JP6132211B2 - 摺動部材およびこれを用いた冷媒圧縮機、並びに、冷蔵庫およびエアーコンディショナー - Google Patents
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Description
本発明は、冷蔵庫、エアーコンディショナー等に用いられる冷媒圧縮機が備える摺動部材と、この摺動部材を用いた冷媒圧縮機と、冷蔵庫およびエアーコンディショナー等を代表する、前記冷媒圧縮機を用いた冷凍サイクルを有する製品とに関する。
近年、地球環境保護の観点から化石燃料の使用を減らすために、高効率の冷媒圧縮機の開発が進められている。冷媒圧縮機の高効率化を図る手法の一つとして、例えば、冷媒圧縮機が備える摺動部において、その摺動面に作用する面圧を低下させ、円滑な摺動を実現することが挙げられる。
冷媒圧縮機が備える摺動部は、複数の摺動部材が互いに摺動面を介して組み合わせられることにより構成されている。具体的な摺動部としては、例えば、クランクシャフトの主軸部および軸受部、ピストンおよびボアー、スラスト部およびスラストワッシャ、ピストンピンおよびコンロッド、クランクシャフトの偏心軸およびコンロッド等といった摺動部材の組合せが挙げられる。
摺動部の円滑な摺動を実現する技術としては、例えば、特許文献１に開示されている密閉型コンプレッサが挙げられる。この密閉型コンプレッサは、密閉ケース内に電動機および圧縮機械を収容しており、この圧縮機械の摺動部を構成する一方の摺動部材に、リン酸マンガン系被膜等のリン酸塩皮膜を形成している。このリン酸塩皮膜は、多孔質結晶体からなる不溶解性被膜である。
図１３に模式的に示すように、摺動部が第一摺動部材３１と第二摺動部材４１とで構成されており、第二摺動部材４１の摺動面に、多孔質結晶体からなる不溶解性のリン酸塩皮膜２０が形成されている。具体的な例を挙げると、摺動部がボアーおよびピストンからなる構成であれば、ボアーが第一摺動部材３１となり、ピストンが第二摺動部材４１となる。また、摺動部がクランクシャフトの主軸部および軸受部からなる構成であれば、軸受部が第一摺動部材３１となり、主軸部が第二摺動部材４１となる。
このように一方の摺動部材にリン酸塩皮膜２０を形成すれば、両方の摺動部材が金属製であっても、摺動面として、第一摺動部材３１の金属面と第二摺動部材４１のリン酸塩皮膜２０の面とが接触することになる。それゆえ、摺動面において、金属面同士が接触する可能性を有効に抑制することができる。また、リン酸塩皮膜２０が多孔質結晶体であるため、摺動面同士の間で潤滑油の保持性を向上することも可能となる。その結果、摺動部では、円滑な摺動が実現される。
また、特許文献１には、リン酸塩皮膜２０を形成することで、摺動面の機械加工仕上げの加工面を消すことができるため、摺動部を構成する摺動部材同士の初期なじみを良好にできることも記載されている。
まず、リン酸塩皮膜２０による金属面同士の接触の抑制について説明する。例えば、摺動部がボアーおよびピストンからなる構成であれば、ボアーおよびピストンの間隔は、通常、漏れ損失をできる限り小さくするために、非常に狭くなっている。そのため、ボアーおよびピストンの形状、精度ばらつき等の諸条件によっては、ボアーとピストンとの摺動面は、部分的に相互に接触する可能性がある。このような部分的な接触は、ピストンが上死点または下死点に達して摺動速度が零になった場合に生じやすい。図１３に示すように、ピストン（第二摺動部材４１）の摺動面にリン酸塩皮膜２０が形成されていれば、金属面が露出しないため、ピストンの金属面がボアーの金属面に直接接触することが回避される。
次に、リン酸塩皮膜２０による潤滑油の保持性の向上について説明する。圧縮機械が備えるクランクシャフトの回転に伴ってオイルポンプが作用し、これにより、潤滑油が各摺動部に給油され、各摺動部は潤滑される。ここで、前記と同様に、摺動部がボアーおよびピストンからなる構成であれば、図１３に示す摺動部では、ピストン（第二摺動部材４１）の表面のリン酸塩皮膜２０により潤滑油が保持される。保持された潤滑油は、ボアーおよびピストンの円滑な摺動に寄与するとともに、ボアーおよびピストンの間でシールの役割を果たす。
しかしながら、近年、冷媒圧縮機の高効率化が進んでいるため、特許文献１に開示されるリン酸塩皮膜では、金属面同士の接触を有効に抑制したり潤滑油の保持性を有効に向上させたりすることが困難となっている。
具体的には、冷媒圧縮機を高効率化させるために、より低粘度の潤滑油が用いられる傾向にあり、また、摺動部の設計上、摺動面積を縮小したり摺動長さを短くしたりすることが行われている。潤滑油の粘度が比較的高ければ、リン酸塩皮膜の多孔質結晶体の形状によって潤滑油が良好に保持されたが、潤滑油の粘度が低くなれば、多孔質結晶体による保持性が低下するおそれがある。
潤滑油の保持性が低下すれば、摺動部材同士の摺動が良好に潤滑されず、摺動面への負荷が増大する可能性がある。また、潤滑油が良好に保持されないと摺動部材同士の間でのシール性も低下するので、圧縮の効率に影響を及ぼすおそれがある。
さらに、摺動面の負荷が増大すると、リン酸塩皮膜が摩耗または摩滅する可能性が高くなる。これにより、摺動部材同士のなじみ効果が持続されなくなり、摺動面の耐摩耗性が低下するおそれがある。また、リン酸塩皮膜が摩耗した箇所は金属面が露出した状態となるので、摺動面において金属面同士が接触する可能性が増加するおそれがある。
しかも、摺動部材の表面にリン酸塩皮膜を形成する過程では、摺動部材の本体（母材）がエッチングされる場合がある。それゆえ、リン酸塩皮膜の摩耗により露出した金属面は、円滑面ではなく、エッチングにより凹凸の生じた粗面となる。その結果、摺動面そのものの耐摩耗性がより一層低下するおそれがある。
加えて、摺動部の種類によっては、潤滑油に溶け込んだ冷媒ガスによってリン酸塩皮膜が摩耗しやすくなる可能性がある。
例えば、摺動部がクランクシャフトの主軸部および軸受部からなる構成であれば、クランクシャフトが一回転する間に、クランクシャフトの主軸部にかかる荷重（負荷）は大きく変動する。主軸部および軸受部の間には潤滑油が保持されているが、主軸部への荷重の変動によって潤滑油に溶け込んだ冷媒ガスが発泡する可能性がある。冷媒ガスが発泡すると摺動面の間で潤滑油が少ない状態が生じるため、主軸部の摺動面と軸受部の摺動面とが部分的に接触するおそれがある。
それゆえ、冷媒ガスの発泡の頻度が増加すれば、摺動面同士の部分的な接触も増加し、その結果、主軸部の表面に形成されたリン酸塩皮膜が摩耗しやすくなり、摺動面の摩擦係数の上昇を招く。摩擦係数の上昇は摺動部の発熱を促進して、摺動面の異常摩耗が生じる可能性を増大させることになる。このような現象は、ボアーおよびピストン等の他の摺動部でも同様に生じる可能性がある。
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あって、摺動面の耐摩耗性を向上させた摺動部材と、この摺動部材を摺動部に用いることにより、良好な信頼性および高効率化を実現し得る冷媒圧縮機およびこれを用いた冷凍サイクルを有する製品とを提供することを目的とする。
本発明に係る摺動部材は、前記の課題を解決するために、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機が備える、潤滑油が貯留される密閉容器内の摺動部に用いられる摺動部材であって、（１）母材が鉄系材料で構成されており、かつ、当該母材の表面上に、最表面から順に、Ｆｅ2Ｏ3で構成される第一層、Ｆｅ3Ｏ4で構成される第二層、およびＦｅＯで構成される第三層からなる三層構造の酸化皮膜が形成されている構成であるか、（２）高低差が０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲内にある小さな凹凸を有する緻密な酸化皮膜が、母材の表面上に形成されている構成であるか、または、（３）母材が鉄系材料で構成されており、かつ、当該母材の表面上に、酸化鉄を含有し、かつ、硬度が異なる三層構造の酸化皮膜が形成されている構成である。
また、本発明に係る摺動部材は、前記（１）から（３）の構成のいずれか２つを備えていてもよく、前記（１）から（３）の全てを備えていてもよい。
また、本発明に係る冷媒圧縮機は、前記の課題を解決するために、潤滑油が貯留される前記密閉容器と、当該密閉容器内に収容される電動要素と、前記密閉容器内に収容され、前記電動要素を駆動し冷媒を圧縮する圧縮要素とを備え、当該圧縮要素には、前記（１）から（３）の少なくともいずれかの構成の摺動部材を用いた摺動部が含まれている構成である。
さらに、本発明には、前記冷媒圧縮機を備えている冷蔵庫、または、前記冷媒圧縮機を備えているエアーコンディショナー等、本発明に係る冷媒圧縮機を用いた冷凍サイクルを有する製品も含まれる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明では、以上の構成により、摺動面の耐摩耗性を向上させた摺動部材と、この摺動部材を摺動部に用いることにより、良好な信頼性および高効率化を実現し得る冷媒圧縮機およびこれを用いた冷凍サイクルを有する製品とを提供することができる、という効果を奏する。
本発明に係る摺動部材は、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機が備える、潤滑油が貯留される密閉容器内の摺動部に用いられ、母材が鉄系材料で構成されており、かつ、当該母材の表面上に、最表面から順に、Ｆｅ2Ｏ3で構成される第一層、Ｆｅ3Ｏ4で構成される第二層、およびＦｅＯで構成される第三層からなる三層構造の酸化皮膜が形成されている構成であればよい。
前記構成によれば、前記酸化皮膜が、母材の酸化物である酸化鉄系の三層構造であるため、各層の層間密着性が向上する。これにより、各層の剥離または剥離物の凝着等といった異常発生を抑制することができる。それゆえ、摺動部材の耐摩耗性が向上するため、摺動部材の信頼性も向上するとともに摺動ロスを低減することが可能となる。その結果、当該摺動部材を用いた冷媒圧縮機の良好な信頼性および高効率化を実現することが可能となる。
前記構成の摺動部材においては、前記第一層の層厚をＴ１、前記第二層の層厚をＴ２、前記第三層の層厚をＴ３としたときに、Ｔ１：Ｔ２：Ｔ３が５〜２０：１０〜５０：３０〜８５の範囲内にあってもよい。
前記構成によれば、例えば、摺動部を構成する一方の摺動部材の摺動面に酸化皮膜を形成することで、当該摺動面の攻撃性、すなわち、「相手材」となる他方の摺動部材の摺動面に対する攻撃性を低下させることができる。これにより、摺動部材の信頼性を向上することができる。
前記構成の摺動部材においては、前記第三層が、アモルファス構造のＦｅＯで構成されてもよい。
前記構成によれば、第三層と母材との密着性を向上することが可能となるため、母材の表面から酸化皮膜の剥離を抑制することが可能となる。それゆえ、摺動部材の信頼性をさらに向上することができる。
前記構成の摺動部材においては、前記第一層、前記第二層および前記第三層からなる酸化皮膜の膜厚が１μｍ〜３μｍの範囲内にある構成であってもよい。
前記構成によれば、摺動部材の表面に形成される酸化皮膜の膜厚が、より好ましい範囲内となるので、耐摩耗性をより一層向上させることができる。それゆえ、摺動部材の信頼性をより一層向上することができる。
前記構成の摺動部材においては、少なくとも、前記第一層は、酸化鉄粒子が層状に集合した構成となっており、前記酸化鉄粒子の粒径は、０．１μｍ〜４．０μｍの範囲内である構成であってもよい。
前記構成によれば、少なくとも第一層が所定範囲内の酸化鉄粒子により構成されているので、摺動面同士の実体的な接触面積を小さくすることが可能となる。それゆえ、摺動面の摩擦係数を低減することが可能となるので、摺動ロスをより一層低減し、摺動効率を向上させることができる。
また、本発明に係る摺動部材は、前記の課題を解決するために、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機が備える、潤滑油が貯留される密閉容器内の摺動部に用いられ、高低差が０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲内にある小さな凹凸を有する緻密な酸化皮膜が、母材の表面上に形成されている構成であってもよい。
前記構成によれば、摺動面にナノメートルレベルの小さな凹凸が形成されるため、当該凹凸に由来する毛細管現象によって、潤滑油を良好に吸い上げることができ、摺動部において良好な潤滑油の保持性を実現することができる。特に、低粘度の潤滑油（高効率化された冷媒圧縮機で使用されることが多い）であっても、当該潤滑油を良好に吸い上げて保持することができる。それゆえ、摺動部材の耐摩耗性が向上するため、摺動部材の信頼性も向上するとともに摺動ロスを低減することが可能となる。その結果、当該摺動部材を用いた冷媒圧縮機の良好な信頼性および高効率化を実現することが可能となる。
前記構成の摺動部材においては、前記酸化皮膜は、酸化物粒子が前記母材の表面に集合して敷設されることにより形成されており、互いに隣接する前記酸化物粒子の頂点同士の間隔が４μｍ以下となるように緻密に集合している構成であってもよい。
前記構成によれば、酸化物粒子と酸化物粒子との間にくぼみが形成され、このくぼみが小さな凹凸として機能する。それゆえ、このくぼみに潤滑油が溜まりやすくなり、かつ、このくぼみから摺動面に潤滑油がにじみ出やすくなる。その結果、潤滑油の保持性をより一層向上させることができ、耐摩耗性をより一層向上させることができる。
また、本発明に係る摺動部材は、前記の課題を解決するために、冷媒を圧縮する冷媒圧縮機が備える、潤滑油が貯留される密閉容器内の摺動部に用いられ、母材が鉄系材料で構成されており、かつ、当該母材の表面上に、酸化鉄を含有し、かつ、各層の硬度が異なる少なくとも三層構造の酸化皮膜が形成されている構成であってもよい。
前記構成によれば、摺動部材の摺動面に、硬度の異なる酸化鉄系の三層構造の酸化皮膜を形成するので、母材との間で良好な密着性を実現できる。また、例えば、摺動部を構成する一方の摺動部材の摺動面に酸化皮膜を形成することで、当該摺動面の攻撃性、すなわち、「相手材」となる摺動部材の摺動面に対する攻撃性を低下させることができる。それゆえ、摺動部材の耐摩耗性が向上するため、摺動部材の信頼性も向上するとともに摺動ロスを低減することが可能となる。その結果、当該摺動部材を用いた冷媒圧縮機の良好な信頼性および高効率化を実現することが可能となる。
前記構成の摺動部材においては、前記三層構造のうち、最表面に位置する第一層の硬度は、中間層である第二層の硬度以下であり、前記母材上の第三層の硬度は、当該母材の硬度より大きく、かつ、前記第二層の硬度より小さい構成であってもよい。
前記構成によれば、第一層の硬度が第二層の硬度以下であることから、「相手材」となる摺動部材の摺動面に対してなじみ現象を生じやすくすることができる。また、第二層の硬度が高いため、酸化皮膜の硬度を向上させることができる。また、第三層の硬度が前記の通りであるので、母材と第三層との密着性、並びに、第三層と第二層との密着性をそれぞれ向上させることができる。これにより、第一層により、摩擦係数の低減が可能となるため「相手材」に対する攻撃性をより低下させることが可能となり、また、第二層により耐摩耗性を向上させることができ、第三層により、酸化皮膜の剥離を抑制することも可能となる。それゆえ、摺動部材の摩耗量を低下させ、かつ、摩擦係数も低減させることが可能となるので、摺動部材の信頼性を向上させることができる。
前記構成の摺動部材においては、前記第一層は、最表面の硬度が２００Ｈｖ〜３００Ｈｖの範囲内であり、前記第一層と前記第二層との近傍では、その硬度が５００Ｈｖ〜６００Ｈｖの範囲内であり、前記第二層の硬度は、５００Ｈｖ〜６００Ｈｖの範囲内であり、前記第三層の硬度は、２００Ｈｖ〜４００Ｈｖの範囲内であり、前記母材の硬度は、１００Ｈｖ〜２００Ｈｖの範囲内である構成であってもよい。
前記構成によれば、第一層による「相手材」に対するなじみ現象をより良好なものとすることができ、かつ、中間層（第二層）が高硬度であるため耐摩耗性をより向上させることが可能となり、かつ、第三層が母材および第二層との間での密着性をより良好なものにできる。
前記構成の摺動部材においては、前記第一層の層厚は、０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲内であり、前記第二層の層厚は、０．１μｍ〜０．８μｍの範囲内であり、前記第三層の層厚は、０．２μｍ〜２．０μｍの範囲内である構成であってもよい。
前記構成によれば、各層の層厚が前記範囲内にあることで、第一層の摩耗量の増加を抑制でき、第二層の脆化を抑制でき、第三層に加えられる応力を良好なものにできるので、各層の剥離を有効に抑制し、かつ、耐摩耗性の向上を図ることができる。
また、本発明に係る冷媒圧縮機は、前記の課題を解決するために、潤滑油が貯留される前記密閉容器と、当該密閉容器内に収容される電動要素と、前記密閉容器内に収容され、前記電動要素を駆動し冷媒を圧縮する圧縮要素と、を備え、当該圧縮要素には、前記いずれかの構成の摺動部材を用いた摺動部が含まれている構成である。
前記構成によれば、摺動部を構成する複数の摺動部材同士で、摺動面の接触を有効に回避することが可能となる。それゆえ、摺動ロスを低減するため摺動部への入力損失も低減することができる。その結果、冷媒圧縮機において良好な信頼性および高効率化を実現することが可能となる。
前記構成の冷媒圧縮機においては、前記圧縮要素は、主軸部および偏心軸を備えたクランクシャフトと、前記主軸部を回転自在に軸支する軸受部と、当該軸受部に形成されたスラスト部と、圧縮室を形成するボアーを有するシリンダーブロックと、前記圧縮室内を往復動するピストンと、前記偏心軸と平行に配置され前記ピストンに固定されたピストンピンと、前記偏心軸と前記ピストンを連結するコンロッドと、を備え、前記摺動部材は、前記クランクシャフト、前記スラスト部、前記シリンダーブロックの前記ボアー、前記ピストン、前記ピストンピン、前記コンロッドの少なくともいずれか１つであればよい。
前記構成によれば、少なくともいずれか１つの摺動部において、当該摺動部を構成する少なくとも一方の摺動部材が、その摺動面に酸化皮膜を形成している。これにより、摺動部材の耐摩耗性が向上し、摺動部の摺動ロスを低減して入力損失の低減を図ることができる。その結果、冷媒圧縮機においてより良好な信頼性および高効率化を実現することができる。
前記構成の冷媒圧縮機においては、前記電動要素は、少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動される構成であってもよい。
前記構成によれば、電動要素による圧縮要素の駆動速度が遅い場合であっても、摺動部において良好な摺動を実現することができる。これにより、冷媒圧縮機の圧縮能力をより一層向上させることができる。
前記構成の冷媒圧縮機においては、前記潤滑油は、粘度がＶＧ３〜ＶＧ１００の範囲内にあってもよい。また、前記圧縮要素で圧縮される前記冷媒としては、少なくとも自然冷媒またはＨＦＣ系冷媒が用いられる構成であってもよい。
前記冷媒が前記自然冷媒であれば、Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ２９０（プロパン）、およびＲ７４４（二酸化炭素）の少なくともいずれか１種、またはこれらを含む混合物であればよい。このとき、前記潤滑油としては、鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールからなる群より選択される少なくとも１種が用いられてもよい。
また、前記冷媒が前記ＨＦＣ系冷媒であれば、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０、およびＲ３２の少なくともいずれか１種、またはこれらを含む混合物であればよい。このとき、前記潤滑油としては、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールからなる群より選択される少なくとも１種が用いられてもよい。
前記構成によれば、冷媒ガスとして自然冷媒またはＨＦＣ系冷媒が用いられれば、潤滑油として低粘度のものが用いられたとしても、摺動部の耐摩耗性を向上させ、信頼性を高めることができる。これにより、冷媒圧縮機の圧縮能力をさらに一層向上させることができる。
また、本発明には、前記構成の冷媒圧縮機を備えている冷蔵庫、または、前記構成の冷媒圧縮機を備えているエアーコンディショナーも含まれる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
［冷媒圧縮機の構成例］
まず、本発明に係る摺動部材を備える冷媒圧縮機の代表的な構成について、図１および図２を参照して説明する。なお、本実施の形態では、一定速度のレシプロ型の圧縮機を例示するが、本発明はこれに限定されない。
まず、本発明に係る摺動部材を備える冷媒圧縮機の代表的な構成について、図１および図２を参照して説明する。なお、本実施の形態では、一定速度のレシプロ型の圧縮機を例示するが、本発明はこれに限定されない。
図１に示すように、冷媒圧縮機１００は、密閉容器１０１と、その内部に収容される電動要素１１０および圧縮要素１２０とを備えている。密閉容器１０１内には冷媒ガスが充填されているとともに、底部には潤滑油１０３が貯留されている。また、密閉容器１０１には吸入管１０２が固定されている。吸入管１０２は、密閉容器１０１内に連通するとともに、図示しない冷凍サイクルの低圧側に接続され、冷媒ガスを密閉容器１０１内に導入する。
電動要素１１０は、固定子１１１および回転子１１２から構成され、圧縮要素１２０を駆動する。固定子１１１は、回転子１１２の外周に間隙を設けて配置されている。回転子１１２は、固定軸であるクランクシャフト１２１を固定しており、固定子１１１に嵌入した状態でクランクシャフト１２１とともに回転可能に構成されている。この電動要素１１０は、少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動される構成であることが好ましい。
圧縮要素１２０は、電動要素１１０により駆動される往復式であり、本実施の形態では、クランクシャフト１２１、シリンダーブロック１３１、軸受部１３３、ピストン１４１、ピストンピン１４２、コンロッド１４３、バルブプレート１４４、ヘッド１４５、吸入マフラー１４６等を備えている。
クランクシャフト１２１は、主軸部１２２および偏心軸１２３から少なくとも構成され、さらに給油ポンプ１２４を備えている。主軸部１２２は、回転子１１２に圧入固定されており、偏心軸１２３は主軸部１２２に対して偏心して形成されている。給油ポンプ１２４は、クランクシャフト１２１の下端となる偏心軸１２３に設けられ、潤滑油１０３を給油できるように、その一部が貯留されている潤滑油１０３に浸漬された状態にある。
シリンダーブロック１３１は、ボアー１３２が形成されたシリンダーと軸受部１３３とを備えている。ボアー１３２を有するシリンダーは、軸受部１３３に固定されている。ボアー１３２は、ピストン１４１と略同径の略円筒形の凹部として構成され、ピストン１４１が進退移動可能な状態で内部に挿入されている。図２に示すように、ボアー１３２の内部とピストン１４１とによって圧縮室１４０が形成されており、この内部で冷媒ガスが圧縮される。
ピストン１４１とボアー１３２との間隔（クリアランス）は特に限定されないが、冷媒ガスの漏れ損失が小さくなるために、ある一定の範囲内に設定されている。一般的には、例えば、直径の差で５μｍ〜１５μｍの範囲内となる程度が挙げられる。
軸受部１３３は、前記の通り、シリンダーブロック１３１に固定されており、クランクシャフト１２１が回転可能な状態で挿入されている。また、軸受部１３３の上端面は、回転子１１２に対向するスラスト部１３４となっており、回転子１１２におけるスラスト部１３４との対向部にはフランジ面１１３が形成されている。スラスト部１３４とフランジ面１１３との間にはスラストワッシャ１３５が挿入されている（介在している）。なお、回転子１１２のフランジ面１１３と、軸受部１３３のスラスト部１３４と、スラストワッシャ１３５とによってスラスト軸受部１３０が構成されている。
ボアー１３２に挿入されたピストン１４１は、ピストンピン１４２を介してコンロッド１４３に連結されている。コンロッド１４３は、ピストン１４１とクランクシャフト１２１との連結手段であって、クランクシャフト１２１の偏心軸１２３に連結されている。また、ボアー１３２の一方の端面では、ピストン１４１が挿入された状態にあるが、他方の端面はバルブプレート１４４の一方の面によって封止されている。
バルブプレート１４４の他方の面には、ヘッド１４５が固定されている。ヘッド１４５は、圧縮室１４０に連通しており、図１および図２には具体的に図示しないが、内部に高圧室および低圧室が形成されている。ヘッド１４５とバルブプレート１４４との間には吸入マフラー１４６が設けられている。したがって、吸入マフラー１４６は、バルブプレート１４４とヘッド１４５とによって挟持された状態にある。
前記構成の冷媒圧縮機１００の具体的な構成は特に限定されず、公知の各種構成を好適に用いることができる。特に、冷媒圧縮機１００は複数の摺動部を備えているが、これら摺動部を構成する摺動部材は、通常、鉄系の材料で構成されている。なお、ここでいう「鉄系の材料」とは、鉄を主成分とする材料を指し、より具体的には、鉄（Ｆｅ）またはその合金を指す。代表的な鉄系の材料としては、鋳物（鋳鉄）、鉄系粉末冶金、鍛造品、および各種鋼等が挙げられるが特に限定されない。
例えば、摺動部としては、クランクシャフト１２１の主軸部１２２および軸受部１３３、ピストン１４１およびボアー１３２（シリンダー）、スラスト部１３４およびスラストワッシャ１３５、ピストンピン１４２およびコンロッド１４３、クランクシャフト１２１の偏心軸１２３およびコンロッド１４３等といった摺動部材の組合せが挙げられる。これら摺動部材は、鋳鉄等の鉄系の材料で構成されている。
例えば、ピストン１４１、ボアー１３２を構成するシリンダーブロック１３１等は鋳鉄製を好ましく例示することができる。もちろん摺動部材は鉄系の材料に限定されず、公知の他の材料（例えばアルミニウム系材料等）で構成されてもよいことはいうまでもなく、それゆえ、酸化皮膜は酸化鉄に限定されず、摺動部材（母材）の材料の酸化物であればよい。また、摺動部を構成する複数の摺動部材は、いずれも鉄系材料であれば好ましいが、少なくとも１つのみが鉄系材料であればよい。
また、冷媒圧縮機１００に用いられる潤滑油１０３としては、公知のものを好適に用いることができるが、代表的には、鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、ポリアルキレングリコール等を好ましく用いることができる。これらの油状物質は、１種のみを用いてもよいし２種以上を適宜組み合わせて用いてもよいし、これら以外の物質と混合して用いてもよい。
また、潤滑油１０３の各種物性も特に限定されないが、冷媒圧縮機１００の高効率化を図る上では、粘度が所定範囲内にあることが好ましい。具体的には、ＶＧ３〜ＶＧ１００の範囲内であればよく、ＶＧ１０前後であるとより好ましい。
また、冷媒圧縮機１００で圧縮対象となる冷媒ガスとしては、公知の冷媒を好適に用いることができる。具体的には、例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０、Ｒ３２等のＨＦＣ系冷媒；Ｒ６００ａ（イソブタン）、Ｒ２９０（プロパン）、Ｒ７４４（二酸化炭素）等の自然冷媒；ＨＦＯ１２３４ｙｆ、ＨＦＯ１２３４ｚｅ等のＨＦＯ系冷媒；これらＨＦＣ系冷媒、自然冷媒、またはＨＦＯ系冷媒を含む混合冷媒；等を好ましく用いることができる。これら冷媒は１種のみを用いてもよいし、２種以上を適宜組み合わせて用いてもよいし、これら以外の冷媒と組み合わせて用いてもよい。
なお、冷媒としてＨＦＣ系冷媒が用いられれば、前述した潤滑油１０３の代表例のうち鉱油は用いられない。また、冷媒としてＨＦＯ系冷媒が用いられれば、前述した潤滑油１０３の代表例のうち、鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリアルキレングリコール等が好ましく用いられる。
［摺動部材の構成例］
次に、本発明に係る摺動部材について、図１および図２に加えて図３および図４も参照して具体的に説明する。
次に、本発明に係る摺動部材について、図１および図２に加えて図３および図４も参照して具体的に説明する。
本発明に係る摺動部材は、前述した構成（または類似する構成）の冷媒圧縮機１００が備える摺動部を構成するものである。摺動部は、少なくとも２つの摺動部材が摺動面同士を対面させた状態で摺動可能に組み合わせられることにより構成される。本発明に係る摺動部材は、摺動部を構成する少なくとも一方の部材であって、その摺動面には、母材を酸化させることにより形成される酸化皮膜が設けられている。
前記構成の冷媒圧縮機１００は、前述したように、摺動部として、ピストン１４１およびボアー１３２、主軸部１２２および軸受部１３３、軸受部１３３のスラスト部１３４およびスラストワッシャ１３５、回転子１１２のフランジ面１１３およびスラストワッシャ１３５、ピストンピン１４２およびコンロッド１４３、クランクシャフト１２１の偏心軸１２３およびコンロッド１４３等の組合せが挙げられるが、これら摺動部材の組合せのうち、少なくとも一方の摺動部材の摺動面に、酸化皮膜が形成されている。
なお、酸化皮膜は、摺動部を構成する２つ以上の摺動部材の少なくとも一方に設けられていればよいが、好ましくは、自身が動作せずに静止している側の摺動部材（第一摺動部材）ではなく、自身が動作する側の摺動部材（第二摺動部材）に設けられている。例えば、図３に模式的に示すように、摺動部が、ピストン１４１およびボアー１３２の組合せからなる構成であれば、酸化皮膜２００は、静止する側の摺動部材であるボアー１３２ではなく、動作する側の摺動部材であるピストン１４１の摺動面に設けられていることが好ましい。あるいは図示しないが、摺動部が、クランクシャフト１２１の主軸部１２２および軸受部１３３の組合せからなる構成であれば、軸受部１３３ではなく主軸部１２２の摺動面に酸化皮膜２００が設けられていることが好ましい。
次に、酸化皮膜２００の具体的構成について説明する。酸化皮膜２００は、摺動部材の母材を酸化処理することによって形成される酸化物の膜である。摺動部材の母材としては、例えば、前述したように鉄系の材料を好適に用いることができるが、この場合、酸化皮膜２００は酸化鉄から構成されることになる。そこで、下記の説明では、酸化鉄からなる酸化皮膜２００を例に挙げてより具体的に説明する。
酸化皮膜２００は、図３に示すように、表面にナノメートルレベルの小さな凹凸が形成される酸化鉄の皮膜である。具体的には、粒径が０．１μｍ〜４．０μｍの範囲内にある酸化鉄粒子、好ましくは、粒径が１μｍ未満の酸化鉄粒子が、母材の表面上に緻密に集合して敷設された構成を挙げることができる。酸化鉄は酸化前の鉄よりも高い硬度を有しており、しかも、酸化鉄粒子が緻密に集合していることから、酸化皮膜２００は良好な耐摩耗性を実現することができる。
また、酸化皮膜２００の膜厚は特に限定されないが、１μｍ〜３μｍの範囲内であることが好ましい。１μｍ未満であれば、膜厚が小さすぎて酸化皮膜２００としての作用効果を十分に発揮できない場合があり、３μｍよりも大きければ、膜厚が大きすぎて酸化皮膜２００としての作用効果を十分に発揮できない場合がある。なお、酸化皮膜２００の膜厚は、Ｘ線回折分析またはグロー放電発光分光分析により測定することができる。また、表面の酸化鉄粒子の粒径および緻密に集合している状態は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定または評価することができる。
ここで、酸化皮膜２００のくぼみ２１０は、酸化鉄粒子同士が隣接して結合した状態で形成される凹部であり、くぼみ２１０の深さは、酸化鉄粒子の凸部の頂点と酸化物粒子同士の結合部の谷間との高低差Ｄｈに相当する。くぼみ２１０の深さＤｈ（すなわち凹凸の大きさ）は特に限定されないが、０．０１〜０．１μｍの範囲内であればよい。
また、本発明において、酸化鉄粒子同士が緻密に集合した状態とは、隣接する粒子の頂点同士の間隔が４μｍ以下となる状態、好ましくは０．０１〜４μｍの範囲内となる状態を指す。酸化鉄粒子の緻密な集合体が酸化皮膜２００であり、この緻密な集合は、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope; ＡＦＭ）により縦方向（Ｘ方向）および横方向（Ｙ方向）について頂点同士の間隔を測定することにより評価する。なお、くぼみ２１０の深さ（高低差）Ｄｈは、Ｚ方向に相当する。
酸化皮膜２００のくぼみ２１０は、潤滑油１０３を保持する「油溜り」となる。前記の通り、酸化皮膜２００のくぼみ２１０は、酸化物粒子同士の結合部の谷間（凹部）であって、酸化鉄粒子の頂点（凸部）との高低差は０．１μｍ以下となる。くぼみ２１０がこのような高低差を有することにより、潤滑油１０３がくぼみ２１０に溜まりやすくなる。これにより、潤滑油１０３の粘度が従来よりも低いものであっても、くぼみ２１０に由来する毛細管現象で潤滑油１０３が摺動面同士の間に良好に吸い上げられる。その結果、摺動部材の摺動面に潤滑油１０３が滲んだような状態で保持され、摺動面同士の潤滑状態を良好に維持することができる。
ここで、くぼみ２１０の深さ（凹凸の大きさ）Ｄｈが０．０１μｍ未満であれば、摺動面同士の間で潤滑油１０３を良好に保持することができなくなる。これにより、酸化皮膜２００が、他方の摺動部材の摺動面である金属面に直接摺動して、摺動ロスが増加したり、他方の摺動部材の摺動面が摩耗したりするおそれがある。一方、深さＤｈが０．１μｍを超えると、摺動面の粗さが大きくなり過ぎて摺動面同士の摩擦係数が増加する。これにより、摺動抵抗が増大したり、局所的な摩耗が発生して他方の摺動部材の摺動面を傷つけたりする可能性がある。
なお、深さＤｈが０．１μｍを超えた場合、摺動面の粗さを小さくするために、表面ラップ等の処理を行ってもよいが、表面を削るという追加加工が必要となり、コストの増加につながる。また、酸化皮膜２００の表面に後処理を施し過ぎると、今度は凹凸が小さくなりすぎる可能性がある。この場合、潤滑油１０３を良好に保持できず、前記の通り、摺動ロスの増加または他方の摺動面の摩耗が生じるおそれがある。したがって、追加加工等の後処理はなるべく避けた方がよい。
本発明における酸化皮膜２００は、母材である摺動部材の表面に単層で形成されてもよいが、多層構造体として形成されることが好ましい。代表的には、図４に示すような三層構造体を挙げることができる。三層構造体としての酸化皮膜２００は、図４に示すように、外面（最表面）２２０から第一層２０１、第二層２０２、第三層２０３となっており、母材１５０から見れば、第三層２０３、第二層２０２、および第一層２０１の順で積層されていることになる。なお、図４では図示しないが、第一層２０１の外面２２０には、前述したくぼみ２１０（微細な凹凸）が形成されている。
これら各層は、それぞれ異なる硬度を有しているか、または、それぞれ異なる酸化物から構成されているか、あるいはその両方を満たすことが好ましい。
まず、各層の硬度が異なる場合について説明すると、第一層２０１の硬度は、第二層２０２の硬度以下であり、第三層２０３の硬度は、母材１５０の硬度より大きく第二層２０２の硬度よりも小さい（母材１５０と第二層２０２の間となる硬度である）ことが好ましい。
具体的には、好ましい硬度の一例として、第一層２０１の最表面（外面２２０）の硬度は２００Ｈｖ〜３００Ｈｖの範囲内であり、第一層２０１および第二層２０２の近傍の硬度分布は、５００Ｈｖ〜６００Ｈｖの範囲内であり、第二層２０２の硬度は５００Ｈｖ〜６００Ｈｖの範囲内であり、第三層２０３の硬度は２００Ｈｖ〜４００Ｈｖの範囲内であり、母材１５０の硬度は１００Ｈｖ〜２００Ｈｖの範囲内である構成を挙げることができる。特に第一層２０１は、最表面から摺動部材の断面の中心に向けて硬度が上昇し、第二層２０２との近傍では、当該第二層２０２と同程度の硬度分布となることが好ましい。
なお、本発明においては、各層および母材１５０の硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２４４に規定されるビッカース硬さ試験−試験方法に基づいて測定している。
各層の硬度が前記の範囲内であれば、酸化皮膜２００を構成する各層の密着性の向上を図ることができるとともに、酸化皮膜２００（一方の摺動面）として、他方の摺動面に対する攻撃性が低下することができる。一方の摺動面が他方の摺動面を攻撃することによって、他方の摺動面が摩耗しやすくなるだけでなく、自身についても、その表層（第一層２０１）の一部が剥離する等の異常が生じる可能性がある。この場合、剥離物が双方の摺動面の間で凝着して、少なくとも一方の摺動面に異常摩耗が生じる可能性がある。それゆえ、酸化皮膜２００による攻撃性の低下は、耐摩耗性を向上させるだけでなく、各摺動面の異常摩耗も有効に抑制することができる。
具体的には、第一層２０１は第二層２０２の硬度以下であり、かつ、最表面の硬度が前記範囲内であるので、最表面（外面２２０）が、他方の摺動面に対して良好ななじみ性を発揮することができる。そのため、摺動面同士の摩擦係数が減少するため、冷媒圧縮機１００への入力損失が低減し、冷媒圧縮機１００の効率の向上を図ることができる。また、中間層である第二層２０２が高硬度であるため、酸化皮膜２００全体の耐摩耗性を向上させるが可能となる。さらに、第三層２０３が、母材１５０よりも大きな硬度で第二層２０２より小さい硬度であるため、第三層２０３と第二層２０２との密着性の向上、並びに、第三層２０３と母材１５０との密着性の向上を図ることができる。
また、各層の厚さ（層厚）は特に限定されないが、好ましい一例として、第一層２０１の層厚が０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲内であり、第二層２０２の層厚が０．１μｍ〜０．８μｍの範囲内であり、第三層２０３の層厚が０．２μｍ〜２．０μｍの範囲内である構成を挙げることができる。ここで、第一層２０１および第二層２０２の近傍とは、第一層２０１と第二層２０２との境界に対して、±０．１μｍ以内の範囲であることと定義する。なお、各層の層厚は、酸化皮膜２００の膜厚と同様に、Ｘ線回折分析またはグロー放電発光分光分析により測定することができる。
もちろん、本発明においては、各層の厚みは前記範囲から外れてもよいが、酸化皮膜２００が形成されている摺動部材（第二摺動部材）が鉄系材料で構成され（したがって酸化皮膜２００も酸化鉄で構成され）、他方の摺動部材（第一摺動部材）も鉄系材料で構成されていれば、各層の層厚は前記の範囲内にあることが好ましい。
具体的には、第一層２０１の層厚が０．３μｍより大きくなると、他方の摺動部材の摺動面の磨耗量が増加して磨耗粉が多くなる傾向にある。これにより、場合によっては、他方の摺動面の耐摩耗性が低下する可能性がある。一方、第一層２０１の層厚が０．０１μｍより小さくなると、摺動面同士がなじみ性を示さない可能性がある。この場合、第二層２０２が他方の摺動面を攻撃しやすくなり、他方の摺動面の摩耗が増加する可能性がある。
また、第二層２０２の層厚が０．８μｍより大きくなると、場合によっては、第二層２０２そのものが脆化する可能性がある。第二層２０２が脆化すると剥離または割れが生じやすくなり、その結果、第二層２０２の表面が荒れて他方の摺動面を傷つけやすくなり、他方の摺動面に異常磨耗が生じる可能性がある。一方、第二層２０２の層厚が０．１μｍより小さくなると、第二層２０２による耐摩耗性が小さくなる可能性がある。
また、第三層２０３の層厚が２．０μｍより大きくなると、摺動時に第二層２０２と第三層２０３と間にかかる応力が増加しやすくなる傾向にあり、場合によっては、第二層２０２と第三層２０３と間で境界剥離が生じる可能性がある。一方、第三層２０３の層厚が０．２μｍより小さくなると、第二層２０２と第三層２０３との間、あるいは、第三層２０３と母材１５０との間に、第三層２０３が生成した時点での残留応力が集中しやすくなる傾向がある。これにより、場合によっては、第二層２０２と第三層２０３との間、あるいは、第三層２０３と母材１５０との間に剥離が生じやすくなる可能性がある。
次に、各層がそれぞれ異なる酸化物から構成されている場合について説明すると、第一層２０１はＦｅ2Ｏ3で構成され、第二層２０２はＦｅ3Ｏ4で構成され、第三層２０３はＦｅＯで構成されている例を挙げることができる。なお、各層の酸化鉄の成分分析は、各層の層厚の測定に用いたに、Ｘ線回折分析またはグロー放電発光分光分析により行うことができる。また、外面（最表面）２２０（すなわち第一層２０１の上）に水酸化鉄の層が形成されてもよい。したがって、酸化皮膜は少なくとも第一層２０１から第三層２０３の三層構造であればよいが、四層以上の多層構造であってもよい。
これら各層の層厚は特に限定されず、前述した各層の硬度が異なる場合で例示した層厚であってもよいが、特に、各層の層厚を比で表したときに、第一層２０１の層厚をＴ１とし、第二層２０２の層厚をＴ２とし、第三層２０３の層厚をＴ３としたときに、Ｔ１：Ｔ２：Ｔ３＝５〜２０：１０〜５０：３０〜８５の範囲内であることが好ましい。
また、各層を構成する酸化鉄の構造も特に限定されず、一般的な多結晶構造等であればよいが、第三層２０３を構成するＦｅＯについては、アモルファス構造であると好ましい。第三層２０３がアモルファス構造であれば、母材１５０と第三層２０３との密着性が向上するため、酸化皮膜２００の信頼性を向上することができる。
このように、酸化皮膜２００が三層構造体であれば、単層構造である場合に比べて良好な物性を発揮することができる。特に、酸化皮膜２００が、前述した異なる硬度を有しているとともに、それぞれ異なる酸化物から構成されていれば、より一層優れた物性を発揮することが可能になる。
つまり、硬度が異なる場合であっても酸化鉄が異なる場合であっても、最表層が他方の摺動面に対して良好ななじみ性を発揮することができ、かつ、他方の摺動面に対して摩擦係数が低減するため、摺動部としての円滑性の向上を図ることができる。また、中間層は耐摩耗性を向上させることができ、最下層は中間層および母材との密着性と向上することができる。しかも、全ての層が酸化鉄として異なっていても、互いに優れた親和性を有しているため、各層間の密着性を向上させることができる。それゆえ、各層が剥離する等の異常を回避することが可能になり、他方の摺動面に異常摩擦が生じる等の事態を抑制することができる。それゆえ、摺動部材としての信頼性を向上することができる。
本発明における酸化皮膜２００の形成方法は特に限定されず、母材の材質、摺動部材の寸法、摺動部材の形状、あるいは摺動面の状態等の諸条件に応じて、公知の酸化方法を好適に用いることができる。具体的には、母材（摺動部材）が鉄系材料であれば、公知の酸化媒体を用いて、当該酸化媒体中で摺動部材を４００〜６００℃程度の範囲内で加熱して酸化処理すれば、酸化皮膜２００を形成することができる。
なお、母材が鉄系材料である場合、摺動面（酸化皮膜２００の形成面）に公知の表面処理を行って活性化してから、酸化皮膜２００を形成してもよい。表面処理の手法としては、例えば、ショットピーニングまたはバレル研磨等が挙げられるが、特に限定されない。
また、酸化媒体の種類、酸化媒体の濃度、摺動部材（および酸化媒体）の加熱温度、経時的な加熱温度の変更、加熱手段の種類等の諸条件を適切に設定することにより、酸化皮膜２００として、単層構造体または三層構造体（あるいは他の多層構造体）の酸化鉄皮膜を形成することができる。例えば、第三層２０３であるＦｅＯ層をアモルファス構造とするには、加熱温度を相対的に低くすればよい。例えば、酸化媒体中で５５０℃まで加熱することで酸化皮膜を形成する場合であれば、第三層２０３の加熱を４８０℃までに抑えることで、ＦｅＯ層をアモルファス層とすることができる。また、母材が鉄系材料以外の材料であれば、当該材料の種類に応じて諸条件を適宜設定して酸化処理を行えばよい。
［冷媒圧縮機の動作例］
次に、前記構成の酸化皮膜２００を有する摺動部材を用いた、前記構成の冷媒圧縮機１００について、図１および図２を参照して、その動作を具体的に説明する。
次に、前記構成の酸化皮膜２００を有する摺動部材を用いた、前記構成の冷媒圧縮機１００について、図１および図２を参照して、その動作を具体的に説明する。
まず、図示しない商用電源から電動要素１１０に電力を供給することによって、電動要素１１０の回転子１１２を回転させる。回転子１１２は、クランクシャフト１２１を回転させるので、主軸部１２２の回転により偏心軸１２３も回転する。偏心軸１２３の主軸部１２２に対する偏心運動は、コンロッド１４３からピストンピン１４２を介してピストン１４１に伝達される。これにより、ピストン１４１は、ボアー１３２内を往復運動する。
ピストン１４１の往復運動により、吸入管１０２を通じて図示しない冷凍サイクルから冷媒ガスが密閉容器１０１内に導入される。導入された冷媒ガスは、吸入マフラー１４６から、ボアー１３２の内部とピストン１４１とによって隔離された空間、すなわち圧縮室１４０に吸入され、当該圧縮室１４０内で圧縮される。圧縮室１４０内で圧縮された冷媒ガスは、図示しない吐出管を通って図示しない冷凍サイクルに排出される。そして、冷媒ガスは、冷凍サイクル内を循環して、再び吸入管１０２より密閉容器１０１内に導入される。
また、クランクシャフト１２１が回転することに伴って給油ポンプ１２４が動作する。給油ポンプ１２４は、密閉容器１０１の下方に貯留する潤滑油１０３を吸い上げて、複数の摺動部それぞれに潤滑油１０３を給油する。これにより、各摺動部が潤滑油１０３によって潤滑されるとともに、例えば、ボアー１３２とピストン１４１との間では、潤滑油１０３はシールの役割も果たす。
ここで、本実施の形態では、複数の摺動部のうち、ピストン１４１およびボアー１３２からなる摺動部と、クランクシャフト１２１の主軸部１２２および軸受部１３３からなる摺動部とにおいて、一方の摺動部材であるピストン１４１または主軸部１２２の摺動面に、前述した酸化皮膜２００（図３および図４参照）が形成されている。
例えば、ピストン１４１およびボアー１３２からなる摺動部において、ピストン１４１がボアー１３２内で往復圧縮運動をする際に、ピストン１４１とボアー１３２との間隔は非常に狭く設定されている。そのため、ピストン１４１およびボアー１３２の形状または精度のばらつき等の条件によっては、それぞれの摺動面が部分的に相互接触を起こす可能性がある。特に、図１に示すようなレシプロ型の冷媒圧縮機１００においては、ピストン１４１が上死点または下死点に位置したときには、ピストン１４１の速度が零となる。それゆえ、論理的には油圧が発生しなくなり、潤滑油１０３の油膜が形成されなくなる。したがって、ピストン１４１が上死点または下死点に達したときに、摺動面同士に部分的な接触が生じることが多い。
例えば、ピストン１４１が上死点付近にあるときは、当該ピストン１４１が、圧縮された高圧の冷媒ガスにより大きな圧縮荷重を受ける。この圧縮荷重はピストンピン１４２およびコンロッド１４３を介してクランクシャフト１２１に伝達される。これにより、クランクシャフト１２１がピストン１４１の移動方向の反対側に傾斜する。クランクシャフト１２１が傾斜すると、ボアー１３２の内部でピストン１４１が傾斜する。その結果、ピストン１４１の摺動面がボアー１３２の摺動面に対して部分的に接触することになる。
また、クランクシャフト１２１の主軸部１２２および軸受部１３３からなる摺動部においては、圧縮室１４０で圧縮された冷媒ガスのガス圧により、主軸部１２２にかかる荷重（負荷）が大きく変動する。これにより、クランクシャフト１２１の主軸部１２２と軸受部１３３との間は、潤滑油１０３に溶け込んだ冷媒ガスが繰り返し発泡するおそれがある。しかも、冷媒圧縮機１００の高効率化に伴い、主軸部１２２と軸受部１３３との間隔が狭くなっているので、摺動面において部分的な接触が生じる頻度が高くなる。
さらに、潤滑油１０３の粘度が低い場合には、冷媒圧縮機１００が停止したときに、摺動面の間で保持される潤滑油１０３の量が少なくなる傾向にある。それゆえ、冷媒圧縮機１００が起動した直後でも、摺動面において部分的な接触が生じる頻度が高くなる。
これらのように、摺動部の摺動面同士で部分的な接触が生じやすくなると、摺動面同士が摩耗するため、摺動部の信頼性が損なわれるとともに、摺動部に摺動ロスが発生しやすくなる。その結果、このような摺動部を備える冷媒圧縮機１００の信頼性が低下したり、高効率化が妨げられたりするおそれがある。
これに対して、本実施の形態では、ピストン１４１またはクランクシャフト１２１の主軸部１２２の摺動面には、前述した酸化皮膜２００が設けられているので、摺動面同士において金属面の接触を有効に回避できる。しかも、ピストン１４１およびボアー１３２の間、あるいは、主軸部１２２と軸受部１３３との間は、狭くなっていることから、表面張力の作用により潤滑油１０３が潤沢に供給されるとともに、酸化皮膜２００が良好な潤滑油１０３の保持性を発揮できるので、摺動面の間で潤滑油１０３が安定的に維持される。
それゆえ、これら摺動部においては、摺動面同士の間が常に流体で潤滑された状態となるので、各摺動面は摩耗しにくくなる。それゆえ、摺動部において良好な耐摩耗性を実現することができるので、摺動部としての信頼性が向上するとともに摺動ロスを低減することができる。その結果、高効率で優れた信頼性の冷媒圧縮機１００を提供することができる。
また、ピストン１４１とボアー１３２との摺動部では、摺動面同士の間は潤滑油１０３で良好にシールされることになる。これにより、圧縮室１４０で圧縮された冷媒ガスがピストン１４１とボアー１３２との間から漏れることも有効に低減することができる。それゆえ、ピストン１４１とボアー１３２との間で良好な耐摩耗性を実現できるだけでなく、低粘度の潤滑油１０３であっても良好に保持できるので、冷媒ガスを効率的に圧縮することが可能となる。その結果、高効率で優れた信頼性の冷媒圧縮機１００を提供することができる。
このように、本発明に係る摺動部材は、（１）母材１５０が鉄系材料で構成されており、かつ、当該母材１５０の表面上に、最表面から順に、Ｆｅ2Ｏ3で構成される第一層２０１、Ｆｅ3Ｏ4で構成される第二層２０２、およびＦｅＯで構成される第三層２０３からなる三層構造の酸化皮膜２００が形成されている構成、（２）高低差が０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲内にある小さな凹凸（例えばくぼみ２１０）を有する緻密な酸化皮膜２００が、母材１５０の表面上に形成されている構成、または、（３）母材１５０が鉄系材料で構成されており、かつ、当該母材１５０の表面上に、酸化鉄を含有し、かつ、硬度が異なる三層構造の酸化皮膜２００が形成されている構成であればよく、前記（１）から（３）の構成のいずれか２つを備えていてもよく、前記（１）から（３）の全てを備えていてもよい。
このような構成の酸化皮膜２００を摺動面に形成することによって、優れた信頼性を有する摺動部材を得ることができる。それゆえ、この摺動部材を組み込んで摺動部を構成することにより、冷媒圧縮機１００の高効率化および信頼性の向上を図ることができる。
［冷媒圧縮機の適用例］
本発明に係る摺動部材は、前記の通り、冷媒圧縮機１００の摺動部に広く好適に用いることができるが、当該摺動部材を用いた、本発明に係る冷媒圧縮機１００は、冷凍サイクルまたはこれと実質同等な構成を有する各種機器に広く好適に用いることができる。具体的には、例えば、冷蔵庫（家庭用、業務用）、除湿器、ショーケース、製氷機、ヒートポンプ式給湯機、ヒートポンプ式洗濯乾燥機、自動販売機、エアーコンディショナー等を挙げることができるが、特に限定されない。
本発明に係る摺動部材は、前記の通り、冷媒圧縮機１００の摺動部に広く好適に用いることができるが、当該摺動部材を用いた、本発明に係る冷媒圧縮機１００は、冷凍サイクルまたはこれと実質同等な構成を有する各種機器に広く好適に用いることができる。具体的には、例えば、冷蔵庫（家庭用、業務用）、除湿器、ショーケース、製氷機、ヒートポンプ式給湯機、ヒートポンプ式洗濯乾燥機、自動販売機、エアーコンディショナー等を挙げることができるが、特に限定されない。
本発明に係る冷媒圧縮機１００の代表的な適用例として、冷蔵庫を例に挙げて説明する。具体的には、例えば、図５Ａのブロック図に模式的に示すように、本実施の形態に係る冷蔵庫１６０は、図１に示す冷媒圧縮機１００、凝縮器１６１、減圧装置１６２、蒸発器１６３、および配管１６４等を備えている。また、冷蔵庫１６０は、図示しないが、冷蔵庫本体となる筐体、送風機、操作部、制御部等も備えている。
冷媒圧縮機１００は、前述した構成を有しており、冷媒ガスを圧縮して、高温高圧のガス冷媒にする。凝縮器１６１は、冷媒を冷却して液化させる。減圧装置１６２は、例えばキャピラリーチューブで構成され、液化された冷媒（液冷媒）を減圧する。蒸発器１６３は、冷媒を蒸発させて低温低圧のガス冷媒にする。冷媒圧縮機１００、凝縮器１６１、減圧装置１６２、および蒸発器１６３は、冷媒ガスを流通させる配管１６４により、この順で環状に接続され、これにより冷凍サイクルが構成されている。
なお、凝縮器１６１、減圧装置１６２、蒸発器１６３、配管１６４、本体筐体、送風機、操作部、制御部等の構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。また、冷蔵庫１６０は、これら以外の公知の構成を備えていてもよい。
図５Ａに示す冷蔵庫１６０の動作の一例について具体的に説明する。冷媒圧縮機１００はガス冷媒を圧縮して凝縮器１６１に吐出する。凝縮器１６１はガス冷媒を冷却して液冷媒とする。液冷媒は減圧装置１６２を通過することにより減圧され、蒸発器１６３に送られる。蒸発器１６３では、液冷媒が周囲から熱を奪うことにより気化し、ガス冷媒となって冷媒圧縮機１００に戻る。冷媒圧縮機１００はガス冷媒を圧縮して再び凝縮器１６１に吐出する。
また、本発明に係る冷媒圧縮機１００の他の適用例として、エアーコンディショナーを例に挙げて説明する。具体的には、図５Ｂのブロック図に模式的に示すように、本実施の形態に係るエアーコンディショナー１７０は、室内機１７１および室外機１７２、並びにこれらを接続する配管１７６を備えており、室内機１７１は熱交換器１７３を備え、室外機１７２は熱交換器１７４と図１に示す冷媒圧縮機１００とを備えている。
室内機１７１の熱交換器１７３と室外機１７２の熱交換器１７４とは、配管１７６で環状に接続され、これにより冷凍サイクルを形成している。また、熱交換器１７３と熱交換器１７４とを接続する配管１７６には、冷暖房切換用の四方弁１７５が設けられている。なお、室内機１７１は、図示しない送風ファン、温度センサ、操作部等を備えており、室外機１７２は、図示しない送風機、アキュームレータ等を備えている。さらに、配管１７６には、図示しない各種弁装置（四方弁１７５も含む）、ストレーナ等が設けられている。
室内機１７１が備える熱交換器１７３は、送風ファンにより室内機１７１の内部に吸い込まれた室内空気と、熱交換器１７３の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行う。室内機１７１は、暖房時には熱交換により暖められた空気を室内に送風し、冷房時には熱交換により冷却された空気を室内に送風する。室外機１７２が備える熱交換器１７４は、送風機により室外機１７２の内部に吸い込まれた外気と熱交換器１７４の内部を流れる冷媒との間で熱交換を行う。
なお、室内機１７１および室外機１７２の具体的な構成、あるいは、熱交換器１７３または１７４、四方弁１７５、送風ファン、温度センサ、操作部、送風機、アキュームレータ、その他の弁装置、ストレーナ等の具体的な構成は特に限定されず、公知の構成を好適に用いることができる。
図５Ｂに示すエアーコンディショナー１７０の動作の一例について具体的に説明する。まず、冷房運転または除湿運転では、室外機１７２の冷媒圧縮機１００はガス冷媒を圧縮して吐出し、これによりガス冷媒は四方弁１７５を介して室外機１７２の熱交換器１７４に送出される。熱交換器１７４は外気とガス冷媒とを熱交換するので、ガス冷媒は凝縮して液化する。液化した液冷媒は減圧され、室内機１７１の熱交換器１７３に送出される。熱交換器１７３では、室内空気との熱交換により液冷媒が蒸発してガス冷媒となる。このガス冷媒は、四方弁１７５を介して室外機１７２の冷媒圧縮機１００に戻る。冷媒圧縮機１００はガス冷媒を圧縮して四方弁１７５を介して再び熱交換器１７４に吐出する。
また、暖房運転では、室外機１７２の冷媒圧縮機１００はガス冷媒を圧縮して吐出し、これによりガス冷媒は四方弁１７５を介して室内機１７１の熱交換器１７３に送出される。熱交換器１７３では、室内空気との熱交換によりガス冷媒が凝縮して液化する。液化した液冷媒は、図示しない減圧弁により減圧されて気液二相冷媒となり、室外機１７２の熱交換器１７４に送出される。熱交換器１７４は外気と気液二相冷媒とを熱交換するので、気液二相冷媒は蒸発してガス冷媒となり、冷媒圧縮機１００に戻る。冷媒圧縮機１００はガス冷媒を圧縮して四方弁１７５を介して再び室内機１７１の熱交換器１７３に吐出する。
このような冷蔵庫１６０またはエアーコンディショナー１７０は、前述した構成の冷媒圧縮機１００を備えている。この冷媒圧縮機１００は、前述したように、摺動面に酸化皮膜２００を形成した摺動部材と、この摺動部材を用いた摺動部を備えている。それゆえ、冷媒圧縮機１００は、高効率化および高信頼性を有するものとなっており、この冷媒圧縮機１００を備える冷蔵庫１６０またはエアーコンディショナー１７０についても、高効率化および信頼性の向上を図ることができる。
［変形例］
本実施の形態では、酸化皮膜２００を摺動面に形成した摺動部として、ピストン１４１およびボアー１３２からなる摺動部、並びに、クランクシャフト１２１の主軸部１２２および軸受部１３３からなる摺動部を例示したが、本発明はこれに限定されず、軸受部１３３のスラスト部１３４およびスラストワッシャ１３５、回転子１１２のフランジ面１１３およびスラストワッシャ１３５、ピストンピン１４２およびコンロッド１４３、クランクシャフト１２１の偏心軸１２３およびコンロッド１４３等といった、他の摺動部材の組合せからなる摺動部に対しても好適に適応することができる。
［変形例］
本実施の形態では、酸化皮膜２００を摺動面に形成した摺動部として、ピストン１４１およびボアー１３２からなる摺動部、並びに、クランクシャフト１２１の主軸部１２２および軸受部１３３からなる摺動部を例示したが、本発明はこれに限定されず、軸受部１３３のスラスト部１３４およびスラストワッシャ１３５、回転子１１２のフランジ面１１３およびスラストワッシャ１３５、ピストンピン１４２およびコンロッド１４３、クランクシャフト１２１の偏心軸１２３およびコンロッド１４３等といった、他の摺動部材の組合せからなる摺動部に対しても好適に適応することができる。
例えば、クランクシャフト１２１の偏心軸１２３およびコンロッド１４３からなる摺動部においても、主軸部１２２および軸受部１３３からなる摺動部と同様に、偏心軸１２３にかかる荷重が大きく変動することで、摺動面同士の間で、潤滑油１０３に溶け込んだ冷媒ガスが繰り返し発泡するおそれがある。それゆえ、偏心軸１２３の摺動面に酸化皮膜２００を形成することで、摺動部における良好な耐摩耗性を実現することができる。
また、本実施の形態では、冷媒圧縮機１００は、一定速度のレシプロ型（往復動式）であるが、本発明はこれに限定されず、スクロール型、ロータリー型（回転式）、振動式等のように、摺動部を有する他の型式の圧縮機にも好適に適用することができる。さらに、近年、インバーター化に伴って圧縮機の低速化が進む中、特に２０Ｈｚを切るような超低速運動を行うに圧縮機に対しても、本発明を好適に適用することができる。
さらに、圧縮機の摺動部材を構成する材料としては、ＦＣ２００またはＦＣ２５０等の普通鋳鉄（ねずみ鋳鉄）が選定されることが多いが、この場合、酸化皮膜２００を構成する酸化鉄粒子の粒径のばらつきが大きくなる。この場合、酸化皮膜２００のくぼみ２１０の深さ（小さな凹凸の高低差）Ｄｈが０．０２μｍ〜０．０８μｍの範囲内となるように、酸化皮膜２００を形成する処理の条件を決定することが望ましい。これにより、バラツキを考慮した工業的な多量生産において、品質の安定を図ることができる。
本発明について、実施例および比較例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。なお、以下の実施例および比較例における各種物性等の測定または評価は次に示すようにして行った。
（測定方法または評価方法）
［酸化皮膜の緻密性の評価］
ハイジトロン社（Hysitron Inc.）製のナノインデンテーション装置・TI-950 トライボインデンター（商品名）により、酸化皮膜の縦方向（Ｘ方向）および横方向（Ｙ方向）について頂点同士の間隔を測定して評価した。
［酸化皮膜の緻密性の評価］
ハイジトロン社（Hysitron Inc.）製のナノインデンテーション装置・TI-950 トライボインデンター（商品名）により、酸化皮膜の縦方向（Ｘ方向）および横方向（Ｙ方向）について頂点同士の間隔を測定して評価した。
［酸化皮膜の膜厚の測定および分析：Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析］
酸化皮膜の膜厚は、パナリティカル社（PANalytical B.V.）製のＸ線回折装置 X'Pert PRO MPD（商品名）を用いて、線源：Ｘ線ミラー、スリット：１／２°、マスク：１０ｍｍ、検出器：Ｘｅ比例検出器、管球：Ｃｕ、電圧：４５ｋＶ、電流：４０ｍＡの条件で測定した。
酸化皮膜の膜厚は、パナリティカル社（PANalytical B.V.）製のＸ線回折装置 X'Pert PRO MPD（商品名）を用いて、線源：Ｘ線ミラー、スリット：１／２°、マスク：１０ｍｍ、検出器：Ｘｅ比例検出器、管球：Ｃｕ、電圧：４５ｋＶ、電流：４０ｍＡの条件で測定した。
［酸化皮膜の膜厚の測定および分析：グロー放電発光分光分析（ＧＤＳ）］
また、酸化皮膜の膜厚は、（株）堀場製作所製（JOBIN YVON S.A.S.）のグロー放電発光分光分析装置（ＧＤ−ＯＥＳ） GD-PROFILER 2（商品名）を用いて、現行手法プログラム（Current Method-program）：Ｆｅ−Matrix−２１Ｐ−０、定電力（Constant Electric Power）：３５Ｗ、アルゴン放電圧力（Ａｒ−Pressure）：６００Ｐａ、放電モード：ノーマルスパッタ、放電範囲：４ｍｍφ、測定元素（Analytical Element）：Ｏ，Ｆｅ，Ｈ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｃ，Ｎ，Ｃａ，Ｎａ，Ｓ，Ｐの計１７元素、分析時間：２５０秒、サンプリング時間：０．１秒／ポイントの条件で測定した。
また、酸化皮膜の膜厚は、（株）堀場製作所製（JOBIN YVON S.A.S.）のグロー放電発光分光分析装置（ＧＤ−ＯＥＳ） GD-PROFILER 2（商品名）を用いて、現行手法プログラム（Current Method-program）：Ｆｅ−Matrix−２１Ｐ−０、定電力（Constant Electric Power）：３５Ｗ、アルゴン放電圧力（Ａｒ−Pressure）：６００Ｐａ、放電モード：ノーマルスパッタ、放電範囲：４ｍｍφ、測定元素（Analytical Element）：Ｏ，Ｆｅ，Ｈ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｃ，Ｎ，Ｃａ，Ｎａ，Ｓ，Ｐの計１７元素、分析時間：２５０秒、サンプリング時間：０．１秒／ポイントの条件で測定した。
［表面の酸化鉄粒子の粒径の測定］
酸化皮膜の表面に位置する酸化鉄粒子の大きさは、ハイジトロン社製のナノインデンテーション装置・TI-950 トライボインデンター（商品名）により測定した。
酸化皮膜の表面に位置する酸化鉄粒子の大きさは、ハイジトロン社製のナノインデンテーション装置・TI-950 トライボインデンター（商品名）により測定した。
［ビッカース硬度の測定］
酸化皮膜を構成する第一層〜第三層、並びに母材のビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２４４に基づいて、ハイジトロン社製のナノインデンテーション装置・TI-950 トライボインデンター（商品名）により測定した。この測定では、圧子（プローブ）の押込み荷重および深さを連続的に測定し、ナノインデンテーション法（押込み深さおよび荷重の曲線から圧入硬度（indentation hardness）またはヤング率を算出する方法）による硬度測定結果からのビッカース硬度への換算を行った。
酸化皮膜を構成する第一層〜第三層、並びに母材のビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２４４に基づいて、ハイジトロン社製のナノインデンテーション装置・TI-950 トライボインデンター（商品名）により測定した。この測定では、圧子（プローブ）の押込み荷重および深さを連続的に測定し、ナノインデンテーション法（押込み深さおよび荷重の曲線から圧入硬度（indentation hardness）またはヤング率を算出する方法）による硬度測定結果からのビッカース硬度への換算を行った。
［酸化皮膜のリング・オン・ディスク式摩耗試験による評価］
酸化皮膜のリング・オン・ディスク式摩耗試験は、株式会社エイ・アンド・ディ製の中圧フロン摩擦摩耗試験機 ＡＦＴ−１８−２００Ｍ（商品名）を用いて、荷重１０００Ｎの条件にて行った。
酸化皮膜のリング・オン・ディスク式摩耗試験は、株式会社エイ・アンド・ディ製の中圧フロン摩擦摩耗試験機 ＡＦＴ−１８−２００Ｍ（商品名）を用いて、荷重１０００Ｎの条件にて行った。
（実施例１）
ピストンを模した母材として鋳鉄製の丸棒を準備し、この母材の表面を表面処理により活性化させた。その後、母材を、発熱性変性ガス（ＤＸガス）中で５５０℃まで加熱し、その後に冷却した。これによって、実施例１のサンプル、すなわち、表面に酸化皮膜が形成された母材を得た。
ピストンを模した母材として鋳鉄製の丸棒を準備し、この母材の表面を表面処理により活性化させた。その後、母材を、発熱性変性ガス（ＤＸガス）中で５５０℃まで加熱し、その後に冷却した。これによって、実施例１のサンプル、すなわち、表面に酸化皮膜が形成された母材を得た。
サンプルに形成された酸化皮膜について、その膜厚を測定するとともに、表面のくぼみの深さ（凹凸の大きさ）を測定した。また、この酸化皮膜の表面にあるくぼみの一つについて、その深さを測定したところ、例えば、図６Ａに示すように、Ｄｈ＝２５ｎｍ（０．０２５μｍ）であった。
なお、図６Ａでは、横軸が測定長さ（単位：μｍ）であり縦軸が凹凸形状の深さ（単位：ｎｍ）を示している。それゆえ、図６Ａに示すように、酸化皮膜の表面には、２０ｎｍレベルの微小なくぼみが形成されていることがわかる。また、酸化皮膜の表面の電子顕微鏡写真の観察結果を図６Ｂに示す。図６Ｂに示すように、酸化皮膜の表面には、酸化鉄粒子が緻密に集合していることがわかる。
次に、得られた酸化皮膜について、その潤滑油の吸い上げ効果を、潤滑油の粘度をパラメータとして評価した。具体的には、粘度がＶＧ５またはＶＧ２２の潤滑油にサンプル（丸棒）の一端を浸漬させ、サンプルの側壁の表面（酸化皮膜が形成）に潤滑油を吸い上げさせた。
浸漬開始から２分、５分、１２分、および３８分が経過した時点で潤滑油が到達した高さを測定し、経過時間を横軸に到達高さを縦軸にしたグラフに、測定結果をプロットすることにより、酸化皮膜による潤滑油の吸い上げ効果について評価した。粘度がＶＧ５の潤滑油を用いた結果を図７Ａに、粘度がＶＧ２２の潤滑油を用いた結果を図７Ｂに示す。また、図７Ａおよび図７Ｂでは、三角形のプロットが実施例１の酸化皮膜の結果を示す。
（比較例１）
実施例１と同じ母材の表面に、特許文献１（特開平７−２３８８８５号公報）に開示される方法により多孔質のリン酸塩皮膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
実施例１と同じ母材の表面に、特許文献１（特開平７−２３８８８５号公報）に開示される方法により多孔質のリン酸塩皮膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
リン酸塩皮膜が形成された比較サンプルについて、実施例１と同様にして、潤滑油の吸い上げ効果を評価した。粘度がＶＧ５の潤滑油を用いた結果を図７Ａに、粘度がＶＧ２２の潤滑油を用いた結果を図７Ｂに示す。また、図７Ａおよび図７Ｂでは、正方形のプロットが比較例１のリン酸塩皮膜の結果を示す。
（比較例２）
実施例１および比較例１と同じ母材を、皮膜を形成することなく実施例１と同様にして、潤滑油の吸い上げ効果を評価した。粘度がＶＧ５の潤滑油を用いた結果を図７Ａに、粘度がＶＧ２２の潤滑油を用いた結果を図７Ｂに示す。また、図７Ａおよび図７Ｂでは、菱形のプロットが比較例２の母材のみ（未処理）の結果を示す。
実施例１および比較例１と同じ母材を、皮膜を形成することなく実施例１と同様にして、潤滑油の吸い上げ効果を評価した。粘度がＶＧ５の潤滑油を用いた結果を図７Ａに、粘度がＶＧ２２の潤滑油を用いた結果を図７Ｂに示す。また、図７Ａおよび図７Ｂでは、菱形のプロットが比較例２の母材のみ（未処理）の結果を示す。
（実施例１、比較例１および２の対比）
図７Ｂに示すように、潤滑油の粘度がＶＧ２２の場合には、実施例１のサンプルも比較例１の比較サンプルもほとんど同程度の吸い上げ効果が見られた。一方、図７Ａに示すように、潤滑油の粘度がＶＧ５の場合には、実施例１のサンプルの吸い上げ効果は、比較例１の比較サンプルを大きく上回っていた。なお、図７Ａおよび図７Ｂのいずれにおいても、比較例２の未処理の母材のみでは、ほとんど吸い上げ効果は見られなかった。
図７Ｂに示すように、潤滑油の粘度がＶＧ２２の場合には、実施例１のサンプルも比較例１の比較サンプルもほとんど同程度の吸い上げ効果が見られた。一方、図７Ａに示すように、潤滑油の粘度がＶＧ５の場合には、実施例１のサンプルの吸い上げ効果は、比較例１の比較サンプルを大きく上回っていた。なお、図７Ａおよび図７Ｂのいずれにおいても、比較例２の未処理の母材のみでは、ほとんど吸い上げ効果は見られなかった。
毛細管現象の一般式では、高さｈは、表面張力Ｔに比例し、接触角θに反比例する。それゆえ、実施例１の酸化皮膜は、比較例１のリン酸塩皮膜よりも接触角が小さく、かつ、濡れ性が高いことが分かる。これは、表面に多数のくぼみ（小さな凹凸）を有することに由来すると考えられる。それゆえ、本発明に係る酸化皮膜は、潤滑油の吸い上げ効果が顕著となり、潤滑油の保持性に優れていることがわかる。
また、比較例１のリン酸塩皮膜は多孔質であるため、その空孔は、実施例１の酸化皮膜のくぼみに比べて大きくなっている。また、実施例１の酸化皮膜は、酸化鉄粒子が緻密に集合した状態であるため、その表面粗さの程度が小さいが、比較例１のリン酸塩皮膜の表面粗さは、多孔質であることから表面粗さの程度が大きくなる。しかも、リン酸塩皮膜は、酸化皮膜に比べて硬度が低い。それゆえ、実施例１の酸化皮膜は、潤滑油の保持性に加えて、耐摩耗性についても優れていると考えられる。
（実施例２）
鋳鉄製のリング状の母材を準備し、前記実施例１と同様にして、この母材の表面に、本発明に係る酸化皮膜を形成した。これにより、実施例２のサンプルを得た。得られたサンプルの酸化皮膜の膜厚は１μｍであった。
鋳鉄製のリング状の母材を準備し、前記実施例１と同様にして、この母材の表面に、本発明に係る酸化皮膜を形成した。これにより、実施例２のサンプルを得た。得られたサンプルの酸化皮膜の膜厚は１μｍであった。
得られた酸化皮膜について、Ｘ線回折分析およびグロー放電発光分光分析により分析した。分析結果のうち、グロー放電発光分光分析の結果を図８に示す。なお、図８では、縦軸が酸化物量（単位：原子％）であり、横軸が、最表面（外面）からの深さ（単位：μｍ）である。
図８に示すように、サンプルの酸化皮膜は、最表面から順に、Ｆｅ2Ｏ3の第一層、Ｆｅ3Ｏ4の第二層、およびＦｅＯの第三層で構成される三層構造体であった。また、それぞれの層厚は、第一層の層厚をＴ１とし、第二層の層厚をＴ２とし、第三層の層厚をＴ３としたときに、Ｔ１＝０．１μｍ、Ｔ２＝０．１μｍ、Ｔ３＝０．８μｍであったので、Ｔ１：Ｔ２：Ｔ３＝５〜２０：１０〜５０：３０〜８５の範囲内であることが分かった。さらに、Ｘ線回折分析結果より、第三層にはＦｅＯの結晶が認められなかった。それゆえ、第三層は、結晶構造を有しないアモルファスであることが確認された。
また、このサンプルについて、Ｒ１３４ａ（冷媒ガスの一例）およびＶＧ３のエステル油（潤滑油の一例）との混合雰囲気下でリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図９のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１０のグラフに示す。
（比較例３）
実施例２と同じリング状の母材に、比較例１と同様にして多孔質のリン酸塩皮膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
実施例２と同じリング状の母材に、比較例１と同様にして多孔質のリン酸塩皮膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
得られた比較サンプルに対して、実施例２と同様にしてリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図９のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１０のグラフに示す。
（比較例４）
実施例２と同じリング状の母材に、特許文献２（特開平４−３７１５６５号公報）に開示されている方法で公知の硬質膜である窒化膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
実施例２と同じリング状の母材に、特許文献２（特開平４−３７１５６５号公報）に開示されている方法で公知の硬質膜である窒化膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
得られた比較サンプルに対して、実施例２と同様にしてリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図９のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１０のグラフに示す。
（比較例５）
濃厚な苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）水溶液中に酸化剤を混合し、１４０℃〜１４５℃の温度で、実施例２と同じリング状の母材を処理することで、従来の一般的な酸化膜であるＦｅ2Ｏ3の単層を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
濃厚な苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）水溶液中に酸化剤を混合し、１４０℃〜１４５℃の温度で、実施例２と同じリング状の母材を処理することで、従来の一般的な酸化膜であるＦｅ2Ｏ3の単層を形成した。これにより、比較サンプルを得た。
得られた比較サンプルに対して、実施例２と同様にしてリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図９のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１０のグラフに示す。
（実施例２、比較例３、４および５の対比）
リング・オン・ディスク式摩耗試験では、リングである実施例のサンプルまたは比較例の比較サンプルが、摺動部を構成する第二摺動部材に対応し、ディスクが第一摺動部材に対応する。そして、図９に示すように、実施例のサンプルに施した酸化皮膜の摩耗量と、比較サンプルに施した各皮膜の摩耗量とを比較すれば、比較例３のリン酸塩皮膜の摩耗量が最も多く、実施例２の酸化皮膜、比較例４の窒化膜、並びに比較例５の従来の酸化膜は、あまり摩耗していないことが分かる。
リング・オン・ディスク式摩耗試験では、リングである実施例のサンプルまたは比較例の比較サンプルが、摺動部を構成する第二摺動部材に対応し、ディスクが第一摺動部材に対応する。そして、図９に示すように、実施例のサンプルに施した酸化皮膜の摩耗量と、比較サンプルに施した各皮膜の摩耗量とを比較すれば、比較例３のリン酸塩皮膜の摩耗量が最も多く、実施例２の酸化皮膜、比較例４の窒化膜、並びに比較例５の従来の酸化膜は、あまり摩耗していないことが分かる。
一方、図１０に示すように、第二摺動部材（第一摺動部材から見て「相手材」となる摺動部材）に相当するディスクの摩耗量について比較すれば、比較例３（リン酸塩皮膜）のディスクの摩耗量は、実施例２（酸化皮膜）のディスクの摩耗量と同等であるが、比較例４（窒化膜）のディスクの摩耗量が最も多く、次いで、比較例５（従来の酸化膜）のディスクの摩耗量が多いことが分かる。
実施例２の酸化皮膜は、酸化鉄粒子による皮膜であるため、比較例３のリン酸塩皮膜よりも硬度が高く、かつ、化学的に安定であるため、「相手材」であるディスクに対して材料同士の親和性が低くなる。それゆえ、摺動による摩耗も少なく、かつ、酸化皮膜がディスク表面に付着するようなことが大幅に抑制されると考えられる。その結果、実施例２のでは、サンプル（リング）の摩耗量が比較例３よりも小さくなっていると考えられる。
また、酸化皮膜が種類の異なる酸化鉄の三層構造となっており、第一層はＦｅ2Ｏ3の層、第二層がＦｅ3Ｏ4の層、第三層がＦｅＯの層となっている。一般的にＦｅ2Ｏ3の結晶構造は菱面体晶であることから、立方晶であるＦｅ3Ｏ4と比較して、結晶構造面で弱くなっている。また、窒化膜の結晶構造は、周密六方晶、面心立方晶、体心正方晶からなっていることから、菱面体晶であるＦｅＯと比較して結晶構造面で強くなっている。それゆえ、実施例２の酸化皮膜は、比較例４の窒化膜、あるいは、比較例５の従来の酸化膜（Ｆｅ2Ｏ3単層）に比較して、粒子レベルの硬度が低くなると考えられる。
それゆえ、実施例２の酸化皮膜は、比較例４の窒化膜あるいは比較例５の従来の酸化膜に比較して、「相手材」であるディスクへの攻撃性を低下させるとともに、なじみ性を向上させていると考えられる。その結果、実施例２では、ディスクの摩耗量が比較例４および５よりも小さくなっていると考えられる。
また、実施例２の酸化皮膜では、Ｆｅ2Ｏ3からなる第一層を、結晶構造上強い立方晶であるＦｅ3Ｏ4の層（第二層）が支持している。しかも、第三層のＦｅＯの層はアモルファス構造であるため、第三層と母材（鉄系材料）との界面では、結晶粒界または格子欠陥のような弱い構造が層内に存在しないことになる。これにより、摺動時の負荷に対しての耐久性が向上するため、酸化皮膜の剥離等が有効に抑制されていると考えられる。
（実施例３）
ビッカース硬度が１７５Ｈｖである、鋳鉄製のリング状の母材を準備し、前記実施例１と同様にして、この母材の表面に、本発明に係る酸化皮膜を形成した。これにより、実施例３のサンプルを得た。得られたサンプルの酸化皮膜の膜厚は３．１μｍであった。
（実施例３）
ビッカース硬度が１７５Ｈｖである、鋳鉄製のリング状の母材を準備し、前記実施例１と同様にして、この母材の表面に、本発明に係る酸化皮膜を形成した。これにより、実施例３のサンプルを得た。得られたサンプルの酸化皮膜の膜厚は３．１μｍであった。
得られた酸化皮膜について、グロー放電発光分光分析により分析したところ、実施例２と同様に三層構造体となっていた。また、各層の層厚は、第一層が０．３μｍであり、第二層が０．８μｍであり、第三層が２．０μｍであった。
また、各層について、ＪＩＳ Ｚ２２４４に基づいてビッカース硬度を測定した。その結果を図１１に示す。なお、図１１では、縦軸がビッカース硬度（単位：Ｈｖ）であり、横軸が、最表面（外面）からの深さ（単位：μｍ）である。
図１１に示すように、第一層では、最表面からの深さ（距離）が大きくなるにしたがって、徐々に硬度が上昇しているが、第二層、第三層および母材は、いずれも深さが大きくなっても硬度に変化は見られない。また、硬度が変化する第一層を除けば、第二層の硬度が最も高く、次いで第三層の硬度が高く、母材の硬度が最も低くなっている。
また、このサンプルについて、Ｒ１３４ａ（冷媒ガスの一例）およびＶＧ３のエステル油（潤滑油の一例）との混合雰囲気下でリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図１２のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１３のグラフに示す。
（比較例６）
実施例３と同じリング状の母材を比較サンプルとした。この比較サンプル（母材）の表面に形成されている従来の酸化膜の硬度は２００Ｈｖであった。
実施例３と同じリング状の母材を比較サンプルとした。この比較サンプル（母材）の表面に形成されている従来の酸化膜の硬度は２００Ｈｖであった。
得られた比較サンプルに対して、実施例３と同様にしてリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図１２のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１３のグラフに示す。
（比較例７）
濃厚な苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）水溶液中に酸化剤を混合し、１４０℃〜１４５℃の温度で、実施例３と同じリング状の母材を処理することで、従来の酸化膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。得られた従来の酸化膜の硬度は５００Ｈｖであった。
濃厚な苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）水溶液中に酸化剤を混合し、１４０℃〜１４５℃の温度で、実施例３と同じリング状の母材を処理することで、従来の酸化膜を形成した。これにより、比較サンプルを得た。得られた従来の酸化膜の硬度は５００Ｈｖであった。
得られた比較サンプルに対して、実施例３と同様にしてリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図１２のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１３のグラフに示す。
（比較例８）
実施例２と同じリング状の母材に、特許文献２に開示されている方法で窒化鉄の単層を形成した。これにより、比較サンプルを得た。得られた従来の窒化膜の硬度は１０００Ｈｖであった。
実施例２と同じリング状の母材に、特許文献２に開示されている方法で窒化鉄の単層を形成した。これにより、比較サンプルを得た。得られた従来の窒化膜の硬度は１０００Ｈｖであった。
得られた比較サンプルに対して、実施例３と同様にしてリング・オン・ディスク式摩耗試験を行った。その結果のうち、リングの摩耗量（すなわちサンプルの摩耗量）を図１２のグラフに示し、ディスクの摩耗量を図１３のグラフに示す。
（実施例３、比較例６、７および８の対比）
図１２に示すように、第二摺動部材に相当するリングの摩耗量は、比較例６の２００Ｈｖ単層の皮膜では健著に多いが、比較例７の５００Ｈｖ単層の皮膜、比較例８の１０００Ｈｖ単層の皮膜、並びに、実施例３の酸化皮膜では、摩耗がほとんど認められないことが分かる。一方、図１３に示すように、第一摺動部材に相当するディスクの摩耗量は、比較例６〜８の単層では、硬度が上昇するとともに増加しているが、実施例３の酸化皮膜では、摩耗がほとんど認められないことが分かる。このように、実施例３の酸化皮膜では、リングおよびディスクともに摩耗量が顕著に少ないことがわかる。
図１２に示すように、第二摺動部材に相当するリングの摩耗量は、比較例６の２００Ｈｖ単層の皮膜では健著に多いが、比較例７の５００Ｈｖ単層の皮膜、比較例８の１０００Ｈｖ単層の皮膜、並びに、実施例３の酸化皮膜では、摩耗がほとんど認められないことが分かる。一方、図１３に示すように、第一摺動部材に相当するディスクの摩耗量は、比較例６〜８の単層では、硬度が上昇するとともに増加しているが、実施例３の酸化皮膜では、摩耗がほとんど認められないことが分かる。このように、実施例３の酸化皮膜では、リングおよびディスクともに摩耗量が顕著に少ないことがわかる。
実施例３の酸化皮膜を構成している３つの層のうち、第一層は、０．３μｍの層厚で最表面の硬度が２５０Ｈｖであり、図１１に示すように、最表面から母材の断面の中心に向けて硬度が上昇し、第二層との境界では５５０Ｈｖとなる硬度分布を有している。それゆえ、「相手材」であるディスクへの攻撃性を低下させるとともに、なじみ性を向上させていると考えられる。
しかも、第一層は、実施例１の結果から明らかなように、酸化鉄粒子が緻密に集合した状態であるため、深さの増加とともに硬度が上昇することで、「相手材」に対するなじみ性がより向上し、また、摩擦係数を低くすることも可能となると考えられる。
また、第二層は、第一層よりも厚い０．８μｍの層厚であり、硬度が５５０Ｈｖと最も高硬度であることから、例えば、摺動により生じた摩耗粉が摺動部内（第一摺動部材および第二摺動部材の間）に残存しても酸化皮膜の摩耗の進行を抑制できると考えられる。さらに、第三層は、第一層および第二層よりも厚い２．０μｍの層厚であり、硬度が３００Ｈｖであることから、母材（硬度は１７５Ｈｖ）との硬度差が少なくなり、密着性が向上していると考えられる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、摺動部を備える冷媒圧縮機において、低粘度の潤滑油を用いた高効率化された構成において、より一層優れた信頼性を実現することができる。それゆえ、本発明は、冷媒圧縮機を用いた各種機器に関する分野に広く好適に用いることができる。
１００ 冷媒圧縮機
１０１ 密閉容器
１０２ 吸入管
１０３ 潤滑油
１１０ 電動要素
１１１ 固定子
１１２ 回転子
１１３ フランジ面（摺動部材）
１２０ 圧縮要素
１２１ クランクシャフト（摺動部材）
１２２ 主軸部（摺動部材）
１２３ 偏心軸（摺動部材）
１３０ スラスト軸受部（摺動部材）
１３１ シリンダーブロック（摺動部材）
１３２ ボアー（摺動部材）
１３３ スラスト部（摺動部材）
１３４ スラストワッシャ（摺動部材）
１４０ 圧縮室
１４１ ピストン（摺動部材）
１４２ ピストンピン（摺動部材）
１４３ コンロッド（摺動部材）
１５０ 母材（摺動部材）
１６０ 冷蔵庫
１７０ エアーコンディショナー
２００ 酸化皮膜
２０１ 第一層
２０２ 第二層
２０３ 第三層
２１０ くぼみ（小さな凹凸）
２２０ 外面（最表面）
１０１ 密閉容器
１０２ 吸入管
１０３ 潤滑油
１１０ 電動要素
１１１ 固定子
１１２ 回転子
１１３ フランジ面（摺動部材）
１２０ 圧縮要素
１２１ クランクシャフト（摺動部材）
１２２ 主軸部（摺動部材）
１２３ 偏心軸（摺動部材）
１３０ スラスト軸受部（摺動部材）
１３１ シリンダーブロック（摺動部材）
１３２ ボアー（摺動部材）
１３３ スラスト部（摺動部材）
１３４ スラストワッシャ（摺動部材）
１４０ 圧縮室
１４１ ピストン（摺動部材）
１４２ ピストンピン（摺動部材）
１４３ コンロッド（摺動部材）
１５０ 母材（摺動部材）
１６０ 冷蔵庫
１７０ エアーコンディショナー
２００ 酸化皮膜
２０１ 第一層
２０２ 第二層
２０３ 第三層
２１０ くぼみ（小さな凹凸）
２２０ 外面（最表面）
Claims (16)
- 冷媒を圧縮する冷媒圧縮機が備える、潤滑油が貯留される密閉容器内の摺動部に用いられ、
母材が鉄系材料で構成されており、かつ、前記摺動部における摺動面となる当該母材の表面全体に、最表面から順に、Ｆｅ2Ｏ3で構成される第一層、Ｆｅ3Ｏ4で構成される第二層、およびＦｅＯで構成される第三層からなる三層構造の酸化皮膜が形成されている、
摺動部材。 - 前記第一層の層厚をＴ１、前記第二層の層厚をＴ２、前記第三層の層厚をＴ３としたときに、Ｔ１：Ｔ２：Ｔ３が５〜２０：１０〜５０：３０〜８５の範囲内にある、
請求項１に記載の摺動部材。 - 前記第三層が、アモルファス構造のＦｅＯで構成されている、
請求項１または２に記載の摺動部材。 - 前記第一層、前記第二層および前記第三層からなる酸化皮膜の膜厚が１μｍ〜３μｍの範囲内にある、
請求項１から３のいずれか１項に記載の摺動部材。 - 少なくとも、前記第一層は、酸化鉄粒子が層状に集合した構成となっており、
前記酸化鉄粒子の粒径は、０．１μｍ〜４．０μｍの範囲内である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の摺動部材。 - 潤滑油が貯留される前記密閉容器と、
当該密閉容器内に収容される電動要素と、
前記密閉容器内に収容され、前記電動要素を駆動し冷媒を圧縮する圧縮要素と、を備え、
当該圧縮要素には、請求項１から５のいずれか１項に記載の摺動部材を用いた摺動部が含まれている、
冷媒圧縮機。 - 前記圧縮要素は、
主軸部および偏心軸を備えたクランクシャフトと、
前記主軸部を回転自在に軸支する軸受部と、
当該軸受部に形成されたスラスト部と、
圧縮室を形成するボアーを有するシリンダーブロックと、
前記圧縮室内を往復動するピストンと、
前記偏心軸と平行に配置され前記ピストンに固定されたピストンピンと、
前記偏心軸と前記ピストンを連結するコンロッドと、
を備え、
前記摺動部材は、前記クランクシャフト、前記スラスト部、前記シリンダーブロックの前記ボアー、前記ピストン、前記ピストンピン、前記コンロッドの少なくともいずれか１つである、
請求項６に記載の冷媒圧縮機。 - 前記電動要素は、少なくとも電源周波数以下の運転周波数を含む複数の運転周波数でインバーター駆動される、
請求項６または７に記載の冷媒圧縮機。 - 前記潤滑油は、粘度がＶＧ３〜ＶＧ１００の範囲内にある、
請求項６から８のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。 - 前記圧縮要素で圧縮される前記冷媒としては、少なくとも自然冷媒またはＨＦＣ系冷媒が用いられる、
請求項６から９のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機。 - 前記自然冷媒は、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、およびＲ７４４の少なくともいずれか１種、またはこれらを含む混合物である、
請求項１０に記載の冷媒圧縮機。 - 前記潤滑油としては、鉱油、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールからなる群より選択される少なくとも１種が用いられる、
請求項１１に記載の冷媒圧縮機。 - 前記ＨＦＣ系冷媒は、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０、およびＲ３２の少なくともいずれか１種、またはこれらを含む混合物である、
請求項１０に記載の冷媒圧縮機。 - 前記潤滑油としては、エステル油、アルキルベンゼン油、ポリビニルエーテル、およびポリアルキレングリコールからなる群より選択される少なくとも１種が用いられる、
請求項１３に記載の冷媒圧縮機。 - 請求項６から１４のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機を備えている、冷蔵庫。
- 請求項６から１４のいずれか１項に記載の冷媒圧縮機を備えている、エアーコンディショナー。
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