JP2006329060A

JP2006329060A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2006329060A
Application number: JP2005153494A
Authority: JP
Inventors: Sukeki Yoshimi; 祐基吉見; Tomoya Kyoda; 知也京田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】圧縮機に関し、疲労耐久性が高い吸入弁を備えた信頼性の高い圧縮機の実現を図る。
【解決手段】往復動するピストンを収納するシリンダと、前記シリンダの開口端に備えられたバルブプレートと、前記バルブプレートに形成された吸入孔と、前記シリンダの開口端と前記バルブプレートの前記シリンダ側に配設された吸入弁１１０とを備え、吸入弁１１０は前記吸入孔を開閉するリード部１１０ａを有し、リード部１１０ａは表面粗さＲｚを０．８μｍ以下、リード部１１０ａの外周エッジ部のコーナーＲを０．０３ｍｍ以上、圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上としたもので、応力が集中するような傷を無くし、耐力を向上させているため、信頼性の高い圧縮機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷蔵庫、冷凍庫といった冷却システムに使用する圧縮機に関するものである。

近年、圧縮機は地球環境の観点から、ノンフロン冷媒の採用やインバータでの高速運転化が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の圧縮機を説明する。

図４は、従来の圧縮機の吸入弁の平面図である。図５は従来の圧縮機の圧縮ユニット部の構造を示す断面図である。

図４、図５において、略円筒形のピストン１はシリンダ２内に摺動自在に挿入されている。平板状のバルブプレート３には吸入孔４と吐出孔５とが形成され、吐出孔５を開閉する吐出弁６が備え付けられている。

シリンダヘッド７は吸入室８および吐出室９を形成しており、吸入弁１０、バルブプレート３をシリンダ２との間に挟みこんで固定している。

薄板状の板ばね材で形成された吸入弁１０には、吸入孔４を開閉するリード部１０ａが形成されている。

なお、吸入弁１０は金属製の圧延した板ばね材をプレスで型抜きした後、材料の表面欠陥および各エッジ部のバリを除去するために、バレル研磨処理がおこなわれている。これらの処理は吸入弁１０の全表面にわたって施されており、図３においてこれをまだら点模様で示している。

ここでバレル研磨処理とは、品物とバレル石、水等が入ったバレルを所定の時間回転させることにより、品物どうしや品物とバレル石の相対摩擦を行い、バリ取りやコーナーＲ等の加工を行う方法です。一般的にバレル石の大きさとしては、０．５ｍｍから１０ｍｍ程のものを用い、処理時間としては、１０時間から２０時間程である。

以上のように構成された圧縮機について、以下その動作を説明する。

まず、ピストン１がシリンダ２の中で水平往復運動することで、冷媒はまず吸入室８からバルブプレート３の吸入孔４を通り吸入弁１０を開弁してシリンダ２内に吸入される。そしてこの冷媒は同じくピストン１の水平往復運動によって圧縮され、吸入弁１０が閉じ吐出弁６が開くことでバルブプレート３の吐出孔５を通り、シリンダヘッド７の吐出室９に送り込まれる。この動作が繰り返し行われることで周知の圧縮動作がなされることになる。

一方、吸入弁１０は開閉を繰り返す際、繰り返したわむことで繰り返し応力が発生する。またリード部１０ａの吸入孔４に対応する箇所はバルブプレート３に衝突し、衝撃荷重を繰り返しうけることになる。

これに対し、吸入弁１０の表面には少なくとも全面にわたってバレル研磨処理が施されており、材料の表面欠陥および各エッジ部のバリが除去されることで疲労破壊の起点が無くなるとともに、材料表面に圧縮残留応力が付与されることで疲労耐久性が向上し、長期の運転に耐えるものである。
特開２０００−３１４３８０号公報

しかしながら、上記従来の構成において、バレル研磨処理を行った吸入弁１０は処理をしないものと比べて各スリット部１０ｂのバリが除去されることで疲労耐久性を向上させることができるが、吸入弁１０の形状複雑化により、バレル石が狭部に入り込み難くなり、吸入弁１０周辺のスリット部１０ｂといったところに除去されない細かいバリが残ってしまうという欠点があった。また、長時間に渡って開閉を繰り返す吸入弁１０に十分な圧縮残留応力を与える為にバレル研磨処理を長時間施せば、材料に高い圧縮残留応力を与えることができるが、その反面吸入弁１０の表面粗さが劣化し、新たに欠陥や傷が生じてしまい、これらが疲労破壊の起点となり吸入弁１０の疲労耐久性を低下させ、特にインバータ運転時の８０Ｈｚにのぼる高速運転時においては、吸入弁１０にかかる負荷が増大するため、信頼性を低下させる可能性があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、疲労耐久性が高い吸入弁を備えた信頼性の高い圧縮機を提供することを目的する。

上記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、往復動するピストンを収納するシリンダと、シリンダの開口端に備えられたバルブプレートと、バルブプレートに形成された吸入孔と、シリンダの開口端とバルブプレートのシリンダ側に配設された吸入弁とを備え、吸入弁は吸入孔を開閉するリード部を有し、リード部は表面粗さＲｚを０．８μｍ以下、リード部の外周エッジ部のコーナーＲを０．０３ｍｍ以上、圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上としたもので、コーナーＲおよび圧縮残留応力を大きくし、尚且つ表面粗さを小さく抑えることにより、応力が集中しやすい傷を除去し、耐力を向上させることができ、信頼性の高い圧縮機を供給するという作用を有する。

本発明の圧縮機は、表面粗さを小さく抑え、リード部の外周エッジ部のコーナーＲを大きくし、圧縮残留応力を高くすることにより、疲労耐久性が高い吸入弁を備えた信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、往復動するピストンを収納するシリンダと、前記シリンダの開口端に備えられたバルブプレートと、前記バルブプレートに形成された吸入孔と、前記シリンダの開口端と前記バルブプレートの前記シリンダ側に配設された吸入弁とを備え、前記吸入弁は前記吸入孔を開閉するリード部を有し、前記リード部は表面粗さＲｚを０．８μｍ以下、前記リード部の外周エッジ部のコーナーＲを０．０３ｍｍ以上、圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上としたもので、応力が集中するような傷を無くし、耐力を向上させているため、信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において吸入弁を炭素鋼としたものであり、硬度がＨｖ５００以上と高強度であることから、ばね定数が大きいため、弁の開閉動作に優れた圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明においてリード部の外周形状をスリット状に打ち抜くことでリードプレートに一体に形成したものであり、弾性が高いため、弁の開閉動作に優れた圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において吸入弁にショット粒を溶媒とともに投射するウェットピーニング処理を施したものであり、液圧によりショット粒の衝撃力が倍増されることにより、小さなショット粒でも十分な衝撃力を与えることができるため、表面粗さを小さく抑えながら耐力を向上させた信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明においてピーニング処理をリード部の外周エッジ部に向けて施したものであり、応力が集中しやすいエッジ部のバリや傷を除去するため、信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における圧縮機の吸入弁の平面図、図２は、同実施の形態における圧縮機の圧縮機ユニット部の断面図、図３は、同実施の形態における吸入弁の疲労限度図である。

以下、図１と図２と図３に基づいて本発明の実施の形態について説明する。

図１、図２において、略円筒形のピストン１０１はシリンダ１０２内に摺動自在に挿入されている。平板状のバルブプレート１０３には吸入孔１０４と吐出孔１０５とが形成され、吐出孔１０５を封止する吐出弁１０６が備え付けられている。

シリンダヘッド１０７は吸入室１０８および吐出室１０９を形成しており、薄板状の吸入弁１１０、バルブプレート１０３をシリンダ１０２との間で挟み込んで固定している。

吸入弁１１０は板ばね材である炭素鋼で形成され、幅１ｍｍ以下のスリット１１０ｂにより舌状のリード部１１０ａが形成されており、リード部１１０ａの吐出孔１０５と対向する部分には貫通孔１１０ｃが形成されている。

吸入弁１１０は圧延した炭素鋼をプレスで型抜きし、材料の表面全体にウェットピーニング処理を施している。図１において、ウェットピーニング処理を施した部分を斜線模様部分として示している。

ここでウェットピーニング処理とは、ショット粒と溶媒の混合体を所定の圧力により加速投射し被加工材に衝突させることにより、被加工材表面層の強度を向上させる技術である。一般にショット粒にはアルミナ等が用いられ溶媒には水が用いられる。

ウェットピーニング処理の条件は、ショット粒として平均粒径０．５μｍから５０μｍのアルミナ粒子を溶媒の中に濃度８〜１５ｖｏｌ％となるように添加し、この混合溶媒を０．０５〜０．５ＭＰａの圧力で噴射することで、リード表面粗さＲｚを０．８μｍ以下、リード部の外周エッジ部のコーナーＲを０．０３ｍｍ以上、圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上が得られる条件に設定した。

まず、ピストン１０１がシリンダ１０２の中で水平往復運動することで、冷媒はまず吸入室１０８からバルブプレート１０３の吸入孔１０４を通り、吸入弁１１０を開弁してシリンダ１０２内に吸入される。そしてこの冷媒は同じくピストン１０１の水平往復運動によって圧縮され、吸入弁１１０が閉じ吐出弁１０６が開くことでバルブプレート１０３の吐出孔１０５を通り、シリンダヘッド１０７の吐出室１０９に送り込まれる。この動作が繰り返し行われることで周知の圧縮動作がなされることになる。

この際、吸入弁１１０の貫通孔１１０ｃ近傍は開閉を繰り返し、その結果、貫通孔１１０ｃ近傍は繰り返し応力が発生する。またリード部１１０ａの吸入孔１０４に対応する箇所はバルブプレート１０３に衝突し、衝突荷重を繰り返し受ける。

次に吸入弁１１０の表面処理の作用について説明する。

吸入弁１１０はショット粒が衝突することでその表面層は延展されようとする。しかしながら内面層の拘束により延びることはできず、その結果、表面層同士の間に互いに圧縮し合う力が発生する。この圧縮し合う力が圧縮残留応力である。

一般的に圧縮残留応力を付与する方法としては、バレル研磨処理やドライホーニング処理等が考えられるが、上記方法においては、バレル研磨処理の場合、品物とバレル石、水等が入ったバレルを回転させることにより、品物どうしや品物とバレル石の衝突により圧縮残留応力を付与させているが、衝突時における衝撃値が小さいためにある一定値以上の圧縮残留応力を付与させることができず、また品物どうしの衝突により品物表面に新たに欠陥や傷を生じる可能性がある。

ドライホーニング処理の場合においては、粒子を圧縮空気とともに噴射ノズルで品物に吹付けることにより圧縮残留応力を付与させるが、粒径が約１００μｍ以上の大きさでないと十分な圧縮残留応力を付与させることができず、またその結果、品物の表面粗さが大きくなることがわかっている。一方、本実施の形態では平均粒径０．５μｍから５０μｍの極微細なアルミナ粒子でウェットピーニング処理により、表面層に十分な深さの圧縮残留応力を付与することができた。各表面処理における圧縮残留応力の比較を（表１）に示す。

（表１）より、ウェットピーニング処理された吸入弁は、未処理品もしくはバレル研磨処理やドライホーニング処理が施された吸入弁に比べ２倍以上の圧縮残留応力が付加されていることがわかった。これは、ウェットピーニング処理の場合、ショット粒の衝突力は、ショット粒に溶媒の慣性力が付与されて吸入弁へ衝突するため、バレル研磨処理でのバレル石やドライホーニング処理でのショット粒での衝突力に対して遥かに増加するためと思われる。

また、ウェットピーニング処理を行うことによって、吸入弁１１０の表面粗さＲｚを０．８μｍ以下にすることができ、リード部１１０ａのエッジ部に向けて３０度から７０度で処理することによりエッジ部のコーナーＲを集中的に削ることができ、そのＲの大きさを０．０３ｍｍ以上にすることができた。このコーナーＲは一般に大きい程、エッジ部のバリや傷が減少するので吸入弁の耐久性向上に対して有効である。

しかしながら、前述したように従来のバレル研磨処理の場合、品物どうしや品物とバレル石の衝突により圧縮残留応力を付与させているため、高い圧縮残留応力を得るためには、長時間の処理が必要となり、長時間の品物どうしの衝突によりエッジ部のコーナーＲを大きくすることは可能であるが、表面粗さを小さくすることは不可能であった。また、ドライホーニング処理の場合、高い圧縮残留応力を得るためには、ショットの粒径を約１００μｍ以上にする必要があり、ショット粒が大きいため、エッジ部のコーナーＲを大きくすることは可能であるが、表面粗さを小さくすることは不可能であった。

したがって、ウェットピーニング処理を施すことにより、表面およびエッジ部には疲労破壊の起点となる欠陥が除去され、全面にわたって高い圧縮残留応力が付与された吸入弁１１０を実現でき、疲労耐久性を飛躍的に向上させることができた。

その疲労耐久性に関する実験結果を図３に示す。図３は炭素鋼である吸入弁に一定振幅の繰り返し片振り応力を疲労破壊するまで加えたときの応力振幅と破損までの繰り返し数の関係を示したものである。

図３からわかるように、従来の吸入弁１０については１０^７回以内での折損が確認されるのに対して、吸入弁のリード部の表面粗さＲｚを０．８μｍ、外周エッジ部のコーナーＲを０．０３ｍｍ、圧縮残留応力を５００ＭＰａとした吸入弁１１０では、折損はただの１件も確認されなかった。一般に繰返し応力は１０^７回を超えればほぼ永久的に耐久することがわかっており、安定して永久に繰返し疲労に耐える吸入弁１１０を得られることがわかった。

また、近年の家庭用冷蔵庫におけるインバータ運転化により、８０Ｈｚにのぼる高速運転時には吸入弁にかかる負荷は増大し、長期間において開閉を繰り返す吸入弁には更なる疲労耐久性が求められている場合においても、更に効果がある。

以上のように、本発明にかかる圧縮機は、疲労耐久性が高い吸入弁を備えた信頼性の高い圧縮機が可能となるので、空気圧縮機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における圧縮機の吸入弁の平面図同実施の形態における圧縮機の圧縮機ユニット部の断面図同実施の形態における吸入弁の疲労限度図従来の圧縮機の吸入弁の平面図従来の圧縮機の圧縮ユニット部の構造を示す断面図

符号の説明

１０１ピストン
１０２シリンダ
１０３バルブプレート
１０４吸入孔
１１０吸入弁
１１０ａリード部

Claims

往復動するピストンを収納するシリンダと、前記シリンダの開口端に備えられたバルブプレートと、前記バルブプレートに形成された吸入孔と、前記シリンダの開口端と前記バルブプレートの前記シリンダ側に配設された吸入弁とを備え、前記吸入弁は前記吸入孔を開閉するリード部を有し、前記リード部は表面粗さＲｚを０．８μｍ以下、前記リード部の外周エッジ部のコーナーＲを０．０３ｍｍ以上、圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とした圧縮機。
吸入弁が炭素鋼からなる請求項１に記載の圧縮機。
リード部は外周形状をスリット状に打ち抜くことでリードプレートに一体に形成した請求項１または２に記載の圧縮機。
吸入弁にショット粒を液体とともに投射するウェットピーニング処理を施した請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機。
ピーニング処理をリード部の外周エッジ部に向けて施した請求項４に記載の圧縮機。