WO2017141825A1 - 冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

冷媒圧縮機（１７１）であって、電動要素（１０６）と、電動要素（１０６）により駆動され、摺動部を有し、冷媒を圧縮する圧縮要素（１０７）とを備えている。そして、摺動部を潤滑させる冷凍機油（１０３）に、直径が１００ｐｍから１０ｎｍのフラーレン（１８１）が添加されている。

Description

冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置

　本開示は、冷蔵庫、およびエアコンディショナ等に使用される、冷媒圧縮機、ならびに、それを用いた冷凍装置に関する。

　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ため、高効率な冷媒圧縮機の開発が進められている。

　このような冷媒圧縮機の高効率化に適する技術として、従来、冷媒圧縮機のピストンおよびクランクシャフト等の摺動面に、リン酸塩被膜を形成する技術がある。これにより、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ことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

　また、摺動面の摩擦係数を小さくするために、潤滑油に、石油系、または石炭系の重質留分を熱処理することにより得られる、直径０．１μｍから１００μｍの炭素系光学的異方性球体を添加することが知られている（例えば、特許文献２参照）。

　この潤滑油は、添加された、直径が０．１μｍから１００μｍの炭素系光学的異方性球体が固体潤滑剤として作用することにより、摺動面の摩擦係数を小さくし、発熱を減少させるとともに、摩耗を軽減させる。

特開平７－２３８８８５号公報 特公昭６０－３３６０号公報

　本開示は、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ものである。

　本開示の冷媒圧縮機は、電動要素と、電動要素により駆動され、摺動部を有し、冷媒を圧縮する圧縮要素とを備え、摺動部を潤滑させる冷凍機油に、直径が１００ｐｍから１０ｎｍのフラーレンが添加された構成である。

　これにより、フラーレンが、摺動部に安定的に供給されて、固体潤滑剤として作用するので、凝着摩耗および異常摩耗の発生が防止できるとともに、摩擦損失を低減させることができる。

　本開示の冷媒圧縮機は、直径が１００ｐｍから１０ｎｍまでのフラーレンを添加した冷凍機油が用いられることにより、凝着摩耗および異常摩耗の発生を防止できる。また、摩擦損失を低減することができるので、信頼性が高く、高効率な冷媒圧縮機、およびそれを用いた冷凍装置を提供することができる。

図１は、本開示の第１の実施の形態における冷媒圧縮機の断面図である。 図２は、本開示の第１の実施の形態におけるフラーレンの模式図である。 図３は、本開示の実施の形態にかかる、摩擦摩耗試験における各フラーレン添加油を用いた時の摩擦係数を示した特性図である。 図４は、本開示の実施の形態にかかる、摩擦摩耗試験における各フラーレン添加油を用いた時のボールに生じた摺動痕の長さを示した特性図である。 図５Ａは、本開示の実施の形態における、摩擦摩耗試験後のボールに生じた摺動痕の一例を示した拡大図である。 図５Ｂは、本開示の実施の形態における、摩擦摩耗試験後のボールに生じた摺動痕の一例を示した拡大図である。 図６は、本開示の第２の実施の形態における冷凍装置の構成を示す模式図である。 図７は、本開示の比較例となる冷媒圧縮機の断面図である。

　まず、比較例の説明を行い、本開示が解決しようとする課題について、詳細に説明する。

　図７は、本開示の比較例となる冷媒圧縮機１００の断面図である。

　図７に示されるように、冷媒圧縮機１００は密閉容器１を備える。密閉容器１は、底部に冷凍機油２を貯留している。また、密閉容器１は、固定子３および回転子４からなる電動要素５と、電動要素５によって駆動される、往復式の圧縮要素６とを収容している。

　次に、圧縮要素６の詳細を説明する。

　クランクシャフト７は、回転子４が圧入固定された主軸部８と、主軸部８に対して偏心して形成された偏心軸９とからなる。クランクシャフト７には、給油ポンプ１０が設けられている。

　シリンダブロック１１は、略円筒形（円筒形を含む）のボア１２からなる圧縮室１３を形成している。シリンダブロック１１には、主軸部８を軸支する軸受部１４が設けられている。

　ボア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１２の端面は、バルブプレート１８によって封止されている。

　ヘッド１９は、高圧室を形成する。ヘッド１９は、バルブプレート１８の、ボア１２が設けられている側とは反対側に固定されている。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２１は、バルブプレート１８とヘッド１９とに挟持されている。

　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１２、ピストンピン１６とコンロッド１７、および、クランクシャフト７の偏心軸９とコンロッド１７は、それぞれ、相互に摺動部を形成する。これら複数の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材表面に、多孔質結晶体からなる不溶解性のリン酸塩被膜が形成されている。

　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に供給されて、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およびピストンピン１６を介して、ピストン１５が駆動される。ピストン１５は、ボア１２内を往復運動する。これにより、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が、サクションマフラ２１から吸入され、圧縮室１３内で連続して圧縮される。

　冷凍機油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る。冷凍機油２は、各摺動部を潤滑させるとともに、ピストン１５とボア１２との間においては、シール機能を司る。

　ここで、クランクシャフト７の主軸部８と軸受部１４との間においては、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となる。そして、起動時には、金属接触状態から回転運動が開始される。しかしながら、リン酸塩被膜をクランクシャフト７の主軸部８に形成することにより、初期なじみ性を有するリン酸塩被膜によって、起動時の金属接触による異常摩耗を防止できる。

　近年の冷媒圧縮機においては、このような構成において、その高効率化を、さらにハイレベルにすべく、より粘度の低い冷凍機油２が使用されたり、または、各摺動部における摺動長が、より短く設計されたりする。この場合、比較例に記載されたリン酸塩被膜では、早期に摩耗または摩滅して、なじみ効果の持続が困難となり、長期的な耐摩耗性が低下する可能性がある。

　さらに、冷媒圧縮機１００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。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、冷凍機油２に溶け込んだ冷媒ガスが気化して発泡し、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に形成されたリン酸塩被膜が、早期に摩耗して、摩擦係数が上昇し、摺動部の発熱が大きくなって、凝着等の異常摩耗が生じる可能性がある。ピストン１５とボア１２との間においても、同様の現象が起きるため、同様の課題を有している。

　また、比較例において、前述した、特許文献２記載の潤滑油を冷凍機油２として使用しても、長期的な耐摩耗性が低下する懸念がある。

　すなわち、冷媒圧縮機１００において、ジャーナル軸受を構成する、主軸部８と軸受部１４との間のクリアランスは、大抵十数μｍから３０μｍが一般的である。また、往復運動する、ピストン１５とボア１２との間のクリアランスは、圧縮時の冷媒リークを抑制して高効率化を図るために、より小さく、具体的には、１０μｍ未満となる傾向にある。

　ここで、直径が、３０μｍから１００μｍの範囲にある炭素系光学的異方性球体は、摺動部材間のクリアランスよりも大きくなるため、摺動部材間に入り込むことができず、固体潤滑剤として作用しない可能性がある。

　また、直径が、０．１μｍから３０μｍの範囲にある光学的異方性球体は、クリアランスよりも個々の球体は小さいものの、分子間力の影響により凝集し易い。その結果、凝集した光学的異方性球体のサイズがクリアランスよりも大きくなることにより、摺動部材間に入り込まなかったり、または、入り込んだとしても、サイズが大きいために、摺動部材表面に傷が生じ、摩擦損失が大きくなったり、凝着摩耗および異常摩耗の起点となる可能性がある。

　加えて、冷媒圧縮機１００は、運転および停止を繰り返すので、特に、冷媒圧縮機１００の静止時においては、光学的異方性球体自体の自重、または、凝集体の自重により、沈殿が発生する。そこで、例えば、特殊な分散剤等を添加して、一時的に光学的異方性球体または凝集体を冷凍機油中に分散させたとしても、それぞれの自重により、やがて沈殿が発生する。

　その結果、冷凍機油中に光学的異方性球体を均一に分散させて、長期に亘って固体潤滑剤として安定的に作用させることは困難となる可能性がある。

　本開示は、このような点に鑑みて、比較例における上述した課題を解決したものであり、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ものである。

　本開示の第１の態様は、電動要素と、電動要素により駆動され、摺動部を有し、冷媒を圧縮する圧縮要素とを備えている。そして、摺動部を潤滑させる冷凍機油に、直径が１００ｐｍから１０ｎｍのフラーレンが添加された構成である。

　これにより、フラーレンが、摺動部材間に安定的に供給されて固体潤滑剤として作用する。よって、凝着摩耗および異常摩耗を未然に抑制して、長期信頼性を向上させることができるとともに、摩擦損失が低減されるので、高い性能を実現できる。

　第２の態様は、第１の態様において、フラーレンは、Ｃ６０フラーレン、Ｃ７０フラーレン、および、Ｃ７０よりも炭素数が多い高次フラーレンのうち、いずれかのフラーレンである、または、Ｃ６０フラーレン、Ｃ７０フラーレン、および、Ｃ７０よりも炭素数が多い高次フラーレンのうち、少なくとも二つが混合されたミックスフラーレンであってもよい。

　これにより、さらに、凝着摩耗を未然に抑制して、長期信頼性を向上させることができる。そして、いずれのフラーレンも、活性を有しているので、貧油条件、および、起動時において、冷凍機油の劣化起点となるラジカル反応をトラップして不活性化することができる。よって、冷凍機油の潤滑性能を長期に亘って保持することができる。

　第３の態様は、第１の態様または第２の態様において、フラーレンの形状は、円球形、または、楕円球形であってもよい。

　これにより、さらに、対向する摺動面が相対移動する際に、フラーレンが転がって、摺動面間の摩擦が転がり摩擦になるので、摺動部の摩擦係数が小さくなり、高い性能を実現することができる。

　第４の態様は、第１の態様から第３の態様までのいずれか１つの態様において、フラーレンの添加量は、冷凍機油に対する飽和溶解量、または、それ以下である構成であってもよい。

　これにより、さらに、冷媒圧縮機が停止しても、冷凍機油中にフラーレンが均一に分散したままの状態が維持される。よって、再起動時の摺動部材間の金属接触を緩和して、長期耐久性を向上させることができる。

　第５の態様は、第１の態様から第４の態様までのいずれか１つの態様において、圧縮要素で圧縮される冷媒は、Ｒ１３４ａ等のＨＦＣ系冷媒、または、ＨＦＣ系冷媒を含む混合冷媒であってもよい。また、冷凍機油は、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、および、ポリアルキレングリコールのうちいずれか、または、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、および、ポリアルキレングリコールのうち、少なくとも二つの混合油であってもよい。

　これにより、消費電力低減の観点から、粘度の低い冷凍機油が使用されたり、各摺動部材間の摺動長がより短く設計されたとしても、異常摩耗を防止し、かつ、摺動損失の低減が図れる。よって、高信頼性を有し、高効率な冷媒圧縮機を実現することができる。

　第６の態様は、第１の態様から第４の態様までのいずれか１つ態様において、冷媒は、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、およびＲ７４４のうち、いずれかの自然冷媒である、または、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、およびＲ７４４のうち、少なくともいずれかを含む混合冷媒であってもよい。また、冷凍機油は、鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうち、いずれかひとつ、または、鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうち、少なくとも二つの混合油であってもよい。

　これにより、異常摩耗を防止し、かつ、摺動損失の低減が図れ、高信頼性を有し、高効率な冷媒圧縮機を実現することができる。そして、温室効果の少ない冷媒を使用することにより、地球温暖化抑制を図ることができる。

　第７の態様は、第１の態様から第４の態様までのいずれか１つの態様において、圧縮要素で圧縮される冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ等のＨＦＯ系冷媒、または、ＨＦＯ系冷媒を含む混合冷媒であってもよい。そして、冷凍機油は、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうちいずれかひとつ、または、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうち少なくとも二つの混合油であってもよい。

　これにより、さらに、摺動熱等により冷媒が分解した際に、酸性物質（例えばフッ酸）が生じたとしても、フラーレンがこれらをトラップして不活性化することができる。これにより、冷凍機油の全酸価の上昇、および、摺動部材表面への攻撃性が低減されて、高信頼性を有し、高効率な冷媒圧縮機を実現することができる。さらに、可燃性を有さず、かつ、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８の態様は、第１の態様から第７の態様のいずれか１つの態様において、電動要素は、複数の運転周波数でインバータ駆動される構成であってもよい。

　これにより、さらに、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、また、回転数が増加し、摺動部に掛かる荷重が増加し、摺動部の発熱により冷凍機油の粘度が低下するような苛酷な高速運転時においても、異常摩耗を防止して、高い信頼性を維持することができる。加えて、インバータ制御により冷媒圧縮機の運転を最適化することにより、省エネルギー化を実現することができる。

　第９の態様は、第１の態様から第８の態様のいずれか１つの態様において、圧縮要素は、主軸部を有するクランクシャフトと、主軸部を軸支する軸受部を有し、ボアを形成するシリンダブロックと、ボアに遊嵌されたピストンと、を有していてもよい。そして、摺動部は、少なくとも、主軸部と軸受部との間、および、ピストンとボアとの間に形成される構成であってもよい。

　第１０の態様は、第１の態様から第９の態様のいずれか１つの態様の冷媒圧縮機と、冷媒圧縮機、放熱器、減圧装置および吸熱器が、配管によって環状に連結された冷媒回路とを備えた構成であってもよい。

　これにより、摩擦損失が低減され、性能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、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施の形態によって、本開示が限定されるものではない。

　（第１の実施の形態）
　図１は、本開示の第１の実施の形態における冷媒圧縮機１７１の断面図であり、図２は、同第１の実施の形態におけるフラーレン１８１の模式図である。

　図１において、密閉容器１０１内には、Ｒ１３４ａからなる冷媒ガス１０２が充填されている。密閉容器１０１の底部には、冷凍機油１０３としてエステル油が貯留されている。密閉容器１０１は、固定子１０４および回転子１０５からなる電動要素１０６と、電動要素１０６によって駆動される、往復式の圧縮要素１０７とを収容している。

　冷凍機油１０３には、断面が実質的に円形（円形を含む）で、断面の平均粒径が、１００ｐｍから１０ｎｍの微細粒子であるフラーレン１８１が混入されている。

　ここで、フラーレン１８１とは、炭素原子１８１ａが球状のネットワーク構造を構成し、炭素原子１８１ａのみで構成された炭素分子の総称である。フラーレン１８１は、ダイヤモンドおよびグラファイトに続く、第三の炭素同素体のことである。フラーレン１８１は、他の炭素同素体とは異なり、単一分子として取り出せ、その分子の直径は約１ｎｍである。

　最も有名なフラーレン１８１としては、Ｃ６０の分子がある。図２に示されるように、Ｃ６０の分子は、６０個の炭素原子１８１ａが、１２個の五員環１８１ｂと２０個の六員環１８１ｃとからなる、球状の接頭正二十面体を構成している。Ｃ６０の分子は、いわゆるサッカーボール状の真球構造であり、特に分子ベアリング効果があると考えられている。このようなＣ６０以外にも、同様に７０個の炭素原子からなるＣ７０、および、さらに炭素数の多い高次フラーレン等が存在する。

　次に、フラーレン１８１の製造プロセスについて簡単に説明する。

　炭化水素原料を特殊な燃焼プロセスによって燃焼合成することにより、フラーレン１８１を含んだ、スートと呼ばれる、すすが得られる。このスートを、有機溶媒で濾すと、Ｃ６０とＣ７０と高次フラーレンとを含んだフラーレン１８１は溶解し、ナノムブラックと呼ばれる残渣と分けられる。この溶解したＣ６０とＣ７０と高次フラーレンとを含んだフラーレンが、ミックスフラーレンと呼ばれている。これを単離精製することで、ミックスフラーレン、または各種フラーレン単体を得ることができる。

　本実施の形態では、フラーレン１８１として、Ｃ６０、Ｃ７０および高次フラーレンからなるミックスフラーレンを用いている。

　これらのフラーレン１８１は、その構造から極めて特殊な性質を発現し、炭素同素体であるにも関わらず、ベンゼンおよびトルエン等の有機溶剤にも可溶である。

　ここで、フラーレン１８１が、冷凍機油１０３であるエステル油に可溶であるか否かに関して、実験的に確認を行う。

　室温（２５℃）において、直径が１００ｐｍから１０ｎｍで、かつ、Ｃ６０、Ｃ７０、および高次フラーレン（Ｃ７６、Ｃ８２等）からなるミックスフラーレンを、エステル油に適量添加し、十分に攪拌してサンプルを作成した。その後、そのサンプルを一定時間放置して、フラーレン１８１の沈殿および析出の有無の確認を行った。その結果、今回の評価に供したエステル油は、フラーレン１８１を溶解可能であることが確認された。さらに、その濃度が、０．１から０．２％を越えた付近から、フラーレン１８１の沈殿および析出が発生することが確認された。

　以上の結果から、冷凍機油１０３であるエステル油、すなわちＣ＝Ｏ（カルボニル構造）またはＣ－Ｏ－Ｃ（エーテル構造）を有する溶媒において、フラーレン１８１が可溶可能であることが判明した。また、今回、評価に供した冷凍機油１０３であるエステル油に対するフラーレン１８１の飽和溶解量（フラーレン１８１が冷凍機油１０３中に分散して均一系を形成する溶解現象にあって、フラーレンが冷凍機油１０３に最大限溶解する割合）は、０．１から０．２％であることが判明した。

　次に、圧縮要素１０７の詳細を以下に説明する。

　クランクシャフト１０８は、回転子１０５が圧入固定された主軸部１０９と、主軸部１０９に対して偏心して形成された偏心軸１１０とからなる。クランクシャフト１０８の下端には、冷凍機油１０３に連通する給油ポンプ１１１が設けられている。

　鋳鉄からなるシリンダブロック１１２は、略円筒形（円筒形を含む）のボア１１３を形成するとともに、主軸部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との間には、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およびスラストワッシャ１２４が、スラスト軸受１２６を構成している。

　ある一定量のクリアランスを保ってボア１１３に遊嵌されたピストン１３２は、鉄系の材料からなり、ボア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によって、偏心軸１１０と連結されている。ボア１１３の端面は、バルブプレート１３９で封止されている。

　このように、相互に摺動部を形成している、クランクシャフト１０８の主軸部１０９と軸受部１１４、ピストン１３２とボア１１３、ピストンピン１３７とコンロッド１３８、および、クランクシャフト１０８の偏心軸１１０とコンロッド１３８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材表面に、多孔質結晶体からなる不溶解性のリン酸塩被膜が形成されている。具体的には、一例として、クランクシャフト１０８およびピストン１３２の摺動面の表面に、それぞれ、リン酸塩被膜が形成されている。

　ヘッド１４０は、高圧室を形成し、バルブプレート１３９の、ボア１１３が設けられた側とは反対側に固定されている。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）に接続されている。サクションチューブは、冷媒ガス１０２を密閉容器１０１内に導く。サクションマフラ１４２は、バルブプレート１３９とヘッド１４０とに挟持されている。

　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に供給されて、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を回転させる。これによる、偏心軸１１０の偏心運動により、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が駆動される。ピストン１３２は、ボア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が、サクションマフラ１４２から吸入され、圧縮室１３４内で圧縮される。

　冷凍機油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る。冷凍機油１０３は、摺動部を潤滑させるとともに、ピストン１３２とボア１１３との間においてはシール機能を司る。

　近年の冷媒圧縮機１７１においては、高効率化を図るために、より粘度の低い冷凍機油１０３が使用されたり、各摺動部材間の摺動長がより短く設計されたりする。つまり、摺動条件は、より過酷な方向へ、すなわち、摺動部間の油膜がより薄くなる、または形成され難い方向へと変化している。

　さらに、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の主軸部１０９と、シリンダブロック１１２の軸受部１１４との間、および、主軸部１０９に対して偏心して形成された偏心軸１１０とコンロッド１３８との間に、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、主軸部１０９と軸受部１１４との間等において、冷凍機油１０３に溶け込んだ冷媒ガス１０２が繰り返し気化して発泡が発生する。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との間等の摺動部において、油膜が切れて金属接触する頻度が増加する可能性が高くなっている。

　このような状況下において、従来の冷媒圧縮機では、摺動部表面に形成された多孔質結晶体からなる不溶解性のリン酸塩被膜が摩耗または摩滅して、早期に消失して、鉄系材料同士が摺動する。このため、長期的な耐摩耗性が低下する可能性がある。

　しかしながら、本実施の形態のように、断面の平均粒径が１００ｐｍから１０ｎｍの微細粒子であるフラーレン１８１が混入された冷凍機油１０３を用いると、凝着摩耗および異常摩耗を未然に抑制し、摩擦損失を低減することができる。

　以下、詳細に説明する。

　まず、フラーレン１８１の溶解量をパラメータとして、エステル油の摩擦摩耗特性への作用を明確化すべく要素実験を行った。

　高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製の市販のボール３個と、同じく高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製で、表面をダイヤモンドスラリーで研磨し、表面粗さをＲａ０．０１以下に仕上げたディスクとを用いて、３ボール・オン・ディスク式摩耗試験が実施された。

　表面に形成されたリン酸塩被膜が摩耗して基材が露出した状態、いわゆる鉄系同士が摺動する状態を想定し、本要素実験で使用した試料（ボール、およびディスク）には、リン酸塩被膜処理は施されていない。

　ＶＧ１０（４０℃での粘度が１０ｍｍ^２／ｓ）のエステル油をリファレンスとして、フラーレン１８１が適量添加された数種の冷凍機油を、試験前のディスクの表面に適量滴下し、試験中は補充しない、いわゆる貧油条件下で実験が行われた。

　準備されたエステル油は以下の通りである。

　飽和溶液（フラーレン濃度は０．１％から０．２％）、飽和溶液を基準として１／２０倍に希釈した溶液（濃度は０．００５％から０．０１％、以下、１／２０希釈液と称す）、１／５倍に希釈した溶液（濃度は０．０２％から０．０４％、以下、１／５希釈液と称す）、５倍に濃くした溶液（濃度は０．５％から１％、以下、５倍濃縮液と称す）、および、１０倍に濃くした溶液（濃度は１％から２％、以下、１０倍濃縮液と称す）の５種類が準備された。

　５倍濃縮液、および１０倍濃縮液の場合は、攪拌しても、ある時間が経過すると、フラーレン１８１、およびフラーレン１８１の凝集体の、沈殿および析出現象が発生する。これはフラーレン１８１の量が多いためであると推定される。

　一方、飽和溶液、１／５倍希釈液、および、１／２０倍希釈液においては、長時間（６０日）室温で放置しても、沈殿および析出現象は全く発生しなかった。

　また、摩擦摩耗試験においては、比較例として、フラーレン１８１を添加しないエステル油（以下、ベース油と称す）も用いられた。

　なお、摩擦摩耗試験においては、試験開始前に、超音波洗浄槽で３０分間攪拌したフラーレン添加エステル油を、ディスクの摺動部に１０滴（約６０μＬ程度）滴下させた後、試験を開始した。また、負荷荷重２０Ｎ、回転速度０．２ｍ／ｓで、５分間（すべり距離１００ｍ）摺動させる条件で試験を実施した。

　そして、試験中の摩擦係数計測、および、試験後の摺動痕観察の結果から、フラーレン１８１の溶解量と摩擦摩耗特性との相関性の評価が行われた。

　図３は、本開示の実施の形態にかかる、摩擦摩耗試験における各フラーレン添加油を用いた時の摩擦係数を示した特性図である。

　図３においては、起動時の摩擦係数と、運転時の摩擦係数とが示されている。ここで、起動時の摩擦係数とは、試験開始からすべり距離１０ｍ到達時までに生じた摩擦係数の平均値を指す。一方、運転時の摩擦係数とは、すべり距離が５０ｍ到達時から試験終了時までに生じた摩擦係数の平均値を指す。

　図３に示されるように、ベース油に比べて、フラーレン添加油の起動時、および、運転時における摩擦係数が、いずれも低下していることが分かる。さらに、飽和溶液における摩擦係数が、最も低いことが分かる。

　図４は、本開示の実施の形態にかかる、摩擦摩耗試験における各フラーレン添加油を用いた時のボールに生じた摺動痕の長さを示した特性図である。

　ここで、摺動痕の長さとは、摺動方向に対して垂直方向の最大長さのことである。

　また、図５Ａおよび図５Ｂは、本開示の実施の形態における、摩擦摩耗試験後のボールに生じた摺動痕の一例を示した拡大図である。図５Ａには、飽和溶液における摩擦摩耗試験後の摺動痕が示され、図５Ｂには、５倍濃縮液における試験後の摺動痕が示されている。

　図４に示されるように、ベース油に比べて、フラーレン添加油の摺動痕の長さは短い。加えて、１／５倍希釈液、飽和溶液、および、５倍濃縮液における摺動痕長さが比較的小さいことが分かる。

　また、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、飽和溶液に比べて、５倍濃縮液の場合は、ボール表面に微細な傷が生じていることが分かる。１／２０倍希釈液、および１／５倍希釈液の場合は、図５Ａと同様な摺動痕形態を示す一方で、ベース油、および１０倍濃縮液の場合は、図５Ｂと同様な摺動痕形態、すなわち微細な傷が生じることが分かった。

　以上の結果について、以下のように考察する。

　フラーレン１８１、または、その一部は、摺動部における、局所的に接触している箇所に入り込んで、固体潤滑効果を発揮すると考えられる。すなわち、炭素のもつ非凝着性と、球状分子の転がり作用とによって、エステル油の潤滑性能を補っていると考えられる。

　また、フラーレン１８１の飽和溶液において、最も摩擦係数が低くなるのに対して、フラーレン添加量が飽和溶液よりも少なくなるに伴って、摩擦係数が増加する。この要因は、局所的に接触している箇所に介在するフラーレン１８１の量が少なくなって、固体潤滑作用を呈する効力が低下したためと思われる。

　一方で、フラーレン添加量が飽和溶液よりも多くなるに伴って、摩擦係数が増加する傾向にある。この要因は、溶解し切れずに析出したフラーレン１８１、またはフラーレン１８１同士が凝集して形成された凝集体が、摺動面の表面の傷付きを発生させるためと考えられる。

　これらのことから、フラーレン１８１を冷凍機油１０３に添加して摩擦摩耗特性を最も向上させるためには、使用する冷凍機油１０３に応じて、フラーレン１８１の添加量を飽和溶解量とすることが重要であるといえる。具体的には、飽和溶解量から１／２０倍希釈液、好ましくは、飽和溶解量から１／５０倍希釈液程度までの添加量がよい。

　次に、冷媒圧縮機１７１を用いて、実機を用いた耐久性試験を行った。

　なお、使用された冷凍機油１０３は、１／５倍希釈液、飽和溶液、およびベース油（エステル油）の３種として、各々冷媒圧縮機１７１に封入された。本試験は、クランクシャフト１０８の主軸部１０９の摩耗を加速させるべく、短時間で運転と停止とが繰り返される、高温高負荷断続運転モードで行われた。

　そして、実機信頼性試験後に、冷媒圧縮機１７１が解体され、クランクシャフト１０８が取り出され、その摺動部が観察された。

　その結果、ベース油を用いた場合には、摺動表面に形成されていたリン酸塩被膜の大部分が摩耗、または摩滅して消失しており、かつ、鉄系同士が摺動している箇所には、凝着摩耗によるものと推察される傷が発生していた。

　一方、１／５倍希釈液および飽和溶液においては、ベース油に比べてリン酸塩被膜の損耗が顕著に抑制されており、摺動部材の損傷は顕著に軽微であった。

　本実施の形態によれば、電動要素１０６と、電動要素１０６により駆動され冷媒を圧縮する圧縮要素１０７とを備え、直径が１００ｐｍから１０ｎｍのフラーレン１８１を添加した冷凍機油１０３を用いた冷媒圧縮機１７１が構成される。

　これにより、以上の要素実験および実機による信頼性試験の結果から、フラーレン１８１が、摺動部材間に安定的に供給されて、固体潤滑剤として作用することで、凝着摩耗および異常摩耗を未然に抑制することができる。そして、長期信頼性を向上できるとともに、摩擦損失が抑制されるので、高い性能を実現することができる。

　なお、本実施の形態の実機信頼性試験においては、摺動部材表面に、多孔質結晶体からなる不溶解性のリン酸塩被膜が形成されているが、要素実験の結果から、リン酸塩被膜が形成されていない場合においても、同様の効果が得られると推測される。

　また、フラーレン１８１は、図２に示されるような構造対称性に起因して、高い電子受容性を有している。具体的には、１個のフラーレン１８１で、６個の電子を捕捉することが可能である。よって、フラーレン１８１には、冷凍機油１０３および冷媒ガス１０２の酸化の要因であるラジカルを取り除き、冷凍機油１０３および冷媒ガス１０２の劣化を抑制する効果が期待される。これにより、長期に亘って冷媒圧縮機１７１の信頼性を確保することができる。

　なお、フラーレン１８１の形状は、円球形、または楕円球形であることから、対向する摺動面が相対移動する際に、フラーレン１８１が転がることで、転がり摩擦になる、すなわち、分子ベアリング効果を発揮する。これにより、摺動部の摩擦係数が小さくなり、高い性能を実現できる。また、起動時にトルクを低減させることで、冷媒圧縮機１７１の起動性を顕著に向上させることができる。

　また、本実施の形態では、冷凍機油１０３としてエステル油を用いたが、その他の冷凍機油１０３に対してもフラーレン１８１を添加し、同様の効果を奏させることは可能である。また、エステル油等に代表されるような、極性を有する冷凍機油１０３では、ＴＣＰ（トリクレジルフォスフェート）等に代表されるような極圧剤（摩耗防止剤）が作用しないことが一般的に知られている。しかしながら、本実施の形態のフラーレン１８１を用いることにより、冷凍機油１０３が有する極性、または無極性に関わらず、固体潤滑作用を奏することが可能である。

　加えて、冷凍機油１０３として使用される、鉱油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、および、ポリアルキレングリコール、それぞれにおける、フラーレン１８１の飽和溶解量は、概ね０．１％から０．５％の範囲であった。フラーレン１８１を過剰に添加すると、生成された凝集体等の影響により、摺動面に傷が発生して、摩擦低減効果が低くなる。よって、フラーレン１８１の添加量は、飽和溶解量、または、それ以下にすることが望ましい。

　冷媒圧縮機１７１内の温度変動、および圧力変動に加え、冷媒ガス１０２の溶け込み量の変動により、冷凍機油１０３の粘度は常時変動する。このことから、室温雰囲気でのフラーレン１８１の飽和溶解量よりも、実際の冷媒圧縮機１７１内の飽和溶解量のほうが、若干低くなる可能性が考えられる。

　このことから、フラーレン１８１の析出および沈殿の可能性を、できる限り抑制するためには、摩擦摩耗特性が改善できる範囲で、フラーレン１８１の添加量を、可能な限り必要最小量とする、すなわち、室温での飽和溶解量よりも少なくする方が望ましい。さらに、冷媒圧縮機１７１が停止状態になったとしても、冷凍機油１０３中にフラーレン１８１が均一に分散したままの状態が維持される。これにより、再起動時の摺動部材間の金属接触を緩和して、長期耐久性を向上させることができる。

　なお、本実施の形態では、冷媒ガス１０２をＲ１３４ａ冷媒とし、冷凍機油１０３をエステル油としたが、他のＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒のうち、いずれかひとつ、またはそれらの混合冷媒とし、冷凍機油１０３を、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうちいずれかひとつ、またはこれらの混合油を用いても、同じ効果、すなわち、高信頼性および高効率化が得られる。

　なお、冷媒ガス１０２を、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、およびＲ７４４等の自然冷媒のうち、いずれかひとつ、またはこれらを含む混合冷媒としてもよい。また、冷凍機油１０３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、および、ポリアルキレングリコールのうち、いずれかひとつとする、または、これらのうち少なくとも二つの混合物を用いてもよい。このような場合にも、同じ効果が得られるとともに、温室効果の少ない冷媒ガス１０２を使用することにより、地球温暖化抑制を図ることもできる。

　加えて、冷媒ガス１０２を、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系冷媒のいずれかひとつ、またはその混合冷媒とし、冷凍機油１０３を、エステル油、ポリアルキレングリコール、ポリビニルエーテル、および鉱油のうち、いずれかひとつ、または、これらの混合油を用いても、摺動熱等により冷媒が分解した際に生じた酸性物質（例えばフッ酸）を、フラーレン１８１がトラップして不活性化する。これにより、冷凍機油の全酸価の上昇、および、摺動部材表面の攻撃性が低減されて、高信頼性で高効率な冷媒圧縮機１７１を実現できる。そして、可燃性を有さず、かつ、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。

　なお、本実施の形態では、フラーレン１８１が、冷凍機油１０３に直接添加される場合で説明したが、これは、圧縮機組立時等に、フラーレン１８１を、クランクシャフト１０８等の部品に用いられる潤滑油に添加しておき、この潤滑油が冷凍機油１０３に混ざることによって添加されるようにしてもよい。

　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１７１に適用してもよい。

　このような、インバータ駆動される冷媒圧縮機１７１においては、摺動部が、回転数の変動によって過酷な条件に置かれる。このような過酷な条件、すなわち、各摺動部への給油量が少なくなる低速運転時、および、回転数が増加し、摺動部に掛かる荷重が増加するとともに、摺動部の発熱により冷凍機油１０３の粘度が低下するような苛酷な高速運転時においても、異常摩耗を防止して、高い信頼性を維持することができる。加えて、インバータ制御によって冷媒圧縮機１７１の運転を最適化することにより、省エネルギー化を実現することができる。

　（第２の実施の形態）
　次に、本開示の第２の実施の形態について説明する。

　図６は、本開示の第２の実施の形態における冷凍装置３００の構成を示す模式図である。

　ここでは、冷媒回路２７０に、第１の実施の形態で説明した冷媒圧縮機１７１が搭載された冷凍装置３００の基本構成の概略について説明する。

　図６において、冷凍装置３００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とで構成された本体２７５、本体２７５の内部を、物品の貯蔵空間２７６と機械室２７７とに区画する区画壁２７８、および、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、環状に配管接続することにより、構成されている。

　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、矢印で示されるように、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。

　以上説明したように、冷凍装置３００に、本開示の第１の実施の形態で説明された、信頼性が高く、かつ、高効率な冷媒圧縮機１７１を搭載することにより、長期信頼性を確保することができる。さらに、冷凍装置３００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、本開示によれば、低粘度冷凍機油を用いながら、信頼性の高い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可能となるので、冷凍サイクルを用いた機器に幅広く適用でき、有用である。

　１　　密閉容器
　２　　冷凍機油
　３　　固定子
　４　　回転子
　５　　電動要素
　６　　圧縮要素
　７　　クランクシャフト
　８　　主軸部
　９　　偏心軸
　１０　　給油ポンプ
　１１　　シリンダブロック
　１２　　ボア
　１３　　圧縮室
　１４　　軸受部
　１５　　ピストン
　１６　　ピストンピン
　１７　　コンロッド
　１８　　バルブプレート
　１９　　ヘッド
　２０　　サクションチューブ
　２１　　サクションマフラ
　１００　　冷媒圧縮機
　１０１　　密閉容器
　１０２　　冷媒ガス
　１０３　　冷凍機油
　１０４　　固定子
　１０５　　回転子
　１０６　　電動要素
　１０７　　圧縮要素
　１０８　　クランクシャフト
　１０９　　主軸部
　１１０　　偏心軸
　１１１　　給油ポンプ
　１１２　　シリンダブロック
　１１３　　ボア
　１１４　　軸受部
　１２０　　フランジ面
　１２２　　スラスト面
　１２４　　スラストワッシャ
　１２６　　スラスト軸受
　１３２　　ピストン
　１３４　　圧縮室
　１３７　　ピストンピン
　１３８　　コンロッド
　１３９　　バルブプレート
　１４０　　ヘッド
　１４２　　サクションマフラ
　１７１　　冷媒圧縮機
　１８１　　フラーレン
　１８１ａ　　炭素原子
　１８１ｂ　　五員環
　１８１ｃ　　六員環
　２７０　　冷媒回路
　２７２　　放熱器
　２７３　　減圧装置
　２７４　　吸熱器
　２７５　　本体
　２７６　　貯蔵空間
　２７７　　機械室
　２７８　　区画壁
　３００　　冷凍装置

Claims (10)

1. 電動要素と、
   前記電動要素により駆動され、摺動部を有し、冷媒を圧縮する圧縮要素とを備え、
   前記摺動部を潤滑させる冷凍機油に、直径が１００ｐｍから１０ｎｍのフラーレンが添加された
   冷媒圧縮機。
2. 前記フラーレンは、
   Ｃ６０フラーレン、Ｃ７０フラーレン、および、前記Ｃ７０よりも炭素数が多い高次フラーレンのうち、いずれかのフラーレンである、
   または、
   前記Ｃ６０フラーレン、前記Ｃ７０フラーレン、および、前記高次フラーレンのうち、少なくとも二つが混合されたミックスフラーレンである
   請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 前記フラーレンの形状は、円球形、または、楕円球形である
   請求項１または請求項２に記載の冷媒圧縮機。
4. 前記フラーレンの添加量は、前記冷凍機油に対する飽和溶解量、または、それ以下である
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
5. 前記圧縮要素で圧縮される冷媒は、ＨＦＣ系冷媒、または、前記ＨＦＣ系冷媒を含む混合冷媒であり、
   前記冷凍機油は、
   エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、および、ポリアルキレングリコールのうちのいずれかである、または、
   前記エステル油、前記アルキルベンゼン油、前記ポリビニルエーテル、および、前記ポリアルキレングリコールのうち、少なくとも二つの混合油である
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
6. 前記圧縮要素で圧縮される冷媒は、
   Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、およびＲ７４４のうち、いずれかの自然冷媒である、
   または、
   前記Ｒ６００ａ、前記Ｒ２９０、および前記Ｒ７４４のうち、少なくともいずれかを含む混合冷媒であり、
   前記冷凍機油は、
   鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうち、いずれかひとつ、または、
   前記鉱油、前記エステル油、前記アルキルベンゼン油、前記ポリビニルエーテル、および前記ポリアルキレングリコールのうち、少なくとも二つの混合油である
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
7. 前記圧縮要素で圧縮される冷媒は、ＨＦＯ系冷媒、または、前記ＨＦＯ系冷媒を含む混合冷媒であり、
   前記冷凍機油は、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールのうち、いずれかひとつ、または、
   前記エステル油、前記アルキルベンゼン油、前記ポリビニルエーテル、および前記ポリアルキレングリコールのうち、少なくとも二つの混合油である
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
8. 前記電動要素は、複数の運転周波数でインバータ駆動される構成である
   請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
9. 前記圧縮要素は、
   主軸部を有するクランクシャフトと、
   前記主軸部を軸支する軸受部を有し、ボアを形成するシリンダブロックと、
   前記ボアに遊嵌されたピストンと、を有し、
   前記摺動部は、少なくとも、前記主軸部と前記軸受部との間、および、前記ピストンと前記ボアとの間に形成される
   請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の冷媒圧縮機と、
    前記冷媒圧縮機、放熱器、減圧装置、および吸熱器が、配管によって環状に連結された冷媒回路とを備えた、
    冷凍装置。

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