(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体機械のケーシング内に配設され、相互に噛合いながら回転する一対をなし、かつ互いに噛合うタイミング同期機構が設けられるロータ軸をそれぞれ備えたロータの製作方法において、
前記ロータ軸に鉄系材料を用いてロータ軸外周に３ｍｍから１０ｍｍ厚さとしたアルミニウムあるいはアルミニウム合金のスリーブを嵌合し、
嵌合されたスリーブを備えたロータ軸を鋳型の中に配置してスリーブの外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込んで前記スリーブの厚さに依存した溶融の時間でアルミニウム合金と鉄との金属間化合物生成開始時間を調整し、以ってロータ軸に一体化されたロータを形成すること
を特徴とする流体機械のロータの製作方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記スリーブは、アルミニウム合金溶湯に初期に曝される部分の厚さが後期に曝される部分の厚さに比べて厚くされていることを特徴とする流体機械のロータの製作方法。
【請求項３】
流体機械のケーシング内に配設され、相互に噛合いながら回転する一対をなし、かつ互いに噛合うタイミング同期機構が設けられるロータ軸をそれぞれ備えたロータの製作方法において、
前記ロータ軸に鉄系材料を用いてロータ軸にアルミニウム合金と鉄との金属間化合物の生成が遅くなる金属メッキによる処理を施して、金属メッキ処理された外周にアルミニウムあるいはアルミニウム合金のスリーブを嵌合し、
嵌合されたスリーブを備えたロータ軸を鋳型の中に配置してスリーブの外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込んで前記スリーブの厚さに依存した溶融の時間でアルミニウム合金と鉄との金属間化合物生成開始時間を調整し、以ってロータ軸に一体化されたロータを形成すること
を特徴とする流体機械のロータの製作方法。
【請求項４】
請求項３において、
金属メッキは、Ｃｒメッキ，ＮｉメッキあるいはＣｏメッキのいずれかであることを特徴とする流体機械のロータの製作方法。
【請求項５】
流体機械のケーシング内に配設され、相互に噛合いながら回転する一対をなし、かつ互いに噛合うタイミング同期機構が設けられるロータ軸をそれぞれ備えたロータの製作方法において、
前記ロータ軸に鉄系材料を用いてロータ軸に、Ｃｒメッキ処理を施し、Ｃｒメッキ処理された外周にアルミニウムあるいはアルミニウム合金のスリーブを嵌合し、
嵌合されたスリーブを備えたロータ軸を鋳型の中に配置してスリーブの外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込んでロータ軸に一体化されたロータを形成すること
を特徴とする流体機械のロータの製作方法。
【請求項６】
ケーシング内に配設され相互に噛合いながら回転する雌雄一対のロータと、これらロータの各ロータ軸に設けられ互いに噛合うタイミング同期機構と、ケーシングに回転自在に支持され回転力を入力する入力軸とからなるスクリュー式流体機械において、
前記ロータ軸に鉄系材料を用いてロータ軸外周に3mmから10ｍｍ厚さのアルミニウムあるいはアルミニウム合金のスリーブが嵌合され、
嵌合されたスリーブを備えたロータ軸を鋳型の中に配置してスリーブの外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込み、前記スリーブの厚さに依存した溶融の時間でアルミニウム合金と鉄との金属間化合物生成開始時間が調整されてロータ軸に一体化されたロータが形成されたこと
を特徴とするスクリュー式流体機械。
【請求項７】
ケーシング内に配設され相互に噛合いながら回転する雌雄一対のロータと、これらロータの各ロータ軸に設けられ互いに噛合うタイミング同期機構と、ケーシングに回転自在に支持され回転力を入力する入力軸とからなるスクリュー式流体機械において、
前記ロータ軸に鉄系材料を用いてロータ軸にアルミニウム合金と鉄との金属間化合物の生成が遅くなる金属メッキによる処理を施して、金属メッキ処理された外周にアルミニウムあるいはアルミニウム合金のスリーブが嵌合され、
嵌合されたスリーブを備えたロータ軸を鋳型の中に配置してスリーブの外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込み、前記スリーブの厚さに依存した溶融の時間でアルミニウム合金と鉄との金属間化合物生成開始時間が調整されてロータ軸に一体化されたロータが形成されたこと
を特徴とするスクリュー式流体機械。
【請求項８】
ケーシング内に配設され相互に噛合いながら回転する雌雄一対のロータと、これらロータの各ロータ軸に設けられ互いに噛合うタイミング同期機構と、ケーシングに回転自在に支持され回転力を入力する入力軸とからなるスクリュー式流体機械において、
前記ロータ軸に鉄系材料を用いてロータ軸に、Ｃｒメッキ処理を施し、Ｃｒメッキ処理された外周にアルミニウムあるいはアルミニウム合金のスリーブが嵌合され、
嵌合されたスリーブを備えたロータ軸を鋳型の中に配置してスリーブの外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込んでロータ軸に一体化されたロータが形成されたこと
を特徴とするスクリュー式流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気体を圧縮する流体機械に係わり、特に車載用燃料電池の改質器へ酸素を供給するための過給機として用いるスクリュー式圧縮機のロータを成形するための製作方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スクリュー式圧縮機に用いるロータの軽量化についての発明は幾つか報告されており、アルミニウム合金製のロータを用いているものが主である。特開平８−２６１１８３号公報に示されているスクリュー流体機械の中空ロータでは、アルミニウム合金製ロータの各歯部の内部と各歯部の中心部の軸部とに一体的な空間部を設け、軸部の空間部にアルミニウム合金製の中空ボス部を挿通固定し、中空ボス内にスチール製のシャフトを嵌合固定して中空ロータを提供するとしている。
【０００３】
また、特開平９−３２７６３号公報に示されているスクリュー型コンプレッサのロータ製造方法では、外周にスクリュー形状の歯すじ部を有し、中心孔にロータシャフトが圧入固定されるスクリュー型コンプレッサロータにおいて、鋳造品で構成され、その鋳造時に消失型中子によって軸方向に延びる中空部が歯すじ部に形成されており、且つ消失型中子のはばき孔が、中心孔の内周のロータシャフトとの嵌合面に開口していることを特徴としている。この発明によれば、鋳造品のロータに形成されているはばき孔を中心孔にロータシャフトを圧入することにより塞ぎ、余計な充填物が不要になるとされる。
【０００４】
これらの発明では、ロータの軽量化を図ることにより慣性力を低く押さえ、ロータの応答性向上を重視するとともに漏れの少ないロータの構造を考案したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
鉄系軸とアルミニウム合金ロータは圧入固定としているため、鉄系軸外径とアルミニウム合金ロータ内径との嵌め合い量が最適値から外れると締結力に支障をきたす場合があり、厳格な管理が必要となっている。すなわち、嵌め合い量が最適値よりも少ないと、運転中などの温度上昇により締結力が初期値より低下してしまうため、運転中に軸とロータ間ですべりが生じ同期回転できなくなることがある。また、逆に嵌め合い量が大きいと、ロータ組立てに手間取ったり、嵌合後に発生する締付力がアルミニウム合金の弾性域を越えてしまい塑性変形を引起こし、ロータ歯型のねじれ或いは傾きなど予想のつかない変形が発生してしまうことがある。
【０００６】
従来の製作方法によれば、アルミニウム合金鋳物により製作したロータの中心孔に鉄系ロータシャフトを圧入固定しており、圧入代により締結力が発生するが、運転中の発熱により温度上昇すると、アルミニウム合金製のロータの熱膨張量が大きいため締結力は低下する。また、１８０℃程度の高温雰囲気で長時間運転しているとアルミニウム合金の強度が時間とともに低下するため更に締結力の低下を生じ、ロータシャフトとロータ本体がすべりを起こす場合がある。従って、鉄系ロータシャフトとアルミニウム合金ロータ本体が接合により一体となっていることが望ましい。しかし、鉄系軸の回りに形成された歯型部中にアルミニウム合金を鋳込む場合、冷却過程において互いの熱膨張係数の差により大きな残留応力が鉄とアルミニウム合金との界面付近に発生する。この残留応力が界面に生成する金属間化合物に作用した状態でロータを形成している。そのため、圧縮機のロータとして回転している際に作用する遠心力，熱応力及び回転トルクなど外的負荷と残留応力の静的負荷により、金属間化合物近傍で疲労破壊を起こす場合がある。この負荷を軽減する方策として、アルミニウム合金の熱膨張係数に近い材料を軸材に用いる。例えばＳＵＳ系材料を採用して発生する残留応力の低減を図っている。しかし、金属間化合物層が厚くなると界面強度が低下してくるため熱疲労によりき裂が発生する場合がある。そこで、本発明では、熱膨張係数の異なるアルミニウム合金と鉄系材料との接合部近傍に発生する残留応力と運転中の負荷応力との合力に長時間耐えられる薄い金属間化合物層を形成する接合部を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ロータ軸に鉄系材料を用いその外周にアルミニウム或いはアルミニウム合金のスリーブを嵌合後、アルミニウム合金溶湯を鋳込んでロータを形成することを特徴とする。
【０００８】
更に本発明では、アルミニウム或いはアルミニウム合金のスリーブの厚さをアルミニウム合金溶湯に始めに曝される側を厚くすることを特徴とする。これらの発明は、溶湯アルミニウム合金と鉄系軸との接触が固定アルミニウム合金製スリーブを介することで遅らせることができ、金属間化合物の生成及び成長する時間を短くすることにより、金属間化合物層の厚さを薄く制御するものである。
【０００９】
本発明ではロータ軸に鉄系材料を用いその外周に予めメッキ処理を施しておき、その外周にアルミニウム合金溶湯を鋳込んでロータを形成することを特徴とする。また、更に本発明では、そのメッキはＣｒメッキとすることを特徴とする。この発明は、アルミニウム合金との金属間化合物を生成するための反応の進行が遅いメッキ特にＣｒメッキを予め鉄系のロータ軸に施すことにより薄くて緻密な金属間化合物層を形成させるものである。
【００１０】
本発明では、ロータ軸を鉄系材料とし、その表面に予めＣｒメッキを施し、その外周にアルミニウム或いはアルミニウム合金のスリーブを嵌合後、アルミニウム合金溶湯を鋳込んでロータを形成することを特徴とする。これは、溶湯アルミニウム合金が鉄系のロータ軸に直接接触ことを防止し、Ｃｒメッキとアルミニウム合金との反応形にしたものであり、接触後の金属間化合物の生成する反応速度を遅くすることにより、金属間化合物層の厚さを極力薄く且つ緻密なものとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。スクリュー式圧縮機について図１を用いて説明する。雄ロータ５と雌ロータ４とを噛合せて一対としその回りには両ロータが接触しない程度の隙間を確保して本体ケーシング１により覆われており、ロータ軸６（６Ａ，６Ｂ）が一体化されたロータ両端にはロータを回転自由に固定するベアリング９（９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ）が本体ケーシング１及び吐出側ケーシング２の両ケーシングに装着されており、それぞれのケーシングがボルト１２によって一体に固定されて圧縮機を構成している。また、両ロータは、タイミングギア８により同期運転しており、入力軸は回転数や運転動力の大きさにより雄ロータ或いは雌ロータに設定して運転することができるが、本実施例では雌ロータに設定している。タイミングギアに代えてタイミングベルトを使用することが可能であり、これらを総称してタイミング同期機構とここでは称する。吐出側ケーシング２にはギアケーシング３がボルト１３によって一体化される。９Ａ，９Ｂはころ軸受であり、９Ｃ，９Ｄはグリース封入軸受である。タイミングギア８側のロータ軸６（６Ｃ，６Ｄ）に面してメカニカルシール１０およびヒスコシール１１が設けられる。
【００１２】
図２は本発明の車載用燃料電池の改質器に酸素を供給するための過給機として用いるスクリュー式圧縮機の雄ロータの縦断面図である。このロータを製作する際には、図３に示すように中に鉄系のロータ軸６を中心に配置することができ、ロータ部は空隙ロータに合わせた２３（ロータ空隙）になっている、例えば砂型２１が使用される。空隙２３は、湯道２４に結ばれる。この時、鉄系のロータ軸６には予めアルミニウム或いはアルミニウム合金でできたスリーブ２２を嵌合させ、その後砂型２１の中に配置させる。アルミニウム合金溶湯は、矢印の部分湯道２４を介して空隙２３から中に注がれ、一旦空隙２３の最下部に達した後、ロータの空隙２３を上方に流れ込んで行く。溶湯は、下部から上部に達した後押し湯部に流れ込み鋳込みが終了する。最初に溶湯が空隙２３に流入してくると、まずアルミニウム合金スリーブ２２に接触し、徐々に空隙２３の溶湯の量が増加してくる。この時、アルミニウム合金スリーブ２２は溶湯の熱により温度上昇を始め融点に達するとアルミニウム合金スリーブ２２も溶融する。アルミニウム合金スリーブ２２の溶融により、鉄系のロータ軸６とアルミニウム合金溶湯との反応が始まり、金属間化合物の生成・成長が進行する。しかし、従来であれば溶湯が注入された時点から金属間化合物の生成・成長が開始されるが、アルミニウム合金スリーブ２２の存在によりその開始が遅くなっている。このアルミニウム合金スリーブ２２の厚さを制御することにより、金属間化合物の生成開始時間を調整できる。すなわち、溶湯を注入してから固化するまでの時間とアルミニウム合金スリーブ２２の溶融するまでの時間を予め求めておき、最適なスリーブ厚さを設定する。これは、雄ロータ５あるいは雌ロータ４の容積にアルミニウム合金溶湯が充填された時の熱容量によってアルミニウム合金スリーブ２２及び鉄系のロータ軸６への熱伝導としてスリーブ厚さを設定して溶融する時間を求めることが出来る。従って、ロータの容積，溶湯温度，砂型温度及びスリーブ厚さをパラメータとしてアルミニウム合金スリーブ２２の溶融するまでの時間を解析できる。このことは、アルミニウム合金スリーブ２２を厚くし過ぎるとアルミニウム合金スリーブ２２が全て溶融するための熱容量が不足してしまうため、アルミニウム合金スリーブ２２が溶融せずに鋳込み終了となってしまい、鉄系のロータ軸６とアルミニウム合金ロータである雄ロータ５あるいは雌ロータ４とが未接合のまま成形が完了することになる。これは、嵌合のままの状態と同じであることから安定した締結力を長期間持続することに不安を残す。
【００１３】
また、アルミニウム合金スリーブ２２の厚さが余りに薄いと溶湯アルミニウムの熱容量が過剰過ぎてしまい、短時間のうちにスリーブが溶融すると、当初の目的である薄い金属間化合物の生成が行われなくなり、厚い金属間化合物となってしまう恐れがある。従って、最適なスリーブ厚さが存在する。発明者らの経験からアルミニウム合金スリーブ２２が溶融してからロータ全体が固化するまでの時間は、５〜１０分程度が好ましい。この範囲において、アルミニウム合金スリーブ２２の厚さを設定するのがよい。その後、ロータは自然冷却により固化し砂型から取出され、図４に示すロータ形状として出来あがる。図４に示すように、ロータ、例えば雄ロータ５とロータ軸６との間には薄い金属間化合物層３１が形成される。このようにして形成されたロータは、仕上げ加工を行った後、本体ケーシング１内に収められ圧縮機として組立てられる。
【００１４】
図５は、図３が縦型であるのに対して横型にした砂型を示す。基本的には図３示す例と同じである。
【００１５】
図６はアルミニウム合金スリーブの溶湯による温度履歴曲線を示す。
スリーブを適正な厚さに設定して鉄とアルミニウムとの反応時間を制御するため、溶湯アルミニウムがスリーブに接触してから温度上昇し冷却する温度をＦＥＭ解析で求めた。その結果を図６に示す。計算する際の境界条件は、７００℃の溶湯アルミニウムを１００℃で保持してある砂型に５秒間で注入を終了し、その後砂型及び鉄系ロータ軸から熱が伝わって行く（伝熱して行く）とした。この時の鉄系ロータ軸に接している部分のアルミニウムスリーブ部が加熱され一旦溶融しその後６００℃まで冷却する過程を求めた。この時のスリーブ厚さは３mm，５mm及び１０mmとした。これより、３mmのスリーブの場合、注入後約２秒程度でアルミニウムスリーブは溶融してしまい、約１５秒後に凝固を完了することがわかる。従って、溶融アルミニウムと鉄との接する時間は約１３秒程度である。このようにアルミニウムが溶融してから凝固するまでの時間を比較すると、３mm厚さでは１３秒、５mm厚さでは１０秒、１０mm厚さでは４秒である。この結果より、鉄系ロータ軸とアルミニウムとの反応及び金属間化合物の生成・成長を考慮すると３mmから５mm厚スリーブを用いるのが良く、反応時間を短く押さえることにより、生成する金属間化合物層を厚くすることなく形成できる。金属間化合物層の厚さはその機械的特性をも左右するものであり、厚い金属間化合物になると、幾つもある化合物の中でも脆い成分系の化合物も生成してしまう場合があり強度低下を起こしてしまう。従って、金属間化合物が１００μｍを越える厚さになるのは好ましくない。
【００１６】
ここで、スリーブ厚さを変化させるのは、図３に示す砂型中での溶湯の流れにおいて、最初に溶湯アルミニウム合金と接触する下部のスリーブの厚さを上部のスリーブより厚くしておくものである。これは、スリーブの溶融時間を調整する手段として用いるものであり、ロータ容積が大きくなった時に適している。
【００１７】
鉄系のロータ軸表面へのＣｒメッキ処理はアルミニウム合金スリーブ２２と同等以上の効果がある。すなわち、アルミニウム合金とＣｒメッキとの金属間化合物の生成速度はアルミニウム合金と鉄との金属間化合物層の生成に比べ遅く且つ緻密な金属間化合物層を形成する。そのため、アルミニウム合金溶湯が注入されてから固化するまでの間に生成する金属間化合物層厚さは数μｍであり、接合強度がアルミニウム合金母材の強度と同程度を有しており、長期信頼性の高い接合を提供できる。その他に同様の効果が得られるメッキ処理としては、無電解Ｎｉメッキ或いはＣｏメッキなどがあるが、コスト及び必要な強度により選択する。
【００１８】
アルミニウム合金スリーブとＣｒメッキの併用により金属間化合物層厚さを更に薄く制御するものであり、緻密で良好な接合部が提供できる。
【００１９】
図７は、ロータ製作のフローをチャート図として示す。
この図は、ロータ軸径２６mm，雄ロータ外径７５mm，雌ロータ外径６４mmとした場合の例を採用する。図において、鉄系材にてロータ軸を作り、アルミニウムにて３mmから１０mm厚さのアルミニウムスリーブ（アルミニウム合金スリーブであってもよい）を成形する（Ｓ１）。Ｃｒメッキ処理された鉄系のロータ軸にアルミニウムスリーブを嵌合する（Ｓ２）。ロータ砂型を製作し（Ｓ３）、砂型の中にロータ軸を配置する（Ｓ４）。鉄系のロータ軸の表面にはＣｒメッキを２〜２０μｍ厚程度、好ましくは１０μｍ程度予め施しておくのがよい。このようにして、砂型の中に鉄系のロータ軸を配置した後、砂型を１００℃程度に予備加熱し、一定に保持しておく、７００℃程度に保持されているアルミニウム合金溶湯を注入する（Ｓ５）。この時、注入されたアルミニウム合金溶湯の熱エネルギーによりスリーブは温度上昇して数秒（３mm厚さの場合、３秒程度、１０mm厚さの場合、６秒程度）で溶融する（Ｓ６）。スリーブが溶融を始めることにより鉄系のロータ軸とアルミニウムとの反応が激しく起り（Ｓ７）、金属間化合物層の生成が進行する（Ｓ８）。前述のようにＣｒメッキが存在すると金属間化合物の成長を遅くすることができ、金属間化合物層を薄くすることができる。その後、熱の放散により溶湯アルミニウム合金が凝固して徐々に冷却していく（Ｓ９）。溶湯の注入を開始してから溶湯が凝固するまでの時間はロータの容積で変化するが、スクリュー圧縮機に使用されるロータの場合、おおよそ１０分程度である。その間の鉄と溶湯アルミニウムとの直接接触する時間を短時間とすることを目的として前述のようにスリーブを嵌合させている。
冷却後、生形品であるロータを鋳型から取り出し（Ｓ１０）、ロータ歯形を仕上げ加工する（Ｓ１１）。
【００２０】
本実施例によれば、鉄系ロータ軸とアルミニウム合金ロータとの接合界面に生成する金属間化合物が薄く形成できるので、アルミニウム合金の強度に近い接合強度を有していることから、界面に発生する残留応力及び運転中の負荷応力に対して強い抵抗力を有することが出来るので、疲労破壊発生までの長期寿命を確保することが可能となる。更に、Ｃｒメッキ処理を施すと生成する金属間化合物が薄く且つ緻密に形成できるので、前述と同様の効果により長期信頼性の高い接合部が得られる。この製作方法により、ただ単にアルミニウム合金を鋳込むコストに比べ僅かなコストアップにより、接合強度が高く長期信頼性を有するロータを提供できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、鉄系のロータ軸とアルミニウム合金ロータとの接合界面に生成する金属間化合物層を薄く形成できるので、アルミニウム合金の強度に近い接合強度とすることができる。このことから、界面に発生する残留応力及び運転中の負荷応力に対して強い抵抗力を有することが出来るので、疲労破壊発生までの長期寿命を確保することが可能となる。更に、Ｃｒメッキ処理を施すと生成する金属間化合物が薄く且つ緻密に形成できるので、前述と同様の効果により長期信頼性の高い接合部が得られる。この製作方法により、ただ単にアルミニウム合金を鋳込むコストに比べ僅かなコストアップにより、接合強度が高く長期信頼性を有するロータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スクリュー式圧縮機の構造を示す一部断面を含む正面図。
【図２】本発明実施例に使用されるロータの縦断面図。
【図３】ロータを鋳込む時の砂型の縦断面図。
【図４】鋳込みによって形成されたロータの縦断面図。
【図５】図３の代案を示すロータを鋳込む時の砂型の縦断面図。
【図６】スリーブの溶湯による温度履歴曲線図。
【図７】ロータ製作のフローチャート図。
【符号の説明】
１…本体ケーシング、２…吐出側（Ｄ）ケーシング、３…ギアケーシング、４…雌ロータ、５…雄ロータ、６…ロータ軸、７…グリース封入軸受、８…タイミングギア、９…ころ軸受、１０…メカニカルシール、１１…ビスコシール、２２…アルミニウム合金スリーブ。
【図１】
0003806010.tif 000002
【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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【図７】
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