JPH07189955A - コンプレッサー用ベーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 塩素を含まない冷媒ガスを使用しても摺動特
性や耐摩耗性を低下することのないコンプレッサー用ベ
ーンを提供する。 【構成】 ロータリー式コンプレッサー用ベーンの少な
くともローラと接する部分の表面にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，
Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種
の金属の炭化物、窒素物および／または炭窒化物からな
る硬質被膜を有する。又は、該硬質被膜を形成する前に
該表面に第１層として窒化層、炭化層、および／または
炭窒化層を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエアーコンディショナー
や冷蔵庫等のロータリー式コンプレッサーの構成部品で
あるベーンに関し、特に摺動特性、耐摩耗性に優れた硬
質被膜を有するコンプレッサー用ベーンに関する。

【０００２】

【従来の技術】エアーコンディショナーや冷蔵庫等の冷
媒ガス用として用いられてきた特定フロンであるＣＦＣ
（Ｃｈｌｏｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）−１２
やＲ−５０２［ＣＦＣ−１１５とＨＣＦＣ（Ｈｙｄｏｒ
ｏ Ｃｈｌｏｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）−２
２の混合系］は、地球オゾン層を破壊する物質として、
１９９５年までに全廃することが決定されている。この
結果、家庭用エアーコンディショナーや冷蔵庫もＣＦＣ
の主要なターゲットの一つとなっている。このため、家
電メーカーは、家庭用エアーコンディショナーや冷蔵庫
に用いられている冷媒をＨＣＦＣ−２２やさらにＨＣＦ
Ｃ−２２が２０２０年に全廃に向かっているため、塩素
を含まないＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｅ Ｃａｒ
ｂｏｎ）−１３４ａに切り替えることを進めている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の代替冷媒ガスではコンプレッサーの可動部での潤滑性
が低下するため、コンプレッサーのローラーとベーンの
接触部で著しく摩耗が生じ、家庭用エアーコンディショ
ナーや冷蔵庫の性能を保証期間内に維持できないという
問題が生じた。図１にロータリー式コンプレッサーの回
転軸と垂直方向の断面図を示す。ロータリー式コンプレ
ッサーではシリンダー１内で回転運動するローラー２に
モーターの回転運動を伝達し、ベーン３で区切った部分
で冷媒ガスを圧縮する。摩耗条件が最も厳しいのは、ロ
ーラーとベーンの接触部である。

【０００４】従来の冷媒ガスであるＣＦＣ−１２の１分
子中には、２個の塩素原子が含まれており、この塩素が
潤滑性を高める働きをしていた。コンプレッサーの構成
部品のベーンには高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）が、ロー
ラーには共晶黒鉛鋳鉄が一般に使われている。これらの
鉄原子と塩素原子が反応して、自己潤滑性がある塩化鉄
を形成し、優れた摺動性を示していた。ところが塩素を
全く含まないＨＦＣ−１３４ａは、当然この潤滑性は期
待できないという問題点がある。

【０００５】そこで本発明の目的は、ＨＦＣ−１３４ａ
等の塩素を含まない冷媒ガスを使用しても、摺動特性や
耐摩耗性を低下させることのないコンプレッサー用ベー
ンを提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は第１にロータリー式コンプレッサーの構成
部品であるベーンの少なくともローラーと接する部分の
表面にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＣｒか
ら選ばれる少なくとも１種の金属の炭化物、窒化物およ
び／または炭窒化物からなる硬質被膜を有することにあ
る。

【０００７】第２に前記ベーンの少なくともローラーと
接する部分の表面に形成した窒化層、炭化層および／ま
たは炭窒化層の第１層と、該第１層上にＴｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＣｒから選ばれる少なくとも
１種の金属の炭化物、窒化物および／または炭窒化物か
らなる第２層の硬質被膜を有することを特徴とするコン
プレッサー用ベーンを提供することにある。

【０００８】

【作用】本発明で使用されるベーンは、エアーコンディ
ショナーや冷蔵庫のロータリー式コンプレッサーの構成
部品であり、各々の装置により形状が異なっても差し支
えない。

【０００９】本発明に使用されるベーンの材質は、一般
に使用されている鋼系金属で良い。例えば構造用鋼、ば
ね鋼、軸受け鋼、工具鋼、ステンレス鋼等がある。本発
明におけるベーンの少なくともローラーと接する部分の
表面とは、図１において少なくともベーン３表面上のロ
ーラー２との接触部である。摩耗が激しいことから優れ
た摺動特性および耐摩耗性が要求される。

【００１０】本発明で用いる硬質被膜としては、Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＣｒから選ばれる少
なくとも１種の金属の炭化物、窒化物および／または炭
窒化物からなる硬質被膜を挙げることができる。例えば
望ましい硬質被膜として、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＣｒＮ，Ｔ
ｉＣ，ＴｉＣＮ膜等のセラミックス被膜が挙げられる。
また場合によっては硬質被膜の内部応力や硬度等を考慮
して、上記硬質被膜の混相を形成しても良い。セラミッ
クス膜は、従来の金属材料に比べて、ビッカース硬度で
１５００から３０００と高硬度で、かつ低摩擦係数を示
すため優れた耐摩耗性を発揮する硬質被膜である。該硬
質被膜の厚さは２〜５μｍが好ましく、通常３μｍ程度
にすれば良い。膜厚が２μｍ未満では上記効果が少な
く、また膜厚が５μｍを越えるとセラミックスの持つ脆
さが現れ、割れや欠け等が生じ好ましくない。

【００１１】本発明の硬質被膜は、イオンプレーティン
グ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等の公知方法を用い
て作製して良いが、成膜時の加熱により窒化層、炭化層
および／または炭窒化層の表面窒化層を失うことがな
く、摺動特性の向上に有効な強固な付着力を示す硬質被
膜の作製が可能なイオンプレーティング法を用いること
が最も望ましい。したがってここでは、例としてイオン
プレーティング法による硬質被膜の形成について以下に
説明する。

【００１２】イオンプレーティング法は一般に金属を蒸
発させ、この蒸発した金属をイオン化し、さらにイオン
化した金属分子を反応性ガス雰囲気下で電界により加速
して、基材表面に付着固定させるものである。

【００１３】金属を蒸発させるには、市販のイオンプレ
ーティング装置に備わった抵抗加熱や電子銃加熱等のい
ずれを用いても良い。また、蒸発した金属のイオン化
は、公知のカソードアーク放電、グロー放電、高周波放
電、イオン化電極を用いる方法、ホロカソード法のいず
れでも良い。これらの中でカソードアーク放電型のイオ
ンプレーティング法は金属の蒸発とイオン化を同時に行
う方式のものであり、他の方法に比べて金属のイオン化
効率が高く、高い密着力を持つ硬質被膜を形成する場合
等では特に推奨される。

【００１４】また、該硬質被膜の形成に先だって基材の
加熱を行う際にイオン照射による加熱を採用する場合は
金属イオンにて行い、イオン化した金属イオンを加速す
る電界は電圧の値として５００Ｖから２０００Ｖが好ま
しく、さらに好ましくは８００Ｖから１５００Ｖであ
る。

【００１５】該硬質被膜の作製には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＣｒから選ばれる少なくとも
１種の金属を蒸発源に用い、反応性ガスとしてＮ₂ ，Ｎ
Ｈ₃ 、炭化水素類または窒素を含んだ有機化合物、例え
ば（ＣＨ₃ ）₃ Ｎ等が使用できる。反応性ガスの圧力は
用いるガスの種類により異なるが、一般に１０^-3〜１０
^-1Ｔｏｒｒの範囲で便宜選択すれば良い。硬質被膜を形
成する場合でのイオン化した金属を加速する電圧の値と
して、５０Ｖから７００Ｖが好ましく、さらに好ましく
は１００Ｖから５００Ｖである。

【００１６】本第２の発明における硬質被膜および硬質
被膜形成方法も本第１の発明におけると同様である。前
記硬質被膜を設ける前に、基材表面に窒化層、炭化層お
よび／または炭窒化層を設けてから該硬質被膜を形成す
ることにより、基材表面での弾性変形または塑性変形が
殆ど起こらないようにするため、該硬質被膜が基材の弾
性変形および塑性変形に対して追随できず破壊に至ると
いうことがなくなり、従って耐摩耗特性が向上する。

【００１７】本第２の発明における第１層を形成する方
法は特に限定されず、公知の表面硬化法、すなわち溶融
塩を用いる方法、ガスを用いる方法あるいはイオンを用
いる方法のどれでも良い。溶融塩を用いる方法、一般に
は塩浴窒化法と言われるもので、ＸＣＮ，ＸＣＮＯ，Ｘ
₂ ＣＯ₃ （ここでＸはアルカリ金属）で示される化合物
の溶融塩中に被処理物を浸して、これらの化合物が分解
して生じた炭素や窒素を被処理物中に拡散させるもので
ある。ガスを用いる方法は、一般にはガス窒化および浸
炭あるいはガス軟窒化および浸炭と言われるもので、Ｎ
Ｈ₃ やＣＯ等の気相中に被処理物を入れて加熱し、これ
らガスの熱分解により生じた炭素や窒素を被処理中に拡
散させるものである。

【００１８】イオンを用いる方法は、一般にはイオン窒
化あるいは浸炭と言われるもので、ＮＨ₃ や炭化水素ガ
ス中で、被処理物と装置容器壁の間に直流電圧を印加
し、グロー放電を起こさせてこれらのガスを分解、イオ
ン化し生じた炭素イオンあるいは窒素イオンを電界によ
り被処理物に衝突させる方法である。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の好ましい実施例を以下に示
す。 〔実施例１〕材質がＳＫＨ５１高速度工具鋼（ビッカー
ス硬度Ｈｖ＝８５０）、大きさが２０×１７×３．５ｍ
ｍでローターとの接触部が曲面であるベーンを、エタノ
ール中で超音波洗浄した後、Ｔｉカソードを備えたカソ
ードアーク方式のイオンプレーティング装置内の所定位
置に設置し、反応容器内を１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した
後、基板に１０００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｔｉカ
ソードによりアーク放電を生起させた。この時のアーク
放電電流は７０Ａであった。赤外放射温度計により基板
表面温度を監視しながら、アーク放電を２分間続け、Ｔ
ｉを蒸発、イオン化させ、基板表面のスパッタクリーニ
ングを行った。アーク放電中最大４５０℃までベーン表
面温度の上昇が認められた。

【００２０】さらにＴｉカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスを導入し、容器内の圧力が３
×１０^-2Ｔｏｒｒを保つように窒素ガスを流しながら基
板に４００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｔｉカソードよ
りアーク放電を生起させた。この時のアーク放電電流は
９０Ａであった。アーク放電は１時間続けた。これによ
りＴｉＮの硬質被膜層が形成された。

【００２１】〔実施例２〕実施例１と同様のベーンを用
い、Ｃｒカソードを備えたカソードアーク方式のイオン
プレーティング装置内の所定位置にベーンを設置し、反
応容器内を１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、基板に１０
００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｃｒカソードよりアー
ク放電を生起させた。この時のアーク放電電流は、７０
Ａであった。赤外放射温度計により基板表面温度を監視
しながら、アーク放電を２分間続け、Ｃｒを蒸発、イオ
ン化させ、基板表面のスパッタクリーニングを行った。
アーク放電中、最大４７０℃までベーン表面温度の上昇
が認められた。

【００２２】さらにＣｒカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスを導入し、容器内の圧力が３
×１０^-2Ｔｏｒｒを保つように窒素ガスを流しながら、
基板に４００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｃｒカソード
によりアーク放電を生起させた。この時のアーク放電電
流は９０Ａであった。アーク放電は１時間続けた。Ｃｒ
Ｎの硬質被膜が形成された。

【００２３】〔実施例３〕実施例１と同様のベーンを用
い、Ｔｉカソードを備えたカソードアーク方式のイオン
プレーティング装置内の所定位置に設置した。反応容器
内を１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、基板に１０００Ｖ
のバイアス電圧を印加し、Ｔｉカソードによりアーク放
電を生起させた。この時のアーク放電電流は７０Ａであ
った。赤外放射温度計により基板表面温度を監視しなが
ら、アーク放電を２分間続け、Ｔｉを蒸発、イオン化さ
せ、基板表面のスパッタクリーニングを行った。アーク
放電中最大４５０℃までベーン表面温度の上昇が認めら
れた。

【００２４】さらにＴｉカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスとアセチレンガスおよびアル
ゴンガスの混合ガスを流しながら基板に４００Ｖのバイ
アス電圧を印加し、Ｔｉカソードよりアーク放電を生起
させた。この時のアーク放電電流は９０Ａであった。ア
ーク放電は１時間続けた。ＴｉＣＮの硬質被膜が形成さ
れた。

【００２５】〔実施例４〕実施例１と同様のベーンを用
い、イオン窒化装置において、処理温度５００℃、ガス
組成Ｎ₂ ：Ｈ₂ ：Ａｒ＝１：５：４、全圧４０Ｔｏｒｒ
の条件下で、１５分間、イオン窒化法により処理し、ベ
ーン表面に窒素を拡散させた。

【００２６】次にＴｉカソードを備えたカソードアーク
方式のイオンプレーティング装置内の所定位置に設置
し、反応容器内を１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、基板
に１０００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｔｉカソードよ
りアーク放電を生起させた。この時のアーク放電電流は
７０Ａであった。赤外放射温度計により基板表面温度を
監視しながら、アーク放電を２分間続け、Ｔｉを蒸発、
イオン化させ、基板表面のスパッタクリーニングを行っ
た。アーク放電中最大４５０℃までベーン表面温度の上
昇が認められた。

【００２７】さらにＴｉカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスを導入し、容器内の圧力が３
×１０^-2Ｔｏｒｒを保つように窒素ガスを流しならが基
板に４００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｔｉカソードよ
りアーク放電を生起させた。この時のアーク放電電流は
９０Ａであった。アーク放電は１時間続けた。ＴｉＮの
硬質被膜層が形成された。

【００２８】〔実施例５〕実施例４と同様に高速度工具
鋼のベーンのイオン窒化処理を行った。これを、Ｃｒカ
ソードを備えたカソードアーク方式のイオンプレーティ
ング装置内の処置位置にベーンを設置し、反応容器内を
１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、基板に１０００Ｖのバ
イアス電圧を印加し、Ｃｒカソードよりアーク放電を生
起させた。この時のアーク放電電流は、７０Ａであっ
た。赤外放射温度計により基板表面温度を監視しなが
ら、アーク放電を２分間続け、Ｃｒを蒸発、イオン化さ
せ、基板表面のスパッタクリーニングを行った。アーク
放電中、最大４７０℃までベーン表面温度の上昇が認め
られた。

【００２９】さらにＣｒカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスを導入し、容器内の圧力が３
×１０^-2Ｔｏｒｒを保つように窒素ガスを流しながら、
基板に４００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｃｒカソード
によりアーク放電を生起させた。この時のアーク放電電
流は９０Ａであった。アーク放電は１時間続けた。Ｃｒ
Ｎの硬質被膜が形成された。

【００３０】〔実施例６〕実施例４と同様に高速度工具
鋼のベーンのイオン窒化処理を行った。これを、Ｔｉカ
ソードを備えたカソードアーク方式のイオンプレーティ
ング装置内の所定位置に設置した、反応容器内を１０^-5
Ｔｏｒｒまで排気した後、基板に１０００Ｖのバイアス
電圧を印加し、Ｔｉカソードによりアーク放電を生起さ
せた。この時のアーク放電電流は、７０Ａであった。赤
外放射温度計により基板表面温度を監視しながら、アー
ク放電を２分間続け、Ｔｉを蒸発、イオン化させ、基板
表面のスパッタクリーニングを行った。アーク放電中最
大４５０℃までベーン表面温度の上昇が認められた。

【００３１】さらにＴｉカソードへの電圧印加を停止
し、反応容器内に窒素ガスとアセチレンガスおよびアル
ゴンガスの混合ガスを流しならが基板に４００Ｖのバイ
アス電圧を印加し、Ｔｉカソードよりアーク放電を生起
させた。この時のアーク放電電流は９０Ａであった。ア
ーク放電は１時間続けた。ＴｉＣＮの硬質被膜が形成さ
れた。

【００３２】〔実施例７〕実施例１〜６にて作製したベ
ーン、および表面処理を全く行わないＳＫＨ５１高速度
工具鋼のベーンを用い、これらを家庭用冷蔵庫のコンプ
レッサーに設置し、冷媒ガスとして塩素原子を含まない
ＨＦＣ−１３４ａを充填して、無潤滑でのベーンの耐久
性試験を行った。

【００３３】実施例１〜３の硬質被膜で処理したベーン
は、１００時間の運転でもかじりが発生せず、良好な摺
動特性を示した。

【００３４】さらに実施例４〜６の硬質被膜で処理した
ベーンは、１５０時間の運転でもかじりが発生せず、良
好な摺動摩耗特性を示した。

【００３５】一方、表面処理を行わないＳＫＨ５１のベ
ーンでは、約３０時間の運転でローラーとの接触部でか
じりを生じて運転不能となった。

【００３６】

【発明の効果】本発明のロータリー式コンプレッサーの
ベーンの効果を以下に示す。 塩素原子を含まない代替冷媒ガスを用いた場合におい
て、全く表面処理を行わないベーンに比べて、３〜５倍
程度の摺動特性と耐摩耗性を持つ表面処理コンプレッサ
ー用ベーンを提供することができる。

【００３７】ベーン表面に窒化層、炭化層および／ま
たは炭窒化層を設けてから硬質被膜を形成することによ
り、ベーン表面では弾性変形または塑性変形が殆ど起こ
らないようになるため、硬質被膜の破壊が起こり難くな
り、摺動特性と耐摩耗性がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の対象となるロータリー式コンプレッサ
ーの回転軸と垂直方向の断面図を示す図である。

【符号の説明】

１ シリンダー ２ ローラー ３ ベーン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータリー式コンプレッサーの構成部品
   であるベーンの少なくともローラーと接する部分の表面
   にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，ＴａおよびＣｒから選
   ばれる少なくとも１種の金属の炭化物、窒化物および／
   または炭窒化物からなる硬質被膜を有することを特徴と
   するコンプレッサー用ベーン。
2. 【請求項２】 ロータリー式コンプレッサーの構成部品
   であるベーンの少なくともローラーと接する部分の表面
   層が窒化層、炭化層および／または炭窒化層からなる第
   １層と、該第１層上にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔ
   ａおよびＣｒから選ばれる少なくとも１種の金属の炭化
   物、窒化物および／または炭窒化物からなる第２層の硬
   質被膜を有することを特徴とするコンプレッサー用ベー
   ン。