(57)【要約】【課題】単層構造としつつ、摩擦摩耗特性と伸び特性などの機械的特性に優れるカップシールを提供する。【解決手段】カップシール１は、ピストンとシリンダを有し、ピストンの往復動により気体を圧縮する往復動圧縮機に用いられ、ピストンに固定され、シリンダの内径に圧入されて該ピストンと該シリンダとの間を気密にシールする皿状の部材である。カップシール１は、単層のシート材を絞り加工したものであり、内周側に設けられ、ピストンに固定される環状の平面部２と、外周側に設けられ、平面部２から軸方向一方側に突出するように湾曲した環状のリップ部３とを有し、シート材は、樹脂組成物の成形体であり、樹脂組成物は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂をベース樹脂とし、これに等方性充填材を配合してなる組成物である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとシリンダを有し、前記ピストンの往復動により気体を圧縮する往復動圧縮機に用いられ、前記ピストンに固定され、前記シリンダの内径に圧入されて該ピストンと該シリンダとの間を気密にシールする皿状のカップシールであって、
前記カップシールは、単層のシート材を絞り加工したものであり、内周側に設けられ、前記ピストンに固定される環状の平面部と、外周側に設けられ、該平面部から軸方向一方側に突出するように湾曲した環状のリップ部とを有し、
前記シート材は、樹脂組成物の成形体であり、
前記樹脂組成物は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂をベース樹脂とし、これに等方性充填材を配合してなる組成物であることを特徴とするカップシール。
【請求項２】
前記等方性充填材が、球状黒鉛であることを特徴とする請求項１記載のカップシール。
【請求項３】
前記樹脂組成物全体に対して、前記ポリテトラフルオロエチレン樹脂が７０〜９５質量％含まれ、かつ、前記球状黒鉛が５〜３０質量％含まれることを特徴とする請求項２記載のカップシール。
【請求項４】
前記樹脂組成物に、異方性充填材を含まないことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載のカップシール。
【請求項５】
前記シート材の引張り強さが１５ＭＰａ以上であり、かつ、引張り破断伸びが２５０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載のカップシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気などの気体を圧縮する往復動圧縮機に用いられるカップシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動圧縮機は、シリンダと、該シリンダ内に圧縮室を画成するピストンとを備え、ピストンを往復動させて気体の吸入、圧縮、吐出を行う装置である。往復動圧縮機内のピストンは、例えばボールベアリングを介してクランク軸に取り付けられ、クランク軸の偏心回転運動によって、ピストンがシリンダ内を揺動しながら往復動する。この往復動圧縮機には、圧縮室の密閉性を確保するため、ピストンとシリンダとの間を気密にシールするカップシールが設けられている。
【０００３】
往復動圧縮機のカップシールとしては、環状の皿状部材のものが知られている（特許文献１、２、３参照）。これらカップシールは、内周側に設けられた環状の平面部と、外周側に設けられ、平面部から軸方向一方側に突出するように湾曲した環状のリップ部とを有する。往復動圧縮機に取り付けられた状態において、湾曲したリップ部の外周面は、シリンダの内周面に当接し、ピストンの往復動に伴ってシリンダの内周面と摺動する。
【０００４】
特許文献１には、シリンダの内周面との当接側と非当接側とで異なる層が形成された、複数層からなるカップシールが提案されている。具体的には、上記当接側の層が、球状カーボン、グラファイト、ブロンズ、二硫化モリブデンの少なくともいずれか１つを含有したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂からなる複合材で形成され、上記非当接側の層が、少なくとも高強度繊維を含有したＰＴＦＥ樹脂を含んだ複合材で形成されている。これにより、シリンダの内周面との当接側を摺動性に優れる層とするとともに、圧縮室の圧力を受ける非当接側を高強度の層とすることで、大出力・高圧仕様であってもシール性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０１３７９５号公報
【特許文献２】特開２００８−２４８８１３号公報
【特許文献３】特開２０１１−０３２９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、カップシールは、一般に、樹脂組成物の成形体であるワッシャ状のシート材を絞り加工によって皿状に変形させることで製造される。そのため、樹脂組成物の伸び特性が不十分であると、絞り加工の際にシート材が破断するおそれがある。この点、特許文献１のカップシールは複数層構造となっており、複数層からなるシート材を絞り加工によって変形させる際には、各層が均一に引き延ばされずに、局所的な応力集中が生じることが考えられる。その結果、シート材表面に微小な亀裂が生じ、カップシールの摩耗特性が低下するおそれがある。また、カップシールが複数層構造となるため、摺動時にかかる応力によって層が剥がれることも懸念される。
【０００７】
一方、往復動圧縮機に用いられるカップシールは、無潤滑条件で使用されるため、樹脂組成物自体に高い潤滑特性が求められる。したがって、樹脂組成物自体の摩擦摩耗特性と伸び特性などの機械特性の両立が必要であり、例えばゴム材のような材料では摩擦摩耗特性が満足できない。
【０００８】
本発明はこれらの問題に対処するためになされたものであり、単層構造としつつ、摩擦摩耗特性と伸び特性などの機械的特性に優れるカップシールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のカップシールは、ピストンとシリンダを有し、上記ピストンの往復動により気体を圧縮する往復動圧縮機に用いられ、上記ピストンに固定され、上記シリンダの内径に圧入されて該ピストンと該シリンダとの間を気密にシールする皿状のカップシールであって、上記カップシールは、単層のシート材を絞り加工したものであり、内周側に設けられ、上記ピストンに固定される環状の平面部と、外周側に設けられ、該平面部から軸方向一方側に突出するように湾曲した環状のリップ部とを有し、上記シート材は、樹脂組成物の成形体であり、上記樹脂組成物は、ＰＴＦＥ樹脂をベース樹脂とし、これに等方性充填材を配合してなる組成物であることを特徴とする。
【００１０】
上記等方性充填材が、球状黒鉛であることを特徴とする。また、上記樹脂組成物全体に対して、上記ＰＴＦＥ樹脂が７０〜９５質量％含まれ、かつ、上記球状黒鉛が５〜３０質量％含まれることを特徴とする。
【００１１】
上記樹脂組成物に、異方性充填材を含まないことを特徴とする。
【００１２】
上記シート材の引張り強さが１５ＭＰａ以上であり、かつ、引張り破断伸びが２５０％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のカップシールは、単層のシート材を絞り加工したものであり、該シート材は、ＰＴＦＥ樹脂をベース樹脂とし、これに等方性充填材を配合してなる組成物の成形体であるので、樹脂組成物自体の摺動性に優れる。また、該樹脂組成物は等方性充填材（特に球状黒鉛）を含むので、等方性充填材を含まない場合に比べて、シート材の引張り強さと引張り破断伸びに優れる。その結果、カップシールにおいて摩擦摩耗特性と伸び特性などの機械的特性の両立が可能である。
【００１４】
樹脂組成物に、異方性充填材を含まないので、異方性充填材が含まれることによる絞り加工時の局所的な応力集中が抑制され、それに起因するシート材表面の微小な亀裂の発生を抑制できる。
【００１５】
シート材の引張り強さが１５ＭＰａ以上であり、かつ、引張り破断伸びが２５０％以上であるので、絞り加工時においても破断や亀裂の発生がないカップシールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のカップシールの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のカップシールを適用した往復動圧縮機の一部断面図である。
【図３】球状黒鉛および鱗片状黒鉛の黒鉛粒子のＳＥＭ画像を示す図である。
【図４】図３のＳＥＭ画像の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のカップシールを適用した往復動圧縮機の構造の一例を図２に基づいて説明する。図２は、往復動圧縮機の一部断面図である。圧縮機１１は、ピストンの往復動によって、圧力室内の気体を圧縮する往復動圧縮機である。圧縮機１１は、中空部を有する略円筒状のシリンダ１２と、シリンダ１２内に揺動しつつ往復動可能に設けられた略円柱状のピストン１３と、ピストン１３に固定されたカップシール１と、吸入弁１４と、吐出弁１５とを備える。シリンダ１２の上端部に位置するシリンダヘッド１２ａとピストン１３の一方の端部との間には圧力室１６が形成されている。圧縮機１１は、ピストン１３の他方の端部側に、ピストン１３を揺動しつつ軸方向に往復動させる駆動手段（図示省略）を備える。駆動手段は、例えば回転軸の回転に伴い偏心回転運動するクランク軸である。この駆動手段によって、ピストン１３は図２の矢印Ｘ、矢印Ｙの示す方向に往復動する。
【００１８】
ピストン１３は、取付フランジ１７ａが設けられたコネクティングロッド１７と円板状のリテーナ１８とで構成されている。コネクティングロッド１７の取付フランジ１７ａは、中心軸部分が凹部１７ｂとなっており、リテーナ１８の中心軸部分の凸部と篏合されている。カップシール１は、コネクティングロッド１７とリテーナ１８とで形成されるピストン溝に挟まれて、結合具１９によって締結されて固定されている。
【００１９】
図１に示すように、カップシール１は、中心軸部分に貫通孔を有する皿状の環状部材である。カップシール１は、内周側に設けられた環状の平面部２と、外周側に設けられ、平面部２から軸方向一方側に突出するように湾曲したリップ部３とを有する。カップシール１が圧縮機１１に取り付けられた状態（図２参照）では、平面部２がピストン溝に固定され、リップ部３が折り曲げられてシリンダ１２の内周面に当接している。ピストン１３が往復動する際には、リップ部３の外周面がシリンダ１２の内周面に摺動する。
【００２０】
上述した圧縮機１１の動作について説明する。圧縮機１１は、吸入工程、圧縮工程を繰り返すことで、外部の空気を圧縮して貯留タンクなどに供給する。吸入工程では、ピストン１３がシリンダヘッド１２ａから離れる方向（図２Ｘ方向）に揺動しつつ移動して、外部からの空気を吸入する。この工程では、シリンダヘッド１２ａに設けられた吸入弁１４が開き、圧縮室１６に空気が流入する。圧縮工程ではピストン１３がシリンダヘッド１２ａに近づく方向（図２Ｙ方向）に揺動しつつ移動して、圧縮室１６の空気を圧縮する。この工程では、シリンダヘッド１２ａに設けられた吸入弁１４が閉じ、所定のタイミングで吐出弁１５が開くことで、シリンダ１２の外部に向けて圧縮された空気が吐き出される。
【００２１】
本発明のカップシールは、合成樹脂製であり、樹脂組成物の成形体である中空円盤状のシート材（ワッシャ材）を絞り加工することで図１に示す形状に形成する。シート材の中心軸部分の貫通孔は、例えば、加圧成形などで得られる円盤平板を打ち抜き加工することで形成してもよく、加圧成形時の金型で形成してもよい。絞り加工では、シート材の外周側を軸方向一方側に向かって折り曲げてリップ部を形成する。この絞り加工時には、シート材を均一に曲げる必要があり、曲げが不均一となるとシート材の表面に微小な亀裂が生じるおそれがある。また、伸び特性が不十分であると、シート材が破断するおそれもある。
【００２２】
カップシールの樹脂組成物として、従来では、自己潤滑性を有するＰＴＦＥ樹脂をベース樹脂とし、これに耐摩耗性などを付与するために各種充填材が添加された組成物が知られている。しかし、ＰＴＦＥ樹脂に充填材を添加することで、引張り特性は低下してしまう。具体的には、引張り強度や引張り破断伸びが低下してしまう。本発明者らは、ＰＴＦＥ樹脂をベース樹脂とし、これに等方性充填材（特に球状黒鉛）を添加した樹脂組成物を用いることで、摩擦摩耗特性と機械的特性が両立できることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００２３】
本発明に用いる樹脂組成物には、等方性充填材が配合される。本発明において、「等方性」とは、形状、膨張率、強度、屈折率などの物性に異方性がないことをいう。等方性充填材として、例えば、球状黒鉛、ガラスビーズなどが挙げられる。これらの中でも、球状黒鉛を用いることが好ましい。黒鉛としては、鱗片状黒鉛や、鱗状黒鉛、球状黒鉛などが知られているところ、鱗片状黒鉛や鱗状黒鉛は異方性充填材であるため、本発明に用いる黒鉛としては球状黒鉛を対象とする。
【００２４】
図３には、球状黒鉛および鱗片状黒鉛の黒鉛粒子の電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、図４には、図３の各画像の模式図を示した。図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、球状黒鉛は、各粒子が丸みを帯びた形状になっている。また、各粒子の粒子径もそろっている。一方、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、鱗片状黒鉛は、アスペクト比（平均平面直径／厚さ）が高いうろこ状の形状になっている。鱗片状黒鉛は、各粒子の大きさや向きが異なっており、異方性を有する。鱗片状黒鉛はこの異方性のため、シート材を伸ばす際に破断の起点となりやすく、引張り特性の低下につながると考えられる。
【００２５】
本発明に用いる球状黒鉛の「球状」とは、図３（ａ）のＳＥＭ画像のような丸みを帯びた形状となっていることをいい、例えば円形度の平均値は０．８以上である。本発明において、円形度の平均値は０．８５以上が好ましく、０．９以上がより好ましい。黒鉛粒子の円形度が高くなるほど、ＰＴＦＥ樹脂と球状黒鉛の界面があらゆる断面において真円に近くなり、絞り加工時のシート材内部に生じる応力分布がより均一になると考えられる。円形度は、黒鉛粒子をＳＥＭ観察により２次元の平面に投影した画像における球形化を示す指標であり、真円の場合、円形度は１となる。具体的には、下記の式により求められる。
円形度＝黒鉛粒子の投影面積と同じ面積を有する真円の周囲長／黒鉛粒子の投影像から測定される周囲長
ここで、円形度の平均値は、複数の黒鉛粒子から求めたそれぞれの円形度の平均をいう。 黒鉛粒子の円形度は、例えば、フロー式粒子像分析装置などを用いて測定することができる。
【００２６】
また、球状黒鉛の平均粒子径は特に限定されないが、１０〜５０μｍが好ましく、１０〜３０μｍがより好ましい。平均粒子径は、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。
【００２７】
本発明において、ベース樹脂として用いるＰＴＦＥ樹脂は、−（ＣＦ２−ＣＦ２）ｎ−で表される一般のＰＴＦＥ樹脂を用いることができ、また、一般のＰＴＦＥ樹脂にパーフルオロアルキルエーテル基（−ＣｐＦ２ｐ−Ｏ−）（ｐは１−４の整数）あるいはポリフルオロアルキル基（Ｈ（ＣＦ２）ｑ−）（ｑは１−２０の整数）などを導入した変性ＰＴＦＥ樹脂も使用できる。これらのＰＴＦＥ樹脂および変性ＰＴＦＥ樹脂は、一般的なモールディングパウダーを得る懸濁重合法、ファインパウダーを得る乳化重合法のいずれを採用して得られたものでもよい。
【００２８】
ＰＴＦＥ樹脂粉末の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、３０μｍ程度とすることが好ましい。ＰＴＦＥ樹脂粉末としては、ＰＴＦＥ樹脂をその融点以上で加熱焼成したものを使用できる。また、加熱焼成した粉末に、さらにγ線または電子線などを照射した粉末も使用できる。
【００２９】
本発明において、樹脂組成物は、樹脂組成物全体に対して、ＰＴＦＥ樹脂を７０〜９５質量％含み、かつ、球状黒鉛を５〜３０質量％含むことが好ましい。また、樹脂組成物は、樹脂組成物全体に対して、ＰＴＦＥ樹脂を８０〜９５質量％含み、かつ、球状黒鉛を５〜２０質量％含むことがより好ましい。ＰＴＦＥ樹脂が、７０質量％未満であると低摩擦性を維持することが困難であり、ＰＴＦＥ樹脂が、９５質量％をこえると耐摩耗特性や引張り特性が低下するおそれがある。
【００３０】
上記樹脂組成物には、必要に応じて、球状黒鉛以外の各種充填材（各種配合剤）を添加してもよい。ただし、異方性充填材は含まない。異方性充填材として、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ウィスカ、金属繊維などの繊維状充填材、タルク、マイカ、アルミフレークなどの金属箔、芳香族ポリアミド繊維などの有機繊維状充填材、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛などが挙げられる。
【００３１】
上記樹脂組成物の成形体であるシート材の引張り強さ（ＡＳＴＭ Ｄ６３８に準拠、以下同じ）は、１５ＭＰａ以上であり、また、引張り破断伸び（ＡＳＴＭ Ｄ６３８に準拠、以下に同じ）は、２５０％以上であることが好ましい。このような引張り特性が比較的高いシート材を用いることにより、絞り加工時などでも材料を均一に伸ばすことができ、不具合の発生を抑制できる。
【００３２】
また、本発明のカップシールは、上記樹脂組成物を含有する単層のシート材を絞り加工したものであるため、複数層のシート材を絞り加工する際に各層が剥がれるといった懸念がない。また、本発明のカップシールは単層構造であるため、複数層構造のように往復動圧縮機で使用する際に各層が剥がれるといった懸念もない。さらに、複数層のシート材を用いる場合に比べて、製造工程を簡略化できる。このように、発明のカップシールは、単層構造としつつ、摺動性と引張り特性の両立を図っている。
【００３３】
また、本発明のカップシールは、優れた引張り特性を有することから、カップシール自体の厚みを大きくしても絞り加工性が担保される。そのため、カップシールの厚みを大きくすることができ、例えば厚みを３ｍｍとすることができる。これにより、摩耗性に対する長寿命化が期待できる。
【実施例】
【００３４】
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。また、各実施例の樹脂組成物の構成、各試験の評価結果は表１に纏めて示す。
【００３５】
実施例
ＰＴＦＥ樹脂を８５質量％、球状黒鉛を１５質量％配合した樹脂組成物を用いて試験用成形体を作製した。試験用成形体を用いて、ＡＳＴＭ Ｄ６３８に準拠した試験を実施し、引張り強さおよび引張り破断伸びを測定した。
【００３６】
比較例
ＰＴＦＥ樹脂を８５質量％、鱗片状黒鉛を１５質量％配合した樹脂組成物を用いて試験用成形体を作製した。実施例と同様に、試験用成形体を用いて、ＡＳＴＭ Ｄ６３８に準拠した試験を実施し、引張り強さおよび引張り破断伸びを測定した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１に示すように、充填材として球状黒鉛を用いた場合には、成形体の引張り強さは１５ＭＰａ以上で、かつ、引張り破断伸びが２５０％以上となった。また、鱗片状黒鉛を用いた場合と比較して、引張り強さが６４％、引張り破断伸びが７６％向上した。つまり、実施例の成形体は、伸びやすい上に引張りに対する強度が高いため、絞り加工時にも破断や微小な亀裂などが生じにくいといえる。球状黒鉛を配合することで、成形体が均一に引き延ばされ、局所的な応力集中を防ぐことができると考えられる。
【００３９】
ＰＴＦＥ樹脂は、一般に充填材を配合することで引張り特性が低下する。この場合、充填材が破断の起点となるため、伸びが低下し、さらに引張り強度が低下する。上記実施例の樹脂組成物では球状黒鉛を用いており、鱗片状黒鉛と異なり異方性がない、つまりＰＴＦＥ樹脂と球状黒鉛の界面があらゆる断面においても円形であるため、成形体内部に生じる応力分布が均一になり、破断の起点となりにくくなった結果、引張り特性が大きく改善されたと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のカップシールは、単層構造としつつ、摩擦摩耗特性と伸び特性などの機械的特性に優れるので、往復動圧縮機のシール材として広く利用できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  カップシール
２  平面部
３  リップ部
１１  圧縮機
１２  シリンダ
１３  ピストン
１４  吸入弁
１５  吐出弁
１６  圧縮室
１７  コネクティングロッド
１８  リテーナ
１９  結合具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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