JP5607754B2 - 斜板式コンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は斜板式コンプレッサに関し、回転軸を中心に回転する斜板と、該斜板の回転に伴って進退動するピストンと、上記斜板に摺接する平坦部および上記ピストンに形成した半球状の凹部に摺接する球面部の形成されたシューとを備えた斜板式コンプレッサに関する。

従来、回転軸を中心に回転する斜板と、該斜板の回転に伴って進退動するとともに半球状の凹部の形成されたピストンと、上記斜板に摺接する平坦部および上記ピストンの凹部に摺接する球面部の形成されたシューとを備えた斜板式コンプレッサが知られている（特許文献１、２）。
上記特許文献１の斜板式コンプレッサにおける斜板の表面には、樹脂などからなるコーティング層が形成されており、またこのコーティング層の表面には該斜板の中央を中心とする渦巻き状または同心円状の環状溝が形成され、シューとコンプレッサとの摺動特性を高めるようになっている。
そして、上記特許文献１などに記載される従来の斜板式コンプレッサのシューは、その平坦部の直径が１１〜１２ｍｍ程度であるのが一般的となっている。

国際公開ＷＯ２００２／０７５１７２号公報

ここで、上記シューは上記ピストンの往復動によって上記斜板に押圧されるため、シューの平坦部の直径が大きいほど斜板との摩擦力が大きくなり、斜板式コンプレッサを駆動するエンジンの燃費性能に影響を及ぼすという問題がある。
この様な問題に対し、シューの平坦部を小径にすれば、シューと斜板との摩擦力が小さくなって斜板式コンプレッサを駆動するエンジンの燃費を向上させることが期待できる。
しかしながらシューの平坦部を小径にすると、上記環状突起における平坦部との接触部分への荷重が集中して環状突起が弾性変形してしまい、シューが斜板に対して摺動する際に、シューと環状突起との間に発生する剪断抵抗によってコーティング層が摩耗し、また上記環状突起が消滅すると、シューと斜板とのなじみ性や潤滑油保持性が悪化するという問題が発生する。
このような問題に鑑み、本発明はシューの平坦部の小径化によって斜板との摩擦力を小さくするとともに、コーティング層の摩耗を抑制することが可能な斜板式コンプレッサを提供するものである。

すなわち、請求項１にかかる斜板式コンプレッサは、回転軸を中心に回転する斜板と、該斜板の回転に伴って進退動するとともに半球状の凹部の形成されたピストンと、上記斜板に摺接する平坦部および上記ピストンの凹部に摺接する球面部の形成されたシューとを備え、
上記斜板の表面にコーティング層を形成するとともに、該コーティング層の表面に斜板の中央を中心とする渦巻き状または同心円状の環状溝を形成した斜板式コンプレッサにおいて、
上記平坦部の径を１０．５ｍｍ以下に設定するとともに、
上記環状溝と環状溝との間に形成された環状突起のピッチが

（Ｌ＝シューの平坦部に接触する環状突起の長さ（ｍｍ） Ｎ＝シューの平坦部に接触する環状突起の本数）
の条件を満たすように設定したことを特徴としている。

上記発明によれば、シューの平坦部の直径を従来のシューに比べて小径として、シューと斜板との摩擦力を小さくしたとしても、上記数１により、平坦部に接触する環状突起の長さを長くすることで、平坦部の面圧が多数の環状突起に分散することとなり、環状突起の弾性変形が小さくなってシューと環状突起との間の剪断抵抗が減少し、コーティング層の摩耗を抑制することが可能となる。

斜板式コンプレッサの断面図 シューおよび斜板の拡大断面図 シューの平坦部に接触する環状突起の状態を示した図 数１の条件を満たさないシューおよび斜板の状態を示した図 実験結果を示したグラフ 実験結果を示したグラフ 実験結果を示したグラフ 他の形状を有するシューの断面図

以下図示実施例について説明すると、図１は斜板式コンプレッサ１の内部構造を示し、図示しないハウジングに軸支された回転軸２と、該回転軸２に取り付けられた斜板３と、ハウジングの図示しないシリンダボア内を進退動する複数のピストン４と、各ピストン４の内部に向き合うように設けられるとともに上記斜板３を挟持する複数のシュー５とを示している。
上記斜板３は回転軸２に対して斜めに固定されているか、もしくは斜板３の傾角を変化させることができるようになっており、各ピストン４ごとに２つのシュー５によって挟持されている。
上記ピストン４には、相互に向き合うように半球状の凹部４ａが形成されており、上記シュー５はこの凹部４ａに対して揺動しながら、上記斜板３の回転をピストン４の進退動に変換するようになっている。
なお、このような構成を有する斜板式コンプレッサ１は従来公知であり、これ以上の詳細な説明は省略する。

上記シュー５について詳細に説明すると、本実施例のシュー５は鉄系、銅系、アルミニウム系材料のほか、焼結材料や樹脂材料等で製造され、好ましくはＳＵＪ２を鍛造や転造により製造したものとなっている。
図２はシュー５近傍の拡大図を示したものであり、上記シュー５は上記斜板３に摺接する平坦部５ａと、上記ピストン４の凹部４ａに摺接する球面部５ｂと、上記球面部５ｂを囲繞するように形成された曲面からなる逃がし部５ｃと、上記平坦部５ａを囲繞するように形成された平坦なテーパ部５ｄとから構成されている。なお、図２は模式図であり、実際の形状に対して一部の縮尺を誇張して記載したものとなっている。
上記平坦部５ａとテーパ部５ｄとの間は滑らかな曲面で接続されており、上記平坦部５ａは上記滑らかな曲面を含まない略平坦面から構成され、かつ直径ｄ＜１０．５ｍｍに設定された円形を有している。この直径ｄについては、好ましくは３．５≦ｄ≦９．５ｍｍ、より好ましくは５．５≦ｄ≦８．５ｍｍに設定することが望ましい。
つまり本実施例におけるシューの平坦部５ａは、従来公知のシューにおける平坦部の直径１１〜１２ｍｍよりも小径となっている。
ここで、上記平坦部の直径ｄ、すなわち上記平坦部５ａと上記滑らかな曲面との境界を認識するためには、例えば上記平坦部５ａを、縦倍率（シューの高さ方向の倍率）を横倍率（シューの半径方向の倍率）の１００倍（縦倍率：横倍率＝１０００：１０）の縮尺で測定することにより認識することができる。
上記球面部５ｂおよび上記逃がし部５ｃはそれぞれ曲面によって構成されており、上記逃がし部５ｃと平坦部５ａとの間に形成されたテーパ部５ｄは、上記平坦部５ａに対して斜板３から離隔する方向に傾斜するようになっている。
なお、上記シュー５の平坦部５ａの中央やその他の部分に、ディンプルを形成しても良く、また上記平坦部５ａを中央が盛り上がった中高形状としてもよい。

次に、上記斜板３について詳細に説明すると、本実施例の斜板３は円盤状に形成された基材３ａと、該基材３ａの表面に形成されたコーティング層３ｂとから構成され、該コーティング層３ｂの表面には上記回転軸２２を囲繞するように形成され渦巻き状の環状溝３ｃが形成されている。
上記基材３ａは鉄系、銅系、アルミニウム系材料などによって製造され、上記コーティング層３ｂとの間に中間層を設ける場合は、銅焼結、銅溶射、アルミニウム溶射、銅−アルミニウム溶射などの手法により形成することができる。
上記コーティング層３ｂは、熱硬化性樹脂バインダーに固体潤滑材を添加したものを用いており、熱硬化性樹脂バインダーとしては例えば、ポリイミド系樹脂（ＰＩ）ポリアミドイミド系樹脂（ＰＡＩ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等、ポリアミド（ナイロン）、エラストマー等が挙げられる。
また上記固体潤滑材としては、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）、フッ化黒鉛（ＣＦ）、フッ素系樹脂等が挙げられ、その粒径は１５μｍ以下、好ましくは０．２〜１０μｍとするのが望ましく、その配合比は５〜８０ｗｔ％となっている。
さらに上記コーティング層３ｂには硬質粒子を添加してもよく、該硬質粒子としては、アルミナやシリカなどの酸化物、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの窒化物、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの炭化物、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの硫化物が挙げられ、その粒径は０．０１〜３μｍとするのが望ましく、その配合比は０．２〜７ｗｔ％となっている。

上記環状溝３ｃは、上記基材３ａの表面に上記コーティング層３ｂを形成した後に、機械加工によって形成されるものとなっており、渦巻き状のほか同心円状に形成することも可能となっている。
このような構成により、図３に示すシュー５の平坦部５ａには、隣接する環状溝３ｃと環状溝３ｃとの間に形成された環状突起３ｄが縞状に接触することとなる。なお図３も模式図となっており、実際の縮尺とは異なる記載となっている。
そして本実施例の斜板式コンプレッサ１においては、上述したような小径のシュー５に対して、上記環状突起３ｄのピッチが以下の関係式を満たすように設定されている。

（Ｌ：平坦部５ａに接触する環状突起３ｄの長さ、Ｎ：平坦部５ａに接触する環状突起３ｄの本数）
上記数１の左辺について説明すると、図３に示す平坦部５ａの図示左方で接触する環状突起３ｄの長さをＬ１、これに隣接する環状突起３ｄの長さをＬ２とし、図示右端に位置する環状突起３ｄの長さをＬｎとした場合、数１の左辺側はＬ１＋Ｌ２…＋Ｌｎと記載することができる。
つまり数１は、平坦部５ａに接触する環状突起３ｄの長さの和が３００ｍｍ以上となることを示しており、上記シュー５の平坦部５ａの直径ｄを５．５ｍｍとすると、上記平坦部５ａには６９本以上の環状突起３ｄが接触するとともに、該環状突起３ｄのピッチは０．０７９ｍｍ以下に設定されることとなる。

そして、上記小径のシュー５を備えた斜板式コンプレッサ１において、上記数１の条件を満たすことで以下の効果を得ることができる。
まず上記斜板式コンプレッサ１を作動させると、上記斜板３が回転するとともに該斜板３を挟むようにして設けたシュー５が該斜板３に対して摺動しながら上記ピストン４の凹部４ａで揺動し、これによりピストン４が往復動する。
ピストン４の往復動に伴い、上記シュー５は斜板３の表面に押圧されることとなるが、本実施例のシュー５は平坦部５ａの直径ｄが１０．５ｍｍ未満に設定され、従来のシュー５よりも小径となっている。
その結果、上記シュー５と斜板３との間の摩擦力が小さくなり、上記斜板３を小さな駆動力で駆動できることから、斜板式コンプレッサ１を駆動するエンジンの燃費を向上させることが可能となる。

一方、上記ピストン４の往復動によりシュー５が斜板３の表面のコーティング層３ｂを押圧すると、該シュー５の平坦部５ａの面圧により環状突起３ｄが弾性変形し、シュー５が斜板３の表面に対して弾性変形深さＨだけ沈み込むこととなる。
ここで、本実施例の斜板式コンプレッサ１は上記数１の条件を満たしていることから、該平坦部５ａに接触する環状突起３ｄの長さの和は３００ｍｍ以上となっており、平坦部５ａの直径ｄを５．５ｍｍとした場合、６９本以上の環状突起３ｄが平坦部５ａに接触したものとなっている。
このため平坦部５ａの面圧が該平坦部５ａに接触している複数本の環状突起３ｄに分散されることとなり、本実施例のように接触する環状突起３ｄの長さの和を長くすることで、上記弾性変形深さＨを浅くすることができる。
弾性変形深さＨが浅いと、上記シュー５が斜板３に対して円周方向に摺動する際において、上記シュー５が環状突起３ｄを弾性変形させる際に生じる剪断抵抗を小さくすることができ、コーティング層３ｂの摩耗を低減することが可能となっている（図４（ｂ）参照）。

これに対し、図４は上記シュー５と同じシュー５を備えるものの、上記数１の条件を満たしていない斜板式コンプレッサ１のシュー５および斜板３の断面図を示し、図４（ａ）は斜板３の半径方向の断面図を、図４（ｂ）は斜板３の円周方向に沿った断面図をそれぞれ示している。またこの図４も実際の縮尺とは異なる記載となっている。
図４に示す斜板式コンプレッサ１は、上記平坦部５ａに接触する環状突起３ｄの長さの和が３００ｍｍ未満となっている。
このため、各環状突起３ｄに分散される面圧が大きくなり、環状突起３ｄが大きく弾性変形して上記弾性変形深さＨが深くなることから、図４（ｂ）に示すように上記シュー５が斜板３に対して円周方向に摺動する際に、上記環状突起３ｄの弾性変形により生じる剪断抵抗が大きくなり、コーティング層３ｂの摩耗量が大きくなってしまう。

図５は本実施例にかかる斜板式コンプレッサ１についての実験結果を示したグラフを示している。このグラフにおいては、横軸に数１の左辺、すなわち平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和を示し、縦軸に斜板３の焼付荷重および斜板３のコーティング層３ｂの摩耗深さをそれぞれ示したものとなっている。なお横軸には、参考としてシュー５の平坦部５ａに接触する環状突起３ｄの本数も表示している。
上記実験においては、いずれも平坦部５ａの径が５．５ｍｍのシュー５を用いており、上記斜板３におけるコーティング層３ｂは熱硬化性樹脂バインダーが４５％、固体潤滑材が５５％の混合比からなるとともに、その厚さは２５μｍに設定されている。
さらに上記斜板３は、シュー５の平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和が１６０ｍｍ、２４０ｍｍ、３２０ｍｍとなるような３種類の斜板３を用意し、そのとき環状突起３ｄのピッチは０．１５ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．０７５ｍｍとなる。
そして上記実験では、斜板３を９５００ｒｐｍで回転させながら、シュー５に対して５１９〜１７３５Ｎへと荷重を漸増させながら押圧し、これらを冷媒／冷凍機油混合コンプレッサ吸入雰囲気内で行った。なお本実験条件は以下の図６、図７に示す実験においても適用した。
まず、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和と、焼付荷重との関係に関する実験結果について説明すると、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和が３００ｍｍ以上となる場合、１７００Ｎ以上の荷重をかけても焼付きが発生しなかったが、２４０ｍｍのときは約７００Ｎ程度で焼付きが発生した。
次に、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和と、斜板３のコーティング層３ｂの摩耗深さとの関係に関する実験結果について説明すると、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和が３００ｍｍ以上となる場合、摩耗深さは約３μｍに抑えられるものの、１６０ｍｍのとき摩耗深さは約６μｍとなった。

図６は上記図５と同じ実験を平坦部５ａの径を９．５ｍｍとしたシュー５に対して行った場合の実験結果を示している。
本実験で用いた斜板３は、シュー５の平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和が２８０ｍｍ、４７０ｍｍ、７１０ｍｍとなるような３種類の斜板３を用意し、そのとき環状突起３ｄのピッチは０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２５ｍｍとなる。
まず、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和と、焼付荷重との関係に関する実験結果について説明すると、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和が３００ｍｍを越えている２つの斜板３においては、１７００Ｎ以上の荷重をかけても焼付きが発生しなかったが、２８０ｍｍのときは約１４００Ｎ程度で焼付きが発生した。
次に、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和と、斜板３のコーティング層３ｂの摩耗深さとの関係に関する実験結果について説明すると、平坦部５ａに接触している環状突起３ｄの長さの和が３００ｍｍを越えている２つの斜板においては、摩耗深さは約２μｍに抑えられるものの、２８０ｍｍのとき摩耗深さは約４μｍとなった。

図７はシュー５の平坦部５ａの径と摩擦係数との関係にかかる実験結果を示している。このグラフにおいては、横軸にシュー５の平坦部の径を、縦軸に上記斜板３との間で生じる摩擦係数を示したものとなっている。
本実験で用いた斜板３の環状突起３ｄのピッチは０．１５ｍｍとなっており、また平坦部５ａの径がそれぞれ５．５ｍｍ、７．５ｍｍ、９．５ｍｍ、１１．５ｍｍのシュー５を用いて実験を行った。
上記シュー５のうち、平坦部５ａの径がそれぞれ５．５ｍｍ、７．５ｍｍ、９．５ｍｍのシュー５は上記数１の要件を満たした発明品に該当し、１１。５ｍｍのシュー５は一般的な大きさの従来品となっている。
上記実験によれば、平坦部５ａの径が減少するにつれて摩擦係数が減少していることが理解できる。

なお、上記シュー５の形状については、上記実施例以外の形状を有するシュー５を用いてもよい。
たとえば図８に示すように、球面部５ｂと平坦部５ａとの間に柱状部５ｅを形成するとともに、上記柱状部５ｅと球面部５ｂとの境界部分に、半径方向外方に突出するとともに上記球面部５ｂを構成する球面部側フランジ５ｆを設けたシュー５であってもよい。
このような構成とすることで、球面部を従来と同様の大きさとしながらも平坦部の径だけを小さくすることができ、シュー５を軽量化することが可能となる。

１ 斜板式コンプレッサ ３ 斜板
３ｂ コーティング層 ３ｃ 環状溝
３ｄ 環状突起 ４ ピストン
５ シュー ５ａ 平坦部

Claims (3)

1. 回転軸を中心に回転する斜板と、該斜板の回転に伴って進退動するとともに半球状の凹部の形成されたピストンと、前記斜板に摺接する平坦部および前記ピストンの凹部に摺接する球面部の形成されたシューとを備え、
   前記斜板の表面にコーティング層を形成するとともに、該コーティング層の表面に斜板の中央を中心とする渦巻き状または同心円状の環状溝を形成した斜板式コンプレッサにおいて、
   前記環状溝の突起部が前記平坦部に線接触し、
   前記平坦部の径が１０．５ｍｍ未満であり、
   前記環状溝のうち、前記平坦部と接触する部分の長さＬが、
   

   

   （Ｎ＝シューの平坦部に接触する環状突起の本数）
   の条件を満たすことを特徴とする斜板式コンプレッサ。
2. 前記平坦部を囲綾するようにテーパ部を形成し、
   前記平坦部と前記テーパ部とが滑らかな曲面で接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の斜板式コンプレッサ。
3. 前記平坦部の径が９．５ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の斜板式コンプレッサ。

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