JP4032580B2 - 流体機械用のピストン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、車両空調装置に適用されて冷媒ガスの圧縮を行なう圧縮機等の流体機械用のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧縮機用のピストンとしては、例えば、本出願人によって、特開平５−９９１４６号公報に提案されたものが存在する。すなわち、樹脂製のピストン本体を、ピストンロッドが係合される金属製の連結部に、インサート成形によって融着してなるものである。ピストンは、その容積の大部分を占めるピストン本体を樹脂製とすることで軽量化を達成でき、その往復運動時の慣性力を低減できて圧縮機の動力損失を軽減できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記公報の技術においては、ピストン本体を構成する材料として、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、つまりは熱可塑性樹脂を用いていた。従って、熱可塑性樹脂の金属材料に対する融着性の悪さから、連結部に対するピストン本体の十分な融着強度を得ることができなかった。
【０００４】
さて、前記圧縮機としては、回転する斜板の揺動がシューを介して伝達されてピストンの往復運動に変換されるタイプのものが存在する。この場合、ピストンは、ピストン本体と連結部とが往復運動方向に連接されてなり、この連結部に摺動自在に保持されたシューを介して斜板に連結される構成を採っている。
【０００５】
このようなタイプの圧縮機においては、回転する斜板に摺動されるシューには、斜板の回転方向と同じ方向に回転力が作用され、この回転力は連結部を介してピストン本体に伝達される。しかし、ピストン本体には、シリンダボアの内周面との間でその回転を妨げる方向（シリンダボアの内周面の周方向）に摩擦抵抗が作用する。従って、ピストン本体の連結部に対する融着部分には、ねじり応力が作用されることとなる。その結果、前述した熱可塑性樹脂（ピストン本体）の金属材料（連結部）に対する十分でない融着は容易に解除され、やがてはピストン本体が連結部に対してガタつくこととなっていた。このため、例えば、ピストン本体がシリンダボアの内周面に片当たりして偏摩耗し、シリンダボアの封止性が低下する問題を生じていた。
【０００６】
本発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであって、その目的は、金属製の連結部に対する樹脂製のピストン本体の高強度融着を達成することができる流体機械用のピストンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明では、ピストン本体を構成する樹脂材料として熱硬化性樹脂を用いており、前記熱硬化性樹脂はフェノール樹脂であり、前記樹脂材料には、熱硬化性樹脂のもろさを補強するための補強材が添加されており、前記連結部はアルミニウムにシリコンを７〜１３重量％の割合で添加した金属材料よりなり、前記補強材はガラス繊維であるとともに、ガラス繊維はフェノール樹脂に１５〜６５重量％の割合で添加されている流体機械用のピストンである。
【０００９】
（作用）
上記構成の請求項１の発明においては、フェノール樹脂は、熱可塑性樹脂と比較して金属材料に対する融着性が良好である。従って、連結部に対するピストン本体の高強度融着が達成される。
【００１０】
また、樹脂材料にガラス繊維が添加されたピストン本体は、フェノール樹脂のもろさが改善され、耐久性が向上される。
さらに、ピストン本体の熱膨張係数が連結部の熱膨張係数にほぼ等しくなり、ピストンの往復運動による摩擦発熱によっても、ピストン本体と連結部の熱膨張量をほぼ同じとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、車両空調装置に適用されて冷媒ガスの圧縮を行なう圧縮機のピストンにおいて具体化した一実施形態について説明する。
【００１２】
先ず、流体機械としての圧縮機の構成について説明する。
図１に示すように、フロントハウジング１１はシリンダブロック１２の前端部に接合固定されている。リヤハウジング１３はシリンダブロック１２の後端部に接合固定されている。クランク室１４は、フロントハウジング１１とシリンダブロック１２とにより囲まれて区画形成されている。フロントハウジング１１、シリンダブロック１２及びリヤハウジング１３が、圧縮機のハウジングを構成している。
【００１３】
回転軸１５は、前記クランク室１４を挿通するようにしてフロントハウジング１１とシリンダブロック１２との間で回転可能に架設支持されている。回転軸１５は、図示しない外部駆動源としての車両エンジンに、電磁クラッチ等のクラッチ機構を介して連結されている。従って、回転軸１５は、車両エンジンの稼動時においてクラッチ機構の接続により回転駆動される。
【００１４】
カムプレートとしての斜板１６は、前記クランク室１４において回転軸１５に、軸線Ｌに対して傾斜した状態で一体回転可能に連結されている。シリンダボア１２ａはシリンダブロック１２に貫設形成されている。シリンダボア１２ａは回転軸１５の軸線Ｌと平行に設けられ、図示しない複数が軸線Ｌ周りに等間隔で配置されている。
【００１５】
片頭型のピストン１７は、先端側が前記シリンダボア１２ａに収容されている。ピストン１７は、基端側がシュー１８を介して斜板１６に連結されている。回転軸１５の回転運動は、斜板１６及びシュー１８を介してシリンダボア１２ａでのピストン１７の往復運動に変換される。このピストン１７の往復運動によって、シリンダボア１２ａ内で冷媒ガスの圧縮が行われる。本実施形態においては、前記回転軸１５、斜板１６及びシュー１８等がピストン駆動部を構成する。
【００１６】
次に、前記ピストン１７の構成について詳述する。
図１及び図２に示すように、前記ピストン１７は、シリンダボア１２ａに収容される樹脂製のピストン本体２１と、斜板１６の外周部にシュー１８を介して連結される金属製の連結部２２とからなっている。ピストン本体２１と連結部２２は、ピストン１７の軸線Ｓ方向に連接されている。
【００１７】
前記連結部２２は、アルミニウムにシリコンを７〜１３重量％の割合で添加した金属材料（Ａｌ−Ｓｉ合金）から、鍛造や鋳造等によって製作されている。連結部２２を構成する材料としてアルミニウムを用いているのはピストン１７の軽量化のためであり、このアルミニウムにシリコンを添加しているのは、シリンダボア１２ａの内周面やシュー１８等との摺動に対する耐摩耗性を向上させるためである。
【００１８】
前記連結部２２は基端側に凹部２３を有し、この凹部２３内には軸線Ｓ方向前後一対の凹球面状をなす受け面２３ａが対向形成されている。一対の半球状をなす前記シュー１８は、斜板１６の外周部の前後面を狭持するとともに凹部２３内に収容され、それぞれ対応する受け面２３ａによって摺動自在に球面受けされている。従って、シュー１８は斜板１６の前後面に摺動することで、回転軸１５と一体回転する斜板１６の軸線Ｌ方向前後の揺動のみを伝達してピストン１７を軸線Ｓ方向前後に往復運動させる。
【００１９】
インサート部２４は前記連結部２２に一体形成されている。インサート部２４は、連結部２２の先端面の軸線Ｓ位置に突設された細棒状の支柱２４ａと、この支柱２４ａに支持された円板２４ｂとからなっている。ピストン本体２１は、インサート部２４を内包するようにして連結部２２に融着されている。ピストン本体２１は、シリンダボア１２ａの内周面に摺動する円柱状の頭部２１ａを先端に備え、この頭部２１ａからインサート部２４を内包する部分まで延びる板状の胴部２１ｂには、板厚方向（軸線Ｓと交差方向）に貫通した肉抜きによる軽量化処理が施されている。
【００２０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は射出成形用金型３１を示し、この射出成形用金型３１にはキャビティ３２が形成されている。連結部２２はキャビティ３２内に装備され、その先端面の一部及びインサート部２４がピストン本体２１用のキャビティ３２に露出されている。そして、ピストン本体２１用のキャビティ３２には、加熱可塑化された熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂に、補強材としてのガラス繊維が混合された材料が射出される。従って、ピストン本体２１用のキャビティ３２に材料が充填固化されて、連結部２２の先端面の一部及びインサート部２４の外面にピストン本体２１が融着される。
【００２１】
図４のグラフに示すように、前記フェノール樹脂の熱膨張係数は、アルミニウムにシリコンを７〜１３重量％の割合で添加した金属材料の熱膨張係数（１８×１０^-6〜２４×１０^-6）、すなわち連結部２２の熱膨張係数よりも大きい。ピストン本体２１は、フェノール樹脂に対するガラス繊維の添加量の割合を増やしてゆくと熱膨張係数が小さくなってゆく。従って、ガラス繊維の添加量の割合を好適に調節することで、ピストン本体２１の熱膨張係数が連結部２２の熱膨張係数にほぼ等しくなるようにしている。つまり、アルミニウムに対するシリコンの添加量の割合７〜１３重量％に応じて、フェノール樹脂に対するガラス繊維の添加量の割合が１５〜６５重量％内で調節されている。
【００２２】
上記構成の本実施形態においては、次のような効果を奏する。
（１）回転する斜板１６に摺動されるシュー１８には、斜板１６の回転方向と同じ方向に回転力が作用される。この回転力は、連結部２２を介してピストン本体２１に伝達される。しかし、ピストン本体２１には、シリンダボア１２ａの内周面との間でその回転を妨げる方向（シリンダボア１２ａの内周面の周方向）に摩擦抵抗が作用する。従って、ピストン本体２１の連結部２２に対する融着部分には、シュー１８の回転に基づく軸線Ｓを中心としたねじり応力が作用されることになる。
【００２３】
しかし、本実施形態においては、ピストン本体２１を構成する樹脂材料として熱硬化性樹脂を用いている。熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂と比較して金属材料に対する融着性が良好である。従って、連結部２２に対するピストン本体２１の高強度融着を達成でき、前述したねじり応力の作用によっても、ピストン本体２１の連結部２２に対する融着の解除を防止できる。また、熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂と比較して耐熱性に優れる。従って、ピストン１７の往復運動によるシリンダボア１２ａの内周面との間での摩擦発熱によってもピストン本体２１が軟化することはなく、連結部２２との良好な融着状態を維持することができる。その結果、例えば、ピストン本体２１が連結部２２に対してガタついてシリンダボア１２ａの内周面に片当たりすることを防止でき、ピストン本体２１の偏摩耗によるシリンダボア１２ａの封止性の低下を防止できる。
【００２４】
（２）樹脂材料に補強材が添加されたピストン本体２１は、熱硬化性樹脂のもろさが改善され、耐久性が向上される。
（３）ピストン本体２１は補強材の添加量の割合を調節することで、その熱膨張係数が連結部２２の熱膨張係数とほぼ同じに設定されている。従って、ピストン１７の往復運動による摩擦発熱によっても、ピストン本体２１と連結部２２の熱膨張量をほぼ同じとすることができる。その結果、ピストン本体２１の連結部２２に対する融着部分において両者２１，２２間の熱膨張差に基づく内部応力の発生を防止でき、この融着の解除を防止できる。
【００２５】
（４）インサート部２４は、細棒状の支柱２４ａと、この支柱２４ａよりも大径な円板２４ｂとからなっている。従って、円板２４ｂと連結部２２の先端面との対向面間にはピストン本体２１の樹脂材料が入り込んでおり、この入り込みによりピストン本体２１と連結部２２との軸線Ｓ方向への相対移動が係止される構造となっている。よって、仮にピストン本体２１の連結部２２に対する融着が解除されたとしても両者２１，２２が分離することはなく、それ以降も冷媒ガスの圧縮動作を維持することができる。
【００２６】
本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、例えば、以下の態様でも実施できる。
○ピストン本体２１の連結部２２に対する融着部分において、上述した斜板１６の回転時やピストン１７の切削・研磨加工時等に作用するねじり応力に対する耐久性をさらに向上させるために、例えば、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すようなピストン本体２１と連結部２２との相対回転を規制する回転規制構造を設けること。図５（ａ）においては、インサート部２４において円盤２４ｂの外周面に、ローレット加工等によって複数の溝２４ｃが形成されている。図面において溝２４ｃは、ピストン１７の軸線Ｓ方向に延びる縦溝２４ｃのみであるが、これに加えて軸線Ｓ周りに横溝を複数形成しても良い。図５（ｂ）においては、円盤２４ｂの外周面に、軸線Ｓを中心とした螺子溝２４ｄが形成されている。図５（ｃ）においては、円盤２４ｂの外周面に突起２４ｅが複数形成されている。なお、図５（ｃ）においては、突起２４ｅを凹部に変更しても良い。
【００２７】
○ピストン本体２１を構成する樹脂材料に、二硫化モリブデン等の固体潤滑材を添加すること。このようにすれば、シリンダボア１２ａの内周面に対するピストン本体２１の低摩擦摺動が達成され、ピストン本体２１の耐久性が向上される。
【００２８】
○熱硬化性樹脂としては、上述したフェノール樹脂以外にも、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、フラン樹脂等が挙げられる。
【００２９】
○補強材としてはガラス繊維以外にも、金属繊維、アルミナ、カーボン繊維、木粉、α−セルロース、貝殻粉、骨粉、卵殻粉等が挙げられる。なお、これらのうち一種のみをピストン本体２１の樹脂材料に添加することに限定されるものではなく、複数種を適宜選択して組み合わせて添加しても良い。
【００３０】
○上記実施形態においてピストン本体２１の成形は、所謂トランスファ成形で行われていた。これを変更し、粒状又は粉状の樹脂材料を金型内において加熱可塑化することでピストン本体２１を成形し、その際に連結部２２をインサートして、この連結部２２にピストン本体２１を融着させること。つまり、ピストン本体２１の成形を圧縮成形により行なうこと。
【００３１】
○両頭ピストン式圧縮機に適用される両頭型のピストンにおいて具体化すること。この場合、金属製の連結部の両側に、それぞれ熱硬化性樹脂製のピストン本体が融着される。
【００３２】
○ウエーブカム式圧縮機に適用されるピストンにおいて具体化すること。この場合、カムプレートとしてのウエーブカムがピストン駆動部を構成する。
○他の流体機械としてのオイルポンプやエアーポンプ等において、そのピストンに具体化すること。
【００３３】
上記実施形態から把握できる技術的思想について記載する。
（１）前記ピストン本体２１の熱膨張係数が連結部２２の熱膨張係数にほぼ等しくなるように、補強材の添加量の割合が設定されている流体機械用のピストン。
【００３４】
このようにすれば、ピストン本体２１と連結部２２の熱膨張量をほぼ同じとすることができ、ピストン本体２１の連結部２２に対する融着部分において、熱膨張差に基づく内部応力の発生を防止できて、この融着の解除を防止できる。
【００３５】
（２）前記ハウジング１１〜１３には外部駆動源により回転駆動される回転軸１５が回転可能に支持され、ハウジング１１〜１３内において回転軸１５にはカムプレート１６が一体回転可能に連結され、ピストン１７の連結部２２はシュー１８を介してカムプレート１６に連結されており、前記回転軸１５、カムプレート１６及びシュー１８がピストン駆動部を構成する流体機械用のピストン。
【００３６】
このようにすれば、ピストン本体２１の連結部２２に対する融着部分は、シュー１８の回転に基づくねじり応力の作用に対しても十分に耐え得る。
（３）前記ピストン本体２１を構成する樹脂材料には固体潤滑材が添加されている流体機械用のピストン。
【００３７】
このようにすれば、ピストン本体２１とシリンダボア１２ａの内周面との低摩擦摺動が達成され、ピストン本体２１の耐久性が向上される。
（４）前記ピストン本体２１は連結部２２にインサート成形されており、この連結部２２のピストン本体２１に対するインサート部２４は、ピストン本体２１を軸線Ｓ方向に対して係止する形状（支柱２４ａ及びこの支柱２４ａよりも大径な円板２４ｂ）をなしている流体機械用のピストン。
【００３８】
このようにすれば、仮にピストン本体２１の連結部２２に対する融着が解除されたとしても、両者２１，２２が分離することを防止できる。これは流体機械の基本機能の維持につながる。
【００３９】
【発明の効果】
上記構成の本発明によれば、金属製の連結部に対する樹脂製のピストン本体の高強度融着を達成でき、例えば、ピストン本体が連結部に対してガタついてシリンダボアの内周面に片当たりすることを防止できて、その偏摩耗によるシリンダボアの封止性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧縮機の縦断面図。
【図２】 ピストンの斜視図。
【図３】 （ａ）、（ｂ）はピストンの製造方法を示す図。
【図４】 ピストン本体を構成するフェノール樹脂において、ガラス繊維の添加量の割合と熱膨張係数との関係を示すグラフ。
【図５】 （ａ）〜（ｃ）は別例を示すインサート部の拡大図。
【符号の説明】
１１…ハウジングを構成するフロントハウジング、１２…同じくシリンダブロック、１２ａ…シリンダボア、１３…ハウジングを構成するリヤハウジング、１５…ピストン駆動部を構成する回転軸、１６…同じく斜板、１７…ピストン、１８…ピストン駆動部を構成するシュー、２１…ピストン本体、２２…連結部。

Claims (1)

1. 流体機械のハウジングに形成されたシリンダボアに収容される樹脂製のピストン本体が、流体機械のピストン駆動部と連結される金属製の連結部に融着されてなる構成の流体機械用のピストンにおいて、
   前記ピストン本体を構成する樹脂材料として熱硬化性樹脂を用いており、前記熱硬化性樹脂はフェノール樹脂であり、前記樹脂材料には、熱硬化性樹脂のもろさを補強するための補強材が添加されており、
   前記連結部はアルミニウムにシリコンを７〜１３重量％の割合で添加した金属材料よりなり、前記補強材はガラス繊維であるとともに、ガラス繊維はフェノール樹脂に１５〜６５重量％の割合で添加されている流体機械用のピストン。

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