JP7297253B2 - 圧縮機、摺動部材、および摺動部材の製造方法 - Google Patents

圧縮機、摺動部材、および摺動部材の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒素含有炭素皮膜、当該膜の製造方法、圧縮機、および摺動部材に関する。
摺動部における損失を低減するため、窒素を含有した非晶質炭素皮膜を基材の表面に形成することが知られている（特許文献１）。
特許文献１には、潤滑油が存在する環境下で摺動する部材の製造方法として、基材の表面に向けて窒素イオンビームを照射しながら、フィルタードアークデポジション法により基材の表面に炭素を蒸着させることで、窒素含有率が２～１１原子％（at%）の非晶質炭素皮膜を成膜することが記載されている。
特許文献１の記載によると、非晶質炭素皮膜が成膜された摺動部材を使用した際に、摺動面において膜の表面の窒素が脱離し、摺動面にはグラファイトの如き構造変化層が形成される。この構造変化層により摩擦係数が低減される。
特許第６２９８０１９号
特許文献１の記載によれば、１１原子％を超える程に窒素含有率を増加させようとすると、成膜が難しい。また、仮に成膜できたとしても、非晶質炭素皮膜の硬度が低下するため、構造変化層と硬質層との硬度差により発現される馴染み効果が十分に発現できない、とされている。
本開示は、１１原子％を超える窒素含有率を実現した非晶質炭素皮膜の提供、及びかかる非晶質炭素皮膜の製造方法の提供により、摩擦を十分に低減することを目的とする。
加えて、１１原子％を超える窒素含有率を実現した非晶質炭素皮膜を備え、冷媒雰囲気に供される摺動部材、及び、かかる摺動部材を含む冷媒用の圧縮機を提供することにより、冷媒雰囲気下で使用される摺動部材における摩擦を十分に低減することを目的とする。
本開示の窒素含有炭素皮膜は、基材に施され、窒素を含有した非晶質の窒素含有炭素皮膜であって、炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％であり、炭素皮膜のヤング率は、160～250 GPaである。
本開示の窒素含有炭素皮膜製造方法は、基材に施され、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜を製造する方法であって、グリッドレスイオンビーム発生装置を用いて窒素イオンビームを基材に照射しながら、フィルタードカソーディック真空アーク法により基材に炭素を蒸着する。
本開示の圧縮機は、水素を含む冷媒を圧縮する圧縮機であって、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が基材に施された摺動部材を備え、摺動部材は、冷媒が存在する雰囲気に配置され、炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％である。
本開示の摺動部材は、水素を含む冷媒を圧縮する圧縮機を構成する摺動部材であって、冷媒が存在する雰囲気に配置され、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が基材に施され、炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％である。
本開示の摺動部材は、冷媒が存在する雰囲気下で使用される摺動部材であって、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が基材に施され、炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％である。
本開示の摺動部材の製造方法は、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が施された基材を含み、冷媒が存在する雰囲気下で使用される摺動部材を製造する方法であって、グリッドレスイオンビーム発生装置を用いて、窒素イオンビームを基材に照射しながら、フィルタードカソーディック真空アーク法により基材に炭素を蒸着するステップを含む。
本開示によれば、窒素含有率を14～20原子％にまで増加させた窒素含有非晶質炭素皮膜（以下、CNx膜）を実現することができ、窒素含有率がより小さい場合と比べて炭素皮膜の硬度が低下したとしても、後述する試験結果に基づいて、摩擦を十分に低減することができる。
加えて、14～20原子％にまで窒素含有率を増加させたことで、CNx膜のヤング率が160～250 GPaにまで低下するため、基材に典型的に用いられる金属材料のヤング率（200 GPa前後）と同等のヤング率がCNx膜に与えられることとなる。そのため、CNx膜の割れや、基材からの剥離を防ぐことができる。
さらに、本開示のCNx膜が、水素を含有する冷媒雰囲気下で使用されるならば、炭素と水素との結合によりCNx膜の表層に軟質なポリマーライクカーボンが生成されるため、境界潤滑下においても摩擦を低減させることができる。
実施形態に係る摺動部材の基材の断面模式図である。基材にはCNx膜が施されている。 図１に示すCNx膜について、成膜時の窒素流量と、膜の窒素含有率との関係を示すグラフである。 図１に示すCNx膜について、窒素含有率と、冷媒雰囲気下における摩擦係数とを示すグラフである。 図１に示すCNx膜について、成膜時の窒素流量に対する硬度およびヤング率を示すグラフである。 図１に示すCNx膜を製造するための製造装置を示す模式図である。 図５に示す製造装置に備わるグリッドレスイオンビーム発生装置を示す模式図である。 図６に示すグリッドレスイオンビーム発生装置に備わるアノードを示す平面図である。 図６に示すグリッドレスイオンビーム発生装置に備わるカソードを示す平面図である。 図６に示すグリッドレスイオンビーム発生装置によるプラズマ発生を示す概念図である。 図６に示すグリッドレスイオンビーム発生装置によるプラズマ照射を示す概念図である。 図５に示すグリッドレスイオンビーム発生装置と対比するため、グリッドを含むイオンビーム発生装置を示す模式図である。 グリッドレス／グリッド有のイオンビーム発生装置それぞれの電圧と電流密度との関係を示す模式図である。 CNx膜の製造手順を示す図である。 反射分光法による表面分析結果を示す図である。 反射分光法による表面分析結果を示す図である。 消衰係数および屈折率から種々の炭素皮膜の表面状態を表す図である。 冷媒ガス雰囲気ドライ条件下におけるCNx膜の摩擦特性を示す図である。 冷媒ガス雰囲気境界潤滑条件下におけるCNx膜の摩擦特性を示す図である。 冷媒を圧縮する圧縮機の一例を示す縦断面図である。 圧縮機の部分拡大図であり、スラストプレートを示している。 スクロール圧縮機構とスラスト軸受との間に介在するスラストプレートの斜視図である。 オルダムリンクの斜視図である。 冷媒を圧縮する圧縮機の他の一例を示す縦断面図である。 図２１に示すロータリー圧縮機構を構成するシリンダ、ピストンロータ、およびブレードを示す図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（基材に施されたCNx膜の特性）
図１は、本実施形態に係る摺動部材１０の基材１の断面を模式的に示している。基材１の表面１Ａ（摺動面）には、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜２が施されている。以下、基材１に施された窒素含有非晶質炭素皮膜２のことをCNx膜２と称するものとする。
基材１は、典型的には金属材料から形成されるが、樹脂やセラミック等の適宜な材料から形成することができる。
「CNx膜」は、sp3構造に富むta-C（tetrahedral amorphous-Carbon）膜であって、窒素を含有したもの（ta-CNx）に相当するものとする。CNx膜２の厚さＴは、例えば、0.1～1μｍである。
図１の上部に示すように、CNx膜２が基材１に成膜される。その後、摺動部材１０が使用されると、摺動部材１０と相手部材との摺動によるCNx膜２のせん断により、CNx膜２の表面から窒素が離脱し、離脱した窒素に代わり炭素が炭素と結合することで、図１の下部に示すように、基材１の表層にグラファイトの如き構造を含む構造変化層２Ａが形成される。CNx膜２において窒素が維持された硬質層２Ｂの硬度と比べると、構造変化層２Ａの硬度は低い。
窒素を含有するCNx膜２における窒素と炭素との結合は、典型的なDLC（Diamond-Like Carbon）膜における炭素と炭素との結合と比べると結合力に劣るため、冷媒雰囲気下では、冷媒に含まれる水素とCNx膜２の炭素とが結合し易い。冷媒中の水素とCNx膜２の炭素との化学反応が起こることにより、硬質層２Ｂに対して軟質なポリマーライクカーボン（tribofilm；トライボフィルム）がCNx膜２の表層に生成される。冷媒雰囲気下での使用によりCNx膜２の表層にポリマーライクカーボンが形成されることは、後述するように、反射分光法による表面分析により確認されている。
冷媒雰囲気において、構造変化層２Ａには、窒素の離脱によるグラファイトあるいはそれに類似した構造と、水素と炭素との結合によるポリマーライクカーボンとが混在しうる。CNx膜２における表層に軟質層（構造変化層２Ａ）が形成されると、摺動時のせん断力が低下するため摩擦低減作用が発現する。
CNx膜２における窒素含有率は、図２に示すように、12～20原子％にまで到達する。図３には、14.5原子％と17.4原子％のデータをプロットしている。
ここで、本明細書における窒素含有非晶質炭素皮膜の窒素含有率は、炭素と窒素との合計が100原子％であるとした場合の窒素の含有率を言うものとする。
後述するように、グリッドレスタイプのイオンビーム発生装置４０を用いて、窒素イオンビームを基材１に照射しながら、フィルタードカソーディック真空アーク（Filtered Cathodic Vacuum Arc; FCVA）法により基材１に炭素を蒸着してCNx膜２を成膜することで、CNx膜２の窒素含有率を12～20原子％にまで増大させることができる。
CNx膜２の窒素含有率は、グリッドレスイオンビーム発生装置４０に導入される窒素ガスの流量を設定することにより調整することができる。窒素ガスの流量が多いほど、窒素分圧が増加するため、窒素含有率を多くすることができる。
リングオンディスク摩擦摩耗試験の結果から図３に摩擦係数を示すように、CNx膜２は、特に、冷媒が存在する雰囲気下で使用された際に、摺動部材１０と相手部材との摩擦を十分に低減させることができる。
なお、図１２、図１３、図１５、および図１６に示すデータも、リングオンディスク摩擦摩耗試験により得られたものである。
本明細書における「冷媒」は、HFC（Hydro Fluoro Carbon）系の冷媒、HFO（Hydro Fluoro Olefin）系の冷媒、アンモニア、および炭化水素系冷媒等の水素を含む気相および液相の冷媒を言うものとする。冷媒が潤滑油に溶解していたり、冷媒ガス中に潤滑油が混入していたりしてもよい。
図３に、冷媒ガス中に潤滑油が混在した雰囲気におけるCNx膜２の摩擦係数を矩形（■）のプロットで示し、潤滑油が混在しないドライ条件の冷媒ガス雰囲気におけるCNx膜２の摩擦係数を菱形（◆）のプロットで示している。図３に菱形で示す２つのプロットは、それぞれ、後述する実施例２，３（図１５）に対応している。図３に示す矩形のプロットは、後述する実施例４（図１６）に対応しており、ポリオールエステル（POE）系の潤滑油が冷媒ガスに混在した雰囲気に関する。図３に示すデータに関し、基材１の材質は、SUJ2（JIS G 4805:2008 高炭素クロム軸受鋼鋼材）である。
ドライ条件の冷媒ガス雰囲気であっても、潤滑油が混在した冷媒ガス雰囲気であっても、CNx膜２は、0.04以下の低い摩擦係数を示す。
窒素含有率の増加に伴い、CNx膜２の硬度およびヤング率は低下する。図４に示すグラフの横軸は、後述するグリッドレスイオンビーム発生装置４０に導入される窒素ガスの流量を表している。SCCM（Standard Cubic Centimeter per Minute）は、一定の温度・圧力下（標準条件）における体積流量である。
図４には、CNx膜２の硬度が実線で示され、CNx膜２のヤング率が破線で示されている。5～40 SCCMの範囲に対して、CNx膜２の硬度は18～25 GPaであり、CNx膜２のヤング率は160～250 GPaである。5 SCCMは、窒素含有率が14.5原子％であることに相当し、40 SCCMは、窒素含有率が17.4原子％であることに相当する。
窒素含有率を12～20原子％にまで増加させたCNx膜２は、グリッドレスのイオンビーム発生装置４０を用いることで実現可能となるから、それよりも小さい窒素含有率に留まる場合は、グリッドを含むイオンビーム発生装置が使用されているとみなせる。グリッドを含むイオンビーム発生装置を使用して成膜されたCNx膜の窒素含有率は小さく、硬度は高い。そうした観点から、上述した特許文献１（特許第6298019号）では、グリッドを含むイオンビーム照射装置が使用されている。特許文献１には、窒素含有非晶質炭素皮膜の窒素含有率が2～11％であること、その硬度が25～80 GPaであることが開示されている。
（CNx膜の製造）
基材１に施されたCNx膜２を製造するために、図５に示す製造装置３を用いる。製造装置３は、FCVA成膜装置３０に、グリッドレスタイプのイオンビーム発生装置４０を複合させたものであり、炭素と窒素とを基材１に供給することで、CNx膜２を基材１に成膜する。
FCVA成膜装置３０は、真空アーク放電発生部３１と、フィルター部３２と、ドロップレット捕集部３３と、基材１が配置される真空チャンバ３４とを備えている。
真空アーク放電発生部３１は、トリガー３１１による起爆により、炭素供給源としてのグラファイトターゲット等のカーボンターゲット３１２（カソード）に真空アーク放電を生成し、アーク放電により炭素プラズマを発生させる。
フィルター部３２は、複数のソレノイドコイル３２１を含み、電磁気的なフィルターとして機能する。カーボンターゲット３１２から、ドロップレット捕集部３３に向けて進むドロップレットに対して、フィルター部３２は、イオン化した炭素を基材１が配置された真空チャンバ３４に向けて偏向させる。図５に示す例では、ドロップレットの進路に対してフィルター部３２のダクト３２２が直交してＴ字をなしているが、これに限らず、例えばＹ字をなしていてもよい。
フィルター部３２により、0.1～数μm程度のドロップレットに対して微細な炭素粒子が抽出されて真空チャンバ３４内の基材１に堆積する。
グリッドレスイオンビーム発生装置４０は、窒素ガスをイオン化させるとともに窒素イオンビームを基材１に向けて照射する。図示しない窒素源からグリッドレスイオンビーム発生装置４０に導入される窒素ガスの流量が、基材１に成膜されるCNx膜２の所定の窒素含有率に応じて適切に設定される。
グリッドレスイオンビーム発生装置４０は、図６に示すように、グリッド電極を備えていない。グリッドレスイオンビーム発生装置４０は、アノード４１およびカソード４２（４２Ａ，４２Ｂ）と、永久磁石４３とを備えている。図７Ａにアノード４１を示し、図７Ｂにカソード４２を示しているように、アノード４１とカソード４２とは、紙面に直交する方向（イオンビームの照射方向）において互いに近接して配置されている。図６、図７Ａおよび図７Ｂに示す例によれば、環状に形成されたアノード４１の周りに永久磁石４３が配置され、平面視において、アノード４１の周りにカソード４２Ａが配置され、アノード４１の内側にカソード４２Ｂが配置されている。
アノード４１およびカソード４２間に電圧が印加されると、図８Ａに示すように、チャンバ４４に導入された窒素ガスにプラズマが発生して窒素ガスがイオン化され、図８Ｂに示すように、窒素イオンが窒素イオンビームとしてカソード４２Ａ，４２Ｂの間の出口４５から真空チャンバ３４（図５）内の基材１へと照射される。図８Ａに示すプラズマ発生の作用と、図８Ｂに示すプラズマ照射の作用とは、アノード４１およびカソード４２が配置されている場所で同時に起こる。
本実施形態では、基材１に向けて真空チャンバ３４に炭素粒子が供給される方向と、基材１に向けて窒素イオンビームが照射される方向とが交差（図５に示す例では直交）している。真空チャンバ３４内におけるホルダ３４１の回転に伴い、ホルダ３４１に設置されている複数の基材１がホルダ３４１の回転軸を中心に移動することで、複数の基材１のそれぞれに対して炭素粒子と窒素イオンビームとが交互に供給される。
但し、グリッドレスイオンビーム発生装置４０の部材の位置と、FCVA成膜装置３０の部材の位置とが干渉しない場合など、基材１に向けて炭素粒子が供給される方向と、基材１に向けて窒素イオンビームが照射される方向とが必ずしも交差している必要はない。基材１に向けて炭素粒子が供給される方向と同じ方向から、基材１に向けて窒素イオンビームが照射されるようにしてもよい。この場合は、同一の基材１に対して炭素粒子と窒素イオンビームとが同時に供給される。
本実施形態では、回転可能なホルダ３４１に設置された複数の基材１に対して一度に成膜処理を行うことができる。但し、単一の基材１に対して成膜処理を行うようにしてもよい。
グリッドレスイオンビーム発生装置４０と対比するため、図９に、グリッドタイプのイオンビーム発生装置７０を示す。グリッドタイプであり、マイクロ波方式であるイオンビーム発生装置７０は、マイクロ波源７１、放電管７２、イグナイタ７３（点火器）、永久磁石７５、および放電管７２の出口に設けられたグリッド７４等を備えている。放電管７２に導入される窒素ガスは、マイクロ波源７１から発せられて放電管７２に導入されたマイクロ波のエネルギーによりイオン化され、電圧が印加される複数の多孔質の電極を含むグリッド７４により加速されて窒素イオンビームとして真空チャンバ３４（図５）内の基材１へと照射される。
グリッド７４は、所定間隔をおいて積層される例えば３つの電極を含んでいる。グリッド７４によるプラズマ発生およびプラズマ照射のそれぞれの機能は、これらの電極間に分かれている。
一方、グリッドレスイオンビーム発生装置４０では、アノード４１およびカソード４２が近接して配置されているため、プラズマ発生およびプラズマ照射が同時に行われる。
図１０に、グリッドレスイオンビーム発生装置４０により発せられるイオンビームの電圧に対する電流密度を実線で示し、グリッド７４を備えたイオンビーム発生装置７０により照射されるイオンビームの電圧に対する電流密度を破線で示す。図１０より、グリッドレスイオンビーム発生装置４０の方が、グリッドタイプのイオンビーム発生装置７０と比べて、イオンビームのエネルギー幅が広い。電流密度が同一であるとした場合に、グリッドレスイオンビーム発生装置４０は、グリッドタイプのイオンビーム発生装置７０と比べて多くの電流を流せるため（電流値が高い）、高出力である。グリッドタイプイオンビーム発生装置７０における設定値は、一例として、3k V、0.33 A、100 Wであるところ、グリッドレスイオンビーム発生装置４０における設定値は、一例として、2k V、1 A、1200 Wである。
その結果、グリッドレスイオンビーム発生装置４０を使用することで、12～20原子％もの窒素含有率が実現する。グリッドタイプのイオンビーム発生装置７０を使用した場合は、窒素含有非晶質炭素皮膜に実現可能な窒素含有率が11原子％程度に留まる。
グリッドレスイオンビーム発生装置４０を用いて窒素イオンビームを基材１に照射しながら、FCVA成膜装置３０を用いたFCVA法により炭素粒子を基材１に供給することで、基材１に例えば0.5 μm程度の厚さのCNx膜２を成膜することができる。
（成膜例）
次に、上述の製造装置３を用いて、基材１にCNx膜２を成膜する手順の一例を説明する。
CNx膜２の品質を向上させるため、成膜ステップＳ５を行う前に、図１１に示すように、カーボンターゲット３１２の清浄化（ステップＳ３）、および基材１の清浄化（ステップＳ１，Ｓ４）を行うことが好ましい。
事前準備として、基材１をベンゼンおよびアセトンのそれぞれに浸漬して、例えば15分間に亘り超音波洗浄を行う（ステップＳ１）。
超音波洗浄を終えた基材１を真空チャンバ３４内のホルダ３４１に設置し、真空チャンバ３４の内部を例えば4×10-4 Pa以下になるまで真空引きする（ステップＳ２）。
カーボンターゲット３１２の表面における不純物や酸化物を除去するため、FCVA成膜装置３０によりカーボンターゲット３１２にアーク放電を発生させることでカーボンターゲット３１２の表面を例えば2分間クリーニングする（ステップＳ３）。このとき、一部のソレノイドコイル３２１のみ（例えば、図５の３２１Ａ～３２１Ｄ）が使用され、残りのソレノイドコイル３２１は使用されない。そのため、炭素粒子が真空チャンバ３４内の基材１に向けて偏向されないで、カーボンターゲット３１２からドロップレット捕集部３３へと直進する。
グリッドレスイオンビーム発生装置４０により、基材１のクリーニングを行う（ステップＳ４）。このときは、成膜時に導入される窒素ガスに代えて、図示しないアルゴンガス源からアルゴンガスがグリッドレスイオンビーム発生装置４０に導入される。ホルダ３４１を例えば4 rpmで回転させながら、グリッドレスイオンビーム発生装置４０によりアルゴンガスから生成されたアルゴンイオンビームを基材１に向けて例えば20分間に亘り照射することにより、基材１の表面の不純物や酸化物が除去されて清浄化される。このとき基材１にアルゴンは残存しない。
以上のステップＳ１～Ｓ４により基材１およびカーボンターゲット３１２のそれぞれの清浄化が完了する。なお、基材１およびカーボンターゲット３１２のそれぞれの清浄化が適切に行われるならば、必ずしも上記の手順には限定されない。
次に、真空チャンバ３４内でホルダ３４１を例えば4 rpmで回転させながら、基材１にCNx膜２を成膜する（ステップＳ５）。
このとき、ホルダ３４１を例えば4 rpmで回転させながら、グリッドレスイオンビーム発生装置４０に導入される窒素ガスから生成された窒素イオンビームと、FCVA成膜装置３０によりドロップレットの進路に対して偏向した微細な炭素粒子との両方が、例えば20分間に亘り、基材１に供給されることで、厚さが0.5μm程度のCNx膜２が基材１に施される。
窒素イオンビームの照射および炭素粒子の供給は、基材１の温度上昇を抑えるため、基材１を放熱させる時間として10秒程度の休止時間を挟みながら間欠的に行われてもよい。
成膜を終えたならば、真空チャンバ３４内で基材１を冷却する。その後、基材１を製造装置３から取り出す（ステップＳ６）。
下記の表に、CNx膜２の成膜条件の一例を示す。


Figure 0007297253000001
以上で説明したCNx膜２の成膜工程により、窒素を含有した緻密なCNx膜２が基材１の表面に均一に成膜される。こうした成膜工程を経て、CNx膜２が施された基材１を備えた摺動部材１０が製造される。基材１に成膜されたCNx膜２は、上述したように窒素含有率が12～20 原子％に到達し、上述した硬度およびヤング率を備えている。
（冷媒雰囲気下での使用によるCNx膜の表面状態の変化）
摺動部材１０の基材１に成膜されたCNx膜２は、摺動部材１０の相手の部材の表面と摺動することで、表面の状態が変化する。
ここで、冷媒雰囲気下で摺動部材１０が使用されると、CNx膜２からの窒素の離脱に伴い、CNx膜２の表層がグラファイト様の構造へと変化することに代えて、あるいは、それと並行して、冷媒に含まれる水素とCNx膜２の炭素とが結合することで、CNx膜２の表層にポリマーライクカーボンが形成される。このことが、図１２および図１３に示すように、反射分光法による表面分析結果により確認されている。
ここで、反射分光法は、薄膜が施されている試験片に対して所定の波長の光を照射したときの絶対反射率スペクトルを測定し、絶対反射率スペクトルの測定値と、入射光の多重反射が考慮された光学モデルから算出した絶対反射率スペクトルとをフィッティングさせることで薄膜の厚さや光学定数を測定する手法である。
本手法における絶対反射率Rは、以下の式（１）で表される。絶対反射率Rは光波長に依存する。
Figure 0007297253000002
Ii：単位時間あたりの入射光強度
Ir：単位時間あたりの反射光強度
光学モデルから絶対反射率を計算する。空気中で１層の薄膜に光が入射角θ0で入射したときの絶対反射率Rを下記に示す。
Figure 0007297253000003
d1：薄膜の厚さ
λ：光波長
ｎ：屈折率
ｋ：消衰係数
θ0：光の入射角
θ1：薄膜への透過角
θ2：基材への透過角
添字の0,1,2で示される材料はそれぞれ空気、薄膜、基材を示す。
ta-Cやa-C等の種々の炭素皮膜のそれぞれの表面状態は、消衰係数ｋおよび屈折率ｎから、図１４に示すように表されることが知られている。屈折率ｎが小さくなるほど、柔らかくなる。「Graphite film」は、層状のグラファイトのような表面状態に相当し、「Polymer Like Carbon」は、水素と炭素との結合により軟質化したポリマー様の表面状態に相当する。これらGraphite filmおよびPolymer Like Carbonは、ta-C等の他の炭素皮膜と比べて柔らかい。なお、図１４の「a-C：H」は、水素を含有あるいは水素と結合した炭素皮膜を意味する。
図１２には、５５０ｎｍの波長の光を用いた反射分光法による分析から、図１４に示す種々の炭素皮膜のデータを凡例に従いプロットするとともに、同じく反射分光法による分析から、冷媒雰囲気下における相手部材との摩擦に供されたことのないCNx膜２のデータを白い丸（○）によりプロットし、かつ、ドライ条件での冷媒雰囲気下における摩擦に供された後のCNx膜２のデータを黒い丸（●）によりプロットしている。図１２における横軸は屈折率ｎであり、縦軸は消衰係数ｋである。
摩擦前に対応する白丸のプロットＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を円形Ａで囲み、摩擦後に対応する黒丸のプロットＢ２，Ｂ３を円形Ｂで囲んでいる。プロットＢ２，Ｂ３はそれぞれ、後述する実施例２，３（図１５）に対応している。
図１２より、冷媒雰囲気下で摺動部材１０が相手部材と摺動することで、CNx膜２の表面状態が、円形Ａで囲まれた範囲から、円形Ｂで囲まれた範囲へと変化することがわかる。円形Ｂの範囲は、図１４に示すPolymer Like Carbonに対応しているから、冷媒雰囲気下での摩擦によって、CNx膜２の表層が、ポリマーライクカーボン（tribofilm）に変化したものと考えられる。
また、図１３には、５５０ｎｍの波長の光を用いた反射分光法による分析から、境界潤滑条件での冷媒雰囲気下における摩擦に供された後のCNx膜２のデータを黒い丸（●）によりプロットしている。プロットＣ１～Ｃ３はそれぞれ、後述する実施例７，４，６（図１６）に対応している。プロットＣ１～Ｃ３は、図１４に示すGraphite filmおよびPolymer Like Carbonに対応しているから、冷媒雰囲気下での摩擦によって、CNx膜２の表層が、グラファイト様の構造、あるいはポリマーライクカーボン（tribofilm）に変化したものと考えられる。
（冷媒雰囲気下におけるCNx膜の摩擦特性）
以下に、新たな知見として、冷媒雰囲気下においてCNx膜が低摩擦を示すことを開示する。
リングオンディスク摩擦摩耗試験による測定結果を示す図１５および図１６を参照し、主に、冷媒ガス雰囲気下におけるCNx膜の摩擦特性を説明する。
図１５に示す実施例１は、潤滑油が使用されない、ドライ条件での窒素ガス雰囲気下（非冷媒雰囲気下）におけるCNx膜２の摩擦係数を示している。
実施例２，３は、潤滑油が使用されない、ドライ条件でのR32冷媒ガス雰囲気下におけるCNx膜２の摩擦係数を示している。
実施例１～３のいずれも、SUSJ2の基材１に、上述のようにグリッドレスイオンビーム発生装置４０を用いて窒素イオンビームを照射しつつ、FCVA法により炭素粒子を供給することでCNx膜２を施したものである。比較例１は、CNx膜２が施されていないSUSJ2の基材１のR32冷媒ガス雰囲気下における摩擦係数を示している。
CNx膜２の成膜時の窒素ガス流量は、実施例１では15 SCCMであり、実施例２，３では40 SCCMである。40 SCCMは、窒素含有率17.4原子％に相当する。
実施例１～３および比較例１のいずれでも、雰囲気ガスの圧力は0.3MPaであった。
比較例１の摩擦係数が0.34であるのに対し、実施例１～３の摩擦係数は0.02程度であるため、実施例１～３によれば、コーティングが施されていない比較例１に対し、境界潤滑下においても摩擦を十分に低減させることができる。
次に、図１６に示す実施例４～７および比較例２のいずれも、冷媒ガス雰囲気でかつ境界潤滑条件（潤滑油に冷媒が溶け込んだ状態）での摩擦係数を示している。
実施例４～７のいずれも、SUJ2の基材１に、上述のようにグリッドレスイオンビーム発生装置４０を用いて窒素イオンビームを照射しつつ、FCVA法により炭素粒子を供給することでCNx膜２を施したものである。実施例５の「N増加」は、同一の基材１に、窒素イオンビームを照射しつつ、炭素粒子を供給することを実施例４と同じ条件で連続して二度繰り返したという意味である。「N増加」の記載がない実施例４等では一度のみ実施した。 実施例６だけは、CNx膜２の上に、さらにグラファイト層を施してある。このグラファイト層は、基材１上へのCNx膜２の成膜に続いて、グリッドレスイオンビーム発生装置４０への窒素ガスの導入を停止した状態で、FCVA成膜装置３０によりCNx膜２上に施される。このグラファイト層の膜厚は約100 nmであり、CNx膜２の膜厚は約300 nmである。グラファイト層は軟質であって、CNx膜２がグラファイト層によりコーティングされると、摺動後のCNx膜２に軟質の構造変化層２Ａが形成される（図１の下側）のと同様に、基材１に複合的な層が形成された状態となる。そのため、実施例６は、十分に低い摩擦係数を示している。なお、実施例６のグラファイト層の膜厚は、冷媒ガス雰囲気における摺動によりCNx膜２の表層に出現したポリマーライクカーボン層の厚さと同等に定められている。
比較例２は、CNx膜２が施されていないSUSJ2の基材１の摩擦係数を示している。
実施例７だけは、HFO 冷媒であるR1234yf冷媒雰囲気下における摩擦係数を示し、その他の実施例４～６および比較例２は、R32冷媒ガス雰囲気下における摩擦係数を示している。使用冷媒に合わせて、実施例７ではPAG（ポリアルキレングリコール）系の潤滑油が使用され、その他の実施例４～６および比較例２では、POE系の潤滑油が使用されている。
CNx膜２の成膜時の窒素ガス流量は、実施例４～７および比較例２のいずれも、40 SCCMである。
実施例４～６および比較例２のいずれでも、雰囲気ガスの圧力は1 MPaであり、実施例７における雰囲気ガスの圧力は0.2 MPaである。
比較例２の摩擦係数が0.10であるのに対し、実施例４～７の摩擦係数は0.03～0.07程度である。実施例４～７によれば、コーティングが施されていない比較例２に対し、摩擦を十分に低減することができる。
以上より、グリッドレスイオンビーム発生装置４０を用いることで窒素含有率を14～20原子％にまで増加させたCNx膜２を実現することができ、そのCNx膜２が基材１に施されることによれば、図３、図１５、図１６等に示した結果より、十分に摩擦を低減することができることができる。摩擦が低減されることで、摺動部の損失低減による高効率化および省エネルギー化が実現する。
加えて、図４に示すように、CNx膜２のヤング率が160～250 GPaであることから、基材に典型的に用いられる金属材料のヤング率（200 GPa前後）と同等のヤング率がCNx膜に与えられることとなる。そのため、CNx膜２の割れや、基材１からのCNx膜２の剥離を防いで、摺動部材１０、摺動部材１０を備える装置の信頼性を向上させることができる。
主な機械材料のヤング率を列記する。
工業用純鉄 205 GPa
圧延鋼材（SS400） 206 GPa
中炭素鋼（S45C） 205 GPa
高張力鋼（HT80） 203 GPa
ステンレス鋼（SUS631） 204 GPa
銅 125 GPa
（適用例）
上述したCNx膜２は、冷媒を圧縮する圧縮機を構成する摺動部材に適用されることが好ましい。以下に、圧縮機と、圧縮機に備わる摺動部材を例示する。
図１７および図１８は、スクロール圧縮機構５０を備えた圧縮機５を示している。圧縮機５は、HFC系やHFO系の冷媒、あるいはアンモニア等、水素を含む冷媒をスクロール圧縮機構５０により圧縮する。
圧縮機５は、スクロール圧縮機構５０と、スクロール圧縮機構５０からのスラスト荷重を受けるスラスト軸受５１と、スラスト部材としてのスラストプレート５８と、スクロール圧縮機構５０に回転駆動力を伝達し、軸受５２１，５２２により回転可能に支持されるシャフト５３と、シャフト５３にトルクを出力するモータ５４と、ハウジング５５とを備えている。
導入管５６を通じてハウジング５５内に導入される冷媒ガスは、スクロール圧縮機構５０に吸入されて圧縮され、吐出管５７から外部に吐出される。
スクロール圧縮機構５０やスラスト軸受５１、スラストプレート５８等、ハウジング５５の内側に配置される部材は、冷媒雰囲気に配置されている。
スクロール圧縮機構５０は、ハウジング５５に固定された固定スクロール５０１と、固定スクロール５０１に対して公転旋回運動する旋回スクロール５０２と、オルダムリンク５０４とを含んでいる。旋回スクロール５０２は、シャフト５３の一端側５３Ａに設けられた偏心部５３１に連結されている。旋回スクロール５０２の旋回に伴い、固定スクロール５０１の端板５０１Ａから立ち上がるラップ５０１Ｂの側面と、旋回スクロール５０２の端板５０２Ａから立ち上がるラップ５０２Ｂの側面とが摺動する。
スラスト軸受５１は、シャフト５３の一端側５３Ａでスクロール圧縮機構５０からのスラスト荷重を受け、スラストプレート５８は、シャフト５３の他端部５３Ｂからスラスト荷重を受ける。図１８図１９スラスト軸受５１上を旋回スクロール５０２の端板５０２Ａが摺動する。
オルダムリンク５０４（図１７および図２０）は、スラスト軸受５１と旋回スクロール５０２とに係合して旋回スクロール５０２の自転を規制する。オルダムリンク５０４に設けられている第１キー５０４Ａ，５０４Ａは、スラスト軸受５１の上面に設けられた図示しないキー溝の内壁と摺動する。オルダムリンク５０４に設けられている第２キー５０４Ｂ，５０４Ｂは、旋回スクロール５０２の端板５０２Ａに設けられた図示しないキー溝の内壁と摺動する。
CNx膜２が上記の摺動部材、つまり、スラスト軸受５１、スラストプレート５８、固定スクロール５０１のラップ５０１Ｂ、旋回スクロール５０２のラップ５０２Ｂ、およびオルダムリンク５０４の少なくともいずれかに施されることにより、上述したように、ドライ条件や境界潤滑条件であるとしても、摩擦を十分に低減することができる。
CNx膜２は、スラスト軸受５１、スラストプレート５８、固定スクロール５０１のラップ５０１Ｂ、旋回スクロール５０２のラップ５０２Ｂ、オルダムリンク５０４のそれぞれにおいて、少なくとも、相手部材と摺動する領域に施されていれば足りる。例えば、スラストプレート５８図１８においては、シャフト５３の他端部５３Ｂと摺動する一面５８ＡのみにCNx膜２が施されていればよい。
上述したスラスト軸受５１、スラストプレート５８、ラップ５０１Ｂ，５０２Ｂ、およびオルダムリンク５０４以外の摺動部材にも、CNx膜２を施すことができる。
例えば、軸受５２１，５２２におけるシャフト５３のラジアル荷重を受ける摺動面や、旋回スクロール５０２を支持するシャフト５３の偏心部５３１の外周部と旋回スクロール５０２のボス５０２Ｃの内周部との間に配置されるドライブ軸受５０５の摺動面にCNx膜２を施すことも好ましい。
図２１は、ロータリー圧縮機構６０を備えた圧縮機６を示している。圧縮機６は、水素を含む冷媒をロータリー圧縮機構６０により圧縮する。
圧縮機６は、ロータリー圧縮機構６０と、ロータリー圧縮機構６０からのスラスト荷重を受けるスラスト軸受６３，６４と、ロータリー圧縮機構６０に回転駆動力を伝達し、スラスト軸受６３，６４により回転可能に支持されるシャフト６５と、シャフト６５にトルクを出力するモータ６６と、ハウジング６７とを備えている。
ロータリー圧縮機構６０やスラスト軸受６３，６４等、ハウジング６７の内側に配置される部材は、冷媒雰囲気に配置されている。
ロータリー圧縮機構６０は、第１圧縮機構６１と、第２圧縮機構６２とからなる。第１圧縮機構６１は、図２２に示すように、シリンダ６０１と、シリンダ６０１の内側で回転されるピストンロータ６０２と、シリンダ６０１の内側の空間を仕切るブレード６０３とを含んでいる。ブレード６０３は、シリンダ６０１の径方向に進退可能にシリンダ６０１に設けられ、径方向の外側から内側に向けて加圧されている。ブレード６０３の先端は、回転するピストンロータ６０２の外周部と摺動する。
第２圧縮機構６２も、同様に、シリンダ６０１、ピストンロータ６０２、およびブレード６０３を備えている。第１圧縮機構６１のシリンダ６０１の内部は、スラスト軸受６３と隔壁６８とにより区画されている。第２圧縮機構６２のシリンダ６０１の内部は、スラスト軸受６４と隔壁６８とにより区画されている。
アキュムレータ６９から第１圧縮機構６１および第２圧縮機構６２のそれぞれのシリンダ６０１に導入された冷媒ガスは、各シリンダ６０１内で、シャフト６５と結合したピストンロータ６０２の回転に伴い圧縮され、第１圧縮機構６１および第２圧縮機構６２のそれぞれの吐出口６０４からハウジング６７の内部に吐出され、モータ６６を通過して吐出管６０５から外部に吐出される。
CNx膜２が摺動部材としてのブレード６０３、スラスト軸受６３，６４、隔壁６８、ピストンロータ６０２、およびシリンダ６０１の少なくともいずれかに施されることにより、上述したように、ドライ条件や境界潤滑条件であるとしても、摩擦を十分に低減することができる。
CNx膜２は、摺動部材において少なくとも相手部材と摺動する領域に施されていれば足りる。例えば、ブレード６０３（図２２）においては、ピストンロータ６０２と摺動する先端部６０３ＡのみにCNx膜２が施されていればよい。ピストンロータ６０２においては、シリンダ６０１の内壁と摺動する外周部のみにCNx膜２が施されていればよい。
その他、スラスト軸受６３，６４におけるシャフト６５のラジアル荷重を受ける摺動面等にCNx膜２を施すことも好ましい。
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、アルゴンイオンビームの照射に代えて、窒素ガスから生成された窒素イオンビーム等、アルゴンガス以外の他の不活性ガスから生成されたイオンビームを基材１に照射することにより、基材１の表面をクリーニングするようにしてもよい。
また、基材１とCNx膜２との間に、例えば基材１へのCNx膜２の密着性を向上させるための一以上の中間層を設けることもできる。中間層は、例えば、チタン、クロム、シリコン、窒化クロム、窒化チタン等を用いて形成することができる。
さらに、CNx膜２が、硬度の異なる複数の層を含んでいてもよい。これと同様に、CNx膜２が、窒素含有率の異なる複数の層を含んでいてもよい。
１ 基材
１Ａ 表面
２ 窒素含有非晶質炭素皮膜（CNx膜）
２Ａ 構造変化層
２Ｂ 硬質層
３ 製造装置
５，６ 圧縮機
１０ 摺動部材
３０ FCVA成膜装置
３１ 真空アーク放電発生部
３２ フィルター部
３３ ドロップレット捕集部
３４ 真空チャンバ
４０ グリッドレスイオンビーム発生装置
４１ アノード
４２，４２Ａ，４２Ｂ カソード
４３ 永久磁石
４４ チャンバ
４５ 出口
５０ スクロール圧縮機構
５１ スラスト軸受
５３ シャフト
５３Ａ 一端側
５３Ｂ 他端部
５４ モータ
５５ ハウジング
５６ 導入管
５７ 吐出管
５８ スラストプレート（スラスト部材）
５８Ａ 一面
６０ ロータリー圧縮機構
６１ 第１圧縮機構
６２ 第２圧縮機構
６３，６４ スラスト軸受
６５ シャフト
６６ モータ
６７ ハウジング
６８ 隔壁
６９ アキュムレータ
７０ グリッドタイプイオンビーム発生装置
７１ マイクロ波源
７２ 放電管
７３ イグナイタ
７４ グリッド
３１１ トリガー
３１２ カーボンターゲット
３２１ ソレノイドコイル
３２２ ダクト
３４１ ホルダ
５０１ 固定スクロール（第１スクロール）
５０１Ａ 端板
５０１Ｂ ラップ
５０２ 旋回スクロール（第２スクロール）
５０２Ａ 端板
５０２Ｂ ラップ
５０２Ｃ ボス
５０４ オルダムリンク
５０４Ａ，５０４Ｂ キー
５２１，５２２ 軸受
５０５ ドライブ軸受
５３１ 偏心部
６０１ シリンダ
６０２ ピストンロータ
６０３ ブレード
６０３Ａ 先端部
６０４ 吐出口
６０５ 吐出管
Ｔ 厚さ

Claims (11)

  1. 水素を含む冷媒を圧縮する圧縮機であって、
    窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が基材に施された摺動部材を備え、
    前記摺動部材は、前記冷媒が存在する雰囲気に配置され、
    炭素と窒素との合計が100原子％であるとして、前記炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％である、
    圧縮機。
  2. 第１スクロール、および前記第１スクロールに対して公転旋回運動する第２スクロールを含むスクロール圧縮機構と、
    前記第２スクロールに連結され、回転可能に支持されるシャフトと、
    前記シャフトにおける一端側で前記スクロール圧縮機構からのスラスト荷重を受けるスラスト軸受と、
    前記シャフトの他端部からスラスト荷重を受けるスラスト部材と、を備え、
    前記摺動部材は、
    前記スラスト軸受と、
    前記スラスト部材と、
    前記スラスト軸受および前記第２スクロールに係合して前記第２スクロールの自転を規制するオルダムリンクと、
    前記第１スクロールのラップと、
    前記第２スクロールのラップとの少なくともいずれかに該当する、
    請求項１に記載の圧縮機。
  3. シリンダ、前記シリンダの内側で回転されるピストンロータ、前記シリンダの内側の空間を仕切るブレードを含むロータリー圧縮機構と、
    前記ロータリー圧縮機構からのスラスト荷重を受けるスラスト軸受と、を備え、
    前記摺動部材は、
    前記スラスト軸受および前記ブレードの少なくともいずれかに該当する、
    請求項１に記載の圧縮機。
  4. 水素を含む冷媒を圧縮する圧縮機を構成する摺動部材であって、
    前記冷媒が存在する雰囲気に配置され、
    窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が基材に施され、
    炭素と窒素との合計が100原子％であるとして、前記炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％である、
    摺動部材。
  5. 前記摺動部材は、
    前記圧縮機に備わるスクロール圧縮機構からのスラスト荷重を受けるスラスト軸受である、
    請求項４に記載の摺動部材。
  6. 前記摺動部材は、
    前記圧縮機に備わるスクロール圧縮機構に用いられるオルダムリンクである、
    請求項４に記載の摺動部材。
  7. 前記摺動部材は、
    前記圧縮機に備わるロータリー圧縮機構を構成するブレードである、
    請求項４に記載の摺動部材。
  8. 冷媒が存在する雰囲気下で使用される摺動部材であって、
    窒素を含有した非晶質の炭素皮膜が基材に施され、
    炭素と窒素との合計が100原子％であるとして、前記炭素皮膜における窒素含有率が、12～20原子％である、
    摺動部材。
  9. 請求項４から８のいずれか一項に記載の摺動部材を製造する方法であって、
    グリッドレスイオンビーム発生装置を用いて窒素イオンビームを前記基材に照射しながら、フィルタードカソーディック真空アーク法により前記基材に炭素を蒸着する成膜ステップを実施することで、窒素を含有した非晶質の炭素皮膜を前記基材に施す、
    摺動部材の製造方法。
  10. 前記成膜ステップにおいて、前記グリッドレスイオンビーム発生装置に導入される窒素ガスの流量を設定することにより、
    前記炭素皮膜に、12～20原子％の窒素含有率を与える、
    請求項９に記載の摺動部材の製造方法。
  11. 前記成膜ステップの前に、
    不活性ガスから生成されたイオンビームを前記基材に照射する、
    請求項９または１０に記載の摺動部材の製造方法。
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