JP2011127446A - スクロール部品の製造方法 - Google Patents

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泰弘 村上
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幹央 梶原
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Abstract

【課題】半溶融/半凝固ダイキャスト成形法によるスクロール部品の製造において、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益やH/T比を大きくすることができ、スクロール基体の脱型を容易にすると共に、金型寿命を長くする。
【解決手段】スクロール部品の製造方法において、スクロール基体製造工程では、抜き勾配付きの金型80が用いられて半溶融/半凝固ダイキャスト成形法によりスクロール基体126が製造される。切削工程では、スクロール基体の渦巻き溝部821の対応部分(以下「渦巻き壁部」という)126bの先端部及びスクロール基体の板状空間部801の対応部分126aが高さ方向に1.0mm以下の厚さ分だけ切削されると共に渦巻き壁部の幅が高さ方向に均一になるようにスクロール基体が切削される。
【選択図】図6

Description

本発明は、スクロール圧縮機の圧縮室を構成するスクロール部品の製造方法に関する。
過去に「半溶融ダイキャスト成形法によりスクロール基体(予備成形体)をニアネットシェイプ成形し、そのスクロール基体を超精密仕上げ加工して目的とするスクロール部品を得る」というスクロール部品の製造方法が提案されている(例えば、特許文献1(特開2005−36693号公報)参照)。この製造方法を採用すれば、鋳造法を採用するのに比べて高強度の成形体を製造することができる上、原材料費や、機械加工費、工具消耗品代を低減することができ、さらには研削廃材や加工廃液などの破棄物を低減することができる。
上述したように、上述の製造方法を採用すると、スクロール部品の強度を向上させることができる。このため、この製造方法を採用すると、スクロール部品の渦巻き壁部の幅に対する渦巻き壁部の高さの比(以下「H/T比」という)を大きくすることができ、ひいてはスクロール圧縮機の大容量化や小径化を実現することができる。
しかし、実際に上述の製造方法を採用して従来よりもH/T比の大きなスクロール部品の製造を試みたところ、ニアネットシェイプ成形のため金型の渦巻き溝部に抜け勾配がほとんどつけられていなかったことも起因して、スクロール基体の脱型が極めて困難になると共にスクロール基体の脱型時の金型摩耗が著しくなることが判明した。
本発明の課題は、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法によるスクロール部品の製造において、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益(原材料費や、機械加工費、工具消耗費の低減、及び研削廃材や加工廃液などの破棄物の低減等)やH/T比を大きくすることができる利益をできるだけ損なうことなく、スクロール基体の脱型を容易にすると共に金型寿命を長くすることにある。
第1発明に係るスクロール部品の製造方法は、スクロール基体製造工程及び切削工程を備える。スクロール基体製造工程では、金型が用いられて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法によりスクロール基体が製造される。なお、金型は、板状空間部及び渦巻き溝部を有する。渦巻き溝部は、板状空間部から渦巻き形状を保持しながら第1方向に向かって延びると共に第1方向に向かうに連れて幅が狭まる。なお、渦巻き溝部を渦巻き溝部の軸を含む面で切断した場合における渦巻き溝部を形成する壁辺と渦巻き溝部の深さ方向とのなす角度(抜き勾配)は1〜1.5°とされるのが好ましい。また、スクロール基体の脱型を考えた場合、金型には「渦巻き溝部の底から延びる貫通孔」が複数設けられ、その貫通孔に押出しピンが差し込まれるのが好ましい。切削工程では、スクロール基体の渦巻き溝部に対応する部分(以下「渦巻き壁部」という)の先端部及びスクロール基体の板状空間部に対応する部分(以下「鏡板部」という)が高さ方向に1.0mm以下の厚さ分だけ切削されると共にスクロール基体の渦巻き壁部の幅が高さ方向に均一になるようにスクロール基体が切削される。
このスクロール部品の製造方法では、金型の渦巻き溝部に抜き勾配がつけられている。このため、このスクロール部品の製造方法を採用すれば、H/T比を大きくすることができるという利益をできるだけ損なうことなくスクロール基体の脱型を容易にすると共に金型寿命を長くすることができる。また、このスクロール部品の製造方法では、切削工程においてスクロール基体の渦巻き壁部の先端部及びスクロール基体の鏡板部が高さ方向に1.0mm以下の厚さ分だけ切削される。つまり、このスクロール部品の製造方法では、切削工程における高さ方向の加工代が1.0mm以下となるように金型が作製されており、その結果、スクロール基体は高さ方向にのみニアネットシェイプ成形されることになる。このため、このスクロール部品の製造方法を採用すれば、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益を享受することができる。以上より、本発明に係るスクロール部品の製造方法を採用すれば、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法によりスクロール部品を製造するにおいて、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益やH/T比を大きくすることができるという利益をできるだけ損なうことなく、スクロール基体の脱型を容易にすることができると共に金型寿命を長くすることができる。
第2発明に係るスクロール部品の製造方法は、第1発明に係るスクロール部品の製造方法であって、渦巻き溝部の底幅に対する深さの比は9を超えない。なお、スクロール圧縮機の大容量化や小径化等を考慮すると渦巻き溝部の底幅に対する深さの比が9を超えるのが好ましいが、金型寿命を考えると9以下に抑えられるのが好ましい。
本願発明者が鋭意検討したところ、渦巻き溝部の底幅に対する深さの比が9を超えると、スクロール基体の脱型が極めて困難になると共にスクロール基体の脱型時の金型摩耗が著しくなることが判明した。このため、このスクロール部品の製造方法を採用すれば、スクロール基体の脱型をさらに容易にすることができると共に金型寿命をさらに長くすることができる。
第1発明に係るスクロール部品の製造方法を採用すれば、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法によりスクロール部品を製造するにおいて、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益やH/T比を大きくすることができるという利益をできるだけ損なうことなく、スクロール基体の脱型を容易にすることができると共に金型寿命を長くすることができる。
第2発明に係るスクロール部品の製造方法を採用すれば、スクロール基体の脱型をさらに容易にすることができると共に金型寿命をさらに長くすることができる。
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる固定スクロールの下面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる固定スクロールのIII−III断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールの上面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールのV−V断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールを製造するための金型及び半溶融ダイキャスト成形により成形された可動スクロールの基体の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロールを製造するための金型のうち鏡板及びラップ形成側の部分の底面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる固定スクロールを製造するための金型及び半溶融ダイキャスト成形により成形された固定スクロールの基体の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる可動スクロール及び可動スクロール基体の加工代を示す図である。 本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機に組み込まれる固定スクロール及び固定スクロール基体の加工代を示す図である。
以下、本発明の実施の形態に係る摺動部品を用いた圧縮機について、高低圧ドーム型スクロール圧縮機を例に挙げて説明する。なお、本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型圧縮機は、冷媒として二酸化炭素冷媒(CO2)やR410A等の高圧冷媒に耐え得るように設計されている。
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機1は、蒸発器や、凝縮器、膨張機構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、図1に示されるように、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及び吐出管20から構成されている。以下、この高低圧ドーム型スクロール圧縮機1の構成部品についてそれぞれ詳述していく。
<高低圧ドーム型スクロール圧縮機の構成部品の詳細>
(1)ケーシング
ケーシング10は、密閉容器であって、主に、略円筒状の胴部ケーシング部11、椀状の上壁部12及び椀状の底壁部13から構成されている。上壁部12は、胴部ケーシング部11の上端部に溶接されている。底壁部13は、胴部ケーシング部11の下端部に溶接されている。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クランク軸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24と、固定スクロール24に噛合する可動スクロール26とから構成されている。以下、このスクロール圧縮機構15の構成部品についてそれぞれ詳述していく。
a)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の下方の高圧空間28とハウジング23の上方の低圧空間29とに区画されていることになる。また、このハウジング23には、上端面が固定スクロール24の下端面と密着するように、固定スクロール24がボルト38により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にクランク軸17の主軸部17bが軸受34を介して回転自在に嵌入されている。
b)固定スクロール
固定スクロール24は、図1〜3に示されるように、主に、鏡板24aと、鏡板24aの鏡面24Pから鏡面24Pと略直交する方向に沿って下方に延びる渦巻き状(インボリュート状)のラップ24bとから構成されている。鏡板24a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24a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24a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24の上面には、図1に示されるように、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ている。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マフラー空間45が形成されている。なお、固定スクロール24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。
c)可動スクロール
可動スクロール26は、アウタードライブ型の可動スクロールであって、図1、図4及び図5に示されるように、主に、鏡板26aと、鏡板26aの鏡面26Pから鏡面26Pと略直交する方向に沿って上方に延びる渦巻き状(インボリュート状)のラップ26bと、鏡板26aの下面から下方に延びクランク軸17の偏心軸部17aの外側に嵌合する軸受部26cと、鏡板26aの両端部に形成される溝部26d(図5参照)とから構成されている。
そして、この可動スクロール26は、溝部26d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26cにはクランク軸17の偏心軸部17aが嵌入される。可動スクロール26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クランク軸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。そして、可動スクロール26のラップ26bは固定スクロール24のラップ24bに噛合させられており、両ラップ24b,26bの接触部の間には圧縮室40が形成される。そして、この圧縮室40では、可動スクロール26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。この高低圧ドーム型スクロール圧縮機1では、このようにして圧縮室40に入ったガス冷媒が圧縮される。
d)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24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24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の下端開口は、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、可動スクロール26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の上面に形成されているオルダム溝(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、ブラシレスDC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、上方及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クランク軸17を介してスクロール圧縮機構15の可動スクロール26に駆動連結されている。また、連絡通路46の吐出口49を流出し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)クランク軸
クランク軸17は、図1に示されるように、略円柱状の一体成形部品であって、主に、偏心軸部17a、主軸部17b、バランスウェイト部17c及び副軸部17dから成る。偏心軸部17aは、可動スクロール26の軸受部26cに収容される。主軸部17bは、ハウジング23の軸受孔33に軸受34を介して収容される。副軸部17dは、下部主軸受60に収容される。
(6)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クランク軸17の下端側軸受を構成し、クランク軸17の副軸部17dを収容している。
(7)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24に嵌入されている。
(8)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。
<摺動部品の製造方法>
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機1において、クランク軸17、ハウジング23、固定スクロール24、可動スクロール26、オルダムリング39及び下部主軸受60は摺動部品であり、これらの摺動部品は下記製造方法により製造される。
(1)原材料
本発明の実施の形態において上記摺動部品の原材料となる鉄素材としては、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が採用される。なお、ここにいう重量割合は全量に対する割合である。また、ここに「ビレット」とは、一端、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及びSiの含有量は、引張強度及び引張弾性率が片状黒鉛鋳鉄より高くなること、及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。
(2)製造工程
本発明の実施の形態に係る摺動部品は、半溶融ダイキャスト成形工程、熱処理工程、仕上げ工程及び部分熱処理工程を経て製造される。以下、各工程について詳述する。
a)半溶融ダイキャスト成形工程
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して半溶融状態とする。次いで、その半溶融状態のビレットを所定の金型に注入する際に、ダイキャストマシンで所定圧力を加えながらビレットを所望の形状に成形し摺動部品基体を得る。そして、摺動部品基体を金型から取り出して急冷させると、その摺動部品基体の金属組織は、全体的に白銑化したものとなる。なお、摺動部品基体は最終的に得られる摺動部品よりも若干大きく、この摺動部品基体は、後の仕上げ工程において加工代が取り除かれて最終的な摺動部品となる。
なお、本発明の実施の形態において、可動スクロール26の基体(以下「可動スクロール基体」という)126は図6及び図7に示される金型80を用いて成形され、固定スクロール24の基体(以下「固定スクロール基体」という)124は図8に示される金型70を用いて成形される。
可動スクロール基体126を半溶融ダイキャスト成形するための金型80は、図6に示されるように、第1型部分81及び第2型部分82から成る。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内部空間800の形状は、成形される可動スクロール基体126の外形形状に対応している。以下、第1型部分81及び第2型部分82について詳述する。
第1型部分81には、図6に示されるように、可動スクロール基体126の鏡板相当部分126aの下部を形成するための略円盤状の凹部811と、可動スクロール基体126の軸受相当部分126cを形成するための円筒溝部812と、円筒溝部812の底面から延び外空間に連通する第1貫通孔813と、凹部811のほぼ中心付近に位置し凹部811に連通する湯供給通路(図示せず)とが形成されている。円筒溝部812は、可動スクロール基体126を脱型する際の抜き勾配が確保されるように外形形状が設定されている。なお、本実施の形態において、抜き勾配は、1°〜1.5°とされている。第1貫通孔813には、一部が外空間に突出するように第1押しピン281が挿入されている。
第2型部分82には、図6及び図7に示されるように、可動スクロール基体126の鏡板相当部分126aの上部を形成するための略円盤状の凹部823と、可動スクロール基体126のラップ相当部分126bを形成するための渦巻き溝部821と、渦巻き溝部821の底面から延び外空間に連通する第2貫通孔824とが形成されている。凹部811は、第1型部分81と第2型部分82とが組み合わせられたときに、第1型部分81の凹部811と共に鏡板形成空間801を形成する。渦巻き溝部821は、可動スクロール基体126を脱型する際の抜き勾配が確保されるように外形形状が設定されている。具体的には、渦巻き溝部821の全壁面について、鏡面相当部分822aに直交する線に対して第1角度θだけ傾斜がつくように、渦巻き溝部821の形状が決められている。このため、渦巻き溝部821では、底幅Toに対して、鏡面相当部分822aとの境界における渦巻き溝部821の厚みがTo+To1+To1となる。なお、本実施の形態において、抜き勾配は、1°〜1.5°とされている。また、渦巻き溝部821は、可動スクロール基体126を容易に脱型できるように、底幅Toに対する深さHoの比Ho/Toが9以下になるように設定されている。第2貫通孔824には、一部が外空間に突出するように第2押しピン282が挿入されている。
一方、固定スクロール基体124を半溶融ダイキャスト成形するための金型70は、図8に示されるように、第1型部分71及び第2型部分72から成る。第1型部分71と第2型部分72とを組み合わせたときにできる内部空間700の形状は、成形される固定スクロール基体124の外形形状に対応している。以下、第1型部分71及び第2型部分72について詳述する。
第1型部分71には、図8に示されるように、固定スクロール基体124の鏡板相当部分124aを形成するための略円盤状の凹部711と、拡大凹部相当部分を形成するための筒状溝部712と、凹部711のほぼ中心付近に位置し凹部711に連通する湯供給通路(図示せず)とが形成されている。
第2型部分72には、図8に示されるように、固定スクロール基体124のラップ相当部分124bを形成するための渦巻き溝部721と、固定スクロール基体124の囲い壁部相当部分を形成するための筒状溝部722と、渦巻き溝部721の底面から延び外空間に連通する第3貫通孔723とが形成されている。渦巻き溝部721は、固定スクロール基体124を脱型する際の抜き勾配が確保されるように外形形状が設定されている。具体的には、渦巻き溝部721の全壁面について、鏡面相当部分711aに直交する線に対して第1角度θだけ傾斜がつくように、渦巻き溝部721の形状が決められている。このため、渦巻き溝部721では、底幅Tfに対して、鏡面相当部分711aとの境界における渦巻き溝部721の厚みがTf+Tf1+Tf1となる。なお、本実施の形態において、抜き勾配は、1°〜1.5°とされている。また、渦巻き溝部721は、固定スクロール基体124を容易に脱型できるように、底幅Tfに対する深さHfの比Hf/Tfが9以下になるように設定されている。第3貫通孔723には、一部が外空間に突出するように第3押しピン272が挿入されている。
b)熱処理工程
熱処理工程では、半溶融ダイキャスト成形工程後の摺動部品基体が熱処理される。この熱処理工程において、摺動部品基体の金属組織は、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、HB150(HRB81(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))〜HB200(HRB96(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))程度の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、HB200(HRB96(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))〜HB250(HRB105,HRC26(SAE J 417硬さ換算表からの換算値、なおHRB105は試験タイプの有効な実用範囲を超えるため参考値である))程度の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、HB250(HRB105,HRC26(SAE J 417硬さ換算表からの換算値、なおHRB105は試験タイプの有効な実用範囲を超えるため参考値である))〜HB350(HRB122,HRC41(SAE J 417硬さ換算表からの換算値、なおHRB122は試験タイプの有効な実用範囲を超えるため参考値である))程度の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。
なお、本発明の実施の形態において、この熱処理工程では、摺動部品基体の硬度がHRB90(HB176(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))よりも高くHRB100(HB219(SAE J 417硬さ換算表からの換算値))よりも低くなるような条件下で熱処理される。なお、摺動部品基体が半溶融ダイキャスト成形法により製造される場合、摺動部品基体の硬度はその摺動部品基体の引張強度と比例関係になることが明らかとなっているので、このときの摺動部品基体の引張強度は600MPaから900MPaの範囲にほぼ相当する。
c)仕上げ工程
仕上げ工程では、摺動部品基体が機械加工されて摺動部品の完成となる。
なお、本発明の実施の形態において、可動スクロール基体126の仕上げ工程では、鏡板相当部分126a、ラップ相当部分126b及び軸受相当部分126cがエンドミル等によって切削加工される。また、ガス荷重の応力分散のための切欠部(座ぐり部)がエンドミル等によって形成され、図9に示されるように、鏡面26Pから先端までの高さや厚みが所定の設計値どおりの寸法とされる。具体的には、図9に示されるように、一点鎖線で示されるラップ相当部分126bの抜け勾配部分や、鏡板相当部分126aの表皮部分、ラップ相当部分126bの先端部分、軸受相当部分126cの抜け勾配部分、軸受相当部分126cの先端部分が削られて、実線で示される形状に仕上げられる。なお、本実施の形態においてラップ相当部分126bの抜け勾配部分及び軸受相当部分126cの抜け勾配部分は粗加工後に精密加工され、鏡板相当部分126aの表皮部分、ラップ相当部分126bの先端部分及び軸受相当部分126cの先端部分は粗加工を経ずに精密加工される。これは、可動スクロール26が高さ方向にのみニアネットシェイプ成形されていることに起因する。また、このとき、鏡面26Pに直交する線に対するラップ26b側面の傾斜角度及び鏡面26Pに直交する線に対する軸受部26c側面の傾斜角度は0度となる。また、鏡板相当部分126aの表皮部分及びラップ相当部分126bの先端部分の切削厚みは、金型80の形状により0.3〜1.0mmとなっている。また、ラップ相当部分126bの厚さ方向の削り代は金型80の形状によりラップ相当部分126bの高さ方向の削り代の1.8〜10.2倍となっており、ラップ相当部分126bの高さ方向の削り代は金型80の形状により鏡板相当部分126aの厚さ方向の削り代の1.8〜10.2倍となっている。
一方、固定スクロール基体124の仕上げ工程では、従来公知のドリル加工等によって、吐出穴41が形成されると共に鏡板相当部分124a及びラップ相当部分124bがエンドミル等によって切削加工され、図10に示されるように、鏡面24Pから先端までの高さや厚みが所定の設計値どおりの寸法とされる。具体的には、図10に示されるように、一点鎖線で示されるラップ相当部分124bの抜け勾配部分や、鏡板相当部分124aの表皮部分、ラップ相当部分124bの先端部分が削られて、実線で示される形状に仕上げられる。なお、本実施の形態においてラップ相当部分124bの抜け勾配部分は粗加工後に精密加工され、鏡板相当部分124aの表皮部分及びラップ相当部分124bの先端部分は粗加工を経ずに精密加工される。これは、固定スクロール24が高さ方向にのみニアネットシェイプ成形されていることに起因する。また、このとき、鏡面24Pに直交する線に対するラップ24b側面の傾斜角度は0度となる。また、鏡板相当部分124aの表皮部分及びラップ相当部分124bの先端部分の切削厚みは、金型70の形状により0.3〜1.0mmとなっている。また、ラップ相当部分124bの厚さ方向の削り代は金型70の形状によりラップ相当部分124bの高さ方向の削り代の1.8〜10.2倍となっており、ラップ相当部分124bの高さ方向の削り代は金型70の形状により鏡板相当部分124aの厚さ方向の削り代の1.8〜10.2倍となっている。
d)部分熱処理工程
部分熱処理工程では、摺動部品の特定部位(応力集中部位や耐摩耗性が求められる部位等)にレーザ加熱処理あるいは高周波加熱処理が行われ、その特定部位の疲労強度や耐摩耗性が向上させられる。なお、レーザ加熱処理及び高周波加熱処理では、加熱部分の表面硬度がHRC50〜HRC65となるようにレーザ光や高周波が照射される。
<高低圧ドーム型スクロール圧縮機の運転動作>
次に、高低圧ドーム型スクロール圧縮機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、クランク軸17が回転し、可動スクロール26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。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。
<スクロール部品の製造方法の特徴>
(1)
本発明の実施の形態に係る金型70,80では、渦巻き溝部721,821に抜き勾配がつけられている。このため、本スクロール部品24,26の製造方法では、Ho/To比又はHf/Tf比を大きくすることができるという利益をできるだけ損なうことなくスクロール基体124,126の脱型を容易とし金型寿命を長くしている。また、かかる場合、完全なニアネットシェイプ成形を行うのに比べて押しピン寿命272,281,282の寿命も長くなる。
(2)
本発明の実施の形態に係る金型70,80では、スクロール基体124,126のラップ相当部分124b,126bの先端部分の高さ方向の削り代及びスクロール基体124,126の鏡板相当部分124a,126aの厚さ方向の削り代が0.3〜1.0mmの範囲となるように、内部空間形状が設定されている。このため、スクロール基体124,126は高さ方向にのみニアネットシェイプ成形されることになる。このため、本スクロール部品24,26の製造方法では、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益を享受することができる。
(3)
本発明の実施の形態に係る金型70,80では、渦巻き溝部721,821の底幅To,Tfに対する深さHo,Hfの比が9を超えない。
本願発明者が鋭意検討したところ、渦巻き溝部721,821の底幅To,Tfに対する深さHo,Hfの比が9を超えると、スクロール基体124,126の脱型が極めて困難になると共にスクロール基体124,126の脱型時の金型摩耗が著しくなることが判明した。このため、本スクロール部品24,26の製造方法では、スクロール基体124,126の脱型が容易であると共に金型寿命を長い。
(4)
本発明の実施の形態に係る金型70,80では、スクロール基体124,126のラップ相当部分124b,126bの厚さ方向の削り代がラップ相当部分124b,126bの高さ方向の削り代の1.8〜10.2倍となり、ラップ相当部分124b,126bの高さ方向の削り代が鏡板相当部分124a,126aの厚さ方向の削り代の1.8〜10.2倍となるように、内部空間形状が設定されている。このため、本スクロール部品24,26の製造方法では、可及的、削り代が少なくされている。したがって、このスクロール部品24,26の製造方法では、原材料費や、機械加工費、工具消耗品代を低減することができ、さらには研削廃材や加工廃液などの破棄物を低減することができる。
(5)
本発明の実施の形態では、可動スクロール26及び固定スクロール24が半溶融ダイキャスト成形工程及び熱処理工程を経て製造される。このため、従来の砂型鋳造方法により製造される片状黒鉛鋳鉄製の可動スクロールや固定スクロールよりも高引張強度かつ高硬度の可動スクロールや固定スクロールを容易に得ることができる。
(6)
本発明の実施の形態では、可動スクロール基体126及び固定スクロール基体124が半溶融ダイキャスト成形工程及び熱処理工程を経て製造され、その硬度がHRB90よりも高くHRB100よりも小さくなるように調整される。そして、このとき、可動スクロール基体126及び固定スクロール基体124の引張強度は、600MPaから900MPaの範囲にほぼ相当する。このため、この圧縮機の摺動部品の製造方法を採用すれば、可動スクロール26及び固定スクロール24の鏡板24a,26aや渦巻部24b,26bを薄肉化することができる。したがって、スクロール圧縮機1を小径化することができ、引いてはスラスト損失の低減や大容量化が可能となる。また、アンローダピストンによる容量制御機においても、高圧縮比運転時に容量制御を行った場合には、渦巻に発生する応力が通常運転時(フルロード時)よりも大きくなるが、強度が高くなっている上、靭性に富むため、渦巻に損傷などが発生する可能性を小さくすることができる。また、このような可動スクロール26及び固定スクロール24は、FC材と比較すると靭性に優れているため、突発的な内圧上昇や異物噛み込みに対して損傷が発生しにくい。仮に損傷しても細かいゴミができにくく配管の洗浄が不要になる。また、砂型鋳造方法により製造される片状黒鉛鋳鉄のような可動スクロール基体や固定スクロール基体を機械加工して最終的な可動スクロールや固定スクロールとする場合、通常、加工による歪みを除去するため、可動スクロール基体や固定スクロール基体を何度か掴み代えている。しかし、このような引張強度が高い可動スクロール基体や固定スクロール基体を機械加工する場合、加工による歪みを心配する必要がない。したがって、本製造方法を採用すれば、この掴み代えにかかっているコストを削減することができる。
(7)
半溶融ダイキャスト成形法により製造された摺動部品が熱処理される場合、その摺動部品の引張強度はその硬度と比例関係にあることが判明している。したがって、本発明の実施の形態に係る摺動部品については、硬度を測定するだけで引張強度を保証することができる。
(8)
本発明の実施の形態の熱処理工程では、可動スクロール基体126及び固定スクロール基体124の硬度がHRB90よりも高くHRB100よりも低くなるような熱処理が行われる。このため、この圧縮機の摺動部品の製造方法を採用すると、圧縮機運転時において十分な耐久性を発現することができ、かつ、可及的早い時期に「なじみ」が起こりやすく、かつ、異常運転時において焼付きが生じることがない可動スクロール26及び固定スクロール24を製造することができる。また、硬度がこの範囲である場合、可動スクロール基体及び固定スクロール基体の被削性が良好になるとともに可動スクロール基体及び固定スクロール基体にキズが入りにくく取り扱いが楽になる。このため、工具摩耗や工具の欠けが発生しにくくなって工具寿命が延び、かつ、構成刃先ができにくくなり切り粉の処理性が良好となるともに加工時間を短縮できるため加工コストが低減する。ちなみに、同引張強度のFCDに対して、硬度が低い(同じ硬度であれば引張強度が高い)ため、工具摩耗や加工時間に優れるにもかかわらず、高引張強度化できるとも言える。また、FC材と比べると表面粗度を小さくしやすいので、可動スクロール26が、オルダムリング39やシールリング(図示せず)等を攻撃するおそれがなくなる。
(9)
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を製造しているものが多い。
これに対し、本発明の実施の形態では、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24及び可動スクロール26を高強度のものとしている。
このため、本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機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。
(10)
本発明の実施の形態の部分熱処理工程では、応力集中部に部分熱処理が施される。このため、摺動性の必要な摺動部品に良好ななじみ性を持たせたまま応力集中部に十分な疲労強度を付与することができる。
(11)
本発明の実施の形態の部分熱処理工程では、耐摩耗性が必要な部分に部分熱処理が施される。このため、摺動部品を長寿命化することができる。
<変形例>
(A)
先の実施の形態では密閉型の高低圧ドーム型スクロール圧縮機1が採用されたが、圧縮機は、高圧ドーム型の圧縮機であっても低圧ドーム型の圧縮機であってもよい。また、半密閉形や開放型の圧縮機であってもよい。
(B)
先の実施の形態に係るスクロール圧縮機1ではスクロール圧縮機構15が採用されたが、圧縮機構は、ロータリ圧縮機構や、レシプロ圧縮機構、スクリュー圧縮機構などであってもよい。また、スクロール圧縮機構15は、両歯や共回りタイプのスクロールであってもよい。
(C)
先の実施の形態では鉄素材として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が採用されたが、鉄素材の元素割合は、本発明の趣旨を損ねない限り、任意に決定することができる。
(D)
先の実施の形態では自転防止機構としてオルダムリング39が採用されているが、自転防止機構としてピン、ボールカップリング、クランク等、いかなる機構が採用されてもよい。
(E)
本発明の実施の形態ではスクロール圧縮機1が冷媒回路内で用いられる場合を例に挙げたが、用途に付いては空調用に限定するものではなく、単体もしくはシステムに組込まれて用いられる圧縮機や送風機、過給機、ポンプなどであってもよい。
(F)
本発明の実施の形態に係るスクロール圧縮機1には潤滑油が存在したが、オイルレス若しくはオイルフリー(油があってもなくてもよい)タイプの圧縮機、送風機、過給機、ポンプであってもよい。
(G)
本発明の実施の形態に係る高低圧ドーム型スクロール圧縮機1は、アウタードライブ型のスクロール圧縮機であったが、本発明に係るスクロール圧縮機はインナードライブ型のスクロール圧縮機であってもよい。また、かかる場合、熱処理工程後に、可動スクロールのインナードライブ用ピン軸部を高周波加熱などの処方により選択的に加熱してその表面硬度をHRC50よりも高くHRC65よりも低くなるようにしてもよい。このようにすれば、インナードライブ用ピン軸部の耐摩耗性を大きく向上させることができる。
(H)
本発明の実施の形態の熱処理工程では、摺動部品基体の全部を熱処理したが、摺動部品基体が可動スクロール26や固定スクロール24である場合は、耐焼付き性や、耐摩耗性、なじみ性に対して重要となる箇所である鏡板側の表面(スラスト表面)部分とラップ24b,26bの先端部のみ、硬度がHRB90よりも高くHRB100よりも低くするようにしてもよいし、フェライト面積率が5%よりも大きく50%よりも小さくなるようにしてもよいし、黒鉛面積率が2%よりも大きく6%よりも小さくなるようにしてもよい。
(I)
本発明の実施の形態では、摺動部品の原材料として鉄素材が用いられたが、本発明の趣旨を損ねない限り、鉄以外の金属材料が用いられてもかまわない。
本発明に係るスクロール部品の製造方法は、半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法によりスクロール部品を製造するにおいて、ニアネットシェイプ成形が可能であることの利益やH/T比を大きくすることができるという利益をできるだけ損なうことなく、スクロール基体の脱型を容易にすることができると共に金型寿命を長くすることができるという特徴を有しており、特にスクロール圧縮機の大容量化や小径化に貢献する。
24 固定スクロール(スクロール部品)
26 可動スクロール(スクロール部品)
70 固定スクロール基体を半溶融ダイキャスト成形するための金型(金型)
80 可動スクロール基体を半溶融ダイキャスト成形するための金型(金型)
124 固定スクロール基体(スクロール基体)
124a 固定スクロール基体の鏡板相当部分(スクロール基体の板状空間部に対応する部分)
124b 固定スクロール基体のラップ相当部分(スクロール基体の渦巻き溝部に対応する部分,渦巻き壁部)
126 可動スクロール基体(スクロール基体)
126a 可動スクロール基体の鏡板相当部分(スクロール基体の板状空間部に対応する部分)
126b 可動スクロール基体のラップ相当部分(スクロール基体の渦巻き溝部に対応する部分,渦巻き壁部)
711 固定スクロール基体の鏡板相当部分を形成するための略円盤状の凹部(板状空間部)
801 可動スクロール基体を半溶融ダイキャスト成形するための金型の鏡板形成空間(板状空間部)
721,821 渦巻き溝部
Ho,Hf 渦巻き溝部の底幅
To,Tf 渦巻き溝部の深さ
特開2005−36693号公報

Claims (2)

  1. 板状空間部(711,801)と、前記板状空間部から渦巻き形状を保持しながら第1方向に向かって延びると共に前記第1方向に向かうに連れて幅が狭まる渦巻き溝部(721,821)とを有する金型(70,80)を用いて半溶融ダイキャスト成形法又は半凝固ダイキャスト成形法によりスクロール基体(124,126)を製造するスクロール基体製造工程と、
    前記スクロール基体の渦巻き溝部に対応する部分(以下「渦巻き壁部」という)(124b,126b)の先端部及び前記スクロール基体の板状空間部に対応する部分(124a,126a)を高さ方向に1.0mm以下の厚さ分だけ切削すると共に前記スクロール基体の前記渦巻き壁部の幅が高さ方向に均一になるように前記スクロール基体を切削する切削工程と
    を備えるスクロール部品(24,26)の製造方法。
  2. 前記渦巻き溝部の底幅(To,Tf)に対する深さ(Ho,Hf)の比は9を超えない
    請求項1に記載のスクロール部品の製造方法。
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