JP5689151B2 - 回転式圧縮機 - Google Patents

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。

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。

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。

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）。

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。

特許第３６６６８９４号公報 特開２００２−２４２８６７号公報 特開２００１−２６３２８０号公報 特開２００２−５０６３号公報 特開平１１−２３６８９０号公報

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。

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。

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。

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。

実施の形態１を示す図で、回転式圧縮機の縦断面図である。 実施の形態１を示す図で、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である。 実施の形態１を示す図で、耐久試験に供した回転式圧縮機の仕様を示す図である。 実施の形態１を示す図で、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である。 実施の形態１を示す図で、耐久試験における摩耗量を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (2)

1. 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において、
   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。
2. 前記円弧の半径が前記ベーンの厚さの約２．８倍であることを特徴とする請求項１記載の回転式圧縮機。

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