JP2008286135A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストが低く、様々な使用条件においても、軸受摺動面の摩耗量が少なく焼付き防止性に優れたスラスト軸受を有する圧縮機を提供する。
【解決手段】本発明のスクロール型圧縮機11は、一方の摺動面（１００）と、該一方の摺動面（１００）に対向する他方の摺動面（１０１）とを有するスラスト軸受（５３）を備えており、上記一方の摺動面（１００）には、溝（８５）に囲まれて互いに独立した浮島形状の複数の受圧部（８３）が形成されており、上記他方の摺動面（１０１）は、上記一方の摺動面（１００）に比べて平坦に形成されており、上記受圧部（８３）が、該受圧部（８３）の周縁部に形成されたダレ部（８３ｂ）と、該ダレ部（８３ｂ）の内側の平坦部（８３ａ）とを有しており、上記受圧部（８３）の表面には、ダイヤモンドライクカーボン層（１０１ａ）が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮機に関し、特にスラスト軸受を備えた圧縮機に関する。

従来、さまざまな種類の圧縮機が用いられている。例えば、冷凍サイクルで用いられるスクロール型圧縮機がある。
一般に、スクロール型圧縮機は、ハウジングに固定された固定スクロールと、この固定スクロールに対向配置され、回転軸によって固定スクロールに対して旋回する可動スクロールとを有しており、これら固定スクロールと可動スクロールとによって流体を圧縮するようになっている。この可動スクロールは、可動スクロール背面の圧力と、圧縮される流体の圧力との圧力差によってスラスト方向の力を受けているが、このスラスト方向の力は、スラスト軸受によって支持されている。

可動スクロールは公転運動をするため、スラスト軸受をスクロール型圧縮機に用いた場合の摺動速度は、スラスト軸受を回転運動する機器に用いた場合の摺動速度に比べて小さい。このため、摺動面における潤滑油の油膜形成が難しく、焼付き等を起こしやすい。

特に、二酸化炭素冷媒を使用した冷凍サイクルで用いられる圧縮機では、圧縮される冷媒の圧力が高いため、上記スラスト方向の力も大きくなりスラスト軸受の摺動面における油膜の形成がより重要な課題となる。

例えば、特許文献１には、可動スクロールの摺動面と固定された摺動面とからなるスラスト軸受を備えるスクロール型圧縮機において、可動スクールの軸の後背部に圧力をかけて、摺動面が受ける荷重を低減する背圧機構を有し、且つこの摺動面がダイヤモンドライクカーボン層により皮膜されているスクロール型圧縮機が提案されている。

しかし、この背圧機構は制御が複雑であり、コストアップにつながる。そして製造コストを低減するために、この背圧機構を設けない場合には、スラスト軸受において、摩耗が増加し、焼付きが生じる可能性がある。

特開２００１−１１５９５９号公報

本発明は、上記問題点を解決することを課題とし、製造コストが低く、様々な使用条件においても、軸受摺動面の摩耗量が少なく焼付き防止性に優れたスラスト軸受を有する圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、一方の摺動面（１００）と、該一方の摺動面（１００）に対向する他方の摺動面（１０１）とを有するスラスト軸受（５３）を備えた圧縮機において、上記一方の摺動面（１００）には、溝（８５）に囲まれて互いに独立した浮島形状の複数の受圧部（８３）が形成されており、上記他方の摺動面（１０１）は、上記一方の摺動面（１００）に比べて平坦に形成されており、上記受圧部（８３）が、該受圧部（８３）の周縁部に形成されたダレ部（８３ｂ）と、該ダレ部（８３ｂ）の内側の平坦部（８３ａ）とを有しており、上記受圧部（８３）の表面には、ダイヤモンドライクカーボン層（１００ａ）が形成されていることを特徴とする。

これにより、受圧部（８３）と他方の摺動面（１０１）との間に、油膜が形成され易くなって、流体潤滑状態の形成が容易となるので、スラスト軸受（５３）の摺動面における摩耗または焼付きが防止される。また、背圧機構を設ける必要がないので、圧縮機の製造コストを低減できる。
また、その上にダイヤモンドライクカーボン層（１００ａ）が形成される、受圧部（８３）の基材（１００ｂ）として、他方の摺動面（１０１）の形成材料よりも安価なものを用いることにより、圧縮機の製造コストをさらにまた低減できる。

請求項２に記載の発明は、上記受圧部（８３）は略円形状、長円形状、楕円形状、３角形状またはそれ以上の多角形状のいずれかであり、複数の該受圧部（８３）が、千鳥配置されていることを特徴とする。

これにより、受圧部（８３）を高密度に配置することができ、単位面積当たりの油膜形成面積を増加させて、高荷重を支持することができる。

請求項３に記載の発明は、上記に受圧部（８３）おける表面の最大粗さが、上記他方の摺動面（１０１）における表面の最大粗さよりも小さいことを特徴とする。

これにより、受圧部（８３）の平滑性が保証されるので、スラスト軸受（５３）における摩耗または焼付き防止性が確実になる。

請求項４に記載の発明は、固定スクロール（３８）と、回転軸（２１）によって該固定スクロール（３８）に対して旋回することで流体を圧縮する可動スクロール（３２）とを備え、上記スラスト軸受（５３）は、上記可動スクロール（３２）が受ける軸方向の力を受けることを特徴とする。さらに、請求項４に記載の発明は、請求項５に記載の発明のように、上記流体が二酸化炭素を含み、吐出される該流体の圧力が二酸化炭素の臨界圧力を超える圧縮機に適用されることが好ましい。

請求項６に記載の発明は、上記受圧部（８３）の基材（１００ｂ）が、機械構造用合金鋼材または圧延鋼板材により形成されていることを特徴とする。
これにより、圧縮機の製造コストを一層低減できる。

請求項７に記載の発明は、上記受圧部（８３）には、該受圧部（８３）の基材（１００ｂ）と、上記ダイヤモンドライクカーボン層（１００ａ）との間に、中間層（１００ｃ）が形成されており、上記中間層（１００ｃ）が、クロム、アルミニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、炭素およびチタンよりなる群から選択される１つまたは複数の金属から形成されていることを特徴とする。

これにより、受圧部（８３）の基材（１００ｂ）と、ダイヤモンドライクカーボン層（１００ａ）との密着性が高められる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の一実施形態につき、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態におけるスクロール型圧縮機１１を示す縦断面図である。以下二酸化炭素冷媒を使用し、吐出される二酸化炭素の圧力が臨界圧力を超える冷凍回路中で用いられる給湯機用の圧縮機を例にして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施形態におけるスクロール型圧縮機１１は、密閉容器１３内に電動機部２７と圧縮機構部１０とを収容した密閉型電動圧縮機である。

密閉容器１３は、円筒形をなす円筒ケース１３ａと、この円筒ケース１３ａの両端に組みつけられた電動機側端部ケース１３ｂ、圧縮機構側端部ケース１３ｃとを備えている。

電動機部２７は、円筒ケース１３ａの内周面に固定された固定子２５と、電動機部２７によって回転駆動されるシャフト２１に固定される回転子２３とを備えている。

圧縮機構部１０は、円筒ケース１３ａ内において上記固定子２５に隣接する位置に固定されたミドルハウジング１５と、ミドルハウジング１５に設けられた主軸受１７によって支持されたクランク機構２８により公転する可動スクロール３２と、ミドルハウジング１５の反固定子２５側において、円筒ケース１３ａに固定され、可動スクロール３２と対向配置されて共に後述する作動室４５を形成する固定スクロール３８とを備えている。

尚、シャフト２１は、円筒ケース１３ａ内において、固定子２５と電動機側端部ケース１３ｂとの間に設けられた円盤状の支持部材１４に固定された副軸受１９と、上記主軸受１７とによって略水平に支持されている。

可動スクロール３２は、略円盤状の可動側板３３と、可動側板３３の端面から固定スクロール３８側に向かってインボリュート曲線状に立設した可動側渦巻４１と、可動側渦巻４１と反対側の端面からミドルハウジング１５側に向かって円筒状に立設したボス部３５を備える。

固定スクロール３８は、円筒ケース１３ａに固定された固定側板３９と、固定側板３９の可動スクロール３２側の端面に設けられた渦巻状の溝によって形成された固定側渦巻４３を備える。

ミドルハウジング１５は、電動機部２７側から固定スクロール３８側に向かって、順次径が大きくなる３段円筒状をなしており、電動機部２７に近い最も小径の円筒１５ａは主軸受１７を構成し、真ん中の円筒１５ｂはクランク機構２８を収容するクランク室２９を構成し、固定スクロール３８に近い最も大径の円筒１５ｃは内部に可動スクロール３２を収容するスクロール収納部３１を形成すると共に、円筒ケース１３ａの内周面に溶接などの固定手段によって固定されている。

クランク機構２８は、シャフト２１の圧縮機構部１０側の端部に一体に設けられた偏心軸３７と可動スクロール３２のボス部３５によって構成されている。偏心部３７は、上記主軸受１７及び副軸受１９の軸中心から所定量ｅ（図２（ａ））だけ偏心するように設けられている。この偏心量ｅが、可動スクロール３２の公転半径となる。

ミドルハウジング１５を構成する上記大径の円筒１５ｃと真ん中の円筒１５ｂとを繋ぐ円板部１５ｄの可動スクロール３２側の端面（以下、円板部スクロール側端面１５ｅと称する）には、図示しないオルダムカップリングが配置されており、可動スクロール３２の自転を防止している。これにより、可動スクロール３２は公転のみが許容されている。圧縮機構部１０は、可動側渦巻４１と固定側渦巻４３の噛み合いによって形成される複数の作動室４５が、可動スクロール３２が固定スクロール３８に対して旋回することで体積を縮小することにより固定側渦巻４３の最外周側に連通する吸入室４６に供給された冷媒を圧縮する。

また、円板部スクロール側端面１５ｅと、可動スクロール３２のボス部３５が設けられた側の端面（以下、可動スクロール背面３２ａと称する）との間には、スラスト軸受５３が配置されている。このスラスト軸受５３は、冷媒を圧縮する時の圧縮反力と、可動スクロール背面３２ａ側の圧力によるスラスト方向の力との差によって結果として可動側板３３が受ける軸方向の力（本実施形態においては固定スクロール３８側から円板部１５ｄに向けて可動側板３３を押す力）を受けながら可動スクロール背面３２ａと円板部スクロール側端面１５ｅとを摺動させるすべり軸受である。このスラスト軸受５３については後に詳述する。

上記吸入室４６は、固定側板３９の側面に設けられており、円筒ケース１３ａを貫通し、密閉容器１３外部の冷媒回路から冷媒を吸入する吸入管４７が接続されている。

固定側渦巻４３の中心部には、固定側板３９を軸方向に貫通する吐出口４９が設けられている。可動スクロール３２と固定スクロール３８とによって圧縮された冷媒はこの吐出口４９から吐出室５０に吐出される。

吐出室５０は、固定側板３９の反可動スクロール３２側の端面（以下、固定スクロール背面３８ａと称する）と、該固定スクロール背面３８ａに固定されたセパレータブロック５５の固定側板３９側の端面に設けられた凹部によって構成されている。尚、吐出室５０内には吐出された冷媒が逆流することを防止する吐出弁６１が配置されている。

吐出室５０に吐出された高温高圧の冷媒は、吐出室５０から上方に延びる冷媒流路５７を経てオイルセパレータ６３に導かれる。

オイルセパレータ６３は、内筒６３ａと外筒６３ｂとを有する遠心分離式のオイルセパレータであり、２重円筒状をなしている。

冷媒流路５７は、吐出室５０から固定スクロール背面３８ａに沿って上方に延びた後、遠心分離式のオイルセパレータ６３の内筒６３ａと外筒６３ｂの間の空間に概略接線方向に接続している。内筒６３ａと外筒６３ｂの間の空間に概略接線方向から流入した冷媒は、内筒６３ａと外筒６３ｂの間の空間を旋回し、冷媒に含まれていたオイルが遠心分離された後、内筒６３ａ内を通り、吐出管５９を経て密閉容器１３外部の冷媒回路へと送られる。ここで、本実施形態におけるオイルはポリアルキレングリコールまたはポリビニルエーテルまたはポリオールエステルのいずれか一つ、またはこれらのうちの複数を混合した潤滑油を主成分とすると好ましい。

尚、オイルセパレータ６３の外筒６３ｂはセパレータブロック５５に設けられた円筒状の穴によって構成されており、内筒６３ａは外筒６３ｂを構成する円筒状の穴内に圧入やサークリップ等の固定手段によって固定されている。

また、吐出管５９は、密閉容器１３の内外を貫通し、外筒６３ｂを構成する円筒状の穴の上端に気密に挿入されている。尚、セパレータブロック５５と圧縮機構側端部ケース１３ｃとの間の空間は吐出される冷媒の圧力に比べて低圧の雰囲気となっている。

オイルセパレータ６３によって分離されたオイルは、外筒６３ｂの内壁面に沿って、重力によって下方に移動し、外筒６３ｂを構成する円筒状の穴の下端に設けられた小径孔６４を介して高圧貯油室６５に貯えられる。

高圧貯油室６５は、セパレータブロック５５内に設けられ、吐出室５０と外筒６３ｂを構成する円筒状の穴の下方に位置している。セパレータブロック５５は、高圧貯油室６５に貯留できる高圧のオイルの量を多くするため、外筒６３ｂを構成する円筒状の穴に対応する上部よりも高圧貯油室６５を構成する下部の方が圧縮機構側端部ケース１３ｃ側に突出している。

高圧貯油室６５に貯えられたオイルは、固定側渦巻４３よりも下方において、固定側板３９を貫通するオイル戻し通路６７を通って可動側板３３内部に設けられたオイル通路６９に導かれる。尚、オイル戻し通路６７の出口には、小径の絞り部６７ａが設けられている。

オイル通路６９の入口は、可動側板３３の可動側渦巻４１が設けられた面に開口している。このオイル通路６９の入口は、可動スクロール３２の公転運動によってオイル戻し通路６７の出口と間欠的に連通するようになっている。また、オイル通路６９の出口は、シャフト２１の端部とボス部３５の底面との間の空間に連通するようにボス部３５の内壁に開口している。

尚、高圧貯油室６５に蓄えられたオイルは、冷媒の吐出圧力を帯び高圧となっているが、絞り部６７ａおよび可動スクロール３２の公転運動によるオイル戻し通路６７とオイル通路６９との間欠的な連通によって、所望の圧力まで減圧される。

シャフト２１の端部とボス部３５の底面との間の空間に導かれたオイルは、シャフト２１内部を軸方向に貫通するオイル通路７１に流入する。

オイル通路７１を通過したオイルは、密閉容器１３内において、電動機側端部ケース１３ｂと支持部材１４との間に導かれる。支持部材１４、ミドルハウジング１５、固定側板３９には、円筒ケース１３ａとの間に図示しない隙間があり、電動機側端部ケース１３ｂと支持部材１４との間に導かれたオイルは、密閉容器１３内の全領域において下方に貯留される。密閉容器１３内の全領域の下方は低圧貯油室６６を構成している。

低圧貯油室６６に貯留されたオイルは、ミドルハウジング１５の円板部１５ｄの下方に設けられたオイル戻し孔７３を通ってスクロール収納部３１に至る。

オイル通路７１には、主軸受１７及び副軸受１９に対応する部位に径方向孔７１ａ、７１ｂがオイル通路７１から分岐するように設けられている。

径方向孔７１ａの出口はシャフト２１に設けられたシャフト溝２１ａに連通しており、径方向孔７１ａに流入したオイルは、主軸受１７、クランク機構２８、スラスト軸受５３を潤滑した後、スクロール収納部３１に至る。尚、真ん中の円筒１５ｂには、シャフト２１よりも上部のスラスト軸受５３へオイルを導くため、シャフト２１よりも上部において、径方向孔７１ａとスラスト軸受５３とを連通させるオイル溝７２が形成されている。

一方、径方向孔７１ｂに流入したオイルは、副軸受１９を潤滑した後、低圧貯油室６６内に落下し、オイル戻し孔７３によってスクロール収納部３１に至る。

オイル戻し通路６７、オイル通路６９、７１、径方向穴７１ａは、オイルセパレータ６３によって分離されたオイルの圧力とスラスト軸受５３が配置される部位の圧力との圧力差によってスラスト軸受５３にオイルを供給するオイル供給手段をなしている。

スクロール収納部３１に至ったオイルは、可動スクロール３２と固定スクロール３８の摺動面に供給され、作動室４５で冷媒と共に圧縮され、再びオイルセパレータ６３によって冷媒から分離される。

次に、本発明のスラスト軸受５３について説明する。本実施形態におけるスラスト軸受５３は、可動スクロール背面３２ａに固定されたスクロール側プレート５３ａと、円板部スクロール側端面１５ｅに固定されたハウジング側プレート５３ｂとから構成されている。

スクロール側プレート５３ａは、ドーナツ形状に形成され、中心部の穴をボス部３５が貫通している。スクロール側プレート５３ａのハウジング側プレート５３ｂと摺動接触する端面には、図２に示すような略円形の凹凸が形成されている。

尚、図２（ａ）は、図１をスクロール側プレート５３ａのハウジング側プレート５３ｂと摺動接触する端面が見えるように切った図１のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）を略円形の凹凸面の断面が見えるように切ったＢ−Ｂ断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）中符号Ｇで示す部位の拡大図である。尚、図２（ａ）において、破線で示したハウジング側プレート５３ｂ及びハウジング側プレート５３ｂの内径側の縁５３ｃは、本来図２（ａ）の断面に現れない構成であるが、ハウジング側プレート５３ａとの相対的な位置関係を示すため、図２（ａ）上にその位置を示してある。

略円形の凹凸の凹部は、複数の溝８５によって構成されている。この複数の溝８５には上記オイル供給手段によってオイルが供給されるとともに、網目状に交差しており、その交差点８５ａは他の部位よりも溝幅が広くなっている。また、図２（ｂ）に示す溝８５の底面は、表面粗さが、１２．５Ｒｚ以上となっており、後述する受圧部８３よりも表面粗さが粗くなっている。複数の溝８５のうち、最外周に位置する溝（以下、最外周溝）８５ｂはスクロール側プレート５３ａの縁に沿ってスクロール側プレート５３ａの縁を一周しており、蛇行している。この最外周溝８５ｂとスクロール側プレート５３ａの縁との間は、全周において常にハウジング側プレート５３ｂと摺動接触することによって摺動面からの潤滑油の流出量を少なくする外周シール部８１を形成している。シール部８１は最外周溝８５ｂの蛇行によりスクロール側プレート５３ａの径方向内側に張り出すように湾曲した凸部８１ｃを備える。この凸部８１ｃは、後述する受圧部８３と同様、図２（ｃ）に示すように、可動スクロール３２の旋回運動によって凸部８１ｃの面する全方向からオイルを引き込み、油膜を形成する役割を果たしている。

上記複数の溝８５の相互間において、溝８５に囲まれて形成された凸部は、浮島形状の受圧部８３となっており、この受圧部８３は略円形に形成されるとともに、上記最外周の溝８５の蛇行に合わせて千鳥配置されている。尚、受圧部８３の直径は異物の排出性や面圧の低減の為に、可動スクロール３２の公転半径ｅに対して、ｅ以上、２ｅ未満、摺動面における溝８５との面積比率は受圧部８３が５０％以上を占めることが望ましい。また、シール部８１の上面と受圧部８３は、摺動面として平滑になされており略同一平面内に位置している。尚、図２（ｂ）に示すように、シール部８１、受圧部８３の縁には油膜のくさび効果を発生する為のテーパ部もしくはダレ部８１ｂ、８３ｂが設けられており、ハウジング側プレート５３ｂと摺動接触するのは平坦部８１ａと８３ａである。

また、本実施形態では、スラスト軸受５３は、可動スクロール３２に固定されたスクロール側プレート５３ａに凹凸を設けているため、凹凸部を形成する複数の溝８５が可動スクロールの旋回に伴って、シャフト２１に対して相対移動するように構成されている。

ハウジング側プレート５３ｂは、スクロール側プレート５３ｂとの摺動面が鏡面仕上げされたプレーンな平面となっており、スクロール側プレート５３ａと同じくドーナツ形状をなしている。

上記の構成により、溝８５に保持されたオイルは、スクロール側プレート５３ａとハウジング側プレート５３ｂとの摺動接触により、受圧部８３の周囲に形成されるダレ部およびテーパ部８１ｂ、８３ｂによるくさび効果によって受圧部８３上に図３に示す油膜８６を形成する。この油膜８６は、潤滑油内に冷媒が溶解している状態である。

次に、本実施形態のスラスト軸受５３について、更に以下に説明する。

スラスト軸受５３は、図４に示すように、一対の摺動面１００，１０１を有している。一方の摺動面１００は、スクロール側プレート５３ａの面で、ハウジング側プレート５３ｂと対向している。他方の摺動面１０１は、ハウジング側プレート５３ｂの面で、スクロール側プレート５３ａと対向している。

本実施形態では、一方の摺動面１００を備えたスクロール側プレート５３ａが、可動スクロール３２と別体に形成されているが、一体に形成されていてもよい。

上述したように、一方の摺動面１００には、図２（ａ）に示すように、多数の浮島状の受圧部８３が形成されている。また、他方の摺動面１０１は、図４に示すように、一方の摺動面１００に比べて平坦となっている。具体的には、他方の摺動面１０１は、一方の摺動面１００における受圧部８３と対向する部分が、実質的に平坦となっている。本実施形態では、他方の摺動面１０１は、全体がプレーンな平面となっている。

このように、受圧部８３は略円形状であり、溝８５に囲まれて互いに独立した浮島形状の複数の該受圧部８３が、スクロール側プレート５３ａ上に千鳥配置されている。

尚、図４において、溝８５が記載されているが、この溝は、他の溝８５ａ、８５ｂであっても良い。

本明細書において、「実質的に平坦」とは、受圧部８３と、該受圧部８３と対向する他方の摺動面１０１の部分との間において、そこに介在する潤滑油と冷媒との混合流体に、くさび効果による圧力が発生する程度に、上記部分が平坦であることを意味する。

図４に示すように、受圧部８３は、その周縁部に形成されたダレ部８３ｂと、その内側で該ダレ部８３ｂと連設している平坦部８３ａとを有している。ダレ部８３ｂは、上記混合流体が流入してくる受圧部８３の周縁部に設けられている。本実施形態では、可動スクロール３２の旋回運動によって受圧部８３の全周縁部から上記混合流体を引き込むので、ダレ部８３ｂが、受圧部８３の全周縁部に形成されている。

ダレ部８３ｂは、その幅が略一定であり、受圧部８３の周縁部に円環状に形成されている。円環状のダレ部８３ｂの内側に位置する平坦部８３ａは、円形状を有している。

ダレ部８３ｂは他方の摺動面１０１側に凸状に湾曲した形状でも良いし、平坦な面を有していてもよい。

一方の摺動面１００と他方の摺動面１０１とは、受圧部８３のくさび効果により、流体潤滑状態が得られやすくなっている。

受圧部８３の高さについては、平坦部８３ａと溝８５との間を、該平坦部８３ａと直交する方向に測定した長さが、０．１〜０．５ｍｍであることが、油膜を効果的に発生させると共に、異物の排出と受圧部８３での耐荷重性を確保する上で好ましい。本実施形態では、溝８５、８５ａ、８５ｂそれぞれは、同じ高さに形成されている。

また、平坦部８３ａとダレ部８３ｂの外周縁との高さの差を、該平坦部８３ａと直交する方向に測定した長さは、０．５〜５μｍであることが、同様の観点から好ましい。シール部８１、その平坦部８１ａおよびダレ部８１ｂの寸法についても、上述した説明が適用される。

上述した一方の摺動面１００及び他方の摺動面１０１を有するスラスト軸受５３は、受圧部８３におけるくさび効果により、所定の使用条件の下で流体潤滑状態となる。
次に、スラスト軸受５３の流体潤滑状態について、以下に更に説明する。

流体潤滑状態において、一方の摺動面１００と他方の摺動面１０１との間には、上記混合流体による連続した油膜が形成されている。そのため、一方の摺動面１００と他方の摺動面１０１とは、該油膜により分離されている。即ち、両摺動面１００，１０１は、互いには接触していない。

スラスト軸受５３の摺動面において、流体潤滑状態を確保するためには、いわゆる油膜パラメータΛが、Λ≧３の関係を満たすことが好ましい。
油膜パラメータは、最小油膜厚さと複合表面粗さとの比である。最小油膜厚さは、受圧部８３と他方の摺動面１０１との間の長さが最も近接している部分における油膜の厚さである。油膜厚さが最小となる部分は、具体的には、平坦部８３ａの部分になる。

また、複合表面粗さは、摺動面１００、１０１それぞれにおける表面粗さの標準偏差を、二乗和して平方根をとったものである。

油膜パラメータΛが、Λ≧３の関係を満たすことにより、最小油膜厚さが、複合表面粗さよりも十分に大きくなるので、受圧部８３と他方の摺動面１０１との間には、常に連続した油膜が存在して、両摺動面１００，１０１は分離されている。つまり、スラスト軸受５３に流体潤滑状態が形成される。

このように、スラスト軸受５３に流体潤滑状態を形成する上で、受圧部８３にダレ部８３ｂが、精度よく均一に形成されていることが好ましい。

上述したダレ部８３ｂ、８１ｂは、例えばラップ加工またはバレル加工により作成することができる。

また、本実施形態では、受圧部８３およびシール部８１の最表面には、図４および図５に示すように、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａが形成されている。ダイヤモンドライクカーボン層１００ａは、硬度および化学的安定性が高く、潤滑性、耐摩耗性および耐焼付き性に優れている。図５は、図４において、４角で囲んだ一方の摺動面１００の表面部分を拡大した図である。

さらに説明すると、受圧部８３においては、平坦部８３ａおよびダレ部８３ｂそれぞれの最表面が、図４に示すように、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａにより覆われている。同様に、シール部８１においても、平坦部８１ａおよびダレ部８１ｂそれぞれの最表面が、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａにより覆われている。
また、本実施形態では、複数の溝８５それぞれの最表面にも、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａが形成されている。

このように、受圧部８３およびシール部８１が、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａにより覆われているので、スラスト軸受５３が境界潤滑または混合潤滑の状態にあっても、摩耗および焼付きが防止される。

ダイヤモンドライクカーボン層１００ａの膜厚は、１〜１０μｍ、特に１〜３μｍであることが好ましい。膜厚が１μｍ以上であることにより、受圧部８３およびシール部８１と、他方の摺動面１０１との間の摩耗および焼付きを防止することができる。また、膜厚を１０μｍ以下にすることにより、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａの製造コストを抑えることができる。

また、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａが成膜される前の受圧部８３およびシール部８１の基材１００ｂにおける表面は、平滑であることが好ましい。具体的には、受圧部８３における表面の最大粗さが、他方の摺動面１０１における表面の最大粗さよりも小さいことが好ましい。ここで、受圧部８３の表面の最大粗さは、平坦部８３ａの表面の最大粗さである。
そのために、本実施形態では、基材１００ｂの表面の最大粗さが、０．４μｍ以下、特に０．２μｍ以下となっている。基材１００ｂの最大粗さが０．４μｍよりも大きいと、基材１００ｂ上に成膜されたダイヤモンドライクカーボン層１００ａには、基材１００ｂの表面粗さに対応した凹凸が形成されて、摺動時に他方の摺動面１０１を摩耗してしまうおそれがある。

基材１００ｂの表面の最大粗さを上述した範囲に加工することは、例えばラップ加工またはバレル加工により行うことができる。

また、受圧部８３およびシール部８１には、その基材１００ｂと、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａとの間に、中間層１００ｃが形成されており、基材１００ｂとダイヤモンドライクカーボン層１００ａとの密着性が高められている。詳しくは後述するが、基材１００ｂは鋼材により形成されており、中間層１００ｃの形成材料は、この鋼材と密着性のよいものを用いることが好ましい。

また、本実施形態では、中間層１００ｃが、複数の溝８５における基材１００ｂとダイヤモンドライクカーボン層１００ａとの間にも形成されている。なお、複数の溝８５には、これらの層を設なくてもよいが、製造上の観点から、受圧部８３およびシール部８１と共に、複数の溝８５にも、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａおよび中間層１００ｃを形成している。

具体的には、この中間層１００ｃは、クロム、アルミニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、炭素またはチタンよりなる群から選択される１つまたは複数の金属から形成されていることが好ましい。

上記中間層１００ｃは、図５に示すように、基材１００ｂ側から第１層、第２層、第３層および第４層からなる積層構造を有している。

この中間層１００ｃにおいて、基材１００ｂ側の層を構成するクロムおよび／またはアルミニウムの金属からなる層（第１層）は、基材１００ｂとなる鋼材と相性が良く、この鋼材に対しても良好な密着性を発揮するものとなる。そして、こうした基材１００ｂ側の層（上記第１層）を介在させることによって、基材１００ｂと中間層１００ｃ（第１層）との密着性を確保することができる。
上記ダイヤモンドライクカーボン層１００ａは、非晶質膜であることが、中間層１００ｃとの密着性を高める上で好ましい。

中間第３層は、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブまたはチタンよりなる群から選択される１種以上の金属層からなるものであり、中間第２層は、上記第１層を構成する金属と第３層を構成する金属の混合層からなる層であるが、これらの層を介在させることによって、上記中間第１層と第３層の密着性を確保することができる。

上記第２層においては、上記第１層側（基材１００ｂ側）からダイヤモンドライクカーボン層１００ａ側（表面層側）に向けて、金属が段階的または連続的に減少する（即ち、第３層を構成する元素濃度が０％から１００％に増加する）様な傾斜組成とすることが好ましい。こうした膜構成を採用することによって、多層膜の機械的特性を基材１００ｂ側からダイヤモンドライクカーボン層１００ａ側に段階的または連続的に変化させることができ、これによってサーマルショック等による局所的な応力集中による剥離を防止することができる。

そして、中間層１００ｃにおける最表面層側の層（上記第４層）として、脆弱な炭化物層を形成させずに、第３層を構成する金属と炭素との非晶質層とする。ここで、非晶質層とは、透過型電子顕微鏡で結晶相を確認できないものを言う。この様に、中間第４層を微細な析出物層を内部に含まない層とすることによって、中間層１００ｃ自体に脆弱な部分がなくなり、内部での剥離や破壊を防ぐことができる。また中間第３層に対しても、格子のミスマッチ等に伴う応力の発生が緩和され、同種の金属元素を用いることによって、密着性が確保できる。更に最表面層を形成するダイヤモンドライクカーボン層１００ａにおいても非晶質膜であるので、上記の様な金属元素と炭素の混合層からなる非晶質層との密着性も良くなる。

ただし、隣接する各層を構成する金属元素は、必ずしも同一である必要はなく、一方の層に含まれる金属元素と他方の層に含まれる金属元素を異なるものとしても上記効果が発揮されるものであるが［例えば、クロム層（第１層）とアルミニウム／タングステン層（第２層）］、好ましくは両者の金属元素を同一にするか［例えば、クロム層（第１層）とクロム／タングステン層（第２層）］、少なくとも一方の層に含まれる元素を他方の層で含むように［例えば、タングステン／モリブデン層（第３層）とタングステン／炭素層（第４層）するのが良い。

上記第４層においても上記第２層と同様に、第３層側（基材１００ｂ側）からダイヤモンドライクカーボン層１００ａ側（表面層側）に向けて、金属が段階的または連続的に減少する（即ち、炭素濃度を０％から１００％に増加する）様な傾斜組成とすることが好ましい。こうした膜構成を採用することによって、多層膜の機械的特性を基材１００ｂ側からダイヤモンドライクカーボン層１００ａ側に段階的または連続的に変化させることができ、これによってサーマルショック等による局所的な応力集中による剥離を防止することができる。ただし、金属濃度（即ち、炭素濃度）が一定であっても、非晶質であればよい。

中間層１００ｃにおいては、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブおよびチタンよりなる群から選択される１種以上の金属からなる層（上記中間第３層）を炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする化合物（例えば、超硬合金材料）に置き換えることも可能である。またこのような場合には、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブまたはチタンに比べて、より安価なターゲット材料を用いても皮膜形成できるという利点もある。

こうした第３層を形成する際には、上記の様に隣接する中間第２、４層の組成も第３層の組成に応じて適切に組成制御を行えば良い。また、こうした膜構成を採用する場合においても、第２層と第４層は、隣接する層の組成を考慮して、それらに近づく様に段階的に組成を変化させることは局部的な応力の集中による剥離を防止する上で効果的である。

中間層１００ｃにおいては、いずれの構成を採用するにしても、上記中間第４層と最表面層であるダイヤモンドライクカーボン層１００ａとの間に、炭素からなる応力緩和層を形成することも有効であり、この応力緩和層は、上記中間第３層側の界面では第３層に近い硬度を有し、最表面層側になるにつれて段階的または連続的に硬度が上昇し、最表面層近傍ではダイヤモンドライクカーボン層を主体とする膜に近い硬度を有する様に構成されたものであることが好ましい。

上述した中間層１００ｃの膜厚は、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａと中間層１００ｃとを併せた多層膜全体の厚さの１０〜５０％であることが好ましい。膜厚が１０％以上であることにより、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａと基材１００ｂとの密着性を十分に確保できる。また、膜厚を５０％以下にすることにより、摺動時における中間層１００ｃの剥離を防止すると共に中間層１００ｃの製造コストを抑えることができる。

ダイヤモンドライクカーボン層１００ａのビッカース硬度は、受圧部８３およびシール部８１と対向して摺動する他方の摺動面１０１のビッカース硬度の２倍以上であることが好ましい。具体的には、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａのビッカース硬度は、１５００ＨＶ以上であることが好ましい。また、他方の摺動面１０１のビッカース硬度は、７００〜９００ＨＶであることが好ましい。

ダイヤモンドライクカーボン層１００ａのビッカース硬度が、他方の摺動面１０１の２倍以上であることにより、受圧部８３およびシール部８１における摩耗および焼付きを効果的に防止することができる。

このように、受圧部８３およびシール部８１にダイヤモンドライクカーボン層１００ａが被膜されていることにより、受圧部８３およびシール部８１は、混合潤滑または境界潤滑状態において、摩耗および焼付きが防止される。

また、受圧部８３およびシール部８１の基材１００ｂのビッカース硬度は、７００〜９００ＨＶであることが、受圧部８３およびシール部８１に高面圧が加わっても、基材１００ｂの変形を抑制して、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａが基材１００ｂから剥離することを防止する上で好ましい。
基材１００ｂおよび他方の摺動面１０１のビッカース硬度は、これらを構成する材料を適宜選択することにより上述した範囲に設定することができる。

次に、上述したダイヤモンドライクカーボン層１００ａまたは中間層１００ｃの成膜方法について以下に説明する。
ダイヤモンドライクカーボン層１００ａまたは中間層１００ｃの成膜には、スパッタリング法やイオンプレーティング法などの物理的蒸着法（ＰＶＤ法）、および化学的蒸着法（ＣＶＤ法）などの方法を用いることができる。これらの成膜方法の中でも、スパッタリング法、特に、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング法（以下、単にＵＢＭスパッタリング法ともいう）を用いることが好ましい。

ＵＢＭスパッタリング法では、スパッタリング時に発生したプラズマが磁力線に沿って基板付近まで拡散するので、通常のスパッタリングに比べて、緻密で高硬度なダイヤモンドライクカーボン層を形成することが可能となる。またこうしたＵＢＭスパッタリング法によれば、中間層においては、炭化物形成能の高いタングステン、タンタル、モリブデン、ニオブまたはチタン等についても炭化物を形成することなく、均一な非晶質層を形成することができる。

中間層１００ｃを製造するに当たり、第２層または第４層において上記の様な傾斜組成にするに際しては、スパッタリング法（好ましくは上記ＵＢＭスパッタリング法）によってこれらの層を形成すると共に、スパッタ電力を制御する様にすれば良い。また、応力緩和層を形成した中間層１００ｃを製造するに当たり、応力緩和層の硬度を連続的または段階的に変化させるに際しては、基材１００ｂに印加される直流またはパルスのバイアス電圧の制御によって調整する様にすれば良い。

中間第１〜第３層を形成するに当たっては、基材１００ｂにこれらの層を形成する段階で基材温度を１５０〜３５０℃、好ましくは２５０〜３５０℃に制御することで、中間第１層中の金属元素の基材１００ｂへの拡散、および各層間の拡散を促進し、第１層と基材１００ｂとの密着性および第１〜第３層の各層相互間の密着性がより向上するので好ましい。ただし、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａ（および炭素を含む第４層）を形成する場合には、これらの層は熱に弱いので、各層の形成段階では基材温度を３００〜１００℃程度とすることが好ましく、より好ましくは２００〜１００℃程度に制御するのが良い。

次に、一方の摺動面１００の基材１００ｂおよび他方の摺動面１０１の形成材料について以下に説明する。
本実施形態では、一方の摺動面１００の基材１００ｂおよび他方の摺動面１０１が、鋼材により形成されている。この鋼材としては、例えば、高炭素クロム軸受け鋼材、機械構造用合金鋼材、圧延鋼板材、ニッケルクロム鉄鋼材、ニッケルクロムモリブデン鉄鋼材、クロム鉄鋼材、クロムモリブデン鉄鋼材、機械構造用マンガン鉄鋼材、マンガンクロム鉄鋼材、及び焼入性を保証した構造用鉄鋼材等のＪＩＳ規格で定められている各種鋼材料が好ましく用いられる。

特に、その上にダイヤモンドライクカーボン層１００ａが形成される、受圧部１０１の基材１００ｂが、機械構造用合金鋼材または圧延鋼板材により形成されることは、製造コストを低減する観点から好ましい。

更に詳述すると、高炭素クロム軸受け鋼材としては、ＳＵＪ２，ＳＵＪ３及びＳＵＪ４が好ましい。また、機械構造用炭素鉄鋼材としては、ＳＣｒ４１５，ＳＣｒ４２０，ＳＣｒ４４０，ＳＣＭ４１５，ＳＣＭ４２０，ＳＮＣＭ４２０、ＳＣＭ４３５、ＳＣＭ４４０ＳＮＣＭ６３０、Ｓ１０Ｃが好ましい。また、圧延鋼板材としては、ＳＰＣＣ，ＳＰＣＤ、ＳＰＣＥ、ＳＰＣＥＮ、ＳＫ５が好ましい。

ここで、圧縮機の製造コストを低減する観点から、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａなどにより覆われる一方の摺動面１００の基材１００１ｂは、安価な鋼材を用いることが好ましい。

また、他方の摺動面１０１の摩耗性を高める観点から、他方の摺動面１０１の形成材料としては、一方の摺動面１００の基材１００１ｂよりも耐摩耗性に優れる鋼材を用いることが好ましい。

他方の摺動面１０１の硬度を増加するため、上述した鋼材に、焼入れ処理、焼戻し処理、浸炭処理、浸窒処理又は浸炭浸窒処理等を施すことも好ましい。該処理条件としては、公知の条件を用いることもできる。

上記浸炭処理としては、固体浸炭処理、液体浸炭処理、ガス浸炭処理及び真空浸炭処理等の公知の方法が挙げられる。

また、上記浸炭処理に替えて、上記浸窒処理を、鋼材に施すことも好ましい。上記浸窒処理としては、例えばアンモニア又は窒化化合物を用いた公知の方法が挙げられる。

更に、鋼材に上記浸炭処理と共に上記浸窒処理を施すために、上記浸炭浸窒処理を用いることも好ましい。上記浸炭浸窒処理としては、鋼材を、浸炭処理雰囲気下において、上記浸窒処理を施すことが挙げられる。

鋼材の表面近傍における炭素又は窒素濃度を増加させる処理は、該鋼材の表面近傍の硬度を増加しつつ、内部の軟らかさを保つため、該鋼材から形成されるハウジング側プレート５３ｂの耐摩耗性及び耐疲労性を向上する上で好ましい。

上述した本実施形態のスクロール型圧縮機１１によれば、受圧部８３およびシール部８１の最表面にダイヤモンドライクカーボン層１００ａを形成することにより、スラスト軸受５３の摺動面における摩耗および焼付きを防止することができる。また、このような構成を採用することで、背圧機構を設ける必要がないので、スクロール型圧縮機の製造コストを低減できる。

また、受圧部８３およびシール部８１と、対向配置される他方の摺動面１０１とからなるスラスト軸受５３は、その摺動時には、くさび効果による油膜を形成して、流体潤滑状態を形成する。そして、ダイヤモンドライクカーボン層１００ａにより覆われている受圧部８３およびシール部８１の最表面は、摩耗または焼付きが生じ難いので、受圧部８３およびシール部８１の形状が維持され続けるため、良好な流体潤滑状態が維持される。

また、複数の溝８５を網の目状に設け、溝８５に囲まれた受圧部８３を浮島形状としたので、受圧部８３は、全周囲が溝に囲まれることとなり、可動スクロール３２の旋回運動によって全方向からくさび効果による油膜８６を形成することができる。更に、網の目状の複数の溝８５の交差点８５ａの溝幅を、他の部位よりも太くしたので、複数の溝８５にオイルを充分に行き渡らせることができる。

また、受圧部８３を略円形の浮島形状とし、千鳥配置したため、受圧部８３を高密度に配置することができ、単位面積当たりの油膜形成面積を増加させて、高荷重を支持することができる。

上述した実施形態のスクロール型圧縮機１１は、その用途に応じて様々な使用条件で用いられる。特に、スクロール型圧縮機１１は、その耐久性を確保する観点から、スラスト軸受５３がもっぱら流体潤滑領域で使用されることが好ましい。

このような観点から、スクロール型圧縮機１１は、スラスト軸受５３の摺動面１００，１０１に、潤滑油と冷媒とを含む混合流体を供給し、他方の摺動面１０１に対する受圧部８３の摺動速度を０．５ｍ／ｓeｃ以上とし、該受圧部８３に平均面圧０．５〜２０ＭＰａの荷重をかけて、上記混合流体の使用状態における動粘度が０．１〜１０ｃｓｔで使用するようになされている。潤滑油は、上記オイルに含まれていることが好ましい。

このスクロール型圧縮機１１の使用条件について、更に説明すると、スクロール型圧縮機１１は、上記オイル供給手段により、上記混合流体がスラスト軸受５３の摺動面１００，１０１に供給される。

また、可動スクロール３２が公転することにより、該可動スクロール３２に固定されている一方の摺動面１００が、ミドルハウジング１５に固定されている他方の摺動面１０１に対して摺動する。この摺動速度は、他方の摺動面１０１に対して０．５ｍ／ｓeｃ以上、好ましくは０．６〜５ｍ／ｓeｃである。

また、このスラスト軸受５３は、冷媒を圧縮する時の圧縮反力と、可動スクロール背面３２ａ側の圧力によるスラスト方向の力との差によって結果として、受圧部８３には他方の摺動面１０１に向って荷重がかかる。この荷重による受圧部８３の平均面圧は０．５〜２０ＭＰａであり、好ましくは２〜１５ＭＰａである。

更に、上記混合流体は、上述したスクロール型圧縮機１１の使用条件において、スラスト軸受５３の摺動面１００、１０１における動粘度が０．１〜１０ｃｓｔであり、好ましくは４〜１０ｃｓｔである。尚、１ｃｓｔは、約１×１０^-6ｍ²／ｓeｃである。

上記各実施形態のスクロール型圧縮機１１を、上述した使用条件で用いることにより、受圧部８３と、該受圧部８３と対向する他方の摺動面１０１の部分との間に、油膜が形成されるので、スラスト軸受５３を、もっぱら流体潤滑状態で使用することができる。その結果、該スラスト軸受５３における摩耗を防止して、スクロール型圧縮機１１の性能を維持しつつ、長く使用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されない。

例えば、本発明は、上述した上記実施形態では、中間層１００ｃが４層の積層構造を有していたが、中間層１００ｃは、少なくとも１層あればよく、つまり、２層または３層でもよく、または４層より多くてもよい。

また、上述した上記実施形態では、上記受圧部８３が円形状であったが、受圧部８３は、長円形状、楕円形状、３角形またはそれ以上の多角形状のいずれかであってもよい。

図１は、本発明の一実施形態であるスクロール型圧縮機を示す縦断面図である。 図２（ａ）は、図１に示すスクロール型圧縮機のスラスト軸受の可動側摺動面を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線拡大断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）の領域Ｇの拡大図である。 図２に示す可動側摺動面の島状受圧部における油膜の形成状態とその圧力を示す図である。 図４は、スラスト軸受の摺動面の要部を拡大して示す模式図である。 図５は、図４の可動側摺動面の要部の拡大図である。

符号の説明

１０ 圧縮機構部
１１ スクロール型圧縮機
１５ ミドルハウジング
２７ 電動機部
５３ スラスト軸受
５３ａ スクロール側プレート
５３ｂ ハウジング側プレート
８１ 外周シール部
８３ 受圧部
８５ 溝
８５ａ 交差点
８６ 油膜
１００ 一方の摺動面
１００ａ ダイヤモンドライクカーボン層
１００ｂ 基材
１００ｃ 中間層
１０１ 他方の摺動面

Claims (7)

1. 一方の摺動面（１００）と、該一方の摺動面（１００）に対向する他方の摺動面（１０１）とを有するスラスト軸受（５３）を備えた圧縮機において、
   前記一方の摺動面（１００）には、溝（８５）に囲まれて互いに独立した浮島形状の複数の受圧部（８３）が形成されており、前記他方の摺動面（１０１）は、前記一方の摺動面（１００）に比べて平坦に形成されており、
   前記受圧部（８３）が、該受圧部（８３）の周縁部に形成されたダレ部（８３ｂ）と、該ダレ部（８３ｂ）の内側の平坦部（８３ａ）とを有しており、
   前記受圧部（８３）の表面には、ダイヤモンドライクカーボン層（１００ａ）が形成されていることを特徴とする圧縮機。
2. 前記受圧部（８３）は略円形状、長円形状、楕円形状、３角形状またはそれ以上の多角形状のいずれかであり、複数の該受圧部（８３）が、千鳥配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記受圧部（８３）における表面の最大粗さが、前記他方の摺動面（１０１）における表面の最大粗さよりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 固定スクロール（３８）と、回転軸（２１）によって該固定スクロール（３８）に対して旋回することで流体を圧縮する可動スクロール（３２）とを備え、前記スラスト軸受（５３）は、前記可動スクロール（３２）が受ける軸方向の力を受けることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮機。
5. 前記流体が二酸化炭素を含み、吐出される該流体の圧力が二酸化炭素の臨界圧力を超えることを特徴とする請求項４に記載の圧縮機。
6. 前記受圧部（８３）の基材（１００ｂ）が、機械構造用合金鋼材または圧延鋼板材により形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の圧縮機。
7. 前記受圧部（８３）には、該受圧部（８３）の基材（１００ｂ）と、前記ダイヤモンドライクカーボン層（１００ａ）との間に、中間層（１００ｃ）が形成されており、
   前記中間層（１００ｃ）が、クロム、アルミニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、炭素およびチタンよりなる群から選択される１つまたは複数の金属から形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の圧縮機。

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