JP6414746B2 - 圧縮機の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、主に家庭用冷蔵庫に使用される圧縮機において効率と信頼性を向上し得る当接部材、摺動部材、前記当接部材又は前記摺動部材を備える圧縮機、及び圧縮機の製造方法に関するものである。
家庭用冷蔵庫の省エネルギー化に対応するべく、インバータによる可変速運転とセンサ制御による可変速範囲の拡大、又は低粘度の冷凍機油の採用等によって、圧縮機の効率向上に伴い、益々圧縮機の圧縮要素の摺動状態が苛酷になってきている。
従来の圧縮機としては、電動機部と、電動機部により駆動する圧縮機械部とを備えると共に、前記圧縮機械部を形成するクランクシャフトの摺動面に固体潤滑剤を合成樹脂剤として塗布したものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、別の従来の圧縮機としては、開口周囲に弁座を有する吸入孔が形成され、シリンダの端部に取り付けられる弁座板(バルブプレート)と、シリンダの端部と弁座板との間に配され吸入孔を蓋部にて開閉する吸入リード弁と、を備えたものがある(例えば、特許文献2参照)。
一般的に、バルブプレートは、吸入孔、吐出孔、及び吐出バルブを設けるための凹部を設けているため、複雑な形状となり、生産性向上のため焼結金属材料から構成されている。
特開平2−176195号公報 特開2000−45949号公報
ところで、レシプロ圧縮機では、圧縮室内の圧力と吸入マフラー内の圧力との差によって、吸入バルブは、吸入孔の周りに位置する弁座と当接した後、吸入孔を閉塞する。このような金属材料同志の当接行程が繰り返されることによって、吸入バルブと弁座の当接部には金属疲労が蓄積されていくことになる。
特に、昨今の高効率化への対応から、鋼板からなる吸入バルブの薄肉化や、インバータ駆動の採用による可変速回転モードにより、先に述べた金属疲労がより蓄積され、吸入バルブの当接部に欠けやワレが生じるおそれがあるという第1の課題を有していた。これは、吐出バルブと弁座でも同様なことが言える。
また、バルブプレートが焼結金属材料で構成されているため、焼結金属材料特有の空孔が散在する。このため、バルブプレートに吸入孔を囲むように設けられた吸入弁座及び吐出孔を囲うように設けられた吐出弁座において、その空孔を伝って冷媒が漏れることによって、圧縮機の効率が低下するという第2の課題を有していた。
特に、省エネルギー化に対応すべく、低粘度の冷凍機油(潤滑油)を採用すると、吸入弁座と吸入バルブとの間、又は吐出弁座と吐出バルブとの間に位置する潤滑油が低減し、潤滑油によるシール性が低下するために、冷媒(作動流体)が逆流し、圧縮機の効率低下が顕著となる。
また、吸入バルブ、又は吐出バルブが閉じる際に、弁座と当接して打撃音が発生し、その打撃音が密閉容器外へ漏れることにより、騒音が発生するという第3の課題を有していた。特に、圧縮機の高効率化への対応から、電動要素のインバータ駆動を採用すると、圧縮機を低速で運転すると、電動要素の騒音が低減することから、吸入弁座と吸入バルブとの打撃音、又は吐出弁座と吐出バルブとの打撃音が顕著となり、より一層、騒音の原因となっていた。
本発明は、上記第1の課題〜第3の課題を解決することができる、当接部材、それを備える圧縮機、及び圧縮機の製造方法を提供することを第1の目的とする。
また、レシプロ(往復型)圧縮機では、圧縮要素は片持ち支持構造であるために、圧縮荷重が連結手段を介して偏心軸に負荷されると、主軸は、主軸受内で傾いた状態で振れ回り、主軸受の上方端部と下方端部の局所的な領域において接触した状態、いわゆる片当たり状態で摺動する。そして、片当たり状態で主軸が摺動し続けると、上記特許文献1に開示されている冷媒ポンプであっても、固体潤滑剤が摩耗して、クランクシャフトが摩耗し、圧縮機の長期的な性能維持、又は圧縮機の信頼性確保に支障を来たすという第4の課題を有していた。
本発明は、上記第4の課題を解決することができる、摺動部材、それを備える圧縮機、及び圧縮機の製造方法を提供することを第2の目的とする。
本発明の当接部材及びそれを備える圧縮機は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、前記被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する前記被膜層における前記固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する前記被膜層における前記固体潤滑剤の含有率よりも小さいことを特徴とするものである。
これにより、当接面において、局所的な当接、接触が生じても、最も外側に位置する被膜層の合成樹脂が摩耗することで、早期に粗さの山が取れ、固体潤滑剤が表面処理膜の表面に露出することにより、効果的な衝撃力緩衝効果を発揮することができる。
また、最も内側に位置する被膜層は当接部材の基材と十分な密着力を有していることで、表面処理膜の界面、膜内剥離を抑制することができ、長期にわたって当接部材の性能を維持することができ、当接部材ひいては、圧縮機の信頼性を確保することができる。
また、本発明の当接部材及びそれを備える圧縮機は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、前記被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する前記被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する前記被膜層における弾性変形量よりも大きいことを特徴とするものである。
これにより、当接面において、局所的な当接、接触が生じても、最も内側(基材側)に位置する被膜層が弾性変形することで効果的な衝撃力緩衝効果を発揮することができる。
また、最も外側に位置する被膜層が十分な強度と耐摩耗性を有していることで、表面処理膜のチッピング(剥離)又は摩耗、摩滅を抑制することができ、当接部材ひいては、圧縮機の長期的な性能維持と性能向上が可能となる。
また、本発明の摺動部材及びそれを備える圧縮機は、摺動面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、前記被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する前記被膜層における前記固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する前記被膜層における前記固体潤滑剤の含有率よりも小さいことを特徴とするものである。
ここで、被膜層における固体潤滑剤の含有率とは、被膜層の単位体積あたりの固体潤滑剤が占める体積の割合をいう(容積パーセント;vol/vol)。そして、例えば、主軸表面側(基材側;内側)の表面処理膜に摩擦係数が小さい平均粒径の小さな固体潤滑剤を、主軸受側(外側)に耐摩耗性が優れた平均粒径の大きな固体潤滑剤を配設する。
これにより、摺動面において、局所的な接触が生じても、摺動開始後、合成樹脂が摩耗することで、早期に粗さの山が取れ、初期摩耗から定常摩耗へ早期に移行することができる。また、固体潤滑剤が表面処理膜表面に露出することにより、適度な油溜りを持つ滑らかな摺動面を形成することができる。
また、最も外側の被膜層が摩耗しても、内側に位置する平均粒径が小さく摩擦係数の小さい、固体潤滑剤を有する被膜層により、長期にわたって摺動部材の性能を維持することができ、摺動部材ひいては、圧縮機の信頼性を確保することができる。
また、本発明の摺動部材及びそれを備える圧縮機は、摺動面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、前記被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する前記被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する前記被膜層における弾性変形量よりも大きいことを特徴とするものである。
これにより、摺動面において、局所的な接触が生じても、最も内側(基材側)に位置する被膜層が弾性変形することで接触面圧を顕著に緩和するとともに、最も外側に位置する被膜層が摺動に対する十分な強度を有していることで、表面処理膜の摩耗、剥離を抑制することができる。
さらに、本発明の圧縮機の製造方法は、摺動面又は当接面の少なくとも一部に、合成樹脂と固体潤滑剤を有する第1コーティング剤を塗布して、第1被膜層を形成する(A)と、前記第1コーティング剤中の固体潤滑剤の平均粒径よりも平均粒径が大きい固体潤滑剤を有する第2コーティング剤を前記第1被膜層の上に塗布して、第2被膜層を形成する(B)と、を備える。
これにより、圧縮機の長期的な性能を維持することができる。
本発明に係る当接部材、摺動部材、前記当接部材又は前記摺動部材を備える圧縮機によれば、当接部材又は摺動部材の長期的な性能を維持することができる。
また、本発明に係る圧縮機の製造方法によれば、長期的な性能を維持することができる圧縮機を提供することができる。
図1は、本実施の形態1に係る圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。 図2は、図1に示す圧縮機のバルブプレート周辺部材の分解斜視図である。 図3は、図1に示す圧縮機要部の断面図である。 図4は、図3に示すA部分を拡大した断面図である。 図5は、本実施の形態1に係る圧縮機における表面処理膜及び吸入弁座の断面図である。 図6は、本実施の形態2に係る圧縮機における吸入弁座(当接部材)の断面図である。 図7は、本実施の形態2における変形例1の圧縮機における吸入弁座(当接部材)の断面図である。 図8は、本実施の形態3に係る圧縮機の要部断面図である。 図9は、図8に示すB部分を拡大した断面図である。 図10は、本実施の形態4に係る圧縮機の要部断面図である。 図11は、本実施の形態4に係る圧縮機における吐出弁座(当接部材)の断面図である。 図12は、本実施の形態5に係る圧縮機の要部断面図である。 図13は、図12に示す吸入バルブの平面図である。 図14は、本実施の形態6に係る圧縮機における吸入バルブ(当接部材)の断面図である。 図15は、本実施の形態7に係る圧縮機の要部断面図である。 図16は、図15に示す吐出バルブの平面図である。 図17は、本実施の形態8に係る圧縮機における吐出バルブ(当接部材)の断面図である。 図18は、本実施の形態9に係る圧縮機の要部断面図である。 図19は、本実施の形態10に係る圧縮機の要部断面図である。 図20は、本実施の形態11に係る圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。 図21は、図20に示すC部分を拡大した断面図である。 図22は、片当たり状態で摺動しているときの圧縮機の要部を示す模式図である。 図23は、本実施の形態11における変形例1の圧縮機における主軸(摺動部材)の断面図である。 図24は、本実施の形態12に係る圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。 図25は、図24に示すD部分を拡大した断面図である。 図26は、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置の概略構成を示す模式図である。 図27は、図26に示す装置を用いて、表面処理膜を製造するときの概要を示す模式図である。 図28は、本実施の形態12における変形例1の圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。 図29は、図28に示すE部分を拡大した断面図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
(実施の形態1)
本実施の形態1に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔を囲むように設けられた吸入弁座を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、を備え、吸入弁座、及び吸入バルブの吸入弁座との当接部の少なくともいずれか1の部位に合成樹脂を含む表面処理膜が形成されている。
また、本実施の形態1に係る圧縮機では、表面処理膜は固体潤滑剤を含有していてもよい。
また、本実施の形態1に係る圧縮機では、表面処理膜の厚さが1μm〜20μmであってもよい。
また、本実施の形態1に係る圧縮機では、合成樹脂は、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、及びフェノール樹脂からなる樹脂群から選択される少なくとも1の樹脂で構成されていてもよい。
また、本実施の形態1に係る圧縮機では、固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、グラファイト、四フッ化エチレン樹脂、及び三酸化アンチモンからなる化合物群から選択される少なくとも一の化合物で構成されていてもよい。
以下、本実施の形態1に係る圧縮機の一例として、吸入弁座に表面処理膜が形成されている圧縮機について、図1〜図5を参照しながら説明する。
[圧縮機の構成]
図1は、本実施の形態1に係る圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。図2は、図1に示す圧縮機のバルブプレート周辺部材の分解斜視図である。図3は、図1に示す圧縮機要部の断面図である。図4は、図3に示すA部分を拡大した断面図である。
図1に示すように、本実施の形態1に係る圧縮機100は、密閉容器101と該密閉容器101の内部に収容された圧縮機本体104を備えている。密閉容器101内には、冷媒(作動流体)103が封入されていて、密閉容器101内の底部には、潤滑油(冷凍機油)102が貯留されている。潤滑油102としては、例えば、低粘度の鉱油が挙げられる。冷媒103としては、例えば、地球温暖化係数の低い炭化水素系のR600a(イソブタン)等が挙げられる。
密閉容器101は、鉄板の絞り成型によって形成されている。また、密閉容器101には、吸入管150と吐出管157が設けられている。吸入管150は、一端が密閉容器101内に連通し、他端が、適宜な配管を介して、冷凍サイクルの低圧側の蒸発器(図示せず)に接続されている。また、吐出管157は、一端が吐出マフラー(図示せず)と連通し、他端が、適宜な配管を介して、冷凍サイクルの高圧側の凝縮器(図示せず)に接続されている。
圧縮機本体104は、圧縮要素109と電動要素106を備えていて、サスペンションスプリング105により、密閉容器101に弾性的に支持されている。電動要素106は、本実施の形態1においては、圧縮要素109の下方に配置されていて(密閉容器101内の下方に配置されていて)、ステータ107とロータ108を備えている。
ステータ107は、後述するブロック115の下方にボルト(図示せず)によって螺子固定されている。また、ロータ108は、ステータ107の内側の同軸上に位置するように、後述する主軸111に焼き嵌め、又は圧入等により、固定されている。電動要素106は、インバータ駆動回路によって、商用電源周波数を下回る運転周波数(例えば、25Hz=1500r/min)を含む複数の運転周波数で駆動されるように構成されている。
圧縮要素109は、クランクシャフト112、ブロック115、ピストン116、連結手段(コンロッド)122等で構成されている。クランクシャフト112は、軸心を上下方向へ向けた主軸111と、該主軸111の下端に接続された偏心軸110と、給油機構151と、を備えている。給油機構151は、主軸111表面に設けられた螺旋状の溝183(図20参照)等からなり、潤滑油102を軸受部(主軸受)123及び連結手段122等に給油するように構成されている。
ブロック115には、圧縮室113を形成するシリンダ114と主軸111を回転自在に軸支する軸受部123が一体に形成されている。シリンダ114には、ピストン116が進退自在に挿入されている。ピストン116には、連結手段122を介して、偏心軸110が接続されている。
また、図1及び図2に示すように、シリンダ114の端面には、吸入バルブ120、バルブプレート117、及びシリンダヘッド152が設けられている。具体的には、シリンダ114の端面側から、吸入バルブ120、バルブプレート117、及びシリンダヘッド152の順で配置されている。これらの部材は、ヘッドボルト153によって、シリンダ114の端面を封止するように押圧固定されている。
また、バルブプレート117とシリンダヘッド152の間には、吸入マフラー154が把持されている(図1参照)。なお、バルブプレート117とシリンダヘッド152によりヘッド空間156が形成される。
バルブプレート117は、焼結金属材料で成型されていて、バルブプレート117のシリンダヘッド152側主面には、凹部132が設けられている(図2参照)。凹部132の底面には、圧縮室113内外を連通する吐出孔119が設けられている。凹部132の底面には、吐出バルブ121と当接する円環状の吐出弁座142が設けられている。
また、凹部132には、吐出孔119を開閉する吐出バルブ121、吐出バルブ121を弾性支持するスプリングリード130、及び吐出バルブ121とスプリングリード130を固定するバルブストップ131が配設されている。
また、バルブプレート117の主面には、圧縮室113内外を連通する吸入孔118が設けられている。吸入孔118は、シリンダ114側の開口の方が、シリンダヘッド152側の開口より大きくなるように形成されている。また、バルブプレート117における吸入孔118のシリンダ114側開口部には、吸入孔118を囲むように円環状の吸入弁座141が配設されている。
吸入バルブ120は、鋼板で形成されていて、吸入孔118を開閉するように構成されている。具体的には、吸入バルブ120の吐出孔119に対応する位置には、U字状の開閉部120aが設けられていて、該開閉部120aがバルブプレート117の吸入弁座141と当接する。そして、バルブプレート117の吸入弁座141(正確には、吸入弁座141を構成する表面)には、表面処理膜160が配設されている。なお、本実施の形態1においては、表面処理膜160は、1層の被膜層から構成されている。
[表面処理膜の構成]
次に、本実施の形態1に係る圧縮機100における表面処理膜160の構成について、図1〜図5を参照しながら詳細に説明する。図5は、本実施の形態1に係る圧縮機における表面処理膜及び吸入弁座の断面図である。
図1〜図5に示すように、表面処理膜160は、吸入孔118を囲むように形成されていて、本実施の形態1においては、円環状に形成されている。なお、表面処理膜160は、吸入孔118を囲むように形成されていれば、どのような形状であってもよく、四角形状等で形成されていてもよい。
また、表面処理膜160は、バルブプレート117の主面(シリンダ114側主面)と面一になるように形成されていてもよく、バルブプレート117の主面から突出するように形成されていてもよい。表面処理膜160の厚さは、シール性を向上させる観点から、1μm以上であってもよく、バルブプレート117の主面の寸法公差内に、表面処理膜160の表面が位置させる観点から、20μm以下であってもよい。
表面処理膜160は、合成樹脂161を含んでいる。本実施の形態1においては、合成樹脂161は、ポリアミドイミド(PAI)で構成されている。また、表面処理膜160は、固体潤滑剤162を含有している。本実施の形態1においては、固体潤滑剤162は、二硫化モリブデン(MoS)で構成されている。すなわち、本実施の形態1においては、表面処理膜160は、ポリアミドイミド(PAI)からなる合成樹脂161をバインダーとして、固体潤滑剤162である二硫化モリブデン粒子を略均一に分散して含有している。
なお、本実施の形態1では、バインダーとして、ポリアミドイミドからなる合成樹脂161を用いたが、これに限定されない。合成樹脂161は、熱硬化型の樹脂で、耐油性、耐熱性、耐冷媒性、及び耐有機剤性に優れている樹脂であれば、いずれの樹脂であってもよい。合成樹脂161は、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、及びフェノール樹脂からなる樹脂群から選択される少なくとも1の樹脂で構成されていてもよい。
また、本実施の形態1では、表面処理膜160中に分散される固体潤滑剤162として、二硫化モリブデン(MoS2)を用いたが、これに限定されない。固体潤滑剤162は、二硫化モリブデン、グラファイト(C)、四フッ化エチレン樹脂(PTFE)、及び三酸化アンチモン(Sb)からなる化合物群から選択される少なくとも一の化合物で構成されていてもよい。
さらに、固体潤滑剤162として二硫化モリブデン及び/又はグラファイトを用いる場合に、三酸化アンチモンを併用してもよい。この場合、三酸化アンチモンが、表面処理膜160に侵入してきた空気や酸素を捕捉し、自らが先に酸化されることで、二硫化モリブデン及び/又はグラファイトの酸化による変質を抑制することができる。これにより、表面処理膜160の摩耗抑制効果をより発揮させることができる。
[表面処理膜の製造方法]
次に、表面処理膜160の製造方法について説明する。
まず、予備加熱を行い、バルブプレート117を所定の温度に上げる(なお、吸入弁座141周辺のみを加熱してもよい)。これは、吸入弁座141へ塗布した表面処理膜160内に溶解している有機溶剤を蒸発させ、均一に塗布することが目的である。
次に、固体潤滑剤162を合成樹脂161に分散させた液剤を有機溶剤からなる希釈剤により所定の粘度に調整した表面処理剤(コーティング剤)を用意する。そして、用意した表面処理剤をバルブプレート117の吸入弁座141にスプレーにて塗布する。なお、不要な場所への表面処理剤の付着を防止するために、バルブプレート117に適切な形状のマスキング治具を取り付けてもよく、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置を用いて、吸入弁座141に表面処理剤を塗布してもよい。
その後、予備加熱時の温度と同等くらいの温度で仮乾燥を数分間行い、表面処理膜160の表面を乾燥させる。表面を乾燥させた段階で、軽くバフ掛けを行うと表面処理膜160の最表面の面粗度が微調整され、良好となる。ここで、バフは、砥粒を内包しているナイロンバフ又は比較的硬いスチールバフではなく、馬毛バフの方が望ましい。
最後に、180℃〜230℃程度で、30分〜2時間程度焼成を行い、表面処理剤中の希釈剤を全て蒸発させ、表面処理膜160を完全に吸入弁座141に固着させる。
[圧縮機の動作]
次に、本実施の形態1に係る圧縮機100の動作について、図1〜図4を参照しながら説明する。
まず、電動要素106に通電することにより、ステータ107に電流を流して磁界を発生させ、主軸111に固定されたロータ108が回転する。ロータ108の回転により、クランクシャフト112が回転し、偏心軸110の回転運動が連結手段122により、直線的な往復運動に変換され、ピストン116がシリンダ114内を往復運動する。
そして、このピストン116の往復運動に伴い、冷媒103は吸入マフラー154を介して圧縮室113内へ吸入される。圧縮室113内に吸入された冷媒103は、圧縮室113内で圧縮された後、吐出孔119及びヘッド空間156を経て、冷凍サイクル(図示せず)へ吐出される。冷凍サイクルへ吐出された冷媒103は、冷凍サイクルを経由する間に熱交換して、再び圧縮室113内に吸入される。
次に、圧縮機100の吸入行程及び圧縮行程について、より詳細に説明する。
吸入行程において、ピストン116が圧縮室113の容積が増加する方向に動作し、圧縮室113内の冷媒103が膨張する。そして、圧縮室113内の圧力が吸入マフラー154内の圧力を下回ると、圧縮室113内の圧力と吸入マフラー154内の圧力との差により、吸入バルブ120は開き始める。この動作に伴い、冷凍サイクルから戻った温度の低い冷媒103が、吸入管150から密閉容器101内に一旦開放され、その後、吸入マフラー154を経て、圧縮室113内に流入する。
その後、圧縮行程において、ピストン116の動作が下死点から圧縮室113の容積が減少する方向に転じると、圧縮室113内の圧力は上昇する。圧縮室113内の圧力と吸入マフラー154内の圧力との差によって、吸入バルブ120は閉じ、圧縮室113は閉塞される。そして、ピストン116が、さらに圧縮室113の容積が減少する方向に動作することで、冷媒103は圧縮され、所定の圧力にまで昇圧される。
そして、吐出行程において、圧縮室113内の冷媒103の圧力が上昇して、ヘッド空間156内部の圧力より高くなり、吐出バルブ121を弾性変形させる力を上回ると、吐出孔119が開く。これにより、圧縮室113内部の冷媒103が、吐出孔119を通過し、ヘッド空間156内に流出する。そして、冷媒103は、ヘッド空間156から吐出マフラー(図示せず)を経由し、吐出管157より冷凍サイクルの高圧側(図示せず)に放出される。
ヘッド空間156と圧縮室113の圧力差が減少し、その圧力差により発生する吐出バルブ121に加わる力が、スプリングリード130と吐出バルブ121の復元力に対し小さくなると、吐出バルブ121は閉じ、圧縮室113は閉塞され、ピストン116が下死点方向に移動し、再び吸入行程に移行する。
[圧縮機の作用効果]
次に、本実施の形態1に係る圧縮機100の作用効果について、図1〜図5を参照しながら説明する。
一般的に、バルブプレート117は、吸入弁座141及び吐出弁座142等が設けられて複雑な形状となるため、生産性及びコストの面から焼結金属材料で成型されている。
しかしながら、通常の焼結金属材料は、金属粉末を型に封入後、加圧、加熱して成型するため、表面及び内部に連続した空孔が散在する。そのため、その空孔を伝って冷媒が漏れることによって、圧縮機の効率が低下するおそれがある。
また、特に、省エネルギー化に対応するべく、低粘度の潤滑油102を採用することによって、吸入弁座141と吸入バルブ120との間に位置する潤滑油102が低減し、潤滑油102による吸入弁座141と吸入バルブ120のシール性が低下するために、冷媒103が逆流し、圧縮機の効率低下が顕著となる。
この課題を解決するために、焼結金属材料を成型する加圧、加熱の工程を複数回繰り返すことで、焼結金属材料の密度を大きくして、空孔を小さくすることができるが、コストが高くなり、加工性が悪くなる。また。鋳鉄材料を用いた場合、加工部位が複数となり、加工コストが高くなる。
そこで、本実施の形態1に係る圧縮機100では、吸入弁座141に合成樹脂161を含む表面処理膜160を設けることにより、吸入弁座141に散在する焼結金属材料特有の空孔を、合成樹脂161を含む表面処理膜160で封孔している。これにより、吸入弁座141から冷媒103の漏れを低減できるため、圧縮機100の効率低下を抑制することができる。
また、本実施の形態1に係る圧縮機100では、吸入弁座141に合成樹脂161を含む表面処理膜160を設けることにより、吸入弁座141と吸入バルブ120のシール性を向上させることができる。このため、圧縮、吐出行程時における冷媒103の逆流を抑制することができる。
したがって、本実施の形態1に係る圧縮機100では、冷凍能力の低下を低減し、低コストで効率を向上させることができる。
また、本実施の形態1に係る圧縮機100では、吸入弁座141に合成樹脂161を含む表面処理膜160を設けることにより、吸入バルブ120が吸入弁座141を閉塞するときにおける打撃力を、表面処理膜160の弾性効果で低減することができる。このため、打撃音を低減することができ、圧縮機の低騒音化を実現することができる。
さらに、吸入バルブ120が吸入弁座141を閉塞するときにおける打撃力を低減することにより、吸入バルブ120のワレ又は欠け等の破損を抑制することができ、圧縮機100の長期的な性能維持を図ることができる。
また、本実施の形態1に係る圧縮機100では、表面処理膜160に親油性を有する固体潤滑剤162を含有していることにより、吸入弁座141(正確には、吸入弁座141の表面に配設されている表面処理膜160)と吸入バルブ120との間に、潤滑油102を十分に存在させることができる。これにより、吸入弁座141と吸入バルブ120のシール性が向上し、圧縮、吐出行程時における冷媒103の逆流を抑制することができる。
また、本実施の形態1に係る圧縮機100では、表面処理膜160に固体潤滑剤162を含有していることにより、固体潤滑剤162の潤滑効果で、吸入バルブ120が吸入弁座141を閉塞する際の剪断力が低減することができる。これにより、吸入弁座141の表面(外面)と表面処理膜160の内面との剥離を抑制することができる。このため、長期的に高耐久性を有する圧縮機100を提供することができる。
ところで、表面処理膜160を吸入弁座141に固着させたときには、表面処理膜160の外面に微小な凹凸が生じる。しかしながら、本実施の形態1に係る圧縮機100では、表面処理膜160に固体潤滑剤162を含有している。固体潤滑剤162は、合成樹脂161よりも強度が大きい。このため、圧縮機100を作動させることで、表面処理膜160の外面の凹凸が早期になくなり、表面処理膜160の外面が平滑な面となる。このため、吸入弁座141と吸入バルブ120のシール性を向上させることができる。
また、本実施の形態1に係る圧縮機100では、表面処理膜160の厚さを1μm以上にすることにより、吸入弁座141の外面に表面処理膜160をムラなく形成することができる。また、表面処理膜160の厚さを20μm以下にすることにより、表面処理膜160の膜内強度及び基材界面との密着強度を確保させて、耐久性を確保しつつ、表面処理膜160の表面の面荒れを抑制することができる。
また、本実施の形態1に係る圧縮機100の製造方法では、適切なマスキング治具を用いたり、あるいは空圧シリンジ方式ディスペンサー装置(図示せず)等を用いたりすることで、必要な部分のみに表面処理剤を塗布している。このため、使用する表面処理剤を低減することができ、生産性が高く、低コストの圧縮機100を提供することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態2に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態2に係る当接部材では、固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、グラファイト、四フッ化エチレン樹脂、及び三酸化アンチモンからなる化合物群から選択される少なくとも一の化合物で構成されていてもよい。
また、本実施の形態2に係る当接部材では、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の平均粒径が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の平均粒径よりも小さくてもよい。ここで、被膜層における固体潤滑剤の含有率とは、被膜層の単位体積あたりの固体潤滑剤が占める体積の割合をいう(容積パーセント;vol/vol)。
また、本実施の形態2に係る当接部材では、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の重量が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の重量よりも小さくてもよい。
また、本実施の形態2に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態2に係る当接部材では、表面処理膜の厚さが1〜30μmであってもよい。
さらに、本実施の形態2に係る当接部材では、合成樹脂は、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、及びフェノール樹脂からなる樹脂群から選択される少なくとも1の樹脂で構成されていてもよい。
また、本実施の形態2に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔と、該吸入孔を囲うように設けられた吸入弁座と、吐出孔と、該吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座と、を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吸入弁座、吐出弁座、吸入バルブ、及び吐出バルブのうち、少なくともいずれか1の部材が、前記当接部材で構成されている。
また、本実施の形態2に係る圧縮機の製造方法は、当接面の少なくとも一部に、合成樹脂と固体潤滑剤を有する第1表面処理剤を塗布して、第1被膜層を形成する(A)と、第1表面処理剤中の固体潤滑剤の平均粒径よりも平均粒径が大きい固体潤滑剤を有する第2表面処理剤を第1被膜層の上に塗布して、第2被膜層を形成する(B)と、を備える。
以下、本実施の形態2に係る当接部材の一例として、当接部材が吸入弁座である場合について、図6を参照しながら説明する。なお、本実施の形態2に係る圧縮機は、吸入弁座に設けられている表面処理膜の構成以外は、実施の形態1に係る圧縮機と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
[圧縮機(当接部材)の構成]
図6は、本実施の形態2に係る圧縮機における吸入弁座(当接部材)の断面図である。
図6に示すように、本実施の形態2に係る圧縮機100における吸入弁座(当接部材)に設けられた表面処理膜160は、実施の形態1に係る圧縮機100における表面処理膜160と基本的構成は同じであるが、第1被膜層160a及び第2被膜層160bを備えた2層構造になっている点が異なる。
具体的には、第1被膜層160aは、吸入弁座141の外面側(最も内側)に位置していて、第2被膜層160bは、第1被膜層160aの外側(最も外側)に位置している。また、第1被膜層160a及び第2被膜層160bは、本実施の形態2においては、吸入弁座141の外面に沿って形成されている。
第1被膜層160aは、ポリアミドイミド(PAI)からなる合成樹脂161をバインダーとして、平均粒径が1μm以下とした固体潤滑剤162を略均一に分散し、かつ、第1被膜層160aに占める固体潤滑剤162の含有率が33%未満となるように構成されている。また、第2被膜層160bは、第1被膜層160aと同様に、ポリアミドイミド(PAI)からなる合成樹脂161をバインダーとして、平均粒径が3μm以上、かつ、5μm以下とした固体潤滑剤162を略均一に分散し、かつ、第2被膜層160bに占める固体潤滑剤162の含有率が33%以上となるように構成されている。
そして、固体潤滑剤162は、合成樹脂161よりも機械的強度が高いため、第1被膜層160aに占める固体潤滑剤162の含有率を、第2被膜層160bに占める固体潤滑剤162の含有率を小さくすることで、第1被膜層160aにおける弾性変形量を、第2被膜層160bにおける弾性変形量よりも大きくすることができる。
なお、合成樹脂161の平均粒径を同じにして、第1被膜層160aに占める固体潤滑剤162の数量(重量)を第2被膜層160bに占める固体潤滑剤162の数量(重量)よりも小さくすることで、第1被膜層160aに占める固体潤滑剤162の含有率を、第2被膜層160bに占める固体潤滑剤162の含有率を小さくしてもよい。
また、被膜層に含有する合成樹脂161の種類及び/又は含有率を変更することにより、第1被膜層160aにおける弾性変形量が、第2被膜層160bにおける弾性変形量よりも大きくなるようにしてもよい。この場合、被膜層に固体潤滑剤162を含有しない構成を採用してもよい。例えば、第1被膜層160aでは、弾性変形量をより大きくするために、比較的軟らかい特性を有するフェノール樹脂を使用し、第2被膜層160bでは、弾性変形量を小さくするために、比較的硬い特性を有するポリアミド樹脂を使用してもよい。
さらに、第1被膜層160aは、圧縮機100の長期的な性能維持を図る観点から、該第1被膜層160aに占める固体潤滑剤162の含有率が1%以上、かつ、33%未満であってもよい。
また、図6に示すように、表面処理膜160は、第1被膜層160aの厚さが、第2被膜層160bの厚さよりも小さくなるように構成されていて、その厚さは、本実施の形態2においては、約10μmとなるように形成されている。
なお、本実施の形態2においては、第1被膜層160aの厚さが、第2被膜層160bの厚みよりも小さくなるように構成したが、これに限定されない。第1被膜層160aの厚みが、第2被膜層160bの厚みと同じであってもよく、第1被膜層160aの厚さが、第2被膜層160bの厚さよりも大きくなるように構成されていてもよい。
また、本実施の形態2においては、表面処理膜160の厚さを約10μmとしているが、これに限定されない。表面処理膜160の厚さは、シール性を向上させる観点から、1μm以上であってもよく、表面処理膜160の生産性効率化の観点から、30μm以下であってもよい。また、表面処理膜160の衝撃力の緩和の観点及び生産性効率化の観点から、表面処理膜160の厚さは、5μm以上、かつ、20μm以下であってもよい。
[表面処理膜の製造方法]
次に、表面処理膜160の製造方法について説明する。
まず、予備加熱を行い、バルブプレート117を所定の温度に上げる(なお、吸入弁座141周辺のみを加熱してもよい)。これは、吸入弁座141へ塗布した表面処理膜160内に溶解している有機溶剤を蒸発させ、均一に塗布することが目的である。
次に、固体潤滑剤162を合成樹脂161に分散させた液剤を有機溶剤からなる希釈剤により所定の粘度に調整した、第1被膜層160a用の第1表面処理剤と第2被膜層160b用の第2表面処理剤を用意する。そして、第1表面処理剤をバルブプレート117の吸入弁座141にスプレーにて塗布する。なお、不要な場所への表面処理剤の付着を防止するために、バルブプレート117に適切な形状のマスキング治具を取り付けてもよく、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置を用いて、吸入弁座141に表面処理剤を塗布してもよい。
その後、予備加熱時の温度よりもやや高めの温度で仮乾燥を数分間行い、第1被膜層160aの表面を硬化させる。次に、第2表面処理剤を第1被膜層160aの表面にスプレーにて塗布する。
そして、予備加熱時の温度よりもやや高めの温度で仮乾燥を数分間行い、第2被膜層160bの表面を硬化させた段階、いわゆる指触乾燥(塗布面を指で触れても液状の樹脂が付着しない状態)段階で、軽くバフ掛けを行う。これは、表面処理膜160の表面(第2被膜層160bの外面)の面粗度を微調整するのが目的で、砥粒を内包しているナイロンバフ又は比較的硬いスチールバフよりも、馬毛バフの方が望ましい。
最後に、200℃〜250℃程度で、30分〜2時間程度焼成を行い、表面処理剤中の希釈剤を全て蒸発させ、2層からなる表面処理膜160を完全に吸入弁座141に固着させる。
[圧縮機の作用効果]
次に、本実施の形態2に係る圧縮機100の作用効果について、図6を参照しながら説明する。
本実施の形態2に係る圧縮機100では、吸入弁座141(基材)側に、平均粒径の小さな固体潤滑剤162を有する第1被膜層160aを配設し、吸入バルブ120と当接する側に、平均粒径の大きな固体潤滑剤162を有する第2被膜層160bを配設している。
これにより、第2被膜層160bの合成樹脂161が摩耗することで、早期に固体潤滑剤162が表面処理膜160(第2被膜層160b)の表面に露出することにより、剛性の強い固体潤滑剤162が、効果的な衝撃力緩衝効果を発揮することができる。また、第1被膜層160aが弾性変形して、効果的な衝撃力の緩衝効果を呈することで、接触面圧を顕著に緩和することができる。
このため、本実施の形態2に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100に比して、衝撃力の緩衝効果をより発揮することができる。また、本実施の形態2に係る圧縮機100では、衝撃力の緩衝効果をより発揮することができるため、実施の形態1に係る圧縮機に比して、吸入バルブ120と吸入弁座141の衝突音をより抑制し、より低騒音化を実現することができる。さらに、本実施の形態2に係る圧縮機100では、衝撃力の緩衝効果をより発揮することができるため、実施の形態1に係る圧縮機に比して、吸入バルブ120のワレ又は欠け等の破損を抑制することができ、圧縮機100の長期的な性能維持を図ることができる。
また、早期に、固体潤滑剤162が表面処理膜160(第2被膜層160b)の表面に露出することにより、表面処理膜160の外面の凹凸が早期になくなり、表面処理膜160の外面が平滑な面となる。このため、吸入弁座141と吸入バルブ120のシール性を向上させることができる。
さらに、早期に、親油性を有する固体潤滑剤162が表面処理膜160(第2被膜層160b)の表面に露出することにより、吸入弁座141と吸入バルブ120の間に、潤滑油102を十分に存在させることができる。これにより、吸入弁座141と吸入バルブ120のシール性が向上し、圧縮、吐出行程時における冷媒103の逆流を抑制することができる。
また、第1被膜層160aに含有されている固体潤滑剤162は、平均粒径が小さいので、吸入弁座141と十分な密着力(バインダー性能)を有する。このため、表面処理膜160(第1被膜層160a)と吸入弁座141との剥離、及び第1被膜層160aと第2被膜層160bとの剥離を抑制することができる。したがって、本実施の形態2に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100に比して、より長期的に耐久性を有することができる。
また、本実施の形態2に係る圧縮機100では、吸入弁座141(基材)側に、平均粒径の小さな固体潤滑剤162を有する第1被膜層160aを配設していることから、吸入弁座141に散在する空孔に合成樹脂161が流入しやすくなっている。これにより、吸入弁座141から冷媒103の漏れをより低減できるため、圧縮機100の効率低下をより抑制することができる。
[変形例1]
次に、本実施の形態2に係る圧縮機(当接部材)の変形例について説明する。
本実施の形態2における変形例1の当接部材は、隣接する被膜層のうち、内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態2における変形例1の当接部材では、隣接する被膜層のうち、内側に位置する被膜層における弾性変形量が、外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きくてもよい。
図7は、本実施の形態2における変形例1の圧縮機における吸入弁座(当接部材)の断面図である。
図7に示すように、本変形例1の圧縮機における吸入弁座(当接部材)に設けられた表面処理膜160は、実施の形態2に係る圧縮機100における表面処理膜160と基本的構成は同じであるが、3層の第1被膜層160a、第2被膜層160b、及び第3被膜層160cを備えている点が異なる。
具体的には、第3被膜層160cが、第1被膜層160aと第2被膜層160bとの間に配設されている。隣接する第1被膜層160aと第3被膜層160cでは、第1被膜層160aにおける固体潤滑剤162の含有率が、第3被膜層160cにおける固体潤滑剤162の含有率よりも小さくなるように構成されている。また、隣接する第3被膜層160cと第2被膜層160bでは、第3被膜層160cにおける固体潤滑剤162の含有率が、第2被膜層160bにおける固体潤滑剤162の含有率よりも小さくなるように構成されている。
これにより、第1被膜層160aにおける弾性変形量を、第3被膜層160cにおける弾性変形量よりも大きくすることができる。また、第3被膜層160cにおける弾性変形量を、第2被膜層160bにおける弾性変形量よりも大きくすることができる。
このように構成された、本変形例1の圧縮機100であっても、実施の形態2に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例1の圧縮機100では、表面処理膜160を3層で構成する形態を採用したが、これに限定されず、表面処理膜160を複数層の被膜層で構成されていればよく、例えば、4層の被膜層で構成してもよく、10層以上の被膜層で構成されていてもよい。
(実施の形態3)
本実施の形態3に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座を有するバルブプレートと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吐出弁座、及び吐出バルブの吐出弁座との当接部の少なくともいずれか1の部位に合成樹脂を含む表面処理膜が形成されている。
なお、本実施の形態3に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1又は2の圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態3に係る圧縮機の一例として、吐出弁座に表面処理膜が形成されている圧縮機について、図8及び図9を参照しながら説明する。
図8は、本実施の形態3に係る圧縮機の要部断面図である。図9は、図8に示すB部分を拡大した断面図である。
図8及び図9に示すように、本実施の形態3に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、表面処理膜160が吐出弁座142(正確には、バルブプレート117の吐出弁座142を構成する表面)に形成されている点が異なる。なお、表面処理膜160の構成及び製造方法は、実施の形態1に係る圧縮機100の表面処理膜160と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態3に係る圧縮機100では、吐出弁座142に散在する焼結金属材料特有の空孔を、合成樹脂161を含む表面処理膜160で封孔することができる。これにより、吐出弁座142から冷媒103の漏れを低減できるため、圧縮機100の効率低下を抑制することができる。
また、本実施の形態3に係る圧縮機100では、吐出弁座142に合成樹脂161を含む表面処理膜160を設けることにより、吐出弁座142と吐出バルブ121のシール性を向上させることができる。このため、吸入行程時における冷媒103の逆流を抑制することができる。
したがって、本実施の形態3に係る圧縮機100では、冷凍能力の低下を低減し、低コストで効率を向上させることができる。
また、本実施の形態3に係る圧縮機100では、吐出弁座142に合成樹脂161を含む表面処理膜160を設けることにより、吐出バルブ121が吐出弁座142を閉塞するときにおける打撃力を、表面処理膜160の弾性効果で低減することができる。このため、打撃音を低減することができ、圧縮機の低騒音化を実現することができる。
さらに、吐出バルブ121が吐出弁座142を閉塞するときにおける打撃力を低減することにより、吐出バルブ121のワレ又は欠け等の破損を抑制することができ、圧縮機100の長期的な性能維持を図ることができる。
また、本実施の形態3に係る圧縮機100では、表面処理膜160に親油性を有する固体潤滑剤162を含有していることにより、吐出弁座142(正確には、吐出弁座142の表面に配設されている表面処理膜160)と吐出バルブ121との間に、潤滑油102を十分に存在させることができる。これにより、吐出弁座142と吐出バルブ121のシール性が向上し、圧縮、吐出行程時における冷媒103の逆流を抑制することができる。
また、本実施の形態3に係る圧縮機100では、表面処理膜160に固体潤滑剤162を含有していることにより、固体潤滑剤162の潤滑効果で、吐出バルブ121が吐出弁座142を閉塞する際の剪断力が低減することができる。これにより、吐出弁座142の表面(外面)と表面処理膜160の内面との剥離を抑制することができる。このため、長期的に高耐久性を有する圧縮機100を提供することができる。
さらに、本実施の形態3に係る圧縮機100では、表面処理膜160に固体潤滑剤162を含有している。これにより、圧縮機100を作動させることで、表面処理膜160の外面の凹凸が早期になくなり、表面処理膜160の外面が平滑な面となる。このため、吐出弁座142と吐出バルブ121のシール性を向上させることができる。
なお、本実施の形態3に係る圧縮機100は、レシプロ圧縮機で構成されている形態を採用したが、これに限定されず、ロータリー圧縮機又はスクロール圧縮機等の各種の圧縮機で構成されている形態を採用してもよい。
(実施の形態4)
本実施の形態4に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態4に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態4に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座を有するバルブプレートと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吐出弁座、及び吐出バルブのうち、少なくともいずれか1の部材が、前記当接部材で構成されている。
なお、本実施の形態4に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1又は2の圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態4に係る当接部材の一例として、当接部材が吐出弁座である場合について、図10及び図11を参照しながら説明する。なお、本実施の形態4に係る圧縮機は、吐出弁座に設けられている表面処理膜の構成以外は、実施の形態1に係る圧縮機と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
図10は、本実施の形態4に係る圧縮機の要部断面図である。図11は、本実施の形態4に係る圧縮機における吐出弁座(当接部材)の断面図である。
図10及び図11に示すように、本実施の形態4に係る圧縮機100における吐出弁座(当接部材)に設けられた表面処理膜160は、実施の形態3に係る圧縮機100における表面処理膜160と基本的構成は同じであるが、第1被膜層160a及び第2被膜層160bを備えた2層構造になっている点が異なる。なお、本実施の形態4における表面処理膜160(第1被膜層160a及び第2被膜層160b)の構成は、実施の形態2における表面処理膜160(第1被膜層160a及び第2被膜層160b)と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態4に係る圧縮機100では、吐出弁座142(基材)側に、平均粒径の小さな固体潤滑剤162を有する第1被膜層160aを配設し、吐出バルブ121と当接する側に、平均粒径の大きな固体潤滑剤162を有する第2被膜層160bを配設している。
これにより、第2被膜層160bの合成樹脂161が摩耗することで、早期に固体潤滑剤162が表面処理膜160(第2被膜層160b)の表面に露出することにより、効果的な衝撃力緩衝効果を発揮することができる。また、第1被膜層160aが弾性変形して、効果的な衝撃力の緩衝効果を呈することで、接触面圧を顕著に緩和することができる。
このため、本実施の形態4に係る圧縮機100は、実施の形態3に係る圧縮機100に比して、衝撃力の緩衝効果をより発揮することができる。また、本実施の形態4に係る圧縮機100では、衝撃力の緩衝効果をより発揮することができるため、実施の形態3に係る圧縮機に比して、吐出バルブ121と吐出弁座142の衝突音をより抑制し、より低騒音化を実現することができる。さらに、本実施の形態4に係る圧縮機100では、衝撃力の緩衝効果をより発揮することができるため、実施の形態3に係る圧縮機に比して、吐出バルブ121のワレ又は欠け等の破損を抑制することができ、圧縮機100の長期的な性能維持を図ることができる。
また、早期に、固体潤滑剤162が表面処理膜160(第2被膜層160b)の表面に露出することにより、表面処理膜160の外面の凹凸が早期になくなり、表面処理膜160の外面が平滑な面となる。このため、吐出弁座142と吐出バルブ121のシール性を向上させることができる。
さらに、早期に、親油性を有する固体潤滑剤162が表面処理膜160(第2被膜層160b)の表面に露出することにより、吐出弁座142と吐出バルブ121の間に、潤滑油102を十分に存在させることができる。これにより、吐出弁座142と吐出バルブ121のシール性が向上し、圧縮、吐出行程時における冷媒103の逆流を抑制することができる。
また、第1被膜層160aに含有されている固体潤滑剤162は、平均粒径が小さいので、吐出弁座142と十分な密着力(バインダー性能)を有する。このため、表面処理膜160(第1被膜層160a)と吐出弁座142との剥離、及び第1被膜層160aと第2被膜層160bとの剥離を抑制することができる。したがって、本実施の形態4に係る圧縮機100は、実施の形態3に係る圧縮機100に比して、より長期的に耐久性を有することができる。
また、本実施の形態4に係る圧縮機100では、吐出弁座142(基材)側に、平均粒径の小さな固体潤滑剤162を有する第1被膜層160aを配設していることから、吐出弁座142に散在する空孔に合成樹脂161が流入しやすくなっている。これにより、吐出弁座142から冷媒103の漏れをより低減できるため、圧縮機100の効率低下をより抑制することができる。
なお、本実施の形態4に係る圧縮機100では、表面処理膜160を2層の被膜層から構成される形態を採用したが、これに限定されない。表面処理膜160を3層以上の被膜層から構成される形態を採用してもよい。
(実施の形態5)
本実施の形態5に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔を囲むように設けられた吸入弁座を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、を備え、吸入弁座、及び吸入バルブの吸入弁座との当接部の少なくともいずれか1の部位に合成樹脂を含む表面処理膜が形成されている。
なお、本実施の形態5に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜4のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態5に係る圧縮機の一例として、吸入バルブの吸入弁座との当接部に表面処理膜が形成されている圧縮機について、図12及び図13を参照しながら説明する。
図12は、本実施の形態5に係る圧縮機の要部断面図である。図13は、図12に示す吸入バルブの平面図である。なお、図13においては、表面処理膜及び吸入バルブにおける吸入弁座との当接部にハッチングを記している。
図12及び図13に示すように、本実施の形態5に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、表面処理膜160が吸入バルブ120に形成されている点が異なる。具体的には、表面処理膜160は、吸入バルブ120における吸入弁座141と当接する円環状の当接部163を含むように形成されている。
本実施の形態5においては、表面処理膜160は、円状に形成されていて、その直径が当接部163の外周の直径よりも大きくなるように形成されている。なお、表面処理膜160の構成及び製造方法は、実施の形態1に係る圧縮機100の表面処理膜160と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態5に係る圧縮機100であっても、実施の形態1に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態5に係る圧縮機100では、平板上の吸入バルブ120に円形状の表面処理膜160を形成させるため、円環状の吸入弁座141に表面処理膜160を形成する場合に比して、表面処理膜160を均一に形成しやすく、圧縮機100の生産性をより向上させることができる。
なお、本実施の形態5では、吸入バルブ120における当接部163付近に表面処理膜160を形成しているが、吸入バルブ120の主面全体に形成しても同一の効果があることは言うまでもない。
(実施の形態6)
本実施の形態6に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態6に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態6に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔と、該吸入孔を囲うように設けられた吸入弁座と、吐出孔と、該吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座と、を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吸入弁座、吐出弁座、吸入バルブ、及び吐出バルブのうち、少なくともいずれか1の部材が、前記当接部材で構成されている。
なお、本実施の形態6に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜4のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態6に係る当接部材の一例として、当接部材が吸入バルブである場合について、図14を参照しながら説明する。なお、本実施の形態6に係る圧縮機は、吸入バルブに設けられている表面処理膜の構成以外は、実施の形態1に係る圧縮機と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
図14は、本実施の形態6に係る圧縮機における吸入バルブ(当接部材)の断面図である。
図14に示すように、本実施の形態6に係る圧縮機100における吸入バルブ(当接部材)に設けられた表面処理膜160は、実施の形態5に係る圧縮機100における表面処理膜160と基本的構成は同じであるが、第1被膜層160a及び第2被膜層160bを備えた2層構造になっている点が異なる。なお、本実施の形態6における表面処理膜160(第1被膜層160a及び第2被膜層160b)の構成は、実施の形態2における表面処理膜160(第1被膜層160a及び第2被膜層160b)と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態6に係る圧縮機100であっても、実施の形態2に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態6に係る圧縮機100では、表面処理膜160を2層の被膜層から構成される形態を採用したが、これに限定されない。表面処理膜160を3層以上の被膜層から構成される形態を採用してもよい。
(実施の形態7)
本実施の形態7に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座を有するバルブプレートと、、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吐出弁座、及び吐出バルブの吐出弁座との当接部の少なくともいずれか1の部位に合成樹脂を含む表面処理膜が形成されている。
なお、本実施の形態7に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜6のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態7に係る圧縮機の一例として、吐出バルブの吐出弁座との当接部に表面処理膜が形成されている圧縮機について、図15及び図16を参照しながら説明する。
図15は、本実施の形態7に係る圧縮機の要部断面図である。図16は、図15に示す吐出バルブの平面図である。なお、図16においては、表面処理膜及び吐出バルブにおける吐出弁座との当接部にハッチングを記している。
図15及び図16に示すように、本実施の形態7に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、表面処理膜160が吐出バルブ121に形成されている点が異なる。具体的には、表面処理膜160は、吐出バルブ121における吐出弁座142と当接する円環状の当接部164を含むように形成されている。
本実施の形態7においては、表面処理膜160は、円状に形成されていて、その直径が当接部164の外周の直径よりも大きくなるように形成されている。なお、本実施の形態における表面処理膜160の構成及び製造方法は、実施の形態1に係る圧縮機100の表面処理膜160と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態7に係る圧縮機100であっても、実施の形態3に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態7に係る圧縮機100では、平板上の吐出バルブ121に円形状の表面処理膜160を形成させるため、円環状の吐出弁座142に表面処理膜160を形成する場合に比して、表面処理膜160を均一に形成しやすく、圧縮機100の生産性をより向上させることができる。
なお、本実施の形態7では、吐出バルブ121における当接部163付近に表面処理膜160を形成しているが、吐出バルブ121の主面全体に表面処理膜160を形成してもよい。
(実施の形態8)
本実施の形態8に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態8に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態8に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔と、該吸入孔を囲うように設けられた吸入弁座と、吐出孔と、該吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座と、を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吸入弁座、吐出弁座、吸入バルブ、及び吐出バルブのうち、少なくともいずれか1の部材が、前記当接部材で構成されている。
なお、本実施の形態8に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜6のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態8に係る当接部材の一例として、当接部材が吐出バルブである場合について、図17を参照しながら説明する。なお、本実施の形態8に係る圧縮機は、吸入バルブに設けられている表面処理膜の構成以外は、実施の形態1に係る圧縮機と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
図17は、本実施の形態8に係る圧縮機における吐出バルブ(当接部材)の断面図である。
図17に示すように、本実施の形態8に係る圧縮機100における吐出バルブ121に設けられた表面処理膜160は、実施の形態7に係る圧縮機100における表面処理膜160と基本的構成は同じであるが、2層の第1被膜層160a及び第2被膜層160bを備えている点が異なる。なお、本実施の形態8における表面処理膜160(第1被膜層160a及び第2被膜層160b)の構成は、実施の形態2における表面処理膜160(第1被膜層160a及び第2被膜層160b)と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
このように構成された、本実施の形態8に係る圧縮機100であっても、実施の形態4に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態8に係る圧縮機100では、表面処理膜160を2層の被膜層から構成される形態を採用したが、これに限定されない。表面処理膜160を3層以上の被膜層から構成される形態を採用してもよい。
(実施の形態9)
本実施の形態9に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態9に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態9に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔と、該吸入孔を囲うように設けられた吸入弁座と、吐出孔と、該吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座と、を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吸入弁座及び吸入バルブが、前記当接部材で構成されている。
また、本実施の形態9に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔と、該吸入孔を囲うように設けられた吸入弁座と、吐出孔と、該吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座と、を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吸入弁座及び吸入バルブに合成樹脂を含む表面処理膜が形成されている。
なお、本実施の形態9に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜8のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態9に係る当接部材の一例として、当接部材が吸入弁座及び吸入バルブである場合について、図18を参照しながら説明する。なお、本実施の形態9に係る圧縮機は、吸入バルブに設けられている表面処理膜の構成以外は、実施の形態1に係る圧縮機と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
図18は、本実施の形態9に係る圧縮機の要部断面図である。
図18に示すように、本実施の形態9に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、表面処理膜160が吸入弁座141及び吸入バルブ120の両方に形成されている点が異なる。
なお、吸入弁座141に形成されている表面処理膜160は、実施の形態1の表面処理膜160と同様に、1層の被膜層で構成されていてもよく、実施の形態2(変形例1を含む)の表面処理膜160と同様に、複数の被膜層を備える構成であってもよい。同様に、吸入バルブ120に形成されている表面処理膜160は、実施の形態5の表面処理膜160と同様に、1層の被膜層で構成されていてもよく、実施の形態6の表面処理膜160と同様に、複数の被膜層を備える構成であってもよい。
また、吸入弁座141及び吸入バルブ120に形成されている表面処理膜160が、1層の被膜層で構成されている場合、一方の部材に形成されている表面処理膜160に含有される固体潤滑剤162の含有率が、他方の部材に形成されている表面処理膜160に含有される固体潤滑剤162の含有率よりも小さくなるように構成されていてもよい。
このように構成された、本実施の形態9に係る圧縮機100であっても、実施の形態1、2、5、又は6に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。
(実施の形態10)
本実施の形態10に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態10に係る当接部材は、当接面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態10に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吸入孔と、該吸入孔を囲うように設けられた吸入弁座と、吐出孔と、該吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座と、を有するバルブプレートと、吸入孔を開閉する吸入バルブと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吐出弁座及び吐出バルブが、前記当接部材で構成されている。
また、本実施の形態10に係る圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に配置され、吐出孔を囲むように設けられた吐出弁座を有するバルブプレートと、吐出孔を開閉する吐出バルブと、を備え、吐出弁座及び吐出バルブに合成樹脂を含む表面処理膜が形成されている。
なお、本実施の形態10に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜9のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
以下、本実施の形態10に係る当接部材の一例として、当接部材が吐出弁座及び吐出バルブである場合について、図20を参照しながら説明する。なお、本実施の形態10に係る圧縮機は、吐出弁座及び吐出バルブに設けられている表面処理膜の構成以外は、実施の形態1に係る圧縮機と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
図19は、本実施の形態10に係る圧縮機の要部断面図である。
図19に示すように、本実施の形態10に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、表面処理膜160が吐出弁座142及び吐出バルブ121の両方に形成されている点が異なる。
なお、吐出弁座142に形成されている表面処理膜160は、実施の形態3の表面処理膜160と同様に、1層の被膜層で構成されていてもよく、実施の形態4の表面処理膜160と同様に、複数の被膜層を備える構成であってもよい。同様に、吐出バルブ121に形成されている表面処理膜160は、実施の形態7の表面処理膜160と同様に、1層の被膜層で構成されていてもよく、実施の形態8の表面処理膜160と同様に、複数の被膜層を備える構成であってもよい。
また、吐出弁座142及び吐出バルブ121に形成されている表面処理膜160が、1層の被膜層で構成されている場合、一方の部材に形成されている表面処理膜160に含有される固体潤滑剤162の含有率が、他方の部材に形成されている表面処理膜160に含有される固体潤滑剤162の含有率よりも小さくなるように構成されていてもよい。
このように構成された、本実施の形態10に係る圧縮機100であっても、実施の形態3、4、7、又は8に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。
(実施の形態11)
本実施の形態11に係る摺動部材は、摺動面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂と固体潤滑剤を有し、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態11に係る摺動部材では、固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、グラファイト、四フッ化エチレン樹脂、及び三酸化アンチモンからなる化合物群から選択される少なくとも一の化合物で構成されていてもよい。
また、本実施の形態11に係る摺動部材では、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の平均粒径が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の平均粒径よりも小さくてもよい。
また、本実施の形態11に係る当接部材では、最も内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の重量が、最も外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の重量よりも小さくてもよい。
また、本実施の形態11に係る摺動部材は、摺動面の少なくとも一部に、二層以上の被膜層が積層された表面処理膜が形成され、被膜層は、合成樹脂を有し、最も内側に位置する被膜層における弾性変形量が、最も外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きい。
また、本実施の形態11に係る摺動部材では、表面処理膜の厚さが1〜10μmであってもよい。
さらに、本実施の形態11に係る摺動部材では、合成樹脂は、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、及びフェノール樹脂からなる樹脂群から選択される少なくとも1の樹脂で構成されていてもよい。
また、本実施の形態11に係る圧縮機は、固定子と回転子を備える電動要素と、電動要素によって駆動される圧縮要素と、電動要素と圧縮要素が収容され、潤滑油が貯留されている密閉容器と、を備え、圧縮要素は、主軸及び偏心軸を備えるクランクシャフトと、クランクシャフトを軸支する主軸受とシリンダを形成するシリンダブロックと、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに中心軸が偏心部と平行となるように配設されているピストンピンと、偏心軸と前記ピストンピンを連結するコンロッドと、を備え、圧縮要素を構成する部材のうち、少なくとも1の部材が、前記摺動部材で構成されている。
また、本実施の形態11に係る圧縮機の製造方法は、摺動面の少なくとも一部に、合成樹脂と固体潤滑剤を有する第1表面処理剤を塗布して、第1被膜層を形成する(A)と、第1表面処理剤中の固体潤滑剤よりも平均粒径が大きい固体潤滑剤を有する第2表面処理剤を第1被膜層の上に塗布して、第2被膜層を形成する(B)と、を備える。
以下、本実施の形態11に係る摺動部材の一例として、摺動部材がクランクシャフトの主軸である場合について、図20及び図21を参照しながら説明する。なお、本実施の形態11に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜10のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
[圧縮機の構成]
図20は、本実施の形態11に係る圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。図21は、図20に示すC部分を拡大した断面図である。
図20及び図21に示すように、本実施の形態11に係る圧縮機100は、実施の形態1に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、主軸111に表面処理膜160が設けられている点が異なる。
具体的には、主軸111は、上方に位置する第1摺動部180と、下方に位置する第2摺動部182と、第1摺動部180と第2摺動部182の間に位置する接続部181と、を有している。そして、第1摺動部180と第2摺動部182が軸受部123と接触し、摺動する摺動面を形成し、該第1摺動部180及び第2摺動部182の表面には、表面処理膜160が設けられている。
表面処理膜160の厚さは、摺動性を向上させる観点から、1μm以上であってもよく、表面処理膜160の生産性効率化の観点から、10μm以下であってもよい。また、表面処理膜160の摺動性を向上させ、かつ、生産性の効率化を図る観点から、表面処理膜160の厚さは、3μm以上、かつ、6μm以下であってもよい。
なお、本実施の形態11における表面処理膜160は、実施の形態2における表面処理膜160と同様の構成をしているので、その詳細な説明は省略する。
また、接続部181は、第1摺動部180及び第2摺動部182の外径よりも小さくなるように形成されているため、軸受部123と摺動しない。このため、本実施の形態11においては、接続部181に表面処理膜160を形成していない。
さらに、クランクシャフト112の基材の材質は球状黒鉛鋳鉄(FCD)であり、軸受部123を有するブロック115はねずみ鋳鉄(FC)製である。そして、本実施の形態11においては、軸受部123の摺動面(内周面)には、表面処理膜160を形成していない。
このように構成された、本実施の形態11に係る圧縮機100を用いて、主軸111が軸受部123の上方端部と下方端部の局所的な領域において接触した状態、いわゆる片当たり状態で摺動する状況下を想定したモードを含む各種条件で信頼性試験を行った結果、従来の圧縮機と比べて良好な摩耗特性を示すことを確認した。このような結果が得られたことについて、本発明者等は、以下のように考察する。
図22は、片当たり状態で摺動しているときの圧縮機の要部を示す模式図である。
図22に示すように、往復動(レシプロ)式の圧縮機は、一般的に、シリンダ114とピストン116で形成される圧縮室113内の圧縮圧力Pよりも、密閉容器101内の圧力が低く、クランクシャフト112の主軸111が、圧縮荷重Pが作用する偏心軸110に対して、一つの軸受部123で片持ち支持する構成が特徴である。
そのため、伊藤らの文献(日本機械学会年次大会論文集 Vol.5−1 (2005)P.143)に示されるように、クランクシャフト112は圧縮荷重Pの影響により軸受部123内で傾いた状態で振れ回っている。一方、ピストン116は、そのスカート側(偏心軸110に面している側)が下に傾く傾向(以下、この向きをプラス「+」側とする)が大半と見られている。
特に、圧縮荷重Pが大きく、摺動損失への影響も大きいとされる上死点付近において、ピストン116は+側に大きく傾き、クランクシャフト112の軸受部123内での傾きは最大となる。このとき、軸受部123の上端と主軸111(第1摺動部180)の上端の接触点での圧縮荷重Pの分力P1、並びに軸受部123の下端と主軸111(第2摺動部182)の下端の接触点での圧縮荷重P2も最大となる。
従って、主軸111等の摺動面に、平均粒径が大きな固体潤滑剤を含む表面処理膜を摺動面に略均一に設けた場合では、主軸111と軸受部123の上下端部で点接触となり面圧が増大する。このため、定常磨耗への移行は早いが、固体潤滑剤の平均粒径が大きいので、摩擦係数が高くなり、圧縮機の効率を上げることが困難な可能性があった。
また、主軸111等の摺動面に、弾性変形量が小さい固体潤滑被膜を摺動面に略均一に設けた場合には、主軸111と軸受部123の上下端部で点接触となり面圧が非常に高いため、固体潤滑被膜の早期摩耗、あるいは剥離が発生する可能性があった。
一方、主軸111等の摺動面に、平均粒径が小さな固体潤滑剤を含む表面処理膜を略均一に設けた場合には、表面処理膜における固体潤滑剤の耐摩耗性が劣る。このため、定常磨耗へ移行し、圧縮機の効率が上がるまでに時間がかかる、または、定常磨耗に移行する前に、合成樹脂が磨耗してしまい、長期にわたり摺動に対する十分な効率向上効果を確保できない可能性があった。
また、主軸111等の摺動面に、弾性変形量が大きい固体潤滑被膜を設けた場合には、固体潤滑被膜の機械的強度が劣るために、長期に亘って十分な性能を確保できない可能性があった。
しかしながら、本実施の形態11に係る圧縮機100では、局所的な接触摺動が生じたとしても、外側に配設された第2被膜層160bに含有される、平均粒径の大きな固体潤滑剤162の表面形状の山部(凸部)が摩耗して適度な油溜りを持つ滑らかな摺動面、いわゆる初期なじみ面を早期に形成して、定常摩耗に移行させることができる。
その後、第2被膜層160bが摩耗し、第1被膜層160aが表面に露出する。第1被膜層160aには、摩擦係数の小さい平均粒径が小さな固体潤滑剤162を含有しているので、低摩擦で高効率な摺動を行うことができる。このため、本実施の形態11に係る圧縮機100は、早期に定常摩耗状態へ推移し、その後、高効率な運転と良好な摩耗特性を示したと考える。
また、本実施の形態11に係る圧縮機100では、局所的な接触摺動が生じたとしても、その接触点を中心として基材側(内側)の第1被膜層160aが弾性変形して、緩衝効果を呈することで、接触面圧を顕著に緩和するとともに、外側に位置する第2被膜層160bに含有される固体潤滑剤162により、摺動に対する十分な強度と耐摩耗性を有することで、表面処理膜160の早期摩耗及び剥離を抑制し、良好な摩擦摩耗特性を示したと考えている。
さらに、本実施の形態1に係る圧縮機100では、基材側に平均粒径の小さな固体潤滑剤162を含む第1被膜層160aを配設するため、主軸111の表面に形成されている微小な凹凸の凹部分に固体潤滑剤162が入り込みやすく、第1被膜層160aの表面側に位置する固体潤滑剤162の磨耗が進んでも、固体潤滑剤162が基材側に多量に残っているため、固体潤滑剤162の効果を長期間にわたって得ることが可能となる。
なお、本実施の形態では、主に片当り状態における作用を解説したが、片当りの無い状態では、更に高い信頼性と高効率への寄与が期待されることは明らかである。
また、本実施の形態では、片当り状態での接触摺動となる可能性が高い主軸111における第1摺動部180と第2摺動部182に表面処理膜160を設ける形態を採用したが、これに限定されない。例えば、主軸111に表面処理膜160を設けずに、軸受部123の摺動面に表面処理膜160を設ける形態を採用してもよく、主軸111及び軸受部123の両方に表面処理膜160を設ける形態を採用してもよい。
また、例えば、圧縮荷重Pの影響により、片当り状態での接触摺動が想定されるピストン116とシリンダ114のうち、少なくとも一方の部材の摺動面に、表面処理膜160を設ける形態を採用してもよい。この場合、生産性向上の観点から、ピストン116の摺動面に設けてもよく、ピストン116のトップ側(圧縮室113に面している側)とスカート側(偏心軸110に面している側)の外周端部に表面処理膜160を設けてもよい。
[変形例1]
次に、本実施の形態11に係る圧縮機(摺動部材)の変形例について、説明する。
本実施の形態11における変形例1の摺動部材は、隣接する被膜層のうち、内側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率が、外側に位置する被膜層における固体潤滑剤の含有率よりも小さい。
また、本実施の形態11における変形例1の摺動部材では、隣接する被膜層のうち、内側に位置する被膜層における弾性変形量が、外側に位置する被膜層における弾性変形量よりも大きくてもよい。
図23は、本実施の形態11における変形例1の圧縮機における主軸(摺動部材)の断面図である。
図23に示すように、本変形例1の圧縮機における主軸(摺動部材)に設けられた表面処理膜160は、実施の形態11に係る圧縮機100における表面処理膜160と基本的構成は同じであるが、3層の第1被膜層160a、第2被膜層160b、及び第3被膜層160cを備えている点が異なる。
具体的には、第3被膜層160cが、第1被膜層160aと第2被膜層160bとの間に配設されている。隣接する第1被膜層160aと第3被膜層160cでは、第1被膜層160aにおける固体潤滑剤162の含有率が、第3被膜層160cにおける固体潤滑剤162の含有率よりも小さくなるように構成されている。また、隣接する第3被膜層160cと第2被膜層160bでは、第3被膜層160cにおける固体潤滑剤162の含有率が、第2被膜層160bにおける固体潤滑剤162の含有率よりも小さくなるように構成されている。
これにより、第1被膜層160aにおける弾性変形量を、第3被膜層160cにおける弾性変形量よりも大きくすることができる。また、第3被膜層160cにおける弾性変形量を、第2被膜層160bにおける弾性変形量よりも大きくすることができる。
このように構成された、本変形例1の圧縮機100であっても、実施の形態2に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。また、本変形例1の圧縮機100では、固体潤滑剤162の含有率(大きさ)が内側から外側にかけて段階的に変化する構造とすることで、初期磨耗から定常磨耗への移行がよりスムーズになり、より長期にわたり高効率な運転を行うことができる。さらに、本変形例1の圧縮機100では、弾性変形量が、内側から外側にかけて段階的に変化する構造とすることで、各被膜層間の密着力をより高めることができ、表面処理膜160の基材側からの剥離をより抑制することができる。
なお、本変形例1の圧縮機100では、表面処理膜160を3層で構成する形態を採用したが、これに限定されず、表面処理膜160を複数層の被膜層で構成されていればよく、例えば、4層の被膜層で構成してもよく、10層以上の被膜層で構成されていてもよい。
(実施の形態12)
本実施の形態12に係る圧縮機は、固定子と回転子を備える電動要素と、電動要素によって駆動される圧縮要素と、電動要素と圧縮要素が収容され、潤滑油が貯留されている密閉容器と、を備え、圧縮要素は、主軸及び偏心軸を備えるクランクシャフトと、クランクシャフトを軸支する主軸受とシリンダを形成するシリンダブロックと、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに中心軸が偏心部と平行となるように配設されているピストンピンと、偏心軸とピストンピンを連結するコンロッドと、を備え、圧縮要素を構成する摺動部材のうち、少なくとも1の摺動部材の摺動する部分に、線状の表面処理膜が周回するように配設されている。
また、本実施の形態12に係る圧縮機では、表面処理膜が複数配設されていて、複数の表面処理膜は、互いに平行となるように配設されていてもよい。
また、本実施の形態12に係る圧縮機では、表面処理膜は、主軸の軸心に垂直な方向と平行となるように配設されていてもよい。
また、本実施の形態12に係る圧縮機では、表面処理膜の厚さが、1〜10μmであってもよい。
以下、本実施の形態12に係る圧縮機の一例として、摺動部材がクランクシャフトの主軸である場合について、図24及び図25を参照しながら説明する。なお、本実施の形態12に係る圧縮機は、上記特徴以外は、実施の形態1〜10のいずれかの圧縮機と同様に構成してもよい。
[圧縮機の構成]
図24は、本実施の形態12に係る圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。図25は、図24に示すD部分を拡大した断面図である。
図24及び図25に示すように、本実施の形態12に係る圧縮機100は、実施の形態11に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、主軸111の第1摺動部180及び第2摺動部182に線状の表面処理膜160が設けられている点が異なる。
具体的には、表面処理膜160は、本実施の形態12においては、線状(リング状)に形成されていて、複数配設されている。また、複数の表面処理膜160は、主軸111の軸心111aに対し垂直に、かつ、互いに平行となるように配設されている。そして、隣接する表面処理膜160間の部分が、窪み溝165を構成する。
また、表面処理膜160の軸心111a方向の長さは、圧縮機100の運転条件等により、適宜設定することができ、例えば、1mm程度であってもよい。また、窪み溝165の軸心111a方向の長さは、圧縮機100の運転条件等により、適宜設定することができ、例えば、0.5mm程度であってもよい。
また、表面処理膜160の厚さは、表面処理膜160の生産性を向上させる観点から、1μm以上であってもよく、窪み溝165で潤滑油102を十分に貯留させて、表面処理膜160の摺動性を向上させる観点から、10μm以下であってもよい。また、表面処理膜160の摺動性を向上させ、かつ、生産性の効率化を図る観点から、表面処理膜160の厚さは、3μm以上、かつ、6μm以下であってもよい。
さらに、例えば、混合潤滑領域での摺動となる傾向にある第1摺動部180の上端近傍、及び第2摺動部182下端近傍では、耐摩耗性の向上を図る観点から、窪み溝165の幅をより小さくして、表面処理膜160の実摺動面積を大きくさせてもよい。一方、流体潤滑領域での摺動となる傾向にある第1摺動部180の下端近傍、及び第2摺動部182の上端近傍では、摺動損失の低減を図る観点から、窪み溝165の幅をより大きくすることで、表面処理膜160の実摺動面積を小さくしてもよい。
なお、表面処理膜160は、実施の形態1における表面処理膜160と同様に、1層の被膜層で構成されていてもよく、実施の形態2(実施の形態2の変形例1を含む)における表面処理膜160と同様に、2層以上の被膜層で構成されていてもよい。
[表面処理膜の製造方法]
次に、表面処理膜160の製造方法について、図24〜27を参照しながら説明する。
図26は、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置の概略構成を示す模式図である。図27は、図26に示す装置を用いて、表面処理膜を製造するときの概要を示す模式図である。
まず、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置の構成について、図26を参照しながら説明する。
図26に示すように、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置300は、エアー源301、レギュレータ302、吐出タイマー303、コントローラー304、電源305、シリンジ306、及びノズル307を備える。ディスペンサーとは、いわゆる液体定量吐出システムのことで、ターゲット量のコーティング剤313を安定して供給し、ワーク(本実施の形態ではクランクシャフト112の主軸111に相当する)に向けてコーティング剤313の液玉を連続的に投射塗布することが可能である。
次に、表面処理膜160の製造方法について、図24〜27を参照しながら説明する。
まず、予備加熱を行い、クランクシャフト112を所定の温度に上げる(なお、主軸111の第1摺動部180及び第2摺動部182周辺のみを加熱してもよい)。これは、コーティング剤313の主軸111への固着促進が目的である。
次に、固体潤滑剤162を合成樹脂161に分散させた液剤を有機溶剤からなる希釈剤により所定の粘度に調整したコーティング剤313を用意する。そして、用意したコーティング剤313をシリンジ306に封入する。ついで、クランクシャフト112を、軸心111aを中心軸として時計方向に回転させ、空圧シリンジ方式ディスペンサー装置300のシリンジ306を固定した状態で、ノズル307から、一定の速度及び一定の間隔で、一定のターゲット量を所定の部位へ向けて投射塗布を行う。
そして、主軸111の外周に沿った線状の表面処理膜160が一本形成された段階で、一旦ノズル307からの投射塗布を停止し、シリンジ306を上方(又は下方)へ移動させて、コーティング剤313の投射塗布を行う。このとき、シリンジ306の移動量を調整することで、コーティング剤313が塗布されていない部分、すなわち、窪み溝165を形成させる。これを繰り返すことで、主軸111の第1摺動部180と第2摺動部182に、相互に独立して平行関係にある複数の表面処理膜160と窪み溝165を形成させることができる。
その後、予備加熱時の温度よりもやや高めの温度で仮乾燥を数分間行い、表面処理膜160の表面を硬化させた段階で、軽くバフ掛けを行う。これは、表面処理膜160表面の面粗度を微調整するのが目的で、砥粒を内包しているナイロンバフ又は比較的硬いスチールバフよりも、馬毛バフの方が望ましい。
そして、最後に、200〜250℃程度で、30分〜2時間程度焼成を行い、コーティング剤313中の希釈剤を蒸発させ、表面処理膜160を完全に固着させる。
このような製造方法で作成された本実施の形態12に係る圧縮機100を用いて、主軸111が軸受部123の摺動状況が苛酷で、かつ摺動部材間の潤滑油102が十分に確保できない状況下を想定したモードを含んだ実機信頼性試験を行った結果、従来例と比べて良好な摩耗特性を示すことを確認した。このような結果が得られたことについて、本発明者等は、以下のように考察する。
主軸111と軸受部123間に潤滑油102が常に十分確保できない状況となっても、表面処理膜160間に窪み溝165を設けることにより、金属製の主軸111がむき出しになっている。このため、表面張力により、窪み溝165に潤滑油102が貯留され易くなる。そして、窪み溝165に貯留された潤滑油102が、表面処理膜160と軸受部123の摺動部分に滲み出すことで、摺動表面における潤滑油102の保持性が顕著に向上する。このため、表面処理膜160の磨滅を効果的に抑制し、良好な耐摩耗性を確保することができたと考える。
このように構成された、本実施の形態12に係る圧縮機100であっても、実施の形態11に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。
[変形例1]
次に、本実施の形態12に係る圧縮機の変形例について、説明する。
本実施の形態12における変形例1の圧縮機は、固定子と回転子を備える電動要素と、電動要素によって駆動される圧縮要素と、電動要素と圧縮要素が収容され、潤滑油が貯留されている密閉容器と、を備え、圧縮要素は、主軸及び偏心軸を備えるクランクシャフトと、クランクシャフトを軸支する主軸受とシリンダを形成するシリンダブロックと、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに中心軸が偏心部と平行となるように配設されているピストンピンと、偏心軸とピストンピンを連結するコンロッドと、を備え、圧縮要素を構成する摺動部材のうち、少なくとも1の摺動部材の摺動する部分に、線状の表面処理膜が周回するように配設されている。
また、本実施の形態12における変形例1の圧縮機では、表面処理膜は、クランクシャフトの回転方向に対して逆向きに登り勾配の螺旋状に配設されていてもよい。
また、本実施の形態12における変形例1の圧縮機では、主軸表面には、クランクシャフトの回転方向に対して逆向きに登り勾配の螺旋状の溝が形成されていて、表面処理膜は、主軸軸心に対する傾斜角度が、溝における主軸軸心に対する傾斜角度よりも小さくてもよい。
図28は、本実施の形態12における変形例1の圧縮機を鉛直方向に沿って切断したときの断面図である。図29は、図28に示すE部分を拡大した断面図である。
図28及び図29に示すように、本実施の形態12における変形例1の圧縮機100は、実施の形態12に係る圧縮機100と基本的構成は同じであるが、表面処理膜160が、クランクシャフト112の回転方向に対して逆向きに登り勾配の螺旋状に形成されている点が異なる。
具体的には、表面処理膜160は、主軸111の軸心111aに対する傾斜角度が、給油機構151を構成する溝183における主軸111の軸心111aに対する傾斜角度よりも小さくなるように形成されている。すなわち、窪み溝165における軸心111aに対する傾斜角度が、溝183における軸心111aに対する傾斜角度よりも小さくなるように形成されている。
なお、本変形例1における表面処理膜160は、実施の形態12における表面処理膜160と同様に製造することができるため、製造方法についての説明は省略する。
このように構成された本変形例1の圧縮機100を用いて、主軸111が軸受部123の摺動状況が苛酷で、かつ摺動部材間の潤滑油102が十分に確保できない状況下を想定したモードを含んだ実機信頼性試験を行った結果、従来例と比べて良好な摩耗特性を示すことを確認した。このような結果が得られたことについて、本発明者等は、以下のように考察する。
実施の形態12に係る圧縮機100と同様に、本変形例1の圧縮機100においても、主軸111と軸受部123間に潤滑油102が常に十分確保できない状況となっても、表面処理膜160間に窪み溝165を設けることにより、窪み溝165の表面張力により、窪み溝165に潤滑油102が貯留され易くなる。そして、窪み溝165に貯留された潤滑油102が、表面処理膜160と軸受部123の摺動部分に滲み出すことで、摺動表面における潤滑油102の保持性が顕著に向上する。このため、表面処理膜160の磨滅を効果的に抑制し、良好な耐摩耗性を確保することができたと考えている。
また、表面処理膜160間に形成された螺旋状の窪み溝165が、重力に抗して、主軸上方に向かって潤滑油102を運ぶオイルポンプ通路として機能したと考えられる。さらに、本変形例1においては、窪み溝165における軸心111aに対する傾斜角度が、溝183における軸心111aに対する傾斜角度よりも小さくなるように、表面処理膜160を形成している。このため、低速運転モード時であっても、窪み溝165は、十分に潤滑油102を上方に通流することができ、表面処理膜160と軸受部123の摺動面に十分に潤滑油102を供給することができたと考えている。
このように構成された、本変形例1の圧縮機100であっても、実施の形態12に係る圧縮機100と同様の作用効果を奏する。また、本変形例1の圧縮機100では、上述したように、インバータ駆動回路によって、低速運転モードで圧縮機100を運転しても、表面処理膜160と軸受部123の摺動面に十分に潤滑油102を供給することができ、良好な耐摩耗性を確保することができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明に係る当接部材、摺動部材、前記当接部材又は前記摺動部材を備える圧縮機は、長期の性能維持又は性能向上が可能なため、家庭用冷蔵庫を初めとしてエアコン、除湿機、ショーケースや自販機等の冷凍サイクルを用いたあらゆる用途にも適用できる。
また、本発明に係る圧縮機の製造方法は、長期の性能維持又は性能向上が可能な圧縮機を提供することができ、当該圧縮機は、家庭用冷蔵庫を初めとしてエアコン、除湿機、ショーケースや自販機等の冷凍サイクルを用いたあらゆる用途にも適用できる。
100 圧縮機
101 密閉容器
102 潤滑油
103 冷媒
104 圧縮機本体
105 サスペンションスプリング
106 電動要素
107 ステータ
108 ロータ
109 圧縮要素
110 偏心軸
111 主軸
111a 軸心
112 クランクシャフト
113 圧縮室
114 シリンダ
115 ブロック
116 ピストン
117 バルブプレート
118 吸入孔
119 吐出孔
120 吸入バルブ
120a 開閉部
121 吐出バルブ
122 連結手段
123 軸受部
130 スプリングリード
131 バルブストップ
132 凹部
141 吸入弁座
142 吐出弁座
150 吸入管
151 給油機構
152 シリンダヘッド
153 ヘッドボルト
154 吸入マフラー
156 ヘッド空間
157 吐出管
160 表面処理膜
160a 第1被膜層
160b 第2被膜層
160c 第3被膜層
161 合成樹脂
162 固体潤滑剤
163 当接部
164 当接部
165 窪み溝
180 第1摺動部
181 接続部
182 第2摺動部
183 溝
300 空圧シリンジ方式ディスペンサー装置
301 エアー源
302 レギュレータ
303 吐出タイマー
304 コントローラー
305 電源
306 シリンジ
307 ノズル
313 コーティング剤

Claims (1)

  1. 合成樹脂と固体潤滑剤を有する第1表面処理剤を調整する(A1)と、
    摺動面又は当接面の少なくとも一部を予備加熱し、前記摺動面又は前記当接面の少なくとも一部に前記第1表面処理剤を塗布する(A2)と、
    前記予備加熱時の温度よりも高い温度で仮乾燥を数分間行い、第1被膜層を形成する(A3)と、
    前記第1表面処理剤中の固体潤滑剤よりも平均粒径が大きい固体潤滑剤を有する第2表面処理剤を調整する(B1)と、
    前記第2表面処理剤を前記第1被膜層の上に塗布して、前記予備加熱時の温度よりも高い温度で仮乾燥を数分間行い、第2被膜層を形成して、当該第2被膜層の表面を硬化させる(B2)と、
    前記(B2)の後、前記第2被膜層の表面をバフ掛けする(B3)と、
    前記(B3)の後、200℃〜250℃で、30分〜2時間程度焼成を行い、前記第12被膜層と前記第2被膜層からなる表面処理膜を前記摺動面又は当接面の少なくとも一部に固着させる(B4)と、を備える、圧縮機の製造方法。
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