JP2008261345A - ピストンのコーティング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れたコート層を圧縮機のピストンにコーティングする方法を提供する。
【解決手段】フッ素樹脂１００重量部、及びバインダー５０〜４００重量部、及びモース硬度が２．０〜５．０の範囲で前記フッ素樹脂に対して０．０５〜１２体積％の耐摩耗性付与剤をそれぞれ有機溶剤に溶解してコーティング液を調製し、該コーティング液をピストン式圧縮機のピストン２２の外周面に被覆した後、有機溶剤を除去してコート層３５を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、車両の空調システムに使用される圧縮機のピストンのコーティング方法に関するものである。

例えば、車両の空調システムに用いられる圧縮機として、ピストン式圧縮機がある。この圧縮機のピストンとして、ピストンリングを有することなく、ピストンの外周面を直接シリンダボアの内周面に接触させる構成のものが存在する。このような構成のピストンにおいては、ピストンリングを備えていなくても、ピストンの外周面とシリンダボアの内周面との間の摺動特性、シール性、耐摩耗性等を確保する必要がある。
そこで、従来からピストンの外周面にフッ素樹脂等を主成分とするコート層を形成し、前述した摺動特性、シール性、耐摩耗性等を確保することが実施されている。

しかし、上記従来のフッ素樹脂を主成分とするコーティング材料でコート層を形成したピストン式圧縮機のピストンにおいては、同コート層の耐摩耗性が必ずしも満足できるものではないといった問題がある。

本発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであって、その目的は、耐摩耗性に優れたコート層をピストン式圧縮機のピストンにコーティングする方法を提供することにある。

本発明のピストンのコーティング方法は、フッ素樹脂１００重量部、及びバインダー５０〜４００重量部、及びモース硬度が２．０〜５．０の範囲で前記フッ素樹脂に対して０．０５〜１２体積％の耐摩耗性付与剤をそれぞれ有機溶剤に溶解してコーティング液を調製し、該コーティング液をピストン式圧縮機のピストンの外周面に被覆した後、有機溶剤を除去してコート層を形成する。

なお、前記コーティング液には、本発明の効果を阻害しない限り、所望により十数％程度まで、前記コーティング液に対して前記以外に所望の添加剤をさらに加えても構わない。この例としては、顔料、染料等が挙げられる。

本発明において、ピストン外周面に設けられるコート層の厚さは、該ピストンの使用条件や使用目的により、所望の厚さで設けられるが、通常は２０〜６０μｍの厚さで設けられる。

本発明に使用される耐摩耗性付与剤とはモース硬度が２．０〜５．０の範囲にある鉱物、無機物または無機化合物であり、その性状はコート層中に均一に分散できるものが使用される。具体的には、粉体、微粒子または微粒子状の物質である。耐摩耗性付与剤のモース硬度が２を下回ると、耐摩耗性が十分発揮されず、モース硬度が５を上回ると、該コート層表面と接する摺動部表面を傷付ける傾向が生じてくる。

このコート層において、前記耐摩耗性付与剤は前記モース硬度範囲のものが前記フッ素樹脂の含有量に対して、０．０５〜１２体積％の範囲で使用される。この範囲を下回ると、耐摩耗性が十分発揮されず、またこの範囲を上回ると、該コート層表面と接する摺動部表面を傷付ける傾向が生じてくる。

なお、耐摩耗性の観点からは、前記耐摩耗性付与剤のモース硬度が２．５〜４．５の範囲のものがより望ましく、一層望ましくは３．０〜４．０のものが使用される。ここで、モース硬度は、各耐摩耗性付与剤固有の特性値である。本発明では、前記モース硬度範囲にある鉱物、無機物または無機化合物を、前記形態（粉体、微粒子等）となるように粉砕等の処理を行ったものを耐摩耗性付与剤として使用するものである。

前記耐摩耗性付与剤は、通常、平均粒径１０μｍ以下のものが使用される。平均粒径が１０μｍを超えると、平滑な塗布表面が得られず、実用性が低下する。
この耐摩耗性付与剤として、具体的には、フッ化カルシウム、酸化亜鉛、マイカ、水酸化アルミニウム、窒化ホウ素、炭酸カルシウム、第３リン酸カルシウム、硫酸バリウム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
前記耐摩耗性付与剤として好適には固体潤滑性を有するものが選択される。この例としてはフッ化カルシウム等が挙げられる。

前記フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロロレンコポリマー）等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。本発明で使用されるフッ素樹脂は、通常は粉体（パウダー）ないしは粉体状のものが使用される。このようなフッ素樹脂は広く市販されており、例えばポリテトラフルオロエチレンの場合、ホスタフロンＴＦ（ヘキストインダストリー社）、セフラルループ（セントラル硝子株式会社）等の商品名で販売されている。

バインダーとしては耐熱性の高い熱硬化性樹脂が通常使用される。例えばポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

通常はこれらの樹脂が溶剤で希釈されたものが市販されており、本発明にもその様な市販品を適用することができる。この様な溶剤で希釈された製品を本発明に適用する場合は、その固形分（樹脂成分）が本発明におけるバインダーとなる。例えばポリアミドイミド樹脂の場合、ＨＰＣシリーズ（日立化成工業株式会社）の商品名で販売されている。

前記コーティング液において、溶剤の占める割合は、バインダー、フッ素樹脂および耐摩耗性付与剤等が溶剤に均一に分散ないしは溶解して、塗布等の作業に適した状態になる程度であれば、格別に限定されるものではない。通常は前記各成分の合計重量を１００重量部とした場合、溶剤も１００重量部程度使用されるが、溶剤使用量は所望により選ばれる。

請求項１の発明においては、耐摩耗性付与剤により耐摩耗性を向上させたコート層をコーティングすることができる。図４は、ピストンに対して耐摩耗性付与剤を含むコート層を設け、そのピストンを有するピストン式圧縮機を特定条件下で動作させた後に、コート層の摩耗量を測定した結果を示す。前述のような耐摩耗性付与剤を含有しないコート層と比較して、モース硬度が２．０〜５．０の耐摩耗性付与剤を含有するコート層は、摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れている。これに対し、モース硬度の値が上記範囲より低い耐摩耗性付与剤を含有させた場合には、耐摩耗性が顕著に低下する。逆に、モース硬度の値が上記範囲を超えると、コート層と接触するシリンダボアの内周面の摩耗が促進される。

請求項２に記載の発明においては、耐摩耗性付与剤としてモース硬度２．５〜４．５のものを用いたことにより、耐摩耗性の向上が良好である。
請求項３に記載の発明においては、耐摩耗性付与剤としてモース硬度３．０〜４．０のものを用いたことにより、耐摩耗性の向上がさらに良好である。
請求項４に記載の発明においては、モース硬度４．０の耐摩耗性付与剤を用いたことにより、耐摩耗性が最も良好である。

請求項５に記載の発明においては、コーティング液に固体潤滑性を有する添加剤を添加したことにより、ピストンに作用する摺動抵抗が小さくなり、良好な摺動特性を得ることができる。
請求項６に記載の発明においては、モース硬度と固体潤滑性の双方を高いレベルで発現するフッ化カルシウムを用いたことにより、耐摩耗性及び摺動特性をきわめて適切に得ることができる。
請求項７に記載の発明では、フッ化カルシウムの平均粒径を１０μｍ以下にしたことにより、請求項６の効果をさらに良好に維持できる。

以下、本発明を具体化した一実施形態について説明する。
図１〜図３は、本発明を両頭ピストン式圧縮機の両頭ピストンにおいて具体化した実施形態を示す。

一対のセンタハウジング１１，１２は相互に固定され、それらの前後にはフロントハウジング１３及びリヤハウジング１４がそれぞれバルブプレート１５，１６介して固定されている。前記両センタハウジング１１，１２，フロントハウジング１３及びリヤハウジング１４はアルミニウム合金よりなる。前記両センタハウジング１１，１２間にはラジアルベアリング１７を介して駆動シャフト１８が回転可能に支持されている。駆動シャフト１８の中間部には斜板１９が固定されており、その斜板１９はスラストベアリング２０によりフロントハウジング１３及びリヤハウジング１４に支持されている。

フロントハウジング１３及びリヤハウジング１４にはそれぞれ駆動シャフト１８の軸心を中心とした同一円上にて等間隔をおいてシリンダボア２１が配列形成されている。前後に対向するシリンダボア２１間にはピストン２２が往復動可能に収容され、その中間腹部にはシュー２３を介して前記斜板１９の外周部が連結されている。前記ピストン２２は、アルミニウム合金よりなる。

そして、駆動シャフト１８が回転されると、斜板１９が一体に揺動回転され、この揺動回転によりピストン２２が往復動される。このため、外部冷媒回路（図示しない）に接続された吸入室２４から吸入ポート２５及び吸入弁２６を介して冷媒ガスがシリンダボア２１内に吸入される。そして、その冷媒ガスが圧縮されて吐出ポート２７及び吐出弁２８を介して吐出室２９に吐出され、その吐出室２９から前記外冷媒回路に送出される。

次に、前記ピストン２２の構成について説明すると、図２に示すように、同ピストン２２は全体として概略円柱状をなす鋳造品である。ピストン２２は、一方の円柱頭部３１がフロント側のシリンダボア２１内に挿入配置されるとともに、他方の円柱頭部３１がリヤ側のシリンダボア２１内に挿入配置される。凹部３２は、両頭部３１間の中央部付近に肉盗みを施すことによって形成されている。
前記シュー２３を受ける受け部としてのシュー座３３は、同凹部３２内に形成されている。このシュー座３３に前記シュー２３が受けられる。

そして、フッ素樹脂及びバインダーを主成分するコート層３５が、シリンダボア２１との摺接部位としての前記両頭部３１の外周面に、数十μｍの厚みで皮膜形成されている。このため、ピストン２２の外周面とシリンダボア２１の内周面との間のシール性、低摩擦摺動性および耐摩耗性が確保されている。

前記コート層３５におけるフッ素樹脂とバインダーとの重量比はフッ素樹脂１００重量部に対して、バインダーが５０〜４００重量部である。そして、コート層３５には耐摩耗性付与剤として平均粒径５μｍのフッ化カルシウムが、フッ素樹脂に対して０．１体積％含有されている。このフッ化カルシウムは、モース硬度が４．０であり、固体潤滑性を有するものである。

ちなみに、コート層３５は図３に示すロールコーティング装置５１により形成される。このロールコーティング装置５１は、コーティング材料Ｃが貯留された材料パン５２と、同材料パン５２のコーティング材料Ｃ中に外周部の一部が没入されたメタルロール５３と、同メタルロール５３に所定間隔をおいて配置されたコンマロール５４と、前記メタルロール５３に接触配置された合成ゴム製の転写ロール５５と、ピストン２２を回転可能に保持するワークホルダ５６と、同ワークホルダ５６及び前記各ロール５３〜５５をそれぞれ矢印方向に回転させるモータ等を備えた駆動機構（図示しない）を備えている。

駆動機構を起動して各ロール５３〜５５及びピストン２２を回転させると、メタルロール５３の外周面に対して材料パン５２中のコーティング材料Ｃが、その周方向に順次付着される。同メタルロール５３に付着されたコーティング材料Ｃは、コンマロール５４により膜厚が調節された後、それに接触する転写ロール５５に転写される。そして、同転写ロール５５に接するピストン２２の頭部３１にはコーティング材料Ｃが転写塗布される。前記コーティング材料Ｃが塗布された後のピストン２２に対して、乾燥硬化処理が施され、コート層３５が形成される。

以上のように構成されたピストン２２は、そのコート層３５が前述したフッ化カルシウムを含んでいるため、以下のような効果を発揮する。
・ フッ化カルシウムが固体潤滑性を有するため、シリンダボア２１の内周面とコート層３５との摩擦抵抗が小さくなる。従って、ピストン２２の摺動特性が向上し、圧縮機の稼働効率がアップする。フッ化カルシウムの粒径を平均１０μｍ以下望ましくは１〜５μｍとすると摺動特性が一層向上する。

・ コート層３５がシリンダボア２１を形成したセンタハウジング１１，１２とほぼ等しい硬度のフッ化カルシウムを含有するため、図４に示すように、コート層３５の耐摩耗性が飛躍的に向上する。従って、高いシール性を長期にわたって維持でき、圧縮機の稼働効率の維持に寄与できる。

・ 本発明においては、フッ化カルシウムの配合比が、フッ素樹脂に対して０．０５体積％以上であれば、その特性を発揮できる。前記実施形態のコート層３５においては、フッ素樹脂に対してフッ化カルシウムが０．１体積％であるため、フッ化カルシウムの特性を発揮して、前記の摺動特性や耐摩耗性を確保できる。
なお、フッ化カルシウムの配合比がフッ素樹脂に対して、１２体積％を超えると、コート層中におけるフッ素樹脂とバインダーの割合が相対的に低下するので、摺動特性等の面で好ましくない。

・ コート層３５のフッ素樹脂とバインダーとの比率が、重量比で、フッ素樹脂１００重量部に対してバインダーが５０〜４００重量部の範囲内であるため、コート層３５の接着強度、耐摩耗性及び摺動性をバランス良く確保できる。これに対し、バインダーの比率が低くなると、ピストン２２に対するコート層３５の接着強度が低下する。また、バインダーの比率が高くなると、すなわちフッ素樹脂の比率が低くなると、耐摩耗性及び摺動特性が低下する。

この発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
・ 耐摩耗性付与剤としてフッ化カルシウム以外のもの、例えば、酸化亜鉛、マイカ、水酸化アルミニウム等を単独で、あるいはそれらを混合して、またはフッ化カルシウムと混合して使用すること。配合比率、粒径等は前記実施形態に従う。

・ 耐摩耗性付与剤としてモース硬度の異なるものを使用すること。例えば、モース硬度が２．５〜４．５の範囲内のもの、あるいはモース硬度が３．０〜４．０の範囲内のものを使用すること。このようにしても、前記実施形態に準じた効果を得ることができる。もちろん、これらモース硬度の異なるものを混合した場合も同様である。

［参考例１］
フッ素樹脂、バインダー、フッ化カルシウムからなるコーティング液を調製し、基材（後記の「ディスク」）に塗布し、１８０℃で９０分間焼成させたものについて、後記の試験方法により耐摩耗性を測定した。

コーティング液組成
１．フッ素樹脂
ポリテトラフルオロエチレンパウダー
（平均粒径４μｍ、かさ密度２８０±８０ｇ／Ｌ、製法：乳化重合）：
１００重量部
２．バインダー
ポリアミドイミド（日立化成工業株式会社製 ＨＰＣ−５０００）：
１６０重量部（但し、固形分換算量）
３．溶剤
Ｎ−メチルピロリドン： ３４０重量部
キシレン： ３０重量部
４．フッ化カルシウム（平均粒径３μｍ、モース硬度４．０）

添加量（フッ素樹脂に対する体積％）と摩耗量との関係は以下の通りである。

フッ化カルシウム（体積％） 0 0.05 0.3 1.0 3.0 5.0 8.0 12.0 15.0
摩耗量（μｍ） 10 2.0 1.0 0.5 0 0.5 1.0 2.0 8.0

測定方法と条件：上記の摩耗量は、３０μｍの厚さのコート層を持つディスクに対して、リングを４ｋｇで圧接し、無給油、５００ｒｐｍで２０時間回転させた後のコート層の摩耗深さを計測したものである。

［参考例２］
参考例１において、フッ化カルシウム０．３体積％に代えて、下記の種類の耐摩耗性付与剤０．３体積％を使用した他は、参考例１と同様にして、コート層を形成させ、参考例１と同様にコート層の摩耗量を測定した。その結果をフッ化カルシウム０．３体積％の場合の結果を含めて以下に示す。

モース硬度 平均粒径（μｍ） 摩耗量（μｍ）
無添加 １０
グラファイト（六方晶） １．５ ５．０ ９
窒化ホウ素（六方晶） ２．０ １．５ ５
マイカ（単斜晶） ２．５ ３．０ ３
水酸化アルミニウム（六方晶） ３．０ １．０ ２
炭酸カルシウム ３．５ ０．０４ ２
フッ化カルシウム（立方晶） ４．０ ３．０ １
酸化亜鉛（六方晶） ４．５ ０．６ ２
第３リン酸カルシウム（無定型）５．０ ２．０ ４

［実施例］
参考例２に準じて、グラファイト、マイカ、フッ化カルシウムまたは第３リン酸カルシウムを含有したコート層（厚さ：約３０μｍ）を両頭斜板ピストン式圧縮機のピストンの外周面に設け、次の条件のもとに、実機で試験した結果を以下に示す（図４）。

圧縮機 ：両頭斜板ピストン式圧縮機
冷媒／オイル：Ｒ１３４／ＰＡＧ
回転数 ：７００ｒｐｍ
運転時間 ：１００Ｈ

耐摩耗性付与剤（０．３体積％） モース硬度 局部摩耗量（μｍ）
・グラファイト（六方晶） １．５ １３
・マイカ（単斜晶） ２．５ ７
・フッ化カルシウム（立方晶） ４．０ ３
・第３リン酸カルシウム（無定型） ５．０ ８

前記試験結果に比し、全体に摩耗量が大きいが、ピストンで一番摩耗のしやすい局部での測定値であっても、モース硬度１．５のものに比して、他のものの摩耗量は値が小さくなっており、耐摩耗性に優れている傾向に変りはない。

圧縮機の縦断面図。 ピストンの斜視図。 ロールコーティング装置を示す模式図。 モース硬度と摩耗量との関係を示すグラフ。

符号の説明

１１・・・ハウジングを構成するシリンダブロック、２１・・・シリンダボア、２２・・・ピストン、３５・・・コート層、５１・・・ロールコーティング装置、Ｃ・・・コーティング材料。

Claims (7)

1. ピストン式圧縮機のピストンの外周面にコート層を設けるピストンのコーティング方法であって、
   フッ素樹脂１００重量部、及びバインダー５０〜４００重量部、及びモース硬度が２．０〜５．０の範囲で前記フッ素樹脂に対して０．０５〜１２体積％の耐摩耗性付与剤をそれぞれ有機溶剤に溶解してコーティング液を調製し、該コーティング液を前記ピストンの外周面に被覆した後、有機溶剤を除去してコート層を形成することを特徴とするピストンのコーティング方法。
2. 前記耐摩耗性付与剤のモース硬度が２．５以上〜４．５以下の範囲のものである請求項１に記載のピストンのコーティング方法。
3. 前記耐摩耗性付与剤のモース硬度が３．０以上〜４．０以下の範囲のものである請求項１に記載のピストンのコーティング方法。
4. 前記耐摩耗性付与剤のモース硬度が４．０である請求項１に記載のピストンのコーティング方法。
5. 前記耐摩耗性付与剤が固体潤滑性を有するものである請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のピストンのコーティング方法。
6. 前記耐摩耗性付与剤がフッ化カルシウムである請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のピストンのコーティング方法。
7. 前記耐摩耗性付与剤が平均粒径１０μｍ以下のものである請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のピストンのコーティング方法。

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