JPH02308996A - 摺動部品およびこれを用いた冷媒圧縮機 - 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Ｉゴ的］ （産業上の利用分野） 本発明は、摺動部品と、この摺動部品を用いた冷媒圧縮
機に関する。

（従来の技術） 機械部品の耐摩耗性を向上させるために機械部品を構成
する金属基材の表面にセラミックコーティングを施し、
これにより装置の長寿命化を図ることが試みられている
。

このようなセラミックコーティング技術について、圧縮
機を例にして説明する。

第１０図は冷媒圧縮機を一部破断して示した図である。

同図において、ケーシング１内には図示しないモータが
収容され、このモータにより回転するシャフト２かフレ
ーム３の軸受に軸支されてシリンダ４内を貫通し、更に
その下端部はサブベアリング５の軸受に軸支されている
。

上記シャフト２のシリンダ４内の部分はクランク部（偏
心部）となっており、このクランク部とシリンダ４との
間にローラ６が嵌合され、ンヤフト２の回転によりロー
ラ６が遊星運動する。

また、シリンダ４を貫通してプレー、ドアか設けられ、
スプリング８の付勢力によりブレード７の一端側はロー
ラ６の外周に接触し、シリンダ４内を吸込室と吐出室に
分割している。」１記ローラ６の遊星運動に応じてブレ
ード７は往復運動する。

冷媒ガスはシャフト２の回転に陣うローラ６の遊星運動
に応じて、吸込口から吸込まれ、圧縮され１、吐出口か
ら吐出されるが、この摺動部の動作を円滑にするために
ケーシングコ内には冷凍機油９が収容されている。この
冷凍機油９は、シャフト２の回転により、シャフト２下
端に設けられているポンプ１０に沿って吸い上げられ、
摺動部を潤滑するようになっている。

このような冷媒圧縮機の摩耗はブレード７を中心とした
ものと、シャフト２を中心としたものとに分けられる。

ブレード７はシャフト２の回転に伴い往復運動するか、
この際分割されたシリンダ４内の１室、すなわち吸込室
と吐出室との圧力差により、ブレード７はシリンダ４の
貫通孔内面にこすりつりられる。このため、ブ１ノード
７とシリンダ４とは共に摩耗する。また、ブＩノード７
はスプリング８によりその端部がローラ６に伸側けられ
ているため、ローラ６の外周も摩耗する。

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となって高速回転
するため、シャフト２の外面、フレーム３およびサブベ
アリング５の内面が摺動によって共に摩耗する。

こうした摩耗を防止するために、上記の各部材を構成す
る金属基利表面にセラミックコーティングを施し、耐摩
耗性を向上さけることか試みられている。たとえば、特
開昭５７−３２０９　［ｉ、特開昭５８−７７１９２、
特開昭５９１．２８９９２、実開昭５７−７１．７８５
、実開昭５７−７１７８［３、実開昭５９−１６８５９
１などである。

これらの公報に記載されているセラミックコーティング
層は金属基＋１の表面に溶射法、化学気相蒸着法（ＣＶ
Ｄ法）、スパッタリング法などにより形成されたもので
ある。

（発明か解決しようとする課題） しかし、上述したセラミックコーティング層は、圧縮機
のシャフトなどのように高速運転を行う部品に形成した
場合、シャフトは、スプリングやシリンダ内の圧力を受
けた高荷重状態で、このシャフトを軸支している各軸受
部に押付けられて摺動するため、非當に摩耗しやすい。

そして、このシャフトの回転は、ローラの遊星運動の影
響を受けて偏心するため、シャフトと軸受部との摺動面
における荷重状態は部分的に異なった状態となる。

つまり、フレームやサブベアリングなどの軸受部におけ
る」１下のエツジ部において、特に他の部分よりも高荷
重が掛かり、シャフトのセラミックコーティング層に相
手材のＰｅが移着して１．まうという問題が生じるので
ある。

これによって゛、高速回転時の摺動は、シャフト表面に
移着したＦｅと相手材のＦｅとの摺動となり、部品”同
士の凝着や摩耗か生じ昌く、さらに、Ｆｅ同一　　　５
　− 士かじかに接して摺動する結果、微小部分て発生した発
熱、融着などが広い範囲に拡大し、ついには相対運動か
不可能となる焼付が生じるという問題があった。

したがって、高信頼性のもとて冷媒圧縮機を製造し、コ
ストダウンを図るためには、高速回転時におけるシャフ
トの耐摩耗性、耐焼（−Ｆｉ性の向上か課題とされてい
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、高荷重運転時におけるセラミックコーティング層
」二への鉄の移着、ならびに相斤利との焼付を防止する
ことのできる摺動部品と、この摺動部品を用いることに
よって耐摩耗性、耐焼付性を向上させ、ひいては装置の
長寿命化を図ることのできる冷媒圧縮機を提供すること
を目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明による摺動部品は、基利上に形成されたセラミッ
クコーティング層と、このセラミック〜　６− コーティング層上に形成された厚さ　０．００５μｍ〜
０．５μｍの炭素層とを有することを特徴としている。

　また、本発明の冷媒圧縮機は、密閉された容器内に収
容されたモータ機構および圧縮機構と、前記モータ機構
の駆動力を前記圧縮機構に伝達するシャフトとを有する
冷媒圧縮機において、前記シャフトはその表面にセラミ
ックコーティング層を有し、かつ、このセラミックコー
ティング層の前記圧縮機構側の軸受部に接する高荷重負
荷部位に、厚さ　０．００５μｍ〜０，５μＭの炭素層
が形成されていることを特徴としている。

（作　用） 上述したような炭素層は、剪断応力が小さく、炭素層自
身が自己潤滑材と１〜で働くため、相手材との摺動によ
る衝撃を緩和し、摺動を円滑に行わせる。

また、摺動する部材間に炭素層を介在させることによっ
て、摺動による相手材のセラミックコーティング層上へ
の移着を防ぎ、摺動部表面での同−材料同士の摺動によ
る凝着摩耗を防止することができる。

本発明において、セラミックコーティング層の厚さは、
通常、０．０５μｍ〜３０μｍ程度であり、好ましくは
０，２μｍ〜１０μ「である。

また、セラミックコーティング層」二に形成する炭素層
の厚さは、０．００５μＭ〜０．５μｍであることが好
ましい。

炭素層の厚さが０．００５μｍ以下であると、薄すぎる
ために耐摩耗性を向上させることができず、０．５μｍ
以上ではＮ法精度の低下を招くため好ましくない。

このような炭素層を冷媒圧縮機の高荷重負荷部分に形成
することによって、摺動部の耐摩耗性を長期に渡って保
持し、相手材の鉄の移着を防ぐことができる。

したがって、冷媒圧縮機の高荷重運転時における耐焼付
性および耐摩耗性を向上させることができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について、図面を用いて説明する
。

第１図は、本発明の一実施例の摺動部品の断面図である
。

同図において、２１は金属基材であり、金属基材２１−
上にはセラミックコーティング層２２が形成され、さら
にこのセラミックコーティング層２２上に炭素層２３か
形成されている。

セラミックコーティング層２２としては、窒化けい素糸
の他に、窒化チタン系、窒化タンタル系、窒化ボロン系
、窒化タングステン系、窒化ジルコニウム系など、特に
限定はなく、種々のセラミックスを用いることができる
。また、その形成方法としては、ＣＶＤ４、スパッタリ
ング法、イオンプレーテインク法、溶射法などを利用す
ることができる。

炭素層２３を形成する方法としては、次のような方法を
挙げることができる。

■金属基材にセラミックコーティング層を形成した後、
ＣＶＤ法や、スパッタリング法、溶射法などを用いて、
セラミックコーティング層上に炭素−９一 層を形成する。

また、炭素層２３を冷媒圧縮機などの部品に形成する場
合、特別な装置を用いなくても、次の■のような方法で
炭素層を形成することかできる。

■金属基材にセラミックコーティング層を形成した後、
このセラミックコーティング層上に炭素層を生成させる
ための冷凍機油添加剤を、冷媒圧縮機の冷凍機油に添加
する。そ１−で、冷媒圧縮機運転時の摺動によって生じ
る冷凍機油の熱分解を利用し、冷凍機油添加剤の働きに
よって炭素原子を生じさせ、冷凍機油が接触する部品部
分に炭素層を形成する。

このような炭素層は、マスキングなどによって部分的に
、あるいは全面的に形成することが可能である。

それでは、まず■の方法を用いて、冷媒圧縮機のシャフ
トに炭素層を形成した例について述べる。

実施例１ はじめに、工具鋼（ダイス鋼）を所定形状に切出したシ
ャフトをアセトンで脱脂して、ステンレー　１〇　− ス製の容器からなる容量結合型のプラズマＣＶＤ装置内
に挿入し、基板上にセットした。

次に、メカニカルブースターポンプとロータリーポンプ
により装置内を１０″３Ｔｏｒｒ程度まで排気した。そ
の後、装置内壁及びシャフトに吸着されたガスを脱ガス
するために、さらに油拡散ポンプあるいはクライオポン
プを用いて１０−６〜ｌｏ’Ｔｏｒｒまで排気し、基板
加熱温度を３００°Ｃとした。

次いで、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、ＮＨ３ガスを１（１（ｌｏｓｅＩ
Ｊの流量で導入しながら内部の圧力を約ＩＴｏｒｒに維
持した。

その後、１３．５［３肝Ｚの高周波電力をｌｋＷ印加し
、Ａｒプラズマを発生させてシャフトのエツチングを１
時間行った。続いて、］Ｈ４ガスとＮ１（３ガスとの流
ｍ比が１＝７となるように５ｉｔｌ　４ガスを導入し、
高周波電力を４００ｗ印加してプラズマを発生させ、９
０分間で２μｍの窒化シリコン層をコーティングした。

続いて、シャフトをアセトンで脱脂し、アルミすでサン
ドブラストを行い表面粗さを最適状態に調整した。

このシャフトに所定のマスキングを施し、ＣｖＤ装置に
挿入して、２−クロロメチルトルエンを数１０〜数１０
０ｃｃ／ｍｉｎの範囲の一定値で導入し、３５００Ｃで
５分間成膜し、０．１μＭの炭素層を形成した。

なお、この炭素層は、シャツＩ・の最も荷重の掛かる部
分、すなわち、ｍ　１０図における）Ｉノーム３の軸受
部における上下エツジ部と、サブベアリング５の軸受部
における上下エツジ部との接触面に相当する部分のみに
形成ｊ、た。

一方、比較例として、シャフト表面に炭素層を形成せず
にセラミックコーティング層のみを形成したものを作製
した。

得られた２種のシャフトについて、その一部を切出し、
表面層についてＸ線光電子分光分析（ＸＰＳ分析）を行
い、この実施例における炭素層を確認した。この結果を
第２図および第３図に示す。

′　第２図はこの実施例におけるシャフトのＸ線光電子
分光分析結果、第３図は上述した比較例のシセットのＸ
線光電子分光分析結果であり、それぞれ、成分元素の深
さ方向分布を示している。

これらの結果から、実施例においては、グラファイト（
ピーク位Ｗ　：　２８４．２ｅＶ）を主体とする炭素層
の存在が認められた。

さらに、第４図に示すような摩耗摩擦評価装置を用いて
シャフトの耐焼付性および耐摩耗性を評価した。

この装置は、耐焼付性については、シャフト２４をサブ
ベアリング２５　中２５ではさみこみ、シャフト２４を
回転させながらサブベアリング２５＊２５のしめつけに
よる荷重を変化させ、そのトルク変化を調べるものであ
り、耐摩耗性については、シャフト２４をサブベアリン
グ２５・２５ではさみこみ、サブベアリング２５・２５
のしめつけによる荷重を一定の値に設定し、シャフト２
４の回転時間の増加に伴うシャフト２４の摩耗量を調べ
るものである。

耐焼付性試験においては、シャフトの回転数を２９［ｌ
ｐｐｍ、荷重を２２：５Ｋｇ／３ｍ１ｎの割合で１３５
　Ｋ　ｇまで上昇させ、荷重とトルクとの関係を調べた
。この結果を第５図に示す。

第５図から明らかなように、比較例のシャフトではトル
ク上昇カーブが急激な階段状であり、焼付による不安定
な回転状態が認められる。これに対し、この実施例のシ
ャフトではＩ・ルク上昇カーブが滑らかで安定しており
焼付が生じてい）よい。

さらに、耐摩耗性試験においても、実施例によるシャフ
トは良好な値を示し、炭素層の形成は、耐摩耗性の向上
に寄与することが明らかとなった。

ここで、上述した試験を終了した実施例と比較例の２種
類のシャツＩ・について、セラミック層の窒化シリコン
膜を化学分析したところ、両者ともその組成は、５ｉ３
ｔｂ。〜特てあり特に大きな差はない。また、この２種
類のシャフトについて、Ｘ線回折法によりセラミック層
の結晶構造を調べた結果を第６図に示す。第６図に示し
たように、実施例・比較例ともに、窒化シリコンに起因
するピークが認められず非晶質であることが認められた
。

これらの結果は、実施例によるシャフトと比較例による
シャフトとにおいて、セラミックコーティング層の組成
、結晶構造には差異かなく、セラミックコーティング層
の上に形成された炭素層によって、耐焼付性ならびに耐
摩耗性が向上していることを確証するものである。

なお、この実施例のようにマスキングを行わず、シャフ
ト全面に炭素層を形成しても良いことはもちろんであり
、この場合にも上述した効果と同様の効果を得ることか
できる。

実施例２ 次に述べる実施例は、上述した■の方法、すなわぢ炭素
層を形成させるための装置を用いず、冷媒圧縮機内に封
入されている冷凍機油に添加剤を加えることによって、
シャフトに炭素層を形成した例である。

まず、ＳＣＭ４１５４Ｊを所定形状に切出したシャフト
に、実施例１と同一条件で２μｍの窒化シリコン層をコ
ーティングした。

その後、このシャフトを用いて、第１０図に示１、た冷
媒圧縮機と同一構成の冷媒圧縮機を組立て、−１５＝ パラフィン系冷凍機油にグラファイトを０．１ｖｔ％添
加した冷凍機油を供給し、この冷媒圧縮機を１００時間
運転させた。

冷媒圧縮機運転時には、シャフトの偏心された回転によ
って、このシャフトを支えている各軸受部の上下エツジ
部に高い荷重が掛かり、摺動によって局部的に高嵩状態
となる。

したがって冷媒圧縮機内を循環している冷凍機油がこの
高温部分で熱分解を起こし、冷凍機油添加剤の働きによ
って炭素原子を生じさせ、シャフトの特定部分に炭素層
が形成される。

この特定部分とはすなわち、第１０図に示したフレーム
３の軸受部における上下エツジ部と、サブベアリング５
の軸受部における上下エツジ部との接触面に相当する部
分であり、高荷重負荷がかかる部分である。

この実施例において、使用する冷凍機油としては、ナフ
テン系やパラフィン系の冷凍機油が好適であり、これら
の冷凍機油に添加する冷凍機油添加剤としては、グラフ
ァイトや塩素化パラフィン、塩化脂肪酸などの塩素系極
圧剤を挙げることができる。

なお、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤や、イオウ系
、ハロゲン系の極圧添加剤もしくは耐摩耗性向上剤が併
用されても良い。

一方、比較例としてパラフィン系冷凍機油のみを供給し
た冷媒圧縮機を１００時間運転させた。

そして、冷媒圧縮機の運転終了後、実施例と比較例の２
種類のシャフトについて、実施例１と同一条件で耐焼付
性ならびに耐摩耗性を評価した。

その結果、実施例１と同様に、炭素層の形成されている
実施例のシャフトは、トルク上昇カーブが非當にスムー
ズで、耐焼付性に優れたものであった。また、耐摩耗性
も向上していた。

次に、上述した試験を終了した実施例と比較例の２種類
のシャフトについて、その摺動部表面の微小構造をＸ線
光電子分光法により解析した。この結果を第７図、第８
図に示す。

第７図は実施例によるシャフトの分析結果であり、第８
図は比較例によるシャフトの分析結果である。

これらの図から、実施例のシャフト表面には炭素層が形
成されているのに対し、比較例のシャフトでは炭素層が
形成されず、相手相の鉄か移着していることが明らかと
なった。

さらに、実施例によるシャフトの炭素層をＸ線光電子分
光分析法により分析したところ、第９図に示したように
、得られた炭素層はグラファイトを主体とするものであ
ることが確認された。

また、この実施例によるシャフトを用いて、第１０図に
示した冷媒圧縮機を組立て、実機テストを行ったところ
、シャフトは窒化シリコン膜のクラックや剥離を起こす
ことなく　１１０００Ｏｒｐまで良好な回転を示した。

以上述べてきたように、シャフトのセラミックコーティ
ング層の上に炭素層を形成することによって、シ゛ヤフ
トの耐焼付性ならびに面Ｊ摩耗性を大幅に向上させ、寿
命の長い冷媒圧縮機を得ることかできた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、セラミックコー
ティング層の上に炭素層を形成した摺動部品は、耐焼付
性と耐摩耗性に優れたものであり、この摺動部品を冷媒
圧縮機に適用することによって、高荷重の掛かる部品の
焼付、摩耗を防止することができる。

このため、冷媒圧縮機などの高荷重高速回転運転時にお
ける諸特性を向上させることができ、ひいては装置の長
寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による摺動部品の断面図、第２図および
第３図はそれぞれ実施例と比較例とのシャフトのＸ線光
電子分光分析結果を示す図、第４図は摩耗摩擦試験機の
断面図、第５図は耐焼付性試験の結果を示す図、第６図
は実施例と比較例とのＸ線回折パターン図、第７図およ
び第８図は他の実施例と比較例とのＸ線光電子分光性結
果を示す図、第９図は第７図に示した実施例における表
面状態を説明するための図、第１０図は従来の冷媒圧縮
機を一部破断して示す図である。 １・・・ケーシング ２・・・シャフト ３・・・フレーム ４・・・シリンダ ５・・・→ノ゛ブベアリング ６・・ローラ ７・・・ブレード ８・・・スプリング ９・・・冷凍機油 １０・・ポンプ ２１・・金属基材 ２２・・・セラミックコーティング層 ２３・・・炭素層 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 深　　さ　　　（ＩＬｍ） 第２図 第４図 】尿　　　さ　　　　　（ＩＬｍ） 第３図 伺蚕　（ｋｑ・ｆ） 第５図 多永さ 深　さ 第８図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基材上にセラミックコーティング層が形成された
   摺動部品において、 前記セラミックコーティング層上に厚さ０．００５μｍ
   〜０．５μｍの炭素層が形成されたことを特徴とする摺
   動部品。
2. （２）密閉された容器内に収容されたモータ機構および
   圧縮機構と、前記モータ機構の駆動力を前記圧縮機構に
   伝達するシャフトとを有する冷媒圧縮機において、 前記シャフトはその表面にセラミックコーティング層を
   有し、かつ、このセラミックコーティング層の前記圧縮
   機構側の軸受部に接する高荷重負荷部位に、厚さ０．０
   ０５μｍ〜０．５μｍの炭素層が形成されていることを
   特徴とする冷媒圧縮機。