JP2010196711A - ベーン、ローリングピストン式単段型回転式の密閉形圧縮機、給湯機、および、ベーンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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ベーンを提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係る密閉形圧縮機のベーン１４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用いられ、圧縮要素のベーン１４として、基材１４ｂに窒化処理を施して窒化拡散層１４ｃを形成し、さらに窒化拡散層１４ｃの上にＤＬＣ−Ｓｉ処理を施し、ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層１４ｄを形成したことを特徴とする。
【選択図】図４

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特許第３１９０５４１号公報 特開２００５−１５５６５０号公報 特開２００１−１１５９５９号公報 特開平１１−２８０６４８号公報 特開２００４−３４４７５９号公報 特開２００４−１９００８２号公報 特開２００１−２８０２３６号公報 特許第２９７１９２８号公報 特開２００１−３０４２７５号公報 特開２００５−１５５４５９号公報 特開２００５−１５５４５８号公報

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。

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。

この発明に係る密閉形圧縮機のベーンは、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となるベーンとして、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。

この発明によれば、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ベーンが得られる。

実施の形態１を示す図で、回転式圧縮機の縦断面図である。 実施の形態１を示す図で、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である。 実施の形態１を示す図で、ベーンの斜視図である。 実施の形態１を示す図で、ベーンの横断面図である。 実施の形態１を示す図で、ＤＬＣ−Ｓｉコーティングの説明図である。 実施の形態１を示す図で、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である。 実施の形態１を示す図で、各種冷媒の特性を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ある。

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。

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。

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。

作動圧力の高い（最大で１４ＭＰａ）炭酸ガス（ＣＯ_２）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（ＣＯ_２）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。

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。

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。

ベーン１４にＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成したことにより、炭酸ガス（ＣＯ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (13)

1. 密閉容器と、前記密閉容器内に設けられた圧縮要素と、前記密閉容器内に設けられ、前記圧縮要素の駆動源となる電動要素とを備え、冷媒として炭酸ガスを使用し、前記圧縮要素による炭酸ガスの圧縮により、前記密閉容器内の炭酸ガスの圧力が所定の作動圧力となるローリングピストン式単段型回転式の密閉形圧縮機に用いられるベーンであって、ローリングピストンの外周面と摺動するベーンおいて、
   高速度工具鋼の基材と、
   前記基材に窒化処理を施して形成された窒化拡散層と、
   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）処理を施して形成されたＤＬＣ−Ｓｉコーティング層と
   を有し、
   前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層に含有するＳｉの濃度は、１０〜２５％であることを特徴とするベーン。
2. 前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層に含有するＳｉの濃度は、１０〜２５％のうちＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の表面硬度が２５００ＨｍｖとなるようなＳｉの濃度であることを特徴とする請求項１記載のベーン。
3. 前記窒化拡散層は、前記窒化処理により基材の角部が膨らんだ状態で形成され、
   前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層は、基材の角部が膨らんだ状態で形成された窒化拡散層の上、全面に、形成され、
   前記ベーンは、前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の面圧が、前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部以外のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の面圧より高くなり、面圧の高い前記ベーンの基材の角部のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分が面圧の低い前記ベーンの基材の角部以外のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分より先に摩耗し、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分的に面圧の高い状態が解消されて、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層が広域にわたって連鎖的に剥離することがなくなることを特徴とする請求項１または２記載のベーン。
4. 前記ベーンは、前記ローリングピストンの外周面との摺動により面圧の高い部分が面圧の低い部分より先に摩耗し、
   前記窒化拡散層は、前記窒化処理により基材の角部が膨らんだ状態で形成され、
   前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層は、基材の角部が膨らんだ状態で形成された窒化拡散層の上、全面に、前記ローリングピストンの外周面との摺動により摩耗する厚さと基材の角部が膨らんだ厚さとを加算した以上の厚さに形成され、
   前記ベーンは、前記ローリングピストンの外周面との摺動により、前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分が前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部以外のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分より先に摩耗し、さらに、前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部以外のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分が摩耗した後でも、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層が全面に存在するベーンであることを特徴とする請求項１また２記載のベーン。
5. 前記ベーンは、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の形成時点において、厚さ８０μｍの窒化拡散層と、膜厚３μｍのＤＬＣ−Ｓｉコーティング層とを有し、
   前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層は、前記ローリングピストンの外周面との初期摺動により０．５〜１μｍ程度摩耗することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のベーン。
6. 圧縮要素として、
   内部に炭酸ガスを圧縮する圧縮室を形成するとともに、圧縮室の室内と密閉容器内とを連通する溝を有するシリンダと、
   前記電動要素の駆動によりシリンダ内で偏心回転することにより、シリンダ内に低圧の炭酸ガスを吸入し吸入した炭酸ガスを前記作動圧力になるまで圧縮し圧縮した炭酸ガスを前記密閉容器内へ吐出するローリングピストンと、
   前記請求項１〜５いずれかに記載のベーンであって、ローリングピストンの偏心回転に伴ってシリンダの溝内を往復運動するとともに、前記密閉容器内へ吐出された炭酸ガスの作動圧力がかかることにより前記ローリングピストンの外周面に押し付けられて前記ローリングピストンの外周面と摺動するべーンとを備え、
   前記圧縮要素は、前記シリンダと前記ローリングピストンと前記べーンとをそれぞれ一つのみ有することを特徴とするローリングピストン式単段型回転式の密閉形圧縮機。
7. 前記密閉容器内の炭酸ガスの作動圧力が約１０ＭＰａ又は最大１４ＭＰａであることを特徴とする請求項６に記載のローリングピストン式単段型回転式の密閉形圧縮機。
8. 請求項６または７記載のローリングピストン式単段型回転式の密閉形圧縮機を、炭酸ガス（ＣＯ２）冷媒を使用する冷凍サイクルに使用したことを特徴とする給湯機。
9. 密閉容器と、前記密閉容器内に設けられた圧縮要素と、前記密閉容器内に設けられ、前記圧縮要素の駆動源となる電動要素とを備え、冷媒として炭酸ガスを使用し、前記圧縮要素による炭酸ガスの圧縮により、前記密閉容器内の炭酸ガスの圧力が所定の作動圧力となるローリングピストン式単段型回転式の密閉形圧縮機に用いられるベーンの製造方法であって、ローリングピストンの外周面と摺動するベーンの製造方法において、
   高速度工具鋼により一つの側面が円弧形状の凸曲面を有する箱状の基材を形成する工程と、
   前記基材に窒化処理を施して窒化拡散層を形成する工程と、
   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）処理を施してＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程と
   を有し、
   前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程は、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層に含有するＳｉの濃度を１０〜２５％にすることを特徴とするベーンの製造方法。
10. 前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程は、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層に含有するＳｉの濃度を、１０〜２５％のうちＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の表面硬度が２５００ＨｍｖとなるようなＳｉの濃度とすることを特徴とする請求項９記載のベーンの製造方法。
11. 前記窒化拡散層を形成する工程は、前記窒化処理により基材の角部が膨らんだ状態で前記窒化拡散層を形成し、
    前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程は、基材の角部が膨らんだ状態で形成された窒化拡散層の上、全面に、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成し、
    前記ベーンの製造方法は、さらに、
    ベーンを初期摺動させ、面圧の高い前記ベーンの基材の角部のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分を面圧の低い前記ベーンの基材の角部以外のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分より先に摩耗させ、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分的に面圧の高い部分を取り去る初期摺動工程を有することを特徴とする請求項９また１０記載のベーンの製造方法。
12. 前記ベーンの製造方法は、さらに、
    前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程の後、前記ベーンを前記ローリングピストンの外周面と摺動させる初期摺動工程を有し、
    前記窒化拡散層を形成する工程は、前記窒化処理により基材の角部が膨らんだ状態で前記窒化拡散層を形成し、
    前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程は、基材の角部が膨らんだ状態で形成された窒化拡散層の上、全面に、前記ローリングピストンの外周面との摺動により摩耗する厚さと基材の角部が膨らんだ厚さとを加算した以上の厚さのＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成し、
    前記初期摺動工程は、前記ベーンと前記ローリングピストンの外周面との摺動により、前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分を前記ローリングピストンの外周面に対する前記ベーンの基材の角部以外のＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の部分より先に摩耗させ、ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層の全面において面圧が高い部分をなくしたベーンを形成することを特徴とする請求項９または１０記載のベーンの製造方法。
13. 前記窒化拡散層を形成する工程は、厚さ８０μｍの窒化拡散層を形成し、
    前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成する工程は、膜厚３μｍのＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を形成し、
    前記初期摺動工程は、前記ＤＬＣ−Ｓｉコーティング層を、前記ローリングピストンの外周面との初期摺動により０．５〜１μｍ程度摩耗させることを特徴とする請求項１１または１２記載のベーンの製造方法。

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