JP6011861B2 - 圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、地球温暖化係数が低く、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒を使用する、圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

圧縮機およびそれを用いた冷凍サイクル装置に使用される冷媒は、オゾン層破壊係数がゼロのＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系（以下、「ＨＦＣ系冷媒」と称する）に移行している。

ＨＦＣ系冷媒を用いた圧縮機、冷凍サイクル装置を図７から図９を参照して説明する（例えば、特許文献１、２参照）。

図７は、特許文献１に記載された、ＨＦＣ系冷媒を使用するロータリ圧縮機の縦断面図である。

密閉容器１の上部に、モータ２の固定子２ａが固定されている。モータ２の回転子２ｂによって駆動されるシャフト４を有する圧縮機構部５が、密閉容器１の下部に固定されている。圧縮機構部５のシリンダ６の上端に軸受７がボルト等で固定され、シリンダ６の下端に軸受８がボルト等で固定されている。シリンダ６内にはピストン９が配置されている。ピストン９にはシャフト４の偏心部４ａが挿入されており、この偏心部４ａによってピストン９が偏心回転する。

また、密閉容器１内には冷媒としてＲ４１０Ａ（ＨＦＣ３２とＨＦＣ１２５の混合物）が封入されている。密閉容器１の底部には、冷媒と相溶性がある、例えばポリオールエステル（ＰＯＥ）またはポリビニルエーテル（ＰＶＥ）などの、極性を有する冷凍機油１０３が溜められている。

図８は、特許文献１に記載された、ＨＦＣ系冷媒を使用するロータリ圧縮機の横断面図である。シリンダ６とピストン９の間の空間をベーン１０が仕切ることにより、冷媒が吸入される吸入室１３と、および冷媒が圧縮される圧縮室１４が形成されている。

以上のように構成されたロータリ圧縮機について、その動作、作用を説明する。

まず、シリンダ６に設けられた吸入口１２を介して、冷媒が吸入室１３に吸入される。また、圧縮室１４内の冷媒は、ピストン９の左方向の回転（矢印方向）によって圧縮され、吐出切り欠き１５を通過し、吐出口（図示せず）を介して密閉容器１内に吐出される。密閉容器１内に吐出された圧縮冷媒は、モータ２のすき間を通過し、密閉容器１の上部に配置された吐出管１６を介して密閉容器１の外部に吐出される。その際、まわりに存在する冷凍機油１０３のミストも一緒に吐出される。

次に、特許文献２に記載された、ＨＦＣ系冷媒を吸入圧縮して吐出するロータリ圧縮機２０を有する基本的な冷凍サイクル装置について、図９を参照して説明する。

図９に示すように、ロータリ圧縮機２０は、低温・低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温・高圧の冷媒ガスを凝縮器２１に向かって吐出する。凝縮器２１に送られたＨＦＣ系冷媒ガスは、その熱を空気中に放出して高温・高圧の冷媒液となり、膨張機構（例えば、膨張弁、またはキャピラリチューブ）２２に送られる。膨張機構２２を通過する高温・高圧の冷媒液は、絞り効果によって低温・低圧の湿り蒸気となり、蒸発器２３へ送られる。蒸発器２３に入った冷媒は、周囲から熱を吸収して蒸発する。蒸発器２３を出た低温・低圧の冷媒ガスは、ロータリ圧縮機２０に吸い込まれる。このようなサイクルが繰り返される。

ところで、このＨＦＣ系冷媒は、大気中で分解され難く、また地球温暖化係数（ｇｒｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ、以下、ＧＷＰと称する）が非常に高いために、地球環境保護の観点から近年問題になってきている。そこで、ＧＷＰが低く、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒の検討が進められている。

特開平１１−２３６８９０号公報 特開平８−２４０３６２号公報

しかしながら、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低いものの、ＨＦＣ系冷媒に比べて分解し易く、安定性に課題がある。

そのため、例えば圧縮機のベーン１０の先端部１０ａ、ピストン９の外周面などのロータリ圧縮機の摺動部で発生する熱により、冷媒と冷凍機油の分解・重合が起こり、その結果、スラッジが発生することがある。そのスラッジにより、ロータリ圧縮機の故障、冷凍サイクル装置内においてスラッジの詰まりが発生する可能性がある。

そこで、発明者は冷媒の反応生成物の発生を抑えるため、酸化防止剤等を冷凍機油に添加した。そうすると、冷媒の分解が抑制されるとともに、反応生成物に含まれるフッ素系化合物の発生も抑制されることが判明した。このフッ素系化合物は、ベーンの先端部とピストンの外周面などの摺動部に吸着し、耐磨耗特性を向上させる効果が確認されている。したがって、このようなフッ素系化合物の生成が抑制されると、摺動部の磨耗が進行し、圧縮機、すなわち圧縮機を用いた冷凍サイクル装置の信頼性が維持できなくなる可能性がある。

この対処として、発明者は、極圧添加剤などの磨耗防止剤を冷凍機油に加えることを考えた。しかし、発明者は、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒を使用する場合、冷凍機油に磨耗防止剤を加えただけでは、磨耗防止効果を得られにくいことを種々の実験によって見出した。したがって、この磨耗防止剤の効果を上げて、圧縮機、すなわち冷凍サイクル装置と信頼性を維持することが重要な課題である。

そこで、本発明は、冷媒と冷凍機油の分解・重合を抑制することによりスラッジの発生を抑制し、かつ圧縮機の耐摩耗性を維持できる、信頼性の高い圧縮機、およびそれを用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の一態様によれば、冷凍サイクル装置に使用される圧縮機であって、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒または前記ハイドロフルオロオレフィンと炭素の二重結合を有しないハイドロフルオロカーボンとを含む混合冷媒が使用され、冷凍機油の劣化を抑制する添加剤と磨耗防止剤とを含む前記冷凍機油が使用され、前記混合冷媒および前記冷凍機油に曝される摺動部として、互いに摺動し合うピストンとベーンとを有し、前記ベーンが、セラミックコーティングされてＨＶ１５００〜２０００の硬度を備え、前記ピストンが、ＨＲＣ４７〜５５の硬度を備える、圧縮機が提供される。

本発明の別の態様によれば、上述の圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有し、冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させる冷凍サイクルを形成する、冷凍サイクル装置が提供される。

本発明によれば、冷媒と冷凍機油の分解・重合が抑制され、それによりスラッジの発生が抑制される。また、圧縮機の摺動部、例えばベーンとピストンの耐摩耗性を維持することできる。その結果、圧縮機とそれを用いた冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成図 実施の形態に係るロータリ圧縮機の縦断面図 実施の形態に係るロータリ圧縮機の横断面図 実施の形態に係る、異なる冷凍機油それぞれについて、運転時間、ピストン摩耗量、および冷凍機油全酸価の特性相関を示す図 実施の形態に係る、異なるピストンにそれぞれについて、運転時間、ピストン摩耗量、および冷凍機油全酸価の特性相関を示す図 実施の形態に係る、ピストン表面硬さに対する、ピストン摩耗量および冷凍機油全酸価の特性相関を示す図 従来のロータリ圧縮機の縦断面図 従来のロータリ圧縮機の横断面図 従来の冷凍サイクル装置の構成図

本発明に係る圧縮機は、冷凍サイクル装置に使用される圧縮機であって、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒または前記ハイドロフルオロオレフィンと炭素の二重結合を有しないハイドロフルオロカーボンとを含む混合冷媒が使用され、冷凍機油の劣化を抑制する添加剤と磨耗防止剤とを含む前記冷凍機油が使用され、前記混合冷媒および前記冷凍機油に曝される、ＨＲＣ（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｃ−Ｓｃａｌｅ：ロックウェル硬さＣスケール）４７〜５５の硬度を備える摺動部を有する。このような圧縮機によれば、冷媒と冷凍機油の分解・重合が抑制され、それによりスラッジの発生が抑制される。また、圧縮機の摺動部、例えば、互いに摺動し合うピストンとベーンの耐摩耗性を維持することできる。その結果、圧縮機の信頼性を確保することができる。

ベーンは、鉄系材料から作製されて窒化処理されてもよく、または焼結合金鋼から作製されて焼結処理と焼き入れ処理とがされてもよい。ベーンが鉄系材料から作製されて窒化処理される場合、ベーンを安価に作製することができる。その結果、圧縮機を量産することができる。また、ベーンが焼結合金鋼から作製されて焼結処理と焼き入れ処理とがされる場合、微細なマルテンサイト組織中にＷ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｖ系炭化物が分散した硬い組織を得ることができる。

ベーンは、高速度工具鋼から作製されるのが好ましい。これにより、さらに耐摩耗性に優れたベーンを得ることができる。

ベーンは、セラミックコーティングされてもよい。セラミックコーティングにより、ベーンの先端部とピストン外周面の間において、摩擦による温度の上昇を抑制でき、その結果、冷媒の分解を抑制することができる。また、セラミックコーティングにより、ベーンの先端部の極性が保持され、ベーンの先端部の表面に極圧層（磨耗防止剤膜）が形成される。それにより、ベーンの異常磨耗を抑制することができる。

セラミックコーティングにより、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）の窒化物または炭化物がベーンの表面にコーティングされてもよい。その結果、ベーンの耐摩耗性が向上するとともに摺動抵抗が低減する。それにより、摩擦による温度上昇を抑制でき、冷媒と冷凍機油の分解・重合を抑制することができる。

ピストンと接触するベーンの先端部のセラミックコーティング厚さは、５〜１５μｍであるのが好ましい。これにより、過酷な摺動条件で摺動するベーンの先端部の信頼性を確保することができる。

セラミックコーティングは、ベーンの先端部のみにおこなわれるのが好ましい。セラミックコーティングが過酷な摺動条件で摺動するベーンの先端部のみにおこなわれるので、コーティングコストを低減することができる。

ベーンは、セラミック材料から作製されてもよい。これにより、ベーンの先端部とピストン外周面の間において、摩擦による温度の上昇を抑制でき、その結果、冷媒と冷凍機油の分解を抑制することができる。また、ベーンの先端部の極性が保持され、ベーンの先端部の表面に極圧層（磨耗防止剤膜）が形成される。それにより、ベーンの異常磨耗を抑制することができる。

ピストンは、鋳鉄から作製されてもよい。ピストンが鋳鉄から作製されることにより、焼入れと焼戻しとによって効果的に表面硬度を上げることができるとともに、鋳鉄に含まれる炭素が摺動時に固体潤滑剤として機能する。それにより、ピストンの耐摩耗性が向上するとともに、摩擦による温度上昇を抑制でき、その結果、冷媒と冷凍機油の分解・重合が抑制される。すなわち、スラッジの発生を抑制することができる。また、鋳鉄を使用することにより、ピストンを安価に作製することができる。その結果、圧縮機を量産することができる。

ピストンの材料である鋳鉄は、クロムを０．４〜１．２ｗｔ％、モリブデンを０．１５〜０．７ｗｔ％含有するのが好ましい。それにより、鋳鉄中の炭化物が安定し、鋳鉄組織が緻密になって機械的性質が向上する。また、ピストンの摺動面を所望の表面性状に効果的に仕上ることができる。

ピストンの材料である鋳鉄は、ニッケルを０．１５〜０．４ｗｔ％含有するのが好ましい。それにより、黒鉛の粗大化が抑制されて鋳鉄組織を緻密にすることができ、そして鋳鉄の機械的性質が向上する。また、ピストンの摺動面を所望の表面性状に効果的に仕上ることができる。さらに、黒鉛化が促進されることによりチル化が抑制され、それにより良好な切削性を得ることができる。その結果、ピストンの生産性、すなわち圧縮機の生産性が向上する。

ベーンの表面とピストンの表面は、Ｒａ０．４μｍ以下の面粗さを備えるのが好ましい。これにより、ベーンの表面とピストンの表面のなじみ期間が短くなり、表面上に均一な極圧層（磨耗防止剤膜）が早期に形成される。すなわち、冷媒と冷凍機油の分解・重合が起こりやすい高温状態の期間が短くなる。その結果、スラッジの発生を抑制することができる、

冷媒は、ハイドロフルオロオレフィンの一種であるテトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペンの少なくとも１つを含み、地球温暖化係数が５以上７５０以下、望ましくは５以上３５０以下であってもよい。このような冷媒により、環境負荷が小さい圧縮機を提供することができる。

冷媒は、ハイドロフルオロオレフィンの一種であるテトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペンを主成分とし、ジフルオロメタンおよびペンタフルオロエタンが、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように、望ましくは５以上３５０以下となるように混合されたものであってもよい。このような冷媒により、環境負荷が小さい圧縮機を提供することができる。

冷凍機油として、（１）ポリオキシアルキレングリコール類、（２）ポリビニルエーテル類、（３）ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、（４）ポリオールエステル類およびポリカーボネート類の含酸素化合物を主成分とする合成油、（５）アルキルベンゼン類を主成分とする合成油、または（６）αオレフィン類を主成分とする合成油が使用されてもよい。このような冷凍機油によれば、冷媒と冷凍機油の分解・重合が抑制され、それによりスラッジの発生が抑制される。また、圧縮機の摺動部、例えば、互いに摺動し合うピストンとベーンの耐摩耗性を維持することできる。その結果、圧縮機の信頼性を確保することができる。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、上述の圧縮機と、凝縮器と、膨張機構と、蒸発器とを有し、冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させる冷凍サイクルを形成する。このような冷凍サイクル装置によれば、冷媒と冷凍機油の分解・重合が抑制され、それによりスラッジの発生が抑制される。また、圧縮機の摺動部、例えば、互いに摺動し合うピストンとベーンの耐摩耗性を維持することできる。その結果、冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る基本的な冷凍サイクル装置を示している。この冷凍サイクル装置は、図１に示すように、圧縮機１２０を有する。圧縮機１２０は、低温・低圧の冷媒ガスを圧縮し、高温・高圧の冷媒ガスを凝縮器１２１に向かって吐出する。凝縮器１２１に送られた冷媒ガスは、その熱を空気中に放出しながら高温・高圧の冷媒液となり、膨張機構（例えば、膨張弁、またはキャピラリチューブ）１２２に送られる。膨張機構１２２を通過する高温・高圧の冷媒液は、絞り効果によって低温・低圧の湿り蒸気となり蒸発器１２３へ送られる。蒸発器１２３に入った冷媒は、周囲から熱を吸収して蒸発する。そして、蒸発器１２３を出た低温・低圧の冷媒ガスは、ロータリ圧縮機１２０に吸い込まれる。このようなサイクルが繰り返される。

このような冷凍サイクル装置に用いる圧縮機１２０が、図２および図３に示されている。図２および図３に示す圧縮機１２０は、ロータリ圧縮機である。このロータリ圧縮機１２０は、密閉容器１０１の上部に固定されたモータ１０２の固定子１０２ａを有する。また、モータ１０２の回転子１０２ｂによって駆動されるシャフト１０４を有する圧縮機構部１０５が、密閉容器１０１の下部に固定されている。圧縮機構部１０５のシリンダ１０６の上端には軸受１０７が、一方、下端には軸受１０８が、ボルト等で固定されている。シリンダ１０６内にはピストン１０９が配置されている。ピストン１０９にはシャフト１０４の偏心部１０４ａが挿入されており、この偏心部１０４ａによってピストン１０９が偏心回転する。シリンダ１０６のベーン溝１０６ａにベーン１１０が挿入されており、ベーン１１０の背部１１０ｂにベーンバネ１１１が設置されている。このベーンバネ１１１は、ベーン１１０の先端部１１０ａがピストン１０９の外周面に当接するように、ベーン１１０を付勢している。

上記圧縮機１２０を含む冷凍サイクル装置内には、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンの一種であるテトラフルオロプロペン（以下、「ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒」と称す）が封入されている。また、密閉容器１０１の底部には、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒と相溶性のある基油を含む冷凍機油１０３が溜められている。ポリオールエステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコールの基油のうち少なくとも１種類を主成分とする冷凍機油１０３を用いることが可能である。本実施の形態の場合、ポリオールエステルだけを主成分とする冷凍機油１０３が用いられている。

ポリオールエステル系冷凍機油１０３は、多価アルコールと飽和または不飽和脂肪酸との脱水反応によって合成される。冷凍機油１０３の粘度に寄与する多価アルコールとして、ネオペンチルグリコール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトールなどが用いられる。また飽和脂肪酸として、ヘキサン酸、ヘプタン酸、ノナン酸、デカン酸などの直鎖の脂肪酸ならびに２−メチルヘキサン酸、２−エチルヘキサン酸、３，５，５−トリメチルヘキサン酸などの分岐鎖の脂肪酸が用いられる。なお、直鎖脂肪酸を含むポリオールエステル油は摺動特性が良好だが加水分解性に劣り、分岐鎖脂肪酸を含むエステル油は摺動特性が若干劣るものの加水分解しにくいという特長を有している点に留意すべきである。

また、本実施の形態の冷凍機油１０３には、磨耗を防止する硫黄系極圧添加剤および冷凍機油の劣化を抑制する添加剤が加えられている。冷凍機油の劣化を抑制する添加剤として、例えばジブチル−ｐ−クレゾールなどの酸化防止剤、含エポキシ化合物などの酸捕捉剤、金属不活性化剤、および消泡剤などの各種の添加剤が冷凍機油１０３に選択的に加えられる。

磨耗を防止する硫黄系極圧添加剤として、硫化油脂、硫化脂肪酸、硫化エステル、硫化オレフィン、ジアルキルポリスルフィド、ジベンジルジスルフィド、オリゴマポリスルフィドなどが挙げられる。これらの硫黄系極圧添加剤の硫黄架橋数は３以下であることが好ましい。硫黄の架橋長が４以上になると冷凍機油１０３中に硫黄を放出しやすくなり、冷凍サイクル内の配管等に使用されている銅を腐食する可能性がある。

また金属不活性化剤の中には硫黄の銅配管腐食を防止する働きを持つものもあり、このような金属不活性化剤として、ベンゾトリアゾール類を用いることができる。極圧効果を向上させるためにはリン系極圧添加剤を使用してもよい。リン系極圧添加剤として、トリクレジルフォスフェート、トリフェニルフォスフェートなどのリン酸エステル、亜リン酸エステル、酸性リン酸エステルのアミン塩などが用いることが可能である。好ましくは、冷凍機油１０３との相溶性に優れた、トリクレジルフォスフェート、トリフェニルフォスフェートなどの酸性リン酸エステルがよい。リン系極圧添加剤は、硫黄系極圧添加剤に比べて、低荷重下での磨耗防止効果が高い。そのため、硫黄系極圧添加剤とリン系極圧添加剤とを併用することは、インバータ制御により広い周波数範囲で運転される冷凍サイクル装置の圧縮機に最適である。

上記したように、本実施の形態のロータリ圧縮機１２０において、ピストン１０９がシリンダ１０６内を偏心回転しつつベーン１１０の先端部１１０ａを押し続けることにより、冷媒が吸入され、圧縮され、そして吐出される。そのため、摺動部となるベーン１１０の先端部１１０ａは、コーティング膜が形成されることにより、ベーン１１０の先端部１１０ａ以外の部分に比べて高い硬度を備える。具体的には、コーティング膜として、ＣｒＮ（窒化クロム）、ＤＬＣ（ｄｉａｍｏｎｄ ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ（ダイヤモンドライクカーボン））、ＴｉＮ（窒化チタン）などが挙げられる。ベーン１１０の先端部１１０ａのコーティング膜は、極性保持効果を有し、例えばベンゼン環がつながったグラファイトなどが分散することによって構成されている。冷凍機油１０３が近づくと、冷凍機油１０３の極性に誘起されてコーティング膜に分極が起こり、コーティング膜が極性を持つ。その結果、冷凍機油１０３内の極圧添加剤が吸着されてコーティング膜上に極圧層（極圧添加剤膜）が形成される。このように摺動部に形成された極圧層により、過酷な摺動条件の場合でも（例えば−１０℃以下の外気温で半日放置された後に最大能力で圧縮機の運転を開始する場合でも）、摺動部の潤滑油が不足せず、摺動部の異常摩耗が抑制される。

以上のように構成された冷凍サイクル装置とロータリ圧縮機について、以下その動作、作用について図２、図３を用いて説明する。

まず、シリンダ１０６に設けられた吸入口１１２を介して、冷媒（ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒）が吸入室１１３に吸入される。また、ベーン１１０、ピストン１０９、およびシリンダ１０６によって構成される圧縮室１１４内の冷媒は、ピストン１０９の左方向の回転（矢印方向）によって圧縮され、吐出切り欠き１１５を通過し、吐出口（図示せず）を介して密閉容器１０１内に吐出される。密閉容器１０１内に吐出された圧縮冷媒は、モータ１０２のすき間を通過し、密閉容器１０１の上部に配置された吐出管１１６を介して冷凍サイクル中に吐出される。その際、まわりに存在する冷凍機油１０３のミストも一緒に吐出される。そして、冷凍サイクル中に吐出された冷媒は、上記したように、凝縮器１２１、膨張機構１２２、蒸発器１２３を順に通過し、再び圧縮機の吸入口１１２を介して吸入室１１３に吸入される。

ここで、ロータリ圧縮機１２０の構成において、摺動条件が最も過酷な摺動部は、互いに接触し合うベーン１１０の先端部１１０ａとピストン１０９の外周面である。ベーン１１０の背部１１０ｂにはベーンバネ１１１の付勢力に加えて高圧の吐出圧力が作用しており、そのためにシリンダ１０６内の圧力との差圧に対応する大きな力がベーン１１０に作用し、ベーン１１０の先端部１１０ａとピストン１０９の外周面との間の領域は、混合潤滑あるいは境界潤滑の状態となる。

このような点に鑑み、本実施の形態において、ベーン１１０は、ＳＫＨ、ＳＫＤ、ＳＵＳ、ＳＣＭなどの鋼から作製され、また窒化処理されている。さらに、ベーン１１０の先端部１１０ａの表面には、ＣｒＮあるいはＤＬＣなどのセラミックスのコーティング膜がＰＶＤ処理法によって形成されている。これにより、ベーン１１０の先端部１１０ａの表面は、ＨＶ１５００〜２０００程度の硬さと、先端Ｒａ０．２μｍ程度の面粗さとを備える。

一方、ピストン１０９は、クロム（Ｃｒ）を０．７〜１．０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）を０．２〜０．４ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）を０．２〜０．４ｗｔ％含有する鋳鉄（以下、「モニクロ鋳鉄」と称する）から作製され、焼入れ、サブゼロ、焼戻し、放冷などによってＨＲＣ４７〜５５程度の表面硬さを備える。表面硬さがＨＲＣ４７〜５５の理由は後述する。また、摺動面であるピストン１０９の外周面にはグラファイトの微小凹部が存在するので、ピストン１０９の外周面の微小凹部を除いた平坦部分は、面粗さがＲａ０．２μｍ程度になるように仕上げられている。

次に、ロータリ圧縮機１２０を組み込んだ冷凍サイクル装置の実機運転試験を行った結果の一例について説明する。

試験に使用したベーン１１０は高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）から作製され、その先端部１１０ａには、表面硬さＨＶ１８００程度、膜厚が５μｍ、表面粗さＲａ０．２μｍのＣｒＮセラミックコーティング膜が表面に形成されている。試験に使用したピストン１０９は、クロム（Ｃｒ）を０．７〜１．０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）を０．２〜０．４ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）を０．２〜０．４ｗｔ％含有するモニクロ鋳鉄から作製され、ＨＲＣ５０程度の表面粗さを備える。ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒を試験に使用した。一方、冷凍機油１０３は、複数種類準備した。具体的には、ポリオールエステルのみである比較例１の冷凍機油、酸捕捉剤を含むポリオールエステルである比較例２の冷凍機油、および酸捕捉剤と磨耗防止剤とを含むポリオールエステルである実施例１の冷凍機油を準備した。また、比較例１、比較例２、および実施例１それぞれについて、３台のロータリ圧縮機１２０を準備した。比較例１、比較例２、および実施例１それぞれにおいて、１つ目のロータリ圧縮機１２０に対して３００時間、２つ目のロータリ圧縮機１２０に対して１０００時間、３つ目のロータリ圧縮機１２０に対して２０００時間、過負荷運転試験を行った。試験終了後、ロータリ圧縮機１２０それぞれについて、ピストン１０９の摩耗量と、冷凍機油１０３の全酸価を計測した。

全酸価は、試料１ｇ中に含まれている全酸性成分を中和するために必要な水酸化カリウムのミリグラム（ｍｇ）数である。酸価は、潤滑油の使用中における酸化の程度を知るため、あるいは潤滑油の酸化試験および実用試験後の評価などに広く利用されている指標である。ここでは、全酸価は、冷媒の分解物であるフッ酸の生成量と冷凍機油１０３の分解物であるカルボン酸の生成量とに対応する。さらに言えば、全酸価は、冷媒と冷凍機油が分解・重合して発生するスラッジの量にも対応する。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１、比較例１，および比較例２それぞれについて、運転時間、ピストン摩耗量、および冷凍機油全酸価の特性相関を示している。横軸は運転時間を示し、図４（ａ）の縦軸はピストン摩耗量、図４（ｂ）の縦軸が全酸価を示す。

図４（ｂ）に示すように比較例１のポリオールエステルのみの冷凍機油１０３の場合、酸価の値の急激な上昇が確認された。これは、ＨＦＣ系冷媒に比べて安定性が低い、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒（炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを主体とした冷媒）は分解しやすく、その分解によって発生した酸が冷凍機油の劣化を促進したためと推定できる。

この対策としてポリオールエステルに酸捕捉剤を添加すると、すなわち比較例２の冷凍機油の場合、酸価値の上昇が抑えられた。しかしながら、図４（ａ）に示すように、比較例２は、ポリオールエステルのみの比較例１に比べて磨耗量が増加した。これは、比較例２のようにポリオールエステルに酸化剤を添加した場合、酸捕捉剤によって冷凍機油の酸価値の上昇は抑制できるが、それと同時に冷媒の分解生成物であるフッ素系反応物の生成も抑制されるためと推察される。フッ素系反応物は、圧縮機の摺動部に固着し、固体潤滑剤として摺動部の磨耗を減少させる効果を有すると推察される。

一方、実施例１の結果から、ポリオールエステルに酸捕捉剤と磨耗防止剤とを添加した場合、酸捕捉剤によって冷凍機油の酸価の値の上昇が抑制され（冷凍機油の劣化が防止され）、かつ磨耗防止剤によって摺動部の磨耗量が低減されることがわかった。

次に、異なる複数のピストン１０９を用いたさらなる試験の結果について説明する。

試験に用いた実施例２、比較例３、および比較例４のピストン１０９の詳細を表１に示す。試験に用いた冷媒は、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒である。試験では、冷凍機油１０３の影響を除外するため、ポリオールエステルのみの冷凍機油１０３が使用された。なお、試験の結果は、冷凍機油１０３に各種添加剤を加えた場合でも同じ傾向が確認される。

実施例２のピストン１０９は、図２および図３を用いて説明したものと同一である。実施例２のピストン１１０９は、クロム（Ｃｒ）を０．７〜１．０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）を０．２〜０．４ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）を０．２〜０．４ｗｔ％含有するモニクロ鋳鉄から作製され、ＨＲＣ５０程度の表面硬さを備える。また、ピストン１０９の外周面は、微小凹部を除いた平坦部分がＲａ０．２μｍ程度の面粗さになるように仕上げられている。

比較例３のピストン１０９は、材料は実施例２と同じであるが、実施例２と異なり、ＨＲＣ５９程度の表面硬さを備える。また、面粗さはＲａ０．２μｍ程度である。

比較例４のピストン１０９は、材料は実施例２と同じであり、ＨＲＣ４１程度の表面硬さを備える。また、面粗さは、Ｒａ０．２μｍ程度である。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施例２、比較例３、および比較例４それぞれについて、運転時間、ピストン摩耗量、および冷凍機油全酸価の特性相関を示している。横軸は運転時間を示し、図５（ａ）の縦軸はピストン摩耗量、図５（ｂ）の縦軸が全酸価を示す。

まず、図５（ａ）に示すピストン１０９の摩耗量について説明する。

実施例２、比較例３、および比較例４のいずれも、初めは摩耗の進行が早く、運転時間の経過に伴って摩耗の進行が遅くなる傾向を示す。一般的に、図５（ａ）に示すように、摩耗が急速に進む領域（傾きが大きい領域）の摩耗は初期摩耗、傾きの小さな領域の磨耗は定常摩耗と呼ばれている。初期摩耗は、表面に存在する微小突起同士が衝突し合うことによってこれらの微小突起が消滅する期間であって、なじみ過程とも呼ばれている。なじみ過程が終わると表面はある程度平滑になり、面圧が局所的に低下し、摩耗の進行は遅くなる。

図５（ａ）に示すように、ピストン１０９の表面硬さが最も低い比較例４の初期摩耗期間が比較的短く、表面硬さが最も高い比較例３の初期摩耗期間が比較的長くなる傾向を示す。

なお、図５（ａ）には、従来例として、ＨＦＣ系冷媒を使用し、同一のベーン１１０とＨＲＣ４０〜６０（ＨＦＣ冷媒を使用する場合、主に使用される範囲）の表面硬さを備えるピストン１０９とを有する圧縮機を２０００時間過負荷運転した後のピストン摩耗量の上限値が、点線によって示されている。

図５（ａ）に示すように、実施例２、比較例３、および比較例４のいずれも、従来例（ＨＦＣ冷媒を使用する場合）とほぼ同等の摩耗量である。表面硬さが最も低い比較例４のピストン１０９の摩耗量が比較的大きく、実施例２と表面硬さが最も高い比較例３の摩耗量は、ほぼ同程度である。

次に、図５（ｂ）に示す冷凍機油全酸価の特性について説明する。

なお、図５（ｂ）には、従来例として、ＨＦＣ系冷媒を使用し、同一のベーン１１０とＨＲＣ４０〜６０（ＨＦＣ系冷媒を使用する場合、主に使用される範囲）の表面硬さを備えるピストン１０９とを有する圧縮機を２０００時間過負荷運転した後の冷凍機油の全酸価の上限値が、点線によって示されている。

実施例２、比較例３、および比較例４のいずれも、初めは全酸価の上昇速度が高く、時間の経過に伴って全酸価の上昇速度が低くなる傾向を示す。

ピストン１０９の表面硬さが最も高い比較例３が全酸価の増加量が最も大きく、比較例３の全酸価は、従来例（ＨＦＣ系冷媒を使用する場合）の全酸価に比べて高い値となる。また、ピストン１０９の表面硬さが最も低い比較例４も、最終的には従来例に比べて高い値となる。一方、実施例２の全酸価は、最終的には従来例とほぼ同一のレベルである。

以下、運転時間、ピストン１０９の摩耗量、および全酸価の特性相関についての考察を述べる。

実施例２と比較例３の全酸価の変化の違いは、ピストン１０９の硬さが原因と考えられる。一般的に、摺動部の局所的な温度上昇は、互いに摺動し合う摺動面それぞれに存在する微小突起が接触することによって起こり、その温度上昇の程度は、微小突起の接触点の半径に反比例すると言われている。ＣｒＮセラミックコーティングされたベーン１１０に対してピストン１０９の表面硬さが高すぎる場合、ピストン１０９の表面とベーン１１０の表面とがなじみ難くなり、すなわちピストン１０９の微小突起が消滅し難くなり、その結果、ピストン１０９の表面に存在する微小突起の接触点の半径は小さいまま維持される。したがって、ベーン１１０とピストン１０９との間の領域は、局所的に温度が高い状態に維持される。また、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照すると、初期摩耗期間（すなわち微小突起が消滅するまでの期間）と全酸価の上昇速度が高い期間とがほぼ一致している。言い換えると、ベーン１１０とピストン１０９の間の領域が局所的に温度が高い状態で維持される期間と全酸価の上昇速度が高い期間とがほぼ一致している。このことから、初期摩耗期間中、従来使用されているＨＦＣ系冷媒に比べて安定性が低い、炭素の二重結合を有するＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の分解が、ベーン１１０とピストン１０９の間の領域で発生した熱によって促進されたと推察できる。そして、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒が分解されることによってフッ化水素（フッ酸）が生成され、この生成されたフッ化水素が冷凍機油１０３の分解（カルボン酸などの生成）に寄与することにより全酸価の変化に反映されたと推察できる。したがって、全酸価の上昇を抑制するためには、ベーン１１０とピストン１０９の表面硬さの差を適切にすることにより、言い換えるとピストン１０９の表面硬さの上限値を適切に設定することにより初期摩耗を早急に終了させ、それにより面圧が局所的に低下した状態である定常摩耗に早期に移行させる必要がある。

一方、図５（ｂ）に示すように、ピストン１０９の表面硬さが最も低い比較例４の全酸価が、ピストン１０９の硬さが最も高い比較例３の全酸価と同様に、従来例に比べて高い原因は、以下のように推察することができる。

比較例４の場合、ピストン摩耗量が多い。排出される摩耗粉は、非常に活性化されているため、触媒となってＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒の分解を促進させると考えられる。そのために、磨耗粉が最も多く発生する比較例４の全酸価が、従来例、すなわちＨＦＣ冷媒を使用する場合に比べて、高くなったと推察することができる。したがって、ベーン１１０とピストン１０９の表面硬さの差、言い換えるとピストン１０９の表面硬さの下限値を適切に設定することにより、耐摩耗性を確保する必要がある。

そこで、図６（ａ）および図６（ｂ）に、ピストン表面硬さに対する、ピストン摩耗量および冷凍機油全酸価の特性相関を示す。図に示す特性相関は、以下の試験によって得られた。試験に使用したベーン１１０は、高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）から作製され、表面硬さＨＶ１８００程度、膜厚が５μｍ、表面粗さＲa０．２μｍＲａのＣｒＮセラミックコーティング膜が形成されている。試験に使用した冷媒は、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒である。冷凍機油１０３は、ポリオールエステルである。表面硬さが異なる、Ｒａ０．２μｍ程度の表面粗さを備えてモニクロ鋳鉄から作製されたピストン１０９を有するロータリ圧縮機１２０を複数準備した。そして、圧縮機それぞれについて、１０００時間過負荷運転した。試験終了後、ロータリ圧縮機１２０それぞれについて、ピストン１０９の摩耗量と、冷凍機油１０３の全酸価を計測した。

なお、横軸はピストン１０９の硬さを示し、図６（ａ）の縦軸はピストン摩耗量、図６（ｂ）の縦軸は全酸価を示す。

図６に示すように、ＨＦＯ１２３４ｙｆ冷媒を使用し、ピストン１０９の表面硬さがＨＲＣ４７〜５５の範囲である場合、従来例（ＨＦＣ系冷媒使用する場合）と同等レベルのピストン摩耗量と全酸価を確保することができることがわかる。

以上の結果から、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンを含む冷媒を使用し、冷凍機油１０３として酸捕捉剤と磨耗防止剤とを含むポリオールエステルを使用し、ロータリ圧縮機１２０のベーン１１０を、鉄系材料から作製してセラミックコーティングするとともに、ピストン１０９の表面硬さをＨＲＣ４７〜５５とすることにより、冷媒と冷凍機油１０３の分解・重合を抑制することができ（すなわちスラッジの発生を抑制でき）、ベーン１１０とピストン１０９の耐摩耗性を維持することができる。その結果、圧縮機１２０およびそれを用いた冷凍サイクル装置の信頼性を確保することができる。

なお、本実施の形態の冷媒であるテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）に、二重結合を有さないハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ３２、ＨＦＣ１２５）を混合させてもよい。この混合冷媒は、非共沸混合冷媒にも関わらず、沸点の温度差が小さい擬似共沸混合冷媒と略同様に挙動する。その結果、冷却サイクル装置の冷却性能および冷却性能係数（ＣＯＰ）が改善される。本実施の形態ではハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒を使用しているが、ハイドロフルオロオレフィンとハイドロフルオロカーボンとを含む混合冷媒を使用しても同様の効果が得られる。

また、混合冷媒の場合、そのＧＷＰは、５以上で７５０以下、望ましくは５以上３５０以下となるように混合するのが好ましい。例えば、ＨＦＯ１２３４ｙｆとＨＦＣ３２とを混合してＧＷＰ３５０以下とするためにはＨＦＯ１２３４ｙｆが５６ｗｔ％以上とする必要がある。また、ＨＦＯ１２３４ｙｆとＨＦＣ１２５とを混合してＧＷＰ７５０以下とするためにはＨＦＯ１２３４ｙｆが７８．７ｗｔ％以上、さらにＧＷＰ３５０以下とするためにはＨＦＯ１２３４ｙｆが９１．６ｗｔ％以上とする必要がある。これにより、冷媒の地球温暖化に対する影響を極少に保つことができる。

また、ＨＦＯ１２３４ｙｆと相溶性のあるポリオールエステル油を冷凍機油１０３として使用したが、同様に相溶性のあるポリビニルエーテル、あるいはポリアルキレングリコールを冷凍機油１０３として使用してもよい。これらの冷凍機油を使用しても、圧縮機１２０はこれらの冷凍機油を回収することができるため、ポリオールエステル油と同様に信頼性の高い圧縮機１２０を得ることができる。また、これらの冷凍機油も、ＨＦＯ１２３４ｙｆとＨＦＣの混合冷媒に対して相溶性があるため、ポリオールエステル油と同様な効果が得られる。

さらに、本実施の形態のピストン１０９は、クロム（Ｃｒ）を０．７〜１．０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）を０．２〜０．４ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）を０．２〜０．４ｗｔ％含有するモニクロ鋳鉄から作製されている。しかし、クロムを０．４〜１．２ｗｔ％、モリブデンを０．１５〜０．７ｗｔ％、ニッケルを０．１５〜０．４ｗｔ％含有するモニクロ鋳鉄から作製されたピストン１０９でも、同様の効果が得られる。また、ニッケルを含まない鋳鉄（モクロ鋳鉄）から作製されたピストン１０９を使用しても同様の効果が得られる。

さらにまた、本実施の形態のピストン１０９を作製するための材料として鋳鉄材が使用されているが、クロム、モリブデン、ニッケルを含有するその他の鉄系材料（例えば、炭素鋼、工具鋼など）が使用されても良い。

加えて、本実施の形態のベーン１１０の先端部１１０ａの表面粗さ（セラミックコーティング膜の表面粗さ）およびピストン１０９の表面粗さ（微小凹部を除いた平坦部）はＲａ０．２μｍ程度であるが、Ｒａ０．４μｍ以下であれば同様の効果が得られる。Ｒａ０．４μｍ以上の場合、ベーン１１０の先端部１１０ａとピストン１０９の外周面がなじみ難くなり、その結果として全酸価の増加を招く可能性がある。

なお、本発明を、ベーン１１０とピストン１０９を例に挙げて説明したが、本発明は、圧縮機１２０の他の摺動部、例えばシャフトと軸受けの摺動部にも適用可能である。また、本発明は、ロータリタイプの圧縮機に限らず、例えばスクロール圧縮機などの圧縮機にも適用可能である。スクロール圧縮機は、摺動部として、固定側および旋回側スクロールなどを有する。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２０１０年９月７日に出願された日本国特許出願第２０１０−１９９６０４号および２０１０年１０月１９日に出願された日本特許出願第２０１０−２３４３２９号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

上述したように、本発明に係る圧縮機およびそれを用いる冷凍サイクル装置は、炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンと炭素の二重結合を有しないハイドロフルオロカーボンとの混合冷媒を使用しても圧縮機の信頼性を確保することができる。したがって、本発明は、給湯器用圧縮機、カーエアコン用圧縮機、冷凍冷蔵庫用圧縮機、除湿機用圧縮機等にも適用できる。

１０３ 冷凍機油
１０５ 圧縮機構部
１０６ シリンダ
１０９ ピストン
１１０ ベーン
１２０ 圧縮機
１２１ 凝縮器
１２２ 膨張機構
１２３ 蒸発器

Claims (15)

1. 冷凍サイクル装置に使用される圧縮機であって、
   炭素の二重結合を有するハイドロフルオロオレフィンの単一冷媒または前記ハイドロフルオロオレフィンと炭素の二重結合を有しないハイドロフルオロカーボンとを含む混合冷媒が使用され、
   冷凍機油の劣化を抑制する添加剤と磨耗防止剤とを含む前記冷凍機油が使用され、
   前記混合冷媒および前記冷凍機油に曝される摺動部として、互いに摺動し合うピストンとベーンとを有し、
   前記ベーンが、セラミックコーティングされてＨＶ１５００〜２０００の硬度を備え、
   前記ピストンが、ＨＲＣ４７〜５５の硬度を備える、圧縮機。
2. 前記ベーンが、高速度工具鋼から作製されている、請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記セラミックコーティングにより、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｎｂ（ニオブ）の窒化物または炭化物が前記ベーンの表面にコーティングされる、請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 前記ピストンと接触する前記ベーンの先端部の前記セラミックコーティング厚さが５〜１５μｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記セラミックコーティングが、前記ベーンの先端部のみに行われている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮機。
6. 前記ピストンが、鋳鉄から作製されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮機。
7. 前記鋳鉄が、クロムを０．４〜１．２ｗｔ％、モリブデンを０．１５〜０．７ｗｔ％含有する、請求項６に記載の圧縮機。
8. 前記鋳鉄が、ニッケルを０．１５〜０．４ｗｔ％含有する、請求項６または７に記載の圧縮機。
9. 前記ベーンの表面および前記ピストンの表面が、Ｒａ０．４μｍ以下の面粗さを備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧縮機。
10. 前記冷媒が、ハイドロフルオロオレフィンの一種であるテトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペンの少なくとも１つを含み、地球温暖化係数が５以上７５０以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧縮機。
11. 前記冷媒の地球温暖化係数が５以上３５０以下である、請求項１０に記載の圧縮機。
12. 前記冷媒が、ハイドロフルオロオレフィンの一種であるテトラフルオロプロペンまたはトリフルオロプロペンを主成分とし、
    ジフルオロメタンおよびペンタフルオロエタンが、地球温暖化係数が５以上、７５０以下となるように前記冷媒に混合されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧縮機。
13. ジフルオロメタンおよびペンタフルオロエタンが、地球温暖化係数が５以上３５０以下となるように前記冷媒に混合されている、請求項１２に記載の圧縮機。
14. 前記冷凍機油が、（１）ポリオキシアルキレングリコール類、（２）ポリビニルエーテル類、（３）ポリ（オキシ）アルキレングリコールまたはそのモノエーテルとポリビニルエーテルの共重合体、（４）ポリオールエステル類およびポリカーボネート類の含酸素化合物を含む合成油、（５）アルキルベンゼン類を主成分とする合成油、または（６）αオレフィン類を主成分とする合成油である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の圧縮機。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の圧縮機と、
    凝縮器と、
    膨張機構と、
    蒸発器とを有し、
    冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させる冷凍サイクルを形成する、冷凍サイクル装置。

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