JPS6053197B2 - 斜板式コンプレツサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、コンプレッサに係り、特にカークーラ−用と
して最近多く使用されるようになつた斜板式コンプレッ
サに関するもので、その主たる目的は従来のこの種コン
プレッサよりもより高性能で寿命の長いコンプレッサを
提供することにある。

斜板式コンプレッサは、一般に第１図に示され、 、、
−に゛一′ 一、、、に−一ー゛一営ｉ−田１−レ １
−Ｌ、、Ｌフト４に取付けられた該シャフト４とともに
回転する斜板５と該斜板５に接しながら摺動されるシュ
ー６及び該シュー６の動きを自由状態で保持するための
ボール７によつて、シャフト４の回転運動を斜板５を跨
いで係留されたピストン３の往復運動に変換している。

そして、このような基本的な構造において、冷凍回路内
の循環しコンプレッサに帰還してきた冷媒ガス等の被圧
縮媒体をピストン３にてシリンダボア２内で高圧に圧縮
してコンプレッサ（図示しない）に送り出し、そこで冷
却して液化した後、エバポレータに送つて蒸発させ周囲
から蒸発潜熱を奪つて室内の空気を冷やし、一方奪つた
熱は前記コンプレッサを通過中に空気中（大気中）へ放
出するサイクルを繰返し行なわさせているのである。し
カルて、このような斜板式コンプレッサがカークーラ−
用として用いられる時の作動条件は極めて過酷である。

つまり、駆動源がガソリンあるいはジーゼル等の内燃機
関であり、且つコンプレッサの小型化、軽量化等の目的
及びコンプレッサ能力から内燃機関の回転数とほぼ同じ
回転数を有する構造になつているからである。それ故、
斜板式コンプレッサの回転は内燃機関のアイドリング時
の回転教である約５００ｒｐｍから高速走行時或は急加
速時等の約６０００ｒｐｍの条件にさらされるのである
。また、斜板式コンプレッサのみに限られる問題ではな
いが、近年車輛の軽量化等にともない、コンプレッサ自
体の小型・軽量化が希求されるに至り、コンプレッサ内
のオイルポンプが取り外され、これに加えてその高性能
化を図るために潤滑オイルが減少せしめられることなど
によつてコンプレッサ内の摺動部に摩擦摩耗が怠起され
易くなつている。

更に、近年エンジンルーム内に取りつけられた各種装置
類、例えば排気ガス対策装置、熱料消費低減のための装
置の設置にともなうエンジンルームの高温化が、コンプ
レッサ内の潤滑オイルに与える悪影響もみのがせなくな
つている。

これらの条件下で使用される斜板式コンプレッサにおい
て、最も上記条件の悪影響を受ける部分は第１図の斜板
５とシュー６との摺動である。

けだし摺動速度がエンジンのアイドリング状態は約２〜
３ＴｒＬ１ＳｅＣ１最高回転時の約６０００ｒｐｍでは
２０〜２５ｗ１．Ｉｓｅｃとなり、通常走行時でも約７
〜１５ｍＩｓｅｃという極めて高速でそれらが摺動され
ることとなるからである。また、このような高速の摺動
作用に加えて、被圧縮媒体、例えば冷媒を圧縮するため
にシューには荷重が作用し、その大きさは６０〜１３０
ｋ９／Ｃｌｔであり、摺動速度および圧力が共に最．大
の組合せになることはまれであるが、Ｐ■値（圧力をＰ
ｋｇ／Ｃｗｆｌ速度をＶＴｎ，Ｉｓｅｃ）が２０００を
越えることは往々にして有り得る。しかも、これが回転
数に関連してくり返し行なわれる。この繰返しによるシ
ューの受ける荷重は特に高回転になるＩと衝撃的荷重に
なり、このような衝撃荷重を受けながら、しかも高速摺
動されるという極せて酷な条件が斜板とシューとの摺動
部には生じるのである。また斜板とシューとの摺動状況
を潤滑面から見・ると、前記した如きオイルポンプの除
去にともない摺動部に供給される潤滑油は冷媒ガスとの
混合によつてわずかにガスス状に供給されるだけとなる
。というのは、オイルポンプを除去された斜板式コンプ
レッサの潤滑は、一般にオイルを含む冷媒ガスを、コン
プレッサ内の各摺動部を巧みに巡回させることによつて
潤滑する方法をとるが、この場合オイル量と冷房能力と
は反比例する関係にあるため、斜板式コンプレッサの冷
房能力を高める有効な手段としてオイル量を減らす方向
がとられているからである。このことは別の面からみれ
ば斜板とシューの摺動部の寿命に最も影響を及ぼすのは
潤滑条件であり、特に潤滑オイル量が最もｌ影響を及ぼ
す。それ故、これら相反する関係の中で特に斜板式コン
プレッサの設計に当つて考慮されるのは、最も過酷な摺
動条件に適合できる斜板とシューのそれぞれの材質であ
る。さらに斜板とシューの摺動は、潤滑のためのオイル
が充分に供給されたとしても充分な潤滑効果の得られに
くいスラスト摺動であるから、摺動面は常に境界潤滑下
におかれ、若しくはそこに固体接触が生じているのであ
り、またカークーラー用斜板式コンプレッサがその使用
上必然的な非定常的回転運動を行なうために生じる現象
として、斜板とシューとの摺動面には始動から数十秒、
長い時には、数分間、潤滑油が供給されない状態が生じ
、それ故この間は斜板とシューとは全くの無潤滑下にお
かれ、固体接触の状況で運転されることとなる。

このような状態は冷媒が管路から洩れてしまつて冷凍サ
イクル内の封じ込められてる冷媒が少なくなつた場合や
、エバポレータに取り付けられた蒸発圧力調整装置の作
動によつてコンプレッサに戻される冷媒量が減少せしめ
られた場合などにも同様に惹起されるのである。従つて
、これまでの斜板式コンプレッサにおける各種トラブル
の中で最も多いのは、上記した始動時からの無潤滑下で
生じる焼付きであり、またこの無潤滑下で生じた摩耗が
致命的欠陥になつてその後に焼付きを起すことてあつた
。

従来より上記のような潤滑条件下でも耐える材料として
、かつ上記のような高面圧、衝撃荷重に耐える材料とて
、先す斜板としては機械的な剛性、疲労強度、耐摩耗性
を持つ構造用合金鋼のニッケルクロム鋼、ニッケルモリ
ブデン鋼、クロムモリブデン鋼、球状黒鉛鋳鉄等が用い
られ、かつ表面層は焼入れをして用いられていた。

また、ボールとしては主に高荷重に耐えるためにやはり
高炭素クロム鋼のようなものが用いられていた。そして
、シュー材としては、アルジル合金、リン青銅、銅一鉛
一錫合金、黄銅、高力黄銅合金、青銅合金、アルミニウ
ム青銅合金、バビツトメタル、含油軸受合金等が考えら
れていた。しかし、カークーラー用斜板式コンプレッサ
特有の前述の如き極めて過酷な運転条件に対し、これま
での知られている材料ではどれも充分満足し得るもので
はなかつたのであり、またこのような材料の中にあつて
、先に本出願人らは銅一鉛一錫係合金粉末を鋼板上に焼
結したバイメタル材が唯一の長寿命化可能な料であるこ
とを見出し、特願和４９−１０９８５６として出願した
が、この出願に係る材料てあつても、より小型化、高性
能化の要求される斜板式コンプレッサには必ずしも充分
とは言えず、更に厳格な条件下にあつてはシューの焼付
が少なからず生じていたのであり、それ故更に焼付の生
じ難く且つ耐摩耗性に優れる等の従来よりもより以上に
向上しめられた特性を有する寿命の長い材料の開発が望
まれているのである。

ここにおいて、上記の如き事情に鑑みて、本発明者らは
種々の研究開発を行つた結果、摺速２〜４５ｎ１１ｓｅ
ｃのくり返し運転並びに面圧１３０〜１４０ｋ９／ｄの
くり返し衝撃荷重に耐え、また潤滑オイルの供給が極め
て微少で、冷媒との混合ガス状で供給され、かつ始動か
ら数秒いし数分間は無潤滑な条件て摺動されても充分耐
る優れた合金材料を見出し、これを斜板式コンプレッサ
、特にカークーラー用のシュー材料に適用することによ
り本発明を完成するに至つたものである。

すなわち、本発明は特に熱伝導度をあまり低下．させな
いい範囲で強化され、且つ特に高温下での硬度の低下が
少なく、しかも良好な摺動特性を有する銅合金からなる
、前述した従来の問題をことごとく解消せしめたシュー
を提供するものであつてその要旨とするところは、前述
の如き斜板式コ．ンプレツサにおいて、シュー材料とし
て、銅（Ｃｕ）を主体とし、これに１〜８％（重量基準
、以下同じ）のマンガン（Ｍｎ）、０．１〜４％のケイ
素（Ｓｌ）を含有せしめ、更に５％未満（零を含まない
）の錫（Ｓｎ）を含有せしめたＣｕ合金を用いることに
ある。

かかる本発明において用いられるＭｎ並びにＳｉは、主
としてＣｕに固溶されて機械的強度を向上させる添加元
素であるが、またこれらがＣｕに同時に添加されること
により、Ｃｕ母材内にｈ＜５Ｓｉとの化合物による析出
物を形成せしめ、以てこれら元素の固溶並びに析出効果
に基づいてＣｕの有効な強化が図られ、しかも耐摩耗性
が改善されるのである。

特に、これら、本発明に従つてＣｕに添加せしめられる
固溶形添加元素のＭｎ，Ｓｉのそれぞれの添加量は、次
のことを考慮して定められることとなる。即ち、先ずＳ
ｉは０．１〜４％、好ましくは０．３〜２．０の範囲て
使用され、０．１％未満ではマトリックスの固溶強化元
素としては固溶量が不足し、充分でなく、また４％を越
える量で添加されると金属間化合物が析出し合金が脆化
するからである。また、Ｍｎは１〜８％、好ましくは１
．５〜５％の割合で添加する必要があり、特に４〜５％
がもつともよい。なぜなら、Ｍｎのみで固溶による組織
の機械的向上は、はかれるが、これ力Ｇｉとともに添加
されると、もつとも理想的な共晶珪化物が得られ、すぐ
れた耐摩耗性が得られるからである。しかし、Ｍｎ添加
量が１％未満では亜共晶珪化物となり、充分な耐摩耗性
が得られないのであり、逆に８％を越えると、マトリッ
クスの硬度が高くなりすぎて相手材を摩耗させてしまう
問題を生ずると同時に、熱伝導度が低下しすぎるからで
ある。また、かかるＭｎ及びＳｉと共にＣｕに添加せし
められる錫（Ｓｎ）はＣｕの固溶することによつてマト
リックスを強化することはもちろん、摺動特性上は摩擦
係数を低くし、かつこの摩擦係数は高温になつても安定
した低摩擦係数であつて、その結果特に高温状況下での
耐焼付性にすぐれた効果を発揮するのである。

しかし、かかる添加されるＳｎは上記の如くＣｕに固溶
してしまうため合金の熱伝導性を低下させやすく、それ
故その添加範囲は限定される。この意味において、その
添加上限としては５％が採用され、それ故Ｓｎは５％未
満の範囲で（勿論零は含まれない）適宜その添加量が決
定されるのであり、またその好適な添加量としては１〜
３％が最も望ましいのである。なお、Ｓｎの添加はまた
鋳造性の改良にも有効である。従つて、本発明に従う、
Ｃｕを母材とし、これにＭｎ，Ｓｉ並びにＳｎをそれぞ
れ添加した合金は、シュー素材として優れた特性を持つ
合金組成となつているのである。けだし、潤滑オイルの
量の少ない場合のカークーラー用斜板式コンプレツサシ
ユーとして最も問題になるのはシューの熱伝導度であり
、そしてその熱伝導度に最も影響を及ぼすのは添加元素
であり、さらに摩擦係数の大小が発熱の直接原因となる
のであつて、それ故いかに少ない添加元素でマトリック
スを強化しかつ摺動特性を向上させるかが高性能カーク
ーラー用斜板式コンプレッサシューとして更に良好に適
応出来るか否かのポイントとなつているからである。そ
して、いわゆる通常運転時は比較的少ないながらもある
程度の潤滑オイルは供給されるため、特にシュー材にお
いては熱伝導性をよくし、効果的に熱を放散させること
及び高温下で硬度の低下を少なくして組織変化を少なく
することがシューの摺動特性を左右することとなる。こ
の意味において、Ｍｎ及びＳｉと共にＳｎ５−Ｃｕに添
加することは重要な効果を奏するのてある。また、高性
能カークーラー用斜板式コンプレッサにおいて始動時の
無潤滑状況が改善されることにより、それらが短時間に
て解消されるように設計されるようになつても、完全に
解消させることは難しく、またオイル量の減少、冷媒ガ
スの減少等は通常運転時にもたまに起り、このような種
々の条件に対しても対応出来るシューの材質としては種
々の性能が要求されるのである。

それ故、本発明に従う添加元素の選択と量と、それによ
る強化度合、熱伝導度性は充分に考慮される必要があり
、最も適切と思われる組合せはＣｕにＭｎとＳｉ並びに
Ｓｎをともに添加することが望ましいものである。

特に、固溶によるマトリックス全体の強化と耐摩耗性向
上に加えて、固溶元素を多くしすぎることによる害であ
る金属間化合物のための組織不均一と熱伝導性の低下、
マトリックスの硬化しすぎによるもろさをなくすために
、上記のような害をあまりともなわないで強化出来る、
本発明に従う併用によつて析出物を形成し得る添加元素
を用いれは、焼付きにくく、かつ析出物による耐摩耗性
も期待でき、そして熱伝導性はあまり低下させない範囲
で可能となるのである。

なお、通常摺動材の選択には相手材の選択も重要であり
、特に条件がきびしい場合は、相手材もより限定される
。そのような中にあつて従来の摺動材は相手材がＣｒ銅
、Ｍｎ鋼であれば比較的良好であるが、これが球状黒鉛
鋳鉄となると摺動特性が悪く相手材としては不適となる
。しかしながら、本発明に係るＣｕ合金からなるシュー
材は相手材が球状黒鉛鋳鉄であつても耐えることが確認
されている。また、本発明らの検討によれば、高性能カ
ークーラー用斜板式コンプレッサに使用できるシュー材
として要求される熱伝導度は０．２ｃａ１１ｃＩｔ−Ｓ
ｅｃ・℃以上であることが望ましく、更に０．４ｃａ１
１ｃＩｔ−Ｓｅｃ・℃以上であることがより好ましいも
のであり、且つその硬度にあつても３００℃の高温度下
においてビッカース硬さ（Ｈｖ）８０以上の値を有する
ことが望ましいことが明らかとなつたが、本発明に係る
Ｃｕ合金はいずれもか）る望しい熱伝導度並びに硬度を
有するものであり、以て優れた効果を奏してるのである
。この結果、かくの如き本発明に係るＣｕ合金には次の
ような効果を認めることが出来るのである。

すなわち、従来のシュー材料に比べ添加元素の量が著し
く少ないため、熱伝導性がよく、無潤滑に近い状態が長
くつづいても生じた摩擦熱を放散しやすく、かつ高温に
なつてもシュー材の軟化がなく、そのため焼付きに至り
にくいのである。また本発明にあつては強化のための添
加元素が従来に比べて少ないことから、従来材料に比べ
て充分な強化は一見果たされていないように考えられる
が、従来材にあつては添加元素が２０〜４０％もの多量
であるための熱の放散が悪いことから生じる焼付きやす
さを、多量のＰｂの添加によるなじみ性、すベリ性で解
決しようとしていたため、本発明での銅合金よりは常温
下では多少優れているが、全体としての強度は低下して
いたのであり、これに対し本発明は添加元素量が少ない
ので、結果的にさほど従来材と比して強度に差がないの
である。しかし、特に高温下ては、本発明の銅合金は従
来材よりも優れた値を示す。さらに、本発明にあつては
、高温下でも硬さの低下が少ないＭｎ，Ｓｉ，Ｓｎの固
溶元素の添加により、シューが摩擦熱等により高温にな
つてもマトリックスの強度、硬度は低下せず、極めて安
定な状態になつているのである。なお、本発明のＣｕ合
金には、その他添加元素としてニッケルＮｉｌ鉄Ｆｅｌ
テルルＴｅリンＰ１アンチモンＳｂｌヒ素Ｍ等を少割合
で添加せしめることが出来、それによつて主に強度向上
あるいはマトリックスの微細化等の効果があるが、いず
も添加効果に一長一短があり、Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｎに比べ
てやや性能が落ちることが確かめられている。

しかしある条件下ては使用に耐えることも確かめられて
いる。以下に、本発明の理解を更に容易にするために、
本発明の具体例を示す。

先ず、第１表に示す組成割合で鋳造法により試料１〜３
を得た。

鋳造法としては、約１２５０℃でＣｕ、合金元素（Ｍｎ
，Ｓｉ，Ｓｎ）の順に添加する方法を採用し、そして得
られた材料を偏析防止のため約７００℃、２Ｈｒｓの熱
処理を行つてＣｕ合金材料を得た。そして、得られたこ
れらの材料による実機試験を行うために、それぞれ直径
１８Ｔｎ１厚さ４．５７ｍに加工を施してシューを得た
。

また、このシューには中心に直径約１４７ｒｒ！ｎのボ
ールの一部が内接するように深さ約３７１７７！の球状
凹面が施してある。なお、比較材として上記と同様の方
法により、第２表に示す合金組成の試料１１〜１８を作
り、本発明に係るＣｕ合金からのシューとの比較を行つ
た。また、試料１〜３の常温時での最終加工時の硬さは
すべてＨｖｌＯＯ以上を有するものであつた。

さらに、得られた各試料の熱伝導度を測定し第３表に示
すが、該表より明らかなように、本発明のＣｕからなる
各試料はいずれも優れた熱伝導度を有しているのである
。実験１ 第１表、第２表の各試料を用いて摩擦係数とその時の発
熱温度を測定する実験を行つた測定方法としては円板を
回転させ、これにシューを押圧し、その押圧荷重を漸増
させながら、その時の摩擦係数およびシューの発熱温度
を測定した。

条件 （１）すベリ速度 １３ｗＬ，Ｉｓｅｃ一定（２）荷
重 ４０ｋｇ／Ｃｒｉより２０ｋ９／Ｃ７ｌ！ずつ
漸増 各荷重
段階は３紛 （３）潤滑オイル 低粘度オイルＳＳＵ７Ｏ（４）潤
滑方法 フェルト塗布 約０．８ｃｃ／分（５）試
験 片 デイスクニ真直度１μｍ
以下、あらさ（最大） ０．
４〜０．６−Ｓ シユーニ真直度１
μｍ以 下、
あらさ（最大） ０．４〜０．６−Ｓ 得られた結果第２図、第３図に示す。

なお、第２図、第３図は実験結果の一部である。他の試
料３も１、２と比べて多少性能は落ちるが同様の結果が
得られている。第２図より明らかなように、本発明にも
とづく試料は比較材に比して、すべての領域で摩擦係数
が低く、かつ荷重を増加せても安定している。また、第
３図からシューの発熱温度をみると、本発明に係る試料
にあつては比較試料に比して、すべての領域で低くなつ
ているのである。

さらにこれらの結果と第３表の各試料の熱伝導度とを対
応させてみると、熱伝導度がある程度以上ある本発明試
料はすべて良好である。これらのことから、荷重を増加
させれば、当然摩擦抵抗は高くなつて、発熱が生じ、こ
の発熱によつて材料の組織が変化し、摩擦係数の増加に
よつて焼付くという傾向が熱伝導性の悪い比較試料には
生じているが、本発明試料には発熱があつてもその放熱
性にすぐれているため、シュー全体の温度、あるいは摺
動面近くの温度があまり高くならず、それがため組織変
化、摩擦係数の増加等の現象がなく、すべての領域で安
定しているのである。

こ）で特に注目すべきはオイル潤滑が充分でない条件で
ありながら、本発明試料は良好であることであり、そこ
に大きな意義があるのである。

実験２次に潤滑油の供給において最も厳しい条件下での
実機試験を行ない、得られた結果を第４表に示した。

なお、試験条件は以下の通りである。（１）コンプレッ
サ 斜板式コンプレッサー （総
排気量１５０ｃｃ）（２）回転数４０００ｒｐｍ（３）
吐出側ガス圧 Ｐｄ＝４〜５ｋｇ／Ｃｌｔ（４）吸入側
ガス圧 Ｐｓ＝約−５『Ｈｙ（５）作動時間 ２０
Ｈｒｓ （６）潤滑オイル 冷凍機オイル１５０ｃｃ（７）
相 手 材 球状黒鉛鋳鉄（８）ガ ス 量 １０
０ｙ（正規の約１０％）１１ｉｒ！１１）ｉ−？ぶ？？
）に−、本発明に係る試料はいずれも焼付が全く発生せ
ず、すべて良好である。

特に、この実験は通常運転状況で起る中で最も潤滑の厳
しい条件であることから、このような条件下でも満足生
来たことは、まさしく本発明に係るＣｕ合金試料の優秀
さを証明するものである。実験３ 次に負荷寿命試験として、特に潤滑不良を起こしやすい
条件下での実機試験を行ない、その結果を第５表に示し
た。

尚、試験条件は以下の通りである。（１）コンプレッサ
ー 斜板式コンプレッサー （総
排気量１５０ｃｃ）（２）回転数５５００ｒ″Ｐｍ（３
）吐出側ガス圧 Ｐｄ＝２０ｋ９／Ｃｌｔ（４）吸入側
ガス圧 Ｐｓ＝３ｋｇ／Ｃｌｔ（５）作動時間 ４
００Ｈｒｓ（６）潤滑オイルと量 冷凍機オイル１５０
ｃｃ（７）継続運転 ２鍬運転、５秒休止（８）相
手 材 球状黒鉛鋳鉄 （９）ガス量１ｋ９ 第５表より明らかなように本発明に係る試料１〜３はい
ずれも比較試料１１〜１８に比して、焼付現象はなく、
また摩耗量も少なく、充分使用に耐えることが判明した
。

この実験は潤滑オイルがほとんど存在しない状況が生じ
やすい場合の実験であることから、これに対し良好であ
つたことは焼付にくいことを示すものである。

以上詳述した如く、本発明はコンプレッサー、特にカー
クーラー用斜板式コンプレッサーにおいて潤滑オイルが
極めて少なく、斜板とシューの摺動部にオイルが充分供
給されなくとも、また数分間の無潤滑状態が生じても、
更に相手材として摺動特性の悪い球状黒鉛鉄であつても
、損耗が少なく且つ熱伝導性に優れた特定のＣｕ合金か
らなるシュー材を用いたことによつて、極めて長期間の
使用に耐え得る、寿命の長い斜板式コンプレッサーを提
供し得たものであつて、特にカークーラー用のコンプレ
ッサーの高性能化に大きく寄与し得たところに、大きな
意義を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は斜板式コンプレッサーを説明するための縦断面
図であり、第２図及び第３図は実験１において得られた
摩擦係数及び発熱温度結果をそれぞれ示すグラフである
。 １・・ウリンダプロツク、２・・ウリンダボア、３・・
ゼストン、４・・・シャフト、５・・・斜板、６・・・
シユ―、７１●ボ「ル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダブロック内において回転軸により回転せし
   められる斜板と、該斜板にシューを介して係留されたピ
   ストンを有し、該斜板の回転に応じて前記ピストンがシ
   リンダボア内を往復動するようにされた斜板式コンプレ
   ッサにおいて、前記シューが、銅を主体とし、これに１
   〜８％のマンガン及び０．１〜４％のケイ素を含有せし
   め、更に５％未満（零を含まない）の錫を含有せしめた
   銅合金からなることを特徴とする斜板式コンプレッサ。