JP7631399B2 - ピストンリング及びピストンリング複合体 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガスを圧縮する往復動圧縮機に用いられるピストンリング、ピストンリング複合体及び往復動圧縮機に関する。

近年、環境を考慮して、水素を発電や自動車等の燃料として用いることが考えられており、水素の需要が増大している。ところで、特許文献１には、水素ガスを圧縮する圧縮機に用いられるものではないが、耐熱性、摩擦磨耗特性、シール特性が良好であるピストンリングが開示されており、このピストンリングは、熱可塑性ポリイミド樹脂を主成分としている。

また、特許文献２には、無潤滑で往復動するピストンと、このピストンに装着する圧縮リングとの組合せが開示されている。圧縮リングはフッ素樹脂：５－１５％、炭素繊維：３－１５％、グラファイト：５－１５％、残部：ポリイミド樹脂の組成を有している。

特開２００７－１９２２４２号公報 特開平１１－８２７４１号公報 特開２０２３－２５８４０号公報 特開２０２３－２５８４１号公報

水素ステーションなどで用いられる、水素ガス圧縮用の往復動圧縮機では、不純物の混入を避けるため無給油式のものが必要とされることがある。無給油式の往復動圧縮機では、ピストンリングが高温環境下で利用されることがあるため、耐熱性と耐摩耗性に優れた材料として熱可塑性ポリイミド樹脂の利用が検討されている。しかし、特許文献１ではオイル潤滑下での摺動試験が行われており、無給油環境下での耐摩耗性についての評価はされていない。加えて、水素環境下での摩耗試験は行われていないため、水素環境下で摩耗性に影響を与える因子について示唆されているとはいえない。すなわち、熱可塑性ポリイミドを主成分とするピストンリングは、水素雰囲気下においては空気中とは異なる摩耗挙動を示す可能性があるため、大気中での摩耗試験のみでは、水素ガス圧縮用の往復動圧縮機としての実機での採用可否を判断するための指標が示唆されているとはいえない。また、特許文献２でも、水素環境下での摺動試験が行われていないため、水素環境下で摩耗性に影響を与える因子について示唆されているとはいえない。特許文献３，４についても同様である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、無給油環境下において水素ガス圧縮機に用いられるとともに、熱可塑性ポリイミド樹脂を主成分とし、耐熱性と耐摩耗性に優れるピストンリングを提供することである。

本発明に係るピストンリングは、水素ガスを圧縮する無給油式の往復動圧縮機に用いられるピストンリングであって、熱可塑性ポリイミドを主成分とし、カーボンファイバーを添加剤として含み、または、カーボンファイバーおよびグラファイトを添加剤として含み、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上である。

本発明に係るピストンリングでは、ピストンリングが水素ガスを圧縮する無給油式の往復動圧縮機に用いられる場合においても、当該ピストンリングの耐熱性及び耐摩耗性を向上することができる。したがって、効率的な水素ガスの供給に資する。

前記ピストンリングは、ポリテトラフルオロエチレンを含まなくてもよい。この場合、引張強さが１１０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１６０ＭＰａ以上であってもよい。

この態様では、ピストンリングが水素ガスを圧縮する無給油式の往復動圧縮機に用いられる場合においても、耐熱性をさらに向上することができる。

本発明に係るピストンリング複合体は、前記ピストンリングと、前記ピストンリングの高圧側に配置され、前記ピストンリングの引張強さよりも低い引張強さを有し、前記ピストンリングの曲げ強さよりも低い曲げ強さを有するシールリングと、を備える。

本発明に係るピストンリング複合体では、ピストンリングが水素ガスを圧縮する無給油式の往復動圧縮機に用いられる場合においても、シール性を向上することができる。

以上説明したように、本発明によれば、無給油環境下において水素ガス圧縮機に用いられるとともに、熱可塑性ポリイミド樹脂を主成分とし、耐熱性と耐摩耗性に優れるピストンリングが得られる。

実施形態に係る往復動圧縮機を概略的に示す断面図である。 その他の実施形態に係る往復動圧縮機の一部を概略的に示す断面図である。 摩耗特性を評価するために用いられた摺動試験装置を概略的示す図である。 実施例及び比較例についての引張強さ及び曲げ強さの関係を示す図である。 実施例及び比較例についての室温環境下及び高温環境下での圧縮強さを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態に係る往復動圧縮機は、水素ステーションにおいて水素ガスを所定の圧力まで（例えば、０．７ＭＰａから８２ＭＰａまで）昇圧するために用いられる。往復動圧縮機により圧縮された水素ガスは、蓄圧器（図示しない）において貯留され、プレクーラ（図示しない）においてブライン等との熱交換を介して冷却された後、ディスペンサ（図示しない）により燃料電池車のタンクに充填される。なお、往復動圧縮機は、水素ガスを圧縮するために用いられる無給油式の圧縮機であれば、水素ステーション用途に限られるものではない。

図１に示すように、往復動圧縮機５０は、クランク機構５２と、クランク機構５２によって駆動されるピストンロッド５４と、ピストンロッド５４に接続されたピストン５６と、ピストン５６を収容するシリンダ部５８と、を備えている。

シリンダ部５８には、シリンダ部５８内の空間に水素ガスを吸入させるための吸入口５８ａと、この空間内で圧縮された水素ガスを吐出させるための吐出口５８ｂとが設けられている。吸入口５８ａ及び吐出口５８ｂには、それぞれ図略の弁が設けられている。シリンダ部５８内の空間のうち、吸入口５８ａ及び吐出口５８ｂが開口する空間は圧縮室６０として機能する。

往復動圧縮機５０は、ピストン５６の外周面に装着されるとともにシリンダ部５８の内周面に摺接するように配置された複数のピストンリング複合体６５も備えている。ピストンリング複合体６５が設けられることにより、圧縮室６０がシリンダ部５８内の他の空間から仕切られることになる。この「他の空間」は、圧縮室６０としては機能しない空間であってもよく、あるいは、往復動圧縮機５０がタンデムタイプの圧縮機によって構成される場合には、圧縮室６０に導入される前段階で水素ガスを圧縮する低圧側の他の圧縮室であってもよい。

各ピストンリング複合体６５は、ピストンリング６６と、ピストンリング６６に対して高圧側に配置されたシールリング６７とを有する。すなわち、各ピストンリング複合体６５では、シールリング６７がピストンリング６６に対して圧縮室６０側に位置している。

なお、本実施形態の往復動圧縮機５０は、複数のピストンリング複合体６５を備えているが、１つのピストンリング複合体６５のみを備えた構成であってもよい。また、図２に示すようにシールリング６７が省略されてもよい。

ピストンリング６６は、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、カーボンファイバーおよび／またはグラファイトを添加剤として含む樹脂によって構成されている。この樹脂には、ポリテトラフルオロエチレンが含まれていてもよい。この樹脂では、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上である。このため、強度が高く、割れにくい。グラファイトは、摩擦発熱による耐熱性（＝高温強度等）の劣化を防ぐために熱伝導性を向上する目的で添加される。

より好ましくは、ピストンリング６６を構成する樹脂は、引張強さが１１０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１６０ＭＰａ以上であればよい。この場合、樹脂には、ポリテトラフルオロエチレンが含まれない。

シールリング６７は、ピストンリング６６の引張強さよりも低い引張強さを有し、ピストンリング６６の曲げ強さよりも低い曲げ強さを有している。

ここでいう「引張強さ」は、ＪＩＳ Ｋ７１６１－１（プラスチック－引張特性の求め方 第１部：通則）に基づいて測定される引張強さの値である。また、「曲げ強さ」は、ＪＩＳ Ｋ７１７１（プラスチック－曲げ特性の求め方）に基づいて測定される曲げ強さの値である。

シールリング６７には、シール性が必要であるため、ピストンリング６６を構成する樹脂よりも強度の低い樹脂が用いられる。シールリング６７が圧縮時に変形（外側に向けて張り出してシリンダ部５８の内周面に密着）することにより、ピストンリング複合体６５によるシール性が確保される。これにより、圧縮室６０内での圧縮を可能にする。一方で、バックアップリングとしての機能を果たすピストンリング６６には、強度が高く割れにくい樹脂が用いられる。これにより、高寿命化を得ることができる。

シールリング６７には、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、ポリテトラフルオロエチレンおよびカーボンファイバーを添加剤として含む樹脂によって構成されている。なお、シールリング６７には、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする樹脂によって構成されていてもよい。

本実施形態のピストンリング６６は、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、カーボンファイバーおよび／またはグラファイトを添加剤として含む樹脂によって構成され、しかも、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上である。したがって、ピストンリング６６が水素ガスを圧縮する無給油式の往復動圧縮機５０に用いられる場合においても、ピストンリング６６の耐熱性及び耐摩耗性を向上することができる。

本実施形態のピストンリング６６が水素ガス雰囲気においても耐摩耗性及び高温特性を有することを確認するための試験を行ったので、その結果について説明する。

まず、実施例１－１，１－２，２－１，２－２，３－１，３－２及び比較例１－１，１－２の樹脂で構成された試験片を用いて摩耗特性の評価を行った。

実施例１－１，１－２では、組成、引張強さ、曲げ強さが同じ樹脂Ｐ１が用いられる。樹脂Ｐ１は、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、添加剤としてカーボンファイバーおよびグラファイトを含み、ポリテトラフルオロエチレンは含有されていない。

実施例２－１，２－２では、樹脂Ｐ１とは組成、引張強さ、曲げ強さが異なる樹脂Ｐ２が用いられる。樹脂Ｐ２は、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、添加剤としてカーボンファイバーおよびグラファイトを含み、ポリテトラフルオロエチレンは含有されていない。

実施例３－１，３－２では、樹脂Ｐ１及びＰ２とは組成、引張強さ、曲げ強さが異なる樹脂Ｐ３が用いられる。樹脂Ｐ３は、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、添加剤としてカーボンファイバーおよびグラファイトを含み、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が添加剤として含有されている。

比較例１－１，１－２では、樹脂Ｐ１、Ｐ２及びＰ３とは組成、引張強さ、曲げ強さが異なる樹脂Ｐ４が用いられる。樹脂Ｐ４は、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、添加剤としてカーボンファイバーおよびグラファイトを含む。樹脂Ｐ４では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が添加剤として含有されている。比較例１－１，１－２に係る樹脂Ｐ４は、後述するように引張強さ及び曲げ強さが実施例１－１，１－２，２－１，２－２，３－１，３－２に係る樹脂Ｐ１、Ｐ２及びＰ３よりも劣るものである。

なお、引張特性は、ＪＩＳ Ｋ７１６１－１（プラスチック－引張特性の求め方 第１部：通則）に基づく測定により、引張強さを求めることにより行った。また曲げ特性は、ＪＩＳ Ｋ７１７１（プラスチック－曲げ特性の求め方）に基づく測定により、曲げ強さを求めることにより行った。

摩耗特性について図３に示す摺動試験装置を用いた測定で評価した。摺動試験装置は、ピンオンディスク式の摺動試験装置であり、水素ガスを導入可能に構成されたチャンバー１を有しており、チャンバー１には、水素ガスを導入するためのガス導入口２と、チャンバー１内からガスを流出させるガス排出口３と、が設けられている。チャンバー１内には、試験片７を固定する固定部８と、固定ネジ６によって金属板５が取り付けられるとともに当該金属板５を回転させる回転台４と、が設けられている。固定部８に取り付けられた試験片７は、押し当て機構１５により、金属板５に押し当てられるようになっている。押し当て機構１５は、支点部１１を中心として揺動可能に設けられた圧力印加棒１０と、圧力印加棒１０の基端にワイヤ１２を介して取り付けられた錘１３と、圧力印加棒１０の先端に設けられた固定部８と、を有する。なお、圧力印加棒１０には、ロードセル９が取り付けられている。

試験片７は、圧力印加棒１０の固定部８に固定される。固定部８に固定された試験片７は、錘１３の重みによって所定の荷重で金属板５に押し当てられることになる。この状態で回転台４が金属板５を所定の回転速度で回転することにより、試験片７は金属板５に対して所定速度で摺動する。

試験片７は、φ５．０、長さ１０．０ｍｍのピン形状に加工するとともに、摺動面の表面粗さＲａが１．０μｍ以下になるように調整されたものを用いた。金属板５は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）を円盤上に加工するとともに、表面の粗さＲａが０．２μｍに調整されたものを用いた。

金属板５への試験片７の押付け荷重は、９．６６ＭＰａであり、チャンバー１内が水素ガスで満たされた状態として、摺動速度を２．０ｍ／ｓとし、摺動距離を２００００ｍとして、室温下で試験を行った。そして、摺動試験前後での試験片７の重量差及び試験片７の材料密度から試験片７の摩耗量（ｍｍ^３）を算出し、また、単位荷重、単位距離当たりの摩耗量を比摩耗量（ｍｍ^３／Ｎ・ｍ）とした。

実施例１－１，１－２，２－１，２－２，３－１，３－２及び比較例１－１，１－２の樹脂Ｐ１～Ｐ３の引張特性、曲げ特性及び摩耗特性の試験結果を下記の表１に示す。

次に、試験片７の高温特性について、大気中での常温（２３℃）及び高温（１５０℃）における圧縮特性により評価した。なお、高温の水素ガス雰囲気での試験は危険を伴うため、空気中での評価としている。

試験片７（φ５．０、長さ１０．０ｍｍのピン形状）について、万能試験機を用い、常温（２３℃）及び高温（１５０℃）環境下において、試験速度１ｍｍ／ｍｉｎで圧縮破断試験を行った。そして、この試験で得られた応力（荷重）及びひずみ（試験機のクロスヘッド変位）線図から得られた最大応力を圧縮強さと定義した。

実施例１－３，１－４，１－５，２－３，２－４，２－５，３－３，３－４，３－５及び比較例１－３，１－４，１－５の樹脂で構成された試験片７について実施した大気中での常温（２３℃）における高温特性の試験結果を下記の表２に示す。

実施例１－３，１－４，１－５では、実施例１－１，１－２と同じ樹脂Ｐ１が用いられる。実施例２－３，２－４，２－５では、実施例２－１，２－２と同じ樹脂Ｐ２が用いられる。実施例３－３，３－４，３－５では、実施例３－１，３－２と同じ樹脂Ｐ３が用いられる。比較例１－３，１－４，１－５では、比較例１－１，１－２と同じ樹脂Ｐ４が用いられる。

実施例１－６，１－７，１－８，２－６，２－７，２－８，３－６，３－７，３－８及び比較例１－６，１－７，１－８の樹脂で構成された試験片７について実施した高温（１５０℃）における高温特性の試験結果を下記の表３に示す。

実施例１－６，１－７，１－８では、実施例１－１，１－２と同じ組成の樹脂Ｐ１が用いられる。実施例２－６，２－７，２－８では、実施例２－１，２－２と同じ組成の樹脂Ｐ２が用いられる。実施例３－６，３－７，３－８では、実施例３－１，３－２と同じ組成の樹脂Ｐ３が用いられる。比較例１－６，１－７，１－８では、比較例１－１，１－２と同じ組成の樹脂Ｐ４が用いられる。

表１に示すように、比較例１－１，１－２は、実施例１－１，１－２，２－１，２－２，３－１，３－２に対して摩耗量及び比摩耗量が大きい結果となっている。すなわち、図４に示すように、実施例１－１，１－２，２－１，２－２，３－１，３－２の樹脂は、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上である一方、比較例１－１，１－２の樹脂では、引張強さ及び曲げ強さがそれよりも低い値となっている。この結果から、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）を主成分とし、カーボンファイバーおよび／またはグラファイトを添加剤として含む樹脂とするだけでなく、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上を有する樹脂を選定することにより、水素ガス雰囲気での摩耗特性を向上できることが理解される。

また、図５は表２，３に基づき実施例１－３，１－４，１－５，２－３，２－４，２－５，３－３，３－４，３－５及び実施例１－６，１－７，１－８，２－６，２－７，２－８，３－６，３－７，３－８、並びに、比較例１－３，１－４，１－５及び比較例１－６，１－７，１－８の圧縮強さの値をプロットした図である。

図５では、樹脂Ｐ１に関する実施例１－３，１－４，１－５及び実施例１－６，１－７，１－８の線形近似ＬＡを示している。樹脂Ｐ２に関する実施例２－３，２－４，２－５及び実施例２－６，２－７，２－８の線形近似ＬＢを示している。樹脂Ｐ３に関する実施例３－３，３－４，３－５及び３－６，３－７，３－８の線形近似ＬＣを示している。樹脂Ｐ４に関する比較例１－３，１－４，１－５及び比較例１－６，１－７，１－８の線形近似ＬＤを示している。

常温（２３℃）環境下及び高温（１５０℃）環境下のそれぞれにおいて、実施例１－３，１－４，１－５，２－３，２－４，２－５，３－３，３－４，３－５及び実施例１－６，１－７，１－８，２－６，２－７，２－８，３－６，３－７，３－８の圧縮強さが比較例１－３，１－４，１－５及び比較例１－６，１－７，１－８の圧縮強さよりも高くなっている。このことから、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上を有するように樹脂を選定することにより、高温特性も優れたものとすることができることが分かる。

特に、線形近似ＬＡの傾きが他の線形近似ＬＢ２～ＬＤよりも傾きが小さいことから、実施例１－３，１－４，１－５及び実施例１－６，１－７，１－８で使用された樹脂Ｐ１（すなわち、引張り強さ１１０ＭＰａ以上１３０ＭＰａ以下、かつ、曲げ強さが１６０ＭＰａ以上１８０ＭＰａ以下のもの）は、高温特性により優れたものであると考えられる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、本実施形態の各ピストンリング６６は、引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上である樹脂によって構成されており、シールリング６７が重ね合わされている。これに代え、実施例に係る何れかの樹脂Ｐ１～Ｐ３で構成された２以上（典型的には２つ）のピストンリング６６が重ね合わされることによって、ピストンリング複合体が構成されてもよい。さらに、このピストンリング複合体では、ピストンリング６６にシールリング６７がさらに重ね合わされてもよい。

５０ ：往復動圧縮機
５６ ：ピストン
６５ ：ピストンリング複合体
６６ ：ピストンリング
６７ ：シールリング

Claims (3)

1. 水素ガスを圧縮する無給油式の往復動圧縮機に用いられるピストンリングであって、
   熱可塑性ポリイミドを主成分とし、カーボンファイバーを添加剤として含み、または、カーボンファイバーおよびグラファイトを添加剤として含み、
   引張強さが９０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１５０ＭＰａ以上である、ピストンリング。
2. ポリテトラフルオロエチレンを含まず、
   引張強さが１１０ＭＰａ以上、かつ、曲げ強さが１６０ＭＰａ以上である、請求項１に記載のピストンリング。
3. 請求項２に記載のピストンリングと、
   前記ピストンリングの高圧側に配置され、前記ピストンリングの引張強さよりも低い引張強さを有し、前記ピストンリングの曲げ強さよりも低い曲げ強さを有するシールリングと、
   を備える、ピストンリング複合体。