(57)【要約】      （修正有）【課題】ＤＬＣ−Ｓｉ膜と基材の密着性および摩擦特性を向上し、長期信頼性を確保した冷媒圧縮機を提供する。【解決手段】圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備え、前記圧縮要素の圧縮方式はレシプロ方式であり、ピストンを駆動させるために鋼製のピストンピン３を備え、前記ピストンピンと摺動するコネクティングロッド５にはＳｉを含むアルミニウム合金を用いた冷媒圧縮機において、前記ピストンピンの表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜の基材との界面のＳｉ含有量を、前記コネクティングロッドとの摺動面のＳｉ含有量よりも多くした。【選択図】図５
2018105273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備え、前記圧縮要素の圧縮方式はレシプロ方式であり、ピストンを駆動させるために鉄製のピストンピンを用い、前記ピストンピンと摺動するロッドにはＳｉを含むアルミニウム合金を用いた冷媒圧縮機において、前記ピストンピンの表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜の基材との界面のＳｉ含有量は、前記ロッドとの摺動面のＳｉ含有量よりも多いことを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項２】
前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、前記基材との前記界面のＳｉ含有量が１８〜２５％であり、前記摺動面のＳｉ含有量が４〜１８％であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
【請求項３】
前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、前記摺動面から前記基材との前記界面にかけて、連続的にＳｉ含有量が増加していくことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
【請求項４】
前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜は、Ｓｉ含有量の異なるＤＬＣ−Ｓｉ膜の積層構造からなることを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒圧縮機は近年、省エネルギー化、小型化、低騒音化が要求され、これに伴って摺動部の使用条件が苛酷化している。
【０００３】
冷媒圧縮機の内部には材料強度の観点から鉄系材料が多く使用され、必然的に摺動部も鉄系材料同士になることが多い。同じ材料同士の摩擦はともがね状態となり、摩擦係数が高い、凝着しやすい等の問題がある。そのため、摺動部へは表面を改質したり、コーティングを施したりして摺動特性を改善する表面処理が広く使用されている。
【０００４】
また、圧縮機内の摺動部品には、軽量で安価であることからアルミニウム合金が使用されることも多い。しかしながら、アルミニウムは融点が低く凝着しやすいという欠点がある。摺動部において高い負荷がかかるなどして油膜が形成されず金属接触が発生した場合、摺動発熱により金属接触部周辺の温度が上昇し、溶融したアルミニウムが相手材へ凝着することで、アルミニウム同士の激しい凝着摩耗が起こる場合がある。特許文献１は、アルミニウム合金と摺動する鋼製の部品の表面にＴｉＡＬＮセラミック膜、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜、二硫化モリブデン膜等の非凝着性被膜を形成することでアルミニウムの凝着を防止する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２７４３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のようなＴｉＡＬＮセラミック膜および二硫化モリブデン膜はＤＬＣ膜に比べ密着性は優れるものの摩擦係数の低減効果が低い。また、ＤＬＣ膜はＴｉＡＬＮセラミック膜および二硫化モリブデン膜に比べ摩擦係数低減効果は大きいものの密着性は低い。よって、このような単層膜では密着性、低摩擦特性を両立することが出来ないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題に対し、本発明では、圧縮要素とモータ要素を密閉容器内に備え、前記圧縮要素の圧縮方式はレシプロ方式であり、ピストンを駆動させるために鉄製のピストンピンを用い、前記ピストンピンと摺動するロッドにはＳｉを含むアルミニウム合金を用いた冷媒圧縮機において、前記ピストンピンの表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜を備え、前記ＤＬＣ−Ｓｉ膜の基材との界面のＳｉ含有量を、前記ロッドとの摺動面のＳｉ含有量よりも多くした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、ＤＬＣ−Ｓｉ膜と基材の密着性および摩擦特性を向上し、冷媒圧縮機の長期信頼性を確保することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】冷媒圧縮機の断面図である。
【図２】ブロックオンリング試験機の概要である。
【図３】スクラッチ試験機の概要である。
【図４】ＤＬＣ−Ｓｉ膜中のＳｉ含有量と摩擦係数、比摩耗量、臨界剥離荷重の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１における摺動部の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２における摺動部の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２における摺動部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず、圧縮機の構成について図面を用いて説明する。図１に本実施例の圧縮機の断面を示す。本実施例における圧縮機の圧縮方式はレシプロ方式であり、冷媒としてＲ６００aを用いている。図１において、１は駆動源（図示せず）に接続されたクランクシャフト、２はシリンダ（図示せず）内を往復するピストン、３はピストン２に接続された鉄製のピストンピン、４はピストンピン３上に作製されたＤＬＣ−Ｓｉ膜、５はクランクシャフト１とピストンピン３を連結するコネクティングロッドである。コネクティングロッド５は軽量化および耐摩耗性向上のため、Ｓｉを含んだアルミニウムダイカスト合金で形成されている。
【００１１】
次に、動作について説明する。駆動源によって偏心回転するクランクシャフト１の運動が、コネクティングロッド５とピストンピン３を介してピストン２に伝達され、ピストン２が往復することで冷媒等のガスが圧縮される。このとき、ピストン２に加わる圧縮荷重は、コネクティングロッド５を挟んで、ピストンピン３とクランクシャフト１が押し合うように作用する。
【００１２】
コネクティングロッド５とピストンピン３の連結部では、固定されたピストンピン３に対してコネクティングロッド５が揺動運動するために、潤滑油である冷凍機油（図示せず）による流体被膜が形成されにくい。特に、回転方向が逆転する際に一瞬停止するため、摺動面の一部で流体被膜が形成されずに摺動面同士の直接接触が発生する。
【００１３】
本実施例では、摺動面における金属同士の直接接触を抑制するため、ピストンピン３の表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を備えている。本実施例で用いるＤＬＣ−Ｓｉ膜中のＳｉ含有量が及ぼす摩擦係数、比摩耗量、膜の密着性への効果について検証するため、ブロックオンリング試験機およびスクラッチ試験機を用いて摩擦試験を行った。ブロックオンリング試験機およびスクラッチ試験機の概要をそれぞれお図２および図３に示す。
【００１４】
図２において、駆動源に接続されたリング６上に、ブロック７を接触させ、リング６を回転させて摩擦する。リング６は潤滑油８に１／３ほど浸かる状態となっており、回転運動により潤滑油８を引き上げることで摺動面に潤滑油８が供給される。リング６には、高Ｓｉアルミニウムダイカスト合金であるＡＤＣ１４、ブロック７には浸炭焼入れ処理を施したクロムモリブデン鋼であるＳＣＭ４１５、潤滑油８には家電用圧縮機向け冷凍機油として多く用いられているポリオールエステル油（動粘度：５．１０ｍｍ２／ｓ＠４０℃）を用いた。ブロック７の表面には、プラズマＣＶＤ法によってＤＬＣ−Ｓｉ膜４を約２μｍの厚さで作製した。リング６の回転速度は０．１８３ｍ／ｓから０．００９ｍ／ｓまで０．０１８ｍ／ｓまたは０．００９ｍ／ｓ刻みで低下させ、再び同じ間隔で０．１８３ｍ／ｓまで上昇させた。各速度におけるサイクル数は１００とした。
【００１５】
また、スクラッチ試験については図３において、表面にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を作製したブロック７を1°傾けたステージ９に固定し、先端半径１０μｍのダイヤモンド圧子１０を用いて１ｍｍ／ｓの速度で連続的に荷重を変化させながら３ｍｍスクラッチした。試験後のスクラッチ痕を拡大観察し最初に剥離した点を特定し、その点での荷重を臨界剥離荷重として算出した。
【００１６】
まず、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４中のＳｉ含有量が摩擦係数および比摩耗量に与える影響について検証した。Ｓｉ含有量０％のＤＬＣ膜については、ブロック７上に直接作製することができなかったため、初めにＤＬＣ-Ｓｉ膜を作製し、その上にＤＬＣ膜を作製した。今回は摺動面に油膜が形成されにくく最も厳しい潤滑状態である境界潤滑状態での摩擦係数を比較するため，最も低速である０．００９ｍ／ｓにおける摩擦係数とＳｉ含有量の関係を図４上段に示した。また、試験後のＳｉ-ＤＬＣ膜４上の摩耗痕形状から比摩耗量を算出し、Ｓｉ含有量との関係を図４中段に示した。
【００１７】
図４より，Ｓｉ含有量が低下するに従い摩擦係数も低下していくことがわかり、Ｓｉ含有量４〜１８％において基材の摩擦係数を下回った。しかし、Ｓｉ含有量０％のＤＬＣ膜では摩擦係数は基材と同等まで上昇した。ＤＬＣ−Ｓｉ膜はＳｉを含有することから摩擦中に潤滑油に含まれる水分と反応し表面にＳｉ−ＯＨ基を生成する。Ｓｉ−ＯＨ基が水分子を引き寄せるため境界膜が作られることで、低摩擦を発現すると考えられており、膜中にＳｉを含まないＤＬＣ膜は低摩擦発現効果が見られなかったと推測される。よって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４は少なくとも４％のＳｉが含有されていることが必要であることがわかる。また、Ｓｉ含有量１８％を超えたときにも、基材と同等以上の摩擦係数を示した。これは、リング６に含まれるＳｉとの凝着が起こったことにより、Ｓｉ-ＯＨ基による水の境界膜効果が薄れてしまったものと考えられる。よって、Ｓｉ含有量は１８％以下が好ましい。
【００１８】
また、同じく図４より、比摩耗量も摩擦係数と同様にＳｉ含有量が低下するにつれて低下することがわかり、Ｓｉ含有量が２１％以下のときに基材よりも低下した。また、１８％付近を境に摩耗量が急激に増加することから、Ｓｉ含有量の上限は１８％とすることが好ましい。さらに、Ｓｉ含有量が１５％以下であれば比摩耗量を基材の比半分以下の値とすることができるため、Ｓｉ含有量の上限は１５％とすることがより好ましい。また、前述したとおりＳｉ含有量０％のＤＬＣ膜は、作製している段階で剥離してしまいブロック７上に直接作製することができなかった。この観点からも、少なくとも４％のＳｉ含有量が必要であることがわかる。以上より、鉄製のピストンピン３とアルミニウム合金からなるコネクティングロッド５からなる摺動部において、ピストンピン３の表面にＳｉ含有量を４〜１８％としたＤＬＣ−Ｓｉ膜４を形成することで、摩擦係数および比摩耗量を低減させることが可能である。
【００１９】
次に、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４中のＳｉ含有量が膜の密着性に与える影響について検証した。ブロック７上にＤＬＣ−Ｓｉ膜４を作製し、スクラッチ試験機を用いて基材（ブロック７）とＤＬＣ−Ｓｉ膜４の密着強度を測定した。結果を図４下段に示すが、Ｓｉ含有量が上昇するに従い臨界剥離荷重も上昇していくことがわかる。図４中において各試験片の摩擦試験を行った際に、試験後のＤＬＣ−Ｓｉ膜４上の摩耗痕内にて剥離が発生したものを×、発生しなかったものを○で示す。Ｓｉ含有量１１％では摩耗痕内の一部に剥離が見られ、Ｓｉ含有量４％では摩耗痕内の複数個所に渡って大きく剥離している様子が見られた。一方、Ｓｉ含有量１９％および２４％では摩耗痕内に剥離は生じていなかった。これは、Ｓｉ含有量が多いことにより、基材との界面にＳｉ−炭素結合、Ｓｉ−金属結合が豊富に形成され、界面強度が上昇したためと考えられる。この実験から、摩擦試験後にＤＬＣ−Ｓｉ膜４の剥離が発生する境界は臨界剥離荷重３５０ｍＮ付近にあると考えられ、臨界剥離荷重が３５０ｍＮ以上となるのはＳｉ含有量が約１８％以上のときであることがわかる。以上より、鉄系材料であるピストンピン３とアルミニウム合金であるコネクティングロッド５からなる摺動部において、鉄系材料の表面にＳｉ含有量１８〜２５％としたＤＬＣ−Ｓｉ膜を形成することで、基材との密着性を向上することができ、摺動部の信頼性を向上させることが可能である。
【００２０】
（実施の形態１）
図５に本発明の実施の形態１における摺動部の断面図を示す。図５において、３は図1におけるピストン２に接続された鋼製のピストンピン、４はピストンピン３上に作製されたＤＬＣ−Ｓｉ膜、５は図１におけるクランクシャフト１とピストンピン３を連結するコネクティングロッドである。また、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４を構成する４ａはＤＬＣ−Ｓｉ膜４のコネクティングロッド５との摺動面、４ｂはＤＬＣ−Ｓｉ膜４の基材であるピストンピン３との界面である。実施の形態1においては、摺動面４ａは低摩擦特性、高耐摩耗性を付与するためＳｉ含有量を４〜１８％とし、界面４ｂは高密着性を付与するためＳｉ含有量を１８〜２５％とし、摺動面４ａから界面４ｂにかけて連続的にＳｉ含有量が増加していく傾斜構造を取っている。先に説明した摩擦試験およびスクラッチ試験によれば、摺動面４ａをＳｉ含有量１１％とし、界面４ｂをＳｉ含有量２４％とした場合、摩擦係数および比摩耗量は同等であるが界面４ｂのない場合よりも臨界剥離荷重は５０％向上し、摺動面に剥離は見られなかった。よって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４を摺動面４ａから界面４ｂにかけてＳｉ含有量が連続的に変化する傾斜構造とすることで、摩擦耗性、密着性の両立を図ることが可能である。
【００２１】
（実施の形態２）
図６に本発明の実施の形態２における摺動部の断面図を示す。実施の形態２におけるＤＬＣ−Ｓｉ膜４以外の構成は実施の形態１と同様であり、同一番号を付し詳細な説明を省略する。実施の形態２では、摺動面側膜４ａ、界面側膜４ｂを単層膜の積層構造としている。通常、耐摩耗性被膜を基板上に形成する際、中間層として基材との密着性に優れた被膜を形成する技術が使われることがある。本実施例における界面側膜４ｂはＳｉ含有量１８〜２５％のＤＬＣ−Ｓｉ膜であり、密着性に優れていることから、この中間層と同様の役割を示す。先に説明した摩擦試験およびスクラッチ試験によれば、摺動面側膜４ａをＳｉ含有量１１％とし、界面側膜４ｂをＳｉ含有量２４％とした場合、摩擦係数および比摩耗量は同等であるが界面側膜４ｂのない場合よりも臨界剥離荷重は２０％向上し、摺動面に剥離は見られなかった。また、図７のように摺動面側膜４ａ、界面側膜４ｂの間に中間層として上下ＤＬＣ−Ｓｉ膜の中間値をとるＳｉ含有量とした中間膜４ｃを用いた場合、先に説明した摩擦試験およびスクラッチ試験によれば、中間膜４ｃのない場合よりも臨界剥離荷重は８％向上し、摺動面に剥離は見られなかった。これは中間膜４ｃが存在することにより、実施の形態１における傾斜構造に近くなり、密着性が向上したものであるため、中間膜４ｃはより細かくＳｉ含有量を変化させた積層構造とすることで、より傾斜構造に近くなり、密着性が向上する。よって、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４をＳｉ含有量の異なる４ａ、４ｂ、４ｃの積層構造とすることで、摩擦耗性、密着性の両立を図ることが可能である。
【００２２】
本実施例の圧縮機では、ＤＬＣ−Ｓｉ膜４と基材との密着性を向上させるために、基材に熱処理を施しても良い。例として、基材に窒化処理を施すと、基材表面に微細な凹凸が形成されることによるアンカー効果と表面の硬さが向上することにより上に形成するＤＬＣ−Ｓｉ膜が割れにくくなり、密着性をより向上させることが可能である。
【００２３】
本実施例の効果はＤＬＣ−Ｓｉ膜の作製方法によらないが、このようなＤＬＣ−Ｓｉ膜は、付きまわり性の観点から、炭化水素系およびシラン系の原料ガスを用いるＣＶＤ法によって作製されるものが好ましい。この方法によれば、ドロップレットなどの表面の欠陥が少なく均一な膜が作製できることから、他の方法で作製したものに比べ耐剥離性に優れるＤＬＣ−Ｓｉ膜を作製可能である。
【００２４】
本実施例の圧縮機は、冷媒としてＲ６００ａ（イソブタン）を用いる。Ｒ６００ａは分子中に塩素を含んでいないことから冷媒自身の潤滑性が期待できず、圧縮機の耐摩耗性を低下させる。よって、圧縮機に封入される冷凍機油としては、ポリオールエステル油や極圧添加剤を添加した炭化水素系油等、潤滑性の高いものが好ましい。特に、ポリオールエステル油を用いることで、極圧添加剤の添加無しでも冷媒／冷凍機油混合液の潤滑性を確保できる。前記したポリールエステル油としては、多価アルコールと１価の脂肪酸とから合成され、熱安定性に優れるヒンダードタイプが好ましい。例えば、多価アルコールとしては、ペンタエリスリトール，ジペンタエリスリトールがある。１価の脂肪酸としては、ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，２−メチルブタン酸，２−メチルペンタン酸，２−メチルヘキサン酸，２−エチルヘキサン酸，イソオクタン酸，３，５，５−トリメチルヘキサン酸等があり、単独で又は２種類以上の混合脂肪酸にして用いる。特に冷凍機油の基油としては分子中にエステル結合を少なくとも２個保有する式（１），（２）又は（３）で示される脂肪酸のエステル油の群から選ばれる少なくとも１種類が好ましい。
【００２５】
（Ｒ１−ＣＨ２)２−Ｃ−(ＣＨ２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ２)２  ・・・・（１）
（式（１）中、Ｒ１は、それぞれ独立して水素原子または炭素数１〜３のアルキル基を表し、Ｒ２は、それぞれ独立して炭素数５〜１２のアルキル基を表す）
（Ｒ１−ＣＨ２）−Ｃ−(ＣＨ２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ２)３  ・・・・（２）
（式（２）中、Ｒ１およびＲ２は、前記と同義である）
Ｃ−(ＣＨ２−Ｏ−ＣＯ−Ｒ２)４  ・・・・（３）
（式（３）中、Ｒ２は、前記と同義である）
冷凍機油の粘度（ＪＩＳ  Ｋ２２８３で測定）に関しては、レシプロ式圧縮機の場合では４０℃における粘度が５〜１５ｍｍ２／ｓの範囲が好ましい。粘度５ｍｍ２／ｓ未満の場合は冷媒が溶解した粘度が低くなってしまい、圧縮機内部での油膜が十分に保持されず潤滑性が保てない。更には圧縮部のシール性も保てない。これに対して粘度１５ｍｍ２／ｓを越えると粘性抵抗，摩擦抵抗等の機械損失が増大し、圧縮機効率を低下させる。
【００２６】
本実施例では前記した冷凍機油に、酸化防止剤、酸捕捉剤、消泡剤、金属不活性剤等を添加しても全く問題はない。特にポリオールエステル油は酸化劣化を起こしやすく、吸湿性が高いことから水分持ち込み量が増加してＰＥＴフィルム等のモータ絶縁材料の加水分解による劣化が生じる可能性が高く、酸化防止剤，酸捕捉剤の配合は必要である。酸化防止剤としては、フェノール系であるＤＢＰＣ（２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール）が好ましい。酸捕捉剤としては、エポキシ系，カルボジイミド系などがあるが、脂肪族のエポキシ化合物が一般的に用いられる。
【００２７】
本実施例の圧縮機に封入される冷凍機油は、冷媒Ｒ６００ａとの二層分離温度が−４０℃以下のものが好ましい。冷凍機油は冷媒とともに冷凍サイクル内を循環するため、圧縮機外に持ち出される場合もある。その際、サイクルの低温部で冷凍機油が冷媒から分離し圧縮機に戻らなくなり、圧縮機内の油量が低下し潤滑不良となる可能性がある。よって、冷媒と冷凍機油との二層分離温度は、冷凍サイクルの最低温である−４０℃以下とする必要があり、より好ましくは、−４５℃以下である。
【符号の説明】
【００２８】
１…クランクシャフト、２…ピストン、３…ピストンピン、４…ＤＬＣ−Ｓｉ膜、５…コネクティングロッド、６…リング試験片、７…ブロック試験片、８…潤滑油、９…ステージ、１０…ダイヤモンド圧子
【図１】
2018105273.tif 000003
【図２】
2018105273.tif 000004
【図３】
2018105273.tif 000005
【図４】
2018105273.tif 000006
【図５】
2018105273.tif 000007
【図６】
2018105273.tif 000008
【図７】
2018105273.tif 000009