JP4539205B2 - 冷媒圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両の空調に用いられる冷媒圧縮機（コンプレッサー）に係わり、潤滑剤の介在下において、摺動部位の摩擦係数を減少させることができ、摩擦抵抗を少なくして、空調作動時におけるエンジンの負荷動力を低減し、燃費性能を向上させることのできる冷媒圧縮機に関するものである。

車両空調用コンプレッサーには、主にワーブルプレート型（可変斜板式）と、ロータリーベーン型とがあり、これらコンプレッサーにおける摺動はベアリングで支持されているか、鉄基部材を用いた滑り摺動となっている。
当該コンプレッサー内の潤滑には、冷凍機油が用いられており、これら冷凍機油にはＰ系極圧剤やアルコール系摩擦調整剤などが数％添加されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２６５７９０号公報

しかしながら、上記コンプレッサーの摺動部位における摩擦については、必ずしも十分に低減されてるとは言い難く、近年の地球環境対策の中で、特に望まれているエンジンの負荷動力低減や燃費向上に向けて、さらなる低フリクション技術が必要となってきている。

本発明は、車両空調用冷媒圧縮機の摩擦低減技術における上記のような現状に着目してなされたものであって、その目的とするところは、冷媒圧縮機における各種の摺動部位、例えばベアリング部やガイドピンとガイドボール間（ワーブルプレート型）、ベーン端部とリング内面間（ロータリーベーン型）などにおける摩擦係数を低減し、耐焼付き性や耐摩耗性を向上させると共に、各部位の摺動抵抗を少なくして、エンジンの燃費改善に寄与することができる冷媒圧縮機を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を達成すべく、冷媒圧縮機に用いられる各種摺動材料や、これら材料と潤滑剤との組合わせについて鋭意検討を重ねた結果、互いに摺接する摺動面の一方又は双方に水素含有量の少ない硬質炭素薄膜を形成することによって、潤滑剤介在下での摩擦係数が大幅に低減することを見出すと共に、かかる硬質炭素薄膜を被覆してなる摺動部材において低摩擦係数を実現し、耐焼付き性や耐摩耗性を改善するには、使用する潤滑剤成分による影響も少なくないことを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、上記知見に基づくものであって、本発明の冷媒圧縮機は、水酸基含有化合物を主成分とする潤滑剤の存在下で互いに摺動する部材の一方又は両方の摺動面に、例えばダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」と称する）などの硬質炭素薄膜による被覆を施して成る摺動部位を備えており、この硬質炭素薄膜の水素含有量が２０原子％以下、望ましくは１０原子％以下、さらに望ましくは０．５原子％以下であることを特徴としている。

本発明によれば、上記成分を含有する潤滑油の存在下で摺動する冷媒圧縮機の摺動部位における少なくとも一方の摺動面に、水素含有量の少ない硬質炭素薄膜による被覆を施すようにしていることから、摺動部位における耐摩耗性及び耐焼付き性を向上させることができると共に、摩擦係数及び摺動抵抗を低減して、エンジンの燃費性能を向上させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。

以下、本発明について、更に詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り質量百分率を示すものとする。

図１（ａ）は、本発明の冷媒圧縮機の一例として、ワーブルプレート型冷媒圧縮機における主な摺動部位を示す断面図であって、当該冷媒圧縮機１は、前後２箇所のメインベアリング２、フロント・スラストベアリング３及びリア・スラストベアリング４によって回転自在に支持されたドライブシャフト５と、ドライブシャフト５と共に回転するジャーナル６と、ジャーナル・スラストベアリング７及びスリーブベアリング８によって上記ジャーナル６に対して相対回転可能に保持され、ジャーナル・スラストスペーサー９及びＣ−リング１０によって抜け止めされたソケットプレート（ワーブルプレート）１１と、外周部にピストンリング１３ａを有し、ドライブシャフト５の回転に基づくソケットプレート１１の往復運動（回転せず）によってシリンダ１２内を往復して、吸入・圧縮・吐出を行うピストン１３を備えており、図１（ｂ）に詳細に示すように、上記ソケットプレート１１には、焼結鋼から成るシューディスク１４を介して取付けられ、ソケットプレート１１の往復運動に伴ってガイドピン１５と摺動するガイドボール１６を備えている。

そして、上記各部材の中で、メインベアリング２、フロント・スラストベアリング３、リア・スラストベアリング４、ジャーナル６とスリーブベアリング８とジャーナル・スラストスペーサー９とＣ−リング１０の間、ピストン１３のピストンリング１３ａとシリンダ１２のボア面の間、ガイドピン１５とガイドボール１６の間、ガイドボール１６とシューディスク１４の間、シューディスク１４とソケットプレート１１の間などが潤滑剤を介して互いに摺動する摺動部位となる。

ここで、上記摺動部位におけるメインベアリング２、フロント・スラストベアリング３、リア・スラストベアリング４及びジャーナル・スラストベアリング７のベアリングニードル、スリーブベアリング８、Ｃ−リング１０、ジャーナル・スラストスペーサー９、シリンダ１２のボア面、ピストン１３、ピストンリング１３ａ、シューディスク１４、ガイドボール１６の表面に、低水素含有量の硬質炭素薄膜を被覆することができ、これによって潤滑剤存在下での摩擦係数が大幅に低減し、摩擦抵抗を少なくすることができる。

このとき、上記部材の摺動面の相手側摺動面、例えばドライブシャフト５の外周面やメインベアリング２のアウターレースの側、フロント及びスラストベアリング３及び４におけるスラストレースやスペーサーの側、ジャーナル６のスリーブベアリング８との摺動面、ガイドピン１６の外周面、ソケットプレート１１のシューディスク１４との摺動面などに硬質炭素被膜を被覆するようにしてもよく、さらにはこれら摺動面の双方に硬質炭素被膜を形成するようにしてもよい。
また、上記以外の摺動部位、例えばソケットプレート１１とピストン１３を連結するピストンロッド１７の球状連結部などに硬質炭素薄膜を形成することも可能である。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の冷媒圧縮機の他の例として、ロータリーベーン型冷媒圧縮機における摺動部位の例を示す横断面図及び縦断面図であって、当該冷媒圧縮機２０は、２箇所のベアリング２１によって回転可能に支持されたローターシャフト２２と、このローターシャフト２２に固定され、楕円形をなすリング２３内で回転するローター２４と、当該ローター２４に出没可能に取付けられて楕円リング２３の内周面に当接する複数のベーン２５と、上記楕円リング２３の前後端面を閉塞するサイドプレート２６、２７から主に構成されており、上記ベアリング２１、ローター２４の外周面及びベーン２５の先端面と楕円リング２３の内周面の間、ローター２４及びベーン２５の両端面とサイドプレート２６、２７の間、さらにベーン２５の表裏両面とローター２４のベーン溝の間などが潤滑剤を介して互いに摺動する摺動部位となる。

したがって、上記摺動部位における一方の摺動面、例えばベアリング２１のベアリングニードルや、楕円リング２３の内周面、ベーン２５の表面及び裏面、サイドプレート２６，２７のローター２４及びベーン２５との摺接面に、低水素含有量の硬質炭素薄膜を被覆することによって冷凍機油存在下での摩擦係数が大幅に低減し、摩擦抵抗を少なくすることができる。
もちろん、上記摺動面の相手側摺動面、すなわち、ローターシャフト２２の外周面や当該ベアリング２１のアウターレースの側、ベーン２５の先端面や両端面、ローター２４の外周面や両端面、ベーン溝の内面に硬質炭素被膜を被覆してもよく、さらにはこれら摺動面の両方に硬質炭素被膜を形成するようにしてもよいことは言うまでもない。

ここで、上記した硬質炭素薄膜としては、例えば炭素原子を主として構成されるＤＬＣ材料を用いることができる。
このＤＬＣ材料は、非晶質のものであって、炭素同士の結合形態がダイヤモンド構造（ＳＰ^３結合）とグラファイト結合（ＳＰ^２結合）の両方から成る。具体的には、炭素元素だけから成るａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、水素を含有するａ−Ｃ：Ｈ（水素アモルファスカーボン）、及びチタン（Ｔｉ）やモリブデン（Ｍｏ）等の金属元素を一部に含むＭｅＣなどを好適に用いることができる。

また、硬質炭素薄膜中の水素含有量が増加すると摩擦係数が増すことから、本発明においては水素含有量の上限を２０原子％とする必要があるが、潤滑剤中での摺動時の摩擦係数を十分に低下させ、さらに安定した摺動特性を確保するためには、１０原子％以下、さらには０．５原子％以下とすることが望ましい。

そして、このような水素含有量の低い硬質炭素薄膜は、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法など、水素や水素含有化合物を実質的に使用しないＰＶＤ法によって成膜することによって得られる。
この場合、成膜時に水素を含まないガスを用いるだけでなく、場合によっては反応容器や基材保持具のベーキングや、基材表面のクリーニングを十分に行ったうえで成膜することが被膜中の水素量を減らすために望ましい。

また、上記硬質炭素薄膜を被覆する前の基材の表面粗さについては、硬質炭素薄膜の膜厚が相当に薄いことから、成膜後も膜表面の粗さに大きく影響するため、表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）が０．１μｍ以下であることが望ましい。すなわち、基材の表面粗さＲａが０．１μｍを超えて粗い場合、膜表面の粗さに起因する突起部が相手材との局部的な接触面圧を増大させ、膜の割れを誘発する可能性が高くなることによる。

次に、本発明の冷媒圧縮機に用いる冷凍機油及び潤滑剤について詳細に説明する。

かかる潤滑剤としては、水酸基含有化合物を主成分とするものを用いることが望ましく、このような潤滑剤が硬質炭素薄膜が被覆された摺動面に介在することによって、極めて優れた低摩擦特性が発揮される。
上記水酸基含有化合物としては、アルコール類、好ましくはグリセリン、もしくはエチレングリコールが挙げられる。

以下、本発明を実施例と比較例によって、更に具体的に説明するが、本発明は、これら実施例のみに限定されるものではない。

図３に示すように、摺動側試験片としてシリンダー状試験片３１、相手側試験片としてディスク状試験片３２を用いて、シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験を行い、以下に示す条件のもとに摩擦係数を測定した。
〔１〕摩擦試験条件
試験装置：シリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験機
摺動側試験片：φ１５×２２ｍｍシリンダー状試験片
相手側試験片：φ２４×７．９ｍｍディスク状試験片
荷重 ：４００Ｎ（ 摺動側試験片の押し付け荷重）
振幅 ：３．０ｍｍ
周波数 ：５０Ｈｚ
試験温度 ：８０℃
測定時間 ：３０分

〔２〕シリンダー状試験片（摺動側）の作製
ＪＩＳ Ｇ４８０５に高炭素クロム軸受鋼鋼材として規定されるＳＵＪ２鋼を素材として摺動側試験片であるシリンダー状試験片１１を上記寸法に機械加工した後、表面粗さＲａを０．０４μｍに仕上げた。

〔３〕ディスク状試験片（摺動相手側）の作製
同じくＳＵＪ２鋼を用いて、相手側試験片であるディスク状試験片１２を上記寸法に機械加工し、上部摺動面の表面粗さＲａを００５μｍに仕上げたのち、ＰＶＤアークイオン式イオンプレーティング法により、この表面上に水素原子の量が０．５原子％以下、ヌープ硬度Ｈｋ＝２１７０ｋｇ／ｍｍ２、表面粗さＲｙ＝０．０３μｍのＤＬＣ薄膜を厚さ０．５μｍに成膜した。なお、比較例には、ＤＬＣ薄膜を被覆していないものを用いた。

〔４〕冷凍機油及び潤滑剤の調整
比較例及び参考例に用いる冷凍機油として、ベースオイルとしての鉱油又は合成油（ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ））に、脂肪酸エステル系摩擦調整剤としてグリセリンモノオレートを添加したものを調整した。
また、潤滑剤としてグリセリンを用いた。

〔５〕試験結果
上記シリンダー状試験片及びディスク状試験片、冷凍機油及び潤滑剤を表１に示すように組合せて、上記要領によって摩擦係数を測定した。その結果を図４に示す。

図４の結果から明らかなように、上部摺動表面にＤＬＣ薄膜を成膜したディスク状試験片を用いた実施例においては、ＤＬＣ薄膜のないディスク状試験片を用いた比較例に較べて、摩擦係数が大幅に低下することが確認された。

（ａ） 本発明の冷媒圧縮機としてワーブルプレート型冷媒圧縮機において硬質炭素薄膜を被覆する摺動部位を例示する断面図である。（ｂ） 図１（ａ）に示した冷媒圧縮機のガイドボール周辺部の構造を示す詳細図である。 （ａ） 本発明の冷媒圧縮機としてロータリーベーン型冷媒圧縮機において硬質炭素薄膜を被覆する摺動部位を例示する横断面図である。（ｂ） 図２（ａ）に示した冷媒圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施例において摩耗試験に用いたシリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験要領を示す斜視図である。 図３に示したシリンダーオンディスク単体往復動摩擦試験による摩擦係数の測定結果を比較して示すグラフである（比較例１の摩擦係数を１として比で表した）。

１，２０ 冷媒圧縮機
２ メインベアリング（摺動部材）
３ フロント・スラストベアリング（摺動部材）
４ リア・スラストベアリング（摺動部材）
５ ドライブシャフト（摺動部材）
６ ジャーナル（摺動部材）
７ ジャーナル・スラストベアリング （摺動部材）
８ スリーブベアリング（摺動部材）
９ ジャーナル・スラストスペーサー（摺動部材）
１０ Ｃ−リング（摺動部材）
１１ ソケットプレート（摺動部材）
１２ シリンダ（摺動部材）
１３ ピストン（摺動部材）
１３ａ ピストンリング（摺動部材）
１４ シューディスク（摺動部材）
１５ ガイドピン（摺動部材）
１６ ガイドボール（摺動部材）
２１ ベアリング
２２ ローターシャフト
２３ リング
２４ ローター
２５ ベーン
２６，２７ サイドプレート

Claims (6)

1. 水酸基含有化合物を主成分とする潤滑剤の存在下で互いに摺動する部材の少なくとも一方の摺動面に硬質炭素薄膜を被覆して成る摺動部位を備え、上記硬質炭素薄膜の水素含有量が２０原子％以下であることを特徴とする冷媒圧縮機。
2. 上記水酸基含有化合物がアルコール類であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒圧縮機。
3. 上記アルコール類がグリセリンもしくはエチレングリコールであることを特徴とする請求項２に記載の冷媒圧縮機。
4. 上記硬質炭素薄膜の水素含有量が１０原子％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の冷媒圧縮機。
5. 上記硬質炭素薄膜の水素含有量が０．５原子％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の冷媒圧縮機。
6. 上記硬質炭素薄膜の被覆前における基材の表面粗さがＲａで０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の冷媒圧縮機。

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