JP2009270444A - 密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成でボールジョイント機構部を構成するボール受け座の磨耗を抑制することができる密閉型圧縮機を提供する。
【解決手段】底部に冷凍機油１４を貯留した密閉容器１１内に、圧縮機構部７とこの圧縮機構部７を駆動する電動機部８とを収納し、圧縮機構部７は、回転軸１６に一体に形成されたクランクピン１８に係合されたコンロッド２１とシリンダ１９内に収容されたピストン６とがボールジョイント機構部２２を介して連結され、ボールジョイント機構部２２は、コンロッド２１の端部に一体的に設けられたボール２４とピストン６に設けられたボール受け座２５とからなり、ボール受け座２５をかしめてボール２４を摺動可能に抱持した密閉型圧縮機２において、かしめ前のボール受け座２５に極圧剤又は２重量％以上の極圧剤を含有する冷凍機油を滴下した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、密閉型圧縮機及び冷凍サイクル装置に関し、特に、往復移動するピストンにより圧縮を行なう密閉型圧縮機及びこの密閉型圧縮機を用いる冷凍サイクル装置に関する。

例えば冷蔵庫などでは、冷凍サイクル装置を構成する密閉型圧縮機として、下記特許文献１に記載されているような往復移動するピストンを有するレシプロ式のものが使用されている。

このようなレシプロ式の密閉型圧縮機では、電動機部により駆動されるコンロッドとシリンダ内で往復移動するピストンとがボールジョイント機構部を介して連結されている。ボールジョイント機構部は、コンロッドの一端に固定されたボールと、ピストンに設けられたボール受け座とからなり、ボール受け座をかしめることによりボールが摺動可能にボール受け座に抱持されている。

ボール受け座とボールとの摺動部分には何らかの磨耗対策を行なう必要があり、例えば、ボール受け座の内周面に窒化処理を行い、その上にリン酸マンガンの皮膜を形成している。また、ボール受け座の内部は閉じられた空間となり、潤滑油の供給がなく、油膜形成が困難な境界潤滑状態であることから、かしめ前に冷凍機油を少量滴下し、磨耗を低減している。なお、ボール受け座の内部は狭い空間であることから、滴下できる冷凍機油の量は０．５ｇ以下である。さらに、ボール受け座の内部に冷凍機油を滴下しても潤滑性が不足する場合には、特許文献１に記載されているように、リン酸マンガンの皮膜の上に二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤の皮膜を形成する表面処理を行って潤滑性を向上させている。
特開２００５−３６７０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された密閉型圧縮機においては、ボール受け座に対して、窒化処理と、リン酸マンガンの皮膜形成と、二硫化モリブデンの皮膜形成との３段階の表面処理を行うため、コスト高になっている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、安価な構成でボールジョイント機構部を構成するボール受け座の磨耗を抑制することができる密閉型圧縮機及びこの密閉型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、底部に冷凍機油を貯留した密閉容器内に、圧縮機構部とこの圧縮機構部を駆動する電動機部とを収納し、前記圧縮機構部は、回転軸に一体に形成されたクランクピンに係合されたコンロッドとシリンダ内に収容されたピストンとがボールジョイント機構部を介して連結され、前記ボールジョイント機構部は、前記コンロッドの端部に一体的に設けられたボールと前記ピストンに設けられたボール受け座とからなり、前記ボール受け座をかしめて前記ボールを摺動可能に抱持した密閉型圧縮機において、かしめ前の前記ボール受け座に極圧剤又は２重量％以上の極圧剤を含有する冷凍機油を滴下したことである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、冷凍サイクル装置において、請求項１記載の密閉型圧縮機と、前記密閉型圧縮機に接続された凝縮器と、前記凝縮器に接続された膨張装置と、前記膨張装置に接続された蒸発器とを備えることである。

本発明によれば、安価な構成でボールジョイント機構部を構成するボール受け座の磨耗を抑制することができる密閉型圧縮機及びこの密閉型圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明の一実施の形態に係る冷凍サイクル装置１は、図１に示すように、密閉型圧縮機２と、凝縮器３と、膨張装置４と、蒸発器５とを備えている。

密閉型圧縮機２は、往復移動するピストン６を有するレシプロ式の圧縮機構部７と、この圧縮機構部７を駆動する電動機部８とを備え、低圧の気体冷媒を圧縮して高温・高圧の気体冷媒にする。密閉型圧縮機２は、圧縮された高温・高圧の気体冷媒を吐出する吐出口と、低圧の気体冷媒を吸込む吸込口とを有し、この吐出口と吸込口とを接続する冷媒配管の途中に、凝縮器３と膨張装置４と蒸発器５とがこの順に配置されている。

凝縮器３は、密閉型圧縮機２により圧縮されて高温・高圧となった気体冷媒から熱を放熱させ、高温・高圧の気体冷媒を高圧の液体冷媒にする。

膨張装置４は、高圧の液体冷媒を細い管内を通すことにより圧力を下げ、低温・低圧の液体冷媒にする。

蒸発器５は、低温・低圧の液体冷媒を気化させて・低圧の気体冷媒にする。液体冷媒が気化する際に周囲から気化熱を奪い、周囲が冷却される。低圧の気体冷媒は、密閉型圧縮機２内に吸込口から吸込まれる。

以下に、密閉型圧縮機２について詳しく説明する。

密閉型圧縮機２は、下ケース９と上ケース１０とを気密状態に接合して形成された密閉容器１１を備えており、この密閉容器１１内のほぼ中間部には、フレーム１２が複数のスプリング１３（図示は１つ）を介して弾性的に支持されている。フレーム１２の上部側に圧縮機構部７が取付けられ、フレーム１２の下部側に電動機部８が取付けられている。密閉容器１１内の底部には冷凍機油１４が貯留されている。

冷凍機油１４は、使用する冷媒の種類によりその冷媒に適合するものが使用され、冷媒がＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒の場合には、ＰＯＥ（ポリオールエステル）油やＰＶＥ（ポリビニールエーテル）油が使用されている。近年、地球温暖化防止の観点から使用されるようになったＨＣ（炭化水素系）冷媒のプロパンやイソブタンの場合には、相溶性の点から鉱油が使用されている。

これらの冷凍機油１４には、耐摩耗性、熱安定性、酸化防止性を向上させる手段として、添加剤が添加されている。冷凍機油１４の耐摩耗性を向上させる添加剤には、油性剤、耐摩耗剤、極圧剤があるが、油膜形成が困難で、金属間接触から焼付けを起こすような摺動条件下では、極圧剤が有効である。

極圧剤の作用は、摩擦金属表面と反応して、強固且つその金属よりせん断強さの小さい化合物の皮膜を形成し、焼付けを防止することである。冷凍機油１４に添加した極圧剤は、絶えず皮膜を形成するため、長期に亘って効果を発揮することができる。極圧剤には、硫黄系化合物、リン系化合物、ハロゲン系化合物、有機金属化合物などがあるが、ＴＣＰ（トリクレジルホスフェート）などのリン系化合物が多く用いられている。また、冷凍機油１４への極圧剤の添加は、冷凍機油の体積抵抗率（ＪＩＳＣ２１０１）を低下させるため、０．５〜１．５重量％の範囲で使用されている。

圧縮機構部７は、フレーム１２の中心部に位置して上下方向に形成された枢支用孔１５を有し、この枢支用孔１５に回転軸１６が中心線回りに回転可能に支持されている。回転軸１６の上端部には、フレーム１２上面に摺動可能に載る鍔部１７が一体に設けられ、さらに、鍔部１７の上部には、回転軸１６の中心線と偏心した中心線をもつクランクピン１８が連接されている。

このことから、回転軸１６が中心線回りに回転駆動されると、鍔部１７はフレーム１２上面で摺接状態で回転し、かつ、クランクピン１８は回転軸１６の中心の回りを偏心回転する。

さらに、圧縮機構部７は、フレーム１２上面に載設され、軸方向を水平に向けたシリンダ１９を備えている。このシリンダ１９の内部は、ピストン６を往復移動可能に収容したシリンダ室２０となっている。

ピストン６には、コンロッド２１の一端がボールジョイント機構部２２を介して連結されている。コンロッド２１の他端には、クランクピン１８に回転可能に嵌合されるリング部２３が設けられている。

ボールジョイント機構部２２は、コンロッド２１の一端に一体的に設けられたボール２４と、ピストン６に設けられたボール受け座２５とを有している。ボール受け座２５の縁部は、ボール２４を囲んでかしめられており、ボール２４はかしめられたボール受け座２５により摺動可能に抱持されている。なお、ボール２４とボール受け座２５との間には、ＰＴＦＥ、ＰＦＡなどの熱可塑性樹脂材からなるバッファリング２６が介装されている。

このことから、クランクピン１８の偏心回転にともない、コンロッド２１がボールジョイント機構部２２を支点として揺動運動をなし、ピストン６はシリンダ１９内において往復移動する。

一方、シリンダ１９の一端には弁機構２７が設けられ、この弁機構２７は弁カバー２８で覆われている。詳細には図示していないが、弁カバー２８には、内部を二分する仕切り部が設けられ、その一方の空間が吸込室となり、他方の空間が吐出室となっている。

弁機構２７は、吸込口と吐出口とを備えた弁板を有し、それぞれの吸込口と吐出口とは吸込弁と吐出弁とによって開閉される。そして、ピストン６の往復移動に伴い、密閉容器１１内の冷媒が吸込室と吸込口とを介してシリンダ室２０に吸込まれ、及び、吸込まれた冷媒はシリンダ室２０内で圧縮されて高圧・高温の冷媒となり、吐出口から吐出室内に吐出される。吐出室内に吐出された高温・高圧の冷媒は、冷媒配管内を通って凝縮器３に供給される。

電動機部８は、回転軸１６におけるフレーム１２の下方から突出する部位に嵌着された回転子２９と、この回転子２９の周面と微小な間隔をもって対向する内周面を有し、フレーム１２に対して複数の固定ボルト１２ａ（図示は１つ）で固定された固定子３０とを備えている。固定子３０には巻線が施され、この巻線に通電されることにより、回転軸１６と回転子２９とが回転軸１６の中心線回りに回転し、回転軸１６の回転に伴ってピストン６が往復移動する。

ピストン６のボール受け座２５には、窒化処理と、リン酸マンガンの皮膜形成との２段階の表面処理が施されている。また、かしめ前のボール受け座２５には、極圧剤又は２重量％以上の極圧剤を含有する冷凍機油が滴下されている。上記２重量％以上の極圧剤を含有する冷凍機油は、密閉容器１１内の底部に貯留されている冷凍機油１４と同一種類のものである。

ここで、図１に示す冷凍サイクル装置１を一定時間稼働させ、ピストン６の往復移動に伴うボール受け座２５の磨耗量の測定試験を行なった。その測定試験の結果を、図３のグラフに基づいて説明する。

なお、測定試験は、実施例１と実施例２との２つの実施例について行なった。

実施例１は、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、ＨＣ冷媒であるＲ６００ａ（イソブタン）／鉱油とし、かしめ前のボール受け座２５に滴下する極圧剤又は極圧剤を含有する冷凍機油を０．３ｇとし、極圧剤としてＴＣＰを使用した。かしめ前のボール受け座２５に極圧剤を含有する冷凍機油を滴下する場合には、冷凍機油に含有される極圧剤の割合を、２重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、３０重量％、５０重量％に変化させた。

実施例２は、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、ＨＦＣ１３４ａ／ＰＯＥ油とし、かしめ前のボール受け座２５に滴下する極圧剤又は極圧剤を含有する冷凍機油を０．３ｇとし、極圧剤としてＴＣＰを使用した。かしめ前のボール受け座２５に極圧剤を含有する冷凍機油を滴下する場合には、冷凍機油に含有される極圧剤の割合を、２重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、３０重量％、５０重量％に変化させた。

なお、この測定実験では、冷媒の吐出圧力を１ＭＰａ、稼働時周波数を５０Ｈｚ、稼働時間を５００時間とした。

さらに、発明の効果を調べるため、比較例１〜３についても測定試験を行なった。

比較例１は、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、Ｒ６００ａ／鉱油とし、かしめ前のボール受け座２５に滴下する冷凍機油１４を０．３ｇとし、その冷凍機油１４に含有される極圧剤の割合を０重量％（極圧剤なし）又は１重量％とした。

比較例２は、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、ＨＦＣ１３４ａ／ＰＯＥ油とし、かしめ前のボール受け座２５に滴下する冷凍機油１４を０．３ｇとして、その冷凍機油１４に含有される極圧剤の割合を０重量％（極圧剤なし）又は１重量％とした。

比較例３は、ボール受け座２５の表面処理として、窒化処理とリン酸マンガンの皮膜形成とに加え、二硫化モリブデンの皮膜形成を行い、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、Ｒ６００ａ／鉱油とし、かしめ前のボール受け座２５に滴下する冷凍機油１４を０．３ｇとし、その冷凍機油１４に含有される極圧剤の割合を０重量％（極圧剤なし）又は１重量％とした。

なお、比較例１〜３においては、極圧剤としてＴＣＰを使用した点、冷媒の吐出圧力を１ＭＰａとした点、稼働時周波数を５０Ｈｚとした点、稼働時間を５００時間とした点は、実施例と同じである。

このような構成において、図３に示した測定試験の結果から、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、Ｒ６００ａ／鉱油とした実施例１と比較例１とを比べると、実施例１のほうが比較例１よりボール受け座２５の磨耗量が少ないことが分かる。さらに、二硫化モリブデンの被膜形成を行なった比較例３と比べても、実施例１のほうが比較例３よりボール受け座２５の磨耗量が少ないことが分かる。

また、冷媒／冷凍機油の組み合わせを、ＨＦＣ１３４ａ／ＰＯＥ油とした実施例２と比較例２とを比べると、実施例２のほうが比較例２よりボール受け座２５の磨耗量が少ないことが分かる。

これにより、かしめ前のボール受け座２５に極圧剤又は２重量％以上の極圧剤を含有する冷凍機油１４を滴下することにより、冷凍機油１４のみ又は１重量％の極圧剤を含有する冷凍機油１４を滴下した場合に比べて、ボール受け座２５の磨耗量が少なくなることが判明した。

また、図３のグラフから、かしめ前のボール受け座２５に滴下する冷凍機油１４に含有される極圧剤の割合が増えるにつれてボールル受け座２５の磨耗量が少なくなり、極圧剤が５〜２０重量％の間で磨耗量が安定し、それ以上極圧剤の割合を増やしても磨耗量はそれ以上減少しないことが判明した。これは、極圧剤の磨耗防止効果が、摩擦金属表面との反応による化合物の被膜形成であるため、被膜形成に必要な量の極圧剤があれば充分であり、皮膜形成に必要な極圧剤の量は冷凍機油１４に対して５〜２０重量％であると言える。

また、かしめ前のボール受け座２５に極圧剤のみ（極圧剤１００％）を滴下した場合には、ボール受け座２５の磨耗量が若干増加するが、比較例に比べれば磨耗量は少ない。極圧剤１００％の場合に磨耗量が増加する理由は、極圧剤１００％の場合には冷凍機油１４による初期馴染み効果が得られず、初期磨耗が発生するためと考えられる。

なお、かしめ前のボール受け座２５に極圧剤のみを滴下した場合でも、その極圧剤の量は密閉型圧縮機２に貯留されている冷凍機油１４に対して０．１重量％程度であり、全ての極圧剤が冷凍機油１４中に混在したと仮定した場合でも極圧剤が原因となって冷凍機油１４の体積低効率が低下するという問題は生じない。

実施例１と実施例２とを比べると、冷凍機油１４としてＰＯＥ油と鉱油とを使用した場合では、鉱油を使用した場合（実施例１）の効果が顕著であることが分かる。ＰＯＥ油は、油性剤と同じような働きをすることが知られており、比較例１、２における極剤剤が０重量％の場合の磨耗量が、ＰＯＥ油を使用した比較例２のほうが少ないことからも分かる。油性剤は、物理吸着または化学吸着により金属表面に炭化水素鎖の皮膜を形成する働きをするが、極圧剤より早く吸着するために、極圧剤の皮膜形成を阻害し極圧剤による充分な効果が得られないためと考えられる。よって、この発明は、鉱油とＨＣ冷媒とを使用する密閉型圧縮機２により適していると言える。

ボール受け座２５に二硫化モリブデンの皮膜形成を行なった比較例３と比較しても、実施例１のほうが磨耗量が少なく、本発明により二硫化モリブデンの皮膜形成が不要になることがわかる。これにより、二硫化モリブデンの被膜形成を行わない安価な構成のピストン６を用いる密閉型圧縮機２であっても、ボール受け座２５の磨耗を充分に抑制することができる。極圧剤が有する磨耗を抑制する効果は、極圧剤が摺動面に存在すれば化合物の皮膜形成がなされるため、長期に亘って磨耗を抑制する効果が得られる。一方、二硫化モリブデンの被膜は経時的に摩滅するため、長期的な磨耗抑制の点でも本発明が優れていることがわかる。

本発明の一実施の形態に係る冷凍サイクル装置を示す断面図である。 ピストンとピストンロッドとの連結部を示す断面図である。 実施例と比較例とについて行なったボール受け座の磨耗量の測定試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…冷凍サイクル装置、２…密閉型圧縮機、３…凝縮器、４…膨張装置、５…蒸発器、６…ピストン、７…圧縮機構部、８…電動機部、１１…密閉容器、１４…冷凍機油、１６…回転軸、１８…クランクピン、１９…シリンダ、２１…コンロッド、２２…ボールジョイント機構部、２４…ボール、２５…ボール受け座

Claims (2)

1. 底部に冷凍機油を貯留した密閉容器内に、圧縮機構部とこの圧縮機構部を駆動する電動機部とを収納し、
   前記圧縮機構部は、回転軸に一体に形成されたクランクピンに係合されたコンロッドとシリンダ内に収容されたピストンとがボールジョイント機構部を介して連結され、
   前記ボールジョイント機構部は、前記コンロッドの端部に一体的に設けられたボールと前記ピストンに設けられたボール受け座とからなり、前記ボール受け座をかしめて前記ボールを摺動可能に抱持した密閉型圧縮機において、
   かしめ前の前記ボール受け座に極圧剤又は２重量％以上の極圧剤を含有する冷凍機油を滴下したことを特徴とする密閉型圧縮機。
2. 請求項１記載の密閉型圧縮機と、前記密閉型圧縮機に接続された凝縮器と、前記凝縮器に接続された膨張装置と、前記膨張装置に接続された蒸発器とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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