JP5442102B2 - Scroll compressor - Google Patents
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Description
本発明は、エコ(環境対応)効果が高い新世代住宅向けの空調給湯システムにおける冷凍・空調回路の圧縮機として好適であると共に、地球温暖化係数(GWP)の低い新冷媒を適用してのモータ系駆動信号周波数におけるワイドレンジな運転が可能であって、特に超高速運転での耐久性及び信頼性に優れた小型化・軽量化構造のスクロール圧縮機に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable as a compressor for a refrigeration / air conditioning circuit in an air-conditioning hot-water supply system for a new generation house having a high eco (environmentally friendly) effect, and is applied with a new refrigerant having a low global warming potential (GWP). The present invention relates to a scroll compressor having a miniaturized and lightened structure that can be operated in a wide range at a motor system drive signal frequency, and is particularly excellent in durability and reliability in ultra high speed operation.
従来、空調機や冷凍機の冷凍・空調回路(冷媒サイクルとも呼ばれる)に用いられるスクロール圧縮機において、運転動作時に摺動性が高くなる摺動部材であるオルダムリング及び旋回スクロールには、一般的に硬質で耐摩耗性の高い鉄系材料を用いている。 Conventionally, scroll compressors used in refrigeration / air conditioning circuits (also referred to as refrigerant cycles) of air conditioners and refrigerators are generally used for Oldham rings and orbiting scrolls, which are sliding members that increase slidability during operation. For this, a hard and highly wear-resistant iron-based material is used.
ところで、冷凍・空調回路用の冷媒として、従来汎用的に用いられてきたフロンは、地球温暖化係数(GWP)が高く、オゾン層を破壊する危険性があることにより、世界的に使用を規制する傾向にある。このため、最近では地球温暖化係数(GWP)の低い新冷媒を使用する段階となっているが、新冷媒はフロンと比べて熱交換率が優れず、従来構造のスクロール圧縮機で同等な圧縮性能を得るためには、圧縮機全体の容積を大きくするか、或いは超高速度運転として、クランクシャフト(回転主軸)を高速度回転させるように駆動する必要がある。 By the way, chlorofluorocarbon, which has been used for general purposes as a refrigerant for refrigeration and air conditioning circuits, has a high global warming potential (GWP) and has a risk of destroying the ozone layer. Tend to. For this reason, recently, a new refrigerant with a low global warming potential (GWP) has been used. However, the new refrigerant does not have an excellent heat exchange rate compared to Freon, and the conventional compressor has the same compression. In order to obtain performance, it is necessary to increase the volume of the entire compressor or drive the crankshaft (rotary main shaft) to rotate at a high speed as an ultra-high speed operation.
しかしながら、圧縮機全体の容積を大きくする対策では構造的に圧縮機全体の大型化を招くことになり、クランクシャフト(回転主軸)を高速度回転させる対策ではモータのトルク負荷が増大して駆動側のインバータにも高消費電力タイプのものが必要になり、これが電気回路系の大規模化やコスト高を招くことになる等、何れの場合も昨今の小型・軽量化・低コスト化が望まれる現状の要望に反することになるため、得策であると言えない事情がある。また、新冷媒については、フロンを用いた場合よりも圧縮機内部構造の摺動部材における耐摩耗性の向上や低摩擦係数化を図る必要もある。 However, measures to increase the overall volume of the compressor structurally lead to an increase in the size of the entire compressor, and measures to rotate the crankshaft (rotating main shaft) at a high speed increase the torque load of the motor and increase the driving side. In this case, it is necessary to reduce the size, weight, and cost of these devices in any case. There are circumstances that cannot be said to be a good idea because it would be against the current demands. In addition, for new refrigerants, it is necessary to improve the wear resistance and lower the coefficient of friction in the sliding member of the internal structure of the compressor than when using chlorofluorocarbon.
そこで、圧縮機の構造的な改良や、或いは電気回路系の改良を行わず、圧縮機内部構造の材質を工夫し、新冷媒を用いても或る程度の運転性能を確保すると共に、摺動部材における耐摩耗性の向上や低摩擦係数化を図る技術も提案されている。 Therefore, the structural improvement of the compressor or the improvement of the electric circuit system is not performed, the material of the internal structure of the compressor is devised, and a certain degree of operation performance is ensured even if a new refrigerant is used. Techniques for improving wear resistance and reducing the friction coefficient of members have also been proposed.
例えば塩素を含まない代替冷媒又は自然冷媒を用いた場合でも、耐摩耗性をさらに向上できて長期メンテナンスフリー化を可能な摺動部材を用いたスクロール型電動圧縮機(特許文献1参照)、構成部材を低摩擦係数化して耐摩耗性を向上させた圧縮機(特許文献2参照)、摺動部としての固定スクロールや旋回スクロール(可動スクロール)をアルミニウム基材とすると共に、その表面にNi−Pメッキ層、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)薄膜を順に形成した回転式流体機械(特許文献3参照)等が挙げられる。 For example, even when an alternative refrigerant or natural refrigerant not containing chlorine is used, a scroll-type electric compressor using a sliding member that can further improve wear resistance and can be free of long-term maintenance (see Patent Document 1), configuration A compressor (see Patent Document 2) having a reduced friction coefficient and improved wear resistance, and a fixed scroll or orbiting scroll (movable scroll) as a sliding part is used as an aluminum base, and Ni— Examples thereof include a rotary fluid machine (see Patent Document 3) in which a P plating layer and a DLC (diamond-like carbon) thin film are sequentially formed.
上述した特許文献1に係る技術は、焼結鉄で形成した摺動部材の表面に酸化被膜層、酸化物層、中間層、硬質炭素皮膜層を順に形成し、外表面に耐摩耗性と低摩擦性とに優れたDLC等の硬質炭素皮膜層を密着させたものであり、運転時の耐摩耗性及び低摩擦性に優れるものであるが、摺動部材の基材自体は焼結鉄で従来通りに偏心質量が大きく、新冷媒を適用した場合に超高速運転を行わせようとしたときにモータのトルク負荷が非常に大きくなってしまうため、結果として、基本構造上において超高速運転や軽量化を図り難いという難点がある。 The technology according to Patent Document 1 described above forms an oxide film layer, an oxide layer, an intermediate layer, and a hard carbon film layer in this order on the surface of a sliding member formed of sintered iron, and has low wear resistance and low on the outer surface. A hard carbon film layer such as DLC, which has excellent friction properties, is in close contact, and has excellent wear resistance and low friction properties during operation, but the base material of the sliding member itself is made of sintered iron. Since the eccentric mass is large as before and the new torque is applied, the torque load of the motor becomes very large when trying to perform ultra-high speed operation. There is a difficulty that it is difficult to reduce the weight.
また、特許文献2に係る技術は、圧縮機の構成部材である摺動部材について、旋回スクロールをアルミニウム基材とし、その表面に炭素繊維及び固体潤滑剤を含有させて形成した樹脂材料、DLCを順に形成し、DLCを密着させたものであり、引用文献1の場合よりも偏心質量が小さくなり、或る程度モータのトルク負荷を抑制できて超高速運転や軽量化を図り得るようになっているが、ここでは機械的強度や耐摩耗性が要求されるオルダムリングについては鉄系材料にしているため、基本構造上において超高速運転や軽量化を十分には図り難いものになっている。 Moreover, the technique which concerns on patent document 2 is the resin material and DLC which made the turning scroll the aluminum base material about the sliding member which is a structural member of a compressor, and made the surface contain carbon fiber and a solid lubricant, DLC. It is formed in order and DLC is in close contact, and the eccentric mass is smaller than in the case of the cited document 1, and the torque load of the motor can be suppressed to some extent, so that ultra-high speed operation and weight reduction can be achieved. However, since the Oldham ring, which requires mechanical strength and wear resistance, is made of an iron-based material here, it is difficult to achieve ultra-high speed operation and light weight on the basic structure.
更に、特許文献3に係る技術についても、特許文献2に係る技術と同様に、旋回スクロール(可動スクロール)をアルミニウム基材とし、その表面にNi−Pメッキ層、DLC薄膜を順に形成したものであるため、基本構造上において超高速回転や軽量化を十分には図り難いものになっている。 Further, the technique according to Patent Document 3 is similar to the technique according to Patent Document 2, in which a turning scroll (movable scroll) is used as an aluminum base, and a Ni-P plating layer and a DLC thin film are sequentially formed on the surface thereof. For this reason, it is difficult to achieve ultra-high speed rotation and light weight on the basic structure.
加えて、特許文献2や特許文献3に係る技術は、アルミニウム基材の表面に形成した樹脂材料やNi−Pメッキ層の表面上にDLCを密着させたものであるが、一般にDLCは金属材料の表面上には密着され難く、密着性を確保するために下地層を工夫する必要があることがよく知られている。下地層が樹脂材料やNi−Pメッキ層だけでは新冷媒による高圧ガスに晒され、摺動による相当な発熱が想定される使用条件下では、長期間に及んで安定して密着性を維持できない危険性がある。特にアルミニウム基材は鉄と比べて十分に軟質であり、表面のDLCが硬質であるため、硬質なDLCが高圧条件下で摺動を受ける場合を想定すると、DLCが下地層やアルミニウム基材を変形させたり、或いはそうした度合いによってはDLCが剥離されてしまう危険性もある。 In addition, the technologies according to Patent Document 2 and Patent Document 3 are those in which DLC is adhered to the surface of a resin material or Ni-P plating layer formed on the surface of an aluminum base material. In general, DLC is a metal material. It is well known that it is difficult to adhere to the surface of the film, and it is necessary to devise an underlayer in order to ensure adhesion. If the base layer is only a resin material or Ni-P plating layer, it will be exposed to high-pressure gas from a new refrigerant, and under the usage conditions where considerable heat generation due to sliding is assumed, adhesion cannot be maintained stably over a long period of time. There is a risk. In particular, the aluminum base material is sufficiently softer than iron, and the surface DLC is hard. Therefore, assuming that the hard DLC is slid under high pressure conditions, the DLC has a base layer or aluminum base material. There is a risk that the DLC may be deformed or the DLC may be peeled off depending on the degree.
その他、特許文献2に係る技術でオルダムリングを鉄系材料にしている理由は、圧縮機の摺動部材を超高速運転時において偏心質量を小さくしたいとき、旋回スクロールの場合には偏心回転するために構造的に質量の釣り合いを持たせることで偏心質量を打ち消すことができるが、オルダムリングについては往復動することで旋回スクロールの自転運動を拘束し、旋回運動を行わせるものであるため、構造的に質量の釣り合いを持たせることができないことにより偏心質量を打ち消せないことに起因していると考えられる。 In addition, the reason why the Oldham ring is made of an iron-based material in the technique according to Patent Document 2 is that the sliding member of the compressor rotates eccentrically in the case of an orbiting scroll when it is desired to reduce the eccentric mass during ultra-high speed operation. The eccentric mass can be canceled by providing a structurally balanced mass, but the Oldham ring reciprocates to constrain the rotating motion of the orbiting scroll and cause the orbiting motion to occur. This is thought to be due to the fact that the eccentric mass cannot be canceled because the mass cannot be balanced.
しかしながら、モータのトルク負荷を小さくするために回転系の慣性質量を小さくするという視点では、オルダムリングについても軽量化した方が有利であり、しかも圧縮機全体の小型化・軽量化に寄与できるため、より好ましい。 However, from the viewpoint of reducing the inertial mass of the rotating system in order to reduce the torque load of the motor, it is advantageous to reduce the weight of the Oldham ring, and it can contribute to reducing the size and weight of the entire compressor. More preferable.
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、圧縮機全体の小型化・軽量化に寄与できて耐久性及び信頼性に優れると共に、新冷媒を適用しての超高速運転が可能なスクロール圧縮機を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems, and its technical problem is that it contributes to downsizing and weight reduction of the entire compressor, is excellent in durability and reliability, and is applied with a new refrigerant. It is another object of the present invention to provide a scroll compressor that can be operated at ultra high speed.
上記技術的課題を解決するため、本発明の第1の手段は、密閉ケース内で旋回スクロールの渦巻体と固定スクロールの渦巻体とが互いに噛み合わせられ、且つモータの回転部を略中央部に取り付けた回転主軸となるクランクシャフトの一端側にフレームを介在させて当該旋回スクロールが取り付けられると共に、当該旋回スクロール及び当該フレームの間に配置したオルダムリングが当該クランクシャフトの回転に際して当該旋回スクロールの自転運動を拘束し、旋回運動を行わせる構造のスクロール圧縮機において、オルダムリングは、アルミニウム合金を基材とすると共に、当該アルミニウム合金基材の表面上に密着性を高めるためのクロム及びチタンの群から選ばれた1種類の金属を含むボンド層、当該アルミニウム合金基材の硬度を補うためのクロム窒化物及びチタン窒化物の群から選ばれた窒化物又はクロム炭化物及びチタン炭化物の群から選ばれた炭化物のうちの1種類を含むバッファ層、及び硬質なDLC層が順に形成され、当該バッファ層と当該DLC層との間には、金属をアルミニウム、クロム、チタンのうちの1種類とし、当該金属の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって減少し、且つ炭素の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって増加する炭素及び金属の混合物又は金属炭化物から成る傾斜層が介在されて成ることを特徴とする。 To solve the above SL technical problems, first means of the present invention, the spiral of the spiral body and the fixed scroll of the orbiting scroll in a sealed casing are meshed with each other, and a substantially central portion of the rotating portion of the motor The orbiting scroll is attached to one end side of the crankshaft that is the rotation main shaft attached to the orbiting scroll, and the orbiting scroll disposed between the orbiting scroll and the frame is rotated when the crankshaft rotates. In a scroll compressor having a structure that constrains the rotation and makes a swivel motion, the Oldham ring uses an aluminum alloy as a base material, and chromium and titanium for enhancing adhesion on the surface of the aluminum alloy base material . bond layer comprising one metal selected from the group, the hardness of the aluminum alloy base Chromium nitride Utame and the buffer layer comprising one of a carbide selected from selected nitride or chromium carbide and the group of titanium carbide from the group of titanium nitride, and hard DLC layer is formed in this order In addition, between the buffer layer and the DLC layer, the metal is one of aluminum, chromium, and titanium, the content of the metal decreases from the aluminum alloy substrate toward the outside, and content you characterized in that inclined layers of a mixture or a metal carbide of carbon and metal that increases outwardly from the aluminum alloy substrate is made is interposed.
また、本発明の第2の手段は、密閉ケース内で旋回スクロールの渦巻体と固定スクロールの渦巻体とが互いに噛み合わせられ、且つモータの回転部を略中央部に取り付けた回転主軸となるクランクシャフトの一端側にフレームを介在させて当該旋回スクロールが取り付けられると共に、当該旋回スクロール及び当該フレームの間に配置したオルダムリングが当該クランクシャフトの回転に際して当該旋回スクロールの自転運動を拘束し、旋回運動を行わせる構造のスクロール圧縮機において、オルダムリングは、アルミニウム合金を基材とすると共に、当該アルミニウム合金基材の表面上に密着性を高めるためのクロム及びチタンの群から選ばれた1種類の金属を含むボンド層、当該アルミニウム合金基材の硬度を補うためのクロム窒化物及びチタン窒化物の群から選ばれた窒化物又はクロム炭化物及びチタン炭化物の群から選ばれた炭化物のうちの1種類を含むバッファ層、及び硬質なDLC層が順に形成され、当該バッファ層と当該DLC層との間には、第1の金属及び第2の金属をアルミニウム、クロム、チタンのうちの1種類とし、当該第1の金属の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって減少し、且つ炭素及び当該第1の金属とは異なる当該第2の金属の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって増加する金属の混合物又は金属炭化物から成る傾斜層が介在されて成ることを特徴とする。 Further, the second means of the present invention is a crank as a rotating main shaft in which the spiral body of the orbiting scroll and the spiral body of the fixed scroll are meshed with each other in the sealed case, and the rotating part of the motor is attached to the substantially central part. The orbiting scroll is attached to one end of the shaft with a frame interposed therebetween, and the Oldham ring arranged between the orbiting scroll and the frame constrains the rotation of the orbiting scroll during rotation of the crankshaft, and the orbiting motion. In the scroll compressor having the structure, the Oldham ring is made of an aluminum alloy as a base material and one kind selected from the group of chromium and titanium for enhancing adhesion on the surface of the aluminum alloy base material. A bond layer containing metal, chromium nitride to supplement the hardness of the aluminum alloy substrate, and A buffer layer including a nitride selected from the group of titanium nitrides or a carbide selected from the group of chromium carbide and a group of titanium carbides, and a hard DLC layer are sequentially formed, and the buffer layer and the DLC Between the layers, the first metal and the second metal are one of aluminum, chromium, and titanium, and the content of the first metal decreases outward from the aluminum alloy substrate. And an inclined layer made of a mixture of metals or metal carbides, in which the content of carbon and the second metal different from the first metal increases outward from the aluminum alloy substrate , Features.
更に、上記何れかのスクロール圧縮機に係る一実施態様は、アルミニウム合金が酸化膜で覆われていることを特徴とする。 Furthermore, one embodiment according to any one of the scroll compressors is characterized in that the aluminum alloy is covered with an oxide film .
加えて、上記何れかのスクロール圧縮機に係る他の実施態様は、DLC層がアルミニウムを0.5〜4.5at%含有したことを特徴とする。ここでアルミニウムが金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物、及び水酸化物のうちの選ばれた1つの状態であることが好ましい。 In addition, other embodiments according to any of the above scroll compressor, characterized in that the DLC layers there aluminum containing 0.5~4.5at%. Here, it is preferable that the aluminum is in one state selected from a metal, a boride, a carbide, a nitride, an oxide, and a hydroxide.
また、上記何れかのスクロール圧縮機に係る別の実施態様は、DLC層がSP2結合炭素とSP3結合炭素とが混在して成ることを特徴とする。 Further, another embodiment according to any of the above scroll compressor, DLC layer is characterized by comprising a mix of the S P 2 bonded carbon and SP 3 bond carbon.
その他、上記スクロール圧縮機の更に別の実施態様として、旋回スクロールについても、オルダムリングと同様な材質構造とすることが好ましい。 As another embodiment of the scroll compressor, the orbiting scroll is preferably made of the same material structure as that of the Oldham ring.
本発明のスクロール圧縮機によれば、オルダムリングの基材をアルミニウム合金とし、その表面に密着性が良くて硬度を補うための下地層を介在させて硬質なDLC層を形成しているため、従来の鉄系材料である場合よりも約1/3軽量化できると共に、摺動部材間の凝着摩耗を防止して耐摩耗性の向上や低摩擦係数化を具現した上で、回転系の慣性質量を小さくすることができる。また、旋回スクロールについても、同様な材質構造として回転系の偏心質量を十分に低減している。更に、アルミニウム合金基材の強度低下を来さない低温度でその表面に下地層を含む硬質なDLC層を被膜形成処理することができる。この結果、モータのトルク負荷を極力小さくすることができるため、全体の小型化・軽量化に寄与できて耐久性及び信頼性に優れると共に、新冷媒を適用しても超高速運転が可能となり、低コストでフロンを用いた場合と同等な圧縮性能が得られる。 According to the scroll compressor of the present invention, the base material of the Oldham ring is made of an aluminum alloy, and a hard DLC layer is formed by interposing an underlayer for supplementing the surface with good adhesion and hardness. The weight of the rotating system can be reduced by about 1/3 of that of conventional iron-based materials, and the anti-adhesive wear between sliding members can be prevented to improve wear resistance and reduce the friction coefficient. The inertial mass can be reduced. In addition, with respect to the orbiting scroll, the eccentric mass of the rotating system is sufficiently reduced as a similar material structure. Furthermore, a hard DLC layer including a base layer on the surface thereof can be formed at a low temperature that does not cause a decrease in strength of the aluminum alloy substrate. As a result, the torque load of the motor can be reduced as much as possible, which contributes to the overall downsizing and weight reduction and is excellent in durability and reliability. Compression performance equivalent to that of using Freon at low cost can be obtained.
図1は、本発明の実施例1に係るスクロール圧縮機の概略構成を回転主軸の延在方向に沿って断面にして示した側面図である。 FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of the scroll compressor according to the first embodiment of the present invention in a cross-section along the extending direction of the rotation main shaft.
このスクロール圧縮機は、基本構造上は従来通りの周知なもので、新冷媒ガスに対する吸い込みを行う吸入管113を装着するための吸入口と吐出を行う吐出管114を装着するための吐出口とが設けられた密閉ケース(チャンバ)115内の端側に渦巻体を有する固定スクロール102が取り付けられると共に、ロータ(回転部)110a及びステータ(固定部)110bから成るモータ100のロータ100aを略中央部分に取り付けた回転主軸となるクランクシャフト106の軸方向における一端側にフレーム105を介在させて相手側の渦巻体を有する旋回スクロール101を取り付け、且つ他端側に軸受支持板111及び副軸受112による軸支持部材を取り付けて成る組み立て体を、旋回スクロール101の渦巻体と固定スクロール102の渦巻体とが互いに噛み合わせられるように密閉ケース115内の残りの空間部分に組み込み、各部を取り付けて密閉して収納した構造となっている。
This scroll compressor is a well-known conventional one in terms of basic structure, and includes a suction port for mounting a
この密閉状態において、細部構造的には旋回スクロール101の背面に取り付けられた旋回軸受に対し、フレーム105の主軸受105aにより支持されるクランクシャフト106の偏心部106aが挿入され、旋回スクロール101及びフレーム105の間に配置したオルダムリング107がクランクシャフト106の回転に際して旋回スクロール101の自転運動を拘束し、旋回運動を行わせるようになっている。
In this sealed state, the
固定スクロール102、旋回スクロール101、及びフレーム105で形成される背圧室109内の圧力(背圧値)は、差圧制御機構109aにより制御され、これによって旋回スクロール101を固定スクロール102に対して押し付ける状態とする。差圧制御機構109aの圧力入口側は背圧室109に連通され、圧力出口側は固定スクロール102の渦巻体の外周に設けられた固定外周溝に連通している。この固定外周溝は、冷媒ガスの吸込口に連通しており、これによって固定外周溝内は常に吸入圧となる。
The pressure (back pressure value) in the
吸入管113は、冷媒ガスを取り入れるためのもので、固定スクロール102に連通している。吐出管114は圧縮した冷媒ガスを外部へ吐出するためのものであ。モータ110の下部の軸受支持板111に取り付けられた副軸受112は、フレーム105の主軸受105aと共にクランクシャフト106を支持している。因みに、密閉ケース115内のクランクシャフト106の軸方向における他端側の部屋は、油を貯める油貯め室116として用いられる。
The
このような構造のスクロール圧縮機の圧縮動作について説明する。モータ110を駆動してロータ100a及びクランクシャフト106を回転させると、これに伴って旋回スクロール101が旋回運動を開始する。この動作により旋回スクロール101及び固定スクロール102の渦巻体が噛み合い、第1の圧縮室及び第2の圧縮室を形成する。
The compression operation of the scroll compressor having such a structure will be described. When the
このとき、吸入管113から流入した冷媒ガスが第1の圧縮室及び第2の圧縮室で圧縮される。第1の圧縮室及び第2の圧縮室では、クランクシャフト106の回転に伴い、中央方向に容積を減少させながら圧縮動作が行われ、これにより高圧化された冷媒ガスが固定スクロール102に形成された吐出ポート108から密閉ケース115内の吐出室103、104に吐出され、最終的に吐出管114を通って外部へ吐出される。
At this time, the refrigerant gas flowing in from the
背圧室109の圧力は、フレーム105の主軸受105a等を潤滑した油に含まれるガスによって上昇し、差圧制御機構109aによって吸入圧力に対して一定の圧力差となるように制御される。この圧力は吸入圧力と吐出圧力との中間程度の中間圧力となり、旋回スクロール101を固定スクロール102に押し付ける。このときの押し付けにより、旋回スクロール101の端板は固定スクロール102に密着し、旋回スクロール101の端板によって背圧室109内の中間圧力との封止(シール)を行う。
The pressure in the
実施例1のスクロール圧縮機で使用する地球温暖化係数(GWP)の低いCO2やHFC152a等の新冷媒は、熱交換率が従来のフロンの場合よりも低いため、フロンを用いた場合と同等な圧縮機能を得ようとすれば、容量を大きくするか、或いは容量を変えずに超高速運転させる必要がある。上述したように容量を大きくするためには圧縮機全体を大型化させる必要があるが、係る手法は現状の小型化・軽量化の要求に反するため、実質上採択することができない。New refrigerants such as CO 2 and HFC152a with low global warming potential (GWP) used in the scroll compressor of Example 1 have a lower heat exchange rate than that of conventional chlorofluorocarbons, and are equivalent to the case of using chlorofluorocarbons. In order to obtain a good compression function, it is necessary to increase the capacity or to operate at an ultra high speed without changing the capacity. As described above, in order to increase the capacity, it is necessary to increase the size of the entire compressor. However, since such a method is contrary to the current demand for reduction in size and weight, it cannot be practically adopted.
そこで、容量を変えずに超高速運転させるための条件を考察すると、特許文献2や特許文献3のように摺動部材の旋回スクロール101の材料を工夫して軽量化することで偏心質量を小さくすると共に、回転系の慣性質量を小さくしてモータ100のトルク負荷を極力小さくすることが望ましい。
Therefore, considering the conditions for ultra-high speed operation without changing the capacity, the eccentric mass is reduced by devising the material of the
但し、特許文献2や特許文献3のように旋回スクロール101の基材をアルミニウム系材料とし、その表面に硬質なDLC層を形成するための下地層を樹脂材料やNi−Pメッキ層とした構造では長期間に及んで安定して密着性を維持できない危惧やDLCが剥離されてしまう危険性もある。即ち、特許文献2や特許文献3の手法によって対策する場合には、基本構造上において超高速運転や軽量化を十分に図り難く、しかもDLC層を形成した摺動部材への耐久性にも問題がある。
However, as in Patent Document 2 and Patent Document 3, the base of the
そこで、実施例1に係るスクロール圧縮機では、旋回スクロール101及びフレーム105の間に配置されるオルダムリング107の材質を改良することに留意した。
Therefore, in the scroll compressor according to the first embodiment, attention is paid to improving the material of the
図2は、上述したスクロール圧縮機に備えられるオルダムリング107の外観を示した斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of the
このオルダムリング107は、外観上、従来通りの略円環状の形状である。旋回スクロール101側の面の外周縁には、旋回スクロール101の自転運動を拘束するための凸状の旋回側キー107aが中心を通る径方向の二箇所に設けられている。また、フレーム105側の面の外周縁にも、凸状のフレーム側キー107bが旋回側キー107aと直交する中心を通る径方向の二箇所に設けられている。
The
ここでのオルダムリング107は、アルミニウム合金を基材とすると共に、そのアルミニウム合金基材の表面上に密着性を高めるためのボンド層(導電層)、アルミニウム合金基材の硬度を補うためのバッファ層、及び硬質なDLC層が順に形成されて成る。また、旋回スクロール101についても、同様な材質構造とする。何れにしても、ここでのアルミニウム合金は、酸化膜で覆われていても良い。
Here, the
このうち、ボンド層(導電層)は、クロム(Cr)やチタン(Ti)の金属を1種類含有している場合を例示できる。 Among these, the bond layer (conductive layer) can be exemplified by the case of containing one kind of chromium (Cr) or titanium (Ti) metal.
バッファ層は、クロム窒化物(CrN)、クロム炭化物(CrC)、チタン窒化物(TiN)、チタン炭化物(TiC)を1種類含有している場合を例示できる。 The case where the buffer layer contains one kind of chromium nitride (CrN), chromium carbide (CrC), titanium nitride (TiN), and titanium carbide (TiC) can be exemplified.
ところで、上述したバッファ層とDLC層との間には、金属をアルミニウム(Al)、クロム(Cr)、チタン(Ti)のうちの1種類とし、その金属の含有量がアルミニウム合金基材から外側へ向かって減少し、且つ炭素の含有量がアルミニウム合金基材から外側へ向かって増加する炭素及び金属の混合物又は金属炭化物から成る傾斜層が介在されていても良い。或いは、バッファ層とDLC層との間には、第1の金属及び第2の金属をアルミニウム(Al)、クロム(Cr)、チタン(Ti)のうちの1種類とし、第1の金属の含有量がアルミニウム合金基材から外側へ向かって減少し、且つ炭素及び第1の金属とは異なる第2の金属の含有量がアルミニウム合金基材から外側へ向かって増加する金属の混合物又は金属炭化物から成る傾斜層が介在されていても良い。 By the way, between the buffer layer and the DLC layer, the metal is one of aluminum (Al), chromium (Cr), and titanium (Ti), and the content of the metal is outside the aluminum alloy substrate. An inclined layer made of a mixture of carbon and metal or a metal carbide may be interposed in which the carbon content decreases toward the outside and the carbon content increases outward from the aluminum alloy substrate. Alternatively, between the buffer layer and the DLC layer, the first metal and the second metal are one of aluminum (Al), chromium (Cr), and titanium (Ti), and contain the first metal. From a mixture of metals or metal carbide in which the amount decreases from the aluminum alloy substrate outward and the content of carbon and a second metal different from the first metal increases outward from the aluminum alloy substrate An inclined layer may be interposed.
また、DLC層は、アルミニウムを0.5〜4.5at%含有したものであっても良い。但し、ここでアルミニウムは、金属、硼化物、炭化物、窒化物、酸化物、及び水酸化物のうちの選ばれた1つの状態であることが好ましい。更に、DLC層は、SP2結合炭素とSP3結合炭素とが混在して成るものであっても良い。Further, the DLC layer may contain 0.5 to 4.5 at% of aluminum. However, here, the aluminum is preferably in one state selected from metal, boride, carbide, nitride, oxide, and hydroxide. Furthermore, the DLC layer may be a mixture of SP 2 bonded carbon and SP 3 bonded carbon.
このような摺動部材であるオルダムリング107や旋回スクロール101について、アルミニウム合金基材の表面上に上述した材質構造を多層化形成して製造する場合、アルミニウム合金基材の表面にスパッタリング法又はイオンプレーティング法によりボンド層(導電層)を形成する第1の工程と、アルミニウム合金基材にバイアス電圧を印加した状態でボンド層(導電層)上に密着性を向上させると共に、硬度を補うためのバッファ層を形成(必要に応じて更にバッファ層上に傾斜層を形成)し、バッファ層上(或いは傾斜層上)にDLC層(必要に応じてアルミニウムを含有させておくか、或いはSP2結合炭素及びSP3結合炭素を混在させておく)を形成する第2の工程と、を実施すれば良い。When the
何れにせよ、回転系の偏心質量を低減化させるために摺動部材であるオルダムリング107や旋回スクロール101を単にアルミニウム合金基材としただけでは、一般にアルミニウム合金が軟質で摺動性に劣り、摺動速度が大きくて発熱量も大きくなることを考慮すれば、超高速運転に耐え得る耐摩耗性が得られない。また、オルダムリング107及び旋回スクロール107を同種金属材(アルミニウム合金材同士)としただけでは旋回スクロール101とオルダムリング107の旋回側キー107aとが凝着摩耗を起こし易く、不都合になる。
In any case, in order to reduce the eccentric mass of the rotating system, the
そこで、オルダムリング107及び旋回スクロール101については、アルミニウム合金基材とするだけでなく、上述した材質構造で表面に硬質なDLC層を形成することにより、凝着摩耗を防止して摺動による発熱も低減させることができる。因みに、アルミニウム合金は弾性係数が小さく、線膨張係数が大きいことにより、単に硬質のDLC層を被膜処理しただけでは剥離を生じ易いため、ボンド層(導電層)や傾斜層を介在させることが密着性や硬度を確保し、剥離を防止する上で重要になっている。また、下地層の形成に際して、処理温度が高いCVD処理等は、強度低下を招くために適用困難であるといえる。
Therefore, the
図3は、ここでのオルダムリング107及び旋回スクロール101の材質についての多層構造の一例を示した局部断面図である。
FIG. 3 is a local cross-sectional view showing an example of a multilayer structure of the materials of the
図3を参照すれば、ここでの多層構造は、表面が酸化膜で覆われたアルミニウム合金基材によるオルダムリング107及び旋回スクロール101の表面上(即ち、アルミニウム合金基材の酸化膜上)に、ボンド層(導電層)、バッファ層、傾斜層、及びDLC層を順に形成して成るものである。
Referring to FIG. 3, the multilayer structure here is formed on the surface of the
図4は、ここでのオルダムリング107及び旋回スクロール101の材質についての多層構造の他例を示した局部断面図である。
FIG. 4 is a local sectional view showing another example of the multilayer structure of the
図4を参照すれば、ここでの多層構造は、表面が酸化膜で覆われていないアルミニウム合金基材によるオルダムリング107及び旋回スクロール101の表面上に、ボンド層(導電層)、バッファ層、傾斜層、及びDLC層を順に形成して成るものである。
Referring to FIG. 4, the multilayer structure here has a bond layer (conductive layer), a buffer layer, a surface of the
これらの多層構造及び材質構造のオルダムリング107及び旋回スクロール101を備えたスクロール圧縮機では、基本的にオルダムリング107の基材をアルミニウム合金とし、その表面に密着性が良くて硬度を補うための下地層を介在させて硬質なDLC層を形成しているため、従来の鉄系材料である場合よりも約1/3軽量化できると共に、摺動部材間の凝着摩耗を防止して耐摩耗性の向上や低摩擦係数化が図られ、回転系の慣性質量を小さくできる。また、旋回スクロール101についても、同様な多層構造及び材質構造とすることで、回転系の偏心質量を低減することができる。更に、アルミニウム合金基材の強度低下を来さない低温度でその表面に下地層を含む硬質なDLC層を被膜形成処理することができる。この結果、モータ100のトルク負荷を極力小さくすることはできるため、圧縮機全体の小型化・軽量化に寄与できて耐久性及び信頼性に優れると共に、新冷媒を適用しての超高速運転(モータ100への駆動信号では周波数200Hz程度)が可能となり、低コストでフロンを用いた場合と同等な圧縮性能が得られる。
In the scroll compressor provided with the
101 旋回スクロール
102 固定スクロール
103、104 吐出室
105 フレーム
105a 主軸受
106 クランクシャフト
106a 偏心部
107 オルダムリング
107a 旋回側キー
107b フレーム側キー
108 吐出ポート
109 背圧室
109a 差圧制御機構
110 モータ
110a ロータ
110b ステータ
111 軸受支持板
112 副軸受
113 吸入管
114 吐出管
115 密閉ケース(チャンバ)
116 油貯め室DESCRIPTION OF
116 Oil storage room
Claims (12)
前記オルダムリングは、アルミニウム合金を基材とすると共に、当該アルミニウム合金基材の表面上に密着性を高めるためのクロム及びチタンの群から選ばれた1種類の金属を含むボンド層、当該アルミニウム合金基材の硬度を補うためのクロム窒化物及びチタン窒化物の群から選ばれた窒化物又はクロム炭化物及びチタン炭化物の群から選ばれた炭化物のうちの1種類を含むバッファ層、及び硬質なダイヤモンドライクカーボン層が順に形成され、当該バッファ層と当該ダイヤモンドライクカーボン層との間には、金属をアルミニウム、クロム、チタンのうちの1種類とし、当該金属の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって減少し、且つ炭素の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって増加する炭素及び金属の混合物又は金属炭化物から成る傾斜層が介在されて成ることを特徴とするスクロール圧縮機。 The spiral body of the orbiting scroll and the spiral body of the fixed scroll are meshed with each other in the hermetic case, and the frame is interposed on one end side of the crankshaft that becomes the rotating main shaft with the rotating part of the motor attached to the substantially central part. In the scroll compressor having a structure in which the orbiting scroll is attached and the Oldham ring arranged between the orbiting scroll and the frame constrains the rotation motion of the orbiting scroll when the crankshaft rotates, and performs the orbiting motion.
The Oldham ring includes an aluminum alloy as a base material, and a bond layer containing one kind of metal selected from the group of chromium and titanium for improving adhesion on the surface of the aluminum alloy base material, the aluminum alloy A buffer layer containing a nitride selected from the group of chromium nitride and titanium nitride or a carbide selected from the group of chromium carbide and titanium carbide for supplementing the hardness of the substrate, and hard diamond Like carbon layers are sequentially formed , and between the buffer layer and the diamond like carbon layer, the metal is one of aluminum, chromium, and titanium, and the content of the metal is outside the aluminum alloy substrate. Carbon and metal whose content decreases toward the outside and whose carbon content increases outward from the aluminum alloy substrate Mixture or scroll compressor gradient layer is characterized by comprising interposed made of metal carbide.
前記オルダムリングは、アルミニウム合金を基材とすると共に、当該アルミニウム合金基材の表面上に密着性を高めるためのクロム及びチタンの群から選ばれた1種類の金属を含むボンド層、当該アルミニウム合金基材の硬度を補うためのクロム窒化物及びチタン窒化物の群から選ばれた窒化物又はクロム炭化物及びチタン炭化物の群から選ばれた炭化物のうちの1種類を含むバッファ層、及び硬質なダイヤモンドライクカーボン層が順に形成され、当該バッファ層と当該ダイヤモンドライクカーボン層との間には、第1の金属及び第2の金属をアルミニウム、クロム、チタンのうちの1種類とし、当該第1の金属の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって減少し、且つ炭素及び当該第1の金属とは異なる当該第2の金属の含有量が当該アルミニウム合金基材から外側へ向かって増加する金属の混合物又は金属炭化物から成る傾斜層が介在されて成ることを特徴とするスクロール圧縮機。 The spiral body of the orbiting scroll and the spiral body of the fixed scroll are meshed with each other in the hermetic case, and the frame is interposed on one end side of the crankshaft that becomes the rotating main shaft with the rotating part of the motor attached to the substantially central part. In the scroll compressor having a structure in which the orbiting scroll is attached and the Oldham ring arranged between the orbiting scroll and the frame constrains the rotation motion of the orbiting scroll when the crankshaft rotates, and performs the orbiting motion.
The Oldham ring includes an aluminum alloy as a base material, and a bond layer containing one kind of metal selected from the group of chromium and titanium for improving adhesion on the surface of the aluminum alloy base material, the aluminum alloy A buffer layer containing a nitride selected from the group of chromium nitride and titanium nitride or a carbide selected from the group of chromium carbide and titanium carbide for supplementing the hardness of the substrate, and hard diamond Like carbon layers are formed in order, and between the buffer layer and the diamond like carbon layer, the first metal and the second metal are one of aluminum, chromium, and titanium, and the first metal The content of the second metal decreases from the aluminum alloy substrate toward the outside, and the second metal is different from the first metal. Amounts scroll compressor graded layer comprising a mixture or metal carbide of the metal which increases outwardly from the aluminum alloy substrate is characterized by comprising interposed.
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