JP2018105272A - 冷媒圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】基材に窒化処理を施すことで基材とＤＬＣ−Ｓｉ膜との密着性を向上することが出来るが、ＤＬＣ−Ｓｉ膜はＳｉ含有量により密着性と耐摩耗性は逆比例的に変化するという特性があり、このような単層膜では密着性、耐摩耗性を両立することが出来ないという問題があった。
【解決手段】圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備えた冷媒圧縮機中における、鉄系材料同士で摩擦する摺動部において、いずれか一方の摺動面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜の基材との界面のＳｉ含有量を、摺動面のＳｉ含有量よりも多くした。
【選択図】図５

Description

本発明は、冷媒圧縮機に関する。

冷媒圧縮機は近年、省エネルギー化、小型化、低騒音化が要求され、これに伴って摺動部の使用条件が苛酷化している。

冷媒圧縮機の内部には材料強度の観点から鉄系材料が多く使用され、必然的に摺動部も鉄系材料同士になることが多い。同じ材料同士の摩擦はともがね状態となり、摩擦係数が高い、凝着しやすい等の問題がある。

このような状況の中、摺動部表面に摩擦・摩耗特性の優れるコーティングを施すことで摺動部の摩擦損失を低減し、省エネルギー化に貢献する技術が開発されている。中でも、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜は低摩擦、高耐摩耗性の非晶質炭素系被膜として注目されているが、高硬度であることから基材との密着性が悪いことが問題となっていた。特許文献１は、摺動部へ窒化処理を施し、その上にＤＬＣ−Ｓｉ（ダイヤモンドライクカーボン−シリコン）膜を被膜することで、基材との密着性を向上させつつ、摩擦損失を低減する技術が開示されている。

特開２０１０−１９６７１１号公報

特許文献１のように基材に窒化処理を施すことで基材とＤＬＣ−Ｓｉ膜との密着性を向上することが出来るが、ＤＬＣ−Ｓｉ膜はＳｉ含有量により密着性と耐摩耗性は逆比例的に変化するという特性があり、このような単層膜では密着性、耐摩耗性を両立することが出来ないという問題があった。

上記の課題に対し、本発明では、圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備えた冷媒圧縮機中における、鉄系材料同士で摩擦する摺動部において、いずれか一方の摺動面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜の基材との界面のＳｉ含有量を、摺動面のＳｉ含有量よりも多くした。

本発明により、ＤＬＣ−Ｓｉ膜と基材の密着性および摩擦特性を向上し、冷媒圧縮機の長期信頼性を確保することが出来る。

圧縮機の断面図である。 ブロックオンリング試験機の概要である。 スクラッチ試験機の概要である。 ＤＬＣ−Ｓｉ膜中のＳｉ含有量と摩擦係数、比摩耗量、臨界剥離荷重の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１における摺動部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２における摺動部の構成を示す図である。

まず、圧縮機の構成について図面を用いて説明する。図１に本実施例の圧縮機の断面を示す。本実施例における圧縮機の圧縮方式はレシプロ方式であり、冷媒としてＲ６００aを用いている。尚、図１には本発明の実施形態としてピストンとコネクティングロッドの連結部について示すが、本発明の適用部位についてはこれに限らない。図１において、１は駆動源（図示せず）に接続されたクランクシャフト、２はシリンダ（図示せず）内を往復するピストン、３はピストン２に接続されクランクシャフト１とピストン２を連結するコネクティングロッド、４はコネクティングロッド３上に作製されたＤＬＣ−Ｓｉ膜である。

コネクティングロッド３のピストン２との接続部はボール状で、ピストン２のコネクティングロッド３との接続部は内球面のボール軸受け構造となっている。ピストン２およびコネクティングロッド３は、強度や耐摩耗性を要することから鉄系材料を用いている。成形性の観点から、鉄系の焼結材を使用する場合もある。

次に、動作について説明する。駆動源によって偏心回転するクランクシャフト１の運動が、コネクティングロッド３を介してピストン２に伝達され、ピストン２が往復することで冷媒等のガスが圧縮される。このとき、ピストン２に加わる圧縮荷重は、コネクティングロッド３を挟んで、ピストン２とクランクシャフト１が押し合うように作用する。このようなレシプロ圧縮機のピストン２／コネクティングロッド３連結部では、コネクティングロッド３の揺動方向が逆転する際に一瞬停止するため、摺動面の一部で流体被膜が形成されずに摺動面同士の直接接触が発生する。

本実施例では、摺動面における金属同士の直接接触を抑制するため、コネクティングロッド３の表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を備えている。本実施例で用いるＤＬＣ−Ｓｉ膜中のＳｉ含有量が及ぼす摩擦係数、比摩耗量、膜の密着性への効果について検証するため、ブロックオンリング試験機およびスクラッチ試験機を用いて摩擦試験を行った。ブロックオンリング試験機およびスクラッチ試験機の概要をそれぞれ図２および図３に示す。

図２において、駆動源に接続されたリング５上に、ブロック６を接触させ、リング５を回転させて摩擦する。リング５は潤滑油７に１／３ほど浸かる状態となっており、回転運動により潤滑油７を引き上げることで摺動面に潤滑油７が供給される。リング５には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ系合金であるＳＡＥ４６２０、ブロック６には浸炭焼入れ処理を施したクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４１５、潤滑油７には家電用圧縮機向け冷凍機油として多く用いられているポリオールエステル油（動粘度：５．１０ｍｍ^２／ｓ＠４０℃）を用いた。ブロック６の表面には、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ−Ｓｉ膜４を約２μｍの厚さで作製した。リング５の回転速度は０．１８３ｍ／ｓから０．００９ｍ／ｓまで０．０１８ｍ／ｓまたは０．００９ｍ／ｓ刻みで低下させ、再び同じ間隔で０．１８３ｍ／ｓまで上昇させた。各速度におけるサイクル数は１００とした。

また、スクラッチ試験については図３において、表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を作製したブロック６を1°傾けたステージ８に固定し、先端半径１０μｍのダイヤモンド圧子９を用いて１ｍｍ／ｓの速度で連続的に荷重を変化させながら３ｍｍスクラッチした。試験後のスクラッチ痕を拡大観察し最初に剥離した点を特定し、その点での荷重を臨界剥離荷重として算出した。

まず、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４中のＳｉ含有量が摩擦係数および比摩耗量に与える影響について検証した。Ｓｉ含有量０％のＤＬＣ膜については、ブロック６上に直接作製することができなかったため、初めにＤＬＣ-Ｓｉ膜を作製し、その上にＤＬＣ膜を作製した。今回は摺動面に油膜が形成されにくく最も厳しい潤滑状態である境界潤滑状態での摩擦係数を比較するため，最も低速である０．００９ｍ／ｓにおける摩擦係数とＳｉ含有量の関係を図４上段に示した。また、試験後のＳｉ-ＤＬＣ膜４上の摩耗痕形状から比摩耗量を算出し、Ｓｉ含有量との関係を図４中段に示した。

図４より，ＤＬＣ−Ｓｉ膜の摩擦係数については、Ｓｉ含有量との相関は見られず、一定の値を示す。しかし、Ｓｉ含有量０％のＤＬＣ膜では摩擦係数は基材と同等まで上昇した。ＤＬＣ−Ｓｉ膜はＳｉを含有することから摩擦中に潤滑油に含まれる水分と反応し表面にＳｉ−ＯＨ基を生成する。Ｓｉ−ＯＨ基が水分子を引き寄せるため境界膜が作られることで、低摩擦を発現すると考えられており、膜中にＳｉを含まないＤＬＣ膜は低摩擦発現効果が見られなかったと推測される。よって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４は少なくとも４％のＳｉが含有されていることが必要であることがわかる。

また、同じく図４より、比摩耗量は摩擦係数とは異なりＳｉ含有量が低下するにつれて低下することがわかり、Ｓｉ含有量が２１％以下のときに基材よりも低下した。また、１７％付近を境に摩耗量が急激に増加することから、Ｓｉ含有量の上限は１７％とすることが好ましい。さらに、Ｓｉ含有量が１５％以下であれば比摩耗量を基材の半分以下の値とすることができるため、Ｓｉ含有量の上限は１５％とすることがより好ましい。また、前述したとおりＳｉ含有量０％のＤＬＣ膜は、作製している段階で剥離してしまいブロック６上に直接作製することができなかった。この観点からも、少なくとも４％のＳｉ含有量が必要であることがわかる。以上より、鉄系材料同士からなる摺動部において、いずれか一方の摺動面にＳｉ含有量を４〜１７％としたＤＬＣ−Ｓｉ膜４を形成することで、摩擦係数および比摩耗量を低減させることが可能であることがわかる。

次に、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４中のＳｉ含有量が膜の密着性に与える影響について検証した。ブロック６上にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を作製し、スクラッチ試験機を用いて基材（ブロック６）とＤＬＣ−Ｓｉ膜４の密着強度を測定した。結果を図４下段に示すが、Ｓｉ含有量が上昇するに従い臨界剥離荷重も上昇していくことがわかる。図４中において各試験片の摩擦試験を行った際に、試験後のＤＬＣ−Ｓｉ膜４上の摩耗痕内にて剥離が発生したものを×、発生しなかったものを○で示す。Ｓｉ含有量４％では摩耗痕内の複数個所に渡って大きく剥離している様子が見られた。一方、Ｓｉ含有量１１％、１９％および２４％では摩耗痕内に剥離は生じていなかった。これは、Ｓｉ含有量が多いことにより、基材との界面にＳｉ−炭素結合、Ｓｉ−金属結合が豊富に形成され、界面強度が上昇したためと考えられる。この実験から、摩擦試験後にＤＬＣ−Ｓｉ膜４の剥離が発生する境界は臨界剥離荷重２８０ｍＮ付近にあると考えられ、臨界剥離荷重が２８０ｍＮ以上となるのはＳｉ含有量が約７％以上のときであることがわかる。以上より、鉄系材料同士からなる摺動部において、いずれか一方の摺動面にＳｉ含有量７〜２５％としたＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成することで、基材との密着性を向上することができ、摺動部の信頼性を向上させることが可能である。

(実施の形態１)
上記の結果より、本発明における実施の形態１と従来例を比較する。図５に本発明の実施の形態１における摺動部の断面図を示す。図５において、３は鉄系材料基材（図1におけるコネクティングロッド）、４は基材３上に作製されたＤＬＣ−Ｓｉ膜、２はＤＬＣ−Ｓｉ膜と摺動する相手材（図１におけるピストン）である。

まず、従来例におけるＤＬＣ−Ｓｉ膜４は、Ｓｉ含有量が１０〜２５％の単層となっている。この場合、Ｓｉ含有量が１７％を超えているときに摩耗量が異常に増加する可能性がある。よって、従来例では信頼性を向上することができなかった。

そこで、実施の形態１では摺動部の表面にＳｉ含有量を変化させたＤＬＣ−Ｓｉ膜４を形成することで、密着性向上と摩耗抑制効果を両立した。ＤＬＣ−Ｓｉ膜４において、基材との界面（第１膜）４ａのＳｉ含有量を７〜２５％とし、高密着性を付与した。また、摺動面（第２膜）４ｂにおいてはＳｉ含有量を４〜１７％とし、高耐摩耗性を付与した。先に説明した摩擦試験およびスクラッチ試験によれば、界面４ａをＳｉ含有量２４％とし、摺動面４ｂをＳｉ含有量４％として２種類のＳｉ含有量の異なるＤＬＣ−Ｓｉ膜の積層構造とした場合、比摩耗量は同等であるが界面４ａのない場合よりも臨界剥離荷重は２０％向上し、摺動面に剥離は見られなかった。また、摺動面４ｂのない場合と比較すると臨界剥離荷重は同等であるが比摩耗量は９３％低下した。よって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４をＳｉ含有量の異なる第１膜と第２膜の積層とすることで、摩擦耗性、密着性の両立を図ることが可能である。また、界面４ａから摺動面４ｂにかけてＳｉ含有量が連続的に減少していく構造を取った場合、界面４ａのない場合よりも臨界剥離荷重を５０％以上向上することが可能であるため、Ｓｉ含有量は連続的に変化させることがより好ましい。

（実施の形態２）
図６を用いて実施の形態２について説明する。図６において、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４の構成以外は図５と同一であるため詳細な説明は省略する。実施の形態２では、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４の構成として、前述した第１膜４ａ、第２膜４ｂに加えてさらにＳｉ含有量の異なる第３膜４ｃを備えている。ここで、それぞれのＳｉ含有量は、第１膜４ａには高密着性を付与するため７〜２５％、第２膜４ｂには高耐摩耗性を付与するため４〜１７％、第３膜４ｃには摩擦係数を低く保ちつつ高なじみ性を付与するため２１〜２５％とした。先に説明した摩擦試験によれば、Ｓｉ含有量が２１〜２５％のとき摩擦係数は基材を下回り、比摩耗量は基材を上回る。この特性を利用し、第３膜４ｃは運転初期において摩擦係数を低く抑えながら摩耗を促進することにより、摺動面をなじませ摺動状態を境界潤滑領域からよりマイルドな流体潤滑領域へ移行させるなじみ層として機能させるものである。ＤＬＣ−Ｓｉ膜は金属元素を含まないことから、なじみ層が摩耗して摩耗粉が生成しても、冷凍機油や冷凍機油が劣化して生じた酸等と反応することがなく、安定である。第３膜４ｃはなじみを促進するためのものであるから運転初期において摺動面から除去されることが好ましいため、厚みは０．５〜１μｍが好ましい。また、実施の形態２においても実施の形態１と同様に４ａ、４ｂおよび４ｃは積層構造であっても傾斜構造であっても良い。ただし、第３膜４ｃについては運転初期に除去されることが好ましいため、第２膜４ｂ上に積層することが好ましい。

本実施例においてはレシプロ圧縮機内へＤＬＣ−Ｓｉ膜を作製する部位としてボールジョイント部を挙げたが、摺動部が鉄系材料同士であれば他の摺動部でも同様の効果が得られる。また、ピストンとコネクティングロッドの接続方式はピストンピンを介したものでも問題はない。

本実施例の圧縮機では、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４と基材との密着性を向上させるために、基材に熱処理を施しても良い。例として、基材に窒化処理を施すと、基材表面に微細な凹凸が形成されることによるアンカー効果と表面の硬さが向上することにより上に形成するＤＬＣ−Ｓｉ膜が割れにくくなり、密着性をより向上させることが可能である。

本実施例の効果はＤＬＣ−Ｓｉ膜の作製方法によらないが、このようなＤＬＣ−Ｓｉ膜は、付きまわり性の観点から、炭化水素系およびシラン系の原料ガスを用いるＣＶＤ法によって作製されるものが好ましい。この方法によれば、ドロップレットなどの表面の欠陥が少なく均一な膜が作製できることから、他の方法で作製したものに比べ耐剥離性に優れるＤＬＣ−Ｓｉ膜を作製可能である。

本実施例の圧縮機は、冷媒としてＲ６００ａ（イソブタン）を用いる。Ｒ６００ａは分子中に塩素を含んでいないことから冷媒自身の潤滑性が期待できず、圧縮機の耐摩耗性を低下させる。よって、圧縮機に封入される冷凍機油としては、ポリオールエステル油や極圧添加剤を添加した炭化水素系油等、潤滑性の高いものが好ましい。特に、ポリオールエステル油を用いることで、極圧添加剤の添加無しでも冷媒／冷凍機油混合液の潤滑性を確保できる。前記したポリールエステル油としては、多価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましい。例えば、多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール，ジペンタエリスリトールがある。１価の脂肪酸としては、ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，２−メチルブタン酸，２−メチルペンタン酸，２−メチルヘキサン酸，２−エチルヘキサン酸，イソオクタン酸，３，５，５−トリメチルヘキサン酸等があり、単独で又は２種類以上の混合脂肪酸にして用いる。特に冷凍機油の基油としては分子中にエステル結合を少なくとも２個保有する式（１），（２）又は（３）で示される脂肪酸のエステル油の群から選ばれる少なくとも１種類が好ましい。

（Ｒ_１−ＣＨ_２)_２−Ｃ−(ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ_２)_２ ・・・・（１）
（式（１）中、Ｒ_１は、それぞれ独立して水素原子または炭素数１〜３のアルキル基を表し、Ｒ_２は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
（Ｒ_１−ＣＨ_２）−Ｃ−(ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ_２)_３ ・・・・（２）
（式（２）中、Ｒ_１およびＲ_２は、前記と同義である）
Ｃ−(ＣＨ_２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ_２)_４ ・・・・（３）
（式（３）中、Ｒ_２は、前記と同義である）
冷凍機油の粘度（ＪＩＳ Ｋ２２８３で測定）に関しては、レシプロ式圧縮機の場合では４０℃における粘度が５〜１５ｍｍ^２／ｓの範囲が好ましい。粘度５ｍｍ^２／ｓ未満の場合は冷媒が溶解した粘度が低くなってしまい、圧縮機内部での油膜が十分に保持されず潤滑性が保てない。更には圧縮部のシール性も保てない。これに対して粘度１５ｍｍ^２／ｓを越えると粘性抵抗，摩擦抵抗等の機械損失が増大し、圧縮機効率を低下させる。

本実施例では前記した冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、消泡剤、金属不活性剤等を添加しても全く問題はない。特にポリオールエステル油は酸化劣化を起こしやすく、吸湿性が高いことから水分持ち込み量が増加してＰＥＴフィルム等のモータ絶縁材料の加水分解による劣化が生じる可能性が高く、酸化防止剤，酸捕捉剤の配合は必要である。酸化防止剤としては、フェノール系であるＤＢＰＣ（２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール）が好ましい。酸捕捉剤としては、エポキシ系，カルボジイミド系などがあるが、脂肪族のエポキシ化合物が一般的に用いられる。

本実施例の圧縮機に封入される冷凍機油は、冷媒Ｒ６００ａとの二層分離温度が−４０℃以下のものが好ましい。冷凍機油は冷媒とともに冷凍サイクル内を循環するため、圧縮機外に持ち出される場合もある。その際、サイクルの低温部で冷凍機油が冷媒から分離し圧縮機に戻らなくなり、圧縮機内の油量が低下し潤滑不良となる可能性がある。よって、冷媒と冷凍機油との二層分離温度は、冷凍サイクルの最低温である−４０℃以下とする必要があり、より好ましくは、−４５℃以下である。

１…クランクシャフト、２…ピストン、３…コネクティングロッド、４…ＤＬＣ−Ｓｉ膜、５…リング試験片、６…ブロック試験片、７…潤滑油、８…ステージ、９…ダイヤモンド圧子

Claims (9)

1. 圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備えた冷媒圧縮機中における、鉄系材料同士で摩擦する摺動部において、いずれか一方の摺動面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜の基材との界面のＳｉ含有量は、前記摺動面のＳｉ含有量よりも多いことを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、前記基材との前記界面のＳｉ含有量が７〜２５％であり、前記摺動面のＳｉ含有量が４〜１７％であ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ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、前記基材との前記界面から前記摺動面にかけて連続的にＳｉ含有量が減少していくことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
4. 前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜が、Ｓｉ含有量の異なるＤＬＣ−Ｓｉ膜の積層であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
5. 圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備えた冷媒圧縮機中における、鉄系材料同士で摩擦する摺動部において、いずれか一方の摺動面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、基材側から順に第１膜、第２膜および第３膜のＳｉ含有量の異なる膜を有し、前記第２膜のＳｉ含有量は、前記第１膜および前記第３膜よりも少ないことを特徴とする冷媒圧縮機。
6. 前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、前記第１膜のＳｉ含有量が７〜２５％であり、前記第２膜のＳｉ含有量が４〜１７％であり、前記第３膜のＳｉ含有量が２１〜２５％であることを特徴とする請求項５に記載の冷媒圧縮機。
7. 前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、前記第１膜から前記第２膜にかけて連続的にＳｉ含有量が減少していくことを特徴とする請求項５または６に記載の冷媒圧縮機。
8. 前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、Ｓｉ含有量の異なるＤＬＣ−Ｓｉ膜の積層構造からなることを特徴とする請求項５または６に記載の冷媒圧縮機。
9. 前記第３膜は、厚みが０．５〜１μｍであり、前記第２膜上に積層されることを特徴とする請求項５または６に記載の冷媒圧縮機。

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