CN1102459A

CN1102459A - 旋转式压缩机

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Publication number: CN1102459A
Application number: CN94108764A
Authority: CN
Inventors: 饭塚董; 福田和司; 石山明彦; 矢泽秀树; 中岛昌一; 中村秀树
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2014-07-29
Also published as: KR0136069B1; TW289072B; KR950003633A; US5423664A; JP3172337B2; JPH0742683A; MY110612A

Abstract

一种旋转式压缩机的转子，其由铁基合金制成，该合金基本上由下列成分组成：2.0—3.9％的碳，2.0 —3.0％的Si，0.3—1.0％的Mn，最多达0.10％的S，大于零但不大于0.50％的V，0.3—1.0％的P，0.01— 0.5％的Sb，其余的为Fe和附带的杂质。该铁基合金最好还包括0.001—0.5％的B。当使用氟化烃作为制冷剂时，这种转子是适用的。

Description

本发明涉及一种具有一偏心转子和一导向器的旋转式压缩机，该压缩机用于空调器、制冷器或类似装置的制冷循环中，更具体地说，本发明涉及一种用氟化烃（hydrofluorocarbon）（以下简称HFC）替代含氯氟烃（以下简称CFC）作为制冷剂的压缩机。

在旋转式压缩机中，一般用液压偏压装置、弹簧，或类似装置，将一导向器压靠在转子的外圆周表面上，以便在这两个部件之间维持紧密的密封性，由此获得高的排气压力。转子偏心地转动，同时恒定地与导向器接触。为了按照高性能压缩机的要求增加气体压缩比，就必须增加转子的旋转速度。当转子的转速增加时，相互保持不动的转子和导向器的相互接触部分的磨损会明显增加。转子旋转时，它的外圆周表面与导向器接触，两个相对的端面与气缸壁接触。因此，不仅要求转子自身具有耐磨性，而且导向器和气缸也不能被磨损，该导向器和汽缸是与之配合的滑动接触件。

按常规，这种转子是由连续铸造的铸铁，共晶石墨铸铁，铜-铬体系、铜-钼体系或钼-镍-铬体系低合金铸铁制成的。众所周知，与用其它铸造方法生产的铸铁相比，用连续铸造方法制得的铸铁具有较细的表层结构和更好的耐磨性能。例如，这种材料在JP-B2-60-1943中有介绍。

目前，用于压缩机的制冷剂是CFC。众所周知，当CFC释放进入大气时，它会扩散到平流层并通过紫外线的辐射而分解，其释放出来的氯会破坏臭氧层。臭氧层的这种破坏被认为是全球性的环境问题。已作出在2000年全面停止使用CFC的决议，并且在各个国家已在进行替代制冷剂的研制。

作为替代制冷剂，不含氯的HFC是最有前途的。例如，可以提出称为R-134a的1、1、1、2四氟乙烷（CH FCF）作为制冷剂。与常用的CFC相比较，虽然这种制冷剂碳氟化合物不会对环境有如此多的有害影响，但它存在下列问题：

a）该制冷剂的润滑性差;

b）必须增加压缩比，由此使作用在转子和导向器上的载荷增大;

c）该制冷剂的吸湿性较大;

d）与该制冷剂一起使用的润滑剂的润滑性差;

e）润滑剂的吸湿性较大;

f）滑动接触件，如气缸、转子和导向器的磨损增加。

特别是，上述第f）条中提到的磨损问题严重。由于常用的CFC中含有氯，它在滑动接触件的表面上形成稳定的保护膜（氯化物），由此使滑动接触表面具有良好的耐磨性。另一方面，为了克服环境问题，替代的碳氟化合物HFC不含氯。因此，不同于CFC，不能期望其有改善耐磨损性能的有益效果，而且HFC还存在实际应用问题。因此，在不改变转子材料的类型的情况下，使用这种替代的碳氟化合物，则转子的磨损会由于与导向器的滑动接触而加重，并且转子和导向器之间会出现划痕，从而导致实用的压缩机不具有足够的寿命，尽管用连续铸造方法生产的铸铁具有极好的耐磨性能。

因此，本发明的主要目的是解决HFC用作旋转式压缩机的制冷剂时转子的材料性能问题。本发明的另一目的是提出一种压缩机，其转子和导向器有良好的适应性，使这两个部件的滑动接触表面的磨损得以减少，并因此而使该压缩机能经历长时间的运行。

根据上述要求提供的压缩机如下：

一种压缩机，其包括一个具有一吸气口和一排气口的气缸，一个在气缸内偏心转动的转子，和一个用偏置装置的偏压力迫使其恒定地与转子接触的导向器，其中由吸气口吸入气缸的制冷剂被转子和导向器压缩，然后由排气口排出气缸，其中转子是由铁基合金制成的，其成分的重量百分比基本上为：2.0-3.9%的碳总含量，2.0-3.0%的Si，0.3-1.0%的Mn，最多达0.10%的S（硫），多于零但不大于0.50%的V，0.3-1.0%的P（磷），0.01-0.5%的Sb，其余的是Fe和附带的杂质。

本发明的另一个内容是，提供了一种压缩机，其中转子是由铁基合金制成的，其成分的重量百分比基本上为：2.0-3.9%的碳总含量，2.0-3.0%的Si，0.3-1.0%的Mn，最多到0.10%的S，多于零但不大于0.50%的V，0.3-1.0%的P，0.01-0.5%的Sb，0.001-0.5%的B（硼），其余的是Fe和附带的杂质。

在形成转子的各种铁基合金中，P、Sb和B的含量最好分别为0.4-0.6%，0.05-0.12%和0.07-0.13%。而且形成转子的各种铁基合金还可以包含（以重量百分比计）0.05-1.0%的Cu，0.05-1.0%的Mo和0.05-1.0%的Cr中的至少一种。

作为一种与转子材料具有良好的适应性并能减少由于滑动接触引起的磨损的较佳的导向器材料，可适当地使用下列几种材料;1）一种铁基合金，其基本成分（重量百分比）为：1.0-2.5%的碳总含量，多于零但不多于1.5%的Si，多于零但不多于1.0%的Mn，3.0-6.0%的Cr，多于零但不多于20.0%的W和多于零但不多于12.0%的Mo两者中至少一种，其范围应满足公式15.0%≤W+2Mo≤28.0%，3.5-10%的V和Nb中至少一种，1.0-15.0%的Co和Ni中的至少一种，其余为Fe和附带的杂质，2）用碳加强的铝材，和3）用碳加强的铝合金材料。

转子最好采用空心圆筒件的形式，可通过除去用连续铸造方法生产的上述一种铁基合金制成的圆棒的内侧部分的方式制成。通常，转子的外圆周表面要进行热处理，以提供转子的耐磨性能。根据本发明，一种较好的转子材料，其外圆周表面层要经过这样的热处理，即将其加热到880-940℃（最好是920°±5℃），持续1.0-2.5小时，然后用油淬火，再在180-250℃（最好是230℃±5℃）温度下的无氧化环境中回火1.0-2.5小时。

用在本发明压缩机中的制冷剂是不含氯的HFC，例如称为R-134R的1、1、1、2四氟乙烷（CH₂FCF₃）。关于润滑剂，作为一个例子，可建议使用一种与HFC具有良好适应性的多元醇酯油。

以下结合附图对本发明作详细说明：

图1是显示本发明旋转式压缩机的基本部件的示意性图。

1.转子材料的成分

碳：当转子材料中的碳总含量少于2.0%时，不能形成保证转子的耐磨性能所需的碳化物。当它超过3.9%时，转子材料会变得很脆。因此，碳总含量最好为2.0-3.9%。

Si：Si作为一种脱氧元素能改善铁合金的质量，当Si含量超过3.0%时，转子材料会变得很脆。当Si含量少于2.0%时，可铸性降低。因此，Si的含量最好为2.0-3.0%。

Mn：Mn作为一种脱氧元素也能改善铁合金的质量。当Mn含量太多时，铸铁合金的收缩量较大。当Mn含量太少时，由于硫完全固定形成MnS，以及珠光体不是如此稳定，故防止材料变脆会有困难。因此，Mn的含量最好是0.3-1.0%。

S：当硫的含量太多时，材料变脆，因此限制最多为0.10%。

V：钒与碳结合能改善耐磨性能。但是，由于多于0.5%的钒是不必要的，所以钒的含量限制在多于零到不多于0.50%。

P、Sb和B：P（磷）、Sb和B（硼）在本发明中都是重要的合金元素。更准确地说，磷形成磷化物共晶体（磷共晶化合物，例如，Fe₃P和含磷的奥氏体的共晶化合物），该共晶体与合金材料中的碳化物结合，形成络合物，用于稳定碳化物，这样，有助于改善耐磨性。该络化合物最好细密和匀均地分布在基体内。当磷含量太多时，材料变脆，当其太少时，不能获得完全改善耐磨性的效果。因此，磷的含量最好是0.3-1.0%，更佳为0.4-0.6%。

类似地，Sb有助于改善耐磨性。当Sb含量太多时，Sb在晶粒边界结晶，由此使得材料变脆并降低强度。因此，将合适的Sb量加到材料中去并使其溶解在基体中是重要的。当Sb含量太少时，不能获得完全改善耐磨性的效果。因此，Sb的含量最好是0.01-0.5%，更佳为0.05-0.12%。

硼在改善耐磨性能方面是有效的。特别是，在热处理过程中的淬火工序中可明显地观测到这种效果。当硼的含量太高时，材料变脆，当硼的含量太低时，不能产生足以改善耐磨性的效果。因此，硼的含量最好是0.001到0.5%，更佳为0.07-0.13%。

转子材料热处理的条件对改善耐磨性是重要的。可用热处理的方法沿转子的圆周表面形成热处理层，其步骤是：首先在880-940℃（最好在920±5℃）温度下加热1.0-2.5小时，然后用油淬火，再在180-250℃（最好是230±5℃）温度下的无氧化环境中回火1.0-2.5小时。一般使用植物油进行油淬火。可采用中性环境，如氮气，或还原气环境，如氢气作为热处理的无氧环境。考虑到安全和经济性，热处理一般在氮气环境中进行。

Cu，Mo和Cr：作为一种特殊的合金成分，0.05-1.0%的Cu，0.05-1.0%的Mo和0.05-1.0%的Cr中的至少一种可以加入到铸铁合金中去。Cu和Mo都能改善耐磨性能，并在热处理（淬火）中是有效的。Cr形成碳化物并能改善耐磨性能。但是，当这些元素中的任何一种加得太多时，将使材料变脆并降低其强度，但当加入的量太少时，不能获得完全改善耐磨性能的效果。因此，确定了上述较佳的范围。

2.导向器材料的成分

在压缩机中，转子材料与导向器的适合性是一个重要的因素。对于导向器而言，要求一种可减少在两个部件之间的滑动接触中的磨损的材料。在本发明中，如上所述，下列材料对导向器是合适的：1）基本上由下列成分组成的合金（重量百分比）：1.0-2.5%的碳总含量，大于零但不大于1.5%的Si，大于零但不大于1.0%的Mn，3.0-6.0%的Cr，大于零但不大于20.0%的W和大于零但不大于12.0%的Mo中的至少一种且两者范围满足公式15.0≤W+2Mo≤28.0%中，3.5-10.0%的V和Nb中的至不一种，1.0-15.0%的Co和Ni中的至少一种，其余的是Fe和附带的杂质;2）用碳加强的铝材;和3）用碳加强的铝合金材料。

碳与前面导向器材料中的W、Mo、V或类似元素结合形成硬的碳化物，由此增强耐磨性，减轻与转子材料的刻划。当碳的含量小于1.0%时，不能获得充分改善耐磨性能的效果，而当碳含量太多时，材料则会变脆。因此，碳含量最好为1.0-2.5%。同样地，Si如果加得太多也会使材料变脆。因此，Si的含量大于零但不多于1.5%。而且，当Mn加得太多时也会使材料变脆，因此，Mn的含量是大于零但不大于1.0%。Cr形成碳化物并产生加强耐磨性的效果。当加入的Cr含量较少时，其效果也小，当其加入太多时，材料则会变脆。因此，Cr含量是3.0-6.0%。W和Mo与碳结合能加强耐磨性能和抗划伤性能。

V和Nb与碳结合形成MC型碳化物，由此减小了导向器的磨损，而且防止转子磨损。当V和Nb加入的量较小时，其效果也小，而当它们加入的量太多时，材料则会变脆。因此，它们中的至少一种的加入量限制在3.5-10.0%。

Co和Ni在改进耐腐蚀和耐磨损性方面是有效的。当Co和Ni加入的量较小时，其效果也小，而当加入的量太多时，材料则会变脆。因此，它们中至少一种的量限制在1.0-15.0%。

实例1

用相同的方法制造出多个用于旋转型压缩机的转子和导向器，并用这些部件组装成模型压缩机，但未充注制冷剂。然后进行转子的磨损试验，现在来看其结果。

（1）用于磨损试验的转子样品的制造

表1中显示的四种转子材料是用已知的连续铸造方法制造的。将这样得到的铸铁圆棒切成转子长度大小，再用机械加工方法将切出的各个圆棒的中心部分去除，由此获得空心的转子。这些转子经过热处理、然后提供来与导向器一起进行磨损试验。热处理是浸入植物油中进行油淬火（在920℃的淬火温度下进行2小时），然后在氮气中进行回火处理（在230℃温度下进行2小时）。

在这些样品中，一种工业用产品（一个比较实例1）是一种用连续铸造方法制成的典型的铸铁，这种铸铁通常用作转子。GS-1（一个比较实例2）具有类似于本发明实例1和2的成分，但其磷含量比本发明实例中的含量低，超出本发明的组分范围。值得注意，表1中显示的各合金组分的其余成分由Fe和微量的不可避免的杂质组成。

表1

转子材料的组分（单位：重量%）

＊T·C：碳总含量

（2）导向器的制造

转子的滑动接触性能与同转子一起使用的导向器的材料性能密切相关。因此，除了用碳加强的工业用Al合金和JIS SKH51（高速工具钢）外，已制造出与本发明转子特别相适应的导向器，即本发明样品材料制成的导向器1和2。除了用碳加强的Al合金外，导向器材料的组分显示在表2中。

（3）转子磨损试验的结果

组装好不含制冷剂的模型压缩机，然后进行转子的磨损试验。多元醇酯油VG32用作起润滑作用的制冷机油。总酸值是0.17mg KOH/g从而会引起腐蚀磨损，因为试验是在数种条件下进行。根据实际运行状况，压缩机的温度定为130℃，转子的滑动速度为5.7m/sec。试验结果显示在表3中。

鉴定结果标志0表示该样品呈现极好的滑动接触性能;△表示该样品转子的磨损量很小，但转子与导向器的适应性差，因此，导向器的磨损太大以致于不能忽略，而X表示比较样品中转子的磨损量太大，不能实现本发明的目的。

从前述结果可以理解到，就那些性能中的任何一个而言，本发明转子实例是占优势的，这可从表3磨损试验数据中明显地看到。特别是，在本发明实例2中的转子（GS-3）和导向器2结合的情况下，磨损量明显地减小，并且摩擦系数非常小。从显示在表1中的转子材料的组分和表3中显示的结果可以推定，适量的P、Sb和B对于产生令人满意的性能起着有效的作用。

实例2

作为一种替代碳氟化合物的HFC的实例，称为R-134a的1、1、1、2四氟乙烷（CH₂FCF₃）用作制冷剂、与实际的旋转式压缩机一起进行性能试验。现在来说明试验结果。

图1是显示旋转式压缩机基本部分的横截面示意图。一个偏置弹簧4恒定地迫使导板1与转子2的圆周表面接触。对应于转子2的偏心转动，由转子2和气缸3界定的空间的容积发生变化，以压缩气体（制冷剂）。标号5表示制冷剂的吸气口，标号6表示经压缩的制冷剂的排出口，经压缩的制冷剂由该排出口排入制冷循环中。

在旋转式压缩机的磨损试验中，压缩机按实际制冷循环组装，粘度为VG32的多元醇酯被用作润滑剂，以3000/rpm的转速连续运行90天之后测试转子2和导板1的磨损状况。试验结果显示在表4中。

值得注意，表4中显示的磨损数据是在用连续铸造方法铸造的铸铁制得的工业用转子的磨损量以及在作为比较实例的常规压缩机中的导向器（用铸造方法获得的高速工具钢JIS SKH51）的磨损量都设定为100时的相对数值。

从表4中可以明显地了解到，根据本发明压缩机中的转子磨损量远比常规样品中的磨损量小，而且，本发明实例中的转子具有极好的性能。此外，相关联的导向器的磨损量较小，它表达了这样一个事实，即转子与导各器的滑动接触的适应性极好。

从上面的说明可明显地看到，本发明实现了前述的目的。更具体地说，是实现了这样一种压缩机，该压缩机即使使用替代的碳氟化合物HFC作为制冷剂，也不会破坏其性能，而且该压缩机包含有一个完全实用的转子。

Claims

1、一种压缩机，它包括：一个具有一吸气口和一排气口的气缸，一个在该气缸内偏心转动的转子，和一个用偏置装置的偏置力恒定地迫使其与转子接触的导向器，其中由吸气口吸入气缸内的制冷剂被转子和导向器压缩，然后由排气口排出气缸外，其中，所述的转子是用铁基合金制成，该合金基本上由下列成分组成(以重量百分比计)：2.0-3.9%的碳总含量，2.0-3.0%的Si，0.3-1.0%的Mn，最多达0.10%的S，大于零但不大于0.50%的V，0.3-1.0%的P，0.01-0.5%的Sb，其余的为Fe和附带的杂质。

2、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于：形成所述转子的铁基合金还包括（以重量百分比计）0.05-1.0%的Cu，0.05-1.0%的Mo和0.05-1.0%的Cr三者中的至少一种。

3、如权利要求1和2中任一项所述的压缩机，其特征在于：所述转子是一个空心圆筒构件，该圆筒构件是通过将用连续铸造方法制得的圆棒的内侧中心部分去除的方式获得的。

4、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于所述的导向器是用铁基合金制成的，该合金基本上是由下列组分构成的（以重量百分比计）：1.0-2.5%的碳总含量，大于零但不大于1.5%的Si，大于零但不大于1.0%的Mn，3.0-6.0%的Cr，大于零但不大于20.0%的W和大于零但不大于12.0%的Mo两者中的至少一种，其范围满足公式15.0%≤W+2Mo≤28.0%，3.5-10%的V和Nb中的至少一种，1.0-15.0%的Co和Ni中的至少一种，其余的是Fe和附带的杂质。

5、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于：所述的导向器还可由用碳加强的铝材或用碳加强的铝合金材料制成。

6、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于形成所述转子的铁基合金中的P、Sb和B的量分别为0.4-0.6%，0.05-0.12%和0.07-0.13%。

7、一种压缩机，它包括一个具有一吸气口和一排气口的气缸，一个在该气缸内偏心转动的转子，和一个用偏置装置的偏置力恒定地迫使其与转子接触的导向器，其中由吸气口吸入气缸内的制冷剂被转子和导向器压缩，然后由排气口排出气缸外，其中所述的转子由铁基合金制成，该合金基本上由下列组分构成（以重量百分比计）：2.0-3.9%的碳总含量，2.0-3.0%的Si，0.3-1.0%的Mn，最多达0.10%的S，大于零但不大于0.50%的V，0.3-1.0%的P，0.01-0.5%的Sb，0.001-0.5%的B，其余的是Fe和附带的杂质。

8、如权利要求7所述的压缩机，其特征在于形成所述转子的铁基合金还包括（以重量百分比计）0.05-1.0%的Cu，0.05-1.0%的Mo和0.05-1.0%的Cr三者中的至少一种。

9、如权利要求7和8中任一项所述的压缩机，其特征在于所述转子是一个空心圆筒构件，该圆筒构件是通过将用连续铸造方法制得的圆棒的内侧中心部分去除的方式获得的。

10、如权利要求7所述的压缩机，其特征在于所述导向器是用铁基合金制成的，该合金基本上由下列成分构成（以重量百分比计）：1.0-2.5%的碳总含量，大于零但不大于1.5%的Si，大于零但不大于1.0%的Mn，3.0-6.0%的Cr，大于零但不大于20.0%的W和大于零但不大于12.0%的Mo两者中的至少一种，其范围应满足公式15.0%≤W+2Mo≤28.0%，3.5-10%的V和Nb中的至少一种，1.0-15.0%的Co和Ni中的至少一种，其余的为Fe和附带的杂质。

11、如权利要求7所述的压缩机，其特征在于：所述导向器是由用碳加强的铝材或用碳加强的铝合金材料制成的。

12、如权利要求7所述的压缩机，其特征在于形成所述转子的铁基合金中的P、Sb和B的量分别为0.4-0.6%，0.05-0.12%和0.07-0.13%。

13、一种压缩机中的转子，该压缩机包括一个是有一吸气口和一排气口的气缸，一个在该气缸中偏心转动的该转子，和一个用偏置装置的偏置力恒定地迫使其与转子接触的导向器，其中由吸气口吸入气缸内的制冷剂被转子和导向器压缩，然后由排气口排出气缸外，所述转子由铁基合金制成，该合金基本上由下列成分组成（以重量百分比计）：2.0-3.9%的碳总含量，2.0-3.0%的Si，0.3-1.0%的Mn，最多达0.10%的S，大于零但不大于0.50%的V，0.3-1.0%的P，0.01-0.5%的Sb，其余的为Fe和附带的杂质。

14、如权利要求13所述的转子，其特征在于所述转子的外圆周表面层要进行热处理，其步骤是首先在880-940℃的温度下加热1.0-2.5小时，然后用油淬火，再在180-250℃温度下的无氧化环境中回火1.0-2.5小时。

15、如权利要求14所述的转子，其特征在于所述的油淬火温度是920±5℃，所述的回火温度是230℃±5℃。

16、一种压缩机中的转子，该压缩机包括一个具有一吸气口和一排气口的气缸，在气缸内偏心转动的该转子，和一个用偏置装置的偏置力恒定地迫使其与转子接触的导向器，其中由吸气口吸入气缸内的制冷剂被转子和导向器压缩，然后由排气口排出气缸外，所述转子由铁基合金制成，该合金基本上由下列组分组成（以重量百分比计）：2.0-3.9%的碳总含量，2.0-3.0%的Si，0.3-1.0%的Mn，最多达0.10%的S，大于零但不大于0.50%的V，0.3-1.0%的P，0.01-0.5%的Sb，0.001-0.5%的B，其余的是Fe和附带的杂质。

17、如权利要求16所述的转子，其特征在于所述转子的外圆周表面层要进行热处理，其步骤是先在880-940℃温度下加热1.0-2.5小时，然后用油淬火，再在180-250℃温度下的无氧化环境中回火1.0-2.5小时。

18、如权利要求17所述的转子，其特征在于所述油淬火温度是920℃±5℃，所述的回火温度是230℃±5℃。

19、一种压缩机中的导向器，该压缩机包括一个具有一吸气口和一排气口的气缸，一个在该气缸内偏心转动的转子，和用偏置装置的偏置力恒定地迫使其与转子接触的该导向器，其中由吸气口吸入气缸内的制冷剂被转子和导向器压缩，然后由排气口排出气缸外，所述导向器是用铁基合金制成的，该合金基本上由下列成分组成（以重量百分比计）：1.0-2.5%的碳总含量，大于零但不大于1.5%的Si，大于零但不大于1.0%的Mn，3.0-6.0%的Cr，大于零但不大于20.0%的W和大于零但不大于12.0%的Mo两者中的至少一种，其范围应满足公式15.0%≤W+2Mo≤28.0%，3.5-10%的V和Nb中的至少一种，1.0-15.0%的Co和Ni中的至少一种，其余的为Fe和附带的杂质。

20、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于：所述的制冷剂是氢化氟化烃（hydrofluorocarbon）。

21、如权利要求1所述的压缩机，其特征在于与所述制冷剂一起使用的润滑剂是酯类油。

22、如权利要求7所述的压缩机，其特征在于所述制冷剂是氟化烃。

23、如权利要求7所述的压缩机，其特征在于与所述制冷剂一起使用的润滑油是酯类油。