JPWO2019208031A1 - 流体機械、機械要素およびフッ素樹脂材 - Google Patents

Abstract

摩耗耐久性の向上やメンテナンスサイクルの延長を図ることができる流体機械及びこれに用いる機械要素並びにフッ素樹脂材を提供する。機械要素は、金属表面を有する部材（３１）と、部材（３１）表面を摺動する摺動部材（３２）と、を有し、摺動部材（３２）は、フッ素樹脂（３２ａ）を母材とし、該母材に、アルミニウム合金粒子（３２ｂ）が配合された複合樹脂材料により形成される。このような機械要素を用いて、レシプロ式の流体機械やスクロール式の流体機械を構成することで、摩耗耐久性の向上やメンテナンスサイクルの延長を図ることができる。

Description

本発明は、流体機械、機械要素およびフッ素樹脂材に関する。

空気などの流体を圧縮する流体機械としては、一般に、レシプロ式の流体機械やスクロール式の流体機械が用いられている。特に食品パッケージの製造工程や半導体製造工程などで使用される流体機械は、流体にオイルが混入することが嫌われる。したがって、このような用途で使用される流体機械の摺動部材は、潤滑油を用いないオイルフリーとされることが多い。
例えばレシプロ式流体機械において、金属製のシリンダ内を往復動するピストンには、シリンダの内面と摺動する摺動部材として、ピストンリングが取り付けられている。一方、例えばスクロール式の流体機械において、金属製の固定スクロールや、固定スクロールに対して円運動しながら摺接する旋回スクロールの端部には、これらの内面と摺動する摺動部材として、チップシールが取り付けられている。

オイルフリーの摺動部材としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという。）に代表される樹脂材料が知られている。例えばＰＴＦＥは、結晶性が高く、せん断強度が小さいため、せん断を受けるとミクロレベルで容易に表層剥離し、シリンダ内面などの相手面に移着する。相手面に移着膜が形成されることにより、摺動部材自体は、シリンダ等の硬質の金属面とは直接接触せず、移着膜と接触して摺動することから、低摩擦化や低摩耗化の効果を得ることが可能となる。一方、摺動部材には耐摩耗性も必要となる。そこで摺動部材は、例えばＰＴＦＥを母材とし、耐摩耗性の向上のため、炭素繊維や二硫化モリブデンといった様々な粒子を配合した複合樹脂材として用いることが多い。

例えば特許文献１には、珪藻土やアルミナなど、歯底面以上の硬度をもった硬質充填材を摺動部材に配合することで、コストアップを招かずに高寿命化を実現できるスクロール式流体機械が開示されている。また、特許文献２には、放射線の照射による架橋法によって、耐摩耗性が顕著に向上し、基材との密着性にも優れた架橋フッ素樹脂層を有する架橋フッ素樹脂複合材料の製造方法が開示されている。

特開２０１１−１７９３９２号公報 特開２０１０−１５５４４３号公報

特許文献１に記載の技術を用いることで、摺動部材の耐摩耗性を向上し、それによって流体機械としての耐久性を飛躍的に向上できるようになった。しかし、近年になって、産業界から耐久性のさらなる向上が求められるようになってきた。

しかるに、特許文献１に記載の技術によれば、歯底面以上の硬度をもった硬質充填材を用いることで耐摩耗性の向上を図ることができるが、一方で、摺動中に摺動部材から硬質充填材が脱落などした際には、逆にアブレシブ作用による摩耗が予測不能に発生することがある。このように予測不能な摩耗が発生すると、期待される耐久性を発揮できない虞れがある。それにより、流体機械のメンテナンスサイクルの短縮を余儀なくされるか、さもなくば流体機械の寿命短縮を招来する。

また、特許文献２に記載の技術によれば、放射線の照射によって基材上に成膜されたフッ素樹脂材料の耐摩耗性の向上を図ることができるが、コストが膨大であることや、流体機械に具備されるピストンリングのようなバルク材の処理には適さないなどの問題があった。

そこで本発明は、摩耗耐久性の向上やメンテナンスサイクルの延長を図ることができる流体機械及びこれに用いる機械要素並びにフッ素樹脂材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の流体機械の一つは、作動室が、金属材からなる摺動面と、前記摺動面上を摺動するフッ素樹脂材と、を備え、前記フッ素樹脂材が、前記摺動面に対して銅系粒子よりも凝着度が低い金属合金の粒子を含むことにより達成される。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の機械要素の一つは、金属材からなる摺動面と、前記摺動面上を摺動するフッ素樹脂材と、を備え、前記フッ素樹脂材が、前記摺動面に対して銅系粒子よりも凝着度が低い金属合金の粒子を含むことにより達成される。

上記課題を解決するために、代表的な本発明のフッ素樹脂材の一つは、金属材からなる摺動面上を摺動するフッ素樹脂材であって、前記摺動面に対して銅系粒子よりも凝着度が低い金属合金の粒子を含むことにより達成される。

本発明によれば、摩耗耐久性の向上やメンテナンスサイクルの延長を図ることができる流体機械及びこれに用いる機械要素並びにフッ素樹脂材を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

図１は、実施形態に係る流体機械に備えられる摺動部３０を示す断面図である。 図２は、アルミニウム合金粒子３２ｂのミクロ組織を表す模式図である。 図３は、実施形態に係るレシプロ式流体機械４０の全体構成を示す断面図である。 図４は、図３に示すレシプロ式流体機械４０のシリンダ４１内部の構成を拡大して示す断面図である。 図５は、スクロール式流体機械５０の構成を示す断面図である。 図６は、図５に示すスクロール式流体機械５０の固定スクロール５１及び旋回スクロール５２の一部を拡大して示す図である。 図７は、オルダム継手を備えたスクロール式流体機械７０の構成を示す断面図である。 図８は、図７中のケーシング、旋回スクロール及びオルダム継手を示す分解斜視図である。 図９は、図７中のスライダを拡大して示す図である。 図１０は、実施例１で用いたアルミニウム合金粒子３２ｂのミクロ組織の光学顕微鏡写真をモノクロ画像化したものである。 図１１は、実施例と比較例を供試した摩擦試験を説明するための図である。 図１２は、実施例と比較例とで、摩擦係数の定常値とブロック状試験片の摩耗体積とを比較して示すグラフである。 図１３は、実施例１〜実施例５について、ブロック状試験片の摩耗体積の測定結果を示すグラフである。

本明細書中、「アルミニウム合金」というときは、母相がビッカース硬度で２００ＨＶ以下の、アルミニウムを主成分とする合金をいう。また、「銅系粒子」とは、銅粒子及び青銅粒子をいう。
図１は、実施形態に係る流体機械に備えられる摺動部３０を示す図である。流体機械は機能としては、例えば流体を加圧するポンプや圧縮機、冷凍機、送風機、流体を減圧する膨張機などがあり、動作方式としては、例えばレシプロ式流体機械やスクロール式流体機械などを挙げることができる。レシプロ式流体機械やスクロール式流体機械の全体構成例については後述する。後述の構成例では主として圧縮機について説明するが、上述の通り流体を冷媒とする冷凍機や送風機、圧縮機の機構を逆回転させることで圧縮機の吐出口に相当する部位から膨張対象の流体を吸い込み、圧縮機の吸込口に相当する部位から流体を吐き出す膨張機も同様の構成である。

図１において、摺動部３０は、金属製の部材３１と、フッ素樹脂を母材とする複合樹脂材料(フッ素樹脂材)により形成された摺動部材３２と、を有している。摺動部３０では、摺動部材３２が、摺動界面３３において部材３１と接触して摺動する。摺動界面３３には、潤滑油やグリースなどが供給されてもよい。但し、実施形態の流体機械は、摺動界面３３に潤滑油等を供給せず、オイルフリーの状態で使用したときに、特に効果が発揮される。

図１に示す例では、部材３１は、基材としての金属材３１ａの表面に、表面処理３１ｂが施されている。即ち、図１に示す例では、表面処理３１ｂにより摺動面が形成されており、この表面処理３１ｂが施された摺動面に、摺動部材３２を接触させつつ摺動させることができる。なお、図１では、金属材３１ａの表面に表面処理３１ｂがなされている例を示したが、金属材３１ａには、必ずしも表面処理３１ｂがなされていなくてもよく、部材３１の表面に、金属材３１ａが露出していていもよい。即ち、部材３１の金属表面は、金属材３１ａを構成する金属そのものでもよく、かかる場合には金属材３１ａの表面が摺動面となり、あるいは金属材３１ａ上に、表面処理３１ｂ等の金属化合物が形成されていてもよく、かかる場合には金属化合物の表面が摺動面となる。

摺動部材３２を構成する複合樹脂材料には、母材であるフッ素樹脂３２ａ中に、アルミニウム合金粒子(第一の材料ともいう)３２ｂが配合されている。アルミニウム合金粒子３２ｂの詳細については、後述する。摺動部材３２には、上記したアルミニウム合金粒子３２ｂに加えて、カーボンやアルミニウム合金でない金属粒子などの補強材や二硫化モリブデンなどの固体潤滑材が配合されていてもよい。

部材３１を構成する金属材３１ａとしては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素等の軽金属や、鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、チタン、銅等の遷移金属を用いることができる。金属材３１ａとしては、具体的には、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等のアルミニウム系材料、鉄や鉄−ニッケル合金等の鉄系材料、チタンやチタン合金等のチタン系材料、銅や銅合金等の銅系材料を用いることができる。中でも、アルミニウム系材料を用いた場合に、耐摩耗性について優れた効果を得ることができる。アルミニウム系材料には、例えば微量のマグネシウム、ケイ素等が含有されていてもよい。また、鉄系材料には、例えばクロム、ニッケル、モリブデン等が含有されていてもよい。

金属材３１ａの表面に形成される表面処理３１ｂは、金属材３１ａに自然に生成した自然酸化膜や、人工的に施した表面コーティングのことを言う。自然酸化膜の場合、例えば金属材３１ａがアルミニウムの場合には酸化アルミニウムであり、鉄の場合には酸化鉄であり、銅の場合には酸化銅である。表面コーティングの場合、一例として、メッキ処理や物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、浸炭処理等により施されるものであり、アルミニウム、リン、クロム、鉄、ニッケル、亜鉛のうち少なくとも１つを含む材料で構成される。このような元素を含む表面コーティングの一例として、アルマイト処理、アルミニウムめっき、ニッケルめっき、ニッケルリンめっき、クロムめっき、鉄めっき、亜鉛めっきなどを挙げることができる。

摺動部材３２を構成する複合樹脂材料のフッ素樹脂３２ａとしては、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる群から選ばれる少なくとも一つを用いることができる。例えば、ＰＴＦＥと、それ以外のフッ素樹脂とを２種類以上混合して用いてもよい。

摺動部材３２を構成する複合樹脂材料に配合する添加物として、アルミニウム合金粒子３２ｂを用いる理由について、説明する。例えば、特許文献１に記載の摺動部材は、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂を母材とし、アルミナ粒子や珪藻土の粒子などの酸化物系材料、銅粒子や青銅粒子などの銅系材料が添加されている。酸化物系材料は比較的硬いので、摺動部材の耐摩耗性向上に有効ではあったが、前記の通り、せん断による脱落などによりアブレシブ粒子となり、切削作用によって摩耗を招来することがあった。

一方、銅系材料は、表面処理３１ｂを構成する材料によっては、問題を引き起こすことがあった。具体的にその問題とは、摺動部材に添加された銅系材料と、表面処理３１ｂとの化学的親和性が高い場合、摺動中に凝着現象が発生することである。凝着現象が発生すると、摩擦係数(動摩擦係数)の増大を招き、その結果として過大な摩擦熱により母材であるフッ素樹脂３２ａの溶融が生じて摩耗が増大し、また母材の強度低下により添加物の脱落が発生すると、脱落した添加物の切削作用により摩耗が増大する。例えば、表面処理３１ｂが、ニッケルめっきやニッケルリンめっきの場合がこの例に相当する。

従って、摺動部材３２としては、切削作用を生じる酸化物系粒子を取り除く必要がある。ただし、酸化物系粒子と銅系粒子の双方とも取り除いてしまうと、摺動部材３２を物理的に補強する材料が皆無となってしまうため、さらなる摩耗悪化を招く。よって、表面処理３１ｂと化学的親和性の低い代替材料を、補強する材料として用いることが望ましい。

そこで本実施形態では、摺動部材３２に酸化物系粒子を添加せず、また銅系粒子の代わりにアルミニウム合金粒子３２ｂを添加しており、これによって、摺動部材３２の耐摩耗性を飛躍的に向上させることができる。ただし、銅系粒子と併存する形でアルミニウム合金粒子３２ｂを添加してもよい。摺動部材３２中のアルミニウム合金粒子３２ｂは、銅系粒子に比べると明らかに、表面処理３１ｂを構成する、例えばニッケルめっきやニッケルリンめっきと凝着を起こしにくい（凝着度が低い）ため、摩擦係数の増大を招かず、よって耐摩耗性が高くなる。

ここで、上記したアルミニウム合金粒子３２ｂは、アルミニウムを主成分とし、ケイ素を含んで成る粒子である。この他、マグネシウムや亜鉛などのヘテロ元素を含んでいてもよい。図２に示すように、アルミニウム合金粒子３２ｂ中で、ケイ素の全部もしくは一部は、析出物３２ｄが、アルミニウム−ケイ素合金相(第二の材料ともいう)３２ｃのマトリックスの中に析出している。析出したケイ素の析出物３２ｄは、一般にビッカース硬度で約１０００ＨＶとなり、部材３１の表面に施された表面処理３１ｂ、例えばニッケルめっきやニッケルリンめっき（最大でもビッカース硬度８００ＨＶ程度）よりも硬いため、部材３１の耐摩耗性をより向上させることができる。尚、アルミニウム−ケイ素合金相（母相）３２ｃのビッカース硬度は２００ＨＶ以下であるので、摺動部材３２として特に問題はない。ただしケイ素以外でも、アルミニウム合金における母相のビッカース硬度が２００ＨＶ以下であれば、他の元素を用いてよい。

アルミニウム合金粒子３２ｂは、例えば、アルミニウムとケイ素の粉末を原料としたガスアトマイズ法などによって製造できる。このとき、ケイ素を任意の割合とすることで、前述のケイ素の析出量を制御できる。摺動部材３２の耐摩耗性の向上のため、アルミニウム合金粒子３２ｂ中のケイ素の割合は、特に限定されるものではないが、アルミニウム−ケイ素合金の共晶点付近の１２質量％以上、３０質量％以下の範囲で用いると好適である。ケイ素の割合が１２質量％よりも小さいと、ケイ素の析出物が生じにくく、十分な耐摩耗性が得られず、また３０質量％よりも大きいと、硬質なケイ素の析出物が表面処理３１ｂを切削するなどして十分な耐摩耗性が得られないからである。アルミニウム合金粒子３２ｂには、ケイ素が多く含まれている第１の部分と、第１の部分よりケイ素が少なく含まれている又はケイ素が含まれていない第２の部分とがあり、第１の部分の硬度が、アルミニウムの硬度よりも高いと好ましい。

また、摺動部材３２の耐摩耗性の向上のため、アルミニウム合金粒子３２ｂの粒径も特に限定されるものではないが、粒径１０μｍ以上、３００μｍ以下のものを用いると好適である。粒径が１０μｍよりも小さいと、摺動部材３２から脱落しやすく、十分な耐摩耗性が得られず、また粒径が３００μｍよりも大きいと、表面処理３１ｂを切削する作用が顕著に現れるため、十分な耐摩耗性が得られないからである。

摺動部材３２を構成する複合樹脂材料を製造する際には、一般に、図１に示すＰＴＦＥ３２ａ等の母材の粉末、アルミニウム合金粒子３２ｂ、その他炭素繊維などの粉末を、ミキサーで均一に混合し、続いて圧縮成形又は射出成形で任意の形状に成形した後、電気炉等で焼成して得ることができる。焼成は、使用する母材の種類に応じて、その温度範囲を適宜調整して行う。

摺動部材３２における、アルミニウム合金粒子３２ｂの存在を確認するためには、目視による銀白色物質の確認の他、例えばＸ線回折（ＸＲＤ）法を用いて確認することができる。アルミニウム合金粒子３２ｂは、特定の金属結晶を有することが常であるため、ＸＲＤ法で検出することができる。

図３は、一実施形態に係るレシプロ式流体機械４０の全体構成を示す断面図である。レシプロ式流体機械４０は、シリンダ４１と、シリンダ４１内部を往復動するピストン４２と、を有している。シリンダ４１内の、ピストン４２により画成された空間には、流体を圧縮又は膨張させる作動空間としての圧縮／膨張室４３が形成されている。

シリンダ４１の図３中上端は、仕切り板４４により閉塞されており、この仕切り板４４に、吸入口４４ａ、吐出口４４ｂが設けられている。吸入口４４ａ、吐出口４４ｂには、それぞれ、吸入弁４４ｃ、吐出弁４４ｄが設けられており、吸入弁４４ｃ、吐出弁４４ｄの先には、それぞれ配管が接続されている。

シリンダ４１は、図３中下端側が開放されており、この下端部において、筐体４５と接続されている。ピストン４２には、ピストンピン４６ａを介して連結棒４６の上端が接続されている。筐体４５内には、モータ４７が収容されている。モータ４７に連結されたプーリ４８、及び連結棒４６の下端が連結されたプーリ４８間に巻き回されたベルト４９を介して、モータ４７は連結棒４６に動力伝達可能に接続されている。

レシプロ式流体機械４０の作動時には、モータ４７の動力を、ベルト４９を介してプーリ４８に伝達し、連結棒４６の上下運動に変換してピストン４２に伝える。ピストン４２を上下動させることで、吸入口４４ａから圧縮／膨張室４３内に外気を吸入し、圧縮／膨張室４３内で吸入ガスを圧縮する。圧縮されたガスは、吐出口４４ｂを通って圧縮／膨張室４３の外部に吐出され、配管により回収される。

図４に、図３に示すレシプロ式流体機械４０のシリンダ４１内部の構成を拡大して示す。ピストン４２には、環状のピストンリング４２１、中空円筒状のライダーリング４２２が環装されており、ピストン４２の上下動に伴い、ピストンリング４２１、ライダーリング４２２が、シリンダ４１の内周面と低摩擦で摺動する。これにより、ピストン４２とシリンダ４１との接触やカジリを防止することができ、ピストン４２とシリンダ４１とのスムーズな摺動状態を得ることができる。

シリンダ４１は、図１における部材３１に該当し、ピストンリング４２１は、図１における摺動部材３２に該当する。ピストン４２は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。シリンダ４１は、金属材３１ａ（図１参照）を基材とする金属製であり、金属材３１ａについて説明したものと同様の材料を用いて形成することができる。シリンダ４１には、金属材３１ａに対する表面処理３１ｂにより、適宜被膜を形成してもよい。例えば、金属材３１ａの表面は自然酸化膜が生じたまま用いてもよいし、アルマイト処理やニッケルめっき等を形成してもよい。なお、シリンダ４１の金属材３１ａの表面には、被膜を形成しなくてもよい。

ピストンリング４２１は、上記した複合樹脂材料により形成する。即ち、ピストンリング４２１は、母材であるフッ素樹脂に、第一の材料３２ｂ又は第二の材料３２ｃの少なくとも一方が配合されている複合樹脂材料を用いて形成する。ピストンリング４２１を構成する複合樹脂材料に配合する添加物としてアルミニウム合金粒子を用いることで、シリンダ４１と摺動した際に摩擦係数を増大させることなく耐摩耗性を向上できる。ライダーリング４２２についても、ピストンリング４２１と同様、複合樹脂材料を用いて形成してもよい。

図５は、スクロール式流体機械５０の構成を示す断面図である。図５において、スクロール式流体機械５０は、スクロール式流体機械５０の外殻をなすケーシング５３と、ケーシング５３に回転可能に設けられた駆動軸５４と、ケーシング５３に取り付けられた固定スクロール５１と、駆動軸５４のクランク軸５４Ａに旋回可能に設けられた旋回スクロール５２と、を有している。

固定スクロール５１は、固定鏡板５１ａと、固定鏡板５１ａの一主面側に渦巻状に形成された固定スクロールラップ５１ｂと、を有している。これと対向する旋回スクロール５２は、旋回鏡板５２ａと、旋回鏡板５２ａの一主面側に渦巻状に形成された旋回スクロールラップ５２ｂと、を有している。旋回スクロール５２には、旋回鏡板５２ａの背面側中央にボス部５２ｆが突設されている。

旋回スクロール５２は、旋回スクロールラップ５２ｂが、固定スクロールラップ５１ｂと互いに噛み合うように、互いに対向して配置されている。これにより、固定スクロールラップ５１ｂと旋回スクロールラップ５２ｂとの間に、流体を圧縮又は膨張する作動空間としての圧縮／膨張室５５が形成される。

固定スクロール５１の固定鏡板５１ａの外周側には、吸入口５６が穿設されている。吸入口５６は、最外周側の圧縮／膨張室５５に連通している。また、固定スクロール５１の固定鏡板５１ａの中心部には、吐出口５７が穿設されている。吐出口５７は、最内周側の圧縮／膨張室５５に開口している。

駆動軸５４は、玉軸受５８を介してケーシング５３に回転可能に支持されている。駆動軸５４の一端側は、ケーシング５３外で電動モータ等(不図示)に連結されており、駆動軸５４の他端側は、ケーシング５３内に伸張してクランク軸５４Ａとなる。クランク軸５４Ａの軸線は、駆動軸５４の軸線に対して、所定寸法だけ偏心している。

ケーシング５３の旋回スクロール５２側の内周には、円環状のスラスト受部６１が設けられている。スラスト受部６１と旋回鏡板５２ａとの間には、スラストプレート６２が設けられている。スラストプレート６２は、例えば鉄等の金属材料により円環状の板体として形成されており、旋回スクロール５２が旋回運動したときに、旋回鏡板５２ａに対してその表面が低摩擦で摺動し、主に圧縮運転時に旋回スクロール５２に作用するスラスト方向（旋回スクロール５２を固定スクロール５１から離間させる方向）の荷重をスラスト受部６１と共に受承する。これにより、ケーシング５３と旋回鏡板５２ａとのかじりや異常摩耗を防止する。

また、スラスト受部６１と旋回鏡板５２ａとの間には、スラストプレート６２より中心寄りの位置に、オルダムリング６３が設けられている。オルダムリング６３は、駆動軸５４によって旋回スクロール５２が回転駆動されたときに、旋回スクロール５２の自転を防止し、クランク軸５４Ａによる所定寸法の旋回半径を持った円運動を与える。

不図示の電動モータ等により駆動軸５４を回転駆動させると、旋回スクロール５２が所定寸法の旋回半径で旋回運動し、吸入口５６から吸い込まれた外部の空気が、固定スクロールラップ５１ｂと旋回スクロールラップ５２ｂとの間に画成された圧縮／膨張室５５…内で順次圧縮される。この圧縮空気は、固定スクロール５１の吐出口５７から、外部の空気タンク等に吐出される。

図６に、図５に示すスクロール式流体機械５０の固定スクロール５１及び旋回スクロール５２の一部を拡大して示す。固定スクロールラップ５１ｂの旋回鏡板５２ａとの対向側の端面５１ｃには、溝５１ｄが形成されており、この溝５１ｄには、チップシール５９１が嵌め込まれている。また、旋回スクロールラップ５２ｂの固定鏡板５１ａとの対向側の端面５２ｃにも、溝５２ｄが形成されており、この溝５２ｄにもチップシール５９２が嵌め込まれている。

旋回スクロール５２の旋回運動に伴い、チップシール５９１が旋回鏡板５２ａのラップ底面５２ｅと摺動し、チップシール５９２が固定鏡板５１ａのラップ底面５１ｅと摺動する。これにより、固定スクロールラップ５１ｂと旋回鏡板５２ａのラップ底面５２ｅとの接触や、旋回スクロールラップ５２ｂと固定鏡板５１ａのラップ底面５１ｅとの接触を防止することができ、スムーズな摺動状態を得ることができる。

図６において、固定スクロール５１及び旋回スクロール５２は、図１における部材３１に該当し、チップシール５９１及びチップシール５９２は、図１における摺動部材３２に該当する。固定スクロール５１及び旋回スクロール５２は、金属材３１ａ（図１参照）を基材とする金属製であり、金属材３１ａについて説明したものと同様の材料を用いて形成することができる。固定スクロール５１の固定鏡板５１ａのラップ底面５１ｅ及び固定スクロールラップ５１ｂの側面には、金属材３１ａに対する表面処理により、適宜メッキ膜等の被膜を形成してもよい。

チップシール５９１及びチップシール５９２は、複合樹脂材料により形成する。即ち、チップシール５９１及びチップシール５９２は、母材であるフッ素樹脂に、第一の材料３２ｂ又は第二の材料３２ｃの少なくとも一方が配合されている複合樹脂材料を用いて形成する。チップシール５９１及びチップシール５９２を構成する複合樹脂材料に配合する添加物としてアルミニウム合金粒子を用いることで、固定スクロール５１及び旋回スクロール５２と摺動した際に摩擦係数を増大させることなく耐摩耗性を向上できる。

また、図５においてスラストプレート６２と旋回鏡板５２ａとの摺動部において、これらの摺動面を形成するスラストプレート６２の表面又は旋回鏡板５２ａの表面に、上記した、複合樹脂材料をコーティングしてもよい。また、上記した説明では、スラストプレート６２を、鉄等の金属材料により形成した例を示したが、スラストプレート６２自体を、複合樹脂材料により形成してもよい。

また、上記した説明では、スラストプレート６２と、スラストプレート６２より中心寄りの位置に設けられたオルダムリング６３により、旋回スクロール５２の自転を防止する機構について示したが、本発明における実施形態はこれに限られるものではなく、本発明は、例えば補助クランク（図示しない）など他の自転防止機構を用いたスクロール式流体機械にも用いることができる。

図５〜図６では、旋回スクロール５２の自転を防止する機構として、オルダムリング６３を備えたスクロール式流体機械５０の構成を示した。これに対し図７〜図９では、旋回スクロールの自転防止機構として、オルダム継手を備えたスクロール式流体機械７０の構成を示す。図７において、スクロール式流体機械７０は、固定スクロール７１、旋回スクロール７２、ケーシング７３、駆動軸７４を有する。旋回スクロール７２は、旋回スクロール本体７５と、旋回スクロール本体７５の背面側に取り付けられた、略円板状の背面プレート７６とを有している。

固定スクロール７１は、固定鏡板７１ａの表面側(図７で左側)に固定スクロールラップ７１ｂが設けられ、固定鏡板７１ａの背面側(図７で右側)に放熱板７１ｃが設けられている。また、旋回スクロール本体７５は、旋回鏡板７５ａの表面側(図７で右側)に、固定スクロールラップ７１ｂと対向するように、旋回スクロールラップ７５ｂが設けられ、旋回鏡板７５ａの背面側(図７で左側)に放熱板７５ｃが設けられている。

背面プレート７６は、旋回スクロール本体７５の放熱板７５ｃの先端に、ボルト等により固着されており、その背面中央部には、ボス部７６ｄが軸方向に突出している。なお、スクロール式流体機械７０の基本的な構成は、上記した点以外は、図５に示す構成と同様である。このため、図５と共通する部分については説明を省略する。

スクロール式流体機械７０では、旋回スクロール７２の背面プレート７６と、ケーシング７３のフランジ部７７との間に、自転防止機構であるオルダム継手９０が設けられている。図８〜図９に示すように、オルダム継手９０は、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド９１、９１、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に延びるＹ軸ガイド９２、９２、Ｘ軸ガイド９１及びＹ軸ガイド９２に摺接するスライダ９３、及びスライダ９３に配置された各球体９４を有している。

Ｘ軸ガイド９１、９１、Ｙ軸ガイド９２、９２は、いずれも細長い角柱状に形成されている。Ｘ軸ガイド９１、９１は、ケーシング７３のフランジ部７７の摺動面７７Ａに一体に設けられており、Ｙ軸方向に一定の寸法だけ離間して設置されている。Ｙ軸ガイド９２、９２は、背面プレート７６の摺動面７６Ａに一体に設けられており、Ｘ軸方向に一定の寸法だけ離間して設置されている。

図９において、スライダ９３は、略正方形の平板状に形成されており、側面９３ａ、９３ａが、Ｘ軸ガイド９１、９１(図８)の内面に摺接し、側面９３ｂ、９３ｂが、Ｙ軸ガイド９２、９２(図８)の内面に摺接するように装着されている。スライダ９３の中央部には、背面プレート７６のボス部７６ｄが貫通する逃し穴９３ｃが穿設されており、その４隅には、貫通孔９３ｄ、９３ｄ、９３ｄ、９３ｄが穿設されている。貫通孔９３ｄには、球体９４、９４、９４、９４が挿入されて保持される。

オルダム継手９０は、スライダ９３をＸ軸方向、Ｙ軸方向に摺動変位させることにより、旋回スクロール７２の自転を防止し、旋回スクロール７２に所定寸法の旋回半径をもった円運動を与える自転防止機構として機能する。

図７に示すスクロール式流体機械７０は、不図示の電動モータ等により駆動軸７４を回転駆動させると、旋回スクロール７２が所定寸法の旋回半径で旋回運動し、吸入口７８から吸込まれた外部の空気が、固定スクロールラップ７１ｂと旋回スクロールラップ７５ｂとの間に画成された圧縮／膨張室７９、７９…内で順次圧縮される。この圧縮空気は、固定スクロール７１の吐出口８０から、吐出パイプ８１を介して吐き出され、外部のタンクに貯留される。

例えばＸ軸ガイド９１、９１、Ｙ軸ガイド９２、９２が金属製であり、スライダ９３が樹脂製である場合、スライダ９３における、摺動面を構成する領域を、上記した複合樹脂材料により形成してもよい。かかる場合、スライダ９３を構成する複合樹脂材料に配合する添加物としてアルミニウム合金粒子を用いることで、Ｘ軸ガイド９１、９１、Ｙ軸ガイド９２、９２と摺動した際に摩擦係数を増大させることなく耐摩耗性を向上できる。

また、スライダ９３の摺動面を形成する面を、複合樹脂材料によりコーティングしてもよい。また、Ｘ軸ガイド９１、９１、Ｙ軸ガイド９２、９２が金属製である場合には、Ｘ軸ガイド９１、９１、Ｙ軸ガイド９２、９２の表面に、複合樹脂材料をコーティングしてもよい。また、Ｘ軸ガイド９１、９１、Ｙ軸ガイド９２、９２を複合樹脂材料により構成し、スライダ９３を金属製としてもよい。

図３〜図４に示すレシプロ式流体機械、及び図５〜図９に示すスクロール式流体機械においては、いずれも圧縮／膨張室内に供給するガスとして、大気を用いてもよいし、乾燥ガスを用いてもよい。即ち、高純度窒素ガス等の、露点が低く、湿度が低いガスを圧縮する際には、フッ素樹脂を母材とする摺動部材の摩耗が悪化し易く、流体機械のメンテナンスサイクルや寿命が短くなり易かった。上記した実施形態に係る摺動部材は、圧縮する流体の種類に拠らずに、十分な摩耗耐久性を発現できる。このため、実施形態の摺動部材を適用した流体機械を、例えば乾燥ガスの圧縮に供することもできる。

乾燥ガスの例としては、露点が−３０℃以下のガスを挙げることができる。乾燥ガスとしては、例えば合成空気、高純度窒素ガス、酸素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス等が挙げられる。

上記した実施形態では、圧縮機に代表される流体機械に、図１に示す摺動部材３２を適用した場合を例に説明した。但し、本実施形態に係る摺動部材３２は、流体機械以外にも、真空装置、印刷装置、分析装置、宇宙関連機器等の、固体潤滑性が求められる機械装置に用いてもよい。

以下、摩擦試験法を用いた実験により、本発明で提供する、アルミニウム合金粒子３２ｂの耐摩耗性向上の効果を示す。以下の検討では、アルミニウムとケイ素から成るアルミニウム合金の粒子を用いた。実施例と比較例を表１に示す。

実施例１は、本発明で提供するアルミニウム合金粒子３２ｂを配合した摺動部材である。アルミニウム合金粒子３２ｂは、アルミニウムとケイ素から構成され、アルミニウムの濃度は７５質量％、ケイ素の濃度は２５質量％である。比較例１は、アルミニウム合金粒子の代わりに銅粒子を配合した摺動部材である。銅粒子の材質は、純銅であり、純度９９．９９％である。比較例２は、アルミニウム合金粒子の代わりに青銅粒子を配合した摺動部材である。青銅粒子は、銅とスズから構成され、銅の濃度は９０質量％、スズの濃度は１０質量％である。全ての実施例および比較例において、母材としてＰＴＦＥを用い、金属粒子の配合濃度は，体積基準で一定とした。

実施例１で用いたアルミニウム合金粒子３２ｂのミクロ組織の光学顕微鏡写真をモノクロ画像化した図を、図１０に示す。図のように、共晶点を超えて析出したケイ素が析出物として表面に介在していることがわかる。

実施例と比較例を供試した摩擦試験は、図１１に示す態様で行った。表１に示したそれぞれの材料をブロック状試験片に加工し、金属製のリング状試験片を接触させつつ、回転させることで摺動を行って、摩擦係数と摩擦体積を求めた。金属製のリング状試験片（金属材３１ａ）は、外径φ１３ｍｍ、内径φ９ｍｍのアルミニウム合金の鋳物ＡＤＣ３である。その表面には、工業的に利用される表面処理として代表的な、ニッケルリンめっきを施した。一方、ブロック状試験片は幅６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ５ｍｍとした。摩擦試験の実験条件として、ブロック状試験片とリング状試験片との荷重は１８．８Ｎ、リング状試験片における半径５．５ｍｍ位置での周速度は２．３ｍ／ｓブロック上試験片の表面温度は８０℃に制御し、６時間連続で摺動させた。

摩擦試験の結果得られた、摩擦係数の定常値とブロック状試験片の摩耗体積と、を図１２に示す。なお、摩耗体積は、レーザー変位計により摺動部を試験前後に形状測定を行って、その比較により求めた。

図１２に示すように、摩擦係数および摩耗体積ともに、実施例１のアルミニウム合金粒子を用いた場合、比較例１，２と比較して最小となった。比較例１の銅粒子および比較例２の青銅粒子を用いた場合には、実施例１のアルミニウム合金粒子の場合の約３倍大きな摩擦係数を示している。これは、ブロック上試験片中に含まれる銅系粒子と、リング状試験片の表面に施されたニッケルリンめっきとが凝着したためである。摩擦係数が大きいことにより、単位時間あたりの摩擦熱も大きくなるため、母材であるＰＴＦＥの摩耗が増大した。よって、摺動部材としての摩耗は、アルミニウム合金粒子を用いた場合よりも、これら銅系粒子を用いた場合に増大する結果となった。

次に、表２に示す摺動部材を用いて、摺動部材３２中に配合するアルミニウム合金粒子３２ｂの組成が、摺動部材３２の摩耗に与える影響を検討した。実施例２〜実施例５に示す摺動部材は、アルミニウム合金粒子３２ｂが配合された点では、表１に示した実施例１と同様であるが、アルミニウム合金粒子３２ｂを構成するアルミニウムおよびケイ素の濃度が異なる。

実施例２〜実施例５について、前述と同様の実験条件の下、摩擦試験を行った。実施例１〜実施例５について、ブロック状試験片の摩耗体積の測定結果を図１３に示す。

図１２に示した比較例１および２と比べ、実施例１〜実施例５全てにおいて、摩耗体積が低下していることから、アルミニウム合金粒子３２ｂが耐摩耗性向上に有効であることが確認できた。また、実施例同士を比較してみると、実施例１、３、４に比べ、ケイ素の濃度が最低の実施例２や、逆にケイ素の濃度が最高の実施例５では、摩耗が増大する結果となった。

これは、前述の通り、ケイ素の割合が１２質量％（共結点付近）よりも小さいと、ケイ素の析出物が生じず、十分な耐摩耗性が得られず、また３０質量％よりも大きいと、硬質なケイ素の析出物が表面処理３１ｂを切削するなどして十分な耐摩耗性が得られないことを示している。したがって図１３より、好ましくはケイ素濃度を２０〜２５質量％とすることで、最良の耐摩耗性を得ることができる。

以上説明した摩擦試験及び表面化学分析の結果から明らかなように、実施形態に係る摺動部材は、部材３１との摺動時に、部材３１の摺動面に金属フッ化物が生成されるのを抑制できる。このため、摺動面に移着膜が形成され易くなり、摺動部材３２の摩耗耐久性を向上できる。従って、この摺動部材３２を、例えばレシプロ式流体機械のピストンリングやスクロール式流体機械のチップシールに適用することで、ピストンリングやチップシールの摩耗耐久性が高められるため、これらの交換寿命が長くなる。このため、レシプロ式流体機械やスクロール式流体機械のメンテナンスサイクルや寿命を延長できる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

３０…摺動部、３１…部材、３１ａ…金属材、３１ｂ…表面処理、３２…摺動部材、３２ａ…フッ素樹脂、３２ｂ…アルミニウム合金粒子、３２ｃ…アルミニウム−ケイ素合金相、３２ｄ…析出物、３３…摺動界面、４０…レシプロ式流体機械、４１…シリンダ、４２…ピストン、４２１…ピストンリング、４２２…ライダーリング、４３、５５、７９…圧縮／膨張室、４４…仕切り板、４４ａ、５６、７８…吸入口、４４ｂ、５７、８０…吐出口、４４ｃ…吸入弁、４４ｄ…吐出弁、４５…筐体、４６…連結棒、４６ａ…ピストンピン、４７…モータ、４８…プーリ、４９…ベルト、４６…連結棒、５０、７０…スクロール式流体機械、５１、７１…固定スクロール、５１ａ、７１ａ…固定鏡板、５１ｂ、７１ｂ…固定スクロールラップ、５１ｃ、５２ｃ…端面、５１ｄ、５２ｄ…溝、５１ｅ、５２ｅ…ラップ底面、５２、７２…旋回スクロール、５２ａ、７５ａ…旋回鏡板、５２ｂ、７５ｂ…旋回スクロールラップ、５２ｆ、７６ｄ…ボス部、５３、７３…ケーシング、５４、７４…駆動軸、５４Ａ…クランク軸、５８…玉軸受、５９１、５９２…チップシール、６１…スラスト受部、６２…スラストプレート、６３…オルダムリング、７１ｃ、７５ｃ…放熱板、７５…旋回スクロール本体、７６…背面プレート、７６Ａ、７７Ａ…摺動面、７７…フランジ部、８１…吐出パイプ、９０…オルダム継手、９１…Ｘ軸ガイド、９２…Ｙ軸ガイド、９３…スライダ、９３ａ、９３ｂ…スライダ９３の側面、９３ｃ…逃し穴、９３ｄ…貫通孔、９４…球体

Claims (14)

1. 作動室が、金属材からなる摺動面と、
   前記摺動面上を摺動するフッ素樹脂材と、を備え、
   前記フッ素樹脂材が、前記摺動面に対して銅系粒子よりも凝着度が低い金属合金の粒子を含む流体機械。
2. 前記金属合金がアルミニウム合金である請求項１に記載の流体機械。
3. 前記アルミニウム合金の粒子が、アルミニウムとケイ素とを含み、
   前記アルミニウム合金の粒子には、前記ケイ素が多く含まれている第１の部分と、前記第１の部分より前記ケイ素が少なく含まれている又は前記ケイ素が含まれていない第２の部分とがある請求項２に記載の流体機械。
4. 前記第１の部分の硬度が、前記金属材の硬度よりも高い請求項３に記載の流体機械。
5. 前記摺動面が、アルミニウム、リン、クロム、鉄、ニッケル、亜鉛のうち少なくとも１つを含む請求項１ないし４のいずれかに一項に記載の流体機械。
6. 金属材からなる摺動面と、
   前記摺動面上を摺動するフッ素樹脂材と、を備え、
   前記フッ素樹脂材が、前記摺動面に対して銅系粒子よりも凝着度が低い金属合金の粒子を含む機械要素。
7. 前記金属合金がアルミニウム合金である請求項６に記載の機械要素。
8. 前記アルミニウム合金の粒子が、アルミニウムとケイ素とを含み、
   前記アルミニウム合金の粒子には、前記ケイ素が多く含まれている第１の部分と、前記第１の部分より前記ケイ素が少なく含まれている又は前記ケイ素が含まれていない第２の部分とがある請求項７に記載の機械要素。
9. 前記第１の部分の硬度が、前記金属材の硬度よりも高い請求項８に記載の機械要素。
10. 前記摺動面が、アルミニウム、リン、クロム、鉄、ニッケル、亜鉛のうち少なくとも１つを含む請求項６ないし９のいずれか一項に記載の機械要素。
11. 金属材からなる摺動面上を摺動するフッ素樹脂材であって、
    前記摺動面に対して銅系粒子よりも凝着度が低い金属合金の粒子を含むフッ素樹脂材。
12. 前記金属合金がアルミニウム合金である請求項１１に記載のフッ素樹脂材。
13. 前記アルミニウム合金の粒子が、アルミニウムとケイ素とを含み、
    前記アルミニウム合金の粒子には、前記ケイ素が多く含まれている第１の部分と、前記第１の部分より前記ケイ素が少なく含まれている又は前記ケイ素が含まれていない第２の部分とがある請求項１２に記載のフッ素樹脂材。
14. 前記第１の部分の硬度が、前記金属材の硬度よりも高い請求項１３に記載のフッ素樹脂材。

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