JP2010077863A - 冷媒圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷条件での使用が可能な信頼性が高い冷媒圧縮機を提供する。
【解決手段】ピストンピン１３７の母材の結晶粒の直径を３〜５μｍとすることにより、高温度における機械的強度が上昇し、摺動部での耐摩耗性を向上するため、高信頼性の冷媒圧縮機を提供することができる。さらに、ピストンピン１３７の表面に硬質膜１５２を形成しない場合においても、引張強度並びに圧縮破壊応力特性の向上により、過負荷運転時におけるピストンピン１３７の変形が防止でき、このことから、コンロッドとピストンピン１３７間での片当り並びに隙間の不均一が防止できることで、異常摩耗の発生がなくなり、信頼性が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に家庭用の電気冷凍冷蔵庫などに使用される冷媒圧縮機および冷凍サイクル装置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少なくする高効率の圧縮機の開発が進められている。

従来の圧縮機としては、摺動部を構成する摺動部材は一方が窒化処理した鉄系材料にて形成され、他方の摺動部材は陽極酸化処理したアルミニウムダイキャストにて形成されている（例えば、特許文献１参照）。また別の従来の圧縮機としては、鉄系の摺動部材においては、表面のビッカース硬度が２００〜３００Ｈｖで、その１ｍｍ^２あたりの平均結晶粒子数が２０００〜３２００個としている（例えば、特許文献２参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の冷媒圧縮機を説明する。

図３は、特許文献１に記載された従来の冷媒圧縮機の縦断面図を示すものである。図３に示すように密閉容器１は底部に潤滑油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とこれ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部９からなり、給油ポンプ１０を設けている。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を介して偏心軸部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。

ヘッド１９は高圧室を形成し、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装置の低圧側（図示せず？）に接続され、冷媒（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の偏心軸部９とコンロッド１７は相互に摺動部を形成する。そして、摺動部を構成する摺動部材は一方が窒化処理した鉄系材料にて形成され、他方の摺動部材は陽極酸化処理したアルミニウムダイキャストもしくは鋳鉄にて形成されている。

または、摺動部を構成する鉄系の摺動部材は、表面のビッカース硬度が２００〜３００Ｈｖで、その１ｍｍ^２あたりの平均結晶粒子数が２０００〜３２００個である。

以上のように構成された冷媒圧縮機について、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、偏心軸部９の偏心運動が連結手段のコンロッド１７からピストンピン１６を介してピストン１５を駆動することでピストン１５はボアー１２内を往復運動し、サクションチューブ２０を通して密閉容器１内に導かれた冷媒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。

潤滑油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の間においてはシールする役割を果たしている。

ここでピストンピン１６とコンロッド１７とは、回転運動を往復運動に変換させるために、揺動運動行っている。その為、クランクシャフト７が一回転する間に２度ピストンピン１６とコンロッド１７間の相対速度が０ｍ／ｓとなり金属接触生じる。しかしながら摺動部に下地処理として浸炭処理を行い、浸炭層の上に窒化処理を行うことにより摺動部に硬質膜を生成することで、金属接触が生じても耐摩耗性を向上させることができる。

または、表面のビッカース硬度を２００〜３００Ｈｖで、その１ｍｍ^２あたりの平均結晶粒子数を２０００〜３２００個とすることにより弾性力が増加し耐摩耗性を向上させることができる。
特開平６−１１７３７１号公報 特開平４−２２７８８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された上記従来の構成では、窒化処理した鉄系材料は冷媒圧縮機の運転時に生じる摺動部における温度変化並びに荷重変動により、耐摩耗性が低下することがあった。

特にピストンピン１６とコンロッド１７間においては摺動の面圧が高くなりピストンピン１６がたわみ、ピストンピン１６に生成した硬質膜にクラック並びに剥離が発生することにより異常摩耗が生じる可能性があった。

なお、この異常摩耗の対策として母材である鋼材等に含む炭素量を増加させることにより母材自身の硬度並びに剛性を上げることが考えられるが、炭素の含有量を上げることにより母材自身が脆くなり、欠け等の発生により信頼性が低下する可能性があった。

特に冷媒圧縮機においては、クランクシャフト７が一回転する間におけるピストンピン１６とコンロッド１７間にかかる荷重が大きく変動するとともに、この負荷変動にともない潤滑油２に溶け込んだ冷媒が発泡することでピストンピン１６とコンロッド１７における金属接触が増加し、摩擦係数が上昇することで摺動部の発熱が大きくなり凝着等の異常摩耗が生じる可能性があった。ピストン１５とボアー１２の間においても同様の現象を起こすため、同様の課題を有していた。

また、特許文献２に記載された上記従来の構成では、表面のビッカース硬度を２００〜３００Ｈｖで、その１ｍｍ^２あたりの平均結晶粒子数を２０００〜３２００個とした鉄系材料では、結晶粒径が約１７〜２５μｍとなり、荷重が負荷された場合での各粒子での変形量が大きくなることで、高荷重条件下に置いては摺動部のたわみが大きくなり耐摩耗性が低下することがあった。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、摺動損失の低下が図れ、高信頼性の冷媒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、本発明の冷媒圧縮機は、金属材料からなる摺動部品の少なくともひとつの摺動部材の母材の結晶粒の直径を３〜５μｍとするもので、これによって、高温度における機械的強度が上昇することにより耐摩耗性が向上するという作用を有する。

本発明の冷媒圧縮機は、高温度における機械的強度が上昇することにより耐摩耗性が向上するので、高信頼性の冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項１に記載の発明は、密閉容器内に潤滑油を貯留するとともに、電動要素と冷媒を圧縮する圧縮要素を収容し、前記圧縮要素を構成し鉄系金属材料からなる少なくともひとつの摺動部材の母材の結晶粒の直径が３〜５μｍとするもので、これによって、高温度における機械的強度が上昇し、摺動部での耐摩耗性を向上させるという作用を有することにより、高信頼性の冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、動部材の母材の表面に硬質膜のコーティングが施されたもので、これによって、硬質膜との密着性が向上することで、硬質膜が剥離することなく、硬質膜の持つ化学安定性が十分作用することにより、摺動部での耐摩耗性が向上し、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、窒化処理により硬質膜をコーティングしたもので、従来の窒化処理によるコーティングと比べ拡散層が均質に入ることより、耐摩耗性等の摺動特性が向上するため、請求項２に記載の発明の効果に加えてさらに、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、冷媒がＲ６００ａ、Ｒ２９０のいずれかひとつ、またはこれらの混合物であり、潤滑油はアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールのいずれかひとつ、またはこれらの混合物とするとともに、前記潤滑油はＶＧ１０未満ＶＧ２以上の粘度であるため、高温度における機械的強度が高くなることで耐摩耗性が向上し、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、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、冷媒がＨＦＣ系冷媒であり、潤滑油はアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールのいずれかひとつ、またはこれらの混合物とするとともに、前記潤滑油はＶＧ１０未満ＶＧ２以上の粘度であるため、高温度における機械的強度が高くなることで耐摩耗性が向上し、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、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、圧縮機構が往復式の圧縮機構としたもので、高温度における機械的強度が高くなることで、摺動部での異常発熱による凝着防止し摩擦係数の上昇が抑えられることで運転負荷に応じて荷重等の摺上条件が変わることによる潤滑状態の悪化に対応することができるため、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明の効果に加えてさらに、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項２に記載の冷媒圧縮機を備え、凝縮器と、ドライヤーと、キャピラリーと、蒸発器を有し、冷媒にＨＦＣ冷媒またはＨＣ冷媒を用い、前期冷媒中に含まれる二酸化硫黄の濃度を５０ｐｐｍ以下とする冷凍サイクル装置であり、二酸化硫黄が冷凍サイクル中に含まれる水分と反応して亜硫酸となり反応層並びに母材を腐食させることにより摩耗が促進され、その摩耗粉等による冷凍サイクルの閉塞を防止するという作用を有することにより、信頼性の高い冷凍サイクル装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機の縦断面図、図２は、図１におけるＡ部拡大図である。

図１および図２において、密閉容器１０１内にはＲ６００ａからなる冷媒１０２を充填するとともに、底部にはＶＧ１０未満ＶＧ２以上の潤滑油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部１０９および主軸部１０９に対し偏心して形成された偏心軸部１１０からなり、下端には潤滑油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と主軸部１０９を軸支する軸受部１１４を形成している。

また、回転子１０５にはフランジ面１２０が形成され、軸受部１１４の上端面はスラスト部１２２になっている。フランジ面１２０と軸受部１１４のスラスト部１２２の間にはスラストワッシャ１２４が挿入されている。フランジ面１２０、スラスト部１２２及びスラストワッシャ１２４でスラスト軸受部１２６を構成している。

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１３２は鉄系の材料からなり、ボアー１１３と共に圧縮室１３４を形成し、ピストンピン１３７を介して連結手段であるコンロッド１３８によって偏心軸部１１０と連結されている。ボアー１１３の端面はバルブプレート１３９で封止されている。

ヘッド１４０は高圧室を形成し、バルブプレート１３９の反ボアー１１３側に固定される。サクションチューブ（図示せず）は密閉容器１０１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１０２を密閉容器１０１内に導く。サクションマフラー１４２は、バルブプレート１３９とヘッド１４０に挟持される。

ピストン１３２とボアー１１３、主軸部１０９と軸受部１１４、スラスト部１２２とスラストワッシャ１２４、ピストンピン１３７とコンロッド１３８、偏心軸部１１０とコンロッド１３８は相互に摺動部を形成するとともにそれぞれの摺動部の少なくとも一方には母材１５０の結晶粒の直径を３〜５μｍとし、窒化処理による硬質膜１５２を形成している。

ここではピストンピン１３７とコンロッド１３８を例にとって詳しく述べることにする。

ピストンピン１３７とコンロッド１３８が相互に形成する摺動部のうち、合金鋼により形成されるピストンピン１３７は焼き戻し温度までの昇温速度を１０℃／ｍｉｎ以上にすることで結晶粒の直径を３〜５μｍとし、その後、窒化処理により窒素化合物である硬質膜１５２を摺動部表面に形成している。なお、硬質膜１５２の膜厚は３〜５μｍの範囲で生成している。

そしてピストンピン１３７とコンロッド１３８は非常に狭いクリアランス、例えば直径で５〜２０μｍ程度のクリアランスで組み込まれている。

以上のように構成された冷媒圧縮機について、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、偏心軸部１１０の偏心運動が連結手段のコンロッド１３８からピストンピン１３７を介してピストン１３２を駆動することでピストン１３２はボアー１１３内を往復運動し、サクションチューブ（図示せず）を通して密閉容器１０１内に導かれた冷媒１０２はサクションマフラー１４２から吸入され、圧縮室１３４内で圧縮される。

潤滑油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１３２とボアー１１３の間においてはシールする役割を果たしている。

この際、ピストンピン１３７とコンロッド１３８のクリアランスが非常に狭いため、ピストンピン１３７とコンロッド１３８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がある。さらに、ピストンピン１３７とコンロッド１３８とは、回転運動を往復運動に変換させるために、揺動運動行っている。その為、クランクシャフト１０８が一回転する間に２度ピストンピン１３７とコンロッド１３８間の相対速度が０ｍ／ｓとなり、この時は油圧が発生していないために油膜ができず、金属接触が生じる可能性が高くなる。

また、コンロッド１３８とピストンピン１３７間には、圧縮室１３４内で変化するガス圧により生ずる変動荷重が絶えず作用する。この負荷変動にともない潤滑油１０３に溶け込んだ冷媒１０２が繰り返し発泡する。

特に、ピストン１３２が上死点に位置したときにはコンロッド１３８とピストンピン１３７間の相対速度が０ｍ／ｓ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状態となる。

そして、圧縮室１３４内でのガス圧が最大となり、コンロッド１３８とピストンピン１３７間への負荷荷重が最大となることで、金属接触の発生が多くなるとともに、ピストンピン１３７がたわむことにより硬質膜１５２にクラック並びに剥離が発生する場合がある。

以上のような冷媒圧縮機固有の作用に対して、本実施の形態においては（表１）の引張強度並びに圧縮破壊応力特性に示すように結晶粒の直径を３〜５μｍとすることにより、引張強度が１０００Ｎ／ｍｍ^２から２０００Ｎ／ｍｍ^２となり更に圧縮破壊強度が約２０００から約３０００ＭＰａと向上する。

このことから、コンロッド１３８とピストンピン１３７間への負荷荷重が最大となった時でも、ピストンピン１３７のたわみが小さくなることで、硬質膜１５２に発生するクラック並びに剥離を防止でき、高信頼性の冷媒圧縮機を提供することができる。

さらに、ピストンピン１３７の表面に硬質膜１５２を形成しない場合においても、上記（表１）に示す引張強度並びに圧縮破壊応力特性の向上により、過負荷運転時におけるピストンピン１３７の変形が防止できる。

このことから、コンロッド１３８とピストンピン１３７間での片当り並びに隙間の不均一が防止できることで、異常摩耗の発生がなくなり、高信頼性の冷媒圧縮機を提供することができる。

以上、本発明の実施の形態１においては、一定速度の冷媒圧縮機について述べたが、インバーター化に伴い冷媒圧縮機の低速化が進む中、特に２０Ｈｚを切るような超低速運転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。

さらに、本発明の実施の形態１においては、冷媒をＲ６００ａとして説明したが、冷媒をＲ２９０またはＲ６００ａとＲ２９０の混合物でオイルがアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールのいずれかひとつ、またはこれらの混合物、また、冷媒をＨＦＣ系冷媒で潤滑油がアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールのいずれかひとつ、またはこれらの混合物としても同等の効果が得られる。

なお、本発明の実施の形態１においては、ピストンピン１３７の結晶粒の直径を３〜５μｍとし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ピストン１３２とボアー１１３、クランクシャフト１０８の主軸部１０９と軸受部１１４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。

次に、上記冷媒圧縮機を用いた冷凍サイクル装置について、以下その動作を説明する。

今日の大気中には、自動車の排気ガスや火山ガス等の排出が原因で二酸化硫黄（ＳＯ_２）が含まれている。この二酸化硫黄（ＳＯ_２）は水と反応して化学反応式（化１）によって亜硫酸（Ｈ_２ＳＯ_３）となる。したがって、凝縮器（図示せず）と、ドライヤー（図示せず）と、キャピラリー（図示せず）と、蒸発器（図示せず）を有する冷凍サイクルにおいて冷媒１０２を封入する際の真空引き等が不十分である場合、冷凍サイクル内に二酸化硫黄（ＳＯ_２）が残り、冷凍サイクルに含まれる水分と反応して亜硫酸（Ｈ_２ＳＯ_３）となり、この酸性物質の亜硫酸（Ｈ_２ＳＯ_３）が母材１５０である鉄系材料を酸化劣化させる可能性がある。

しかし、硬質膜１５２にクラック並びに剥離が発生しないことで、母材１５０が亜硫酸（Ｈ_２ＳＯ_３）雰囲気下に暴露されることを防止できることが分かった。

さらに、硬質膜１５２を形成しない場合においても、コンロッド１３８とピストンピン１３７間での片当りを防止できることから、局所発熱並びに一般的に鉄系の母材１５０の表面に意図せず形成される数ｎｍの酸化膜の破断を防止できることから亜硫酸（Ｈ_２ＳＯ_３）雰囲気下においても酸化反応の速度が低下し、鉄系材料の劣化を防止できることが分かった。従って、冷凍サイクルに含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度を５０ｐｐｍとしても酸化劣化が防止でき高信頼性の冷凍サイクル装置を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる冷媒圧縮機は、金属材料からなる摺動部品の少なくともひとつの摺動部材の母材の結晶粒の直径を３〜５μｍとするもので、これによって、高温度における機械的強度が上昇することにより耐摩耗性の向上が図れ、高信頼性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における冷媒圧縮機の縦断面図 図１におけるＡ部拡大図 従来の冷媒圧縮機の縦断面図

符号の説明

１００ 冷媒圧縮機
１０１ 密閉容器
１０３ 潤滑油
１０７ 圧縮要素
１３７ ピストンピン（摺動部材）
１３８ コンロッド（摺動部材）
１５０ 母材
１５２ 硬質膜

Claims (7)

1. 密閉容器内に潤滑油を貯留するとともに、電動要素と冷媒を圧縮する圧縮要素を収容し、前記圧縮要素を構成し鉄系金属材料からなる少なくともひとつの摺動部材の母材の結晶粒径が３〜５μｍであることを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 摺動部材の母材の表面に硬質膜のコーティングが施されている請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 窒化処理により硬質膜のコーティングが施されている請求項２に記載の冷媒圧縮機。
4. 冷媒はＲ６００ａ、Ｒ２９０のいずれかひとつ、またはこれらの混合物であり、潤滑油はアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールのいずれかひとつ、またはこれらの混合物とするとともに、前記潤滑油はＶＧ１０未満ＶＧ２以上の粘度とした請求項１から３のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
5. 冷媒はＨＦＣ系冷媒であり、潤滑油はアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールのいずれかひとつ、またはこれらの混合物とするとともに、前記潤滑油はＶＧ１０未満ＶＧ２以上の粘度とした請求項１から３のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
6. 圧縮要素は往復式の圧縮機構である請求項１から５のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
7. 請求項２に記載の冷媒圧縮機を備え、凝縮器と、ドライヤーと、キャピラリーと、蒸発器を有し、冷媒にＨＦＣ冷媒またはＨＣ冷媒を用い、前記冷媒中に含まれる二酸化硫黄の濃度を５０ｐｐｍ以下とする冷凍サイクル装置。