CN101285469B - 滑动构件及使用该滑动构件的涡旋式电动压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种即使采用不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂时也能够进一步提高耐磨损性且能够进行长期无维修化的滑动构件及使用该滑动构件的涡旋式电动压缩机。本发明是在由烧结铁形成的滑动构件(8)表面形成氧化覆膜层(14)，再在氧化覆膜层(14)表面形成中间层(15)，并形成氧化物层(14A)，在中间层(15)上形成硬质碳覆膜层(16)。如以上，在滑动构件(8)表面依次形成氧化覆膜层(14)、氧化物层(14A)、中间层(15)、硬质碳覆膜层(16)，由此最终能够将耐磨损性和低摩擦性优异的硬质碳覆膜层(16)与滑动构件(8)表面密接，能够进行长期无维修化。

Description

滑动构件及使用该滑动构件的涡旋式电动压缩机
技术领域
本发明涉及一种滑动构件及使用该滑动构件的涡旋式电动压缩机，特别是涉及在制冷剂气氛中使用的滑动构件及使用该滑动构件的涡旋式电动压缩机。 
背景技术
通常，涡旋式电动压缩机在高效率、低噪音、低振动方面优异，因而在家用或商用两个领域中被广泛采用于压缩制冷剂的空调、供热水设备、自动洗衣机等。 
这种涡旋式电动压缩机例如专利文献1所述，作为在制冷剂气氛中使用的滑动构件形成的构成是：将具有形成涡旋曲线的卷筒(lap)的固定涡轮与具有同样卷筒的旋转涡轮啮合，使旋转涡轮旋转。通过使这两个涡轮啮合，由此在两涡轮之间形成几个压缩室。并且，这些压缩室的构成是：随着旋转涡轮的旋转运动，容积逐渐缩小，基于这些压缩室容积的变化，将制冷剂吸入并压缩后排出。 
上述构成的涡旋式电动压缩机，将作为滑动构件且成为自转限制构件的十字环(oldham ling)夹在被旋转驱动的旋转涡轮和固定构件之间并使其进行滑动，以使旋转涡轮不自转而进行旋转运动。 
上述构成的涡旋式电动压缩机中，固定涡轮、旋转涡轮、固定构件、十字环由铁系材料形成，作为所使用的制冷剂，使用化学性稳定且没有司燃性及毒性、而且由于含有氯而在润滑性上优异的特定氟利昂R12。 
不过，特定氟利昂R12在分子中含有氯原子，这会引起臭氧层的破坏，由此将不含氯的氢氟碳系(HFC：Hydro Fluoro Carbon)制冷剂作为替代制冷剂使用。 
不过，由于这种不含氯的替代制冷剂不能期望氯产生的润滑作用，从而，由于滑动部分的润滑不足而可能产生各种不合理情况，因此，必须每隔短期间进行涡旋式电动压缩机的维护检修。
为此，如专利文献1所述，提出一种方案是对由烧结铁形成的滑动构件的表面进行蒸汽处理后进行机械加工，其后进行氮化处理。 
专利文献1：特开2001-173578号公报 
通过进行上述专利文献1提出方案的处理，能够获得耐磨损性提高的高精度的滑动构件，其结果是可延长维护检修期间。 
不过，像涡旋式电动压缩机这样的密闭设备，希望长期无维修地运转，而要求耐磨损性的进一步提高。 
发明内容
本发明的目的在于，提供一种即使采用不含氯的替代制冷剂时也能够进一步提高耐磨损性且能够进行长期无维修化的滑动构件及使用该滑动构件的涡旋式电动压缩机。 
本发明为了实现上述目的，是在不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂气氛中使用的由烧结铁形成的滑动构件的表面形成氧化覆膜层，在该氧化覆膜层的表面形成与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，在氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，在所述中间层上形成所述硬质碳覆膜层。 
本发明之一为一种滑动构件，其特征在于，在不含氯的替代制冷剂气氛中使用的烧结铁的表面形成氧化覆膜层，在其上形成与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，在所述氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，在所述中间层的表面形成所述硬质碳覆膜层。 
本发明之二为一种滑动构件，其特征在于，在不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂气氛中使用的烧结铁的表面形成经研磨加工的氧化覆膜层，在该氧化覆膜层上形成与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，在所述氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，且在中间层的表面形成硬质碳覆膜层。 
本发明之三为一种涡旋式电动压缩机，其具备利用十字环限制自转的旋转涡轮、与该旋转涡轮啮合并压缩制冷剂的固定涡轮，所述涡旋式电动压缩机的特征在于，采用不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂作为所述制冷剂，由烧结铁形成所述十字环，并且在该十字环的表面形成氧化覆膜层、与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，使所述氧化覆膜层和中间层反应，在所述氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，且在中间层的表面形成硬质碳覆膜层。 
如以上，通过在烧结铁的滑动构件的表面形成氧化覆膜层，由此密封烧结材料特有的气孔，防止由于气孔而妨碍滑动时在润滑油中形成油膜而使润滑性能下降，另外，氧化覆膜层和中间层基于在界面生成的氧化物层而使密接性提高，由于在该中间层上密接硬质碳覆膜层，因此，其结果是 能够将硬质碳覆膜层相对于滑动构件密接，其结果是能够基于硬质碳覆膜层获得耐磨损性和低摩擦性优异的烧结铁的滑动构件。从而，即使在不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂气氛中使用烧结铁的滑动构件时，也能够进一步提高滑动构件的耐磨损性，能够进行长期无维修化。 
附图说明
图1是表示采用了本发明的滑动构件的涡旋式电动压缩机的纵截面图。 
图2是表示图1的涡旋式电动压缩机所采用的十字环的立体图。 
图3是表示图1的涡旋式电动压缩机的可动部中心的立体图。 
图4是适用本发明的十字环的截面图。 
图5是图4的局部放大图。 
图6是磨损量的比较图。 
图7是摩擦系数的变化的比较图。 
图中，1-密闭容器，2-压缩设备部，4-旋转涡轮，4a-台板，4b-涡旋状卷筒，4d-背面键槽，5-固定涡轮，5a-台板，5b-涡旋状卷筒，6A-上框架，6B-下框架，6G-台座键槽，7-旋转轴，8-十字环，9-电动机，10-上键，11-下键，14-氧化覆膜层，14A-氧化物层，15-中间层，16-硬质碳覆膜层，45-压缩室。 
具体实施方式
以下，关于适用于图1～图5所示涡旋式电动压缩机的十字环的情况，说明本发明的滑动构件的一实施方式。 
涡旋式电动压缩机，是一种以底部储存润滑油的密闭容器1、设置在该密闭容器1内并压缩不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂的压缩设备部2、旋转驱动该压缩设备部2的旋转轴7、驱动该旋转轴7的电动机9作为主要构成要素，沿纵方向排列的纵型涡旋式电动压缩机。 
作为不含氯的替代制冷剂，采用R410a、二氧化碳和丙烷的任意一种。 
压缩机部2具备在固定的台板5a上向下直立形成涡旋状卷筒5b的固定涡轮5、在台板4a上向上直立形成涡旋状卷筒4b的旋转涡轮4，这些涡旋状卷筒4b、5b相互啮合设置。在旋转涡轮4和固定涡轮5之间基于涡旋状卷筒4b、5b的啮合而形成压缩室45。在固定涡轮5的外周侧形成吸入口5d，在中央部形成喷出口5e。 
另外，固定涡轮5固定在上框架6A上，该上框架6A固定在密闭容器1上，旋转涡轮4游动配置在固定涡轮5和上框架6A之间。固定涡轮5及上框架6A由铸铁或含有5～15重量％的Si的Al基合金形成。 
所述旋转涡轮4利用作为滑动构件且作为防止自转机构的十字环8防止自转，该十字环8上下面分别具有限制周方向动作的上键10和下键11，上键10与在旋转涡轮4的台板4a的与涡旋状卷筒4b相反侧向下形成的背面键槽4d卡合，下键11与在上框架6A的上面侧形成的台座键槽6G卡合。还有，这些上键10和下键11形成在相互成直角的方向。 
旋转轴7具有在上下方向的中间部固定电动机9的转子9a的主轴部7a和在其上方与压缩机部2卡合的曲轴部7b，在曲轴部分固定有配重3。并且，该旋转轴7上部经由轴承6C(6C1、6C2)旋转自如地支承在上框架6A上，下部经由轴承6d旋转自如地支承在密闭容器1内的下方固定的下框架6B上。再有，旋转轴7的曲轴部7b的端部与旋转涡轮4的下面侧形成的偏心孔3e经由轴承4c卡合。 
此外，在旋转轴7上具备上下贯通轴中心部形成的油通路7d和与该油通路7d下端连接并浸渍在储存的润滑油中的油导入管7c，以使能够将储存在密闭容器1内的底部的润滑油利用压力差向轴承6d、6C、4c、背面键槽4d、台座键槽6G及压缩机部2供给。 
另外，电动机9具有隔着微小空隙与所述转子9a的外周面侧对置并固定在所述密闭容器1上的定子9b。 
在上述构成的涡旋式电动压缩机中，若利用电动机9旋转驱动旋转轴7，起动压缩机部2，则旋转涡轮4随着曲轴部7b的偏心旋转，由十字环8限制不会自转地相对于固定涡轮5进行旋转运动。随着该旋转涡轮4的旋转运动，外部冷冻循环的制冷剂气体，经由与吸入口5d连接的吸入管12导入到涡旋状卷筒4b、5b之间的压缩室45内并被压缩，从喷出口5e经由密闭容器1内向与喷出管13连接的外部冷冻循环供给。 
然后，若高压制冷剂气体充满了密闭容器1内，则储存在密闭容器1底部的润滑油经由旋转轴7的油导入管7c和油通路7d向所述轴承6d、6C、4c、背面键槽4d、台座键槽6G及压缩机部2供给，润滑这些滑动部。 
不过，在起动时和制冷剂气体的喷出压力高的情况下，成为润滑油的供给不充分的状态。从而，由于润滑油不足有可能在所述滑动部发生急速的磨损和热粘连等。 
为此，本实施方式中，对由烧结铁形成的十字环8进行一次蒸汽处理，切削及磨削加工上键10及下键11的表面，接下来，进行二次蒸汽处理，在不消除蒸汽处理层的范围内进行研磨加工。通过这些蒸汽处理在上键10及 下键11的表面形成氧化覆膜层14。其后，若在氧化覆膜层14的表面形成以Cr、Si、Ti、TiC、SiC等的任意一种为主成分的中间层15，则氧化覆膜层14和中间层15的成分发生反应，在界面形成氧化物层14A，提高两者的密接性。这样一样，在密接的中间层15上用溅射(蒸镀)法形成了硬质碳覆膜(DLC覆膜：Diamond-Like-Carbon覆膜)层17。 
通过这样对十字环8的上键10及下键11的表面进行处理，能够提高不形成油膜的状态下的滑动部分的耐磨损性和耐热粘连性，能够确保设备的可靠性，同时，由于变为低磨损，因此能够提高设备的滑动性，获得顺畅的涡旋运动。 
即，通过对烧结铁制的十字环8的表面进行蒸汽处理，由此形成氧化覆膜层14，将烧结材料特有的气孔密封，从而防止滑动时由于润滑油侵入气孔中而产生的油膜断开，防止润滑作用的下降。 
再有，在进行蒸汽处理而形成的氧化覆膜层14上，形成与硬质碳覆膜层16的密接性好的例如基于Cr的中间层15。由于形成中间层15，从而如图5所示，氧化覆膜层14的氧和中间层15的Cr发生反应，形成CrO、Cr2O3、CrO2、CrO3等氧化物层14A，中间层15经由该氧化物层14A与氧化覆膜层14密接。在这样保持的中间层15上形成硬质碳覆膜层16，由此，硬质碳覆膜层16经由密接性好的中间层15与氧化覆膜层14密接，结果是硬质碳覆膜层16与十字环8密接。从而，能够发挥硬质碳覆膜层16本来所具有的耐磨损性和低摩擦性，防止涡旋式电动压缩机起动时由于无给油状态下的油膜断开引起的与上键10及下键11的滑动部分上的咬合而造成的磨损和热粘连，提高设备的可靠性，能够实现滑动部分的长期的无维修化。 
另外，上述蒸汽处理(水蒸汽处理)是在500～600℃的水蒸汽气氛中将烧结铁制的十字环8曝露约1小时，使铁氧化形成四氧化三铁(四酸化鉄)的氧化覆膜层14。并且，烧结铁是将铁粉末压缩成形后烧成的，成形品在铁粉末间存在很多气孔。从而，经由蒸汽处理形成的四氧化三铁的覆膜层不仅在成形品表面而且在气孔内部也形成，堵住气孔，不会在供给润滑油时由于润滑油侵入气孔内而产生油膜断开。同时，表面硬度也增加，能够提高耐磨损性，谋求设备的长寿命化，同时，还能够利用氧化覆膜层14发挥防锈功能。 
另外，硬质碳覆膜层16以往采用的是磁控溅射法。该方法是在硬质碳覆膜层16的原料的背面配置磁铁，以形成相对于电场正交的闭合磁场，利用该磁场封入由辉光放电产生的电子，在原料的表面附近生成高密度等离子，以高的溅射效率、换言之是以高成膜速度形成硬质碳覆膜层16。 
本实施方式中，采用在该磁控溅射法上发展起来的不平衡磁控溅射法形成硬质碳覆膜层16。具体地说，是使配置在硬质碳覆膜层16的原料背面的磁铁的强度在内侧和外侧发生变化，在生成不平衡的磁场的状态下使磁力线到达基板，以使等离子扩散到基板附近。其结果是，成膜中，向基板照射的Ar离子增加，可实现覆膜的特性改善和密接性的提高。本实施方式中的硬质碳覆膜层16的保持，通过在基于蒸汽处理层的氧化覆膜层14上形成例如以Cr为主成分的中间层15，调整偏置电压，从而调整中间层15的密接力而得以确保。 
另外，各层的厚度存在中间层15＜硬质碳覆膜层16＜氧化覆膜层14的关系，本实施方式中，对十字环8的表面进行蒸汽处理而形成的氧化覆膜层14，通过将表面粗糙度设为0.5μm以下，由此提高与在最表面形成的硬质碳覆膜层16的密接性，同时，硬质碳覆膜层16也平滑，因此，不会损伤作为滑动对方部件的台板4a和台座键槽6G，能够发挥低磨损、高硬度特性，能够确保设备的可靠性。还有，若氧化覆膜层14的表面粗糙度为0.5μm以上，则由于硬质碳覆膜层16经由中间层15沿着氧化覆膜层14的表面粗糙度形成，因此与滑动对方部件的摩擦增大，有可能发生剥离而无法确保低摩擦。 
再有，中间层15使十字环8和硬质碳覆膜层16的组成倾斜化，即缓和硬质碳覆膜层16形成时的大的内部应力，若其厚度不足50nm，则内部应力的缓和效果变小，反之若变厚到500nm以上，则降低与其表面密接的硬质碳覆膜层16的硬度，降低耐磨损性，因此，需要将厚度设定在50～500nm的范围内。另外，若在十字环8和中间层15之间，形成碳化物层，则中间层15变脆，再有，中间层15上的硬质碳覆膜层16容易剥离，因此，在十字环8和中间层15之间，最好是积极地生成进行蒸汽处理而形成的氧化覆膜层14和使该氧化覆膜层14的氧和作为中间层15的主成分的Cr发生反应而生成的CrO、Cr2O3、CrO2、CrO3等氧化物层14A。 
另外，通过在硬质碳覆膜层16的成分中添加Al或Si，由此能够减小硬质碳覆膜层16的杨氏模量，因此，能够缓和硬质碳覆膜16的内部应力，在内部弹性积蓄变形能量。其结果是，与中间层15的密接性变高，能够发挥硬质碳覆膜层16的本来的低摩擦、高硬度特性，能够确保设备的可靠性。再有，通过将硬质碳覆膜层16的硬度设定为HV1500～2500、将杨氏模量设定为150～200GPa，由此能够降低内部应力，另外，还能够对硬质碳覆膜层16赋予韧性，因此能够进一步发挥低摩擦、高硬度特性。 
接下来，根据图6说明本实施方式A的硬质碳覆膜层16的磨损量和现有技术B的磨损量的试验结果。 
就试验片而言，作为可动片采用铁系烧结材料，现有技术中保持实施蒸汽处理形成氧化覆膜层14的状态，本实施方式中在进行蒸汽处理形成氧化覆膜层14后，如图5所示，基于中间层15的形成而形成氧化物层14A及形成硬质碳覆膜层16。另一方面，固定片采用高速工具钢(SKH51)并与可动片滑动。 
磨损量的测定采用高压气氛磨损试验机、在不存在润滑油的二氧化碳制冷剂气氛中进行，可动片和固定片的试验面压为9.8MPa，滑动速度为0.12m/s，试验时间以5小时为目标。 
试验结果是现有技术B在约2.5小时到达容许磨损量，本实施方式A经过5小时，其磨损量还在10μm以下。 
如以上试验结果所表明，确认本实施方式A，硬质碳覆膜层16的结晶结构在形成金刚石结构的同时形成石墨结构，从而尽管处于不存在润滑油的气氛中仍然具有优异的耐磨损性。 
图7表示本实施方式A和现有技术B的摩擦系数相对于试验时间的变化。 
磨损试验片采用与上述可动片和固定片相同的试验片，试验条件也相同。其结果表明，本实施方式A的摩擦系数比现有技术B小约0.15，是约1/4的低摩擦。 
如以上的试验结果所表明，本实施方式A的硬质碳覆膜层16的结晶结构在形成金刚石结构的同时形成石墨结构，从而尽管处于不存在润滑油的气氛中仍然具有优异的低摩擦。 
还有，按照以上的试验，将图4及图5所示构成的十字环8装入涡旋式电动压缩机进行咬合的鉴别试验。该试验是在作为不含氯的替代制冷剂采用R410A和在合成润滑油中的稀释率高的环境中模拟起动停止的苛酷试验，不过，其试验结果是在十字环8的上键10、下键11和旋转涡轮4的键槽4d及上框架6A的台座键槽6G的各滑动部分，没有发现异常磨损及与之相伴的各种损伤，保持健全，能够确认涡旋式电动压缩机的可靠性。还有，取代R410A采用二氧化碳制冷剂进行了咬合的鉴别试验，也没有发现异常磨损。 
此外，作为不含氯的替代制冷剂采用R410A或R134a、天然制冷剂的丙烷或二氧化碳，也能够发挥硬质碳覆膜层16所具有的自润滑性、低摩擦系数、耐磨损性，因此，在各滑动部分没有发现不存在润滑油的状态下的咬合和热粘连，进而在混合润滑和流体润滑中也获得长期的耐磨损性。 
另外，在注入到涡旋式电动压缩机内部的润滑油中，在冷冻循环的气氛中溶解有制冷剂。制冷剂溶解在润滑油中的量随着制冷剂和润滑油的组合的不同而不同，不过，通常制冷剂压力越高向润滑油中的溶解量越大。若该制冷剂向润滑油中的溶解量增多，则润滑油的粘度变小，因此，在制冷剂压力高的气氛中摩擦滑动变得严峻。不过，根据本实施方式，能够不受这种苛酷条件左右地避免咬合等现象。 

Claims (27)

1.一种滑动构件，其特征在于，
在不含氯的替代制冷剂气氛中使用的烧结铁的表面形成氧化覆膜层，在其上形成与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，在所述氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，在所述中间层的表面形成所述硬质碳覆膜层。
2.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化覆膜层是对烧结铁的表面进行蒸汽处理而形成的。
3.根据权利要求2所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化覆膜层是将烧结铁曝露于蒸汽气氛中使其氧化的四氧化三铁。
4.根据权利要求2或3所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化覆膜层的表面粗糙度为0.5μm以下。
5.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，
所述中间层由Cr、Si、Ti、TiC、SiC中任意一种形成。
6.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化物层是使所述氧化覆膜层的氧和作为所述中间层的主成分的Cr反应而生成的CrO、Cr2O3、CrO2、CrO3中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，
所述中间层的厚度形成在50～500nm的范围内。
8.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，
所述硬质碳覆膜层的硬度为HV1500～2500，杨氏模量为150～200GPa。
9.根据权利要求1所述的滑动构件，其特征在于，
所述硬质碳覆膜层添加了Al或Si。
10.一种滑动构件，其特征在于，
在不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂气氛中使用的烧结铁的表面形成经研磨加工的氧化覆膜层，在该氧化覆膜层上形成与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，在所述氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，且在中间层的表面形成硬质碳覆膜层。
11.根据权利要求10所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化覆膜层是对烧结铁的表面进行蒸汽处理而形成的。
12.根据权利要求11所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化覆膜层是将烧结铁曝露于蒸汽气氛中使其氧化的四氧化三铁。
13.根据权利要求11或12所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化覆膜层的表面粗糙度为0.5μm以下。
14.根据权利要求10所述的滑动构件，其特征在于，
所述中间层由Cr、Si、Ti、TiC、SiC中任意一种形成。
15.根据权利要求10所述的滑动构件，其特征在于，
所述氧化物层是使所述氧化覆膜层的氧和作为所述中间层的主成分的Cr反应而生成的CrO、Cr2O3、CrO2、CrO3中的任意一种。
16.根据权利要求10所述的滑动构件，其特征在于，
所述中间层的厚度形成在50～500nm的范围内。
17.根据权利要求10所述的滑动构件，其特征在于，
所述硬质碳覆膜层的硬度为HV1500～2500，杨氏模量为150～200GPa。
18.根据权利要求10所述的滑动构件，其特征在于，
所述硬质碳覆膜层添加了Al或Si。
19.一种涡旋式电动压缩机，其具备利用十字环限制自转的旋转涡轮、与该旋转涡轮啮合并压缩制冷剂的固定涡轮，所述涡旋式电动压缩机的特征在于，
采用不含氯的替代制冷剂或天然制冷剂作为所述制冷剂，由烧结铁形成所述十字环，并且在该十字环的表面形成氧化覆膜层、与硬质碳覆膜层的密接性优异的中间层，使所述氧化覆膜层和中间层反应，在所述氧化覆膜层和中间层的界面形成氧化物层，且在中间层的表面形成硬质碳覆膜层。
20.根据权利要求19所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述氧化覆膜层是对烧结铁的表面进行蒸汽处理而形成的。
21.根据权利要求20所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述氧化覆膜层是将烧结铁曝露于蒸汽气氛中使其氧化的四氧化三铁。
22.根据权利要求20或21所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述氧化覆膜层的表面粗糙度为0.5μm以下。
23.根据权利要求19所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述中间层由Cr、Si、Ti、TiC、SiC中任意一种形成。
24.根据权利要求19所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述氧化物层是使所述氧化覆膜层的氧和作为所述中间层的主成分的Cr反应而生成的CrO、Cr2O3、CrO2、CrO3中的任意一种。
25.根据权利要求19所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述中间层的厚度形成在50～500nm的范围内。
26.根据权利要求19所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述硬质碳覆膜层的硬度为HV1500～2500，杨氏模量为150～200GPa。
27.根据权利要求19所述的涡旋式电动压缩机，其特征在于，
所述硬质碳覆膜层添加了Al或Si。
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