JPH01227895A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、圧縮機に関し、特にシャフト、ブレード等の
摺動部材の構造を改良した圧縮機に係わる。

（従来の技術） 低温化技術の分野では、例えばフロン系の冷媒を圧縮す
るためにロータリーコンプレッサのような圧５ｕｉｉが
不可欠である。かかるロータリーコンプレッサとしては
、第１図（一部切欠した樅断面図）及び第２図（圧縮機
構の横断面図）に示す構造のものが知られている。即ち
、図中の１はゲージングであり、このゲージング１内に
はシャフト２の駆動源としてのモータ〈図示せず）が収
納されている。このシャフト２は、フレーム３の軸受に
軸支されてシリンダ４内を貫通し、かつ該シャフト２の
下端部はサブベアリング５に軸受に軸支されている。前
記シリンダ４の内部には、信心回転するクランク部を構
成し、該クランク部の外周にはこれに沿って摺動しなが
ら前記シリンダ４の内壁部と接触しつつ遊星運動するロ
ーラ６が配設されている。また、前記シリンダ４には、
ブレード７が該シリンダ４の外側から貫通して挿置され
ており、かつ該ブレード７はスプリング８の付勢力によ
りその先端が前記ローラ６の外周面に圧接され、シリン
ダ４内を吸込室９と吐出室１０とに区画している。前記
シリンダ４の吸込室９側には吸込口１１が、吐出室１０
側には吐出口１２が夫々開口されている。この吐出口１
２には、吐出室１０からの圧縮ガスの吐出力により開く
弁座１３が設けられている。

前記シャフト２を図示しないモータにより回転させると
、前記ローラ６が遊星運動し、これに件って前記ブレー
ド７が往復運動すると共に、冷媒ガスはシリンダ４の吸
込口１１から吸込室９に吸引され、ここで圧縮されなが
ら吐出室１０を経て同シリンダ４の吐出口１２から吐出
される。こうした動作から、前記シャフト２、ローラ６
及びブレード７は摺動部材として機能し、該シャフト２
の外周面とローラ６内周面、ローラ６の外周面とブレー
ド７の先端が摺動表面となる。

更に、前記ゲージング１内には前記各摺動部材の動作を
円滑に行なわせるための冷凍機油１４が収容されている
。この冷凍機油１４は、前記シャフト２の回転によりそ
の下端に配置されたポンプ１５に沿って汲み上げられ、
各摺動部材の摺動表面全体に潤滑性を付与するものであ
る。

上述した圧縮機において重要な問題は、運転に伴う各部
材、特に摺動部材の潤滑及び掌粍である。

通常、これら部材はその表面を端寄仕上げし、数μｍオ
ーダで互いに組合せる。これは、特にロータリーコンブ
レフすの場合に盟著であるようにオイルシール性の良否
、ひいてはコンプレッサの性能の良否に大きく影響を与
えるからである。運転の進行に伴い摺動部材の摺動表面
の潤滑性が低下して摩耗が生じると、その圧縮機は所望
する規定の性能を発揮できなくなる。

ところで、上述し摺動部材の牽粍現象はブレード７とシ
ャフト２に関連するものとして大別される。ブレード７
は、シャフト２の回転に伴い往復運動するが、ブレード
７で分割されたシリンダ４内の２室の圧力差により該ブ
レード７がシリンダ４の貫通孔内面に擦り付けられるな
め、ブレード７、シリンダ４がいずれも摩耗する。また
、ブレード７はスプリング８によりその先端がローラ６
に圧接されているため、ローラ６の外周面も皇粍する。

一方、シャフト２はローラ６を介してスプリング８やシ
リンダ４内の圧力を受け、フレーム３とサブベアリング
５に押付けられて若干湾曲した形状になって高速回転す
るため、シャフトの外周面、フレーム３及びサブベアリ
ング５の内周面も同様に牽粍する。特に、暖房の急速な
立上がり等により能力を一時的に高めるなめに圧縮機を
高速運転する場合には、これらの摺動部材間の摩耗は急
速に進行する。

一方、最近、軽薄短小の時流の中で、小形かつ冷却効率
の優れた圧縮機の開発が進められている。

かかる圧縮機は、従来使用されている商用周波数電源と
共により高い周波数の電源による高速運転を行なえるよ
うに設計されているのが通例である。

しかしながら、前記高速運転される圧縮機は次のような
問題があった。第１の問題点は、形状が小形であるにも
かかわらず大出力を引出さなければならないため、機内
の発熱量が著しく大きくなることである０例えば、従来
の１馬力のコンプレッサで２馬力の出力を得る場合、コ
ンプレッサの放熱面積は同一であるため、機内温度が著
しく高温となる。第２の問題点は、ローラの回転数が従
来に比べて著しく高く、かつ可変であるため、摺動部材
の摩耗条件が苛酷になることである。このため、摺動部
材間の摩耗か増大する。

このようなことから、摺動部材を鉄系金属に代わってセ
ラミックスで形成することが試みられている。かかるセ
ラミックスからなる摺動部材は、ｆｆｒｔ掌耗性、耐薬
品性、耐熱性が優れているものの、次のような問題があ
った。即ち、例えばシャフト２をセラミックスで形成し
た場合、セラミックスは非磁性体であるため、モータの
効率を低下させる。また、ローラをセラミックスで形成
した場合、その熱、膨張係数が相手材である鉄系金属の
数分の１であるため、運転時に両者間のサイドクリアラ
ンスが発生してオイルシール性が低下する。更に、セラ
ミックスは精密加工が困難であるため、摺動部材の生産
性が低下し、しかもそれ自体耐摩耗性が優れているため
に相手材を摩耗するという不都合があった。

上述した問題を解決するために、例えば鉄系金属の基材
にセラミックス層を被覆して耐幸粍性を向上せしめるこ
とが提案されている（特開昭５７−３２０９６号、特開
昭５８−７７１９２号等）。

しかしながら、これら公報に開示されている部材は耐摩
耗性の支配因子であるセラミックス層の特性について何
等の検討されていない、事実、基材表面にシリコン窒化
物層を被覆したシャフトを用いて圧ａ機を組立て、該シ
ャフトを高速回転させると、シリコン窒化物層が軟くか
つ靭性が低いため、稼働時間が長くなるに伴ってシリコ
ン窒化物層が摩耗、剥離し、基材表面が露出して凝着中
耳を起こす問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明、上記従来の課題を解決するためになされたもの
で、金属基材に対して硬く、高い靭性を有するシリコン
窒化膜を形成することにより長期間に互って優れた耐摩
耗性を有する摺動部材を備えた圧縮機を提供しようとす
るものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、基材表面にシリコン窒化膜を被覆した摺動部
材を備えた圧縮機において、前記シリコン窒化膜の一部
もしくは全部の組成を原子比にてＳｉ／Ｎ＜０．７５と
したことを特徴とする圧縮機である。

上記摺動部材とは、シャフト、ローラ、ブレード、該ブ
レードが貫通されるシリンダ及びベアリングを意味し、
これらの摺動部材のうち少なくとも１つを基材の摺動表
面に所定の粗さの微細な凹凸を形成し、これ７にセラミ
ックス層を被覆した構造とすればよい。特に、摺動部材
の中でシャフト、ブレードの少なくとも一方を前記構造
とすることが望ましい。

上記基材としては、従来から摺動部材として使用されて
いるものであればいかなるものでもよい。

例えば、ねずみ鋳鉄、焼結金属、鍛造品、各種のステン
レス鋼、ＳＣＭなどの鉄系金属、アルミニウム系合金、
ニッケル系合金、クロム系合金等を挙げることができる
。また、これら基材のうち鉄系金属はアルミニウム、ク
ロム、チタン、マンガン、ゲイ素、ボロン、ニッケル等
が含有されていてもよい、なお、前記基材の表面に必要
に応じてめっき、浸炭、窒化、ホウ化、焼入れ、池のセ
ラミックス層の被覆等の表面処理層を形成してら差支え
ない。

上記基材に被覆されるシリコン窒化膜の組成を画定した
理由は、原子比にてＳｉ／Ｎを０．７５以上にすると、
該シリコン窒化膜の硬さ、靭性を高めることができなく
なるからである。より好ましいシリコン窒化膜の組成は
、原子比にて０．６８＜　Ｓ　ｉ／　Ｎ　＜　０．７３
の範囲である。かかるシリコン窒化膜の厚さは、摺動部
材が要求される特性に応じて選定すればよいが、通常、
５００人〜３０μｍ、好ましくは２０００人〜１０μｍ
の範囲にすることが望ましい。

上記シリコン窒化膜を成膜する手段としては、例えば気
相成長法（ＣＶＤ法）、スパッタリング法、イオンブレ
ーティング法、溶射法等を採用できるが、特にＣＶＤ法
が好適である。ＣＶＤ法の反応形式には、多種のものが
知られているが、高温で反応させる形式では金属基材の
変形、寸法精度の低下を招くことから、プラズマ励起反
応、光励起反応、レーザ励起反応を利用することが望ま
しい、特に、プラズマＣＶＤ法は多種の反応ガスを使用
できるため、利用範囲を広げることが可能なために有用
である。このプラズマＣＶＤ装置としては、容量結合型
、誘導結合型のいずれのものも使用できるが、量産性の
観点から、大面積で均一なプラズマを発生できる容量結
合型が好ましい。

また、シリコン窒化膜の成膜に先だって、基材表面をア
ルゴンを用いてスパッタエツチングを施して基材表面に
吸着した成分を除去してもよい、更に、スパッタエツチ
ングと成膜とを同一チャンバ内で連続的に行なうことが
望ましい、この際、スパッタエツチングはアルゴン、キ
セノン、クリプトン等の不活性ガスを５０３ＣＣＨ〜２
０ＳＬＨの条件で流しながら行ない、Ｎ２　、Ｎ　８３
等を５００５ＣＣＨ〜２３１Ｍ、ＳｉＨ４を５０〜３０
０８ＣＣＨの流量でプラズマＣＶＤを行なうことが望ま
しい。

上記原子比の組成を有するシリコン窒化膜の成膜手段と
しては、次のような方法を採用し得る。

■、容量結合型プラズマＣＶＤ装置を用い、このチャン
バ内に配置した筒状の電極の中心に他方の電極として作
用する基材を該電極との距離が５０〜２００ｍｍとなる
ように吊下し、チャンバ内壁や基材表面をスパッタエツ
チングで清浄化した後、チャンバ内にＮ２　、ＮＨ３と
ＳｉＨ４とを所定比率で供給し、前記ｔｆ！及び基材間
に高周波電力を印加してプラズマを発生させることによ
って原子比にてＳｉ／Ｎ＜０．７５の組成のシリコン窒
化膜を基材表面に成膜する。こうした原子比の組成を有
するシリコン窒化膜が成膜される理由は、成膜条件に比
べて！＠と基材との空間が広いため、高周波電力の供給
量を大きくでき、高活性で重合反応が進行することに起
因するものと考えられる。なお、前記成膜時において基
材の温度を３００℃以下、好ましくは２００〜２５０℃
の範囲とすることが望ましい。

■０通常のスパッタ蒸着法、プラズマＣＶＤ法により基
材表面に原子比にてＳｉ／Ｎ≧０．７５の組成のシリコ
ン窒化膜を成膜した後、イオン注入装置を用いて該シリ
コン窒化膜に窒素イオンを注入することにより原子比に
てＳｉ／Ｎ＜０．７５の組成のシリコン窒化膜に変換す
る。かかる方法によれば、原子比にてＳｉ／Ｎ＜０．７
５の組成のシリコン窒化膜を容易に形成できると共に、
表面はど窒素の原子比が高い濃度勾配をもったシリコン
窒化膜を形成できる。なお、前記方法においてスパッタ
蒸着、ＣＶＤの成膜機構とイオン注入機能を備えた複合
装置を用いることも可能である。

（作用） 本発明によれば、基材表面に被覆されるシリコン窒化膜
の一部もしくは全部の組成を原子比にてＳｉ／Ｎ＜０．
７５とすることによって、該シリコン窒化膜の硬さを著
しく向上できるため、該シリコン窒化膜による優れた耐
摩耗性を長期間に亙って保持された摺動部材を備えた圧
縮機を得ることができる。

（発明の実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１〜４ まず、ねずみ鋳鉄を加工して４本のシャフト基材を作製
し、これらシャフト基材表面をトリクレンで脱脂した後
、容量結合型プラズマＣＶＤ装！のチャンバ内に配！し
た直径２００顛の筒状！極の中心に該電極と１００ｓ＋
Ｍれるように吊下した。つづいて、メカニカルブースタ
ーポンプとロータリーポンプによりチャンバ内を１０°
’　ｔｏｒｒ程度まで排気した後、チャンバ内壁及びシ
ャフト基材表面に吸着したガスを除去するために油拡散
ポンプ又はクライオポンプによりチャンバ内を１０４ｔ
ｏｒｒ〜１０→ｔｏｒｒまで排気し、更に基材を室温よ
り徐々に上げて３００℃とした。ひきつづき、排気系を
メカニカルブースターポンプとロータリーポンプに切−
換え、アルゴンガスを１１００ＯＳＣＣの流量で導入し
ながらチャンバ内の圧力を０．０１ｔｏｒｒより徐々に
上げて約１　ｔｏｒｒに維持した。その後、ＳｉＨ＋ガ
スとＮＨ，ガスを流量比で１　ニアとなるようにチャン
バ内に導入すると共に、１３．５６　ＮＨ２の高周波電
力をチャンバ内に配置した筒状電極と他方の電極として
作用するシャフト基材間に４００Ｗ印加してプラズマを
発生させ、シャフト基材表面に原子比にてＳｉ／Ｎ＝０
．６９の組成を有する厚さ２μｍのシリコン窒化膜を成
膜してシャフトを製造した。

実施例２〜４ 容量結合型プラズマＣＶＤ装置のチャンバ内に配置され
る筒状電極として直径が小さいものを使用して該ｔ＠中
心に吊下されるシャフト基材との距離を実施例１に比べ
て僅かつづ短くした以外、実施例１と同様な操作により
原子比にてＳｉ　／Ｎ＝０．７０、Ｓｉ／Ｎ＝０．７１
及びＳｉ／Ｎ＝０．７２の組成を有する厚さ２μｍのシ
リコン窒化膜をシャフト基材表面に夫々成膜して３種の
シャフトを製造した。

比較例１〜３ 容量結合型プラズマＣＶＤ装！のチャンバ内に配置され
る筒状ｔｆ！とじて直径が６０闇前後の３種のものを使
用して該ｔｆ！中心に吊下されるシャフト基材との距離
を３０ｉａ前後とした以外、実施例１と同様な操作によ
り原子比にてＳｉ　／Ｎ＝０．７８、Ｓｉ／Ｎ＝０．９
０及びＳｉ／Ｎ＝１．１０の組成を有する厚さ２μｍの
シリコン窒化膜をシャフト基材表面に夫々成膜して３種
のシャフトを製造した。

しかして、本実施例１〜４及び比較例１〜３のシャフト
の表面に被覆されたシリコン窒化膜について、５ｇの荷
重下でのビッカース硬さ試験を行なったところ、下記第
１表に示す結果を得た。

第　　　１　　　表 上記第１表から明らかなように本実施例１〜４のシャフ
トの表面に被覆されたシリコン窒化膜は、比較例１〜３
のシャフトの表面に被覆されたシリコン窒化膜に比べて
著しく硬さが硬いことがわかる。

また、本実施例１及び比較例１のシャフトについて第３
図に示す耐摩耗性評価装置を用いてそれらシリコン窒化
膜の耐摩耗性を評価した。この装置は、シャフト２をサ
ブベアリング２１ａ　、２１ｂで挟持し、シャフト２を
回転させながらサブベアリング２１ａ　、２１ｂの締付
けによる荷重を変化させ、その際のトルク変化を調べる
ものである。この時のシャフト２の回転数は、２９０　
ｒｐｎ　、荷重は２２．５ＫＩＩ／３ｎｉｎの割合で１
３５Ａｙまで上昇させた。こうした試験により得られた
各シャフトの荷重とトルクの関係を第４図に示す、なお
、第４図中のＡは実施例１のシャフトの特性線、Ｂは比
較例１のシャフトの特性線である。この第４図から明ら
かなように比較例１のシャフトでは約３００時間の試験
後にトルクが急激に上昇する。これに対し、本実施例１
のシャフトでは約２０００時間の試験後においてもトル
ク急激な上昇は認められず、シリコン窒化膜の耐摩耗性
が良好であることが推定される。事実、実施例１及び比
較例１のシャフトを試験後に取出し、摺動表面を観察し
たところ、比較例１のシャフトでは３００時間の試験に
よりシリコン窒化膜が摩耗、消滅していたのに対し、本
実施例１のシャフトでは２０００時間の試験後でも耐摩
耗評価装置に組込む前と大差なく、表面のシリコン窒化
膜の摩耗、消滅は認められなかった。

更に、本実施例１及び比較例１のシャフトについてカッ
タナイフで傷を付けようとした場合、本実施例１のシャ
フトは比較例１のシャフト比べて傷が付き難い傾向を示
した。

以上の結果から、ねずみ鋳鉄からなるシャフト基材の表
面に原子比にてＳｉ／Ｎく０．７５の組成をもつシリコ
ン窒化膜を被覆することによって摺動面の耐摩耗性が大
幅に向上されたシャフトを得ることができる。

更に、本実施例１〜４のシャフト以外の部材としてフレ
ーム及びシリンダをねずみ鋳鉄、ローラを共晶黒鉛鋳鉄
、ブレードを焼結金属で夫々製作し、前述した第１図及
び第２図に示す圧縮機を組立てて実機テストを行なった
ところ、実施例１〜４のシャフトはその表面のシリコン
窒化膜の磨耗を起こすことなく　１００００　ｒＤｌｌ
まで良好な回転を行なうことができた。しかも、１００
００　ｒｐｍで１０００時閏シマフトを連続回転した後
、圧ｍＩｌを分解してシャフト表面を観察したところ、
表面のシリコン窒化膜の磨耗、焼き付きは全く認められ
なかった。

実施例５ まず、５ＵＳ３０３ステンレス鋼を加工してブレード基
材を作製し、この基材の残留応力を取除くための焼きな
まし処理を施した後、トリクレンで脱脂した。つづいて
、このブレード基材を実施例１と同様なプラズマＣＶＤ
装置のチャンバの筒状電極の中心に該４４極との距離が
２５犀となるように吊下した。ひきつづき、チャンバ内
にキセノンガスを導入してチャンバ内の圧力を０．１　
ｔｏｒｒとし、２００℃で１時間スパッタエツチングし
た後、ＳｉＨ＋とＮＨ３ガスを１　＝７の流量比でチャ
ンバ内に導入すると共に、高周波電力を筒状！極とブレ
ード基材間に４００Ｗ印加してプラズマを発生させ、ブ
レード基材表面に厚さ１μｍのシリコン窒化膜を成膜し
な０次いで、このブレード基材をイオン注入装置のチャ
ンバ内に装入した後、チャンバ内を９　ｘ１０４　ｔｏ
ｒｒまで真空引きし、加速電圧１００ｋｅＶで窒素イオ
ンをシリコン窒化膜に１８０分間注入してブレードを製
造した。

比較例４ 前記実施例５においてプラズマＣＶＤ装置でステンレス
製のブレード基材表面にシリコン窒１ヒ膜を成膜したそ
のものをブレードとした。

しかして、本実施例５及び比較例４のブレードについて
、それら表面のシリコン窒化膜から内部の基材方向の亙
る構成元素の分布状態をオージェ；子分光性にて分析し
たところ、夫々第５図、第６図に示す特性図が得られた
。この第５図から゛明らかなように本実施例５のブレー
ドでは表面層はど窒素濃度が高く膜の深い側はど窒素濃
度が減少した窒素濃度の分布を有することがわかる。具
体的には、表面のＳｉ／Ｎは０，６４で膜の深い側はど
窒素濃度が減少し、Ｓｉ　７７Ｎ＜０．７５からなるシ
リコン窒化膜が膜表面に約０．２μｍ存在していた。

一方、第６図から明らかなように比較例４のブレードは
表面のシリコン窒化膜が原子比にて８１／′Ｎが深さ方
向に変化しておらず、同Ｓ　ｉ　／　Ｎが０．７７の一
定の組成を有するものであることがわかる。

また、本実施例５及び比較例３のブレード以外の部材と
してシャフト、フレーム及びシリンダをねずみ鋳鉄、ロ
ーラを共晶黒鉛鋳鉄で夫々製作し、前述した第１図及び
第２図に示す圧ａｍを組立てて実機テストを行なった。

その結果、比較例４のブレードを組込んだ圧縮機におい
てはブレード表面のシリコン窒１ヒ膜の一部が摩耗、消
滅して高速回転での安定性が低く、起動トルクが上昇し
た。

これに対し、本実施例５のブレードを組込んだ圧縮機に
おいては表面のシリコン窒化膜の鷹粍、消滅は全くなく
、高速で安定した回転を行なうことができた。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば以下に列挙する優れ
た効果を有し、小型で大出力を取出すことが可能で、長
期間に亙って信頼性の高い作動を行なうことができる圧
縮機を提供できる。

■、摺動部材表面に被覆されたシリコン窒化膜の硬さを
高くでき、耐摩耗性を長期間に互って発揮できるため、
圧ｍｍを高速運転することが可能となり、しかも高寿命
化も達成できる。

■、前記シリコン窒化膜の硬さを大きくでき、それ自体
の厚さを薄くできるため、基材として磁性金属を用いた
場合、はとんど非磁性化することなくモータ効率の低下
を防止できる。また、同様な理由によりシリコン窒化膜
と金属基材との熱膨張係数の差に基づく問題も解消でき
、高温での使用によるサイドクリアランスの発生を抑制
できる。

■、ブレード等の摺動部材の表面を堅く、靭性の高いシ
リコン窒化膜で被覆できるため、これら摺動部材と接触
するシャフトを耐摩耗性が劣るが、剛性の高い材料で形
成できるため、圧縮機の性能向上を達成できる。即ち、
圧縮機のように片持ち支持構造の機器においては圧縮機
の組立時にモータのロータ・ステータ間に働く電磁力で
シャフトに曲げ応力が働くが、シャフトを剛性に富む材
料で形成することによってベアリングが受ける余分な力
を吸収でき、モータの起動トルクを小さくでき、既述の
如く圧縮機の性能向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なロータリーコンプレッサ（圧縮機）を
示す部分切欠した正面図、第２図は第１図のロータリー
コンプレッサの横断面図、第３図は実施例で使用した耐
摩耗性評価装置を示す平面図、第４図は第３図の装置で
求めた本実施例１及び比較例１のシャフトにおける試験
時間とトルクとの関係を示す特性図、第５図は実施例５
のブレより深さ方向の構成元素の分布状態を示す特性図
である。 １・・・ケーシング、２・・・シャフト、３・・・フレ
ーム、４・・・シリンダ、６・・・ローラ、７・・・ブ
レード、１４・・・冷凍機油、２１ａ　、２１ｂ・・・
サブベアリング。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ε１゛Ｓ１図 第３図 肋間　（ｈ「）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　基材表面にシリコン窒化膜を被覆した摺動部材を備え
   た圧縮機において、前記シリコン窒化膜の一部もしくは
   全部の組成を原子比にてＳｉ／Ｎ＜０．７５としたこと
   を特徴とする圧縮機。