JPS6244144B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はメカニカルシールに関するものであ
り、さらに詳しく述べるならばカークーラー用斜
板式コンプレツサにおけるメカニカルシールに関
するものである。

メカニカルシールは、一般に回転軸にとりつけ
られた輪（従動リング）と固定部にはまつた軸
（シートリング）よりなり、ガスまたは潤滑剤な
どの夜漏れを防止し、耐摩耗性及び強度を有する
ことが要求される従動リングと、シートリングと
を含む軸封摺動構造で用いられている。この要求
を満たすため、従動リングには焼成カーボン、合
成樹脂とカーボンの複合材料等が使用され、一方
シートリングにはステライト、ステンレス鋼、高
けい素鋳鉄などが使用されるのが一般的であつ
た。ところが、以下詳しく説明するように斜板式
コンプレツサのメカニカルシールにおいては、上
記要求が苛酷であり、このような要求は従来材料
では満足されない。

斜板式コンプレツサにおいては、斜板がドライ
ブシヤフトに対して固定されてこれとともに回転
し、シヤフトの回転運動が斜板と摺動可能に係合
しているシユーと、シユーを斜板に摺動可能に押
圧するボールベアリングとを介してピストンの往
復運動に変換されている。そして近年車両重量を
軽減する傾向にあるため車両の冷却に必要なコン
プレツサの小型化と軽量化が必要とされ、この結
果斜板式コンプレツサの可動部に給油するオイル
ポンプが取外されているために、斜板式コンプレ
ツサの軸封摺動部への潤滑油の供給が困難になる
に至つた。

さらに、カークーラー用コンプレツサは内燃機
関により駆動されるが、潤滑が十分でない状態で
その回転数の変動に応じて回転せしめられること
が多い。すなわち、内燃機関のアイドリング時は
約500rpmで、また高速走行時又は急速加速時等
は約6000rpmで、カークーラー用コンプレツサは
回転せしめられるのでその作動条件は変動が多
く、軸封摺動部への潤滑油供給が前述の如く困難
なことと相まつて、軸封摺動部の作動条件は苛酷
になる。加えて、斜板式コンプレツサのメカニカ
ルシールは、スラスト摺動下に置かれるため、そ
の軸封摺動構造は常に境界潤滑下に置かれ固体接
触すなわち潤滑油介在のない接触になる。そこで
潤滑のためのオイルが軸封摺動構造の近傍に充分
に供給されたとしても固体接触下にある摺動面で
は充分な潤滑効果は得られ難い。また、カークー
ラー用にコンプレツサを使用する限りはその非定
常回転運動による潤滑不良は避けられず、特に、
コンプレツサの運動後数10秒間時には数秒間もオ
イルの潤滑がない状態でメカニカルシールの従動
リングがシートリングに対して摺動する場合の潤
滑不良は著しい。このために、運転初期にメカニ
カルシールの軸封摺動部で固体接触を避けること
は殆んど不可能である。上記したように、オイル
ポンプの省略、スラスト摺動及び非定常回転運動
などの原因によつて、カークーラー用斜板式コン
プレツサのメカニカルシールの使用条件は苛酷に
なつているのである。なお、斜板式コンプレツサ
のメカニカルシールはコンプレツサのケーシング
に固着されたシートリングと、回転軸に対して従
動するリングとにより構成される。この従動リン
グがシートリングの端面に押圧され、カークーラ
ーの冷媒ガスと潤滑油のミスト状混合物をコンプ
レツサ内に封入している。

上記の如き斜板式コンプレツサのシートリング
としては、普通鋳鉄、特殊鋳鉄及びセラミツク材
料が主に使用されていた。普通鋳鉄としては
FC20などのねずみ鋳鉄が使用されまた特殊鋳鉄
としては黒鉛に均一且つ微細な分布を与えたもの
が使用されていた。しかし、これらの鋳鉄材料の
場合にはシートリングの仕上精度を高めてもシー
ル性は優れないという欠点があつた。このような
欠点が生じる原因を本発明者が研究した結果鋳鉄
材料内に分散している黒鉛が表面加工の際に一部
脱落し窩状表面欠陥が生じ、これによりシール性
が劣化することが分かつた。また、鋳鉄材料の硬
さは一般にHv300以下であり、比較的低い。一般
に軟質の材料は摩耗量が多いが、上記シートリン
グのような材料では単に摩耗量が多いということ
がシール性を劣化させるのではなく、摩耗の進行
とともにシートリングの摺動面が粗さの不均一を
呈し、これによりシール性が劣化することが分か
つた。一方、セラミツク材料は極めて高い硬度を
有するが、急激な温度変化によつて割れ易いとい
う欠点を有する。このため、カークーラーなどの
コンプレツサに用いられた場合、急激に高速回転
させられるとセラミツク材料は熱衝撃に弱いため
割れる危険がある。この点に関し本発明者が見出
したところによると、メカニカルシールの優れた
シール性は単にシートリングの硬さが高く耐摩耗
性が優れているという性質によつて具備されるの
ではなく、表面仕上精度によつても影響される。
ところが、セラミツク材料は研摩が著しく困難で
あるため、高い表面仕上精度を与えてシール性を
優れたものとすることは容易でない。さらに、セ
ラミツク材料に関して一般的に知られている性質
として低い熱伝導性と高い摩擦係数があり、この
ためメカニカルシールの軸封摺動部が発熱により
高温になり易い。このために、セラミツク材料の
シートリングは斜板式コンプレツサの運転中に、
割れ又は発熱により表面性状が変化して比較的短
時間のうちに油やガス洩れが多くなり、信頼性が
低いという欠点がある。

特開昭52−112049号には酸化クロムを溶射した
後超精密仕上してメカニカルシールの摺接部とす
ることが提案されているが、酸化クロムから摺動
中に生じる微粉が摩耗の原因となり、また酸化ク
ロム摺接部は断続摺動時の耐シール性が不十分で
あるとの弱点がある。

本発明は、潤滑油の供給が少ないメカニカルシ
ールの諸特性を改良することを目的とする。

本発明は、オイルポンプが省略されたカークー
ラー用斜板式コンプレツサにおいて、冷媒の洩れ
を従来のものよりも著しく少なくしうるメカニカ
ルシールを提供することも目的とする。

本発明に係るメカニカルシールは、回転軸に軸
着された炭素質材料製回転リングと、このリング
の一表面と密に接触する焼入軸受鋼よりなる固定
片とを含んでなり、固定片が、回転リングとの接
触表面にてHv600−820の硬さと0.5ミクロン以下
の粗さを有することを特徴とする。このようなメ
カニカルシールにおいて炭素質材料としては、焼
成カーボン、合成樹脂とカーボン（グラフアイ
ト）との混合複合材料、及び実質的に炭素からな
るその他の材料を用いることができる。固定片と
しては、共析点を越える高炭素含有量の軸受鋼を
用いてる。なお、上記軸受鋼材では合金元素の量
が一般に５％以下で低くなつている。この点に関
し、ステンレス鋼、耐熱鋼などの合金元素含有量
が多い鋼材は低い熱伝導率故に好ましくない。軸
受鋼の焼入は高周波焼入、火炎焼入などの被処理
材の表面も局部的に加熱する方法によるものであ
つてもよく、また焼入硬化深度を浅くした、被処
理材料を全体的に焼入温度に加熱した後急冷する
方法によるものであつてもよい。

次に、高硬度表面層形成方法を各種条件下で行
い、その硬さと油洩れ量の関係を調べた結果に基
づいて、高硬度表面層の油洩れ量に及ぼす影響に
ついて説明する。なお、試験条件は、斜板式コン
ンプレツサのシートリングに高硬度表面層を形成
し、その粗さはRmax0.3μｍと一定にし、コンプ
レツサを2000rpmで回転させながら、ベンチテス
タ（Bench Tester）により潤滑油洩れ量を測定
したものである。測定された油洩れ量を単位時間
当りの洩れ量換算して第１図に示す。

第１図より分かるように、単位時間当りの洩れ
量はシートリングの硬さの逆数にほぼ比例して
Hv600以上では急激に減少し、Hv800以上では約
１mg／24時間以下の極めて低い値になつている。
この事実より、シートリングの表面粗さが一定で
あれば、その硬さが高い表面処理層をシートリン
グに形成すれば油洩れ量を少なくしうる。

続いて、硬質クロムめつきシートリングの表面
粗さを0.5ミクロン以下で変化させて、第１図の
場合と同様に単位時間当り洩れ量を測定した。こ
の結果を第２図に示す。第２図より単位時間当り
洩れ量は表面粗さとの相関関係が認められる。し
たがつて、単位時間当り洩れ量を低くするために
シートリング表面粗さを小さく、すなわち高精度
に、することが重要である。例えば、高硬度層の
表面粗さはRmax0.5ミクロン以下、特に0.2ミク
ロン以下が好ましい。高硬度表面層の厚さは５〜
100ミクロンであることが好ましい。このような
高硬度表面層が優れたシール性を有するが、その
原因は完全に解明されていない。すなわち、高硬
度表面層により炭素質材料製回転片又はリングの
摩耗が大きくなることもあると考えられ、これは
シール性については一般に不利な影響を与える。
そこで、本発明者は、回転片と固定片の摩耗量が
多かれ少なかれ、その製作直後の理想的密着状態
がメカニカルシールの使用以にも維持され、また
回転片と固定片の接触状態は固定片の表面物性に
よつて決定されると仮定する。この仮説によれ
ば、固定片（シートリング）の表面の硬さが大で
あれば、単位時間当りの洩れ量の分散が少なくな
つている第１図の測定結果の納得しうる根拠を提
示できる。なお、メカニカルシールの分野では基
材自体を表面硬化した材料は発明者の知る限り使
用されていなかつた。勿論、各種表面処理法は公
知であり、表面処理を施こした場合の被処理材の
摩耗量及び摺動相手材の摩耗量の研究は学者によ
り為されている。だが、表面硬化処理を施こした
メカニカルシール用固定片と回転片の接触状態に
関し利用できる公表技術はないので、第１図及び
第２図のデータに基づいて上記の如く仮説を設定
した。なお、セラミツク材料は高硬度を有するが
熱伝導性及びじん性が良くないため、使用中にク
ラツクなどを生じ、結局油及びガス洩れが起こり
信頼性に欠ける。しかし、本発明によると固定片
の内部（大部分）は鉄系材料であり熱伝導性及び
じん性が良好であり、メカニカルシールの信頼性
が高いのである。

本発明のメカニカルシールはスクリユータイ
プ、ロータリータイプ及びレシプロ式コンプレツ
サなどは広範囲に使用できるが、好ましい使用対
象はカークーラー用斜板式コンプレツサである。
以下、この使用例を詳しく説明する。

斜板式コンプレツサは、一般に第３図に示され
る如く、シリンダブロツク１内に配置された回転
軸４に取付けられ回転軸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ユー６及
び骸シユー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、回転軸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、冷凍回路内を循環しコンプレツサに帰還し
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デンサ
（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
た熱は前記コンデン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。シリンダブロツク１には１対のシリ
ンダヘツド１０ａ，１０ｂ及びバルブプレート１
１ａ，１１ｂが取付けられ、シリンダヘツド１０
ａとバルブプレート１１ａの間には吸引室１３
ａ，１３ｂ及び排気室１４ａ，１４ｂが画定さ
れ、一方別のシリンダヘツド１０ｂとバルブプレ
ート１１ｂの間には吸引室１５ａ，１５ｂ及び排
気室１６が画定される。なお回転軸４の周りには
ベアリング２０ａ，２０ｂが配置され、これには
シリンダヘツド１０ａ，１０ｂのボア２１ａ，２
１ｂを介して潤滑油が被圧縮媒体とともに供給さ
れる。シリンダヘツド１０ａの内部において概括
的に３０で示されているものが斜板式コンプレツ
サのメカニカルシールである。以下、これを第４
図に基づいて詳しく説明する。メカニカルシール
のシートリング（固定片）３２はメカニカルシー
ルのケーシングを構成するシリンダヘツド１０ａ
に固着され、該シリンダヘツド１０ａに嵌着され
たＯリング３３により、シリンダヘツド１０ａの
内部が液密気密にシールされる。一方、回転軸４
の外周にはパツキング３５が固着されており、座
金３６ａ，３６ｂに支承されたスプリング３７が
上記座金３６ａ，３６ｂ及びパツキング３５を介
してメカニカルシールの回転リング３８をシート
リング（固定片）３２の端面に押圧している。従
つて、回転軸４と一体に回転する回転リング３８
はシートリング３２の端面と共働して、潤滑油を
混合した冷媒ガスのシールを構成する。本発明に
よりシートリング３２の回転リングとの接触面に
高硬度表面処理を適用すると、潤滑油の供給が少
ない又は全くない状態で非定常的に回転が行われ
る斜板式コンプレツサのメカニカルシールにおい
て、従来使用されていたものの半分以下に油洩れ
量が減少することが分かつた。また、シートリン
グ３２の加工及び表面処理は比較的に容易である
ため、量産性が特殊鋳鉄及びセラミツクのシート
リングよりも向上した。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明
する。

実施例 １（比較例） シートリング３２（第４図）を構造用鋼材Ｓ１
０Ｃより製作した。その直径30mm、厚さ８mm、内
径16.5mm、Ｏリング３３挿入用溝の幅４mmであつ
た。このシートリング３２に通常の脱脂及び洗浄
処理の操作を施こした後に、平坦面にタフトライ
ド処理を行なつた。タフトライド処理の条件はシ
アン酸を主体とする560℃の溶融塩中に80分間浸
せきするものであつた。タフトライド層の硬さは
マイクロビツカースで530であつた。これを表面
ラツプ仕上して粗さ0.2ミクロンmaxとした。続
いてＯリング３３を第５図に図示された如く装着
した。

一方、回転リング３８（第４図）を黒鉛60％フ
エノール30％SiO₂10％の混合材料から製作し
た。この回転リング及びシートリングを斜板式コ
ンプレツサの軸封部に第４図のように組込んで、
運転した。斜板式コンプレツサの能力は、シリン
ダボア全容積150c.c.高圧側15〜17Kg／cm²、低圧側
１〜２Kg／cm²であり、一方潤滑条件は油量180c.c.
を冷媒ガスにより循環させる条件であつた。ま
た、運転の際の回転数は2000rpmと一定にし、合
計100時間の運転を行ない、ベンチテスタにより
油洩れ量を測定した。この結果を第６図に示す。
なお第６図において矢印は４台の斜板式コンプレ
ツサの全測定値の範囲を示し、●印は算術平均を
示す。

実施例 ２ 硬質メツキ処理の代りに、軸受鋼（SUJ2）の
シートリングを840℃から油中に焼入し、マイク
ロビツカース硬さが820の高硬度層を得た他は、
実施例１の方法を繰返した。

実施例 ３（比較例） シートリングを鋳鉄（FC20）で製作し、表面
機械仕上で粗さを0.7ミクロンmaxとし、そのま
ま斜板式コンプレツサに組込んだ。シートリング
材質以外は実施例１の条件で油洩れを調査した。
この結果を第６図に示す。

第６図より、焼入軸受鋼は硬化処理炭素鋼より
油洩れ量が少ないことが分かる。また実施例２よ
り硬さがHv820において洩れ量が少ないことが分
かる。よつて本発明では固定片を焼入軸受鋼と
し、その硬さをHv820以下とした。

実施例 ４ ダスト試験によるシール性能評価を下記の試験
条件で行なつた。

試験機：実機ダストベンチテスター コンプレツサ：斜板式コンプレツサ 回転数：2000rpm ダスト：セメントパウダー（JIS Z8901の８種） ダスト濃度：60000mg／m³以上 供試材は次のとおりであつた。

セラミツク溶射材（酸化クロム系）−表面粗さ
0.4μｍRz、硬さHv1200、基材−SUJ2（比較
例） 軟窒化処理（タフトライド）−表面粗さ0.4μｍ
Rz、硬さHv530、材質S10C 焼入材（SUJ2）−表面粗さ0.4μｍRz、硬さ
Hv820 試験結果を第７図に示す。第７図より酸化クロ
ム系溶射材の油洩れ量は試験時間５時間より後で
急激に増大し、一方本発明の供試材の油洩れ量は
少なくかつ安定していることが分かる。

酸化クロムの溶射は密着性、切削性、硬度とも
よい材料であるが、溶射であるため空孔が存在す
ることと非常に脆いことに起因し、硬いダストが
入つた場合、そのダストにより表面が欠け落ちシ
ール性が低下するのである。

実施例 ５ 断続試験によるシール性能評価を下記試験条件
で行なつた。

試験機：実機ベンチテスター コンプレツサ：斜板式コンプレツサ 回転数：Ｏ←→5500rpm断続 （10秒ON、５秒OFF） 供試材は従来材としてFC（鋳鉄）材を用いた
他は実施例４と同様であつた。試験結果を第８図
に示す。第８図より分かるように、従来材（FC
材）およびセラミツク系溶射材（酸化クロム系）
では油洩れ量が著しく多くなるのに対し、本発明
の供試材の油洩れ量は少なくかつ安定している。
酸化クロムの場合は、急加熱・急冷却が繰り返さ
れることにより摺動面にクラツクが発生しシール
性が低下する。これは、酸化クロムが本発明供試
材に比較し熱伝導性が劣るために、急加熱および
急冷却中に供試材内外面の温度差が大になること
に起因すると考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図はメカニカルシールの固定片の硬さが油
洩れ量に及ぼす影響を表わすグラフ、第２図はメ
カニカルシールの固定片の表面粗さが油洩れ量に
及ぼす影響を表わすグラフ、第３図は斜板式コン
プレツサの断面図、第４図は斜板式コンプレツサ
のメカニカルシールの断面図、第５図はシートリ
ングの斜視図、第６図は油洩れ量のグラフ、第７
図はダスト試験による油洩れ量を示すグラフ、第
８図は断続試験による油洩れ量を示すグラフであ
る。 １……シリンダブロツク、４……回転軸、５…
…斜板、６……シユー、１０……シリンダヘツ
ド、３０……メカニカルシール、３２……シート
リング、３８……回転リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸に軸着された炭素質回転片と、この回
   転片の一表面に密に且つ摺動可能に接触する焼入
   軸受鋼よりなる固定片とを含んでなり、この固定
   片の前記回転片との接触表面がHv600−820の硬
   さと表面粗さ0.5ミクロン以下を有することを特
   徴とするメカニカルシール。 ２ コンプレツサに用いることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のメカニカルシール。 ３ 斜板式コンプレツサの回転軸部においてコン
   プレツサの内部を外部に対してシールすることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項に記載のメカニ
   カルシール。 ４ 斜板式コンプレツサが、イシリンダボアを内
   部に画定するシリンダブロツク、ロ前記シリンダ
   ブロツクイ内で回転可能に回転軸に装着された斜
   板、ハこの斜板ロの回転に応じて前記シリンダボ
   ア内を往復可能にシユーを介して前記斜板ロにシ
   ユーを介して係留された少なくとも１個のピスト
   ン、及びニ前記シリンダブロツクに連結して内部
   にシリンダボアに対する冷媒通路を画定するシリ
   ンダヘツドを含んでなり、前記炭素質回転片はこ
   のシリンダヘツドニ内に配置され、また前記鉄系
   固定片はシリンダヘツドニの内壁に密に固定され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載のメカニカルール。 ５ カークーラー用斜板式コンプレツサに用いら
   れることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   のメカニカルール。