JP2005113842A - 往復式圧縮機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ピストンロッドの球体と連結されるピストンの球面受けを備えた往復式圧縮機において、ピストンの球面受けの加工精度を向上させることにより、短時間に圧縮効率の高い圧縮機を製造する。
【解決手段】
シリンダと、ピストンロッドと、該シリンダ内で往復運動するピストンを備え、ピストンロッドはピストンに連結する球体継ぎ手を有し、ピストンは、ピストンロッドの該球体継ぎ手と接する曲面を備えた球面受けを有し、球面受けの曲面は水蒸気処理を施していない燒結金属に機械加工を施し、その後に水蒸気処理が施されたものとする。
この際、水蒸気処理前に粗加工を行っておき、水蒸気処理後に機械加工による仕上げ加工をするとさらによい。
【選択図】図３

Description

本発明は、主に空調装置および冷凍装置に使用される往復式圧縮機に係るものである。

球面継ぎ手によりピストンとピストンロッドを連接する構造の往復式圧縮機は、従来からカーエアコンの斜板式圧縮機や冷蔵庫の密閉形圧縮機などに用いられてきた。

そのような圧縮機の一つに、特許文献１に記載された技術がある。

特許文献１には、ピストンに連結する部分が球体となっているピストンロッドと、ピストンロッドの球体に連結する球面受けを備えたピストンを有し、このピストンを、金属粉末を成形後焼結した焼結合金に対して蒸気処理を施して製造すると、焼結合金特有の空孔を封孔して、耐磨耗性を向上できると記載されている。

また、ピストンのしゅう動部となる外周面に研削加工を施し、酸化皮膜を除去することにより、寸法の安定化が図れるともに、焼結合金特有の空孔が健在化して潤滑油浸透が可能となると記載されている。

また、特許文献２には、開口部の径が、ピストンロッドの球体の径よりも小さく形成された鉄系焼結合金による球面受けが記載されている。

特開平５−２０９５８８号公報

特開２００３−３９５６号公報

従来の技術では、水蒸気処理の工程と機械加工の工程の順序に関して、加工精度や加工時間の面で考慮されていなかった。

鉄系燒結金属は、金型に金属粉末を充填して圧縮成形し、その後、加熱して金属粉同士を接合することで得られる材料であるが、製造過程で金属粉末を溶融状態までは加熱しないので、金属粉末同士は完全に融合しない。そのため、金属粉末間に空孔が存在することになるので、延性がほとんどない。従って、燒結金属を塑性変形させようとすると脆性的に破壊するので、特許文献１の図６や特許文献２の図１のように、球面受けの開口径を球面の最大径よりも小さい構造、つまり、開口方向に縮径された形状を作る場合に、塑性変形による成形を行うことは困難であった。

また、一般的な金型による焼結で所望の形状を成形しようとする場合、特許文献１の図１ように、球面受けの開口径を、球面の最大径と同等か、それ以上の直径とする必要がある。

しかし、このような形状では、ピストンロッドの球体が球面受けからはずれる可能性がある。

そこで、塑性変形させずに、ピストンロッドの球体のクランクシャフトに近い側を覆う焼結金属製の球面受けを備えた往復式圧縮機を実現する方法を考えだ。

その方法としては、本発明者らは、焼結金属に、柱体の孔を加工した後、旋盤切削などの機械加工で球面を形成し、さらにその球体の一部を除去して幅を減らした２面幅を形成し、該球面受けと該球体の２面幅を用いて球面受けに球体を挿入する手法を採ることにした。

これらの機械加工を行う上で、本発明者らは、合金を焼結した後に機械加工をせずに、水蒸気処理を行い、その後に、機械加工を行うことを考え出した。

しかし、この手法で製造した球体受けを備えた圧縮機を評価した結果、非常に製造時間が長く、また、切削用のバイトの逃げ面における磨耗が激しい。そのために、球体受けの加工した曲面が荒れてピストンロッドの動きが悪くなり、圧縮効率を低下させることがあることがわかった。

また、前述の空孔により生じるシリンダ内からの圧縮気体の漏れを水蒸気処理により形成された酸化物で塞いでいたが、切削量を多くした場合、十分に酸化されている層を除去してしまい、前述の空孔による圧縮ガス漏れが生じやすくなり、圧縮効率が低下する場合もあった。

つまり、本発明の目的は、これらの課題を解決してピストンロッドの動きを滑らかにすることにより、往復式圧縮機の圧縮効率を向上することを目的とするものである。

本願は、上記課題を解決する手法を複数含むものであるが、代表的なものは次の通りである。

本発明の解決手法としては、往復式圧縮機のピストンロッドと連結するピストンとして、球面受けに酸化膜を形成する前に、切削等の機械加工で不必要な部分を除去しておき、その後で水蒸気処理を行う。その後は、必要に応じて仕上げの機械加工を施すようにする。

このようにすることにより、加工に伴なう曲面の粗を抑えることができるようになり、ピストンロッドの動きを滑らかにできるので、圧縮機の圧縮効率を向上させることができる。

また、水蒸気処理前に一度機械加工しておくことにより、水蒸気処理によって形成される球面受けの酸化物、特に鉄を用いた場合は四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の層を十分に残留させることができるので、シリンダからの圧縮ガスの漏れを抑制することができる。

本発明によれば、往復式圧縮機の圧縮効率を向上させることができる。

本発明に関わる一発明実施の形態を図１ないし図６によって説明する。

図１は、冷凍用往復式圧縮機の一実施態様の縦断面図である。

このレシプロ圧縮機は、冷媒に、たとえばイソブタンなどの炭化水素を使用するもので、密閉容器であるチャンバ６の内部にはモータと、このモータにより駆動される圧縮機構が配置されている。

モータはステータ５ａとロータ５ｂを備えている。

このロータ５ｂにはクランクシャフト４が締結されている。

クランクシャフト４は、シリンダブロック２の一部に形成された一定の厚みの孔である軸受け２ｂ内を貫通するように配置され、ロータ５ｂの回転に併せて回転する構造となっている。

クランクシャフト４には偏芯させたピン４ａが形成され、ロータ５ｂの回転に併せて回転する構造となっている。

ピン４ａには、クランクシャフトの軸に対して横方向に伸びているピストンロッド３が連結されている。

ピストンロッド３のシリンダに隣接する端部にはピストン１が連結されている。

ピストン１は、シリンダ２ａにより支持され、クランクシャフトの回転運動がピストンロッドを介することにより、ロータ５ｂの回転をピストンの往路と経路がほぼ一致する直線的な往復運動に変換している。

また、シリンダ２ａのピストンロッドに隣接しない側の端面には、シリンダ２ａ内への冷媒の出入りを制御する弁を備えた弁機構７が係止されており、弁機構７には圧縮されて吐出する冷媒の騒音を減じるサイレンサ８が取りつけられている。

チャンバ６の下部には潤滑材が貯留されており、クランクシャフト４の下端から吸い上げられて、クランクシャフト４、ピストンロッド３、シリンダブロック２およびピストン１に存在する摺動部分を潤滑する構造となっている。

この実施態様の例では、ピストン１とピストンロッド３の連結に球面継ぎ手を用いている。

この球面継ぎ手の構造を、図２を用いて説明する。

図２はピストンロッド３を連結したピストン１の縦断面図であり、図１のＡ−Ａ断面のピストンロッド３とピストン１の連結箇所の拡大図である。

ピストンロッド３のシリンダ側の端部は、ピストンロッド３の球体以外の部分が球面受けと接触を防止するために縮径されている（断面積が小さくなっている）。そのさらに先端には球体３ａが形成されている。

ピストン１は、ピストンロッド３の棒状の部分の移動範囲よりも広い開口部を備えたほぼ球体の空間を構成する球面受け１ａを備えている。

球体３ａには、図２の紙面の法線方向に平面が二つ形成されており、この二面を用いて、互いに挿入あるいは離間させることができるようになっている。

このピストン１は、鉄を含む材料で焼結された鉄系燒結金属で素材が製作され、機械加工によって球面受け１ａ、外周面１ｂを加工した後に、水蒸気処理を施すことにより製作されたものである。

この機械加工と水蒸気処理との加工順序は、鉄系燒結金属を加工した際の工具摩耗を低減させることにより、面表面をきれいに加工できるだけでなく、水蒸気処理により生成される焼結金属の酸化膜、この実施形態の場合、三四酸化鉄の残せる量を増やすことができるので、圧縮機の圧縮効率を向上させることができている。

この工程および工具摩耗について図３と図４を用いて説明する。

図３は、ピストン１を効率良く得るために設定した工程を示している。

図３は本実施態様の一例でピストン１を製作する工程の流れを示している。

本工程では、まず、所望の組成で原料粉末を製作し（工程Ｎｏ１）、この原料粉末をバインダなどの副原料粉とともに金型に充填してプレス成形し、成形体を得る（工程Ｎｏ２）。

続いて、雰囲気炉中で成形体を昇温して、金属粉末を拡散接合させる燒結を行ない燒結体を得る（工程Ｎｏ３）。

次に、燒結後は円筒形状であった球面受け１ａを、旋盤で粗加工して球形にした（工程Ｎｏ４）後に、同様に旋盤を用いるか、もしくは研削盤を用いて球面受け１ａを所望の寸法と精度に仕上げる（工程Ｎｏ５）機械加工を行なう。

この球面受け１ａは、図３（ｂ）に示すように燒結(工程Ｎｏ３)後は金型の制約で円筒形であったが、球面受け仕上げ加工（工程Ｎｏ５）後には機械加工によって球形を成す。

続いて、図１（ａ）の工程Ｎｏ６に示す工程で、円筒形状の外周面１ｂを円筒研削盤あるいは心なし研作盤で加工する。この加工は、燒結体の表面粗さ、形状（円筒度）と寸法を矯正する目的で行なわれる。

この後に、機械加工によりバリが生じる場合には、砥粒を含有したブラシなどでバリ取りを行なう（工程Ｎｏ７）。

この段階で形状創生を目的にした加工は完了して、次に水蒸気処理を施す（工程Ｎｏ８）。この水蒸気処理では、まず機械加工により付着した加工液や油分を洗浄により十分に除去する。次に５００℃〜６００℃に加熱した水蒸気中に１時間程度保持する。この処理により、水蒸気に接触した鉄が酸化されて黒色の四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）に変化し、ピストン１の表面に酸化物の皮膜を形成する。

ここで、一例としては、ピストン１は部品として完成し、図３（ａ）の工程Ｎｏ８の後に示す分岐Ｂの工程を経て、圧縮機に組み込まれる。

上述の工程で、本実施態様の特徴は水蒸気処理の前に機械加工を施している点にある。

水蒸気処理を機械加工の後に行なった場合、機械加工で付着した加工液などの除去を細心に行なう必要が生じるが、機械加工で加工用工具の摩耗を低減できることが実験により求められた。

図４は、加工用工具の摩耗試験結果の一例を従来の工程で製作した燒結材と、上述した工程で製作した燒結材を比較して示したグラフである。図４に示した結果を得た実験の条件は図７の表に示す。試験に供した燒結材は、化学成分（重量％）が、炭素（Ｃ）を０．７〜１．０％、銅を１〜２％含有し、残りが鉄（Ｆｅ）から成るもので、ＪＩＳ規格でＳＭＦ４０４０に該当する。この燒結金属に水蒸気処理を施したものと施していないものを試験に供した。使用した工具は、ピストン１を加工する旋盤用ではないが、摩耗を容易に観察するためにエンドミルを用いた。摩耗を観察した部位はエンドミルの底面で、逃げ面の摩耗幅を調べた。使用したエンドミルの直径は１２ｍｍで、刃数は６枚である。加工条件は、エンドミル回転数が５０００ｍｉｎ^−１、送り速度が６００ｍｍ／ｍｉｎで、底面刃に切り込み０．０５ｍｍを与えて試験材の端面を加工した。図４は、この結果得られた加工した距離と工具の最大にげ面の摩耗幅を示したグラフである。

加工開始初期の段階で加工距離１．２ｍでは、最大にげ面の摩耗幅に両者の相違はない。しかし、加工距離６ｍの段階までに水蒸気処理を施した燒結金属の場合は最大逃げ面摩耗幅が２７０μｍへと急激に増大し、加工点から赤熱した切り粉が生成し始め、正常な加工の継続が困難になった。これに対し、水蒸気処理を施さない燒結金属の場合は定常的な摩耗が進行し、最大にげ面摩耗幅は加工距離６ｍの段階で６０μｍ、加工距離１１ｍで１２０μｍであった。加工距離６ｍの時点で比較すると、水蒸気処理を施さない燒結金属を加工した場合は、従来の水蒸気処理を施した燒結金属を加工した場合に比べて最大にげ面摩耗幅を７８％低減することができる。すなわち、工具摩耗を約１／５にすることができる。この結果によれば、ピストン１に水蒸気処理を施す前に、機械加工を完了させる工程は工具寿命を伸長して生産の能率を向上させることを可能にする。また、工具の形状変化が少ないので一定の条件で加工でき、均一で滑らかな加工面を得ることができる。

また、水蒸気処理で形成される四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）は酸化物であるため、金属間の凝着を防止して耐摩耗性を向上させる作用があるが、機械加工後に水蒸気処理することで、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の表層部が完全に残留する。よって、ピストン１の耐摩耗性を向上させる効果もある。さらに、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の表層部が完全に残留するため、燒結金属内の空孔は露出することがなく、ピストン１の機密性も向上する。

上述した工具摩耗の抑制効果が大きいのは、加工による除去量が多い図３（ａ）に示した球面受け粗加工（工程Ｎｏ４）である。外周面加工（工程Ｎｏ６）においても効果はあるが、この工程は燒結（工程Ｎｏ３）によって到達しなかった寸法精度や円筒度を矯正するのが目的で、形状を創生する加工ではない。通例は取り代が０．１ｍｍ程度の加工であるため、使用する工具の摩耗も球形を創生する球面受け粗加工（工程Ｎｏ４）に比べて小さい。よって、上述した工程は、球面受け粗加工（工程Ｎｏ４）に特に有効であり、工具が摩耗すると満足する球形の精度を得ることも難しくなる球面受け粗加工（工程Ｎｏ４）の能率を向上させるのに効果が大きい。

このように利点のある工程であるが、表面に形成される四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）は結晶が粗く機械加工した面の表面粗さを増大させる。よって、ピストン１がシリンダ２やピストンロッド３と微小な嵌め合い隙間を設定している高精度な仕様の場合は、表面粗さの増大によって、嵌め合いが困難になる場合がある。このような場合は、水蒸気処理の後に、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の表層部を消滅させない範囲で、表層部を除去して表面を平滑にする加工を施す。テープラップやブラシ加工などで、０．０１ｍｍ以下の取り代の加工を行なうと目的を達成させることが可能である。四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の層は０．０５ｍｍ以上の厚さを有するため、表層部を０．０１ｍｍ程度除去しても四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の層は完全に残留する。この工程は、図３（ａ）に示す工程図の分岐Ｃで示す工程で、形状や寸法を創生する機械加工の後に蒸気処理を行ない、続いて、表面を平滑にする目的でまず外周面仕上げ（工程Ｎｏ８Ａ）を行ない、次に球面受け仕上げ（２）（工程Ｎｏ８Ｂ）を行なう。この後、組立てを行なうことで、表面が平滑化しているのでスムースな組み込みが可能である。

なお、分岐Ｃを選択した場合には、水蒸気処理（工程Ｎｏ８）の後に機械加工を行なうが、この工程は表面を平滑にするのが目的であるため、前述したように取り代は０．０１ｍｍと極めて少ない。よって、水蒸気処理（工程Ｎｏ８）による工具摩耗の増大は考慮の必要がないレベルに留めることができる。

上述したような工程を経たピストン１は、耐摩耗性に優れるのでピストン１の球面受け１ａとピストンロッド３ａの間に樹脂などの耐摩耗性を向上する目的の材料を介在させる必要がない。よって、図５（ａ）に示すように、ピストン１とピストンロッド３を組み付けた状態で、ピストンロッド３の軸受け部からピストン上面までの寸法Ｈ１を正確に機械加工によって得ることが可能である。このピストン１とピストンロッド３は両者を組み付けた状態でシリンダ部２ａと軸受け部２ｂが一体となったシリンダブロック２に組み込むことが可能である。このシリンダブロック２の軸受け中心から、シリンダ上面までの寸法Ｈ２は機械加工によって決められてしまうが、ピストンロッド３の軸受け部からピストン上面までの寸法Ｈ１も機械加工で正確に決められており、組立てに際して位置調整を行なう必要がない。従来の球面受け１ａとピストンロッド３ａの間に樹脂などの材料を介在させた構造では、Ｈ１に相当する寸法を精密にすることが困難なため、組立て時にピストンとシリンダの位置調整が必要であった。よって、シリンダはピストンに対して位置が調整できるようにそれぞれ別部品となっていなくてはならなかった。これにともない、シリンダを組立て時に調整する作業や、シリンダを固定するためのボルトやボルト穴が必要であったが、一体形のシリンダブロック２ではこれらの作業が不用となり、生産の効率を向上させることが可能となる。また、従来のシリンダを組立て工程で固定する方式では、ボルトなどでの締結によって応力が加わりシリンダが変形する問題もあったが、一体形のシリンダブロック２では、組立てで生じるシリンダ部２ａの変形の問題も解消できる。

図６は、本実施態様で、球面受けの頂点を含む位置に窪みを設けた一例である。

球面受け１ａを旋盤で加工するにあたっては、軸線Ｓを中心にピストン１を回転させてバイトで加工するが、球面受け１ａの表面は断面が円であるため軸線Ｓからの距離が場所によって異なる。よって、一定回転数でピストン１を回転させながら加工すると加工速度が変化してしまうため、加工する部分の軸線Ｓからの距離に応じて回転数を増減させる制御が取られる。しかし、球面受け１ａの頂点部分は、軸線Ｓの線上にあり、軸線Ｓからの距離はゼロであるため、この部分では与える回転数によらず、切削速度がゼロになる。よって、球面受け１ａの頂点近傍は加工精度が劣化しやすい部分である。一方、球面受けの頂点付近は、ピストンから最も負荷を受ける部分であり、頂点付近が突出した形状に加工されると、ピストンロッドの球体３ａとの摺動時に面圧が高くなり異常摩耗や焼き付きの原因になる。
窪み１ｄは、この頂点部分を球面受け１ａ創生する加工では加工しなくてすむように逃がす目的で設けている。この頂点部分の窪み１ｄは、一例として図３（ａ）の工程図で燒結（工程Ｎｏ３）の後にドリル加工によって設けることが可能である。また、この窪み１ｄ
は成形（工程Ｎｏ２）で金型によって成形することも可能で、金型が複雑になっても許容される場合は、窪み１ｄは金型によって成形したほうが生産の効率を良くできる。この窪み１ｄは、球面受け１ａの加工工程で頂点付近を加工しないために設けるいわゆるにがしであるため、形状は問わないが、窪み１ｄにより球面受け１ｃの面積は減少する。頂点付近は、球面受けに最も負荷がかかる部分であるため、窪み１ｄが球面受け１ａに開口する面積は、使用する用途によって決める必要がある。しかし、窪み１ｄの開口面積は必要最小限にしておくのが望ましい。

このように耐摩耗性に優れるピストン１を効率良く入手することが可能となるが、このピストン１を組み込んだ圧縮機では、ピストンの耐久性を安価に向上させることが可能である。また、地球環境保護の観点から従来冷媒として用いられていた塩素を含むフロンから、塩素を含まないフロンあるいは二酸化炭素や炭化水素などの自然冷媒に転換が行なわれている。これらの塩素を含まない冷媒を圧縮すると、冷媒自体の摩擦軽減作用が低いために境界潤滑状態になりやすいが、四三酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）を表面に形成しているピストン１では酸化物が金属同士の接触を防止するため、境界潤滑下にあっても耐摩耗性が向上している。よって、本ピストン１を採用した冷媒圧縮機は、塩素を含まない冷媒への適用にあたっても、耐久性の面で有利である。

本発明の実施態様の一例である圧縮機を示した縦断面図。 ピストンとピストンロッドを結合した状態を示す縦断面図。 本発明の実施態様の一例であるピストンの加工工程を示した説明図とピストンの縦断面図。 燒結金属を加工した場合の工具摩耗の一例を、逃げ面の摩耗幅で示した線図。 ピストン、ピストンロッド、シリンダブロックの外観を示した鳥瞰図。 球面受けの頂点に設けた窪みを示したピストンの縦断面図。 図４に示した結果を得た実験の条件を示した表。

符号の説明

１… ピストン
１ａ… 球面受け
１ｂ… 外周面
１ｃ… 上面
１ｄ… くぼみ
１ｅ… 四三酸化鉄層
２… シリンダブロック
２ａ… シリンダ部
２ｂ… 軸受け部
３… ピストンロッド
３ａ… 球体
４… クランクシャフト
４ａ… ピン部
５… モータ
５ａ… ステータ
５ｂ… ロータ
６… チャンバ
７… 弁機構
８… サイレンサ
９… 圧縮機構部

Claims (8)

1. シリンダと、ピストンロッドと、該シリンダ内で往復運動するピストンを備え、
   該ピストンロッドは該ピストンに連結する球体継ぎ手を有し、
   前記ピストンは、該ピストンロッドの該球体継ぎ手と接する曲面を備えた球面受けを有し、該球面受けの曲面は、水蒸気処理を施していない燒結金属に機械加工を施し、その後に水蒸気処理が施されたものであることを特徴とする往復式圧縮機。
2. 請求項１において、
   前記曲面受けの曲面は、前記水蒸気処理後にさらに機械加工を施したものであることを特徴とする往復式圧縮機。
3. 請求項１あるいは２において、
   前記ピストンロッドを駆動するクランクシャフトと、そのクランクシャフトを支持するフレームを有し、
   該フレームは、前記ピストンが筒内を往復動するシリンダと一体的に形成されていることを特徴とする往復式圧縮機。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、
   塩素分を含まない冷媒を圧縮することに用いることを特徴とする冷媒圧縮機。
5. シリンダ内でピストンロッドの球面継ぎ手に連結されるピストンがシリンダ内で往復運動する往復式圧縮機の製造方法であって、
   水蒸気処理を施していない燒結金属に対してピストンの球面受けの曲面を機械加工により成形し、
   前記機械加工後に該曲面に対して水蒸気処理を施すことを特徴とする往復式圧縮機の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記水蒸気処理を行った後、さらに機械加工することを特徴とする往復式圧縮機の製造方法。
7. 請求項５あるいは６において、
   前記ピストンの球面受けのヘッド面側頂点近傍に、前記球面受けを機械加工する前に窪みを成形することを特徴とする往復式圧縮機の製造方法。
8. 請求項７において、
   前記ピストンの球面受けのヘッド面側頂点近傍に窪みを有し、
   該窪みを金型で成形することを特徴とする往復式圧縮機の製造方法。
   
   

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