JP2007056720A - 斜板式圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 斜板及びシューのうち少なくとも一方が、耐摩耗性、耐焼付き性及び密着性の向上したＤＬＣからなる硬質膜を有する斜板式圧縮機を提供する。
【解決手段】 斜板式圧縮機においては、駆動軸の回転運動が前記駆動軸と一体に回転可能な斜板７２及び当該斜板７２に摺動するシュー７８によりピストンの往復運動に変換される。斜板式圧縮機は、斜板７２及びシュー７８のうち少なくとも一方に他方と摺動する硬質膜８６を備え、硬質膜８６は、実質的に水素を含まないダイヤモンドライクカーボンからなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は斜板式圧縮機に関する。

例えば自動車用空調システムの冷凍回路等に適用される流体機械としての斜板式圧縮機は、駆動軸から斜板及びシューを介して動力供給を受けたピストンがシリンダボア内を往復運動するのに伴い、吸入室からシリンダボア内への作動流体としての冷媒の吸入工程、吸入した作動流体の圧縮工程及びシリンダボアから吐出室への圧縮した作動流体の吐出工程からなる一連のプロセスを実行する。

より詳しくは、駆動軸は環状の斜板を貫通し、斜板は駆動軸に対し傾斜して若しくは傾動可能にして固定されている。一方、各ピストンのテール部には、夫々が略半球状をなす１対のシューが配置され、１対のシューは互いの間に斜板の外周部を挟み込んでこの外周部に摺動する。
斜板及びシューの互いの摺動面は、冷媒に含まれる冷凍機油（潤滑油）からなる油膜により潤滑されるが、摺動面の耐摩耗性及び耐焼付き性を向上すべく、従来、斜板の摺動面にはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる被膜が形成されていた。

そして、近年では、耐摩耗性及び耐焼付き性を更に向上させるべく、斜板及びシューの摺動面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）と称され、水素を含む非晶質炭素からなる被膜（ＤＬＣ膜）を形成することが行われている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
特開2001-280236号公報 特開2001-271741号公報

しかしながら、特許文献１の斜板と特許文献２のシューとを組み合わせた場合、つまり、斜板及びシューの双方の摺動面に水素を含むＤＬＣ膜を形成した場合、ＤＬＣ膜の異常摩耗や焼付きが発生する虞がある。これは以下の理由による。
低温下で且つ圧縮機の作動直後にその回転数が高い場合、油膜が冷媒により洗い流されてしまい、斜板及びシューの摺動面がドライ状態になり易い。このため、低温下で圧縮機が作動と停止を繰り返すような場合、油膜切れが生じてＤＬＣ膜同士が直接接触するようになる。

ここで、ＤＬＣ膜の主成分は非金属である炭素原子であることから、金属膜同士が直接接触する場合に比べ、凝着による摩耗や焼付きは起き難いと考えられていた。しかしながら、現実には、水素を含むＤＬＣ膜同士が摺動する場合、面圧が低くても凝着によりＤＬＣ膜の異常摩耗や焼付きが発生してしまう。
そこで、本発明者らは、水素を含まないＤＬＣ膜を有する斜板及びシューの研究・開発を進め、水素を含まないＤＬＣ膜は互いに凝着しないのみならず、斜板及びシューの一方に適用した場合でも、水素を含むＤＬＣ膜に比べて同等以上の耐摩耗性及び耐焼付き性を有することを見出したが、この研究・開発過程では、斜板及びシューに水素を含まないＤＬＣ膜を十分な密着力をもって形成するのが困難であるという問題にも直面した。

本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、斜板及びシューのうち少なくとも一方が、耐摩耗性、耐焼付き性及び密着性の向上したＤＬＣからなる硬質膜を有する斜板式圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明者らは、実質的に水素を含まないＤＬＣ膜を種々の条件にて斜板及びシューに形成し、これらのＤＬＣ膜の耐摩耗性、耐焼付き性及び密着性の評価を行った。そして、その結果として以下の発明に想到した。
すなわち、本発明によれば、駆動軸の回転運動が前記駆動軸と一体に回転可能な斜板及び当該斜板に摺動するシューによりピストンの往復運動に変換される斜板式圧縮機において、前記斜板及びシューのうち少なくとも一方に他方と摺動する硬質膜を備え、前記硬質膜は、鉄系合金製の基材上に形成され、且つ、実質的に水素を含まないダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする斜板式圧縮機が提供される（請求項１）。

好適な態様として、前記基材はクロムモリブデン鋼及びステンレス鋼のうちから選択された一種からなり、前記硬質膜が形成される前記基材の表面領域には、ラジカル窒化処理により窒化層が形成され、前記窒化層は、１μｍ以下の平均表面粗さＲａ及び７００〜１５００の範囲のビッカース硬さＨｖを有する（請求項２）。
好適な態様として、前記硬質膜と前記基材との間に、窒化クロム及び窒化チタンのうち一方からなる中間膜を更に備える（請求項３）。

好適な態様として、前記斜板に前記硬質膜として設けられた第１硬質膜は１〜８μｍの範囲の厚さを有し、前記第１硬質膜の硬度は、、前記硬質膜の厚さ方向でみて変化し、最も前記基材側の前記硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが１５００〜３０００の範囲にあり、最も表面側の前記硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが７００〜２０００の範囲にある（請求項４）。

好適な態様として、前記シューに前記硬質膜として設けられた第２硬質膜は、２〜８μｍの範囲の厚さを有し、前記第２硬質膜の硬度は、前記第２硬質膜の厚さ方向でみて変化し、最も前記基材側の前記第２硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが１５００〜３０００の範囲にあり、最も表面側の前記第２硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが７００〜２０００の範囲にある（請求項５）。

好適な態様として、最も表面側の前記硬質膜の部位は、金属元素を更に含有している（請求項６）。
好適な態様として、前記斜板及びシューの双方に前記硬質膜を備え、前記斜板及びシューの双方に前記硬質膜を備え、最も表面側の前記第１硬質膜の部位の硬度は、最も表面側の前記第２硬質膜の部位の硬度よりも小さい（請求項７）。

請求項１に係る本発明の斜板式圧縮機によれば、斜板及びシューの少なくとも一方に、実質的に水素を含まないＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる硬質膜を形成したので、斜板とシューとの間の摺動部位において良好な耐摩耗性及び耐焼付き性が確保される。
その上、この圧縮機では、斜板及びシューの両方に硬質膜を形成した場合でも、硬質膜は実質的に水素を含まないＤＬＣからなるので、硬質膜同士の凝着による異常摩耗や焼付きが防止される。このため、この斜板式圧縮機は、斜板とシューとの間での摺動状態が良好に保たれ、安定に動作する。

請求項２の斜板式圧縮機では、クロムモリブデン鋼及びステンレス鋼のうちから選択された一種からなる基材の表面に形成した窒化層が１μｍ以下の算術平均粗さＲａを有するので、硬質膜の密着性が向上している。
すなわち、窒化層の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であれば、窒化層上に形成された硬質膜が平坦になり、摺動時に硬質膜に局所的に大きな応力が加わることがなくなる。この結果、硬質膜が局所的に変形して剥離するのが防止され、硬質膜の密着性が向上する。

また、この圧縮機では、窒化層が７００〜１５００の範囲のビッカース硬さＨｖを有することによっても、硬質膜の密着性が向上している。
すなわち、硬質膜を形成する基材の表面領域の硬度が低いと、摺動時に硬質膜が変形して剥離し易くなる。この圧縮機では、窒化層が７００〜１５００の範囲のビッカース硬さＨｖを有することで、摺動時に硬質膜の変形が防止され、硬質膜の密着性が向上する。

請求項３の斜板式圧縮機では、硬質膜と基材の窒化層との間に、窒化クロム及び窒化チタンのうち一方からなる中間膜を形成したことで、硬質膜の密着性が更に向上する。
請求項４の斜板式圧縮機では、斜板に硬質膜として１〜８μｍの厚さの第１硬質膜が形成され、最も表面側の第１硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが７００〜２０００の範囲にあり、最も基材側の第１硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが１５００〜３０００の範囲にあることで、第１硬質膜の密着性が更に向上するとともに、第１硬質膜のせん断強さが増大して第１硬質膜の変形が防止される。この結果、斜板とシューとの間での摩擦トルクが低減され、圧縮機の消費動力が削減される。

請求項５の斜板式圧縮機では、シューに硬質膜として２〜８μｍの厚さの第２硬質膜が形成され、最も表面側の第２硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが７００〜２０００の範囲にあり、最も基材側の第２硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが１５００〜３０００の範囲にあることで、第２硬質膜の密着性が更に向上するとともに、第２硬質膜のせん断強さが増大して第２硬質膜の変形が防止される。この結果、斜板とシューとの間での摩擦トルクが低減され、圧縮機の消費動力が削減される。

請求項６の斜板式圧縮機では、最も表面側の硬質膜の部位が金属元素を含有することにより、硬質膜の摩擦係数が小さくなる。この結果、、斜板とシューとの間での摩擦トルクが更に低減され、圧縮機の消費動力が更に削減される。
請求項７の斜板式圧縮機では、斜板の硬質膜の硬度が、シューの硬質膜の硬度よりも小さいことで、これら硬質膜の耐摩耗性及び耐焼付き性が一層向上する。

図１は、自動車用空調システムの冷凍回路に適用した一実施例の斜板式圧縮機を示す。
冷凍回路は、例えばＲ１３４ａ等のＨＦＣ冷媒（以下、単に冷媒と称す）が循環する循環流路２を有する。斜板式圧縮機は循環流路２に介挿され、冷媒の流れ方向でみて、斜板式圧縮機の下流には凝縮器４、膨張弁６及び蒸発器８が順次介挿されている。
斜板式圧縮機は容量可変型であって、シリンダブロック１０を備え、シリンダブロック１０の一端にはクランクケース１２が設けられている。また、シリンダブロック１０の他端にはバルブプレート１４を介してシリンダヘッド１６が設けられ、クランクケース１２及びシリンダヘッド１６は、シリンダブロック１０及びバルブプレート１４を貫通する連結ボルトにより互いに連結されている。

シリンダブロック１０及びクランクケース１２により区画されたクランク室１８内には、その中央に駆動軸２０が配置され、この駆動軸２０の一端側はクランクケース１２を貫通し、軸受２２を介してクランクケース１２に回転自在に支持されている。一方、駆動軸２０の他端は、シリンダブロック１０の中央を軸線方向に貫通して形成された中央孔２４に進入し、軸受２６を介してシリンダブロック１０に回転自在に支持されている。

クランクケース１２から突出した駆動軸２０の一端には、電磁クラッチ２８のドリブン側ユニットが固定され、電磁クラッチ２８のドライブ側ユニットを構成するロータ３０は、軸受３２を介してクランクケース１２に回転自在に支持されている。ロータ３０はソレノイドを内蔵するとともに、その外周には駆動プーリ３４が固定され、駆動プーリ３４と車両のエンジン３６との間にはベルト３７が架け回されている。従って、駆動プーリ３４は、エンジン３６の作動中、ベルト３７により回転駆動され、このとき電磁クラッチ２８がオン作動されると、駆動プーリ３４の回転が駆動軸２０に伝達され、駆動軸２０は一方向に回転される。

シリンダブロック１０には、例えば７個のシリンダボア３８が形成されている。これらシリンダボア３８はシリンダブロック１０の周方向に等間隔を存して配置され、各シリンダボア３８は駆動軸２０と平行にしてシリンダブロック１０をその軸線方向に貫通している。
一方、シリンダヘッド１６内には、その中央に吐出室４０が区画され、吐出室４０の回りに環状の吸入室４２が区画されている。これら吐出室４０及び吸入室４２は、シリンダヘッド１６の外壁に形成された吐出ポート及び吸入ポート（図示せず）を通じて循環流路２の往路及び復路にそれぞれ接続されている。

これらシリンダブロック１０とシリンダヘッド１６との間に挟まれたバルブプレート１４には、各シリンダボア３８と吐出室４０及び吸入室４２との間をそれぞれ連通する吐出孔４４及び吸入孔４６が形成され、これら吐出孔４４及び吸入孔４６は、逆止弁としてのリード弁４８,５０によりそれぞれ開閉される。
また、吐出室４０とクランク室１８との間には、シリンダブロック１０及びバルブプレート１４を貫通して高圧側流路５２が形成され、シリンダブロック１０内を延びる高圧側流路５２の部分には、オリフィスフィルタ５４が配置されている。オリフィスフィルタ５４は、極小の内径を有するオリフィスチューブ５６を有し、オリフィスチューブ５６は、吐出室４０の圧力をクランク室１８に減圧して伝達可能である。また、オリフィスフィルタ５４は、オリフィスチューブ５６の目詰まりを防止すべく、吐出室４０側のオリフィスチューブ５６の端部を囲む筒状のフィルタ材５８を有する。

一方、吸入室４２とクランク室１８との間は、シリンダヘッド１０の中央孔２４を一部に含む低圧側流路を通じて接続され、この低圧側流路は、中央孔２４に配置された開閉弁６０により所定の条件にて開閉される。より詳しくは、開閉弁６０は、吸入室４２の圧力が所定の上限値を超えたときに閉作動し、もってクランク室１８の圧力を上昇させる一方、吐出室４０の圧力が所定の上限値を超えたときに開作動し、もってクランク室１８の圧力を低下させる。

前述した各シリンダボア３８内にはピストン６２が摺動自在に嵌合され、シリンダボア３８内でのピストンの往復運動は、吸入室４２からシリンダボア３８への冷媒の吸入工程、シリンダボア３８内での吸入した冷媒の圧縮工程及びシリンダボア３８から吐出室４０への圧縮した冷媒の吐出工程からなる一連のプロセスを実施する。換言すれば、ピストン６２の往復運動は、循環流路２の復路から圧縮機への冷媒の吸入工程、圧縮機での冷媒の圧縮工程及び圧縮機から循環流路２への冷媒の吐出工程からなる一連のプロセスを実施する。

上述したピストン６２に往復運動を付与すべく、駆動軸２０にはベースロータ６４が同心上に固定され、ベースロータ６４とクランクケース１２の端壁との間には、スラストベアリング６６が配置されている。ベースロータ６４には、ヒンジ６８によりチルトロータ７０が連結され、チルトロータ７０の中央を駆動軸２０は貫通している。チルトロータ７０には、環状の斜板７２が外側から嵌合され、斜板７２は、ベースロータ６４、ヒンジ６８及びチルトロータ７０を介して駆動軸２０に対して傾動可能であるとともに、駆動軸２０と一体に回転可能である。

なお、ベースロータ６４とチルトロータ７０との間には、駆動軸２０に挿通されたコイルスプリング７４が配置され、コイルスプリング７４はチルトロータ７０をシリンダブロック１０に向けて押圧付勢している。
一方、シリンダブロック１０からクランク室１８に突出した各ピストン６２の端部は、テール部７６として形成されている。テール部７６は、駆動軸２０の方向及び周方向に開口したコの字形状をなし、ピストン６２の軸線方向にて互いに離間した各テール部７６の内面には、それぞれ半球状に凹んだ一対の球面座が形成されている。一対の球面座には、それぞれ半球状の一対のシュー７８が配置され、これらシュー７８間に斜板７２の外周部が摺動自在に挟み付けられている。

より詳しくは、図２は、斜板式圧縮機の斜板７２及びシュー７８のみを模式的に示し、斜板７２は、その厚さ方向両側に互いに平行な主面を有し、各主面の外周領域がシュー７８に対しての摺動面になる。一方、シュー７８は、斜板７２の摺動面により摺動される円形かつ平坦な被摺動面と、被摺動面の外縁に連なり、球面座に合致可能な半球状の凸面とを有する。

なお、図２中、斜板及びシューの一部が切欠かれるとともに、７組のシューのうち１組のシューが省略されている。
図２の円内は、斜板７２とシュー７８とが互いに摺動する部位の断面を拡大して示し、斜板７２及びシュー７８の各々は、クロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４３５製の基材８０ａ，８０ｂを有する。

基材８０の表面には、基材８０をラジカル窒化処理することにより、窒化鉄を主成分とする窒化層８２ａ，８２ｂが形成されている。窒化層８２の厚さは、３０μｍ以上８０μｍ以下の範囲にあり、窒化層８２のビッカース硬さＨｖは７００以上１５００以下の範囲にある。そして、窒化層８２の算術平均粗さＲａは、１μｍ以下である。
窒化層８２ａ，８２ｂの直上には中間膜８４ａ，８４ｂがＰＶＤ法により成膜されている。中間膜８４ａ，８４ｂは窒化クロム（ＣｒＮ）からなり、中間膜８４の厚さは２μｍ以上５μｍ以下の範囲にある。

中間膜８４の直上には、実質的に水素を含まないＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる硬質膜８６ａ，８６ｂが形成され、斜板７２の硬質膜８６ａの厚さは、１μｍ以上８μｍ以下の範囲にあり、シュー７８の硬質膜８６ｂの厚さは、２μｍ以上８μｍ以下の範囲にある。
ここで、水素を実質的に含まないとは、硬質膜８６の成膜時に水素を意図的には含有させなかったことをいい、定量的にいえば、硬質膜８６での水素濃度が、不可避的不純物レベルとしての０．５質量％以下であることをいう。

そして、ＤＬＣとは、ｓｐ^２結合及びｓｐ^３結合により短距離的に結合した炭素元素を主成分とし、全体としては非晶質構造を有する炭素材料をいう。
より詳しくは、各硬質膜８６は積層構造を有し、中間膜８４側から順に、下層８８ａ，８８ｂ、中層９０ａ，９０ｂ及び上層９２ａ，９２ｂの３層からなる。斜板７２の硬質膜８６ａでは、最も基材８０ａ側の下層８８ａのビッカース硬さＨｖは、１５００以上３０００以下の範囲にあり、最も表面側の上層９２ａのビッカース硬さＨｖは、７００以上２０００以下の範囲にある。そして、中層９０ａでのビッカース硬さＨｖは、下層８８ａ及び上層９２ａのビッカース硬さＨｖの中間にある。つまり、硬質膜８６ａのビッカース硬さＨｖは、図３の実線Ａに示したように、表面から中間層８４ａに近付くにつれて段階的に大きくなる。

一方、シュー７８の硬質膜８６ｂでは、下層８８ｂのビッカース硬さＨｖは、１５００以上３０００以下の範囲にあり、上層９２ｂのビッカース硬さＨｖは、７００以上２０００以下の範囲にある。そして、中層９０ｂでのビッカース硬さＨｖは、下層８８ｂ及び上層９２ｂのビッカース硬さＨｖの中間にある。つまり、硬質膜８６ｂのビッカース硬さＨｖも、表面から中間層８４ｂに近付くにつれて段階的に大きくなる。

なお、斜板７２の上層９２ａでのビッカース硬さＨｖは、シュー７８の上層９２ｂでのビッカース硬さＨｖよりも小さく、上層９２ａ，９２ｂ間でのビッカース硬さＨｖの差は５００以上１０００以下の範囲にある。
また、上層９２ａ，９２ｂは、層内に分散した状態で２０原子％以上５０原子％以下のＣｕ元素を含有している。

上述した斜板７２及びシュー７８は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、所定形状に粗加工されたＳＣＭ４３５からなる鉄系合金材を用意し、硬質膜を形成する鉄系合金材の領域に、研削加工及びラップ加工のうち一方又は両方を施して表面粗さを調整し、基材８０を得る。
次に、得られた基材８０の表面に、ラジカル窒化処理により窒素を拡散させ、窒化層８２を形成する。この後、ＰＶＤ装置のチャンバに、中間膜（ＣｒＮ）用、硬質膜（ＤＬＣ）用及び上層９２に分散されるＣｕ用の３種類のターゲット材とともに基材８０を配置してから、ＰＶＤ法（物理的気相成長法）により、まず、窒化層８２上に中間膜８４を形成する。そして、成膜された中間膜８４の上に、やはりＰＶＤ法によりＤＬＣからなる硬質膜８６を形成し、斜板７２又はシュー７８が得られる。

なお、硬質膜８６を成膜する際には、成膜条件を段階的に変化させることで、下層８８、中層９０及び上層９２を順次成膜する。そして、上層９２の成膜時には、Ｃｕ用のターゲットもスパッタし、上層９２内にＣｕを分散させる。
以下、上述した冷凍回路の動作について説明する。
この冷凍回路では、斜板式圧縮機がエンジン３６から動力供給を受けて作動すると、圧縮機は、低温低圧のガス冷媒（ＨＦＣ冷媒）を循環流路２の復路から吸入して圧縮し、高温高圧のガス冷媒を循環流路２の往路に吐出する。吐出された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器４を通過する際に凝縮し、液化状態になる。液化した冷媒は、膨張弁６を通過する際に断熱膨張し、その温度及び圧力が低下し、気液混合状態になる。気液混合状態の冷媒が蒸発器８に流入すると、気液混合状態の冷媒のうち液冷媒が蒸発器８内で気化し、蒸発器８からはガス冷媒が流出する。そして、蒸発器８から流出したガス冷媒は、循環流路２の復路を通じて圧縮機に吸入される。

なお、凝縮器４及び蒸発器８のそれぞれ近傍には、これら凝縮器４及び蒸発器８の外側を通過する風を形成する凝縮器ファン及び蒸発器ファン（図示せず）がそれぞれ配置され、凝縮器４が送風を受けることで、凝縮器４を通過する冷媒が冷却される。また、蒸発器８を通過する送風は、蒸発器８内の液冷媒により気化熱を奪われて冷風になり、この冷風が車室に吹出すことで、車室が冷房される。

以下、斜板式圧縮機の動作について詳細に説明する。
斜板式圧縮機の駆動プーリ３４には、エンジン３６の作動時、ベルト３７を介してエンジン３６からの動力が伝達されており、このとき電磁クラッチ２８がオン作動されると、駆動プーリ３４と一体的に駆動軸２０が回転駆動される。この駆動軸２０の回転に伴って、ベースロータ６４及びチルトロータ７０を介して斜板７２も回転駆動され、この斜板７２の回転運動は、シュー７８を介してピストン６２の往復運動に変換される。各ピストン６２の往復運動に伴い、吸入室４２内の冷媒がリード弁５０を介してシリンダボア３８に吸入される吸入工程と、シリンダボア３８内で冷媒が圧縮される圧縮工程と、圧縮された冷媒がリード弁４８を介して吐出室４０に吐出される吐出工程が実施される。

このように斜板式圧縮機が吸入、圧縮及び吐出工程を実行している間、開閉弁６０の自律的な開閉作動によって、圧縮機から循環流路２の往路に吐出される圧縮冷媒の吐出量が増減される。
より詳しくは、例えばエンジン３６の回転数上昇に伴い、吐出室４０の圧力が所定の上限値を超えて上昇した場合、開閉弁６０が閉作動してクランク室１８と吸入室４２との間が遮断され、クランク室１８の圧力が低下する。これにより、クランク室１８内の圧力（背圧）が、吸入室４２内の圧力、即ち吸入工程を実行しているシリンダボア３８内の圧力よりも大きくなると、そのピストン６２に対して前方（バルブプレート１４側）に向かう付勢力が加えられる。このためピストン６２のストローク長が減少し、各シリンダボア３８からの吐出室４０内への圧縮冷媒の吐出量が減少する。

なお、ピストン６２に加わる前方への付勢力はテール部７６及びシュー７８を介して斜板７２にも伝達されるので、この付勢力によって、斜板７２は、駆動軸２０と直交する仮想面に対して平行に近づくように傾動される。つまり、図１には、冷媒吐出量が最小のときの圧縮機の断面が示されている。
一方、蒸発器８での熱負荷が大きくなって吸入室４２の圧力が所定の上限値を超えて上昇した場合、開閉弁６０が開作動してクランク室１８と吸入室４２とが連通し、クランク室１８の圧力が吸入室４２の圧力まで低下する。従って、ピストン６２に加わる前方への付勢力が減少するので、ピストン６２のストローク長が増大し、各シリンダボア３８から吐出室４０内への圧縮冷媒の吐出量が増大する。

なお、ピストン６２に加わる前方への付勢力が減少するのに伴い、斜板７２は、駆動軸２０と直交する仮想面に対して傾斜するように傾動する。
また、斜板式圧縮機が、吸入、圧縮及び吐出工程を実行している間、高圧側流路２６に配置されたオリフィスフィルタ５４を通じて、吐出室４０の底部に溜まった潤滑油がクランク室１８に還流され、斜板７２とシュー７８との間での摺動部位、軸受２２，２６及びスラストベアリング６６の潤滑に供される。

上述した斜板式圧縮機では、吐出室４０の圧力、つまりシリンダボア３８の圧力がおよそ３〜４MPaにも達し、斜板７２とシュー７８との間の摺動部位に非常に大きな圧縮反力が加わる。つまり、硬質膜８６には非常に大きな面圧が加わるけれども、硬質膜８６は水素を含まないＤＬＣからなるので、硬質膜８６同士の凝着が防止され、硬質膜８６の異常摩耗や焼付きが防止される。この結果、この斜板式圧縮機は安定に動作し、優れた耐久性を有する。

本発明は上述した一実施例に限定されることはなく種々変更が可能である。
例えば、上述した一実施例の斜板式圧縮機を適用した冷凍回路では、冷媒としてＨＦＣ冷媒が循環していたけれども、冷媒の種類は特には限定されず、例えばＣＯ_２のような自然系冷媒等を冷媒として用いてもよい。
上述した一実施例では、基材８０がＳＣＭ４３５からなり、基材８０の表面に窒化層８２が形成されていたけれども、基材８０の材質は特には限定されず、ＳＣＭ他種、構造用炭素鋼、構造用合金鋼、構造用特殊鋼、軸受鋼、快削鋼等の鉄系合金を用いることができる。また、基材８０の表面に窒化層８２を形成しなくてもよい。

ただし、硬質膜８６が形成される基材８０の表面領域の硬度が低いと、摺動時に硬質膜８６が変形して剥離し易くなる。このため、硬質膜８６の密着性を向上させるべく、基材８０の材質としては、熱処理（焼入れ−焼き戻し）、浸炭処理、窒化処理等により、表面から少なくとも０．５ｍｍの深さまでの部位におけるＨｖ（ビッカース硬さ）が５５０以上にされた鉄系合金を用いるのが好ましい。そして、基材８０の表面にラジカル窒化処理により形成した窒化層８２を更に形成するのが好ましい。

基材８０の表面に形成した窒化層８２の表面粗さは、特には限定されないが、１μｍ以下の算術平均粗さＲａを有するのが好ましい。窒化層８２の算術平均粗さＲａが１μｍ以下であれば、窒化層８２上に形成された中間膜８４及び硬質膜８６がそれぞれ平坦になり、摺動時に中間膜８４及び硬質膜８６に局所的に大きな応力が加わることがなくなる。この結果、硬質膜８６が局所的に変形して剥離するのが防止され、硬質膜８６の密着性が向上するからである。

また、窒化層８２の硬さは、特には限定されないが、ビッカース硬さＨｖにて７００以上１５００以下の範囲にあるのが好ましく、局所的な凹みが防止される。この結果、硬質膜８６が局所的に凹んで剥離するのが防止され、硬質膜８６の密着性が向上するからである。
更に、窒化層８２の厚さは、特には限定されないが、３０μｍ以上８０μｍ以下の範囲にあるのが好ましい。窒化層８２の厚さが３０μｍ以下では、硬質膜８６の密着性が十分に向上せず、８０μｍを超えると硬質膜８６の密着性は変わらなくなるからである。

なお、ラジカル窒化処理により窒化層８２を形成する場合、基材８０の材質としては、ＳＣＭ４３５等のクロムモリブデン鋼及びＳＵＳ４１０等のステンレス鋼のうちから選択された一種を用いるのが好ましい。これらクロムモリブデン鋼及びステンレス鋼に対しては窒素が拡散し易いからである。
上述した一実施例では、硬質膜８６と基材８０の窒化層８２との間に、窒化クロムからなる中間膜８４が形成されていたが、斜板７２とシュー７８との間での摺動条件がマイルドな場合、中間膜８４を形成しなくてもよい。ただし、中間膜８４を介して基材８０に対する硬質膜８６の密着性が向上するため、中間膜８４を形成するのが好ましい。また、中間膜８４の材質としては、窒化クロムが好ましいが、窒化クロムに代えて窒化チタン（ＴｉＮ）を用いてもよく、中間膜８４の厚さは２μｍ以上５μｍ以下の範囲にあるのが好ましい。

上述した一実施例では、斜板７２及びシュー７８の双方に硬質膜８６を形成したけれども、斜板７２とシュー７８との間での摺動条件がマイルドな場合、一方のみに硬質膜８６を形成してもよい。ここで、斜板７２のみに硬質膜８６ａを形成し、シュー７８には硬質膜８６ｂを形成しない場合、焼入れされたＳＵＪ２等の鉄系合金製のシュー７８を用いてもよい。また、斜板７２の硬質膜８６は、少なくともシュー７８との摺動領域に形成されていればよい。

上述した一実施例では、硬質膜８６が積層構造を有していたけれども、硬質膜８６に代えて、膜厚方向で硬さが一定の単一構造の硬質膜を形成してもよい。あるいは、図４に示したように、表面から中間層８４に近付くに連れて、ビッカース硬さＨｖが連続的に大きくなる傾斜構造の硬質膜９４を形成してもよい。この硬質膜９４のビッカース硬さＨｖは、図３中に破線Ｂで示されている。

ただし、硬質膜の構造としては、単一構造よりも積層構造や傾斜構造の方が好ましい。すなわち、斜板７２の硬質膜８６ａ，９４ａでは、最も表面側の部位（上層９２）のビッカース硬さＨｖが７００以上２０００以下の範囲にあり、最も基材８０ａ側に位置する部位（下層８８）でのビッカース硬さＨｖが１５００以上３０００以下の範囲にあるのが好ましい。また、シュー７８の硬質膜８６ｂ，９４ｂでは、最も表面側の部位（上層９２ｂ）のビッカース硬さＨｖが７００以上２０００以下の範囲にあり、最も基材８０ｂ側に位置する部位（下層８８ｂ）でのビッカース硬さＨｖが１５００以上３０００以下の範囲にあるのが好ましい。

このような積層構造及び傾斜構造の硬質膜の場合、単一構造の硬質膜に比べて、硬質膜８６，９４内の残留応力が緩和され、基材８０に対する硬質膜８６，９４の密着性が更に向上するとともに、硬質膜８６，９４のせん断強さが増大して摺動時の硬質膜８６の変形が防止され、斜板７２とシュー７８との間での摩擦トルクが低減されるからである。
なお、斜板７２及びシュー７８の双方に硬質膜８６を形成する場合、斜板７２の上層９２ａでのビッカース硬さＨｖは、シュー７８の上層９２ｂでのビッカース硬さＨｖよりも小さいのが好ましく、斜板７２とシュー７８との間での上層９２のビッカース硬さＨｖの差は、５００以上１０００以下の範囲にあるのがより好ましい。硬質膜８６の耐摩耗性及び耐焼付き性が一層向上するからである。

そして、上層９２、すなわち硬質膜８６の最も表面側の部位は、Ｃｕを少量含有していたが、斜板７２とシュー７８との間での摺動条件がマイルドな場合、Ｃｕを含有していなくてもよい。ただし、硬質膜８６の最も表面側の部位は、ＣｕやＡｌ等の金属元素を２０原子％以上５０原子％以下の範囲で含有しているのが好ましい。硬質膜８６の表面側の部位が金属元素を含むことで、硬質膜８６の摩擦係数が小さくなるからである。

なお、硬質膜８６の全体の厚さは、特には限定されないけれども、斜板７２での硬質膜８６ａの厚さは１μｍ以上８μｍ以下の範囲にあるのが好ましく、シュー７８での硬質膜８６ｂの厚さは、２μｍ以上８μｍ以下の範囲にあるのが好ましい。硬質膜８６ａ，８６ｂの厚さが１μｍ若しくは２μｍよりも小さいと耐摩耗性及び耐焼付き性を十分に確保することが困難になり、硬質膜８６の厚さが８μｍを超えると、成膜に時間がかかるばかりでなく、硬質膜８６の内部残留応力が増大し、硬質膜８６の密着性低下を招くからである。

上述した一実施例では、基材８０を用意する際の鉄系合金材の研削方法は、特には限定されず、図５（ａ）〜（ｃ）に示したように、１つの直線方向（平行）、互いに交差する２つの直線方向（綾目）、周方向（同心円）及びこれらの方向を組み合わせて研削加工することができるが、綾目に研削加工するのが好ましい。
上述した一実施例では、硬質膜８６を形成するＰＶＤ法は、特には限定されないが、例えば特開２０００−１１９８４３号公報に開示されたＵＢＭＳ（アンバランスドマグネトロンスパッタリング）法を用いるのが好ましい。

このＵＢＭＳ法では、固体カーボンからなる円形のターゲット材の背面中央に設置される第１磁石と当該第１磁石の回りに配置された第２磁石とが異なる磁気特性を有することで、これら第１及び第２磁石により形成される磁力線の一部がターゲット材から基材８０（中間層８４）に向けて延びる。この磁力線の一部は、ターゲット材のスパッタ時に発生したプラズマの一部を中間層８４の表面近傍にまで導き、中間層８４の表面近傍に導かれたプラズマのイオンアシスト効果によって、より硬質なＤＬＣからなる硬質膜８６が中間層８４上に容易に成膜される。

そして、ＵＢＭＳ法によれば、基材８０に印加するバイアス電圧を増大することにより、硬質膜８６の硬度を増大させることができる。
また、ＵＢＭＳ法によれば、中間膜８４を形成した後、ＰＶＤ装置のチャンバ内で引き続き硬質膜８６を形成することで、中間膜８４の表面が酸化されるのが防止され、中間膜８４に対する硬質膜８６の密着性が更に向上する。

上述した一実施例では、シュー７８の被摺動面は、斜板７２とシュー７８との間での摺動部位での面圧（極圧）を低減させるべく、図６（ａ）に示したように平坦であるのが好ましいが、図６（ｂ）に模式的に示したように、シュー７８の被摺動面は、製法上の制約により１μｍ程度突出していてもよい。
上述した一実施例の斜板式圧縮機は、開閉弁６０が自律的に開閉作動する内部制御タイプの容量可変型斜板式圧縮機であったけれども、本発明の斜板式圧縮機は、開閉弁６０に代えて、外部に設けられた駆動回路により開閉作動される電磁開閉弁を備えた外部制御タイプの容量可変型斜板式圧縮機にも適用可能であり、更には、容量固定型斜板式圧縮機にも適用可能である。

最後に、本発明のの斜板式圧縮機は、自動車用空調システムの冷凍回路の他に、家庭用・業務用空調システムの冷凍回路、冷凍・冷蔵庫、ヒートポンプシステム等に適用可能であるのは勿論である。

自動車用空調システムの冷凍回路に適用した一実施例の斜板式圧縮機の縦断面を示す図である。 図１の圧縮機に適用された斜板及びシューの一部を切欠いて模式的に示した斜視図とともに、円内に、斜板とシューとの間での摺動部位の断面の一部を拡大して示す図である。 硬質膜における膜厚方向での位置とビッカース硬さＨｖとの関係を模式的に示した図である。 変形例の斜板とシューとの間での摺動部位の断面の一部を拡大して示す図である。 斜板に加工される鉄系合金材の研削方法を説明するための図であり、（ａ）は１つの直線方向にて研削された鉄系合金材、（ｂ）は互いに交差する２つの直線方向研削された鉄系合金材、（ｃ）は周方向で研削された鉄系合金材をそれぞれ示す。 シューを模式的に示した側面図であり、（ａ）は実施例のシュー、（ｂ）は変形例のシューの側面を示す。

符号の説明

７２ 斜板
７８ シュー
８０，８０ａ，８０ｂ 基材
８２，８２ａ，８２ｂ 窒化層
８４，８４ａ，８４ｂ 中間膜
８６，８６ａ，８６ｂ 硬質膜
８８，８８ａ，８８ｂ 下層
９０，９０ａ，９０ｂ 中層
９２，９２ａ，９２ｂ 上層

Claims (7)

1. 駆動軸の回転運動が前記駆動軸と一体に回転可能な斜板及び当該斜板に摺動するシューによりピストンの往復運動に変換される斜板式圧縮機において、
   前記斜板及びシューのうち少なくとも一方に他方と摺動する硬質膜を備え、
   前記硬質膜は、鉄系合金製の基材上に形成され、且つ、実質的に水素を含まないダイヤモンドライクカーボンからなる
   ことを特徴とする斜板式圧縮機。
2. 前記基材はクロムモリブデン鋼及びステンレス鋼のうちから選択された一種からなり、
   前記硬質膜が形成される前記基材の表面領域には、ラジカル窒化処理により窒化層が形成され、
   前記窒化層は、１μｍ以下の算術平均粗さＲａ及び７００〜１５００の範囲のビッカース硬さＨｖを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の斜板式圧縮機。
3. 前記硬質膜と前記基材の前記窒化層との間に、窒化クロム及び窒化チタンのうち一方からなる中間膜を更に備えることを特徴とする請求項２記載の斜板式圧縮機。
4. 前記斜板に前記硬質膜として設けられた第１硬質膜は１〜８μｍの範囲の厚さを有し、
   前記第１硬質膜の硬度は、前記第１硬質膜の厚さ方向でみて変化し、最も前記基材側の前記第１硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが１５００〜３０００の範囲にあり、最も表面側の前記第１硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが７００〜２０００の範囲にあることを特徴とする請求項３記載の斜板式圧縮機。
5. 前記シューに前記硬質膜として設けられた第２硬質膜は、２〜８μｍの範囲の厚さを有し、
   前記第２硬質膜の硬度は、前記第２硬質膜の厚さ方向でみて変化し、最も前記基材側の前記第２硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが１５００〜３０００の範囲にあり、最も表面側の前記第２硬質膜の部位でのビッカース硬さＨｖが７００〜２０００の範囲にあることを特徴とする請求項３記載の斜板式圧縮機。
6. 最も表面側の前記硬質膜の部位は、金属元素を更に含有していることを特徴とする請求項４又は５記載の斜板式圧縮機。
7. 前記斜板及びシューの双方に前記硬質膜を備え、最も表面側の前記第１硬質膜の部位の硬度は、最も表面側の前記第２硬質膜の部位の硬度よりも小さいことを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の斜板式圧縮機。

Images