JP4001257B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対摺動可能に相互接触する第１及び第２部材を備えた圧縮機に関し、特に前記二部材の摺動面に接触摺動性を確保するために施した被覆層の摺動耐久性の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に斜板式圧縮機は、ハウジングの一部を構成するシリンダブロックと、そのシリンダブロックに形成された複数のシリンダボア内に往復動可能に収容された複数のピストンと、クランク室内において駆動軸上に傾斜状態で固定され又は駆動軸に対して傾動可能に設けられた斜板とを備えている。そして、各ピストンの一部を一対のシューを介して斜板の外周部に係留させることで、各ピストンを斜板に作動連結している。この作動連結構成により、駆動軸及び斜板の回転運動をピストンの往復運動に変換可能としている。
【０００３】
かかる斜板式圧縮機においては、斜板とその外周部両面に直接接触する一対のシューとの焼付きをいかに回避し、且つ斜板とシューとの間の摩擦をいかに低減するかということが重要な技術的課題となっている。というのも、斜板式圧縮機においては、圧縮機各部の潤滑を図る目的で冷媒ガスにミスト状潤滑油を運ばせて各部に潤滑油を供給することが行われているが、低温下での圧縮機の運転初期には、潤滑油ミストが斜板に到達する前に、斜板の摺動表面に残存付着していた潤滑油を冷媒ガスが洗浄してしまい、斜板表面がドライ状態（潤滑油が少ない状態）になりやすい。このため、斜板及びシューはドライ条件下での摺動開始を余儀なくさせられる。このように、斜板の摺動条件（又は摺動環境）は非常に厳しい。加えて、昨今オゾン層保護のために旧冷媒に代えて使用され始めたいわゆる新冷媒（例えばＲ１３４ａ）は、旧冷媒以上にドライ状態を現出させやすく、斜板表面の潤滑性改善の要求は益々高くなっている。
【０００４】
このような課題に対して斜板に表面処理を施すという手法での解決を図った従来技術として、特開昭６０−２２０８０号（特公平５−１０５１３号）、国際公開ＷＯ９５／２５２２４号あるいは特開平８−１９９３２７号が存在する。
【０００５】
これらの従来技術のうち例えば特開昭６０−２２０８０号公報は、斜板の金属母材の上に、二硫化モリブデン及びグラファイトをフェノール樹脂等の接着剤で固めた固体潤滑層を施す技術である。この固体潤滑層は、斜板の摺動部表面の潤滑性を改善し、斜板及びシューの接触摺動性を良好として両部材間の耐焼付き性を向上させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術はいずれも所望する潤滑性能が得られるものの、斜板及びシューの摺動面に施された被覆層の耐久性については十分満足できるものではなかった。すなわち、ドライ条件下で繰り返し使用されるうちに被覆層が磨耗もしくは剥がれて穴があくなどして表面に母材が露出する場合があった。
【０００７】
本発明の目的は、圧縮機を構成する二部材間の摺動表面に施された被覆層の耐久性を改善し、二部材間の接触摺動性をより長期にわたり良好に保つことができる圧縮機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対摺動可能に相互接触する第１及び第２部材を備えた圧縮機において、第１部材の摺動面と第２部材の摺動面との少なくとも一方の表面に、金属粒子を含む樹脂からなるコーティング層が施されていることを特徴とする。このコーティング層では、樹脂マトリクス中に存在する金属粒子が摺動面から受ける荷重を支え、樹脂にかかる荷重が相対的に緩和されるため、金属粒子の存在によってコーティング層の耐久性が高まるものと推察される。金属粒子の存在がコーティング層の耐久性を増すことは、新しい技術的知見である。
【０００９】
本発明が適用される圧縮機は、好ましくは斜板式圧縮機である。斜板式圧縮機は、斜板と、斜板の外周部をピストンに係留させるためのシューとを備える。相対摺動可能に相互接触する第１及び第２部材が前述のシュー及び斜板であり、これらの摺動面の少なくとも一方の表面に前述のコーティング層が施される。この場合、斜板及びシューの摺動面表面に存在するコーティング層が高い耐久性を有するため、斜板及びシューの摺動性が長期にわたり良好に保たれる。
【００１０】
コーティング層は金属粒子の粒径に近似する値以下の厚みに研磨されていることが好ましい。例えば金属粒子と樹脂との液状混合物を部材の母材表面に塗布し、塗布層が硬化した後、その表面を金属粒径に近似する値以下の厚みとなるまで研磨する。コーティング層の表面露出の金属粒子は母材に直接接触するか、ほぼ接触状態となる。このため、摺動面にかかる荷重は金属粒子が主に受けとめ、樹脂にかかる荷重が相対的に低減されるため、コーティング層の摺動耐久性が一層高まる。なお、近似する値とは例えば金属粒径の１割増し程度の値である。
【００１１】
また、金属粒子の粒径は、１０〜１００ミクロンの範囲内にあることをが好ましい。粒径が１０ミクロン未満であると、金属粒子が樹脂中に分散して構造的に荷重を受けとめ難くなるうえ、荷重を受けとめられ得る層厚にしようとするとコーティング層の厚みが薄くなるため、コーティング層の摺動耐久性が得られ難い。また、粒径が１００ミクロンを超えると、コーティング層を必要以上に厚くせざるを得ず、過剰の量の材料が必要となるうえ、母材からの剥離等の密着強度上の不具合が生じる場合がある。
【００１３】
コーティング層が第１部材と第２部材のうち一方の表面のみに施される場合、コーティング層中の金属粒子の材質は、コーティング層が施されていない方の部材の金属材質とは異種の金属とし、凝着性を低くすることが好ましい。こうすれば、コーティング層の表面に露出した金属粒子と、相手側の部材の金属との凝着が防がれる。
【００１４】
金属粒子の材質の具体例としては、錫、銀、アルミニウム、銅、亜鉛、ニッケル、シリコン、コバルト、チタン、タングステン、モリブデン、マグネシウム、鉄、及びこれらのうち少なくとも一種を含む合金が挙げられる。金属はこの群から選択される一種のみを使用してもよいし、複数種を混合して使用することもできる。また、コーティング層中に固体潤滑剤を加えることもできる。
【００１５】
樹脂は、粉末状の金属粒子を部材の母材などに接着するためのバインダーとして主に機能する他、コーティング層のマトリクスとして表面に露出してその表面を平滑にするとともに、その表面の固体潤滑性能の発現にも寄与する。コーティング層の形成方法は、例えば金属粒子と樹脂との液状混合物を部材の摺動部表面に塗布し、その後、適当な温度で焼き付けることで行う。塗布方法としてはスプレー法、タンブリング法、転写法、刷毛塗り法のいずれも採用可能である。樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、フッ素樹脂（例えばＰＴＦＥ）および不飽和ポリエステル樹脂などがあげられる。かかる樹脂の一種又は複数種を併用することも可能である。なお、部材の母材に下地層を介してコーティング層を形成することもできる（ただし下地層は省略可能）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の適用対象となる容量可変型斜板式圧縮機の一例を簡単に説明する。図１に示すように斜板式圧縮機は、シリンダブロック１と、その前端に接合されたフロントハウジング２と、シリンダブロック１の後端に弁形成体３を介して接合されたリヤハウジング４とを備え、これらは複数の通しボルト（図示略）により相互に接合固定されて圧縮機のハウジングを構成する。このハウジング内には、クランク室５、吸入室６及び吐出室７が区画されている。シリンダブロック１には複数のシリンダボア１ａ（一つのみ図示）が形成され、各ボア１ａには片頭型のピストン８が往復動可能に収容されている。吸入室６及び吐出室７は、弁形成体３に設けられた各種フラッパ弁を介して各ボア１ａと選択的に連通可能となっている。
【００１７】
クランク室５内には駆動軸９が回転可能に支持されるとともに、第１部材としての斜板１０が収容されている。斜板１０の中央部には挿通孔１０ａが貫設され、この挿通孔１０ａに駆動軸９が挿通されている。この斜板１０は、ヒンジ機構１３及びラグプレート１１を介して駆動軸９に作動連結され、駆動軸９と同期回転可能且つ駆動軸９の軸線方向への摺動を伴いながら駆動軸９に対し傾動可能となっている。そして、斜板１０の外周部１０ｄが前後一対のシュー（カムフォロワ）２０，２０を介して各ピストン８の基端部８ａに摺動自在に係留されることで、全てのピストン８が斜板１０に作動連結されている。駆動軸９とともに所定角度に傾斜した斜板１０が回転すると、各ピストン８が斜板の傾角に対応したストロークで往復動され、各シリンダボア１ａでは、吸入室６（吸入圧Ｐｓの領域）からの冷媒ガスの吸入、圧縮、吐出室７（吐出圧Ｐｄの領域）への圧縮冷媒ガスの吐出が順次繰り返される。
【００１８】
斜板１０は、傾角減少バネ１４によってシリンダブロック１に接近する方向（傾角減少方向）に付勢されている。ただし、例えば駆動軸９上に固定されたサークリップ１５で斜板１０の傾角減少方向への摺動を規制することで斜板１０の最小傾角（例えば３〜５°）が制限される。他方、斜板１０の最大傾角は、例えば斜板１０のカウンタウェイト部１０ｂがラグプレート１１の規制部１１ａに当接することで制限される。
【００１９】
図１の斜板式圧縮機では、制御弁１６を用いてクランク室５の内圧であるクランク圧Ｐｃ（ピストンの背圧）を調節することで、斜板１０の傾角を最小傾角と最大傾角との間の任意の角度に設定できるようになっている。
【００２０】
斜板１０は、その中心域を占めるランド部１０ｃと、ランド部１０ｃを取り囲む鍔状の外周部１０ｄとを有している。ランド部１０ｃは外周部１０ｄに比べて相対的に肉厚であり、挿通孔１０ａ及びカウンタウエイト１０ｂは共にこのランド部１０ｃに形成されている。また、ピストン８の基端部８ａには、斜板１０の外周部１０ｄ及び第２部材としての一対のシュー２０，２０を進入させる凹部８ｂが設けられている。
【００２１】
次に、本発明の特徴部分である斜板の表面構造等について図２を参照しつつ説明する。図２に示すように、一対のシュー２０の各々は凸球面２０ａ及び平坦面２０ｂを有している。ピストン８の凹部８ａの内周面上には、各シュー２０の凸球面２０ａと対向接触する一対の凹球面８ｃが形成され、各シュー２０は凹球面８ｃ上を摺動案内される。斜板１０は、その外周部１０ｄの前後表面２２と各シュー２０の平坦面２０ｂとが接触する状態で、一対のシュー２０によって前後両側から摺動可能な状態で狭持されている。つまり、一対の凹球面８ｃと斜板１０の外周部１０ｄとの間に介在された一対のシュー２０がピストン８の基端部８ａに回動可能に保持されることにより、各シュー２０を介してピストン８の基端部８ａが斜板１０の外周部１０ｄに係留されている。なお、斜板１０の外周部１０ｄの表面２２のうちシュー２０の平坦部２０ｂと摺動する部分が斜板側の摺動面となり、シュー２０の平坦面２０ｂがシュー側の摺動面となる。
【００２２】
ピストン８はアルミニウム合金製（例えばＡｌ−Ｓｉ系合金）で、斜板１０は鉄系材料（例えば鋳鉄）からなる。また、シュー２０は鉄系材料である軸受鋼からなる。ピストン８にはその軽量化を図るためにアルミニウム系材料を使用している。斜板１０にはその慣性モーメントを高くするために密度の比較的高い鉄系材料を使用している。斜板１０とシュー２０が共に鉄系材料で同種の金属材料からなるため、その摺動面で凝着が起こり易い。そのため、斜板１０の外周部１０ｄの表面２２に凝着を防ぐためのコーティング層としての皮膜２３を施している。皮膜２３は斜板１０の母材２４の表面に形成されている。なお、皮膜２３が形成される斜板１０の母材２４は鉄系材料であることに限定されず、例えばアルミニウム系材料であってもよい。
【００２３】
皮膜２３は、斜板１０の外周部１０ｄの表面２２において、少なくともシュー２０との摺動域全てを含む領域に形成されている。このため、シュー２０は、斜板１０に対しては皮膜２３と摺動する。皮膜２３の内部構造および形成方法については次に示す実施例１及び２において詳述する。
【００２４】
次に、斜板１０の表面に形成される皮膜層２３の具体例を示す実施例１，２と、従来技術の範疇に属する比較例について説明する。
（実施例１）
金属粒子として粒径約７０μｍのアルミニウム合金（１２％Ｓｉ−Ａｌ）を使用し、このアルミニウム合金粉末と樹脂としてのポリイミド樹脂とを、アルミニウム合金が６５ｗｔ％、ポリイミド樹脂が３５ｗｔ％の配合比率で混合し、液状混合物を調製した。鉄系材料で構成した斜板母材の表面を洗浄・脱脂した後、アルミニウム合金粒子を分散させたポリイミド樹脂の液状混合物を斜板母材の外周部両面にスプレー法で塗布した。塗布後、２００℃で焼き付けをして膜形成を完了した後、この膜表面に研磨加工を施し、厚さ約５０μｍの皮膜２３を形成した。
【００２５】
（実施例２）
金属粒子として粒径４０〜５０μｍの錫（Ｓｎ）を使用し、この錫粉末と樹脂としてのポリイミド樹脂とを、錫が８０ｗｔ％、ポリイミド樹脂が２０ｗｔ％の配合比率で混合し、液状混合物を調製した。鉄系材料で構成した斜板母材の表面を洗浄・脱脂した後、錫粒子を分散させたポリイミド樹脂の液状混合物を斜板母材の外周部両面にスプレー法で塗布した。塗布後、２００℃で焼き付けをして膜形成を完了した後、この膜表面に研磨加工を施し、厚さ約５０μｍの皮膜２３を形成した。
【００２６】
（比較例）
固体潤滑剤として粒径約１μｍの二硫化モリブデンを使用し、この二硫化モリブデン粉末と樹脂としてのポリイミド樹脂とを、二硫化モリブデンが６０ｗｔ％、ポリイミド樹脂が４０ｗｔ％の配合比率で混合し、液状混合物を調製した。鉄系材料で構成した斜板母材の表面を洗浄・脱脂した後、二硫化モリブデンを分散させたポリイミド樹脂の液状混合物を斜板母材の外周部両面にスプレー法で塗布した。塗布後、２００℃で焼き付けをして膜形成を完了した後、この膜表面に研磨加工を施し、厚さ約５０μｍの皮膜２３を形成した。
【００２７】
（耐久性試験の方法及び評価）
図１のような斜板式圧縮機に前記実施例及び比較例のような斜板を組み込んだ実機を想定した加速試験機を使用し、斜板／シュー間での連続摺動耐久性試験を行った。この試験機では、斜板の外周部表面の周方向等角度（１８０°）の位置に２個のシューをそれぞれの端面を接触させるとともにバネにより斜板表面に圧接させる方向に付勢する状態で配置し、この状態で斜板を高速回転させる。シューと斜板の接圧は実機に合わせた。また、この試験では、実機での起動直後の状態を想定してオイルレス環境下（潤滑油の量を通常の１０％程度と想定）の潤滑油条件（流体潤滑条件）を採用した。斜板の回転数は実機の通常回転数の約２倍の９２００ｒｐｍとし、斜板をこの回転数で８時間回転させた。
【００２８】
以上の実施例１，２並びに比較例の斜板の素材構成と試験結果をまとめたものが以下の表１である。試験後のシュー／斜板間における焼付き等の不具合の有無を目視で評価した。斜板の外周部表面をアルミニウム合金粒子または錫粒子をポリイミド樹脂に混合した皮膜２３を施した実施例１，２では、連続摺動耐久性試験においても斜板およびシューの摺動部表面のいずれにも何らの異常も見られなかった。これに対し、斜板の外周部表面に固体潤滑層を施した比較例では、表面において若干の焼付きの異常が見られた。固体潤滑層は実機では一応の効果が得られるものであることから、実施例１，２は共に摺動耐久性の点で固体潤滑層よりも優れることが確認された。
【００２９】
【表１】

なお、実施の形態は、上記に限定されず次のような態様でも実施できる。
【００３０】
○ コーティング層中に固体潤滑剤を加えることも可能である。固体潤滑剤としては、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、窒化ホウ素、酸化アンチモン、酸化鉛、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）およびスズ（Ｓｎ）、ＰＴＦＥがあげられる。使用される固体潤滑成分は、前述の群から選択される少なくとも一種であることは好ましく、又、前記固体潤滑成分を複数種混合して用いることもできる。
【００３１】
なお、固体潤滑成分には金属も含まれるが、本発明の金属粒子との違いは、金属粒子は粒子であること（粒子性）が挙げられる。また、金属粒子の粒径はコーティング層の厚みに近似する値以上に大きいことが好ましく、粉末状の固体潤滑剤に比べて径が大きいことが好ましい。また、金属粒子の形態が等方性を有することが好ましい。金属粒子の形態が例えば鱗片状（薄片状）や針状などのような異方性を有していると、コーティング層（皮膜２３）の層方向に配向して存在することになるため、コーティング層の摺動耐久性が得られ難くなる。また、金属粒子の含有率が高いことが好ましい。例えば３０％以上の体積含有率がよく、好適には４０％以上の体積含有率、最適には５０％以上の体積含有率がよい。金属粒子の体積含有率が高いほど（金属粒子が高充填であるほど）、金属粒子が荷重を受けとめる働きをし易く、コーティング層の摺動耐久性の向上に寄与する。
【００３２】
○ 金属粒子の粒径はコーティング層（皮膜２３）の厚みに近似する値より小さくてもよい。例えば金属粒子の粒径を１０〜２０μｍとし、コーティング層の厚みを金属粒子の粒径の約２倍とすることもできる。この場合、金属粒子の体積比率が高ければ、コーティング層の表面と母材表面との間に金属粒子が連なって存在するようになり、金属粒子が荷重を効果的に受けるため、コーティング層の摺動耐久性は高まる。
【００３３】
○ 皮膜２３の下層に母材と異なる下地層が形成されていてもよい。下地層としては例えば銅合金層を形成することができ、例えば溶射法で形成する。
○ 斜板１０の母材２４の表面に粗面化処理（面粗度は例えば３〜１０μｍの範囲）を施し、皮膜２３と母材２４との密着性の向上を図ることもできる。
【００３４】
○ 本発明が適用可能な部位は、斜板／シュー間の摺動部位に限定されるものではなく、以下に示す(a)〜(c)の接触摺動部位に本発明が適用されてもよい（つまり、第１及び第２部材の組合せとして次の組合せがあげられる）。
【００３５】
(a)シュー２０とピストン８との間。
(b)駆動軸９と斜板１０との間。
(c)ピストン８の外周面とシリンダブロック１のシリンダボア１ａの内周面との間。
【００３６】
○ 本発明は斜板式圧縮機に適用が限定されるものではなく、スクロール型圧縮機等の他のタイプの圧縮機に適用されてもよい。
前記実施形態及び別例から把握される請求項以外の技術的思想を、以下に記載する。
【００３８】
前記金属粒子の粒径（平均粒径）は、３０〜８０ミクロンの範囲内である。この場合、コーティング層の摺動耐久性がさらに高まり、しかもコーティング層の厚み管理がし易くなる。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、圧縮機を構成する二部材間の摺動表面に施された被覆層の耐久性を改善し、二部材間の接触摺動性をより長期にわたり良好に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される片頭ピストン型斜板式圧縮機の縦断面図。
【図２】斜板とシューとの関係の概略を示す拡大断面図。
【符号の説明】
８…ピストン、１０…第１部材としての斜板、１０ｄ…外周部、１６…駆動軸、２０…第２部材としてのシュー、２０ｂ…平坦面、６…吸入室、７…吐出室、２２…斜板の摺動面を含む外周部表面、２３…コーティング層としての皮膜、２４…斜板の母材。

Claims (7)

1. 相対摺動可能に相互接触する第１及び第２部材を備えた圧縮機において、前記第１部材の摺動面と前記第２部材の摺動面との少なくとも一方に、金属粒子を含む樹脂からなるコーティング層が施され、前記コーティング層は前記金属粒子の粒径に近似する値以下の厚みに研磨されていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記圧縮機は斜板式圧縮機であり、該斜板式圧縮機は、相対摺動可能に相互接触する第１及び第２部材として、斜板と、該斜板の外周部をピストンに係留させるためのシューとを備えており、前記斜板と前記シューの摺動面の少なくとも一方の表面に、前記コーティング層が施されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記金属粒子の粒径は、１０〜１００ミクロンの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記コーティング層は、前記第１部材と第２部材のうち一方のみに施されており、該コーティング層中の金属粒子の材質は、該コーティング層が施されていない方の部材の金属材質との凝着性の低い異種の金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記金属粒子の材質は、錫、銀、アルミニウム、銅、亜鉛、ニッケル、チタン、タングステン、モリブデン、マグネシウム、鉄、及びこれらのうち少なくとも一種を含む合金からなる群から選択される一種又は複数種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮機。
6. 前記樹脂材質は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、フッ素樹脂および不飽和ポリエステル樹脂からなる群から選択される一種又は複数種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧縮機。
7. 前記コーティング層中に固体潤滑剤を加えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧縮機。

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