JP2017053341A - 冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の低粘度化並びに摺動部の短小化を行っても耐摩耗性が低下せず、信頼性が高い冷媒圧縮機を提供する。【解決手段】圧縮要素を構成する少なくともひとつの摺動部材が、鉄系材料からなる基材１５０と、基材１５０の表面に形成された酸化被膜１５１とから構成され、酸化被膜１５１は、基材１５０よりもケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有するものである。これにより、凝着等による異常摩耗を防止でき、信頼性の向上が図れる。【選択図】図２

Description

本発明は、冷蔵庫、エアーコンディショナー等に使用される冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍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冷媒圧縮機の開発が進められている。

上記高効率の冷媒圧縮機はそのピストンやクランクシャフトなどの摺動部分の摩耗を防止すべく当該摺動面に、リン酸塩被膜を形成し、このリン酸塩被膜の形成によって機械加工仕上げの加工面の凹凸を消し、摺動部材同士の初期なじみを良好にするなどの方策がとられている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の密閉型電動冷媒圧縮機の断面図を示すものである。

図７に示すように冷媒圧縮機の外筐となる密閉容器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。

そして、上記圧縮要素６は、クランクシャフト７、シリンダーブロック１１、ピストン１５等によって構成されており、以下その構成を説明する。

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と、主軸部８に対し偏心して形成された偏心軸９からなり、給油ポンプ１０を備えている。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を有している。

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。

バルブプレート１８のボアー１２の反対側にはヘッド１９が固定されており、高圧室を形成している。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（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９とコンロッド１７とは、相互に摺動部を形成する。

摺動部を構成する摺動部材の中で、鉄系材料同士の組み合わせにおいては、どちらか一方の摺動部表面に前記した如く多孔質結晶体からなる不溶解性のリン酸塩被膜が成してある。

以上のような構成において、次に動作を説明する。

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の偏心運動により連結手段のコンロッド１７及びピストンピン１６を介してピストン１５を駆動する。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内に導かれた冷媒ガスをサクションマフラー２１から吸入し、圧縮室１３内で連続して圧縮する。

潤滑油２は、クランクシャフト７の回転に伴って給油ポンプ１０から各摺動部に給油され、各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を司る。

ここで、摺動部材となるクランクシャフト７の主軸部８と軸受部１４においては、回転運動が行われており、冷媒圧縮機の停止中は回転速度が０ｍ／ｓとなり、起動時は金属接触状態からの回転運動開始となって大きな摩擦抵抗力がかかることになるが、この冷媒圧縮機では上記クランクシャフト７の主軸部８にリン酸塩被膜を形成していて当該リン酸塩被膜が初期なじみ性を有するリン酸塩被膜により、起動時の金属接触による異常摩耗が防止できる、というものである。

特開平７−２３８８８５号公報

しかしながら、近年、冷媒圧縮機の高効率化を図るために、より粘度の低い潤滑油２を使用したり、または、各摺動部間の摺動長がより短く設計されたりすることから、従来のリン酸塩被膜では、早期に摩耗もしくは摩滅して、なじみ効果の持続が困難となり、耐摩耗性が低下する可能性がある。

更に、冷媒圧縮機においては、クランクシャフト７が一回転する間にクランクシャフト７の主軸部８にかかる荷重は大きく変動するとともに、この負荷変動に伴って、クランクシャフト７と軸受部１４との間で、潤滑油２に溶け込んだ冷媒ガスが気化して発泡することがあり、それにより油膜が切れて金属接触する頻度が増加する。

その結果、クランクシャフト７の主軸部８に形成したリン酸塩被膜が早期に摩耗して摩擦係数が上昇し、それに伴い摺動部の発熱も大きくなって、凝着等の異常摩耗が生じる懸念がある。また、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。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、摺動部材の耐摩耗性を向上させることにより、信頼性が高く、高効率の冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置を提供することを目的としている。

本発明の冷媒圧縮機は、密閉容器内に粘度がＶＧ２〜ＶＧ１００の潤滑油を貯留するとともに、電動要素と、前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素を構成する少なくともひとつの摺動部材が、鉄系材料からなる基材と、基材表面に形成された酸化被膜とから構成され、酸化被膜は、基材よりもケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有する構成としてある。

これにより、摺動部材の耐摩耗性が向上するとともに、基材と酸化被膜の密着性が向上して、摺動ロスの低減と信頼性の向上が図れる。

本発明の冷媒圧縮機は、上記構成により、耐摩耗性が向上するとともに、基材と酸化被膜の密着性が向上することで、潤滑油の粘度をより低く、かつ各摺動部間の摺動長さをより短く設計でき、摺動ロスの低減が図れ、高信頼性、高効率の冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機の断面図 同実施の形態における冷媒圧縮機の摺動部に形成した酸化被膜のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＥＭ（二次電子顕微鏡）像とＥＤＳ分析を行った結果の一例を示す元素マップ 同実施の形態における酸化被膜のリング・オン・ディスク式摩耗試験後でのディスクの摩耗量を示す説明図 同実施の形態における酸化被膜のリング・オン・ディスク式摩耗試験後でのリングの摩耗量を示す説明図 同実施の形態における酸化被膜のＸ線回折分析を行った結果の一例を示すグラフ 本発明の実施の形態２における冷凍装置の模式図 従来の密閉型電動冷媒圧縮機の断面図

第１の発明は、密閉容器内に粘度がＶＧ２〜ＶＧ１００の潤滑油を貯留するとともに、電動要素と、前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素とを収容し、圧縮要素を構成する少なくともひとつの摺動部材が、鉄系材料からなる基材と、基材表面に形成された酸化被膜とから構成され、酸化被膜は、基材よりもケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有した構成としてある。

これにより、摺動部材の耐摩耗性が向上するとともに、基材と酸化被膜の密着性が向上することで、潤滑油の粘度をより低く、かつ各摺動部間の摺動長さをより短く設計できるので、摺動ロスの低減が図れ、信頼性、性能が向上する。

第２の発明は、第１の発明において、前記酸化被膜は、基材側にケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有する構成としてある。

これにより、基材と酸化被膜の密着性が向上して、信頼性が向上する。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記酸化被膜は、摺動面の表面側から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を有する構成としてある。

これにより、最表面の三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）が、相手攻撃性を低下させ、摺動面のなじみを促進できるので、信頼性が向上する。

第４の発明は、第１または第２の発明において、前記酸化被膜は、摺動面の表面側から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）と酸化鉄（ＦｅＯ）を有する構成としてある。

これにより、最表面の三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）が、相手攻撃性を低下させ、摺動面のなじみを促進できるとともに、酸化鉄（ＦｅＯ）が存在することで、結晶粒界や格子欠陥のような弱い構造が存在しなくなるため、摺動時の負荷に対しての耐力が向上して、剥離の防止、密着力の向上ができるので、信頼性が向上する。

第５の発明は、第１から第４のいずれか１つの発明において、前記酸化被膜はその膜厚を１〜５μｍとした構成としてある。

これにより、耐摩耗性が向上し、長期信頼性が向上するとともに、寸法精度も安定化して高い生産性を得ることができる。

第６の発明は、第１から第５のいずれか１つの発明において、前記基材は、ケイ素を０．５〜１０％含有する構成としてある。

これにより、基材と酸化被膜の密着性が効果的に向上し、信頼性が向上する。

第７の発明は、第１から第６のいずれか１つの発明において、前記基材は鋳鉄で構成してある。

これにより、鋳鉄という安価で生産性の高い材料を使用することで、コストを低くすることができるとともに、基材と酸化被膜の密着性が効果的に向上し、信頼性が向上する。

第８の発明は、第１から７のいずれか１つの発明において、前記冷媒はＲ１３４ａ等のＨＦＣ系冷媒もしくはその混合冷媒とし、潤滑油をエステル油またはアルキルベンゼン油、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油とした構成としてある。

これにより、低粘度の潤滑油を使用しても異常摩耗を防止し、かつ摺動ロスの低減が図れ、信頼性並びに効率が向上する。

第９の発明は、第１から７のいずれか１つの発明において、前記冷媒はＲ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ７４４等の自然冷媒もしくはその混合冷媒とし、潤滑油を鉱油、エステル油またはアルキルベンゼン油、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油とした構成としてある。

これにより、低粘度の潤滑油を使用しても異常摩耗を防止し、かつ摺動ロスの低減が図れ、信頼性並びに効率が向上するとともに、温室効果の少ない冷媒を使用することで地球温暖化抑制を図ることができる。

第１０の発明は、第１から７のいずれか１つの発明において、前記冷媒はＲ１２３４ｙｆ等のＨＦＯ系冷媒もしくはその混合冷媒とし、潤滑油をエステル油またはアルキルベンゼン油、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油とした構成としてある。

これにより、低粘度の潤滑油を使用しても異常摩耗を防止し、かつ摺動ロスの低減が図れ、信頼性並びに効率が向上するとともに、温室効果の少ない冷媒を使用することで地球温暖化抑制を図ることができる。

第１１の発明は、第１から１０のいずれか１つの発明において、前記電動要素は複数の運転周波数でインバータ駆動する構成としてある。

これにより、各摺動部への給油量が少なくなる低速運転時において、耐磨耗性に優れた酸化皮膜を施すことで、信頼性を向上させることができると共に、回転数が増加する高速運転時においても、高い信頼性を維持することができるので、さらに冷媒圧縮機の信頼性を向上することができる。

第１２の発明は、冷凍装置であり、この冷凍装置は、冷媒圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記冷媒圧縮機を第１から第１１のいずれか一つの発明の冷媒圧縮機とした構成としてある。

これにより、信頼性および性能が向上した冷媒圧縮機の搭載によって冷凍装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。

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による冷媒圧縮機の断面図、図２は同冷媒圧縮機における摺動部に形成した酸化被膜のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＥＭ（二次電子顕微鏡）像とＥＤＳ分析を行った結果の一例を示す元素マップである。

図１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、底部には潤滑油１０３としてエステル油を貯留し、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。

そして、上記圧縮要素１０７は、クランクシャフト１０８、シリンダーブロック１１２、ピストン１３２等によって構成されており、以下その構成を説明する。

クランクシャフト１０８は、回転子１０５を圧入固定した主軸１０９と、主軸１０９に対し偏心して形成された偏心軸１１０とからなり、下端には潤滑油１０３に連通する給油ポンプ１１１を備えている。

クランクシャフト１０８は、基材１５０（図２参照）にケイ素（Ｓｉ）を約２％含有してなる球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ鋳鉄）を使用し、表面に酸化被膜１５１が形成されている。酸化被膜１５１は、最表面側よりも、基材１５０側にケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有し、かつ摺動面の表面から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）などが形成されている。尚、本実施の形態における酸化被膜１５１の膜厚は約３μｍである。

シリンダーブロック１１２は鋳鉄からなり、略円筒形のボアー１１３を形成するとともに、主軸１０９を軸支する軸受部１１４を備えている。

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

ピストン１３２は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、鉄系の材料からなっていて、ボアー１１３と共に圧縮室１３４を形成する。また、ピストン１３２は、ピストンピン１３７を介して連結手段であるコンロッド１３８により偏心軸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のボアー１１３の反対側に固定される。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、冷媒ガス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。

以上のように構成された冷媒圧縮機１７１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。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内に導かれた前記冷媒ガス１０２をサクションマフラー１４２から吸入し、圧縮室１３４内で圧縮する。

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を司る。

ここで、近年の冷媒圧縮機１７１の高効率化を図るために、既述した如く潤滑油１０３の粘度をより低くしたり、各摺動部間の摺動長がより短く設計されたりすることから、摺動条件はより過酷な方向へ、即ち摺動部間の油膜がより薄くなる、あるいは形成され難い方向へと進んでいる。

加えて、冷媒圧縮機は、圧縮された冷媒ガス１０２のガス圧により、クランクシャフト１０８の主軸１０９とシリンダーブロック１１２の軸受部１１４、並びに主軸１０９に対し偏心して形成された偏心軸１１０とコンロッド１３８の間に負荷変動をともなう変動荷重が掛かる。この負荷変動に伴って、主軸１０９と軸受１１４との間などで潤滑油１０３に溶け込んだ冷媒ガス１０２が繰り返し気化し発泡が発生する。

これらのことから、クランクシャフト１０８の主軸部１０９と軸受部１１４との間などの摺動部において、油膜が切れて金属接触する頻度が増加する。

しかしながら、この冷媒圧縮機の摺動部、例えばこの実施の形態で一例として示すクランクシャフト１０８の摺動部には前記した構成の酸化被膜１５１が施してあるので、油膜が切れる頻度が増加したとしてもこれに伴い発生する摩耗を長期間にわたって抑制することができる。

以下、この摩耗を抑制する酸化被膜１５１、すなわち、摺動面よりも、基材１５０側にケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有し、かつ摺動面の表面側から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）などが構成された酸化被膜１５１の耐摩耗性について、説明する。

酸化被膜１５１は酸化性ガスを封入した数百℃の炉内で酸化反応させて形成した。

また耐摩耗性の評価は次のようにして行った。Ｒ１３４ａ冷媒とＶＧ３（４０℃での粘度グレードが３ｍｍ²／ｓ）のエステル油との混合雰囲気下におけるリング・オン・ディスク式摩耗試験にて、基材１５０を球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ鋳鉄）としたディスクの表面に酸化被膜１５１を施した本実施の形態の実施例を含む４種類の表面処理膜の摩耗特性と、基材１５０をねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）として表面研磨のみが施行された相手側のリング摺動面への攻撃性を併せて評価した。

ここで、本発明の実施の形態１である酸化被膜１５１の実施例の比較対象として、従来例に示したリン酸塩被膜と、一般的に硬質膜として使用されるガス窒化被膜の比較例１と、一般的な酸化被膜、いわゆる黒染処理（別名フェルマイト処理とも呼ばれている）方法で施行された四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単層被膜の比較例２とを用いた。

図３は、リング・オン・ディスク式摩耗試験後のディスクの摩耗量を、図４は同リングの摩耗量を示す。

図３に示すように、本発明の実施例を含む比較例１、比較例２のいずれの酸化被膜も従来のリン酸塩被膜と比較すると、ディスク表面の摩耗量は減少しており、自己耐摩耗性が優れていることが分かる。但し、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単層からなる一般的な酸化被膜については、所々に基材界面から剥離している痕跡が見られた。

一方、図４に示すように、相手材であるリングの摩耗量においては、従来のリン酸塩被膜と比較して、本実施の形態の酸化被膜１５１は同等であるが、ガス窒化被膜の比較例１、及び一般的な酸化被膜の比較例２は増加していることが分かる。すなわち、本実施の形態の酸化被膜１５１は比較例１、比較例２の酸化被膜に対し相手材への攻撃性が低いことを示している。

以上の結果から、本発明を採用した実施例のみが、ディスク、リングともに殆ど摩耗が認められず耐摩耗性と相手攻撃性が良好な結果を示すことがわかる。

この結果について、以下、考察する。

前記自己耐摩耗性については、本実施の形態の酸化被膜１５１が鉄の酸化物であることから、従来のリン酸塩被膜と比較すると、化学的に非常に安定的であり、かつ硬度が高い。よって、摩耗粉の移着を効果的に防止し、酸化被膜１５１自体の摩耗量が減少したと考えられる。

一方、後者の相手材への攻撃性については摺動面の表面に形成された三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）などで構成された酸化被膜１５１が、ガス窒化被膜や従来の四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単層からなる酸化被膜と比較して粒子レベルの硬度が低くなることを示している。

これは、三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）の結晶構造が菱面体晶であることから、結晶構造が立方晶である四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）や、結晶構造が周密六方晶、面心立方晶、体心正方晶である窒化被膜と比較して結晶構造面でやや弱くなっていることによる。

このことから、従来のＦｅ₃Ｏ₄単層からなる酸化被膜や窒化被膜と比較して、本実施の形態の酸化被膜１５１は、相手材への攻撃性を低下させるとともになじみ性を向上させていると考察できる。

次に、先ほどの図３で用いたディスクのうち、本実施の形態の酸化被膜１５１の断面について、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）分析による元素マッピングを行った結果の一例を図２に示す。

図２（ａ）は、リングの摺動表面近傍の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を示す。球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ鋳鉄）からなる基材１５０上（画像では基材１５０から見て右側）に、酸化被膜１５１が形成されていることがわかる。

また、図２（ｂ）は鉄（Ｆｅ）元素、図２（ｃ）は酸素（Ｏ）元素、図２（ｄ）はケイ素（Ｓｉ）元素のマッピング結果を示す。黒いバックグラウンド（背景）に対し、ドット（微小な点）が多くなるほど、該当元素が多く存在していることを示している。尚、図２（ｂ）から図２（ｄ）の図中の線は、強度比を示しており、各図とも向かって上方ほど、強度比、即ち該当元素の占める割合が高いことを示している。

これらの元素分析結果から、Ｆｅ元素とＳｉ元素から構成される基材１５０を基準として、酸化被膜１５１中における各元素の強度比は、以下のような傾向を示すことが分かった。

Ｆｅ元素の強度比は、基材１５０よりも酸化被膜１５１の方が小さく、酸化被膜１５１中でやや増加に転じる傾向を示す。 一方、Ｏ元素の強度比は、酸化被膜１５１中で顕著に高いことがわかる。また、酸化被膜１５１中のＳｉ元素の強度比は、基材１５０側が高く、酸化被膜１５１の中ほどで一気に減少し、最表面側では、殆ど検出限界以下に転じることが分かった。

更に、本実施の形態の酸化被膜１５１の断面に関し、Ｘ線回折分析を行った結果の一例を図５に示す。

三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）や、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）の結晶に起因するピークは明瞭に検出される。

しかしながら、ケイ素と鉄からなる酸化生成物、例えばファイアライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）といったような結晶に起因するピーク位置は、図５の三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）や、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）に起因するピーク位置と重なるために、存在の明確な判定は難しい。更に、ＦｅＯに起因するピークは非常に弱く、存在の明確な判定は難しい。

以上の結果を踏まえ、本実施の形態の酸化被膜１５１が、特に従来の四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単層からなる酸化被膜に比べて剥離強度が高い（自己耐摩耗性が高い）点や、ケイ素の効果について考察する。

神戸製鋼技報Ｖｏｌ．１．５５（Ｎｏ．１ Ａｐｒ．２００５）によれば、鉄鋼材料、例えばケイ素鋼板の熱間圧延工程で、鋼板表面に酸化被膜（スケール）が生成されること、鉄鋼材料に含まれるケイ素量の増加に伴い脱スケール性が低下するとの記述がある。これは、ケイ素と鉄からなる酸化生成物が、本実施の形態のような耐摩耗性に効果のある酸化被膜１５１の密着力を強化し、その結果として、摺動時の負荷に対しての耐力が向上して剥離を防止したものと考えられる。

本実施の形態は、酸化性ガスを封入した数百℃の炉内で酸化反応させたものである。反応初期に基材１５０側界面近傍に形成された、例えばファイアライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）といったような鉄やケイ素の酸化物が、いわゆる鉄拡散バリヤ機能を発揮し、酸化反応中に、表面に鉄が不足したような状態を作り出して、酸素の内方拡散を助長させていると推察する。その結果として、反応初期に形成された酸化鉄（ＦｅＯ）の酸化が加速され、三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）といった耐摩耗性に寄与する結晶構造が生成されたと考えられる。このことが、Ｘ線回折分析において、酸化鉄（ＦｅＯ）の結晶に起因するピークが非常に弱かった、即ち酸化鉄（ＦｅＯ）が殆ど検出されなかった理由の一つと考えられる。この推察は、図２（ｄ）の特にＳｉ（ケイ素）のマッピング結果からも裏付けられると考える。

一方、別の視点として、酸化鉄（ＦｅＯ）は、結晶構造を有しないアモルファスである可能性も考えられる。このことから、本実施の形態の酸化被膜１５１では、最表面のＦｅ₂Ｏ₃層を結晶構造上強い立方晶であるＦｅ₃Ｏ₄層が支えるとともに、基材１５０の鉄表面の界面に結晶構造を有しないアモルファス状のＦｅＯ層が存在することで、結晶粒界や格子欠陥のような弱い構造が存在しなくなるため、摺動時の負荷に対しての耐力が向上して、剥離の防止、密着力の向上に寄与した可能性が考えられる。

以上から、摺動部を構成する少なくともひとつの摺動部材が、鉄系材料からなる基材１５０と、基材１５０表面に形成された酸化被膜１５１とから構成され、酸化被膜１５１は、基材１５０よりもケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有することにより、耐摩耗性が向上すること、更に、酸化被膜１５１は、基材１５０側にケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有することにより、基材１５０と酸化被膜１５１の密着性が向上することが分かった。

加えて、酸化被膜１５１は、摺動面の表面から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）とで構成されていることにより、最表面の三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）が、相手攻撃性を抑制し、摺動面のなじみ性を効果的に向上させることが分かった。

また、酸化被膜１５１が、摺動面の表面から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）と酸化鉄（ＦｅＯ）とで構成されている場合は、最表面の三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）が、相手攻撃性を抑制し、摺動面のなじみ性を効果的に向上させるとともに、基材１５０付近にアモルファス状の酸化鉄（ＦｅＯ）が存在することで、結晶粒界や格子欠陥のような弱い構造が存在しなくなるため、摺動時の負荷に対しての耐力が向上して、剥離の防止、密着力の向上できると考えられる。

次に、実際に、表面に酸化被膜１５１が形成されたクランクシャフト１０８を搭載した冷媒圧縮機１７１を用いて、実機信頼性試験を行った。尚、比較対象として、従来の被膜を施したクランクシャフトを搭載した冷媒圧縮機も併せて試験を行った。

本試験では、Ｒ１３４ａ冷媒とＶＧ３（４０℃での粘度グレードが３ｍｍ²／ｓ）のエステル油を用いた。クランクシャフト１０８の主軸１０９の摩耗を加速させるべく、高温環境で、かつ短時間で運転と停止を繰り返す高温高負荷断続運転モードの試験とした。実機信頼性試験後に、冷媒圧縮機１７１を解体し、クランクシャフト１０８を取り出して摺動部を観察した結果からは、従来の被膜では摩耗が発生して損耗が確認されたのに対して、実施例の酸化被膜１５１の損傷は極めて軽微であった。

この結果から、冷媒環境下における摺動部材としても、耐摩耗性が非常に良好であることが分かった。

尚、本実施の形態の酸化被膜１５１では膜厚を約３μｍとしたが、膜厚は１〜５μｍの範囲であれば同様の効果が得られる。一方で、膜厚１μｍ未満の場合では長期にわたって耐力を維持することは難しく、逆に５μｍよりも厚くなった場合では表面の面粗度が過大となり、冷媒圧縮機１７１の摺動部品の精度管理が難しくなる可能性がある。

また、本実施の形態の基材１５０には、ケイ素を約２％含有してなる球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ鋳鉄）を用いたが、一般的に、鋳鉄には通常１〜３％程度のケイ素を含有しており、例えばねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）等を用いても同じ効果が得られ、更に、素材として、ケイ素を０．５〜１０％程度添加した鋼材や焼結材などを用いても、同様な効果が得られる。

また、本実施の形態では、冷媒をＲ１３４ａ冷媒、潤滑油１０３をエステル油としたが、他のＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒のいずれかひとつ、もしくはその混合冷媒とし、潤滑油１０３をアルキルベンゼン油または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油を用いても同じ効果が得られる。

尚、冷媒をＲ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ７４４等の自然冷媒のいずれかひとつ、またはこれらを含む混合冷媒とし、潤滑油１０３を鉱油、エステル油またはアルキルベンゼン油、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を用いても同じ効果が得られるとともに、温室効果の少ない冷媒を使用することで地球温暖化抑制を図ることもできる。

加えて、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系冷媒のいずれかひとつ、もしくはその混合冷媒とし、潤滑油１０３をエステル油、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、鉱油のいずれかひとつ、またはこれらの混合油を用いても同じ効果が得られるとともに、温室効果の少ない冷媒を使用することで地球温暖化抑制を図ることもできる。

ここで、本実施の形態では、商用電源によって駆動される冷媒圧縮機１７１について説明したが、複数の運転周波数でインバータ駆動される冷媒圧縮機においても、本実施の形態のような耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せ持つ酸化被膜１５１を鉄系材料の摺動面に形成させることによって、各摺動部への給油量が少なくなる低速運転時や回転数が増加する高速運転時においても、信頼性を向上させることができる。

以上、本実施の形態において往復動式の冷媒圧縮機１７１を例示して説明したが、回転式やスクロール式、振動式等、摺動部や吐出弁を有する他の圧縮機においても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機を用いた冷凍装置を示す。ここでは、冷凍装置の基本構成の概略についてのみ説明する。

図６において、冷凍装置は、一面が開口した断熱性の箱体とその開口を開閉する扉体構成の本体２７５と、本体２７５の内部を、物品の貯蔵空間２７６と機械室２７７に区画する区画壁２７８と、貯蔵空間２７６内を冷却する冷媒回路２７０を具備している。

冷媒回路２７０は、冷媒圧縮機１７１と、放熱器２７２と、減圧装置２７３と、吸熱器２７４とを環状に配管接続した構成となっている。そして、上記冷媒圧縮機１７１は本発明の実施の形態１で説明した冷媒圧縮機としてある。

また、吸熱器２７４は、送風機（図示せず）を具備した貯蔵空間２７６内に配置されている。吸熱器２７４の冷却熱は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間２７６内を循環するように撹拌され、貯蔵空間２７６内は冷却される。

以上の構成からなる冷凍装置は、本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機１７１を搭載し、冷媒圧縮機１７１の摺動部を構成する少なくともひとつの摺動部材が、鉄系材料からなる基材１５０と、基材１５０表面に形成された酸化被膜１５１とから構成され、酸化被膜１５１は、基材１５０よりもケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有することにより、耐摩耗性が向上し、従来の被膜では困難であった高効率設計、即ち潤滑油１０３の粘度をより低く、かつ各摺動部間の摺動長さをより短く設計できるので、摺動ロスの低減が図れ、冷凍装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。

以上のように本発明は、低粘度潤滑油を用いながら信頼性が高い圧縮機を提供することが可能となり、冷凍サイクルを用いた各種機器に幅広く適用できる。

１０１ 密閉容器
１０３ 潤滑油
１０６ 電動要素
１０７ 圧縮要素
１５０ 基材
１５１ 酸化被膜
１７１ 冷媒圧縮機
２７０ 冷媒回路
２７２ 放熱器
２７３ 減圧装置
２７４ 吸熱器

Claims (12)

1. 密閉容器内に粘度がＶＧ２〜ＶＧ１００の潤滑油を貯留するとともに、電動要素と、前記電動要素により駆動され冷媒を圧縮する圧縮要素とを収容し、前記圧縮要素を構成する少なくともひとつの摺動部材が、鉄系材料からなる基材と、前記基材表面に形成された酸化被膜とから構成され、前記酸化被膜は、前記基材よりもケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有する冷媒圧縮機。
2. 酸化被膜は、基材側にケイ素（Ｓｉ）が多い部分を有する請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 酸化被膜は、摺動面の表面側から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）とで構成されている請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
4. 酸化被膜は、摺動面の表面から、少なくとも三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）と四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）と酸化鉄（ＦｅＯ）とで構成されている請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
5. 酸化被膜はその膜厚を１〜５μｍとした請求項１から４のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
6. 基材は、ケイ素を０．５〜１０％含有した請求項１から５のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
7. 基材である鉄系材料を鋳鉄とした請求項１から６のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
8. 冷媒をＲ１３４ａ等のＨＦＣ系冷媒もしくはその混合冷媒とし、潤滑油をエステル油またはアルキルベンゼン油、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油とした請求項１から７のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
9. 冷媒をＲ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ７４４等の自然冷媒もしくはその混合冷媒とし、潤滑油を鉱油、エステル油またはアルキルベンゼン油、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油とした請求項１から７のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
10. 冷媒をＲ１２３４ｙｆ等のＨＦＯ系冷媒もしくはその混合冷媒とし、潤滑油をエステル油またはアルキルベンゼン油、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油とした請求項１から７のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
11. 電動要素は複数の運転周波数でインバータ駆動する構成とした請求項１から１０のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
12. 冷媒圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記冷媒圧縮機を請求項１から１１のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機とした冷凍装置。

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