JP2009138585A - 摺動部材および圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】りん酸塩皮膜によるオイル保油力が高く、高信頼性の圧縮機の摺動部材および、高信頼性かつ高効率の圧縮機を提供する。
【解決手段】ピストン１１９における摺動部表面に膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径が５μｍ以下とし、皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以下としたりん酸塩皮膜１２７を形成することにより、りん酸塩皮膜１２７によるオイルの保持力を高めることができ、耐摩耗性が向上するので、高性能でかつ高信頼性の摺動部材を提供することができ、その摺動部材を用いることで、高信頼性かつ高効率の圧縮機を提供することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄鋼製品例えばピストンやクランクシャフト等の摺動面に、耐摩耗性、初期なじみ性の優れたりん酸塩皮膜を形成した摺動部材と、冷蔵庫やエアーコンデンサー等に使用される圧縮機に関するものである。

近年、地球環境保護の観点から化石燃料の使用を減らすために高効率の圧縮機の開発が進められている。

従来、圧縮機のピストンやクランクシャフトなどの摺動面に、りん酸塩皮膜を形成することで機械加工仕上げの加工面の凹凸を消し、摺動部部材同士の初期なじみを良好にした摺動部材および圧縮機についての記載がある（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の摺動部材および圧縮機を説明する。

図１２は、特許文献１に記載された従来の圧縮機の縦断面図、図１３は特許文献１に記載された従来の摺動部材の要部断面図である。

図１２に示すように、密閉容器１は底部にオイル２を貯留するとともに、固定子３および回転子４からなる電動要素５と、電動要素５によって駆動される往復式の圧縮要素６を収容している。

次に圧縮要素６の詳細を以下に説明する。

クランクシャフト７は、回転子４を圧入固定した主軸部８および、主軸部８に対し偏心して形成された偏心軸９を備え、さらに給油ポンプ１０を設けている。

また、シリンダーブロック１１は略円筒形のボアー１２からなる圧縮室１３を形成するとともに、主軸部８を軸支する軸受部１４を設けている。

ボアー１２に遊嵌されたピストン１５は、ピストンピン１６を介して、偏心軸９との間を連結手段であるコンロッド１７によって連結されている。

ボアー１２の端面はバルブプレート１８で封止されている。

また、ヘッド１９は高圧室（図示せず）と低圧室（図示せず）を形成し、バルブプレート１８の反ボアー１２側に固定される。

サクションチューブ２０は、密閉容器１に固定されるとともに冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス（図示せず）を密閉容器１内に導く。サクションマフラー２１は、バルブプレート１８とヘッド１９に挟持される。

クランクシャフト７の主軸部８と軸受部１４、ピストン１５とボアー１２、ピストンピン１６とコンロッド１７、クランクシャフト７の偏心軸９とコンロッド１７とは、相互に摺動部を形成し、摺動部を構成する摺動部材は、どちらか一方の摺動部表面に多孔質結晶体からなる不溶解性のりん酸塩皮膜２２を形成している。

図１３では、摺動部の一例として、ピストン１５とボアー１２で形成される摺動部を示しており、ピストンの摺動部表面に多孔質結晶体からなる不溶解性のりん酸塩皮膜２２を形成している。

以上のように構成された圧縮機について、以下その動作を説明する。

商用電源（図示せず）から供給される電力は電動要素５に供給され、電動要素５の回転子４を回転させる。回転子４はクランクシャフト７を回転させ、偏心軸９の偏心運動が連結手段であるコンロッド１７からピストンピン１６を介してピストン１５に伝達されてピストン１５はボアー１２内を往復運動し、サクションチューブ２０を通じて密閉容器１内に導かれた冷媒ガスは、サクションマフラー２１から吸入され、圧縮室１３内で連続して圧縮される。

オイル２はクランクシャフト７の回転に伴い、給油ポンプ１０から各摺動部に給油され、摺動部を潤滑するとともに、ピストン１５とボアー１２の摺動部においては、多孔質結晶体であるりん酸塩皮膜２２によりオイル２が保持され、シールの役割を果たす。

ここでピストン１５とボアー１２とは、漏れ損失を小さくするために非常に狭いクリアランスで遊嵌されている。その結果、ピストン１５とボアー１２の形状、精度のばらつきによっては、部分的に相互接触を起こす部位が生ずることもある。

しかしながら、りん酸塩皮膜２２をピストン１５の摺動面に形成することで、ピストン１５が上死点ならびに下死点において速度が零となった場合においても、ピストン１５の表面に形成したりん酸塩皮膜２２により、ボアー１２との金属接触を防止することができる。
特開平７−２３８８８５号公報

しかしながら、上記従来の摺動部材をオイル２の粘度が高い環境下で使用する場合は、りん酸塩皮膜２２の多孔質結晶体の形状を生かしてオイル２の保持性を得ることができたが、近年の圧縮機の高効率化に伴うオイル２の低粘度化により、りん酸塩皮膜２２の多孔質結晶体形状によるオイル２を保持する能力が低下し、その結果、オイル２によるピストン１５とボアー１２の間のシール性の低下や、耐摩耗性の低下が生じるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、りん酸塩皮膜の形状を制御することによりオイルの保持力を向上させる摺動部材を提供し、信頼性の高い高効率の圧縮機を提供することを目的としている。

上記従来の課題を解決するために、本発明は、摺動部表面に膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径が５μｍ以下であるりん酸塩皮膜を形成したのである。

このとき、りん酸塩皮膜の皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以上にすることが望ましい。

摺動部表面に形成するりん酸塩皮膜の膜厚および粒子径、皮膜重量を制限することで、りん酸塩皮膜とオイルとのぬれ性を良化させ、オイルの保持力を高めることができるという作用を有する。

本発明の摺動部材および圧縮機は、摺動部表面に膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径が５μｍ以下とし、皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以下としたりん酸塩皮膜を形成したもので、りん酸塩皮膜によるオイルの保持力を高めた高性能でかつ高信頼性の摺動部材および、高信頼性かつ高効率の圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の摺動部材の発明は、摺動部表面に膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径が５μｍ以下であるりん酸塩皮膜を形成したものであり、不溶解性皮膜で多孔質結晶体であるりん酸塩皮膜により金属接触を防ぎ、また、オイルの保持力を高め、摺動部の摩耗を防止するため、信頼性の高い摺動部材を形成することができる。

請求項２に記載の摺動部材の発明は、請求項１に記載の発明において、りん酸塩皮膜の皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以上としたものであり、りん酸塩皮膜の密度を上げることにより、皮膜耐力を高めることができるため、請求項１に記載の発明の効果に加えてさらに、摺動時における摩耗を低減することができる信頼性の高い摺動部材を形成することができる。

請求項３に記載の摺動部材の発明は、請求項１または２に記載の発明において、摺動部表面の９割以上にりん酸塩皮膜が施されたものであり、りん酸塩皮膜により摺動部における金属との接触面積を減らし、摺動部の摩耗を防止するため、請求項１または２に記載の発明の効果に加えてさらに、信頼性の高い摺動部材を形成することができる。

請求項４に記載の摺動部材の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、摺動部材の素材表面のグラファイト面積率を２０％以下としたものであり、りん酸塩皮膜が形成されない素材表面のグラファイト面積率を減らし、その結果りん酸塩皮膜の割合を増やすことにより、摺動部における金属との接触面積を減らし、摺動部の摩耗を防止するため、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の効果に加えてさらに、信頼性の高い摺動部材を形成することができる。

請求項５に記載の圧縮機の発明は、密閉容器内にオイルを貯留するとともに圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸および偏心軸を備えたクランクシャフトと、一方が前記クランクシャフトに一体に形成され、他方が軸受部に一体に形成されたスラスト部と、主軸を回転自在に軸支する前記軸受部と、シリンダーを形成するシリンダーブロックと、前記シリンダー内を往復動するピストンと、前記偏心軸と前記ピストンを連結するコンロッドとを備えレシプロ型の圧縮要素を形成し、前記クランクシャフト、スラスト部、シリンダーブロック、ピストン、ピストンピン、コンロッドの少なくともひとつに、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の摺動部材を用いたものであり、摺動部表面のりん酸塩皮膜の膜厚を厚くし、粒子を細かくすることにより、りん酸塩皮膜とオイルとのぬれ性を良化させ、オイルの保持性を高めることができるため、ピストンとボアー間等の摺動部におけるシール性や耐摩耗性に優れた信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

請求項６に記載の圧縮機の発明は、密閉容器内にオイルを貯留するとともに圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの回転中心に同心に圧縮室を形成するシリンダーと、前記偏心部に嵌装され前記圧縮室内で転動するローラと、前記ローラに圧接されることで前記圧縮室内を高圧側と低圧側に仕切るベーンと、前記シリンダーの両側面を封止するとともに前記シャフトを軸支する電動要素側の主軸受及び反電動要素側の副軸受と、前記シャフトの一端に固定した給油スプリングと、前記給油スプリングを収納するとともに一端を前記オイル中に開口した給油管とを備えローリングピストン型の圧縮要素を形成し、前記シャフト、シリンダー、ローラ、ベーン、主軸受、副軸受、給油スプリング、給油管の少なくともひとつに、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の摺動部材を用いたものであり、摺動部表面のりん酸塩皮膜の膜厚を厚くし、粒子を細かくすることにより、りん酸塩皮膜とオイルとのぬれ性を良化させ、オイルの保持力を高めることができるため、ローラとベーン等の摺動部におけるシール性や耐摩耗性に優れた信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

請求項７に記載の圧縮機の発明は、請求項５または６に記載の発明において、粘度グレードＶＧ１０以下のオイルを用いたものであり、低粘度オイルにおいても摺動部表面のりん酸塩皮膜によるオイルの保持力を高めることができ、摺動部間のリーク量を少なくできるため、請求項５または６に記載の発明の効果に加えてさらに、耐摩耗性に優れるとともに冷凍能力の高い圧縮機を提供することができる。

請求項８に記載の圧縮機の発明は、請求項５または６に記載の発明において、圧縮要素を駆動する電動要素を備え、前記電動要素は少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動するものであり、摺動部表面のりん酸塩皮膜によるオイルの保持力が高いことにより、駆動スピードが遅い場合においても流体潤滑状態を保つことができるため、請求項５または６に記載の発明の効果に加えてさらに、耐摩耗性に優れるとともに、冷凍能力の高い圧縮機を提供することができる。

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。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図、図２は図１におけるＡ部拡大図、図３は図２におけるＢ部拡大図、図４は同実施の形態における膜厚と摩耗量の関係図であり、りん酸塩皮膜１２７の膜厚と摺動摩耗量の関係を示している。

また、図５は同実施の形態における粒子径と摩耗量の関係図であり、りん酸塩皮膜１２７の粒子径と摺動摩耗量の関係を示している。図６は同実施の形態におけるレシプロ型圧縮機の特性図である。

図１から図３において、密閉容器１０１内にはＲ１３４ａからなる冷媒ガス１０２を充填するとともに、底部にはＶＧ１０のエステル系からなるオイル１０３を貯留し、固定子１０４および回転子１０５からなる電動要素１０６と、これによって駆動される往復式の圧縮要素１０７を収容している。

次に圧縮要素１０７の詳細を以下に説明する。

クランクシャフト１０８は、回転子１０５を圧入固定した主軸１０９および主軸１０９に対し偏心して形成された偏心軸１１０からなり、下端にはオイル１０３に連通する給油ポンプ１１１を設けている。鋳鉄からなるシリンダーブロック１１２は、略円筒形のボアー１１３と主軸１０９を軸支する軸受部１１４とを形成している。

また、回転子１０５にはフランジ面１１５が形成され、軸受部１１４の上端面はスラスト部１１６になっている。フランジ面１１５と軸受部１１４のスラスト部１１６の間にはスラストワッシャ１１７が挿入されている。そして、フランジ面１１５、スラスト部１１６および、スラストワッシャ１１７でスラスト軸受部１１８を構成している。

漏れ損失を小さくするために、ある一定量のクリアランスを保ってボアー１１３に遊嵌されたピストン１１９は、鋳鉄または鉄系の材料からなり、ボアー１１３とともに圧縮室１２０を形成し、ピストンピン１２１を介して連結手段であるコンロッド１２２によって偏心軸１１０と連結されている。ピストン１１９とボアー１１３は、例えば直径の差で５μｍ〜１５μｍ程度のクリアランス寸法で遊嵌されている。

ボアー１１３の端面はバルブプレート１２３で封止されている。また、ヘッド１２４は高圧室（図示せず）と低圧室（図示せず）を形成し、バルブプレート１２３の反ボアー１１３側に固定される。サクションチューブ１２５は、密閉容器１０１に固定されるとともに冷凍サイクル（図示せず）の低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス１０２を密閉容器１０１内に導く。サクションマフラー１２６は、バルブプレート１２３とヘッド１２４に挟持される。

ピストン１１９とボアー１１３、主軸１０９と軸受部１１４、スラスト部１１６とスラストワッシャ１１７、ピストンピン１２１とコンロッド１２２、偏心軸１１０とコンロッド１２２は相互に摺動部を形成するとともに、それぞれの摺動部材の少なくとも一方に、りん酸塩皮膜１２７を形成している。

ここではピストン１１９を例にとって詳しく述べることにする。

ピストン１１９とボアー１１３が相互に形成する摺動部のうち、ピストン１１９の摺動面に、不溶解性皮膜で多孔質結晶体であるりん酸塩皮膜１２７を形成している。

本発明の実施の形態においては、りん酸塩皮膜１２７は、膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径を５μｍ以下とし、皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以上としたものである。また摺動部における金属との接触面積を減らし、摺動部の摩耗を防止するため、りん酸塩皮膜１２７が形成されない素材表面のグラファイト面積率を２０％以下とすることにより、摺動部表面の９割以上にりん酸塩皮膜１２７を形成したものである。

皮膜重量とは、摺動材料表面に形成された表面積あたりのりん酸塩皮膜１２７の重量であり、膜厚や粒子径、りん酸塩皮膜１２７の形成面積とともに規定することにより、りん酸塩皮膜１２７を形成する個々の粒密度を大きくし、また、摺動表面との付着力を大きくする関係にある。

以上のピストン１１９を組み込んだレシプロ型の圧縮機について、以下その動作を説明する。

商用電源（図示せず）から供給される電力は電動要素１０６に供給され、電動要素１０６の回転子１０５を回転させる。回転子１０５はクランクシャフト１０８を回転させ、偏心軸１１０の偏心運動が連結手段であるコンロッド１２２からピストンピン１２１を介してピストン１１９を駆動することで、ピストン１１９はボアー１１３内を往復運動し、サクションチューブ１２５を通じて密閉容器１０１内に導かれた冷媒ガス１０２は、サクションマフラー１２６から吸入され、圧縮室１２０内で圧縮される。

オイル１０３はクランクシャフト１０８の回転に伴い、給油ポンプ１１１から各摺動部に給油され、摺動部を潤滑するとともに、ピストン１１９とボアー１１３の間においてはシールの役割を果たす。

圧縮室１２０内で圧縮された冷媒ガス１０２は、ディスチャージチューブ（図示せず）を通って冷凍サイクル内に排出され、冷凍サイクル内を循環して、再びサクションチューブ１２５より密閉容器１０１内に導かれる。

ピストン１１９がボアー１１３内で往復圧縮運動をする際、ピストン１１９とボアー１１３のクリアランスが非常に狭いため、ピストン１１９とボアー１１３の形状、精度のばらつきによっては、部分的に相互接触を起こす部位が生ずることもある。こういった場合においても、不溶解性皮膜であるりん酸塩皮膜１２７により金属接触を防ぎ、また、多孔質結晶体であるりん酸塩皮膜１２７の粒子形状によりオイル１０３の保油力を高めることができるため、ピストン１１９とボアー１１３の摺動部は常に流体潤滑状態となり摩耗しにくく、圧縮した冷媒ガス１０２がピストン１１９とボアー１１３のクリアランスから漏れることを低減することができるため、高効率で高信頼性の圧縮機を提供することができる。

以上の圧縮機としての効率については、詳細は後述する。

次にりん酸塩皮膜１２７による摺動特性について、Ｒ１３４ａからなる冷媒とＶＧ１０のエステル系からなるオイル１０３の共存下で、りん酸塩皮膜１２７の処理が施された鉄系試験片を１．０ｍ／ｓの速度で回転させ、鋳鉄のリングを１００Ｎで押付けることによる環境摩耗試験にて評価をおこなった。りん酸塩皮膜１２７の形状と摺動摩耗量の関係を図４および図５を参照しながら説明する。

図４において、横軸にりん酸塩皮膜１２７の膜厚を示し、縦軸に摺動摩耗量を示している。この試験におけるりん酸塩皮膜１２７の粒径を３．０μｍとし、皮膜重量は膜厚の大きさに比例するようにした。

図４より、膜厚が０．５μｍ以上になることによって、摺動時の摩耗量が減少することがわかる。

図５において、横軸にりん酸塩皮膜１２７の粒径を示し、縦軸に摺動摩耗量を示している。この試験におけるりん酸塩皮膜１２７の膜厚を１．０μｍとし、皮膜重量は粒子の大きさに比例するようにした。

図５より、粒径が５μｍ以下になることによって、摺動時の摩耗量が減少することがわかる。

これらのことから、りん酸塩皮膜１２７の膜厚を厚くし、粒子を細かくすることにより、りん酸塩皮膜１２７表面の表面積が大きくなり、その結果、りん酸塩皮膜１２７とオイル１０３とのぬれ性を良化させ、オイル１０３の保持性を高めたものと推察する。

また、皮膜重量が３．０ｇ／ｍ^２以上になると、りん酸塩皮膜１２７の粒子形状が摺動後においても摺動前の状態を保っていることがわかった。

このことから、皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以上にすると、摺動によるりん酸塩皮膜１２７の形状への影響が少ないため、長期に渡りオイル１０３の保油力を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態におけるりん酸塩皮膜１２７を形成させた摺動部材を組み込んだ圧縮機の特性について説明する。

本発明の実施の形態における摺動部材を用いた圧縮機と従来の圧縮機の特性比較を図６に示す。

本発明の実施の形態におけるピストン１１９を圧縮機に組み込んでおり、ピストン１１９とボアー１１３のクリアランスは従来の圧縮機と同一にしている。

図６より、本発明の実施の形態における摺動材を用いた圧縮機の方が従来例の圧縮機に比べて効率のばらつきが小さく、平均値で効率が高いことが判る。

レシプロ型の圧縮機においては、ピストン１１９が上死点ならびに下死点に位置したときには速度が零となり理論的に油圧が発生せず油膜が形成されなくなるため、この上死点ならびに下死点において金属接触が生じることが多い。

またピストン１１９が上死点付近にあるときは、ピストン１１９が圧縮された高圧冷媒により大きな圧縮荷重を受け、この圧縮荷重はピストンピン１２１、コンロッド１２２を介してクランクシャフト１０８に伝わり、クランクシャフト１０８が反ピストン１１９方向へ傾斜する。クランクシャフト１０８が傾斜すると、ボアー１１３の中でピストン１１９が傾斜し、その結果、ピストン１１９がボアー１１３と接触し摩耗が生ずる。

しかしながら、本実施の形態においてはりん酸塩皮膜１２７の膜厚や粒子径、および皮膜重量を制御することにより、りん酸塩皮膜１２７の皮膜耐力やオイル１０３の保持力を高めることができ、オイル１０３によるピストン１１９がボアー１１３との接触や摩耗が低減されるため、高信頼性の圧縮機を提供することができる。

なお、本発明の実施の形態においては、一定速度のレシプロ型の圧縮機について述べたが、インバーター化に伴って圧縮機の低速化が進む中、特に２０Ｈｚを切るような超低速運動に於いても流体潤滑を成立することができるので、本発明の効果が顕著になる。

また本発明の実施の形態においては、ピストン１１９の摺動部表面にりん酸塩皮膜１２７を形成させたものを例にとって詳しく述べたが、相互に摺動部を形成しているクランクシャフト１０８の主軸１０９と軸受部１１４、回転子１０５のフランジ面１１５とスラストワッシャ１１７、軸受部１１４の上端面のスラスト部１１６とスラストワッシャ１１７、ピストンピン１２１とコンロッド１２２、偏心軸１１０とコンロッド１２２の摺動部においても、相当の作用効果が得られるものである。

さらに、本発明の実施の形態においては、スラスト軸受部１１８をフランジ面１１５、スラスト部１１６及びスラストワッシャ１１７にて構成したものを例にとって説明したが、クランクシャフト１０８の主軸１０９と偏心軸１１０との間のフランジ部１３１の反偏心軸１１０側に設けられたクランクシャフト１０８のスラスト面１３２と軸受部１１４のスラスト部１１６でスラスト軸受を構成した場合においても、相当の作用効果が得られる。

また、本発明の実施の形態において、Ｒ１３４ａの冷媒ガス１０２とＶＧ１０のエステル系からなるオイル１０３との組み合わせで説明を行ったが、他の冷媒とＶＧ１０以下のエステル系および鉱油の組み合わせについても、同等の効果が得られる。他の冷媒としてはＲ６００ａ、Ｒ２９０及びこれらを含んだ混合冷媒、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０が挙げられる。

以上のように、高い信頼性を持った摺動部材とすることが可能であり、その摺動部材を組み込んだ高信頼性かつ高効率の圧縮機を提供することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図、図８は図７のＣ−Ｃ線断面図、図９は図８のＥ部拡大図、図１０は同実施の形態における膜厚と摩耗量の関係図であり、りん酸塩皮膜２２１の膜厚と摺動摩耗量の関係を示している。図１１は同実施の形態における粒子径と摩耗量の関係図であり、りん酸塩皮膜２２１の粒子径と摺動摩耗量の関係を示している。

図７、図８、図９において、密閉容器２０１には冷媒ガス２０２を充填するとともに、固定子２０３と回転子２０４からなる電動要素２０５と、電動要素２０５によって駆動されるローリングピストン型の圧縮要素２０６とがオイル２０７とともに収納されている。

圧縮要素２０６は、偏心部２０８、主軸部２０９、副軸部２１０を有するシャフト２１１と、圧縮室２１２を形成するシリンダー２１３と、シリンダー２１３の両端面を封止するとともに各々主軸部２０９と副軸部２１０を軸支する主軸受２１４と副軸受２１５と、偏心部２０８に遊嵌され圧縮室２１２内を転動するローラ２１６と、ローラ２１６に挿圧され、圧縮室２１２を高圧側と低圧側に仕切る板状のベーン２１７とを備えており、主軸部２０９には回転子２０４が固定されている。

副軸受２１５に固定されたオイルポンプ２１８は、給油管２１９と給油管２１９に遊嵌された給油スプリング２２０とを備えており、オイル２０７に連通して、偏心部２０８とローラ２１６、主軸部２０９と主軸受２１４、副軸部２１０と副軸受２１５が各々形成する摺動部への給油の役割を果たす。

そして、シャフト２１１の偏心部２０８、主軸部２０９、副軸部２１０の摺動面に、りん酸塩皮膜２２１を形成している。

ここでは、シャフト２１１の偏心部２０８を例にとって詳しく述べることにする。

シャフト２１１の偏心部２０８とローラ２１６が相互に形成する摺動部のうち、シャフト２１１の偏心部２０８の摺動面に、りん酸塩皮膜２２１を形成している。

本発明の実施の形態においては、りん酸塩皮膜２２１は、膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径を５μｍ以下とし、皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以上としたものである。また摺動部における金属との接触面積を減らし、摺動部の摩耗を防止するため、りん酸塩皮膜２２１が形成されない素材表面のグラファイト面積率を２０％以下とすることにより、摺動部表面の９割以上にりん酸塩皮膜２２１を形成したものである。

皮膜重量とは、摺動材料表面に形成された表面積あたりのりん酸塩皮膜２２１の重量であり、膜厚や粒子径、りん酸塩皮膜２２１の形成面積とともに規定することにより、りん酸塩皮膜２２１を形成する個々の粒密度を大きくし、摺動表面との付着力を大きくする関係にある。

以上のシャフト２１１を組み込んだローリングピストン型の圧縮機について、以下その動作を説明する。

回転子２０４の回転に伴ってシャフト２１１は回転し、偏心部２０８に遊嵌されたローラ２１６が圧縮室２１２内を転動することで、圧縮室２１２の高圧側と低圧側の部屋は連続的に容積変化をし、これに伴って冷媒ガス２０２は連続して圧縮される。

圧縮された冷媒ガス２０２は、一端密閉容器２０１内に吐出された後、ディスチャージチューブ２２４から冷凍サイクルへと送り出され、冷凍サイクル内を循環して、再びサクションチューブ２２３より密閉容器２０１内に導かれる。

圧縮された冷媒ガス２０２は一端密閉容器２０１内に吐出されるため、密閉容器２０１内が高圧雰囲気となり、ベーン２１７に密閉容器２０１内の雰囲気圧力が背圧として働き、ローラ２１６の外周表面にベーン２１７の先端を押しつけている。

また、シャフト２１１の回転に伴って給油管２１９に遊嵌された給油スプリング２２０はオイル２０７を連続的に各摺動部へ給油する。

ここで特にローリングピストン型の圧縮機では、ローラ２１６が偏心部２０８に回転自在に遊嵌されていることから、ローラ２１６と偏心部２０８間の相対速度は主軸部２０９と主軸受２１４、副軸部２１０と副軸受２１５間の相対速度に比較して小さくなるため、油膜形成が比較的難しく、金属接触が発生しやすくなる。

さらにローリングピストン型の圧縮機は一般に密閉容器２０１内が凝縮圧力となるため、内圧が高く、オイル２０７に冷媒ガス２０２が溶け込みやすい。このことはオイル２０７の粘度を低下させることであり、摺動潤滑上不利になる。

しかしながら、本実施の形態においてはりん酸塩皮膜２２１の膜厚や粒子径、および皮膜重量を制御することにより、りん酸塩皮膜２２１の皮膜耐力やオイル２０７の保持力を高めることができるため、摩耗が低減し、高信頼性の圧縮機を提供することができる。

次にりん酸塩皮膜２２１による摺動特性について、Ｒ１３４ａからなる冷媒とＶＧ１０のエステル系からなるオイル２０７の共存下で、りん酸塩皮膜２２１処理が施された鉄系試験片を１．０ｍ／ｓの速度で回転させ、鋳鉄のリングを１００Ｎで押し付けることによる環境摩耗試験にて評価をおこなった。りん酸塩皮膜形状と摺動摩耗量の関係を図１０および図１１を参照しながら説明する。

図１０において、横軸にりん酸塩皮膜２２１の膜厚を示し、縦軸に摺動摩耗量を示している。この試験におけるりん酸塩皮膜２２１の粒子径を３．０μｍとし、皮膜重量は膜厚の大きさに比例するようにした。

図１０より、膜厚が０．５μｍ以上になることによって、摺動時の摩耗量が減少することがわかる。

図１１において、横軸にりん酸塩皮膜２２１の粒径を示し、縦軸に摺動摩耗量を示している。この試験におけるりん酸塩皮膜２２１の膜厚を１．０μｍとし、皮膜重量は粒子の大きさに比例するようにした。

図１１より、粒径が５μｍ以下になることによって、摺動時の摩耗量が減少することがわかる。

これらのことから、りん酸塩皮膜２２１の膜厚を厚くし、粒子を細かくすることにより、りん酸塩皮膜２２１表面の表面積が大きくなり、その結果、りん酸塩皮膜２２１とオイル２０７とのぬれ性を良化させ、オイル２０７の保持性を高めたものと推察する。

また、皮膜重量が３．０ｇ／ｍ^２以上になると、りん酸塩皮膜２２１の粒子形状が摺動後においても摺動前の状態を保っていることがわかった。

このことから、皮膜重量を３．０ｇ／ｍ^２以上にすると、摺動によるりん酸塩皮膜２２１の形状への影響が少なくなるため、長期に渡りオイル２０７の保油力を得ることができる。

なお、本発明の実施の形態においては、一定速度のローリングピストン型の圧縮機について述べたが、インバーター化に伴って圧縮機の低速化が進む中、特に２０Ｈｚを切るような超低速度に於いてはさらに流体潤滑を成立させにくくなり、金属接触を起こし易くなるので、本発明の効果がより顕著になる。

なお、本発明の実施の形態においては、シャフト２１１の偏心部２０８の摺動面に、りん酸塩皮膜２２１を形成させたが、ローラ２１６の内周表面、並びに偏心部２０８とローラ２１６の双方に施してもよく、更に高い耐摩耗性が得られる。

また、本発明の実施の形態においては、シャフト２１１の偏心部２０８の摺動部表面にりん酸塩皮膜２２１を形成させたものを例にとって詳しく述べたが、主軸受２１４、副軸受２１５並びに、相互に摺動部を形成している主軸部２０９と主軸受２１４の双方、副軸部２１０と副軸受２１５の双方に施してもよく、相当の作用効果が得られる。

さらに、相互に摺動部を形成しているローラ２１６とベーン２１７、主軸受２１４とベーン２１７、副軸受２１５とベーン２１７、主軸受２１４とローラ２１６、副軸受２１５とローラ２１６、シリンダー２１３とベーン２１７、シリンダー２１３とローラ２１６、及び給油管２１９と給油スプリング２２０の摺動部表面に、りん酸塩皮膜２２１を形成させた場合においても、相当の作用効果が得られる。

なお、冷媒ガス２０２はＲ６００ａ、Ｒ２９０及びこれらを含んだ混合冷媒、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０であれば同等の効果が得られ、ＶＧ１０以下のエステル系および鉱油であるオイルとの組み合わせについても、同等の効果が得られる。

以上、本発明の実施の形態においては、一定速度のローリングピストン型の圧縮機について述べたが、インバーター化に伴って圧縮機の低速化が進む中、特に２０Ｈｚを切るような超低速運動に於いてはさらに異常摩耗の課題が大きくなり、本発明の効果がより顕著になる。

以上のように、高い信頼性を持った摺動部材を組み込んだ高信頼性かつ高効率の圧縮機を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる圧縮機は、摺動部品の摺動面に、粒子形状を制御させたりん酸塩皮膜を形成することによりオイルの保油性を高めることができ、摺動時の摩擦係数の低減が図れ、高信頼性かつ高効率の圧縮機を提供することが可能となるので、冷凍サイクルを用いた機器に幅広く適用できる。

本発明の実施の形態１における圧縮機の縦断面図 図１におけるＡ部拡大図 図２におけるＢ部拡大図 同実施の形態における膜厚と摩耗量の関係図 同実施の形態における粒子径と摩耗量の関係図 同実施の形態におけるレシプロ型圧縮機の特性図 本発明の実施の形態２における圧縮機の縦断面図 図７のＣ−Ｃ線断面図 図８のＥ部拡大図 同実施の形態における膜厚と摩耗量の関係図 同実施の形態における粒子径と摩耗量の関係図 従来の圧縮機の縦断面図 従来の摺動部材の要部断面図

符号の説明

１０１，２０１ 密閉容器
１０３，２０７ オイル
１０６，２０５ 電動要素
１０７，２０６ 圧縮要素
１０８ クランクシャフト
１０９ 主軸
１１０ 偏心軸
１１２ シリンダーブロック
１１４ 軸受部
１１６ スラスト部
１１９ ピストン
１２１ ピストンピン
１２２ コンロッド
１２７，２２１ りん酸塩皮膜
２０８ 偏心部
２１１ シャフト
２１２ 圧縮室
２１３ シリンダー
２１４ 主軸受
２１５ 副軸受
２１６ ローラ
２１７ ベーン
２１９ 給油管
２２０ 給油スプリング

Claims (8)

1. 摺動部表面に膜厚が０．５μｍ以上で、粒子径が５μｍ以下であるりん酸塩皮膜を形成した摺動部材。
2. りん酸塩皮膜の皮膜重量が３．０ｇ／ｍ^２以上である請求項１に記載の摺動部材。
3. 摺動部表面の９割以上にりん酸塩皮膜が施された請求項１または２に記載の摺動部材。
4. 摺動部材の素材は、表面のグラファイト面積率が２０％以下の金属材料である請求項１から３のいずれか一項に記載の摺動部材。
5. 密閉容器内にオイルを貯留するとともに圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は主軸および偏心軸を備えたクランクシャフトと、一方が前記クランクシャフトに一体に形成され、他方が軸受部に一体に形成されたスラスト部と、主軸を回転自在に軸支する前記軸受部と、シリンダーを形成するシリンダーブロックと、前記シリンダー内を往復動するピストンと、前記偏心軸と平行に配置され前記ピストンに固定されたピストンピンと、前記偏心軸と前記ピストンを連結するコンロッドとを備えレシプロ型の圧縮要素を形成し、前記クランクシャフト、スラスト部、シリンダーブロック、ピストン、ピストンピン、コンロッドの少なくともひとつに請求項１から４のいずれか一項に記載の摺動部材を用いた圧縮機。
6. 密閉容器内にオイルを貯留するとともに圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素は偏心部を有するシャフトと、前記シャフトの回転中心に同心に圧縮室を形成するシリンダーと、前記偏心部に嵌装され前記圧縮室内で転動するローラと、前記ローラに圧接されることで前記圧縮室内を高圧側と低圧側に仕切るベーンと、前記シリンダーの両側面を封止するとともに前記シャフトを軸支する電動要素側の主軸受及び反電動要素側の副軸受と、前記シャフトの一端に固定した給油スプリングと、前記給油スプリングを収納するとともに一端を前記オイル中に開口した給油管とを備えローリングピストン型の圧縮要素を形成し、前記シャフト、シリンダー、ローラ、ベーン、主軸受、副軸受、給油スプリング、給油管の少なくともひとつに請求項１から４のいずれか一項に記載の摺動部材を用いた圧縮機。
7. 粘度グレードＶＧ１０以下のオイルを用いた請求項５または６に記載の圧縮機。
8. 圧縮要素を駆動する電動要素を備え、前記電動要素は少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動される請求項５または６に記載の圧縮機。

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