(57)【要約】【課題】摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性が高く、併せて高効率の冷媒圧縮機を提供する。【解決手段】主軸１０９の基材表面に、相手摺動部材である主軸受１１１に比べて同等以上の硬さを有する硬質皮膜１６０を形成するとともに、前記硬質皮膜の表面に前記相手摺動部材に比べて硬さが小さい軟質皮膜１７０を形成してある。これにより、低速運転時などで摺動部材間の油膜厚さが薄くなった場合においても、硬質皮膜の表面に形成した軟質皮膜の初期なじみ性により、硬質皮膜と相手摺動部材である主軸受１１１との直接固体接触を回避することができ、運転初期から入力が低く、高効率で信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に収納された電動要素と、前記電動要素により駆動され冷媒を圧縮する圧縮要素と、前記圧縮要素を構成する摺動部材間を潤滑する潤滑油と、前記摺動部材の表面に相手摺動部材に比べて同等以上の硬さを有する硬質皮膜を形成するとともに、前記硬質皮膜の表面の全面あるいは一部に前記相手摺動部材に比べて硬さが小さい軟質皮膜を形成した冷媒圧縮機。
【請求項２】
軟質皮膜は樹脂を主成分とした請求項１に記載の冷媒圧縮機。
【請求項３】
樹脂は固体潤滑材を含有した請求項２に記載の冷媒圧縮機。
【請求項４】
電動要素は、商用電源周波数以下の運転周波数が含まれる複数の運転周波数でインバータ駆動される請求項１から３のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機。
【請求項５】
冷媒圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記冷媒圧縮機を請求項１から４のいずれか一項に記載の冷媒圧縮機とした冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷蔵庫、エアーコンディショナー等に使用される冷媒圧縮機およびそれを用いた冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から化石燃料の使用量を削減するために、高効率の冷媒圧縮機の開発が進められている。
【０００３】
上記高効率の冷媒圧縮機は、そのクランクシャフトなどの摺動部分の摩耗を防止すべく当該摺動面に、リン酸塩皮膜を形成し、このリン酸塩皮膜の形成によって、機械加工仕上げの加工面の凹凸を消し、摺動部材同士の初期なじみを良好にするなどの方策がとられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図７は、特許文献１に記載された従来の冷媒圧縮機の断面を示すものである。
【０００５】
図７に示すように冷媒圧縮機の外筐となる密閉容器１は底部に潤滑油２を貯留するとともに、固定子３、および回転子４からなる電動要素５と、これによって駆動される往復式の圧縮要素６を収容している。
【０００６】
そして、圧縮要素６は、クランクシャフト７、シリンダブロック１１、ピストン１５等によって構成されている。
【０００７】
クランクシャフト７は、回転子４を圧入固定した主軸８と、主軸８に対し偏心して形成された偏心軸９からなり、給油ポンプ１０を備えている。
【０００８】
シリンダブロック１１は、略円筒形のシリンダボア１２からなる圧縮室１３を形成するとともに、主軸８を軸支する主軸受１４を有している。
【０００９】
シリンダボア１２に遊嵌されたピストン１５は、ピストンピン１６を介して、偏心軸９との間を連結手段であるコンロッド１７によって連結されている。シリンダボア１２の端面はバルブプレート１８で封止されている。
【００１０】
バルブプレート１８のシリンダボア１２の反対側にはシリンダヘッド１９が固定されており、高圧室（図示せず）を形成している。サクションチューブ２０は密閉容器１に固定されるとともに、冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス（図示せず）を密閉容器１内に導く。
【００１１】
クランクシャフト７の主軸８と主軸受１４、ピストン１５とシリンダボア１２、ピストンピン１６とコンロッド１７、クランクシャフト７の偏心軸９とコンロッド１７とは、相互に摺動部を構成する。
【００１２】
摺動部を構成する摺動部材の中で、鉄系材料同士の組み合わせにおいては、どちらか一方の摺動部表面に前記した如くリン酸塩皮膜が形成されている。
【００１３】
以上のような構成において、以下その動作を説明する。
【００１４】
商用電源（図示せず）から供給される電力は電動要素５に供給され、電動要素５の回転
子４を回転させる。回転子４はクランクシャフト７を回転させ、偏心軸９の偏心運動により連結手段のコンロッド１７及びピストンピン１６を介してピストン１５を駆動する。ピストン１５はシリンダボア１２内を往復運動し、サクションチューブ２０を通して密閉容器１内に導かれた冷媒ガスを吸入し、圧縮室１３内で連続して圧縮する。
【００１５】
潤滑油２は、クランクシャフト７の回転に伴って給油ポンプ１０から各摺動部に給油され、各摺動部を潤滑するとともに、ピストン１５とシリンダボア１２の間においてはシールを司る。
【００１６】
ここで、クランクシャフト７の主軸８と主軸受１４においては、回転運動が行われており、冷媒圧縮機の停止中は回転速度が０ｍ／ｓとなり、起動時は金属接触状態からの回転運動開始となって大きな摩擦抵抗力がかかることになる。
【００１７】
この種の冷媒圧縮機では、クランクシャフト７の主軸８にリン酸塩皮膜が形成されており、当該リン酸塩皮膜が初期なじみ性を有するので、起動時の金属接触による異常摩耗を防止できる。
【００１８】
しかしながら、近年、冷媒圧縮機の高効率化を図るために、より低い粘度の潤滑油２を使用したり、または、各摺動部材間の摺動長がより短く設計されたりすることから、従来のリン酸塩皮膜では、早期に摩耗もしくは摩滅して、なじみ効果の持続が困難となり、耐摩耗性が低下する可能性があった。
【００１９】
さらに、クランクシャフト７が一回転する間に主軸８にかかる荷重は大きく変動するとともに、この負荷変動に伴って、主軸８と主軸受１４との間で、潤滑油２に溶け込んだ冷媒ガスが気化して発泡することがあり、それにより油膜が切れて金属接触する頻度が増加する。その結果、主軸８に形成したリン酸塩皮膜が早期に摩耗して摩擦係数が上昇し、それに伴い摺動部の発熱も大きくなって、凝着等の異常摩耗が生じる懸念があった。
【００２０】
そこで、これに対処する方策として、ガス雰囲気中や塩浴浸漬によって、当該摺動面に硬くかつ緻密な化合物層、いわゆる軟窒化皮膜を形成することで耐力を上げたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【００２１】
この冷媒圧縮機では、クランクシャフト７の主軸８に軟窒化皮膜が形成されており、当該軟窒化皮膜は一般的にＨＶ（ビッカース硬さ）６００以上であり、高い機械的強度を有するので、起動時の金属接触による異常摩耗を防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平７−２３８８８５号公報
【特許文献２】特公昭５５−４９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、近年、冷媒圧縮機の高効率化を図るために、インバータ駆動による低速運転化（例えば２０Ｈｚ未満）が益々進んできており、低速の厳しい潤滑条件に適用するために用いられる軟窒化皮膜では、硬質で耐力が非常に高いことから摺動面同士が早々になじみ難いため、特に運転初期、あるいは低速運転域で摺動損失が増加する可能性がある。
【００２４】
これは、摺動部材間、例えば主軸８と主軸受１４の双方には粗さ領域において微小な突
起が多数存在しており、より低速運転になると、摺動部材間の油膜厚さが薄くなって、粗さ領域における固体接触の発生が頻発するようになることに起因する。その結果、従来の軟窒化皮膜のような硬く、機械的強度が高い皮膜を摺動部材の表面に形成すると、固体接触した際に、粗さ領域における突起の摩耗の進行速度が顕著に遅くなり、運転初期から入力が高い状態での運転が長時間に亘り継続される懸念があった。
【００２５】
本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、摺動部材の耐摩耗性と早期なじみ性を向上させることにより、信頼性が高く、併せて高効率の冷媒圧縮機とそれを用いた冷凍装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の冷媒圧縮機は、上記目的を達成するため、摺動部材の表面に相手摺動部材に比べて同等以上の硬さを有する硬質皮膜を形成するとともに、前記硬質皮膜の表面の全面あるいは一部に、前記相手摺動部材に比べて硬さが小さい軟質皮膜を形成した構成賭してある。
【００２７】
これによって、摺動部材間の油膜厚さが薄くなって相手摺動部材との固体接触が発生したとしても、硬質皮膜の表面に形成された軟質皮膜の初期なじみ性により、運転初期から入力が低く、高効率で信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。
【００２８】
また、本発明に係る冷凍装置は、前記構成の冷媒圧縮機と、放熱器と、減圧装置と、吸熱器を環状に連結した冷媒回路を備えた構成としてある。
【００２９】
これによりこの冷凍装置は、性能、信頼性が向上した冷媒圧縮機を搭載したことによって消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現し、かつ、信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、上記構成により、潤滑油の粘度をより低く、かつ各摺動部間の摺動長さをより短く設計できるのに加え、摺動部の潤滑がより厳しい低速運転域においても、運転初期からの摺動ロスの低減が図れ、信頼性が高く高効率の冷媒圧縮機とそれを用いた冷凍装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機の断面図
【図２】図１の摺動部Ａの断面を示す模式図
【図３】同実施の形態に用いた主軸表面の皮膜のＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＩＭ像
【図４】同実施の形態における主軸と主軸受の深さ方向の硬さを表した特性図
【図５】同実施の形態における冷媒圧縮機の入力とＣＯＰの時系列変化曲線図
【図６】本発明の実施の形態２における冷凍装置の構成を示す模式図
【図７】従来の冷媒圧縮機の断面図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
第１の発明は、密閉容器内に収納された電動要素と、前記電動要素により駆動され冷媒を圧縮する圧縮要素と、前記圧縮要素を構成する摺動部材間を潤滑する潤滑油と、前記摺動部材の表面に相手摺動部材に比べて同等以上の硬さを有する硬質皮膜を形成するとともに、前記硬質皮膜の表面の全面あるいは一部に前記相手摺動部材に比べて硬さが小さい軟質皮膜を形成した構成としてある。
【００３３】
これにより、摺動部材間の油膜厚さが薄くなって相手摺動部材との固体接触が発生したとしても、硬質皮膜の表面に形成された軟質皮膜の初期なじみ性により、運転初期から入力が低く、高効率で信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。
【００３４】
第２の発明は、特に、第１の発明の軟質皮膜は樹脂を主成分とした構成としてある。
【００３５】
これにより、硬質皮膜の表面の凹凸を消し、平滑な表面を容易に形成することが可能となるとともに、樹脂は初期なじみ性を有するので、運転起動時の油膜が形成されていない状態において、金属接触による異常摩耗を防止でき、運転初期からの摺動ロスの低減が図れ、信頼性が高く高効率の冷媒圧縮機を提供することができる。
【００３６】
第３の発明は、特に、第２の発明の樹脂は固体潤滑材を含有した樹脂としてある。
【００３７】
これにより、運転起動時の油膜が形成されていない場合においても、固体潤滑剤により摩擦係数を低減することができるので、貧油条件下においても摺動ロスの低減が図れるとともに、摺動面同士の凝着を軽減することができるので、より高効率で、信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。
【００３８】
第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか一つの発明において、電動要素は、商用電源周波数以下の運転周波数が含まれる複数の運転周波数でインバータ駆動される構成としてある。
【００３９】
これにより、各摺動部への給油量が減少する低速運転時においても、なじみ性の良好な軟質皮膜により、硬質皮膜と相手摺動部材の固体接触を回避することができるため、入力が低く、高効率で信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。
【００４０】
第５の発明は冷凍装置で、この冷凍装置は、冷媒圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記冷媒圧縮機を第１から第４のいずれか一つの発明の冷媒圧縮機とした構成としてある。
【００４１】
これにより、性能、信頼性が向上した圧縮機の搭載によって冷凍装置の消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現し、かつ、信頼性を向上させることができる。
【００４２】
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。なお、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。
【００４３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機の断面図を示す。
【００４４】
図１において、この冷媒圧縮機１００は、密閉容器１０１内にＲ６００ａを冷媒ガス１０２として充填するとともに、底部には潤滑油１０３として鉱油を貯留し、固定子１０４および回転子１０５からなる電動要素１０６と、これによって駆動される往復式の圧縮要素１０７を収容している。
【００４５】
そして、圧縮要素１０７は、クランクシャフト１０８、シリンダブロック１１２、ピストン１３２等によって構成されており、以下その構成を説明する。
【００４６】
クランクシャフト１０８は、回転子１０５を圧入固定した主軸１０９と、主軸１０９に対し偏心して形成された偏心軸１１０とからなり、下端には潤滑油１０３に連通する給油ポンプ１２０を備えている。
【００４７】
シリンダブロック１１２は鋳鉄からなり、略円筒形のシリンダボア１１３を形成するとともに、主軸１０９を軸支する主軸受１１１を一体成型で備えている。
【００４８】
ピストン１３２は、シリンダボア１１３に往復可動に挿入されている。ピストンピン１１５は、略円筒形状をなし、偏心軸１１０と平行に配置され、ピストン１３２に形成されたピストンピン孔１１６に回転不能に係止されている。連結手段１１７はアルミ鋳造品からなり、偏芯軸１１０を軸支する偏芯軸受１１９を備え、ピストンピン１１５を介して、偏心軸１１０とピストン１３２を連結している。シリンダボア１１３の端面はバルブプレート１３９で封止されている。
【００４９】
シリンダヘッド１４０は、高圧室（図示せず）を形成し、バルブプレート１３９のシリンダボア１１３の反対側に固定される。サクションチューブ（図示せず）は、密閉容器１０１に固定されるとともに冷凍サイクルの低圧側（図示せず）に接続され、冷媒ガス１０２を密閉容器１０１内に導く。サクションマフラー１４２は、バルブプレート１３９とシリンダヘッド１４０に挟持される。
【００５０】
図２は、図１の摺動部Ａの断面を示す模式図、図３は同実施の形態に用いた主軸表面の皮膜のＳＩＭ（走査イオン顕微鏡）観察を行った結果の一例を示すＳＩＭ像を示すものである。
【００５１】
図２、図３において、クランクシャフト１０８は、基材１５０にねずみ鋳鉄（ＦＣ鋳鉄）を使用し、クランクシャフト１０８の主軸１０９の表面には硬質皮膜、この実施の形態では酸化皮膜１６０が形成され、さらに酸化皮膜１６０の表面にはその全面もしくは一部に軟質皮膜、この実施の形態では樹脂皮膜１７０が形成されている。なお、図３に示す樹脂皮膜１７０の上方は観察試料を保護するための保護膜である。  まず、酸化皮膜１６０について詳細に説明する。
【００５２】
図３において、酸化皮膜１６０は、その表面側から、微結晶の組織で、かつ結晶密度が異なる第一ａの部分１５１ａと第一ｂの部分１５１ｂからなる第一の部分１５１、その下に縦長の柱状組織１５６を含有する第二の部分１５２、さらにその下方に横長の層状組織１５７を含有する第三の部分１５３からなり、第三の部分１５３の下方が基材１５０となっている。
【００５３】
酸化皮膜１６０の最表面に形成された第一の部分１５１は、最表面側の第一ａの部分１５１ａの結晶密度が、その下に形成された第一ｂの部分１５１ｂのそれよりも小さいことがわかる。第一ａの部分１５１ａは、所々に空隙部１５８（図３中の黒っぽく見える部分が該当）や、短径側の長さは１００ｎｍ以下で、アスペクト比が１から１０となる縦長の針状組織１５９を含有していることがわかる。一方の第一ｂの部分１５１ｂは、粒径１００ｎｍ以下からなる微結晶１５５が敷き詰められたような組織で、第一ａの部分で見られたような空隙１５８や針状組織１５９は殆ど見られないことがわかる。
【００５４】
また、第一の部分１５１は、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析やＥＥＬＳ（電子線エネルギー損失分光法）分析を行った結果では、最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）で、ケイ素（Ｓｉ）化合物も含まれていることがわかる。
【００５５】
第一の部分１５１の下方に位置する第二の部分１５２は、縦方向の径が１００ｎｍから１μｍ程度、横方向の径が１００ｎｍから１５０ｎｍ程度で、縦方向の径を横方向の径で除したアスペクト比が約３から１０となるような縦方向に長い、いわゆる縦長の柱状組織１５６が同じ方向に無数に形成されていることがわかる。
【００５６】
また、第二の部分１５２は、ＥＤＳやＥＥＬＳ分析を行った結果では、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）で、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含む部分から構成されていることがわかる。
【００５７】
次に、第二の部分１５２の下方に位置する第三の部分１５３は、縦方向の径が数十ｎｍ以下、横方向の径が数百ｎｍ程度で、縦方向の径を横方向の径で除したアスペクト比が０．０１から０．１となるような横方向に長い、いわゆる横長の層状組織１５７が形成されていることが分かる。
【００５８】
また、第三の部分１５３は、ＥＤＳやＥＥＬＳ分析を行った結果では、最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）でケイ素（Ｓｉ）化合物とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む部分から構成されていることがわかる。
【００５９】
なお、本実施の形態における酸化皮膜１６０の膜厚は約３μｍである。
【００６０】
上記酸化皮膜１６０は、前述したように、最表面から順に、第一の部分１５１、第二の部分１５２、および、第三の部分１５３から構成されているが、酸化皮膜１６０の構成はこれに限定されない。
【００６１】
酸化皮膜１６０は、前述した第一の部分１５１、第二の部分１５２、および、第三の部分１５３を含む構成であればよいので、これら以外の組成となる部分を含んでもよい。また、酸化皮膜１６０は、最表面から第一の部分１５１、第二の部分１５２、および、第三の部分１５３の順で積層されている構成に限定されない。例えば、酸化皮膜１６０の他の構成としては、最表面から第一の部分１５１、および第二の部分１５２の順で積層される構成、最表面から第一の部分１５１、および第三の部分１５３、または最表面から第一の部分１５１、第二の部分１５２と第三の部分１５３の間にも第一の部分１５１が存在する構成、あるいは第一の部分１５１単層が挙げられる。このように、他の部分を含む構成、あるいは、各部分の積層順が異なる構成は、諸条件を調整することにより実現することができる。
【００６２】
代表的な諸条件としては、酸化皮膜１６０の製造方法（形成方法）が挙げられる。酸化皮膜１６０の製造方法は、公知の鉄系材料の酸化方法を好適に用いることができ、特に限定されない。基材１５０である鉄系材料の種類、その表面状態（前述した研磨仕上げ等）、求める酸化皮膜１６０の物性等の諸条件に応じて、製造条件等については適宜設定することができる。本開示では、炭酸ガス（二酸化炭素ガス）等の公知の酸化性ガスおよび公知の酸化設備を用いて、数百℃の範囲内、例えば４００〜８００℃の範囲内で基材１２２であるねずみ鋳鉄を酸化することにより、基材１５の表面に酸化皮膜１６０を形成することができる。
【００６３】
次に、樹脂皮膜１７０について説明する。
【００６４】
樹脂皮膜１７０は、酸化皮膜１６０の表面に形成され、その構造はポリアミドイミド（ＰＡＩ）をバインダーとして、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）粒子（図示せず）を固体潤滑材として含有している。
【００６５】
このような樹脂皮膜１７０は、次に示すような工法から形成される。
【００６６】
まず、予備加熱を行い、表面に酸化皮膜１６０を形成したクランクシャフト１０８を所定の温度に上げる。これは、酸化皮膜１６０の表面への樹脂皮膜１７０の固着促進が目的
である。
【００６７】
次に、主軸１０９の軸心を中心軸としてクランクシャフト１０８を回転させながら、樹脂皮膜１７０作製用に配合調整されたコーティング剤をスプレーにて塗布する。なお、塗布の際、不要な場所へのコーティング剤の付着を防止するために適切な形状のマスキング治具を取り付けている。その後、予備加熱時の温度よりも高い温度で仮乾燥を数分間行い、樹脂皮膜１７０を硬化させる。
【００６８】
さらに、乾燥硬化した樹脂皮膜１７０の表面を軽くバフ掛けする。これは、樹脂皮膜１７０の最表面の表面粗さを微調整するのが目的で、砥粒を内包しているナイロンバフや比較的硬いスチールバフよりも、馬毛バフの方が望ましい。
【００６９】
最後に、２００〜２５０℃程度で、３０分から２時間程度焼成を行い、コーティング剤中の希釈剤を全て蒸発させ、樹脂皮膜１７０を完全に酸化皮膜１６０の表面に固着させる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、樹脂皮膜１７０の構造に関し、バインダーとしてポリアミドイミドを用いたが、熱硬化型の樹脂で、耐油性、耐熱性、耐冷媒性、及び耐有機剤性に優れているエポキシ樹脂やフェノール樹脂を使用しても同様の効果が得られる。
【００７１】
また、本実施の形態では、樹脂皮膜１７０中に含有される固体潤滑剤として、二硫化モリブデンを用いたが、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、グラファイト（Ｃ）を単独、あるいは混合させて使用しても同様の効果が得られる。
【００７２】
さらに、固体潤滑剤として二硫化モリブデンやグラファイトを用いた場合、三酸化アンチモン（Ｓｂ２Ｏ３）を併用することで、三酸化アンチモンが、樹脂皮膜１７０中に侵入してきた空気や酸素を捕捉し、自らが先に酸化されることで、樹脂皮膜１７０中の固体潤滑剤の酸化による変質を抑制し、摩耗抑制効果を十分に発揮させることができる。
【００７３】
次に、摺動部材同士の硬さの比較について説明する。
【００７４】
硬さとは物質、材料の特に表面または表面近傍の機械的性質の一つであり、材料が異物によって変形や傷を与えられようとする時の、物体の変形し難さ、物体の傷つき難さである。硬さにはさまざまな測定手段（定義）とそれに対応する値（硬さの尺度）が存在する。
【００７５】
摺動部材同士が金属や非鉄金属であれば、同じ押込み硬さ試験法（例えば、ナノインデンテーション法、ビッカースやロックウェル硬さ法等）を用いて、摺動部材表面の皮膜が相手摺動部材よりも硬いかを判断してもよい。
【００７６】
一方、本実施の形態の樹脂皮膜１７０やリン酸塩皮膜のような押込み硬さ試験法が使用困難な場合は、例えばリング・オン・ディスク方式の摩耗試験で判断するのが望ましい。評価方法の一例を挙げると、ディスク表面に皮膜を形成し、荷重１０００Ｎ、回転速度１ｍ／ｓ、油中に浸漬した状態で１時間程度運転させて、摺動面の状態を観察する。結果的に、リングと皮膜を設けたディスクのうち、相対的に大きく摩耗した方が、硬さが低いと判断してもよい。
【００７７】
以上の様な考え方のもと、図４に、同実施の形態における主軸と主軸受の深さ方向の硬さを表した特性図を示す。なお、硬さはビッカース硬さで示している。
【００７８】
主軸１０９表面の酸化皮膜１６０の硬さの計測には、シエンタ・オミクロン株式会社製のナノインデンテーション装置（トライボインデンター）を使用した。硬さの計測は、圧子を押込み一定時間維持させた後、少しだけ除荷し、次に前よりも高い荷重で押込むというようなステップを１５回、最大１Ｎまで負荷−除荷試験を実施し、酸化皮膜１６０の硬さ、及び深さ方向の硬さ分布を計測した。
【００７９】
なお、樹脂皮膜１７０の硬さは、主軸１０９や酸化皮膜１６０より大幅に硬さが小さく、同じ装置での測定ができないため、摩耗試験による相対比較の結果を基に、硬さの推定線を点線で示している。
【００８０】
摩耗試験は前述のリング・オン・ディスク方式で行った。試験に用いたリングは主軸受１１１と同じ材料から作製し、一方で、ディスクはクランクシャフト１０８と同じ材料から作製した後、本実施の形態で使用する膜厚が約３μｍ程度のＰＡＩ樹脂をその表面に塗布した。
【００８１】
その結果、リングの摩耗量はほぼゼロであったのに対し、ディスク表面の樹脂皮膜は１〜２μｍ程度摩耗した。このことから、硬さの指標で言えば、樹脂皮膜１７０は主軸受１１１より低いと判断した。
【００８２】
一方、主軸受１１１のビッカース硬さに関しては、シリンダブロック１１２の主軸受１１１の内周面の一部をファインカッターで切り出し、荷重０．５ｋｇｆの条件でビッカース硬さを計測した。
【００８３】
この結果から、ジャーナル軸受を構成する主軸１０９の表面に、相手摺動部材である主軸受１１１に比べて同等以上の硬さを有する酸化皮膜１６０が形成されていることが分かった。
【００８４】
以上のように構成された冷媒圧縮機について、以下その動作を説明する。
【００８５】
商用電源（図示せず）から供給される電力は、外部のインバータ駆動回路（図示せず）を介して、電動要素１０６に供給され、電動要素１０６は複数の運転周波数でインバータ駆動される。電動要素１０６の回転子１０５は、クランクシャフト１０８を回転させ、偏心軸１１０の偏心運動が連結手段１１７からピストンピン１１５を介してピストン１３２を駆動する。ピストン１３２はシリンダボア１１３内を往復運動し、サクションチューブ（図示せず）を通して密閉容器１０１内に導かれた冷媒ガス１０２をサクションマフラー１４２から吸入し、圧縮室１３４内で圧縮する。
【００８６】
潤滑油１０３はクランクシャフト１０８の回転に伴い、給油ポンプ１２０から各摺動部に給油され、摺動部を潤滑するとともに、ピストン１３２とシリンダボア１１３の間においてはシールを司る。
【００８７】
ここで、図５に、同実施の形態における冷媒圧縮機の入力とＣＯＰの時系列変化曲線図を示す。
【００８８】
図５（ａ）は、圧縮機入力の時系列経時変化を示し、図５（ｂ）は、成績係数ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  冷凍冷蔵機器などのエネルギー消費効率の目安として使われる係数で、冷凍能力（Ｗ）を入力（Ｗ）で除した値である。以下、ＣＯＰと称す）の時系列経時変化を示す。比較として、従来の冷媒圧縮機の結果も示す。
【００８９】
図５（ａ）から、本実施の形態の冷媒圧縮機と、従来の冷媒圧縮機のいずれも運転開始直後の入力（以下、初期入力と称す）が最も高く、その後運転時間の経過に伴って入力は徐々に低下し、最終的にはほぼ一定の値（以下、定常入力と称す）を示すことがわかる。さらに、本実施の形態の冷媒圧縮機は、従来の冷媒圧縮機に比べて初期入力が低く、加えて、初期入力から定常入力に移行する時間も低減しているのが分かる。本実施の形態の冷媒圧縮機の移行時間をｔ１、従来の冷媒圧縮機のそれをｔ２とすると、ｔ１はｔ２の約１／２程度となる。これにより、図５（ｂ）に示すように、ＣＯＰが早期に安定し、かつ向上することが分かった。
【００９０】
図５の結果について考察すると、従来の冷媒圧縮機は、特に低速運転（例えば２０Ｈｚ以下）において、摺動部材間の油膜厚さが薄くなると、主軸１０９と主軸受１１１が局所的な接触が生じて油膜が切れてしまい、粗さ領域における固体接触の発生が頻発するためと考えられる。加えて、主軸１０９の表面に耐摩耗性の高い（硬い）酸化皮膜１６０が形成されているため、摺動部材（主軸と主軸受）同士の表面の突起が早々に摩耗せず、なじみ難くなるので、固体接触する時間が長くなる。故に、初期入力が高く、加えて、初期入力から定常入力に移行する時間も長くなると考えられる。
【００９１】
一方で、本実施の形態の冷媒圧縮機は、主軸１０９の表面に、主軸受１１１より硬度が大きい酸化皮膜１６０を形成し、さらにその表面に主軸受１１１より硬度が大幅に小さい樹脂皮膜１７０を形成しているため、低速運転域において摺動部材間の油膜厚さが極端に薄くなって主軸受１１１との固体接触が発生したとしても、硬質皮膜である酸化皮膜１６０の表面に形成された軟質皮膜である樹脂皮膜１７０の初期なじみ性により、運転初期から入力が低く、高効率で信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。
【００９２】
また、運転起動時等の貧油運転時において油膜切れが生じても、主軸１０９の表面の樹脂皮膜１７０の一部や固体潤滑材として含有している二硫化モリブデン粒子が主軸受１１１の表面に移着して摺動するため、摩擦係数を低減し、冷媒圧縮機の高効率化を図ることができる。
【００９３】
また、本実施の形態では、主軸１０９等の摺動部材の表面に形成する硬質皮膜を酸化皮膜１６０としているが、この酸化皮膜１６０は、微結晶の組織からなり最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）でケイ素（Ｓｉ）化合物も含む最表面の第一の部分１５１と、その下に縦長の柱状組織を含有し最も多く占める成分が四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）でケイ素（Ｓｉ）化合物を含む第二の部分１５２と、さらにその下方に横長の層状組織を含有し四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）でケイ素（Ｓｉ）化合物とケイ素（Ｓｉ）固溶部を含む第三の部分１５３と、を含む構成となっているから、耐摩耗性が向上するのはもちろん、摺動部材の相手攻撃性が低下し、摺動初期のなじみ性も向上する。
【００９４】
よって、樹脂皮膜１７０が酸化皮膜１６０の全面でなく一部に設けられている、或いは全面に設けられていて相手摺動部材の凹凸により部分的に摩滅し、酸化皮膜１６０が相手摺動部材と接することがあっても、樹脂皮膜１７０下方の酸化皮膜１６０が持つなじみ性により運転初期からの入力が低く高効率の運転を実現でき、しかも耐摩耗性が高いので信頼性の高い運転を行うことが可能となる。
【００９５】
この酸化皮膜１６０の高い耐摩耗性と、摺動部材の相手攻撃性の低下及び摺動初期のなじみ性の向上については本出願人の特願２０１６−００３９１０号、特願２０１６−００３９０９号に詳述している通りであるが、その理由の一つは以下のように考えられる。
【００９６】
すなわち、耐摩耗性についてであるが、この酸化皮膜１６０は鉄の酸化物であるから、従来のリン酸塩皮膜と比較して硬くかつ化学的には非常に安定しており、しかも最表面と
なる第一の部分１５１には、鉄の酸化物よりも硬度が高いケイ素（Ｓｉ）化合物が含まれているので、高い耐摩耗性を示すと考えられる。それゆえ、信頼性の高い運転が可能となる。
【００９７】
一方、なじみ性についてであるが、この酸化皮膜１６０は、その最表面となる第一の部分１５１の最も多く占める成分が三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）で、その三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）の結晶構造は菱面体晶である。この菱面体の結晶構造は、その下方に位置する四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）の立方晶の結晶構造や、窒化皮膜の周密六方晶、面心立方晶、体心正方晶の結晶構造に比べ、結晶構造の面で柔軟になっている。そのため、三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を多く含む第一の部分１５１は、従来のガス窒化皮膜または一般的な酸化皮膜（四酸化三鉄（Ｆｅ３Ｏ４）単部分皮膜）に比較し高い硬さを有しつつ、相手攻撃性が低くて、摺動初期のなじみ性が向上すると考えられる。ゆえに、酸化皮膜１６０自体が持つなじみ性によっても運転初期から入力が低く高効率な運転を実現することができる。
【００９８】
つまりこの摺動部材の表面を構成する酸化皮膜１６０は、樹脂皮膜１７０が持つなじみ効果と同様、酸化皮膜１６０自体が持つなじみ性によっても運転初期からの入力が低く高効率の運転と信頼性の高い運転を実現可能とする。
【００９９】
なお、この酸化皮膜１６０の第二の部分１５２および第三の部分１５３は、いずれもケイ素（Ｓｉ）化合物を含むため、第一の部分１５１を含む酸化皮膜１６０の基材に対する密着力は強力なものとなる。しかも、第三の部分１５３は、第二の部分１５２よりもケイ素の含有量が多い。このように、ケイ素（Ｓｉ）化合物を含む部分が積層され、基材に接する側のケイ素の含有量が多いことで、酸化皮膜１６０の密着力をより一層強化する。その結果、摺動時の負荷に対して、酸化皮膜１６０の耐力が向上し、酸化皮膜１６０の耐摩耗性が一段と高いものとなると考えられる。そして、最表面である第一の部分１５１が摩耗したとしても、第二の部分１５２および第三の部分１５３の存在により、より優れた耐摩耗性を発揮すると推察され、信頼性が向上する。
【０１００】
また、この酸化皮膜１６０の高い耐摩耗性と、摺動部材の相手攻撃性の低下及び摺動初期のなじみ性の向上については別の観点から見ると、以下の理由によるとも考えられる。
【０１０１】
すなわち、耐摩耗性についてであるが、この酸化皮膜１６０の最表面を構成する第一の部分１５１は前記した通りケイ素（Ｓｉ）化合物が含まれている上に緻密な微結晶組織となっているところから、高い耐摩耗性を発揮すると考えられる。
【０１０２】
一方、なじみ性についてであるが、この酸化皮膜１６０の第一の部分１５１は、上記の如く微結晶の組織であって、これら微結晶の間には所々にわずかな空隙部１５８が形成されている、あるいは、表面に微小な凹凸が生じている。そのため、毛細管現象により潤滑油１０３が酸化皮膜１６０の表面（摺動面）に保持されやすい。つまり、このようなわずかな空隙部１５８および／または微少な凹凸が存在することで、摺動状態が厳しい状況であっても摺動面に潤滑油１０３を留めること、いわゆる「保油性」を発揮することが可能になると考えられる。
【０１０３】
さらに、上記酸化皮膜１６０は、第一の部分１５１の下方の基材１５０側に柱状組織１５６（第二の部分１５２）および層状組織１５７（第三の部分１５３）が存在しており、これら組織は、第一の部分１５１の微結晶１５５に比べて相対的に硬度が低い（軟らかい）。そのため、摺動時には、柱状組織１５６および層状組織１５７が「緩衝材」のように機能する（「緩衝材」の機能は第二の部分１５２或いは第三の部分１５３のいずれか一方のみであっても発揮されるので、第一の部分１５１の下方には第二の部分１５２および／または第三の部分１５３（好ましくは双方）が位置していれば良い）。これにより、摺動時の酸化皮膜１６０表面に対する相手方摺動部材からの圧力により最表面の微結晶１５５は基材１５０側に圧縮されるように挙動すると考えられ、その結果、酸化皮膜１６０の相手攻撃性は、他の表面処理膜と比較して顕著に低下し、これによってなじみ性がもたらせると推察される。
【０１０４】
つまり、この酸化皮膜１６０は相手攻撃性の低さと「保油性」から良好ななじみ性を発揮するため、樹脂皮膜１７０が持つなじみ効果と同様、酸化皮膜１６０自体のなじみ性によっても運転初期からの入力が低く高効率の運転と信頼性の高い運転を実現可能とする。したがって、例えば樹脂皮膜１７０が摩滅して酸化皮膜１６０が相手方摺動部材と接するようになっても長期間に亘って運転初期から入力が低く高効率の運転を継続することができる。
【０１０５】
以上のように上記酸化皮膜１６０はこれを用いることによって、樹脂皮膜１７０による効果と合わさって運転初期からの入力が低く高効率の運転と信頼性の高い運転をダブルかつ長期に亘って実現可能とするが、本発明の摺動部材に形成する硬質皮膜は少なくとも相手摺動部材に比べて同等以上の硬さを有するものであればこの酸化皮膜１６０以外の他の皮膜であってもよいものである。
【０１０６】
例えば、基材１５０が鉄系であれば、一般的な焼入れのほかに、表層に炭素や窒素等を浸み込ませる方法で形成した皮膜であってもよい。
【０１０７】
また、水蒸気を使用したり、水酸化ナトリウムの水溶液に浸漬させて形成した酸化処理による皮膜であってもよい。
【０１０８】
さらには、上記した酸化や浸炭、窒化、酸化処理等によって形成する化合物層からなる皮膜だけでなく、冷間加工、加工硬化、固溶強化、析出強化、分散強化、結晶粒微細化等によって転位のすべり運動を抑制させて基材の強化を図った層（以下、このような層を機械的強度改善層と称す）であってもよい。
【０１０９】
さらに加えて、メッキ、溶射、ＰＶＤ、ＣＶＤの被覆法により形成した層であってもよい。
【０１１０】
よって、本発明ではこのような化合物層、機械的強度改善層、被覆法により形成した層を含めて硬質皮膜と定義する。
【０１１１】
そして、このような硬質皮膜、すなわち、化合物層、機械的強度改善層、被覆法により形成した層は、いずれのものであっても相手側摺動部材よりも固いものであればよく、このような化合物層、機械的強度改善層、被覆法により形成した層の少なくとも一つで構成される硬質皮膜と軟質皮膜を設けることによって、運転初期から入力が低く安定した高効率な冷媒圧縮機を提供することができる。
【０１１２】
なお、皮膜を形成する基材は鉄系以外であってもよく、相対する主軸受１１１に比べて同等以上の硬さを有する皮膜を形成できるものであればよいものである。
【０１１３】
また、本実施の形態では、軟質皮膜として１種類で１層の皮膜を形成したが、相手摺動部材より硬さが小さい皮膜であれば２種類以上の複数層の皮膜としてもよく、同様の効果が得られる。
【０１１４】
また、本実施の形態では、主軸１０９と主軸受１１１との摺動部分に適用したものを例示したが、これは偏心軸１１０と偏心軸受１１９、或いは、ピストン１１５とシリンダボア１１２との摺動部分に適用してもよく、更には硬質皮膜１６０と軟質皮膜１７０は主軸等の軸部品側ではなく主軸受等の軸受部品側の摺動部材に設けてもよく、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【０１１５】
また、冷媒圧縮機の形態についても、本実施の形態においては往復動式（レシプロ）の冷媒圧縮機を例示して説明したが、回転式やスクロール式、振動式等、摺動部を有する他の圧縮機においても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【０１１６】
さらに言及しておけば、本実施の形態で説明した摺動部材は冷媒圧縮機に用いたものを例示したが、これは摺動部材を用いた部品、機器、例えばポンプやモータ等どのようなものであっても良いものであり、適用に何ら制約を受けるものではない。
【０１１７】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における冷凍装置の構成を示す模式図である。ここでは、冷凍装置の基本構成の概略についてのみ説明する。
【０１１８】
図６において、冷凍装置は、一面が開口した断熱性の箱体とその開口を開閉する扉体構成の本体３０１と、本体３０１の内部を、物品の貯蔵空間３０３と機械室３０５に区画する区画壁３０７と、貯蔵空間３０３内を冷却する冷媒回路３０９を具備している。
【０１１９】
冷媒回路３０９は、冷媒圧縮機３００と、放熱器３１３と、減圧装置３１５と、吸熱器３１７とを環状に配管接続して構成してあり、冷媒圧縮機３００は実施の形態１で説明した冷媒圧縮機としてある。
【０１２０】
また、吸熱器３１７は、送風機（図示せず）を具備した貯蔵空間３０３内に配置されている。吸熱器３１７の冷却熱は、矢印で示すように、送風機によって貯蔵空間３０３内を循環するように撹拌され、貯蔵空間３０３内は冷却される。
【０１２１】
以上の構成からなる冷凍装置は、冷媒圧縮機３００として本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機を搭載することにより、冷凍装置の消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現するとともに、冷凍装置の信頼性を向上させることができる。すなわち、上記冷媒圧縮機３００は、主軸１０９の表面に、相対する主軸受１１１に比べて同等以上の硬さを有する酸化皮膜１６０を形成するとともに、酸化皮膜１６０の表面の全面あるいは一部に主軸受１１１に比べて硬さが小さい樹脂皮膜１７０を形成しているので、軸部品と軸受部品間の耐摩耗性が向上するとともに、軸部品と軸受部品の局所的な接触摺動を緩和でき、信頼性と性能が向上する。この冷媒圧縮機３００の信頼性と性能向上によって、冷凍装置の消費電力が低減でき、省エネルギー化を実現するとともに、冷凍装置の信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
以上のように、本発明は、性能と信頼性が高い冷媒圧縮機及びそれを用いた冷凍装置を提供することが可能となるので、冷凍サイクルを用いた各種機器に幅広く適用できる。
【符号の説明】
【０１２３】
１００，３００  冷媒圧縮機
１０１  密閉容器
１０３  潤滑油
１０６  電動要素
１０７  圧縮要素
１０９  主軸（摺動部材）
１１１  主軸受（摺動部材）
１６０  酸化皮膜（硬質皮膜）
１７０  樹脂皮膜（軟質皮膜）
３０９  冷媒回路
３１３  放熱器
３１５  減圧装置
【図１】
2020012375.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020012375.tif 000007
【図６】
2020012375.tif 000008
【図７】
2020012375.tif 000009