JP4654744B2

JP4654744B2 - 圧縮機の摺動部材

Info

Publication number: JP4654744B2
Application number: JP2005115308A
Authority: JP
Inventors: 秀夫平野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: JP2006291885A

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５、図６は特許文献１に記載された従来の圧縮機の摺動部材の斜視図とその要部断面図で、スクロール圧縮機の旋回スクロールを示すものである。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、および鏡板１背面に形成された軸受部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（Ｓｉ）と、若干のニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）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、軟らかいアルミニウム（Ａｌ）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、介在する潤滑油によってシールされているラップ間の隙間は、高負荷比運転時やＣＯ_２冷媒における高差圧運転時には部分的な吹き抜けが起きてシールが破壊される可能性があり、漏れが増大して効率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、平滑でシール性能に優れた圧縮機の摺動部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、本発明の圧縮機の摺動部材は、ゴムよりなる弾性体で構成して少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を、軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で構成する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、硬質粒子を露出させるとともに軟質基材に浅く細かい凹部を多数形成させた圧縮機の摺動部材であって、前記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％以上としたたものである。

これによって、研摩材が摺動部材の摺動表面で変形する際に表層部に分散する砥粒が横滑りするのを利用して、軟質基材の突起を除去して摺動表面を平滑にするとともに軟質基
材に細かい油溜りを多数形成する。また、硬質粒子を覆っている薄い軟質基材を除去して非凝着性の高い硬質粒子を露出させ、その硬質粒子が相手材を支えるブリッジ作用が加わってシール性能の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は、内部漏れや摺動によるロスが少ない、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、ゴムよりなる弾性体で構成して少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を、軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で構成する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、硬質粒子を露出させるとともに軟質基材に浅く細かい傷を多数形成させ、かつ、前記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、平滑で非凝着性の高い摺動表面となり、シール性能が高く内部漏れの少ない圧縮機の摺動部材が得られるのはもちろん、油の楔作用が発揮されるようになり、摺動ロスが小さく、かつ耐焼付き性が高い圧縮機の摺動部材が得られる。

第２の発明は、第１の発明の軟質基材を固体潤滑材で被覆したことにより、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３の発明は、第１または第２の発明の軟質基材をアルミニウム（Ａｌ）とし、硬質粒子をシリコン（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４の発明は、第１または第２の発明の軟質基材を鉄（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５の発明は、第１または第２の発明の軟質基材をマグネシウム（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６の発明は、第１または第２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７の発明は、第１〜第６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、圧縮機後部のシール性能が高くなり、効率の高いスクロール圧縮機が得られる。

第８の発明は、第１〜第６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９の発明は、第１〜第６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。

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の実施の形態によるスクロール圧縮機の要部断面図で、圧縮機構部近傍の断面を示す。

図１において、スクロール圧縮機１の密閉容器４内には圧縮機構部７とモータ部（図示せず）が内蔵され、圧縮機構部７に吸入管５が接続されて密閉容器４の上部に吐出管６が接続されている。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との間に設けられて旋回スクロール１０の自転を規制するオルダムリング１１と、モータ部に連結されているクランク軸１２とに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、はね１０ｂ、軸受１０ｃから構成され、はね１０ｂ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を形成してシール部材１４が設けられ、シール部材１４の内周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。

旋回スクロール１０は、軟質基材であるＡｌに硬質粒子である平均粒子径が３μｍ〜５μｍの微細な共晶Ｓｉが分散しているＡｌ−Ｓｉ合金に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の内周側で高圧のかかる部分は、少なくとも表層部に平均粒子径が０．１μｍ〜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０．１ｍｍ〜１０ｍｍのゴムよりなる研摩材が投射されて表面が加工されている。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、その表面には浅く細かい凹部が多数形成されている。また、共晶Ｓｉを覆う表層部のＡｌは除去されて共晶Ｓｉ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のはね９ｂ，１０ｂが噛み合う位置に配置された固定スクロール９と旋回スクロール１０は、吸入管５から吸入ポート９ｃを介して冷媒を吸入して圧縮する。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外に排出される。したがって、密閉容器４内は高圧になっている。

このようにして構成されたスクロール圧縮機１は、ＨＦＣ冷媒における高負荷運転時や特にＣＯ_２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は平滑であり、かつ油溜りの効果もあって隙間が潤滑油によってしっかりシールされているので、内部漏れがなく能力は確保される。

表面加工について詳細には、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、適度に凹となったＡｌ地において潤滑油の楔効果が発揮され、摺動ロスが軽減して高効率な運転ができる。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。

シール部材１４の内側に大きな圧力が作用するが、適度に露出された非凝着性の高い微細な共晶Ｓｉ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、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、旋回スクロール１０のはね１０ｂ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、軟質基材に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ができるようになり、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３、図４は本発明の第２の実施の形態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、スライディングベーン型ロータリ圧縮機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とで構成されている。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とが形成される。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３０μｍ〜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の内周面の少なくとも吐出切欠３６の開始位置３６ａと上死点位置３９の範囲は、少なくとも表層部に平均粒子径が０．１μｍ〜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０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのゴムよりなる研摩材が投射されて表面が加工されている。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、その表面には浅く細かい凹部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。

以下に本実施の形態による圧縮機の動作について説明する。

エンジン（図示せず）からベルトを介してスライディングベーン型ロータリ圧縮機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１３で圧縮されて吐出口１５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リュー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、適度に露出された非凝着性の高いＳｉがベーン２４の先端を支えることによって、また適度に設けられたＡｌ地の段差によって潤滑油の楔効果も得られて、摺動ロスが小さく、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３μｍ〜５μｍと微細にしたＡｌ−Ｓｉ合金で構成し、少なくとも表層部に平均粒子径が０．１μｍ〜１０μｍのＳｉＣやアルミナなどの砥粒を分散させた平均粒子径０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのゴムよりなる研摩材をベーン２４の摺動表面投射して加工することによって、Ａｌ地は、その山が除去されて平滑になり、その表面には浅く細かい凹部が多数形成され、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が発揮され、また露出されたＳｉによって非凝着性が高くなってベーン２４の耐久性は向上し、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は、内部漏れや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の要部断面図同スクロール圧縮機の旋回スクロールの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の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の圧縮機構部の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

９固定スクロール
１０旋回スクロール
１０ａ鏡板
２１スライディングベーン型ロータリ圧縮機
２２シリンダ
２４ベーン

Claims

ゴムよりなる弾性体で構成して少なくとも表層部に砥粒を分散させた研摩材を、軟質基材に硬質粒子を分散させた材料で構成する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、硬質粒子を露出させるとともに軟質基材に浅く細かい凹部を多数形成させた圧縮機の摺動部材であって、前記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％以上とした圧縮機の摺動部材。
軟質基材を固体潤滑材で被覆したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機の摺動部材。
軟質基材をＡｌとし、硬質粒子をＳｉとしたことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機の摺動部材。
軟質基材をＦｅ系材料とし、硬質粒子を炭化物としたことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機の摺動部材。
軟質基材をＭｇ合金としたことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機の摺動部材。
軟質基材を樹脂としたことを特徴とする請求項１または２記載の圧縮機の摺動部材。
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６のうちいずれか一項に記載の圧縮機の摺動部材。
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６のうちいずれか一項に記載の圧縮機の摺動部材。
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６のうちいずれか一項に記載の圧縮機の摺動部材。