JP2005214038A

JP2005214038A - ロータリ圧縮機

Info

Publication number: JP2005214038A
Application number: JP2004020049A
Authority: JP
Inventors: Hideto Nakao; 英人中尾; Kimiaki Matsukawa; 公映松川; Tetsuei Yokoyama; 哲英横山; Hideaki Maeyama; 英明前山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】ローリングピストンを内蔵するシリンダに高い焼付き耐力を付与することができて、シリンダの摩耗を大幅に低減させることができるロータリ圧縮機を得ることにある。
【解決手段】密閉容器１内に電動機構部２と圧縮機構部６が収納配置され、その圧縮機構部６は、密閉容器１内に嵌着されたシリンダ７と、電動機構部２で回転駆動されるクランク軸５の偏芯軸部５ａに取り付けられてシリンダ７内に偏芯回転可能に収められたローリングピストン８と、前記シリンダ７に径方向へ摺動自在に取り付けられ、そのシリンダ７の内径方向の付勢力により先端が前記ローリングピストン８の外周面に当接して前記シリンダ７の内部を前記ローリングピストン８との間で吸入室１３と圧縮室１４とに仕切るベーン１１とを備え、前記シリンダ７の少なくともベーン１１との摺接面部に表面処理層１８を形成したものである。
【選択図】図３

Description

この発明は、給湯機や冷凍冷蔵器及び空調機器等に使用されるロータリ圧縮機に関するものである。

一般にロータリ圧縮機は、密閉容器内に電動機構部と圧縮機構部とが収納配置され、その圧縮機構部は、前記密閉容器内に嵌着されたシリンダと、前記電動機構部で回転駆動されるクランク軸の偏芯軸部に取り付けられて前記シリンダ内に偏芯回転可能に納められたローリングピストンと、前記シリンダの壁部に設けられた径方向のベーン挿入溝に摺動自在に挿入され、シリンダ内径方向の付勢力により先端が前記ローリングピストンの外周面に当接して前記シリンダ内部を前記ローリングピストンとの間で吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備え、前記密閉容器内の底部に冷凍機油を貯留した構成となっている。ここで、前記ベーンの先端部は、ベーンスプリングなどの背圧付勢力によってローリングピストンの外周に常時押し付けられており、その接触部は高面圧の線接触であってローリングピストンの偏芯回転時に滑りが生じるものである。

このような構成のロータリ圧縮機では、シリンダ内部に冷媒ガスを取り込んで圧縮するが、その冷媒として、ベーン先端部とローリングピストン外周との接触部に塩素系の潤滑膜生成が期待できるＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルカーボン）を用いた場合、ベーン先端部とローリングピストン外周との接触部に焼付きや摩耗が生じることは殆どない。しかし、塩素を含まないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒を用いた場合には、ローリングピストンの外周におけるベーン先端部との接触部に焼付きや摩耗が発生するという問題があった。

その対策として、先端部を除く部分が粗加工されたベーン材料（金属材料）に焼入れ−焼戻しの熱処理を施した後、そのベーン材料に対して先端部その他の研削加工を行い、次いでガス窒化処理を施した後、先端部を除く部分の最終研削を行うと共に、前記先端部の最終研削を、前記ガス窒化処理でベーン材料の表面に形成された白層部が残るように行い、その先端部最終研削後にバレル処理を行ったベーンを形成し、このようにして得られたベーンを適用することで、ベーン先端部とローリングピストン外周との接触部における焼付きや摩耗を抑制するようにしたロータリ圧縮機は既に知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−１１７８８３号公報（第３〜４頁、図１，図５）

従来のロータリ圧縮機は以上のように構成されているので、ガス窒化処理されたベーンの先端部が白層部を残すように研削加工されていることにより、そのベーンを備えるロータリ圧縮機にＨＦＣ冷媒を適用した場合にはベーン先端部とローリングピストン外周との接触部における焼付きや摩耗を抑制することは可能であるが、二酸化炭素のような高圧冷媒を適用すると、シリンダに異常摩耗が発生して圧縮機運転に大きな支障を来すなどの課題があった。すなわち、近年、ロータリ圧縮機には自然冷媒の適用が開始され、その自然冷媒には、例えば、イソブタンなどのような炭化水素、アンモニア、水、二酸化炭素などがあるが、これらの冷媒は、分子構造の中に塩素原子だけでなくフッ素原子をも有していないため、ＨＦＣ系の冷媒以上に焼付きや摩耗が発生し易くなる。また、二酸化炭素は、これまで代替冷媒として使用されてきたＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４１０Ａ（ＨＦＣ３２とＨＦＣ１２５を５０％ずつ配合）の３倍以上の高圧力下で使用される場合があり、吸入圧と吐出圧の圧力差がＲ４１０以上に大きくなる。一般に近年のロータリ圧縮機では、ベーンに窒化などの表面処理が施されており、その表面硬度はビッカース硬度で１２００以上であることが多い。しかし、シリンダには鋳鉄などの低硬度材が使用されていることが多いため、ロータリ圧縮機に二酸化炭素のような高圧冷媒を適用すると、シリンダ内の吸入室と圧縮室との圧力差によるガス差圧力によって、シリンダ壁部に設けられたベーン挿入溝の吸入室側の側壁面に対しベーンが摺接しながら高面圧で押し付けられるため、その押し付け部分となるシリンダ壁部（ベーン挿入溝の内壁面）に異常摩耗が発生し、圧縮機の運転が困難になるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、シリンダの少なくともベーンとの摺接面部に高い焼付き耐力を付与することができ、たとえ高圧冷媒を適用した場合であっても、シリンダの焼付きや異常摩耗を防止することができる信頼性の高いロータリ圧縮機を得ることを目的とする。

この発明に係るロータリ圧縮機は、密閉容器内に電動機構部と圧縮機構部が収納配置され、その圧縮機構部は、前記密閉容器内に嵌着されたシリンダと、前記電動機構部で回転駆動されるクランク軸の偏芯軸部に取り付けられて前記シリンダ内に偏芯回転可能に収められたローリングピストンと、前記シリンダの壁部に径方向へ摺動自在に取り付けられ、そのシリンダ内径方向の付勢力により先端が前記ローリングピストンの外周面に当接して前記シリンダ内部を前記ローリングピストンとの間で吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備え、前記シリンダの少なくとも前記ベーンとの摺接面部に表面処理層を形成したものである。

この発明によれば、ローリングピストンを内蔵し且つ径方向へ摺動自在なベーンが取り付けられたシリンダの少なくとも前記ベーンとの摺接面部に表面処理層を形成するように構成したので、その表面処理層によって、前記シリンダの少なくともにベーンとの摺接面部に高い焼付き耐力を付与することができ、このため、たとえ高圧冷媒を適用した場合であっても、シリンダの焼付きや異常摩耗を防止することが可能な信頼性の高いロータリ圧縮機を実現できるという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるロータリ圧縮機を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図、図３は図２の要部拡大断面図である。
図１に示すロータリ圧縮機は冷凍サイクルに適用されるもので、密閉容器１内に電動機構部２と圧縮機構部６を上下に配置した構成となっている。さらに詳しく述べると、前記電動機構部２は、前記密閉容器１内に組み付けられたステータ３とロータ４とからなり、そのロータ４の軸心部にクランク軸５を連結した構成となっている。このような電動機構部２で駆動される圧縮機構部６は、前記密閉容器１内に嵌着されて前記電動機構部２の下方に位置するシリンダ７と、前記クランク軸５の偏心軸部５ａに回転自在に取り付けられて前記シリンダ７内に偏心回転可能に収納されたローリングピストン８と、前記シリンダ７の上下開口部に取り付けられて当該上下開口部を閉塞し且つ前記クランク軸５を保持する上下の軸受９，１０と、前記シリンダ７の壁部に径方向へ摺動自在に取り付けられたベーン１１とを備えた構成となっている。

ここで、前記シリンダ７の壁部には径方向のベーン挿入溝７ａ（図２および図３参照）が設けられ、このベーン挿入溝７ａに前記ベーン１１が摺動自在に挿入されている。そのベーン１１は、ベーンスプリング１２による背圧付勢力によってシリンダ１１の径方向内側に付勢されている。これにより、前記ベーン１１は、その先端がローリングピストン８の外周面に当接してシリンダ７内をローリングピストン８との間で吸入室１３と圧縮室１４とに仕切り形成している。なお、前記ベーン１１の先端は円形状の凸曲面に形成されてローリングピストン８の外周面に摺動自在に当接しているものである。前記吸入室１３には、冷媒ガス吸入用の吸入パイプ１５が接続され、前記圧縮室１４の上壁部となる上部軸受９には圧縮ガス吐出用の吐出口１６が設けられている。また、前記密閉容器１内の上部には、当該密閉容器１内に前記吐出口１６から吐出された圧縮ガスを冷凍回路に送り出すための吐出パイプ１７が接続してある。

以上のように構成されたロータリ圧縮機は、例えば二酸化炭素のように吐出圧力が高くなる冷媒を使用する冷凍サイクルに用いられ、二酸化炭素を冷媒とした場合には、冷凍機油として、例えば、二酸化炭素と相溶性を有するＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が使用される。また、Ｒ４１０等のＨＦＣ系の冷媒を使用した場合には、エステル油やエーテル油及びアルキルベンゼン油などが冷凍機油として使用される。
また、前記シリンダ７の材料としては、例えば、ねずみ鋳鉄の一つであるＦＣ２５０が適用されることがあり、この場合、その材料の表面硬度はビッカース硬度で２５０程度である。
また、前記ベーン１１の材料としては、例えば、モリブデン系高速度工具鋼の一つであるＳＫＨ５１が挙げられ、使用環境によっては、焼入れ処理を施した後に窒化処理が行われている。その窒化処理後のＳＫＨ５１の表面硬度はビッカース硬度で１２００程度である。

このような材料で形成されたシリンダ７とベーン１１は前述のように硬度差が大きいため、両者の摺接部（特に、ベーン挿入溝７ａの内壁面）に焼付きや摩耗が発生し易く、その焼付きや摩耗を発生し難くするためには、シリンダ７とベーン１１の硬度差を小さくする必要がある。その手段として、前記シリンダ７のベーン挿入溝７ａの内壁面には表面処理層１８が形成してある。この表面処理層１８は、前記シリンダ７の少なくともベーン挿入溝７ａの内壁面を含むその周辺に拡散処理を施すことによって形成されている。その拡散処理として、例えば窒化処理を行うことにより、前記シリンダ７の特にベーン挿入溝７ａの内壁面硬度を向上させている。すなわち、この実施の形態１では、ベーン１１よりも材料硬度が小さなシリンダ７のベーン挿入溝７ａの内壁面に窒化処理を施すことにより、前記シリンダ７の材料硬度よりも大きな表面硬度の表面処理層１８を前記ベーン挿入溝７ａの内壁面に形成したものである。

前記ベーン挿入溝７ａの窒化処理による表面処理層１８の形成時において、前記ベーン挿入溝７ａの内壁面には白層と呼ばれる窒素化合物（ε層、Ｆｅ２Ｎ及びＦｅ３Ｎの単層または混合層）を形成することにより、固体潤滑効果を合わせて向上させることができ、前記の焼付きや摩耗の防止効果も向上させることができる。
なお、窒素化合物層の厚さは、０以上２ミクロン以下であることが焼付き、摩耗を防止する観点から望ましい。また、前記窒化処理の方法としては、イオン窒化（プラズマ窒化）、塩浴窒化、ガス軟窒化、ガス窒化などが挙げられる。その他、焼入れ処理、ホウ化処理、ＴＤプロセスなどシリンダ７の表面から内部までの硬度を連続的に向上させ得る拡散処理であれば適用可能である。

次に動作について説明する。
電動機構部２によって圧縮機構部６が駆動され、シリンダ７内でローリングピストン８が偏心回転している状態において、吸入パイプ１５からシリンダ７内の吸入室１３に取り込まれた冷媒ガスは圧縮室１４内で前記ローリングピストン８により圧縮された後、上部軸受９の吐出口１６から密閉容器１内に吐出され、さらに吐出パイプ１７から冷媒回路に送り出される。このようなロータリ圧縮機の稼働時において、前記圧縮室１４の冷媒ガス圧力は吸入室１３よりも高圧となり、その高圧の冷媒ガス圧力がベーン１１に作用する。これにより、前記ベーン１１は、シリンダ７のベーン挿入溝７ａにおける吸入室１３側の内壁面に高面圧で押し付けられ、しかも、その押し付け状態で前記ローリングピストン８の偏心回転に追従して前記ベーン挿入溝７ａ内を摺動するため、そのベーン挿入溝７ａのベーン１１との摺接面には焼付きや摩耗が生じ易くなるが、その焼付きや摩耗は、前記ベーン挿入溝７ａの内壁面に形成した表面処理層１８によって発生し難くなる。

以上説明した実施の形態１によれば、ベーン１１よりも材料硬度が小さな材料で形成されたシリンダ７のベーン挿入溝７ａの内壁面に拡散処理を施すことにより、前記シリンダ７の材料硬度よりも大きな表面硬度の表面処理層１８を前記ベーン挿入溝７ａの内壁面に形成するように構成したので、前記ベーン挿入溝７ａ内の表面硬度がシリンダ７の材料硬度よりも大きくなってベーン１１の材料硬度に近づき、このため、たとえ高圧冷媒を適用した場合でも、前記ベーン１１が高面圧作用状態で摺動する前記ベーン挿入溝７ａの内壁面（ベーン１１との摺接面部）に焼付きや異常摩耗が発生し難くなるという効果がある。

実施の形態２．
前記ベーン挿入溝７ａの表面処理層１８はコーティング処理によって形成されたものであってもよい。そのコーティング処理としては、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）が挙げられ、その物理蒸着によって形成されるＣｒＮなどを前記表面処理層１８とすることもできる。その他、化学蒸着（ＣＶＤ）処理によって形成されるコーティング層からなる前記表面処理層１８であってもよい。また、コーティング処理によって形成されるコーティング層（表面処理層１８）はＣｒＮだけでなく、その他の化合物でも表面硬度を処理前よりも向上させ得るものであれば適用可能である。
このように、ベーン挿入溝７ａの表面処理層１８をコーティング処理によって形成した場合でも、前記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
前記ベーン挿入溝７ａの表面処理層１８は、拡散処理とコーティング処理の複合処理によって形成されたものであってもよい。その複合処理としては、例えば、窒化処理を行った後にＣｒＮのコーティング処理を行う手法が挙げられる。このような複合処理をベーン挿入溝７ａに施して表面処理層１８を形成することにより、拡散処理だけで表面処理層１８を形成する場合よりも表面硬度を向上させることができ、コーティング処理だけを行う場合よりもコーティング層と母材の硬度差によるコーティング層の破断を防止することが可能である。なお、拡散処理とコーティング処理の複合処理を行うときの拡散処理には、例えば、イオン窒化（プラズマ窒化）、塩浴窒化、ガス軟窒化、ガス窒化などの窒化処理が適しており、コーティング処理には、ＣｒＮの他にＴｉＮやＴｉＡＩＮなど窒素原子を組成に含むコーティング層をシリンダ７の表面に形成する処理方法が適当である。これによって、コーティング処理を行ったときにコーティング層の内部のＣｒなどの金属原子が窒化処理によって形成される窒素拡散層の内部に拡散されるため、図４に示すように、コーティング層と窒素拡散層の硬度差を縮小できるという効果がある。

実施の形態４．
前記各実施の形態では、シリンダ７のベーン挿入溝７ａの内壁面に表面処理層１８を形成する場合について説明したが、シリンダ７の全体に対して拡散処理もしくはコーティング処理あるいは拡散処理とコーティング処理の複合処理を施して表面処理層を形成してもよく、この場合も同様の効果が得られる。
なお、前述のような表面処理を行ったシリンダ７には、バレル処理等による研磨を行うことが望ましい。すなわち、表面処理を行った後のシリンダ７の表面には、必要以上の酸化膜やコンタミが付着していることが予想される。また、表面粗さが悪化することも想定される。そこで、バレル処理等による研磨を行うことによって、シリンダ７の表面に付着した酸化膜やコンタミを除去し、表面粗さを向上させることができるという効果がある。

この発明の実施の形態１によるロータリ圧縮機を示す縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図２の要部拡大断面図である。シリンダのコーティング層と窒素拡散層の硬度差を示す図である。

符号の説明

１密閉容器、２電動機構部、３ステータ、４ロータ、５クランク軸、５ａ偏芯軸部、６圧縮機構部、７シリンダ、７ａベーン挿入溝、８ローリングピストン、９，１０軸受、１１ベーン、１２ベーンスプリング、１３吸入室、１４圧縮室、１５吸入パイプ、１６吐出口、１７吐出パイプ、１８表面処理層。

Claims

密閉容器内に電動機構部と圧縮機構部が収納配置され、その圧縮機構部は、前記密閉容器内に嵌着されたシリンダと、前記電動機構部で回転駆動されるクランク軸の偏芯軸部に取り付けられて前記シリンダ内に偏芯回転可能に収められたローリングピストンと、前記シリンダの壁部に径方向へ摺動自在に取り付けられ、そのシリンダ内径方向の付勢力により先端が前記ローリングピストンの外周面に当接して前記シリンダ内部を前記ローリングピストンとの間で吸入室と圧縮室とに仕切るベーンとを備えたロータリ圧縮機において、前記シリンダの少なくとも前記ベーンとの摺接面部に表面処理層を形成したことを特徴とするロータリ圧縮機。
シリンダの表面処理層は、シリンダの拡散処理層であることを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。
シリンダの表面処理層は、シリンダのコーティング処理層であることを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。
シリンダの表面処理層は、シリンダの拡散処理とコーティング処理層との混合層であることを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。