JP2007100517A - Hermetic compressor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、冷凍サイクル等に使用される密閉形圧縮機に関するもので、特に密閉形圧縮機の摺動部品の耐摩耗性を向上させる表面処理に関する。 The present invention relates to a hermetic compressor used in a refrigeration cycle and the like, and more particularly to a surface treatment that improves the wear resistance of sliding parts of the hermetic compressor.
冷凍サイクル等に使用される密閉形圧縮機の冷媒には、従来R12(ジクロロ・ジフロロ・メタン)やR22(モノクロロ・ジフロロ・メタン)が主に使用されてきた。 Conventionally, R12 (dichloro, difluoro, methane) and R22 (monochloro, difluoro, methane) have been mainly used as refrigerants for hermetic compressors used in refrigeration cycles and the like.
これらの冷媒R12やR22は、大気中に放出されて地球上空のオゾン層に到達すると、前記冷媒に含有する塩素基がこのオゾン層を破壊する課題からフロン規制の対象となっており、この塩素基を含まないHFC冷媒に移行されている。しかし、近年このHFC冷媒も地球温暖化防止のため、温暖化係数の低い自然冷媒への代替化が検討されている。 When these refrigerants R12 and R22 are released into the atmosphere and reach the ozone layer over the earth, the chlorine groups contained in the refrigerant are subject to chlorofluorocarbon regulations due to the problem of destroying the ozone layer. It has been moved to HFC refrigerants that do not contain groups. However, in recent years, in order to prevent global warming, replacement of this HFC refrigerant with a natural refrigerant having a low global warming potential has been studied.
さて、密閉形圧縮機の一例である回転式圧縮機の摺動部品の中で、特に厳しい摺動条件となるのは、シリンダの溝内を往復運動するベーンと、クランクシャフトの偏芯部に取り付けられてシリンダの内周及びベーンの先端と油膜を介して接しながら回転しシリンダ内のガスを圧縮するローリングピストンとの接触部である。 Of the sliding parts of a rotary compressor that is an example of a hermetic compressor, the most severe sliding conditions are the vane that reciprocates in the groove of the cylinder and the eccentric part of the crankshaft. It is a contact portion with a rolling piston that is attached and rotates while contacting the inner periphery of the cylinder and the tip of the vane via an oil film and compresses the gas in the cylinder.
HFC冷媒は、R12のようにその分子内に塩素原子を含んでいないため、摺動部において、耐摩耗性に優れる塩化鉄膜を形成しない。そのため、HFC冷媒導入に伴い、ベーンの耐摩耗性向上のため、ベーンに窒化処理やコーティングを施すことが行われている。 Since the HFC refrigerant does not contain a chlorine atom in its molecule unlike R12, an iron chloride film having excellent wear resistance is not formed in the sliding portion. Therefore, with the introduction of the HFC refrigerant, nitriding treatment or coating is performed on the vane in order to improve the wear resistance of the vane.
さらに、HFC冷媒、特に自然冷媒では、圧縮機運転圧力が従来よりも高くなるため、ベーンに高い耐摩耗性を有する、CrN(クロムナイトライド)、TiN(チタンナイトライド)、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)等のコーティングが施される傾向にある。
しかしながら、CrNコーティングは、膜の密着強度、膜の摩耗性、摺動性は良好であるが、相手材(ベーンの相手材はローリングピストン)へのアタック(摩耗)及び膜のはがれ方が十分とは言えない。TiNコーティングも同様である。さらに、DLCコーティングは、膜の摩耗性、摺動性、相手材へのアタックは良好であるが、膜の密着強度及び膜のはがれ方が十分とは言えない。要するに、従来のコーティングでは、自然冷媒等の用途における高圧の条件で使用されるベーンに施すコーティングとしては、不十分であった。 However, the CrN coating has good adhesion strength of the film, wear resistance of the film, and slidability. However, the attack (wear) to the mating material (the vane mating material is the rolling piston) and the peeling of the film are sufficient. I can't say that. The same applies to the TiN coating. Furthermore, although the DLC coating has good film wear and sliding properties and good attack on the mating material, it cannot be said that the film adhesion strength and the film peeling are sufficient. In short, the conventional coating is insufficient as a coating applied to a vane used under high pressure conditions in applications such as natural refrigerants.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、冷媒として炭酸ガス等の自然冷媒を用いた用途に対しても、十分な摺動耐力を有するコーティングを施した摺動部品を備えた密閉形圧縮機を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a sliding component provided with a coating having a sufficient sliding resistance even for an application using a natural refrigerant such as carbon dioxide as a refrigerant. It aims at providing the hermetic compressor provided with.
この発明に係る密閉形圧縮機は、密閉容器内に、圧縮要素と、この圧縮要素の駆動源となる電動要素とを有する密閉形圧縮機において、圧縮要素の摺動部品の少なくともいずれかに、基材に窒化処理を施して窒化拡散層を形成し、さらに窒化拡散層の上にDLC−Si処理を施し、DLC−Siコーティング層を形成したことを特徴とする。 A hermetic compressor according to the present invention is a hermetic compressor having a compression element and an electric element serving as a drive source for the compression element in a hermetic container, and at least one of sliding parts of the compression element, A nitriding treatment is performed on the base material to form a nitriding diffusion layer, and a DLC-Si treatment is further performed on the nitriding diffusion layer to form a DLC-Si coating layer.
この発明に係る密閉形圧縮機は、上記構成により、冷媒として炭酸ガス等の自然冷媒を用いた用途に対しても、十分な摺動耐力を有するコーティングを施した摺動部品を備えた密閉形圧縮機が得られる。 The hermetic compressor according to the present invention is a hermetic compressor provided with a sliding component having a coating having sufficient sliding resistance even for applications using a natural refrigerant such as carbon dioxide as a refrigerant. A compressor is obtained.
実施の形態1.
図1乃至7は実施の形態1を示す図で、図1は回転式圧縮機の縦断面図、図2はベーンとローリングピストンとの接触状態を示す断面図、図3はベーンの斜視図、図4はベーンの横断面図、図5はDLC−Siコーティングの説明図、図6は従来のコーティングとDLC−Siコーティングの特性を比較した図、図7は各種冷媒の特性を示す図である。
1 to 7 are
図1に示すように、回転式圧縮機(密閉形圧縮機の一例)は、胴部1と、上皿容器2と、下皿容器3とからなる密閉容器4内に、圧縮要素10と、電動要素13と、図示しない冷凍機油とを収納している。圧縮要素10は、内部に圧縮室を形成するシリンダ5(摺動部品の一例)の両端開口部を閉塞する上軸受け6(摺動部品の一例)、下軸受け7(摺動部品の一例)、駆動軸8(摺動部品の一例)の偏芯部に嵌合するローリングピストン9(摺動部品の一例)、シリンダ5の溝内を往復運動し、先端がローリングピストン9と接するベーン等で構成される。電動要素13は、胴部1に固定されるステータ12と、ステータ12の内部で回転するロータ11とを有する。
As shown in FIG. 1, a rotary compressor (an example of a hermetic compressor) includes a
図2に示すように、ベーン14(摺動部品の一例)は、ベーンスプリング15及びシリンダ5内外の圧力差によりローリングピストン9に押し付けられている。回転式圧縮機では、ベーン14がローリングピストン9の偏心回転運動に応じて、シリンダ5の溝16に沿って往復運動を行うときに、ベーン14の先端部は、ベーンスプリング15のばね力及びシリンダ5内外の圧力差により付勢された状態で、ローリングピストン9の外周面と摺動するので、ベーン14の先端とローリングピストン9の外周面に摩耗が生じる。また、ベーン14の側面部は、シリンダ5の溝16及び上軸受け6、下軸受け7の摺動面と接触摺動するので、ベーン14の側面部にも摩耗が生じる。さらに、駆動軸8は、駆動軸8の回転を支持する上軸受け6及び下軸受け7の軸受け部と摺動するので、駆動軸8及び軸受け部が摩耗する。
As shown in FIG. 2, the vane 14 (an example of a sliding part) is pressed against the
そこで、各摺動部の摩耗を軽減するために、密閉容器4内には冷凍機油が収納されていて、冷凍機油(図示せず)は各摺動部に供給されて潤滑し、摩耗を減少させる。 Therefore, in order to reduce the wear of each sliding portion, refrigeration oil is stored in the sealed container 4, and the refrigeration oil (not shown) is supplied to each sliding portion to lubricate and reduce the wear. Let
ベーン14は、図3に示すように、ローリングピストンとの接触部14aが、円弧形状になっている。
As shown in FIG. 3, the
図7の冷媒特性比較表に示すように、冷媒に炭酸ガスを使用する用途では、作動圧力がR22の5倍程度の約10MPa(最大14MPa)にもなり、回転式圧縮機の各摺動部は厳しい摺動条件になるが、特にベーン14先端とローリングピストン9の外周面の摺動条件は厳しくなる。
As shown in the refrigerant characteristic comparison table of FIG. 7, in an application in which carbon dioxide gas is used as the refrigerant, the operating pressure is about 10 MPa (maximum 14 MPa) which is about five times R22, and each sliding part of the rotary compressor However, the sliding condition between the tip of the
本実施の形態は、ベーン14にDLC−Si(ダイヤモンドライクカーボン−シリコン)コーティングを施し、ベーン14及び相手材であるローリングピストン9の耐摩耗性を向上させるものである。
In the present embodiment, a DLC-Si (diamond-like carbon-silicon) coating is applied to the
図4に示すベーン14は、基材14b(材料は高速度工具鋼:SKH51(JIS))に窒化処理を施して窒化拡散層14C(80μm)を形成し、さらに、その上にDLC−Siコーティング層14d(3μm)を形成する。図5に示すように、DLC−Siコーティング層14dは、シリコンを含有したアモルファスカーボンであり、表層硬度は2500Hmv、膜厚さは3μmである。
The
窒化処理をする理由は、コーティング層との硬度差を少なくし、膜の密着強度を高めるためで、他のコーティングでも一般的に行われる方法である。 The reason for the nitriding treatment is to reduce the hardness difference from the coating layer and increase the adhesion strength of the film, and is a method generally performed for other coatings.
通常、窒化処理とコーティング処理は別々に行われるが、本実施の形態では、窒化からコーティングまでを同一装置内で連続して処理を実施する。このため、DLC−Si膜の密着強度に影響しやすいワーク表面に不純物がつきにくく、安定した処理ができる。 Normally, the nitriding process and the coating process are performed separately, but in this embodiment, the processes from nitriding to coating are continuously performed in the same apparatus. For this reason, it is difficult for impurities to adhere to the surface of the workpiece that easily affects the adhesion strength of the DLC-Si film, and stable treatment can be performed.
従来のDLC処理では、厚さ1μmの膜しか生成できず、密着強度も低かったのに対して、DLC−Si処理では、Siを含有させることにより、膜自体の残留応力を低減することが可能となり、高い密着性と最大で10μm程度の厚さの膜を生成することができる。
尚、膜に含有するSi濃度は10〜25%であることが望ましい。
In the conventional DLC process, only a film having a thickness of 1 μm could be generated and the adhesion strength was low, whereas in the DLC-Si process, the residual stress of the film itself can be reduced by containing Si. Thus, a film having a high adhesiveness and a thickness of about 10 μm at the maximum can be generated.
The Si concentration contained in the film is desirably 10 to 25%.
図6に示すように、DLC−Siは、膜の密着強度はCrNやTiNほど優れてはいないが、摺動性が非常に良く、相手材へのアタックも少なく(相手材の摩耗が少ない)、且つ膜が一度に広い範囲が剥がれる危険性が少ないことにより、回転式圧縮機の摺動部品にDLC−Siコーティングを施せば、回転式圧縮機の寿命を延ばすことができる。 As shown in FIG. 6, DLC-Si is not as excellent in adhesion strength of the film as CrN or TiN, but has very good slidability and little attack on the mating material (the mating material is less worn). In addition, since there is little risk of peeling of a wide range of the film at once, if the DLC-Si coating is applied to the sliding parts of the rotary compressor, the life of the rotary compressor can be extended.
作動圧力の高い(最大で14MPa)炭酸ガス(CO2)冷媒を使用する、例えば給湯機用の回転式圧縮機のベーン14に、基材14b(材料は高速度工具鋼:SKH51(JIS))に窒化処理を施して窒化拡散層14C(80μm)を形成し、さらに、その上にDLC−Siコーティング層14d(3μm)を形成したものを使用する。回転式圧縮機の摺動部の中で、境界潤滑状態となるベーン14先端部とローリングピストン9外周部の摺動は条件的に最も厳しく、従来の回転式圧縮機で使用されてきたSKH51そのまま、または窒化処理だけでは十分な摺動耐力を確保することが困難であったが、DLC−Si処理を施したベーン14を使用することにより、炭酸ガス(CO2)冷媒を使用する給湯機のような過酷な摺動条件下でもほとんど摩耗することがない。
A carbon dioxide (CO 2 ) refrigerant having a high operating pressure (up to 14 MPa) is used. For example, a base 14b (material is a high-speed tool steel: SKH51 (JIS)) in a
DLC−Si膜は、初期摺動において、0.5〜1μm程度は摩耗する。しかし、その後は摩擦係数が0.1以下と非常に小さいため、摩耗はほとんど進行せず、長期間にわたって安定した摺動状態を維持することができる。 The DLC-Si film is worn about 0.5 to 1 μm in the initial sliding. However, since the coefficient of friction is as small as 0.1 or less thereafter, the wear hardly progresses and a stable sliding state can be maintained over a long period of time.
DLC−Si膜は、ある程度面圧が高い状態においては、摩耗や剥離がある。面圧が高い状態はベーン14やローリングピストン9の形状精度のバラツキや窒化処理したときに角部が膨らみやすい傾向により発生する。摩耗や剥離は面圧が高い部分の周辺だけが取れ、広域にわたって連鎖的に剥離することはない。また、摩耗や剥離が一部に発生することにより、部分的に面圧の高い状態が解消されるので、摩耗や剥離はほとんど進行しない。
The DLC-Si film has wear and peeling in a state where the surface pressure is high to some extent. The state where the surface pressure is high occurs due to the tendency of the corners to swell when the shape accuracy of the
ベーン14にDLC−Si膜を形成したことにより、炭酸ガス(CO2)冷媒等の高圧冷媒下での摺動においても、十分な摩耗耐力を維持することができる。
By forming the DLC-Si film on the
DLC−Si膜の摩擦係数が0.1以下と低いため、相手材のローリングピストン9を摩耗させにくく、ローリングピストン9外径の摩耗に伴う回転式圧縮機の性能低下の問題が発生しにくい。
Since the friction coefficient of the DLC-Si film is as low as 0.1 or less, it is difficult to wear the
DLC−Si膜は一度に広域にわたって剥離しにくいため、部分的な面圧の上昇があった場合でも、面圧の高い部分のみが摩耗や剥離を起こし、面圧の高い状態が自動的に修復される。このため、広域の剥離によって突然に寿命を迎えることがなく、長期の信頼性を確保できる。 Since the DLC-Si film is difficult to peel over a wide area at a time, even if there is a partial increase in surface pressure, only the portion with high surface pressure will wear and peel, and the high surface pressure will be repaired automatically. Is done. For this reason, long-term reliability can be ensured without suddenly reaching the end of life due to wide-area peeling.
DLC−Si膜は、部品の全面にコーティング処理することができるため、ベーン14先端部だけではなく、ベーン14側面部と溝16との間の摺動に関しても摩耗抑制や焼き付きを防止できる。
Since the DLC-Si film can be coated on the entire surface of the component, wear suppression and seizure can be prevented not only for the tip of the
上記では、主にベーン14にDLC−Si膜を施す例を説明したが、他の摺動部品、例えば、上軸受け6、下軸受け7、駆動軸8にDLC−Si膜を施すことにより、それぞれの耐摩耗性を向上することができる。
In the above, the example in which the DLC-Si film is mainly applied to the
以上、回転式圧縮機を例に説明したが、他のスクロール圧縮機、レシプロ圧縮機の摺動部品に、基材に窒化処理を施して窒化拡散層を形成し、さらに窒化拡散層の上にDLC−Si処理を施し、DLC−Siコーティング層を形成してもよく、同様の効果を奏する。 As described above, the rotary compressor has been described as an example. However, the sliding parts of other scroll compressors and reciprocating compressors are subjected to nitriding treatment to form a nitriding diffusion layer, and further on the nitriding diffusion layer. A DLC-Si treatment may be applied to form a DLC-Si coating layer, and the same effect is obtained.
1 胴部、2 上皿容器、3 下皿容器、4 密閉容器、5 シリンダ、6 上軸受け、7 下軸受け、8 駆動軸、9 ローリングピストン、10 圧縮要素、11 ロータ、12 ステータ、13 電動要素、14 ベーン、14a ローリングピストンとの接触部、14b 基材、14c 窒化拡散層、14d DLC−Siコーティング層、15 ベーンスプリング、16 溝。 1 body part, 2 upper dish container, 3 lower dish container, 4 closed container, 5 cylinder, 6 upper bearing, 7 lower bearing, 8 drive shaft, 9 rolling piston, 10 compression element, 11 rotor, 12 stator, 13 electric element , 14 vane, 14a contact part with rolling piston, 14b base material, 14c nitrided diffusion layer, 14d DLC-Si coating layer, 15 vane spring, 16 groove.
Claims (5)
前記圧縮要素の摺動部品の少なくともいずれかに、基材に窒化処理を施して窒化拡散層を形成し、さらに該窒化拡散層の上にDLC−Si(ダイヤモンドライクカーボン−シリコン)処理を施し、DLC−Siコーティング層を形成したことを特徴とする密閉形圧縮機。 In a hermetic compressor having a compression element and an electric element serving as a drive source for the compression element in a hermetic container,
At least one of the sliding parts of the compression element is subjected to nitriding treatment on the base material to form a nitriding diffusion layer, and further subjected to DLC-Si (diamond-like carbon-silicon) treatment on the nitriding diffusion layer, A hermetic compressor in which a DLC-Si coating layer is formed.
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