JP2005036693A

JP2005036693A - 冷媒圧縮機の製造方法

Info

Publication number: JP2005036693A
Application number: JP2003198931A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Yamanaka; 敏昭山中; Toshio Sanpei; 敏夫三瓶; Hiroshi Takayasu; 博高安
Original assignee: Hitachi Home and Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】冷媒圧縮機において、摺動部材の信頼性を確保しつつ、コスト低減及び廃棄物の低減を図ること。
【解決手段】冷媒圧縮機は、平板部７ａ及び平板部７ａから垂直方向に突出する薄肉突出部７ｃからなる摺動部材７を備える圧縮機部４と、圧縮機部４を駆動する電動機部３とを備える。この冷媒圧縮機の製造方法は、鋳鉄原材料を半溶融状態スラリーとなるまで加熱しこの半溶融状態スラリーを型内で加圧後に空冷して焼準処理を施すチクソキャスト法により摺動素材を成形し、この摺動素材の摺動面相当部を超精密仕上げ加工することにより摺動部材７を成形する方法である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒圧縮機の製造方法に係り、特に、圧縮室を形成する旋回スクロールを有するスクロール形圧縮機や圧縮室を形成する主ベアリングを有するロータリ形圧縮機等の冷媒圧縮機の製造方法に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷媒圧縮機の製造方法としては、例えば特開平１１−５０８０２号公報（特許文献１）の従来の技術の欄に示されているように、端板上に直立した渦巻状のラップを有する一対の固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせ、旋回スクロールを旋回運動させることにより作動流体を移動させるスクロール式流体機械において、このスクロール式圧縮機の主要部材である固定及び旋回スクロールを砂型鋳造による鋳鉄で成形する方法が一般に用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−５０８０２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の固定及び旋回スクロールを砂型鋳造による鋳鉄で成形する方法では、端板上に直立した渦巻状のラップの離型のために大きな抜き勾配部分を設ける必要があると共に、砂型鋳物における冷却速度との関係で表面にチル層が生じ易かった。このため、成形した固定及び旋回スクロール素材の勾配部分及びチル層を成形後に切削して所定の形状に械加工しなければならなかった。これによって、素材費、切削加工費及び工具消耗品代等の面でコスト高を招くと共に、研削廃材及び加工廃液等の廃棄物の増大を招くという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、摺動部材の信頼性を確保しつつ、コスト低減及び廃棄物の低減を図ることができる冷媒圧縮機の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、平板部及び前記平板部から垂直方向に突出する薄肉突出部からなる摺動部材を備える圧縮機部と、前記圧縮機部を駆動する電動機部とを備える冷媒圧縮機の製造方法において、鋳鉄原材料を半溶融状態スラリーとなるまで加熱しこの半溶融状態スラリーを型内で加圧後に空冷して焼準処理を施すチクソキャスト法により摺動素材を成形し、前記摺動素材の摺動面相当部を超精密仕上げ加工することにより前記摺動部材を成形するようにしたことにある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【０００８】
本発明の第１実施例の冷媒圧縮機の製造方法を図１から図９を用いて説明する。本実施例冷媒圧縮機が冷凍装置のスクロール圧縮機の例であり、ＨＣＦＣ系冷媒，ＨＦＣ系冷媒，自然系冷媒すなわち炭化水素，ＣＯ_２，アンモニア等を単独、または混合して用いた冷媒を使用している。
【０００９】
まず、本実施例のスクロール圧縮機の全体構成に関して図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例で製作されたスクロール圧縮機の縦断面図である。
【００１０】
スクロール圧縮機は、図１に示すように、密閉容器１、クランクシャフト２、電動機部３、圧縮機部４、副軸受９を備えて構成されている。電動機部３はロータ３ａ及びステータ３ｂを備えて構成されている。圧縮機部４はフレーム５、クランク部６、旋回スクロール７、固定スクロール８を備えて構成されている。電動機部３は、圧縮機部４とクランクシャフト２を介して連結されており、圧縮機部４を駆動する。
【００１１】
クランクシャフト２は、ロータ３ａに固定されると共に、フレーム５、旋回スクロール７、及び副軸受９により軸受支持されている。クランクシャフト２のクランク部６は、旋回スクロール７の一側に形成されたボス部７ｃ内に摺動可能に挿入され、旋回スクロール７に偏心回転を与える。
【００１２】
旋回スクロール７は、薄肉の平板部を構成する端板部７ａ、この端板部７ａから垂直方向に突出する薄肉の筒状部を構成するラップ部７ｂ、端板部７ａから反ラップ側に垂直方向に突出する薄肉の筒状部を構成するボス部７ｃを備えて構成されている。旋回スクロール７は、後述するようにチクソキャスト法により鋳鉄原材料から成形した旋回スクロール素材１５（図２参照）の摺動面相当部を仕上げ加工することにより製造される。
【００１３】
固定スクロール８は、端板部８ａ、この端板部８ａから垂直方向に突出するラップ部８ｂを備えて構成されている。そして、旋回スクロール７と固定スクロール８とはそれぞれのラップ７ｂ、８ｂが摺動可能に噛み合わされ、それらの内部に複数の圧縮室が形成される。
【００１４】
次に、図２及び図３を参照しながら本実施例の旋回スクロール７の製造方法を比較例１の旋回スクロールの製造方法と比較して具体的に説明する。図２は図１の旋回スクロールに用いられる鋳鉄の旋回スクロール素材を示す図で、（ａ）は左側面図、（ｂ）は中央縦断面図、（ｃ）は右側面図である。図３は砂型鋳造による比較例１の旋回スクロール素材を示す図、（ａ）は左側面図、（ｂ）は中央縦断面図、（ｃ）は右側面図である。
【００１５】
本実施例の旋回スクロール素材１５は、鋳鉄材料からチクソキャスト法によって製造された超精密形状の鋳鉄素材である。この鋳鉄素材は、その化学成分が、Ｃ：２．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜４．０％，Ｍｎ：０．４〜１．０％を基本成分とし、さらにＰ：≦１．０％，Ｓ：≦０．５％，Ｃｕ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：≦１．０％，Ｍｏ：≦０．５％，Ｔｉ：≦０．１５％，Ｎｉ：≦０．５％，Ｓｂ：≦０．１５％，Ｂ：≦０．１５％，Ｓｎ：≦０．０５％，Ｍｇ：≦０．１％を一種もしくは二種以上を添加することで特定されるものが用いられる。
【００１６】
チクソキャスト法による超精密形状の旋回スクロール素材１５は、素材を構成する原材料を半溶融状態となるまで加熱し、この半溶融スラリーを型内に加圧によって送り込み、その後に空冷することで焼準処理が行なわれ、成形される。なお、本実施例では１１９３Ｋで２時間加熱後に空冷することにより焼準処理を行なっている。
【００１７】
旋回スクロール素材１５は、端板部１５ａ、ラップ部１５ｂ及びボス部１５ｃを備え、端板部１５ａの反ラップ側に放射溝１５ｄ、バランス穴１５ｅ、オルダムリング溝１５ｆが形成されており、全体として複雑な形状をしている。
【００１８】
半溶融スラリーは流動性に富むため、チクソキャスト法による旋回スクロール素材１５の製造では、ボス部１５ｃの穴やバランス穴１５ｅ等の穴・放射溝１５ｄやオルダムリング溝等の溝・ラップ部１５ａやボス部１５ｃ等の薄肉の筒状部といったような複雑形状の素材の製造が可能である。
【００１９】
また、加熱は原材料が半溶融状態となる温度まででよいため、冷却時の凝固収縮が砂型鋳造の場合と比較して少なく、素材に抜き勾配をほとんど考慮する必要がない。よって、ラップ部１５ａ及びボス部１５ｃのような筒状部を有していても、寸法精度が高く製品の実形状に近い素材の製造が可能である。
【００２０】
また、旋回スクロール素材１５は、組織が高密度で微細となり高硬度（ＨＲＢ１００〜１２０）となり、素材表面には鋳物特有の鋳造欠陥や凹凸を殆どなくすことができ、粗加工することなく殆どの部分をそのまま製品としての使用が可能である。
【００２１】
従って、係る旋回スクロール素材１５によれば、組織が均一であるということ、穴や溝付といったように複雑形状を有する素材の製造が可能であること、及び製品形状に極めて近い形状・寸法に成形できること等の特徴がある。
【００２２】
これに対し、比較例１の旋回スクロール素材１５１は、鋳鉄材料から砂型鋳造法により製造したものであり、複雑形状を有する部品の製造は不可能で、図３に示すように、端板部１５１ａ及びボス部１５１ｃには溝や穴の部分を有しない形状とならざるを得なかった。また、旋回スクロール素材１５１を製造する際の溶鉄温度は、本実施例の旋回スクロール素材１５に比較して格段に高温であり、凝固時の収縮が大きいため、離型の際の抜き勾配を素材のラップ部１５１ｂに大きく設ける必要がある。よって、旋回スクロールとして用いるためには、溝や穴の部分や抜き勾配部分を機械加工する必要があり、大幅な材料ロスとなっている。
【００２３】
本実施例の旋回スクロール素材１５は、上述したように表面には鋳造欠陥や凹凸がないため、粗加工は必要なく、端板部１５ａ及びラップ部１５ｂの固定スクロール８との摺動相当部といった超高精度が要求される部分の仕上げ加工のみが行なわれる。このようにして、旋回スクロール７が製造される。この旋回スクロール７は、切削重量／素材重量を１０％以下とすることが可能であり、比較例１の旋回スクロールの切削重量／素材重量が５０％を越えるものに対して大幅な材料歩留まり向上となる。
【００２４】
旋回スクロール７は、焼準処理された旋回スクロール素材１５の摺動面相当部を超精密仕上げ加工することにより成形される。
【００２５】
次に、図４から図９を参照しながら本実施例の旋回スクロール素材１５の特徴を比較例１〜４と対比して説明する。
【００２６】
図４は図２の本実施例の旋回スクロール素材１５の組織を示す図である。図４において、旋回スクロール素材１５の組織は、黒色部分の黒鉛２３と、灰色部分のパーライト２４（基地組織）とからなっている。ここで、黒鉛形状は塊状黒鉛（ＡＳＴＭでＢタイプ）が集まって球状を示しており、黒鉛サイズがＡＳＴＭで６以下である。
【００２７】
図５は砂型鋳造による鋳鉄で成形した比較例１の旋回スクロール素材１５１の組織を示す図である。図５において、旋回スクロール素材１５１の組織は、黒色部分の黒鉛２３１と、灰色部分のパーライト２４１とからなっている。ここで、黒鉛形状は片状黒鉛（Ａタイプ）である。
【００２８】
図４と図５とを比較して明らかなように、本実施例の旋回スクロール素材１５の組織は比較例１の旋回スクロール素材１５１の組織より微細であり、その硬度はＨＲＢ１０３であり、比較例１の旋回スクロール素材１５１のＨＲＢ９５と比較して高硬度である。これによって、本実施例によれば耐摩耗性の向上を図ることができる。
【００２９】
本実施例の旋回スクロール素材１５及び比較例１の旋回スクロール素材１５１について、高圧雰囲気で摩擦摩耗試験を行った結果を図６に示す。図６から明らかなように、本実施例の旋回スクロール素材１５（図６のＡ）は、比較例１の旋回スクロール素材１５１（図６のＢ）と比較して耐摩擦摩耗性に優れている。従って、本実施例の旋回スクロール素材１５は、摺動材料として、比較例１の旋回スクロール素材１５１より優れている。
【００３０】
図７は焼準処理を行なわないチクソキャスト法で成形した比較例２の旋回スクロール素材１５２の組織を示す図である。比較例２の旋回スクロール素材１５の組織は、黒色部分の黒鉛２３と、灰色部分のパーライト２４と、白色部分のセメンタイト（チル）２５とからなっている。比較例２の旋回スクロール素材１５２は、図７から明らかなように白色部分のセメンタイト（チル）２５が存在するので、加工性が悪くなるのに加え、素材の割れが入り易く非常に脆くなり、摺動材として不適当である。これに対し、本実施例の旋回スクロール素材１５は、焼準処理を行なっているので、図４から明らかなようにセメンタイト（チル）が殆ど消失されている。これによって、本実施例の旋回スクロール素材１５は、加工性が良好で、素材の割れが入り難く、摺動材として適切なものとなっている。
【００３１】
図８は焼結材で成形した比較例３の旋回スクロール素材１５３の組織を示す図である。比較例３の旋回スクロール素材１５３では、組織が微細であるという特徴を有しているが、黒鉛２３３やパーライト２４３といった組織の他に空孔２７３を生じる。組織中に空孔２７が存在すると、圧縮機運転中に外部からの異物が空孔２７３に入り込み、素材の性能に大きな影響を及ぼす。これに対し、本実施例の旋回スクロール素材１５は、図４から明らかなように組織内に空孔２７が殆ど無いため素材性能が安定している。
【００３２】
図９は鍛造材で成形した比較例４の旋回スクロール素材１５４の組織を示す図である。比較例４の旋回スクロール素材１５３では、組織が鍛造方向に引き延ばされた形状を有している。一般に鍛造材の場合、鍛造方向の力には強いが垂直方向には弱いという特徴がある。圧縮機用摺動材として用いる場合、力は摺動材に対してあらゆる方向から加わるため、信頼性の点で課題を生ずる。これに対し、本実施例の旋回スクロール素材１５は、図４から明らかなように組織が均一形状であるため、鍛造材と比較して信頼性に優れた摺動材である。
【００３３】
次に、本発明の第２実施例について図１０から図１２を用いて説明する。この第２実施例は冷媒圧縮機が冷凍装置のロータリ圧縮機の例である。
【００３４】
図１０を用いてロータリ圧縮機の全体構成について説明する。ロータリ圧縮機は、密閉容器１、クランクシャフト２、電動機部３、圧縮機部４を備えて構成されている。圧縮機部４はシリンダ１０、主ベアリングを構成する上ベアリング１１、副ベアリングを構成する下ベアリング１２、ローラ１３、ベーン１４を備えて構成されている。クランクシャフト２は、上ベアリング１１と下ベアリング１２により軸受支持されている。クランク部６は摺動してローラ１３に偏心回転を与える。ローラ１３の外周面とに摺接されたベーン１４が摺動自在に設けられている。
【００３５】
上ベアリング１１は、薄肉の平板部を構成する端板部１１ａ、この端板部１１ａから垂直方向に突出する薄肉の筒状部を構成する軸受筒部１１ｂを備えて構成されている。上ベアリング１１は、第１実施例の旋回スクロール素材１５と同様に、チクソキャスト法により鋳鉄原材料から成形した上ベアリング１１（図１１参照）の摺動面相当部を仕上げ加工することにより製造される。
【００３６】
次に、図１１及び図１２を参照しながら第２実施例の上ベアリング１１の製造方法を比較例５の上ベアリングの製造方法と比較して具体的に説明する。図１１は図１０の上ベアリングに用いられる鋳鉄の上ベアリング素材を示す図で、（ａ）は左側面図、（ｂ）は中央縦断面図である。図１２は砂型鋳造による比較例５の上ベアリング素材を示す図、（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図である。
【００３７】
本実施例によれば、摺動部材の信頼性を確保しつつ、コスト低減及び廃棄物の低減を図ることができるスクロール圧縮機の製造方法を提供することができる。
【００３８】
第２実施例の上ベアリング素材２０は、鋳鉄材料からチクソキャスト法によって製造された超精密形状の鋳鉄素材である。この鋳鉄素材は、第１実施例と同様に、その化学成分が、Ｃ：２．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜４．０％，Ｍｎ：０．４〜１．０％を基本成分とし、さらにＰ：≦１．０％，Ｓ：≦０．５％，Ｃｕ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：≦１．０％，Ｍｏ：≦０．５％，Ｔｉ：≦０．１５％，Ｎｉ：≦０．５％，Ｓｂ：≦０．１５％，Ｂ：≦０．１５％，Ｓｎ：≦０．０５％，Ｍｇ：≦０．１％を一種もしくは二種以上を添加することで特定されるものが用いられる。
【００３９】
チクソキャスト法による超精密形状の上ベアリング素材２０は、第１実施例と同様に、素材を構成する原材料を半溶融状態となるまで加熱し、この半溶融スラリーを型内に加圧によって送り込み、その後に空冷することで焼準処理が行なわれ、成形される。
【００４０】
上ベアリング素材２０は、薄肉の平板部を構成する端板部２０ａ、この端板部２０ａから垂直方向に突出する薄肉の筒状部を構成する軸受筒部２０ｂを備え、端板部１５ａの反圧縮室側にネジ穴２１やバルブシート２２が形成されており、全体として複雑な形状をしている。
【００４１】
半溶融スラリーは流動性に富むため、チクソキャスト法による上ベアリング素材２０の製造では、上述した複雑形状の素材の製造が可能である。
【００４２】
また、加熱は原材料が半溶融状態となる温度まででよいため、冷却時の凝固収縮が砂型鋳造の場合と比較して少なく、素材に抜き勾配をほとんど考慮する必要がない。よって、軸受筒部２０ｂのような筒状部を有していても、寸法精度が高く製品の実形状に近い素材の製造が可能である。
【００４３】
また、上ベアリング素材２０は、組織が高密度で微細となり高硬度（ＨＲＢ１００〜１２０）となり、素材表面には鋳物特有の鋳造欠陥や凹凸を殆どなくすことができ、粗加工することなく殆どの部分をそのまま製品としての使用が可能である。
【００４４】
従って、係る上ベアリング素材２０によれば、組織が均一であるということ、穴や溝付といったように複雑形状を有する素材の製造が可能であること、及び製品形状に極めて近い形状・寸法に成形できること等の特徴がある。
【００４５】
これに対し、比較例５の上ベアリング素材２０１は、鋳鉄材料から砂型鋳造法により製造したものであり、図１２に示すように、複雑形状を有する部品の製造は不可能で、端板部２０１ａにはバルブシートや穴の部分を有しない形状とならざるを得なかった。また、上ベアリング素材２０１を製造する際の溶鉄温度は、第２実施例の上ベアリング素材２０に比較して格段に高温であり、凝固時の収縮が大きいため、離型の際の抜き勾配を素材の軸受筒部２０１ｂに大きく設ける必要がある。よって、主ベアリング１１として用いるためには、バルブシートや穴の部分や抜き勾配部分を機械加工する必要があり、大幅な材料ロスとなっている。
【００４６】
第２実施例によれば、摺動部材の信頼性を確保しつつ、コスト低減及び廃棄物の低減を図ることができるロータリ圧縮機の製造方法を提供することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の各実施例の説明から明らかなように、本発明によれば、摺動部材の信頼性を確保しつつ、コスト低減及び廃棄物の低減を図ることができる冷媒圧縮機の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例で製作されたスクロール圧縮機の縦断面図である。
【図２】図１の旋回スクロールに用いられる鋳鉄の旋回スクロール素材を示す図である。
【図３】砂型鋳造による比較例１の旋回スクロール素材を示す図である。
【図４】図２の旋回スクロール素材の組織を示す図である。
【図５】図３の旋回スクロール素材の組織を示す図である。
【図６】図２及び図３の旋回スクロール素材の摩耗量の比較図である。
【図７】焼準処理を行なわないチクソキャスト法で成形した比較例２の旋回スクロール素材の組織を示す図である。
【図８】焼結材で成形した比較例３の旋回スクロール素材の組織を示す図である。
【図９】鍛造材で成形した比較例４の旋回スクロール素材１５４の組織を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例で製作されたロータリ圧縮機の縦断面図である。
【図１１】図１０の上ベアリングに用いられる鋳鉄の上ベアリング素材を示す図である。
【図１２】砂型鋳造による比較例５の上ベアリング素材を示す図である。
【符号の説明】
１…密閉容器、２…クランクシャフト、３…電動機部、４…圧縮機部、５…フレーム、６…クランク部、７…旋回スクロール、８…固定スクロール、９…副軸受、１０…シリンダ、１１…上ベアリング、１２…下ベアリング、１３…ローラ、１４…ベーン、１５…旋回スクロール素材、１６…放射溝、１７…バランス穴、１８…オルダムリング溝、１９…ラップ、２０…上ベアリング素材、２１…ネジ穴、２２…バルブシート取付穴、２３…黒鉛、２４…パーライト、２５…セメンタイト、２６…焼結材、２７…空孔、２８…鍛造材。

Claims

平板部及び前記平板部から垂直方向に突出する薄肉突出部からなる摺動部材を備える圧縮機部と、前記圧縮機部を駆動する電動機部とを備える冷媒圧縮機の製造方法において、
鋳鉄原材料を半溶融状態スラリーとなるまで加熱しこの半溶融状態スラリーを型内で加圧後に空冷して焼準処理を施すチクソキャスト法により摺動素材を成形し、前記摺動素材の摺動面相当部を超精密仕上げ加工することにより前記摺動部材を成形する
ことを特徴とする冷媒圧縮機の製造方法。
前記摺動素材は、その化学成分が、Ｃ：２．０〜４．０％，Ｓｉ：１．５〜４．０％，Ｍｎ：０．４〜１．０％を基本成分とし、さらにＰ：≦１．０％，Ｓ：≦０．５％，Ｃｕ：０．５〜１．０％，Ｃｒ：≦１．０％，Ｍｏ：≦０．５％，Ｔｉ：≦０．１５％，Ｎｉ：≦０．５％，Ｓｂ：≦０．１５％，Ｂ：≦０．１５％，Ｓｎ：≦０．０５％，Ｍｇ：≦０．１％を一種もしくは二種以上を添加したものであることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機の製造方法。
前記摺動素材はその硬度がＨＲＢ１００〜１２０であることを特徴とする請求項２に記載の冷媒圧縮機の製造方法。
前記摺動部材は、スクロール圧縮機における旋回スクロールやロータリ圧縮機における上ベアリング等の圧縮室を構成する部材であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の冷媒圧縮機の製造方法。
前記摺動部材は前記摺動素材から切削重量／素材重量が１０％以下の切削比率で加工されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の冷媒圧縮機の製造方法。