(57)【要約】  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。
2018092849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２３８８８５号公報
【特許文献２】特公昭５５−４９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る冷媒圧縮機を示す断面図である。
【図２】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３】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４Ａ】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４Ｂ】図１の冷媒圧縮機のＣＯＰの時系列変化曲線図である。
【図５】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。
【図６】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７】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８】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。
【図９】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。
【図１０】従来の冷媒圧縮機を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
＜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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
＜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。
【００４０】
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。
【００４１】
＜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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
＜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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
＜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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2018092849.tif 000016
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