JP2007247601A

JP2007247601A - スクロール圧縮機のスクロール部材

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Publication number: JP2007247601A
Application number: JP2006074692A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kajiwara; 幹央梶原; Hiroyuki Yamaji; 洋行山路; Satoru Yamamoto; 哲山本; Mitsuhiko Kishikawa; 光彦岸川; Mie Arai; 美絵新井; Takashi Hirouchi; 隆廣内
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP5329744B2

Abstract

【課題】半溶融／半凝固ダイキャストにより成形されたものに熱処理を施して強度を向上させるスクロール部材において、スクロール圧縮機の性能や製造コストの観点から熱処理を適度に行わせる。
【解決手段】固定スクロール部材１２４は、鏡面１８４ａと、ラップ１８５とを備えている。ラップ１８５は、鏡面１８４ａから垂直に延びており、渦巻き形状を有する。固定スクロール部材１２４は、半溶融／半凝固ダイキャストにより成形された後、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、引張強度を向上させる熱処理が施される。
【選択図】図２

Description

本発明は、スクロール圧縮機のスクロール部材に関する。

空調機等の冷凍装置における圧縮機の種類の１つとして、スクロール圧縮機が存在する。このスクロール圧縮機では、固定スクロール部材に対して、その軸を回転させずに公転させる可動スクロール部材によって、両スクロール部材の渦巻き状のラップの間に形成される三日月状の圧縮室の容積を減じ、ガス冷媒の圧力を高めて中心部から吐出する。
このようなスクロール圧縮機は、略円柱状のものが多いが、その外径に影響を与えるファクターの１つが両スクロール部材のラップの大きさである。スクロール圧縮機の外径を小さくすることが、一般的な小型化の要請に応えるためには必要となるが、ラップの渦巻きの巻数で容積比が決まるため、同容量で小型化を図るには、ラップの高さ（Ｈ）と厚み（Ｔ）との比である比（Ｈ／Ｔ）を大きくすることが求められる。

通常、この比（Ｈ／Ｔ）は、圧縮室間の圧力差がラップに作用したときの最大応力に対してラップの材料が十分な強度を有する状態になるように決められている。
したがって、比（Ｈ／Ｔ）を大きくするために、まずは従来よく用いられている材料よりも高強度の材料を採用することが考えられる。例えば、従来用いているＦＣ２５０などの普通鋳鉄に代えて、ダクタイル鋳鉄ＦＣＤや高炭素鋼を採用することが考えられる。しかし、これらの材料については、被削性が悪く切削加工が難しくなることや、湯流れの悪さからニアネットシェイプ化ができないというデメリットがあり、実際に採用することは難しい。

これに対し、近年、鋳鉄原材料をダイキャスト（High Pressure Die Casting）を用いてスクロール部材にして、ニアネットシェイプで高強度のものを得ることが提案されている（特許文献１を参照）。
特開２００５−３６６９３号公報

特許文献１において提案されているように、スクロール部材を半溶融／半凝固ダイキャストにより製造する場合、確かにニアネットシェイプで高強度のものを得ることができる。さらに、熱処理によって、強度を調整することが可能である。
そして、高強度のスクロール部材であれば、ラップの比（Ｈ／Ｔ）を上げることができる。

しかし、熱処理によって強度を上げたことに伴い単純にラップの比（Ｈ／Ｔ）を上げてしまうと、ラップの最大応力発生部位における疲労強度の観点からは問題がなくても、他の観点からの問題が生じることがある。具体的には、熱処理によって強度がアップしても、剛性（ヤング率）については変化が殆どなく、強度的な観点から単純に比（Ｈ／Ｔ）を上げると圧力が作用したときのラップの変形量（たわみ量）が大きくなって、圧縮室間でのガス冷媒の漏れが生じたり、ラップの先端が他方のスクロール部材のラップに強く当たって騒音の原因になったりする。また、熱処理後にラップに切削加工を施す際に、ラップが変形しやすければ、時間をかけてゆっくりと切削加工をしなければならなくなり製造コストが上がる。

本発明の課題は、半溶融／半凝固ダイキャストにより成形されたものに熱処理を施して強度を向上させるスクロール圧縮機のスクロール部材であって、スクロール圧縮機の性能や製造コストの観点から熱処理を適度に行わせることができるスクロール部材を提供することにある。

第１発明に係るスクロール圧縮機のスクロール部材は、平面部と、ラップとを備えている。ラップは、平面部から略垂直に延びており、渦巻き形状を有する。このスクロール部材は、半溶融／半凝固ダイキャストにより成形された後、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、引張強度を向上させる熱処理が施される。
ＦＣ２５０といった従来の材料と比較して、金型に半溶融（半凝固）状態の鉄素材を圧入して鋳物を製造するダイキャストによって生成されるものは、所定時間所定温度で保持したり冷却速度を調整したりする熱処理を施すことによって、引張強度を向上させることができる。

しかし、従来にないレベルに引張強度が上がると、今までのように疲労損傷が生じるか否かという強度の観点からだけでラップの高さ（Ｈ）と厚み（Ｔ）との比である比（Ｈ／Ｔ）を決めていては他の問題が発生することを本願発明の発明者は見いだした。すなわち、強度が確保されるからといって比（Ｈ／Ｔ）をあまりに大きくしすぎると、強度の面では問題がなくても、切削加工を行う際にラップの変形が大きくなりすぎるためにエンドミル等の取り代や切削送りを大きくすることができず加工時間が長くなってしまったり、圧縮機運転中にラップの変形量（たわみ量）が大きくなって性能が低下したり相手のスクロール部材との接触により騒音が大きくなったりする不具合が起こることに気がついた。

これに鑑み、本発明では、これらの加工時間、性能低下、騒音といった観点から必要となるラップの変形量の上限を考慮してラップの比（Ｈ／Ｔ）を決めたときに、疲労強度の観点から引張強度がどれくらいあれば十分であるかという検討に基づき、熱処理によって過剰な強度アップをコストをかけて実施してしまうことがないように、熱処理後のスクロール部材のヤング率に対する引張強度の比を決めることとした。具体的には、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、熱処理による強度アップの程度を抑えるようにしている。このようにヤング率に対する引張強度の比を決めているため、本発明に係るスクロール部材においては、コストや時間をかけた熱処理による過剰な強度アップをラップに対して行ってしまう事象が回避され、熱処理を適度に行わせることができる。
なお、強度を低く抑えるために逆に熱処理に時間をかけることになると本末転倒であり、また金属組織のフェライト率が高くなると耐摩耗性が低下するといった不具合も生じることから、ヤング率に対する引張強度の比は、０．００３３以上であることが好ましい。

第２発明に係るスクロール部材は、第１発明のスクロール部材であって、ヤング率が、１７５〜１９０ＧＰａである。

第３発明に係るスクロール部材は、第１又は第２発明のスクロール部材であって、スクロール圧縮機は、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる冷凍装置の冷媒回路に組み込まれるものである。そして、ラップの平面部と直交する方向の長さ（以下、ラップの高さ（Ｈ）という。）をラップの厚み（以下、ラップの厚み（Ｔ）という。）で除した値が、１９以下である。

ここでは、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる冷凍装置において最も高圧側の圧力値が高くなるときにスクロール部材に作用する圧力から逆算を行い、ヤング率に対する引張強度の比を０．００４６以下にしつつラップの高さ（Ｈ）とラップの厚み（Ｔ）とを決めると、それらの比（Ｈ／Ｔ）が１９以下となる。これ以上、ラップの厚み（Ｔ）に対してラップの高さ（Ｈ）が高くなって、ラップの高さに対して相対的にラップが薄肉化されると、ラップの剛性（ヤング率）が不足してしまうからである。
なお、半溶融／半凝固ダイキャストにより成形されており、従来のＦＣ２５０といった材料を使う場合よりも強度が増していることから、比（Ｈ／Ｔ）を１０以上としてラップの薄肉化を図ることが好ましい。

第４発明に係るスクロール部材は、第１又は第２発明のスクロール部材であって、スクロール圧縮機は、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍装置の冷媒回路に組み込まれるものである。そして、ラップの高さ（Ｈ）をラップの厚み（Ｔ）で除した値が、８以下である。

ここでは、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍装置において最も高圧側の圧力値が高くなるときにスクロール部材に作用する圧力から逆算を行い、ヤング率に対する引張強度の比を０．００４６以下にしつつラップの高さ（Ｈ）とラップの厚み（Ｔ）とを決めると、それらの比（Ｈ／Ｔ）が８以下となる。これ以上、ラップの厚み（Ｔ）に対してラップの高さ（Ｈ）が高くなって、ラップの高さに対して相対的にラップが薄肉化されると、ラップの剛性（ヤング率）が不足してしまうからである。

なお、半溶融／半凝固ダイキャストにより成形されており、従来のＦＣ２５０といった材料を使う場合よりも強度が増していることから、比（Ｈ／Ｔ）を２以上としてラップの薄肉化を図ることが好ましい。

本発明に係るスクロール圧縮機のスクロール部材では、加工時間、性能低下、騒音といった観点から必要となるラップの変形量の上限を考慮してラップの比（Ｈ／Ｔ）を決めたときに、疲労強度の観点から引張強度がどれくらいあれば十分であるかという検討に基づき、熱処理によって過剰な強度アップをコストをかけて実施してしまうことがないように、熱処理後のスクロール部材のヤング率に対する引張強度の比を決めることとした。具体的には、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、熱処理による強度アップの程度を抑えるようにしている。このようにヤング率に対する引張強度の比を決めているため、本発明に係るスクロール部材においては、コストや時間をかけた熱処理による過剰な強度アップをラップに対して行ってしまう事象が回避され、熱処理を適度に行わせることができる。

＜圧縮機の構成＞
本発明の一実施形態に係るスクロール部材である固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６を備える圧縮機１を、図１に示す。この圧縮機１は、蒸発器、凝縮器、膨張弁などと共に冷媒回路を構成し、その冷媒回路中のガス冷媒を圧縮する役割を担うものであって、主に、円筒状の密閉ドーム型のケーシング１０、スクロール圧縮機構１５、オルダムリング３９、駆動モータ１６、下部主軸受６０、吸入管１９、および吐出管２０から構成されている。スクロール圧縮機構１５は、固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６を備えている。以下、この圧縮機１の構成部品についてそれぞれ詳述していく。

なお、圧縮機１は、圧縮する対象のガス冷媒としてＲ４１０Ａが使用されることを前提に設計されているものである。
（１）ケーシング
ケーシング１０は、略円筒状の胴部ケーシング部１１と、胴部ケーシング部１１の上端部に気密状に溶接される椀状の上壁部１２と、胴部ケーシング部１１の下端部に気密状に溶接される椀状の底壁部１３とを有する。そして、このケーシング１０には、主に、ガス冷媒を圧縮するスクロール圧縮機構１５と、スクロール圧縮機構１５の下方に配置される駆動モータ１６とが収容されている。このスクロール圧縮機構１５と駆動モータ１６とは、ケーシング１０内を上下方向に延びるように配置される駆動軸１７によって連結されている。そして、この結果、スクロール圧縮機構１５と駆動モータ１６との間には、間隙空間１８が生じる。

（２）スクロール圧縮機構
スクロール圧縮機構１５は、図１に示されるように、主に、ハウジング２３と、ハウジング２３の上方に密着して配置される固定スクロール部材１２４と、固定スクロール部材１２４に噛合する可動スクロール部材１２６とから構成されている。
（２−１）固定スクロール部材
固定スクロール部材１２４は、後述する半溶融ダイキャスト成形等のダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造されるものであり、図２および図３に示すように、主に、鏡板１８４と、鏡板１８４の鏡面１８４ａから下方に延びる渦巻き状（インボリュート状）のラップ１８５とから構成される。

鏡板１８４には、後述する圧縮室４０に連通する吐出穴４１と、吐出穴４１に連通する拡大凹部４２とが形成されている。吐出穴４１は、鏡板１８４の中央部分において上下方向に延びるように形成されている。
拡大凹部４２は、鏡板１８４の上面に水平方向に広がるように形成された凹部である。そして、固定スクロール部材１２４には、この拡大凹部４２を塞ぐように、蓋体４４がボルト４４ａにより締結固定される。そして、拡大凹部４２に蓋体４４が覆い被せられることにより、スクロール圧縮機構１５の運転音を消音させる膨張室としてのマフラー空間４５が形成される。固定スクロール部材１２４と蓋体４４とは、図示しないパッキンを介して密着させることによりシールされている。

（２−２）可動スクロール部材
可動スクロール部材１２６も、固定スクロール部材１２４と同じく、後述する半溶融ダイキャスト成形等のダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造されるものであり、図４および図５に示すように、主に、鏡板１８６と、鏡板１８６の鏡面１８６ａから上方に延びる渦巻き状（インボリュート状）のラップ１８７と、鏡板１８６の下面から下方に延びる軸受部１８８と、鏡板１８６の両端部に形成される溝部１８９とから構成されている。可動スクロール部材１２６は、アウタードライブタイプの可動スクロールであり、駆動軸１７の外周溝に嵌合する軸受部１８８を有している。

可動スクロール部材１２６は、その溝部１８９にオルダムリング３９（図１参照）が嵌め込まれることにより、ハウジング２３に支持される。また、軸受部１８８には、駆動軸１７の上端が嵌入される。可動スクロール部材１２６は、このようにスクロール圧縮機構１５に組み込まれることによって、駆動軸１７の回転により自転することなくハウジング２３内を公転する。可動スクロール部材１２６のラップ１８７は固定スクロール部材１２４のラップ１８５に噛み合っており、両ラップ１８５、１８７の接触部の間には圧縮室４０が形成される（図９（ｂ）参照）。そして、この圧縮室４０は、可動スクロール部材１２６の公転に伴い中心に向かって変位し、その容積が収縮していく。これにより、圧縮機１では、圧縮室４０に入ったガス冷媒が圧縮される。

（２−３）ハウジング
ハウジング２３は、その外周面において、周方向の全体に亘って胴部ケーシング部１１に圧入固定されている。つまり、胴部ケーシング部１１とハウジング２３とは全周に亘って密着されている。このため、ケーシング１０の内部は、ハウジング２３よりも下方の高圧空間２８と、ハウジング２３よりも上方の低圧空間２９とに区画されることになる。また、このハウジング２３は、その上端面が固定スクロール部材１２４の下端面と密着するように、複数のボルト３８により固定スクロール部材１２４と締結固定されている。また、このハウジング２３には、上面中央に凹設されたハウジング凹部３１と、下面中央から下方に延設された軸受部３２とが形成されている。そして、この軸受部３２には、上下方向に貫通する軸受孔３３が形成されており、この軸受孔３３に駆動軸１７が軸受３４を介して回転自在に嵌入されている。

（２−４）その他
また、このスクロール圧縮機構１５には、固定スクロール部材１２４とハウジング２３とに亘り、連絡通路４６が形成されている。この連絡通路４６は、固定スクロール部材１２４に切欠形成されたスクロール側通路４７と、ハウジング２３に切欠形成されたハウジング側通路４８とから構成される。そして、連絡通路４６の上端、即ちスクロール側通路４７の上端は、拡大凹部４２に開口し、連絡通路４６の下端、即ちハウジング側通路４８の下端は、ハウジング２３の下端面に開口している。つまり、このハウジング側通路４８の下端開口が、連絡通路４６の冷媒を間隙空間１８に流出させる吐出口４９となっている。

（３）オルダムリング
オルダムリング３９は、上述したように、可動スクロール部材１２６の自転運動を防止するための部材であって、ハウジング２３に形成されるオルダム溝（図示せず）に嵌め込まれている。なお、このオルダム溝は、長円形状の溝であって、ハウジング２３において互いに対向する位置に配設されている。

（４）駆動モータ
駆動モータ１６は、直流モータであって、主に、ケーシング１０の内壁面に固定された環状のステータ５１と、ステータ５１の内側に僅かな隙間（エアギャップ通路）をもって回転自在に収容されたロータ５２とから構成されている。そして、この駆動モータ１６は、ステータ５１の上側に形成されているコイルエンド５３の上端がハウジング２３の軸受部３２の下端とほぼ同じ高さ位置になるように配置されている。

ステータ５１には、ティース部に銅線が巻回されており、上方および下方にコイルエンド５３が形成されている。また、ステータ５１の外周面には、ステータ５１の上端面から下端面に亘り且つ周方向に所定間隔をおいて複数個所に切欠形成されているコアカット部が設けられている。そして、このコアカット部により、胴部ケーシング部１１とステータ５１との間に上下方向に延びるモータ冷却通路５５が形成されている。
ロータ５２は、上下方向に延びるように胴部ケーシング部１１の軸心に配置された駆動軸１７を介してスクロール圧縮機構１５の可動スクロール部材１２６に駆動連結されている。また、連絡通路４６の吐出口４９から吐出された冷媒をモータ冷却通路５５に案内する案内板５８が、間隙空間１８に配設されている。

（５）下部主軸受
下部主軸受６０は、駆動モータ１６の下方の下部空間に配設されている。この下部主軸受６０は、胴部ケーシング部１１に固定されるとともに駆動軸１７の下端側軸受を構成し、駆動軸１７を支持している。

（６）吸入管
吸入管１９は、冷媒回路の冷媒をスクロール圧縮機構１５に導くためのものであって、ケーシング１０の上壁部１２に気密状に嵌入されている。吸入管１９は、低圧空間２９を上下方向に貫通すると共に、内端部が固定スクロール部材１２４に嵌入されている。
（７）吐出管
吐出管２０は、ケーシング１０内の冷媒をケーシング１０外に吐出させるためのものであって、ケーシング１０の胴部ケーシング部１１に気密状に嵌入されている。そして、この吐出管２０は、上下方向に延びる円筒形状に形成されハウジング２３の下端部に固定される内端部３６を有している。なお、吐出管２０の内端開口、即ち流入口は、下方に向かって開口されている。

＜固定スクロール部材および可動スクロール部材の製造方法＞
上述のように、固定スクロール部材１２４は、ダイキャストによって成形された後、切削加工を施すことによって製造される。また、可動スクロール部材１２６も、同様に製造される。
（１）ダイキャスト
（１−１）素材
固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６の原材料である鉄素材は、Ｃ：２．３〜２．４ｗｔ％、Ｓｉ：１．９５〜２．０５ｗｔ％、Ｍｎ：０．６〜０．７ｗｔ％、Ｐ：＜０．０３５ｗｔ％、Ｓ：＜０．０４ｗｔ％、Ｃｒ：０．００〜０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０〜１．００ｗｔ％が添加されているビレットである。ここにいう重量割合は、全量に対する割合である。また、ビレットとは、上記成分の鉄素材が溶融炉において溶融された後に、連続鋳造装置により円柱形状等に成形された最終成形前の素材を意味する。なお、ここで、ＣおよびＳｉの含有量は、引張強度および引張弾性率が片状黒鉛鋳鉄より高くなること、および複雑な形状の摺動部品基体を成形するのに適切な流動性を備えていることの両方を満足するように決定されている。また、Ｎｉの含有量は、金属組織の靭性を向上させて成形時の表面クラックを防止するのに適切な金属組成を構成するように決定されている。

（１−２）半溶融ダイキャスト成形
上記の鉄素材を使い、ダイキャストの一種である半溶融ダイキャスト成形法により、固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６が成形される。ここでは、可動スクロール部材１２６を例にとって半溶融ダイキャスト成形法について説明する。
図６に示されるように、可動スクロール部材１２６を半溶融ダイキャスト成形するための金型８０は、第１型部分８１と、第２型部分８２とからなる。第１型部分８１と第２型部分８２とを組み合わせたときにできる空間部の形状は、切削加工前の可動スクロール部材１２６の外形形状に対応する。

半溶融ダイキャスト成形工程では、先ず、ビレットを高周波加熱することにより半溶融状態とする。次いで、その半溶融状態のビレットを金型８０に注入する際に、ダイキャストマシンで所定圧力を加え、ビレットを所望の形状に成形する。そして、金型８０から取り出して急冷させることにより、その金属組織は、全体的に白銑化したものとなる。その後、熱処理を施すと、この可動スクロール部材１２６の金属組織は、白銑化組織からパーライト／フェライト基地、粒状黒鉛から成る金属組織へと変化する。

なお、この白銑化組織の黒鉛化、パーライト化については、熱処理温度、保持時間、冷却速度などを調節することにより調節することができる。例えば、Honda R&D Technical Review の Vol.14 No.1 の論文「鉄の半溶融成形技術の研究」にあるように、９５０℃で６０分保持した後に０．０５〜０．１０℃／ｓｅｃの冷却速度で炉中にて徐冷することにより、５００ＭＰａ〜７００ＭＰａ程度の引張強度、１５０〜２００程度のブリネル硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織はフェライト中心であるために軟らかく被削性に優れるが、機械加工時に構成刃先を形成して刃具寿命を低下させる可能性がある。また、１０００℃で６０分保持した後に空冷し、さらに最初の温度より少し低い温度で所定時間保持した後に空冷することにより、６００ＭＰａ〜９００ＭＰａ程度の引張強度、２００〜３５０程度のブリネル硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織において、片状黒鉛鋳鉄と同等の硬度を有するものは、片状黒鉛鋳鉄と同等の被削性を有し、同等の延性・靭性を有する球状黒鉛鋳鉄と比較すると被削性に優れている。また、１０００℃で６０分保持した後に油冷し、さらに最初の温度より少し低い温度で所定時間保持した後に空冷することにより、８００ＭＰａ〜１３００ＭＰａ程度の引張強度、２５０〜３５０程度のブリネル硬度を有する金属組織を得ることができる。このような金属組織はパーライト中心であるために硬く、被削性に劣るが、耐摩耗性に優れている。ただし、硬すぎることによる摺動相手材への攻撃性を有する可能性がある。

以上のように、熱処理によって引張強度を所望の強度にすることができるが、本実施形態に係るスクロール部材１２４，１２６では、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、引張強度を向上させる熱処理が施される。また、耐摩耗性を確保できる程度にフェライト率が低く抑えられるように、さらに切削加工時に構成刃先が形成されにくいように、ヤング率に対する引張強度の比が０．００３３以上になるように熱処理が行われる。ヤング率が熱処理にかかわらず１７５〜１９０GＰａであるため、引張強度としては６００ＭＰａ〜９００ＭＰａ程度になるように熱処理が行われることになる。

（２）機械加工
上記の半溶融ダイキャスト成形法により成形された固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６は、さらに機械加工されることによって、圧縮機１に組み込む最終の形状となる。例えば、吐出穴４１の穴あけ加工や、エンドミルによるラップ１８５，１８７の側面の切削加工などが行われる。

固定スクロール部材１２４のラップ１８５は、切削加工の後、図３に示すように、鏡面１８４ａから先端までの高さＨや厚みＴが所定の設計値どおりの寸法となる。また、可動スクロール部材１２６のラップ１８７も、切削加工の後、図５に示すように、鏡面１８６ａから先端までの高さＨや厚みＴが所定の設計値どおりの寸法となる。
なお、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる冷凍装置の冷媒回路に組み込まれる圧縮機１において、ラップ１８５，１８７の高さＨおよび厚みＴは、スクロール部材１２４，１２６のヤング率に対する引張強度の比が０．００３３〜０．００４６になっていることを前提として、その比（Ｈ／Ｔ）が１０〜１９になるように設計されている。このように設計することにより、冷凍装置においてガス冷媒であるＲ４１０Ａが最も高圧になったときにも、ラップ１８５，１８７の渦巻き中心の端部（巻き始めの端部）における先端のたわみ量（変形量）が許容範囲に収まるとともに強度の面でも問題がないようになる。

＜圧縮機１の運転動作＞
次に、圧縮機１の運転動作について簡単に説明する。まず、駆動モータ１６が駆動されると、駆動軸１７が回転し、可動スクロール部材１２６が自転することなく公転運転を行う。すると、低圧のガス冷媒が、吸入管１９を通って圧縮室４０の周縁側から圧縮室４０に吸引され、圧縮室４０の容積変化に伴って圧縮され、高圧のガス冷媒となる（図９（ｂ）を参照）。そして、この高圧のガス冷媒は、圧縮室４０の中央部から吐出穴４１を通ってマフラー空間４５へ吐出され、その後、連絡通路４６、スクロール側通路４７、ハウジング側通路４８、吐出口４９を通って間隙空間１８へ流出し、案内板５８と胴部ケーシング部１１の内面との間を下側に向かって流れる。そして、このガス冷媒は、案内板５８と胴部ケーシング部１１の内面との間を下側に向かって流れる際に、一部が分流して案内板５８と駆動モータ１６との間を円周方向に流れる。なお、このとき、ガス冷媒に混入している潤滑油が分離される。一方、分流したガス冷媒の他部は、モータ冷却通路５５を下側に向かって流れ、モータ下部空間にまで流れた後、反転してステータ５１とロータ５２との間のエアギャップ通路、または連絡通路４６に対向する側（図１における左側）のモータ冷却通路５５を上方に向かって流れる。その後、案内板５８を通過したガス冷媒と、エアギャップ通路又はモータ冷却通路５５を流れてきたガス冷媒とは、間隙空間１８で合流して吐出管２０の内端部３６から吐出管２０に流入し、ケーシング１０外に吐出される。そして、ケーシング１０外に吐出されたガス冷媒は、冷媒回路を循環した後、再度吸入管１９を通ってスクロール圧縮機構１５に吸入されて圧縮される。

＜ＦＣ材を用いた従来のスクロール部材と本実施形態のスクロール部材との比較＞
次に、図７〜図９を参照して、ＦＣ２５０を用いた従来の固定スクロール部材２２４，可動スクロール部材２２６と、圧縮機１の固定スクロール部材１２４，可動スクロール部材１２６とを比較する。ここでは、それぞれのスクロール部材２２４，２２６，１２４，１２６のラップ２８５，２８７，１８５，１８７の高さＨを全て同じとし、従来の固定スクロール部材２２４，可動スクロール部材２２６では従来どおりの強度による設計指針に基づきラップ２８５，２８７の厚みＴを決め、固定スクロール部材１２４，可動スクロール部材１２６では上述の設計指針に基づきラップ１８５，１８７の厚みＴを決めている。固定スクロール部材１２４，可動スクロール部材１２６では、半溶融ダイキャスト成形材を使っており、従来のＦＣ２５０に較べて強度がアップしていることから、従来の固定スクロール部材２２４，可動スクロール部材２２６に較べてラップの厚みＴが薄くなっている。

図７（ａ），（ｃ），（ｅ）のハッチング部分は、それぞれ、従来の固定スクロール部材２２４における隔壁面積、圧縮仕事領域、スラスト領域を示している。隔壁面積は、ラップ（ここでは、ラップ２８５）の横断面積である。これに対し、図７（ｂ），（ｄ），（ｆ）のハッチング部分は、それぞれ、固定スクロール部材１２４における隔壁面積、圧縮仕事領域、スラスト領域を示している。図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較すると、従来の固定スクロール部材２２４に較べて固定スクロール部材１２４では隔壁面積が小さくなっている。これは、強度アップに伴ってラップ１８５の高さＨおよび厚みＴの比（Ｈ／Ｔ）を大きくしたことによるものである。また、さらに図７（ｃ）と図７（ｄ）とを参照すると、圧縮仕事領域の面積から隔壁面積を引いた有効圧縮面積で比較したときに、従来の固定スクロール部材２２４の４０平方センチメートルに対して、固定スクロール部材１２４では約２０％大きい４８平方センチメートルとなっている。

図８（ａ），（ｃ），（ｅ）のハッチング部分は、それぞれ、従来の可動スクロール部材２２６における隔壁面積、圧縮仕事領域、スラスト領域を示している。隔壁面積は、ラップ（ここでは、ラップ２８７）の横断面積である。これに対し、図８（ｂ），（ｄ），（ｆ）のハッチング部分は、それぞれ、可動スクロール部材１２６における隔壁面積、圧縮仕事領域、スラスト領域を示している。図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、従来の可動スクロール部材２２６に較べて可動スクロール部材１２６では隔壁面積が小さくなっている。これは、強度アップに伴ってラップ１８７の高さＨおよび厚みＴの比（Ｈ／Ｔ）を大きくしたことによるものである。また、さらに図８（ｃ）と図８（ｄ）とを参照すると、圧縮仕事領域の面積から隔壁面積を引いた有効圧縮面積で比較したときに、従来の可動スクロール部材２２６の２８平方センチメートルに対して、可動スクロール部材１２６では約１５％大きい３２平方センチメートルとなっている。

図９（ａ）のハッチング部分は、厚みＴが比較的大きいラップ２８５，２８７を有する従来の固定スクロール部材２２４，可動スクロール部材２２６により形成される吸入容積を示しており、図９（ｂ）のハッチング部分は、厚みＴが比較的小さい（薄い）ラップ１８５，１８７を有する固定スクロール部材１２４，可動スクロール部材１２６により形成される吸入容積を示している。圧縮機１では、ラップ１８５，１８７の厚みＴを薄くして比（Ｈ／Ｔ）を大きくしていることで、従来のスクロール部材２８５，２８７を採用するものに較べて、吸入容積が約１．５倍となっている。

＜圧縮機１の特徴＞
（１）
高強度材料であるダクタイル鋳鉄や高炭素綱ではニアネットシェイプ化が困難で加工性も悪いという課題があることから、従来のスクロール圧縮機では、ＦＣ２５０などの普通鋳鉄を使ってスクロール部材を製造しているものが多い。

これに対し、本実施形態に係る圧縮機１では、半溶融ダイキャスト成形法を用いて成形することで、固定スクロール部材１２４および可動スクロール部材１２６を高強度のものとしている。
このため、図９などに示すように、圧縮機１では、外径を殆ど変えることなく、大幅な容量アップを実現している。

（２）
ＦＣ２５０といった従来の材料と比較して、金型に半溶融（半凝固）状態の鉄素材を圧入して鋳物を製造するダイキャスト（ここでは、半溶融ダイキャスト成形）によって生成されるものは、特別な熱処理を行わなくても高強度になるが、さらに、所定時間所定温度で保持したり冷却速度を調整したりする熱処理を施すことによって、引張強度を向上させることができる。

しかし、従来にないレベルに引張強度が上がると、今までのように疲労損傷が生じるか否かという強度の観点からだけでラップの高さ（Ｈ）と厚み（Ｔ）との比である比（Ｈ／Ｔ）を決めていては他の問題が発生する。すなわち、強度が確保されるからといって比（Ｈ／Ｔ）をあまりに大きくしすぎると、強度の面では問題がなくても、切削加工を行う際にラップ１８５．１８７の変形が大きくなりすぎるためにエンドミル等の取り代や切削送りを大きくすることができず加工時間が長くなってしまったり、圧縮機１の運転中にラップ１８５，１８７の変形量（たわみ量）が大きくなって性能が低下したり相手のスクロール部材との接触により騒音が大きくなったりする不具合が起こる。さらに、スクロール部材１２４，１２６のように渦巻き形状のラップ１８５，１８７を有する場合、熱処理により大きく強度をアップさせると歪みが出てしまう恐れがある。また、硬度が高くなりすぎると、切削加工時の加工速度が低下してコストアップにもなる。

このようなことに鑑み、圧縮機１では、これらの加工時間、性能低下、騒音といった観点から必要となるラップ１８５，１８７の変形量の上限を考慮してラップの比（Ｈ／Ｔ）を決めたときに、疲労強度の観点から引張強度がどれくらいあれば十分であるかという検討に基づき、熱処理によって過剰な強度アップをコストをかけて実施してしまうことがないように、熱処理後のスクロール部材１２４，１２６のヤング率に対する引張強度の比を決めている。具体的には、上述のように、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、熱処理による強度アップの程度を抑えるようにしている。

以上のように、ここでは、スクロール部材１２４，１２６の設計において、過剰に強度アップさせることなく、ヤング率（剛性）とのバランスを取っているため、強度を満足させつつ、ラップ１８５，１８７のたわみによる性能低下や騒音が大きくなるといった運転時の問題を抑えることができている。また、切削加工時のラップ１８５，１８７のたわみも抑制されるため、加工時間の短縮などにより製造コストを下げることができている。

（３）
上記のように、熱処理によってはスクロール部材１２４，１２６の引張強度を１０００ＭＰａ以上となるようにすることも可能であるが、ここでは熱処理による強度アップの程度を抑えている。
一方、冷却速度を落とすことでスクロール部材１２４，１２６の引張強度を５００ＭＰ程度にすることも可能であるが、強度を低く抑えるために逆に熱処理に時間をかけることになると本末転倒であり、また金属組織のフェライト率が高くなると耐摩耗性が低下するといった不具合も生じることから、圧縮機１では、ヤング率に対する引張強度の比を０．００３３以上になるように熱処理を行っている。

＜変形例＞
（Ａ）
上記実施形態では、冷媒Ｒ４１０Ａが圧縮対象となる圧縮機１のスクロール部材１２４，１２６に対し、ヤング率に対する引張強度の比が０．００３３〜０．００４６となるように熱処理を施し、ラップ１８５，１８７の高さＨおよび厚みＴの比（Ｈ／Ｔ）が１０〜１９になるように設計を行っている。

これに対し、圧縮対象が二酸化炭素となる場合には、ラップの高さＨおよび厚みＴの比（Ｈ／Ｔ）が２〜８となるように設計することになる。このように設計することにより、冷凍装置においてガス冷媒である二酸化炭素が最も高圧になったときにも、ラップの渦巻き中心の端部（巻き始めの端部）における先端のたわみ量（変形量）が許容範囲に収まるとともに強度の面でも問題がないようになる。

（Ｂ）
上記実施形態では、図９（ｂ）に示すように、従来の固定スクロール部材２２４，可動スクロール部材２２６よりも厚みＴが薄いラップ１８５，１８７を採用した固定スクロール部材１２４，可動スクロール部材１２６を使用して、吸入容積を約１．５倍に増加させているが、いずれか一方のスクロール部材のラップだけを薄肉化することも可能である。例えば、上記実施形態の可動スクロール部材１２６と、従来の固定スクロール部材２２４とを組み合わせて使用する場合、図１０（ｂ）に示すように、従来よりも吸入容積が約１．２５倍だけ増加することになる。

本発明の一実施形態に係る圧縮機の縦断面図。固定スクロール部材の下面図。図２のIII-III断面図。可動スクロール部材の下面図。図４のV-V断面図。可動スクロール部材を成形する金型の縦断面図。（ａ）従来の固定スクロール部材における隔壁面積を示す図。

（ｂ）従来の固定スクロール部材における圧縮仕事領域を示す図。
（ｃ）従来の固定スクロール部材におけるスラスト領域を示す図。
（ｄ）本実施形態の固定スクロール部材における隔壁面積を示す図。
（ｅ）本実施形態の固定スクロール部材における圧縮仕事領域を示す図。
（ｆ）本実施形態の固定スクロール部材におけるスラスト領域を示す図。
（ａ）従来の可動スクロール部材における隔壁面積を示す図。

（ｂ）従来の可動スクロール部材における圧縮仕事領域を示す図。
（ｃ）従来の可動スクロール部材におけるスラスト領域を示す図。
（ｄ）本実施形態の可動スクロール部材における隔壁面積を示す図。
（ｅ）本実施形態の可動スクロール部材における圧縮仕事領域を示す図。
（ｆ）本実施形態の可動スクロール部材におけるスラスト領域を示す図。
（ａ）従来のスクロール部材により形成される吸入容積を示す図。

（ｂ）本実施形態のスクロール部材により形成される吸入容積を示す図。
（ａ）従来のスクロール部材により形成される吸入容積を示す図。（ｂ）本実施形態の変形例のスクロール部材により形成される吸入容積を示す図。

符号の説明

１圧縮機（スクロール圧縮機）
１２４固定スクロール部材
１２６可動スクロール部材
１８４ａ固定スクロール部材の鏡面
１８５固定スクロール部材のラップ
１８６ａ可動スクロール部材の鏡面
１８７可動スクロール部材のラップ
Ｈラップの高さ
Ｔラップの厚み

Claims

スクロール圧縮機のスクロール部材（１２４，１２６）であって、
平面部（１８４ａ，１８６ａ）と、
前記平面部から略垂直に延び、渦巻き形状を有するラップ（１８５，１８７）と、
を備え、
半溶融／半凝固ダイキャストにより成形された後、ヤング率に対する引張強度の比が０．００４６以下になるように、引張強度を向上させる熱処理が施された、
スクロール部材。
ヤング率が、１７５〜１９０ＧＰａである、
請求項１に記載のスクロール部材。
前記スクロール圧縮機は、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる冷凍装置の冷媒回路に組み込まれるものであり、
前記ラップの前記平面部と直交する方向の長さ（Ｈ）を前記ラップの厚み（Ｔ）で除した値が、１９以下である、
請求項１又は２に記載のスクロール部材。
前記スクロール圧縮機は、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍装置の冷媒回路に組み込まれるものであり、
前記ラップの前記平面部と直交する方向の長さを前記ラップの厚みで除した値が、８以下である、
請求項１又は２に記載のスクロール部材。