JP2005048686A

JP2005048686A - 冷媒圧縮機

Info

Publication number: JP2005048686A
Application number: JP2003282616A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakanishi; 博志中西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】ＨＣＦＣ、ＨＦＣ冷媒用の圧縮機において、シリンダとベーンの組合せで相互の摩耗を低減し長期の使用に耐える材料を提供する。
【解決手段】シリンダの黒鉛相は自己潤滑性と冷凍機油との潤滑性を与え、ベーンとの摺動摺動性を確保するのに必要な相であり、黒鉛は球状より片状が摺動性に優れているため、本願発明の圧縮機のシリンダはＡ型黒鉛が分散したネズミ鋳鉄とし、その存在量が多いと摺動性が向上するので８％以上の黒鉛面積率とし、相手ベーン材にハイス系焼結部品、またはＰＶＤコーティングしたベーン材を組み合わせることにより、耐摩耗性を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は主として業務用および家庭用の冷凍空調に使用されるＨＣＦＣおよびＨＦＣ冷媒用の冷媒圧縮機に関するものである。

従来の冷媒圧縮機としては、基地中に片状黒鉛の晶出したネズミ鋳鉄をシリンダに、焼結材あるいは鋼の表面にＣｒＮコーティングを施したものをベーンに使用しているもので、シリンダは黒鉛形状がＡ形黒鉛でパーライト量を８０％以上含んだねずみ鋳鉄を特徴とするものであった。

従来の冷媒圧縮機として代表的な例はロータリ圧縮機であり、これを図１は、本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機の機構部の縦断面図、図２はその圧縮機構の要部を示す横断面図である。

図１及び図２において１は密閉容器であり、電動機部２と圧縮機構部３が配置されている。電動機部２は回転子２ａと固定子２ｂから構成され、回転子２ａには主軸受９と副軸受１０により回転自在に支持されたシャフト８が圧入等の方法により固定されている。圧縮機部３は吸入孔５および径方向のシリンダ溝２３を有するシリンダ２０と、外周面をシリンダ２０の内周面に摺動しながら偏芯回転するローラ７と、ローラ７の内周面に摺動自在に挿入されたシャフト８の偏芯部と、シリンダ溝２３に往復摺動自在に収納されてスプリング２４による押圧力と背圧（吐出圧）により先端部がローラ７に押し付けられてシリンダ内部空間を吸入室２５と圧縮室２６に分割するベーン２１と、シリンダ両端面を密閉する主軸受９および副軸受１０とから構成されている。

次に、本構成によるロータリ圧縮機の動作を説明する。電動機部２に外部から通電することにより回転子が回転してシャフト８が回転駆動される。シャフト８が回転すると偏芯部に摺動自在に取り付けられたローラ７がシリンダ内周面に摺接しながら遊星運動（図２で反時計方向回転）を行う。その結果、ＨＦＣなどの冷媒ガスが吸入管４から吸入孔５を介して吸入室２５に吸い込まれ、同時に圧縮室２６で圧力を上げられた冷媒ガスが吐出切り欠き２２から吐出孔６を通して密閉容器１内に吐出される。

なお、図１では見やすくするために吐出孔６の位置を吸入孔から離れた位置に描いたが、実際には図２に示すようにベーン２１を挟んで吸入孔５の近くに配置されている。

この時、吸入室２５と圧縮室２６とを仕切るベーン２１はスプリング２４とベーン背部にかかる圧力によりローラ７の外周面に押しつけられており、先端部がローラ７の外周面と、側面部がシリンダ溝２３の内壁面と摺動することになる。ベーン２１とローラ７およびシリンダ溝２３の潤滑は定常運転状態では密閉容器底部に貯留されている潤滑油１２を使って行われるが、始動時には摺動部に十分な潤滑油が存在しておらず、吸入された冷媒ガスに僅かながら含まれている潤滑油１２（潤滑油は僅かではあるが冷媒ガスと共に圧縮機から吐出され、冷凍サイクルを循環した後、再び吸入管４から圧縮機に戻ってくる）が使われることになる。

前記シリンダ２３は、ネズミ鋳鉄が使用されており、その組織は図３のようにパーライト基地中に片状黒鉛が晶出したものとなっている。一般にネズミ鋳鉄は基地中の黒鉛が潤滑剤の作用を示し、シリンダ溝２３を介したベーン２１との摩擦摩耗を低減する役割を果たしている。

しかし、前述のように、密閉型ロータリ圧縮機の始動時における摺動条件は潤滑油が十分に供給されない厳しいものであり、特にベーンとシリンダ溝の間は往復運動となるため油膜が形成されにくいため更に厳しい摺動条件であるということがいえる。また、近年環境対策のために採用されているＨＦＣ冷媒はそれ自身に潤滑性が乏しいので、ＨＦＣ冷媒を使用したロータリ圧縮機の摺動条件は特に厳しいものであるといえる。
特開平１１−２２６７７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、基地中のパーライト量に対する規定はあるもののネズミ鋳鉄の本質である基地中に晶出した片状黒鉛に対する規定がないため、基地中に含まれる片状黒鉛の量が減少すると、シリンダもしくは相手材ベーンの摩耗が多くなるという課題があった。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、ネズミ鋳鉄であるシリンダの片状黒鉛の量を規定し、併せて相手材ベーンとの組み合わせにより、耐摩耗に優れた信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷媒圧縮機は、加工面に５％以上のフェライトを含まないパーライト基地とした片状黒鉛が晶出し、耐摩耗性を確保するため基地中の片状黒鉛面積率を８％以上１５％以下で、ＣＥ値を３．８０から４．１０とすることを特徴としたネズミ鋳鉄を使用したシリンダから構成されたものであることを特徴とする冷媒圧縮機である。

本構成により、耐摩耗性の優れた信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

本発明の請求項１および２に記載の発明は、円筒形状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内周面に外周面を接しながら偏芯自在かつ出没可能に挿入されたベーンとからなり、前記ベーンが先端部をローラの外周面に摺接するようにスプリングによって付勢されてシリンダ内空間を吸入空間と圧縮空間に仕切るロータリ圧縮機であって、前記シリンダは加工面に５％以上のフェライトを含まないパーライト基地であり、片状黒鉛が晶出したネズミ鋳鉄とし、耐摩耗性を確保するため基地中の片状黒鉛面積率を８％以上で、ＣＥ値を３．８０から４．１０とすることを特徴とするものである。

ねずみ鋳鉄は元来基地中に晶出している黒鉛のため摺動摩耗には有利な材料であるが、基地中の片状黒鉛の量を８％以上とすることにより、安定した部品の摩擦摩耗に対する信頼性が得られる。

黒鉛の晶出量はＣＥ値（Ｃ＋１／３Ｓｉ）に比例するため、前記片状黒鉛量を８％以上確保するためのＣＥ値下限値を３．８０と規定するものである。一方、ＣＥ値を大きくすると鋳鉄の硬さが低くなり、圧縮機のメカ部品としてシリンダに要求される剛性を示すヤング率も低下するため、ＣＥ値の上限値を４．１０としたものであり、圧縮機のメカ部品に要求される摩耗、硬さ、剛性を確保することができるものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の圧縮機のベーンの材料をＷが５．０〜７．０％、Ｍｏが４．０〜６．０％、Ｃｒが３．０から５．０％、Ｖが１．４％〜２．４％、Ｓｉが０．４〜０．９％、Ｃが０．９〜１．２％で残部がＦｅで構成された組成で、ＨＲＡ
５５〜８０の硬度を有した焼結品とし、マルテンサイト基地中に１０〜３０％のＣｒ炭化物が分散されるため、請求項１および２に記載のねずみ鋳鉄に対する攻撃性も少なく、自身の摩耗も少ないことを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、クロムモリブデン焼入保証鋼を７８０〜８１０℃で７〜８時間球状化焼鈍を施し、冷間鍛造をしやすくし成形し、その後表面近傍の基地硬度を上昇させるため浸炭処理を施し、研磨し全面にＣｒＮコーティングをしたＰＶＤベーンで、請求項１および２に記載のねずみ鋳鉄に対する攻撃性も少なく、自身の摩耗も少ないことを特徴とするものである。

以上よりネズミ鋳鉄の圧縮機実機における摩擦摩耗の信頼性を確保するための、シリンダ材の材料仕様は以下のように整理できる。

片状黒鉛面積率＝８〜１５％、ＣＥ値＝３．８〜４．１％、ヤング率＝１２３ＧＰａ
前記シリンダ材の材料特性を明確にすることにより、ＨＣＦＣ冷媒下でシリンダ材にネズミ鋳鉄を適用した場合に、実機の圧縮機運転中の摩耗に対し、十分な信頼性が得られることになる。さらにＨＦＣ冷媒下では，より厳しい条件になるため、相手ベーン材はＣｒＮコーティングを施したものを使用しているため、シリンダ材に対する攻撃性は低いため、同様にネズミ鋳鉄が適用できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
従来の構成では、基地中のパーライト量に対する規定はあるもののネズミ鋳鉄の本質である基地中に晶出した片状黒鉛に対する規定がないため、基地中に含まれる片状黒鉛の量が減少すると、シリンダもしくは相手材ベーンの摩耗が多くなるという課題があった。

一般にネズミ鋳鉄で黒鉛面積率に最も影響を及ぼす因子として、炭素（Ｃ）および珪素（Ｓｉ）があるが、調査の結果Ｃ量の影響が強く、図４に示すようにＣ量と黒鉛面積率の関係が以下の重回帰式で表せることが判明した。

黒鉛面積率（％）＝１４．３Ｃ（％）＋０．０２７Ｓｉ（％）−３４．１
黒鉛面積率とシリンダ摩耗の関係を調査するため、黒鉛面積率を変化させたシリンダ材を高圧雰囲気摩擦摩耗試験機で評価すると、黒鉛面積率の増加に伴い、シリンダ材の摩耗は減少することが明確となった（図５）。

本高圧雰囲気摩擦摩耗試験機では、冷媒をＨＣＦＣ（Ｒ２２）、容器内圧力１６０ＭＰａ、温度１１０℃、荷重を１０Ｎ／５０Ｎの繰り返しにより、３時間運転して評価した。

次に上記黒鉛面積率を変化させたシリンダ材を実際に圧縮機に組み込み実機評価を実施した結果、表１のように、黒鉛面積率は７．５％ではシリンダの摩耗は、実機評価基準を超えて、不合格となることが判明した。

その結果、シリンダ材の黒鉛面積率は、８％以上であれば、圧縮機実機評価で信頼性に耐えることとなる。しかしながら、圧縮機に使用されるシリンダは、前記記載のように軸受けおよび副軸受けとボルトにより締め付けられるため、前記シリンダ溝に歪みが発生するため、シリンダ材のヤング率（剛性）を１２３ＧＰａ以上と規定している。図６に示すように、黒鉛面積率が増加すれば、Ｃ量すなわちＣＥ（炭素当量）は比例して増加する関係にあり、ヤング率は減少するため、ＣＥ値は４．１を上限と設定した。

図７はＣ量、Ｓｉ量とＣＥ値の関係を示す図であり、前述のＣＥ値４．１で黒鉛面積率が最大となるＣ、Ｓｉ量から求められる結果は前述の黒鉛面積率の計算式より１５％となるため、黒鉛面積率を８％以上１５％以下と設定できる。図８に本願発明による黒鉛面積率を確保したネズミ鋳鉄の代表組織を示す。

従来および本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機を示す縦断面図従来および本発明の実施の形態における冷媒圧縮機の要部を示す横断面図従来のネズミ鋳鉄の組織を示す図Ｃ量と黒鉛面積率の関係を示す図摩擦摩耗試験機における黒鉛面積率とシリンダの摩耗量を示す図ＣＥ値とヤングの関係を示す図Ｃ量、Ｓｉ量とＣＥ値の線図本発明の実施の形態におけるネズミ鋳鉄の組織を示す図

符号の説明

１密閉容器
２電動機部
３圧縮機部
４吸入管
５吸入孔
６吐出孔
７ローラ
８シャフト
９主軸受け
１０副軸受け
１１締め付けボルト
１２冷凍機油
２０シリンダ
２１ベーン
２２吐出切欠き
２３シリンダ溝
２４スプリング
２５吸入室
２６圧縮室

Claims

シリンダは、加工面に５％以上のフェライトを含まないパーライト基地であり片状黒鉛が晶出したネズミ鋳鉄とし、耐摩耗性を確保するため基地中の片状黒鉛面積率を８％とし、ＣＥ値を３．８０から４．１０とすることを特徴とするＨＣＦＣ、ＨＦＣ冷媒用の圧縮機。
シリンダは、黒鉛面積率を増加すれば摺動性が向上するが、強度が低下するのでヤング率を１２３ＧＰａ以上とするため、ＣＥ値を３．８０から４．１０とし、黒鉛面積率の上限を１５％としたことを特徴とする、請求項１記載の圧縮機。
ベーンは、Ｗが５．０〜７．０％，Ｍｏが４．０〜６．０％、Ｃｒが３．０〜５．０％、Ｖが１．４〜２．４％，Ｓｉが０．４〜０．９％、Ｃが０．９〜１．２％で残部がＦｅで構成された組成で、ＨＲＡ５５〜８０の硬度を有し、マルテンサイト基地中に、１０〜３０％のＣｒ炭化物が分散された焼結品からなる、請求項１または２記載の圧縮機。
ベーンは、クロムモリブデン焼入保証鋼を７８０〜８１０℃で７〜８時間球状化焼鈍をした後、冷間鍛造成形し浸炭処理で表面近傍の基地硬度を上昇させた後、研磨し全面にＰＶＤ処理をしたもので構成された請求項１または２記載の圧縮機。