JP4915151B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、業務用、および非業務用を問わず各種用途での冷凍空調に使用されている圧縮機に関するものである。

従来のスクロール圧縮機の旋回スクロールは、特許文献１に開示されており、その構成を図５と図６に示す。図５は旋回スクロールの部分断面図であり、図６に旋回スクロールの外観を示す斜視図である。

旋回スクロールは、円板状の鏡板２１、その上面部２１ｃから渦巻状に直立して形成されるラップ部２２、および軸受部２３から構成されている。ラップ部の高さは、その肉厚の約３倍程度になっている。鏡板２１およびラップ部２２の基材２１ｂ、２２ｂは一体に形成されており、材質は３０％のシリコンと、若干のニッケル、マグネシュームを含有したアルミニウムダイキャスト品である。また、鏡板２１の上面部２１ｃおよび側面部２１ｄとラップ部２２のラップ表層部２２ａとは基材部と同じ材質の粉末燒結材で構成されている。

このように構成された旋回スクロールは、軽量であるため毎分１万回転前後の高速回転においても軸受機構等に対する面圧などのダメージが小さい。また、基材２１ｂ、２２ｂには偏析部が存在しても、表層部２１ａ、２２ａがシリコン等の均一に分散した粉末燒結材であるため、切削仕上げ面も良好で、表面に疲労破壊の起点となるようなシリコンの脱落部が生じない信頼性の高い旋回スクロール部材が形成される。

したがって、この旋回スクロールを搭載すればスクロール圧縮機は高速回転が可能となり、小形、軽量、かつ高効率、高信頼性が達成できる。
特開平３−２４２４８６号公報

冷凍空調用の冷媒としてはＲ４１０Ａ、Ｒ４０７ＣやＲ１３４ａなどのＨＦＣ冷媒が使われているが、ＧＷＰが１３００〜１７００と高く、地球温暖化を抑制するために低ＧＷＰ冷媒への変更が強く求められている。候補冷媒としては、例えば同じＨＦＣ冷媒であるが、ＧＷＰが１４０と約１／１０まで小さくできるＲ１５２ａが挙げられる。

Ｒ１３４ａも比較的極性が高い冷媒であるが、Ｒ１５２ａは双極子モーメントがより大きくて分子径がより小さいので、Ｒ１３４ａより更に高い極性を示す冷媒である。金属面、特に新生面にはより吸着されやすく、摺動部の表面に形成されている油膜は部分的に冷媒リッチになって油膜切れを起しやすくなり、潤滑性の低下を招く恐れがある。従って、摺動部の表層部がアルミニウム合金の粉末燒結体で形成されていても摩耗が増大する可能性があり、摩耗の抑制がＲ１５２ａによる低ＧＷＰ化の課題となっている。

本発明はこのような従来の問題を解決するものであり、低ＧＷＰ冷媒に適した圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ＧＷＰが１５０以下でＲ１３４ａより極性が高い冷媒を用い、軟質基材に硬質粒子が分散している材料で摺動部材を構成するとともに、
摺動部材の表層部に傾斜層を設けて表面を軟質基材リッチにしたものである。

これによって、摺動部材の摺動面が平滑化されて摺動面における油膜形成能力は向上することになり、低ＧＷＰで極性の高い冷媒による潤滑性への影響が抑制され、摺動部材の摩耗は防止されこととなる。

本発明の圧縮機は、低ＧＷＰに適したものであり、冷凍空調装置が及ぼす地球温暖化への影響を十分抑制できる。

請求項１に記載の発明は、Ｒ１３４ａより極性が高くかつＧＷＰが１５０以下である冷媒を用い、軟質基材に硬質粒子が分散している材料で摺動部材を構成するとともに、摺動部材の表層部に傾斜層を設けて表面を軟質基材リッチにすることにより、摺動面における油膜形成能力が向上することになり、低ＧＷＰ冷媒に適した圧縮機が得られる。

請求項２に記載の発明は、摺動部材の表層部の傾斜層は、少なくともスラスト荷重を受ける摺動部分は表層部の軟質基材を除去して根の深い硬質粒子を露出させることにより、過渡運転における摺動部材の耐久性能が高くなり、多冷媒に強い圧縮機が得られる。

請求項３に記載の発明は、硬質粒子はエッジを丸めてその露出高さを１μｍ以下とし、硬質粒子の周辺にある軟質基材には圧縮の残留応力を付与するとともに、酸素濃度が３〜３０ｗｔ％の酸化被膜を形成させることにより、高負荷における摺動部材の油膜形成能力が高くなり、高負荷における消費電力が少ない高効率な圧縮機が得られる。

請求項４に記載の発明は、硬質粒子は面積率で４．７％以上露出させることにより、摺動部材の耐荷重性能が高くなり、運転可能な負荷範囲が広い圧縮機が得られる。

請求項５に記載の発明は、摺動部材の材料をＡｌ−Ｓｉ系合金とすることにより、摺動部材が軽くて運転可能な回転数が高くなり、能力制御幅が広い圧縮機が得られる。

請求項６に記載の発明は、Ｓｉを共晶Ｓｉ又は微細化された初晶Ｓｉとすることにより、摺動部材の非凝着性が高くなり、潤滑油切れに強い高い圧縮機が得られる。

請求項７に記載の発明は、摺動部材を旋回スクロールとし、圧縮機をスクロール圧縮機とすることにより、トルク変動が小さくて低振動かつ低騒音となり、集合住宅用空調装置に適した静粛な圧縮機が得られる。

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本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施例によるスクロール圧縮機の断面図である。

図１において、１は密閉容器、２は吸入管、３は吐出管である。密閉容器１内には圧縮機構部４とモータ部（図示せず）が内蔵されている。圧縮機構部４はフレーム５に固定された固定スクロール６と、固定スクロール６に対向配置された旋回スクロール７と、旋回スクロール７とフレーム５との間に設けられたオルダムリング８と、モータ部に連結されているクランク軸９より構成されている。

固定スクロール６は鏡板６ａ、はね６ｂ、吸入ポート６ｃ、吐出ポート６ｄから構成され、吸入ポート６ｃには吸入管２が接続されている。図２に旋回スクロール７の断面図を示す。旋回スクロール７は鏡板７ａ、７ｂ、はね７ｃ、軸受７ｄから構成され、はね７ｃの高さは固定スクロール６のはね６ｂの高さより低く設定されている。また、フレーム５には環状溝１０にシール部材１１が設けられ、シール部材１１の内側は高圧に設定されている。この圧力によって旋回スクロール７は固定スクロール６に押付けられ、旋回スクロール７と固定スクロール６の軸方向の隙間がシールされている。

図３に旋回スクロール７の表層部の断面組織の模式図を示す。旋回スクロール７は軟質基材であるＡｌ１２に硬質粒子である微細な共晶Ｓｉ１３を分散させたＡｌ−Ｓｉ系合金１４よりなり、表層部には傾斜層１５が形成されている。表面に近づくに従って共晶Ｓｉ１３の量が減少し、表面はＡｌ１２リッチになっている。Ａｌ１２は延性の効果で表面は平滑化されて粗さがＲｍａｘ１．０以下と小さく、非常に滑らかになっている。

冷媒はＲ１５２ａであり、極性に関する双極子モーメントと分子径は２．２６デバイ、３．９Åである。一方、Ｒ１３４ａの双極子モーメントと分子径は２．０６デバイ、４．２Åであり、Ｒ１５２ａは分子径が小さい分、その極性はより高くなっている。

次に、動作について説明する。

モータ部の回転はクランク軸９を介して旋回スクロール７に伝達され、オルダムリング８と協働して旋回スクロール７を旋回運動させる。この旋回運動によって互いに噛合う位置に配置された旋回スクロール７のはね７ｃと固定スクロール６のはね６ｂは吸入管２から吸入ポート６ｃを介してＲ１５２ａを吸入し圧縮する。圧縮されたＲ１５２ａは吐出ポート６ｄから密閉容器１内に吐出され、吐出管３から密閉容器１外に導き出される。従って、密閉容器１内は高圧になっている。

さて、シール部材１１の内側は吐出圧力であり、旋回スクロール７は固定スクロール６に強く押付けられ、旋回スクロール７の鏡板７ａは、固定スクロール６の鏡板６ａ及び固定スクロール６のはね６ｂの先端と摺動する。そして、その摺動部には潤滑油が介在するが、Ｒ１５２ａの溶解によって油膜が切れやすくなっているが、旋回スクロール７の鏡板７ａが平滑であるため摺動部に介在する潤滑油は油膜圧力が高くなるので、十分な油膜厚さを確保することができる。従って、摺動部の摩耗は抑制され、Ｒ１５２ａに適したスクロール圧縮機が得られる。

また、旋回スクロール７の表面が滑らかになっているため、旋回スクロール７のはね７ｃ周り、特にその先端やその他のシール部分の隙間を極力詰めることができるので、シール部からの漏れが十分抑制された高効率なスクロール圧縮機が得られる。

更にスクロール圧縮機はトルク変動が小さくて低振動で低騒音となるので、静粛性の要求が強い集合住宅用冷凍空調装置として用いることができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施例によるスクロール圧縮機の旋回スクロールにおける表層部の断面組織の模式図である。第１の実施例と同じものには同一符号を付して、重複する説明は省略する。

旋回スクロール７は軟質基材であるＡｌ１２に硬質粒子である微細な共晶Ｓｉ１３を分散させたＡｌ−Ｓｉ系合金１４よりなる。旋回スクロール７の鏡板７ａは研削、バレル、バフ、流体などによる機械的研磨、またはエッチングなどによる化学的研磨、またはそれ
らの複合研磨が施され、傾斜層のＡｌが除去されて平均粒子径が３〜１０μｍである共晶Ｓｉ１３が露出している。共晶Ｓｉ１３の露出量は面積率で４．７％以上であり、共晶Ｓｉ１３は露出部のエッジは丸められて露出高さは１μｍ以下に抑制されている。共晶Ｓｉ１３の露出率は面積率で４．７％未満になると共晶Ｓｉ１３が少なすぎて非凝着性を十分付与できない。また、露出している共晶Ｓｉ１３周辺のＡｌ１２には圧縮の残留応力が付与されているとともに、酸素濃度が３〜３０ｗｔ％の酸化被膜１６も形成されている。酸化被膜１６は、酸素濃度が５ｗｔ％未満では酸化被膜の効果が得られず、３０ｗｔ％を超えると酸化被膜１６の粗さが増大する。より適切な酸素濃度範囲は５〜２０ｗｔ％である。

次に、動作について説明する。

一般に冷凍空調装置における始動運転や除霜運転などの過渡運転においては、スクロール圧縮機への激しい液戻りが発生する。Ｒ１５２ａ液冷媒によって潤滑油が洗われ、旋回スクロール７の鏡板７ａにおける潤滑状態は一層厳しくなる。特に、大容量で多冷媒となる冷凍空調装置では、その傾向が強くなる。しかし、旋回スクロール７の鏡板７ａに分布する微細な共晶Ｓｉ１３は相手部材である固定スクロールに対して高い非凝着性を発揮するため、旋回スクロール７は過渡運転における耐久性能が高くなり、多冷媒に強いスクロール圧縮機が得られる。

また、共晶Ｓｉ１３が面積率で４．７％以上露出してブリッジ作用が強化されるため、旋回スクロール７の耐荷重性能が高くなり、運転可能な負荷範囲が広いスクロール圧縮機が得られる。

また、共晶Ｓｉ１３の周辺にはＡｌ１２によって油溜りが形成され、また共晶Ｓｉの露出部にはＥＨＬにより油膜が形成されるため、高負荷における旋回スクロール７の油膜形成能力が高くなり、高負荷における消費電力が少ない高効率なスクロール圧縮機が得られる。

また、微細な共晶Ｓｉ１３は周辺のＡｌ１２にしっかりと固定され、また周辺のＡｌ１２は非凝着性によって耐荷重性能が高くなり、長期間未使用で放置されて潤滑油切れが起きている状態での始動、すなわち一時的なドライ運転でも、スムーズに始動できるスクロール圧縮機が得られる。

また、Ａｌ−Ｓｉ系合金によって旋回スクロール７は軽くて高速回転が可能となり、能力制御幅が広いスクロール圧縮機が得られる。

以上述べた作用効果は、初晶Ｓｉをアトマイズによって微細化させてなるＡｌ−Ｓｉ系合金を用いたり、Ｓｉ量の違うＡｌ−Ｓｉ系合金による複合構成にしたりしても、同様に得られるものである。

また、冷媒としては、Ｒ１３４ａより極性が高くかつＧＷＰが１５０以下であればよく、ＨＦＣをベースにして不燃化したもの、例えば二重結合を有する化合物や臭素やヨウ素や酸素などを組み合わせたものでもよい。また、混合冷媒で、少なくとも一つがＲ１３４ａより極性が高いものを含むものであってもよい。

以上のように、本発明にかかる圧縮機は、摺動面における油膜形成能力によって低ＧＷＰ冷媒が使用可能となるので、冷凍サイクルを用いた給湯装置や洗濯機にも適用できる。

本発明の第１の実施例のスクロール圧縮機を示す断面図 旋回スクロールの断面図 旋回スクロールの表層部における断面組織の模式図 本発明の第２の実施例のスクロール圧縮機の表層部における断面組織の模式図 従来の旋回スクロールを示す部分断面図 従来例の旋回スクロールの外観を示す斜視図

符号の説明

７ 旋回スクロール
７ａ、７ｂ 鏡板
１２ Ａｌ基材
１３ 共晶Ｓｉ
１４ Ａｌ−Ｓｉ系合金
１５ 傾斜層
１６ 酸化被膜

Claims (3)

1. ＧＷＰが１５０以下でＲ１３４ａより極性が高い冷媒を用い、軟質基材に硬質粒子が分散している材料で摺動部材を構成するとともに、摺動部材の表層部に傾斜層を設けて表面を軟質基材リッチにしたことを特徴とする圧縮機であって、
   摺動部材の表層部の傾斜層の少なくともスラスト荷重を受ける摺動部分は表層部の軟質基材を除去して根の深い硬質粒子を露出させ、
   硬質粒子はエッジを丸めてその露出高さを１μｍ以下とし、硬質粒子の周辺にある軟質基材には圧縮の残留応力を付与するとともに、酸素濃度が３〜３０ｗｔ％の酸化被膜が形成されている圧縮機。
2. 摺動部材の材料はＡｌ−Ｓｉ系合金とした請求項１に記載の圧縮機。
3. 摺動部材は旋回スクロールであり、圧縮機はスクロール圧縮機である請求項１に記載の圧縮機。

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