, 비교예 1에 비해 피스톤 링의 수명이 크게 악화되었다. 또한 비교예 2에서는, 피스톤 링의 강도를 높이기 위해 베이스 레진을 PTFE+PEEK로 하였지만, 링 수명은 개선되지 않았다. 이 이유로서, 비교예 2에서는, 피스톤 링의 인장 강도가 100㎫ 이상이며(103㎫), PEEK의 함유량이 많기 때문에 피스톤 링이 너무 단단해져 버려, 충분한 시일성을 확보할 수 없었다고 생각된다. 또한 비교예 4, 5에 있어서도, 비교예 2와 마찬가지로 피스톤 링의 인장 강도가 100㎫ 이상이며(195㎫, 140㎫), 링 수명은 개선되지 않았다.
이에 비해, 베이스 레진이 PTFE+PI이며 또한 인장 강도가 15㎫보다 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내(44.8㎫)인 실시예 1, 및 베이스 레진이 PTFE+PEEK이며 또한 인장 강도가 15㎫보다 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내(55㎫)인 실시예 2에서는, 비교예 1을 기준으로 하는 수명 저하의 비율이 비교예 2 내지 5에 비해 작아졌다(목표 수명 도달률이 비교예 2 내지 5에 비해 높아졌다). 이상으로부터, 본 발명의 피스톤 링에 의하면, PPS를 포함하지 않더라도 원하는 시일 수명이 달성됨이 명백해졌다. 또한 인장 강도를 지표로서 사용함으로써, 복수종의 피스톤 링의 예측 수명의 비교가 가능하다는 것도 알 수 있었다.
금회 개시된 실시 형태 및 실시예는, 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라 특허 청구 범위에 의해 나타내어지고, 특허 청구 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
여기서, 본 발명의 그 밖의 실시 형태에 대하여 설명한다.
상기 실시 형태에서는, 복수단(5단)의 압축실이 마련된 왕복동 압축기(1)를 설명하였지만, 본 발명의 왕복동 압축기는, 압축실이 하나만 마련된 단단 왕복동 압축기에도 적용할 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 제2 고단 피스톤(235)에 장착된 피스톤 링(2)의 수명을 평가하는 경우를 설명하였지만, 다른 피스톤에 장착된 피스톤 링의 수명도 마찬가지로 평가하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 피스톤 링과 제1 저단 실린더(121) 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력에 기초하여 제1 저단 피스톤(132)에 장착된 피스톤 링의 수명을 평가하고, 피스톤 링과 제1 고단 실린더(124) 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력에 기초하여 제1 고단 피스톤(134)에 장착된 피스톤 링의 수명을 평가하고, 피스톤 링과 제2 저단 실린더(223) 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력에 기초하여 제2 저단 피스톤(233)에 장착된 피스톤 링의 수명을 평가할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태를 개략적으로 설명하면, 이하와 같다.
상기 실시 형태에 관한 피스톤 링은, 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링이며, 폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내이다.
본 발명자들은, PPS를 포함하지 않는 피스톤 링의 수명을 개선하기 위해 예의 연구를 행하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 피스톤 링의 다양한 특성 중 인장 강도에 주목하고, 이것을 적절한 범위 내로 조정함으로써, PPS를 첨가하지 않는 경우라도 피스톤 링의 높은 시일성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있게 된다는 것을 알아냈다.
상기 실시 형태에 관한 피스톤 링은, 상술한 관점에 기초하는 것이다. 즉, 상기 실시 형태에 관한 피스톤 링은, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내로 조정되어 있어, 인장 강도가 상기 범위 외(15㎫ 이하 또는 100㎫ 이상)인 피스톤 링에 비해 수명이 대폭 개선되어 있다. 따라서, 이 피스톤 링을 왕복동 압축기의 피스톤에 장착하여 사용함으로써, PPS 유래의 황 성분이 압축 가스 중에 혼입되는 것을 억제함과 함께, 장기의 운전 기간에 걸쳐 압축실로부터의 가스 누설을 억제하는 것이 가능해진다.
상기 피스톤 링에 있어서, 인장 강도가 55㎫ 이하여도 된다.
이에 의해, 피스톤 링의 수명을 개선함과 함께, 55㎫보다도 큰 경우와 비교하여 인장 강도가 큰(피스톤 링이 단단한) 것에 의한 시일성의 저하를 방지하는 것이 가능해진다.
상기 실시 형태에 관한 왕복동 압축기는, 수소 스테이션에 있어서 수소 가스를 소정의 압력까지 승압시키는 왕복동 압축기이며, 수소 가스가 흡입되는 압축실이 형성된 실린더체와, 상기 실린더체 내에 배치되며, 상기 압축실의 용적이 변하도록 상기 실린더체 내를 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 외주부에 장착되며, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더체의 내벽면 사이의 간극을 시일하는 상기 피스톤 링을 구비하고 있다.
이 왕복동 압축기에 있어서는, PPS를 포함하지 않는 피스톤 링이 사용되고 있기 때문에, PPS 유래의 황 성분이 수소 가스 중에 혼입되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, PPS 유래의 황 성분이, FCV에 탑재된 연료 전지의 정상적인 작동에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 인장 강도를 적절한 범위 내로 조정함으로써 피스톤 링의 수명이 개선되었기 때문에, 장기의 운전 기간에 걸쳐 높은 시일성을 유지하는 것이 가능하여, 압축실로부터의 가스 누설을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 실시 형태에 관한 피스톤 링의 선정 방법은, 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링을 선정하는 방법이며, 폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내인 것을, 피스톤의 외주부에 장착되는 피스톤 링으로서 선정한다.
이 방법에 의하면, PPS를 포함하지 않고 또한 수명이 개선된 피스톤 링을 선정할 수 있다. 이 피스톤 링을 피스톤에 장착하여 왕복동 압축기를 운전함으로써, PPS 유래의 황 성분이 압축 가스 중에 혼입되는 것을 억제함과 함께, 압축실로부터의 가스 누설을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있다.
상기 실시 형태에 관한 피스톤 링의 수명 평가 방법은, 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링의 수명을 평가하는 방법이며, 상기 왕복동 압축기의 운전 시간과, 상기 피스톤 링과 실린더체 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력의 상관 관계를 조사하는 것과, 상기 공간 내의 압력이 미리 정해진 역치에 도달할 때의 상기 운전 시간을 상기 상관 관계에 기초하여 결정하고, 결정된 상기 운전 시간을 상기 피스톤 링의 수명으로서 평가하는 것을 포함한다.
이 방법에 의하면, 피스톤 링의 마모량을 직접 측정하지 않더라도, 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력을 감시함으로써, 피스톤 링의 수명을 정확하게 평가할 수 있다. 따라서, 피스톤 링의 마모량을 직접 측정하는 경우와 달리, 압축기를 매번 분해할 필요도 없기 때문에, 간단하게 링 수명을 평가하는 것이 가능해진다.

Claims (5)

  1. 수소 스테이션용의 왕복동 압축기에 사용되는, 피스톤의 외주부와 실린더의 내벽면 사이의 간극을 시일하는 피스톤 링이며,
    폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내인 피스톤 링.
  2. 제1항에 있어서,
    인장 강도가 55㎫ 이하인 피스톤 링.
  3. 수소 스테이션에 있어서 수소 가스를 소정의 압력까지 승압시키는 왕복동 압축기이며,
    수소 가스가 흡입되는 압축실이 형성된 실린더체와,
    상기 실린더체 내에 배치되며, 상기 압축실의 용적이 변하도록 상기 실린더체 내를 왕복 운동하는 피스톤과,
    상기 피스톤의 외주부에 장착되며, 상기 피스톤의 외주부와 상기 실린더체의 내벽면 사이의 간극을 시일하는 제1항 또는 제2항에 따른 피스톤 링을 구비한 왕복동 압축기,
  4. 수소 스테이션용의 왕복동 압축기에 사용되는 피스톤 링을 선정하는 방법이며,
    폴리테트라플루오로에틸렌과, 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 한쪽의 수지의 합계량이 전체의 50질량％ 이상이며, 또한, 폴리페닐렌술피드를 포함하지 않고, 또한, 인장 강도가 15㎫보다도 크고 또한 100㎫ 미만의 범위 내인 것을, 피스톤의 외주부에 장착되는 피스톤 링으로서 선정하는 피스톤 링의 선정 방법.
  5. 왕복동 압축기에 사용되는 제1항 또는 제2항에 따른 피스톤 링의 수명을 평가하는 방법이며,
    상기 왕복동 압축기의 운전 시간과, 상기 피스톤 링과 실린더체 사이의 간극을 통한 압축 가스의 누출에 의해 압력 상승의 영향을 받는 공간 내의 압력의 상관 관계를 조사하는 것과,
    상기 공간 내의 압력이 미리 정해진 역치에 도달할 때의 상기 운전 시간을 상기 상관 관계에 기초하여 결정하고, 결정된 상기 운전 시간을 상기 피스톤 링의 수명으로서 평가하는 것을 포함하는 피스톤 링의 수명 평가 방법.
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