(57)【要約】【課題】軽量で、摺動特性に優れ、かつ変形のない、ロータリー型圧縮機に適用されるアルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆した複合ベーン及びその製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆して複合ベーンにおいて、前記板材で形成される被覆部材の端部を前記ベーン本体の背面で隙間を設けて対向させ、且つ前記ベーン本体の両端面を開放することにより、軽量で、摺動特性に優れ、且つ変形のない複合ベーンを得る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆したロータリー型圧縮機の複合ベーンであって、前記板材で形成される被覆部材の端部が前記ベーン本体の背面で隙間を設けて対向し、且つ前記ベーン本体の両端面が開放されていることを特徴とするロータリー型圧縮機の複合ベーン。
【請求項２】
前記隙間が0.2〜0.6 mmであることを特徴とする請求項１に記載のロータリー型圧縮機の複合ベーン。
【請求項３】
前記被覆部材の側面と背面とで形成する角度が鋭角であることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリー型圧縮機の複合ベーン。
【請求項４】
前記ベーン本体の前記背面に、前記ベーン本体の側面に平行な溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロータリー型圧縮機の複合ベーン。
【請求項５】
前記被覆部材の前記端部が前記ベーン本体の前記背面の溝部に接していることを特徴とする請求項３に記載のロータリー型圧縮機の複合ベーン。
【請求項６】
前記ベーン本体の前記背面と前記被覆部材の間に空隙部が形成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のロータリー型圧縮機の複合ベーン。
【請求項７】
アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆したロータリー型圧縮機の複合ベーンの製造方法であって、前記鉄系材料の板材から、前記板材の端部が隙間を設けて対向し、且つ側端部が開放された被覆部材を曲げ加工によって形成する工程と、前記被覆部材内にアルミニウム系材料のベーン本体を押込み、組み付ける工程と、組み付け後の複合ベーンを研磨加工する工程を含むことを特徴とするロータリー型圧縮機の複合ベーンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリー型圧縮機に適用される複合ベーンに関し、詳しくは、アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆した複合ベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ベーン型のロータリー圧縮機は、一例として、図１に示すように、内周断面が非円形のシリンダー(2)の内側を回転運動するローター(1)を有し、ベーン(3)はローター(1)の外周部に形成された溝に挿入され、図示しないバネや油圧、さらには回転運動の遠心力によって背面からシリンダー(2)に向けて付勢されることで、ベーン(3)の先端部とシリンダー(2)の内周面が当接し、ベーン(3)、ローター(1)、シリンダー(2)、及び図示しないサイドプレートによって複数の作動空間(6)をシリンダー(2)内に形成する。ローター(1)にはシャフト(7)が締結されており、図示しない動力源によってシャフト(7)を回転させることで、ローター(1)がシリンダー内で回転する。ローター(1)が回転すると、作動空間(6)の容積変化が生じるため、吸入口(4)から冷媒ガスを吸入し、作動空間(6)内の冷媒ガスを圧縮し、吐出口(5)から圧縮された冷媒ガスを吐出して圧縮機として作用することになる。ベーン型ロータリー圧縮機としては、図１に示すものの他に、シリンダー(2)の内周断面を円形としシリンダー(2)の中心とローター(1)の中心を偏芯させる形式のものや、ベーン(3)がローター(1)の外周部ではなくシリンダー(2)側に配されるものもある。
【０００３】
このような機構の中で使用されているベーン(3)の当接面には高い荷重が作用するため、耐摩耗性の高い材料が要求されている。これまで、高クロム鋳鉄、マルテンサイト系ステンレス（SUS440C）、高速度工具鋼（SKH51）等の溶製材料、高速度工具鋼（SKH51）相当材やその他の焼結材料、高強度アルミニウム合金、アルミニウム含浸カーボン等が使用されてきた。鉄系材料のベーンとアルミニウム系材料のベーンを対比すると、鉄系材料は、比重（密度）がアルミニウム系材料の約3倍となることから、ローター回転時のベーンの遠心力がアルミニウム系材料に比べて非常に大きくなる。このため、ベーン(3)とシリンダー(2)のそれぞれの摺動部の摩耗が増大する問題や、ローター(1)の回転始動時にベーン(3)とシリンダー(2)との衝突音（チャタリング）が大きくなるという問題があった。ベーン(3)がアルミニウム系材料の場合、地肌で摺動させたときに凝着の問題を起こすことからベーン(3)の表面にNi-P系のめっきを施す必要があるが、コストが高くなるという問題や、特定の条件下で剥離を起こすという問題により、十分な性能を発揮するに至っていないのが実情である。
【０００４】
これらに対応したものとして、特許文献１及び特許文献２は、アルミニウム系材料の母材に、鉄系材料（特許文献２ではステンレス系材料）を押し出し、引く抜き又はプレスによって密着被覆したベーンを開示している。めっきに代えて鉄系材料（特許文献２ではステンレス系材料）を摺動部に使用しているため、高い摺動特性を維持し、コストを低減でき、また、軽量であるため衝突音の問題も回避できるとしている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２によるベーンは、実際、アルミニウム系材料の母材と鉄系材料の被覆材とを基本的に密着して形成しているため、運転中に、圧縮熱や摺動摩擦熱によるアルミニウム系材料の母材（約23.1×10-6/Kの熱膨張係数）と鉄系材料の被覆材（約11.8〜14.7×10-6/K）との熱膨張差を鉄系材料の被覆材が吸収できずに変形して、ローター(1)の溝から飛び出しにくくなり、かつサイドクリアランスの維持も困難となって冷媒のリークが生じ、圧縮機の性能低下を引き起こす虞をもたらしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１７７７６７号公報
【特許文献２】特開平１０−８２３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み、軽量で、摺動特性に優れ、かつ変形のない、ロータリー型圧縮機に適用されるアルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆した複合ベーン及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者達は、アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆した複合ベーンについて鋭意研究の結果、鉄系材料の板材が閉じた環（ループ）を形成しないようにベーン本体を被覆することによりアルミニウム系材料のベーン本体との熱膨張差を吸収でき、変形のない複合ベーンを得ることができることに想到した。
【０００９】
すなわち、本発明の複合ベーンは、アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆したロータリー型圧縮機の複合ベーンであって、前記板材で形成される被覆部材の端部が前記ベーン本体の背面で隙間を設けて対向し、且つ前記ベーン本体の両端面が開放されていることを特徴とする。前記隙間は0.2〜0.6 mmであることが好ましい。
【００１０】
また、前記被覆部材の側面と背面とで形成する角度が鋭角であることが好ましい。
【００１１】
さらに、前記ベーン本体の前記背面に、側面に平行な溝が形成されていることが好ましく、前記被覆部材の前記端部が前記ベーン本体の前記背面の溝部に接していることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記ベーン本体の前記背面と前記被覆部材の間に空隙部が形成されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の複合ベーンの製造方法は、アルミニウム系材料のベーン本体を鉄系材料の板材で被覆したロータリー型圧縮機の複合ベーンの製造方法であって、前記鉄系材料の板材から、前記板材の端部が隙間を設けて対向し、且つ側端部が開放された被覆部材を曲げ加工によって形成する工程と、前記被覆部材内にアルミニウム系材料のベーン本体を押込み、組み付ける工程と、組み付け後の複合ベーンを研磨加工する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の複合ベーンは、ベーン本体がアルミニウム系材料で形成されているため、従来の鉄系材料のベーンに比べ軽量であり、ローター回転時の遠心力を抑制し、ベーンとシリンダーの摺動部の摩耗を大幅に削減でき、さらに、ローター始動時の衝突音も軽減する。また、表面は鉄系材料で被覆されているため、優れた摺動特性を発揮する。さらに、鉄系材料の板材の端部が閉じた環(ループ)を形成することなくベーン本体の背面で隙間を設けて対向し、且つベーン本体の両端面が開放されているため、アルミニウム系材料のベーン本体の熱膨張を逃しベーンの変形を防ぐことや、アルミ製シリンダーの場合に一定のサイドクリアランスの維持ができる。また、ベーン本体の背面に形成された側面に平行な溝は、ベーン本体を鉄系材料の被覆部材に押込む際のガイドとして機能して、偏りのない正常で容易な組み付けを可能とし、ベーン本体と被覆部材とが熱膨張する際にも、被覆部材の端部がベーン本体の溝部に接することにより、ベーン本体と被覆部材が一体的で且つ溝に平行な方向に熱膨張して拘束による変形を起こり難くする効果を有している。さらに、ベーン本体の溝の形状や深さ、ベーン本体の背面と被覆部材との間に設定する空隙部の大きさにより複合ベーンの重量調整も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の複合ベーンが適用されるロータリー型圧縮機の一例の断面の概略を示した図である。
【図２】本発明の複合ベーンの一例の概略を示した図（(a)は正面図、(b)は側面図）である。
【図３】本発明の複合ベーンの別の一例（ベーン本体背面にＶ字溝を有し、被覆部材の側面と背面の形成する角度を鋭角としている）の概略を示した図（(a)は正面図、(b)は側面図）である。
【図４】本発明の複合ベーンの別の一例（ベーン本体背面には溝がなく、被覆部材の側面と背面の形成する角度を鋭角としている）の概略を示した図（(a)は正面図、(b)は側面図）である。
【図５】本発明の複合ベーンの別の一例（ベーン本体背面にＵ字溝を有し、被覆部材の側面と背面の形成する角度を鋭角としている）の概略を示した図（(a)は正面図、(b)は側面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図２(a)及び(b)に示す複合ベーン(31)は、アルミニウム系材料からなるベーン本体(32)と鉄系材料からなる被覆部材(33)から構成される。ベーン本体(32)は、2000（Al-Cu-Mg）系合金や、6000（Al-Mg-Si）系合金も使用できるが、強度的には、急冷凝固した粉末アルミニウム合金を押出成形した高強度アルミニウム合金を使用することが好ましく、被覆部材(33)は、SPCC等の冷間圧延鋼板も使用できるが、いわゆるバネ材として使用されているSUP9（マンガンクロム鋼）やSWOSC-V（シリコンクロム鋼）やSUS304（オーステナイト系ステンレス鋼）等の板材が好ましく使用できる。複合ベーン(31)は、図２(b)の側面図に示すとおり、ベーン本体(32)の両端面が開放されており、また被覆部材(33)は、その端部がベーン本体の背面(321)で隙間(A)を設けるように成形されている。すなわち、複合ベーンが圧縮熱や摺動熱により加熱されても、ベーン本体(32)は図２(b)の側面図に垂直な方向に自由に膨張可能であり、被覆部材(33)も側面図に垂直な方向にも端部の隙間(A)を縮める方向にも自由に膨張可能であり、熱膨張による拘束を受けないような構造としている。被覆部材(33)が先に加熱されて膨張したことを考慮すれば、前記隙間(A)は0.2 mm以上あることが好ましい。一方、ベーン本体(32)の背面(321)を保持するという観点では、前記隙間(A)は0.6 mm以下であることが好ましい。前記隙間(A)は0.3〜0.5 mmであればなお好ましい。
【００１７】
図３(a)及び(b)に示す複合ベーン(31)は、ベーン本体(32)の背面(321)にベーン本体(32)の側面(322)に平行なＶ字溝(324)が形成されている。同時に被覆部材(33)もベーン本体(32)の背面(321)の溝形状に合わせて板材を折り曲げて成形されている。ベーン本体(32)の溝(324)はＶ字溝に限定されることなく、図５(b)に示すようにＵ字溝でもよい。また、ベーン本体(32)の背面(321)を被覆部材(33)で保持するためには、被覆部材(33)の端部(331)がベーン本体(32)の溝部に接していることが好ましく、そのためには被覆部材(33)の側面(334)と背面(333)とで形成する角度(θ)は鋭角とするのが好ましい。この角度(θ)は、ベーン本体(32)の素材強度や被覆部材(33)の曲げ加工を考慮すると45〜75°であるのが好ましい。被覆部材(33)の端部(331)がベーン本体(32)の溝部に接することにより、複合ベーン(31)が加熱されたときにも、ベーン本体(32)と被覆部材(33)が一体的で且つ溝(324)に平行な方向に熱膨張して拘束による変形を起こり難くしている。
【００１８】
さらに、ベーン本体(32)の背面(321)及び背面近傍の側面(322, 323)の形状によっては、空隙部(S)が形成される。図４(b)はベーン本体(32)の背面(321)に溝がない場合を示しているが、空隙部(S)はごく僅かである。しかし、例えば、図５(b)に示すＵ字溝(323)の深さを増加したり、ベーン本体(32)の側面(322, 323)からベーン本体(32)の厚さを減肉したり、あるいは被覆部材(33)の側面(334)と背面(333)とで形成する角度(θ)を鋭角とすることにより、空隙部(S)の体積を増加することができる。すなわち、ベーン本体(32)の背面(321)及び背面近傍の側面(322, 323)と被覆部材(33)との間に設定する空隙部(S)の大きさにより複合ベーンの重量調整も可能とすることができる。また、鉄系材料の板材の側面（334,335）の厚みを減肉させ、シリンダーと接触する先端部（332）を厚くすることで始動時の飛び出し性を改善し、低速回転時の性能を向上することもできる。
【００１９】
本発明の複合ベーンは、鉄系材料の板材から、前記板材の端部が隙間を設けて対向し、且つ側端部が開放された被覆部材を曲げ加工によって成形する工程と、前記被覆部材にアルミニウム系材料のベーン本体を押込み、組み付ける工程と、組み付け後の複合ベーンを研磨加工する工程を含むことを特徴とする。本発明の被覆部材は基本的に環（ループ）を形成しないことを特徴としているため、板材からの曲げ加工により成形することが適している。また、ベーン本体を確実に保持するためには、被覆部材の側面(334, 335)がやや閉じる方向に成形することが好ましい。さらに、ロータリー型圧縮機のベーンは、先端部(332)のＲ面、厚さ寸法、及び長さ寸法において厳しい公差が要求されるため、ベーン本体を被覆部材に組み付けた後に、それぞれ研磨加工することが必要である。
【実施例】
【００２０】
実施例１
ベーン本体として、T6処理をしたA6061（Al-Mg-Si）（JIS規格材：JIS H 4000）合金の板材から、図２に示す形状の先端をＲ加工した厚さ3 mm×幅13.45 mm×長さ34 mmの素材を製作した。被覆部材としては、厚さ0.3 mm×幅34 mmのSUS304の板材から、ベーン本体の側端面を開放しSUS304板材（JIS規格材：JIS G 4313）の端部がベーン本体の背面で隙間を設けて対向して被覆できる図２(b)に示す形状に、プレス機を使用した曲げ加工により製作した。ここで、隙間寸法は0.4 mmとした。なお、被覆部材の側面は、ベーン本体に抱き付くように少し内側に強めに折り曲げた。ベーン本体の被覆部材への組み付けは、側端部から被覆部材へ押し込むことによって行い、その後、先端部のＲ面、側面及び側端面を研磨加工して本発明の複合ベーンとした。これらの複合ベーンを図１に示すような構造の実機試験機に組み込み、200時間の連続実機試験を行った。複合ベーンは変形や焼付等のトラブルもなく、またチャタリングの発生もなかった。
【００２１】
実施例２
ベーン本体の背面の形状を図３(b)に示すようなＶ字溝とし、被覆部材の背面をベーン本体のＶ字溝にあわせて側面と背面の形成する角度が鋭角になるように曲げ加工した以外は実施例１と同様に製作し、実施例１と同じ連続実機試験を行った。試験結果は、実施例１と同様に、変形や焼付等のトラブルもチャタリングの発生もなかった。
【００２２】
実施例３及び４
実施例１で用いたベーン本体に、実施例２で用いた被覆部材（但し、被覆部材の背面端部はベーン本体の背面に接触している）を組み合わせて製作した図４に示す複合ベーンを実施例３とし、背面の形状が図５(b)に示すようなＵ字溝のベーン本体と、実施例２で用いた被覆部材（但し、被覆部材の背面端部はベーン本体背面の溝部に接触している）を組み合わせて製作した図５に示す複合ベーンを実施例４として製作し、実施例１と同じ連続実機試験を行った。試験結果は、いずれも実施例１と同様に、変形や焼付等のトラブルもチャタリングの発生もなかった。
【００２３】
実施例５
高強度で熱膨張係数の比較的低い、急冷凝固した高Siのアルミニウム粉末成形体の熱間押出して製造した材料を用いてベーン本体を製造した以外は、実施例２と同様にして複合ベーンを製造し、実施例１と同じ連続実機試験を行った。試験結果は、変形や焼付等のトラブルもチャタリングの発生もなかった。
【００２４】
実施例６
被覆部材としてSUS304の板材の代わりにSPCC（JIS規格材：JIS G 3141）の冷間圧延鋼板を使用し、最終工程でSi3N4粒子を分散したNi-Pめっきを約10μm被覆した以外は実施例２と同様にして複合ベーンを製造した。実施例１と同じ連続実機試験を行った結果、変形や焼付等のトラブルもチャタリングの発生もなかった。
【符号の説明】
【００２５】
1    ローター  
2    シリンダー
3    ベーン      
4    吸入口  
5    吐出口
6    作動空間
7    シャフト
31   複合ベーン
32   ベーン本体（端面）
33   被覆部材（側端部）
321  ベーン本体の背面
322, 323   ベーン本体の側面
324  溝  
331  被覆部材（鉄系材料の板材）の端部
332  被覆部材の先端部（Ｒ面）
333  被覆部材の背面
334, 335   被覆部材の側面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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