JP2007205333A - 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３ａで形成された斜板３を、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】シューが摺動する金属基材３ａの斜板３の摺動面に、鉄系あるいは非鉄金属の粉末からなる多孔質中間層１０（溶射層あるいは焼結層）を設けた後に、ポリアミドイミド樹脂被膜１１を設ける。そして、焼成、機械加工して所定の厚さ寸法を得た後に、さらに、ポリアミドイミド樹脂被膜１１の耐久性を向上させる目的で２００℃、好ましくは２５０℃で熱処理を行なうことにより、理想的な被膜の耐久性を実現し、冷凍機油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性が安定するので、炭酸ガス冷媒式の斜板式コンプレッサにも使用可能となる。
【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、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の固体潤滑材をバインダー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（特許文献１）等が提案されている。

斜板式コンプレッサでは、ピストン、シュー、斜板が直列配置され、各々１０〜５０μｍ程度の公差で設定されているため、すべり面にＰＴＦＥを含有する固体潤滑材を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ても、焼き付き性の改善は充分とはいえない。また、焼き付き性の改善のために、すべり面に複数の同心状の溝を設けることも提案されている（特許文献２）が、この方法では、作動初期に溝間にある山が塑性変形して、直列配置した寸法が崩れて効率低下を招く場合もある。

特開２００３−１３８２８７号公報 再公表特許ＷＯ２００２−０７５１７２

また、開発が進んでいる炭酸ガス冷媒を用いた斜板式コンプレッサでは、コンプレッサ内の圧力が１０ＭＰａにも達するため、従来技術の斜板では全く目的を達成できない懸念がある。

本発明は、理想的な被覆層の耐久性を実現し、さらに、冷凍機油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性が安定することである。また、炭酸ガス冷媒式の斜板式コンプレッサにも使用可能な斜板を提供することを目的とする。

そこで、本発明の課題は、理想的な被覆層の耐久性を実現し、さらに、冷凍機油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性が安定させることであり、また、炭酸ガス冷媒式の斜板式コンプレッサにも使用可能にしようとするものである。

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、ポリアミドイミド樹脂の被覆層を形成し、この被覆層が、焼成後に、機械加工による表面加工と熱処理が順次施されている構成を採用した。

すなわち、一般的に斜板の材質は鉄系あるいは非鉄金属である。その基材の上に、ポリアミドイミド樹脂の被覆層を形成し、この被覆層を焼成し、さらに、機械加工による表面加工と熱処理を順次施すというものである。

前記ポリアミドイミド樹脂の被覆層は、基材の表面に、鉄系あるいは非鉄金属の粉末からなる多孔質中間層（溶射層あるいは焼結層）を設けた後に設けるのが好ましく、焼成、機械加工して所定の厚さ寸法を得る。さらに、ポリアミドイミド樹脂被覆層の耐久性を向上させる目的で２００℃、好ましくは２５０℃で熱処理を行なう。

次に、本発明に使用される金属粉末からなる多孔質中間層（溶射層あるいは焼結層）およびポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）について説明する。

本発明に使用することのできる金属粉末は、鉄系、銅系、ニッケル系、アルミニウム系、モリブデン系およびその複合系などいずれでも良い。特に経済性などを考慮するとニッケル系が好ましい。

ＰＡＩ樹脂は、分子内に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ＰＡＩ樹脂のイミド結合は、ポリアミド酸などの前駆体であっても、また閉環したイミド環であってもよく、さらにはそれらが混在している状態であってもよい。このような芳香族系ＰＡＩ樹脂は、芳香族第一級ジアミン、たと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、たとえばトリメリット酸無水物のモノまたはジアシルハライド誘導体から製造されるＰＡＩ樹脂、芳香族三塩基酸無水物と芳香族ジイソシアネート化合物、たとえばジフェニルメタンジイソシアネートとから製造されるＰＡＩ樹脂などがあり、さらに、アミド結合に比べてイミド結合の比率を大きくしたＰＡＩ樹脂として、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ＰＡＩ樹脂等があり、いずれのＰＡＩ樹脂であっても使用することができる。

さらに、ＰＡＩ樹脂のワニスにフッ素樹脂、黒鉛、カーボン、ボロンナイトライトなどの固体潤滑材を配合しても構わない。本発明に使用することのできるフッ素樹脂は、低摩擦性を被覆層に付与でき、かつ摺動部材の使用温度雰囲気に耐える耐熱性を有するものであれば使用することができる。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（融点 ３２７℃、連続使用温度２６０℃、以下、ＰＴＦＥと略称する）などが挙げられる。これらは、それぞれ単独もしくは、２種以上の共重合体や３元共重合体等であってもよい。また、ＰＴＦＥは、約３４０〜３８０℃で溶融粘度が約１０¹⁰〜１０¹¹Ｐａ・ｓと高く、融点を越えても流動し難く、フッ素樹脂の中では最も耐熱性に優れており、また、低温下でも優れた性質を示し、摺動性にも優れており、本発明に好適である。

本発明に係るＰＡＩ樹脂被覆層におけるＰＡＩ樹脂とフッ素樹脂等固体潤滑材の配合割合は、ＰＡＩ樹脂１００重量部に対して、固体潤滑材６０〜１００重量部である。それぞれの成分をこの範囲に配合することにより、金属基材との密着性、ＰＡＩ樹脂被覆層の耐摩耗性等の機能を発揮させることができる。ＰＡＩ樹脂１００重量部に対して、固体潤滑材１００重量部を超えると、ＰＡＩ樹脂被覆層の密着性を損ない、剥がれの原因となる。また、ＰＡＩ樹脂１００重量部に対して、固体潤滑材６０重量部未満であると、摺動特性を損ねるため好ましくない。

本発明に係るＰＡＩ樹脂被覆層は、ディッピングやスプレーコーティングの場合には、フッ素樹脂とＰＡＩ樹脂を溶剤類に分散または溶解させることにより得られる。溶剤類としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、メチルイソピロリドン（ＭＩＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）等の非プロトン系極性溶剤類などを使用することができる。

上述のコーティング剤を下地面に塗布する方法は、ディッピング法（浸漬塗装法）、スプレーコート法（霧化塗装法）、ディスペンド法、ロール法など種々の方法を採用することができる。スプレーコート法（霧化塗装法）による塗装被覆方法では、塗布液が微小な粒子体となって被塗物に付着されるので、塗膜の厚みを精度よく形成することができる。これらの方法により塗布されたＰＡＩ樹脂被覆層は、焼成後の厚さで５〜５０μｍの層厚とすることが好ましい。層厚が５μｍ未満であると、合成樹脂層に片当たり等が生じた場合に局部的な摩耗が発生することがあり、５０μｍを越える層厚では、ＰＡＩ樹脂被覆層の剥離が発生しやすくなるので好ましくない。なお、ＰＡＩ樹脂被覆層の好適な層厚範囲は１０〜４０μｍである。

ＰＡＩ樹脂被覆層の熱処理温度は１８０〜２８０℃が適当である。１８０℃未満であるとＰＡＩ樹脂の硬化反応が進行せず、ＰＡＩ樹脂被膜の下地に対する密着性が低下する恐れがある。２８０℃を越え、とくに固体潤滑材のフッ素樹脂の融点を越えると、フッ素樹脂の分解が進み始めるので好ましくない。また、ＰＡＩ樹脂被覆層の下地に対する密着性は、２８０℃付近で平衡となるので昇温に要する電力消費量を考慮すると２８０℃以下で熱処理することが好ましい。

しかし、焼成だけでは、ポリアミドイミド樹脂のイミド化が充分でない。それは実用時に耐久性のバラツキとなる。したがって、機械加工、すなわち、研磨あるいは切削による表面加工の後に、さらに使用面を２００℃以上、好ましくは２５０℃以上で熱処理する必要がある。処理時間は基材の寸法にもよるが、好ましくは３０分から２時間である。焼成だけの場合、イミド化が充分でなく、Ｔｇが２６０℃に達しない。機械加工後にさらに熱処理を行なうことで、ＰＡＩ樹脂被覆層表面に酸化被膜が形成されるとともにＰＡＩ樹脂のイミド化が促進し、Ｔｇを２６０℃以上にすることができる。その結果、コンプレッサ内の圧力が１０ＭＰａにも達する炭酸ガス冷媒を用いた斜板式コンプレッサに使用しても、ＰＡＩ樹脂被覆層の摩耗や剥がれ等が生じない。

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は、炭酸ガスを冷媒に用いたものに好適である。

本発明の斜板式コンプレッサの斜板は、シューが摺動する金属基材の斜板の摺動面に、ポリアミドイミド樹脂の被覆層を形成し、この被覆層が、焼成後に、機械加工による表面加工と熱処理を順次施したので、斜板の摺動面に理想的なＰＡＩ樹脂被覆層が形成され、冷凍機油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性が安定させることができ、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ができる。

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は鋼で形成され、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、鉄系あるいは非鉄金属の粉末からなる多孔質中間層１０（溶射層あるいは焼結層）を設けた後、ポリアミドイミド樹脂の被覆層１１を形成し、焼成、機械加工して所定の厚さ寸法にしている。そして、さらに、ポリアミドイミド樹脂の被覆層１１の耐久性を向上させる目的で２００℃、好ましくは２５０℃で熱処理を行なっている。

鋼製のディスク摺動部材（Ｓ４５Ｃ、φ６０ｍｍ×厚み６ｍｍ）を脱脂した後、その表面に、溶射にてニッケル粉末の多孔質層を形成（２００μｍ）した。次いで、旋削加工にて多孔質層の厚みを８０μｍにそろえ、多孔質中間層付金属円盤を得た。
次に、多孔質中間層に下記の配合からなるＰＡＩ樹脂エナメル液を、スプレーコーティングする。

［配合］
（１）ＰＴＦＥ ：再生ＰＴＦＥの放射線照射材
（２）ＰＡＩ樹脂：Ｎ−メチルピロリドンで分散されたＰＡＩワニス
（３）黒鉛粉末 ：平均粒径１０μｍの人造品

この後、ＰＡＩ樹脂エナメル液を乾燥後、所定条件で焼成し、ＰＡＩ樹脂被覆層の表面を研磨加工した。

この発明の実施例はさらに所定条件で熱処理を行った。
得られたディスク状の試験片に対して軸受鋼製シュー（３ケ）を相手材としてスラスト型試験機（３シュー・オン・タイプ）を用いて摩擦摩耗試験を行った結果を表１に示す。

試験条件は、下記の通りである。
［試験条件］
試験機 ：ＮＴＮ製スラスト型試験機
面圧 ：５ＭＰａ
すべり速度 ：１００ｍ／ｍｉｎ
潤滑条件 ：なし（冷凍機油が枯渇した過酷条件）
試験時間 ：１０分間

ポリアミドイミド樹脂被覆層の機械加工後に熱処理した実施例１〜３は、摩擦係数が初期から１０分後まで安定していた。一方、比較例はいずれも摩擦係数が変動（上昇）していった。摩耗量も実施例は０．００４ｍｍ程度で比較例に比べて少なく優れていた。

以上説明したように、本発明の斜板は、基礎試験により斜板式コンプレッサの運転において、冷凍機油が枯渇した際にも安定した境界潤滑状態を得る有効な対策であることが確認された。

また、コンプレッサ内が１０ＭＰａ近くにもなる炭酸ガス冷媒式の斜板式コンプレッサであっても使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 図１の斜板の部分切欠き側面図

符号の説明

１ ハウジング
２ 回転軸
３ 斜板
３ａ 基材
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 多孔質中間層
１１ ポリアミドイミド樹脂の被覆層

Claims (8)

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、ポリアミドイミド樹脂の被覆層を形成し、この被覆層が、焼成後に、機械加工による表面加工と熱処理が順次施されていることを特徴とする斜板式コンプレッサの斜板。
2. 前記機械加工による表面加工を、研磨又は切削加工によって行った請求項１記載の斜板式コンプレッサの斜板。
3. 前記ポリアミドイミド樹脂の被覆層と金属基材との間に、金属粉末からなる多孔質中間層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
4. 前記熱処理を２００℃以上で施してある請求項１〜３のいずれかの項に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
5. 前記熱処理を２５０℃以上で施してある請求項１〜３のいずれかの項に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
6. 前記熱処理後のポリアミドイミド樹脂のＴｇ（ガラス転移温度）が２６０℃以上である請求項１〜５のいずれかの項に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の斜板を備えた斜板式コンプレッサ。
8. 前記斜板式コンプレッサが炭酸ガス冷媒を用いたものであることを特徴とする請求項７に記載の斜板式コンプレッサ。
   

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