JPH11257254A - 容積形流体機械の部材加工法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】旋回式容積形流体機械のディスプレーサ，シリ
ンダの加工を精度良く加工する場合、機械加工を用いる
と、加工機の占有時間が長くなり、結果として膨大な台
数の加工機が必要となり、設備投資が多大になる問題が
ある。 【解決手段】粉末冶金法、又は精密鋳造法により成形さ
れたディスプレーサ，シリンダを、図８に示すようにブ
ローチを配置し、ブローチ加工を行うことにより、高精
度なディスプレーサ，シリンダを製造することができる
とともに、加工機の占有時間が長くなる問題を解決し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばポンプ，
圧縮機等に係り、特に容積形流体機械の前記ディスプレ
ーサ及び前記シリンダの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられている旋回型流体機械
の代表例としてスクロール圧縮機である。該スクロール
圧縮機の主要部材である固定及び旋回スクロールは、特
開昭59−13541 号公報に記載の冷間鍛造法及び特開昭64
−54806 号公報に記載の熱間鍛造法で一般的に成形され
ている。また、特開平5−79478号公報に記載のように鋳
造による鋳鉄で成形されている。

【０００３】一方、固定及び旋回スクロールの成形に粉
末冶金法を適用した例として、特開平5−113181 号公報
に記載のように旋回スクロールを、２０重量％〜３０重
量％のシリコンを含むアルミニウム粉末による粉末冶金
法で成形する方法、または１重量％〜３重量％の燐を含
むニッケル合金からなる表面層を有する１重量％〜２０
重量％のシリコン系化合物を分散させたアルミニウム合
金を用いて成形する方法、特開平2−197506 号公報に記
載のように固定及び旋回スクロールの成形において、渦
巻き状のラップの先端近傍部を形成するアルミニウム系
材料中に固体潤滑剤を分散させた混合粉末を用い、アル
ミニウム系材料からなるスクロール本体とともに一体で
粉末冶金法により成形する方法、特開昭64−12090 号公
報においてスクロールラップなどを焼結成形する時に成
形用のグラファイトの型を誘導加熱または通電加熱とを
単独、または併用して放電焼結する方法などが考案され
ている。

【０００４】さらに、特開昭64−379号及び特開平5−33
2270号公報に記載のように熱硬化性及び熱可塑性樹脂で
射出成形されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】固定及び旋回スクロー
ルを鋳造で成形した場合、砂型鋳物などでは冷却速度と
の関係で表面にチル層が生じる。このため、成形後、荒
加工−中仕上げ−上仕上げの３工程の機械加工（精度約
５μｍ）で製品寸法に仕上げなければならない問題があ
った。

【０００６】固定及び旋回スクロールをアルミニウム系
粉末材料を用いて粉末冶金法により成形を行うと、焼結
を行ったあとに熱による材料の膨張・収縮がアルミニウ
ム系材料では大きいためラップ部分が外側に向かって変
形し、後工程として必ず機械加工により荒加工−中仕上
げ−上仕上げの３工程または中仕上げ−上仕上げの２工
程が必要であった。

【０００７】さらに、熱硬化性及び熱可塑性樹脂の射出
成形で一体成形される方法では、成形精度が０.２〜０.
３mmであり、このままスクロール部材として用いること
は出来ず、切削性が悪いので機械加工で仕上げるにも困
難である。

【０００８】また、いずれの公知例においても部材の機
械加工を行う際には、精度良い部材を前工程までに加工
しなければ、加工機の占有時間が長くなり、量産品のス
クロールを生産する場合には、膨大な台数の加工機が必
要となり、設備投資が多大になる問題があった。

【０００９】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決した容積形流体機械の主要部材の製造方法並び
にその部材を用いた容積形流体機械を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】端板間にディスプレーサ
とシリンダとを配置し、回転軸の回転中心に前記ディス
プレーサ中心を合わせたとき前記シリンダ内壁面及び前
記ディスプレーサ外壁面により１つの空間が形成され、
前記ディスプレーサ及び前記シリンダとの位置関係を旋
回位置においたときは、複数の空間が形成される容積形
流体機械において、前記ディスプレーサと前記シリンダ
をブローチ加工により製造することにより、前記ディス
プレーサ及び前記シリンダを高精度かつ安価に製造する
ことが達成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の特徴は以下
の実施形態によりさらに明確になる。以下、本発明の一
実施例の形態を図を用いて説明する。まず、本発明に係
る旋回形流体機械の構造を図１乃至図３を用いて説明す
る。図１は本発明に係る容積型流体機械を圧縮機として
用いた場合における密閉型圧縮機の縦断面図、図２は図
１の要部拡大断面図、図３は圧縮要素の平面図である。
なお、図１と図２に示した圧縮要素部の断面図は図３の
Ａ−Ａ断面に相当する。

【００１２】図１において、１は本発明に係る容積形圧
縮要素、２はこれを駆動する電動要素、３は容積型圧縮
要素１と電動要素２を収納した密閉容器である。容積形
圧縮要素１の詳細を図３を用いて説明する。同図は同一
輪郭形状が３組組み合わされた３条ラップを示してい
る。シリンダ４の内周形状は、いちょうの葉のような形
状をした中空部が１２０°（中心ｏ′）毎に同一の形状
が現れるように形成されている。この個々のいちょうの
葉状をした中空部の端部には、内方に向かって突出する
複数（この場合は３つ）の略円弧形状のベーン４ｂを有
する。ディスプレーサ５は、このシリンダ４の内側に配
設され、シリンダ４の内周壁４ａ（ベーン４ｂよりも曲
率が大きい部分）及びベーン４ｂと噛み合うように構成
されている。なお、シリンダ４の中心ｏ′とディスプレ
ーサ５の中心ｏを一致させると、両者の輪郭形状は相似
形となっており、両者の間には一定幅の隙間が形成され
る。

【００１３】次に、容積形圧縮要素１の作動原理を図３
及び図４により説明する。記号ｏはディスプレーサ５の
内心、記号ｏ′はシリンダ４（あるいは駆動軸６）の中
心である。記号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆはシリンダ４の
内周壁４ａ及びベーン４ｂとディスプレーサ５の噛み合
いの接点を表す。ここで、シリンダ４の内周輪郭形状を
みると、同じ曲線の組合せが３箇所連続して滑らかに接
続されている。このうちの１箇所に着目すると、内周壁
４ａ，ベーン４ｂを形作る曲線を、厚みのある一つの渦
曲線（ベーン４ｂの先端を渦の巻始めと考える）とみる
ことができ、その内壁曲線（ｇ−ａ）は巻き角がほぼ３
６０°（設計上は３６０°であるが製造誤差のため丁度
その値にはならないという意味である。以下、同様）の
渦曲線で、外壁曲線（ｇ′−ｂ）は巻き角がほぼ１８０
°の渦曲線である。

【００１４】そして、上記１箇所の内周輪郭形状は、内
壁曲線，外壁曲線、及び、外壁曲線と内壁曲線を結ぶ接
続曲線（ｇ−ｇ′）から形成されている。これら３つの
曲線からなる渦巻体を円周上にほぼ等ピッチ（１２０
°）に配設し、隣合う渦巻体の外壁曲線と内壁曲線とは
円弧等の滑らかな曲線（例えば、ｂ−ｂ′）で結ぶこと
によって、シリンダ４の内周輪郭形状が構成されてい
る。ディスプレーサ５の外周輪郭形状も上記シリンダ４
と同じ原理で構成されている。

【００１５】なお、３つの曲線からなる渦巻体を円周上
にほぼ等ピッチ（１２０°）に配設するとしたが、これ
は後述する圧縮動作に伴う荷重を均等に分散させる目的
と製造のし易さを配慮したためで、特に、これらのこと
が問題にならない場合は、不当ピッチでもよい。

【００１６】さて、このように構成されたシリンダ４と
ディスプレーサ５による圧縮動作を図４を用いて説明す
る。７ａは吸入ポートであり、８ａは吐出ポートであ
り、夫々３か所に設けられている。駆動軸６を回転させ
ることにより、ディスプレーサが固定側であるシリンダ
４の中心ｏ′の周りを自転することなしに旋回半径ε
（＝ｏｏ′）で公転運動し、ディスプレーサ５の中心ｏ
周りに複数の作動室１５（シリンダ内周輪郭（内壁）と
ピストン外周輪郭（側壁）とにより囲まれて密閉された
複数の空間のうち、吸入が終了し圧縮（吐出）行程とな
っている空間をいう。

【００１７】圧縮終了時点ではこの空間は無くなるが、
その瞬間に吸入も終了するのでこの空間を１つと勘定す
る。ただし、ポンプとして用いる場合は、吐出ポートを
介して外部と連通している空間をいう）が形成される
（本実施の形態では常時３個の作動室）。接点ａと接点
ｂで囲まれハッチングが施された１つの作動室（吸入終
了時点では２つに別れているが、圧縮行程が開始される
と直ぐにこの２つの作動室はつながって１つになる）に
着目して説明する。

【００１８】図４（１）が吸入ポート７ａからこの作動
室への作動ガスの吸入が終了した状態である。この状態
から９０°駆動軸６が回転した状態が図４（２）で、回
転が進み最初から１８０°回転した状態が図４（３）
で、さらに回転が進み最初から２７０°回転した状態が
図４（４）である。図４（４）から９０°回転すると最
初の図４（１）の状態に戻る。

【００１９】これより、回転が進むに従って作動室１５
はその容積を縮少し、吐出ポート８ａは吐出弁９（図２
に示す）で閉じられているため作動流体の圧縮作用が行
われることになる。そして、作動室１５内の圧力が外部
の吐出圧力よりも高くなると圧力差で吐出弁９が自動的
に開き、圧縮された作動ガスは吐出ポート８ａを通って
吐き出される。吸入終了（圧縮開始）から、吐出終了ま
での軸回転角は３６０°で、圧縮，吐出の各行程が実施
されている間に次の吸入行程が準備されており、吐出終
了時が次の圧縮開始となる。

【００２０】例えば、接点ａとｄによって構成される空
間に着目すると、図４（１）の段階で既に吸入が開始さ
れており、回転が進むにつれてその容積が増し、図４
（４）の状態になると、この空間は分断される。この分
断された量に相当する流体は接点ｂとｅによって形成さ
れる空間から補われる。上記圧縮動作について以下に詳
述する。

【００２１】図４（１）の状態の接点ａとｂとにより形
成された作動室に着目すると、隣の接点ａとｄによって
形成された空間は吸入が始まっており、この中の流体が
軸回転角３６０°後に接点ａとｂによって形成される空
間によって圧縮される筈であるが、この空間は、一旦図
４（３）に示されるように広がった後、図４（４）にな
ると分断されてしまうので、接点ａとｄによって形成さ
れた空間の全ての流体が接点ａとｂによって形成される
空間で圧縮される訳ではない。

【００２２】分断されて接点ａとｄによって形成された
空間に取り込まれなかった流体体積と同量の流体は、図
４（４）において吸入過程にある接点ｂとｅによって形
成される空間が、図４（１）に示されるように分断さ
れ、吐出ポート付近の接点と接点ｂとにより形成される
空間に流入している流体によって充当される。

【００２３】これは、前述したように、不均等ピッチで
配置したのではなく均等ピッチで配置したことによる。
即ち、ディスプレーサおよびシリンダの形状が同一輪郭
形状の繰返しにより形成されているため、いずれの作動
室も異なる空間から流体を得てもほぼ同量の流体を圧縮
することができるのである。なお、不均等ピッチであっ
ても各空間に形成される容積が等しくなるように加工を
施すことは可能であるが製作性が悪い。このように作動
室に隣合う吸入過程にある空間が分断されて圧縮動作を
行うことは本実施形態の特徴でもある。何故なら、前出
のいずれの従来技術においても吸込過程にある空間が閉
じられて、そのまま圧縮され吐出されるものであるから
である。

【００２４】前記したような輪郭形状を持つディスプレ
ーサ及びシリンダは運転時にディスプレーサのベーン部
先端部分及び根本部分、シリンダのベーン部分及び根本
部分はその他の部分と比べてディスプレーサとシリンダ
が接触する際の接触圧力が大きい。この、接触圧力が大
きくなる部分は、ディスプレーサ及びシリンダの輪郭形
状により決定する事ができる。

【００２５】次に本発明の実施例に係るディスプレーサ
及びシリンダの製造方法、特に、ディスプレーサの軸
穴，位置決め用穴，外壁面、及びシリンダの内壁面の製
造方法について説明する。図５は第１の実施例の工程
図、図６はブローチ加工法を用いた仕上げ加工の説明
図、図７はディスプレーサの外壁面をブローチ加工する
際の位置決めを行う手法の説明図である。

【００２６】（実施例１）まず、第１の実施例について
説明する。図５の工程１，２に示すように、粉末冶金法
により成形を行い、焼結を行う。次に工程３に示すよう
に、サイジングを行った。サイジング後の再圧体が、１
０〜２０μｍの機械加工しろを残す程度の大きさになる
ように金属粉末を成形する際の金型、及びサイジングを
行うための金型形状のプロファイル形状を設計した。な
お、粉末冶金法において、焼結を行った時点で、成形精
度を保証できる程度の成形精度で焼結体が成形されてい
る場合はサイジングを行う必要はない。

【００２７】次に、ディスプレーサ及びシリンダの表面
に酸化膜を生成させ、ディスプレーサ，シリンダの表面
が摺動した際に磨耗することがなく、また、圧縮機に使
用する際に焼結材内部に存在する空孔を伝って圧縮気体
が漏れることがないようにした。なお、酸化膜を生成さ
せる代わりに樹脂を含浸させても良い。また、ここまで
のプロセスは粉末冶金法以外に精密鋳造法を用いても同
等の素形材が出来る。

【００２８】次に、上記の手法で得られた素形材を切削
加工，研削加工により仕上げ加工を行う。まず、ディス
プレーサ，シリンダの上面，下面を研削加工により仕上
げる事でディスプレーサ，シリンダを所定の厚さに仕上
げ加工を行った。

【００２９】そして、ブローチ加工法によりディスプレ
ーサの外周面、シリンダの内周面の仕上げ加工を行う。
ブローチ加工法について図６及び図７を用いて説明す
る。図６はブローチ加工する際の位置決めを行う手法の
説明図であり、図７はブローチ加工法を行う順序を示し
たフローチャートである。

【００３０】図６について説明する。ブローチ加工を行
う際の素形材の位置決めは、図６に示すＸ，Ｙ，θｘ，
θｙ，θｚの５つの方向を調整することでおこなう。ま
ず、ディスプレーサ上面又はシリンダ上面の任意の３点
を接触式変位計又はレーザ変位計で計測し、ディスプレ
ーサ上面又はシリンダ上面がＸＹ平面と平行となるよう
にθｘ，θｙを調整する。但し、ブローチ加工機械の作
業テーブルとブローチ工具が垂直であり、かつ、ディス
プレーサ上面と下面、又はシリンダ上面と下面が平行な
場合は、θｘ，θｙの調整は不要である。

【００３１】次にＸ方向，Ｙ方向を移動させる事により
素形材の中心を加工位置の中心に合わせ、最後にθｚを
調整する事により、素形材を所定の場所に合わせる。Ｘ
方向，Ｙ方向，θｚ方向の位置決めを繰り返し行う事に
より、位置決めの精度を向上させてもよい。

【００３２】位置決めが終了した後に素形材の固定を行
う。素形材の固定は、軸穴６ｂ及び貫通穴５ｂにネジま
たはピンを通す事により行った。粉末冶金法または精密
鋳造法により素形材が予め高精度に成形されている場合
は、貫通穴５ｂによる固定は行わなくてもよい。また、
工程の順序において、前記した固定法を行った後に前記
した位置決め法を行ってもよい。

【００３３】ブローチ加工について、図７を用いて説明
する。まず、前記した方法でテーブル２４にディスプレ
ーサ又はシリンダの素形材２５を固定し、位置決めを行
う。次に上方からブローチ２３を降ろし、切削位置を通
して、テーブル下部にある下部ブローチ固定治具２６に
ブローチ２３を固定する。そして、テーブル２４を上方
に移動させ、切削を行う。テーブル２４が最上部まで行
くと切削が完了し、上部ブローチ固定治具２１が外れ
る。この位置でディスプレーサ又はシリンダの素形材２
５を取り外し、テーブル２４を元の位置に戻し、上部ブ
ローチ固定治具２１でブローチを固定し、下部ブローチ
固定治具２６を外し、最初の状態に戻す。

【００３４】ディスプレーサ５及びシリンダ４のプロフ
ァイルは様々な曲率半径が組み合わされた複雑な形状で
あるため、ブローチ加工を適用するためには複数のブロ
ーチを用い、それぞれのブローチが再研削可能とする事
で高精度なディスプレーサ及びシリンダを継続的に製造
できるようにした。図８に三条のディスプレーサの場合
のプロファイルをブローチ加工を行う際のブローチの配
置図を示す。内側形状を切削する部分で一つのブローチ
３２とし、外側形状を切削する部分で一つのブローチ３
３とした。ブローチの再研削を効率的に行うために、図
９に示すように、曲率半径の大きな部分と小さな部分で
異なるブローチとしても良い。

【００３５】図８に示すブローチを使用した場合のブロ
ーチ加工の加工順序を図１０に示す。まず、軸穴をブロ
ーチ加工を行った。次に外側形状を切削するブローチ３
３を３本使用して、外側形状部分を３箇所同時にブロー
チ加工した。そして最後に内側形状を切削するブローチ
３２を３本使用して内側形状部分を３箇所同時にブロー
チ加工した。

【００３６】この加工順序は異なる順序としてもよい。
また本加工は１箇所ずつ行ってもよく、同時に３１，３
２，３３のすべてのブローチを用いて一度にディスプレ
ーサ５又はシリンダ４のプロファイルのブローチ加工を
行ってもよい。いずれの加工順序、同時に用いるブロー
チの数によっても、他の切削加工，研削加工を行う場合
と比べて、高精度なディスプレーサ５，シリンダ４を飛
躍的に早く加工する事ができる。

【００３７】（実施例２）第二の実施例の工程図を図１
１に示す。工程１，２は第一の実施例と同じであるた
め、説明は省略する。工程３において位置決めを行い、
工程４においてブローチ加工を行い、最後に上面，下面
の仕上げ加工を行う。位置決め手法，ブローチ加工，上
面，下面の仕上げ加工それぞれの手法は実施例１と同様
である。本実施例はディスプレーサ及びシリンダの上
面，下面の平行度が、ブローチ加工を行う際の位置決め
に対して大きく影響しない場合に適用する事ができる。

【００３８】（実施例３）第三の実施例は、第一，第二
の実施例において、ブローチ加工時のディスプレーサ
５，シリンダ４の固定治具を簡略化している。ディスプ
レーサ５の場合のブローチ２３の配置の例を図１２に示
す。容積形流体機械のディスプレーサ５，シリンダ４
は、円周上に、様々な曲率半径の円弧により構成されて
いる凸部が存在している。その凸部をブローチ加工する
際、図１２に示すように凸部を挾み込むようにブローチ
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆを配
置する。

【００３９】そして、すべての凸部に同じ状態にし、ブ
ローチ加工を行う。このようにブローチ４１ａ，４１
ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆを配置する事によ
り、ディスプレーサ５及びシリンダ４にブローチ４１
ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆが与える
力を凸部の両側から与えることができ、ブローチ４１
ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆから与え
る力により凸部が成形することはなくなり、ブローチか
ら与えられる力による変形を拘束するための固定治具を
簡略化する事ができる。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、駆動軸の周りに２箇所以上の複数の作動室を配設
し、個々の作動室の吸入終了から吐出終了までの軸回転
角をほぼ３６０°になるように構成する事により、吐出
過程の過圧縮損失を大幅に低減し、かつディスプレーサ
に働く自転モーメントを軽減してディスプレーサとシリ
ンダ間の摩擦損失を低減する事により、性能向上がはか
れ、かつ信頼性の高い容積形流体機械が得られる。ま
た、このような旋回型流体機械を冷凍サイクルに搭載す
る事により、エネルギ効率に優れ、信頼性の高い冷凍・
空調システムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る旋回型流体機械を圧縮機に適用し
た密閉形圧縮機の縦断面図。

【図２】図１の要部拡大図。

【図３】本発明に係る旋回型流体機械の圧縮要素の平面
図。

【図４】本発明に係る旋回型流体機械の作動原理を説明
する平面図。

【図５】第一の実施例の工程を示すフロー図。

【図６】第一の実施例におけるブローチ加工を行うため
の位置決め手法の説明する斜視図。

【図７】ブローチ加工法の説明する断面図。

【図８】ブローチ加工を行う際のブローチの配置を示す
平面図。

【図９】ディスプレーサ及びシリンダの製作に用いるブ
ローチの例を示す部分平面図。

【図１０】第一の実施例におけるブローチ加工の加工順
序を示す平面図。

【図１１】第二の実施例の工程順を示すフローチャー
ト。

【図１２】第三の実施例におけるブローチ加工時のブロ
ーチの配置を示す部分平面図。

【符号の説明】

１…旋回型圧縮要素、２…電動要素、３…密閉容器、４
…シリンダ、４ａ…内周壁、４ｂ…ベーン、５…ディス
プレーサ、５ａ…軸受、５ｂ…貫通穴、６…駆動軸、６
ａ…クランク部、６ｂ…軸穴、７…主軸受、７ａ…吸入
ポート、８…副軸受、８ａ…吐出ポート、８ｂ…吐出
室、９…吐出弁、１０…吸入カバー、１１…吐出カバ
ー、１２…潤滑油、１３…吸入パイプ、１４…吐出パイ
プ、１５…作動室、１６…シール部材、Ｘ…位置決め移
動方向１，Ｙ…位置決め移動方向２、Ｚ…位置決め移動
方向３、θＸ…位置決め回転方向１，θＹ…位置決め回
転方向２、θＺ…位置決め回転方向３、２１…上部ブロ
ーチ固定治具、２２…メーンシリンダ、２３…ブロー
チ、２４…テーブル、２５…素形材、２６…下部ブロー
チ固定治具、３１…軸穴用ブローチ、３２…内側形状用
ブローチ、３３…外側形状用ブローチ、３３ａ…外側形
状用ブローチａ、３３ｂ…外側形状用ブローチｂ、３３
ｃ…外側形状用ブローチｃ、３３ｄ…外側形状用ブロー
チｄ、３３ｅ…外側形状用ブローチｅ、３３ｆ…外側形
状用ブローチｆ、３３ｇ…外側形状用ブローチｇ、４１
ａ…凸部加工用ブローチａ、４１ｂ…凸部加工用ブロー
チｂ、４１ｃ…凸部加工用ブローチｃ、４１ｄ…凸部加
工用ブローチｄ、４１ｅ…凸部加工用ブローチｅ、４１
ｆ…凸部加工用ブローチｆ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】端板間にディスプレーサとシリンダとを配
   置し、回転軸の回転中心に前記ディスプレーサ中心を合
   わせたとき前記シリンダ内壁面及び前記ディスプリーサ
   外壁面により１つの空間が形成され、前記ディスプレー
   サ及び前記シリンダとの位置関係を旋回位置においたと
   きは複数の空間が形成される容積型流体機械の、前記デ
   ィスプレーサと前記シリンダの製造方法において、 前記ディスプレーサの軸穴，位置決め用穴，外壁面、及
   び、前記シリンダの位置決め用穴，内壁面の加工におい
   て、局所的にブローチ加工法を用いる事を特徴とする容
   積形流体機械の製造方法。