(57)【要約】【課題】優れた耐摩耗性、機械強度を有し、ひいては圧縮機の耐久性を向上できる圧縮機用ピストンを低コストで提供する。【解決手段】シリンダボア内に往復運動自在に配置され、往復運動によりシリンダボア内の流体を圧縮する圧縮機用ピストンにおいて、前記圧縮機用ピストンの少なくとも一部が半凝固鋳造法により成形された成形品から構成したことを特徴とする圧縮機用ピストン。【選択図】  図１
2004211630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボア内に往復運動自在に配置され、往復運動によりシリンダボア内の流体を圧縮する圧縮機用ピストンにおいて、前記圧縮機用ピストンの少なくとも一部が半凝固鋳造法により成形された成形品から構成したことを特徴とする圧縮機用ピストン。
【請求項２】
前記圧縮機用ピストンが、ピストン本体と、該ピストン本体の一端を閉塞する蓋体とからなり、少なくともピストン本体が半凝固鋳造法により成形された成形品からなる、請求項１の圧縮機用ピストン。
【請求項３】
前記ピストン本体に蓋体がかしめられている、請求項２の圧縮機用ピストン。
【請求項４】
前記ピストン本体に蓋体が溶接されている、請求項２の圧縮機用ピストン。
【請求項５】
前記成形品にＴ５熱処理またはＴ６熱処理が施されている、請求項１ないし４のいずれかに記載の圧縮機用ピストン。
【請求項６】
前記成形品が、Ｓｉの含有量が１２重量％以下のアルミニウム合金からなる、請求項１ないし５のいずれかに記載の圧縮機用ピストン。
【請求項７】
ピストン内部に中空状部が形成されるとともに、ピストン側壁とシリンダボアとのシール部よりもピストン後方に、前記中空状部と外部とを連通する貫通孔が形成されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の圧縮機用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダボア内に往復運動自在に配置される圧縮機用ピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、シリンダボア内にピストンが往復運動自在に収容された斜板式圧縮機はよく知られている。このような圧縮機においては、シリンダボア内をピストンが往復運動することにより、シリンダボア内の流体（たとえば、冷媒）が圧縮されるようになっている。また、上記のような圧縮機のピストンは一般に鍛造により製造されている。鍛造は鋳造に比べて材料コストが高く、一般にその製造方法の性格上、複雑な形状の成形品を得る上で難点がある。
【０００３】
したがって、ピストン、ひいては圧縮機の生産性を向上しコストを低減するためには、鋳造によりピストンを成形する方が有利である。
【０００４】
しかし、鋳造品には多かれ少なかれガスポケットや細孔（以下、単に巣と言う。）が発生するおそれがある。このため、上記ピストンを鋳造により成形したのではピストンに要求される耐摩耗性や機械強度等が確保できなくなるおそれがある。また、ピストンが、円筒中空状部を有するピストン本体と、該本体の一端を閉塞する蓋体とからなる場合には、ピストン本体と蓋体との接合（たとえば、溶接）強度が低下するおそれがある。
【０００５】
なお、上記のような問題を解決すべく、ポアフリーダイキャスト法によるピストンの製造方法の提案もなされている（特許文献１）。該提案においては、湯が充填される金型のキャビティ内に予め酸素等の活性ガスを充満させ、湯と活性ガスの反応およびキャビティ内を高度の真空状態とすることにより気体の巻き込みを防止し巣の発生が抑制されるようになっている。
【０００６】
しかし、キャビティ内を高度の真空状態にしても、完全に溶融された金属が金型内で急速に冷却固化される際には多かれ少なかれ気体の巻き込みが生じるため、巣の発生を効果的に抑制することは不可能であり、ピストンに要求される耐摩耗性や機械強度等が確保できなくなるおそれがある。
【０００７】
一方、近年、成形品中の巣の発生を効果的に抑制できる方法として、融点直上の低温溶湯を金型に充填する鋳造方法（半凝固鋳造法）の提案もなされている（特許文献２）。該半凝固鋳造法によれば、圧縮機用ピストンに要求される耐摩耗性等を満足する圧縮機用ピストンを鋳造により得ることが可能である。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１０７８５３号公報（第２−８頁）
【特許文献２】
特開平１０−３０５３６３号公報（第２−５頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、製造コストを低減しつつ、ピストンに要求される耐摩耗性、機械強度を十分確保できる圧縮機用ピストンを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る圧縮機用ピストンは、シリンダボア内に往復運動自在に配置され、往復運動によりシリンダボア内の流体を圧縮する圧縮機用ピストンにおいて、前記圧縮機用ピストンの少なくとも一部が半凝固鋳造法により成形された成形品から構成したことを特徴とするものからなる。
【００１１】
本明細書中における半凝固鋳造法は以下のようにして行われる。▲１▼融点直上の低温溶湯を金属容器に注ぐ。なお、この時多数の結晶核が発生し粒状初晶の種が発生する。▲２▼次に、上記金属容器の上下を断熱材で保温しながら、外周部より適度なエアブロウ冷却を行い、半溶融金属の温度を低下させる。▲３▼そして、上記冷却保持の最終段階で高周波誘導加熱を軽くかけることで上記半溶融金属の温度分布を改善する。▲４▼続いて、ロボット等により半溶融金属入りの金属容器を持ち上げ成形機の射出スリーブまで搬送し、上記金属容器を上下反転させ、半溶融金属を射出スリーブ内へ排出する。このように金属容器を上下反転させることにより、酸化物を含む半溶融金属は射出スリーブ内では底部にくるため、製品中への酸化物の混入を防止できる。▲５▼そして、射出スリーブから半溶融金属を金型のキャビティ内へ圧入し成形する。
【００１２】
本発明に係る圧縮機用ピストンは、ピストン本体と、該ピストン本体の一端を閉塞する蓋体とから構成することができる。この場合は、とくに応力が加わり機械的強度が要求されるピストン本体を、半凝固鋳造法により成形された成形品で構成すればよい。圧縮機用ピストンの内部には中空状部、たとえば円筒中空状部を形成することが好ましい。上記のような中空状部を設ければ圧縮機用ピストンの軽量化、低コスト化を促進できる。なお、半凝固鋳造法によれば、成形品を極めて薄肉に成形できる。したがって、さらなる軽量化等を目的とし、中空部の内壁に機械加工（切削）を施す必要はない。また、ピストン側壁とシリンダボアとのシール部よりもピストン後方に、中空状部と外部とを連通する貫通孔を設ければ、中空状部と外部とを同等の圧力に設定できるのでピストンの変形等を防止できる。
【００１３】
前記ピストン本体に蓋体を接合する方法は、とくに限定されるものではなく、蓋体をピストン本体にかしめてもよく、ピストン本体に蓋体を溶接してもよい。
したがって、ピストン本体および蓋体を半凝固鋳造法により成形すれば、巣の極めて少ない高品質の成形品を得ることができるので、両者の接合強度、ひいては圧縮機用ピストンとしての強度を向上できる。
【００１４】
また、半凝固鋳造法により成形された成形品には、Ｔ５熱処理またはＴ６熱処理を施すこともできる。つまり、半凝固鋳造法に成形される本発明に係る圧縮機用ピストンには巣はほとんど含まれていないため、鍛造品と同様に溶体化処理を施すことも可能である。したがって、さらに成形品の耐摩耗性、機械強度を向上することもできる。ここで、Ｔ５熱処理とは、高温の製造工程から、時効硬化のみで析出強化させる熱処理である。また、Ｔ６熱処理とは、溶体化処理後比較的低い温度で加熱して人工的に析出強化させる時効硬化（人工時効）を行って最高強度を得る熱処理である。
【００１５】
上記成形品は、アルミニウム合金を用いて成形できる。本発明においては、熱処理系アルミニウム合金でたとえばＪＩＳ記号ＡＣ４Ｂをベースとしつつ、Ｓｉを７．０〜１２．０重量％、Ｃｕを３．０〜６．０重量％、Ｍｇを０．３〜０．８重量％含有するアルミニウム合金、さらに改良処理剤としてＮａを０．００１〜０．０１重量％またはＳｒを０．００３〜０．０２重量％含有するアルミニウム合金を用いることができる。
【００１６】
上記のような圧縮機用ピストンの少なくとも一部は、半凝固鋳造法により成形される成形品からなっている。したがって、鍛造法による場合よりも大幅にコストが低減される。また、半凝固鋳造法によれば、極めて巣の少ない成形品が得られるので、とくに応力が加わり高い機械的強度が要求される部分、たとえばピストン本体を半凝固鋳造法により成形品にすれば、ピストンのシューの摺動部およびシリンダボアと摺接するピストン側壁部等の耐摩耗性、機械強度を向上できる。したがって、圧縮機用ピストンに要求される耐摩耗性、機械強度等が十分に確保される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る圧縮機用ピストンを用いた斜板式圧縮機を示している。図において、１はハウジングを示している。ハウジング１の両端部は、フロントハウジング３０とシリンダヘッド３１とで閉塞されており、内部にはクランク室２が形成されている。クランク室２内には斜板３が配置されており、該斜板３の中央部には駆動軸４が挿通されている。駆動軸４はベアリング５を介して回転自在に支持されている。
【００１８】
斜板３の外周側端部には、シュー６が設けられている。シュー６は、球面８ａを有する圧縮機用ピストン７のクランク室側の端部８に挟持されている。このようにしてピストン７と斜板３との連結部１０が形成され、両者は連結されている。ピストン７はシリンダボア９内に往復動自在に配置されている。なお、斜板３には、圧縮機周方向に配置された複数のピストン７が連結されており、それに対応するシリンダボア９が設けられている。
【００１９】
ピストン７は、一端が円筒状のピストン本体１１とこれを閉塞する蓋体１２とから形成されている。本実施態様では本体１１と蓋体１２は溶接されているが、両者はかしめにより互いに接合してもよい。また、ピストン７の外周には周方向に延びる溝１３が設けられている。溝１３にはＯリング（図示略）等のシール材がはめ込まれるようになっており、ピストン７の側壁とシリンダボア９との間のシール性が確保されるようになっている。そして、本体１１と蓋体１２とからなるピストン７の内部には、円筒中空状部４２が形成され、ピストン７の軽量化、低コスト化が図られるようになっている。また、ピストン７のシール部よりもピストン後方、つまり、シール材が嵌合される溝１３よりもシュー６側（本実施態様においては、本体１１の端部８側の壁）には、円筒中空状部４２と外部を連通する貫通孔４３が設けられている。貫通孔４３を設ければ、円筒中空状部４２内部と外部の圧力を略同等にすることができるので、ピストン７の変形を防止できる。
【００２０】
なお、ピストン７は、図４に示すように、ピストン本体１１と円筒状の蓋体１２とから構成してもよい。また、貫通孔４３は、ピストン本体１１および蓋体１２を形成する半凝固法による成形品を成形する際同時に形成できる。
【００２１】
本実施態様における圧縮機の圧縮機用ピストン７は後述のような半凝固鋳造法により成形される成形品から構成されている。
【００２２】
また、斜板３の一面には、ロータ１５に向かって延びる耳部１４が設けられている。耳部１４には、ロータ１５の長穴１５ａに対応する穴１４ａが穿設されており、穴１４ａと長穴１５ａにはピン部材１６が挿通され、斜板３の傾斜角が変化した際にも、斜板３とロータ１５は実質的に連結されるようになっている。
【００２３】
ロータ１５は、フロントハウジング３０の内壁にスラストニードルベアリング１７を介してスラスト支持されつつ、駆動軸４と一体的に回転するようになっている。斜板３は駆動軸４上に軸方向に移動可能に設けられたブッシュ３２に係合しており、ブッシュ３２の軸方向変位に伴って傾斜角が変更されるようになっている。ロータ１５とブッシュ３２との間にはスプリング３３が介装されている。
【００２４】
シリンダヘッド３１内部は、内壁３４によって吸入室１８と吐出室２０とに画成されている。吸入室１８は吸入孔１９を介して、シリンダボア９内に挿通されている。また吐出室２０は吐出孔２１を介してシリンダボア９内に挿通されている。
【００２５】
本実施例の斜板式圧縮機においては、たとえば駆動モータや自動車エンジン等の駆動源（図示略）からの回転駆動力が駆動軸４に伝達されると、該駆動軸４が回転駆動される。回転駆動力はロータ１５から耳部１４を介して斜板３に伝達され、斜板３が所定の角度に傾斜した状態で回転される。回転する斜板３とシュー６との摺接係合を介し、斜板３の回転運動が、回転方向には位置が拘束されたシュー６の往復運動に変換され、それがピストン７に伝達されて、ピストン７がシリンダボア９内を往復動する。ピストン７の往復動に伴い、吸入孔１９を通して吸入室１８内から流体が吸入され、シリンダボア９内で圧縮された後、圧縮流体が吐出孔２１を介して吐出室２０内へと吐出される。
【００２６】
次に、本発明に係る圧縮機用ピストン７を構成するピストン本体１１と蓋体１２を成形するための半凝固鋳造法について説明する。図５において、３５は金属容器を示している。該方法においては、まずはじめに融点直上の低温溶湯３６を金属容器３５内へ注ぐ（図５（ａ））。この時、溶湯３６内には多数の結晶核が発生し粒状初晶の種ができる。
【００２７】
本実施態様においては、溶湯３６はＪＩＳ記号ＡＣ４Ｂをベースとし、Ｓｉを７．０〜１２．０重量％、Ｃｕを３．０〜６．０重量％、Ｍｇを０．３〜０．８重量％含有するアルミニウム合金の溶融物、もしくは上記アルミニウム合金に改良処理剤としてＮａを０．００１〜０．０１重量％、またはＳｒを０．００３〜０．０２重量％含有するアルミニウム合金の溶湯物を使用している。なお、ピストン７の耐摩耗性を向上する観点からはＳｉ量は多い方が好ましいが、成形性を考慮すると７．０〜１２．０重量％、好ましくは７．０〜８．０重量％の範囲である。
【００２８】
次に、金属容器３５の上下を断熱材３７、３８で保温しながら、金属容器３５の外周部からエアブロー冷却をし、溶湯３６の温度を下げる（図５（ｂ））。また、上記冷却の最終段階で、高周波誘導加熱を軽くかけることで、溶湯３６の温度分布を改善する（図５（ｃ））。次に、ロボット（図示略）により金属容器３５を持ち上げ、成形機の射出スリーブ３９まで搬送し、容器３５を上下反転させて溶湯３６を射出スリーブ３９内へ注入する（図５（ｄ））。このように、金属容器３５の上下を反転させることにより、酸化物を含む溶湯３６の上部が射出スリーブ内では底部にくる。このため、射出スリーブ３９から金型４０のキャビティ４１内へ溶湯３６を圧入する工程（図５（ｅ））において、成形品中への酸化物の混入が防止されるので、巣および不純物の極めて少ない高品質の成形品を得ることができる。
【００２９】
本実施態様においては、ピストン７を形成するピストン本体１１および蓋体１２は、上述のような半凝固鋳造法による成形品からなっている。したがって、鍛造法により成形される成形品からピストン７を形成する場合に比べて、大幅にコストを低減することができる。また、半凝固鋳造法によれば、溶湯から急速に凝固される従来の鋳造法に比べ、ガスの巻き込みが少なく、極めて巣の少ない成形品が得られるので、シュー６が摺接される球面８ａおよびボア９内を摺動するピストン７の外周部の耐摩耗性、機械強度を向上できる。したがって、ピストン７に要求される耐摩耗性、機械強度を十分に確保することができる。さらに、半凝固鋳造法によれば、溶湯よりも温度の低い半凝固状態の低温溶湯３６が金型４０内へ圧入されるとともに、その圧入速度は低く設定できるので、金型４０の耐久性も向上できる。また、金型の多数個取りも可能になるので、金型数を低減でき、さらなるコストダウンを達成できる。
【００３０】
なお、本実施態様においては、ピストン本体１１、蓋体１２の双方が半凝固鋳造法による成形品からなっているが、ピストンの一部を半凝固鋳造法による成形品から形成すれば、本願の目的を十分達成できる。たとえば、図３にも示したように蓋体１２が簡素な形状であるときは、蓋体１２は鍛造成形品であってもよい。
【００３１】
また、ピストン本体１１と蓋体１２の接合方法は上述のようにかしめでもよく、また溶接でもよいが、本体１１および蓋体１２はともに巣の少ない高品質の成形品からなっているので、両者の接合強度、ひいてはピストン７の機械強度を向上できる。
【００３２】
さらに、ピストン７の耐摩耗性等を向上すべく、本体１１および蓋体１２には、必要に応じてＴ５熱処理またはＴ６熱処理を施すこともできる。つまり、鍛造成形品と同様に溶体化処理、時効硬化処理をすることもできるので、ピストン７の耐摩耗性、機械強度を一層向上することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧縮機用ピストンによるときは、圧縮機用ピストンは、半凝固鋳造法による成形品から構成されているので、コストダウンを達成しつつ、ピストンとして要求される必要十分な耐摩耗性、機械強度を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る圧縮機用ピストンを用いた斜板式圧縮機の縦断面図である。
【図２】本発明一実施態様に係る圧縮機用ピストンの斜視図である。
【図３】本発明一実施態様に係る圧縮機用ピストンの断面図である。
【図４】本発明一実施態様とは別の態様の圧縮機用ピストンの断面図である。
【図５】本発明に係る圧縮機用ピストンを成形する半凝固鋳造法の概略工程図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
２  クランク室
３  斜板
４  駆動軸
５  ベアリング
６  シュー
７  圧縮機用ピストン
８  ピストンのクランク室側の端部
８ａ  球面
９  シリンダボア
１０  連結部
１１  ピストン本体
１２  蓋体
１３  溝
１４  耳部
１４ａ  穴
１５  ロータ
１５ａ  長穴
１６  ピン部材
１７  スラストニードルベアリング
１８  吸入室
１９  吸入孔
２０  吐出室
２１  吐出孔
３０  フロントハウジング
３１  シリンダヘッド
３２  ブッシュ
３３  スプリング
３４  内壁
３５  金属容器
３６  溶湯
３７、３８  断熱材
３９  射出スリーブ
４０  金型
４１  キャビティ
４２  円筒中空状部
４３  貫通孔
【図１】
2004211630.tif 000003
【図２】
2004211630.tif 000004
【図３】
2004211630.tif 000005
【図４】
2004211630.tif 000006
【図５】
2004211630.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月7日(2003.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、半凝固鋳造法により成形された成形品には、Ｔ５熱処理またはＴ６熱処理を施すこともできる。つまり、半凝固鋳造法で成形される本発明に係る圧縮機用ピストンには巣はほとんど含まれていないため、鍛造品と同様に溶体化処理を施すことも可能である。したがって、さらに成形品の耐摩耗性、機械強度を向上することもできる。ここで、Ｔ５熱処理とは、高温の製造工程から、時効硬化のみで析出強化させる熱処理である。また、Ｔ６熱処理とは、溶体化処理後比較的低い温度で加熱して人工的に析出強化させる時効硬化（人工時効）を行って最高強度を得る熱処理である。


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004211630.tif 000008