特開 2024-180012 摺動材及び流体機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024180012

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】摺動材及び流体機械

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/00 20060101AFI20241219BHJP

   F04C 18/02 20060101ALI20241219BHJP

   F04B 53/14 20060101ALI20241219BHJP

   F16C 33/20 20060101ALI20241219BHJP

   F16J 15/18 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

F04B39/00 A

F04C18/02 311T

F04B53/14 B

F16C33/20 A

F16J15/18 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099413

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 颯

(72)【発明者】

【氏名】石井 聡之

(72)【発明者】

【氏名】小林 義雄

(72)【発明者】

【氏名】成澤 伸之

【テーマコード（参考）】

3H003

3H039

3H071

3J011

3J043

【Ｆターム（参考）】

3H003AA01

3H003AC02

3H003AD03

3H003CB08

3H039AA12

3H039BB04

3H039CC02

3H039CC03

3H039CC05

3H039CC35

3H071AA06

3H071BB01

3H071BB02

3H071CC26

3H071EE08

3J011AA20

3J011DA01

3J011JA01

3J011KA03

3J011KA07

3J011LA04

3J011MA02

3J011PA10

3J011QA03

3J011RA02

3J011RA03

3J011SA05

3J011SC05

3J011SC20

3J011SD01

3J011SE02

3J011SE06

3J043AA15

3J043CB06

3J043CB14

3J043CB20

3J043DA02

(57)【要約】

【課題】摺動時に繊維材の脱落を抑制可能な摺動材を提供する。
【解決手段】摺動材１２は、母材である樹脂材１２ａと、樹脂材１２ａの内部に配置される繊維材１２ｂ１とを含む複合材１２ｃにより構成され、複合材１２ｃの表面に摺動面１２ｄを備え、摺動面１２ｄに垂直な方向に延在する軸Ｌ１に対して±４５°以内の方向に配向する繊維材１２ｂの数が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して５０％以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材である樹脂材と、前記樹脂材の内部に配置される繊維材とを含む複合材により構成され、前記複合材の表面に摺動面を備え、
前記摺動面に垂直な方向に延在する軸に対して±４５°以内の方向に配向する繊維材の数が、前記複合材に含まれる前記繊維材の全体数に対して５０％以上である
ことを特徴とする摺動材。

【請求項2】

前記繊維材は、直径よりも長い繊維長を有する中実の棒形状を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動材。

【請求項3】

前記繊維長は、１μｍ以上１０００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項２に記載の摺動材。

【請求項4】

前記繊維材は、炭素繊維を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動材。

【請求項5】

前記樹脂材は、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリエーテルエーテルケトンのうちの少なくとも１種を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動材。

【請求項6】

前記複合材は、前記樹脂材中に配置された固体潤滑剤を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動材。

【請求項7】

前記固体潤滑剤は、ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン、又はグラファイトのうちの少なくとも１種を含む
ことを特徴とする請求項６に記載の摺動材。

【請求項8】

前記複合材は、前記樹脂材中に配置された金属材を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動材。

【請求項9】

前記金属材は、銅又は銅合金のうちの少なくとも１種を含む
ことを特徴とする請求項８に記載の摺動材。

【請求項10】

前記複合材に対する前記繊維材の含有量は、５質量％以上３０質量％以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の摺動材。

【請求項11】

気体に対し、圧縮又は膨張の少なくとも一方を行う室と、
前記室を区画する摺動面を摺動する摺動材を備える摺動部と、を備え、
前記摺動材は、
母材である樹脂材と、前記樹脂材の内部に配置される繊維材とを含む複合材により構成され、前記複合材の表面に摺動面を備え、
前記摺動面に垂直な方向に延在する軸に対して±４５°以内の方向に配向する繊維材の数が、前記複合材に含まれる前記繊維材の全体数に対して５０％以上である
ことを特徴とする流体機械。

【請求項12】

前記摺動面は、
アルミニウムを含むアルミニウム部材の表面に形成されるとともに、
アルマイト層の表面である
ことを特徴とする請求項１１に記載の流体機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摺動材及び流体機械に関する。

【背景技術】

【0002】

空気等の気体を圧縮する気体圧縮機としては、一般に、レシプロ式の気体圧縮機、スクロール式の気体圧縮機等が用いられる。例えばレシプロ式の気体圧縮機では、金属製のシリンダ内を往復動するピストンに、シリンダの内面と摺動する摺動材として、ピストンリングが取り付けられる。また、例えばスクロール式の気体圧縮機では、金属製の固定スクロール、及び、固定スクロールに対して旋回運動しながら接触して摺動する旋回スクロールの各端部には、上記摺動材として、チップシールが取り付けられる。

【0003】

特許文献１の要約書には「回転シリンダ部材２とピストン保持部材５とを、ケーシング及びケース上蓋にそれぞれ回転自在に支持すると共に、ピストン保持部材５の回転中心位置から偏心した自転中心位置には、その位置を中心として回動可能にピストン３，４が保持され、回転シリンダ部材２とピストン保持部材５との相対回動によりピストン３，４自体が自転中心位置を中心として回動しながらかつ回転中心位置を中心として回転することによってシリンダ室２３ａ～２３ｄに出入りすると共に、ケーシングに、シリンダ室２３ａ～２３ｄに連なる吸込口及び吐出口を備えたロータリ式シリンダ装置であって、ピストン３，４を、カーボンナノファイバを含有した樹脂材料で形成するようにしている。」ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－２７０５０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載のピストン３，４では、カーボンナノファイバの配向が制御されていない。このため、ピストン３，４の摺動時、カーボンナノファイバがピストン３，４から脱落し易くなることがある。
本開示が解決しようとする課題は、摺動時に繊維材の脱落を抑制可能な摺動材及び気体圧縮機の提供である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の摺動材は、母材である樹脂材と、前記樹脂材の内部に配置される繊維材とを含む複合材により構成され、前記複合材の表面に摺動面を備え、前記摺動面に垂直な方向に延在する軸に対して±４５°以内の方向に配向する繊維材の数が、前記複合材に含まれる前記繊維材の全体数に対して５０％以上である。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、摺動時に繊維材の脱落を抑制可能な摺動材及び気体圧縮機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態の流体機械における摺動部を示す断面図である。

【図2】理想的な繊維材の配向を示す図である。

【図3A】金型内を溶融した複合材が流動する様子を示す図である。

【図3B】図３Ａにおいて細い実線矢印の部分で切断することで得られた複合材の断面図である。

【図4】流体機械の一例として、スクロール式の気体圧縮機の構成を示す断面図である。

【図5】図４に示す気体圧縮機の固定スクロール及び旋回スクロールの一部を拡大した図である。

【図6】流体機械に関する別の実施形態として、レシプロ式の気体圧縮機を構成する気体圧縮部を示す図である。

【図7】摩擦試験の方法を説明する図である。

【図8】摩擦試験で得た摩耗量の結果を示す図である。

【図9】摩擦試験で得た摩擦係数の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら本開示を実施するための形態（実施形態と称する）を説明する。以下の一の実施形態の説明の中で、適宜、一の実施形態に適用可能な別の実施形態の説明も行う。本開示は以下の一の実施形態に限られず、異なる実施形態同士を組み合わせたり、本開示の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形したりできる。また、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。更に、同じ機能を有するものは同じ名称を付すものとする。図示の内容は、あくまで模式的なものであり、図示の都合上、本開示の効果を著しく損なわない範囲で実際の構成から変更したり、図面間で一部の部材の図示を省略したり変形したりすることがある。また、同じ実施形態で、必ずしも全ての構成を備える必要はない。

【0010】

図１は、一実施形態の流体機械１００における摺動部１０を示す断面図である。流体機械１００は、例えば気体に対し圧縮を行う気体圧縮機である。気体圧縮機は、例えばスクロール方式でもよく、レシプロ方式式でもよい。気体圧縮機の具体的な構造は図４等を参照しながら後記する。

【0011】

摺動部１０は、例えば金属シリンダ等の金属製の部材１１と、例えばピストンリング等の摺動材１２と、を備える。摺動材１２は、例えばピストンの外周に嵌装される。摺動部１０では、摺動材１２が摺動面１１ｃにおいて部材１１と接触して摺動する。摺動面１１ｃは部材１１の表面に形成される。摺動材１２と部材１１との摺動形態は往復動でもよいし、円運動でもよいし、厳密には円運動ではないが円運動に似た略円運動でもよい。

【0012】

摺動材１２は、複合材１２ｃにより構成される。複合材１２ｃは、母材である樹脂材１２ａと、樹脂材１２ａの内部に配置される繊維材１２ｂとを含む。繊維材１２ｂは、例えば樹脂材１２ａの内部に分散し、好ましくは一様に分散する。摺動材１２は、複合材１２ｃの表面に摺動面１２ｄを備える。摺動面１２ｄは摺動面１１ｃと対向し、摺動面１２ｄは摺動面１１ｃに対して摺動する。

【0013】

樹脂材１２ａは、任意の樹脂により構成できる。例えば、樹脂材１２ａとしてはフッ素樹脂が挙げられ、フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＦ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のうちの少なくとも１種を使用できる。例えば、ＰＴＦＥと、それ以外のフッ素樹脂と、の２種以上を併用してもよい。また、樹脂材１２ａとしてはフッ素樹脂以外の樹脂も挙げられ、例えば、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のほか、これらの変性体が挙げられる。樹脂材１２ａは、２種以上の樹脂を併用してもよく、例えば、ＰＴＦＥと、ＰＴＦＥ以外のフッ素樹脂とを混合して併用してもよい。また、樹脂材１２ａは、フッ素樹脂でなくてもよく、他の任意の樹脂でもよい。

【0014】

中でも、樹脂材１２ａは、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、又はポリエーテルエーテルケトンのうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。これらを含むことで、摺動材１２の耐久性を特に向上できる。中でも、ＰＴＦＥは、結晶性が高く、せん断強度が小さい。このため、ＰＴＦＥは、せん断を受けるとミクロレベルで容易に表層剥離し、シリンダ内面等の相手面（摺動面）に移着するため、摺動性を向上できる。

【0015】

繊維材１２ｂは、繊維状を有する構造体であれば、任意の材料で構成できる。繊維材１２ｂとしては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、セラミクス繊維等が挙げられる。炭素繊維としては、例えば、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維等を使用できる。繊維材１２ｂは、１種のみでもよく、２種以上が併用されてもよい。

【0016】

中でも、繊維材１２ｂは、炭素繊維を含むことが好ましい。炭素繊維はある程度柔らかいため、摺動面１１ｃへの攻撃性が低く、摺動時の摺動面１１ｃへのダメージが小さい。このため、摺動面１１ｃの耐久性を向上できる。また、摺動により炭素繊維が摩耗すると、摺動面１１ｃに炭素皮膜が形成される。これにより、摺動面１１ｃでの潤滑性を向上できる。従って、炭素繊維を含むことで、摩耗耐久性について優れた効果を得ることができる。また、炭素繊維と樹脂材１２ａとの高い親和性によって、摺動時に炭素繊維が脱落し難くできる。

【0017】

繊維材１２ｂの種類を確認するためには、摺動材１２の表面、摺動材１２の破砕物等の試料について、走査型電子顕微鏡、エネルギ分散型Ｘ線分析、赤外分光分析、Ｘ線回折等の形態観察及び化学分析を行うことにより、容易に確認できる。

【0018】

繊維材１２ｂは、直径よりも長い繊維長を有する中実の棒形状を有することが好ましい。このような形状を有することで、摺動材１２の摺動時、樹脂材１２ａに埋没した繊維材１２ｂが摺動面１１ｃから受ける荷重を支持できる。

【0019】

繊維材１２ｂの直径（繊維径）は、例えば、好ましくは２μｍ以上３０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下である。詳細は後記するが、本開示では繊維材１２ｂは、摩耗方向に沿って樹脂材１２ａの内部に配置される。このため、繊維径をこの範囲にすることで、摺動面１２ｄから受ける荷重を、比較的広い面積の面を通じて繊維材１２ｂが受けることができる。これにより、繊維材１２ｂにかかる荷重を支持易くでき、樹脂材１２ａからの繊維材１２ｂの脱落を抑制できる。この効果は、特に高圧、高温等の過酷環境において顕著である。

【0020】

また、繊維材１２ｂの長さ（繊維長）は、例えば、好ましくは１μｍ以上１０００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以上１０００μｍ以下、より更に好ましくは１００μｍ以上２５０μｍ以下である。繊維長をこの範囲にすることで、摺動により摺動材１２が摩耗しても繊維材１２ｂの長さが十分に維持されるため、繊維材１２ｂが樹脂材１２ａから脱落し難くできる。

【0021】

繊維材１２ｂの直径及び長さは、例えば画像解析に基づいて測定できる。具体的には、繊維材１２ｂの直径及び長さは、例えば断面顕微鏡写真における任意の繊維材１２ｂを複数（例えば５本）選び、選んだ各繊維材１２ｂにおける直径及び長さの各平均値を採用することが好ましい。なお、断面顕微鏡写真は通常は２次元画像であるため、繊維材１２ｂの径と、繊維材１２ｂの長さとを、同一の繊維材１２ｂにおいて測定できない可能性がある。このため、直径及び長さは、同一の繊維材１２ｂについて測定される必要は無く、異なる繊維材１２ｂについて測定されてもよい。

【0022】

本開示の摺動材１２では、摺動面１２ｄに垂直な方向に延在する軸Ｌ１に対して±４５°以内の方向に配向する繊維材１２ｂの数（以下、本開示の数という。）が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して５０％以上である。即ち、繊維材１２ｂの延在方向に延びる軸を軸Ｌ２とすると、軸Ｌ１と軸Ｌ２とのなす角度θが４５°以内になる繊維材１２ｂの数（本開示の数）が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数を基準として５０％以上である。以下、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数（全体量。全本数）に対する、軸Ｌ１に対して±４５°以内の方向に配向する繊維材１２ｂの数（量。本数）の割合を、適宜「繊維材１２ｂの配向性、本開示の配向性」等という。従って、本開示において、繊維材１２ｂの配向性は５０％以上である。

【0023】

摺動面１２ｄに垂直な方向は、摺動材１２の厚み方向であり、摺動材１２の摩耗方向でもある。また、繊維材１２ｂの配向方向は、繊維材１２ｂの長手方向でもある。

【0024】

繊維材１２ｂをこのように配向制御することで、繊維材１２ｂを、複合材１２ｃ（摺動材１２）の摩耗方向（軸Ｌ１の延在方向）に沿って配置できる。これにより、摺動時に繊維材１２ｂの側面への荷重の影響を小さくできる。即ち、摺動時に繊維材１２ｂの端面（例えば円形の上面）で主に荷重を受けることができ、繊維材１２ｂの脱落を抑制できる。この結果、摺動材１２の摩耗耐久性を向上できるとともに、摺動時の摩擦（例えば、後記の摩擦係数）を低減できる。

【0025】

摺動材１２における、繊維材１２ｂの配向性を確認するためには、摺動材１２の厚み方向の断面を走査型電子顕微鏡等の形態観察し、観察した断面における各繊維材１２ｂの方向性を画像解析で算出することで実行できる。このとき、摺動材１２における全断面について繊維材１２ｂの配向性を確認してもよいが、簡略化のため、一部のみ（例えば任意の１枚）の断面顕微鏡写真に基づいて繊維材１２ｂの配向性を確認し、その結果を、摺動材１２における全断面での繊維材１２ｂの配向性を考えてもよい。

【0026】

また、角度θは以下のようにして決定できる。例えば、走査型電子顕微鏡を用いた断面写真において、繊維材１２ｂの延在方向を示す軸Ｌ２を適宜近似等の手法により決定し、軸Ｌ１とのなす角度として測定できる。

【0027】

図２は、理想的な繊維材１２ｂの配向を示す図である。理想的には、全ての繊維材１２ｂが軸Ｌ１と同方向を向くことが好ましい。即ち、軸Ｌ１と軸Ｌ２とが平行であり、角度θ（図１）は０°であることが好ましい。このようにすることで、摺動材１２の摩耗時に、摺動面１１ｃから受ける荷重を、繊維材１２ｂの端面（摺動面１２ｄ側の面）で受けることができ、特に脱落し難くできる。

【0028】

しかし、現実には、このような配向制御は困難な場合が多い（ただし、本開示は、図２のような形態を排除するものではない）。そこで、配向制御の手間、容易性等を考慮し、軸Ｌ１に対して好ましくは±３０°以内、より好ましくは±１５°以内の方向に配向する繊維材１２ｂの数が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して５０％以上である。即ち、角度θが好ましくは３０°以内、より好ましくは１５°以内となる軸Ｌ２を有する繊維材１２ｂの数が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して５０％以上であることが好ましい。

【0029】

図１に戻って、上記の本開示の数が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して（複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数を基準として）、好ましくは６０％以上、より好ましくは７０％以上、より更に好ましくは８０％以上である。このようにすることで、できるだけ多くの繊維材１２ｂを軸Ｌ１に沿って配置でき、繊維材１２ｂをより脱落し難くできる。

【0030】

繊維材１２ｂの配向性を制御する理由を説明する。本発明者らは、多数の摩擦試験を行い、複合樹脂である摺動材１２の摩耗と、繊維材１２ｂの配向性とに、相関があることを見出した。具体的には、上記の本開示の数が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して５０％未満の場合、摺動材１２のせん断強度が著しく低下することを特定した。更に、この場合に、繊維材１２ｂが摺動材１２から脱落し、繊維材１２ｂによるせん断応力を支持する効果が失われることを確認した。この結果、脱落した繊維材１２ｂのアブレシブ作用によって、摩耗が増加することを明らかにした。また、アブレシブ作用は、摺動材１２の表面の平滑性を損なうため、摩擦を増加させる傾向があることも確認した。

【0031】

一方で、上記の本開示の数が、複合材１２ｃに含まれる繊維材１２ｂの全体数に対して５０％以上の場合、摺動材１２のせん断強度の低下が抑制されるため、複合材１２ｃ自身が有する耐久性が維持される。また、せん断応力に対して、繊維材１２ｂが摺動材１２に埋まる（理想的には、例えば図２示すような、摺動面１２ｄに対して垂直な方向）ような配向となる。このため、摺動面１２ｄにおいて、繊維材１２ｂと摺動材１２との接触面積が増加する。これにより、繊維材１２ｂの脱落が抑制される。この結果、繊維材１２ｂによるせん断応力を支持する効果を維持し、且つアブレシブ作用も低減するため、摩耗及び摩擦擦が低減することを明らかにした。

【0032】

以上より、摺動材１２の中の繊維材１２ｂの配向性を適切に制御することで、複合材１２ｃが有するせん断強度を維持し、しかも、脱落した繊維材１２ｂによるアブレシブ作用を低減できる。これにより、摺動材１２の摩耗耐久性向上及び摩擦低減に寄与できる。

【0033】

例えば上記特許文献１に記載の「ピストン３，４」は、各種樹脂を母材とし、カーボンナノチューブ（以下ＣＮＴという）を含有し得る。ＣＮＴは、例えば炭素繊維等の繊維材と比較して、直径が小さい。そのため、高圧、高温等の過酷環境では、せん断応力を効果的に支持できない。また、ＣＮＴは、直径が小さく、長さも短いため、母材との接触面積が小さい。そのため、特に過酷環境においては、母材から脱落し易く、アブレシブ作用によって摩耗し易い。

【0034】

以上のように、摺動材１２の中の繊維材１２ｂの配向性の制御により、過酷環境にて摺動材の摩耗耐久性向上と摩擦低減を両立できる。

【0035】

繊維材１２ｂの配向制御は、例えば以下のようにして実行できるが、配向制御の方法は以下の例に限定されない。

【0036】

図３Ａは、金型７０内を溶融した複合材１２ｃが流動する様子を示す図である。図３Ｂは、図３Ａにおいて細い実線矢印の部分で切断することで得られた複合材１２ｃの断面図である。図３Ａにおいて、白抜き矢印は溶融した複合材１２ｃの流動方向を示す。

【0037】

樹脂材１２ａ及び繊維材１２ｂを含む複合材１２ｃを例えば金型７０内で射出成型する場合、白抜き矢印で示すように、複合材１２ｃは、金型７０内を、複合材１２ｃの射出口（注入口）から遠ざかる方向に、一方向から他方向に向かって流れる。流動により、複合材１２ｃ中の繊維材１２ｂは、複合材１２ｃの流れる方向に沿って概ね配置される（即ち繊維材１２ｂの長手方向が流れる方向に向く）。このため、固化した複合材１２ｃにおいて、繊維材１２ｂの配向方向は概ね同方向である。そこで、このようにして成形された複合材１２ｃについて、断面顕微鏡写真によって繊維材１２ｂの配向が確認される。そして、繊維材１２ｂの配向が所望の方向になるように、例えば複合材１２ｃを細い実線矢印の部分で切断することで、摺動材１２における繊維材１２ｂの配向を制御できる。

【0038】

図１に戻って、複合材１２ｃに対する繊維材１２ｂの含有量（複合材１２ｃにおける繊維材１２ｂの含有量）は、好ましくは５質量％以上５０質量％以下、より好ましくは５質量％以上３０質量％以下である。繊維材１２ｂの含有量をこの範囲にすることで、複合材１２ｃｂの内部での繊維材１２ｂの凝集を抑制でき、繊維材１２ｂに対して分散して荷重を与え易くできる。また、上記射出成型時に溶融した複合材１２ｃの剛性が過度に高くなることを抑制でき、容易に射出成型できるため、繊維材１２ｂの配向制御を容易に実行できる。繊維材１２ｂの含有量は、例えば、熱質量－示唆熱同時測定装置を用いた熱分析、質量変化評価等に基づいて測定できる。

【0039】

複合材１２ｃは、樹脂材１２ａ及び繊維材１２ｂ以外にも、任意の添加剤を含んでもよい。例えば、複合材１２ｃは、樹脂材１２ａ中に配置された固体潤滑剤（不図示）を含むことができる。固体潤滑剤は、好ましくは粒子形状で、樹脂材１２ａ中に配置、好ましくは分散する。

【0040】

固体潤滑剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデン、グラファイト、窒化ホウ素等の少なくとも１種が挙げられる。固体潤滑剤を含むことで、摺動性を向上できる。なお、固体潤滑剤としてのＰＴＦＥは、樹脂材１２ａがＰＴＦＥ以外の樹脂材である場合に含まれることが好ましい。また、樹脂材１２ａがＰＴＦＥの場合においても、樹脂材１２ａを構成するＰＴＦＥと、固体潤滑剤を構成するＰＴＦＥとは、例えば数平均分子量、重合度等の異なる物性を有することが好ましい。

【0041】

中でも、固体潤滑剤は、ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン、又はグラファイトのうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。これらを含むことで、摺動材１２の潤滑性を特に向上できる。

【0042】

固体潤滑剤は、例えば、レーザ回折式粒度分布測定装置に基づく平均粒径が１０μｍ以上５００μ以下の粒子形状を有することができる。

【0043】

複合材１２ｃは、樹脂材１２ａ中に配置された金属材（不図示。例えばフィラー）を含むことができる。金属材は、好ましくは粒子形状で、樹脂材１２ａ中に配置、好ましくは分散する。金属材としては、例えば、銅、銅合金、アルミ二ウム、アルミニウム合金等の少なくとも１種が挙げられる。中でも、金属材は、銅又は銅合金のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。これらを含むことで、摺動材１２の耐摩耗性を特に向上できる。

【0044】

金属材は、例えば、レーザ回折式粒度分布測定装置に基づく平均粒径が１０μｍ以上５００μ以下の粒子形状を有することができる。

【0045】

複合材１２ｃは、セラミクス、カーボン等のうちの少なくとも１種を含むことができる。これらを含むことで、金属材と同様の効果を得ることができる。これらの材料は、例えば、レーザ回折式粒度分布測定装置に基づく平均粒径が１０μｍ以上５００μ以下の粒子形状を有することができる。

【0046】

摺動面（摺動界面）１１ｃ，１２ｄには、例えば潤滑油、グリース等の潤滑剤が存在してもよい。ただし、流体機械１００は、十分な潤滑油等を存在させず、オイルレスの状態で使用したとき、又は、潤滑油等を全く存在させず、オイルフリーの状態で使用したときに、特に効果を示す流体機械であることが好ましい。

【0047】

部材１１は、基材としての金属材１１ａの表面に表面処理層１１ｂを備えることが好ましい。即ち、表面処理層１１ｂの更に表面である摺動面１１ｃと摺動面１２ｄとが接触し、摺動材１２が摺動する。ただし、部材１１は必ずしも表面処理層１１ｂを備える必要はなく、表面処理層１１ｂを備えずに、金属材１１ａが露出してもよい。従って、部材１１の表面である摺動面１１ｃは、金属材１１ａを構成する金属で形成されてもよく、表面処理層１１ｂにより形成されてもよい。

【0048】

金属材１１ａとしては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素等の軽金属、鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、銅等の遷移金属のうちの少なくとも１種が挙げられる。金属材１１ａとしては、具体的には例えば、
アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料、
鉄、鉄－ニッケル合金等の鉄系材料、
チタン、チタン合金等のチタン系材料、
銅、銅合金等の銅系材料、
のうちの少なくとも１種を使用できる。中でも、アルミニウム系材料を用いた場合に、摩耗耐久性について優れた効果が得られる。アルミニウム系材料には、例えば少量のマグネシウム、ケイ素等が含まれてもよい。また、鉄系材料には、例えばクロム、ニッケル、モリブデン等が含まれてもよい。

【0049】

表面処理層１１ｂは、例えば、金属材１１ａに自然に生成した自然酸化膜、人工的に施した表面コーティング等である。即ち、表面処理層１１ｂは、自然環境にとって自然に処理されることで生成した層でもよく、任意の表面処理（例えば硫酸アルマイト処理）によって人工的に処理された層でもよい。自然酸化膜の場合、例えば金属材１１ａがアルミニウムの場合には、表面処理層１１ｂは酸化アルミニウムにより構成され、鉄の場合には酸化鉄により構成され、銅の場合には酸化銅により構成される。

【0050】

表面処理層１１ｂが表面コーティング層である場合、一例として、表面コーティング層は、例えばメッキ処理、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、浸炭処理等により形成できる。また、表面コーティング層は、例えばアルミニウム、リン、クロム、鉄、ニッケル、亜鉛のうち少なくとも１つを含む材料で構成される。このような元素を含む表面コーティングの一例として、アルマイト処理、アルミニウムめっき、ニッケルめっき、クロムめっき、鉄めっき、亜鉛めっき等が挙げられる。

【0051】

図４は、流体機械１００の一例として、スクロール式の気体圧縮機２０の構成を示す断面図である。気体圧縮機２０は、気体圧縮機２０の外殻をなすケーシング２３と、ケーシング２３に回転可能に設けられた駆動軸２４と、ケーシング２３に取り付けられた固定スクロール２１と、駆動軸２４のクランク軸２４Ａに旋回可能に設けられた旋回スクロール２２と、を備える。

【0052】

固定スクロール２１は、固定鏡板２１ａと、固定鏡板２１ａの一主面側に渦巻状に形成された固定スクロールラップ２１ｂと、を備える。旋回スクロール２２は、旋回鏡板２２ａと、旋回鏡板２２ａの一主面側に渦巻状に形成された旋回スクロールラップ２２ｂと、を備える。旋回スクロール２２には、旋回鏡板２２ａの背面側中央にボス部２２ｆが突設される。

【0053】

旋回スクロール２２は、旋回スクロールラップ２２ｂが、固定スクロールラップ２１ｂと互いに噛み合うように、互いに対向して配置される。これにより、固定スクロールラップ２１ｂと旋回スクロールラップ２２ｂとの間に、気体を圧縮又は膨張する作動空間としての圧縮膨張室２５が形成される。

【0054】

圧縮膨張室２５は、気体圧縮機２０（流体機械１００の一例）に備えられ、圧縮又は膨張の少なくとも一方を行う室の一例である。ただし、圧縮膨張室２５は、圧縮及び膨張の双方を行う室でもよい。また、摺動部３０は、気体圧縮機２０に備えられ、圧縮膨張室２５を区画する摺動面１２ｄを摺動する摺動材１２を備える。摺動材１２は、後記のチップシール２９１，２９２である。摺動面１２ｄは、後記のラップ底面２１ｅ，２２ｅ（図５）である。

【0055】

固定鏡板２１ａの外周側には、吸入口２６が穿設される。吸入口２６は、最外周側の圧縮膨張室２５に連通する。また、固定鏡板２１ａの中心部には、吐出口２７が穿設される。吐出口２７は、最内周側の圧縮膨張室２５に開口する。

【0056】

駆動軸２４は、玉軸受２８を介してケーシング２３に回転可能に支持される。駆動軸２４の一端は、ケーシング２３外で電動モータ（不図示）等に連結され、駆動軸２４の他端側は、ケーシング２３内に伸張してクランク軸２４Ａとなる。クランク軸２４Ａの軸線は、駆動軸２４の軸線に対して、所定寸法だけ偏心する。

【0057】

旋回スクロール２２側の内周には、円環状のスラスト受部３１が設けられる。スラスト受部３１と旋回鏡板２２ａとの間には、スラストプレート３２が設けられる。スラストプレート３２は、例えば鉄等の金属材料により円環状の板体として形成される。旋回スクロール２２が旋回運動したときに、旋回鏡板２２ａに対して旋回スクロール２２の表面が摺動する。このとき、スラストプレート３２は、主に圧縮運転時に旋回スクロール２２に作用するスラスト方向（旋回スクロール２２を固定スクロール２１から離間させる方向）の荷重を、スラスト受部３１と共に受けとめる。これにより、ケーシング２３と旋回鏡板２２ａとのかじり、異常摩耗等が抑制される。

【0058】

スラスト受部３１と旋回鏡板２２ａとの間には、スラストプレート３２より中心寄りの位置に、オルダムリング３３が設けられる。オルダムリング３３は、駆動軸２４によって旋回スクロール２２が回転駆動されたときに、旋回スクロール２２の自転を抑制し、クランク軸２４Ａによる所定寸法の旋回半径を持った円運動を与える。

【0059】

不図示の電動モータ等により駆動軸２４を回転駆動させると、旋回スクロール２２が所定寸法の旋回半径で旋回運動する。これにより、吸入口２６から吸い込まれた外部の空気が、固定スクロールラップ２１ｂと旋回スクロールラップ２２ｂとの間に画成された圧縮膨張室２５で順次圧縮される。生成した圧縮空気は、固定スクロール２１の吐出口２７から、外部の空気タンク（不図示）等に吐出される。

【0060】

図５は、図４に示す気体圧縮機２０の固定スクロール２１及び旋回スクロール２２の一部を拡大した図である。固定スクロールラップ２１ｂの、旋回鏡板２２ａとの対向側の端面２１ｃには溝２１ｄが形成され、溝２１ｄにはチップシール２９１（摺動材）が嵌め込まれる。旋回スクロールラップ２２ｂの、固定鏡板２１ａとの対向側の端面２２ｃにも、溝２２ｄが形成され、溝２２ｄにもチップシール２９２（摺動材）が嵌め込まれる。

【0061】

旋回スクロール２２の旋回運動に伴い、チップシール２９１が旋回鏡板２２ａのラップ底面２１ｅ（摺動面）と摺動し、チップシール２９２が固定鏡板２１ａのラップ底面２２ｅ（摺動面）と摺動する。これにより、固定スクロールラップ２１ｂとラップ底面２１ｅとの接触、及び、旋回スクロールラップ２２ｂとラップ底面２２ｅとの接触を抑制でき、スムーズな摺動状態を得ることができる。

【0062】

図５において、固定スクロール２１及び旋回スクロール２２は、図１における部材１１に該当する。固定スクロール２１及び旋回スクロール２２（特にラップ底面２１ｅ，２２ｅ）は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料により構成される。ラップ底面２１ｅ，２２ｅは、固定スクロールラップ２１ｂ及び旋回スクロールラップ２２ｂとともに、圧縮膨張室２５を区画する。固定スクロール２１及び旋回スクロール２２のそれぞれの表面には、表面処理層１１ｂ（図１）の一例として、アルマイト層（不図示）が形成される。従って、気体圧縮機２０において、摺動面１１ｃは、アルミニウムを含むアルミニウム部材の表面に形成されるとともに、アルマイト層の表面である。

【0063】

スラストプレート３２と旋回鏡板２２ａとの摺動部３０において、これらの摺動面を形成するスラストプレート３２表面又は旋回鏡板２２ａの表面に、上記した、複合樹脂材をコーティングしてもよい。また、上記した説明では、スラストプレート３２を、鉄等の金属材料により形成した例を示したが、スラストプレート３２自体を、摺動材１２（複合樹脂材）により形成してもよい。

【0064】

なお、上記の説明では、気体圧縮機２０は、スラストプレート３２と、スラストプレート３２より中心寄りの位置に設けられたオルダムリング３３により、旋回スクロール２２の自転を抑制する機構（自転抑制機構）を備える。ただし、気体圧縮機２０は、上記の説明に限定されず、例えば補助クランク、オルダム継手（不図示）等の自転防止機構を備えるスクロール式の気体圧縮機でもよい。

【0065】

図６は、流体機械１００に関する別の実施形態として、レシプロ式の気体圧縮機４００を構成する気体圧縮部４０を示す図である。気体圧縮機４００には、２種の方式が存在する。１種目の方式は、コンロッドの圧縮膨張室側端部に軸受があり、その軸受により首振り可能に支持されたピストンを有する通常ピストン方式である。通常ピストン方式の気体圧縮機は、軸受により首振り可能に支持されたピストンが往復動することにより気体を圧縮する。２種目の方式は、コンロッドの圧縮膨張室側に軸受がなく、コンロッドと一体になったピストンを有する揺動ピストン方式である。図６は、一例として、２種目の方式である揺動ピストン方式の気体圧縮部４０を示す。

【0066】

気体圧縮部４０は、シリンダ４１と、シリンダ４１内部を揺動しながら往復動するピストン４２と、を備える。シリンダ４１（部材１１の一例）は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系材料により構成される。シリンダ４１の内表面４８には、表面処理層１１ｂ（図１）の一例として、アルマイト層（不図示）が形成される。ただし、アルマイト層等の表面処理層１１ｂは形成されなくてもよい。アルマイト層は、自然参加により形成されてもよく、アルマイト処理により形成されてもよい。内表面４８は摺動面１１ｃの一例であり、内表面４８は、アルミニウムを含むアルミニウム部材の表面に形成されるとともに、アルマイト層の表面である。また、内表面４８は、仕切り板４５、ピストン４２とともに、圧縮膨張室４４を区画する。

【0067】

ピストン４２には、ピストンリング４３（摺動材１２の一例）が環装される。シリンダ４１内の、ピストン４２の上部の空間には、気体を圧縮又は膨張させる作動空間の圧縮膨張室４４が形成される。圧縮膨張室４４は、気体圧縮機４００（流体機械１００の一例）に備えられ、圧縮又は膨張の少なくとも一方を行う室の一例である。ただし、圧縮膨張室４４は、圧縮及び膨張の双方を行う室でもよい。

【0068】

シリンダ４１の上端は、仕切り板４５により閉鎖され、仕切り板４５には、吸入口４５ａと吐出口４５ｂとが設けられる。吸入口４５ａ及び吐出口４５ｂには、吸入弁４５ｃ及び吐出弁４５ｄが設けられる。吸入口４５ａ及び吐出口４５ｂには、それぞれ配管（不図示）に接続される。

【0069】

気体圧縮の作動原理が以下で説明される。ピストン４２はコンロッド４６と一体で構成される。クランクシャフト４７の回転に伴い、ピストン４２が上下動する。これにより、吸入口４５ａから圧縮膨張室４４内に気体が吸入され、圧縮膨張室４４内で気体が圧縮される。圧縮された気体（圧縮気体）は、吐出口４５ｂを通って外部に排出され、配管（不図示）により回収される。

【0070】

気体圧縮機４００における摺動部５０が以下で説明される。摺動部５０は、気体圧縮機４００（流体機械１００の一例）に備えられ、圧縮膨張室４４を区画する内表面４８を摺動するピストンリング４３（摺動材１２の一例）を備える。ピストンリング４３は、上記のようにピストン４２の外周に嵌装される。ピストン４２は、ピストン４２を支持するコンロッド４６とは別部品である。コンロッド４６は、金属製でもよいし、樹脂製でもよい。ピストン４２の上下の往復動に伴い、ピストン４２及びピストンリング４３がシリンダ４１の内周面を摺動する。

【0071】

上記の説明では、レシプロ式の気体圧縮機４００は揺動ピストン方式であるが、これに限定されず、例えば上記通常ピストン方式でもよい。通常ピストン方式では、例えば、摺動材であるピストンリング、ライダーリング等（何れも不図示）に摺動材１２を適用できる。

【0072】

気体圧縮機２０，４００により供給される気体は、空気に限定されず、大気でもよく、水蒸気が極端に少ない乾燥ガスでもよい。乾燥ガスの例としては、露点が－３０℃以下のガスが挙げられる。例えば、合成空気、高純度窒素ガス、酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス等が挙げられる。

【0073】

摺動材１２は、圧縮する気体の種類に拠らずに、十分な摩耗耐久性及び低摩擦効果を発現できる。このため、摺動材１２を適用した気体圧縮機を、例えば乾燥ガスの圧縮に供することもできる。

【実施例0074】

以下、実施例を挙げて、本開示が更に具体的に説明される。

【0075】

摩擦試験法を用いた実験により、摺動材１２の摩耗耐久性向上及び摩擦低減の効果を確認した。

【0076】

＜使用材料＞
実施例１～３、比較例１及び２の検討において、樹脂材１２ａ（図１）としてポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、繊維材１２ｂ（図１）として炭素繊維を用いた。複合材１２ｃ（図１）に対する繊維材１２ｂの含有量は１０質量％とした。炭素繊維の長さ及び直径は、上記測定方法に基づく平均長さ及び平均直径として、長さ１３０μｍ、直径１２μｍであった。

【0077】

実施例１～３では、繊維材１２ｂの配向性（本開示の配向性）が５０％以上とした。具体的には、実施例１では７５％、実施例２では６０％、実施例３では５０％であった。一方で、比較例１及び２では、繊維材１２ｂの配向性（本開示の配向性）が５０％未満とした。具体的には、比較例１では３５％、比較例２では２０％であった。使用した材料、及び、繊維材１２ｂの配向性を以下の表１に纏めた。

【0078】

【表1】

【0079】

＜摩擦試験の方法＞
図７は、摩擦試験の方法を説明する図である。実施例１～３、比較例１及び２の各複合材１２ｃを、ブロック状の試験片６１に成型した。試験片６１は、上記摺動材１２（図１）を模したものである。試験片６１は、幅６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ５ｍｍの直方体において、上面のうちの長手方向の対向する２辺においてＣ面取りを行うことで作製した。Ｃ面取りは、０．５ｍｍずつとした。

【0080】

摩擦試験で使用した試験片６２を以下の方法で作製した。試験片６２は、例えば上記部材１１（図１）を模したものである。アルミニウム合金を、外径１３ｍｍ及び内径９ｍｍのリング状（円環状、円筒状）に成型することで、試験片６２を作製した。試験片６２の表面（特に下面）には、硫酸アルマイト処理によりアルマイト層を形成した。

【0081】

摩擦試験は、試験片６１の上面に、リング状の試験片６２の下面を接触及び回転（即ち摺動）させることで行った。試験条件として、接触圧は０．９ＭＰａ、回転速度は１．９ｍ／ｓ、温度は９０℃に制御し、１５時間回転させた。

【0082】

図８は、摩擦試験で得た摩耗量の結果を示す図である。摩耗量は、摩耗試験前後での試験片６１の質量差とした。図８及び後記図９の何れにおいても、比較例２を１としたときの相対値で表した。実施例１～３では、何れも比較例２と比べて、摩耗量が０．３（３０％）程度に迄低減された。一方で、比較例１では、比較例２と比べて摩耗量が０．９（９０％）程度であり、比較例１と比較例２とでは摩耗量に大きな差が無いことがわかった。

【0083】

図９は、摩擦試験で得た摩擦係数の結果を示す図である。摩擦係数は、摩擦試験前後での質量減少量（摩耗量）を試験片６１の密度で除することで求めた。摩擦係数が小さいほど摩耗し難く、耐摩耗性等の耐久性が高いといえる。実施例１～３では、何れも比較例２と比べて、摩擦係数が０．６（６０％）程度に迄小さくなった。一方で、比較例１は、比較例２とほぼ同じであり、摩擦係数に大きな差が無いことがわかった。

【0084】

これらの結果から、繊維材１２ｂの配向性（本開示の配向性）を５０％以上に制御することで、摩耗量を低減し、及び摩擦係数を小さくできることが分かった。特に図９に示すように、５０％を境界に、実施例１～３と、比較例１～２とで全く異なる結果が得られており、繊維材１２ｂの配向性を５０％以上にすることの優位性が図９から確認できる。このような結果は、繊維材１２ｂの大部分が摺動材１２の摩耗方向に沿って配向しているため、摺動時に繊維材１２ｂが樹脂材１２ａから抜け難くなった結果と考えられる。そして、抜け難いため、繊維材１２ｂは長期に亘って摺動面１２ｄからの荷重を支持でき、アブレシブ作用を抑制できたと考えられる。従って、繊維材１２ｂの配向性を５０％以上にすることにより、摺動材１２の摩耗耐久性の向上及び摩擦係数の低減を両立できることを確認できた。

【0085】

従って、摺動材１２を、例えばスクロール式気体圧縮機のチップシール、レシプロ式気体圧縮機のピストン等に適用することで、チップシール、ピストン等の摩耗耐久性を向上できるため、これらの交換寿命を長期化できる。また、摩擦による損失を低減できる。このため、例えばスクロール式気体圧縮機、レシプロ式気体圧縮機等の流体機械のメンテナンスサイクル及び寿命の延長と、効率の向上とを図ることができる。

【0086】

一方で、比較例１は、比較例２とほぼ同じであり、摩耗量及び摩擦係数に大きな差が無いことがわかった。この結果は、複合材１２ｃのせん断強度が低下し、且つ摺動面１２ｄにおける樹脂材１２ａとの接触面積が減るために繊維材１２ｂの脱落が増加したためと考えられる。この結果、アブレシブ作用により、摩耗量が増加し、摩擦係数が高くなったと考えられる。

【符号の説明】

【0087】

１０ 摺動部
１００ 流体機械
１１ 部材
１１ａ 金属材
１１ｂ 表面処理層
１１ｃ 摺動面
１２ 摺動材
１２ａ 樹脂材
１２ｂ 繊維材
１２ｃ 複合材
１２ｃ 複合材
１２ｄ 摺動面
２０ 気体圧縮機
２１ 固定スクロール
２１ａ 固定鏡板
２１ｂ 固定スクロールラップ
２１ｃ 端面
２１ｄ 溝
２１ｅ ラップ底面（摺動面）
２２ 旋回スクロール
２２ａ 旋回鏡板
２２ｂ 旋回スクロールラップ
２２ｃ 端面
２２ｅ ラップ底面（摺動面）
２５ 圧縮膨張室（室）
２９１ チップシール（摺動材）
２９２ チップシール（摺動材）
３０ 摺動部
４０ 気体圧縮部
４００ 気体圧縮機
４１ シリンダ
４２ ピストン
４３ ピストンリング（摺動材）
４４ 圧縮膨張室（室）
４５ 仕切り板
４８ 内表面（摺動面）
５０ 摺動部
６１，６２ 試験片
Ｌ１，Ｌ２ 軸

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】