JP2008002387A

JP2008002387A - 冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2008002387A
Application number: JP2006173591A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Koyama; 聡小山; Takuya Hirayama; 卓也平山
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】高効率で、弁のシール性が向上し、塗膜の耐消耗性及び信頼性が向上し、低騒音化を図ることができる冷媒圧縮機を提供する。
【解決手段】本冷媒圧縮機は、圧縮機部５に設ける吐出口１８の弁座１９ｃまたは吐出弁１９ａの少なくとも一方に、耐熱性樹脂バインダにフッ素樹脂を含有させた変性塗料の塗膜ｆを形成し、この塗膜ｆは冷凍機油に対する接触角が４０°以上の特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置に係り、特に吐出弁機構を改良した冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

一般に冷凍サイクル装置に用いる冷媒圧縮機では、冷媒を圧縮する圧縮機構部は、圧縮される冷媒を吸込む吸込口と、圧縮された冷媒を吐出する吐出口と、この吐出口を開閉する吐出弁を備える。

一方、冷媒圧縮機により圧縮される冷媒ガス中には、圧縮機構部を潤滑した微細な冷凍機油（潤滑油）粒が混在されており、弁座面や吐出弁は常に冷凍機油粒が被着する環境に曝される。高平滑度の弁座面に着座した閉弁状態の吐出弁は、吐出口の開口全周域を平面的な接触によって封塞しているため、その開弁時においてもかかる封塞域に介在する冷凍機油の主として表面張力により、同弁座面にかなり強く密着させられる。

このため、吐出弁は圧縮室内の圧力が所定の開弁圧力に加算された冷凍機油の表面張力に打勝つまで開弁に抵抗し、開弁と同時に冷媒ガスの急激な吸入又は吐出が一挙に開始される。

その結果、単なる吸入圧損や過圧縮のみにとどまらず、その瞬発的な圧力波と弁押えに激突する吐出弁の衝撃振動波とが複合されて騒音を誘起し、このような騒音が問題になる。

そこで、圧縮機の振動騒音障害を改善するため、機内の低圧域及び高圧域と圧縮室とをそれぞれ連通する吸込口、吐出口を有する弁板と、この弁板の弁座面に開口する吸込口、吐出口を差圧によって開閉する吸込弁、吐出弁と、この吸込弁、吐出弁の撓曲限界を定める弁押えとを備え、吸込弁、吐出弁には弁座面との対向面に撥油性の硬化被膜が形成されている圧縮機が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、特許文献１の圧縮機は、撥油性の硬化被膜として、フッ素系の樹脂被膜あるいはニ硫化モリブデンなどの固体潤滑剤の被膜を用いるが、フッ素樹脂の塗膜は柔軟で、特に吐出弁回りの温度は高く、さらに硬度が低下するため、弁開閉時の摩耗により長期信頼性に問題があり、また、フッ素樹脂の塗膜は、比粘着性を有するので、被着物への密着性が悪く剥れのおそれがある。また、固体潤滑剤の被膜などの厚い塗膜は、表面の平滑性が悪く、圧縮機初期性能の低下を招くおそれがあり、さらに、剪断力に対して塗膜は剥れ易くなる。
特開２０００−１６１２２８号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、高効率で、弁のシール性が向上し、塗膜の耐消耗性及び信頼性が向上し、低騒音化を図ることができる冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る冷媒圧縮機は冷媒を圧縮する圧縮機部を備え、この圧縮機部に設ける吐出口の弁座または吐出弁の少なくとも一方に、耐熱性樹脂バインダにフッ素樹脂を含有させた変性塗料の塗膜を形成し、この塗膜は冷凍機油に対する接触角が４０°以上の特性を有することを特徴とする。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記冷媒圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る冷媒圧縮機によれば、高効率で、弁のシール性が向上し、塗膜の耐消耗性及び信頼性が向上し、低騒音化を図ることができる冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置を提供することができる。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、高効率で、弁のシール性が向上し、塗膜の耐消耗性及び信頼性が向上し、低騒音化を図ることができる冷媒圧縮機を備えた冷凍サイクル装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置について、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る冷媒圧縮機及びこれを用いた冷凍サイクル装置の概念図である。

図１に示すように、本発明の冷凍サイクル装置２１は、本発明の冷媒圧縮機１と、凝縮器２２と、膨張装置２３と、蒸発器２４をサイクル状に連通して形成される。

冷媒圧縮機１は例えば密閉縦型ロータリ式圧縮機であり、この圧縮機１は、密閉ケース２内の上部に電動機部３を収容するとともに、下部に電動機部３により回転シャフト４を介して駆動されるロータリ式圧縮機部５を収容して構成される。

電動機部３は密閉ケース２内に圧入して固定されるステータ６とこのステータ６内に収容されるロータ７とから構成される。

また、ロータ７を支持する回転シャフト４は、圧縮機部５の主軸受（上部ベアリング）８と副軸受９（下部ベアリング）により回転自在に支持される。

主軸受８と副軸受９はシリンダ（シリンダブロック）１０を両側から挟むようにして設けられ、締付ボルト１１ａ、１１ｂ等の固定具で一体に組み立てられ、シリンダ１０は取付部材１１ｃを介して密閉ケース２内に溶接にて直接固定される。

また、圧縮機部５のシリンダ１０内には、シリンダボアにより画成されるシリンダ室１２が形成され、このシリンダ室１２にローラ１３が収容される。ローラ１３は回転シャフト４のクランク部４ａに嵌合され、回転シャフト４の回転駆動に伴い、シリンダ室１２内を転動しつつ偏心回転され、圧縮作用をする。

さらに、圧縮機構５は、シリンダボアの内周面（シリンダ内周面）より半径方向外方に延びるブレード溝１４が形成され、このブレード溝１４にブレード１５がローラ１３を押圧するようにばね１６によって付勢されて収容され、このブレード１５によりシリンダ室１２はいずれも図示しない吸込側チャンバと圧縮側チャンバに区画される。

シリンダ１０にはブレード溝１４を挟んだ両側に吸込管１７に連通する吸込口（図示せず）と吐出口１８がそれぞれ設けられる。

図２及び図３に示すように、この吐出口１８は、主軸受８に設けられ、図４に示すリードバルブ等の吐出弁機構１９を介して密閉ケース２に連通される。

この吐出弁機構１９は、主軸受８に設けた弁機構収容凹部８ａ内に収容され、図５（ａ）、（ｂ）に示す形状の吐出弁１９ａ、図６（ａ）、（ｂ）に示す形状の弁押え１９ｂと、吐出口１８の周囲にリング状、截頭山形に突出して形成される弁座１９ｃからなり、吐出弁１９ａと弁押え１９ｂは共にリベット１９ｄにより主軸受８に固着される。吐出弁１９ａは吐出口１８を圧縮側チャンバと密閉ケース２（高圧域）内との相対的な差圧に応じて周期的に開閉するものである。

図７に示すように、図５（ａ）、（ｂ）に示す形状の吐出弁１９ａは、その両面に塗膜ｆを被覆する。塗膜ｆには、加工性に優れ、焼成温度を低くできることなどから耐熱性樹脂にバインダとしてフッ素樹脂を混合した変性塗料を用いる。

耐熱樹脂としてＰＡＩ樹脂（ポリアミドイミド）、ＰＥＳ樹脂（ポリエーテルサルフォン）、ＰＩ樹脂（ポリイミド）、エポキシ樹脂などが挙げられる。フッ素樹脂は、撥油性が高いＰＴＦＥ樹脂（四フッ化エチレン樹脂）、ＰＦＡ樹脂（パープルオロアルコキシ樹脂）、ＦＥＰ樹脂（六フッ化プロピレン樹脂）、ＥＴＦＥ樹脂（エチレン−四フッ化エチレン樹脂）などが挙げられ、加工性の点から、これらを混合して使用してもよい。また、撥油性を妨げない範囲で、塗膜硬度向上、耐摩耗性向上のために二硫化モリブデン、グラファイト、窒化ホウ素、炭化珪素、その他セラミック類、酸化金属類など固体潤滑剤を配合してもよい。

塗膜の厚さは、１０〜３０μｍであるのが好ましい。これにより、シール効果が持続するとともに、シール性が向上する。塗膜の厚さが１０μｍ未満であると、馴染み、消耗によってシール効果が持続せず、３０μｍを超えると、液ダレや溜まりが生じて平滑な表面が得られず、シール性が損なわれ、複数回に分けて厚く塗布する方法は可能だが生産性が劣る。

なお、本実施形態では、塗膜を吐出弁の表面に被覆する例で説明したが、図８に示すように、塗膜ｆを吐出口１８の弁座１９ｃに被覆し、弁座及び吐出弁の両方あるいは弁座にのみ被覆するようにしてもよい。

上記のような吐出弁機構１９は、無負荷時の吐出弁１９ａが、その表面に形成された塗膜ｆを介して弁座１９ｃ上に載置され、伸直した状態を保持して吐出口１８を封塞する。

圧縮運転時、圧縮室と密閉ケース（高圧域）２内との相対的な差圧により、吐出弁１９ａを閉じる向き、すなわち冷凍機油粒が被着する弁座１９ｃに押し付けるように作用するが、吐出弁１９ａの表面に、耐熱性樹脂バインダにフッ素樹脂を含有させた変性塗料の塗膜ｆを被覆するので、吐出弁１９ａの表面に形成された塗膜ｆが、金属相互の密着を防ぎ、さらに、塗膜ｆの優れた撥油特性により、封塞域に介在する冷凍機油の表面張力に基づいた開弁抵抗は極端に減殺する。その後、圧縮室と密閉ケース２内との相対的な差圧が反転して、吐出弁１９ａの開弁圧力に達すると、ほとんど無視しうる程度に消失した表面張力により、過圧縮を伴うことなく吐出弁１９ａは円滑に開弁する。

また、塗膜は図９に示すような冷凍機油に対する接触角が、４０°以上の特性を有するように選択されるので、塗膜の撥油性の働きで、冷凍機油の表面張力に基づいた開弁抵抗を減殺し、圧縮損失（吸入圧損、過圧縮）を低減し、図１０に示すような高効率が得られる。

さらに、冷媒が冷凍機油に溶け込んだ状態（寝込み）からの起動において、瞬発的な圧縮と弁密着により、吐出弁が破損する場合があるが、これを防止して、信頼性を高めることもできる。また、塗膜形成により、吐出弁回りのシール性が向上し、さらに、金属同士の接触では部品の表面精度や組立て精度によってシール性にバラツキが生じる従来と異なり、塗膜によって形状が馴染み、シール性の向上を図ることができる。

また、表１に示すように、塗膜硬度を高めることによって、塗膜の消耗を低減でき、さらに、従来のフッ素樹脂だけの塗料は柔らかく密着性が悪いが、耐熱性樹脂のバインダによって硬度と塗膜の密着性を高め、塗膜の信頼性を高めることができる。また、塗膜は吐出弁と弁座間の緩衝となり、騒音低減効果がある。

上記実施形態の冷媒圧縮機によれば、高効率で、弁のシール性が向上し、塗膜の耐消耗性及び信頼性が向上し、低騒音化が実現する。

また、本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、高効率で、弁のシール性が向上し、塗膜の耐消耗性及び信頼性が向上し、低騒音化を図ることができる冷媒圧縮機を備えた冷凍サイクル装置が実現する。

なお、本実施形態では、ロータリ式圧縮機を例に採り説明したが、本発明はロータリ式圧縮機に限らず、往復動式圧縮機、スクロール圧縮機等にも適用可能である。

「試験１」
目的：（１）本発明の吐出弁に塗布し表１の塗料成分からなる変性塗料（実施例１）の塗膜特性と、粉体塗料（比較例１）の塗膜特性を評価し対比する。

（２）実施例１の撥油性評価を行う。

評価方法：（１）常温と１５０℃の温度を変えた鉛筆硬度（ＪＩＳＫ５４００）、碁盤目テープ法にて密着性を調べた。具体的には、吐出弁に密着性を上げるための前処理として化成処理（酸処理）を施し、中和洗浄後、乾燥、予熱、塗布、乾燥、焼成（材質によって温度が異なる）の順で塗膜を形成した。塗布は、スプレー方式で行う。

（２）撥油特性評価は、エステル系の冷凍機油に対する塗膜の接触角を評価する。具体的には、吐出弁に塗布した実施例１のＰＡＩ樹脂にＦＥＰ樹脂を含有した塗料を使用する。また、接触角と圧縮機性能との関連を求めるため、ＦＥＰ樹脂の含有量を調整して接触角の異なる塗膜を形成した吐出弁を圧縮機に組み込んで、効果を確認する。

結果：（１）・実施例１は、高温での塗膜硬度低下が小さく、また塗膜の剥れが無く密着性が良好であることが判る。これに対して、比較例１は、常温及び高温での硬度は、実施例１に比べて劣り、また、高温では常温に比べて著しく硬度が低下する。

・実施例１は塗膜の剥れなく、密着性が良好であることが判る。これに対して、比較例１は、剥れなしの個数が、５０個、６０個、８０個といずれも多数の剥れが発生することが判る。

（２）図１０に示すように、塗膜がない吐出弁（従来例）の接触角は、１１°、ＰＡＩ樹脂だけ塗布の吐出弁（比較例１）は、接触角が１８°、ＦＥＰ樹脂の配合割合を増加するように変化させる実施例１では、ＦＥＰ樹脂の増加に伴い接触角が増加し、接触角４０°から効果が顕著に現れ、接触角が大きい程、圧縮機の体積効率が向上する。このことから、変性塗料の撥油特性を高める手段として、フッ素樹脂含有量を増やし、接触角が４０°を超えるようにすると圧縮機の効率が向上することが判る。圧縮機の評価は、理論仕事量に対する運転時の仕事量の比で示し、図１０の縦軸は従来の塗膜の無い吐出弁を使用した状態を１．０００として相対比較で示す。

「試験２」
目的：試験１で用いた実施例１のＰＡＩ樹脂にＦＥＰ樹脂を含有した塗料を使用し、表２に示すように塗膜厚さを変化させ、塗膜厚さと平滑性（表面粗さ、平坦度）の関係を調べる。

評価方法：吐出弁への塗布は、生産性を考慮して一度の作業（予熱、塗布、乾燥、焼成の１サイクル）にて行ない、塗膜厚さは塗布時の繰り返し回数で調整した。評価は塗膜厚さ（渦電流式の膜厚計）、塗膜の平滑性（表面粗さ、形状測定）とした。

結果：表２に示す。塗膜の厚さが、本発明の範囲内である１０〜３０μｍの実施例２では、十分な膜厚と平滑性が得られ、膜の信頼性とシール性が実現することが判る。不必要に厚い膜を作製する必要がなく、作業性に優れ、生産性に優れることが判る。

これに対して、本発明の範囲外の比較例２における膜厚５μｍでは、表面粗さが大きく、粗さが取れる染み後は、塗膜が薄くなるため信頼性に乏しくなる。塗膜厚さ４０μｍでは、液ダレや塗り斑が発生して平滑性が得られず、シール性が低下し、また塗膜厚さと平滑性を得る方法として、数回の作業を繰返す重ね塗りで可能となるが、生産性が低い。

本発明の一実施形態の冷媒圧縮機、冷凍サイクル装置の概念図。本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる主軸受の平面図。本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる主軸受の側面図。本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる吐出弁機構の縦断面図。（ａ）は本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる吐出弁の平面図、（ｂ）は側面図。（ａ）は本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる弁押えの平面図、（ｂ）は側面図。（ａ）は本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる塗膜を施した吐出弁の平面図、（ｂ）は側面図。本発明の冷媒圧縮機に用いる他の実施形態の弁座の縦断面図。本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる塗膜と接触角の関係を説明する図。本発明の一実施形態の冷媒圧縮機に用いる塗膜の接触角と圧縮機の効率を示す相関図。

符号の説明

１…冷媒圧縮機、２…密閉ケース、３…電動機部、４…回転シャフト、５…圧縮機部、８…主軸受、９…副軸受、１０…シリンダ、１２…シリンダ室、１３…ローラ、１８…吐出口、１９…吐出弁機構、１９ａ…吐出弁、１９ｂ…弁押え、１９ｃ…弁座、ｍ…塗膜、２１…冷凍サイクル装置、２２…凝縮器、２３…膨張装置、２４…蒸発器。

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機部を備え、この圧縮機部に設ける吐出口の弁座または吐出弁の少なくとも一方に、耐熱性樹脂バインダにフッ素樹脂を含有させた変性塗料の塗膜を形成し、この塗膜は冷凍機油に対する接触角が４０°以上の特性を有することを特徴とする冷媒圧縮機。
前記塗膜は厚さが１０〜３０μｍであることを特徴とする請求項１の冷媒圧縮機。
請求項１または２のいずれかに記載の冷媒圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。