CN1133818C - 冷冻机用压缩机 - Google Patents

Abstract

一种具有滚柱活塞和随之运动的叶片的冷冻机用压缩机，由于在叶片2的形成有保护膜4的顶端部2a的坯料表面，沿与滚柱活塞1滑动接触的方向经过磨削等精加工，在该坯料表面形成有沿与滚柱活塞滑动接触方向连续的细微凸部和凹部，并在滚柱活塞1或叶片2的用离子镀法形成有保护膜的坯料棱角部形成倒角，所以，设于叶片等滑动构件上的耐磨性保护膜不会因与其他构件滑动而早期剥离，保护膜也不会在滑动构件的棱角部向上隆起而损伤其他构件，解决了因滑动构件引起压缩机寿命下降的问题。

Description

冷冻机用压缩机

本发明涉及冷冻机用压缩机，尤其涉及具有滚柱活塞和随之从动的叶片的旋转式冷冻机用压缩机。

制冷剂历来使用特定氟利昂R12或指定氟利昂R22。特定氟利昂化学性能稳定、不可燃、无毒性，被广泛用作理想制冷剂而被长期使用。

然而近来，已确认特定氟利昂分子中含有氯原子，这会破坏臭氧层，正在力图开发和使用替代氟利昂。

作为实用性高的替代制冷剂，例如有不含氯的HFC(Hydro  FluoroCarbon)制冷剂(日本《油空压技术》1994年6月号，日本工业出版发行)。

另外，该HFC替代氟利昂因为不含有氯，所以不具有含有氯的特定氟利昂R12或指定氟利昂R22那样的润滑性。因此，使用HFC替代氟利昂时，非常重视通过制冷剂的流动运至供给压缩机各部分的润滑面，并从热交换器效率的观点来看，冷冻机油与制冷剂也必须有相溶性。对特定氟利昂及指定氟利昂使用矿物油或烷基苯，但因为这与上述替代氟利昂的相溶性极差，故在考虑使用与替代制冷剂有相溶性的酯油(《油空压技术》1994年6月号，日本工业出版发行)。

但是，若采用这些替代氟利昂HFC及与之有相溶性的酯油，则滚柱活塞及叶片等滑动接触构件所使用的、例如FC25等的铸铁、S-15C等的碳钢、SWRCH10A等的冷锻钢、SCM435等的合金钢(均为JIS标准)、烧结合金及不锈钢之类的金属材料的耐磨性会下降，使冷冻机不能长期稳定运转。

这是因为，替代氟利昂HFC不含有氯，润滑性差，并且酯油含有极性基故吸湿性强，吸入的水分分解酯油生成羧酸，该羧酸使如上所述的叶片材料即钢表面发生腐蚀而使其疲劳寿命降低(《油空压技术》1994年6月号，日本工业出版发行)，此外，因酯油分解而产生酸、酸浸入叶片等的铁系金属材料而使其发生应力腐蚀等因素，也使叶片等的寿命下降。

此外，因为替代制冷剂润滑性差，所以滚柱活塞和叶片的滑动状态容易呈局部油膜断开的边界润滑状态，若在该呈边界润滑状态的部分，双方呈钢相互之间的同一组织结构，双方间即发生粘附，磨损加速寿命下降。

如上所述，一旦滚柱活塞或叶片等的寿命短，对于不进行维护保养且长寿命运转的密封型压缩机，叶片等寿命即成为整个压缩机的寿命，所以特别成问题，不实用。

日本发明专利公开1993年第18357号公报公开了一种冷冻机用压缩机，其滑动构件一方为铸铁，另一方为表面有用PVD法形成的以CrN为主要成分的化合物保护膜的铁系金属材料。

此外，日本发明专利公开1995年第145787号公报公开的一种冷冻机用压缩机，其叶片由含有铬的铁系合金钢或铁系烧结材料构成，至少对其顶端部进行渗氮处理而形成铁和铬和氮的化合物层之后，仅在其顶端部表面施加氮化铬的陶瓷涂层作为保护膜。

上述公报所示的以CrN为主要成份的保护膜，即使在使用不含氯的替代制冷剂及与其相溶的冷冻机油的环境下也能发挥出色的耐磨性能。但是，其保护膜有时也会发生早期剥离，不能保证充分的寿命。对此反复进行实验已确认，其剥离方式如下：如图8(a)、(b)所示，施加于叶片a顶端的保护膜b由于与滚柱活塞间发生滑动，故首先沿叶片a顶端的长度方向发生裂纹c。接着，因为与滚柱活塞之间的箭头所示滑动方向的摩擦力作用于该裂纹c的边缘，故裂纹c受到宽度方向外力F而边向宽度方向扩展，边发生早期剥离。

叶片a经过高精度研磨加工，以使其与滚柱活塞之间的滑动部不产生间隙。但用显微镜来看，则保护膜b的表面如图8(a)、(b)所示，在宽度方向呈波形的凹部和凸部沿叶片a顶端的长度方向线状地连续。其原因在于，用离子镀法可形成尺寸精度特好的均匀厚度的保护膜b，保护膜忠实地沿着叶片a顶端研磨精加工面的凹凸形状而形成，这样的叶片a坯料顶端的凹凸，如图所示，是边将叶片a顶端紧靠在砂轮j的成形用R形槽k上边使其沿顶端长度方向移动进行研磨而形成的。

因此，当叶片a与滚柱活塞相滑动时，保护膜b的该波形凸部b1与滚柱活塞最强地线状地滑动接触，且其背部的叶片a顶端部坯料形成的凸部a1与滚柱活塞之间也受到最强的压迫。因此可以认为，硬质CrN因这些强的滑动接触和压迫产生的应力，会沿保护膜b的凸部b1的棱线产生叶片a顶端部的长度方向的裂纹，成为发生剥离的原因。

上述情况不管是保护膜b仅在叶片a顶端部形成，还是在整个表面形成，都同样会发生。

另一方面，如上所述的保护膜b例如可用PVD法形成。PVD法中包括使用真空或放电的方法，或利用气相分解的方法等。可以利用其中任一种方法，但离子镀法特别易操作，且离子化的粒子及气体入射后可在基材上发生反应，结晶化发展，故保护膜b的紧贴性良好，情况更佳。离子镀法中有反应性离子镀法和高频离子镀法，两者都适合用于保护膜b的形成。

图11示出了采用反应性离子镀法的PVD装置。

该装置的真空槽d内保持10^-3乇左右的压力。使用电子枪e使铬蒸发作为蒸气源。对离子电极f偏置约50V的正电压，使蒸发后的铬离子化。离子化后的铬向着偏置为负电压的基材g加速，故以很高的动能与基材g相撞。若反应气体使用氮气N，则在基材g的表面生成以CrNx为主要成分的化合物层。

但是用离子镀法，当以叶片a为基材在其表面形成保护膜b时，电荷会集中在叶片a的棱角部a2处，在棱角部a2，反应和结晶化比其他部分进行得快，如图12所示，会在保护膜之上生成微米单位的隆起部b2。叶片a与缸体i之间是以微米单位的间隙进行滑动的，如上所述的隆起部b2如图13所示，会损伤缸体i及滚柱活塞h等，导致早期的制冷剂泄漏，使制品寿命缩短。

本发明以解决如上所述的问题为课题，目的在于提供如下一种冷冻机用压缩机，该压缩机设于叶片等滑动构件的耐磨性保护膜不会因与其他构件滑动而早期剥离，也不会因保护膜在滑动构件的棱角部隆起而损伤其他构件，不会发生滑动构件引起的寿命下降的问题。

为了达到上述目的，技术方案1所述发明的冷冻机用压缩机，具有缸体；在所述缸体内偏心旋转的滚柱活塞；以及在所述缸体内为了吸入、压缩并送出制冷剂而随着所述滚柱活塞运动的叶片；在所述叶片的至少与所述滚柱活塞滑动接触的顶端部的坯料表面形成有耐磨性保护膜，并且在所述叶片顶端部的坯料表面，具有沿与滚柱活塞滑动接触方向连续的细微凸部和凹部。该细微凸部和凹部是通过对叶片顶端部的坯料表面在与滚柱活塞滑动接触的方向进行研磨加工而形成的。

叶片的至少与滚柱活塞滑动接触的顶端部所设的耐磨性保护膜，即使如技术方案6所述，在使用不含氯的替代制冷剂及与之相溶的冷冻机油环境下与滚柱活塞滑动，也能发挥充分的耐磨性，且具有防止在边界润滑状态下发生粘附的材质方面的特性。由于叶片的与滚柱活塞滑动的顶端部的坯料表面在与滚柱活塞滑动接触方向上施加了磨削等的精加工，故在显微镜下见到的凹凸呈在与滚柱活塞滑动接触方向上连续的状态，施加于该表面的保护膜的凹凸也同样地呈在与滚柱活塞滑动接触方向上连续的状态。在此情况下，即使因保护膜的凸部与滚柱活塞最强地压接且受到位于背部的叶片凸部与滚柱活塞的压迫而产生沿保护膜凸部棱线的裂纹，该裂纹的方向也是保护膜的凸部连续的与滚柱活塞滑动接触的方向。因此，因保护膜与滚柱活塞滑动引起的摩擦阻力这一外力以裂纹为起点作用于保护膜时的方向是裂纹的长度方向，不会是使裂纹向宽度方向扩开的方向，所以不会引起保护膜的早期剥离，包括如技术方案2所述的叶片是铁系金属且保护膜是由PVD法形成的冷冻机用压缩机，及如技术方案3所述的非铁金属层是以CrN化合物为主要成分的冷冻机用压缩机，都能长期发挥保护膜的上述保护功能和防粘附功能，延长叶片和滚柱活塞的寿命，能解决因滚柱活塞和叶片引起的冷冻机用压缩机寿命缩短的问题。

技术方案4所述发明的冷冻机用压缩机，具有滚柱活塞和随其运动的叶片，在滚柱活塞及叶片之一的坯料表面形成有利用离子镀法的耐磨性保护膜，其特征在于，形成有保护膜的滚柱活塞及叶片的坯料棱角部形成有倒角。

采用如上所述的结构，滚柱活塞及叶片之一表面所设的耐磨性保护膜是通过离子镀法形成的，即使是如技术方案5所述以CrN化合物为主要成分的高耐磨性材料构成的，也能以很高的密合性形成膜，且因为滚柱活塞及叶片的设有保护膜的坯料棱角部有倒角，所以，可防止用离子镀法形成保护膜时电荷向棱角部集中，因电荷集中而容易在棱角部产生的保护膜的隆起部就不会产生，防止因保护膜的隆起部损伤缸体之类与之滑动的其他构件等引起的早期制冷剂泄漏，从而能充分利用如上所述保护膜获得很高的密合性且长寿命这一特点，即使如技术方案6所述，在使用不含氯的替代制冷剂及与之相溶的冷冻机油环境下与滚柱活塞滑动，由于出色的耐磨性和边界润滑状态下的防粘附性能，也能消除因滚柱活塞及叶片引起冷冻机用压缩机寿命缩短的问题。

附图简介：

图1是本发明冷冻机用压缩机实施形态1的示意剖视图。

图2是图1所示压缩机所用叶片局部的立体图。

图3是图2中叶片的局部放大剖视图。

图4是图2中的叶片的加工状态说明图。

图5是本发明冷冻机用压缩机实施形态2中的叶片局部的立体图。

图6是将图5中的叶片方向变为两个方向经剖切后的剖面图。

图7是本发明冷冻机用压缩机实施形态3中的滚柱活塞的剖视图。

图8是现有叶片的局部立体图和剖视图。

图9是示出图8中的叶片加工方法的立体图。

图10是示出图8中的叶片加工方法的剖视图。

图11是示出用离子镀法的保护膜形成状态的模式图。

图12是示出现有的用离子镀法形成的叶片保护膜状态的立体图。

图13是图12所示叶片的使用状态的剖视图。

以下对本发明冷冻机用压缩机的几个实施形态，参照附图予以说明。

本实施形态1的冷冻机用压缩机如图1所示，具有滚柱活塞1和随之运动的叶片2，在缸体3内，滚柱活塞1随着叶片2的滑动作偏心转动，从而将低温低压的气体制冷剂吸入缸体3内进行压缩，将其变为高温高压的气体制冷剂送出，反复提供给冷冻循环。

滚柱活塞1及叶片2可以是历来所采用的铁系金属，例如铸铁、碳钢、冷锻钢、合金钢、烧结合金及不锈钢之类，滚柱活塞1特别适合采用高速钢或铸铁热处理品。

叶片2在与滚柱活塞1滑动接触的顶端部2a的坯料表面形成有耐磨性的保护膜4，但当然也可以在叶片2的整个表面形成保护膜4。叶片2的形成有保护膜4的顶端部2a的坯料表面在如图2中箭头A所示的与滚柱活塞1滑动接触的方向上施加有磨削之类的精加工。

如上所述的精加工如图4所示，将叶片2的基材21顶端部21a紧贴在平砂轮11的圆筒面上，使后方侧沿图中箭头B所示方向作摆动，即磨削加工出在宽度方向弯曲的一定的弯曲面。要将弯曲面做成圆弧面时，例如如图4所示，将叶片2的基材21插入并保持在能以轴12为中心作摆动的壳体13内，将基材21的顶端部抵靠在平砂轮11的圆筒面上，并使壳体13以轴12为中心作摆动，，即能磨削加工出正确的圆弧面。当然，这样的加工或采用其他的保持机构及导向件，或不用这样的机构而用人手进行操作等，都可以完成。

叶片2顶端部2a的坯料经这样的加工，在显微镜下看加工后的表面，即可看到如图2和图3所示的凹凸。该凹凸呈在与滚柱活塞1的滑动接触方向上连续的状态，施加于该表面的保护膜4的凹凸也同样地呈在与滚柱活塞1滑动接触的方向上连续的状态。

叶片2的至少与滚柱活塞1滑动的顶端部2a所设的耐磨性保护膜4以CrN化合物为宜，但不受此限，能发挥同样性能的其他金属材料也行。该保护膜4即使在使用不含氯的替代制冷剂及与之相溶的冷冻机油即酯油的环境下与滚柱活塞1滑动，也具有充分的耐磨性，以及具有在与滚柱活塞1的边界润滑状态下能发挥防止粘附功能的材质上的特性。

此外，叶片2的与滚柱活塞1滑动的顶端部2a的坯料表面如上所述，因在与滚柱活塞1滑动接触方向上进行磨削等加工而生成的凹凸，以及其上形成的保护膜4的凹凸，因为分别在与箭头A所示的滚柱活塞1滑动接触方向上连续，故保护膜4的凸部4a与滚柱活塞1最强压接，并受到位于背部的叶片2的凸部2a1和滚柱活塞1的压迫，所以，有时会产生如图2和图3所示的沿凸部2a1棱线的裂纹31。

但是，该裂纹31的长度方向是保护膜4的凸部4a的连续方向，即与滚柱活塞1滑动接触的方向。因此，保护膜4与滚柱活塞1滑动引起的摩擦阻力即外力F对保护膜4的以裂纹31为起点的作用力方向是与图2所示的裂纹31的长度方向一致的，不会成为使裂纹31向宽度方向扩开的方向，所以不会引起保护膜4的早期剥离，即使叶片2是铁系金属，如前所述保护膜是以质硬容易发生裂纹31的CrN化合物为主要成分的保护膜，也能使其长期发挥保护膜4的上述耐磨性及边界润滑状态下的防止粘附的保护功能，延长滚柱活塞1及叶片2的寿命，消除因叶片2而使冷冻机用压缩机寿命缩短的问题。

保护膜4若用PVD法来形成，则装置及操作简单成本低。尤其是用离子镀法来形成可获得高的密合性，可充分利用保护膜4具有的耐磨性及边界润滑状态下的防止粘附的保护功能。

现说明一个实施例。将叶片2的形成保护膜4的顶端部2a的表面粗糙度设定为Rmax 0.1-0.5μm左右，用PVD法形成的保护膜4的厚度设定为约0.5-0.6μm，获得了很好的结果。但根据情况也可以超过该范围。

图5示出了本发明冷冻机用压缩机实施形态2，与实施形态1不同之处在于，在叶片2的整个表面通过离子镀法形成有保护膜4，并在叶片2的棱角部有倒角2b。其他的构成及收到的作用效果与实施形态1相同。因此，在相同构件上标上相同的符号并省略对其的重复说明。倒角2b通过抛光研磨、NC加工及成形砂轮等加工可容易地形成。但本发明并不受此限，可以采用其他种种方法。

如上所述，叶片2表面的耐磨性保护膜4是通过离子镀法形成的，能将如实施形态l所述的以CrN化合物为主要成分的高耐磨性材料构成的保护膜以高的密合性形成，并且叶片2的坯料的棱角部设有倒角2b，所以，能防止用离子镀法形成保护膜4时电荷向棱角部集中，可制成无因电荷集中而容易在棱角部产生的保护膜隆起部的叶片。

因此，防止了保护膜4的隆起部损伤缸体及滚柱活塞1这样与之滑动的其他构件等而引起早期制冷剂泄漏，充分利用如上所述保护膜4获得高的密合性且长寿命这一点，即使在使用不含氯的替代制冷剂及将与之相溶的酯油用作冷冻机油的环境下与滚柱活塞l滑动，也能消除因叶片2而使冷冻机用压缩机寿命缩短的问题。

现说明一实施例。倒角2b的半径R设定为约0.05mm-0.5mm为宜。但有时也可超过该范围。

另外，本实施形态2中的保护膜和棱角部的倒角若不设在叶片2上而设在滚柱活塞上，也能发挥同样的作用效果。

图7示出了本实施形态3，这是在滚柱活塞1的表面利用离子镀法形成有保护膜4的例子，在棱角部设有倒角1a。因此，保护膜4能收到在与叶片之间有良好耐磨性及防止在边界润滑状态下发生粘附的功能，并且，对于叶片及缸体等与之滑动的其他构件，能发挥与实施形态2的叶片2对于与之滑动的其他构件所起作用效果相同的作用效果，能防止因滚柱活塞1及叶片而缩短冷冻机用压缩机的寿命。

若采用本发明技术方案1所述的冷冻机用压缩机，则在叶片的至少与滚柱活塞滑动的顶端部所设的耐磨性保护膜即使在如技术方案6所述、即在使用不含氯的替代制冷剂和与之相溶的冷冻机油的环境下与滚柱活塞滑动，也能发挥充分的耐磨性和边界润滑状态下的粘附防止功能，叶片的与滚柱活塞滑动的顶端部的坯料表面以及设于该表面的保护膜在显微镜下看到的凹凸呈沿与滚柱活塞滑动的方向连续的状态，即使保护膜的凸部因为与滚柱活塞以最强力压接且受到位于背部的叶片凸部与滚柱活塞的压迫而发生沿凸部棱线的裂纹，该裂纹方向也是保护膜的凸部连续的与滚柱活塞滑动接触的方向，因保护膜与滚柱活塞滑动而产生的摩擦阻力作用于裂纹的长度方向，而不会是使裂纹向宽度方向扩开的方向，所以不会导致早期剥离，包括如技术方案2所述的叶片是铁系金属且保护膜是由PVD法形成的冷冻机用压缩机，及如技术方案3所述的非铁金属层是以CrN化合物为主要成分的冷冻机用压缩机，都能长期发挥保护膜的上述耐磨性和防粘附带来的保护功能，延长叶片的寿命，能解决因叶片引起的冷冻机用压缩机寿命缩短的问题。

若采用技术方案4所述的冷冻机用压缩机，则滚柱活塞表面或叶片表面所设的耐磨性保护膜是通过离子镀法形成的，即使是如技术方案5所述以CrN化合物为主要成分的高耐磨性材料构成的，也能获得良好的密合性，且因为滚柱活塞及叶片的设有保护膜的坯料棱角部有倒角，所以，不会发生用离子镀法形成保护膜时电荷集中于棱角部的现象，也不会产生因电荷集中而容易在棱角部产生的保护膜的隆起部，防止因保护膜的隆起部损伤缸体及滚柱活塞等引起的早期制冷剂泄漏，即使如技术方案6所述，在使用不含氯的替代制冷剂及与之相溶的冷冻机油环境下与滚柱活塞滑动，由于滚柱活塞与叶片之间的充分的耐磨性和边界润滑状态下的防粘附性能，也能消除因滚柱活塞及叶片引起冷冻机用压缩机寿命缩短的问题。

Claims (7)

1.一种冷冻机用压缩机，具有：

缸体；

在所述缸体内偏心旋转的滚柱活塞；以及

在所述缸体内为了吸入、压缩并送出制冷剂而随着所述滚柱活塞运动的叶片；

在所述叶片的至少与所述滚柱活塞滑动接触的顶端部的坯料表面形成有耐磨性保护膜，其特征在于，

在所述叶片顶端部的坯料表面，具有沿与滚柱活塞滑动接触方向连续的细微凸部和凹部。

2.根据权利要求1所述的冷冻机用压缩机，其特征在于，所述叶片是铁系金属，所述保护膜是用PVD法形成的非铁金属层。

3.根据权利要求2所述的冷冻机用压缩机，其特征在于，所述非铁金属层是以CrN化合物为主要成分的保护膜。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的冷冻机用压缩机，其特征在于，所述制冷剂使用HFC系的制冷剂，冷冻机油使用与制冷剂有相溶性的酯油。

5.一种冷冻机用压缩机，具有滚柱活塞和随其运动的叶片，在滚柱活塞及叶片之一的坯料表面形成有用离子镀法形成的耐磨性保护膜，其特征在于，

滚柱活塞及叶片的形成有保护膜的坯料棱角部形成有倒角。

6.根据权利要求4所述的冷冻机用压缩机，其特征在于，所述保护膜是以CrN为主要成分的。

7.根据权利要求5或6所述的冷冻机用压缩机，其特征在于，所述制冷剂使用HFC系的制冷剂，冷冻机油使用与制冷剂有相溶性的酯油。

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