JP5842169B2

JP5842169B2 - 摺動部材及び圧縮機

Info

Publication number: JP5842169B2
Application number: JP2011133084A
Authority: JP
Inventors: 貴之齋藤; 俊人簗島; 渉山口
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: JP2013001939A

Description

本発明は、基材上に硬質炭素皮膜層を形成した摺動部材及び圧縮機に関する。

従来、例えば、ロータリ圧縮機の回転軸やベーン等のように、相手方部材（軸受やベーンスロット）との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動部材が知られている。この種の摺動部材では、摺動面の摩擦抵抗を低減するとともに潤滑油切れによる焼き付きを抑制するために、基材の表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜層（硬質炭素皮膜層）を形成したものが提案されている（特許文献１参照）。
更に、近年、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層に凹部（空孔）を複数形成し、この凹部を潤滑油溜まりとすることにより、潤滑油切れによる焼き付きを防止する技術が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−３３９５６４号公報特開２００５−１７２０８２号公報

しかしながら、従来の構成では、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層上に形成される凹部は、すべて同一の大きさであるため、摺動する際に、すべての凹部から一様に潤滑油が排出されることにより、摺動面上で早期に潤滑油切れが生じやすいという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、摺動面に潤滑油を確実に供給し、潤滑性能を高めた摺動部材及び圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基材上に硬質炭素皮膜層を備え、この皮膜層と相手方の部材との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動部材において、前記基材と前記硬質炭素皮膜層との間に複数の中間層を形成し、これら中間層は、前記基材から前記硬質炭素皮膜層へかけて順次硬度を高めるように積層され、前記硬質炭素皮膜層の摺動面には、孔径の異なる複数の有底の空孔が形成され、孔径の大きな空孔と小さな空孔とが、摺動方向に沿って、交互に配列されていることを特徴とする。

この構成において、前記有底の空孔は、略等間隔に形成されていても良い。また、前記有底の空孔は、前記基材の表面に達しない深さに形成されていても良い。また、硬質炭素皮膜層をダイヤモンドライクカーボン皮膜層としても良い。

また、本発明は、密閉容器内に駆動要素と、該駆動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素とを備え、前記回転圧縮要素が、前記回転軸を軸支する軸受と、シリンダと、前記回転軸に形成された偏心部と、前記偏心部に嵌合されてシリンダ内で偏心回転するローラと、前記ローラに当接してシリンダ内を高圧室と低圧室とに区画するベーンと、前記シリンダに形成され、前記ベーンを移動自在に収納するベーンスロットとを備えた圧縮機において、前記回転軸または前記ベーンは、基材上に硬質炭素皮膜層を備え、前記基材と前記硬質炭素皮膜層との間に複数の中間層を形成し、これら中間層は、前記基材から前記硬質炭素皮膜層へかけて順次硬度を高めるように積層され、前記硬質炭素皮膜層と相手方の軸受またはベーンスロットとの間に潤滑油が供給された状態で摺動する構成とし、前記硬質炭素皮膜層の摺動面には、孔径の異なる複数の有底の空孔が形成され、孔径の大きな空孔と小さな空孔とが、摺動方向に沿って、交互に配列されていることを特徴とする。

本発明によれば、皮膜層の摺動面には、孔径の異なる複数の有底の空孔が形成され、孔径の大きな空孔と小さな空孔とが、摺動方向に沿って、交互に配列されているため、孔径の大きな空孔に溜まった潤滑油から先に排出される。この潤滑油は摺動方向の下流側にある小さな空孔に流入し、この小さな空孔内の潤滑油が遅れて排出されることにより、長期間に亘って、摺動面に潤滑油を確実に供給することができ、潤滑性能を高めることができる。
また、基材と硬質炭素皮膜層との間に複数の中間層を形成し、これら中間層は、基材から硬質炭素皮膜層へかけて順次硬度を高めるように積層されているため、基材と硬質炭素皮膜層との密着性を高めることができ、硬質炭素皮膜層の剥離が防止され、強度の強い皮膜層を形成することができる。

本実施形態に係るロータリ圧縮機を示す縦断面図である。シリンダの平面図である。摺動部材上に形成されたダイヤモンドライクカーボン皮膜層を示す概略断面図である。ダイヤモンドライクカーボン皮膜層の表面を示す概略図である。空孔を形成したダイヤモンドライクカーボン皮膜層と、従来のダイヤモンドライクカーボン皮膜層との摩耗量を比較したグラフである。空孔を形成したダイヤモンドライクカーボン皮膜層と、従来のダイヤモンドライクカーボン皮膜層との摩擦係数を比較したグラフである。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本実施の形態に係るロータリ圧縮機１００の一態様を示す縦断面図である。このロータリ圧縮機１００は、冷媒の凝縮器と蒸発器との間に配管接続されて冷凍機ユニットを構成するものであり、図１に示すように、密閉容器１を有し、この密閉容器１の上側に電動要素（駆動要素）２が、下側にこの電動要素２のクランクシャフト３（回転軸）によって駆動されて冷媒を圧縮する回転圧縮要素４が収納されている。

密閉容器１は、筒状のシェル部１０と、このシェル部１０にアーク溶接などにより固着されたエンドキャップ１１とを備え、このエンドキャップ１１には電動要素２に電力を供給する際の中継端子をなすターミナル１２が設けられると共に、圧縮された冷媒を機外に吐出する吐出管１３が設けられている。また、シェル部１０の底部近くには、上記冷凍機ユニットのアキュムレータから排出された冷媒を回転圧縮要素４に導く吸込管６が溶接などにより固着されている。

電動要素２は、いわゆるＤＣブラシレスモータなどの直流モータからなるものであり、回転子（ロータ）３１と、シェル部１０に固着された固定子（ステータ）３２とを備え、回転子３１にクランクシャフト３が固定されて、回転子３１の回転力が回転圧縮要素４に伝達されるようになっている。このクランクシャフト３は主軸受け７Ａ（支持部材）および副軸受け７Ｂにより回転自在に支持されている。

図１に示すように、回転圧縮要素４は、円筒形状を有するシリンダ４１を有し、このシリンダ４１は主軸受け７Ａと副軸受け７Ｂとの間で、図示せぬボルトなどにより主軸受け７Ａおよび副軸受け７Ｂに一体的に固定され、主軸受け７Ａが密閉容器１の内側面に溶接により固着されて、この主軸受け７Ａにシリンダ４１が支持される。また、シリンダ４１の上側の開口が主軸受け７Ａに、下側の開口が副軸受け７Ｂにより閉塞されて、このシリンダ４１内に圧縮室４３が形成される。

圧縮室４３には、クランクシャフト３に一体成形された偏心部４４に嵌合されて偏心回転するローラ４５が内設されている。また、図２に示すように、シリンダ４１には、冷媒の吸込口４８と吐出口４０との間にベーン溝（ベーンスロット）４７が設けられ、このベーン溝４７にはベーン４６が摺動自在に配設されている。このベーン４６は図示せぬスプリングなどの付勢部材によって常時ローラ４５方向に押圧され、偏心部４４およびローラ４５の回転に応じてローラ４５の外周面に摺接しながらベーン溝４７内を往復動し、圧縮室４３の内部を低圧室側４３Ａと高圧室側４３Ｂに圧力的に仕切る役割を果たしている。

具体的には、ローラ４５はその外側面の一端がシリンダ４１の内側面４９と常に所定のクリアランスで接するように設けられ、シリンダ４１とローラ４５との間の空間である圧縮室４３が三日月状に形成される。そして、ベーン４６がローラ４５の外側面に当接し、このベーン４６により三日月状の圧縮室４３が低圧室側４３Ａと高圧室側４３Ｂに仕切られる。本実施形態では、上記した主軸受け７Ａに支持されるクランクシャフト３及びシリンダ４１のベーン溝４７内を往復動するベーン４６が摺動部材として機能する。

シリンダ４１の吸込口４８には吸込管６（図１参照）が挿嵌され、また、上記吐出口４０には、図示しない吐出バルブが設けられており、冷媒がこの吐出バルブで規定される吐出圧に達すると吐出口４０から密閉容器１内に吐出される。
したがって、密閉型ロータリ圧縮機１００にあっては、電動要素２がクランクシャフト３を回転駆動することによってローラ４５を圧縮室４３内において偏心回転させることにより、アキュムレータを介して機外から供給された冷媒が吸込管６を介して圧縮室４３の低圧室側４３Ａに吸入され、その冷媒を高圧室側４３Ｂに移動させながら圧縮して吐出口４０から密閉容器１内に吐出し、吐出管１３から機外に吐出することになる。

また、前掲図１に示すように、密閉容器１の底部には、主軸受け７Ａの下面（図中Ａ−Ａ’線にて示す）までオイル（潤滑油）８が貯留されており、このオイル８を主軸受け７Ａ、副軸受け７Ｂおよび回転圧縮要素４とクランクシャフト３との間の摺動部分や回転圧縮要素４のベーン４６の摺動部分に給油するオイルピックアップ５０（給油装置）がクランクシャフト３の下端部３Ａに設けられている。

具体的には、クランクシャフト３は円筒状に形成され、その下端部３Ａに円筒状のオイルピックアップ５０が圧入して取付けられている。オイルピックアップ５０の内部には、図１に示すように、螺旋形のオイル流路を構成するパドル５１が一体成形されており、クランクシャフト３の回転により生じる遠心力によりオイルピックアップ５０が下端５０Ａから密閉容器１に貯留されたオイル８を吸込み、パドル５１がオイル８を上向きに送給する。そして、このオイル８がオイルピックアップ５０に穿たれた給油孔５２を経て、クランクシャフト３の周面、特に、主軸受け７Ａ、副軸受け７Ｂおよび回転圧縮要素４とクランクシャフト３との各摺動部分に供給される。

密閉容器１内の底部にはＨＦＣ系の混合冷媒（例えば、Ｒ１３４ａとＲ３２とＲ１２５との３種混合冷媒）が封入されている。ここで、冷媒は、ＨＦＣ系の混合冷媒に限るものではなく、ＨＦＣ系の単独冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、またはＲ１２５）や、自然系冷媒（例えば、ＣＯ_２またはＨＣ）を用いることもできる。
また、密閉容器１に貯留されるオイルは、動粘度が２０〜１２０ｍｍ^２／ｓ程度のものが望ましく、例えば、ポリビニルエーテル、ポリオールエステル、アルキルベンゼン、ポリアルファオレンまたはポリアルキレングリコールのいずれかが用いられている。

上述したような摺動部材としてのクランクシャフト３やベーン４６は、潤滑油が存在した状態で、主軸受け７Ａ、副軸受け７Ｂやシリンダ４１のベーン溝４７と摺動する。本構成では、摺動時の摩擦抵抗を低減するために、これらクランクシャフト３の摺動面３Ｂ及びベーン４６の摺動面４６Ａには、それぞれダイヤモンドライクカーボン皮膜層（硬質炭素皮膜層）が形成されている。

図３は、摺動部材上に形成されたダイヤモンドライクカーボン皮膜層を示す概略断面図であり、図４は、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層の表面を示す概略図である。
本実施形態のクランクシャフト３及びベーン４６は、基材としてＣｒ（クロム）を含有する鋼、鋳鉄材、球状黒鉛鋳鉄材、共晶黒鉛鋳鉄材、もしくは鉄系焼結材のいずれかが用いられており、図３に示すように、これら基材上にクロム（Ｃｒ）層５５、クロム（Ｃｒ）／炭化タングステン（ＷＣ）混合層５６、炭化タングステン（ＷＣ）／ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）混合層５７を積層した中間層５３を備え、この中間層５３の上に、純度の高いダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４が形成されている。
中間層５３は、基材とダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４との密着性を高めるものであり、基材からダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４へかけて順次硬度を高めるように積層されている。これによれば、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４の剥離を防止することができ、強度の強い皮膜層を形成することができる。この中間層５３は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）処理法により形成される。

ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４は、自己潤滑性に優れた皮膜層であり、表面の摩擦係数が低く、また耐摩耗性が高い特性を有する。本実施形態では、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４は、ＰＣＶＤ（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）処理法により形成される。また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４及び中間層５３の厚みＴは、約３〜５μｍに形成することが望ましい。

ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４の摺動面５４Ａには、図３に示すように、複数の有底の空孔（以下、有底の空孔を単に空孔という）６０が形成されている。これら空孔６０は、孔径の大きな第１の空孔６１と、この第１の空孔６１よりも孔径の小さな第２の空孔６２とを含み、これら第１の空孔６１及び第２の空孔６２内にはオイルが流入してオイル溜まりとして機能する。このため、クランクシャフト３と主軸受け７Ａのように、圧縮機１００の起動時に、オイルが不足気味で運転される場合であっても、クランクシャフト３の摺動に伴って、第１の空孔６１及び第２の空孔６２からオイルが徐々に排出されることにより、クランクシャフト３及びベーン４６の摺動面５４Ａと相手方の主軸受け７Ａ、副軸受け７Ｂまたはベーン溝４７との潤滑を行うことができる。

ここで、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４の摺動面５４Ａに単に孔径の同一の空孔を設けた場合には、これら空孔からオイルが早々に排出してしまうため、オイルピックアップ５０によるオイル供給までの間にオイル不足となる事態が想定される。
このため、本構成では、図４に示すように、第１の空孔６１と第２の空孔６２とは、摺動方向Ｘに沿って交互に配列されている。この構成によれば、孔径の大きな第１の空孔６１に溜まったオイルから先に排出される。このオイルは摺動方向Ｘの下流側にある孔径の小さな第２の空孔６２に流入し、この第２の空孔６２内のオイルが遅れて排出されることにより、長期間に亘って、摺動面５４Ａにオイルを確実に供給することができ、潤滑性能を高めることができる。

また、第１の空孔６１及び第２の空孔６２は、例えば、プラズマエッチングにより形成されるものであり、本実施形態では、第１の空孔６１の孔径Ａ１を約３μｍ、第２の空孔６２の孔径Ａ２を約１μｍに設定されている。更に、これら第１の空孔６１と第２の空孔６２に深さＤは、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４及び中間層５３の厚みＴよりも小さな値に設定され、本実施形態では、約２〜４μｍに設定される。これにより、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４（及び中間層５３）に形成された空孔６０が基材の表面に達することが防止され、この基材表面が酸化等により腐食されることが防止される。

また、本実施形態では、第１の空孔６１及び第２の空孔６２は、隣接する空孔の中心間の距離Ｌが略等間隔に形成されている。このため、各空孔間を移動するオイル量を調整しやすくなり、摺動面５４Ａの潤滑性能を高めることができる。なお、本実施形態では、摺動面５４Ａの面積に対する空孔面積（気孔率）は５〜１５％に設定されている。この気孔率を低くし過ぎると、空孔内に保持されるオイル量が低下して潤滑性能が低下し、気孔率が高過ぎると、摺動面積が低減するため、逆に、摩擦抵抗の上昇や密着性が低下してしまう傾向にある。

次に、本構成による効果について説明する。
図５は、第１の空孔６１及び第２の空孔６２を形成したダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４と、従来のダイヤモンドライクカーボン皮膜層との摩耗量を比較したグラフであり、図６は、第１の空孔６１及び第２の空孔６２を形成したダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４と、従来のダイヤモンドライクカーボン皮膜層との摩擦係数を比較したグラフである。
この実験は、オイルと冷媒（溶剤）とを１：９で加えて希釈したものを供給した状態で、各試験片に施されたダイヤモンドライクカーボン皮膜層の摩耗量と、摩擦係数とをそれぞれ計測したものである。摩耗量は、同一の条件下で所定時間運転を継続した後に、各試験片の重量を測定することにより行った。また、摩擦係数は、ロードセルを用いて安定状態に入った摩擦係数の平均値を算出することにより行った。
この実験によれば、図５に示すように、摩耗量が約３５％低減することが判明した。また、摩擦抵抗は、図６に示すように、約１６％低減することが判明した。

このように、本実施形態によれば、密閉容器１内に電動要素２と、電動要素２のクランクシャフト３にて駆動される回転圧縮要素４とを備え、この回転圧縮要素４が、クランクシャフト３を軸支する主軸受け７Ａ及び副軸受け７Ｂと、シリンダ４１と、クランクシャフト３に形成された偏心部４４と、偏心部４４に嵌合されてシリンダ４１内で偏心回転するローラ４５と、ローラ４５に当接してシリンダ４１内を高圧室４３Ｂと低圧室４３Ａとに区画するベーン４６と、シリンダ４１に形成され、ベーン４６を移動自在に収納するベーン溝４７とを備え、クランクシャフト３またはベーン４６は、基材上にダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４を備え、このダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４と相手方の主軸受け７Ａ及び副軸受け７Ｂまたはベーン溝４７との間にオイルが供給された状態で摺動する構成とし、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４の摺動面５４Ａには、孔径の異なる第１の空孔６１及び第２の空孔６２を形成し、孔径の大きな第１の空孔６１と孔径の小さな第２の空孔６２とが、摺動方向Ｘに沿って、交互に配列されているため、孔径の大きな第１の空孔６１に溜まったオイルから先に排出され、この排出されたオイルは摺動方向Ｘの下流側にある孔径の小さな第２の空孔６２に流入し、この空孔６２内のオイルが遅れて排出されることにより、長期間に亘って、摺動面５４Ａにオイルを確実に供給することができ、潤滑性能を高めることができる。

また、本実施形態によれば、第１の空孔６１及び第２の空孔６２は、隣接する空孔の中心間の距離Ｌが略等間隔に形成されているため、各空孔間を移動するオイル量を調整しやすくなり、摺動面５４Ａの潤滑性能を高めることができる。

また、本実施形態によれば、第１の空孔６１及び第２の空孔６２の深さＤは、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４及び中間層５３の厚みＴよりも小さな値に設定されるため、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４（及び中間層５３）に形成された第１の空孔６１及び第２の空孔６２が基材の表面に達することが防止され、この基材表面が酸化等により腐食されて密着性が低下することを防止できる。

また、本実施形態によれば、基材とダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４との間に複数の中間層５３を形成し、これら中間層５３は、基材からダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４へかけて順次硬度を高めるように積層されているため、基材とダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４との密着性を高めることができ、ダイヤモンドライクカーボン皮膜層５４の剥離が防止され、強度の強い皮膜層を形成することができる。

以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。また、実施の形態では、単段式のロータリ圧縮機１００にて説明したが、多段式のロータリ圧縮機に適用しても差し支えない。
また、ロータリ圧縮機１００を縦型で説明したが、ロータリ圧縮機１００は縦型に限られず、横置き型であってもよい。
さらに、本実施形態では、第１の空孔６１と第２の空孔６２の２種類を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、３種類以上の孔径の異なる空孔を用いても本発明を適用できる。

１密閉容器
２電動要素（駆動要素）
３クランクシャフト（回転軸、摺動部材）
３Ｂ摺動面
４回転圧縮要素
６吸込管
８オイル
４１シリンダ
４３圧縮室
４３Ａ低圧室
４３Ｂ高圧室
４４偏心部
４５ローラ
４６ベーン（摺動部材）
４６Ａ摺動面
４７ベーン溝（ベーンスロット）
５０オイルピックアップ
５０Ａ下端
５１パドル
５２給油孔
５３中間層
５４ダイヤモンドライクカーボン皮膜層（硬質炭素皮膜層）
５４Ａ摺動面
６０空孔（有底の空孔）
６１第１の空孔
６２第２の空孔
１００圧縮機
Ｘ摺動方向

Claims

基材上に硬質炭素皮膜層を備え、この皮膜層と相手方の部材との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動部材において、
前記基材と前記硬質炭素皮膜層との間に複数の中間層を形成し、これら中間層は、前記基材から前記硬質炭素皮膜層へかけて順次硬度を高めるように積層され、
前記硬質炭素皮膜層の摺動面には、孔径の異なる複数の有底の空孔が形成され、孔径の大きな空孔と小さな空孔とが、摺動方向に沿って、交互に配列されていることを特徴とする摺動部材。
前記有底の空孔は、略等間隔に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
前記有底の空孔は、前記基材の表面に達しない深さに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
前記硬質炭素皮膜層をダイヤモンドライクカーボン皮膜層としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の摺動部材。
密閉容器内に駆動要素と、該駆動要素の回転軸にて駆動される回転圧縮要素とを備え、前記回転圧縮要素が、前記回転軸を軸支する軸受と、シリンダと、前記回転軸に形成された偏心部と、前記偏心部に嵌合されてシリンダ内で偏心回転するローラと、前記ローラに当接してシリンダ内を高圧室と低圧室とに区画するベーンと、前記シリンダに形成され、前記ベーンを移動自在に収納するベーンスロットとを備えた圧縮機において、
前記回転軸または前記ベーンは、基材上に硬質炭素皮膜層を備え、前記基材と前記硬質炭素皮膜層との間に複数の中間層を形成し、これら中間層は、前記基材から前記硬質炭素皮膜層へかけて順次硬度を高めるように積層され、前記硬質炭素皮膜層と相手方の軸受またはベーンスロットとの間に潤滑油が供給された状態で摺動する構成とし、前記硬質炭素皮膜層の摺動面には、孔径の異なる複数の有底の空孔が形成され、孔径の大きな空孔と小さな空孔とが、摺動方向に沿って、交互に配列されていることを特徴とする圧縮機。