JP6331631B2 - 圧縮機、圧縮機の筐体および圧縮機の筐体の製造方法 - Google Patents
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Description
内部に吸入された気体を圧縮する少なくとも1つの圧縮室を備え、
熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂部材と金属部材とが接合された金属樹脂複合体からなり、
前記金属樹脂複合体は、厚みd1の前記樹脂部材と厚みd2の前記金属部材とが積層して接合されており比d1/d2が3である試験片において、25℃の温度条件で、2つの支持台上に前記樹脂部材の露出面を上にして配置して応力を加えない第1状態と、前記樹脂部材側の面の中央に140MPaの1点曲げ応力を厚さ方向に印加して前記第1状態から中央を沈み込ませた第2状態とを、周波数30Hzで交互に100万回繰り返したとき、剥離も破断もしない曲げ疲労耐性を有し、
前記圧縮室の内壁に、前記樹脂部材が露出している、圧縮機の筐体
が提供される。
上記圧縮機の筐体を備える圧縮機
が提供される。
内部に吸入された気体を圧縮する少なくとも1つの圧縮室を備える圧縮機の筐体の製造方法であって、
金属部材および金型を準備する工程と、
前記金型の成形空間内に前記金属部材を配置する工程と、
熱硬化性樹脂を含み、流動化した樹脂材料で前記成形空間内を充填する工程と、
充填された前記樹脂材料を硬化させて樹脂部材と前記金属部材とが接合された金属樹脂複合体からなる筐体を得る工程とをこの順に含み、
前記金属樹脂複合体は、厚みd1の前記樹脂部材と厚みd2の前記金属部材とが積層して接合されており比d1/d2が3である試験片において、25℃の温度条件で、2つの支持台上に前記樹脂部材の露出面を上にして配置して応力を加えない第1状態と、前記樹脂部材側の面の中央に140MPaの1点曲げ応力を厚さ方向に印加して前記第1状態から中央を沈み込ませた第2状態とを、周波数30Hzで交互に100万回繰り返したとき、剥離も破断もしない曲げ疲労耐性を有し、
前記圧縮室の内壁に、前記樹脂部材が露出している、圧縮機の筐体の製造方法
が提供される。
まず、圧縮機1の構造について説明する。本実施形態では、圧縮機1が斜板式のコンプレッサーであり、筐体10がそのハウジングである例について説明する。圧縮機1は、低温低圧のガスをシリンダー(圧縮室)101に吸入し、吸入したガスをシリンダー101の内部でピストン20によって圧縮することにより、高温高圧のガスに変化させて吐出する。ガスはたとえば冷媒ガスである。本実施形態に係る圧縮機1は、筐体10、ピストン20、斜板30、吸入管40、吐出管50、シャフト60を備える。筐体10の内部にはシャフト60が挿入されており、シャフト60には、斜板30が斜めに固定されている。シャフト60は図示しないモーターやエンジンに接続され、筐体10に対して回転可能である。筐体10の内部には複数のピストン20が備えられており、各ピストン20の両端にはシリンダー101が形成されている。シリンダー101は円筒系であり、ピストン20はシリンダー101内を往復運動可能である。シリンダー101とピストン20の先端により形成される空間に、ガスが吸入され、ピストン20により圧縮される。ここで、シャフト60の回転軸とシリンダー101の長軸とは平行である。斜板30は、その外周部付近で各ピストン20に回転可能に取り付けられている。
図3は、本実施形態に係る金属樹脂複合体16について説明するための図である。本図は、特に金属樹脂複合体16における金属部材12と樹脂部材14との接合面103を説明するためのモデル図であって、必ずしも筐体10の構造の全部もしくは一部を示すものではない。本図は、筐体10を構成する金属樹脂複合体16の成型品の一例を模式的に示した斜視図である。
金属部材12を構成する金属材料は特に限定されないが、入手の容易さや価格の観点から、鉄、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅および銅合金などを挙げることができる。これらは単独で使用してもよいし、2種以上組み合わせて使用してもよい。これらの中でも、軽量かつ高強度の点から、アルミニウムおよびアルミニウム合金が好ましい。金属部材12は、樹脂部材14と金属部材12との接合強度を向上させる観点から、金属部材12の樹脂部材14との接合面103に微細な凹凸からなる粗化層104を有していることが好ましい。
粗化層104の厚みは、好ましくは3μm以上40μm以下であり、より好ましくは4μm以上32μm以下であり、特に好ましくは4μm以上30μm以下である。粗化層104の厚みが上記範囲内であると、樹脂部材14と金属部材12との接合強度および接合の耐久性をより一層向上させることができる。ここで、本実施形態において、粗化層104の厚みは、複数の凹部201の中で、最も深さが大きいものの深さD3を表し、走査型電子顕微鏡(SEM)写真から算出することができる。
図4に示すように、凹部201の断面形状は、D2がD1よりも大きければ特に限定されず、様々な形状を取り得る。凹部201の断面形状は、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察することができる。
凹部201の断面形状が上記形状であると、樹脂部材14が凹部201の開口部203から底部205までの間で引っかかるため、アンカー効果が効果的に働く。そのため、樹脂部材14と金属部材12との接合強度および接合の耐久性が向上すると考えられる。
また、金属部材12の接合面103の最大高さRzは、好ましくは1.0μm以上40.0μm以下であり、より好ましくは3.0μm以上30.0μm以下である。上記最大高さRzが上記範囲内であると、樹脂部材14と金属部材12との接合強度および接合の耐久性をより一層向上させることができる。なお、RaおよびRzは、JIS−B0601に準拠して測定することができる。
上記比表面積が上記下限値以上であると、樹脂部材14と金属部材12の接触面積が大きくなり、樹脂部材14と金属部材12とが相互に侵入する領域が増える。その結果、アンカー効果が働く領域が増え、樹脂部材14と金属部材12との接合強度および接合の耐久性がより一層向上すると考えられる。
以上から、上記比表面積が上記範囲内であると、樹脂部材14との接合面103の表面が、樹脂部材14と金属部材12との間のアンカー効果がより一層強く発現できる、バランスの良い構造になっていると推察される。
上記光沢度が上記範囲内であると、接合強度により一層優れた金属樹脂複合体16が得られる理由は必ずしも明らかではないが、樹脂部材14との接合面103の表面がより一層乱雑な構造となり、樹脂部材14と金属部材12との間のアンカー効果がより一層強く発現できる構造となっているからだと考えられる。
また、樹脂部材14と接合する接合面103の形状は、特に限定されないが、平面、曲面などが挙げられる。
粗化層104は、例えば、表面処理剤を用いて、金属部材12の表面を化学的処理することにより形成することができる。
ここで、表面処理剤を用いて金属部材12の表面を化学的処理すること自体は従来技術においても行われてきた。しかし、本実施形態では、(1)金属部材と化学的処理剤の組み合わせ、(2)化学的処理の温度および時間、(3)化学的処理後の金属部材表面の後処理、などの因子を高度に制御している。100万回曲げ疲労耐性を有する金属樹脂複合体16を得るためには、これらの因子を高度に制御することが特に重要となる。
以下、金属部材12の表面上に粗化層104を形成する方法の一例を示す。ただし、本実施形態に係る粗化層104の形成方法は、以下の例に限定されない。
鉄やステンレスから構成される金属部材を用いる場合は、表面処理剤として、無機酸、塩素イオン源、第二銅イオン源、チオール系化合物を必要に応じて組合せた水溶液を選択するのが好ましい。
アルミニウムやアルミニウム合金から構成される金属部材を用いる場合は、表面処理剤として、アルカリ源、両性金属イオン源、硝酸イオン源、チオ化合物を必要に応じて組合せた水溶液を選択するのが好ましい。
マグネシウムやマグネシウム合金から構成される金属部材を用いる場合は、表面処理剤として、アルカリ源が用いられ、特に水酸化ナトリウムの水溶液を選択するのが好ましい。
銅や銅合金から構成される金属部材を用いる場合は、表面処理剤として、硝酸、硫酸などの無機酸、不飽和カルボン酸などの有機酸、過硫酸塩、過酸化水素、イミダゾールおよびその誘導体、テトラゾールおよびその誘導体、アミノテトラゾールおよびその誘導体、アミノトリアゾールおよびその誘導体などのアゾール類、ピリジン誘導体、トリアジン、トリアジン誘導体、アルカノールアミン、アルキルアミン誘導体、ポリアルキレングリコール、糖アルコール、第二銅イオン源、塩素イオン源、ホスホン酸系キレート剤酸化剤、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチル)−N−シクロヘキシルアミンから選ばれる少なくとも1種を用いた水溶液を選択するのが好ましい。
本実施形態では、深さ方向のエッチング量を調整することにより、前述した粗化層104の厚み、凹部201の平均深さ、Ra、Rz等を調整することができる。
以上の手順により、本実施形態に係る粗化層104を有する金属部材12を得ることができる。
つぎに、本実施形態に係る樹脂部材14について説明する。
樹脂部材14は、熱硬化性樹脂組成物(P)を硬化してなる。
これらの中でも、耐熱性、加工性、機械的特性、接着性および耐摩耗性に優れるフェノール樹脂が好適に用いられる。
熱硬化性樹脂(A)の含有量は、樹脂部材14の全体を100質量部としたとき、好ましくは15質量部以上60質量部以下であり、より好ましくは25質量部以上50質量部以下である。
これらの中でも入手容易性、安価およびロール混練による作業性が良好などの理由からノボラック型フェノール樹脂が好ましい。
充填材(B)の含有量は、樹脂部材14の全体を100質量部としたとき、好ましくは30質量部以上80質量部以下であり、より好ましくは40質量部以上70質量部以下である。充填材(B)の含有量を上記範囲内とすることにより、熱硬化性樹脂組成物(P)の作業性を向上させつつ、得られる樹脂部材14の機械的強度をより一層向上させることができる。これにより、樹脂部材14と金属部材12との接合強度により一層優れた金属樹脂複合体16を得ることができる。また、充填材(B)の種類や含有量を調整することにより、得られる樹脂部材14の線膨張係数αRの値を調整することができる。
充填材(B1)としては、平均長径が5μm以上50mm以下で、平均アスペクト比が1以上1000以下である繊維状充填材または板状充填材を含むことがより好ましい。
充填材(B1)の平均長径および平均アスペクト比は、例えば、以下のようにSEM写真から測定することができる。まず、走査型電子顕微鏡により、複数の繊維状充填材または板状充填材を撮影する。その観察像から、繊維状充填材または板状充填材を任意に50個選択し、それらの長径(繊維状充填材の場合は繊維長、板状充填材の場合は平面方向の長径寸法)および短径(繊維状充填材の場合は繊維径、板状充填材の場合は厚み方向の寸法)をそれぞれ測定する。長径の全てを積算して個数で除したものを平均長径とする。同様に、短径の全てを積算して個数で除したものを平均短径とする。そして、平均短径に対する平均長径を平均アスペクト比とする。
充填材(B2)としては、平均長径が好ましくは0.1μm以上100μm以下、より好ましくは0.2μm以上50μm以下であり、平均アスペクト比が好ましくは1以上50以下、より好ましくは1以上40以下である繊維状充填材または板状充填材を含むことがより好ましい。
充填材(B2)の平均長径および平均アスペクト比は、例えば、以下のようにSEM写真から測定することができる。まず、走査型電子顕微鏡により、複数の繊維状充填材または板状充填材を撮影する。その観察像から、繊維状充填材または板状充填材を任意に50個選択し、それらの長径(繊維状充填材の場合は繊維長、板状充填材の場合は平面方向の長径寸法)および短径(繊維状充填材の場合は繊維径、板状充填材の場合は厚み方向の寸法)をそれぞれ測定する。長径の全てを積算して個数で除したものを平均長径とする。同様に、短径の全てを積算して個数で除したものを平均短径とする。そして、平均短径に対する平均長径を平均アスペクト比とする。
これらは単独で使用してもよいし、2種以上組み合わせて使用してもよい。
エラストマー(D)の含有量は、樹脂部材14の全体を100質量部としたとき、好ましくは1質量部以上10質量部以下であり、より好ましくは1.5質量部以上7質量部以下である。エラストマー(D)の含有量を上記範囲内とすることにより、樹脂部材14の機械的強度を維持しつつ、樹脂部材14の靭性をより一層向上させることができる。これにより、樹脂部材14と金属部材12との接合強度により一層優れた金属樹脂複合体16を得ることができる。
つぎに、本実施形態に係る金属樹脂複合体16について説明する。
金属樹脂複合体16は、樹脂部材14と金属部材12とが接合されてなる。
なお、本実施形態において、線膨張係数に異方性がある場合は、それらの平均値を表す。例えば、樹脂部材14がシート状の場合、流動方向(MD)の線膨張係数と、それと垂直方向(TD)の線膨張係数とが異なる場合、それらの平均値が樹脂部材14の線膨張係数αRとなる。
こうした構造であると、樹脂部材14の靭性を向上させるとともに金属樹脂複合体16の耐衝撃性を向上できる。そのため、金属樹脂複合体16に外部から衝撃が加わっても、樹脂部材14と金属部材12との接合強度を維持することができる。
海島構造は、走査型電子顕微鏡写真により観察することができる。
島相の平均径は、以下のように走査型電子顕微鏡(SEM)写真から測定することができる。まず、走査型電子顕微鏡により、樹脂部材14の断面を撮影する。その観察像から、樹脂部材14に存在する島相を任意に50個選択し、それらの直径をそれぞれ測定する。島相の直径の全てを積算して個数で除したものを平均径とする。
なお、本評価は適正な試験片を筐体10から切り出して準備し、行うことができる。このとき、試験片は、金属部材12と樹脂部材14の接合面をひとつのみ含むものとする。
なお、本評価は適正な試験片を筐体10から切り出して準備し、行うことができる。このとき、試験片は、金属部材12と樹脂部材14の接合面をひとつのみ含むものとし、樹脂部材14の厚さd1と金属部材12の厚さd2との比d1/d2が2である試験片を用いる。
本図の(b)に示すように、金型8の成形空間810内に金属部材12を配置する。具体的には、第1金型部81を下げて、金型8を開いた状態で成形空間810に相当する部分に金属部材12を固定することなく配置する。こうすることで、溶融した樹脂材料850を成形空間810内に導入した時に、導入した樹脂の流動圧力によって金属部材12を第1金型部81または第2金型部82のいずれか一方の金型部材の壁面(成形面)に押しつけることができる。本実施形態では、金属部材12が第1金型部81の壁面に押しつけられる。これにより、金属部材を金型内に固定した状態で樹脂材料を金型内に導入した場合に生じる、挿入しろや金属部材12と金型壁面との間の隙間から樹脂が入り込むことによるバリの発生を防止することができ、かつ金属部材12と樹脂部材14との密着性の良い筐体10を製造することができる。
本実施形態に係る樹脂材料850で成形空間810内を充填する工程では、まず、第1金型部81を上げて、金型8を閉じた状態で、ポット820内に成形前の樹脂材料850を仕込む。成形前の樹脂材料850の性状は特に限定されないが、熱硬化性樹脂組成物(P)の粉末又は顆粒状のままであってもよいし、熱硬化性樹脂組成物(P)を円柱状のタブレットに形成したものであってもよく、また、予め、プレヒーター等によって予熱することにより半溶融の常態にされていてもよい。次に、ポット820内に仕込んだ樹脂材料850を溶融させるために、樹脂材料850に対して、補助ラムを備えたプランジャー830をポット820に挿入して圧力をかける。その後、溶融した樹脂材料850をスプルー840を介して成形空間810内に導入する。成形空間810内に導入された樹脂材料850は、本図の(c)に記載されている点線で示す方向に流動する。そして、樹脂材料850の流動圧力によって金属部材12を第1金型部81に押しつけて、見かけ上、金型部材の壁面に金属部材12を固定した状態とすることができる。このとき、ポット820内での樹脂材料850の溶融、成形空間810内への溶融した樹脂材料850の導入および充填は、同時進行で進むことになる。次に、成形空間810内に充填された樹脂材料850が、加熱加圧されることにより硬化し、金属部材12および樹脂部材14からなる金属樹脂複合体16が成形される(本図の(d))。樹脂材料850の硬化後、金型8を開くことにより、バリの発生が抑制され、かつ金属部材12と樹脂部材14との密着性に優れる良好な品質の筐体部品10を得ることができる。なお、ポット820内に残った樹脂材料850の硬化物(カル)とスプルー840内の硬化物は、金型8を開く前にプランジャー830を引き上げることにより、金属樹脂複合体16と分離される。
最低溶融粘度が上記下限値以上であると、熱硬化性樹脂組成物(P)が充填材(B)を含む場合に、熱硬化性樹脂(A)と充填材(B)とが分離し、熱硬化性樹脂(A)のみが流動してしまうことを抑制でき、より均質な樹脂部材14を得ることができる。
また、最低溶融粘度が上記上限値以下であると、熱硬化性樹脂組成物(P)の凹部201への侵入性を向上できるため、凹部201の内部に充填材(B)を十分に供給することができる。その結果、樹脂部材14と金属部材12とが相互に侵入した領域の機械的強度をより一層向上させることができる。
このような粘度挙動を有すると、熱硬化性樹脂組成物(P)を加熱硬化して樹脂部材14を形成する際に、熱硬化性樹脂組成物(P)中に空気が侵入するのを抑制できるとともに、熱硬化性樹脂組成物(P)中に溶けている気体を十分に外部に排出できる。その結果、樹脂部材14に気泡が生じてしまうことを抑制できる。気泡の発生が抑制されることにより、樹脂部材14の機械的強度をより一層向上させることができる。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 内部に吸入された気体を圧縮する少なくとも1つの圧縮室を備え、
熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂部材と金属部材とが接合された金属樹脂複合体からなり、
前記金属樹脂複合体は、厚みd 1 の前記樹脂部材と厚みd 2 の前記金属部材とが積層して接合されており比d 1 /d 2 が3である試験片において、25℃の温度条件で、2つの支持台上に前記樹脂部材の露出面を上にして配置して応力を加えない第1状態と、前記樹脂部材側の面の中央に140MPaの1点曲げ応力を厚さ方向に印加して前記第1状態から中央を沈み込ませた第2状態とを、周波数30Hzで交互に100万回繰り返したとき、剥離も破断もしない曲げ疲労耐性を有する、圧縮機の筐体。
2. 1.に記載の圧縮機の筐体において、
前記樹脂部材と前記金属部材とが積層して接合されており前記比d 1 /d 2 を3とした試験片についてJIS K 7171に準拠して前記樹脂部材側の面が凹となるように曲げて測定した、前記金属樹脂複合体の曲げ強さが150MPa以上である、圧縮機の筐体。
3. 1.または2.に記載の圧縮機の筐体において、
前記圧縮室の内壁に、前記樹脂部材が露出している、圧縮機の筐体。
4. 1.から3.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体において、
前記金属樹脂複合体は、少なくとも前記樹脂部材と接合する面のASTM−D523に準拠して入射角60°、反射角60°で測定した光沢度が0.1以上30以下である前記金属部材と、前記樹脂部材とを接合してなる、圧縮機の筐体。
5. 1.から4.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体において、
前記金属部材は、前記樹脂部材との接合面に複数の凹部を有し、
前記凹部の断面形状は、前記凹部の開口部から底部までの間の少なくとも一部に前記開口部の断面幅よりも大きい断面幅を有する形状となっている、圧縮機の筐体。
6. 5.に記載の圧縮機の筐体において、
前記金属部材の前記接合面には、複数の前記凹部が設けられた粗化層が形成されており、
前記粗化層の厚みが、3μm以上40μm以下である、圧縮機の筐体。
7. 1.から6.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体において、
前記金属樹脂複合体は、少なくとも前記樹脂部材と接合する面の見掛け表面積に対する窒素吸着BET法による実表面積の比が100以上400以下である前記金属部材と、前記樹脂部材とを接合してなる、圧縮機の筐体。
8. 1.から7.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体において、
前記樹脂部材の密度が2.5g/cm 3 以下である、圧縮機の筐体。
9. 1.から8.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体において、
レーザーフラッシュ法で測定した前記樹脂部材の熱伝導率が90W/(m・K)以下である、圧縮機の筐体。
10. 1.から9.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体において、
前記樹脂部材はフェノール樹脂を含む、圧縮機の筐体。
11. 1.から10.のいずれか一つに記載の圧縮機の筐体を備える圧縮機。
12. 11.に記載の圧縮機において、
前記圧縮室内に吸入された気体を圧縮するピストンをさらに備え、
前記圧縮室の内壁のうち、少なくとも前記ピストンと摺動する部分が前記樹脂部材からなる、圧縮機。
13. 金属部材および金型を準備する工程と、
前記金型の成形空間内に前記金属部材を配置する工程と、
熱硬化性樹脂を含み、流動化した樹脂材料で前記成形空間内を充填する工程と、
充填された前記樹脂材料を硬化させて樹脂部材と前記金属部材とが接合された金属樹脂複合体からなる筐体を得る工程とをこの順に含み、
前記金属樹脂複合体は、厚みd 1 の前記樹脂部材と厚みd 2 の前記金属部材とが積層して接合されており比d 1 /d 2 が3である試験片において、25℃の温度条件で、2つの支持台上に前記樹脂部材の露出面を上にして配置して応力を加えない第1状態と、前記樹脂部材側の面の中央に140MPaの1点曲げ応力を厚さ方向に印加して前記第1状態から中央を沈み込ませた第2状態とを、周波数30Hzで交互に100万回繰り返したとき、剥離も破断もしない曲げ疲労耐性を有する、圧縮機の筐体の製造方法。
14. 13.に記載の圧縮機の筐体の製造方法において、
前記金属部材および金型を準備する工程では、
前記金属部材の表面のうち、少なくとも前記樹脂部材と接合させる領域が粗化処理された前記金属部材を準備する、圧縮機の筐体の製造方法。
15. 13.または14.に記載の圧縮機の筐体の製造方法において、
前記充填する工程において、前記樹脂材料の流動圧力により前記金型の成形面に前記金属部材を押しつけながら前記成形空間を前記樹脂材料で充填する、圧縮機の筐体の製造方法。
<熱硬化性樹脂組成物(P1)の調整>
ノボラック型フェノール樹脂(PR−51305、住友ベークライト社製)を34.3質量部、硬化剤としてヘキサメチレンテトラミンを6.0質量部、充填剤としてガラス繊維(日東紡社製)を57.1質量部、シランカップリング剤としてγ−アミノプロピルトリエトキシシラン(信越化学社製)を0.2質量部、硬化助剤として酸化マグネシウム(神島化学工業社製)を0.5質量部、潤滑剤等のその他の成分を1.9質量部、それぞれ乾式混合し、これを90℃の加熱ロールで溶融混練して、シート状にして冷却した物を粉砕して顆粒状の熱硬化性樹脂組成物(P1)を得た。
(熱硬化性樹脂組成物(P1)の溶融粘度)
流動特性評価装置(高化式フローテスター、CFT−500D)を用いて、175℃における熱硬化性樹脂組成物(P1)の溶融粘度を測定した。熱硬化性樹脂組成物(P1)の175℃における溶融粘度は425Pa・Sであった。
表面処理がされていない金属シートとして、その表面が#4000の研磨紙で十分研磨された、アルミニウム合金A5052の金属シートA(80mm×10mm、厚さ1.0mm、密度2.68g/cm3、熱伝導率138W/(m・K))を用意した。水酸化カリウム(16質量部)、塩化亜鉛(5質量部)、硝酸ナトリウム(5質量部)、チオ硫酸ナトリウム(13質量部)の水溶液を調製した。得られた水溶液(30℃)中に、金属シートAを浸漬して揺動させ、深さ方向に15μm(アルミニウムの減少した重量から算出)溶解させた。次いで、水洗を行い、35質量部の硝酸水溶液(30℃)中に浸漬して、20秒間揺動させた。その後、水洗、乾燥し、金属シート1を得た。
(表面粗さ)
超深度形状測定顕微鏡(キーエンス社製VK9700)を用いて、倍率20倍における金属部材の樹脂部材との接合面の表面形状を測定した。表面粗さはRaおよびRzを測定した。RaおよびRzは、JIS−B0601に準拠して測定した。
金属シート1のRaは4.0μm、Rzは15.5μmであった。
測定対象試料を120℃で、6時間真空乾燥した後、自動比表面積/細孔分布測定装置(BELSORPminiII、日本ベル社製)を用いて、液体窒素温度における窒素吸脱着量を測定した。窒素吸着BET法による実表面積はBETプロットから算出した。測定した窒素吸着BET法による実表面積を、見掛け表面積で割ることにより比表面積を算出した。金属シート1の比表面積は270であった。
金属部材の表面の光沢度を、ディジタル光沢度計(20°、60°)(GM−26型、村上色彩技術研究所社製)を用いて、ASTM−D523に準拠して測定角度60°(入射角60°、反射角60°)で測定した。金属シート1の光沢度は10であった。
得られた熱硬化性樹脂組成物(P1)および金属シート1を用いて、金属樹脂複合体1を作製した。具体的には、以下の手順により作製した。はじめに、第1金型部と第2金型部からなる金型を準備し、金型内に厚み1mmの金属シート1を固定せずに配置した。次いで、第1金型部と第2金型部型を型締めして、第1金型部と第2金型部との間に金属シート1が配置された成型空間を形成した。次いで、第2金型部に設けられたポット内において溶融させた熱硬化性樹脂組成物(P1)を、スプルーを介して成型空間内に注入し、熱硬化性樹脂組成物(P1)の成型を行った。なお、ポット内での熱硬化性樹脂組成物(P1)の溶融、成型空間内への熱硬化性樹脂組成物(P1)の導入は同時に行い、導入された熱硬化性樹脂組成物(P)の流体圧力により、金属シート1を金型の内壁に押しつけるようにした。なお、熱硬化性樹脂組成物(P1)の成形は、実効圧力20MPa、金型温度175℃、硬化時間3分間で行った。こうして、熱硬化性樹脂組成物(P1)により構成される厚み3mmの樹脂部材シート(樹脂部材)と厚み1mmの金属シート1(金属部材)の2層シートである金属樹脂複合体1(複合部材)を得た。この金属樹脂複合体1を試験片1とした。
(熱伝導率および密度)
作製した試験片1の、樹脂部材シートから厚さ2mmの樹脂試料を切り出し、レーザーフラッシュ法を用いて樹脂部材の厚さ方向の熱伝導率を測定した。また、樹脂部材の密度を測定した。試験片1の樹脂部材の熱伝導率は0.4W/(m・K)であり、密度は1.78g/cm3であった。
(凹部の平均深さ)
試験片1の金属部材と樹脂部材の接合部の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影し、接合部の断面の構造を観察した。この観察像から、金属部材の粗化層の厚みおよび凹部の平均深さをそれぞれ求めた。試験片1の金属部材の粗化層の厚みは15μmであり、凹部の平均深さは13μmであった。また、凹部の断面は、凹部の開口部から底部までの間の少なくとも一部に開口部の断面幅よりも大きい断面幅を有する形状になっていた。
実施形態において説明した方法で、試験片1の100万回曲げ疲労耐性を評価した。試験片1の金属部材側の面に2つの支点をあて、樹脂部材側の面の中央に圧子をあてた。25℃雰囲気にて、繰り返し応力の周波数を30Hz、支点間の距離Lを64mmとし、140MPaの曲げ応力を試験片1に連続して100万回加えた。100万回繰り返し応力を印加しても破断も剥離もしなかった場合を○とし、100万回繰り返し応力を印加する間に破断または剥離が生じた場合を×として評価した。試験片1は、100万回繰り返し応力を加えても剥離も破断もしなかったため、○と評価した。
試験片1の曲げ強さをJIS K 7171に準じて測定した。このとき、複合部材の試験片については、金属部材側の面に2つの支点をあて、樹脂部材側の面の中央に圧子をあてて3点曲げ応力を加えた。25℃雰囲気にて、試験速度を2mm/min、支点間の距離Lを64mmとして曲げ強さを測定した。試験片1の曲げ強さは、273MPaであった。
試験片1の冷媒ガスの非透過性を評価した。JIS K 7126−1に準じて圧力センサ法を用いて、ガス透過係数を測定した。まず、試験片1から厚み3mmの測定試料を切り出した。このとき、金属樹脂複合体の試験片については、金属部材の厚みが1mm、樹脂部材の厚みが2mmとなるように切り出した。試験ガスとしては134aフロンガスを用いた。測定したガス透過係数が、5×1017mol・m/(m2・s/Pa)未満の場合を○、5×1017mol・m/(m2・s/Pa)以上の場合を×として評価した。
試験片1を作製するのと同様の条件で、金属樹脂複合体からなるコンプレッサー(圧縮機)のハウジング(筐体)を作製し、その筐体を用いた斜板式のコンプレッサーを作製した。筐体以外のコンプレッサーの部品は一般的な公知の方法で作製されたものを準備した。シリンダーとピストンとの摺動部が樹脂部材からなるよう、筐体を作製した。組み立てたコンプレッサーの最外面を金属部材が覆うように構成した。
作製した圧縮機を利用したエアコンを、1m3の空間の温度を室温から3℃下げる設定で駆動した。空間の温度を設定値まで下げる機能を示したものを○、機能を示さなかったものを×として評価した。
作製した圧縮機を24時間継続して駆動した。その後、圧縮機から筐体を取り外して観察し、損傷が生じていなかったものを○、製品として問題にならない程度の損傷が生じたものを△、問題となる損傷が生じたものを×として評価した。
熱硬化性樹脂組成物(P1)の代わりに、以下の熱硬化性樹脂組成物(P2)を使用した以外は、実施例1と同様の方法により金属樹脂複合体2を作製した。この金属樹脂複合体2を試験片2とし、実施例1と同様の評価を行った。
還流コンデンサー撹拌機、加熱装置、真空脱水装置を備えた反応釜内に、フェノール(p)とホルムアルデヒド(f)とをモル比(f/p)=1.7で仕込み、これに酢酸亜鉛をフェノール100質量部に対して0.5質量部添加し、この反応系のpHを5.5に調整して還流反応を3時間行った。その後、真空度100Torr、温度100℃で2時間水蒸気蒸留を行って未反応フェノールを除去し、さらに、真空度100Torr、温度115℃で1時間反応させることにより得られた、数平均分子量800のジメチレンエーテル型の固形物をレゾール型フェノール樹脂として得た。
熱硬化性樹脂組成物(P1)の代わりに、以下の熱硬化性樹脂組成物(P3)を使用した以外は、実施例1と同様の方法により金属樹脂複合体3を作製した。この金属樹脂複合体3を試験片3とし、実施例1と同様の評価を行った。
ノボラック型フェノール樹脂(PR−51305、住友ベークライト社製)を34.0質量部、充填剤として黒鉛を21.0質量部、充填剤として炭素繊維(ゾルテック社製)を30.0質量部、硬化剤としてヘキサメチレンテトラミンを6.0質量部、硬化助剤として酸化マグネシウム(神島化学工業社製)を1.5質量部、潤滑剤等のその他の成分を7.5質量部、それぞれ乾式混合し、これを90℃の加熱ロールで溶融混練して、シート状にして冷却した物を粉砕して顆粒状の熱硬化性樹脂組成物(P3)を得た。
金属シートAの代わりに、表面処理がされていない金属シートとして、その表面が#4000の研磨紙で十分研磨された、アルミダイキャストADC12の金属シートB(80mm×10mm、厚さ1.0mm、密度2.71g/cm3、熱伝導率92W/(m・K))を使用した以外は実施例1と同様の方法により金属樹脂複合体4を作製した。金属シートBを実施例1と同様の方法により処理して、金属シート1の代わりに金属シート2を得た。この金属樹脂複合体4を試験片4とし、実施例1と同様の評価をおこなった。
Ra:5μm
Rz:16μm
粗化層の厚み:20μm
凹部の平均深さ:17μm
比表面積:280
光沢度:8
また、凹部の断面は、凹部の開口部から底部までの間の少なくとも一部に開口部の断面幅よりも大きい断面幅を有する形状になっていた。
金属シート1の代わりに以下の金属シート3を使用した以外は、実施例1と同様の方法により金属樹脂複合体5を作製した。この金属樹脂複合体5を試験片5とし、実施例1と同様の評価をおこなった。金属シート3は以下の様にして得た。まず、表面処理がされていないステンレスSUS304の金属シートC(80mm×10mm、厚さ1.0mm、密度7.93g/cm3、熱伝導率16.7W/(m・K))を準備した。また、硫酸(50質量部)、硫酸第二銅5水和物(3質量部)、塩化カリウム(3質量部)、チオサリチル酸(0.0001質量部)の水溶液を調製した。そして、得られた水溶液(30℃)中に、金属シートCを浸漬して揺動させ、深さ方向に15μm(ステンレスの減少した重量から算出)溶解させた。次いで、水洗、乾燥し、金属シート3を得た。
Ra:3μm
Rz:15μm
粗化層の厚み:15μm
凹部の平均深さ:13μm
比表面積:270
光沢度:10
また、凹部の断面は、凹部の開口部から底部までの間の少なくとも一部に開口部の断面幅よりも大きい断面幅を有する形状になっていた。
樹脂部材を含まない試験片を用意した。具体的には、表面処理がされていない金属シートとして、その表面が#4000の研磨紙で十分研磨された、アルミニウム合金A5052の金属シートD(80mm×10mm、厚さ4.0mm、密度2.68g/cm3、熱伝導率138W/(m・K))を用意し、試験片6とした。
試験片6について、実施例1と同様の評価をおこなった。ただし、粗化層の厚みおよび凹部の平均深さの評価では、試験片6の表面部分を走査型電子顕微鏡で断面観察して粗化層の厚みおよび凹部の平均深さを求めた。
本比較例の金属部材のみからなる筐体は、アルミニウム合金A5052を公知の加工法により加工することにより作製した。
金属シートDの特性は以下のとおりであった。
Ra:0.5μm
Rz:0.7μm
粗化層の厚み:0μm
凹部の平均深さ:0μm
比表面積:50
光沢度:260
金属部材を含まない試験片を作製した。具体的には、熱硬化性樹脂組成物(P1)を加熱し、金型内に所定量注入した後、圧縮成形により熱硬化性樹脂組成物(P1)を硬化することにより、80mm×10mm、厚さ4.0mmの樹脂部材のみからなる試験片7を得た。なお、圧縮成形条件は、実効圧力20MPa、金型温度175℃、硬化時間3分間とした。
試験片7について、実施例1と同様の評価をおこなった。
金属シート1の代わりに、実施例1で使用した表面処理がされていない金属シートAを使用した以外は実施例1と同様の方法により金属樹脂複合体6を作製した。この金属樹脂複合体6を試験片8とし、実施例1と同様の評価をおこなった。
Ra:0.5μm
Rz:0.7μm
粗化層の厚み:0μm
凹部の平均深さ:0μm
比表面積:50
光沢度:260
それに対し、比較例1では圧縮機の性能および筐体の耐久性には優れるものの重量が大きく、比較例2では軽量性に優れるものの圧縮機の性能を発揮できず、比較例3では軽量ではあるものの筐体の耐久性に劣っており、いずれも軽量性と高耐性との性能バランスに問題があった。
10 筐体
101 シリンダー(圧縮室)
103 接合面
104 粗化層
12 金属部材
14 樹脂部材
16 金属樹脂複合体
20 ピストン
201 凹部
203 開口部
205 底部
30 斜板
40 吸入管
401 吸入弁
50 吐出管
501 吐出弁
60 シャフト
701 圧子
703 支持台
8 金型
81 第1金型部
810 成形空間
82 第2金型部
820 ポット
830 プランジャー
840 スプルー
850 樹脂材料
Claims (13)
- 内部に吸入された気体を圧縮する少なくとも1つの圧縮室を備え、
熱硬化性樹脂組成物からなる樹脂部材と金属部材とが接合された金属樹脂複合体からなり、
前記金属樹脂複合体は、厚みd1の前記樹脂部材と厚みd2の前記金属部材とが積層して接合されており比d1/d2が3である試験片において、25℃の温度条件で、2つの支持台上に前記樹脂部材の露出面を上にして配置して応力を加えない第1状態と、前記樹脂部材側の面の中央に140MPaの1点曲げ応力を厚さ方向に印加して前記第1状態から中央を沈み込ませた第2状態とを、周波数30Hzで交互に100万回繰り返したとき、剥離も破断もしない曲げ疲労耐性を有し、
前記圧縮室の内壁に、前記樹脂部材が露出している、圧縮機の筐体。 - 請求項1に記載の圧縮機の筐体において、
前記金属樹脂複合体は、少なくとも前記樹脂部材と接合する面のASTM−D523に準拠して入射角60°、反射角60°で測定した光沢度が0.1以上30以下である前記金属部材と、前記樹脂部材とを接合してなる、圧縮機の筐体。 - 請求項1または2に記載の圧縮機の筐体において、
前記金属部材は、前記樹脂部材との接合面に複数の凹部を有し、
前記凹部の断面形状は、前記凹部の開口部から底部までの間の少なくとも一部に前記開口部の断面幅よりも大きい断面幅を有する形状となっている、圧縮機の筐体。 - 請求項3に記載の圧縮機の筐体において、
前記金属部材の前記接合面には、複数の前記凹部が設けられた粗化層が形成されており、
前記粗化層の厚みが、3μm以上40μm以下である、圧縮機の筐体。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の圧縮機の筐体において、
前記金属樹脂複合体は、少なくとも前記樹脂部材と接合する面の見掛け表面積に対する窒素吸着BET法による実表面積の比が100以上400以下である前記金属部材と、前記樹脂部材とを接合してなる、圧縮機の筐体。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載の圧縮機の筐体において、
前記樹脂部材の密度が2.5g/cm3以下である、圧縮機の筐体。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の圧縮機の筐体において、
レーザーフラッシュ法で測定した前記樹脂部材の熱伝導率が90W/(m・K)以下である、圧縮機の筐体。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の圧縮機の筐体において、
前記樹脂部材はフェノール樹脂を含む、圧縮機の筐体。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の圧縮機の筐体を備える圧縮機。
- 請求項9に記載の圧縮機において、
前記圧縮室内に吸入された気体を圧縮するピストンをさらに備え、
前記圧縮室の内壁のうち、少なくとも前記ピストンと摺動する部分が前記樹脂部材からなる、圧縮機。 - 内部に吸入された気体を圧縮する少なくとも1つの圧縮室を備える圧縮機の筐体の製造方法であって、
金属部材および金型を準備する工程と、
前記金型の成形空間内に前記金属部材を配置する工程と、
熱硬化性樹脂を含み、流動化した樹脂材料で前記成形空間内を充填する工程と、
充填された前記樹脂材料を硬化させて樹脂部材と前記金属部材とが接合された金属樹脂複合体からなる筐体を得る工程とをこの順に含み、
前記金属樹脂複合体は、厚みd1の前記樹脂部材と厚みd2の前記金属部材とが積層して接合されており比d1/d2が3である試験片において、25℃の温度条件で、2つの支持台上に前記樹脂部材の露出面を上にして配置して応力を加えない第1状態と、前記樹脂部材側の面の中央に140MPaの1点曲げ応力を厚さ方向に印加して前記第1状態から中央を沈み込ませた第2状態とを、周波数30Hzで交互に100万回繰り返したとき、剥離も破断もしない曲げ疲労耐性を有し、
前記圧縮室の内壁に、前記樹脂部材が露出している、圧縮機の筐体の製造方法。 - 請求項11に記載の圧縮機の筐体の製造方法において、
前記金属部材および金型を準備する工程では、
前記金属部材の表面のうち、少なくとも前記樹脂部材と接合させる領域が粗化処理された前記金属部材を準備する、圧縮機の筐体の製造方法。 - 請求項11または12に記載の圧縮機の筐体の製造方法において、
前記充填する工程において、前記樹脂材料の流動圧力により前記金型の成形面に前記金属部材を押しつけながら前記成形空間を前記樹脂材料で充填する、圧縮機の筐体の製造方法。
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