(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーエアコンに用いられる斜板式コンプレッサであって、
主軸と、
前記主軸に固定され、前記主軸とともに回転するように構成された斜板と、
少なくとも前記斜板に接する部位に備えられるスラストニードル軸受とを有し、
前記スラストニードル軸受は転動体と前記転動体に接触する軌道輪とを備え、
少なくとも前記軌道輪は、その表層に、粒径０．６μｍ以上の炭化物を面積当りの個数で２７５３６個／ｍｍ2以上、４００００個／ｍｍ2未満の範囲に析出させており、
冷媒と、冷凍機油との混合物が、前記スラストニードル軸受の潤滑剤として用いられる、斜板式コンプレッサ。
【請求項２】
前記炭化物の分布が、前記軌道輪の少なくとも表層０．１ｍｍの深さまである、請求項１に記載の斜板式コンプレッサ。
【請求項３】
前記軌道輪の表面硬さが、ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）で５８以上ある、請求項１または２に記載の斜板式コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜板式コンプレッサに関し、より具体的には、カーエアコンの斜板式コンプレッサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カーエアコンに用いられる斜板式コンプレッサには、スラストニードル軸受が使用されている。このスラストニードル軸受には、８０００ｒｐｍ程度の高速回転により中心からオフセットしたスラスト荷重が作用する。さらに、カーエアコンに用いられる潤滑剤は、冷媒と冷凍機油との混合物という潤滑性に乏しい潤滑剤である。このため、上記のスラストニードル軸受は、負荷形態においても、潤滑性においても、きわめて厳しい条件下で使用される。
【０００３】
上記のスラストニードル軸受は、その本来の構造に由来して、正常回転をしても、ころ（転動体）の内径側と外径側との間に差動すベりを生じる。このすべりは、転がり接触面の油膜形成に悪影響を及ぼし、軌道輪およびころの少なくとも一方に表面損傷を発生させる。上記すべりの悪影響を小さくするためには、ころの長さを短くすればよいが、短くすると転がり接触面の接触面圧が大きくなる。この接触面圧の増大により、転がり疲労寿命の低下および油膜形成の低下を生じてしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のスラストニードル軸受では、冷媒と冷凍機油との混合物を潤滑剤とするので、コンプレッサの効率向上の要請からますます潤滑剤の潤滑性が低下する傾向にある。このような希薄な潤滑条件下で、上記のすべりに起因する軌道輪またはころの表面の損傷は増加する傾向にある。
【０００５】
このような表面損傷に対処するために、クラウニングを施したころの採用により有効長さを短くしてすべりを減少させる提案がなされた。また、軌道輪やころの表層の炭化物の密度や面積率を所定範囲にして、表面硬さを確保するなどの材質改良による表面損傷の抑制の提案がなされた（特願平10-359462号、特願2001-206）。
【０００６】
近年の技術動向として、省資源、省エネルギ、部品構造のコンパクト化がより一層進み、使用条件はより過酷になっている。このため、カーエアコン用のスラストニードル軸受においても、低コストでさらに摩耗が小さく、耐剥離寿命に優れたものが要求される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に従った斜板式コンプレッサは、カーエアコンに用いられる斜板式コンプレッサであって、主軸と、主軸に固定され、主軸とともに回転するように構成された斜板と、少なくとも斜板に接する部位に備えられるスラストニードル軸受とを有している。スラストニードル軸受は、転動体と、転動体に接触する軌道輪とを備え、少なくとも軌道輪は、その表層に、粒径０．６μｍ以上の炭化物を面積当りの個数で２７５３６個／ｍｍ2以上、４００００個／ｍｍ2未満の範囲に析出させる。さらに、冷媒と、冷凍機油との混合物が、スラストニードル軸受の潤滑剤として用いられている（請求項１）。
【０００９】
上記の斜板に接して配置されたスラストニードル軸受には、スラスト荷重が負荷されると、軌道輪ところ（転動体）との間にすべりを発生する。このすべりは転がり接触面の油膜形成に悪影響を及ぼし、潤滑油の潤滑性を低下させる。このため、すべりを伴う場合、発熱が生じ、表面損傷を発生しやすくなる。また、斜板式コンプレッサ用スラストニードル軸受では、主軸の回転により中心からオフセットしたスラスト荷重が作用するので、ころと軌道輪との間に差動すべりが生じる。このため、これら部材の表層部に剥離が生じやすくなる。上記のように、表層において、粒径０．６μｍ以上の炭化物を面積当りの個数で１００００個／ｍｍ2以上とすることにより、炭化物が表層部の塑性変形の抵抗として作用し、塑性流動を抑制する。この塑性流動抑制の効果をより高いレベルで得るためには、望ましくは、１４０００個／ｍｍ2以上とする。また、粒径０．６μｍ以上の炭化物を面積当りの個数で４００００個／ｍｍ2を超える範囲とすると耐剥離性がかえって低下するので、４００００個／ｍｍ2以下とする。なお、粒径は、その炭化物が球形でない場合は、方向について平均化した平均粒径である。
【００１０】
上記の炭化物の分布を確保することにより、ころと軌道輪との間の差動すべりや、潤滑不良によって、ころや軌道輪の表層部が発熱しても塑性流動を抑制することができる。このため、上記差動すべりに起因する軌道輪の転走跡のエッジ部に発生する表面起点型の剥離、および面圧増大によってころの外径側に生じる剥離に対する寿命を向上させることができる。
【００１１】
上記の炭化物密度は、電子顕微鏡を用いて、薄膜直接観察、抽出レプリカ観察、または２段レプリカ観察によって測定してもよいし、走査型電子顕微鏡により、鏡面研磨エッチングした表面を観察して測定することもできる。
【００１２】
なお、「少なくとも軌道輪の表層に、」とは、軌道輪の他に転動体の表層にも、上記のように炭化物が析出していてもよいことを含んでいる。
【００１４】
上記のように、炭化物の面積率で０．８％以上、１０％未満の範囲とすることによっても、炭化物が表層部の塑性変形の抵抗として作用し、塑性流動を抑制する。炭化物の面積率が、０．８％未満では発熱時の塑性変形の抵抗は十分ではないので、０．８％以上とする。より望ましい範囲は０．９％以上である。また、炭化物の面積率が、１０％を越えるとやはり、耐剥離性が低下するので、炭化物の面積率は、１０％以下とする。より望ましい範囲は、９．５％以下である。
【００１５】
上記軌道輪または転動体の表層の炭化物分布は面積率で表示されている。この場合の面積率は、粒径０.６μｍ以上の炭化物が占める面積率でもよいし、また、粒径０．６μｍ未満の炭化物は少ないので、粒径によらずあらゆる炭化物が占める面積率であってもよい。
【００１６】
上記スラストニードル軸受では、炭化物を上記の範囲内にするために、たとえば、次の方法を用いることができる。
・被処理材：浸炭鋼、ＳＣＭ４１５などの軸受鋼、炭素鋼など
・浸炭処理：加熱８９０℃×１ｈ
炉内雰囲気のカーボンポテンシャル１．５％〜２．０％、
・焼入れ：  焼入れ前加熱８４０℃×０．５ｈ
焼入れ前炉内雰囲気のカーボンポテンシャル１．０〜２．０％
油焼入れによる焼入れ
上記斜板式コンプレッサでは、炭化物の析出の状態が、軌道輪の少なくとも表層０．１ｍｍの深さまであることが望ましい（請求項２）。
【００１７】
この構成により、軌道輪やころの表層の塑性流動を炭化物によって確実に抑制することができるようになる。上記の炭化物の分布深さが０．１ｍｍまでであれば耐剥離寿命を確実に向上することができる。
【００１８】
上記斜板式コンプレッサでは、軌道輪の表面硬さが、ロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）で５８以上あることが望ましい（請求項３）。
【００１９】
この構成により、従来の軌道輪よりも転走跡エッジ部の塑性流動を抑制し、かつ耐摩耗性を向上させることができる。ＨＲＣ５８未満では耐摩耗性の向上が不十分であり、従来の軌道輪とほとんど同じ耐摩耗性を有する。
【００２０】
上記の本発明のスラストニードル軸受では、軌道輪の表層には所定の炭化物の分布を備えるので、塑性流動の抵抗が高い。このため、上記のような発熱があっても、たとえば、軌道輪の転走跡のエッジ部に発生する表面起点型の剥離や、面圧増大によりころ外径側に生じる剥離を防止することができる。この結果、過酷な使用条件下において、斜板式コンプレッサの耐久性を予想以上に大幅に向上させることが可能になる。すなわち、上記のような炭化物の分布を有する軌道輪を備えるスラストニードル軸受は、ころと軌道輪との間にすべりを発生させる斜板式コンプレッサに用いることにより、通常考えられる以上の、非常に高い成果を得ることができる。
【００２１】
上記の斜板式コンプレッサはカーエアコンに用いられるものであり、スラストニードル軸受は希薄な潤滑条件下で用いられる。
【００２２】
カーエアコンでは、スラストニードル軸受は希薄な潤滑条件下で用いられ、たとえば冷媒と冷凍機油との混合物の潤滑剤が用いられる。このような低潤滑性の潤滑剤を備える斜板式コンプレッサのスラストニードル軸受に上記本発明のいずれかのスラストニードル軸受を用いることにより、従来よりも大幅に耐久性を向上させることが可能となる。この結果、カーエアコンの冷却サイクルに用いられる冷媒を、斜板式コンプレッサの潤滑剤から分離する必要がなく、簡素な構造のカーエアコン装置を構成することができる。このような簡素な構造で、耐久性の高いカーエアコン装置は、上記本発明のスラストニードル軸受を用いることによって、はじめて安価に実現することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のスラストニードル軸受は、図１または図２に示す斜板式コンプレッサに用いられる。図示された斜板式コンプレッサ１において、斜板３は主軸４に固定されていて、主軸４とともに回転する。主軸はラジアル軸受５によって支持されている。斜板３は、シューなどを介してピストンを往復運動させるので、主軸４の軸方向に平行にスラスト荷重が発生する。このため、斜板に接する部位にスラストニードル軸受１０を介在させている。このスラスト軸受には、一般に、針状ころ軸受が用いられる。また、図１および図２の斜板式コンプレッサでは、ハウジング２がスラスト荷重を負担する部位にも、スラストニードル軸受１０を配置している。
（１）剥離寿命試験
図３は、針状ころを用いたスラスト軸受を示す図である。２つの軌道輪１１ａ，１１ｂと、両軌道輪間に配置された転動体１２と、その転動体１２を案内保持する保持器１３とからなる軸受の軌道輪１１ａ，１１ｂを本発明の軌道輪とした。すなわち、表層の炭化物の分布が本発明の範囲内に入る軌道輪を備えるスラスト軸受、および比較のための従来の標準軸受を用いて、寿命テストを行った。本発明のスラスト軸受および比較のためのスラスト軸受における軌道輪の表層の炭化物分布は、粒径０．６μｍ以上の炭化物の、少なくとも表層０．１ｍｍまでの密度を連続的に変化させてある。なお、スラスト軸受の軌道輪以外の部品であるころ（転動体）と保持器とは、すべての試験体について標準品を用いた。寿命試験の試験体および試験条件は次の通りである。
・試験体寸法
ころ径：φ３ｍｍ、レース内径：φ６５ｍｍ、レース外径：φ８５ｍｍ
・試験条件
温度：６０〜８０℃、荷重：１０００ｋｇｆ、回転数：５０００ｒｐｍ、潤滑油：スピンドル油VG2（油膜パタメータλ＝０．１０１）
上記の試験条件によれば、ころと軌道輪との間の差動すべりや潤滑不良により軌道輪表面が発熱する。この寿命試験の試験結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0003886350.tif 000002
【００２５】
表１に示した寿命は、同じ試験体１０個の１０％寿命（Ｌ10寿命）である。表１のうち、サンプルＮｏ１は、上記したように、比較のための従来の標準品である。また、焼入時のＣＰ値は、浸炭焼入れの際の雰囲気におけるカーボンポテンシャル(Carbon Potential)である。また、寿命比は、従来の標準品であるサンプルＮｏ１の寿命を１として求めた寿命比である。
【００２６】
表１の結果から、炭化物の密度が８２６０個／ｍｍ2であるサンプルＮｏ２では、寿命比は１．１であり、寿命の拡大は１０％程度である。炭化物密度が１０２５３個／ｍｍ2であるサンプルＮｏ３では、寿命比は１．５であり、また炭化物密度が１４３５３個／ｍｍ2のサンプルＮｏ４では、寿命比は２．１である。
また、炭化物密度が２７５３６個／ｍｍ2のサンプルＮｏ５では、寿命比は２．６倍であり、３９４５２個／ｍｍ2のサンプルＮｏ６では、寿命比は３．５である。サンプルＮｏ２〜Ｎｏ６の炭化物密度の範囲では、炭化物密度の増大につれて、寿命比が向上し、炭化物密度が３９４５２個／ｍｍ2のサンプルＮｏ６では、寿命は、実にサンプルＮｏ１の３．５倍に達することが分る。しかしながら、炭化物密度が４３１６２個／ｍｍ2のサンプルＮｏ７では、寿命比は０．５と１より低いので、サンプルＮｏ１より短寿命となっている。
【００２７】
寿命の終了時点は、いずれの試験においても、軌道輪の転走跡エッジ部に生じる表面起点型の剥離の発生時点となった。
【００２８】
上記の結果から、粒径０．６μｍ以上の炭化物を、単位面積当りの個数の表示で１００００個／ｍｍ2以上、４００００個／ｍｍ2未満析出させたものは、長寿命化に大きな効果があることが分った。しかし、上記の炭化物密度が４００００個／ｍｍ2以上になると、炭化物自体が剥離起点となり、短寿命となりやすいことが分る。
【００２９】
表１を炭化物の面積率でみた場合、面積率１０％までの試験体では、面積率増大に応じて寿命が増大する。しかし、炭化物の面積率が１０．５４％であるサンプルＮｏ７では、寿命は標準軸受に比較して低下する。
【００３０】
上記の結果より、炭化物を面積率で０．８％以上、１０％未満、表層に析出させた試験体では、上述のような発熱が発生しても、転走跡エッジ部で生じる表面起点型剥離を抑制し、寿命を向上させる効果がある。しかし、上記の面積率が１０％以上になると、炭化物自体が剥離起点となり、短寿命となる傾向にある。
（２）摩耗試験
耐摩耗性に対するこれらの炭化物の効果を調べるため、表１と同一条件で一定時間（１０ｈ）だけ転動させた試験体の転走跡端部の最大摩耗量を測定した。この摩耗試験結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
0003886350.tif 000003
【００３２】
上記の摩耗試験によれば、サンプルＮｏ７が最も摩耗が少ない。しかし、サンプルＮｏ７では、摩耗試験後に部分的に炭化物が脱落した箇所が認められた。脱落した炭化物（セメンタイト）は硬いので、スラスト軸受に悪い影響を及ぼす。良好な耐摩耗性と長寿命とのバランスを考えると、上記の炭化物密度範囲または炭化物面積率の範囲とすることが必要となる。
（３）エネルギ消費試験
カーエアコンのコンプレッサ用のスラストニードル軸受には、上記の長寿命化と耐摩耗性のほかに、省エネのために低回転トルクで稼動することが要求される。このような低回転トルク、すなわち省エネ性を調べるために、試験体の寿命試験中におけるモータ消費電力を測定した。表３に、そのモータ消費電力値を示す。
【００３３】
【表３】
0003886350.tif 000004
【００３４】
各試験体は、炭化物密度および炭化物面積率がともに大きいサンプルＮｏ７を除き、標準品であるサンプルＮｏ１に比べて消費電力値はほぼ同じである。すなわち、各試験体の間には稼動中の回転トルクに差がない。したがって、本発明のスラスト軸受は、回転トルクを従来品と同レベルに維持しつつ、カーエアコンのコンプレッサ用スラストニードル軸受として求められる寿命および耐摩耗性を向上させることができる。
【００３５】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  両斜板タイプの斜板式コンプレッサの縦断面図である。
【図２】  片斜板タイプの斜板式コンプレッサの縦断面図である。
【図３】  スラスト針状ころ軸受の縦断面図である。
【符号の説明】
１  コンプレッサ、３  斜板、４  主軸、５  ラジアル軸受、１０  スラストころ軸受、１１ａ，１１ｂ  軌道輪、１２  転動体（ころ）、１３  保持器。
【図１】
0003886350.tif 000005
【図２】
0003886350.tif 000006
【図３】
0003886350.tif 000007