JP4886370B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン、該ピストンを有する往復動型流体機械及びピストンの製造方法に係り、詳しくは、ＣＯ_２冷媒を使用する冷凍サイクルに適用される車両の空調装置に好適なピストン、該ピストンを有する往復動型流体機械及びピストンの製造方法に関する。

この種の往復動型流体機械は、近年、小型化・軽量化が進められており、特にＣＯ_２冷媒を使用する冷凍サイクルに適用される流体機械では、従来のフロン系冷媒を使用する場合に比して吐出容量を小さくできるため、ピストンの往復動方向の長さを大幅に短くできる。しかしながら、ピストン長さの短縮に伴い、ピストンの側面にかかるサイドフォースが増大し、ピストン側面或いはシリンダボア内面の磨耗が加速され、流体機械の耐久性が低下してしまう。

そこで、例えば、特許文献１では、ピストンの側面にテフロン（登録商標）系の被覆層を形成し、更にこの被覆層の上からピストンの側面を環状に加工して形成されるリング溝にテフロン（登録商標）系のピストンリングを装着し、シリンダボア内におけるピストンの摺動性を高める技術が開示されている。
特開平１０−１６９５５７号公報

ところで、ＣＯ_２冷媒を使用する冷凍サイクルでは、このような被覆層の剥がれが生じる。なぜなら、ＣＯ_２冷媒を使用すると、フロン系冷媒、例えばＲ１３４ａ冷媒を使用する場合に比して、作動圧が約７〜約１０倍程度高くなるため、ピストンの往復動方向に被覆層が引っ張られる力が増大するからである。
特に、ピストンリングが装着されるリング溝部は、被覆層が形成されるコーティング工程、被覆層を均一に研磨する研磨工程を経て、溝加工工程で形成される。すなわち、リング溝部は被覆層を分断して形成されるため、ピストン往復動の際に被覆層の分断箇所を起点に被覆層が剥がれやすい。そして、結局は被覆層が形成されないときと同様に、ピストン側面或いはシリンダボア内面の磨耗を引き起こし、ピストン、ひいては流体機械の耐久性が低下するとの問題がある。

一方、リング溝部にまで被覆層を形成することが考えられる。しかし、リング溝部に被覆層を形成するには、溝加工工程終了後に再びコーティング工程を設ける必要がある。更に、ピストンリングの装着精度を確保するには、リング溝部の被覆層を研磨する必要があるため、ピストンの製造工程を大幅に変更せざるを得ず、ピストン生産設備の改造を要してコスト高となる。

また、被覆層を剥がれ難くするために塗膜強度の高い被覆剤を使用することも考えられるが、これもまた被覆剤がコスト高となり、結局は流体機械のコストが増大するとの問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、ピストンの被覆層の剥離が安価に防止され、その耐久性を向上させることができるピストン、該ピストンを有する往復動型流体機械及びピストンの製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載のピストンの製造方法は、シリンダボア内を往復動するピストンであって、ピストンは、シリンダボアに摺接される円筒面部と、円筒面部からピストンの軸線に向けて傾斜してシリンダボアから離間するテーパ面部とを加工する工程と、円筒面部に被覆層を施すとともに、テーパ面部にシリンダボアから離間する被覆層を施す工程と、シリンダボアから離間する被覆層を有するテーパ面部の一部分を残し、ピストンリングに装着されるリング溝部を加工する工程とを含んで製造されることを特徴としている。

更にまた、請求項２記載の発明では、テーパ面部は、切削にて加工されていることを特徴とし、また、請求項３記載の発明では、テーパ面部は、鍛造或いは圧造にて加工されていることを特徴としている。更に、請求項４記載の発明では、テーパ面部は、鋳造にて加工されていることを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明のピストンの製造方法によれば、ピストンの側面に円筒面部を加工する工程では、シリンダボアから離間するテーパ面部が併せて加工され、ピストンに被覆層を施す工程、リング溝部を加工する工程に変更を生じない。よって、ピストンの生産設備の改造を要することなく、ピストンの耐久性がより安価に向上される。
更に、請求項２記載の発明によれば、テーパ面部が切削にて加工されるため、従来のピストンを利用して容易にピストンを改造して成形することができ、ピストンの耐久性が更に安価に向上される。更にまた、請求項３記載の発明によれば、テーパ面部が鍛造或いは圧造にて加工されるため、ピストンの大量生産がより安価に実施でき、ピストンの生産性及び耐久性が向上され、また、請求項４記載の発明によれば、テーパ面部が鋳造にて加工され、ピストンの大量生産が極めて安価に実施でき、ピストンの大幅な生産性向上と耐久性の向上が図られる。

図１に一実施形態として示される圧縮機２は、可変容量型の斜板式圧縮機であり、例えばＣＯ_２を冷媒として使用する冷凍回路に適用され、車両用空調装置の圧縮機として用いられる。この冷凍回路は、冷媒としてのＣＯ_２が循環する循環経路（図示しない）を備え、循環経路には圧縮機２、及びいずれも図示しないガスクーラ、膨張弁、蒸発器が順次介挿されている。圧縮機２は冷媒を圧縮してガスクーラに送出し、これにより冷媒が循環経路を循環する。

圧縮機２のハウジング４は円筒状のケーシング６を含み、ケーシング６の両端はそれぞれ開口し、その内周面には円筒状のシリンダブロック８が嵌合している。シリンダブロック８の一端にはバルブプレート１０を介してシリンダヘッド１２が連結され、シリンダブロック８の他端にはクランク室１４が区画されている。また、シリンダブロック８を囲む領域には、ケーシング６の外端面にてバルブプレート１０側に開口する複数の軸方向穴１６が形成され、各軸方向穴１６の内周面には雌螺子がねじ立てされている。

ケーシング６内には回転軸１８が配置され、回転軸１８はクランク室１４をその軸線方向に貫通して延びている。回転軸１８は、軸受２０、２２を介してシリンダブロック８及びケーシング６に回転自在に支持されている。
また、クランク室１４内には、回転軸１８を囲む環状の斜板２４が収容され、斜板２４は傾動ユニット２６を介して回転軸１８に取付けられている。従って、斜板２４は回転軸１８とともに一体的に回転可能であるとともに、回転軸１８に対して傾動可能である。なお、傾動ユニット２６は回転軸１８と一体に回転可能なロータ２８を含み、回転軸１８のための軸受２２は、ロータ２８の筒部の外周面とケーシング６の内周面との間に設けられている。

一方、シリンダブロック８には、複数のシリンダボア３０が回転軸１８の軸線の回りに同心上に形成され、回転軸１８に平行な各シリンダボア３０内には、クランク室１４側から後述するピストン３２がシリンダボア３０に対して摺動可能に挿入されている。ピストン３２の円筒状の側面３２ａにはＣ字状のピストンリング３４が装着され、クランク室１４内に突出したピストン３２の端部には、回転軸１８に向けて開口した凹所が形成され、凹所の内面は球面座として形成されている。球面座にはそれぞれ半球状をなす一対のシュー３６が配置され、これらシュー３６は斜板２４の外周縁を摺動自在に厚み方向両側から挟んでいる。

軸受１８側のケーシング６の他端には、ガスケット（図示せず）及びバルブプレート１０を介してシリンダヘッド１２が気密に固定されている。つまり、シリンダヘッド１２もハウジング４の一部を構成しているが、より詳しくは、シリンダヘッド１２、ガスケット及びバルブプレート１０には、軸方向穴１６の開口位置に合致してボルト孔３８が形成されている。シリンダヘッド１２は各ボルト孔３８を貫通して軸方向穴１６に押えボルト４０をねじ込むことにより、ケーシング６に締結されている。

シリンダヘッド１２の外端壁には前述の循環経路に接続される吸入ポート４２及び吐出ポート（図示せず）が形成されている。また、シリンダヘッド１２の内部には、これら吸入ポート４２及び吐出ポートに連通する吸入室４４及び吐出室４６が区画され、更に、電磁制御弁（図示せず）が収容されている。電磁制御弁は、そのソレノイドのオン／オフ作動によって、吐出室４６からクランク室１４に亘って延びる圧力調整流路（図示せず）を開閉可能である。

なお、吸入室４４は、吸入リード弁（図示せず）を介して各シリンダボア３０に連通する一方、バルブプレート１０に形成された固定絞り（図示せず）を介してクランク室１４と常時連通している。また、吐出室４６も、リード弁体（図示せず）及び弁押さえ４８からなる吐出リード弁を介して各シリンダボア３０に連通している。
一方、回転軸１８は、ケーシング６からメカニカルシール５０を介して突出した一端部５２を有する。回転軸１８の一端部５２には、プーリ５４を有する電磁クラッチ５６が連結され、電磁クラッチ５６は、軸受５８を介してケーシング６により回転自在に支持されている。ただし、環状のブラケット６０がケーシング６の端部に外側から嵌合され、電磁クラッチ５６のソレノイド６２は、ブラケット６０を介してケーシング６に固定されている。電磁クラッチ５６は、ソレノイド６２のオン／オフ作動によりエンジン（図示しない）等からの動力を回転軸１８に断続的に伝達する。

電磁クラッチ５６がオン作動されると、エンジン等からの動力が電磁クラッチ５６を介して回転軸１８に伝達され、回転軸１８が回転する。回転軸１８の回転は斜板２４を介してピストン３２の往復運動に変換され、各ピストン３２の往復運動は、吸入室４４内の冷媒が吸入リード弁を介してシリンダボア３０に吸入される吸入工程と、シリンダボア３０内で冷媒が圧縮される圧縮工程と、圧縮された冷媒が吐出リード弁を介して吐出室４６に吐出される吐出工程とからなる一連のプロセスを実施する。なお、圧縮機２から吐出される冷媒の吐出量は、電磁制御弁の開閉作動によりクランク室１４内の圧力（背圧）を制御し、もってピストン３２のストローク長を増減させることにより調整される。

ここで、図６を参照して上述したピストン３２について詳述すると、ピストン３２の側面３２ａは円筒面部６４を有し、円筒面部６４の略全域にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を主成分とするフッ素系樹脂、いわゆるテフロン（登録商標）系の被覆層６６が形成されている。被覆層６６の外周面はシリンダボア３０の内径と略同一の外径をなしており、被覆層６６を介して円筒面部６４がシリンダボア３０の内面に摺接する。

また、側面３２ａの外周方向に沿ってリング溝部６８が刻設され、このリング溝部６８には図１に示されるピストンリング３４が装着されて、側面３２ａとシリンダボア３０の内面との微少隙間を埋めつつ、ピストン３２の摺動性、シリンダボア３０内の圧縮ガスのシール性等を高めている。
図７に詳しく示されるように、円筒面部６４とリング溝部６８と間には、円筒面部６４からリング溝部６８に向けて傾斜するテーパ面部７０が形成され、テーパ面部７０は、円筒面部６４からピストン３２の軸線方向に角度にしてΦだけ傾斜し、換言すると、ピストン３２がシリンダボア３０に挿入された状態で、シリンダボア３０から角度Φに相当する所定の間隙割合で離間する方向にテーパ面部７０が延びている。更に、テーパ面部７０は円筒面部６４から連続した被覆層６６に覆われ、この被覆層もテーパ面部７０と略同一の間隙割合でシリンダボア３０から離間している。

以下、更に図２から図５を参照してピストン３２の製造工程について説明する。
まず、図２に示されるピストン３２の一次加工工程では、円筒面部６４とテーパ面部７０とが形成される。リング溝部６８が形成される所定の位置にはピストン３２の軸線に向けて傾斜するテーパ面部７０が互いに対峙して加工され、これらテーパ面部は円筒面部６４よりも小径となる小径円筒面部７２に連なる斜面として形成される。

より詳しくは、図３に示されるように、小径円筒面部７２の内径は、円筒面部６４の内径に比して、前述したテーパ面部７０の傾斜角度Φで規定される所定の長さＬだけ小さくなる。この長さＬは、次に説明するコーティング工程で、円筒面部６４及びテーパ面部７０並びに小径円筒面部７２に対して同時に略均一な厚さの被覆層６６が形成可能な距離であり、約０．２ｍｍ程度とされる。また、このようなピストン３２の形状は、従来のテーパ面部７０を有していない形状のピストンを切削加工して形成可能であり、一方ピストン３２を新規に製造する場合には、鍛造或いは圧造にて加工され、好ましくは鋳造にて加工される。

次に、図４に示されるように、ピストン３２のコーティング工程では、円筒面部６４及びテーパ面部７０並びに小径円筒面部７２に対して連続する略均一な厚さｔ_０の被覆層６６が形成される。被覆層６６が厚さｔ_０で均一に形成されるため、前述したテーパ面部７０と同様に、テーパ面部７０における被覆層６６もシリンダボア３０から離間させられるべくピストン３２の軸線に向けて傾斜している。

次に、ピストン３２の研磨工程に入り、図４のＡ側のみ被覆層６６が研磨除去される。より詳しくは、図５に示されるように、ピストン３２がシリンダボア３０に対して円滑に摺動可能な所定の厚さｔ_１になるまで、円筒面部６４、及びテーパ面部７０の一部の被覆層６６が研磨され、研磨被覆部６６ｂが形成される。一方、テーパ面部７０の残部、及び小径円筒面部７２の被覆層６６は、研磨されないでコーティングされた厚みのままで、それぞれテーパ面部７０に沿って傾斜するテーパ被覆部６６ａ、及び研磨被覆部６６ｂよりピストン３２の軸線方向に位置する内方被覆部６６ｃとして残されている。

次に、再び図７を参照すると、ピストン３２のリング溝部６８を加工する溝加工工程では、被覆層６６を有するテーパ面部７０の一部分を残してリング溝部６８が形成される。すなわち、テーパ被覆部６６ａの一部を残して被覆層６６が分断され、内方被覆部６６ｃを含む小径円筒面部７２が除去される。残されたテーパ被覆部６６ａの一部である被覆層６６の端縁６６ｄは、面取りされて円筒面部６４における被覆部６６ｂの表面６６ｅよりピストン３２の軸線方向に位置づけられる。

このように、ピストン３２は、一次加工工程で円筒面部６４、テーパ面部７０、小径円筒面部７２が形成され、コーティング工程で被覆層６６が形成された後に、研磨工程でテーパ被覆部６６ａ及び内方被覆部６６ｃを除いて被覆層６６が研磨され、研磨被覆部６６ｂが形成される。そして、最後に溝加工工程でテーパ被覆部６６ａが分断され、内方被覆部６６ｃが除去されてリング溝６８が形成され、ピストン３２の製造工程が完了する。

以上のように、本実施形態では、テーパ面部７０が円筒面部６４とリング溝部６８との間に形成され、テーパ面部７０は円筒面部６４からリング溝部６８に向けて傾斜してシリンダボア３０から離間している。一方、被覆層６６もテーパ被覆部６６ａにおいてシリンダボア３０から離間しており、被覆層６６の端縁６６ｄが研磨された研磨被覆部６６ｂの表面６６ｅよりピストン３２の軸線方向に位置づけられる。よって、端縁６６ｄを含むテーパ被覆部６６ａはシリンダボア３０とは直接に接触しないため、被覆層６６の剥がれが防止され、コーティング剤の塗膜強度を高めなくてもピストン３２、ひいては圧縮機２の耐久性が安価に向上される。

また、テーパ被覆部６６ａは研磨されないため、研磨被覆部６６ｂに比して肉厚となっている。よって、被覆層６６の剥離の起点となる端縁６６ｄを含むテーパ被覆部６６ａの塗膜強度が高まるため、ピストン３２、ひいては圧縮機２の耐久性向上に有利である。
一方、ピストン３２の製造工程では、ピストン３２の一次加工工程において、円筒面部６４とテーパ面部７０とが併せて加工される。よって、ピストン製造におけるコーティング工程、溝加工工程は、テーパ面部７０を有さない従来のピストンの製造工法、工程と同じであるため、生産設備の改造を要することなくピストン３２の耐久性がより安価に向上される。

ここで、ピストン３２のテーパ面部７０が切削加工にて成形される場合には、従来のピストンを利用して容易にピストン３２を成形することができ、ピストン３２の耐久性が更に安価に向上される。
一方、テーパ面部７０が鍛造或いは圧造加工にて成形される場合には、切削加工する場合に比してピストン３２が安価に大量生産可能となり、より好ましくは、鋳造加工することにより、金型製作にかかる初期投資を要しても、長期的視野にたてばピストン３２が極めて安価に大量生産可能となり、ピストン３２の耐久性の向上に加え、その大幅な生産性向上が図られる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、一実施形態では、テーパ被覆部６６ａの一部を残して被覆層６６が分断され、内方被覆部６６ｃを含む小径円筒面部７２が除去されてリング溝部６８が形成されるが、被覆層６６の端縁６６ｄが、研磨被覆部６６ｂの表面６６ｅよりピストン３２の軸線方向に位置づけられていればよく、小径円筒面部７２の一部が残されていても被覆層６６の剥離が防止される。

また、一実施形態では、被覆層６６の材料となるコーティング剤はＰＴＦＥを主成分とするフッ素系樹脂としたが、特にこれには限定されない。ただし、ＰＴＦＥを主成分とするフッ素系樹脂の被覆層６６は、耐摩耗性に優れるので好ましい。
更に、一実施形態では、テーパ面部７０の傾斜角度Φで規定される所定の長さＬを約０．２ｍｍ程度としたが、コーティング工程で同時に略均一な厚さの被覆層６６が形成可能であればよく、この長さＬはコーティングマシンの性能に左右されるものであり、この数値に限定されない。

最後に、本発明の往復動型流体機械は、両頭の斜板式圧縮機や揺動板式圧縮機、膨張機等にも適用可能であるのは勿論である。

冷凍回路に適用された一実施例の流体機械の縦断面を示す図である。 図１のピストンの１次加工段階における形状を示した図である。 図２の要部IIIの拡大図である。 図１のピストンのコーティング加工及び研磨加工段階における形状を示した図である。 図４の要部Vの拡大図である。 図１のピストンを拡大して示し、溝加工後の形状を示した図である。 図６の要部VIIの拡大図である。

符号の説明

２ 圧縮機（往復動型流体機械）
３０ シリンダボア
３２ ピストン
３２ａ 側面
３４ ピストンリング
６４ 円筒面部
６６ 被覆層
６８ リング溝部
７０ テーパ面部

Claims (4)

1. シリンダボア内を往復動するピストンであって、
   該ピストンは、
   前記シリンダボアに摺接される円筒面部と、該円筒面部から前記ピストンの軸線に向けて傾斜して前記シリンダボアから離間するテーパ面部とを加工する工程と、
   前記円筒面部に被覆層を施すとともに、前記テーパ面部に前記シリンダボアから離間する被覆層を施す工程と、
   該シリンダボアから離間する被覆層を有するテーパ面部の一部分を残し、ピストンリングに装着されるリング溝部を加工する工程とを含んで製造されることを特徴とするピストンの製造方法。
2. 前記テーパ面部は、切削にて加工されていることを特徴とする請求項１記載のピストンの製造方法。
3. 前記テーパ面部は、鍛造或いは圧造にて加工されていることを特徴とする請求項１記載のピストンの製造方法。
4. 前記テーパ面部は、鋳造にて加工されていることを特徴とする請求項１記載のピストンの製造方法。

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