JP2009525435A - 非一体的受承層付き摺動面を有する冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

冷媒圧縮機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機構と、圧縮機構を駆動するモータと、モータを収容したハウジングとを備えている。モータと圧縮機構は、少なくとも一つの金属性の摺動部品を有し、摺動部品は互いに摺動する摺動面を有し、少なくとも一つの摺動部品の摺動面には、金属性の摺動部品の基材と一体的に形成されていない受承層がコーティングされている。この冷媒圧縮機を製造する方法も開示されている。

Description

本発明の具体例は、電気冷凍庫／冷蔵庫に使用される圧縮機に関する。

最近では、高効率の冷媒圧縮機が開発されている。これらの高効率圧縮機は電気使用量が少なく、燃焼される化石燃料を減少することができるので、地球環境の保護を向上している。

図１は、従来の密閉型電動冷媒圧縮機の断面図で、参照符号１００で示されている。図１に示されるように、オイル１０２は密閉容器１０１の底部に貯留されている。容器１０１はまた、ステータ１０３とロータ１０４とで構成される電動モータ１０５と、電動モータ１０５により駆動される往復動型圧縮要素１０６と、を備えている。

圧縮機１００はさらに、主軸１０８と、主軸１０８に対し偏心して形成された偏心軸１０９を有するクランク軸１０７を備えている。ロータ１０４は主軸１０８に圧入されている。軸受１１４が、主軸１０８を回動自在に支承するために設けられている。圧縮機１００はまた、給油ポンプ１１０を備えている。

圧縮要素１０６はまた、略円筒状のボア１１２が形成された圧縮室１１３を有するシリンダブロック１１１を備えている。円筒状ボア１１２の内部には、ボア１１２と摺接するピストン１１５が設けられている。連結ロッド１１７は、ピストンピン１１６を介してピストン１１５と偏心軸１０９を連結している。ボア１１２の端面は、弁板１１８によりシールされている。シリンダヘッド１１９が、ボア１１２の反対側で弁板１１８に固定されることで、圧縮室１１３は形成される。吸入管１２０は、冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に連結され、図示しない冷媒ガスを圧縮機１００に導入する。吸入マフラ１２１が、弁板１１８とシリンダヘッド１１９に取り付けられている。

主軸１０８と軸受１１４とで、互いに摺動する一対の可動部を形成している。同様に、偏心軸１０９と連結ロッド１１７、連結ロッド１１７とピストンピン１１６、ピストンピン１１６とピストン１１５、ピストン１１５とボア１１２の全ては、互いに摺動して摩擦力を受ける可動部と考えられる。

運転中、電動モータ１０５に電力が供給され、電動モータ１０５のロータ１０４が回転する。ロータ１０４はクランク軸１０７を回転させ、クランク軸１０７が偏心軸１０９を駆動することで、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７を介してピストン１１５を駆動する。ピストン１１５がボア１１２の内部で移動すると、吸入管１２０と吸入マフラ１２１を介して冷媒ガスが圧縮機１００に導入され、ガスは圧縮室１１３の内部で圧縮される。

クランク軸１０７の回転に伴って、給油ポンプ１１０から各可動部にオイル１１２が供給され、可動部を潤滑する。加えて、オイル１１２は、ピストン１１５とボア１１２との間をシールする。

対を成す可動部の一つは、これまで鋳鉄か鉄系材料で製作されていた。対を成す可動部の他方は、鋳鉄かダイカストアルミニウム合金で製作されていた。圧縮機の効率と寿命を増大するために、鉄あるいは鉄系材料で製作される部品は、窒化処理、浸炭処理、浸炭浸窒処理等の硬化処理が施される。

窒化処理は、鋼の表面に窒素を拡散させて表面硬度を増大する化学処理である。窒素は、鋼にそれぞれの量で存在するアルミニウム、クロム、モリブデン、バナジウム等の成分と窒化物を形成する。部品は、窒化処理の前に熱処理され焼き戻しが施される。部品はさらに洗浄され、炉内の解離した（ＮとＨを含む）アンモニア雰囲気中で、５００−６２５℃（９３２−１１５７°Ｆ）で１０時間から４０時間加熱される。窒素は鋼の中に拡散し、０．６５ｍｍ（０．０２５インチ）の深さまで窒化物合金を形成する。一体的な窒化物層は非常に硬く、歪みは小さい。さらに熱処理を施す必要はなく、熱処理を施すと、一体的な窒化物層にクラックを生じることになる。一体的窒化物層は薄いので、非常に滑らかな仕上げを必要とする表面の窒化に限定使用される表面研磨は好ましくない。この処理は、材料が脆くなるほど材料の硬度を増大することのないように制御する必要がある。

様々な鋼のような鉄系材料の場合、鋼の炭素量に応じて直接硬化処理を行うことができるかどうかを決める。炭素量が少ない場合（例えば、０．２５％以下）、部品表面の炭素量を増大させるために浸炭処理を使用することができる。部品はそれから、所望の性状に応じて、液体中で焼き入れを行ったり、あるいは静止空気中で冷却することで熱処理が施される。炭素量が多いのは表面のみなので、この方法では表面硬化のみ行われ、コアは硬化しない。これは、従来の圧縮機１００の部品等に、良好な耐磨耗性のある硬い表面を実現し、衝撃荷重を受けても十分に機能する強靱なコアを持つことになるので、非常に望ましい場合があるからである。

浸炭は表面に炭素を付加する処理である。これは、高温で炭素に富んだ雰囲気中に部品を露出させ、炭素原子を鋼に全体的にしみ込ませるための拡散により行われる。拡散は濃度差に基づいて行われるので、鋼の炭素量が少ない場合にのみ拡散が行われる。例えば、鋼の炭素量が多く、空気のように炭素を含まない炉内で加熱すると、炭素は鋼から抜け出て脱炭が起こる傾向がある。

従来は、部品はまず全体的に浸炭され、全体的に浸炭された層は次に窒化処理が施される。このように全体的に浸炭処理、窒化処理を施すことで、浸炭／窒化層でできた表面に非常に硬い薄膜を持つ部品が製作される。

また、別の従来例では、浸炭浸窒処理が使用される。浸炭浸窒処理は、炭素量が少ない合金鋼に最も適している。この処理では、炭素と窒素の両方が表面に全体的に拡散する。部品は、アンモニア（ＮＨ_３）と混合した炭化水素（メタン、プロパン等）の雰囲気中で加熱される。この処理は浸炭と窒化の混合処理である。

ダイカストアルミニウム合金でできた他の可動部品には、陽極酸化処理を施すことができる。陽極酸化や陽極処理は、安定した酸化物膜やコーティングが様々な表面に一体的に形成される金属の電解処理を指すのに使用される一般的用語である。窒化処理の場合、金属の表面の耐磨耗性を向上させるために使用される（例えば、特許文献１参照）。
特開平０６−１１７３７１号公報

全体的に窒化処理、陽極酸化処理を施す場合の様々な問題のいくつかを圧縮機１００を参照して以下説明する。

図１に戻って、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７は、主軸１０７と偏心軸１０９の回転をピストンの往復運動に変換する。クランク軸が回転するたびに、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７間の相対速度は、２度ゼロになる。これは、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７間に望ましくない金属−金属接触を引き起こす。

特に、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７間の作動面圧応力が増大すると、ピストンピン１１６が曲がることになる。その結果、一体的に形成された窒化層にクラックが発生したり剥離し、その下にある基質が露出する。これが、全体的に硬くて耐磨耗性のある層を形成し、部品の寿命を長くしたり、異常磨耗を防止するための浸炭処理が従来必要であった理由である。鋼に窒化処理を施すためには、アルミニウム、クロム、モリブデン、バナジウム等の窒化物形成体を含んでいる必要があり、バナジウムはその安定性により技術文書で多く取り上げられている。これらの金属を付加すると鋼の費用は増大する。

特に、冷媒圧縮機１００では、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７間に加わる荷重がクランク軸１０７の１回転中に大きく変動する。さらに、オイル１０２に溶解した冷媒ガスが、荷重の変動で泡立つことがある。この泡立ちは可動部の潤滑性を低下させ、ピストンピン１１６と連結ロッド１１７間の金属−金属接触が増大する。その結果、摩擦係数が大きくなり、可動部の連結部で熱に起因する問題が発生することがある。同様な現象がピストンピン１１６とボア１１２間や、上述した別の対となる可動部の連結部にも発生する。

可動部の磨耗を増大させる別の問題は、酸が冷媒ガス／オイルの混合物に入ることである。現在、大気中には自動車の排気ガスや火山ガスに起因する二酸化硫黄（ＳＯ_２）が含まれている。二酸化硫黄（ＳＯ_２）は水と反応して亜硫酸（Ｈ_２ＳＯ_３）を生成する。冷媒圧縮機１００に当初冷媒ガスを充填したり、冷媒圧縮機１００を運転すると、二酸化硫黄を含む空気がシステム中に入る。この二酸化硫黄は圧縮機１００内の少量の水と反応して亜硫酸を生成する。この亜硫酸は次に酸化を引き起こし可動部を劣化させ、圧縮機の寿命を低下させる。

したがって、冷媒圧縮機は上述した問題の一つもしくはそれ以上を解決する必要がある。

従来の様々な問題点を解決するために、本発明の実施形態は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機構と、圧縮機構を駆動するモータと、モータを収容したハウジングとを備えた冷媒圧縮機を提供するものである。モータと圧縮機構は、一つもしくはそれ以上の金属性の摺動部品を有し、摺動部品は互いに摺動する摺動面を有している。少なくとも一つの摺動部品の摺動面には、金属性の摺動部品の基材と一体的に形成されていない受承層がコーティングされている。

いくつかの実施形態では、受承層は、少なくとも１４ギガパスカルの表面硬さを有している。受承層は、タンタルカーバイド、ニオブカーバイド、亜鉛カーバイド、炭素を含むタングステンカーバイド、四面体無定形炭素からなる群から選択される。摺動部品は、モリブデンを含まないステンレス鋼材、鋳鉄、あるいはアルミニウム合金でもよい。いくつかの実施形態ではまた、鋳鉄は、０．２５％−０．５％の炭素密度を有し、パーライトベースにフェライトを含む。別の実施形態では、アルミニウム合金は１４％以下のシリコン密度を有する。

さらにいくつかの実施形態では、冷媒ガスは、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ６００ａとＲ２９０ａとの混合物、ＨＦＣ系冷媒からなる群から選択される。冷媒圧縮機はまた、摺動部品を潤滑するオイルを含み、オイルは、アルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレン・グリコール、これらのいずれかの混合物からなる群より選択され、ＶＧ１０とＶＧ２の間の粘度を有する。圧縮機構は、往復動型圧縮機構である。

いくつかの実施形態では、摺動部品は、ピストン、シリンダ、連結ロッド、ピストンピン、回転軸、軸受からなる群から選択される。層は、化学蒸着法を使用して蒸着される。

本発明の別の実施形態は、冷媒圧縮機を製造する方法に関するものである。冷媒圧縮機は、冷媒ガスを圧縮する圧縮機構と、圧縮機構を駆動するモータと、モータを収容したハウジングとを備えている。モータと圧縮機構は、一つもしくはそれ以上の金属性の摺動部品を有し、摺動部品は互いに摺動する摺動面を有している。この方法には、一つもしくはそれ以上の摺動部品の摺動面に、摺動部品の基材と一体的に形成されていない受承層をコーティングする工程が含まれている。

添付図面は、本発明の一部に取り込まれて本発明を構成するものであり、本発明の１実施形態を示し、本発明の概念を説明するためのものである。しかしながら、図面は図示のみに供するものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の１実施形態を提供するものである。

図２は、本発明の１実施形態に係る冷媒圧縮機２００を示す断面図である。圧縮機２００は、冷媒ガス２０４が充填されたハウジング２０２を備えている。ある量のオイル２０６が圧縮機内のハウジング２０２の底部に貯留されている。

本発明の１実施形態においては、冷媒ガス２０４は、例えばＲ１３４ａであるが、これに限定されるものではない。あるいは、冷媒ガスは、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ６００ａとＲ２９０との混合物、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒、あるいは当業者に公知の他の冷媒ガスであってもよい。オイルは、例えばアルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレン・グリコール、これらのいずれかの混合物、粘度グレード（ＶＧ）１０とＶＧ２との間の粘度を有するオイルのいずれでもよいが、これらに限定されるものではない。

圧縮機２００は、ハウジング２０２の内部に電動モータ２１０をさらに備えている。モータ２１０は、ステータ２１２と、主軸２１６と、主軸２１６に圧入されたロータ２１４とを有している。主軸２１６は偏心軸２１８に連結されている。スラスト軸受２２０が主軸２１６を回動自在に支承している。スラスト軸受２２０は、ロータ２１４との連結部に形成されたフランジ面２２２と、主軸受２２４と、スラスト軸受２２０の上部とフランジ面２２２との間に配置されたスラストワッシャ２２６とを有している。主軸受２２４のスラスト部２２５は、フランジ面２２２と接触している。オイル２０６と接触する給油ポンプ２２８はモータ２１０に取り付けられモータ２１０で駆動される。

圧縮機２００は、冷媒ガス２０４を圧縮する圧縮要素２３０をさらに備えている。圧縮要素２３０は、一端が偏心軸２１８に連結された連結ロッド２３２を有している。連結ロッド２３２は、その他端がピストンピン２３４に連結されている。ピストンピン２３４は、シリンダブロック２４０のボア２３８内に摺動自在に収容されたピストン２３６に連結されている。弁板２４２がシリンダブロック２４０の上端に連結されている。圧縮要素２３０はさらに、弁板２４２に取り付けられたシリンダヘッド２４６と、シリンダヘッド２４６に取り付けられた吸入マフラ２４８を備えている。ピストン２３６、シリンダブロック２４０、弁板２４２、及びシリンダヘッド２４６は、ボア２３８内に圧縮室２４４を形成している。

ハウジング２０２はさらに、圧縮要素の低圧側にシールされた入口（図示せず）を持ち、冷媒ガス２０４を導入する。ハウジング２０２はまた、圧縮室に連結されシールされた高圧出口（図示せず）を持ち、圧縮された冷媒ガス２０４を圧縮機２００から排出する。

ピストン２３６とボア２３８、主軸２１６と主軸受２２４、スラスト部２２５とスラストワッシャ２２６、ピストンピン２３４と連結ロッド２３２、偏心軸２１８と連結ロッド２３２は、互いに摺動する可動部の対を形成している（以下、摺動部あるいは摺動部品という）。多くの摺動部品間のクリアランスはきわめて小さい。例えば、ピストンピン２３４と連結ロッド２３２間のクリアランスは、約５μｍから約２０μｍである。

本発明の様々な実施形態では、上述した摺動部品の各々は、鋳鉄、鉄合金、アルミニウム合金、あるいは当業者に公知の他の金属や合金で製作することができる。以下の説明では、説明する部品は上記金属や金属合金のいずれでもよい。

図３は、上述した様々な摺動部品の典型的な部分３００を示している。第１の部分３０２は第２の部分３０４に対し摺動する。第１及び第２の部分３０２，３０４の少なくとも一つには、受承層３０６がある（第２の部分３０４にあるように図示されている）。しかしながら、受承層３０６は摺動部品の両方に設けることもでき、後述するように本発明の実施形態の利点がさらに向上する。受承層３０６と第２の摺動部品３０４との間にはインターフェース３０８も存在する。受承層３０６は、金属部品を高硬度のコーティングで被覆することにより形成される。このコーティングは、部品３０２，３０４と一体的に形成されるものではなく、部品３０２，３０４に塗布される。特定のコーティングは、例えばタンタルカーバイド（ＴａＣ）、ニオブカーバイド（ＮｂＣ）、亜鉛カーバイド（ＺｎＣ）、炭素を含むタングステンカーバイド（ＷＣＣ）、四面体無定形炭素（ＴＡ−Ｃ）のいずれかであるが、これに限定されるものではない。ＴＡ−Ｃはダイヤモンド・ライク・コーティングとしても知られている。

１実施形態では、受承層３０６は化学蒸着処理を使用して蒸着される。別の実施形態では、フィルタ陰極真空アーク反応が使用される。化学蒸着処理を使用すると、受承層３０６は、３ナノメートル（ｎｍ）から５ミクロン（μｍ）までの厚さの非一体的コーティングを形成する。いくつかの実施形態では、対をなす摺動部品の少なくとも一つは、基材３０４に直接形成された受承層３０６を持つ。これらの実施形態のいくつかでは、受承層３０６は、複数層塗布される。

受承層３０６を使用する利点を明らかにするために、圧縮機２００の作用を簡単に説明する。運転中、電動モータ２１０に電力が供給され、ロータ２１４を回転させる。ロータ２１４は主軸２１６を回転させ、主軸２１６は偏心軸２１８を駆動して、ピストンピン２３４と連結ロッド２３２を介してピストン２３６を駆動する。ピストン２３６がボア２３８内で移動するにつれて、冷媒ガス２０４が、吸入管（図示せず）と吸入マフラ２４８を介して圧縮機２００に導入され、ガス２０４は圧縮室２４４の内部で圧縮される。

オイル２０６は、主軸２１６の回転に伴って給油ポンプ２２８から各可動部に供給され、可動部を潤滑する。加えて、オイル２０６はピストン２３６とボア２３８との間をシールする。

背景技術で説明したように、圧縮機２００の運転時、ピストンピン２３４と連結ロッド２３２間のクリアランスは非常に狭いので、ピストンピン２３４と連結ロッド２３２は互いに金属−金属接触する（他の摺動部も同様である）。以下の説明では、ピストンピン２３４と連結ロッド２３２を摺動部の１例として使用している。しかしながら、同じことが圧縮機２００のいずれの可動部にも当てはまる。

受承層３０６を摺動部に塗布することで、摺動部間の摩擦係数は極めて減少し、摺動部に磨耗が発生する機会が減少する。表１は、本発明の１実施形態に係る受承層３０６の五つの例、すなわち、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｎＣ、ＷＣＣ、ＴＡ−Ｃのビッカース・ピラミッド・ナンバー（ＨＶ）に換算した微小硬さ、これをギガパスカル（ＧＰａ）に換算した微小硬さ、ヤング率（ＧＰａ）、融点を示している。ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｎＣ、ＷＣＣ、窒化層の微小硬さ値は、ビッカース・ダイヤモンド・ピラミッド（簡単に後述する）を使用して決定した。非一体的に形成された受承層３０６の硬さは、１０００ＨＶ以上なので、受承層３０６を塗布することで、摺動部の摩滅あるいは磨耗量を極めて減少することができる。また、表１に示されるように、受承層３０６の融点は少なくとも３００℃である。

微小硬さ試験では、通常１ｋｇｆを超えない荷重を使用して静的に圧痕をつける。圧子は、ビッカース・ダイヤモンド・ピラミッドやヌープの横長ダイヤモンド・ピラミッドである。この試験方法は、高精度の器具を使用して微視的スケールで行われることを除けば、標準的なビッカース硬さ試験方法と非常に似ている。試験を受ける表面は、通常金属組織状仕上げを必要とし、使用される荷重が小さいほど、より高い表面仕上げが必要である。したがって、高精度顕微鏡を使用して圧痕のサイズを計測する。ビッカース・ダイヤモンド・ピラミッド圧子は、面間角度が１３６°の正四角錐の形態に研磨される。圧痕の深さは対角線長さの約１／７である。ビッカース・ダイヤモンド・ピラミッド硬さを計算する場合、圧痕の二つの対角線を測定し、ＨＶ値を決定するためにこれらの平均値が使用される。

表１に示されるように、受承層３０６は４００ＧＰａ以上のヤング率を持ち、この値は従来の窒化処理で一体的に形成された層の２００ＧＰａの少なくとも２倍である。ヤング率はＷＣＣの議論には適用できない。受承層３０６を設けることで、従来の窒化／浸炭処理に優るいくつかの利点がある。金属カーバイド層とＴＡ−Ｃ層は両方とも、微細な凝集を防止するとともに、クラックや剥離を受けにくい。したがって、硬い下地は不要である。

受承層３０６は摺動部の内部コアを保護するので、摺動部に使用される鋼は柔らかい等級のものでもよい（例えば、炭素量０．５％）。柔らかい等級の鋼は、製造工程の性質上、部品の基部パーライト構造にフェライトを形成して、耐衝撃性を増大するとともに脆化を防止する。その結果、柔らかくて低炭素量の鋼のコアの上に極度に硬い受承層がコーティングされた、より理想的な「外側が硬く内側が柔らかい」部品が製作される。

例えば、ピストンピン２３４に非一体的受承層３０６を塗布することにより、ピストンピン２３４の表面硬さをピストンピン２３４の直径を増大することなく向上することができる。これはさらに、連結ロッド２３２とピストンピン２３４との間に発生する摩擦力を減少して、すべり損失を増大することなく、従来の窒化部品に見られるクラックや剥離を防止する。したがって、このように向上した冷媒圧縮機２００は、すべり損失が減少し、効率及び信頼性が高い。

非一体的に形成された受承層３０６と摺動部３０４との化学結合の一つは、積層面に直交する縦方向の結合力が非常に弱いファン・デル・ワールス結合である。受承層３０６内の他の化学結合は共有結合である。積層面に平行な横方向の共有結合の結合力は非常に強い。これらの結合について次に詳しく説明する。

受承層３０６内のファン・デル・ワールス結合力は、摺動部３０４と、化学蒸着反応を使用して摺動部３０４の上に蒸着した受承層３０６との間のインターフェース３０８に作用する化学結合力より遥かに小さい。その結果、様々な摺動部間の金属−金属接触等により大きな摩擦力が発生すると、低エネルギ時のファン・デル・ワールス結合の分離で受承層３０６の分子は摺動する。換言すると、金属−金属接触等により発生した摩擦エネルギの多くは、受承層３０６に含まれる分子間の摺動エネルギとして吸収される。

このことを考慮すると、金属−金属接触が発生しても、摺動部３０４と非一体的に形成された受承層３０６との間のインターフェースに作用する力は、より弱くなり、摺動部３０４と受承層３０６との間のインターフェースに作用する化学結合の破壊や分離を防止ることになる。

受承層３０６はまた、システム内への亜硫酸の導入により生じた損傷や劣化を防止するのに役立つ。受承層３０６の結合の一つは、積層面に平行な横方向の結合力が強い共有結合なので、受承層３０６の面は化学的浸食に耐えうる。冷凍サイクル内の二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度が５０ｐｐｍに設定されていても、酸化や劣化をできるだけ小さくして信頼性を向上させる冷凍サイクル装置を提供することができる。

図４は、図２及び図３の実施形態に係るＴＡ−Ｃ受承層の改善された耐磨耗性を示すグラフであり、全体を参照符号４００で示している。グラフ４００は、リング・オン・ディスク型磨耗試験機を使用して、Ｒ１３４ａ冷媒と粘度ＶＧ５の合成潤滑油の混合雰囲気中における耐磨耗性を示している。試験は、１６００ニュートンの運転荷重と、０．５メートル／秒の速度と、６５℃の油温で行われた。リングはクロム・モリブデン鋼のリングであった。ディスクは、高シリコン（１４％）・アルミニウムディスクであった。試験は、例えばピン・オン・ディスク／リニア摩擦試験機を使用して行ったが、この試験機に限定されるものではない。試験に使用された特定の冷媒ガスとオイルは、本発明の摺動部の特性の１例を提供するために厳選された。上述した他の冷媒ガスとオイルも、本発明のこの実施形態の範囲から逸脱することなく使用することができる。

グラフ４００は、従来の一体的に形成された窒化層４０６と本発明の１実施形態に係るＴＡ−Ｃ受承層４０８の両方の荷重４０４に対する磨耗量（μｍ）４０２を示している。図４から明らかなように、大荷重時にＴＡ−Ｃ受承層４０８に発生する磨耗量は、窒化層４０６の磨耗量より著しく小さい。これは、ＴＡ−Ｃ受承層４０８の硬さ向上によるものである。表１に示されるように、ＴＡ−Ｃ受承層４０８は、窒化処理が施された層の硬さ８００ＨＶより遥かに高い硬さ７６００ＨＶを持つ。

さらに、高荷重領域では、窒化層４０６のヤング率は２００ＧＰａである。対して、ＴＡ−Ｃ受承層４０８のヤング率は、表１に明確に示されているように、少なくとも６５０ＧＰａである。同様な結果が金属カーバイドコーティングにも見られる。したがって、摺動部上の受承層３０６の硬さ向上は、圧縮機２００の運転中における摺動部の撓みに起因するクラックや剥離を減少する。

図５は、従来の一体的に形成された窒化層５０４と、図２及び図３の実施形態に係るＴＡ−Ｃ受承層５０６の摩擦係数特性５０２を示すグラフ５００である。試験は、図４について上述したように、リング・オン・ディスク型磨耗試験機（トライボメータ）を使用して、Ｒ１３４ａ冷媒と粘度ＶＧ５の合成潤滑油の混合雰囲気中で１６００Ｎの荷重で行われた。

図５に示される結果から、ＴＡ−Ｃ受承層５０６の摩擦係数は、１６００Ｎの高荷重では、窒化層５０４の摩擦係数より小さい。上述したように、ＴＡ−Ｃ受承層５０６の結合は、積層面に平行な横方向の結合力が強い共有結合である。さらに、ＴＡ−Ｃ受承層５０６は、分子間の横方向距離が０．１ｎｍ程度に短い六角構造を持つ。これは、高荷重領域で化学安定性を向上させ、微細な凝集を防止して、低摩擦係数を達成する。

加えて、ＴＡ−Ｃ受承層５０６内の化学結合の一つは、積層面に直交する縦方向の結合力が弱いファン・デル・ワールス結合である。分子間の縦方向距離は、上述した横方向距離より僅かに長く、約０．３ｎｍである。したがって、金属−金属接触による個々の部材に加わる摩擦力があっても、分子は低エネルギで摺動する。その結果、ＴＡ−Ｃ受承層と基材間のインターフェースに加わる力は小さくなり、低エネルギで摩擦係数を低減させながら、下地にとっての必要事項が不要になる。図示した実施形態では、高荷重領域で低摩擦係数を維持することができる。

摺動部の少なくとも一つにコーティングされた非一体的受承層３０６は、従来の圧縮機に優る多くの利点を提供する。例えば、上述したように、摺動部品の従来の製造工程は、合金鋼のカーボン濃度を増大して部品の剛性と耐磨耗性を向上させている。本発明の実施形態の場合、剛性は、金属カーバイドコーティングの高硬度と増大したヤング率により向上させている。その結果、極軟鋼、軟鋼、半硬度鋼等のように炭素濃度が０．５％以下の低炭素鋼を使用することができる。金属カーバイド層とＴＡ−Ｃ層は両方とも、微細な凝集を防止し、クラックや剥離を受けにくい。したがって、硬い下地コーティングは不要である。これは、従来の窒化及び浸炭処理で発生していたように、炭素密度の増大による脆化に起因する材料のクラックを緩和するのに役立つ。

さらに、本発明の実施形態は、モリブデンを含まないステンレス鋼材を使用することができ、基材である鋼のコストを減少することができる。同様に、従来は、フェライトを含まないパーライトベースを持つ鋳鉄が製造されていた。しかしながら、本実施形態の受承層の場合、摺動部の炭素量は減少している。炭素量の減少は、加工性と耐衝撃性を向上させながら、摺動部全体としての硬さを減少する。Ｆｅ−Ｃ状態図によれば、炭素が低密度の場合（約０．２５％−０．５％）、パーライトの前に初析アルファフェライトが形成される。これは、フェライトが、セメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）とフェライトが交互になった層状組織からなるパーライトより状態が柔らかいからである。したがって、フェライトは、摺動部品が従来の一体的に形成された窒化／浸炭部品より衝撃荷重を遥かによく吸収するのを可能にする。

加えて、摺動部品を受承層でコーティングすると、摺動部品の硬さが増大して部品の剛性が増大するので、摺動部品を製作するに際し、アルミニウム合金を使用することができる。従来、アルミニウム合金中のシリコン密度は１２％以上であった。シリコン密度の高いものが、摺動部品の剛性と硬さを増大するために使用されていた。しかしながら、シリコン密度が高いと、部品の耐衝撃性が低下し、部品が脆くなり損傷を受けやすい。アルミニウム摺動部品を本発明の実施形態に係る金属カーバイドでコーティングすると、１２％以下のシリコン密度を有するアルミニウム合金を使用することができる。これは、アルミニウム摺動部品の耐磨耗性をさらに向上させ、従来品を大きく改善することができる。

本発明の摺動部品の実施形態の性能についての上述した様々な議論の中で、圧縮機２００が一定速度で運転されることを考えて試験を行った。一定運転速度では、給油ポンプ２２８はオイルを安定して供給し、様々な可動部の潤滑を維持している。しかしながら、より新型の冷媒圧縮機では、圧縮機２００は異なる速度で運転される。低速度、例えば２０ヘルツ以下の速度では、摺動部上の金属カーバイドコーティングの効果は、さらに顕著になる。

本発明は、その精神あるいは基本的特性から逸脱することなく他の特定の形態で実施してもよい。上述した実施形態は単に説明するためのものであって、限定すべきものではない。したがって、本発明の範囲は、上述した説明よりむしろ添付した請求の範囲により示されている。特許請求の範囲の均等物の意味及び均等の範囲に入るあらゆる変更は、その範囲に含まれるものである。

従来の冷媒圧縮機を示す断面図である。 本発明の１実施形態に係る冷媒圧縮機を示す断面図である。 図２の典型的な部分の拡大図である。 図２及び図３の実施形態に係る四面体無定形炭素（ＴＡ−Ｃ）受承層の改善された耐磨耗性を示すグラフである。 図２及び図３の実施形態に係るＴＡ−Ｃ受承層の摩擦係数特性を示すグラフである。

Claims (23)

1. 冷媒ガスを圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動するモータと、該モータを収容したハウジングとを備え、前記モータと前記圧縮機構は、少なくとも一つの金属性の摺動部品を有し、該摺動部品は互いに摺動する摺動面を有し、前記少なくとも一つの摺動部品の摺動面には、前記金属性の摺動部品の基材と一体的に形成されていない受承層がコーティングされていることを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 前記受承層は、少なくとも１４ギガパスカルの表面硬さを有することを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 前記受承層は、タンタルカーバイド、ニオブカーバイド、亜鉛カーバイド、炭素を含むタングステンカーバイド、四面体無定形炭素からなる群から選択されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の冷媒圧縮機。
4. 前記摺動部品は、０．５％以下の炭素密度を有する鋼材を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
5. 前記摺動部品は、モリブデンを含まないステンレス鋼材を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
6. 前記摺動部品は、鋳鉄を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
7. 前記鋳鉄は、０．２５％−０．５％の炭素密度を有し、パーライトベースにフェライトを含むことを特徴とする請求項６に記載の冷媒圧縮機。
8. 前記摺動部品は、１４％以下のシリコン密度を有するアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
9. 冷媒ガスは、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ６００ａとＲ２９０ａとの混合物、ＨＦＣ系冷媒からなる群から選択されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
10. 前記摺動部品を潤滑するオイルを含み、該オイルは、アルキルベンゼン、鉱油、エステル、ポリビニルエーテル、ポリアルキレン・グリコール、これらのいずれかの混合物からなる群より選択され、ＶＧ１０とＶＧ２の間の粘度を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
11. 前記圧縮機構は、往復動型圧縮機構であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
12. 前記摺動部品は、ピストン、シリンダ、連結ロッド、ピストンピン、回転軸、軸受からなる群から選択されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
13. 前記受承層は、化学蒸着法を使用して塗布されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。
14. 冷媒ガスを圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動するモータと、該モータを収容したハウジングとを備え、前記モータと前記圧縮機構は、少なくとも一つの金属性の摺動部品を有し、該摺動部品が互いに摺動する摺動面を有する冷媒圧縮機を製造する方法であって、
    前記少なくとも一つの摺動部品の摺動面に、前記摺動部品の基材と一体的に形成されていない受承層をコーティングすることを特徴とする冷媒圧縮機の製造方法。
15. 前記受承層は、少なくとも１４ギガパスカルの表面硬さを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記受承層は、タンタルカーバイド、ニオブカーバイド、亜鉛カーバイド、炭素を含むタングステンカーバイド、四面体無定形炭素（ＴＡ−Ｃ）からなる群から選択されることを特徴とする請求項１４あるいは１５に記載の方法。
17. 前記摺動部品は、０．５％以下の炭素密度を有する鋼材を含むことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記摺動部品は、モリブデンを含まないステンレス鋼材を含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記摺動部品は、鋳鉄を含むことを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記鋳鉄は、０．２５％−０．５％の炭素密度を有し、パーライトベースにフェライトを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記摺動部品は、１４％以下のシリコン密度を有するアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記摺動部品は、ピストン、シリンダ、連結ロッド、ピストンピン、回転軸、軸受からなる群から選択されることを特徴とする請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記コーティングは、化学蒸着法を使用して前記受承層を塗布し、前記冷媒圧縮機は往復動型冷媒圧縮機であることを特徴とする請求項１４乃至２２のいずれか１項に記載の方法。

Images