KR100204173B1 - 왕복동형 냉매 압축기 - Google Patents

왕복동형 냉매 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉동장치용 밀폐형 압축기에 관한 것이고, 이는 적어도 압축기부, 응축기, 팽창기, 건조기 및 증발기로 구성되며, 냉매와 냉동기유를 포함하는 냉동사이클에 사용되는 밀폐 왕복동형 압축기로서, 냉동기유를 저장하는 밀폐용기내에 회전자와 고정자로 이루어진 모터, 및 상기 회전자에 끼워부착된 회전축 및 이 회전축을 거쳐서 상기 모터에 연결된 상기 압축기부를 포함하고 있으며; 냉매가 임계온도가 40℃이상이고 염소를 함유하지 않는 플루오르카본계 냉매를 주성분으로 하여 이루어지고; 40℃에서의 동적점도가 2-35cSt, 100℃에서의 동적점도가 1-6cSt이고, 분자중에 에스테르 결합을 적어도 2개 보유하는 지방산의 에스테르 오일을 베이스 오일로 한 냉동기유를 포함하며; 상기 모터는 도체, 절연재료 및 권취유를 포함하는 절연층을 포함하고 있고; 상기 절연층의 권취유는 에스테르 왁스임을 특징으로 한다.

Description

왕복동형 냉매 압축기
발명이 속하는 기술분야
본 발명은 냉장고용 왕복동형 압축기에 관한 것으로서, 특히 염소를 함유하지 않고 임계온도가 40℃이상인 플루오로카본계 냉매 및 이런 냉매에 적합한 에스테르계 오일을 냉동기유로 사용하는 압축기에 있어서 압축기 모터의 절연층 에나멜 와이어 권취유로서 왁스와 에스테르계 오일의 혼합물을 사용하는 압축기에 관한 것이다.
발명이 속하는 기술분야의 종래기술 및 그의 문제점
환경오염 문제, 특히 오존감소 및 지구의 온난화 때문에 전세계적으로 염소함유 플루오로카본의 사용이 규제되고 있으며, 냉장고, 제습기 등의 냉동장치에 냉매로 사용되는 R12도 이 규제대상에 포함되어 있다.
따라서, R12를 대체할 수 있는 새로운 타입의 염소-미함유 냉매가 필요하게 되었고, 하이드로플루오르카본계 또는 플루오로카본계 냉매가 이런 목적의 대체냉매로서 주목을 받고 있다. 염소를 함유하지 않는 하이드로플루오르카본계 또는 플루오르카본계 냉매로는 후술하는 종류의 것을 예시할 수 있으며, 이중 특히 R134a가 집중적으로 연구되고 있다. 그러나 R134a로 대표되는 이들 염소-미함유 하이드로플루오르카본계 또는 플루오르카본계 냉매는 종래에 사용되던 염소-함유 냉매인 R12와는 달리 고유한 화학적 구조를 가지므로 매우 특이한 성질을 갖는다. 따라서, R12 냉매를 사용하는 냉동계에 사용되었던 광유 및 알킬벤젠 오일계 냉동기유와의 상용성이 나쁘게 되어 압축기부의 슬라이딩부의 마찰에 대한 내마모성 및 윤활성, 절연재에 대한 나쁜 영향이 있어 사용이 불가능하였다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 분자내에 2개 이상의 에스테르 결합을 갖는, 지방산과 다가 알콜과의 에스테르류를 냉동기유의 베이스오일로 사용하고자 하는 것이 제안되었다 (한국특허공고 95-5694호 및 한국특허공고 95-5695호).
한편, 냉동장치에 사용되는 압축기의 구조를 도 1과 도 2에 도시하고, 도 10A와 도 10B에 각각 냉장고 냉동싸이클의 계통도 및 개략적인 모식도를 나타내었다. 도 10A 내지 도 10B에서 볼 수 있는 바와 같이, 냉동사이클은 압축기(1), 팽창기(7), 응축기(2, 3, 4, 5), 증발기 (8) 등으로 이루어져 있고, 도 1 내지 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 압축기는 모터 (101), 커버 흡입 머플러(102), 흡입 스프링(103), 흡입 파이프(104), 라인 토출관 (105) 및 어셈블리 흡입 머플러(106) 등을 구비하고 있다. 압축기의 전기모타부는 고정자와 회전자로 이루어지고, 이들은 절연층 (20 또는 30)을 포함하고 있다.
절연층용 에나멜 와이어의 상세한 구조는 도 3과 도 4에 도시하였다. 도3과 도4는 각각 종래의 절연층 구조와 본 발명에 따른 절연층 구조를 보여주는데, 이들은 서로 사용된 권취유(도 3의 34 또는 도 4의 24)의 종류가 다른 것을 제외하고 동일한 구조를 갖는다. 도 3과 도 4를 참조하면, 구리 코어선(31 또는 21)이 폴리에스테르이미드(32 또는 22) 및 폴리아미드-이미드막(33 또는 23)으로 이중 코팅되어 있고, 그 위에 권취유로서 파라핀 왁스(34 또는 24)가 코팅되어 있다. 에나멜 와이어의 구성은 도체(31 또는 21)와 절연재료(32와 33, 또는 22와 23), 그리고 권취유(34 또는 24)로 되어 있다. 도체는 순도 99.9%의 구리이며 절연재료로는 주로 바니쉬를 사용하는데 폴리에스테르 이미드와 폴리아미드-이미드를 사용한다. 또한 모타 제조시 작업성을 좋게하기 위하여 권취유로서 파라핀 왁스가 코팅되어 있다.
에나멜 와이어는 전기, 전자 기기의 권선용 전선으로 사용되며, 기기 내부에 코일 형상으로 권취되어 자기에너지를 모체로써 전기에너지↔기계에너지의 상호변환을 목적으로 하는 전선이다.
그런데, 종래에 R-12 냉매/광유 냉동기유를 포함하는 압축기의 모터 절연층 에나멜 와이어의 권취유로서 파라핀 왁스가 사용되는 경우, 냉동기유와 파라핀 왁스와의 상용성이 좋기 때문에 문제점이 없었다.
그러나, R-134a 냉매/에스테르 오일계 냉동기유를 포함하는 압축기에 있어서, 권취유로서 파라핀 왁스를 사용하는 경우, 이 파라핀 왁스는 비극성인 반면 상기 R-134a 냉매와 에스테르 냉동기유 오일이 극성이기 때문에, 상호간에 혼용성이 없어 냉동 사이클의 온도가 낮은 모세관, 특히 출구쪽에 막힘을 일으키고 그 영향으로 냉동장치 품질에 나쁜 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
따라서, R-134a 냉매/에스테르 오일계 냉동기유를 포함하는 압축기의 절연층 권취유로서 사용할 수 있으며, 상기 냉매/냉동기유와의 상용성이 좋은 새로운 권취유의 제공이 요망되어 왔다.
본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 갖지 않고, 모터 제작시 작업성을 좋게 하고 냉동장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 적어도 압축기부, 응축기, 팽창기, 건조기 및 증발기로 구성되며, 냉매와 냉동기유를 포함하는 냉동사이클에 사용되는 밀폐 왕복동형 압축기로서,
냉동기유를 저장하는 밀폐용기내에 회전자와 고정자로 이루어진 모터, 및 상기 회전자에 끼워부착된 회전축 및 이 회전축을 거쳐서 상기 모터에 연결된 상기 압축기부를 포함하고 있으며,
냉매가 임계온도가 40℃이상이고 염소를 함유하지 않는 플루오르카본계 냉매를 주성분으로 하여 이루어지고,
40℃에서의 동적점도가 2-35cSt, 100℃에서의 동적점도가 1-6cSt이고, 분자중에 에스테르 결합을 적어도 2개 보유하는 지방산의 에스테르 오일을 베이스 오일로 한 냉동기유를 포함하며,
상기 모터는 도체, 절연재료 및 권취유를 포함하는 절연층을 포함하고 있고,
상기 절연층의 권취유는 에스테르 왁스임을 특징으로 하는 밀폐형 왕복동형 압축기를 제공한다.
상기한 본 발명의 목적 및 그외 다른 목적들, 그리고 특징들은 하기 발명의 상세한 설명란으로부터 당업자에게 명백하게 드러날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모타를 사용한 압축기 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 모타를 사용한 압축기 평면도.
도 3은 종래의 R-12냉매/광유계 냉동기유에 사용하는 모타 절연층의 에나멜 와이어 구조.
도 4는 본 발명의 R-134a냉매/에스테르 오일계 냉동기유에 사용하는 모타 절연층의 에나멜 와이어 구조.
도 5는 R-134a냉매/에스테르 오일계 냉동기유를 포함하는 압축기에 종래의 파라핀 왁스 권취유를 사용했을 때의 냉동 사이클내 모세관 튜브의 상태를 보여주는 사진.
도 6은 R-134a냉매/에스테르 오일계 냉동기유를 포함하는 압축기에 본 발명에 따른 에스테르 왁스 권취유를 사용했을 때의 냉동 사이클내 모세관 튜브의 상태를 보여주는 사진.
도 7은 파라핀 왁스 원액의 가스크로마토그램.
도 8은 본 발명에 따라 압축기 모터 절연층의 권취유로 사용되는 에스테르 왁스 원액의 가스크로마토그램.
도 9는 실시예 1의 실험에서 생긴 퇴적물을 헥산으로 씻은 후 가스크로마토그래피로 분석한 결과로서 파라핀 왁스의 피크가 검출됨을 보여준다.
도 10A와 도 10B는 각각 냉장고 냉동싸이클의 계통도 및 개략적인 모식도이다.
도면의 주요부호의 간단한 설명
1 : 압축기 2, 3, 4, 5 : 응축기
7 : 팽창기 8 : 증발기
10 : 흡입관 11, 104 : 흡입파이프
12 : 토출 파이프 20 : 모터절연층
101 : 모터 102 : 커버-흡입 머플러
103 : 흡입 스프링 105 : 토출관
106 : 어셈블리 흡입 머플러
본 발명에 따르면, 적어도 압축기부, 응축기, 팽창기, 건조기 및 증발기로 구성되며, 냉동기유와 냉매를 포함하는 냉동사이클에 사용되는 밀폐 왕복동형 압축기를 제공하며, 이 압축기는 그 모터의 절연층의 권취유로서 에스테르 왁스를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에서 에스테르 왁스로는 25℃에서의 비중이 0.73 - 0.75, 인화점이 10-20℃, 그리고 캐리어 용매로서 나프타를 사용하는 하이드롤리틱 스테아릭 에틸 에스테르가 사용된다.
본 발명의 압축기에 사용되는 냉매는 임계온도가 40℃이상이고 염소를 함유하지 않는 플루오르카본계 냉매를 주성분으로 하여 이루어진다. 이러한 냉매로는 하이드로플루오르카본과 플루오르카본이 포함되며, 구체적으로는 하이드로플루오르카본으로는 디플루오르메탄(R32), 펜타플루오르메탄(R125), 1,1,2,2-테트라플루오르에탄(R134), 1,1,1,2-테트라플루오르에탄(R134a), 1,1,2-트리플루오르에탄(R143), 1,1,1-트리플루오르에탄(R143a), 1,1-디플루오로에탄(R152a) 및 모노플루오르에탄(R161) 등을 예시할 수 있고, 플루오르카본으로는 헥사플루오르프로판(C216) 및 옥타플루오르시클로부탄(C318)을 예시할 수 있다. 이중에서, R134, R134a, R143, R143a 및 C216이 종래의 냉매인 R12와 유사한 비등점을 가지므로 대체냉매로서 바람직하게 사용될 수 있다. 본 발명에서는 특히 R134a가 바람직하게 사용된다.
상기한 냉매용 냉동기유의 베이스오일로 사용되는 에스테르 오일류는 분자내에 2개 이상의 에스테르 결합을 갖고 있고, 40℃ 점도가 2-35cSt, 그리고 100℃ 점도가 1-6cSt인 지방산 에스테르를 포함한다. 이들 에스테르류는 탄소수가 2-10개인 측쇄 지방산과, 네오펜틸글리콜 또는 펜타에리트리톨과 같은 다가알코올을 반응시켜 얻은 에스테르이다. 구체적으로는 예를 들면 한국특허공고 95-5694호 및 동 95-5695호에 기재된 것을 포함한다.
이 에스테르 오일은 첨가제로 가수분해 안정제, 산화 안정제, 또는 기포제에서 선택된 것을 1종 또는 2종 이상 함유할 수 있다. 이들 첨가제의 구체적인 종류 및 사용량은 당업자가 어려움없이 선정할 수 있으며, 본 발명이 이들의 종류 및 사용량에 의해 한정되지는 않는다.
도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 압축기의 모터 절연층(20)은 그 구성이 도체와 절연재료로 되어 있고, 도체(21)는 순도 99.9%이상의 구리이며 절연재료(22, 23)는 하층(22)은 폴리에스테르 아미드이고 상층(23)은 자기윤활 폴리아미드-이미드로 구성되어 있으며, 권취유(24)로는 에스테르 왁스를 사용하도록 되어 있으며, 내열등급은 200℃이다. 절연재료층의 상층(13)을 구성하는 폴리아미드-이미드는 자기 윤활형인 것으로서, 비중이 1.0∼1.1, 25℃ 점도가 300∼3000cps, 인화점이 20∼40℃인 것이 바람직하게 사용된다.
그리고, 모타 절연층 (10)의 선경은 φ0.2∼φ1.5의 범위내에 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 압축기에 대하여 수명시험을 실시하고 모세관 튜브내의 퇴적물 형성여부를 측정하였다.
실시예 1
응축기, 팽창기, 건조기, 증발기가 구성된 냉동 사이클에 R-134a와 에스테르 냉동기유 (네오펜틸글리콜과 옥탄산과의 에스테르로서, 40℃ 점도가 4.8cSt이고 100℃ 점도가 1.7cSt인 것)를 포함하고 파라핀 왁스로 도포된 에나멜 와이어를 모타 절연층으로 사용하여 수명 시험하고, 모세관 튜브 내부의 퇴적상태를 관찰하였다. 결과를 도 5에 나타내었다. 수명시험 조건은 주위온도 43℃에서 1000HRs 동안 연속으로 운전하는 것이다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 실시하되, 권취유로서 파라핀 왁스 대신에 25℃에서의 비중이 0.73 - 0.75, 인화점이 10-20℃, 그리고 캐리어 용매로서 나프타를 사용하는 하이드롤리틱 스테아릭 에틸 에스테르를 사용하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 5와 도 6의 결과에서 볼 수 있듯이, 파라핀 왁스는 비극성으로 극성인 에스테르 냉동기유와 혼용성이 없기 때문에, 냉동 사이클에서 급격히 온도가 떨어지는(-10℃∼-30℃) 모세관 튜브의 출구부에서 에스테르계 냉동기유가 다시 증발기를 거쳐 압축기 내부로 돌아오는 반면 파라핀 왁스는 튜브 내부에 퇴적이 되게 된다 (도 5). 따라서 이런 현상이 반복되면 튜브 막힘이 크게되어 결국은 냉동장치의 온도 특성이 제대로 나타나지 않아 품질 문제가 발생하게 된다.
반면, 본 발명에 따른 압축기에 있어서는 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 모세관 튜브 내부 상태는 수명시험후에도 깨끗하게 나타나 냉동장치의 품질에 전혀 문제가 없음을 확인할 수 있다.
실시예 1에서 퇴적된 물질이 파라핀 왁스인지를 알아보기 위해서 가스크로마토그래피를 통하여 분석하였다. 우선, 파라핀 왁스 원액과 하이드롤리틱 스테아릭 에틸 에스테르 왁스 원액에 대해 가스크로마토그래피 차트를 만들고 (각각 도 7 및 도 8), 실시예 1에서 발생한 모세관 튜브내 퇴적물을 헥산과 같은 세척제를 사용해 씻어낸 후 가스크로마토그래피로 분석하였다. 분석 결과는 도 9에 나타내었는데, 도 7에서 검출된 것과 같은 파라핀 왁스 피크가 검출된 것을 알 수 있었다.
본 발명에 의한 에스테르 왁스 권취유가 도포된 에나멜 와이어 모타 절연층을 HFc-134a 냉매와 에스테르 오일을 포함하는 냉동장치의 압축기에 적용하게 되면 종래의 파라핀 왁스를 사용한 모타 절연층을 포함하는 압축기에서 발생할 수 있는 모세관 튜브 막힘 현상을 없앨 수 있어 냉동장치의 품질 안정에 상당한 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 적어도 압축기부, 응축기, 팽창기, 건조기 및 증발기로 구성되며, 냉매와 냉동기유를 포함하는 냉동사이클에 사용되는 밀폐 왕복동형 압축기로서,
    냉동기유를 저장하는 밀폐용기내에 회전자와 고정자로 이루어진 모터, 및 상기 회전자에 끼워부착된 회전축 및 이 회전축을 거쳐서 상기 모터에 연결된 상기 압축기부를 포함하고 있으며,
    냉매가 임계온도가 40℃이상이고 염소를 함유하지 않는 플루오르카본계 냉매를 주성분으로 하여 이루어지고,
    40℃에서의 동적점도가 2-35cSt, 100℃에서의 동적점도가 1-6cSt이고, 분자중에 에스테르 결합을 적어도 2개 보유하는 지방산의 에스테르 오일을 베이스 오일로 한 냉동기유를 포함하며,
    상기 모터는 도체, 절연재료 및 권취유를 포함하는 절연층을 포함하고 있고,
    상기 절연층의 권취유는 에스테르 왁스임을 특징으로 하는 밀폐형 왕복동형 압축기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 도체가 순도 99.9%이상의 구리이며, 절연재료는 하층은 폴리에스테르 아미드이고 상층은 자기윤활 폴리아미드-이미드로 된 이중 절연재료로 구성되어 있고, 권취유가 상기 상층의 표면에 코팅되어 있으며, 내열등급이 200℃인 와이어인 것을 특징으로 하는 압축기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 냉동기유의 에스테르 오일은 탄소수가 2∼10개인 측쇄지방산과, 네오펜틸 글리콜 또는 펜타에릴트리톨에서 선택된 다가 알코올과의 에스테르 임을 특징으로 하는 압축기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 에스테르 오일은 가수분해 안정제, 산화 안정제, 및 기포제로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 첨가제를 포함함을 특징으로 하는 압축기.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 절연층의 선경은 φ0.2∼φ1.5임을 특징으로 하는 압축기.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 자기 윤활 폴리아미드-이미드는 비중이 1.0∼1.1, 25℃ 점도가 300∼3000cps, 그리고 인화점이 20∼40℃인 것을 특징으로 하는 압축기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 에스테르 왁스는 25℃에서 비중이 0.73∼0.75, 인화점이 10∼20℃, 캐리어 용매를 나프타를 사용하는 하이드롤리틱 스테아릭 에틸 에스테르(Hydrolitic Stearic ethyl ester)인 것을 특징으로 하는 압축기.
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