(57)【要約】【課題】  密閉容器内に電動機部によって駆動されるクランク軸、クランク軸の偏心部に回転自在に取り付けられたローリングピストン、ローリングピストンとともにシリンダ内を低圧室と高圧室とに仕切るベーン、シリンダの上下開口部を閉塞しクランク軸を保持する上軸受及び下軸受を備え、密閉容器内下部に冷凍機油を貯留したロータリ圧縮機において、シリンダの表面硬度と油保持能力の向上が十分でないため、焼付と摩耗が発生するという課題があった。【解決手段】  本願発明のロータリ圧縮機は、分子構造の中に塩素およびフッ素を含まない冷媒を使用し、シリンダは焼結材料によって形成されたものである。これによって、焼結と摩耗の発生を防止することができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に電動機部によって駆動されるクランク軸、このクランク軸の偏心部に回転自在に取り付けられたローリングピストン、このローリングピストンとともにシリンダ内を低圧室と高圧室とに仕切るベーン、前記シリンダの上下開口部を閉塞し前記クランク軸を保持する上軸受及び下軸受を備え、密閉容器内下部に冷凍機油を貯留したロータリ圧縮機において、分子構造の中に塩素およびフッ素を含まない冷媒を使用し、前記シリンダは焼結材料によって形成されたことを特徴とするロータリ圧縮機。
【請求項２】
焼結材料の表面硬度は、少なくともＨＢ２４１以上であることを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。
【請求項３】
焼結材料の空孔率は、体積比率で１４％以下であることを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。
【請求項４】
焼結材料の焼結密度は、６．４から７．２ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１記載のロータリ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オゾン層を破壊することなく、地球温暖化も防止できる自然冷媒を使用し、かつ給湯器、冷凍冷蔵機器、空調機器等に使用されるロータリ圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロータリ圧縮機においては、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒を用いたものであり、ベーンとベーン溝の接触部の焼付・摩耗を防止するためにシリンダに共晶黒鉛鋳鉄または焼結鉄材を適用するものであり、二酸化炭素等の自然冷媒には対応していない（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３７８７６（第１−２頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、冷媒にオゾン層の破壊や地球温暖化を起こさないたとえば二酸化炭素のような自然冷媒を使用し、ロータリ圧縮機のシリンダ材料の表面硬度と油保持能力の向上を図り、ベーンとシリンダの吸入側のベーン溝の側面間の焼付や摩耗を防止し、高い信頼性を有するロータリ圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明のロータリ圧縮機は、密閉容器内に電動機部によって駆動されるクランク軸、クランク軸の偏心部に回転自在に取り付けられたローリングピストン、ローリングピストンとともにシリンダ内を低圧室と高圧室とに仕切るベーン、シリンダの上下開口部を閉塞しクランク軸を保持する上軸受及び下軸受を備え、密閉容器内下部に冷凍機油を貯留したロータリ圧縮機において、分子構造の中に塩素およびフッ素を含まない冷媒を使用し、シリンダは焼結材料によって形成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
シリンダを表面硬度が少なくともＨＢ２４１以上の焼結材料で形成し、シリンダを形成する焼結材料の空孔率を体積比率で１４％以下とすること、さらに焼結材料の焼結密度を６．４から７．２ｇ／ｃｍ３とするによって、シリンダの表面硬度と油保持能力の向上が可能であるため、ベーンとシリンダの吸入室側のベーン溝間における焼付と摩耗を防止することができ、たとえば二酸化炭素のような自然冷媒の適用と合わせて、環境優しく、高い信頼性を有するロータリ圧縮機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
ロータリ圧縮機の基本構造を図１及び図２を用いて説明する。なお、図２は図１のＡ−Ａ’部の断面図である。密閉容器１内は、ステータ２とロータ３によって構成される電動機部とこの電動機部によって駆動される圧縮機構部とから構成される。圧縮機構部はクランク軸４の偏心部４ａに回転自在に取り付けられたローリングピストン５がクランク軸４の回転に伴い、シリンダ６内を偏心回転する。シリンダ６の上下開口部は、上軸受７及び下軸受８で閉塞されており、クランク軸４は上軸受７及び下軸受８によって保持されている。ローリングピストン５の側面には、ベーンスプリング９によってベーン１０が押しつけられており、シリンダ６の内部は、ローリングピストン５及びベーン１０によって吸入室１４と圧縮室１５に分離されている。吸入パイプ１１からシリンダ６内に取り込まれた冷媒ガスは圧縮された後、上軸受７に設けられた吐出口１２から密閉容器１内に吐出され、さらに吐出パイプ１３より冷凍回路へ送り出される。ベーン１０はベーンスプリング９などによってその先端部がローリングピストン５の外周に押しつけられ、その接触部は線接触であるため、高面圧であり、かつすべりを伴うものである。
【０００８】
また、ロータリ圧縮機はその構造から、クランク軸４の回転に伴って、クランク軸４の偏心部４ａに回転自在に取り付けられたローリングピストン５が揺動運動を行い、ベーンスプリング９によってローリングピストン５に押し付けられたベーン１０がシリンダ６のベーン溝１７内を往復運動する。
【０００９】
ところで、オゾン層の破壊や地球温暖化を防止するためには、自然冷媒を圧縮機へ適用する必要がある。自然冷媒には、たとえばイソブタンなどのような炭化水素、アンモニア、水、二酸化炭素などがある。これらの冷媒は、分子構造の中に塩素原子だけでなくフッ素原子をも有していないため、極圧性が低く、摺動部では塩素を含まないＨＦＣ系の冷媒よりもさらに焼付や摩耗が発生しやすくなる。
【００１０】
また、二酸化炭素はこれまで代替冷媒として使用されてきたＨＦＣの混合冷媒であるＲ４１０Ａ（ＨＦＣ３２とＨＦＣ１２５を５０％ずつ配合）の３倍以上の高い圧力下で使用される場合があるため、吸入室１４と圧縮室１５の圧力差がＲ４１０Ａよりも大きくなる。一般にＨＦＣ冷媒の適用が開始されて以降、ロータリ圧縮機では、ベーン１０にたとえばモリブデン系高速度工具鋼の１つであるＳＫＨ５１の焼入れ鋼に窒化などの表面処理が施された材料が適用されており、その表面硬度はＨｖ１２００以上であることが多い。しかし、シリンダ６には日本工業規格のＪＩＳＧ５５０１によると表面硬度がＨＢ２４１以下のねずみ鋳鉄であるＦＣ２５０が使用されていることが多い。
【００１１】
したがって、ロータリ圧縮機に二酸化炭素のような高圧冷媒を適用すると、吸入室１４と圧縮室１５の圧力差によって生じる差圧荷重によって、ベーン１０がシリンダ６の吸入室側のベーン溝の側面１６にすべりを伴いながら高面圧で押し付けられるため、焼付や異常摩耗が発生することが問題となる。
【００１２】
表１にＲ４１０Ａと二酸化炭素のガス冷媒中で実施したピンオンディスク型摩耗試験の結果を示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
試験片の材料はディスク材にねずみ鋳鉄のＦＣ２５０、ピン材にモリブデン系高速度工具鋼のＳＫＨ５１の焼入れ鋼に窒化処理を施したものを適用した。ロータリ圧縮機の吸入室１４と圧縮室１５の圧力差によってベーン１０がシリンダ６の吸入室側のベーン溝の側面１６に押し付けられるときの押し付け面圧を模擬して、ピンオンディスクの押し付け面圧を二酸化炭素中では３７ＭＰａとし、Ｒ４１０Ａ中では１０ＭＰａとした。すべり速度は６ｍ／ｓとし、摩擦時間は４８時間とした。なお、潤滑油として二酸化炭素にはポリアルキレングリコールを、Ｒ４１０Ａにはエステル油を使用した。ピンオンディスク型摩耗試験機の摩擦試験部は潤滑油の中に完全に浸した。
【００１５】
表１から二酸化炭素中ではＲ４１０Ａ中よりも押し付け面圧が高いためにＲ４１０Ａ中よりもシリンダ６の材料であるＦＣ２５０の摩耗量が増加する傾向にあることがわかる。したがって、二酸化炭素をロータリ圧縮機の冷媒として使用するためにはシリンダ６の摩耗量を抑制できる材料を適用する必要がある。
【００１６】
また、ロータリ圧縮機はその構造から、クランク軸４の回転に伴って、クランク軸４の偏心部４ａに回転自在に取り付けられたローリングピストン５が揺動運動を行い、ベーンスプリング９によってローリングピストン５に押し付けられたベーン１０がシリンダ６のベーン溝１７内を往復運動する。したがって、ベーン１０の吸入室側の側面とシリンダ６の吸入室側のベーン溝の側面１６の間では油膜が形成されにくくなるため、Ｒ４１０Ａよりも吸入室１４と圧縮室１５の圧力差が大きくなる二酸化炭素を冷媒とする圧縮機では焼付や摩耗が発生する可能性が高くなる。
【００１７】
本発明のロータリ圧縮機は、従来のロータリ圧縮機と同様にシリンダ６と、シリンダ６内でクランク軸４の偏心部４ａに設置され、クランク軸４の回転に伴って偏心回転されるローリングピルトン５とを備えている。また、ロータリ圧縮機のシリンダ６のベーン溝１７に格納されているベーン１０は、ローリングピストン５の外周にベーンスプリング９などによって押し付けられる構造である。ベーン１０の先端部は、ローリングピストン５の外周に対して摺動自在に当接する円筒状の凸曲面をなしている。
【００１８】
密閉容器１内に電動機部によって駆動されるクランク軸４、クランク軸４の偏心部に回転自在に取り付けられたローリングピストン５、ローリングピストン５とともにシリンダ６内を低圧室と高圧室とに仕切るベーン１０、シリンダ６の上下開口部を閉塞しクランク軸４を保持する上軸受及び下軸受を備え、密閉容器１内下部に冷凍機油を貯留したロータリ圧縮機において、分子構造の中に塩素およびフッ素を含まない冷媒を使用し、シリンダは焼結材料によって形成されている。
【００１９】
なお、本発明のロータリ圧縮機は、例えば二酸化炭素のような自然冷媒を使用する冷凍サイクルに用いられ、冷凍機油として、たとえば、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、アルキルベンゼン、ポリオールエステル、エーテル油、ポリアルキレングリコールやそれらの混合物が使用される。
【００２０】
ベーン１０の材料には、たとえばモリブデン系高速度工具鋼の一つであるＳＫＨ５１が挙げられ、使用環境によっては、焼入れ処理を施した後に窒化処理が行われている。焼入れ処理と窒化処理を施した後のＳＫＨ５１の表面硬度はＨｖ１２００程度である。
【００２１】
ローリングピストン５の材料には、たとえばクロム、ニッケル及びモリブデンを含む特殊鋳鉄に焼入れ処理を施したものが挙げられる。
【００２２】
これらの材料を適用することによって、たとえば二酸化炭素のような自然冷媒を使用するロータリ圧縮機においてもベーン１０とローリングピストン５の接触部における焼付や摩耗を防止することができる。
【００２３】
シリンダ６の材料として、例えば鉄を主材料とする焼結材料が挙げられる。焼結材料は、（１）粒子径が１０から１００ミクロンの原料粉末の混合、（２）成形、（３）焼結、（４）焼入れの手順で生成される。（３）の焼結工程では原料粉末の溶融点以下の高温で加熱を行うことで、金属粒子間の拡散結合、合金化を進行させることができる。（４）の焼入れ工程によって表面硬度を上昇させることができる。
【００２４】
シリンダ６の表面硬度はたとえばこれまで一般的にロータリ圧縮機のシリンダの材料に使用されてきたねずみ鋳鉄の１つであるＦＣ２５０のＨＢ２４１以上であることが望ましい。
【００２５】
また、シリンダ６を焼結材料で形成するため、焼結材料のポーラス部に潤滑油を保持させることが可能になる。ただし、材料強度の面からシリンダ６を形成する焼結材料の空孔率を体積比率で１４％以下とすることが望ましい。また、焼結材料の焼結密度を６．４から７．２ｇ／ｃｍ３とすることが望ましい。これらによって、これまでＦＣ２５０では油膜の形成をほとんど期待することができなかったベーン１０とシリンダ６の吸入室側のベーン溝の側面１６間に潤滑油を供給し、保持させることが可能となるため、焼付や摩耗を低減することが可能になる。
【００２６】
表２に二酸化炭素のガス冷媒中で実施したピンオンディスク型摩耗試験の結果を示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
試験片の材料はディスク材にねずみ鋳鉄のＦＣ２５０と鉄系焼結材料、ピン材にモリブデン系高速度工具鋼のＳＫＨ５１の焼入れ鋼に窒化処理を施したものを適用した。ピンオンディスクの押し付け面圧を３７ＭＰａとした。すべり速度は６ｍ／ｓとし、摩擦時間は４８時間とした。なお、潤滑油としてポリアルキレングリコールを使用した。ピンオンディスク型摩耗試験機の摩擦試験部は潤滑油の中に完全に浸した。
【００２９】
表３に摩耗試験に使用した鉄系焼結材料の組成を示す。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
本試験では、鉄系焼結材料として、住友電気工業株式会社製のＦＭＣ−７を使用した。また、同鉄系焼結材料の表面硬度は実測値でＨｖ６００、空孔率は１２から１４％、焼結密度は６．８から７．２ｇ／ｃｍ３の範囲内である。
【００３２】
表２から表面硬度がＨｖ６００、空孔率が１２から１４％、焼結密度が６．８から７．２ｇ／ｃｍ３の鉄系焼結材料ではＦＣ２５０よりも摩耗量が抑制されることがわかる。
【００３３】
図３に摩耗試験の結果を示す。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
供試材料としてピストン材に鋳鉄、ベーン材料に特殊鋳鉄、合金鋼と鉄系焼結材料が使用されている。摩耗試験に使用した鉄系焼結材料であるＦＭＣ−２５の組成を表４に、機械的特性を表５に示す。
【００３６】
【表５】
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【００３７】
焼結密度が６．４から６．８ｇ／ｃｍ３の本鉄系焼結材料の摩耗量が特殊鋳鉄や合金鋼よりも少なく抑制されていることがわかる。したがって、図３の結果と表３の結果から焼結材料の焼結密度を６．４から７．２ｇ／ｃｍ３とすること、焼結材の空孔率を体積比率で１４％以下にすることによって摩耗量を抑制できることがわかる。なお、シリンダ６の材料には、主材料を銅等、他の元素とする焼結材料を適用しても構わない。
【００３８】
以上の説明から明らかなように、本発明は、シリンダを表面硬度が少なくともＨＢ２４１以上の焼結材料で形成し、シリンダを形成する焼結材料の空孔率を体積比率で１４％以下とすること、さらに焼結材料の焼結密度を６．４から７．２ｇ／ｃｍ３とすることによって、シリンダの表面硬度と油保持能力の向上が可能であるため、ベーンとシリンダの吸入室側のベーン溝間における焼付と摩耗を防止することができ、自然冷媒の適用と合わせて、環境優しく、高い信頼性を有するロータリ圧縮機を提供することを可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の実施の形態１のロータリ圧縮機の基本構造を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１のロータリ圧縮機の基本構造の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１を説明する摩耗試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  密閉容器、２  ステータ、３  ロータ、４  クランク軸、５  ローリングピストン、６  シリンダ、７  上軸受、８  下軸受、９  ベーンスプリング、１０  ベーン、１１  吸入パイプ、１２  吐出口、１３  吐出パイプ、１４  吸入室、１５  圧縮室、１６  ベーン溝の側面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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