JPH05321862A

JPH05321862A - 冷媒圧縮機

Info

Publication number: JPH05321862A
Application number: JP12186292A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Abe; 豊阿部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-12-07

Abstract

(57)【要約】【構成】本発明は、密閉された容器内にモータ機構およ
び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１，１，２，２−テトラ
フルオロエタンを、冷凍機油として前記冷媒と相溶性を
有する油を使用し、前記冷媒が前記容器内を循環する冷
媒圧縮機において、前記圧縮機構における摺動部品の少
なくとも一部がセラミックス部材からなることを特徴と
する冷媒圧縮機であり、また前記圧縮機構における摺動
部品は、鉄系金属からなる第１の部材と、セラミックス
からなる第２の部材とを使用し、前記第１の部材と前記
第２の部材とが摺動するように組合せたことを特徴とす
る冷媒圧縮機である。【効果】セラミックス部材を摺動部品の少なくとも一部
に使用することにより、フロン１３４ａまたはフロン１
３４およびこれと相溶性を有する冷凍機油の使用に際し
て、耐摩耗性を大きく向上させることができ、冷媒圧縮
機の圧縮機構の耐摩耗性が長時間安定して保たれ、フロ
ン１３４ａまたはフロン１３４に適した長寿命の冷媒圧
縮機を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷媒圧縮機に関し、特に
冷媒として１，１，１，２−テトラフルオロエタンまた
は１，１，２，２−テトラフルオロエタンを使用するに
際して好適な冷媒圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、室内あるいは車内の空気調和
機、あるいは冷蔵庫などには冷風あるいは温風を送り出
すために、フロン冷媒を密閉サイクル中に封入した冷凍
サイクルが使用されている。この冷凍サイクルには冷媒
を圧縮して循環させる冷媒圧縮機が設けられている。こ
の冷媒圧縮機は、例えば図１に示すロータリー式の密閉
型圧縮機や、カーエアコン用の半密閉型冷媒圧縮機（図
示省略）などがある。図１の、縦断面図として示した密
閉型の冷媒圧縮機を例として説明する。この図におい
て、密閉されたケーシング１内にはステータ２とロータ
３とで構成されるモータ機構４が設置されている。モー
タ機構４の下部には圧縮機構５が配設され、上記モータ
機構４によって圧縮機構５が駆動される。

【０００３】これによって、図示しないアキュムレータ
を介して供給管６から導入された冷媒が圧縮され、ケー
シング１内に一旦吐出させた後、ケーシング１の上部に
設けられた吐出管７から冷凍機側に冷媒が供給される。
このような密閉型圧縮機における圧縮機構５について、
図２を加えて詳しく説明する。

【０００４】これらの図において、ケーシング１内には
モータ４が収容され、このモータ４により回転するシャ
フト８がフレーム９の軸受に軸支されてシリンダ１０内
を貫通し、さらにその下端部はサブベアリング１１の軸
受に軸支されている。

【０００５】シャフト８のシリンダ１０の内部は、クラ
ンク部１２（偏心部）となっており、このクランク部１
２とシリンダ１０との間にローラ１３が嵌合され、シャ
フト８の回転によりローラ１３が遊星運動する。

【０００６】また、シリンダ１０を貫通してブレード１
４が設けられ、スプリング１５の付勢力によりブレード
１４の一端側はローラ１３の外周に接触し、シリンダ１
０内を吸込室１６と吐出室１７に分割している。上記ロ
ーラ１３の遊星運動に応じてブレード１４は往復運動す
る。

【０００７】冷媒ガスはシャフト８の回転に伴うローラ
１３の遊星運動に応じて、吸込口１８から吸込まれ、圧
縮され、吐出口１９から吐出されるが、この摺動部の動
作を円滑にするためにケーシング１内には冷凍機油２０
が収容されている。この冷凍機油２０は、シャフト８の
回転により、シャフト８下端に設けられている図示され
ないポンプに沿って吸い上げられ、摺動部を潤滑するよ
うになっている。このような冷媒圧縮機の摩耗は、ブレ
ード１４とシャフト８を中心としたものに分けられる。

【０００８】ブレード１４はシャフト８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１０内の２室
の圧力差によりシリンダ１０の貫通孔内面にこすりつけ
られブレード１４、シリンダ１０ともに摩耗する。ま
た、ブレード１４はスプリング１５によりその端部がロ
ーラ１３におしつけられているため、ローラ１３の外周
も摩耗する。

【０００９】一方、シャフト８は、ローラ１３を介して
スプリング１５やシリンダ１０内の圧力を受け、フレー
ム９とサブベアリング１１におしつけられて若干湾曲し
た形状となって高速回転するため、シャフト８の外面、
フレーム９およびサブベアリング１１の内面が同様に摩
耗する。

【００１０】このような密閉型冷凍圧縮機の冷媒として
は、ジクロロジフロロメタン（以下フロン１２と称す
る）やクロロジフロロメタンが主に用いられており、ま
た圧縮機構５に封入される冷凍機油としては、フロン１
２やクロロジフロロメタンに対して溶解性を示すナフテ
ン系やパラフィン系鉱油が用いられている。これら冷媒
や冷凍機油はケーシング１内を直接循環するため、圧縮
機構５においては耐摩耗性を有することが必要である。

【００１１】ところで、最近上述した冷媒などからのフ
ロンの放出がオゾン層の破壊につながり、人体や生物系
に深刻な影響を与えることがはっきりしてきたため、オ
ゾン破壊係数の高いフロン１２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向に決定している。

【００１２】このような状況下にあって、フロン１２の
代替冷媒として、１，１，１，２−テトラフルオロエタ
ン（以下フロン１３４ａと称する）や、１，１，２，２
−テトラフルオロエタン（以下フロン１３４と称する）
が開発されており、この冷媒に適した圧縮機用の材料の
開発が望まれている。

【００１３】たとえば、フロン１３４ａやフロン１３４
は従来の冷凍機油である鉱油にはほとんど溶解しないた
め、溶解性を示すポリアルキレングリコール系油、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。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷媒と
してフロン１３４ａまたはフロン１３４を用い、このフ
ロンが溶解性を示す冷凍機油、たと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用いた場合、上述
したような圧縮機構５の摺動部材として使用されている
ＦＣ２５、Ｓ−１５Ｃ、Ｓ−１２Ｃ、ＳＷＲＣＨ１０
Ａ、ＳＷＣＨ１５Ａ、ＳＣＭ４３５Ｈ、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。

【００１５】これは、従来冷媒としてフロン１２を用い
た場合、フロン１２中のＣｌ原子が金属基材のＦｅ原子
と反応して耐摩耗性の良い塩化鉄膜を形成するのに対
し、フロン１３４ａやフロン１３４を用いた場合には、
Ｃｌ原子が存在しないために塩化鉄のような潤滑膜が形
成されないことに原因の一つがある。

【００１６】さらに、フロン１３４ａやフロン１３４を
使用するに際して、この冷媒と相溶性を有する冷凍機油
は、環状化合物が含まれない鎖状化合物であるため、厳
しい摺動条件下では十分な油膜厚さを保つことが難しい
ことも耐摩耗性を低下させる原因となっている。

【００１７】また特開平３−２８１９９１号公報には圧
縮機構における摺動部品の一部に球状黒鉛鋳鉄を用いる
ものが提案されているが、従来のフロン１２を冷媒とし
て用いたものと比較して耐摩耗性が低く、信頼性が十分
ではないなど更なる改良が望まれていた。

【００１８】本発明はこのような課題を解決するために
なされたものであり、フロン１３４ａまたはフロン１３
４の使用に際して、摺動部での耐摩耗性を向上させ、長
寿命化を達成した冷媒圧縮機を提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明のフロン１３４ａ
またはフロン１３４用冷媒圧縮機は、密閉された容器内
にモータ機構および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，
１，２，２−テトラフルオロエタンを、冷凍機油として
前記冷媒と相溶性を有する油を使用し、前記冷媒が前記
容器内を循環する冷媒圧縮機において、前記圧縮機構に
おける摺動部品の少なくとも一部がセラミックス部材か
らなることを特徴とするものであり、また前記圧縮機構
における摺動部品は、鉄系金属からなる第１の部材と、
セラミックスからなる第２の部材とを使用し、前記第１
の部材と前記第２の部材とが摺動するように組合せたこ
とを特徴とする。

【００２０】本発明者は、摺動部品の一部に球状黒鉛鋳
鉄を用いた場合に、従来のフロン１２を冷媒として用い
た場合に比して摺動部品の耐摩耗性が劣化することに着
目し、本発明を成すに至った。すなわちフロン１２を冷
媒として用いる場合と同等以上の耐摩耗性を摺動部品に
与えるために種々検討した結果、摺動部品の少なくとも
一部にセラミックス部材を用いることにより従来に比し
て耐摩耗性の向上した摺動部品を有する冷媒圧縮機を得
られたものである。

【００２１】本発明において用いられるセラミックス
は、Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳＩＡＬＯＮ，ＳｉＣ，ＺｒＯ₂，Ａ
ｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＴｉＣ，ＴｉＯ₂などである。これ
らは１種類のセラミックスで構成して用いてもよく、ま
た２種類以上を組み合わせて構成して用いてもよい。こ
の際、部品全体をセラミックス部材で構成してもよく、
また部品の一部だけをセラミックス部材で構成し、その
他の部分は従来より用いられているような金属材料で構
成してもよい。ここでいうセラミックス部材で構成する
とは焼結体などのセラミックス単独で用いるのはもちろ
んのこと、セラミックスを金属部材の表面にコーティン
グしたもの、セラミックスと金属を接合したもの、金属
部材中にセラミックスの粒子，ファイバー，ウィスカ
ー，プレートレットなどを分散したものを用いることも
含んでいる。

【００２２】セラミックス部材は、そのセラミックスの
持つ特性を考慮して選択することが有用である。すなわ
ち、大きな応力が作用する場合には、Ｓｉ₃Ｎ₄やＺｒ
Ｏ₂などが最適である。また金属部材と組合せて用いる
場合には、金属との熱膨張係数の差を考慮して、ＺｒＯ
₂やＡｌ₂Ｏ₃、またはＡｌ₂Ｏ₃をＺｒＯ₂中に分散
させたものが最適である。なお、本発明において、Ｆｅ
系金属を用いる場合には、鋳鉄，鋼，焼結合金などを用
いることが好ましい。

【００２３】焼結合金を用いる場合には、焼結合金は多
孔性であるため、摺動部品表面に存在する多数の空孔に
油が溜まり、潤滑油の不足した不利な運転条件となった
場合、潤滑油の自己供給が可能で、金属摺動部の材料と
して利点を有している。

【００２４】さらに水蒸気処理などの封孔処理を行うこ
とにより、焼結合金の内部組織に介在する微小空隙から
の圧力流体の漏洩を防止し、耐圧力部品として使用する
ことができる。この処理は、部材を水蒸気雰囲気中で５
００〜６００℃に加熱保持することにより、部材表面に
Ｆｅ₃Ｏ₄の被膜を形成する。

【００２５】また、鋼を用いる場合には、たとえば亜共
析炭素鋼、共析炭素鋼、過共析炭素鋼などを用いるのが
よい。なお強度の点から、鋼の炭素含有量は０．０５〜
１．０重量％であることが好ましい。

【００２６】摺動部材料を組合せて使用する場合には、
摺動部同士が同じ材料であると容易に相手材と凝着を起
こし、逆に硬度の差の大きなものを組合せると、硬度の
低い一方の材料が摩耗してしまい好ましくない。これら
の組合せとしては、たとえばＦｅ系金属を軸受やピスト
ンに使用し、セラミックス部材をシャフトやシリンダに
使用する。これらの材料は熱処理をしたり、炭素含有量
を変化させることにより、硬度をある程度調整すること
ができる。

【００２７】したがってフロン１３４ａやフロン１３４
と、これと相溶性を有するたとえばポリアルキレングリ
コール系油とを使用する冷媒圧縮機において、圧縮機構
の摺動部品としてセラミックス部材を少なくとも一部に
使用するか、または一方に使用し、この相手材として鋳
鉄，鋼，あるいは焼結合金を使用するように組合せるこ
とにより、摺動部の耐摩耗性を長期間にわたって維持す
ることができる。

【００２８】さらに本発明において使用する冷凍機油と
しては、フロン１３４ａまたはフロン１３４と相溶性を
有するポリエーテル系化合物、エステル系化合物、フッ
素系油などが使用できる。相溶性を有するということ
は、冷凍サイクルの配管中に冷凍機油が残留することを
防止し、かつ確実に圧縮機に冷凍機油を戻すためには必
須の要件である。

【００２９】上述した冷凍機油のなかでも特にポリエー
テル系化合物の１種であるポリグリコール系油は、吸湿
性を有するものの、粘度指数が高く、低温流動性に優れ
ているので、実用上適しているといえる。

【００３０】

【作用】セラミックス部材を摺動部品の少なくとも一部
に用いたことにより、従来のフロン１２を用いることな
く従来と比しても耐摩耗性に優れ、かつ気密性、潤滑性
に優れた圧縮機構を有する冷媒圧縮機を得ることができ
る。

【００３１】そして冷媒圧縮機の摺動部位に用いる材料
として一方に鉄系金属部材を使用し、他方にセラミック
ス部材を組合せて使用することにより、冷凍機油中での
運転に際して、良好な耐摩耗性を得ることができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。・実施例１

【００３３】Ｓｉ₃Ｎ₄の原料粉末に焼結助剤としてＹ
₂Ｏ₃を５ｗｔ％、Ａｌ₂Ｏ₃を２ｗｔ％添加し、溶媒
中で粉砕、混合し、スプレードライヤーを用いて造粒し
た。造粒粉を所定の形状に成形した後、Ｎ₂雰囲気中４
００℃で脱脂した。さらにこの脱脂体をＮ₂雰囲気中１
７５０℃で焼結し、焼結体を得た。これを表面研磨を施
して所定形状のＳｉ₃Ｎ₄焼結体からなるセラミックス
部材を得た。一方、これらの摺動相手部材である軸受お
よびピストンとして、ＪＩＳ規格によるＳ−１５Ｃ材を
用い、所定形状に切り出した。

【００３４】これらをアセトンにて脱脂した後、図１と
同一構成の冷媒圧縮機を組立てた。すなわち、図１にお
けるシャフト８およびシリンダ１０がＳｉ₃Ｎ₄焼結体
からなるセラミックス部材からなり、軸受９およびロー
ラ１３がＳ−１５Ｃ材からなっている。また、図１の冷
媒圧縮機はロータリー式であるため、ピストンに相当す
るローラ１３がシリンダ１０の内部で遊星運動しつつ回
転するようになっている。この冷媒圧縮機に、ポリアル
キレングリコール系油の冷凍機油を供給し、冷媒にフロ
ン１３４ａを用いて、上記冷媒圧縮機を５００時間運転
した。運転終了後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて
シャフトの表面観察を行ったところ、摩耗痕はほとんど
認められなかった。

【００３５】さらに図３に示すような摩耗試験機を用い
てシャフトの耐摩耗性を評価した。この装置は、シャフ
ト３１をＶ−ブロック３２・３２で挟み込み、Ｖ−ブロ
ック３１の締め付けによる荷重を一定の値に設定し、シ
ャフト３１を回転させて冷媒を吹込みながら、一定時間
の摩耗量を調べるものである。

【００３６】ここでは、冷媒フロン１３４ａを吹込みつ
つ、シャフトの回転を２９０ｒｐｍとして、シャフト３
１をＳｉ₃Ｎ₄焼結体からなるセラミックス部材とし、
Ｖ−ブロック３２を鋼材として試験を行った。その結
果、摩耗量は４．５ｍｇであった。・実施例２

【００３７】摺動部材の組合せとして、シャフトおよび
シリンダにＳｉ₃Ｎ₄焼結体からなるセラミックス部材
を用い、軸受およびローラにねずみ鋳鉄を用いた以外は
実施例１と同一構成の冷媒圧縮機を組立て、５００時間
運転させた。

【００３８】運転後のＳＥＭ観察の結果、シャフトの表
面に摩耗痕はほとんど認められず、さらに実施例１と同
様な耐摩耗性試験においても、摩耗量は４．０ｍｇであ
った。・実施例３

【００３９】摺動部材の組合せとして、シャフトおよび
シリンダにＳｉ₃Ｎ₄焼結体からなるセラミックス部材
を用い、軸受およびローラにＦｅ系焼結合金を用いた以
外は実施例１と同一構成の冷媒圧縮機を組立て、５００
時間運転させた。

【００４０】運転後のＳＥＭ観察の結果、シャフトの表
面に摩耗痕はほとんど認められず、さらに実施例１と同
様な耐摩耗性試験においても、摩耗量は４．６ｍｇであ
った。・実施例４

【００４１】ＺｒＯ₂の原料粉末に焼結助剤としてＹ₂
Ｏ₃を３ｗｔ％、分散粒子としてＡｌ₂Ｏ₃を２０ｗｔ
％添加し、溶媒中で粉砕、混合し、スプレードライヤー
を用いて造粒した。造粒粉を所定の形状に成形した後、
Ｎ₂雰囲気中４００℃で脱脂した。さらにこの脱脂体を
大気中１５５０℃で焼結し、焼結体を得た。これを表面
研磨を施して所定形状のＡｌ₂Ｏ₃分散ＺｒＯ₂焼結体
からなるセラミックス部材を得た。一方、これらの摺動
相手部材である軸受およびピストンとして、ＪＩＳ規格
によるＳ−１５Ｃ材を用い、所定形状に切り出した。こ
れ以外は、実施例１と同一構成の冷媒圧縮機を組立て、
５００時間運転させた。

【００４２】運転後のＳＥＭ観察の結果、シャフトの表
面に摩耗痕はほとんど認められず、さらに実施例１と同
様な耐摩耗性試験においても、摩耗量は４．８ｍｇであ
った。

【００４３】なお、ここではロータリー式の冷媒圧縮機
について説明したが、往復式の冷媒圧縮機の場合は上記
ローラが、シリンダ内を往復運動するピストンとなり、
このピストンとシリンダとの材料の組合せをＦｅ系金属
とセラミックスとが摺動するように構成する。・比較例１シャフトおよびシリンダにＦＣ２５材を用い、軸受およ
びローラにＳ−１５Ｃ材を用いて、実施例１と同一構成
の冷媒圧縮機を組立てた。すなわち、図１におけるシャ
フト８およびシリンダ１０がＦＣ２５材からなり、軸受
９およびローラ１３がＳ−１５Ｃ材からなっている。こ
の冷媒圧縮機にポリアルキレングリコール系油の冷凍機
油を供給し、冷媒にフロン１３４ａを用いて、上記冷媒
圧縮機を５００時間運転した。運転終了後、走査電子顕
微鏡（ＳＥＭ）を用いてシャフトの表面観察を行ったと
ころ、摺動によって生じた摩耗痕がはっきりと認められ
た。さらに図３に示す摩耗試験機を用いて実施例と同一
条件でシャフトの耐摩耗性を評価した。

【００４４】その結果、フロン１３４ａの使用におい
て、ＦＣ２５材Ｓ−１５Ｃ材とを組合せた摺動部品は、
摩耗量が５０ｍｇと著しく、長時間の使用に耐え得ない
ものであった。・比較例２黒鉛の球状化率をほぼ１００％として、ＪＩＳ規格によ
るＦＣＤ６０材を用い、シャフトおよびシリンダとして
所定形状に切り出した。一方、これらの摺動相手部材で
ある軸受およびピストンとして、ＪＩＳ規格によるＳ−
１５Ｃ材を用い、所定形状に切り出した。これ以外は、
実施例１と同一構成の冷媒圧縮機を組立て、５００時間
運転させた。

【００４５】運転後のＳＥＭ観察の結果、シャフトの表
面に摩耗痕はほとんど認めらなかったが、実施例１と同
様な耐摩耗性試験において、摩耗量は８ｍｇと本発明に
比し多かった。・参考例比較例と同様に、シャフトおよびシリンダにＦＣ２５材
を用い、軸受およびローラにＳ−１５Ｃ材を用いて実施
例１と同一構成の冷媒圧縮機を組立てた。この冷媒圧縮
機にパラフィン系鉱油を供給し、冷媒にフロン１２を用
いて、上記冷媒圧縮機を５００時間運転した。この条件
は、従来のフロン１２を使用した冷媒圧縮機の通常の状
態であり、摩耗量は６ｍｇであった。すなわち、これま
で説明した実施例、比較例および参考例から以下のよう
なことがわかる。

【００４６】冷媒圧縮機としてフロン１２に代えて塩素
を含有しないフロン１３４ａやフロン１３４を使用する
場合、冷凍機油もフロン１３４ａやフロン１３４に適し
た油を使用することが必要となってくる。冷媒および冷
凍機油の種類が変わったとき、これまでの摺動部品では
耐摩耗性が大きく低下してしまい品質を保つことができ
なくなる。

【００４７】そこで本発明によるセラミックス部材を摺
動部材の少なくとも一部に使用するという構成としたこ
とにより、フロン１３４ａやフロン１３４を使用した際
の摺動部品の耐摩耗性が従来のフロン１２を使用してい
た時よりも向上し、長期間の使用に耐え得る良好な冷媒
圧縮機が得られた。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の冷媒圧縮機
は、セラミックス部材を摺動部品の少なくとも一部に使
用することにより、フロン１３４ａまたはフロン１３４
およびこれと相溶性を有する冷凍機油の使用に際して、
従来のフロン１２を使用していたときに比しても耐摩耗
性を大きく向上させることができる。

【００４９】したがって、冷媒圧縮機の圧縮機構の耐摩
耗性が長期間にわたって安定して保たれ、フロン１３４
ａまたはフロン１３４に適した長寿命の冷媒圧縮機を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータリー式の密閉型冷媒圧縮機の縦断面図

【図２】ロータリー式の密閉型冷媒圧縮機の横断面図

【図３】摩耗試験機の断面図

【符号の説明】

１…ケーシング２…ステータ３…ロータ４…モータ機構５…圧縮機構６…供給管７…吐出管８…シャフト９…フレーム１０…シリンダ１１…サブベアリング１２…クランク１３…ローラ１４…ブレード１５…スプリング１６…吸込室１７…吐出室１８…吸込口１９…吐出口２０…冷凍機油

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉された容器内にモータ機構および圧縮
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１，１，２，２−テトラフルオ
ロエタンを、冷凍機油として前記冷媒と相溶性を有する
油を使用し、前記冷媒が前記容器内を循環する冷媒圧縮
機において、前記圧縮機構における摺動部品の少なくと
も一部がセラミックス部材からなることを特徴とする冷
媒圧縮機。
【請求項２】密閉された容器内にモータ機構および圧縮
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１，１，２，２−テトラフルオ
ロエタンを、冷凍機油として前記冷媒と相溶性を有する
油を使用し、前記冷媒が前記容器内を循環する冷媒圧縮
機において、前記圧縮機構における摺動部品は、鉄系金
属からなる第１の部材と、セラミックスからなる第２の
部材とを使用し、前記第１の部材と前記第２の部材とが
摺動するように組合せたことを特徴とする冷媒圧縮機。