JP5026689B2

JP5026689B2 - 往復動圧縮機

Info

Publication number: JP5026689B2
Application number: JP2005333133A
Authority: JP
Inventors: 信吾三宅; 佳恵辻見; 正則杉本; 綾水越
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: JP2007138813A

Description

本発明は、例えばシリンダ内でピストンを往復動させることにより空気等の気体を圧縮するのに好適に用いられる往復動圧縮機に関する。

一般に、往復動圧縮機として、シリンダ内でピストンを往復動させることにより空気等の吸込み、圧縮、吐出を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような特許文献１の往復動圧縮機は、アルミニウム合金により形成されたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンとを備える構成としている。

特開２０００−２８３０４３号公報

このとき、ピストンが往復動するシリンダの内壁には、アルミニウム合金の表面硬度を高めるために陽極酸化処理による皮膜が形成されている。また、この皮膜の膜厚は、例えば５０〜７０μｍ程度に設定されている。

一方、ピストンの外周側にはシリンダの内壁を摺動する幅広形状のライダリングが装着されており、該ライダリングがシリンダの内壁を摺動する。そして、ライダリングは、四フッ化エチレン樹脂等の低摩擦材料によってリング状に形成され、シリンダとピストンとの間の摩耗を減少させると共に、ピストンの傾きを防止している。

ところで、上述した従来技術では、ライダリングは例えば炭素繊維１０％を含む四フッ化エチレン樹脂を用いて形成され、摺動面の表面粗さは最大高さＲmax２５〜３０μｍ程度である。この場合、例えば１．０ＭＰａよりも低い圧力の圧縮気体を吐出するときには、問題なく使用することができる。しかし、圧縮気体の高圧化や圧縮機の長寿命化を図るには、ライダリングの摩擦力が高く、耐摩耗性が不足すると共に、シリンダ内面の摩耗量が多いという問題がある。また、シリンダとライダリングとの間の摩擦力によってピストンに対して抵抗が生じるから、ピストンを駆動するための消費電力が増大するという問題もある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ライダリングとシリンダとの間の摩擦力を低減し、耐久性の向上および省電力化を図ることができる往復動圧縮機を提供することにある。

上述した課題を解決するために請求項１の発明は、アルミニウム合金を用いて筒状に形成され内壁が陽極酸化処理されたアルマイト皮膜が形成されたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、該ピストンの外周に装着され前記シリンダの内壁を摺動するライダリングとを備えた往復動圧縮機において、前記シリンダの前記アルマイト皮膜が形成された内壁は、硬さがビッカース３５０Ｈｖ以上、面粗さがＲmax２μｍ以下に形成し、前記ライダリングは、炭素繊維が５〜１５重量％、酸化亜鉛ウィスカが５〜１５重量％、かつこれら炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカの合計量を１５〜３０重量％含む四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成し、前記ライダリングは、その摺動部の面粗さがＲmax２０μｍ以下またはＲａ２μｍ以下に形成し、前記ライダリングに対して前記シリンダに向けて作用する押付け荷重が０．４ＭＰａ以下に設定したことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、シリンダのアルマイト皮膜が形成された内壁は、硬さがビッカース３５０Ｈｖ以上、面粗さがＲmax２μｍ以下に形成し、ライダリングは、四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成し、その摺動部の面粗さがＲmax２０μｍ以下またはＲａ２μｍ以下に形成したから、ライダリングの表面粗さを低くして摺動時のライダリングの摩擦力を低下することができる。このため、ライダリングおよびシリンダのアルマイト皮膜が形成された内壁の摩耗を低減して耐久性を向上することができると共に、圧縮機の運転時の入力値を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。

また、ライダリングは、炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカが所定量含まれた四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成すると共に、ライダリングに対してシリンダに向けて作用する押付け荷重が０．４ＭＰａ以下に設定したから、ライダリングおよびシリンダの耐摩耗性を向上することができる。このため、圧縮機の寿命を向上することができ、長期間に亘ってメンテナンスを行う必要がなくなる。

以下、本発明の実施の形態による往復動圧縮機として空気圧縮機を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。

図中、１は空気圧縮機の本体部分を構成する圧縮機本体を示し、該圧縮機本体１は、例えば金属材料等により形成されたクランクケース２と、後述のクランク軸３、シリンダ４、ピストン７、連接棒１１とによって大略構成されている。

３はクランクケース２に回転可能に設けられたクランク軸で、該クランク軸３には、プーリ３Ａが取付けられている。そして、クランク軸３は、モータ（図示せず）によりプーリ３Ａ等を介して回転駆動される。

４はクランクケース２に設けられたシリンダで、該シリンダ４上には、弁座部材５を介してシリンダヘッド６が搭載され、このシリンダヘッド６には、吸込サイレンサ等が接続された吸込ポート６Ａと、吐出配管等が接続された吐出ポート６Ｂとが設けられている。また、弁座部材５には、シリンダ４内に対して吸込ポート６Ａを連通，遮断する吸込弁５Ａと、シリンダ４内に対して吐出ポート６Ｂを連通，遮断する吐出弁５Ｂとが設けられている。

ここで、シリンダ４は、アルミニウム合金鋳物が銅を含むアルミニウム合金ダイカストを用いて筒状に形成されている。このため、シリンダ４は、鋳造物よりも肉厚が薄くなっており、軽量化が図られると共に、加工費が安価に抑えられている。また、シリンダ４の内壁には、アルミニウム合金の表面硬度を高めるために陽極酸化処理が施され、例えば５０〜７０μｍ程度の膜厚をもった皮膜（アルマイト皮膜）が形成されている。これにより、シリンダ４の内壁は、その硬さがビッカース３５０Ｈｖ以上に設定されると共に、面粗さが最大高さＲmax２μｍ以下に形成され、後述するライダリング１０との間の摩耗を防止している。

７はシリンダ４内に往復動可能に設けられたピストンで、該ピストン７は、シリンダ４内に吸込まれた空気を圧縮するものであり、ピストンピン８等を用いて後述の連接棒１１と連結されている。また、ピストン７の外周側には、先端側（シリンダヘッド６側）に位置する狭幅溝７Ａと基端側（クランクケース２側）に位置する広幅溝７Ｂとが形成され、狭幅溝７Ａ、広幅溝７Ｂには後述のピストンリング９、ライダリング１０がそれぞれ取付けられている。そして、ピストン７は、シリンダ４内に空気を圧縮する圧縮室Ｓを画成している。

９はピストン７の狭幅溝７Ａに取付けられたピストンリングで、該ピストンリング９は、シリンダ４の内壁面（内周面）に摺接し、シリンダ４の外周面とピストン７の内壁面との間を封止している。これにより、ピストンリング９は、シリンダ４とピストン７との間から圧縮室Ｓ内の空気が漏洩するの防止している。

１０はピストン７の広幅溝７Ｂに取付けられたライダリングで、該ライダリング１０は、低摩擦材料としての四フッ化エチレン樹脂複合材を用いてリング状に形成されている。そして、ライダリング１０は、シリンダ４の内壁面に摺接し、シリンダ４とピストン７との間の摩耗を減少させると共に、ピストン７の傾きを防止している。

ここで、ライダリング１０は、例えば炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカを含む四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成される。このとき、ライダリング１０は、炭素繊維が５〜１５重量％、酸化亜鉛ウィスカが５〜１５重量％、かつこれら炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカの合計量を１５〜３０重量％含む四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成するのが好ましい。そして、ライダリング１０の製造方法としては、基材となる粉状の四フッ化エチレンに炭素繊維、酸化亜鉛ウィスカを配合し、ミキサによって均一に混ぜた後に、圧縮成形および熱処理を行う。このように成形された炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカを含む四フッ化エチレン樹脂複合材は、例えば数ｍｍ程度の膜厚をもった薄いシート状に切削加工し、ローラ加工によって外周面の研磨加工を施して、表面粗さが最大高さＲmax２０μｍ以下または中心線平均粗さＲａ２μｍ以下に仕上げられる。これにより、四フッ化エチレン樹脂複合材は、ピストン７の広幅溝７Ｂに応じた寸法形状に形成され、図２に示すように円筒形状をなしたライダリング１０となる。また、ライダリング１０は、シリンダ４に向けて作用する押付け荷重が０．４ＭＰａ以下に設定するのが好ましい。

以上により、ライダリング１０は、摺動抵抗が軽減されると共に、炭素繊維、酸化亜鉛ウィスカによって厚さ方向のつぶれに対する圧縮強度が高められる。これにより、ライダリング１０およびシリンダ４の耐久性が向上すると共に、ライダリング１０の交換時期が延びるものである。

１１はクランク軸３とピストン７とを連結する連接棒で、該連接棒１１は、大端部が軸受１１Ａを介してクランク軸３に回転可能に連結され、小端部が他の軸受１１Ｂを介してピストンピン８に揺動可能に連結されている。

そして、圧縮機の運転時には、モータによってクランク軸３が回転駆動されると、その回転が連接棒１１によってピストン７の往復動に変換され、シリンダ４内では、ピストン７が往復動することによって圧縮行程と吐出行程とを交互に行われる。これにより、圧縮行程では、吸込弁５Ａが開弁して吐出弁５Ｂが閉弁し、吸込ポート６Ａからシリンダ４内に空気が吸込まれる。また、吐出行程では、吸込弁５Ａが閉弁して吐出弁５Ｂが開弁することにより、シリンダ４内で圧縮された圧縮空気が吐出ポート６Ｂから外部に吐出される。

本実施の形態による空気圧縮機は上述の如き構成を有するもので、次にその作動について説明する。

まず、電動モータ等を用いてクランク軸３を回転駆動すると、クランク軸３に連結されたピストン７は、シリンダ４内で往復動する。そして、吸込行程では、ピストン７が上死点から下死点に向けて変位するから、シリンダ４内に生じる負圧によって吸込弁５Ａが弁座部材５から離座して開弁し、外部の空気が吸込ポート６Ａを経由して圧縮室Ｓに吸込まれる。一方、吐出行程では、ピストン７が下死点から上死点に向けて変位するから、シリンダ４内の空気が圧縮され、圧縮室Ｓ内の圧力が上昇する。この結果、圧縮室Ｓ内の圧力によって吐出弁５Ｂが弁座部材５から離座して開弁するから、圧縮室Ｓ内の圧縮空気は吐出ポート６Ｂを経由して空気タンク（図示せず）等に向けて吐出される。

然るに、ピストン７の往復動に伴ってシリンダ４とライダリング１０とが互いに摺接するから、シリンダ４とライダリング１０との間に摩擦力が生じ、シリンダ４の内壁面およびライダリング１０の外周面に摩耗が生じる。このとき、シリンダ４およびライダリング１０の摩耗量は、シリンダ４の内壁の硬度と表面粗さ、ライダリング１０の材質と表面粗さ、シリンダ４に対するライダリング１０の押付け荷重に応じて異なる。

そこで、シリンダ４の内壁の硬度と表面粗さ、ライダリング１０の材質と表面粗さ、ライダリング１０の押付け荷重を種々の状態に設定し、相対入力値、ライダリング１０の摩耗量およびシリンダ４の摩耗量を測定した。その結果を以下の表１に示す。

なお、表１は、負荷（圧縮空気の圧力）が１．０ＭＰａの状態で１００００時間連続して空気の圧縮運転を行った場合の結果を示している。また、表１中の相対入力値は、実施例１のライダリング１０を用いた場合の入力値（ピストン７駆動用のモータの入力電力値）１１ｋＷを基準値としたときに、この基準値に対する差分値を示している。

また、相対入力値の目標値は、基準値よりも増加量が５％以内になる値として、＋５０Ｗ以下とした。また、ライダリング１０の摩耗量の目標値は、ライダリング１０の合口の間隔および初期の膜厚寸法を考慮して、５００μｍ以下とした。さらに、シリンダ４の摩耗量の目標値は、アルマイト皮膜の初期の膜厚寸法を考慮して、３０μｍ以下とした。

表１において、実施例１ないし実施例８は、シリンダ４の陽極酸化処理の皮膜（アルマイト層）の硬さをビッカース３５０Ｈｖ以上とし、その表面粗さをＲmax２μｍ以下とすると共に、ライダリング１０の表面粗さをＲmax２０μｍ以下とし、その押付け荷重を０．４ＭＰａ以下とした範囲で、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材を種々の組成で形成した場合を示している。

具体的には、実施例１では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が下限値の５重量％で、炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が下限値の１５重量％となるように配合している。

実施例２では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が下限値の５重量％で、酸化亜鉛ウィスカが上限値の１５重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２０重量％となるように配合している。

実施例３では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、酸化亜鉛ウィスカが下限値の５重量％で、炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が下限値の１５重量％となるように配合している。

実施例４では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカがいずれも中央値の１０重量％で、炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２０重量％となるように配合している。

実施例５では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が中央値の１０重量％で、酸化亜鉛ウィスカが上限値の１５重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２５重量％となるように配合している。

実施例６では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が上限値の１５重量％で、酸化亜鉛ウィスカが下限値の５重量％、炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２０重量％となるように配合している。

実施例７では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が上限値の１５重量％で、酸化亜鉛ウィスカが中央値の１０重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２５重量％となるように配合している。

実施例８では、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカがいずれも上限値の１５重量％、炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が３０重量％となるように配合している。

また、実施例９ないし実施例１２は、ライダリング１０の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカが中央値の１０重量％となるように配合した状態で、シリンダ４の内壁の硬さと表面粗さ、ライダリング１０の表面粗さと押付け荷重を種々の状態に設定した場合を示している。

具体的には、実施例９では、シリンダ４の内壁の硬さを下限値のビッカース３５０Ｈｖに設定している。

実施例１０では、シリンダ４の内壁の表面粗さを上限値のＲmax２μｍに設定している。

実施例１１では、ライダリング１０の外周面の表面粗さを上限値のＲmax２０μｍに設定している。

実施例１２では、ライダリング１０の幅寸法（軸方向寸法）を小さくし、シリンダ４に向う押付け荷重を上限値の０．４ＭＰａに設定している。

試験の結果、実施例１〜１２の場合には、表１に示すように、運転時の相対入力値、耐久試験後のライダリング１０とシリンダ４の摩耗量のいずれも目標値を満足しており、省電力化および長寿命化が可能であることが分かった。

一方、比較例１ないし比較例９は、シリンダ４′の内壁の硬度と表面粗さ、ライダリング１０′の材質と表面粗さ、ライダリング１０′の押付け荷重のうちいずれかが上記実施例１ないし実施例１２の範囲外となった場合を示している。

具体的には、比較例１では、従来のライダリング１０′の材質として、酸化亜鉛ウィスカを省き、炭素繊維を１０重量％とし、四フッ化エチレン樹脂を９０重量％とした四フッ化エチレン樹脂複合材を用いている。試験の結果、比較例１の場合には、相対入力値、ライダリング１０′の摩耗量、シリンダ４′の内壁（アルマイト皮膜）の摩耗量のいずれも目標値を満足しなかった。

比較例２では、シリンダ４′の内壁の硬さを下限値以下のビッカース３００Ｈｖに設定している。試験の結果、比較例２の場合には、相対入力値は目標値を満足したものの、シリンダ４′の内壁の摩耗量が著しく多く、運転開始から１００００時間を経過する前に５０μｍ以上の摩耗が生じた。このため、試験を途中で中断した。

比較例３では、シリンダ４′の内壁の表面粗さを上限値以上のＲmax３μｍに設定している。試験の結果、比較例３の場合には、相対入力値が目標値よりも高いのに加え、ライダリング１０′の摩耗量が著しく多く、運転開始から１００００時間を経過する前に１０００μｍ以上の摩耗が生じた。このため、試験を途中で中断した。

比較例４では、ライダリング１０′の表面粗さを上限値以上のＲmax２５μｍに設定している。試験の結果、比較例４の場合には、ライダリング１０′の摩耗量は目標値を満足したが、相対入力値およびシリンダ４′の摩耗量が目標値を満足しなかった。

比較例５では、ライダリング１０′の幅を実施例１２よりもさらに小さくし、シリンダ４′に向う押付け荷重を上限値以上の０．５ＭＰａに設定している。試験の結果、比較例５の場合には、相対入力値が目標値よりも高いのに加え、ライダリング１０′の摩耗量が著しく多く、運転開始から１００００時間を経過する前に１０００μｍ以上の摩耗が生じた。このため、試験を途中で中断した。

比較例６では、ライダリング１０′の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が下限値以下の３重量％で、酸化亜鉛ウィスカが上限値の１５重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が１８重量％となるように配合している。試験の結果、比較例６の場合には、相対入力値およびシリンダ４′の摩耗量は目標値を満足したが、ライダリング１０′の摩耗量は７６５μｍとなり、目標値を満足しなかった。

比較例７では、ライダリング１０′の四フッ化エチレン樹脂複合材は、炭素繊維が上限値以上の１８重量％で、酸化亜鉛ウィスカが下限値の５重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２３重量％となるように配合している。試験の結果、比較例７の場合には、相対入力値およびライダリング１０′の摩耗量は目標値を満足したが、シリンダ４′の摩耗量は４０μｍとなり、目標値を満足しなかった。

比較例８では、ライダリング１０′の四フッ化エチレン樹脂複合材は、酸化亜鉛ウィスカが下限値以下の３重量％で、炭素繊維が上限値の１５重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が１８重量％となるように配合している。試験の結果、比較例８の場合でも、比較例７の場合と同様に、相対入力値およびライダリング１０′の摩耗量は目標値を満足したが、シリンダ４′の摩耗量は３９μｍとなり、目標値を満足しなかった。

比較例９では、ライダリング１０′の四フッ化エチレン樹脂複合材は、酸化亜鉛ウィスカが上限値以上の１８重量％で、炭素繊維が下限値の５重量％で、かつ炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカとの合計量が２３重量％となるように配合している。試験の結果、比較例９の場合には、相対入力値およびシリンダ４′の摩耗量は目標値を満足したが、ライダリング１０′の摩耗量は６９８μｍとなり、目標値を満足しなかった。

かくして、本実施の形態では、シリンダ４の内壁は、その硬さがビッカース３５０Ｈｖ以上で、かつ面粗さがＲmax２μｍ以下に形成し、ライダリング１０は、四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成し、その摺動部（外周面）の面粗さがＲmax２０μｍ以下またはＲａ２μｍ以下に形成した。これにより、ライダリング１０の表面粗さを低くして摺動時のライダリング１０の摩擦力を低下させることができるから、ライダリング１０およびシリンダ４の内壁の摩耗を低減して耐久性を向上することができると共に、圧縮機の運転時の入力値を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。

また、ライダリング１０は、炭素繊維および酸化亜鉛ウィスカが所定量含まれた四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成すると共に、シリンダ４に向うライダリング１０の押付け荷重を０．４ＭＰａ以下に設定したから、ライダリング１０およびシリンダ４の耐摩耗性を向上することができる。このため、圧縮機の寿命を向上して、長期間に亘ってメンテナンスを行う必要がなく、信頼性を高めることができる。

なお、前記実施の形態の表１では、ライダリング１０の表面粗さを最大高さＲmax２０μｍ以下に設定するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、ライダリング１０の表面粗さを中心線平均粗さＲa２μｍ以下に設定する構成としてもよい。

また、前記実施の形態では、空気圧縮機を例に挙げて説明したが、空気以外の気体を圧縮する各種の往復動圧縮機にも適用することができる。

本発明の第１の実施の形態による空気圧縮機を示す断面図である。図１中のシリンダおよびピストンを拡大して示す拡大断面図である。図１中のライダリングを単体で示す斜視図である。

符号の説明

４シリンダ
７ピストン
１０ライダリング

Claims

アルミニウム合金を用いて筒状に形成され内壁が陽極酸化処理されたアルマイト皮膜が形成されたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、該ピストンの外周に装着され前記シリンダの内壁を摺動するライダリングとを備えた往復動圧縮機において、
前記シリンダの前記アルマイト皮膜が形成された内壁は、硬さがビッカース３５０Ｈｖ以上、面粗さがＲmax２μｍ以下に形成し、
前記ライダリングは、炭素繊維が５〜１５重量％、酸化亜鉛ウィスカが５〜１５重量％、かつこれら炭素繊維と酸化亜鉛ウィスカの合計量を１５〜３０重量％含む四フッ化エチレン樹脂複合材を用いて形成し、
前記ライダリングは、その摺動部の面粗さがＲmax２０μｍ以下またはＲａ２μｍ以下に形成し、
前記ライダリングに対して前記シリンダに向けて作用する押付け荷重が０．４ＭＰａ以下に設定したことを特徴とする往復動圧縮機。