JP2005248729A - 無給油式往復動空気圧縮機 - Google Patents

無給油式往復動空気圧縮機 Download PDF

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Abstract

【課題】 高圧高温領域で使用が可能であり、耐久性が大きく、かつ運転に伴い、樹脂ピストンリングから、その側面とピストンリング溝の側面との密着性を損うような細片が生成されないようにした無給油式往復動空気圧縮機を提供する。
【解決手段】 外周面に設けたリング溝に樹脂ピストンリング２０を装着してなるピストン１５を、シリンダ１内に摺動自在に嵌合し、ピストン１５の往復動に伴い、シリンダ１より吸排気させるようにしてなる無給油式往復動空気圧縮機において、シリンダ１を、アルミニウム系金属からなり、かつその内表面摺動部に、シリコンカーバイド層からなるめっき被膜２１を施したものとし、樹脂ピストンリング２０を、自己潤滑性樹脂複合材と、黒鉛その他の摺動性を高める耐熱材料とを含む複合材料をもって形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、シリンダ、ピストンと吸入弁、吐出弁を有するバルブスペーサにより構成される圧縮室内に潤滑油が入り込むことがなく、圧縮室から吐出される吐出空気中に潤滑油が一切含まれないようになっており、特に高圧高温の領域においても、樹脂ピストンリングの耐久性を格段と向上し得るシリンダを備えてなる無給油式往復動空気圧縮機に関する。
無給油式往復動空気圧縮機のピストンとしては、特許文献１に記載されているように、ピストンを樹脂で製作し、この樹脂ピストンの外周にピストンリング溝を形成するとともに、このピストンリング溝に、樹脂製のピストンリングを装着し、このピストンをシリンダ内に嵌合して往復摺動させるものがある。
上記のような無給油式往復動空気圧縮機においては、ピストンリング、ピストン、およびシリンダに潤滑油を供給する必要はないので、潤滑油の供給のための管理は不要であり、かつシリンダの圧縮室には、潤滑油が入り込まないため、圧縮機本体から吐出される圧縮空気中に潤滑油が含まれることは全くない。従って、無給油式往復動空気圧縮機は、圧縮空気中に油分が存在していることを嫌う例えば医療用、食品用、酸素補給用などの領域において、また、潤滑油の補給管理のわずらわしさを感じているユーザーにより好ましく利用されている。
上記した樹脂製ピストンが使用される場合においても、シリンダは、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属の展伸材、鋳物材もしくはダイキャスト材等から製作されており、アルミニウムの特性を生かしながら、シリンダの内表面の硬度を高めるために、シリンダの内表面摺動部には、硬質アルマイト処理が施されている。硬質アルマイト処理により、最大厚さが数十ミクロン程度の陽極酸化被膜が生成され、この陽極酸化被膜を研磨仕上して、シリンダが完成される。
無給油式往復動空気圧縮機において、前記のようなシリンダ内に樹脂製ピストンを嵌合し、樹脂ピストンリングおよび樹脂ライダリングを往復摺動させると、かなり長期に亘って、樹脂ピストンリングを交換することなく、所望の性能を発揮させることができる。また、万一、樹脂ピストンリングの交換時期を失した場合には、圧縮機の吐出空気量は低下するが、シリンダには自己潤滑性の有する樹脂ピストンが直接接触して往復摺動することになるため、かじりを一切起こすことなく、運転を継続することができる。
最近、１ＭＰaを超える２〜３ＭＰaという高圧領域のところで使用できる無給油式往復動空気圧縮機の要求が増えてきている。
しかし、内表面に、硬度を増すために硬質アルマイト処理が施こされ、その後、陽極酸化被膜に対して研磨仕上げが行われている従来のアルミニウム系金属からなるシリンダを用いて、圧縮機を、高圧の２〜３ＭＰaという高圧領域のところで運転すると、シリンダ内表面の硬質アルマイト層では、高温高圧時における放熱効果が低下するため、硬質アルマイト層の温度が上昇し、硬質アルマイト処理によってシリンダ内表面に発生している無数のセル状の微細孔の開口部が拡大する。そのため、樹脂ピストンリングの外表面が、拡大した微細孔の開口端部上を往復摺動することとなり、樹脂ピストンリングの外表面は削り取られて、ピストンリングの磨耗の進行が早くなる。
さらに、樹脂ピストンリングの外表面から剥離され、ちぎれて多量に発生する細片は、ピストンの下降時に、樹脂ピストンリングがピストンリング構内で上方へ移動するのに伴って、樹脂ピストンリングの下面とピストンリング溝の底面との間に入り込み、ピストン上昇時の圧縮工程において、樹脂ピストンリングがピストンリング溝内を下方に移動する時に、入り込んでいる樹脂の細片によって隙間が生じ、この隙間を通って、ピストンとシリンダとの間より漏れが発生する。
これを図を参照して詳しく説明すると、次の如くである。なお各図において、シリンダーの内面のめっき層の厚さ、およびシリンダーの内面とピストンの外面との間隙は、かなり誇張して描いてある。
図１に示すように、アルミニウムあるいはアルミニウム合金等のアルミニウム系金属からなるシリンダ(１)の上端には、吸入弁板(２)およびスペーサ(３)を介して、シリンダヘッド(４)が取付けられている。シリンダヘッド(４)の内部は、隔壁(５)を介して、吸込室(６)と吐出室(７)とに区分され、吸込室(６)の側面には吸込孔(８)が、吐出室(７)の側面には吐出孔(９)が設けられている。
前記スペーサ(３)における吸込室(６)の底部に面する個所には吸引孔(10)があけられ、前記スペーサ(３)と、吸込弁板(２)における吐出室(７)と面する個所には、それぞれ排出孔(11)(12)があけられている。
排出孔(11)の上端においてスペーサ(３)には、吐出室(７)内へ向かって開閉する吐出弁板(13)が取付けられている。
シリンダ(１)の内面には、硬質アルマイト層(14)が形成され、かつアルミニウム合金製のピストン(15)が、摺動自在に嵌合され、ピストン(15)に径方向に貫挿されたピストンピン(16)は、コネクティングロッド(17)を介して、クランクシャフト(18)と連結されている。
ピストン(15)の要所にはピストンリング溝(19)が設けられ、ピストンリング溝(19)には、樹脂ピストンリング(20)が、若干上下移動可能として嵌合されている。
クランクシャフト(18)を回転させ、コネクティングロッド(17)を介してピストン(15)を往復運動させると、吸込孔(８)および吸引孔(10)を介して吸入された空気は圧縮され、排出孔(12)(11)および吐出孔(９)を経て吐出される。
この際、シリンダ(１)の内表面が高温高圧になると、その表面の硬質アルマイト層(14)の温度が上昇し、硬質アルマイト処理に伴ってシリンダ(１)の内表面に発生している無数のセル状の微細孔の開口端部が拡大する。そのため、樹脂ピストンリング(20)における外表面が拡大したセル状の微細孔の開口端部上を往復摺動することとなり、樹脂ピストンリング(20)の外表面は削り取られて、その寿命は短かくなる。
また、図３に示すように、樹脂ピストンリング(20)の外表面から剥離されて大量に発生する樹脂細片(20a)は、ピストン(15)の下降時に、樹脂ピストンリング(20)とピストンリング溝(19)の下側面との間へ入り込み、両者の間に通気可能な隙間が形成される。
そのため、図３中に矢印で示すように、前記隙間から洩れが発生して、圧縮効率は低下するとともに、騒音を発生するおそれが生じる。
このように、樹脂ピストンリング(20)のシール性は損なわれ、無給油式往復動空気圧縮機としての吐出性能は低下するとともに、洩れにより異常音が発生し、かつ圧縮室内の高熱の空気が、ピストンの軸受部等に熱的悪影響を及ぼして、ピストンピン(16)やコネクティングロッド(17)の端部、および軸受部等の寿命は低下させられることとなる。
さらに、高圧高温の運転状態になると、ピストンリングが異常摩耗して、シール性が損われ、さらには、偏摩耗によってピストンリングが破損するに至ることとなる。そのため、運転時の異常音の発生を防止したり、漏出した高温の圧縮空気により、ピストンの軸受部が加熱されて、軸受部の寿命が低下するのを防止するためには、ピストンリングを早期に交換しなければならなくなる。
このような問題を解決するために、特許文献２には、ピストンリング溝の上下両面の全周に渉り、１条または数条の環状溝を穿ってラビリンス溝を形成し、摩耗によるピストンリングの粉末を、上記ラビリンス溝に導入させて、ピストンとリングの機能を長期に亘って保持させ、かつピストンリングの裏面を漏洩する気体を、環状溝のラビリング作用によって減少させるという発明が開示されている。
しかし、このものにおいては、使用時間の経過とともに、ラビリンス内のピストンリングの粉末の量は増えて、ピストンリング構内へ突出するに至るので、一定時間経過後には、所期の目的は果たされないようになる。
このような問題を解決するために、本願発明者は、シリンダの内表面に微細孔のない状態を得るには、アルミニウムとは別材料の層を形成すればよいということに想到し、シリンダの内表面に、ニッケル、クローム等の金属めっきによる層を施し、形成された平滑な面におけるピストンリングの寿命確認を行った。しかし、Ｎｉ−Ｃｒめっきによる金属による被膜には、摺動性が悪く、耐焼付性が劣るという問題があり、特に高圧高温運転状態時においては、ピストンリングの寿命向上に資し得ないということが判明した。
特公平８−９９８５号公報 実公昭３５−１４８１１号公報
上述した現状に鑑み、本発明は、１ＭＰaを超える高圧、すなわち２〜３ＭＰaという高圧高温領域で使用が可能であり、シリンダと往復摺動するピストンリングの表面層のシリンダの内表面への転位並びに樹脂細片の発生はなく、ピストンリングのシール性を長期に亘って維持し、かつシール洩れによる異常音の発生や、ピストンの軸受部への熱の伝達を防止し得るとともに、ピストンリングあるいはピストンが往復摺動しても、傷やかじりの発生がなく、高圧高温運転時においても、ピストンリングの寿命を格段と延ばすことができ、長期にわたって性能が維持できるようにした無給油式往復動空気圧縮機を得ることを目的とするものである。
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）外周面に設けたリング溝に樹脂ピストンリングを装着してなるピストンを、シリンダ内に摺動自在に嵌合し、ピストンの往復動に伴い、シリンダより吸排気させるようにしてなる無給油式往復動空気圧縮機において、前記シリンダを、アルミニウム系金属からなり、かつその内表面摺動部に、シリコンカーバイド層からなるめっき被膜を施したものとし、前記樹脂ピストンリングを、自己潤滑性樹脂複合材と、黒鉛その他の摺動性を高める耐熱材料とを含む複合材料をもって形成する。
（２）上記(１)項において、シリンダの内表面におけるめっき被膜を鏡面仕上げする。
（３）上記(１)または(２)項において、ピストンを、複合材熱硬化性縮合多環芳香族と、黒鉛その他の摺動性を高める耐熱材料とを含む自己潤滑性複合材をもって形成した樹脂ピストンとする。
（４）上記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、シリンダの内表面摺動部に施されたシリコンカーバイドめっき被膜の厚さを、シリンダ内をピストンが往復摺動する際における両者間のサイドスラストが大となる側におけるものを、他の側におけるものよりも厚肉とする。
（５）上記(１)〜(４)項のいずれかにおいて、シリンダ内をピストンが往復摺動する際における両者間のサイドスラストが大となる側において、ピストンリング溝に、シリンダの内表面に近接する受止突起を設け、ピストンリング溝に嵌合された欠円状の樹脂ピストンリングの両端の合い口を、前記受止突起に係止させる。
請求項１記載の発明によると、無給油式往復動空気圧縮機において、アルミニウム系金属からなるシリンダの内表面に、潤滑性と高硬度の機能を有するシリコンカーバイドによるめっき層を形成してあるので、ピストンリング溝に装着した潤滑機能を有する樹脂ピストンリングとの摺動抵抗は減じる。
また、樹脂ピストンリングは磨耗が小であるため、シール効果は長く維持され、かつ運搬に伴って樹脂細片が生成されることはほとんどなく、また樹脂細片が生成されるとしても、きわめて小量かつ微細であるため、従来のように、生成された樹脂細片がピストンリングとピストンリング溝の間へ入って、シール性を不良にするおそれはきわめて小である。
さらに、樹脂ピストンリングのシール効果は向上するため、圧縮空気の漏れに起因する異常音の発生の低減が図られ、かつ樹脂ピストンの軸受部（ピストンのピストンピン受け部）の温度上昇は押さえられて、軸受部等の寿命は長くなり、高圧高温下で長期使用に耐えうる無給油式往復動空気圧縮機を得ることができる。
シリコンカーバイド層は、熱伝導率が硬質アルマイト層の０.１６ｃａl/ｃｍ/ｓeｃ℃に対し、０. ２ｃａl/ｃｍ/ｓeｃ℃と約２０％大きくなるため、樹脂ピストンリングや樹脂ピストンとの摺動熱は、シリンダの表面でこもることなく、母材のアルミニウム或いはアルミニウム合金を伝わって、良好に温度の低い外部に放熱されて冷却効果は増し、高圧高温領域で運転しても、問題を生じることがない。
また、シリコンカーバイド層は、熱膨脹係数が硬質アルマイト層の４.５から４へと１０％程小さくなるため、高圧高温領域での品質の安定性が向上する。
さらに、シリコンカーバイド層は、耐熱温度が硬質アルマイト層の３００から１４００〜１６００℃へと数倍大きくなるので、耐熱強度が大で、熱負荷による変形に耐えることができる。
請求項２記載の発明：−
シリンダの内表面を鏡面仕上げしてあるので、樹脂ピストンリングとシリンダの摺動抵抗はさらに減少し、かつ樹脂ピストンリングの摩耗は、さらに低減する。
請求項３記載の発明：−
ピストンを複合材熱硬化性縮合多環芳香族と、黒鉛その他の摺動性ある耐熱材料とを含む自己潤滑性複合材をもって形成した、樹脂ピストンとしてあるため、その摩耗は小であり、かつ放熱も良好である。
請求項４記載の発明：−
ピストンによるサイドスラストが大であって、摩耗が大きい側のシリコンカーバイドめっき被膜の厚さを、他の側よりも大としてあるから、めっき被膜の摩耗は平均化され、寿命は大となる。
請求項５記載の発明：−
ピストンによるサイドスラストが大である側のシリコンカーバイドめっき被膜に対するピストンリングの接触圧力は、他の側よりも大であるから、ピストンリングの合い口は、ピストンリング溝における受止突起の側面に当接させ、かつ、合い口の開口部がシリンダの内面にて閉ざされるために合い口からの洩れは防止される。
図１〜図３に示した概略構成を有する無給油式往復動空気圧縮機において、各要素の材料および構成を、次のようなものとする。
シリンダ(１)：
寸法 ボア ５０mm、７５mm
材質 アルミニウムまたはアルミニウム合金
内表面 シリコンカーバイドめっき
被膜(21)の硬さ：ヴィッカース Ｈｖ １６００〜２４００
同被膜(21)の厚さ：１５μｍ
表面平均粗さ Ｒa ０.０５〜０.５μｍの鏡面仕上げ
ピストン(15)：
寸法 外径 ５０mm、７５mm、高さ５０mm、７５mm、
材質 複合材熱硬化性縮合多環多核芳香族と、黒鉛その他の摺動性を 高める耐熱材料とを含む自己潤滑性樹脂複合材
樹脂ピストンリング(20)：
寸法 呼び径 ５０mm、７５mm、幅４.５３mm、厚さ４.０mm
材質：自己潤滑性樹脂複合材と、その他の摺動性を高める耐熱材料とを含 む複合材料（摺動性を良好にする添加物を有するテフロン（登録商標）
を主材とする混合樹脂部材）。
特性：引っ張り強さ：１３〜３５ＭＰa、
圧縮強さ：１０〜１３ＭＰa、
ヴィッカース硬さ：Ｈｖ３６０〜４００
シリンダ(１)の内表面のシリコンカーバイドめっき被膜(21)の特性を上記のようにした理由は、次の如くである。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるシリンダ(１)の内表面を機械加工した後、シリンダ(１)の内表面に、シリコンとカーバイドを分散させたシリコンカーバイドめっき被膜(21)を形成するが、その厚さは、必要最小限であることが、生産コストの面で有利である。
このシリコンカーバイドめっき被膜(21)の厚さは、工業的に利用される無給油式往復動空気圧縮機の場合には、樹脂ピストンリング(20)の寿命時間を、少なくとも１万時間以上とする必要があり、初期摩耗２〜３μｍ発生することから考えて、少なくとも１０μｍ以上とする必要があるので、１５μｍとした。なお、負荷の小さい往復動空気圧縮機の場合には、上記めっき被膜(21)の厚さは、５μｍ以上であればよい。すなわち、シリコンカーバイドめっき被膜(21)の厚さは、最小５μｍ、最大５０μｍ〜１００μｍとするのが合目的的である。
めっき処理後、研磨仕上げにより、表面平均粗さがＲa０.０５〜０.５μｍの鏡面仕上げをする。
上記シリコンカーバイドめっき被膜(21)に含まれるカーバイドは、粒径が１μｍ以下の微小なセラミック粒子であるため、シリンダ(１)の内表面には、高硬度を有し、しかも緻密で平滑な表面層が得られる。したがって、摩擦係数が低下して、摺動特性が良好になるとともに、耐摩耗性が大幅に向上するため、樹脂ピストンリング(20)の寿命は大幅に延び、かつ無給油式往復動空気圧縮機の保守管理がきわめて容易となる。
また、シリコンカーバイドめっき被膜(21)に含まれるカーバイドにより、放熱効果も向上する。
このように、シリンダ(１)の内表面のシリコンカーバイドめっき被膜(21)に含まれる高い潤滑機能を有するシリコンと、樹脂ピストンリング(20)は、高い潤滑機能を確持しつつ往復摺動をし、かつ摺動抵抗の低減が図られる。またシリンダ(１)におけるシリコンカーバイドめっき層(21)に含まれるカーバイトの熱放散機能により、樹脂ピストンリング(20)の寿命は大幅に向上し、しかも、それから分離して発生する樹脂細片(20a)はほとんどなく、また分離発生することがあっても、従来のものに比して著しく小であり、かつ摺動部の傷発生は効果的に防止される。
図４は、本発明により、図３で示したような樹脂ピストンリング(20)からの樹脂細片(20a)の発生はなく、樹脂ピストンリング(20)は、ピストンリング溝(19)におけるサイドスラストが大となる側面に常に密接し、ピストン(15)の下方への吸気が常に阻止されていることを示す。
比較テスト
同一寸法、同一容量で、上記した諸元を有し、かつシリンダ(１)の内表面の処理を異にする３種類の空冷無給油式往復動空気圧縮機について、異なる４種の運転時間における諸機能について、比較テストを行った。
運転条件：
圧縮空気圧力 １.４ＭＰaの全負荷運転
ピストンの平均摺動速度２〜３m／sec
吐出温度 約２００℃
確認時間 ２,５００時間、５,０００時間、１０,０００時間、２０,０００ 時間
比較テストの結果、潤滑性と高い硬度を有するシリコンカーバイドめっき被膜(21)を有するシリンダ(１)と、自己潤滑性を有する樹脂ピストンリング(20)あるいは自己潤滑性の樹脂ピストン(15)との組合わせにより、摺動する樹脂ピストンリング(20)の外表面とシリンダ(１)の内表面が、ともに潤滑性を有することとなり、かつシリンダ(１)の内表面が平滑であることと、その硬度が高いこととにより、さらに、シリコンカーバイドめっき被膜(21)による熱の放散効果により、初期なじみ磨耗で樹脂ピストンリング(20)が１００μｍ程度磨耗が発生した後は、長期に亘って、磨耗の進む量が穏やかであることが確認できた。
また、吐出空気量の低下はほとんどなく、騒音の発生や傷の発生もなく、特に、高圧高温で運転される無給油式往復動空気圧縮機の樹脂ピストンリングの交換までに要する時間を、従来の硬質アルマイト処理を施してなるシリンダとの組合わせに比べて、約５倍ほど延長しうることが確認できた。
これによって、樹脂ピストン、樹脂ピストンリング、シリンダ間に、一切潤滑のための潤滑油を使用しない無給油式往復動空気圧縮機において、低圧低温はもとより、高圧高温で運転される場合においても、樹脂ピストンリングの寿命を格段と向上させて、前記した問題を解消しうることが分かった。
以上、ピストンを樹脂製のものとして説明してきたが、樹脂ピストンリング、あるいは、樹脂ライダーリングを取り付けた無給油式往復動空気圧縮機においても、シリンダの内表面の摺動部に、シリコンカーバイドめっきによる被膜を形成することにより、樹脂ピストンリングの寿命を格段に向上させることができる。
図５は、請求項４および５記載の発明の実施形態を示す図で、作動時ピストン(15)によるサイドスラストが大きい右側（図１参照）におけるシリコンカーバイドめっき被膜(21)の厚さ(Ｓ1)を、他の側の厚さ(Ｓ2)よりもやや大であること、またリング溝(19)における受止突起(19a)を、シリコンカーバイドめっき被膜(21)が厚い側に位置させてあり、樹脂ピストンリング(20)の両端の切れ目、すなわち、合い口(22)を、受止突起(19a)の側面に当接させ、かつ、合い口の開口部がシリンダの内面にて閉ざされることを示している。
無給油式往復動空気圧縮機の要部を略示する縦断正面図である。 図１におけるII−II線縦断面図である。 図２の１点鎖線で示す円Ａ部分の拡大図である。 本発明の一実施形態を示す図３と同様の図である。 請求項４および５記載の発明の実施形態を示す図で、図２におけるＶ−Ｖ線拡大横断面図に相当する図である。
符号の説明
(１)シリンダ
(２)吸入弁板
(３)スペーサ
(４)シリンダヘッド
(５)隔壁
(６)吸込室
(７)吐出室
(８)吸込孔
(９)吐出孔
(10)吸引孔
(11)(12)排出孔
(13)吐出弁板
(14)硬質アルマイト層
(15)ピストン
(16)ピストンピン
(17)コネクティングロッド
(18)クランクシャフト
(19)ピストンリング溝
(20)樹脂ピストンリング
(20a)樹脂細片
(21)シリコンカーバイドめっき被膜
(22)合い口

Claims (5)

  1. 外周面に設けたリング溝に樹脂ピストンリングを装着してなるピストンを、シリンダ内に摺動自在に嵌合し、ピストンの往復動に伴い、シリンダより吸排気させるようにしてなる無給油式往復動空気圧縮機において、
    前記シリンダを、アルミニウム系金属からなり、かつその内表面摺動部に、シリコンカーバイド層からなるめっき被膜を施したものとし、
    前記樹脂ピストンリングを、自己潤滑性樹脂複合材と、黒鉛その他の摺動性を高める耐熱材料とを含む複合材料をもって形成したものとしたことを特徴とする無給油式往復動空気圧縮機。
  2. 前記シリンダの内表面におけるめっき被膜を鏡面仕上げしたことを特徴とする請求項１記載の無給油式往復動空気圧縮機。
  3. 前記ピストンを、複合材熱硬化性縮合多環芳香族と、黒鉛その他の摺動性を高める耐熱材料とを含む自己潤滑性複合材をもって形成した樹脂ピストンとしたことを特徴とする請求項１または２記載の無給油式往復動空気圧縮機。
  4. シリンダの内表面摺動部に施されたシリコンカーバイドめっき被膜の厚さを、シリンダ内をピストンが往復摺動する際における両者間のサイドスラストが大となる側におけるものを、他の側におけるものよりも厚肉としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の無給油式往復動空気圧縮機。
  5. シリンダ内をピストンが往復摺動する際における両者間のサイドスラストが大となる側において、ピストンリング溝に、シリンダの内表面に近接する受止突起を設け、ピストンリング溝に嵌合された欠円状の樹脂ピストンリングの両端の合い口を、前記受止突起に係止させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の無給油式往復動空気圧縮機。
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