(57)【要約】【課題】摺動部のなじみを促進することで、摺動部の状況を低摩擦状態へ移行させ、運転初期から摩擦損失を低減する。【解決手段】圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備えた冷媒圧縮機において、金属材料同士が摩擦するいずれか一方の摺動面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜表面には炭化水素系油に塗布することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備えた冷媒圧縮機において、金属材料同士が摩擦するいずれか一方の摺動面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜表面には炭化水素系油が塗布されることを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項２】
前記炭化水素系油が、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、ポリアルファオレフィン油のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
【請求項３】
前記炭化水素系油と冷媒との二層分離温度が、−４０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
【請求項４】
冷媒としてＲ６００ａ、冷凍機油として前記冷媒との二層分離温度が、−４０℃以下である油を用いたことを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
【請求項５】
前記炭化水素系油は、冷凍機油重量に対して２０％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷媒圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒圧縮機は近年、省エネルギー化、小型化、低騒音化が要求され、これに伴って摺動部の使用条件が苛酷化している。
【０００３】
冷媒圧縮機の内部には材料強度の観点から鉄系材料が多く使用され、必然的に摺動部も鉄系材料同士になることが多い。同じ材料同士の摩擦はともがね状態となり、摩擦係数が高い、凝着しやすい等の問題がある。そのため、摺動部へは表面を改質し摺動特性を改善する表面処理が広く使用されている。たとえば、窒化処理、リン酸マンガン処理、二硫化モリブデン処理等が挙げられる。中でも、摺動部表面に摩擦・摩耗特性の優れるコーティングを施すことで摺動部の摩擦損失を低減し、省エネルギー化に貢献する技術として、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜は低摩擦、高耐摩耗性の非晶質炭素系被膜として注目されているが、高硬度であることから相手材とのなじみ性が悪いことが問題となっていた。特許文献１には、ＤＬＣ膜上に軟質金属元素を含むＤＬＣ膜を積層することで、なじみを促進する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１１９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＤＬＣ膜の作製には時間がかかり、特許文献１のようにＤＬＣ膜表面になじみを促進するＤＬＣ膜をさらに積層する方法では、摺動部材の作製に長時間を要する。また、ＤＬＣ膜作製時に軟質金属原料を別途準備する必要があるため、コストも掛かることが問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題に対し、本発明では、摺動部にＤＬＣ−Ｓｉ（ダイヤモンドライクカーボン−シリコン）膜を作製し、その表面に炭化水素系油を塗布することを提案する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、摺動部のなじみを促進することで、摺動部の状況を低摩擦状態へ移行させ、運転初期から摩擦損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】冷媒圧縮機の断面図である。
【図２】冷凍機油への塗布油の混入量の上限値を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における摺動部の構成を示す図である。
【図４】ブロックオンリング試験機の概要である。
【図５】ブロックオンリング試験結果を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず、圧縮機の構成について図面を用いて説明する。図１に本発明の実施例における圧縮機の断面を示す。本実施例における圧縮機の圧縮方式はレシプロ方式であり、冷媒としてＲ６００aを用いている。図１において、１は駆動源（図示せず）に接続されたクランクシャフト、２はシリンダ（図示せず）内を往復するピストン、３はピストン２に接続された鋼製のピストンピン、４はピストンピン３上に作製されたＤＬＣ−Ｓｉ膜、５はクランクシャフト１とピストンピン３を連結するコネクティングロッドである。コネクティングロッド５は軽量化および耐摩耗性向上のため、Ｓｉを１６〜１８％含んだアルミニウムダイカスト合金で形成されている。
【００１０】
次に、動作について説明する。駆動源によって偏心回転するクランクシャフト１の運動が、コネクティングロッド５とピストンピン３を介してピストン２に伝達され、ピストン２が往復することで冷媒等のガスが圧縮される。このとき、ピストン２に加わる圧縮荷重は、コネクティングロッド５を挟んで、ピストンピン３とクランクシャフト１が押し合うように作用する。
【００１１】
コネクティングロッド５とピストンピン３の連結部では、固定されたピストンピン３に対してコネクティングロッド５が揺動運動するために、潤滑油である冷凍機油（図示せず）による流体被膜が形成されにくい。特に、回転方向が逆転する際に一瞬停止するため、摺動面の一部で流体被膜が形成されずに摺動面同士の直接接触が発生する。また、起動時においては摺動部に冷凍機油が供給されていない状況となるため、同様に摺動面同士の直接接触となる。本実施例においては、このような摺動面の直接接触が発生した際にも摩擦係数や摩耗量を低く抑え、摺動部の異常摩耗を抑制するためにピストンピン３の表面に耐摩耗性に優れるＤＬＣ−Ｓｉ膜４を備えている。ＤＬＣ−Ｓｉ膜４は高硬度であり相手材との初期なじみ性が問題となっていたが、本実施例においては、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４の表面に冷凍機油とは異なり、初期なじみを促進させる炭化水素系油が塗布されている。炭化水素系油は極性基を持たないため、極性基を持つ油と比較して摩耗量が多くなる傾向にある。この特性を利用し、炭化水素系油をＤＬＣ−Ｓｉ膜４表面にのみ塗布することでＤＬＣ−Ｓｉ膜４とコネクティングロッド５との初期なじみを促進する。初期なじみを促進するために塗布する炭化水素系油としては、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、ポリアルファオレフィン油が好ましい。ポリアルファオレフィン油およびパラフィン系鉱油はナフテン系鉱油と比較して環状構造が少ない組成となっていることから、ナフテン系鉱油と比較して摩耗量が多くなるため好ましい。より好ましくは、合成油であり構成中に環状構造を含まないポリアルファオレフィン油である。
【００１２】
冷凍機油としては、分子構造中に極性基を持ち摩耗抑制効果の高いポリオールエステル油や、極圧剤を添加した炭化水素系油が好ましい。特に、ポリオールエステル油を用いることで、極圧添加剤の添加無しでも冷媒／冷凍機油混合液の潤滑性を確保できる。前記したポリールエステル油としては、多価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましい。例えば、多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトールがある。１価の脂肪酸としては、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、２−メチルブタン酸、２−メチルペンタン酸、２−メチルヘキサン酸、２−エチルヘキサン酸、イソオクタン酸、３、５、５−トリメチルヘキサン酸等があり、単独で又は２種類以上の混合脂肪酸にして用いる。特に冷凍機油の基油としては分子中にエステル結合を少なくとも２個保有する式（１）、（２）又は（３）で示される脂肪酸のエステル油の群から選ばれる少なくとも１種類が好ましい。
【００１３】
（Ｒ１−ＣＨ２)２−Ｃ−(ＣＨ２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ２)２  ・・・・（１）
（式（１）中、Ｒ１は、それぞれ独立して水素原子または炭素数１〜３のアルキル基を表し、Ｒ２は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
（Ｒ１−ＣＨ２）−Ｃ−(ＣＨ２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ２)３  ・・・・（２）
（式（２）中、Ｒ１およびＲ２は、前記と同義である）
Ｃ−(ＣＨ２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ２)４  ・・・・（３）
（式（３）中、Ｒ２は、前記と同義である）
【００１４】
本実施例における冷凍機油および塗布油は、冷媒Ｒ６００ａとの二層分離温度が−４０℃以下のものが好ましい。冷凍機油は冷媒とともに冷凍サイクル内を循環するため、圧縮機外に持ち出される場合もある。その際、冷媒との二層分離温度が−４０℃以上である冷凍機油を使用していた場合は、サイクルの低温部で冷凍機油が冷媒から分離し圧縮機に戻らなくなり、圧縮機内の油量が低下し潤滑不良となる可能性がある。また、塗布油が冷媒と溶け合わない場合、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４の表面から冷媒の溶け込んだ冷凍機油にすぐに持ち去られず、長期間摩耗量の多い状態が続いてしまう可能性がある。よって、冷媒と冷凍機油、冷媒と塗布油との二層分離温度は、冷凍サイクルの最低温度である−４０℃以下とする必要があり、より好ましくは、−４５℃以下である。
【００１５】
冷凍機油の粘度（ＪＩＳ  Ｋ２２８３で測定）に関しては、レシプロ式圧縮機の場合では４０℃における粘度が５〜４０ｍｍ２／ｓの範囲が好ましい。粘度５ｍｍ２／ｓ未満の場合は冷媒が溶解した粘度が低くなってしまい、圧縮機内部での油膜が十分に保持されず潤滑性や圧縮部のシール性を保つことができない。これに対して粘度４０ｍｍ２／ｓを越えると粘性抵抗、摩擦抵抗等の機械損失が増大し、圧縮機効率を低下させる。
【００１６】
本実施例では前記した冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、消泡剤、金属不活性剤等を添加してもよい。特にポリオールエステル油は吸湿性が高いことから、水分持ち込み量が増加して、ポリオールエステル油自体やＰＥＴフィルム等のモータ絶縁材料の加水分解による劣化が生じる可能性が高く、酸化防止剤、酸捕捉剤の配合は必要である。酸化防止剤としては、フェノール系であるＤＢＰＣ（２、６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール）が好ましい。酸捕捉剤としては、エポキシ系、カルボジイミド系などがあるが、脂肪族のエポキシ化合物が一般的に用いられる。
【００１７】
本実施例で用いるＤＬＣ−Ｓｉ膜４は、膜中のＳｉ含有量が４〜１８％で、基板との界面と摺動面においてＳｉ含有量が異なるものが好ましい。さらに、膜中のＳｉ含有量は、摺動面よりも基板との界面が多いことがより好ましい。基板との界面においては、Ｓｉ含有量を１８〜２５％とし基板との密着性を向上させ、摺動面ではＳｉ含有量を４〜１８％としたＤＬＣ−Ｓｉ膜４を形成することで、摺動部の摩擦係数および比摩耗量を低減させることが可能である。
【００１８】
また、塗布油の混入量の上限値については、図２より冷凍機油重量に対して２０％以下が好ましい。図２は、冷凍機油としてポリオールエステル油を用いた場合に、塗布油に見立てたパラフィン系鉱油を混合し、その割合を変えてファレックス焼付き試験を行った結果である。用いた油の粘度グレードは、ポリオールエステル油、パラフィン系鉱油ともにＶＧ１０である。圧縮機に使用される冷凍機油の耐荷重性能は２０００Ｎ以上が好ましいが、パラフィン系鉱油の含有量が２０％を超えると焼付き荷重は２０００Ｎ以下となる。つまり、塗布油であるパラフィン系鉱油の重量が冷凍機油重量に対して２０％を超えると、冷凍機油自体の耐荷重性能が著しく低下し、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４以外の摺動部における信頼性が低下することが分かる。よって、塗布油の混入量は冷凍機油の重量に対し２０％以下とすることが好ましい。
【００１９】
本実施例の摺動部の構成について図３を用いて説明する。図３における３はピストンピン、４はＤＬＣ−Ｓｉ膜、５はコネクティングロッド、６はＤＬＣ−Ｓｉ膜４とコネクティングロッド５との初期なじみを促進するための塗布油である。塗布油６は、ＤＬＣ−Ｓｉ膜作製後から圧縮機運転開始までにＤＬＣ−Ｓｉ膜４の表面に塗布されるが、運転開始後に冷凍機油（図示せず）が各摺動部に供給されると、冷凍機油によってＤＬＣ−Ｓｉ膜４の表面から洗い流される。
【００２０】
塗布油６の種類とＤＬＣ−Ｓｉ膜４の摩耗量の差についてブロックオンリング試験機を用いて評価した結果について説明する。試験機の概要を図４に示す。駆動源に接続されたリング７上に、ブロック８を接触させ、リング７を回転させて摩擦する。リング７は塗布油６を想定した潤滑油９に１／３ほど浸かる状態となっており、回転運動により潤滑油９を引き上げることで摺動面に潤滑油９が供給される。リング７には、コネクティングロッド５に使用される高Ｓｉアルミニウムダイカスト合金であるＡＤＣ１４、ブロック８にはピストンピン３に使用される浸炭焼入れ処理を施したクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４１５を用いた。ブロック８の表面には、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ−Ｓｉ膜４を約２μｍの厚さで作製した。リング７の回転速度は圧縮機の運転状況を考慮し段階的に変化させることとした。０．１８３ｍ／ｓから０．００９ｍ／ｓまで０．０１８ｍ／ｓまたは０．００９ｍ／ｓ刻みで低下させ、再び同じ間隔で０．１８３ｍ／ｓまで上昇させた。各速度におけるサイクル数は１００とした。潤滑油８には塗布油６に使用する際のコストを考慮し家電用圧縮機向け冷凍機油として多く用いられているものを使用した。使用した冷凍機油は以下の通りである。
【００２１】
［１］極性基を持たない炭化水素系油：ポリアルファオレフィン油（動粘度：５．５４ｍｍ２／ｓ＠４０℃）
［２］極性基を持ち炭素、水素、酸素を含む油：ポリオールエステル油（動粘度：５．１０ｍｍ２／ｓ＠４０℃）
【００２２】
図５にブロックオンリング試験後のＤＬＣ−Ｓｉ膜４の比摩耗量を示すが、潤滑油９に炭化水素系油である［１］ポリアルファオレフィン油を用いた場合、［２］ポリオールエステル油を用いた場合に比べて摩耗量が増大していることがわかる。これは、炭化水素系油は極性基を持たないことから摺動部表面に吸着しづらく、摩耗を抑制する効果がポリオールエステル油よりも低いためである。よって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４の表面に炭化水素系油を塗布することにより、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４の摩耗量が増加し、初期なじみを促進することが可能である。冷凍機油としてこのような炭化水素系油を用いた場合には、異常摩耗が発生しうる可能性があるが、本実施例では炭化水素系油をＤＬＣ−Ｓｉ膜４の表面のみに塗布し、冷凍機油としては摩耗抑制効果の高いものを使用することで、摩擦初期のみ摩耗量を多く、それ以降は摩耗量を少なくすることが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１…クランクシャフト、２…ピストン、３…ピストンピン、４…ＤＬＣ−Ｓｉ膜、５…コネクティングロッド、６…塗布油、７…リング試験片、８…ブロック試験片、９…潤滑油
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2018123721.tif 000006
【図５】
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