JPH05106581A - 冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 HFC134a またはHFC152a の使用に際して、摺
動部の耐摩耗性を向上させ、長寿命化を図ることのでき
る冷媒圧縮機を提供する。 【構成】 1,1,1,2-テトラフルオロエタンまたは1,1-ジ
フルオロエタンの冷媒を使用し、冷凍機油として前記冷
媒と相溶性を有する冷凍機油を使用する密閉型冷媒圧縮
機において、圧縮機構における摺動部品は、少なくとも
そのエッジ部表面部に厚さ 2μｍ以上かつビッカース硬
度600 以上の急冷焼入非晶質層を有する鉄系合金からな
る第１の部材と、鉄系金属よりなる第２の部材とを用
い、第１の部材と第２の部材が摺動するよう組合せた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れた摺動
部材を有する冷媒圧縮機に係り、特に冷媒として1,1,1,
2-テトラフルオロエタン（以下、HFC134a と略称す
る。）または1,1-ジフルオロエタン（以下、HFC152a と
略称する。）を使用する冷媒圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気調和機や冷蔵庫などには、冷風や温
風を送り出すために、たとえば図５に示す密閉型冷媒圧
縮機や、カーエアコン用の半密閉型冷媒圧縮機（図示省
略）などの冷媒圧縮機が使用されている。

【０００３】一例として図５に縦断面図を示した代表的
な密閉型回転式冷媒圧縮機を説明する。

【０００４】図５において、ケーシング１内には図示し
ない駆動モータが収容され、このモータにより回転する
シャフト２がフレーム３の軸受に支持されたシリンダ４
内を貫通し、更にその下端部はサブベアリング５の軸受
に支持されている。

【０００５】前記シャフト２のシリンダ４内の部分はク
ランク部（偏心部）となっており、このクランク部とシ
リンダ４との間にローラ６が嵌合され、シャフト２の回
転によりローラ６は遊星運動する。

【０００６】また、シリンダ４を貫通してブレード７が
設けられ、スプリング８の付勢力によりブレード７の一
端側はローラ６の外周に接触し、シリンダ４内を吸込室
と吐出室に分割している。

【０００７】ローラ６の遊星運動に応じてブレード７は
往復運動する。

【０００８】冷媒ガスはシャフト２の回転に伴うローラ
６の遊星運動に応じて、吸込口から吸込まれ、圧縮さ
れ、吐出口から吐出されるが、この摺動部の動作を円滑
にするためケーシング１内には冷凍機油９が収容されて
いる。

【０００９】この冷凍機油９はシャフト２の回転によ
り、シャフト２下端に設けられているポンプ１０に沿っ
て吸い上げられ、摺動部を潤滑する。

【００１０】上記のような構成を有する冷媒圧縮機内に
発生する摩耗は、ブレード７とシャフト２を中心とした
２種類の原因により発生する。

【００１１】第１の原因は、ブレード７はシャフト２の
回転に伴い往復運動するが、この際分割されたシリンダ
４内の２室の圧力差によりシリンダ４の貫通孔内面にこ
すりつけられながら往復運動する点にある。

【００１２】すなわち、この往復運動においては、ブレ
ード７はシリンダ４の貫通孔とのクリアランス分だけ片
あたりしながら摺動するため、ブレード７とシリンダ４
の貫通孔の摺動面部に極圧（大荷重）が発生し、また、
ブレード７の往復摺動は、摺動速度が０になる２か所の
停止点が発生する。

【００１３】この２つの要因により、摺動部品表面の塑
性的変形や潤滑油膜の破断が発生して、摺動部品どうし
は金属接触を起こし易くなる。従って、ブレード７、シ
リンダ４はともに摩耗し易い。また、ブレード７はスプ
リング８によりその端部がローラ６に押付けられている
ためローラ６の外周も摩耗し易い。

【００１４】第２の原因は、シャフト２は、ローラ６を
介してスプリング８やシリンダ４内の圧力を受け、フレ
ーム３とサブベアリング５に押付けられて若干湾曲した
形状となって高速回転する点にある。

【００１５】すなわち、このとき潤滑油膜の破断が発生
して、シャフト２の表面がフレーム３やサブベアリング
５と金属接触を起こし易くなる。従って、シャフト２の
外面、フレーム３及びサブベアリング５の内面が同様に
摩耗し易い。

【００１６】ところで、このような密閉型冷媒圧縮機に
は従来から冷媒としてジクロロジフロロメタン（以下CF
C12 と略称する。）やモノクロロジフロロメタンが主に
用いられており、また封入される冷凍機油としては、CF
C12 などに相溶性を示すナフテン系やパラフィン系鉱油
が用いられている。

【００１７】冷媒としてCFC12 を用いた場合、CFC12 中
の塩素（Ｃｌ）原子は金属基材の鉄（Ｆｅ）原子と反応
して塩化鉄からなる潤滑膜を形成する。この塩化鉄から
なる潤滑膜は、自己潤滑性を有し耐摩耗性に優れ、極圧
（大荷重）負荷時や摺動速度が０となる時にも金属接触
を防止して摩耗防止に有効に作用する。加えて従来の冷
媒CFC12 と従来の冷凍機油はともに無極性であるため、
吸湿性が低い。

【００１８】このため、鉄系金属基材上に形成される塩
化鉄層は加水分解を起こさずに安定した膜としての存在
が可能であった。

【００１９】ところで、最近、上述したCFC 系冷媒など
からのフロンの放出がオゾン層の破壊に繋がり人体や生
物系に深刻な影響を与えることが明らかになったため、
オゾン破壊係数（ＯＤＰ）の高いCFC12 などは段階的に
使用が削減され、将来的には使用しない方針が国際的に
決定している。

【００２０】このような状況に対応するため、CFC12 の
代替冷媒として、HFC134a やHFC152a 等の冷媒が開発さ
れており、これらの冷媒に適した圧縮機用材料の開発が
望まれている。HFC134a やHFC152a は、いずれもその分
子内に塩素（Ｃｌ）原子を含んでおらずオゾン破壊係数
（ＯＤＰ）が 0であり、しかも熱的特性がCFC12 に近似
しているため圧縮機構部の設計を大幅に変更する必要が
ないためCFC12 の代替冷媒として非常に有用である。

【００２１】一方、冷媒圧縮機の運転中は、冷凍サイク
ル内に冷凍機油の残留を防止し、確実に冷凍機油を冷媒
圧縮機の圧縮機構部に戻し、機構部の潤滑および冷却を
保持する必要がある。このため、冷媒圧縮機の冷媒とし
てHFC134a やHFC152a を用いる場合、冷媒との相溶性を
有することが冷凍機油の特性として必要である。

【００２２】しかし、HFC134a およびHFC152a は従来の
冷凍機油である鉱油にはほとんど溶解しない。そこで、
HFC134a およびHFC152a と相溶性を有するポリエーテル
系油、ポリエステル系油、フッ素系油などの使用が試み
られている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したHFC1
34a およびHFC152a のようなHFC 系冷媒と、このHFC 系
冷媒との相溶性を有するポリエーテル系油やポリエステ
ル系油とを冷媒圧縮機に用いた場合、前記圧縮機構の摺
動部材として使用されている鋳鉄、炭素鋼、合金鋼、焼
結合金、ステンレス鋼などの耐摩耗性が低下し、長期間
安定して冷媒圧縮機を運転することができないという問
題が生じている。

【００２４】この原因として次の２点が考えられる。

【００２５】第１に、冷媒としてCFC12 を用いた場合、
CFC12中の塩素（Ｃｌ）原子が、金属基材の鉄（Ｆｅ）
原子と反応して塩化鉄膜を形成する。この塩化鉄膜は、
自己潤滑性を有し、耐摩耗性に優れる。一方、HFC134a
あるいはHFC152a を用いた場合には、塩素（Ｃｌ）原子
が存在しないために塩化鉄膜からなる潤滑膜が形成され
ない。

【００２６】第２に、鉱油系冷凍機油には、環状化合物
が含まれており油膜形成能力が高い。一方、HFC134a ま
たはHFC152a と相溶性を有する冷凍機油は、環状化合物
を含まない鎖状化合物であるため油膜形成能力が低く、
厳しい摺動条件では油膜を保持できない。

【００２７】従って、冷媒としてHFC134a またはHFC152
aを用い、これらの冷媒と相溶性を有する冷凍機油とし
て、例えばポリアルキレングリコール系油やポリエステ
ル系油を使用する冷媒圧縮機においては極圧（大荷重）
負荷時や摺動速度が０となった時に摺動部材間の摩耗を
防止し、冷媒圧縮機を長期間使用可能とすることが、早
急に解決すべき課題となっている。

【００２８】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、HFC134a またはHFC152a の使用に際
して、摺動部の耐摩耗性を向上させ、長寿命化を図るこ
とのできる冷媒圧縮機を提供することを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明の冷媒圧縮機は、
密閉された容器内に圧縮機構が収容され、かつ冷媒とし
てHFC134a またはHFC152aの冷媒を使用し、冷凍機油と
して前記冷媒と相溶性を有する冷凍機油を使用する冷媒
圧縮機において、前記圧縮機構における摺動部品は、少
なくともそのエッジ部表面部に厚さ 2μｍ以上で、かつ
ビッカース硬度600 以上の急冷焼入非晶質層を有する鉄
系合金からなる第１の部材と、鉄系金属よりなる第２の
部材とを用い、前記第１の部材と第２の部材が摺動する
よう組合せて構成したことを特徴とする。

【００３０】本発明の冷媒圧縮機の摺動部品を構成する
第１の部材は鉄系合金を基材とし、第２の部材は鉄系金
属を基材とする。

【００３１】鉄系金属とは鋳鉄や炭素鋼などの数パーセ
ントの炭素を含有する鉄である。ただし、通常の不純物
として含まれる少量の珪素、マンガン、燐、硫黄等を含
有する鋳鉄や炭素鋼なども本発明の鉄系金属に含まれ
る。

【００３２】鉄系合金とは、上述の鉄系金属に特定の目
的を満足させるために、珪素、マンガン、ニッケル、ク
ロム、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、
バナジウム、コバルト、ジルコニウム等を添加したもの
で、たとえば、合金鋼、ステンレス鋼、焼結合金などが
ある。

【００３３】第１の部材である鉄系合金の表面部に形成
される急冷焼入非晶質層の形成法としては、少なくとも
エッジ部のみ焼入を行いかつ急速に冷却する必要がある
ため、超高周波による短時間での焼入が好ましい。この
超高周波焼入は短時間処理が可能であるとともに非常に
狭い領域をスポット処理ができ被処理物の自己放冷・冷
却が可能となり、高精度に加工された部品に応用するこ
とができる。また、超高周波焼入は、通常の焼入のよう
に部材全体を変態点以上の高温とする必要がなく、自己
放冷・冷却が急速になされるため、後加工する必要がな
いことも精密度を要求される本発明の部材に好適な理由
である。なお、超高周波の周波数は、処理の対象となる
部材、スポット領域等により異なるが、Ｈｖ600以上の
ビッカース硬度が得られる高周波であればよい。

【００３４】本発明の一実施例の摺動部材の断面を図１
に示す。図１の部材において１１は鉄系合金基材であ
り、鉄系合金基材１１の表面エッジ部には非晶質硬化層
１２が形成されている。

【００３５】非晶質硬化層は、少なくともエッジ部に形
成されていることが必要であるが、表面層全体に形成さ
れていてもよい。非晶質硬化層は、鉄系合金基材表面の
耐力を向上させるためには厚さ 2μｍ以上が必要であ
り、さらに好ましくは厚さ 5μｍ以上が必要である。

【００３６】また、非晶質硬化層はビッカース硬度でＨ
ｖ600 以上の硬度が必要である。ビッカース硬度がＨｖ
600 未満であると、耐焼付性が低下するため好ましくな
い。

【００３７】

【作用】上述したような鉄系合金の少なくともその表面
エッジ部に厚さ 2μｍ以上の急冷焼入非晶質硬化層を有
する摺動部材は、圧縮機構部摺動面において下記のよう
な作用を発揮する。

【００３８】第１に、摺動面、特に摺動部品のエッジ部
への極圧（大荷重）負荷時はその急冷焼入非晶質硬化層
の存在による部品表面の耐力向上により相対する双方の
摺動部材の塑性的変形が防止される。特に硬化層の厚さ
が 2μｍ以上のときに塑性的変形が防止される。

【００３９】第２に、摺動速度が 0 時に潤滑油膜が破
断して、非晶質硬化層が相手材の鉄系金属と金属接触を
起こした場合でも、非晶質硬化層自身の表面の不活性さ
と高融点により鉄系金属の融解・凝着を防止することが
できる。

【００４０】また、この摺動部材は、鉄系合金基材上に
基材そのものを改質した表面硬化層を有して摺動部品を
形成していることから、表面硬化層と鉄系合金系金属基
材の界面の密着性に優れ、クラックの発生やハクリの問
題が発生することがない。

【００４１】このような摺動部材を、冷媒としてHFC134
a またはHFC152a およびそれと相溶性のある冷凍機油、
例えばポリエステル系油、フッ素系油等を使用する冷媒
圧縮機に用いることにより、摺動部材の耐摩耗性を向上
することができる。したがって前述の冷媒圧縮機の耐摩
耗性を長期に亘って保持することができる。

【００４２】

【実施例】本発明の摺動部材を図５に示す密閉型圧縮機
のブレード７の材料に適用した実施例について説明す
る。

【００４３】ブレード７は、クロムモリブデン鋼（ＳＣ
Ｍ４３５）基材を所定形状に切出し研磨により最終部品
寸法まで仕上げた。次いでこのブレードの表面エッジ部
とブレード先端のＲ面について 27 ＭＨｚ（電圧値： 6
ｋＶ、電力値： 1500 Ｗ／ｓ）の超高周波を 1ｍｍφの
スポットで順次処理位置を変化させて印加し、厚さ約3
μｍでビッカース硬度Ｈｖ800の急冷焼入非晶質硬化層
を形成した。

【００４４】得られたブレード７について、そのエッジ
部の表面においてμ−Ｘ線回折法（ＭＤＭ）による解析
を行い、本実施例における表面構造を確認した。

【００４５】図２は本実施例におけるＭＤＭによる処理
部ブレード表面の非晶質硬化層と非処理部の回折パター
ンである。図２において、処理部ブレード表面のα−Ｆ
ｅに関する回折パターンはブロードなピーク形状とな
り、処理部表面が非晶質化していることが認められた。

【００４６】さらに図３に示すような装置を用いて、本
実施例の耐焼付性、動摩擦係数を評価した。この装置
は、評価用ブレード１３の先端のＲ面をＦＣ２０製ディ
スク１４に対向させて、評価用ブレード１３を回転させ
て所定の摺動速度に設定しながらディスク１４の後方か
ら圧力発生装置により荷重を発生させて摺動するような
構造を有する。この荷重値を連続的に変化させ、このと
きの動摩擦係数の変化と焼付を発生する荷重値を調べる
装置である。

【００４７】耐焼付性試験では、摺動速度を 4ｍ／ｓ一
定、荷重上昇速度を 10 kgf/ 2minとして、最大荷重 40
0kgf の設定条件で、荷重と動摩擦係数の関係および焼
付荷重値を調べた。この試験条件は、摺動速度の高速化
により、潤滑油膜の破断を促進させるための条件であ
る。なお特性比較ブレード材料として、クロムモリブデ
ン鋼（ＳＣＭ４３５）製ブレードを比較例１、クロムモ
リブデン鋼（ＳＣＭ４３５）に窒化処理のみをおこなっ
たブレードを比較例２として用いた。この結果を図４に
示す。この図４においては、荷重を上昇させても摩擦力
が増加せず、かつ焼付を発生しない特性を示す右下の領
域にあるほど摺動部材として良好な特性を有する。

【００４８】図４から、比較例１のブレード材は約 40
kgf 、比較例２のブレード材は約 100kgf で焼付を発生
し、耐焼付性に劣ることが認められた。一方、実施例１
では、比較例１および比較例２に比して動摩擦係数が全
荷重範囲で小さく、かつ焼付荷重値も比較例２に比して
も 2倍以上に向上している。

【００４９】さらに、同装置を用いて、70kgf の一定荷
重条件下での摩耗試験においても実施例１は比較例２に
比して、摩耗量が 10 ％以下と大幅に良好な耐摩耗性を
示し、実施例１の摺動部材が耐摩耗性向上に寄与するこ
とがわかった。

【００５０】さらに実施例１の摺動部材を用いて、図５
に示す冷媒圧縮機を組み立て、冷媒としてHFC134a およ
び冷凍機油としてHFC134aと相溶性のあるポリエステル
系冷凍機油を用いて実機試験を行ったところ、4000時間
の長時間運転を行った後でも摩耗傾向は認められず、良
好な耐摩耗性を示した。

【００５１】

【発明の効果】本発明は、摩擦機構部材において、相対
する摺動部材の少なくともその一方の表面エッジ部に厚
さ 2μｍ以上かつビッカース硬度 600以上の急冷焼入非
晶質硬化層を形成した摺動部材を用いたので、冷媒とし
てHFC134a またはHFC152a および冷凍機油として前記冷
媒と相溶性を有する冷凍機油を用いた冷媒圧縮機の圧縮
機構の耐摩耗性が長期間に亘って安定して保たれ、耐久
性に優れた冷媒圧縮機が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる摺動部材の断面図である。

【図２】実施例に関するμ−Ｘ線回折法による回折パタ
ーン図である。

【図３】摩擦摩耗試験機を示す図である。

【図４】耐焼付性試験の結果を示す特性図である。

【図５】冷媒圧縮機を一部破断して示す図である。

【符号の説明】

１………ケーシング、２………シャフト、３………フレ
ーム、４………シリンダ、５………サブベアリング、６
………ローラ、７………ブレード、８………スプリン
グ、９………冷凍機油、１０………ポンプ、１１………
鉄系合金基材、１２………非晶質硬化層、１３………評
価用ブレード、１４………ディスク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉された容器内に圧縮機構が収容さ
   れ、かつ冷媒として1,1,1,2-テトラフルオロエタンまた
   は1,1-ジフルオロエタンの冷媒を使用し、冷凍機油とし
   て前記冷媒と相溶性を有する冷凍機油を使用する冷媒圧
   縮機において、 前記圧縮機構における摺動部品は、少
   なくともそのエッジ部表面部に厚さ 2μｍ以上で、かつ
   ビッカース硬度600 以上の急冷焼入非晶質層を有する鉄
   系合金からなる第１の部材と、鉄系金属よりなる第２の
   部材とを用い、前記第１の部材と前記第２の部材が摺動
   するよう組合せて構成したことを特徴とする冷媒圧縮
   機。