JPH04159486A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は圧縮機に係り、特に摺動部の耐摩耗性および耐
焼付性を改善し耐久性に優れた圧縮機に関する。

（従来の技術） 冷凍機、冷蔵庫、空調機やショーケースにおいては冷媒
を圧縮する圧縮機が主要機器として装備されている。上
記用途例において一般的に使用されている圧縮機として
、第１図および第２図に示すような密閉型のロータリ圧
縮機がある。

この圧縮機１は、ケーシング２の内部にモータ３ａと圧
縮要素３ｂとを内装し、圧縮要素３ｂはモータ３から延
びる回転軸４を主軸受５と副軸受６に挿通させ、この主
軸受５と副軸受６との間に、仕切板７を介して２基のシ
リンダ８ａ、８ｂを配設し、各シリンダ８ａ、８ｂ内に
おいて、前記回転軸４に形成された偏心部９ａ、９ｂに
それぞれ円筒状のローラ１０ａ、１０ｂを嵌合させる一
方、第２図に示すように偏心回転するローラ１０ａ。

１０ｂに対して常時押し付けて接触するように、ベーン
ｌｌａ、ｌｌｂが配設されて構成される。

ベーンｌｌａ、ｌｌｂは偏心部９ａ、９ｂおよびローラ
１０ａ、１０ｂの回転に応じて往復動し、各シリンダ８
ａ、８ｂ内部を圧力的に仕切る役割を果している。こう
して圧縮機１は、モータ３の駆動によって前記ローラ１
０ａ、１０ｂをシリンダ８ａ、８ｂ内において偏心回転
させることにより、シリンダ８ａ、８ｂ内に吸入したガ
スを圧縮して吐出するものである。

上記のような圧縮機１においては、主副軸受５゜６と回
転軸４、シリンダ８とベーン１１、仕切板７とローラ１
０など相互に摺接する摺動部における摩耗が特に顕著に
なるため、高い耐摩耗性を有する摺動材で形成する必要
がある。

従来、この種の摺動材としては、高速度鋼や共晶黒鉛鋳
鉄の溶解材、さらにより具体的には１゜５ｗｔ％Ｃｕ−
０，８ｗｔ％Ｃ−残部Ｆｅから成るＦＣ鋳物材、ＳＭＦ
４０３０などのＳＭＦ−４種材（鉄−炭素−銅系合金）
など耐摩耗性を高めた材料が一般に使用されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、近年、圧縮機は冷凍機用、冷蔵庫用、空
調機用などの用途を問わず、高性能化や使用条件の拡大
が求められている。特に空調機においては、使用者の住
空間の変化や快適性の要求水準の高まりが著しく、イン
バータを装備したものが標準品になりつつある。このよ
うな空調機に使用される圧縮機では従来以上に苛酷な運
転条件、すなわち高負荷条件下での高速運転や変速運転
が要求されている。

特に回転軸と、軸受との摺動部における潤滑状態も、い
わゆる流体潤滑から境界潤滑に移行し易くなり、Ｐｖ値
も増大する。すなわち高速運転域では、ＰＶ値が増大し
、圧縮機内の潤滑油も吐出され易（なり、潤滑状態が悪
化して焼付きを生じる危険性が高くなる。

逆にエネルギ効率を高めるために圧縮機の０Ｎ−ＯＦＦ
動作の回数を低減して、より低速域での運転を行なうと
、回転軸と主副軸受との間の摺動部への給油量が減少し
て焼付きが生じ易くなるとともに、ジャーナル軸受とし
ての軸受負荷が低下して、回転軸と主副軸受とが金属接
触する機会が増大して摩耗が急速に進行してしまう問題
点がある。

このような問題点を改善し、摺動特性を向上させるため
に、給油機構の改善や軸受構造の改良および耐摩耗性に
優れた軸受や回転軸の材料開発や摺動材の表面処理方法
が種々検討されている。

例えば、インバータ駆動の圧縮機の低速運転時のように
潤滑状態の悪化により潤滑油膜厚さが充分に保持できな
い場合には、摩耗が急速に進行する場合があり、この対
策として硬度が高い材料を使用したり、表面処理によっ
て摺動材の表面硬度を高める方法も採用されている。

しかしながら、摺動材の表面硬度を高めるのみでは、耐
摩耗性は向上するが、摺動部におけるかじりを生じ易く
、起動直後における初期なじみまたは耐焼付性が悪化す
る場合も多い。

また表面処理による摺動材の表面硬度を高めることは、
形状が単純な回転軸等においては、比較的に容易である
一方、主副軸受などのように凹部を有する複雑形状の部
品では均一な表面処理が困難であり、摺動特性が全体と
して低下してしまう問題点もある。

一方、摺動材として鉄系粉末から成る焼結体を使用する
場合もあるが、焼結体には無数の微細な連通孔が形成さ
れており、この焼結体でシリンダや軸受、仕切板やロー
ラを形成した場合には、圧縮機内の冷媒の一部が連通孔
を通り抜けることにより圧縮機の体積効率が大幅に低下
してしまう問題点がある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、耐摩耗性および耐焼付性が共に優れ、耐久性が著
しく改善され、かつ体積効率の低下が少ない圧縮機を提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 本発明者等は上記の目的を達成するため、圧縮機の摺動
部を構成する材料を種々変えて、その摺動特性を比較検
討し、さらに摺動材の表面処理方法が摺動特性に及ぼす
影響について研究し、本発明を完成した。

すなわち本発明に係る圧縮機は、回転軸と軸受など相互
に摺動する少なくとも一対の摺動材から成る摺動部を有
する圧縮機において、上記摺動材の一方を、重量％でＣ
Ｏ３９〜３％、Ｃｕ１〜９％、Ｓｎ０．３〜３％、残部
Ｆｅから成り、フェライトまたはパーライト基地に黒鉛
、青銅および鉄酸化物が分散した組織を有する鉄系焼結
合金で形成する一方、他方の摺動材を鉄系鋳物、アルミ
ニウム系鋳物および鋼のいずれかで形成したことを特徴
とする。

さらに鉄系焼結合金は、封孔処理したものを使用すると
よい。

また他方の摺動材の表面に窒化処理層を形成するとよい
。

さらに一対の摺動材の少なくとも一方の摺動材表面に、
リン酸塩皮膜、二硫化モリブデン皮膜および硫化鉄皮膜
の少なくとも一層から成る表面改質層を形成して構成す
ることもできる。

以下本発明において使用する摺動材の組成等について以
下に順次説明する。

Ｃは、基地を構成するＦｅと反応して耐摩耗性を有する
パーライトを生成する元素であり、かつ基地中に遊離黒
鉛として分散し、摺動面の潤滑性を高めて摺動材のかじ
りを防止し、初期摺動特性を改善するために０，９〜３
重量％（ｗｔ％）添加される。Ｃ添加量が０，９％未満
の場合には摺動特性の改善効果が少ない一方、添加量が
３％を超える場合には、脆化し成形性が低下し、高密度
かつ高強度の焼結体が得られにくい。また基地中に分散
した遊離黒鉛量はＣの総添加量の３０％以上が望ましい
。

またＣｕはＳｎと合金化されて青銅となり、摺動材の初
期摺動特性を改善するために１〜９ｗｔ％添加される。

Ｃｕの添加量が１　ｗ　ｔ％未満の場合には、添加の効
果が少ない一方、添加量が９ｗｔ％を超えると、硬度が
低下し、摺動材としての耐久性が低下してしまう。Ｓｎ
は、青銅合金を形成するためＣｕの添加量の１／３程度
、すなわち０．３〜３％添加される。但し、添加する場
合は青銅粉末として添加することも可能である。

ざらに摺動材の耐摩耗性および摺動特性を改善するため
に上記Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃの他にＮｉ、Ｍｏ。

Ｓｉから選択される少なくとも１種の元素を所定量添加
するとよい。例えばＮｉの場合は、その添加量を０．５
〜４％、ＭＯの場合は０．５〜１０％、Ｓｉの場合は０
．３〜４％の範囲に設定するとよい。

本発明に係る圧縮機において使用される一方の摺動材は
、鉄粉に重量％で０．９〜３％のカーボン粉末、１〜９
％のＣｕ粉末、０．３〜３％のＳｎ粉末を添加混合し所
定形状に成形した後に、成形体を１０００℃程度の温度
によっ焼結し、得られた焼結体を水蒸気処理法等によっ
て封孔処理して製造される。ここで焼結体の密度は６．
０〜７゜０ｇ／ＣＩ／！の範囲が好ましい。この密度が
６．０ｇ／　ｃｄ以下であると摺動材の部品としての構
造強度が低下する一方、密度が７．０ｇ／ｃｄを超える
と、潤滑油の保油性が優れる鉄酸化物の生成量が減少し
て摺動特性および耐久性が共に低下してしまう。

ここで水蒸気処理は温度５５０〜６００℃、圧力０．３
〜１　ｋｇ／ｃｄの過熱水蒸気中に焼結体を２〜３時間
保持するものである。

この水蒸気処理により焼結体の基地組織の空孔に鉄酸化
物が分散生成される。この鉄酸化物量は焼結体の全容積
に対して５〜２０ＶＯ１％に設定するとよい。この鉄酸
化物は焼結体の耐摩耗性を向上させるとともに、焼結体
の基地組織の空孔を封じる役割（封孔作用）を果して気
密性を与える。この封孔処理を行なうことにより、圧縮
機内の冷媒ガスが焼結体中を通り抜けることが防止でき
るため、圧縮機の体積効率を大幅に改善することができ
る。鉄酸化物はまた潤滑油の保油性に優れている。鉄酸
化物の生成量が５ｖ０１％未満であると上記効果が少な
く、一方生成量が２０ｖｏ１％を超えると、焼結体の強
度が低下してしまう。さらに、水蒸気処理により焼結体
の基地組織に存在している窒素分が拡散して、基地組織
の粒子中に固溶するために、窒素分の存在による焼結体
の脆化を大幅に改善できる。

一方、摺動部を形成する他方の摺動材は、ＦＣ材（ねず
み鋳鉄材）またはＦＣＤ材（球状黒鉛鋳鉄材）のような
鉄系鋳物材、ＳＣＭ材（クロムモリブデン鋼）、ＳＴＫ
Ｍ材（機械構造用炭素鋼）のような鋼材、あるいはシリ
コンを含有するアルミニウム鋳物材や鍛造材で形成する
とよい。これらの材料で形成された摺動材は、上記の焼
結体で形成した一方の摺動材（相手材）とのなじみが良
く、かじり等を発生することが少なく、優れた摺動特性
を発揮する。

さらに少なくきも一方の摺動材表面に窒化処理層を形成
することにより、摺動材の耐摩耗性を大幅に向上させる
ことができる。この窒化処理層は、例えばアンモニア３
０〜５Ｑｖｏ１％を含む雰囲気中で、温度５００〜７０
０°Ｃ１１５分〜２時間の条件で形成される。この窒化
処理により焼結体の基地組織に鉄窒化物等が分散生成さ
れ、焼結体に耐摩耗性が付与される。

また互いに摺接する一対の摺動材の少なくとも一方の摺
動面は、研摩後に実機にそのまま装着してもよいが、研
摩後にリン酸塩皮膜や二硫化モリブデン皮膜、硫化鉄皮
膜を表面改質層として単層で、または複層に形成するこ
とにより、摺動材の耐焼付性がさらに向上する。上記各
皮膜で形成した表面改質層はいずれも摺動面の潤滑性を
向上させる作用があり、耐摩耗層としても機能する。上
記各種皮膜は、それぞれの成分を含有する溶液中に、脱
脂した摺動材を含浸したり、溶液を塗布した後に焼付け
したりすることにより形成される。

特に封孔処理した焼結体で形成した摺動材の表面を研摩
後に、上記皮膜を形成する一方、相手材となる摺動材表
面に窒化処理層を形成した摺動部を有する圧縮機は特に
耐久性が優れることが確認された。すなわち相手材とな
る摺動材表面を窒化処理することにより、表面硬度が上
昇することに加えて、生成した窒化鉄が鋳鉄と比較して
、上記組成の焼結体と化合物を形成しにくいという特徴
があり、この特徴により、耐摩耗性が著しく向上するた
めである。

また相手材となる摺動材の表面に、リン酸塩皮膜、二硫
化モリブデン皮膜および窒化処理層を組み合せて複合的
に形成した摺動材も、優れた摺動特性を示す。

また前記焼結体で形成した摺動材の相手材となる摺動材
がアルミニウム系材料で形成されている場合には、その
相手材の表面に陽極酸化層を形成すると摺動特性がより
向上する。さらに陽極酸化後、四フッ化エチレンまたは
モリブデンを含浸させる表面処理を行なうことにより、
摺動特性をより向上させることができる。

このようにして製造された摺動材は、従来一般に使用さ
れているＳＭＦ−４種材やＦＣ材と比較して強靭な基地
組織に加え、硬度が大きく耐摩耗性が大幅に向上する。

さらに基地組織中に存在する錫や黒鉛の潤滑作用により
摺動材の耐焼付性が大幅に向上し、苛酷な使用条件に耐
え得る優れた耐摩耗材料となる。したがってこれらの摺
動材を軸受と回転軸、シリンダとベーン、仕切板とロー
ラなどの摺動部に使用した圧縮機は、優れた耐摩耗性お
よび耐焼付性を有し、長期間に亘って安定した状態で運
転することができる。

特に封孔処理を行なった摺動材は、気密性に優れ、冷媒
ガス等の被圧縮ガスを透過させることがないため、圧縮
機の体積効率を高く維持することができる。

（実施例） 次に本発明に係る圧縮機に使用する摺動材の特性を従来
材と比較して説明する。

摺動材は以下に述べる方法で製造した焼結体を使用した
。すなわち平均粒径３０〜６０μｍの鉄粉に重量％で黒
鉛粉を２％、１０％錫からなる青銅粉を５％添加して均
一に混合した原料粉末を成形圧６　ｔｏｎ／ｃｓｄで加
圧して厚さ２ｏｎのブロック状の粉末成形体を成形し、
この成形体を非酸化性雰囲気中で温度１０３０℃で１時
間焼結して徐冷した。

こうして製造された焼結体を温度６００℃で圧力０、　
５ｋｇ／ｃｄの過熱水蒸気中に３時間保持する水蒸気処
理を施すことにより封孔処理したブロック状の焼結体を
形成し、この焼結体で上記摺動材（試料１）を形成した
。

一方、上記焼結体と比較するため、従来材であるＳＭＦ
−４種材およびＦＣ材で試料１と同一寸法の摺動材ブロ
ック（試料２、試料３）をそれぞれ形成した。

こうして得られた試料１〜３の摺動特性を比較するため
、円柱状のピンをブロックのＶ溝に装着して相互に摺動
させるグアレックス法による摩耗試験を行ない、各試料
の耐焼付性および耐摩耗性を評価した。摺動部の相手材
となるピンはＦＣＤにて形成したものを使用した。また
耐焼付性については、ピンとブロックとの摺動部に潤滑
油を供給しない無潤滑状態（Ｄ　ｒ　ｙ）において焼付
きを生じるまでの時間を測定する一方、摺動部を冷凍機
油中に浸漬した状態において、ブロックに負荷する荷重
を徐々に増加させて、焼付きを生した時点での荷重量を
測定した。また耐摩耗性を表わす指標として、ピンおよ
びブロックの双方の摩耗量の総和を示す比摩耗量および
ブロック材の硬度を測定し下紀第１表に示す結果を得た
。

第１表に示す結果から明らかなように、本発明に係る圧
縮機に使用する試料１の摺動材は、試料２．３に示す従
来材と比較して硬度が９５８ＲＢ（ロックウェル　Ｂ　
スケール）と大きく、比摩耗量も１／２〜１７５程度に
減少し、優れた対摩耗特性を示す。特に無潤滑状態にお
いて焼付きを生じるまでの時間が長く、圧縮機において
油潤滑が不充分な場合においても、焼付きを発生する可
能性を排除することができ、圧縮機の耐久性を大幅に改
善することができる。

次に第１図に示すロータリー式圧縮機の回転軸４と副軸
受６とで構成される一対の摺動材を試料１〜３の他の種
々の材料で形成し、耐久試験を行なった。

すなわち第２表の左欄に示すように、実施例１に示す圧
縮機においては、回転軸をＦＣＤ材で形成する一方、副
軸受は、前記試料１と同一組成の焼結体を同一の封孔処
理をして形成した鉄系焼結合金で形成した。

実施例２では、ＦＣＤ製の回転軸を温度６００℃の下で
ＲＸガス（ｃｏ−ｃ○２ガス）２３ｖｏ１％−アンモニ
アガス６０％−窒素ガス１７％から成る雰囲気中で１時
間保持し、表面を窒化処理して硬化層を形成する一方、
副軸受は実施例１と同一組成の焼結体で窒化処理を施さ
ない材料で形成したものである。

実施例３の圧縮機は実施例２で調製した回転軸を、６０
℃のリン酸マンガン溶液中に浸漬して、厚さ５μｍのリ
ン酸マンガン皮膜を表面改質層として形成したものであ
る。

実施例４の圧縮機は、実施例３において調製した回転軸
に、バインダ液で分散した二硫化モリブデンを塗布した
後に焼き付けて、回転軸表面にさらに厚さ５μｍのＭ　
ｏ　Ｓ　２皮膜（表面改質層）を形成した回転軸を実装
している。

実施例５の圧縮機においては、実施例４で調製した回転
軸を使用する一方、実施例２で調製した副軸受の表面に
厚さ５μｍのＭ　ｏ　Ｓ　２皮膜を形成した副軸受を実
装している。

一方、比較例１の圧縮機は、窒化処理を施さないＦＣＤ
材で形成した回転軸を使用する一方、従来材であるＦＣ
材で形成した副軸受を実装している。

また比較例２の圧縮機は、実施例１と同一組成の鉄系焼
結体で封孔処理および窒化処理を施さない副軸受を実装
したものである。さらに比較例３では従来材であるＳＭ
Ｆ−４種材で形成した副軸受を装着している。

こうして得られた実施例１〜５、比較例１〜３の各圧縮
機を、高負荷でかつ低周波数条件という最も潤滑条件が
悪化する条件下で連続的に１０００時間運転する耐久試
験を行ない、回転軸および副軸受の摩耗量および表面粗
さの測定を行なうとともに、圧縮機の体積効率をそれぞ
れ測定し、下記第２表右欄に示す結果を得た。

〔以下余白〕

第２表に示す結果から明らかなように、実施例１〜５に
係る圧縮機においては、耐摩耗性に優れた摺動材で副軸
受を構成しているため、過酷な運転条件下で長時間運転
した後においても、回転軸および副軸受の双方の摩耗量
が、比較例１または３で示す従来材で形成した副軸受を
使用したものよりも小さくなり、優れた耐久性を有して
いる。

また表面粗さも小さくなっており、摺動部におけるかじ
りの発生が少なく、初期摺動特性が改善されることがわ
かる。

特に実施例１と比較例２との比較で明らかなように、副
軸受として、同一組成の焼結体を使用した場合において
も、焼結体に封孔処理を施した実施例１の方が潤滑油の
保持性が優れているため摩耗量が小さくなっている。さ
らに封孔処理を施した副軸受を使用した実施例１の圧縮
機では、冷媒ガスが副軸受を透過することがないため、
圧縮機全体としての体積効率が比較例２の圧縮機より５
〜６％改善される。

また実施例１と実施例２〜５との比較で明らかなように
、封孔処理した鉄系焼結合金で副軸受を形成する一方、
摺動する相手材となる回転軸表面に窒化処理層を形成し
た実施例２〜５の圧縮機の方が実施例１の場合よりも摺
動特性が大幅に改善される。

これは、窒化処理により回転軸表面の硬度が増大するこ
とに加え、本実施例において調製した鉄系焼結合金が、
窒化処理層に生成した窒化鉄と反応しにくいことに起因
することが発明者らの研究によって判明した。

すなわち摺動部を構成する一対の摺動材の一方を本実施
例に示した鉄系焼結合金で形成する一方、他方の摺動材
の表面に窒化処理層を形成することにより、特に耐摩耗
性および耐久性に優れた圧縮機を提供することが可能に
なる。

以上の実施例においては、摺動部を構成する一対の摺動
材としてロータリー式圧縮機の回転軸と副軸受とを例に
とって説明したが、摺動部はこれに限定されない。すな
わち本発明者らは、第１図に示すような圧縮機１の圧縮
要素３ｂを形成するシリンダ８ａ、８ｂを上記鉄系焼結
体で形成する一方、シリンダの半径方向に進退するよう
にシリンダに摺接し、シリンダ内の高圧側と低圧側とを
仕切るベーンｌｌａ、ｌｌｂを鉄系スチール材で形成し
て、耐久試験を行なったところ、実施例１〜５と同傾向
の効果が得られた。

また第１図の圧縮機１において、隣接する複数の圧縮部
を仕切る仕切板７と仕切板７に回転しながら摺接するロ
ーラ１０ａ、１０ｂとで形成される摺動部についても、
同様に適用することができる。

さらに上記実施例においては、ロータリ圧縮機に本願発
明を適用した例で示しているが、適用対象はロータリ圧
縮機に限定されず、例えば、スクロール圧縮機、レシプ
ロ圧縮機等の種々の形式の圧縮機についても同様に適用
することができる。

例えば、スクロールタイプの圧縮機において、旋回スク
ロールの位置規制を行なうとともに自転の防止を図るた
めに用いるオルダムリングを上記の鉄系焼結合金で形成
する一方、旋回スクロールおよび固定スクロールを鋳物
あるいはアルミニウム系鋳物で構成した場合においても
、従来材を使用した場合よりも、優れた耐摩耗性および
耐焼付性が発揮され耐久性が優れた圧縮機とすることが
できた。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係る圧縮機によれば、従来材
と比較して耐摩耗性および耐焼付性に優れた摺動材にて
摺動部を構成しているため、長期間に亘って過酷な条件
で運転した場合においても、優れた耐久性を発揮する。

特に封孔処理を施した焼結体で摺動材を形成しているた
め、潤滑油の保持性および気密性に優れ、冷媒ガス等の
被圧縮ガスを透過させることがなく、圧縮機の体積効率
を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は密閉型ロータリ圧縮機の構造を示す縦断面図、
第２図は第１図に示す圧縮機のロータ部を示す平断面図
である。 １・・・圧縮機、２・・・ケーシング、３ａ・・・モー
タ、３ｂ・・・圧縮要素、４・・・回転軸、５・・・主
軸受、６・・・副軸受、７・・・仕切板、８．ｇａ、８
ｂ・・・シリンダ、９．９ａ、９ｂ−偏心部、１０，１
０ａ、１０ｂ・・・ローラ、１１．ｌｌａ、ｌｌｂ・・
・ベーン。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸と軸受など相互に摺動する少なくとも一対の
   摺動材から成る摺動部を有する圧縮機において、上記摺
   動材の一方を、重量％でＣ０．９〜３％、Ｃｕ１〜９％
   、Ｓｎ０．３〜３％、残部Ｆｅから成り、フェライトま
   たはパーライト基地に黒鉛、青銅および鉄酸化物が分散
   した組織を有する鉄系焼結合金で形成する一方、他方の
   摺動材を鉄系鋳物、アルミニウム系鋳物および鋼のいず
   れかで形成したことを特徴とする圧縮機。 ２、一方の摺動材を構成する鉄系焼結合金は封孔処理さ
   れてなる請求項１記載の圧縮機。３、他方の摺動材の表
   面に窒化処理層を形成したことを特徴とする請求項１記
   載の圧縮機。 ４、一対の摺動材の少なくとも一方の摺動材表面に、リ
   ン酸塩皮膜、二硫化モリブデン皮膜および硫化鉄皮膜の
   少なくとも一層から成る表面改質層を形成したことを特
   徴とする請求項１または２記載の圧縮機。 ５、鉄系焼結合金は、Ｃｕ１〜９％、Ｓｎ０．３〜３％
   、Ｃ０．９〜３％含有するとともに、Ｎｉ０．５〜４％
   、Ｍｏ０．５〜１０％およびＳｉ０．３〜４％のうち少
   なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１記載
   の圧縮機。