三井 E&S 技報 No. 3（2020）

技術論文・報告

無給油式ガス圧縮機のリング類長寿命化開発‐独自技術で摺動部へ非晶質炭素薄膜形成中谷 泰貴* 松岡 隆史*

Development of Long Lifetime Rings of Oil-free Gas Compressors-Amorphous Carbon Thin Film by Original Technology Achieves Long Life -Ya s u t a k a N A K ATA N I , Ta k a s h i MAT S UOK A
Th e o i l - f r e e g a s c o mp r e s s o r s d e s i g n e d , ma n u f a c t u r e d a n d s o l d b y KAJ I TE C HNOL OG Y
C OR P OR ATI O N ( K T C) , e s p e c i a l l y t h e r e p l a c e me n t l i f e o f r e s i n - b a s e d p i s t o n r i n g s , r i d e r r i n g s a n drod packings (hereinafter called "a sort of rings") used for sliding parts of ultra-high pressure oilf r e e h y d r o g e n c o mp r e s s o r s f o r h y d r o g e n s t a t i o n s , t h e p r o b l e m i s t h a t t h e r e p l a c e me n t l i f e i ss h o r t e r t h a n t h a t o f o i l - f r e e g a s c o mp r e s s o r s f o r o t h e r g a s e s.
I n t h e p a s t , t h e t r a n s i t i o n f i l ms we r e f o r me d b y s e l f - we a r i n g t h e r i n g s , b u t KTC p r e v i o u s l yd e p o s i t e d C ( g r a p h i t e ) , wh i c h i s e f f e c t i v e f o r f o r mi n g t h e t r a n s i t i o n f i l ms , o n t h e s u r f a c e s o f t h er i n g s . Us i n g t h e t r i b o - c h e mi c a l r e a c t i o n d u r i n g i n i t i a l s l i d i n g ( F a c t o r y t e s t o p e r a t i o n o f c o mp r e s s o rs ) ,we h a v e d e v e l o p e d a me t h o d f o r f o r mi n g a n a mo r p h o u s c a r b o n t h i n f i l ms t h a t h a s t h e s a me f u n c t i o na s a c o n v e n t i o n a l f i l ms . De v e l o p e d a me t h o d f o r f o r mi n g a h i g h q u a l i t y t r a n s i t i o n f i l m o n t h e s l i d i n g
s u r f a c e wi t h o u t i n i t i a l we a r o f t h e r i n g s i t s e l f , a n d o b t a i n e d a p a t e n t .
株式会社加地テック（KTC）が設計・製造・販売する無給油式ガス圧縮機のうち，特に水素ステーション向け超高圧無給油式水素ガス圧縮機の摺動部品に使用する樹脂系のピストンリング，ライダリング及びロッドパッキン等（以降，リング類と呼ぶ）の交換寿命が他ガスの無給油式ガス圧縮機よりも短いことが課題であった．
リング類は自己摩耗することにより摺動面に移行膜を形成する．従来はリング類自体を摩耗させて移行膜を成り行きで形成させていたが，当社はリング類の表面に移行膜形成に有効なC（グラファイト）を外部から予め付着させ，初期摺動時（ガス圧縮機の試運転）のトライボ・ケミカル反応を利用し，リング自体を初期摩耗させることなく，従来の移行膜と同等の機能を有する非晶質炭素薄膜を形成する方法を開発し特許を取得した．

図1 黒鉛有無の試験片と摺動相手材の摺動面における摩擦係数の経時変化
Change with time of friction coefficient on sliding surface oftest piece and sliding counter-material with and without graphite*株式会社加地テック 設計部

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無給油式ガス圧縮機のリング類長寿命化開発
1． はじめに‐独自技術で摺動部へ非晶質炭素薄膜形成 初期摺動時（ガス圧縮機の試運転）のトライボ・ケミカ
ル反応（摩擦する表面は，見かけ接触面積より非常に小さ

1.1 開発の背景

い接触部で接しており，その部分は摩擦に伴い極端に高い当社が設計・製造・販売する無給油式ガス圧縮機のう

圧力と温度に曝され，通常では生じないような化学反応をち，特に水素ステーション向け超高圧無給油式水素ガス圧誘引する）を利用し樹脂製リング類と親和性の高い非晶質縮機の摺動部品に使用する樹脂系（PTFE,PEEK,ポリイミ

炭素薄膜を形成させる．

ド等）のリング類の交換寿命が他ガスの無給油式ガス圧縮

1.5 手法の有効性の検証方法機よりも短く，改良開発を進めてきた．
1.2 従来技術の問題点

無給油式水素ガス圧縮機のリング類に用いられるものと同じ樹脂材からピン形状の試験片を作成し，高純度水素雰

無給油式ガス圧縮機のガス雰囲気の摺動部品に使用する

囲気下において金属製の摺動相手材との摺動試験を行い，樹脂系（PTFE,PEEK,ポリイミド等）のリング類は自己摩樹脂に親和性のあるＣ（グラファイト）を介在せた場合の耗することにより，摺動面に移行膜を形成する（自己潤滑挙動を評価した．と呼ばれる）．
一般に，移行膜が形成されるまでの間，リング類の摩擦2． 有効性の検証試験

係数は高いため，摩耗量が多くなる（初期摩耗と呼ばれる）．移行膜形成後，リング類の摩擦係数は低減するため，摩耗量は少なくなる（定常摩耗と呼ばれる）．
リング類の交換寿命は摩耗を考慮する必要があることか

ピン・オン・ディスク試験装置を使用して水素雰囲気下の摩擦摩耗試験を実施した．樹脂に親和性のあるC（グラファイト）には鱗状黒鉛を使用した．表1に試験条件を示す．

ら，初期摩耗および定常摩耗を低減し，リング類の交換寿

図1は試験片と摺動相手材の摺動面における摩擦係数の経命を延ばすことが課題であるが，従来はリング類自体を摩時変化を測定した結果である．試験片の表面に鱗状黒鉛を耗させて，移行膜を形成（成り行き）させていた．

塗布した場合，摩擦係数が低い状態で維持していることが1.3 開発の目的と方針分かる．鱗状黒鉛を塗布しなかった試験片は，摩擦係数が無給油式水素ガス圧縮機で使用するPTFE系樹脂に添加剤を充填したリング類には，カーボン類が添加されており，突発的に上昇する傾向が見られるが，鱗状黒鉛を塗布した試験片に同傾向は認められず安定している．

初期摩耗によりカーボン類が摺動面に移行膜を形成する．

図2に試験終了時の最終平均摩擦係数を比較したグラフをそこで，リング類の表面に非晶質炭素薄膜形成に有効なC示す．鱗状黒鉛を塗布した試験片の摩擦係数は，鱗状黒鉛（グラファイト）を外部から予め付着させることで，リンを塗布しなかった試験片に対して約30％低い．

グ自体を初期摩耗させることなく摺動面に良質の移行膜を

図3は試験片の比摩耗量を比較したグラフである．鱗状黒鉛を塗布した試験片の比摩耗量は，鱗状黒鉛を塗布しなかっ形成することを目的とした．
1.4 手法の概要
組立時に樹脂系リング類と摺動相手材の摺動面に，①〜③のいずれかの方法で，樹脂に親和性のあるC（グラファイト）を介在させる．

0.10750.075①リング類表面への付着-30％（粉状，ペースト状，表面コーティングなど）②摺動相手側への付着（粉状，ペースト状，表面コーティングなど）③非晶質炭素薄膜形成を目的としたC（グラファイト）を

図2 試験終了時の平均摩擦係数
Average friction coefficient at the end of the test

主成分とするリングの装着表1 試験条件
Test conditions
試験片表面への鱗状黒鉛塗布
摺動面圧
摺動速度
摺動距離
雰囲気ガス雰囲気温度
試験片材料
摺動相手材質有，無2MPa
4m/s
40 000m
水素100℃
水素ガス用リング材（PTFEベース）
SUS440C

3.0E-7-75％
0.75E-7

図3 試験片の比摩耗量
Specific wear of test piece15

三井 E&S 技報 No. 3（2020）

技術論文・報告

放出される光電子強度（グラフの補足）

イオンスパッタリングによる表面エッチングの深さ(nm)
45.9
13.5
8.1
2.70(表層)

トライボ・ケミカル反応により最表面にCの被膜が形成されていることが分かる。

元素固有のBE(Binding Energy,結合エネルギー)

図4 鱗状黒鉛を塗布していない試験片による試験終了後の摺動相手材のXPS分析結果
XPS analysis result of sliding counter-material surface without graphite attached test piece
鱗片黒鉛を塗布していない状態に比べて大幅に少なくなっており、リングの初期摩耗を最小限に抑えている。

放出される光電子強度（グラフの補足）

イオンスパッタリングによる表面エッチングの深さ(nm)45.913.58.1
2.70(表層)

鱗片黒鉛を初期に塗布した状態においてもトライボ・ケミカル反応により最表面にCの被膜が形成されていることが分かる。

元素固有のBE(Binding Energy,結合エネルギー)

図5 鱗状黒鉛を塗布した試験片による試験終了後の摺動相手材のXPS分析結果
XPS analysis result of sliding counter-material surface with graphite attached test piece
た試験片に対して約75％低い．

効であることが分かる．

図4に鱗状黒鉛を塗布していない試験片の，試験終了後の図5に鱗状黒鉛を塗布した試験片の，試験終了後の摺動相

摺動相手材のXPS分析（試料表面にX線を照射し，試料表面手材のXPS分析結果を示す．鱗状黒鉛を塗布した場合も最から放出される光電子の運動エネルギーを計測すること

表面にはCとリング材の主成分であるFが付着しているが，で，試料表面を構成する元素の組成，化学結合状態を分析

最表面直下のF層は大幅に少なくなっており，リングの初期する手法）結果を示す．摺動相手材の最表面にはCと試験片摩耗を最小限に抑えることに寄与している．十分なCを供給の主成分であるFが付着しており，最表面直下には厚いFのして形成された非晶質炭素薄膜は，リングの添加材のみで層が形成されている．S,Ca,Crは試験片に添加している成分成り行きで形成される薄膜よりも摩擦係数が低い．

であるが，移行膜の生成に全く関与していないことが分かる．Fe，Oは摺動相手材であるステンレス鋼の不動態膜由3． おわりに来である．最表面直下のFの層は試験片の初期摩耗時に移行16したもので，試験片に添加されているCが析出し，摺動面で初期摺動時のトライボ・ケミカル反応を利用し，容易にトライボ・ケミカル反応により非晶質炭素薄膜になってい樹脂製リング類と親和性の高い良質な非晶質炭素薄膜を形る．水素ガスにおいて，移行膜を形成する成分はCが特に有成する方法を開発し特許を取得した（特許6533631）．既に無給油式ガス圧縮機のリング類長寿命化開発
水素ステーション向け超高圧無給油式水素ガス圧縮機に採用を展開している．
無給油式ガス圧縮機において，樹脂系リング類とガスと‐独自技術で摺動部へ非晶質炭素薄膜形成 特許は水素ガスに限定しておらず，今後は他のガスにおける移行膜成分を見極め，初期摺動時のトライボ・ケミカル反応を利用したリング類の寿命延長を検討したい．の相性は自社やリングメーカの経験・実績に頼ることが殆どであったが，今後は実ガス雰囲気下で生成された非晶質炭素薄膜の成分を調査し，有効な添加材を見極めることが［問い合わせ先］
株式会社加地テック 設計部
TEL 072-361-9509

重要である．

中谷泰貴，松岡隆史

本報は，2020年2月28日に以下のホームページに公開しました．
https://www.mes.co.jp/solution/research/17