(57)【要約】【課題】  ロータリ圧縮機のベーン先端とローリングピストン外周部における摩耗や焼付を防止する。【解決手段】  構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成されたローリングピストンと、構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料により形成すると共に、その表面に、構成元素としてCrとCrNi合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１）とを含有するコーティングが施されたベーン、または、構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料により形成すると共に、その表面に、窒化処理を施し、さらにその表面に、構成元素としてCrとCrNi合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１）とを含有するコーティングが施されたベーンをロータリ圧縮機に適用する。【選択図】図３
2007321676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向に冷媒吸気部を有するシリンダと、
前記シリンダの円筒状内面部に偏心回転自在に収容されたローリングピストンと、
前記ローリングピストンの内周面にその偏心部が嵌入されその回転により前記ローリングピストンの外周面を前記シリンダ内周面に摺接しながら偏心回転させるクランク軸と、
前記シリンダの径方向に往復自在に収納されその先端部が前記ローリングピストンの外周面に押付けられたベーンとを備え、
前記シリンダ内部に供給された冷媒を圧縮するロータリ圧縮機において、
前記ローリングピストンは構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼からなり、
前記ベーンは、構成元素としてCrNとCrNiN合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１）とを含有するコーティング膜が施されたCrとNiを含有する鉄系材料であることを特徴とするロータリ圧縮機。
【請求項２】
ベーンは窒化処理された鉄系材料を用い、コーティング膜との間に窒化層を備えたことを特徴とする請求項１記載に記載のロータリ圧縮機。
【請求項３】
冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、本発明は特に、摺動部の摩耗量の抑制を図ることができるロータリ圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロータリ圧縮機の信頼性を確保する上で、摺動部であるベーンとピストン、ローラ、シリンダ等との間の摩耗量を抑制させることが重要な課題であり、特にベーンの耐磨耗性を向上させるために、ベーンの硬度を向上させる方法として窒化処理を施す処理や、窒化処理を施した後にコーティングを施す処理がなされていた。
例えば、鉄系材料からなるベーンの表面にニッケルクロムメッキ層を形成した圧縮機もある（例えば、特許文献１）。
また、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒用圧縮機において、少なくともクロム（Ｃｒ）を含有する鋼または鋳鉄により形成されたベーンの表面に、窒化処理によりＣｒと窒素（Ｎ）の化合物を形成し、少なくともＣｒ、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか１つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成されたローラを熱処理でＨＲＣ４０以上の硬度とし、シリンダを、黒鉛を含有する鋳鉄、焼結合金、表面に潤滑性有機材料を塗布または拡散させた焼結合金のいずれかにより形成すること開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１００２９２号公報
【特許文献２】特開平１０−１４１２６９号公報（〔００３３〕他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の冷媒を用いたロータリ圧縮機においては、冷媒中の塩素原子による塩化物保護膜により固体潤滑性が発せられ、上記のようなベーン表面へのメッキ層形成も耐磨耗性向上が期待されるが、冷媒のＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）化、自然冷媒化が進められている近年では、ＨＦＣや自然冷媒には共に冷媒中に塩素原子が含まれていないため、固体潤滑効果を有する塩化物の保護膜が形成されず、摺動部の摩耗や焼付を防止することがさらに重要な課題となっている。
特に自然冷媒の一つである二酸化炭素（ＣＯ2）冷媒においては作動圧力がＨＦＣの中で最も高圧で作動するＲ４１０Ａ冷媒の約３倍となるため、摺動条件が厳しい。一方、上述のようにＨＦＣを冷媒として使用するロータリ圧縮機では一般的に窒化処理を施した高速度工具鋼がベーン材料に適用されることが多いが、この硬化処理を施したベーンでさえ、ＣＯ2冷媒を使用したロータリ圧縮機に適用すると、ベーン先端が著しく摩耗し、ベーンの硬度不足によってベーン先端とローリングピストン外周部の摺動部が著しく摩耗し、焼付に至ることが懸念される。
以上のように、ＣＯ2のような作動圧の高い冷媒をロータリ圧縮機に適用する場合には、窒化処理のみを施したベーンでは摩耗や焼付が発生しやすく、コーティングを施したベーンでは、コーティング膜が剥離を起こすことが懸念されていた。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、摺動部品であるベーンにコーティングを施すことでベーンの高硬度化を図り、摩耗量を抑制させること、さらにコーティング膜の剥離を防止することによってロータリ圧縮機の製品寿命まで信頼性を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るロータリ圧縮機は、径方向に冷媒吸気部を有するシリンダと、前記シリンダの円筒状内面部に偏心回転自在に収容されたローリングピストンと、前記ローリングピストンの内周面にその偏心部が嵌入されその回転により前記ローリングピストンの外周面を前記シリンダ内周面に摺接しながら偏心回転させるクランク軸と、前記シリンダの径方向に往復自在に収納されその先端部が前記ローリングピストンの外周面に押付けられたベーンとを備え、前記シリンダ内部に供給された冷媒を圧縮するロータリ圧縮機において、前記ローリングピストンは構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼からなり、前記ベーンは、構成元素としてCrNとCrNiN合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１）とを含有するコーティング膜が施されたCrとNiを含有する鉄系材料であることを特徴とするものである。
また、ベーンはコーティング膜との間に窒化層を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係るロータリ圧縮機には冷媒として二酸化炭素を用いる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ロータリ圧縮機のベーンをその構成元素にCrとNiを含有する鉄系材料を用い、その表面に構成元素としてCrとCrNi合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１）とを含有するコーティングを施す、または前記ベーンに窒化処理を施した後にCrとCrNi合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１）とを含有するコーティングを施したので、これによって作動圧力の高い二酸化炭素冷媒を使用しても、ローリングピストンと摺動するベーン先端の摩耗量を抑制し、さらにベーン表面に形成されたコーティング膜の剥離を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図1は本発明に係るロータリ圧縮機の縦断面図であり、図２は図１中Ａ−Ａ’部に相当するシリンダ部の横断面図で、クランク軸５の偏心がわかるようにクランク軸５の位置を破線で記載している。図において、ロータリ圧縮機１は密閉容器２内に、電動機部３と、この電動機部３により駆動される圧縮機構部４が収容されており、電動機部３によって回転駆動されるクランク軸５により圧縮機構部４が作動する構造を有する。電動機部３は密閉容器２内に圧入等により固定されるステータ６と、このステータ６内に同心状に回転自在に収容されるロータ７とを有し、ロータ７の中央部にはクランク軸５が同心状に固着されている。
一方、圧縮機構部４は密閉容器２内に、圧入等により固定されるシリンダ８を有し、シリンダ８の上下端をそれぞれ上軸受１０と下軸受１１とにより挟持してクランク軸５の下部を回転自在に支承すると共に、シリンダ室８ａの開口部の上，下端を気密に閉じている。
【００１０】
図２において、シリンダ８は円筒形状の内面を有し、その内部シリンダ室８ａ内に環状のローリングピストン１２を偏心回転自在に収容している。ローリングピストン１２の環状空間部内にはクランク軸５の偏心部５ａが嵌入され、クランク軸５の回転によりローリングピストン１２がシリンダ室８ａ内で偏心回転する。
シリンダ８には、シリンダ室８ａに連通し径方向に形成されたベーン溝１３、及びシリンダ室８ａと環状シリンダ８の外部とを連通するように穿設されて形成された吸込みポート１６が配設される。この吸込みポート１６からシリンダ室８ａ内に供給された冷媒（本実施の形態においては作動圧力の高いＣＯ2冷媒）は、ローリングピストン１２の偏心回転により圧縮され、上軸受１０に穿設された吐出口（図示せず）から密閉容器２内に吐出された後、冷媒は吐出管９から外部へ吐出される。
ベーン溝１３内には、ベーン１５と、このベーン１５をその背面からローリングピストン１２側へ常時弾性的に押圧するベーンスプリング１４とを収容し、ベーン１５の先端１５ａをローリングピストン１２の外周壁に摺動自在に常時弾性的に摺接させることにより、前記ベーン１５はベーン溝１３内を図中矢印Ｘのように上下方向に往復動する一方、シリンダ室８ａ内を高圧側と低圧側とに分割、シールするようになっている。
このように圧縮機が動作中、常にベーンはローリングピストン１２の外周壁との摺動により磨耗が進む。
【００１１】
ここで、ローリングピストン１２とベーン１５の材質について説明する。ローリングピストン１２をその構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成し、ローリングピストン１２の表面硬度をビッカース硬度で約HV700とする。ベーン１５はその構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料、例えばステンレス鋼、ステンレス鋳鋼、耐熱鋼鋳鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等を使用し、所望の処理を施す。
【００１２】
次に、本発明に係るベーン１５の構成について図を用いて説明する。ベーン１５は前述のとおり、その構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料、例えばステンレス鋼、ステンレス鋳鋼、耐熱鋼鋳鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼等を使用するが、このベーン１５の表面に、構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜１５cを形成する。構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜１５cは、Cr−Ni−Nの窒化物膜が挙げられ、Cr-Ni合金はNi含有量によりCr3NiN、CrNiN、CrNi3N等がある。
CrとCr3NiN、CrNiN、CrNi3N等を含む成膜方法として、ここでは物理蒸着（PVD：Physical  Vapor  Deposition）の一種としてアークイオンプレーティング（AIP：Arc  Ion  Plating）装置により、Cr-Ni-Nの窒化物膜を蒸着した。カソードターゲットとして、CrとCrNi合金（CrとNiの合金比(mass%)＝３：１、１：１、１：３）を用いた。CrNi合金のCrとNiの合金比が３：１の時Cr3NiNが、１：１の時CrNiNが、１：３の時CrNi3Nが製造される。蒸着は、表面粗さが小さい高品質な皮膜を形成するため、基本的に磁場誘導型蒸発源（スーパーカソード）を用いて、例えば、アーク電流100A、バイアス電圧40Vで、高純度N2ガス雰囲気中（全圧約2.5Pa）で蒸着した。蒸着時ベーンは約５００℃に加熱され、窒素がベーンの母材に拡散して母材の内部にCr−Ni−Nの窒化物が形成される。一方コーティングもCr−Ni−Nの窒化物膜であり、これらCr−Ni−Nの窒化物が母材とコーティング膜の硬度差を抑制すると共に、Cr−Ni−Nの窒化物同士の結びつきにより、母材とコーティング膜の密着性が向上する。なお、コーティング膜１５ｃの厚さは３±１μｍ程度が望ましい。1μｍより薄いと耐磨耗性の効果を奏せず、１０μｍより厚くなると膜内の剪断力が大きくなり、母材からの剥離が懸念される。
上記で構成されたベーンを図１に示すロータリ圧縮機に用いた。
【００１３】
次に、次に成膜後のベーンの耐磨耗性を確認するために磨耗試験を実施した。
図４に摩耗試験の条件を、図５にその結果を示す。磨耗試験は、ローリングピストン１２にベーン１５を押付けて、前記ローリングピストン１２を回転させて行った。試験条件は図４に示すとおりであるが、いずれも冷凍機油を用いて行った。ローリングピストンはいずれもMoNiCr鋳鉄を用い、ベーン材を従来のSKH51と本願発明に係るステンレス鋼を用意し、SKH51は従来どおり窒化処理し、ステンレス鋼はCrNコーティングしたもの（Ni含有量が０）を比較例１とし、本願発明に係る実施例は３例用意した。ステンレス鋼表面のコーティング膜の厚さはいずれも約３μｍである。
ローリングピストンの摩耗量とベーン１５の摩耗量を足した総摩耗量の相対比較結果を図５に示す。なお、ベーン材のSKH51はHV670、ステンレス鋼はHV320の硬度を有する。従来のSKH51に窒化処理したものより、ステンレス鋼にコーティングすると、磨耗量が著しく減少することがわかる。さらに、ベーンにCrNのコーティングを施した場合のベーンとローリングピストンの総磨耗量に対して、ベーンにCrとCr3NiNのコーティングを施した場合のほうがベーンとローリングピストンの総磨耗量は少ない。CrNをベーンのコーティングとして使用した場合はベーンのローリングピストンへの攻撃性が大きくローリングピストンの摩耗が大きかったためである。ベーンにCrNiNのコーティングを施した場合とCrNi3Nのコーティングを施した場合はベーンの表面硬度が低くベーンの摩耗量が大きいためベーンとローリングピストンの総磨耗量が大きい。図５の結果からベーンにCrNとCr3NiNのコーティングを施すことが有効であることがわかる。
また、ステンレス鋼にコーティング膜を施したベーンはいずれも本摺動試験後に膜の剥離は認められず、十分な密着強度を有することがわかった。
【００１４】
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、コーティング膜形成中にベーン材に窒素が拡散することにより密着力の向上に寄与したが、本実施の形態においてはコーティング膜形成前に窒化処理を行う形態について説明する。
上記実施の形態１と同様にローリングピストン１２をその構成元素として少なくともCr、Mo、Niのいずれか一つ以上を含有する鋳鉄または合金鋼により形成し、ローリングピストン１２の表面硬度をビッカース硬度で約HV700とする。一方、ベーンは構成元素としてCrとNiを含有するものを用意し、このベーン表面に窒化処理を施す。窒化処理を施すことで前記ベーン表面の硬度を向上させることが可能であり、また窒素拡散量も増加するため、ベーン内部のCr−Ni−Nの窒化物の量を増加させることができる。したがって、窒化処理後に行うコーティングにおいて形成されるコーティング膜１５cと母材との密着性をさらに向上させることが可能である。
窒化処理方法としては例えば、イオン窒化などが挙げられる。窒化処理においてベーンの表面に化合物層が形成されると窒化処理後に施されるコーティングによって形成されるコーティング膜１５cが剥離を起こしやすくなるため、窒化処理ではその表面に化合物層を形成しない方法を用いることが望ましい。また、化合物層が形成された場合にはラッピングなどによって除去し、その後にコーティングを施しても同様の効果を得ることができる。
【００１５】
次に窒化処理を施した前記ベーン表面１５bに、コーティングにより構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜１５cを形成させる。
一般にコーティングを施す場合、母材とコーティング膜１５cの硬度差が大きいとコーティング膜１５cの剥離が発生しやすくなる。このとき、コーティング膜１５cの剥離を抑制するためにコーティングを施す前に窒化処理を施すことは良く行われている。窒化処理は母材の硬度を向上させ、コーティング膜１５cと母材の硬度差を小さくするため、コーティング膜１５cの剥離を抑制する効果がある。さらにベーンの材料に構成元素としてCrとNiを含有する鉄系材料を用いた場合、窒化処理を施したときに、母材表面に拡散する窒素は母材中に含まれるCrとNiと反応しCr−Ni−Nの窒化物が形成される。また、コーティングにおいても母材表面に構成元素としてCrとCrNi合金を含有するコーティング膜１５cが形成され、窒化処理により形成されたCr−Ni−Nの窒化物とコーティングにより形成されたコーティング膜とは同一または類似の化合物であるため、より密着性を向上させることが可能であり、コーティング膜１５cの剥離を抑制することが可能である。
【００１６】
上記窒化処理したものを実施の形態１と同様な磨耗試験を行ったが、同様の結果が得られた。また、剥離も認められず、良好な密着力であった。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に用いられるロータリ圧縮機の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１中のシリンダ部の横断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１によるロータリ圧縮機に用いられるベーンの構成を示す図である。
【図４】本実施の形態１によるベーンとローリングピストンとの間の磨耗試験の条件を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるベーンの耐磨耗性を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  ロータリ圧縮機、    ２  密閉容器、    ３  電動機部、    ４  圧縮機構部、
５  クランク軸、    ５a  偏心部、    ６  ステータ、    ７  ロータ、
８  シリンダ、    ８ａ  シリンダ室、    ９  吐出管、    １０  上軸受、
１１  下軸受、    １２  ローリングピストン、    １３  ベーン溝、
１４  ベーンスプリング、    １５  ベーン、    １５a  ベーン先端、
１５b  窒素拡散層、    １５c  コーティング膜、    １６  吸込みポート。
【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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