CN102770668A

CN102770668A - 涡旋压缩机

Info

Publication number: CN102770668A
Application number: CN2010800636356A
Authority: CN
Inventors: 小山昌喜; 柳濑裕一; 小山田具永; 冈本晋哉; 中岛昌一; 冈本和孝; 马场�升
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: WO2011104876A1; EP2541065A4; JP5442102B2; EP2541065A1; CN102770668B; JPWO2011104876A1

Abstract

本发明提供一种能够有助于整体的小型化·轻量化而耐久性及可靠性优异，且能够进行适用新制冷剂的超高速运转的涡旋压缩机。在该涡旋压缩机中，使欧氏环(107)的基材为铝合金且在其表面上夹设密接性良好而用于弥补硬度的基底层来形成硬质的DLC层，因此与以往的铁系材料的情况相比，能够实现约1/3的轻量化，并防止滑动构件间的胶粘磨损而实现耐磨损性的提高和低摩擦系数化，从而能够减小旋转系统的惯性质量。而且，对于回旋涡盘(101)，通过形成为同样的材质结构，而能够减少旋转系统的偏心质量。由此，能够极力减小电动机(100)的转矩负载，能够有助于整体的小型化·轻量化，能够使耐久性及可靠性优异且形成适用新制冷剂的超高速运转，能够得到与使用弗利昂时同等的压缩性能。

Description

涡旋压缩机

技术领域

本发明涉及一种适合作为生态(环境对应)效果高的面向新一代住宅的空调供热水系统中的制冷·空调回路的压缩机，且能够进行适用地球暖化系数(GWP)低的新制冷剂的电动机系统驱动信号频率中的大范围的运转，尤其是超高速运转下的耐久性及可靠性优异的小型化·轻量化结构的涡旋压缩机。

背景技术

以往，在空调机或制冷机的制冷·空调回路(也称为制冷剂循环)所使用的涡旋压缩机中，运转动作时滑动性升高的滑动构件即欧氏环及回旋涡盘通常使用硬质且耐磨损性高的铁系材料。

然而，作为制冷·空调回路用的制冷剂，以往广泛使用的弗利昂的地球暖化系数(GWP)高且存在破坏臭氧层的危险性，在世界范围内存在使用受限制的倾向。因此，最近到达了使用地球暖化系数(GWP)低的新制冷剂的阶段，但新制冷剂不如弗利昂的换热率优异，在现有结构的涡旋压缩机中为了得到同等的压缩性能，而需要增大压缩机整体的容积，或作为超高速度运转而需要以高速度旋转的方式驱动曲轴(旋转主轴)。

然而，在增大压缩机整体的容积的对策中，结构上会导致压缩机整体的大型化，在使曲轴(旋转主轴)高速度旋转的对策中，电动机的转矩负载增大而驱动侧的逆变器也需要高消耗电力类型的逆变器，这样会导致电路系统的大规模化或高成本等，无论如何，都违反了最近的希望小型·轻量化·低成本化的现实的愿望，因此可以说不是上策。而且，关于新制冷剂，与使用弗利昂的情况相比，需要实现压缩机内部结构的滑动构件中的耐磨损性的提高和低摩擦系数化。

因此，提出了如下的技术：不进行压缩机的结构性的改良或电路系统的改良，而对压缩机内部结构的材质想办法，即便使用新制冷剂也能确保某种程度的运转性能，并实现滑动构件的耐磨损性的提高和低摩擦系数化。

列举出例如：一种使用了滑动构件的涡旋型电动压缩机，该滑动构件即使在使用不含氯的替代制冷剂或自然制冷剂的情况下也能够进一步提高耐磨损性而能够实现长期免维护化(参照专利文献1)；实现结构构件的低摩擦系数化而提高耐磨损性的压缩机(参照专利文献2)；使作为滑动部的固定涡盘和回旋涡盘(可动涡盘)为铝基材，并在其表面依次形成有Ni-P镀敷层、DLC(类金刚石碳)薄膜的旋转式流体机械(参照专利文献3)等。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2008-261261号公报

【专利文献2】日本特开2001-115959号公报

【专利文献3】日本特开2006-200455号公报

上述的专利文献1的技术中，在由烧结铁形成的滑动构件的表面依次形成氧化覆膜层、氧化物层、中间层、硬质碳皮膜层，使耐磨损性和低摩擦性优异的DLC等的硬质碳皮膜层与外表面密接，从而运转时的耐磨损性及低摩擦性优异，但滑动构件的基材自身为烧结铁且像以往那样偏心质量大，在适用新制冷剂的情况下，当进行超高速运转时，电动机的转矩负载非常大，因此结果是，在基本结构上，存在难以实现超高速运转和轻量化的难点。

另外，专利文献2的技术对于压缩机的结构构件即滑动构件，以回旋涡盘为铝基材，在其表面依次形成包含碳纤维及固体润滑剂而形成的树脂材料、DLC，并使DLC密接，比引用文献1的情况的偏心质量减小，能够抑制某种程度电动机的转矩负载而实现超高速运转或轻量化，但这里将要求机械强度和耐磨损性的欧氏环形成为铁系材料，因此在基本结构上难以充分实现超高速运转或轻量化。

此外，在专利文献3的技术中，与专利文献2的技术同样地，以回旋涡盘(可动涡盘)为铝基材，在其表面依次形成了Ni-P镀敷层、DLC薄膜，因此在基本结构上，难以充分实现超高速旋转或轻量化。

而且，专利文献2或专利文献3的技术使DLC密接在铝基材的表面形成的树脂材料或Ni-P镀敷层的表面上，但通常广为周知的情况是DLC难以密接在金属材料的表面上，为了确保密接性而需要对基底层想办法。基底层仅为树脂材料或Ni-P镀敷层的话，暴露在由新制冷剂形成的高压气体下，在假定滑动产生的相当的发热的使用条件下，具有无法长期及稳定地维持密接性的危险性。尤其是铝基材与铁相比，十分软，表面的DLC为硬质，因此假定硬质的DLC在高压条件下接受到滑动时，DLC使基底层或铝基材变形，或根据变形的程度而DLC也存在剥离的危险性。

此外，在专利文献2的技术中，将欧氏环形成为铁系材料的理由是，在压缩机的滑动构件进行超高速运转的情况下要减小偏心质量时，在回旋涡盘的情况下为了进行偏心旋转，而结构性地具有质量的平衡，由此能够消除偏心质量，但关于欧氏环，由于进行往复移动而限制回旋涡盘的自转运动，从而使压缩机进行回旋运动，因此在结构上无法具有质量的平衡，从而无法消除偏心质量。

然而，在为了减小电动机的转矩负载而减小旋转系统的惯性质量的观点下，关于欧氏环，轻量化的情况有利，而且能够有助于压缩机整体的小型化·轻量化，因此更优选。

发明内容

本发明为了解决这种问题点而作出，其技术性课题在于提供一种能够有助于压缩机整体的小型化·轻量化而耐久性及可靠性优异，且能够进行适用新制冷剂的超高速运转的涡旋压缩机。

本发明为了解决上述技术性课题，提供一种涡旋压缩机，在密闭壳体内使回旋涡盘的涡卷体与固定涡盘的涡卷体相互啮合，曲轴成为将电动机的旋转部安装在大致中央部的旋转主轴，在该曲轴的一端侧隔着框架而安装该回旋涡盘，并且在该回旋涡盘与该框架之间配置欧氏环，当该曲轴旋转时，该欧氏环对该回旋涡盘的自转运动进行限制，从而使涡旋压缩机进行回旋运动，所述涡旋压缩机的特征在于，欧氏环以铝合金为基材，并在该铝合金基材的表面上依次形成用于提高密接性的粘合层、用于弥补该铝合金基材的硬度的缓冲层、及硬质的类金刚石碳层而成。在该涡旋压缩机中，优选的是，铝合金由氧化膜覆盖。

另外，上述涡旋压缩机的一实施形态的特征在于，在缓冲层与DLC层之间夹设倾斜层，该倾斜层是金属的含量从铝合金基材朝向外侧减少、且碳的含量从该铝合金基材朝向该外侧增加的由碳及金属的混合物或金属碳化物构成的倾斜层。

此外，上述涡旋压缩机的另一实施形态的特征在于，在缓冲层与DLC层之间夹设倾斜层，该倾斜层是第一金属的含量从铝合金基材朝向外侧减少、且碳及与该第一金属不同的第二金属的含量从该铝合金基材朝向该外侧增加的由金属的混合物或金属碳化物构成的倾斜层。

而且，上述涡旋压缩机的另一实施形态的特征在于，DLC层含有0.5～4.5at％的铝。此处，优选的是，铝是从金属、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、及氢氧化物中选择的1个状态。

另外，上述涡旋压缩机的又一实施形态的特征在于，DLC层将SP²结合碳与SP³结合碳混杂而成。

此外，作为上述涡旋压缩机的再一实施形态，优选的是，对于回旋涡盘，也形成为与欧氏环同样的材质结构。

【发明效果】

根据本发明的涡旋压缩机，使欧氏环的基材为铝合金且在其表面上夹设密接性良好而用于弥补硬度的基底层来形成硬质的DLC层，因此与以往的铁系材料的情况相比，能够实现约1/3的轻量化，并防止滑动构件间的胶粘磨损而实现耐磨损性的提高和低摩擦系数化，从而能够减小旋转系统的惯性质量。而且，对于回旋涡盘，通过形成为同样的材质结构，而能够减少旋转系统的偏心质量。而且，能够在不会导致铝合金基材的强度下降的低温度下对其表面包含基底层的硬质的DLC层进行覆膜形成处理。其结果是，能够极力减小电动机的转矩负载，因此能够有助于整体的小型化·轻量化，能够使耐久性及可靠性优异且形成适用新制冷剂的超高速运转，从而能够以低成本得到与使用弗利昂时同等的压缩性能。

附图说明

图1是将本发明的实施例1的涡旋压缩机的概略结构沿着旋转主轴的延伸方向剖切表示的侧视图。

图2是表示图1所示的涡旋压缩机具备的欧氏环的外观的立体图。

图3是表示图1所示的涡旋压缩机具备的欧氏环及回旋涡盘的材质的多层结构的一例的局部剖视图。

图4是表示图1所示的涡旋压缩机具备的欧氏环及回旋涡盘的材质的多层结构的另一例的局部剖视图。

具体实施方式

该涡旋压缩机在基本结构上如以往那样周知，在密闭壳体(腔室)115设有用于安装对新制冷剂气体进行吸入的吸入管113的吸入口和用于安装进行喷出的喷出管114的喷出口，在密闭壳体(腔室)115内的端侧安装具有涡卷体的固定涡盘102，电动机100由转子(旋转部)110a及定子(固定部)110b构成，曲轴106成为将电动机100的转子100a安装在大致中央部分的旋转主轴，在曲轴106的轴向的一端侧隔着框架105而安装具有对方侧的涡卷体的回旋涡盘101，在曲轴106的另一端侧安装由轴承支承板111及副轴承112构成的轴支承构件，由此形成组装体，以回旋涡盘101的涡卷体与固定涡盘102的涡卷体相互啮合的方式将该组装体装入到密闭壳体115内的剩余的空间部分，从而成为将各部安装、密闭而收纳的结构。

在该密闭状态下，在细部结构上，对于安装在回旋涡盘101的背面上的回旋轴承，插入由框架105的主轴承105a支承的曲轴106的偏心部106a，配置在回旋涡盘101与框架105之间的欧氏环107在曲轴106的旋转时限制回旋涡盘101的自转运动，从而使涡旋压缩机进行回旋运动。

由固定涡盘102、回旋涡盘101及框架105形成的背压室109内的压力(背压值)由差压控制机构109a控制，由此，形成为将回旋涡盘101对固定涡盘102按压的状态。差压控制机构109a的压力入口侧与背压室109连通，压力出口侧与固定涡盘102的涡卷体的外周设置的固定外周槽连通。该固定外周槽与制冷剂气体的吸入口连通，由此，固定外周槽内始终成为吸入压。

吸入管113用于取入制冷剂气体，并与固定涡盘102连通。喷出管114用于将压缩后的制冷剂气体向外部喷出。在电动机110的下部的轴承支承板111上安装的副轴承112与框架105的主轴承105a一起对曲轴106进行支承。顺便提一下，密闭壳体115内的曲轴106的轴向上的另一端侧的小室被使用作为积存油的油积存室116。

对这种结构的涡旋压缩机的压缩动作进行说明。当驱动电动机110而使转子100a及曲轴106旋转时，伴随于此，回旋涡盘101开始回旋运动。由于该动作而回旋涡盘101及固定涡盘102的涡卷体啮合，从而形成第一压缩室及第二压缩室。

此时，从吸入管113流入的制冷剂气体在第一压缩室及第二压缩室内被压缩。在第一压缩室及第二压缩室中，伴随着曲轴106的旋转，边使容积向中央方向减少边进行压缩动作，由此高压化的制冷剂气体从形成于固定涡盘102的喷出口108向密闭壳体115内的喷出室103、104喷出，最终通过喷出管114向外部喷出。

由于对框架105的主轴承105a等进行润滑后的油中含有气体，而背压室109的压力上升，通过差压控制机构109a进行控制，而相对于吸入压力成为恒定的压力差。该压力成为吸入压力与喷出压力的中间程度的中间压力，将回旋涡盘101向固定涡盘102按压。在此时的按压的作用下，回旋涡盘101的端板与固定涡盘102密接，通过回旋涡盘101的端板来进行与背压室109内的中间压力的密封(seal)。

在实施例1的涡旋压缩机中使用的地球暖化系数(GWP)低的CO₂或HFC152a等的新制冷剂由于换热率比以往的弗利昂的情况低，因此若要得到与使用弗利昂的情况同等的压缩功能，则需要增大容量或不改变容量而进行超高速运转。如上述那样为了增大容量而需要使压缩机整体大型化，但所述方法违背现状的小型化·轻量化的要求，因此实质上不选取。

因此，当考察不改变容量而用于进行超高速运转的条件时，优选如专利文献2或专利文献3那样对滑动构件的回旋涡盘101的材料想办法，通过轻量化来减小偏心质量，并减小旋转系统的惯性质量，从而极力减小电动机100的转矩负载。

但是，如专利文献2或专利文献3那样在使回旋涡盘101的基材为铝系材料、且将在其表面形成硬质的DLC层用的基底层形成为树脂材料或Ni-P镀敷层的结构中，存在无法长期及稳定地维持密接性的担心或DLC剥离的危险性。即，通过专利文献2或专利文献3的方法进行应对时，在基本结构上难以充分实现超高速运转和轻量化，而且在形成DLC层的滑动构件的耐久性方面也存在问题。

因此，在实施例1的涡旋压缩机中，应注意到配置在回旋涡盘101与框架105之间的欧氏环107的材质的改良。

图2是表示上述的涡旋压缩机具备的欧氏环107的外观的立体图。

该欧氏环107在外观上是以往那样的大致圆环状的形状。在回旋涡盘101侧的面的外周缘上，用于对回旋涡盘101的自转运动进行限制的凸状的回旋侧键107a设置在通过中心的径向上的两个部位。而且，在框架105侧的面的外周缘上，凸状的框架侧键107b也设置在与回旋侧键107a正交的通过中心的径向上的两个部位。

此处的欧氏环107以铝合金为基材，并在该铝合金基材的表面上依次形成用于提高密接性的粘合层(导电层)、用于弥补铝合金基材的硬度的缓冲层、及硬质的DLC层。而且，关于回旋涡盘101，也为同样的材质结构。无论如何，此处的铝合金都可以由氧化膜覆盖。

其中，可以例示粘合层(导电层)含有一种铬(Cr)或钛(Ti)的金属的情况。

缓冲层可以例示含有一种铬氮化物(CrN)、铬碳化物(CrC)、钛氮化物(TiN)、钛碳化物(TiC)的情况。

然而，在上述的缓冲层与DLC层之间也可以夹设使金属为铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)中的1种、使该金属的含量从铝合金基材朝向外侧减少、并使碳的含量从铝合金基材朝向外侧增加的碳及金属的混合物或金属碳化物构成的倾斜层。或者在缓冲层与DLC层之间也可以夹设使第一金属及第二金属为铝(Al)、铬(Cr)、钛(Ti)中的1种、使第一金属的含量从铝合金基材朝向外侧减少、并使碳及与第一金属不同的第二金属的含量从铝合金基材朝向外侧增加的金属的混合物或金属碳化物构成的倾斜层。

另外，DLC层也可以含有0.5～4.5at％的铝。但是，此处铝优选为从金属、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、及氢氧化物中选择的1个状态。而且，DLC层也可以将SP²结合碳与SP³结合碳混杂而成。

在铝合金基材的表面上对上述的材质结构进行多层化形成而制造这种滑动构件即欧氏环107或回旋涡盘101时，只要实施如下的第一工序和第二工序即可，该第一工序是通过溅射法或离子镀膜法而在铝合金基材的表面上形成粘合层(导电层)的工序，该第二工序是在对铝合金基材施加偏压的状态下、在粘合层(导电层)上形成用于提高密接性并弥补硬度的缓冲层(根据需要在缓冲层上还形成倾斜层)、从而在缓冲层上(或倾斜层上)形成DLC层(根据需要而预先含有铝或混杂有SP²结合碳及SP³结合碳)的工序。

无论如何，为了减少旋转系统的偏心质量而将滑动构件即欧氏环107或回旋涡盘101仅形成为铝合金基材的话，若考虑到通常铝合金为软质且滑动性差、滑动速度增大而发热量也增大的情况，则无法得到能耐受超高速运转的耐磨损性。而且，仅通过使欧氏环107及回旋涡盘107为同种金属材料(都为铝合金材料)的话，回旋涡盘101与欧氏环107的回旋侧键107a容易引起胶粘磨损，成为不良情况。

因此，对于欧氏环107及回旋涡盘101，不仅形成为铝合金基材，而且利用上述的材质结构在表面上形成硬质的DLC层，由此能够防止胶粘磨损而减少滑动引起的发热。顺便提一下，铝合金由于弹性系数小且线膨胀系数大，仅对硬质的DLC层进行覆膜处理的话，容易产生剥离，因此夹设粘合层(导电层)或倾斜层来确保密接性和硬度，在防止剥离上至关重要。而且，在形成基底层时，处理温度高的CVD处理等会导致强度下降，因此适用困难。

图3是表示此处的欧氏环107及回旋涡盘101的材质的多层结构的一例的局部剖视图。

参照图3，此处的多层结构是在表面由氧化膜覆盖的基于铝合金基材的欧氏环107及回旋涡盘101的表面上(即，铝合金基材的氧化膜上)依次形成粘合层(导电层)、缓冲层、倾斜层及DLC层而成的结构。

图4是表示此处的欧氏环107及回旋涡盘101的材质的多层结构的另一例的局部剖视图。

参照图4，此处的多层结构是在表面未由氧化膜覆盖的基于铝合金基材的欧氏环107及回旋涡盘101的表面上依次形成粘合层(导电层)、缓冲层、倾斜层及DLC层而成的结构。

在具备上述的多层结构及材质结构的欧氏环107及回旋涡盘101的涡旋压缩机中，基本上使欧氏环107的基材为铝合金且在其表面上夹设密接性良好而用于弥补硬度的基底层来形成硬质的DLC层，因此与以往的铁系材料的情况相比，能够实现约1/3的轻量化，并防止滑动构件间的胶粘磨损而实现耐磨损性的提高和低摩擦系数化，从而能够减小旋转系统的惯性质量。而且，对于回旋涡盘101，通过形成为同样的多层结构及材质结构，而能够减少旋转系统的偏心质量。而且，能够在不会导致铝合金基材的强度下降的低温度下对其表面包含基底层的硬质的DLC层进行覆膜形成处理。其结果是，能够极力减小电动机100的转矩负载，因此能够有助于压缩机整体的小型化·轻量化，能够使耐久性及可靠性优异且形成适用新制冷剂的超高速运转(在向电动机100的驱动信号下频率为200Hz左右)，能够以低成本得到与使用弗利昂时同等的压缩性能。

【符号说明】

101回旋涡盘

102固定涡盘

103、104喷出室

105框架

105a主轴承

106曲轴

106a偏心部

107欧氏环

107a回旋侧键

107b框架侧键

108喷出口

109背压室

109a差压控制机构

110电动机

110a转子

110b定子

111轴承支承板

112副轴承

113吸入管

114喷出管

115密闭壳体(腔室)

116油积存室

Claims

1.一种涡旋压缩机，在密闭壳体内使回旋涡盘的涡卷体与固定涡盘的涡卷体相互啮合，曲轴成为将电动机的旋转部安装在大致中央部的旋转主轴，在该曲轴的一端侧隔着框架而安装该回旋涡盘，并且在该回旋涡盘与该框架之间配置欧氏环，在该曲轴旋转时，该欧氏环对该回旋涡盘的自转运动进行限制，从而使所述涡旋压缩机进行回旋运动，所述涡旋压缩机的特征在于，

所述欧氏环以铝合金为基材，并在该铝合金基材的表面上依次形成用于提高密接性的粘合层、用于弥补该铝合金基材的硬度的缓冲层、及硬质的类金刚石碳层而成。

2.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述铝合金由氧化膜覆盖。

3.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，

在所述缓冲层与所述类金刚石碳层之间夹设倾斜层，该倾斜层是金属的含量从所述铝合金基材朝向外侧减少、且碳的含量从该铝合金基材朝向该外侧增加的由碳及金属的混合物或金属碳化物构成的倾斜层。

4.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，

在所述缓冲层与所述类金刚石碳层之间夹设倾斜层，该倾斜层是第一金属的含量从所述铝合金基材朝向外侧减少、且碳及与该第一金属不同的第二金属的含量从该铝合金基材朝向该外侧增加的由金属的混合物或金属碳化物构成的倾斜层。

5.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述类金刚石碳层含有0.5～4.5at％的铝。

6.根据权利要求5所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述铝是从金属、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、及氢氧化物中选择出的1个状态。

7.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述类金刚石碳层由SP²结合碳与SP³结合碳混杂而成。

8.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述回旋涡盘以所述铝合金为基材并在该铝合金基材的表面上依次形成所述粘合层、所述缓冲层、及所述类金刚石碳层而成。

9.根据权利要求8所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述铝合金由氧化膜覆盖。

10.根据权利要求8所述的涡旋压缩机，其特征在于，

11.根据权利要求8所述的涡旋压缩机，其特征在于，

12.根据权利要求8所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述类金刚石碳层含有0.5～4.5at％的铝。

13.根据权利要求12所述的涡旋压缩机，其特征在于，

14.根据权利要求8所述的涡旋压缩机，其特征在于，

所述类金刚石碳层由SP²结合碳与SP³结合碳混杂而成。