JP6515417B2 - 空洞部品の製造方法及び回転機械の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部空間を有する空洞部品の製造方法及び回転機械の製造方法に関する。

例えば、遠心圧縮機（コンプレッサ）等の回転機械は、回転軸、羽根部等の回転体を外周側から覆う車室を有している。遠心圧縮機としては、例えば液化天然ガスを圧縮する遠心圧縮機のような極低温環境（例えば、−１１０℃以下）にて使用されるものがある。このような遠心圧縮機の車室は、９％Ｎｉ鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）の低温用鋼にて形成されている。

このような低温用鋼は、極低温環境で使用すると固相変態（金属の変態、結晶構造の変化、例えば残留オーステナイトからマルテンサイトへの変態）が生じ、変形を起すことが知られている。例えばオーステナイト系ステンレス鋼においては、不安定なオーステナイト相がマルテンサイトに変態して、体積膨張を起す。

上記したような体積膨張を抑制するために、製造時において意図的に極低温状態にすることで、固相変態を完了させた後、仕上げ加工を行う、サブゼロ処理（深冷処理）という手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。一般的に、サブゼロ処理は、液体窒素等の冷却剤を入れた槽内へ部品を投入することで行う。

特開２００７−１４６２３３号公報

しかしながら、遠心圧縮機の車室（例えば直径１ｍ×長さ２ｍ）のように寸法が大きな大型部品に対してサブゼロ処理を行う場合、大容量の槽が必要となるため、従来設備では対応できない場合がある。また、大容量の槽を充填するための液体窒素の量も膨大になるという課題がある。

この発明は、大きな母材であっても容易に固相変態させることができる空洞部品の製造方法及び回転機械の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、空洞部品の製造方法は、内部空間を有し、前記内部空間が極低温下で使用される空洞部品の製造方法であって、前記内部空間となる空間を有する母材を形成する母材形成工程と、形成された前記母材の前記内部空間に前記母材が固相変態する温度以下の流体を充填させて前記母材を固相変態させる充填工程と、相変態後の前記母材に仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、を備え、前記充填工程は、前記流体を充填させた槽内に前記母材を浸漬させることなく、かつ、前記母材形成工程の後に前記母材を加熱することなく行われることを特徴とする。

このような構成によれば、大きな母材であっても、母材が固相変態する温度以下の流体を充填させた槽内に母材を浸漬させることなく、母材を固相変態させることができる。

上記空洞部品の製造方法において、前記空洞部品は複数の部材が組み付けられて構成されるものであって、前記母材形成工程で形成された複数の部材と対応する各母材を仮組する仮組工程とを備え、前記充填工程では仮組された母材に対して実施してよい。

このような構成によれば、空洞部品が複数の部材が組み付けられて構成されるものであっても母材を相変態させることができる。

上記空洞部品の製造方法において、前記充填工程では、前記内部空間の表面と離間した状態で前記内部空間に中子を配置して前記中子と前記母材との間に前記流体を充填させてよい。

このような構成によれば、中子によって内部空間の容積が低減されるので、流体の供給量を低減することができる。

上記空洞部品の製造方法において、前記中子として前記空洞部品の前記内部空間に組み付ける内部部品を使用してよい。
このような構成によれば、空洞部品の内部空間に組み付ける組付部品を同時に相変態させることができる。

上記空洞部品の製造方法において、前記充填工程では前記内部空間の表面の温度を計測して固相変態の完了を判断してよい。
このような構成によれば、母材の固相変態が完了したか否かを内部空間の表面の温度によって判断することが可能となる。

上記空洞部品の製造方法において、前記充填工程では前記母材のひずみを計測して固相変態の完了を判断してよい。
このような構成によれば、母材の固相変態が完了したか否かを母材の寸法変化の収束によって判断することが可能となる。

また、本発明の第二の態様によれば、回転機械の製造方法は、上記いずれかの空洞部品の製造方法により車室を形成する車室形成工程と、形成された前記車室と、内部部品とを組み付ける組立工程とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、大型の回転機械の車室であっても、車室の母材が固相変態する温度以下の流体を充填させた槽内に車室の母材を浸漬させることなく、車室を固相変態させることができる。

本発明によれば、大きな母材であっても、母材が固相変態する温度以下の流体を充填させた槽内に母材を浸漬させることなく、母材を固相変態させることができる。

本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の製造方法で製造される遠心圧縮機を示す概略断面図である。 本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の製造方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の製造方法に関し、車室の母材に液体窒素を導入する様子を示す斜視図である。 本発明の第二実施形態の遠心圧縮機の製造方法に関し、車室の母材に液体窒素を導入する様子を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態の遠心圧縮機の製造方法に関し、車室の母材に液体窒素を導入する様子を示す斜視図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機１００（回転機械）の製造方法について説明する。
本実施形態の遠心圧縮機１００の製造方法は、極低温下（例えば−１１０℃以下）にて使用される遠心圧縮機１００を構成する車室１を製造するにあたって、仕上げ加工前の車室１の母材８に対してサブゼロ処理（深冷処理）と呼ばれる処理を施して、遠心圧縮機１００使用時の車室１の寸法変化を抑制する方法である。
即ち、車室１の母材８を例えば−１１０℃以下に冷却する熱処理を行い、母材８を構成する金属の固相変態（金属の変態、結晶構造の変化、例えば残留オーステナイトからマルテンサイトへの変態）を生じさせる方法である。

本実施形態で製造される遠心圧縮機１００は、流体Ｆを取り込んで、軸線Ｏに沿って流通させることで流体Ｆの昇圧を行う装置である。
図１に示すように、この遠心圧縮機１００は、円筒状をなす車室１と、車室１の内部に組み付けられている複数の内部部品２，３，４と、を有している。内部部品は、車室１によって外周側から覆われるようにして車室１との間で相対回転不能に設けられた内部車室２と、内部車室２によって外周側から覆われて、内部車室２との間で相対回転可能に設けられた回転軸３及びインペラ４と、を有している。即ち、車室１は、内部部品２，３，４が組み付けられる内部空間Ｖを有している空洞部品である。

回転軸３は、軸線Ｏを中心とした柱状をなして、軸線Ｏ方向に延在している。またインペラ４は軸線Ｏ方向に所定の間隔をあけて複数段が回転軸３に外嵌されて、回転軸３とともに軸線Ｏを中心に回転する。

内部車室２は、回転軸３、及びインペラ４を支持する。この内部車室２には、不図示の流路が各インペラ４間に形成されており、この流路を介して最前段のインペラ４から最後段のインペラ４へ、段階的に流体Ｆを流通させて昇圧を行う。

車室１は、軸線Ｏを中心として、軸線Ｏの第一の側（図１の紙面に向かって左側）の上流側開口部１０、及び第一の側とは反対側の下流側開口部１１とが形成された円筒状をなし、遠心圧縮機１００の外形を形成している。この車室１は、本実施形態では軸線Ｏの一方側の端部において、軸線Ｏの径方向内側に向かって環状に突出する形状をなしており、これによって下流側開口部１１と比較して上流側開口部１０の開口径の方が小さくなっている。
さらに、この車室１は、外周面から軸線Ｏの径方向外側に向かって突出するように、上流側となる軸線Ｏ方向の第一の端部に設けられた流体Ｆの吸入口５と、第一の端部とは反対の第二の端部に設けられた流体Ｆの排出口６とを有している。本実施形態では、この車室１は分割面を有さず、一体の筒状部材となっている。

吸入口５には、車室１の内外を連通するように軸線Ｏの径方向に車室１を貫通する吸入流路ＦＣ１が形成されており、この吸入流路ＦＣ１は最前段のインペラ４内に連通して、外部から流体Ｆ取り込んでこのインペラ４へ流入可能としている。

排出口６にも同様に、車室１の内外を連通するように軸線Ｏの径方向に貫通する排出流路ＦＣ２が形成されており、またこの排出流路ＦＣ２は最後段のインペラ４内に連通して、このインペラ４から外部へ流体Ｆを排出可能としている。

次に、遠心圧縮機１００の製造方法について、まず製造工程の概要について説明し、その後、各工程の詳細を説明する。
図２に示すように遠心圧縮機１００の製造方法は、車室１の母材８を仕上げ加工（機械加工）することによって車室１を形成する車室形成工程Ｓ１０と、形成された車室１と、内部部品２，３，４とを組み立てる組立工程Ｓ２０とを備えている。
車室形成工程Ｓ１０は、内部空間Ｖとなる空間を有する母材８を形成する母材形成工程Ｓ１と、母材８にサブゼロ処理を行う準備を行う準備工程Ｓ２と、内部空間Ｖに液体窒素Ｌ（図３参照）を充填させて母材８を固相変態させる充填工程Ｓ３と、固相変態後の母材８に仕上げ加工を行う仕上げ加工工程Ｓ４と、を備えている。

まず、車室形成工程Ｓ１０について説明する。
まず、車室１を形成するにあたって、内部空間Ｖとなる空間を有する車室１の母材８を形成する工程である母材形成工程Ｓ１を実行する。

母材８は、例えば、鋳造によって形成することができる。母材形成工程Ｓ１では、上記材料を融点よりも高い温度で熱して液体にした後、型に流し込み、冷やすことによって母材８を形成する。

形成される母材８は、後述する仕上げ加工を施して母材８の鋳肌（鋳物の表面）を機械加工することによって車室１とすることができる。母材８には、吸入口５、排出口６、上流側開口部１０、及び下流側開口部１１が形成されている。母材８は、内部部品２，３，４が組み付けられる空間である内部空間Ｖを有している。
即ち、母材８は、内部に空間を有しており、軸線Ｏ方向が鉛直方向に一致するように設置し、吸入口５、排出口６、及び上流側開口部１０を閉塞する等することによって、内部に流体を貯留することが可能な形状である。このような形状とされていることによって、内部空間Ｖに液体を充填することによって、内部空間Ｖの表面と液体とを接触させることができる。

本実施形態では、母材８として、オーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，１８Ｃｒ−８Ｎｉ，１８クロムステンレス）を用いる。母材８を形成するための材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼に限ることはなく、例えば、９％Ｎｉ鋼など、極低温（例えば−１１０℃以下）においても靱性などの機械的強度の悪化が少ない材料を用いることができる。

次に、準備工程Ｓ２を実行する。図３に示すように、軸線Ｏ方向が鉛直方向に一致するように、また吸入口５が下方に配されるように母材８を載置する。この時点で、下流側開口部１１が上方を向いて載置されるため、母材８における全ての開口部である吸入口５、排出口６、上流側開口部１０、下流側開口部１１のうちで、最大の開口部が上方を向いた状態となる。

準備工程Ｓ２では、上流側開口部１０に蓋をして、上流側開口部１０からの流体の漏洩を防止する。さらに、ポンプ１５及びタンク１６（図３を参照）を設置して配管１６ａを吸入口５及び排出口６に接続する。

さらに、上方に開口する下流側開口部１１をさらに上方に延長するように、下流側開口部１１の開口縁部１１ａを外周側から取り囲んで、下流側開口部１１の上部に液体が溜まる空間を形成する円筒状をなすカバー部材１７を、母材８の上部に取り付ける。このカバー部材１７は、母材８の上部に固定してもよいが、単純に母材８上部にパッキン等を介して載置するのみでもよい。

次に、充填工程Ｓ３を実行する。
図３に示すように、充填工程Ｓ３では、内部空間Ｖに母材８が固相変態する温度以下の温度の流体（冷却材）である液体窒素Ｌを充填させて母材８を固相変態させる。冷却材としては、液体窒素Ｌに限ることはなく、例えば、母材８を接触させることで、母材８を−１１０℃程度にまで冷却することができればよい。また、冷却材は、液体に限らず気体を用いてもよい。

充填工程Ｓ３では、タンク１６からポンプ１５によって吸入口５へ液体窒素Ｌを供給して車室１内を液体窒素Ｌで満たす。この際、貯留された液体窒素Ｌの液面ＳＦがカバー部材１７の内部に位置するように、もしくはカバー部材１７を越えて溢れ出すように液体窒素Ｌの供給量を決定し、下流側開口部１１の上部に液面ＳＦがくることが好ましい。その後、液体窒素Ｌを母材８の排出口６より排出してタンク１６に回収し、母材８の内面８ａ（内部空間Ｖの表面）の冷却を行う。

この際、図示しない熱電対等の温度計測装置を用いて、母材８の内面８ａの温度計測を行う。内面８ａの温度は、熱電対と接続されたモニター（図示せず）によって確認する。
また、図示しない保温材（断熱材）を母材８の外面に巻くなどして、母材８外部の熱が母材８に伝わるのを抑制することが好ましい。保温材としては、例えば、グラスウール等の繊維系断熱材や、ウレタンフォーム等の発泡系断熱材を採用することができる。これにより、母材８をより効率的に冷却することができる。

モニターに表示された温度が、目標とする温度（例えば、−１１０℃）に達したら充填工程Ｓ３を終了する。
これにより、オーステナイト系ステンレス鋼によって形成された母材８に対して、サブゼロ処理（深冷処理、超サブゼロ処理）が施される。即ち、オーステナイト系ステンレス鋼によって形成された母材８において、残留オーステナイトからマルテンサイトへの変態が生じる。

次に、仕上げ加工工程Ｓ４を実行する。仕上げ加工工程Ｓ４では、サブゼロ処理が施された母材８の主に鋳肌に対して機械加工を行い、遠心圧縮機１００の車室１を製造する。これにより、車室形成工程Ｓ１０が完了する。
次いで、車室１の内部空間Ｖに内部部品２，３，４を組み付ける組立工程を実行する。

上記実施形態によれば、大きな母材８であっても、液体窒素Ｌを充填させた槽内に母材８を浸漬させることなく、母材８を固相変態させることができる。即ち、大きな部材に対して、より容易にサブゼロ処理を行うことができる。
即ち、大型の遠心圧縮機１００の車室１であっても、液体窒素Ｌを充填させた槽内に車室１の母材８を浸漬させることなく、車室１を固相変態させることができる。

また、内部空間Ｖの表面８ａの温度を計測することによって、母材８の固相変態が完了したか否かを判断することが可能となる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機１００の製造方法について説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、充填工程Ｓ３の際、母材８の内部空間Ｖに円柱状をなす中子３１を母材８と同心軸上となるように、即ち、中子３１の中心軸が軸線Ｏに一致した状態で、母材８の内部空間Ｖの表面８ａと離間した状態で下流側開口部１１から挿入されて設けられた状態で、液体窒素Ｌを充填する。

図４に示すように、充填工程Ｓ３では、断熱性の中子３１を設置している。中子３１は、熱伝導率の低い材質、例えば、ＰＯＭ（ポリアセタール樹脂）のようなプラスチック（樹脂）を用いることが好ましい。即ち、液体窒素Ｌの温度が伝達されにくく、液体窒素Ｌの温度を上昇させにくい材質の採用が好ましい。
中子３１は、所定の支持部材（図示せず）によって、内部空間Ｖの中央に設置される。内部空間Ｖに中子３１が設置されることによって、内部空間Ｖに充填される液体窒素Ｌの量は少なくなる。

また、中子３１として、金属等の熱伝導率の高い材質を用いてもよい。この場合、中子３１をサブゼロ処理して低温にした後に用いることによって、中子３１による液体窒素Ｌ温度の上昇を抑制することができる。即ち、中子３１を予め冷却する構成としてもよい。

本実施形態の遠心圧縮機１００の製造方法によると、中子３１が挿入されていることで、内部空間Ｖの容積を低減できるので、めっき液Ｗ３の供給量を低減可能となり、コスト抑制につながる。

なお、中子３１は必ずしも同心軸上に設けなくともよく、少なくとも車室１内の容積を低減するように中子３１を設ければ、液体窒素Ｌの供給量低減を図ってコスト抑制が可能となる。

（変形例）
上記実施形態では、母材８の内部空間Ｖに中子３１を配置したが、中子３１の代替として、内部空間Ｖに車室１に組み付ける内部部品２，３，４の少なくとも一つを配置してもよい。この際、内部部品２，３，４を組み付けた状態で配置することが好ましい。即ち、内部空間Ｖを有する母材８を液体窒素Ｌ用の槽として用いてもよい。
このようにすることで、内部空間Ｖに収まる大きさの部品であれば、母材８と共に部品をサブゼロ処理を行うことができる。

（第三実施形態）
本実施形態では、充填工程Ｓ３において、母材８変形を監視する。
この際、図示しないひずみゲージ等の変形測定センサを用いて、母材８の内面８ａの変形を測定する。内面８ａの寸法変化は、ひずみゲージと接続されたモニター（図示せず）によって確認する。
充填工程Ｓ３は、寸法変化が収束した時点で完了とする。

上記実施形態によれば、母材８の固相変態が完了したか否かを母材８の寸法変化の収束によって判断することが可能となる。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態に係る遠心圧縮機の製造方法について説明する。
本実施形態では、サブゼロ処理の対象となる車室１Ａが、第一実施形態から第三実施形態とは異なっている。
図５に示すように、本実施形態の車室１Ａは、軸線Ｏを含むように二つに分割された水平分割型となっている。即ち、本実施形態の空洞部品である車室１Ａの母材８Ａは、複数の部材が組み付けられて構成されるものである。

本実施形態の遠心圧縮機の製造方法は、母材形成工程Ｓ１において、車室１Ａを構成する複数の部材と対応する母材８Ａを形成する。
本実施形態の遠心圧縮機の製造方法は、母材形成工程Ｓ１と準備工程Ｓ２との間に各母材８Ａを仮組する仮組工程を備えている。充填工程Ｓ３では仮組された母材８Ａに対して実施される。

上記実施形態によれば、車室１Ａを構成する空洞部品である母材８Ａが複数の部材が組み付けられて構成されるものであっても母材８Ａを相変態させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
上述の実施形態では、遠心圧縮機について説明を行ったが、軸流式圧縮機や、タービン等の他の回転機械にも上述の製造方法を適用可能である。

１，１Ａ 車室（空洞部品）
２ 内部車室
３ 回転軸
４ インペラ
５ 吸入口
６ 排出口
８，８Ａ 母材
８ａ 表面
１０ 上流側開口部
１１ 下流側開口部
１５ ポンプ
１６ タンク
１６ａ 配管
１７ カバー部材
３１ 中子
１００ 遠心圧縮機
Ｓ１ 母材形成工程
Ｓ２ 準備工程
Ｓ３ 充填工程
Ｓ４ 仕上げ加工工程
Ｓ１０ 車室形成工程
Ｓ２０ 組立工程
Ｌ 液体窒素（流体）
Ｖ 内部空間

Claims (7)

1. 内部空間を有し、前記内部空間が極低温下で使用される空洞部品の製造方法であって、
   前記内部空間となる空間を有する母材を形成する母材形成工程と、
   形成された前記母材の前記内部空間に前記母材が固相変態する温度以下の流体を充填させて前記母材を固相変態させる充填工程と、
   相変態後の前記母材に仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、を備え、
   前記充填工程は、
   前記流体を充填させた槽内に前記母材を浸漬させることなく、かつ、前記母材形成工程の後に前記母材を加熱することなく行われる空洞部品の製造方法。
2. 前記空洞部品は複数の部材が組み付けられて構成されるものであって、
   前記母材形成工程で形成された複数の部材と対応する各母材を仮組する仮組工程とを備え、
   前記充填工程では仮組された母材に対して実施する請求項１に記載の空洞部品の製造方法。
3. 前記充填工程では、前記内部空間の表面と離間した状態で前記内部空間に中子を配置して前記中子と前記母材との間に前記流体を充填させる請求項１又は請求項２に記載の空洞部品の製造方法。
4. 前記中子として前記空洞部品の前記内部空間に組み付ける内部部品を使用する請求項３に記載の空洞部品の製造方法。
5. 前記充填工程では前記内部空間の表面の温度を計測して固相変態の完了を判断する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空洞部品の製造方法。
6. 前記充填工程では前記母材のひずみを計測して固相変態の完了を判断する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の空洞部品の製造方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の空洞部品の製造方法により車室を形成する車室形成工程と、
   形成された前記車室と、内部部品とを組み付ける組立工程とを備える回転機械の製造方法。

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