WO2009116405A1 - 冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置 Download PDF

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WO2009116405A1
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refrigerant compressor
vane
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tungsten carbide
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哲永 渡辺
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東芝キヤリア株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a refrigerant compressor and a refrigeration cycle apparatus, and more particularly, to a refrigerant compressor and a refrigeration cycle apparatus provided with a sliding member having a coating excellent in wear resistance and adhesion.
  • the refrigeration cycle apparatus is also used in refrigeration apparatuses such as air conditioners, refrigerators, and refrigeration showcases for cooling and heating the interior of a room, and more recently in heat pump water heaters.
  • These refrigeration cycle apparatuses incorporate a refrigerant compressor, and circulate HFC refrigerant or other refrigerants such as natural refrigerants such as HC and CO 2 .
  • Patent Document 1 As such a refrigerant compressor, one described in Patent Document 1 is known.
  • an electric motor unit and a compression mechanism unit connected to the electric motor unit via a rotating shaft are accommodated in a sealed case.
  • a cylinder is provided in a compression mechanism part, an eccentric roller is arrange
  • a coating containing an amorphous carbon layer is formed on the surface of the vane in order to suppress wear of the vane surface due to sliding of the eccentric roller and the vane.
  • an amorphous carbon layer is formed as a film on the surface of a single layer or a two-layer vane.
  • the lower layer vane base material side
  • the upper layer is a metal-containing amorphous carbon layer.
  • a nitride layer is formed on the surface of the base material of the vane, an intermediate layer is formed on the nitride layer, and an amorphous carbon layer is formed on the intermediate layer.
  • These nitride layers and intermediate layers are formed in order to gradually change the hardness difference between the vane base material and the amorphous carbon layer.
  • the adhesion between them is improved.
  • the amorphous carbon layer is prevented from peeling from the vane surface.
  • the vane of the conventional refrigerant compressor described in Patent Document 1 forms a nitride layer on the surface of the base material of the vane, and further forms an intermediate layer and an amorphous carbon layer thereon.
  • the formation of the nitride layer, intermediate layer, and amorphous carbon layer is a different process. Therefore, in order to continuously process the formation of these layers, a corresponding processing furnace and processing program are required. For this reason, there are restrictions on manufacturing and the cost is high.
  • the surface of the nitride layer is only a diffusion layer.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and its object is to provide an inexpensive structure for suppressing the peeling of the amorphous carbon layer when the amorphous carbon layer is formed on the surface of the sliding member of the refrigerant compressor. Is to do.
  • the refrigerant compressor according to the first feature of the present invention includes a compression mechanism portion that compresses a refrigerant used in the refrigeration cycle, and at least one of the sliding members of the compression mechanism portion is formed of tool steel.
  • a third layer comprising a first layer comprising a single layer of chromium, a second layer comprising an alloy layer of chromium and tungsten carbide, and a metal-containing amorphous carbon layer containing at least one of tungsten and tungsten carbide.
  • a fourth layer made of an amorphous carbon layer that does not contain metal and contains carbon and hydrogen are sequentially formed on the surface of the sliding member made of tool steel.
  • the second layer has a higher chromium content on the first layer side than the third layer side, and a tungsten carbide content on the third layer side from the first layer side. It is formed to be higher on the layer side. Further, the third layer is formed so that the content of tungsten or tungsten carbide is higher on the second layer side than on the fourth layer side.
  • the refrigeration cycle apparatus includes the refrigerant compressor, the condenser, the expansion device, and the evaporator according to the first feature of the present invention.
  • the refrigeration cycle apparatus 1 includes a sealed rotary refrigerant compressor 2, a condenser 3, an expansion device 4, and an evaporator 5. . Further, the refrigeration cycle apparatus 1 uses an HFC refrigerant, an HC (hydrocarbon) refrigerant, or a carbon dioxide refrigerant as a refrigerant.
  • the refrigerant compressor 2 is a two-cylinder type and includes a sealed case 2a. An electric motor unit 6 and a rotary compression mechanism unit 7 as a compression mechanism unit are accommodated in the sealed case 2a. And the electric motor part 6 is connected with the rotation compression mechanism part 7 via the rotating shaft 8 which has the 1st eccentric part 8a and the 2nd eccentric part 8b.
  • the electric motor unit 6 includes a rotor 6a and a stator 6b.
  • the electric motor unit 6 may be a brushless DC synchronous motor driven by an inverter, an AC motor, or a motor driven by a commercial power source.
  • Refrigerating machine oil 9 is stored at the bottom of the sealed case 2a and lubricates the rotary compression mechanism 7.
  • a single oil or a mixed oil of polyol ester oil, ether oil, mineral oil, alkylbenzene oil, and PAG oil is used as the refrigerating machine oil 9.
  • the rotary compression mechanism unit 7 includes a first compression mechanism unit 7a and a second compression mechanism unit 7b.
  • the first compression mechanism portion 7a includes a first cylinder 11a that forms a first cylinder chamber 10a.
  • the second compression mechanism portion 7b includes a second cylinder 11b that forms a second cylinder chamber 10b.
  • a first roller 12a that rotates eccentrically (revolves) is provided in the first cylinder chamber 10a.
  • a second roller 12b that rotates eccentrically (revolves) is provided in the second cylinder chamber 10b.
  • the first vane 13a is disposed in the first cylinder 11a.
  • the second vane 13b is disposed in the second cylinder 11b.
  • FIG. 1 shows only the vane 13b.
  • the first vane 13a is a sliding member that reciprocates in contact with the outer peripheral surface of the first roller 12a and partitions the inside of the first cylinder chamber 10a into a suction chamber and a compression chamber.
  • the second vane 13b is a sliding member that reciprocates in contact with the outer peripheral surface of the second roller 12b and partitions the inside of the second cylinder chamber 10b into a suction chamber and a compression chamber. Therefore, the front end surface of the first vane 13a slides with the outer peripheral surface of the first roller 12a, and the side surface thereof slides with the side surface of the first groove 14a formed in the first cylinder 11a.
  • the second vane 13b has a tip surface that slides with the outer peripheral surface of the second roller 12b, and a side surface that slides with a side surface of the second groove 14b formed in the second cylinder 11b (see FIG. Only the groove 14b is shown in FIG.
  • the first cylinder chamber 10a of the first compression mechanism portion 7a is covered with a main bearing 15 and a partition plate 16 as lid members.
  • the second cylinder chamber 10b of the second compression mechanism portion 7b is covered with a sub bearing 17 and a partition plate 16 as lid members.
  • the main bearing 15 is provided with a first discharge hole 18a and a first discharge valve 19a.
  • the auxiliary bearing 17 is provided with a second discharge hole 18b and a second discharge valve 19b (the first discharge hole 18a and the second discharge hole 18b are not shown).
  • a discharge pipe 20 for discharging compressed refrigerant gas is connected to the upper surface of the sealed case 2a.
  • a suction pipe 21 and an accumulator 22 are connected to the lower side of the side surface of the sealed case 2a.
  • the second compression mechanism section 7b includes a second cylinder 11b, a second roller 12b, a second vane 13b, and the like.
  • the first compression mechanism unit 7a has the same configuration as the second compression mechanism unit 7b.
  • the first compression mechanism portion 7a includes a first cylinder 11a, a first roller 12a, a first vane 13a, and the like.
  • the vane 13b is formed using a high-speed tool steel (SKH51) tempered to a hardness HRC63 as a base material 23.
  • a first layer 24 made of a single layer of chromium (Cr), a second layer 25 made of an alloy layer of chromium and tungsten carbide (WC), tungsten,
  • a third layer 26 made of an amorphous carbon layer containing (W) and a fourth layer 27 made of an amorphous carbon layer containing no metal and containing carbon and hydrogen are sequentially formed.
  • the third layer 26 may be an amorphous carbon layer containing tungsten carbide instead of tungsten, or may be an amorphous carbon layer containing both tungsten and tungsten carbide.
  • the second layer 25 has a higher chromium content on the first layer 24 side than the third layer 26 and a tungsten carbide content on the third layer 26 side than the first layer 24 side. It is formed to be higher.
  • the third layer 26 is formed so that the content of tungsten is higher on the second layer 25 side than on the fourth layer 27 side.
  • each layer 24, 25, 26, 27 is 0.2 ⁇ m for the first layer 24, 0.3 ⁇ m for the second layer 25, 1.25 ⁇ m for the third layer 26, and 1.25 ⁇ m for the fourth layer 27. 1.25 ⁇ m.
  • the film 28 composed of the layers 24 to 27 is 3 ⁇ m as a whole. Considering the reliability of the coating 28 composed of the layers 24 to 27, the coating 28 preferably has a thickness of 2 to 5 ⁇ m.
  • the surface hardness of the coating 28 affects the wear characteristics, but if it is less than HV (0.025) 2000, the effect of the amorphous carbon layer as a high hardness material cannot be exhibited.
  • the surface hardness of the coating 28 is HV (0.025) 4000 or more, the mating material may be worn. Accordingly, the surface hardness of the coating 28 is preferably in the range of HV (0.025) 2000 to 4000.
  • the graph of FIG. 4 shows the test results of the scratch test in which the peeling load (critical load) of the coating film 28 was compared with the conventional example.
  • the thickness of the coating 28 was 3 ⁇ m formed as described above.
  • a vane whose surface was modified by nitriding the base material as described in Patent Document 1 was used as the vane of the conventional example to be compared.
  • the vane 13b according to the present embodiment has a larger peeling load than the conventional vane, and it is not necessary to form a nitride layer on the surface of the base material of the vane, which was performed in the conventional example. It turned out to be.
  • the measurement result obtained by measuring the surface roughness of the coating film 28 in comparison with the conventional example is shown in the graph of FIG.
  • the vane 13b of the present embodiment in which the film 28 is formed the base material of the vane used in the conventional example, the nitriding treatment of the base material of the vane used in the conventional example, and the intermediate layer after the nitriding treatment
  • a vane of a conventional example in which a film comprising an amorphous carbon layer was formed was formed.
  • the nitriding treatment was performed by a method that does not generate a nitrogen compound layer.
  • the surface roughness of the vane base material becomes rough due to the nitriding treatment, and this surface roughness remains even after the film is formed.
  • the surface roughness is smooth in the vane 13b of the present embodiment.
  • the first layer 24, the second layer 25, the third layer 26, and the fourth layer 27 are formed on the surface of the base material 23 of the vane 13b made of high-speed tool steel. It is formed in order.
  • the first layer 24 is a single layer of chromium
  • the second layer 25 is an alloy layer of chromium and tungsten carbide
  • the third layer 26 is a metal-containing amorphous material containing at least one of tungsten and tungsten carbide.
  • the fourth layer 27 is an amorphous carbon layer containing no metal and containing carbon and hydrogen.
  • the second layer 25 has a chromium content higher on the first layer 24 side than on the third layer 26 side, and a tungsten carbide content on the third layer 26 side than on the first layer 24 side. It is formed to be higher on the side.
  • the third layer 26 is formed so that the content of tungsten or tungsten carbide is higher on the second layer 25 side than on the fourth layer 27 side.
  • the first layer 24 is a chromium layer having excellent adhesion to the base material 23, and between the first layer 24 and the second layer 25, the second layer 25 and the third layer 25.
  • the difference in hardness between the layer 26 and between the third layer 26 and the fourth layer 27 is reduced. Thereby, the adhesiveness between these layers improves, and it can suppress that the coating 28 containing the 4th layer (amorphous carbon layer) 27 and the 4th layer 27 peels from the vane 13b.
  • nitride layer as described in the conventional example on the base material 23 of the vane 13b, and a process of forming a nitride layer, which is a process different from the formation of the first layer 24 to the fourth layer 27, is performed. Absent. For this reason, a vane can be made into an inexpensive structure.
  • nitriding treatment is not performed on the base material 23 of the vane 13b. For this reason, the surface roughness of the base material 23 does not increase with the nitriding treatment, and the surface roughness of the fourth layer 27 can be made smooth.
  • high-speed tool steel (SKH51) is used as the base material 23 of the vane 13b
  • carbon tool steel or alloy tool steel may be used instead of the high speed tool steel.
  • FIGS. 1-10 A refrigerant compressor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the basic configuration of the refrigerant compressor of the second embodiment is the same as the basic configuration of the refrigerant compressor 2 of the first embodiment. Therefore, the configuration of the refrigerant compressor of the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the refrigerant compressor according to the second embodiment is a polyol obtained by adding 0.5% by weight of a phosphate ester and 0.5% by weight of a sulfur compound as a load-bearing additive to the refrigerating machine oil 9. Use ester oil.
  • Other configurations of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • the measurement was performed using the apparatus shown in FIG.
  • the disk 30 formed of high-speed tool steel is immersed in the refrigerating machine oil 9 to which a load bearing additive is added.
  • the portion where the coating film 28 is formed on the vane 13b is brought into contact with the disk 30 with a constant load (for example, 300 N).
  • the disk 30 was rotated around the center line A at a constant speed (for example, 716 rpm) in the direction of the arrow, and the amount of wear of the coating 28 was measured.
  • the measurement was continued for 1 hour.
  • the same test was performed on the vane 31 of the conventional example. As shown in FIG.
  • a nitride layer 33 is diffused and formed on the surface of the base material 32 of the vane 31, an intermediate layer 34 is formed thereon, and a metal is formed thereon.
  • An amorphous carbon layer 27 (corresponding to the fourth layer of this embodiment) that does not contain carbon and hydrogen is formed, and an amorphous carbon layer 26 that contains tungsten (on the third layer of this embodiment) is formed thereon. Equivalent).
  • the graph of the test results shown in FIG. 8 represents the reduction rate with respect to the wear amount of the coating 28 when the same test is performed in the refrigerating machine oil 9 to which no load-bearing additive is added.
  • the reduction rate of the wear amount of the coating 28 when the load bearing additive is added is larger in the vane 13 b of the present embodiment than the vane 31 of the conventional example shown in FIG. 7. It has been found.
  • the vane 13b in which the first layer 24 to the fourth layer 27 are sequentially formed on the base material 23 is added with a load resistance additive. Used in refrigerator oil 9. With such a configuration, the action of the load-bearing additive can be effectively exhibited, and the coating 28 is worn compared to the case where the vane 31 of the conventional example is used in the refrigerating machine oil 9 to which the load-bearing additive is added. The amount can be reduced.
  • FIG. 1 A refrigerant compressor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the basic configuration of the refrigerant compressor of the third embodiment is the same as the basic configuration of the refrigerant compressor 2 of the first embodiment. Therefore, the configuration of the refrigerant compressor of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the apparatus used for measuring the wear amount is the apparatus shown in FIG.
  • the measurement was performed using the apparatus shown in FIG. At this time, the measurement was performed for the case where the disk 30 was formed of high-speed tool steel (SKH51) and the case of the disk 30 formed of spheroidal graphite cast iron (FCD600).
  • the graph of FIG. 9 shows the change in the amount of wear of the coating 28 depending on the material of the mating material with which the vane 13b abuts.
  • the measurement of the wear amount is performed by immersing the disk 30 in the refrigerating machine oil 9 to which no load bearing additive is added.
  • the wear amount of the coating 28 on the vane 13b and the disk 30 are measured.
  • the amount of wear of the vane 13b in the case of spheroidal graphite cast iron is compared.
  • the wear amount of the coating 28 on the vane 13b when the disk 30 is high-speed tool steel is 100%, the wear amount of the coating 28 on the vane 13b when the disk 30 is spheroidal graphite cast iron is about 70%. It was.
  • the roller 12b which is the counterpart material on which the vane 13b slides, is spheroidal graphite cast iron or flake graphite cast iron.
  • the amount of wear of the coating 28 of the vane 13b can be reduced without adding a load-resistant additive to the refrigerator oil 9.
  • the thickness dimensions of the third layer 26 and the fourth layer 27 are both 1.25 ⁇ m is taken as an example.
  • the thickness dimension of the third layer 26 and the thickness dimension of the fourth layer 27 are changed.
  • the graph of FIG. 10 shows the composition ratio (fourth layer 27 / third layer 26) of the amorphous carbon layer (third layer 26 and fourth layer 27) and the impact resistance (chip / peeling) of the coating 28. )).
  • the impact resistance of the coating 28 is tested by intentionally creating a unique condition in which the vane 13b collides with the roller 12b violently in the refrigerant compressor 2, for example, a state in which liquid refrigerant is intermittently sucked at a high compression ratio. The tendency of chipping and peeling of the coating film 28 is shown.
  • the composition ratio of the amorphous carbon layer (the third layer 26 and the fourth layer 27) (the fourth layer 27 / the third layer 26) is greater than 1 and 10 or less. Further, it has been found that by setting 3 to 7, chipping or peeling of the coating 28 of the vane 13b during operation of the refrigerant compressor 2 can be suppressed.
  • a vane 40 that is a sliding member of a refrigerant compressor according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the basic configuration of the refrigerant compressor of the fifth embodiment is the same as the basic configuration of the refrigerant compressor 2 of the first embodiment except for the vane 40. Therefore, the configuration of the refrigerant compressor of the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the vane 40 is formed by using a high-speed tool steel (SKH51) tempered to a hardness HRC63 as a base material 23, and in order on the surface thereof, a first layer consisting of a single layer of chromium.
  • a second layer 25 made of an alloy layer of chromium and tungsten carbide, a third layer 26 made of an amorphous carbon layer containing tungsten, and an amorphous carbon layer containing silicon (Si).
  • a fourth layer 41 is formed.
  • the second layer 25 has a higher chromium content on the first layer 24 side than the third layer 26 and a tungsten carbide content on the third layer 26 side than the first layer 24 side. It is formed to be higher.
  • the third layer 26 is formed so that the content of tungsten is higher on the second layer 25 side than on the fourth layer 41 side.
  • each layer 24, 25, 26, 41 is 0.2 ⁇ m for the first layer 24, 0.3 ⁇ m for the second layer 25, 1.75 ⁇ m for the third layer 26, and for the fourth layer 41. 1.75 ⁇ m, which is 4 ⁇ m as a whole.
  • Silicon carbide (SiC) formed by containing silicon has excellent characteristics in terms of heat resistance. For this reason, the vane 40 having the fourth layer 41 made of an amorphous carbon layer containing silicon can prevent the destruction of the fourth layer 41 due to a high temperature.
  • the refrigerant compressor and the refrigeration cycle apparatus of the present invention it is possible to form a film including an amorphous carbon layer that has excellent wear resistance and adhesion on the sliding member and does not easily peel off, with an inexpensive structure. For this reason, a high-performance and inexpensive refrigerant compressor and refrigeration cycle apparatus can be provided.

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Abstract

　冷媒圧縮機は、工具鋼で形成した圧縮機構部の摺動部材１３ｂの表面に、クロムの単一層からなる第１の層（２４）と、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層（２５）と、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有するアモルファス炭素層からなる第３の層（２６）と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層（２７）と、を順に形成する。第２の層（２５）は、クロム含有率が第３の層（２６）側より第１の層（３４）側で高く、タングステンカーバイトの含有率が第１の層（２４）側より第３の層（２６）側で高くなっている。また、第３の層（２６）は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が第４の層２７側より第２の層（２５）側が高くなっている。

Description

冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置
　本発明は、冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置に関し、特に、耐摩耗性と密着力とに優れた被膜を有する摺動部材を備えた冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置に関する。
　冷凍サイクル装置は、室内を冷暖房する空気調和機、冷蔵庫、冷凍ショーケースなどの冷凍装置、さらには近年ではヒートポンプ式給湯器にも利用されている。これらの冷凍サイクル装置は、冷媒圧縮機を組み込み、ＨＦＣ系冷媒もしくはその他ＨＣ系やＣＯ2等の自然冷媒などの冷媒を循環させる。
　このような冷媒圧縮機として、特許文献１に記載されたものが知られている。この従来の冷媒圧縮機は、密閉ケース内に電動機部及びこの電動機部と回転軸を介して連結された圧縮機構部を収納する。そして、シリンダが圧縮機構部に設けられ、偏心ローラがシリンダ内に配置され、摺動部材であるベーンの先端部が偏心ローラの周面に弾性的に当接される。そして、偏心ローラが電動機部に駆動されて回転すると、偏心ローラとベーンとが摺動する。
　このとき、偏心ローラとベーンの摺動によりベーン表面が磨耗することを抑制するため、アモルファス炭素層を含む被膜がベーンの表面に形成される。
　また、特許文献１に記載された従来の冷媒圧縮機では、皮膜としてアモルファス炭素層が単層又は２層ベーン表面に形成される。そして、アモルファス炭素層が２層形成された場合には、下層（ベーンの母材側）が水素含有アモルファス炭素層、上層が金属含有アモルファス炭素層とされる。
　そして、更に、ベーンの母材の表面には窒化層が形成され、この窒化層の上に中間層が形成され、中間層の上にアモルファス炭素層が形成される。これらの窒化層や中間層は、ベーンの母材とアモルファス炭素層との間の硬度差を緩やかに変化させるために形成される。このように、窒化層と中間層との間および、中間層とアモルファス炭素層との間の硬度差を小さくすることにより、それらの間の密着性が向上する。その結果、アモルファス炭素層がベーン表面から剥離することが抑制される。
特開２００７－３２３６０号公報
　上記のように、特許文献１に記載された従来の冷媒圧縮機のベーンは、ベーンの母材の表面に窒化層を形成し、さらに、その上に中間層とアモルファス炭素層とを形成する。
　しかし、窒化層、中間層、アモルファス炭素層の形成は、それぞれ異なる処理である。従って、これらの層の形成を連続処理するためには、それに対応した処理炉や処理プログラムが必要となる。このため、製造上の制約があり、コスト高となっている。
　また、窒化層は、表面に窒素化合物層が存在していると密着力の大幅な低下を招くため、窒化層の表面は拡散層のみとしている。窒化層の表面を拡散層のみとする方法は、窒素化合物層を除去する方法と、窒化処理で窒素化合物層を生成させない方法とがある。窒素化合物を除去する場合は、部品精度の維持が困難であり、加工ロスなどにより歩留まりが低下する原因となる。一方、窒化処理で窒素化合物層を生成させない場合は、窒化によりベーンの母材の表面粗さが悪化するため、アモルファス炭素層の表面粗さも悪化するという問題がある。
　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り、その目的は、冷媒圧縮機の摺動部材表面にアモルファス炭素層を形成する場合、そのアモルファス炭素層の剥離抑制を安価な構造により行なうことである。
　本発明の第１の特徴に係る冷媒圧縮機は、冷凍サイクルに使用される冷媒を圧縮する圧縮機構部を備え、前記圧縮機構部の摺動部材の少なくとも１つを工具鋼で形成する。そして、クロムの単一層からなる第１の層と、クロムとタングステンカーバイトの合金層からなる第２の層と、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層からなる第３の層と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層とが、工具鋼で形成した前記摺動部材の表面に順に形成される。このとき、前記第２の層は、クロム含有率が前記第３の層側より前記第１の層側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が前記第１の層側より前記第３の層側で高くなるように形成される。また、前記第３の層は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が前記第４の層側より前記第２の層側が高くなるように形成される。
　本発明の第２の特徴に係る冷凍サイクル装置は、本発明の第１の特徴に係る冷媒圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器と、を備える。
　本発明の特徴によれば、冷媒圧縮機の摺動部材表面にアモルファス炭素層を形成する場合、そのアモルファス炭素層の剥離抑制を安価な構造により行なうことができる。
本発明の第１の実施形態に係る冷媒圧縮機を用いた冷凍サイクル装置を示す概略図である。 冷媒圧縮機の一部を構成するシリンダとローラとベーンとを示す斜視図である。 ベーンの先端側の一部を示す断面図である。 被膜の剥離荷重を従来例と比較して示すグラフである。 被膜の表面粗さを従来例と比較して示すグラフである。 本発明の第２の実施形態におけるベーンの被膜の磨耗量を測定する装置を示す斜視図である。 比較する従来例のベーンの先端部の一部を示す断面図である。 冷凍機油に耐荷重添加剤を添加した場合の磨耗低減率を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態において、ベーンが当接する相手材の材質が球状黒鉛鋳鉄の場合には被膜の磨耗量が少なくなることを示すグラフである。 本発明の第４の実施形態において、第４の層の厚さ寸法を第３の厚さ寸法より大きくすることにより被膜の欠け・剥離の発生率が低下することを示すグラフである。 本発明の第５の実施形態のベーンの先端部の一部を示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
　（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の冷媒圧縮機を備えた冷凍サイクル装置１について、図１～５に基づいて説明する。
　本発明の第１の実施形態の冷凍サイクル装置１は、図１に示すように、密閉型回転式の冷媒圧縮機２と、凝縮器３と、膨張装置４と、蒸発器５と、を備える。また、冷凍サイクル装置１は、冷媒として、ＨＦＣ冷媒、ＨＣ（炭化水素系）冷媒、または、二酸化炭素冷媒を用いる。冷媒圧縮機２は２シリンダ型であり、密閉ケース２ａを備える。密閉ケース２ａ内には、電動機部６と圧縮機構部である回転圧縮機構部７とが収納される。そして、電動機部６は、第１の偏心部８ａと第２の偏心部８ｂを有する回転軸８を介して、回転圧縮機構部７と連結される。
　電動機部６は、回転子６ａと固定子６ｂとからなる。電動機部６は、インバータで駆動されるブラシレスＤＣ同期モータ、ＡＣモータ、若しくは商用電源で駆動されるモータであっても良い。
　冷凍機油９が密閉ケース２ａの底部に貯留され、回転圧縮機構部７を潤滑する。冷凍機油９としては、ポリオールエステル油、エーテル系油、鉱物油、アルキルベンゼン油、ＰＡＧ油の単一油又は混合油が用いられる。
　回転圧縮機構部７は、第１の圧縮機構部７ａと第２の圧縮機構部７ｂとからなる。第１の圧縮機構部７ａは、第１のシリンダ室１０ａを形成する第１のシリンダ１１ａを備える。第２の圧縮機構部７ｂは、第２のシリンダ室１０ｂを形成する第２のシリンダ１１ｂを備える。偏心回転(公転)する第１のローラ１２ａが第１のシリンダ室１０ａ内に設けられる。偏心回転(公転)する第２のローラ１２ｂが第２のシリンダ室１０ｂ内に設けられる。第１のベーン１３ａが第１のシリンダ１１ａに配設される。第２のベーン１３ｂが第２のシリンダ１１ｂに配設される。図１にはベーン１３ｂのみを図示する。第１のベーン１３ａは、第１のローラ１２ａの外周面に接して往復動し、第１のシリンダ室１０ａ内を吸込室と圧縮室とに仕切る摺動部材である。第２のベーン１３ｂは、第２のローラ１２ｂの外周面に接して往復動し、第２のシリンダ室１０ｂ内を吸込室と圧縮室とに仕切る摺動部材である。したがって、第１のベーン１３ａは、その先端面が第１のローラ１２ａの外周面と摺動し、その側面が第１のシリンダ１１ａに形成された第１の溝１４ａの側面と摺動する。また、第２のベーン１３ｂは、その先端面が第２のローラ１２ｂの外周面と摺動し、その側面が第２のシリンダ１１ｂに形成された第２の溝１４ｂの側面と摺動する（図２に溝１４ｂのみを図示）。
　第１の圧縮機構部７ａの第１のシリンダ室１０ａは、蓋部材としての主軸受１５と仕切り板１６とで覆われる。第２の圧縮機構部７ｂの第２のシリンダ室１０ｂは、蓋部材としての副軸受１７と仕切り板１６とで覆われる。主軸受１５には、第１の吐出孔１８ａと第１の吐出弁１９ａとが設けられる。副軸受１７には、第２の吐出孔１８ｂと第２の吐出弁１９ｂとが設けられる（第１の吐出孔１８ａと第２の吐出孔１８ｂは図示せず）。
　密閉ケース２ａの上面部には、圧縮冷媒ガスを吐出させる吐出管２０が接続される。また、密閉ケース２ａの側面下部側には、吸込み管２１及びアキュムレータ２２が接続される。
　第２の圧縮機構部７ｂは、図２に示すよう、第２のシリンダ１１ｂと第２のローラ１２ｂと第２のベーン１３ｂ等により構成される。なお、第１の圧縮機構部７ａは第２の圧縮機構部７ｂと同じ構成である。第１の圧縮機構部７ａは、第１のシリンダ１１ａと第１のローラ１２ａと第１のベーン１３ａ等により構成される。
　図３に示すよう、ベーン１３ｂは、硬度ＨＲＣ６３に調質した高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）を母材２３として形成される。そして、母材２３の先端側の表面に、クロム（Ｃｒ）の単一層からなる第１の層２４と、クロムとタングステンカーバイト（ＷＣ）との合金層からなる第２の層２５と、タングステン（Ｗ）を含有するアモルファス炭素層からなる第３の層２６と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層２７とが、順番に形成される。なお、第３の層２６は、タングステンに代えてタングステンカーバイトを含有するアモルファス炭素層としてもよく、又は、タングステンとタングステンカーバイトとの双方を含有するアモルファス炭素層としてもよい。
　第２の層２５は、クロムの含有率が第３の層２６より第１の層２４側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が第１の層２４側より第３の層２６側で高くなるように形成される。
　第３の層２６は、タングステンの含有率が第４の層２７側より第２の層２５側が高くなるように形成される。
　各層２４、２５、２６、２７の厚さ寸法は、第１の層２４が０．２μｍ、第２の層２５が０．３μｍ、第３の層２６が１．２５μｍ、第４の層２７が１．２５μｍである。そして、各層２４～２７からなる被膜２８は全体で３μｍとなる。各層２４～２７からなる被膜２８の信頼性を考えると、被膜２８は２～５μｍの厚さが好ましい。
　また、被膜２８の表面硬度は、磨耗特性に影響するが、HV(0.025)2000未満では、アモルファス炭素層の高硬度材としての効果を発揮できない。一方、被膜２８の表面硬度がHV(0.025)4000以上では、相手材の磨耗を引き起こす場合がある。従って、被膜２８の表面硬度はHV(0.025)2000～4000の範囲が好ましい。
　被膜２８の剥離荷重（臨界荷重）を従来例と比較して行なったスクラッチ試験の試験結果を、図４のグラフに示す。なお、この試験では、被膜２８の厚さ寸法は上述したように形成した３μｍとした。また、比較する従来例のベーンは、特許文献１に記載されたように母材に窒化処理を施して表面改質を行なったものを用いた。この試験結果により、本実施の形態に係るベーン１３ｂは、従来例のベーンに比べて剥離荷重が大きくなり、しかも、従来例で行なっていたベーンの母材の表面への窒化層の形成が不要であることが判明した。
　つぎに、被膜２８の表面粗さを従来例と比較して測定した測定結果を、図５のグラフに示す。この測定は、被膜２８を形成した本実施形態のベーン１３ｂと、従来例で用いられるベーンの母材と、従来例で用いられるベーンの母材に窒化処理をしたものと、窒化処理後に中間層とアモルファス炭素層とからなる被膜を形成した従来例のベーンとについて行なった。なお、窒化処理は、窒素化合物層を生成しない方法で行なった。従来例によれば、窒化処理によってベーンの母材の表面粗さが粗くなり、この表面粗さが被膜を形成した後も残ることが判明した。これに対し、本実施の形態のベーン１３ｂでは、表面粗さが滑らかになることが判明した。
　以上、第１の実施形態では、第１の層２４と第２の層２５と第３の層２６と第４の層２７とが、高速度工具鋼からなるベーン１３ｂの母材２３の表面に順に形成される。そして、第１の層２４はクロムの単一層とし、第２の層２５はクロムとタングステンカーバイトの合金層とし、第３の層２６はタングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層とし、第４の層２７は金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層とする。さらに、第２の層２５は、クロム含有率が第３の層２６側より第１の層２４側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が第１の層２４側より第３の層２６側で高くなるように形成される。また、第３の層２６は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が第４の層２７側より第２の層２５側が高くなるように形成される。
　このため、第1の層２４は、母材２３と密着力に優れたクロム層であり、かつ、第１の層２４と第２の層２５との間、第２の層２５と第３の層２６との間、及び、第３の層２６と第４の層２７との間の硬度差が小さくなる。これにより、これらの各層間の密着性が向上し、第４の層（アモルファス炭素層）２７、及び、第４の層２７を含む被膜２８がベーン１３ｂから剥離することを抑制することができる。
　しかも、従来例で説明したような窒化層をベーン１３ｂの母材２３に形成する必要がなく、第１の層２４～第４の層２７の形成と異なる処理である窒化層を形成する工程がない。このため、ベーンは安価な構造とすることができる。
　さらに、ベーン１３ｂの母材２３に対する窒化処理を行わない。このため、母材２３の表面粗さが窒化処理に伴って粗くなるということが起こらず、第４の層２７の表面粗さを滑らかにすることができる。
　なお、本実施形態では、ベーン１３ｂの母材２３として高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）を使用した場合を例に挙げて説明した。しかし、高速度工具鋼に代えて炭素工具鋼や合金工具鋼を使用してもよい。
　（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態の冷媒圧縮機について、図６～図８に基づいて説明する。なお、第２の実施形態の冷媒圧縮機の基本的な構成は第１の実施の形態の冷媒圧縮機２の基本的な構成と同じである。従って、第２の実施形態の冷媒圧縮機の構成については図１を用いて説明する。
　第２の実施形態の冷媒圧縮機は、冷凍機油９に、この冷凍機油９中に耐荷重添加剤であるリン酸エステル０．５重量％と硫黄系化合物０．５重量％とを添加したポリオールエステル油を使用する。第２の実施形態の他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
　冷凍機油９中に耐荷重添加剤を添加した場合と添加しない場合とにおける被膜２８の磨耗量を測定するために、図６に示した装置を用いて測定を行なった。この測定では、高速度工具鋼で形成したディスク３０を、耐荷重添加剤を添加した冷凍機油９中に浸漬する。そして、ベーン１３ｂに被膜２８を形成した部分が、一定荷重（例えば、３００Ｎ）でディスク３０に当接させられる。この状態で、ディスク３０を中心線Ａの回りに一定速度（例えば、７１６ｒｐｍ）で矢印方向に回転させ、被膜２８の磨耗量を測定した。測定は１時間継続して行なった。なお、同じ試験を、従来例のベーン３１に対しても行なった。試験に用いた従来例のベーン３１は、図７に示すように、ベーン３１の母材３２の表面に窒化層３３を拡散形成し、その上に中間層３４を形成し、その上に金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層２７（本実施形態の第４の層に相当）を形成し、その上にタングステンを含有するアモルファス炭素層２６（本実施形態の第３の層に相当）を形成したものである。
　図８に示す試験結果のグラフは、同様の試験を耐荷重添加剤を添加しない冷凍機油９中で行なった場合の被膜２８の磨耗量に対する低減率を表わしている。この図８のグラフによれば、耐荷重添加剤を添加した場合における被膜２８の磨耗量の低減率が、本実施の形態のベーン１３ｂは図７に示した従来例のベーン３１に比べて大きいことが判明した。
　以上、第２の実施形態では、第１の実施の形態で説明したように母材２３に第１の層２４～第４の層２７を順に形成したベーン１３ｂを、耐荷重添加剤を添加した冷凍機油９中で使用する。このような構成により、耐荷重添加剤の作用を効果的に発揮することができ、従来例のベーン３１を耐荷重添加剤を添加した冷凍機油９中で使用した場合に比べて被膜２８の磨耗量を低減させることができる。
　（第３の実施形態）
　本発明の第３の実施形態の冷媒圧縮機について、図９に基づいて説明する。なお、第３の実施形態の冷媒圧縮機の基本的な構成は第１の実施形態の冷媒圧縮機２の基本的な構成と同じである。従って、第３の実施形態の冷媒圧縮機の構成は、図１、図２を用いて説明する。また、第３の実施形態に関して、磨耗量を測定するために使用した装置は、図６に示した装置である。
　ベーン１３ｂがローラ１２ｂに当接して摺動する場合のベーン１３ｂの被膜２８の磨耗量を測定するため、図６に示す装置を用いて測定を行った。このとき、ディスク３０を高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）で形成した場合と、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ６００）で形成した場合とについて測定を行った。
　図９のグラフは、ベーン１３ｂが当接する相手材の材質による被膜２８の磨耗量の変化を示す。この磨耗量の測定は、耐荷重添加剤を添加しない冷凍機油９にディスク３０を浸漬させて行い、ディスク３０が高速度工具鋼である場合のベーン１３ｂの被膜２８の磨耗量と、ディスク３０が球状黒鉛鋳鉄である場合のベーン１３ｂの磨耗量とを比較している。ディスク３０が高速度工具鋼である場合のベーン１３ｂの被膜２８の磨耗量を１００％としたとき、ディスク３０が球状黒鉛鋳鉄である場合のベーン１３ｂの被膜２８の磨耗量は約７０％であった。
　なお、ディスク３０を片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ）で形成した場合も、球状黒鉛鋳鉄の場合と同様の結果が得られた。さらに、これらの球状黒鉛鋳鉄又は片状黒鉛鋳鉄に、バナジウム（Ｖ）、リン（Ｐ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）などの元素を添加した鋳鉄でも、同様の効果が得られた。
　以上、第３の実施形態では、ベーン１３ｂが摺動する相手材であるローラ１２ｂを、球状黒鉛鋳鉄又は片状黒鉛鋳鉄とする。このような構成により、冷凍機油９中に耐荷重添加剤を添加しなくても、ベーン１３ｂの被膜２８の磨耗量を低減することができる。
　（第４の実施形態）
　本発明の第４の実施形態の冷媒圧縮機について、図１０に基づいて説明する。なお、第４の実施形態の冷媒圧縮機の基本的な構成は第１の実施形態の冷媒圧縮機２の基本的な構成と同じである。従って、第５の実施形態の冷媒圧縮機の構成については図１、図３を用いて説明する。
　第１の実施形態の冷媒圧縮機２では、図３に示すように、第３の層２６と第４の層２７との厚さ寸法を共に１．２５μｍとした場合を例に挙げて示した。これに対し、第４の実施形態では、第３の層２６の厚さ寸法と第４の層２７の厚さ寸法とを変化させた。
　図１０のグラフは、アモルファス炭素層（第３の層２６と第４の層２７）の構成比（第４の層２７／第３の層２６）と、被膜２８の耐衝撃性（欠け・剥離の発生）の傾向を示している。
　被膜２８の耐衝撃性は、冷媒圧縮機２においてベーン１３ｂがローラ１２ｂに激しく衝突する特異な条件、例えば、高圧縮比で液冷媒を断続的に吸込ませる状態を意図的に作って試験を行なったときの被膜２８の欠け、剥離の発生傾向を示している。
　図１０のグラフより、アモルファス炭素層（第３の層２６と第４の層２７）の構成比（第４の層２７／第３の層２６）は、１より大きく１０以下とすることで、さらには、３～７とすることで、冷媒圧縮機２の運転中におけるベーン１３ｂの被膜２８の欠けや剥離を抑制できることが判明した。
　（第５の実施形態）
　本発明の第５の実施形態の冷媒圧縮機の摺動部材であるベーン４０について、図１１に基づいて説明する。なお、第５の実施形態の冷媒圧縮機の基本的な構成は第１の実施形態の冷媒圧縮機２の基本的な構成とベーン４０以外は同じである。従って、第５の実施形態の冷媒圧縮機の構成については図１を用いて説明する。
　第５の実施形態の冷媒圧縮機では、ベーン４０は、硬度ＨＲＣ６３に調質した高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）を母材２３として形成され、その表面に順番に、クロムの単一層からなる第１の層２４と、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層２５と、タングステンを含有するアモルファス炭素層からなる第３の層２６と、シリコン（Ｓｉ）を含有するアモルファス炭素層からなる第４の層４１とが形成される。
　第２の層２５は、クロムの含有率が第３の層２６より第１の層２４側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が第１の層２４側より第３の層２６側で高くなるように形成される。
　第３の層２６は、タングステンの含有率が第４の層４１側より第２の層２５側が高くなるように形成される。
　各層２４、２５、２６、４１の厚さ寸法は、第１の層２４が０．２μｍ、第２の層２５が０．３μｍ、第３の層２６が１．７５μｍ、第４の層４１が１．７５μｍであり、全体で４μｍとなる。
　シリコンを含有することにより形成されるシリコンカーバイト（ＳｉＣ）は、耐熱性の点で優れた特性を有する。このため、シリコンを含有するアモルファス炭素層からなる第４の層４１を有するベーン４０は、高温による第４の層４１の破壊を防止することができる。
産業上の利用の可能性
　本発明の冷媒圧縮機及び冷凍サイクル装置では、摺動部材に耐摩耗性と密着力とに優れ剥離しにくいアモルファス炭素層を含む皮膜の形成を安価な構造により行なうことができる。このため、高性能且つ安価な冷媒圧縮機および冷凍サイクル装置を提供できる。

Claims (10)

  1. 　冷凍サイクルに使用される冷媒を圧縮する圧縮機構部を備えた冷媒圧縮機において、
    　前記圧縮機構部の摺動部材の少なくとも１つが工具鋼で形成され、
    　クロムの単一層からなる第１の層と、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層と、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層からなる第３の層と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層とが、前記摺動部材の表面に順に形成され、
    　前記第２の層は、クロム含有率が前記第３の層側より前記第１の層側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が前記第１の層側より前記第３の層側で高くなるように形成され、
    　前記第３の層は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が前記第４の層側より前記第２の層側が高くなるように形成されているもの。
  2. 　請求項１に記載の冷媒圧縮機であって、
    　前記冷凍機油にはリン系又は硫黄系の耐荷重添加剤が、前記圧縮機構部を潤滑する冷凍機油に添加されているもの。
  3. 　請求項１に記載の冷媒圧縮機であって、
    　前記摺動部材が摺動する相手材は、球状又は片状の黒鉛形態をした鋳鉄であるもの。
  4. 　請求項１に記載の冷媒圧縮機であって、
    　前記摺動部材の表面に形成された前記第４の層の厚さ寸法が、前記摺動部材の表面に形成された前記第３の層の厚さ寸法より大きいもの。
  5. 　請求項１に記載の冷媒圧縮機において、
    　前記摺動部材の表面に形成された前記第４の層は、シリコンとシリコンカーバイトの少なくとも一方を含有するもの。
  6. 　冷凍サイクル装置であって、
    　冷凍サイクルに使用される冷媒を圧縮する圧縮機構部を備えた冷媒圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とを備え、
    前記冷媒圧縮機は、
    　前記圧縮機構部の摺動部材の少なくとも１つが工具鋼で形成され、
    　クロムの単一層からなる第１の層と、クロムとタングステンカーバイトとの合金層からなる第２の層と、タングステン及びタングステンカーバイトの少なくとも一方を含有した金属含有アモルファス炭素層からなる第３の層と、金属を含有せず炭素と水素とを含むアモルファス炭素層からなる第４の層とが、前記摺動部材の表面に順に形成され、
    　前記第２の層は、クロム含有率が前記第３の層側より前記第１の層側で高く、かつ、タングステンカーバイトの含有率が前記第１の層側より前記第３の層側で高くなるように形成され、
    　前記第３の層は、タングステン又はタングステンカーバイトの含有率が前記第４の層側より前記第２の層側が高くなるように形成されているもの。
  7. 　請求項６に記載の冷凍サイクル装置であって、
    　前記冷凍機油にはリン系又は硫黄系の耐荷重添加剤が、前記圧縮機構部を潤滑する冷凍機油に添加されているもの。
  8. 　請求項６に記載の冷凍サイクル装置であって、
    　前記摺動部材が摺動する相手材は、球状又は片状の黒鉛形態をした鋳鉄であるもの。
  9. 　請求項６に記載の冷凍サイクル装置であって、
    　前記摺動部材の表面に形成された前記第４の層の厚さ寸法が、前記摺動部材の表面に形成された前記第３の層の厚さ寸法より大きいもの。
  10. 　請求項６に記載の冷凍サイクル装置であって、
    　前記摺動部材の表面に形成された前記第４の層は、シリコンとシリコンカーバイトの少なくとも一方を含有するもの。
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