JP2012167667A - ロータリコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】作動時の摩擦抵抗が小さく、耐摩耗性に優れたロータリコンプレッサを提供する。
【解決手段】円形の内周面１４ａによってボア１４が設けられたシリンダ１１と、ボア内周面１４ａに内接しながら相対回転するロータと、を備えるロータリコンプレッサ１０であって、ロータが偏心軸部２２に嵌合する転がり軸受１２から構成され、偏心軸２１の回転に伴って転がり軸受１２の外輪３２がボア内周面１４ａに摺接しながら相対回転して加圧室２４内の被圧縮流体を圧縮する。また、内輪３１と外輪３２の少なくとも一方、あるいは転動体３３を特定組成で浸炭窒化処理した鋼材製とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリコンプレッサに関し、より詳細には、作動時の摩擦抵抗が小さく、耐摩耗性に優れたロータリコンプレッサに関する。

従来、冷媒を圧縮するコンプレッサとして知られるロータリコンプレッサでは、シリンダと、シリンダに形成されたボア内で偏心回転するロータと、ロータに摺接するベーンとを備え、シリンダの両端開放部が側板により閉じられた圧縮室が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の圧縮機は、肉厚の円環部材であるロータが、偏心軸の偏心カム部にすべり嵌合しており、偏心軸が回転すると、ロータがボアの内周面に内接しながら偏心回転する。これによって、ボア、ロータ、およびベーンによって画成される圧縮室が拡縮して、吸入口から冷媒を吸入して圧縮し、吐出口から吐出する。

特開平０２−１９６１８８号公報

ところで、特許文献１に開示されている圧縮機は、ロータと偏心軸の偏心カム部とがすべり嵌合しているので、嵌合部のすべり摩擦抵抗が比較的大きく、摩擦損失が大きくなるという課題があり、更なる改善の余地があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、摩擦抵抗が小さく、耐摩耗性に優れたロータリコンプレッサを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）円形の内周面を備えたシリンダと、
前記内周面の中心から偏心した偏心軸部によって、前記シリンダに内接して回転するロータと、
前記シリンダと前記ロータとの間に形成される三日月状の空間を吸入室と加圧室とに仕切る出没可能なベーンと、を備え、冷媒を圧縮するロータリコンプレッサであって、
前記ロータは、前記偏心軸部に外嵌される内輪と、前記シリンダに内接する外輪と、該内外輪間に配置される複数の転動体とを備え、かつ、前記内輪と前記外輪の少なくとも一方がＣ：０．６〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、浸炭窒化処理が施されている鋼材製である転がり軸受によって構成されることを特徴とするロータリコンプレッサ。
（２）円形の内周面を備えたシリンダと、
前記内周面の中心から偏心した偏心軸部によって、前記シリンダに内接して回転するロータと、
前記シリンダと前記ロータとの間に形成される三日月状の空間を吸入室と加圧室とに仕切る出没可能なベーンと、を備え、冷媒を圧縮するロータリコンプレッサであって、
前記ロータは、前記偏心軸部に外嵌される内輪と、前記シリンダに内接する外輪と、該内外輪間に配置される複数の転動体とを備え、かつ、前記転動体がＣ：０．６〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、浸炭窒化処理が施されている鋼材製であることを特徴とするロータリコンプレッサ。
（３）前記内外輪が、浸炭窒化処理されているＳＵＪ２製であることを特徴とする上記（２）記載のロータリコンプレッサ。
（４）前記内外輪が、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材製であることを特徴とする上記（２）記載のロータリコンプレッサ。
（５）前記外輪の肉厚は、内輪の肉厚より厚いことを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載のロータリコンプレッサ。
（６）前記転がり軸受は、複列アンギュラ玉軸受であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載のロータリコンプレッサ。
（７）前記複列アンギュラ玉軸受は、接触角が１５°〜３０°であることを特徴とする上記（６）記載のロータリコンプレッサ。

本発明のロータリコンプレッサによれば、ロータが、偏心軸部に嵌合する転がり軸受から構成され、偏心軸部の回転に伴って、転がり軸受の外輪がシリンダの円形の内周面に内接しながら回転するようにしたので、偏心軸部との嵌合部を、従来の摩擦抵抗の比較的大きなすべり軸受から、摩擦抵抗の小さな転がり軸受とすることができ、摩擦による動力損失を低減させることができる。また、外輪がロータ機能を有し、外輪とロータとが一体化されているので、小型化することかできる。しかも、転がり軸受の外輪及び内輪の少なくとも一方、更には転動体は、Ｃ：０．６〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、浸炭窒化処理が施されている鋼材製であるので、耐摩耗性に優れ、高圧、高温となる厳しい条件でもロータリコンプレッサが長期間に亘って性能を良好に維持することができる。

また、外輪の半径方向厚さが、内輪の半径方向厚さより大きくなっているので、ロータ機能を有する外輪の剛性が大きく、冷媒を圧縮する際に作用する大きな荷重に耐えることができ、耐久性が高く長寿命となる。

また、転がり軸受が、複列アンギュラ玉軸受であるので、アキシャルガタを小さくして圧縮効率に影響を及ぼすアキシャル隙間を小さくすると共に、玉軸受によって摩擦抵抗を抑制することができる。尚、軸受寿命とアキシャルガタを考慮すると、複列アンギュラ玉軸受の接触角は、１５°〜３０°に設定するのが好ましい。

本発明に係るロータリコンプレッサの縦断面図である。 図１におけるII−II断面図である。 各転がり軸受の部分断面図である。 各転がり軸受の摩擦トルクを比較するグラフである。 各転がり軸受の軸受寿命を比較するグラフである。 複列アンギュラ玉軸受の接触角と軸受寿命との関係を示すグラフである。 複列アンギュラ玉軸受の接触角とアキシャルすきまとの関係を示すグラフである。 玉及び内外輪の材質を変えたときの軸受寿命を示すグラフである。

以下、本発明に係るロータリコンプレッサの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るロータリコンプレッサの縦断面図、図２は図１におけるII−II断面図である。

（第１実施形態）
図１および図２に示すように、ロータリコンプレッサ１０は、シリンダ１１と、ロータを構成する転がり軸受である複列アンギュラ玉軸受１２と、ベーン１３とを備える。シリンダ１１には、円形の内周面１４ａによって形成されるボア１４と、半径方向に形成されたスリット状のベーン溝１５が設けられており、両側面１６、１７には、側板１８、１９が固定されてボア１４およびベーン溝１５の開放端が塞がれている。ベーン溝１５に嵌合するベーン１３は、後端が圧縮ばね２０によって押圧されてボア１４内に出没自在とされている。

複列アンギュラ玉軸受１２は、内輪３１、外輪３２、内外輪３１、３２の複列の軌道面間に転動自在に配設された複数の転動体である玉３３、及び、玉３３を円周方向に所定の間隔で保持する保持器３４、を有する。

内輪３１は偏心軸２１の偏心軸部２２に外嵌されており、偏心軸２１が回転すると、複列アンギュラ玉軸受の外輪（ロータ）３２が、ボア１４の内周面１４ａに一箇所で内接しながら偏心回転する。また、圧縮ばね２０によって外輪３２の外周面３２ａに押圧されるベーン１３は、外輪３２の偏心回転に追従してベーン溝１５内を摺動する。

ボア１４の内周面１４ａと、外輪３２の外周面３２ａとの間に形成される三日月状の空間Ｓは、ベーン１３によって吸入室２３と加圧室２４とに仕切られている。偏心軸２１の回転に伴って、これら各室２３，２４は拡縮され、シリンダ１１に設けられた吸入口２５から冷媒を吸入して圧縮し、吐出口２６から吐出する。

ここで、ロータとして機能する外輪３２には、冷媒などの被圧縮流体を圧縮する際に大きな荷重が作用する。このため、外輪３２の肉厚［（外輪外径−外輪内径）／２］をｈｏ、内輪３１の肉厚［（内輪外径−内輪内径）／２］をｈｉとすると、ｈｏ／ｈｉ＞１．５とすることで、シリンダのボアと高い圧力で接触する外輪３２の剛性を高めることができる。

また、高い接触圧でボア内周面１４ａと摺接する外輪３２の外周面３２ａは、耐摩耗性を向上させるため、表面硬度ＨＲＣ５８〜６５、中心線平均粗さ１．６ｓ以下の面粗度としている。

玉３３としては、耐食性、寸法安定性、耐摩耗性を向上するため、セラミックによって形成されている。

また、保持器３４としては、鉄系保持器と比較して摩耗が少なく、耐冷媒、耐油性に優れる直鎖形ポリフェニレンサルファイド材を使用した樹脂製保持器とすることで、耐久性を向上することができる。

また、ロータ圧縮部は、高圧、高温となり、更に転がり軸受１２の潤滑油には冷媒が混入して潤滑油粘度が１０ｃｓｔ以下となる虞があるなど、極めて厳しい条件となる。このため、転がり軸受１２の内輪３１および外輪３２を、Ｃ：０．６〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、浸炭窒化処理が施されている鋼材製（以下「特定の鋼材」という）とする。

このような特定の鋼材は、例えば、Ｃ含有率が１．０１質量％で、Ｓｉ含有率が０．５６質量％で、Ｍｎ含有率が１．１０質量％で、Ｃｒ含有率が１．１０質量％で、残部鉄及び不可避不純物の鋼を浸炭窒化処理して得られ、その表面に炭素量が１．０〜１．８重量％、窒素量が０．０５〜０．６％で固溶している。尚、特定の鋼材の代表的なものにＳＵＪ３等の高炭素クロム鋼等が挙げられる。

内輪３１および外輪３２を作製するには、例えば、特定の鋼材を旋削加工して所定形状に加工した後、混合ガス（Ｒｘガス＋プロパンガス＋アンモニアガス）を導入した炉内において８２０〜９００℃で２〜１０時間加熱保持することによる浸炭窒化と、油焼入れと、１６０〜２７０℃で２時間加熱保持することによる焼戻しとを施せばよい。好ましくは、転がり表面層の残留オーステナイト量（γ_Ｒｖｏｌ％）が２０〜４５体積％、且つ、平均粒径が０．５〜１．５μｍの微細炭化物又は炭窒化物の分散強化により、転がり表面硬さ（Ｈｖ）が残留オーステナイト量に対して、
−４．７×（γ_Ｒｖｏｌ％）＋９２０≦Ｈｖ≦−４・７×（γ_Ｒｖｏｌ％）＋１０２０
の連続的範囲にある材料である。

また、寸法安定化処理を施してもよく、高温焼戻しで組織を安定化することにより、処理後の残留オーステナイト量を６％容量以下とし、これにより高温使用下（使用温度限界は１５０℃）での寸法変化を無くすことができる。

（第２実施形態）
上記の第１実施形態では、内輪３１及び外輪３２を特定の鋼材製としたが、特定の鋼材で玉３３を構成することもできる。また、同様の寸法安定化処理を施してもよい。

その際、内輪３１及び外輪３２の材質は不問であり、一般的なＳＵＪ２製としたときでも、特定の鋼材による上記効果により、耐久性が向上する。また、ＳＵＪ２に浸炭窒化処理を施した材料は、ＳＵＪ２よりも耐久性が高まり好ましい。更には、特定の鋼材製とすることにより、内外輪に係る上記効果が相乗的に発現するためより好ましい。

特に、内輪３１及び外輪３２を、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材（以下「クロムマンガン添加鋼」という）とすることが好ましい。このようなクロムマンガン添加鋼を用いることにより、特に異物混入下における長寿命化を図ることができる。

また、内輪３１及び外輪３２をＣ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：０．１〜２．０質量％、Ｍｎ：０．１〜２．０質量％、Ｃｒ：０．１〜２．０質量％、Ｍｏ：０．１〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材製とすることにより、耐摩耗性が向上する。

更には、内輪３１及び外輪３２に用いた鋼材に対し、焼戻し処理して寸法安定性を高めた鋼材を用いることもできる。尚、焼戻し温度としては、通常の焼戻し温度領域である１６０〜１８０℃より高い温度、例えば１８０〜３５０℃とすることで鋼材の高温耐久性も向上する。

なお、転がり軸受としては、任意の構成が適用可能であるが、複列アンギュラ玉軸受が好ましい。このようなロータ（転がり軸受）に要求される機能としては、低トルク、長寿命と共に、圧縮効率に影響を及ぼすラジアルガタおよびアキシャルガタの低減が挙げられ、これらの総ての条件を満足する転がり軸受が選定される必要があるが、本発明のように材質を規定することにより、これらの条件を満足することができる。

なお、複列アンギュラ玉軸受を適用する場合には、内輪２つ割れタイプとすることで、多数の玉３３を組み込むことができ、軸受寿命を更に延ばすことが可能となる。

また、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、本実施形態では、ロータは内輪、外輪、および玉を備える複列アンギュラ玉軸受としたが、偏心軸部の外周面に軌道面を形成して内輪のない構造とすることもでき、これにより更に小型化が可能となる。

＜試験１＞
ロータリコンプレッサのロータとして用いるのに好適な転がり軸受として、図３に示すように、深溝玉軸受１２ａ、複列アンギュラ玉軸受１２、および、ニードル軸受１２ｂを用意して、それぞれについて各性能を比較検討した。

（摩擦トルク）
軸受サイズとしては、各転がり軸受１２ａ、１２、１２ｂとも、所定のロータリコンプレッサに組込み可能な内径２０ｍｍ×外径３７ｍｍ×幅１２ｍｍとし、各外輪３１ａ，３１，３１ｂ及び各内輪３２ａ，３２，３２ｂの肉厚を、外輪の肉厚ｈｏ／内輪の肉厚ｈｉ＞１．５とし、ラジアル荷重４０ｋｇｆ、回転数３０００ｒｐｍの条件で摩擦トルクの比較を行った。目標摩擦トルクとしては、摩擦トルクが小さい深溝玉軸受１２ａの１．２倍以内とした。

図４に示すように、摩擦トルクは、深溝玉軸受１２ａ＜複列アンギュラ玉軸受１２＜ニードル軸受１２ｂの順で大きくなり、複列アンギュラ玉軸受１２の摩擦トルクは深溝玉軸受１２ａの摩擦トルクの略１．１倍、ニードル軸受１２ｂの摩擦トルクは深溝玉軸受１２ａの摩擦トルクの略３．６倍であった。従って、ニードル軸受１２ｃは目標摩擦トルクを満足することができない。

（軸受寿命）
次に、上記軸受サイズの深溝玉軸受１２ａ（基本定格荷重Ｃｒ＝４８００Ｎ）、複列アンギュラ玉軸受１２（基本定格荷重Ｃｒ＝７４５０Ｎ）、ニードル軸受１２ｂ（基本定格荷重Ｃｒ＝１０３００Ｎ）について、ラジアル荷重４０ｋｇｆ、回転数３０００ｒｐｍの使用条件でＬ_１０（信頼度９０％の基本定格寿命）を算出した。目標時間は３００００時間とした。

図５に示すように、Ｌ_１０は、深溝玉軸受１２ａ＜複列アンギュラ玉軸受１２＜ニードル軸受１２ｂの順で寿命が長くなり、深溝玉軸受１２ａのＬ_１０は略１００００時間、複列アンギュラ玉軸受１２のＬ_１０は略３６０００時間、ニードル軸受１２ｃのＬ_１０は略５００００時間であり、摩擦トルクが一番小さな深溝玉軸受１２ａは、目標時間である３００００時間を満足することができなかった。

上記の検討結果から、摩擦トルク（深溝玉軸受の摩擦トルクの１．２倍以内）、および軸受寿命（目標時間は３００００時間）を同時に満足する転がり軸受として、複列アンギュラ玉軸受１２が挙げられる。

（接触角）
次に複列アンギュラ玉軸受１２を対象として接触角について検討した。複列アンギュラ玉軸受１２の基本定格寿命は、図６に示すように、接触角に反比例して次第に短くなることが分かっており、基本定格寿命３００００時間を満足するためには、接触角３０°以下とするのが望ましい。

一方、アキシャル隙間は、ロータリコンプレッサの圧縮効率に直接影響を及ぼすので、極力小さいことが望ましい。例えば、内径２０ｍｍ、普通すきま最大２０μｍの深溝玉軸受のアキシャル隙間は１００μｍ程度であり、圧縮効率に悪影響を及ぼす虞があり、この５０％（５０μｍ）のアキシャル隙間とすることが望ましい。

接触角とアキシャル隙間との関係は、図７に示すように、接触角が大きくなるほど小さくなることが分かっている。図７からアキシャル隙間を５０μｍ以下とするには、接触角は１５°以上となる。従って、軸受寿命３００００時間以上、且つアキシャル隙間５０μｍ以下を満足する複列アンギュラ玉軸受１２の接触角としては、１５°〜３０°であり、好ましくは２０°である。

以上の検討結果を総合すると、ロータリコンプレッサ１０のロータとして好ましい転がり軸受としては、接触角２０°の複列アンギュラ玉軸受１２が挙げられ、外輪の肉厚ｈｏ／内輪の肉厚ｈｉ＞１．５、アキシャル隙間５０μｍ以下を満足する、例えば、内径２０ｍｍ×外径３７ｍｍ×幅１２ｍｍの転がり軸受が選定される。これによって軸受寿命３００００時間が確保される。

＜試験Ｂ＞
試験軸受として複列アンギュラ玉軸受を用意し、内外輪及び玉を全てＳＵＪ２製としたもの（軸受Ａ）、内外輪をＳＵＪ２製とし、玉をＳＵＪ３製としたもの（軸受Ｂ）、内外輪を浸炭窒化処理したＳＵＪ２製とし、玉をＳＵＪ３製としたもの（軸受Ｃ）、内外輪をクロムマンガン添加鋼製とし、玉をＳＵＪ３製としたもの（軸受Ｄ）とし、軸受寿命を比較した。

結果を図８に示すが、軸受Ａの軸受寿命を１とする相対値で示してある。図示されるように、玉を特定の鋼材製にすることにより、軸受寿命が延びているのが分かる。特に、内外輪を浸炭窒化処理したＳＵＪ２製（軸受Ｃ）や、クロムマンガン添加鋼製（軸受Ｄ）とすることにより、軸受寿命が格段に延びている。

１０ ロータリコンプレッサ
１１ シリンダ
１２ 複列アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
１３ ベーン
１４ ボア
１４ａ 内周面
２１ 偏心軸
２２ 偏心軸部
２３ 吸入室
２４ 加圧室
３１ 内輪
３２ 外輪
３３ 玉（転動体）
３４ 保持器
ｈｏ 外輪の肉厚
ｈｉ 内輪の肉厚
Ｓ 三日月状の空間

Claims (7)

1. 円形の内周面を備えたシリンダと、
   前記内周面の中心から偏心した偏心軸部によって、前記シリンダに内接して回転するロータと、
   前記シリンダと前記ロータとの間に形成される三日月状の空間を吸入室と加圧室とに仕切る出没可能なベーンと、を備え、冷媒を圧縮するロータリコンプレッサであって、
   前記ロータは、前記偏心軸部に外嵌される内輪と、前記シリンダに内接する外輪と、該内外輪間に配置される複数の転動体とを備え、かつ、前記内輪と前記外輪の少なくとも一方がＣ：０．６〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、浸炭窒化処理が施されている鋼材製である転がり軸受によって構成されることを特徴とするロータリコンプレッサ。
2. 円形の内周面を備えたシリンダと、
   前記内周面の中心から偏心した偏心軸部によって、前記シリンダに内接して回転するロータと、
   前記シリンダと前記ロータとの間に形成される三日月状の空間を吸入室と加圧室とに仕切る出没可能なベーンと、を備え、冷媒を圧縮するロータリコンプレッサであって、
   前記ロータは、前記偏心軸部に外嵌される内輪と、前記シリンダに内接する外輪と、該内外輪間に配置される複数の転動体とを備え、かつ、前記転動体がＣ：０．６〜１．２質量％、Ｓｉ：０．１〜１．５質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、浸炭窒化処理が施されている鋼材製であることを特徴とするロータリコンプレッサ。
3. 前記内外輪が、浸炭窒化処理されているＳＵＪ２製であることを特徴とする請求項２記載のロータリコンプレッサ。
4. 前記内外輪が、Ｃ：０．１〜０．６質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％、Ｍｎ：０．２〜２．０質量％、Ｃｒ：０．２〜２．０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材製であることを特徴とする請求項２記載のロータリコンプレッサ。
5. 前記外輪の肉厚は、内輪の肉厚より厚いことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のロータリコンプレッサ。
6. 前記転がり軸受は、複列アンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のロータリコンプレッサ。
7. 前記複列アンギュラ玉軸受は、接触角が１５°〜３０°であることを特徴とする請求項６記載のロータリコンプレッサ。

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