JP6523595B2

JP6523595B2 - 乾燥ガス圧縮機

Info

Publication number: JP6523595B2
Application number: JP2013092600A
Authority: JP
Inventors: 拓小野寺; 川崎　健司; 健司川崎; 静山口; 山口　　静; 昇馬場; 馬場　　昇; 憲一相馬
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: JP2014214672A

Description

本発明は乾燥ガス圧縮機に関する。

空気等の流体を圧縮する圧縮機は、シリンダと、このシリンダ内を往復動して流体を圧縮等させるピストンと、このピストンに取り付けられて前記シリンダの摺動面で摺動する摺動材（例えばピストンリング）と、を備えている。この摺動材により、ピストンが往復動しても、シリンダ内に形成される圧縮室の気密性が保たれるようになっている。

摺動材は、低摩擦性や低摩耗性の観点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を基材とし、これに炭素繊維やグラファイト等の充填材を混合したものにより形成される。具体的には例えば、特許文献１には、ポリテトラフルオロ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おり、この酸化銅粉末の平均粒径は１０〜５０μｍ、その充填量は７．５〜２０質量％である摺動材が記載されている。

特開２００９−８５０５１号公報

ＰＴＦＥ等を含む摺動材について、シリンダ内の圧縮室に導入されるガスが空気等の水分を含むものである場合、摺動面に対する摺動材の摩擦係数は小さくなり、摺動材の摩耗量も少なくなる傾向にある。しかし、ＰＴＦＥを含む摺動材を備える圧縮機において、水分を含まない乾燥ガス（窒素ガス等）を圧縮しようとすると、摺動材の摩擦係数が大きくなり、摩耗量が増加する傾向にある。

そこで、特許文献１に記載の技術では、ＰＴＦＥを含む摺動材に対して、さらに酸化銅が含まれるようにしている。これにより、摺動材の硬度を上げて摺動材の摩耗量を低下させ、摺動材の耐久性の向上を図っている。しかし、この摺動材には酸化銅が含まれているため、摺動材の摺動によって、シリンダ内面が摩耗することがある。また、特許文献１に記載の技術では、摩耗量減少について一定の効果があるものの、依然として不十分である。

本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、本発明が解決すべき課題は、シリンダ内面を保護しつつ、摺動材の耐久性を従来よりも向上させた乾燥ガス圧縮機を提供することにある。

本発明者らが前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、以下のようにすることで前記課題を解決できることを見出した。即ち、本発明の要旨は、アルミニウムを含む金属材料により形成されたシリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記ピストンに装着されているとともに、高純度窒素からなる乾燥ガスが導入される、前記シリンダ内に形成される圧縮室を気密にする摺動材と、前記ピストンを前記シリンダ内で摺動させる摺動機構と、を備え、前記摺動材は２０質量％のカーボン材料及び８０質量％のエポキシ樹脂により形成されており、前記シリンダの内面には酸化アルミニウムによる保護層が形成されており、前記シリンダは、前記摺動材が摺動する摺動面に、潤滑油、液状の潤滑剤及び半固体状の潤滑剤が使用されないことを特徴とする、乾燥ガス圧縮機に関する。その他の解決手段は、発明を実施するための形態において後記する。

本発明によれば、シリンダ内面を保護しつつ、摺動材の耐久性を従来よりも向上させた乾燥ガス圧縮機を提供することができる。

本実施形態の乾燥ガス圧縮機を示す一部断面図である。図１のＡ部拡大図である。本実施形態の乾燥ガス圧縮機におけるピストン駆動時のシリンダ内面近傍を示す図である。本実施形態の乾燥ガス圧縮機におけるピストン駆動時の、シリンダとピストンリングを形成する樹脂材料との相互作用を説明する図である。ＰＴＦＥを含む従来の摺動材における、空気中及び真空中での摩擦係数及び摩耗量を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明するが、本発明は以下の内容に何ら制限されるものではなく、本発明の要旨を損なわない範囲で任意に変更して実施可能である。

〔構成〕
図１は、本実施形態の乾燥ガス圧縮機１００を示す一部断面図である。本実施形態の乾燥ガス圧縮機１００は、乾燥ガス（詳細は後記する）が導入（給気）されて、この導入された乾燥ガスが圧縮又は膨張されて、外部に排気されるものである。乾燥ガス圧縮機１００は、シリンダ２１と、ピストン２２と、ピストンリング２３と、ライダーリング２４と、ピストンピン２５と、連結棒２６と、連結部材２７とを備えて構成されている。

本実施形態の乾燥ガス圧縮機１００は空冷式になっている。そのため、シリンダ２１内でのピストンリング２３等との摺動面において、例えば潤滑油やグリース等の液状又は半固体状の潤滑剤が使用されないようになっている（所謂オイルフリー）。即ち、本実施形態の乾燥ガス圧縮機１００は、除熱のための水冷装置を備えない、空冷式の無給油式往復動圧縮機である。

シリンダ２１は、ピストン２２等を収容し、その内部に乾燥ガスが導入される圧縮室２が形成されるものである。シリンダ２１は、アルミニウム合金（アルミニウムを含む金属材料）により形成されている。これにより、軽量で剛性の高いシリンダ２１を形成することができるようになっている。また、これにより、乾燥ガス圧縮機１００を空冷式で運転しても高い放熱性が得られる。そのため、ピストンリング２３を形成する樹脂材料が、熱によって化学的変性したり、溶融や劣化したりすることを、より確実に防止することができるようになっている。

シリンダ２１には給気口及び排気口が形成されており、図示しない弁等により、乾燥ガスの圧縮室２への給排気が制御されるようになっている。圧縮室２に導入される乾燥ガスは、乾燥された気体であれば、どのようなものであってもよい。ただし、本明細書における「乾燥された気体（乾燥ガス）」とは、ガス中の水分量が露点換算で−６０℃以下であるガスを表すものとする。

乾燥ガスの具体的な成分は特に制限されず、例えば無極性分子からなるガスが挙げられる。無極性分子からなるガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素、水素等が挙げられる。これらは１種が単独で用いられてもよく、２種以上が任意に比率及び組み合わせで用いられてもよい。１種が単独で用いられる場合、そのようなガスは、所謂高純度ガス（含有比率（純度）が９９．９９９５％以上）と呼称されるものである。また、２種以上が組み合わせられたものの一例が空気である。

シリンダ２１の内面には、図１では図示しない保護層２１ａが形成されている。保護層２１ａが形成されることで、シリンダ２１の腐食や侵食が抑制されるようになっている。この保護層２１ａについて、図２を参照しながら説明する。

図２は、図１のＡ部拡大図である。シリンダ２１の内面には、前記のように、保護層２１ａが形成されている。従って、シリンダ２１内のピストンリング２３（後記する所定の樹脂材料により形成）は、ピストンリング２３の表面２３ａと、シリンダ２１の内面に形成された保護層２１ａの表面２１ａ１とが接触して、シリンダ２１内で摺動するようになっている。即ち、乾燥ガス圧縮機１００において、保護層２１の表面２１ａ１が、シリンダ２１の内部に露出していることになる。

保護層２１は、本実施形態においては、金属酸化物層及び金属めっき層（いずれも図示しない）の２層により形成され、内部に露出した金属めっき層とピストンリング２３とが接触するようになっている。

保護層２１ａとしての金属酸化物層は、例えば酸化アルミニウム等の金属酸化物を含んで形成されている。このような金属酸化物層は、例えば、アルミニウムを含む金属材料からなるシリンダ２１の内面に対して陽極酸化処理や硫酸アルマイト処理を施すことで、形成可能になっている。酸化アルミニウムを含む金属酸化物層とすることで、容易に形成することができる。

また、保護層２１ａとしての金属めっき層は、例えば遷移元素の単体、酸化物、窒化物、炭化物等を含んで形成されている。このような遷移元素としては、ｄ電子を有する遷移元素であることが好ましく、例えば鉄やニッケル等である。金属めっき層をこのような遷移金属を含む材料により形成することで、表面２１ａ１に移着するピストンリング２３の樹脂材料の移着強さを向上させることができ、ピストンリング２３の耐久性を向上させることができるようになっている（この点の詳細は〔作用〕において後記する）。

金属めっき層の形成方法としては特に制限されないが、例えば、シリンダ２１の内表面に対するめっき処理が挙げられる。具体的には例えば、ニッケルめっきを行う場合、ニッケルの無電解めっきを行うことができる。より具他的には例えば、次亜リン酸及びニッケルイオンを含む水溶液にシリンダ２１を浸漬することで、シリンダ２１の内面にニッケルめっきを行うことができ、ニッケルめっき層を形成することができる。これは、次亜リン酸の酸化によって放出される電子により、シリンダ２１の内面にニッケル皮膜を析出させるものである。

なお、金属めっき層には、炭素材料や炭化ケイ素等の、樹脂材料以外の硬質粒子を分散（含有）させてもよい。ただし、ピストンリング２３を形成する樹脂材料の移着良好性を考慮すると、分散量は１質量％以下とすることが好ましい。

図１に戻って、各部材の説明を続ける。
ピストン２２は、シリンダ２１内を紙面上下方向に往復して摺動（往復動）するものである。ピストン２２は、シリンダ２１と同様の材料により形成され、摺動方向に垂直な方向の断面が円形状になっている。ピストン２２には、詳細は後記するが、ピストンピン２５等を介して連結棒２６が接続され、連結棒２６の往復動に伴ってピストン２２も往復動し、圧縮室２の容積が変化するようになっている。即ち、ピストン２２の変位によって、導入される乾燥ガスの圧縮率が変化するようになっている。

ピストンリング２３（摺動材）は、ピストン２２の外周に装着されているとともに、乾燥ガスが導入される圧縮室２の気密性を維持するものである。乾燥ガス圧縮機１００においては、より確実に圧縮室２の気密性を維持するために、２つのピストンリング２３が設けられている。ここで、ピストンリング２３を形成する材料について説明する。

本実施形態において、ピストンリング２３は、酸素原子含有官能基を含んでなる樹脂材料により形成されている。このような樹脂材料は、酸素原子含有官能基（酸素原子を含有する官能基）を含む樹脂であれば、特に制限は無い。

このような酸素原子含有官能基としては、例えば、電子求引性の酸素原子を含む官能基、及び、電子供与性の酸素原子を含む官能基が挙げられる。電子吸引性の酸素原子を含む官能基の具体例としては、エポキシ基、エーテル基、脂肪族性のヒドロキシル基、脂肪族性のアルコキシ基等の各官能基が挙げられる、電子供与性の酸素原子を含む官能基の具体例としては、ケトン、エステル基、芳香族性のヒドロキシル基、芳香族性のアルコキシ基等が挙げられる。これらは１種が単独で含まれてもよく、２種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。

このような樹脂材料の具体例としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアセタール樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。樹脂材料は、１種が単独で用いられてもよく、２種以上が任意の比率及び組み合わせで用いられてもよい。

これらのうち、ピストンリング２３を形成する樹脂材料としては、電子吸引性の酸素原子を含む官能基を含んでなる樹脂材料であることが好ましい。このような樹脂材料を用いることにより、酸素原子における電子密度を向上させることができ、樹脂材料内での分極を大きくすることができる。また、電子吸引性の酸素原子を含む官能基の中でも、エポキシ基、エーテル基、ケトンからなる少なくとも１種を含んでなる樹脂材料がより好ましく、反応性の高さから、エポキシ基を含んでなる樹脂材料（即ちエポキシ樹脂）が特に好ましい。特に、ピストンリング２３をエポキシ樹脂によって形成することで、酸素原子での電子密度の増大効果に加えてエポキシ基特有の反応性の高さを利用することができ、ピストンリング２３の耐久性をより向上させることができる。

なお、本明細書において、「エポキシ樹脂」とは、ポリマー骨格中に、エポキシ基やエポキシ基の化学反応によって生じたエーテル基等の、エポキシ基又はエポキシ基に由来するエーテル基等を含む樹脂を表す。従って、例えば、本明細書における「エポキシ樹脂」には、末端のエポキシ基が開環してエポキシ基を含まなくなったようなエポキシ樹脂であっても、本明細書における「エポキシ樹脂」の範疇に含まれるものとし、最も広義に解釈されるものとする。

また、ピストンリング２３には、前記の酸素原子含有官能基を含む樹脂材料以外にも、本発明の効果を著しく損なわない範囲内で、任意の材料が含まれていてもよい。例えば、ピストンリング２３には、黒鉛、カーボンファイバ等の各種炭素材料、二硫化モリブデン等の充填剤が含まれていてもよい。充填材がピストンリング２３に含まれていることにより、ピストンリング２３の強度をより向上させることができ、低摩擦化や低摩耗化等の耐久性をより向上させることができる。これらの効果は、酸素原子含有官能基を含む樹脂材料としてエポキシ樹脂を用いる場合に特に顕著である。充填材等の任意の材料を含有させる場合の含有量は特に制限されず、任意に決定すればよい。

再び図１に戻って各部材の説明を続ける。
ライダーリング２４（摺動機構）は、ピストン２２の外周に装着され、ピストン２２の重さを支持して、ピストン２２をシリンダ２１内で往復動可能にするものである。図示の例では、シリンダ２１が紙面上下方向に配置され、ピストン２２が紙面上下方向に摺動するようになっているが、例えば、シリンダ２１が紙面横方向に配置され、ピストン２２が紙面左右方向に摺動することもありえる。そのような場合に、ピストン２２をシリンダ２１内で安定に支持し、シリンダ２１内での円滑な摺動を可能にするようになっている。

ピストンピン（クランクピン）２５は、ピストン２２の摺動方向とは垂直な方向にピストン２２に接続固定されているものである。また、連結棒２６は、図示しない回転原動機及びクランクシャフト等に接続されているものである。さらに、連結部材２７は、連結棒２６の一端に固定され、ピストンピン２５を嵌合するものである。これらは、乾燥ガス圧縮機１００における摺動機構を構成するものである。従って、回転原動機に接続された連結棒２６は、クランクシャフトによって回転原動機の回転運動が上下運動に変えられ、これにより、ピストンピン２５を介して連結棒２６に接続されたピストン２２が往復動するようになっている。

〔作用〕
次に、前記の各部材を備える乾燥ガス圧縮機１００における作用を説明する。

図３は、本実施形態の乾燥ガス圧縮機１００におけるピストン２２摺動時のシリンダ２１内面近傍を示す図である。ピストンリング２３がシリンダ２１内で往復に摺動すると、保護層２１ａに含まれる正に帯電した金属原子（アルミニウム原子）と、ピストンリング２３に含まれる負に帯電した酸素原子（例えばエポキシ基を構成する酸素原子等）とが、クーロン引力を介して、化学結合する。この化学結合は、例えば共有結合、イオン結合等である。

そして、ピストンリング２３の摺動により、ピストンリング２３と接触するシリンダ２１の内面（より具体的には、保護層２１の表面２１ａ１）の全体で当該化学結合が生じ、保護層２１の表面２１ａ１上に、ピストンリング２３を形成する材料からなる薄膜３が形成される。この点を、図４を参照しながら、より詳細に説明する。

図４は、本実施形態の乾燥ガス圧縮機１００におけるピストン２２摺動時の、シリンダ２１とピストンリング２３を形成する材料との相互作用を説明する図である。図４には、図示の簡略化のために、ピストンリング２３を形成する材料である、酸素原子含有官能基を含む樹脂材料のポリマー骨格２３ｂと、シリンダ２１の表面に形成されている保護層２１ａ中の金属元素２１ａ２のみを示している。

ピストンリング２３が摺動すると、図４に示すように、ポリマー骨格２３ｂに含まれている酸素原子と、保護層２１ａに含まれている金属原子２１ａ２とが、クーロン引力により化学結合する。そして、ピストンリング２３の摺動が往復して繰り返されると、ポリマー骨格２３ｂの酸素原子と金属原子２１ａ２との結合が繰り返され、化学結合している酸素原子と金属原子２１ａ２との数が徐々に増えていく。即ち、ピストンリング２３を形成する樹脂材料が保護層２１ａ表面（即ち、シリンダ２１表面）に移着するようになる。そして、この移着が繰り返され、ピストンリング２３を形成する樹脂材料による薄膜３が形成されることになる。

薄膜３が形成された場合、ピストンリング２３は、薄膜３形成前（即ち、摺動前）には、保護層２１ａの表面２１ａ１（図３参照）と接触して摺動していたものの、摺動に伴って薄膜３が形成されることにより、ピストンリング２３は、薄膜３の表面３ａに接触して摺動するようになる。そして、このような薄膜３の形成、即ち、ピストンリング２３を形成する樹脂材料がシリンダ２１の内面に移着し、その表面をピストンリング２３が摺動するようになると、ピストンリング２３の滑り性が向上し、その結果、低摩擦化及び低摩耗化という利点が得られるようになる。これにより、ピストンリング２３の耐久性が向上する。

特に、本実施形態においては、酸素原子含有官能基を含む樹脂材料によりピストンリング２３を形成することにより、従来のＰＴＦＥ等のフッ素樹脂材料を用いた場合と比べて、ポリマー骨格内での分極が大きくなる。そのため、酸素原子の荷電量を大きくすることができ、フッ素樹脂材料と比べて、クーロン引力に基づいた化学結合（図４参照）の強度を強くすることができる。そして、これにより、剥離や脱離しにくい、強固に移着した薄膜３を形成することができる。

この効果は、酸素原子含有官能基を含む樹脂材料としてエポキシ樹脂を用いた場合に特に顕著である。それは、エポキシ樹脂は、ポリマー骨格中に、炭素原子と結合した水酸基やエポキシ基、エーテル基等の酸素原子を多数含むためである。例えばエポキシ樹脂においては、炭素原子と酸素原子との化学結合の分極は大きいため、酸素原子の荷電量は前記のフッ素原子の場合よりも大きくなる。従って、例えばエポキシ樹脂を用いてピストンリング２３を形成する場合、負に大きく帯電した酸素原子は、保護層２１ａ表面の正に帯電した金属原子２１ａ２と、クーロン引力を介して、より強固に化学結合する。そのため、ピストンリング２３の滑り性がより向上して低摩擦化が図られるとともに、摩耗量の低減を図ることもできる。

また、エポキシ樹脂が有する環状のエポキシ基は、反応性の高さから、容易に開環反応を起こす。そのため、金属原子２１ａ２と酸素原子との間でエーテル結合を生じさせることができる。これにより、移着強さをさらに向上させ、低摩擦化及び低摩耗化をよりいっそう向上できる。

図３を参照しながら説明した薄膜３の厚さは、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上とすることが好ましく、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。薄膜３の厚さがこの範囲にあると、無極性分子を含む乾燥ガスを導入する場合であっても、前記の効果をより良好に奏する乾燥ガス圧縮機１００を提供することができる。薄膜３の厚さは、ピストンリング２３とシリンダ２１との間での荷重の大きさや雰囲気制御等により任意に設定することができる。

図５は、ＰＴＦＥを含む従来の摺動材における、空気中及び真空中での摩擦係数及び摩耗量を示すグラフである。図５に示すグラフは、本発明者らの検討により得られたものである。図５において横軸は湿度（％）を示し、紙面左縦軸は摩擦係数を示し、紙面右縦軸は摩耗量（ｍｍ^３／ｈ）を示す

図５に示すように、ＰＴＦＥは、真空中であれば、摩擦係数及び摩耗量が比較的小さく、低摩擦化及び低摩耗化という点で、良好な特性を示す傾向にある。これは、ＰＴＦＥのポリマー骨格を攻撃する分子や原子が存在しないため、良好な特性を示すものと考えられる。一方で、空気中においては、湿度が高ければ、摩擦係数及び摩耗量が小さく良好であるのに対し、湿度が低くなると摩擦係数及び摩耗量が増大し、特性が低下する傾向にある。

このような検討により、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂材料により形成されるピストンリングを備える圧縮機に対し、誘電率や極性の大きい水分子等を含む空気（即ち、湿度の高い空気）を導入する場合、ピストンリングの耐久性（低摩擦化及び低摩耗化）について、問題となることは少ない。

しかし、例えば、湿度の低い乾燥ガス、特に無極性分子からなる乾燥ガスを導入する場合、乾燥ガスを構成する無極性分子が摺動界面に供給されると、フッ素樹脂材料中のフッ素原子と金属原子との間のクーロン引力が無極性分子により遮断されることがある。これにより、フッ素樹脂材料の移着強さが弱く、移着量が著しく減少してしまうことがある。

そして、このような状況になると、図３を参照しながら説明した薄膜３の厚さが薄くなったり、ピストンリング２３の摺動により、薄膜３が剥離したりする。その結果、ピストンリング２３は、薄膜３を介さず又は移着強度が十分ではない薄膜３を介して、シリンダ２１内を摺動するようになる。そうすると、ピストンリング２３は、シリンダ２１よりも軟質であるため、シリンダ２１表面の微細な凹凸等により切削されることになる。そのため、乾燥ガスが導入されたときのピストンリング２３の摩耗量は、水分を含む空気が導入されたときの摩耗量と比べて、図３に示すように１０倍〜１００倍程度に増大する。そのため、ピストンリング２３の耐久性が著しく低下することになる。

しかしながら、本実施形態では、ピストンリング２３は、酸素原子含有官能基を含む樹脂材料により形成されている。これにより、薄膜３の移着強さを向上させ、乾燥ガスに含まれうる無極性分子によってクーロン引力が遮断されても、薄膜３の十分な強さでの移着を維持することができる。そのため、ピストンリング２３がシリンダ２１の内面に直接接触することをなるべく抑制することができ、これにより、摺動特性の向上、具体的には、低摩擦化及び低摩耗化を図ることができる。即ち、ピストンリング２３の耐久性を向上させ、長寿命化を図ることができる。

さらには、シリンダ２１は通常は金属により形成されるが、シリンダ２１内を摺動するピストンリング２３は、前記のように樹脂材料により形成されている。そのため、ピストンリング２３がシリンダ２１内を摺動しても、硬度の比較的小さな樹脂材料により形成されるピストンリング２３によって、シリンダ２１内面が例えば削り取られることを抑制することができる。そのため、本実施形態によれば、シリンダ２１内面の保護を図ることもできる。

以下、実施例を挙げて、本実施形態をより具体的に説明する。

図１に示す乾燥ガス圧縮機１００に高純度窒素ガス又は相対湿度６０％の空気を導入した場合の薄膜３の移着強さ、及び、ピストンリング２３の摩耗量及び摩擦係数を、分子シミュレーション及び耐久試験によって評価した。

＜実施例１＞
〔１〕分子シミュレーション
薄膜３の移着の強さを調べるために、薄膜３とシリンダ２１との間での分子シミュレーションを行った。具体的には、密度汎関数理論（ＤＦＴ）計算を行って、薄膜３の移着の強さを見積もった。ＤＦＴ計算は、シリンダ２１がアルミニウム合金により形成され、その表面には、硫酸アルマイト処理により酸化アルミニウムからなる保護層２１ａが形成されている状態を模して行った。即ち、酸化アルミニウムの表面に対し、ピストンリング２３を形成する樹脂材料としての１分子のエポキシ樹脂のモノマーを吸着させたモデルについて、ＤＦＴ計算を実施した。

ＤＦＴ計算にはＡｃｃｅｌｒｙｓ社のＤＭｏｌ^３プログラムを使用した。構造最適化により最安定構造を求め、得られた最安定構造での、エポキシ樹脂の酸化アルミニウム表面への移着に要する結合エネルギを求めた。

構造最適化には、局所密度近似レベルのＶＷＮ汎関数を用い、エネルギ計算には一般化密度勾配近似レベルのＰＢＥ汎関数を用いた。構造最適化及びエネルギ計算はともにスピン非制限の計算を行い、基底関数としてＤＮＰを用いて原子軌道を表し、１０^−５Ｈａｒｔｒｅｅのエネルギの閾値で計算の収束を判定した。

〔２〕耐久試験
前記の分子シミュレーションから予想されるエポキシ樹脂の酸化アルミニウム表面に対する移着の強さが、摩擦係数及び摩耗量の低減化に実際にどの程度効果があるのかを検証する目的で、耐久試験を行った。具体的には、前記の〔１〕分子シミュレーションにおいて模したモデルを実際に作製し、作製されたものに対して耐久試験を行った。
なお、耐久試験は室温（２５℃）下にて行った。

まず、底面が外径１３ｍｍ、内径９ｍｍのドーナツ状の中空円筒形状の、ＡＣ４Ｃアルミニウム合金材からなる円筒試験片を作製した。この円筒試験片の底面（後記するブロック試験片と接触する面）は、硫酸アルマイト処理により、酸化アルミニウムからなる層が形成されている。

次に、縦２０ｍｍ、横６ｍｍ、高さ５ｍｍの寸法の、エポキシ樹脂を含むブロック試験片（東洋炭素社製）を作製した。このブロック試験片は、８０質量％でエポキシ樹脂を含むほか、２０質量％のカーボン材料を含んでいる。そして、前記の円筒試験片の酸化アルミニウム層が形成されている面（底面）を、ブロック試験片表面に接触させ、円筒試験片を一方向に回転させ、所謂スラストシリンダ形式の耐久試験を行った。

耐久試験時の条件は以下の通りとした。即ち、円筒試験片の回転は、露点−７０℃、純度９９．９９９５％の高純度窒素ガス（即ち乾燥ガスであり、無極性分子からなるガス）雰囲気で行った。また、円筒試験片の回転速度は２．３ｍ／ｓ、円筒試験片からのブロック試験片に対する荷重４．１Ｎ、室温下、回転時間を１時間とした。そして、回転中の摩擦係数（定常摩擦係数）と、回転開始１時間後のブロック状試験片の摩耗量とを算出した。摩擦係数は摩擦力から算出した。また、摩耗量は、表面レーザー変位計を用いて、ブロック試験片の表面損傷量を測定することで算出した。

＜比較例１＞
１分子のエポキシ樹脂のモノマーに代えて、従来のＰＴＦＥを模したＣ_５Ｆ_１２分子を用いたこと以外は実施例１と同様にして、分子シミュレーションを行った。また、試験に用いたブロック試験片として、エポキシ樹脂を含む材料に代えて、７５質量％でＰＴＦＥ樹脂を含むほか、青銅、二硫化モリブデン及びカーボン材料を含んでなる樹脂材料（淀川ヒューテック社製）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、耐久試験を行った。

＜参考例１＞
高純度窒素ガス雰囲気に代えて、相対湿度６０％の空気中にて行ったこと以外は実施例１と同様にして、耐久試験を行った。

＜参考例２＞
高純度窒素ガス雰囲気に代えて、相対湿度６０％の空気中にて行ったこと以外は比較例１と同様にして、耐久試験を行った。

＜評価結果＞
分子シミュレーション及び耐久試験のそれぞれの結果について、以下の表１に示す。

※ 移着強さの数値が小さいほどより強い結合であり、薄膜３にしたときに剥離や損傷が起きにくいことを表している。
※ 実施例１の移着強さの項目において、上段の数値はエポキシ基の開環が起きていないときの強さ、下段の数値はエポキシ基の開環が起きたときの強さである。

＜検討＞
〔１．分子シミュレーションに基づく移着強さについて〕
実施例１では、比較例１と比べて、エポキシ基の開環が起きていないとき（−２２２．９ｋＪ／ｍｏｌ）、及び開環が起きたとき（−３４１．３ｋＪ／ｍｏｌ）の双方で、エポキシ樹脂モノマーは、酸化アルミニウム（図３に示す保護層２１ａに相当）に対して、より強固に移着することがわかった。

具体的には、エポキシ基が開環していないときのエポキシ樹脂モノマー（実施例１の上段の数値、エポキシ樹脂を模したもの）は、Ｃ_５Ｆ_１２分子（ＰＴＦＥを模したもの）を用いた比較例１と比べて、約３倍程度強く、強固に移着することがわかった。これは、エポキシ樹脂モノマーに極性の大きな酸素原子が含まれ、この酸素原子と酸化アルミニウム中のアルミニウム原子とのクーロン引力とが大きくなり、より強く結合したためであると考えられる。

さらに、エポキシ基が開環したときのエポキシ樹脂モノマー（実施例１の下段の数値）は、Ｃ_５Ｆ_１２分子を用いた比較例１と比べて、約５倍程度も強く、より強固に移着することがわかった。従って、分極が大きな酸素原子含有官能基を含む樹脂材料を用いることにより、金属原子とのクーロン引力を大きくすることができ、薄膜３の移着を強固なものとすることができることがわかった。これにより、ピストンリング２３等の摺動材が薄膜３により確実に接触できるようになり、摺動材の耐久性の向上や長寿命化を図ることができると考えられる。

特に、酸素原子含有官能基としてのエポキシ基を含む樹脂材料を用いることにより、エポキシ基の反応性の高さを活かすことができ、薄膜３への移着強さをより増大させることができる。この効果は、エポキシ基が開環したときにより顕著であり、摺動材のよりいっそうの耐久性の向上や長寿命化を図ることができると考えられる。

〔２．耐久試験の結果について〕
エポキシ樹脂を用いた実施例１では、従来のＰＴＦＥを用いた比較例１と比べて、摩擦係数は半分以下になり、また、摩耗量も大きく低下した。これは、前記の〔１．分子シミュレーションに基づく移着強さについて〕において検討したように、例えばエポキシ基等の極性の大きな酸素原子とアルミニウムとのクーロン引力を大きくすることができ、結果、これら原子間の化学結合を強くすることができ、これにより、薄膜３が強固に移着しているためであると考えられる。即ち、薄膜３が強固に結合しているため、例えば無極性分子からなる高純度窒素ガスのような乾燥ガスに晒されても、クーロン引力が弱められて薄膜３が剥離等することが抑制されることによるためであると考えられる。これにより、薄膜３上での滑り性が向上し、また、摩耗量も減少したと考えられる。

また、図５等を参照しながら説明したように、摩擦係数や摩耗量は、空気中の水分量が少なくなればなるほど、大きくなる傾向にある。そのため、本実施例においても、参考例２よりも水分量が少ない高純度窒素ガス雰囲気での比較例１は、参考例２と比べて、摩擦係数は殆ど変わらなかったものの、摩耗量が大きく増加していた（０．０１５ｍｍ^３／ｈから０．０４９ｍｍ^３／ｈに増加）。これは、空気中の水分量が少なくなることにより薄膜３が形成されにくくなり、その結果、摩擦係数の上昇や摩耗量の増加が引き起こされたと考えられる。従って、従来用いられていたＰＴＦＥを乾燥ガス圧縮機の摺動材に用いると、摩耗量が大きく、耐久性が低下したり、寿命が短くなったりすることがわかった。

しかしながら、比較例１と同様の雰囲気である実施例１は、従来のＰＴＦＥが用いられている参考例２と比べ、摩擦係数は半減以下となり（０．１４から０．０６に低下）、さらに、摩耗量は殆ど変化しなかった（０．０１５ｍｍ^３／ｈから０．０２０ｍｍ^３／ｈ）。この結果から、ピストンリング２３として酸素原子含有官能基を含む樹脂材料を用いることにより、滑り性が良好になり、しかも、従来（参考例２）と同程度の摩耗量に抑えることができることがわかった。

これらのように、酸素原子含有官能基を含む樹脂材料を用いてピストンリング２３等の摺動材を形成することにより、圧縮するガスが乾燥ガスであっても、比較例１に示すような性能低下を招くことなく、良好な滑り性、高耐久性及び長寿命化が図られた摺動材が得られることがわかった。しかも、摺動材は、硬度の比較的小さな樹脂材料により形成されているため、ピストンリング２３の摺動によって、シリンダ２１内面が例えば削り取られることを抑制することができる。そのため、シリンダ２１内面の保護を図ることもできる。

なお、前記した実施形態は本発明を分かり易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、ある実施形態の構成に一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２圧縮室
３薄膜
２１シリンダ
２１ａ保護層
２２ピストン
２３ピストンリング（摺動材）
１００乾燥ガス圧縮機

Claims

アルミニウムを含む金属材料により形成されたシリンダと、
前記シリンダ内を往復動するピストンと、
前記ピストンに装着されているとともに、高純度窒素からなる乾燥ガスが導入される、前記シリンダ内に形成される圧縮室を気密にする摺動材と、
前記ピストンを前記シリンダ内で摺動させる摺動機構と、を備え、
前記摺動材は２０質量％のカーボン材料及び８０質量％のエポキシ樹脂により形成されており、
前記シリンダの内面には酸化アルミニウムによる保護層が形成されており、
前記シリンダは、前記摺動材が摺動する摺動面に、潤滑油、液状の潤滑剤及び半固体状の潤滑剤が使用されないことを特徴とする、乾燥ガス圧縮機。