JP2013079628A

JP2013079628A - 密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材

Info

Publication number: JP2013079628A
Application number: JP2011220979A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takayasu; 博高安; Noboru Baba; 馬場　　昇; Kenichi Oshima; 健一大島; Shoichi Nakajima; 昌一中島
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-05
Also published as: JP5993559B2; CN103032332B; CN103032332A

Abstract

【課題】軸受の高い耐摩耗性と耐焼付き性を維持しつつ加工性も向上して、製作コストも低減する。
【解決手段】
密閉型冷媒圧縮機１０は、密閉容器１内に、冷媒を圧縮する圧縮機部２と、この圧縮機部に接続された回転軸７と、この回転軸を介して前記圧縮機部を駆動する電動機９と、前記回転軸を支持する軸受６とを備えている。前記軸受は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材で構成され、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率は体積％で１５〜４０％としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に空調用、冷凍用或いは給湯用などの冷凍サイクルに用いられる密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材に関し、特に塩素を含まない密閉型冷媒圧縮機における軸受の耐摩耗性向上などに関する。

従来の密閉型冷媒圧縮機においては、その軸受材料として、鋳鉄、青銅系材料、アルミニウム合金系材料などの金属系材料、或いは樹脂系材料、樹脂と金属の複合材料が用いられている。前記青銅系材料では多量の鉛などを含んでいた。圧縮機以外でも鉛を含む摺動材は数多く存在し、一般的であった。

一方、軸受に挿入される回転軸には表面処理が施され、齧りの発生を防止するようにしている。鋳鉄以外の軸受材料の場合、回転軸（シャフト）と異種の材料を軸受に用いることにより齧りの発生や摩耗を抑制している。

また、回転軸と軸受とは、それらの摺動部（軸受面）に潤滑油が枯渇する境界潤滑状態や、一時的に油膜が薄くなる混合潤滑状態が発生しても、その摺動部に齧りや焼付きが発生しないように、前記軸受に自己潤滑性の黒鉛を含むカーボン基材を使用することが知られている。また、軸受を構成する前記カーボン基材には、回転軸との摺動において安定的な油膜を形成するため、カーボン基材の気孔に金属を含浸させることも知られている。

この種公知例としては、特開２００２−２１３３５６号公報（特許文献１）に記載のものなどがある。この特許文献１のものには、密閉型冷媒圧縮機の軸受として、黒鉛を含む高硬度なカーボン基材に高融点のＣｕ−Ｓｎ合金を含浸した軸受部材を使用することが記載されている。

特開２００２−２１３３５６号公報

密閉型冷媒圧縮機は、その性能を向上させる為、軸受の負荷が増大する傾向にあり、このため油による潤滑膜が部分的に途切れ、軸受と回転軸とが局部的に直接接触する、所謂境界潤滑状態や混合潤滑状態になり易くなっている。また、圧縮機の運転開始（起動）時や停止時には潤滑油が軸受摺動部に十分に供給されず、前記境界潤滑状態や混合潤滑状態になり易い。更に、潤滑油に冷凍サイクル中の冷媒が過剰に混入することによっても軸受摺動部には前記境界潤滑状態などが発生し易い。

このような境界潤滑状態などが発生すると、従来の金属系軸受、樹脂系軸受、表面処理を施した回転軸などには、焼付きや齧りが発生し易い。軸受負荷を軽減する方法としては、軸受の内径を大きくしたり、軸受の長さを大きくすることも考えられるが、モータを内蔵する密閉型冷媒圧縮機では、軸受を設置できる空間に制限があるため限界がある。

潤滑性を有する鉛やアンチモンを一成分としている、鉛青銅やアンチモン合金、鉛或いはアンチモンと炭素との複合材料などは、焼付きや齧りを起しにくいことが知られている。しかし、鉛やアンチモンは環境や人体に対する影響が懸念されており、ＰＲＴＲ（環境汚染物質排出・移動登録）の法規制対象物質に該当している。

また、前記鉛青銅やアンチモン合金、鉛或いはアンチモンと炭素の複合材料では、これらの金属の融点が低いことを利用して、無潤滑や過酷な条件での摩擦特性を向上させているが、高温での使用や、過酷な摺動状態が継続する条件で用いられる軸受では摩耗が激しくなる。

裏金（鋼板）の上に青銅を焼結し、その上に四フッ化エチレン樹脂(ＰＴＦＥ)を焼付けた巻きブッシュが知られている。この巻きブッシュは、低コストではあるが、表面の樹脂層の耐熱温度が２５０〜３００℃であるため、過酷な摺動状態で使用されると高温になって前記樹脂が溶け出し、耐摩耗性が著しく低下してしまう。特に、密閉型冷媒圧縮機の摺動部は、圧縮機内底部の潤滑油を、冷媒の吸入圧力と吐出圧力との差圧による差圧給油方式により、主軸受や旋回軸受などの各摺動部に供給して潤滑するようにしている。この差圧給油方式では、圧縮機の起動時には、冷媒により摺動部の潤滑油が洗い流され、また停止時には摺動部の油膜が切れた状態となるため、過酷な運転環境となり、前記境界潤滑状態や混合潤滑状態になり易い。

このように、油による潤滑がほとんど期待できない境界潤滑状態や混合潤滑状態であっても、齧りや焼付きが発生し難い軸受として、前記特許文献１に記載の自己潤滑性の黒鉛を含むカーボン軸受は有効である。このカーボン軸受は、カーボン基材が焼成により製造されるため気孔が生じるので、軸受摺動部での油膜保持性を維持するため、金属を含浸させるようにしている。

しかし、この特許文献１のものには、高い耐摩耗性と耐焼付き性を向上させることについては記載されているが、製作コストを低減することに関しては配慮されていない。
本発明の目的は、軸受の高い耐摩耗性と耐焼付き性を維持しつつ加工性も向上して、製作コストも低減できる密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、密閉容器内に、冷媒を圧縮する圧縮機部と、前記圧縮機部に接続された回転軸と、この回転軸を介して前記圧縮機部を駆動する電動機と、前記回転軸を支持する軸受とを備えた密閉型冷媒圧縮機において、前記軸受は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材で構成され、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で１５〜４０％であることを特徴とする。

本発明の他の特徴は、密閉容器内に、固定スクロールと旋回スクロールを有する圧縮機部と、前記圧縮機部の旋回スクロールに旋回軸受を介して接続された回転軸と、この回転軸を介して前記圧縮機部を駆動する電動機と、前記回転軸を支持する主軸受とを備えた密閉型冷媒圧縮機において、前記旋回軸受または前記主軸受の少なくとも一方の軸受は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材で構成され、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率を体積％で１５〜４０％としたことにある。

本発明の更に他の特徴は、密閉型冷媒圧縮機の軸受に用いられる軸受部材であって、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた部材からなり、該部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で１５〜４０％である密閉型冷媒圧縮機用軸受部材にある。

本発明によれば、軸受の高い耐摩耗性と耐焼付き性を維持しつつ加工性も向上して、製作コストも低減できる密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材を得ることができる。

本発明の密閉型冷媒圧縮機の実施例１を示す縦断面図である。図１の密閉型冷媒圧縮機に用いられるカーボン軸受を油／冷媒中で使用した場合における、前記カーボン軸受へのＣｕ−Ｓｎ合金の含浸率と摩耗量との関係を説明する線図である。図１の密閉型冷媒圧縮機に用いられるカーボン軸受を冷媒雰囲気中で使用した場合における、前記カーボン軸受へのＣｕ−Ｓｎ合金の含浸率と摩耗量との関係を説明する線図である。図１の密閉型冷媒圧縮機に用いられるカーボン軸受へのＣｕ−Ｓｎ合金の含浸率と、該カーボン軸受を切削工具で加工した場合の前記切削工具の摩耗量との関係を説明する線図である。図２に示す試験例２のＲ４１０Ａ冷媒雰囲気中での摩耗試験の摩耗量を、比較例６及び比較例９と比較して説明する図である。図２に示す試験例２のＲ４１０Ａ冷媒雰囲気中での摩耗試験の平均摩擦係数を、比較例６及び比較例９と比較して説明する図である。図２に示す試験例２の耐荷重試験による摩耗量を、比較例６、比較例８及び比較例９と比較して説明する図である。図２に示す試験例２と比較例６における窒素透過試験結果を説明する線図である。

以下、本発明の密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材の具体的実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材の実施例１を図１〜図８により説明する。
図１は密閉型冷媒圧縮機の一種であるスクロール圧縮機の縦断面図であり、空気調和機、冷凍機、或いは給湯機などの冷凍サイクル装置に用いられるものである。この図１により、本実施例の密閉型冷媒圧縮機を説明する。

密閉型冷媒圧縮機１０は、密閉容器１内に、冷媒を圧縮する圧縮機部２、この圧縮機部２に接続された回転軸７、この回転軸７を介して前記圧縮機部２を駆動する電動機９、前記回転軸７を支持する軸受（主軸受６、副軸受１２）、前記密閉容器１に溶接などにより固定され前記圧縮機部２及び前記主軸受６を支持する上フレーム１３、及び前記密閉容器１に溶接などにより固定され前記副軸受１２を支持する下フレーム１４などを主要構成要素として備えている。

前記冷媒としては塩素を含まない冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ、二酸化炭素、プロパンなどの何れか１つの冷媒が用いられている。前記密閉容器１の底部には、潤滑油が貯留される油溜り部１５が設けられている。
前記電動機９は、密閉容器１に固定されたステータ９ａと、前記回転軸７の主軸部７ａに固定されて、前記ステータ９ａの内側に回転自在に配置されたロータ９ｂとを備えている。

前記圧縮機部２は、台板５ａに渦巻状ラップ５ｂが直立するように形成された固定スクロール５と、台板４ａに渦巻状ラップ４ｂが直立するように形成された旋回スクロール４とが、前記両ラップ５ｂ，４ｂを互いに噛み合うように配置されている。これにより前記固定スクロール５と前記旋回スクロール４との間には圧縮室が形成される。

また、前記固定スクロール５の外周部には吸入口５ｃが形成され、更にその中央部には吐出口５ｄが形成されている。この固定スクロール５は、前記上フレーム１３にボルトにより固定されている。前記旋回スクロール４は、前記固定スクロール５と前記上フレーム１３との間に配置され、自転防止機構としてのオルダム継ぎ手８により旋回可能に設けられている。このオルダム継ぎ手８は、前記旋回スクロール４が固定スクロール５に対して自転することなく旋回運動をするように、旋回スクロール４の台板４ａ背面に設けられたキー溝４ｄと、前記上フレーム１３の台座に設けられたキー溝に、それぞれ摺動自在に係合されている。

前記固定スクロール５及び旋回スクロール４並びに前記上フレーム１３は、鋳鉄、またはＳｉを５〜１５重量％含むＡｌ基合金などにより構成されている。
前記回転軸７は、前記ロータ９ｂと結合された前記主軸部７ａと、この主軸部７ａの上側端部に一体に設けられ、偏心回転するクランク部７ｂとから構成されている。このクランク部７ｂは、前記圧縮機部２の旋回スクロール４の台板４ａの反ラップ側に突出して形成されたボス部４ｃに旋回軸受１６を介して係合されている。これにより、前記電動機９が駆動されると、回転軸７のクランク部７ｂは偏心回転し、これに伴って前記旋回スクロール４は旋回運動を行うように構成されている。前記旋回軸受１６は前記旋回スクロールのボス部４ｃに固定して設けられている。

前記回転軸７の主軸部７ａの下端部には油導入管１７が装着され、また前記回転軸７には、この回転軸７を軸方向に貫通するように油通路７ｃが形成されている。更に、前記回転軸７の主軸部７ａにはバランスウエイト３が固設されている。なお、前記回転軸７は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ材）で浸炭熱処理によりビッカース硬さがＨＶ７００以上のものが使用されている。また、前記回転軸７の主軸部７ａは前記ロータ９ｂの上側が前記主軸受６で支持され、下側が前記副軸受１２で支持されている。
前記主軸受６は、クランク部７ｂ側の上側主軸受６ａと、電動機９側の下側主軸受６ｂとで構成されている。

上記構成の冷媒圧縮機において、電動機９により回転軸７が回転されて冷媒圧縮機１０が起動されると、クランク部７ｂの偏心回転により、旋回スクロール４は、自転することなく、固定スクロール５に対し旋回運動を行う。これによって、冷凍サイクルの冷媒ガスは吸入管１１から導入され、吸入口５ｃから圧縮機部２に吸入され、圧縮機部２の圧縮室で圧縮されて吐出口５ｄから密閉容器１内の吐出室１８に吐出される。この吐出された冷媒ガスは、前記圧縮機部２の下部の電動機室１９に流れて、電動機９を冷却すると共に潤滑油を分離して、前記電動機室１９に連通するように前記密閉容器１に設けられた吐出管２０から前記冷凍サイクルに吐出される。

前記密閉容器１内は高圧の冷媒ガスで満たされることにより、密閉容器１底部の前記油溜り部１５に溜まっている潤滑油は、吸入圧と吐出圧との差圧により、油導入管１７及び油通路７ｃを介して、前記副軸受１２、前記主軸受６、前記旋回軸受１６及び圧縮機部２の摺動部などに供給され、これらの摺動部を潤滑する。しかし、圧縮機の起動時や圧縮機の吐出側の圧力が高い場合、前記軸受６，１２，１６への潤滑油の供給が不足して、摩耗や焼付きなどの損傷が発生し易い。軸受の面圧が高くなる高負荷運転時には、特に前記摩耗や焼付きなどの損傷が発生し易い。

そこで、本実施例においては、潤滑油の供給が不足したり、軸受の面圧が高くなる高負荷運転が為されても、前記軸受６，１２，１６の摩耗や焼付きなどの損傷が発生し難くなるように、前記軸受、特に主軸受６や旋回軸受１６に、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材を用いている。

次に、図１に示した前記主軸受６或いは前記旋回軸受１６の製造方法について説明する。
先ず、炭素質のカーボン基材は、ＣＩＰ（冷間静水圧加圧成形）、材料を型に入れて圧力をかけて成形する型押し成形などで成形される。また、炭素質のカーボン基材は、ニアネットシェイプ成形を用いることにより円柱形状に成形され、例えば、ニアネットシェイプの一個押し成形法により、円筒体又は円柱体に成形するようにしてもよい。

これらの方法で成形された炭素質のカーボン基材を所定の温度で焼成し、更に高温下で黒鉛化処理を行う。これらの工程を経た前記ＣＩＰや型押し成形で製作されたカーボン基材は短冊状に切断される。また、前記ニアネットシェイプ成形で製作された円柱形状のカーボン基材（一個押し成形法により製作されたものを除く）は、適用される軸受に対応して、小円筒や小円柱に切断される。

前記所定の温度で焼成し、更に高温下で黒鉛化処理を行なわれた前記カーボン基材には多数の気孔が形成され、この気孔はカーボン基材の内外を連通し、軸受として使用されたときに油膜形成ができなくなるため、前記気孔に金属を含浸する。この金属の含浸工程は、まず真空炉中で、金属や合金の素材を入れたるつぼを、これらの金属や合金の溶融温度に対して１００℃高い温度に加熱し、これらの金属や合金を溶湯状態にする。次いで、これらの金属や合金の溶湯中に、所定の長さの円柱体や長方体に構成された黒鉛を含む前記カーボン基材を浸し、窒素ガスによって加圧することにより、前記炭素質のカーボン基材の気孔にこれらの金属や合金を含浸させる。その後、るつぼから炭素質のカーボン基材を取出し、この短冊状のカーボン基材や、二アネットシェイプで製作した小円筒や小円柱のカーボン基材（一個押し成形法により製作されたものを除く）を、更に切削加工して円筒形状に形成する。これにより、前記主軸受６や前記旋回軸受１６となる軸受部材を製造することができる。

このようにして製造されたカーボン基材による軸受部材で構成された軸受６，１６において、前記カーボン基材に含浸させる金属が低融点の場合には、過酷環境化での摺動による発熱により前記金属が溶け出し、耐摩耗性の低下を引き起こす。このため、軸受摺動部の発熱や過酷な摺動状態に対応できるものとして、高硬度なカーボン基材に高融点のＣｕ−Ｓｎ合金を含浸した軸受部材が用いられている。

この軸受部材は、高硬度なカーボン基材の気孔にＣｕ−Ｓｎ合金を含浸していることから、全体的に加工性が悪くなり、製作コストが高くなる。前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率を少なくすれば加工性は改善されるものの耐摩耗性が低下する。これは、カーボン基材に存在する気孔に前記合金を含浸させることにより、前記気孔が封じされる封孔度合いが変わるが、その封孔度合いに応じて、前記回転軸と前記カーボン軸受間の摺動面での油膜の形成状態が異なるためである。

また、カーボン基材の硬さは、その黒鉛化度によっても異なる。黒鉛化度が大きいほどその硬さは軟らかくなり、加工性も改善される。
そこで本実施例は、軸受部材を、高い耐摩耗性と耐焼付き性を有し、加工性も向上させて低コストで製作できるものとし、この軸受部材を密閉型冷媒圧縮機に用いることにより、その信頼性を向上させ、且つ長寿命化も図れるようにしたものである。

即ち、本実施例の密閉型冷媒圧縮機では、以下の構成（Ａ）の軸受部材を使用することを基本構成としている。
（Ａ）非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材で構成され、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率を体積％で１５〜４０％としている。
このような軸受部材とすることにより、加工性を損なわずに耐摩耗性を向上することができる。本実施例では、更に加工性を損なわずに耐摩耗性を向上するために、以下の（Ｂ）〜（Ｄ）の構成も備えている。
（Ｂ）不可避的組成の不純物を含む前記Ｃｕ−Ｓｎ合金は、Ｓｎを５〜１５重量％含有するものとしたこと。
（Ｃ）前記カーボン基材の黒鉛化度は６０〜９０％としたこと。なお、前記黒鉛化度は、Ｘ線回折などの手段により確認することができる。
（Ｄ）非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた前記軸受部材の窒素透過量が、０．４９ＭＰａの窒素ガス圧力における窒素透過試験で０〜０．１０ｃｃ／ｍｉｎであること。

上記のような構成にすることにより、軸受摺動部の油膜が消失したり薄くなる境界潤滑状態や混合潤滑状態で使用された場合でも、低摩擦で、齧りや焼付きが生じ難い安定した摺動特性が得られる。しかも、加工性も良いので、軸受の製作コストも低減できる。従って、本実施例によれば、軸受部材を、高い耐摩耗性と耐焼付き性を有し、加工性も向上させて低コストで製作できるので、この軸受部材を密閉型冷媒圧縮機に採用することにより、その信頼性を向上し、長寿命で低コスト化も実現できる。

次に、密閉型冷媒圧縮機に用いられている主軸受６や旋回軸受１６を構成する軸受部材の本実施例における試験例１〜４を、比較例５〜９と比較して説明する。
表１は、本実施例における試験例１〜４と、比較例５〜９の含浸金属、含浸率、黒鉛化度及び窒素透過量を示している。

この表１における本実施例における試験例１〜４はショア硬度が６６、比較例５〜７のものはショア硬度が１０３、比較例８はショア硬度が７４、比較例９はショア硬度が６３である。

図２は、Ｃｕ−Ｓｎ合金を含浸した前記試験例１〜４及びＣｕ−Ｓｎ合金を含浸した前記比較例５と６の摩耗試験結果である。横軸は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔へのそれぞれの含浸率、縦軸は、前記カーボン基材の摩耗量を示している。

この図２での摩耗試験条件は、試験速度（摺動面の相対速度）が１．２ｍ／ｓ、面圧は３０ＭＰａで、エステル油とＲ４１０Ａ冷媒との混合液中において、ＳＣＭ４１５の浸炭焼入れ材（回転軸に相当）と、前記試験例１〜４及び比較例５，６のそれぞれとを、５時間連続で摺動させてそれらの摩耗量を測定することで比較したものである。

この摩耗試験の結果、比較例５の摩耗量は１２．４μｍ、比較例６の摩耗量は８．０μｍであったのに対し、試験例１の摩耗量は５．０μｍ、試験例２の摩耗量は４．７μｍ、試験例３の摩耗量は５．０μｍ、試験例４の摩耗量は５．５μｍであった。

上記図２から、軸受部材の摩耗量は、本実施例での試験例１〜４が、比較例の５，６のものよりも少なくなっていることがわかる。比較例６のようにＣｕ−Ｓｎ合金の含浸率が１２％と低い場合や、比較例５のように含浸率が０％のカーボン基材のものでは摩耗量が増加しているが、これはカーボン基材の焼成時に生じる気孔の封孔が完全でないため、カーボン基材とＳＣＭ材との摺動面に形成されるべき油膜が薄く不十分となって油膜圧力が発生せず、境界潤滑状態や混合潤滑状態になり易いためである。

このように、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で１５〜４０％としたカーボン軸受と、ＳＣＭ材による回転軸との組合せとすることにより、齧りや焼付きの発生を防止して耐摩耗性も向上できることがわかった。
なお、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に純銅を含浸した場合も図２と同様の結果になる。

図３は、Ｃｕ−Ｓｎ合金を含浸した軸受部材の前記試験例１〜４と、Ｃｕ−Ｓｎ合金を含浸した前記比較例６、７及び含浸率が０％の前記比較例５の摩耗試験結果を比較したものである。横軸は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔へのそれぞれの含浸率、縦軸は、前記カーボン基材の摩耗量を示す。

この図３での摩耗試験条件は、試験速度が１．２ｍ／ｓ、面圧は９．８ＭＰａで、Ｒ４１０Ａ冷媒のみの雰囲気中（即ち、エステル油などの潤滑油が存在していない条件）において、前記各軸受部材と、ＳＣＭ４１５の浸炭焼入れ材とを、５時間連続で摺動させてそれらの摩耗量を測定したものである。

この摩耗試験の結果、比較例５の摩耗量は４．０μｍ、比較例６の摩耗量も４．０μｍ、試験例１の摩耗量は３．０μｍ、試験例２の摩耗量は２．９μｍ、試験例３の摩耗量は３．５μｍ、試験例４の摩耗量は４．０μｍであったのに対し、比較例７の摩耗量は９．０μｍとなった。

上記図３から、比較例７のように、非晶質と黒鉛のカーボン基材に不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金を４２％含浸させたものでは、カーボン基材の面積が減少し、カーボン基材に含まれる自己潤滑性の黒鉛の量が少なくなるため、起動／停止時のように、十分な量の潤滑油が摺動部に供給されず油膜が薄くなるような境界潤滑状態や混合潤滑状態では、相手材であるＳＣＭ材の表面が荒れて粗くなり、その表面が粗くなったＳＣＭ材と軸受部材（カーボン基材）が摺動するために、軸受部材の摩耗が進行することがわかった。
なお、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に純銅を含浸した場合も図３と同じ傾向になる。

図４は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸した軸受部材の前記試験例１〜４と、前記比較例５〜７における切削工具の摩耗量を比較した結果を示す図である。

切削条件としては、ダイヤモンドのバイト（切削工具）を使用し、切削速度は８０ｍ／ｍｉｎとし、同一条件で切削工具の摩耗試験を実施した。この切削工具の摩耗試験の結果、比較例５を切削した場合の切削工具の摩耗量は０．４ｍｍ、比較例６の場合の摩耗量は０．６ｍｍ、試験例１の場合の摩耗量は０．７ｍｍ、試験例２の場合の摩耗量は０．８ｍｍ、試験例３の場合の摩耗量は０．８５ｍｍ、試験例４の場合の摩耗量は１．０ｍｍであったのに対し、比較例７の場合の切削工具の摩耗量は２．５ｍｍとなった。

この図から、前記切削工具（バイト）の摩耗量は、Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が小さい方が少ないことがわかる。特に、前記含浸率が４０％を超える比較例７では、急激に工具の摩耗量が増加しており、加工性が低下することがわかる。

この図４の試験結果と、前記図２及び図３の試験結果から、加工性も考慮した不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金の含浸率は１５〜４０％とするのが良く、より好ましくは２０〜３０％で、特に２０％前後が最も良い。
なお、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に純銅を含浸した場合も図４と同じ傾向になる。

図５は、本実施例における前記試験例２と、前記比較例６及び９とを、Ｒ４１０Ａ冷媒雰囲気中で摩耗試験したときの摩耗量を比較したものである。
試験条件は、面圧が９．８ＭＰａ、試験速度は１．２ｍ／ｓ、試験時間（摺動時間）は２時間である。本試験は、油が存在しない境界潤滑状態での試験である。

この摩耗試験の結果、試験例２の摩耗量は０．９１μｍであったのに対し、比較例６の摩耗量は３．３μｍ、比較例９の摩耗量は３．４μｍとなった。

上記図５に示す結果から、非晶質カーボンと黒鉛化度７１％の自己潤滑性の黒鉛を含むカーボン基材に、不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金を２０％含浸した本実施例における試験例２の軸受部材が、前記比較例６，９の軸受部材と比べ、摩耗量が格段に少なくなっていることがわかる。なお、図示はしていないが、本実施例における他の試験例１，３，４と比べても試験例２のものが最も摩耗量が小さくなることがわかった。
なお、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に２０％の純銅が含浸された軸受部材とした場合も同様の結果となる。

図６は、本実施例における前記試験例２と、前記比較例６及び９を、Ｒ４１０Ａ冷媒雰囲気中で摩耗試験を実施して求めた平均摩擦係数を比較して示す図である。本試験も、油が存在しない境界潤滑状態での試験結果である。
この摩耗試験の結果、試験例２の平均摩擦係数は０．０５４であったのに対し、比較例６の平均摩擦係数は０．０８９、比較例９の平均摩擦係数は０．０７３であった。

上記図６から、非晶質カーボンと７１％の自己潤滑性の黒鉛を含むカーボン基材に不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金を２０％含浸した本実施例における試験例２の軸受部材が、前記比較例６，９の軸受部材と比べ、前記平均摩擦係数が最も低くなっていることがわかる。

なお、前記平均摩擦係数は、硬さが高く黒鉛量が２５％と少ない前記比較例６よりも、含浸金属がＰｂで硬さが低く、黒鉛量が９１％の前記比較例９の方が低くなっている。これは含浸金属であるＰｂと黒鉛の自己潤滑作用によるものである。
なお、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に２０％の純銅が含浸された軸受部材とした場合も同様の結果となる。

図７は、本実施例における前記試験例２の軸受部材と、前記比較例６，８，９の軸受部材との、耐荷重試験における摩耗量を比較したものである。
試験条件は、エステル油とＲ４１０Ａ冷媒との混合液中において、試験速度が１．２ｍ／ｓで、最大面圧が７０ＭＰａになるまで、０．１５ＭＰａ／ｓで面圧を増加させていった時の各軸受部材の摩耗量であり、前記混合潤滑状態や境界潤滑状態を模擬した過酷な試験である。

この摩耗試験の結果、試験例２の摩耗量は２．５μｍであったのに対し、比較例６の摩耗量は１．８μｍ、比較例８の摩耗量は１１２μｍ、比較例９の摩耗量は２４５μｍとなった。

上記図７から、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材に不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸した前記試験例２や前記比較例６の軸受部材の方が、Ｚｎ合金を含浸させた比較例８やＰｂを含浸させた比較例９の軸受部材よりも、摩耗量が二桁少なくなっていることがわかる。

なお、不可避的な組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金のＳｎの量は５〜１５重量％が好ましく、より好ましくは１２〜１３重量％が良い。不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金は、Ｓｎの含有量の増加と共に熱伝導度が著しく低下し、硬くて脆いε相の増加と共に機械的性質が低下するため、Ｓｎ含有量は前述した範囲とすることが好ましい。

自己潤滑性を有する黒鉛の量（カーボン基材の黒鉛化度）は、圧縮機の起動／停止時のように、油膜が薄くなる境界潤滑条件や混合潤滑条件における齧りや焼付きを抑制するために、６０〜９０％にするのが良く、より好ましくは７１％とするのが良い。

図８は、本実施例における代表例としての前記試験例２と、前記比較例６との窒素透過試験結果を比較して示す図である。測定条件は、水置換法で、窒素圧力を０．１ＭＰａ、０．２２ＭＰａ及び０．４９ＭＰａとした場合について、それぞれ任意の一定時間測定した。

この窒素透過試験の結果、比較例６の窒素透過量は、窒素圧力が０．１ＭＰａ、０．２２ＭＰａ及び０．４９ＭＰａとした場合に対して、それぞれ０．０１５ｃｃ／ｍｉｎ、０．０３６ｃｃ／ｍｉｎ及び０．１２ｃｃ／ｍｉｎであったのに対し、試験例２の窒素透過量は、窒素圧力が０．１ＭＰａ、０．２２ＭＰａ及び０．４９ＭＰａの何れの場合に対しても０．０１ｃｃ／ｍｉｎ以下（本実験結果では何れも０ｃｃ／ｍｉｎ）であった。

上記図８から、窒素透過量は、加圧力が大きくなるほど差が開き、前記試験例２の方が比較例６のものより小さくなっていることがわかる。また、試験例２のものは加圧力が増大しても窒素透過量が増加していないことがわかる。軸受部材の窒素透過量は、摺動部における油膜保持性の観点から小さい方が良く、０〜０．１０ｃｃ／ｍｉｎのものが好ましい。より好ましくは、本実施例における試験例２のように０ｃｃ／ｍｉｎとなる軸受部材を選定するのが良い。

以上説明した本実施例によれば、軸受の高い耐摩耗性と耐焼付き性を維持しつつ加工性も向上して、製作コストも低減できる密閉型冷媒圧縮機及びこれに用いる軸受部材を得ることができる。

即ち、高負荷領域における境界潤滑状態や混合潤滑条件においても、高い耐摩耗性と耐焼付き性を維持できるように、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の含有黒鉛量（黒鉛化度）を、６０〜９０重量％、好ましくは７１重量％にする。これによりカーボン基材中の黒鉛が摩擦により薄く劈開することで摩擦係数を低減することができ、耐摩耗性の高い軸受を得ることができる。

黒鉛の含有量が９０重量％より多いと、高荷重条件下では非晶質カーボン基材自体が軟質化して変形抵抗が増大し、この結果摩擦が増大して摩耗し易くなる。一方、黒鉛の含有量を６０重量％未満にした場合、カーボン基材が硬くなり、摺動する相手金属材（回転軸）を摩滅させてしまう。

また、本実施例では、潤滑油中で油膜を形成させ易くするため、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、高融点の純銅や不可避的組成を含むＣｕ−Ｓｎ合金を１５〜４０％、好ましくは２０〜３０％含浸させた軸受部材を使用している。

上記のように、Ｃｕ−Ｓｎ合金を１５〜４０％含浸させ、黒鉛化度も６０〜９０重量％とした軸受部材を使用することにより、加工性を損なわずに耐摩耗性を向上できるから、製作コストも低減できる。

更に、含浸される金属がＣｕ−Ｓｎ合金の場合、Ｓｎ量は、硬さの向上や機械的特性を安定にするため、５〜１５重量％、好ましくは１２〜１３重量％としている。このようなＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させることにより、油膜の薄い境界潤滑条件や混合潤滑条件での摺動面での発熱による含浸金属の溶融を防ぐことができる。

このような軸受部材を用いることにより、高い耐摩耗性と耐焼付き性を維持しつつ加工性も向上できる軸受部材を得ることができ、この軸受部材を密閉型冷媒圧縮機に適用することによりその信頼性を向上して製作コストも低減できる。

１：密閉容器、２：圧縮機部、３：バランスウエイト、
４：旋回スクロール、４ａ：台板、４ｂ：ラップ、４ｃ：ボス部、４ｄ：キー溝、
５：固定スクロール、５ａ：台板、５ｂ：ラップ、５ｃ：吸入口、５ｄ：吐出口、
６：主軸受、６ａ：上側主軸受、６ｂ：下側主軸受、
７：回転軸、７ａ：主軸部、７ｂ：クランク部、７ｃ：油通路、
８：オルダム継ぎ手、
９：電動機、９ａ：ステータ、９ｂ：ロータ、
１０：密閉型冷媒圧縮機、
１１：吸入管、
１２：副軸受、
１３：上フレーム、１４：下フレーム、
１５：油溜り部、
１６：旋回軸受、
１７：油導入管、
１８：吐出室、
１９：電動機室、
２０：吐出管。

Claims

密閉容器内に、冷媒を圧縮する圧縮機部と、前記圧縮機部に接続された回転軸と、この回転軸を介して前記圧縮機部を駆動する電動機と、前記回転軸を支持する軸受とを備えた密閉型冷媒圧縮機において、
前記軸受は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材で構成され、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で１５〜４０％である
ことを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
請求項１に記載の密閉型冷媒圧縮機において、前記冷媒は塩素を含まない冷媒であることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
請求項２に記載の密閉型冷媒圧縮機において、前記冷媒は、Ｒ４１０Ａ、二酸化炭素、プロパンの何れかであることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
請求項１に記載の密閉型冷媒圧縮機において、不可避的組成を含む前記Ｃｕ−Ｓｎ合金は、Ｓｎを５〜１５重量％含有していることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
請求項１に記載の密閉型冷媒圧縮機において、前記カーボン基材の黒鉛化度は６０〜９０％であることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
請求項２に記載の密閉型冷媒圧縮機において、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で２０〜３０％であることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
請求項１に記載の密閉型冷媒圧縮機において、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた前記軸受部材の窒素透過量は、０．４９ＭＰａの窒素ガス圧力における窒素透過試験で０〜０．１０ｃｃ／ｍｉｎであることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
密閉容器内に、固定スクロールと旋回スクロールを有する圧縮機部と、前記圧縮機部の旋回スクロールに旋回軸受を介して接続された回転軸と、この回転軸を介して前記圧縮機部を駆動する電動機と、前記回転軸を支持する主軸受とを備えた密閉型冷媒圧縮機において、
前記旋回軸受または前記主軸受の少なくとも一方の軸受は、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた軸受部材で構成され、該軸受部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で１５〜４０％である
ことを特徴とする密閉型冷媒圧縮機。
密閉型冷媒圧縮機の軸受に用いられる軸受部材であって、非晶質カーボンと黒鉛からなるカーボン基材の気孔に、純銅、若しくは不可避的な組成の不純物を含むＣｕ−Ｓｎ合金を含浸させた部材からなり、該部材に対する前記Ｃｕ−Ｓｎ合金の含浸率が体積％で１５〜４０％であることを特徴とする密閉型冷媒圧縮機用軸受部材。