(57)【要約】【課題】軽量で、叩き音を低減させることができ、線膨張係数が小さくて強度及び摺動特性に優れ、かつ比較的安価で提供できるロータリコンプレッサ用ベーンを提供する。【解決手段】内部空間を有するカムリングと、このカムリング内部に回転可能に設けられたローターと、このローター外周面に形成されるベーン溝内に進退移動自在に挿入されると共に前記カムリング内壁に沿って摺動する先端部を有するベーンと、前記カムリングを挟んで相対向するように配された一対のサイドブロックと、これらサイドブロックと前記カムリングとを保持するケーシングとを有し、前記カムリング内壁に先端部を接触させたベーンにより圧縮室が形成されるロータリコンプレッサ用のベーンを、フェノール樹脂に補強繊維、固体潤滑材、及び充填材を配合してなるものとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を有するカムリングと、このカムリング内部に回転可能に設けられたローターと、このローター外周面に形成されるベーン溝内に進退移動自在に挿入されると共に前記カムリング内壁に沿って摺動する先端部を有するベーンと、前記カムリングを挟んで相対向するように配された一対のサイドブロックと、これらサイドブロックと前記カムリングとを保持するケーシングとを有し、前記カムリング内壁に先端部を接触させたベーンにより圧縮室が形成されるロータリコンプレッサ用のベーンであって、
フェノール樹脂に補強繊維、固体潤滑材、及び充填材を配合してなることを特徴とする、ロータリコンプレッサ用ベーン。
【請求項２】
前記フェノール樹脂３０〜５０重量％、補強繊維２０〜４０重量％、固体潤滑材１０〜３０重量％、及び充填材２０〜４０重量％からなることを特徴とする、請求項１に記載のロータリコンプレッサ用ベーン。
【請求項３】
前記充填材がチタン酸カリウム繊維であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のロータリコンプレッサ用ベーン。
【請求項４】
前記補強繊維がベーンに加わる曲げ応力の方向に対してほぼ垂直に配向されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータリコンプレッサ用ベーン。
【請求項５】
フェノール樹脂粉末、補強繊維、固体潤滑材、及び充填材を水に分散させ、この分散物からシート状素材を形成し、このシート状素材をほぼベーンの輪郭に打ち抜き、打ち抜いたシート状素材を金型に入れてシート状素材の厚み方向に加圧しつつ加熱することにより硬化させたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータリコンプレッサ用ベーン。
【請求項６】
前記硬化後、２００〜２３０℃でアニーリングしたことを特徴とする、請求項５に記載のロータリコンプレッサ用ベーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリコンプレッサ用ベーンに関する。より詳細には、カムリング（シリンダー）と、このカムリングの内部に設けられたローターと、ローターの外周面にローターの回転軸線に対して平行に形成された溝に、ローターの半径方向に進退自在に保持された複数のベーンとを有し、隣接するベーンがローターから突出したその先端部でカムリングの内壁に押し付けられて、カムリング内部の空間を圧縮室に仕切るようになされた形式のロータリコンプレッサ用ベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ベーンタイプのロータリコンプレッサにおいては、カムリングと、その内部に収容されるローターとの間に形成される空間を、複数のベーンがいくつかの圧縮室に仕切っている。
【０００３】
そのベーンの材質としては、従来、鉄系、アルミニウム系等の金属材料が広く使用されているが、これらの金属製ベーンは次のような問題を有している。
【０００４】
まず、近年、コンプレッサの軽量化のために、ベーンと摺動するロータやカムリング等の素材としてアルミニウムを基材とするものが広く用いられているが、その場合、相互の摺動面において潤滑の不具合が生じることがある。従って、摺動特性を確保するために、摺動相手の表面にポリテトラフルオロエチレンの塗装を施したり、ベーンの摺動部にもメッキ処理を施したりすることが行われているが、これらの処理のために価格的に高価なものとなっている（例えば、特開平８−１７７７６７号公報参照）。
【０００５】
特に、エアコンの冷媒圧縮用として使用されることの多いベーン型コンプレッサは、環境問題対策としてオゾン層破壊を起こさせない冷媒を使用することが急務の課題となっているが、新冷媒として使用されているＨＦＣ１３４ａは潤滑性に乏しいため、それらの使用に際しては、特に摩耗に起因するコンプレッサの耐久性低下について十分な検討が必要となっている。
【０００６】
また、ベーン型コンプレッサの運転においては、ロータの溝からベーンが遠心力等によりカムリングに向けて振り出されてカムリング内壁に接触し、またロータの溝に戻って行という前進後退移動の繰り返し運動を行っており、その運動に際し、カムリング内壁等との間で叩き音を発生させ、金属製ベーンではこの叩き音が大きいことが問題となっている。
【０００７】
これらの問題に鑑みて樹脂素材を使用したベーンが提案されつつあり、その例としては、ポリアミドイミド又はポリイミドを使用し、補強繊維として短繊維のカーボンファイバーを使用したもの（特開平９−２５８８５号公報参照）、ベーンの中心部に補強板を入れ、周囲をポリイミド樹脂で被覆したもの（実開昭５５−１２８７１３号公報参照）等が挙げられるが、これらの従来技術では、いずれも使用する樹脂が高価であり、製造工程も複雑であるという問題があった。
【０００８】
本発明者らは、これに対し、より安価な樹脂で上記問題を解決するベーンを製造することを試みたが、運転による温度上昇に伴いベーンが膨張して、ロータに設けられた溝との間の隙間が詰まり、スムーズに摺動しなくなる場合があった。また、高圧力がかかった際にベーンが割れてしまうという不具合も生じていた。
【特許文献１】特開平８−１７７７６７号公報
【特許文献２】特開平９−２５８８５号公報
【特許文献３】実開昭５５−１２８７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、金属製ベーンと比較して軽量で、叩き音を低減させることができ、線膨張係数が小さくて強度及び摺動特性に優れ、かつ従来の樹脂製ベーンより安価で提供できるロータリコンプレッサ用ベーンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のロータリコンプレッサ用ベーンは、内部空間を有するカムリングと、このカムリング内部に回転可能に設けられたローターと、このローター外周面に形成されるベーン溝内に進退移動自在に挿入されると共に前記カムリング内壁に沿って摺動する先端部を有するベーンと、前記カムリングを挟んで相対向するように配された一対のサイドブロックと、これらサイドブロックと前記カムリングとを保持するケーシングとを有し、前記カムリング内壁に先端部を接触させたベーンにより圧縮室が形成されるロータリコンプレッサ用のベーンであって、上記の課題を解決するために、フェノール樹脂に補強繊維、固体潤滑材、及び充填材を配合してなるものとする（請求項１）。
【００１１】
上記ロータリコンプレッサ用ベーンは、フェノール樹脂３０〜５０重量％、補強繊維２０〜４０重量％、固体潤滑材１０〜３０重量％、及び充填材２０〜４０重量％からなることが好ましい（請求項２）。
【００１２】
充填材としては、チタン酸カリウム繊維を好適に用いることができる（請求項３）。
【００１３】
補強繊維は、ベーンに加わる曲げ応力の方向に対してほぼ垂直に配向されていることが好ましい（請求項４）。
【００１４】
上記ロータリコンプレッサ用ベーンは、フェノール樹脂粉末、補強繊維、固体潤滑材、及び充填材を水に分散させ、この分散物からシート状素材を形成し、このシート状素材をほぼベーンの輪郭に打ち抜き、打ち抜いたシート状素材を金型に入れてシート状素材の厚み方向に加圧しつつ加熱することにより硬化させることにより得ることができる（請求項５）。
【００１５】
硬化後は、２００〜２３０℃でアニーリングすることがより好ましい（請求項６）。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のロータリコンプレッサ用ベーンは、金属製のものと比較して軽量であり、叩き音を低減させることができ、強度及び摺動特性にも優れたものとなる。従って、快適性の向上にも寄与できる。また、フェノール樹脂を使用するため、従来の樹脂製ベーンと比較して安価で提供可能となる（請求項１）。
【００１７】
特に請求項２の配合割合を採用した場合、熱による線膨張係数を従来のアルミ材と同程度に抑えることが可能であり、十分な摺動特性が得られる。摺動特性が向上するとロータリコンプレッサの耐久性を向上させることができる。また、ロータリコンプレッサの始動時における潤滑剤の乏しい状態での摺動性も確保でき、耐摩耗性の厳しい条件下にあっても、機能を確保することができる。
【００１８】
請求項３のように充填材としてチタン酸カリウム繊維を用いた場合は、線膨張係数の抑制が顕著であり、寸法安定性が特に優れたものとなる。
【００１９】
請求項４のように補強繊維が配向した場合には、コンプレッサ運転時にベーンに加わる曲げ応力に対して十分な強度を有するものとなる。
【００２０】
上記した本発明のロータリコンプレッサ用ベーンは、請求項５に記載の方法により容易に製造することができる。特に抄造行程を経て、加圧・加熱成形を行うことにより、補強繊維が絡み合いつつ、ベーンに加わる曲げ応力の方向に対してほぼ垂直に配向したものとすることができ、高い曲げ強度と低い線膨張係数を確保することが可能となる。
【００２１】
特に、請求項６のように２００〜２３０℃でアニーリングすることにより樹脂の架橋密度を高め、高温域での線膨張率をより低く抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のベーンが適用されるロータリコンプレッサの構造の概要を図１及び図２を用いて説明する。図１はロータリコンプレッサの要部を示す断面図であり、図２は同側断面図である。但し、これらの図に示されたロータリコンプレッサは一例であって、この通りの形状を有するものに限定されることはない。
【００２３】
ロータリコンプレッサは、図１に示すように、内部空間を有するカムリング（シリンダー）１０と、このカムリング１０の内部に回転可能に設けられたローター２０とを有する。このローター２０の外周面には複数のベーン溝２１が形成され、各ベーン溝２１内にベーン３０が進退移動自在に挿入されている。図２に示すようにカムリング１０に隣接するようにサイドブロック４１が配され、これらサイドブロック４１とカムリング１０はケーシング５１，５２の内部に保持されている。
【００２４】
ベーン３０は図３に示したように平板状で、少なくとも一の側面３１が曲面に形成されている。ベーン３０は、この曲面をなした面３１がカムリング１０側を向くようにベーン溝２１内に挿入され、その先端部がカムリング１０の内壁に沿って摺動する。これにより、例えば吸入した冷媒を圧縮する圧縮室６１，６２等が形成されるようになされている。
【００２５】
本発明で使用するフェノール樹脂の種類は特に限定されないが、ベーンとして望ましい物性が得られ、かつ後述する抄造法で水に分散させて製造する際にモノマー成分の溶出がないものが好ましく、そのようなフェノール樹脂の例としては、鐘紡（株）製のベルパール（商標）が挙げられる。また、フェノール樹脂は水に分散させて、シート状素材を抄造できるように微細な粒子からなる粉末であることが好ましく、その粒径は通常は１〜１００μｍ程度が適当である。粒子の形状は特に限定されない。
【００２６】
次に補強繊維は、従来より樹脂の強度向上のために使用されてきたものを特に制限なく使用することができ、例としては、アラミド繊維、ガラス繊維、セラミック繊維（アルミナ・シリカ繊維）、ビニロン繊維、アクリル繊維、炭素繊維、セルロース繊維等が挙げられる。中でも、接触相手の表面に傷を付け難い点から、アラミド繊維、ビニロン繊維、アクリル繊維が好ましい。また、アラミド繊維を綿状になしたアラミドパルプも好適に用いることができる。補強繊維の繊維径及び長さは特に限定されるものではないが、補強効果と抄造の際の水への分散性を考慮すると、繊維径は５〜２０μｍ程度が好ましく、繊維長さは０．５〜６ｍｍ程度が好ましい。
【００２７】
固体潤滑剤は繊維の配向方向にかかわらず摺動特性を確保するために用いられ、その例としては、黒鉛粉末、二硫化モリブデン粉末、球状非結晶質炭素微粒子、ポリテトラフルオロエチレン微粉末、メラミンシアヌレート粉末、窒化ホウ素粉末、雲母粉末等が挙げられる。固体潤滑剤も、抄造の際に水に分散させることができるように、微細な粒子からなる粉末であることが好ましく、粒径は通常は１〜５０μｍ程度が適当である。粒子の形状は特に限定されない。
【００２８】
充填材の例としては、チタン酸カリウム繊維、塩基性硫酸マグネシウム繊維、硫酸カルシウム繊維、炭化ケイ素繊維等が挙げられる。中でも、線膨張係数を顕著に抑制することができることからチタン酸カリウム繊維が好ましい。これら充填材は繊維状であり、その繊維経、長さも特に限定されるものではないが、通常は、繊維径１〜５μｍ、長さ５〜３００μｍ程度である。
【００２９】
上記各成分は、フェノール樹脂３０〜５０重量％（但し樹脂固形分換算）、補強繊維２０〜４０重量％、固体潤滑材１０〜３０重量％、及び充填材２０〜４０重量％（但し、これらの合計で１００重量％）からなることが好ましい。
【００３０】
なお、本発明のベーンの製造においては、本発明の目的を離れない範囲内で上記各材料以外に他の潤滑剤や着色剤等の添加剤を適宜使用することができる。
【００３１】
上記各材料から本発明のベーンを製造するには、上記各材料を水に分散させて抄造した後加熱成形すればよい。より具体的には、以下の方法を好適に用いることができる。但し、製造方法はこれに限定されるものではない。
【００３２】
まず、所定量のフェノール樹脂、補強繊維、固体潤滑剤及び充填材を水に分散させ、分散物を網に漉き挙げて、プレスにより脱水し、不織布様のシート状素材を得る。図４（ａ）に示したように、このシート状素材７０をベーンの大まかな製品形状７１に打ち抜き、乾燥させる。打ち抜く際には、後述する金型キャビティーの周囲に干渉せず、かつキャビティーとの隙間が約０．５ｍｍ以下である寸法になるようにするのが好ましい。また、材料の無駄を省き、生産効率を向上させるため、なるべく歩留まりがよくなるような配置で打ち抜くことが好ましい。
【００３３】
次に、打ち抜いたシート状素材７１を、図４（ｂ）に示したような金型８１，８２に入れて、厚み方向に加圧しつつ加熱することにより硬化させる。加圧の際の圧力は、通常７０〜１５０ＭＰa程度が適当である。硬化は短時間でも可能であるが、寸法精度向上のために、硬化後、十分な時間をかけてアニーリングすることが好ましい。例えば、室温から約５時間かけて約２００〜２３０℃まで昇温し、この温度で約５時間保持し、その後徐冷却することが好ましい。
【００３４】
上記により得られた成型品の表面を研磨して所定の寸法にすることによりベーンが完成する。
【００３５】
上記抄造の際にフェノール樹脂、補強繊維、固体潤滑剤及び充填材は、相互に絡み合ってシート状素材を構成する。これをシート状素材の厚み方向に加圧しつつ加熱することにより、樹脂は溶融硬化し、シート状素材の面方向に沿って配向した補強繊維によって強化された成型品が得られる。図５は、ベーン内部の補強繊維の配向状態を示す模式断面図である。本図に示すように、補強繊維はベーン内部でそのほぼ面方向（図５のｂ方向）に配向したものとなる。これは、補強繊維がベーンの摺動方向、すなわちベーンに加わる曲げ応力の方向（図５のａ方向）に対してほぼ垂直に配向することを意味し、これにより、ベーンの曲げ強度がより向上するものと考えられる。なお、補強繊維は通常は屈曲しているので、当然のことながらベーンの摺動方向に対して垂直に配向していない部分も存在するが、図５に示すように、繊維全体の流れとして、ベーンの摺動方向に対して垂直に配向していればよい。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００３７】
［実施例１，２］
フェノール樹脂粉末（鐘紡（株）製、ベルパールＳ８９０、粒径７〜１３μｍ）、アラミド繊維（繊維径１３μｍ、繊維長さ３ｍｍ）、球状非結晶炭素微粒子（鐘紡（株）製、ベルパールＣ８００、粒径３〜１０μｍ、フェノール樹脂粉末を２０００℃で焼成したもの）、二硫化モリブデン粉末（ニチモリ（株）製、Ｍ−５パウダー、粒径２〜１５μｍ）、チタン酸カリウム繊維（大塚化学（株）製、テイスモ、繊維径０．３〜０．６μｍ）を表１に示した配合割合（重量比）で水に分散させ、抄造し、乾燥させて、シート状素材を得た。乾燥後のシート状素材は、厚さ１２ｍｍ、単位重量３０００ｇ／ｍ２であった。なお、乾燥はフェノール樹脂の硬化が進行しないように約８０℃で行った。
【００３８】
このシート状素材をベーンの形状に打ち抜き、金型に入れて加圧しつつ加熱成形した。成形条件としては、加熱温度（金型温度）１８０℃、成形荷重１００ＭＰａ、成形時間５分で実施し、樹脂硬化物（成形体）を得た。その後、樹脂の架橋をより促進するために、室温から約５時間かけて２３０℃まで昇温し、その温度を約５時間保持し、その後室温で徐冷却させた。
【００３９】
上記により得られた樹脂硬化物につき、比重、曲げ強度、曲げ弾性、動摩擦係数、繊維配向方向（シート状素材の面方向）の線膨張係数（０℃、３０℃、１００℃、１５０℃）・直線性・寸法変化率（−５０℃〜２００℃）・ベーン膨張量を以下の方法により調べた。結果を表１に併記する。
【００４０】
比重：ミラージュ貿易（株）製、電子比重計ＳＤ−１２０Ｌを使用し、水中置換法で測定した。
【００４１】
曲げ強度、曲げ弾性：万能圧縮試験機を使用し、ＪＩＳ  Ｋ６９１１熱硬化性プラスチック一般試験方法に準じ測定した。
【００４２】
動摩擦係数：神鋼造機製、摩耗摩擦試験機（ピン・オン・ディスク型）を使用し、測定した。ピンを樹脂硬化物試験片、ディスクをＡＤＣ１４アルミ材（面粗さ３．２ＲＺ以下）とし、冷凍機油中で測定した。
【００４３】
線膨張係数：試験片を６ｍｍの立方体とし、熱機械分析装置を使用して、測定範囲−５０〜２００℃、昇温速度５℃／分、窒素ガス流量２５０ｍｌ／分の条件下で測定した。
【００４４】
直線性：熱機械分析装置で測定した各材料のデータグラフから、アルミ材を基準として相対評価した。
【００４５】
寸法変化率：熱機械分析装置で測定した各材料のデータから、温度−５０から２００℃まで昇温した際の２００℃での寸法を試験前の寸法と比較して変化率を求めた。
【００４６】
ベーン膨張量：ベーン長さ４０ｍｍとしたときの長さの変化量を寸法変化率から計算した。
【００４７】
［比較例１］
フェノール樹脂（鐘紡（株）製、ベルパールＳ８９０、粒径７〜１３μｍ）、ガラス繊維（富士ファイバーグラス（株）製、ＳＳ０５Ｃ−４０４Ｓ、繊維径９〜１２μｍ、長さ１４０μｍ）、二硫化モリブデン粉末（ニチモリ（株）製、Ｍ−５パウダー、粒径２〜１５μｍ）を表１に示した配合割合で乾式で混合し、この混合材を金型に入れ、成形条件、アニール温度は上記実施例と同じにして樹脂硬化物を得た。これにつき、実施例と同様の評価を行った。結果を表１に併記する。
【００４８】
［アルミ材］
アルミ材につき、上記実施例１，２と同様の評価を行った。結果を表１に併記する。
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のロータリコンプレッサ用ベーンは、従来の金属製ベーンの代替物として各種ロータリコンプレッサに用いることができるが、軽量で、叩き音が小さく、耐久性に優れているので、中でもカーエアコン用ロータリコンプレッサに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ロータリコンプレッサの要部を示す断面図である。
【図２】ロータリコンプレッサの側断面図である。
【図３】ベーンの一例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）はベーンを製造する際に打ち抜かれるシート状素材を示す図であり、（ｂ）はベーンを成形する金型を示す模式断面図である。
【図５】ベーン内部の補強繊維の配向状態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０……カムリング
２０……ローター
２１……ベーン溝
３０……ベーン
３１……ベーン先端部
４１……サイドブロック
５１，５２……ケーシング
６１，６２……圧縮室
７０……シート状素材
７１……打ち抜いたシート状素材
８１，８２……金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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