(57)【要約】【課題】焼き付きやかじりを生じさせることなく、ロータとシリンダの最小隙間の幅設定値を小さくし、最小隙間のシール性向上による体積効率の向上と、それによる圧縮機の性能の向上を図るとともに、その高い性能を長期間維持することが可能な気体圧縮機を提供する。【解決手段】シリンダ楕円短径部４ａのシリンダ４内周が浸硫窒化処理による表面改質層４００からなる構造とする。これにより、シリンダ４とロータ８の最小隙間であるシリンダ楕円短径部４ａ付近のロータ周方向隙間Ｇ３においてシリンダ４とロータ８との接触が生じても、表面改質層４００によりシリンダ４とロータ８の焼き付きやかじりが確実に防止され、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値をさらに小さく設けることが可能となるものとする。【選択図】  図２
2004278309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳鉄製のシリンダと、
上記シリンダ内に回転可能に横架された鋼材製のロータと、
上記ロータの外周面から上記シリンダの内周面に向かって出没可能に設けられるとともに、上記シリンダとロータの間のシリンダ内空間を複数の小室に仕切るベーンと、
上記ベーンにより仕切られた小室からなるとともに、上記ロータの回転により容積の大小変化を繰り返し、この容積変化により冷媒ガスを吸入、圧縮し吐出する圧縮室とを有し、
上記シリンダの内周と上記ロータの外周の双方またはそのいずれか一方が、浸硫窒化処理または浸硫処理により改質してなる表面改質層からなること
を特徴とする気体圧縮機。
【請求項２】
上記シリンダは内周が楕円状に形成され、
上記シリンダ内周全体のうち、少なくとも該シリンダ楕円短径部のシリンダ内周が上記表面改質層からなること
を特徴とする気体圧縮機。
【請求項３】
上記ロータは断面真円形状に形成され、
上記シリンダは内周が略楕円状に形成されるとともに、そのシリンダ楕円短径部のシリンダ内周部分に、上記ロータの外周面と同様の真円の円弧面が形成されてなり、
上記シリンダ内周全体のうち、少なくとも上記真円の円弧面を含む上記シリンダ楕円短径部のシリンダ内周が上記表面改質層からなること
を特徴とする気体圧縮機。
【請求項４】
内周略楕円状に形成された鋳鉄製のシリンダと、
上記シリンダ内に回転可能に横架された鋼材製のロータと、
上記ロータの外周面から上記シリンダの内周面に向かって出没可能に設けられるとともに、上記シリンダとロータの間のシリンダ内空間を複数の小室に仕切るベーンと、
上記ベーンにより仕切られた小室からなるとともに、上記ロータの回転により容積の大小変化を繰り返し、この容積変化により冷媒ガスを吸入、圧縮し吐出する圧縮室とを有し、
上記シリンダの内周または上記ロータの外周が、浸硫窒化処理または浸硫処理により改質してなる表面改質層からなり、
上記シリンダの楕円短径部における該シリンダと上記ロータの隙間設定値の最小値が、下記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値の総和より小さいこと
を特徴とする気体圧縮機。
＜Ａ＞：  Ａは、上記ロータの軸心に一体に設けたロータ軸を支持する軸受穴の最大径から該ロータ軸の最小径を引いた値である。
＜Ｂ＞：  Ｂは、気体圧縮機の運転中に上記シリンダの楕円短径部が径方向に弾性変形するときの最大弾性変形量である。
＜Ｃ＞：  Ｃは、気体圧縮機の運転中に上記ロータが上記ロータ軸を支点として径方向に弾性変形するときの最大弾性変形量である。
＜Ｄ＞：  Ｄは、気体圧縮機の運転中に上記ロータが径方向に熱変形するときの最大熱変形量から、気体圧縮機の運転中に上記シリンダ楕円短径部が径方向に熱変形するときの最大熱変形量を引いた値である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーエアコンシステムやＧＨＰシステム等の空調システムに用いられるベーンロータリー式の気体圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＨＰシステム等の空調システムでは、オゾン層破壊防止のための冷媒の変更に伴う効率低下を防止する対策や、地球温暖化防止のための省動力化が要望されている。このため、空調システムに用いるベーンロータリー式の気体圧縮機についてもその性能を向上させる必要性が高まっている。
【０００３】
図９は、従来のベーンロータリー式の気体圧縮機の構造例を示した断面図である。同図の気体圧縮機は、内周略楕円形状のシリンダ４内に断面真円形状のロータ８が回転可能に横架され、そのロータ８の外周面からシリンダ４の内周面に向かって出没可能なベーン１３を複数具備する構造となっている。そして、ベーン１３によりシリンダ４とロータ８の間のシリンダ内空間が複数の小室に仕切られ、この仕切られた小室が圧縮室１４として機能する。すなわち、圧縮室１４は、ロータ８の回転により容積の大小変化を繰り返し、この容積変化により冷媒ガスの吸入、圧縮、吐出という一連の動作を行なう。
【０００４】
上記のような構造からなるベーンロータリー式の気体圧縮機の性能を向上させる手段としては、次の（１）〜（４）等の方式が提案・実施化されている。
【０００５】
（１）ロータ８とシリンダ４の最小隙間、具体的にはシリンダ楕円短径部４ａにおけるロータ８とシリンダ４の隙間Ｇ３（以下、ロータ周方向隙間という。）についての隙間設定値の最小値（ＭＴＣ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｔｏｐ  Ｃｌｅａｒａｎｃｅ））を小さくし、これにより内部リークを抑制し、体積効率の向上を図る。
【０００６】
尚、内部リークとは、容積減少により圧縮され高温・高圧化した冷媒ガスを含んでいる圧縮室１４‐１（最高圧部）から、ロータ周方向隙間Ｇ３を介して吸入室（図示省略）等の低圧部側へ、高温・高圧の冷媒ガスがリークするという現象等をいう。
【０００７】
（２）ベーン１３底部側、具体的にはベーン１３底部とベーン溝１２底部との間の隙間空間Ｇ１（以下、ベーン底部隙間空間という。）にはオイルによるベーン背圧が供給されるが、このベーン背圧を下げることにより、ベーン１３先端部のシリンダ４内周面への押付け力を低下させ、ベーン１３の摺動抵抗を減らし、動力の低減を図る。
【０００８】
（３）冷媒ガスの吸入流路や吐出流路における抵抗を少なくすることにより、体積効率を向上させるとともに動力を低減する。
【０００９】
（４）気体圧縮機からそれ以外の空調システム構成要素側へのオイルの流出を低下させるとともに、気体圧縮機内部の隙間部、具体的にはロータ周方向隙間Ｇ３等へのオイルの供給量を増やし、オイルシールによってロータ周方向隙間Ｇ３等を介する内部リークを抑制し、体積効率を向上させる。
【００１０】
図９に示す構造のベーンロータリー式の気体圧縮機では、特に、上記（１）のロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値が気体圧縮機の性能の良悪を大きく左右する要因となる。これは、ロータ周方向隙間Ｇ３の部分が最高圧部と最低圧部の境界となるため、ロータ周方向隙間Ｇ３の部分で内部リークが発生しやすく、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値の如何によって、内部リーク量が変わってくるためである。すなわち、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値が小さければ、それだけロータ周方向隙間Ｇ３を介する内部リーク量が減り、体積効率が向上する。一方、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値が大きければ、それだけロータ周方向隙間Ｇ３を介する内部リーク量が増え、体積効率が低下する。
【００１１】
したがって、ロータ８とシリンダ４との最小隙間（ロータ周方向隙間Ｇ３）のシール性向上による体積効率の向上と、それによる圧縮機の性能の向上を図るという観点から見る限りは、ロータ周方向隙間Ｇ３はできる限り小さい方が望ましい。
【００１２】
しかし、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値を小さくしすぎると、気体圧縮機の過酷な運転状況下、例えば、真夏の炎天下において気体圧縮機をフル稼働運転した場合等に不具合が生じる。
【００１３】
すなわち、過酷な運転時と定常運転時とでは、特に過酷な運転時において、ロータ８の軸心に一体に設けられたロータ軸７の軸振れ量が大となることや、ロータ８およびシリンダ４の径方向の弾性変形や熱変形との関係からロータ周方向隙間Ｇ３が狭くなるため、過酷な運転時の方がロータ周方向隙間Ｇ３の部分でロータ８とシリンダ４の接触が生じやすくなり、その接触による焼き付きやかじりが発生するという問題が生じる。
【００１４】
そこで、従来は、上記のような焼き付きやかじりを防止する手段として、図９に示した通り、▲１▼ロータ８の外周面を銅または鉛等のメッキ６０でコーティングするか、または、図示は省略するが、▲２▼ロータ８の外周面をフッ素樹脂等の化成被膜でコーティングするものとしている。（上記▲１▼の例については特許文献１参照。上記▲２▼の例については特許文献２参照。）
【００１５】
しかしながら、上記のようなメッキ６０や化成被膜のコーティング層は基本的に剥れやすい。特に、フッ素樹脂のコーティング層はその材質そのものが柔らかいため、気体圧縮機の過酷な運転時にシリンダとの繰り返しの接触で徐々に摩耗し薄くなる。コーティング層が薄くなると、該コーティング層による焼き付きやかじりの防止効果が低下し、ロータ８とシリンダ４の焼き付きやかじりが発生しやすくなるという問題が生じる。これに加えてさらに、コーティング層が薄くなった分だけロータ周方向隙間Ｇ３が広がるため、ロータ周方向隙間Ｇ３を介する内部リーク量が増え、体積効率が低下し、圧縮機の性能が悪化するという問題も生じる。
【００１６】
【特許文献１】
特開昭６０‐３４５８９号公報
【００１７】
【特許文献２】
特開昭６０‐４７８７号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、焼き付きやかじりを生じさせることなく、ロータとシリンダとの最小隙間の幅設定値を小さくし、最小隙間のシール性向上による体積効率の向上と、それによる圧縮機の性能の向上を図るとともに、その高い性能を長期間維持することが可能な気体圧縮機を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、鋳鉄製のシリンダと、上記シリンダ内に回転可能に横架された鋼材製のロータと、上記ロータの外周面から上記シリンダの内周面に向かって出没可能に設けられるとともに、上記シリンダとロータの間のシリンダ内空間を複数の小室に仕切るベーンと、上記ベーンにより仕切られた小室からなるとともに、上記ロータの回転により容積の大小変化を繰り返し、この容積変化により冷媒ガスを吸入、圧縮し吐出する圧縮室とを有し、上記シリンダの内周と上記ロータの外周の双方またはそのいずれか一方が、浸硫窒化処理または浸硫処理により改質してなる表面改質層からなることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明では、シリンダとロータの最小隙間部においてシリンダとロータが接触した場合に、表面改質層によりそのシリンダとロータの接触による焼き付きやかじりが防止される。
【００２１】
本発明において、上記シリンダは内周が楕円状に形成され、上記シリンダ内周全体のうち、少なくとも該シリンダ楕円短径部のシリンダ内周が上記表面改質層からなる構造を採用してもよい。
【００２２】
また、本発明において、上記ロータは断面真円形状に形成され、上記シリンダは内周が略楕円状に形成されるとともに、そのシリンダ楕円短径部のシリンダ内周部分に、上記ロータの外周面と同様の真円の円弧面が形成されてなり、上記シリンダ内周全体のうち、少なくとも上記真円の円弧面を含む上記シリンダ楕円短径部のシリンダ内周が上記表面改質層からなる構造を採用することもできる。
【００２３】
本発明は、内周略楕円状に形成された鋳鉄製のシリンダと、上記シリンダ内に回転可能に横架された鋼材製のロータと、上記ロータの外周面から上記シリンダの内周面に向かって出没可能に設けられるとともに、上記シリンダとロータの間のシリンダ内空間を複数の小室に仕切るベーンと、上記ベーンにより仕切られた小室からなるとともに、上記ロータの回転により容積の大小変化を繰り返し、この容積変化により冷媒ガスを吸入、圧縮し吐出する圧縮室とを有し、上記シリンダの内周または上記ロータの外周が、浸硫窒化処理または浸硫処理により改質してなる表面改質層からなり、上記シリンダの楕円短径部における該シリンダと上記ロータの隙間設定値の最小値が、下記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値の総和より小さいことを特徴とするものである。
＜Ａ＞：  Ａは、上記ロータの軸心に一体に設けたロータ軸を支持する軸受穴の最大径から該ロータ軸の最小径を引いた値である。
＜Ｂ＞：  Ｂは、気体圧縮機の運転中に上記シリンダの楕円短径部が径方向に弾性変形するときの最大弾性変形量である。
＜Ｃ＞：  Ｃは、気体圧縮機の運転中に上記ロータが上記ロータ軸を支点として径方向に弾性変形するときの最大弾性変形量である。
＜Ｄ＞：  Ｄは、気体圧縮機の運転中に上記ロータが径方向に熱変形するときの最大熱変形量から、気体圧縮機の運転中に上記シリンダ楕円短径部が径方向に熱変形するときの最大熱変形量を引いた値である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る気体圧縮機の実施形態について図１ないし図８を基に詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施形態である気体圧縮機の断面図である。同図の気体圧縮機は、一端開口型コンプレッサケース１内に圧縮機構部２を収納し、該コンプレッサケース１の開口端にフロントヘッド３を取り付けてなる、いわゆるシェル構造を採用している。
【００２６】
圧縮機構部２は内周略楕円状のシリンダ４を有し、シリンダ４のフロント側とリア側の端面にはサイドブロック５、６がそれぞれ取り付けられ、また、シリンダ４の内側には断面真円形状のロータ８がロータ軸７を介して回転可能に横架されている。シリンダ４は鋳鉄で作製され、ロータ８は浸炭焼入れ鋼等の鋼材で作製されている。
【００２７】
ロータ軸７はロータ８の軸心に一体に設けられ、かつ、フロント側およびリア側のサイドブロック５、６に設けた軸受９、１０を介して支持されている。この両サイドブロック５、６の軸受９、１０はそれぞれのサイドブロック５、６の表裏面を貫通する軸受穴から構成されている。
【００２８】
ロータ軸７のフロント側端部７Ｆは、フロント側サイドブロック５の軸受９からフロントヘッド３を貫通し該フロントヘッド３のボス部３‐１中央から外部へ突出する構造となっている。尚、フロントヘッド３を貫通するロータ軸７の周面側にはシール部材１１が設けられ、このシール部材１１によりフロントヘッド３の内側と外部とが遮断されている。
【００２９】
図２に示したように、シリンダ４の楕円短径部４ａではそのシリンダ４内周面がロータ８外周面と同様の真円の円弧面となっており、本実施形態では、このような真円の円弧面を含むシリンダ楕円短径部４ａのシリンダ内周が表面改質層４００からなる構造を採用している。
【００３０】
表面改質層４００は母材であるシリンダ４の内周表面を浸硫窒化処理により改質したものであって、この改質によりシリンダ４内周は、その表面から順に１〜５μｍの硫化物層４００‐１、５〜２５μｍの窒化化合物層４００‐２、３０〜３００μｍの窒素拡散層４００‐３という３層構造をなしている。この３層構造の部分全体が表面改質層４００である。
【００３１】
最上層の硫化物層４００‐１は主としてＦｅＳという化合物成分からなり、固体潤滑作用を有し、耐焼付き性の向上に寄与する。本実施形態の場合、この硫化物層４００‐１がシリンダ４内周の最表面（浸硫窒化処理の被処理面）にあってロータ８の外周と直接対向している。中間層の窒化化合物層４００‐２は主としてＦｅ３Ｎという化合物成分からなり、耐磨耗性の向上に寄与する。最下層の窒素拡散層４００‐３はシリンダ４の母材である鋳鉄成分中に窒素成分が拡散している層であって、母材強度の向上に寄与する。
【００３２】
上記表面改質層４００によりシリンダ４とロータ８が焼き付き難くなる。これは、▲１▼表面改質層４００の硫化物層４００‐１それ自体の潤滑作用と、▲２▼表面改質層４００全体により同種金属同士の接触が回避されることと、▲３▼表面改質層４００の主に窒素拡散層４００‐３によりシリンダ４内周とロータ８外周の硬度のバランスがよくなることとの相乗効果であると考えられる。
【００３３】
すなわち、硫化物層４００‐１はオイルの中の油性剤と極圧剤のような役割を果たしている。例えば、シリンダ４とロータ８の間の油膜が何らかの原因（過負荷、高温またはオイル供給不足など）で切れた場合に、この硫化物層４００‐１がその油膜の代わりになる。
【００３４】
シリンダ４の母材である鋳鉄とロータ８の構成材である鋼材とは同種金属と考えられるが、このような同種金属同士の接触がこの表面改質層４００により回避される。
【００３５】
一般に、金属同士が摺接すると基本的に硬度の低い金属の方が摩耗する。鋳鉄からなるシリンダ４は浸炭焼入れ鋼からなるロータ８と比較して硬度が低い。実際のシリンダ４とロータ８の焼付き状態をいくつか見てみると殆どのケースでシリンダ４の方に掘り起こし現象が発生している。本実施形態では、浸硫窒化処理によりシリンダ４内周が硬化し、その硬度が高くなることから、シリンダ４とロータ８の硬度バランスが取れ、シリンダ４側に掘り起こし現象の発生する割合が減り、シリンダ４とロータ８が焼き付き難くなると考えられる。
【００３６】
上記の如くシリンダ楕円短径部４ａのシリンダ内周表面のみに浸硫窒化処理を施したのは、そのシリンダ楕円短径部４ａ付近では、ロータ８とシリンダ４との間隔が最も狭く、ロータ８の外周面がシリンダ４の内周面に接触して、焼き付きやかじりといった現象が発生しやすいためである。
【００３７】
したがって、焼き付き等の防止を図るという観点からすれば、少なくともシリンダ楕円短径部４ａのシリンダ内周表面に浸硫窒化処理が施されていれば足りるが、シリンダ４の内周表面全体に浸硫窒化処理を施してもよい。この場合はシリンダ楕円短径部４ａのシリンダ内周表面以外の部分をマスキングする等の作業を省略することができ、作業能率が向上しうる。
【００３８】
図２に示したように、ロータ８の外周面にはスリット状のベーン溝１２が５つ切り込み形成され、これらのベーン溝１２にそれぞれ１枚ずつベーン１３が摺動可能に装着されている。このベーン１３底部とベーン溝１２底部との間の隙間Ｇ１（以下、ベーン底部隙間空間という。）は、ベーン１３底部へオイルによるベーン背圧を供給するためのベーン背圧空間の一部を構成している。
【００３９】
上記各ベーン１３は、ロータ８の外周面からシリンダ４の内周面に向かって出没可能に設けられている。これらのベーン１３の先端がシリンダ４の内周面に押し付けられることによって、シリンダ４とロータ８の間のシリンダ内空間、すなわち１８０°対向する位置にある三日月型のシリンダ室がロータ８周方向に複数の小室として仕切られる。この仕切られた小室が圧縮室１４であり、圧縮室１４はロータ８が図中矢印Ｒの方向へ回転することにより容積の大小変化を繰り返し、この容積変化により冷媒ガスを吸入、圧縮して吐出するように構成されている。
【００４０】
すなわち、圧縮室１４の容積変化が生じると、その容積増加時に、吸入室１５内の低圧冷媒ガスが圧縮室１４へ吸入される。このような圧縮室１４への吸入動作は、フロント側サイドブロック５の吸入口（図示省略）やシリンダ４の吸入通路１６と連通するようにリア側サイドブロック６の端面に掘られた吸入口（図示省略）を介して行なわれる。
【００４１】
そして、圧縮室１４の容積が減少し始めると、その容積減少効果により圧縮室１４内の冷媒ガスが圧縮され始める。その後、圧縮された冷媒ガスの圧力がシリンダ４外部空間の吐出チャンバ１８側の圧力よりも高くなると、シリンダ４楕円短径部付近に位置するシリンダ吐出孔１９の吐出弁２０が開く。
【００４２】
上記のようにして吐出弁２０が開くと、圧縮室１４内の高圧冷媒ガスがシリンダ吐出孔１９からシリンダ４外部空間の吐出チャンバ１８側へ流出する。ベーン１３がシリンダ吐出孔１９を通過すると同時に、吐出弁２０を挟んだ次の圧縮室１４と吐出チャンバ１８との圧力差が逆転し吐出弁２０が閉じる。
【００４３】
吐出チャンバ１８側へ流出した高圧冷媒ガスは、シリンダ４やリア側サイドブロック６の吐出通路２５‐１、２５‐２を通り、リア側サイドブロック６に取り付けられている油分離器２１を経て、最後に吐出室２２へ吐出される。
【００４４】
吐出チャンバ１８内に吐出した高圧冷媒ガス中には、圧縮機構部２の摺動部の潤滑や隙間部のシールのためのオイルがミストの状態で含まれている。この高圧冷媒ガス中のオイル成分は油分離器２１の分離フィルタ２３で分離捕獲され、かつ、吐出室２２底部のオイル溜り２４に滴下し貯留される。
【００４５】
吐出室２２底部のオイル溜り２４にはその吐出室２２の高圧、すなわち圧縮室１４から吐出室２２内に吐出した高圧冷媒ガスの圧力Ｐｄ（以下、吐出圧力という。）が作用している。
【００４６】
オイル溜り２４のオイルは、圧縮機構部２の摺動部や隙間部、例えば、▲１▼軸受９、１０、▲２▼ベーン底部隙間空間Ｇ１、▲３▼ロータサイド隙間Ｇ２、▲４▼ロータ周方向隙間Ｇ３等へ供給される。尚、ロータサイド隙間Ｇ２とは、フロント側サイドブロック５またはリア側サイドブロック６とロータ８との間の隙間である。
【００４７】
ここで、圧縮機構部２の摺動部や隙間部へのオイルの供給手段について説明する。
【００４８】
圧縮機構部２には高圧オイル供給孔５０が設けられている。この高圧オイル供給孔５０は、その一端５０ａがオイル溜り２４側に開口し、その他端５０ｂがフロントおよびリア側サイドブロック５、６の軸受９、１０側に開口する構造であって、かつ、リア側サイドブロック６に穿設した孔５０‐１と、これと連通するようにシリンダ４に穿設した孔５０‐２と、これと連通するようにフロント側サイドブロック５に穿設した孔５０‐３とから構成されている。
【００４９】
したがって、本実施形態の気体圧縮機においては、この高圧オイル供給孔５０により、オイル溜り２４側からフロントおよびリア側サイドブロック５、６の軸受９、１０側へ吐出圧力Ｐｄ相当の高圧のオイルが供給され、このオイルによって軸受９、１０の潤滑が行なわれる。
【００５０】
ロータ８の端面と対向しているリア側サイドブロック６の内面にはサライ溝５１が設けられている。このサライ溝５１は、リア側サイドブロック６の軸受１０の周囲に形成され、かつ、その軸受１０のクリアランスに開口し連通する構造となっている。また、このサライ溝５１には、冷媒ガスの吸入行程から圧縮行程の時期に、ベーン溝１２底部側がその側面から対向し連通するように構成されている。このような構造からなるサライ溝５１については、フロント側サイドブロック５の内面にも同様に設けられている。
【００５１】
ロータ軸７のリア側端面７Ｒ側にはリア背圧空間５２が設けられている。このリア背圧空間５２は、油分離器２１およびリア側サイドブロック６の外壁の一部とロータ軸７のリア側端面７Ｒを含む壁面で形成されている。また、このリア背圧空間５２は、リア側サイドブロック６に穿設された中圧オイル供給孔５３を介して同リア側サイドブロック６のサライ溝５１に連通する構造となっている。
【００５２】
したがって、本実施形態の気体圧縮機においては、リア側サイドブロック６の軸受１０側へ供給されたオイルは、さらに同軸受１０のクリアランスを通過してリア側サイドブロック６のサライ溝５１側へ流出し供給されるとともに、同軸受１０のクリアランス、リア背圧空間５２、中圧オイル供給孔５３をその順に通過してサライ溝５１側へ流出し供給される。一方、フロント側サイドブロック５の軸受９側へ供給されたオイルは、同軸受９のクリアランスを通過してフロント側サイドブロック５のサライ溝５１側へ流出し供給される。
【００５３】
この際、軸受９または軸受１０のクリアランス通過時に、オイルは絞られ減圧される。これにより、フロントまたはリア側サイドブロック５、６のサライ溝５１側へ供給されるオイルの圧力は、いずれも軸受９、１０へ供給されるオイルの圧力より低く、吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの中間の圧力となる。以下、この中間の圧力のオイルを「中圧オイル」という。
【００５４】
そして、このサライ溝５１内の中圧オイルがベーン背圧としてベーン底部隙間空間Ｇ１へ供給される。このベーン底部隙間空間Ｇ１からベーン１３の底部に中圧オイルの圧力が作用する。ベーン１３にはロータ８の回転による遠心力も作用する。このようにベーン１３に作用する中圧オイルの圧力と遠心力により、ベーン１３はロータ８の外周面からシリンダ４の内周面に向かって飛び出る。
【００５５】
また、上記サライ溝５１内のオイルはロータサイド隙間Ｇ２にも流出し供給される。さらに、ベーン底部隙間空間Ｇ１へ供給されたオイルは、ベーン溝１２側面とベーン１３側面との間の摺動隙間（図示省略）を通り抜けてロータ８の外周面へ流出し、ロータ周方向隙間Ｇ３等に供給される。
【００５６】
尚、本実施形態の気体圧縮機では、内周略楕円形状のシリンダ４の中心に真円のロータ８を配置することで、ロータ軸７を中心として１８０°対向する位置に三日月型のシリンダ室が２つ形成される構造を採用している。このため、その双方のシリンダ室において冷媒ガスの吸入・圧縮・吐出という一連の動作を行なうことが可能となっている。また、本実施形態の気体圧縮機では、ロータ８にベーン１３を５枚配設しているため、ロータ８が１回転する間に一方の三日月型シリンダ室内では当該ベーン１３により仕切られた圧縮室１４が５回形成される。したがって、ロータ８が１回転する間に、一方の三日月型シリンダ室で冷媒ガスの吸入・圧縮・吐出という一連の動作が５回行われ、双方のシリンダ室で都合１０回行われる。このような構造との関係から、リア側サイドブロック６やフロント側サイドブロック５のサライ溝５１については、ロータ軸７を中心として１８０°対向する位置にそれぞれ１つずつ計２つ設けている。これと同様に吸入通路１６、吐出チャンバ１８、シリンダ吐出孔１９、吐出弁２０等についても、それぞれ２つずつ設けている。
【００５７】
次に上記の如く構成された本実施形態の気体圧縮機の動作について図１と図２を基に説明する。
【００５８】
図１および図２に示したように、本実施形態の気体圧縮機にあっては、その運転を開始すると、ロータ軸７と一体にロータ８が回転し、圧縮機構部２から吐出室２２側へ圧縮後の高圧冷媒ガスが吐出され、これにより吐出室２２の圧力が高くなる。
【００５９】
そうすると、オイル溜り２４のオイルが▲１▼軸受９、１０、▲２▼ベーン底部隙間空間Ｇ１、▲３▼ロータサイド隙間Ｇ２、▲４▼シリンダ楕円短径部４ａ付近のロータ周方向隙間Ｇ３等へ供給される。
【００６０】
ロータ周方向隙間Ｇ３にオイルが供給されると、その供給オイルによる油膜が該ロータ周方向隙間Ｇ３に形成され、この油膜によりロータ周方向隙間Ｇ３がシールされるとともに、その供給オイルによりロータ８とシリンダ４の潤滑が行なわれる。
【００６１】
また、ロータサイド隙間Ｇ２にオイルが供給されると、その供給オイルによる油膜がロータサイド隙間Ｇ２に形成され、この油膜によりロータサイド隙間Ｇ２がシールされるとともに、その供給オイルによるロータ８とシリンダ４の潤滑も行なわれる。
【００６２】
ところで、本実施形態の気体圧縮機においては、ロータ周方向隙間Ｇ３がロータ８とシリンダ４の最小隙間となる。したがって、このロータ周方向隙間Ｇ３の部分においてロータ８とシリンダ４の接触が生じやすい。ロータ８とシリンダ４が接触し、これによりロータ周方向隙間Ｇ３の油膜が破れたときに、シリンダ４の内周表面の表面改質層４００がその効果を発揮する。
【００６３】
すなわち、表面改質層４００の最上層は耐焼付き性の向上に寄与する硫化物層４００‐１であるから、ロータ周方向隙間Ｇ３の部分でロータ８とシリンダ４が接触しても、その接触による焼き付きやかじりは効果的に防止される。
【００６４】
また、この表面改質層４００は母材であるシリンダ４の内周表面を浸硫窒化処理により改質したものであるから、従来のフッ素樹脂コーティング層等のようにロータ８との接触で剥れ落ちることはない。
【００６５】
したがって、ロータ８とシリンダ４の接触による焼き付きやかじりを防止するという表面改質層４００の効果は長期間持続する。
【００６６】
以上のことから、本実施形態の気体圧縮機においては、ロータ８とシリンダ４の焼き付きやかじりといった問題との関係から従来採用できなかった構成、すなわちロータ周方向隙間Ｇ３についての隙間設定値の最小値を、以下の如く従来以上にさらに小さく設定することが可能となった。
【００６７】
すなわち、従来の気体圧縮機の場合には、ロータ周方向隙間Ｇ３についての隙間設定値の最小値は、下記Ａ〜Ｄという値の総和（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）より大きく設定されていた。これは、従来の技術で説明したメッキやフッ素樹脂等のコーティング層ではロータ８とシリンダ４の焼き付きやかじりを長期間効果的に防止することができず、焼き付きやかじりに対する信頼性が低いため、ロータ８とシリンダ４の接触を積極的に避ける必要があったためである。
【００６８】
それに対し、本実施形態の気体圧縮機の場合には、ロータ周方向隙間Ｇ３についての隙間設定値の最小値は、下記Ａ〜Ｄという値の総和（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）より小さく設定している。これは、本実施形態の気体圧縮機では、上述した表面改質層４００の採用により、ロータ８とシリンダ４の焼き付きやかじりを長期間効果的に防止することが可能となり、焼き付きやかじりに対する信頼性が向上したため、従来避けていたロータ８とシリンダ４の接触を積極的に許容できるようになったためである。
＜Ａ＞：
Ａは、ロータ軸７の最大軸振れ量、すなわちロータ軸７を支持する軸受穴（サイドブロック５、６の軸受９、１０）の最大径からロータ軸７の最小径を引いた値である。
＜Ｂ＞：
Ｂは、気体圧縮機の運転中にシリンダ楕円短径部４ａが径方向に弾性変形するときの最大弾性変形量である。
＜Ｃ＞：
Ｃは、気体圧縮機の運転中にロータ８がロータ軸７を支点として径方向に弾性変形するときの最大弾性変形量である。
＜Ｄ＞：
Ｄは、気体圧縮機の運転中にロータ８が径方向に熱変形するときの最大熱変形量から、気体圧縮機の運転中にシリンダ楕円短径部４ａが径方向に熱変形するときの最大熱変形量を引いた値である。
【００６９】
ところで、本実施形態で採用した表面改質層４００もロータ８との接触により摩耗することは避けられない。しかし、表面改質層４００の摩耗によるロータ周方向隙間Ｇ３の広がり量は、従来のフッ素樹脂コーティング層等が剥がれ落ちた場合のロータ周方向隙間Ｇ３の広がり量と較べれば極僅かであるから、ロータ周方向隙間Ｇ３を介する内部リーク量が極端に増えることはなく、体積効率の低下も極僅かで済み、気体圧縮機の性能の低下が問題となることはない。
【００７０】
以上説明した通り、本実施形態の気体圧縮機によると、シリンダ楕円短径部４ａのシリンダ４内周が浸硫窒化処理による表面改質層４００からなる構造を採用した。このため、過酷な運転状況下で、シリンダ４とロータ８の最小隙間、すなわちシリンダ楕円短径部４ａ付近のロータ周方向隙間Ｇ３においてシリンダ４とロータ８との接触が生じても、表面改質層４００によりシリンダ４とロータ８の焼き付きやかじりが防止される。また、この表面改質層４００は従来のフッ素樹脂コーティング層等のように剥れ落ちることはなく、焼き付きやかじりの防止という表面改質層４００の効果は長期間持続するから、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値をこれまで以上に小さくすることが可能となる。よって、焼き付きやかじりを生じさせることなく、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値を小さくすることができ、これにより、ロータ周方向隙間Ｇ３のシール性向上による体積効率の向上と、それによる圧縮機の性能の向上を図ることができるとともに、その高い性能を長期間維持することが可能である。
【００７１】
上記実施形態では、シリンダ４の内周が表面改質層４００からなる構造を採用したが、これに代えて、ロータ８の外周を浸硫窒化処理で改質することにより、そのロータ８の外周が上記のような表面改質層からなる構造を採用することもできる。この構造の場合はロータ８の外周全体を改質する必要がある。ロータ８の外周はどの部分もシリンダ楕円短径部におけるシリンダ４の内周と接触する可能性があるからである。また、前述の浸硫窒化処理に代えて浸流処理を行なってもよい。
【００７２】
ロータ８の外周に浸硫窒化処理または浸流処理を施すと、ロータ８とシリンダ４の硬度差が大きくなるものの、その処理によりロータ８外周に形成される硫化物層それ自体の潤滑作用と、その硫化物層を含むロータ８外周の表面改質層がロータ８とシリンダ４の直接接触を回避することとにより、ロータ８とシリンダ４の焼き付きが防止される。
【００７３】
さらに、シリンダの内周とロータの外周の双方が上述の表面改質層４００からなる構造を採用してもよい。この構造の場合も表面改質層４００は浸硫窒化処理によるものと浸硫処理によるものを適用することができる。
【００７４】
また、上記実施形態において鋳鉄製のシリンダ４を採用した理由は、冷媒ガスの吐出抵抗となるデットボリューム要因、具体的にはシリンダ吐出孔１９という冷媒ガス吐出流路の流路長をできるだけ短くするためでもある。
【００７５】
すなわち、アルミ合金製のシリンダ４を用いる方法も考えられる。しかし、アルミ合金は鋳鉄に比し強度が低いので、アルミ合金製のシリンダではシリンダ強度の確保という観点からシリンダ楕円短径部４ａ付近の肉厚を厚くしなければならない。そうすると、シリンダ楕円短径部４ａを貫通しているシリンダ吐出孔１９の流路長もその肉厚増加分だけ必然的に長くならざるを得ず、その結果、シリンダ吐出孔１９を介して吐出される高圧冷媒ガスの吐出抵抗が大きくなり、単位時間当たりの高圧冷媒ガスの吐出量が減少し、体積効率が悪くなり、気体圧縮機の性能の低下という問題が生じる。
【００７６】
そこで、上記実施形態の気体圧縮機では、鋳鉄製のシリンダ４を採用し、シリンダ楕円短径部４ａ付近を強度の限界まで薄肉化することにより、アルミ合金製のシリンダに比し短い流路長のシリンダ吐出孔１９が設けられるものとし、これにより冷媒ガスの吐出抵抗を低減し、体積効率の向上と気体圧縮機の性能の向上が図れるようにしている。
【００７７】
図３は、▲１▼浸硫窒化処理を施した鋳鉄製シリンダ（以下、浸硫窒化処理シリンダという。）、▲２▼浸硫処理を施した鋳鉄製シリンダ（以下、浸硫処理シリンダという。）、▲３▼無処理の鋳鉄製シリンダ（以下、無処理シリンダという。）、▲４▼鋼材製ロータを試験対象とし、それぞれの硬さを測定したときの測定データの説明図である。
【００７８】
この図３の硬さ測定データによると、浸硫窒化処理シリンダと浸硫処理シリンダは、いずれも無処理シリンダに比し硬く、また鋼材製ロータと比較してもそれより硬いことが分かる。その硬さは、具体的には無処理シリンダについては２３０ＨＶ前後という結果が得られ、浸硫窒化処理シリンダについては４３０ＨＶ前後、浸硫処理シリンダについては９４０ＨＶ前後という結果が得られた。尚、鋼材製ロータの硬さは７００ＨＶ前後であった。
【００７９】
図４〜図６は、いずれもファレックス試験によるシリンダとロータの焼き付き試験を行なったときの試験データの説明図である。
【００８０】
尚、このファレックス試験では試験対象物どうしを互いに押し付けて擦り合わせるが、その押し付け荷重を１５０ｌｂｓとしたものが図４の試験データ、１７０ｌｂｓとしたものが図５の試験データ、２００ｌｂｓとしたものが図６の試験データである。
【００８１】
また、この焼き付き試験においては、▲１▼浸硫窒化処理シリンダと鋼材製ロータの組み合わせ、▲２▼浸硫処理シリンダと鋼材製ロータとの組み合わせ、および▲３▼無処理シリンダと鋼材製ロータの組み合わせを試験対象とし、それぞれについて焼き付き試験を行なった。
【００８２】
荷重を１５０ｌｂｓのときの焼き付き試験データ（図４）をみると、▲３▼無処理シリンダと鋼材製ロータの組み合わせでは、試験開始から２．５分程度で焼き付いてしまったが、▲１▼浸硫窒化処理シリンダと鋼材製ロータの組み合わせや、▲２▼浸硫処理シリンダと鋼材製ロータとの組み合わせの場合は、試験開始から５０分を超えても焼き付かず、非常に焼き付きにくいものであることが分かる。
【００８３】
荷重を１７０ｌｂｓまたは２００ｌｂｓとしたときの焼き付き試験データの焼き付き試験データ（図５または図６）をみると、▲１▼浸硫窒化処理シリンダと鋼材製ロータの組み合わせと、▲２▼浸硫処理シリンダと鋼材製ロータとの組み合わせとでは、前者の方が焼き付くまでの時間が長く、非常に焼き付きにくいものであることが分かる。
【００８４】
図７は、ロータ周方向隙間と動力効率との相関関係を示した実験データとそのグラフの説明図、図８は、ロータ周方向隙間と体積効率との相関関係を示した実験データとそのグラフの説明図である。尚、その両者とも、本実験対象機である気体圧縮機のロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値は、従来の気体圧縮機におけるロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値との比較割合で表すものとした。図中の％がその割合であり、１００％のところが従来の気体圧縮機のロータ周方向隙間Ｇ３に相当する。
【００８５】
図７の動力効率に関するグラフと図８の体積効率に関するグラフから分かるように、ロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値が従来に比し小さくなるのに従い、気体圧縮機の動力効率や体積効率はいずれも向上している。しかし、その動力効率や体積効率の向上にはピークがあり、このピークを越えると動力効率や体積効率の低下が生じることが分かる。
【００８６】
例えば、回転数１５００ｒｐｍでは、ロータ周方向隙間Ｇ３が４０％を少し越えた付近Ｐ２において、気体圧縮機の体積効率は最大となる。その付近Ｐ２を越えてさらにロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値を小さくしていくと、体積効率は徐々に低下する。また、回転数１５００ｒｐｍでは、ロータ周方向隙間Ｇ３が５０％を少し越えた付近において、気体圧縮機の動力効率は最大となる。その付近を越えてさらにロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値を小さくしていくと、動力効率は徐々に低下する。これはロータ周方向隙間Ｇ３の幅設定値が小さくなりすぎると、ロータ８とシリンダ４との接触による摩擦力の影響が顕著となり、動力損失が大きくなるためであると考えられる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係る気体圧縮機にあっては、上記の如くシリンダの内周またはロータの双方またはそのいずれか一方が、浸硫窒化処理または浸硫処理により改質してなる表面改質層からなる構造を採用したものである。このため、気体圧縮機の過酷な運転状況下で、シリンダとロータの最小隙間部においてシリンダとロータが接触するような事態が生じても、表面改質層によりシリンダとロータの焼き付きやかじりが防止され、また、この表面改質層は従来のフッ素樹脂コーティング層等のように剥れ落ちることはなく、焼き付きやかじりの防止という表面改質層の効果は長期間持続するから、シリンダとロータの最小隙間部の幅設定値をこれまで以上に小さくすることが可能となる。よって、焼き付きやかじりを生じさせることなく、ロータとシリンダとの最小隙間の幅設定値を小さくし、最小隙間のシール性向上による体積効率の向上と、それによる圧縮機の性能の向上を図るとともに、その高い性能を長期間維持するのに好適な気体圧縮機を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である気体圧縮機の断面図。
【図２】図１のＡ‐Ａ線断面図。
【図３】シリンダとロータの硬さ測定データの説明図。
【図４】焼き付き試験（荷重：１５０ｌｂｓ）の試験データの説明図。
【図５】焼き付き試験（荷重：１７０ｌｂｓ）の試験データの説明図。
【図６】焼き付き試験（荷重：２００ｌｂｓ）の試験データの説明図。
【図７】ロータ周方向隙間と動力効率との相関関係の説明図。
【図８】ロータ周方向隙間と体積効率との相関関係の説明図。
【図９】従来のベーンロータリー式の気体圧縮機の構造例を示した断面図。
【符号の説明】
１  コンプレッサケース
２  圧縮機構部
３  フロントヘッド
３‐１  ボス部
４  シリンダ
４ａ  シリンダ楕円短径部
５  フロント側サイドブロック
６  リア側サイドブロック
７  ロータ軸
７Ｆ  ロータ軸のフロント側端部
７Ｒ  ロータ軸のリア側端面
８  ロータ
９  フロント側サイドブロックの軸受
１０  リア側サイドブロックの軸受
１１  シール部材
１２  ベーン溝
１３  ベーン
１４  圧縮室
１５  吸入室
１６  吸入通路
１８  吐出チャンバ
１９  シリンダ吐出孔
２０  吐出弁
２１  油分離器
２２  吐出室
２３  分離フィルタ
２４  オイル溜り
２５‐１  シリンダの吐出通路
２５‐２  リア側サイドブロックの吐出通路
５０  高圧オイル供給孔
５０‐１、５０‐２、５０‐３  孔
５０ａ  高圧オイル供給孔の一端
５０ｂ  高圧オイル供給孔の他端
５１  サライ溝
５２  リア背圧空間
５３  中圧オイル供給孔
６０  メッキ
４００  表面改質層
４００‐１  硫化物層
４００‐２  窒化物層
４００‐３  窒素拡散層
Ｇ１  ベーン底部隙間空間
Ｇ２  ロータサイド隙間
Ｇ３  ロータ周方向隙間
Ｐｄ  吐出圧力
Ｐｓ  吸入圧力
Ｒ  ロータ回転方向
【図１】
2004278309.tif 000003
【図２】
2004278309.tif 000004
【図３】
2004278309.tif 000005
【図４】
2004278309.tif 000006
【図５】
2004278309.tif 000007
【図６】
2004278309.tif 000008
【図７】
2004278309.tif 000009
【図８】
2004278309.tif 000010
【図９】
2004278309.tif 000011