JP4128442B2 - シール材及びそれを備えたスクロール流体機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れたシール材及びそれを備えたスクロール流体機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、耐熱性、耐薬品性、摺動性等に優れたエンジニアリングプラスチックが、従来の金属材料に替わって広く利用されている。特に、耐熱性、耐摩耗性、潤滑性が要求される無給油式スクロール圧縮機のシール材としては、摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が用いられている。
しかしながら、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、必ずしも耐摩耗性が十分ではないために、例えば、球状炭素または炭素繊維、二硫化モリブデン、青銅粉等の耐摩耗性に優れた材料を添加することにより、耐摩耗性及び潤滑性の向上を図ったチップシールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、青銅粉の替わりに、銅−鉛共晶粉末を添加したシール材（例えば、特許文献２参照）、あるいは銅系合金粉末を添加したシール材（例えば、特許文献３参照）等も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１７４１８８号公報
【特許文献２】
特開平７−２１６１７７号公報
【特許文献３】
特開平６−１０９１３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のスクロール圧縮機においては、さらなる長寿命化、高性能化が求められており、シール材においても、より摩擦係数が低いもの、耐摩耗性に優れたものが求められている。
しかしながら、従来のシール材では、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返す断続運転では、耐摩耗性はほとんど問題無いものの、連続運転、特に長時間の連続運転を行った場合、摩耗が大きくなり、スクロール圧縮機の寿命が短くなる虞がある。特に、シール材とラップ部との間に漏れが生じた場合、再圧縮による温度上昇、ラップ部の損傷等が生じる虞もある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れたシール材及びそれを備えたスクロール流体機械を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次の様なシール材及びそれを備えたスクロール流体機械を提供した。
すなわち、本発明のシール材は、酸化アルミニウム又はニッケル系合金と摺動するシール材であって、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなることを特徴とする。
【０００７】
このシール材では、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有したことにより、球状銅粉等が変性ポリテトラフルオロエチレン中に均一に分散することで、摩耗速度、摩耗係数共に改善される。これにより、シール材は摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れたものとなる。
【０００８】
このシール材では、前記球状銅粉は５〜２５重量％、前記ピッチ系炭素繊維は５〜２０重量％、前記二硫化モリブデンは１〜１０重量％それぞれ含有し、残部は前記変性ポリテトラフルオロエチレン及び不可避不純物であることとするのが好ましい。
【０００９】
本発明のスクロール流体機械は、鏡板の一主面側に渦巻状のラップが立設された一対のスクロールを前記ラップが重なり合う様に対向配置して圧縮室を形成し、前記鏡板のラップ底面には酸化アルミニウム層が設けられ、該ラップ底面と対向するラップの先端部に形成された溝に、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなるシール材を備えてなることを特徴とする。
また、鏡板の一主面側に渦巻状のラップが立設された一対のスクロールを前記ラップが重なり合う様に対向配置して圧縮室を形成し、前記鏡板のラップ底面にはニッケル系合金による被膜処理を施し、該ラップ底面と対向するラップの先端部に形成された溝に、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなるシール材を備えてなることを特徴とする。
本発明のスクロール流体機械では、前記シール材は、前記球状銅粉は５〜２５重量％、前記ピッチ系炭素繊維は５〜２０重量％、前記二硫化モリブデンは１〜１０重量％それぞれ含有し、残部は前記変性ポリテトラフルオロエチレン及び不可避不純物で構成されたことを特徴とする。
【００１０】
このスクロール流体機械では、ラップ部の少なくとも一方の先端部に形成された溝に本発明の摩擦係数が低く耐摩耗性に優れたシール材を備えたことにより、このシール材と、対向するラップ部との間の摺動性が向上し、シール材とラップ部との間に漏れが生じる虞も無くなる。これにより、再圧縮による温度上昇、ラップ部の損傷等が生じる虞も無くなり、スクロール流体機械の寿命が延びる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のシール材及びそれを備えたスクロール流体機械について図面を参照して説明する。
ここでは、スクロール流体機械として無給油式スクロール圧縮機を例に取り説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態の無給油式スクロール圧縮機の要部を示す断面図であり、このスクロール圧縮機は、鏡板の一主面側に渦巻状に形成されたスクロールラップ（ラップ部）１ｂを有する固定スクロール１と、鏡板の一主面側に渦巻状に形成されたスクロールラップ（ラップ部）２ｂを有する旋回スクロール２とを備えている。固定スクロール１及び旋回スクロール２は、アルミニウム合金により構成され、スクロールラップ１ｂがスクロールラップ２ｂと互いに噛み合うように、互いに対向して配置されている。これにより、固定スクロール１と旋回スクロール２との間に圧縮室３が形成される。
【００１３】
固定スクロール１のラップ底面１ａとスクロールラップ１ｂの側面には、アルマイトやニッケル系合金からなる被膜６が形成され、旋回スクロール２のラップ底面２ａとスクロールラップ２ｂの側面にも、アルマイトやニッケル系合金からなる被膜６が形成されている。この被膜６は、電解浴にて、陽極で電解処理し、表面に酸化アルミニウムの層（アルマイト）を形成する被膜処理や、無電解メッキ法等によりニッケル系合金による被膜処理を施すことで形成されるもので、被膜処理前に固定スクロール１及び旋回スクロール２それぞれの表面粗さを小さくしておくことにより、この被膜６の表面は、ニッケル系合金特有の柔らかさと相まって、極めて滑らかなものとなっている。
【００１４】
また、このスクロールラップ１ｂの先端部の端面１ｃには、チップシール（シール材）嵌め込み用の溝１ｄが形成され、この溝１ｄにはチップシール（シール材）７ａが嵌め込まれている。また、スクロールラップ２ｂの先端部の端面２ｃにも、チップシール（シール材）嵌め込み用の溝２ｄが形成され、この溝２ｄにもチップシール７ｂが嵌め込まれている。
【００１５】
チップシール７ａ、７ｂは、シール材としての機能を発揮することができるような材料であればよく、ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉とを含有する複合材料が好適である。これらポリテトラフルオロエチレン及び球状銅粉には、更に、ピッチ系炭素繊維及び二硫化モリブデンを添加するのが好ましい。
また、ポリテトラフルオロエチレンは、変性ポリテトラフルオロエチレンを主成分とすることが好ましい。
この様な材料組成としては、例えば、球状銅粉を５〜２５重量％、ピッチ系炭素繊維を５〜２０重量％、二硫化モリブデンを１〜１０重量％それぞれ含有し、残部をポリテトラフルオロエチレン及び不可避不純物とした複合材料が好適に用いられる。
【００１６】
ここで、球状銅粉を５〜２５重量％と限定した理由は、耐摩耗性に優れ、目標とする寿命を達成することができるからである。なお、５重量％未満では、球状銅粉の量が少なく、摩耗が増大するという問題が生じ、また、２５重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの割合が少なくなり、各材料の保持性が劣り、摩耗が増大するという問題が生じる。
【００１７】
また、ピッチ系炭素繊維を５〜２０重量％と限定した理由は、耐摩耗性に優れ、目標とする寿命を達成することができるからである。なお、５重量％未満では、相手面への攻撃性が小さく、平滑化しないため、シールの摩耗が増大するという問題が生じ、また、２０重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの量が少なく、また、相手面への攻撃性が高くなり、シールの摩耗が増大するという問題が生じる。
【００１８】
また、二硫化モリブデンを１〜１０重量％と限定した理由は、耐摩耗性に優れ、目標とする寿命を達成することができるからである。なお、１重量％未満では、潤滑性が不足し、摩耗が増大するという問題が生じ、また、１０重量％を超えると、ポリテトラフルオロエチレンの量が少なく、各材料の保持性が劣り、摩耗が増大するという問題が生じる。
【００１９】
この様な構成としたチップシール７ａ、７ｂは、摩耗速度が０．０８〜０．１０μｍ／時、摩擦係数（μ）が０．３３〜０．３９であり、従来のチップシールに比べて耐摩耗性及び潤滑性が大幅に向上している。これにより、このチップシール７ａ、７ｂを用いたスクロール圧縮機を長時間連続運転を行った場合においても、チップシール７ａ、７ｂの摩耗は極めて小さく、スクロール圧縮機の寿命も従来に比べて格段に長くなる。
【００２０】
このスクロール圧縮機では、スクロール中心部側の圧縮室３が高圧側となり、スクロールラップ１ｂ、２ｂで仕切られた隣の圧縮室３との間で圧力差が生じ、チップシール７ａ、７ｂが浮上して、それぞれラップ底面１ａ、２ａ及び溝１ｄ、２ｄの側面に押し付けられ、圧縮室３間のシール性を保つようになっている。
【００２１】
本実施形態のチップシール７ａ、７ｂによれば、ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉とを含有する複合材料により構成したので、耐摩耗性及び潤滑性を大幅に向上させることができる。したがって、このチップシール７ａ、７ｂを用いたスクロール圧縮機を長時間連続運転を行った場合においても、チップシール７ａ、７ｂの摩耗を極めて抑制することができ、スクロール圧縮機の寿命を格段に長くすることができる。
【００２２】
また、本実施形態のスクロール圧縮機によれば、摩擦係数が低く耐摩耗性に優れたチップシール７ａ、７ｂを備えたので、チップシール７ａ、７ｂとスクロールラップ１ｂ、２ｂとの間の摺動性を向上させることができ、チップシール７ａ、７ｂとスクロールラップ１ｂ、２ｂとの間の漏れ等の不具合も生じる虞が無く、再圧縮による温度上昇、ラップ部の損傷等が生じる虞も無く、スクロール圧縮機の寿命を延ばすことができる。
また、チップシール７ａ、７ｂの摩擦係数が低いので、発熱量が少なくなり、動力の損失を小さくすることができる。また、吐出する空気の温度が高くならないので、運転効率を向上させることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００２４】
実施例１〜３及び比較例１〜４各々において、変性ポリテトラフルオロエチレン（変性ＰＴＦＥ）、球状銅粉、ピッチ系炭素繊維、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、不定形銅粉、青銅粉（銅合金）、ＰＡＮ系炭素繊維を表１に示す配合比となるようにそれぞれ秤量し、これらを混合し、その後、外径（φ）４０ｍｍ、内径（φ）３０ｍｍ、厚み（ｔ）２０ｍｍの形状に成形することにより、実施例１〜３及び比較例１〜４各々の試料を作製した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
図２は、実施例１〜３及び比較例１〜４各々の試料の摩耗速度（μｍ／ｈ）を比較した結果である。ここでは、各々について５個の試料の摩耗速度を測定し、その平均値を図示した。
摩耗速度は、リングオンディスク型摩擦・摩耗試験機を用い、摺動速度２ｍ／ｓ、荷重０．２ＭＰａ、温度１２０℃、相手材：アルミ合金に陽極酸化処理、膜厚３０μｍ、硬さ４００Ｈｖ（２５ｇ）、表面粗さ１５Ｒｚ、と、スクロール圧縮機と同様の条件で行った。また、リングは、外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍとし、摩耗粉が摩擦面から速やかに除去されるように、幅３ｍｍのスリットを１２本形成し、さらに固定ディスク中心部からエアブローを行った。
【００２７】
図２によれば、実施例１〜３では摩耗速度が０．１０μｍ／ｈ以下と小さく、耐摩耗性に優れていることが分かった。一方、比較例１〜４では摩耗速度が０．１３μｍ／ｈ以上と大きく、実施例１〜３に比べて耐摩耗性に劣っていることが分かった。
【００２８】
図３は、実施例１〜３及び比較例１〜４各々の試料の摩擦係数（μ）を比較した結果である。ここでは、各々について５個の試料の摩擦係数を測定し、その平均値を図示した。
摩擦係数の測定は、上記の「摩耗速度」の測定方法に準じて行った。
【００２９】
図３によれば、実施例１〜３では摩擦係数は０．３３〜０．３９の範囲にあり、ＰＴＦＥを用いた比較例１よりは高く、摺動性が若干低下しているものの、不定形銅粉を用いた比較例２や青銅粉を用いた比較例３と比べて摩擦が小さく、摺動性に優れていることが分かった。
【００３０】
図４は、実施例１の試料について、球状銅粉の添加量（重量％）を変化させた場合の摩耗速度（μｍ／ｈ）及び摩擦係数（μ）を比較した結果である。ここでは、各々について５個の試料の摩耗速度及び摩擦係数を測定し、その平均値を図示した。
図４によれば、球状銅粉の添加量が５〜２５重量％の範囲で摩耗速度が０．１０μｍ／ｈ以下、摩擦係数が０．３５以下となり、耐摩耗性及び摺動性に優れていることが分かった。したがって、耐摩耗性及び摺動性を向上させるためには、球状銅粉の添加量を５〜２５重量％の範囲内とすればよいことが分かった。
【００３１】
図５は、実施例１の試料について、ピッチ系炭素繊維の添加量（重量％）を変化させた場合の摩耗速度（μｍ／ｈ）及び摩擦係数（μ）を比較した結果である。ここでは、各々について５個の試料の摩耗速度及び摩擦係数を測定し、その平均値を図示した。
図５によれば、ピッチ系炭素繊維の添加量が５〜２０重量％の範囲で摩耗速度が０．１０μｍ／ｈ以下、摩擦係数が０．３９以下となり、耐摩耗性及び摺動性に優れていることが分かった。したがって、耐摩耗性及び摺動性を向上させるためには、ピッチ系炭素繊維の添加量を５〜２０重量％の範囲内とすればよいことが分かった。
【００３２】
図６は、実施例１の試料について、二硫化モリブデンの添加量（重量％）を変化させた場合の摩耗速度（μｍ／ｈ）及び摩擦係数（μ）を比較した結果である。ここでは、各々について５個の試料の摩耗速度及び摩擦係数を測定し、その平均値を図示した。
図６によれば、二硫化モリブデンの添加量が１〜１０重量％の範囲で摩耗速度が０．１０μｍ／ｈ以下、摩擦係数が０．３３以下となり、耐摩耗性及び摺動性に優れていることが分かった。したがって、耐摩耗性及び摺動性を向上させるためには、二硫化モリブデンの添加量を１〜１０重量％の範囲内とすればよいことが分かった。
【００３３】
なお、本実施形態では、本発明のシール材を無給油式スクロール圧縮機に適用した例を示したが、本発明のシール材は、無給油式スクロール圧縮機に限定されることなく、本発明の要旨を超えない範囲で様々なスクロール流体機械に適用可能である。例えば、往復動圧縮機のピストンリングやライダリング、リップリング等に適用することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシール材によれば、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有したので、摩耗速度、摩耗係数共に大幅に改善することができる。したがって、摩擦係数が低く、耐摩耗性に優れたシール材を実現することができる。
【００３５】
本発明のスクロール流体機械によれば、鏡板の一主面側に渦巻状のラップが立設された一対のスクロールを前記ラップが重なり合う様に対向配置して圧縮室を形成し、前記鏡板のラップ底面には、酸化アルミニウム層が設けられるか、またはニッケル系合金による被膜処理が施され、該ラップ底面と対向するラップの先端部に形成された溝に、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなるシール材を備えたので、このシール材と、対向するラップ部との間の摺動性を向上させることができ、シール材とラップ部との間に漏れが生じる虞が無い。
したがって、再圧縮による温度上昇、ラップ部の損傷等が生じる虞が無く、スクロール流体機械の寿命を格段に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の無給油式スクロール圧縮機の要部を示す断面図である。
【図２】 実施例１〜３及び比較例１〜４各々の摩耗速度（μｍ／ｈ）を示す図である。
【図３】 実施例１〜３及び比較例１〜４各々の摩擦係数（μ）を示す図である。
【図４】 球状銅粉の添加量を変化させた場合の摩耗速度（μｍ／ｈ）及び摩擦係数（μ）それぞれの変化を示す図である。
【図５】 ピッチ系炭素繊維の添加量を変化させた場合の摩耗速度（μｍ／ｈ）及び摩擦係数（μ）それぞれの変化を示す図である。
【図６】 二硫化モリブデンの添加量を変化させた場合の摩耗速度（μｍ／ｈ）及び摩擦係数（μ）それぞれの変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 固定スクロール
１ａ ラップ底面
１ｂ スクロールラップ（ラップ部）
１ｃ 端面
１ｄ 溝
２ 旋回スクロール
２ａ ラップ底面
２ｂ スクロールラップ（ラップ部）
２ｃ 端面
２ｄ 溝
３ 圧縮室
６ 被膜
７ａ、７ｂ チップシール（シール材）

Claims (5)

1. 酸化アルミニウム又はニッケル系合金と摺動するシール材であって、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなることを特徴とするシール材。
2. 前記球状銅粉は５〜２５重量％、前記ピッチ系炭素繊維は５〜２０重量％、前記二硫化モリブデンは１〜１０重量％それぞれ含有し、残部は前記変性ポリテトラフルオロエチレン及び不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載のシール材。
3. 鏡板の一主面側に渦巻状のラップが立設された一対のスクロールを前記ラップが重なり合う様に対向配置して圧縮室を形成し、前記鏡板のラップ底面には酸化アルミニウム層が設けられ、該ラップ底面と対向するラップの先端部に形成された溝に、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなるシール材を備えてなることを特徴とするスクロール流体機械。
4. 鏡板の一主面側に渦巻状のラップが立設された一対のスクロールを前記ラップが重なり合う様に対向配置して圧縮室を形成し、前記鏡板のラップ底面にはニッケル系合金による被膜処理を施し、該ラップ底面と対向するラップの先端部に形成された溝に、変性ポリテトラフルオロエチレンと、球状銅粉と、ピッチ系炭素繊維と、二硫化モリブデンとを含有してなるシール材を備えてなることを特徴とするスクロール流体機械。
5. 前記シール材は、前記球状銅粉は５〜２５重量％、前記ピッチ系炭素繊維は５〜２０重量％、前記二硫化モリブデンは１〜１０重量％それぞれ含有し、残部は前記変性ポリテトラフルオロエチレン及び不可避不純物で構成されたことを特徴とする請求項３または４に記載のスクロール流体機械。

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