JPH1077978A - 容積型流体圧縮機と被膜形成方法 - Google Patents

容積型流体圧縮機と被膜形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容積型流体圧縮機において、長期運転を行っ
ても部材からの被膜の剥離がなく、シール性が良好で、
かつなじみ性にも優れた被膜を提供し、高効率な圧縮機
を実現する。 【解決手段】固定スクロール21と、この固定スクロー
ル21と組み合わさって密閉空間を形成する旋回スクロ
ール22とを含んでなるスクロール圧縮機において、旋
回スクロール22の外表面に、すず化合物を含有する膜
厚約50μmのすず化合物被膜1を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は容積型流体圧縮機に
係り、特に空調機、冷蔵庫、空気圧縮機に利用されるス
クロール圧縮機の高効率化に好適な表面処理に関する。
【0002】
【従来の技術】ステータとロータとによって形成される
密閉空間をロータの運動に従って該密閉空間を逐次減少
させて流体を吸入、圧縮、吐出する容積型流体圧縮機、
特に一対の渦巻体(ラップ)を角度をずらして噛み合わ
せ、相対的な円運動を行わせて両ラップ間に形成された
密閉空間を中心部に向かって移動させながらその容積を
圧縮し、中心部から圧縮された流体を吐出させるスクロ
ール圧縮機においては、従来から様々な表面処理方法が
考案されている。この表面処理の目的は、圧縮機の効率
に大きく影響を及ぼすラップ間及びラップと相手側の平
板(鏡板)との間の被圧縮流体の漏れを極力少なくする
ことと、お互いに接触する部材間の摺動特性を良好にし
て摩擦損失による効率低下を防ぐことにある。
【0003】例えば特開昭55−81294号公報には、スク
ロール部材のいずれか一方に銅あるいは鉛青銅メッキを
施す方法が開示されている。また、特開昭58−57002号
公報には摺動部の耐摩耗性となじみ性とを満足させる方
法として、高周波焼き入れとリン酸マンガン被膜処理
(リュウブライト処理)を行う方法が開示されている。
一方、スクロール部材のラップと鏡板とを直接接触させ
ない方法としてラップ先端に渦巻に沿って溝を形成し、
この溝に摺動性と耐摩耗性が良好なエンジニアプラスチ
ックスを埋め込む方法(チップシール)も種々提案され
ており、例えば特開平3−246389号公報には、このチッ
プシールと溝との間隙を少なくする方法が開示されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】スクロール圧縮機の摺
動部表面にメッキ被膜のように部材と異なる材質の被膜
を設ける場合、圧縮工程で温度、圧力が上昇し、しかも
外周部と中心部とで温度差、圧力差が生じるなど様々な
条件が変化するために、被膜には繰り返し応力がかか
り、長期的にはメッキ被膜に亀裂が生じて膜剥離を起こ
し、最悪の場合にはこの剥離した被膜の破片が異常摩耗
の発端になる場合もある。
【0005】また摺動部の表面にリン酸マンガン処理を
施した場合には摺動特性、耐摩耗性に良好な特性が得ら
れるが、リン酸マンガン被膜(リュウブライト被膜)は
比較的硬質で表面凹凸が大きいため、組立て段階で摺動
部がなじむまでの時間がかかり生産性に問題があった。
例えば旋回スクロールにリュウブライト処理を約10μm
施した場合、なじんで圧縮機の性能が安定するまで5時
間以上必要であった。また、この種の自己成長型被膜は
得られる膜厚に制限があり、最大でも15μm程度であ
る。
【0006】前述したようにスクロール圧縮機を作動さ
せた場合には、外周部すなわちガス吸入部と中心部すな
わちガス吐出部との圧力差、温度差が生じるために旋
回、固定スクロールとも変形する。この変形で、特に旋
回スクロールのラップ高さ方向の変形は相手側の固定ス
クロールとのギャップを増大させて漏れを大きくするた
めに圧縮機の効率を大幅に低下させる。詳述すれば、外
周部は温度も圧力も低く、中心部に向かうほど温度、圧
力とも高くなる。従って旋回スクロールのラップには中
心部から外周部に向かって応力がかかり、このため、あ
たかも花びらが開くように変形する。そのため旋回スク
ロールの歯先(ラップ)と固定スクロールの鏡板とのギ
ャップは中心部から外周部に向かって広がり、その結果
漏れが大きくなって圧縮機の効率は低下する。この変形
量(高さ方向の変形量)は圧縮機の運転条件によって異
なるが、最大で20μm程度になる。従って従来のリュ
ウブライト被膜のような自己成長型被膜では15μm程
度が最大膜厚であるために、この変形量分を被膜によっ
て吸収することはできない。
【0007】つまり、ラップに予めある厚さの被膜をつ
けておいて被膜面が摺動の相手方と接するように組立
て、運転状態になってラップを摺動の相手方に押しつけ
る方向に変形させる力が生じたら、被膜を摺動の相手方
と接触摺動させて摩耗させることによってラップ地金金
属が摺動の相手方と接触するのを避けようとしても、被
膜の膜厚がラップの変形量より少ないと、ラップの地金
金属が摺動の相手に当接することになる。その結果、中
心部のラップ先端では被膜が全て磨耗し、地金金属が相
手側の固定スクロール鏡板と摺動する事になる。この地
金が鉄系の場合、例えばFC250のような鋳物の場合
にはなかなか磨耗しないために長時間運転してこの部分
を磨耗させないとギャップは狭くならず、効率は上がら
ない。
【0008】一方、ラップ先端に渦巻に沿って溝を形成
し、この溝に摺動性と耐摩耗性が良好なエンジニアプラ
スチックスを埋め込む方法(チップシール)は、安定し
た摺動特性が得られるが、どうしても渦巻き方向の漏れ
(チップシールの裏面、側面と溝の隙間を通る漏れ)が
生じて、そのため圧縮機の効率を上げることが困難であ
る。
【0009】本発明の目的は、容積型流体圧縮機におい
て、長期運転を行っても部材からの被膜の剥離がなく、
シール性が良好で、かつなじみ性にも優れた被膜を提供
し、高効率な圧縮機を実現することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的は、ステータと
ロータとがお互いに接触するステータとロータの表面の
いずれか一方もしくは双方にすず化合物を含有する被膜
(以下、すず化合物被膜という)を所定厚さ形成するこ
とにより達成される。
【0011】すず化合物被膜の形成にはまず対象部材を
アルカリ脱脂した後、純水で水洗する。この時、アルカ
リ脱脂の溶液は例えば50〜80℃程度に昇温することが望
ましい。次にこの部材表面を鉱酸で酸化エッチングす
る。鉱酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸の水溶液
のいずれか叉はこれらの混合水溶液を用いる。この時の
水溶液の温度は室温が望ましいが、50℃程度に加温し
ても差し支えない。例えば硝酸を用いる場合には5wt%
程度の硝酸水溶液を用いるのが望ましい。エッチング
後、純水で洗浄し、次いで表面のpH調整の為にアルカ
リ水溶液で調整する。アルカリ水溶液には例えば水酸化
ナトリウムを0.5〜1wt%溶解した水溶液を用いると
よい。pH調整したら再度水洗を行う。また、このpH
調整及びpH調整後の水洗は行わず、エッチング後、純
水で洗浄してそのまま次工程へ進んでもよい。
【0012】次に、すず酸塩を主成分とする混合水溶液
で被膜形成処理を行う。すず酸塩の他にはpH調整剤、
反応促進剤、安定剤等を混合させることが望ましい。す
ず酸塩としてはすず酸カリウム、pH調整剤としては水
酸化ナトリウム、反応促進剤、安定剤としてはピロリン
酸ナトリウムや酢酸ナトリウムなどが好ましい。さらに
次亜りん酸ナトリウム等を加えて還元反応をさらに促進
させてもよい。この時の溶液の温度は、80℃〜95℃
が望ましい。80℃よりも低い温度では反応速度が不十
分であり、満足なすず化合物被膜が形成されない。ま
た、95℃以上では部材と反応する前に混合溶液中で反
応が促進して部材との化合物を安定して形成することが
困難である。また、被膜形成時間は必要とする膜厚によ
って任意に設定すればよい。処理後は水洗したのち、1
50〜200℃で乾燥、焼成を行うことが望ましい。
【0013】このすず化合物被膜はメッキ被膜のように
部材の上に部材と異なる材質をコーティングするのでは
なく、部材との化合物を形成してできたものであるから
部材からの剥離等をなくすことができる。この時、すず
化合物被膜はステータ叉はロータのいずれか一方に形成
することで十分良好なシール性、なじみ性を得ることが
できるが、両方に形成しても同等の特性を得ることがで
きる。このすず化合物は特に部材が鉄系材料、例えば鋳
鉄、炭素鋼等の場合に好適であり、この場合化合物はF
e−Sn化合物となり、優れたなじみ性を示す。
【0014】形成されたすず化合物被膜はFe−Sn化合
物の比較的軟質の表面凹凸を有し、且つポーラスな形状
をしているので、メッキ膜の様に応力によって被膜に亀
裂を生じることがないと同時に比較的短時間でなじむ
(過剰な厚みを摩耗させてなくす)ことができ、摩擦係
数も低いので摩擦損失も少ない。またポーラスな形状の
でこのすず化合物被膜が他方の部材と接触して油が存在
する環境下で摺動する場合、このポーラス状の形状は油
保持に有効である。
【0015】尚、すず酸塩としては、すず酸カリウムの
他、すず酸ナトリウムでも同様の結果が得られる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図1
〜図4により説明する。図1は本発明の被膜処理工程を
示す。まず、すず化合物被膜を形成すべきFC250処
理部材をアルカリ脱脂により洗浄し(日本パーカ製脱脂
液FC315を用いて、65℃−5分間)、その後純水
で水洗する。次にこの部材表面を、30℃に加温した5
wt%硝酸水溶液に5分間浸漬し、酸化エッチングした
後、イオン交換水で流水洗浄する。
【0017】その後、次に示す成分のすず酸塩混合溶液
を用い、85℃−20分の条件で、前記FC250処理
部材を前記すず酸塩混合溶液に浸漬してすず化合物被膜
生成を行う。
【0018】すず酸塩混合溶液 ・K2SnO3・3H2O :4.5wt% ・NaOH :1.0wt% ・CH3COONa・3H2O :1.0wt% ・Na427 :0.5wt% ・H2O :残部 その後純水洗浄し、150℃−30分の炉中乾燥、焼成
をする。上記の条件で形成したすず化合物被膜の表面分
析を行った結果、膜厚は約50μmであり、薄膜X線回
折解析により、表1の結果が得られた。
【0019】
【表1】
【0020】この中で検出されたFeSnO(OH)5は、
FeO(OH)・Sn(OH)4である。表1の結果から、Fe
−Snの化合物が十分生成されていることが分かる。
尚、Fe−Sn化合物と同等に多く検出されているカーボ
ン即ちCは、鋳鉄である部材中に含有されている(3〜
4wt%)。この様にカーボンも多く表面に存在すること
は摺動特性に良い結果をもたらす。
【0021】次にこのすず化合物被膜をスクロール圧縮
機に施した場合の例を示す。図2はスクロール圧縮機の
構造を示したものである。図中、ステータである固定ス
クロール21は鏡板21aとうず巻状スクロールラップ
21bとからなり、スクロールラップ21bの外周部に気
体の吸入口23が設けられており、中心部には吐出ポー
ト24が設けられている。この固定スクロール21は、
スクロールラップ21bをケーシング25側に向けて配
置され、ケーシング25に環状のシール材214を介し
て結合されている。一方、ロータである旋回スクロール
22は、中央に軸受28を有する鏡板22aと、それに
直立するうず巻状スクロールラップ22bとからなって
いる。旋回スクロール22は、固定スクロール21に対
して、スクロールラップ21bにスクロールラップ22b
を噛み合わせ、鏡板22aの周縁部を固定スクロール2
1とケーシング25でサンドイッチ状に摺動可能に挟持
される形で配置される。旋回スクロール22は、固定ス
クロール21に対して、旋回スクロール22の中心とラ
ップの外周側終端を結ぶ線と固定スクロール21の中心
とラップの外周側終端を結ぶ線のなす角を一定の角度に
保ったまま噛み合わせるため、鏡板22aの外周部で、
一方をケーシング25に軸受27を介して固定されてい
る複数個のピンクランク26により自転を阻止されてい
る。
【0022】また、旋回スクロール22を固定スクロー
ルに対して自転することなく旋回させる駆動軸210が
設けられ、この駆動軸210はケーシング25に固定さ
れた上軸受212aと下軸受212bにより支持されてい
る。この駆動軸210は先端部にクランク軸29を有
し、このクランク軸29は、前記軸受28を介して旋回
スクロール22に結合されている。駆動軸210にはま
た、上軸受212aと下軸受212bの間に軸封止材21
3が装着され、駆動軸に沿う流体の流れが封止されてい
る。駆動軸210のクランク軸29には、旋回スクロー
ル22の旋回運動に伴って発生する遠心力とのバランス
を取る為にバランスウエイト211が設けられている。
また、旋回スクロール22の安定運動を確保するために
鏡板22aの外周部が固定スクロール21とケーシング
25により摺動可能なように支えられている。各軸受2
7,28,212aにはパーフルオロポリエーテル系のグ
リースを潤滑材として用いている。さらにクランク軸2
9の軸受28の下端位置にはグリース漏出防止用シール
材216も設けられている。
【0023】上記構成のスクロール圧縮機は、固定スク
ロールラップ21bと旋回スクロールラップ22bの間
に密閉空間を形成し、旋回スクロール22の旋回によっ
て前記密閉空間をラップ外周側から中心側に向かって移
動させつつその容積を縮小し、この密閉空間で圧縮され
た気体を固定スクロール21の中心付近に形成された吐
出ポート24を通して外部へ送り出すように動作する。
【0024】次に本発明の主要部分について述べる。図
3は、図2の一部分を拡大して示したものである。図示
の例では、旋回スクロール22にすず化合物被膜1が施
されている。この実施例では、吸入口23から流入し、
吐出ポート24から流出するまでの流体流路に接するす
べての旋回スクロール表面にわたってすず化合物被膜1
が施されているので、部材の流路途中で気体が漏れるこ
とがない。この時、旋回スクロールと固定スクロールと
を正規に組み合わせたとき、10μm程度各接触部分で
なじみしろを取っておく。言い替えれば接触部分は旋回
スクロールと固定スクロールとが10μm程度オーバー
ラップするように部材寸法を予め設定する。すず化合物
被膜は基本的には部材のFeと反応するが、寸法的に自
己成長しないため、この設定は比較的簡単に行うことが
できる。
【0025】なお、新しく組み立てられた圧縮機の運転
開始に当たっては始め低速で運転して摺動部を互いにな
じませることが望ましい。また固定スクロールに対する
旋回スクロールの偏心量を変更することができる摺り合
わせ運転専用の装置を用い、この装置上で、始め固定ス
クロールに対する旋回スクロールの偏心量をゼロにして
組み合わせ、次に低速で旋回スクロールを回転させなが
ら徐々に偏心量を正規の量にして、両者をなじませても
よい。
【0026】Fe−Sn化合物被膜(すず化合物被膜)
は、従来のリューブライト被膜と異なり、比較的軟質で
且つ摺動特性が優れているので、前記オーバーラップ分
は接触した固定スクロール表面によって短時間で研磨さ
れ、なじむ。このような方法により、ラップ変形時のラ
ップ先端での隙間を小さくし、気体の漏れをほぼゼロに
することができる。従って圧縮機の効率は飛躍的に向上
すると同時に組立て時の摺動部のなじみ運転に要する時
間が短縮され、製造の能率も向上する。すず酸塩混合溶
液に旋回スクロール22もしくは固定スクロール21を
浸漬して形成するすず化合物被膜1の膜厚は、スクロー
ルラップの変形量を考慮して設定する必要があるが、少
なくとも、20μm程度の厚みとしておくのがなじみ代
の余裕の面から望ましい。
【0027】図4は、スクロールにすず化合物被膜を施
した場合の断面写真を示したものであり、被膜は約60
μmの厚さが得られている。このように本発明によれ
ば、被膜厚みを大きくすることが可能であり、したがっ
て運転状態におけるラップ先端の変形量が20μm程度
であっても、それを十分カバーするだけの厚みの被膜と
することができる。
【0028】また図5はこのようにして製作したスクロ
ール圧縮機での特性を示したものである。図中横軸は圧
縮機を運転しはじめてからの時間を示している。また縦
軸はなじみの程度を示す指標として摩擦係数を示した。
比較のために従来のリューブライト処理被膜の特性もあ
わせて示す。図から明らかなように本発明のすず化合物
被膜を施した圧縮機は約2時間で摩擦係数が安定し、な
おかつその時の摩擦係数もリュウブライト被膜を施した
ものと比べると低い。この圧縮機の性能は全断熱効率η
ad=88%であった。
【0029】上記実施例は、スクロール圧縮機の摺動面
にすず化合物を含有する被膜を形成した例であるが、ス
クロール圧縮機以外にも、スクリュー圧縮機、ロータリ
ー圧縮機、往復動圧縮機などの摺動部にすず化合物を含
有する被膜を形成しても、同様の効果を得ることができ
る。
【0030】そしてこのように性能の向上した圧縮機を
空調機に用いることにより、性能のいい空調機とするこ
とができる。
【0031】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ステータ
とロータとがお互いに接触する部材表面に比較的簡便で
安価な方法ですず化合物を含有する被膜を形成すること
ができ、長期運転を行っても部材からの被膜の剥離がな
く、シール性が良好で、かつなじみ性にも優れた被膜を
提供することができるので、高効率な圧縮機を実現する
ことができる。また部材を寸法的にオーバーラップさ
せ、互いに摺動させて研磨によりなじませてオーバーラ
ップ分をなくすることにより、従来のように部材加工時
の寸法精度を厳しくする必要もない。さらに量産時の性
能のバラツキを生じることなどもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す手順図である。
【図2】本発明の実施例を示すスクロール圧縮機の縦断
面図である。
【図3】図3の部分の拡大断面図である。
【図4】本発明のすず化合物被膜の断面組織を示す写真
である。
【図5】本発明を応用したスクロール圧縮機の特性を説
明するグラフである。
【符号の説明】
1 すず化合物被膜 21 固定スク
ロール 21a 固定スクロールの鏡板 21b 固定ス
クロールラップ 22 旋回スクロール 22a 旋回ス
クロールの鏡板 22b 旋回スクロールラップ 23 吸入口 24 吐出ポート 25 ケーシン
グ 26 ピンクランク 27,28 軸
受 29 クランク軸 210 駆動軸 211 バランスウェイト 212a 上軸
受 212b 下軸受 213 軸封止
材 216 グリース漏出防止用シール材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲吉▼富 雄二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 稲場 恒一 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 関口 浩一 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ステータとロータとによって形成される
    密閉空間をロータの運動に従って該密閉空間を逐次減少
    させて流体を吸入、圧縮、吐出する容積型流体圧縮機に
    おいて、ステータとロータとがお互いに接触する部材表
    面の少なくともいずれか一方にすず化合物を含有するす
    ず化合物被膜が形成されていることを特徴とする容積型
    流体圧縮機。
  2. 【請求項2】 すず化合物被膜厚さが少なくとも20μ
    mであることを特徴とする請求項1記載の容積型流体圧
    縮機。
  3. 【請求項3】 すず化合物がステータ叉はロータを構成
    する金属とすずの化合物であることを特徴とする請求項
    1記載の容積型流体圧縮機。
  4. 【請求項4】 すず化合物被膜をステータとロータの双
    方の表面に形成したことを特徴とする請求項1記載の容
    積型流体圧縮機。
  5. 【請求項5】 すず化合物が鉄系材料とすずの化合物で
    あることを特徴とする請求項2記載の容積型流体圧縮
    機。
  6. 【請求項6】 すず化合物被膜をすず酸塩を主成分とす
    る混合溶液中で形成することを特徴とする請求項1乃至
    4記載の容積型流体圧縮機。
  7. 【請求項7】 すず酸塩がすず酸カリウムであることを
    特徴とする請求項5記載の容積型流体圧縮機。
  8. 【請求項8】 請求項1乃至7を用いた空調装置。
  9. 【請求項9】 ステータとロータとによって形成される
    密閉空間をロータの運動に従って該密閉空間を逐次減少
    させて流体を吸入、圧縮、吐出する容積型流体圧縮機の
    ステータとロータの少なくともいずれか一方にすず化合
    物を含有する被膜を形成する方法において、対象部材を
    アルカリ脱脂する手順と、アルカリ脱脂した対象部材を
    純水洗浄する手順と、純水洗浄した対象部材を酸化エッ
    チングする手順と、酸化エッチングされた対象部材をす
    ず酸塩を主成分とする混合溶液に浸漬してすず化合物被
    膜を形成させる手順と、すず化合物被膜を形成した対象
    部材を純水洗浄する手順と、この純水洗浄した対象部材
    を乾燥、焼成する手順とを含んでなることを特徴とする
    被膜形成方法。
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