JP6041176B1 - 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、基材表面に形成された酸化被膜１５１とから構成され、酸化被膜は摺動面の最表面から順に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ2Ｏ3）からなる最外部分１５１ａと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ3Ｏ4）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分からなる中間部分１５１ｂと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ3Ｏ4）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる内部分１５１ｃで構成されたものとしてある。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１１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１１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を形成している。

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、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、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ので、起動時の金属接触による異常摩耗を防止できる、というものである。

特開平７−２３８８８５号公報

しかしながら、近年、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った。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、高効率の圧縮機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であり、鉄系材料の摺動面に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）である部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる酸化被膜を施した構成としてある。

これにより、摺動部材は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ので、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。その結果、摺動ロスの低減が図れ、信頼性、性能が向上する。

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、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、信頼性が高く、高効率の冷媒圧縮機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１における冷媒圧縮機の摺動部材に施した酸化被膜のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＴＥＭ（透過電子顕微鏡）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ＥＥＬＳ分析を行った結果の一例を示すＥＥＬＳマップと分析図 同実施の形態における酸化被膜の最外部分のＥＥＬＳ分析を行った結果の一例を示すＥＥＬＳマップと分析図 同実施の形態における酸化被膜の中間部分のＥＥＬＳ分析を行った結果の一例を示す分析図 同実施の形態における酸化被膜の内部分のＥＥＬＳ分析を行った結果の一例を示す分析図 同実施の形態における酸化被膜の信頼性試験後のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像 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であり、鉄系材料の摺動面に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）である部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分とからなる酸化被膜を施した構成としてある。

これにより、摺動部材は耐摩耗性が向上するとともに酸化被膜の密着性が向上して、凝着等による異常摩耗を防止でき、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、摺動面の最表面から順に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる最外部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分からなる中間部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる内部分とを備えた構成としてある。

これにより、最表面を構成する三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）は比較的硬質ではあるが結晶構造的に柔軟なため、相手攻撃性が低下し、初期なじみ性も向上し、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、前記酸化被膜に含まれるケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₃）もしくはファイヤライト（Ｆｅ２ＳｉＯ４）のいずれか一方または両方を含む構成としてある。

これにより、膜内により硬質な部位を有することになって更に耐摩耗性が向上すると共に基材と酸化被膜の密着性が向上する。すなわち、より高耐力な膜となって信頼性が向上する。

第４の発明は、第１から第３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もできる。

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、前記摺動部材となる鉄系材料は、ケイ素を０．５〜１０％含有した構成としてある。

これにより、基材と酸化被膜の密着性が効果的に向上し、高耐力な膜を形成することで信頼性が向上する。

第６の発明は、第５の発明において、前記鉄系材料は鋳鉄とした構成としてある。

これにより、鋳鉄が安価で生産性が高いところから、コストを低くすることができるとともに、効果的に基材と酸化被膜の密着性が向上し、高耐力な膜を形成することができて信頼性が向上する。

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８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９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１０の発明は、特に、第１から第９のいずれか一つの発明において、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、低速運転時には各摺動部への給油量が減少するが、耐摩耗性に優れた酸化皮膜により、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、耐摩耗性に優れた酸化皮膜によって高い信頼性を維持することができるので、第１から第９のいずれか一つの発明の効果に加えて、さらに圧縮機の信頼性を向上することができる。

第１１の発明は、冷凍装置であり、この冷凍装置は、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、前記圧縮機を第１から第１０のいずれか一つの発明の密閉型圧縮機とした構成としてある。

これにより、性能、信頼性が向上した圧縮機の搭載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は同冷媒圧縮機の摺動部材に施した酸化被膜のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＴＥＭ（透過電子顕微鏡）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、図２（ａ）から明らかなように基材１５０にケイ素（Ｓｉ）を約２％含有してなるねずみ鋳鉄（ＦＣ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、図２（ａ）に示すように、摺動面の最表面から順に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる最外部分１５１ａと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分からなる中間部分１５１ｂと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる内部分１５１ｃとで構成されている。尚、本実施の形態における酸化被膜１５１の膜厚は約２μｍ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によって偏心軸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、近年の冷媒圧縮機は高効率化を図るため、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、この摩耗抑制効果、すなわち、上記酸化被膜１５１の耐摩耗性について、説明する。

まず、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で、基材をねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）としたリングの最表面に施した４種類の表面処理の耐摩耗性と、相手側摺動面への攻撃性を評価した。

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

本実施の形態の酸化被膜１５１の評価比較処理膜として、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（比較例１）と、従来の一般的な酸化被膜、いわゆる黒染処理、別名フェルマイト処理と呼ばれている方法で施行された四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単部分被膜（比較例２）を用いた。

尚、相手側の摺動材であるリングについては、基材をねずみ鋳鉄とし、研磨後の摺動面には表面処理は施していない。

図３に示すように、従来のリン酸塩被膜と比較すると、本実施の形態の実施例及び比較例１、２のいずれの表面処理被膜の場合もディスク表面の摩耗量は減少しており、自己耐摩耗性が高いことが分かる。但し、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単部分からなる比較例２の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、比較例１のガス窒化被膜、及び比較例２の一般的な酸化被膜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はリン酸塩被膜と同様に相手材への攻撃性が低いことがわかる。

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、かつ硬度が高いから、摩耗粉の移着を効果的に防止し、酸化被膜１５１自体の摩耗量を減少させたと考えられる。

一方、後者の相手材への攻撃性については、本実施の形態の酸化被膜１５１が、その最外部分１５１ａを、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる部分としていることで、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えられる。

すなわち、本実施の形態の酸化被膜１５１における三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）は、比較例１のガス窒化被膜や比較例２の従来の四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単部分からなる酸化被膜と比較して粒子レベルの硬度は低くなる。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、結晶構造面で柔軟になっていることによる。このことから、比較例２のＦｅ₃Ｏ₄単部分からなる酸化被膜や比較例１の窒化被膜と比較して、本実施の形態の酸化被膜１５１が、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えられるのである。

次に、さらなる詳細な分析を行うため、先ほどのリング・オン・ディスク式摩耗試験で用いたリングのうち、本実施の形態の酸化被膜１５１の断面に関し、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析による元素マッピングを行ったので、その結果の一例を、前記図２を用いて説明する。

まず図２（ａ）は既述したように酸化被膜１５１の全体像で、リングの摺動表面近傍の断面のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）画像を示す。ねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）からなる基材１５０上（画像では基材１５０の右側）に、酸化被膜１５１が形成されていることがわかる。酸化被膜１５１は前記した構成、すなわち、最外部分１５１ａ、中間部分１５１ｂ、内部分１５１ｃの三部分構造になっていることがこの画像から明確に確認できる。

また、図２（ｂ）は鉄（Ｆｅ）元素、同図２（ｃ）は酸素（Ｏ）元素、同図２（ｄ）はケイ素（Ｓｉ）元素のマッピング結果を示すが、各々図中の白黒部の濃淡によって、濃度比を示しており、色が白くなるほど該当元素の占める割合が高いことを示す。なお、各図の左右に記載している破線同士の間が酸化被膜１５１部分であり、表面から約２μｍの幅で形成されている。

これら元素分析結果から、酸化被膜１５１中における各元素の濃度比は、以下のような傾向になっていることがわかる。

まず、鉄（Ｆｅ）元素は、図２（ｂ）に示すように、基材１５０よりも鉄（Ｆｅ）元素の濃度が低い領域が表面から約２μｍ、すなわち酸化被膜１５１全幅に亘って形成されている。そして、酸化被膜１５１内では、最表面側から基材１５０側方向への鉄（Ｆｅ）元素の濃度分布には大きな濃度差（白黒部の濃淡の差）がみられず、一様に分布していることがわかる。なお、一部、図２（ａ）の酸化被膜１５１内で白色部１５１ｄとなる箇所では濃度の低下が見られる。

次に、酸素（Ｏ）元素は、これも図２（ｃ）に示すように、基材１５０よりも酸素（Ｏ）元素の濃度が上昇する領域が表面から約２μｍ、すなわち酸化被膜１５１全幅に亘って形成されている。そして、これは前述の鉄（Ｆｅ）元素の濃度分布と同じ領域で確認され、基材１５０とは異なる酸化部分が形成されていることが明確となった。そして更にその濃度分布は、鉄（Ｆｅ）元素の濃度分布と同様に、酸化被膜１５１内では、最表面側から基材１５０側方向への全領域で大きな濃度差がみられず、一様に分布していることがわかる。なお、一部図２（ａ）の酸化被膜１５１内で白色部１５１ｄとなる箇所では鉄（Ｆｅ）元素の濃度分布と同様に濃度の低下が見られる。

次に、ケイ素（Ｓｉ）元素は、図２（ｄ）に示すように、その濃度分布は、基材１５０側が高く、内部分１５１ｃと中間部分１５１ｂの界面で一気に低下に転じることが分かった。ただ、中間部分１５１ｂにおいて図２（ａ）の白色部１５１ｄとなる箇所では濃度の上昇が見られる。

これらの結果から、酸化被膜１５１は、内部分１５１ｃから最外部分１５１ａに亘って鉄（Ｆｅ）元素と酸素（Ｏ）元素が存在し、最外部分１５１ａにはケイ素（Ｓｉ）元素がほぼ存在しておらず、中間部分１５１ｂの一部と、内部分１５１ｃにケイ素（Ｓｉ）元素が存在していることが明らかとなった。

次に各部分における上記元素の状態をさらに明らかにするため、ＥＥＬＳ（電子線エネルギー損失分光法）分析を実施した結果を以下に示す。

ＥＥＬＳ分析は、電子が試料を透過する際に原子との相互作用により失うエネルギーを測定することによって、物質の材料の組成や結合状態を分析する手法であり、構成元素や電子構造によって特定のエネルギー波形を示すことが明らかとなっている。

図５は図２（ａ）で確認した断面の一部領域を鉄（Ｆｅ）（図５（１））、酸素（Ｏ）（図５（２））、ケイ素（Ｓｉ）（図５（３））の各波形に限定し（図５（１）〜図５（３）のＺで示すメッシュ部）、マッピングした結果を示す。尚、図５（１）〜図５（３）の横に掲載した図５（ａ）〜図５（ｃ）は図５（１）〜図５（３）と同じ部分を示すもので、濃淡によって、強度を示しており、色が白くなるほど該当波形の占める割合が高いことを示す。

これらの結果から、酸化被膜１５１中における各鉄（Ｆｅ）、酸素（Ｏ）、ケイ素（Ｓｉ）の強度は、以下のような傾向を示した。
まず、鉄（Ｆｅ）元素は、図５（ａ）に示すように、酸化被膜１５１内では、最表面側から基材１５０側方向への鉄（Ｆｅ）の強度分布には大きな強度差がみられず、一様に分布していることがわかる。なお、一部、図２（ａ）で白色部１５１ｄとなる箇所では強度の低下が見られる。

次に、酸素（Ｏ）元素は、これも図５（ｂ）に示すように、鉄（Ｆｅ）の強度分布と同様に、酸化被膜１５１内では、最表面側から基材１５０側方向への酸素（Ｏ）の強度分布には大きな強度差がみられず、一様に分布しており酸化皮膜が形成されていることが確認された。なお、一部図２（ａ）で白色部１５１ｄとなる箇所では鉄（Ｆｅ）の強度分布と同様に強度の低下が見られる。

次に、ケイ素（Ｓｉ）元素は、図５（ｃ）に示すように、その強度分布は、基材１５０側が高く、内部分１５１ｃと中間部分１５１ｂの界面で低下に転じることが分かった。ただ、中間部分１５１ｂにおいて図２（ａ）の白色部１５１ｄとなる箇所では強度の上昇が見られる。

これらの結果から、前述のＥＤＳ分析の結果と同様にＥＥＬＳ分析によっても同様の傾向、すなわち、酸化被膜１５１は、内部分１５１ｃから最外部分１５１ａに亘って鉄（Ｆｅ）元素と酸素（Ｏ）元素が存在し、最外部分１５１ａにはケイ素（Ｓｉ）元素がほぼ存在しておらず、中間部分１５１ｂの一部と、内部分１５１ｃにケイ素（Ｓｉ）元素が存在していることが確認された。

次に前記ＥＥＬＳ分析をさらに進めて上記の如く確認した各部分の元素の種類を詳細に確認した。その結果を以下説明する。

図６（１）は最外部分１５１ａのＥＥＬＳ波形の鉄（Ｆｅ）に該当する部分の拡大波形である。この波形は典型的な三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）を示す波形である。この波形のピークに合致する箇所をマッピングした結果が図６（ａ）となる。鉄（Ｆｅ）全体でマッピングした図５（ａ）では強度分布が見られなかったが、三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）に限定すると最外部分１５１ａで白黒部が淡くなっていて非常に高い強度を示し、最外部分１５１ａがほぼ三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）で構成されていることが明確となった。

図７（１）は中間部分１５１ｂのＥＥＬＳ波形の鉄（Ｆｅ）に該当する部分の拡大波形である。この波形は四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を示す典型的な波形であり、他の中間部分１５１ｂの鉄（Ｆｅ）に該当する部分でも同様の波形が確認された。このことから、中間部分１５１ｂは四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）によって主に構成されていることが明確となった。

図７（２−１、２−２）は中間部分１５１ｂの白色部１５１ｄのＥＥＬＳ波形の酸素（Ｏ）に該当する同一部分の拡大波形である。図７（２−１）では５２５ｅＶ近傍にピークが見られ、一方図７（２−２）ではピークが見られない。５２５ｅＶ近傍のピークは酸化鉄に見られる特有のピークであることから、図７（２−２）の測定箇所では酸素（Ｏ）は鉄（Ｆｅ）と結合しない構造で存在していることが明らかとなった。

図７（３−１、３−２）は中間部分１５１ｂの白色部１５１ｄのＥＥＬＳ波形のケイ素（Ｓｉ）に該当する同一部分の拡大波形である。図７（２−１）（２−２）と図７（３−１）（３−２）はそれぞれ同一箇所のＥＥＬＳ波形である。図７（３−１）と図７（３−２）はほぼ同じ波形を示し、形状から酸素（Ｏ）と結合した状態のケイ素（Ｓｉ）が存在していることが明らかとなった。

図７（２−１、２−２）と図７（３−１、３−２）の結果から、中間部分１５１ｂの白色部１５１ｄには鉄（Ｆｅ）と結合せずケイ素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）が結合した二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）と、鉄（Ｆｅ）とケイ素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）が結合したファイヤライト（Ｆｅ２ＳｉＯ４）といった構造の異なるケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）が存在していることが明らかとなった。

更に、前記内部分１５１ｃの黒色部のＥＥＬＳ波形の鉄（Ｆｅ）に該当する部分の拡大波形は図７（１）とほぼ同様の形状を示した。このことから、内部分１５１ｃも中間部分１５１ｂと同様に四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）によって主に構成されていることが明確となった。

図８は内部分１５１ｃのＥＥＬＳ波形のケイ素（Ｓｉ）に該当する部分の拡大波形である。この波形は図７（３−１、３−２）とは異なる形状を示し、酸素（Ｏ）と結合した状態を確認できないことから、この箇所ではケイ素（Ｓｉ）が固溶した状態で存在していることが示唆される。また内部分１５１ｃの他の箇所で図７（２−１）、図７（３−１）と同様の波形も確認されたことからケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）も存在していることが明らかとなった。

以上の分析の結果から、本発明の実施の形態の酸化被膜１５１は、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる最外部分１５１ａと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分からなる中間部分１５１ｂと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる内部分１５１ｃによって構成されていることが明らかとなった。

次に本発明の実施の形態における酸化被膜１５１の優位性（効果）を確認するため、酸化被膜１５１を施したクランクシャフト１０８によって実機の信頼性試験を高負荷の運転条件で実施した。その結果を次に説明する。

図９は上記信頼性試験実施後のクランクシャフト１０８の摺動表面近傍の断面のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）画像を示す。ねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）からなる基材１５０上に（基材１５０の右側に）、酸化被膜１５１が形成されていることがわかる。酸化被膜１５１は信頼性試験後においても最外部分１５１ａ、中間部分１５１ｂ、内部分１５１ｃの三部分構造になっており、各部分の構成状態も変化していないことが確認された。

上記の結果を踏まえ、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる最外部分１５１ａの作用について考察する。

前記摩耗試験の結果にも示されたように三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）はその結晶構造が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）や、窒化被膜と比較して結晶構造面で柔軟になっていることにより、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る作用を有す。

また、信頼性試験の結果から本実施の形態の酸化被膜１５１は信頼性試験後の摩耗が確認されず、耐摩耗性が高いことが示されており、三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）は、自己耐摩耗性を高める作用がある。

これは、摩耗に直結する機械的物性である硬度が、最外部分１５１ａである三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）が有する硬度は５３７Ｈｖ程度であるのに対し、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）の硬度が４２０Ｈｖ程度と、三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）の方が高いため、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単部分からなる比較例２の従来の一般的な酸化被膜より強固な耐摩耗性を有した部分を形成していからと推察される。また、中間部分１５１ｂ、内部分１５１ｃに含まれるケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）は一般的に酸化物より硬度が高いため、最外部分１５１ａが摩耗したとしても、中間部分１５１ｂ、内部分１５１ｃ自体も比較例２の従来の一般的な酸化被膜より優れた耐摩耗性を発揮するからと推察される。

次に従来の四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）単部分からなる酸化被膜に比べて膜の密着性（耐力）が高い点について考察する。

この膜の密着性（耐力）が高くなった理由は以下のように考えられる。すなわち、神戸製鋼技報Ｖｏｌ．１．５５（Ｎｏ．１ Ａｐｒ．２００５）によれば、鉄鋼材料の熱間圧延工程で、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。このことから、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。

以上から、本実施の形態によれば、鉄系材料である摺動部材の摺動面に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）である部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる酸化被膜を施したことにより、摺動部材は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。

なお、本実施の形態の酸化被膜１５１では膜厚を約２μｍ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％含有してなるねずみ鋳鉄（ＦＣ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、例えば球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ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。

以上、本実施の形態において往復動式の冷媒圧縮機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。

また、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に優れた酸化被膜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減少す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することができる。

（実施の形態２）
図１０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１０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、圧縮機２１１として実施の形態１で説明した密閉型圧縮機と、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。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、圧縮機２１１として本発明の実施の形態１における密閉型圧縮機を搭載することにより、鉄系材料の摺動面に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）からなる最外部分１５１ａと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分からなる中間部分１５１ｂと、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる内部分１５１ｃからなる酸化被膜１５１を施したことにより、耐摩耗性が向上するとともに基材１５０と酸化被膜の密着性が向上して、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、性能が向上するので、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、低粘度潤滑油を用いながら信頼性が高い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。

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
１５１ａ 最外部分
１５１ｂ 中間部分
１５１ｃ 内部分
１５１ｄ 白色部
２０９ 冷媒回路
２１１ 圧縮機
２１３ 放熱器
２１５ 減圧装置
２１７ 吸熱器

Claims (10)

1. 密閉容器内に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であり、
   前記鉄系材料の摺動面に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）である部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分とからなる酸化被膜を施しており、
   前記酸化被膜は、最表面から順に、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ ₂ Ｏ ₃ ）からなる最外部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ ₃ Ｏ ₄ ）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）を含む部分からなる中間部分と、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ ₃ Ｏ ₄ ）でケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分からなる内部分とを備えたものである、冷媒圧縮機。
2. 酸化被膜に含まれるケイ酸塩（Ｓｉ酸化物）は二酸化ケイ素（ＳｉＯ₃）もしくはファイヤライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）のいずれか一方または両方を含む請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 酸化被膜はその総膜厚を１〜５μｍとした請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
4. 摺動部材となる鉄系材料はケイ素を０．５〜１０％程度含有する請求項１から３にいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
5. 鉄系材料を鋳鉄とした請求項４に記載の冷媒圧縮機。
6. 冷媒をＲ１３４ａ等のＨＦＣ系冷媒もしくはその混合冷媒とし、前記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５のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
7. 冷媒をＲ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ７４４等の自然冷媒もしくはその混合冷媒とし、前記潤滑油を鉱油、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５のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
8. 冷媒をＲ１２３４ｙｆ等のＨＦＯ系冷媒もしくはその混合冷媒とし、前記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５のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
9. 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８のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
10. 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、前記圧縮機を、請求項１から９のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機とした冷凍装置。

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