JPWO2004061307A1 - コンプレッサ - Google Patents

Abstract

構成部品に使用する材料の適切な選択、又はハウジングの形状の工夫によって、構成部品の強度を確保しつつ肉厚を薄く設計できるようにし、以ってコンプレッサ全体の小型化、軽量化、低コスト化を図る。冷凍サイクルにおいて用いられるコンプレッサであって、ハウジング及び内部機構を構成する部品のうちの少なくとも１つに、常温での引張強さが８００Ｎ／ｍｍ２より大きい強靭材料を用いた。また、ハウジングの底面及び内周面の接合部分において、該底面をＲ形状とし、該内周面を傾斜形状又はＲ形状とした。

Description

本発明は、冷凍サイクルにおいて用いられるコンプレッサに関するものである。

二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクル（ＣＯ_２サイクル）は、Ｒ１３４ａ等を冷媒とする冷凍サイクルに比べてコンプレッサから吐出される冷媒の圧力及び温度が高くなるため、コンプレッサの設計に特別な配慮が必要となる。現在、コンプレッサの構成部品（ハウジング、内部機構）を形成する材料としては、軽量、鋳造できる等の利点から、主にアルミ系材料が用いられている。しかし、アルミは高温下において引張強さが大きく低下するという性質を有するため、これをハウジング等の構成部品に用いる場合には、十分な強度を確保するためにその部品を肉厚に設計せざるを得ない。このため、ＣＯ_２サイクル用のコンプレッサの小型化は難しいものであった。
上記のような問題に対処する従来の発明としては、自動車用空調装置に用いられるコンプレッサにおいて、ハウジングを極めて堅牢な材料から形成することによって、コンプレッサの小型化を図るというものがある（特開２０００−５４９５８号参照）。この従来の発明において、「堅牢な材料」とは、その伸び限界が５００Ｎ／ｍｍ^２以上、特に７００〜８００Ｎ／ｍｍ^２の範囲にあるものと示唆されており（特開２０００−５４９５８号：段落番号００１２，請求項７及び８参照）、具体的なものとして、鋼、ブロンズ合金、チタン、繊維強化された材料等が挙げられている（特開２０００−５４９５８号：請求項２〜６参照）。
また、構成部品の形状を工夫することによって、コンプレッサの小型化を目指すこともでき、その従来技術としては、ピストンを、大径ピストン部および小径ピストン部からなる段付き形状とするとともに、シリンダボアの形状をピストンの外形状に沿うようにすることにより、大径ピストン部および大径ボア部におけるヘルツ応力を小さくすることができるので、コンプレッサの軸方向寸法の小型化を図ることができるというものがある（特開平１１−２４１６７７号参照）。
しかしながら、上記特開２０００−５４９５８号に示されている「堅牢な材料」には、以下の不都合がある。先ず、示されている材料の伸び限界（降伏点）は、構成部品の強度を確保したままコンプレッサの小型化、軽量化、低コスト化を実現させるには不十分である。また、挙げられている種々の材料において、鋼は、鋳造不可能なものであり成形時のコストが高くなるという不具合を有する。ブロンズ合金は、ＪＩＳ Ｈ ５１１４によれば、例えばアルミニウム青銅鋳物の引張強さが最小値５８８Ｎ／ｍｍ^２以下であり、本発明者らが必要と考える強度に満たないものと思われる。チタンは、高価な材料であると共に純チタンの引張強さが５００Ｎ／ｍｍ^２以下であり、これも強度が十分ではない。繊維強化された材料としては強化プラスチックが考えられるが、その引張強さは、高強度のガラス綿布充填された不飽和ポリエステルで３６０Ｎ／ｍｍ^２、特殊ナイロンで２５０Ｎ／ｍｍ^２と、これも強度が十分ではない。
また、上記特開平１１−２４１６７７号に示される発明は、コンプレッサ全体の大きさ及び重量に最も影響のあるハウジングを小型化及び軽量化するための直接的な構成が示されているものではなく、このためコンプレッサ全体の小型化、軽量化、低コスト化にとっては、利するところの少ないものと言わざるを得ない。
そこで、本発明は、構成部品に使用する材料の適切な選択、又はハウジングの形状の工夫によって、構成部品の強度を確保しつつ肉厚を薄く設計できるようにし、以ってコンプレッサ全体の小型化、軽量化、低コスト化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ハウジングの形状の工夫により構成部品の肉薄化を達成し、以ってコンプレッサの小型化、軽量化、低コスト化を目指すものであり、冷凍サイクルにおいて用いられるコンプレッサであって、ハウジングの底面及び内周面の接合部分において、該底面側はＲ形状であり、該内周面側は傾斜形状又はＲ形状となっているものである。
前記Ｒ形状及び傾斜形状によって、前記接合部分に集中する圧力を分散させることができるので、ハウジングの耐圧性が増加し、これによってハウジングの肉厚を従来よりも薄く設計することができる。
また、上記圧力分散効果、コンプレッサの設計上の理由（ピストンの稼動範囲への考慮等）から、前記底面側のＲ形状部は２〜１０ｍｍであること、前記底面側のＲ形状部の最大径≧ハウジングの内径であること、前記内周面側の傾斜形状部は前記底面側のＲ形状部の最大径部と該内周面側とをつなぐ円錐形状の面であることが望ましい。
また、本発明は、使用する材料の適切な選択により構成部品の肉薄化を図るものであり、冷凍サイクルにおいて用いられるコンプレッサであって、ハウジング及び内部機構を構成する部品のうちの少なくとも１つに、常温での引張強さが８００Ｎ／ｍｍ^２より大きい強靭材料を用いたものである。
本発明者らは調査研究の結果、コンプレッサの構成部品にアルミ等の従来の材料に替わって鉄等の強靭材料を用いる場合に、コンプレッサ使用時の温度（１５０℃前後）における強靭材料の引張強さが、従来の材料の３倍以上であれば、ハウジング等の構成部品を十分な強度を確保しつつ肉薄に設計することが可能となり、以ってコンプレッサの小型化、軽量化、低コスト化を実現することができることを見出した。第２図は、温度と引張強さσ_Ｂとの関係を示すグラフであり、ラインＡは鉄、ラインＢはアルミ合金の場合であり、鉄よりもアルミ合金の方が、温度の上昇に伴って引張強さσ_Ｂが下降する割合が大きく、その傾向は１５０℃を超える辺りから更に顕著となることを示している。このようなアルミ合金の引張強さσ_Ｂの傾向は、冷凍サイクルにおけるコンプレッサの最高使用温度が１８０℃前後に達することから考えると、大いに考慮されるべき点である。現在一般的にコンプレッサのハウジング等に用いられるアルミ合金の引張強さは、点Ｃに示すように、およそ１５０℃において２５０Ｎ／ｍｍ^２である。点Ｄは、およそ１５０℃において前記点Ｃの３倍の引張強さσ_Ｂ＝７５０Ｎ／ｍｍ^２となる前記ラインＡ上の点であり、点Ｅは、前記ラインＡ上の常温Ｔｒ（１５〜２０℃）における引張強さσ_Ｂが８００Ｎ／ｍｍ^２となることを示す点である。このことから、コンプレッサ使用時（１５０℃前後）における鉄（強靭材料）の引張強さをアルミ合金（従来の材料）の３倍以上とするためには、強靭材料の引張強さσ_Ｂが常温Ｔｒにおいて８００Ｎ／ｍｍ^２より大きい必要があることがわかる。
また、第３図は、バーＬに示す引張強さσ_Ｂ＝２５０Ｎ／ｍｍ^２のアルミ合金の重量を基準にした鉄材料の重量比を該鉄材料の引張強さ別に示したグラフである。バーＭは、σ_Ｂ＝６２５（２５０の２．５倍）Ｎ／ｍｍ^２の鉄Ａの重量比が０．９８であることを示し、バーＮは、σ_Ｂ＝７５０（２５０の３倍）Ｎ／ｍｍ^２の鉄Ｂの重量比が０．７８であることを示している。このことから、現在一般的に用いられているアルミ合金の引張強さ（２５０Ｎ／ｍｍ^２）の３倍の引張強さ（７５０Ｎ／ｍｍ^２）を有する鉄Ｂをハウジング等の構成部品に用いることにより、上記鉄Ｂの重量比（０．７８）から予測できるように、この構成部品の肉厚を薄く設計しても、十分な強度を確保することが可能となり、以ってコンプレッサ全体の小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
また、上記発明において、使用時の最高温度における前記強靭材料の引張強さが、常温時の８０％以上であることが望ましい。使用時と不使用時の引張強さの変化が小さい材料を用いることによって、製品の信頼性等を向上させることができる。
前記強靭材料としては、鋳鉄を用いることができ、該鋳鉄は、オーステンパ処理が施されベイナイト組織となったものであることが望ましい。
鋳鉄（１．７％以上の炭素を含む鉄合金）は、低価格、加工性の容易さから好適に用いることができる。また、鋳鉄はオーステンパ処理を施すことにより、強靭さを高めることができる。
また、前記強靭材料としては、チタン合金を用いることができ、該チタン合金は、溶体化及び時効が施されたものであることが望ましい。チタン合金は、一般に強靭な性質を有するが、溶体化及び時効の処理を施すことにより、更にその強靭性を高めることができる。
また、前記強靭材料としては、鋳造法により製造されたものや、粉末冶金法により製造されたものが好適である。
以上のように、上記強靭材料を使用することによって、ハウジング等の部材を肉薄に設計することが可能となるため、強度を確保しつつコンプレッサの小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
また、上記コンプレッサは、従来その高温高圧環境により小型化が難しかった冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクルにおいて、好適に用いられるものである。

第１図は、本発明に係るコンプレッサの構成を示す断面図である。第２図は、鉄及びアルミ合金における温度と引張強さとの関係を示すグラフである。第３図は、引張強さσ_Ｂ＝２５０Ｎ／ｍｍ^２のアルミ合金の重量を基準にした鉄材料の重量比を該鉄材料の引張強さ別に示したグラフである。第４図は、本発明の実施の形態におけるハウジング（フロントヘッド）の内部形状を示す一部拡大断面図である。第５図は、本発明の他の実施の形態におけるハウジング（フロントヘッド）の内部形状を示す一部拡大断面図である。

以下、添付した図面を参考にして本発明の実施の形態を説明する。第１図に示すコンプレッサ１は、二酸化炭素を冷媒とする超臨界蒸気圧縮冷凍サイクル（ＣＯ_２サイクル）において使用されるものである。このコンプレッサ１のハウジングは、シリンダブロック２、バルブプレート３、フロントヘッド４、リアヘッド５がボルト６により軸方向に締結されることによって構成されている。
フロントヘッド４とシリンダブロック２とにより画成されるクランク室７には、内部機構として、シリンダブロック２に形成された圧縮室８内を往復動するピストン９、駆動軸１０、駆動軸１０と同期して回転し前記ピストン９を往復運動させる斜板機構１１、駆動軸１０と斜板機構１１を傾動可能に連結する回転支持体（図示せず）等が配置されている。
そして、本構成のコンプレッサ１においては、少なくとも前記ハウジングを構成する部材（２，３，４，５）が、常温Ｔｒ（１５〜２０℃）での引張強さσ_Ｂが８００Ｎ／ｍｍ^２よりも大きい強靭材料により形成されている。この強靭材料において、常温時でσ_Ｂ＞８００Ｎ／ｍｍ^２という条件は、第２図に示すように、点Ｄに示す１５０℃前後、即ちコンプレッサ１使用時の温度における強靭材料（鉄）の引張強さσ_Ｂ（７５０Ｎ／ｍｍ^２）が、点Ｃに示す従来のコンプレッサのハウジングに一般的に用いられているアルミ合金の引張強さσ_Ｂ（２５０Ｎ／ｍｍ^２）の３倍となるようにしたこと、また該強靭材料の温度上昇に伴う引張強さσ_Ｂの下降度を考慮したことから導き出されたものである。
第３図に示すように、σ_Ｂ＝２５０Ｎ／ｍｍ^２のアルミ合金の３倍の引張強さ（７５０Ｎ／ｍｍ^２）を有する鉄Ｂ（バーＮ）は、このアルミ合金との重量比が０．７８となる。このことから、鉄Ｂをコンプレッサのハウジング、その他の構成部品に用いることにより、十分な強度を確保しつつその肉厚を薄く設計することができ、以って小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。
また、前記強靭材料は、コンプレッサ１使用時の最高温度（例えば１８０℃）での引張強さが、常温時の８０％以上となるものを使用することが望ましい。これにより、製品の信頼性がより向上する。
前記強靭材料の一例としては、鋳鉄が挙げられる。鋳鉄は、１．７％以上の炭素を含む鉄合金であり、通常は炭素の他に、珪素、マンガン、りん等を含み、鋳造が容易であり、耐磨耗性、切削性等に優れるものである。また、鋳鉄を用いる場合には、オーステンパ処理を施しベイナイト組織化することが望ましい。オーステンパ処理とは、適当な温度に加熱して安定なオーステナイト組織としたものを、変態を阻止してそのままフェライト及びパーライト生成温度以下、マルテンサイト生成温度以上の適当な温度範囲に保持した冷却剤中に急冷し、その温度でベイナイトに変態させた後、室温まで冷却する操作であり、これにより、ひずみの発生及び焼入れを防止すると共に強靭性を与えることができる。
また、前記強靭材料の別の例としては、チタン合金が挙げられる。チタン合金は、Ｔｉと他の遷移金属を主成分とする合金であり、一般に強靭な性質を持つ。また、チタン合金を用いる場合には、溶体化及び時効の処理を施すことが望ましい。溶体化とは、合金を高温側の固溶体領域まで加熱して、その温度に適当な時間保持し、固溶体化させる処理である。時効とは、急冷、冷間加工等の後、時間の経過に伴い材料の性質（硬度）が変化する現象であり、ここでは時効硬化を目的として行う。
また、前記強靭材料は、大量生産性、製造コスト等の面から、鋳造法又は粉末冶金法により製造されることが望ましい。
以上のように、上記強靭材料を用いることにより、十分な強度を確保しつつハウジング等の構成部品の肉厚を薄く設計することが可能となり、これによってコンプレッサ１全体の小型化、軽量化、低コスト化を実現することができる。尚、上記において強靭材料をハウジングに用いることを記載したが、本発明は、強靭材料を内部機構においても適宜の用いることを含意するものである。
以下に、ハウジングの形状の工夫によって、ハウジングを肉薄化する構成を示す。第１図において、前記フロントヘッド４内部には、底面２０及び内周面２１が存する。前記底面２０は、前記シリンダブロック２と対面し駆動軸１０が貫通する穴が形成された略円形状の面であり、前記内周面２１は、前記底面２０の縁部と前記シリンダブロック２とをつなぐ略円筒形状の面である。
本構成に係るコンプレッサ１の特徴は、第１図及び第４図に示すように、前記底面２０と前記内周面２１との接合部分において、底面２０側がＲ形状部２５となっており、内周面２１側が傾斜形状部２６となっていることである。これにより、前記接合部分に集中する圧力を分散させることができるので、フロントヘッド４の耐圧性が増加し、これによってフロントヘッド４の肉厚を従来よりも薄く設計することができる。
また、上記圧力分散効果、コンプレッサの設計上の理由（ピストン９の稼動範囲への考慮等）から、前記Ｒ形状部２５の長さは、２〜１０ｍｍであることが望ましく、Ｒ形状部２５の最大径をＤｒ、ハウジング（フロントヘッド４）の内周面２１の内径をＤｉとすると、Ｄｒ≧Ｄｉであることが望ましい。また、傾斜形状部２６は、前記Ｒ形状部２５の最大径部２８と内周面２１とをつなぐ略円錐形状の面であることが望ましい。
第５図に示すのは、他の実施の形態における上記底面２０と内周面２１との接合部分の形状であり、前記底面２０側のＲ形状部２５と同様に、前記内周面２１もＲ形状部３０となっているものである。この構成によっても、上述した実施の形態と同様に、フロントヘッド４の耐圧性を増加させることができ、その肉厚を従来よりも薄く設計することができる。

以上のように、ハウジング等の構成部品の材料として、上記強靭材料を用いることにより、この構成部品の強度を十分に確保しつつ肉厚を薄く設計することが可能となり、以ってコンプレッサの小型化、軽量化、低コスト化を実現することができる。また、ハウジングの形状を上述のように工夫することにより、ハウジングの耐圧性を向上させることができ、これによってハウジングの肉厚を従来よりも薄く設計することが可能となる。

Claims (13)

1. 冷凍サイクルにおいて用いられるコンプレッサであって、
   ハウジングの底面及び内周面の接合部分において、該底面側はＲ形状であり、該内周面側は傾斜形状又はＲ形状であることを特徴とするコンプレッサ。
2. 前記底面側のＲ形状部は、２〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のコンプレッサ。
3. 前記底面側のＲ形状部の最大径≧ハウジングの内周面の内径であることを特徴とする請求項１又は２記載のコンプレッサ。
4. 前記内周面側の傾斜形状部は、前記底面側のＲ形状部の最大径部と該内周面とをつなぐ略円錐形状の面であることを特徴とする請求項１〜３記載のいずれか１つに記載のコンプレッサ。
5. 冷凍サイクルにおいて用いられるコンプレッサであって、
   ハウジング及び内部機構を構成する部品のうちの少なくとも１つに、常温での引張強さが８００Ｎ／ｍｍ^２より大きい強靭材料を用いたコンプレッサ。
6. 使用時の最高温度における前記強靭材料の引張強さが、常温時の８０％以上であることを特徴とする請求項５記載のコンプレッサ。
7. 前記強靭材料が鋳鉄であることを特徴とする請求項６又は７記載のコンプレッサ。
8. 前記鋳鉄は、オーステンパ処理が施されベイナイト組織となったものであることを特徴とする請求項７記載のコンプレッサ。
9. 前記強靭材料がチタン合金であることを特徴とする請求項５又は６記載のコンプレッサ。
10. 前記チタン合金は、溶体化及び時効が施されたものであることを特徴とする請求項９記載のコンプレッサ。
11. 前記強靭材料が鋳造法により製造されたものであることを特徴とする請求項５又は６記載のコンプレッサ。
12. 前記強靭材料が粉末冶金法により製造されたものであることを特徴とする請求項５又は６記載のコンプレッサ。
13. 前記冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載のコンプレッサ。

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