JP4955412B2

JP4955412B2 - 斜板式コンプレッサの斜板および斜板式コンプレッサ

Info

Publication number: JP4955412B2
Application number: JP2007026747A
Authority: JP
Inventors: 直成谷川; 芳郎沖
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: JP2008133815A

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。また、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では、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もこれまでより高くなり、斜板の摺動部にはさらに焼付きが発生しやすくなる。

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、斜板の摺動面に、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。また、ドライ潤滑状態を含めた境界潤滑状態での摩擦摩耗特性を改善するために、固体潤滑コーティング膜を有する斜板の摺動面に複数の同心円状の溝を設けて、隣接する溝間に山部を形成したものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−１９９３２７号公報特開２００３−１３８２８７号公報再公表特許第ＷＯ２００２／０７５１７２号公報

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、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。

一方、特許文献３に記載されたものは、同心円状の溝に潤滑油を保持することにより、斜板の摺動面の摩擦摩耗特性を改善することができるが、斜板式コンプレッサは、ピストン、シューおよび斜板が、それぞれの間に１０〜５０μｍ程度の小さな寸法公差を設定して軸方向に直列に配置されているので、溝間の山がシューとの接触面圧で早期に塑性変形し、設定された寸法公差が外れてピストンの運動にがたつき等が生じるようになり、コンプレッサの効率低下を招く問題がある。

そこで、本発明の課題は、コンプレッサの効率低下を招くことなく、斜板の摺動面の摩擦摩耗特性を改善して、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、前記シューが摺動する斜板の摺動面に、斑点状または筋状の凹部を形成した構成を採用した。

すなわち、シューが摺動する斜板の摺動面に、斑点状または筋状の凹部を形成することにより、凹部を除く摺動面の平面部がシューとの接触面圧で塑性変形しないようにし、コンプレッサの効率低下を招くことなく、凹部に潤滑油を保持して摺動面の摩擦摩耗特性を改善して、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。

前記凹部を斑点状に設ける場合は、１つずつの凹部の面積を３ｍｍ^２〜２０ｍｍ^２程度とするのが好ましく、その形状は円形状、楕円形状、多角形状等の任意の形状とすることができる。また、凹部を筋状に設ける場合は、それぞれの筋状の凹部の幅を２ｍｍ〜５ｍｍ程度とし、これらの筋状の凹部の間隔を３〜１０ｍｍ程度とするのが好ましい。なお、凹部は、ランダムに配列してもよく、また、平行な直線状、格子状、渦巻状または放射状に整列した状態に配列するようにしてもよい。

前記凹部を除く摺動面の平面部の面積は、摺動面全体の１０〜９０％、好ましくは５０〜９０％とするのがよい。平面部の面積が１０％未満では平面部がシューとの接触面圧で塑性変形する恐れがあり、９０％を越えると凹部に保持される潤滑油の量が不足するからである。

前記凹部の深さは２０〜５０μｍとするのが好ましい。深さが２０μｍ未満では潤滑油の保持効果を十分に期待できず、深さが５０μｍを越えると凹部の加工が難しくなるからである。

前記凹部を圧縮成形で形成することにより、凹部を短時間で容易に形成することができる。摺動面全体の凹部を１つの押し型でまとめて圧縮成形すれば、さらに短時間で容易に凹部を形成することができる。

前記斜板の基材を金属基材とし、この金属基材とした斜板の摺動面に金属粉末を固化した下地層を形成し、この下地層の上に樹脂被覆層を形成することにより、樹脂被覆層の密着性を確保して摺動面の耐焼付き性を改善することができる。

前記金属粉末を固化した下地層は、焼結や溶射等によって形成することができ、金属粉末には、鉄系、銅系、ニッケル系、アルミニウム系、およびこれらを複合したものを用いることができる。コストパフォーマンス等を考慮すると、ニッケル系のものが好ましい。

前記樹脂被覆層を形成する樹脂は、低摩擦特性を有するものであればよく、優れた低摩擦特性を有し、斜板の使用雰囲気に十分耐える耐熱性を有するフッ素樹脂が最も好ましい。具体的には、ＰＴＦＥ（融点θＭ：３２７℃、連続使用温度θＡ：２６０℃）が挙げられる。ＰＴＦＥは、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。

前記ＰＴＦＥは、−ＣＦ_２ＣＦ_２−の繰り返し単位より構成され、約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、ポリフロンＭ１５、ルブロンＬ−２（以上ダイキン工業社製商品名）、テフロンＴＬＰ−１０（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、ＫＴＬ６１０（喜多村社製商品名）等がある。

前記樹脂被覆層にフッ素樹脂を使用する場合は、バインダ樹脂として、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂等を用いることができる。これらの中でもポリアミドイミド系樹脂が下地層との密着性に優れ、かつ耐熱性が高いので好ましい。樹脂被覆層におけるバインダ樹脂の配合割合は、フッ素樹脂１００重量部に対して、バインダ樹脂１００〜１５０重量部とするのが好ましい。バインダ樹脂が１００重量部未満では樹脂被覆層の密着性を損ね、１５０重量部を越えると樹脂被覆層の摺動特性を損ねるからである。

また、前記樹脂被覆層を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、ディスペンド法、ロール法等、種々の方法を採用することができ、スプレーコート法では、樹脂被覆層の層厚を精度よく形成することができる。樹脂被覆層の層厚は、焼成後の厚みで５〜５０μｍ、好ましくは１０〜４０μｍとするのがよい。層厚が５μｍ未満では、シューとの片当たり等が生じたときに局部的に摩耗することがあり、層厚が５０μｍを越えると、樹脂被覆層の剥離が生じる恐れがあるからである。

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、シューが摺動する斜板の摺動面に、斑点状または筋状の凹部を形成することにより、凹部を除く摺動面の平面部がシューとの接触面圧で塑性変形しないようにしたので、コンプレッサの効率低下を招くことなく、凹部に潤滑油を保持して摺動面の摩擦摩耗特性を改善して、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の両側の摺動面にはＮｉ粉末を溶射した下地層１０が形成され、その上に、フッ素樹脂としてのＰＴＦＥに、バインダ樹脂としてのＰＡＩと黒鉛粉末を配合した樹脂被覆層１１が形成されている。なお、下地層１０は２００μｍの厚さに形成したＮｉ溶射層を、８０μｍの厚さに旋削加工したものである。

前記樹脂被覆層１１は、ＰＡＩを溶媒に溶解させ、この溶解させた樹脂溶液にＰＴＦＥと黒鉛粉末を配合して希釈したコーティング剤を、下地層１０の上からスプレーコート法で塗布して、２４０℃で焼成したものであり、これらの配合割合は、ＰＴＦＥ１００重量部に対して、ＰＡＩが１５０重量部、黒鉛粉末が１０重量部とされ、厚みは１０〜４０μｍとされている。なお、ＰＴＦＥは再生ＰＴＦＥの放射線照射材、ＰＡＩはＮ−メチルピロリドンで分散されたＰＡＩワニス、黒鉛粉末は平均粒径が１０μｍの人造黒鉛とした。

図３（ａ）に示すように、前記斜板３の摺動面には、斑点状の凹部１２を平行な直線状に整列した状態に配列している。各凹部１２は長径３ｍｍ、短径２ｍｍの楕円形状とされ、その深さは２５〜３５μｍとされている。これらの凹部１２は、１つの押し型でまとめて圧縮成形したものであり、この圧縮成形による凹部１２は、斜板基材に設けた樹脂コーティング材の塗膜を焼成する前に圧縮成形で形成し、その後塗膜を焼成することで樹脂被覆層を形成している。こうすることによって、樹脂被覆層にクラック等が発生することを予防できる。また、樹脂被覆層１１の密着強度が高くなるので、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でも使用することができる。

図３（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ前記凹部１２の形成パターンの変形例を示す。図３（ｂ）の変形例は、図３（ａ）と同様の斑点状の凹部１２を放射状に整列した状態に配列している。図３（ｃ）の変形例は、筋状の凹部１２を直角に交差する格子状に配列したものであり、格子状の筋状の凹部１２の幅は２ｍｍ〜５ｍｍ、格子の間隔は３〜１０ｍｍとされている。なお、斑点状の凹部１２は、図３（ａ）、（ｂ）に示したように規則的に配列されたものでなく、規則性のないランダムに配列されたものでもよい。また、筋状の凹部１２は、斜めに交差するものとしてもよい。

実施例として、鋼製（Ｓ４５Ｃ）のディスク（直径６０ｍｍ、厚さ６ｍｍ）の片面側に、上述したようにステンレス溶射層の下地層１０と樹脂被覆層１１を形成し、それぞれ図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したパターンで凹部１２を形成した試験片（実施例１〜３）を用意した。いずれの実施例も、凹部１２はコーティング材の塗膜を焼成する前に圧縮成形で形成し、その後、塗膜を焼成することで樹脂被覆層１１の表面に形成したものである。また、比較例として、Ｎｉ溶射層の下地層１０と樹脂被覆層１１を形成したのみで、凹部１２を形成していない試験片（比較例１）と、上記Ｎｉ溶射層の下地層１０と樹脂被覆層１１を形成して、樹脂被覆層１１の表面に、特許文献３と同様の同心状の溝（深さ１０μｍ、ピッチ０．５ｍｍ）を旋削加工で形成した試験片（比較例２）も用意した。

上記実施例と比較例の各試験片に対して３つの鋼製シューを摺動させるスラスト型試験機（３シュー・オン・タイプ）を用いた摩擦摩耗試験を行い、試験初期と１０分後の摺動部の摩擦係数と、１０分後の試験片摺動面の摩耗量を測定した。試験条件は以下の通りである。
・摺動面圧：１０ＭＰａ
・摺動速度：２００ｍ／分
・潤滑条件：ＰＡＧ系冷凍機油で摺動面を濡らした状態
・試験時間：１０分間

表１に、上記摩擦摩耗試験の結果を示す。試験片の摺動面に凹部を形成した各実施例のものは、いずれも試験初期から１０分後までの摩擦係数が安定しており、摺動面の摩耗量も非常に少ない。これに対して、摺動面に凹部を形成しなかった比較例１のものと、摺動面に同心状の溝を形成した比較例２のものは、いずれも１０分後の摩擦係数が上昇し、摺動面の摩耗量も増大している。特に、比較例１のものは、これらの不具合度合いが大きい。以上の結果より、摺動面に斑点状または筋状の凹部を形成した本発明に係る斜板は摩擦摩耗特性が優れ、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、コンプレッサの効率低下を招くことなく十分に耐用可能であることが分かった。

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ａは図２の斜板の摺動面に形成した凹部のパターンを示す平面図、ｂ、ｃは、それぞれａの凹部のパターンの変形例を示す平面図

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下地層
１１樹脂被覆層
１２凹部

Claims

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、
前記斜板は、斜板の基材を金属基材とし、この金属基材とした斜板の摺動面に金属粉末を固化した下地層を形成し、この下地層の上に樹脂コーティング剤の塗膜を被覆し、その塗膜を焼成することによって樹脂被覆層を形成したものであり、
前記シューが摺動する斜板の摺動面の前記樹脂被覆層には、深さ２０〜５０μｍの斑点状または筋状の凹部が、前記樹脂コーティング剤の塗膜を焼成する前に塗膜を圧縮成形することで形成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。
前記凹部を除く摺動面の平面部の面積を、摺動面全体の１０〜９０％とした請求項１に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
前記凹部が、平行な直線状、格子状、渦巻状または放射状に整列した状態で並ぶ請求項１または２に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
前記樹脂被覆層は、ＰＴＦＥ１００重量部に対して、バインダ樹脂としてのポリアミドイミド樹脂を１００〜１５０重量部含む請求項１から３のいずれかに記載の斜板式コンプレッサの斜板。
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。
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。
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用斜板の製造方法において、
前記斜板の基材を金属基材とし、この金属基材とした斜板の摺動面に金属粉末を固化した下地層を形成し、この下地層の上に樹脂コーティング剤の塗膜を被覆し、塗膜を焼成する前に圧縮成形で塗膜の表面に、深さ２０〜５０μｍの斑点状または筋状の凹部を形成し、その後、塗膜を焼成することによって樹脂被覆層を形成することを特徴とする斜板式コンプレッサ用斜板の製造方法。