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公開番号2025005323
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-16
出願番号2023105520
出願日2023-06-27
発明の名称ピストンリング
出願人NTN株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類F16J 9/28 20060101AFI20250108BHJP(機械要素または単位;機械または装置の効果的機能を生じ維持するための一般的手段)
要約【課題】ベース樹脂にPEEK樹脂およびPI樹脂の添加が無いフッ素樹脂が主成分であってもガスのシール性を高めながら、ピストンリングとして必要な摩擦摩耗特性、相手材の損傷し難さ、耐圧性を兼ね備えたピストンリングを提供する。
【解決手段】ピストンリング1は、往復式圧縮機に用いられるピストンリングであって、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、該樹脂組成物は、アスペクト比3～15かつ硫黄原子の含有量が200ppm以下の炭素繊維を3体積%～25体積%含み、該樹脂組成物の成形体は、ASTM D695準拠の圧縮試験で得られる圧縮応力-ひずみ図において、20%ひずみにおける圧縮応力が30MPa以上である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
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は、フッ素樹脂を主成分とする樹脂組成物からなり、該樹脂組成物は、アスペクト比３～１５かつ硫黄原子の含有量が２００ｐｐｍ以下の炭素繊維を３体積％～２５体積％含み、該樹脂組成物の成形体は、ＡＳＴＭＤ６９５準拠の圧縮試験で得られる圧縮応力－ひずみ図において、２０％ひずみにおける圧縮応力が３０ＭＰａ以上であることを特徴とするピストンリング。
続きを表示（約 720 文字）【請求項２】
前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂または変性ポリテトラフルオロエチレン樹脂であることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】
前記炭素繊維がＰＡＮ系炭素繊維である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。
【請求項４】
前記樹脂組成物は、前記ＰＡＮ系炭素繊維以外に１種類以上の無機物を含み、該無機物として黒鉛および炭酸カルシウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項３記載のピストンリング。
【請求項５】
前記フッ素樹脂が変性ポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、前記変性ポリテトラフルオロエチレン樹脂は、前記樹脂組成物全体に対して７０体積％～９５体積％含まれ、前記炭素繊維がＰＡＮ系炭素繊維であり、前記樹脂組成物は、前記ＰＡＮ系炭素繊維以外の無機物として黒鉛および炭酸カルシウムの少なくともいずれかを含み、かつ、それら以外の無機物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。
【請求項６】
前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って、前記ピストンリングは、圧力０．５ＭＰａ～３０ＭＰａの範囲で使用される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。
【請求項７】
前記往復式圧縮機が水素ステーションにおいて水素を昇圧していく多段の圧縮機構を有する往復動圧縮機であって、
前記ピストンリングは、前記多段の圧縮機構のうち、最終段以外の段の圧縮機構におけるピストンに使用される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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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適用されている。また、水素ガス用往復式圧縮機で圧縮した水素ガスを燃料電池自動車（ＦＣＶ）に充填する場合、圧縮ガスに硫黄成分が混入されると、燃料電池の性能低下を引き起こす場合がある。そのため、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。
【０００４】
水素ガス用往復式圧縮機としては、例えば特許文献１、特許文献２が開示されている。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。
【０００５】
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リング状の摺動部材が記載されている。特許文献２では、摺動部材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、摺動部材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。この非晶質炭素膜は硫黄を含まないことが好ましいとされている。また、摺動部材は、例えば、圧縮機に組み込む前に水素雰囲気で曝露する処理をした脱硫処理部材であることが好ましいとされている。
【０００６】
非特許文献１には、例えば水素ガス圧縮機が多段式（前段圧縮機４段と後段圧縮機１段の組合せ）であること、前段圧縮機から吐出され、後段圧縮機で受け入れる圧力が４０ＭＰａであることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０２０－１８０６００号公報
特許第６５３３６３１号公報
【非特許文献】
【０００８】
伊藤芳輝、植田秀作「水素ステーション用超高圧水素ガス圧縮機の概要」、水素エネルギーシステム、ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．２、２００５、ｐ．１０～１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１では、ピストンリングの材料は、ＰＴＦＥ樹脂と、ＰＥＥＫ樹脂およびＰＩ樹脂のうち一方の樹脂との合計量が全体の５０質量％以上が必須であり、ベース樹脂にＰＥＥＫ樹脂およびＰＩ樹脂の添加が無いＰＴＦＥ樹脂からなるピストンリングでは、寿命が短く使用困難であることが示されている。
【００１０】
また、上記特許文献２では、摺動部材の脱硫処理方法として水素雰囲気で曝露する処理が例示されているが、大気中ではなく特殊な雰囲気で曝露することになる。そのため、特殊な曝露装置が必要であり、また、水素を扱うため火災や爆発に対する安全対策も必要となる。
（【００１１】以降は省略されています）

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