JP2010185286A - 摺動部材および圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】りん酸塩皮膜による潤滑油の保油力が高く、母材の表面粗さが小さい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】摺動部母材の結晶粒径を５０μｍ以下とし、摺動部表面に膜厚が０．５μｍ以上で、粒径が５μｍのりん酸塩皮膜１２７を形成することにより、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らすことができ、母材の表面粗さを小さく抑えることができるとともに、潤滑油１０３の保油力を高めることができ、摺動部の耐摩耗性を向上させる。
【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６は、特許文献１に記載された従来の圧縮機の縦断面図、図７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６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、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３０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７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３０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により潤滑油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潤滑油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潤滑油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潤滑油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潤滑油２を保持する能力が低下し、その結果、潤滑油２によるピストン１５とボアー１２間のシール性の低下や、また、りん酸塩皮膜２２に対する負荷が増大することにより、りん酸塩皮膜処理時に母材がエッチングされ表面粗さが粗くなった母材が露呈し、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、母材の結晶粒径を制御することにより、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らし、表面粗さを小さく抑え、さらにりん酸塩皮膜の形状を制御することにより潤滑油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、本発明の摺動部材は、母材の結晶粒径を制御することにより、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らし、母材の表面粗さを小さく抑え、さらに摺動部表面に形成するりん酸塩皮膜の膜厚および粒径を制御することで、りん酸塩皮膜と潤滑油とのぬれ性を良化させ、潤滑油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、表面にりん酸塩皮膜を形成する摺動部材において、摺動部材の母材の結晶粒径が５０μｍ以下としたもので、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らすことができるため、母材の表面粗さを小さく抑えることができ、耐摩耗性を向上させ、さらにりん酸塩皮膜による潤滑油の保持力を高めた高性能で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に記載の発明は、表面にりん酸塩皮膜を形成する摺動部材において、摺動部材の母材の結晶粒径が５０μｍ以下としたもので、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らすことができ、母材の表面粗さを小さく抑えることができるため、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に記載の発明は、請求項１に記載の発明においてりん酸塩皮膜の膜厚が０．５μｍ以上で、粒径が５μｍ以下としたもので、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、請求項１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３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、前記主軸を回転自在に軸支する前記軸受部と、圧縮室を形成するシリンダーブロックと、前記圧縮室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、前記スラスト部、前記シリンダーブロック、前記ピストン、前記ピストンピン、前記コンロッドの少なくともひとつに、請求項１または２に記載の摺動部材を用いた圧縮機としたもので、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らすことができるため、母材の表面粗さを小さく抑えることができ、また、摺動部表面のりん酸塩皮膜により金属接触を防ぎ、オイルの保持力を高めるため、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４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、粘度グレードＶＧ１０以下の潤滑油を用いたもので、低粘度潤滑油においても摺動部表面のりん酸塩皮膜による潤滑油の保持力を高め摺動部間のリーク量を少なくでき、りん酸塩皮膜摩耗による母材露呈時においても、母材の表面粗さが小さいため、請求項３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５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、圧縮機構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、摺動部表面のりん酸塩皮膜による潤滑油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、りん酸塩皮膜摩耗による母材露呈時においても、母材の表面粗さが小さいため、請求項３または４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結晶粒径と表面粗さおよび耐摩耗性の関係図であり、母材の結晶粒径の大きさとりん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量および摺動特性の影響を示している。

図５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０．５以上で、粒径が５μｍ以下としたものである。また、ピストン１１９の母材の結晶粒径を５０μｍ以下としたものである。

以上のピストン１１９を組み混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。

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（図示せず）に排出され、冷凍サイクル（図示せず）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、多孔質結晶体であるりん酸塩皮膜１２７により金属接触面積を低下させ、また、りん酸塩皮膜１２７の粒子の大きさを管理することにより潤滑油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。さらに、ピストン１１９の母材の結晶粒径を小さくすることにより、りん酸塩皮膜処理時における母材へのエッチング量を減らし、表面粗さを小さく抑えることが出来るため、りん酸塩皮膜１２７が摩耗し母材が露呈した際においても耐摩耗性の低下を抑えることができ、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潤滑油１０３の共存下で、りん酸塩皮膜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。結晶粒径と母材の表面粗さおよび摩耗量の関係を図４を参照しながら説明する。

図４において、横軸に母材の結晶粒径を示し、縦軸に母材の結晶粒径および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の膜厚を０．５μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ、粒径を３μｍ、５μｍ、１０μｍとした。

図４より、結晶粒径が５０μｍ以下において摺動部材の母材の表面粗さおよび摩耗量が少ないことがわかる。

りん酸塩皮膜１２７の形成は、化成処理によっておこなわれ、摺動部母材表面の電気化学的に不均一な部分で始まり、りん酸塩皮膜結晶が成長することによって、隣り合う結晶同士が接触し摺動部母材表面を多い尽くした時点で反応が完了する。したがって母材の結晶粒径が細かいと電気化学的に不均一な箇所が多いため、化成処理時の成膜過程に伴う母材へのエッチング量が少なく済み、表面粗さが小さくなったものと推察する。さらにりん酸塩皮膜１２７の形状が潤滑油１０３の保持性に影響しているものと推察する。

次に、本発明の実施の形態における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５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５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論理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摺動部の母材の結晶粒径およびりん酸塩皮膜１２７の膜厚や粒径を制御することにより、潤滑油１０３の保持力を高めることができ、潤滑油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、りん酸塩皮膜１２７摩耗時においても摺動部の母材の表面粗さが小さいため、耐摩耗性が良化し、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を形成し、摺動部母材の結晶粒径が５０μｍ以下の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。

なお、冷媒ガス１０２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。

以上のように、本発明にかかる圧縮機は、摺動部品の母材の結晶粒径および摺動面に形成させたりん酸塩皮膜の膜厚、粒径を制御することにより、潤滑油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結晶粒径と表面粗さおよび耐摩耗性の関係図 同実施の形態におけるレシプロ型圧縮機の特性図 従来の圧縮機の縦断面図 従来の摺動部材の要部断面図

１０１ 密閉容器
１０３ 潤滑油
１０６ 電動要素
１０７ 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
１２０ 圧縮室
１２１ ピストンピン
１２２ コンロッド
１２７ りん酸塩皮膜

Claims (5)

1. 表面にりん酸塩皮膜を形成する摺動部材において、摺動部材の母材の結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とした摺動部材。
2. りん酸塩皮膜の膜厚が０．５μｍ以上で、粒径が５μｍ以下であることを特徴とした請求項１に記載の摺動部材。
3. 密閉容器内に潤滑油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、前記主軸を回転自在に軸支する前記軸受部と、圧縮室を形成するシリンダーブロックと、前記圧縮室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、前記スラスト部、前記シリンダーブロック、前記ピストン、前記ピストンピン、前記コンロッドの少なくともひとつに請求項１または２に記載の摺動部材を用いた圧縮機。
4. 粘度グレードＶＧ１０以下の潤滑油を用いた請求項３に記載の圧縮機。
5. 圧縮機構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３または４に記載の圧縮機。