DE102008024307A1

DE102008024307A1 - Verdichter

Info

Publication number: DE102008024307A1
Application number: DE102008024307A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kariya Ichiyanagi; Shigeki Kariya Iwanami; Sanemasa Kariya Kawabata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: US8007262B2; JP2008286148A; US20090280018A1; DE102008024307B4; JP4737141B2

Abstract

Ein Spiralverdichter (11), der ein Axialdrucklager (53) mit einer ersten Gleitfläche (100) und einer zweiten Gleitfläche (101) in entgegengesetzter Beziehung zu der ersten Gleitfläche (100) umfasst, wird offenbart. Die erste Gleitfläche (100) ist mit einer Vielzahl von inselartigen druckaufnehmenden Abschnitten (83) ausgebildet, die von Rillen (85) umgeben und unabhängig voineinander sind. Der Teil der zweiten Gleitfläche (101) in entgegengesetzter Beziehung zu den druckaufnehmenden Abschnitten (83) ist im Vergleich zu der ersten Gleitfläche (100) flach. Die äußerste Vorderfläche der zweiten Gleitfläche (101) ist mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) ausgebildet.

Description

Der Anmelder beansprucht das Prioritätsrecht basierend auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-133689 , eingereicht am 21. Mai 2007, deren gesamter Inhalt hiermit per Referenz eingebunden ist.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Verdichter oder insbesondere einen Verdichter mit einem Axialdrucklager.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Die herkömmlichen Verdichter verschiedener Typen werden verwendet. Der Spiralverdichter, der für den Kältemittelkreislauf verwendet wird, ist ein Beispiel.
Im Allgemeinen umfasst ein Spiralverdichter eine feste Spirale, die an einem Gehäuse befestigt ist, und eine bewegliche Spirale, die in entgegengesetzter Beziehung zu der festen Spirale angeordnet ist und geeignet ist, auf einer Drehwelle in Bezug auf die feste Spirale zu drehen, so dass ein Fluid von der festen Spirale und der beweglichen Spirale verdichtet wird. Die bewegliche Spirale nimmt die Kraft in der Axialrichtung aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Druck auf der Rückseite der beweglichen Spirale und dem Druck des komprimierten Fluids auf. Diese Kraft in Axialrichtung wird von einem Axialdrucklager gehalten.
Die bewegliche Spirale läuft um. In dem Fall, in dem das Axialdrucklager für den Spiralverdichter verwendet wird, ist die Gleitgeschwindigkeit niedriger als in dem Fall, in dem das Axialdrucklager für eine Rotationsvorrichtung verwendet wird. Aus diesem Grund ist es schwierig, den Ölfilm des Schmieröls auf den Gleitflächen zu bilden, und es besteht die Gefahr, dass ein Festfressen auftritt.
In einem Verdichter, der in dem Kältemittelkreislauf verwendet wird, in dem Kohlendioxid das Kältemittel ist, ist der Druck des komprimierten Kältemittels so hoch, dass die Kraft in die Axialdruckrichtung zunimmt, und wie ein Ölfilm auf den Gleitflächen des Axialdrucklagers gebildet werden kann, stellt ein kritischeres Problem dar.
Die japanische Patentveröffentlichung (A) Nr. 2001-115959 schlägt zum Beispiel einen Spiralverdichter mit einem Axialdrucklager vor, das eine Gleitfläche einer beweglichen Spirale und eine feste Gleitfläche und einen Gegendruckmechanismus zum Verringern der Last auf den Gleitflächen hat, indem Druck auf den hinteren Abschnitt der Welle der beweglichen Spirale ausgeübt wird, wobei die Gleitflächen mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht bedeckt werden.
Dieser Gegendruckmechanismus hat jedoch einen komplizierten Steuerbetrieb und erhöht die Kosten. Das Fehlen des Gegendruckmechanismus, um die Herstellungskosten zu verringern, kann andererseits die Abnutzung des Axialdrucklagers erhöhen und ein Festfressen verursachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe dieser Erfindung ist, den vorstehend beschriebenen Problempunkt zu lösen und einen Verdichter bereitzustellen, der niedrige Herstellungskosten hat, der ein Axialdrucklager mit einer hohen Fähigkeit umfasst, das Festfressen zu verhindern, und der unter vielfältigen Betriebsbedingungen einen kleinen Abnutzungsbetrag der Lagergleitflächen hat.
Um das Problem zu lösen und die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Verdichter bereitgestellt, der ein Axialdrucklager (53) umfasst, das eine erste Gleitfläche (100) und eine zweite Gleitfläche (101) in entgegengesetzter Beziehung zu der ersten Gleitfläche (100) umfasst, wobei die erste Gleitfläche (100) mit einer Vielzahl von inselartigen druckaufnehmenden Abschnitten (83) ausgebildet ist, die von Rillen (85) umgeben und unabhängig voneinander sind, wobei die zweite Gleitfläche (101) im Vergleich zu der ersten Gleitfläche (100) flach ist und mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) ausgebildet ist.
Als ein Ergebnis wird die Abnutzung oder das Festfressen auf den Gleitflächen des Axialdrucklagers (53) verhindert. Auch bewirkt die Gleitwirkung zwischen der ersten Gleitfläche (100) und der zweiten Gleitfläche (101) die Anpassung der druckaufnehmenden Abschnitte (83) und erzeugt ohne weiteres eine Fluidschmierfähigkeit auf den Gleitflächen, wodurch die Abnutzung oder das Festfressen des Axialdrucklagers (53) weiter verhindert werden. Folglich wird der Gegendruckmechanismus beseitigt, und daher werden die Herstellungskosten des Verdichters verringert. Da auch das Einlaufen die Anpassung der druckaufnehmenden Abschnitte (83) erzeugt, ist es nicht notwendig, dass die druckaufnehmenden Abschnitte (83) im Voraus genau geformt werden, wodurch die Herstellungskosten des Verdichters weiter verringert werden.
Die zweite Gleitfläche (101), die mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) ausgebildet ist, umfasst ein Grundelement (101b), das in den Kosten niedriger als das Material der ersten Gleitfläche (100) ist. Folglich werden die Herstellungskosten des Verdichters sogar noch weiter verringert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, wobei die druckaufnehmenden Abschnitte (83) im Wesentlichen kreisförmig, länglich, elliptisch, dreieckig oder in der Form eines anderen Polygons mit mehr Seiten sein können und eine Vielzahl der druckaufnehmenden Abschnitte (83) wünschenswerterweise in einer versetzten Weise angeordnet ist.
Als ein Ergebnis können die druckaufnehmenden Abschnitte (83) mit einer höheren Dichte angeordnet werden, und pro Einheitsfläche kann ein größerer Ölfilm gebildet werden, um eine schwere Last zu unterstützen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, wobei die maximale Rauheit der zweiten Gleitfläche (101) wünschenswerterweise kleiner als die der Vorderfläche der druckaufnehmenden Abschnitte (83) ist.
Als ein Ergebnis wird die Glattheit der zweiten Gleitfläche (101) sichergestellt, und daher können die Abnutzung oder das Festfressen des Axialdrucklagers (53) sicher verhindert werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, der eine feste Spirale (38) und eine bewegliche Spirale (38) umfasst, um das Fluid durch Umdrehen auf der Drehwelle (21) in Bezug auf die feste Spirale (38) zu komprimieren, wobei das Axialdrucklager (53) wünschenswerterweise die Axialkraft aufnimmt, die es von der beweglichen Spirale (32) empfängt.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, wobei das Fluid Kohlendioxid enthält und der Druck des ausgestoßenen Fluids den kritischen Druck von Kohlendioxid übersteigt.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, wobei das Grundflächenelement (101b) der zweiten Gleitfläche (101) wünschenswerterweise aus dem Legierungsstahl für die Maschinenkonstruktion oder der gewalzten Stahlplatte gebildet ist.
Auf diese Weise werden die Herstellungskosten für den Verdichter weiter verringert.
Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, wobei die zweite Gleitfläche (101) mit einer Zwischensicht (101c) zwischen dem Grundflächenelement (101b) der zweiten Gleitfläche (101) und der diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) ausgebildet ist und wobei die Zwischenschicht (101c) wünschenswerterweise aus einem einer Vielzahl von Materialien ausgebildet ist, die Chrom, Aluminium, Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Kohlenstoff und Titan umfassen.
Als ein Ergebnis wird die Haftung zwischen dem Grundflächenelement (101b) der zweiten Gleitfläche (101) und der diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) verbessert.
Die in Klammern eingefügten Bezugszahlen, die Bezeichnungen der jeweiligen vorstehend beschriebenen Struktur folgen, stellen ein Beispiel für die Entsprechung zu der spezifischen Struktur der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen dar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen besser verstanden, wobei:
1 eine Längsschnittansicht ist, die einen Spiralverdichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2A ein Diagramm ist, das eine Gleitfläche der beweglichen Seite des Axialdrucklagers des in 1 gezeigten Spiralverdichters zeigt;
2B eine an der Linie B-B in 2A genommene vergrößerte Schnittansicht ist;
2C eine vergrößerte Ansicht des in 2A gezeigten Bereichs G ist;
3 ein Diagramm ist, das die Weise, in der ein Ölfilm in den inselartigen druckaufnehmenden Abschnitten der in 2 gezeigten Gleitfläche der beweglichen Seite ausgebildet wird und dessen Druck zeigt;
4 ein schematisches Diagramm ist, das in vergrößerter Form die wesentlichen Teile der Gleitfläche des Axialdrucklagers zeigt;
5 eine vergrößerte Ansicht der wesentlichen Teile der in 4 gezeigten Gleitfläche der festen Seite ist;
6(a) ein schematisches Diagramm ist, das den Anfangszustand der druckaufnehmenden Abschnitte vor dem Einlaufen zeigt; (b) ein schematisches Diagramm ist, das den Zustand der druckaufnehmenden Abschnitte zur Zeit des Beginns des Einlaufens zeigt, und (c) ein schematisches Diagramm ist, das den Zustand der druckaufnehmenden Abschnitte am Ende des Einlaufens zeigt;
7A ein schematisches Diagramm zum Erklären des Verfahrens der Bewertung des Festfresswiderstands ist;
7B eine perspektivische Ansicht eines Teststücks der festen Seite in 7A ist;
8 ein Diagramm ist, welches das Ergebnis der Bewertung des Festfresswiderstands zeigt;
9A ein Diagramm ist, das die Form der druckaufnehmenden Abschnitte vor dem Einlaufen zeigt;
9B ein Diagramm ist, das die Form der druckaufnehmenden Abschnitte nach dem Einlaufen zeigt;
10 ein schematisches Diagramm zum Erklären des Verfahrens der Bewertung des Abnutzungsbetrags ist; und
11 ein Diagramm ist, welches das Ergebnis der Bewertung des Abnutzungsbetrags zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Beachten Sie jedoch, dass die vorliegende Erfindung durch die folgende Erklärung nicht beschränkt wird und dass sie sich auf die Aspekte der Erfindung erstreckt, die in den Patentansprüchen und ihren Äquivalenten beschrieben sind.
1 ist eine Längsschnittansicht, die einen Spiralverdichter 11 gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Diese Ausführungsform stellt ein Beispiel für einen Verdichter für eine Wasserheizung dar, der in dem Kältemittelkreis mit Kohlendioxid als einem Kältemittel verwendet wird und in dem der Druck von ausgestoßenem Kohlendioxid den kritischen Druck übersteigt. Nichtsdestotrotz ist die Erfindung nicht auf diesen Verdichter beschränkt.
Der Spiralverdichter 11 gemäß dieser Ausführungsform ist ein motorbetriebener hermetischer Verdichter mit einem geschlossenen Behälter 13, der eine Motoreinheit 27 und einen Verdichtungsmechanismus 10 aufnimmt.
Der geschlossene Behälter 13 umfasst ein Zylindergehäuse 13a, ein motorseitiges Endgehäuse 13b, das an jedes Ende des Zylindergehäuses 13a montiert ist, und ein verdichtungsmechanismusseitiges Endgehäuse 13c.
Die Motoreinheit 27 umfasst einen Stator 25, der auf der Innenumfangsfläche des Zylindergehäuses 13a befestigt ist, und einen Rotor 23, der auf der Welle 21 befestigt ist, die von der Motoreinheit 27 rotierend angetrieben wird.
Der Verdichtungsmechanismus 10 umfasst ein Mittelgehäuse 15, das an einer Position benachbart zu dem Stator 25 in dem Zylindergehäuse 13a befestigt ist, eine bewegliche Spirale 32, die von einem Kurbelmechanismus 28 zum Umlaufen gebracht wird, der von einem Hauptlager 17 gelagert wird, welches auf dem Mittelgehäuse 15 angeordnet ist, und eine feste Spirale 38, die auf dem Zylindergehäuse 13a auf der Seite des Mittelgehäuses 15 weit weg von dem Stator 25 in entgegengesetzter Beziehung zu der beweglichen Spirale 32 angeordnet ist, um dadurch eine später beschriebene Arbeitskammer 45 zu bilden.
Die Welle 21 wird von dem Hauptlager 17 und einem Hilfslager 19, das auf einem scheibenförmigen Halteelement 14 befestigt ist, welches zwischen dem Stator 25 und dem motorseitigen Endgehäuse 13b in dem Zylindergehäuse 13a eingefügt ist, im Wesentlichen horizontal gelagert.
Die bewegliche Spirale 32 umfasst eine im Wesentlichen scheibenförmige Platte 33 der beweglichen Seite, eine Spirale 41 der beweglichen Seite, die in einer Evolventenkrümmung von der Endfläche der Platte 33 der beweglichen Seite in Richtung der festen Spirale 38 aufgerichtet ist, und eine Nabe 35, die zylinderförmig von der Endfläche weit von der Spirale 41 der beweglichen Seite in Richtung des Mittelgehäuses 15 aufgerichtet ist.
Die feste Spirale 38 umfasst eine Platte 39 der festen Seite, die auf dem Zylindergehäuse 13a befestigt ist, und eine Spirale 43 der festen Seite, die aus einer Spiralrille ausgebildet ist, die auf der Endfläche der Platte 39 der festen Seite näher an der beweglichen Spirale 32 angeordnet ist.
Das Mittelgehäuse 15 nimmt die Form eines dreistufigen Zylinders mit einem von der Motoreinheit 27 in Richtung der festen Spirale 38 fortschreitend größeren Durchmesser an. Der Zylinder 15a mit dem kleinsten Durchmesser nahe der Motoreinheit 27 bildet das Hauptlager 17, und der Mittelzylinder 15b bildet eine Kurbelkammer 29 zum Aufnehmen des Kurbelmechanismus 28. Der Zylinder 15c mit dem größten Durchmesser nahe der festen Spirale 38 bildet andererseits ein Spiralgehäuse 31 zum Aufnehmen der beweglichen Spirale 32 darin und ist durch ein Befestigungsmittel, wie etwa Schweißen, auf der Innenumfangsfläche des Zylindergehäuses 13a befestigt.
Der Kurbelmechanismus 28 ist aus einer exzentrischen Welle 37 aufgebaut, die integral am Ende der Welle 21 näher an dem Verdichtungsmechanismus 10 und der Nabe 35 der beweglichen Spirale 32 angeordnet ist. Die exzentrische Welle 37 ist um einen vorgegebenen Betrag e (2A) gegen die axiale Mitte des Hauptlagers 17 und des Hilfslagers 19 dezentriert. Dieser Exzentrizitätsbetrag e bildet den Umlaufradius der beweglichen Spirale 32.
Eine nicht gezeigte Oldham-Kupplung ist auf der Endfläche (auf die hier als die spiralseitige Endfläche 15e der Scheibeneinheit Bezug genommen wird) der Scheibeneinheit 15d näher an der beweglichen Spirale 32 angeordnet, welche den Zylinder 15c mit großem Durchmesser und den Mittelzylinder 15b, der das Mittelgehäuse 15 bildet, verbindet, um dadurch die Drehung der beweglichen Spirale 32 zu verhindern. Als ein Ergebnis wird nur zugelassen, dass die bewegliche Spirale 32 umläuft. In dem Verdichtungsmechanismus 10 wird das Volumen einer Vielzahl der Arbeitskammern 45, die von der Spirale 41 der beweglichen Seite und der Spirale 43 der festen Seite in Eingriff miteinander gebildet werden, durch die Umdrehung der beweglichen Spirale 32 in Bezug auf die feste Spirale 38 verringert, um dadurch das Kältemittel zu komprimieren, das an die Einlasskammer 46 geliefert wird, die mit dem äußersten Umfang der Spirale 43 der festen Seite in Verbindung steht.
Auch ist ein Axialdrucklager 53 zwischen der spiralseitigen Endfläche 15e der Scheibeneinheit und der Endfläche der mit der Nabe 35 ausgebildeten beweglichen Spirale 32 (auf die hier nachstehend als die Rückfläche 32a der beweglichen Spirale Bezug genommen wird) angeordnet. Dieses Axialdrucklager 53 ist ein Gleitlager zum Gleiten zwischen der Endfläche 32a der beweglichen Spirale und der spiralseitigen Endfläche 15e der Scheibeneinheit unter der Axialkraft (in dieser Ausführungsform die Kraft, die die Platte 33 der beweglichen Seite von der festen Spirale 38 in Richtung der Scheibeneinheit 15d schiebt), die von der Platte 33 der beweglichen Seite aufgrund der Differenz zwischen der Verdichtungsreaktion, die zur Zeit der Verdichtung des Kältemittels erzeugt wird, und der Kraft, die in die Axialdruckrichtung durch den Druck der Rückfläche 32a der beweglichen Spirale erzeugt wird, empfangen wird. Dieses Axialdrucklager 53 wird später detailliert erklärt.

• Die Einlasskammer 46 ist auf der Seitenfläche der Platte 39 der festen Seite angeordnet und durch das Zylindergehäuse 13a mit einem Einlassrohr 47 zum Einführen des Kältemittels aus dem Kältemittelkreis außerhalb des geschlossenen Behälters 13 verbunden.

Eine Ausstoßöffnung 49 ist axial durch die Platte 39 der festen Seite an dem Mittelabschnitt der Spirale 43 der festen Seite ausgebildet. Das von der beweglichen Spirale 32 und der festen Spirale 38 komprimierte Kältemittel wird von der Ausstoßöffnung 49 in eine Ausstoßkammer 50 ausgestoßen.
Die Ausstoßkammer 50 ist aus einer Vertiefung aufgebaut, die von der Endfläche (auf die hier nachstehend als die Rückfläche 38a der festen Spirale Bezug genommen wird) auf der Seite der Platte 39 der festen Seite weit von der beweglichen Spirale 32 und der Endfläche des Trennblocks 55 näher an der Platte der festen Seite 39, die auf der Rückfläche 38a der festen Spirale befestigt ist, gebildet ist. Im Übrigen hat die Ausstoßkammer 50 darin ein Ausstoßventil 61, um den Rückstrom des ausgestoßenen Kältemittels zu verhindern.
Das in die Ausstoßkammer 50 ausgestoßene Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittel wird durch einen Kältemittelweg 57, der sich von der Ausstoßkammer 50 nach oben erstreckt, zu einem Ölabscheider 63 geleitet.
Der Ölabscheider 63 ist vom Zentrifugal-Doppelzylindertyp und umfasst einen Innenzylinder 63a und einen Außenzylinder 63b.
Der Kältemittelweg 57 ist, nachdem er sich von der Ausstoßkammer 50 entlang der Rückfläche 38a der festen Spirale nach oben erstreckt, im Wesentlichen tangential mit dem Raum zwischen dem Innenzylinder 63a und dem Außenzylinder 63b des Zentrifugalölabscheiders 63 verbunden. Das Kältemittel, das in den Raum zwischen dem Innenzylinder 63a und dem Außenzylinder 63b strömt, läuft im Wesentlichen in tangentialer Richtung in dem Raum zwischen dem Innenzylinder 63a und dem Außenzylinder 63b um. Nachdem das in dem Kältemittel enthaltene Öl zentrifugal abgeschieden ist, wird das Kältemittel durch den Innenzylinder 63a und das Ausstoßrohr 59 zu dem Kältemittelkreis außerhalb des geschlossenen Behälters 13 geschickt. Das Öl enthält gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt als einen Hauptbestandteil ein Schmieröl, das aus einem ausgewählten von Polyalkylenglykol, Polyvinylether und Polyolester oder einer Mischung aus irgendeinem davon zusammengesetzt ist.
Im Übrigen ist der Außenzylinder 63b des Ölabscheiders 63 aus einem zylindrischen Loch aufgebaut, das in dem Abscheiderblock 55 ausgebildet ist, und der Innenzylinder 63a ist durch eine Befestigungseinrichtung, wie etwa eine Druckpassung oder einen Spannring in dem zylindrischen Loch befestigt, das den Außenzylinder 63b bildet.
Auch ist das Ausstoßrohr 59 durch das Innere und Äußere des geschlossenen Behälters 13 hermetisch in das obere Ende des zylindrischen Lochs eingesetzt, das den Außenzylinder 63b bildet. Im Übrigen bildet der Raum zwischen dem Abscheiderblock 55 und dem Endgehäuse 13c auf der Verdichtermechanismusseite eine Atmosphäre mit niedrigerem Druck als das ausgestoßene Kältemittel.
Das von dem Ölabscheider 63 abgeschiedene Öl bewegt sich durch die Schwerkraft entlang der Innenwandfläche des Außenzylinders 63b nach unten und wird durch ein Loch 64 mit kleinem Durchmesser, das an dem unteren Ende des zylindrischen Lochs des Außenzylinders 63b gebildet ist, in einem Hochdruck-Öllager 65 gelagert.
Das Hochdruck-Öllager 65 ist in dem Abscheiderblock 55 angeordnet und befindet sich unter dem zylindrischen Loch, das den Außenzylinder 63b bildet, und der Ausstoßkammer 50. Um die Menge des Hochdrucköls, das in dem Hochdruck-Öllager 65 gelagert werden kann, zu erhöhen, ist der Abscheiderblock 55 derart aufgebaut, dass sein unterer Abschnitt, der das Hochdruck-Öllager 65 bildet, in Richtung des Gehäuses 13 auf der Verdichtungsmechanismusseite weiter vorsteht als sein oberer Abschnitt, der dem zylindrischen Loch entspricht, das den Außenzylinder 63b bildet.
Das in dem Hochdruck-Öllager 65 gelagerte Öl wird mittels des Ölrückführungswegs 67 durch die Platte 39 der festen Seite unter der Spirale 43 der festen Seite zu dem Ölweg in der Platte 33 der beweglichen Seite geleitet. Im Übrigen ist eine Membran 67a mit kleinem Durchmesser an dem Auslass des Ölrückführungswegs 67 angeordnet.
Der Einlass des Ölwegs 69 öffnet sich zu der Oberfläche der Platte 33 der beweglichen Seite mit der Spirale 41 der beweglichen Seite. Der Einlass des Ölwegs 69 ist geeignet, durch die Umlaufbewegung der beweglichen Spirale 32 intermittierend mit dem Auslass des Ölrückführungswegs 67 in Verbindung zu stehen. Auch ist der Auslass des Ölwegs 69 zu der Innenwand der Nabe 35 offen, um mit dem Raum zwischen dem Endabschnitt der Welle 21 und der Bodenfläche der Nabe 35 in Verbindung zu stehen.
Im Übrigen wird der Druck des in dem Hochdruck-Öllager 65 gelagerten Öls, wenngleich es aufgrund des Ausstoßdrucks des Kältemittels einen hohen Druck hat, durch die intemittierende Verbindung zwischen dem Ölrückführungsweg 67 und dem Ölweg 69 aufgrund der Umlaufbewegung der beweglichen Spirale 32 und der Membran 67a auf den gewünschten Druck verringert.
Das zu dem Raum zwischen dem Endabschnitt der Welle 21 und der Bodenfläche der Nabe 35 geleitete Öl strömt in den Ölweg 71, der axial durch die Welle 21 gebildet wird.
Das Öl, das den Ölweg 71 durchlaufen hat, wird zwischen dem motorseitigen Endgehäuse 13 und dem Halteelement 14 in dem geschlossenen Behälter 13 geleitet. Das Halteelement 14, das Mittelgehäuse 15 und die Platte 39 der festen Seite haben einen nicht gezeigten Spalt mit dem Zylindergehäuse 13a. Das Öl, das zwischen dem motorseitigen Endgehäuse 13b und dem Halteelement 14 geleitet wurde, wird daher über dem gesamten inneren unteren Teil des geschlossenen Behälters 13 gelagert. Der gesamte innere untere Teil des geschlossenen Behälters 13 bildet ein Niederdruck-Öllager 66.
Das in dem Niederdruck-Öllager 66 gelagerte Öl erreicht das Spiralgehäuse 31 durch das Ölrückführungsloch 73, das in dem unteren Teil der Scheibeneinheit 15d des Mittelgehäuses 15 gebildet ist.
Der Ölweg 71 hat darin diametrale Löcher 71a, 71b angeordnet, die von dem Ölweg 71 an dessen Teilen abzweigen, die dem Hauptlager 17 und dem Hilfslager 19 entsprechen.
Der Auslass des diametralen Lochs 71a steht in Verbindung mit der Wellenrille 21a, die auf der Welle 21 angeordnet ist, und das Öl, das nach dem Schmieren des Hauptlagers 17, des Kurbelmechanismus 28 und des Axialdrucklagers 53 in das diametrale Loch 71a geströmt ist, erreicht das Spiralgehäuse 31. Eine Ölrille 72 zum Herstellen der Verbindung zwischen dem diametralen Loch 71a und dem Axialdrucklager 53 ist auf dem Mittelzylinder 15b über der Welle 21 ausgebildet, um das Öl zu dem Axialdrucklager 53 über der Welle 21 zu leiten.
Andererseits tropft das Öl, das nach dem Schmieren des Hilfslagers 19 in das diametrale Loch 71b geströmt ist, in das Niederdruck-Öllager 66 und erreicht durch den Ölrückführungsweg 73 das Spiralgehäuse 31.
Der Ölrückführungsweg 67, die Ölwege 69, 71 und das diametrale Loch 71a bilden eine Ölzuführungseinrichtung zum Zuführen des Öls an das Axialdrucklager 53 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem von dem Ölabscheider 63 abgeschiedenen Öl und dem Abschnitt, wo das Axialdrucklager 53 angeordnet ist.
Das Öl, das das Spiralgehäuse 31 erreicht hat, wird an die Gleitflächen der beweglichen Spirale 32 und der festen Spirale 38 zugeführt, zusammen mit dem Kältemittel in der Arbeitskammer 45 komprimiert und von dem Ölabscheider 63 erneut von dem Kältemittel abgeschieden.
Als nächstes wird das Axialdrucklager 53 gemäß der Erfindung erklärt. Das Axialdrucklager 53 gemäß der Erfindung ist aus einer spiralseitigen Platte 53a, die auf der Rückfläche 32a der beweglichen Spirale befestigt ist, und einer gehäuseseitigen Platte 53b, die auf der spiralseitigen Endfläche 15e der Scheibeneinheit befestigt ist, aufgebaut.
Die spiralseitige Platte 53a ist in der Form eines Donuts ausgebildet, dessen Nabe 35 durch das Mittelloch geführt ist. Die Endfläche der spiralseitigen Platte 53 in gleitendem Kontakt mit der gehäuseseitigen Platte 53b ist, wie in 2A und 2B gezeigt, mit einem im Wesentlichen kreisförmigen unebenen Abschnitt ausgebildet.
2A ist eine Schnittansicht, die an der Linie A-A in 1 in einer derartigen Weise genommen ist, dass die Endfläche der spiralseitigen Platte 53a in gleitendem Kontakt mit der gehäuseseitigen Platte 53b sichtbar ist, 2B ist eine Schnittansicht, die an der Linie B-B in 2A in einer derartigen Weise genommen ist, dass der im Wesentlichen kreisförmige unebene Abschnitt sichtbar ist, und 2C ist eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts, der in 2A mit dem Bezugszeichen G bezeichnet ist. In 2A sind die gehäuseseitige Platte 53b, die durch die gestrichelte Linie angezeigt ist, und der Innenrand 53c der gehäuseseitigen Platte 53b, wenngleich in der Schnittansicht von 2A nicht sichtbar, an den entsprechenden Abschnitten in 2A gezeigt, um ihre relativen Positionen zu der gehäuseseitigen Platte 53b anzuzeigen.
Die im Wesentlichen kreisförmige unebene Vertiefung ist aus einer Vielzahl von Rillen 85 aufgebaut. Die Vielzahl der Rillen 85, an die von der vorstehend beschriebenen Ölzuführungseinrichtung Öl zugeführt wird, kreuzt sich gegenseitig in Netzform, wobei ihre Überschneidungen 85a breiter als die anderen Rillenabschnitte sind. Auch hat die in 2B gezeigte Bodenfläche der Rillen 85 die Oberflächenrauheit von nicht weniger als 12,5 Rz mehr als die der später beschriebenen druckaufnehmenden Abschnitte 83. Von allen der Vielzahl der Rillen 85 sind die Rillen, die sich auf dem äußersten Umfang (auf die hier nachstehend als die äußersten Umfangsrillen Bezug genommen wird) 85b befinden, in Zickzackform um und entlang des gesamten Rands der spiralseitigen Platte 53a ausgebildet. Zwischen den äußersten Umfangsrillen 85b und dem Rand der spiralseitigen Platte 53a ist ein Außenumfangsdichtungsabschnitt 81 ausgebildet, der dauernd entlang des gesamten Umfangs in gleitendem Kontakt mit der gehäuseseitigen Platte 53b ist, um dadurch die Menge des Schmieröls, das von den Gleitflächen abfließt, zu verringern. Der Dichtungsabschnitt 81 hat einen vorstehenden Abschnitt 81c, der derart gekrümmt ist, dass er sich durch die Zickzackform der äußersten Umfangsrillen 85b von der spiralseitigen Platte 53a diametral nach innen ausdehnt. Der vorstehende Abschnitt 81c spielt, wie die später beschriebenen druckaufnehmenden Abschnitte 83 und wie in 2c gezeigt, durch die Umdrehung der beweglichen Spirale 32 die Rolle des Einziehens des Öls aus allen Richtungen, denen die vorstehenden Abschnitte 81c zugewandt sind, um dadurch einen Ölfilm zu bilden.
Der vorstehende Abschnitt, der von der Vielzahl der Rillen 85 umgeben ist, bildet zwischen den Rillen 85 inselartige druckaufnehmende Abschnitte 83, die im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind und in versetzter Weise in Abstimmung mit dem Zickzack der äußersten Umfangsrille 85 angeordnet sind. Der Durchmesser jedes druckaufnehmenden Abschnitts 83 ist wünschenswerterweise nicht kleiner als e, aber kleiner als 2e, wobei e der Umlaufradius der beweglichen Spirale 32 ist und das Flächenverhältnis der druckaufnehmenden Abschnitte 83 in Bezug auf die Rillen 85 auf den Gleitflächen wünschenswerterweise nicht kleiner als 50% ist, um die Fähigkeit sicherzustellen, Fremdsubstanzen auszusperren und den Kontaktdruck zu verringern. Auch sind die obere Oberfläche des Dichtungsabschnitts 81 und der druckaufnehmenden Abschnitte 83 im Wesentlichen als glatte Gleitflächen bündig zueinander angeordnet. Wie in 2B gezeigt, sind auf dem Rand des Dichtungsabschnitts 81 und des druckaufnehmenden Abschnitts 83 spitz zulaufende Abschnitte oder abfallende Abschnitte 81b, 83b ausgebildet, um die Keilwirkung des Ölfilms zu erzeugen, und die gehäuseseitige Platte 53b ist in gleitendem Kontakt mit den flachen Abschnitten 81a, 83a.
Gemäß dieser Erfindung hat das Axialdrucklager 53 auch eine unebene spiralseitige Platte 53b, die auf der beweglichen Spirale 32 befestigt ist, und daher wird die Vielzahl der Rillen 85, die den unebenen Abschnitt bilden, mit der Umdrehung der beweglichen Spirale 32 relativ zu der Welle 21 bewegt.
In der gehäuseseitigen Platte 53b ist die Oberfläche in Gleitkontakt mit der spiralseitigen Platte 53a als eine ebene flache Oberfläche hochglanzpoliert. Die gehäuseseitige Platte 53b nimmt ähnlich der spiralseitigen Platte 53a eine donutartige Form an.
Mit diesem Aufbau bildet das in den Rillen 85 aufgenommene Öl, wie in 3 gezeigt, aufgrund der Keilwirkung der abfallenden Abschnitte und der spitz zulaufenden Abschnitte 81b, 83b, die um jeden druckaufnehmenden Abschnitt ausgebildet sind, als Ergebnis des gleitenden Kontakts zwischen der spiralseitigen Platte 53a und der gehäuseseitigen Platte 53b einen Ölfilm 86. Dieser Ölfilm 86 ist das in dem Schmieröl gelöste Kältemittel.
Als nächstes wird das Axialdrucklager 53 gemäß dieser Ausführungsform nachstehend detaillierter erklärt.
Das Axialdrucklager 53 hat, wie in 4 gezeigt, ein Paar Gleitflächen 100, 101. Die erste Gleitfläche 100 bildet eine Oberfläche der spiralseitigen Platte 53a in entgegengesetzter Beziehung zu der gehäuseseitigen Platte 53b. Die zweite Gleitfläche 101 bildet eine Oberfläche der gehäuseseitigen Platte 53b in entgegengesetzter Beziehung zu der spiralseitigen Platte 53b.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die spiralseitige Platte 53a mit der ersten Gleitfläche 100 als ein von der beweglichen Spirale 32 getrenntes Teil ausgebildet, kann aber alternativ als ein damit integriertes Teil ausgebildet sein.
Wie vorstehend beschrieben, ist die erste Gleitfläche 100, wie in 2A gezeigt, mit einer Vielzahl von inselförmigen druckaufnehmenden Abschnitten 83 ausgebildet. Die zweite Gleitfläche 101 hat andererseits, wie in 4 gezeigt, einen im Wesentlichen flachen Abschnitt in entgegengesetzter Beziehung zu den druckaufnehmenden Abschnitten 83 der ersten Gleitfläche 100. Gemäß dieser Ausführungsform bildet die zweite Gleitfläche 101 als Ganzes eine flache ebene Oberfläche.
Wie vorstehend beschrieben, sind die druckaufnehmenden Abschnitte 83 jeweils im Wesentlichen kreisförmig, und eine Vielzahl der inselartigen druckaufnehmenden Abschnitte ist 83 ist von den Rillen 85 umgeben und in versetzter Weise unabhängig voneinander auf der spiralseitigen Platte 53a angeordnet.
In 4 können die Rillen durch andere Rillen 85a, 85b ersetzt werden.
In dieser Patentschrift sollte „im Wesentlichen flach" als in einem derartigen Maß flach interpretiert werden, um einen Druck aufgrund der Keilwirkung in dem Mischfluid des Schmieröls und des Kältemittels zu erzeugen, das zwischen den druckaufnehmenden Abschnitten 83 und der zweiten Gleitfläche 101 eingefügt ist.
Wie in 4 gezeigt, haben die druckaufnehmenden Abschnitte 83 jeweils einen abfallenden Abschnitt 83b auf ihrem Umfangsrand ausgebildet und einen flachen Abschnitt 83a, der mit dem abfallenden Abschnitt 83b auf der Innenseite des abfallenden Abschnitts 83b verbunden ist. Der abfallende Abschnitt 83b ist auf dem Umfangsrand des druckaufnehmenden Abschnitts 83 ausgebildet, in den das Mischfluid strömt. Gemäß dieser Ausführungsform zieht die Umlaufbewegung der beweglichen Spirale 32 das Mischfluid von dem gesamten Umfangsrand des druckaufnehmenden Abschnitts 83 herein, und daher ist der abfallende Abschnitt 83b entlang des gesamten Umfangsrands des druckaufnehmenden Abschnitts 83 ausgebildet.
Der abfallende Abschnitt 83b, der eine im Wesentlichen konstante Breite hat, ist ringförmig entlang des Umfangsrands jedes druckaufnehmenden Abschnitts 83 ausgebildet. Der flache Abschnitt 83a, der sich im Inneren des ringförmigen abfallenden Abschnitts 83b befindet, ist kreisförmig.
Der abfallende Abschnitt 83b kann entweder in konvexer Form in Richtung der zweiten Gleitfläche 101 gekrümmt sein oder kann eine flache Oberfläche haben.
Die erste Gleitfläche 100 und die zweite Gleitfläche 101 stellen aufgrund der Keilwirkung der druckaufnehmenden Abschnitte 83 ohne weiteres die Fluidschmierfähigkeit her.
Was die Höhe der druckaufnehmenden Abschnitte 83 anbetrifft, ist die Länge zwischen dem flachen Abschnitt 83a und der Rille 85 in die Richtung senkrecht zu dem flachen Abschnitt 83a gemessen wünschenswerterweise 0,1 bis 0,5 mm, um den Ölfilm wirksam zu erzeugen, während gleichzeitig Fremdstoffe ausgestoßen werden und der Lastwiderstand an den druckaufnehmenden Abschnitten 83 sichergestellt wird. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Rillen 85, 85a, 85b in der gleichen Höhe ausgebildet.
Was die Höhendifferenz zwischen dem flachen Abschnitt 83a und dem äußeren Umfangsrand des abfallenden Abschnitts 83b andererseits anbetrifft, ist die Länge, die in der Richtung senkrecht zu dem flachen Abschnitt 83a gemessen wird, aus dem gleichen Grund wünschenswerterweise 0,5 bis 5 μm. Dies ist auch der Fall mit den Größen des Dichtungsabschnitts 81, des flachen Abschnitts 81a und dessen abfallendem Abschnitt 81b.
Das Axialdrucklager 53 mit der ersten Gleitfläche 100 und der zweiten Gleitfläche 101 nimmt die Fluidschmierfähigkeit unter vorgegebenen Betriebsbedingungen aufgrund der Keilwirkung in den druckaufnehmenden Abschnitten 83 an.
Als nächstes wird die Fluidschmierfähigkeit des Axialdrucklagers 53 nachstehend detaillierter erklärt.
In dem fluidgeschmierten Zustand wird ein zusammenhängender Ölfilm aus dem vermischten Fluid zwischen der ersten Gleitfläche 100 und der zweiten Gleitfläche 101 gebildet. Daher sind die erste Gleitfläche 100 und die zweite Gleitfläche 101 durch den Ölfilm voneinander getrennt. Mit anderen Worten haben die Gleitflächen 100 und 101 keinen Kontakt zueinander.
Um die Fluidschmierfähigkeit auf den Gleitflächen des Axialdrucklagers 53 sicherzustellen, erfüllt das, was als Ölfilmparameter Λ bezeichnet wird, wünschenswerterweise die Beziehung Λ ≥ 3.
Der Ölfilmparameter ist das Verhältnis zwischen der minimalen Ölfilmdicke und der zusammengefassten Oberflächenrauheit. Die minimale Ölfilmdicke ist als die Dicke des Ölfilms an dem Teil gegeben, wo die Länge zwischen dem druckaufnehmenden Abschnitt 83 und der zweiten Gleitfläche 101 am kürzesten ist. Insbesondere ist der Teil, wo die Ölfilmdicke am kleinsten ist, der flache Abschnitt 83a.
Die zusammengefasste Oberflächenrauheit ist andererseits gleich dem Wert, der erhalten wird, indem die Quadratwurzel der Quadratsumme der Standardabweichungen der Oberflächenrauheit der Gleitflächen 100, 101 genommen wird.
Wenn der Ölfilmparameter Λ einmal die Beziehung Λ ≥ 3 erfüllt, wird die minimale Ölfilmdicke ausreichend größer als die zusammengefasste Oberflächenrauheit. Zwischen den druckaufnehmenden Abschnitten 83 und der zweiten Gleitfläche 101 ist daher ständig der Ölfilm vorhanden, und die zwei Gleitflächen 100, 101 sind voneinander getrennt. Mit anderen Worten wird die Fluidschmierfähigkeit des Axialdrucklagers 53 erreicht.
Wie vorstehend beschrieben, sind die abfallenden Abschnitte 83b wünschenswerterweise gleichmäßig und genau auf den druckaufnehmenden Abschnitten 83 ausgebildet, um die Fluidschmierfähigkeit des Axialdrucklagers 53 zu erreichen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die oberste Vorderfläche der zweiten Gleitfläche 101 auch, wie in 4 und 5 gezeigt, mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a ausgebildet. Die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a hat eine hohe Härte, chemische Stabilität, Schmierfähigkeit, Abnutzungswiderstand und Festfresswiderstand. 5 ist ein Diagramm, das in vergrößerter Form den Vorderflächenabschnitt der zweiten Gleitfläche 101 zeigt, der in 4 durch ein Rechteck definiert ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist die zweite Gleitfläche 101 mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a bedeckt, und daher werden die Abnutzung und das Festfressen sogar in dem Fall verhindert, in dem das Axialdrucklager 53 in dem Zustand der Grenzschmierung oder Mischschmierung ist.
Die Dicke der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a ist wünschenswerterweise 1 bis 10 μm oder insbesondere 1 bis 3 μm. Die Dicke von nicht weniger als 1 μm verhindert die Abnutzung und das Festfressen zwischen der zweiten Gleitfläche 101 und der ersten Gleitfläche 100. Auch kann die Dicke von nicht mehr als 10 μm die Herstellungskosten der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a niedrig halten.
Auch ist die Vorderfläche des Grundflächenelements 101b der zweiten Gleitfläche 101 vor dem Bilden der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a wünschenswerterweise glatt. Insbesondere ist die maximale Oberflächenrauheit der zweiten Gleitfläche 101 wünschenswerterweise kleiner als die maximale Rauheit der Vorderfläche der druckaufnehmenden Abschnitte 83. Die maximale Rauheit der Vorderfläche der druckaufnehmenden Abschnitte 83 ist gleich der maximalen Oberflächenrauheit des flachen Abschnitts 83a. Wie ebenfalls später beschrieben, ist vor dem Einlaufen, wenn kein abfallender Abschnitt 83b auf den druckaufnehmenden Abschnitten 83 ausgebildet ist, die maximale Rauheit der Vorderfläche der druckaufnehmenden Abschnitte 83 als gleich der maximalen Oberflächenrauheit des flachen Abschnitts der bestimmten druckaufnehmenden Abschnitte 83 definiert.
Aus diesem Grund ist die maximale Oberflächenrauheit des Grundflächenelements 101b gemäß dieser Ausführungsform nicht größer als 0,4 μm oder insbesondere nicht größer als 0,2 μm. In dem Fall, in dem die maximale Rauheit des Grundflächenelements 101b größer als 0,4 μm ist, ist die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a auf dem Grundflächenelement 101b mit einer Ungleichmäßigkeit ausgebildet, die der Oberflächenrauheit entspricht, mit dem Ergebnis, dass die erste Gleitfläche 100 zur Zeit des Gleitens abgenutzt würde.
Das Grundflächenelement 101b kann durch Lappen oder Trommelpolieren auf die vorstehend beschriebene maximale Oberflächenrauheit verarbeitet werden.
Auch ist die zweite Gleitfläche 101 mit einer Zwischenschicht 101c zwischen dem Grundflächenelement 101b der zweiten Gleitfläche 101 und der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a ausgebildet, um dadurch die Haftung zwischen dem Grundflächenelement 101b und der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a zu erhöhen. Wie später detaillierter beschrieben, ist das Grundflächenelement 101b aus Stahl gebildet, und für die Zwischenschicht 101c wird wünschenswerterweise ein Material mit hoher Haftung an dem Stahl verwendet.
Insbesondere ist die Zwischenschicht 101c bevorzugt aus einem oder einer Vielzahl der Materialien gebildet, die ausgewählt sind aus: Chrom, Aluminium, Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Kohlenstoff und Titan.
Die Zwischenschicht 101c hat, wie in 5 gezeigt, eine laminierte Struktur mit ersten, zweiten, dritten und vierten Schichten von dem Grundflächenelement 101b gesehen in dieser Reihenfolge.
In der Zwischenschicht 101c hat eine Schicht (erste Schicht), die aus einem Metall, wie etwa Chrom und/oder Aluminium gebildet ist, die eine Schicht auf der Seite des Grundflächenelements 101b bildet, eine so hohe Affinität zu dem Stahl des Grundflächenelements 101b, dass sie eine starke Haftung an dem Stahlelement zeigt. Die Einfügung dieser Schicht (der vorstehend beschriebenen ersten Schicht) auf der Seite Grundflächenelements 101b kann die Haftung zwischen dem Grundflächenelement 101b und der Zwischenschicht 101c (erste Schicht) sicherstellen.
Die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a ist wünschenswerterweise amorph, um die Haftung mit der Zwischenschicht 101c zu verbessern.
Die dritte Zwischenschicht ist aus wenigstens einem der Metalle gebildet, die aus Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob und Titan ausgewählt sind, während die zweite Zwischenschicht eine Mischmaterialschicht der Materialien ist, welche die erste Schicht und die dritte Schicht bilden. Die Einfügung dieser Schichten macht es möglich, die Haftung zwischen der ersten Zwischenschicht und der dritten Zwischenschicht sicherzustellen.
Die vorstehend beschriebene zweite Schicht hat wünschenswerterweise eine sich fortschreitend ändernde Zusammensetzung, in der das Metall schrittweise oder kontinuierlich von der ersten Schicht (Seite des Grundflächenelements 101b) in Richtung der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a verringert ist (d. h. die Elementdichte der dritten Schicht wird von 0% bis 100% erhöht). Durch Verwendung dieses Dünnschichttaufbaus können die wesentlichen mechanischen Eigenschaften der mehrschichtigen Dünnschicht stufenweise oder kontinuierlich von der Seite des Grundflächenelements 101b in Richtung der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a geändert werden. Als ein Ergebnis wird das Abschälen, das andernfalls durch lokale Spannungskonzentration, wie etwa einen thermischen Schock, verursacht werden könnte, verhindert.
Die äußerste Vorderflächenschicht (die vorstehend beschriebene vierte Schicht) in der Zwischenschicht 101c ist nicht aus zerbrechlichem Karbid, sondern einer amorphen Schicht, die das Metall, welches die dritte Schicht bildet, und Kohlenstoff enthält, gebildet. Die amorphe Schicht ist als eine Schicht definiert, bei der die Kristallphase unter einem Transmissionselektronenmikroskop nicht bestätigt werden kann. Die vierte Zwischenschicht, die keine feine Ablagerung enthält, beseitigt den zerbrechlichen Teil der Zwischenschicht 101c und verhindert folglich das interne Abschälen oder die Zerstörung. Auch wird die Spannung gelockert, die in der dritten Zwischenschicht aufgrund einer Gitterfehlanpassung oder ähnlichem auftreten kann, und die Haftung kann unter Verwendung des Metallelements der gleichen Art sichergestellt werden. Da die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a, welche die äußerste Vorderschicht bildet, amorph ist, wird auch die Haftung mit der amorphen Mischschicht des Metallelements und Kohlenstoff verbessert.
Die Metallelemente, welche die benachbarten Schichten bilden, sind nicht notwendigerweise miteinander identisch, aber die vorstehend beschriebene Wirkung wird auch von den benachbarten Schichten gezeigt, die verschiedene Metallelemente [zum Beispiel eine Chromschicht (erste Schicht) und eine Aluminium-/Wolframschicht (zweite Schicht)] enthalten. Wünschenswerterweise enthalten die benachbarten Schichten jedoch das gleiche Metallelement [zum Beispiel eine Chromschicht (erste Schicht) und eine Chrom-/Wolframschicht (zweite Schicht)] oder wenigstens ein Element, das als ein Teil einer Schicht enthalten ist und auch als ein Teil der anderen Schicht enthalten ist [zum Beispiel eine Wolfram-/Molybdänschicht (dritte Schicht) und eine Wolfram-/Kohlenstoffschicht (vierte Schicht)].
Die vierte Schicht hat wie die zweite Schicht wünschenswerterweise auch die sich fortschreitend ändernde Zusammensetzung, in der das Materialelement, wie etwa ein Metall, schrittweise oder kontinuierlich von der Seite der dritten Schicht (Seite des Grundflächenelements 101b) in Richtung der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a (vordere Oberflächenschichtseite) verringert ist (d. h. die Kohlenstoffdichte wird von 0% bis 100% erhöht). Durch Verwendung dieses Dünnschichtaufbaus können die wesentlichen mechanischen Eigenschaften der vielschichtigen Dünnschicht von der Seite des Grundflächenelements 101b in Richtung der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a stufenweise oder kontinuierlich geändert werden. Als ein Ergebnis wird das Abschälen, das ansonsten durch eine lokale Spannungskonzentration, wie etwa einen thermischen Schock verursacht werden kann, verhindert. Nichtsdestotrotz kann alternativ ein amorphes Material mit einer konstanten Materialdichte (d. h. Kohlenstoffdichte) verwendet werden.
In der Zwischenschicht 101c kann eine Schicht (die dritte Zwischenschicht), die aus wenigstens einem Material gebildet ist, das aus Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob und Titan ausgewählt ist, durch eine Verbindung (zum Beispiel einem Hartmetallmaterial) mit Wolframkarbid (WC) als einem Hauptbestandteil ersetzt werden. Auch in einem derartigen Fall kann in vorteilhafter Weise eine Dünnschicht gebildet werden, indem weniger teures Zielmaterial als Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob oder Titan verwendet wird.
Beim Bilden der dritten Schicht wird die Zusammensetzung der zweiten und vierten Zwischenschichten ebenfalls geeignet entsprechend der Zusammensetzung der dritten Schicht gesteuert. Auch in dem Fall, in dem dieser Dünnschichtaufbau verwendet wird, kann das durch lokale Spannungskonzentration verursachte Abschälen wirksam verhindert werden, indem die zweiten und vierten Schichten der Zusammensetzung gebildet werden, die sich fortschreitend und stufenweise in Richtung einer ähnlichen Zusammensetzung der benachbarten Schichten ändern.
Die Zwischenschicht 101c kann tatsächlich in jeder Weise aufgebaut sein, solange eine spannungsdämpfende Schicht aus Kohlenstoff zwischen der vierten Zwischenschicht und der äußersten diamantartigen Vorderflächen-Kohlenstoffschicht 101a gebildet wird. Diese Spannungsdämpfungsschicht hat eine Härte, die fast gleich der der dritten Schicht an der Grenze mit der dritten Zwischenschicht ist, und die Härte nimmt in Richtung der äußersten Vorderflächenschicht stufenweise oder kontinuierlich zu. Folglich wird die Härte wünschenswerterweise fast gleich der einer Dünnschicht mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht als einer Hauptschicht in der Nachbarschaft der äußersten Vorderschicht.
Die Dicke der vorstehend beschriebenen Zwischenschicht 101c ist wünschenswerterweise 10 bis 50% der Dicke der vielschichtigen Dünnschicht als ein Ganzes einschließlich der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a und der Zwischenschicht 101c. Die Tatsache, dass die Dicke nicht weniger als 10% ist, macht es möglich, eine ausreichende Haftung zwischen der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a und dem Grundflächenelement 101b sicherzustellen. Die Dicke von nicht mehr als 50% verhindert andererseits, dass die Zwischenschicht 101c zur Zeit des Gleitens abgeschält wird, während gleichzeitig die Herstellungskosten der Zwischenschicht 101c niedrig gehalten werden.
Die Vickershärte der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a ist wünschenswerterweise nicht weniger als das Doppelte der druckaufnehmenden Abschnitte 83, die geeignet sind, in entgegengesetzter Beziehung zu der zweiten Gleitfläche 101 zu gleiten. Insbesondere ist die Vickershärte der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a wünschenswerterweise nicht weniger als 1500 HV und die der druckaufnehmenden Abschnitte 83 im Bereich von 700 zu 900 HV.
Angesichts der Tatsache, dass die Vickershärte der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a nicht kleiner als das Doppelte der druckaufnehmenden Abschnitte 83 ist, können die Abnutzung und das Festfressen der zweiten Gleitfläche 101 wirksam verhindert werden. Wie später beschrieben, macht es das Einlaufen auch möglich, ohne weiteres die abfallenden Abschnitte 83b der druckaufnehmenden Abschnitte 83 zu bilden.
Selbst in dem Fall, in dem die abfallenden Abschnitte 83b der druckaufnehmenden Abschnitte 83 vor dem Einlaufen noch nicht ausgebildet sind, verhindert die Tatsache, dass die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a die zweite Gleitfläche 101 bedeckt, dass die zweite Gleitfläche 101 in der Mischschmierung oder Grenzschmierung abgenutzt wird oder festfrisst. Sogar auch während des Einlaufens werden die Abnutzung und das Festfressen der zweiten Gleitfläche 101 verhindert.
Auch ist die Vickershärte des Grundflächenelements 101b der zweiten Gleitfläche 101 wünschenswerterweise 700 bis 900 HV, um die Verformung des Grundflächenelements 101b zu unterdrücken und folglich das Abschälen der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a von dem Grundflächenelement 101b unter einem hohen Kontaktdruck zu verhindern, welcher der zweiten Gleitfläche 101 weitergegeben werden kann.
Die Vickershärte des Grundflächenelements 101b und der druckaufnehmenden Abschnitte 83 kann in dem vorgenannten Bereich festgelegt werden, indem ihre Materialien geeignet ausgewählt werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Bildung der vorstehend beschriebenen diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a oder der Zwischenschicht 101c nachstehend erklärt.
Das Verfahren zur Bildung der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a oder der Zwischenschicht 101c umfasst das physikalische Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren), wie etwa Sputtern oder Ionenplattierung, und das chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren). Unter diesen Verfahren wird am besten das Sputterverfahren oder insbesondere das Unbalanced Magnetron Sputtering (Gleichspannungs-Magnetronverfahren, auf das hier nachstehend manchmal einfach als UBM-Sputtering Bezug genommen wird) verwendet.
In dem UBM-Sputterverfahren wird das Plasma, das zur Zeit des Sputterns erzeugt wird, in der Nachbarschaft der Grundplatte entlang den magnetischen Kraftlinien verteilt. Im Vergleich zu dem normalen Sputterverfahren kann eine dichte diamantartige Kohlenstoffschicht mit hoher Dichte und Härte ausgebildet werden. Auch wird gemäß dem UBM-Sputterverfahren für Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob oder Titan, die eine hohe Fähigkeit haben, Karbid zu bilden, kein Karbid in der Zwischenschicht ausgebildet, und daher kann eine gleichmäßige amorphe Schicht gebildet werden.
Beim Herstellen der Zwischenschicht 101c werden die zweiten und vierten Schichten, die eine vorstehend beschriebene sich fortschreitend ändernde Zusammensetzung haben, durch Sputtern (wünschenswerterweise UBM-Sputtern) gebildet, während gleichzeitig die elektrische Leistung für das Sputtern gesteuert wird. Auch beim Herstellen der Zwischenschicht 101c mit der Spannungsdämpfungsschicht kann die Härte der Spannungsdämpfungsschicht kontinuierlich oder schrittweise geändert werden, indem die an das Grundflächenelement 101b angelegte Gleichstrom oder -impulsartige Vorspannung reguliert wird.
In dem Stadium der Bildung der ersten bis dritten Zwischenschichten in dem Grundflächenelement 101b wird das Grundflächenelement 101b auf die Temperatur von 150 bis 350°C oder wünschenswerterweise 250 bis 350°C gesteuert, um die Verteilung der Metallelemente der ersten Zwischenschicht an das Grundflächenelement 101b und zwischen den verschiedenen Schichten zu fördern, was eine verbesserte Haftung zwischen der ersten Schicht und dem Grundflächenelement 101b und unter den ersten bis dritten Schichten ergibt. In dem Fall, in dem die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a (und die vierte Schicht, die Kohlenstoff enthält) mit niedrigem Wärmewiderstand gebildet wird, wird die Grundflächenelementtemperatur in jedem Stadium der Ausbildung dieser Schichten jedoch auf etwa 300 bis 100°C oder wünschenswerterweise etwa 200 bis 100°C gesteuert.
Als nächstes wird das Verfahren zum Bilden der abfallenden Abschnitte 83b der druckaufnehmenden Abschnitte 83 erklärt.
Die vorstehend beschriebenen abfallenden Abschnitte 83b können zum Beispiel durch Läppen oder Trommelpolieren ausgebildet werden. Unter Verwendung dieser Verfahren können die abfallenden Abschnitte 83b ohne weiteres gleichmäßig und genau entlang des Umfangsrands des breiten Rillenabschnitts zwischen den druckaufnehmenden Abschnitten 83 ausgebildet werden. Andererseits kann es beträchtlich Zeit und Arbeit erfordern, um die abfallenden Abschnitte 83b genau und gleichmäßig in dem schmalen Rillenabschnitt zwischen den druckaufnehmenden Abschnitten 83 auszubilden.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch genaues und gleichmäßiges Ausbilden der abfallenden Abschnitte 83b aufgrund der Keilwirkung eine zufriedenstellende Fluidschmierfähigkeit der druckaufnehmenden Abschnitte 83 erreicht werden.
Aus diesem Grund können unter Verwendung des Einlaufens die abfallenden Abschnitte 83b einerseits sowohl genau als auch gleichmäßig ausgebildet werden, und andererseits können die Herstellungskosten des Spiralverdichters vorteilhaft verringert werden.
Als nächstes wird nachstehend das Verfahren zur Bildung der abfallenden Abschnitte 83b durch das Einlaufen unter Bezug auf (a) bis (c) von 6 detailliert erklärt.
Wie in 6(a) gezeigt, umfasst das zum Montieren des Spiralverdichters verwendete Axialdrucklager 53 zuerst die erste Gleitfläche 100 mit den druckaufnehmenden Abschnitten 83 ohne die abfallenden Abschnitte 83b. In diesem Anfangszustand sind die druckaufnehmenden Abschnitte 83 massiv zylinderförmig und haben nur einen flachen Abschnitt.
Als nächstes wird, wie in 6(b) gezeigt, dem Axialdrucklager 53 eine Last auferlegt, um dadurch die druckaufnehmenden Abschnitte 83 und die zweite Gleitfläche 101 in Kontakt miteinander zu bringen. Als ein Ergebnis wird in den druckaufnehmenden Abschnitten 83 und in dem Teil der zweiten Gleitfläche 101 in entgegengesetzter Beziehung zu den bestimmten druckaufnehmenden Abschnitten 83 ein Kontaktdruck P erzeugt, und die zweite Gleitfläche 101 wird in erster Linie elastisch verformt. Der in den druckaufnehmenden Abschnitten 83 erzeugte Kontaktdruck P hat, wie in 6(b) gezeigt, eine Hochdruckverteilung entlang dem Umfangsrand der druckaufnehmenden Abschnitte 83, während die Kontaktdruckverteilung im Innenbereich im Wesentlichen konstant ist. Die abfallenden Abschnitte 83b werden, wie nachstehend beschrieben, aufgrund der Tatsache, dass der zackenartige Kontaktdruck P entlang des Rands der druckaufnehmenden Abschnitte 83 erzeugt wird, gebildet wie nachstehend beschrieben. Wenngleich in 6(b) nicht deutlich gezeigt, werden im Übrigen auch die druckaufnehmenden Abschnitte 83 oder insbesondere deren Umfangsrand etwas zu einer Form verformt, die der elastischen Verformung der zweiten Gleitfläche 101 entspricht.
Unter diesen Bedingungen läuft die erste Gleitfläche 100 zusammen mit der beweglichen Spirale 32 in Bezug auf die zweite Gleitfläche, die auf dem Mittelgehäuse 15 befestigt ist, um, so dass hauptsächlich die druckaufnehmenden Abschnitte 83 mit niedriger Härte abgenutzt werden. Als ein Ergebnis beginnen die abfallenden Abschnitte 83b, auf den druckaufnehmenden Abschnitten 83 entlang ihres Umfangsrands, der einen hohen zackenartigen Kontaktdruck P hat, ausgebildet zu werden. Andererseits wird der Innenbereich der druckaufnehmenden Abschnitte 83, wo der Kontaktdruck niedrig und konstant ist, selten abgenutzt und, falls überhaupt, in eine flache Form abgenutzt.
Als nächstes wird mit der fortschreitenden Abnutzung der abfallenden Abschnitte 83b angenommen, dass eine vorgegebene Menge der abfallenden Abschnitte 83 auf den druckaufnehmenden Abschnitten 83 ausgebildet wird. Der von den druckaufnehmenden Abschnitten 83 aufgenommene Kontaktdruck P ändert sich, wie in 6(c) gezeigt in eine gleichmäßige Verteilung. Unter diesen Bedingungen ändern sich die abfallenden Abschnitte 83b nicht mehr, und die Form hört auf sich zu ändern. Folglich wird das Einlaufen beendet.
Auch werden mit dem vorstehend beschriebenen Einlaufen ähnlich abfallende Abschnitte 81b auch auf den Dichtungsabschnitten 81 ausgebildet.
Die Bedingungen für das Einlaufen des vorstehend beschriebenen Spiralverdichters 11 werden nachstehend weiter beschrieben.
Zuerst verwenden die Schmierbedingungen in dem Anfangsstadium des Einlaufens des Axialdrucklagers diejenigen der Grenzschmierung oder der Mischschmierung.
Auch sind der Kontaktdruck der druckaufnehmenden Abschnitte 83 und ihre Gleitgeschwindigkeit in Bezug auf die zweite Gleitfläche 101 wünschenswerterweise nicht höher als der kritische PV-Wert. Der kritische PV- Wert ist als das Produkt aus dem Kontaktdruck, bei dem die Haftung des Materials, welches das Axialdrucklager 53 bildet, beginnt, und der Gleitgeschwindigkeit.
Auch wird das Einlaufen wünschenswerterweise mit einem Fluid ausgeführt, welches das an die erste Gleitfläche 100 und die zweite Gleitfläche 101 zugeführte Schmieröl enthält.
Das vorstehend beschriebene Einlaufen kann die abfallenden Abschnitte 83b um die flachen Abschnitte 83a der druckaufnehmenden Abschnitte 83 herum bilden. Im Übrigen können die Teile des Spiralverdichters außer dem Axialdrucklager 53 durch das normale Verfahren hergestellt werden.
Als nächstes werden die Materialien, welche die erste Gleitfläche 100 und das Grundflächenelement 101b der zweiten Gleitfläche 101 bilden, nachstehend beschrieben.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die erste Gleitfläche 100 und das Grundflächenelement 101b der zweiten Gleitfläche 101 aus Stahl gebildet. Die häufig für diesen Zweck verwendeten Stahlmaterialien umfassen Kohlenstoff-Chromlagerstahl, Legierungsstahl für die Maschinenkonstruktion, gewalzte Stahlplatte, Nickelchromstahl, Nickelchrom-Molybdänstahl, Chromstahl, Chrommolybdänstahl, Manganstrahl für Maschinenkonstruktion, Manganchromstahl und verschiedene Stahlmaterialien, wie etwa Baustahlmaterialien mit einer garantierten Härtbarkeit, wie gemäß JIS garantiert.
Insbesondere ist das Grundflächenelement 101b der zweiten Gleitfläche 101 mit der darauf ausgebildeten diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a wünschenswerterweise aus dem Legierungsstahl für die Maschinenkonstruktion oder der gewalzten Stahlplatte aufgebaut, um die Herstellungskosten zu verringern.
Insbesondere umfasst der Kohlenstoffchromlagerstahl bevorzugt SUJ2, SUJ3 oder SUJ4. Auch umfasst der Kohlenstoffstahl für die Maschinenkonstruktion bevorzugt SCr415, SCr420, SCr440, SCM415, SCM420, SNCM420, SCM435, SCM440, SNCM630 oder S10C. Auch ist das gewalzte Stahlplattenmaterial wünschenswerterweise aus einem der Materialien gebildet, die SPCC, SPCD, SPCE, SPCEN oder SK5 umfassen.
Unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Herstellungskosten des Verdichters ist das Grundflächenelement 101b der zweiten Gleitfläche 101, die mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht 101a bedeckt ist, bevorzugt aus einem Stahlmaterial mit niedrigen Kosten gebildet.
Um andererseits den Abnutzungswiderstand der ersten Gleitfläche 100 zu verbessern, ist die erste Gleitfläche 100 wünschenswerterweise aus einem Stahlmaterial mit höherem Abnutzungswiderstand als dem des Grundflächenelements 101b der zweiten Gleitfläche 101 ausgebildet.
Um die Härte der ersten Gleitfläche 100 zu erhöhen, werden die vorstehend beschriebenen Stahlmaterialien bevorzugt gehärtet, getempert, karburiert, nitriert oder karbonitriert. Diese Verfahren werden entsprechend den wohlbekannten Bedingungen ausgeführt.
Das Karburierungsverfahren umfasst wohlbekannte Verfahren, wie etwa die feste Karburierung, die flüssige Karburierung, die Gaskarburierung und die Vakuumkarburierung.
Anstelle des Karburierungsverfahrens können die Stahlmaterialien wünschenswerterweise dem Nitridierungsverfahren unterzogen werden. Das Nitridierungsverfahren umfasst das wohlbekannte Verfahren unter Verwendung von Ammoniak oder Nitrid.
Ferner wird bevorzugt das vorstehend beschriebene Karbonitrierungsverfahren verwendet, um die Stahlmaterialien sowohl der Karburierung als auch der Nitrierung zu unterziehen. Das Karbonitrierungsverfahren wird zum Beispiel durch Nitrieren des Stahlmaterials in der Karburierungsatmosphäre ausgeführt.
Das Verfahren zur Erhöhung der Kohlenstoff- oder Stickstoffdichte in der Nachbarschaft der Vorderfläche des Stahlmaterials erhöht wünschenswerterweise die Härte in der Nachbarschaft der Vorderfläche des bestimmten Stahlmaterials, während gleichzeitig die innere Weichheit aufrechterhalten bleibt, wodurch der Abnutzungswiderstand und der Ermüdungswiderstand der aus dem Stahlmaterial gebildeten spiralseitigen Platte 53a erhöht werden.
In dem vorstehend beschriebenen Spiralverdichter 11 gemäß dieser Ausführungsform können die Abnutzung und das Festfressen der Gleitflächen des Axialdrucklagers 53 verhindert werden, indem die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a auf der äußersten Vorderfläche der zweiten Gleitfläche 101 gebildet wird. Auch beseitigt dieser Aufbau die Notwendigkeit eines Gegendruckmechanismus und verringert daher die Herstellungskosten des Spiralverdichters.
Auch erzeugt der Gleitbetrieb der ersten Gleitfläche 100 und der zweiten Gleitfläche 101 die Anpassung der druckaufnehmenden Abschnitte 83 und bildet daher ohne weiteres die Fluidschmierfähigkeit der Gleitflächen. Folglich wird verhindert, dass das Axialdrucklager 53 abgenutzt wird oder festfrisst. Insbesondere werden die abfallenden Abschnitte 83b der druckaufnehmenden Abschnitte 83 durch das Einlaufen des Spiralverdichters 11 genauer und gleichmäßiger ausgebildet. In dem Axialdrucklager 53 mit den druckaufnehmenden Abschnitten 83 mit den abfallenden Abschnitten 83b und den flachen Abschnitten 83a und der zweiten Gleitfläche 101, die in entgegengesetzter Beziehung dazu angeordnet ist, wird aufgrund der Keilwirkung ein Ölfilm erzeugt, um die Fluidschmierfähigkeit zur Zeit des Gleitbetriebs zu bewirken.
Wie vorstehend beschrieben, erzeugt das Einlaufen die Anpassung der druckaufnehmenden Abschnitte 83. Daher brauchen die abfallenden Abschnitte 83b nicht im Voraus ausgebildet werden, oder brauchen, wenn überhaupt, nicht genau und gleichmäßig ausgebildet werden, wodurch die Herstellungskosten des Spiralverdichters verringert werden.
Auch sind eine Vielzahl der Rillen 85 in Netzen und die von den Rillen 85 umgebenen druckaufnehmenden Abschnitte 83 als inselartige Abschnitte ausgebildet. Folglich sind die druckaufnehmenden Abschnitte 83 jeweils über ihren gesamten Umfang von den Rillen umgeben, so dass der Ölfilm 86 aufgrund der Keilwirkung aus allen Richtungen durch die Umdrehung der beweglichen Spirale 32 ausgebildet werden kann. Ferner hat die Vielzahl der Rillen 85 in Netzen an den Überschneidungen 85a eine größere Breite als in den restlichen Abschnitten, und daher kann das Öl hinreichend an alle der Vielzahl der Rillen 85 zugeführt werden.
Auch können die druckaufnehmenden Abschnitte 83, die im Wesentlichen kreisförmig und inselartig sind und eine gestaffelte Form haben, mit hoher Dichte angeordnet sein, so dass die Ölfilm-bildende Größe pro Einheitsfläche erhöht werden kann und eine schwere Last unterstützt werden kann.
Der Spiralverdichter 11 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann unter verschiedenen Betriebsbedingungen, die bestimmten Anwendungen entsprechen, verwendet werden. Insbesondere, um die Lebensdauer des Spiralverdichters 11 sicherzustellen, wird das Axialdrucklager 53 wünschenswerterweise ausschließlich an der Stelle verwendet, die für ein Fluid geschmiert ist.
Unter den vorstehend beschriebenen Gesichtspunkten wird der Spiralverdichter 11 unter den Bedingungen betrieben, dass die Gleitflächen 100, 101 des Axialdrucklagers 53 mit einem Mischfluid beliefert werden, welches das Schmieröl und das Kältemittel enthält, wobei die Gleitgeschwindigkeit der druckaufnehmenden Abschnitte 83 in Bezug auf die zweite Gleitfläche 101 auf nicht weniger als 0,5 m/s festgelegt ist, den druckaufnehmenden Abschnitten 83 eine Last in Form des mittleren Kontaktdrucks von 0,5 bis 20 MPa auferlegt wird und die kinematische Viskosität des Mischfluids im Betrieb 0,1 bis 10 cSt ist. Das Schmieröl ist wünschenswerterweise in dem vorstehend beschriebenen Öl enthalten.
Die Betriebsbedingungen des Spiralverdichters 11 werden weiter erklärt. In dem Spiralverdichter 11 wird das Mischfluid durch die vorstehend beschriebene Ölzuführungseinrichtung an die Gleitflächen 100, 101 des Axialdrucklagers 53 zugeführt.
Auch gleitet die auf der beweglichen Spirale 32 befestigte erste Gleitfläche 100 mit der Umlaufbewegung der beweglichen Spirale 32 in Bezug auf die auf dem Mittelgehäuse 15 befestigte zweite Gleitfläche 101. Diese Gleitgeschwindigkeit ist nicht kleiner als 0,5 m/s oder bevorzugt 0,6 bis 5 m/s in Bezug auf die zweite Gleitfläche 101.
In diesem Axialdrucklager 53 wird den druckaufnehmenden Abschnitten 83 aufgrund der Differenz zwischen der komprimierenden Reaktion zum Komprimieren des Kältemittels und der Kraft in der Axialdruckrichtung wegen des Drucks der Seite der Rückfläche 32a beweglichen Spirale eine Last in Richtung der zweiten Gleitfläche 101 auferlegt. Der mittlere Kontaktdruck der druckaufnehmenden Abschnitte 83 aufgrund dieser Last ist 0,5 bis 20 MPa oder bevorzugt 2 bis 15 MPa.
Ferner hat das vorstehend beschriebene Mischfluid die kinematische Viskosität von 0,1 bis 10 cSt oder bevorzugt 4 bis 10 cSt, auf den Gleitflächen 100, 101 des Axialdrucklagers 53 unter den vorstehend erwähnten Betriebsbedingungen des Spiralverdichters 11, wobei 1 cSt etwa gleich 1 × 10^–6 m²/s ist.
Die Verwendung des Spiralverdichters 11 gemäß den vorstehend erwähnten Ausführungsformen bildet unter den vorstehend beschriebenen Betriebsbedingungen einen Ölfilm zwischen den druckaufnehmenden Abschnitten 83 und dem Teil der zweiten Gleitfläche 101 in entgegengesetzter Beziehung zu den druckaufnehmenden Abschnitten 83, und daher kann das Axialdrucklager 53 ausschließlich in Fluidschmierung verwendet werden. Als ein Ergebnis wird die Abnutzung des Axialdrucklagers 53 verhindert, und der Spiralverdichter 11 kann für eine lange Zeit verwendet werden, während seine Leistung aufrechterhalten wird.
Obwohl vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erklärt sind, ist diese Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hat die Zwischenschicht 101c zum Beispiel eine Vierschicht-Laminatstruktur. Nichtsdestotrotz kann die Zwischenschicht 101c wenigstens eine Schicht, d. h. zwei oder drei Schichten oder mehr als vier Schichten, umfassen.
Auch sind die druckaufnehmenden Abschnitte 83 gemäß den vorstehend erwähnten Ausführungsformen kreisförmig. Als eine Alternative können die druckaufnehmenden Abschnitte 83 länglich, elliptisch, dreieckig oder in der Form eines Polygons mit vier oder mehr Seiten sein.
[Beispiele]
Die betrieblichen Auswirkungen der Gleitflächen 100, 101 des Spiralverdichters gemäß dieser Erfindung werden ferner unter Bezug auf Beispiele der Erfindung und Vergleichsbeispiele, die zum Vergleich mit der Erfindung verwendet werden, erklärt. Trotzdem ist diese Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
[Erstes Beispiel]
Als ein Teststück 110 der spiralseitigen Platte 53a mit der ersten Gleitfläche 100 wurde, wie in 7A und 7B gezeigt, eine Stahlplatte mit drei massiven zylindrischen druckaufnehmenden Abschnitten 111 angefertigt. Die druckaufnehmenden Abschnitte 111 wurden in einer derartigen Weise ausgebildet, dass ihre Mitten sich jeweils an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks, wie in 7B gezeigt, befanden. Als ein Teststück 112 der gehäuseseitigen Platte 53b mit der zweiten Gleitfläche wurde andererseits eine Stahlplatte angefertigt, bei der eine Oberfläche mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht und der Zwischenschicht ausgebildet war.
Auf diese Weise wurde das erste Beispiel mit dem Teststück 110 und dem Teststück 112 erhalten.
[Vergleichsbeispiel]
Ein Vergleichsbeispiel wurde ähnlich dem ersten Beispiel erhalten, abgesehen davon, dass das Teststück 112 weder mit der diamantartigen Kohlenstoffschicht noch der Zwischenschicht ausgebildet war.
[Bewertung der wesentlichen Festfressschutzeigenschaft]
Unter Bezug auf das vorstehend beschriebene erste Beispiel und das Vergleichsbeispiel wurde die wesentliche Festfressschutzeigenschaft wie nachstehend beschrieben bewertet.
Wie in 7A gezeigt, wurden die Teststücke 110, 112 in einer derartigen Weise angeordnet, dass die druckaufnehmenden Abschnitte 111 und die diamantartige Kohlenstoffschicht des Teststücks 112 in einer Kohlendioxidatmosphäre entgegengesetzt und in Kontakt zueinander waren. Der Kontaktabschnitt zwischen den druckaufnehmenden Abschnitten 111 und der diamantartigen Kohlenstoffschicht des Teststücks 112 wurde in das Schmieröl eingetaucht. Bei befestigtem Teststück 110 wurde dem Teststück 110 eine Last auferlegt, während das Teststück 112 gleichzeitig mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht wurde. Die Last wurde dem Teststück 110 in der Richtung auf das Teststück 112 zu auferlegt. Während die druckaufnehmenden Abschnitte 111 und die diamantartige Kohlenstoffschicht des Teststücks 112 aneinander glitten, wurde die Größe der Last schrittweise erhöht. Dann wurde das Reibungsdrehmoment des Teststücks 110 gemessen, und es wurde bestimmt, dass das Festfressen zu dem Zeitpunkt stattfand, als das Drehmoment steil erhöht wurde. Der Lastwert zu dem Zeitpunkt, als das Reibungsdrehmoment steil erhöht wurde, wurde in den Kontaktdruck der Gleitflächen umgewandelt, um dadurch einen Festfress-Grenzkontaktdruck zu erhalten.
Das Ergebnis ist in 8 gezeigt.
Der Festfress-Grenzkontaktdruck des ersten Beispiels ist etwa das Dreifache des Vergleichsbeispiels, womit eine überlegene Festfressschutzleistung angezeigt wird.
[Zweites Beispiel]
Die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a und die Zwischenschicht 101c wurden auf dem Grundflächenelement 101b der zweiten Gleitfläche 101 ausgebildet, und der in 1 gezeigte Spiralverdichter wurde angefertigt, um dadurch das zweite Beispiel zu erhalten. Die diamantartige Kohlenstoffschicht 101a und die Zwischenschicht 101c wurden in einer ähnlichen Weise wie in dem ersten Beispiel ausgebildet.
[Bewertung der Ausbildung der abfallenden Abschnitte der druckaufnehmenden Abschnitte aufgrund des Einlaufens]
Unter Verwendung des Spiralverdichters gemäß dem zweiten Beispiel wurde das Einlaufen gemäß den vorstehend beschriebenen Einlaufbedingungen für mehrere Stunden durchgeführt.
Das Ergebnis ist in 9A, 9B gezeigt. 9A, 9B zeigen die Form des druckaufnehmenden Abschnitts 83 vor und nach dem Einlaufen.
Gemäß dem zweiten Beispiel wurde entlang des Umfangsrands des druckaufnehmenden Abschnitts 83 kein abfallender Abschnitt ausgebildet, und der Krümmungsradius war vor dem Einlaufen, wie in 9A gezeigt, etwa null, während nach dem Einlaufen, wie in 9B gezeigt, der abfallende Abschnitt 83b mit dem Krümmungsradius R von etwa 30 mm entlang des Umfangsrands des druckaufnehmenden Abschnitts 83 ausgebildet wurde.
[Drittes Beispiel]
Für das Teststück der spiralseitigen Platte 53a mit der ersten Gleitfläche 100 wurde Stahl verwendet. Stahl wurde auch für das Grundflächenelement des Teststücks der gehäuseseitigen Platte 53b mit der zweiten Gleitfläche 101 verwendet. Die Zwischenschicht wurde auf diesem Grundflächenelement ausgebildet, und ferner wurde die diamantartige Kohlenstoffschicht auf der Zwischenschicht ausgebildet, um dadurch das dritte Beispiel zu erhalten.
In der zweiten Gleitfläche 101 war die Gesamtdicke einschließlich der diamantartigen Kohlenstoffschicht und der Zwischenschicht etwa 2 μm. Auch die war die maximale Oberflächenrauheit der diamantartigen Kohlenstoffschicht der zweiten Gleitfläche 101 etwa 0,2 μm.
[Viertes Beispiel]
Das vierte Beispiel wurde in einer ähnlichen Weise wie das dritte Beispiel erhalten, abgesehen davon, dass die maximale Rauheit der Vorderfläche der diamantartigen Kohlenstoffschicht der zweiten Gleitfläche 101 auf etwa 0,4 μm festgelegt wurde.
[Fünftes Beispiel]
Das fünfte Beispiel wurde in einer ähnlichen Weise wie das dritte Beispiel erhalten, abgesehen davon, dass die maximale Rauheit der Vorderfläche der diamantartigen Kohlenstoffschicht der zweiten Gleitfläche 101 auf etwa 0,6 μm festgelegt wurde.
[Sechstes Beispiel]
Das sechste Beispiel wurde in einer ähnlichen Weise wie das dritte Beispiel erhalten, abgesehen davon, dass die maximale Rauheit der Vorderfläche der diamantartigen Kohlenstoffschicht der zweiten Gleitfläche 101 auf etwa 1,0 μm festgelegt wurde.
[Bewertung des Abnutzungsbetrags]
Unter Bezug auf die vorstehend beschriebenen dritten bis sechsten Beispiele wurde der Abnutzungsbetrag, wie nachstehend beschrieben, bewertet.
Der Abnutzungsbetrag wurde unter Verwendung des in 10 gezeigten Hantelplattenprüfgeräts bewertet. Das Hantelplattenprüfgerät umfasst eine Hantel 103 mit einem Paar Scheiben, die auf einer massiven zylindrischen Achse in beabstandeter Beziehung zueinander befestigt sind, und eine Platte 104, auf der die Hantel angeordnet ist. Die Gleitflächen der Hantel 103 und der Platte 104 sind gekrümmt oder eben und haben keine Unebenheit.
Die Scheiben in dem Paar wurden jeweils aus dem Teststück der spiralseitigen Platte 53a angefertigt, und die Platte 104 wurde aus dem Teststück der gehäuseseitigen Platte 53b angefertigt.
Die Größen der Scheiben in dem Paar waren jeweils 14 mm im Außendurchmesser und 5 mm in der Dicke. Die Länge zwischen den Scheiben auf der Hantel war 21 mm. Die Größe der Platte 104 war 30 mm Länge für jede ihrer vier Seiten.
Die Platte 104 und auch die Gleitflächen der Hantel 103 und der Platte 104 wurden in das Schmieröl getaucht. Beim Ausführen der Prüfung wurde der Hantel 103 eine vorgegebene Last von oben auferlegt, und unter diesen Bedingungen wurde die Platte 104 eine vorgegebene Zeit lang mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht, woraufhin der Abnutzungsbetrag der Hantel 103 gemessen wurde.
Der Gleitbetrieb der Hantel 103 und der Platte 104 erfolgte derart, dass die diamantartige Kohlenstoffschicht der zweiten Gleitfläche 101 an der ersten Gleitfläche 100 glitt.
Die Prüfung wurde unter einer Vielzahl von Messbedingungen in Kombinationen der Last und der Drehzahl ausgeführt. Insbesondere war die Last im Bereich von 0 bis 1000 N (0 bis 500 MPa Kontaktdruck) und die Drehzahl im Bereich von 0 bis 2000 U/min (0 bis 2 m/s Gleitgeschwindigkeit).
Zuerst wurde der spezifische Abnutzungsbetrag gemäß dem dritten Beispiel wie nachstehend beschrieben gemessen.
Die Messung wurde eine Vielzahl von Malen unter Verwendung des Hantelplattenprüfgeräts gemacht, während das Produkt aus dem Kontaktdruck und der Gleitstrecke geändert wurde, und der Abnutzungsbetrag des Teststücks auf der Seite der Hantel 103 wurde gemessen. Die Gleitstrecke wurde aus dem Produkt der Drehzahl und der Zeit bestimmt. Der Abnutzungsbetrag wurde andererseits als ein Volumen des Teststücks, das durch Abnutzung reduziert wurde, bestimmt. Die Hantel 103 und die Platte 104 waren in der Grenzschmierung.
Unter Verwendung des auf diese Weise erhaltenen Messergebnisses wurde der spezifische Abnutzungsbetrag aus der Neigung einer Kurve bestimmt, die mit dem Produkt aus dem Kontaktdruck und der Gleitstrecke als Abszisse und dem Abnutzungsbetrag als Ordinate aufgetragen wurde.
Als nächstes wurde der geschätzte Abnutzungsbetrag gemäß dem dritten Beispiel, wie nachstehend beschrieben, bestimmt. Der geschätzte Abnutzungsbetrag ist als ein Abnutzungsbetrag einer tatsächlichen Maschine definiert, der basierend auf dem vorstehend beschriebenen spezifischen Abnutzungsbetrag geschätzt wird.
Während eine tatsächliche Maschine unter vorgegebenen Bedingungen betrieben wurde, wurde der Abnutzungsbetrag A in der Grenzschmierung aus dem Produkt des spezifischen Abnutzungsbetrags, des Kontaktdrucks und der Gleitstrecke des Axialdrucklagers 53 bestimmt. Unter Berücksichtigung des Ölfilmparameters wurde der geschätzte Abnutzungsbetrag in der Mischschmierung aus dem Abnutzungsbetrag A bestimmt.
In den vierten bis sechsten Beispielen wurde jeder geschätzte Betrag ähnlich bestimmt, und mit dem geschätzten Abnutzungsbetrag des dritten Beispiels als Referenz wurde jedes Abnutzungsbetragsverhältnis aus den anderen geschätzten Abnutzungsbeträgen bestimmt.
Das Ergebnis ist in 11 gezeigt.
Es stellte sich heraus, dass mit der Abnahme der maximalen Rauheit der Vorderfläche der diamantartigen Kohlenstoffschicht der zweiten Gleitfläche 101, das Abnutzungsbetragsverhältnis der ersten Gleitfläche 100 abnahm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007-133689 [0001]
- JP 2001-115959 [0007]

Claims

Verdichter, der ein Axialdrucklager (53) mit einer ersten Gleitfläche (100) und einer zweiten Gleitfläche (101) in entgegengesetzter Beziehung zu der ersten Gleitfläche (100) umfasst, wobei die erste Gleitfläche (100) mit einer Vielzahl von inselartigen druckaufnehmenden Abschnitten (83) ausgebildet ist, die von Rillen (85) umgeben und unabhängig voneinander sind, wobei die zweite Gleitfläche (101) im Vergleich zu der ersten Gleitfläche (100) flach ist und wobei die zweite Gleitfläche (101) mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, wobei die druckaufnehmenden Abschnitte (83) die Form haben, die ausgewählt ist aus einem Kreis, einer länglichen Form, einer Ellipse, einem Dreieck und einem Polygon mit wenigstens vier Seiten, und eine Vielzahl der druckaufnehmenden Abschnitte (83) in einer versetzten Weise angeordnet ist.
Verdichter gemäß Anspruch 1, wobei die maximale Rauheit der Vorderfläche der zweiten Gleitfläche (101) kleiner als die maximale Rauheit der Vorderfläche der druckaufnehmenden Abschnitte (83) ist.
Verdichter gemäß Anspruch 1, der eine feste Spirale (38) und eine bewegliche Spirale (38) umfasst, um das Fluid durch Umdrehen auf einer Drehwelle (21) in Bezug auf die feste Spirale (38) zu komprimieren, wobei das Axialdrucklager (53) die Axialkraft aufnimmt, die es von der beweglichen Spirale (32) empfängt.
Verdichter gemäß Anspruch 4, wobei das Fluid Kohlendioxid enthält und der Druck des ausgestoßenen Fluids den kritischen Druck von Kohlendioxid übersteigt.
Verdichter gemäß Anspruch 1, wobei das Grundflächenelement (101b) der zweiten Gleitfläche (101) aus dem ausgewählten Maschinenkonstruktions-Legierungsstahl oder der gewalzten Stahlplatte gebildet ist.
Verdichter gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Gleitfläche (101) mit einer Zwischensicht (101c) zwischen dem Grundflächenelement (101b) der zweiten Gleitfläche (101) und der diamantartigen Kohlenstoffschicht (101a) ausgebildet ist und wobei die Zwischenschicht (101c) aus wenigstens einem ausgewählten der Materialien ausgebildet ist, die Chrom, Aluminium, Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Kohlenstoff und Titan umfassen.