JP6977964B2 - 圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、作動流体を吸い込んで吐出する圧縮機、及び冷凍サイクル装置に関する。

例えば空気調和機等の冷凍サイクル装置においては、作動流体である冷媒を吸い込んで吐出する圧縮機構部を有する、冷媒圧縮機等の圧縮機が用いられている。このような圧縮機の効率を高めるには、摺動部の摩擦損失を低減することや、シール面の隙間からの作動流体の漏れ損失を低減することが重要である。圧縮機構部におけるシール面同士の隙間を小さくすれば作動流体の漏れ量を低減できるが、部品寸法あるいは組立寸法に高い精度が要求され、圧縮機の製造が困難となる。

特許文献１には、ローラ、上部受軸（主軸受）、下部受軸（副軸受）、ブレード及びシリンダで構成される作動流体を圧縮する圧縮機構部において、各摺動面やシール面にショットによる微小な凹部を設けることが開示されている。圧縮機構部に供給された潤滑油が凹部に溜まって保持され、摺動面やシール面に油膜が形成されることで、シール性の向上効果や摺動抵抗の低減効果が得られる。しかし、貧潤滑な摺動面等では凹部での油溜まりの効果が充分に発揮されず、作動流体によって摺動面やシール面から潤滑油が取り除かれて減少することで、シール性の向上効果や摺動抵抗の低減効果が充分に得られない可能性があった。

特開２００４−３１６５２２号公報

本発明が解決しようとする課題は、加工精度や組立精度を過度に高くすることなく、圧縮機構部における摺動面の摩擦損失の低減やシール性向上による作動流体の漏れ量の低減を図れる圧縮機、及び前記圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を提供することである。

実施形態の圧縮機は、作動流体を吸い込んで吐出する圧縮機構部をもち、かつ圧縮機構部の摺動面又はシール面の少なくとも一方にポリマーブラシが設けられている。

第１の実施形態の冷凍サイクル装置の一例を示した概略構成図。 図１の冷凍サイクル装置における圧縮機構部のＩＩ−ＩＩ断面図。 第１の実施形態の圧縮機構部のブレードを示した斜視図。 図３のブレードのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。 実施例１、２及び比較例１における回転数と圧縮効率の関係を示した図。 実験例１における二層分離温度線図。

以下の用語の定義は、本明細書及び特許請求の範囲にわたって適用される。
「摺動面」とは、圧縮機構部を構成する複数の部品において、互いに接触した状態で摺動する面を意味する。
「シール面」とは、圧縮機構部を構成する複数の部品において、圧縮機構部内の作動流体の漏れを抑制するように、互いに接触した状態か、もしくはわずかに離間した状態で向き合わされる面を意味する。互いに向き合うシール面同士の距離は、０．０５ｍｍ以下が好ましく、０．０２ｍｍ以下がより好ましい。
数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。

実施形態の圧縮機は、作動流体を吸い込んで吐出する圧縮機構部を有し、前記圧縮機構部の摺動面又はシール面の少なくとも一方にポリマーブラシが設けられている。すなわち、圧縮機構部の摺動面とシール面の両方、又はいずれか一方にポリマーブラシが設けられている。圧縮機は、作動流体を吸い込んで吐出する圧縮機構部を有するものであればよく、圧縮機構部の摺動面又はシール面の少なくとも一方にポリマーブラシが設けられる以外は公知の態様を制限なく採用できる。
また、実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機と、放熱器と、膨張装置と、吸熱器とを備えるものであり、上記特徴を有する圧縮機を備える以外は公知の態様を採用できる。

以下、実施形態の圧縮機及び冷凍サイクル装置の一例を示して説明する。
本実施形態の冷凍サイクル装置１は、図１に示すように、圧縮機２と、圧縮機２に接続された放熱器である凝縮器３と、凝縮器３に接続された膨張装置４と、膨張装置４と圧縮機２との間に接続された吸熱器としての蒸発器５と、を備えている。

圧縮機２は、いわゆるロータリ式の圧縮機であり、作動流体として低圧の気体冷媒を内部に取り込んで圧縮し、高温、高圧の気体冷媒とするものである。なお、圧縮機は、ロータリ式には限定されず、スクロール式、レシプロ式、斜板式等の圧縮機であってもよい。圧縮機２の具体的な構成については後述する。
凝縮器３は、圧縮機２から送り込まれる高温、高圧の気体冷媒から熱を放熱させ、高圧の液体冷媒にするものである。

膨張装置４は、凝縮器３から送り込まれる高圧の液体冷媒の圧力を下げ、低温、低圧の液体冷媒にするものである。
蒸発器５は、膨張装置４から送り込まれる低温、低圧の液体冷媒を気化させ、低温、低圧の液体冷媒を低圧の気体冷媒にするものである。蒸発器５においては、低圧の液体冷媒が気化する際に周囲から気化熱が奪われ、周囲が冷却される。なお、蒸発器５を通過した低圧の気体冷媒は、圧縮機２内に取り込まれる。
このように、本実施形態の冷凍サイクル装置１では、作動流体である冷媒が気体冷媒と液体冷媒とに相変化しながら循環する。

圧縮機２は、圧縮機本体１１と、アキュムレータ１２と、を備えている。
アキュムレータ１２は、いわゆる気液分離器である。アキュムレータ１２は、蒸発器５と圧縮機本体１１との間に設けられている。アキュムレータ１２は、吸い込みパイプ２１を通して圧縮機本体１１に接続されている。アキュムレータ１２は、蒸発器５で気化された気体冷媒、及び蒸発器５で気化されなかった液体冷媒のうち、気体冷媒のみを圧縮機本体１１に供給する。

圧縮機本体１１は、回転軸３１と、電動機部３２と、圧縮機構部３３と、これら回転軸３１、電動機部３２及び圧縮機構部３３を収納する密閉容器３４と、を備えている。
密閉容器３４は筒状に形成されるとともに、その軸線Ｏ方向の両端部が閉塞されている。密閉容器３４内には、潤滑剤Ｊが収容されている。潤滑剤Ｊ内には、圧縮機構部３３の一部が浸漬されている。

潤滑剤Ｊとしては、特に限定されず、例えば、鉱物油、ポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、アルキレングリコール油、ポリアルファオレフィン油等の潤滑油が挙げられる。なお、潤滑剤Ｊは、潤滑油には限定されず、公知のイオン液体等であってもよい。潤滑剤Ｊとしては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

回転軸３１は、密閉容器３４の軸線Ｏに沿って同軸上に配置されている。なお、以下の説明では、軸線Ｏに沿う方向を単に軸方向といい、軸方向に直交する方向を径方向といい、軸線Ｏ周りの方向を周方向という。

電動機部３２は、密閉容器３４内における軸方向の第１側に配置されている。圧縮機構部３３は、密閉容器３４内における軸方向の第２側に配置されている。以下の説明では、軸方向に沿う電動機部３２側（第１側）を上側、圧縮機構部３３側（第２側）を下側とする。

電動機部３２は、いわゆるインナーロータ型のＤＣブラシレスモータである。具体的に、電動機部３２は、固定子３５と、回転子３６と、を備えている。
固定子３５は、密閉容器３４の内壁面に焼嵌め等により固定されている。
回転子３６は、固定子３５の内側に径方向に間隔をあけた状態で、回転軸３１の上部に固定されている。

圧縮機構部３３は、回転軸３１が貫通する筒状のシリンダ４１と、シリンダ４１の軸方向の両端開口部を各別に閉塞するとともに、回転軸３１を回転可能に支持する主軸受４２及び副軸受４３と、を備えている。シリンダ４１、主軸受４２、及び副軸受４３により形成された空間は、シリンダ室４６（図２参照）を構成している。

回転軸３１のうち、シリンダ室４６内に位置する部分には、軸線Ｏに対して径方向に偏心する偏心部５１が形成されている。
偏心部５１にはローラ５３が外挿されている。ローラ５３は、回転軸３１の回転に伴い、外周面５３ａがシリンダ４１の内周面４１ａに潤滑油膜を介して摺接しながら、軸線Ｏに対して偏心回転可能に構成されている。

図１、図２に示すように、シリンダ４１における周方向の一部には、径方向の外側に向けて窪むブレード溝５４が形成されている。ブレード溝５４は、シリンダ４１の軸方向（高さ方向）の全体に亘って形成されている。ブレード溝５４は、径方向の外側端部において、密閉容器３４内に連通している。

ブレード溝５４内には、図３に示すブレード５５が設けられている。ブレード５５は、シリンダ４１に対して径方向にスライド移動可能に構成されている。図１に示すように、ブレード５５は、径方向の外側端面である背面５５ｂが付勢手段５７により径方向の内側に向けて付勢されている。一方、図２に示すように、ブレード５５は、径方向の内側端面である先端面５５ａがシリンダ室４６内においてローラ５３の外周面５３ａに当接している。これにより、ブレード５５は、ローラ５３の偏心回転に伴いシリンダ室４６内に進退可能に構成されている。ローラ５３及びブレード５５により、シリンダ室４６は吸込室４６ａと圧縮室４６ｂとに分割される。
なお、軸方向から見た平面視において、ブレード５５の先端面５５ａは、径方向の内側に向けて凸の円弧状とされている。

ブレード５５とブレード溝５４の内面５４ａ，５４ｂの間、ブレード５５と主軸受４２の下面４２ａとの間、ブレード５５と副軸受４３の上面４３ａとの間には、潤滑油Ｊが介在している。

シリンダ４１における、ブレード溝５４に対するローラ５３の回転方向（図２中の矢印参照）前方（図２中、ブレード溝５４の左側）に位置する部分には、シリンダ４１を径方向に貫通する吸込孔５６が形成されている。吸込孔５６の径方向の外側端部は吸い込みパイプ２１（図１参照）と接続されている。一方、吸込孔５６の径方向の内側端部は、シリンダ室４６の吸込室４６ａ内に開口している。
シリンダ４１における、ローラ５３の回転方向に沿うブレード溝５４の手前側（図２中、ブレード溝５４の右側）に位置する部分には、吐出溝５８が形成されている。吐出溝５８は、軸方向から見た平面視で半円形状に形成されている。吐出溝５８は、シリンダ４１の少なくとも上面で開口している。

図１に示すように、主軸受４２は、シリンダ４１の上端開口部を閉塞している。主軸受４２は、回転軸３１のうち、シリンダ４１よりも上方に位置する部分を回転可能に支持している。具体的に、主軸受４２は、回転軸３１が挿通された筒部６１と、筒部６１の下端部から径方向の外側に向けて突設されたフランジ部６２と、を備えている。

図１、図２に示すように、フランジ部６２の周方向の一部には、フランジ部６２を軸方向に貫通する吐出孔６４（図２参照）が形成されている。吐出孔６４は、吐出溝５８を通してシリンダ室４６内に連通している。なお、フランジ部６２には、シリンダ室４６（圧縮室４６ｂ）内の圧力上昇に伴い吐出孔６４を開閉し、シリンダ室４６外に冷媒を吐出する図示しない吐出弁機構が配設されている。

図１に示すように、主軸受４２には、主軸受４２を上方から覆うマフラ６５が設けられている。マフラ６５には、マフラ６５の内外を連通する連通孔６６が形成されている。吐出孔６４を通して吐出される高温、高圧の気体冷媒は、連通孔６６を通して密閉容器３４内に吐出される。

副軸受４３は、シリンダ４１の下端開口部を閉塞している。副軸受４３は、回転軸３１のうち、シリンダ４１よりも下方に位置する部分を回転可能に支持している。具体的に、副軸受４３は、回転軸３１が挿通される筒部７１と、筒部７１の上端部から径方向の外側に向けて突設されたフランジ部７２と、を備えている。

圧縮機構部３３における各部材の材質は、特に限定されない。シリンダ４１、主軸受４２、副軸受４３の材質は、例えば、ＦＣ２５０等のねずみ鋳鉄、ローラ５３の材質は、例えば、ＦＣ２５０のねずみ鋳鉄にＭｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等を添加した特殊合金鋳鉄（モニクロ鋳鉄）とすることができる。ブレード５５の材質は、例えば、ＳＵＳ４４０Ｃにガス窒化処理を施して形成したものを使用できる。

圧縮機２では、電動機部３２の固定子３５に電力が供給されると、回転軸３１が回転子３６とともに軸線Ｏ周りに回転する。そして、回転軸３１の回転に伴い、偏心部５１及びローラ５３がシリンダ室４６内で偏心回転する。このとき、ローラ５３の外周面５３ａがシリンダ４１の内周面４１ａに潤滑油膜を介して摺接する。これにより、吸込みパイプ２１を通してシリンダ室４６内に気体冷媒が取り込まれるとともに、シリンダ室４６内に取り込まれた気体冷媒が圧縮される。

具体的には、シリンダ室４６のうち、吸込室４６ａ内に吸込孔５６を通して作動流体（気体冷媒）が吸い込まれるとともに、圧縮室４６ｂにて先に吸込孔５６から吸い込まれた気体冷媒が圧縮される。圧縮された気体冷媒は、主軸受４２の吐出孔６４を通してシリンダ室４６の外側（マフラ６５内）に吐出され、その後マフラ６５の連通孔６６を通して密閉容器３４内に吐出される。なお、密閉容器３４内に吐出された気体冷媒は、凝縮器３に送り込まれる。

作動流体としては、特に限定されず、例えば、塩素を含まない炭化水素系冷媒、二酸化炭素、飽和フッ化炭化水素系冷媒、不飽和フッ化炭化水素系冷媒及び含フッ素エーテル系冷媒等が挙げられる。作動流体としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

圧縮機２の圧縮機構部３３において、ブレード５５の先端面５５ａ、両側の側面５５ｃ，５５ｄ、上端面５５ｅ及び下端面５５ｆ、ローラ５３の外周面５３ａ、内周面５３ｂ、上端面及び下端面、ブレード溝５４の内面５４ａ，５４ｂ、主軸受４２の下面４２ａと内周面、及び副軸受４３の上面４３ａと内周面、回転軸３１の外周面等は、摺動面である。
また、ブレード５５の両側の側面５５ｃ，５５ｄ、上端面５５ｅ及び下端面５５ｆ、ローラ５３の上端面及び下端面、主軸受４２の下面４２ａ、副軸受４３の上面４３ａ等は、シール面でもある。シリンダ４１の内周面４１ａ等は、シール面である。

圧縮機構部３３における摺動面又はシール面の少なくとも一方には、ポリマーブラシが設けられている。例えば、図４に示すように、ブレード５５の先端面５５ａ、両側の側面５５ｃ，５５ｄ、上端面５５ｅ及び下端面５５ｆにおいて、ブレード５５の基材８１上にポリマーブラシ８２が設けられる。

ポリマーブラシは、摺動面だけに設けられていてもよく、シール面だけに設けられていてもよく、摺動面とシール面の両方に設けられていてもよい。摺動面にポリマーブラシを設ける場合、複数ある摺動面の全てにポリマーブラシを設けてもよく、特定の摺動面にのみポリマーブラシを設けてもよい。また、摺動面の全体（全面）にポリマーブラシを設けてもよく、摺動面の一部にポリマーブラシを設けてもよい。シール面にポリマーブラシを設ける場合、複数あるシール面の全てにポリマーブラシを設けてもよく、特定のシール面にのみポリマーブラシを設けてもよい。また、シール面の全体（全面）にポリマーブラシを設けてもよく、シール面の一部にポリマーブラシを設けてもよい。
なお、ポリマーブラシは、ブレードとローラが一体構造のスイング式ロータリ圧縮機におけるブレードの進退を自在に支持する揺動ブッシュ（図示せず）等に設けてもよい。

ポリマーブラシは複数のポリマー鎖から形成されており、圧縮抵抗が大きく、摩擦抵抗が小さい等の優れた機械的特性を発現する。そのため、摺動面にポリマーブラシが設けられることで、摺動面の摩擦損失が低減される。また、シール面にポリマーブラシが設けられることで、潤滑剤がポリマーブラシで保持されやすくなり、シール性が向上する。

ポリマーブラシを形成するポリマーとしては、例えば、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリ（ラウリルメタクリレート）（ＰＬＭＡ）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−（２−メタクリロイルエチル）−Ｎ−メチルアンモニウム・ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）イミド）（ＰＤＥＭＭ−ＴＦＳＩ）等が挙げられる。ポリマーブラシを形成するポリマーは、１種であってもよく、２種以上であってもよい。

ポリマーブラシにおいて各ポリマーをグラフトする態様は、公知の態様を採用できる。
ポリマーブラシを形成するポリマーが基材との結合のための反応性の官能基を有し、該官能基を用いた結合を介してグラフトされていることが好ましい。反応性の官能基としては、例えば、ジアルコキシシリル基、トリアルコキシシリル基等の加水分解性シリル基が挙げられる。

ポリマーブラシにおいては、シリコンを含む酸化物を介してポリマーがグラフトされていることが好ましい。これにより、ポリマーブラシがより効果的に形成されることで、ポリマーブラシがもつトライボロジーと強靭性を有効に発揮しやすくなる。そのため、低摩擦による摩擦損失の低減効果、及びシール性向上による漏れ損失の低減効果が得られやすく、圧縮機の効率が向上する。

より具体的には、特定の一部の摺動面及びシール面において、基材表面にシリコンを含む酸化物がコートされ、末端に加水分解性シリル基を有するポリマーがそのシリコンを含む酸化物とシロキサン結合により結合してグラフトされていることが好ましい。例えば、基材表面にコートされたシリコンを含む酸化物に、ブロモ基等の重合開始基を有するカップリング剤をカップリング反応させた後、溶液中での原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）を行うことでポリマーブラシを形成できる。

シリコンを含む酸化物としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、エトキシトリメトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン、メトキシトリエトキシシラン等が挙げられる。シリコンを含む酸化物としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

重合開始基を有するカップリング剤としては、例えば、（３−トリメトキシシリル）プロピル−２−ブロモ−２−メチルプロピオネート等が挙げられる。重合開始基を有するカップリング剤としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

ポリマーブラシは、架橋構造を有していることが好ましい。ポリマーブラシが架橋構造を有することで、ポリマーブラシがもつトライボロジーと強靭性を有効に発揮でき、低摩擦による摩擦損失の低減効果、及びシール性向上による漏れ損失の低減効果が向上し、圧縮機の効率向上がさらに高まる。

架橋構造を形成するための架橋基としては、アジド基、ハロゲン基（好ましくはブロモ基）等が挙げられる。ポリマーは、主鎖に架橋基を有していてもよく、分岐鎖を有する場合には分岐鎖に架橋基を有していてもよい。分岐鎖を形成する際に主鎖に生じた未反応の反応基を架橋基として用いてもよく、分岐鎖をリビングラジカル重合で形成した際に分岐鎖の末端に残る反応基を架橋基として用いてもよい。

架橋構造は、物理架橋であってもよく、化学架橋であってもよい。物理架橋及び化学架橋の導入は、ポリマーブラシを形成する際の重合時（その場架橋）であってもよく、重合後であってもよい。
例えば、その場架橋で化学架橋を導入する場合、重合時にモノマー（単官能性）に加えて、ジビニルモノマー（エチレングリコールジメタクリレート等）等の２官能性モノマーを適量添加すればよい。２官能性モノマーの添加量は、適宜設定すればよく、例えばモノマーの総量に対して１ｍｏｌ％とすることができる。

架橋構造を有するポリマーブラシは、基材表面から切り出しても、良溶媒（例えば、ｏ−ジクロロベンゼン）には溶解しなくなる。これにより、ポリマーが十分に架橋が形成されていることを確認できる。また、良溶媒中、ＡＦＭコロイドプロープ法によりポリマーブラシの膨潤度を測定すると、架橋していない状態に比べて膨潤度が低下するため、これによっても十分に架橋が形成されたことを確認できる。

ポリマーブラシを形成するポリマーのグラフト密度は、ポリマーブラシが高い潤滑性を示すように設定することが好ましい。グラフト密度は、用いられるポリマーの種類や、溶媒の種類等によって適宜設定できる。

ポリマーがＰＭＭＡの場合、グラフト密度は、０．１鎖／ｎｍ^２以上が好ましく、０．１５鎖／ｎｍ^２以上がより好ましく、０．２鎖／ｎｍ^２以上がさらに好ましく、０．３鎖／ｎｍ^２以上が特に好ましく、０．４鎖／ｎｍ^２以上が極めて好ましく、０．４５鎖／ｎｍ^２以上が最も好ましい。

ポリマーがＰＬＭＡの場合、グラフト密度は、０．０４鎖／ｎｍ^２以上が好ましく、０．０６鎖／ｎｍ^２以上がより好ましく、０．０８／ｎｍ^２以上がさらに好ましく、０．１２鎖／ｎｍ^２以上が特に好ましく、０．１６鎖／ｎｍ^２以上が極めて好ましく、０．１８鎖／ｎｍ^２以上が最も好ましい。

ポリマーがＰＤＥＭＭ−ＴＦＳＩの場合、グラフト密度は、０．０２鎖／ｎｍ^２以上が好ましく、０．０３鎖／ｎｍ^２以上がより好ましく、０．０４鎖／ｎｍ^２以上がさらに好ましく、０．０６鎖／ｎｍ^２以上が特に好ましく、０．０８鎖／ｎｍ^２以上が極めて好ましく、０．０９鎖／ｎｍ^２以上が最も好ましい。

ポリマーのグラフト密度は、公知の方法に従って測定できる。例えば、Macromolecules，31, 5934-5936 (1998)、Macromolecules，33， 5608-5612 (2000)、Macromolecules，38， 2137-2142 (2005)等に記載の方法に従って測定できる。
具体的には、グラフト密度σ（鎖／ｎｍ^２）は、ポリマーブラシを形成するポリマーの量であるグラフト量（Ｗ）と、ポリマー（グラフト鎖）の数平均分子量（Ｍｎ）を測定し、下記式（１）から求めることができる。
σ（鎖／ｎｍ^２）＝Ｗ（ｇ／ｎｍ^２）／Ｍｎ×（アボガドロ数） ・・・（１）

グラフト量（Ｗ）は、ポリマーブラシを形成する基材表面が平面の場合には、エリプソメトリー法によりポリマーブラシの乾燥状態の厚みを測定し、その測定値とバルク密度を用いて、単位面積当たりのグラフト量を算出できる。ポリマーブラシを形成する基材表面の材質がシリカである場合には、赤外吸収分光測定（ＩＲ）、熱重量損失測定（ＴＧ）、元素分析測定等によりグラフト量（Ｗ）を測定することもできる。

具体的には、グラフト密度σは、例えば、ポリマーブラシの乾燥状態における厚みとポリマーのＭｎとをプロットしたグラフの傾き（例えば、特開平１１−２６３８１９号公報参照）、ポリマーブラシのポリマーのグラフト量と該ポリマーのＭｎとをプロットしたグラフの傾きから求めることができる。

摺動面及びシール面におけるポリマーブラシが形成された領域の面積に対する、該ポリマーブラシを形成するポリマーの占有面積率（ポリマーブラシの厚さ方向に直交する断面の断面積当たりのポリマーの占有面積率）σ^＊は、１０％以上が好ましく、１５％以上がより好ましく、２０％以上がさらに好ましい。占有面積率σ^＊が下限値以上であれば、ポリマーブラシのトライボロジー特性が向上するうえ、強靭性（レジリエンシー）が図られるため、耐久性に優れたポリマーブラシとなる。圧縮機を様々な使用環境及び用途に適用できる。

表面占有率σ^＊は、摺動面及びシール面のポリマーブラシが形成された領域においてグラフト点（ポリマーの１つ目のモノマー）が占める割合を意味する。ポリマーブラシにおいて各ポリマーが最密充填された状態、すなわちこれ以上ポリマーをグラフトできない状態で表面占有率σ^＊は１００％となる。
表面占有率σ^＊は、ポリマーの伸びきり形態における繰り返し単位長さ及びポリマーのバルク密度から、ポリマーブラシの厚さ方向に直交する断面の断面積を求め、これにグラフト密度σを掛けることで算出できる。

ポリマーブラシを形成するポリマーのＭｎは、所望の潤滑性を示すように設定でき、５００〜１０，０００，０００が好ましく、１００，０００〜１０，０００，０００がより好ましい。
分子量分布指数（Ｍｗ／Ｍｎ）は、所望の潤滑性を示すように設定でき、１．５以下が好ましく、１．０１〜１．５がより好ましい。

ポリマーブラシを形成するポリマーの数平均分子量（Ｍｎ）及び重量平均分子量（Ｍｗ）は、基材がシリカの場合や基材表面にシリカコートしてポリマーをグラフトしている場合には、フッ化水素酸処理によりポリマー（グラフト鎖）をグラフト点から切り出した後、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）法により測定することができる。

ポリマーブラシを形成するポリマーのＭｎ及びＭｗは、ポリマーブラシを形成する際の重合と同条件で重合で得られる遊離ポリマーのＭｎ及びＭｗとほぼ等しい。例えばポリマーブラシを形成する際の重合溶液に遊離開始剤を添加することで、ポリマーブラシを形成するポリマーと同等のＭｎ及びＭｗを有する遊離ポリマーを得ることができる。この遊離ポリマーのＭｎ及びＭｗをＧＰＣ法により測定し、ポリマーブラシを形成するポリマーのＭｎ及びＭｗとしてもよい。
ＧＰＣ法では、入手可能な分子量既知のポリマーを単分散した標準試料を用いた較正法、多角度光散乱検出器を用いた絶対分子量評価を行う。

ポリマーブラシを形成するポリマーの平均長さは、所望の潤滑性を示すように設定でき、０．５μｍ以上が好ましく、０．７μｍ以上がより好ましく、０．８μｍ以上がさらに好ましく、１μｍ以上が特に好ましい。ポリマーの平均長さが下限値以上であれば、ポリマーブラシのトライボロジー特性が向上するうえ、強靭性（レジリエンシー）が図られるため、耐久性に優れたポリマーブラシとなる。圧縮機を様々な使用環境及び使用用途に適用できる。
ポリマーの平均長さの上限は、圧縮機の機能を損なわない範囲で適宜設定でき、例えば、５μｍとすることができる。
ポリマーの分子鎖の平均長さは、例えば、ポリマーのＭｎ及びＭｗ／Ｍｎから求めることができる。

ポリマーブラシは、分子鎖の平均長さが０．５μｍ以上のポリマーで形成され、かつ摺動面及びシール面におけるポリマーの占有面積率σ^＊が１０％以上である厚膜濃厚ポリマーブラシであることが特に好ましい。

ポリマーブラシは、圧縮機構部を潤滑する潤滑剤により膨潤されていることが好ましい。ポリマーブラシが膨潤状態となることで、柔軟性、強靭性、低摩擦等の摺動特性が向上し、摺動面における摩擦損失の低減効果、及びシール面におけるシール性の向上効果がさらに高まる。また、圧縮機構部を潤滑する潤滑剤を用いることで、潤滑剤がポリマーブラシに安定して供給され、ポリマーブラシの膨潤状態を保持しやすい。

ポリマーブラシを膨潤させる潤滑剤としては、作動流体と潤滑剤の合計質量に対する潤滑剤の比率が６０質量％以上となるように混合したときに、−１０℃から６０℃において、常に作動流体と相溶性を有する潤滑剤が好ましい。これにより、作動流体に潤滑剤を混合することで、作動媒体を利用してポリマーブラシに潤滑剤を安定して供給することができる。そのため、幅広い使用環境で圧縮機の効率向上と長期信頼性確保の両立が実現できる。

このような作動流体と潤滑剤との組み合わせとしては、塩素を含まない炭化水素系冷媒、二酸化炭素、飽和フッ化炭化水素系冷媒、不飽和フッ化炭化水素系冷媒及び含フッ素エーテル系冷媒からなる群から選ばれる少なくとも１種の作動流体と、鉱物油、ポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、アルキレングリコール油及びポリアルファオレフィン油からなる群から選ばれる少なくとも１種の潤滑剤との組み合わせが好ましい。これにより、潤滑性及び化学安定性に優れ、長期信頼性に優れたポリマーブラシが形成されやすい。

作動流体の具体例としては、プロパン、プロピレン、ノルマルブタン、２−メチルブタン、イソブタン、冷媒用炭酸ガス（Ｒ７４４）、ＨＦＣ２３、ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１２５、ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１４３ａ、ＨＦＣ２３６ｆａ、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＯ１２２５ｙｅ、ＨＦＯ１２３３ｚｄ、ＨＦＯ１２３３ｙｄ、ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ、ＨＦＯ１２３４ｙｅ、ＨＦＯ１２４３ｚｆ、ＨＦＥ２４５ｍｃ、ＨＦＥ１４３ｍ等が挙げられる。

潤滑剤の具体例としては、４０℃の動粘度が７４ｍｍ^２／ｓ、１００℃の動粘度が８．７ｍｍ^２／ｓであるポリオールエステル油（ＰＯＥ）、４０℃の動粘度が６８ｍｍ^２／ｓ、１００℃の動粘度が８ｍｍ^２／ｓであるポリビニルエーテル油（ＰＶＥ）、４０℃の動粘度が１０５ｍｍ^２／ｓ、１００℃の動粘度が２０ｍｍ^２／ｓであるポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ）、４０℃の動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ、１００℃の動粘度が２．３ｍｍ^２／ｓである鉱物油等が挙げられる。

ポリマーブラシを潤滑剤で膨潤させる場合、ポリマーブラシを形成するポリマーと潤滑剤の組み合わせは、ＰＬＭＡと、ポリオールエステル及びポリビニルエーテルから選ばれる冷凍機油との組み合わせが好ましい。ＰＬＭＡとこれらの冷凍機油とは親和性に優れるため、ポリマーブラシを膨潤させることが容易になり、摩擦損失の低減効果及びシール性向上による漏れ損失の低減効果がより安定して得られる。

ポリマーブラシを潤滑剤で膨潤させる場合、非極性の潤滑剤を適用できる点では、ポリマーブラシを形成するポリマーはＰＭＭＡが好ましい。非極性の潤滑剤は圧縮機で使用される金属材料、有機材料等への悪影響が少なく、より信頼性に優れた圧縮機とすることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、圧縮機構部の摺動面又はシール面の少なくとも一方にポリマーブラシが設けられることにより、加工精度や組立精度を過度に高くすることなく、圧縮機構部における摺動面の摩擦損失の低減やシール性向上による作動流体の漏れ量の低減を図ることができる。

なお、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以下、実施例によって具体的に説明するが、以下の記載によっては限定されない。なお、以下の記載における「部」は、「質量部」を意味する。
［実施例１］
ブレードの摺動面にシリコンを含む酸化物をコートする方法の一例を説明する。図３に例示した形態のガス窒化処理を施したブレード（ＳＵＳ４４０Ｃ）を、アセトンとヘキサンの質量比１：１の混合溶媒で３０分間、次いでクロロホルムで３０分間、次いで２−プロパノールで３０分間、超音波洗浄し、ＵＶオゾンクリーナーで３０分処理した。洗浄したブレードをエタノール３４．８部に浸漬した。
蓋付きサンプル容器でテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）０．５４部とエタノール１７．８部の溶液を調製し、別のサンプル容器で２８％アンモニア水１．３部とエタノール１７．８部の溶液を調製し、それらを混合した。その混合液に、洗浄したブレードをエタノール３４．８部とともに加え、室温（２５℃）で２４時間反応させた後、反応液からブレードを取り出してエタノールで超音波洗浄し、シリカコートブレードを得た。

シリ力コートブレードをアセトンとヘキサンの質量比１：１の混合溶媒で３０分間、次いでクロロホルムで３０分間、次いで２−プロパノールで３０分間、超音波洗浄し、ＵＶオゾンクリーナーで３０分処理した。
蓋付きサンプル容器で（３−トリメトキシシリル）プロピル−２−ブロモ−２−メチルプロピオネート０．５部とエタノール２２．３部の溶液を調製し、別のサンプル容器で２８％アンモニア水５．７部とエタノール２５．４部の溶液を調製してそれらを混合した。その混合液に、洗浄したシリカコートブレードを浸漬させ、室温（２５℃）で２４時間、シランカップリング反応を行った後、反応液からブレードを取り出してエタノールで超音波洗浄し、開始基固定化ブレードを得た。

グローブボックス中で、テフロン（登録商標）製耐圧容器に、エチル−２−ブロモ−２−メチルプロピオネート０．０００２６部、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）２６．６部、臭化銅（Ｉ）０．１２部、臭化銅（ＩＩ）０．０２１部、４，４’−ジノニル−２，２’−ビピリジル０．７８部、アニソール２７．５部を添加した。次に、開始基固定化ブレードを耐圧容器に入れて蓋をし、６００Ｃ、４００ＭＰａの条件で４時間、表面開始原子移動ラジカル重合（ＳＩ−ＡＴＲＰ）を行った。重合終了後、重合溶液からブレードを取り出し、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で十分洗浄し、厚膜ＰＭＭＡブラシ付ブレードを得た。

重合後の重合溶液について、^１Ｈ−ＮＭＲ測定とＧＰＣ法による分子量測定を行い、遊離ＰＭＭＡのＭｎ及びＭｗ／Ｍｎを算出したところ、Ｍｎは１．８×１０^６、Ｍｗ／Ｍｎは１．１４であった。
また、重合に際しては、ブレードの場合と同様の方法で重合開始基を固定化したシリコンウェーハも重合溶液に加え、膜厚測定のレファレンスとした。偏光解析法（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）により、シリコンウェーハに形成されたＰＭＭＡブラシの乾燥膜厚を分析したところ、０．８０μｍであった。また、得られたデータからグラフト密度σと表面占有率σ^＊を算出したところ、グラフト密度σは０．３２鎖／ｎｍ^２、表面占有率σ^＊は１８％であった。

得られた厚膜ＰＭＭＡブラシ付ブレードを用いて図１に例示した圧縮機２と同じ態様の圧縮機を作製した。シリンダ４１、主軸受４２、副軸受４３の材質はＦＣ２５０のねずみ鋳鉄、ローラ５３の材質は、ＦＣ２５０のねずみ鋳鉄にＭｏ、Ｎｉ、Ｃｒ等を添加した特殊合金鋳鉄（モニクロ鋳鉄）とした。

［実施例２］
実施例１と同様の方法で開始基固定化ブレードを得た。
グローブボックスの中で、テフロン（登録商標）製耐圧容器に、エチル−２−ブロモ−２−メチルプロピオネート０．０００２６部、ラウリルメタクリレート（ＳＬＭＡ、日油株式会社製ブレンマーＳＬＭＡ−Ｓ）３６．１部、臭化銅（Ｉ）０．２１部、臭化銅（ＩＩ）０．０１４部、４，４’−ジノニル−２，２’−ビピリジル１．２部、アニソール３７．５部を添加した。次に、開始基固定化ブレードを耐圧容器に入れて蓋をし、６００Ｃ、４００ＭＰａの条件で２時間、ＳＩ−ＡＴＲＰを行った。重合終了後、重合溶液からブレードを取り出し、ＴＨＦで十分洗浄し、厚膜ＰＬＭＡブラシ付ブレードを得た。

重合後の重合溶液について、^１Ｈ−ＮＭＲ測定とＧＰＣ法による分子量測定を行い、遊離ＰＬＭＡのＭｎ及びＭｗ／Ｍｎを算出したところ、Ｍｎは４．６×１０^６、Ｍｗ／Ｍｎは１．２３であった。
また、実施例１と同様の方法でシリコンウェーハに形成されたＰＬＭＡブラシの乾燥膜厚を分析したところ、１．０２μｍであった。また、得られたデータからグラフト密度σと表面占有率σ^＊を算出したところ、グラフト密度σは０．１２鎖／ｎｍ^２、表面占有率σ^＊は２２％であった。

厚膜ＰＭＭＡブラシ付ブレードの代わりに厚膜ＰＬＭＡブラシ付ブレードを用いる以外は、実施例１と同様にして圧縮機を作製した。

［比較例１］
ポリマーブラシを形成しないブレードを用いる以外は、実施例１と同様にして圧縮機を作製した。

［^１Ｈ−ＮＭＲ測定］
^１Ｈ−ＮＭＲ測定では、フーリエ変換核磁気共鳴装置ＦＴ−ＮＭＲ（株式会社ＪＥＯＬ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ製「ＪＮＭ−ＥＣＡ６００」あるいは「ＥＣＡ４００」）を用いた。重溶媒として、重クロロホルム（和光純薬工業株式会社製）を用いた。

［ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）］
ＧＰＣ法による分子量測定では、分子量測定装置として昭和電工株式会社製「Ｓｈｏｄｅｘ ＧＰＣ−１０１」を用い、カラムは昭和電工株式会社製「Ｓｈｏｄｅｘ ＫＦ−８０６Ｌ」）を２本直列に接続した。溶離液としてはＴＨＦを用いた。測定は４０℃で行い、流量を０．８ｍＬ／分とした。キャリブレーション試料を分子量既知のＰＭＭＡ（ＶＡＲＩＡＮ社製）として得たＰＭＭＡ換算の検量線を用いて、Ｍｎ及びＭｗ／Ｍｎをそれぞれ求めた。

［ポリマーブラシの乾燥膜厚］
ポリマーブラシの乾燥膜厚の測定では、分光エリプソメーター（ジェー・エー・ウーラム・ジャパン株式会社製「Ｍ−２０００Ｕ」）を用いた。光源には、重水素（Ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ）及び石英タングステンハロゲン（Ｑｕａｒｔｚ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｈａｌｏｇｅｎ：ＱＴＨ）ランプを用いた。

［圧縮機の効率評価］
作動流体としてＨＦＣ３２を用い、潤滑剤としてポリオールエステル油を用い、ＡＳＨＲＡＥ（アメリ力暖房冷凍空調学会）条件にて、ポリマーブラシを付与していない比較例１の圧縮機を基準に効率を比較した。結果を図５に示す。

図５に示すように、ブレードの摺動面及びシール面にポリマーブラシを設けた実施例１、２の圧縮機では、ポリマーブラシを付与していない比較例１の圧縮機を基準にした効率が１００％を超えており、特に低回転域ほど効率向上が認められた。これはブレードまわりの摺動面の摩擦損失の低減や、シール性向上による漏れ損失の低減によってもたらされていると考えられる。

［実験例１］
作動流体として冷媒であるＨＦＣ４１０Ａ、潤滑剤としてポリオールエステルの冷凍機油を用いたときの、−１０℃から６０℃におけるそれらの二層分離温度線図を図６に示す。

図６に示すように、−１０℃から６０℃の温度範囲において、この作動流体（冷媒）と潤滑剤（冷凍機油）は二層分離する領域があるが、作動流体と潤滑剤の合計質量に対する潤滑剤の比率が６０質量％以上では、常に相溶性を有していた。

１…冷凍サイクル装置、２…圧縮機、３…凝縮器（放熱器）、４…膨張装置、５…蒸発器（吸熱器）、３４…密閉容器、４１…シリンダ、４２…主軸受（閉塞板）、４３…副軸受、４６…シリンダ室、５３…ローラ、５５…ブレード、８１…基材、８２…ポリマーブラシ。

Claims (11)

1. 作動流体を吸い込んで吐出する圧縮機構部を有するロータリ式の圧縮機において、
   前記圧縮機構部における少なくともブレードの両側の側面、上端面、下端面、及びそれらの対向面は摺動面かつシール面であり、前記摺動面かつシール面の少なくとも一部にはポリマーブラシが設けられており、
   前記圧縮機構部を潤滑する潤滑剤は、前記作動流体と相溶性を有している、圧縮機。
2. 前記圧縮機が、ブレードとローラが一体構造のスイング式ロータリ圧縮機であり、
   前記スイング式ロータリ圧縮機における前記ブレードの進退を自在に支持する揺動ブッシュに前記ポリマーブラシが設けられている、請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記ポリマーブラシが、前記圧縮機構部を潤滑する潤滑剤により膨潤されている、請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記潤滑剤は、前記作動流体と前記潤滑剤の合計質量に対する前記潤滑剤の比率が６０質量％以上となるように前記作動流体と混合したときに、−１０℃から６０℃において、常に前記作動流体と相溶性を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記作動流体が、塩素を含まない炭化水素系冷媒、二酸化炭素、飽和フッ化炭化水素系冷媒、不飽和フッ化炭化水素系冷媒及び含フッ素エーテル系冷媒からなる群から選ばれる少なくとも１種であり、
   前記潤滑剤が、鉱物油、ポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、アルキレングリコール油及びポリアルファオレフィン油からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項４に記載の圧縮機。
6. 前記ポリマーブラシが、分子鎖の平均長さが０．５μｍ以上のポリマーで形成され、前記摺動面かつ前記シール面における前記ポリマーブラシが形成された領域の面積に対する前記ポリマーの占有面積率が１０％以上である厚膜濃厚ポリマーブラシである、請求項４に記載の圧縮機。
7. 前記潤滑剤がポリオールエステル及びポリビニルエーテルから選ばれる冷凍機油であり、前記ポリマーブラシを形成するポリマーがポリ（ラウリルメタクリレート）である、請求項６に記載の圧縮機。
8. 前記ポリマーブラシを形成するポリマーがポリ（メチルメタクリレート）である、請求項６に記載の圧縮機。
9. 前記ポリマーブラシが架橋構造を有する、請求項６に記載の圧縮機。
10. 前記摺動面かつシール面に、シリコンを含む酸化物を介してポリマーがグラフトされて前記ポリマーブラシが形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧縮機。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧縮機と、放熱器と、膨張装置と、吸熱器とを備えた冷凍サイクル装置。

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