WO2016143038A1 - ロータリー圧縮機 - Google Patents

Abstract

　ローリングピストン８がベーン１１に摺接しながらシリンダ７内を偏心回転して冷媒を圧縮する圧縮機構部６を有し、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分には、表面粗度の最大山高さが、摺接方向とこれに直交する方向との両方において０．３μｍ以下となる研削仕上げが施されている。

Description

ロータリー圧縮機

　本発明は、空気調和機及び冷蔵庫等の冷凍空調装置の冷凍サイクルに用いられる、冷媒ガスの圧縮を行うロータリー圧縮機に関する。

　従来より、例えば、ベーンがシリンダのベーン溝に出入可能に挿入されるロータリー圧縮機がある。この種のロータリー圧縮機において、ベーン先端Ｒ面（先端湾曲面）の研削方法は、研削砥石の円筒面にベーン先端Ｒ面を押し当て、ベーンを先端Ｒの中心を軸として揺動させるようにしている。この研削方法によって、ベーンに対し、ローリングピストンとの摺動方向（ベーン先端Ｒ面の周方向）に研削仕上げが施されている（例えば特許文献１参照）。

特許第３５８５３２０号公報

　特許文献１のベーン先端部の研削方法では、ベーン先端部にローリングピストンとの摺動方向にのみ研削仕上げが施されているため、仕上げ後の粗度が大きく、以下のような課題があった。

　まず、研削方向がローリングピストンとの摺接方向の一方向のみであり、砥石の形状及び粗度がそのままベーン先端部に転写される。このため、ベーン先端部の粗度は研削砥石の粗度及び形状の影響を受けやすく、安定した表面粗度、真直度を得ることができず悪化する。特に、ベーン先端部のローリングピストンとの摺接方向に比べて摺接方向以外の表面粗度は悪化の傾向が強く、摺接方向以外の方向の表面粗度、真直度が均一でない。

　さらに、ロータリー圧縮機において、上述した加工方法によって研削したベーンを用いた場合、摺接方向以外の方向の表面粗度、真直度が均一に馴染むまでの間に、ベーン先端部及びローリングピストン外周面に過度の初期摩耗が発生して、圧縮機の性能を早期に低下させるという課題があった。

　また、上述した加工方法によって研削したベーンを用いた場合、冷媒と冷凍機油との組み合せによっては焼付き耐力が低下してしまい、ベーンのローリングピストン外周面との接触部（摺接部）において焼付きが発生してしまう課題があった。

　この焼付きの原因は以下の通りである。すなわち、ベーン及びローリングピストン外周面の微細な突起の一部が互いに接触して金属的に結合（擬着）する。次に、凝着が起こっている表面に、滑り運動によるせん断応力が発生して結合が破壊される。以上が、焼付きに至る現象である。焼付きの起点は、ベーンのローリングピストンと摺接する部分の微細な突起で生じており、この突起に基づく表面粗さの最大山高さ（Ｒｐ）が大きいと、接触面圧が大きくなり、焼付き易くなる。

　本発明はこのような点を鑑みなされたもので、研削方向を増やすと共にベーン先端部における摺接部分の表面粗さを管理して、ベーンとローリングピストンとの摺動における焼付き耐力を向上することが可能なロータリー圧縮機を得ることを目的とする。

　本発明に係るロータリー圧縮機は、ローリングピストンがベーンに摺接しながらシリンダ内を偏心回転して冷媒を圧縮する圧縮機構部を有し、ベーンのローリングピストンと摺接する部分には、表面粗度の最大山高さが、摺接方向とこれに直交する方向との両方において０．３μｍ以下となる研削仕上げが施されているものである。

　本発明によれば、ベーンとローリングピストンとの摺動における焼付き耐力を向上することが可能である。

本発明の実施の形態１に係るロータリー圧縮機を示す縦断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１に係るロータリー圧縮機のベーンを示す斜視図である。 焼付きの原因の説明図である。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るロータリー圧縮機を示す縦断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線に沿った断面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るロータリー圧縮機のベーンを示す斜視図である。

　図１に示すロータリー圧縮機は、冷凍サイクルに適用されるもので、密閉容器１内に電動機構部２と圧縮機構部６とを上下に配置した構成となっている。さらに詳しく述べると、電動機構部２は、密閉容器１内に組み付けられたステータ３とロータ４とからなり、そのロータ４の軸心部に駆動軸５を連結した構成となっている。また、密閉容器１の側面にはガスを吸入するための吸入管１５が設けられ、密閉容器１の上面には圧縮したガスを吐出するための吐出管１７が設けられている。

　電動機構部２で駆動される圧縮機構部６は、密閉容器１内に固定されて電動機構部２の下方に位置する平板リング状のシリンダ７と、ローリングピストン８と、軸受け９，１０と、ベーン１１とを備えた構成となっている。ローリングピストン８は、駆動軸５の偏心軸部５ａに回転自在に取り付けられてシリンダ７内に偏心回転可能に収納されている。軸受け９，１０は、シリンダ７の上下開口部に取り付けられて当該上下開口部を閉塞し、且つ駆動軸５を回転可能に保持する。ベーン１１は、シリンダ７のベーン挿入溝７ａに径方向へ摺動自在に取り付けられ、ベーン先端部１１ａがシリンダ７の内面（内筒面）と摺接することによってシリンダ７内を吸入室１３と圧縮室１４とに仕切っている。このように構成された圧縮機構部６は、ローリングピストン８がベーン１１に摺接しながらシリンダ７内を偏心回転して冷媒を圧縮するようになっている。

　ここで、シリンダ７の壁部には径方向のベーン挿入溝７ａ（図２参照）が設けられ、このベーン挿入溝７ａにベーン１１が摺動自在に挿入されている。そのベーン１１は、ベーンスプリング１２による背圧付勢力によってシリンダ７の径方向内側に付勢されている。これにより、ベーン１１は、その先端がローリングピストン８の外周面に当接してシリンダ７内をローリングピストン８との間で吸入室１３と圧縮室１４とに仕切り形成している。なお、ベーン１１の先端は円形状の凸曲面に形成されてローリングピストン８の外周面に摺動自在に当接しているものである。

　以上のように構成されたロータリー圧縮機において、ローリングピストン８及びベーン１１の材料としては、従来から採用されている鉄系素材がよい。例えば、ローリングピストン８には合金鋼、ベーン１１には高速度工具鋼（ＳＫＨ５１（ＪＩＳ））が最適である。

　ベーン１１の素材には、ＳＵＳ４４０Ｃ材に表面窒化処理を施したものを用いることもできる。

　また、このロータリー圧縮機に用いる冷媒は、低ＧＷＰ冷媒、例えばＲ３２、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、プロパン、ＣＯ_２、Ｒ１１２３、Ｒ１１３２である。また、冷凍機油には、例えばＨＡＢ油、エーテル油、エステル油が用いられる。

　次に動作について説明する。
 電動機構部２によって圧縮機構部６が駆動され、シリンダ７内でローリングピストン８が偏心回転している状態において、吸入管１５からシリンダ７内の吸入室１３に取り込まれた冷媒ガスは、圧縮室１４内で圧縮される。そして、圧縮された冷媒は、軸受け９の吐出口１６から密閉容器１内に吐出され、さらに吐出管１７から冷媒回路に送り出される。

　このようなロータリー圧縮機の稼働時において、ベーン１１はローリングピストン８の外周面に摺接しており、ベーン先端部のローリングピストン８との摺接部に焼付き及び摩耗が生じ易くなるが、本実施の形態１では、後述の手段を講じており、焼付きに対する耐力を向上している。

　ここで、この焼付きの原因の一つを次の図４で説明する。

　図４は、焼付きの原因の説明図である。図４には、ローリングピストンとベーンとの当接部分の拡大図を示している。図４において、Ｒｐは最大山高さ、Ｒｚは１０点平均粗さである。
　ベーン先端部１１ａとローリングピストン８外周面とのそれぞれにおける微細な突起の一部が互いに接触して金属的に結合（凝着）する。次に、凝着が起こっている表面に、滑り運動によるせん断応力が発生して破壊される。以上が、焼付きに至る現象である。

　本実施の形態１では、このような焼付きに対する耐力を向上するため、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する先端部１１ａの素地表面である先端Ｒ面１１ｂを以下のようにしている。すなわち、先端Ｒ面１１ｂにおいてベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分に、ローリングピストン８との摺接方向（図３の矢印Ｄ方向）及びこれに直交する方向（図３の矢印Ｅ方向）に網目状に交差する研削仕上げ（研磨目）が施されている。また、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分の表面粗度の最大山高さＲｐを、摺接方向及び摺接方向に直交する方向の両方において、０．３μｍ以下としている。最大山高さＲｐは小さければ小さいほど好ましい。この研削仕上げにより、面圧を下げることで、焼付きに対する耐力を向上している。また、摺接方向の真直度は１．０μｍ以下とすることが好ましい。

　ところで、ロータリー圧縮機に用いる冷媒と冷凍機油との組み合わせによっては、摺動耐力が低下し、耐力不足となることが分かっている。例えばＲ３２冷媒を用いる場合、Ｒ３２冷媒はＲ４１０Ａに比べて極性が大きいことから、冷凍機油中の極圧添加剤（摩耗防止剤）と競合し、潤滑性を悪化させ、これが要因で耐力不足となる。この競合とは、極圧添加剤と冷媒との親和性が高く、摺動部との親和性が低下することを意味する。よって、従来のＲ４１０Ａ冷媒よりも極性が大きい冷媒を用いる場合に、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分の表面粗度の最大山高さＲｐを、摺接方向及びこれに直交する方向共に０．３μｍ以下とすることで、焼付きに対する耐力を向上することができることが本発明者らの検証により確認されている。

　ローリングピストン８との摺接方向及びこれに直交する方向共に研磨目が施されたベーン先端部１１ａの粗さを粗さ形状測定器によって測定すると、摺接方向及びそれに直交する方向のそれぞれにおいて、粗度（最大山高さＲｐ）が０．３μｍ以下であり、方向性を問わずにどの方向でも均一な粗さとする。

　また、ローリングピストン８との摺接方向及びこれに直交する方向共に研磨目が施されたベーン先端部１１ａを形状測定器によって測定すると、摺接方向において、真直度が１．０μｍ以下である。このとき、ベーン１１の摺接部の長さｈ（図３参照）は１８．０ｍｍ以下である。

　次に、ベーン１１の寸法等について図３を参照して説明する。

　ベーン１１の摺接部の長さｈは１３．５８～１３．６０ｍｍ、又は１７．９８～１８．００ｍｍである。

　ベーン１１の幅ｓは３．２０～３．２３ｍｍである。

　ベーン１１の全長ｌは２１ｍｍ、又は１９ｍｍである。

　ベーン１１の先端Ｒ形状は、Ｒ５．０～Ｒ６．１である。

　ベーン１１の硬度は、ＨＲＣ６１～６５である。

　ベーン１１のヤング率は、２１９ＧＰａである。

　次に、ローリングピストン８の寸法等について図２を参照して説明する。

　ローリングピストン８の形状は、外径ｄ１が１３０～３３ｍｍ、内径ｄ２が２０．８～２３．１ｍｍ、厚さｗ１が１３．５～１３．６ｍｍである。又は外径ｄ１が３０～３４ｍｍ、内径ｄ２が２２．５～２３．６ｍｍ、厚さｗ１が１７．９８～１８．００ｍｍである。

　ローリングピストン８の高さは、１０～４０ｍｍである。

　ローリングピストン８の硬度は、ＨＲＣ４５～５３である。

　ローリングピストン８のヤング率は、１３３ＧＰａである。

　ベーンスプリング１２のバネ定数は　０．０４～０．１３ｋｇｆである。

　以上のように、本実施の形態１では、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分に、摺接方向とこれに直交する方向との両方に、表面粗度の最大山高さＲｐが０．３μｍ以下となる研削仕上げを施した。これにより、焼付きの起点となる金属表面の微細な突起を摺接方向及びこれに直交する方向の両方において小さくすることができ、ベーン１１とローリングピストン８との摺動において、焼付き耐力を向上させることができる。その結果、ベーン１１とローリングピストン８との過度な初期摩耗によるロータリー圧縮機の寿命低下を防ぐことができる。

　また、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分が、摺接方向とこれに直交する方向との両方において、真直度と粗度（最大山高さＲｐ）が小さくなることで、ベーン１１とローリングピストン８との摺動における接触面積が広がる。その結果、面圧が下がり、焼付き耐力を向上させることができる。

　また、ベーン１１のローリングピストン８と摺接する部分の研削方向を、摺接方向とこれに直交する方向としたので、摺接方向とこれに直交以外の角度で交差する方向とした場合に比べて、以下の効果が得られる。

　ベーン１１は、シリンダ７内を低圧側（吸入室１３）と高圧側（圧縮室１４）とに分けており、ベーン１１とローリングピストン８との間は、冷凍機油によってシールされ、ガス漏れを抑制している。ベーン１１とローリングピストン８との接触面において、直交方向（図３の矢印Ｅ方向）の粗度が大きく、山の頂点でぶつかっていると、ミクロ視したときベーン１１とローリングピストン８との間が離れる。よって、油が同量であれば、粗度が大きい方が、シール面積が小さく、シリンダ７内で高圧側から低圧側にガスが漏れやすくなる。油の量が増えれば、改善されるものの、冷凍機油は冷媒に解け、冷凍サイクル中を循環する。熱交換に寄与しない油が循環すると効率が低下するため、油の量を増やすのは避ける必要がある。以上のことから、摺接方向以外の研削方向として、摺接方向に直交する方向とすることで、ガスが漏れを抑制する効果が得られる。

　また、従来一般に、ベーン１１の表面全体には耐摩耗性の保護膜がコーティングされるが、本実施の形態１の構成とした場合、上述したように摺接部分の面圧が下がるため、コーティングを省略することが可能である。

　１　密閉容器、２　電動機構部、３　ステータ、４　ロータ、５　駆動軸、５ａ　偏心軸部、６　圧縮機構部、７　シリンダ、７ａ　ベーン挿入溝、８　ローリングピストン、９　軸受け、１０　軸受け、１１　ベーン、１１ａ　ベーン先端部、１１ｂ　先端Ｒ面、１２　ベーンスプリング、１３　吸入室、１４　圧縮室、１５　吸入管、１６　吐出口、１７　吐出管。

Claims (2)

1. 　ローリングピストンがベーンに摺接しながらシリンダ内を偏心回転して冷媒を圧縮する圧縮機構部を有し、
   　前記ベーンの前記ローリングピストンと摺接する部分には、表面粗度の最大山高さが、摺接方向とこれに直交する方向との両方において０．３μｍ以下となる研削仕上げが施されているロータリー圧縮機。
2. 　前記ベーンと前記ローリングピストンは鉄系材料で構成されている請求項１記載のロータリー圧縮機。

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