JP2007064090A - 斜板式コンプレッサの斜板および斜板式コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】斜板式コンプレッサの金属基材で形成された斜板を、耐焼付き性はもとより、密着性と耐摩耗性の優れた被覆層で被覆し、炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサにも耐用可能なものとすることである。
【解決手段】斜板３を形成する金属基材３ａの表面に、フッ素樹脂、耐熱性樹脂および金属酸化物粉末から成る皮膜１１を形成することにより、フッ素樹脂で耐焼付き性を確保した上で、耐熱性樹脂で金属基材３ａとの十分な密着性を確保するとともに、金属酸化物粉末で優れた耐摩耗性を確保し、斜板３の金属基材３ａを、耐焼付き性はもとより、密着性と耐摩耗性の優れた被覆層で被覆し、炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサにも耐用可能なものとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、エアコンディショナ等に用いられる斜板式コンプレッサの斜板および斜板式コンプレッサに関する。

冷媒が存在するハウジング内で、回転軸に直接固定するように、または連結部材を介して間接的に、斜めに取り付けた斜板にシューを摺動させ、このシューを介して斜板の回転運動をピストンの往復運動に変換して、冷媒を圧縮、膨張させる斜板式コンプレッサには、両頭形のピストンを用いて冷媒を両側で圧縮、膨張させる両斜板タイプのものと、片頭形のピストンを用いて冷媒を片側のみで圧縮、膨張させる片斜板タイプのものとがある。また、シューは斜板の片側面のみで摺動するものと、斜板の両側面で摺動するものとがある。

これらの斜板式コンプレッサでは、運転初期において、冷媒が存在するハウジング内へ潤滑油が到達する前に金属製の斜板とシューが摺動するので、これらの摺動部が潤滑油のないドライ潤滑状態となり、焼付きが発生しやすい。この焼付きを防止する手段としては、これまでに、シューが摺動する金属製斜板の摺動面に、銅系またはアルミニウム系の金属材料を溶射し、この金属溶射層に鉛系めっき、錫系めっき、鉛−錫系めっき、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系被覆、二硫化モリブデン被覆または二硫化モリブデン・黒鉛混合被覆を施したもの（例えば、特許文献１参照）や、ＰＴＦＥを含有する固体潤滑剤を熱硬化樹脂であるポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）で固めた摺動層を設けたもの（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

特開平８−１９９３２７号公報 特開２００３−１３８２８７号公報

近年開発が行なわれている炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサにおいては、コンプレッサ内の圧力が１０ＭＰａにも達するため、斜板とシューとの摺動圧力がこれまでより高くなり、金属基材で形成された斜板の被覆には、より密着性と耐摩耗性の優れたものが要求されている。

特許文献１に記載されたものは、金属基材の表面に銅系やアルミニウム系材料の溶射層を形成し、さらにこの溶射層にめっきまたは被覆処理を施す必要があるので、斜板の製造工程が大幅に増加し、その製造コストが高価になる問題がある。また、金属溶射層にＰＴＦＥ系被覆のような樹脂被覆を施したものは、炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサに耐用できるような密着性と耐摩耗性を確保できない。

一方、特許文献２に記載されたものは、斜板の製造工程はそれほど増加しないが、摺動層を形成するＰＡＩは、ＰＴＦＥを含有する固体潤滑剤を添加するのみでは、炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサに耐用できるような耐摩耗性を確保できない。

そこで、本発明の課題は、斜板式コンプレッサの金属基材で形成された斜板を、耐焼付き性はもとより、密着性と耐摩耗性の優れた被覆層で被覆し、炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサにも耐用可能なものとすることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、冷媒が存在するハウジング内で、回転軸に直接固定するように、または連結部材を介して間接的に、斜めに取り付けた斜板にシューを摺動させ、このシューを介して前記斜板の回転運動をピストンの往復運動に変換して、冷媒を圧縮、膨張させる斜板式コンプレッサの斜板において、前記斜板を金属基材で形成し、前記シューが摺動する摺動面に、フッ素樹脂、耐熱性樹脂および金属酸化物粉末から成る皮膜を形成した構成を採用した。

前記フッ素樹脂は低摩擦特性を有し、皮膜に耐焼付き性を付与する役割をする。このフッ素樹脂は、シューとの摺動部での温度上昇に耐えられる耐熱性を有するものであれはよく、具体的には、ＰＴＦＥ（融点θ_Ｍ：３２７℃、連続使用温度θ_Ａ：２６０℃）、ＰＴＦＥ−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（θ_Ｍ：２７０℃、θ_Ａ：２００℃）、ＰＴＦＥ−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（θ_Ｍ：３１０℃、θ_Ａ：２６０℃）、エチレン−ＰＴＦＥ共重合体（θ_Ｍ：２７０℃、θ_Ａ：１５０℃）、ポリクロロトリフルオロエチレン（θ_Ｍ：２１０℃、θ_Ａ：１２０℃）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（θ_Ｍ：２４０℃、θ_Ａ：１５０℃）等が挙げられる。これらは、それぞれ単独または２種以上の共重合体や３共重合体等であってもよい。

このうちＰＴＦＥは、−ＣＦ_２ＣＦ_２−の繰り返し単位より構成され、３４０〜３８０℃でも溶融粘度が約１０^１０〜１０^１１Ｐａ・ｓと高く、融点を越えても流動し難いので、フッ素樹脂の中では最も耐熱性が優れており、また、常温でも優れた摺動性や非粘着性（対水接触角：１０４°）を示すので好適である。さらに、ＰＴＦＥの中でも、滑剤級の粉末ＰＴＦＥを用いることが好ましく、滑剤級の粉末ＰＴＦＥの市販品としては、フルオンＬ１６９、同１７０、同１７１（以上英国アイ・シー・アイ社製商品名）、ポリフロンＭ１５、ルブロンＬ−２、同Ｌ−５、同ＬＤ−１（以上ダイキン工業社製商品名）、テフロン７Ｊ、同ＴＬＰ−１０、同ＴＬＰ−１０Ｆ−１（以上デュポン社製商品名）、フルオンＧ１６３（旭硝子社製商品名）等を挙げることができる。なお、滑剤級の粉末ＰＴＦＥとは、一度焼成したＰＴＦＥを粉砕した再生ＰＴＦＥや、ＰＴＦＥにガンマ線照射処理をして低分子量化したＰＴＦＥ粉末を言い、ガンマ線照射処理をした市販品の例としては、ＫＴ４００Ｈ（喜多村社製商品名）がある。

前記ＰＴＦＥの形態は、成形用の粉末であっても、いわゆる固体潤滑剤用の微粉末であってもよく、その平均粒径は０．１〜２０μｍ、好ましくは０．２〜１０μｍの範囲にあるのがよい。平均粒径がこの範囲内にあると、コーティング剤中で凝集し難く、皮膜中に満遍なく均一に分散される。

前記耐熱性樹脂は、皮膜を熱劣化させることなく金属基材に強固に密着するとともに、粉末としたフッ素樹脂や金属酸化物粉末を結着する役割をする。耐熱性樹脂としては、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、シリコーン系樹脂等を挙げることができ、中でもポリイミド系樹脂が耐熱性と密着性に最も優れている。

前記ポリイミド系樹脂の具体例としては、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）、ポリエステルイミド樹脂、ポリエステルアミドイミド樹脂等を挙げることができ、中でもＰＩとＰＡＩが好適であり、さらに、イミド結合またはアミド結合が芳香族基を介して結合している芳香族系ポリイミド樹脂や芳香族系ポリアミドイミド樹脂が特に好ましい。

前記ＰＩは、酸二無水物とジアミンとをＮ-メチル-2-ピロリドン（ＮＭＰ）やジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）等の非プロトン系極性溶媒中で開環重付加反応により得られるポリイミド前駆体であるポリアミドカルボン酸を加熱脱水閉環すること等により得られる。ＰＩにポリアミドカルボン酸が混在する状態でも使用することができる。

前記ＰＡＩはイミド結合とアミド結合とを有する樹脂である。また、芳香族系ポリアミドイミド樹脂のイミド結合は、ポリアミド酸等の前駆体であっても、閉環したイミド環であってもよく、これらが混在する状態でもよい。このような芳香族系ポリアミドイミド樹脂には、芳香族第一級ジアミン（例えば、ジフェニルメタンジアミン）と芳香族三塩基酸無水物（例えば、トリメット酸無水物のモノまたはジアシルハライド誘導体）とから製造されるもの、芳香族ジイソシアネート化合物（例えば、ジフェニルメタンジイソシアネート）と芳香族三塩基酸無水物とから製造されるもの等がある。さらに、アミド結合に比べてイミド結合の割合を多くしたＰＡＩとして、芳香族、脂肪族または脂環族ジイソシアネート化合物と芳香族四塩基酸二無水物および芳香族三塩基酸無水物とから製造されるもの等があり、いずれのＰＡＩも使用することができる。

前記金属酸化物粉末は、皮膜の耐摩耗性を向上させる役割をし、酸化鉄、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム等の粉末を使用することができる。

上述した皮膜を金属基材の表面に形成する方法としては、ディッピング法、スプレーコート法、刷毛塗り法、粉体塗装法等によって、上述した構成のコーティング剤を金属基材の表面に塗布し、これを焼成する方法を採用することができる。スプレーコート法でコーティング剤を塗布する場合は、コーティング剤が微小な粒子となって金属基材の表面に付着するので、皮膜の厚みを精度よく管理することができる。

前記コーティング剤は、粉体塗装法を採用する場合を除いて、フッ素樹脂、耐熱性樹脂および金属酸化物粉末を溶剤類に分散または溶解することにより得られる。溶剤類としては、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルクロロホルム、トリクロロエチレン、トリクロロトリフルオロエタン等の有機ハロゲン化化合物類、ＮＭＰ、ＤＭＡＣ、メチルイソピロリドン（ＭＩＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等の非プロトン系極性溶剤類等を使用することができる。なお、粉体塗装法は無溶剤塗装である。

これらの方法で金属基材に塗布されるコーティング剤の被覆層は、焼成後の厚みで５〜４０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの層厚とするのが好ましい。層厚が５μｍ未満では、シューの片当たり等が生じたときに局部的な摩耗が生じる恐れがあり、層厚が４０μｍを越えると、皮膜の剥離が生じやすくなるからである。

前記被覆層の焼成温度は、コーティング剤を構成する耐熱性樹脂の種類によって異なるが、耐熱性樹脂がＰＩの場合は２００〜３５０℃が適当である。焼成温度が２００℃未満では、前駆体であるポリアミド酸のイミド反応が十分でなく、金属基材との密着性を十分に確保できない恐れがあり、３５０℃を越えると、フッ素樹脂が融点以上になって分解し始めるからである。なお、金属基材がアルミニウム合金等の軽量鋳物金属系合金である場合は、焼成温度が２５０℃を越えると熱ひずみによって金属基材に反り等が発生する恐れがあるので、２５０℃以下で焼成することが好ましい。

前記耐熱性樹脂がＰＡＩの場合は、被覆層の焼成温度は１８０〜２８０℃が適当である。焼成温度が１８０℃未満では、ＰＡＩの硬化反応があまり進行しないので、金属基材との密着性を十分に確保できず、２８０℃を越えると、フッ素樹脂が融点以上になって分解し始めるからである。また、ＰＡＩの金属基材との密着性は２８０℃付近で平衡状態に達するので、昇温エネルギを考慮すると２８０℃以下で焼成することが好ましい。

前記皮膜を、前記フッ素樹脂１００重量部に対して、前記耐熱性樹脂が１００〜１５０重量部、前記金属酸化物粉末が５〜２０重量部であるものとすることにより、金属基材との密着性と耐摩耗性をより良好に発揮することができる。フッ素樹脂１００重量部に対して、耐熱性樹脂が１００重量部未満であると密着性が低下し、１５０重量部を越えると摺動特性と非粘着性が低下する。また、フッ素樹脂１００重量部に対して、金属酸化物粉末が５重量部未満であると耐摩耗性が不足し、２０重量部を越えると密着性が低下する。

前記金属酸化物粉末を酸化鉄粉末とすることにより、耐摩耗性をより優れたものとすることができ、入手性およびコストの面からも有利である。

前記酸化鉄粉末としては、酸化鉄（II）、三酸化二鉄、四酸化三鉄等を使用することができ、これらの酸化鉄の粉末形状は、球状、鱗片状、針状等のいずれの形状であってもよい。また、酸化鉄粉末の平均粒径は、例えば０．１〜１０μｍ程度といかなる粒径であってもよいが、好ましくは０．１〜１μｍ、より好ましくは０．２〜０．５μｍである。平均粒径が０．１μｍ未満では、凝集しやすくなって分散性が悪くなり、１μｍを越えると皮膜の耐摩耗性がやや不均一になる。なお、酸化鉄粉末の平均粒径はＢＥＴ法により測定することができるが、とくにこの測定法に限られるものではない。

前記金属製基材と前記皮膜との間に、銅合金の多孔質焼結層を形成することにより、皮膜の密着性をさらに高めることができる。

また、本発明は、斜板式コンプレッサを上述したいずれかの斜板を備えたものとした構成も採用した。

前記斜板式コンプレッサを、コンプレッサ内の圧力が１０ＭＰａにも達する炭酸ガスを冷媒に用いるものとしても、その斜板の金属基材の皮膜を密着性と耐摩耗性の優れたものとし、十分に耐用可能なものとすることができる。

本発明の斜板式コンプレッサの斜板は、斜板を金属基材で形成し、シューが摺動する摺動面に、フッ素樹脂、耐熱性樹脂および金属酸化物粉末から成る皮膜を形成したので、フッ素樹脂で耐焼付き性を確保した上で、耐熱性樹脂で金属基材との十分な密着性を確保するとともに、金属酸化物粉末で優れた耐摩耗性を確保し、斜板の金属基材を、耐焼付き性はもとより、密着性と耐摩耗性の優れた被覆層で被覆することができる。

前記皮膜を、フッ素樹脂１００重量部に対して、耐熱性樹脂が１００〜１５０重量部、金属酸化物粉末が５〜２０重量部であるものとすることにより、金属基材との密着性と耐摩耗性をより良好に発揮することができる。

前記金属酸化物粉末を酸化鉄粉末とすることにより、耐摩耗性をより優れたものとすることができ、入手性およびコストの面からも有利である。

また、本発明の斜板式コンプレッサは、上述した斜板を備えたものとしたので、コンプレッサ内の圧力が１０ＭＰａにも達する炭酸ガスを冷媒に用いる斜板式コンプレッサに使用しても、十分に耐用可能なものとすることができる。

以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。この斜板式コンプレッサは炭酸ガスを冷媒に用いるものであり、図１に示すように、冷媒が存在するハウジング１内で、回転軸２に直接固定するように斜めに取り付けた斜板３の回転運動を、斜板３の両側面で摺動するシュー４を介して両頭形ピストン５の往復運動に変換し、ハウジング１の周方向に等間隔で形成されたシリンダボア６内の各ピストン５の両側で、冷媒を圧縮、膨張させる両斜板タイプのものであり、高速で回転駆動される回転軸２は、ラジアル方向を針状ころ軸受７で支持され、スラスト方向をスラスト針状ころ軸受８で支持されている。

前記各ピストン５には斜板３の外周部を跨ぐように凹部５ａが形成され、この凹部５ａの軸方向対向面に形成された球面座９に、半球状のシュー４が着座されている。このシュー４は球状のものもあり、ピストン５を斜板３の回転に対して相対移動自在に支持する。これによって、斜板３の回転運動からピストン５の往復運動への変換が円滑に行われる。

前記斜板３の基材３ａはアルミニウム合金ＡＣ８Ｃで形成されており、図２に示すように、シュー４が摺動する基材３ａの両側面には、銅合金の多孔質焼結層１０が形成され、その上に、フッ素樹脂としてのＰＴＦＥ、耐熱性樹脂としてのＰＡＩ、および金属酸化物粉末としての酸化鉄または酸化チタンから成る皮膜１１が形成されている。

前記銅合金の多孔質焼結層１０は、基材３ａの表面を脱脂したのち銅めっきを行い、銅めっきされた表面に青銅粉末（♯１００メッシュを通過し、♯２００メッシュを通過しないもの）を一様に散布して、この表面に青銅粉末が散布された基材３ａを加熱、加圧することにより、形成したものである。

前記皮膜１１は、ＰＡＩをＮＭＰ溶媒に溶解させ、この溶解させた樹脂溶液にＰＴＦＥと酸化鉄または酸化チタンの粉末を配合して均一な組成物とし、固形分濃度が約２３質量％となるように、ＮＭＰ、ＤＭＦ、キシレンおよび酢酸エチルの混合溶媒で希釈してコーティング剤としたものを、前記銅合金の多孔質焼結層１０の上からスプレーコート法で塗布し、乾燥後に最高温度２４０℃で焼成したものであり、その厚みは約２０μｍとされている。

実施例として、表１に示すように、アルミニウム合金ＡＣ８Ｃ製のディスクの片面側に、上述した方法で、ＰＴＦＥ、ＰＡＩおよび酸化鉄の粉末から成り、これらの配合割合が異なる皮膜を形成した試験片（実施例１〜３）と、ＰＴＦＥ、ＰＡＩおよび酸化チタンの粉末から成る皮膜を形成した試験片（実施例４）とを用意した。また、比較例として、上記酸化鉄や酸化チタンの金属酸化物粉末の替りに、それぞれ二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、ブロンズ粉末または黒鉛粉末を配合したコーティング剤を用いて、各実施例と同様の方法で皮膜を形成した試験片（比較例１〜３）も用意した。なお、表１中の数値は、ＰＴＦＥ１００重量部に対する各組成物の重量部の値である。

上記実施例と比較例の各ディスク試験片について、３ボールオン試験機を用いた耐摩耗性試験を行い、それぞれの摩耗量を測定した。試験条件は以下の通りである。
・荷重 ：５ｋｇｆ
・回転数 ：２０００ｒｐｍ
・潤滑条件：ドライ
・試験時間：１２０ｓｅｃ

上記耐摩耗性試験の結果を表１に併せて示す。金属酸化物粉末を皮膜の組成とした実施例１〜４のものは、いずれも摩耗量が少なく、優れた耐摩耗性を有することが確認された。特に、ＰＴＦＥ１００重量部、ＰＡＩ１５０重量部、酸化鉄１５重量部とした実施例３のものは、最も摩耗量が少なかった。なお、金属酸化物粉末として酸化鉄を用いた実施例１、２のものは、酸化チタンを用いた実施例４のものと同一評価になっているが、わずかに実施例４のものより摩耗量が少なかった。これに対して、金属酸化物粉末を皮膜の組成としない比較例１〜３のものは、いずれも摩耗量が多く、十分な耐摩耗性が得られなかった。

上述した実施形態では、両斜板タイプの斜板式コンプレッサで、斜板の両側面でシューが摺動するものとしたが、本発明に係る斜板式コンプレッサの斜板は、片斜板タイプのものや、斜板の片面側にのみシューが摺動するもの、斜板が連結部材を介して回転軸に取り付けられたもの等、全てのタイプの斜板式コンプレッサに採用することができる。

斜板式コンプレッサの実施形態を示す縦断面図 図１の斜板を拡大して示す断面図

符号の説明

１ ハウジング
２ 回転軸
３ 斜板
４ シュー
５ ピストン
５ａ 凹部
６ シリンダボア
７ 針状ころ軸受
８ スラスト針状ころ軸受
９ 球面座
１０ 多孔質焼結層
１１ 皮膜

Claims (6)

1. 冷媒が存在するハウジング内で、回転軸に直接固定するように、または連結部材を介して間接的に、斜めに取り付けた斜板にシューを摺動させ、このシューを介して前記斜板の回転運動をピストンの往復運動に変換して、冷媒を圧縮、膨張させる斜板式コンプレッサの斜板において、前記斜板を金属基材で形成し、前記シューが摺動する摺動面に、フッ素樹脂、耐熱性樹脂および金属酸化物粉末から成る皮膜を形成したことを特徴とする斜板式コンプレッサの斜板。
2. 前記皮膜が、前記フッ素樹脂１００重量部に対して、前記耐熱性樹脂が１００〜１５０重量部、前記金属酸化物粉末が５〜２０重量部である請求項１に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
3. 前記金属酸化物粉末が酸化鉄粉末である請求項１または２に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
4. 前記金属製基材と前記皮膜との間に、銅合金の多孔質焼結層を形成した請求項１乃至３のいずれかに記載の斜板式コンプレッサの斜板。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の斜板を備えた斜板式コンプレッサ。
6. 前記斜板式コンプレッサが炭酸ガスを冷媒に用いたものである請求項５に記載の斜板式コンプレッサ。

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