Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7637597B2 - Piston rings - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7637597B2 - Piston rings - Google Patents

Piston rings Download PDF

Info

Publication number
JP7637597B2
JP7637597B2 JP2021131224A JP2021131224A JP7637597B2 JP 7637597 B2 JP7637597 B2 JP 7637597B2 JP 2021131224 A JP2021131224 A JP 2021131224A JP 2021131224 A JP2021131224 A JP 2021131224A JP 7637597 B2 JP7637597 B2 JP 7637597B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston ring
resin
resin composition
volume
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021131224A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022135873A (en
Inventor
健 安田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTN Corp
Original Assignee
NTN Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NTN Corp filed Critical NTN Corp
Priority to US18/278,175 priority Critical patent/US12578017B2/en
Priority to PCT/JP2022/008801 priority patent/WO2022186258A1/en
Priority to EP22763312.0A priority patent/EP4303439A4/en
Priority to KR1020237030995A priority patent/KR20230154030A/en
Priority to CN202280015988.1A priority patent/CN116964361A/en
Publication of JP2022135873A publication Critical patent/JP2022135873A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7637597B2 publication Critical patent/JP7637597B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Landscapes

  • Compressor (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Description

本発明は、ガスを圧縮する往復式圧縮機のピストンリングに関するものであり、特に、水素ステーションで用いられる水素ガス用往復式圧縮機のピストンリングに関する。 The present invention relates to piston rings for reciprocating compressors that compress gas, and in particular to piston rings for reciprocating compressors for hydrogen gas used in hydrogen stations.

一般に、往復式圧縮機はピストンとシリンダーを含む構造であり、シリンダーに対してピストンが往復動することによって、流体を圧縮するのに用いられている。このような往復式圧縮機では、ピストンとシリンダーとの間の隙間において流体をシールする目的で、従来から環状のピストンリングが使用されている。ピストンリングはピストンに設けられた環状溝に装着される。この場合、ピストンリングの外周面がシリンダーの内周面と接触し、かつ、ピストンリングの側面が環状溝の側面と接触することにより、流体がシールされる。 In general, a reciprocating compressor has a structure including a piston and a cylinder, and is used to compress a fluid by the reciprocating motion of the piston relative to the cylinder. In such reciprocating compressors, annular piston rings have traditionally been used to seal the fluid in the gap between the piston and the cylinder. The piston ring is fitted into an annular groove provided in the piston. In this case, the outer circumferential surface of the piston ring comes into contact with the inner circumferential surface of the cylinder, and the side surface of the piston ring comes into contact with the side surface of the annular groove, thereby sealing the fluid.

近年では、往復式圧縮機は、水素ステーションで用いられる水素ガス用往復式圧縮機としても用いられている。水素ガス用往復式圧縮機では、燃料電池自動車への充填圧力まで水素ガスを圧縮する必要があることから、当該圧縮機の圧縮機構部は過酷条件で使用される。そのため、水素ガス用往復式圧縮機に用いられるピストンリングには、耐圧性、耐熱性、シール性、耐摩耗性などのさらなる向上が要求される。 In recent years, reciprocating compressors have also been used as hydrogen gas reciprocating compressors at hydrogen stations. In hydrogen gas reciprocating compressors, hydrogen gas needs to be compressed to the filling pressure for fuel cell vehicles, so the compression mechanism of the compressor is used under harsh conditions. Therefore, piston rings used in hydrogen gas reciprocating compressors are required to have further improved pressure resistance, heat resistance, sealing properties, wear resistance, etc.

このようなピストンリングとして、耐摩耗性が改善された樹脂製のピストンリングが知られている。例えば、特許文献1には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂と、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂およびポリイミド(PI)樹脂のうち一方の樹脂との合計量が全体の50質量%以上であり、かつ、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂を含まない、樹脂製のピストンリングが記載されている。特許文献1では、ピストンリングの引張強度を15MPaよりも大きく且つ100MPa未満の範囲内にすることで、その範囲外のピストンリングよりも長期の運転期間に亘ってシール性を維持できるとしている。 One such type of piston ring is a resin piston ring with improved wear resistance. For example, Patent Document 1 describes a resin piston ring in which the total amount of polytetrafluoroethylene (PTFE) resin and one of polyether ether ketone (PEEK) resin and polyimide (PI) resin is 50 mass% or more of the total, and which does not contain polyphenylene sulfide (PPS) resin. Patent Document 1 describes that by setting the tensile strength of the piston ring to a range greater than 15 MPa and less than 100 MPa, the sealing performance can be maintained for a longer operating period than piston rings outside that range.

また、特許文献2には、ピストン部材およびシリンダライナの一方の部材に設けられ、他方の部材(被摺動部材)に対して相対的に摺動する樹脂製のピストンリングが記載されている。特許文献2では、該ピストンリングおよび被摺動部材の両方の摺動面に、非晶質炭素膜を形成することで、ピストンリングの摩耗による交換寿命を伸ばすことができるとしている。なお、非晶質炭素膜は、表面部分の方がその内側の部分よりも炭素の含有量が多くなっている。 Patent Document 2 also describes a resin piston ring that is provided on one of the piston member and the cylinder liner and slides relative to the other member (the sliding member). Patent Document 2 claims that the replacement life of the piston ring due to wear can be extended by forming an amorphous carbon film on the sliding surfaces of both the piston ring and the sliding member. The amorphous carbon film has a higher carbon content in the surface portion than in the inner portion.

特開2020-180600号公報JP 2020-180600 A 特許第6533631号公報Patent No. 6533631

上記特許文献1では、ピストンリングの材料について、すなわち、PTFE樹脂とPEEK樹脂のそれぞれの配合比率や、PTFE樹脂とPI樹脂のそれぞれの配合比率などについては検討されていない。また、特許文献2では、ピストンリングの樹脂にPTFE樹脂、PEEK樹脂、PI樹脂などが用いられ、添加剤として、例えばPPS樹脂、二硫化モリブデンなどが配合されることが記載されている。しかし、その配合比率などについては検討されていない。そのため、樹脂製のピストンリングの配合を検討することによって、耐摩耗性を改善できる余地があると考えられる。また、ピストンリングとシリンダーなどの相手材の摺動による相手材の摩耗に関しても改善できることが望ましい。 In the above Patent Document 1, the material of the piston ring, i.e., the blending ratio of PTFE resin and PEEK resin, or the blending ratio of PTFE resin and PI resin, is not considered. In addition, Patent Document 2 describes that PTFE resin, PEEK resin, PI resin, etc. are used as the resin for the piston ring, and additives such as PPS resin and molybdenum disulfide are blended. However, the blending ratio is not considered. Therefore, it is thought that there is room to improve the wear resistance by examining the blending of the resin piston ring. It is also desirable to be able to improve the wear of the mating material, such as the piston ring and the cylinder, caused by the sliding of the mating material.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性に優れ、かつ、シリンダーの摩耗損傷が少ないピストンリングを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a piston ring that has excellent wear resistance and causes less wear damage to the cylinder.

本発明のピストンリングは、ガスを圧縮する往復式圧縮機に用いられるピストンリングであって、上記ピストンリングがPEEK樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、上記PEEK樹脂のせん断速度1000/s、温度400℃における溶融粘度がISO 11443準拠の測定方法において200Pa・s~550Pa・sであることを特徴とする。なお、ここでの溶融粘度は、PEEK樹脂単体の溶融粘度を指し、樹脂組成物の溶融粘度とは異なるものである。また、本発明において、「ガス」とは一般的な気体を意味する概念であり、気体燃料なども含まれる。 The piston ring of the present invention is a piston ring used in a reciprocating compressor that compresses gas, characterized in that the piston ring is made of a resin composition mainly composed of PEEK resin, and the melt viscosity of the PEEK resin at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400°C is 200 Pa·s to 550 Pa·s as measured by a method conforming to ISO 11443. Note that the melt viscosity here refers to the melt viscosity of the PEEK resin alone, and is different from the melt viscosity of the resin composition. In addition, in the present invention, "gas" is a concept that means a general gas, and also includes gaseous fuels.

上記樹脂組成物は、該樹脂組成物全体に対して、炭素繊維を5体積%~25体積%含み、かつ、固体潤滑剤を5体積%~25体積%含み、上記固体潤滑剤がPTFE樹脂および黒鉛から選択される少なくともいずれか一方であることを特徴とする。 The resin composition contains 5% to 25% by volume of carbon fiber and 5% to 25% by volume of a solid lubricant relative to the entire resin composition, and the solid lubricant is at least one selected from PTFE resin and graphite.

上記炭素繊維の平均繊維長が20μm~200μmであることを特徴とする。 The carbon fibers are characterized by having an average fiber length of 20 μm to 200 μm.

上記往復式圧縮機が水素ガスを圧縮する水素ガス用往復式圧縮機であることを特徴とする。また、上記樹脂組成物はPPS樹脂を含まないことを特徴とする。 The reciprocating compressor is a reciprocating compressor for compressing hydrogen gas. The resin composition does not contain PPS resin.

上記ピストンリングは上記樹脂組成物の射出成形体の熱処理体であり、上記射出成形体に比べて、硫黄原子の含有量が低いことを特徴とする。 The piston ring is a heat-treated injection molded product of the resin composition, and is characterized by a lower sulfur atom content than the injection molded product.

上記ピストンリングが、示差走査熱量測定の昇温過程において、150℃~330℃の範囲に熱履歴による吸熱ピークを有することを特徴とする。 The piston ring is characterized by having an endothermic peak due to thermal history in the range of 150°C to 330°C during the temperature rise process of differential scanning calorimetry.

上記ピストンリングの硫黄原子の含有量が250ppm以下であることを特徴とする。 The piston ring is characterized by having a sulfur atom content of 250 ppm or less.

本発明のピストンリングは、PEEK樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、該PEEK樹脂のせん断速度1000/s、温度400℃における溶融粘度がISO 11443準拠の測定方法において200Pa・s~550Pa・sであるので、往復動で摺動する条件において耐摩耗性に優れ、かつ、相手材の摩耗損傷が少ないピストンリングになる。 The piston ring of the present invention is made of a resin composition whose main component is PEEK resin, and the melt viscosity of the PEEK resin at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400°C is 200 Pa·s to 550 Pa·s when measured according to ISO 11443, resulting in a piston ring with excellent abrasion resistance under reciprocating sliding conditions and with little abrasion damage to the mating material.

樹脂組成物は、該樹脂組成物全体に対して、炭素繊維を5体積%~25体積%含み、かつ、固体潤滑剤(PTFE樹脂および黒鉛から選択される少なくともいずれか一方)を5体積%~25体積%含むので、オイルなどによる潤滑剤がない圧縮機であっても摩擦摩耗特性に優れる。 The resin composition contains 5% to 25% by volume of carbon fiber and 5% to 25% by volume of a solid lubricant (at least one selected from PTFE resin and graphite) relative to the entire resin composition, so that it has excellent friction and wear characteristics even in compressors that do not use lubricants such as oil.

炭素繊維は平均繊維長が20μm~200μmの短繊維であるので、相手材の摩耗損傷を一層低減できる。 Carbon fibers are short fibers with an average fiber length of 20 μm to 200 μm, which further reduces wear and tear on the mating material.

ここで、水素ガス用往復式圧縮機では、ピストンリングに含まれる硫黄成分が圧縮工程でガス化して、圧縮ガス(水素ガス)に混入される場合がある。そのような圧縮ガスが燃料電池自動車に充填されると、燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがある。これに対して、樹脂組成物はPPS樹脂を含まないので、PPS樹脂に由来する硫黄成分が圧縮ガスに混入することを防止できる。本発明のピストンリングは、PPS樹脂を含まなくても、上記樹脂組成物を用いることで耐摩耗性などに優れるため、特に、高温高圧かつ無潤滑条件での耐摩耗性が要求される水素ガス用圧縮機に好適である。 Here, in a reciprocating compressor for hydrogen gas, the sulfur components contained in the piston rings may be gasified during the compression process and mixed into the compressed gas (hydrogen gas). If such compressed gas is filled into a fuel cell vehicle, it may have a negative effect on the fuel cell. In contrast, since the resin composition does not contain PPS resin, it is possible to prevent sulfur components derived from PPS resin from being mixed into the compressed gas. Even though the piston ring of the present invention does not contain PPS resin, it has excellent abrasion resistance and the like due to the use of the above resin composition, and is therefore particularly suitable for hydrogen gas compressors, which require abrasion resistance under high temperature and pressure and non-lubricated conditions.

さらに、ピストンリングは樹脂組成物の射出成形体の熱処理体であり、射出成形体に比べて硫黄原子の含有量が低いので、水素雰囲気下で発生する硫黄原子を含むアウトガス(硫黄含有ガス)の発生量が低減され、水素ガス用往復式圧縮機に特に適している。また、熱処理を大気中で行う場合には、例えば上記特許文献2に記載されるような水素雰囲気に曝露する処理(脱硫処理)など、特殊な雰囲気での熱処理を必要としないことから、低コストになる。 Furthermore, the piston ring is a heat-treated product of an injection molded product of a resin composition, and has a lower sulfur atom content than an injection molded product, so the amount of outgas containing sulfur atoms (sulfur-containing gas) generated in a hydrogen atmosphere is reduced, making it particularly suitable for reciprocating compressors for hydrogen gas. In addition, when the heat treatment is performed in the atmosphere, there is no need for heat treatment in a special atmosphere, such as a treatment of exposure to a hydrogen atmosphere (desulfurization treatment) as described in the above Patent Document 2, and therefore costs are reduced.

本発明のピストンリングの一例の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an example of a piston ring of the present invention. 本発明のピストンリングを用いた往復式圧縮機の一例の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a reciprocating compressor using the piston ring of the present invention. ピンオンディスク試験機の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a pin-on-disk testing machine. PEEK樹脂の溶融粘度と比摩耗量の関係を示した図である。1 is a diagram showing the relationship between the melt viscosity of PEEK resin and the specific wear rate. 示差走査熱量測定の結果を示す図である。FIG. 1 shows the results of differential scanning calorimetry.

本発明者は、特にピストンリングの耐摩耗性を向上させるべく、鋭意研究を重ねた結果、PEEK樹脂をピストンリングのベース樹脂に用いる場合において、このベース樹脂を特定の溶融粘度範囲に設定することで、耐摩耗性が顕著に向上することを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。 As a result of extensive research, the inventors of the present invention have found that when PEEK resin is used as the base resin for piston rings, the abrasion resistance can be significantly improved by setting the base resin to a specific melt viscosity range. The present invention is based on this finding.

本発明のピストンリングおよびピストンリングを適用した往復式圧縮機の一例を図1および図2に基づいて説明する。図1は、本発明のピストンリングの一例を示した斜視図である。図1に示すように、ピストンリング1は断面が略矩形の環状体である。リング内周面1bとリングの両側面1cとの角部は直線状、曲線状の面取りが設けられていてもよく、シールリングを射出成形で製造する場合、該部分に金型からの突出し部分となる段部を設けてもよい。 An example of the piston ring of the present invention and a reciprocating compressor to which the piston ring is applied will be described with reference to Figures 1 and 2. Figure 1 is a perspective view showing an example of the piston ring of the present invention. As shown in Figure 1, the piston ring 1 is an annular body with a substantially rectangular cross section. The corners between the inner peripheral surface 1b of the ring and both side surfaces 1c of the ring may be chamfered in a straight or curved shape, and when the seal ring is manufactured by injection molding, a step may be provided in the part that protrudes from the mold.

また、ピストンリング1は、一箇所の合い口1aを有するカットタイプのリングであり、弾性変形により拡径してピストンの環状溝に装着される。ピストンリング1は、合い口1aを有することから、使用時においてガスの圧力によって拡径されて、外周面1dがシリンダーの内周面と密着する。合い口1aの形状については、限定されるものではなく、ストレートカット型、アングルカット型などにすることも可能であるが、シール性に優れることから、図1に示す複合ステップカット型を採用することが好ましい。
なお、本発明のピストンリングは、図1に示すような単一の部材からなるピストンリングに限定されず、複数の部材を組み合わせることで円環状になるピストンリングであってもよい。
The piston ring 1 is a cut-type ring having one abutment 1a, and is fitted into the annular groove of the piston by expanding its diameter through elastic deformation. Since the piston ring 1 has the abutment 1a, the diameter of the piston ring 1 is expanded by gas pressure during use, and the outer circumferential surface 1d comes into close contact with the inner circumferential surface of the cylinder. The shape of the abutment 1a is not limited, and it can be a straight cut type or an angle cut type, but it is preferable to adopt the composite step cut type shown in FIG. 1 because it has excellent sealing properties.
The piston ring of the present invention is not limited to a piston ring made of a single member as shown in FIG. 1, but may be a piston ring formed into a circular ring by combining a plurality of members.

図2は、本発明のピストンリングを用いた往復式圧縮機の一例の断面図である。往復式圧縮機の圧縮機構部2は、シリンダー3とピストン4からなり、ピストン4はピストンロッド5に接続されている。ピストン4の外周面には、ピストンリング1を装着するための環状溝が複数配置されており、ピストンリング1が弾性変形により拡径して各環状溝に組み込まれる。ピストンに装着されるピストンリングの数は特に限定されず、図2では6個のシールリングが装着されている。ガスは圧縮室6に導入され、ピストン4がシリンダー3に対して往復動することによって圧縮された後、外部に排出される。 Figure 2 is a cross-sectional view of an example of a reciprocating compressor using the piston ring of the present invention. The compression mechanism 2 of the reciprocating compressor consists of a cylinder 3 and a piston 4, and the piston 4 is connected to a piston rod 5. A plurality of annular grooves for mounting the piston rings 1 are arranged on the outer circumferential surface of the piston 4, and the piston rings 1 are expanded in diameter by elastic deformation and are fitted into each annular groove. There is no particular limit to the number of piston rings mounted on the piston, and six seal rings are mounted in Figure 2. Gas is introduced into the compression chamber 6, compressed by the reciprocating motion of the piston 4 relative to the cylinder 3, and then discharged to the outside.

本発明において、往復式圧縮機が圧縮するガスは特に限定されず、例えば水素ガスが挙げられる。水素ガスを圧縮する水素ガス用往復式圧縮機は、水素ステーションなどに設置され、燃料電池自動車、水素エンジン車への水素ガスの充填などに用いられる。 In the present invention, the gas compressed by the reciprocating compressor is not particularly limited, and may be, for example, hydrogen gas. Reciprocating compressors for compressing hydrogen gas are installed in hydrogen stations and used for filling fuel cell vehicles and hydrogen engine vehicles with hydrogen gas.

以下には、本発明のピストンリングに用いる樹脂組成物について説明する。 The resin composition used in the piston ring of the present invention is described below.

本発明のピストンリングは、PEEK樹脂をベース樹脂とした樹脂組成物からなる。本発明において、PEEK樹脂のせん断速度1000/s、温度400℃における溶融粘度はISO 11443準拠の測定方法において200Pa・s~550Pa・sであることを特徴としている。溶融粘度は、PEEK樹脂の平均分子量、分子量分布などによって決まり、一般には分子量が高いほど、溶融粘度も高くなる。上記PEEK樹脂は、この範囲を満足するものであればよい。市販品として、例えば、ビクトレックスジャパン株式会社製:380P、450P、650Pなどを使用することができる。溶融粘度が200Pa・s未満の場合、往復式圧縮機に用いるピストンリングとして耐摩耗性が不十分である。また、溶融粘度が550Pa・sを超えると、射出成形による成形加工が困難になるため、コスト面で好ましくない。上記溶融粘度は、270Pa・s~550Pa・sが好ましく、350Pa・s~550Pa・sがより好ましく、350Pa・s~500Pa・sがさらに好ましい。 The piston ring of the present invention is made of a resin composition with PEEK resin as the base resin. In the present invention, the melt viscosity of the PEEK resin at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400°C is 200 Pa·s to 550 Pa·s according to a measurement method conforming to ISO 11443. The melt viscosity is determined by the average molecular weight and molecular weight distribution of the PEEK resin, and generally, the higher the molecular weight, the higher the melt viscosity. The PEEK resin may be any resin that satisfies this range. Commercially available products include, for example, 380P, 450P, and 650P manufactured by Victrex Japan Co., Ltd. If the melt viscosity is less than 200 Pa·s, the wear resistance is insufficient for a piston ring used in a reciprocating compressor. Also, if the melt viscosity exceeds 550 Pa·s, molding processing by injection molding becomes difficult, which is not preferable in terms of cost. The melt viscosity is preferably 270 Pa·s to 550 Pa·s, more preferably 350 Pa·s to 550 Pa·s, and even more preferably 350 Pa·s to 500 Pa·s.

PEEK樹脂は、重合時に溶媒として使用されるジフェニルスルホンの残留量が少ないものが好ましい。ジフェニルスルホンの残留量が多いと、ピストンリングとして使用する際に、硫黄含有ガス(例えば硫化水素(HS)など)が発生しやすくなる。水素ガス用往復式圧縮機では、圧縮後の水素ガスに硫黄成分が混入していると燃料電池の性能低下を引き起こす場合があるため、ピストンリングに含まれる硫黄原子の含有量が低いことが要求される。そのため、PEEK樹脂中のジフェニルスルホンの残留量は少ない方が好ましい。
なお、本発明のピストンリングをPEEK樹脂組成物の射出成形、または射出成形素材を機械加工することによって得る場合、射出成形機のシリンダーの最高温度は、ジフェニルスルホンの沸点(379℃)よりも高い380℃以上であることが好ましい。また、射出成形に用いるPEEK樹脂組成物のペレットには、射出成形時に発生するスプール、ランナーを粉砕して作製した再生材を混合して使用してもよい。再生材は再生なしのバージン材に比べて熱履歴を受けた回数が多いため、再生材を混合することはジフェニルスルホンを除去する上で有利である。
The PEEK resin preferably has a small residual amount of diphenyl sulfone, which is used as a solvent during polymerization. If the residual amount of diphenyl sulfone is large, sulfur-containing gas (e.g., hydrogen sulfide ( H2S )) is likely to be generated when the PEEK resin is used as a piston ring. In a reciprocating compressor for hydrogen gas, if sulfur components are mixed into the compressed hydrogen gas, this may cause a decrease in the performance of the fuel cell, so the piston ring is required to have a low content of sulfur atoms. Therefore, it is preferable that the residual amount of diphenyl sulfone in the PEEK resin is small.
In addition, when the piston ring of the present invention is obtained by injection molding of a PEEK resin composition or by machining an injection molding material, the maximum temperature of the cylinder of the injection molding machine is preferably 380°C or higher, which is higher than the boiling point of diphenyl sulfone (379°C). In addition, the pellets of the PEEK resin composition used in injection molding may be mixed with recycled materials prepared by crushing spools and runners generated during injection molding. Since recycled materials have been subjected to heat history more times than virgin materials without recycling, mixing recycled materials is advantageous in removing diphenyl sulfone.

本発明に用いる樹脂組成物は、樹脂組成物全体に対して、PEEK樹脂を50体積%~90体積%含むことが好ましく、60体積%~90体積%含むことがより好ましく、70体積%~80体積%含むことがさらに好ましい。また、該PEEK樹脂には、溶融粘度の異なる複数のPEEK樹脂を混合して使用してもよいが、混合したPEEK樹脂全体の溶融粘度が200Pa・s~550Pa・sを満たす必要がある。 The resin composition used in the present invention preferably contains 50% to 90% by volume of PEEK resin relative to the entire resin composition, more preferably 60% to 90% by volume, and even more preferably 70% to 80% by volume. In addition, the PEEK resin may be a mixture of multiple PEEK resins with different melt viscosities, but the melt viscosity of the entire mixture of PEEK resins must be 200 Pa·s to 550 Pa·s.

上記樹脂組成物は、該樹脂組成物に対して炭素繊維を5体積%~25体積%含むことが好ましい。炭素繊維が5体積%未満であると、耐摩耗性向上の効果が得られにくく、25体積%を超えると樹脂組成物の溶融粘度が高くなり、射出成形しにくくなる。炭素繊維の含有量は10体積%~20体積%であることがより好ましい。 The resin composition preferably contains 5% to 25% by volume of carbon fiber relative to the resin composition. If the carbon fiber content is less than 5% by volume, it is difficult to obtain the effect of improving abrasion resistance, and if it exceeds 25% by volume, the melt viscosity of the resin composition becomes high, making it difficult to perform injection molding. It is more preferable that the carbon fiber content is 10% to 20% by volume.

炭素繊維の平均繊維長は、特に限定されないが、20μm~200μmの短繊維であることが好ましい。平均繊維長が20μm未満であると耐摩耗性向上の効果が得られにくく、200μmを超えると摺動時に折損した炭素繊維が摺動面に入り込みやすくなり、シリンダーなどを損傷摩耗させやすい。なお、本明細書における平均繊維長は数平均繊維長である。 The average fiber length of the carbon fibers is not particularly limited, but short fibers of 20 μm to 200 μm are preferable. If the average fiber length is less than 20 μm, it is difficult to obtain the effect of improving wear resistance, and if it exceeds 200 μm, carbon fibers that break during sliding are likely to get into the sliding surface, causing damage and wear to cylinders, etc. Note that the average fiber length in this specification is the number average fiber length.

樹脂組成物に配合する炭素繊維は、原材料から分類されるピッチ系またはPAN系のいずれのものであってもよい。焼成温度は限定されるものではなく、2000℃またはそれ以上の高温で焼成されて黒鉛化品、1000~1500℃程度で焼成された炭化品のどちらであってもよい。本発明に使用できる市販品のミルドファイバーとしては、ピッチ系炭素繊維として、クレハ社製:クレカ M-101S、M-101F、M107T、M-201Sなどが挙げられる。また、PAN系炭素繊維として、帝人株式会社製:HT M800 160MU、HT M100 40MU、東レ株式会社製:トレカ MLD-30、MLD-300などが挙げられる。
なお、炭素繊維は硫黄を不純物として含有している場合がある。ピッチ系炭素繊維の場合、原料のピッチは不純物として硫黄を含有している。また、PAN系炭素繊維の場合も、表面処理に硫酸を用いる場合、硫黄が残留することがある。
The carbon fiber to be blended in the resin composition may be either pitch-based or PAN-based, as classified by the raw material. The calcination temperature is not limited, and may be either a graphitized product calcined at a high temperature of 2000°C or higher, or a carbonized product calcined at about 1000 to 1500°C. Commercially available milled fibers that can be used in the present invention include pitch-based carbon fibers such as Kureha Corporation's KRECA M-101S, M-101F, M107T, and M-201S. Examples of PAN-based carbon fibers include Teijin Limited's HT M800 160MU and HT M100 40MU, and Toray Industries, Inc.'s Torayca MLD-30 and MLD-300.
Carbon fibers may contain sulfur as an impurity. In the case of pitch-based carbon fibers, the raw pitch contains sulfur as an impurity. In the case of PAN-based carbon fibers, sulfur may remain if sulfuric acid is used for surface treatment.

また、上記樹脂組成物は、該樹脂組成物に対して、PTFE樹脂と黒鉛から選択される固体潤滑剤のうち、少なくともいずれか一方を合計で5体積%~25体積%含むことが好ましい。PTFE樹脂と黒鉛から選択される固体潤滑剤の配合量が合計で5体積%未満であると、無潤滑条件における摩擦摩耗特性の向上効果が得られにくく、25体積%を超えると樹脂組成物の引張伸び特性が低下するおそれがある。引張伸び特性が低下すると、ピストンリングを拡径してピストンの環状溝に装着するときに破断するおそれがある。したがって、上記固体潤滑剤の配合量は10体積%~20体積%であることがより好ましい。 The resin composition preferably contains at least one of the solid lubricants selected from PTFE resin and graphite in a total amount of 5% to 25% by volume relative to the resin composition. If the total amount of the solid lubricant selected from PTFE resin and graphite is less than 5% by volume, it is difficult to obtain an improvement in friction and wear properties under unlubricated conditions, and if it exceeds 25% by volume, the tensile elongation properties of the resin composition may decrease. If the tensile elongation properties decrease, there is a risk that the piston ring may break when it is expanded and fitted into the annular groove of the piston. Therefore, it is more preferable that the amount of the solid lubricant is 10% to 20% by volume.

PTFE樹脂は、固体潤滑剤であり、樹脂組成物の無潤滑条件における摩擦摩耗特性を向上できる。PTFE樹脂として、懸濁重合法によるモールディングパウダー、乳化重合法によるファインパウダー、再生PTFEのいずれを採用してもよい。樹脂組成物の流動性を安定させるためには、成形時のせん断により繊維化し難く、溶融粘度を増加させ難い再生PTFEを採用することが好ましい。再生PTFEとは、熱処理(熱履歴が加わったもの)粉末、γ線または電子線などを照射した粉末のことである。例えば、モールディングパウダーまたはファインパウダーを熱処理した粉末、また、この粉末をさらにγ線または電子線を照射した粉末、モールディングパウダーまたはファインパウダーの成形体を粉砕した粉末、また、その後γ線または電子線を照射した粉末、モールディングパウダーまたはファインパウダーをγ線または電子線を照射した粉末などのタイプがある。γ線または電子線を照射後にさらに熱処理を加えたタイプもある。PTFE樹脂の50%粒子径は、特に限定されるものではないが10μm~50μmとすることがより好ましい。 PTFE resin is a solid lubricant and can improve the friction and wear properties of the resin composition under non-lubricated conditions. As the PTFE resin, any of molding powder by suspension polymerization method, fine powder by emulsion polymerization method, and recycled PTFE may be used. In order to stabilize the fluidity of the resin composition, it is preferable to use recycled PTFE, which is difficult to be fibrous due to shear during molding and difficult to increase the melt viscosity. Recycled PTFE refers to a powder that has been heat-treated (with a thermal history) and a powder that has been irradiated with gamma rays or electron beams. For example, there are types such as a powder obtained by heat-treating molding powder or fine powder, a powder obtained by further irradiating this powder with gamma rays or electron beams, a powder obtained by crushing a molding powder or fine powder compact, a powder obtained by irradiating gamma rays or electron beams thereafter, and a powder obtained by irradiating molding powder or fine powder with gamma rays or electron beams. There is also a type that has been further heat-treated after irradiation with gamma rays or electron beams. The 50% particle size of the PTFE resin is not particularly limited, but it is more preferable to set it to 10 μm to 50 μm.

本発明に使用できる市販品のPTFE樹脂としては、株式会社喜多村製:KTL-610、KTL-450、KTL-350、KTL-8N、KTL-400H、三井ケマーズフロロプロダクツ株式会社製:テフロン(登録商標)7-J、TLP-10、AGC株式会社製:フルオンG163、L150J、L169J、L170J、L172J、L173J、L182J、ダイキン工業株式会社製:ポリフロンM-15、スリーエムジャパン株式会社製:ダイニオンTF9205、TF9207などが挙げられる。また、パーフルオロアルキルエーテル基、フルオルアルキル基、またはその他のフルオロアルキルを有する側鎖基で変性されたPTFE樹脂であってもよい。上記の中でγ線または電子線などを照射したPTFE樹脂としては、株式会社喜多村製:KTL-610、KTL-450、KTL-350、KTL-8N、KTL-8F、AGC株式会社製:フルオンL169J、L170J、L172J、L173J、L182Jなどが挙げられる。 Commercially available PTFE resins that can be used in the present invention include KTL-610, KTL-450, KTL-350, KTL-8N, and KTL-400H manufactured by Kitamura Co., Ltd., Teflon (registered trademark) 7-J and TLP-10 manufactured by Mitsui Chemours Fluoro Products Co., Ltd., Fluon G163, L150J, L169J, L170J, L172J, L173J, and L182J manufactured by AGC Inc., Polyflon M-15 manufactured by Daikin Industries, Ltd., and Dyneon TF9205 and TF9207 manufactured by 3M Japan Ltd. In addition, the PTFE resin may be modified with a side chain group having a perfluoroalkyl ether group, a fluoroalkyl group, or other fluoroalkyl groups. Among the above, examples of PTFE resins irradiated with gamma rays or electron beams include Kitamura Co., Ltd.'s KTL-610, KTL-450, KTL-350, KTL-8N, and KTL-8F, and AGC Inc.'s Fluon L169J, L170J, L172J, L173J, and L182J.

黒鉛は、固体潤滑剤であり、PTFE樹脂と同様に無潤滑条件の摩擦摩耗特性を向上できる。また、黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれを用いてもよい。粒子の形状は、鱗片状、粒状、球状などがあるが、いずれを用いてもよい。天然黒鉛としては、日本黒鉛工業株式会社製:ACP、人造黒鉛としてはイメリス・ジーシー・ジャパン株式会社製:KS-6、KS-25、KS-44などが挙げられる。黒鉛の50%粒子径は限定されないが、3μm~50μmが好ましく、10μm~30μmがより好ましい。50μmを超えると、樹脂組成物の引張伸び特性が低下するおそれがある。引張伸び特性が低下すると、ピストンリングを拡径してピストンの環状溝に装着するときに破断するおそれがある。なお、天然黒鉛、人造黒鉛ともに硫黄を不純物として含有している。 Graphite is a solid lubricant, and like PTFE resin, it can improve friction and wear properties under non-lubricated conditions. In addition, either natural graphite or artificial graphite may be used. The particle shape may be flaky, granular, or spherical, and any of these may be used. Examples of natural graphite include ACP manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd., and examples of artificial graphite include KS-6, KS-25, and KS-44 manufactured by Imerys GC Japan Co., Ltd. The 50% particle size of graphite is not limited, but is preferably 3 μm to 50 μm, and more preferably 10 μm to 30 μm. If it exceeds 50 μm, the tensile elongation properties of the resin composition may be reduced. If the tensile elongation properties are reduced, the piston ring may break when it is expanded and installed in the annular groove of the piston. Both natural graphite and artificial graphite contain sulfur as an impurity.

本発明に用いるPTFE樹脂および黒鉛の50%粒子径(D50)は、粒子径分布を累積分布としたとき、累積値が50%となる点の粒子径であり、例えば、レーザー光散乱法を利用した粒子径分布測定装置などを用いて測定することができる。 The 50% particle size ( D50 ) of the PTFE resin and graphite used in the present invention is the particle size at the point where the cumulative value is 50% when the particle size distribution is a cumulative distribution, and can be measured, for example, using a particle size distribution measuring device using a laser light scattering method.

上記樹脂組成物には、炭素繊維と上述の固体潤滑剤とを組み合わせて配合してもよく、炭素繊維のみまたは固体潤滑剤のみを配合してもよい。 The resin composition may contain a combination of carbon fiber and the above-mentioned solid lubricant, or may contain only carbon fiber or only a solid lubricant.

本発明の効果を阻害しない程度に、上記樹脂組成物に対して周知の樹脂用添加剤を配合してもよい。添加剤としては、例えば、無機物(マイカ、タルク、炭酸カルシウム、窒化ホウ素など)、ウィスカ(炭酸カルシウム、チタン酸カリウムなど)、着色剤(カーボンブラック、酸化鉄、酸化チタンなど)、他の樹脂成分などが挙げられる。なお、上記樹脂用添加剤は硫黄を不純物として含有している場合がある。例えば、カーボンブラックでは、硫黄は多環芳香族炭化水素に結合した状態で存在している。 Well-known resin additives may be added to the resin composition to the extent that the effect of the present invention is not impaired. Examples of additives include inorganic substances (mica, talc, calcium carbonate, boron nitride, etc.), whiskers (calcium carbonate, potassium titanate, etc.), colorants (carbon black, iron oxide, titanium oxide, etc.), and other resin components. The resin additives may contain sulfur as an impurity. For example, in carbon black, sulfur exists in a state bonded to polycyclic aromatic hydrocarbons.

また、本発明の効果を阻害しない程度に、上記樹脂組成物にPEEK樹脂よりもガラス転移点の高い樹脂を、PEEK樹脂よりも少ない配合量で配合してもよい。これにより、PEEK樹脂のガラス転移点(143℃)よりも高温の領域における弾性率の低下を抑制することができる。そのような樹脂として、例えば、熱可塑性ポリイミド樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などを選定でき、また、その配合量は、樹脂組成物全体に対して例えば1体積%~10体積%とすることができる。 In addition, a resin having a higher glass transition point than PEEK resin may be blended into the resin composition in a smaller amount than PEEK resin, to the extent that the effect of the present invention is not impaired. This makes it possible to suppress the decrease in elastic modulus in the range higher than the glass transition point (143°C) of PEEK resin. Examples of such resins include thermoplastic polyimide resins, thermosetting polyimide resins, polyamide-imide resins, and polyether-imide resins, and the blending amount of such resins can be, for example, 1% to 10% by volume with respect to the entire resin composition.

本発明に用いる樹脂組成物に配合される炭素繊維、PTFE樹脂、黒鉛、その他の添加剤には、硫黄原子が意図的に含有されていないことが好ましい(不純物としての含有を除く)。具体的には、上記樹脂組成物はPPS樹脂や二硫化モリブデンを含まないことが好ましい。また、不純物としての硫黄原子の含有量が、樹脂組成物全量(100質量%)に対して0.1質量%以下であることがより好ましく、0.025質量%(250ppm)以下であることが特に好ましい。この硫黄原子の含有量は、例えば誘導結合プラズマ質量分析法(ICP-MS)を用いて測定できる。より高精度に分析できるトリプル四重極型誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP-MS/MS)を用いてもよい。分析の前処理方法としては、例えば、マイクロ波試料前処理装置にて酸分解して得られた分解液をろ過し、上澄みを分析サンプルとして得る方法が挙げられる。分解残渣に硫黄原子が含まれないことは、蛍光X線分析装置など既知の分析方法で確認することができる。 It is preferable that the carbon fiber, PTFE resin, graphite, and other additives blended in the resin composition used in the present invention do not intentionally contain sulfur atoms (except as impurities). Specifically, it is preferable that the resin composition does not contain PPS resin or molybdenum disulfide. In addition, the content of sulfur atoms as impurities is more preferably 0.1 mass% or less, and particularly preferably 0.025 mass% (250 ppm) or less, relative to the total amount (100 mass%) of the resin composition. The content of this sulfur atom can be measured, for example, using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). A triple quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS/MS), which can perform analysis with higher accuracy, may also be used. As a pretreatment method for analysis, for example, a method of filtering the decomposition liquid obtained by acid decomposition in a microwave sample pretreatment device and obtaining the supernatant as an analysis sample can be mentioned. The absence of sulfur atoms in the decomposition residue can be confirmed by a known analysis method such as a fluorescent X-ray analyzer.

以上より、本発明の樹脂組成物の特に好ましい形態は、せん断速度1000/s、温度400℃における溶融粘度がISO 11443準拠の測定方法において270Pa・s~550Pa・sであるPEEK樹脂をベース樹脂とし、樹脂組成物全体に対して、炭素繊維を5体積%~25体積%含み、かつ、固体潤滑剤(PTFE樹脂および黒鉛から選択される少なくともいずれか一方)を5体積%~25体積%含み、上記炭素繊維の平均繊維長が20μm~200μmである。さらに、上記樹脂組成物は、該樹脂組成物全体に対して、炭素繊維を10体積%~20体積%含み、かつ、PTFE樹脂を10体積%~20体積%含むことが好ましい。 In view of the above, a particularly preferred embodiment of the resin composition of the present invention is one in which the base resin is a PEEK resin having a melt viscosity of 270 Pa·s to 550 Pa·s at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400°C as measured by a method conforming to ISO 11443, the resin composition contains 5 vol% to 25 vol% of carbon fiber and 5 vol% to 25 vol% of a solid lubricant (at least one selected from PTFE resin and graphite), and the average fiber length of the carbon fibers is 20 μm to 200 μm. Furthermore, the resin composition preferably contains 10 vol% to 20 vol% of carbon fiber and 10 vol% to 20 vol% of PTFE resin, relative to the entire resin composition.

上記樹脂組成物を構成する各材料を、必要に応じて、ヘンシェルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダーなどにて混合した後、二軸混練押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレットを得ることができる。なお、炭素繊維、PTFE樹脂、黒鉛、上述の樹脂用添加剤の投入は、二軸押出し機などで溶融混練する際にサイドフィードを採用してもよい。この成形用ペレットを用いて射出成形によりピストンリングを成形することができる。射出成形素材を用いて追加工または全加工を行い、所定のピストンリング形状に仕上げてもよい。なお、成形方法としては、圧縮成形、射出成形、押し出し成形などを適宜選択でき、これらの中でも射出成形を行うことが好ましい。 The materials constituting the resin composition can be mixed as necessary using a Henschel mixer, ball mixer, ribbon blender, or the like, and then melt-kneaded in a melt extruder such as a twin-screw kneading extruder to obtain pellets for molding. The carbon fiber, PTFE resin, graphite, and the above-mentioned resin additives can be added by side feeding when melt-kneading in a twin-screw extruder or the like. These pellets for molding can be used to mold piston rings by injection molding. Additional processing or full processing can be performed using the injection molding material to finish into a predetermined piston ring shape. The molding method can be appropriately selected from compression molding, injection molding, extrusion molding, and the like, and among these, injection molding is preferable.

本発明のピストンリングは、射出成形の前または後において熱処理されていることが好ましい。具体的には、ピストンリングは、(1)上記成形用ペレットをペレットの状態で熱処理したものを用いて射出成形した射出成形体である、または、(2)上記成形用ペレットを用いて射出成形した射出成形体を熱処理した熱処理体であることが好ましい。このように、射出成形の前または後に熱処理を行うことで、樹脂組成物中に含まれる硫黄原子の含有量を低減できる。その結果、熱処理を経ていないピストンリングに比べて、水素雰囲気下における硫黄含有ガスの発生量を低減できる。 The piston ring of the present invention is preferably heat-treated before or after injection molding. Specifically, the piston ring is preferably (1) an injection molded body obtained by injection molding using the above-mentioned molding pellets that have been heat-treated in the pellet state, or (2) a heat-treated body obtained by heat-treating an injection molded body that has been injection molded using the above-mentioned molding pellets. In this way, by carrying out heat treatment before or after injection molding, the content of sulfur atoms contained in the resin composition can be reduced. As a result, the amount of sulfur-containing gas generated in a hydrogen atmosphere can be reduced compared to a piston ring that has not been heat-treated.

上記(1)または上記(2)のピストンリングにおける硫黄原子の含有量は、樹脂組成物全量(100質量%)に対して0.1質量%以下であることが好ましく、0.05質量%以下であることがより好ましく、0.025質量%(250ppm)以下であることがさらに好ましく、0.020質量%(200ppm)以下であることが特に好ましい。 The content of sulfur atoms in the piston ring of (1) or (2) above is preferably 0.1% by mass or less, more preferably 0.05% by mass or less, even more preferably 0.025% by mass (250 ppm) or less, and particularly preferably 0.020% by mass (200 ppm) or less, relative to the total amount of the resin composition (100% by mass).

熱処理を実施するタイミングは特に限定されず、成形用ペレットを得てからピストンリングを製造するまでの間のいずれのタイミングでもよい。例えば、射出成形の後であれば、射出成形素材の段階で熱処理を実施してもよく、射出成形素材を機械加工にて削り出した後に熱処理を実施してもよい。 The timing of the heat treatment is not particularly limited, and may be any time between obtaining the molding pellets and manufacturing the piston rings. For example, after injection molding, the heat treatment may be performed at the stage of the injection molding material, or after the injection molding material is machined.

熱処理の最高温度は150℃~330℃の温度(より好ましくは200℃~250℃の温度)であることが好ましい。最高温度が150℃未満であると、硫黄含有ガスの低減効果が得られにくく、250℃を超えると、射出成形の後に熱処理する場合は変形が起こりやすくなる。また、ピストンリングの使用温度よりも高い温度であることがより好ましく、該使用温度よりも30℃以上高い温度であることがさらに好ましい。また、最高温度で保持する時間は特に限定されないが、例えば4時間~8時間である。この熱処理はピストンリング中の硫黄の低減に有効であり、ピストンリングの使用中に発生する硫黄含有ガスを予め低減できる。なお、PEEK樹脂組成物に炭素繊維、黒鉛、カーボンブラックなど、硫黄を不純物として含有する充填材を配合している場合、これらに含まれる活性な硫黄を予め除去するのに特に有効である。 The maximum temperature of the heat treatment is preferably 150°C to 330°C (more preferably 200°C to 250°C). If the maximum temperature is less than 150°C, it is difficult to obtain the effect of reducing sulfur-containing gases, and if it exceeds 250°C, deformation is likely to occur when heat treatment is performed after injection molding. In addition, it is more preferable that the temperature is higher than the usage temperature of the piston ring, and even more preferable that the temperature is 30°C or higher than the usage temperature. In addition, the time to hold at the maximum temperature is not particularly limited, but is, for example, 4 hours to 8 hours. This heat treatment is effective in reducing sulfur in the piston ring, and can reduce sulfur-containing gases generated during the use of the piston ring in advance. In addition, when a filler containing sulfur as an impurity, such as carbon fiber, graphite, or carbon black, is blended into the PEEK resin composition, it is particularly effective in removing active sulfur contained therein in advance.

射出成形によって形成したピストンリング、または射出成形素材を機械加工にて削り出したピストンリングについて、上記熱処理を実施した後、示差走査熱量測定(DSC)を行うと、昇温過程において、熱処理なしの場合にはみられない吸熱ピーク(以下、熱履歴による吸熱ピークという)が現れる。熱履歴による吸熱ピークは、熱処理の最高温度と同等か、もしくは少し高い温度(+20度以内)に現れるため、熱処理の最高温度の推定が可能である。本発明のピストンリングは、上記熱処理に起因して、示差走査熱量測定の昇温過程における150℃~330℃の範囲(好ましくは200℃~250℃の範囲)に熱履歴による吸熱ピークを有していることが好ましい。この場合、当該ピストンリングは、PEEK樹脂の融点(約343℃)に由来する吸熱ピーク以外にも、150℃~330℃の範囲に吸熱ピークを有している。なお、DSCによる測定は、例えば昇温速度15度/分、窒素ガス中の条件で行うことができる。 When a piston ring formed by injection molding or a piston ring machined from an injection molding material is subjected to the above heat treatment and then subjected to differential scanning calorimetry (DSC), an endothermic peak (hereinafter referred to as an endothermic peak due to thermal history) appears during the temperature rise process, which is not observed without heat treatment. The endothermic peak due to thermal history appears at a temperature equal to or slightly higher than the maximum temperature of the heat treatment (within +20 degrees), so it is possible to estimate the maximum temperature of the heat treatment. The piston ring of the present invention preferably has an endothermic peak due to thermal history in the range of 150°C to 330°C (preferably in the range of 200°C to 250°C) during the temperature rise process of the differential scanning calorimetry due to the above heat treatment. In this case, the piston ring has an endothermic peak in the range of 150°C to 330°C in addition to the endothermic peak derived from the melting point of the PEEK resin (about 343°C). The measurement by DSC can be performed, for example, under conditions of a temperature rise rate of 15 degrees/min and in nitrogen gas.

また、熱処理は大気中で行うことが好ましい。これにより、水素雰囲気への曝露(脱硫処理)など、特殊な雰囲気での熱処理を必要としないことから低コストになる。 It is also preferable to carry out the heat treatment in air. This reduces costs as it does not require heat treatment in a special atmosphere, such as exposure to a hydrogen atmosphere (desulfurization treatment).

以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1~実施例6、比較例1~比較例2
表1の配合割合(体積%)で配合したPEEK樹脂組成物を用いて、射出成形によってφ8×20mmの射出成形素材を成形し、大気中にて最高温度220℃で4時間熱処理した後、機械加工することでφ3×13mmのピン試験片を作製した。
Examples 1 to 6, Comparative Examples 1 to 2
Using the PEEK resin composition blended in the blending ratio (volume %) shown in Table 1, an injection molding material of φ8 × 20 mm was molded by injection molding, and after heat treatment at a maximum temperature of 220°C for 4 hours in air, a pin test piece of φ3 × 13 mm was made by machining.

PEEK樹脂組成物に用いた原材料を以下に示す。PEEK-1~PEEK-5の溶融粘度は、せん断速度1000/s、温度400℃におけるISO 11443準拠の測定方法により測定した値である。
(1)PEEK-1
ビクトレックスジャパン株式会社:90P(溶融粘度90Pa・s)
(2)PEEK-2
ビクトレックスジャパン株式会社:150P(溶融粘度130Pa・s)
(3)PEEK-3
ビクトレックスジャパン株式会社:380P(溶融粘度300Pa・s)
(4)PEEK-4
ビクトレックスジャパン株式会社:450P(溶融粘度350Pa・s)
(5)PEEK-5
ビクトレックスジャパン株式会社:650P(溶融粘度500Pa・s)
(6)CF-1
株式会社クレハ:クレカ M201S(平均繊維長150μm)
(7)CF-2
東レ株式会社:トレカ MLD-30(平均繊維長30μm)
(8)CF-3
株式会社クレハ:クレカ M107T(平均繊維長400μm)
(9)PTFE樹脂
株式会社喜多村:KTL-450(50%粒子径22μm)
(10)黒鉛
日本黒鉛工業株式会社:CGB-20(50%粒子径20μm)
The raw materials used in the PEEK resin compositions are shown below. The melt viscosities of PEEK-1 to PEEK-5 were measured at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400° C. according to the method of ISO 11443.
(1) PEEK-1
Victrex Japan Co., Ltd.: 90P (melt viscosity 90 Pa·s)
(2) PEEK-2
Victrex Japan Co., Ltd.: 150P (melt viscosity 130 Pa·s)
(3) PEEK-3
Victrex Japan Co., Ltd.: 380P (melt viscosity 300 Pa·s)
(4) PEEK-4
Victrex Japan Co., Ltd.: 450P (melt viscosity 350 Pa·s)
(5) PEEK-5
Victrex Japan Co., Ltd.: 650P (melt viscosity 500 Pa·s)
(6) CF-1
Kureha Corporation: Kureka M201S (average fiber length 150 μm)
(7) CF-2
Toray Industries, Inc.: Torayca MLD-30 (average fiber length 30 μm)
(8) CF-3
Kureha Corporation: Kureka M107T (average fiber length 400 μm)
(9) PTFE resin Kitamura Co., Ltd.: KTL-450 (50% particle size 22 μm)
(10) Graphite: Nippon Graphite Industries Co., Ltd.: CGB-20 (50% particle size 20 μm)

表1に示すように、実施例1~3および実施例5~6では、所定の溶融粘度のPEEK樹脂と炭素繊維とPTFE樹脂のみからなる樹脂組成物(黒鉛を含まない)を用いた。また、実施例4では、所定の溶融粘度のPEEK樹脂と炭素繊維とPTFE樹脂と黒鉛のみからなる樹脂組成物を用いた。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 3 and Examples 5 to 6, a resin composition (not including graphite) consisting only of PEEK resin with a predetermined melt viscosity, carbon fiber, and PTFE resin was used. In Example 4, a resin composition consisting only of PEEK resin with a predetermined melt viscosity, carbon fiber, PTFE resin, and graphite was used.

<摩擦摩耗試験>
得られたピン試験片について、図3に示すピンオンディスク試験機を用いて摩擦摩耗試験を行った。図3に示すように、試験機の回転ディスク8の表面に3つのピン試験片7の試験面を下記の面圧で押し付けた状態で、室温下で回転ディスク8を回転させた。具体的な試験条件は以下のとおりであり、回転ディスク8の材質はSUS304である。なお、この試験条件は水素ガス用往復式圧縮機でのピストンリングの使用条件を想定している。
(試験条件)
周速 :4.8m/min
面圧 :4MPa
潤滑 :なし(ドライ)
温度 :室温
時間 :50時間
<Friction and wear test>
The obtained pin test pieces were subjected to a friction and wear test using a pin-on-disk tester shown in Fig. 3. As shown in Fig. 3, the test surfaces of the three pin test pieces 7 were pressed against the surface of a rotating disk 8 of the tester with the following surface pressure, and the rotating disk 8 was rotated at room temperature. The specific test conditions are as follows, and the material of the rotating disk 8 is SUS304. Note that these test conditions are assumed to be the conditions for using piston rings in a reciprocating compressor for hydrogen gas.
(Test conditions)
Circumferential speed: 4.8m/min
Surface pressure: 4 MPa
Lubrication: None (dry)
Temperature: Room temperature Time: 50 hours

試験終了後、試験前後におけるピン試験片7の高さの変化量をそれぞれ測定し、3本の平均値から比摩耗量を算出した。また、相手材(回転ディスク8)の摩耗損傷を目視によって確認した。結果を表1に併記する。

Figure 0007637597000001
After the test, the change in height of the pin test piece 7 before and after the test was measured, and the specific wear rate was calculated from the average value of the three pieces. In addition, wear damage of the mating material (rotating disk 8) was visually confirmed. The results are shown in Table 1.
Figure 0007637597000001

表1に示すように、実施例1~6は、比摩耗量が19×10-8mm/(N・m)~79×10-8mm/(N・m)であった。溶融粘度が200Pa・s未満のPEEK樹脂を用いた比較例1および比較例2の比摩耗量はそれぞれ413×10-8mm/(N・m)、200×10-8mm/(N・m)であり、実施例1~実施例6よりも耐摩耗性に劣る結果であった。また、実施例5(炭素繊維の平均繊維長:400μm)では、相手材に僅かながら摩耗損傷がみられた。 As shown in Table 1, the specific wear rates of Examples 1 to 6 were 19×10 -8 mm 3 /(N·m) to 79×10 -8 mm 3 /(N·m). The specific wear rates of Comparative Examples 1 and 2, which used PEEK resin with a melt viscosity of less than 200 Pa·s, were 413×10 -8 mm 3 /(N·m) and 200×10 -8 mm 3 /(N·m), respectively, and were inferior in wear resistance to Examples 1 to 6. Furthermore, in Example 5 (average fiber length of carbon fibers: 400 μm), slight wear damage was observed in the mating material.

実施例1~2、実施例6、比較例1~2(CF-1:10体積%、PTFE樹脂:10体積%の組合せ)について、PEEK樹脂の溶融粘度と比摩耗量の関係を図4に示す。図4に示すように、PEEK樹脂の溶融粘度が所定以下になると比摩耗量が急激に増加する傾向が見られた。本発明では、PEEK樹脂の溶融粘度を200Pa・s~550Pa・sの範囲にすることで、比摩耗量が小さく、耐摩耗性に優れるピストンリングになる。 Figure 4 shows the relationship between the melt viscosity of PEEK resin and the specific wear rate for Examples 1-2, Example 6, and Comparative Examples 1-2 (combination of CF-1: 10 volume % and PTFE resin: 10 volume %). As shown in Figure 4, there was a tendency for the specific wear rate to increase sharply when the melt viscosity of PEEK resin was below a certain level. In the present invention, by setting the melt viscosity of PEEK resin in the range of 200 Pa·s to 550 Pa·s, a piston ring with a small specific wear rate and excellent wear resistance is obtained.

実施例1のピン試験片を作製するのに用いた射出成形素材について、最高温度220℃で4時間熱処理する前後で硫黄原子の定量分析を行った。射出成形素材を凍結粉砕し、マイクロ波試料前処理装置にて酸分解して得られた分解液をろ過して、上澄みを分析サンプルとして得た。この分析サンプルをICP-MS/MSにより分析したところ、硫黄の含有量は、熱処理前:220ppm、熱処理後:150ppmであった。なお、分解残渣に硫黄原子が含まれないことは、蛍光X線分析装置によって確認した。 Quantitative analysis of sulfur atoms was performed on the injection molding material used to make the pin test specimens of Example 1 before and after heat treatment at a maximum temperature of 220°C for 4 hours. The injection molding material was freeze-pulverized and acid-decomposed using a microwave sample pretreatment device. The decomposition liquid obtained was filtered, and the supernatant was obtained as the analysis sample. When this analysis sample was analyzed by ICP-MS/MS, the sulfur content was 220 ppm before heat treatment and 150 ppm after heat treatment. It was confirmed by an X-ray fluorescence analyzer that the decomposition residue did not contain sulfur atoms.

また、別途PEEK樹脂を主成分とする樹脂組成物の射出成形素材を、最高温度210℃、最高温度での保持時間4時間で熱処理した。熱処理後において、示差走査熱量測定(DSC)を行った結果の一例を図5に示す。図5に示すように、昇温過程において、熱処理なしの場合にはみられない吸熱ピークが223℃に観測された。 Separately, an injection molding material of a resin composition mainly composed of PEEK resin was heat-treated at a maximum temperature of 210°C for a holding time of 4 hours at the maximum temperature. Figure 5 shows an example of the results of differential scanning calorimetry (DSC) performed after heat treatment. As shown in Figure 5, an endothermic peak was observed at 223°C during the temperature rise process, which was not observed without heat treatment.

このように、上述した実施例のピストンリングは、熱処理工程における最高温度に対応して、示差走査熱量測定の昇温過程において150℃~330℃の範囲に熱履歴による吸熱ピークを有する。 As such, the piston rings of the above-mentioned embodiment have an endothermic peak due to thermal history in the range of 150°C to 330°C during the temperature rise process of differential scanning calorimetry, which corresponds to the maximum temperature in the heat treatment process.

本発明のピストンリングは、ガスを圧縮する往復式圧縮機のピストンリングに好適であり、耐摩耗性に優れ、かつ、シリンダーの摩耗損傷が少ない。また、硫黄原子を含むアウトガスの発生を低減できるため、硫黄による汚染を避ける必要のある水素ガス用往復式圧縮機にも使用できる。 The piston ring of the present invention is suitable for use as a piston ring in a reciprocating compressor that compresses gas, has excellent wear resistance, and causes little wear damage to the cylinder. In addition, since it can reduce the generation of outgassing that contains sulfur atoms, it can also be used in reciprocating compressors for hydrogen gas, where contamination by sulfur must be avoided.

1 ピストンリング
2 圧縮機構部
3 シリンダー
4 ピストン
5 ピストンロッド
6 圧縮室
7 ピン試験片
8 回転ディスク
REFERENCE SIGNS LIST 1 piston ring 2 compression mechanism 3 cylinder 4 piston 5 piston rod 6 compression chamber 7 pin test piece 8 rotating disk

Claims (5)

水素ガスを圧縮する水素ガス用往復式圧縮機に用いられるピストンリングであって、
前記ピストンリングがポリエーテルエーテルケトン樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、
前記ポリエーテルエーテルケトン樹脂のせん断速度1000/s、温度400℃における溶融粘度がISO 11443準拠の測定方法において200Pa・s~550Pa・sであり、
前記樹脂組成物は、該樹脂組成物全体に対して、炭素繊維を5体積%~25体積%含み、かつ、固体潤滑剤を5体積%~25体積%含み、
前記固体潤滑剤がポリテトラフルオロエチレン樹脂および黒鉛から選択される少なくともいずれか一方であり、
前記炭素繊維がPAN系炭素繊維であり、その平均繊維長が20μm~200μmであることを特徴とするピストンリング。
A piston ring used in a reciprocating compressor for compressing hydrogen gas, comprising:
The piston ring is made of a resin composition containing polyether ether ketone resin as a main component,
The polyether ether ketone resin has a melt viscosity of 200 Pa s to 550 Pa s at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400°C, as measured by a method conforming to ISO 11443;
The resin composition contains 5% by volume to 25% by volume of carbon fiber and 5% by volume to 25% by volume of a solid lubricant based on the entire resin composition,
the solid lubricant is at least one selected from polytetrafluoroethylene resin and graphite,
The carbon fiber is a PAN-based carbon fiber, and has an average fiber length of 20 μm to 200 μm .
前記樹脂組成物はポリフェニレンサルファイド樹脂を含まないことを特徴とする請求項1記載のピストンリング。 The piston ring according to claim 1, characterized in that the resin composition does not contain polyphenylene sulfide resin. 前記ピストンリングは前記樹脂組成物の射出成形体の熱処理体であり、前記射出成形体に比べて、硫黄原子の含有量が低いことを特徴とする請求項1または請求項2記載のピストンリング。 3. The piston ring according to claim 1, wherein the piston ring is a heat-treated body of an injection-molded body of the resin composition, and has a lower content of sulfur atoms than the injection-molded body. 前記ピストンリングの硫黄原子の含有量が250ppm以下であることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項記載のピストンリング。 4. The piston ring according to claim 1 , wherein the content of sulfur atoms in the piston ring is 250 ppm or less. 水素ガスを圧縮する水素ガス用往復式圧縮機に用いられるピストンリングであって、A piston ring used in a reciprocating compressor for compressing hydrogen gas, comprising:
前記ピストンリングがポリエーテルエーテルケトン樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、The piston ring is made of a resin composition containing polyether ether ketone resin as a main component,
前記ポリエーテルエーテルケトン樹脂のせん断速度1000/s、温度400℃における溶融粘度がISO 11443準拠の測定方法において200Pa・s~550Pa・sであり、The polyether ether ketone resin has a melt viscosity of 200 Pa s to 550 Pa s at a shear rate of 1000/s and a temperature of 400°C, as measured by a method conforming to ISO 11443;
前記樹脂組成物は、該樹脂組成物全体に対して、炭素繊維を5体積%~25体積%含み、かつ、固体潤滑剤を5体積%~25体積%含み、The resin composition contains 5% by volume to 25% by volume of carbon fiber and 5% by volume to 25% by volume of a solid lubricant based on the entire resin composition,
前記固体潤滑剤がポリテトラフルオロエチレン樹脂および黒鉛から選択される少なくともいずれか一方であり、the solid lubricant is at least one selected from polytetrafluoroethylene resin and graphite,
前記ピストンリングは前記樹脂組成物の射出成形体の熱処理体であり、前記射出成形体に比べて、硫黄原子の含有量が低く、前記ピストンリングの硫黄原子の含有量が200ppm以下であることを特徴とするピストンリング。The piston ring is a heat-treated product of an injection-molded product of the resin composition, and has a lower sulfur atom content than the injection-molded product, the sulfur atom content of the piston ring being 200 ppm or less.
JP2021131224A 2021-03-03 2021-08-11 Piston rings Active JP7637597B2 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/278,175 US12578017B2 (en) 2021-03-03 2022-03-02 Piston ring
PCT/JP2022/008801 WO2022186258A1 (en) 2021-03-03 2022-03-02 Piston ring
EP22763312.0A EP4303439A4 (en) 2021-03-03 2022-03-02 PISTON RING
KR1020237030995A KR20230154030A (en) 2021-03-03 2022-03-02 piston ring
CN202280015988.1A CN116964361A (en) 2021-03-03 2022-03-02 Piston rings

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021033973 2021-03-03
JP2021033973 2021-03-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022135873A JP2022135873A (en) 2022-09-15
JP7637597B2 true JP7637597B2 (en) 2025-02-28

Family

ID=83231278

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021131224A Active JP7637597B2 (en) 2021-03-03 2021-08-11 Piston rings

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7637597B2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002322988A (en) 2001-02-21 2002-11-08 Ntn Corp Sealing material and chip seal for scroll type compressor
JP2007145934A (en) 2005-11-25 2007-06-14 Nok Corp Resin composition and oil seal ring
JP2013155846A (en) 2012-01-31 2013-08-15 Ntn Corp Seal ring
JP2014214672A (en) 2013-04-25 2014-11-17 株式会社日立産機システム Dry gas compressor and sliding material for dry gas compressor
WO2019208182A1 (en) 2018-04-27 2019-10-31 株式会社神戸製鋼所 Piston ring and compressor
JP2019533788A (en) 2016-10-17 2019-11-21 ブルクハルト コンプレッション アーゲー Seal element and / or guide ring comprising a composition of polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxy polymer, and filler

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1061777A (en) * 1996-05-30 1998-03-06 Ntn Corp Synthetic resin-made seal ring

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002322988A (en) 2001-02-21 2002-11-08 Ntn Corp Sealing material and chip seal for scroll type compressor
JP2007145934A (en) 2005-11-25 2007-06-14 Nok Corp Resin composition and oil seal ring
JP2013155846A (en) 2012-01-31 2013-08-15 Ntn Corp Seal ring
JP2014214672A (en) 2013-04-25 2014-11-17 株式会社日立産機システム Dry gas compressor and sliding material for dry gas compressor
JP2019533788A (en) 2016-10-17 2019-11-21 ブルクハルト コンプレッション アーゲー Seal element and / or guide ring comprising a composition of polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxy polymer, and filler
WO2019208182A1 (en) 2018-04-27 2019-10-31 株式会社神戸製鋼所 Piston ring and compressor

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022135873A (en) 2022-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7364812B2 (en) Seal resin composition and seal
KR101835911B1 (en) Composite slide bearing
US4655945A (en) Bearing seal and method of manufacture
US8987366B2 (en) Seal ring
EP3246583A1 (en) Water-lubricated bearing material
WO2022186258A1 (en) Piston ring
WO2024135666A1 (en) Piston ring
JP7637597B2 (en) Piston rings
JP7364811B1 (en) Seal resin composition and seal
JP2023025841A (en) piston ring
JP2023025840A (en) piston ring
CN116964361A (en) Piston rings
JP2026074021A (en) Piston ring and method for manufacturing the same
JP2023028623A (en) Piston ring and method of manufacturing the same
WO2023017833A1 (en) Piston ring
JP2025005324A (en) Sealing Device
JP2025005323A (en) Piston rings
JP2023178339A (en) Seal resin composition and seal
WO2023157914A1 (en) Sealing resin composition and seal
JP2024091167A (en) piston ring
JP2023181207A (en) Seal resin composition and seal
CN118742758A (en) Sealing resin composition and sealing member
JP2022056878A (en) Shaft seal
JP2942514B2 (en) Method of manufacturing seal for scroll compressor
JP2002161181A (en) Polytetrafluoroethylene resin composition

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240731

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241008

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250121

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250217

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7637597

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150