DE102006037504A1

DE102006037504A1 - Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor und Taumelscheibenkompressor

Info

Publication number: DE102006037504A1
Application number: DE102006037504A
Authority: DE
Inventors: Naonari Tanigawa; Takumi Hayashi; Kouzou Kakei; Satoru Fukuzawa
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2007-03-01
Also published as: KR20070026144A

Abstract

Es wird eine Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor vorgeschlagen, die ein Metallsubstrat und Beschichtungsschicht umfasst, die auf dem Substrat ausgebildet ist und eine hervorragende Fraßbeständigkeit, Haftung und Verschleißbeständigkeit aufweist, so dass die Taumelscheibe in einem Taumelscheibenkompressor, in dem Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet wird, über eine ausreichend lange Zeitdauer eingesetzt werden kann.
Auf der Oberfläche des Metallsubstrats der Taumelscheibe ist eine Schmierbeschichtung ausgebildet, die ein Fluorharz, ein wärmebeständiges Kunstharz und ein Metalloxidpulver umfasst. Das Fluorharz stellt eine Beständigkeit gegenüber einem Fraß sicher. Das wärmebeständige Kunstharz stellt eine ausreichende Haftung der Beschichtung an dem Metallsubstrat sicher. Das Metalloxidpulver stellt eine ausreichende Verschleißbeständigkeit sicher. Das Metallsubstrat kann also mit einer Beschichtungsschicht beschichtet werden, die eine hervorragende Fraßbeständigkeit, Haftung und Verschleißbeständigkeit aufweist. Die derart ausgebildete Taumelscheibe kann also in einem Taumelscheibenkompressor, in dem Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet wird, für eine ausreichend lange Zeitdauer eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor, der z.B. in einer Klimaanlage verwendet wird, sowie einen derartigen Taumelscheibenkompressor.
Ein Taumelscheibenkompressor umfasst ein Gehäuse, das mit einem Kühlmittel gefüllt ist, eine Drehwelle, die sich durch das Gehäuse erstreckt, und eine Taumelscheibe, die direkt oder indirekt über ein Verbindungsglied derart an der Drehwelle montiert ist, dass sie sich schräg relativ zu der Drehwelle zu erstreckt. Die Drehbewegung der Taumelscheibe wird durch Schuhe, die in einem Gleitkontakt mit der Taumelscheibe stehen, zu einer Hin- und Herbewegung von Kolben gewandelt, um das Kühlmittel zu komprimieren. Die in einem derartigen Taumelscheibenkompressor verwendeten Kolben sind doppelköpfige oder einfachköpfige Kolben. Wenn doppelköpfige Kolben verwendet werden, wird das Kühlmittel durch die zwei Köpfe jedes Kolbens auf beiden Seiten der Taumelscheibe erweitert und komprimiert. Wenn einfachköpfige Kolben verwendet werden, wird das Kühlmittel durch den einzelnen Kopf jedes Kolbens auf einer Seite der Taumelscheibe erweitert und komprimiert. Die Schuhe sind also entweder nur auf einer Seite der Taumelscheibe oder auf beiden Seiten der Taumelscheibe vorgesehen.

Unmittelbar nach dem Start eines derartigen Taumelscheibenkompressors werden die Taumelscheibe und die Schuhe, die alle aus Metall ausgebildet sind, in einen Gleitkontakt gebracht, wobei keine Schmierung zwischen denselben vorgesehen ist, bevor das Schmieröl in das Gehäuse fließt. Deshalb kann ein Fraß zwischen denselben auftreten. Um einen derartigen Fraß zu verhindern, wurde vorgeschlagen, durch Flammspritzen eine Metallbeschichtung aus Kupfer oder Aluminium auf der Oberfläche der Metall-Taumelscheibe, die in einen Gleitkontakt mit den Schuhen gebracht wird, auszubilden, wobei dann auf der flammgespritzten Metallschicht eine Schicht aus einer Blei-Plattierung, Zinn-Plattierung oder Blei-Zinn-Plattierung oder eine Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Molybdändisulfid oder einer Mischung aus Molybdändisulfid und Graphit ausgebildet wird (JP-Patentveröffentlichung 8-199327A; Veröffentlichung 1), eine Gleitschicht mit einem Polyamid/-imid-Kunstharz (PAI) als unter Wärme aushärtenden Kunstharz und einem Festschmiermittel, das PTFE umfasst und in dem PAI ausgehärtet ist, ausgebildet wird (JP-Patentveröffentlichung 2003-138287A; Veröffentlichung 2), oder eine Zwischenschicht, die hauptsächlich Zinn, Kupfer oder ein Metallphosphat umfasst, und eine Gleitkontaktschicht, die ein unter Wärme aushärtendes Kunstharz und wenigstens ein Festschmiermittel wie etwa Molybdänsulfid oder Graphit umfasst, ausgebildet wird (JP-Patentveröffentlichung 11-13638; Veröffentlichung 3).

Bei einem derzeit entwickelten Taumelscheibenkompressor, der Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet, steigt der Druck in dem Kompressor auf bis zu 10 MPa, sodass der Gleitdruck zwischen der Taumelscheibe und den Schuhen höher ist. Für die Beschichtung auf dem Metallsubstrat der Taumelscheibe ist deshalb eine höhere Haftung an dem Substrat und eine höhere Verschleißbeständigkeit erforderlich.

In der Anordnung der Veröffentlichung 1 muss eine Metallschicht aus Kupfer oder Aluminium auf der Oberfläche des Metallsubstrats durch Flammspritzen ausgebildet werden, wobei dann eine Plattierungsschicht oder eine Beschichtung auf der flammgespritzten Metallschicht ausgebildet wird. Dadurch wird die Anzahl der Herstellungsschritte für die Taumelscheibe deutlich erhöht, sodass sich die Herstellungskosten erhöhen. Eine Kunstharzbeschichtung wie etwa eine PTFE-Beschichtung auf einer flammgespritzten Metallschicht weist eine ausreichende Haftung auf dem Substrat und eine ausreichende Verschleißbeständigkeit auf, wenn die Taumelscheibe in einem Kompressor verwendet wird, in dem Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet wird.

Bei der Anordnung der Veröffentlichung 2 kann die Taumelscheibe in weniger Herstellungsschritten hergestellt werden. Wenn jedoch lediglich ein Festschmiermittel einschließlich von PTFE hinzugefügt wird, weist das PAI der Gleitschicht eine unzureichende Verschleißbeständigkeit für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor auf, in dem Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet wird. Die in der Veröffentlichung 3 angegebene Taumelscheibe, die die Zwischenschicht und die Gleitkontaktschicht umfasst, weist ebenfalls eine unzureichende Haftung und Verschleißbeständigkeit für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor auf, in dem Kohlendioxid als Kühlmittel verwendet wird.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor anzugeben, der ein Metallsubstrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Beschichtung umfasst, die eine hervorragende Fraßbeständigkeit, Haftung und Verschleißbeständigkeit aufweist, wobei die Taumelscheibe in einem Taumelscheibenkompressor, in Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet wird, über eine ausreichend lange Zeitdauer eingesetzt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Taumelscheibe für einen Taumelscheibenkompressor angegeben, der umfasst: ein Gehäuse, das mit einem Kühlmittel gefüllt ist, eine Drehwelle, die sich durch das Gehäuse erstreckt, die Taumelscheibe, die direkt oder indirekt über ein Verbindungsglied derart an der Drehwelle montiert ist, dass sie sich schräg relativ zu der Drehwelle erstreckt, Kolben sowie Schuhe, die zwischen der Taumelscheibe und den Kolben angeordnet sind und in einem Gleitkontakt mit der Taumelscheibe stehen, sodass eine Drehbewegung der Taumelscheibe über die Schuhe in eine Hin- und Herbewegung der Kolben gewandelt wird, wobei das Kühlmittel in dem Gehäuse alternierend komprimiert und erweitert wird, wobei die Taumelscheibe ein Metallsubstrat und eine Schmierbeschichtung umfasst, die aus einem Fluorharz, einem wärmebeständigen Harz und einem Metalloxidpulver besteht und auf einer Fläche des Metallsubstrats ausgebildet ist, mit der die Schuhe in einen Gleitkontakt gebracht werden.

Das Fluorharz weist eine geringe Reibung auf, sodass es gegenüber einem Fraß an der Schmierbeschichtung beständig ist.

Das Fluorharz muss eine ausreichende Wärmebeständigkeit aufweisen, um der an den Gleitkontaktteilen zwischen der Schmierbeschichtung und den Schuhen erzeugten Temperatur zu widerstehen, und kann ein PTFE (Schmelzpunkt θ_M: 327°C; kontinuierlich verwendbare Temperatur θ_A: 260°C), ein Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Kopolymer (θ_M: 270°C; θ_A: 200°C), ein Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Kopolymer (θ_M: 310°C; θ_A: 260°C), ein Tetrafluorethylen-Ethylen-Kopolymer (θ_M: 270°C; θ_A: 150°C), ein Polychlortrifluorethylen (θ_M: 210°C; θ_A: 120°C) oder ein Ethylenchlortrifluorethylen-Kopolymer (θ_M: 240°C; θ_A: 150°C) oder ein Kopolymer oder ein Tripolymer sein.

Von diesen Fluorharzen weist das PTFE, das sich wiederholende Einheiten aus -CF₂CF₂- umfasst, eine ausreichend hohe Schmelzviskosität von 10¹⁰ bis 10¹¹ bei 340 bis 380°C auf, sodass auch bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt nicht zu einem Fluss neigt und damit die höchste Wärmebeständigkeit unter den Fluorharzen aufweist. Außerdem weist das PTFE hervorragende Gleiteigenschaften bei normaler Temperatur auf. Unter derartigen PTFEs ist insbesondere ein schmierendes PTFE-Pulver zu bevorzugen. Auf dem Markt erhältliche schmierende PTFE-Pulver sind POLYFLON M15 und LUBRON L-2 (beide von Daikin Industries, Ltd.), TEFLON TLP-10 (von DuPont) und FLUON G163 (von Asahi Glass Co., Ltd.). Schmierende PTFE-Pulver werden durch das Bestrahlen von rezykliertem PTFE, das durch das Kalzinieren und Pulverisieren von PTFE erzeugt wird, oder von einfachem PTFE durch Gammastrahlen vorbereitet, um das Molekulargewicht zu reduzieren. Ein auf dem Markt erhältliches Gamma-bestrahltes PTFE-Pulver ist KT400H (von KITAMURA Ltd.).

Das PTFE-Pulver kann in der Form eines Pulvers zum Gießen oder eines Feinpulvers für Festschmiermittel vorgesehen sein und einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,1 bis 20 μm und vorzugsweise von 0,2 bis 10 μm aufweisen. Innerhalb dieses Bereichs neigt das PTFE-Pulver weniger zu einer Agglomeration in dem Beschichtungsmittel, sodass es gleichmäßig in der Beschichtung verteilt ist.

Das wärmebeständige Kunstharz haftet fest an dem Metallsubstrat, ohne dass die Schmierschicht durch Wärme beeinträchtigt wird, und bindet weiterhin die Fluorharz-Pulverpartikeln oder die Metalloxid-Pulverpartikeln. Das wärmebeständige Kunstharz kann ein Kunstharz aus der Polyamid-Familie, der Epoxid-Familie, der Phenol-Familie oder der Silicon-Familie sein. Unter diesen weist ein Kunstharz aus der Polyimid-Familie die höchste Wärmebeständigkeit und Haftung auf.

Für die vorliegende Erfindung besonders geeignete Kunstharze der Polyimid-Familie sind Polyimid (PI), Polyamid/-imid (PAI), Polyesterimid und Polyesteramid-/imid. Unter diesen sind PI und PAI zu bevorzugen, wobei insbesondere ein aromatisches Polyimid und ein aromatisches Polyamid/-imid, in dem die Imid-Bindungen oder die Amid-Bindungen durch aromatische Gruppen erfolgen, zu bevorzugen ist.

PI wird durch einen Zyklus des Erhitzens und Dehydrierens von Polyamidcarbonsäure erhalten, das ein Polyimid-Vorläufer ist, der durch eine Ringöffnungs-Polyadditionsreaktion von Säure-Dianhydrid und Diamin in einem aprotischen polaren Lösungsmittel wie etwa N-Methyl-2-Pyrolidon (NMP) oder Dimethylacetamin (DMAC) erhalten wird. PI kann mit einer beigemischten Polyamidcarbonsäure verwendet werden.

PAI ist ein Kunstharz, das Imid-Bindungen und Amid-Bindungen aufweisen kann. Die Imid-Bindungen des aromatischen Polyamid/-imids können ein Vorläufer von z.B. Polyamidsäure, geschlossenen Imid-Ringen oder einer Mischung aus denselben sein. Einige dieser aromatischen Polyamid/-imid-Kunstharze werden aus aromatischen primären Diaminen (wie etwa Diphenylmethandiamin) und aromatischen tribasischen Säureanhydriden (wie etwa Monoacyl- oder Diacyl-Haloidderivaten von Trimellitatanhydriden) erhalten, während andere aus aromatischen Diisocyanat-Verbindungen (wie etwa Diphenylmethandiisocyanat) und aromatischen tribasischen Säure-Anhydriden erhalten werden. Einige der zuvor genannten PAIs können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Das Metalloxidpulver dient dazu, die Verschleißbeständigkeit der Schmierbeschichtung zu verbessern und kann in der Form eines Eisenoxids, Titanoxids, Magnesiumoxids oder Aluminiumoxids vorliegen.

Die Schmierbeschichtung kann durch das Auftragen eines Beschichtungsmittels mit der oben beschriebenen Zusammensetzung auf der Oberfläche des Metallsubstrats durch z.B. Eintauchen, Sprühbeschichten, Aufstreichen oder Pulverbeschichten und Kalzinieren des derart aufgetragenen Beschichtungsmittels ausgebildet werden. Wenn ein Sprühbeschichten zum Auftragen des Beschichtungsmittels verwendet wird, kann die Dicke der Beschichtung mit großer Genauigkeit kontrolliert werden, weil das Beschichtungsmittel an der Oberfläche des Metallsubstrats in der Form von feinen Partikeln haftet.

Mit Ausnahme der Pulverbeschichtung wird das Beschichtungsmittel durch das Dispergieren oder Lösen des Fluorharzes, des wärmebeständigen Kunstharzes und des Metalloxidpulvers in einem Lösungsmittel erhalten. Geeignete Lösungsmittels sind unter anderem Ketone wie etwa Aceton und Methylethylketon, Ester wie etwa Methylacetat und Ethylacetat, aromatische Kohlenwasserstoffe wie etwa Toluen und Xylen, organische halogenierte Verbindungen wie etwa Methylchloroform, Trichlorethylen und Trichlortrifluorethan und aprotische polare Lösungsmittel wie etwa NMP, DMAC, Methylisopyrolidon (MIP) und Dimethylformaid (DMF). Für die Pulverbeschichtung wird kein Lösungsmittel verwendet.

Die auf dem Metallpulver ausgebildete Schicht des Beschichtungsmittels weist eine Dicke von 5 bis 40 μm und vorzugsweise von 10 bis 30 μm nach der Kalzienierung auf. Wenn die Dicke geringer als 5 μm ist, kann die Beschichtung einen lokalen Verschleiß erfahren, wenn die Schuhe die Beschichtung ungleichmäßig kontaktieren. Wenn die Dicke größer als 40 μm ist, neigt die Beschichtung dazu, sich abzulösen.

Die geeignete Kalzinierungstemperatur für die Beschichtungsschicht liegt bei 200 bis 350°C, wobei sie jedoch in Abhängigkeit von dem wärmebeständigen Kunstharz des Beschichtungsmittels variiert. Wenn die Kalzinierungstemperatur niedriger als 200°C ist, reicht die Imidreaktion der als Vorläufer verwendeten Polyamidsäure nicht aus, was zu einer unzureichenden Haftung der Beschichtungsschicht an dem Metallsubstrat führen kann. Bei einer Temperatur von über 350°C wird das Fluorharz auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt erhitzt, sodass es sich zu zersetzen beginnt. Wenn das Metallsubstrat aus einem leichten Gussaluminium wie etwa einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, wird die Beschichtungsschicht vorzugsweise mit weniger als 250°C kalziniert, weil sich ansonsten das Metallsubstrat aufgrund der thermischen Spannung bei einer Temperatur von über 250°C zu verwerfen beginnt.

Wenn PAI als wärmebeständiges Kunstharz verwendet wird, liegt die geeignete Kalzinierungstemperatur der Beschichtungsschicht zwischen 180 und 280°C. Bei einer Temperatur von weniger als 180°C reicht die Härtung des PAI nicht aus, sodass die Haftung der Beschichtungsschicht der Metallschicht nicht ausreicht. Bei einer Temperatur von über 280°C wird das Fluorharz auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt erhitzt und beginnt sich zu zersetzen. Um auch Heizenergie zu sparen, sollte die Beschichtungsschicht mit nicht mehr als 280°C kalziniert werden, weil die Haftung von PAI des Metallsubstrats einen Gleichgewichtszustand von ungefähr 280°C erreicht.

Um die Haftung der Beschichtung an dem Substrat und die Verschleißbeständigkeit zu maximieren, umfasst die Schmierbeschichtung vorzugsweise 100 Gewichtsteile Fluorharz, 100 bis 150 Gewichtsteile wärmebeständiges Kunstharz und 5 bis 20 Gewichtsteile Metalloxidpulver. Wenn der Anteil des wärmebeständigen Kunstharzes weniger als 100 Gewichtsteile auf der Basis von 100 Gewichtsteilen des Fluorharzes ausmacht, ist eine geringe Haftung gegeben. Bei über 150 Gewichtsteilen verschlechtern sich die Gleiteigenschaften und nimmt die Klebkraft zu. Wenn der Anteil des Metalloxidpulvers kleiner als 5 Gewichtsteile auf der Basis von 100 Gewichtsteilen des Fluorharzes ist, ist die Verschleißbeständigkeit unzureichend. Bei über 20 Gewichtsteilen ist die Haftung zu gering.

Indem Eisenoxidpulver als Metalloxidpulver gewählt wird, wird die Verschleißbeständigkeit verbessert. Eisenoxidpulver ist vorteilhaft, weil es einfach verfügbar und weniger kostspielig ist.

Als derartiges Eisenoxidpulver kann Eisenoxid (II), Dieisentrioxid, Trieisentetraoxid usw. verwendet werden. Das Eisenoxidpulver kann kugelförmige, schuppenförmige oder nadelförmige Partikeln umfassen. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser ist nicht eingeschränkt und kann innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 10 μm liegen. Vorzugsweise liegt jedoch der durchschnittliche Partikeldurchmesser innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1 μm und vorzugsweise innerhalb von 0,2 und 0,5 μm. Wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser kleiner als 0,1 μm ist, neigen die Pulverpartikeln zu einer Agglomeration und werden weniger gleichmäßig verteilt. Bei einem Durchmesser von über 1 μm neigt die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung dazu, etwas ungleichmäßig zu sein. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Eisenoxidpulvers kann durch das BET-Verfahren oder ein anderes Verfahren gemessen werden.

Indem eine poröse Zwischenschicht zwischen dem Metallsubstrat und die Schmierbeschichtung gebildet wird, tritt das Kunstharz der Schmierbeschichtung teilweise in die Poren der Zwischenschicht ein, um die Haftung der Schmierbeschichtung des Substrats aufgrund des Verankerungseffekts des Kunstharzes der Schmierbeschichtung in den Poren zu erhöhen. Die poröse Zwischenschicht kann aus Metall oder Keramikmaterial ausgebildet sein. Wenn jedoch die Schmierbeschichtung verschleißt und die Zwischenschicht direkt in einen Reibungskontakt mit den Schuhen gebracht wird, wird die Zwischenschicht vorzugsweise aus Metall ausgebildet, weil eine Metallzwischenschicht beständiger gegenüber einem Abtrag durch die Schuhe ist. Insbesondere kann die Zwischenschicht aus Cu, Sn, Al, Ni, Mo, Fe oder einer Legierung derselben ausgebildet werden. von diesen sind Cu, Sn, Al, Ni und Mo zu bevorzugen, weil diese beständiger gegenüber einem Abtrag durch die Schuhe sind.

Die poröse Zwischenschicht ist vorzugsweise eine gesinterte poröse Schicht oder eine flammgespritzte poröse Schicht, um die Gleichmäßigkeit der Poren zu verbessern und dadurch den Verankerungseffekt zu erhöhen und die Haftung der Schmierbeschichtung an dem Substrat zu verbessern. Eine derartige poröse Zwischenschicht kann weniger kostspielig ausgebildet werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Taumelscheibenkompressor vorgesehen, der die oben beschriebene Taumelscheibe umfasst.

Auch wenn Kohlendioxidgas als Kühlmittel für den Taumelscheibenkompressor verwendet wird, wobei in diesem Fall der Druck in dem Kompressor eine Höhe von 10 MPa erreicht, weist die Schmierbeschichtung der Taumelscheibe eine ausreichend hohe Haftung an dem Metallsubstrat und eine ausreichend hohe Verschleißbeständigkeit auf, sodass die Taumelscheibe über eine längere Zeitdauer eingesetzt werden kann.

Die Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor gemäß der Erfindung umfasst ein Metallsubstrat und eine Schmierbeschichtung, die auf der Fläche des Metallsubstrats ausgebildet ist und in einen Gleitkontakt mit den Schuhen des Kompressors gebracht wird. Die Schmierbeschichtung umfasst ein Fluorharz, ein wärmebeständiges Kunstharz und ein Metalloxidpulver. Das Fluorharz stellt eine Beständigkeit gegenüber einem Fraß sicher. Das wärmebeständige Kunstharz stellt eine ausreichende Haftung der Beschichtung an dem Metallsubstrat sicher. Das Metalloxidpulver stellt eine Verschleißbeständigkeit sicher. Das Metallsubstrat der Taumelscheibe kann also mit einer Beschichtungsschicht beschichtet werden, die eine Fraßbeständigkeit, eine Haftung und eine Verschleißbeständigkeit vorsieht.

Andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei:
1 eine vertikale Schnittansicht eines Taumelscheiben-Kompressors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
2 ist eine Schnittansicht der Taumelscheibe von 1 ist.
3 ist eine Schnittansicht der Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt einen Taumelscheibenkompressor der ersten Ausführungsform, der umfasst: ein Gehäuse 1, das mit Kohlendioxidgas als Kühlmittel gefüllt ist, eine Drehwelle 2, die sich durch das Gehäuse 1 erstreckt, und eine Taumelscheibe 3, die direkt an der Drehwelle 2 fixiert ist und sich schräg relativ zu der Drehwelle 2 erstreckt. Wenn sich die Drehwelle 2 dreht, werden Kolben 5 durch Schuhe 4 hin- und herbewegt, die auf beiden Seite der Taumelscheibe 3 vorgesehen sind und auf der Taumelscheibe 3 gleiten können. Das Gehäuse 1 ist mit einer Vielzahl von Zylinderbohrungen 6 ausgebildet, die entlang des Umfangs mit gleichen Intervallen angeordnet sind. Jeder Kolben 5 weist Köpfe an beiden Enden auf. Jeder Kopf kann in einer der Bohrungen 6 gleiten, wenn der Kolben 5 hin- und herbewegt wird, um das Kühlmittel in der Bohrung 6 alternierend zu komprimieren und zu erweitern. Die Drehwelle 2, die mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, wird radial durch Nadellager 7 und axial durch Drucknadellager 8 gehalten.
Die Kolben 5 weisen Vertiefungen 5a auf, die das radial äußere Ende der Taumelscheibe 3 umgeben. Die Schuhe 4 sind halbkugelförmige Glieder, die in halbkugelförmigen Sitzen 9 in den axial gegenüberliegenden Wänden der Vertiefungen 5a ausgebildet sind. Die Schuhe 4 dienen dazu, die Drehbewegung der Taumelscheibe 3 zu einer Hin- und Herbewegen der Kolben 5 zu wandeln.
2 zeigt die Taumelscheibe 3 des Kompressors von 1. Die Taumelscheibe 3 weist ein Substrat 3a aus einer Aluminiumlegierung AC8C auf. Auf jeder Seite des Substrats 3a ist eine poröse Sinterschicht 10a aus einer Kupferlegierung ausgebildet. Auf jeder Schicht 10a ist weiterhin eine Beschichtung 11 ausgebildet, die PTFE als Fluorharz, PAI als wärmebeständiges Kunstharz und Eisenoxid oder Titanoxid als Metalloxidpulver umfasst.
Jede poröse gesinterte Schicht 10a wird durch das Entfetten der Oberfläche des Substrats 3a, das Plattieren der Oberfläche mit Kupfer, das gleichmäßige Auftragen eines Pulvers aus einer Kupferlegierung mit 95 Massenprozent Cu und Massenprozent Sn (das durch ein #100-Sieb, aber nicht durch ein #250-Sieb hindurchgeht) auf der plattierten Oberfläche und das Erhitzen und Unterdrucksetzen des Substrats 3a ausgebildet.
Die Beschichtungen 11 werden durch das Lösen des PAI in einer NMP-Lösung, um eine Kunstharzlösung vorzubereiten, das Hinzufügen von PTFE und Eisenoxid- oder Titanoxidpulver in die Kunstharzlösung, um eine gleichmäßige Zusammensetzung vorzubereiten, das Lösen der Zusammensetzung in einer gemischten Lösung aus NMP, DMF, Xylen- oder Ethylacetat, um ein Beschichtungsmittel mit einem Festanteil von ungefähr 23 Massenprozent vorzubereiten, und das Auftragen des Beschichtungsmittels auf den porösen gesinterten Schichten 10 der Kupferlegierung durch das Sprühbeschichten, Trocknen und Backen mit einer maximalen Temperatur von 240°C ausgebildet.
Die Beschichtungen 11 weisen eine Dicke von ungefähr 20 μm auf.
[Beispiele A]
Die Beispiele A sind alle scheibenförmige Teststücke aus einer Aluminiumlegierung AC8C und umfassen wie in der Tabelle 1 gezeigt die Beispiele 1 bis 3 der Erfindung, die jeweils auf einer Seite eine Schmierbeschichtung aus PTFE, PAI und Eisenoxidpulver in jeweils unterschiedlichen Anteilen aufweisen, ein Beispiel 4 der Erfindung, die auf einer Seite eine Schmierbeschichtung aus PTFE, PAI und Titanoxidpulver aufweist, sowie die Vergleichsbeispiele 1 und 2, die auf einer Seite eine Schmierbeschichtung aus einem Beschichtungsmittel aufweisen, das Molybdändisulfid (MoS₂) und Bronzepulver anstelle des in den Beispielen 1 bis 4 der Erfindung verwendeten Metalloxidpulvers (Eisenoxidpulver oder Titanoxidpulver) in Entsprechung zu den Schmierbeschichtungen der Beispiele 1 bis 4 der Erfindung aufweist. Die Zahlenwerte in der Tabelle 1 geben die Gewichtsanteile auf der Basis von 100 Gewichtsanteilen des PTFE an.
Tabelle 1
Ein Verschleißbeständigkeitstest wurde mit den Teststücken der Beispiele der Erfindung und den Vergleichsbeispielen unter Verwendung eine 3-Kugel-Testvorrichtung unter den folgenden Bedingungen durchgeführt, wobei die Tiefe des Verschleißes an jedem Teststück gemessen wurde.
Last: 5 kgf
Umdrehungsgeschwindigkeit: 200 U/min
Schmierbedingungen: trocken
Testperiode: 2 Minuten
Die Ergebnisse des Verschleißbeständigkeitstests sind in der Tabelle 1 angegeben. In den Beispielen 1 bis 4 der Erfindung, bei denen die Schmierbeschichtungen Metalloxidpulver enthalten, war die Tiefe des Verschleißes gering, was darauf hinweist, dass die Schmierbeschichtungen der Beispiele 1 bis 4 der Erfindung alle eine ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweisen. Die Tiefe des Verschleißes war in dem Beispiel 3 der Erfindung am geringsten, bei dem die Schmierbeschichtung 100 Gewichtsteile PTFEE, 150 Gewichtsteile PAI und 15 Gewichtsteile Eisenoxid umfasst. In den Beispielen 1 und 2 der Erfindung wird Eisenoxid als Metalloxidpulver verwendet, wobei die Tiefe des Verschleißes etwas geringer als bei dem Beispiel 4 der Erfindung ist, bei dem Titanoxid verwendet wird (in der Tabelle 1 sind jedoch identische Bewertungen der Verschleißtiefe angegeben). Im Gegensatz dazu war die Verschleißtiefe bei den Beispielen 1 und 2, bei denen die Beschichtung kein Metalloxidpulver enthält, derart groß, dass keine ausreichende Verschleißbeständigkeit erhalten wurde.
3 zeigt eine Taumelscheibe 3 für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Taumelscheibe 3 ist im wesentlichen identisch mit der Taumelscheibe der ersten Ausführungsform, wobei jedoch das Metallsubstrat 3a aus Stahl S45C ausgebildet ist und eine poröse flammgespritzte Schicht 10b aus einer Kupferlegierung auf den gegenüberliegenden Flächen des Substrats 3a ausgebildet ist, mit denen die Schuhe 4 in einen Gleitkontakt gebracht werden. Auf jeder porösen flammgespritzten Schicht 10b ist eine Schmierbeschichtung 11 aus PTFE, PAI und Eisenoxid oder Titanoxid wie bei der Schmierbeschichtung der ersten Ausführungsform ausgebildet.
[Beispiele B]
Die Beispiele B sind alle scheibenförmige Teststücke aus Stahl S45C und umfassen wie in der Tabelle 2 gezeigt die Beispiele 11 bis 13 der Erfindung, die jeweils auf einer Seite eine poröse flammgespritzte Schicht aus einer Kupferlegierung mit 90 Massenprozent Cu und 5 Massenprozent Sn und eine auf der flammgespritzten Schicht ausgebildete Schmierbeschichtung aus PTFE, PAI und Eisenoxidpulver in jeweils unterschiedlichen Anteilen aufweisen, ein Beispiel 14 der Erfindung mit einer Schmierbeschichtung aus PTFE, PAI und Titanoxidpulver auf jeder porösen flammgespritzten Schicht und die Vergleichsbeispiele 11 und 12 mit jeweils einer Schmierbeschichtung, die nicht durch eine poröse flammgespritzte Schicht, sondern direkt auf einer Seite aus einem Beschichtungsmittel ausgebildet wird, das Kupferpulver oder Molybdändisulfid (MoS₂) anstelle des Metalloxidpulvers in den Beispielen 11 bis 14 der Erfindung wie z.B. Eisenoxid oder Titanoxid in Entsprechung zu den Schmierbeschichtungen der Beispiele 11 bis 14 der Erfindung umfasst. Die Zahlenwerte in der Tabelle 2 geben die Gewichtsanteile auf der Basis von 100 Gewichtsanteilen PTFE an.
Tabelle 2
Die zwei verschiedenen Reibungsverschleißtests (Tests 1 und 2) wurden mit Teststücken aus Beispielen der Erfindung und Vergleichsbeispielen unter Verwendung einer Drücktestvorrichtung (3-Schuhe-Testvorrichtung) durchgeführt, bei der drei Stahlschuhe unter den in der Tabelle 3 gezeigten Bedingungen in einen Gleitkontakt mit jedem Teststück gebracht wurden, wobei die Reibungskoeffizienten des Gleitteils jedes Teststücks zu Beginn jedes Tests und dann nach 5 Minuten und die Tiefe des Verschleißes und die Temperatur der Gleitfläche jedes Teststücks 5 Minuten nach dem Testbeginn gemessen wurden.
Tabelle 3
Die Ergebnisse der Reibungsverschleißtests sind in der Tabelle 2 angegeben. In den Beispielen 11 bis 14 der Erfindung, die jeweils die poröse flammgespritzte Schicht zwischen dem Metallsubstrat und der Schmierbeschichtung umfassen, wobei die Schmierbeschichtung ein Metalloxidpulver enthält, war die Tiefe des Verschleißes sowohl in Test 1, in dem die Gleitfläche in einem trockenen Zustand geschmiert war, als auch in dem Test 2, in dem der Gleitflächendruck hoch (d.h. bei 10 MPa) war, jeweils klein. Dies weist darauf hin, dass die Teststücke der Beispiele 11 bis 14 der Erfindung alle eine ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweisen. Was die Zahlenwerte in der Tabelle 2 betrifft, wiesen die Beispiele 11 bis 14 exakt identische Ergebnisse in Bezug auf den Reibungskoeffizienten und die Verschleißtiefe auf. Wenn man die Teststücke visuell betrachtete, wies das Beispiel 13 den kleinsten Reibungskoeffizienten und die geringste Verschleißtiefe auf, worauf das Beispiel 12, das Beispiel 14 und dann das Beispiel 11 folgten.
Im Gegensatz dazu war in den Vergleichsbeispielen 11 und 12, bei denen keine poröse flammgespritzte Schicht ausgebildet ist und die Beschichtung kein Metalloxidpulver enthält, die Verschleißtiefe derart groß, dass keine ausreichende Verschleißbeständigkeit erhalten wurde. In dem Test 2 erfuhr die Schmierbeschichtung des Vergleichsbeispiels 1 eine leichte Ablösung, wobei sie sich jedoch nicht von dem Metallsubstrat löste.
In den Ausführungsformen wird die Taumelscheibe in einem Taumelscheibenkompressor des Typs verwendet, der Kolben mit Köpfen an jeweils beiden Enden und Schuhe verwendet, die in einen Gleitkontakt mit beiden Seiten der Taumelscheibe gebracht werden. Die Taumelscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch in anderen Taumelscheibenkompressoren verwendet werden, die etwa Kolben mit jeweils nur einem Kopf an einem Ende und Schuhe verwenden, die in einen Gleitkontakt mit nur einer Seite der Taumelscheibe gebracht werden, oder bei denen die Taumelscheibe über ein Verbindungsglied an der Drehwelle montiert ist.

Claims

Taumelscheibe für die Verwendung in einem Taumelscheibenkompressor, der umfasst: ein Gehäuse (1), das mit einem Kühlmittel gefüllt ist, eine Drehwelle (2), die sich durch das Gehäuse (1) erstreckt, die Taumelscheibe (3), die direkt oder indirekt über ein Verbindungsglied derart an der Drehwelle (2) montiert ist, dass sie sich schräg relativ zu der Drehwelle (2) erstreckt, Kolben (5) sowie Schuhe (4), die derart zwischen der Taumelscheibe (3) und den Kolben (5) angeordnet sind, dass sie in einem Gleitkontakt mit der Taumelscheibe (3) stehen, sodass eine Drehbewegung der Taumelscheibe (3) durch die Schuhe zu einer Hin- und Herbewegung der Kolben (5) gewandelt wird, wobei das Kühlmittel in dem Gehäuse (1) alternierend komprimiert und erweitert wird, wobei die Taumelscheibe (3) ein Metallsubstrat (3a) und eine Schmierbeschichtung (11) umfasst, die ein Fluorharz, ein wärmebeständiges Kunstharz und ein Metalloxidpulver umfasst und auf einer Oberfläche des Metallsubstrats (3a) angeordnet ist, mit der die Schuhe (4) in einen Gleitkontakt gebracht werden.
Taumelscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierbeschichtung 100 Gewichtsteile Fluorharz, 100 bis 150 Gewichtsteile wärmebeständiges Kunstharz und 5 bis 20 Gewichtsteile Metalloxidpulver umfasst.
Taumelscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxidpulver ein Eisenoxidpulver ist.
Taumelscheibe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine poröse Zwischenschicht zwischen dem Metallsubstrat und der Schmierbeschichtung gebildet wird.
Taumelscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Zwischenschicht aus einer gesinterten porösen Schicht und einer flammgespritzten porösen Schicht besteht.
Taumelscheibenkompressor, der die Taumelscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
Taumelscheibenprozessor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlendioxidgas als Kühlmittel verwendet wird.