特開 2023-20173 圧縮機および冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023020173

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】圧縮機および冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   F04C 29/00 20060101AFI20230202BHJP

   F04C 18/356 20060101ALI20230202BHJP

   F04B 39/00 20060101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

F04C29/00 U

F04C18/356 D

F04C18/356 P

F04C29/00 D

F04B39/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021125409

(22)【出願日】2021-07-30

(71)【出願人】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浅利 峻

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 哲永

(72)【発明者】

【氏名】平山 卓也

【テーマコード（参考）】

3H003

3H129

【Ｆターム（参考）】

3H003AA05

3H003AB04

3H003AC03

3H003AD03

3H003CB00

3H129AA04

3H129AA13

3H129AB03

3H129BB44

3H129CC05

3H129CC38

3H129CC39

(57)【要約】

【課題】 軽量化と信頼性を両立することが可能な圧縮機および当該圧縮機を備える冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】 一実施形態に係る圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機部と、を備えている。前記圧縮機構部は、第１摺動面を有する第１部材と、前記電動機部による駆動時に前記第１摺動面と摺動する第２摺動面を有する第２部材と、を備えている。前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方は、樹脂材料で形成されている。前記第１摺動面および前記第２摺動面の少なくとも一方には、硬さを増加させる表面処理が施されている。さらに、前記樹脂材料の圧縮強度は、前記第１摺動面と前記第２摺動面の接触面圧以上である。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機部と、を備えた圧縮機であって、
前記圧縮機構部は、
第１摺動面を有する第１部材と、
前記電動機部による駆動時に前記第１摺動面と摺動する第２摺動面を有する第２部材と、
を備え、
前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方は、樹脂材料で形成され、
前記第１摺動面および前記第２摺動面の少なくとも一方には、硬さを増加させる表面処理が施され、
前記樹脂材料の圧縮強度は、前記第１摺動面と前記第２摺動面の接触面圧以上である、
圧縮機。

【請求項2】

前記圧縮機構部は、
シリンダ室を形成するシリンダと、
前記シリンダ室内に配置される偏心部を有する回転軸と、
前記偏心部に嵌められ、前記シリンダ室内で前記回転軸の回転中心に対して偏心回転する筒状のローラと、
前記ローラの外周面と摺動する先端面を有し、前記シリンダ室を吸込室と圧縮室とに区画するベーンと、
を備え、
前記第１部材は、前記ベーンであり、
前記第２部材は、前記ローラである、
請求項１に記載の圧縮機。

【請求項3】

前記ローラが前記樹脂材料で形成され、
前記ベーンの前記先端面に前記表面処理が施されている、
請求項２に記載の圧縮機。

【請求項4】

前記接触面圧は、当該圧縮機または当該圧縮機を含む冷凍サイクルにおける前記冷媒の設計圧力と大気圧の差を最大値として、ヘルツの接触理論に基づき算出されるヘルツ接触面圧である、
請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の圧縮機。

【請求項5】

前記樹脂材料は、強化繊維を含む、
請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の圧縮機。

【請求項6】

前記樹脂材料は、熱硬化性樹脂である、
請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の圧縮機。

【請求項7】

前記樹脂材料は、フェノール樹脂である、
請求項６に記載の圧縮機。

【請求項8】

前記冷媒は、Ｒ１２３４ｙｆ単体、または、Ｒ１２３４ｙｆを主成分とし少なくともＲ３２を含む冷媒である、
請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の圧縮機。

【請求項9】

請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の圧縮機と、
前記圧縮機に接続された凝縮器と、
前記凝縮器に接続された膨張装置と、
前記膨張装置に接続された蒸発器と、
を備える冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、圧縮機および冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、冷凍サイクルで使用される冷媒の低ＧＷＰ（地球温暖化係数）化の要求が高まっている。ＧＷＰが低い冷媒の多くは体積流量あたりの能力が低いため、このような冷媒を用いる場合には、圧縮機における排除容積を大きくするか、あるいは圧縮機の回転数を増加させる必要が生じる。

【0003】

小型の空気調和機の多くや、一部の大型の空気調和機で用いられるロータリ式の圧縮機においては、回転軸に嵌められたローラがシリンダ室で偏心回転する。そのため、排除容積を大きくする場合には、偏心量の増加による回転軸の剛性不足、振動の悪化、さらにはロータに設けられるバランサの大型化による製造コストの増加などの種々の課題が生じ得る。これら課題の解決策の一つとして、圧縮機構部を構成する部材を軽量化することが挙げられる。

【0004】

従来、圧縮機において駆動時に摺動する部材は金属で形成されている。例えばロータリ式の圧縮機において、ローラおよびローラの外周面と摺動するベーンは、主としてモニクロ鋳鉄（モリブデン、ニッケル、クロムを含有する鋳鉄）などの鋳鉄や高速工具鋼のような鉄系材料で形成されている。

【0005】

近年では、例えば特許文献１のように、ローラおよびベーンなどの部材を軽量化すべく、これら部材をＡｌ－Ｓｉ（アルミニウム－シリコン）合金鋳物で成形することも提案されている。しかしながら、Ａｌ－Ｓｉ合金鋳物の比重は一般に２．６～３．０程度であり、従来の鉄系材料に比べれば軽量化され得るが、さらなる軽量化は難しい。すなわち、軽量化のためには例えば比重が１．０以下のＳｉ添加量を増加させる必要があるが、Ｓｉを多量に添加すると初晶Ｓｉのサイズが大きくなることで分散量も増加し、結果として応力集中による高温強度低下等を招く（例えば特許文献２を参照）。実用上は、１９ｗｔ％のＳｉ添加量が限界である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第６０２８８３２号公報

【特許文献2】特開平８－１３４５７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、軽量化と信頼性を両立することが可能な圧縮機および当該圧縮機を備える冷凍サイクル装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一実施形態に係る圧縮機は、冷媒を圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機部と、を備えている。前記圧縮機構部は、第１摺動面を有する第１部材と、前記電動機部による駆動時に前記第１摺動面と摺動する第２摺動面を有する第２部材と、を備えている。前記第１部材および前記第２部材の少なくとも一方は、樹脂材料で形成されている。前記第１摺動面および前記第２摺動面の少なくとも一方には、硬さを増加させる表面処理が施されている。さらに、前記樹脂材料の圧縮強度は、前記第１摺動面と前記第２摺動面の接触面圧以上である。

【0009】

一実施形態に係る冷凍サイクル装置は、前記圧縮機と、前記圧縮機に接続された凝縮器と、前記凝縮器に接続された膨張装置と、前記膨張装置に接続された蒸発器と、を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、一実施形態に係る圧縮機および冷凍サイクル装置の概略的な構成を示す図である。

【図2】図２は、一実施形態に係る圧縮機が備える圧縮機構部の概略的な横断面図である。

【図3】図３は、ブロック・オン・リング評価試験の概要を示す図である。

【図4】図４は、ブロック・オン・リング評価試験において想定した冷凍サイクルの温度条件を示す表である。

【図5】図５は、ブロック・オン・リング評価試験において用いたブロック材、リング材および冷媒の組み合わせを示す表である。

【図6】図６は、図５に示した各サンプルにおけるブロック材およびリング材の摩耗量を測定した結果を示すグラフである。

【図7】図７は、接触面圧の算出に用いるパラメータを説明するための図である。

【図8】図８は、複数の冷媒の吐出圧力、吸入圧力、吐出飽和温度、吸入飽和温度、ブロック面圧の差圧、ブロック面圧の増加率および接触面圧の増加率を示す表である。

【図9】図９は、図８に示す接触面圧の増加率等に基づき各冷媒の組み合わせにおける摩耗量を予測した結果を示すグラフである。

【図10】図１０は、図８に示す接触面圧の増加率等に基づき各冷媒の組み合わせにおける摩耗量を予測した他の結果を示すグラフである。

【図11】図１１は、変形例に係る圧縮機構部の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

一実施形態につき図面を参照しながら説明する。
本実施形態においては、圧縮機の一例であるロータリ式の圧縮機と、この圧縮機を備える冷凍サイクル装置とを開示する。ただし、本発明に係る構成は、他種の圧縮機にも適用することが可能である。冷凍サイクル装置は、一例では空気調和機であるが、他種の装置であってもよい。

【0012】

図１は、本実施形態に係る圧縮機１および冷凍サイクル装置１００の概略的な構成を示す図である。圧縮機１は、圧縮機本体２と、アキュムレータ３と、これら圧縮機本体２およびアキュムレータ３を接続する一対の吸込管４とを備えている。

【0013】

冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１に加え、第１熱交換器１０１（放熱器）と、第２熱交換器１０２（吸熱器）と、膨張装置１０３とを備えている。第１熱交換器１０１は、圧縮機本体２の吐出口と配管で接続されている。第２熱交換器１０２は、アキュムレータ３と配管で接続されている。膨張装置１０３は、第１熱交換器１０１および第２熱交換器１０２と配管で接続されている。

【0014】

このように構成された冷凍サイクル装置１００の冷凍サイクルには、冷媒が循環する。この冷媒は、例えばＲ１２３４ｙｆ単体、またはＲ１２３４ｙｆを主成分とする冷媒である。Ｒ１２３４ｙｆを主成分とする冷媒としては、Ｒ１２３４ｙｆとＲ３２の混合冷媒が挙げられる。なお、冷媒の「主成分」とは、質量比で最も多く当該冷媒に含まれる成分を意味する。

【0015】

圧縮機１に供給される冷媒は、アキュムレータ３において気液分離され、そのガス冷媒が各吸込管４を介して圧縮機本体２に導かれる。圧縮機本体２は、ガス冷媒を圧縮する。圧縮された高圧のガス冷媒は、第１熱交換器１０１にて凝縮される。その後、冷媒は膨張装置１０３にて減圧され、第２熱交換器１０２にて蒸発し、再びアキュムレータ３に供給される。

【0016】

なお、冷凍サイクル装置１００の構成は図示したものに限られない。例えば、冷凍サイクル装置１００は、圧縮機１から吐出される冷媒の供給先を第１熱交換器１０１と第２熱交換器１０２の間で切り替えるとともに、アキュムレータ３への冷媒の供給元を第１熱交換器１０１と第２熱交換器１０２の間で切り替える四方弁をさらに備えてもよい。

【0017】

圧縮機本体２は、円筒状に形成された密閉容器５を有している。密閉容器５内の下部には、冷凍機油が貯留されている。さらに、密閉容器５内には、上部側に位置する電動機部６と、下部側に位置する圧縮機構部７とが収容されている。電動機部６および圧縮機構部７は、回転軸８を介して連結されている。

【0018】

電動機部６は、回転軸８に固定された回転子６０と、回転子６０を囲む固定子６１とを備えている。回転子６０には永久磁石が設けられ、固定子６１にはコイルが巻かれている。固定子６１は、密閉容器５に固定されている。回転子６０の回転に伴い、回転軸８が中心線ＡＸを中心に回転する。以下、中心線ＡＸと平行な方向を軸方向ＤＸと呼ぶ。

【0019】

圧縮機構部７は、回転軸８に沿って並ぶ第１シリンダ１１および第２シリンダ１２と、これらシリンダ１１，１２の間に配置された仕切板１３とを備えている。第１シリンダ１１は、軸方向ＤＸにおいて第２シリンダ１２と電動機部６の間に位置している。図１の例において、仕切板１３は、軸方向ＤＸに並ぶ第１仕切板１３１および第２仕切板１３２により構成されている。ただし、仕切板１３は、１つの連続した部材により構成されてもよい。

【0020】

第１シリンダ１１の上端面には、回転軸８を回転可能に保持する第１軸受１４（主軸受）が固定されている。第２シリンダ１２の下端面には、回転軸８を回転可能に保持する第２軸受１５（副軸受）が固定されている。

【0021】

回転軸８は、第１シリンダ１１、第２シリンダ１２および仕切板１３を貫通している。回転軸８は、１８０°の位相差で設けられた第１偏心部８１および第２偏心部８２を有している。第１偏心部８１は、円筒状の第１ローラ１６に嵌められている。第２偏心部８２は、円筒状の第２ローラ１７に嵌められている。

【0022】

第１シリンダ１１の内部には、第１シリンダ室Ｒ１が形成されている。第１シリンダ室Ｒ１は、第１シリンダ１１の内周面、第１軸受１４の下面、第１仕切板１３１の上面により囲われた空間に相当する。第１偏心部８１および第１ローラ１６は、第１シリンダ室Ｒ１に位置している。

【0023】

第２シリンダ１２の内部には、第２シリンダ室Ｒ２が形成されている。第２シリンダ室Ｒ２は、第２シリンダ１２の内周面、第２軸受１５の上面、第２仕切板１３２の下面により囲われた空間に相当する。第２偏心部８２および第２ローラ１７は、第２シリンダ室Ｒ２に位置している。

【0024】

回転軸８が回転すると、第１シリンダ室Ｒ１において、第１ローラ１６の外周面と第１シリンダ１１の内周面とが線接触した状態で、第１ローラ１６が中心線ＡＸに対し偏心回転する。同様に、回転軸８が回転すると、第２シリンダ室Ｒ２において、第２ローラ１７の外周面と第２シリンダ１２の内周面とが線接触した状態で、第２ローラ１７が中心線ＡＸに対し偏心回転する。

【0025】

第１軸受１４には、第１吐出弁機構１８が設けられている。例えば、第１吐出弁機構１８は、第１軸受１４に形成された吐出ポートと、吐出ポートを開閉するリード弁と、リード弁の最大開度を規制するストッパとを有している。第１吐出弁機構１８は、第１軸受１４に取付けられた第１マフラ１９により覆われている。第１マフラ１９には開口が設けられており、この開口を通じて第１マフラ１９の内外が連通している。

【0026】

第２軸受１５には、第２吐出弁機構２０が設けられている。例えば、第２吐出弁機構２０は、第２軸受１５に形成された吐出ポートと、吐出ポートを開閉するリード弁と、リード弁の最大開度を規制するストッパとを有している。第２吐出弁機構２０は、第２軸受１５に取付けられた第２マフラ２１により覆われている。図１の断面には表れていないが、第２マフラ２１内の空間と第１マフラ１９内の空間とは、第２軸受１５、第２シリンダ１２、仕切板１３、第１シリンダ１１および第１軸受１４を順に貫通する冷媒通路を通じて連通している。

【0027】

第１シリンダ１１および第２シリンダ１２は、密閉容器５に固定されている。第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、仕切板１３、第１軸受１４、第２軸受１５、第１マフラ１９および第２マフラ２１は、例えば軸方向ＤＸに長尺な複数のボルトＢＴ（図１においては１つのみ示す）によって連結されている。

【0028】

アキュムレータ３は、ケース３０を有している。第２熱交換器１０２で気化されたガス冷媒は、液冷媒とともに配管を通じてケース３０内に流入する。各吸込管４の一端がケース３０内の上部に位置しており、これら一端を通じてケース３０内のガス冷媒が吸込管４に流入する。各吸込管４の他端は、ケース３０の下端側から延出し、第１シリンダ１１および第２シリンダ１２にそれぞれ接続されている。

【0029】

図２は、第１シリンダ１１の位置における圧縮機構部７の概略的な横断面図である。この図の例では、第１シリンダ室Ｒ１に連通するベーンスロット１１０が第１シリンダ１１に形成されている。ベーンスロット１１０は、第１シリンダ室Ｒ１の径方向に延びている。

【0030】

ベーンスロット１１０には、第１シリンダ室Ｒ１の径方向に沿って移動可能にベーン２２が挿入されている。ベーン２２は、例えばコイルスプリングである付勢部材２３によって常に第１シリンダ室Ｒ１に向けて付勢されている。ベーン２２は、図２に示す断面形状で軸方向ＤＸに延びている。ベーン２２の先端面ＳＦａは、第１ローラ１６の外周面ＳＦｂに摺動可能に接触している。

【0031】

第１シリンダ室Ｒ１は、ベーン２２により吸入室Ｒａと圧縮室Ｒｂに区画されている。第１シリンダ１１には、吸入室Ｒａに通じる吸入路１１１が形成されている。吸入路１１１からは、上述の吸込管４を通じてガス冷媒が供給される。回転軸８が回転すると、第１偏心部８１および第１ローラ１６の偏心回転に伴い、吸入室Ｒａと圧縮室Ｒｂの容積が変化する。これにより、ガス冷媒が圧縮される。圧縮されたガス冷媒は、上述の第１吐出弁機構１８を介して圧縮室Ｒｂから第１マフラ１９により囲われた空間に吐出される。

【0032】

図２においては、上述のボルトＢＴを通すための複数のボルト孔Ｈが第１シリンダ１１に設けられている。図２においては省略していが、第１シリンダ１１は、第２マフラ２１内の空間と第１マフラ１９内の空間とを連通する上述の冷媒通路を構成する連通孔も有し得る。

【0033】

第２シリンダ１２の位置における圧縮機構部７の断面構造は、図２に示したものと同様である。すなわち、第２シリンダ１２にもベーンスロット１１０および吸入路１１１が設けられ、ベーンスロット１１０にベーン２２と付勢部材２３が収容されている。そして、吸込管４から吸入されたガス冷媒が吸入路１１１を通じて吸入室Ｒａに供給され、第２偏心部８２および第２ローラ１７の偏心回転に伴って圧縮される。圧縮されたガス冷媒は、上述の第２吐出弁機構２０を介して圧縮室Ｒｂから第２マフラ２１により囲われた空間に吐出される。

【0034】

一般的なロータリ式の圧縮機において、ローラとベーンは、例えばマルテンサイト系ステンレスであるＳＵＳ４４０Ｃ、高速度工具鋼であるＳＫＨ５１、あるいはＮｉ－Ｃｒ－Ｍｏ（ニッケル、クロム、モリブデン）系の片状黒鉛鋳鉄であるモニクロ鋳鉄などの金属材料で形成されている。

【0035】

これに対し、本実施形態に係る圧縮機１においては、第１ローラ１６、第２ローラ１７およびこれらローラ１６，１７と摺動する各ベーン２２の少なくとも１つが樹脂材料で形成されている。具体的には、第１ローラ１６および第２ローラ１７が樹脂材料で形成され、各ベーン２２が金属材料で形成されている。

【0036】

第１ローラ１６および第２ローラ１７を形成する樹脂材料は、これらローラ１６，１７の外周面ＳＦｂとベーン２２の先端面ＳＦａの接触面圧以上の圧縮強度を有している。さらに、少なくとも各ベーン２２の先端面ＳＦａには、硬さを増加させる表面処理が施されている。

【0037】

一例では、上記接触面圧は、圧縮機１または当該圧縮機１を含む冷凍サイクルにおける冷媒の設計圧力（例えば基準凝縮温度６５℃時の圧力）と大気圧の差を最大値として、ヘルツの接触理論に基づき算出されるヘルツ接触面圧である。
ここで、設計圧力とは、例えば冷凍保安規則関係例示基準に則したものである。

【0038】

第１ローラ１６および第２ローラ１７を形成する樹脂材料としては、熱硬化性の樹脂材料を用いることが好ましく、中でもフェノール樹脂が適している。フェノール樹脂などの熱硬化性の樹脂材料は、ＰＥＥＫやＰＢＴなどの熱可塑性の樹脂材料に比べて高いガラス転移温度を有しており、密閉容器５の内部が高温となった場合でも良好な機械的特性を発揮する。

【0039】

各ベーン２２を形成する金属材料としては、例えばＳＵＳ４４０ＣまたはＳＫＨ５１を用いることができる。これらの金属材料に対して施される表面処理としては、例えば金属表面に硬質炭素膜を形成するＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理や窒化処理を用いることができる。

【0040】

第１ローラ１６および第２ローラ１７を形成する樹脂材料は、ガラスファイバやカーボンファイバなどの強化繊維を含むことが好ましい。これにより、当該樹脂材料の圧縮強度を高めることができる。さらに、当該樹脂材料の線膨張係数を小さくでき、密閉容器５の内部が高温となった場合であっても第１ローラ１６および第２ローラ１７の変形を抑制できる。

【0041】

以下に、樹脂材料を用いた圧縮機１の評価試験、樹脂材料の圧縮強度、冷媒の適用範囲について説明する。

【0042】

［評価試験］
第１ローラ１６および第２ローラ１７の材料と、ベーン２２の材料との複数の組み合わせに対し、ブロック・オン・リング評価試験を行うことで摩耗量を評価した。

【0043】

図３は、ブロック・オン・リング評価試験の概要を示す図である。このブロック・オン・リング評価試験においては、ベーン２２を模したブロック材ＢＬと、第１ローラ１６および第２ローラ１７を模したリング材ＲＮとを使用した。リング材ＲＮは、軸ＡＸ０を中心として回転する。図３中の（ａ）はブロック材ＢＬとリング材ＲＮを軸ＡＸ０と平行な方向に見た平面図であり、図３中の（ｂ）はブロック材ＢＬとリング材ＲＮの側面図である。

【0044】

評価試験に際しては、ブロック材ＢＬの背面から荷重Ｗを加え、ブロック材ＢＬの摺動面ＳＦ１をリング材ＲＮの摺動面ＳＦ２（外周面）に押し当てた。この状態を所定時間保持することにより、ブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮの摩耗量を測定した。

【0045】

なお、試験中はブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮが配置された評価試験機内に冷凍機油と冷媒を充填し、適当な試験温度に加熱した。冷凍機油としてはエステル油を用いた。冷媒としてはＲ４１０ＡおよびＲ１２３４ｙｆを用いた。

【0046】

図４は、当該評価試験において想定した冷凍サイクルの温度条件を示す表である。冷媒としてＲ４１０ＡおよびＲ１２３４ｙｆを用いる場合のいずれにおいても、凝縮温度が５０℃、蒸発温度が０℃、加熱度（ＳＨ）が５Ｋ、過冷却量（ＳＣ）が８Ｋ、断熱圧縮効率が７０％である。

【0047】

圧縮機１の吐出温度は、Ｒ４１０Ａの場合には８９℃であり、Ｒ１２３４ｙｆの場合には６０℃である。試験温度は、これら吐出温度に約１０Ｋを加算して、Ｒ４１０Ａは１００℃、Ｒ１２３４ｙｆは７０℃とした。

【0048】

ロータリ式の圧縮機１においては、ベーン２２の背圧が高圧（吐出圧力）であり、圧縮室Ｒｂの内部が低圧（吸入圧力）である。これら吐出圧力と吸入圧力の圧力差により、第１ローラ１６および第２ローラ１７にそれぞれベーン２２が押し付けられ、これらローラ１６，１７と各ベーン２２が密着する。

【0049】

このような構造においては、ローラ１６，１７と各ベーン２２の接触部における接触面圧は、冷媒の圧力に依存する。そこで、ブロック・オン・リング評価試験の荷重Ｗ［Ｎ］（ブロック面圧）は、冷媒としてＲ４１０Ａを用いる想定の場合には６５０Ｎとし、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを用いる想定の場合には２８０Ｎとした。

【0050】

図５は、ブロック・オン・リング評価試験において用いたブロック材ＢＬ、リング材ＲＮおよび冷媒の組み合わせを示す表である。当該評価試験は、９つのサンプルＳＰ１～ＳＰ９について実施した。

【0051】

サンプルＳＰ１，ＳＰ２は本実施形態との比較例に相当し、いずれにおいても冷媒としてＲ４１０Ａを用いる場合を想定している。サンプルＳＰ１において、ブロック材ＢＬは表面処理として窒化処理が施されたＳＵＳ４４０Ｃで形成され、リング材ＲＮはモニクロ鋳鉄で形成されている。サンプルＳＰ２において、ブロック材ＢＬは表面処理としてＤＬＣ処理が施されたＳＫＨ５１で形成され、リング材ＲＮはモニクロ鋳鉄で形成されている。

【0052】

サンプルＳＰ３～ＳＰ９においては、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを用いる場合を想定し、ブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮの一方を非金属材料で形成した。サンプルＳＰ３において、ブロック材ＢＬは樹脂Ａで形成され、リング材ＲＮはモニクロ鋳鉄で形成されている。樹脂Ａは、強化繊維としてガラスファイバを含むフェノール樹脂である。

【0053】

サンプルＳＰ４において、ブロック材ＢＬは窒化処理が施されたＳＵＳ４４０Ｃで形成され、リング材ＲＮは樹脂Ａで形成されている。サンプルＳＰ５において、ブロック材ＢＬはＤＬＣ処理が施されたＳＫＨ５１で形成され、リング材ＲＮは樹脂Ａで形成されている。

【0054】

サンプルＳＰ６において、ブロック材ＢＬは窒化処理が施されたＳＵＳ４４０Ｃで形成され、リング材ＲＮは樹脂Ｂで形成されている。サンプルＳＰ７において、ブロック材ＢＬはＤＬＣ処理が施されたＳＫＨ５１で形成され、リング材ＲＮは樹脂Ｂで形成されている。樹脂Ｂは、強化繊維としてカーボンファイバを含むフェノール樹脂である。

【0055】

サンプルＳＰ８において、ブロック材ＢＬは窒化処理が施されたＳＵＳ４４０Ｃで形成され、リング材ＲＮはカーボンで形成されている。サンプルＳＰ９において、ブロック材ＢＬはＤＬＣ処理が施されたＳＫＨ５１で形成され、リング材ＲＮはカーボンで形成されている。これらのカーボンは、炭素黒鉛質材料を加工して成形されている。

【0056】

図６は、サンプルＳＰ１～ＳＰ９におけるブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮの摩耗量［μｍ］を測定した結果を示すグラフである。サンプルＳＰ１，ＳＰ２は、従来から使用されているローラおよびベーンの材料と冷媒（Ｒ４１０Ａ）の組み合わせである。すなわち、サンプルＳＰ１，ＳＰ２が摩耗量の基準となる。測定結果における基準となる摩耗量は、ブロック材ＢＬが約０．７～０．９μｍ程度、リング材ＲＮが０．４～０．６μｍ程度である。

【0057】

サンプルＳＰ３においては、ブロック材ＢＬの摩耗量がサンプルＳＰ１，ＳＰ２に比べて５倍以上と著しく増加している。したがって、第１ローラ１６および第２ローラ１７をモニクロ鋳鉄で形成する場合には、ベーン２２を樹脂Ａで形成すべきでないことが分かる。

【0058】

リング材ＲＮを樹脂Ａで形成したサンプルＳＰ４，ＳＰ５においては、サンプルＳＰ３に比べてブロック材ＢＬの摩耗量が抑制されている。ただし、サンプルＳＰ４においては、サンプルＳＰ３ほどではないものの、ブロック材ＢＬの摩耗量がサンプルＳＰ１，ＳＰ２に比べて３倍程度増加している。サンプルＳＰ４においては、リング材ＲＮの摩耗量がブロック材ＢＬの摩耗量よりも小さい。サンプルＳＰ５においては、ブロック材ＢＬの摩耗量がサンプルＳＰ１，ＳＰ２に比べて小さく、リング材ＲＮの摩耗量もサンプルＳＰ１，ＳＰ２と同等である。

【0059】

なお、サンプルＳＰ４の摩耗量がサンプルＳＰ５よりも大きくなった理由としては、ブロック材ＢＬとリング材ＲＮの摺動によってリング材ＲＮの摺動面ＳＦ２にガラスファイバが露出し、このガラスファイバがブロック材ＢＬの摺動面ＳＦ１を傷つけたことが考えられる。また、窒化処理されたＳＵＳ４４０Ｃの硬さが約１０００ＨＶ０．１であるのに対し、ＤＬＣ処理されたＳＫＨ５１の硬さが約２０００ＨＶ０．１であり、この硬さの相違に起因してサンプルＳＰ５の結果が優れていたとも考えられる。

【0060】

リング材ＲＮを樹脂Ｂで形成したサンプルＳＰ６，７においては、ブロック材ＢＬの材質に関わらず、ブロック材ＢＬの摩耗量およびリング材ＲＮの摩耗量の双方において良好な結果が得られた。ただし、時間経過とともにリング材ＲＮの摺動面ＳＦ２にカーボンファイバが露出してブロック材ＢＬの摺動面ＳＦ１を傷つける可能性がある。この観点からは、ＤＬＣ処理された高強度のＳＫＨ５１でブロック材ＢＬが形成されることが好ましい。

【0061】

サンプルＳＰ８，ＳＰ９のいずれにおいても、リング材ＲＮの摩耗量がサンプルＳＰ１，ＳＰ２に比べて大幅に増加した。カーボン単体ではリング材ＲＮの強度が不足している可能性があるため、カーボン単体で第１ローラ１６および第２ローラ１７を形成すべきでないことが分かる。

【0062】

以上のブロック・オン・リング評価試験の結果から、ブロック材ＢＬとリング材ＲＮの一方、すなわちベーン２２とローラ１６，１７の一方を樹脂で形成し、かつベーン２２の先端面ＳＦａまたはローラ１６，１７の外周面ＳＦｂに硬さを増す表面処理が施されていれば、摩耗量を抑制して圧縮機１の信頼性を確保可能であることが分かる。特に、サンプルＳＰ５，ＳＰ７の結果に基づけば、表面処理としてはＤＬＣ処理が施されていることが好ましい。

【0063】

なお、ガラスファイバを含む樹脂Ａは高い等方性を有するのに対し、カーボンファイバを含む樹脂Ｂは樹脂Ａに比べて異方性が大きい。このような樹脂Ａ，Ｂの機械的性質を考慮した場合、樹脂Ｂよりも樹脂Ａを用いる方が好ましい。

【0064】

［樹脂材料の圧縮強度］
上述の通り、第１ローラ１６および第２ローラ１７を形成する樹脂材料は、ベーン２２の先端面ＳＦａとこれらローラ１６，１７の外周面ＳＦｂの接触面圧以上の圧縮強度（圧縮強さ）を有している。これにより、圧縮機１の信頼性を一層高めることができる。なお、上述の樹脂Ａ，Ｂは、いずれも３００ＭＰａ以上の圧縮強度を有している。

【0065】

ロータリ式の圧縮機１においては、ベーン２２の先端面ＳＦａと、円筒面であるローラ１６，１７の外周面ＳＦｂとが接触するため、ヘルツの接触理論に基づきこれらの接触面圧を求めることができる。

【0066】

図７は、接触面圧の算出に用いるパラメータを説明するための図である。ここでは、ブロック・オン・リング評価試験で用いたブロック材ＢＬとリング材ＲＮをそれぞれベーン２２とローラ１６，１７のモデルとして各パラメータを例示している。図７中の（ａ）はリング材ＲＮの回転の軸（上述のＡＸ０）と平行に見たブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮの断面の一部を示しており、（ｂ）は当該軸と平行なブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮの断面を示している。

【0067】

図７中の（ａ）に示す“Ｄ”はブロック材ＢＬの幅であり、“２ｂ”は摺動面ＳＦ１，ＳＦ２の接触幅［ｍ］であり、“Ｗ”はブロック材ＢＬの背面に作用する荷重［Ｎ］である。図７中の（ｂ）に示す“Ｌ”はリング材ＲＮの軸と平行な方向における摺動面ＳＦ１，ＳＦ２の接触長さ［ｍ］である。

【0068】

接触幅の半値ｂ［ｍ］は、等価曲率半径Ｒと等価ヤング率Ｅ’を用いて以下の式で表すことができる。

【数1】

【0069】

等価曲率半径Ｒは、摺動面ＳＦ１の曲率半径Ｒ_１と摺動面ＳＦ２の曲率半径Ｒ_２を用いて次式で与えられる。

【数2】

【0070】

等価ヤング率Ｅ’の逆数は次式で与えられる。

【数3】

ここで、Ｅ_１はブロック材ＢＬのヤング率［Ｐａ］であり、Ｅ_２はリング材ＲＮのヤング率［Ｐａ］であり、ν_１はブロック材ＢＬのポアソン比であり、ν_２はリング材ＲＮのポアソン比である。

【0071】

摺動面ＳＦ１，ＳＦ２の接触面圧の最大値Ｐ_max［Ｎ／ｍ^２＝Ｐａ］と平均接触面圧Ｐ_mean［Ｎ／ｍ^２＝Ｐａ］は、次式で与えられる。

【数4】

【0072】

上式を整理すると、次式が得られる。

【数5】

ここで、荷重Ｗは、冷媒の圧力に基づき算出される。例えばロータリ式の圧縮機１の場合、荷重Ｗは吐出圧力と吸入圧力の差圧と考えることができ、圧縮機１の運転中に最も高くなる圧力と最も低くなる圧力とに基づき算出することが可能である。具体的には、荷重Ｗは、圧縮機１または当該圧縮機１を含む冷凍サイクルにおける冷媒の設計圧力と大気圧の差として算出すれば最も大きい値が得られる。

【0073】

上記の通り求まるヘルツ接触面圧（Ｐ_max）よりも大きい圧縮強度を有するように、リング材ＲＮの樹脂材料、すなわち第１ローラ１６や第２ローラ１７に用いる樹脂材料が選定される。樹脂材料は、上記接触面圧に所定の係数（例えば２）を掛けた値よりも大きい圧縮強度を有するように選定されてもよい。また、樹脂材料の強度には温度依存性があるため、温度に応じた圧縮強度（例えば１４０℃時の圧縮強度）が上記接触面圧よりも大きくなるように樹脂材料が選定されてもよい。

【0074】

なお、ヘルツ接触面圧の計算に用いた各パラメータは、圧縮機１の構成要素のパラメータとして当てはめることができる。すなわち、“Ｄ”はベーン２２の幅に相当し、“２ｂ”は先端面ＳＦａと外周面ＳＦｂとの接触幅に相当し、“Ｗ”はベーン２２の背面に作用する荷重に相当し、“Ｌ”は軸方向ＤＸにおける先端面ＳＦａと外周面ＳＦｂの接触長さに相当し、“Ｒ_１”は先端面ＳＦａの曲率半径に相当し、“Ｒ_２”は外周面ＳＦｂの曲率半径に相当し、“Ｅ_１”はベーン２２のヤング率に相当し、“Ｅ_２”はローラ１６，１７のヤング率に相当し、“ν_１”はベーン２２のポアソン比に相当し、“ν_２”はローラ１６，１７のポアソン比に相当し、“Ｐ_max”は先端面ＳＦａと外周面ＳＦｂの接触面圧の最大値に相当し、“Ｐ_mean”は先端面ＳＦａと外周面ＳＦｂの平均接触面圧に相当する。

【0075】

［冷媒の適用範囲］
上述のブロック・オン・リング評価試験においては冷媒としてＲ４１０ＡまたはＲ１２３４ｙｆが単体で用いられる場合を想定した。Ｒ１２３４ｙｆは、一般的にＲ３２と混合された状態で、主に空気調和機、チリングユニット、あるいは冷凍機用の冷媒として使用されることがある。Ｒ１２３４ｙｆは低圧であり、Ｒ３２は高圧となるため、これらの混合冷媒の圧力はＲ１２３４ｙｆとＲ３２の間の範囲内となる。これらの混合比率によってはローラ１６，１７やベーン２２の摩耗量があまり増加しないため、本実施形態に係る圧縮機１の冷媒として用い得る。

【0076】

冷媒を変更した場合の摩耗量を予測する方法について以下に説明する。
一般に、摩耗量は、比摩耗量を用いることで算出できる。摩耗量の単位は［ｍｍ］であり、比摩耗量の単位は［ｍｍ^３／（Ｎ・ｍ）］である。そのため次式で示すように、接触面圧Ｐ［Ｎ／ｍｍ^２］、摺動速度Ｖ［ｍ／Ｓ］、摺動時間Ｔ［Ｓ］を比摩耗量Ｋに対し乗じることで摩耗量Ｘ［ｍｍ］が算出される。

【数6】

【0077】

ブロック・オン・リング評価試験において、比摩耗量Ｋ、接触面圧Ｐ、摺動速度Ｖおよび摺動時間Ｔは、既知の値である。比摩耗量Ｋは、冷媒としてＲ１２３４ｙｆを想定した上述の評価試験の結果から算出することができ、その値は固定値として扱うことが可能である。また、摺動速度Ｖおよび摺動時間Ｔは、ブロック・オン・リング評価試験における試験パラメータであり、固定値である。

【0078】

すなわち、冷媒を変更した場合の摩耗量は、この冷媒変更に伴う接触面圧Ｐの変化率を算出することで予測できる。具体的には、Ｒ１２３４ｙｆおよびＲ３２の混合冷媒の組成比が変化したときの摩耗量Ｘは、ブロック・オン・リング評価試験におけるブロック材ＢＬおよびリング材ＲＮの接触面圧Ｐの増加率を計算することで簡易的に予測可能である。

【0079】

上述の通り、接触面圧の最大値Ｐ_maxと平均接触面圧Ｐ_meanは次式で与えられる。

【数7】

【0080】

等価曲率半径Ｒ、ヤング率Ｅ_１，Ｅ_２、ポアソン比ν_１，ν_２および接触長さＬは、ブロック・オン・リング評価試験における試験パラメータまたは材料固有のパラメータであり、固定値である。つまり、ブロック材ＢＬとリング材ＲＮの接触面圧Ｐを求める場合、荷重Ｗ以外は冷媒の種類によらずに固定値として扱うことができる。

【0081】

荷重Ｗは、ブロック材ＢＬの背面に加わる面負荷であり、次式で与えられる。

【数8】

ここで、ｄＰはブロック材ＢＬに加わるブロック面圧［Ｎ／ｍ^２＝Ｐａ］である。接触面圧Ｐの増加率は、冷媒の種類による荷重Ｗの変化率を求め、その平方根を求めることで算出される。この増加率に基づけば、上述の通り各冷媒のＲ１２３４ｙｆに対する摩耗量増加率を予測することができる。

【0082】

図８は、複数の冷媒の吐出圧力、吸入圧力、吐出飽和温度、吸入飽和温度、ブロック面圧の差圧、ブロック面圧の増加率および接触面圧の増加率を示す表である。ここでは冷媒として、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ４５４Ｃ、Ｒ４５４Ａ、Ｒ４５４ＢおよびＲ３２を例示する。Ｒ４５４Ｃ、Ｒ４５４Ａ、Ｒ４５４ＢおよびＲ３２のブロック面圧の増加率は、Ｒ１２３４ｙｆを基準としている。

【0083】

Ｒ４５４Ｃ、Ｒ４５４Ａ、Ｒ４５４ＢおよびＲ３２の吐出飽和温度および吸入飽和温度がＲ１２３４ｙｆと同等となるように、これら冷媒の吐出圧力および吸入圧力が定められている。具体的には、冷媒を混合する場合には温度グライドが生じるため、吐出飽和温度および吸入飽和温度のそれぞれにつき、乾き度１と乾き度０の飽和温度の平均値がＲ１２３４ｙｆと同等になるように各冷媒の吐出圧力および吸入圧力が定められている。

【0084】

なお、Ｒ１２３４ｙｆの吐出圧力（設計圧力）１．７３ＭＰａ_Ｇは、Ｒ４１０Ａ用の圧縮機で一般的に用いられる設計圧力４．１７ＭＰａ_Ｇに対応する飽和温度である６４．９℃と同じ飽和温度が得られるときの圧力である。

【0085】

Ｒ４３４Ｃ、Ｒ４５４ＡおよびＲ４５４Ｂは、いずれもＲ１２３４ｙｆとＲ３２の混合冷媒である。ただし、これら混合冷媒の組成比が異なるため、ＧＷＰおよび圧力もそれぞれ異なる。

【0086】

図９は、図８に示す接触面圧の増加率等に基づき、上述のサンプルＳＰ５と各冷媒の組み合わせにおける摩耗量を予測した結果を示すグラフである。図１０は、図８に示す接触面圧の増加率等に基づき、上述のサンプルＳＰ７と各冷媒の組み合わせにおける摩耗量を予測した結果を示すグラフである。

【0087】

なお、図９および図１０における基準１は、サンプルＳＰ１と同じく冷媒としてＲ４１０Ａを用いるとともに、ブロック材ＢＬに窒化処理を施し、リング材ＲＮをモニクロ鋳鉄で形成した場合の摩耗量である。また、基準２は、サンプルＳＰ２と同じく冷媒としてＲ４１０Ａを用いるとともに、ブロック材ＢＬにＤＬＣ処理を施し、リング材ＲＮをモニクロ鋳鉄で形成した場合の摩耗量である。
摩耗量を予測した結果、基準１，２のブロック材ＢＬの摩耗量は０．７～０．９μｍ程度、リング材ＲＮの摩耗量は約０．５μｍ程度である。

【0088】

図９および図１０に基づけば、各混合冷媒（Ｒ４５４Ｃ、Ｒ４５４Ａ、Ｒ４５４Ｂ）のいずれにおいても、Ｒ１２３４ｙｆから大きくは摩耗量が増加しないことが分かる。このことから、本実施形態に係る圧縮機１のように第１ローラ１６および第２ローラ１７を樹脂材料で形成する構成は、Ｒ１２３４ｙｆ単体の冷媒だけでなく、Ｒ１２３４ｙｆとＲ３２の混合冷媒にも適用可能である。

【0089】

以上の本実施形態に係る圧縮機１においては、圧縮機構部７を構成する部材の一部が樹脂材料で形成されているため、圧縮機構部７が軽量化される。これにより、例えば第１ローラ１６および第２ローラ１７の偏心量を大きくした場合であっても、回転軸８の剛性不足や振動の悪化が生じにくい。

【0090】

仮に第１ローラ１６および第２ローラ１７を金属材料の中では軽量なＡｌ－Ｓｉ合金鋳物で形成した場合であっても、その比重は２．６～３．０程度である。これに対し、第１ローラ１６および第２ローラ１７を樹脂材料で形成する場合には、その比重を２．０以下に抑制することができる。

【0091】

さらに、本実施形態においては、ローラ１６，１７を形成する樹脂材料がベーン２２との接触面圧以上の圧縮強度を有し、かつベーン２２の先端面ＳＦａにＤＬＣ処理や窒化処理等の表面処理が施されている。これにより、ローラ１６，１７およびベーン２２の摩耗量を抑制し、圧縮機１の信頼性を高めることができる。
以上の他にも、本実施形態からは上述した種々の好適な効果を得ることができる。

【0092】

なお、本実施形態において、ベーン２２は第１部材の一例であり、第１ローラ１６および第２ローラ１７は第２部材の一例である。ベーン２２の先端面ＳＦａは第１摺動面の一例であり、第１ローラ１６および第２ローラ１７の外周面ＳＦｂは第２摺動面の一例である。

【0093】

本実施形態においてはローラ１６，１７が樹脂材料で形成され、ベーン２２が金属材料で形成される場合を例示した。他の例として、ローラ１６，１７が表面処理された金属材料で形成され、ベーン２２が樹脂材料で形成されてもよい。この場合においては、第１ローラ１６および第２ローラ１７が第１部材の一例であり、ベーン２２が第２部材の一例である。また、ローラ１６，１７およびベーン２２の双方が樹脂材料で形成されてもよい。この場合において、ローラ１６，１７およびベーン２２の少なくとも一方の表面にＤＬＣ処理等の表面処理が施されていれば、摺動時の熱によるローラ１６，１７およびベーン２２の溶着を抑制できる。

【0094】

本実施形態においては、２つのシリンダ１１，１２を備えるロータリ式の圧縮機１を例示した。他の例として、圧縮機１は、シリンダを１つのみ、あるいは３つ以上備えてもよい。

【0095】

第１部材および第２部材を含む摺動機構は、ロータリ式の圧縮機１のローラ１６，１７とベーン２２だけでなく、他種の圧縮機の摺動機構に適用することも可能である。他種の圧縮機としては、例えばスウィングロータリ式の圧縮機が挙げられる。

【0096】

図１１は、スウィングロータリ式の圧縮機が備える圧縮機構部２００（摺動機構）の一例を示す図である。この圧縮機構部２００は、シリンダ２１０と、ピストン２２０とを備えている。

【0097】

シリンダ２１０は、シリンダ室Ｒｍと、スロット２１１と、冷媒の吸入路２１２とを有している。シリンダ室Ｒｍには、電動機部により駆動される回転軸の偏心部２３０が配置されている。

【0098】

ピストン２２０は、偏心部２３０が嵌められた円筒状のローラ２２１と、ローラ２２１から径方向に突出するブレード２２２とを有している。これらローラ２２１とブレード２２２は、一体的に形成されている。

【0099】

スロット２１１には、一対のブッシュ２４０が配置されている。ブレード２２２は、スロット２１１においてこれらブッシュ２４０の間に通されている。シリンダ室Ｒｍは、ブレード２２２によって吸入室Ｒａと圧縮室Ｒｂに区画されている。

【0100】

このような構成の圧縮機構部２００においては、偏心部２３０およびローラ２２１の偏心回転に伴い、ブレード２２２がスロット２１１から進退するとともに、吸入室Ｒａと圧縮室Ｒｂの容積が変化する。これにより、ガス冷媒が圧縮される。この圧縮動作においては、ブレード２２２とブッシュ２４０とが摺動する。

【0101】

圧縮機構部２００において、例えばピストン２２０を上述の実施形態におけるローラ１６，１７と同様の樹脂材料で形成し、ブッシュ２４０を上述の実施形態におけるベーン２２と同様の金属材料で形成してもよい。この場合、ブッシュ２４０は第１部材の一例であり、ピストン２２０は第２部材の一例であり、ブッシュ２４０の表面は第１摺動面の一例であり、ブレード２２２の表面は第２摺動面の一例である。

【0102】

また、例えばブッシュ２４０を上述の実施形態におけるローラ１６，１７と同様の樹脂材料で形成し、ピストン２２０を上述の実施形態におけるベーン２２と同様の金属材料で形成してもよい。この場合、ピストン２２０は第１部材の一例であり、ブッシュ２４０は第２部材の一例であり、ブレード２２２の表面は第１摺動面の一例であり、ブッシュ２４０の表面は第２摺動面の一例である。

【0103】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

【符号の説明】

【0104】

１…圧縮機、５…密閉容器、６…電動機部、７…圧縮機構部、８…回転軸、１１，１２…シリンダ、１３…仕切板、１４…第１軸受、１５…第２軸受、１６，１７…ローラ、２２…ベーン、８１，８２…偏心部、１００…冷凍サイクル装置、１０１…第１熱交換器、１０２…第２熱交換器、１０３…膨張装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】