JP2006046101A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】主に３０％のシリコンを含有したアルミニウムの粉末燒結材で構成されている圧縮機の摺動部材の摺動部においては、その最表面にありＳｉを覆っている薄いアルミニウム層が剥離して焼付きに至る可能性があり、十分な信頼性を保証するために最表面のアルミニウム層の無害化が重要な課題となっている。
【解決手段】本発明は、摺動部を構成する一方の摺動部材に鉄系材料を用い、他方の摺動部材にはアルミニウム材料を用い、他方の摺動部材の少なくとも摺動部にアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものであり、溶射皮膜に適度に分散されたアルミニウムの酸化物の非凝着性を用いて信頼性の高い圧縮機を提供するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、業務用や非業務用を問わず各種用途での冷凍サイクルや空調システムなどに使われる圧縮機であって、主として、対向配置されて互いに噛み合う旋回スクロールと固定スクロールとにより、冷媒を吸入、圧縮および吐出するスクロール圧縮機に関するものである。

スクロール圧縮機には、静止した固定スクロールと、この固定スクロールと噛み合った状態で揺動する旋回スクロールとを備えている。図４に示すように、旋回スクロール３０は、円板状の鏡板３１と、この鏡板３１の上面部３１ａから渦巻状に直立して形成されたラップ部３２と、鏡板３１の下部に形成された軸受部３３とを備えて構成されている。ラップ部３２の高さは、その肉厚の約６倍程度に設定されている。この旋回スクロール３０は、従来において鉄系の鋳造品の表面を切削して仕上げ加工することにより製作されていたが、近年では、スクロール圧縮機の高効率化を図るために、旋回スクロール３０を毎分１万回転前後の高い回転数で駆動することが要求されるに到り、旋回スクロール３０の形成素材として、鉄系の材料に代えて、これよりも比重の小さいアルミニウム合金を用いることにより、スクロール圧縮機の高効率化および軽量化を図ることが要望されている。

このような事情から、従来では、図５に示すように、上記鏡板３１およびラップ部３２の基材部３１ｂ，３２ａを、３０％のシリコンと若干のニッケル、マグネシウムを含有した材料からなるアルミニウムダイキャスト品として一体形成し、鏡板３１の上面部３１ａおよび側面部３１ｄ（図４）とラップ部３２の表層部３２ｂとを、基材部３１ｂ，３２ａと同じ材質、つまり１０％以上のシリコンを含有するアルミニウム合金の粉末焼結材で構成した旋回スクロールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この旋回スクロールは、鏡板３１およびラップ部３２を上述のアルミニウム合金でダイキャスト成形したのちに、このダイキャスト成形品の基材部３１ｂ，３２ａの表面を、同種材料の粉末焼結材をバインダとともにインサート成形することにより被覆し、バインダを除去したのちに焼結する工程を経て製造される。

上記のように構成された旋回スクロールは、軽量であるため、毎分１万回転前後の高速回転においても軸受機構などに対する面圧などのダメージが少ないものとなり、また、基材部３１ｂ，３２ａにシリコンの偏析部が存在しても、鏡板３１およびラップ部３２の各々の表層部３１ａ，３１ｄ，３２ｂがシリコン等を均一に分散した粉末焼結材で形成されていることから、表層部３１ａ，３１ｄ，３２ｂの切削仕上げ面も良好なものとなって、表面に疲労破壊の起点となるようなシリコンの脱落部が生じなく、信頼性の高いものとなる。したがって、この旋回スクロール３０を搭載したスクロール圧縮機は、高速回転が可能となって高効率化を図ることができるとともに、小型化および軽量化を達成することができる。
特開平３−２４２４８６号公報

しかしながら、上記旋回スクロール３０は、表層部３１ａ，３１ｄ，３２ｂがアルミニウム合金の粉末焼結体で形成されているが、この表層部３１ａ，３１ｄ，３２ｂが、上述したようにインサート成形により基材部３１ｂ，３２ａを被覆するように形成されたのちにバインダを除去して焼結する工程を経て構成されることから、この表層部３１ａ，３１ｄ、３２ｂの最表面に部分的に薄いアルミニウムリッチ層が形成されており、この薄いアルミニウムリッチ層の存在によって以下のような課題がある。

すなわち、スクロール圧縮機では、過度運転時、特に除霜運転の開始時に液戻りが激しいために、旋回スクロール３０の回りにおいて一時的に潤滑油が不足する事態が発生する。また、除霜が進行するに従って吐出圧力が上昇するが、その吐出圧力の上昇によって旋回スクロール３０のスラスト面が固定スクロールに強く押し付けられるために、スラスト面で油膜切れが起こり易い。さらに、除霜運転に際しては、短時間で除霜を完了させることを目的として高速運転されるために、摩擦熱によってスラスト面の温度が高くなる。また、上記除霜などの過度運転時では、吸入温度と吐出温度との温度差が拡がることから、旋回スクロール３０の中央部の羽根が大きく熱膨張して伸び、この羽根の先端部が固定スクロールと接触して潤滑油が切れ、これに伴う摩擦熱によって摺動温度が高くなって熱膨張が更に促進され、潤滑状態が一層厳しくなる。

上述のように潤滑状態が厳しくなったときには、旋回スクロール３０のスラスト面におけるシリコンを覆っている最表面の薄いアルミニウムリッチ層のシリコンに対する密着性が低いことから、このアルミニウムリッチ層が剥離する可能性があり、剥離した場合に焼付きを起こすおそれがある。そのため、上記旋回スクロール３０を備えたスクロール圧縮機は十分な信頼性を確保することができない。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、軽量化と高速回転による高効率化を達成しながらも、潤滑状態が厳しくなる過度運転時においても焼付きが発生するおそれのない高い信頼性を有する圧縮機を提供することを目的とするものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の圧縮機は、摺動部を構成する一方の摺動部材に鉄系材料を用い、他方の摺動部材にはアルミニウム材料を用い、他方の摺動部材の少なくとも摺動部にアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものである。

上記構成によれば、アルミニウム材料で構成した摺動部材によって軽量化と高速回転による高効率化とを達成しながらも、摺動部分での潤滑状態が厳しくなったときに、適度に分散されたアルミニウムの酸化物の非凝着性によって焼付きの発生が効果的に防止される。したがって、圧縮機は、潤滑状態が厳しくなる過度運転時、特に除霜運転時における焼付きの発生が効果的に防止され、大容量で多冷媒のシステムにおいても不具合が発生するおそれのない高い信頼性を有したものとなる。

上記実施例から明らかなように、請求項１に記載の発明は、摺動部を構成する一方の摺動部材に鉄系材料を用い、他方の摺動部材にはアルミニウム材料を用い、他方の摺動部材の少なくとも摺動部にアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものである。この構成によれば軽量化と高速回転による高効率化とを達成しながらも、焼付きの発生を効果的に防止することができ、大容量で多冷媒のシステムにおいても不具合が発生するおそれのない高い信頼性を有した圧縮機を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、固体潤滑剤を含むアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものであり、消費電力を削減できる。

請求項３に記載の発明は、硬質粒子を含むアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものであり、運転可能な負荷範囲を拡大できる。

請求項４に記載の発明は、圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材は固定スクロールであり、他方の摺動部材は旋回スクロールであるものであり、低振動・低騒音で静粛な運転ができる。

請求項５に記載の発明は、圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材はシャフトであり、他方の摺動部材は旋回スクロールであるものであり、立ち上げ時間を短縮できる。

請求項６に記載の発明は、圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材はフレームであり、他方の摺動部材は旋回スクロールであるものであり、部品点数を削減できる。

請求項１に記載の発明は、摺動部を構成する一方の摺動部材に鉄系材料を用い、他方の摺動部材にはアルミニウム材料を用い、他方の摺動部材の少なくとも摺動部にアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものである。この構成によれば軽量化と高速回転による高効率化とを達成しながらも、焼付きの発生を効果的に防止することができ、大容量で多冷媒のシステムにおいても不具合が発生するおそれのない高い信頼性を有した圧縮機を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、固体潤滑剤を含むアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものであり、低摩擦になり、消費電力を削減できる。

請求項３に記載の発明は、硬質粒子を含むアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したものであり、耐焼付き性が高くなり、運転可能な負荷範囲を拡大できる。

請求項４に記載の発明は、圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材は固定スクロールであり、他方の摺動部材は旋回スクロールであるものであり、低振動・低騒音が可能になり、静粛な運転ができる。

請求項５に記載の発明は、圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材はシャフトであり、他方の摺動部材は旋回スクロールであるものであり、高速始動が可能になり、立ち上げ時間を短縮できる。

請求項６に記載の発明は、圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材はフレームであり、他方の摺動部材は旋回スクロールであるものであり、部品点数を削減できる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図３を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明を旋回スクロール７に適用して構成したスクロール圧縮機を示す一部破断した正面図である。このスクロール圧縮機は、これの外体をなす密閉容器１内に圧縮機構部２とこれの駆動源のモータ部（図示せず）が内装されている。圧縮機構部２は、フレーム３に固定された固定スクロール４と、この固定スクロール４に対向配置された旋回スクロール７と、固定スクロール４と旋回スクロール７との間に設けられたオルダムリング８と、旋回スクロール７をモータ部に連結するクランク軸９とを備えて構成されている。

固定スクロール４は、鏡板４ａ、羽根４ｂ、底面４ｃおよび吸入ポート４ｄを備えて構成されており、吸入ポート４ｄには吸入管１０が接続されている。旋回スクロール７は、これの縦断面図である図２に示すように、鏡板７ａ，７ｂ、羽根７ｃ、軸受７ｄおよびキー溝７ｅを備えて構成されている。この旋回スクロール７の羽根７ｃと固定スクロール４の羽根４ｂとは対向配置されて互いに噛み合っているが、旋回スクロール７の羽根７ｃの高さは固定スクロール４の羽根４ｂの高さよりも若干低く設定されている。

フレーム３には環状溝１１が形成されており、この環状溝１１には、フレーム３と旋回スクロール７間をシールするシール部材１２が設けられ、このシール部材１２における環状溝１１に対する内側が高い圧力になるように設定されている。旋回スクロール７は、上記高い圧力によって固定スクロール４に押し付けられており、旋回スクロール７の羽根先端部７ｅと固定スクロール４の底面４ｃとの隙間は潤滑油（図示せず）によってシールされている。

クランク軸９は鋼、フレーム３及び固定スクロール４は鋳鉄で構成され、旋回スクロール７はアルミニウム−シリコン系合金１７で構成されている。旋回スクロール７の特徴とする構成について、図３を参照しながら説明する。図３は旋回スクロール７の表層部の断面組織を模式的に示した図である。旋回スクロール７の鏡板７ａと軸受７ｄには、アルミニウムを主成分とする粉末材料が溶射されて厚さ５０〜１５０μｍの溶射皮膜１８が形成されている。溶射皮膜１８における偏平な組織はアルミニウムを主成分とする粉末材料の溶融粒子１９であり、縞模様は溶射時に生成されたアルミニウムの酸化物２０が層状に分布してできたものであり、適度に分散されている。また、黒い点は溶射時にできた微細な空孔２１である。

つぎに、上記スクロール圧縮機の動作について説明する。モータ部の回転は、クランク軸９を介して旋回スクロール７に伝達されて、オルダムリング８と協働して旋回スクロール７を旋回運動させる。旋回スクロール７の羽根７ｃと固定スクロール４の羽根４ｂとは、対向配置されて互いに噛み合っており、旋回スクロール７の旋回運動に伴って吸入管１０から吸入ポート４ｄを介して冷媒を吸入し、この冷媒を圧縮する。この圧縮された冷媒は、吐出ポート４ｅからリード弁１３を押し開いて密閉容器１内に吐出されたのち、吐出管１４から密閉容器１の外部に導き出される。この運転時には密閉容器１内が高圧に保持されている。

ところで、スクロール圧縮機における低温時の暖房運転では、着霜が激しくなると、除霜運転に強制的に切り換えられるが、その際に、激しい液戻りが発生して旋回スクロール７の鏡板７ａと羽根７ｃに残留していた潤滑油が洗い流されてしまう。このとき、上記旋回スクロール７では、鏡板７ａの表面に露出しているアルミニウムの酸化物２０が固定スクロール４の羽根４ｂと摺動し、このアルミニウムの酸化物２０の非凝着性によって、上記の潤滑油不足に伴う旋回スクロール７の焼付きの発生が極めて効果的に防止される。

また、上記除霜運転によって除霜効果が進むのに伴い吐出圧力が上昇して、この高い吐出圧力がシール部材１２の内側に作用するため、旋回スクロール７が固定スクロール４に強く押し付けられる。そのため、旋回スクロール７の鏡板７ａと固定スクロール４の鏡板４ａおよび羽根４ｂの先端部との間に高面圧が発生する。一方、密閉容機１の下部に貯留されている潤滑油（図示せず）は圧縮機構部２に供給されるが、除霜運転の液戻りの影響を受けて大きく粘度低下するため、旋回スクロール７と固定スクロール４は非常に厳しい潤滑状態にある。しかしながら、旋回スクロール７の鏡板７ａに露出しているアルミニウムの酸化物２０の非凝着性に加え、溶射皮膜１８に形成されている微細な空孔２１に保持された潤滑油によって、旋回スクロール７の焼付きの発生が極めて効果的に防止される。

したがって、この旋回スクロール７は、アルミニウム−シリコン系合金１７とすることによって軽量化および高速回転による高効率化を達成しながらも、焼付きの発生が極めて効果的に防止されるので、高い信頼性が得られる。

また、カーボンを含むアルミニウム材料で溶射皮膜を形成すると、カーボンの固体潤滑性が付加されて低摩擦になり、運転時の消費電力を削減することができる。

また、シリコンを含むアルミニウム材料で溶射皮膜を形成すると、硬質粒子であるシリコンのブリッジ作用が付加されて耐焼付き性が更に高くなるので、より高い負荷での運転が可能になり、運転領域を拡大できる。

また、旋回スクロール７の軸受７ｄは片当たりの発生するところであるが、アルミニウム材料の溶射皮膜によって耐焼付き性と馴染み性を向上でき、その結果高速始動が可能となって立上がり時間を短縮できる。

また、旋回スクロール７を受けるスラスト軸受をフレーム３に設置している低圧型スクロール圧縮機においては、アルミニウム材料の溶射皮膜によって耐焼付き性が向上でき、フレーム３の一部形状を変更することによってスラスト軸受をフレームに一体形成することが可能となるため、部品点数を削減できる利点がある。

以上のように本発明にかかる圧縮機は、軽量化と高速回転による高効率化とを達成しながらも、焼付きの発生を効果的に防止することができ、大容量で多冷媒のシステムにおいても不具合が発生するおそれのない高い信頼性を有した圧縮機を得ることが可能となるので、業務用や非業務用を問わず各種用途での冷凍サイクルや空調システムなどに適用できる。

本発明の摺動部材を適用したスクロール圧縮機の正面図 同上の旋回スクロールの縦断面図 同上の旋回スクロールの表層部の断面組織を示す模式図 スクロール圧縮機の旋回スクロールの外観を示す斜視図 従来の旋回スクロールを示す一部の断面図

符号の説明

３ フレーム
４ 固定スクロール
７ 旋回スクロール
９ クランク軸
１７ アルミニウム−シリコン系合金
１８ 溶射皮膜
２０ アルミニウムの酸化物
２１ 空孔

Claims (6)

1. 摺動部を構成する一方の摺動部材に鉄系材料を用い、他方の摺動部材にはアルミニウム材料を用い、他方の摺動部材の少なくとも摺動部にアルミニウム材料の溶射皮膜を形成したことを特徴とする圧縮機。
2. 固体潤滑剤を含むアルミニウム材料の溶射皮膜を形成した請求項１に記載の圧縮機。
3. 硬質粒子を含むアルミニウム材料の溶射皮膜を形成した請求項１に記載の圧縮機。
4. 圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材は固定スクロールであり、他方の摺動部材は旋回スクロールである請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機。
5. 圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材はシャフトであり、他方の摺動部材は旋回スクロールである請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機。
6. 圧縮機はスクロール圧縮機であり、一方の摺動部材はフレームであり、他方の摺動部材は旋回スクロールである請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機。