JP2017141709A - コンプレッサー用斜板および斜板式コンプレッサー - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサー用斜板の摺動面の破損を抑制する。
【解決手段】斜板３は、シリンダ内を往復運動するピストン４を移動させるためのシュー５と摺動する摺動面を有する基材３１と、摺動面上に形成されたコーティング層３２と、樹脂コーティング層３２に形成された、同心円または渦巻き形状の溝Ｇとを有し、同心円または渦巻きの中心が、シリンダ内の流体の圧縮率が最大となるときにシュー５と対向する位置Ｐｍａｘから、最小となるときにシュー５と対向する位置Ｐｍｉｎまでの間にある。
【選択図】図６

Description

本発明は、コンプレッサーにおいて用いられる斜板に関する。

いわゆる斜板式のコンプレッサー（圧縮機）が知られている。この種のコンプレッサーにおいては、斜板の摺動特性を改善するため、摺動面に樹脂コーティング層が形成されたものがある。ところが、耐摩耗性の高い材料を樹脂コーティング層に用いると、初期なじみ性が悪くなるという問題があった。これに対し、例えば特許文献１には、初期なじみ性と耐摩耗性とを両立するため、樹脂コーティング層に同心円状または螺旋状の溝を形成する技術が記載されている（特に図１）。

特許第４３７６５１９号公報

ある種の斜板式コンプレッサーにおいては、斜板上の特定の位置においてシューが斜板と接触し、斜板の摺動面が損傷してしまうという問題があった。

これに対し本発明は、斜板の損傷を抑制する技術を提供する。

本発明は、シリンダ内を往復運動するピストンを移動させるためのシューと摺動する摺動面を有する基材と、前記摺動面上に形成された樹脂コーティング層と、前記樹脂コーティング層に形成された、同心円または渦巻き形状の溝とを有し、前記同心円または渦巻きの中心が、前記シリンダ内の流体の圧縮率が最大となるときに前記シューと対向する第１位置から、最小となるときに当該シューと対向する第２位置までの間にあるコンプレッサー用斜板を提供する。

前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記中心が９０°±４５°の位置にあってもよい。

前記溝は、第１中心を有する同心円または渦巻き形状の溝および当該第１中心と異なる第２中心を有する同心円または渦巻き形状の溝を有してもよい。

前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記第１中心が９０°±５°の位置にあり、前記第２中心が４５°±５°の位置にあってもよい。

また、本発明は、シリンダ内を往復運動するピストンを移動させるためのシューと摺動する摺動面を有する基材と、前記摺動面上に形成された樹脂コーティング層と、前記樹脂コーティング層に形成された、前記シューの底面より小さい第１閉領域を形成する溝とを有し、前記第１閉領域が、前記シリンダ内の流体の圧縮率が最大となるときに前記シューと対向する第１位置から、最小となるときに当該シューと対向する第２位置までの間にあるコンプレッサー用斜板を提供する。

前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記第１閉領域が９０°±４５°の位置にあってもよい。

前記溝は、前記第１閉領域と異なる位置において、前記シューの底面より小さい第２閉領域を有してもよい。

前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記第１閉領域が９０°±５°の位置にあり、前記第２閉領域が４５°±５°の位置にあってもよい。

さらに、本発明は、上記いずれかのコンプレッサー用斜板を有する斜板式コンプレッサーを提供する。

本発明によれば、斜板の破損を抑制することができる。

一実施形態に係るコンプレッサー１の構造を示す断面模式図。 斜板３とシュー５との位置関係を例示する図。 従来技術に係る斜板９の破損メカニズムを例示する図。 斜板９とシュー５との位置関係を例示する図。 斜板３の断面構造を例示する図。 コーティング層３２の表面構造を例示する模式図。 溝Ｇの構造を例示する図。 位置Ｐｃにおける潤滑油の流れと溝Ｇとの関係を例示する図。 溝Ｇの形状の別の例を示す図。 溝Ｇの形状のさらに別の例を示す図。 溝Ｇの形状のさらに別の例を示す図。 溝Ｇの形状のさらに別の例を示す図。 溝Ｇの断面形状の別の例を示す図。

図１は、一実施形態に係るコンプレッサー１の構造を示す断面模式図である。コンプレッサー１は、いわゆる斜板式コンプレッサーである。コンプレッサー１は、シャフト２、斜板３、ピストン４、およびシュー５を有する。シャフト２は、ハウジング（図示略）に対して回転可能に支持されている。斜板３は、シャフト２の回転軸に対して斜めに固定されている。斜板３は、本発明に係る摺動部材の一例である。ピストン４は、ハウジングに設けられたシリンダボア（図示略）内を往復運動する。シュー５は、斜板３とピストン４との間に設けられており、斜板３およびピストン４とそれぞれ摺動する。シュー５において、斜板３と摺動する面はほぼ平坦であり、ピストン４と摺動する面はドーム状（半球状）の形状を有している。シュー５は、本発明に係る摺動部材と摺動する相手材の一例である。シャフト２の回転は、斜板３によりピストン４の往復運動に変換される。

図２は、斜板３とシュー５との位置関係を例示する図である。図２は、摺動面に垂直な方向から見た図である。斜板３は、全体として中央部に孔を有する円板形状を有する。斜板３から見ると、シュー５は、摺動面上を回転運動している。ここで回転運動とは、斜板３に対してシュー５が点Ｃｓ（円板の中心とほぼ等しい）を中心とする円弧状または円状の軌跡ｔを描く運動をいう。例えば圧縮室側の摺動面を考えたとき、ピストン４が最も引き出された位置（圧縮率最小）から最も押し込まれた位置（圧縮率最高）までは圧縮室に向かって力がかかるので、シュー５は斜板３と摺動している。しかし、ピストン４が最も押し込まれた位置から最も引き出された位置に向かうときには圧縮室と反対側に力がかかるので、シュー５が斜板３の摺動面から浮き上がる場合がある。軌跡を円弧状というのはこのためである。

本願発明者らの研究によれば、ある種のコンプレッサーにおいては、斜板上の特定の位置が破損しやすい場合があることがわかった。そのメカニズムは以下のとおりであると推測される。

図３は、従来技術に係る斜板９の破損メカニズムを例示する図である。この図を参照して斜板９とシュー５との詳細な位置関係を説明する。いま、ピストン４による圧縮率が最高となる状態（図５（Ａ））においてシュー５と対向する斜板９の摺動面上の位置を、０°と定義する。すなわち、この状態における斜板３の回転角を０°と定義する。図では０°の位置に目印を示している。また、圧縮率が最小となる状態（図５（Ｃ））においてシュー５と対向する斜板９の摺動面上の位置を、１８０°と定義する。これは、図５（Ａ）の状態から斜板３が１８０°回転した状態に相当する。

斜板９の回転角が０°のとき、圧縮率は最大である。この状態から斜板９が回転すると、圧力が解放される方向に向かう。このとき、ピストン４の移動が斜板９の回転に対して遅れ、瞬間的にシュー５と斜板９との距離が大きくなる（図５（Ｂ）。この図ではシュー５と斜板９との距離を誇張している）。その後、ある回転角（この例では９０°）でピストン４の移動が斜板９の回転に追いつくと、摺動面上にシュー５が着地する形になり、このときシュー５との接触により斜板９の摺動面が破損する。

図４は、斜板９とシュー５との位置関係を例示する図である。この例では、回転角が０°のときにシュー５は圧縮率が最大となる位置Ｐｍａｘから、斜板９の回転方向に沿って圧縮率が最小となる位置Ｐｍｉｎ（回転角１８０°）に達するまでの間の位置Ｐｃ（この例では回転角９０°）においてシュー５と斜板９との接触が発生し、斜板９の摺動面が破損する。本実施形態に係る斜板３はこの問題に対処する。なお、位置Ｐｃは、例えば、回転角が９０°±４５°の範囲に発生しやすい結果が本願発明者らの研究により得られている。

図５は、斜板３の断面構造を例示する図である。図５は、シュー５との摺動面に垂直な断面における構造を示す模式図である。斜板３は、基材３１、コーティング層３２、およびコーティング層３３を有する。コーティング層３２およびコーティング層３３はいずれもシュー５と摺動する。コーティング層３２およびコーティング層３３は、いずれも、本発明に係る樹脂コーティング層の一例である。基材３１は、中央部に孔を有する円板形状を有しており、要求される特性を満たす金属、例えば、鉄系、銅系、またはアルミニウム系の合金により形成される。シュー５との凝着を防ぐ観点から、斜板３はシュー５とは異なる材料で形成されることが好ましい。

コーティング層３２は、斜板３の摺動面の特性を改善するために設けられている。コーティング層３２は、少なくともバインダー樹脂を含む。バインダー樹脂は、例えば熱硬化性樹脂により形成される。熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、およびポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびフェノールの少なくとも１種が用いられる。コーティング層３２は、添加剤として個体潤滑剤を含んでもよい。個体潤滑剤は、潤滑特性を改善するため、すなわち摩擦係数を低減するために添加される。コーティング層３２は、例えば、２０〜７０ｖｏｌ％の固体潤滑材を含む。固体潤滑剤としては、例えば、ＭｏＳ₂、グラファイト（Ｇｒ）、カーボン、フッ素系樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）、軟質金属（Ｓｎ，Ｂｉ等）、ＷＳ₂、およびｈ−ＢＮの少なくとも１種が用いられる。コーティング層３２は、添加剤として硬質粒子を含んでもよい。硬質粒子としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、および硫化物の少なくとも１種が用いられる。

コーティング層３２の摩滅を防止する観点から、コーティング層３２の厚さは１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。例えば、コーティング層３２の厚さが５μｍ未満であると、コーティング層３２が摩耗して基材３１が露出してしまう場合がある。基材３１が露出すると、摩擦係数が増大したり、シュー５と凝着したりする問題が発生する。また、コーティング層３２の膜厚が厚すぎるとかえって耐焼付き性が低下する場合があることから、５０μｍ以下であることが好ましい。コーティング層３３についても同様である。

図６は、コーティング層３２の表面構造を例示する模式図である。この図も、図２と同様、摺動面に垂直な方向から見た図である。この例で、コーティング層３２の表面には複数の溝Ｇが形成されている。摺動面に垂直な方向から見て、複数の溝Ｇは、それぞれ円または円弧の形状を有している。これらの円および円弧は、同心円である。この同心円の中心Ｃｃは、図４で説明した、回転角９０°に対応するシュー５の位置Ｐｃに位置する。なお図中の矢印は、斜板３に帯するシュー５の相対的な回転方向を示している。

図７は、溝Ｇの構造を例示する図である。この図は、溝Ｇが延びている方向と垂直な断面における溝Ｇの形状を示している。溝Ｇは、断面において壁面が描く曲線が円弧または楕円弧となる形状を有している。溝Ｇの深さｄ（頂部から底部までの長さ）は、例えば、１μｍ以上、２０μｍ以下である。効果的な油膜形成の観点からは、深さｄは５μｍ以上であることがより好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。また、溝Ｇのピッチｐ（隣り合う２つの溝Ｇの底部の中心間の間隔）は、例えば、５０μｍ以上、１ｍｍ以下である。効果的な油膜形成の観点からは、ピッチｐは、１００μｍ以上であることがより好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましい。なお図５では深さ方向のスケールを強調して図示している。

なお、基材３１において、摺動面となる面、すなわちコーティング層３２が形成される面およびコーティング層３３が形成される面はいずれもほぼ平坦である。コーティング層３２との接着力を強化するため、基材３１の表面は粗面化されていてもよい。また、基材３１とコーティング層３２との間に中間層が形成されてもよい。溝Ｇは、例えば、基材３１の表面上に均一な厚さのコーティング層を形成した後、コーティング層の表面を円形の刃で切削することにより形成される。なおコーティング層３３にも同様の溝が形成されている。

図８は、位置Ｐｃにおける潤滑油の流れと溝Ｇとの関係を例示する図である。位置Ｐｃにおいては、シュー５と斜板３の摺動面との距離が縮まる。このとき、シュー５の底面の中心から外側に向かう潤滑油の流れが生じる。すなわち、溝Ｇを横切る方向に潤滑油の流れが生じる。溝Ｇの頂部に向かう潤滑油の流れによりくさび効果が生じ、効果的に油膜圧力が発生する。この油膜圧力によりシュー５と斜板３との直接接触が抑制され、摺動面の破損が抑制される。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

図９は、溝Ｇの形状の別の例を示す図である。この例で、複数の溝Ｇは、渦巻き形状（螺旋を摺動面に射影した形状）の一部を構成している。この例では、渦巻きの中心が位置Ｐｃに位置する。渦巻き形状の溝Ｇにおいても、位置Ｐｃにおける潤滑油の流れは溝Ｇを横切る形になるので、くさび効果による油膜圧力が発生する。図４のような同心円状の溝Ｇを形成する場合、円形の刃を、描く円の径を変えてコーティング層の表面を切削し、また径を変えてはコーティング層の表面を切削するということが繰り返し行われる。しかし、この例のような螺旋形状の溝であれば、刃の位置を徐々に変えながら一筆書きのように溝を形成することができる。

図１０は、溝Ｇの形状のさらに別の例を示す図である。この例では、複数の溝Ｇは、重心が共通で大きさの異なる複数の正方形（以下「同心方形」という）の一部の形状を有している。正方形の重心が位置Ｐｃに位置する。位置Ｐｃにおける潤滑油の流れは溝Ｇを横切る形になるので、くさび効果による油膜圧力が発生する。

図１１は、溝Ｇの形状のさらに別の例を示す図である。この例では、複数の溝Ｇは、位置Ｐｃにおいてシュー５の底面より小さい閉領域を形成している。ここで、閉領域とは、少なくとも１本の溝Ｇが閉曲線を有し、その閉曲線で囲まれる領域をいう。この閉領域がシュー５の底面より小さいので、潤滑油の流れは溝Ｇを横切る形になる。この形状でも、くさび効果による油膜圧力が発生する。なお、この例では、位置Ｐｃの近傍以外では、溝Ｇは同心円の形状を有する。なお、図６の同心円形の溝および図１０の同心方形の溝も、位置Ｐｃにおいてシュー５の底面より小さい閉領域を有する形状であるといえる。

図１２は、溝Ｇの形状のさらに別の例を示す図である。この例では、溝Ｇは、回転角９０°に相当する位置ＰＣ１に中心を有する同心円に加え、回転角３０°に相当する位置ＰＣ２に中心を有する同心円を合わせた形状を有する。コンプレッサーの構造によっては、シュー５の摺動面の２箇所において破損が発生しやすい場合がある。この例は、そのようなコンプレッサーに対応するため、異なる２箇所に中心を有する２つの同心円を組み合わせた形状の溝Ｇを設けている。なお、２つの同心円の組み合わせに代えて、２つの渦巻きの組み合わせ、２つの同心方形の組み合わせ、または２つの閉領域を有する形状が用いられてもよい。

同心円または渦巻きの中心の位置、もしくは閉領域が形成される位置は、回転角９０°に相当する位置に限定されない。例えばこの位置は、コンプレッサーの構造に応じて実験的に決められる。このとき、実験的に決められた位置に対して所定のマージン（例えば±５°）が許容されてもよい。いずれにしても位置Ｐｃは、シリンダ内の流体の圧縮率が最大となるときにシュー５と対向する位置Ｐｍａｘ（第１位置）から、最小となるときにシュー５と対向する位置Ｐｍｉｎ（第２位置）までの間のどこかにあればよい。

図１３は、溝Ｇの断面形状の別の例を示す図である。溝Ｇの断面形状は、図５で例示した壁面が描く曲線が円弧形状のものに限定されない。溝Ｇの断面形状は、矩形（図１３（Ａ））またはＶ字型（図１３（Ｂ））などどのようなものであってもよい。また、溝Ｇの頂部は、平面となっていてもよい（図１３（Ｃ））。

コンプレッサー１の具体的構成は図１で例示したものに限定されない。例えば、ピストン４は斜板３の片側（圧縮室側）のみに設けられていてもよい。この場合、シュー５は斜板３の片面のみと摺動するので、基材３１の片面のみにコーティング層が形成されていればよい。

斜板３を構成する材料および各構成要素のサイズはあくまで例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。

１…コンプレッサー
２…シャフト
３…斜板
３１…基材
３２…コーティング層
３３…コーティング層
４…ピストン
５…シュー

Claims (9)

1. シリンダ内を往復運動するピストンを移動させるためのシューと摺動する摺動面を有する基材と、
   前記摺動面上に形成された樹脂コーティング層と、
   前記樹脂コーティング層に形成された、同心円または渦巻き形状の溝と
   を有し、
   前記同心円または渦巻きの中心が、前記シリンダ内の流体の圧縮率が最大となるときに前記シューと対向する第１位置から、最小となるときに当該シューと対向する第２位置までの間にある
   コンプレッサー用斜板。
2. 前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記中心が９０°±４５°の位置にある
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサー用斜板。
3. 前記溝は、第１中心を有する同心円または渦巻き形状の溝および当該第１中心と異なる第２中心を有する同心円または渦巻き形状の溝を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のコンプレッサー用斜板。
4. 前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記第１中心が９０°±５°の位置にあり、前記第２中心が３０°±５°の位置にある
   ことを特徴とする請求項３に記載のコンプレッサー用斜板。
5. シリンダ内を往復運動するピストンを移動させるためのシューと摺動する摺動面を有する基材と、
   前記摺動面上に形成された樹脂コーティング層と、
   前記樹脂コーティング層に形成された、前記シューの底面より小さい第１閉領域を形成する溝と
   を有し、
   前記第１閉領域が、前記シリンダ内の流体の圧縮率が最大となるときに前記シューと対向する第１位置から、最小となるときに当該シューと対向する第２位置までの間にある
   コンプレッサー用斜板。
6. 前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記第１閉領域が９０°±４５°の位置にある
   ことを特徴とする請求項５に記載のコンプレッサー用斜板。
7. 前記溝は、前記第１閉領域と異なる位置において、前記シューの底面より小さい第２閉領域を有する
   ことを特徴とする請求項５または６に記載のコンプレッサー用斜板。
8. 前記第１位置を０°、前記第２位置を１８０°と定義したとき、前記第１閉領域が９０°±５°の位置にあり、前記第２閉領域が３０°±５°の位置にある
   ことを特徴とする請求項７に記載のコンプレッサー用斜板。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載のコンプレッサー用斜板を有する斜板式コンプレッサー。

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