JP3740178B2

JP3740178B2 - スクリュウロータ及びスクリュウ式圧縮機並びにその製法

Info

Publication number: JP3740178B2
Application number: JP26653794A
Authority: JP
Inventors: 達雄名取; 優和青木; 光明羽田; 宗男水本; 正男川邑; 岩夫青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: JPH08121361A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧縮機，送風機および真空ポンプなどに使用されるスクリュウ式回転機械およびこの回転機械のロータ表面処理方法に係り、とくにメンテナンスフリー、高性能を可能とし、かつドライ方式に好適なスクリュウ式圧縮機およびこの圧縮機に用いるロータの表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品が互いに接触し摺動する界面においては、摩擦摩耗現象が発生する。従って摺動面に、何らかの潤滑剤を介在させる対応策が通常なされている。◆
この潤滑材を大別すると油、水などの液体潤滑材と、四フッ化エチレン樹脂（以下ＰＴＦＥと称する），２硫化モリブデン（以下ＭｏＳ₂と称する），グラファイト（以下Ｃと称する）などの固体潤滑材（以下コーティング材と称する）があげられる。
【０００３】
前者の歴史は古く、その用法も簡易であるが油の飛散などによる製品の汚染、環境に与える影響など、近年無視できない問題点も露呈されつつある。◆
後者については、比較的歴史も新しく、種々の技術的難点も存在するが、そのクリーン性が歓迎され、近年特にドライな固体潤滑方式への適用が進められている。
【０００４】
固体潤滑方式を採用している実例として、本願発明に係るスクリュウ式圧縮機を採りあげ以下に説明する。◆
スクリュウ式流体機械においては、ケーシング内でオスロータとメスロータとが互いに噛み合いながら回転して、ケーシングと両ロータとによって形成される空間を軸方向に移動しつつ縮小して上記空間内の流体を圧縮している。
【０００５】
また、スクリュウ式流体機械においては、摺動部分の潤滑方式として、流体とともに油をケーシング内に供給して両ロータ間およびこの両ロータとケーシングとの間を油冷するいわゆる油冷式と、ケーシング内に油を供給しないいわゆるドライ方式とがある。
【０００６】
上記のうち、前者の油冷式はオスロータとメスロータとが油膜を介して接触しているので、オスロータが駆動ギヤを介して接続するモータによって回転したとき、オスロータの回転によってメスロータも回転する。そのため、メスロータには回転駆動機構を設置する必要がなく構成を簡単にすることができる。
【０００７】
また油冷式は両ロータの回転によって発生する摩擦熱を油で冷却することができるので、両ロータが焼付くのを防ぐことができる。◆
その反面、油冷式は流体が油滴，油の蒸気によって汚染されるので、食品産業，ハイテク産業などのクリーンな流体を必要とする分野に適用することができないという問題がある。
【０００８】
これに対してドライ式は圧縮流体に油が混入しないため、クリーン流体となる特長を有する。◆
その反面ドライ式は両ロータを非接触にした状態で回転させるため、両ロータが同期して回転できず、両ロータの軸端部に同期歯車を設置する必要があり、油冷式に比較して構造が複雑となる。◆
また両ロータが非接触であるため、流体の漏洩が発生しやすく圧縮効率が低下するという問題がある。
【０００９】
このように油冷式とドライ式とはそれぞれ長所，短所を有しているが、ドライ方式は流体漏洩を極限的に少なくすることにより、メリットの大きい方式となる。
【００１０】
ドライ式スクリュウ式圧縮機のロータは、吐出側において３００〜３５０℃もの高温にさらされる。また、運転停止の際、ロータ周囲の高温空気の温度が低下する為、空気中の水分が凝縮しロータ表面に付着し、これがロータ材の腐食を促進するなどの問題がある。
【００１１】
従って、ロータに塗布するコーティング材には良好な潤滑性の他に、更に耐熱性と耐食性が要求される。従来のコーティング材は、潤滑性は良好であるが、高温（たとえば２５０〜３５０℃）下で使用されることを前提としている場合は少なく、従って耐熱性、耐食性の良好なものについての開発は必ずしも十分とは言えなかった。その理由はスクリュウ式圧縮機のような使用条件の対象が殆んど無かったことが原因と思われる。
【００１２】
すなわち、従来のスクリュウ式圧縮機はオイル式のものが殆んどであり、これについてはオイルが潤滑材であるから、コーティング材使用の必要性は皆無であった。ところが、近年、食品、製薬及び半導体製造などのハイテク産業が特にクリーンな圧縮空気を必要とするようになった為、ドライ式のスクリュウ式圧縮機の需要が急速に増大しており、この傾向は今後とも続く情勢にある。
【００１３】
すなわち、かかる無給油式（ドライ）圧縮機において、その体積効率などの性能を向上させるためには、オスロータとメスロータ間の隙間および各ロータとケーシング間の隙間をできるだけ少なくする必要がある。◆
しかし、これらの隙間を小さくする為には、オス・メス両ロータ及びケーシングについて研削などの機械加工精度を極端に上げる必要がある。また加工精度を上げて隙間を極限に近く小さくした場合、ロータの熱歪、タイミングギアのバックラッシュおよびロータ軸受などの隙間に起因するオス・メスロータ同士の接触、若しくはロータとケーシングの接触などに起因する焼着、破損などの故障が発生する。
【００１４】
そのためオス・メス両ロータ間の隙間を極小化する目的で各種の提案がなされている。例えば、▲１▼歯形形状の最適化、▲２▼ロータ表面に合成樹脂を被覆し共ずりにより不要なコーティング膜を初期のなじみ運転で除去して隙間を小さくする。
【００１５】
後者に関しては、特開昭５８−４８７９２号公報や特開昭６１−１９７７９４号公報には、ロータの表面にＰＴＦＥなどを塗布することが開示されている。◆
また、特開平２−２０１０７２号公報には、オスロータとメスメータの表面に対して、バインダーとして高分子プラスチックを主体に用い、ＭｏＳ₂等を混合した非金属物質を被覆し、その皮膜厚さを０.１〜２mmに形成するものが開示されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＰＴＦＥを用いる例においては、オス・メス両ロータを接触させると、ＰＴＦＥ被膜は溶着、剥離又は摩耗などが発生しやすく故障原因につながり易い。
【００１７】
また、ＭｏＳ₂は固体潤滑性が優れているが、従来の配合組成では高温下で長期的には徐々に酸化し、その潤滑性は漸減してしまう傾向がある。また、その被膜厚さが０.１〜２mmもあるため例えば前記の共ずり現象を起こさせるために、オスロータとメスロータを接触させるにはコーティング層は厚すぎ、皮膜は剥離しやすい。また皮膜が厚いため隙間の増加に伴い性能が低下すると共に吐出空気温度の過度な上昇を招き易いという問題がある。
【００１８】
ロータのコーティング材の主成分として従来より用いられているＭｏＳ₂の酸化温度は４００℃以上といわれている。しかしながら、この温度は酸化が加速促進される温度と考えられており、表１（固体潤滑ハンドブック、９３頁、幸書房）に示すように３００℃以下の温度でも、速度は遅いものの酸化は起こることを示しており、温度条件の厳しいロータ表面に被覆したＭｏＳ₂にとって非常に厳しい条件となっている。
【００１９】
【表１】

【００２０】
酸化が発生すると、図１に示すようにコーティング層内のＭｏＳ₂が三酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）に変質し、硫黄分は酸化してガス化し腐食の原因となると考えられる。これと共に、ＭｏＯ₃はバインダーとの結合力が弱くなって脱落し、膜厚の減少、剥離が発生し、コーティング本来の目的を発揮できなくなるものと考えられる。
【００２１】
一方、本発明の適用対象であるオイルフリースクリュウ式圧縮機の運転中のロータ表面の温度は、ロータの吸入側で５０〜１００℃、中間部で１２０〜１５０℃、吐出側で２２０〜３００℃程度である。さらに吐出温度保護リレーが作動する寸前においては最高３２０〜３５０℃程度まで上昇すると考えられる。◆
したがってスクリュウ式圧縮機では耐熱性の向上と共にＭｏＳ₂の酸化を防止することがコーティング技術の最も重要な課題である。
【００２２】
本発明の目的は、高温に曝されても潤滑性や耐久性を失わない耐熱性良好なコーティング材を被覆したスクリュウロータおよびそのスクリュウロータを適用した信頼性の高いスクリュウ式圧縮機並びにスクリュウロータの製法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的のスクリュウロータに関しては、以下の手段を備えることにより達成される。
【００２７】
（１）軸方向の外表面に螺旋状の歯形を形成してなるスクリュウロータにおいて、スクリュウロータは表面にＰＡＩからなる層を備え、その層の上にバインダーをＰＡＩとし、ピグメントとしてＭｏＳ2、Ｓｂ2Ｏ3及びＣを分散させた固体潤滑材被膜を備える。
【００２９】
（２）上記（１）において、Ｓｂ2Ｏ3、ＭｏＳ2及びＣは粒子として固体潤滑材被膜に備える。
【００３０】
（３）上記（１）において、固体潤滑材被膜は、ＰＡＩが１２乃至１８重量部、ＭｏＳ2が５乃至７重量部、Ｓｂ2Ｏ3が３乃至５重量部、Ｃが０．７乃至０．９重量部の範囲から選択した配合からなる。
【００３１】
また、上記目的のスクリュウ式圧縮機に関しては、以下の手段を備えることにより達成される。
【００３２】
（４）ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ式圧縮機において、ロータの両方若しくはいずれか一方に、上記（１）乃至（３）のいずれかのスクリュウロータを備える。
【００３３】
（５）ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ式圧縮機において、ロータのいずれか一方に上記（１）乃至（３）のいずれかのスクリュウロータを備え、他方のロータの表面にニッケル−リンめっき被膜を備える。
【００３４】
（６）ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ式圧縮機において、ロータのいずれか一方に上記（１）乃至（３）のいずれかのスクリュウロータを備え、他方のロータの表面に被膜内にＰＴＦＥを分散させたニッケル−リンめっき被膜を備える。
【００３６】
（７）ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ式圧縮機において、ケーシングのオスロータとメスロータが相対する表面にバインダーをＰＡＩとし、ピグメントとしてＭｏＳ 2 、Ｓｂ 2 Ｏ 3 及びＣを分散させた固体潤滑材被膜を備え、かつ前記固体潤滑材被膜は、ＰＡＩが１２乃至１８重量部、ＭｏＳ2が５乃至７重量部、Ｓｂ2Ｏ3が３乃至５重量部、Ｃが０．７乃至０．９重量部の範囲から選択した配合からなる。
【００３７】
さらに、上記目的のスクリュウロータの製法に関しては、以下の手段を備えることにより達成される。
【００４０】
（８）軸方向の外表面に螺旋状の歯形を形成してなるスクリュウロータの製法において、螺旋状の歯形を形成したスクリュウロータの表面に、ＰＡＩを塗布した後、その表面にＳｂ2Ｏ3を分散させた固体潤滑材を塗布し、加熱することにより固体潤滑材被膜を形成する。
【００４１】
（９）軸方向の外表面に螺旋状の歯形を形成してなるスクリュウロータの製法において、螺旋状の歯形を形成したスクリュウロータの表面に、ＰＡＩを塗布し、加熱した後、その表面にバインダーをＰＡＩとし、ピグメントにＭｏＳ2、Ｓｂ2Ｏ3及びＣを分散させた固体潤滑材を塗布し、加熱することにより固体潤滑材被膜を形成する。
【００４２】
【作用】
ＭｏＳ₂とＣを含むコーティング材にＳｂ₂Ｏ₃を添加すると、コーティング被膜中のＭｏＳ₂，Ｃなどの潤滑性粒子の酸化を防ぐ作用をする。すなわち被膜中にＳｂ₂Ｏ₃が存在することにより、被膜内に侵入してきた空気中の酸素を選択的に捕捉し、Ｓｂ₂Ｏ₃自身が先に酸化することにより、ＭｏＳ₂やＣの酸化を防止する。従ってコーティング材の潤滑性は長期間維持される。
【００４３】
またＳｂ₂Ｏ₃は、それ自体、ＭｏＳ₂ほどではないが若干の潤滑性をもっており、また展伸性も良いので、Ｓｂ₂Ｏ₃の存在自体もコーティング材皮膜の潤滑性維持に寄与する。◆
バインダーとして、耐熱性の高いＰＡＩを用い、その割合を１２ないし１８％とすることによって、空気中の酸素や水分、及び停止時の凝縮水がコーティング膜中に侵入することを阻止する。従って、ロータ表面の腐食を防止すると共にピグメント中のＭｏＳ₂およびＣを効果的に被覆することにより、その酸化、劣化を防いで潤滑性を長期間維持する。
【００４４】
ＰＡＩは、本来熱可塑性樹脂の一種であるが、イミド基を含むため熱硬化性の機能も併せ持つ樹脂である。したがって、塗布後の焼き付き温度と時間を適宜選択することにより、アミド酸がイミド環に変化するため熱硬化特性が顕著になり熱変形温度が上昇し、塗膜の耐熱性が向上する。また、ＰＡＩは溶剤により容易に液状化するため、塗布に際して潤滑剤粒子及び添加粒子との混合分散が確実に行える。なお溶剤は、ジメチルアセトアミドなどを用いると良い。
【００４５】
さらに、オスロータまたはメスロータのどちらか一方のロータの表面にＰＡＩを粘結剤としたＭｏＳ₂，Ｓｂ₂Ｏ₃及びＣを潤滑粒子としたコーティング材（以下コーティング材 No.５と称する）を塗布した表面層を形成し、他方のロータを金属で形成するか、若しくは両ロータの表面をコーティング材 No.５で被覆する。上記いずれの場合においても、両ロータはタイミングギヤで同期回転させる構造とするか、前記に加えロータの歯形そのものに転がり接触点の存在しない歯形を使用することにより、コーティング膜としてのコーティング材の相互すり合わせ（共ずり）によって、オス・メス両ロータのクリアランスを可能な限りゼロに近づけ、圧縮性能の飛躍的向上を図ることができる。具体的方法としては、オスロータにコーティング材 No.５を塗布しメスロータには、この種の潤滑コーティング膜を施さず硬質表面のままとする。ここで硬質表面とは、金属ロータをコーティング膜なしか、或いは硬質金属メッキを施した、いわゆる硬質表面を指す。
【００４６】
基礎実験として行ったアムスラ摩擦摩耗試験（以下アムスラ試験と略す）によれば、ＭｏＳ₂などを主成分とするコーティング膜同士の組合せでは、長時間（例えば６時間）の試験において試験片に塗布したコーティング膜はほとんど剥落する。◆
しかしながら片方のロータ、例えばオスロータの表面が硬質の場合、メスロータに塗布されたコーティング膜の被覆が摩耗し始める時間は、両ロータ表面がコーティング材で塗布されている場合に比べて２倍もの長時間を要する。また摩耗開始後においてもその減少率は徐々の変化をみせるのみならず摩耗し始めて部分的に剥げ落ちて金属素地がみられても、すぐに剥落部にその近傍の健全部のコーティング膜が徐々に移動してその欠陥部を埋める。
【００４７】
即ち本発明のコーティング膜を用いた上記組合せによれば、コーティング膜が自己修復性を有するという被膜の長寿命化に好適な現象が認められた。◆
さらには自分修復が完了したあとのコーティング膜は、その後の長時間試験に於いても摩耗減少は殆ど見られなくなり今回の実験条件においては当初のコーティング膜の約２０〜３０％の厚さはそのまま極めて長時間維持される。
【００４８】
【実施例】
スクリュウロータへの適用に先立ち、まずコーティング被膜の検討結果について述べる。◆
検討は表２に示す耐熱性を向上できると思われる各種のコーティング材について行った。
【００４９】
【表２】

【００５０】
表の中で、比較の基準となる従来のコーティング材としてNo.１のＭｏＳ₂を検討した。No.２のＣは、No.１のＭｏＳ₂に対し耐熱性の向上を期待したものである。
【００５１】
また、No.３はＭｏＳ₂と三酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）とを混合したものであり、Ｓｂ₂Ｏ₃によるＭｏＳ₂の酸化防止効果による耐熱性向上を期待したものである。No.４は、No.３の固形分を増量したもの、No.５はNo.４に更にＣを添加し耐熱性の改良を図ったものである。なお、No.１からNo.５まではバインダとしてＰＡＩを用いた。
【００５２】
No.６はバインダーを無機系の珪酸塩としコーティング材を窒化ほう素（ＢＮ）として４００℃以上の高温耐熱性を目的としたものである。◆
No.７は２層からなり、下層にＰＡＩを約３μｍ、上層にNo.５を配置したものである。◆
以上７種類のコーティング材について耐熱性、耐食性等のスクリーニングテストを行った。検討した各試料の被膜厚さは約２０μｍとした。表３に、以下に示す結果をまとめて示す。表中の評価は、▲印が実用上問題あり、△印が若干問題あり、○印が問題なし、二重丸印が全く問題なしとした。
【００５３】
【表３】

【００５４】
テストピースにはφ３０×５ｔのステンレス鋼（SUS420）を用い、サンドブラスト処理の後、所定のコーティング材を約２０μｍの厚さに塗布して２００℃で１時間焼き付けたものを用いた。
【００５５】
(1) 耐熱性試験◆
耐熱性は粘着テープによるコーティング膜の剥離試験で判定した。◆
上記のテストピースを、３８０℃で２０時間加熱した後、加熱のみによる被膜の剥離すなわちピーリングの発生の有無を調べた。次にテストピース中央部に粘着テープを貼付し１ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧した後、ゆっくりテープをはがし、被膜の剥離状態を観察し耐熱性を判定した。
【００５６】
その結果、No.２は、No.１のＭｏＳ₂より耐熱性の優れたＣが主成分であるにもかかわらず剥離程度はNo.１より大でありピーリングも発生した。◆
ＭｏＳ₂にＳｂ₂Ｏ₃を加えたNo.３とNo.４は、No.１に比べて程度の差はあるものの、剥離の度合いが小さかった。また、No.５とNo.７は剥離がほとんどなく良好であり、No.６は剥離が全くなく最も良好であった。
【００５７】
(2) 耐食性試験◆
各種のコーティング材を塗布した上述のテストピースを、３６０℃で２０時間加熱後、温度６０℃、湿度９０％ＲＨの恒温恒湿槽中に１００時間保持の後表面の発銹状況を観察した。◆
その結果、No.２には全く腐食が見られず、ＭｏＳ₂＋Ｓｂ₂Ｏ₃を基本にしたNo.３、No.４、No.５はＭｏＳ₂のみのNo.１に比べて、同等もしくはやや良好であった。しかし、No.６は他のものに比べ銹の発生が多く認められた。
【００５８】
(3)潤滑性試験◆
各種コーティング材を塗布後のテストピースを、３６０℃で２０時間加熱し、その後上述の湿潤試験（６０℃×９０％ＲＨ×１００時間）を行った後、回転円盤に球形ボールを押し付けるピンオンディスク試験により、摩擦係数が０．３になるまでの総回転数を試料No.１の値を基準に相対回転数比により比較し潤滑耐久性を評価した。試験結果を図２に示す。
【００５９】
No.１と無機系のNo.６は他のものに比べ潤滑耐久性は良くない。◆
これに対し、No.４、No.３、No.７、No.２、No.５の順に潤滑性が向上している。特にNo.５はNo.１の約９倍の結果となり耐久性の高いことが判明した。
【００６０】
以上の検討結果をまとめた表３から明らかなように、それぞれに一長一短があるが、No.１と比較して、耐食性や潤滑性を低下させること無く、耐熱性を大幅向上させるという観点からは、ＰＡＩをバインダーとしＭｏＳ₂を主成分としてこれにＳｂ₂Ｏ₃、Ｃを加えたNo.５が最も良好であることが判明した。
【００６１】
つぎに、このNo.５の配合の最適配合範囲を検討した。◆
コーティング材は、溶剤と、バインダーとしての樹脂、および潤滑材粉末（以下ピグメントと称する）より成る。◆
溶剤の量は、使用条件によって適宜設定するが、乾燥時に蒸発するため乾燥後のコーテング膜中には通常溶剤は存在しないため、一定値（７５重量部）とし、またバインダーも１５重量部とし、ピグメントについて以下の配合の検討を行うことした。配合の割合は表４に示す。
【００６２】
ＭｏＳ₂は主たるコーティング材であり、ドライ下での潤滑作用は、このＭｏＳ₂の存在が大きい。しかし、前述したように、高温下においては空気中の酸素との間に酸化が促進され、２ＭｏＳ₂＋３Ｏ₂→２ＭｏＯ₃＋２Ｓ₂（ガス）の反応が進行し、その結果生成されたＭｏＯ₃は、剥離しやすい。また、かりに皮膜内に残留したとしても、潤滑性が低いため固体潤滑材の機能を全体として低下させる。
【００６３】
そこで、まず表４に示す配合１乃至配合５のように、Ｓｂ₂Ｏ₃とＣを一定としＭｏＳ₂の割合を変え、また配合６乃至配合１０のように、ＭｏＳ₂とＣを一定としＳｂ₂Ｏ₃の割合を変えて検討を行った。
【００６４】
【表４】

【００６５】
その結果、Ｓｂ₂Ｏ₃によるＭｏＳ₂の酸化防止効果は、Ｓｂ₂Ｏ₃の増加につれて向上するが、ＭｏＳ₂に比べてＳｂ₂Ｏ₃の比率が大きすぎると、潤滑性が低下してしまうことがわかった。その理由は相対的にバインダーとしてのＰＡＩの量が不足するためと考えられる。◆
従って、適正なＭｏＳ₂／Ｓｂ₂Ｏ₃の比は１．２〜２．０であり、さらに１．５が最適値であることが判明した。
【００６６】
次に、ＭｏＳ₂／Ｓｂ₂Ｏ₃の値を１．５一定とし、バインダーとしてのＰＡＩの割合を５乃至３０重量部の範囲内で変えて検討した。その結果、耐熱性、潤滑性および耐摩耗性のいずれもＰＡＩの割合によって影響を受けることが判明し、耐熱性はＰＡＩの割合が多い方が良好である傾向が明らかとなった。
【００６７】
しかし、潤滑性は、ＰＡＩが１４重量部付近にピークが認められ、また、耐摩耗性は、ピークがやや高い方に移り、約１６重量部付近であり、総合的にはＰＡＩの配合は１２乃至１８重量部の範囲が適正であることが判明した。
【００６８】
次に、Ｃの最適配合量の検討を行った。表４の配合１１乃至配合１５に示すように他の因子を固定し、Ｃのみ０．６乃至１．０重量部の範囲で変化させた。この結果、Ｃは０.７〜０.９重量部の範囲が良好であり、０．８重量部が最適値であることがわかった。◆
以上の検討結果から、コーティング材の構成は表５に示す割合が良好であることが明らかとなった。
【００６９】
次に、コーティング膜の焼き付け温度について検討した。上述した検討には２００℃で１時間焼き付け処理した試料を用いたが、温度のみを２００乃至４４０℃の間で２０℃ごとに変えた試料を用い、ピンオンディスク試験により潤滑性、耐摩耗性の評価を行った。検討した試料は表５の配合割合のものであり、表２のNo.５のものを用いた。なお溶剤は、ジメチルアセトアミドなどを用いると良い。
【００７０】
【表５】

【００７１】
潤滑性の試験結果を、図３に示す。図は試料の摩擦係数が０．３になるまでの回転数を、表２に示す従来品No.１の値を基準として求めたNo.５の相対回転数比を示す。図に明らかなように従来品の結果に対し、２００℃において、すでに寿命が約１０倍ある結果が示されているが、焼き付け温度の上昇に従って徐々に寿命が延び３２０℃を越えると急激に寿命が増加し、３６０℃から４４０℃の範囲では従来のものに比べ６０乃至８０倍の寿命増加を示した。また、焼き付け処理後に６０℃×９０％R/H×１００時間の湿潤条件下においた試料のピンオンディスク試験結果でもほぼ同様の潤滑性の向上がみられた。
【００７２】
次に、耐摩耗性の検討結果について述べる。◆
耐摩耗性の評価は、アムスラ試験機を用いて行った。試験は４０ｍｍ径で長さ１０ｍｍのリング状試料２ケを１０ｋｇｆで押し付け、１９０ｒｐｍで、相対滑りを１０％発生させて摺動する方法により行う。試料の内の一方はステンレス鋼ＳＵＳ４２０材を用いた。
【００７３】
No.５のコーティング膜を施した試料の焼き付け温度とアムスラ試験による摩耗粉が発生し始めるまでの時間の関係を求めた。図４にその結果を示す。図から明らかなように２０５℃以下では、従来のコーティング膜No.１の方が良好な結果となった。しかしこの温度を境として高温側ではNo.５が良好な耐摩耗性を示すようになり、３００℃で焼き付けたものでは摩耗粉の発生し始める時間はNo.１の約１８０倍となった。また温度が上昇すると摩耗粉発生までの時間が短くなるNo.１に対してNo.５は加熱温度の上昇とともに摩耗粉発生までの時間が長くなり、さきに述べた潤滑性能試験の結果と合わせ、従来の有機系バインダーとＭｏＳ₂を用いた固体潤滑剤に比べ高温特性が格段に向上した。
【００７４】
以下、上述の検討結果に基づいて明らかになった耐熱性が最も良好だった上記No.５のコーティング材を実際の装置に適用した。◆
本発明の一実施例を図５により説明する。図５は、本実施例に関するスクリュウ式圧縮機の構造を示す断面図である。オスロータ１は、一方の軸端に配設したピニオンギヤ３で駆動され、他方の軸端に配設されたタイミングギヤ４でメスロータ２を同期回転させる。オス・メスロータ間には冷却用の油は噴射されず、ロータの噛み合いによって吸入口Ａから吸入された空気は、高圧、高温となって吐出口Ｂから吐出される。オスロータとメスロータは、ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０）を用いた。
【００７５】
オス・メスロータは転がり軸受５で支持され、ケーシング６内で回転する。軸受と各ロータ歯部の間には軸封部８が配設され、軸受５を浸した油が、圧縮室Ｃ内へ侵入するのを防止している。◆
図６は、オスロータとメスロータの噛み合わせ状態を示す図５のＫ−Ｋ部分の断面図、図７はオスロータとメスロータへの被膜の被覆状態を説明する概略断面図である。オスロータとメスロータは、互いに接触する摺動面に上記No.５のコーティング材を被覆し２５０℃で１．５ｈｒ焼き付け処理を施し、２０μｍの被膜を形成した。被膜の具体的配合は、溶剤７５：重量部、バインダー：１５重量部、ＭｏＳ₂：６重量部、Ｓｂ₂Ｏ₃：４重量部、Ｃ：０．８重量部とした。
【００７６】
なお、コーティング膜は歯形部及び軸方向の端面部にも被覆した。◆
圧縮機の運転条件は、回転数２４０００ｒｐｍ、吐出圧力７ｋｇｆ／ｃｍ²とし、起動後５分間運転して停止し、再起動する行程を３００００回繰り返した後、被膜を目視及び顕微鏡観察した。まず、目視観察では互いのロータの接触部分はコーティング膜が薄く削りとられた痕跡が認められるが、膜の変色はなく、前述した粘着テープによる剥離試験でも剥離は生じなかった。
【００７７】
比較に行った従来のコーティング膜No.１（ピグメントの主成分はＭｏＳ₂）の表面は、高温となる吐出側に変色部が発生していた。◆
次に、ロータを切断しコーティング膜の断面観察を行なった。コーティング膜の断面は、図８に示すようにバインダーであるＰＡＩ５１の中に粒状のピグメントが分散配置しており、Ｘ線分析の結果、それらはＭｏＳ₂粒子５２、Ｓｂ₂Ｏ₃粒子５３及びＣ粒子５４であることが分かった。比較に行った従来のコーティング膜No.１（ピグメントはＭｏＳ₂のみ）を観察した結果では、Ｍｏは残留しているが顕在化しておらず、Ｓが大幅に減少しＭｏは酸化が進行したＭｏＯ₃の形で、且つ形状も不明確な状態で残っていることが判明した。このＭｏＯ₃は、潤滑性がなく摺動部のコーティング膜としては不十分な状態に変質していることが判明した。
【００７８】
No.５のコーティング材の耐熱性が良い理由は、Ｓｂ₂Ｏ₃が膜中に侵入した酸素と選択的に反応しＭｏＳ₂の酸化を防いでいると考えられる。◆
以上の結果から、ＰＡＩをバインダーとし、ピグメントとしてＭｏＳ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃及びＣの粒子を混合したコーティング膜は、熱による変色が無く膜の性状も大きく変化しておらずスクリュウ式圧縮機のロータの耐熱性潤滑被膜として好適であることが判明した。
【００７９】
本発明の他の実施例を、図９により説明する。◆
図９は、本実施例のロータの部分断面を示す概略断面図である。◆
オスロータ１は炭素鋼で製作し、その表面に上記のNo.５のコーティング材によりＭｏＳ₂：７重量部、Ｓｂ₂Ｏ₃：５重量部、Ｃ：０.９重量部及びバインダーとしてのＰＡＩ：１８重量部よりなるコーティング膜１０を設けた。被膜の焼き付け処理条件は３００℃×１ｈｒで行った。一方、メスロータ２もオスロータと同種の素材で製作し、その表面に無電解Ｎi−Ｐメッキ被膜１２を設けた。
【００８０】
オスロータ１とメスロータ２の周速は異なっているため、表面部には相対すべりを生じる。これによってオスロータ１とメスロータ２の干渉する部分では、メスロータ２側のＮi−Ｐメッキ被膜１２が軟質層であるオスロータ１のコーティング膜１０を研削する。すなわちメスロータ２表面上の高硬度層であるＮi−Ｐメッキ被膜１２によって、オスロータ１表面の軟質層が研削され、オスロータ形状に相応したメスロータの表面形状が創出される。研削された軟質層の粉末は、空気の流れと共に機外へと排出される。
【００８１】
これによって従来、運転中のロータ歯形部の温度分布を事前に想定し、ロータ歯形部の形状を室温時の形状に置き換えて高精度に加工していたが、実際の個々の圧縮機の各歯形部位置における膨張状態に相応して相手歯形が創出され、予め、運転状態に両ロータが干渉する寸法、即ち研削代を残しておくことにより、極小かつ最適のロータ間ギャップが確保できる。またメスロータ２は、第５図に示すタイミングギヤ４によって駆動されているためにオスロータ１の運転により、メスロータ２の歯形を回転創成仕上げを行った後には、接触は発生しなくなり、それ以上メスロータ２の表面層を減肉させることはなく、良好な接触状態を保持して運転させることができる。◆
なお本実施例では、メスロータに硬質な表面被膜を設けたが、オスロータとメスロータの被膜を換えても同様の結果が得られた。
【００８２】
本発明の他の実施例を、図９及び図１０により説明する。本実施例に用いたオスロータ１は、前記実施例のものと同様のものを用いた。前述の実施例とは、図９のメスロータ２の表面の無電解Ｎi−Ｐメッキ被膜１２中に、図１０に示すようにＰＴＦＥの粒子９を分散させた点が異なる。また、オスロータ及びメスロータを収納するケーシングを鋳鉄製とした。
【００８３】
本実施例の構造では、メスロータは上述したコーティング被膜No.５と接触し、コーティング被膜No.５の干渉部分を必要な部分だけ削り落す。また、鋳鉄製のケーシングの内側との接触部において、ケーシング内壁との干渉部分を削り取り、さらにＰＴＦＥが摺動面に付着しロータとケーシングと摩擦係数を低減しかじりや、焼付き等の現象の発生を防止する。なお本実施例においても、前述の実施例同様メスロータに硬質な表面被膜を設け、オスロータに上述のコーティング材No.５の被膜を設けたが、オスロータとメスロータの被膜を換えても同様の結果が得られた。
【００８４】
本発明の他の実施例を図１１により説明する。◆
本実施例のオスロータ１は、図１１に示す断面構造から明らかなようにその表面にＰＡＩのみの層１６を形成し、その上に上述のコーティング材No.５の被膜を設けた２層構造からなるコーティング膜を備えている。メスロータ２は、その表面にＮi−Ｐメッキ被膜１２を設けた。この組合せのスクリュウロータをスクリュウ式圧縮機に組込んで長期連続運転した後に、その表面を観察したところ上記実施例と同様にコーティング材No.５の被膜は変色部も剥離部もなく良好であった。本実施例によるとロータとコーティング材No.５の被膜は、コーティング材No.５のバインダＰＡＩにより結合され、ロータ側のＰＡＩのみの層はピグメントが混合していないためロータとの接着強度が増すとともに、耐食性が増す。
【００８５】
本発明の他の実施例を図１２により説明する。◆
本実施例のスクリュウロータは、メスロータの表面に上述のコーティング材No.５の被膜を設け、オスロータの表面にＮi−Ｐメッキ被膜を設けたものを用いている。
【００８６】
熱膨張による干渉によって相手側ロータの創成仕上げをより円滑に行うために、歯形を図１２に示すようにオスロータ１の転がりピッチ円径dpmをオスロータの歯底径dimより小さく、同時にメスロータ２の転がりピッチ円径dpfをメスロータ２の歯先径dofより大きく取る。これにより各々のロータのかみ合い回転時に、転がり接触を行う歯形部分がなくなり、即ち相対すべり速度が全ての部分に存在するため、オスロータ１表面に設けた高硬度層がメスロータ表面へ接触した際、必ず相手側のロータ表面が仕上げられる。
【００８７】
特にオイルフリースクリュウ式圧縮機において、圧縮効率を向上させるためにはロータ間のギャップを小さくする必要があるが、実際の運転状態での熱膨張状態の歯形を全ての断面で予測することは困難でありロータの接触を防止するために、ある程度の安全を見込み、予測より大きめのギャップを設定しているが、本発明によれば、接触により相手の歯形の干渉部を最終仕上し、かつロータ間のかじり付きを起さぬため、圧縮機の空気漏洩による損失を低減でき、信頼性を損なうことが無い。
【００８８】
尚、最終歯形への仕上げは、予め予想する運転最高温度に少しづつ運転温度を上げながら接触部の研削を徐々に行わせて行くのが良い。さらに、本実施例のオスロータ及びメスロータのコーティング膜を逆にしても、またオスロータの表面に被膜を被覆しない場合にも同様の結果が得られた。さらに、両ロータの表面に異なる硬さのコーティング膜を塗布しても同様の結果が得られた。
【００８９】
本発明の他の実施例を、図１３により説明する。図１３は、前述の図６に相当する両ロータの噛み合わせ状況及びケーシングとの関係を示す概略断面図である。
【００９０】
オスロータ１の表面に厚さ約２０μｍのＰＴＦＥ１０％入りの複合Ｎi−Ｐメッキ層を設けた。またメスロータ２の表面にはＭｏＳ₂：５重量部、Ｓｂ₂Ｏ₃：３重量部、Ｃ：０．７重量部及びバインダとしてのＰＡＩ：１２重量部よりなるコーティング膜１２を約２０μｍの厚さに設けた。両ロータともに、夫々の被膜は軸方向の端面部分にも被覆した。
【００９１】
ケーシング３には、オスロータ１及びメスロータ２と相対する部分と両ロータの軸方向の端面と相対する部分に上記メスロータ２の表面に施した被膜１５を約４０μｍの厚さに設けた。ケーシング３の被膜厚さがロータに比べて厚いのは、ロータは回転しているため軸方向に直角な断面では温度分布がほぼ一様になるが、ケーシングは回転せず吐出部付近が高温となり、吐出部付近において不均一な膨張が生じるため、膨張による変形を吸収するためである。
【００９２】
このような被膜をロータ及びケーシングの摺動面に形成してスクリュ圧縮機を連続運転した結果、性能の大幅向上が実現でき、且つ従来の被膜に比べメンテナンス期間を４倍まで延長させることができた。試験後の内面を観察したところ、ロータ及びケーシングの各摺動部分は共ずりの痕跡が認められ、それぞれの摺動部分の隙間が圧縮空気の漏洩を最小限にすることができたと考えられる。
【００９３】
本実施例では、ロータの端面部にも被膜を被覆したがケーシング側のロータ端面との対応部に被膜を被覆しているため、ロータ側の端面部分は除去しても同様の効果が得られる。
【００９４】
また、本実施例におけるオスロータとメスロータの被膜を逆に設けても同様の結果が得られた。
【００９５】
なお、上記の各実施例では、オスロータとメスロータが一対のもについて説明したが、本発明はオスロータとメスロータが一対以上で構成されるスクリュウ式圧縮機にも同様に適用できる。
【００９６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ドライスクリュウ式圧縮機に用いるロータ及びケーシング表面に、ポリイミドアミド樹脂をバインダーとし、ＭｏＳ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃及びＣをピグメントとしたコーティング材を塗布し、高温度で焼き付けることにより、ロータの吐出側に生ずる高温加熱化現象に対しても耐熱性があり、且つ耐摩耗性の高いコーティング被膜を形成できる。
【００９７】
また、共ずりによってロータ相互間及びロータとケーシング間の隙間を極少化することにより圧縮性能の大幅な向上ができるとともに、加工精度を高精度にする必要がないため、加工工数の低減をすることができる。
【００９８】
また、耐熱性及び耐摩耗性が向上したため、従来に比べメンテナンス期間を大幅に延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コーティング被膜の剥離メカニズムを説明する図である。
【図２】表２に示すコーティング膜の潤滑性試験結果である。
【図３】ピンオンディスク試験による被膜の焼き付け温度と潤滑性との関係図である。
【図４】アムスラ試験による被膜の焼き付け温度と潤滑性との関係図である。
【図５】本発明の一実施例に係わるスクリュウ式圧縮機の断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係わるオスロータとメスロータとの噛み合い状態を示す概略断面図である。
【図７】オスロータとメスロータの被膜の被覆状態を示す概略断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係わるコーティング膜の断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係わるロータの被膜の被覆状態を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施例に係わるコーティング膜の断面図である。
【図１１】本発明の一実施例に係わるオスロータとメスロータとの噛み合い状態を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係わるオス・メス両ロータの噛み合わせ状況の説明図である。
【図１３】本発明の一実施例に係わるオスロータとメスロータとの噛み合い状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…オスロータ、２…メスメータ、３…ピニオンギヤ、４…タイミングギヤ、５…軸受、６…ケーシング、８…軸封部、１０，１２…コーティング被膜。

Claims

軸方向の外表面に螺旋状の歯形を形成してなるスクリュウロータにおいて、前記スクリュウロータは表面にポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）からなる層を備え、その層の上にバインダーをＰＡＩとし、ピグメントとして二硫化モリブデン（ＭｏＳ 2 ）、三酸化アンチモン（Ｓｂ 2 Ｏ 3 ）及びグラファイト（Ｃ）を分散させた固体潤滑材被膜を備えてなることを特徴とするスクリュウロータ。
請求項１において、前記Ｓｂ2Ｏ3、ＭｏＳ2及びＣは粒子として前記固体潤滑材被膜に備えてなることを特徴とするスクリュウロータ。
請求項１において、前記固体潤滑材被膜は、前記ＰＡＩが１２乃至１８重量部、ＭｏＳ2が５乃至７重量部、Ｓｂ2Ｏ3が３乃至５重量部、Ｃが０．７乃至０．９重量部の範囲から選択した配合からなることを特徴とするスクリュウロータ。
ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ圧縮機において、前記ロータの両方若しくはいずれか一方に、請求項１乃至３のいずれかのスクリュウロータを備えてなることを特徴とするスクリュウ式圧縮機。
ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ圧縮機において、前記ロータのいずれか一方に請求項１乃至３のいずれかのスクリュウロータを備え、他方のロータの表面にニッケル−リンめっき被膜を備えてなることを特徴とするスクリュウ式圧縮機。
ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ圧縮機において、前記ロータのいずれか一方に請求項１乃至３のいずれかのスクリュウロータを備え、他方のロータの表面に被膜内に四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）を分散させたニッケル−リンめっき被膜を備えてなることを特徴とするスクリュウ式圧縮機。
ケーシング内に互いに噛み合うオスロータとメスロータを少なくとも一対備えるスクリュウ圧縮機において、前記ケーシングの前記オスロータとメスロータが相対する表面にバインダーをＰＡＩとし、ピグメントとしてＭｏＳ 2 、Ｓｂ 2 Ｏ 3 及びＣを分散させた固体潤滑材被膜を備えてなり、かつ前記固体潤滑材被膜は、前記ＰＡＩが１２乃至１８重量部、ＭｏＳ2が５乃至７重量部、Ｓｂ2Ｏ3が３乃至５重量部、Ｃが０．７乃至０．９重量部の範囲から選択した配合からなることを特徴とするスクリュウ式圧縮機。
軸方向の外表面に螺旋状の歯形を形成してなるスクリュウロータの製法において、前記螺旋状の歯形を形成したスクリュウロータの表面に、ＰＡＩを塗布した後、その表面にＳｂ2Ｏ3を分散させた固体潤滑材を塗布し、加熱することにより固体潤滑材被膜を形成してなることを特徴とするスクリュウロータの製法。
軸方向の外表面に螺旋状の歯形を形成してなるスクリュウロータの製法において、前記螺旋状の歯形を形成したスクリュウロータの表面に、ＰＡＩを塗布し、加熱した後、その表面にバインダーをＰＡＩとし、ピグメントとしてＭｏＳ2、Ｓｂ2Ｏ3及びＣを分散させた固体潤滑材を塗布し、加熱することにより固体潤滑材被膜を形成してなることを特徴とするスクリュウロータの製法。