JP6878443B2 - ロータリ圧縮機および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機および冷凍サイクル装置に関するものである。

特許文献１に記載のロータリ圧縮機は、機械構造用鋼からなるクランク軸を備える。このクランク軸の軸受と摺動する部分の表面には、リン酸マンガン被膜および二硫化モリブデン被膜が設けられている。

特開２００９−２７５６４５号公報

省エネルギーおよび省資源化のために、高効率な圧縮機が求められている。

クランク軸径を小さくすれば、摺動損失が軽減され、圧縮機の高効率化が可能となる。しかし、一般的に普及している圧縮機においては、材質がＦＣＤ（Ｆｅｒｒｕｍ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｄｕｃｔｉｌｅ）５５０またはＦＣＤ７００等の鋳造材で被膜がリン酸マンガン被膜のみのクランク軸が使用されている。ＦＣＤ５５０またはＦＣＤ７００等の鋳造材のヤング率は１６４ギガパスカル程度である。すなわち、鋳造材の剛性は高くない。よって、鋳造材からなるクランク軸の直径を小さくすると、圧縮室内のガス負荷荷重によるクランク軸の撓みの量が増加する。クランク軸の撓み量が増加すると、クランク軸が軸受に焼き付きやすくなり、圧縮機の信頼性が損なわれる。

クランク軸の材質を剛性の高いものに変更すれば、クランク軸の撓み量の増加を抑えることが可能となる。Ｓ４５Ｃ等の鍛造材のヤング率は２０５ギガパスカル程度またはそれよりも高い。すなわち、鍛造材の剛性は高い。しかし、材質が鍛造材で被膜がリン酸マンガン被膜のみのクランク軸の焼付耐力は、材質が鋳造材で被膜がリン酸マンガン被膜のみのクランク軸の焼付耐力に対して１０％程度劣る。よって、クランク軸の材質を鋳造材から鍛造材に変更すると、クランク軸の撓み量が増加しなくても、クランク軸が軸受に焼き付きやすくなり、圧縮機の信頼性が損なわれる。

特許文献１に記載のロータリ圧縮機のように、材質が機械構造用鋼で被膜がリン酸マンガン被膜および二硫化モリブデン被膜のクランク軸を使用したとしても、クランク軸の焼付耐力は十分に向上しない。

本発明は、圧縮機のクランク軸の焼付耐力を十分に向上させることを目的とする。

本発明の一態様に係る圧縮機は、
二硫化モリブデンと樹脂とを含む固体潤滑剤被膜で一部が覆われたクランク軸と、
前記クランク軸を回転させる電動機と、
前記クランク軸の前記固体潤滑剤被膜で覆われた部分に摺動自在に嵌められた軸受を有し、前記クランク軸の回転によって駆動される圧縮機構とを備える。

本発明では、圧縮機のクランク軸に、二硫化モリブデンだけでなく樹脂も含む被膜を採用している。このため、クランク軸の焼付耐力が十分に向上する。

実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路図。 実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の回路図。 実施の形態１に係る圧縮機の縦断面図。 図３のＡ−Ａ断面図。 実施の形態１に係る圧縮機のクランク軸の固体潤滑剤塗布部における被膜の構造を示す断面図。 実施の形態１に係る圧縮機における、クランク軸径に対する被膜厚さの比率と従来品に対する焼付荷重の比率との関係を示すグラフ。 実施の形態１に係る圧縮機における、被膜および軸受の間のクリアランスに対する被膜厚さ変動の比率と従来品に対する油膜厚さの比率との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。装置、器具、部品等の構成について、材質、形状、大きさ等は、本発明の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態１．
本実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る冷凍サイクル装置１０の構成を説明する。

図１は、冷房運転時の冷媒回路１１を示している。図２は、暖房運転時の冷媒回路１１を示している。

冷凍サイクル装置１０は、本実施の形態では空気調和機であるが、冷蔵庫、ヒートポンプサイクル装置といった空気調和機以外の装置であってもよい。

冷凍サイクル装置１０は、冷媒が循環する冷媒回路１１を備える。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１２と、四方弁１３と、室外熱交換器である第１熱交換器１４と、膨張弁である膨張機構１５と、室内熱交換器である第２熱交換器１６とをさらに備える。圧縮機１２と、四方弁１３と、第１熱交換器１４と、膨張機構１５と、第２熱交換器１６は、冷媒回路１１に接続されている。

圧縮機１２は、冷媒を圧縮する。四方弁１３は、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れる方向を切り換える。第１熱交換器１４は、冷房運転時には凝縮器として動作し、圧縮機１２により圧縮された冷媒を放熱させる。すなわち、第１熱交換器１４は、圧縮機１２により圧縮された冷媒を用いて熱交換を行う。第１熱交換器１４は、暖房運転時には蒸発器として動作し、室外空気と膨張機構１５で膨張した冷媒との間で熱交換を行って冷媒を加熱する。膨張機構１５は、凝縮器で放熱した冷媒を膨張させる。第２熱交換器１６は、暖房運転時には凝縮器として動作し、圧縮機１２により圧縮された冷媒を放熱させる。すなわち、第２熱交換器１６は、圧縮機１２により圧縮された冷媒を用いて熱交換を行う。第２熱交換器１６は、冷房運転時には蒸発器として動作し、室内空気と膨張機構１５で膨張した冷媒との間で熱交換を行って冷媒を加熱する。

冷凍サイクル装置１０は、制御装置１７をさらに備える。

制御装置１７は、具体的には、マイクロコンピュータである。図１および図２では、制御装置１７と圧縮機１２との接続しか示していないが、制御装置１７は、圧縮機１２だけでなく、冷媒回路１１に接続された圧縮機１２以外の要素に接続されてもよい。制御装置１７は、制御装置１７に接続されている要素の状態を監視したり、制御したりする。

冷媒回路１１を循環する冷媒としては、Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等のＨＦＣ（ＨｙｄｒｏＦｌｕｏｒｏＣａｒｂｏｎ）系冷媒が使用される。あるいは、Ｒ１１２３、Ｒ１１３２（Ｅ）、Ｒ１１３２（Ｚ）、Ｒ１１３２ａ、Ｒ１１４１、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）等のＨＦＯ（ＨｙｄｒｏＦｌｕｏｒｏＯｌｅｆｉｎ）系冷媒が使用される。あるいは、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ７４４（二酸化炭素）、Ｒ７１７（アンモニア）等の自然冷媒が使用される。あるいは、その他の冷媒が使用される。あるいは、これらの冷媒のうち２種類以上の混合物が使用される。

図３を参照して、本実施の形態に係る圧縮機１２の構成を説明する。

図３は、圧縮機１２の縦断面を示している。

圧縮機１２は、本実施の形態では密閉型圧縮機である。圧縮機１２は、具体的には、単シリンダのロータリ圧縮機であるが、多シリンダのロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、あるいは、レシプロ圧縮機であってもよい。

圧縮機１２は、密閉容器２０と、圧縮機構３０と、電動機４０と、クランク軸５０とを備える。

密閉容器２０の底部には、冷凍機油２５が貯留されている。密閉容器２０には、冷媒を吸入するための吸入管２１と、冷媒を吐出するための吐出管２２とが取り付けられている。

電動機４０は、密閉容器２０に収納されている。具体的には、電動機４０は、密閉容器２０の内側上部に設置されている。電動機４０は、本実施の形態では集中巻のモータであるが、分布巻のモータであってもよい。

圧縮機構３０は、密閉容器２０に収納されている。具体的には、圧縮機構３０は、密閉容器２０の内側下部に設置されている。すなわち、圧縮機構３０は、密閉容器２０の内部で電動機４０の下方に配置されている。

電動機４０と圧縮機構３０は、クランク軸５０によって連結されている。クランク軸５０は、冷凍機油２５の給油路と電動機４０の回転軸とを形成している。

冷凍機油２５は、クランク軸５０の回転に伴い、クランク軸５０の下部に設けられたオイルポンプによって汲み上げられる。そして、冷凍機油２５は、圧縮機構３０の各摺動部へ供給され、圧縮機構３０の各摺動部を潤滑する。冷凍機油２５としては、合成油であるＰＯＥ（ポリオールエステル）、ＰＶＥ（ポリビニルエーテル）、ＡＢ（アルキルベンゼン）等が使用される。

電動機４０は、クランク軸５０を回転させる。圧縮機構３０は、クランク軸５０の回転によって駆動されることで冷媒を圧縮する。すなわち、圧縮機構３０は、クランク軸５０を介して伝達される電動機４０の回転力によって駆動されることで冷媒を圧縮する。この冷媒は、具体的には、吸入管２１に吸入された低圧のガス冷媒である。圧縮機構３０で圧縮された高温かつ高圧のガス冷媒は、圧縮機構３０から密閉容器２０内に吐出される。

クランク軸５０は、偏心軸部５１と、主軸部５２と、副軸部５３とを有する。これらは、軸方向において主軸部５２、偏心軸部５１、副軸部５３の順に設けられている。すなわち、偏心軸部５１の軸方向一端側に主軸部５２、偏心軸部５１の軸方向他端側に副軸部５３が設けられている。偏心軸部５１、主軸部５２および副軸部５３は、それぞれ円柱状である。主軸部５２および副軸部５３は、互いの中心軸が一致するように、すなわち、同軸に設けられている。偏心軸部５１は、中心軸が主軸部５２および副軸部５３の中心軸からずれるように設けられている。主軸部５２および副軸部５３が中心軸周りに回転すると、偏心軸部５１は偏心回転する。

クランク軸５０の一部には、固体潤滑剤が塗布されて被膜が形成されている。クランク軸５０の固体潤滑剤が塗布された部分、すなわち、固体潤滑剤塗布部３７における被膜の構造については後述する。

以下では、電動機４０の詳細を説明する。

電動機４０は、本実施の形態ではブラシレスＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータであるが、誘導電動機等、ブラシレスＤＣモータ以外のモータであってもよい。

電動機４０は、固定子４１と、回転子４２とを有する。

固定子４１は、円筒状であり、密閉容器２０の内周面に接するように固定されている。回転子４２は、円柱状であり、固定子４１の内側に幅が０．３ミリメートル以上１．０ミリメートル以下の空隙を介して設置されている。

固定子４１は、固定子鉄心４３と、巻線４４とを有する。固定子鉄心４３は、鉄を主成分とする、厚さが０．１ミリメートル以上１．５ミリメートル以下の複数枚の電磁鋼板を一定の形状に打ち抜き、軸方向に積層し、カシメにより固定して製作される。固定子鉄心４３は、外径が密閉容器２０の中間部の内径よりも大きく、密閉容器２０の内側に焼き嵌めされて固定されている。巻線４４は、固定子鉄心４３に巻かれている。具体的には、巻線４４は、固定子鉄心４３に絶縁部材を介して集中巻で巻かれている。巻線４４には、図示していないリード線の一端が接続されている。巻線４４は、芯線と、芯線を覆う少なくとも一層の被膜とからなる。本実施の形態において、芯線の材質は、銅である。被膜の材質は、ＡＩ（アミドイミド）／ＥＩ（エステルイミド）である。絶縁部材の材質は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）である。

なお、固定子鉄心４３の電磁鋼板同士を固定する方法は、カシメに限らず、溶接等、他の方法であってもよい。固定子鉄心４３を密閉容器２０の内側に固定する方法は、焼き嵌めに限らず、圧入であってもよい。巻線４４の芯線の材質は、アルミニウムであってもよい。絶縁部材の材質は、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、または、フェノール樹脂であってもよい。

回転子４２は、回転子鉄心４５と、図示していない永久磁石とを有する。回転子鉄心４５は、固定子鉄心４３と同じように、鉄を主成分とする、厚さが０．１ミリメートル以上１．５ミリメートル以下の複数枚の電磁鋼板を一定の形状に打ち抜き、軸方向に積層し、カシメにより固定して製作される。永久磁石は、回転子鉄心４５に形成された複数個の挿入孔に挿入されている。永久磁石は、磁極を形成する。永久磁石としては、フェライト磁石、または、希土類磁石が使用される。

なお、回転子鉄心４５の電磁鋼板同士を固定する方法は、カシメに限らず、溶接等、他の方法であってもよい。

回転子鉄心４５の平面視中心には、クランク軸５０の主軸部５２が焼き嵌めまたは圧入される軸孔が形成されている。すなわち、回転子鉄心４５の内径は、主軸部５２の外径よりも小さくなっている。図示していないが、回転子鉄心４５の軸孔の周囲には、軸方向に貫通する複数個の貫通孔が形成されている。それぞれの貫通孔は、後述する吐出マフラ３５から密閉容器２０内の空間へ放出されるガス冷媒の通路の１つになる。それぞれの貫通孔は、密閉容器２０の上部に導かれた冷凍機油２５を密閉容器２０の下部に落とすための通路の１つにもなる。

図示していないが、電動機４０が誘導電動機として構成される場合には、回転子鉄心４５に形成された複数個のスロットにアルミニウムまたは銅等で形成される導体が充填または挿入される。そして、導体の両端をエンドリングで短絡したかご形巻線が形成される。

密閉容器２０の頂部には、インバータ装置等の外部電源と接続する端子２４が取り付けられている。端子２４は、具体的には、ガラス端子である。本実施の形態において、端子２４は、溶接により密閉容器２０に固定されている。端子２４には、前述したリード線の他端が接続されている。これにより、端子２４と電動機４０の巻線４４とが電気的に接続されている。

密閉容器２０の頂部には、さらに、軸方向両端が開口した吐出管２２が取り付けられている。圧縮機構３０から吐出されるガス冷媒は、密閉容器２０内の空間から吐出管２２を通って外部の冷媒回路１１へ吐出される。

以下では、図３だけでなく図４も参照して、圧縮機構３０の詳細を説明する。

図４は、図３のＡ−Ａ線、すなわち、クランク軸５０の軸方向と垂直な平面で圧縮機構３０を切断した場合の切断面を示している。なお、図４において、断面を表すハッチングは省略している。

圧縮機構３０は、シリンダ３１と、ローラ３２と、主軸受３３と、副軸受３４と、吐出マフラ３５とを有する。

シリンダ３１の内周は、平面視円形である。シリンダ３１の内部には、平面視円形の空間であるシリンダ室６１が形成されている。シリンダ３１の外周面には、冷媒回路１１からガス冷媒を吸入するための吸入口が設けられている。吸入口から吸入された冷媒は、シリンダ室６１で圧縮される。シリンダ３１は、軸方向両端が開口している。

ローラ３２は、リング状である。よって、ローラ３２の内周および外周は、平面視円形である。ローラ３２は、シリンダ室６１内で偏心回転する。ローラ３２は、ローラ３２の回転軸となるクランク軸５０の偏心軸部５１に摺動自在に嵌められている。

シリンダ３１には、シリンダ室６１につながり、半径方向に延びるベーン溝６２が設けられている。ベーン溝６２の外側には、ベーン溝６２につながる平面視円形の空間である背圧室６３が形成されている。ベーン溝６２内には、シリンダ室６１を低圧の作動室である吸入室と高圧の作動室である圧縮室とに仕切るためのベーン６４が設置されている。ベーン６４は、先端が丸まった板状である。ベーン６４は、ベーン溝６２内で摺動しながら往復運動する。ベーン６４は、背圧室６３に設けられたベーンスプリングによって常にローラ３２に押し付けられている。密閉容器２０内が高圧であるため、圧縮機１２の運転が開始すると、ベーン６４の背圧室６３側の面であるベーン背面に密閉容器２０内の圧力とシリンダ室６１内の圧力との差による力が作用する。このため、ベーンスプリングは、主に密閉容器２０内とシリンダ室６１内の圧力に差がない圧縮機１２の起動時に、ベーン６４をローラ３２に押し付ける目的で使用される。

主軸受３３は、側面視逆Ｔ字状の軸受である。主軸受３３は、クランク軸５０の偏心軸部５１よりも上の部分である主軸部５２に摺動自在に嵌められている。クランク軸５０の内部には、給油路となる貫通孔５４が軸方向に沿って設けられており、主軸受３３と主軸部５２との間には、この貫通孔５４を介して吸い上げられた冷凍機油２５が供給されることで油膜が形成されている。主軸受３３は、シリンダ３１のシリンダ室６１およびベーン溝６２の上側を閉塞している。すなわち、主軸受３３は、シリンダ３１内の２つの作動室の上側を閉塞している。

副軸受３４は、側面視Ｔ字状の軸受である。副軸受３４は、クランク軸５０の偏心軸部５１よりも下の部分である副軸部５３に摺動自在に嵌められている。副軸受３４と副軸部５３との間には、クランク軸５０の貫通孔５４を介して吸い上げられた冷凍機油２５が供給されることで油膜が形成されている。副軸受３４は、シリンダ３１のシリンダ室６１およびベーン溝６２の下側を閉塞している。すなわち、副軸受３４は、シリンダ３１内の２つの作動室の下側を閉塞している。

主軸受３３と副軸受３４は、それぞれボルト等の締結具３６によってシリンダ３１に固定され、ローラ３２の回転軸であるクランク軸５０を支持している。主軸受３３は、主軸受３３と主軸部５２との間の油膜の流体潤滑によって主軸部５２に接触せずに主軸部５２を支持している。副軸受３４は、主軸受３３と同様に、副軸受３４と副軸部５３との間の油膜の流体潤滑によって副軸部５３に接触せずに副軸部５３を支持している。

図示していないが、主軸受３３には、シリンダ室６１で圧縮された冷媒を冷媒回路１１に吐出するための吐出口が設けられている。吐出口は、シリンダ室６１がベーン６４によって吸入室と圧縮室とに仕切られているときに圧縮室につながる位置にある。主軸受３３には、吐出口を開閉自在に閉塞する吐出弁が取り付けられている。吐出弁は、圧縮室内のガス冷媒が所望の圧力になるまで閉じ、圧縮室内のガス冷媒が所望の圧力になると開く。これにより、シリンダ３１からのガス冷媒の吐出タイミングが制御される。

吐出マフラ３５は、主軸受３３の外側に取り付けられている。吐出弁が開いたときに吐出される高温かつ高圧のガス冷媒は、一旦吐出マフラ３５に入り、その後吐出マフラ３５から密閉容器２０内の空間に放出される。

なお、吐出口および吐出弁は、副軸受３４、あるいは、主軸受３３と副軸受３４との両方に設けられていてもよい。吐出マフラ３５は、吐出口および吐出弁が設けられている軸受の外側に取り付けられる。

密閉容器２０の横には、吸入マフラ２３が設けられている。吸入マフラ２３は、冷媒回路１１から低圧のガス冷媒を吸入する。吸入マフラ２３は、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接シリンダ３１のシリンダ室６１に入り込むことを抑制する。吸入マフラ２３は、シリンダ３１の外周面に設けられた吸入口に吸入管２１を介して接続されている。吸入口は、シリンダ室６１がベーン６４によって吸入室と圧縮室とに仕切られているときに吸入室につながる位置にある。吸入マフラ２３の本体は、溶接等により密閉容器２０の側面に固定されている。

クランク軸５０の偏心軸部５１、主軸部５２、および、副軸部５３の材質は、鋳造材でもよいが、本実施の形態ではＳ４５Ｃ等の鍛造材である。これに対し、主軸受３３および副軸受３４の材質は、鋳造材および焼結材のいずれかであり、具体的には、焼結鋼、ねずみ鋳鉄、または、炭素鋼である。シリンダ３１の材質も、焼結鋼、ねずみ鋳鉄、または、炭素鋼である。ローラ３２の材質は、鋳造材であり、具体的には、モリブデン、ニッケル、および、クロムを含有する合金鋼、または、鉄系鋳造材である。ベーン６４の材質は、高速度工具鋼である。

図示していないが、圧縮機１２がスイング式のロータリ圧縮機として構成される場合には、ベーン６４が、ローラ３２と一体に設けられる。クランク軸５０が駆動されると、ベーン６４は、ローラ３２に回転自在に取り付けられた支持体の溝に沿って往復運動する。ベーン６４は、ローラ３２の回転に従って揺動しながら半径方向へ進退することによって、シリンダ室６１の内部を圧縮室と吸入室とに区画する。支持体は、横断面が半円形状の２個の柱状部材で構成される。支持体は、シリンダ３１の吸入口と吐出口との中間部に形成された円形状の保持孔に回転自在に嵌められる。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
図３および図４を参照して、本実施の形態に係る圧縮機１２の動作を説明する。圧縮機１２の動作は、本実施の形態に係る冷媒圧縮方法に相当する。

端子２４からリード線を介して電動機４０の固定子４１に電力が供給される。これにより、固定子４１の巻線４４に電流が流れ、巻線４４から磁束が発生する。電動機４０の回転子４２は、巻線４４から発生する磁束と、回転子４２の永久磁石から発生する磁束との作用によって回転する。具体的には、回転子４２は、固定子４１の巻線４４に電流が流れることで発生する回転磁界と回転子４２の永久磁石の磁界との吸引反発作用によって回転する。回転子４２の回転によって、回転子４２に固定されたクランク軸５０が回転する。クランク軸５０の回転に伴い、圧縮機構３０のローラ３２が圧縮機構３０のシリンダ３１のシリンダ室６１内で偏心回転する。シリンダ３１とローラ３２との間の空間であるシリンダ室６１は、ベーン６４によって吸入室と圧縮室とに分割されている。クランク軸５０の回転に伴い、吸入室の容積と圧縮室の容積とが変化する。吸入室では、徐々に容積が拡大することにより、吸入マフラ２３から低圧のガス冷媒が吸入される。圧縮室では、徐々に容積が縮小することにより、中のガス冷媒が圧縮される。圧縮され、高圧かつ高温となったガス冷媒は、吐出マフラ３５から密閉容器２０内の空間に吐出される。吐出されたガス冷媒は、さらに、電動機４０を通過して密閉容器２０の頂部にある吐出管２２から密閉容器２０の外へ吐出される。密閉容器２０の外へ吐出された冷媒は、冷媒回路１１を通って、再び吸入マフラ２３に戻ってくる。

＊＊＊詳細な構成の説明＊＊＊
図３および図５を参照して、クランク軸５０の固体潤滑剤塗布部３７の詳細を説明する。

図５は、固体潤滑剤被膜７０、リン酸マンガン被膜８０、および、クランク軸５０の基材５５の３層の断面の一部を示している。

固体潤滑剤被膜７０は、二硫化モリブデン７１と樹脂７２とを含んでいる。樹脂７２は、具体的には、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）である。本実施の形態において、固体潤滑剤被膜７０は、グラファイト７３をさらに含んでいる。

なお、樹脂７２は、ＰＡＩであることが望ましいが、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＰＩ（ポリイミド）、または、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）でもよい。

クランク軸５０の一部は、上記のような構成の固体潤滑剤被膜７０で覆われている。そして、クランク軸５０の固体潤滑剤被膜７０で覆われた部分には、圧縮機構３０の主軸受３３および副軸受３４が摺動自在に嵌められている。すなわち、本実施の形態では、主軸部５２の主軸受３３が嵌められている部分、および、副軸部５３の副軸受３４が嵌められている部分が、上記のような構成の固体潤滑剤被膜７０で覆われている。固体潤滑剤被膜７０に二硫化モリブデン７１だけでなく樹脂７２も含めることで、クランク軸５０の焼付耐力を十分に高めることができる。よって、主軸部５２が主軸受３３に焼き付きにくくなる。副軸部５３も副軸受３４に焼き付きにくくなる。

前述したように、本実施の形態では、主軸部５２および副軸部５３の材質が鍛造材であるのに対し、主軸受３３および副軸受３４の材質は鋳造材および焼結材のいずれかであるが、主軸部５２および副軸部５３の材質と、主軸受３３および副軸受３４の材質は、同種金属であってもよい。具体例として、主軸部５２および副軸部５３の材質と、主軸受３３および副軸受３４の材質との両方が鉄系材料であってもよい。一般的に、同種金属同士が摺動すると、「共金」による焼付耐力の低下が引き起こされる。しかし、本実施の形態では、固体潤滑剤被膜７０によって、「共金」による主軸部５２および副軸部５３の焼付耐力の低下を抑えることができる。

本実施の形態では、偏心軸部５１のローラ３２が嵌められている部分も、上記のような構成の固体潤滑剤被膜７０で覆われている。よって、偏心軸部５１がローラ３２に焼き付きにくくなる。

前述したように、本実施の形態では、偏心軸部５１の材質が鍛造材であるのに対し、ローラ３２の材質は鋳造材であるが、偏心軸部５１の材質とローラ３２の材質は、同種金属であってもよい。具体例として、偏心軸部５１の材質とローラ３２の材質との両方が鉄系材料であってもよい。本実施の形態では、固体潤滑剤被膜７０によって、「共金」による偏心軸部５１の焼付耐力の低下も抑えることができる。

本実施の形態において、主軸部５２の回転子鉄心４５に焼き嵌めまたは圧入される部分は、固体潤滑剤被膜７０で覆われていない。よって、主軸部５２を回転子鉄心４５の軸孔に焼き嵌めまたは圧入しやすくなる。

グラファイト７３は必須ではないが、固体潤滑剤被膜７０にグラファイト７３を含めることで、クランク軸５０の焼付耐力をより一層高めることができる。

クランク軸５０の固体潤滑剤被膜７０で覆われた部分において、固体潤滑剤被膜７０は、リン酸マンガン被膜８０の上に重ねられている。リン酸マンガン被膜８０の固体潤滑剤被膜７０に接する表面８１は、凹凸のある面である。すなわち、リン酸マンガン被膜８０の表面８１には、多数の凹部８２および凸部８３が形成されている。リン酸マンガン被膜８０の表面８１が平坦でないため、固体潤滑剤被膜７０がリン酸マンガン被膜８０の表面８１に密着しやすく、剥がれにくくなる。よって、クランク軸５０の焼付耐力がさらに向上する。

リン酸マンガン被膜８０の固体潤滑剤被膜７０に接する表面８１の粗さが１．５ｚ以上であれば、固体潤滑剤被膜７０がリン酸マンガン被膜８０の表面８１に密着しやすくなるという効果が得られる。より高い効果を得るためには、リン酸マンガン被膜８０の表面８１の粗さが２．０ｚ以上であることが望ましく、３．０ｚ以上であることがより望ましい。なお、１．５ｚ、２．０ｚ、２．０ｚといったパラメータ値は、リン酸マンガン被膜８０の表面８１の粗さを十点平均高さで表した値である。

リン酸マンガン被膜８０は、クランク軸５０の基材５５に対してリン酸マンガン下地処理が施されることで形成される。リン酸マンガン下地処理の後、従来技術のようにバフ処理が施されると、リン酸マンガン被膜８０の凹部８２および凸部８３が取り除かれ、リン酸マンガン被膜８０の表面８１が滑らかになってしまう。そのため、本実施の形態では、バフ処理が省かれる。その結果、前述したようなリン酸マンガン被膜８０の表面８１の粗さが得られる。そして、クランク軸５０の焼付耐力が、リン酸マンガン下地処理の後にバフ処理が施される場合に対して７０％程度向上する。

固体潤滑剤被膜７０は、リン酸マンガン下地処理の後、リン酸マンガン被膜８０に対してデフリックコーティング処理が施されることで形成される。固体潤滑剤をディッピングにより塗布する場合、二硫化モリブデン７１がリン酸マンガン被膜８０に浸透するおそれがある。そのため、本実施の形態では、デフリックコーティング処理の際に、固定潤滑剤がスプレーによりリン酸マンガン被膜８０の表面８１に塗布される。その結果、二硫化モリブデン７１がリン酸マンガン被膜８０に浸透せず、図５に示した構造の固体潤滑剤被膜７０が得られる。そして、クランク軸５０の焼付耐力が十分に向上する。

図６は、クランク軸径に対する被膜厚さの比率と従来品に対する焼付荷重の比率との関係を示している。

「クランク軸径」とは、クランク軸５０の軸受が嵌められている部分の直径のことである。本実施の形態では、主軸部５２の主軸受３３が嵌められている部分の直径が「クランク軸径」に該当する。副軸部５３の副軸受３４が嵌められている部分の直径も「クランク軸径」に該当する。

「被膜厚さ」とは、固体潤滑剤被膜７０の最小厚さのことである。本実施の形態では、主軸部５２の主軸受３３が嵌められている部分における、リン酸マンガン被膜８０の最も高さのある凸部８３の頂点から、固体潤滑剤被膜７０の主軸受３３に対向する摺動面７４までの距離が「被膜厚さ」に該当する。副軸部５３の副軸受３４が嵌められている部分における、リン酸マンガン被膜８０の最も高さのある凸部８３の頂点から、固体潤滑剤被膜７０の副軸受３４に対向する摺動面７４までの距離も「被膜厚さ」に該当する。

「クランク軸径に対する被膜厚さの比率」とは、被膜厚さをクランク軸径で割った値のことである。

「従来品に対する焼付荷重の比率」とは、被膜がリン酸マンガン被膜のみの従来品の焼付耐力に対する、本実施の形態に係るクランク軸５０の焼付耐力の比率のことである。固体潤滑剤被膜７０とリン酸マンガン被膜８０との厚さの合計は、従来品の被膜の厚さと同じであるとする。

図６に示すように、クランク軸径に対する被膜厚さの比率が０．８×１０^−３を超えると、従来品に対する焼付荷重の比率が１００％を下回る。これは、クランク軸径に対する被膜厚さの比率が０．８×１０^−３を超えると、固体潤滑剤被膜７０が剥がれやすくなるからである。よって、クランク軸径に対する被膜厚さの比率は、０．８×１０^−３以下であることが望ましい。

図示していないが、耐久試験の結果によれば、クランク軸径に対する被膜厚さの比率が０．３×１０^−３を下回ると、圧縮機１２を１０年といった長期間運転した後の被膜厚さが十分に得られない。これは、圧縮機１２を運転する期間が長いほど、固体潤滑剤被膜７０の摩耗量が増加するからである。よって、クランク軸径に対する被膜厚さの比率は、０．３×１０^−３以上であることが望ましい。

以上説明したように、固体潤滑剤被膜７０の剥離および摩耗による焼付耐力の低下を防ぐため、主軸部５２の主軸受３３が嵌められている部分において、主軸部５２の直径に対する固体潤滑剤被膜７０の最小厚さの比率は、０．０００３以上０．０００８以下であることが望ましい。副軸部５３の副軸受３４が嵌められている部分においても、副軸部５３の直径に対する固体潤滑剤被膜７０の最小厚さの比率は、０．０００３以上０．０００８以下であることが望ましい。

図７は、被膜および軸受の間のクリアランスに対する被膜厚さ変動の比率と従来品に対する油膜厚さの比率との関係を示している。

「被膜および軸受の間のクリアランス」とは、固体潤滑剤被膜７０と軸受との間の距離のことである。本実施の形態では、固体潤滑剤被膜７０と主軸受３３との間の距離の最大値が「被膜および軸受の間のクリアランス」に該当する。固体潤滑剤被膜７０と副軸受３４との間の距離の最大値も「被膜および軸受の間のクリアランス」に該当する。

「被膜厚さ変動」とは、固体潤滑剤被膜７０の軸受に対向する摺動面７４の高低差のことである。本実施の形態では、主軸部５２の主軸受３３が嵌められている部分における、主軸部５２の基材５５の外周面から、固体潤滑剤被膜７０の主軸受３３に対向する摺動面７４までの距離の最大値と最小値との差が「被膜厚さ変動」に該当する。副軸部５３の副軸受３４が嵌められている部分における、副軸部５３の基材５５の外周面から、固体潤滑剤被膜７０の副軸受３４に対向する摺動面７４までの距離の最大値と最小値との差が「被膜厚さ変動」に該当する。

「被膜および軸受の間のクリアランスに対する被膜厚さ変動の比率」とは、被膜厚さ変動を被膜および軸受の間のクリアランスで割った値のことである。

「従来品に対する油膜厚さの比率」とは、被膜がリン酸マンガン被膜のみの従来品における油膜の厚さに対する、本実施の形態に係るクランク軸５０における主軸受３３と主軸部５２との間の油膜の厚さ、または、副軸受３４と副軸部５３との間の油膜の厚さの比率のことである。

図７に示すように、被膜および軸受の間のクリアランスに対する被膜厚さ変動の比率が０．１５を超えると、従来品に対する油膜厚さの比率が１．０を下回る。これは、被膜および軸受の間のクリアランスに対する被膜厚さ変動の比率が０．１５を超えると、固体潤滑剤被膜７０と軸受との間の隙間が広すぎて、油膜が形成されにくくなるからである。よって、被膜および軸受の間のクリアランスに対する被膜厚さ変動の比率は、０．１５以下であることが望ましい。

以上説明したように、十分な油膜厚さを確保して摺動耐力の低下を防ぐため、主軸部５２の主軸受３３が嵌められている部分において、固体潤滑剤被膜７０と主軸受３３との間のクリアランスに対する固体潤滑剤被膜７０の主軸受３３に対向する摺動面７４の高低差の比率は、０．１５以下であることが望ましい。副軸部５３の副軸受３４が嵌められている部分においても、固体潤滑剤被膜７０と副軸受３４との間のクリアランスに対する固体潤滑剤被膜７０の副軸受３４に対向する摺動面７４の高低差の比率は、０．１５以下であることが望ましい。

＊＊＊実施の形態の効果の説明＊＊＊
本実施の形態では、圧縮機１２のクランク軸５０に、二硫化モリブデン７１だけでなく樹脂７２も含む被膜を採用している。このため、クランク軸５０の焼付耐力が十分に向上する。具体的には、クランク軸５０の焼付耐力が従来品に対して１０％から２０％程度向上する。よって、クランク軸５０の材質に鍛造材を採用したとしても、クランク軸５０が軸受に焼き付きにくくなる。したがって、圧縮機１２の信頼性を損なわずにクランク軸５０の直径を小さくすることができ、高効率な圧縮機１２が得られる。

多量の液冷媒が圧縮機１２の密閉容器２０内に流入し、冷凍機油２５の粘度が下がり、主軸部５２と主軸受３３との間、および、副軸部５３と副軸受３４との間の油膜厚さが著しく薄くなる場合がある。本実施の形態では、そのような場合でも、クランク軸５０が焼き付くことがなく、信頼性の高い圧縮機１２が得られる。

＊＊＊他の構成＊＊＊
固体潤滑剤被膜７０は、樹脂７２とは別の種類の樹脂をさらに含んでいてもよい。具体的には、固体潤滑剤被膜７０は、ＰＡＩ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＥＳ、ＰＩ、および、ＰＥＥＫのうち２種類以上の樹脂を含んでいてもよい。

前述したように、圧縮機１２は、多シリンダのロータリ圧縮機であってもよい。ここでは、本実施の形態の変形例として、圧縮機１２が多シリンダのロータリ圧縮機として構成される例を説明する。

図示していないが、この変形例において、圧縮機構３０は、複数個のシリンダ３１と、複数個のローラ３２と、シリンダ３１の個数よりも１枚少ない枚数の仕切板とを有する。シリンダ３１の個数が２個であれば、ローラ３２の個数は２個、仕切板の枚数は１枚である。

クランク軸５０は、ローラ３２の個数と同じ個数の偏心軸部５１を有する。それぞれの偏心軸部５１には、対応するローラ３２が摺動自在に嵌められている。複数の偏心軸部５１の間の部分の軸径は、主軸部５２の直径と同程度である。

それぞれのシリンダ３１の内部には、平面視円形の空間であるシリンダ室６１が形成されている。それぞれのローラ３２は、対応するシリンダ室６１内で偏心回転する。すなわち、圧縮機構３０には、冷媒を圧縮するための空間である複数のシリンダ室６１が形成されている。これら複数のシリンダ室６１は、仕切板によってクランク軸５０の軸方向に区分されている。つまり、仕切板は、仕切板の直上のシリンダ室６１と、仕切板の直下のシリンダ室６１とを閉塞している。

仕切板は、クランク軸５０が貫通する１枚の板から構成されていてもよいが、その場合、クランク軸５０の軸方向の一端から複数の偏心軸部５１の間の部分までを仕切板の貫通孔に通さなければ、仕切板を所望の位置に設置することができない。すなわち、仕切板には、クランク軸５０の軸方向の一端に近い側の偏心軸部５１を通すことができる大きさの貫通孔が形成されていなければならない。一方、この変形例においては、仕切板は、クランク軸５０の周囲に配置された複数の分割板から構成されている。そのため、複数の偏心軸部５１の間の部分を複数の分割板で囲み、分割板同士をボルト等の固定具によって固定すれば、仕切板を所望の位置に設置することができる。すなわち、仕切板には、複数の偏心軸部５１の間の部分を通すことができる大きさの貫通孔が形成されていればよい。それぞれの分割板には、すべての分割板を組み合わせたときに形成される貫通孔の一部に相当する切り欠きが設けられている。分割板の枚数が２枚であれば、それぞれ直線部分に小さな半円形の切り欠きが設けられた半円形状の分割板が組み合わされることで、円形の貫通孔が形成されたドーナツ形状の仕切板が構成されることになる。

この変形例においても、圧縮機１２のクランク軸５０に、二硫化モリブデン７１だけでなく樹脂７２も含む被膜を採用している。したがって、前述したように、圧縮機１２の信頼性を損なわずにクランク軸５０の直径を小さくすることができ、高効率な圧縮機１２が得られる。クランク軸５０の直径を小さくするということは、具体的には、偏心軸部５１の直径を変えずに主軸部５２の直径を小さくするということ、すなわち、偏心量を増加させるということである。主軸部５２の直径を変えずに偏心軸部５１の直径を大きくしても、偏心量は増加する。この変形例では、仕切板が分割されているため、偏心軸部５１の直径を大きくしても、仕切板の貫通孔の大きさを変える必要がない。よって、仕切板の貫通孔が大きすぎて、仕切板がシリンダ室６１を閉塞できなくなるという事態を回避できる。したがって、圧縮機１２の信頼性を損なわずに偏心量を増加させることができ、高効率な圧縮機１２が得られる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この実施の形態を部分的に実施しても構わない。なお、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

１０ 冷凍サイクル装置、１１ 冷媒回路、１２ 圧縮機、１３ 四方弁、１４ 第１熱交換器、１５ 膨張機構、１６ 第２熱交換器、１７ 制御装置、２０ 密閉容器、２１ 吸入管、２２ 吐出管、２３ 吸入マフラ、２４ 端子、２５ 冷凍機油、３０ 圧縮機構、３１ シリンダ、３２ ローラ、３３ 主軸受、３４ 副軸受、３５ 吐出マフラ、３６ 締結具、３７ 固体潤滑剤塗布部、４０ 電動機、４１ 固定子、４２ 回転子、４３ 固定子鉄心、４４ 巻線、４５ 回転子鉄心、５０ クランク軸、５１ 偏心軸部、５２ 主軸部、５３ 副軸部、５４ 貫通孔、５５ 基材、６１ シリンダ室、６２ ベーン溝、６３ 背圧室、６４ ベーン、７０ 固体潤滑剤被膜、７１ 二硫化モリブデン、７２ 樹脂、７３ グラファイト、７４ 摺動面、８０ リン酸マンガン被膜、８１ 表面、８２ 凹部、８３ 凸部。

Claims (10)

1. 空気調和機又は冷蔵庫の冷凍サイクル装置に用いられるロータリ圧縮機において、
   二硫化モリブデンと樹脂とを含む固体潤滑剤被膜で一部が覆われたクランク軸と、
   前記クランク軸を回転させる電動機と、
   前記クランク軸の前記固体潤滑剤被膜で覆われた部分に摺動自在に嵌められた軸受を有し、前記クランク軸の回転によって駆動される圧縮機構と
   を備え、
   前記クランク軸の前記固体潤滑剤被膜で覆われた部分において、前記固体潤滑剤被膜は、リン酸マンガン被膜の上に重ねられており、前記リン酸マンガン被膜の前記固体潤滑剤被膜に接する表面は、凹凸のある面であり、
   前記リン酸マンガン被膜の前記固体潤滑剤被膜に接する表面の粗さが１．５ｚ以上であり、
   前記クランク軸の前記軸受が嵌められた部分において、前記クランク軸の直径に対する前記固体潤滑剤被膜の最小厚さの比率が０．０００３以上０．０００８以下であり、
   前記クランク軸の前記軸受が嵌められた部分において、前記固体潤滑剤被膜と前記軸受との間のクリアランスに対する前記固体潤滑剤被膜の前記軸受に対向する摺動面の高低差の比率が０．１５以下であるロータリ圧縮機。
2. 前記樹脂は、ポリアミドイミドである請求項１に記載のロータリ圧縮機。
3. 前記固体潤滑剤被膜は、グラファイトをさらに含む請求項１または２に記載のロータリ圧縮機。
4. 前記二硫化モリブデンが前記リン酸マンガン被膜に浸透していない請求項１から３のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
5. 前記リン酸マンガン被膜の前記固体潤滑剤被膜に接する表面の粗さが２．０ｚ以上である請求項１から４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
6. 前記リン酸マンガン被膜の前記固体潤滑剤被膜に接する表面の粗さが３．０ｚ以上である請求項１から４のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
7. 前記クランク軸は、同軸に設けられた主軸部および副軸部を有し、
   前記軸受は、前記主軸部および前記副軸部のそれぞれに摺動自在に嵌められており、
   前記主軸部および前記副軸部の前記軸受が嵌められている部分は、前記固体潤滑剤被膜で覆われており、
   前記主軸部および前記副軸部の材質が鍛造材であるのに対し、前記軸受の材質は鋳造材および焼結材のいずれかである請求項１から６のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
8. 前記クランク軸は、偏心回転する偏心軸部を有し、
   前記圧縮機構は、前記偏心軸部に摺動自在に嵌められたローラを有し、
   前記偏心軸部の前記ローラが嵌められている部分は、前記固体潤滑剤被膜で覆われており、
   前記偏心軸部の材質が鍛造材であるのに対し、前記ローラの材質は鋳造材である請求項１から７のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
9. 前記圧縮機構には、冷媒を圧縮するための空間であり、仕切板によって前記クランク軸の軸方向に区分された複数のシリンダ室が形成され、
   前記仕切板は、前記クランク軸の周囲に配置された複数の分割板から構成されている請求項１から７のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のロータリ圧縮機を備える冷凍サイクル装置。

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