JP2001140782A

JP2001140782A - ロータリ圧縮機

Info

Publication number: JP2001140782A
Application number: JP32346799A
Authority: JP
Inventors: Mototaka Ezumi; 元隆江住; Seiji Kutoku; 清治久▲徳▼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｒ２２冷媒、Ｒ１３４ａ冷媒、Ｒ２２代替冷媒
用のロータリ圧縮機において、耐摩耗性に優れたベーン
を提供する。【解決手段】シリンダ１７と、シャフト１４により前記
シリンダ１７内で偏心して回転するローラ１８と、前記
シリンダ１７に半径方向に形成した貫通溝１９に出没可
能に挿入され前記ローラ１８に摺接するベーン２０とを
備えたロータリ圧縮機において、前記ベーン２０は、Ｃ
ｒ９％〜２７％を含有し、Ｃ０．４％以上の焼き入れ硬
化性のある鉄系粉末材を材料とし、空孔率１０％以下の
単独空孔を有した焼結鉄をベース材として用い、これを
焼き入れ焼き戻し処理により基地をマルテンサイト組織
とした後、表面に窒化または軟窒化処理によりＦｅ−Ｎ
からなる化合物層を、その内側に窒素拡散層を形成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータリ圧縮機、
特にＲ２２冷媒、Ｒ１３４ａ冷媒、Ｒ２２代替冷媒用と
してのＨＦＣ冷媒に好適なロータリ圧縮機に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来から知られているロータリ圧
縮機を示し、シリンダ１と、シャフト２により前記シリ
ンダ１内で偏心して回転するローラ３と、前記シリンダ
１に半径方向に形成した貫通溝４に出没可能に挿入され
前記ローラ３と摺接するベーン５とを備えている。前記
ベーン５の材料としては耐摩耗性に優れた特殊鉄系材料
に熱処理をしたものが使用されている。また、前記ベー
ン５を熱処理し、研削加工仕上げをし、窒化処理をする
場合もあるが、この場合には、前記ベーン先端部の化合
物層は残すが、前記ベーン５の前記シリンダ１との摺接
面は寸法精度を出すために、研削し、精密仕上げを行な
っている。この窒化処理を前記ベーン５に施すために焼
結材料を使用すると、寸法変化が大きく、非常に強度的
に弱くなるため使用できなかった。このため、溶製材の
前記ベーン材を窒化処理し、前記ベーン５の前記シリン
ダ１との摺接面を研削してベーン５として使用してい
る。このため、全面加工となり、非常にコスト高とな
り、前記シリンダ１と摺接する面が空孔を持っていない
ため、油保持ができなく、前記シリンダ１と前記ベーン
５の耐摩耗性がやや劣る結果ともなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年はベー
ン、ローラ、シリンダの摺動条件が厳しくなり、またＲ
２２代替冷媒に変わる中で、より耐摩耗の良い材料組み
合わせが要求されるようになってきた。従来のベーンの
ような特殊鋼、特殊鋳物、鉄系焼結材のような単独では
耐摩耗性が不十分である。また、溶製材ベーンを、加工
仕上げした後、窒化処理をしても、シリンダとベーンの
耐摩耗性は十分ではない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明はシリンダとシャフトにより前記シリンダ内
で偏心して回転するローラと、前記シリンダに半径方向
に形成した溝に出没可能に挿入され前記ローラに摺接す
るベーンとを備えたロータリ圧縮機において、前記ベー
ンをＣｒ量９％〜２７％を含有した空孔率１０％以下の
単独空孔を持った固相焼結材料を通常の窒化または軟窒
化をした後、ベーン側面を仕上げ研削をしたベーン材を
使用することで、ベーン、シリンダ、ピストンの摩耗を
大幅に低減させるものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、Ｃｒ９
％〜２７％を含有し、Ｃ０．４％以上の焼き入れ硬化性
のある鉄系粉末材を材料とし、空孔率１０％以下の単独
空孔を有した焼結鉄をベース材として用い、これを焼き
入れ焼き戻し処理により基地をマルテンサイト組織とし
た後、表面に窒化または軟窒化処理によりＦｅ−Ｎから
なる化合物層を、その内側に窒素拡散層を形成してなる
ベーンであり、Ｃｒ量を９％以上にした理由はＣｒが９
％以上になると、化合物層の耐摩耗性が向上するととも
に、特に窒素拡散層の耐摩耗性が飛躍的に向上するため
である。また、Ｃｒ量を２７％以下とした理由はＣｒが
多くなると加工性が悪化する点を考慮している。さら
に、空孔率を１０％以下にした理由は、単独空孔が増加
し、窒化時に窒素ガスがベーン内部まで深く浸入しない
ため、寸法歪みが小さく、窒化による強度低下があまり
発生しなく、脆化もあまり発生しないためでもある。

【０００６】請求項２に記載の発明は、ベーンの鉄系粉
末材は、ＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４
０Ｃ、ＳＫＤ１、ＳＫＤ１１の何れかの材料である。

【０００７】請求項３に記載の発明は、Ｃｒ９％〜２７
％、Ｎｉ４％〜８％を含有し、Ｃ０．２％以下の析出硬
化性のある鉄系粉末材を材料とし、空孔率１０％以下の
単独空孔を有した焼結鉄をベース材として用い、これを
熱処理により基地をマルテンサイト組織とした後、表面
に窒化または軟窒化処理によりＦｅ−Ｎからなる化合物
層を、その内側に窒素拡散層を形成してなるベーンであ
る。この材料、析出硬化性の材料を使用したところに特
徴があり、Ｃｒ量や空孔の考え方は請求項１と同様であ
る。

【０００８】請求項４に記載の発明は、ベーンの鉄系粉
末材は、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１の何れかの材料で
ある。

【０００９】請求項５に記載の発明は、ベーンのベース
材を固相焼結または液相焼結で空孔率１０％以下とし
た。通常、空孔率を１０％以下にするためには、液相焼
結の材料を使用するが、添加剤、焼結条件などの特殊な
製法で固相焼結でも可能である。

【００１０】請求項６に記載の発明は、ベーンを、窒化
または軟窒化処理後、ベーンのシリンダの溝と摺動する
側面を研削加工し、窒素拡散層を主たる摺動面としたも
のである。この理由は、シリンダと摺動する面が窒素拡
散層の場合、窒素拡散層の中に空孔が存在し、空孔の内
面には化合物層が存在し、その中に冷凍機油が含有する
構造となり、確実に冷凍機油が保持され、ベーンとシリ
ンダの凝着摩耗に対しては、非常に優れたベーン摺動面
となる。

【００１１】請求項７に記載の発明は、ベーン材の先端
部に化合物層を残し、ローラ外周面と摺動させる。この
化合物層はベーン材の成分のＣｒが９％以上では、非常
に耐摩耗性の優れたものとなる。

【００１２】請求項８に記載の発明は、ベーン材を、ガ
ス窒化またはガス軟窒化処理したものである。

【００１３】請求項９に記載の発明は、窒化または軟窒
化処理温度を、５００℃〜５８０℃とし、窒素拡散層の
厚さを０．０５ｍｍ以上とした。この理由は、窒化処理
温度を５００℃より低くしても、５８０℃より高くして
も、耐摩耗性のある化合物層の膜厚は得られにくい。ま
た、窒素拡散層においても、同様の理由がある。また、
窒素拡散層深さを０．０５ｍｍ以上にしないと、研削後
に耐摩耗性を確保できる窒素拡散層厚さの保持が難し
い。

【００１４】請求項１０に記載の発明は、ローラ材料の
耐摩耗性を向上させるために、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐの最適成
分値を表したものである。

【００１５】請求項１１に記載の発明は、ローラ材料の
耐摩耗性を向上させるために、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂの最適成
分値を表したものである。

【００１６】請求項１２に記載の発明は、冷媒がＨＦＣ
で冷凍機油がエステル油を使用した信頼性の高いロータ
リ圧縮機となっている。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。（実施例１）図１は本発明の実施例１における圧縮機の
縦断面図であり、図２はその横断面図である。密閉容器
１１の内部に電動機部１２と圧縮機部１３が配され、電
動機部１２に直結されたシャフト１４は主軸受１５と副
軸受１６に支持されている。圧縮機部１３のシリンダ１
７内にシャフト１４の周りで偏心して回転するローラ１
８が配され、このローラ１８は遊星運動を行なう。シリ
ンダ１７の貫通溝１９に挿入されたベーン２０はスプリ
ング２１および背圧（吐出圧）により先端がローラ１８
に押し付けられ、シリンダ１７内を吸入室２２と圧縮室
２３に分割する。シリンダ１７には吸入孔２４があけら
れ、吸入管２５を介してアキュームレータ（図示せず）
とつながっている。

【００１８】次に、上記構成による動作を説明する。電
動機部１２によりシャフト１４が駆動され、ローラ１８
の遊星運動（図１で左回転）により吸入管２５より吸入
孔２４を経て、吸入室２２へＨＦＣなどの冷媒ガスが吸
入され、圧縮室２３で圧力が上げられ吐出切り欠き２６
を経て、吐出孔（図示せず）より密閉容器１１内へ吐出
される。このとき、吸入室２２と圧縮室２３を仕切るベ
ーン２０はスプリング２１とベーン２０背部にかかる圧
力でローラ１８の外周に押し付けられ接点で摺動しなが
ら運動する。この摺動点の潤滑は主として、吸入ガスに
混入してきた冷凍機油２７により潤滑される。吸入管２
５に入ってくる吸入ガスには冷媒ガスとともに、冷媒サ
イクルを循環する。前記冷凍機油２７はわずかながら含
まれているが、このレベルの量では金属接触に近い境界
潤滑状態となり、特に冷媒に摺動性が望めないＨＦＣで
は厳しい摺動条件となる。

【００１９】図３〜７は本発明の一例であるベーン２０
の材質として、ベーン２０を固相焼結鉄としかつ成分が
Ｃ０．９５〜1.２％、Ｃｒ１６.０〜１８.０％のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼を使用し、焼き入れ焼き戻し後
は、基地をマルテンサイトとし、研削加工を行ない、ベ
ーン先端部２０ａ、側面部２０ｂを仕上げる。その後、
窒化処理を５６０℃〜５７０℃で行ない、前記ベーン側
面部２０ｂは研削加工を行なって前記ベーン側面部２０
ｂの化合物層２０ｃを除去し、窒素拡散層２０ｄを摺動
面とした。また、前記ベーン先端部２０ａの表面には、
窒化処理による化合物層２０ｃが形成されている。Ｃｒ
が９．０％以上になると、前記ベーン先端部２０ａの前
記化合物層２０ｃの耐摩耗性も向上するが、さらに窒素
拡散層２０ｄの耐摩耗性（耐凝着摩耗性）も前記シリン
ダ１７に対して大幅に向上する。さらに、Ｃｒを１６.
０〜１８.０％にしたＳＵＳ４４０Ａ、ＳＵＳ４４０
Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃを粉末材とすれば地の硬度が高くな
り、さらに良い耐摩耗性を示す。また、固層焼結材料と
して、空孔率１０％以下で単独空孔を有する材料を用い
ると、窒化または軟窒化処理時に、窒素ガスがベーン材
料の深部まで浸入しなくなるため、窒化時による強度低
下、脆性化を抑えられる。もし、全部連続空孔であれ
ば、強度低下、脆性化が発生し、実使用条件での運転は
不可能になる。また、全部連続空孔であれば、窒化時に
窒素がベーン２０全体に拡散浸入し、ベーン２０の大き
な歪みを発生させ、使用不可能にもなってしまう。この
ため、空孔率１０％以下で単独空孔２８を有するファク
ターは非常に重要な要素である。また、ベーン２０とシ
リンダ１７が摺動するとき、図８に示すように、前記ベ
ーン側面部２０ｂの研削面２０ｅに単独空孔２８が点在
し、前記単独空孔２８の内壁には窒化時に形成した空孔
内化合物層２０ｆが存在し、その内部空孔に冷凍機油２
７が存在する構造となり、摺動時に前記冷凍機油２７が
摺動面に供給され、非常に耐摩耗性の向上に効果があ
る。また、連続空孔が少々存在しても、窒化時の前記空
孔内化合物層２０ｆの存在で、連続空孔が封孔される効
果もあり、冷凍機油２７が確実に確保される構造ともな
っている。つまり、連続空孔では圧力が加わると圧力が
逃げ、冷凍機油２７も逃げることになるが、空孔が封孔
されれば、圧力が逃げることもなく、油圧が保持され、
さらに耐摩耗性の向上に効果がある。また、窒化処理条
件の温度を５００℃〜５７０℃に設定した理由は、化合
物層や窒素拡散層が安定して形成され、安定した耐摩耗
性を発揮するためである。さらに、窒素拡散層を０．０
５ｍｍ以上にすると、窒素拡散層の耐摩耗性が安定した
層ともなる。しかし、温度がこの温度よりも低下する
と、化合物層の形成が難しくなり、窒素拡散層の形成も
難しくなってしまう。また、前記ローラ１８はＣｒ０．
８％、Ｎｉ０．２％、Ｍｏ０．２％、Ｐ０．２％の成分
を添加した合金鋳鉄を材料とし、焼き入れ焼き戻しをほ
どこしたもので、シリンダ１７は金型共晶黒鉛鋳鉄のも
のでパーライトを１０〜５０％含んだものを使用してい
る。このような部品で構成された圧縮機を運転すると、
前記ベーン２０は圧力を受けながら、前記シリンダ１７
の貫通溝１９内で往復運動を行なうため、前記シリンダ
１７の貫通溝１９とベーン側面部２０ｂは油膜が生じに
くく、厳しい摺動条件となる。また、前記ベーン先端部
２０ａと前記ローラ１８の外周面２９は前述したように
油の少ない金属接触に近い摺動条件となる。前記ベーン
２０は、耐摩耗性に良好な前記ベーン先端部２０ａの化
合物層２０ｃを有するため、過酷な摺動条件において
も、前記ベーン先端部２０ａは前記ローラ１８の外周面
２９に凝着摩耗を減少させる効果がある。また、前記ロ
ーラ１８の成分Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐは非常に耐摩耗性に優
れ、Ｎｉは非常に焼入性に優れているため、前記ベーン
２０と前記ローラ１８の組み合わせでは、非常に耐摩耗
性の優れた材料組み合わせとなる。また、前記シリンダ
１７の基地中にパーライトを１０％以上含ませると、前
記ベーン側面部２０ｂの前記窒素拡散層２０ｄと前記シ
リンダ１７の耐摩耗性は非常に良くなる。以上のことか
ら、信頼性の高い圧縮機が実現できる。

【００２０】（実施例２）ベーン２０の材料は固相焼結
鉄で、Ｃｒ１６％〜１８％、Ｎｉ６．５０％〜７．７５
％を含有し、Ｃ０．０９％以下の析出硬化性のある材質
とし、ＳＵＳ６３１を使用したものである。また、空孔
率１０％以下とした単独空孔を有した材質とし、固溶化
処理、中間処理を行なった後、析出硬化処理を行ない、
基地にマルテンサイトと析出物を混在させた組織として
いる。その後、窒化または軟窒化によって、ローラ１８
の外周面２９に摺接する前記ベーン先端部２０ａに化合
物層２０ｃを形成させ、シリンダ１７と摺接する前記ベ
ーン側面部２０ｂは化合物層２０ｃを研削加工で除去
し、化合物層２０ｃの内側の窒素拡散層２０ｄを摺動面
とした。また、前記ローラ１８はＣｒ０．８％、Ｎｉ
０．２％、Ｍｏ０．２％、Ｂ０．０４％の成分を添加し
た合金鋳鉄を材料とし、焼き入れ焼き戻しをほどこした
もので、シリンダ１７はＦＣ２５０のものでパーライト
を９５％以上含んだものを使用している。このような部
品で構成された圧縮機を運転すると、前記ベーン２０は
圧力を受けながら、前記シリンダ１７の貫通溝１９内で
往復運動を行なうため、前記シリンダ１７の貫通溝１９
とベーン側面部２０ｂは油膜が生じにくく、厳しい摺動
条件となる。また、前記ベーン先端部２０ａと前記ロー
ラ１８の外周面２９は前述したように油の少ない金属接
触に近い摺動条件となる。前記ベーン２０は、耐摩耗性
に良好な前記ベーン先端部２０ａの化合物層２０ｃを有
するため、過酷な摺動条件においても、前記ベーン先端
部２０ａは前記ローラ１８の外周面２９に凝着摩耗を減
少させる効果がある。また、前記ローラ１８の成分Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｂは非常に耐摩耗性に優れ、Ｎｉは非常に焼
入性に優れているため、前記ベーン２０と前記ローラ１
８の組み合わせでは、非常に耐摩耗性の優れた材料組み
合わせとなる。また、前記シリンダ１７の基地中にパー
ライトが９５％以上含まれているため、前記ベーン側面
部２０ｂの前記窒素拡散層２０ｄと前記シリンダ１７の
耐摩耗性は非常に良くなる。以上のことから、信頼性の
高い圧縮機が実現できる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、成分がＣ
ｒ９％〜２７％を含有し、Ｃ０．４％以上の焼き入れ硬
化性のある鉄系粉末材を材料とし、空孔率１０％以下の
単独空孔を有した焼結鉄をベース材として用い、これを
焼き入れ焼き戻し処理により基地をマルテンサイト組織
とした後、表面に窒化または軟窒化処理により、Ｆｅ−
Ｎからなる化合物層を、その内側に窒素拡散層を形成し
てなるベーンや、成分がＣｒ９％〜２７％、Ｎｉ４％〜
８％を含有し、Ｃ０．２％以下の析出硬化性のある鉄系
粉末材を材料とし、空孔率１０％以下の単独空孔を有し
た焼結鉄をベース材として用い、これを熱処理により基
地をマルテンサイト組織とした後、表面に窒化または軟
窒化処理によりＦｅ−Ｎからなる化合物層を、その内側
に窒素拡散層を形成してなるベーンは、耐摩耗性に極め
て優れているだけでなく、量産性に優れ、低コストのベ
ーンを提供することが可能となった。また、今後の代替
冷媒化の有力なベーンとしても提供できるものとなっ
た。また、焼結材を使用することで、研削加工のみです
べて加工が行なえるために、大幅な工程削減、管理削減
も可能となった。また、従来、空孔の存在する焼結材
は、強度の面、寸法歪みの問題があり、量産化が難しか
ったが、本発明においては、これらの問題も解決するこ
とができる。また、従来、焼結材の内部の空孔が潤滑に
おいて悪い影響を与えていたが、空孔内に化合物層を成
形し、封孔処理の役目を果たさせ、且つ、冷凍機油を保
持させることによって、耐摩耗性を向上させることが可
能となった。以上のことから、信頼性の高いロータリ圧
縮機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における圧縮機の縦断面図

【図２】同圧縮機の横断面図

【図３】同圧縮機に用いるベーンの正面図

【図４】同圧縮機に用いるベーンの側面図

【図５】同ベーン側面部の研削前の状態を示す拡大断面
図

【図６】同ベーン側面部の研削後の状態を示す拡大断面
図

【図７】同ベーン先端部の拡大断面図

【図８】同ベーンの単独空孔の点在状態を示す拡大断面
図

【図９】従来例における圧縮機の横断面図

【符号の説明】

１４シャフト１７シリンダ１８ローラ１９貫通溝２０ベーン２０ａベーン先端部２０ｂベーン側面部２０ｃ化合物層２０ｄ窒素拡散層２０ｅ研削面２０ｆ空孔内化合物層２８単独空孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダと、シャフトにより前記シリン
ダ内で偏心して回転するローラと、前記シリンダに半径
方向に形成した溝に出没可能に挿入され前記ローラに摺
接するベーンとを備えたロータリ圧縮機において、前記
ベーンは、Ｃｒ９％〜２７％を含有し、Ｃ０．４％以上
の焼き入れ硬化性のある鉄系粉末材を材料とし、空孔率
１０％以下の単独空孔を有した焼結鉄をベース材として
用い、これを焼き入れ焼き戻し処理により基地をマルテ
ンサイト組織とした後、表面に窒化または軟窒化処理に
よりＦｅ−Ｎからなる化合物層を、その内側に窒素拡散
層を形成してなることを特徴とするロータリ圧縮機。
【請求項２】ベーンの鉄系粉末材は、ＳＵＳ４４０
Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＫＤ１、ＳＫ
Ｄ１１の何れかの材料であることを特徴とする請求項１
記載のロータリ圧縮機。
【請求項３】シリンダと、シャフトにより前記シリン
ダ内で偏心して回転するローラと、前記シリンダに半径
方向に形成した溝に出没可能に挿入され前記ローラに摺
接するベーンとを備えたロータリ圧縮機において、前記
ベーンは、Ｃｒ９％〜２７％、Ｎｉ４％〜８％を含有
し、Ｃ０．２％以下の析出硬化性のある鉄系粉末材を材
料とし、空孔率１０％以下の単独空孔を有した焼結鉄を
ベース材として用い、これを熱処理により基地をマルテ
ンサイト組織とした後、表面に窒化または軟窒化処理に
よりＦｅ−Ｎからなる化合物層を、その内側に窒素拡散
層を形成してなることを特徴とするロータリ圧縮機。
【請求項４】ベーンの鉄系粉末材は、ＳＵＳ６３０、
ＳＵＳ６３１の何れかの材料であることを特徴とする請
求項３記載のロータリ圧縮機。
【請求項５】ベーンのベース材を固相焼結または液相
焼結で空孔率１０％以下としたことを特徴とする請求項
１または２または３または４記載のロータリ圧縮機。
【請求項６】ベーンを窒化または軟窒化処理後、前記
ベーンのシリンダの溝と摺動する側面を研削加工し、窒
素拡散層を主たる摺動面としたことを特徴とする請求項
１または２または３または４または５記載のロータリ圧
縮機。
【請求項７】ベーンの先端部を加工せずに残し、Ｆｅ
−Ｎからなる化合物層をローラとの摺接面としたことを
特徴とする請求項６記載のロータリ圧縮機。
【請求項８】窒化または軟窒化処理をガス窒化または
ガス軟窒化処理としたことを特徴とする請求項１または
２または３または４または５または６または７記載のロ
ータリ圧縮機。
【請求項９】窒化または軟窒化処理の温度を５００℃
〜５８０℃とし、窒素拡散層の厚さを０．０５ｍｍ以上
としたことを特徴とする請求項１または２または３また
は４または５または６または７または８記載のロータリ
圧縮機。
【請求項10】ローラの材料は、Ｃｒ０．５％〜１．０
％、Ｍｏ０．２％〜０．４％、Ｐ０．１％〜０．３％の
成分を含む鋳鉄の材料としたことを特徴とする請求項１
または２または３または４または５または６または７ま
たは８または９記載のロータリ圧縮機。
【請求項11】ローラの材料は、Ｃｒ０．５％〜１．０
％、Ｍｏ０．２％〜０．４％、Ｂ０．０２％〜０．１％
の成分を含む鋳鉄の材料としたことを特徴とする請求項
１または２または３または４または５または６または７
または８または９記載のロータリ圧縮機。
【請求項12】冷媒がＨＦＣで、冷凍機油がエステル油と
したことを特徴とする請求項１または２または３または
４または５または６または７または８または９または１
０または１１記載のロータリ圧縮機。