JP2002161856A

JP2002161856A - シャフトおよびシャフトの製造方法

Info

Publication number: JP2002161856A
Application number: JP2000361300A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Shintaku; 秀信新宅; Fumitoshi Nishiwaki; 文俊西脇; Mitsuharu Matsuo; 光晴松尾; Hiroyuki Fukuhara; 弘之福原; Hideto Oka; 秀人岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】塩素を含まず耐摩耗特性の乏しいＨＦＣｓ冷
媒あるいは使用圧力が高いＣＯ₂などの自然冷媒を用い
た場合や、高負荷で運転した場合等で生じていたシャフ
トの摩耗を低減する。【解決手段】密閉容器と、前記密閉容器内に設けられ
た、固定子と回転子とを有する電動機と、前記電動機か
らの動力により駆動する圧縮機構部と少なくとも備えた
密閉型圧縮機に用いられる、前記電動機から前記圧縮機
溝部へ動力を伝達するためのシャフトであって、前記シ
ャフトの摺動面の表面層は、少なくとも窒素との化合物
層の厚み２１以上の部分を含まない、拡散層厚み２２か
ら形成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍空調機器等に
用いられる密閉型圧縮機とそのシャフトおよび製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷凍空調用の密閉型電動圧縮機として
は、圧縮機構の方式がレシプロ式、ローリングピストン
式およびスクロール式のものがあり、いずれの方法も家
庭用、業務用の冷凍空調分野で使用されている。いずれ
の方式の圧縮機も圧縮機構部を駆動するシャフトと、他
にいくつかの摺動部品で構成されている。ここでは、空
調機用のスクロール圧縮機を例にとり、従来の技術を説
明する。

【０００３】図６に従来のスクロール圧縮機の縦断面図
を示す。密閉容器１の内部には、固定スクロール２ａと
可動スクロール３とから構成された圧縮機構部２、固定
スクロール２ａに対して可動スクロール３をオルダム継
手４を介して旋回運動させるシャフト５と、固定スクロ
ール２ａを固定されシャフト５を回転自在に支持する軸
受部材６を設けている。

【０００４】シャフト５には電動機７の回転子７ａが取
り付けられており、密閉容器１に焼き嵌め固定された固
定子７ｂとともに軸受部材６の下部に配設されている。
ジャーナル軸受６ａは軸受部材６に環状の主軸側ブッシ
ュ材８ａを圧入することにより形成されており、シャフ
ト５に作用する径方向の力を支えている。また、可動ス
クロール３に設けられたジャーナル軸受である偏芯軸受
３ａも環状の偏芯軸側ブッシュ材８ｂを圧入することに
より形成されており、シャフト５の偏芯軸部５ａに作用
する径方向の力を支えている。

【０００５】密閉容器１の下方底部には潤滑油９を貯溜
する油溜め１０が設けられており、シャフト５の貫通穴
１３の下端より油溜め１０の潤滑油９をシャフト５の回
転に伴いオイルポンプ１７で吸い上げ、ジャーナル軸受
６ａ、偏芯軸受３ａ、および各摺動面へ供給する。ま
た、密閉容器１の外部には、冷媒ガスの吸入管１１と、
吐出管１６が設けられている。

【０００６】次に、以上のような構成を有する従来のス
クロール圧縮機における、冷媒ガスの圧縮サイクルを説
明する。空調機の熱交換器（図示せず）などを循環して
きた低圧の冷媒ガスは吸入管１１より圧縮機構部２に吸
入される。

【０００７】吸入された冷媒ガスは、固定スクロール２
ａと可動スクロール３との間に形成された三日月状の圧
縮空間（図示せず）に入り、可動スクロール３の旋回運
動により三日月状の圧縮空間が外側から中央に向かって
次第に縮小することで、冷媒ガスは圧縮され吐出孔１２
より吐出される。

【０００８】圧縮されたガスは高圧ガスとなり、一旦密
閉容器１内の固定スクロール２ａの上方の吐出空間１ａ
へ吐出され、ガス通路１４を通じ、電動機７が収容され
た下部空間１ｂに流れ、先のガス通路１４とは別に設け
られたガス通路１５を通じ、上方の空間に流れ、吐出管
１６より、外部の図示しない熱交換器などの空調システ
ムへ吐出される。そして、高圧ガスは該空調システムに
おいて空調機の熱交換器などを循環し、再び吸入管１１
より圧縮機に戻る周知の圧縮サイクルを構成する。

【０００９】次に、従来のスクロール圧縮機における、
各摺動部へ潤滑油９を供給する潤滑油の循環サイクルを
説明する。油溜め１０からオイルポンプ１７で吸い上げ
られた潤滑油９は、シャフト５の貫通穴１３の中を上昇
し、偏心軸受３ａ、ジャーナル軸受６ａおよび各摺動部
を潤滑、冷却して、ジャーナル軸受６ａの下部の油排出
口から固定子７ｂ上部へ排出され、固定子７ｂの通路１
８を通って油だめ１０に戻る潤滑油の循環サイクルを形
成している。

【００１０】また、図７は、上記従来のシャフト５の製
作工程を示したものである。シャフト５を製作するのに
用いられるシャフト素材７００には、内部応力の緩和や
組織調整のため熱処理したネズミ鋳鉄材またはＳ４５Ｃ
を用いている。

【００１１】前仕上加工工程７０１では、そのシャフト
素材７００を仕上前の形状（表面の研削または研磨代分
を残す）まで加工し、加工油等の付着物を洗浄除去す
る。

【００１２】その後、高周波焼入工程７０２で、シャフ
ト５のジャーナル部（ジャーナル軸受６ａと、偏心軸受
３ａに対応するシャフト部分）の表面となる部分に高周
波焼入による表面硬化処理を行う。そして、仕上加工工
程７０３に移し、ジャーナル部の表面となる部分を、研
削や研磨加工より設計どおりの寸法と表面粗さに仕上げ
て完成することにより、シャフト５が得られる。以上の
製作工程により得られたシャフト５のジャーナル部の表
面硬度は約Ｈｖ４００〜６００である。

【００１３】一方、軸受部材６にはネズミ鋳鉄材を用
い、ジャーナル軸受６ａの環状のブッシュ材８ａには、
裏金付き樹脂複合軸受材を用いている。その裏金付き樹
脂複合軸受材は、板厚１．３〜１．８ｍｍ程度の鋼板を
裏金に用い、その鋼板上面に樹脂複合層を形成したもの
で、この樹脂複合層には銅合金、アルミニウム合金、鉛
基ホワイトメタルや、カーボンなどの硬質物質が樹脂層
に分散して含有されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成では、
圧縮室内のガス圧力や慣性力等のため旋回スクロールに
は径方向の荷重が作用する。この荷重は、その作用する
方向がシャフト５の回転とほぼ同じ方向に回転し、偏心
軸受３ａから偏芯軸部５ａへ、そしてシャフト５を介し
てジャーナル軸受６ａで支持される。すなわち、シャフ
ト５は回転時、外周面のほぼ同じ部分を、ガス圧縮等に
より発生する非常に大きな荷重で、ジャーナル軸受６ａ
の内周面に押し付けられながら摺動される。

【００１５】したがって、過酷な運転条件や従来フロン
ＨＣＦＣの代替用冷媒ガス（ＨＦＣ４１０Ａ、ＣＯ
₂等）での高差圧の運転条件においては、ガス圧縮によ
り過大な荷重が発生しジャーナル軸受６ａとシャフト５
の間で潤滑油膜が非常に薄くなり、部分的に接触する混
合潤滑状態となる。この混合潤滑状態が続いた場合に
は、軸受の樹脂複合層に含まれる硬質物質により、シャ
フト５のジャーナル部表面の焼入されている硬化層に摩
耗が発生する課題が生じていた。

【００１６】また、摺動損失が大きく、効率が低下する
という課題も生じていた。

【００１７】本発明はこのような従来の課題を解決する
ものであり、耐摩耗性が高く、摺動損失が低いシャフト
を安価に実現すると共に、それを用いた信頼性、効率が
高い密閉型圧縮機を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の本発明（請求項１に対応）は、密閉容器
と、前記密閉容器内に設けられた、固定子と回転子とを
有する電動機と、前記電動機からの動力により駆動する
圧縮機構部とを少なくとも備えた密閉型圧縮機に用いら
れる、前記電動機から前記圧縮機溝部へ動力を伝達する
ためのシャフトであって、前記シャフトの摺動面の表面
層は、少なくとも窒素との化合物層の厚み以上の部分を
含まない、窒化処理された部分から形成されていること
を特徴とするシャフトである。

【００１９】また、第２の本発明（請求項２に対応）
は、前記表面層は、前記窒化処理が行われる前に、酸化
皮膜が除去されていることを特徴とする上記本発明であ
る。

【００２０】また、第３の本発明（請求項３に対応）
は、前記表面層の硬度はＨｖ１０００以上であることを
特徴とする上記本発明である。

【００２１】また、第４の本発明（請求項４に対応）
は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉの内少なくとも
一つの成分を０．２％以上含み、縦弾性係数が１９０Ｇ
Ｐａ以上の材料で製作されたことを特徴とする上記本発
明である。

【００２２】また、第５の本発明（請求項５に対応）
は、Ａｌを０．７０％〜１．３０％、Ｃｒを１．００％
〜１．８０％、Ｍｏを０．１０％〜０．５を含む窒化用
鋼で製作されたことを特徴とする上記本発明である。

【００２３】また、第６の本発明（請求項６に対応）
は、Ｃｒを１１．５０％〜１８．００％含むマルテンサ
イト系ステンレス鋼で製作されたことを特徴とする上記
本発明である。

【００２４】また、第７の本発明（請求項７に対応）
は、Ｃｒを１５．００％〜１８．００％含む析出硬化系
ステンレス鋼で製作されたことを特徴とする上記本発明
である。

【００２５】また、第８の本発明（請求項８に対応）
は、Ｃｒを２．００％〜１５．００％含む金型用合金工
具鋼で製作されたことを特徴とする上記本発明である。

【００２６】また、第９の本発明（請求項９に対応）
は、密閉容器と、前記密閉容器内に設けられた、固定子
と回転子とを有する電動機と、前記電動機からの動力に
より駆動する圧縮機構部とを少なくとも備えた密閉型圧
縮機が有する、前記電動機から前記圧縮機溝部へ動力を
伝達するためのシャフトの製造方法であって、前記シャ
フトの摺動面の表面層を窒化する窒化処理工程と、前記
窒化処理工程後の表面から、少なくとも窒素との化合物
層の厚み以上の部分を除去して窒化層表面を得る仕上加
工工程とを備えたことを特徴とするシャフトの製造方法
である。

【００２７】また、第１０の本発明（請求項１０に対
応）は、前記窒化処理工程の前に、前記シャフトの摺動
面の表面層の酸化皮膜を除去する酸化皮膜除去工程を更
に備えたことを特徴とする上記本発明である。

【００２８】また、第１１の本発明（請求項１１に対
応）は、前記窒化層表面の硬度がＨｖ１０００以上であ
ることを特徴とする上記本発明である。

【００２９】また、第１２の本発明（請求項１２に対
応）は、前記シャフトの材料として、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、
Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉの内少なくとも一つの成分を０．２％
以上含み、縦弾性係数が１９０ＧＰａ以上の材料を用い
たことを特徴とする上記本発明である。

【００３０】また、第１２の本発明（請求項１２に対
応）は、前記シャフトの材料として、Ａｌを０．７０％
〜１．３０％、Ｃｒを１．００％〜１．８０％、Ｍｏを
０．１０％〜０．５を含む窒化用鋼を用いたことを特徴
とする上記本発明である。

【００３１】また、第１３の本発明（請求項１３に対
応）は、前記シャフトの材料として、Ｃｒを１１．５０
％〜１８．００％含むマルテンサイト系ステンレス鋼を
用いたことを特徴とする上記本発明である。

【００３２】また、第１４の本発明（請求項１４に対
応）は、前記シャフトの材料として、Ｃｒを１５．００
％〜１８．００％含む析出硬化系ステンレス鋼を用いた
ことを特徴とする上記本発明である。

【００３３】また、第１５の本発明（請求項１５に対
応）は、前記シャフトの材料として、Ｃｒを２．００％
〜１５．００％含む金型用合金工具鋼を用いたことを特
徴とする上記本発明である。

【００３４】また、第１６の本発明（請求項１６に対
応）は、第１から第７のいずれかの本発明のシャフト
と、密閉容器と、前記密閉容器内に設けられた、電動機
と、前記電動機により駆動される圧縮機構部とを少なく
とも備え、前記シャフトは前記電動機の動力を前記圧縮
機構部へ伝達することを特徴とする密閉型圧縮機であ
る。

【００３５】また、第１７の本発明（請求項１７に対
応）は、前記圧縮機構部は、スクロール型であることを
特徴とする上記本発明である。

【００３６】また、第１８の本発明（請求項１８に対
応）は、ＨＦＣ、ＨＣ、二酸化炭素のいずれかを主成分
とする冷媒を用いたことを特徴とする上記本発明であ
る。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。尚、本発明の一実施
の形態で用いたスクロール圧縮機の構成において、図６
で説明した従来の技術の例と同一機能部品については同
一番号を使用し、同一の構成および作用の説明は省く。

【００３８】（実施の形態１）本発明の実施の形態１に
ついて、図１〜図４を用いて説明する。図１は本発明の
密閉型圧縮機用シャフトの表面近傍の断面図、図２はシ
ャフト製作工程図、図３は窒化処理工程後のシャフト断
面の硬度分布、および図４はシャフト材料の説明に用い
た図である。

【００３９】本実施の形態と従来例との大きな違いは、
シャフトの表面硬度、実現する材料および製作工程の三
点である。まず、本発明の実施の形態によるシャフトの
製作方法について、図２に示す製作工程１に従い説明す
る。

【００４０】シャフト素材２００としては、内部応力の
緩和や組織調整のため、熱処理した窒化用鋼ＳＡＣＭ６
４５（ＪＩＳ規格に基づく）を用いた。

【００４１】前仕上加工工程２０１では、そのシャフト
素材２００を仕上前の形状（表面の研削または研磨代分
を残す）に加工し、加工油等の付着物を洗浄除去する。
その後、シャフト素材２００を窒化処理工程に移す。

【００４２】窒化処理工程２０２は、雰囲気ガスの温度
と圧力を制御できる窒化処理炉に、シャフト素材２００
を入れて行う。雰囲気ガスは、窒素に所定濃度のアンモ
ニア等の窒化用ガス（または、炭化水素ガスを加えた浸
炭窒化用ガス等）を加えた混合ガスを用いて、雰囲気ガ
スを所定温度（３００℃〜５５０℃の間で、例えば５０
０℃）に加熱し、シャフトを所定時間（例えば６０時
間）加熱保持する。

【００４３】加熱されたシャフト素材２００の表面のＦ
ｅ、Ｃｒなどとと、アンモニアガスから解離した窒素原
子が反応し、シャフト素材２００の表面には、それらの
窒素化合物からなる化合物層（例えば約１０〜１００μ
ｍ）が形成されるとともに、シャフト素材２００の深部
までに窒素が拡散し、化合物層の下に深い拡散層（例え
ば約１０〜５００μｍ）が形成される。

【００４４】図１は、窒化処理工程後のシャフト素材２
００のジャーナル部となる部分の表面近傍の断面図であ
る。表面層は厚みδ１の窒素との化合物層（顕微鏡でみ
ると白っぽくみえるので白層と呼ばれる）２１に覆わ
れ、その下層に厚みδ２の窒素の拡散層２２が形成され
ている。

【００４５】また、図３は図１に示すシャフト素材２０
０の断面の硬度分布の一例を示したものである。図に示
すように、化合物層２１の硬度はＨｖ１０００を越えて
いるが極表層部分で一旦減少している。これは、化合物
層２１が、硬い部分ともろい部分が混在したポーラスな
組織となっているためで、窒化時の温度が高温域（例え
ば４５０℃以上）の場合に見られるものである。

【００４６】このような化合物層２１は、硬度が不安定
である。また、窒化処理後のシャフト素材２００には、
窒化処理工程２０２において、窒化処理時の温度や窒化
の影響で歪や曲がりが若干生じている。

【００４７】次に、シャフト素材２００を仕上加工工程
２０３に移す。仕上加工工程２０３では、シャフト５の
表層の硬度が不安定な化合物層２１の除去と、曲がり等
を除去するため、窒化後の表面から図１に示すＸ−Ｘの
線まで厚みδ３の除去厚み２３を、研削や研磨などで除
去加工するともに、ジャーナル部となる部分の表面を、
設計どおりの寸法と表面粗さに仕上げ、シャフト素材２
００からシャフト５を完成する。ここで重要なことは、
完成後のシャフトの表面の硬度である。

【００４８】表１に、上記方法と従来の方法で、異なる
材料にて製作したシャフト５の表面硬度と、各々を圧縮
機の苛酷試験条件で運転した後のシャフトの摩耗量とを
示す。

【００４９】

【表１】表１中の、従来の方法で製作した、Ｎｏ．１の高周波焼
入したＳ４５Ｃ材のシャフトおよび、Ｎｏ．２の浸炭高
周波焼入したＳＣＭ４１５材のシャフトの表面硬度、摩
耗量をそれぞれ参照すると、各々の表面硬度はＨｖ６１
３、Ｈｖ８２４であり、摩耗量が大きい。

【００５０】次に、実施の形態１によるシャフトの製造
方法により製作したＮｏ．３のＳ４５Ｃ材のシャフトの
場合は、表面硬度はＨｖ８０４であり、従来の方法によ
るものより硬度は向上しているが、摩耗量は大きい。

【００５１】これに対し、実施の形態１によるシャフト
の製造方法により製作したＮｏ．４のＳＡＣＭ６４５材
のシャフトの場合、表面硬度がＨｖ１０００以上のＨｖ
１０７７を得ているとともに、摩耗量は、なじみ程度に
小さく、耐摩耗性が向上している。

【００５２】このように、密閉型圧縮機に用いるシャフ
トの表面部の摩耗の抑制には、表面硬度をＨｖ１０００
以上にすることが有効である。

【００５３】図１と図３で、シャフト５の表面硬度をＨ
ｖ１０００以上とする加工例を説明する。図３に示す断
面硬度分布の場合、窒素の化合物層２１の厚みδ１は約
３０μｍ、窒素の拡散層２２の厚みδ２は約４００μｍ
となっており、除去厚み２３の厚み分δ３を約１００μ
として除去する。仕上加工工程２０３後のシャフト５の
表面は図１及び図３に示すＸ−Ｘの部分が表面となり、
その表面硬度はＨｖ１０００（図３のＸ−Ｘ部の硬度参
照）を越えるシャフト５が実現できる。

【００５４】したがって、本実施の形態により製作した
シャフトは、その材料によって表面硬度をＨｖ１０００
以上にできるため、密閉型圧縮機を運転する際に生ずる
磨耗を抑制することができる。

【００５５】また、窒化処理工程により生じた化合物層
を含む表面を除去加工することで、表面での硬度分布が
少なく、曲がりのないシャフト５が作成される。このシ
ャフト５を密閉型のスクロール圧縮機に用いることで、
シャフト５の磨耗を抑制できるため、圧縮機の信頼性を
向上でき、また、ジャーナル軸受での損失を減少できる
ため、圧縮機の効率の向上も実現できる。

【００５６】次に、本実施の形態のシャフト５（シャフ
ト素材２００）の材料について説明する。

【００５７】上述した表１の実施例Ｎｏ．３であるＳＡ
ＣＭ６４５のような窒化鋼が窒化されやすいのは、ＳＡ
ＣＭ６４５材に含まれるＡｌ、Ｃｒ，Ｍｏが、硬度の高
い窒素化合物を形成し易いためである。

【００５８】ここで図４は窒化化合物を形成しやすい元
素の量と硬さの関係（潤滑ハンドブック、Ｐ５４６、１
９８７、養賢堂）を示すものである。Ａｌ，Ｃｒの影響
は非常に大きく、Ｍｏ、Ｖ，Ｍｎ，Ｓｉも表面硬度向上
へ比較的大きい影響を与えるがことがわかる。また、図
４には示されていないが、Ｔｉも同様の影響を与える
（例えば「鋼の熱処理改訂５版」Ｐ９７昭和４５
年１０月１日発行、昭和４９年６月２５日第２版発行
編者社団法人日本鉄鋼協会発行所丸善株式会社、
を参照）。

【００５９】しかし、これらの元素をほとんど含まない
Ｓ４５Ｃ等の炭素鋼のシャフトを窒化処理しても、その
表面硬度は、表１のＮｏ．３のように、Ｈｖ１０００以
上にできなかった。

【００６０】これに対し、先のＡｌ、Ｃｒ，Ｍｏ、Ｖ，
Ｍｎ，Ｓｉ、Ｔｉなどの元素を含む合金では、窒化処理
することによりＨｖ１０００以上が可能である。

【００６１】窒化の容易性や、生産性などから、ドイ
ツ、イギリスなどの海外でも表２、表３に示すような組
成の窒化用鋼が生産されており、これらの窒化用鋼を用
い最適な窒化条件を選定することで、表面硬度Ｈｖ１０
００以上のシャフトを製作することができる。尚、上記
実施例Ｎｏ．３に用いたＳＡＣＭ６４５の元素組成は、
表３の中のＮｏ．１に含まれている。

【００６２】

【表２】

【００６３】

【表３】また、上記専用の窒化用鋼でなくても、図４の観点から
Ｃｒが多く含まれる合金鋼、例えば、Ｃｒを２．００％
〜１５．００％含む金型用合金工具鋼、Ｃｒを１１．５
０％〜１８．００％含むマルテンサイト系及び１５．０
０％〜１８．００％含む析出硬化ステンレス鋼などで
も、窒化条件により硬い化合物層を形成でき、表面硬度
Ｈｖ１０００以上のシャフトを製作することができる。
これらの材料は比較的入手のしやすいという利点がある
が、コストと窒化の容易性については、先の窒化用鋼の
方が有利である。

【００６４】尚、以上に示したシャフト５の材料は、窒
素と化合物を形成しやすいＡｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔ
ｉ、Ｓｉの内少なくとも一つの成分を０．２％以上含む
もので、さらに、Ｃを０．１〜０．４５％含む縦弾性係
数が１９０ＧＰａ以上を有する合金鋼である。

【００６５】このように縦弾性係数が鋳鉄材などより高
い１９０ＧＰａ以上の材料で表面硬度がＨｖ１０００以
上のシャフト５を製作して、密閉型圧縮機に用いること
で、過酷な運転条件等でもシャフト５に生じるたわみを
小さくでき、偏心軸受３ａおよびジャーナル軸受け６ａ
での片当たりなどによる摺動条件の劣化を防止でき摩耗
をより防止できるため、信頼性を向上するとともに、そ
れら軸受けでの損失を低減する事ができる。

【００６６】本実施の形態により、過酷な運転条件等で
従来生じていたシャフト５の表面の磨耗を防止でき、摺
動損失を低減できることが可能となり、そのシャフトを
用いることで信頼性と効率の高いスクロール圧縮機を実
現できる。

【００６７】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形
態２を、図３及び５を用いて説明する。図３は本発明の
実施の形態２におけるシャフトの断面硬度分布、図５は
本実施の形態のシャフトの製作工程図である。

【００６８】実施の形態１との違いは、図５に示す工程
仕様２のように、シャフト５の製作工程で窒化処理工程
２０２の前に、酸化皮膜除去工程５０１を追加した点で
ある。この工程を追加した目的は、実施の形態１での窒
化処理工程２０２をふくめた製作工程に要する時間の短
縮と、コストの低減である。

【００６９】そのシャフトの製作方法について、図５に
示す製作工程に従い説明する。ただし、酸化皮膜除去工
程５０１の追加を除き、他の工程は実施の形態１と同様
である。

【００７０】実施の形態１同様に、シャフト素材２００
としては熱処理した窒化鋼ＳＡＣＭ６４５を用い、同様
に前仕上加工工程２０１では、シャフト素材２００を加
工し洗浄除去する。その後、シャフト素材２００を酸化
皮膜除去工程５０１に移す。

【００７１】酸化皮膜除去工程５０１は、シャフト素材
２００を雰囲気の温度と圧力を制御できる雰囲気炉内に
入れて行う。雰囲気ガスは、窒素ガスにＮＦ₃、または
ＣＦ₄、ＨＦ、ＳＦ₆、Ｆ₂のうち１つ以上の活性ガスを
所定濃度（例えば２００００〜８００００ｐｐｍの間
で、例えば４００００ｐｐｍ）混合したガスを用い、所
定温度（約２５０℃〜約４５０℃間で、例えば４００
度）のガス雰囲気中でシャフト素材２００を所定時間
（数十分程度、例えば１５分）加熱保持する。

【００７２】加熱された状態で、雰囲気ガス中の活性な
ＮＦ₃が、シャフト素材２００の表面近傍に形成されて
いる酸化鉄や、酸化クロムなどの酸化皮膜と反応し、シ
ャフト素材２００の表面の酸化皮膜をＦｅＦ₂、ＦｅＦ₃
やＣｒＦ₂、ＣｒＦ₄などのフッ化皮膜に置換して除去し
する。その後、シャフト素材２００を加熱保持したま
ま、つづけて窒化処理工程２０２に移す。

【００７３】窒化処理工程２０２は、酸化皮膜除去工程
と同じ雰囲気炉中で、連続的に行う。シャフト素材２０
０を引き続き所定の温度（約３００℃〜約６００℃の間
で、例えば５００℃）に加熱保持したまま、酸化皮膜除
去工程での雰囲気ガスから窒化処理用のアンモニア等を
含む雰囲気ガス（実施の形態１同様）に切り換える。こ
の際、窒化処理工程２０２での始めの段階には、雰囲気
ガスにＨ₂やＨ₂Ｏなどを微量に加え、シャフト素材２０
０の表面に形成されたフッ化皮膜を水素により還元し除
去し、シャフト素材２００の表面に活性な金属素地の表
面を露呈させる。

【００７４】この加熱保持された活性な金属素地表面に
は、窒化を邪魔する酸化膜などがないため、金属表面の
Ｆｅ、Ｃｒなどが、アンモニアガスから解離した窒素原
子と反応しやすい。したがって、実施の形態１の場合
（例えば６０時間）より短い時間（例えば約２０時間）
で、シャフト素材２００の表面にそれらの窒素化合物か
らなる化合物層（約１０〜１００μｍ）を形成するとと
もに、深部までに窒素が拡散し化合物層の下に深い拡散
層（約１０〜５００μｍ）を形成することができる。ま
た、図３中の曲線（製作工程２）に示すように、実施の
形態１と同様の断面硬度分布を実現できる。

【００７５】その後、実施の形態１同様に、仕上加工工
程２０３を経て、シャフト素材２００よりシャフト５を
完成する。

【００７６】上記方法で作成したシャフトは、表面硬度
が、実施の形態１同様にＨｖ１０００以上となり、過酷
試験でも、なじみ程度の摩耗しか生じず、良好な耐磨耗
性結果が得られた。

【００７７】このように、実施の形態１で、例えば約７
０時間（昇温時間なども含めた窒化処理工程に要する時
間）を、上記第２の実施例では、半分以下の例えば約３
０時間（酸化皮膜除去工程から窒化処理工程までに要す
る時間）にすることができる。また、酸化皮膜除去工程
５０１と窒化処理工程２０２は炉を共有でき、連続的に
行うことができるため、酸化皮膜除去工程５０１の追加
による設備変更は少なくてすむ。この処理工程の時間短
縮などにより、生産性を向上でき、シャフトの低コスト
化を実現できる。

【００７８】したがって、実施の形態２によれば、実施
の形態１同様に表面硬度Ｈｖ１０００以上で耐磨耗性が
高く、表面の硬度分布が均一で、曲がりのないシャフト
５が、実施の形態１より安価に実現できる。このシャフ
ト５を密閉型のスクロール圧縮機に用いることで、その
圧縮機においては、シャフトの磨耗を抑制できるため信
頼性向上を安価に実現できるとともに、ジャーナル軸受
での損失を減少できるため効率向上も安価に実現でき
る。

【００７９】尚、酸化皮膜除去工程及び、窒化処理工程
に要する時間や温度等の条件は、表面硬度Ｈｖ１０００
以上のシャフトを得るためには、シャフトの材料と形状
などによって適時かえる必要があり、上記実施の形態に
記載の条件に制約されるものではない。

【００８０】また、上記のシャフト５の材料には、実施
の形態１と同様の材料を用いることができることは、言
うまでもない。

【００８１】また、上記すべての実施の形態において、
スクロール圧縮機の場合で説明したが、本発明は、密閉
容器と、前記密閉容器内に設けられた、固定子と回転子
とを有する電動機と、前記電動機からの動力により駆動
する圧縮機構部とを少なくとも備えたものであれば、レ
シプロ圧縮機およびロータリー圧縮機など、他の密閉型
圧縮機のシャフトとして用いた場合でも、同様な効果が
得られる。

【００８２】また、上記すべての実施の形態において、
窒化方法は雰囲気ガスにより行うものとして説明を行っ
たが、本発明における材料の窒化処理は、実施の形態に
限らず、他のガス窒化法、ガス軟窒化法、塩浴窒化法、
酸窒化法、浸硫窒化法等でも、表面硬度Ｈｖ１０００以
上の窒化化合物層を形成することで、上記のの実施の形
態と同様に信頼性や効率を向上できることは言うまでも
ない。

【００８３】尚、上記すべての実施の形態において、密
閉型圧縮機に用いられる冷媒は、その種類によらず用い
ることができ、本発明のシャフトは、ＨＦＣ１３４ａや
ＨＦＣ４１０Ａ、ハイドロカーボン（ＨＣ）等の塩素を
含まない冷媒や、二酸化炭素、従来のＨＣＦＣ₂₂などの
冷媒を、冷凍及び空調サイクル装置などに用いた場合に
も、信頼性や効率を向上できることは言うまでもない。

【００８４】尚、上記すべての実施の形態において、密
閉型圧縮機に用いられる冷凍機油はその種類によらず用
いることができ、冷凍機油としてＨＦＣｓ冷媒に対して
相溶するエステル油もしくはエーテル油を用いた場合で
も、上記の実施の形態の場合と同様に信頼性や効率を向
上できることは言うまでもない。

【００８５】尚、上記すべての実施の形態において、冷
媒としてＨＣ冷媒を、冷凍機油にはＨＣ冷媒に対して溶
解性の高い鉱油もしくはアルキルベンゼン油を用いた場
合、冷凍機油の粘度低下が著しく、ジャーナル軸受の摺
動条件が一層過酷となるが、本実施の形態のシャフト
は、上記の条件下でも、耐摩耗性を向上させることが可
能であり、高い信頼性を得ることができる。特に冷媒と
して二酸化炭素冷媒を用いた場合には、軸受に作用する
荷重が非常に大きくなるためジャーナル軸受の摺動条件
が一層過酷となるが、本実施の形態のシャフトによれ
ば、信頼性や効率を向上できる。

【００８６】尚、上記すべての実施の形態において、シ
ャフトと摺動する軸受として、例えば、ブッシュ材にカ
ーボンを用いた場合や、裏金を有する裏金付きメタル軸
受材、あるいは鋳鉄軸受材を用いた場合でも、本発明の
シャフトは、上記実施の形態と同様に信頼性や効率を向
上できる。さらに、裏金付き樹脂複合軸受材が、裏金上
に形成した多孔質焼結層中に樹脂層を含浸した層を形成
したものであっても勿論良い。

【００８７】以上のように、上記実施の形態によれば、
シャフトのジャーナル部の表面層が、窒化処理工程後、
その表面から少なくとも窒素との化合物層（白層）の厚
み以上除去することにより、表面硬度Ｈｖ１０００以上
を有するとともに曲がりをなくすことできるため、耐摩
耗性が高く、摺動損失の少ないシャフトが実現できる。
さらに、そのシャフトを用いることで密閉型圧縮機の信
頼性と効率の向上を実現する事ができる。

【００８８】また、上記実施の形態によれば、酸化皮膜
除去工程を追加したことにより、窒化処理工程での処理
時間を短縮できるため、信頼性及び効率の高い密閉型圧
縮機およびそのシャフトを安価に実現できる。

【００８９】また、上記実施の形態によれば、少なくと
も窒素との化合物層（白層）を除去され、表面硬度Ｈｖ
１０００以上を有し、曲がりがなく、耐摩耗性が高く、
摺動損失の少ないシャフトを用いることで密閉型圧縮機
の信頼性と効率を向上する事ができる。

【００９０】

【発明の効果】上記実施例から明らかなように、本発明
によれば、耐摩耗性が高く、摺動損失の少ないシャフト
およびその製造方法が実現できる。

【００９１】さらに、そのシャフトを用いることで密閉
型圧縮機の信頼性と効率の向上を実現する事ができる。

【００９２】また、本発明によれば、窒化処理に要する
時間を短縮して、信頼性及び効率の向上したシャフトの
製造方法を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるシャフトの表面近
傍の断面図

【図２】本発明の実施の形態１によるシャフト製作工程
図

【図３】本発明の実施の形態１における窒化処理工程後
のシャフト素材の断面の硬さ分布を示す図

【図４】シャフト材料の説明図

【図５】本発明の実施の形態２によるシャフト製作工程
図

【図６】従来例のスクロール圧縮機の縦断面図

【図７】従来例のシャフト製作工程図

【符号の説明】

５シャフト２１化合物層２２拡散層２３除去厚み２００シャフト素材

フロントページの続き (72)発明者松尾光晴大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者福原弘之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者岡秀人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3H003 AA05 AB03 AC03 AD01 CA01 3H029 AA02 AA14 AB03 BB31 BB44 CC08 CC16 CC38 3H039 AA03 AA06 AA12 BB04 BB05 BB07 CC10 CC12 CC36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉容器と、前記密閉容器内に設けられ
た、固定子と回転子とを有する電動機と、前記電動機か
らの動力により駆動する圧縮機構部とを少なくとも備え
た密閉型圧縮機に用いられる、前記電動機から前記圧縮
機溝部へ動力を伝達するためのシャフトであって、前記シャフトの摺動面の表面層は、少なくとも窒素との
化合物層の厚み以上の部分を含まない、窒化処理された
部分から形成されていることを特徴とするシャフト。
【請求項２】前記表面層は、前記窒化処理が行われる
前に、酸化皮膜が除去されていることを特徴とする請求
項１に記載のシャフト。
【請求項３】前記表面層の硬度はＨｖ１０００以上で
あることを特徴とする請求項１または２に記載のシャフ
ト。
【請求項４】Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉの内
少なくとも一つの成分を０．２％以上含み、縦弾性係数
が１９０ＧＰａ以上の材料で製作されたことを特徴とす
る請求項３に記載のシャフト。
【請求項５】Ａｌを０．７０％〜１．３０％、Ｃｒを
１．００％〜１．８０％、Ｍｏを０．１０％〜０．５を
含む窒化用鋼で製作されたことを特徴とする請求項４に
記載のシャフト。
【請求項６】Ｃｒを１１．５０％〜１８．００％含む
マルテンサイト系ステンレス鋼で製作されたことを特徴
とする請求項４に記載のシャフト。
【請求項７】Ｃｒを１５．００％〜１８．００％含む
析出硬化系ステンレス鋼で製作されたことを特徴とする
請求項４に記載のシャフト。
【請求項８】Ｃｒを２．００％〜１５．００％含む金
型用合金工具鋼で製作されたことを特徴とする請求項４
に記載のシャフト。
【請求項９】密閉容器と、前記密閉容器内に設けられ
た、固定子と回転子とを有する電動機と、前記電動機か
らの動力により駆動する圧縮機構部とを少なくとも備え
た密閉型圧縮機が有する、前記電動機から前記圧縮機溝
部へ動力を伝達するためのシャフトの製造方法であっ
て、前記シャフトの摺動面の表面層を窒化する窒化処理工程
と、前記窒化処理工程後の表面から、少なくとも窒素との化
合物層の厚み以上の部分を除去して窒化層表面を得る仕
上加工工程とを備えたことを特徴とするシャフトの製造
方法。
【請求項１０】前記窒化処理工程の前に、前記シャフトの摺動面の表面層の酸化皮膜を除去する酸
化皮膜除去工程を更に備えたことを特徴とする請求項９
に記載のシャフトの製造方法。
【請求項１１】前記窒化層表面の硬度がＨｖ１０００
以上であることを特徴とする請求項９または１０に記載
のシャフトの製造方法。
【請求項１２】前記シャフトの材料として、Ａｌ、Ｃ
ｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｓｉの内少なくとも一つの成分を
０．２％以上含み、縦弾性係数が１９０ＧＰａ以上の材
料を用いたことを特徴とする請求項１１に記載のシャフ
トの製造方法。
【請求項１３】前記シャフトの材料として、Ａｌを
０．７０％〜１．３０％、Ｃｒを１．００％〜１．８０
％、Ｍｏを０．１０％〜０．５を含む窒化用鋼を用いた
ことを特徴とする請求項１２に記載のシャフトの製造方
法。
【請求項１４】前記シャフトの材料として、Ｃｒを１
１．５０％〜１８．００％含むマルテンサイト系ステン
レス鋼を用いたことを特徴とする請求項１２に記載のシ
ャフトの製造方法。
【請求項１５】前記シャフトの材料として、Ｃｒを１
５．００％〜１８．００％含む析出硬化系ステンレス鋼
を用いたことを特徴とする請求項１２に記載のシャフト
の製造方法。
【請求項１６】前記シャフトの材料として、Ｃｒを
２．００％〜１５．００％含む金型用合金工具鋼を用い
たことを特徴とする請求項１２に記載のシャフトの製造
方法。
【請求項１７】請求項１から８のいずれかに記載のシ
ャフトと、密閉容器と、前記密閉容器内に設けられた、電動機と、前記電動機に
より駆動される圧縮機構部とを少なくとも備え、前記シャフトは前記電動機の動力を前記圧縮機構部へ伝
達することを特徴とする密閉型圧縮機。
【請求項１８】前記圧縮機構部は、スクロール型であ
ることを特徴とする請求項１７に記載の密閉型圧縮機。
【請求項１９】ＨＦＣ、ＨＣ、二酸化炭素のいずれか
を主成分とする冷媒を用いたことを特徴とする請求項１
８に記載の密閉型圧縮機。