KR20030038344A

KR20030038344A - 슬라이딩재 및 슬라이딩 장치

Info

Publication number: KR20030038344A
Application number: KR1020020048913A
Authority: KR
Inventors: 스기오까다까히로; 오노다아끼라; 메라미노루; 무라까미도모히로; 스기우라마나부
Original assignee: 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2003-05-16
Also published as: JP2003138287A; KR100493218B1; EP1310674B1; CN1417251A; BR0204392A; EP1310674A3; CN1232579C; DE60216880T2; JP3918516B2; EP1310674A2; US20030089223A1; DE60216880D1; US6752065B2

Abstract

(과제) 무윤활 상태 등 가혹한 슬라이딩 조건 하에서 내눌어붙음성, 내마모성을 나타내는 슬라이딩재 및 슬라이딩 장치를 얻는다.

(해결수단) 사판식 압축기의 슈 (76) 는 실리콘을 함유하는 알루미늄 합금으로 이루어지는 모재 (146) 와, 모재 (146) 의 표면을 덮는 경질층 (150, 152) 을 구비하고 있다. 경질층 (150, 152) 은 니켈계 도금으로서의 무전해 니켈 도금이다. 슬라이딩재를 구성하는 사판 (60) 은 철계 재료로 이루어지는 모재 (160) 와, 사판 (60) 의 슈 (76) 와의 슬라이딩면 (140, 142) 에 형성된 슬라이딩층 (164) 을 구비한다. 슬라이딩층 (164) 은 고체 윤활제로서의 폴리테트라플루오루에틸렌 (PTFE) 및 이황화몰리브덴이 폴리아미드이미드를 주성분으로 하는 열경화 수지로 경화되어 이루어지는 것이다. 슬라이딩층 (164) 에서의 PTFE 의 함유율은 10 ~ 40 vol% 의 범위에 있고, 14 vol% 이상의 범위에 있는 것이 바람직하고, 18 vol% 이상의 범위로 하는 것이 더욱 바람직하다.

Description

슬라이딩재 및 슬라이딩 장치 {SLIDING MEMBER AND SLIDING DEVICE}

본 발명은 복수 부재 사이에 배치되어 이들 부재의 원활한 상대 이동을 허용하는 슬라이딩 장치 및 이에 사용되는 슬라이딩재에 관한 것이다.

이러한 종류의 슬라이딩재로서는 이미 각종의 것이 알려져 있다. 예를들어, 일본 공개특허공보 소60-22080 호에는, 사판식 압축기의 사판과 슈의 적어도 일측에, 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 그라파이트, 질화붕소, 불소 수지 등의 고체 윤활제를, 페놀 수지, 에폭시 수지, 푸란 (furan) 수지, 요소 (urea) 수지, 폴리아미드이미드 수지, 불포화 폴리에스테르 등의 열경화 수지로 경화시킨 고체 윤활제층을 형성하는 것이 기재되어 있다. 또, 일본 공개특허공보 평8-199327 호에는, 철계 또는 알루미늄계 사판에 구리계 또는 알루미늄계 재료를 용사 (溶射) 하여 경질층을 형성하고, 그 위에 납계, 주석계, 납-주석계 도금, 또는 폴리테트라플루오루에틸렌계, 이황화몰리브덴, 이황화몰리브덴-흑연의 피복 등 연질층을 형성하는 것이 기재되어 있다.

이들 슬라이딩재는 각각 우수한 것이지만, 각종 장치의 소형화, 경량화, 고성능화에 따라 슬라이딩재가 처해지는 환경은 더욱 더 엄격해지고 있어 더욱 우수한 슬라이딩재의 개발이 계속 요구되고 있다. 본 발명의 발명자들은 그 요구에 부응하기 위하여 연구를 계속하던 중에, 예를 들어 사판식 압축기를 무윤활 (건조) 상태에서 운전한 경우와 같은 가혹한 슬라이딩 조건 하에서, 폴리테트라플루오루에틸렌을 비교적 다량으로 함유하는 슬라이딩층을 형성한 슬라이딩재가 우수한 내눌어붙음성 (耐燒付性), 내마모성을 나타내는 것을 발견하였다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태인 슬라이딩 장치를 구성하는 사판 및 슈를 구비하는 사판식 압축기를 나타내는 정면 단면도이다.

도 2 는 상기 사판과 슈를 확대하여 나타내는 정면 단면도이다.

도 3 은 상기 사판과 슈의 슬라이딩 특성 시험에 사용되는 시험기를 개략적으로 나타내는 정면 단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

60 : 사판 76 : 슈

140, 142 : 슬라이딩면 146 : 모재

150, 152 : 경질층 160 : 모재

164 : 슬라이딩층

본 발명은 이 발견에 근거하여 이루어진 것으로, 본 발명에 의해 하기 각 태양의 슬라이딩재 및 슬라이딩 장치가 얻어진다. 각 태양은 청구항과 마찬가지로, 항으로 구분하여 각 항에 번호를 붙여 필요에 따라 다른 항의 번호를 인용하는 형식으로 기재한다. 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위함으로, 본 명세서에 기재된 기술적 특징 및 이들의 조합이 이하의 각 항에 기재된 것에 한정된다고 이해해서는 안된다. 또, 하나의 항에 복수의 사항이 기재되어 있는 경우, 이들 복수의 사항을 항상 함께 채택해야만 하는 것은 아니다. 일부의 사항만을 채택하는 것도 가능하다.

또한, 이하의 각 항에서 (1) 항이 청구항 1 에 상당하고, (4) 항이 청구항 2 에, (5) 항이 청구항 3 에, (6) 항이 청구항 4 에, (10) 항 및 (11) 항을 합친 것이 청구항 5 에 각각 상당한다.

(1) 적어도 폴리테트라플루오루에틸렌을 함유하는 고체 윤활제가 열경화 수지로 경화되어 이루어지고, 또한 폴리테트라플루오루에틸렌의 함유율이 10 ~ 40 vol% 의 범위에 있는 슬라이딩층을 구비한 것을 특징으로 하는 슬라이딩재.

이와 같이 폴리테트라플루오루에틸렌을 비교적 다량으로 함유하는 슬라이딩재는 전술과 같이 윤활제가 존재하지 않거나 또는 존재는 하지만 현저하게 부족하다는 매우 가혹한 슬라이딩 조건 하에서, 우수한 내눌어붙음성, 내마모성을 나타낸다. 따라서, 압축기용 슬라이딩 장치, 범용의 구름 베어링, 엔진의 피스톤과 실린더 블록의 슬라이딩부 등, 가혹한 슬라이딩 조건 하에 사용되는 슬라이딩 장치에 특히 적합하다.

(2) 상기 폴리테트라플루오루에틸렌의 함유율이 14 vol% 이상의 범위에 있는 (1) 항에 기재된 슬라이딩재.

(3) 상기 폴리테트라플루오루에틸렌의 함유율이 18 vol% 이상의 범위에 있는 (2) 항에 기재된 슬라이딩재.

(4) 상기 고체 윤활제가 추가로 이황화몰리브덴을 함유하고, 이 이황화몰리브덴의 함유율이 5 ~ 30 vol% 의 범위에 있는 (1) 항 ~ (3) 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩재.

고체 윤활제로서 추가로 이황화몰리브덴을 첨가하면, 한층 우수한 슬라이딩재가 얻어진다. 이황화몰리브덴의 함유율은 7 vol% 이상, 15 vol% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

(5) 상기 열경화 수지가 폴리아미드이미드를 주성분으로 하는 것인 (1) 항 ~ (4) 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩재.

열경화 수지로서는 페놀 수지, 에폭시 수지, 푸란 수지, 요소 수지, 불포화 폴리에스테르 등도 사용 가능하지만, 폴리아미드이미드 수지가 특히 바람직하다.

(6) 적어도 폴리테트라플루오루에틸렌을 함유하는 고체 윤활제가 열경화 수지로 경화되어 이루어지고, 또한 폴리테트라플루오루에틸렌의 함유율이 10 ~ 40 vol% 의 범위에 있는 슬라이딩층을 구비한 제 1 슬라이딩재와,

니켈계 도금이 실시된 제 2 슬라이딩재가 서로 슬라이딩하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 장치.

폴리테트라플루오루에틸렌을 비교적 다량으로 함유하는 슬라이딩재는 뒤에 상세하게 기술하는 바와 같이, 상대재가 니켈계 도금이 실시된 것인 경우에, 다른 슬라이딩재, 예를 들어 폴리테트라플루오루에틸렌을 함유하지 않고, 이황화몰리브덴을 비교적 다량으로 함유하는 슬라이딩재와 비교하여 특히 현저한 내눌어붙음성 및 내마모성을 나타낸다. (2) 항 ~ (5) 항 중 어느 항의 특징을 본 항의 슬라이딩 장치에 적용하는 것이 가능하다.

(7) 상기 제 2 슬라이딩재가 알루미늄 합금제의 모재에 니켈계 도금이 실시된 것인 (6) 항에 기재된 슬라이딩 장치.

(8) 상기 니켈계 도금이 무전해 니켈 도금을 포함하는 (6) 항 또는 (7) 항에 기재된 슬라이딩 장치.

(9) 상기 니켈계 도금이 Ni-P, Ni-B, Ni-P-B-W, Ni-P-B 중 하나 이상의 도금층을 포함하는 (6) 항 ~ (8) 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩 장치.

(10) 상기 슬라이딩 장치가 압축기의 슬라이딩 장치인 (6) 항 ~ (9) 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩 장치.

압축기에서는 피압축 기체, 예를 들어 차량 탑재용 냉매 압축기에서의 냉매 가스에 윤활유를 안개 형상으로 하여 혼입시키고, 피압축 기체에 윤활유를 슬라이딩 장치로 운반시키는 것이 실시되고 있다. 이 경우에는 비교적 장시간 정지하였던 압축기가 기동될 때에, 슬라이딩 장치가 거의 윤활유가 없는 상태에서 작동되는 경우가 있어 슬라이딩재의 눌어붙음이 특히 발생하기 쉽다. 슬라이딩층에서의 고체 윤활제의 함유율을 증가시키면 내눌어붙음성을 향상시킬 수 있지만, 반면 내마모성이 저하된다. 이에 비하여 본 발명에 따라 슬라이딩층을 비교적 다량의 폴리테트라플루오루에틸렌을 함유하는 것으로 하면, 내눌어붙음성과 내마모성의 양측 요구를 함께 만족시킬 수 있다. 본 발명은 벤 컴프레서의 벤과 로터 또는사이드 플레이트의 조합, 스크롤 압축기의 2 개의 스크롤의 조합, 사판식 압축기의 슈와 사판의 조합 등, 각종 압축기용 슬라이딩 장치에 적용하기에 특히 유효한 것이다.

(11) 상기 압축기가 사판식 압축기로서, 상기 슬라이딩 장치가 사판과 이 사판 위를 슬라이딩하는 슈를 포함하는 (10) 항에 기재된 슬라이딩 장치.

사판은 철계 재료로 이루어지는 것으로 되는 경우가 많고, 특히 주철제로 되는 경우가 많다.

(12) 상기 제 1 슬라이딩재가 철계 모재 표면에 상기 슬라이딩층이 형성된 것인 (6) 항 ~ (11) 항 중 어느 한 항에 기재된 슬라이딩 장치.

발명의 실시형태

이하, 본 발명의 일 실시형태인 차량용 에어콘의 냉매 압축기로서 사용되는 사판식 압축기를 예로 들어 도면에 근거하여 상세하게 설명한다.

도 1 에 본 실시형태에서의 사판식 압축기를 나타낸다. 도 1 에서 도면부호 (10) 은 실린더 블록이고, 실린더 블록 (10) 의 중심축선 둘레의 일 원주상에는 축방향으로 연장되는 복수의 실린더 보어 (12) 가 형성되어 있다. 실린더 보어 (12) 의 각각에는 편두 피스톤 (14) (이하, 피스톤 (14) 이라고 약칭함) 이 왕복 운동 가능하게 배치되어 있다. 실린더 블록 (10) 의 축방향의 일측 단면 (도 1 의 좌측 단면으로, 전단면이라 함) 에는 프론트 하우징 (16) 이 장착되고, 타측 단면 (도 1 의 우측 단면으로, 후단면이라 함) 에는 리어 하우징 (18) 이 밸브 플레이트 (20) 를 통하여 장착되어 있다. 프론트 하우징 (16), 리어 하우징(18), 실린더 블록 (10) 등에 의해 사판식 압축기의 하우징이 구성되어 있다. 리어 하우징 (18) 과 밸브 플레이트 (20) 사이에는 흡입실 (22) 과 토출실 (24) 이 형성되고, 각각 흡입 포트 (26) 와 공급 포트 (28) 를 거쳐 도시하지 않는 냉동 회로에 접속된다. 밸브 플레이트 (20) 에는 흡입 구멍 (32), 흡입 밸브 (34), 토출 구멍 (36), 토출 밸브 (38) 등이 형성되어 있다.

상기 하우징 내에는, 회전축 (50) 이 실린더 블록 (10) 의 중심축선을 회전축선으로서 회전 가능하게 설치되어 있다. 회전축 (50) 은 그 양단부에서 각각 프론트 하우징 (16), 실린더 블록 (10) 에 베어링을 통하여 회전 가능하게 지지되고 있다. 실린더 블록 (10) 의 중심부에는 지지 구멍 (56) 이 형성되어 있고, 이 지지 구멍 (56) 에서 상기 베어링을 통하여 지지되고 있는 것이다. 회전축 (50) 의 프론트 하우징 (16) 측 단부는, 도시하지 않는 구동원으로서의 차량 엔진에 전자 클러치 등의 클러치 장치를 통하여 연결되어 있다. 따라서, 차량 엔진의 작동시에 클러치 장치에 의해 회전축 (50) 이 차량 엔진에 접속되면, 회전축 (50) 이 자신의 축선을 중심으로 회전된다.

회전축 (50) 에는 사판 (60) 이 축방향으로 상대 이동 가능하고, 또한 경사 이동 가능하게 장착되어 있다. 사판 (60) 에는 중심선을 통과하는 관통 구멍 (61) 이 형성되고, 이 관통 구멍 (61) 을 회전축 (50) 이 관통하고 있다. 관통 구멍 (61) 은 양단 개구측일수록 도 1 에서의 상하 방향으로 내측 치수가 점점 증가되어 이들 양단부의 횡단면 형상이 긴 구멍을 이루고 있다. 회전축 (50) 에는 또, 회전판 (62) 이 고정되고, 스러스트 베어링 (64) 을 통하여 프론트 하우징(16) 에 수용되어 있다. 사판 (60) 은 힌지 기구 (66) 에 의해 회전축 (50) 과 일체적으로 회전됨과 동시에 축방향 이동을 수반하는 경사 이동이 허용된다. 힌지 기구 (66) 는 회전판 (62) 에 고정적으로 설치된 지지 아암 (67) 과, 사판 (60) 에 고정적으로 설치되어 지지 아암 (67) 의 가이드 구멍 (68) 으로 슬라이드 가능하게 끼워맞추어진 가이드 핀 (69) 과, 사판 (60) 의 관통 구멍 (61) 과, 회전축 (50) 의 외주면을 포함하는 것이다.

상기 피스톤 (14) 은 사판 (60) 의 외주부를 걸친 상태로 걸어맞추어지는 걸어맞춤부 (70) 와, 걸어맞춤부 (70) 와 일체로 설치되어 실린더 보어 (12) 에 끼워맞추어진 헤드부 (72) 를 구비하고 있다. 본 실시형태에서의 헤드부 (72) 는 중공 헤드부로 되어 경량화가 도모되어 있다. 헤드부 (72), 실린더 보어 (12) 및 밸브 플레이트 (20) 가 공동으로 압축실을 형성하고 있다. 또, 걸어맞춤부 (70) 는 한 쌍의 구관 형상의 슈 (76) 을 통하여 사판 (60) 의 외주부와 걸어맞추어져 있다. 슈 (76) 에 대해서는 뒤에 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시형태에서의 피스톤 (14) 은 그 일단부에만 하나의 헤드부 (72) 를 구비하는 점에서 편두 피스톤이라고 칭해진다.

피스톤 (14) 은 사판 (60) 의 회전에 의해 왕복 운동된다. 상세하게는 사판 (60) 의 회전 운동이 슈 (76) 를 통하여 피스톤 (14) 의 왕복 직선 운동으로 변환된다. 피스톤 (14) 이 상사점에서 하사점으로 이동하는 흡입 행정에서 흡입실 (22) 내의 냉매 가스가 흡입 구멍 (32), 흡입 밸브 (34) 를 거쳐 실린더 보어 (12) 내의 압축실로 흡입된다. 피스톤 (14) 이 하사점에서 상사점으로 이동하는 압축 행정에서 실린더 보어 (12) 내의 압축실의 냉매 가스가 압축되어 토출 구멍 (36), 토출 밸브 (38) 를 거쳐 토출실 (24) 로 토출된다. 냉매 가스의 압축에 따라 피스톤 (14) 에는 축방향의 압축 반력이 작용한다. 압축 반력은 피스톤 (14), 사판 (60), 회전판 (62) 및 스러스트 베어링 (64) 을 통하여 프론트 하우징 (16) 에 흡수된다.

실린더 블록 (10) 을 관통하여 급기 통로 (80) 가 형성되어 있다. 이 급기 통로 (80) 에 의해, 토출실 (24) 과, 프론트 하우징 (16) 과 실린더 블록 (10) 사이에 형성된 사판실 (86) 이 접속되어 있다. 급기 통로 (80) 의 도중에는 전자 제어 밸브 (90) 가 설치되어 있다. 이 전자 제어 밸브 (90) 의 솔레노이드 (92) 로의 전류 공급이 컴퓨터를 주체로 하는 제어 장치 (도시 생략) 에 의해 냉방 부하 등의 정보에 따라 제어된다.

회전축 (50) 의 내부에는 배출 통로 (100) 가 형성되어 있다. 배출 통로 (100) 는 일단에서 상기 지지 구멍 (56) 으로 개구됨과 동시에, 타단에서 사판실 (86) 로 개구되고 있다. 지지 구멍 (56) 은 배출 포트 (104) 를 거쳐 흡입실 (22) 로 연통되고 있다.

본 사판식 압축기는 가변 용량형으로, 고압측인 토출실 (24) 과 저압측인 흡입실 (22) 의 압력차를 이용하여 사판실 (86) 내의 압력이 제어됨으로써, 피스톤 (14) 의 전후에 작용하는 실린더 보어 (12) 내의 압축실 압력과 사판실 (86) 압력의 차이가 조절되고, 사판 (60) 의 경사 각도가 변경되어 피스톤 (14) 의 스트로크가 변경되며 압축기의 토출 용량이 조절된다. 구체적으로는, 전자 제어 밸브(90) 의 여자, 소자의 제어에 의해 사판실 (86) 이 토출실 (24) 로 연통되거나 차단되거나 함으로써, 사판실 (86) 의 압력이 제어된다. 또한, 본 실시형태의 사판식 압축기에서 사판의 경사각을 변경시키는 사판 경사각 변경 장치는 전술한 힌지 기구 (66) 를 비롯하여 실린더 보어 (12), 피스톤 (14), 흡입실 (22), 토출실 (24), 지지 구멍 (56), 사판실 (86), 배출 통로 (100), 배출 포트 (104) 및 도시하지 않는 제어 장치 등으로 구성되게 된다.

실린더 블록 (10) 및 피스톤 (14) 은 금속의 일종인 알루미늄 합금제의 것으로 되고, 피스톤 (14) 의 외주면에는 불소 수지의 코팅이 실시되어 있다. 불소 수지로 코팅하면 동종 금속과의 직접 접촉을 회피하여 눌어붙음을 방지하면서 실린더 보어 (12) 와의 끼워맞춤 간극을 가급적 작게 할 수 있다. 다만, 실린더 블록 (10) 이나 피스톤 (14) 의 재료, 코팅층의 재료 등은 전술한 재료에 한정되지 않고 다른 재료라도 된다.

피스톤 (14) 의 걸어맞춤부 (70) 는 대략 U 자형을 이루고, 헤드부 (72) 의 중심축선과 직교하는 방향으로 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 아암부 (120, 122) 와, 이들 아암부 (120, 122) 의 기단끼리를 연결하는 연결부 (124) 를 구비하고 있다. 아암부 (120, 122) 의 서로 대향하는 측면에는 각각 슈 지지면이 되는 오목 구면 (128) 이 형성되어 있다. 이들 2 개의 오목 구면 (128) 은 동일 구면 위에 위치하고 있다.

상기 한 쌍의 슈 (76) 는 도 2 에 나타내는 바와 같이, 외표면의 일측이 대략 볼록 구면을 이루는 구면부 (132) 와, 타측이 대략 평면을 이루는 평면부 (138)를 갖는 구관 형상이다. 평면부 (138) 는 엄밀하게는 아주 조금 가운데가 높은 곡면 (예를 들어, 곡률반경이 매우 큰 볼록 구면) 으로 됨과 동시에, 외주부가 테이퍼값이 매우 큰 테이퍼면으로 되어 있다. 또, 구면부 (132) 의 평면부 (138) 에 가까운 쪽의 부분이 원통면으로 되어 있다. 이들 중고의 곡면, 테이퍼면, 원통면 및 볼록 구면 등의 경계에는 비교적 곡률반경이 작은 둥근 모양으로 형성되어 있다. 한 쌍의 슈 (76) 는 구면부 (132) 에서 피스톤 (14) 의 오목 구면 (128) 으로 슬라이딩 가능하게 지지되고, 평면부 (138) 에서 사판 (60) 의 외주부 양측면인 양 슬라이딩면 (140, 142) 에 접촉하여 사판 (60) 의 외주부를 양측에서 협지한다. 한 쌍의 슈 (76) 는 그 상태로 구면부 (132) 의 볼록 구면이 동일 구면 위에 위치하도록 설계되어 있다. 즉, 본 실시형태에서의 슈 (76) 는 반구보다 사판 (60) 두께의 거의 절반만큼 작은 구관 형상을 이루고 있는 것이다. 또한 슈의 형상은 상기 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 고정 용량형 압축기에서는 슈의 평면부가 마모된 경우라도 슬라이딩면의 면적이 감소하지 않도록 하는 등의 이유로, 반구보다 조금 크게 되는 것이 바람직하다.

슈 (76) 의 모재 (146) 는 알루미늄을 주성분으로 하여 실리콘을 함유하는 알루미늄 합금 (A4032 등) 으로 이루어진다. 슈 (76) 의 모재 (146) 위에는 모재 (146) 의 표면 전체를 덮는 경질층 (150) 이 형성되고, 이 경질층 (150) 위에는 경질층 (150) 의 외표면 전체를 덮는 다른 경질층 (152) 이 형성되어 있다. 도 2 에는 이들 경질층 (150, 152) 두께가 이해를 용이하게 하기 위하여 과장되게 나타나 있다. 경질층 (150) 은 예를 들어, Ni-P, Ni-B, Ni-P-B-W, Ni-P-B 등의니켈계 도금으로서의 무전해 니켈 도금으로 할 수 있다. 본 실시형태에서는 Ni-P 의 도금층이 형성되어 있다. 또, 경질층 (152) 은 Ni-B, Ni-P-B-W, Ni-P-B 등의 니켈계 도금으로 할 수 있다. 본 실시형태에서는 Ni-P-B-W 의 도금층으로 되어 있다. 상기 Ni-P 도금층, Ni-B 도금층, Ni-P-B-W 도금층, Ni-P-B 도금층은 모두 무전해 니켈 도금으로서 공지의 화학 도금법에 의해 형성된다. 이 방법에 의하면 모재 (146) 에 두께가 균일한 2 층의 도금층을 용이하게 간단한 장치로 형성할 수 있다.

경질층 (150, 152) 의 형성에 의해, 슈 (76) 의 구면부 (132) 와 피스톤 (14) 의 오목 구면 (128) 의 동종 금속의 슬라이딩에 의한 눌어붙음, 및 슈 (76) 의 평면부 (138) 와 사판 (60) 의 양 슬라이딩면 (140, 142) 의 눌어붙음이 양호하게 방지된다. 또, 알루미늄을 주성분으로 하는 재료로 이루어지는 슈 (76) 의 모재 (146) 가 모재 (146) 보다 경도가 높은 경질층 (150) (Ni-P 도금층의 경우, 일반적으로 비커즈 경도 (H_V) 400 ~ 550) 및 경질층 (152) (Ni-P-B-W 도금층의 경우, 일반적으로 비커즈 경도 (H_V) 650 ~ 800) 에 의해 덮혀짐으로써, 슈 (76) 의 강도가 증가하고, 슈 (76) 의 내구성, 나아가서는 피스톤 (14) 을 포함하는 사판식 압축기의 내구성이 향상된다.

모재 (146) 와 경질층 (본 실시형태에서는 Ni-P-B-W 도금층) (152) 과의 사이에 형성되는 경질층 (본 실시형태에서는 Ni-P 도금층) (150) 은 또 하지층으로서 기능하여 모재 (146) 와 Ni-P-B-W 도금층의 고착성 (밀착성) 을 높이고, Ni-P-B-W도금층의 모재 (146) 으로부터의 박리를 방지하는 기능을 한다. Ni-P-B-W 는 일반적으로 Ni-P 보다 경도가 높아 내마모성이 우수하다. 이것은 경질층 (152) 를 Ni-B 도금층으로 하는 경우에도 마찬가지 이다. 또, Ni-P 도금층은 Ni-P-B-W 도금층에 충격이 가해졌을 때의 완충층으로서도 기능한다. 이와 같이 경질층 (152) 이 모재 (146) 으로부터 박리되거나 조각으로 떨어져나가는 것이 양호하게 방지됨으로써도 슈 (76) 의 슬라이딩성 및 내구성이 장기간 유지된다.

사판 (60) 은 이 모재 (146) 가 철계 재료의 일종인 덕타일 주철 (FCD700 또는 FCD600) 로 이루어진다. 모재 (160) 의 표면이며, 슈 (76) 의 평면부 (138) 와의 슬라이딩면 (140, 142) 에는 슬라이딩층 (164) 이 형성되어 있다. 또한, 도 2 에는 이해를 용이하게 하기 위하여 슬라이딩층 (164) 의 두께가 과장되게 나타나 있다. 슬라이딩층 (164) 은 적어도 폴리테트라플루오루에틸렌 (이하, 「PTFE」라 약칭함) 을 함유하는 고체 윤활제가 열경화 수지로 경화되어 이루어지는 것이다. 열경화 수지로서는 폴리아미드이미드 (PAI), 페놀 수지, 에폭시 수지, 푸란 수지, 요소 수지, 불포화 폴리에스테르 등을 하나 이상 함유하는 것을 사용 가능하고, 폴리아미드이미드를 주성분으로 하는 것이 바람직하다. 슬라이딩층 (164) 에서의 PTFE 의 함유율은 10 ~ 40 vol% 의 범위에 있고, 14 vol% 이상의 범위에 있는 것이 바람직하고, 18 vol% 이상의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 고체 윤활제는 상기 PTFE 외에 이황화몰리브덴 (MoS₂) 을 함유하는 것으로 하는 것이 바람직하다. 이황화몰리브덴의 슬라이딩층 (164) 에서의 함유율은 5 ~ 30vol% 의 범위에 있고, 7 vol% 이상의 범위에 있는 것이 바람직하고, 15 vol% 이상의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시형태에서는 사판 (60) 이 제 1 슬라이딩재를, 슈 (76) 가 사판 (60) 위를 슬라이딩하는 제 2 슬라이딩재를 각각 구성하고 있다. 본 실시형태는 제 1 슬라이딩재와 제 2 슬라이딩재를 포함하는 슬라이딩 장치를 사판식 압축기에 적용한 일 실시형태이다.

본 실시형태에 의하면, 사판 (60) 의 슬라이딩층 (164) 이 PTFE 를 10 ~ 40 vol% 함유하는 것으로 함으로써, 슬라이딩 특성이 우수한 사판 (60) 이 얻어지고, 사판 (60) 과 슈 (76) 의 슬라이딩 저항이 저감됨과 동시에, 사판 (60) 의 내눌어붙음성 및 내마모성이 향상된다. 사판식 압축기에서는 비교적 장시간 정지하였던 압축기가 기동될 때나, 냉매 가스가 압축기 외부로 누설된 경우 등에 압축기 내가 윤활유 부족 상태 (그 궁극적인 상태는 건조 상태) 가 되기 쉬워지지만, 이같은 가혹한 조건 하에서도 사판 (60) 의 우수한 슬라이딩 특성이 유지되고, 사판 (60) 과 슈 (76) 의 눌어붙음이 방지되며, 사판 (60), 나아가서는 압축기의 수명 저하가 양호하게 회피된다.

슈 (76) 의 경질층 (152) 을 이황화몰리브덴, 질화붕소 (BN), 이황화텅스텐 (WS₂), 그라파이트, PTFE 등의 고체 윤활제를 하나 이상 함유하는 것으로 할 수 있다. 또, 경질층 (152) 의, 슈 (76) 의 구면부 (132) 측과 평면부 (138) 측의 일측 이상의 위에 고체 윤활제를 함유한 합성 수지층인 감마층 (減摩層) 을 형성하는 것도 가능하다. 고체 윤활제로서는 상기 경질층 (152) 에 함유시킬 수 있는 고체 윤활제이면 사용할 수 있고, 합성 수지로서는 폴리아미드이미드, 에폭시 수지, 폴리에테르케톤, 페놀 수지 등을 채택할 수 있다. 이들 폴리아미드이미드, 에폭시 수지, 폴리에테르케톤, 페놀 수지는 내열성이 우수하고, 또한 상기 고체 윤활제를 함유함으로써, 내마모성이 행상됨과 동시에 마찰계수가 저감된다.

이상 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명하였지만, 이는 예시에 지나지 않으며 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 본 실시형태에서는 슈 (76) 의 표면을 덮는 피막인 경질층을 2 층 (경질층 (150, 152)) 으로 한 경우로 설명하였지만, 본 실시형태에서 예시한 도금 중의 하나로 이루어지는 단일층으로 해도 된다. 또, 사판 (60) 의 모재 (160) 를 철계 재료로 이루어지는 것으로서 설명하였지만, A390 등의 알루미늄을 주성분으로 하는 알루미늄 합금으로 해도 된다. 또한, 사판과의 걸어맞춤부의 양측에 헤드부를 갖는 양두 피스톤을 구비하는 사판식 압축기 또는 고정 용량형 사판식 압축기 등에 사용하는 것도 가능하고, 그 외에 본 발명은 상기 [발명이 이루고자 하는 기술적 과제, 발명의 구성] 항에 기재된 태양을 비롯하여 당업자의 지식에 근거하여 각종 변경, 개량한 형태로 실시할 수 있다.

실시예

상기 "발명의 실시형태" 에서 설명한 사판식 압축기의 슬라이딩 장치를 구성하는 사판 (60) 및 슈 (76) 로서, 슬라이딩층 (164) 에서의 고체 윤활제 및 열경화 수지의 각 함유율을 표 1 에 나타내는 바와 같이 다양하게 변화시킨 사판 (60) 의,슈 (76) 와의 내눌어붙음성 및 내마모성을 포함하는 슬라이딩 특성에 대하여 각각 시험을 실시하였다. 본 슬라이딩 특성 시험에서는 고체 윤활제 및 열경화 수지의 함유율이 각각 다른 사판 (60) 을 11 종류 제조하고, 이들을 #1 ~ #11 의 번호로 각각 표시한다. #1 ~ #10 의 사판 (60) 은 본 발명에 관한 사판으로서, 각 사판 (60) 의 슬라이딩층 (164) 은 PTFE 및 이황화몰리브덴 (MoS₂) 이 폴리아미드이미드 (PAI) 를 주성분으로 하는 열경화 수지로 경화되어 이루어지는 것이다. #1 ~ #10 의 사판 (60) 은 각각 슬라이딩층 (164) 에서의 PTFE 의 함유율을 10 ~ 40 vol% (약 8 ~ 50 wt%) 의 범위로 바꾼 것이다. 또, 이황화몰리브덴의 슬라이딩층 (164) 에서의 함유율은 5 ~ 30 vol% 의 범위이다. #11 의 사판은 비교를 위하여 제조된 사판으로서 그 슬라이딩층은 고체 윤활제로서 PTFE 를 함유하지 않고, 이황화몰리브덴 및 그라파이트가 폴리아미드이미드를 주성분으로 하는 열경화 수지로 경화되어 이루어지는 것이다. 표 1 에는 상기 시험 결과가 사판 (60) 의 번호 #1 ~ #11 에 대응하여 기재되어 있다.

No	함유율 (vol%)	함유율 (vol%)	건조 눌어붙음 시간 (초)	빈윤활 눌어붙음 하중 (N)	마모량(㎛)
No	PAI	PTFE	건조 눌어붙음 시간 (초)	빈윤활 눌어붙음 하중 (N)	마모량(㎛)	MoS₂	그라파이트	PAI	PTFE	MoS₂	그라피이트
#1	50	30	20	-	30.7	26.6	42.7	-	25	-	1
#2	60	20	20	-	34.7	25.1	40.2	-	28	5880	0
#3	50	40	10	-	34.9	41.9	23.3	-	38	-	8
#4	60	30	10	-	43.4	32.5	24.1	-	30	5488	5
#5	70	23	7	-	54.8	27.0	18.3	-	38	5096	3
#6	70	15	15	-	49.1	15.8	35.1	-	15	-	-
#7	80	15	5	-	67.1	18.9	14.0	-	15	-	-
#8	60	10	30	-	34.3	8.6	57.1	-	12	-	0
#9	60	40	0	-	50.0	50.0	0.0	-	40	-	20
#10	55	27	18	-	34.67	25.13	40.20	-	30	6272	3
#11	50	0	30	20	27.5	0.0	55.0	17.6	10	3136	-

상기 슬라이딩 특성 시험은 이하의 요령으로 실시하였다. 슬라이딩 특성 시험은 건조 눌어붙음 시험, 마모량 시험, 빈(貧)윤활 눌어붙음 하중 시험을 포함하는 것으로서, 이들 중 건조 눌어붙음 시험 및 마모량 시험은 실제 기계로 실시하고, 빈윤활 눌어붙음 하중 시험은 도 3 에 나타내는 시험기 (170) 를 사용하여 실시하였다. 시험기 (170) 에 대해서는 뒤에 설명한다. 또한, 시험에 사용한 실제 기계는 상기 "발명의 실시형태"에서 설명한 용량 가변형 사판식 압축기와 동일한 것이기 때문에 설명은 생략한다. 본 실제 기계에서 #1 ~ #11 의 사판과 슬라이딩하는 슈 (76) 는 상기 알루미늄 합금 (A4032) 제의 모재 (비커스 경도 (H_V) 150) (146) 위에 두께 25 ㎛ 의 Ni-P 도금층이 형성되고, 추가로 그 위에 두께 25 ㎛ 의 Ni-P-B-W 도금으로 이루어지는 경질층 (152) 이 형성된 것을 사용하였다.

건조 눌어붙음 시험은 윤활유가 존재하지 않는 무윤활 (건조) 상태의 실제기계에 #1 ~ #11 의 사판을 각각 넣어 실시하였다. 본 시험에서는 실제 기계의 사판 회전수를 3000 rpm, 토출압을 0.98 MPa (10 kgf/㎠) 로 설정하였다.

상기 건조 눌어붙음 시험의 결과로서, 상기 표 1 에 #1 ~ #11 의 사판의 눌어붙음이 생길 때까지의 시간을 나타낸다. 표 1 에서 명확한 바와 같이, 고체 윤활제로서 PTFE 를 함유하는 #1 ~ #10 의 사판 (60) 은 #11 의 사판과 같이 PTFE 를 함유하지 않는 슬라이딩층을 갖는 사판과 비교하여 무윤활 상태에서 사판 (60) 과 슈 (76) 를 슬라이딩시킨 경우에 양자가 눌어붙을 때까지의 시간이 길어진다. 특히, #1 ~ #5, #9 및 #10 의 사판 (60) 과 같이 슬라이딩층 (164) 중의 PTFE 의 함유율이 20 vol% ~ 40 vol% (20 vol% ~ 50 wt%) 인 것에서는 눌어붙음 시간이 #11 의 사판과 비교하여 3 ~ 4 배로 연장된다.

또, 빈윤활 눌어붙음 하중 시험에서 사용한 시험기 (170) 는 도 3 에 나타내는 바와 같이 사판 (60) 을 지지하며 사판 (60) 의 중심축 둘레로 회전시키는 회전 장치 (도시 생략) 와, 슈 (76) 를 지지하며 사판 (60) 의 슬라이딩면 (140) 위에 슈 (76) 를 접촉시키는 슈 지지구 (174) 를 포함하는 것이다. 본 빈윤활 눌어붙음 하중 시험의 조건은 윤활유가 존재하기는 하지만, 현저하게 부족한 빈윤활 상태, 구체적으로는 15 mg/min 으로 윤활유가 분무되는 상태에서 #1 ~ #11 의 사판 (60) 을 회전 장치에 지지시킴과 동시에, 슈 지지부 (174) 에 지지시킨 슈 (76) 를 사판 (60) 에 대하여 392 N 의 하중부터 시작되어, 5 분마다 392 N 씩 하중을 증가시키며 누르고, 회전 속도 1500 rpm 으로 사판 (60) 을 회전시키는 것으로 하였다. 사판 (60) 의 슈 (76) 와의 접촉면의 중앙 반경은 43 mm 이기 때문에, 슬라이딩 속도는 68 m/sec 이다. #1 ~ #10 의 사판 (60) 중 대표적인 것으로서 #2, #4, #5, #10 의 사판 (60) 을 선택하고, 이들 사판 (60) 과 #11 의 사판에서, 빈윤활 상태에서 눌어붙음이 발생하는 하중을 측정하였다. 본 빈윤활 눌어붙음 하중 시험의 결과를 상기 표 1 에 나타낸다.

표 1 에서 명확한 바와 같이, #11 의 사판에서는 눌어붙음이 발생하는 하중이 3136 N 인데 비하여, 본 발명에 관한 사판 중, 특히 #10 의 사판 (60) 에서는 그 2 배의 하중 (6272 N) 에서 사판 (60) 과 슈 (76) 를 슬라이딩시킨 경우에 눌어붙음이 발생하였다. 본 발명에 관한 그 외의 사판 (#2, #4, #5 의 사판 (60)) 에 대해서도 #11 의 사판과 비교하여 빈윤활 눌어붙음 하중이 매우 컸다.

즉, 본 발명에 의하면, 무윤활 상태나 빈윤활 상태라는 가혹한 슬라이딩 조건 하에서의 내눌어붙음성이 향상되고, 우수한 슬라이딩 특성을 유지하는 사판 (60) 및 슈 (76) 가 얻어지는 것이다.

마모량 시험은 정규의 (실제로 압축기의 통상 운전시에 사용되는) 윤활유를 포함하는 냉매 가스를 사용한 윤활 조건으로 실시하였다. 본 마모량 시험에서는 실제 기계의 사판 회전수를 4500 rpm, 토출압을 고압인 3.43 MPa (35kgf/㎠) 로 설정하여 단속 운전을 실시하였다. 즉, 상기 조건에서 25 초 동안 운전을 실시하고, 5 초 동안 정지시킨다는 작동을 20 시간 동안 반복 실시하였다.

이 마모량 시험은 #1 ~ #5 및 #8 ~ #10 의 사판 (60) 에 대하여 실시하였다. 그 시험 결과를 표 1 에 나타낸다. 표 1 에서 명확한 바와 같이, 슬라이딩층 (164) 중의 PTFE 의 함유율이 높아질수록 사판 (60) 의 마모량이 커지는 경향이 있다. 따라서, 슬라이딩층 (164) 중의 PTFE 의 함유율을 10 vol% ~ 40 vol% 로 하는 것이 내마모성 향상과 내눌어붙음성 향상 양측의 관점에서 바람직하고, PTFE 의 함유율을 14 vol% ~ 35 vol% 로 하는 것이 더욱 바람직하고, 18 vol% ~ 30 vol% 로 하는 것이 특히 바람직하다. 사판 (60) 의 슬라이딩층 (164) 을 이와 같이 구성함으로써, 내마모성 및 내눌어붙음성이 높은 사판 (60) 이 얻어지고, 사판 (60) 및 슈 (76) 의 수명 저하를 양호하게 회피할 수 있다.

상기 #11 의 사판은 SUJ2 (베어링강의 일종인 고탄소 크롬베어링강) 제의 슈와 조합되는 경우에는 상기 슬라이딩 특성 시험과 동일한 조건에서 시험한 경우에, 건조 눌어붙음 시간이 25 초, 빈윤활 눌어붙음 하중 5880 N 과 같이 우수한 슬라이딩 특성을 나타내는 것이지만, 알루미늄 합금으로 이루어지는 모재 (146) 에 Ni-P 도금의 경질층 (150) 및 Ni-P-B-W 도금의 경질층 (152) 이 형성된 슈 (76) 와 조합한 본 시험에서는 표 1 에 나타내는 바와 같이, 건조 눌어붙음 시간이 10 초, 빈윤활 눌어붙음 하중 3136 N 과 슬라이딩 특성이 저하된다. 이는 #11 의 사판을 니켈 도금의 슈 (76) 와 조합한 경우에는 SUJ2 제의 슈와 조합한 경우와 비교하여 마찰 계수가 높아지는 것과 관계가 있고, 시험 도중의 SUJ2 제의 슈 평면부에는 이황화몰리브덴이 전사되어 있는 것에 비하여 니켈 도금의 슈 (76) 에는 전사되지 않는 것과 관계가 있다고 추측된다.

본 발명에 의해, 압축기용 슬라이딩 장치, 범용의 구름 베어링, 엔진의 피스톤과 실린더 블록의 슬라이딩부 등, 가혹한 슬라이딩 조건 하에 사용되는 슬라이딩장치가 제공되며, 현저한 내눌어붙음성 및 내마모성을 나타낸다.

Claims

적어도 폴리테트라플루오루에틸렌을 함유하는 고체 윤활제가 열경화 수지로 경화되어 이루어지고, 또한 폴리테트라플루오루에틸렌의 함유율이 10 ~ 40 vol% 의 범위에 있는 슬라이딩층을 구비한 것을 특징으로 하는 슬라이딩재.
제 1 항에 있어서, 상기 고체 윤활제가 추가로 이황화몰리브덴을 함유하고, 이 이황화몰리브덴의 함유율이 5 ~ 30 vol% 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열경화 수지가 폴리아미드이미드를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩재.
적어도 폴리테트라플루오루에틸렌을 함유하는 고체 윤활제가 열경화 수지로 경화되어 이루어지고, 또한 폴리테트라플루오루에틸렌의 함유율이 10 ~ 40 vol% 의 범위에 있는 슬라이딩층을 구비한 제 1 슬라이딩재와,

니켈계 도금이 실시된 제 2 슬라이딩재가 서로 슬라이딩하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 슬라이딩 장치가 사판식 압축기의 사판과 그 사판위를 슬라이딩하는 슈를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 장치.