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Classifications
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Landscapes
- Compressor (AREA)
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- Ceramic Products (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
以上のことから、冷媒圧縮機の軸受としては、無給油の無潤滑状態の境界潤滑においても信頼性を維持できる高耐力であって、低価格の炭素黒鉛質基材を使用したカーボン軸受の開発が望まれている。
Ra=I1/I2・・・(1)
(ただし、前記式(1)中、I1は、前記軸受の軸との摺動面における黒鉛結晶の(004)面と(110)面のX線回折による積分強度比((110)面の積分強度/(004)面の積分強度)を表し、I2は、前記摺動面に直交する面における黒鉛結晶の(004)面と(110)面のX線回折による積分強度比((110)面の積分強度/(004)面の積分強度)を表す)
また、本発明の軸受は、耐摩耗性が良好となるので、軸受の信頼性を向上させることができる。
また、本発明の軸受は、黒鉛結晶の配向が、異方比で1.2以上となっているので、軸受の摺動部における熱伝導率が良好となる。その結果、この摺動部における放熱性が良好となって、本発明の軸受は、過酷な条件で冷媒圧縮機が運転されても摺動部における油膜を保持することができるとともに、冷媒の熱分解を防止することができる。
本発明は、これらの過酷な潤滑モードに対して対応可能な軸受材および軸受ならびにこれを用いた冷媒圧縮機,冷凍装置,空調機を提供するものである。
図1は、スクロール型冷媒圧縮機の断面模式図である。図2は、図1の一点鎖線で囲んだ箇所の部分拡大図である。
このスクロール型冷媒圧縮機SCでは、モータ7によってクランクシャフト5が回転すると、クランク5aの偏心回転により、旋回スクロール部材2は、自転することなく固定スクロール部材3に対して旋回運動を行う。その結果、吸入口3cより吸い込んだ冷媒ガスは、渦巻状のラップ3bと渦巻状のラップ2bとが噛み合うことで形成された圧縮室3eで圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、吐出口3dから固定スクロール部材3の上方に吐出される。そして、この圧縮された冷媒ガスは、固定スクロール部材3の上方から連通孔3g(図1参照)を介してフレーム4の下方に至って排出口3fからスクロール用密閉容器1の外側に排出される。
しかしながら、本実施形態の軸受2c,4aは、図2に示すように、旋回スクロール部材2の台板2aおよびフレーム4の所定の箇所に各々圧入されて固定されることによって、スクロール型冷媒圧縮機SCの信頼性および耐久性を向上させることができる。
もちろん、この際、軸受2c,4aは、台板2aおよびフレーム4の所定の箇所に各々焼嵌、冷し嵌、ネジ嵌、嵌合、接着剤等の手段で取り付けられてもよい。そして、圧入される際の圧環強さ(圧環荷重)については、18.6MPa(150N)以上が必要とされているので、軸受2c,4aの圧環強さは、これ以上の荷重に耐える強度に設定されている。なお、ここで云う圧環強さとは、JIS Z 2507に示される焼結軸受−圧環強さ試験方法で求められるものである。具体的には、図1に示すスクロール型冷媒圧縮機SC等に使用される軸受2c,4aでは、その大きさが、例えば、外径Φ19mm、内径Φ16mm、および高さ14.3mmであると、軸受2c,4aの圧環荷重は、150N以上となり、圧環強さは、18.6MPa以上となる。
以上のようなスクロール型冷媒圧縮機SC(図1参照)、およびロータリ型冷媒圧縮機RC(図3参照)に使用される軸受2c,4a(図2参照)および軸受15(図4参照)〔以下、単に「軸受」という場合がある〕は、後記するこの軸受の製造方法で説明するように、異方性炭素黒鉛質基材に後記する所定の金属を含ませたものである。
前記ハロゲン化炭化水素系冷媒としては、例えば、フッ化炭化水素系冷媒、フッ化臭化炭化水素系冷媒、フッ化ヨウ化炭化水素系冷媒等が挙げられる。
このような冷媒の中でも好ましいものは、R410A、R404A、R407C、R134a、等のフッ化炭化水素(HFC)系冷媒、CF3I等のフッ化ヨウ化炭化水素系冷媒、R600a、R290等の炭化水素系冷媒、R744、R717等の自然系冷媒等が挙げられる。特に、フッ化ヨウ化炭化水素系冷媒は、環境負荷が小さい点で好ましい。
このカップリング剤は、固体物質(コークス、黒鉛、無機充填剤)の表面をコーティングすることで結合剤(石油ピッチ等)の中に固体物質を均一に分散させることができる。このように固体物質が均一に分散されると、後記する混捏機のトルクは抵抗が小さくなり、作業性は一段と改善される。
このために、本実施形態では、前記したように、骨材に無機充填剤を配合している。
次いで、Step3では、前記バルク状の混捏物が粉砕機および造粒機にかけられて粒度分級され、原料ペレットが得られる。
そして、Step4では、粒度分級した粒(原料ペレット)の大小が適当となるように混合される。このことによって、流動性および型充填性に合う原料ペレット(以下、単に「原料」という場合がある)が得られる。
次いで、N−Step5では、次の金型粉末成形が行われる。つまり、このN−Step5では、前記原料を本実施形態に係る軸受の単品、例えば、軸受として使用される形状に近い形に成形した成形物が得られる。なお、ここでの「使用される形状に近い形状」は、いわゆる「ニアネットシェイプ」を含んで意味し、目的の軸受の形状に近い形状であってもよいし、目的の軸受の複数分が連なった長尺の原材に近い形状であってもよい。なお、長尺の場合は、この原材から所定長さが切り出されて軸受は製造されることとなる。また、「使用される形状に近い形状」には、軸受が円筒状の場合に、円柱状のものであってもよく、この場合には、後の機械加工仕上げで中心が刳り貫かれて円筒状に形成されることとなる。
ちなみに、本実施形態での製造方法では、原料が、例えば外径Φ20.5mm、内径Φ11.5mm、および高さ25mmの円筒形状となるように、粉末成形機を使用して一個ごとに金型成形される。この成形には、上下方向からの一軸プレス法が採用される。この一軸プレス法には、例えば、上下パンチを有するエジェクション方式成形法、ウイズドローウォール式成形法等が用いられる。
また、炭素黒鉛質基材の揮発分は、1質量%以下となる。
ちなみに、固定炭素は、JIS R 7212、またはJIS K 2425に準拠して測定することができる。灰分は、JIS R 7223、JIS M 8812、JIS M 8511、またはJIS K 2425に準拠して測定することができる。炭素黒鉛質基材の揮発分は、JIS R 7212、JIS M 8812、またはJIS M 8511に準拠して測定することができる。
ちなみに、コークスの灰分は0.19質量%であり、人造黒鉛の灰分は0.1質量%以下であり、鱗状黒鉛の灰分は1.12質量%であり、土状黒鉛の灰分は19.6質量%であり、高結晶黒鉛の灰分は0.1質量%以下であり、非結晶黒鉛の灰分は0.33質量%である。なお、これらの黒鉛は、それぞれ単独で、または複数を任意に配合して用いられる。
このような結合剤の焼成後における結合剤の未分解物は、冷媒圧縮機の使用環境で軟化し、そして冷凍機油および冷媒に溶出することによって、軸受の強度を低下させるとともに、溶出したものが析出したことによる冷媒配管の詰まり等の障害を起こす。
そして、このようにして得られた炭素黒鉛質基材は、異方性を有する炭素黒鉛質基材となっている。つまり、N−Step5で得られる金型粉末成形体(グリーン成形体)には、黒鉛結晶の向きが配向した整列板状黒鉛集合体となっているので、これを焼成して得られた炭素黒鉛質基材は、黒鉛結晶が異方性を有するものとなる。
Ra=I1/I2・・・(1)
(ただし、前記式(1)中、I1は、前記軸受の軸との摺動面における黒鉛結晶の(004)面と(110)面のX線回折による積分強度比((110)面の積分強度/(004)面の積分強度)を表し、I2は、前記摺動面に直交する面における黒鉛結晶の(004)面と(110)面のX線回折による積分強度比((110)面の積分強度/(004)面の積分強度)を表す)
なお、異方比1.2以上の根拠については後記する。
以上のような炭素黒鉛質基材は、曲げ強さが50MPa以上であり、圧縮強さが180MPa以上であるものが望ましく、その細孔の顕微鏡で求めた面積空隙率が、平均で15%以下であることが望ましい。
このとき、充填前の炭素黒鉛質基材の形状は、前記したように、軸受の形状と略同じ形状を呈しているので、この仕上げ加工に際しては、素材ロスが少ない。そして、このような仕上げ加工を経て冷媒圧縮機の軸受が得られる。
次に、O−Step9の軸受加工1、O−Step10の軸受加工2、およびO−Step11の軸受加工3を経て軸受が完成する。なお、軸受加工1では、バー材がNC旋盤等の加工装置で円柱形状に加工される。また、軸受加工2では、円柱形状となったバー材が円筒形状に加工される。また、軸受加工3では、円筒形状となったバー材が仕上げ装置で仕上加工されて目的の軸受となる。
開空孔17は、結合剤が熱分解して生成したガスが抜けた孔と、金属型粉末成形を行った際(図5のN−Step8参照)に、原料の粒子間に形成された隙間が焼結時に残った孔とがある。これらの孔は、連続空孔となる。これらの連続空孔は、図8(b)に示すように、直径が約1〜15μmの範囲で分布している。これらの空孔に対して金属が50質量%以上充填されることとなる。
次に、粉末成形機の成形圧力と面積空隙率との関係を表1に示す。
また、成形圧力が97%である場合に得られた異方性炭素黒鉛質基材は、平均面積空隙率が14.13%、95%の成形圧力では平均面積空隙率が17.36%となっている。これは、原料の粒子の接触面に成形荷重が伝達するとともに、更に下部の原料の粒子に伝達されることを示している。
上部パンチと下部パンチの双方にて原料を圧縮成形すると、上部パンチのみで圧縮成形した際に生じた低密度で多孔質の部分、つまり脆弱部が解消されて、図9(b)に示すように、健全な空隙率分布となっている。つまり、後記する軸受の機械的強度や耐摩擦摩耗特性の品質が大幅に改善されることとなる。特に軸受のような上部と下部はパンチの圧力効果が得られるので、圧縮機構部の組立圧入に係る強度や圧縮機の軸荷重の集中荷重が求められるような部品には、空隙率や機械的強度の分布が有効に作用するものである。この部分に後記する金属が高圧で充填される。
また、ラマン分光分析による炭素黒鉛質基材のマトリックスの面積比は、二種類のピーク波形の大きさによって非晶質のコークス質と結晶質の黒鉛質を識別することができる。この面積比は、既知の標準サンプルによって黒鉛の面積率を推測したものである。以上のことにより、本実施形態で用いる軸受の炭素黒鉛質基材中の黒鉛が特定される。これは、面積率に換算すると45〜68%に相当するものである。
図11は、黒鉛結晶化度と摩耗量との関係を示す図である。図12は、平均面積空隙率と摩耗量との関係を示す図である。図13は、異方比と摩耗量との関係を示す図である。
以上のような運転条件(試験条件)において、図23の従来例6は、使用実績のある軸受材料である。この摩耗量は、27μm/2h(13.5μm/h)であった。軸受の摩耗量は、ロータリ型冷媒圧縮機のシリンダとピストンとの隙間におけるシール性(耐洩れ性)や、スクロール型冷媒圧縮機の軸と軸受のシール性、つまり圧縮室のシール性に関係している。
そこで、今般は、より過酷な運転条件に対応し、より高効率、高信頼度を目指すべく、20μm/2h(10μm/h)を目標値とする。これが、シリンダ内の容積効率や圧縮室の容積効率を長期に亘って継続的に維持するために必要であるという目標値である。つまり、前記のような摩耗試験が想定している、短時間の過渡的な過酷な運転条件に対して、軸受の摩耗量が20μm/2h(10μm/h)以下、すなわち試験荷重9.8MPaにおいて、10μm/h以下であることを目標値とする。
したがって、摩耗量が10μm/hに対応する異方比は、図13に示すように、1.2が必要となる。
図13に示すように、異方比1.2以上を本実施形態は選択したものであるが、従来周知の等方性炭素黒鉛質基材は異方比1.0である。図13から判るように、異方比1.5の試験品は摩耗量5.4μm/hに対し、従来の異方比1.0のものは13.6μm/hとなり約1/2.5倍の摩耗量となる。また、異方比1.8のものは摩耗量2.95μm/hとなることにより、約1/4.6倍の摩耗量となることが判った。前記のとおり、本実施形態においては異方比を1.2以上と規定したものである。
次に、炭素黒鉛試験材のX線回折による黒鉛結晶の配向を示す異方比の測定を行った。その結果を表2に示す。なお、この測定は、リガク社製X線回折装置(RINT2500HL)を使用して行った。この測定は、CuX線源を使用してX線出力50kV(250mA)の条件で行った。X線回折装置における光学系としてはモノクロメータ付き集中ビームが使用され、スリットDSは0.5deg、スリットRSは0.3mm、スリットSSは0.5degに設定された。
ここで参照する図14は、プレス成形される時にできる黒鉛結晶の(110)面を最大限に活用した試験片の斜視図である。
ここでは、まず試験片について説明する。図15は、円柱体基材における試験片の採取位置を示した模式図である。図15に示すように、試験面を暗色で示す横方向のA面はプレス成形に依って黒鉛結晶の網面が高密度に配向している面で、X線回折による(004)面が集中的に配向している面である。
一方、試験面を暗色で示す縦方向のB面は前記A面の直角方向に当り、(004)面が最も少なく(110)面が最も多く配向している面である。
空気調和機、冷蔵庫および給湯機などに使用する代表的な冷媒と冷凍機油(粘度グレード)の組合せにおいて、シールドチューブテスト(150℃ 40日)が実施された。そして、外観、溶出物の低温析出性(−40℃)、冷凍機油の劣化による全酸価の上昇、および炭素黒鉛質基材の曲げ強さの変化が検討された。その結果を表4に示す。
炭素黒鉛は貴なる物質で、卑なる金属との間では冷凍サイクルおよび冷媒圧縮機のように微量の水分が存在する場合には、電気化学作用によって腐蝕や冷媒の分解が加速されることが考えられる。充填金属の選定は、各種充填候補金属を水分100ppm含む冷凍機油(エステル系)中に浸漬し、250℃、1時間保持した場合の冷凍機油の化学的変化を検討して行った。その結果を表5に示す。
図19は、Cu(銅)のα固溶体を形成する合金を真空高圧充填装置内で溶融し、炭素黒鉛質基材の空孔を高圧充填する一例を示す模写図である。図20(a)は、ブロック状の等方性炭素黒鉛質基材より切り出した断面が矩形状バー材を示す模式図、図20(b)は円柱または円筒状の異方性炭素黒鉛質基材を示す模式図である。図21(a)は、異方性炭素黒鉛質基材の金属充填前の顕微鏡組織図、図21(b)は、異方性炭素黒鉛質基材の金属充填後の顕微鏡組織図である。
図19に示すように、真空高圧充填装置23は、真空容器24内に金属溶融炉25と、吊カゴ26と、昇降機27を有するものである。そして、吊カゴ26内に被充填炭素黒鉛質基材をセットした後に真空高圧充填装置23内が真空引きされてガスが排出される。次いで、金属溶融炉25内のCu(銅)のα固溶体で銅合金が加熱溶融される。そして、この加熱溶融した銅合金の浴中に昇降機27を使って吊カゴ26内に被充填炭素黒鉛質基材が浸漬される。
円筒状の炭素黒鉛質基材に溶融された銅合金を充填した場合、外周面及び内周面から銅合金が充填されるため、内周面及び外周面の全周の金属濃度がほぼ均一となっている。したがって、機械加工仕上げ工程を行った場合であっても、内周面及び外周面の全周の金属濃度がほぼ均一となっている最終使用形態の軸受が得られる。
一方、円柱状の炭素黒鉛質基材の場合、外周面から円柱の中心に向かって銅合金が充填されるため、円柱体内での銅合金の金属濃度は中心から外周面の距離に応じて、ほぼ均一である。したがって、機械加工仕上げ工程により、円柱体から円筒体に加工した場合であっても、内周面及び外周面の全周の金属濃度はほぼ均一となっている。また、金属充填前に円柱状の炭素黒鉛質基材を円筒体に加工した場合であっても、前記したように外周面及び内周面から銅合金が充填されるため、内周面及び外周面の全周の金属濃度がほぼ均一となっている。したがって、機械加工仕上げ工程を行った場合であっても、内周面及び外周面の全周の金属濃度がほぼ均一となっている最終使用形態の軸受が得られる。
実施例6は、青銅(BC3)を充填したものであって、面積充填率が6.49%、面積空隙率が1.31%となった。そして、面積空隙充填率は83%となる。
実施例7は、リン青銅(PBC3:Pの含有量0.05〜0.5質量%)を充填したものであって、面積充填率が4.82%、面積空隙率が2.98%となった。そして、面積空隙充填率は62%となる。
実施例8は、リン銅(BCuP2:Pの含有量6.8〜7.5質量%)を充填したものであって、面積充填率が6.10%、面積空隙率が1.54%となった。そして、面積空隙充填率は80%となる。
実施例9は、青銅(BC3)を充填したものであって、面積充填率が6.13%、面積空隙率が1.70%となった。そして、面積空隙充填率は78%となる。
実施例10は、リン青銅(PBC3)を充填したものであって、面積充填率が7.40%、面積空隙率が0.98%となった。そして、面積空隙充填率は88%となる。
実施例11は、リン銅(BCuP2)を充填したものであって、面積充填率が6.52%、面積空隙率が1.63%となった。そして、面積空隙充填率は80%となる。
図22は、摩擦摩耗試験片の配置を示す図である。図23は、気体冷媒としてのR410Aを使用した摩擦摩耗試験を行い、この試験で測定された摩耗量を従来例と実施例とで比較した図である。図24は、気体冷媒としてのR410Aを使用した摩擦摩耗試験を行い、この試験で測定された平均摩擦係数を従来例と実施例とで比較した図である。図25は、気体冷媒としてのCO2を使用した摩擦摩耗試験を行い、この試験で測定された摩耗量を従来例と実施例とで比較した図である。
前記固定片29および可動片30の評価試験の試験条件を表9に示す。
前記した気中摩耗試験(図23、図24参照)では、気体冷媒としてのR410A中で、一定の速度1.2m/s、試験面圧9.8MPaで行ったものであるが、ここでは、前記した気中摩耗試験の前後となる5MPaと15MPaで気中摩耗試験が行われた。その他の条件は、表10に示すように設定した。
また、実施例37は固定片の摩耗量が5μm/2hで可動片の摩耗量が1.2μm/2hであり、実施例38は固定片の摩耗量が13μm/2hで可動片の摩耗量が2.5μm/2hとなった。
前記ストライベック曲線を求める本試験では、40℃、冷媒(R410A)、冷凍機油(エステル系)の混合実用雰囲気中(粘度η:26×10−3Pa・s)で試験荷重が1MPa、2MPa、3MPaにおけるストライベック曲線が求められた。図30(a)および(b)から明らかなように、1MPaの低い試験荷重の場合には、ηV/Pが等方性炭素黒鉛質基材より異方性炭素黒鉛質基材が優れていることが判る。これは、基材の平均空隙率が、等方性が10.86%、異方性が9.07%(図8参照)であることに由来するものと考えられる。
前記ストライベック曲線を求める本試験は、前記した従来の等方性炭素黒鉛質基材、または従来の金属充填等方性炭素黒鉛質基材で形成された軸受と軸を、HFC冷媒と冷凍機油とを代表したR410Aの所定量とともに封入した場合を想定して行った。
図32(a)に示すように、この金属充填異方性炭素黒鉛質基材は、軸荷重が1MPaおよび2MPaにおいてηV/Pが0.9[(Pa・s・m/s)/(GPa)]で低摩擦領域を維持し、いわゆる流体潤滑状態となり軸および軸受の機械的損失を低減できるものである。したがって、初期なじみ性および潤滑油膜保持性が優れ、低粘度、低速回転(例えば1000rpm)、高荷重での使用に十分耐えられるものである。
なお、本実施形態での軸受を使用した冷凍装置には家庭および業務用空気調和機、冷蔵庫、除湿機、給湯機、洗濯乾燥機、ショーケース、冷凍ユニット、自動車用空気調和機等がある。
すなわち、本実施形態に係る軸受は、炭素黒鉛質骨材および結合剤を含む混捏物を、使用する形状に近い形状に成形した成形物が焼成されて得られた炭素黒鉛質基材を使用した圧環強さが18.6MPa以上の軸受であって、前記炭素黒鉛質基材は、固定炭素90〜99質量%、灰分0.5〜10質量%、および揮発分1質量%以下からなり、X線回折による黒鉛結晶化度が15〜50%であり、黒鉛結晶の配向が、前記式(1)で示される異方比で1.2以上となっているので、焼成後の組成と特性とが明確になっており、耐摩耗性に優れたものとなっている。
2 旋回スクロール部材
2a 台板
2b ラップ
2c 軸受
2d 背面キー溝
3 固定スクロール部材
3a 台板
3b ラップ
3c 吸入口
3d 吐出口
4 フレーム
4a 軸受
5 クランクシャフト
5a クランク
6 オルダム継ぎ手
7 モータ
8 ロータリ用密閉容器
9 圧縮機部
10 モータ部
11 吐出管
12 クランクシャフト
13 ローリングピストン
13a 吸入口
14 フレーム
15 軸受
SC スクロール型冷媒圧縮機
RC ロータリ型冷媒圧縮機
Claims (8)
- 炭素黒鉛質骨材および結合剤を含む混捏物を、使用する形状に近い形状に成形した成形物が焼成されて得られた炭素黒鉛質基材を使用した圧環強さが18.6MPa以上の軸受であって、
前記炭素黒鉛質基材は、固定炭素90〜99質量%、灰分0.5〜10質量%、および揮発分1質量%以下からなり、X線回折による黒鉛結晶化度が15〜50%であり、黒鉛結晶の配向が、次式(1)で示される異方比(Ra)で1.2以上となっていると共に、
前記軸受の、軸との摺動面においては、この摺動面に対して直交する前記軸受の面と比較して、前記黒鉛結晶の(110)面が多く配向していることを特徴とする軸受。
Ra=I1/I2・・・(1)
(ただし、前記式(1)中、I1は、前記軸受の軸との摺動面における黒鉛結晶の(004)面と(110)面のX線回折による積分強度比((110)面の積分強度/(004)面の積分強度)を表し、I2は、前記摺動面に直交する面における黒鉛結晶の(004)面と(110)面のX線回折による積分強度比((110)面の積分強度/(004)面の積分強度)を表す) - 前記炭素黒鉛質基材は、曲げ強さが50MPa以上であり、圧縮強さが180MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の軸受。
- 前記混捏物が、無機充填剤を更に含むとともに、この無機充填剤は、Si、Fe、Mg、Al、およびCaから選ばれる少なくとも1種の酸化物を含むものであって、前記無機充填剤の焼成物のモース硬さが3以下であることを特徴とする請求項1に記載の軸受。
- 前記灰分は、前記無機充填剤の酸化物で換算して、0.5〜10質量%であることを特徴とする請求項3に記載の軸受。
- 前記炭素黒鉛質基材は、その細孔の顕微鏡で求めた面積空隙率が、平均で15%以下であることを特徴とする請求項1に記載の軸受。
- 前記炭素黒鉛質基材は、冷凍機の冷媒圧縮機用の軸受に使用されるものであって、冷媒および冷凍機油からなる混合物に溶出する物質が1質量%以下であって、フロック点で前記混合物中に析出物が析出しないことを特徴とする請求項1に記載の軸受。
- 前記冷媒は、ハロゲン化炭化水素系冷媒、炭化水素系冷媒、および自然系冷媒から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項6に記載の軸受。
- 前記冷凍機油は、鉱油、ポリオールエステル油、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油、ポリアルファオレフィン油、およびハードアルキルベンゼン油から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項6に記載の軸受。
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