JP2014502691A - オルターナティブ圧縮機用ピストンアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明はオルターナティブ圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリに関し、ピストンはシリンダの内部で往復運動を実行し、ピストン表面（１）およびシリンダ表面は約６０ｎｍ未満の表面粗さパラメータＲｐｋおよび１００ｎｍ未満の表面粗さパラメータＲｖｋを有し、前記ピストン表面（１）は、少なくとも１つの支持層２および少なくとも１つのＤＬＣ層（３）を含む被膜を受ける。

Description

本発明はオルターナティブ圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリに関し、より具体的にはリニア圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリに関する。

圧縮機の機能は、所定体積の流体の圧力を、冷凍サイクルを生じるのに必要な圧力まで引き上げることである。このためオルターナティブ圧縮機と称される、気体の圧縮を実行するためにピストンがシリンダ内を往復摺動する圧縮機が、当該技術分野より知られている。

往復運動するピストンとシリンダとの間の接触は、高い機械損失を生じる可能性があり、圧縮機に損傷および早期故障を生じるおそれがある。さらに、部品同士のこのような接触は、雑音、動作温度、圧縮機振動、および有効性の損失を増加させ、ひいては機器内でおエネルギー消費量の増加に寄与する可能性がある。

いくつかのタイプの圧縮機において、可動部品の間の潤滑油が予測される。しかしながら、リニア圧縮機への適用において、オイルの存在が有害な場合もある。

潤滑油を用いずにピストン／シリンダ摩擦に関するこの問題を解決する試みにおいて、このような部品に特殊な被膜を用いるいくつかの技術的解決法が開発されてきた。

これはたとえば、圧縮機の可動部品へのＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン：Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）の適用に言及する、米国特許第６，６４１，３３７号明細書および特開２００１‐１０７８６０号公報に開示される解決法の場合である。

しかしながら、ＤＬＣの粗い頂点にかかる接触応力の集中の結果、被膜の早期摩耗を生じることになるので、これら周知の解決法でさえ部品間の応力接触および結果的な摩耗の問題を完全に解決するものではない。

米国特許第６６４１３３７号明細書 特開２００１−１０７８６０号公報

本発明の目的は、ピストンとシリンダとの間の接触の摩擦を低減して部品の早期摩耗を防止する、オルターナティブ圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリに関する。

本発明は、オルターナティブ圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリであって、前記ピストンは前記シリンダ内部で往復運動を実行し、ピストン表面およびシリンダ表面は、約６０未満の表面粗さパラメータＲｐｋおよび１００ｎｍ未満の表面粗さパラメータＲｖｋの表面粗さを有し、ピストン表面は、少なくとも１つの支持層および少なくとも１つのＤＬＣ層（３）を含む被膜を受ける、ピストン／シリンダアセンブリを提供することによって、上記の目的を達成する。

本発明の好適な実施形態において、シリンダ材料はステンレス鋼を含み、支持層材料は窒化物および硫化物より選択され、ＤＬＣ層材料は非水素化非晶質炭素、水素化非晶質炭素、非水素化正方非晶質炭素、および水素化正方非晶質炭素より選択される。前記ＤＬＣ層は、金属および非金属合金元素をさらに含んでもよい。

本発明の好適な実施形態による、ピストン／シリンダアセンブリの被膜の模式図である。 本発明と先行技術の解決法との間の比較描写である。 本発明の好適な実施形態による、ピストン／シリンダアセンブリの被覆表面の模式的描写である。

次に、添付図面によって表される実行例に基づいて、本発明がより詳細に記載される。

潤滑油による潤滑作用の不在下で摩耗の機能において有効性に影響を及ぼすことなくピストン／シリンダアセンブリの正確な機能を保証するために、本発明は、表面に適用されるＤＬＣ被膜の機械的強度を増加させるベース被膜に関連して、ＤＬＣの薄膜でピストンの外面を被覆することを、提供する。

このため、図１からわかるように、本発明は、好ましくは機械的支持層２およびＤＬＣ層３からなる被膜を受ける、ピストン１（その外面の一部のみが図示される）を含む。本発明の好適な実施形態において、支持層２および支持層３は、およそ３から１０ミクロンの厚みを有する被膜を生成する。

前記支持層２は、以下の形態で設けられた単一または複数の要素を含むことができる。すなわち、徐々に変化する化学組成、一定の化学組成、単層、または多層である。

加えて、支持層２の組成はピストン／シリンダアセンブリの特定の設計の機械的張力に応じて変化することが可能であり、ここで前記層は、窒化物（ＣｒＮ、ＦｅＮ、ＴｉＮ、ＡｌＴｉＮ、ＣＡｌＴｉＮなど）、硫化物（ＭｏＳ_２およびその変種、ＷＳ_２およびその変種など、ならびにピストンに作用する高負荷に対する機械的支持を付与するために、基板とＤＬＣとの間の中間硬度を有するその他の被膜を、含むことができる。

ＤＬＣ３層に関しては、これは異なる割合の水素を有する炭素ベース被膜からなり、これは以下の変種を含んでもよい。すなわち、ａ−Ｃ：Ｈ（非水素化非晶質炭素）、ａ−Ｃ：Ｈ（水素化非晶質炭素）、ｔａ−Ｃ（非水素化正方非晶質炭素）、ｔａ−Ｃ：Ｈ（水素化正方非晶質炭素）である。これらの変種の他に、各用途について特定の特性を得るために、合金元素の添加が利用されてもよく、ここで合金元素が添加された層は指定されたＭｅ−ＤＣＬであり、Ｍｅは（金属または非金属）添加元素を指す。

層３の配置は、合金元素の割合に関する変形例を含むことも可能であり、これはたとえば、徐々に変化する化学組成、一定の化学組成、単一化合物、または挿入形態で設けられたＤＬＣ変種であってもよい。

ＤＬＣ層の適用は、前記層を受けるピストン表面を準備した後に実行される。この準備は、表面のトポグラフ測定によって得られるＲｐｋ６０ｎｍ未満およびＲｖｋ１００ｎｍ未満のパラメータを有する表面粗さを得るように、表面仕上げプロセスを伴う。

ピストン／シリンダアセンブリに対する摩擦の減少を保証するために、シリンダ表面は、表面のトポグラフ測定によって達成されるＲｐｋ６０ｎｍ未満およびＲｖｋ１００ｎｍ未満のパラメータを有する表面粗さを備えるシリンダ表面を得るように、準備される。

この意味において、図２は、上記で指定された粗さを備えない（図ａ）および図ｂ））および上記で指定された粗さを備える（図ｃ）および図ｄ））表面上のＤＬＣ層の摩耗を、模式的に示す。

図ａ）およびｂ）からわかるように、大きな粗さ条件の下で、ＤＬＣ層は、表面の粗い頂点にける接触応力の集中のため、早期摩耗を被る（つまり、層上の点状の支持領域を形成することになる）。このような早期摩耗は、ピストン基板を露出したままにする。

とはいうものの、粗さがたとえば図ｃ）および図ｄ）に示されるように本発明によって提案されるパラメータの範囲内であるとき、表面の間のより広い支持領域の形成のため、ＤＬＣ層上において漸次的で緩やかな摩耗が生じ、結果的に接触応力が減少する。

本発明の好適な実施形態において、前記ピストン／シリンダアセンブリは、ステンレス鋼で作られている。

図３からわかるように、ステンレス鋼シリンダの使用は、部品間の相対運動のため、両方の接触界面に均一に分布する、トライボ層の形成を可能にする。前記トライボ層は、シリンダおよびＤＬＣのステンレス鋼からの粗い頂点、ならびに圧縮機の残りの部品およびその雰囲気適用に使用された材料の残りの（緩やかな摩耗による）除去により、形成される。

したがって、ピストン／シリンダアセンブリの部品の１つを製造することによる、より長寿命のＤＬＣ被膜の形成は、トライボ層の形成を保証するが、これはトライボロジー対の機能にとって必須であり、ピストン／シリンダアセンブリが著しい摩耗を伴わずに機能できるようにし、低摩擦および適切な耐性を可能にする。

図面に基づく上記の記述は本発明の対象の可能な実施形態の１つを示すに過ぎず、保護されるべき対象の実際の範囲は添付請求項によって定義されることは、理解されるべきである。

Claims (5)

1. ピストンがシリンダの内部で往復運動を実行する、オルターナティブ圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリであって、
   ピストン表面（１）およびシリンダ表面は、約６０ｎｍ未満の表面粗さパラメータＲｐｋおよび１００ｎｍ未満の表面粗さパラメータＲｖｋを有し、
   前記ピストン表面（１）は、少なくとも１つの支持層２および少なくとも１つのＤＬＣ層（３）を含む被膜を受けることを特徴とする、オルターナティブ圧縮機用のピストン／シリンダアセンブリ。
2. シリンダ材料がステンレス鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のピストン／シリンダアセンブリ。
3. 前記支持層（２）の材料が窒化物および硫化物より選択されることを特徴とする、請求項１または２に記載のピストン／シリンダアセンブリ。
4. 前記ＤＬＣ層（３）の材料が、非水素化非晶質炭素、水素化非晶質炭素、非水素化正方非晶質炭素、および水素化正方非晶質炭素、またはこれらの組み合わせより選択されることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載のピストン／シリンダアセンブリ。
5. 前記ＤＬＣ層（３）が金属または非金属合金元素をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載のピストン／シリンダアセンブリ。

Images