雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

代替冷媒HFC‑134a用圧縮機の潤滑特性に関する研究

著者 吉村 多佳雄

雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

巻 18

ページ 233‑235

発行年 1997‑03‑29

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1244

氏名。

籍

吉

村

多

佳

雄

阪府

学位 の種 類

博

^士  (工 ^学

学位 記 番 号

工博 甲第

号 学位授与の日付

^{平 成 8年 3月 23日}

学位授与の要件

学位規則第 4条 第 1項 該当 研究科導攻の名称

電子科学研究科

電子応用工学

学位論文題目

^{代替冷媒 HFC‑134a用} 圧縮機 の潤滑特性に関する研究

論 文 審 査 委 員

   (委

教 授 中 山

顕

^{教 授} 森 田 信 義 教 授 野 飼

^享

^{教 授 柳 沢}

^正

教 授 清 水

孝

論 文 内 容 の 要 旨

冷蔵庫では、現在 まで使用 されて きたCFC‑12冷 媒力℃FC規制により^1995年末 までに全廃 され、代替 冷媒HFC‑13亀 への変更が完了する。このHFC‑134a冷 媒の使用 に関 しては、圧縮機の しゅう動部の摩耗 が増加するとい う問題があ り、現在は主 に冷凍機油の種類や しゅう動材料の変更による耐摩耗性の向 上で対応 している。 しか し今後の信頼性やエネルギー効率のさらなる向上 といった課題 に対処 してい くためには、対摩耗性 とともに トライボロジー特性の基本であるしゅう動部の潤滑特性 を解明 してい くことが強 く望 まれる。本研究は、以上のように冷蔵庫用冷媒がα℃^‑12からHFC‑13れ に変更 されまた それに伴 つて圧縮機の潤滑油たる冷凍機油 も変更 される状況下で、この変更が圧縮機 しゆう動部の潤 滑状態に及ぼす影響 を明 らかにして、潤滑特性上の工学的知見 を得ることを目的 としている。そのた めに、圧縮機内部の しゅう動形態の異なる主要なしゅう動部 について、HFC‑134aと エステル油、^CFC―

12と鉱油 とい う新旧の冷媒 と油の組合わせについて しゆう動潤滑特性 を比較 し、さらに相溶性の影響 を調べ るために、互いに溶解 しに くいHFC‑13れとアルキルベ ンゼン油の組合わせの場合の検討 も行っ た。対象 とした しゆう動部は、揺動運動 を行 っている往復圧縮機の連接棒小端部軸受、外接円弧接触 を行つているロータリ圧縮機のベーンとビス トン間 しゆう動部並びに冷媒圧縮機 に共通的なジャーナ ル軸受である。

1.往 復圧縮機の連接棒小端部軸受

揺動運動 を行 う上に動荷重が作用することから一般的な回転軸受 とは異なる挙動 を示す往復圧縮機 の連接棒小端部軸受の特性 について、電極法による圧縮機運転中の軸受特性測定実験、モデル的な軸 受要素実験ならびに潤滑理論 に基づ く理論解析のそれぞれの結果を比較することにより潤滑油膜の形 成状態について詳細 に検討 した。 まず軸受要素実験 によると、回転軸受では容易に潤滑油膜が形成 さ れる圧力や回転数条件で も揺動軸受においては油膜が形成 されに くく、軸は荷重点付近の軸受壁面 に

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沿 って揺動角度の約^1/2の角度範囲で揺動運動することが明 らかになった。 また実際の圧縮機において も、小端部軸受は軸 と軸受間で金属接触 を発生する厳 しい潤滑状態にあった。その時の金属接触率は、

吸込み圧力が低 く、吐出 し圧力が高 いほど、また軸回転数が低いほど大 きくな り、金属接触率 と

U/FE

(すべ り速度 と荷重の比率)との間には明確 な相関関係が得 られた。この金属接触率 とU層値の相関関係 は、代替冷媒である

Hに

2.ロ ータリ圧縮機のベーンとビス トン間 しゅう動部

ロータリ圧縮機において線接触するために非常 に厳 しい潤滑状態にあるベーンとビス トン間の しゅ う動部については、安定運転状態 と過渡運転状態の ビス トン自転挙動の実験 とそれに基づ く理論解析 か らその潤滑状態 を考察 した。まず安定運転状態でのビス トン自転数は、CFC‑12と 鉱油、HFC‑134aと エステル油、HFC…13亀とアルキルベ ンゼン油のそれぞれの組合わせで差があるが、これは粘度の違い によるものであ リベーンとビス トン間の摩擦係数に差はなく^0。02〜0.03程度であった。 また圧力差の変 化 に対する摩擦係数の変化 も小 さかった。 さらに機械力学的解析 ならびに簡易的な

EHL潤

m以

この油膜厚 さから表面粗 さを考慮 して計算 した膜厚比は^0。32と な り、摩擦係数の値 も考慮 に入れると、

潤滑状態は境界潤滑域 にあると予測 された。一方過渡運転状態では、液圧縮が発生するほどの液 もど りがあるとビス トンの自転数が低下 し、この液圧縮の継続時間が長いほどビス トンの自転数の低下時 間が長かつた。自転数が低下 しているときのベーンとビス トン間の摩擦係数の値は0.Hであ り、定常運 転時の値である^{0。02〜0。03に}比べて非常 に大 きくなっていることか ら、 しゅう動部は乾燥摩擦域の厳 し い潤滑状態に移行 しているものと推察 された。そ して、液圧縮が発生 しているときのベーンとビス ト ン間の摩擦係数の上昇によるビス トン自転数の低下は、冷媒が溶解 しにくいHFC‑13亀とアルキルベ ン ゼ ン油の組合わせにおいても発生することから、ベーンとビス トン間の油の洗い流 しは化学的なもの ではな く物理的なものであると考えられた。また同 じくHFC‑13亀とアルキルベ ンゼン油の組合わせ に おいては、液 もどりが終了 してからビス トン自転数が定常的な値 に復帰するまでの時間がσ^C‑12と鉱 油の組合わせに比較 して短かつた。これはアルキルベ ンゼン油のほうが粘度が低いか らであ り、一旦 油が洗い流 された しゅう動面 に密閉ケーシング内の油が再度供給 され易 く潤滑油膜が回復 し易い もの

と推察 された。

3。 ジャーナル軸受

冷媒 と冷凍機油の共存下で試験可能な軸受試験機 を製作 して、実際のロータリ圧縮機の運転条件 に おいて、HFC‑13亀 とエステル油の組合わせ(I)におけるジャーナル軸受特性 を測定 し、従来のCFC‑12 と鉱油の組合わせ(Ⅱ)の場合 と比較 した。 また冷媒 と溶解 しに くいHFC‑134aと アルキルベ ンゼン油の 組合わせ(Ⅲ)の場合の試験 も行った。その結果、ゾンマーフェル ト数力洵^.1以上では流体潤滑状態にあ り、この領域での軸受摩擦係数は冷媒 と油の組合わせや冷媒溶解量の多少にかかわらず同等であ り、

流体潤滑下の理論摩擦係数 とほぼ同 じ値、同 じ傾向であった。 またゾンマーフェル ト数力洵^.1以下にな ると冷媒 と油の組合わせ に関係な く境界潤滑状態 に移行 し始めた。 しか し冷媒の溶解 しやすい組合わ せ(I)、 (Ⅱ)では、冷媒の溶解 しにくい組合わせ(Ⅲ)に比べて、ゾンマーフェル ト数力も.05以下の領域 で、摩擦係数の不安定 な増加、軸受温度の急上昇が発生 した。

以上の事柄を総括すると、従来のCFC‑12と 鉱油の組合わせ と比較 して、代替冷媒のHFC‑13亀 とエス テル油、HFC‑13亀 とアルキルベ ンゼ ン油の組合わせは共に流体潤滑域では潤滑状態に差はなかった。

しか し境界潤滑域では、ジャーナル軸受の潤滑特性 に見 られたように、アルキルベ ンゼ ン油のような 冷媒の溶解 しにくい冷凍機油の方が良好 な潤滑状態であることがわかった。

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論 文 審 査 結 果 の 要 旨

本論文は、オゾン層破壊媒体の規制によつて家庭用冷蔵庫の冷媒力℃^FC¨12からHFC‑13れに変更 さ れ、またそれに伴い圧縮機の潤滑油たる冷凍機油 も変更せ ざるを得ない状況下で、これ らの変更が冷 媒圧縮機 しゆう動部の潤滑特性 に及ぼす影響 を明 らかにすることを目的 としてまとめ られた ものであ る。具体的には、冷媒圧縮機 における形態の異 なる三種類の しゅう動部 に関 して、新旧の冷媒 と冷凍 機油の組合わせ、すなわちHFC‑13亀とエステル油、CFC‑12と 鉱油の組合わせについて しゅう動潤滑特 性 を測定 して比較 し、さらにそれ らに比べて相溶性の低い^HFC‐13れとアルキルベ ンゼン油の組合わせ

について も検討 を加えた。

論文は全6章 か ら成 り立ってお り、第^1章の序論では本研究の背景 と目的を述べている。

第2章 では、本研究の対象 とした二種類の冷蔵庫用圧縮機、すなわち往復圧縮機 とロータリ圧縮機の 構造 と主要な しゅう動部の形態について説明 し、予測 される潤滑特性上の問題点 を指摘 した。

第3章 では、揺動運動に加えて動荷重が作用する往復圧縮機の連接棒小端部軸受に関 して、電極法に よる実機運転中の軸受挙動の測定や揺動軸受モデルによる要素実験 を行い、それらに関する潤滑理論 解析 を試みた。その結果、小端部軸受では油膜の形成が常に困難な状況にあ り、その金属接触の厳 し

さは荷重速度比(U/F値)と明確な相関関係があることや、その関係 は冷媒 と冷凍機油の組合わせには依 存 しないことを明 らかにした。

第4章 では、外接円筒の線接触状態 にあるロータリ圧縮機のベーンとビス トン間の潤滑状態に関 し て、 ビス トンの挙動計測ならびに運動解析 に基づ く摩擦係数分析や弾性流体潤滑解析 を行 った。その 結果、通常運転時には境界潤滑域 にあるベーン先端部の潤滑状態が、液 もどりを伴 う過渡運転時には 乾燥摩擦域 とな り、 しゆう動摩耗の点で問題 となることを明らかにした。

第5章 では、冷媒圧縮機で多用 されているジャーナル軸受に関 して、冷媒 と冷凍機油の共存下での実 験が可能な軸受試験装置を製作 してその潤滑特性 を測定 した。その結果、流体潤滑域では冷媒 と油の 組合わせ に依存 しない潤滑特性 を得たが、境界潤滑域ではゾンマーフェル ト数力洵.05程度以下になる と、相溶性が高い冷媒 と油の組合わせの場合には、相溶性が低い場合 とは異な り、不安定 な摩擦急増 現象が起 きることを見い出 した。

第6章 は結論であ り、本研究を総括 している。

以上の ように、代替冷媒 とそれに適合する冷凍機油の組合わせ に関する潤滑特性 を従来の組合わせ と比較 して解明 した成果は、今後の信頼性の高い冷媒圧縮機の開発・設計 にとって極めて有用であ り 工学的意義 も大 きい。よつて、本論文は博士(工学)の学位 を授与するに十分な内容 を持つ もの と認め

る。

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