JP2020012374A - 冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を維持しつつ、運転初期の入力悪化を抑制する効率の高い密閉型圧縮機およびそれを用いた冷凍装置の提供。【解決手段】摺動部材の間に形成される摺動部において、第１の摺動部材１３５の表面に軟質皮膜１４１を形成し、第２の摺動部材１３６の表面に軟質皮膜１４１に比べて同等以上の硬さを有する硬質皮膜１４３を形成した構成により、硬質皮膜１４３により摺動部の耐摩耗性を向上させることができるとともに、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対しては、軟質皮膜１４１がわずかに摩滅することで早期に摩擦を軽減することができ、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させ、信頼性と効率を向上することができる。【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量を削減するために、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、リン酸塩皮膜を形成し、このリン酸塩皮膜の形成によって、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８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を示すものである。

図８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レシプロ式の圧縮要素６を収容している。

そして、圧縮要素６は、クランクシャフト７、シリンダブロック１１、ピストン１５等によって構成されている。

クランクシャフト７は、回転子４を圧入固定した主軸８と、主軸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。

シリンダブロック１１は、略円筒形の穴部であるシリンダボア１２と、主軸８を軸支する主軸受１４とを有している。ピストン１５はシリンダボア１２に遊嵌され、シリンダボア１２と、シリンダボア１２の端面を封止するバルブプレート１８とともに圧縮室１３を形成している。

また、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。

バルブプレート１８のシリンダボア１２の反対側にはシリンダヘッド１９が固定されており、高圧室（図示せず）を形成している。サクションチューブ２０とディスチャージチューブ２２は密閉容器１に固定されるとともに、それぞれ冷凍サイクル（図示せず）の低圧側と高圧側に接続されている。

クランクシャフト７の主軸８と主軸受１４、ピストン１５とシリンダボア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、相互に摺動部を構成する。

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リン酸塩皮膜が形成されている。

以上のような構成において、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。

冷凍サイクルより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は、圧縮室１３へ吸入され、ピストン１５がシリンダボア１２内を往復運動することで、圧縮室１３内で圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、シリンダヘッド１９を経由して、ディスチャージチューブ２２より、再び冷凍サイクルへ吐出される。

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とシリンダボア１２の間においてはシールを司る。

ここで、クランクシャフト７の主軸８は主軸受１４に対して回転運動を行うが、冷媒圧縮機の停止中は回転速度が零となり、油膜圧力が発生しないので、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が生じる。

この種の冷媒圧縮機では、クランクシャフト７の主軸８にリン酸塩皮膜が形成されており、このリン酸塩皮膜が初期なじみ性を有するので、起動時の金属接触による異常摩耗を防止できる。

しかしながら、近年、冷媒圧縮機の高効率化を図るために、より低い粘度の潤滑油２を使用したり、または、各摺動部の摺動面積がより小さく設計されたりすることから、従来のリン酸塩皮膜では、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った。

さらに、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、主軸８と主軸受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８に形成したリン酸塩皮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った。

そこで、これに対処する方策として、ガス雰囲気中や塩浴浸漬によって、摺動面に硬くかつ緻密な化合物層、いわゆる軟窒化皮膜を形成することで耐力を上げたものがある（例えば、特許文献２参照）。

この冷媒圧縮機では、クランクシャフト７の主軸８に軟窒化皮膜が形成されており、当該軟窒化皮膜は一般的にビッカース硬さ６００以上であり、高い機械的強度を有するので、起動時の金属接触による異常摩耗を防止できる。

特開平７−２３８８８５号公報 特公昭５５−４９５８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、インバータ駆動による低速
運転化（例えば２０Ｈｚ未満）が益々進んできているが、耐力が高い軟窒化皮膜ではなじみが進み難いため、特に運転初期の低速運転時に摺動損失が増加する可能性がある。

これは、摺動部材間、例えば主軸８と主軸受１４の双方には粗さ領域で微小な突起が多数存在しており、低速運転になると、摺動部材間の油膜厚さが薄くなって、粗さ領域における固体接触の発生が頻発するようになるが、従来の軟窒化皮膜のような硬く、機械的強度が高い皮膜を摺動部材の表面に形成すると、固体接触した際に、粗さ領域における突起の摩耗の進行速度が顕著に遅くなり、運転初期の入力が高い状態が長時間に亘り継続されることに起因する。

本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性が高く、併せて高効率の冷媒圧縮機とそれを用いた冷凍装置を提供することを目的とする。

本発明の冷媒圧縮機は、上記目的を達成するため、圧縮要素を構成する第１の摺動部材と第２の摺動部材とで構成される摺動部において、前記第１の摺動部材の表面に軟質皮膜を形成し、前記第２の摺動部材の表面に前記軟質皮膜より硬さの高い硬質皮膜を形成したものである。

これにより、硬質皮膜で摺動部の耐摩耗性を向上することができるとともに、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対しては、軟質皮膜がわずかに摩滅することで早期に摩擦を軽減することができ、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性の向上と、効率の向上が可能となる。

また、本発明に係る冷凍装置は、前記構成の冷媒圧縮機と、放熱器と、減圧装置と、吸熱器を環状に連結した冷媒回路を備えた構成としてある。

これによりこの冷凍装置は、性能、信頼性が向上した圧縮機を搭載したことによって消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現し、かつ、信頼性を向上させることができる。

本発明の冷媒圧縮機は、上記構成により、潤滑油の粘度をより低く、また各摺動部の摺動面積をより小さく設計できるのに加え、低速運転域においても、摺動損失の低減が図れ、信頼性が高く、高効率の冷媒圧縮機と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 図１の摺動部Ａおよび摺動部Ｂの断面を示す模式図 同実施の形態に用いた酸化皮膜のＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＩＭ像 同実施の形態における主軸と主軸受の深さ方向の硬さを表した特性図 同実施の形態における冷媒圧縮機の入力とＣＯＰの時系列変化の特性図 同実施の形態におけるリン酸塩皮膜を施した摺動面の表面粗さの図 本発明の実施の形態２における冷凍装置の模式図 従来の密閉型圧縮機の縦断面図

第１の発明は、固定子と回転子を備えた電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素とを有し、前記圧縮要素を構成する第１の摺動部材と第２の摺動部材とで構成さ
れる摺動部において、前記第１の摺動部材の表面に軟質皮膜を形成し、前記第２の摺動部材の表面に前記軟質皮膜より硬さの高い硬質皮膜を形成したものであり、硬質皮膜により摺動部の耐摩耗性を向上させることができるとともに、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対しては、軟質皮膜がわずかに摩滅することで早期に摩擦を軽減することができ、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性の向上と効率の向上が可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の第１の摺動部材の表面に前記第１の摺動部材の基材より硬さの低い軟質皮膜を形成するとともに、第２の摺動部材の表面に前記第１の摺動部材の基材より硬さの高い硬質皮膜を形成したものであり、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対する、軟質皮膜の摩擦軽減効果が確実になるため、早期なじみ性が向上し、効率向上効果が顕著である。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の硬質皮膜を、酸化鉄を主成分とした皮膜としたものであり、摺動部材の耐摩耗性を向上することが可能となり、信頼性をさらに向上することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明の軟質皮膜を、リン酸塩を主成分とした皮膜としたものであり、硬度の低い皮膜が形成されることで、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対する、軟質皮膜の摩擦軽減効果が確実になるため、早期なじみ性が向上し、効率向上効果が顕著である。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１つの発明において、圧縮要素はクランクシャフトの主軸と、前記主軸を軸支する主軸受とを備え、前記主軸と前記主軸受のいずれか一方の表面に硬質皮膜を形成するとともに、他方の表面に軟質皮膜を形成したものであり、主軸と主軸受とで構成される摺動部において、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性の向上と効率の向上が可能となる。

第６の発明は、特に、第１から第５のいずれか１つの発明において、圧縮要素はシリンダボアと前記シリンダボアの内部に往復動可能に挿設されたピストンとを備え、前記ピストンと前記シリンダボアのいずれか一方の表面に硬質皮膜を形成するとともに、他方の表面に軟質皮膜を形成したものであり、ピストンとシリンダボアとで構成される摺動部において、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性の向上と効率の向上が可能となる。

第７の発明は、特に、第１から第６のいずれか１つの発明において、電動要素は商用電源周波数より小さい回転数を含む複数の回転数で駆動する構成としたものであり、特に、油膜形成が困難な低い回転数において、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対する軟質皮膜の摩擦軽減効果により、早期なじみ性が向上し、効率向上効果が顕著である。

第８の発明は、特に、第１から第７のいずれか１つの発明の冷媒圧縮機を用いた冷凍装置であり、冷媒圧縮機の効率が高いので、冷凍装置の消費電力を低減することができるとともに、信頼性の高い冷媒圧縮機を用いたことにより、冷凍装置の信頼性も向上することができる。

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による冷媒圧縮機の断面図を示す。

図１において、この冷媒圧縮機１００は、密閉容器１０１内にＲ６００ａを冷媒ガスとして充填するとともに、底部には潤滑油１０２を貯留している。潤滑油１０２は、ＶＧ８以下の低粘度の鉱油やエステル油などの冷凍機油であり、さらに望ましくはＶＧ５以下の粘度の低い冷凍機油が用いられている。

密閉容器１０１には、固定子１０３および回転子１０４からなる電動要素１０５と、これによって駆動されるレシプロ式の圧縮要素１０６が収容されている。

まず、圧縮要素１０６について説明する。

クランクシャフト１０７は、回転子１０４を圧入固定した主軸１０８と、主軸１０８に対し偏心して形成された偏心軸１０９とからなり、主軸１０８の下端には密閉容器１０１底部の潤滑油１０２に連通する給油ポンプ１１０を備えている。

シリンダブロック１１１は略円筒形の穴部であるシリンダボア１１２を有するとともに、主軸１０８を軸支する主軸受１１４を備えている。

ピストン１１５はある一定量のクリアランスを保ってシリンダボア１１２に遊嵌される。シリンダボア１１２はその端面がバルブプレート１１８で封止されており、シリンダボア１１２とピストン１１５とで圧縮室１１３を形成している。

ピストン１１５は、ピストンピン１１６を介して連結手段であるコンロッド１１７により偏心軸１０９と連結されている。

シリンダヘッド１１９は、高圧室（図示せず）を形成し、バルブプレート１１８のシリンダボア１１２の反対側に固定される。サクションチューブ（図示せず）とディスチャージチューブ１２２は、密閉容器１０１に固定されるとともに、それぞれ冷凍サイクル（図示せず）の低圧側と高圧側に接続されている。サクションマフラー１２１は、バルブプレート１１８とシリンダヘッド１１９に挟持される。

ここで、図２は、図１の摺動部Ａおよび摺動部Ｂの断面を示す模式図である。

図２において、摺動部Ａでは、主軸受１１４に対して、主軸１０８が回転する。第１の摺動部材１３５である主軸受１１４の基材１４０は、ねずみ鋳鉄であり、その表面に軟質皮膜１４１として、リン酸塩皮膜が形成されている。また、第２の摺動部材１３６である主軸１０８の基材１４２は、ねずみ鋳鉄であり、その表面には硬質皮膜１４３として酸化皮膜が形成されている。

また、摺動部Ｂでは、略円筒状の穴部であるシリンダボア１１２内でピストン１１５が往復動する。第１の摺動部材１３７であるシリンダボア１１２の基材１４４は、ねずみ鋳鉄であり、その表面に軟質皮膜１４５としてリン酸塩皮膜が形成されている。また、第２の摺動部材１３８であるピストン１１５の基材１４６は、鉄系の焼結材であり、その表面には硬質皮膜１４７として酸化皮膜が形成されている。

硬質皮膜１４３、１４７の酸化皮膜は、軟質皮膜１４１，１４５のリン酸塩皮膜に比べてそれぞれ硬度が高い。さらに、基材１４０，１４４と比べると、軟質皮膜１４１，１４５は基材１４０，１４４よりそれぞれ硬度が低く、硬質皮膜１４３，１４７は基材１４０，１４４よりそれぞれ硬度が高くなっている。

次に、図３に、同実施の形態に用いた酸化皮膜のＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＩＭ像を示す。

図３において、酸化皮膜１６０は、最表面から、微結晶の組織で、かつ結晶密度が異なる第一ａの部分１５１ａと第一ｂの部分１５１ｂからなる第一の部分１５１、その下に縦長の柱状組織１５６を含有する第二の部分１５２、さらにその下方に横長の層状組織１５７を含有する第三の部分１５３からなり、第三の部分１５３の下方が基材１５４となっている。なお、図３において、第一の部分１５１の上方の領域は観察試料を保護するための保護膜（樹脂膜）１６１である。

最表面に形成された第一の部分１５１において、最表面側の第一ａの部分１５１ａの結晶密度が、その下に形成された第一ｂの部分１５１ｂのそれよりも小さいことがわかる。第一ａの部分１５１ａは、所々に空隙部１５８（図３中の黒っぽく見える部分が該当）や、短径側の長さは１００ｎｍ以下で、アスペクト比が１から１０となる縦長の針状組織１５９を含有していることがわかる。一方の第一ｂの部分１５１ｂは、粒径１００ｎｍ以下からなる微結晶１５５が敷き詰められたような組織で、第一ａの部分で見られたような空隙部１５８や針状組織１５９は殆ど見られないことがわかる。

また、第一の部分１５１において、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析やＥＥＬＳ（電子線エネルギー損失分光法）分析を行った結果では、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）で、ケイ素（Ｓｉ）化合物も含まれている。

第一の部分１５１の下方に位置する第二の部分１５２は、縦方向の径が１００ｎｍから１μｍ程度、横方向の径が１００ｎｍから１５０ｎｍ程度で、縦方向の径を横方向の径で除したアスペクト比が約３から１０となるような縦方向に長い、いわゆる縦長の柱状組織１５６が同じ方向に無数に形成されていることがわかる。

また、第二の部分１５２において、ＥＤＳやＥＥＬＳ分析を行った結果では、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）で、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含む部分から構成されている。

次に、第二の部分１５２の下方に位置する第三の部分１５３は、縦方向の径が数十ｎｍ以下、横方向の径が数百ｎｍ程度で、縦方向の径を横方向の径で除したアスペクト比が０．０１から０．１となるような横方向に長い、いわゆる横長の層状組織１５７が形成されていることが分かる。

また、第三の部分１５３において、ＥＤＳやＥＥＬＳ分析を行った結果では、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）でケイ素（Ｓｉ）化合物とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分から構成されている。

なお、本実施の形態における酸化皮膜１６０の膜厚は約３μｍである。

次に酸化皮膜の硬さについて説明する。

図４は、同実施の形態における主軸と主軸受の深さ方向の硬さを表した特性図である。なお、硬さはビッカース硬さで示している。

主軸１０８表面の酸化皮膜１６０の硬さの計測には、シエンタ・オミクロン株式会社製のナノインデンテーション装置（トライボインデンター）を使用した。硬さの計測は、圧
子を押込み一定時間維持させた後、少しだけ除荷し、次に前よりも高い荷重で押込むというようなステップを１５回、最大１Ｎまで負荷−除荷試験を実施し、酸化皮膜１６０の硬さ、及び深さ方向の硬さ分布硬さを計測した。

一方、主軸受１１４に関しては、主軸受１１４の内周面の一部をファインカッターで切り出し、荷重０．５ｋｇｆの条件でビッカース硬さを計測した。

図４の結果から、第２の摺動部材１３６である主軸１０８の基材１４２の硬さは、第１の摺動部材１３５である主軸受１１４の基材１４０の硬さと同等であることがわかる。

また、第２の摺動部材１３６である主軸１０８の表面に、第１の摺動部材１３５である主軸受１１４の基材１４０に比べて同等以上の硬さを有する酸化皮膜１６０、即ち硬質皮膜１４３が形成されていることが確認された。

一方、硬質皮膜１４３に対向する、軟質皮膜１４１であるリン酸塩皮膜については、硬さが得られないため、押し込み硬さ試験法が使用困難であり、上記のビッカース硬さと直接比較することが困難である。

ここで、摺動部材同士の硬さの比較について説明する。

硬さとは物質、材料の特に表面または表面近傍の機械的性質の一つであり、材料が異物によって変形や傷を与えられようとする時の、物体の変形し難さ、物体の傷つき難さである。硬さにはさまざまな測定手段（定義）とそれに対応する値（硬さの尺度）が存在する。

摺動部材同士が金属や非鉄金属であれば、同じ押込み硬さ試験法（例えば、先にあげたナノインデンテーション法や、ビッカースやロックウェル硬さ法等）を用いて、摺動部材表面の皮膜が相手摺動部材よりも硬いかを判断してもよい。

一方、樹脂膜やリン酸塩皮膜のような押し込み硬さ試験法が使用困難な場合は、リング・オン・ディスク方式の摩耗試験などで判断することができる。

例えば、小野雅彦著「摩擦摩耗特性に及ぼす表面粗さとリン酸マンガン処理の効果」（２００５，表面技術）によれば、一方の表面にリン酸塩皮膜の一種である、リン酸マンガン皮膜を形成したねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）の試験片同士を摺動させ、摩耗試験を行うと、リン酸マンガン皮膜が摩耗してなじみ状態になることが示されている。

このように、リン酸塩皮膜は第１の摺動部材の基材であるねずみ鋳鉄に比べ、容易に摩耗が発生することから、第１の摺動部材の基材より硬さが低い軟質皮膜であることが確認できる。

以上のように構成された冷媒圧縮機１００について、以下その動作について説明する。

商用電源（図示せず）から供給される電力は、外部のインバータ駆動回路（図示せず）を介して、電動要素１０５に供給され、電動要素１０５は商用電源周波数より小さい回転数を含む複数の回転数でインバータ駆動される。電動要素１０５の回転子１０４は、クランクシャフト１０７を回転させ、偏心軸１０９の偏心運動が連結手段のコンロッド１１７からピストンピン１１６を介してピストン１１５を駆動する。

冷凍サイクルよりサクションチューブ（図示せず）を通して密閉容器１０１内に導かれた冷媒ガスは、サクションマフラー１２１から圧縮室１１３へ吸入される。ピストン１１５はシリンダボア１１２内を往復運動することで、圧縮室１１３内の冷媒ガスを圧縮する。圧縮された冷媒ガスは、シリンダヘッド１１９を経由して、ディスチャージチューブ１２２より、再び冷凍サイクルへ吐出される。

圧縮室１１３で冷媒ガスを圧縮する際の荷重は、ピストン１１５、ピストンピン１１６、コンロッド１１７を介して偏心軸１０９に伝わる。そして偏心軸１０９からクランクシャフト１０７に作用した荷重を、主軸１０８と主軸受１１４とで支持する片持ち軸受の構成になっている。

潤滑油１０２は、クランクシャフト１０７の回転に伴い、給油ポンプ１１０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１１５とシリンダボア１１２の隙間をシールすることで圧縮室１１３からの冷媒ガスの漏れを低減する。

近年の冷媒圧縮機１００は高効率化を図るため、従来に比べ粘度の低い潤滑油１０２を使用したり、または、各摺動部の摺動面積を小さく設計したりすることから、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。

さらに、冷媒圧縮機１００の損失を低減するとともに、冷凍機器の運転の効率化を図るため、更なる低回転化が要望されているが、低回転化により摺動部での油膜形成はさらに困難になっている。

ところが、本発明によれば摺動部において、一方の摺動部材の表面に軟質皮膜１４１を形成し、他方に軟質皮膜１４１より硬さの高い硬質皮膜１４３を形成することで、特に、硬質皮膜１４３の高い耐摩耗性により、摺動部の摩耗を防止することができる。特に、既に説明した酸化鉄を主成分とした酸化皮膜を、硬質皮膜１４３として用いることで、後述するように耐摩耗性を大幅に向上することができる。

次に、早期なじみ性の向上について説明する。

図５は、同実施の形態における冷媒圧縮機の入力とＣＯＰの時系列変化の特性図である。

図５（ａ）は、インバータ駆動による低速運転（回転周波数１７Ｈｚ）にて冷媒圧縮機１００の性能評価を行った時の冷媒圧縮機１００の入力の時系列経時変化を示し、図５（ｂ）は、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 成績係数：冷凍冷蔵機器などのエネルギー消費効率の目安として使われる係数で、冷凍能力（Ｗ）を入力（Ｗ）で除した値）の時系列経時変化を示す。比較として、従来の冷媒圧縮機として、一方に高硬度の皮膜を設け、他方には皮膜を設けない場合の結果を示す。

図５（ａ）から、従来の冷媒圧縮機と、本実施の形態の冷媒圧縮機１００のいずれも運転開始直後の入力（以下、初期入力と称す）が最も高く、その後運転時間の経過に伴って入力は徐々に低下し、最終的にはほとんど変化がない一定の値（以下、定常入力と称す）を示すものの、本実施の形態では、従来の冷媒圧縮機に比べて初期入力が低く、加えて、初期入力から定常入力に移行する時間も減少していることが確認できる。

本実施の形態の冷媒圧縮機１００の定常入力への移行時間をｔ１、従来の移行時間をｔ２とすると、ｔ１はｔ２の約１／２程度である。これにより、図５（ｂ）に示すように、ＣＯＰが早期に安定し、かつＣＯＰの絶対値も向上する。

このように、本実施の形態においてＣＯＰが向上した理由としては、まず、軟質皮膜１４１であるリン酸塩皮膜が、摺動表面の不均一性を覆い、油膜の形成状態を改善したことが推定される。

ここで、図６に同実施の形態におけるリン酸塩皮膜を施した摺動面の表面粗さの図を示す。

図６に示した運転前と運転後のリン酸塩皮膜の表面粗さの状態から、運転を行うことで、リン酸塩皮膜の表面は突起がなくなり、非常に平滑な平面に移行したことが確認できる。

さらに、硬質皮膜１４３である酸化皮膜１６０の粗さ領域の突起との接触に対しては、摺動部材の基材１４０よりも柔らかい、軟質皮膜１４１であるリン酸塩皮膜を用いることで、リン酸塩皮膜の自己犠牲的摩耗により、粗さ領域の突起の接触が早期に解消するように、表面形状が変化したと推定される。

以上の理由から、摺動部に硬質皮膜と軟質皮膜の組み合わせを用いることで、硬質皮膜の耐摩耗性向上効果に加え、効率向上の効果を得ることができる。

特に、本実施の形態のような、片持ち軸受の構成では、圧縮荷重が作用すると、主軸１０８が主軸受１１４内で傾斜し、主軸受１１４の上下端で油膜が薄くなりやすい。

さらに、非常に低い回転数などの条件では、主軸受１１４の上下端で油膜が極端に薄くなり、摺動部材の粗さ領域における接触が発生しやすくなるが、本発明によれば、軟質皮膜１４１であるリン酸塩皮膜の自己犠牲的摩耗により、摩擦の増加を防止する初期なじみ効果を得ることができるので、効率向上の効果が顕著である。

なお、本発明の作用について、主軸１０８と主軸受１１４の摺動部にて説明を行ったが、ピストン１１５とシリンダボア１１２の摺動部や、偏心軸１０９とコンロッド１１７の摺動部でも同様である。

特に、ピストン１１５とシリンダボア１１２の摺動部のように往復動する摺動部では、ジャーナル軸受のようにくさび効果による油膜圧力の発生が期待できず、油膜の破断が起こりやすい。しかしながら、本実施の形態によれば、粗さ領域における接触が発生しやすい部位で、硬質皮膜の作用により耐摩耗性と、軟質皮膜による初期なじみの効果により、摩擦の低減を図り、効率を向上することができる。

また、同じく油膜圧力が発生しにくいスラスト面の摺動部でも、耐摩耗性の向上と効率向上の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、硬質皮膜として前記した組成の酸化皮膜１６０を用いていることにより、効率向上、すなわち運転初期から入力が低い高効率な運転を可能とする効果を高めている。

すなわち、上記酸化皮膜１６０は、最表面となる第一の部分１５１の最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）で、その三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）は微結晶の組織構造であるから表面が微少な凹凸となっていて当該凹凸部分に潤滑油が溜まり、その表面部分に油膜が形成されやすい。したがって、この酸化皮膜１６０は摺動初期における摺動面のなじみ性を向上させると考えられる。

さらに詳述すると、酸化皮膜１６０の最表面の部分１５１を構成する微結晶組織は所々にわずかな空隙部１５８を有する、あるいは、微結晶によって表面に微小な凹凸が生じる。したがって、毛細管現象により潤滑油１０２が酸化皮膜１６０の表面（摺動面）に保持されやすい。つまり、わずかな空隙部１５８および／または微少な凹凸が存在することで、摺動状態が厳しい状況であっても摺動面に潤滑油１０２を留めること、いわゆる「保油性」を発揮することが可能となり、摺動面に油膜が形成され易くなると考えられる。

その結果、この酸化皮膜１６０は高い耐摩耗性を持ちつつ、「保油性」を発揮することができるため、摺動初期であっても摺動部材同士間に油膜を残存させ、耐摩耗性を確保しつつ、前記した軟質皮膜の自己犠牲的摩耗による初期なじみ効果と合わさって運転初期から入力が低い高効率な運転をより顕著に実現可能となる。

また、上記酸化皮膜１６０の高い耐摩耗性についてであるが、この酸化皮膜１６０は鉄の酸化物であるから、リン酸塩皮膜と比較して化学的には非常に安定で、かつ、リン酸塩皮膜より高い硬度を有する。しかも、第一の部分１５１には、鉄の酸化物よりも硬度が高いケイ素（Ｓｉ）化合物が含まれている。それゆえ、この酸化皮膜１６０は、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含有する第一の部分１５１を最表面部分に備えることで、より高い耐摩耗性を発揮すると考えられる。

さらに、上記酸化皮膜１６０の第二の部分１５２および第三の部分１５３は、いずれもケイ素（Ｓｉ）化合物を含むため、第一の部分１５１を含む酸化皮膜１６０の基材１５４に対する密着力は強力なものとなる。しかも、第三の部分１５３は、第二の部分１５２よりもケイ素の含有量が多い。このように、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含む部分が積層され、基材１５４に接する側のケイ素の含有量が多いことで、酸化皮膜１６０の密着力をより一層強化する。その結果、摺動時の負荷に対して、酸化皮膜１６０の耐力が向上し、酸化皮膜１６０の耐摩耗性が一段と高いものとなると考えられる。そして、最表面である第一の部分１５１が摩耗したとしても、第二の部分１５２および第三の部分１５３の存在により、より優れた耐摩耗性を発揮すると推察される。

以上のように本実施の形態において用いた上記酸化被膜１２３はこれを用いることによって、耐摩耗性を向上させつつ運転初期から入力が低い高効率な運転を可能とする効果を高めることができるが、本発明の摺動部材に形成する硬質皮膜はこのような構造の酸化皮膜１６０に限られるものではなく他の皮膜であってもよいものである。

例えば、炭素や窒素等を浸み込ませる方法で形成した皮膜であってもよい。

また、水蒸気を使用したり、水酸化ナトリウムの水溶液に浸漬させて形成した酸化処理による皮膜であってもよい。

さらには、上記した酸化や浸炭、窒化、酸化処理等によって形成する化合物層からなる皮膜だけでなく、冷間加工、加工硬化、固溶強化、析出強化、分散強化、結晶粒微細化等によって転位のすべり運動を抑制させて基材の強化を図った層（以下、このような層を機械的強度改善層と称す）であってもよい。

さらに加えて、メッキ、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＤＬＣ等の被覆法により形成した層であってもよい。

よって、本発明ではこのような化合物層、機械的強度改善層、被覆法により形成した層を含めて硬質皮膜と定義する。

そして、この硬質皮膜、すなわち、化合物層、機械的強度改善層、被覆法により形成した層は、いずれのものであっても相手側部材の軟質皮膜よりも硬いものであればよい。

また、軟質皮膜として、リン酸塩皮膜を用いたが、樹脂膜などの皮膜を用いても良い。さらに、固体潤滑剤を含む樹脂膜を用いることで、固体接触が発生した部位の摩擦係数を低減することができるので、さらに摺動損失を低減することが可能となる。

なお、本実施の形態では、主軸１０８と主軸受１１４の摺動部と、ピストン１１５とシリンダボア１１２の摺動部の双方に、それぞれ硬質皮膜と軟質皮膜を設けたが、いずれか一方へ適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、主軸１０８に硬質皮膜を設け、主軸受１１４に軟質皮膜を設けたが、逆に主軸１０８に軟質皮膜を設け、主軸受１１４に硬質皮膜を設けてもよい。また、ピストン１１５に硬質皮膜を設け、シリンダボア１１２に軟質皮膜を設けたが、逆にピストン１１５に軟質皮膜を設け、シリンダボア１１２に硬質皮膜を設けても同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、各摺動部材の基材に接するように硬質皮膜や軟質皮膜を設けたが、他の皮膜層を介在させて、硬質皮膜や軟質皮膜を設けても良い。

また、本実施の形態では、レシプロ式の圧縮機への適用例について説明したが、ロータリやスクロールなどの他の方式の冷媒圧縮機の摺動部に硬質皮膜と軟質皮膜を用いても、耐摩耗性を向上するとともに、効率を向上することができる。

さらに言及しておけば、本実施の形態で説明した摺動部材は冷媒圧縮機に用いたものを例示したが、これは摺動部材を用いた部品、機器、例えばポンプやモータ等どのようなものであっても良いものであり、適用に何ら制約を受けるものではない。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における冷凍装置を示す。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７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２０１と、本体２０１の内部を、物品の貯蔵空間２０３と機械室２０５に区画する区画壁２０７と、貯蔵空間２０３内を冷却する冷媒回路２０９を具備している。

冷媒回路２０９は、冷媒圧縮機２００として実施の形態１で説明した冷媒圧縮機１００と、放熱器２１３と、減圧装置２１５と、吸熱器２１７とを環状に配管接続した構成となっている。

また、吸熱器２１７は、送風機（図示せず）を具備した貯蔵空間２０３内に配置されている。吸熱器２１７の冷却熱は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間２０３内を循環するように撹拌され、貯蔵空間２０３内は冷却される。

以上の構成からなる冷凍装置は、冷媒圧縮機２００として本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機１００を搭載することにより、冷凍装置の消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現し、かつ信頼性を向上させることができる。すなわち、冷媒圧縮機は、圧縮要素を構成する摺動部材の間で構成される摺動部において、一方の摺動部材の表面に軟質皮膜、他方の摺動部材の表面に前記軟質皮膜より硬さの高い硬質皮膜が形成されているので、硬質皮膜により摺動部の耐摩耗性が向上するとともに、粗さ領域における微小な突起による局所的な接触に対しては、軟質皮膜がわずかに摩滅することで早期に摩擦を軽減することができ、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性が向上して、信頼性と効率が向上する。この冷媒圧縮機１００の摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性の向上による信頼性と効率の向上によって、冷凍装置の消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現し、かつ信頼性を向上させることができる。

以上のように、本発明は、性能と信頼性が高い冷媒圧縮機及びそれを用いた冷凍機器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各種機器に幅広く適用できる。

１００、２００ 冷媒圧縮機
１０３ 固定子
１０４ 回転子
１０５ 電動要素
１０６ 圧縮要素
１０７ クランクシャフト
１０８ 主軸
１１２ シリンダボア
１１４ 主軸受
１３５，１３７ 第１の摺動部材
１３６，１３８ 第２の摺動部材
１４０，１４２，１４４，１４６，１５４ 基材
１４１，１４５ 軟質皮膜
１４３，１４７ 硬質皮膜
１６０ 酸化皮膜

Claims (8)

1. 固定子と回転子を備えた電動要素と、前記電動要素によって駆動される圧縮要素とを有し、前記圧縮要素を構成する第１の摺動部材と第２の摺動部材とで構成される摺動部において、前記第１の摺動部材の表面に軟質皮膜を形成し、前記第２の摺動部材の表面に前記軟質皮膜より硬さの高い硬質皮膜を形成した冷媒圧縮機。
2. 第１の摺動部材の表面に前記第１の摺動部材の基材より硬さの低い軟質皮膜を形成するとともに、第２の摺動部材の表面に前記第１の摺動部材の基材より硬さの高い硬質皮膜を形成した請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 硬質皮膜は酸化鉄を主成分とした皮膜である請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
4. 軟質皮膜はリン酸塩を主成分とした皮膜である請求項１から３のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
5. 圧縮要素はクランクシャフトの主軸と、前記主軸を軸支する主軸受とを備え、前記主軸と前記主軸受のいずれか一方の表面に硬質皮膜を形成するとともに、他方の表面に軟質皮膜を形成した請求項１から４のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
6. 圧縮要素はシリンダボアと前記シリンダボアの内部に往復動可能に挿設されたピストンとを備え、前記ピストンと前記シリンダボアのいずれか一方の表面に硬質皮膜を形成するとともに、他方の表面に軟質皮膜を形成した請求項１から５のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
7. 電動要素は、商用電源周波数より小さい回転数を含む複数の回転数で駆動する構成とした請求項１から６のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機を用いた冷凍装置。

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