JPWO2013005394A1

JPWO2013005394A1 - 摺動部材

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Publication number: JPWO2013005394A1
Application number: JP2013522440A
Authority: JP
Inventors: 福原　弘之; 弘之福原; 石田　貴規; 貴規石田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: CN103635705A; JP6004199B2; CN103635705B; WO2013005394A1

Abstract

摺動部材の摺動状況が今後一層過酷になることが想定され、摺動面間に潤滑油を十分に保持できず、油膜が破断して摺動部材同士が接触するような境界潤滑領域での摺動状態が長時間継続すると、摩耗粉の凝着やアブレシブ摩耗が進行して、最終的に焼き付きによるロックや、異常摩耗に至ることがある。そこで、摺動部材の表面に単に同じ凹部を無数設けるのではなく、摺動負荷に応じて、凹部の形状（大きさ、深さ、開口面積率）を適切に設定することで、より過酷な摺動条件の場合であっても、摩擦損失や摩耗を低減し、高効率、高信頼性の摺動部材を提供する。

Description

本発明は、摺動部材の表面形状に関し、特に冷凍サイクル用圧縮機などにおける装置に対し、主として金属材料からなる摺動部材の摺動面に関する。

摺動部材の摩擦損失を低減させることは、装置の効率向上、及び信頼性向上のために必要である。例えば、冷凍冷蔵庫などに用いられるレシプロ圧縮機の場合、一般に使用される回転数である１５００から３０００ｒｐｍでは、摺動部材間に存在する油膜の厚さは１から２μｍ程度あるいはそれ以下とされている。
従来から摺動部材の摩擦損失を低減させるため、接触する摺動面の微細な凹凸を除去して可能な限り平滑にする努力がなされていた。
一方で、摺動部材の摩擦損失を低減させるため、平滑化された摺動部材の摺動面に凹部を形成するための加工を施す技術が提案されている。具体的には、断面が略円弧状の無数の凹部を摺動部材の摺動面に形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を用いてこれらの従来技術を説明する。図１０、図１１は、相互に摺動する摺動部材が潤滑油による油膜（図示省略）を介して対向している状態を示している。
図１０は摺動部材３２と対向する摺動部材３０の摺動面をともに平滑にした状態を示している。
図１１は、対向する摺動部材３０の摺動面を平滑にし、もう一方の摺動部材３２の摺動面３８に無数の凹部３６を設けた様子を示している。特許文献１によれば、接触摺動部３４に潤滑油を供給すると、潤滑油は表面張力により無数に形成された凹部３６にて油玉となり、荷重が加えられると、各凹部３６の隣接する油玉が互いに連結し、摺動面全域に油膜が形成される。

特開平７−１８８７３８号公報

しかしながら、上記従来の圧縮機などでは、さらなる高出力化や、騒音や振動防止のための低回転化や、効率向上のための潤滑油の低粘度化や、摺動部分の削減による高効率化を図ることで、却って摺動部材の摺動状況が今後一層過酷になることが想定される。
図１０のように、摺動部材３０、３２間の摺動面が互いに平滑な場合では、接触摺動部３４に潤滑油を十分に保持することができず、このため油膜が破断して摺動部材３０、３２同士が接触することがある。このような摺動部材３０、３２間で境界潤滑領域での摺動状態が長時間継続すると、摩耗粉の凝着やアブレシブ摩耗が進行して、最終的にいわゆる焼き付きによるロックや、異常摩耗に至ることがある。
また、図１１のように、無数の凹部３６を摺動面３８に設けた場合、摺動開始からしばらく経過すると、摩擦係数が、急激に増加に転じたり、摺動開始直後から摩擦係数が大きな変動を伴いながら高い値に推移することがある。その結果、摺動部材３０、３２の摺動面に激しい摩耗が生じることがある。

また、圧縮機の摺動部材の摺動面は、その全領域が同じ摺動条件（荷重、潤滑油粘度、速度）で摺動しているのではなく、摺動面同士が接触するような潤滑状態が厳しい領域と、摺動面同士が油膜で隔てられているような潤滑状態が厳しくない領域が混在している。従って、摺動面全域に同じ凹部を配設しても、十分な効果を得ることは困難であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、圧縮機の摺動部材の摺動面に、摺動条件（荷重、潤滑油粘度、速度）により、潤滑状態が厳しい領域とそうでない領域に応じて、凹部の仕様、即ち凹部開口部の大きさ、凹部の深さ、及び摺動部材の摺動面に対する開口部の占める割合（以下、開口面積率という）を最適に設定して凹部を配設するものである。これにより、摩耗を抑制して摺動部材の信頼性を更に高める作用を行う領域と、摩擦損失、即ち流体粘性損失を更に減らす作用を行う領域とを摺動部材の摺動面に併せ持たせ、効果的に摩擦損失や摩耗を低減し、信頼性が高く損失の少ない摺動部材を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の摺動部材は、摺動部材の摺動面において、摺動条件により潤滑状態が厳しい領域とそうでない領域に分け、各々の領域に対応した凹部仕様による凹部をその表面に施している。これにより、接触面の面圧緩和や油溜まりで効果的に潤滑油を滲み出させて摩耗を抑制させるとともに、接触面積の減少により流体粘性損失を低減させて、効果的に摩擦損失や摩耗を低減することができる。

本発明の摺動部材によれば、摺動面の面圧緩和や油溜まりで効果的に潤滑油を滲み出させて摩耗を抑制させるとともに、接触面積の減少により流体粘性損失を低減させて、効果的に摩擦損失や摩耗を低減することができるので、摩擦係数が低くてかつ信頼性の高い摺動部材を提供できる。

本発明の実施形態１における摺動部材の斜視模式図摩擦特性を測定する摩擦実験装置の模式図本実施の形態１に係る摺動部材と比較例の摺動部材の摺動状態を示す特性図本発明の摺動部材を用いたレシプロ圧縮機の横断面図本発明の摺動部材を用いたロータリー圧縮機の横断面図本発明の摺動部材を用いたスクロール圧縮機の横断面図本発明の摺動部材を用いたスクロール圧縮機の固定スクロールの平面図本発明の摺動部材を用いたスクロール圧縮機の固定スクロールの平面図本発明の摺動部材を用いたスクロール圧縮機の固定スクロールの平面図従来の平滑な摺動面の断面模式図従来の凹部が設けられた摺動面の断面模式図

１０ディスク状摺動部材
１２リング状摺動部材
１３２摺動部材
１３６，１３６ａ，１３６ｂ凹部
１３７，１３７ａ，１３７ｂ平坦部
１３８，１３８ａ，１３８ｂ摺動面
１５０レシプロ圧縮機
１７０ロータリー圧縮機
１８０スクロール圧縮機
１８８固定スクロール
１８９旋回スクロール
１９０スラスト軸受面
１９１内周側
１９２外周側

第１の発明は、互いの摺動面を摺動する２つの摺動部材を有し、少なくとも一方の前記摺動面に、ディンプル状の複数の凹部を設け、前記凹部の形状又は前記凹部による開口面積率が領域により異ならせることにより、摺動面の面圧緩和や油溜まりで効果的に潤滑油を滲み出させて摩耗を抑制させるとともに、接触面積の減少により流体粘性損失を低減させて、効果的に摩擦損失や摩耗を低減することができるので、摩擦係数が低くてかつ信頼性の高い摺動部材を提供できる。

第２の発明は、前記領域によって異なる前記凹部が、開口寸法及び凹部深さの少なくとも一方の形状が異なることにより、第１の発明と同じ効果を生じる。

第３の発明は、前記領域として、第１の領域と第２の領域とを有し、前記第１の領域が、前記第２の領域よりも潤滑条件が厳しい場合に、前記第１の領域に形成される前記凹部の前記凹部深さを、前記第２の領域に形成される前記凹部の前記凹部深さよりも浅くし、前記第１の領域における前記開口面積率を、前記第２の領域における前記開口面積率よりも小さくしたことにより、摩擦係数が低くてかつ信頼性の高い摺動部材を提供することができる。

第４の発明は、前記凹部の開口面が略円形であることにより、潤滑油が滲み出しやすくなり、更に、摩擦係数が低くてかつ信頼性の高い摺動部材を提供することができる。

第５の発明は、第１から第４の発明に係る摺動部材は、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、又はスクロール圧縮機に用いられる部材であることにより、摩擦係数が低くてかつ信頼性の高い圧縮機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における摺動部材の摺動面の斜視模式図であり、潤滑条件が厳しい第１の領域Ａ及び潤滑条件が厳しくない第２の領域Ｂを示す。
本発明は、互いの摺動面が摺動する２つの摺動部材に関するものである。少なくとも一方の摺動部材１３２の摺動面１３８には、ディンプル状の凹部１３６が設けられている。
摺動面１３８は、第１の領域Ａの摺動面１３８ａと第２の領域Ｂの摺動面１３８ｂとからなる。ここでは第１の領域Ａは、第２の領域Ｂよりも潤滑条件が厳しい場合とする。
摺動面１３８ａに形成される凹部１３６ａと摺動面１３８ｂに形成される凹部１３６ｂの形状は互いに異なる。すなわち凹部１３６ａと凹部１３６ｂとは、開口寸法及び凹部深さの少なくとも一方が異なる。
図１では、凹部１３６ａと凹部１３６ｂとは、開口寸法及び凹部深さが異なる場合を示している。
第１の領域Ａに形成される凹部１３６ａの凹部深さは、第２の領域Ｂに形成される凹部１３６ｂの凹部深さよりも浅くし、第１の領域Ａにおける凹部１３６ａの開口寸法を、第２の領域Ｂにおける凹部１３６ｂの開口寸法よりも大きくしている。

第１の領域Ａの摺動面１３８ａにおける凹部１３６ａによる開口面積率と、第２の領域Ｂの摺動面１３８ｂにおける凹部１３６ｂによる開口面積率とは異なる。
開口面積率とは、摺動面１３８の面積に対する凹部１３６の開口面の総面積の割合のことである。摺動部材１３２の摺動面１３８の一部をレーザー顕微鏡にて取り込んでコンピュータ画像処理を行う。凹部１３６による開口面と、平坦面１３７を分別した後に、個々の凹部１３６の開口面の面積の総和を画像処理に用いた摺動面１３８の全面積で除することで、開口面積率を得る。尚、測定箇所を変えて数回計測して得られた開口面積率の平均値をその条件での代表値とした。
第１の領域Ａにおける開口面積率は、凹部１３６ａの開口面と、平坦面１３７ａを分別した後に、個々の凹部１３６ａの開口面の面積の総和を画像処理に用いた摺動面１３８ａの全面積で除することで得ることができる。
第２の領域Ｂにおける開口面積率は、凹部１３６ｂの開口面と、平坦面１３７ｂを分別した後に、個々の凹部１３６ｂの開口面の面積の総和を画像処理に用いた摺動面１３８ｂの全面積で除することで得ることができる。
図１では、第１の領域Ａにおける開口面積率を、第２の領域Ｂにおける開口面積率よりも小さくしている。

潤滑条件が厳しい第１の領域Ａでは、潤滑条件が厳しくない第２の領域Ｂと比較して、深さの浅いディンプル状の凹部１３６ａが、開口面積率を小さくして設けられている（例えば直径０．２ｍｍ前後、深さ１〜３μｍ程度、開口面積率１０〜２５％程度）。これにより、摺動面１３８上の平坦部にてその荷重を面で受け止めるとともに凹部１３６に保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで、より過酷な摺動条件の場合であっても摩擦損失や摩耗を低減することができる。
これに対し、潤滑条件が厳しくない第２の領域Ｂでは、潤滑条件が厳しい第１の領域Ａと比較して、深さの深いディンプル状の凹部１３６ｂが、開口面積率を大きくして設けられている（例えば、直径０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍ以内、深さ３〜１０μｍ程度、開口面積率２０〜５０％程度）。これにより、平滑面の面積を減少させることができ、潤滑油の粘性抵抗が低くなるとともに凹部に保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで摩擦損失や摩耗を低減できる。なお、開口部の形状が略円形であることが好ましい。これは潤滑油が滲み出しやすくなるからである。

図２は、摩擦特性を測定する摩擦実験装置の斜視図である。レーザー、エッチング等の除去加工やショットブラスト、プレス等の塑性加工などにより凹部１３６が形成された摺動部材１３２の摩擦特性をリングオンディスク方式の実験装置にて評価した。
図２に示される摩擦実験装置には、２つの摺動部材として、リング状摺動部材１２とディスク状摺動部材１０が装着される。リング状摺動部材１２は、駆動部材１４とピン１６を介して伝達される回転力により所定方向に回転するとともに、上方から静止軸１８を介して荷重負荷を受ける。
したがって、リング状摺動部材１２がディスク状摺動部材１０に所定圧力で接触しつつディスク状摺動部材１０が回転するので、リング状摺動部材１２とディスク状摺動部材１０の間に摩擦が生じる。尚、この２つの摺動部材１０、１２間には図示省略の潤滑油が存在している。リング状摺動部材１２の側面に貫通穴２３が設けられている。リング状摺動部材１２の側面の貫通穴２３に挿入されたマイクロシリンジ２４から、潤滑油がリング状摺動部材１２の内周面に適宜供給され、ディスク状摺動部材１０の回転による遠心力により２つの摺動部材の接触摺動部に流入する。また、ディスク状摺動部材１０及びリング状摺動部材１２の同心円上方に設けたガイド部２０は静止軸１８の軸受を担っている。また、ボール軸受２２はリング状摺動部材１２とディスク状摺動部材１０が片当りせずに面で接触させるための調心機構を担っている。

なお、上記摩擦実験装置による実験条件は境界潤滑、混合潤滑及び流体潤滑での摩擦係数を測定するため次の通りとした。荷重は６Ｎ〜１１０Ｎとし、速度は０．０６〜０．６ｍ／ｓｅｃとし、粘度は４．６〜１３０ｍｍ^２／ｓｅｃとし、オイル供給は０．１２ｃｍ^３／分（０．０３ｃｍ^３×４回／分）とした。
リング状摺動部材１２は、外径が２５．６ｍｍ、内径が２０ｍｍ、材質をＦＣ２００（硬度ＨＢ１８０程度）で、表面粗さがＲａ０．２程度の研削仕上げとした。ディスク状摺動部材１０は、外径２７ｍｍ、材質をＦＣ２５０（硬度ＨＢ２００程度）で、表面粗さがＲａ０．２程度の研削加工後ラップ仕上げを行っている。リング状摺動部材１２のディスク状摺動部材１０との接触面には、潤滑油が摺動面に十分に行き渡るように十字状の溝（図示省略）を設けた。潤滑油の供給はどの実験でも同量で行った。
更に、油膜が形成され難く金属接触が生じるような摺動状態である境界潤滑、油膜が形成され金属接触が生じにくい摺動状態である流体潤滑、また、その遷移状態である混合潤滑の軸受特性値を得る為に、リング摺動部材１２とディスク状摺動部材１０の相対すべり速度と潤滑油の粘度と面圧を変化させた。

開口面積率とは、リング状摺動部材１２とディスク状摺動部材１０が接触する摺動面１３８の面積に対する凹部１３６の開口部分の総面積の割合のことである。摺動部材の摺動面１３８の一部をレーザー顕微鏡にて取り込んでコンピュータ画像処理を行った。凹部１３６の開口部と、平坦部１３７を分別した後に、個々の凹部１３６の開口部の開口面積の総和を画像処理に用いた摺動面１３８の全面積で除することで、開口面積率を得ている。尚、測定箇所を変えて数回計測して得られた開口面積率の平均値をその条件での代表値とした。
また、面粗度は触針式の形状測定機で数回計測した結果の平均値を、また凹部１３６の深さはレーザー顕微鏡で数回測定した結果の平均値を示している。

図３は、本発明の実施の形態における摺動面の形態をパラメータとした摩擦係数特性図であり、軸受特性数をｘ軸に、摩擦係数をｙ軸に示したものである。
軸受特性数とは、潤滑油の粘度と速度を乗じたものを面圧で除した無次元数で潤滑の状態の指標である。軸受特性数が小さくなるに従って金属面が油膜で隔てられている流体潤滑領域から、油膜が薄くなり金属面の接触が発生する混合潤滑域、更に油膜が非常に少なく金属接触が過多となる境界潤滑領域へと変化する。
図３には、本実施の形態１である条件１（□印）、条件２（△印）、および従来の条件３（◇印）の結果を示している。条件１は、凹部１３６の開口直径が０．１８４ｍｍ、開口面積率が１６％、摺動面１３８の面粗度がＲａ０．２１、凹部１３６の深さが１．２μｍである。条件２は、凹部１３６の開口直径が０．１７６ｍｍ、開口面積率が３５％、摺動面１３８の面粗度がＲａ０．２３、凹部１３６の深さが９．４μｍである。条件３は凹み加工を行わず、従来の平滑面であり、摺動面１３８の面粗度はＲａ０．２である。

図３から、摺動条件である荷重、速度、粘度を変更して、軸受特性数を変化させたが、摩擦係数は一本の線上に乗ることが判り、本実験で軸受特性数と摩擦係数の関係を示すことは可能であるといえる。その結果、従来のリング状摺動部材、及びディスク状摺動部材がともに平滑面である条件３（◇印）の場合に比べ、条件１（□印）は軸受特性数が小さい、つまり、境界潤滑から混合潤滑の領域において、摩擦係数が低くなっている。また、条件２（△印）は軸受特性数が大きい、つまり流体潤滑の領域において、摩擦係数が低くなっていることが判る。
この実験結果から、一つの摺動部の中で、軸受特性数つまり負荷状態の分布に適合したディンプルの仕様を選定して摺動面に配設することにより、平滑面に比べて低い摩擦係数でかつその変動や不安定な摺動を抑制するとともに、摺動面１３８の摩耗状態も緩和することができることが分かる。

尚、本発明は様々な装置の種々の摺動部材に適用可能であり、摺動部材の材質や表面性状（初期の面粗度）、運転条件や、潤滑油の供給状態や油性（粘度や油種など）に応じて、適正な凹部１３６の諸要素を決定することが必要である。
具体例としては、冷凍サイクル用圧縮機の１つであるレシプロ圧縮機の摺動部材が挙げられる。図４にレシプロ圧縮機の横断面図を示す。

現状のレシプロ圧縮機１５０の摺動部材としては次のものが一般的である。
（１）シャフト主軸１５１と主軸受１５２は片持ち軸受構造であるために、主軸受１５２の上下端部で片当りが起こる可能性がある。また、どちらの材質も鋳鉄製である。シャフト主軸１５１は、その表面にリン酸マンガン皮膜処理がなされ、シャフト主軸１５１の方が主軸受１５２に比べやや硬度が低い。シャフト主軸１５１の摺動面及び摺軸受け１５２の摺動面は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。
（２）スラスト軸受部１５３に関して、冷媒の吸入圧縮行程においてクランクシャフトが主軸受１５２内で傾くことで、シャフト主軸１５１側のスラスト摺動面１５４と主軸受１５２側のスラスト摺動面１５５の外周側で片当りが起こる可能性があるとともに、平面接触のため油膜圧力が発生し難い。また、シャフト主軸１５１側のスラスト摺動面１５４及び主軸受１５２側のスラスト摺動面１５５のいずれも鋳鉄製で、主軸側のスラスト摺動面１５４は一般的にリン酸マンガン皮膜処理がなされ、シャフト主軸１５１側のスラスト摺動面１５４の方がやや硬度が低い。スラスト摺動面１５４、１５５は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。
（３）シャフト偏心軸１５６とコンロッド大端孔１５７に関して、冷媒の吸入圧縮行程においてコンロッド大端孔１５７の上下端部で片当りが起こる可能性がある。シャフト偏心軸１５６が鋳鉄製で、コンロッド１５８がアルミ合金製であり、シャフト偏心軸１５６の面及びコンロッド大端孔１５７の面は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。
（４）ピストンピン１５９とコンロッド小端孔１６０に関して、ピストンピン１５９がコンロッド小端孔１６０内で揺動運動するので油膜が一定方向の回転運動に比べて形成され難く、かつ摺動面積が他の摺動部に比べて小さく面圧が高くなる。ピストンピン１５９がクロム鋼製で、コンロッド１５８がアルミ合金製である。ピストンピン１５９の摺動面及びコンロッド小端孔１６０の摺動面は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。ピストンピン１５９は一般的に表面焼入されているかあるいは窒化処理などで表面硬化がなされている。
（５）ピストン１６１とシリンダボア１６２に関して、冷媒の吸入圧縮行程においてクランクシャフト１６３が主軸受１５２内で傾き、ピストンがレシプロ圧縮機１５０を横から見て上下方向に傾斜することでピストン１６１の上下端部で片当りが起こる可能性がある。ピストン１６１は焼結鉄製で、表面にリン酸マンガン処理がなされている。一方のシリンダボア１６２は鋳鉄製であり、ピストン１６１に比べてやや硬度が低い。ピストン１６１の摺動面及びシリンダボア１６２の摺動面は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。

以上の摺動部材の組合せにおいて、本発明は、すべての摺動が想定される部位に有効であると考えられる。すなわち、境界潤滑領域、及び混合潤滑領域（摺動部材同士が接触して摺動する）での摺動が想定される部位（運転後の表面状態を仔細に観察することにより判別が可能）には開口面積が少なめで凹部深さが浅目の凹部を、流体潤滑領域（摺動部材は油膜で隔てられた状態で摺動が想定される部位）には開口面積が多目で凹部深さが深目の凹部を配設することが極めて有効であると考える。即ち、片当りし易い部位や比較的面圧が高い部位などに対し、相対する摺動部材に、運転回転数、面圧、実使用粘度などに対応した適正な開口面積率、面粗度、及び深さからなる凹部を設けることで、潤滑状態を改善することができる。また、流体潤滑領域に対応する摺動部材に、運転回転数、面圧、実使用粘度などに対応した適正な開口面積率、面粗度、及び深さからなる凹部を設けることで、油膜によるせん断力を低減し、高い効率と高い信頼性を持つレシプロ圧縮機１５０を実現させることができる。

その他の具体例としては、冷凍サイクル用圧縮機の１つであるロータリー圧縮機の摺動部材が挙げられる。図５にロータリー圧縮機の横断面図を示す。

現状のロータリー圧縮機１７０の摺動部材としては次のものが一般的である。
（１）シャフト主軸１７１と主軸受１７２、シャフト副軸１７３と副軸受１７４に関して、主軸受１７２、副軸受１７４の端部にて片当りが起こり易い。シャフト主軸１７１とシャフト副軸１７３は一体成型であり鋳鉄製で、シャフト主軸１７１の摺動面及びシャフト副軸１７３の摺動面にはリン酸マンガン皮膜処理がなされている。一方の主軸受１７２、副軸受１７４は焼結鉄製であり、シャフト主軸１７１、シャフト副軸１７３に比べて硬度が低い。主軸受１７２の摺動面及び副軸受１７４の摺動面は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。
（２）ベーン側面１７５とシリンダベーン溝１７６については往復動なので油膜圧力が発生し難い。ベーン側面１７５は合金鋼製で、シリンダベーン溝１７６は鋳鉄製である。ベーン側面１７５は面粗度Ｒａ０．５以下に、シリンダベーン溝１７６はＲａ１．０以下に仕上げられている。
（３）ベーン先端１７７とローラ１７８については線接触摺動で面圧が極めて高くなる。ベーン先端１７７は合金鋼製で、その摺動面（先端）にはＰＶＤ、あるいはＣＶＤによるセラミックス皮膜が形成され硬質化されている。一方のローラ１７８は鋳鉄製である。ベーン先端１７７の摺動面及びローラ１７８の摺動面は、ともに面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。

以上の摺動部材の組合せにおいて、本発明は、すべての摺動が想定される部位に有効であると考えられる。すなわち、境界潤滑領域、及び混合潤滑領域（摺動部材同士が接触して摺動する）での摺動が想定される部位（運転後の表面状態を仔細に観察することにより判別が可能）には開口面積が少なめで凹部深さが浅目の凹部を、流体潤滑領域（摺動部材は油膜で隔てられた状態で摺動が想定される部位）には開口面積が多目で凹部深さが深目の凹部を配設することが極めて有効であると考える。即ち、片当りし易い部位や潤滑状態が厳しい部位などに対し、相対する摺動部材に、運転回転数、面圧、実使用粘度などに対応した適正な開口面積率、面粗度、及び深さからなる凹部を設けることで、潤滑状態を改善することができる。また、流体潤滑領域に対応する摺動部材に、運転回転数、面圧、実使用粘度などに対応した適正な開口面積率、面粗度、及び深さからなる凹部を設けることで、油膜によるせん断力を低減し、高い効率と高い信頼性を持つロータリー圧縮機１７０を実現することができる。

さらに、その他の具体例としては、冷凍サイクル用圧縮機の１つであるスクロール圧縮機の摺動部材がある。図６にスクロール圧縮機の横断面図を示す。

現状のスクロール圧縮機１８０の摺動部材としては次のものが一般的である。
（１）シャフト主軸１８１と主軸受１８２、シャフト偏心軸１８３と偏心軸受１８４、シャフト副軸１８５と副軸受１８６については構造上、主軸受１８２、偏心軸受１８４、副軸受１８６の上下端部で片当りが起こり易い。シャフト主軸１８１、シャフト偏心軸１８３、シャフト副軸１８５はいずれも表面硬化された合金鋼製である。一方の主軸受１８２、偏心軸受１８４、副軸受１８６はいずれも裏金を金属とした樹脂とカーボンの複合材である。シャフト主軸１８１の摺動面、シャフト偏心軸１８３の摺動面、及びシャフト副軸１８６の摺動面は、いずれも面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。
（２）固定スクロール１８８と、主軸受１８２側から圧縮ガスで固定スクロール１８８に押し付けられている旋回スクロール１８９との間に形成されるスラスト軸受面１９０については平面接触のために油膜圧力が比較的発生し難い。また、スクロール圧縮機の特徴で外周部は低圧、内周部は高圧となるため、スラスト軸受面１９０は、荷重が変化しやすい摺動面である。固定スクロール１８８が鋳鉄製で、旋回スクロール１８９はアルミニウム合金製である。固定スクロール１８８の摺動面及び旋回スクロール１８９の摺動面は、とも面粗度Ｒａ０．５以下に仕上げられている。

以上の摺動部材の組合せにおいて、本発明は、すべての摺動が想定される部位に有効であると考えられる。すなわち、境界潤滑領域、及び混合潤滑領域（摺動部材同士が接触して摺動する）での摺動が想定される部位（運転後の表面状態を仔細に観察することにより判別が可能）には開口面積が少なめで凹部深さが浅目の凹部を、流体潤滑領域（摺動部材は油膜で隔てられた状態で摺動が想定される部位）には開口面積が多目で凹部深さが深目の凹部を配設することが極めて有効であると考える。即ち、片当りし易い部位や潤滑状態が厳しい領域などに対し、相対する摺動部材に、運転回転数、面圧、実使用粘度などに対応した適正な開口面積率、面粗度、及び深さからなる凹部を設けることで、潤滑状態を改善することができる。また、流体潤滑領域に対応する摺動部材に、運転回転数、面圧、実使用粘度などに対応した適正な開口面積率、面粗度、及び深さからなる凹部を設けることで、油膜によるせん断力を低減し、高い効率と高い信頼性を持つスクロール圧縮機１８０の高効率、信頼性化を実現させることができる。

図７の運転後の固定スクロール１８８のスラスト軸受面１９０の観察から、油膜が薄く金属接触が起こっている境界潤滑及び混合潤滑の領域は図８に示すようなインボリュートの内周側１９１であり、油膜ができやすく金属接触は起こりにくい（起こってない）流体潤滑の領域は図９に示すインボリュートの外周側１９２となっていた。

具体的には、境界潤滑及び混合潤滑の領域では、油膜が薄く、金属接触が起こっている。従って、境界潤滑及び混合潤滑の領域では、粗さ（凸部）が磨耗し、磨耗によって発生する粉によって傷が発生するため、鏡面磨耗を観察することができる。この磨耗によって発生する粉は相手材を削るとともに相手材に凝着し、凝着した粉が一気に引き剥がされると大きな傷ができる。鏡面磨耗になった場合には、油溜りがなくなり油膜ができにくくなることにより凝着が発生しやすくなる。そして、最終的には大きな傷を発生させ、磨耗が進行し、摺動部材の信頼性を大きく損なうこととなる。鋳鉄製の固定スクロールとアルミニウム合金製の可動スクロールの場合、鋳鉄に凝着するアルミニウム合金の磨耗によって発生する粉が引き剥がされる時に大きな傷が発生している場合が有った。流体潤滑の領域は、油膜が厚く金属接触が発生していない為、摺動痕が付いていない。すなわち、加工痕が残ったままの初期の表面状態であり、面粗さも初期の状態である。これらの観点から運転後の圧縮機部品の表面を注意深く観察することにより、境界潤滑及び混合潤滑領域（摺動部材同士が接触して摺動する）での摺動が想定される部位と流体潤滑領域（摺動部材は油膜で隔てられた状態で摺動する）が想定される部位とを分けることができ、それぞれの潤滑状態に応じた凹部仕様を選定することが必要である。

この固定スクロール１８８のスラスト軸受面１９０の内周側１９１には、図３で境界潤滑から混合潤滑領域で摩擦係数低減効果が有った直径０．１８４×深さ１．２μｍ×開口面積率１６％の略円形状のディンプルを加工した。スラスト軸受面１９０の外周側１９２には、図３で流体潤滑領域で摩擦係数低減効果が有った直径０．１７６×深さ９．４μｍ×開口面積率３５％の略円形形状のディンプルを加工した。冷媒雰囲気での模擬運転および実機運転で確認したところ、０．５〜１％程度の効率向上が認められた。また、運転後、内周側１９１の擦り傷の程度がディンプルのない状態に比べて軽くなっており、潤滑性も向上していることが想定され、信頼性が上がっていると言える。
また、運転後の凹部内の観察から、磨耗によって発生する微小な粉が確認されたことにより、ディンプルは磨耗によって発生した粉の捕捉にも効果を発揮していると考えられる。
この様に、摺動面の負荷の状態により適切なディンプルを設けることにより、性能と信頼性が高いスクロール圧縮機を実現することができる。

本発明の摺動部材によれば、互いの摺動面が摺動する２つの摺動部材を有し、少なくとも一方の摺動面において、比較的潤滑状態が厳しい領域では開口面積が少なめで凹部深さが浅目の凹部を設ける。これにより摺動面上の平坦部にてその荷重を面で受け止めるとともに、凹部に保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで、より過酷な摺動条件の場合であっても摩擦損失や摩耗を低減することができる。
これに対し、比較的潤滑状態が厳しくない領域では開口面積が多目で凹部深さが深目の凹部を設ける。これにより、平滑面の面積を減少することができ、潤滑油の粘性抵抗が低くなるとともに凹部に保持された潤滑油が平坦部に滲み出ることで摩擦損失や摩耗を低減できるので、従来の凹部を設けた摺動部材より摩擦損失や摩耗を低減することができる。

すなわち、摺動部材の摺動面に単に同じ凹部を多数設けるのではなく、摺動条件（荷重、潤滑油粘度、速度）により、潤滑状態が厳しい領域とそうでない領域に応じて、凹部の仕様、即ち凹部開口部の大きさ、凹部の深さ、及び摺動部材の摺動面に対する開口部の占める割合を最適に設定して凹部を配設する。これにより、摩耗を抑制して信頼性を更に高める作用を行う領域と、摩擦損失、即ち流体粘性損失を更に減らす作用を行う領域を摺動部材の摺動面に併せ持たせ、効果的に摩擦損失や摩耗を低減し、信頼性の高い摺動部材を提供することができる。

本発明は摺動部材が用いられている様々な装置、すなわち冷凍サイクル用圧縮機を含む様々な技術分野の各種装置に利用可能である。

Claims

互いの摺動面を摺動する２つの摺動部材を有し、少なくとも一方の前記摺動面に、ディンプル状の複数の凹部を設け、前記凹部の形状又は前記凹部による開口面積率が領域により異なることを特徴とする摺動部材。
前記領域によって異なる前記凹部が、開口寸法及び凹部深さの少なくとも一方の形状が異なることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
前記領域として、第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域が、前記第２の領域よりも潤滑条件が厳しい場合に、
前記第１の領域に形成される前記凹部の前記凹部深さを、前記第２の領域に形成される前記凹部の前記凹部深さよりも浅くし、
前記第１の領域における前記開口面積率を、前記第２の領域における前記開口面積率よりも小さくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摺動部材。
前記凹部の開口面が略円形であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の摺動部材。
前記摺動部材が、レシプロ圧縮機、ロータリー圧縮機、又はスクロール圧縮機に用いられる部材であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の摺動部材。