JP5689151B2 - Rotary compressor - Google Patents
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Description
この発明は、冷凍サイクル等に使用される回転式圧縮機に関するもので、特に回転式圧縮機のベーンの耐摩耗性を向上させる技術に関する。 The present invention relates to a rotary compressor used in a refrigeration cycle or the like, and more particularly to a technique for improving the wear resistance of a vane of the rotary compressor.
冷凍サイクル等に使用される回転式圧縮機の冷媒には、R12やR22が主に使用されてきたが、これらの冷媒R12やR22は、大気中に放出されて地球上空のオゾン層に到達すると、このオゾン層を破壊する問題からフロン規制の対象となっている。そこで、この塩素基を含有しない冷媒、例えば、HFC冷媒に移行したが、それでもまだ地球温暖化の課題があり、自然冷媒が検討されている。 R12 and R22 have been mainly used as refrigerants for rotary compressors used in refrigeration cycles, etc., but these refrigerants R12 and R22 are released into the atmosphere and reach the ozone layer above the earth. Because of the problem of destroying the ozone layer, it is subject to Freon regulation. Then, although it moved to the refrigerant | coolant which does not contain this chlorine group, for example, a HFC refrigerant | coolant, there is still the subject of global warming and the natural refrigerant | coolant is examined.
さて、回転式圧縮機の摺動部品の中で、最も厳しい摺動条件となるのは、ベーンと、ローリングピストンとの接触部である。 Of the sliding parts of the rotary compressor, the most severe sliding condition is the contact portion between the vane and the rolling piston.
代替冷媒の一つであるHFC冷媒(例えば、R410A)は、R22のようにその分子内に塩素原子を含んでいないため、摺動部において、耐摩耗性に優れる塩化鉄膜を形成しない。そのため、HFC冷媒導入に伴い、ベーンの耐摩耗性向上のため、ベーンに窒化処理やコーティングを施すことが行われている(例えば、特許文献1参照)。 An HFC refrigerant (for example, R410A), which is one of the alternative refrigerants, does not include a chlorine atom in its molecule unlike R22, and therefore does not form an iron chloride film having excellent wear resistance at the sliding portion. Therefore, with the introduction of the HFC refrigerant, nitriding treatment or coating is performed on the vane in order to improve the wear resistance of the vane (see, for example, Patent Document 1).
さらに、HFC冷媒、特に自然冷媒では、圧縮機運転圧力が従来よりも高くなるため、ベーンに高い耐摩耗性を有するコーティングが施される傾向にある。 Furthermore, HFC refrigerants, particularly natural refrigerants, tend to have a higher wear resistance coating on the vanes because the compressor operating pressure is higher than before.
従来の回転式圧縮機のベーンは、ベーン先端R半径が比較的小さく、ベーン先端R半径のベーン厚さに対する比は1.10〜1.90程度である。ベーンとローリングピストンの二つの弾性体が押し付けられると、一般にそれらは点や線接触ではなく面接触をし、その接触部にヘルツ応力が発生する(ヘルツの弾性接触理論)。ベーン先端R半径のベーン厚さに対する比が小さくなると、ヘルツ応力は大きくなる。ベーンの耐摩耗性を改善するために種々のコーティングが施されるが、ヘルツ応力が大きいとコーティングが剥離することがある。HFC冷媒程度の作動圧力では、コーティングが剥離することは少ないが、作動圧力が高くなる炭酸ガス冷媒下では、コーティングの剥離が発生しやすくなるという課題があった。 A vane of a conventional rotary compressor has a relatively small vane tip radius, and the ratio of the vane tip radius to the vane thickness is about 1.10 to 1.90. When two elastic bodies of a vane and a rolling piston are pressed, they generally make surface contact instead of point or line contact, and Hertz stress is generated at the contact portion (Hertz elastic contact theory). As the ratio of the vane tip radius to the vane thickness decreases, the Hertz stress increases. Various coatings are applied to improve the abrasion resistance of the vane, but the coating may peel off when the Hertzian stress is high. Although the coating is rarely peeled off at an operating pressure comparable to that of an HFC refrigerant, there has been a problem that peeling of the coating is likely to occur under a carbon dioxide refrigerant where the operating pressure is high.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒として炭酸ガス等の自然冷媒を用いた用途においても、十分な摺動耐力を有するベーンを備えた回転式圧縮機を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A rotary compressor provided with a vane having sufficient sliding resistance even in an application using a natural refrigerant such as carbon dioxide as a refrigerant. The purpose is to provide.
この発明に係る回転式圧縮機は、密閉容器内に、圧縮要素と、この圧縮要素を駆動する電動要素とを有し、冷媒として、炭酸ガスを使用する回転式圧縮機であり、
前記圧縮要素は、溝が形成されたシリンダと、前記シリンダ内で偏心回転するローリングピストンと、前記ローリングピストンに摺接し、前記シリンダの溝内を往復するベーンとを有し、前記ベーンの前記ローリングピストンに摺接する面にDLC−Siコーティングが施され、前記ベーンの前記ローリングピストンと摺接する摺接部の断面が円弧の形状に形成され、前記円弧の半径が前記ベーンの厚さの2倍以上である。
The rotary compressor according to the present invention is a rotary compressor that has a compression element and an electric element that drives the compression element in a sealed container, and uses carbon dioxide gas as a refrigerant.
The compression element includes a cylinder in which a groove is formed, a rolling piston that rotates eccentrically in the cylinder, and a vane that slidably contacts the rolling piston and reciprocates in the groove of the cylinder, and the rolling of the vane DLC-Si coating is applied to the surface that is in sliding contact with the piston, the cross section of the sliding contact portion that is in sliding contact with the rolling piston of the vane is formed in an arc shape, and the radius of the arc is at least twice the thickness of the vane It is.
この発明に係る回転式圧縮機は、上記構成により、冷媒として炭酸ガス等の自然冷媒を用いた用途に対しても、十分な摺動耐力を有するベーンを備えた回転式圧縮機が得られる。 With the above-described configuration, the rotary compressor according to the present invention can provide a rotary compressor including a vane having sufficient sliding resistance even for an application using a natural refrigerant such as carbon dioxide as a refrigerant.
実施の形態1.
図1乃至5は実施の形態1を示す図で、図1は回転式圧縮機の縦断面図、図2はベーンとローリングピストンとの接触状態を示す断面図、図3は耐久試験に供した回転式圧縮機の仕様を示す図、図4はベーン幅に対するベーン先端Rの比を変化させたときのヘルツ応力及び耐久試験における摩耗量を示す図、図5は耐久試験における摩耗量を示す図である。
1 to 5 are
図1に示すように、回転式圧縮機は、胴部1と、上皿容器2と、下皿容器3とからなる密閉容器4内に、圧縮要素10と、電動要素13と、図示しない冷凍機油とを収納している。圧縮要素10は、内部に圧縮室を形成するシリンダ5の両端開口部を閉塞する上軸受け6、下軸受け7、駆動軸8の偏芯部に嵌合するローリングピストン9、シリンダ5の溝内を往復運動し、先端がローリングピストン9と接するベーン14等で構成される。電動要素13は、胴部1に固定されるステータ12と、ステータ12の内部で回転するロータ11とを有する。
As shown in FIG. 1, the rotary compressor includes a
図2に示すように、ベーン14、ローリングピストン9、シリンダ5、シリンダ5の両端開口部を閉塞する上軸受け6及び下軸受け7に囲まれて圧縮室が形成される。駆動軸8が図2で反時計廻りに回転すると、ローリングピストン9がシリンダ5内で偏心回転し、吸入口15から吸込まれた冷媒ガスは圧縮され、吐出口16から吐出される。この吸込み−圧縮−吐出行程において、ベーン14とローリングピストン9の接触部に、押付力が発生する。
As shown in FIG. 2, a compression chamber is formed by being surrounded by the
ベーン14は、ベーンスプリング及びシリンダ5内外の圧力差によりローリングピストン9に押し付けられている。回転式圧縮機では、ベーン14がローリングピストン9の偏心回転運動に応じて、シリンダ5の溝に沿って往復運動を行うときに、ベーン14の先端部は、ベーンスプリングのばね力及びシリンダ5内外の圧力差により付勢された状態で、ローリングピストン9の外周面と摺動するので、ベーン14の先端とローリングピストン9の外周面に摩耗が生じる。
The
また、ベーン14の側面部は、シリンダ5の溝及び上軸受け6、下軸受け7の摺動面と接触摺動するので、ベーン14の側面部にも摩耗が生じる。さらに、駆動軸8は、駆動軸8の回転を支持する上軸受け6及び下軸受け7の軸受け部と摺動するので、駆動軸8及び軸受け部が摩耗する。
Further, since the side surface of the
そこで、各摺動部の摩耗を軽減するために、密閉容器4内には冷凍機油が収納されていて、冷凍機油(図示せず)は各摺動部に供給されて各摺動部を潤滑し、摩耗を減少させる。 Therefore, in order to reduce the wear of each sliding portion, refrigeration oil is stored in the sealed container 4, and refrigeration oil (not shown) is supplied to each sliding portion to lubricate each sliding portion. And reduce wear.
コーティングしたベーン14の一例を説明する。ベーン14はローリングピストン9との摺接部が、断面が長手方向に同一の円弧形状で形成されている。このベーン14の耐摩耗性を改善するために、コーティングが施される。基材(材料は高速度工具鋼:SKH51(JIS))に窒化処理を施して窒化拡散層を形成し、さらに、その上にDLC−Si(ダイヤモンドライクカーボン−シリコン)コーティング層を形成する。DLC−Siコーティング層は、シリコンを含有したアモルファスカーボンである。コーティングは、ローリングピストン9との摺接部は少なくとも施す必要がある。全体にコーティングを施せば、シリンダ5、上軸受け6及び下軸受け7との摺接部の耐摩耗性も向上する。
An example of the coated
コーティングには、DLC−Siコーティング以外に、CrN(クロムナイトライド)、TiN(チタンナイトライド)、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)等のコーティングがある。CrNコーティングは、膜の密着強度、膜の摩耗性、摺動性は良好である。TiNコーティングも同様である。さらに、DLCコーティングは、膜の摩耗性、摺動性、相手材へのアタックは良好である。 In addition to the DLC-Si coating, there are coatings such as CrN (chromium nitride), TiN (titanium nitride), and DLC (diamond-like carbon). The CrN coating has good film adhesion strength, film wear and sliding properties. The same applies to the TiN coating. Furthermore, the DLC coating has good film abrasion, slidability, and attack on the mating material.
本実施の形態では、ベーン14の先端Rを大きくすると、既に述べたヘルツ応力が小さくなる点に注目した。ベーン14にコーティングを施さない場合は、ベーン14の摩耗が進行してベーン14の角がローリングピストン9に摺接することを避けるために、ベーン14の先端Rは比較的小さく設計される。ベーン14にコーティングを施すときは、ベーン14が摩耗しないことが期待できるため、最初からベーン14の先端Rを大きく設計し、ヘルツ応力が小さくなるようにしてコーティングのはがれを抑制することが考えられる。
In the present embodiment, attention has been paid to the fact that the Hertz stress already described is reduced when the tip R of the
そこで、図3に示すように、ベーン14の先端Rが異なる3種類の耐久試験用の回転式圧縮機を試作した。ベーン14の幅(厚さ)は3.2mm、ローリングピストン9の外径は34mm、駆動軸8の偏芯量は3mmで、これらは3種類の回転式圧縮機全て同じである。さらに、3種類の全ての回転式圧縮機のベーン14にコーティングを施した。そして、ベーン14の先端R半径が、9mm、6.7mm、5.4mmのものを用意した。これらの、ベーン先端R半径のベーン幅に対する比は、それぞれ2.8、2.1、1.7である。
Therefore, as shown in FIG. 3, three types of rotary compressors for durability tests with different tips R of the
耐久試験の試験条件は、炭酸ガス冷媒下での使用を想定して決定した。耐久試験の結果を図4、5に示す。参考までに、ベーン14にコーティングしない回転式圧縮機のデータも示す。図4に示すように、ベーン幅に対する先端Rの比が小さくなると、ヘルツ応力は増加する傾向にある。ベーン14にコーティングしない回転式圧縮機では、ベーン幅に対する先端Rの比が小さくなると、摩耗量は増加する。
The test conditions for the durability test were determined assuming use under a carbon dioxide refrigerant. The results of the durability test are shown in FIGS. For reference, data for a rotary compressor that does not coat the
さて、図3の仕様A,B,Cの回転式圧縮機は、図4に示すように、仕様A,Bのものはコーティングがはがれないために摩耗しない。仕様Cのものは、ヘルツ応力が大きくなるため、耐久試験中にコーティングがはがれ、その後摩耗が進行することを示している。 Now, as shown in FIG. 4, the rotary compressors of the specifications A, B and C in FIG. 3 do not wear because the coatings of the specifications A and B are not peeled off. The specification C shows that the Hertz stress increases, so that the coating peels off during the durability test, and then wear progresses.
図5は時間経過に伴う摩耗量の変化を示すが、ベーン先端R半径のベーン幅に対する比が2.8でコーティングありのものは、摩耗しないことを示している。コーティングがない場合、ベーン先端R半径のベーン幅に対する比が2.8及び1.25のものは共に時間の経過伴い摩耗量が増加する。 FIG. 5 shows the change in the amount of wear with time, but the ratio of the vane tip R radius to the vane width is 2.8 and the coating is not worn. When there is no coating, the amount of wear increases with the passage of time when the ratio of the vane tip radius to the vane width is 2.8 and 1.25.
以上のように、ベーン先端R半径のベーン幅に対する比が2以上で、コーティングをすれば、コーティングがはがれないため、摩耗しないことが解る。ベーン先端R半径のベーン幅に対する比が2以下では、ヘルツ応力が大きくなるため、コーティングがはがれ、摩耗する。 As described above, the ratio of the vane tip R radius to the vane width is 2 or more. When the ratio of the vane tip radius to the vane width is 2 or less, the Hertzian stress increases, so that the coating peels off and wears.
コーティングには、DLC−Si、CrN、TiN、DLC等があるが、上記耐久試験の結果、ベーン先端R半径のベーン幅に対する比が2以上であれば、どのコーティングでもはがれが発生しないことが解った。 Coatings include DLC-Si, CrN, TiN, DLC, etc. However, as a result of the above durability test, it is understood that peeling does not occur in any coating as long as the ratio of the vane tip R radius to the vane width is 2 or more. It was.
炭酸ガス以外の冷媒では、コーティングを施したベーン14のベーン先端R半径のベーン幅に対する比が2以上であれば、コーティングがはがれないことは言うまでもない。
Needless to say, with a refrigerant other than carbon dioxide, if the ratio of the vane tip R radius to the vane width of the
1 胴部、2 上皿容器、3 下皿容器、4 密閉容器、5 シリンダ、6 上軸受け、7 下軸受け、8 駆動軸、9 ローリングピストン、10 圧縮要素、11 ロータ、12 ステータ、13 電動要素、14 ベーン、15 吸入口、16 吐出口。 1 body part, 2 upper dish container, 3 lower dish container, 4 closed container, 5 cylinder, 6 upper bearing, 7 lower bearing, 8 drive shaft, 9 rolling piston, 10 compression element, 11 rotor, 12 stator, 13 electric element , 14 vanes, 15 inlets, 16 outlets.
Claims (2)
前記圧縮要素は、溝が形成されたシリンダと、前記シリンダ内で偏心回転するローリングピストンと、前記ローリングピストンに摺接し、前記シリンダの溝内を往復するベーンとを有し、前記ベーンの前記ローリングピストンに摺接する面にDLC−Siコーティングが施され、前記ベーンの前記ローリングピストンと摺接する摺接部の断面が円弧の形状に形成され、前記円弧の半径が前記ベーンの厚さの2倍以上であり、
前記ベーンは、SKH51である基材に窒化処理が施されて窒化拡散層が形成され、その窒化拡散層の上に前記DLC−Siコーティングが施されてDLC−Siコーティング層が形成されたものであることを特徴とする回転式圧縮機。 In a rotary compressor that has a compression element and an electric element that drives the compression element in a sealed container and uses carbon dioxide gas as a refrigerant.
The compression element includes a cylinder in which a groove is formed, a rolling piston that rotates eccentrically in the cylinder, and a vane that slidably contacts the rolling piston and reciprocates in the groove of the cylinder, and the rolling of the vane DLC-Si coating is applied to the surface that is in sliding contact with the piston, the cross section of the sliding contact portion that is in sliding contact with the rolling piston of the vane is formed in an arc shape, and the radius of the arc is at least twice the thickness of the vane And
The vane is formed by nitriding a base material of SKH51 to form a nitrided diffusion layer, and applying the DLC-Si coating on the nitrided diffusion layer to form a DLC-Si coating layer. A rotary compressor characterized by being.
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