JP2001003885A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＨＦＣ系フロンを冷媒としてもベーンとの相性
が良く互いに摺動面の摩耗が低減でき、長期間の運転に
耐え得る改良されたローラを備えた圧縮機を実現するこ
とにある。 【構成】ローラを、重量組成比でＴ・Ｃ2.0〜3.9、Ｓｉ
2.0〜3.0、Ｍｎ0.3〜1.0、Ｓ0.10以下、Ｖ0.50以下、Ｐ
0.3〜1.0、Ｓｂ0.01〜0.5、残部Ｆｅからなる連続鋳造
鋳鉄合金で構成する。さらに好ましくはＢ0.001〜0.5を
含有させることが望ましい。 【効果】最適組成に制御されたＰ、Ｓｂ及びＢが、ロー
ラの耐摩耗性を飛躍的に向上させ、しかもベーンの摩耗
をも低減できるという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばエアコンディシ
ョナーや冷蔵庫等の冷凍サイクルに使用される偏心ロー
ラとベーンとを有するロータリー圧縮機に係り、特に冷
媒としてクロロフルオロカーボン（以下、ＣＦＣと略
称）に代わるハイドロフルオロカーボン（以下、ＨＦＣ
と略称）を使用するのに好適な圧縮機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ロータリー圧縮機において、高い吐出圧
を得るために、一般にベーンはローラ面とのシール性を
維持するため油圧、バネ等の弾性手段によりローラ面に
押圧され、ローラは常時このようにベーンが押圧された
状態で偏心回転する。高圧化するにしたがいローラの回
転数も高くなるためベーンとローラの摺動面の摩耗が著
しく大きくなる。このようにローラは、常に回転主面が
ベーンと、またその側面がシリンダと接して摺動してい
るため、ローラに要求される特性は、ローラ自身が摩耗
しないのと同時に相手のベーンやシリンダも摩耗させな
いことである。

【０００３】従来より、この種のローラは連続鋳造鋳鉄
もしくは共晶黒鉛鋳鉄あるいはＣｕ-Ｃｒ系、Ｃｕ-Ｍｏ
系、Ｍｏ-Ｎｉ-Ｃｒ系の低合金鋳鉄により形成されてい
る。その中でも連続鋳造鋳鉄は、他の材料に比べて表面
層の組織が緻密で耐摩耗性に優れていることが知られて
いる。なお、この種の材料に関連するものとしては、例
えば特公昭６０−１９４３号公報が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧縮機に使
用されている冷媒は、ＣＦＣ系のフロンであるが、周知
のようにＣＦＣは成層圏にまで拡散した後、紫外線に当
たって分解し、塩素を放出してそれがオゾン層を破壊す
るため、世界的に環境問題として取上げられ、西暦２０
００年までに全廃する計画で、これに代替えする冷媒の
開発が進められている。

【０００５】代替冷媒としては、塩素を含まないＨＦＣ
系のフロンが最も有望であり、例えばＲ-１３４ａとし
て知られている１，１，１，２テトラフルオロエタン
〔ＣＨ₂ＦＣＦ₃〕等が挙げられる。しかし、この種のフ
ロンは環境への害は少ないが、従来のＣＦＣ系のフロン
を使用するものと比較して、以下のような問題点が指摘
される。

【０００６】（１）冷媒の潤滑性が劣る。 （２）圧縮比を高くする必要があり、ローラやベーンに
加わる負荷が高くなる。 （３）冷媒の吸湿性が大きい。 （４）潤滑油の潤滑性が劣る。 （５）潤滑油の吸湿性が大きくなる。 （６）シリンダ、ローラ、ベーン等の摺動部における摩
耗が大きくなる。

【０００７】特に、（６）の摩耗の問題が重要である。
従来のＣＦＣ系のフロンには塩素が含まれていたため
に、これが摺動部に安定な保護膜（塩化物）を形成し、
好ましい耐摩耗性を付与していた。しかし、代替えフロ
ンとなるＨＦＣ系フロンは環境問題は解消するものの、
塩素を含まないため、ＣＦＣ系フロンのような耐摩耗性
を増強するような効果は期待できず、実用化の上で新た
な問題が生じてきた。

【０００８】それ故、従来のローラでは、たとえ連続鋳
造鋳鉄が耐摩耗性に優れているとしても、ベーンとの摺
動摩耗が極端に加速され、甚だしくはベーンとの咬りを
起こすなど実用的な圧縮機としての寿命が得られないこ
とが明らかとなってきた。

【０００９】したがって、本発明の主たる目的は、ＨＦ
Ｃ系フロンを冷媒とした場合の上記従来のローラの問題
点を解消することにあり、副次的にはベーンとの相性が
良く互いに摺動面の摩耗が低減でき、長期間の運転に耐
え得る改良された圧縮機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、シリンダー
内に冷媒を吸入する吸入口と、吸入された冷媒をシリン
ダー内で偏心回転するローラと弾性体にって常時ローラ
に押圧されたベーンとで圧縮し、シリンダー外に吐出す
る吐出口とを備えた圧縮機において、前記ローラ材を、
組成が重量比でＴ・Ｃ2.0〜3.9、Ｓｉ2.0〜3.0、Ｍｎ0.
3〜1.0、Ｓ0.10以下、Ｖ0.50以下、Ｐ0.3〜1.0、Ｓｂ0.
01〜0.5、残部Ｆｅからなる連続鋳造合金（鋳鉄）で構
成して成る圧縮機により、達成される。なお、Ｔ・Ｃは
トータル・カーボンの略称で、合金中のカーボンの総量
を示している。

【００１１】そして、好ましくは上記ローラ材の組成に
Ｂを0.001〜0.5を含有させた連続鋳造合金でローラを構
成することである。また、この連続鋳造合金中には、特
殊合金成分として、重量組成比でＣｕ0.05〜1.0、Ｍｏ
0.05〜1.0、Ｃｒ0.05〜1.0をそれぞれ添加、含有させる
ことができる。

【００１２】また、このローラ材との相性が良く、相互
に摺動による摩耗が低減できる好ましいベーン材として
は、重量組成比でＴ・Ｃ1.0〜2.5、Ｓｉ1.5以下、Ｍｎ
1.0以下、Ｃｒ3.0〜6.0、Ｗ20.0以下、Ｍｏ12.0以下の
１種がＷ＋２Ｍｏで15.0〜28.0、Ｖ、Ｎｂの１種または
２種を3.5〜10.0、Ｃｏ、Ｎｉの１種または２種を1.0〜
15.0含み、残部Ｆｅからなる合金で構成したもの、その
他、例えばアルミ・カーボン複合体（アルミ含浸カーボ
ン）で構成したもの等が挙げられる。

【００１３】ローラは、上記組成の連続鋳造鋳鉄（丸
棒）をローラ幅に合わせて切断し、その中心部を抉り抜
き、表層部を残して環状に加工するが、通常は強度を向
上させるために熱処理し、表層部に耐摩耗性の熱処理層
を形成する。本発明の好ましいローラ材は表層部に、８
８０〜９４０℃、１．０〜２．５時間の油焼き入れと、
１８０〜２５０℃、１．０〜２．５時間の非酸化性雰囲
気での焼戻し処理により形成された熱処理層を有してい
る。

【００１４】本発明圧縮機に使用される冷媒は、例えば
Ｒ-１３４ａとして知られている１，１，１，２テトラ
フルオロエタン〔ＣＨ₂ＦＣＦ₃〕の如きＨＦＣ系フロン
であり、塩素を含まないフロンである。また、潤滑油と
しては、このようなＨＦＣ系フロンと相性の良い例えば
ポリオール系のエステル油が挙げられる。

【００１５】

【作用】以下、連続鋳造鋳鉄で構成されるローラ材の組
成（重量比で表示）を限定した理由を始めに説明し、次
いで相性の良いベーン材の組成限定理由についても説明
する。ローラ材のカーボンはＴ・Ｃにて2.0より少ない
と耐摩耗性に必要な炭化物の生成が得られず、3.9より
多くなると脆化をもたらし好ましくない。よって好まし
い量として2.0〜3.9を設定した。

【００１６】Ｓｉは脱酸元素として鋼質を改良する。3.
0より多くなると脆化をもたらし好ましくない。また、
2.0より少ないと鋳造性の低下を招く。よって好ましい
量として2.0〜3.0を設定した。

【００１７】Ｍｎも脱酸元素として鋼質を改良する効果
があり、多過ぎると鋳鉄の収縮が大きくなり、少ないと
ＳをＭｎＳにして材料の脆化を防止しにくくなると共
に、パーライトの安定化が悪いので、好ましい範囲を0.
3〜1.0とした。

【００１８】Ｓは多過ぎると脆化を招くので0.10以下と
した。

【００１９】ＶはＣと結合して耐摩耗性を向上させる
が、0.50より多くは不必要であることから0.50以下とし
た。

【００２０】Ｐ、Ｓｂ及びＢは、本発明において重要な
作用を示す元素である。すなわち、Ｐはステダイト（リ
ン共晶化合物）を形成し、成分中の炭化物（カーバイ
ド）との複合体となり、カーバイドを安定化させる作用
が有り、耐摩耗性向上に寄与する。これをマトリックス
内に緻密、かつ均一に分散させることが望ましい。多過
ぎると材質が脆化し、少な過ぎると耐摩耗性向上の効果
が十分でないことから、好ましくは0.3〜1.0であり、よ
り好ましくは0.4〜0.6である。

【００２１】また、Ｓｂも耐摩耗性向上に寄与する。多
過ぎると結晶粒界に晶出して材質が脆化し強度低下を招
くので、適量添加して固溶させることが重要である。ま
た、少な過ぎると耐摩耗性向上の効果が不十分あること
から、好ましくは0.01〜0.5であり、より好ましくは0.0
5〜0.12である。

【００２２】また、Ｂも耐摩耗性向上に効果があり、特
に熱処理時の焼き入れ工程において効果を発揮する。多
過ぎると材質が脆化し、少な過ぎると耐摩耗性向上の効
果が不十分あることから0.001〜0.5が好ましく、より好
ましくは0.07〜0.13である。このローラ材は、耐摩耗性
向上のために、熱処理条件が重要であり、880〜940℃
（さらに好ましくは920±5℃）、1.0〜2.5時間の油焼き
入れと、180〜250℃（さらに好ましくは230℃±5℃）、
1.0〜2.5時間の非酸化性雰囲気での焼戻し処理により、
表層部に熱処理層を形成することである。油焼き入れ時
には植物油を用いるのが一般的であり、焼戻し処理時の
非酸化性雰囲気としては窒素ガスの如き中性雰囲気、も
しくは水素ガスの如き還元性ガス雰囲気が用いられる。
安全性と経済性とから、通常は窒素ガス雰囲気中での焼
戻し処理が行われる。

【００２３】また、この連続鋳造鋳鉄中には、特殊合金
成分として、重量組成比でＣｕ0.05〜1.0、Ｍｏ0.05〜
1.0、Ｃｒ0.05〜1.0をそれぞれ添加、含有させることが
できるが、Ｃｕ及びＭｏは共に耐摩耗性の向上及び熱処
理（焼き入れ）の効果を有し、Ｃｒは炭化物を形成し耐
摩耗性を向上するが、いずれも多過ぎると材質が脆化し
て強度が低下し、少な過ぎると耐摩耗性向上の効果が不
十分あることから上記の好ましい範囲としたものであ
る、また、圧縮機においてはローラ材とベーンとの相性
も重要であり、相互に摺動による摩耗が低減できるもの
が好ましく、本発明では前述したようにベーン材として
は、重量組成比でＴ・Ｃ1.0〜2.5、Ｓｉ1.5以下、Ｍｎ
1.0以下、Ｃｒ3.0〜6.0、Ｗ20.0以下、Ｍｏ12.0以下の
１種がＷ＋２Ｍｏで15.0〜28.0、Ｖ、Ｎｂの１種または
２種を3.5〜10.0、Ｃｏ、Ｎｉの１種または２種を1.0〜
15.0含み、残部Ｆｅからなる合金で構成したもの、その
他、例えばアルミ・カーボン複合体（アルミ含浸カーボ
ン）で構成したものが望ましい。

【００２４】前者のベーン材のＣは、同時に添加する
Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどと結合して硬い炭化物を形成し、耐摩
耗性を高め、ローラ材との咬りを少なくする効果があ
る。1.0より少な過ぎると耐摩耗性向上の効果が不十分
であり、多過ぎると材質が脆化することから1.0〜2.5が
好ましい。Ｓｉも多過ぎると材質が脆化することから1.
5以下とした。Ｍｎも多過ぎると材質が脆化することか
ら1.0以下とした。Ｃｒは炭化物を形成して耐摩耗性を
高める効果がある。添加量が少ないと効果が少なく、多
過ぎると材質が脆化することから3.0〜6.0とした。Ｗ及
びＭｏはＣと結合して、耐摩耗性、耐咬り性を高める。

【００２５】Ｖ及びＮｂはＣと結合してＭＣ型の炭化物
を形成し、ベーンの摩耗が減少すると共に、ローラの摩
耗を抑えることができる。添加量が少ないと効果が少な
く、多過ぎると材質が脆化することから上記の範囲とし
たものである。

【００２６】Ｃｏ及びＮｉは耐食性と耐摩耗性向上に効
果がある。添加量が少ないと効果が少なく、多過ぎると
材質が脆化することから上記の範囲としたものである。

【００２７】

【実施例】〈実施例１及び２〉ここでは、実際のロータ
リー圧縮機と同様にローラ及びベーンを作成し、冷媒を
除く疑似の圧縮機を組立てローラの摩耗試験を行った結
果について説明する。 （１）ローラの摩耗試験用試料の作成 表１に示す４種のローラ材を周知の連続鋳造法により製
造し、得られた円柱状の鋳鉄をローラ幅に切断し、中心
部を抉ってリング状のローラに加工し、これを熱処理し
てベーンとの摩耗試験に供した。熱処理条件は、植物油
中での油焼入れ処理（焼入温度９２０℃で２時間）、窒
素ガス中での焼戻し（２３０℃で２時間）を行った。

【００２８】試料中の市販品（比較例１）は、従来から
ローラとして使用されている代表的な連続鋳造鋳鉄であ
り、ＧＳ−１（比較例２）は実施例１及び２と組成が類
似しているが、Ｐの含有量を本発明の実施例よりも少な
く本発明の組成範囲外としたものである。なお、この表
に示された成分の残部は、Ｆｅ及び避けられない微量の
不純物から構成される。

【００２９】

【表１】

【００３０】（２）ベーンの作成 ローラの摺動特性は、使用するベーンの材質にも密接に
関係することから、市販のＡｌ含浸Ｃ及びＳＫＨ５１の
他に、本発明のローラと特に相性の良いベーン１及びベ
ーン２を作成した。Ａｌ含浸Ｃを除く、これらベーン材
の成分組成を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】（３）ローラの摩耗試験結果 冷媒を封入しない疑似の圧縮機を組立てローラの摩耗試
験を行った。潤滑油としての冷凍機油は、ＶＧ３２のポ
リオールエステル油を用い、強制試験のため全酸価値を
０．１７ｍｇＫＯＨ／ｇとして腐食摩耗を加速した。な
お、圧縮機の温度は実際の運転条件に合わせて１３０
℃、ローラの摺動速度は５．７ｍ／ｓとした。その結果
を表３に示した。

【００３３】

【表３】

【００３４】判定結果の○印は、優れた摺動特性を示し
たもの、△はローラの摩耗量が少なくかなり良いもので
あるが、ベーンとの相性が悪くベーンの摩耗が無視でき
ない程度に大きかったもの、×はローラの摩耗量が大き
く本発明の目的を達成することのできない比較例を示し
たものである。

【００３５】以上の結果から、本実施例のローラは表中
の摩耗試験データから明らかなように、いずれの特性に
おいても優れている。特に実施例２のローラ（ＧＳ−
３）とベーン２との組合せは摩耗量が格段に少なく、摩
擦係数が著しく小さい。表１のローラ材の成分組成と表
３の結果から、適量のＰ、ＳｂさらにはＢが有効に作用
して良好な特性を発揮しているものと思われる。

【００３６】〈実施例３〉ここでは、冷媒に代替えフロ
ンとなるＨＦＣ系フロンの例としてＲ−１３４ａと称さ
れている１，１，１，２テトラフルオロエタン〔ＣＨ₂
ＦＣＦ₃〕を用いて、実際のロータリー圧縮機により性
能試験を行った結果について説明する。

【００３７】図１は、ロータリー圧縮機の要部断面を模
式的に示した概略図で、ベーン１は、スプリング４によ
り常時ローラ２に押しつけられており、ローラ２の偏心
回転によって、ローラ２とシリンダ３によって形成され
る空間の容積変化により気体（冷媒）を圧縮する。５は
冷媒の吸入口、６は圧縮された冷媒を冷凍サイクルに吐
き出す吐出口である。

【００３８】このロータリー圧縮機の摩耗試験は、圧縮
機を実際の冷凍サイクルに据付け、潤滑油として粘度Ｖ
Ｇ３２のポリオールエーテルを用い、回転数３０００／
ｒｐｍで９０日間連続運転した後におけるローラ２及び
ベーン１の摩耗の状態を測定したものであり、その結果
を表４に示した。

【００３９】

【表４】

【００４０】なお、表中の摩耗試験データは、比較例と
して従来の圧縮機である市販品の連続鋳鉄製のローラ及
びベーン（溶製高速度工具鋼ＳＫＨ５１）の摩耗量をそ
れぞれ１００とした時の相対値で表示した。

【００４１】この表から明らかなように、本発明の圧縮
機においては、ローラの摩耗量が従来に比較して格段に
少なく優れた特性を有していることがわかる。また、ベ
ーンの摩耗量も少なく、ローラのベーンに対する摺動時
の相性が良好であることを示している。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により所期
の目的を達成することができた。すなわち、冷媒に代替
えフロンとなるＨＦＣ系フロンを用いても性能低下を起
こすことがなく、十分に実用性あるローラを備えた圧縮
機を実現することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータリー圧縮機の要部断面を模式的に示した
概略図。

【符号の説明】

１…ベーン、 ２…ローラ、
３…シリンダ、４…スプリング、 ５…吸入
口、 ６…吐出口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｃ 29/00 Ｆ０４Ｃ 29/00 Ｕ (72)発明者 福田 和司 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所リビング機器事業部内 (72)発明者 石山 明彦 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所リビング機器事業部内 (72)発明者 矢沢 秀樹 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所リビング機器事業部内 (72)発明者 中島 昌一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 中村 秀樹 島根県安来市安来町2107番地２ 日立金属 株式会社安来工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダー内に冷媒を吸入する吸入口と、
   吸入された冷媒をシリンダー内で偏心回転するローラと
   弾性体にって常時ローラに押圧されたベーンとで圧縮
   し、シリンダー外に吐出する吐出口とを備えた圧縮機に
   おいて、前記ローラ材を、組成が重量比でＴ・Ｃ2.0〜
   3.9、Ｓｉ2.0〜3.0、Ｍｎ0.3〜1.0、Ｓ0.10以下、Ｐ0.3
   〜1.0、Ｓｂ0.01〜0.5、残部Ｆｅからなる連続鋳造合金
   で構成して成る圧縮機。
2. 【請求項２】シリンダー内に冷媒を吸入する吸入口と、
   吸入された冷媒をシリンダー内で偏心回転するローラと
   弾性体にって常時ローラに押圧されたベーンとで圧縮
   し、シリンダー外に吐出する吐出口とを備えた圧縮機に
   おいて、前記ローラ材を、重量組成比でＴ・Ｃ2.0〜3.
   9、Ｓｉ2.0〜3.0、Ｍｎ0.3〜1.0、Ｓ0.10以下、Ｐ0.3〜
   1.0、Ｓｂ0.01〜0.5、Ｂ0.001〜0.5を含み、残部Ｆｅか
   らなる連続鋳造合金で構成して成る圧縮機。
3. 【請求項３】上記ローラ材組成に、重量組成比でＣｕ0.
   05〜1.0、Ｍｏ0.05〜1.0、Ｃｒ0.05〜1.0をそれぞれ添
   加、含有せしめて成る請求項１もしくは２記載の圧縮
   機。
4. 【請求項４】上記ベーン材を、重量組成比でＴ・Ｃ1.0
   〜2.5、Ｓｉ1.5以下、Ｍｎ1.0以下、Ｃｒ3.0〜6.0、Ｗ2
   0.0以下、Ｍｏ12.0以下の１種がＷ＋２Ｍｏで15.0〜28.
   0、Ｖ、Ｎｂの１種または２種を3.5〜10.0、Ｃｏ、Ｎｉ
   の１種または２種を1.0〜15.0含み、残部Ｆｅからなる
   合金で構成して成る請求項１もしくは２記載の圧縮機。
5. 【請求項５】上記ベーン材を、アルミ・カーボン複合体
   で構成して成る請求項１もしくは２記載の圧縮機。
6. 【請求項６】上記ローラ材組成中のＰの含有量を0.4〜
   0.6、Ｓｂの含有量を0.05〜0.12、Ｂの含有量を0.07〜
   0.13として成る請求項１もしくは２記載の圧縮機。
7. 【請求項７】上記冷媒をハイドロフルオロカーボン系の
   フロンで構成して成る請求項１もしくは２記載の圧縮
   機。
8. 【請求項８】上記冷媒をハイドロフルオロカーボン系の
   フロンで構成すると共に、潤滑油をエステル油で構成し
   て成る請求項１もしくは２記載の圧縮機。