JPH01224481A - 斜板式圧縮機用シユー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は斜板とピストンを係留し連動させる斜板式圧縮
機用シューに関する。

（従来技術と課題） 斜板式圧縮機は一般に第２図に示すように、シリンダブ
ロックｌ内に配置された回転軸２に取付けられて回転す
る斜板３と、斜板３に接しながら摺動されるシュー４．
及び斜板３をまたいでシュー４によって係留されるピス
トン５とからなる。

回転軸２とともに回転する斜板３の回転運動はシュー４
によってピストン５の往復運動に変換される。このよう
な構造によって冷凍回路を循環してきた冷媒ガス等の被
圧縮媒体は、ピストン５にてシリンダボア６内で高圧に
圧縮され再冷凍サイクル回路へと送り出される。

車両積載空調用として用いられる斜板式圧縮機は非常に
苛酷な作動条件にさらされる。こような用途の圧縮機は
開動源のエンジン回転数の範囲すなわち５００〜６００
０ｒｐｍの広い回転範囲で使用される。また潤滑は外部
の冷凍回路より圧縮機に戻った油を含んだ冷媒もしくは
圧縮機内に戻り冷媒より分離された油を圧縮機の各摺動
部分に巡回させて潤滑する方式がとられている。この潤
滑方法では圧縮機の回転数の高い場合は比較的大量の帰
還冷媒があるために、各摺動部への潤滑は充分に行われ
るので問題は生じない。しかし始動時や帰還冷媒が少な
い低回転の場合には各摺動部への潤滑不十分となり、摩
耗が進行したり焼付現象を生じる。また圧縮機はボンネ
ット内に取付けられるため、排気対策の機器や燃料消費
改善のための機器の′Ｂ置によりボンネット内は高温と
なり、圧縮機も高温となり潤滑油の粘度が低下し潤滑効
果も低下し、前述の摩耗や焼付の問題が生じやすくなっ
ている。

以上のような厳しい条件で使用される斜板式圧縮機にお
いて、最も問題となる部分は第３回で示した斜板３とシ
ュー４との慴動部分である。前述のようなエンジン回転
数と対応するため、斜板とシュー間の摺動速度は、機種
によっても異なるが、略２〜２５ｍ／ｓｅｃもの広い範
囲に及ぶ。通常走行時でも略７〜１５ｍ／ｓｅｃの高速
で摺動する。このような摺動速度に加えて、シリンダボ
アの断面積に冷媒の圧縮圧力をかけた大きな荷重がシュ
ーに負荷される。荷重は機種によっても異なるが、通常
運転時では略１００〜２００ｋｇ／ａ（程度である。従
ってＰｖ値は３０００ｋｇ／Ｃｉ・ｍ／ｓｅｃと非常に
大きな値である。さらに、シューと斜板の間では固体接
触の状態となるいわゆる境界潤滑下にさらされることか
ら焼付や摩耗を生じやすい。さらに、外部の冷凍回路よ
り圧縮機に戻った油を含んだ冷媒もしくは圧縮機内に戻
り冷媒より分離された油を圧縮機の各摺動部分に巡回さ
せて潤滑する方式がとられているため、斜板とシューの
摺動面には始動から数十秒、長いときには数分間潤滑油
が供給されない状態でシューと斜板は摺動する。また、
長期間の使用で冷媒がリークし冷媒が液化した状態で運
転される場合があり、その場合には潤滑油が冷媒で洗わ
れて摺動面に存在しなくなるばかりでなく、シリンダボ
ア内で液体を圧縮する状態となり、シリンダボア内の圧
力は１００〜１５０ｋｇ／ａ＆にも達し、定常の運転状
態の４〜６倍もの負荷荷重となるため、焼付を発生しや
すい。従っ”て、従来生じている斜板式圧縮機のトラブ
ルの殆どは、斜板とシューの間の焼付である。

また、斜板式圧縮機も軽量化が必要なためシリンダブロ
ックｌやハウジング７．８．ピストン５などがアルミニ
ウム合金化され、さらに従来鋳鉄製であった斜板３も高
珪素アルミニウム合金化されてきた。斜板３を高珪素ア
ルミニウム合金とすると、アルミニウム合金基地中に分
散する硬い初晶珪素（硬度はＨｍ　Ｖ　８００〜１００
０　）によってシューの摩耗が発生しやすくなった。こ
の対策として、シュー４の斜板３との摺動面に種々の処
理を施すことが提案されている。特公昭６０−５４５１
６では浸ボロン処理層を設ける提案、特開昭５５−１２
８６８１では炭化物層を設ける提案、特開昭５４−６７
２０９ではイオン窒化層を設ける提案等である。また、
最近では斜板との摺接面に高密度のセラミックスを用い
ることも提案（特開昭６２−４１９７８、特願昭６２−
４１９７９、特開昭６２−４１９８０）されている。し
かし上述のようなシューでも、シリンダボアの大きいす
なわち負荷荷重の大きい機種や、斜板径の大きい即ち摺
動速度の大きい機種では、有効な摺動対策となり得す、
依然として強靭鋳鉄の焼き入れ材を斜板とし、相手シュ
ーには高珪素アルミニウム合金とする組合せで使用され
ている。これらの機種では、軽量化を目的として斜板を
アルミニウム合金とするためには、更に耐摩耗性や耐焼
付性のよい材料組合せが強く求められていた。

（課題を解決するための手段） 本考案は上記の問題点に鑑みて開発されたもので、以下
その構成を述べる。

シリンダブロック内において、回転軸により回転される
斜板と、そのシリンダブロック内において摺動自在に組
み合わされたピストンとの間に介在され、ト記斜板の回
転に応じてピストンを往復運動させる斜板式圧縮機用の
半球状シューであって１本体を鉄鋼材料としてピストン
との摺接面以外の面のうち少なくとも斜板との摺接面と
その周囲部に硬質粒子を分散させた厚さ３〜５０μｍの
めっき層を設けた構成とする。更に前記硬質粒子の平均
粒径が０．１〜３μｍで、１つその硬度がＨｍＶで２５
００以上であり、且つめっきＪ岬に占める面積率が１０
〜４０％であること、めっきＩ−がニッケルを主体とす
ること、まためっき層とシュー本体が拡散接合されてい
ることが好ましい。

（作用） 第１図は本発明の一実施例を示すシューの断面図である
。半球状シューの本体４を鉄鋼材料とするのは、冷間鍛
造によりシュー本体４を安価に製造でき、しかも焼き入
れ処理を施すことで下地の硬度や耐力を上げることがで
きその表面に施された薄いめっき層の耐久性を増すこと
ができるためである。更に高硬度とすることでピストン
の凹部との摺接においても優れた耐久性を発揮させるこ
とができ、また取扱い時や圧縮機の組み立て時にシュー
の半球部に傷や打痕がつくことを防止するためである。

　上記のシュー本体４にあって、ピストン凹部との摺接
面４ａ以外の面の内、少なくとも斜板との摺接面とその
周囲の繋ぎ部４ｃに硬質粒子を分散させた厚さ３〜５０
μｍのめっき層４ｂを設けることで、前述のような負荷
荷重の大きな機種や、周速の大きい機種において高珪素
アルミニウム合金製斜板と組合せて使用し゛ても焼付や
摩耗を発生することがなくなる。シューのピストン凹部
との摺接面４ａにめっき層を設けない理由は、半球径の
寸法精度が悪くなり表面粗さも制御しにくいといった製
造上の理由の他、ピストンは斜板に用いられる過共晶の
珪素を含む高珪素アルミニウムよりもシリコン量の少な
い共晶シリコン組成程度のアルミニウム合金であるため
、シューのピストンとの摺接面に前述のめっき層を施し
た場合、ピストン凹部が摩耗してしまうためである。

めっき層４ａの厚さは薄い方が密着性や耐剥離性が良い
のであるが、３μｍ未満ではバラツキを含めると長期間
の使用では不十分であり、他方５０μｍを越えると耐剥
離性が低下する。

このよう、な構成のシューの中でも、特にめっき層４ｂ
中に分散する硬質粒子を粒径が０．１〜３μｍで硬度が
Ｈｍ　Ｖ　２５００以上のものとしめっき層中の面積率
を１０〜４０％としためっき層が優れ、めっき層の基地
はニッケルを主体とするものが高珪素アルミニウム合金
製斜板を相手とする摺動特性に優れる。めっき層中の硬
質粒子の平均粒径を０．５〜３μｍとするのは、０．５
μｍ未満では相手の斜板との摺動でめっき基地とともに
削りとられる摩耗形態となり効果がない。他方３μｍ以
上ではめっき液中での均一化が円滑にゆかず、そのため
めっき層の中での分散量をコントロールすることで困難
となるといった製造上の問題とともに、大きな粒径の硬
質粒子ではパフ仕上げされた摺動面において１表面への
突出が大きくなり相手斜板を著しく摩耗させる不具合を
生じるからである。以上のような硬質粒子の平均粒径の
制約の中にあって、硬質粒子の硬度はアルミニウム合金
中に分散する初晶珪素よりも高硬度でないとシューの摩
耗が多くなる。そのためにはＨｍ　Ｖ　２５００を超え
る硬度を持った硬質粒子が必要になる。

以上のような背景で選定でした硬質粒子のめっき層４ｂ
中での分散量を面積率で１０〜４０％とする理由は、１
０％未満では耐摩耗性や耐焼付性が不十分であり、４０
％を超えるとめっき屑が剥離しやすくなることが実験の
結果明らかとなったためである。

めっき層４ｂがニッケルを主体とするのは、得られる分
散めっきＪ−の密着性や耐剥離性が優れていることと、
燐やボロンとの化合物を形成させてめっき層の硬度を上
げることができることが主たる理由である。また、特に
コバルトを含有されためっき層は高温における強度を増
すことができ。

その結果として耐焼付性が向上する、又密着性を上げる
ための拡散処理で高温に処理された場合でも硬度の低下
が少なく耐摩耗性や耐焼付性の面で優れたものとなる。

コバルト含有量としては１０〜４０重量％の範囲が上記
の点で好ましい。さらに使用前の保管や、圧縮機に組み
込まれて使用される時においても優れた耐食性を発揮す
るためである。

（実施例−１） 高炭素軸受鋼（ＳＵＪ−２）からなる直径１４゜２８７
５ｍｍのボールを金型を用いて冷間鍛造し第１図に示す
形状の半球状シューの素材を得た。

それを焼き入れ焼き戻し処理を行い硬度ＨＲＣ６Ｏとし
た後、斜板とのｍ接面を砥石ラップで仕上げ更にパフ研
磨を行った。次に半球部のみが露出するよう治具にセッ
トし、露出している半球部にテフロン松脂を溶剤で薄め
た液を噴霧器で吹き付け、その後硬化処理を施したシュ
ーとする。このシューをめっき治具にセットし有機溶剤
とアルカリによる脱脂後場酸処理を行い水洗機硫酸ニッ
ケルと塩化ニッケルを主体とし、これに燐酸と亜燐酸を
加えた水溶液中に平均粒径０．８μｍの５ｉＣ（硬度は
ＨｍＶ３０００〜３５００）を分散させた種々のめっき
浴をつくり、浴の攪拌を充分におこないながら、電流密
度や浴温さらに時間を変化させてめっきを行った。めっ
き処理後水洗しシューの半球部のテフロン樹脂皮膜を除
去しバレル研磨を施した。

得られたシューの半球部の半径は７．９３２５ｍｍであ
り第１図に示すように斜板との摺接面４ｂとその周縁部
４ｃに所定の厚さの分散めっき層を有するものであった
。それぞれの条件で製作したシューのめっき層について
、膜厚、ＳｉＣの面ｆｆｖ率、燐の含有量を求めた。膜
厚は断面を研磨し顕Ｗｉ鏡で測定した。ＳｉＣの面積率
はめっき層をパフ研磨し、金属顕微鏡で拡大して画像処
理機器により求めた。燐量は化学分析により重量％とし
て求めた。それぞれの結果を第１表に示す。またその一
部のものは真空炉中で８００’Ｃで２０分保持後、油冷
し１８０℃で２時間の焼き戻し処理を行った。この処理
を行ったシューの断面をＸ線マイクロアナライザー等の
機器解析を行った結果めっき層とシュー本体の間に拡散
層があることを確認した。この拡散処理の有無も合せて
第１表に示す。

（実施例−２） 実施例−１と同様にして得た半球部にテフロン樹脂コー
ティングされたシューをメツキ治具にセットし有機溶剤
とアルカリによる脱脂後場酸処理を行い水洗機硫酸ニッ
ケルと塩化ニッケルを主体とし、これに燐酸と亜燐酸さ
らに硫酸コバルトを加えた水溶液中に平均粒径１．２μ
ｍ（粒子径の範囲０．５〜３μｍ）の窒化珪素（Ｓｉ、
Ｎ４：硬度はＨｍ　Ｖ　２９００〜３３００　）を分散
させた種々のめっき浴をつくり、浴の攪拌を充分に行い
ながら、電流密度や浴温さらに時間を変化させてめっき
を行った。めっき処理後水洗しシューの半球部のテフロ
ン樹脂皮膜を除去しバレル研磨を施した。

得られたシューの半球部の半径は７．９３２５ｍｍであ
り第２図に示すように斜板との摺接面４ｂとそのＪ＃ｌ
縁部４ｃに所定の厚さの分散めっき層を有するものであ
った。それぞれの条件で製作したシューのめっき層につ
いて、膜厚、ＳｉＣの面積率、燐とコバルト量は化学分
析により重量％として求めた。それぞれの結果を第２表
に示す。またその一部のものは、真空炉で８００℃で２
０分保持後、油冷し１８０℃で２時間の焼き戻し処理を
行った。この処理を行ったシューの断面をＸ線マイクロ
アナライザー等の機器解析を行った結果めっき層とシュ
ー本体の間に拡散層があることを確認した。この拡散処
理の有無も合せて第２表に示す。

本実施例の他に無電解めっき法によってシューのめっき
を行い同様の評価試験を実施した結果でも、焼付値は電
解法によるものに比べて路間−に近いものであった。し
かし無電解法によるめっきは、めっき設備費は少なくて
済む利点はあるが。

、皮膜の成長速度が遅くまためっき浴の管理が複雑で劣
化が早かったため電解法に比べ経済的でないと判断した
。また電解法に比べて密着性のバラツキも大きい結果で
あった。

（以下余白、次頁へ続く） 第２表 （摺動特性の評価−１） 第３図に第４図のＸ−Ｘ線の断面を含む上面図、第４図
に側面図で示したシュー実体摩擦摩耗試験機により種々
の材料組合せで耐焼付性の評価試験を行った。図中１０
は図示しない回転動力伝達機構から回転される軸であり
、軸受９で支承され、斜板用材料の円板状テストピース
１１が取付けられている。軸ｌＯと平行に設けられ、且
つ図示しない支持部により固定されている軸１２に直進
及び回転自在となるように取付けられたホルダー１３に
は、油圧シリンダー１４が設けられており、１５により
シュー１６を両側から斜板用材料からなる円板状テスト
ピース１１を挟さみつける構造となっている。なお、シ
ューは自転が可能なように取付けられている。ホルダー
１３にはウェイトバランサー１７が設けられており軸１
２を支点としてのバランスを調整する。円板状テストピ
ース１１とシュー１６との間の摩擦力は、はピアノ線１
８を介して引張り型のロードセル１９に伝達される。ロ
ードセルからは図示しないストレンアンプで増幅され記
録計に記録される。なお、油圧シリンダーへ油圧は図示
しない油圧ユニットからサーボバルブを介して所定の圧
力が負荷されるようになっている。

円板状テストピース材料としては、第３表に示すＴ−６
処理した各種アルミニウム合金を用いた。

第３表 試験条件 周速：１０ｍ／ｓｅｃ 潤滑油：コンプレッサーオイル（スニ ソ５ＧＳ） 潤滑方法：噴霧潤滑（油量０．５ｃｃ／ｍ１ｎ）荷重：
　４０ｋｇから開始し１０ｋｇきざみでステップ昇圧、
各荷重段 階では３分間保持 テストピースの表面組さ； 円板状テストピース：０．８〜１．ＯＳシュー　　　　
　　：０．３〜０．４３焼付の評価は摩擦係数が０．０
５となった荷重点を焼付発生荷重とする。

第４表 尚、比較用シューとして空隙率３％の９９．５％Ａｎｚ
ｏｙＨシュー（テストピースＮｏ、Ａ）と空隙率３％の
部分安定化ジルコニア製シュー（テストピースＮｏ、Ｚ
）でそれぞれ斜板との摺接面及びその周縁部を表面粗さ
をＲａで０．３μｍ以下に仕上げたものも合せて評価し
た。尚形状及び平坦度は実施例のものと全く同一とした
６円板状テストピースとシュー材の組合せと試験結果の
焼付発生荷重を第４表に示す。

本考案実施例のものは、いずれもセラミックス製シュー
れよりも極めて優れた耐焼付性を示した。

尚、拡散処理を施したシュー（Ｓ−２，５−４）では焼
付発生後の調査でも摺動面では、一部のものに剥離が認
められたにれは焼付時にめっき層にかかる摩擦力によっ
て生じたものと考えられる。

（摺動特性の評価−２） 次に前記高珪素アルミニウム合金製（Ｔ−６処理品）斜
板と各シューの組合せで圧縮機を組み立て、下記の条件
下でベンチにて実機試験を実施した。

試験条件 圧縮機二６気筒の斜板式圧縮機（シリ ダボア径　３６ｍｍ、シリン ダボアのＰ、Ｃ，０６６ｍｍ、 総排気量　１５０ｃｃ） 回転数：４００Ｏｒｐｍ 吐出ガス圧＝５〜５．５ｋｇ／ｃｊ 吸入ガス圧：約５０ｍｍＨｇ 運転時間：最高２０時間 潤滑油：コンプレッサーオイル（スニ ソ５ＧＳ）　　１００ｃｃ 封入冷媒量：２４０　ｇ（正規量の２０％）運転中、ト
ルクメーターのトルクを自動監視し定常トルクよりも５
％増加した時は自動停止するようにした。本発明のシュ
ーと斜板の組合せでは何れも異常が無く２０時間の運転
に耐えた。テスト後の分解調査の結果でも焼付は認めら
れなかった。しかし比較の組合せＮ００５のものは５時
間で、Ｎ００６のものは８時間でトルクの増加により停
止し分解調査の結果、シューと斜板の間で焼付を発生し
ていることが確認された。

又、第１図のようなシューの形状の他に第２図に示す（
Ａ）のように斜板との摺接面に凹部を設けたシューや（
Ｂ）のように貫通孔を設けたシューを作製し、いずれも
油溜りが良くなるため摺動特性がさらに向上することを
確認している。

（発明の効果） 本発明は、半球状シューの本体を鉄鋼材料とすることに
より、安価に製造でき硬度や耐力を上げ表面に施された
めっきの耐久性を増すことができ、めっき層に硬質粒子
を分散させることにより負荷荷重の大きな機種や周速の
大きい機種でも焼付や摩耗が発生することがなくなる。

そしてめっき層をニッケルを主体とすることにより分散
めっき層の密着性や耐剥離性が優れたものとなり、燐や
ボロンとの化合物を形成させ、またコバルトと合金化さ
せることにより一層摺動特性を向上させることができる
。まためっき層をシュー本体と拡散接合させることによ
りめっき層の密着性と耐剥離性を著しく高めることがで
きる。

以上のように本考案によれば、従来斜板のアルミニウム
化が困離であったシリンダボアの大きい。

即ち負荷荷重の大きい機種や、斜板径の大きい即ち摺動
速度の大きい機種での摺動特性を大巾に改良した材料組
合せで圧縮器の軽量化が可能となる。

シューは寸法の小さい部品であるため、めっき工程では
一度に多量処理出来るため経済性も優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すものである。 第１図は（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の３種類のシューの断
面図、第２図は斜板式圧縮機の構成を示す断面図、第３
図は第４図のＸ−Ｘ線断面を含む比較試験に用いたシュ
ー実体摩擦摩耗試験機の上面図、第４図は実体摩擦摩耗
試験機の側面図である。 図中；３・・・斜板、４・・・シュー本体、４ａ・・・
ピストンとの摺接面、４ｂ・・・めっき層、４Ｃ・・・
ピストンとの摺接面と斜板との摺接面との繋ぎ部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １シリンダブロック内において、回転軸により回転され
   る斜板と、同じくシリンダブロック内において前記回転
   軸方向に摺動自在に組み合わされたピストンとの間に介
   在されていて、前記斜板に摺接し該斜板の回転に応じて
   前記ピストンを前記回転軸方向に往復運動させる斜板式
   圧縮機用の半球状シューにおいて、前記シューの本体が
   鉄鋼材料とされ前記ピストンとの摺接面を除く斜板との
   摺接面側に硬質粒子を分散させた厚さ３〜５０μｍの金
   属めっき層を設けたことを特徴とする斜板式圧縮機用シ
   ュー。 ２硬質粒子の平均粒径が０．１〜３μｍで、且つその硬
   度がＨｍＶで２５００以上であり、且つ金属めっき層に
   占める面積率が１０〜４０％であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の斜板式圧縮機用シュー。 ３前記金属めっき層の基地がニッケルを主体とすること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の斜
   板式圧縮機用シュー。 ４前記金属めっき層とシュー本体が拡散接合されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項記載の
   斜板式圧縮機用シュー。