特許 7551808 ピストンリング、往復動圧縮機及びピストンリングの選定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-06

(45)【発行日】2024-09-17

(54)【発明の名称】ピストンリング、往復動圧縮機及びピストンリングの選定方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 39/00 20060101AFI20240909BHJP

   F16J 9/28 20060101ALI20240909BHJP

【ＦＩ】

F04B39/00 107J

F16J9/28

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023033442

(22)【出願日】2023-03-06

(62)【分割の表示】P 2019085660の分割

【原出願日】2019-04-26

(65)【公開番号】P2023067967

(43)【公開日】2023-05-16

【審査請求日】2023-03-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100162765

【弁理士】

【氏名又は名称】宇佐美 綾

(72)【発明者】

【氏名】大塚 友裕

(72)【発明者】

【氏名】兼井 直史

【審査官】中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０１５８０７５３（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０２０２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】カナダ国特許出願公開第０３０４３８６７（ＣＡ，Ａ１）

【文献】特開平０８－３１９３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１０３２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００３９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００９０６０６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ３９／００

Ｆ１６Ｊ ９／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスを圧縮する多段式の往復動圧縮機の少なくとも最終段に用いられ、ピストンの外周部とシリンダの内壁面との間の隙間をシールするピストンリングであって、
ポリテトラフルオロエチレンとポリイミド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を含まず、かつ、引張強度が４４．８ＭＰａ以上且つ１００ＭＰａ未満の範囲内である、ピストンリング。

【請求項2】

引張強度が５５ＭＰａ以下である、請求項１に記載のピストンリング。

【請求項3】

水素ステーションにおいて水素ガスを所定の圧力まで昇圧する多段式の往復動圧縮機であって、
水素ガスが吸入される圧縮室が形成されたシリンダ体と、
前記シリンダ体内に配置され、前記圧縮室の容積が変わるように前記シリンダ体内を往復運動するピストンと、
少なくとも最終段において前記ピストンの外周部に装着され、前記ピストンの外周部と前記シリンダ体の内壁面との間の隙間をシールする請求項１又は２に記載のピストンリングと、を備えた、往復動圧縮機。

【請求項4】

水素ガスを圧縮する多段式の往復動圧縮機の少なくとも最終段に用いられ、ピストンの外周部とシリンダの内壁面との間の隙間をシールするピストンリングを選定する方法であって、
ポリテトラフルオロエチレンとポリイミド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を含まず、かつ、引張強度が４４．８ＭＰａ以上且つ１００ＭＰａ未満の範囲内であるものを、ピストンの外周部に装着されるピストンリングとして選定する、ピストンリングの選定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ピストンリング、往復動圧縮機及びピストンリングの選定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、往復動圧縮機において、ピストンの外周部とシリンダの内壁面との間の隙間を通じた圧縮室からのガス漏れを防ぐために、ピストンリングが用いられている。特許文献１には、このようなピストンリングの一例として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）の材料から形成されたピストンリングが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００３－４９９４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明者等は、ＰＰＳを含むピストンリングを水素ステーション用の往復動圧縮機に用いた場合に、以下の問題が生じることに着目した。すなわち、水素ガスの圧縮動作中にピストンリングに含まれるＰＰＳの硫黄成分がガス化し、ガス化した硫黄成分が圧縮ガス中に混入し、当該圧縮ガスが硫黄成分を含んだ状態で燃料電池自動車（ＦＣＶ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）に充填される場合がある。この場合、ガス中の硫黄成分が、燃料電池の正常な作動に悪影響を及ぼす可能性がある（例えば、発電効率の低下）。

【0005】

このため、水素ステーション用の往復動圧縮機では、ＰＰＳを含むピストンリングの使用を避ける必要があるが、ＰＰＳを含まないピストンリングでは、ＰＰＳを含むピストンリングに比べて寿命が大幅に低下する。したがって、ＰＰＳを含まないピストンリングを用いた場合には、ＦＣＶへの硫黄成分の混入を抑制し得る一方で、ピストンリングのシール性を長期の運転期間に亘って維持するのが困難になる。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＰＰＳを含まなくても長期の運転期間に亘ってシール性を維持することが可能なピストンリング、当該ピストンリングを備えた往復動圧縮機、当該ピストンリングを選定する方法及び当該ピストンリングの寿命を評価可能な方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一局面に係るピストンリングは、往復動圧縮機に用いられるピストンリングであって、ポリテトラフルオロエチレンと、ポリエーテルエーテルケトン及びポリイミド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を含まず、かつ、引張強度が１５ＭＰａよりも大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内である。

【0008】

本発明者等は、ＰＰＳを含まないピストンリングの寿命を改善するために鋭意研究を行った。その結果、本発明者等は、ピストンリングの種々の特性のうち引張強度に着目し、これを適切な範囲内に調整することにより、ＰＰＳを添加しない場合であってもピストンリングの高いシール性を長期間に亘って維持可能になることを見出した。

【0009】

本発明は、上述の観点に基づいてなされたものである。すなわち、本発明の一局面に係るピストンリングは、引張強度が１５ＭＰａよりも大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内に調整されており、引張強度が上記範囲外（１５ＭＰａ以下又は１００ＭＰａ以上）であるピストンリングに比べて寿命が大幅に改善されている。したがって、このピストンリングを往復動圧縮機のピストンに装着して使用することにより、ＰＰＳ由来の硫黄成分が圧縮ガス中に混入するのを抑制すると共に、長期の運転期間に亘って圧縮室からのガス漏れを抑制することが可能になる。

【0010】

上記ピストンリングにおいて、引張強度が５５ＭＰａ以下であってもよい。

【0011】

これにより、ピストンリングの寿命を改善すると共に、５５ＭＰａよりも大きい場合と比べて引張強度が大きい（ピストンリングが硬い）ことによるシール性の低下を防ぐことが可能となる。

【0012】

本発明の他の局面に係る往復動圧縮機は、水素ステーションにおいて水素ガスを所定の圧力まで昇圧する往復動圧縮機であって、水素ガスが吸入される圧縮室が形成されたシリンダ体と、前記シリンダ体内に配置され、前記圧縮室の容積が変わるように前記シリンダ体内を往復運動するピストンと、前記ピストンの外周部に装着され、前記ピストンの外周部と前記シリンダ体の内壁面との間の隙間をシールする上記ピストンリングと、を備えている。

【0013】

この往復動圧縮機においては、ＰＰＳを含まないピストンリングが用いられているため、ＰＰＳ由来の硫黄成分が水素ガス中に混入するのを防ぐことができる。これにより、ＰＰＳ由来の硫黄成分が、ＦＣＶに搭載された燃料電池の正常な作動に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。しかも、引張強度を適切な範囲内に調整することによってピストンリングの寿命が改善されているため、長期の運転期間に亘って高いシール性を維持することが可能であり、圧縮室からのガス漏れを効果的に抑制することができる。

【0014】

本発明のさらに他の局面に係るピストンリングの選定方法は、往復動圧縮機に用いられるピストンリングを選定する方法であって、ポリテトラフルオロエチレンと、ポリエーテルエーテルケトン及びポリイミド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を含まず、かつ、引張強度が１５ＭＰａよりも大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内であるものを、ピストンの外周部に装着されるピストンリングとして選定する。

【0015】

この方法によれば、ＰＰＳを含まず且つ寿命が改善されたピストンリングを選定することができる。このピストンリングをピストンに装着して往復動圧縮機を運転することにより、ＰＰＳ由来の硫黄成分が圧縮ガス中に混入するのを抑制すると共に、圧縮室からのガス漏れを長期間に亘って抑制することができる。

【0016】

本発明のさらに他の局面に係るピストンリングの寿命評価方法は、往復動圧縮機に用いられるピストンリングの寿命を評価する方法であって、前記往復動圧縮機の運転時間と、前記ピストンリングとシリンダ体との間の隙間を通じた圧縮ガスの漏出によって圧力上昇の影響を受ける空間内の圧力と、の相関関係を調査することと、前記空間内の圧力が予め定められた閾値に到達する時の前記運転時間を前記相関関係に基づいて決定し、決定された前記運転時間を前記ピストンリングの寿命として評価すること、とを含む。

【0017】

この方法によれば、ピストンリングの摩耗量を直接測定しなくても、圧縮ガスの漏出によって圧力上昇の影響を受ける空間内の圧力を監視することにより、ピストンリングの寿命を正確に評価することができる。したがって、ピストンリングの摩耗量を直接測定する場合と異なり、圧縮機を都度分解する必要もないため、簡単にリング寿命を評価することが可能になる。

【発明の効果】

【0018】

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ＰＰＳを含まなくても長期の運転期間に亘ってシール性を維持することが可能なピストンリング、当該ピストンリングを備えた往復動圧縮機、当該ピストンリングを選定する方法及び当該ピストンリングの寿命を評価可能な方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る往復動圧縮機の構成を模式的に示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係る往復動圧縮機における各圧縮部の構成を模式的に示す図である。

【図3】往復動圧縮機の運転時間と、圧縮室と反対側の空間内の圧力の閾値到達率と、の関係を示すグラフである。

【図4】ピストンリングの引張強度とピストンリングの目標寿命到達率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

【0021】

（往復動圧縮機）
まず、本実施形態に係る往復動圧縮機１（レシプロ圧縮機）の構成を、図１及び図２を参照して説明する。

【0022】

本実施形態に係る往復動圧縮機１は、水素ステーションにおいて水素ガスを所定の圧力まで（例えば、０．７ＭＰａから８２ＭＰａまで）昇圧するものである。往復動圧縮機１により圧縮された水素ガスは、蓄圧器（図示しない）において貯留され、プレクーラ（図示しない）においてブライン等との熱交換を介して冷却された後、ディスペンサ（図示しない）によりＦＣＶへ燃料として充填される。

【0023】

往復動圧縮機１は、クランクシャフト（図示しない）と、クランクケース２０と、水素ガスを圧縮する第１圧縮部１００及び第２圧縮部２００と、接続部３００と、ピストンリング２と、を主に備えている。本実施形態に係る往復動圧縮機１は、５つの圧縮室が直列に設けられた５段の圧縮機であり、第１圧縮部１００及び第２圧縮部２００が重力方向（図１中の上下方向）に延びる姿勢で設置されている。しかし、圧縮室の段数は特に限定されず、また第１圧縮部１００及び第２圧縮部２００が水平方向に延びる姿勢で往復動圧縮機１が設置されていてもよい。以下、往復動圧縮機１の各構成要素をそれぞれ説明する。

【0024】

クランクケース２０は、クランクシャフトを保持すると共に図１中の上向きに開口する箱状の本体２２と、本体２２の開口を塞ぐ形状を有する蓋部２４と、を有している。

【0025】

第１圧縮部１００は、第１往復動変換部１１０と、第１シリンダ体１２０と、第１加圧部１３０と、を有している。第１往復動変換部１１０は、クランクシャフトに接続されており、クランクシャフトの回転に伴ってクランクシャフトの軸方向に対して直交する方向（図１中の上下方向）に沿って直線的に往復運動する。

【0026】

第１シリンダ体１２０は、第１低段シリンダ１２１と、第１高段シリンダ１２４と、を有している。第１低段シリンダ１２１及び第１高段シリンダ１２４の内部は、例えば円筒状に加工されており、水素ガスが吸入される圧縮室が形成されている。

【0027】

第１低段シリンダ１２１は、蓋部２４の上部に接続されている。図２に示すように、第１低段シリンダ１２１の内部には、最も低段の圧縮室である第１圧縮室１２１Ｓと、第１圧縮室１２１Ｓよりも１つ高段側の圧縮室である第２圧縮室１２２Ｓと、がそれぞれ設けられている。

【0028】

第１高段シリンダ１２４は、第１低段シリンダ１２１の上部に接続されている。第１高段シリンダ１２４の内径は、第１低段シリンダ１２１の内径よりも小さく設定されている。第１高段シリンダ１２４の内部には、第２圧縮室１２２Ｓよりも２つ高段側の圧縮室である第４圧縮室１２４Ｓが設けられている。

【0029】

第１加圧部１３０は、第１低段ピストン１３２と、第１高段ピストン１３４と、を有している。第１低段ピストン１３２は円柱状に形成され、第１往復動変換部１１０の第１ピストンロッド１１６の上端部に接続されている。第１低段ピストン１３２は、第１低段シリンダ１２１内に配置され、第１圧縮室１２１Ｓ及び第２圧縮室１２２Ｓの容積が変わるように第１低段シリンダ１２１内を上下方向に往復運動する。

【0030】

より具体的には、第１低段シリンダ１２１内において、第１低段ピストン１３２よりも図２中下側の空間が第１圧縮室１２１Ｓとなっており、第１低段ピストン１３２よりも図２中上側の空間が第２圧縮室１２２Ｓとなっている。つまり、第１圧縮室１２１Ｓと第２圧縮室１２２Ｓとは、第１低段ピストン１３２を挟んで隔離されている。第１シリンダ体１２０では、第１低段ピストン１３２が摺動方向における一方側（図２中の下側）に変位した時に第１圧縮室１２１Ｓ内で水素ガスが圧縮される。一方、第１低段ピストン１３２が摺動方向における他方側（図２中の上側）に変位した時に第２圧縮室１２２Ｓ内で水素ガスが圧縮される。

【0031】

第１高段ピストン１３４は、円柱状に形成されると共に、第１低段ピストン１３２の上部に接続されている。第１高段ピストン１３４は、第１高段シリンダ１２４内に配置され、第４圧縮室１２４Ｓの容積が変わるように第１高段シリンダ１２４内を上下方向に往復運動する。具体的には、第１高段ピストン１３４は、摺動方向における他方側（図２中の上側）に変位した時に、第４圧縮室１２４Ｓ内で水素ガスを圧縮する。

【0032】

第１低段ピストン１３２及び第１高段ピストン１３４は、同時に同じ方向に摺動するため、第２圧縮室１２２Ｓ及び第４圧縮室１２４Ｓでは水素ガスが同時に圧縮される。また第１圧縮室１２１Ｓ及び第２圧縮室１２２Ｓは、第１低段ピストン１３２の両側に形成されているため、第１圧縮室１２１Ｓの吸込タイミングが第２圧縮室１２２Ｓの吐出タイミングと同じになり、第１圧縮室１２１Ｓの吐出タイミングが第２圧縮室１２２Ｓの吸込タイミングと同じになる。

【0033】

第２圧縮部２００は、第２往復動変換部２１０と、第２シリンダ体２２０と、第２加圧部２３０と、を有している。第２往復動変換部２１０は、第１往復動変換部１１０と１８０度位相がずれた状態でクランクシャフトに接続されており、クランクシャフトの回転に伴ってクランクシャフトの軸方向に対して直交する方向（図１中の上下方向）に沿って直線的に往復運動する。なお、第２往復動変換部２１０の第１往復動変換部１１０に対する位相のずれは、厳密に１８０度である必要はなく、数度ないし十数度ずれていてもよい。第２往復動変換部２１０の構造は、基本的に第１往復動変換部１１０の構造と同じである。

【0034】

第２シリンダ体２２０は、第２低段シリンダ２２３と、第２高段シリンダ２２５と、を有している。第２低段シリンダ２２３及び第２高段シリンダ２２５の内部は、例えば円筒状に加工されており、水素ガスが吸入される圧縮室が形成されている。

【0035】

第２低段シリンダ２２３は、第１低段シリンダ１２１と並んで蓋部２４の上部に接続されている。図２に示すように、第２低段シリンダ２２３の内部には、第２圧縮室１２２Ｓよりも１つ高段側の圧縮室である第３圧縮室２２３Ｓが設けられている。

【0036】

第２高段シリンダ２２５は、第２低段シリンダ２２３の上部に接続されている。第２高段シリンダ２２５の内径は、第２低段シリンダ２２３の内径よりも小さく設定されている。第２高段シリンダ２２５の内部には、第４圧縮室１２４Ｓよりも１つ高段側の圧縮室である第５圧縮室２２５Ｓが設けられている。

【0037】

第２加圧部２３０は、第２低段ピストン２３３と、第２高段ピストン２３５と、を有している。第２低段ピストン２３３は円柱状に形成され、第２往復動変換部２１０の第２ピストンロッド２１６の上端部に接続されている。第２低段ピストン２３３は、第２低段シリンダ２２３内に配置され、第３圧縮室２２３Ｓの容積が変わるように第２低段シリンダ２２３内を上下方向に往復運動する。第２高段ピストン２３５は、円柱状に形成されると共に、第２低段ピストン２３３の上部に接続されている。第２高段ピストン２３５は、第２高段シリンダ２２５内に配置され、第５圧縮室２２５Ｓの容積が変わるように第２高段シリンダ２２５内を上下方向に往復運動する。

【0038】

第２低段ピストン２３３は、摺動方向における他方側（図２中の上側）に変位した時に、第３圧縮室２２３Ｓ内で水素ガスを圧縮する。第２高段ピストン２３５も、摺動方向における他方側（図２中の上側）に変位した時に、第５圧縮室２２５Ｓ内で水素ガスを圧縮する。第３圧縮室２２３Ｓ及び第５圧縮室２２５Ｓでは、水素ガスが同時に圧縮される。また上述の通り、第２往復動変換部２１０の位相が第１往復動変換部１１０の位相と１８０度ずれているため、第２加圧部２３０が第３圧縮室２２３Ｓ及び第５圧縮室２２５Ｓにおいて水素ガスを圧縮するのと同時に、第１加圧部１３０が第１圧縮室１２１Ｓにおいて水素ガスを圧縮する。

【0039】

接続部３００は、往復動圧縮機１における各圧縮室同士を接続している。具体的には、接続部３００は、第１圧縮室１２１Ｓと第２圧縮室１２２Ｓとを接続する第１接続流路３０１と、第２圧縮室１２２Ｓと第３圧縮室２２３Ｓとを接続する第２接続流路３０２と、第３圧縮室２２３Ｓと第４圧縮室１２４Ｓとを接続する第３接続流路３０３と、第４圧縮室１２４Ｓと第５圧縮室２２５Ｓとを接続する第４接続流路３０４と、を有している。これにより、往復動圧縮機１内において、第１圧縮室１２１Ｓから、第２圧縮室１２２Ｓ、第３圧縮室２２３Ｓ、第４圧縮室１２４Ｓ、第５圧縮室２２５Ｓへと順に続く水素ガスの流路が形成されている。第３圧縮室２２３Ｓと第５圧縮室２２５Ｓとの間の圧力差は、４０ＭＰａ以上９０ＭＰａ以下であり、一例として約６０ＭＰａである。また図２に示すように、第２接続流路３０２には、当該第２接続流路３０２内における水素ガスの圧力を検知する圧力センサ３が設けられている。

【0040】

往復動圧縮機１の駆動時には、第１圧縮室１２１Ｓに吸い込まれた水素ガスは圧縮された後、第１圧縮室１２１Ｓから吐出されるのと同じタイミングで第２圧縮室１２２Ｓに吸い込まれる。第２圧縮室１２２Ｓに吸い込まれた水素ガスは圧縮された後、第２圧縮室１２２Ｓから吐出されるのと同じタイミングで第３圧縮室２２３Ｓに吸い込まれる。さらに、第３圧縮室２２３Ｓ内の水素ガスは吐出されるのと同じタイミングで第４圧縮室１２４Ｓに吸い込まれる。第４圧縮室１２４Ｓ内の水素ガスは吐出されるのと同じタイミングで第５圧縮室２２５Ｓに吸い込まれる。

【0041】

（ピストンリング）
次に、ピストンリング２について詳細に説明する。ピストンリング２は、各ピストン（第１低段ピストン１３２、第１高段ピストン１３４、第２低段ピストン２３３、第２高段ピストン２３５）の外周部に装着され、当該ピストンの外周部とシリンダ体（第１低段シリンダ１２１、第１高段シリンダ１２４、第２低段シリンダ２２３、第２高段シリンダ２２５）の内壁面との間の隙間をシールする円環状の部品である。ピストンリング２を装着することにより、各圧縮室からのガス漏れを抑制することができる。ピストンリング２は、各ピストンの外周面に沿って環状に形成された凹溝（図示しない）内に装着されている。

【0042】

図２に示すように、第２高段ピストン２３５の外周部に複数のピストンリング２が装着されており、当該複数のピストンリング２によって第２高段ピストン２３５の外周部と第２高段シリンダ２２５の内壁面との間の隙間がシールされることにより、第５圧縮室２２５Ｓから第３圧縮室２２３Ｓ及び第２接続流路３０２側への水素ガスの漏れが抑制されている。また他のピストン（第１低段ピストン１３２、第１高段ピストン１３４及び第２低段ピストン２３３）の外周部にもピストンリング２が同様に装着されており、各圧縮室（第２圧縮室１２２Ｓ、第３圧縮室２２３Ｓ及び第４圧縮室１２４Ｓ）からの水素ガスの漏れが抑制されている。なお、各ピストンに装着されるピストンリング２の個数は特に限定されないが、本実施形態では、第２高段ピストン２３５に約２０個のピストンリング２が装着されている。

【0043】

ピストンリング２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）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）を含まないものである。またピストンリング２は、ＰＴＦＥと、ポリイミド（ＰＩ：ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）との合計量が全体の５０質量％以上であり、かつ、ＰＰＳを含まないものであってもよい。「ＰＴＦＥ及びＰＥＥＫ」又は「ＰＴＦＥ及びＰＩ」が、ピストンリング２の「ベースレジン」である。

【0044】

このように、ＰＰＳを含まないピストンリング２を用いることにより、ＰＰＳ由来の硫黄成分が圧縮ガス（水素ガス）中に混入するのを抑制することができる。これにより、燃料（水素ガス）の充填時にＦＣＶ内に硫黄成分が混入するのを抑制し、硫黄成分が燃料電池の正常な作動に影響を与えるのを抑制することができる。

【0045】

ここで、通常、ＰＰＳを含まないピストンリングではシール寿命が大幅に低下するのに対し、本実施形態に係るピストンリング２によれば、引張強度を適切な範囲内に調整することにより、水素ガス中への硫黄成分の混入を抑制すると共に、シール寿命の低下を抑制することも可能である。具体的には、本実施形態に係るピストンリング２は、引張強度が１５ＭＰａよりも大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内となっている。これにより、ＦＣＶへの硫黄成分の混入を抑制可能になると共に、引張強度が上記範囲外である場合に比べてシール寿命を長くすることができる。その結果、長期に亘る往復動圧縮機１の運転中においても十分なシール性を維持し、各圧縮室からのガス漏れを抑制することが可能になる。ピストンリング２の引張強度は、５５ＭＰａ以下であることが好ましく、また４５ＭＰａ以上であることが好ましく、４４．８ＭＰａ以上５５ＭＰａ以下であることがより好ましい。

【0046】

ピストンリング２は市販品であり、その「引張強度（引張強さ）」はピストンリングのカタログ等に記載された公称値である。しかし、「引張強度（引張強さ）」は、ＪＩＳ Ｋ７１６１（プラスチック－引張特性の試験方法 第１部：通則）に基づいて測定される値であってもよい。

【0047】

またピストンリング２は、上記ベースレジンの他に、例えばカーボンファイバーやグラファイト等の添加剤をさらに含んでいてもよい。カーボンファイバーとしては、ＰＡＮ（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）系やピッチ（ＰＩＴＣＨ）系のものがある。グラファイトとしては、人工グラファイトや天然グラファイトがある。しかし、これらの添加剤は本発明のピストンリングにおいて必須の成分ではなく、含まれなくてもよい。

【0048】

（ピストンリングの選定方法）
次に、本発明の実施形態に係るピストンリングの選定方法を説明する。

【0049】

本実施形態に係るピストンリングの選定方法は、上述した往復動圧縮機１の製造前において、各ピストン（第１低段ピストン１３２、第１高段ピストン１３４、第２低段ピストン２３３、第２高段ピストン２３５）に装着されるピストンリングを選ぶ方法である。

【0050】

具体的には、上述した本実施形態に係るピストンリング２、すなわちＰＴＦＥと、ＰＥＥＫ及びＰＩのうち一方の樹脂と、をベースレジンとして含むと共に、ＰＰＳを含まず、引張強度が１５ＭＰａよりも大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内であるものを、往復動圧縮機１の製造工程において上記各ピストンの外周部に装着されるピストンリングとして選定する。

【0051】

（ピストンリングの寿命評価方法）
次に、本実施形態に係るピストンリングの寿命評価方法を説明する。

【0052】

上述した本実施形態に係る往復動圧縮機１では、第２高段ピストン２３５に装着されたピストンリング２の摩耗が進行すると、第５圧縮室２２５Ｓから第２高段ピストン２３５の外周部と第２高段シリンダ２２５の内壁面との間の隙間を通じて第３圧縮室２２３Ｓへ漏出する水素ガスの量が増加する。これにより、第３圧縮室２２３Ｓにおける水素ガスの処理能力を超えてしまう結果、第２接続流路３０２内における水素ガスの圧力（以下、「第３段吸込圧」とも称する）が上昇する。本実施形態に係るピストンリングの寿命評価方法では、以下のように、往復動圧縮機１の運転中において第３段吸込圧を圧力センサ３によって継続的に監視することにより、第２高段ピストン２３５に装着されたピストンリング２の寿命を評価する。

【0053】

まず、往復動圧縮機１の運転時間と、第３段吸込圧と、の相関関係を調査する。具体的には、往復動圧縮機１の運転を所定期間継続し、その間に、圧力センサ３による第３段吸込圧の測定を継続する。

【0054】

第３段吸込圧は、ピストンリング２と第２高段シリンダ２２５との間の隙間を通じた圧縮ガスの漏出によって圧力上昇の影響を受ける空間内の圧力、すなわち第２接続流路３０２内の圧力である。

【0055】

これにより、図３に例示的に示すように、往復動圧縮機１の運転期間（横軸）と、第３段吸込圧（縦軸）と、の関係を示すグラフが得られる。同グラフの横軸は、往復動圧縮機１の通算の運転時間を５時間（水素ステーションの１日当たりの規定の運転時間）で除した値である。また同グラフの縦軸は、第３段吸込圧の閾値（ピストンリング２の寿命が到来したと見做す時の第３段吸込圧の値）に対する第３段吸込圧の実際の測定値の比率（寿命到達率（％））を示している。また同グラフ中の（１）は、プロットデータに基づいて最小二乗法により算出した回帰直線である。なお、（１）は回帰直線に代えて回帰曲線であってもよい。

【0056】

次に、第３段吸込圧が予め定められた閾値に到達する時、すなわち図３のグラフの縦軸値である寿命到達率が１００（％）になる時の往復動圧縮機１の運転時間を、上記相関関係に基づいて決定し、決定された運転時間をピストンリング２の寿命として評価する。具体的には、図３中の回帰直線（１）を示す式にｙ値として１００（％）を代入した時のｘ値（図３中の点Ｐ１におけるｘ値）を、ピストンリング２の寿命として推定する。

【実施例】

【0057】

下記の表１の実施例１，２及び比較例１～５の各ピストンリングの寿命を、上記実施形態に係るピストンリングの寿命評価方法に従って評価した。なお、実施例１，２及び比較例１～５の各々において、同じピストンリングを第２高段ピストン２３５に２０個装着した。

【0058】

実施例１，２及び比較例１～５の各ピストンリングの材料及び引張強度（ＭＰａ）は、下記の表１に示す通りである。表１中において、「○」印は該当する材料がピストンリングに含まれていることを意味し、「×」印は該当する材料がピストンリングに含まれていないことを意味する。実施例１ではＰＴＦＥとＰＩとの合計量が全体の５０質量％以上であり、実施例２ではＰＴＦＥとＰＥＥＫとの合計量が全体の５０質量％以上であった。「ＣＦ」はカーボンファイバー、「ＧＰ」はグラファイト、「ＴＰＩ」は熱可塑性ポリイミドをそれぞれ意味する。また「目標寿命到達率（％）」は、各ピストンリングについて寿命到達率を１００％とした時に回帰直線から得られる運転期間を、比較例１のピストンリングについて寿命到達率を１００％とした時に回帰直線から得られる運転期間により除して１００を乗じた値（％）である。図４は、表１のデータに基づくグラフであり、各ピストンリングの引張強度（横軸）と、目標寿命到達率（縦軸）と、の関係を示している。

【0059】

【表1】

【0060】

表１及び図４に示す結果に基づいて、以下の通り考察することができる。

【0061】

まず、比較例１と同様にベースレジンをＰＴＦＥとし、且つＰＰＳを添加しなかった比較例３では、比較例１に比べてピストンリングの寿命が大きく悪化した。また比較例２では、ピストンリングの強度を上げるためにベースレジンをＰＴＦＥ＋ＰＥＥＫとしたが、リング寿命は改善されなかった。この理由として、比較例２では、ピストンリングの引張強度が１００ＭＰａ以上であり（１０３ＭＰａ）、ＰＥＥＫの含有量が多いためにピストンリングが硬くなり過ぎてしまい、十分なシール性を確保することができなかったと考えられる。また比較例４，５においても、比較例２と同様にピストンリングの引張強度が１００ＭＰａ以上であり（１９５ＭＰａ、１４０ＭＰａ）、リング寿命は改善されなかった。

【0062】

これに対し、ベースレジンがＰＴＦＥ＋ＰＩであり且つ引張強度が１５ＭＰａより大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内（４４．８ＭＰａ）である実施例１、及びベースレジンがＰＴＦＥ＋ＰＥＥＫであり且つ引張強度が１５ＭＰａより大きく且つ１００ＭＰａ未満の範囲内（５５ＭＰａ）である実施例２では、比較例１を基準とする寿命低下の割合が比較例２～５に比べて小さくなった（目標寿命到達率が比較例２～５に比べて高くなった）。以上より、本発明のピストンリングによれば、ＰＰＳを含まなくても所望のシール寿命が達成されることが明らかとなった。また引張強度を指標として用いることにより、複数種のピストンリングの予測寿命の比較が可能であることも分かった。

【0063】

今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【0064】

ここで、本発明のその他実施形態について説明する。

【0065】

上記実施形態では、複数段（５段）の圧縮室が設けられた往復動圧縮機１を説明したが、本発明の往復動圧縮機は、圧縮室が１つのみ設けられた単段の往復動圧縮機にも適用することができる。

【0066】

上記実施形態では、第２高段ピストン２３５に装着されたピストンリング２の寿命を評価する場合を説明したが、他のピストンに装着されたピストンリングの寿命も同様に評価することが可能である。具体的には、ピストンリングと第１低段シリンダ１２１との間の隙間を通じた圧縮ガスの漏出によって圧力上昇の影響を受ける空間内の圧力に基づいて第１低段ピストン１３２に装着されたピストンリングの寿命を評価し、ピストンリングと第１高段シリンダ１２４との間の隙間を通じた圧縮ガスの漏出によって圧力上昇の影響を受ける空間内の圧力に基づいて第１高段ピストン１３４に装着されたピストンリングの寿命を評価し、ピストンリングと第２低段シリンダ２２３との間の隙間を通じた圧縮ガスの漏出によって圧力上昇の影響を受ける空間内の圧力に基づいて第２低段ピストン２３３に装着されたピストンリングの寿命を評価することができる。

【符号の説明】

【0067】

１ 往復動圧縮機
２ ピストンリング
１２０ 第１シリンダ体
１２１Ｓ 第１圧縮室
１２２Ｓ 第２圧縮室
１２４Ｓ 第４圧縮室
１３２ 第１低段ピストン
１３４ 第１高段ピストン
２２０ 第２シリンダ体
２２３Ｓ 第３圧縮室
２２５Ｓ 第５圧縮室
２３３ 第２低段ピストン
２３５ 第２高段ピストン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】