Compressor

本発明は、例えば冷凍空調機器に用いられる圧縮機、特に冷媒として、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素、組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくともいずれかを含む混合物、のいずれかを用いる圧縮機に関する。

カーエアコンの分野では、低ＧＷＰ（地球温暖化係数）冷媒としてテトラフルオロプロペン（例えば、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン-1-ene、以下「ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（CF3CF＝CH２）」という）が有力視されている。

定置式の空気調和機では、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒の代替策が見えないのが現状であるが、炭素の二重結合を有する炭化水素やＨＦＣをベースにして不燃化したもの（例えば二重結合を有する化合物や臭素やヨウ素や酸素などを組み合わせたもの）等が提案されている。

ところで、密閉容器内に、塩素とフッ素を含まない炭化水素系化合物の冷媒を圧縮する圧縮機およびこの圧縮機を駆動する電動機と、この冷媒と相溶性を有する冷凍機油とを収容する密閉型圧縮機において、５ｗｔ％以内の内部離型剤を含有し、あるいは射出成形もしくは押し出し成形時の成形型に離型剤を塗布して製造された直鎖型のＰＰＳ樹脂、レゾール型のフェノール樹脂、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ）、ＰＡ樹脂、ＰＩ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＥＴ樹脂の群から選択される少なくとも１種類よりなる絶縁用構成部材を具備し、炭化水素系化合物の冷媒は、Ｒ１７０（エタン）、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ６００（ｎ−ブタン）、Ｒ６００ａ（I−ブタン）、Ｒ１１５０（エチレン）、Ｒ１２７０（プロピレン）の群から選択される１種類以上の冷媒からなる密閉形電動圧縮機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 なお、ＰＰＳ樹脂はポリフェニレンスルフィド、ＰＴＦＥはポリテトラフルオロエチレン、ＥＴＦＥはエチレンフッ化エチレン共重合体、ＦＥＰはフロロエチレンプロピレン共重合体、ＰＦＡはペルフロロアルコキシフッ素樹脂、ＰＡ樹脂はポリアミド、ＰＩ樹脂はポリイミド、ＰＢＴ樹脂はポリブチレンテレフタレート、ＰＥＴ樹脂はポリエチレンテレフタレートである。

また、圧縮機をＧＷＰ１５０以下の低ＧＷＰ冷媒に適合させることにより、地球温暖化への影響を十分抑制するために、圧縮要素の摺動部材を軟質基材に硬質粒子が分散している材料で構成するとともに、摺動部材の表層部に傾斜層を設けて表面を硬質基材リッチにすることにより、油膜形成能力が高くなり、ＧＷＰが１５０以下でＲ１３４ａ（1,1,1,2-テトラフルオロエタン）より極性が高い冷媒雰囲気における摺動部材の磨耗を十分抑制することができるようにして、低ＧＷＰ冷媒用の圧縮機を得られるようにしたものも提案されている。 そして、冷媒としては、Ｒ１３４ａより極性が高くかつＧＷＰが１５０以下であればよく、ＨＦＣをベースにして不燃化したもの、例えば二重結合を有する化合物や臭素やヨウ素や酸素などを組み合わせたものでも良いとされている。 また、混合冷媒で少なくとも一つがＲ１３４ａより極性が高いものを含むものであってもよいということも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

炭素の二重結合を有する物質は、安定性に課題があり、分解および重合の可能性がある。 一般に重合の条件となるものは、高温・高圧や触媒である。

炭素の二重結合を有する物質を冷媒とし、圧縮機として例えばスライディングベーン圧縮機を用いた場合、その圧縮要素の摺動部であるベーン摺動部において、金属相互の直接接触による高温が発生して、炭素の二重結合を有する物質の分解および重合の懸念があり、これらを抑制する対策が必要である。

本発明の技術的課題は、金属相互の直接接触による高温の発生を抑えて、炭素の二重結合を有する物質の分解および重合を抑制できるようにすることにある。

本発明に係る圧縮機は、下記の構成からなるものである。 すなわち、摺動部材を有し冷媒を圧縮する圧縮要素と、圧縮要素を駆動する電動要素とを備え、冷媒として、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素、組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくともいずれかを含む混合物、のいずれかを用いてなる圧縮機において、圧縮要素の摺動部材の摺接部、又は摺動部材が摺接する相手部材の摺接部の、少なくとも一方における表面を非金属で構成したものである。

本発明に係る圧縮機においては、圧縮要素の摺動部材の摺接部、又は摺動部材が摺接する相手部材の摺接部の、少なくとも一方における表面を非金属で構成しているので、金属相互の直接接触による摩擦が低減されて、高温の発生を抑えることができ、また摺接部の金属表面も活性化され難くなる。 このため、冷媒として、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素、組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくともいずれかを含む混合物、のいずれかを用いた場合でも、摺動部における冷媒の化学反応による分解や重合が抑制される。 また、スラッジの発生が抑制され、圧縮機の故障や冷凍回路内の詰まりを防止し、長期にわたる信頼性を得ることが可能となる。

本発明が適用される圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。

図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。

実施形態１．
以下、図示実施形態により本発明を説明する。
図１は本発明が適用される圧縮機すなわちスライディングベーン圧縮機の全体構成を示す縦断面図である。 図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。

本実施形態のスライディングベーン圧縮機２００は、図１のように密閉容器２０内が高圧の縦型のものである。 密閉容器２０内の下部には、圧縮要素１０１が収納されている。 密閉容器２０内の上部で圧縮要素１０１の上方には、圧縮要素１０１を駆動する電動要素１０２が収納されている。 圧縮容器２０内の底部には、圧縮要素１０１の各摺動部を潤滑するための冷凍機油３０が貯留されている。

これを更に詳述すると、圧縮要素１０１は、シリンダー１と、ローター２と、ベーン３と、主軸受４と、副軸受５と、駆動軸６とで構成される。

内部に圧縮室が形成されるシリンダー１は、図２のように外周が平面的に見て略円形で、内部に平面的に見て略円形の空間であるシリンダー室１ａを備えたリング状を呈している。 シリンダー室１ａは、軸方向両端が開口している。 シリンダー１は、図１のように側方より見て所定の軸方向の高さを有している。

このシリンダー１は、主軸受４と副軸受５との間にボルトで固定され、シリンダー室１ａは、主軸受４と副軸受５により閉塞されるようになっている。

主軸受４は、吐出弁（図示せず）を備えている。 なお、この吐出弁は、主軸受４、副軸受５のいずれか一方、又は両方に付けてもよいものである。

駆動軸６は、主軸受４と副軸受５によって摺動（回動）自在に支持されている。 この駆動軸６には、円柱状のローター２が軸着されている。 ローター２には、ベーン溝２ａが形成され、ベーン溝２ａには、ベーン３が摺動自在に収納されている。 このベーン３は、背圧室２ｂの圧力と、ローター２の回転による遠心力とによって、シリンダー室１ａの内周面に押し付けられている。 そして、ベーン３は、ローター２と共に回転し、隣り合うベーン３の間に吸入室１０と圧縮室１１が形成されるようになっている。 そして、吸入室１０は、シリンダー１に設けられた吸入口１２に連通し、圧縮室１１は、主軸受４に設けられた吐出弁（図示せず）に連通している。

主軸受４には、その外側（電動要素１０２側）に吐出マフラー７が取り付けられている。 主軸受４の吐出弁から吐出される高温・高圧の吐出ガスは、一旦、吐出マフラー７に入り、その後、吐出マフラー７から密閉容器２０内に放出される。 なお、副軸受５側に吐出マフラー７を持つ場合もある。

密閉容器２０の横には、冷凍サイクルからの低圧の冷媒ガスを吸入し、液冷媒が戻る場合に液冷媒が直接、シリンダー１のシリンダー室１ａに吸入されるのを抑制する吸入マフラー２１が設けられている。 吸入マフラー２１は、シリンダー１の吸入口１２に吸入管２２を介して接続されている。 吸入マフラー２１の本体は、溶接等によって密閉容器２０の側面に固定されている。

次に、電動要素１０２の構成について説明する。
電動要素１０２は、固定子１３と回転子１４とを備える。 固定子１３は、密閉容器２０の内周面に嵌め合いして固定されている。 回転子１４は、固定子１３の内側に空隙を介して配置されている。

密閉容器２０には、電力の供給源である電源に接続する端子（ガラス端子）２４が、溶接により固定されている。 図１の例では、密閉容器２０の上面に端子２４が設けられている。 端子２４には、電動要素１０２からのリード線２３が接続される。

次に、本実施形態のスライディングベーン圧縮機の動作について説明する。
端子２４、リード線２３から電動要素１０２の固定子１３に電力が供給されることにより、回転子１４が回転する。 すると、回転子１４に固定された駆動軸６が回転し、それに伴い、ローター２がシリンダー１のシリンダー室１ａ内で回転する。 この回転による遠心力と背圧室２ｂの圧力によって、ベーン３はベーン溝２ａから突出し、その先端３ａがシリンダー室１ａの内周面に摺接しながらローター２と共に回転する。 ローター２の回転に伴って、冷媒は、吸入口１２から吸入室１０に吸入され、その後、圧縮室１１で圧縮されて吐出弁そして吐出マフラー７を経て密閉容器２０内に吐出される。 更に冷媒は、電動要素１０２を通過して密閉容器２０の上面にある吐出管２５より密閉容器２０外へ吐出される。

スライディングベーン圧縮機２００が前記運転動作を行う場合、部材相互が摺動する摺動部が以下に示すように複数ある。
（ａ）第１の摺動部：シリンダー室１ａの内周面とベーン３の先端３ａ
（ｂ）第２の摺動部：ローター２のベーン溝２ａとベーン３の側面部（両側面）３ｂ
（ｃ）第３の摺動部：主軸受４の内周面と駆動軸６の主軸部６ａ
（ｄ）第４の摺動部：副軸受５の内周面と駆動軸６の副軸部６ｂ

つまり、圧縮要素１０１に設けられて摺動部を構成する部材は、シリンダー１、ローター２、ベーン３、主軸受４、副軸受５、及び駆動軸６である。

先ず、第１の摺動部であるシリンダー室１ａの内周面とベーン３の先端３ａにおいては、ベーン３の表面に炭素系のDLC-Si（シリコン含有ダイヤモンドライクカーボン）コーティング（非金属の一例）を施した構成となっている。 このため、シリンダー室１ａの内周面とベーン３の先端３ａとの間の摺動は、金属相互の直接的な接触を避けることができ、高温条件となりにくく、また金属表面も活性化され難いので、冷媒の分解や重合を抑制することができる。

DLC-Siコーティングは、シリコンを含有したアモルファスカーボンであり、表層硬度（ＨｍＶ）はＨｍＶ＝２０００〜２５００、膜厚ｔはｔ＝３μｍ程度である。

コーティングが施される基材となる前記摺動部を構成する部材、つまりシリンダー１、ローター２、ベーン３、主軸受４、副軸受５、又は駆動軸６は、コーティング後の摺動特性向上の観点から、その表面の粗度（Ｒｚ）がＲｚ＝1.0以下、その硬度（ＨｍＶ）がＨｍＶ＝２０００〜３０００となるように構成されている。

第２の摺動部であるローター２のベーン溝２ａとベーン３の側面部（両側面）３ｂにおいても、前述のベーン３の表面にDLC-Siコーティングを施すことにより、金属相互の直接的な接触を避けることができ、高温条件となりにくく、また金属表面も活性化されにくいので、冷媒の分解や重合を抑制することができる。

第３の摺動部である主軸受４の内周面と駆動軸６の主軸部６ａ、及び第４の摺動部である副軸受５の内周面と駆動軸６の副軸部６ｂにおいても、駆動軸６の表面にリン酸マンガン皮膜を形成することで、金属相互の直接的な接触を避けることができる。 これにより、高温条件となり難く、また金属表面も活性化され難くなるので、冷媒の分解や重合を抑制することができる。 なお、駆動軸６における主軸受４および副軸受５と接触のない周面に、リン酸マンガン皮膜を形成してもよい。

前記のように構成することで、スライディングベーン圧縮機２００内の全ての摺動部において、金属相互の直接的な接触を防ぎ、圧縮要素１０１の部品として用いられている鉄系材料が、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の重合や分解の触媒として働くことを防止することができる。 このため、スラッジを生成し難くなり、スライディングベーン圧縮機２００の故障や冷凍回路内の詰まりが抑制され、長期に亘る信頼性を得ることが可能となる。

実施形態２．
前述の実施形態１においては、４箇所の摺動部の全てに対し、それぞれ金属相互の接触を避けるようにすることで、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果も抑制するようにしたものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものでなく、一部の摺接部、又は摺接部の少なくとも一方における表面を、非金属で構成することで、前述の実施形態１と同様の作用、効果を期待できるものである。 ここでは、第１の摺動部であるシリンダー室の内周面とベーンの先端に係る実施形態２について前述の図１及び図２を用いて説明する。

前述の実施形態１では、ベーン３の先端３ａにDLC-Si（シリコン含有ダイヤモンドライクカーボン）コーティングを施した例について説明したが、ベーン３に施すコーティングの材料としては、その他にDLC（ダイヤモンドライクカーボン）、CrN（窒化クロム）、TiN（窒化チタン）、TiCN（炭窒化チタン）、TiAｌN（窒化チタンアルミ）、WC（タングステンカーバイト）、VC（バナジウムカーバイド）等の使用が可能である。 この場合も、ベーン３の先端３ａの摺動面に金属が露出しないため、これらのコーティングにおいても前述の実施形態１と同様に、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の分解や重合を抑制する効果が得られる。

また、ベーン３においては、前述のように金属の表面を非金属のコーティングで覆ってもよいが、それ以外に例えばベーン３そのものをセラミック系の材料で構成してもよい。 材質としては、SiC（シリコンカーバイド）、ZrO ₂ （二酸化ジルコニウム）、Al ₂ O ₃ （酸化アルミニウム）、Si ₃ N ₄ （窒化ケイ素）等があり、これらを用いることで、ベーン３の摺動面に金属が露出しないため、前述の実施形態１と同様に、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果も抑制することができる。

このように、ベーン３の表面に金属面が露出しないようにすることで、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の分解や重合を抑制、冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果の抑制が可能となるが、この手法はベーン３が摺接する相手部材、ここではシリンダー室１ａの内周面においても適用できるものである。 すなわち、シリンダー室１ａの内周面を含む表面にDLC-Si、DLC、CrN、TiN、TiCN、TiAlN、WC、VC等のコーティングを施す。 これにより、シリンダー室１ａの内周面の摺動面に金属が露出しないため、前述の実施形態１と同様の効果、つまり組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の分解や重合の抑制が可能となる。

また、シリンダー１においても、前述のように金属の表面を非金属系のコーティングで覆う手法以外に、シリンダー１そのものをセラミック系の材料で構成してもよい。 材質としては、SiC、ZrO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、Si ₃ N ₄等が適用可能であり、これらを用いることで、シリンダー室１ａの摺動面に金属が露出しないため、実施形態１と同様に、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果も抑制することができる。

実施形態３．
ここでは、第２の摺動部であるローターのベーン溝とベーンの側面部に係る実施形態３について前述の図１及び図２を用いて説明する。

前述したベーン３の側面部（両側面）３ｂに、DLC、CrN、TiN、TiCN、TiAlN、WC、VC等のコーティングを施すことにより、第２の摺動部においても、ベーン３の摺動面である側面部（両側面）３ｂに金属が露出することを防止することができる。 このため、前述の実施形態１と同様に、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の分解や重合を抑制する効果が得られる。 また、ベーン３の材質を、SiC、ZrO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、Si ₃ N ₄等のセラミックとすることで、第２の摺動部においてもベーン３の摺動面に金属が露出するのを防ぐことができて、前述の実施形態１と同様に、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果も抑制することができる。

このように、ベーン３の表面に金属面が露出しないようにすることで、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の分解や重合を抑制、冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果の抑制が可能となるが、この手法はベーン３が摺接する相手部材、ここではローター２のベーン溝２ａにおいても適用できるものである。 すなわち、ローター２のベーン溝２ａを含む表面にDLC-Si、DLC、CrN、TiN、TiCN、TiAlN、WC、VC等のコーティングを施す。 これにより、ローター２のベーン溝２ａの摺動面に金属が露出しないため、前述の実施形態１と同様の効果、つまり組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の分解や重合の抑制が可能となる。

また、ローター２においても、前述のように金属の表面を非金属系のコーティングで覆う手法以外に、ローター２そのものをセラミック系の材料で構成してもよい。 材質としては、SiC、ZrO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、Si ₃ N ₄等が適用可能であり、これらを用いることで、ローター２の摺動面に金属が露出しないため、実施形態１と同様に、組成中に炭素の二重結合を有する冷媒の重合や分解に対する鉄系材料の触媒効果も抑制することができる。

なお、前述の各本実施形態では、単気筒のスライディングベーン圧縮機２００を例に挙げて説明したが、多気筒のスライディングベーン圧縮機や、その他の密閉容器内に圧縮要素と電動要素とを備える、例えばスクロール圧縮機にも本発明を適用できることは言うまでもない。

１ シリンダー（相手部材）、２ ローター（相手部材）、２ａ ベーン溝（相手部材の摺接部）、３ ベーン（摺動部材）、３ａ ベーンの先端（摺動部材の摺接部）、３ｂ ベーンの両側面（摺動部材の摺接部）、１０１ 圧縮要素、１０２ 電動要素、２００ スライディングベーン圧縮機（圧縮機）。