JP2011064181A - 冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒圧縮機で使用されている摺動部材の基材の変形を抑制し、及び、基材の表面に形成した皮膜の密着性の向上を図る。
【解決手段】圧縮機構部の摺動部材１５ｂは表面硬化処理された金属材料を基材２４として形成されている。基材２４の表面に、クロムの単一層からなる第１の層２５、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層２６、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層からなる第３の層２７、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層２８を順に積層した皮膜が形成されている。第２の層２６は、クロム含有率が第３の層２７側より第１の層２５側で高く、タングステンカーバイトの含有率が第１の層２５側より第３の層２７側で高い。第３の層２７は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が第４の層２８側より第２の層２６側が高い。
【選択図】 図４

Description

本発明は、冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置に関し、特に、耐摩耗性と密着性とに優れた皮膜を有する摺動部材を備えた冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。

冷媒圧縮機における冷媒を圧縮する圧縮機構部には、冷媒を圧縮するための摺動部材が使用されており、この摺動部材の耐摩耗性を向上させた冷媒圧縮機としては、下記特許文献１に記載されたものが知られている。

特許文献１に記載された冷媒圧縮機の摺動部材（例えば、ベーン）は、基材（母材）の表面に窒化層を形成して基材を硬化し、その上に中間層と単層又は２層のアモルファス炭素層とを形成している。なお、アモルファス炭素層を２層形成した場合には、下層側（基材側）を水素含有アモルファス炭素層とし、上層側を金属含有アモルファス炭素層としている。

特開２００７−３２３６０号公報

特許文献１に記載された摺動部材は、基材の表面に窒化層を形成して基材を硬化させたことにより、高荷重作用時における基材の変形が抑制され、基材と中間層との密着性に優れている。しかし、中間層とアモルファス炭素層との間、アモルファス炭素層を２層にした場合にはそれらの２層のアモルファス炭素層の間の密着性に問題があり、繰返し応力を受けた場合には、中間層とアモルファス炭素層との間、又は、アモルファス炭素層が２層の場合にはそれらのアモルファス炭素層の間で剥離や割れが発生する場合がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、冷媒圧縮機で使用されている摺動部材に高荷重が作用した場合において、摺動部材の基材の変形を抑制し、及び、摺動部材の基材の表面に形成された皮膜の密着性の向上を図ることである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、冷凍サイクル中に使用される冷媒を圧縮する圧縮機構部を備えた冷媒圧縮機において、前記圧縮機構部の摺動部材の少なくとも１つが表面硬化処理された金属材料を基材として形成され、前記基材の表面に、クロムの単一層からなる第１の層と、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層と、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層からなる第３の層と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層とを順に積層した皮膜が形成され、前記第２の層は、クロム含有率が前記第３の層側より前記第１の層側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が前記第１の層側より前記第３の層側で高くなるように形成され、前記第３の層は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が前記第４の層側より前記第２の層側が高くなるように形成されていることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、冷凍サイクル装置において、第１の特徴に係る冷媒圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備えることである。

本発明によれば、冷媒圧縮機で使用されている摺動部材に高荷重が作用した場合において、摺動部材の基材の変形を抑制することができ、及び、摺動部材の基材の表面に形成した皮膜の密着性の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態の冷凍サイクル装置を示す模式図である。 冷媒圧縮機の内部構造を示す縦断正面図である。 圧縮機構部を構成するシリンダとローラとベーンとを示す斜視図である。 ベーンの先端部を示す断面図である。 実施例１と比較例１との皮膜強度の相対比較結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態における、基材の表面硬さと被膜の密着性との測定結果を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態のベーンの先端部を示す断面図である。 実施例３と比較例２と比較例１との皮膜強度の測定結果を示すグラフである。 実施例３と比較例２との基材における表面からの硬さを示すグラフである。 本発明の第４の実施の形態の軸受の表面部を示す断面図である。 実施例４と比較例３と比較例１との皮膜強度の測定結果を示すグラフである。 本発明の第５の実施の形態における、実施例５と比較例４と比較例１との皮膜強度の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、図１ないし図５に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１を示すものである。

冷凍サイクル装置１は、密閉型回転式の冷媒圧縮機２と、四方弁３と、冷房運転時に凝縮器として機能するとともに暖房運転時には蒸発器として機能する室外熱交換器４と、膨張装置５と、冷房運転時に蒸発器として機能するとともに暖房運転時には凝縮器として機能する室内熱交換器６と、アキュムレータ７とをサイクル状に連通して形成されている。

この冷凍サイクル装置１において、冷房運転時には、冷媒圧縮機２から吐出された冷媒は、実線の矢印で示すように、四方弁３を介して室外熱交換器（凝縮器）４に供給され、ここで外気と熱交換して凝縮される。この凝縮された冷媒は、室外熱交換器４から流出して膨張装置５を介して室内熱交換器（蒸発器）６に流入し、室内熱交換器６内で室内空気と熱交換して蒸発し、室内空気を冷却する。室内熱交換器６から流出した冷媒は、四方弁３及びアキュムレータ７を介して冷媒圧縮機２内に吸い込まれる。

一方、暖房運転時には、冷媒圧縮機２から吐出された冷媒は、破線の矢印で示すように、四方弁３を介して室内熱交換器（凝縮器）６に供給され、ここで室内空気と熱交換して凝縮され、室内空気を加熱する。この凝縮された冷媒は、室内熱交換器６から流出して膨張装置５を介して室外熱交換器（蒸発器）４に流入し、室外熱交換器４内で室外空気と熱交換して蒸発する。この蒸発した冷媒は、室外熱交換器４から流出し、四方弁３及びアキュムレータ７を介して冷媒圧縮機２内に吸い込まれる。

以後、順次同様に冷媒が流れて冷凍サイクル装置１の運転が継続される。冷媒としては、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ（炭化水素系）冷媒、二酸化炭素冷媒等が用いられる。

冷媒圧縮機２は、図２に示すように２シリンダ型であり、密閉ケース２ａを備えている。密閉ケース２ａ内には、電動機部８と圧縮機構部である回転圧縮機構部９とが収納され、電動機部８と回転圧縮機構部９とは偏心部１０ａ、１０ｂを有する回転軸１０を介して連結されている。

電動機部８は、回転子８ａと固定子８ｂとからなり、インバータで駆動されるブラシレスＤＣ同期モータ、ＡＣモータ、若しくは商用電源で駆動されるモータ等のいずれでもよい。

密閉ケース２ａの底部には、回転圧縮機構部９を潤滑する冷凍機油１１が貯留されている。冷凍機油１１としては、ＰＯＥ（ポリオールエステル）、ＰＶＥ（ポリビニルエーテル）、ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）等が用いられる。

回転圧縮機構部９は、第１の圧縮機構部９ａと第２の圧縮機構部９ｂとからなり、第１の圧縮機構部９ａは、シリンダ室１２ａを形成するシリンダ１３ａを備え、第２の圧縮機構部９ｂは、シリンダ室１２ｂを形成するシリンダ１３ｂを備えている。シリンダ１３ｂ内には、ローラ１４ｂと摺動部材であるベーン１５ｂとが収納され、シリンダ１３ａ内には、ローラ１４ａと摺動部材であるベーン１５ａ（図示せず）とが収納されている。なお、図２は、ベーン１５ｂの状態と吸込み管２３の接続状態が分かるように、第１の圧縮機構部９ａと第２の圧縮機構部９ｂの一部を異なる断面で示している。

ローラ１４ｂは回転軸１０の偏心部１０ｂに嵌合され、回転軸１０の回転に伴なってシリンダ室１２ｂ内で回転する。ローラ１４ａは回転軸１０の偏心部１０ａに嵌合され、回転軸１０の回転に伴なってシリンダ室１２ａ内で回転する。

ベーン１５ｂは、図３に示すように、シリンダ１３ｂに形成された溝１６ｂに摺動可能に嵌合されている。溝１６ｂ内には、ベーン１５ｂの先端がローラ１４ｂの外周面に摺接する向きにベーン１５ｂを付勢するスプリング（図示せず）が収納されている。ベーン１５ａは、シリンダ１３ａに形成された溝（図示せず）に摺動可能に嵌合され、この溝内には、ベーン１５ａの先端をローラ１４ｂの外周面に摺接する向きにベーン１５ａを付勢するスプリング（図示せず）が収納されている。

第１の圧縮機構部９ａのシリンダ１３ａは、その両端部分が主軸受１７と仕切り板１８とで覆われ、内部にシリンダ室１２ａが形成されている。第２の圧縮機構部９ｂのシリンダ１３ｂは、その両端部分が副軸受１９と仕切り板１８とで覆われ、内部にシリンダ室１２ｂが形成されている。主軸受１７には、シリンダ室１２ａと密閉ケース２ａ内とを連通する吐出孔２０ａとこの吐出孔２０ａを開閉させる吐出弁２１ａとが設けられている。副軸受１９には、シリンダ室１２ｂと密閉ケース２ａ内とを連通する吐出孔２０ｂとこの吐出孔２０ｂを開閉させる吐出弁２１ｂとが設けられている。

密閉ケース２ａの上面部には、密閉ケース２ａ内の圧縮された冷媒を四方弁３に向けて吐出させる吐出管２２が接続されている。密閉ケース２ａの側面下部側には、アキュムレータ７を経由した冷媒をシリンダ室１２ａ、１２ｂ内に導く吸込み管２３が接続されている。

図３は、第２の圧縮機構部９ｂを構成するシリンダ１３ｂとローラ１４ｂとベーン１５ｂとを示す斜視図である。なお、第１の圧縮機構部９ａは第２の圧縮機構部９ｂと同じ構成であり、第１の圧縮機構部９ａはシリンダ１３ａとローラ１４ａとベーン１５ａ等により構成されている。

図４は、ベーン１５ｂの先端側の一部を示す断面図である。ベーン１５ｂは、金属材料であるクロムモリブデン鋼を冷間鍛造して形成した基材２４を用い、この基材２４を浸炭焼入れによる表面硬化処理を行い、表面硬さをビッカース硬さで６５０としている。なお、この表面硬化処理は、基材２４の表面のみを硬化するという意味ではなく、少なくとも基材２４の表面を硬化するという意味であり、基材２４の全体を硬化処理した場合も含まれる。

さらに、表面硬化処理を行った基材２４の表面には、クロム（Ｃｒ）の単一層からなる第１の層２５と、クロムとタングステンカーバイト（ＷＣ）との合金層からなる第２の層２６と、タングステン（Ｗ）を含有するアモルファス炭素層からなる第３の層２７と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層２８とを順に積層した皮膜２９が形成されている。なお、第３の層２７は、タングステンに代えてタングステンカーバイトを含有するアモルファス炭素層としてもよく、又は、タングステンとタングステンカーバイトとの双方を含有するアモルファス炭素層としてもよい。

第２の層２６は、クロムの含有率が第３の層２７より第１の層２５側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が第１の層２５側より第３の層２７側で高くなるように含有成分を傾斜させて形成されている。

第３の層２７は、タングステンの含有率が第４の層２８側より第２の層２６側が高くなるように含有成分を傾斜させて形成されている。

各層２５〜２８の厚さ寸法は、第１の層２５が０．１μｍ、第２の層２６が０．２μｍ、第３の層２７が０．５μｍ、第４の層２８が２．２μｍであり、各層２５〜２８からなる皮膜２９の全体の暑さ寸法が３μｍとされている。

図５は、ベーン１５ｂに形成した皮膜２９と、特許文献１に記載されているベーンに形成されている皮膜との、破壊、剥離、損傷等に対する強度を測定した結果の相対評価を示すグラフである。この測定は、冷媒圧縮機２の回転圧縮機構部９にベーン１５ｂ（実施例１）又は特許文献１のベーン（比較例１）を取付け、回転圧縮機構部９に液冷媒を強制的に断続的に繰返し吸い込ませ、ベーン１５ｂをローラ１４ｂに激しく衝突させて行なった。この測定結果により、第１の実施の形態のベーン１５ｂは、特許文献１のベーンに比べて、皮膜強度が２０％程度高いことが判明した。

このような構成において、金属材料で形成したベーン１５ａ、１５ｂの基材２４を、浸炭焼入れによる表面硬化処理を行うことにより、高荷重作用時における基材２４の弾性変形を抑制することができる。このため、高荷重作用時における皮膜２９の変形を抑制することができ、基材２４と皮膜２９との間、及び、皮膜２９における各層２５〜２８間の密着性を高めることができる。

皮膜２９を構成する４つの層２５〜２８に関しては、第１の層２５をクロムの単一層とし、第２の層２６をクロムとタングステンカーバイトの合金層とし、第３の層２７をタングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層とし、第４の層２８を金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層としている。さらに、第２の層２６を、クロムの含有率が第３の層２７より第１の層２５側で高くなるように、かつ、タングステンカーバイトの含有率が第１の層２５側より第３の層２７側で高くなるように含有成分を傾斜させて形成している。また、第３の層２７を、タングステンの含有率が第４の層２８側より第２の層２６側が高くなるように含有成分を傾斜させて形成している。

このため、第１の層２５と第２の層２６との間、第２の層２６と第３の層２７との間、及び、第３の層２７と第４の層２８との間の硬度差が小さくなり、これにより、これらの各層２５〜２８間の密着性を向上させることができ、及び、皮膜２９内部での割れなどの発生を抑制することができる。

また、皮膜２９の最も外側に位置する第４の層２８が、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層であるため、金属を含有するアモルファス炭素層よりも高硬度化が図られ、ベーン１５ｂの耐摩耗性を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について、図６に基づいて説明する。なお、第２の実施の形態のベーンの基本的な構造は第１の実施の形態で説明したベーン１５ａ、１５ｂと同じであり、ベーンの構造に関する部分は図４を用いて説明する。

図６は、ベーンの基材２４の表面硬さを様々に変え、それぞれの場合における皮膜２９の密着性について測定した結果を示す説明図である。具体的には、基材２４に表面硬化処理を施すことにより、基材２４の表面硬さを、ロックウェル硬さＨＲＡで、７０未満、７０以上８０未満、８０以上とした。また、基材２４の表面硬さを、ロックウェル硬さＨＲＣで、２５未満、２５以上６０未満、６０以上とした。さらに、基材２４の表面硬さを、ビッカース硬さで４００未満、４００以上８００未満、８００以上とした。

この測定は、第１の実施の形態で説明した測定と同様に、冷媒圧縮機２の回転圧縮機構部９にベーンを取付け、回転圧縮機構部９に液冷媒を強制的に断続的に繰返し吸い込ませ、ベーンがローラ１４ｂに激しく衝突させて行なった。

また、表面硬さを様々に変えた基材２４の表面に、特許文献１に記載された皮膜（公知例の皮膜）を形成したベーンを試作し、その試作品に対しても同様の測定を行なった。

この測定結果により、第２の実施の形態のベーンにおいては、基材２４の表面硬さを、ロックウェル硬さＨＲＡで７０以上、又は、ロックウェル硬さＨＲＣで２５以上、又は、ビッカース硬さで４００以上とすることにより、基材２４と皮膜２９との間、及び、皮膜２９における各層２６〜２８間で十分な密着性が得られることが判明した。さらに、基材２４の表面硬さを、ロックウェル硬さＨＲＡで８０以上、又は、ロックウェル硬さＨＲＣで６０以上、又は、ビッカース硬さで８００以上とすることにより、より一層十分な密着性が得られることが判明した。

一方、基材２４の表面に特許文献１に記載された皮膜を形成した場合には、ロックウェル硬さＨＲＡで７０以上８０未満の場合と、ロックウェル硬さＨＲＣで２５以上６０未満の場合と、ビッカース硬さで４００以上８００未満の場合とにおいて、十分な密着性が得られないことが判明した。

このような構成において、基材２４の表面硬さを、ロックウェル硬さＨＲＡで７０以上、又は、ロックウェル硬さＨＲＣで２５以上、又は、ビッカース硬さで４００以上とすることにより、高荷重作用時において基材２４の変形を抑制することができるとともに皮膜２９の変形を抑制することができる。このため、基材２４と皮膜２９との間、及び、皮膜２９における各層２６〜２８間の密着性を高めることができ、耐久性のあるベーンを得ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について、図７ないし図９に基づいて説明する。

第３の実施の形態のベーン１５Ａの基本的構造は図４に示したベーン１５ｂと同じであり、ベーン１５Ａは、金属材料であるステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）で形成した基材２４Ａを用い、基材２４Ａの表面をラジカル窒化により表面硬化させ、基材２４Ａの表面側内部に窒素が拡散した拡散層３０を形成して基材２４Ａの表面硬さをビッカース硬さで９００とし、基材２４Ａの表面に窒素化合物層（所謂、白層）を形成しないようにしている。

さらに、この表面硬化処理が行われた後の基材２４Ａの表面に、4つの層２５〜２８からなる皮膜２９が形成されている。

図８は、第３の実施の形態のベーン１５Ａ（実施例３）と、炭素鋼をラジカル窒化した基材に皮膜２９を形成したベーン（比較例２）と、特許文献１に記載されたベーン（比較例１）との皮膜強度を相対比較した測定結果を示すグラフである。この測定は、第１の実施の形態で説明した測定と同様に行なった。

この測定結果により、ベーン１５Ａの皮膜強度は、比較例２及び比較例１より高いことが判明した。

図９は、実施例３のベーン１５Ａの基材２４Ａと、比較例２のベーンの基材との表面からの硬さを示すグラフである。実施例３では、ラジカル窒化による表面硬化の効果が大きく、基材２４Ａの変形が抑制される。

このような構成において、ステンレス鋼はラジカル窒化によって得られる硬さが高く、高荷重作用時における変形が抑制される。このため、基材２４Ａの表面に形成した皮膜２９の変形も抑制され、基材２４と皮膜２９との間、及び、皮膜２９における各層２６〜２８間の密着性を高めることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を、図１０及び図１１に基づいて説明する。本実施の形態は、摺動部材である軸受３１を、表面硬化処理するとともにその表面に皮膜２９を形成したものである。なお、この軸受３１は、第１の実施の形態の図２で説明した主軸受１７と副軸受１９とに相当するものである。

軸受３１は、鉄と銅と炭素系の焼結合金を基材２４Ｂとして用い、この基材２４Ｂを水蒸気処理による表面硬化処理を行って基材２４Ｂの表面に四三酸化鉄３２を形成し、焼結時に基材２４Ｂの表面に形成された空孔３３を埋めている。なお、四三酸化鉄３２を形成することにより、基材２４Ｂの表面硬さをビッカース硬さで４５０としている。

さらに、この表面硬化処理が行われた後の基材２４Ｂの表面に、４つの層２５〜２８からなる皮膜２９が形成されている。

図１１は、第４の実施の形態の軸受３１（実施例４）と、四三酸化鉄３２を形成しない基材２４Ｂの表面に皮膜２９を形成した軸受（比較例３）と、表面硬化処理をした基材に特許文献１に記載された皮膜を形成した軸受（比較例１）との皮膜強度を比較した測定結果を示すグラフである。この測定は、第１の実施の形態で説明した測定と同様に行なった。

この測定結果により、軸受３１の皮膜強度は、比較例４及び比較例１より高いことが判明した。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態を、図１２に基づいて説明する。本実施の形態は、摺動部材である回転軸（図２の回転軸１０に相当する）を、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ６００）を基材として形成し、その表面を硬質クロムメッキによる表面硬化処理を行い、表面硬さをビッカース硬さで７００としている。

さらに、この表面硬化処理が行われた後の基材の表面に、４つの層２５〜２８からなる皮膜２９が形成されている。

図１２は、第５の実施の形態の回転軸（実施例５）と、球状黒鉛鋳鉄からなる基材に硬質クロムメッキを施さずに皮膜２９を形成した回転軸（比較例４）と、表面硬化処理をした基材に特許文献１に記載された皮膜を形成した回転軸（比較例１）との皮膜強度を相対比較した測定結果を示すグラフである。この測定は、第１の実施の形態で説明した測定と同様に行なった。

この測定結果によれば、実施例５の回転軸の皮膜強度は、比較例４及び比較例１より高いことが判明した。

なお、この実施の形態では、球状黒鉛鋳鉄を基材とした回転軸を例に挙げて説明しているが、回転軸の基材としては、片状黒鉛鋳鉄や、モリブデン、ニッケル、クロム等を添加した特殊片状黒鉛鋳鉄を用いてもよい。

また、表面硬化処理としては、硬質クロムメッキに代えて、オーステンパー処理や、深冷処理などの熱処理にて行ってもよい。

２ 冷媒圧縮機、４ 室外熱交換器（凝縮器、蒸発器）、５ 膨張装置、６ 室内熱交換器（蒸発器、凝縮器）、９ 回転圧縮機構部（圧縮機構部）、１５ａ、１５ｂ ベーン（摺動部材）、１５Ａ ベーン（摺動部材）、２４ 基材、２４Ａ 基材、２４Ｂ 基材、２５ 第１の層、２６ 第２の層、２７ 第３の層、２８ 第４の層、２９ 皮膜、３１ 軸受（摺動部材）

Claims (4)

1. 冷凍サイクル中に使用される冷媒を圧縮する圧縮機構部を備えた冷媒圧縮機において、
   前記圧縮機構部の摺動部材の少なくとも１つが表面硬化処理された金属材料を基材として形成され、
   前記基材の表面に、クロムの単一層からなる第１の層と、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層と、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層からなる第３の層と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層とを順に積層した皮膜が形成され、
   前記第２の層は、クロム含有率が前記第３の層側より前記第１の層側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が前記第１の層側より前記第３の層側で高くなるように形成され、
   前記第３の層は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が前記第４の層側より前記第２の層側が高くなるように形成されていることを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 前記基材の表面硬さを、ロックウェル硬さＨＲＡで７０以上、又は、ロックウェル硬さＨＲＣで２５以上、又は、ビッカース硬さで４００以上としたことを特徴とする請求項１記載の冷媒圧縮機。
3. 前記基材をステンレス鋼としたことを特徴とする請求項１記載の冷媒圧縮機。
4. 請求項１ないし３のいずれか一に記載の冷媒圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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