JP5321943B2 - 斜板式コンプレッサの斜板および斜板式コンプレッサ - Google Patents

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、直角および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場合があるので、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、アルミニウムの溶射膜を介して、二硫化モリブデンやポリテトラフルオロエチレン等の固体潤滑剤と、土状黒鉛等の移着量調整剤とポリアミドイミド等のバインダからなる潤滑用皮膜を形成したもの（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

斜板の金属基材と樹脂潤滑被膜の間に銅系、アルミニウム系の溶射層を形成する目的は、樹脂潤滑被膜が焼付いた場合においても、樹脂潤滑被膜が剥がれないようにするためである。銅系、アルミニウム系の軟質金属を使用することで、樹脂潤滑被膜が摩耗したとしてもシューと金属基材が直接摺動しないようにして、取り返しの付かない焼付きの発生を防止している。

しかし、溶射層の形成はコストアップや斜板の平面精度の低下に影響することから、溶射層を除く検討もされている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン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で固めた摺動層を有する斜板に対し、その摺動相手であるシューの表面にニッケル系メッキを設けることで、斜板とシューとの潤滑性をさらに高くして焼付けを防止することも提案されている（特許文献３）。
また、耐摩耗性を向上させた塗膜強度の高い斜板では、なじみ性が悪くなり摺動抵抗が多くなり塗膜剥離が発生するため、流体潤滑、境界潤滑、ドライ潤滑での摩擦特性を高くする目的で、固体潤滑コーティング膜の摺動表面に、複数の同心状の周方向の溝と該溝間に山部を形成することも提案されている（特許文献４）。

特開平８−１９９３２７号公報 特開２００２−０８９４３７号公報 特開２００３−１３８２８７号公報 国際公開ＷＯ２００２／０７５１７２

上記のように、潤滑膜のアンカー効果のために、基板の表面に中間層として銅系またはアルミニウム系材料からなる溶射層を形成することは、コストアップや斜板の平面精度の低下に影響するという問題がある。

そこで、本発明は、基板の表面に中間層として銅系またはアルミニウム系材料からなる溶射層を形成することなく、斜板の基本的要求特性である、潤滑油による安定した境界潤滑状態を実現し、潤滑油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性を安定化させることを課題とするものである。

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、直角および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、前記斜板の基板が、圧延された鋼板を円盤状にプレス加工した円盤状鋼板からなり、この円盤状鋼板の両表面を研磨加工して前記シューが摺動する摺動面とし、この摺動面に、フッ素樹脂が４０〜５０重量％配合された低摩擦樹脂被覆層を形成した構成を採用した。

すなわち、本発明の斜板の基板は、圧延された鋼板を円盤状にプレス加工した円盤状鋼板からなり、この円盤状鋼板の両表面を研磨加工したものであるから、表面の平面精度が良好であり、表面に溶射層を形成しなくても、低摩擦樹脂被覆層を形成する塗膜の密着性が良好で、低摩擦樹脂被覆層の剥がれを防止することができる。

また、斜板の基板表面の平面精度が良好であるから、低摩擦樹脂被覆層の均膜性確保により潤滑油による安定した境界潤滑状態を実現し、潤滑油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性を安定化させることができる。

前記円盤状鋼板の両表面は、両頭研磨機によって研磨加工することができる。
前記研磨加工は、円盤状鋼板の軸中心を保持したまま回転させ、摺動面となる上面、下面を同時に砥石にて研磨するドライブ式両頭研磨法を採用することができる。
前記研磨加工された円盤状鋼板の両表面は、平面度８μｍ以下、平行度１０μｍ以下であることが望ましい。
この発明において、平面度および平行度とは、ＪＩＳ Ｂ ０１８２で定義されるものである。

前記低摩擦樹脂被覆層の下地として、ショットブラスト処理を施すこともできる。
前記円盤状鋼板の素材としては、ＳＡＰＨ４４０を使用することができる。

前記低摩擦樹脂被覆層を形成する低摩擦樹脂塗料としては、次のようなものを使用することができる。
低摩擦樹脂塗料は、塗膜に対してフッ素樹脂が４０〜５０重量％配合されている。該フッ素樹脂は、低摩擦で非粘着性を被覆層に付与でき、かつ摺動部材の使用温度雰囲気に耐える耐熱性を有するものであれば使用することができる。

具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（融点３２７℃、連続使用温度２６０℃、以下ＰＴＦＥと言う）をあげることができる。ＰＴＦＥは、−ＣＦ_２ＣＦ_２−の繰り返し単位より構成され、約３４０〜３８０℃の溶融粘度が約１０^１０〜１０^１１Ｐａ・ｓと高く、融点を越えても流動し難く、フッ素樹脂の中では最も耐熱性に優れている。また、低温下でも優れた性質を示し、摩擦摩耗特性にも優れており、本発明に好適である。ＰＴＦＥは粉末であり特に限定するものではないが、塗膜の表面平滑性のために粒径３０μｍ以下の粉末が好ましい。

低摩擦樹脂塗料においてマトリックス材は、斜板の使用時に熱劣化することのない耐熱性と、フッ素樹脂粉末を結着させ、低摩擦樹脂塗料を斜板基材に強固に密着させることのできる耐熱性樹脂であれば使用することができる。

具体的には、ポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）をあげることができる。ＰＡＩは、分子内にイミド結合とアミド結合とを有する樹脂である。また、芳香族系ポリアミドイミド樹脂のイミド結合は、ポリアミド酸などの前駆体であっても、また閉環したイミド環であってもよく、さらにはそれらが混在している状態であってもよい。

このような芳香族系ＰＡＩは、芳香族第一級ジアミン、たとえばジフェニルメタンジアミンと芳香族三塩基酸無水物、たとえばトリメリット酸無水物のモノまたはジアシルハライド誘導体から製造されるＰＡＩ、芳香族三塩基酸無水物と芳香族ジイソシアネート化合物、たとえばジフェニルメタンジイソシアネートとから製造されるＰＡＩなどがあり、さらに、アミド結合に比べてイミド結合の比率を大きくしたＰＡＩとして、芳香族、脂肪族または脂環族ジイソシアネート化合物と芳香族四塩基酸二無水物および芳香族三塩基酸無水物とから製造されるＰＡＩ等があり、いずれのＰＡＩであっても使用することができる。

本発明の低摩擦樹脂塗料には、さらに黒鉛を配合することが好ましい。黒鉛は固体潤滑剤として優れた特性を有することは周知であり、斜板の固体潤滑剤としても使用されている。

黒鉛は、天然黒鉛と人造黒鉛に大別され、人造黒鉛は製造工程中に出来るカーボランダムのため潤滑性能を阻害されることと、黒鉛化の十分に進んだ黒鉛を造ることが難しいため潤滑剤には適していない。天然黒鉛は完全に黒鉛化されたものが産出されるため、非常に高い潤滑特性を有しており固体潤滑剤として適している。しかし、不純物を多く含み、この不純物が潤滑性を低下させるため、不純物を除去しなければならないが、完全に除去することは困難である。

本発明の低摩擦樹脂塗料では、固定炭素９７．５％以上の黒鉛の使用が好ましく、さらには、固定炭素９８．５％以上の人造黒鉛が好ましい。上記黒鉛では潤滑油とのなじみ性が高く表面に潤滑油が付着していなくても黒鉛中に微量に含浸された潤滑油によって潤滑性が維持されるので好ましい。

本発明の低摩擦樹脂塗料の配合割合は、塗膜に対してフッ素樹脂４０〜５０重量％、マトリックス樹脂５０〜６０重量％である。それぞれの成分をこの範囲に配合することにより、基板との密着性、塗膜の耐摩耗性等の機能を発揮させることができる。フッ素樹脂が４０重量％未満であると摩擦特性が劣化し、５０重量％を超えると塗膜の密着性を損ない、剥がれの原因となる。

さらに摩擦摩耗特性を改質する目的で黒鉛を配合することが好ましい。この場合、塗膜に対してフッ素樹脂４０〜５０重量％、マトリックス樹脂４５〜５５重量％、黒鉛１〜１０重量％とする。黒鉛が１重量％未満であると黒鉛を配合した場合の摩擦摩耗特性の改質効果が認められず、１０重量％を超えると塗膜の密着性を損ない、剥がれの原因となる。マトリックス樹脂は、４５重量％未満であると塗膜の密着性を損ない、剥がれの原因となり、５５重量％を超えると摩擦特性が劣化する。

本発明に係る塗膜は上記低摩擦樹脂塗料をスプレーコーティングすることで行う。低摩擦樹脂塗料は固形分であるフッ素樹脂とマトリックス樹脂および黒鉛を溶剤類に分散または溶解させることにより得られる。溶剤類としては、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、メチルクロロホルム、トリクロロエチレン、トリクロロトリフルオロエタン等の有機ハロゲン化化合物類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、メチルイソピロリドン（ＭＩＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）等の非プロトン系極性溶剤類などを使用することができる。これらの溶剤類は、単独または混合物として使用することができる。

上記の低摩擦樹脂塗料を基板にスプレーコート法により塗布し焼成することで結着された塗膜は、焼成後の厚さで２０〜５０μｍの膜厚とする。基材の研磨加工にて述べた同一の両頭研磨法にて低摩擦樹脂塗料の膜厚を８〜３０μｍに加工することで、最終の部品仕上げ精度、平面度１０μｍ以下、平行度１０μｍ以下とすることができる。

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の基板は、圧延された鋼板を円盤状にプレス加工した円盤状鋼板からなり、この円盤状鋼板の両表面を研磨加工したものであるから、表面の平面精度が良好であり、表面に溶射層を形成しなくても、低摩擦樹脂被覆層を形成する塗膜の密着性が良好で、低摩擦樹脂被覆層の剥がれも少ない。
また、斜板の基板表面の平面精度が良好であるから、低摩擦樹脂被覆層の均膜性が確保され、潤滑油による安定した境界潤滑状態を実現し、潤滑油が枯渇した際にも、境界潤滑状態で摩擦摩耗特性を安定化させることができる。

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のシュー４が摺動する基材３ａの両側面の表面には、図２に示すように、フッ素樹脂としてのＰＴＦＥ、耐熱性樹脂としてのＰＡＩ、および黒鉛粉末から成る樹脂被覆層１０が形成されている。
前記斜板３の基材３ａは、圧延された鋼板を円盤状にプレス加工した円盤状鋼板からなり、この円盤状鋼板の両表面を研磨加工して前記シューが摺動する摺動面にしている。この摺動面には、フッ素樹脂が４０〜５０重量％配合された低摩擦樹脂被覆層１０を形成している。

前記樹脂被覆層１０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、基板３ａの表面にスプレーコート法で塗布して、２４０℃で焼成したものであり、その配合割合は、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。

（実施例）
前記斜板３の基板３ａを次のようにして製作した。ＳＡＰＨ４４０鋼板をプレス加工によって円盤状に成形した後、旋盤にて厚み６．５ｍｍ×φ９０ｍｍの粗加工を行った。その後、両頭研磨機（砥石：＃８０）で厚み６．３６ｍｍとなるように両面を研磨した。この際の精度測定値を表１に示す。

次に、円板基材の表面にショットブラストを行い表面粗度を高めた。

次に、試験片について、固形分として配合Ａを含む低摩擦樹脂塗料をスプレーコート法でそれぞれの両面に焼成後３０μｍとなるように塗布した。焼成後に両頭研磨機（砥石：樹脂用＃４００）にて研磨して最終仕上げ加工（厚み６．４０ｍｍ）を行った。この際の精度測定値を表１に併記した。

配合Ａ
(ａ)ＰＴＦＥ：平均粒径１０μｍのＰＴＦＥ ４０重量％
(ｂ)ＰＡＩ：ガラス転移温度２４５℃品 ５５重量％
(ｃ)黒鉛粉末：平均粒径１０μｍの人造品 ５重量％

（比較例）
Ｓ４５Ｃ鋼材を旋盤加工によって円盤状（ｔ＝６．５ｍｍ×φ９０ｍｍ）に切削した後、平面研磨機（砥石：＃８０）にて厚み６．３６ｍｍとなるように両面を研磨した。この際の精度測定値を表１に示す。
次に該試験片について、配合Ａをスプレーコート法でそれぞれの両面に焼成後３０μｍとなるように塗布した。焼成後に平面研磨機（砥石：樹脂用＃４００）にて研磨して最終仕上げ加工（厚み６．４０ｍｍ）を行った。この際の精度測定値を表１に併記した。

基板３ａの仕上げ加工をした後の精度を見ると実施例１は平面度８μｍ以下、平行度１０μｍ以下が得られている。実施例２は、平行度（厚み不同）が１５μｍ発生している。それが影響して、コーティング後の最終仕上げ精度を見ると実施例１の膜厚ばらつきが３μｍ程度で安定しているのに対して、実施例２では１２μｍである。

比較例１では、下地仕上げ加工をした後の精度が平面度２０μｍ、平行度３５μｍであり、コーティング後の最終仕上げにおいて、下地が露出した部分があった。

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（ＳＵＪ２）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５分後の摺動部の摩擦係数と、５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：２１０ｍ／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：５分間
上記摩擦摩耗試験の結果を表２に示す。

実施例のものは、いずれも試験初期から５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、比較例のものは、いずれも樹脂塗膜が基板から剥離した箇所が認められた。以上の結果より、本発明に係る斜板は、耐焼付き性の優れたフッ素樹脂を含有する樹脂塗膜が剥がれにくく、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、十分に耐用可能であることが分かった。

以上説明したように、本発明の斜板は、圧延された鋼板を円盤状にプレス加工後、該プレス加工で得られた円盤状鋼板の両表面を両頭研磨機によって研磨加工し、塗膜に対してフッ素樹脂が４０〜５０重量％配合された低摩擦樹脂塗料をすべり面の表面に形成する構造を採用したため、従来必須であった溶射層が不要となった。
金属基板および低摩擦樹脂塗料を高精度に加工できるため、摩耗の偏りが生じず冷凍機油が枯渇した際にも金属基材が露出することがない。

金属基板が、機械加工にて平面度８μｍ以下、平行度１０μｍ以下にした後、フッ素樹脂系コーティングを塗布し、さらに、塗布されたフッ素樹脂系コーティング膜について、機械加工にて部品最終仕上げ精度を、平面度１０μｍ以下、平行度１０μｍ以下にすることができた。

これによって、本発明の斜板は、より経済的であるとともに、斜板式コンプレッサの運転において、冷凍機油が枯渇した際にも安定した境界潤滑状態を得る有効な対策であることも確認された。

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 図１の斜板の部分切欠き側面図

符号の説明

１ ハウジング
２ 回転軸
３ 斜板
３ａ 基板
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 樹脂被覆層

Claims (9)

1. 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、直角および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、
   前記斜板の基板が、圧延された鋼板を円盤状にプレス加工した円盤状鋼板からなり、この円盤状鋼板の両表面を平面度１０μｍ以下、平行度１５μｍ以下に研磨加工しかつショットブラスト処理を施して前記シューが摺動する摺動面とし、
   前記摺動面上には、溶射層またはめっき等の中間層を形成することなく、フッ素樹脂が４０〜５０重量％およびマトリックス樹脂４５〜５５重量％に、黒鉛１〜１０重量％を含む塗膜からなる低摩擦樹脂被覆層が形成され、
   前記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、前記マトリックス樹脂がポリアミドイミド樹脂であり、前記黒鉛が固定炭素９７．５％以上の黒鉛であることを特徴とする斜板式コンプレッサの斜板。
2. 前記円盤状鋼板の両表面が、両頭研磨機によって研磨加工されていることを特徴とする請求項１に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
3. 前記研磨加工は、円盤状鋼板の軸中心を保持したまま回転させ、摺動面となる上面、下面を同時に砥石にて研磨するドライブ式両頭研磨法であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の斜板式コンプレッサの斜板。
4. 研磨加工された円盤状鋼板の両表面は、平面度８μｍ以下、平行度１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の斜板式コンプレッサの斜板。
5. 前記円盤状鋼板の素材がＳＡＰＨ４４０であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の斜板式コンプレッサの斜板。
6. 前記低摩擦樹脂被覆層を形成する塗膜は、塗膜に対してフッ素樹脂４０〜５０重量％および黒鉛１〜１０重量％、残部がマトリックス樹脂および不純物であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の斜板式コンプレッサの斜板。
7. 前記黒鉛が固定炭素９８．５％以上の人造黒鉛であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の斜板式コンプレッサの斜板。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の斜板を備えた斜板式コンプレッサ。
9. 斜板と摺動するシューの表面に潤滑膜を形成していないことを特徴とする請求項８に記載の斜板式コンプレッサ。

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