JP3585320B2 - 冷凍機用圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍機用圧縮機に係り、特にローラピストンとこれに従動するベーンとを持ったロータリ式の冷凍機用圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷媒には特定フロンＲ１２や指定フロンＲ２２を用いていた。特定フロンは化学的に安定で可燃性、毒性がなく、理想的な冷媒として広く利用され、長年に亘って使用されてきた。
【０００３】
ところが近時では、特定フロンが分子中に塩素原子を含み、これがオゾン層の破壊を引き起こすことが確かめられ、代替フロンの開発および使用が図られている。
【０００４】
実用性の高い代替冷媒として、塩素を含まないＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）と云った冷媒が挙げられている「油空圧技術’９４．６．」（日本工業出版発行）。
【０００５】
また、このＨＦＣ代替フロンは、塩素を含まないことによって、塩素を含んだ特定フロンＲ１２や指定フロンＲ２２のような潤滑性は発揮できない。従って、ＨＦＣ代替フロンの場合は特に、冷媒の流れによって圧縮機各部に持ち運んで供給する潤滑の面を重視して、また熱交換器効率の観点等からも、冷凍機油は冷媒との相溶性が必要である。特定フロンや指定フロンには鉱油やアルキルベンゼンが用いられていたが、これは前記代替フロンとの相溶性が極めて悪いために、代替冷媒に相溶性のあるエステル油を使用することが考えられている「油空圧技術’９４．６．」（日本工業出版発行）。
【０００６】
しかし、これら代替フロンＨＦＣおよびこれに相溶性のあるエステル油を採用すると、ロータリピストンやベーン等の摺接する部材に使用されている、例えば、ＦＣ２５等の鋳鉄、Ｓ−１５Ｃ等の炭素鋼、ＳＷＲＣＨ１０Ａ等の冷間鍛造鋼、ＳＣＭ４３５等の合金鋼、焼結合金、ステンレス鋼と云った金属材料の耐摩耗性が低下し、冷凍機を長期間安定して運転することができない。
【０００７】
これは、代替フロンＨＦＣに塩素が含まず潤滑性に劣る点に加え、エステル油は極性基を有しているために吸湿性が高く、吸湿した水分がエステル油を分解してカルボン酸を生成し、このカルボン酸は上記のようなベーンの材料である鋼表面を腐食させその疲労寿命を低下させる「油空圧技術’９４．６．」（日本工業出版発行）こと。また、エステル油の分解によって酸が発生し、これがベーン等の鉄系金属材料に浸入して応力腐食を生じさせること等によってもベーン等の寿命が低下する。
【０００８】
また、ローラピストンとベーンとの摺動状態は、代替冷媒による潤滑性が望めないために一部油膜が切れた境界潤滑状態になりやすく、この境界潤滑状態になっている部分で、双方が鋼どうしの供金構造であると双方間に凝着が生じて、摩耗が促進し寿命低下となる。
【０００９】
このように、ローラピストンやベーン等の寿命が短いと、メンテナンスフリーでしかも長寿命で運転される密閉型圧縮機の場合、ベーン等の寿命が圧縮機全体の寿命となるので特に問題となり、実用に耐えない。
【００１０】
特開平５−０８４３５７号公報は摺動部材の一方が鋳鉄からなり、他方がＰＶＤ法によってＣｒＮを主成分とする化合物の保護膜を表面に有する鉄系金属材からなる冷凍機用圧縮機を開示している。
【００１１】
また、特開平７−１４５７８７号公報は、ベーンがクロムを含有する鉄系合金鋼あるいは鉄系焼結材からなり少なくともその先端部に窒化処理を施し鉄とクロムと窒素の化合物層を形成した後、その先端部表面にのみ窒化クロムのセラミックコーティングを保護膜として施した冷凍機用圧縮機を開示している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
これら公報に開示のＣｒＮを主成分とする保護膜は、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶な冷凍機油を用いた環境においても優れた耐摩耗性を発揮する。しかし、これらのものでも、保護膜がときとして早期に剥離し、十分な寿命を保証できないことがある。これを実験を繰り返し確認したところ、図８の（ａ）、（ｂ）に示すように、ベーンａの先端に施された保護膜ｂはローラピストンとの摺動によって、まずベーンａ先端の長手方向に沿ったクラックｃが入る。次いでこのクラックｃのエッジにローラピストンとの矢印で示す摺動方向の摩擦力が働くことによって、クラックｃは幅方向の外力Ｆを受けて幅方向に拡がりながら、早期に剥離すると云った剥離のパターンの多いことが分かった。
【００１３】
ベーンａはローラピストンとの間の摺動部に隙間ができないように高精度に研磨仕上げされる。しかし、顕微鏡レベルで見ると、保護膜ｂの表面は図８の（ａ）、（ｂ）に示すように幅方向にできる波型の凹凸が、ベーンａの先端の長手方向に線状に連続している。これは、イオンプレーティング法では特に寸法精度よく均一な厚みの保護膜ｂが形成されることからベーンａの先端の研磨仕上げした面の凹凸形状に忠実に沿ったものであり、このようなベーンａの素地先端の凹凸は、図に示すように砥石ｊの成形用のアール溝ｋにベーンａの先端を当てがいながら、先端の長手方向に移動させて研磨することによってできる。
【００１４】
このため、ベーンａがローラピストンと摺動するとき、保護膜ｂはこれの波型の凸部ｂ１がローラピストンと最も強く線状に摺接し、しかもこの背部にあるベーンａの先端部素地にできている凸部ａ１とローラピストンとの間で最も強く圧迫される。このため硬質であるＣｒＮはそれら強い摺接と圧迫とによるストレスが原因で上記のようなベーンａの先端部の長手方向のクラックｃが保護膜ｂの凸部ｂ１の稜線に沿って発生し、剥離の原因になると考えられる。
【００１５】
これらのことは、保護膜ｂがベーンａの先端部にだけ形成されているか、全表面に形成されているかの違いにかかわらず、同様に生じる。
【００１６】
一方、前記のような保護膜ｂは、例えばＰＶＤ法により形成することができる。ＰＶＤ法には、真空や放電を用いる方法、あるいは気相の分解による方法などがある。いずれの方法を利用することもできるが、特にイオンプレーティング法は操作しやすく、かつイオン化した粒子やガスが入射されて基材上での反応が期待でき結晶化が進むので保護膜ｂの密着性がよく好適である。イオンプレーティング法には、反応性イオンプレーティング法や高周波イオンプレーティング法があるがどちらの場合も保護膜ｂの形成に適している。
【００１７】
図１１は反応性イオンプレーティング法を採用したＰＶＤ装置を示している。
【００１８】
この装置の真空槽ｄ内は１０^−３Ｔｏｒｒ程度の圧力にしておく。蒸気源は電子銃ｅを用いてＣｒを蒸発させる。イオン電極ｆには５０Ｖ程度の正電圧をバイアスしておき、蒸発したＣｒをイオン化する。イオン化したＣｒは負の電圧をバイアスした基材ｇへ向かって加速されるので、高い運動エネルギーを持って基材ｇへ衝突する。反応ガスとして窒素ガスＮを用いれば、ＣｒＮｘを主成分とする化合物層が基材ｇの表面にできる。
【００１９】
しかし、イオンプレーティング法では、ベーンａを基材としてこれの表面に保護膜ｂを形成するとき、ベーンａのコーナー部ａ２に電荷が集中し、コーナー部ａ２に他の部分よりも反応と結晶化が進み、保護膜ｂが図１２のようにミクロン単位ではあるが盛り上がり部ｂ２ができる。ベーンａはシリンダｉとの間をミクロン単位の隙間を持って摺動するが、前記のような盛り上がり部ｂ２は図１３に示すようにシリンダｉやローラピストンｈに傷を付けるなどして早期冷媒漏れを来し、製品寿命を短くすることがある。
【００２０】
本発明は上記のような問題を解消することを課題とし、ベーンなどの摺動部材に設けられる耐摩耗性の保護膜が他との摺動によっても早期剥離せず、また、保護膜が摺動部材のコーナー部で盛り上がって他部材に傷を付けるようなことがなく、摺動部材による寿命低下の問題のない冷凍機用圧縮機を提供することを目的とするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、請求項１の発明の冷凍機用圧縮機は、ローラピストンとこれに従動するベーンとを持ち、ベーンの少なくともローラピストンと摺接する先端部の素地表面に耐摩耗性の保護膜を形成した冷凍機用圧縮機において、ベーンの保護膜が形成された先端部の素地表面がローラピストンとの摺接方向に研削等の仕上げ加工を施されたものであることを特徴とするものである。
【００２２】
このような構成では、ベーンの少なくともローラピストンと摺動する先端部に設けられる耐摩耗性の保護膜が、請求項７の発明のように、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶な冷凍機油を用いた環境下でのローラピストとの摺動によっても十分な耐摩耗性を発揮し、かつ境界潤滑状態での凝着を防止する材質的特徴を持っている。ベーンのローラピストンと摺動する先端部の素地表面は、ローラピストンとの摺接方向に研削等の仕上げ加工が施されていることによって、顕微鏡レベルで見た凹凸がローラピストンとの摺接方向に連続する状態になり、この表面に施される保護膜の凹凸も同様にローラピストンとの摺接方向に連続する状態になる。この場合、保護膜の凸部がローラピストンと最も強く圧接し、かつ背部にあるベーンの凸部とローラピストンとにより圧迫されることによって保護膜の凸部の稜線に沿ったクラックが入ることがあっても、このクラックの方向は保護膜の凸部が連続するローラピストンとの摺接方向である。このため、保護膜とローラピストンとの摺動による摩擦抵抗の外力がクラックを起点にして保護膜に働く方向は、クラックの長手方向となり、クラックを幅方向に拡げる向きにはならないので、保護膜の早期剥離に繋がらず、請求項２の発明のように、ベーンが鉄系金属であり、保護膜がＰＶＤ法により形成されたもの、および請求項３の発明のように非鉄金属層がＣｒＮ化合物を主成分とするものであるようなものをも含め、保護膜の前記保護機能および凝着防止機能を長期に発揮させてベーンおよびローラピストンの寿命を延ばし、ローラピストンおよびベーンによって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを解消することができる。
【００２３】
請求項４の発明の冷凍機用圧縮機は、ローラピストンとこれに従動するベーンとを持ち、ローラピストンおよびベーンの一方の素地表面にイオンプレーティング法による耐摩耗性の保護膜が形成されている冷凍機用圧縮機において、ローラピストンおよびベーンの保護膜が形成された素地のコーナー部にアールが形成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
このような構成では、ローラピストンおよびベーンの一方の表面に設けられる耐摩耗性の保護膜が、イオンプレーティング法によって形成されたもので、請求項５の発明のようなＣｒＮ化合物を主成分とするものと云った高い耐摩耗性材料からなるものであっても高い密着性を持って膜形成できる上、ローラピストンおよびベーンの保護膜が設けられる素地のコーナー部がアールを有していることにより、イオンプレーティング法で保護膜が形成されるときのコーナー部への電荷の集中を防止して、電荷の集中によってコーナー部にでき勝ちな保護膜の盛り上がり部のないものとすることができ、保護膜の盛り上がり部がシリンダ等の摺動他部材に傷を付けるなどして早期冷媒漏れを起こすようなことを防止し、前記のように保護膜に高い密着性が得られて長寿命であることを十分に活かせるようにし、請求項６の発明のように、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶な冷凍機油を用いた環境下でのローラピストンとの摺動によっても、優れた耐摩耗性と境界潤滑状態での凝着防止とによって、ローラピストンおよびベーンによって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを解消することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の幾つかの実施の形態の冷凍機用圧縮機について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
本実施の形態１の冷凍機用圧縮機は、図１に示すように、ローラピストン１とこれに従動するベーン２とを持ち、シリンダ３内でローラピストン１がベーン２の摺動を伴って偏心回転することにより、低温低圧のガス冷媒をシリンダ３内に吸入して圧縮し、これを高温高圧のガス冷媒として送り出し、冷凍サイクルに繰り返し供する。
【００２７】
ローラピストン１およびベーン２は従来から採用されている鉄系金属がよく、例えば、鋳鉄、炭素鋼、冷間鍛造鋼、合金鋼、焼結合金、ステンレス鋼と云ったものが好適であり、ローラピストン１は高速度鋼または鋳鉄熱処理品であるのが特に好適である。
【００２８】
ベーン２はローラピストン１と摺接する先端部２ａの素地表面に耐摩耗性の保護膜４を形成してあるが、ベーン２の表面全体に保護膜４を施してもよいのは勿論である。ベーン２の保護膜４が形成された先端部２ａの素地表面は図に矢印Ａで示すローラピストン１との摺接方向に研削等の仕上げ加工が施されている。
【００２９】
このような仕上げ加工は図４に示すように、平砥石１１の円筒面にベーン２の基材２１先端部２１ａを当てがって後方側を図に矢印Ｂで示す方向に揺動させることにより、幅方向に湾曲した所定の湾曲面に研削仕上げする。湾曲面を円弧面とするときは、例えば図４に示すように軸１２を中心に揺動できるようにしたケース１３内にベーン２の基材２１を挿入して保持し、基材２１の先端部を平砥石１１の円筒面に当接しながら、ケース１３を軸１２を中心に揺動させることにより、正確な円弧面に研削仕上げすることができる。もっとも、このような加工は、他の保持機構やガイドを用いたり、あるいはそのようなものを用いず人手の操作だけで行うなど、どのようにもできる。
【００３０】
ベーン２の先端部２ａの素地はこのように加工されていて、加工された表面を顕微鏡レベルで見ると、図２、図３に示すような凹凸ができている。この凹凸はローラピストン１との摺接方向に連続する状態になり、この表面に施される保護膜４の凹凸も同様にローラピストン１との摺接方向に連続する状態になる。
【００３１】
ベーン２の少なくともローラピストン１と摺動する先端部２ａに設けられる耐摩耗性の保護膜４は、ＣｒＮ化合物が好適であるが、これに限られることなく同様な特性を発揮する他の金属材料であってもよい。この保護膜４は、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶な冷凍機油であるエステル油を用いた環境下でのローラピストン１との摺動によっても十分な耐摩耗性と、ローラピストン１との境界潤滑状態での凝着の防止機能とを発揮できる材質的特徴を持っている。
【００３２】
ところで、ベーン２のローラピストン１と摺動する先端部２ａの素地表面は、前記のようにローラピストン１との摺接方向に研削等の仕上げ加工が施されていることによってできた凹凸、およびこれの上に施された保護膜４の凹凸は、それぞれ、矢印Ａで示すローラピストン１との摺接方向に連続しているので、保護膜４の凸部４ａがローラピストン１と最も強く圧接し、かつ背部にあるベーン２の凸部２ａ１とローラピストン１とにより圧迫されることによって、図２、図３に示すような凸部２ａ１の稜線に沿ったクラック３１が入ることがある。
【００３３】
しかし、このクラック３１の長手方向は保護膜４の凸部４ａが連続する方向、つまりローラピストン１との摺接方向である。このため、保護膜４とローラピストン１との摺動による摩擦抵抗の外力Ｆが保護膜４にクラック３１を起点として働く方向は、図２に示すようにクラック３１の長手方向に一致し、クラック３１を幅方向に拡げる向きにはならないので、保護膜４の早期剥離に繋がらず、ベーン２が鉄系金属であり、前記のように保護膜が硬質でクラック３１が入りやすいＣｒＮ化合物を主成分とするものであっても、保護膜４の前記耐摩耗性および境界潤滑状態での凝着防止の保護機能を長期に発揮させてローラピストン１およびベーン２の寿命を延ばし、ベーン２によって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを解消することができる。
【００３４】
保護膜４はＰＶＤ法にて形成すると、装置や操作が簡単で低コストで済む。特にイオンプレーティング方法にて形成すると、高い密着性が得られるが、それを十分に活かすことができる。
【００３５】
一実施例を示すと、ベーン２の保護膜４を形成する例えば先端部２ａの表面粗さをＲｍａｘ０．１〜０．５μｍ程度、ＰＶＤ法により形成する保護膜４の厚みを０．５〜６μｍ程度に設定して好結果が得られた。しかし、場合によってはこの範囲を越えることもできる。
【００３６】
（実施の形態２）
図５は本実施の形態２を示し、ベーン２の表面全体に保護膜４をイオンプレーティング法によって形成してあり、ベーン２のコーナー部にアール２ｂが施されている点で、実施の形態１の場合と異なる。他の構成および奏する作用効果は実施の形態１と変わらない。従って、同じ部材には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。アール２ｂは、バフ研磨、ＮＣ加工、成形砥石等による加工で容易に形成できる。しかし、これに限られることはない。他の種々な方法を採用することができる。
【００３７】
このように、ベーン２の表面の耐摩耗性の保護膜４は、イオンプレーティング法によって形成したもので、実施の形態１のようなＣｒＮ化合物を主成分とするものと云った高い耐摩耗性材料からなるものを高い密着性を持って形成できる上、ベーン２の素地のコーナー部がアール２ｂを有していることにより、イオンプレーティング法で保護膜４が形成されるときのコーナー部への電荷の集中を防止して、電荷の集中によってコーナー部にでき勝ちな保護膜の盛り上がり部のないものとすることができる。
【００３８】
これによって、保護膜４の盛り上がり部がシリンダやローラピストン１の摺動他部材に傷を付けるなどして早期冷媒漏れを起こすようなことを防止し、前記のように保護膜４に高い密着性が得られて長寿命であることを十分に活かせるようにし、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶なエステル油を冷凍機油として用いた環境下でのローラピストン１との摺動によっても、ベーン２によって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを解消することができる。
【００３９】
一実施例を示すと、アール２ｂは、半径Ｒが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定して好適であった。しかし、場合によっては、この範囲を越えることもできる。
【００４０】
なお、本実施の形態２の保護膜とコーナー部のアールとを、ベーン２に代えてローラピストンに適用しても同様な作用効果を発揮することができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図７は本実施の形態３を示し、ローラピストン１の表面に保護膜４をイオンプレーティング法によって形成したもので、コーナー部にアール１ａを設けてある。これによって、保護膜４はベーンとの間に高い耐摩耗性と境界潤滑状態での凝着防止機能とを奏する上に、ベーンやシリンダの摺動他部材に対し、実施の形態２のベーン２が摺動他部材に及ぼすのと同等の作用効果を発揮し、ローラピストン１およびブレーンによって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを防止することができる。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１の発明の冷凍機用圧縮機によれば、ベーンの少なくともローラピストンと摺動する先端部に設けられる耐摩耗性の保護膜が、請求項６の発明のように、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶な冷凍機油を用いた環境下でのローラピストとの摺動によっても十分な耐摩耗性と境界潤滑状態での凝着防止機能とを発揮し、ベーンのローラピストンと摺動する先端部の素地表面と、この表面に施される保護膜との顕微鏡レベルで見た凹凸がローラピストンとの摺接方向に連続して状態で、保護膜の凸部がローラピストンと最も強く圧接し、かつ背部にあるベーンの凸部とローラピストンとにより圧迫されることによって凸部の稜線に沿ったクラックが入ることがあっても、このクラックの方向は保護膜の凸部が連続するローラピストンとの摺接方向であって、保護膜とローラピストンとの摺動による摩擦抵抗はクラックの長手方向に働き、クラックを幅方向に拡げる向きにはならないので、早期剥離に繋がらず、請求項２の発明のように、ベーンが鉄系金属であり、保護膜がＰＶＤ法により形成されたもの、および請求項３の発明のように非鉄金属層がＣｒＮ化合物を主成分とするものであるようなものをも含め、保護膜の前記耐摩耗性と凝着防止による保護機能を長期に発揮させてベーンの寿命を延ばし、ベーンによって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを解消することができる。
【００４３】
請求項４の発明の冷凍機用圧縮機によれば、ローラピストンおよびベーンの表面の一方に設けられる耐摩耗性の保護膜は、イオンプレーティング法によって形成されたもので、請求項５の発明のようなＣｒＮ化合物を主成分とするものと云った高い耐摩耗性材料からなるものであっても高い密着性が得られる上、ローラピストンおよびベーンの保護膜が形成される素地のコーナー部がアールを有して、イオンプレーティング法で保護膜が形成されるときのコーナー部への電荷の集中と、これによりコーナー部にでき勝ちな保護膜の盛り上がり部がなく、保護膜の盛り上がり部がシリンダやローラピストンに傷を付けるなどして早期冷媒漏れを起こすようなことを防止して、前記のように保護膜に高い密着性が得られることを十分に活かせるようにし、請求項６の発明のように、塩素を含まない代替冷媒およびこれに相溶な冷凍機油を用いた環境下でのローラピストとの摺動によっても、ローラピストンおよびベーンの間の十分な耐摩耗性と境界潤滑状態での凝着防止とによって、ローラピストンおよびベーンによって冷凍機用圧縮機の寿命が短くなるようなことを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１としての冷凍機用圧縮機を示す概略断面図である。
【図２】図１の圧縮機が用いているベーンの一部を示す斜視図である。
【図３】図２のベーンの一部の拡大断面図である。
【図４】図２のベーンの加工状態を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２を示すベーンの一部の斜視図である。
【図６】図５のベーンの方向を２通りに変えて断面した断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３を示すローラピストンの断面図である。
【図８】従来のベーンを示す一部の斜視図および断面図である。
【図９】図８のベーンの加工方法を示す斜視図である。
【図１０】図８のベーンの別の加工方法を示す斜視図である。
【図１１】イオンプレーティング法による保護膜形成状態を示す模式図である。
【図１２】従来のイオンプレーティング法により形成されたブレーンの保護膜の状態を示す斜視図である。
【図１３】図１２のブレーンの使用状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ローラピストン
１ａ アール
２ ベーン
２ａ 先端部
３ シリンダ
４ 保護膜

Claims (6)

1. ローラピストンとこれに従動するベーンとを持ち、ベーンの少なくともローラピストンと摺接する先端部の素地表面に耐摩耗性の保護膜を形成した冷凍機用圧縮機において、
   ベーンの保護膜が形成された先端部の素地表面がローラピストンとの摺接方向に研削等の仕上げ加工を施されたものであることを特徴とする冷凍機用圧縮機。
2. ベーンは鉄系金属であり、保護膜はＰＶＤ法により形成された非鉄金属層である請求項１に記載の冷凍機用圧縮機。
3. 非鉄金属層はＣｒＮ化合物を主成分とするものである請求項２に記載の冷凍機用圧縮機。
4. ローラピストンとこれに従動するベーンとを持ち、ローラピストンおよびベーンの一方の素地表面にイオンプレーティング法による耐摩耗性の保護膜が形成されている冷凍機用圧縮機において、
   ローラピストンおよびベーンの保護膜が形成された素地のコーナー部にアールが形成されていることを特徴とする冷凍機用圧縮機。
5. 保護膜はＣｒＮ化合物を主成分とするものである請求項４に記載の冷凍機用圧縮機。
6. 冷媒はＨＦＣ系のものを使用し、冷凍機油は冷媒に相溶性のあるエステル油を使用する請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍機用圧縮機。

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