JP6041177B1 - 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久性が低下せず、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であり、鉄系材料の摺動面に、微結晶からなる第一の部分１５１と、柱状組織を含有する第二の部分１５２と、層状組織を含有する第三の部分１５３からなる酸化被膜１６０を施すことにより、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９は、特許文献１に記載された従来の冷媒圧縮機の断面図を示すものである。

図９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を有する。

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が形成してある。

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、冷媒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、冷媒圧縮機の高効率化を図るために、より粘度の低い潤滑油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る。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、高効率の冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置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、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備え、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、微結晶からなる第一の部分と、柱状組織を含有する第二の部分と、層状組織を含有する第三の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、摺動部材は自己耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せ持つとともに、基材と酸化被膜の密着性を向上できるので、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することができる。したがって、摺動ロスの低減が図れ、高い性能が実現でき、かつ長期信頼性を確保することができる。

本発明の冷媒圧縮機は、上記構成により、耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せて実現し、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、高信頼性、高効率の冷媒圧縮機および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 同実施の形態における冷媒圧縮機の摺動部に形成した酸化被膜の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 同実施の形態における酸化被膜のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＥＭ（二次電子顕微鏡）像 同実施の形態における酸化被膜のＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）像 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 同実施の形態を用いた酸化被膜の実機信頼性試験後の摺動部材における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 従来の冷媒圧縮機の断面図

第１の発明は、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備え、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、微結晶からなる第一の部分と、柱状組織を含有する第二の部分と、層状組織を含有する第三の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、摺動部材は自己耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せ持つとともに、基材と酸化被膜の密着性を向上できるので、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。したがって、摺動ロスの低減が図れ、高い性能が実現でき、かつ長期信頼性を確保することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記酸化被膜は、最表面から第一の部分、その下に第二の部分、更にその下方に第三の部分を備えた構成としてある。

これにより、効果的に自己耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せ持つことができ、長期信頼性を確保することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第一の部分の結晶粒径を０．０１から０．２μｍとし、第一の部分の結晶粒径は、第二の部分のそれよりも小さくした構成としてある。

これにより、保油性の高い微結晶組織として、例え貧油条件下での摺動となっても油膜の形成を促すことができ、さらに耐摩耗性が向上する。

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、前記第二の部分は、アスペクト比が１から２０とする縦長の結晶組織を含有する構成としてある。

上記第二の部分を摺動方向に対し垂直な縦長結晶が密集形成した組織とすることで、機械的特性が向上し、酸化被膜の耐久性がさらに向上する。

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、第三の部分は、アスペクト比が０．０１から１とする横長の結晶組織を含有する構成としてある。

上記第三の部分を摺動方向に対し平行な横長結晶が密集形成した組織とすることで、組織に滑り性を持たせることができ、耐剥離性、密着性が向上し、酸化被膜の耐久性が一段と向上する。

第６の発明は、第１から第５のいずれか１つの発明において、酸化被膜は、鉄、酸素、ケイ素から構成してある。

これにより、酸化被膜は、機械的強度、耐剥離性、密着性に優れ、その耐久性が向上する。

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、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、摺動部材の耐摩耗性が向上し、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。

第８の発明は、第１から第７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９の発明は、第１から第７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１０の発明は、第１から第７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１１の発明は、第１から第１０のいずれか１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、各摺動部への給油量が少なくなる低速運転時においても、耐磨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、高い信頼性を維持することができ、さらに冷媒圧縮機の信頼性を向上することができる。

第１２の発明は、冷凍装置であり、この冷凍装置は、冷媒圧縮機、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、前記冷媒圧縮機を第１から第１１のいずれか一つの発明の冷媒圧縮機とした構成としてある。

これにより、体積効率が向上した冷媒圧縮機の搭載によって冷凍装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。

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。尚、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のＥＤＳ分析による元素マッピングを行った結果の一例を示す顕微鏡写真である。

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。

上記クランクシャフト１０８は、図２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）像の（ａ）全体像から明らかなように、基材１５４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１６０が形成されている。

酸化被膜１６０は、最表面から、微結晶１５５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、更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、そして基材１５４というような構成を呈している。尚、本実施の形態における酸化被膜１６０の膜厚は約３μｍ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、鉄系の材料からなり、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により偏心軸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１７１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１７１は高効率化を図るため、既述した如くより粘度の低い潤滑油を使用したり、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、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構成の酸化被膜１６０が施してあるので、油膜切れ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、この摩耗を抑制する酸化被膜１６０についてさらに詳述する。

酸化被膜１６０は、基材１５４をねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）としたクランクシャフト摺動表面を研磨仕上げした後、酸化性ガスを用いた酸化処理により形成している。

その酸化被膜１６０は既述したようにその全体像を図２（ａ）に示しており、同図２（ａ）および同図２（ａ）の（Ａ）部を拡大して示す図２（ｂ）、同図２（ｂ）の（Ｂ）部を拡大して示す図２（ｃ）を用いて説明する。

図２（ａ）は、向かって上側が最表面、下側が基材１５４に相当する。以降、上下方向を縦方向、上下と垂直方向を横方向と称する。

図２（ａ）に示し既述したように、酸化被膜１６０は、最表面から、微結晶１５５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、更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。

尚、図２（ａ）において、第一の部分１５１の上方は観察試料を保護するための保護膜（カーボン蒸着膜）である。

図３（ａ）は、本実施の形態１における第一の部分１５１及び第二の部分１５２のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＥＭ（二次電子顕微鏡）像であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の（Ｃ）部を拡大して示すものである。尚、同各図において、第一の部分１５１の上方は観察試料の保護のための樹脂となっている。

図４は、本実施の形態１における酸化被膜１６０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（走査イオン顕微鏡）像である。尚、上記した如く第一の部分１５１の上方は観察試料の保護のため樹脂で包埋している。

上記図２及び図３から明らかなように、最表面に形成される第一の部分１５１は、粒径が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構成されていることがわかる。

また、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５００ｎｍ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、図２及び図４から、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。

次に、上記各々三つの部分の各々の組織と耐摩耗性の関係について説明する。

ここでは、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にて、基材１５４をねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）としたディスクの最表面に施された実施例を含む４種類の表面処理膜の摩耗特性と、基材をねずみ鋳鉄として表面研磨のみが施行された相手側のリング摺動面への攻撃性を併せて評価した。

本発明の実施の形態１である酸化被膜１６０の実施例の評価比較対象として、リン酸塩被膜を施した従来例、及び層状組織１５７を含有する単層からなる酸化被膜の比較例１と、層状組織１５７を含有する部分の上方に柱状組織１５６を含有する部分のみを形成させた二層からなる酸化被膜の比較例２とを用いた。

図５は、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、図６は同リングの摩耗量を示す。

図５に示すように、本発明の実施例、比較例１、並びに比較例２のいずれの酸化被膜も、従来例に比べて摩耗量が少なく、自己耐摩耗性が優れていることがわかる。特に、本発明の実施例並びに比較例２の酸化被膜を施したディスクにおいて、その表面に摩耗が殆ど認められず、酸化被膜自体の自己耐摩耗性が優れていることがわかる。

一方、図６に示すように、相手材であるリングの摩耗量は、比較例２において、摩耗が増加し相手攻撃性が高いことがわかる。

以上の結果から、本発明を採用した実施例のみが、ディスク、リングともに殆ど摩耗が認められず耐摩耗性と相手攻撃性が良好な結果を示すことがわかる。

この結果について、以下、考察する。

すなわち、比較例１のような摺動方向に対し平行で単層からなる層状組織１５７を含有する部分では、摺動により組織に滑りが生じると推測される。その結果として、摩耗はある程度生じるが、相手攻撃性は低くなっていると考えられる。

一方、比較例２のような柱状組織１５６は無数の束状を呈しているため、機械的強度が高く、自己耐摩耗性は高いと推測される。しかしながら、摺動が開始されてしばらくの間、いわゆる初期摩耗域の間に、相手の摺動材（リングで表面は未処理のまま）表面を攻撃する傾向にあり、結果的にリングに摩耗が生じたと考えられる。また、試験後の柱状組織１５６と層状組織１５７の界面付近に剥離は確認されないことから、試験後の柱状組織１５６と層状組織１５７の界面間の密着強度、耐剥離性は高いと推測される。

これらのことから、各比較例に対し、本発明の実施例の酸化被膜１６０は、自己耐摩耗性が高いだけでなく、相手の摺動材（リング）の摩耗も殆ど認められず、耐摩耗性と相手攻撃性が良好な結果を示したのである。

その要因としては、第一の部分１５１の存在によるものと推測される。第一の部分１５１を形成する微結晶１５５の粒径は１００ｎｍ以下であり、微結晶１５５間の僅かな空隙、表面の微小な凹凸面によって、摺動状態が厳しい状況でも摺動面に潤滑油を留める、いわゆる保油性が発揮され、その結果、摺動面に油膜が形成され易く、また、微結晶１５５は基材側に存在する柱状組織１５６と層状組織１５７が当該微結晶１５５に比べやわらかいこともあって基材側に圧縮されるような形となり、顕著に相手攻撃性を低下せしめ、摩耗を抑制したものと考えられる。

保油性が高い点については、別の要素実験において、実施例の酸化被膜１６０を表面に形成した鋳鉄丸棒の下方を潤滑油に浸漬させると、毛細管現象により潤滑油が顕著に上昇することからも裏付けられた。

尚、本実施の形態では、第一の部分１５１は、粒径が１００ｎｍ以下からなる微結晶１５５が敷き詰められたような組織としたが、結晶粒径を０．０１から０．２μｍとしても同様の効果が得られた。

また、本実施の形態では、第一の部分１５１の下方に位置する第二の部分１５２は、最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としたが、１から２０としても同様の効果が得られた。

更に、本実施の形態では、第二の部分１５２の下方に位置する第三の部分１５３は、縦方向の径を横方向の径で除したアスペクト比が０．０１から０．１としたが、０．０１から１としても同様の効果が得られた。

次に、第三の部分１５３には基材１５４の組織であるセメンタイト１５８が確認されるが、第一の部分１５１及び第二の部分１５２には確認できない。このことから、第三の部分１５３は、基材１５４に酸素が拡散されて形成され、第一の部分１５１と第二の部分１５２は酸化物が成長して形成されたと推測する。

以上の結果から、摺動部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、その鉄系材料の摺動面に、微結晶１５５からなる第一の部分１５１と、柱状組織１５６を含有する第二の部分１５２と、層状組織１５７を含有する第三の部分１５３からなる酸化被膜１６０を施すことによって、自己耐摩耗性が高く、かつ相手攻撃性も低いものとすることができることが分かった。

次に、実際に、表面に三層からなる酸化被膜１６０が形成されたクランクシャフト１０８を搭載した冷媒圧縮機１７１を用いて、実機信頼性試験を行った。尚、比較対象として、従来例の被膜を施したクランクシャフトを搭載した冷媒圧縮機も併せて試験を行った。

本試験では、Ｒ１３４ａ冷媒とＶＧ３（４０℃での粘度グレードが３ｍｍ²／ｓ）のエステル油を用いた。クランクシャフト１０８の主軸１０９の摩耗を加速させるべく、高温環境で、かつ短時間で運転と停止を繰り返す高温高負荷断続運転モードの試験とした。

実機信頼性試験後に、冷媒圧縮機を解体し、クランクシャフト１０８を取り出して摺動部を観察した結果からは、従来例では摩耗が発生しており被膜の損耗が確認されたが、実施例の酸化被膜１６０の損傷は極めて軽微であった。その後、クランクシャフト１０８の摺動部の断面観察を行った。

図７に、実機信頼性試験後のクランクシャフトにおけるＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行った結果を示す。尚、第一の部分１５１の上方は観察試料を保護するための保護膜である。

この図から、過酷な実機信頼性試験にも拘らず、微結晶１５５から構成される第一の部分１５１が残存していることが分かる。即ち、第一の部分１５１で定常摩耗域（いわゆる摺動面がなじみ、摩耗の進行速度が非常に遅い領域）になっており、冷媒環境下においても、耐摩耗性が非常に良好であることが分かった。

以上の結果から、本実施の形態によれば、電動要素と、電動要素により駆動され冷媒を圧縮する圧縮要素とを備え、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、微結晶からなる第一の部分と、柱状組織を含有する第二の部分と、層状組織を含有する第三の部分からなる酸化被膜を施していることにより、耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せて実現し、従来例の被膜では困難であった高効率設計、即ち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、高信頼性、高効率の冷媒圧縮機を提供することができる。

尚、本実施の形態の酸化被膜１６０では膜厚を約３μｍ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１５４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、他のＨＦＣ系冷媒、あるいＨＦＣ系の混合冷媒としても、潤滑油をエステル油以外の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、またはこれらの混合油としても同様の冷媒圧縮機の高効率化と高信頼性化が得られる。

また、冷媒を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ても、あるいは、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ても同様の効果が得られる。

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１７１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の向上と相手攻撃性の抑制を併せ持つ酸化被膜１６０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少なくな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、信頼性を向上させることができる。

（実施の形態２）
図８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８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２７５と、本体２７５の内部を、物品の貯蔵空間２７６と機械室２７７に区画する区画壁２７８と、貯蔵空間２７６内を冷却する冷媒回路２７０を具備している。

冷媒回路２７０は、冷媒圧縮機１７１と、放熱器２７２と、減圧装置２７３と、吸熱器２７４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２７４は、送風機（図示せず）を具備した貯蔵空間２７６内に配置されている。吸熱器２７４の冷却熱は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間２７６内を循環するように撹拌され、貯蔵空間２７６内は冷却される。

以上の構成からなる冷凍装置は、本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機１７１を搭載することにより、冷媒圧縮機１７１を構成する鉄系材料の摺動面に、微結晶からなる第一の部分と、柱状組織を含有する第二の部分と、層状組織を含有する第三の部分からなる酸化被膜が施されていることにより、耐摩耗性の向上と相手攻撃性の抑制を併せて実現し、従来例の被膜では困難であった高効率設計、即ち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、冷凍装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。

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冷媒圧縮機及びそれを用いた冷凍装置を提供することが可能となり、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
１５１ 第一の部分
１５２ 第二の部分
１５３ 第三の部分
１５５ 微結晶
１５６ 柱状組織
１５７ 層状組織
１６０ 酸化被膜
１７１ 冷媒圧縮機
２７０ 冷媒回路
２７２ 放熱器
２７３ 減圧装置
２７４ 吸熱器

Claims (11)

1. 電動要素と、前記電動要素により駆動され冷媒を圧縮する圧縮要素とを備え、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、微結晶からなる第一の部分と、柱状組織を含有する第二の部分と、層状組織を含有する第三の部分からなる酸化被膜を施しており、
   前記酸化被膜は、最表面から第一の部分、その下に第二の部分、更にその下方に第三の部分から構成されている、冷媒圧縮機。
2. 第一の部分の結晶粒径を０．０１から０．２μｍとし、前記第一の部分の結晶粒径は、第二の部分のそれよりも小さい請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 第二の部分は、アスペクト比が１から２０とする縦長の結晶組織を含有する請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
4. 第三の部分は、アスペクト比が０．０１から１とする横長の結晶組織を含有する請求項２または３に記載の冷媒圧縮機。
5. 酸化被膜は、鉄、酸素、ケイ素から構成された請求項１から４のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
6. 酸化被膜はその膜厚を１〜５μｍ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. 圧縮要素で圧縮する冷媒を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請求項１から６のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
8. 圧縮要素で圧縮する冷媒を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請求項１から６のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
9. 圧縮要素で圧縮する冷媒を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請求項１から６のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
10. 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９のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
11. 冷媒圧縮機、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、前記冷媒圧縮機を請求項１から１０のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機とした冷凍装置。

Images