(57)【要約】      （修正有）【課題】スクロール部材の強度および耐久性を向上したスクロール圧縮機を得る。【解決手段】スクロール圧縮機が、基部と概ね渦巻き形のラップとを有するスクロール部材を有しており、そのラップが、基部から延びて圧縮室の一部を画定している。スクロール部材が、微細構造を備える鋳鉄材料でできており、その微細構造が黒鉛ノジュールを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクロール圧縮機であって、
基部と概ね渦巻き形のラップとを有するスクロール部材であって、前記ラップが前記基部から延びて圧縮室の少なくとも一部を画定するスクロール部材を備えており、前記スクロール部材が、黒鉛ノジュールを有する微細構造を含んでいるスクロール圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載のスクロール圧縮機であって、前記黒鉛ノジュールが、フェライト−パーライトの母材内にあるスクロール圧縮機。
【請求項３】
請求項１に記載のスクロール圧縮機であって、前記微細構造が、約８０％を超えかつ１００％未満であるノジュール性を有するスクロール圧縮機。
【請求項４】
請求項１に記載のスクロール圧縮機であって、前記ノジュールが球状であるスクロール圧縮機。
【請求項５】
請求項１に記載のスクロール圧縮機であって、基部と前記基部から延びる概ね渦巻き形のラップとを有する第２のスクロール部材を含んでおり、前記第２のスクロール部材が、前記スクロール部材に対して旋回するように駆動され、前記スクロール部材の前記ラップが、組み合わさって前記圧縮室を画定し、前記スクロール部材が軸方向および半径方向コンプライアンスを有するスクロール圧縮機。
【請求項６】
スクロール圧縮機であって、
基部と前記基部から延びて圧縮室の少なくとも一部を画定する概ね渦巻き形のラップとを有するスクロール部材を備えており、前記スクロール部材が、黒鉛ノジュール形成剤を有する材料を含むスクロール圧縮機。
【請求項７】
請求項６に記載のスクロール圧縮機であって、前記黒鉛ノジュール形成剤が、黒鉛ノジュールを有する微細構造を形成するのに適した量で、前記材料内に存在するスクロール圧縮機。
【請求項８】
請求項６に記載のスクロール圧縮機であって、前記黒鉛ノジュール形成剤がマグネシウムを含むスクロール圧縮機。
【請求項９】
請求項８に記載のスクロール圧縮機であって、前記黒鉛ノジュール形成剤が、ニッケルおよび前記マグネシウムの合金を含むスクロール圧縮機。
【請求項１０】
請求項９に記載のスクロール圧縮機であって、前記マグネシウムが、約４重量％と約１８重量％の間の前記合金を構成するスクロール圧縮機。
【請求項１１】
請求項８に記載のスクロール圧縮機であって、前記マグネシウムが、約０．０２重量％と約０．０８重量％の間の前記材料を構成するスクロール圧縮機。
【請求項１２】
請求項１１に記載のスクロール圧縮機であって、前記マグネシウムが、約０．０３重量％と約０．０６重量％の間の前記材料を構成するスクロール圧縮機。
【請求項１３】
請求項６に記載のスクロール圧縮機であって、前記黒鉛ノジュール形成剤が、セリウムおよびマグネシウムを含むスクロール圧縮機。
【請求項１４】
請求項１３に記載のスクロール圧縮機であって、前記セリウムが、約０．０００５重量％と約０．０１重量％の間の前記材料を構成し、前記マグネシウムが、約０．０３重量％と約０．０６重量％の前記材料を構成するスクロール圧縮機。
【請求項１５】
請求項６に記載のスクロール圧縮機であって、前記黒鉛ノジュール形成剤が、希土類金属を含むスクロール圧縮機。
【請求項１６】
請求項１５に記載のスクロール圧縮機であって、前記希土類金属が、最大０．３００重量％の前記材料を構成するスクロール圧縮機。
【請求項１７】
請求項１５に記載のスクロール圧縮機であって、前記希土類金属が、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、イットリウム、スカンジウム、トリウム、およびジルコニウムから選択されるスクロール圧縮機。
【請求項１８】
請求項６に記載のスクロール圧縮機であって、前記材料が、６０ｋｐｓｉ（４１３．７ＭＰａ）よりも高い引張り強度を有するスクロール圧縮機。
【請求項１９】
スクロール圧縮機を製造する方法であって、
（ａ）  鋳鉄材料を溶融して溶融材料を生成するステップと、
（ｂ）  ノジュール形成剤を前記溶融材料に添加するステップと、
（ｃ）  前記溶融材料を、スクロール圧縮機部材を形成する形状を有する型に移すステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、溶融材料を冷却して、前記スクロール圧縮機部材を形成することを含み、前記スクロール圧縮機部材が、基部と概ね渦巻き形のラップとを有し、前記ラップが前記基部から延びて圧縮室の少なくとも一部を画定する方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、ステップ（ｂ）が、スクロール圧縮機部材に約０．０００５重量％と約０．０１重量％の間の残余セリウムを生じるのに適した量のセリウムを溶融材料に添加すること、ならびに、スクロール圧縮機部材に約０．０３重量％と約０．０６重量％の間の残余マグネシウムを生じるのに適した量のマグネシウムを溶融材料に添加することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、スクロール圧縮機に関し、より具体的には、改善された強度および耐久性を有するスクロール圧縮機部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
スクロール圧縮機は、冷媒圧縮システムにおいて広く利用されつつある。周知のように、一対のスクロール部材それぞれは、基部を有し、その基部は、それ自体から延びる概ね渦巻き形のラップを有している。一般に、一方のスクロールは非旋回式であり、他方のスクロールは非旋回スクロールに対して旋回する。旋回スクロールは、非旋回スクロールに接触して、圧縮室を密封し画定する。２つのスクロール部材の一方は、他方に対して旋回され、圧縮室の寸法は、冷媒が圧縮されているとき、吐出しポートに向かって減少する。
【０００３】
冷媒圧縮システムの一例に、空気調整または他の環境調整システムがある。周知のように、圧縮機は冷媒を圧縮し、その冷媒を下流の熱交換器へ、典型的には凝縮器（コンデンサ、冷却器）へ送る。凝縮器から、冷媒は主膨張装置を通過し、次いで屋内の熱交換器へ、典型的には蒸発器へ移動する。蒸発器から、冷媒は圧縮機へ戻る。一般に、システムの性能および効率は、少なくとも部分的に、スクロール圧縮機の容量および効率に依存している。したがって、より高容量でより高効率のスクロール圧縮機へと向かう傾向が存在する。
【０００４】
より高容量のスクロール圧縮機を設計する上での１つの懸念事項は、スクロール部材の強度および耐久性である。より高容量の圧縮機は、より大きな力やスクロール部材間のさらに高い摩擦など、ますます厳しい条件下で動作する。現行の材料をスクロール部材に使用すると、多くの圧縮機においては好結果をもたらすことが判明しているが、現行の材料のスクロール部材への使用は、より厳しい動作条件には適さないことがある。例えば、限界動作条件下では、スクロール部材が破損したり過度に磨耗したりすることがある。したがって、より高容量の設計が可能であっても、より強度がありかつより耐久性のあるスクロール部材の材料が、そのような設計による容量の利点を実現するために必要とされている。
【０００５】
したがって、圧縮機容量を増すために、より厳しい条件に耐えることが可能なスクロール部材を提供することが望ましい。
【０００６】
（発明の開示）
スクロール圧縮機の一実施形態は、基部と概ね渦巻き形のラップとを有するスクロール部材を有しており、そのラップは、基部から延びて圧縮室の一部を画定している。スクロール部材は、微細構造を備える鋳鉄材料でできており、その微細構造は、黒鉛ノジュールを有している。
【０００７】
一実施形態のスクロール圧縮機は、基部と概ね渦巻き形のラップとを有するスクロール部材を有しており、そのラップは、基部から延びて圧縮室の一部を画定している。スクロール部材は、黒鉛ノジュール形成剤を有する材料でできている。
【０００８】
このスクロール圧縮機を製造する一実施形態の方法は、鋳鉄材料を溶融して溶融材料を生成するステップと、ノジュール形成剤を溶融材料に添加するステップと、溶融材料を、スクロール圧縮機部材の形状を有する型に移すステップとを含んでいる。
【０００９】
開示する例において、スクロール部材は、比較的強度を有すると共に耐久性を有する。
【００１０】
これによって、スクロール圧縮機は、高容量の圧縮機設計に伴うより厳しい動作条件に耐えることが可能となる。
【００１１】
上記の例は、限定を意図するものではない。さらなる例について以下で説明する。
【００１２】
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、以下の明細書および図面からよく理解されよう。以下はその図面の簡単な説明である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、スクロール圧縮機２０を示す。図示のように、圧縮機ポンプセット２２が、密封シェル２４内に装着されている。吸込室２６は、吸込冷媒を管２８から受け取る。理解できるように、この冷媒は、室２６内で循環することができ、電気モータ２８の上方で流れる。電気モータ２８は、圧縮機２０の動作軸Ａを画定するシャフト３０を駆動する。圧縮機ポンプセット２２は、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４とを有している。周知のように、シャフト３０は、非旋回スクロール３２に対して旋回するように旋回スクロール３４を駆動する。
【００１４】
図２は非旋回スクロール３２の斜視図を示し、図３は旋回スクロール３４の斜視図を示す。非旋回スクロール３２および旋回スクロール３４のそれぞれは、基部４４と概ね渦巻き形のラップ４６とを有しており、そのラップ４６は、基部４４から延びている。組み立てると、渦巻き形のラップ４６は組み合わさって、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４との間に圧縮室３６（図１）を画定する。
【００１５】
図示の例においては、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４との間に、半径方向および軸方向コンプライアンスが（軸Ａに対して）存在する。コンプライアンスによって、スクロール３２および３４は、粒子をスクロール圧縮機２０に通すなどのために、特定の条件下で分離する。軸方向コンプライアンスによって、旋回スクロール３４のラップ４６は、非旋回スクロール３２の基部４４と接触した状態に維持され、通常の動作条件下で密封がもたらされる。タップＴは、圧縮された冷媒を、旋回スクロール３４の基部４４の背後で室１００に送り込む。その合力が、２つのスクロール部材を付勢して接触させる。他のスクロール圧縮機において、室は非旋回スクロールの基部の背後にあってもよい。半径方向コンプライアンスによって、非旋回スクロール３２および旋回スクロール３４のラップ４６は、通常の動作条件下で接触した状態に維持される。
【００１６】
図４を参照すると、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４の一方または双方が、微細構造５６を有する鋳鉄材料でできており、その微細構造５６は黒鉛ノジュール５８を含んでいる。図示の例において、黒鉛ノジュールは、パーライト母材などの母材６０内にある。この例における微細構造５６は、およそ３６倍の倍率で示してある。鋳鉄材料は、既知の方法で研磨されエッチングされて、微細構造５６をあらわにする。
【００１７】
微細構造５６は、付随するノジュール性を有しており、そのノジュール性とは、母材６０内における他の形の黒鉛を含む黒鉛全体に対する黒鉛ノジュールの比である。一例において、ノジュール性は、約８０％を超えかつ１００％未満である。図４に示す例において、ノジュール性は約８０％である。図５に示す他の例において、ノジュール性は約９９％である。
【００１８】
黒鉛ノジュール５８は、非旋回スクロール３２および旋回スクロール３４に強度と耐久性をもたらしている。主として黒鉛フレーク（片状黒鉛）を含むものなど、他の鋳鉄の微細構造は、黒鉛フレークの鋭利な端部における切欠き効果（ノッチ効果）によってもろくなる。黒鉛ノジュール５８はしかしながら、形が球状であり、したがって、材料をもろくする鋭利な端部を有していない。一般に、ノジュール性が高くなるほど、結果として、強度がより高く、また靭性がより高くなる。一例において、黒鉛ノジュール５８を有する鋳鉄材料は、少なくとも６０ｋｐｓｉ（４１３．７ＭＰａ）の引張り強度を有する。例えば、引張り強度は、ＡＳＴＭ  Ａ３９５または他の周知の規格を用いて試験することができる。強度および耐久性が高いために、非旋回スクロール３２および旋回スクロール３４は、比較的強度があると共に耐摩耗性があり、それによって、スクロール圧縮機２０を、比較的厳しい動作条件および高容量に対応して設計することが可能となる。一例において、黒鉛ノジュール５８を有する鋳鉄材料を用いることによって、ラップ４６の長さ（すなわち、基部４４から延びる長さ）を増して圧縮室３４の寸法を増し、スクロール圧縮機２０の容量を増大させることが可能となる。
【００１９】
一例において、比較的厳しい動作条件が、少なくとも幾分かは、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４との間の軸方向および半径方向コンプライアンスから生じる。軸方向および半径方向コンプライアンスによって、上述のように、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４との接触が生じる。スクロール圧縮機２０の動作中、接触によって、非旋回スクロール３２と旋回スクロール３４との間に磨耗および応力が生じる。黒鉛ノジュール５８を有する高強度で高耐久性の材料は、そのような動作条件に耐えるのに適している。
【００２０】
非旋回スクロール３２および／または旋回スクロール３４の鋳鉄材料は、鋳込みの間に黒鉛ノジュール５８の形成を促進する黒鉛ノジュール形成剤を含んでいる。一実施形態において、鋳鉄材料の組成は、３．２０重量％〜４．１０重量％の炭素、１．８０重量％〜３．００重量％のケイ素、０．１０重量％〜１．００重量％のマンガン、最大０．０５０重量％の亜リン酸（リン）、および一定量の黒鉛ノジュール形成剤を含む。さらなる例において、鋳鉄材料の組成は、約３．６０重量％〜３，８０重量％の炭素を含む。
【００２１】
一例において、黒鉛ノジュール形成剤はマグネシウムを含む。マグネシウムは、非旋回スクロール３２および／または旋回スクロール３４の鋳鉄材料に、約０．０２重量％と約０．０８重量％の間のある量で存在する。他の例において、マグネシウムは、約０．０３重量％と約０．０６重量％の間のある量で存在する。
【００２２】
他の例において、黒鉛ノジュール形成剤は、マグネシウム合金などの合金である。一例において、合金は、マグネシウムおよびニッケルを含む。マグネシウムは、約４重量％と約１８重量％の間の合金を構成しており、残りはニッケルおよびおそらくは極微量の他の材料である。
【００２３】
他の例において、黒鉛ノジュール形成剤は、マグネシウムとセシウムの両方を含む。一例において、マグネシウムは、非旋回スクロール３２および／または旋回スクロール３４の鋳鉄材料に上述の量で存在し、セシウムは、約０．０００５重量％と約０．０１重量％の間の量で存在する。マグネシウムおよびセシウムは、上述のように溶融鋳鉄に添加される。別法として、またはマグネシウムおよびセシウムに加えて、希土類金属が最大０．３００重量％の量で用いられて、黒鉛ノジュール５８が形成される。例としての希土類金属には、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、イットリウム、スカンジウム、トリウム、およびジルコニウムがあるが、これらの使用は、入手のしやすさおよび／またはコストによって制限されることがある。
【００２４】
黒鉛ノジュール形成剤は、非旋回スクロール３２および／または旋回スクロール３４の鋳込み工程の間に溶融鋳鉄に添加される。例えば、添加される量は、上述の組成の範囲となるのに適切なものである。
【００２５】
溶融鋳鉄に添加される黒鉛ノジュール形成剤の量は、一般に、上述の組成の範囲よりも多い。一例において、約０．３重量％の黒鉛ノジュール形成剤が添加される。これによって、黒鉛ノジュール５８の形成を促進するのに十分な黒鉛ノジュール形成剤が添加され、一方で揮発などによって黒鉛ノジュール形成剤の除去が可能となるという利点がもたらされる。この説明を考慮すれば、当業者には、自身の特定の必要性を満たすために溶融鋳鉄に添加する適切な黒鉛ノジュール形成剤の量が分かるであろう。
【００２６】
黒鉛ノジュール形成剤の量によって、微細構造５６のノジュール性が制御される。例えば、比較的少ない量であればノジュール性が低下し、比較的多い量であればノジュール性が向上する。したがって、本明細書で説明した黒鉛ノジュール形成剤の組成範囲を用いて、非旋回スクロール３２および／または旋回スクロール３４の強度、磨耗性、摩損性などの特性を、スクロール圧縮機２０の特定の動作要求事項に適応させることができる。
【００２７】
図６は、一例の鋳込み工程を概略的に示す。鋳型７０は、非旋回スクロール３２または旋回スクロール３４の形状を形成するための空洞７２を画定している。取瓶などの容器７４が溶融鋳鉄７６を保持し、溶融鋳鉄７６は鋳型７０に注入され凝固する。注入前に、黒鉛ノジュール形成剤７８が溶融鋳鉄材料７６に添加される。任意選択により、黒鉛ノジュール形成剤の添加と鋳型７０への溶融鋳鉄材料７６の注入との間で、所定の時間を経過させて、黒鉛ノジュール形成剤７８を溶融鋳鉄材料内に拡散させる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態について開示したが、特定の修正が本発明の範囲内に含まれることが当業者には理解されよう。したがって、先の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および内容を定めるために検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、一例のスクロール圧縮機の断面図である。
【図２】図２は、図１のスクロール圧縮機で使用するための非旋回スクロール部材の斜視図である。
【図３】図３は、図１のスクロール圧縮機で使用するための旋回スクロール部材の斜視図である。
【図４】図４は、スクロール部材の作製に用いる鋳鉄材料の、黒鉛ノジュールを有する微細構造の概略図である。
【図５】図５は、黒鉛ノジュールを有する他の例の微細構造を概略的に示す。
【図６】図６は、一例の鋳込み工程を概略的に示す。
【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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【図６】
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【外国語明細書】
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