JPS6211194B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は回転運動を往復運動に変換する斜板式
の運動変換装置、特にカークーラー用コンプレツ
サに関し、該装置の斜板用材料および斜板に接し
て摺動し、斜板の回転運動をピストンに伝える摺
動部材（スリツパ）の新規な組合せに関する。

〔発明の背景〕

各種冷凍機のコンプレツサや油圧機器などにお
いては回転駆動源からの運動をピストンなどの往
復運動に変換する手段として斜板型伝達機構をと
るものがある。

図は斜板式コンプレツサの模型図を示す。

回転運動するコンプレツサシヤフト１に斜めに
取付けられた斜板２とスリツパ３およびボール４
とによつてピストン５は左右に往復運動をする。
この時、スリツパは片面をボールによつて拘束さ
れ、もう一方の面で斜板上を高速度で摺動移動す
る。したがつて斜板およびスリツパ材にはピスト
ンを往復運動させ、ガス体を圧縮するための機械
的剛性および耐疲労強度、耐摺動摩耗性など多く
の要求がある。また信頼性を保証するために材料
品質の均一性や加工性も重要な因子である。

通常の冷凍機や冷蔵庫のような冷凍サイクル用
コンプレツサでは、その運転は一定速度の電動機
によつて駆動され、冷媒と潤滑油の混合物は定常
状態をもつてコンプレツサ内を循環する。しかし
カークーラ用のコンプレツサの場合には極めて過
酷な条件が要求され、これを満たすことは容易で
はない。すなわち、カークーラの斜板式コンプレ
ツサでは、その駆動原動機がガソリンエンジンま
たはジーゼルエンジンであつて、エンジンとベル
トで連結されている。そこでコンプレツサは、ア
イドリング状態では回転数が600r.p.m.であつた
ものが、発車後の急加速により10〜20秒後には
6000r.p.m.に到達する。さらに停止状態から急速
発車し10〜20秒で6000r.p.m.になる場合もあり、
運転の未熟な場合にはいわゆる空ふかしによつて
停止状態から数秒以内に4000〜5000r.p.m.までコ
ンプレツサ回転数が急激に加速される状態のおこ
ることもある。この場合は、スリツパは斜板上を
エンジンのアイドリング状態では2.3ｍ／ｓ、最
大回転時の6000r.p.m.では23ｍ／ｓの速度で摺動
運動を行ない、さらに冷媒を圧縮するためにスリ
ツパの受ける接触面圧はアイドリング状態では
130Kg／cm²、最大回転時では40Kg／cm²となる。す
なわち斜板およびスリツパ要求される条件は、圧
力をＰ（Kg／cm²）、速度をＶ（ｍ／ｓ）とするPV
値であらわすならば、次のようになる。

アイドリング時＝2.3×130＝290 最大回転時＝23×40＝920 このような、急激な負荷変動を受けるカークー
ラのコンプレツサはさらに潤滑剤にフレオン冷媒
とパラフイン系やナフテン系の冷凍機油との混合
物が使われるので、潤滑剤の潤滑特性も十分では
なく、またコンプレツサの機構上から瞬間的な加
速が行われた場合に、潤滑剤の摺動面への供給が
著しく減るか、途切れることがある。そのため起
動時には数10秒から最悪の状態では数分間にわた
つて潤滑剤の供給が不完全なままで摺動すること
がある。このような状態において斜板とスリツパ
およびスリツパとボール間で溶着焼付きを起す欠
点がある。

コンプレツサの稼動中の大きな問題として騒音
がある。

これは斜板とストリツパ間のギヤツプが最も強
く影響し、このほか、摺動面の仕上げ粗さ、構成
材料のダンピングキヤパシテイなどが関係する。
特にギヤツプによる問題が大きく、それは摩耗
量、構成材料の熱膨張係数の差によつて大きく影
響することがわかつた。

従来、斜板には構造用合金鋼のニツケルクロム
鋼（JISG4102）、ニツケルクロムモリブデン鋼
（JISG4103）、またはクロムモリブデン鋼
（JISG4105）を用い、スリツパとの摺動面には浸
炭焼入を行ない硬化させている。スリツパにはり
ん青銅、20重量％シリコン−アルミニウム系合金
鋳物、銅−亜鉛合金などが用いられ、一般には20
％シリコン−アルミニウム系合金鋳物が用いられ
ている。ボールには高炭素クロム鋼
（JISG4805）が用いられている。ピストンにはア
ルミニウム−シリコン系合金鋳物（JISAC8A）
が使用されている。

斜板が合金鋼の場合にはその熱膨張係数が10〜
12×10^-6で、ピストンのアルミニウム−シリコン
系合金鋳物の約20×10^-6に比較して熱膨張係数が
著しく小さく、従つて、両者間の熱膨張係数の差
違が非常に大きいために稼動中の温度上昇ととも
に摺動面のギヤツプが大となり騒音が発生する欠
点がある。また、スリツパ材が20％シリコン−ア
ルミニウム系合金鋳物では組織中に大型の初晶の
シリコンが晶出しているので切削性が悪く、その
ため仕上げ面が粗くなり騒音を増長する。またり
ん青銅では耐摩耗性が低く、すぐにギヤツプが大
きくなつて騒音が発生する。

他の大きな問題としては、ピストンの往復運動
に基づく斜板又はスリツパの割れの問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は騒音が小さく、且つ強度および
耐摩耗性が優れ割れにくい斜板式運動変換装置を
提供することである。

〔発明の概要〕

本発明は回転シヤフトと、そのシヤフトの軸方
向に対して傾斜して固定された斜板と、その両側
に接して摺動する摺動部材と、その摺動部材を介
してシヤフトの回転運動を往復運動にするピスト
ンとからなり、前記ピストンがアルミニウム−シ
リコン系合金鋳物により構成されている斜板式運
動変換装置において、斜板用材又は摺動部材はシ
リコンを８〜18重量％含有し、塑性加工によつて
共晶シリコン粒径を５μｍ以下の平均粒径とした
アルミニウム−シリコン系合金からなり、且つ斜
板材とピストン材との熱膨張係数の差違が20％以
下である斜板式運動変換装置に関するものであ
る。

本発明は、従来装置（ピストン材としてアルミ
ニウム−シリコン系合金鋳物が用いられ、また斜
板用材として低合金鋼が用いられている）の騒音
が大きいのは、両者の熱膨張係数の差違が大きい
ことによるという事実の発見による。上記熱膨張
係数の差違が20％を越えるときに、急激に騒音が
大きくなることが、多くの実験により確かめられ
た。

更に本発明は、アルミニウム−シリコン系合金
鋳物製の斜板またはストリツパが、ピストンの往
復運動時の圧縮によつて非常に割れ易いという事
実の発見に基づく。鋳造欠陥があると耐疲労強度
が著しく低下して割れ易くなること、塑性加工し
て鋳造欠陥をなくすことにより耐疲労強度が向上
し割れにくくなることを見出した。

本発明においては、特に斜板用材又は摺動部材
として熱膨張係数が約20×10^-6を有し、重量でシ
リコン８〜18％、銅１〜４％、マグネシウム0.1
〜0.6％、残部アルミニウムおよび不純物からな
る化学成分を有し、かつ塑性加工を受け共晶シリ
コン粒が５μｍ以下の平均粒径を有する合金を用
いるのが適している。この材料は、強度が高くピ
ストンの往復運動に基づく圧縮によつて割れを生
じにくい。しかも耐摩耗性が高く、耐騒音の発生
時期を遅らせることができるものである。上記
Al合金は粒界内部摩擦が大きいため振動減衰能
が大きく騒音を低減する効果が大きい。そのため
斜板用部材又は摺動部材として効果が大きい。

シリコンは耐摩耗性、加工性の点から８重量％
以上必要とするが、18重量％を越すと初晶のシリ
コン結晶が増えて、靭性、加工性を低下させるの
で上限としては18重量％である。シリコン量が20
重量％にもなると初晶シリコンが角状且つ粗大に
晶出するため塑性加工できなくなり且つ鋳造欠陥
も多くなる。このため塑性加工した場合には初晶
シリコンの部分で割れが生ずる。このように割れ
を生じたものを切削加工すると初晶シリコンがむ
しりとられ脱落して穴ができ、ここに摩耗粉がた
まる。この摩耗粉の堆積により相手材が傷つけら
れ仕上げ面が粗くなつて騒音が生ずる。

以上のことからシリコン量が20重量％にもなる
と塑性加工せずに鋳物で用いなければならず、角
状で粗大な初晶シリコン及び細く長い共晶シリコ
ンが存在するため、切削性が悪く仕上げ面が粗く
なつて騒音が生じる。しかも鋳造欠陥による強度
低下が避けられず、ピストンの往復運動時の圧縮
によつて割れを生じ易い。シリコン量が18重量％
以下のものは初晶シリコンが微細になり塑性加工
しても割れが生じないことを多くの実験により確
認した。しかも塑性加工によつて強度が向上し、
ピストンの往復運動に基づく圧縮によつても割れ
にくくなることを確認した。本発明では、銅およ
びマグネシウムを部材の機械的性質を保証するた
めに含有することが好ましい。この場合、銅は強
度、耐摩耗性の点から１重量％以上とし、合金素
材鋳造時の割れ防止の点から４重量％以下とす
る。マグネシウムは強度増大の点から0.1重量％
以上とし、靭性加工性の点から0.6重量％以下と
する。このような組成範囲のアルミニウム−シリ
コン合金の溶湯を５℃／秒以上の溶湯の冷却速度
で急冷凝固させることによつて初晶のシリコン粒
を５μｍ以下の平均粒径に微細化し、さらにこれ
を塑性加工することによつて、共晶組織のシリコ
ン粒径を平均粒径５μｍ以下とすることができ
る。ついで必要に応じて焼入れ、焼鈍、焼戻し等
の熱処理を施し、製品に加工する。

シリコン粒径を５μｍ以下の平均粒径として結
晶粒を微細にすることにより、内部摩擦を更に高
めることができる。このように結晶粒を微細にす
ることにより、耐摩耗性及び加工性も高まる。斜
板は前述したように強度と耐摩耗性を必要として
いる。前述したような冷却速度と加工条件でシリ
コン粒を微細に分散させたのち熱処理を行なつた
素材から機械加工によつて製造しても使用できる
が、より強靭にするには、斜板部材の表面に対
し、冷間あるいは熱間成形加工を行なつてシリコ
ン粒を加工方向に配列させることが好ましい。一
方、スリツパの場合は前述の素材から切削加工に
より製造したもので十分な強度が得られる。

また斜板、スリツパの表面へ耐摩耗性の合金層
を被覆することによつて斜板とスリツパの寿命を
一層向上させることができる。被覆法としては、
金属、セラミツク、プラスチツクなどの溶射法、
メツキ法、イオン化メツキ法、スパツタリング、
溶接、圧接、機械的な付着法などを用いることが
できる。被膜の厚さは被膜材質によつて多少異な
るが約５μｍ以上必要である。

〔発明の実施例〕

実施例 １ 斜板材およびスリツパ材として重量で11.7％シ
リコン（Si）、2.3％銅（Cu）、0.3％マグネシウム
（Mg）、0.21％鉄（Fe）および残部アルミニウム
（Al）から成るアルミニウム合金を溶解し、連続
鋳造法により直径100mm、長さ2000mmの鋳塊を製
造した。なお鉄は不純物である。鋳塊を400℃に
予熱し、直径18mmおよび45mmの素材に押出しを行
なつた。直径45mmの素材はさらに400℃に予熱し
て温間鍛造成形加工後T₆処理を行なつた。その
後機械仕上げにより図に示す斜板を製造した。直
径18mmに押出した素材はT₆処理を施し、機械加
工によりスリツパを製造した。これらの製品を顕
微鏡で観察した結果、共晶シリコン粒は平均粒径
５μｍ以下で均一に分散していた。その引張強さ
は約45Kg／mm²であつた。

スリツパに関して、ボールと組合せその破壊強
度を従来の20％シリコン−アルミニウム合金鋳物
製スリツパと比較した。従来品ではほとんどが４
〜６トンで破壊し、なかには３トン未満で破壊す
るものが約１％程みられた。本発明のスリツパは
いずれも20トン以上に耐えられ、強度、安定性と
もに著しく優れていた。次に本発明及び従来の斜
板およびスリツパを用い、さらにピストンに
JISAC8A合金を用いてカークーラーによる過酷
試験を行なつた。

試験は起動−面圧40Kg／cm²、回転数6000r.p.m.
、時間5h−面圧100Kg／cm²、回転数4000r.p.m.、
時間10h−停止−起動−のサイクルを繰返し、
2000時間試験し、試験開始前後における騒音を測
定した。騒音の測定はカークーラー本体より30cm
離れた所で行つた。

その結果、斜板としてニツケルクロム鋼を用い
たものは60デシベルであつたのに対し、本発明の
ものは50デシベルで、著しくすぐれていた。また
試験後の騒音は、本発明では試験前より約10ホー
ンほど高くなつていたが、従来材を用いたものは
約25ホーン高くなつていた。

試験後コンプレツサを分解しスリツパ、斜板の
摩耗状態を比較した。

ニツケルクロム合金鋼斜板を用いたものは、ス
リツパの摺動面に引かき疵が多く、その深さは
100μｍに及ぶものがみられた。

一方、本発明では疵も少なく、その深さも50μ
ｍ以下であつた。摩耗量をスリツパで比較すると
従来品では10〜15μｍであつたが、本発明品では
５〜８μｍで、著しくすぐれていた。

実施例 ２ スリツパ材として17重量％Si−1.7重量％Cu−
0.20重量％Mg−Al合金を用い、実施例１と同様
の工程で素材を製造し、切削加工でスリツパを製
作した。

斜板は実施例１と同じ組成の合金を用い、200
〜300℃で鍛造後、切削加工によつて製作した。
またピストンにはJISAC8Aを用いた。さらに本
実施例では斜板の両面をグリツドブラステイング
してその表面に３重量％炭素鋼をプラズマ溶射法
により約0.25mmの厚さに溶射したものも製作し
た。またスリツパも同様に斜板との摺動面にステ
ライト合金、タングステンカーバイド（WC）−
12重量％コバルト（Co）、３重量％炭素鋼−モリ
ブデン（Mo）をプラズマ溶射により厚さ0.1mm溶
射し、研摩により約30μｍの厚さの溶射層に仕上
げたものを製作した。

そして以下の組合せのものについて、実施例１
と同様にカークーラーによる過酷試験を2000時間
行ない、試験前後の騒音および摩耗状況を検討し
た。

(1) クロムモリブデン鋼（JISG4105）を浸炭焼
入した斜板、20重量％Si−Al合金鋳物製スリツ
パ (2) 実施例１のAl−Si合金製斜板、WC−12重量
％Co溶射した実施例２のAl−Ｓ合金製スリツ
パ (3) 実施例１のAl−Si合金製斜板、ステライト合
金溶射した実施例２のAl−Si合金製スリツパ (4) 実施例１のAl−Si合金製斜板、３重量％炭素
鋼−Mo溶射した実施例２のAl−Si合金製スリ
ツパ (5) 実施例１のAl−Si合金に３重量％炭素鋼を溶
射した斜板、実施例２のAl−Si合金製スリツパ 以上の組合せについて試験の結果、(2)〜(5)の本
発明に係るカークーラーの騒音は50デシベルで非
常に小さく、(1)の従来材を用いたものは60デシベ
ルであつた。

また摩耗状況は本発明に係るものは従来材を用
いたものより約50％少ないことが認められた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、斜板式運動変換装置、特にカ
ークーラー用コンプレツサの騒音を著しく低下で
き且つピストンの往復運動に基づく斜板およびス
リツパの割れを防止できるというすぐれた効果を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

図は斜板式運動変換装置の断面構成図である。 １……回転シヤフト、２……斜板、３……スリ
ツパ、４……ボール、５……ピストン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転シヤフトと、該シヤフト軸方向に対して
   傾斜して固定された斜板と、該斜板の両側面に接
   して摺動する摺動部材と、該摺動部材を介して前
   記シヤフトの回転運動を往復運動に変換するピス
   トンとからなり、前記ピストンがアルミニウム−
   シリコン系合金鋳物により構成されている斜板式
   運動変換装置において、前記斜板用材料または前
   記摺動部材はシリコンを８〜18重量％含有し、塑
   性加工によつて共晶シリコン粒径を５μｍ以下の
   平均粒径としたアルミニウム−シリコン系合金か
   らなり、且つ前記斜板用材料と前記ピストン材料
   との熱膨張係数の差違が20％以下であることを特
   徴とする斜板式運動変換装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記斜板用
   材料または前記摺動部材は重量でシリコン８〜18
   ％、銅１〜４％、マグネシウム0.1〜0.6％、残部
   アルミニウムおよび不純物よりなる化学成分を有
   し、塑性加工によつて共晶シリコン粒径を５μｍ
   以下の平均粒径としたアルミニウム−シリコン系
   合金からなることを特徴とする斜板式運動変換装
   置。