WO2018092849A1 - 冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置 - Google Patents

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WO2018092849A1
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refrigerant compressor
bearing
shaft
surface roughness
sliding
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PCT/JP2017/041307
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飯田　登
石田　貴規
稲垣　耕
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F25B31/002—Lubrication
    • F25B31/004—Lubrication oil recirculating arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerant compressor used for a refrigerator, an air conditioner, and the like, and a refrigeration apparatus including the same.
  • a general refrigerant compressor as shown in FIG. 10 has a rotating main shaft 8 and sliding members such as a main bearing 14 that pivotally supports the main shaft 8.
  • sliding members such as a main bearing 14 that pivotally supports the main shaft 8.
  • a large frictional resistance force is generated between them.
  • the viscosity of the lubricating oil 2 supplied between the sliding surfaces has been reduced and the dimensions of the sliding surfaces have been shortened. It is getting strict.
  • the manganese phosphate-based film as in Patent Document 1 is applied to the sliding surface, it wears early and the input to the refrigerant compressor becomes high, so the efficiency of the refrigerant compressor is increased. It will decline.
  • the present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a refrigerant compressor and a refrigeration apparatus provided with the refrigerant compressor that reduce the reduction in efficiency.
  • a refrigerant compressor includes an electric element, a compression element that is driven by the electric element to compress refrigerant, and a sealed container that houses the electric element and the compression element.
  • the compression element includes a shaft part that is rotated by the electric element, and a bearing part that is slidably contacted with the shaft part, and the sliding surface of the shaft part slides the bearing part.
  • a coating having a hardness equal to or greater than the hardness of the surface is provided, and the surface roughness of the sliding surface of the bearing component is smaller than the surface roughness of the sliding surface of the shaft component.
  • the refrigerating apparatus includes a radiator, a decompressor, a heat absorber, and the refrigerant compressor.
  • the present invention can provide a refrigerant compressor and a refrigeration apparatus provided with the refrigerant compressor that reduce the reduction in efficiency by the above configuration.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a refrigerant compressor according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a SIM image which shows an example of the observation result by SIM (scanning ion microscope) of the oxide film used for the refrigerant compressor of FIG. It is the graph showing the hardness of the depth direction of the main axis
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a refrigeration apparatus according to Embodiment 2. It is sectional drawing which shows the conventional refrigerant compressor.
  • a refrigerant compressor includes: an electric element; a compression element that is driven by the electric element to compress refrigerant; and a sealed container that accommodates the electric element and the compression element.
  • the surface roughness of the sliding surface of the bearing component is smaller than the surface roughness of the sliding surface of the shaft component.
  • the wear resistance of the sliding member can be improved, and even if the oil film is thin, the occurrence of solid contact due to the protrusions can be reduced. Therefore, it is possible to provide a refrigerant compressor that reduces the decrease in efficiency.
  • the refrigerant compressor according to the second aspect is the first aspect, wherein at least a part of the sliding surface of the bearing part has a surface roughness smaller than that of the sliding surface of the shaft part. Good. Thereby, the occurrence of solid contact due to the protrusions can be reduced and productivity can be improved.
  • the surface roughness of the sliding surface of the bearing component in the axial direction of the bearing component is a sliding surface of the shaft component.
  • the dimension in a range smaller than the surface roughness is 1/10 or more and 1/2 or less of the dimension of the sliding surface of the shaft component, and may be set at the end position in the axial direction.
  • the surface roughness of the sliding surface of the bearing part is smaller than the surface roughness of the sliding surface of the shaft part.
  • the arithmetic average roughness Ra may be not less than 0.01 ⁇ m and not more than 0.2 ⁇ m.
  • a refrigerant compressor is the radiator, the pressure reducing device, the heat absorber, and any one of the first to fourth aspects, wherein the electric element is inverter-driven at a plurality of operating frequencies. It may be configured. As a result, a film with excellent wear resistance and a contact sliding state mitigating action both at high speed operation where the rotational speed increases and at low speed operation where the amount of oil supplied to each sliding surface decreases. By this, oil film formation can be promoted.
  • the refrigeration apparatus includes any one of the above-described hermetic compressors. Energy saving of the refrigeration apparatus can be realized by the refrigerant compressor designed to reduce the efficiency drop.
  • the refrigerant compressor according to Embodiment 1 includes an airtight container 101.
  • the sealed container 101 is filled with R600a as a refrigerant gas, and mineral oil is stored as a lubricating oil 103 at the bottom of the sealed container 101.
  • the sealed container 101 accommodates the electric element 106 and the compression element 107.
  • the electric element 106 includes a stator 104 and a rotor 105 that rotates with respect to the stator 104.
  • the compression element 107 is a mechanism that is driven by the electric element 106 and compresses the refrigerant.
  • the compression element 107 is a reciprocating mechanism, and includes a crankshaft 108, a cylinder block 112, and a piston 132.
  • the compression element 107 has a crankshaft 108, a cylinder block 112, and a piston 132.
  • the crankshaft 108 has a main shaft 109 and an eccentric shaft 110.
  • the main shaft 109 is a cylindrical shaft component, the lower part is press-fitted and fixed to the rotor 105, and an oil supply pump 111 communicating with the lubricating oil 103 is provided at the lower end.
  • the eccentric shaft 110 is a cylindrical shaft component, and is arranged eccentric to the main shaft 109.
  • the cylinder block 112 is made of, for example, an iron-based material such as cast iron, and has a cylinder bore 113 and a main bearing 114.
  • the cylinder bore 113 has a cylindrical shape, has an internal space, and has an end surface sealed with a valve plate 139.
  • the main bearing 114 is a cylindrical bearing component, and is a journal bearing that supports the main shaft 109 with an inner peripheral surface and supports the radial load of the main shaft 109. For this reason, the inner peripheral surface of the main bearing 114 and the outer peripheral surface of the main shaft 109 face each other, and the main shaft 109 slides with respect to the inner peripheral surface of the main bearing 114. As described above, the portions that slide on the inner circumferential surface of the main bearing 114 and the outer circumferential surface of the main shaft 109 are sliding surfaces, and the main bearing 114 and the main shaft 109 having the sliding surfaces constitute a pair of sliding members. To do.
  • One end of the piston 132 is inserted into the internal space of the cylinder bore 113 so as to be reciprocally movable by the rotation of the main shaft 109. Thereby, a compression chamber 134 surrounded by the cylinder bore 113, the valve plate 139, and the piston 132 is formed. Further, the other end portion of the piston 132 is engaged with the piston pin hole 116 so as not to rotate, and is connected to one end portion of the connecting rod (connecting means) 117 by the piston pin 115.
  • An eccentric bearing 119 is provided at the other end of the connecting rod 117, and the eccentric shaft 110 and the piston 132 that are pivotally supported by the eccentric bearing 119 are connected to each other.
  • the eccentric bearing 119 is a cylindrical bearing component, and is a journal bearing that supports the radial load of the eccentric shaft 110 by supporting the cylindrical eccentric shaft 110 of the crankshaft 108 by the inner peripheral surface. For this reason, the inner peripheral surface of the eccentric bearing 119 and the outer peripheral surface of the eccentric shaft 110 face each other, and the eccentric shaft 110 slides with respect to the inner peripheral surface of the eccentric bearing 119.
  • the portions that slide on the inner circumferential surface of the eccentric bearing 119 and the outer circumferential surface of the eccentric shaft 110 are sliding surfaces, and the eccentric bearing 119 and the eccentric shaft 110 having the sliding surfaces are a pair of sliding members. Configure.
  • the cylinder head 140 is fixed to the side opposite to the cylinder bore 113 side of the valve plate 139, and forms a high-pressure chamber (not shown) by covering the discharge hole of the valve plate 139.
  • a suction tube (not shown) is fixed to the sealed container 101 and connected to the low pressure side (not shown) of the refrigeration cycle, and guides the refrigerant gas from the refrigeration cycle into the sealed container 101. Further, the suction muffler 142 is sandwiched between the valve plate 139 and the cylinder head 140.
  • the main shaft 109 is composed of a base material 150 and a film that covers the surface of the base material 150.
  • the base material 150 is formed of an iron-based material such as gray cast iron (FC cast iron).
  • the coating constitutes the surface of the main shaft 109 and has a hardness equal to or higher than the hardness of the sliding surface of the main bearing 114.
  • the oxide coating 160 may be mentioned.
  • the gray cast iron as the base material 150 is oxidized within a range of several hundred degrees Celsius (for example, 400 to 800 degrees Celsius).
  • the oxide film 160 can be formed on the surface of the substrate 150.
  • FIG. 2 is an image (SIM image) obtained by observing the main shaft 109 in which the base material 150 is coated with the oxide film 160 with a SIM (scanning ion microscope).
  • SIM scanning ion microscope
  • a protective film (resin film) for protecting the observation sample is formed on the first portion 151.
  • a direction parallel to the surface of the oxide film 160 is referred to as a horizontal direction, and a direction orthogonal to the surface of the oxide film 160 is referred to as a vertical direction.
  • This oxide film 160 has a vertical dimension (film thickness) of about 3 ⁇ m. Moreover, the oxide film 160 has the 1st part 151, the 2nd part 152, and the 3rd part 153, and these parts are laminated
  • the first portion 151 constitutes the surface of the oxide film 160, is formed on the second portion 152, and is formed of a microcrystalline structure.
  • the first portion 151 is composed of ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) as the most occupying component. It also contained silicon (Si) compounds.
  • the first portion 151 includes two portions (a first a portion 151a and a first b portion 151b) having different crystal densities.
  • the first a portion 151 a is formed on the first b portion 151 b and constitutes the surface of the oxide film 160.
  • the crystal density of the first a portion 151a is smaller than the crystal density of the first b portion 151b.
  • the first a portion 151a contains a void portion 158 (a portion that looks black in FIG. 2) and a needle-like tissue 159 in some places.
  • the acicular tissue 159 is vertically long, for example, the length on the minor axis side in the longitudinal direction is 100 nm or less, and the ratio (aspect ratio) obtained by dividing the diameter in the longitudinal direction by the diameter in the transverse direction is 1 to 10. It is as follows.
  • the first b portion 151b is a structure in which microcrystals 155 having a particle diameter of 100 nm or less are spread. In the first b portion 151b, there are hardly any voids 158 and needle-like structures 159 as seen in the first a portion 151a.
  • the second portion 152 is formed on the third portion 153 and contains a vertically long columnar structure 156.
  • the columnar structure 156 has a vertical diameter of about 100 nm to 1 ⁇ m, a horizontal diameter of about 100 nm to 150 nm, and an aspect ratio of about 3 to 10.
  • the second portion 152 is composed of triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ), and also contains a silicon (Si) compound.
  • the third portion 153 is formed on the base material 150 and contains a horizontally long lamellar structure 157.
  • the lamellar structure 157 has a vertical diameter of several tens of nm or less, a horizontal diameter of about several hundred nm, and an aspect ratio of 0.01 or more and 0.1 or less, which is long in the horizontal direction.
  • the third portion 153 is composed of triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ), and includes a silicon (Si) compound and a silicon (Si) solid solution portion. It is out.
  • the oxide film 160 includes a first portion 151, a second portion 152, and a third portion 153, which are stacked in this order.
  • the configuration of the oxide film 160 and the stacking order are not limited to this.
  • the oxide film 160 may be configured by a single layer of the first portion 151.
  • the oxide film 160 may be constituted by two layers of the first part 151 and the second part 152 so that the first part 151 forms the surface of the oxide film 160.
  • the oxide film 160 may be constituted by two layers of the first part 151 and the third part 153 such that the first part 151 forms the surface of the oxide film 160.
  • the oxide film 160 may contain a composition other than the first portion 151, the second portion 152, and the third portion 153.
  • the oxide film 160 is constituted by four layers of the first part 151, the second part 152, the first part 151, and the third part 153 so that the first part 151 forms the surface of the oxide film 160. May be.
  • the configuration and stacking order of the oxide film 160 can be easily realized by adjusting various conditions.
  • Typical conditions include a manufacturing method (forming method) of the oxide film 160.
  • a known method for oxidizing an iron-based material can be suitably used as a method for manufacturing the oxide film 160, but is not limited thereto.
  • Conditions in the manufacturing method are appropriately set according to conditions such as the type of the iron-based material forming the base material 150, the surface state of the base material 150 (polishing finish, etc.), the properties of the desired oxide film 160, and the like.
  • the refrigerant gas guided into the sealed container 101 through the suction tube is sucked into the compression chamber 134 from the suction muffler 142, and further, the refrigerant gas is compressed in the compression chamber 134 and discharged from the sealed container 101.
  • the lubricating oil 103 is supplied to each sliding surface from the oil supply pump 111 and lubricates the sliding surface. At the same time, the lubricating oil 103 forms a seal between the piston 132 and the cylinder bore 113 and seals the compression chamber 134.
  • FIG. 3 is a graph showing the hardness in the depth direction of the main shaft 109 and the main bearing 114.
  • the hardness is indicated by Vickers hardness.
  • a nanoindentation device titanium dioxide manufactured by Sienta Omicron Co., Ltd. was used.
  • a step was performed in which the indenter was pushed into the surface of the main spindle 109 to maintain a state where a load was applied for a certain period of time.
  • the next step once the load is unloaded, the indenter is pushed into the surface of the main shaft 109 with a load higher than the load in the step before unloading, and the state where the load is loaded again is maintained for a certain period of time. did.
  • the step of increasing the load stepwise was repeated 15 times.
  • the load of each step was set so that the maximum load would be 1N.
  • the hardness and depth of the oxide film 160 of the main shaft 109 and the base material 150 were measured after each step.
  • the hardness of the main bearing 114 was measured by applying an indenter with a load of 0.5 kgf on the inner peripheral surface of the main bearing 114.
  • the hardness of the oxide film 160 of the main shaft 109 and the base material 150 were equal to or higher than the hardness of the main bearing 114.
  • the wear resistance is improved and an oil film between the pair of sliding members is secured and input to the refrigerant compressor. Enables low-efficiency operation from the beginning of operation.
  • Such hardness is one of the mechanical properties at or near the surface of an object such as a substance or material, and it is difficult to deform and damage the object when an external force is applied to the object. is there.
  • the indentation hardness test method for example, the nanoindentation method mentioned above, the Vickers or Rockwell hardness method, etc. is used for the measurement.
  • a wear test such as a ring-on-disk method is used.
  • a test piece having a film applied to the surface of a disk is formed. While this test piece is immersed in oil, the film is rotated at a rotational speed of 1 m / s for 1 hour while a load of 1000 N is applied to the film by the ring, and the film is slid on the film. The state of the sliding surface of the coating and the ring surface is observed. As a result, you may judge that the one where a wear amount is relatively large among the ring and the coating is low in hardness.
  • the surface roughness of the sliding surface of the main bearing 114 is smaller than the surface roughness of the sliding surface of the main shaft 109.
  • the surface roughness of the sliding surface of the main shaft 109 is the surface roughness of the film of the main shaft 109.
  • a range (surface roughness improvement range 114a) in which the surface roughness is smaller than the surface roughness of the main shaft 109 is provided in a part of the sliding surface 114b of the main bearing 114.
  • the surface roughness enhancement range 114a is an end position in the axial direction of the main bearing 114, and is provided, for example, at the upper end of the sliding surface 114b of the main bearing 114.
  • the surface roughness improvement range 114 a may be provided at the lower end portion of the sliding surface 114 b of the main bearing 114. For this reason, the surface roughness improvement range 114a should just be provided in at least any one of the upper end part of the sliding surface 114b of the main bearing 114, and a lower end part.
  • the range of the surface roughness improvement range 114 a is a range from the end (upper end, lower end) of the sliding surface 114 b of the main bearing 114 to the dimension (width) C in the axial direction of the main bearing 114. It is provided over the entire circumference in the circumferential direction of the inner circumferential surface.
  • the width C is 1/10 or more and 1/2 or less of the dimension (width) D of the sliding surface 114b of the main bearing 114.
  • This sliding surface 114b is a range which slides facing the outer peripheral surface of the main shaft 109 among the inner peripheral surfaces of the main bearing 114.
  • the chamfered portion 114c is not included in the sliding surface 114b. Also.
  • the sliding surface 114b is not a portion where the main shaft 109 and the main bearing 114 always slide, but is a portion that can slide.
  • the surface roughness improvement range 114a can reduce the occurrence of solid contact due to minute protrusions on the sliding surface even when the main shaft 109 and the main bearing 114 are in contact with each other. In addition, it is possible to improve productivity by reducing the portion with a small surface roughness (surface roughness enhancement range 114a) that takes time for processing.
  • the width C of the surface roughness improvement range 114a is 1/10 or less of the width D, the oil film between the sliding surfaces of the main shaft 109 and the main bearing 114 cannot be maintained, and the input to the refrigerant compressor increases. End up. Further, even if the width C of the surface roughness improvement range 114a is set to 1/2 or more of the width D, it does not lower than the input when the width C is set to 1/2 of the width D, and the processing cost increases. Invite.
  • the arithmetic average roughness Ra of the surface roughness improvement range 114a is 0.01 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
  • the arithmetic average roughness Ra of the surface roughness improvement range 114a is larger than 0.2 ⁇ m, the oil film between the sliding surfaces cannot be maintained, and the input to the refrigerant compressor increases. Further, even if the arithmetic average roughness Ra is smaller than 0.01 ⁇ m, the input does not decrease and the processing cost is increased and the productivity is deteriorated.
  • the surface roughness of the main bearing 114 is made smaller than the surface roughness of the main shaft 109.
  • the wear resistance is improved between the main shaft 109 and the main bearing 114, local contact is eased, and the formation of an oil film is promoted. .
  • FIG. 4A shows the time series change of the input to the refrigerant compressor
  • FIG. 4B shows the time series change of the coefficient of performance COP (Coefficient of Performance) of the refrigerant compressor.
  • COP is a coefficient used as a measure of the energy consumption efficiency of a refrigerant compressor such as a refrigeration apparatus, and is a value obtained by dividing the refrigeration capacity (W) by the input (W).
  • the input and COP when the refrigerant compressor was operated at a low speed with an operation frequency of 17 Hz were obtained.
  • the surface roughness of the main bearing 114 is smaller than the surface roughness of the main shaft 109.
  • the main bearing 114 is not provided with the surface roughness enhancement range 114a.
  • the input immediately after the start of operation (hereinafter referred to as initial input) is the highest for both the refrigerant compressor of the present embodiment and the conventional refrigerant compressor.
  • the input gradually decreases with the lapse of the subsequent operation time, and finally shows a constant value (hereinafter referred to as a steady input) that hardly changes.
  • the refrigerant compressor of the present embodiment has a lower initial input than the conventional refrigerant compressor, and also has a shorter transition time from the initial input to the steady input.
  • t1 is about 1 ⁇ 2 of t2.
  • FIG. 5 is an operation diagram of a compression load in the refrigerant compressor.
  • FIG. 6 shows an enlarged view of the sliding surfaces of the main bearing 114 and the main shaft 109 in the refrigerant compressor before the surface roughness improving range 114a is provided on the main bearing 114.
  • FIG. FIG. 7 shows an enlarged view of the sliding surfaces of the main bearing 114 and the main shaft 109 in the refrigerant compressor according to the present embodiment in which the main bearing 114 is provided with the surface roughness enhancement range 114a. Due to this surface roughness enhancement range 114 a, the surface roughness of the main bearing 114 is smaller than the surface roughness of the main shaft 109.
  • the refrigerant compressor according to the present embodiment is a reciprocating (reciprocating) type, and the pressure in the sealed container 101 is lower than the compression load P in the compression chamber 134.
  • the main shaft 109 connected to the eccentric shaft 110 is cantilevered by one main bearing 114.
  • the crankshaft 108 having the main shaft 109 and the eccentric shaft 110 has a compressive load P Because of this, the main bearing 114 swings in a tilted state.
  • the component force P1 of the compressive load P acts on the sliding surface of the main shaft 109 and the sliding surface of the upper end portion of the main bearing 114 that face each other.
  • the component force P ⁇ b> 2 of the compressive load P acts on the sliding surface of the main shaft 109 and the sliding surface of the lower end portion of the main bearing 114. In this way, so-called one-side contact occurs.
  • both the main shaft 109 and the main bearing 114 have many minute protrusions on the surface of the sliding surface.
  • the main shaft 109 is tilted within the main bearing 114, local contact occurs and the surface pressure increases.
  • the oil film thickness h between the sliding surface of the main shaft 109 and the sliding surface of the main bearing 114 becomes thinner, and solid contact due to protrusions frequently occurs.
  • the sliding surface of the main shaft 109 is formed of the oxide film 160 having high wear resistance
  • the sliding surface of the main bearing 114 slides on the surface of the main shaft 109 due to minute protrusions scattered on the surface of the main shaft 109. A moving trace is generated, and the time for the solid contact X to be generated becomes longer. Therefore, the initial input to the refrigerant compressor is increased, and the transition time from the initial input to the steady input is also increased.
  • the surface roughness of the sliding surface of the main bearing 114 is greater than the surface roughness of the sliding surface of the opposing main shaft 109 due to the surface roughness improvement range 114a. Is also small. Thereby, the solid contact by a protrusion can be reduced and the oil film formation between the main shaft 109 and the main bearing 114 can be maintained from the beginning of operation. For this reason, the initial input can be kept low, and the time required for shifting from the initial input to the steady input can be shortened. Furthermore, by forming the oxide film 160 with high wear resistance on the surface of the main shaft 109, durability can be ensured.
  • Such an oxide film 160 makes the main shaft 109 hard and wear resistant, and also reduces the aggression (partner aggression) against the main bearing 114 and improves the conformability at the beginning of sliding. Therefore, coupled with the effect of making the surface roughness of the main bearing 114 smaller than the surface roughness of the main shaft 109, it is possible to perform highly efficient operation with low input to the refrigerant compressor from the beginning of operation.
  • the oxide film 160 is an iron oxide, it is chemically very stable as compared with a conventional phosphate film. Further, the iron oxide film has a higher hardness than the phosphate film. Therefore, the formation of the oxide film 160 on the sliding surface can effectively prevent the generation and adhesion of wear powder. As a result, an increase in the amount of wear of the oxide film 160 itself can be effectively avoided, and high wear resistance is exhibited.
  • the first portion 151 of the oxide film 160 contains a silicon (Si) compound having a hardness higher than that of iron oxide. Therefore, the oxide film 160 can exhibit higher wear resistance by constituting the surface with the first portion 151 containing a silicon (Si) compound.
  • a first portion 151 which constitutes the surface of the oxide film 160 has a diiron trioxide (Fe 2 O 3) as the most occupied component.
  • the crystal structure of this ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) is a rhombohedral crystal, and the cubic crystal structure of triiron tetraoxide (Fe 3 O 4 ) located therebelow, and the nitride film It is more flexible in terms of the crystal structure than the crystal structures of the dense hexagonal, face-centered cubic and body-centered tetragonal crystals.
  • the first portion 151 containing a large amount of ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) is compared with a conventional gas nitride film or a general oxide film (triiron tetroxide (Fe 3 O 4 ) single partial film). It is considered that the suitability at the initial stage of sliding is improved because the opponent's aggression property is low while having an appropriate hardness.
  • the oxide film 160 constituting the surface of the main shaft 109 contains a large amount of soft ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) on the surface side, although it is relatively hard but has a rhombohedral crystal structure. For this reason, the opponent aggression property is lowered, the oil film breakage is suppressed, and the suitability at the initial stage of sliding is improved. In addition, this is coupled with the effect obtained by making the surface roughness of the main bearing 114 smaller than the surface roughness of the main shaft 109, so that highly efficient operation with low input to the refrigerant compressor from the initial operation becomes possible.
  • soft ferric trioxide Fe 2 O 3
  • the second portion 152 and the third portion 153 of the oxide film 160 both contain a silicon (Si) compound and are located between the first portion 151 and the substrate 150. For this reason, the adhesive force with respect to the base material 150 of the oxide film 160 becomes strong. Moreover, the third portion 153 has a higher silicon content than the second portion 152. In this manner, the second portion 152 and the third portion 153 including the silicon (Si) compound are stacked, and the third portion 153 having a higher silicon content is in contact with the substrate 150. Thereby, the adhesive force of the oxide film 160 is further strengthened. As a result, the proof stress of the oxide film 160 is improved with respect to the load during sliding, and the wear resistance of the oxide film 160 is further increased. Even if the first portion 151 forming the surface of the oxide film 160 is worn, the second portion 152 and the third portion 153 remain, so that the oxide film 160 exhibits more excellent wear resistance. .
  • the high wear resistance of the oxide film 160, the reduction of the opponent attack and the improvement of the conformability at the beginning of sliding can be considered from the following reasons from another viewpoint.
  • the first portion 151 constituting the surface of the oxide film 160 contains a silicon (Si) compound and has a dense microcrystalline structure. For this reason, the oxide film 160 exhibits high wear resistance.
  • the first portion 151 has a microcrystalline structure, and a small gap 158 is formed between these microcrystals, or minute irregularities are formed on the surface. Therefore, the lubricating oil 103 is easily held on the surface (sliding surface) of the oxide film 160 by a capillary phenomenon. In other words, the presence of such a small gap 158 and / or minute irregularities provides the so-called “oil retention” that keeps the lubricating oil 103 on the sliding surface even in a severe sliding condition. It becomes possible to do. As a result, an oil film is easily formed on the sliding surface.
  • the oxide film 160 has a columnar structure 156 (second portion 152) and a layered structure 157 (third portion 153) on the base 150 side below the first portion 151.
  • These structures have a relatively low hardness and are softer than the microcrystal 155 of the first portion 151. Therefore, the columnar structure 156 and the layered structure 157 function like a “buffer material” when sliding. Thereby, the microcrystal 155 behaves so as to be compressed toward the base material 150 by the pressure applied to the surface during sliding. As a result, the opponent attack of the oxide film 160 is significantly lower than that of other surface treatment films, and the wear of the sliding surface of the counterpart material is effectively suppressed.
  • both the second portion 152 and the third portion 153 may be located below the first portion 151.
  • the oxide film 160 has a low opponent attack property and can exhibit good “oil retention”. For this reason, the shaft component provided with the oxide film 160 has an extremely high oil film forming ability. This high oil film forming capability, combined with the effect of reducing the surface roughness of the bearing parts, enables highly efficient operation with low input to the refrigerant compressor from the beginning of operation.
  • the main shaft 109 is used as the shaft component and the main bearing 114 is used as the bearing component.
  • the shaft component and the bearing component are not limited thereto.
  • the eccentric shaft 110 may be used as a shaft component, and the eccentric bearing 119 may be used as a bearing component.
  • coated which has hardness more than the hardness of the bearing component which opposes at least any one shaft component of the main axis
  • the surface roughness of at least one of the main bearing 114 and the eccentric bearing 119 may be smaller than the surface roughness of the shaft component facing the bearing component.
  • the oxide film 160 is provided on the surface of the shaft part.
  • the film on the surface of the shaft part is not limited to this as long as it has a hardness higher than that of the bearing part.
  • the film of the shaft part includes, for example, a compound layer, a mechanical strength improving layer, a layer formed by a coating method, and the like.
  • the film when the shaft part base material 150 is iron-based, the film may be a film formed by a general quenching method and a method of immersing carbon or nitrogen into the surface layer. Further, the film may be a film formed by oxidation treatment with water vapor and oxidation treatment immersed in an aqueous solution of sodium hydroxide. Further, the coating is formed by cold working, work hardening, solid solution strengthening, precipitation strengthening, dispersion strengthening, and crystal grain refinement, and is a layer (mechanical layer) in which the base material 150 is strengthened by suppressing dislocation slip motion. Strength improving layer). Furthermore, the film may be a layer formed by a coating method such as plating, thermal spraying, PVD, or CVD.
  • a range (surface roughness improvement range 114a) in which the surface roughness is smaller than the surface roughness of the main shaft 109 is provided on a part of the sliding surface of the main bearing 114.
  • the surface roughness improvement range 114a on the sliding surface of the main bearing 114 is not limited to this.
  • the surface roughness enhancement range 114a may be provided on the entire sliding surface of the main bearing 114 (the entire sliding range).
  • an iron-based material is used for the base material 150 of the shaft component.
  • the base material 150 is not iron-based as long as it can form a film having a hardness equal to or higher than that of the bearing component. These materials can be used.
  • the effect has been described by taking the case where the refrigerant compressor is driven by low speed operation (for example, the operation frequency 17 Hz) as an example, but the operation of the refrigerant compressor is not limited to this. Even when the operation at the commercial rotation speed and the high speed operation at which the rotation speed increases are performed, the refrigerant compressor can improve the performance and reliability as in the case of the low speed operation.
  • low speed operation for example, the operation frequency 17 Hz
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a refrigeration apparatus according to Embodiment 2. Here, an outline of the basic configuration of the refrigeration apparatus will be described.
  • the refrigeration apparatus includes a main body 301, a partition wall 307, and a refrigerant circuit 309.
  • the main body 301 has a heat-insulating box with one surface opened and a door that opens and closes the opening.
  • the partition wall 307 partitions the interior of the main body 301 into an article storage space 303 and a machine room 305.
  • the refrigerant circuit 309 has a configuration in which the refrigerant compressor 300, the radiator 313, the decompression device 315, and the heat absorber 317 are connected in an annular shape by piping, and cools the storage space 303.
  • the heat absorber 317 is disposed in a storage space 303 provided with a blower (not shown).
  • the cooling air of the heat absorber 317 is agitated so as to circulate in the storage space 303 by a blower, as indicated by an arrow, and cools the storage space 303.
  • the refrigeration apparatus having the above configuration includes the refrigerant compressor according to Embodiment 1 as the refrigerant compressor 300.
  • the coating of the shaft component such as the main shaft 109 of the refrigerant compressor 300 has a hardness equal to or higher than the hardness of the bearing component such as the main bearing 114 opposed thereto, and the surface roughness of the bearing component is that of the shaft component. Smaller than surface roughness. For this reason, improvement in wear resistance, reduction of local contact sliding, and maintenance of oil film formation are realized between the shaft component and the bearing component. Accordingly, the performance of the refrigerated storage is improved, so that energy saving can be realized by reducing power consumption and the reliability can be improved.
  • the present invention can provide a refrigerant compressor and a refrigeration apparatus including the refrigerant compressor that reduce the reduction in efficiency, and thus can be widely applied to various devices using a refrigeration cycle.

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Abstract

冷媒圧縮機は、電動要素(106)と、前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素(107)と、前記電動要素及び前記圧縮要素を収容する密閉容器(101)と、を備え、前記圧縮要素は、前記電動要素によって回転する軸部品(109,110)と、前記軸部品を回転可能に摺接する軸受部品(114,119)と、を有し、前記軸部品の摺動面には、前記軸受部品の摺動面の硬さ以上の硬さを有する皮膜(160)が設けられており、前記軸受部品の摺動面の表面粗さは、前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい。

Description

冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置
　本発明は、冷蔵庫及びエアーコンディショナー等に使用される冷媒圧縮機、並びにそれを備えた冷凍装置に関するものである。
　近年、地球環境保護の観点から化石燃料の使用を削減するために、高効率の冷媒圧縮機の開発が進められている。このため、特許文献１の密閉形コンプレッサでは、圧縮機械の摺動面の一方にリン酸マンガン系等で不溶解性皮膜処理を施した鋳鉄を用い、他方に炭素鋼を用いている。また、特許文献２のロータリー式コンプレッサでは、互いに摺動するローラー及びベーン板の少なくともいずれか一方に、軟窒化処理した鉄系焼結合金を用いている。
特開平７－２３８８８５号公報 特公昭５５－４９５８号公報
　例えば、図１０に示すような一般的な冷媒圧縮機は、回転する主軸８、及び、これを軸支する主軸受１４等の摺動部材を有している。この主軸８が主軸受１４に対して回転し始める際、これらの間に大きな摩擦抵抗力が発生する。また、近年、冷媒圧縮機の高効率化のために、摺動面間に供給される潤滑油２の低粘度化、及び、摺動面の寸法の短縮化が図られており、潤滑条件が厳しくなっている。これにより、例えば、上記特許文献１のようなリン酸マンガン系皮膜が摺動面に施されていても、早期に摩耗し、冷媒圧縮機への入力が高くなるため、冷媒圧縮機の効率が低下してしまう。
　また、近年、冷媒圧縮機の高効率化のために、インバータ駆動による低速化（例えば２０Ｈｚ未満）が進んでいる。このような状況では、摺動面間の油膜が薄くなるため、表面に存在する多数の微細な突起による摺動面間の接触が頻発し、冷媒圧縮機への入力が高くなってしまう。また、このような摺動面に、例えば、上記特許文献２のような硬い軟窒化処理皮膜が施されると、被膜が摺動面の突起を覆うため、突起の摩耗の進行が遅くなり、入力が高い状態が長期化し、冷媒圧縮機の効率が低下してしまう。
　本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、効率低下の低減を図った冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る冷媒圧縮機は、上記目的を達成するため、電動要素と、前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素と、前記電動要素及び前記圧縮要素を収容する密閉容器と、を備え、前記圧縮要素は、前記電動要素によって回転する軸部品と、前記軸部品を回転可能に摺接する軸受部品と、を有し、前記軸部品の摺動面には、前記軸受部品の摺動面の硬さ以上の硬さを有する皮膜が設けられており、前記軸受部品の摺動面の表面粗さは、前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい。
　また、本発明に係る冷凍装置は、放熱器、減圧装置、吸熱器、並びに、上記冷媒圧縮機を備えている。
　本発明は、上記構成により、効率低下の低減を図った冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置を提供することができる。
実施の形態１に係る冷媒圧縮機を示す断面図である。 図１の冷媒圧縮機に用いた酸化皮膜のＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）による観察結果の一例を示すＳＩＭ像である。 図１の主軸及び主軸受の深さ方向の硬さを表したグラフである。 図１の冷媒圧縮機への入力の時系列変化曲線図である。 図１の冷媒圧縮機のＣＯＰの時系列変化曲線図である。 図１の冷媒圧縮機における圧縮荷重を説明するための図である。 主軸受の中心軸に垂直な方向における、表面粗さ向上範囲を設けていない主軸受及び主軸の摺動面を示す断面図である。 図１の主軸受の中心軸に垂直な方向における、主軸受及び主軸の摺動面を示す断面図である。 図１の主軸受の中心軸に平行な方向における、主軸受及び主軸の摺動面を示す断面図である。 実施の形態２に係る冷凍装置を概略的に示す断面図である。 従来の冷媒圧縮機を示す断面図である。
　第１の態様に係る冷媒圧縮機は、電動要素と、前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素と、前記電動要素及び前記圧縮要素を収容する密閉容器と、を備え、前記圧縮要素は、前記電動要素によって回転する軸部品と、前記軸部品を回転可能に摺接する軸受部品と、を有し、前記軸部品の摺動面には、前記軸受部品の摺動面の硬さ以上の硬さを有する皮膜が設けられており、前記軸受部品の摺動面の表面粗さは、前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい。
　これにより、摺動部材の耐摩耗性を向上することができ、また、油膜が薄くても突起による固体接触の発生を低減することができる。よって、効率低下の低減を図った冷媒圧縮機を提供することができる。
　第２の態様に係る冷媒圧縮機は、第１の態様において、前記軸受部品の摺動面のうち、少なくとも一部の表面粗さが前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さくてもよい。これにより、突起による固体接触の発生を低減するとともに、生産性を向上することができる。
　第３の態様に係る冷媒圧縮機は、第１又は第２の態様において、前記軸受部品の軸心方向において、前記軸受部品の摺動面のうち、表面粗さが前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい範囲の寸法は、前記軸部品の摺動面の寸法の１／１０以上かつ１／２以下であり、前記軸心方向の端部位置に設定されていてもよい。これにより、軸部品と軸受部品との片当り時においても、突起による固体接触の発生を低減するとともに、生産性を向上することができる。
　第４の態様に係る冷媒圧縮機は、第１～第３のいずれか一つの態様において、前記軸受部品の摺動面うち、表面粗さが前記軸部品の摺動面表面粗さよりも小さい範囲の算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ以上かつ０．２μｍ以下であってもよい。これにより、突起による固体接触の発生を低減し、油膜の形成状態を向上させるとともに、生産性を向上することができる。
　第５の態様に係る冷媒圧縮機は、放熱器、減圧装置、吸熱器、並びに、第１～第４のいずれか一つの態様において、前記電動要素は、複数の運転周波数でインバータ駆動するように構成されていてもよい。これにより、回転数が増加する高速運転時、及び、各摺動面への給油量が減少する低速運転時のいずれにおいても、耐摩耗性に優れた皮膜と、接触摺動状態の緩和作用とによって油膜形成を促進させることができる。
　第６の態様に係る冷凍装置は、上記いずれかの密閉型圧縮機を備えている。この効率低下の低減を図った冷媒圧縮機によって、冷凍装置の省エネルギー化を実現することができる。
　以下、本発明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、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　　＜冷媒圧縮機＞
　実施の形態１に係る冷媒圧縮機は、図１に示すように、密閉容器１０１を備えている。密閉容器１０１にＲ６００ａを冷媒ガスとして充填されていると共に、密閉容器１０１の底部に潤滑油１０３として鉱油が貯留されている。
　また、密閉容器１０１は、電動要素１０６及び圧縮要素１０７を収容している。電動要素１０６は、固定子１０４、及び、固定子１０４に対して回転する回転子１０５を有している。圧縮要素１０７は、電動要素１０６により駆動されて、冷媒を圧縮する機構であって、例えば、往復式機構であり、クランクシャフト１０８、シリンダブロック１１２及びピストン１３２を有している。
　圧縮要素１０７は、クランクシャフト１０８、シリンダブロック１１２及びピストン１３２を有している。クランクシャフト１０８は、主軸１０９及び偏心軸１１０を有している。主軸１０９は、円柱形状の軸部品であって、下部が回転子１０５に圧入固定されており、下端には潤滑油１０３に連通する給油ポンプ１１１が設けられている。偏心軸１１０は、円柱形状の軸部品であって、主軸１０９に対し偏心して配置されている。
　シリンダブロック１１２は、例えば、鋳鉄等の鉄系材料からなり、シリンダボア１１３、及び主軸受１１４を有している。このシリンダボア１１３は、円筒形であって、内部空間を有し、端面がバルブプレート１３９で封止されている。
　主軸受１１４は、円筒形状の軸受部品であって、内周面によって主軸１０９を軸支しており、主軸１０９のラジアル荷重を支えるジャーナル軸受である。このため、主軸受１１４の内周面と主軸１０９の外周面とは対向し、主軸受１１４の内周面に対して主軸１０９が摺動する。このように主軸受１１４の内周面及び主軸１０９の外周面において互いに摺動する部分が摺動面であって、この摺動面を有する主軸受１１４及び主軸１０９は一対の摺動部材を構成する。
　ピストン１３２の一端部は、主軸１０９の回転によって往復可動にシリンダボア１１３の内部空間に挿入されている。これにより、シリンダボア１１３、バルブプレート１３９及びピストン１３２により囲まれた圧縮室１３４が形成される。また、ピストン１３２の他端部は、そのピストンピン孔１１６にピストンピン１１５が回転不能に係止されており、このピストンピン１１５によってコンロッド（連結手段）１１７の一端部に連結されている。また、コンロッド１１７の他端部には偏心軸受１１９が設けられており、偏心軸受１１９に軸支される偏心軸１１０とピストン１３２とが連結される。
　偏心軸受１１９は、円筒形状の軸受部品であって、内周面によってクランクシャフト１０８の円柱形状の偏心軸１１０を軸支しており、偏心軸１１０のラジアル荷重を支えるジャーナル軸受である。このため、偏心軸受１１９の内周面と偏心軸１１０の外周面とは対向し、偏心軸受１１９の内周面に対して偏心軸１１０が摺動する。このような偏心軸受１１９の内周面及び偏心軸１１０の外周面において互いに摺動する部分が摺動面であって、この摺動面を有する偏心軸受１１９及び偏心軸１１０は一対の摺動部材を構成する。
　シリンダヘッド１４０は、バルブプレート１３９におけるシリンダボア１１３側と反対側に固定され、バルブプレート１３９の吐出孔を覆うことにより高圧室（図示せず）を形成している。また、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、冷媒ガスを冷凍サイクルから密閉容器１０１内に導く。さらに、サクションマフラー１４２は、バルブプレート１３９とシリンダヘッド１４０に挟持されている。
　　＜皮膜＞
　主軸１０９は、基材１５０、及び、基材１５０の表面を被覆する皮膜により構成されている。基材１５０は、ねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）等の鉄系材料により形成されている。皮膜は、例えば、主軸１０９の表面を構成し、主軸受１１４の摺動面の硬さ以上の硬さを有し、例えば、酸化皮膜１６０が挙げられる。例えば、炭酸ガス（二酸化炭素ガス）等の公知の酸化性ガス及び公知の酸化設備を用いて、数百℃（例えば４００～８００℃）の範囲内で基材１５０であるねずみ鋳鉄を酸化することにより、基材１５０の表面に酸化皮膜１６０を形成することができる。
　図２は、基材１５０を酸化皮膜１６０が被覆した主軸１０９をＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）により観察した像（ＳＩＭ像）である。なお、図２において、第一の部分１５１の上には観察試料を保護するための保護膜（樹脂膜）が形成されている。また、酸化皮膜１６０の表面に平行な方向を横方向と称し、酸化皮膜１６０の表面に直交する方向を縦方向と称する。
　この酸化皮膜１６０は縦方向の寸法（膜厚）は、約３μｍである。また、酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１、第二の部分１５２及び第三の部分１５３を有しており、これらの部分はこの順で表面側から基材１５０側に積層されている。この積層方向は縦方向に平行である。
　第一の部分１５１は、酸化皮膜１６０の表面を構成し、第二の部分１５２上に形成されており、微結晶の組織により形成されている。ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析及びＥＥＬＳ（電子線エネルギー損失分光法）分析を行った結果、第一の部分１５１は、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）であって、ケイ素（Ｓｉ）化合物も含んでいた。また、第一の部分１５１は、結晶密度が異なる２つの部分（第一ａの部分１５１ａ及び第一ｂの部分１５１ｂ）を有している。
　第一ａの部分１５１ａは、第一ｂの部分１５１ｂ上に形成され、酸化皮膜１６０の表面を構成する。第一ａの部分１５１ａの結晶密度は、第一ｂの部分１５１ｂの結晶密度よりも小さい。また、第一ａの部分１５１ａは、所々に空隙部１５８（図２中の黒く見える部分）、及び、針状組織１５９を含有している。針状組織１５９は、縦長であって、例えば、縦方向の短径側の長さが１００ｎｍ以下であって、縦方向の径を横方向の径で除した比率（アスペクト比）が１以上１０以下である。
　第一ｂの部分１５１ｂは、粒径１００ｎｍ以下からなる微結晶１５５が敷き詰められた組織である。第一ｂの部分１５１ｂには、第一ａの部分１５１ａで見られたような空隙部１５８及び針状組織１５９は殆ど見られない。
　第二の部分１５２は、第三の部分１５３上に形成されており、縦長の柱状組織１５６を含有している。例えば、柱状組織１５６は、縦方向の径が約１００ｎｍ以上１μｍ以下であって、横方向の径が約１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、アスペクト比が約３以上１０以下である。また、ＥＤＳ及びＥＥＬＳの分析結果、第二の部分１５２は、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）であって、ケイ素（Ｓｉ）化合物も含んでいる。
　第三の部分１５３は、基材１５０上に形成されており、横長の層状組織１５７を含有している。例えば、層状組織１５７は、縦方向の径が数十ｎｍ以下であって、横方向の径が数百ｎｍ程度であり、アスペクト比が０．０１以上０．１以下と横方向に長い。また、ＥＤＳ及びＥＥＬＳの分析結果、第三の部分１５３は、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）であって、ケイ素（Ｓｉ）化合物及びケイ素（Ｓｉ）固溶部を含んでいる。
　なお、図２では、酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１、第二の部分１５２、及び、第三の部分１５３により構成されており、この順で積層されている。ただし、酸化皮膜１６０の構成及び積層順はこれに限定されない。
　例えば、酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１の単層によって構成されていてもよい。酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１が酸化皮膜１６０の表面を形成するように第一の部分１５１及び第二の部分１５２の二層によって構成されていてもよい。酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１が酸化皮膜１６０の表面を形成するように第一の部分１５１及び第三の部分１５３の二層によって構成されていてもよい。
　また、酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１、第二の部分１５２及び第三の部分１５３以外の組成を含んでいてもよい。酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１が酸化皮膜１６０の表面を形成するように第一の部分１５１、第二の部分１５２、第一の部分１５１及び、第三の部分１５３の四層によって構成されていてもよい。
　この酸化皮膜１６０の構成及び積層順は諸条件を調整することにより容易に実現することができる。代表的な諸条件としては、酸化皮膜１６０の製造方法（形成方法）が挙げられる。酸化皮膜１６０の製造方法には、公知の鉄系材料の酸化方法を好適に用いることができるが、これに限定されない。製造方法における条件は、基材１５０を形成する鉄系材料の種類、基材１５０の表面状態（研磨仕上げ等）、求める酸化皮膜１６０の物性等の条件に応じて、適宜、設定される。
　　＜冷媒圧縮機の動作＞
　商用電源（図示せず）から供給される電力は、外部のインバータ駆動回路（図示せず）を介して電動要素１０６に供給される。これにより、電動要素１０６は複数の運転周波数でインバータ駆動され、電動要素１０６の回転子１０５はクランクシャフト１０８を回転させる。このクランクシャフト１０８の偏心軸１１０の偏心運動は、コンロッド１１７及びピストンピン１１５によってピストン１３２の直線運動に変換されて、ピストン１３２はシリンダボア１１３内の圧縮室１３４を往復運動する。このため、サクションチューブを通して密閉容器１０１内に導かれた冷媒ガスをサクションマフラー１４２から圧縮室１３４に吸入し、さらに、冷媒ガスを圧縮室１３４内で圧縮して密閉容器１０１から吐出する。
　また、クランクシャフト１０８の回転に伴い、潤滑油１０３は給油ポンプ１１１から各摺動面に給油され、摺動面を潤滑する。これとともに、潤滑油１０３はピストン１３２とシリンダボア１１３との間においてはシールを形成し、圧縮室１３４を密閉する。
　　＜硬さ＞
　図３は、主軸１０９及び主軸受１１４の深さ方向の硬さを表したグラフである。なお、硬さはビッカース硬さで示している。硬さの計測には、シエンタ・オミクロン株式会社製のナノインデンテーション装置（トライボインデンター）を使用した。
　主軸１０９の硬さの計測では、圧子を主軸１０９の表面に押し込んで荷重を負荷した状態を一定時間維持させるステップを行った。そして、次のステップでは、一旦、荷重を除荷した後、除荷前のステップの荷重よりも高い荷重で圧子を主軸１０９の表面に押し込み、再び荷重を負荷した状態を一定時間維持するようにした。このように段階的に荷重を増加させるステップを１５回、繰り返した。また、最大荷重が１Ｎになるように各ステップの荷重を設定した。そして、各ステップ後に主軸１０９の酸化皮膜１６０及び基材１５０の硬さ及び深さを計測した。
　また、主軸受１１４の硬さの計測では、主軸受１１４の一部をファインカッターで切り出した。この一部において、主軸受１１４の内周面に圧子を荷重０．５ｋｇｆを負荷して、硬さを計測した。
　図３に示すように、主軸１０９の酸化皮膜１６０及び基材１５０の硬さは主軸受１１４の硬さ以上であった。このように、酸化皮膜１６０によって主軸１０９の硬さを主軸受１１４の硬さ以上とすることにより、耐摩耗性向上とともに、一対の摺動部材間の油膜を確保して、冷媒圧縮機へ入力が運転初期から低い高効率な運転を可能とする。
　このような硬さは、物質及び材料等の物体において表面又は表面近傍の機械的性質の一つであって、物体に外力が加えられた時の、物体の変形し難さ及び傷つき難さである。硬さにはさまざまな測定手段（定義）及びそれに対応する値（硬さの尺度）が存在する。このため、測定対象に応じた測定手段を用いてもよい。
　例えば、測定対象が金属又は非鉄金属である場合、押込み硬さ試験法（例えば、先にあげたナノインデンテーション法や、ビッカースやロックウェル硬さ法等）が測定に用いられる。
　また、樹脂膜及びリン酸塩皮膜等の皮膜のような、押込み硬さ試験法による測定が困難な測定対象には、例えば、リング・オン・ディスク方式などの摩耗試験が用いられる。この測定方法の一例では、ディスクの表面に皮膜を施した試験片を形成する。この試験片を油中に浸漬した状態で、リングによって皮膜に荷重１０００Ｎを負荷しながら、回転速度１ｍ／ｓで１時間、回転させて、皮膜上をリングで摺動する。この皮膜及びリングの表面の摺動面の状態を観察する。この結果、リング及び皮膜のうち摩耗量が相対的に大きい方を、硬さが低いと判断してもよい。
　　＜表面粗さ＞
　図７に示すように、主軸受１１４の摺動面の表面粗さは、主軸１０９の摺動面の表面粗さよりも小さく形成されている。この主軸１０９の摺動面の表面粗さは、主軸１０９の皮膜の表面粗さである。
　図８に示すように、主軸受１１４の摺動面１１４ｂの一部に、表面粗さが主軸１０９の表面粗さよりも小さい範囲（表面粗さ向上範囲１１４ａ）を設けている。表面粗さ向上範囲１１４ａは、主軸受１１４の軸心方向における端部位置であって、例えば、主軸受１１４の摺動面１１４ｂの上端部に設けられている。ただし、表面粗さ向上範囲１１４ａは、主軸受１１４の摺動面１１４ｂの下端部に設けられていてもよい。このため、表面粗さ向上範囲１１４ａは、主軸受１１４の摺動面１１４ｂの上端部及び下端部の少なくともいずれか一方に設けられていればよい。
　この表面粗さ向上範囲１１４ａの範囲は、主軸受１１４の軸心方向において主軸受１１４の摺動面１１４ｂの端（上端、下端）から寸法（幅）Ｃの範囲であって、主軸受１１４の内周面の周方向において全周に亘って設けられている。この幅Ｃは、主軸受１１４の摺動面１１４ｂの寸法（幅）Ｄの１／１０以上１／２以下である。この摺動面１１４ｂは、主軸受１１４の内周面のうち、主軸１０９の外周面と対向して摺動する範囲である。このため、例えば、主軸受１１４の内周面に面取り部１１４ｃが設けられている場合、この面取り部１１４ｃは摺動面１１４ｂに含まれない。また。摺動面１１４ｂは、主軸１０９と主軸受１１４とが常に摺動する部分ではなく、摺動し得る部分である。
　この表面粗さ向上範囲１１４ａにより、主軸１０９と主軸受１１４との片当り時においても、摺動面上の微細な突起による固体接触の発生を低減することができる。しかも、加工に時間がかかる表面粗さの小さい部分（表面粗さ向上範囲１１４ａ）を少なくして、生産性を向上させることができる。
　なお、表面粗さ向上範囲１１４ａの幅Ｃを幅Ｄの１／１０以下にすると、主軸１０９と主軸受１１４との摺動面間の油膜を維持できなくなり、冷媒圧縮機への入力が増加してしまう。また、表面粗さ向上範囲１１４ａの幅Ｃを幅Ｄの１／２以上にしても、幅Ｃを幅Ｄの１／２としたときの入力よりも低下することがない上、加工コストの増大を招く。
　例えば、表面粗さ向上範囲１１４ａの算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ以上かつ０．２μｍ以下である。これにより、摺動面上の微細な突起による固体接触の発生を低減し、摺動面間の油膜を維持できるとともに、生産性を向上させることができる。
　なお、表面粗さ向上範囲１１４ａの算術平均粗さＲａが０．２μｍより大きいと、摺動面間の油膜を維持できなくなり、冷媒圧縮機への入力が増加してしまう。また、算術平均粗さＲａを０．０１μｍより小さくしても、入力が低下しない上、加工コストの増大を招き生産性が悪化する。
　このように、主軸受１１４の表面粗さを主軸１０９の表面粗さよりも小さくしている。これによって、皮膜によって主軸１０９の表面が硬い場合であっても、主軸１０９と主軸受１１４との間において、耐摩耗性を向上させ、局所的な接触を緩和し、油膜の形成を促している。このため、長期信頼性が高く、かつ冷媒圧縮機への入力が運転初期から低く安定した高効率な冷媒圧縮機を提供することができる。
　　＜冷媒圧縮機の性能＞
　図４Ａは冷媒圧縮機への入力の時系列経時変化を示し、図４Ｂは冷媒圧縮機の成績係数ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の時系列経時変化を示す。ＣＯＰは、冷凍冷蔵機器などの冷媒圧縮機のエネルギー消費効率の目安として使われる係数であって、冷凍能力（Ｗ）を入力（Ｗ）で除した値である。
　ここでは、運転周波数１７Ｈｚにて冷媒圧縮機を低速運転した場合の入力及びＣＯＰを得た。また、本実施の形態の冷媒圧縮機は、主軸受１１４の表面粗さが主軸１０９の表面粗さよりも小さいものである。これに対し、従来の冷媒圧縮機は、主軸受１１４に表面粗さ向上範囲１１４ａを設けていないものである。
　図４Ａから、本実施の形態の冷媒圧縮機、及び従来の冷媒圧縮機のいずれも運転開始直後の入力（以下、初期入力と称す）が最も高い。その後の運転時間の経過に伴って入力は徐々に低下し、最終的には殆ど変化がない一定の値（以下、定常入力と称す）を示している。さらに、本実施の形態の冷媒圧縮機は、従来の冷媒圧縮機よりも初期入力が低く、また、初期入力から定常入力へ移行する時間（移行時間）も短い。本実施の形態の冷媒圧縮機の移行時間ｔ１、及び、従来の冷媒圧縮機の移行時間ｔ２について、ｔ１はｔ２の約１／２である。これにより、図４Ｂに示すように、本実施の形態の冷媒圧縮機は、従来の冷媒圧縮機よりもＣＯＰが早期に安定し、かつ向上している。
　この点について、図５～図７を参照しながら、以下のように考察する。図５は、冷媒圧縮機における圧縮荷重の作用図である。図６は、主軸受１１４に表面粗さ向上範囲１１４ａを設ける前の冷媒圧縮機における主軸受１１４と主軸１０９の摺動面の拡大図を示す。図７は、主軸受１１４に表面粗さ向上範囲１１４ａを設けた本実施の形態に係る冷媒圧縮機における主軸受１１４と主軸１０９の摺動面の拡大図を示す。この表面粗さ向上範囲１１４ａにより、主軸受１１４の表面粗さが主軸１０９の表面粗さより小さくなっている。
　本実施の形態に係る冷媒圧縮機は、往復動（レシプロ）式であって、圧縮室１３４内の圧縮荷重Ｐよりも密閉容器１０１内の圧力が低い。一般的に、この圧縮荷重Ｐが偏心軸１１０に作用する状態において、偏心軸１１０に繋がる主軸１０９を一つの主軸受１１４で片持ち支持している。
　このため、伊藤らの文献（日本機械学会年次大会論文集　Ｖｏｌ．５－１　（２００５）　Ｐ．１４３）に示されるように、主軸１０９及び偏心軸１１０を有するクランクシャフト１０８は、圧縮荷重Ｐの影響により主軸受１１４内で傾いた状態で振れ回っている。圧縮荷重Ｐの分力Ｐ１が、対向する主軸１０９の摺動面及び主軸受１１４の上端部の摺動面に作用する。一方、圧縮荷重Ｐの分力Ｐ２が、対向する主軸１０９の摺動面及び主軸受１１４の下端部の摺動面に作用する。このように、いわゆる、片当りが発生する。
　図６において、表面粗さ向上範囲１１４ａを設けていない冷媒圧縮機では、主軸１０９及び主軸受１１４の双方において、摺動面の表面に多数の微小な突起が存在している。この主軸１０９が主軸受１１４内で傾くと、局所的な接触が生じて、面圧が高くなる。さらに、より低速運転では、主軸１０９の摺動面と主軸受１１４の摺動面と間の油膜厚さｈが薄くなって、突起による固体接触の発生が頻発する。しかも、主軸１０９の摺動面が耐摩耗性の高い酸化皮膜１６０によって形成されている場合、主軸１０９の表面に点在する硬度が硬い微小な突起により、主軸受１１４の摺動面にて摺動痕が発生して、固体接触Ｘが発生する時間が長くなる。よって、冷媒圧縮機への初期入力が高くなるとともに、初期入力から定常入力への移行時間も長くなる。
　一方で、図７において、本実施の形態に係る冷媒圧縮機では、表面粗さ向上範囲１１４ａにより主軸受１１４の摺動面の表面粗さが、相対する主軸１０９の摺動面の表面粗さよりも小さい。これにより、突起による固体接触を低減し、主軸１０９と主軸受１１４との間の油膜形成を運転初期から保持することができる。このため、初期入力を低く抑え、かつ初期入力から定常入力に移行する時間を短縮化することができる。さらに、主軸１０９の表面に耐摩耗性の高い酸化皮膜１６０を形成していることによって、耐久性も確保することができる。
　このような酸化皮膜１６０によって主軸１０９は、硬くて耐摩耗性が向上すると共に、主軸受１１４に対する攻撃性（相手攻撃性）が低下し、摺動初期のなじみ性も向上する。よって、主軸受１１４の表面粗さを主軸１０９の表面粗さよりも小さくすることによる効果と相まって、冷媒圧縮機への入力が運転初期から低い高効率な運転が可能となる。
　この酸化皮膜１６０の高い耐摩耗性と、相手攻撃性の低下及び摺動初期のなじみ性の向上については本出願人の特願２０１６－００３９１０号、特願２０１６－００３９０９号に詳述している通りである。この理由の一つは以下のように考えられる。
　酸化皮膜１６０は鉄の酸化物であるから、従来のリン酸塩皮膜と比較して化学的に非常に安定である。また、鉄の酸化物の皮膜は、リン酸塩皮膜と比較して高い硬度を有する。それゆえ、摺動面に酸化皮膜１６０が形成されることで、摩耗粉の発生及び付着等を効果的に防止することができる。この結果、酸化皮膜１６０そのものの摩耗量の増加を有効に回避でき、高い耐摩耗性を示す。
　しかも、図２に示すように酸化皮膜１６０の第一の部分１５１には、鉄の酸化物よりも硬度が高いケイ素（Ｓｉ）化合物が含まれている。それゆえ、酸化皮膜１６０は、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含有する第一の部分１５１により表面を構成することにより、より高い耐摩耗性を発揮できる。
　一方、酸化皮膜１６０の表面を構成する第一の部分１５１は、最も多く占める成分として三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を有している。この三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の結晶構造は、菱面体晶であって、その下方に位置する四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の立方晶の結晶構造、並びに、窒化皮膜の周密六方晶、面心立方晶及び体心正方晶の結晶構造よりも、結晶構造の面において柔軟である。そのため、三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を多く含む第一の部分１５１は、従来のガス窒化皮膜又は一般的な酸化皮膜（四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）単部分皮膜）と比べて適度な硬さを有しつつ、相手攻撃性が低くて、摺動初期のなじみ性が向上すると考えられる。
　つまり、主軸１０９の表面を構成する酸化皮膜１６０は、その表面側に比較的硬質ではあるが結晶構造が菱面体であって柔軟な三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を多く含む。このため、相手攻撃性が低下し、油膜切れ等を抑制して、摺動初期のなじみ性を向上させる。また、これは、主軸受１１４の表面粗さを主軸１０９の表面粗さよりも小さくしたことによる効果と相まって、冷媒圧縮機への入力が運転初期から低い高効率な運転が可能となる。
　さらに、酸化皮膜１６０の第二の部分１５２及び第三の部分１５３は、いずれもケイ素（Ｓｉ）化合物を含み、第一の部分１５１と基材１５０との間に位置する。このため、酸化皮膜１６０の基材１５０に対する密着力は強力なものとなる。しかも、第三の部分１５３は、第二の部分１５２よりもケイ素の含有量が多い。このように、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含む第二の部分１５２及び第三の部分１５３が積層され、ケイ素の含有量がより多い第三の部分１５３が基材１５０に接する。これにより、酸化皮膜１６０の密着力をより一層強化する。その結果、摺動時の負荷に対して、酸化皮膜１６０の耐力が向上し、酸化皮膜１６０の耐摩耗性が一段と高いものとなる。そして、仮に酸化皮膜１６０の表面を形成する第一の部分１５１が摩耗したとしても、第二の部分１５２及び第三の部分１５３が残るため、酸化皮膜１６０はより優れた耐摩耗性を発揮する。
　また、酸化皮膜１６０の高い耐摩耗性、相手攻撃性の低下及び摺動初期のなじみ性の向上については別の観点から見ると、以下の理由によるものとも考えられる。
　すなわち、酸化皮膜１６０の表面を構成する第一の部分１５１はケイ素（Ｓｉ）化合物が含まれている上、緻密な微結晶組織となっている。このため、酸化皮膜１６０は、高い耐摩耗性を発揮する。
　また、第一の部分１５１は微結晶の組織であって、これら微結晶の間には所々にわずかな空隙部１５８が形成されている、あるいは、表面に微小な凹凸が生じている。そのため、毛細管現象により潤滑油１０３が酸化皮膜１６０の表面（摺動面）に保持され易い。つまり、このようなわずかな空隙部１５８及び／又は微少な凹凸が存在することで、摺動状態が厳しい状況であっても摺動面に潤滑油１０３を留めること、いわゆる「保油性」を発揮することが可能となる。その結果、摺動面に油膜が形成され易くなる。
　さらに、酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１の下方の基材１５０側に柱状組織１５６（第二の部分１５２）及び層状組織１５７（第三の部分１５３）が存在している。これら組織は、第一の部分１５１の微結晶１５５に比べて相対的に硬度が低く、軟らかい。そのため、摺動時には、柱状組織１５６及び層状組織１５７が「緩衝材」のように機能する。これにより、摺動時の表面に対する圧力により微結晶１５５は基材１５０側に圧縮されるように挙動する。その結果、酸化皮膜１６０の相手攻撃性は、他の表面処理膜よりも著しく低く、相手材の摺動面の摩耗を有効に抑制する。
　なお、「緩衝材」の機能は第二の部分１５２及び第三の部分１５３のいずれか一方のみであっても発揮される。このため、第一の部分１５１の下方には第二の部分１５２又は第三の部分１５３が位置していればよい。好ましくは、第一の部分１５１の下方に第二の部分１５２及び第三の部分１５３の両方が位置していればよい。
　また、酸化皮膜１６０は、相手攻撃性が低く、且つ、良好な「保油性」を発揮することができる。このため、酸化皮膜１６０を備える軸部品は、油膜形成能力が格段に高くなる。この油膜形成能力の高さが、軸受部品の表面粗さを小さくしたことによる効果と相まって、冷媒圧縮機への入力が運転初期から低い高効率な運転を可能とする。
　　＜変形例＞
　上記の構成では、軸部品として主軸１０９を用い、軸受部品として主軸受１１４を用いたが、軸部品及び軸受部品はこれに限定されない。例えば、偏心軸１１０を軸部品とし、偏心軸受１１９を軸受部品として用いてもよい。このため、主軸１０９及び偏心軸１１０の少なくともいずれか一方の軸部品に、これに対向する軸受部品の硬さ以上の硬さを有する皮膜が表面に設けられてもよい。また、主軸受１１４及び偏心軸受１１９の少なくともいずれかに一方の軸受部品の表面粗さは、これに対向する軸部品の表面粗さよりも小さくしてもよい。
　また、上記全ての構成では、軸部品の表面に酸化皮膜１６０を備えたが、軸部品の表面の皮膜は軸受部品の硬さ以上の硬さを有するものであれば、これに限定されない。例えば、軸部品の皮膜は、例えば、化合物層、機械的強度改善層及び被覆法により形成した層等が挙げられる。
　すなわち、軸部品の基材１５０が鉄系である場合、皮膜は、一般的な焼入れ方法、並びに、表層に炭素又は窒素等を浸み込ませる方法で形成した皮膜であってもよい。また、皮膜は、水蒸気による酸化処理、及び、水酸化ナトリウムの水溶液に浸漬させた酸化処理によって形成された皮膜であってもよい。さらに、皮膜は、冷間加工、加工硬化、固溶強化、析出強化、分散強化及び結晶粒微細化によって形成され、転位のすべり運動を抑制させて基材１５０の強化を図った層（機械的強度改善層）であってもよい。さらに、皮膜は、メッキ、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤの被覆法により形成した層であってもよい。
　さらに、上記全ての構成では、主軸受１１４の摺動面の一部に、表面粗さが主軸１０９の表面粗さよりも小さい範囲（表面粗さ向上範囲１１４ａ）を設けた。ただし、主軸受１１４の摺動面における表面粗さ向上範囲１１４ａはこれに限定されない。主軸受１１４の摺動面の全体（全摺動範囲）に表面粗さ向上範囲１１４ａを設けてもよい。
　なお、上記全ての構成では、軸部品の基材１５０に鉄系材料を用いたが、基材１５０は、軸受部品と同等以上の硬さを有する皮膜を形成できるものであれば、鉄系以外の材料を用いることができる。
　また、上記全ての構成では、低速運転（例えば、運転周波数１７Ｈｚ）によって冷媒圧縮機が駆動される場合を例にしてその効果を説明したが、冷媒圧縮機の運転はこれに限定されない。商用回転数による運転、及び、回転数が増加する高速運転が行われた場合であっても、冷媒圧縮機は低速運転された場合と同様に、性能及び信頼性を向上させることができる。
　また、上記全ての構成では、往復動式（レシプロ）の冷媒圧縮機を例示したが、冷媒圧縮機は、回転式、スクロール式及び振動式等の他の形式のものであってもよい。また、軸受部品の硬さ以上の硬さの皮膜を軸部品に備え、軸受部品の表面粗さを軸受部品の表面粗さよりも小さくする構成は、冷媒圧縮機に限定されず、摺動面を有する機器においても同様に用いられ、また、これにより同様の効果が得られる。この摺動面を有する機器としては、例えば、ポンプ及びモータ等であってもよい。
（実施の形態２）
　図９は、実施の形態２に係る冷凍装置の模式図を示す。ここでは、冷凍装置の基本構成の概略について説明する。
　図９において、冷凍装置は、本体３０１、区画壁３０７及び冷媒回路３０９を備えている。本体３０１は、一面が開口した断熱性の箱体、及び、その開口を開閉する扉体を有している。区画壁３０７は、本体３０１の内部を、物品の貯蔵空間３０３と機械室３０５とに区画する。冷媒回路３０９は、冷媒圧縮機３００、放熱器３１３、減圧装置３１５及び吸熱器３１７を配管によって環状に接続した構成であって、貯蔵空間３０３内を冷却する。
　吸熱器３１７は、送風機（図示せず）を具備した貯蔵空間３０３内に配置されている。吸熱器３１７の冷却空気は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間３０３内を循環するように撹拌され、貯蔵空間３０３内を冷却する。
　以上の構成からなる冷凍装置は、冷媒圧縮機３００として上記実施の形態１に係る冷媒圧縮機を備えている。これにより、冷媒圧縮機３００の主軸１０９等の軸部品の皮膜は、これに対向する主軸受１１４等の軸受部品の硬さ以上の硬さを有し、軸受部品の表面粗さが軸部品の表面粗さよりも小さい。このため、軸部品と軸受部品との間において耐摩耗性の向上、局所的な接触摺動の軽減、及び、油膜形成の維持が実現される。よって、冷凍蔵置について性能が向上するので、消費電力の低減による省エネルギー化を実現し、かつ信頼性を向上させることができる。
　以上、本発明に係る冷媒圧縮機及びそれを備えた冷凍装置について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　以上のように、本発明は、効率低下の低減を図った冷媒圧縮機及びそれを備え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各種機器に幅広く適用できる。
　１０１　密閉容器
　１０６　電動要素
　１０７　圧縮要素
　１０９　主軸（軸部品）
　１１０　偏心軸（軸部品）
　１１４　主軸受（軸受部品）
　１１９　偏心軸受（軸受部品）
　１６０　酸化皮膜（皮膜）
　３００　冷媒圧縮機

Claims (6)

  1. 　電動要素と、
    　前記電動要素により駆動されて冷媒を圧縮する圧縮要素と、
    　前記電動要素及び前記圧縮要素を収容する密閉容器と、を備え、
    　前記圧縮要素は、
    　前記電動要素によって回転する軸部品と、
    　前記軸部品を回転可能に摺接する軸受部品と、を有し、
    　前記軸部品の摺動面には、前記軸受部品の摺動面の硬さ以上の硬さを有する皮膜が設けられており、
    　前記軸受部品の摺動面の表面粗さは、前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい、冷媒圧縮機。
  2. 　前記軸受部品の摺動面のうち、少なくとも一部の表面粗さが前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい、請求項１に記載の冷媒圧縮機。
  3. 　前記軸受部品の軸心方向において、前記軸受部品の摺動面のうち、表面粗さが前記軸部品の摺動面の表面粗さよりも小さい範囲の寸法は、前記軸部品の摺動面の寸法の１／１０以上かつ１／２以下であり、前記軸心方向の端部位置に設定されている、請求項１又は２に記載の冷媒圧縮機。
  4. 　前記軸受部品の摺動面うち、表面粗さが前記軸部品の摺動面表面粗さよりも小さい範囲の算術平均粗さＲａは、０．０１μｍ以上かつ０．２μｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
  5. 　前記電動要素は、複数の運転周波数でインバータ駆動するように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
  6. 　放熱器、減圧装置、吸熱器、並びに、請求項１～５のいずれか一項に記載の密閉型圧縮機を備える、冷凍装置。
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