JP2690650B2

JP2690650B2 - 冷凍機用圧縮機

Info

Publication number: JP2690650B2
Application number: JP4014826A
Authority: JP
Inventors: 憲一川島; 和彦佐藤; 小松崎茂樹; 敦夫岸; 英紀町村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1997-12-10
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JPH05202847A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フッ化炭化水素系冷媒
とポリアルキレングリコール（以下、ＰＡＧと云う）系
あるいはエステル系の合成冷凍機油を主成分とする作動
媒体を用いた冷凍サイクルに使用される圧縮機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、カーエアコン等の冷凍サイクルに
おいては、冷媒に極性基を有しないジクロロジフルオロ
メタン（以下ＣＦＣ１２と云う）を使用していたゝめ、
冷凍機油としては主に鉱油が用いられていた。しかし、
昨今の地球環境問題により塩素原子を含むＣＦＣ１２は
使用できなくなり、これに代わって１,１,１,２−テト
ラフルオロエタン（以下ＨＦＣ１３４ａと云う）で代表
される塩素原子を含まない冷媒でなければ使用できなく
なった。

【０００３】しかし、ＨＦＣ１３４ａは極性基を有して
いるため鉱油を全く溶解せず、圧縮機の潤滑剤として鉱
油を使用することができない。特に、カーエアコンにお
いては、−４０〜＋８０℃の範囲で冷媒と潤滑剤とが完
全に相溶した作動媒体であることが要求されている。従
って、これを解決するものとして潤滑剤を構成する分子
中に極性基（例えば酸素原子）を有するＰＡＧまたはエ
ステル系の合成油が提案されている。

【０００４】前記エステル油は特殊なものを除き前記の
温度範囲で相溶するが、ＰＡＧには高温側の相溶温度の
目標値を満足できないものが多い。本発明者らの検討に
よれば、ＰＡＧで油粘度の目標値を満足させつゝ（潤滑
性の点で所定の粘度が必要）高温側の二層分離温度を向
上させるには分子中の酸素含有率を増加させるのがよい
いことが分かった。具体的にはＰＡＧ分子の少なくとも
一方の末端をエステル（例えばＣＨ₃ＣＯＯ−）で変性
するのが最も簡単で、こうすることによって相溶温度の
目標値を満足することができる。このような構造のＰＡ
Ｇを以下エステル変性ＰＡＧと称することにする。

【０００５】現在ＣＦＣ１２／鉱油系の冷凍サイクルに
用いている圧縮機をそのままＨＦＣ１３４ａ／エステル
変性ＰＡＧ系冷凍サイクルに転用して運転したところ、
ＣＦＣ１２／鉱油系サイクルでは起こらない次のような
問題が生じた。

【０００６】（１）潤滑油がサイクル系外に漏れた場合
を想定した過少油量試験において、シャフトの回転運動
をピストンの往復運動に変換するための手段の一つであ
るピストンサポート回り止め手段部のアルミニウム合金
摺動面に焼き付きが発生した。

【０００７】（２）前記ピストンサポートに凹設された
球面とコネクティングロッドボールとで構成されるボー
ル継ぎ手に固着が生じ、また、ボール面が著しく摩耗し
た。

【０００８】（３）圧縮機内外の気密を保持するための
ＮＢＲ（アクリロニトリルブタジエンゴム）製のＯ−リ
ングが著しく膨潤した。

【０００９】（４）圧延鋼板にゴムシートを接着したシ
ートパッキンのゴムが鋼板から剥がれる現象が生じた。

【００１０】（５）製品ライフ１０年を想定した長期連
続試験において、吐出弁が破損し、吸入弁にも破損の兆
候（亀裂）が見られた。

【００１１】（６）スラスト針状ころ軸受に剥離が生じ
た。

【００１２】これらの原因は次のように推考される。即
ち、（１）（２）については、冷媒ＣＦＣ１２は分子中
に塩素原子を有するため冷媒自体も潤滑性を有するの
で、潤滑油の供給量が大幅に減少しても冷媒によって潤
滑することが可能である。これに対して、ＨＦＣ１３４
ａは分子中に塩素原子を有していないため、冷媒自体に
よる潤滑性能はない。耐摩耗剤が添加されていても潤滑
油の供給量の大幅減少により、潤滑不良を生じて摺動面
に固着や焼き付きを起こす。

【００１３】（３）については、ＰＡＧが溶媒となりＮ
ＢＲが悪影響を受けたものと考えられる。単にゴム材が
伸びるだけであればシール機能はそれほど低下しない。
しかし、ゴム材に添加されている可塑剤や老化防止剤等
がＰＡＧによって溶出し体積減少が生じていることが判
明した。これは、Ｏ−リングの潰し代や軸シールとフロ
ントカバーの間の緊縛力が減少してシール性を損なう原
因となる。

【００１４】また、（４）については、上記と同様にゴ
ム材が膨潤したことゝゴムと鋼板の間の接着剤が劣化し
て接着力が低下したゝめである。

【００１５】さらにまた、（５）については、ＰＡＧお
よびエステル油は鉱油に比べて吸湿量が大きいために、
冷凍サイクル内の水分含有量が多い。カーエアコンでは
圧縮機の駆動力をエンジンから得るため開放型の圧縮機
を用いている。更に、圧縮機はエンジンに、熱交換器は
車体に搭載されるので両者を連結する配管には可撓性が
要求され、該配管はフレキシブルゴムホースを用いるの
が一般的である。そのため、大気中の水分がこれを透過
して冷凍サイクル内に侵入し易い。

【００１６】上記侵入水分を捕捉するため、冷凍サイク
ル内にはモレキュラシーブスに代表される吸着剤の装着
が考えられるが、吸着剤の吸水量は有限である。簡単な
計算によれば、３〜４年で吸着能力はなくなり、その後
はゴム材を透過した水分はそのまゝ作動媒体中の水分量
を増加させる。従って、最悪の場合には、油中水分量は
作動媒体の飽和水分量まで達するものと考えなければい
けない。こうした環境下で工具鋼（例えば、ＰＫ、Ｓ
Ｋ、ＵＨＢ２０など）を使用すると「冷凍圧縮機用弁材
料の腐食疲労強度：空気調和・冷凍連合講演会２０周年
記念大会（名古屋）講演論文集（’８６−４−７，
８）」に詳述されているように耐疲労強度が著しく低下
する。

【００１７】さらに前記（６）については、前記（５）
の原因によりころ軸受のレース（ＳＫ）およびころ（Ｓ
ＵＪ２）の耐疲労強度が低下し、鉄系材からなるころ保
持器ところとの摺動面にミクロクラックが発生し、これ
がまた強度を低下させる。また、エステル変性ＰＡＧが
加水分解して脂肪酸を生成し、これが同様に前記部材の
耐疲労強度の低下を促進する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】前記のように、ＣＦＣ
１２／鉱油系冷凍サイクルに使用していた圧縮機を、単
にＨＦＣ１３４ａ／エステル変性ＰＡＧ系冷凍サイクル
に転用しようとすると前記（１）〜（６）の問題があ
る。

【００１９】本発明の目的は、冷媒にＨＦＣ１３４ａ、
冷凍機油にエステル変性ＰＡＧあるいはエステル油を用
いた冷凍機用圧縮機の寿命向上にある。

【００２０】本発明の他の目的は、摺動面の摩耗量の減
少と耐焼き付き寿命の向上、圧縮機内外のシール性を向
上させた冷凍機用圧縮機を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００２２】フッ化炭化水素系冷媒と、該冷媒と相溶す
る冷凍機油とからなる作動媒体を用い、シャフトの回転
運動によりシリンダ内の前記冷媒を圧縮する圧縮手段、
前記シリンダの容量を制御する容量制御手段、各部の気
密を保持するシール手段を備えた冷凍機用圧縮機であっ
て、前記冷凍機油がエステル変性ポリアルキレングルコ
ールまたはエステル油から選ばれた合成潤滑油であり、
前記シール手段が水素添加アクリロニトリルブタジエン
ゴムまたはエチレンプロピレンジエンポリマからなるゴ
ム弾性体もしくは該ゴム弾性体と金属部材で構成されて
いる冷凍機用圧縮機。

【００２３】前記冷媒を圧縮する圧縮手段はシリンダと
シャフトの回転運動を往復運動に換える往復変換手段に
より駆動されるピストンとシリンダとで構成されてい
る。

【００２４】前記往復変換手段はシャフト軸に対して所
定の傾斜角で取付けられ、かつ、シャフトと一体に回転
する斜板によって往復動するように構成されている。

【００２５】前記シール用の水素添加アクリロニトリル
ブタジエンゴムまたはエチレンプロピレンジエンポリマ
からなるゴム弾性体は、１５０℃，２０時間の作動媒体
浸漬試験による体積変化率が−３％以上あることが望ま
しい。

【００２６】前記において、回り止め手段および往復変
換手段などのように荷重と滑り速度が大きく給油条件の
悪い摺動面に固体潤滑剤をコーティングすることによっ
て耐摩耗性の向上と焼き付きを防止し、Ｏ−リングや軸
シールなどに使用されるゴム部材とのマッチングを図る
ことによって圧縮機の気密を図るシールの寿命を改善す
ると共に、吸入弁，吐出弁をクロム合金鋼とすることで
該弁のフレッティングを防止する。また、転がり軸受の
転導体保持器を熱硬化性のプラスチック製とすることに
よって耐疲労寿命を向上させることができる。

【００２７】

【作用】本発明の圧縮機は前記の各部品に対してそれぞ
れの手段を講じたことによりこれらが相互に作用して、
ＨＦＣ１３４ａ／ＰＡＧ系冷凍サイクルの圧縮機の寿命
が向上できたものと考える。

【００２８】

【実施例】図１は本発明の一実施例で、カーエアコン用
の可変容量型圧縮機の概略を示す断面図である。

【００２９】本圧縮機のドライブプレート２は、シャフ
ト１にピン等で固定されており、カム溝３内に配置した
支点ピン４がカム曲線に沿って移動可能に設けられ、同
時に支点ピン４は斜板５から突き出した耳（図示省略）
に嵌合されている。

【００３０】また、ドライブプレート２のカム溝３が設
けられた耳部と斜板耳部とは接触するよう構成されてい
る。これによりシャフト１によってドライブプレート２
が回転し、該ドライブプレートの耳から斜板５の耳に回
転力が与えられる。斜板５はシャフト軸に対して所定の
角度で回転する。

【００３１】シャフト１にはスリーブ６がシャフトの軸
方向に滑動可能に組込まれており、スリーブ６に対して
斜板５がピン７の周りに回転できるよう締結され、シャ
フト１の軸回りに回転する。

【００３２】斜板５にはスラスト針状ころ軸受８および
ラジアル玉軸受９を介してピストンサポート１０が設け
られており、軸受９の内輪は斜板５に対して回転したり
軸方向に移動したりしないよう止め輪１１で固定されて
いる。一方、ピストンサポート１０は突起１２により軸
受９に対して図面の右方向への移動が阻止され、かつ、
斜板５との間に設けられたスラスト針状軸受８により図
面の左方向への移動が阻止されている。

【００３３】図２は本圧縮機の回り止め手段の要部を示
す斜視図である。ピストンサポート１０の外周部には回
り止めピン１３が径方向に突出して設けられており、該
ピン１３の端部にはスライドボール１４が回動可能に設
けてある。ピストンサポート１０がシャフト１の周りに
回動しないように、スライドボール１４は、フロントカ
バー１５の内側にシャフト１と平行に設けたスリーブ溝
１６内に回り止めシュー１７とシューガイドスリーブ４
０でもって保持されている。

【００３４】本圧縮機では圧縮機駆動力の反力は全てシ
ュー１７とシューガイドスリーブ４０で受ける。また、
シュー１７はシューガイドスリーブ４０内をシャフト１
が１回転することにより１往復動し、そのストロークは
ほゞピストンストロークの２倍である。シュー１７とシ
ューガイドスリーブ４０との間の荷重と滑り速度は圧縮
機の運転条件によって大きく変化する。例えば、吸入圧
力が０．２ＭＰａ、吐出圧力が３ＭＰａ、回転速度が４
０００ｒｐｍで運転した場合、最大面圧は３．７ＭＰ
ａ、すべり速度は９．５ｍ／ｓに達する。従って、給油
が不十分であると、潤滑条件は非常に厳しくなる。そこ
で、本圧縮機では前記スライドボール１４の全表面には
二硫化モリブデンを焼き付け、前記シューガイドスリー
ブ４０として圧延鋼板の表面にまず真鍮の粉末を焼結
し、更にその表面にテフロン（ｄｕＰｏｎｔ社製フッ素
系樹脂）を含浸したＤＵメタル（大同メタル製のフッ素
樹脂被覆材）を使用した。

【００３５】次に、本圧縮機の往復変換手段はアルミニ
ウム−シリコン合金製ピストンサポート１０、両端に焼
き入れした鋼製のボール１８、１９を有するコネクティ
ングロッド２０、アルミニウム−シリコン合金製ピスト
ン２１とから構成されたユニットが複数設置されてい
る。

【００３６】ピストンサポート１０には斜板５の反対側
に球面が凹設されている。コネクティングロッド２０の
端部のボール１８はかしめ等によって、回転自在に取り
付けられ、もう一方の端部のボール１９はピストン２１
の中心部に凹設された球面にかしめ等によって回転自在
に取り付けられている。これは一般にボール継ぎ手と云
われるもので、その摺動部にはピストン前後の差圧によ
る荷重、ピストンとシリンダとの摩擦力、ピストンの往
復運動による慣性力が作用する。前記ボール１８，１９
は径が小さいので滑り速度も小さいが、前記の運転条件
では荷重は３１ＭＰａ、滑り速度は２．６ｍ／ｓであ
る。しかし、これは荷重としては大きく、給油が不十分
であると潤滑条件が厳しくなる。そこで、前記ボールの
摺動面に二硫化モリブデンの固体潤滑剤を１〜５μｍの
厚さで焼き付けたものを用いた。

【００３７】次に、図３は吸入圧縮部の断面図を示した
ものであるが、前記ピストン２１、シリンダブロック２
２に設けられたシリンダ２３、該シリンダに一組ずつ対
応する様に設けられた吸入弁４１、吐出弁４２および吐
出弁リテーナ４３、吸入ポート２６および吐出ポート２
７が設けられたシリンダヘッド２４、前記吸入ポート２
６のみが開口し、圧縮機の冷媒吸入口２８と流路２９で
連通する低圧室３０と、前記吐出ポート２７のみが開口
し、圧縮機の吐出口（図示省略）と連通する高圧室３１
とが設けられたリアカバー２５とで構成される。

【００３８】圧縮機の冷媒吸入口２８、流路２９、低圧
室３０、吸入ポート２６、吸入弁４１を通ってシリンダ
２３内に流入した冷媒ガスはピストン２１の往復運動に
よってシリンダ２３内で圧縮され吐出ポート２７、吐出
弁４２、高圧室３１を通って、圧縮機の冷媒吐出口から
圧縮機外の凝縮器および蒸発器へ循環移送される。

【００３９】本圧縮機の容量制御手段を説明する。リア
カバー２５の冷媒流路２９の途中には圧縮機容量制御弁
３５が設けられ、該容量制御弁３５は圧縮機外部への飛
び出しを防止する目的で、止め輪３６でリアカバー２５
に固定されている。カーエアコンでは車室内温度が低下
すると、蒸発器内の圧力も低下する。例えば、冷媒の蒸
発温度が０℃となるような蒸発圧力まで低下すると、絶
対圧力で作動するパイロット弁３８が動作しメイン弁３
７の弁開度が小さくなり、流路面積が減少するためシリ
ンダ２３内の圧力が低下する。一方、フロントカバー１
５の内部はシャフト１の中心部に設けた流路３９によっ
てパイロット弁３８と連通しているため、フロントカバ
ー内部は常にほゞ蒸発圧力と等しい（但し、蒸発器から
圧縮機に至る低圧ガス配管での圧力損失分だけ圧力が低
下する）。従って、ピストン頭頂部の圧力が低下するこ
とによってピストン前後の圧力バランスが崩れ、ピスト
ンはこの圧力差に起因する力によって図の右方向、即
ち、圧縮機の容量を減少させるように移動する。換言す
れば、ピストン前後の圧力バランスが常に一定値に保た
れるように、即ち、蒸発圧力が一定値になるように圧縮
機容量を制御できるように構成されている。

【００４０】次に、軸受装置について述べる。冷媒の圧
縮によって生ずる圧縮力はコネクティングロッド２０を
介してピストンサポート１０に伝わり、同ピストンサポ
ート１０とシャフト１との角度によって決まる分力のう
ち、スラスト力はスラスト針状ころ軸受８、斜板５、支
点ピン４を介してドライブプレート２に伝達される。一
方、ラジアル力はラジアル玉軸受１２、ピン７およびス
リーブ６を介してシャフト１に伝達される。

【００４１】ドライブプレート２に作用するスラスト力
は前記ドライブプレート２とフロントカバー１５間に設
置されたスラスト針状ころ軸受３２で、また、シャフト
に作用するラジアル力はフロントカバー１５およびシリ
ンダブロック２２に設置されたラジアル針状ころ軸受３
３、３４で受ける。

【００４２】前記の運転条件での前記各軸受に作用する
平均荷重は、スラスト針状ころ軸受８では３９．８Ｎ、
スラスト針状ころ軸受３２では２６．５Ｎ、ラジアル玉
軸受１２では１５．３Ｎ、ラジアル針状軸受３３、３４
では各々１６．３Ｎと９．２Ｎである。各軸受の仕様
は、使用条件を想定した軸受荷重および回転速度と、軸
受型式によって決まる定格荷重とから算出される軸受寿
命がカーエアコンのライフサイクル１０年を十分満足す
る様に設定されている。

【００４３】次に、本圧縮機のシール手段について述べ
る。図３に示すようにリアカバー２５とシリンダヘッド
２４との間には圧延された薄板鋼板の両面にゴムシート
を貼りあわせたシートパッキン４３が設置されており、
リアカバー２５とシリンダブロック２２の間にはＯ−リ
ング４４が設置されている。圧縮機内外のシールにはＯ
−リング４４、低圧室３０と高圧室３１のシールにはシ
ートパッキン４３が、容量制御弁のパイロット弁３８と
フロントカバー１５とを連通する流路３９と高圧室との
シールにはＯ−リング４５がそれぞれ用いられている。

【００４４】シリンダブロック２２とフロントカバー１
５の間には図１に示すようにＯ−リング４６がＯ−リン
グ溝内に設置されており、前記リアカバー２５、シート
パッキン４３、シリンダヘッド２４、Ｏ−リング４４、
４５、４６、シリンダブロック２２をボルト（図示省
略）で締め付けてこれら部品間をシールしている。

【００４５】フロントカバー１５とシャフト１の間はリ
ップシール４７が設けられており、フロントカバー１５
と軸シールの間は同軸シール外周面に接着されたゴム
で、また軸シールとシャフト１の間はフッ素樹脂で成形
されたリップで圧縮機内外の気密を保つている。

【００４６】本圧縮機ではＨＦＣ１３４ａとＰＡＧによ
る劣化を抑制するために、Ｏ−リング、シートパッキ
ン、軸シールに用いられるゴム材には水素添加アクリロ
ニトリルブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）あるいはエチレ
ンプロピレンジエンポリマ（ＥＰＤＭ）を使用した。

【００４７】本圧縮機の動作について説明する。マグネ
ットクラッチに通電すると、シャフト１、ドライブプレ
ート２、斜板５およびスリーブ６が連結されて回転す
る。ピストンサポート１０は回り止め手段によってその
回転が規制されているので、シャフトの軸に対して揺動
運動する。この揺動運動がコネクティングロッド２０に
よりピストン２１に伝えられ、ピストンがシリンダ２３
内で往復して冷媒を吸入圧縮する。

【００４８】冷媒は冷凍サイクルの熱交換器を経て圧縮
機に戻ると、圧縮機冷媒吸入口２８、冷媒流路２９、容
量制御弁３５、低圧室３０および吸入ポート２６を経て
シリンダ２３に流入し、ここで再び圧縮される。前記容
量制御弁のパイロット弁周りの圧力が所定の値まで低下
すると、同パイロット弁３８の働きによってメイン弁３
７が冷媒流路面積を減少させ、ピストン頭頂部の圧力を
減じてピストンストロークを小さくし、圧縮機容量を低
減させる。

【００４９】次に、従来のＣＦＣ１２／鉱油系圧縮機と
本圧縮機の構造上、材質上の相違点について説明する。

【００５０】

【表１】

【００５１】表１に示すように、従来方式ではアルミニ
ウム−シリコン合金ＡＤＣ１２製のフロントカバー１５
にシュー溝を設け、これに工具鋼ＳＫＤ製のシュー１７
を直接接触させる構造としていた。

【００５２】これに対して、本方式では従来のシュー溝
にシューガイドスリーブ４０を挿入した。シュー１７の
材料としてＤＵメタルを用いたがその材質は「軸受と潤
滑：トライボロジスト：Ｖｏｌ．３５−１９９０、Ｐ６
７３〜」に詳述されているように、軟鋼の表面に青銅粉
末を焼結し、この表面に鉛と四ふっ化エチレンを約５０
μｍの厚さに含浸焼き付けしたものである。

【００５３】また、他のシュー材としてメタル−IIも検
討したがこれはＤＵメタル表面の樹脂層のみを３０〜４
０μｍ研削加工したものである。その結果、ＨＦＣ１３
４ａ／ＰＡＧ系で、圧縮機に封入する潤滑油量をゼロに
して運転すると、従来方式では３０秒でシュー１７とシ
ュー溝が焼き付き運転不能となったが、本方式ではＤＵ
メタル、メタルーII共に２時間以上の耐焼付き性を示し
た。なお、同じく従来のＣＦＣ１２／鉱油系における焼
き付きまでの時間は僅かに５分であった。

【００５４】一方、潤滑油を規定量封入し、高熱負荷、
高速で１００時間運転後の摩耗量を比較すると、シュー
外径の摩耗量はいずれも０であったが、シュー溝内径の
摩耗量は、従来のＣＦＣ１２／鉱油からＨＦＣ１３４ａ
／ＰＡＧに換えると摩耗量５μｍのものが１０μｍに増
加した。これに対して、本方式のＤＵメタルを用いたも
のでは樹脂層の変形分も含めて３０μｍ、メタル−IIの
摩耗量は３μｍであった。ＤＵメタルは荷重による樹脂
の変形量と摩耗量とを分離測定できないためこれらの合
計値で示した。

【００５５】シュー１７とシューガイドスリーブ４０の
隙間が１０μｍを超えると圧縮機の騒音が増加するの
で、この部分の摩耗量は１０μｍ以下に抑える必要があ
る。ＤＵメタルでは樹脂層の厚さは５０μｍ程度あるの
で、予めこの樹脂層を除去したメタルーIIの状態で使用
するか、あるいはシューガイドスリーブシューとの隙間
が３０μｍだけマイナスになる様にして使用すればよ
い。即ち、変形分を考慮することが必要である。

【００５６】以上のようにＤＵメタルまたはメタルーII
を用いることによって、回り止め機構部の摩耗量を減少
することができ、かつ、潤滑条件が悪い場合でも焼き付
きを防止することができる。

【００５７】

【表２】

【００５８】次に、往復変換手段について説明する。表
２に示すように、従来方式では軟鋼線材ＳＷＲＭを浸炭
焼き入れしたボール１８と、共晶組成のアルミニウム−
シリコン合金（例えば、Ｓｉ：１１．７％，Ｃｕ：２．
５％，Ｍｇ：０．２％）製ピストンサポート１０を直接
接触させ、封入油量ゼロで１時間運転した。その結果、
ＣＦＣ１２／鉱油系ではボール継ぎ手部のゆるみは発生
しなかったが、ＨＦＣ１３４ａ／ＰＡＧ系では１００μ
ｍのゆるみが生じ、圧縮機の騒音が増加した。即ち、従
来方式のボールはＨＦＣ１３４ａ／ＰＡＧ系には適用で
きないことが明かとなった。

【００５９】これに対し本方式では、ピストンサポート
１０のボール１８受け面に二硫化モリブデンとバインダ
樹脂との混合物をコーティング後、焼き付け処理したも
のを用いた。その結果、ボール継ぎ手部の焼き付き、ゆ
るみを完全に防ぐことができた。

【００６０】上記はピストンサポート１０側のボール継
ぎ手について説明したが、その摺動速度はピストン２１
側に比べると２倍程度大きい。但し、上記油封入量ゼロ
の試験終了後のピストン２１側ボール継ぎ手部に、約１
０μｍのゆるみが発生していたことから、本方式ではピ
ストンサポート１０側と同様に表面処理を施すのがよい
ことが分かった。

【００６１】前記のようにボール継ぎ手部に二硫化モリ
ブデンをコーティングすることによって、該摺動部の摩
耗並びに焼き付きを抑制することができる。

【００６２】

【表３】

【００６３】次に、シール手段について述べる。Ｏ−リ
ングに用いるゴム材は表３に示すように、従来方式では
ＮＢＲ（アクリロニトリルブタジエンゴム）が用いられ
ていた。ＮＢＲはＣＦＣ１２／鉱油系で使用すると、試
験前後で硬さが僅かに増加する程度であるが、体積は
２．９％減少し、一定荷重を加えたときの伸びが５７％
も減少した。

【００６４】一般にＯ−リングはリング溝に挿入され、
リングサイズと使用方法によって決められた一定の潰し
代が得られる状態で用いられる。従って、使用中にその
材料の初期特性を著しく失うようなものは使用できな
い。こうした点からは硬さの変化は比較的問題はない
が、伸び率が大幅に減少するものは好ましくない。伸び
率が減少すると云うことは、材料であるゴム中の軟化剤
等が溶出されたかゴム自体の脆化によるものと考えられ
る。また、体積の減少もＯ−リングの場合、潰し代が減
少することになり、所定の設計値を保てなくなる。

【００６５】従来のＮＢＲをＨＦＣ１３４ａ／ＰＡＧ系
に用いると伸びが僅かに増加し、体積が増加する。ＮＢ
ＲがＣＦＣ１２／鉱油系で使用実績があることゝ、上記
試験の結果から見て、ＮＢＲはＨＦＣ１３４ａ／ＰＡＧ
系でも使用可能と思われるが、カーエアコンのライフサ
イクル１０年を勘案すると、長期の信頼性を確保できる
か疑わしい。

【００６６】そこで、本発明においては、ＣＦＣ１２／
鉱油系でのＮＢＲの体積変化率と同等の−３％以上のゴ
ム材を目標に、水素添加ＮＢＲまたはＥＰＤＭ（エチレ
ンプロピレンジエンポリマ）について検討した。その結
果、体積減少も殆どなく。伸び率も従来のＮＢＲの約２
倍以上得られることが分かった。特に、ＥＰＤＭの劣化
は極めて少なく、ＨＦＣ１３４ａ／ＰＡＧ系に有効であ
った。なお、軸シールとフロントカバーとの間をシール
するために、軸シール外周に用いているゴム材も前記水
素添加ＮＢＲまたはＥＰＤＭを用いることによって、同
様の効果が得られることは述べるまでもない。

【００６７】前記のように、各シール手段のゴム材に水
素添加ＮＢＲまたはＥＰＤＭを用いることにより本圧縮
機の気密性を長期間保証することができる。

【００６８】次に、リアカバー２５とシリンダヘッド２
４との間に設けられるシートパッキングの母材（冷間圧
延鋼板ＳＰＣＣ）とゴムの剥離防止について説明する。

【００６９】シートパッキンは面圧を受けるシート面の
大きさより僅かに大きくして用いるのが一般的である。
従って、パッキンはその切り口ばかりでなくパッキン面
の一部も冷媒や潤滑油に曝されることになる。こうした
状態で圧縮機が運転されると、パッキンの表面あるいは
鋼板との接着界面から冷媒や潤滑油が浸透して接着層を
劣化させたり、膨潤し易い材質の場合にはパッキンの膨
潤力が接着面に作用して、パッキンが母材の鋼板から剥
離し、最悪の場合にはちぎれることもある。ちぎれた破
片が吸入弁あるいは吐出弁とシリンダヘッドの間等に挟
まると、圧縮機の効率低下や弁折れの原因となる。ま
た、膨張弁を詰めると冷却不良や圧縮機への油戻り不良
を起こし圧縮機焼き付きの原因となる。

【００７０】上記を防止するには、膨潤しにくいパッキ
ング材の選択と鋼板との接着力を向上させることが重要
である。本発明においては水素添加ＮＢＲまたはＥＰＤ
Ｍを採用すると共に、これの接着力の向上に鋼板表面を
苛性処理を施すことによって粗化した。カーエアコンの
ライフサイクル１０年を想定した１５０℃，１０００時
間の冷媒／冷凍機油浸漬試験において、従来方式のもの
では鋼板からパッキンの剥離が見受けられたが、苛性処
理鋼板を用いることによってパッキンの剥離やちぎれを
防止することができた。

【００７１】次に、吸入弁および吐出弁の破損防止につ
いて述べる。これらの弁の破損の原因は既述の様に、本
方式が潤滑油として使用しているＰＡＧによる冷凍サイ
クル内の水分増加に基づくものである。

【００７２】前記文献「冷凍圧縮機用弁材料の腐食疲労
強度：空気調和・冷凍連合講演会２０周年記念大会（名
古屋）講演論文集（’８６−４−７，８）」によれば、
大気中およびイオン交換水中における１％Ｃ（炭素）鋼
（炭素工具鋼ＰＫに相当する）と１３％Ｃｒ−１％Ｍｏ
鋼の耐疲労強度は図４に示すとおりである。両鋼とも水
中での耐疲労強度が大気中に比べて大幅に低下してい
る。

【００７３】従来方式のＣＦＣ１２／鉱油系サイクルで
使用していたＰＫと同等の耐疲労強度をＨＦＣ１３４ａ
／ＰＡＧ系で得るには１３％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼を用いる
必要があることが分かる。水中で１３％Ｃｒ−１％Ｍｏ
鋼の耐疲労強度が向上する理由はクロムの酸化被膜が鋼
中への酸素の拡散を抑制する障壁となるためと考えられ
る。

【００７４】前記のように、吸入および吐出弁の材質を
少なくともクロムを１３％以上含有するマルテンサイト
系ステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼では十
分な硬度が得られない）とすることによって前記弁の疲
労破壊あるいは微小滑りによるフレッティングの防止効
果がある。

【００７５】次に、転がり軸受の表面剥離防止について
述べる。本圧縮機では使用条件と軸受の定格荷重とによ
り、十分な寿命が得られる転がり軸受を用いている。従
って、ＣＦＣ１２／鉱油系サイクルでは軸受が表面剥離
するような現象は発生しなかった。ところが、ＨＦＣ１
３４ａ／ＰＡＧ系サイクルでは潤滑油が規定量封入され
ているにもかゝわらず、スラスト針状ころ軸受３２に表
面剥離現象が生じた。

【００７６】この理由は、（１）ＰＡＧを使用すること
による冷凍サイクル中の含有水分増加に基づく軸受材質
の耐疲労強度の低下、（２）ＰＡＧの加水分解によって
生成する酸による耐疲労強度低下の加速、が考えられ
る。

【００７７】前記（１）については弁材質に関する部分
で説明したとおりで、軸受転動体の材質を一般に用いら
れている軸受鋼ＳＵＪ２を少なくともクロムを１３％以
上含むステンレス鋼（例えばＳＵＳ４４０系ステンレス
鋼）に代える必要がある。しかし、ステンレス鋼は塩素
や酸が存在する雰囲気中では応力腐食割れが生ずると云
われるとおり、実際に下記に述べるような脂肪酸が存在
するサイクルでは殆ど延命効果は認められなかった。

【００７８】前記（２）については潤滑油に使用したエ
ステル変性ＰＡＧが加水分解して末端のエステルが外れ
て脂肪酸を生成し、これが鋼の耐疲労強度低下を加速さ
せるためと考える。これには潤滑油に脂肪酸の捕捉剤を
添加する方法がある。しかし、該捕捉剤は摺動によって
活性化した金属表面と脂肪酸との反応速度より酸の捕捉
の方が早いものでなければ効果は期待できない。しか
し、軸受以外の金属部材およびゴム、ナイロン等の有機
部材に悪影響を及ぼさずに前記効果を発揮するような酸
捕捉剤は現在のところ見当らない。

【００７９】水分はゴム材を透過して１０年間連続的に
サイクル内に侵入し、その総量は計算によると１３．６
ｇに達する。このうち、モレキュラシーブスなどの吸着
剤に吸着可能な水分は約４．９ｇであるから、残りの水
に起因して生成する脂肪酸を確実に捕捉するためには、
酸捕捉剤に例えば下記分子構造のエチレングリコールジ
グリシジルエーテルを使用すれば、総添加量は７５８ｇ
となり、冷凍サイクルへの潤滑油封入量１５０〜２００
ｇより多量の添加剤を加えなければならず、潤滑特性に
影響することが考えられる。

【００８０】

【化１】

【００８１】サイクル内の冷媒を抜き取らずに、例え
ば、カートリッジ型ワンタッチ交換方式の水分除去装置
が提案（特公昭６１−１６８７６２号、実開昭５６−８
６４７２号公報）されている。しかし、この方式は冷凍
サイクルの構造を大幅に変更しなければならない。ま
た、脂肪酸を生成しない通常のＰＡＧの使用も考えられ
るが、通常のＰＡＧはＨＦＣ１３４ａとの相溶性が劣
り、高温側の相溶温度を１０〜１５℃低下するため好ま
しくない。

【００８２】

【表４】

【００８３】本発明のＨＦＣ１３４ａ／エステル変性Ｐ
ＡＧあるいはエステル油を用いた圧縮機に好適な軸受に
ついて説明する。表４に示すようにスラスト針状ころ軸
受のころ保持器を熱硬化性プラスチック製とすることに
ある。

【００８４】保持器材質がＳＰＣＣ製のものを用いて、
ＣＦＣ１２／鉱油系（油中水分量は７０ｐｐｍ）で運転
した場合の軸受寿命を１とすると、ＨＦＣ１３４ａ／エ
ステル変性ＰＡＧ系での軸受寿命は油中水分が７０ｐｐ
ｍの場合には１であるが、油中水分が２重量％では０．
３５に低下する。これに対して、ころ保持器にポリフェ
ニレンサルファイド（ＰＰＳ）製のものを用いると、軸
受寿命は油中水分が７０ｐｐｍで１．１１に、また、２
重量％の場合でも１．０４と極めて優れていることが分
かった。

【００８５】この理由は、プラスチック製のころ保持器
は、（１）ころと保持器との硬度差が大きいため、ころと保
持器との摺動によるころ表面のミクロクラックの発生が
防止される。

【００８６】（２）保持器の剛性が小さいので、回転変
動や荷重変動に起因するころの揺動に対してある程度変
形し追随する。従って、ころの動きを無理に規制するこ
とがないので、ころと保持器あるいはころとレースとの
滑り転がりが円滑になり、ころ表面のミクロクラックの
発生が防止される。

【００８７】即ち、ミクロクラックの発生が抑制される
ので、耐疲労強度を向上できるのである。なお、ここで
はスラスト針状ころ軸受についてのみ説明したが、転が
り軸受全般、例えばラジアル玉軸受、ラジアル針状ころ
軸受等でも同様な効果があり軸受寿命が向上する。

【００８８】従来方式のカーエアコン用圧縮機に用いら
れる吸着剤としてはモレキュラシーブが用いられてい
る。ＣＦＣ１２用の該吸着剤をＨＦＣ１３４ａ系に用い
て運転したところ、鉄系部材に錆が著しく発生した。こ
れは該モレキュラシーブの分子ふるいの孔径が４．０Å
であったゝめ、平均分子サイズが４．４ÅのＣＦＣ１２
分子は、該モレキュラシーブの孔に侵入することができ
ない。これに対して、ＨＦＣ１３４ａの平均分子サイズ
は４．２Åと小さいために、モレキュラシーブの孔に捕
捉され、モレキュラシーブの触媒作用で冷凍サイクル内
の水分と反応し、ふっ化水素を生成したゝめと推定され
る。従って、ＨＦＣ１３４ａを用いる場合は、分子ふる
いのサイズが４Åよりもっと小さいモレキュラシーブを
使用すればよい。

【００８９】カーエアコンでは圧縮機はエンジンに、蒸
発器と凝縮器は車体にそれぞれ搭載されるため、これら
を連結する配管にはゴムを主材としたフレキシブルホー
スが使用される。前記の様に、ＨＦＣ１３４ａの分子サ
イズはＣＦＣ１２に比べて小さく、ＣＦＣ１２用のフレ
キシブルホースをＨＦＣ１３４ａにそのまま使用すると
ホースを介して漏れる冷媒が多いことが考えられる。こ
れを防止するため、ゴムホース内面にＨＦＣ１３４ａを
透過しにくゝ可撓性に優れた遮蔽層を設ける必要があ
る。こうしたものとしては例えばナイロンがある。本発
明の圧縮機を使用するに当たっては、その内面にナイロ
ンフィルム層を設けたフレキシブルホースを使用するこ
とが望ましい。

【００９０】

【発明の効果】本発明によれば、ふっ化炭化水素系冷媒
とエステル変性ＰＡＧあるいはエステル油との作動媒体
を用いた冷凍機用圧縮機の寿命を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷凍機用可変容量型圧縮機の断面図で
ある。

【図２】本発明の圧縮機の回り止め手段の要部の構成を
示す分解斜視図である。

【図３】本発明の圧縮機の吸入圧縮機構部の部分断面図
である。

【図４】吸入吐出弁材の耐疲労強度に対する水の影響を
示すグラフである。

【符号の説明】

１…シャフト、４…支点ピン、５…斜板、１０…ピスト
ンサポート、１３…回り止めピン、１４…スライドボー
ル、１５…フロントカバー、１６…スリーブ溝、１７…
シュー、１８、１９…ボール、２０…コネクティングロ
ッド、２１…ピストン、２２…シリンダブロック、２３
…シリンダ、２４…シリンダヘッド、２５…リアカバ
ー、２６…吸入ポート、２７…吐出ポート、２９…冷媒
流路、３０…低圧室、３１…高圧室、３５…圧力制御
弁、３９…流路、４０…シューガイドスリーブ、４１…
吸入弁、４２…吐出弁、４３…パッキン、４４、４５、
４６…Ｏ−リング、４７…軸シール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岸敦夫茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者町村英紀茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (56)参考文献特開平４−8876（ＪＰ，Ａ) 特開平５−187355（ＪＰ，Ａ) 特開平４−122792（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フッ化炭化水素系冷媒と、該冷媒と相溶す
る冷凍機油とからなる作動媒体を用い、シャフトの回転
運動によりシリンダ内の前記冷媒を圧縮する圧縮手段、
前記シリンダの容量を制御する容量制御手段、各部の気
密を保持するシール手段を備えた冷凍機用圧縮機であっ
て、前記冷凍機油がエステル変性ポリアルキレングルコール
またはエステル油から選ばれた合成潤滑油であり、前記
シール手段が水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム
またはエチレンプロピレンジエンポリマからなるゴム弾
性体もしくは該ゴム弾性体と金属部材とで構成されてい
ることを特徴とする冷凍機用圧縮機。
【請求項２】前記冷媒を圧縮する圧縮手段がシャフトの
回転運動を往復運動に換える往復変換手段により駆動さ
れるピストンとシリンダとで構成されていることを特徴
とする請求項１に記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項３】前記往復変換手段がシャフト軸に対して所
定の傾斜角で取付けられ、かつ、シャフトと一体に回動
する斜板によって往復動するように構成されていること
を特徴とする請求項２に記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項４】前記冷媒を圧縮するピストンは、前記斜板
に対して滑動可能に組込まれたピストンサポートとボー
ル継ぎ手を介して斜板の回動により駆動され、前記ボー
ル継ぎ手はコネクティングロッドとその両端に滑動自在
に取付けたボールとで構成されており、該ボールは前記
ピストンおよびピストンサポートに凹設された球面によ
って摺動可能に保持され、少なくともピストンサポート
側ボールは前記凹球面との摺動面に固体潤滑剤の薄膜が
形成されていることを特徴とする請求項２または３に記
載の冷凍機用圧縮機。
【請求項５】前記シリンダ容量を制御する容量制御手段
は、圧縮機の冷媒入口の冷媒圧力によって前記斜板のシ
ャフト軸に対する傾斜角度を変えることにより制御され
るよう構成されていることを特徴とする請求項２〜４の
いずれかに記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項６】前記シール手段に用いた水素添加アクリロ
ニトリルブタジエンゴムまたはエチレンプロピレンジエ
ンポリマからなるゴム弾性体は、１５０℃，２０時間作
動媒体浸漬試験による体積変化率が−３％以上であるこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍機
用圧縮機。
【請求項７】前記ピストンサポートが回り止め手段を備
え、該回り止め手段はピストンサポートの外周に突出し
て設けたピンと、該ピンと回動可能に設けたスライドボ
ールと、該スライドボールを受けるシューガイドスリー
ブと、該シューガイドスリーブを収納しシャフトと平行
にフロントカバー内に設けたスリーブ溝を有し、前記シ
ューガイドスリーブの摺動面はフッ素系樹脂がコーティ
ングされ、前記スライドボールの表面は固体潤滑剤が被
覆されていることを特徴とする請求項４に記載の冷凍機
用圧縮機。
【請求項８】前記冷媒を圧縮する圧縮手段の吐出弁，ま
たは吸入弁と吐出弁がクロムを１３％以上含む鋼材で形
成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか
に記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項９】軸受装置に設けられている転動体軸受の転
動体保持器が熱硬化性プラスチック製であることを特徴
とする請求項１〜８に記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項１０】水素添加アクリロニトリルブタジエンゴ
ムまたはエチレンプロピレンジエンポリマからなるゴム
弾性体と金属部材とで構成された前記シール手段は、前
記金属部材の表面が苛性処理されていることを特徴とす
る請求項１〜９のいずれかに記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項１１】前記フッ化炭化水素系冷媒が１,１,１,
２−テトラフルオロエタンであることを特徴とする請求
項１〜１０のいずれかに記載の冷凍機用圧縮機。
【請求項１２】圧縮機、蒸発器、凝縮器を備えた冷凍サ
イクルにおいて、前記圧縮機が炭化水素系冷媒と、該冷
媒と相溶する冷凍機油とからなる作動媒体を用い、シャ
フトの回転運動によりシリンダ内の前記冷媒を圧縮する
圧縮手段、前記シリンダの容量を制御する容量制御手
段、各部の気密を保持するシール手段を備えた圧縮機で
あって、前記冷凍機油がエステル変性ポリアルキレング
ルコールまたはエステル油から選ばれた合成潤滑油であ
り、前記シール手段が水素添加アクリロニトリルブタジ
エンゴムまたはエチレンプロピレンジエンポリマからな
るゴム弾性体もしくは該ゴム弾性体と金属部材とで構成
されていることを特徴とする冷凍サイクル。
【請求項１３】軸受装置に設けられている転動体軸受の
転動体保持器が熱硬化性プラスチック製であることを特
徴とする請求項１２に記載の冷凍サイクル。
【請求項１４】前記フッ化炭化水素系冷媒が１,１,１,
２−テトラフルオロエタンであることを特徴とする請求
項１２または１３に記載の冷凍サイクル。