JP2007321676A - Rotary compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、本発明は特に、摺動部の摩耗量の抑制を図ることができるロータリ圧縮機に関するものである。 The present invention particularly relates to a rotary compressor capable of suppressing the amount of wear of a sliding portion.
従来、ロータリ圧縮機の信頼性を確保する上で、摺動部であるベーンとピストン、ローラ、シリンダ等との間の摩耗量を抑制させることが重要な課題であり、特にベーンの耐磨耗性を向上させるために、ベーンの硬度を向上させる方法として窒化処理を施す処理や、窒化処理を施した後にコーティングを施す処理がなされていた。
例えば、鉄系材料からなるベーンの表面にニッケルクロムメッキ層を形成した圧縮機もある(例えば、特許文献1)。
また、HFC(ハイドロフルオロカーボン)冷媒用圧縮機において、少なくともクロム(Cr)を含有する鋼または鋳鉄により形成されたベーンの表面に、窒化処理によりCrと窒素(N)の化合物を形成し、少なくともCr、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)のいずれか1つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成されたローラを熱処理でHRC40以上の硬度とし、シリンダを、黒鉛を含有する鋳鉄、焼結合金、表面に潤滑性有機材料を塗布または拡散させた焼結合金のいずれかにより形成すること開示されている(例えば、特許文献2)。
Conventionally, in order to ensure the reliability of a rotary compressor, it has been an important issue to suppress the amount of wear between the vane that is the sliding portion and the piston, roller, cylinder, etc. In order to improve the properties, as a method of improving the hardness of the vane, a nitriding treatment or a coating treatment after nitriding treatment has been performed.
For example, there is a compressor in which a nickel chromium plating layer is formed on the surface of a vane made of an iron-based material (for example, Patent Document 1).
Further, in a compressor for HFC (hydrofluorocarbon) refrigerant, a compound of Cr and nitrogen (N) is formed by nitriding treatment on the surface of a vane formed of steel or cast iron containing at least chromium (Cr), and at least Cr , A roller formed of cast iron or alloy steel containing any one or more of molybdenum (Mo) and nickel (Ni) is heat treated to a hardness of HRC 40 or higher, and the cylinder is cast iron containing graphite, sintered alloy, It is disclosed that the surface is formed of any of sintered alloys obtained by applying or diffusing a lubricious organic material (for example, Patent Document 2).
従来の冷媒を用いたロータリ圧縮機においては、冷媒中の塩素原子による塩化物保護膜により固体潤滑性が発せられ、上記のようなベーン表面へのメッキ層形成も耐磨耗性向上が期待されるが、冷媒のHFC(ハイドロフルオロカーボン)化、自然冷媒化が進められている近年では、HFCや自然冷媒には共に冷媒中に塩素原子が含まれていないため、固体潤滑効果を有する塩化物の保護膜が形成されず、摺動部の摩耗や焼付を防止することがさらに重要な課題となっている。
特に自然冷媒の一つである二酸化炭素(CO2)冷媒においては作動圧力がHFCの中で最も高圧で作動するR410A冷媒の約3倍となるため、摺動条件が厳しい。一方、上述のようにHFCを冷媒として使用するロータリ圧縮機では一般的に窒化処理を施した高速度工具鋼がベーン材料に適用されることが多いが、この硬化処理を施したベーンでさえ、CO2冷媒を使用したロータリ圧縮機に適用すると、ベーン先端が著しく摩耗し、ベーンの硬度不足によってベーン先端とローリングピストン外周部の摺動部が著しく摩耗し、焼付に至ることが懸念される。
以上のように、CO2のような作動圧の高い冷媒をロータリ圧縮機に適用する場合には、窒化処理のみを施したベーンでは摩耗や焼付が発生しやすく、コーティングを施したベーンでは、コーティング膜が剥離を起こすことが懸念されていた。
In rotary compressors using conventional refrigerants, solid lubricity is emitted by the chloride protective film by chlorine atoms in the refrigerant, and the formation of a plating layer on the vane surface as described above is expected to improve wear resistance. However, in recent years when HFC (hydrofluorocarbon) and natural refrigerants are being used in refrigerants, both HFC and natural refrigerants do not contain chlorine atoms in the refrigerant. Since a protective film is not formed, it is a further important issue to prevent the sliding portion from being worn or seized.
In particular, in a carbon dioxide (CO 2 ) refrigerant, which is one of natural refrigerants, the operating pressure is about three times that of the R410A refrigerant that operates at the highest pressure in the HFC, and therefore the sliding conditions are severe. On the other hand, in the rotary compressor using HFC as a refrigerant as described above, high-speed tool steel subjected to nitriding treatment is generally applied to the vane material, but even the vane subjected to this hardening treatment, When applied to a rotary compressor using a CO 2 refrigerant, there is a concern that the tip of the vane is significantly worn, and the sliding portion between the tip of the vane and the outer peripheral portion of the rolling piston is significantly worn due to insufficient hardness of the vane, resulting in seizure.
As described above, when a refrigerant having a high operating pressure such as CO 2 is applied to a rotary compressor, the vane subjected only to the nitriding treatment is likely to be worn or seized. There was concern about the film peeling.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、摺動部品であるベーンにコーティングを施すことでベーンの高硬度化を図り、摩耗量を抑制させること、さらにコーティング膜の剥離を防止することによってロータリ圧縮機の製品寿命まで信頼性を確保することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-described problems, and by applying a coating to the vane that is a sliding part, the vane is made harder, the amount of wear is suppressed, and the coating film is further provided. The purpose is to ensure the reliability until the product life of the rotary compressor by preventing the peeling of the rotary compressor.
この発明に係るロータリ圧縮機は、径方向に冷媒吸気部を有するシリンダと、前記シリンダの円筒状内面部に偏心回転自在に収容されたローリングピストンと、前記ローリングピストンの内周面にその偏心部が嵌入されその回転により前記ローリングピストンの外周面を前記シリンダ内周面に摺接しながら偏心回転させるクランク軸と、前記シリンダの径方向に往復自在に収納されその先端部が前記ローリングピストンの外周面に押付けられたベーンとを備え、前記シリンダ内部に供給された冷媒を圧縮するロータリ圧縮機において、前記ローリングピストンは構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼からなり、前記ベーンは、構成元素としてCrNとCrNiN合金(CrとNiの合金比(mass%)=3:1)とを含有するコーティング膜が施されたCrとNiを含有する鉄系材料であることを特徴とするものである。
また、ベーンはコーティング膜との間に窒化層を備えたことを特徴とする。
A rotary compressor according to the present invention includes a cylinder having a refrigerant intake portion in a radial direction, a rolling piston accommodated in a cylindrical inner surface portion of the cylinder so as to be eccentrically rotatable, and an eccentric portion on an inner peripheral surface of the rolling piston. Is inserted and rotated, and the outer peripheral surface of the rolling piston is eccentrically rotated while being in sliding contact with the inner peripheral surface of the cylinder. The crankshaft is reciprocally accommodated in the radial direction of the cylinder, and the distal end thereof is the outer peripheral surface of the rolling piston. A rotary compressor that compresses the refrigerant supplied to the inside of the cylinder, wherein the rolling piston is a cast iron or alloy containing at least one of Cr, Mo, and Ni as a constituent element Made of steel, the vane contains CrN and CrNiN alloy (alloy ratio of Cr to Ni (mass%) = 3: 1) as constituent elements It is characterized by being an iron-based material containing Cr and Ni on which a coating film is applied.
The vane is characterized in that a nitride layer is provided between the vane and the coating film.
また、この発明に係るロータリ圧縮機には冷媒として二酸化炭素を用いる。 Further, carbon dioxide is used as a refrigerant in the rotary compressor according to the present invention.
この発明によれば、ロータリ圧縮機のベーンをその構成元素にCrとNiを含有する鉄系材料を用い、その表面に構成元素としてCrとCrNi合金(CrとNiの合金比(mass%)=3:1)とを含有するコーティングを施す、または前記ベーンに窒化処理を施した後にCrとCrNi合金(CrとNiの合金比(mass%)=3:1)とを含有するコーティングを施したので、これによって作動圧力の高い二酸化炭素冷媒を使用しても、ローリングピストンと摺動するベーン先端の摩耗量を抑制し、さらにベーン表面に形成されたコーティング膜の剥離を抑制することができる。 According to this invention, the vane of the rotary compressor is made of an iron-based material containing Cr and Ni as its constituent elements, and Cr and CrNi alloy (the alloy ratio of Cr and Ni (mass%) = 3: 1), or after nitriding the vane, a coating containing Cr and a CrNi alloy (Cr: Ni alloy ratio (mass%) = 3: 1) was applied. Therefore, even if a carbon dioxide refrigerant having a high operating pressure is used, the amount of wear at the tip of the vane sliding with the rolling piston can be suppressed, and further the peeling of the coating film formed on the vane surface can be suppressed.
実施の形態1.
図1は本発明に係るロータリ圧縮機の縦断面図であり、図2は図1中A−A’部に相当するシリンダ部の横断面図で、クランク軸5の偏心がわかるようにクランク軸5の位置を破線で記載している。図において、ロータリ圧縮機1は密閉容器2内に、電動機部3と、この電動機部3により駆動される圧縮機構部4が収容されており、電動機部3によって回転駆動されるクランク軸5により圧縮機構部4が作動する構造を有する。電動機部3は密閉容器2内に圧入等により固定されるステータ6と、このステータ6内に同心状に回転自在に収容されるロータ7とを有し、ロータ7の中央部にはクランク軸5が同心状に固着されている。
一方、圧縮機構部4は密閉容器2内に、圧入等により固定されるシリンダ8を有し、シリンダ8の上下端をそれぞれ上軸受10と下軸受11とにより挟持してクランク軸5の下部を回転自在に支承すると共に、シリンダ室8aの開口部の上,下端を気密に閉じている。
1 is a longitudinal sectional view of a rotary compressor according to the present invention, and FIG. 2 is a transverse sectional view of a cylinder portion corresponding to the AA ′ portion in FIG. 1, so that the eccentricity of the
On the other hand, the
図2において、シリンダ8は円筒形状の内面を有し、その内部シリンダ室8a内に環状のローリングピストン12を偏心回転自在に収容している。ローリングピストン12の環状空間部内にはクランク軸5の偏心部5aが嵌入され、クランク軸5の回転によりローリングピストン12がシリンダ室8a内で偏心回転する。
シリンダ8には、シリンダ室8aに連通し径方向に形成されたベーン溝13、及びシリンダ室8aと環状シリンダ8の外部とを連通するように穿設されて形成された吸込みポート16が配設される。この吸込みポート16からシリンダ室8a内に供給された冷媒(本実施の形態においては作動圧力の高いCO2冷媒)は、ローリングピストン12の偏心回転により圧縮され、上軸受10に穿設された吐出口(図示せず)から密閉容器2内に吐出された後、冷媒は吐出管9から外部へ吐出される。
ベーン溝13内には、ベーン15と、このベーン15をその背面からローリングピストン12側へ常時弾性的に押圧するベーンスプリング14とを収容し、ベーン15の先端15aをローリングピストン12の外周壁に摺動自在に常時弾性的に摺接させることにより、前記ベーン15はベーン溝13内を図中矢印Xのように上下方向に往復動する一方、シリンダ室8a内を高圧側と低圧側とに分割、シールするようになっている。
このように圧縮機が動作中、常にベーンはローリングピストン12の外周壁との摺動により磨耗が進む。
In FIG. 2, the
The
The
Thus, during the operation of the compressor, the vane always wears by sliding with the outer peripheral wall of the
ここで、ローリングピストン12とベーン15の材質について説明する。ローリングピストン12をその構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成し、ローリングピストン12の表面硬度をビッカース硬度で約HV700とする。ベーン15はその構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料、例えばステンレス鋼、ステンレス鋳鋼、耐熱鋼鋳鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等を使用し、所望の処理を施す。
Here, the material of the
次に、本発明に係るベーン15の構成について図を用いて説明する。ベーン15は前述のとおり、その構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料、例えばステンレス鋼、ステンレス鋳鋼、耐熱鋼鋳鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等を使用するが、このベーン15の表面に、構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜15cを形成する。構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜15cは、Cr−Ni−Nの窒化物膜が挙げられ、Cr-Ni合金はNi含有量によりCr3NiN、CrNiN、CrNi3N等がある。
CrとCr3NiN、CrNiN、CrNi3N等を含む成膜方法として、ここでは物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)の一種としてアークイオンプレーティング(AIP:Arc Ion Plating)装置により、Cr-Ni-Nの窒化物膜を蒸着した。カソードターゲットとして、CrとCrNi合金(CrとNiの合金比(mass%)=3:1、1:1、1:3)を用いた。CrNi合金のCrとNiの合金比が3:1の時Cr3NiNが、1:1の時CrNiNが、1:3の時CrNi3Nが製造される。蒸着は、表面粗さが小さい高品質な皮膜を形成するため、基本的に磁場誘導型蒸発源(スーパーカソード)を用いて、例えば、アーク電流100A、バイアス電圧40Vで、高純度N2ガス雰囲気中(全圧約2.5Pa)で蒸着した。蒸着時ベーンは約500℃に加熱され、窒素がベーンの母材に拡散して母材の内部にCr−Ni−Nの窒化物が形成される。一方コーティングもCr−Ni−Nの窒化物膜であり、これらCr−Ni−Nの窒化物が母材とコーティング膜の硬度差を抑制すると共に、Cr−Ni−Nの窒化物同士の結びつきにより、母材とコーティング膜の密着性が向上する。なお、コーティング膜15cの厚さは3±1μm程度が望ましい。1μmより薄いと耐磨耗性の効果を奏せず、10μmより厚くなると膜内の剪断力が大きくなり、母材からの剥離が懸念される。
上記で構成されたベーンを図1に示すロータリ圧縮機に用いた。
Next, the configuration of the
As a film forming method including Cr and Cr 3 NiN, CrNiN, CrNi 3 N, etc., here, as a kind of physical vapor deposition (PVD), an arc ion plating (AIP) apparatus is used to form Cr-Ni. A -N nitride film was deposited. As the cathode target, Cr and CrNi alloy (Cr and Ni alloy ratio (mass%) = 3: 1, 1: 1, 1: 3) were used. When the Cr / Ni alloy ratio of the CrNi alloy is 3: 1, Cr 3 NiN is produced. When it is 1: 1, CrNiN is produced, and when it is 1: 3, CrNi 3 N is produced. Vapor deposition uses a magnetic field induction evaporation source (super cathode) to form a high-quality film with a small surface roughness. For example, an arc current of 100 A, a bias voltage of 40 V, and a high-purity N 2 gas atmosphere Vapor deposition was performed at a medium pressure (total pressure of about 2.5 Pa). During deposition, the vane is heated to about 500 ° C., and nitrogen diffuses into the base material of the vane to form a Cr—Ni—N nitride inside the base material. On the other hand, the coating is also a Cr-Ni-N nitride film, and the Cr-Ni-N nitride suppresses the hardness difference between the base material and the coating film, and also due to the connection between the Cr-Ni-N nitrides. The adhesion between the base material and the coating film is improved. The thickness of the
The vane comprised above was used for the rotary compressor shown in FIG.
次に、次に成膜後のベーンの耐磨耗性を確認するために磨耗試験を実施した。
図4に摩耗試験の条件を、図5にその結果を示す。磨耗試験は、ローリングピストン12にベーン15を押付けて、前記ローリングピストン12を回転させて行った。試験条件は図4に示すとおりであるが、いずれも冷凍機油を用いて行った。ローリングピストンはいずれもMoNiCr鋳鉄を用い、ベーン材を従来のSKH51と本願発明に係るステンレス鋼を用意し、SKH51は従来どおり窒化処理し、ステンレス鋼はCrNコーティングしたもの(Ni含有量が0)を比較例1とし、本願発明に係る実施例は3例用意した。ステンレス鋼表面のコーティング膜の厚さはいずれも約3μmである。
ローリングピストンの摩耗量とベーン15の摩耗量を足した総摩耗量の相対比較結果を図5に示す。なお、ベーン材のSKH51はHV670、ステンレス鋼はHV320の硬度を有する。従来のSKH51に窒化処理したものより、ステンレス鋼にコーティングすると、磨耗量が著しく減少することがわかる。さらに、ベーンにCrNのコーティングを施した場合のベーンとローリングピストンの総磨耗量に対して、ベーンにCrとCr3NiNのコーティングを施した場合のほうがベーンとローリングピストンの総磨耗量は少ない。CrNをベーンのコーティングとして使用した場合はベーンのローリングピストンへの攻撃性が大きくローリングピストンの摩耗が大きかったためである。ベーンにCrNiNのコーティングを施した場合とCrNi3Nのコーティングを施した場合はベーンの表面硬度が低くベーンの摩耗量が大きいためベーンとローリングピストンの総磨耗量が大きい。図5の結果からベーンにCrNとCr3NiNのコーティングを施すことが有効であることがわかる。
また、ステンレス鋼にコーティング膜を施したベーンはいずれも本摺動試験後に膜の剥離は認められず、十分な密着強度を有することがわかった。
Next, a wear test was performed in order to confirm the wear resistance of the vane after film formation.
FIG. 4 shows the wear test conditions, and FIG. 5 shows the results. The abrasion test was performed by pressing the
FIG. 5 shows a relative comparison result of the total wear amount obtained by adding the wear amount of the rolling piston and the wear amount of the
Moreover, it was found that the vanes obtained by coating the stainless steel with a coating film did not show any peeling after the sliding test and had sufficient adhesion strength.
実施の形態2.
上記実施の形態1においては、コーティング膜形成中にベーン材に窒素が拡散することにより密着力の向上に寄与したが、本実施の形態においてはコーティング膜形成前に窒化処理を行う形態について説明する。
上記実施の形態1と同様にローリングピストン12をその構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成し、ローリングピストン12の表面硬度をビッカース硬度で約HV700とする。一方、ベーンは構成元素としてCrとNiを含有するものを用意し、このベーン表面に窒化処理を施す。窒化処理を施すことで前記ベーン表面の硬度を向上させることが可能であり、また窒素拡散量も増加するため、ベーン内部のCr−Ni−Nの窒化物の量を増加させることができる。したがって、窒化処理後に行うコーティングにおいて形成されるコーティング膜15cと母材との密着性をさらに向上させることが可能である。
窒化処理方法としては例えば、イオン窒化などが挙げられる。窒化処理においてベーンの表面に化合物層が形成されると窒化処理後に施されるコーティングによって形成されるコーティング膜15cが剥離を起こしやすくなるため、窒化処理ではその表面に化合物層を形成しない方法を用いることが望ましい。また、化合物層が形成された場合にはラッピングなどによって除去し、その後にコーティングを施しても同様の効果を得ることができる。
In
As in the first embodiment, the rolling
Examples of the nitriding method include ion nitriding. When a compound layer is formed on the surface of the vane in the nitriding treatment, the
次に窒化処理を施した前記ベーン表面15bに、コーティングにより構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜15cを形成させる。
一般にコーティングを施す場合、母材とコーティング膜15cの硬度差が大きいとコーティング膜15cの剥離が発生しやすくなる。このとき、コーティング膜15cの剥離を抑制するためにコーティングを施す前に窒化処理を施すことは良く行われている。窒化処理は母材の硬度を向上させ、コーティング膜15cと母材の硬度差を小さくするため、コーティング膜15cの剥離を抑制する効果がある。さらにベーンの材料に構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料を用いた場合、窒化処理を施したときに、母材表面に拡散する窒素は母材中に含まれるCrとNiと反応しCr−Ni−Nの窒化物が形成される。また、コーティングにおいても母材表面に構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜15cが形成され、窒化処理により形成されたCr−Ni−Nの窒化物とコーティングにより形成されたコーティング膜とは同一または類似の化合物であるため、より密着性を向上させることが可能であり、コーティング膜15cの剥離を抑制することが可能である。
Next, a
In general, when coating is performed, if the hardness difference between the base material and the
上記窒化処理したものを実施の形態1と同様な磨耗試験を行ったが、同様の結果が得られた。また、剥離も認められず、良好な密着力であった。 The nitriding treatment was subjected to the same wear test as in the first embodiment, but the same result was obtained. Moreover, no peeling was observed, and the adhesion was good.
1 ロータリ圧縮機、 2 密閉容器、 3 電動機部、 4 圧縮機構部、
5 クランク軸、 5a 偏心部、 6 ステータ、 7 ロータ、
8 シリンダ、 8a シリンダ室、 9 吐出管、 10 上軸受、
11 下軸受、 12 ローリングピストン、 13 ベーン溝、
14 ベーンスプリング、 15 ベーン、 15a ベーン先端、
15b 窒素拡散層、 15c コーティング膜、 16 吸込みポート。
DESCRIPTION OF
5 Crankshaft, 5a Eccentric part, 6 Stator, 7 Rotor,
8 cylinder, 8a cylinder chamber, 9 discharge pipe, 10 upper bearing,
11 Lower bearing, 12 Rolling piston, 13 Vane groove,
14 vane spring, 15 vane, 15a vane tip,
15b Nitrogen diffusion layer, 15c coating film, 16 suction port.
Claims (3)
前記シリンダの円筒状内面部に偏心回転自在に収容されたローリングピストンと、
前記ローリングピストンの内周面にその偏心部が嵌入されその回転により前記ローリングピストンの外周面を前記シリンダ内周面に摺接しながら偏心回転させるクランク軸と、
前記シリンダの径方向に往復自在に収納されその先端部が前記ローリングピストンの外周面に押付けられたベーンとを備え、
前記シリンダ内部に供給された冷媒を圧縮するロータリ圧縮機において、
前記ローリングピストンは構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼からなり、
前記ベーンは、構成元素としてCrNとCrNiN合金(CrとNiの合金比(mass%)=3:1)とを含有するコーティング膜が施されたCrとNiを含有する鉄系材料であることを特徴とするロータリ圧縮機。 A cylinder having a refrigerant intake in the radial direction;
A rolling piston housed in a cylindrical inner surface of the cylinder so as to be eccentrically rotatable;
A crankshaft whose eccentric part is fitted on the inner peripheral surface of the rolling piston and rotates eccentrically while sliding the outer peripheral surface of the rolling piston in contact with the inner peripheral surface of the cylinder;
A vane that is reciprocally housed in the radial direction of the cylinder and whose tip is pressed against the outer peripheral surface of the rolling piston,
In the rotary compressor for compressing the refrigerant supplied into the cylinder,
The rolling piston is made of cast iron or alloy steel containing at least one of Cr, Mo, Ni as a constituent element,
The vane is an iron-based material containing Cr and Ni with a coating film containing CrN and a CrNiN alloy (alloy ratio (mass%) of Cr: Ni = 3: 1) as constituent elements. A featured rotary compressor.
The rotary compressor according to claim 1 or 2, wherein the refrigerant is carbon dioxide.
Priority Applications (1)
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JP2006153654A JP2007321676A (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Rotary compressor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102312838A (en) * | 2010-10-22 | 2012-01-11 | 台州市百达制冷有限公司 | Piston for rotary compressor and manufacturing method of piston |
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2006
- 2006-06-01 JP JP2006153654A patent/JP2007321676A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN102312838A (en) * | 2010-10-22 | 2012-01-11 | 台州市百达制冷有限公司 | Piston for rotary compressor and manufacturing method of piston |
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