JP4778995B2 - 密閉形圧縮機 - Google Patents

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Description

本発明は、冷蔵庫，ルームエアコン等に用いられる密閉形圧縮機に関する。
従来、ボールジョイント構造を有する圧縮機のピストンの表面処理としては特許文献１に記載されているように、鉄を主成分とする焼結材に水蒸気処理を施すことにより封孔処理された構造が知られている。
特開２００７−１５４８０６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構造では、水蒸気処理により形成される表面層の硬度が高く、初期馴染み性に乏しい。そのため、水蒸気処理により形成される表面層の膜厚が薄いと摩耗による焼付きを起こす可能性があった。また、シリンダとの摺動面となるピストン外周面の面精度が良くない場合にも焼付きを起こす可能性があった。これらを避けるために、高精度での膜厚及び面精度の管理が必要となる。
また、水蒸気処理により形成される表面層の摩擦係数が大きいことから、ピストンの往復運動による摺動損失が大きくなるため、効率の低下及び騒音の悪化が考えられる。
本発明は上記課題を解決しようとするもので、信頼性を向上し、高効率の密閉形圧縮機を得ることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の密閉形圧縮機は、密閉容器内に圧縮要素及び電動要素が収納され、前記電動要素で駆動されるクランクシャフトを備え、前記圧縮要素はシリンダと該シリンダ内を往復動するピストンとを有し、前記クランクシャフトと前記ピストンがコンロッドによりボールジョイント構造で連結され、前記ピストンは鉄を主成分とする焼結材であって水蒸気処理によって封孔処理される密閉形圧縮機において、前記封孔処理された前記ピストンの外周面は、研削加工後にリン酸マンガン処理がされて該リン酸マンガンの表面層の膜厚を４μｍ以下として、該リン酸マンガンの表面層の硬度は前記ピストンの内部の硬度よりも低くして、水蒸気処理の場合に比べて摺動摩擦損失を低減して、且つ焼き付時の面圧を向上したことを特徴とする。
本発明によれば、信頼性を向上し、高効率の密閉形圧縮機を得ることができる。
以下、本発明の実施形態をそれぞれ図に基づいて説明する。図１は、密閉形圧縮機の圧縮要素の組立状態を示す斜視図である。図２は、密閉形圧縮機の縦断面図である。
本実施例の密閉形圧縮機は、密閉容器内に設けられた軸受部１ａ及びフレーム１ｂと一体に成形されたシリンダ１内をピストン４が往復動して圧縮要素を構成する、いわゆるレシプロ型の圧縮機である。フレーム１ｂの下部には、電動要素として、電動機を構成するステータ５及びロータ６が備えられており、クランクシャフト３の回転中心から偏心した位置に、クランクピン３ａが設けられている。
クランクシャフト３は、フレームの軸受部１ａに貫通してフレーム１ｂの下部から上部へ延伸しており、クランクピン３ａがフレーム１ｂの上方側に位置するように設けられている。クランクシャフト３の下部はロータ６と直結しており、電動機の動力によってクランクシャフト３は回転する。クランクピン３ａとピストン４との間はコンロッド２で連結されており、クランクピン３ａ及びコンロッド２を介してピストン４が往復動する構成となっている。
すなわち、本実施例の密閉形圧縮機は、密閉容器内にシリンダ１，ピストン４等の圧縮要素と、電動機等の電動要素が収納されており、クランクシャフト３によって電動要素からの回転力を伝える構成を前提としている。コンロッド２とピストン４の連結構造については後述する。
なお、クランクシャフト３の回転によって、密閉容器内に貯留した冷凍機油（潤滑油）が上方へと導かれ、クランクシャフト３の上方位置に設けられた開口より潤滑油が噴出する構造となっている。クランクシャフト３の下端部に設けられた筒状の給油ピース７の遠心力を利用して潤滑油を上昇させ、クランクシャフト３の上端部から潤滑油が噴出する。
次にコンロッド２とピストン４の連結構造について図３を用いて説明する。図３は連結されたコンロッド２とピストン４の状態を示す斜視図である。ピストン４の内球面４ａは、コンロッド２の先端部に設けられる球体部の外球面２ａを受ける軸受構造を構成するものであり、コンロッド２の外球面２ａを１８０°以上の角度で包む形状としている。この構造により摺動面積の少ないボールジョイント構造となっている。
また、衝撃等の何らかの作用によって、両者が相対的に回転すると、コンロッド２とピストン４との連結が解除されてしまうため、本実施例では連結外れ防止のために抜け止め部材８を備えている。
次に、図１に示す圧縮要素を構成するシリンダ１とピストン４の信頼性を確保するためのピストン４の表面処理について説明する。
図４，図５にピストン４に施す表面処理について、往復動摩擦試験機により摺動試験を行った結果を示す。
本試験の試験条件及び試験に用いたサンプルＡからＣの仕様を表１に示す。本試験は潤滑油中で、摺動速度は１１８０cpmとし、試験ステップ荷重は１０kgf／５minとした。表１における固定片と可動片はピストン４及びシリンダ１に対応する。なお、潤滑油の粘度は、サンプルＡ及びＣはＩＳＯ３４４８で規定される粘度グレードでＶＧ１０とし、サンプルＢは同じく粘度グレードでＶＧ８とした。
また、表１のサンプルの表面処理において表面処理１はピストンに対応する固定片の研削加工前の表面処理、表面処理２は固定片の研削加工後の表面処理を示す。表面処理１は、サンプルＡからＣの全てを水蒸気処理とした。表面処理２は、サンプルＡを水蒸気処理とし、サンプルＢ及びＣをリン酸マンガン処理とした。
Figure 0004778995
図４の平均摩擦係数の結果から、研削加工後に水蒸気処理を施したサンプルＡよりもリン酸マンガン処理を施したサンプルＢ及びＣでは、平均摩擦係数が約４０％低減することが確認された。
このことから、リン酸マンガン処理を施したサンプルＢ及びＣでは、水蒸気処理を施したサンプルＡに比べて摺動摩擦損失が低減することが分かる。
さらに、図５の焼付き面圧の結果から、研削加工後に水蒸気処理を施したサンプルＡよりも、リン酸マンガン処理を施したサンプルＢ及びＣでは、焼付き時の面圧が約１６％向上することが確認された。
このことから、リン酸マンガン処理を施したサンプルＢ及びＣでは、水蒸気処理を施したサンプルＡと比べて摺動摩耗による限界値が上昇することが分かる。
また、水蒸気処理により形成される表面層と、リン酸マンガン処理により形成される表面層の硬度を比較すると、リン酸マンガン処理により形成される表面層の方が、硬度が低いことが一般的に知られている。そのため、リン酸マンガン処理を施したピストンでは、ピストン外周面は硬度の低いリン酸マンガン層で覆われており、摺動初期にシリンダの面形状に従ってリン酸マンガン層が削り取られることから、ピストン外周面の形状がシリンダの面形状に適した形状となる。
このことから、リン酸マンガン処理は初期馴染み性が高く、水蒸気処理に比べて摺動摩耗が低減できる。
この硬度の差により、表面層の膜厚及び面精度の管理値を緩和することが可能となる。水蒸気処理層では硬度が高いため、効率の向上及び信頼性の確保のために膜厚と面精度を高精度で管理する必要があった。しかし、リン酸マンガン層では初期馴染み性に優れるため、膜厚と面精度の管理の精度が高くない場合においても、リン酸マンガン層が削り取られ、ピストン外周面の形状がシリンダの面形状に適した形状となる。このため、リン酸マンガン処理前の面精度が充分に確保されていれば、効率と信頼性を確保することができる。
次にリン酸マンガン処理の工程順序について述べる。本実施例では、鉄を主成分とする焼結材であるピストン４を水蒸気処理により封孔処理し、ピストン４の外周面の研削加工後にリン酸マンガン処理を施すものとしている。
水蒸気処理は、内部及び表面の空孔を空孔表面に生成する水蒸気処理膜によって封孔し、潤滑油膜が空孔を通して容易に排出されないようにするための処理である。
この状態でリン酸マンガン処理を施すと、リン酸マンガン層の膜厚を充分に確保できない。そのため、水蒸気処理後に外周面の研削加工を施し、リン酸マンガン処理を施すものとしている。
また、この工程順序とすることにより、リン酸マンガン処理を施す前の面精度を容易に高精度とすることができる。
以上の結果により、シリンダ１の材質はＦＣ２００に表面処理を行っていないもの、及びピストン４の材料として焼結材ＳＭＦ４０４０Ａに水蒸気処理で封孔処理して、研削加工後にリン酸マンガン処理を行ったものを使用することとした。
また、ピストン４の外周面へのリン酸マンガン処理はボールジョイント方式の密閉形圧縮機において高い効果が得られる。上述したようにリン酸マンガン層は摺動により削り取られることで、摺動に最適な形状となる。しかし、ピストン４の外周面にかかる面圧が高いと摺動面がなじむ前にリン酸マンガン層がすべて削り取られてしまう可能性が高くなる。これにより、高圧運転下において負荷が増加した場合には、摩耗や焼付きを発生させるリスクが高くなる。
ボールジョイント構造ではクランクシャフト３とピストン４はコンロッド２により連結されており、ピストン４とコンロッド２は球形状によって連結されていることから、連結部の自由度が高いため、片当たりを防止でき、ピストン４の外周面にかかる面圧も小さくできる。
これに対し、他の密閉形圧縮機に用いられているスコッチヨーク構造では、クランクシャフトとピストンの連結にコンロッドを使用せず、直に連結されている。また、ピストンピン構造では、クランクシャフトとピストンはコンロッドにより連結されているが、コンロッドとピストンはピストンピンを介して連結されている。このような構造を取るために、両者ともボールジョイント構造に対して連結部の自由度が低いため、片当たりを避けることができず、ピストンの外周面にかかる面圧も大きくなる。
以上から、ピストンの外周面へのリン酸マンガン処理はスコッチヨーク構造やピストンピン構造よりもボールジョイント構造の密閉形圧縮機の方が適している。よって、図４，図５に示した摩擦係数の低減効果，焼付き面圧の上昇効果が最大限に得られるとともに、高負荷時の摩耗や焼付きの発生による信頼性の低下のリスクもなく、性能向上，騒音低減，信頼性向上に大きく貢献できる。
上述したように、本発明によれば、ピストン外周面に初期馴染み性を有するリン酸マンガン層を形成することで、シリンダ１とピストン４の摩擦係数が低減し、焼付き時の面圧及び温度が向上するため、摺動摩耗の低減及び限界値が向上する。また、表面処理層の硬度が低いことから、初期馴染み性に優れる。これにより信頼性が高く、高効率化と低騒音化の両面に優れた圧縮機を得ることができる。
さらに、摺動摩耗の低減及び限界値が向上することから、膜厚及び面精度の管理値を緩和することができ、生産性の高い圧縮機とすることができる。
本発明の実施形態に係るもので、圧縮要素の組立状態を示す斜視図。 本発明の実施形態に係る密閉形圧縮機の縦断面図。 本発明の実施形態に係るもので、ピストンとコンロッドの組立状態を示す図。 本発明の実施形態に係るもので、ピストン表面処理の摩耗試験における平均摩擦係数を示す図。 本発明の実施例に係るもので、ピストン表面処理の摩耗試験における焼付き面圧を示す図。
符号の説明
１ シリンダ
１ａ 軸受部
１ｂ フレーム
２ コンロッド
２ａ コンロッド外球面
３ クランクシャフト
３ａ クランクピン
４ ピストン
４ａ ピストン内球面
５ ステータ
６ ロータ
７ 給油ピース
８ 抜け止め部材

Claims (1)

  1. 密閉容器内に圧縮要素及び電動要素が収納され、前記電動要素で駆動されるクランクシャフトを備え、前記圧縮要素はシリンダと該シリンダ内を往復動するピストンとを有し、前記クランクシャフトと前記ピストンがコンロッドによりボールジョイント構造で連結され、前記ピストンは鉄を主成分とする焼結材であって水蒸気処理によって封孔処理される密閉形圧縮機において、
    前記封孔処理された前記ピストンの外周面は、研削加工後にリン酸マンガン処理がされて該リン酸マンガンの表面層の膜厚を４μｍ以下として、該リン酸マンガンの表面層の硬度は前記ピストンの内部の硬度よりも低くして、
    水蒸気処理の場合に比べて摺動摩擦損失を低減して、且つ焼き付時の面圧を向上したことを特徴とする密閉形圧縮機。
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