JP2007023984A - 圧縮機の摺動部材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】油膜形成能力が高い圧縮機の摺動部材とその製造方法を提供すること。
【解決手段】軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で摺動部材を構成し、摺動部材の少なくとも摺動表面に硬質微粒子を噴射した後に、弾性体で構成し少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を摺動部材の少なくとも摺動表面に投射し、摺動部材の表層部を形成する塑性変形層を加工して硬質粒子を露出させるとともに軟質基材にディンプルと浅く細かい凹部を形成させることにより、露出された硬質粒子が相手材料と浅く細かい凹部との間に適度な隙間を形成し、ディンプルから補給される潤滑油によって楔効果が発揮されるため、油膜形成能力が高い圧縮機の摺動部材が得られるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、業務用、および非業務用を問わず各種用途での冷凍空調に使用されている圧縮機の摺動部材とその製造方法に関するものである。

従来の圧縮機の摺動部材とその製造方法は、基材と表層部の二層構造にして表層部を基材と同じ粉末焼結材で構成しているものであり、基材に偏析部が存在しても、表層部がシリコン等の均一に分散した粉末燒結材であるため、切削仕上げ面も良好で、表面に疲労破壊の起点となるようなシリコンの脱落部が生じない信頼性の高い旋回スクロール部材を形成している（例えば、特許文献１参照）。

図６、図７は特許文献１に記載された従来の圧縮機の摺動部材とその製造方法を示すものである。図に示すように、旋回スクロールは、円板状の鏡板１、その上面部１ｃから渦巻状に直立して形成されるラップ部２、および軸受部３から構成されている。ラップ部の高さは、その肉厚の約６倍程度になっている。鏡板１およびラップ部２の基材１ｂ、２ｂは一体に形成されており、材質は３０％のシリコンと、若干のニッケル、マグネシュームを含有したアルミニウムダイキャスト品である。また、鏡板１の上面部１ｃおよび側面部１ｄとラップ部２のラップ表層部２ａとは基材部と同じ材質の粉末燒結材で構成されている。
特開平３−２４２８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、軟らかいアルミニウムをベースとして硬いシリコンを３０％も含有しているため、表層部１ａ、２ａは粗く、その表面粗さを十分小さくできないという問題を有する。その結果、高負荷運転時、特にＣＯ２冷媒における高差圧運転では高面圧となり、粗さの山が相手材料と接触して金属接触に至る可能性があり、摺動損失が増加して効率の低下を招く恐れがある。

本発明はこのような従来の問題を解決するものであり、軟質基材に硬質粒子を分散してなる材料で構成され、油膜形成能力が高い圧縮機の摺動部材とその製造方法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、本発明の圧縮機の摺動部材とその製造方法は、軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で摺動部材を構成し、摺動部材の少なくとも摺動表面に硬質微粒子を噴射した後に、弾性体で構成し少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を摺動部材の少なくとも摺動表面に投射し、摺動部材の表層部を形成する塑性変形層を加工して硬質粒子を露出させるとともに軟質基材にディンプルと浅く細かい凹部を形成させたものである。

これによって、軟質基材の表面にはその一部にディンプル、すなわち油溜りが形成され、残りには研摩材の投射によって平滑化されているが、浅く細かい凹部が多数形成されている。そして適度に露出された硬質粒子によって相手材料と軟質基材表面の浅い凹部との間に適度な隙間が形成され、ディンプルから補給される潤滑油も加わって潤滑油の楔効果が発揮されて十分厚い油膜が形成される。従って、油膜形成能力が高い摺動部材が得られるものである。

本発明の圧縮機の摺動部材とその製造方法は、摺動によるロスが少なく、かつ耐久性の高い圧縮機の摺動部材を提供することができる。

第１の発明は、軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で摺動部材を構成し、摺動部材の少なくとも摺動表面に硬質微粒子を噴射した後に、弾性体で構成し少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を摺動部材の少なくとも摺動表面に投射し、摺動部材の表層部を形成する塑性変形層を加工して硬質粒子を露出させるとともに軟質基材にディンプルと浅く細かい凹部を形成させることにより、油膜形成能力が高い摺動表面となり、摺動によるロスが少ない圧縮機の摺動部材が得られる。

第２の発明は、第１の発明の硬質粒子の露出高さを１μｍ以下とし、かつ硬質粒子の露出量を面積率で４．７％以上としたことにより、潤滑油の油性効果が大きくなり、耐焼付き性が高い圧縮機の摺動部材が得られる。

第３の発明は、第１または第２の発明の軟質基材を固体潤滑材で被服したことにより、固体潤滑作用によって相手材との馴染み性が発揮されるようになり、始動運転や過渡運転に適した圧縮機の摺動部材が得られる。

第４の発明は、第1〜第３のいずれか１つの発明の軟質基材をＡｌとし、硬質粒子をＳｉとしたことにより、軽くかつ耐焼付き性が高くなり、軽量化に適した高い圧縮機の摺動部材が得られる。

第５の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明の軟質基材をＦｅ系材料とし、硬質粒子を炭化物としたことにより、靭性が高くなり、機械強度が高い圧縮機の摺動部材が得られる。

第６の発明は、第1〜第３のいずれか１つの発明の軟質基材をMg合金としたことにより、更に軽量になり、高速運転に適した圧縮機の摺動部材が得られる。

第７の発明は、第1〜第３のいずれか１つの発明の軟質基材を樹脂としたことにより、小型化が可能となり、低圧な空気圧縮機などに適した圧縮機の摺動部材が得られる。

第８の発明は、第1〜第７のいずれか１つの発明の圧縮機をスクロール圧縮機とし、摺動部材を旋回スクロールとしたことにより、摺動によるロスが少なくなり、効率の高いスクロール圧縮機が得られる。

第９の発明は、第1〜第７のいずれか１つの発明の圧縮機をスライディングベーン型ロータリ圧縮機とし、摺動部材をシリンダとし、シリンダの内周面の少なくとも吐出切欠きの開始位置から上死点までの範囲に研摩材を投射したことにより、シリンダの重量が軽くなり、軽量なスライディングベーン型ロータリ圧縮機が得られる。

第１０の発明は、第1〜第７のいずれか１つの発明の圧縮機をスライディングベーン型ロータリ圧縮機とし、摺動部材をベーンとしたことにより、ベーンの耐摩耗性が高くなり、耐久性の高いスライディングベーン型ロータリ圧縮機が得られる。

第１１の発明は、軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で摺動部材を構成し、摺動部材の少なくとも摺動表面に硬質微粒子を噴射した後に、弾性体で構成しかつ少なくとも表層
部に砥粒を分散させた研摩材を摺動部材の少なくとも摺動表面に投射し、摺動部材の表層部で硬質粒子を覆う塑性変形層を加工することにより、摺動部材の部分的な加工が可能となり、低価格な圧縮機の摺動部材が得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施例によるスクロール圧縮機の断面図である。

図１において、４は密閉容器、５は吸入管、６は吐出管である。密閉容器４内には圧縮機構部７とモータ部（図示せず）が内蔵されている。圧縮機構部７はフレーム８に固定された固定スクロール９と、固定スクロール９に対向配置された旋回スクロール１０と、旋回スクロール１０とフレーム８との間に設けられたオルダムリング１１と、モータ部に連結されているクランク軸１２より構成されている。

固定スクロール９は鏡板９ａ、はね９ｂ、吸入ポート９ｃ、吐出ポート９ｄから構成され、吸入ポート９ｃには吸入管５が接続されている。図２に旋回スクロール１０の断面図を示す。旋回スクロール１０は鏡板１０ａ、１０ｂ、はね１０ｃ、軸受１０ｄから構成され、はね１０ｃの高さは固定スクロール９のはね９ｂの高さより低く設定されている。また、フレーム８には環状溝１３にシール部材１４が設けられ、シール部材１４の内側は高圧に設定されている。この圧力によって旋回スクロール１０は固定スクロール９に押付けられ、旋回スクロール１０と固定スクロール９の軸方向の隙間がシールされている。

図３に旋回スクロール１０の鏡板１０ａ付近の断面組織を示す。旋回スクロール１０は軟質基材であるＡｌ１５ａに硬質粒子である平均粒子径が３〜５μｍの微細な共晶Ｓｉ１５ｄが分散しているＡｌ−Ｓｉ合金より構成されている。固定スクロール９の鏡板９ａ、特にはね９ｂの先端に押付けられて摺働する旋回スクロール１０の鏡板１０ａの少なくともシール部材１４の内側で高圧のかかる部分は、始めに、平均粒子径が１０〜１００μｍのシリカやアルミナなどの硬質微粒子が空気や水とともに噴射され、次に、少なくとも表層部に平均粒子径が０．１〜１０μｍのＳｉＣやアルミナなどの砥粒が分散された平均粒子径が０．１〜１０ｍｍのゴムよりなる研摩材が投射されて表層部の塑性変形層が加工されている。すなわち、Ａｌ地は、その山が除去されて平滑化されているが、その一部にはφ５〜３０μｍのディンプル１５ｂが形成され、残りには浅く細かい深さ１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の凹部、すなわち傷１５ｃが多数形成されている。また、共晶Ｓｉ１５ｄを覆う表層部のＡｌは除去されて共晶Ｓｉ１５ｄは露出されている。

次に、動作について説明する。

モータ部の回転はクランク軸１２を介して旋回スクロール１０に伝達され、オルダムリング１１と協働して旋回スクロール１０を旋回運動させる。この旋回運動によって互いに噛合う位置に配置された旋回スクロール１０と固定スクロール９のはね１０ｃ、９ｂは吸入管５から吸入ポート９ｃを介して冷媒を吸入し圧縮する。圧縮された冷媒は吐出ポート９ｄから密閉容器４内に吐出され、吐出管６から密閉容器４外に導き出される。密閉容器４内は高圧になっている。

さて、ＨＦＣ冷媒における高負荷運転時や特にＣＯ２冷媒による高差圧運転時において摺動状態が厳しくなる旋回スクロール１０の鏡面１０ａのディンプル１５ｂに溜まっている潤滑油は固定スクロール９のはね９ｂの先端との摺動に伴い傷１５ｃに供給され、そこで潤滑油の楔効果が発揮され、十分厚い油膜が形成される。従って、金属接触を防止でき
、摺動によるロスを小さくできる。

また、共晶ＳｉをＡｌ地より１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下で凸とし、その露出量を面積率で４．７％以上にすることにより、共晶Ｓｉ１５ｄのエッジ部が適度に丸められ、潤滑油は共晶Ｓｉ１５ｄに吸着されて油性効果を発揮し、共晶Ｓｉ１５ｄの非凝着性の効果も加わって、耐焼付き性を大幅に向上できる。なお、Ｓｉ面積率４．７％は実験的に求めた、耐焼付き性を確保するのに必要な露出量である。

また、シール部材１４の内側に過大な圧力が発生するが、適度に露出された非凝着性の高い微細な共晶Ｓｉ１５ｄの粒子が固定スクロール９のはね９ｂの先端を支えるため、また共晶Ｓｉ１５ｄに吸着された潤滑油の油性効果によって焼付きは防止され、運転可能な負荷範囲が広いスクロール圧縮機が得られる。

また、固体潤滑材を旋回スクロール１０の鏡板１０ａに塗布すると、馴染み性が向上し、始動時や過渡運転時の運転特性を向上できる。

また、軟質基材をFe系材料とし硬質粒子を炭化物とすると、旋回スクロール１０の靭性が高くなり、はね１０ｃの高さを上げることができ、能力の大きいスクロール圧縮機が得られる。

また、軟質基材をMg合金を用いると、大幅に軽くなり、高速化によって能力制御巾が大きいスクロール圧縮機が得られる。

また、軟質基材として樹脂を用いると、射出成形などによる小型化できるようになり、低圧な空気圧縮などに適したスクロール圧縮機が得られる。

また、この製造方法によって、摺動表面のみの加工が可能となり、摺動部材全体を加工する必要がないので、短時間かつ低コストで摺動部材の加工ができるものである。

（実施の形態２）
図４、図５は本発明の第２の実施例によるスライディングベーン型ロータリ圧縮機の断面図である。

図に示すように、圧縮機２１は、シリンダ２２と、ロータ２３と、ベーン２４と、前部側板２５と、後部側板２６と、駆動軸２７で構成されている。シリンダ２２は内周面を摺接面とした筒状に形成されている。このシリンダ２２は前部側板２５と後部側板２６との間にボルトで固定されている。駆動軸２７は前部側板２５の軸受２８と後部側板２６の軸受２９によって支持されている。この駆動軸２７には円柱状のロータ２３が軸着されている。ロータ２３にはベーン溝３０が形成され、ベーン溝３０には、ベーン２４が摺動自在に収納されている。背圧室３１の圧力によってベーン２４はベーン溝３０から突出する方向に付勢されている。そして、ベーン２４の先端はシリンダ２２の内周面に摺接しながらロータ２３とともに回転し、隣り合うベーン２４の間に吸入室３２と圧縮室３３が形成される。吸入室３２は、シリンダ２２に設けられた吸入口３４に連通し、上記圧縮室３３はシリンダ２２に設けられた吐出切欠き３６を介して吐出口３５に連通している。吐出口３５はリアケース３７に通じ、高圧となっているリアケース３７内の下部には潤滑油３８が貯留されている。なお、３６ａは吐出切欠き３６の開始位置であり、３９は上死点の位置であり、シリンダ２２とロータ２３の隙間が最も小さく設定されている。

シリンダ２２は、軟質基材であるＡｌに硬質粒子で平均粒子径が３０〜５０μｍと比較的大きな初晶Ｓｉと平均粒子径が３〜５μｍの微細な共晶Siが分散しているＡｌ−Ｓｉ合
金より構成されている。シリンダ２２の内周面の少なく吐出切欠３６の開始位置３６ａと上死点位置３９の範囲は、始めに、平均粒子径が１０〜１００μｍのシリカやアルミナなどの硬質微粒子が空気や水とともに噴射され、次に、少なくとも表層部に平均粒子径が０．１〜１０μｍのＳｉＣやアルミナなどの砥粒を分散させた平均粒子径が０．１〜１．０ｍｍのゴムよりなる研摩材が投射されて表面の塑性変形層が加工されている。

すなわち、Ａｌ地は、その山が除去されて平滑化されているが、その一部にはφ５〜３０μｍのディンプルが形成され、残りには浅く細かい深さ１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の凹部、すなわち傷が多数形成されている。また、Ｓｉはそれを覆うＡｌが除去されてＡｌ地より１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の凸とし、面積率で４．７％以上露出されている。なお、ベーン２４の先端にはＮｉ−Ｐ系メッキ層が形成されている。

以下に本実施例による圧縮機の動作について説明する。

エンジンからベルトを介して圧縮機２１の駆動軸２７に動力が伝達されロータ２３が回転する。この回転による遠心力と背圧室３１の圧力によってベーン２４はベーン溝３０から突出し、ベーン２４の先端はシリンダ２２の内周面に摺接しながらロータ２３とともに回転する。ロータ２３の回転に伴って、冷媒は吸入口３４から吸入室３２に吸入され、その後圧縮室３３で圧縮されて吐出口３５そしてリアケース１６を経て外部に吐出される。潤滑油３８は、その一部がシリンダ２２に供給され、前部側板２５、後部側板２６とロータ２３との隙間やシリンダ２２内周面の潤滑が行われる。

さて、高負荷運転時においては、ベーン２４が吐出切欠き３６の開始位置３６ａを通過すると吐出ポート３５と吐出切欠き３６が形成するデッドボユ−ムの再膨張によってベーン２４の先端に作用する圧力が急激に下がり、ベーン２４をシリンダ２２の内周面に押付ける力が急増する。しかし、ベーン２４の摺動によってディンプルに溜まっている油が浅い凹部である傷に供給されて潤滑油の楔効果が現れ、また、適度に露出された非凝着性の高いＳｉの適度に丸められたエッジに吸着された潤滑油が油性効果を発揮するため、耐焼付き性が高い、そして軽量なスライディングベーン型ロータリ圧縮機が得られる。

また、シリンダ２２を鋳鉄とし、ベーン２４を初晶Ｓｉをガスアトマイズによって平均粒子径が３〜５μｍと微細にしたＡｌ−Ｓｉ合金で構成し、ベーン２４の摺動表面に、始めに平均粒子径が１０〜１００μｍのシリカやアルミナなどの硬質微粒子が空気や水とともに噴射し、次に少なくとも表層部に平均粒子径が０．１〜１０μｍのＳｉＣやアルミナなどの砥粒を分散させた平均粒子径が０．１〜１．０ｍｍのゴムよりなる研摩材が投射して表面の塑性変形層を加工することによって、Ａｌ地は、その山が除去されて平滑化されているが、その一部にφ５〜３０μｍのディンプルが形成され、残りには浅く細かい深さ１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の凹部、すなわち傷が多数形成され、Ｓｉはそれを覆うＡｌが除去されてＡｌ地より１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下の凸となり、面積率で４．７％以上露出される。その結果、ベーン２４の摺動表面において潤滑油の楔効果や油性効果が発揮され、また露出されたＳｉによって非凝着性も加わって、ベーン２４の耐久性はあがり、長寿命のスライディングベーン型ロータリ圧縮機が得られる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機の摺動部材とその製造方法は、摺動によるロスが少なく、耐久性の高い圧縮機の摺動部材が得られるので、業務用、および非業務用を問わず各種用途での冷凍空調や給湯等の圧縮機や各種流体機械にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機を示す断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機における旋回スクロールの断面図 本発明の実施の形態１におけるスクロール圧縮機における旋回スクロールの鏡板付近の断面組織図 本発明の実施の形態２におけるスライディングベーン型ロータリ圧縮機を示す縦断面図 本発明の実施の形態２におけるスライディングベーン型ロータリ圧縮機を示す横断面図 従来の旋回スクロールを示す部分断面図 従来の旋回スクロールの外観を示す斜視図

符号の説明

１０ 旋回スクロール
１０ａ、１０ｂ 鏡板
１５ａ Ａｌ地
１５ｂ ディンプル
１５ｃ 浅く細かい傷
１５ｄ 共晶Ｓｉ

Claims (11)

1. 軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で摺動部材を構成し、摺動部材の少なくとも摺動表面に硬質微粒子を噴射した後に、弾性体で構成し少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を摺動部材の少なくとも摺動表面に投射し、摺動部材の表層部を形成する塑性変形層を加工して硬質粒子を露出させるとともに軟質基材にディンプルと浅く細かい凹部を形成させた圧縮機の摺動部材。
2. 硬質粒子の露出高さを１μｍ以下とし、硬質粒子の露出量を面積率で４．７％以上とした請求項１に記載の圧縮機の摺動部材。
3. 軟質基材を固体潤滑材で被服した請求項１または２に記載の圧縮機の摺動部材。
4. 軟質基材をＡｌとし、硬質粒子をＳｉとした請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
5. 軟質基材をＦｅ系材料とし、硬質粒子を炭化物とした請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
6. 軟質基材をMg合金とした請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
7. 軟質基材を樹脂とした請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
8. 圧縮機をスクロール圧縮機とし、摺動部材を旋回スクロールとした請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
9. 圧縮機をスライディングベーン型ロータリ圧縮機とし、摺動部材をシリンダとし、シリンダの内周面の少なくとも吐出切欠きの開始位置から上死点までの範囲に研摩材を投射した請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
10. 圧縮機をスライディングベーン型ロータリ圧縮機とし、摺動部材をベーンとした請求項１から７のいずれか１項に記載の圧縮機の摺動部材。
11. 軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で摺動部材を構成し、摺動部材の少なくとも摺動表面に硬質微粒子を噴射した後に、弾性体で構成しかつ少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を摺動部材の少なくとも摺動表面に投射して摺動部材の表層部で硬質粒子を覆う塑性変形層を加工する圧縮機の摺動部材の製造方法。

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