JP6654056B2 - コンプレッサー用斜板および斜板式コンプレッサー - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサーにおいて用いられる斜板に関する。

いわゆる斜板式のコンプレッサー（圧縮機）が知られている。この種のコンプレッサーにおいては、斜板の摺動特性を改善するため、摺動面に樹脂コーティング層が形成されたものがある。ところが、耐摩耗性の高い材料を樹脂コーティング層に用いると、初期なじみ性が悪くなるという問題があった。これに対し、例えば特許文献１には、初期なじみ性と耐摩耗性とを両立するため、樹脂コーティング層に同心円状または渦巻き状の溝を形成する技術が記載されている（特に図１）。

特許第４３７６５１９号公報

特許文献１の技術においても、起動時および停止時には油膜形成に時間がかかり、無潤滑または境界潤滑領域の状態で摺動する時間が長くなるという問題があった。

これに対し本発明は、より油膜形成を促す技術を提供する。

本発明は、円弧状に回転移動するシューと摺動する摺動面を有する基材と、前記摺動面上に形成された樹脂コーティング層と、前記樹脂コーティング層に形成され、前記シューの回転方向と非平行な溝とを有するコンプレッサー用斜板を提供する。

前記溝は同心円状に形成され、前記同心円の中心が前記円弧の中心からずれていてもよい。

前記溝は渦巻き状に形成され、前記渦巻きの中心が前記円弧の中心からずれていてもよい。

前記溝の深さが、１μｍ以上、２０μｍ以下であってもよい。

前記溝のピッチが、５０μｍ以上、１ｍｍ以下であってもよい。

また、本発明は、上記いずれかの斜板を有する斜板式コンプレッサーを提供する。

本発明によれば、油膜形成を促すことができる。

一実施形態に係るコンプレッサー１の構造を示す断面模式図。 斜板３とシュー５との位置関係を例示する図。 斜板３の構造を例示する図。 コーティング層３２の表面構造を示す模式図。 溝Ｇの構造を例示する図。 斜板３における油膜形成を示す模式図。 比較例に係る斜板９における油膜形成を示す模式図。 変形例に係るコーティング層３２の表面構造を例示する模式図。 溝Ｇの断面形状の別の例を示す図。

図１は、一実施形態に係るコンプレッサー１の構造を示す断面模式図である。コンプレッサー１は、いわゆる斜板式コンプレッサーである。コンプレッサー１は、シャフト２、斜板３、ピストン４、およびシュー５を有する。シャフト２は、ハウジング（図示略）に対して回転可能に支持されている。斜板３は、シャフト２の回転軸に対して斜めに固定されている。斜板３は、本発明に係る摺動部材の一例である。ピストン４は、ハウジングに設けられたシリンダボア（図示略）内を往復運動する。シュー５は、斜板３とピストン４との間に設けられており、斜板３およびピストン４とそれぞれ摺動する。シュー５において、斜板３と摺動する面はほぼ平坦であり、ピストン４と摺動する面はドーム状（半球状）の形状を有している。シュー５は、本発明に係る摺動部材と摺動する相手材の一例である。シャフト２の回転は、斜板３によりピストン４の往復運動に変換される。

図２は、斜板３とシュー５との位置関係を例示する図である。図２は、摺動面に垂直な方向から見た図である。斜板３は、全体として中央部に孔を有する円板形状を有する。斜板３から見ると、シュー５は、摺動面上を回転運動している。ここで回転運動とは、斜板３に対してシュー５が点Ｃｓ（円板の中心とほぼ等しい）を中心とする円弧状または円状の軌跡ｔを描く運動をいう。例えば圧縮室側の摺動面を考えたとき、ピストン４が最も引き出された位置（圧縮率最低）から最も押し込まれた位置（圧縮率最高）までは圧縮室に向かって力がかかるので、シュー５は斜板３と摺動している。しかし、ピストン４が最も押し込まれた位置から最も引き出された位置に向かうときには圧縮室と反対側に力がかかるので、シュー５が斜板３の摺動面から浮き上がる場合がある。軌跡を円弧状というのはこのためである。

図３は、斜板３の断面構造を例示する図である。図３は、シュー５との摺動面に垂直な断面における構造を示す模式図である。斜板３は、基材３１、コーティング層３２、およびコーティング層３３を有する。コーティング層３２およびコーティング層３３はいずれもシュー５と摺動する。コーティング層３２およびコーティング層３３は、いずれも、本発明に係る樹脂コーティング層の一例である。基材３１は、中央部に孔を有する円板形状を有しており、要求される特性を満たす金属、例えば、鉄系、銅系、またはアルミニウム系の合金により形成される。シュー５との凝着を防ぐ観点から、斜板３はシュー５とは異なる材料で形成されることが好ましい。

コーティング層３２は、斜板３の摺動面の特性を改善するために設けられている。コーティング層３２は、少なくともバインダー樹脂を含む。バインダー樹脂は、例えば熱硬化性樹脂により形成される。熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、およびポリイミド（ＰＩ）、エポキシ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびフェノールの少なくとも１種が用いられる。コーティング層３２は、添加剤として個体潤滑剤を含んでもよい。個体潤滑剤は、潤滑特性を改善するため、すなわち摩擦係数を低減するために添加される。コーティング層３２は、例えば、２０〜７０ｖｏｌ％の固体潤滑材を含む。固体潤滑剤としては、例えば、ＭｏＳ₂、グラファイト（Ｇｒ）、カーボン、フッ素系樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等）、軟質金属（Ｓｎ，Ｂｉ等）、ＷＳ₂、およびｈ−ＢＮの少なくとも１種が用いられる。コーティング層３２は、添加剤として硬質粒子を含んでもよい。硬質粒子としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物、および硫化物の少なくとも１種が用いられる。

コーティング層３２の摩滅を防止する観点から、コーティング層３２の厚さは１０μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらに好ましい。例えば、コーティング層３２の厚さが５μｍ未満であると、コーティング層３２が摩耗して基材３１が露出してしまう場合がある。基材３１が露出すると、摩擦係数が増大したり、シュー５と凝着したりする問題が発生する。また、コーティング層３２の膜厚が厚すぎるとかえって耐焼付き性が低下する場合があることから、５０μｍ以下であることが好ましい。コーティング層３３についても同様である。

図４は、コーティング層３２の表面構造を例示する模式図である。この図も、図２と同様、摺動面に垂直な方向から見た図である。この例で、コーティング層３２の表面には複数の溝Ｇが形成されている。摺動面に垂直な方向から見て、複数の溝Ｇは、それぞれ円または円弧の形状を有している。これらの円および円弧は、同心円である。この同心円の中心Ｃｃは、シュー５が描く軌跡の円弧の中心Ｃｓ（基材３１の外周円の中心）からずれている。中心Ｃｃと中心Ｃｓとのずれは、例えば、シュー５の摺動面の直径よりも大きい。中心Ｃｃと中心Ｃｓとがずれていることにより、複数の溝Ｇはシュー５の移動方向（回転方向）に対して非平行になっている。ここで、溝Ｇがシュー５の移動方向に対して非平行であるとは、シュー５の軌跡の大部分（例えば９０％以上または９９％以上）において溝Ｇがシュー５の移動方向と非平行であることをいい、例えばシュー５の軌跡の一部においてシュー５の移動方向と溝Ｇとが平行である部分が含まれていてもよい。なおコーティング層３３にも同様の溝が形成されている。

図５は、溝Ｇの構造を例示する図である。この図は、溝Ｇが延びている方向と垂直な断面における溝Ｇの形状を示している。溝Ｇは、断面において壁面が描く曲線が円弧または楕円弧となる形状を有している。溝Ｇの深さｄ（頂部から底部までの長さ）は、例えば、１μｍ以上、２０μｍ以下である。効果的な油膜形成の観点からは、深さｄは５μｍ以上であることがより好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。また、溝Ｇのピッチｐ（隣り合う２つの溝Ｇの底部の中心間の間隔）は、例えば、５０μｍ以上、１ｍｍ以下である。効果的な油膜形成の観点からは、ピッチｐは、１００μｍ以上であることがより好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましい。なお図５では深さ方向のスケールを強調して図示している。

なお、基材３１において、摺動面となる面、すなわちコーティング層３２が形成される面およびコーティング層３３が形成される面はいずれもほぼ平坦である。コーティング層３２との接着力を強化するため、基材３１の表面は粗面化されていてもよい。また、基材３１とコーティング層３２との間に中間層が形成されてもよい。溝Ｇは、例えば、基材３１の表面上に均一な厚さのコーティング層を形成した後、コーティング層の表面を円形の刃で切削することにより形成される。

図６は、斜板３における油膜形成を示す模式図である。図６（Ａ）は摺動面に垂直な方向から見た図を、図６（Ｂ）は摺動方向に平行な断面を見た図を、それぞれ示している。シュー５の移動に伴う潤滑油の流れは、溝Ｇと非平行である。したがって、溝Ｇの頂部に向かう潤滑油の流れによりくさび効果が生じ、効果的に油膜圧力が発生する。特に停止状態からの起動時など、油膜が形成されにくい状況でも、斜板３によれば迅速に油膜が形成される。

図７は、比較例に係る斜板９における油膜形成を示す模式図である。斜板９においても、コーティング層９２の表面には同心円となる複数の溝が形成されている。しかし、斜板９においては、同心円の中心とシュー５が描く軌跡の円弧の中心とは同じ位置にある。すなわち、コーティング層９２の表面に形成された複数の溝は、シュー５の移動方向と平行である。シュー５の移動に伴う潤滑油の流れは、溝と平行である。したがってくさび効果は生じず、斜板３と比較すると油膜圧力は低い。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

図８は、変形例に係るコーティング層３２の表面構造を例示する模式図である。複数の溝Ｇは、同心円状に形成されたものに限定されない。この例で、複数の溝Ｇは、渦巻き形状（螺旋を平面に投影した形状）の一部を構成している。図４のような同心円状の溝Ｇを形成する場合、円形の刃を、描く円の径を変えてコーティング層の表面を切削し、また径を変えてはコーティング層の表面を切削するということが繰り返し行われる。しかし、この例のような渦巻き形状の溝であれば、刃の位置を徐々に変えながら一筆書きのように溝を形成することができる。

図９は、溝Ｇの断面形状の別の例を示す図である。溝Ｇの断面形状は、図５で例示した壁面が描く曲線が円弧形状のものに限定されない。溝Ｇの断面形状は、矩形（図９（Ａ））またはＶ字型（図９（Ｂ））などどのようなものであってもよい。また、溝Ｇの頂部は、平面となっていてもよい（図９（Ｃ））。

コンプレッサー１の具体的構成は図１で例示したものに限定されない。例えば、ピストン４は斜板３の片側（圧縮室側）のみに設けられていてもよい。この場合、シュー５は斜板３の片面のみと摺動するので、基材３１の片面のみにコーティング層が形成されていればよい。

斜板３を構成する材料および各構成要素のサイズはあくまで例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。

１…コンプレッサー
２…シャフト
３…斜板
３１…基材
３２…コーティング層
３３…コーティング層
４…ピストン
５…シュー

Claims (4)

1. 円状または円弧状に回転移動するシューと摺動する摺動面を有する基材と、
   前記摺動面上に形成された樹脂コーティング層と、
   前記樹脂コーティング層の表面において同心円状または渦巻き状に形成され、当該同心円または渦巻きの中心が前記円または円弧の中心からずれた溝と
   を有するコンプレッサー用斜板。
2. 前記溝の深さが、１μｍ以上、２０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサー用斜板。
3. 前記溝のピッチが、５０μｍ以上、１ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のコンプレッサー用斜板。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の斜板を有する斜板式コンプレッサー。

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