JP5147245B2 - 圧縮機用ピストンおよび圧縮機用ピストンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダボア内で往復道される圧縮機用ピストンおよびその製造方法に関する。

従来より、車両用空調装置などの冷凍サイクルに用いられる圧縮機が知られている。この圧縮機は、シリンダブロックに形成したシリンダボア内でピストンを往復動させることにより、吸入室から吸入した冷媒ガスを圧縮し、その圧縮した冷媒ガスを吐出室に吐出させている。

圧縮機に用いられる圧縮機用ピストンとしては、シリンダボア内に収容される円筒形状の本体部と、駆動機構に連結される連結部とを互いに嵌合させて電子ビーム溶接によって両者を一体的に接合することにより、内部に中空部を備える構成が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。ところで、電子ビーム溶接は真空下で行われるため、ピストン内部の中空部についても真空状態にする必要がある。そのため、この類の圧縮機用ピストンでは、本体部の内周面と連結部の外周面との間に嵌合クリアランスを持たせた上で、これらを嵌合し電子ビーム溶接を行っている。
特開２００１−１５９３９１号公報 特開２００１−１５３０４６号公報 特開２０００−３８９８７号公報

しかしながら、本体部と連結部とを嵌合した上で溶接を行う場合、その嵌合領域において本体部と連結部とがオーバーラップしているため、嵌合クリアランスの全体に亘って溶接が行われず、その一部のみが溶接領域に含まれ、溶接端部が嵌合クリアランスにかかった格好となってしまう虞がある。圧縮機用ピストンには、曲げや引張り等の複合的な力が作用するため、たわみやねじれ等に起因して、溶接端部に応力が集中し、ピストンを破損してしまうといった可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、本体部と連結部との接合部の応力集中を緩和することにより、圧縮機用ピストンの耐久性および品質の向上を図ることである。

かかる課題を解決するために、第１の発明は、シリンダボア内で往復動する圧縮機用ピストンを提供する。この圧縮用ピストンは、前端部が開放されて後端部が有底の中空円筒形状を有し、シリンダボア内に収容される本体部と、外周形状が本体部の内周形状と対応する突出端部を備え、駆動機構に連結される連結部と、本体部の前端部と連結部の突出端部とを嵌合させて円周方向に沿って溶接を行うことで形成され、本体部と連結部とを一体的に接合する溶接部とを有し、溶接部は、本体部の内周面と突出端部の外周面との間の嵌合クリアランスの全てを含むとともに、本体部の前端部の位置よりも突出端部との嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として溶接を行うことによって形成される。

また、第１の発明において、溶接部は、溶接端部が突出端部の端面角部を含むように形成されている。

また、第１の発明において、連結部は、突出端部の端面角部がテーパー状に面取りされており、溶接部は、溶接端部が突出端部のテーパー面の一部を含むように形成されている。

また、第２の発明は、シリンダボア内で往復動する圧縮機用ピストンの製造方法を提供する。この圧縮機用ピストンの製造方法は、前端部が開放されて後端部が有底の中空円筒形状を有し、シリンダボア内に収容される本体部と、外周形状が本体部の内周形状と対応する突出端部を備え、駆動機構に連結される連結部とを、本体部の前端部と連結部の突出端部とで嵌合させることによって仮組みを行う第１の工程と、本体部の前端部の位置よりも突出端部との嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として、円周方向に沿って溶接を行い、溶接部を、本体部の内周面と突出端部の外周面との間の嵌合クリアランスを全て含むものとする第２の工程とを有する。

本発明によれば、本体部の前端部よりも連結部の突出端部との嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として溶接が行われる。そのため、溶接端部の曲率が大きくなり、当該部位における切欠き係数が低くなる傾向となるので、応力集中を緩和することができる。これにより、圧縮機用ピストンに作用する力によるたわみやねじれ等に起因して、圧縮機用ピストンの破損を招くといった事態を抑制することができる。その結果、圧縮機用ピストンの耐久性および品質の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかる圧縮機１の全体構成を示す模式図である。圧縮機１は、斜板式の可変容量の圧縮機であり、例えば車両用空調装置の冷却サイクルに用いられ、冷凍サイクルで気化した冷媒ガスを断熱圧縮する。この圧縮機１は、複数のシリンダボア３を有するシリンダブロック２と、フロントハウジング４と、リヤハウジング６とを備えている。フロントハウジング４は、シリンダブロック２の前端面に設けられ、このシリンダブロック２との間にクランク室５を形成している。リヤハウジング６は、シリンダブロック２の後端面にバルブプレート９を介して設けられ、吸入室７及び吐出室８を形成している。これらシリンダブロック２、フロントハウジング４及びリヤハウジング６は、シリンダブロック２に設けられた貫通孔を介してスルーボルトＢによって締結固定されている。

バルブプレート９は、シリンダボア３と吸入室７とを連通する吸入孔（図示せず）と、シリンダボア３と吐出室８とを連通する吐出孔１２とを備えている。バルブプレート９のシリンダブロック２側には、吸入孔を開閉する吸入弁１３が設けられている。一方、バルブプレート９のリヤハウジング６側には、吐出孔１２を開閉する吐出弁（図示せず）と、この吐出弁を保持するリテーナ１５とが設けられている。これらバルブプレート９、吐出弁１４及びリテーナ１５は、リベットＲによって一体的に固定されている。そして、バルブプレート９とリヤハウジング６との間には、ガスケット（図示せず）が介在し、吸入室７と吐出室８の密閉性を保持している。また、バルブプレート９の周縁には、Ｏリングが介在し、圧縮機１の外部への冷媒ガスの漏れを抑制している。

シリンダブロック２の中心部には、シャフト支持孔１９が設けられており、このシャフト支持孔１９には、ベアリング１７，３７が設けられている。また、フロントハウジング４の中心部には、シャフト支持孔２０が設けられており、このシャフト支持孔１９には、ベアリング１８が設けられている。シリンダブロック２側のシャフト支持孔１９およびフロントハウジング４側のシャフト支持孔２０には、駆動軸１０が挿入されており、この駆動軸１０は、個々のベアリング１７，１８，３７によって回転自在に支持されている。

クランク室５内には、駆動軸１０に固定されたドライブプレート２１と、駆動軸１０に摺動自在に取り付けられたスリーブ２２と、ピン２３によってスリーブ２２に摺動自在に連結されたジャーナル２４と、ジャーナル２４のボス部２５に固定した斜板２６とが設けられている。ドライブプレート側２１のヒンジアーム２１ｈとジャーナル２４側のヒンジアーム２４ｈとは、トラック形状の長孔が開口されたリング部材２７とピン２８とによって連結されており、斜板２６の揺動を規制している。

個々のシリンダボア３には、ピストン２９がそれぞれ収容されている。それぞれのピストン２９は、斜板２６を挟んだ一対のシュー３０を介して斜板２６に連結されていて、駆動軸１０の回転運動を原動力としてシリンダボア３内を往復動する。

このような圧縮機１は、ピストン２９の往復動により、バルブプレート９の吸入孔を介して吸入室７からシリンダボア３内へと冷媒ガスを吸入するとともに、この冷媒ガスを圧縮する。そして、圧縮機１は、バルブプレート９の吐出孔１２を介してシリンダボア３から吐出室８へと圧縮した冷媒ガスを吐出する。

圧縮機１は、吐出容量を可変とするために、抽気通路３１と、給気通路３２と、圧力制御手段３３とで構成される圧力制御機構とを備えている。抽気通路３１は、図中矢印で示すように、クランク室５と吸入室７とを常時連通しており、クランク室５内の冷媒ガス圧力に応じてクランク室５内の冷媒ガスを吸入室７へ帰還させる。具体的には、抽気通路３１は、駆動軸１０に設けられた抽気孔１０ｓと、シリンダブロック２に設けられたシャフト支持孔１９と、バルブプレート９に設けられた抽気孔９ｓと、これらシャフト支持孔１９と抽気孔９ｓとを連通するシリンダブロック２の後端面に設けられた抽気溝（図示せず）とから構成されている。ここで、駆動軸１０内に設けられた抽気孔１０ｓは、駆動軸１０の後端１０ｂから前端１０ａ側に向けてこの駆動軸１０の軸心に沿って延在する軸方向通路３５と、軸方向通路３５と連通しクランク室５に直接開放して抽気通路３１の入口部を構成する径方向通路３６とで構成されている。抽気通路３１の入口部を構成する径方向通路３６は、スリーブ２２の移動範囲外に形成されていたため、クランク室５に常時開放するようになっている。

給気通路３２は、図中矢印で示すように、クランク室５と吐出室８とを連通しており、その通路は圧力制御手段３３によって開閉される。圧力制御手段３３は、給気通路３２を開閉して、吐出室８からクランク室５に向けて流れる冷媒ガス量を制御することで、クランク室５の圧力を調整する。この圧力調整によって斜板２６の傾斜角を変化させることで、ピストンストロークが変化し、圧縮機１の吐出容量を変えることができる。具体的には、圧力制御手段３３は、低負荷時におけるエバポレータの凍結を避けるため、圧縮機１に帰還する冷媒の吸入圧が一定に保たれるように、圧縮機１に帰還する冷媒の吸入圧に応じて圧縮機１の吐出量を変化させる。

図２は、本実施形態にかかるピストン２９を模式的に示す断面図である。ここで、同図（ａ）は、ピストン２９の全体断面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）の破線で示す領域Ａの拡大断面図である。個々のピストン２９は、本体部２９ｂと、連結部２９ａとを主体に構成されている。

本体部２９ｂは、中空円筒形状を有しており、シリンダボア３内に収容される。この本体部２９ｂは、前端部２９ｆが開放されて後端部が有底となっており、この前端部２９ｆには、連結部２９ａが嵌合される。

連結部２９ａは、ピストン２９の駆動機構の一部である斜板２６に連結される。この連結部２９ａは、その後端側に、連結部本体の外径よりも小さい外径とされた突出端部２９ｄを備えている。この突出端部２９ｄは、その外周形状が本体部２９ｂの内周形状と対応しており、本体部２９ｂの前端部２９ｆと嵌合する機能を担っている。本実施形態において、突出端部２９ｄは、その外径が本体部２９ｂの内径よりも若干小さな値に設定されている。そのため、本体部２９ｂの前端部２９ｆと連結部２９ａの突出端部２９ｄとを嵌合させた場合には、本体部２９ｂの内周面と突出端部２９ｄの外周面との間に、嵌合クリアランスが生じることとなる（図中の二点鎖線参照）。また、突出端部２９ｄの端面には、頂部が切り落とされた略円錐形状の凹部が形成されており（図２参照）、この凹部は、本体部２９ｂのとともにピストン２９内部の中空部を構成する。

本実施形態の特徴の一つとして、ピストン２９は、連結部２９ａの突出端部２９ｄを本体部２９ｂの前端部２９ｆに嵌合させて、円周方向に沿って溶接を行うことにより形成される溶接部２９ｃをさらに有しており、この溶接部２９ｃにより、本体部２９ｂと連結部２９ａとが一体的に接合されている。溶接部２９ｃは、本体部２９ｂの内周面と突出端部２９ｄの外周面との間の嵌合クリアランスを含み、その溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄの端面角部を含むように形成されている。

図３は、本実施形態にかかるピストン２９の製造方法を説明する説明図である。第１の実施形態にかかるピストン２９は、つぎに示すような工程から作成される。まず、第１の工程として、連結部２９ａの突出端部２９ｄと、本体部２９ｂの前端部２９ｆとを嵌合させて、本体部２９ｂと連結部２９ａとの仮組みを行う。そして、第２の工程として、この嵌合領域を対象として、円周方向に沿って電子ビーム溶接を行う。具体的には、連結部２９ａの外周縁部と突き合う本体部２９ｂの前端部２９ｆの位置よりも、突出端部２９ｄとの嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として電子ビームを照射し、同図に示す領域Ｂの範囲において溶接を行う。これにより、溶接後において、本体部２９ｂの内周面と連結部２９ａの突出端部２９ｄの外周面との間の嵌合クリアランスを含むとともに、溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄの端面角部を含むように溶接部２９ｃを形成する。

なお、これらの第１から第２の工程は、真空下で行われる。このような真空下で本体部２９ｂと連結部２９ａとを接合する場合には、ピストン２９の中空部についても真空状態にする必要がある。そのため、本体部２９ｂの内周面と突出端部２９ｄの外周面との間に嵌合クリアランスを持たせることにより、ピストン２９の中空部を真空状態にしている。

図４は、本実施形態におけるピストン２９との比較例としてのピストン３９を示す概念図である。同図に示すピストン３９は、上述したピストン２９と同様に、連結部３９ａの突出端部３９ｄと本体部３９ｂの内周面とを嵌合させて、円周方向に沿って溶接を行うことによって形成される溶接部３９ｃを有している。同図に示す例において、溶接部３９ｃは、連結部３９ａの外周縁部と突き合う本体部３９ｂの前端部３９ｆの位置を基準して電子ビームを照射し、図３に示す領域Ｂよりも本体部３９ｂの３９ｆ側へとシフトした領域Ｃの範囲おいて溶接が行われている。

ところで、本体部３９ｂと連結部３９ａとの間の嵌合領域は、ピストン３９の軸方向にかけてオーバーラップしている。そのため、本体部３９ｂの前端部３９ｆを基準として溶接を行った場合には、嵌合クリアランスの一部のみが溶接領域に含まれて、その溶接端部３９ｅが、突出端部３９ｄの端面角部を含まずに嵌合クリアランスにかかった格好となってしまう。このケースでは、嵌合クリアランスにおける溶接端部３９ｅの曲率が小さく、換言すれば、溶接端部３９ｅと連結部３９ａの突出端部３９ｄの外周面とによって形成される角が鋭角となる傾向がある。そのため、当該部位における切欠き係数が高くなり、応力集中を招いてしまう。ピストン３９には、曲げや引張り等の複合的な力が作用するため、たわみやねじれ等に起因して、ピストン３９の破損を招く可能性がある。

この点、本実施形態によれば、本体部２９ｂの２９ｆよりも連結部２９ａの突出端部２９ｄとの嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として溶接が行われる。そのため、この溶接によって形成される溶接部２９ｃが、本体部２９ｂの内周面と突出端部２９ｄの外周面との間の嵌合クリアランスを含むとともに、溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄの端面角部を含むように形成される。このため、溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄの端面にかかり、その曲率が大きく、換言すれば、溶接端部２９ｅと突出端部２９ｄの端面とによって形成される角が鈍角となりやすい。よって、当該部位における切欠き係数が低くなる傾向となるので、応力集中を緩和することができる。これにより、ピストン２９に作用する力によるたわみやねじれ等に起因して、ピストン２９の破損を招くといった事態を抑制することができる。その結果、ピストン２９の耐久性および品質の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態にかかるピストン２９を模式的に示す断面図である。ここで、同図（ａ）は、ピストン２９の全体断面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）において破線で示す領域Ａの拡大断面図である。この第２の実施形態にかかるピストン２９が第１の実施形態のそれと相違する点は、突出端部２９ｄの形状である。なお、本実施形態では、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行うこととし、重複する構成については符号を引用することにより、その詳細な説明は省略する。

本実施形態にかかるピストン２９も、第１の実施形態と同様、圧縮機１に適用可能であり、個々のシリンダボア３にそれぞれ収容されている。それぞれのピストン２９は、斜板２６を挟んだ一対のシュー３０を介して斜板２６に連結されていて、駆動軸１０の回転運動を原動力として往復動する。個々のピストン２９は、本体部２９ｂと、連結部２９ａとを主体に構成されている。

本実施形態の特徴の一つとして、連結部２９ａの後端側には突出端部２９ｄ形成されており、この突出端部２９ｄは、本体部２９ｂと連結部２９ａとの嵌合時の位置合わせを容易にするため、円周方向に沿って端面角部がテーパー状に面取りされたテーパー面２９ｇを備えている。

また、本実施形態のピストン２９は、連結部２９ａの突出端部２９ｄを本体部２９ｂの前端部２９ｆに嵌合させて、円周方向に沿って溶接を行うことによって形成される溶接部２９ｃをさらに有しており、この溶接部２９ｃにより、本体部２９ｂと連結部２９ａとが一体的に接合される。溶接部２９ｃは、本体部２９ｂの内周面と連結部２９ａの突出端部２９ｄの外周面との間の嵌合クリアランスを含み、その溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄのテーパー面２９ｇの一部を含むように形成されている。

図６は、本実施形態にかかるピストン２９の製造方法を説明する説明図である。第２の実施形態にかかるピストン２９は、つぎに示すような工程から作成される。まず、第１の工程として、連結部２９ａの突出端部２９ｄと、本体部２９ｂの前端部２９ｆとを嵌合させて、本体部２９ｂと連結部２９ａとの仮組みを行う。そして、第２の工程として、この嵌合領域を対象として、円周方向に沿って電子ビーム溶接を行う。具体的には、連結部２９ａの外周縁部と突き合う本体部２９ｂの前端部２９ｆよりも、突出端部２９ｄとの嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として電子ビームを照射し、同図に示す領域Ｂの範囲において溶接を行う。これにより、溶接後において、本体部２９ｂの内周面と連結部２９ａの突出端部２９ｄの外周面との間の嵌合クリアランスを含むとともに、溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄのテーパー面２９ｇの一部を含むように溶接部２９ｃを形成する。

図７は、本実施形態におけるピストン２９との比較例としてのピストン３９を示す概念図である。同図に示すピストン３９は、上述したピストン２９と同様に、連結部３９ａの突出端部３９ｄと本体部３９ｂの内周面とを嵌合させて、円周方向に沿って溶接を行うことによって形成される溶接部３９ｃを有している。同図に示す例において、溶接部３９ｃは、連結部２９ａの外周縁部と突き合う本体部３９ｂの前端部３９ｆを基準として電子ビームを照射し、図６に示す領域Ｂよりも本体部３９ｂの前端部３９ｆ側へとシフトした領域Ｃの範囲において溶接が行われている。このケースでも、溶接端部３９ｅが、テーパー面３９ｇを含まずに嵌合クリアランスにかかった格好となってしまい、ピストン３９の破損を招く可能性がある。

この点、本実施形態によれば、本体部２９ｂの前端部２９ｆよりも連結部２９ａの突出端部２９ｄとの嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として溶接が行われる。そのため、この溶接によって形成される溶接部２９ｃが、本体部２９ｂの内周面と突出端部２９ｄの外周面との間の嵌合クリアランスを含むとともに、溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄのテーパー面２９ｇの一部を含むように溶接部２９ｃが形成される。このため、溶接端部２９ｅが突出端部２９ｄのテーパー面２９ｇにかかり、その曲率が大きく、換言すれば、溶接端部２９ｅと突出端部２９ｄのテーパー面２９ｇとによって形成される角が鈍角となりやすい。よって、当該部位における切欠き係数が低くなり、応力集中を緩和することができる。これにより、ピストン３９に作用する力によるたわみやねじれ等に起因して、ピストン２９の破損を招くといった事態を抑制することができる。その結果、ピストン２９の耐久性および品質の向上を図ることができる。

本発明の実施形態にかかる圧縮機１の全体構成を示す模式図 第１の実施形態にかかるピストン２９を模式的に示す断面図 第１の実施形態にかかるピストン２９の製造方法を説明する説明図 第１の実施形態におけるピストン２９との比較例としてのピストン３９を示す概念図 第２の実施形態にかかるピストン２９を模式的に示す断面図 第２の実施形態にかかるピストン２９の製造方法を説明する説明図 第２の実施形態におけるピストン２９との比較例としてのピストン３９を示す概念図

符号の説明

１ 圧縮機
２ シリンダブロック
３ シリンダボア
４ フロントハウジング
５ クランク室
６ リヤハウジング
７ 吸入室
８ 吐出室
１０ 駆動軸
２９ ピストン
２９ａ 連結部
２９ｂ 本体部
２９ｃ 溶接部
２９ｄ 突出端部
２９ｅ 溶接端部
２９ｆ 前端部
２９ｇ テーパー面

Claims (4)

1. シリンダボア（３）内で往復動する圧縮機用ピストン（２９）において、
   前端部（２９ｆ）が開放されて後端部が有底の中空円筒形状を有し、前記シリンダボア（３）内に収容される本体部（２９ｂ）と、
   外周形状が前記本体部（２９ｂ）の内周形状と対応する突出端部（２９ｄ）を備え、駆動機構に連結される連結部（２９ａ）と、
   前記本体部の前端部（２９ｆ）と前記連結部（２９ａ）の突出端部（２９ｄ）とを嵌合させて円周方向に沿って溶接を行うことで形成され、前記本体部（２９ｂ）と前記連結部（２９ａ）とを一体的に接合する溶接部（２９ｃ）とを有し、
   前記溶接部（２９ｃ）は、前記本体部（２９ｂ）の内周面と前記突出端部（２９ｄ）の外周面との間の嵌合クリアランスの全てを含むとともに、前記本体部の前端部（２９ｆ）の位置よりも前記突出端部（２９ｄ）との嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として溶接を行うことによって形成されることを特徴とする圧縮機用ピストン。
2. 前記溶接部（２９ｃ）は、溶接端部（２９ｅ）が前記突出端部の端面角部を含むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載された圧縮機用ピストン。
3. 前記連結部（２９ａ）は、前記突出端部（２９ｄ）の端面角部がテーパー状に面取りされたテーパー面（２９ｇ）を有し、
   前記溶接部（２９ｃ）は、溶接端部（２９ｅ）が前記突出端部のテーパー面（２９ｇ）の一部を含むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載された圧縮機用ピストン。
4. シリンダボア（３）内で往復動する圧縮機用ピストン（２９）の製造方法において、
   前端部（２９ｆ）が開放されて後端部が有底の中空円筒形状を有し、シリンダボア（３）内に収容される本体部（２９ｂ）と、外周形状が前記本体部（２９ｂ）の内周形状と対応する突出端部（２９ｄ）を備え、駆動機構に連結される連結部（２９ａ）とを、前記本体部（２９ｂ）の前端部（２９ｆ）と前記連結部（２９ａ）の突出端部（２９ｄ）とで嵌合させることによって仮組みを行う第１の工程と、
   前記本体部（２９ｂ）の前端部（２９ｆ）の位置よりも前記突出端部（２９ｄ）との嵌合領域側へとシフトさせた位置を基準として、円周方向に沿って溶接を行い、溶接部（２９ｃ）を、本体部（２９ｂ）の内周面と突出端部（２９ｄ）の外周面との間の嵌合クリアランスを全て含むものとする第２の工程とを有する圧縮機用ピストンの製造方法。

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