(57)【要約】【課題】ＨＦＣ、ＨＦＣ冷媒用の圧縮機において、十分な耐摩耗性と衝撃性を有するベーン材を備えた冷媒圧縮機を提供する。【解決手段】ベーンの先端部３１にはイオンプレーティング法による物理蒸着膜３２が存在し、ベーン先端部３１とローラ７の外周との過酷な運転条件による摩耗を押さえ、さらにベーン先端部３１の物理蒸着膜３２をローラ７の回転方向に対しイオンプレーティング層３２の中央部とローラ７の摺動範囲ｐの端部  の膜厚を一定の範囲内にし、さらにローラ７の外周面との間で摺動するベーン先端長手方向のイオンプレーティング膜厚の変化を最小限にし、ローラ７外周への摩耗を押さえることができ、その後ベーン側面３３には窒化層３４が形成され、ベーン側面の窒化層３４とシリンダ溝との間の耐摩耗性を確保するように製造されたベーンを提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベーンの先端部のみにイオンプレーティグによるＰＶＤ皮膜が形成され、該皮膜の膜厚はローラの回転方向に対し、ベーンの該摺接面の中央で最大であり、摺接面の両端に向かって徐々に薄くなり、  該イオンプレーティング層が０．９５Ｄ＜ｄの関係を有し、ここでＤはベーン先端中央部の最大膜厚、ｄはベーン先端と摺動するローラの実質摺動長さの両端部の膜厚を示すものであることを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項２】
ローラ外周Ｒ部分と摺接するベーン先端長手方向の両端部の皮膜厚さが、長手方向中央部に対して１．０μｍ以内の皮膜厚さの変化に留めた皮膜成形工法を採用したベーンであることを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項３】
ベーンは合金鋼であり、ベーン先端にはまずイオンプレーティング膜が形成され、その後ベーンを窒化することにより、ベーン側面に窒化層を確保し、ベーン側面と摺動するシリンダの溝部との摩耗をおさえたことを特徴とする、上記請求項１および２に記載の冷媒圧縮機。
【請求項４】
ベーンは合金鋼であり、ベーン全面に窒化処理を施し、その後ベーン先端部にのみイオンプレーティング膜を形成させたことを特徴とする、上記請求項１および２に記載の冷媒圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として業務用および家庭用の冷凍空調に使用されるＨＣＦＣおよびＨＦＣ冷媒用の冷媒圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷媒圧縮機としては、ベーンはハイス系の焼結品あるいは高速度鋼を使用していることを特徴とするものであった。
【０００３】
従来の冷媒圧縮機として代表的な例はロータリ圧縮機であり、これを図１は、従来および本発明の実施の形態１における冷媒圧縮機の機構部の縦断面図、図２はその圧縮機構の要部を示す横断面図である。
【０００４】
図１および図２において１は密閉容器であり、電動機部２と圧縮機構部３が配置されている。電動機部２は回転子２ａと固定子２ｂから構成され、回転子２ａには主軸受９と副軸受１０により回転自在に支持されたシャフト８が圧入等の方法により固定されている。圧縮機部３は吸入孔５および径方向のシリンダ溝２３を有するシリンダ２０と、外周面をシリンダ２０の内周面に摺動しながら偏芯回転するローラ７と、ローラ７の内周面に摺動自在に挿入されたシャフト８の偏芯部と、シリンダ溝２３に往復摺動自在に収納されてスプリング２４による押圧力と背圧（吐出圧）により先端部がローラ７に押し付けられてシリンダ内部空間を吸入室２５と圧縮室２６に分割するベーン２１と、シリンダ両端面を密閉する主軸受９および副軸受１０とから構成されている。
【０００５】
次に、本構成によるロータリ圧縮機の動作を説明する。電動機部２に外部から通電することにより回転子が回転してシャフト８が回転駆動される。シャフト８が回転すると偏芯部に摺動自在に取り付けられたローラ７がシリンダ内周面に摺接しながら遊星運動（図２で反時計方向回転）を行う。その結果、ＨＦＣなどの冷媒ガスが吸入管４から吸入孔５を介して吸入室２５に吸い込まれ、同時に圧縮室２６で圧力を上げられた冷媒ガスが吐出切り欠き２２から吐出孔６を通して密閉容器１内に吐出される。
【０００６】
なお、図１では見やすくするために吐出孔６の位置を吸入孔から離れた位置に描いたが、実際には図２に示すようにベーン２１を挟んで吸入孔５の近くに配置されている。
【０００７】
この時、吸入室２５と圧縮室２６とを仕切るベーン２１はスプリング２４とベーン背部にかかる圧力によりローラ７の外周面に押し付けられており、先端部がローラ７の外周面と、側面部がシリンダ溝２３の内壁面と摺動することになる。ベーン２１とローラ７およびシリンダ溝２３の潤滑は定常運転状態では密閉容器底部に貯留されている潤滑油１２を使って行われるが、始動時には摺動部に十分な潤滑油が存在しておらず、吸入された冷媒ガスに僅かながら含まれている潤滑油１２（潤滑油は僅かではあるが冷媒ガスと共に圧縮機から吐出され、冷凍サイクルを循環した後、再び吸入管４から圧縮機に戻ってくる）が使われることになる。
【０００８】
前記ベーン２１は、一般にハイス系焼結品あるいは高速度鋼材が使用されているが、前述のように、密閉型ロータリ圧縮機の始動時における摺動条件は潤滑油が十分に供給されない厳しいものであり、特にベーンとシリンダ溝の間は往復運動となるため油膜が形成されにくいため更に厳しい摺動条件であるということがいえる。また、近年環境対策のために採用されているＨＦＣ冷媒はそれ自身に潤滑性が乏しいので、ＨＦＣ冷媒を使用したロータリ圧縮機の摺動条件は特に厳しいものであるといえる。
【特許文献１】特開平０９−０９６２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の構成では、ベーン材はハイス系焼結品あるいは高速度鋼が使用されているが、近年高温、高圧運転条件で使用される圧縮機、あるいはＨＦＣ冷媒下における過酷な潤滑条件下で運転される圧縮機においては、ベーンの表面は鋼材では耐摩耗性が劣り十分な保証が難しくなってきている。
【００１０】
上記運転条件下におけるベーンの信頼性を向上するために、従来は鋼材を窒化した後、ローラ外周と摺接するベーン先端部にＰＶＤ処理を施す方法が用いられてきた。しかしながらベーン先端部に施されたＰＶＤコーティング膜厚は、図３に示すベーン先端部のＲ方向３６および長手方向３５のそれぞれで均一な厚さではないという特性をもっているため、特にローラとベーン間の圧縮機メカ信頼性に及ぼす影響が小さくないという問題がある。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、上記それぞれの方向の膜厚を均一化することを規定することにより、耐摩耗に優れた信頼性の高い冷媒圧縮機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】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明のベーン材はべーン先端にイオンプレーティング法によるＰＶＤ膜を形成させ、さらにはベーンを窒化することによりベーン側面の耐摩耗性も十分確保した上で、ベーン先端のＰＶＤコーティング被膜の厚さに対する規定を明確にした圧縮機である。本構成により、耐摩耗性の優れた信頼性の高い冷媒圧縮機を提供することができる。
【００１３】
本発明の請求項１に記載の発明は、円筒形状の内周面を有するシリンダと、前記シリンダ内周面に外周面を接しながら偏芯自在かつ出没可能に挿入されたベーンとからなり、前記ベーンが先端部をローラの外周面に摺接するようにスプリングによって付勢されてシリンダ内空間を吸入空間と圧縮空間に仕切るロータリ圧縮機であって、ベーン先端とローラ外周の摩擦摩耗が特に大きな課題であるため、ベーンの先端部に施されたローラの回転方向と相対するＰＶＤ膜厚は、ベーン先端Ｒ部の頂点が最も大きく、該摺接面の両端部に向かって徐々に小さくなっており最終的に被膜はゼロに収束する特性をもっており、これを図４に示す。実際にはローラはベーン先端Ｒ部の限定された範囲しか摺接していないため、該イオンプレーティング層は０．９５Ｄ＜ｄの関係を有し、ここでＤはローラの回転方向におけるベーンの該摺接面中央部のイオンプレーティングの膜厚、ｄはローラのベーン摺接面の実質摺動長さを画成する端部のイオンプレーティング層の膜厚である圧縮機を提供したものである。
【００１４】
本発明の請求項２に記載の発明は、ベーン先端部のみにＰＶＤコーティングする製法では一般に、ローラ外周部分と摺接するベーンの先端の長手方向に施されたイオンプレーティング被膜は、両端が中央部分の被膜厚さに対して小さくなることが避けられないため、ローラーとの外周面との間の摺接でローラに対する摩耗が問題となるため、ベーンの該部分の被膜厚さの現象が中央部分に対し１．０μｍ以内となるようなコーティング膜厚を確保した圧縮機を提供するものである。
【００１５】
本発明の請求項３に記載の発明は、ベーンの母材を合金鋼とし、まずベーンの先端部にのみイオンプレーティング膜を形成し、その後ベーンを窒化することにより、ベーンの側面と摺接するシリンダの溝部との摩耗を抑えたことを特徴とする、上記請求項１および２
に記載の圧縮機である。
【００１６】
本発明の請求項４に記載の発明は、ベーンの母材を合金鋼とし、まずベーンの全面に窒化処理を施し、その後ベーン先端部にのみイオンプレーティング膜を形成したことを特徴とする、上記請求項１および２に記載の圧縮機である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の冷媒圧縮機は、ＨＦＣ冷媒条件下での過酷な運転状況でも、ベーン先端とローラ外周およびシリンダ溝間の摩耗が問題ないベーンが供給できるようになり、しかも従来の全面ＰＶＤと比較して大幅なコストダウンが可能となり、ベーン先端にのみＰＶＤコーティングを施す工法で考えれる膜厚の変化量を押さえたベーンを供給することにより、前述の圧縮機メカ部品間の摩耗に対する課題が解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（実施の形態１）
従来の構成では、べーン先端にイオンプレーティング被膜を施した場合の被膜厚さは、０．５ｃ＜ｄ＜０．７ｃの関係を有するとされていた。この膜厚の範囲はベーン先端を摺動するローラの摺接範囲の関係を示すものであったが、イオンプレーティング炉の内壁側面にＣｒのターゲットを有する機構のＰＶＤ処理炉においては、０．９５Ｄ＜ｄの関係式となり、ベーン先端上を摺接移動するローラの移動範囲におけるベーンのイオンプレーティング膜厚はベーン中央部と殆ど同じのため、ベーンとローラ間の摺動摩擦の信頼性が向上する。
【００２０】
ベーン先端部のみにイオンプレーティング被膜をコーティングする先端ＰＶＤベーンは、後述のようにベーンの側面すなわちシリンダ溝と摺接するベーンの側面を重ねて先端Ｒ部のみイオンプレーティングされる工法を採用するため、ベーン先端Ｒ部の各部位のコーティング膜厚は、当該微小部位でのイオンプレーティングの粒子の炉壁のＣｒターゲットからの飛行距離と入射角度の要因で決まる。
【００２１】
図７に示すようにベーンはジグに取り付けられ、炉内を自転および公転をしているので、前述の入射角度はイオンプレーティング粒子の暴露角度の要素に置き換えられる。イオンプレーティング膜厚の生成を上記の影響因子で理論式化すると以下のように考えられる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
上記理論式の説明図を図８に示す。
【００２４】
ベーン先端部のＰＶＤコーティングは、前述のベーン先端のＲ部分だけではなく、ローラと摺接する長手方向でも発生する。
【００２５】
図６に示すように、当該ベーンのＰＶＤコーティングはベーン同士を重ねて、箱型のジグ内にセットし、Ｈ面３７については遮蔽板で目隠しをして行うのが通常である。遮蔽板とベーンの先端部の頂点を同一レベルもしくは遮蔽板が下がった状態でセットすると、ＰＶＤコーティングが４００〜５００℃の高温雰囲気中で行われるため、鋼性のジグが熱により膨張し、箱形のジグの中央にセットされたベーンはジグの変形により飛び出し、従来遮蔽板で完全に遮蔽されていたＨ面が露出し、ＰＶＤコーティングが付くようになる。このようにＰＶＤ被膜が一部のみ付着した状態になると、圧縮機メカの上下軸受け端面に摩耗が発生することになる。上記より遮蔽板はベーン先端の頂点より高くするのが通常であるが、高くしすぎると、図６のように箱型ジグにセットされたベーンが自転および公転しながらＰＶＤ炉内を回転しているため、ＰＶＤ炉内のターゲットより照射されるＣｒＮは、遮蔽板の近傍のベーン先端部の射射確率が低くなるため、結果として若干膜厚が小さくなる。ベーン先端長手方向のＰＶＤ膜厚の分布はいわゆる両端すなわち遮蔽板近傍で薄くなり、両端がダレた状態になる。このような工程で処理されたベーン先端にのみＰＶＤコーティングを施したベーンを使用すると、ピストン外周はベーン先端長手方向の形状の影響を受け、ピストン外周は中央付近が優先的に摩耗し、両端に角がたった形状になる確率が非常に高くなる。
【００２６】
上記のことから遮蔽板の高さを調整することによりべーン先端長手方向の両端のＰＶＤ被膜のダレ量を１．０μｍ以内にすることにより、ベーンおよびピストン間の異常な摩耗を低減させることが可能となる。ただしベーン先端長手方向の両端角部にはＲが設定されているため、本発明によるダレの測定の効果は当該部分のＲ部位は除くものとする。
【００２７】
またベーン材はハイス系焼結品あるいは高速度鋼が使用されているが、近年高温、高圧運転条件で使用される圧縮機、あるいはＨＦＣ冷媒下における過酷な潤滑条件下で運転される圧縮機においては、ベーンの表面は鋼材では耐摩耗性が劣り十分な保証が難しくなってきている。
【００２８】
特にベーン先端部とローラ外周面の摩耗が問題となっているため、ローラ外周面と摺接するベーン先端部にＣｒＮ等のＰＶＤコーティングを施すが、ベーンはシリンダ溝内を往復摺動するため、ベーン側面は窒化処理をする。従来、本法における窒化はＰＶＤ処理の前に実施していた。しかしこの方法では、窒化処理で表面に白層が存在するとＰＶＤ被膜強度は低下しやすくなるという課題があった。
【００２９】
そこで本発明の実施の形態は、ＳＫＨベーン材のローラ外周と摺接するベーン先端部にＰＶＤ処理を実施する。ベーン先端部にＰＶＤ処理を施すには図４に示すようにベーンの側面を重ねて箱状の治具にセットすることにより可能となる。その後バレル処理を施し窒化する。窒化処理は４００から５００℃で３から４時間保持するもので、ベーン側面のみに窒化層が形成され、その硬度はＨＶで８５０から１０００となり、ベーン側面とシリンダ溝間の摺動磨耗に十分耐えるものとなる。
【００３０】
ベーンは最終バレル処理を施し仕上げられる。本来ベーンはＳＫＨ材の表面に全面ＰＶＤを施せば、前記過酷な圧縮機運転条件下で摩擦磨耗が全く発生しない品質のベーンとなる。しかしながらＨＦＣ冷媒雰囲気下における高圧条件での圧縮機メカ部品の摩擦磨耗形態を考慮すれば、ローラ外周面とそれに摺接するベーン先端部間の摩擦磨耗をまず優先的に考えなければならない。そこで本発明はローラと摺接するベーン先端部にＰＶＤコーティングを実施することによりメカ部品の信頼性を向上させたもので、ローラ外周とそれに摺接するベーン先端の摩擦磨耗が殆ど発生しない条件下では、ベーンの側面は窒化処理を施すことにより、シリンダ溝間との磨耗は前記全面ＰＶＤの場合の磨耗量と実機試験で差がないことが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上のように、本発明にかかる冷媒圧縮機は、ＨＦＣ冷媒条件下での過酷な運転状況でも、ベーン先端とローラ外周およびシリンダ溝間の摩耗が問題ないベーンが安価に供給することが可能となるので、空気調和装置や冷蔵庫等の冷凍機機の用途に適用できる。    
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来および本発明の実施の形態におけるロータリ圧縮機を示す縦断面図
【図２】従来および本発明の実施の形態における冷媒圧縮機の要部を示す横断面図
【図３】従来および本発明のベーンの部位の説明図
【図４】本発明の実施の形態におけるベーンの断面図
【図５】本発明のベーン先端Ｒ部のイオンプレーティング膜を示す図
【図６】本発明の実施の形態における工法（１）を示す図
【図７】本発明の実施の形態における工法（２）を示す図
【図８】本発明の実施の形態における工法（３）を示す図
【図９】本発明の実施の形態における工法（４）を示す図
【符号の説明】
【００３３】
１    密閉容器
２    電動機部
３    圧縮機部
４    吸入管
５    吸入孔
６    吐出孔
７    ローラ
８    シャフト
９    主軸受け
１０  副軸受け
１１  締め付けボルト
１２  冷凍機油
２０  シリンダ
２１  ベーン
２２  吐出切欠き      
２３    シリンダ溝
２４  スプリング
２５  吸入室
２６  圧縮室
３０  母材
３１  イオンプレーティング膜
３２  ベーン先端
３３  ベーン側面
３４  窒化層
３５  ベーン先端（長手方向）
３６  ベーン先端（Ｒ方向）
３７  ベーン  （Ｈ面）
４１  箱型ジグ
４２  遮蔽板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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