KR100435998B1 - 냉매 압축기 및 냉매 압축기와 이의 부재를 채용하는공조기와 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 높은 내마모성을 갖는 베어링 재료를 사용하여 높은 신뢰성 및 내구성의 냉매 압축기와, 이러한 냉매 압축기 및 그의 베어링을 채용한 공조기 및 냉동기를 제공하는 것이다.

본 발명은 베어링과, 이러한 베어링을 채용한 냉매 압축기와, 회전축의 크랭크에 의해 구동되는 압축 수단에 의해 냉매를 반복적으로 압축, 액화 및 증발시키는 냉동 사이클의 냉매 압축기를 채용한 공조기 및 냉동기에 관한 것이고, 상기 회전축 및 크랭크를 지지하기 위한 베어링들 중 적어도 하나가, 20 내지 50 중량%의 흑연을 함유하며, 그 기공에는 IB 족, 철을 제외한 VIII 족 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 또는 상기 금속들을 주로 포함하는 합금이 함침되는 탄소질 재료를 포함하는 부재로 만들어진다.

Description

냉매 압축기 및 냉매 압축기와 이의 부재를 채용하는 공조기와 냉동기{A REFRIGERANT COMPRESSOR, AN AIR CONDITIONER AND A FREEZER EMPLOYING THE REFRIGERANT COMPRESSOR AND MEMBERS THEREOF}

본 발명은 양호한 내마모성을 갖도록 베어링이 개선된 혁신적인 냉매 압축기와, 상기 냉매 압축기와 그 베어링을 각각 채용한 공조기 및 냉동기에 관한 것이다.

통상적으로, 냉매 압축기의 베어링은 주철, 청동 및 알루미늄 합금 재료와 같은 금속 재료, 수지 재료 또는 수지 금속 복합 재료로 제조되어 왔다. 일반적으로, 청동 관련 재료는 다량의 납(Pb)을 함유한다. 압축기를 제외한 유닛과 다른 유닛들을 위한 활주 재료의 대부분은 통상 납을 함유한다. 활주 부재의 늘어붙음(seizing)을 방지하기 위하여, 베어링에 의해 지지된 축는 표면 처리된다. 주철을 제외한 재료가 사용될 때, 베어링 재료는 늘어붙음과 마모를 방지하도록 축 재료와는 상이한 재료로 제조된다.

일본 특허 공개 공보 (평)02-248676호 및 (평)02-275114호에는 알루미늄(Al)이 함침된 흑연 함유 탄소 재료를 포함하는 베어링 재료가 개시되어 있다.

종래의 압축기에서, 베어링 부하는 압축기 성능이 높아짐에 따라 증가된다. 결과적으로, 베어링과 크랭크 축 사이의 오일 윤활막이 파괴되기 쉽고, 또한 베어링과 크랭크 축 사이의 부분적인 직접 접촉이 일어나기 쉽다. 이러한 직접 접촉은 경계 윤활(boundary lubrication)로 불린다. 경계 윤활은 압축기가 작동 개시될 때, 또는 초과의 냉매가 공급될 때에도 발생될 것이다. 종래의 금속 베어링, 수지 베어링 및 표면 처리 축는 그러한 경계 윤활 상태에서 늘어붙음 및 마멸(galling)되기 쉽다. 베어링 부하를 제거하기 위한 몇가지 방법, 즉 베어링의 내경을 증가시키고, 베어링의 길이를 증가시키는 등의 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 방법들은 내장된 모터를 구비한, 외부를 둘러싸는 압축기 케이싱 내의 베어링 공간이 한정되기 때문에 제한된다.

납 청동, 안티몬(Sb) 합금 및 납/안티몬 탄소 복합 재료와 같은, 윤활성의 납 또는 안티몬을 함유하는 재료는 늘어붙음 및 마멸을 쉽게 일으키지는 않지만, 납과 안티몬은 인체와 자연계의 다른 생물에 해로우며 환경을 오염시키지 않도록 처리되어야 한다. 이러한 물질들은 PRTR(환경 오염 물질 배출 및 이동 등록)법에 의해 규제받아야 한다. 비록 납 청동, 안티몬 합금 및 납/안티몬 탄소 복합 재료가 이들의 낮은 용융점 때문에, 가혹한 작업 상태 하에서, 또는 윤활유가 없는 상태에서 마찰 특성을 개선시키지만, 이러한 재료들은 가혹한 활주 상태 하에서 연속적으로 사용되거나 높은 온도에서 사용될 때에는 많이 마모될 것이다.

상기의 일본 특허 출원 공개 공보들은 알루미늄 이외에 탄소질 재료(carbon base material)에 함침되는 금속, 함침된 탄소질 재료의 기공율 및 탄소질 재료 내의 흑연의 함유량에 대해서는 개시하고 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 윤활유가 일시적으로 공급되지 않을 경우에 마모와 늘어붙음을 방지하도록 높은 내마모성과 높은 늘어붙음에 대한 내성(seizure resistance)을 갖는 재료로 제조된 베어링을 구비한 신뢰성 높고 긴 내구성을 갖는 냉매 압축기와, 상기 냉매 압축기와 이의 베어링을 채용한 공조기 및 냉동기를 제공하는 것이다.

도1은 냉매 압축기의 일종인 스크롤 압축기의 단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 베어링 재료의 오일이 없는 상태에서의 마찰 계수와 쇼어 경도 사이의 관계를 도시한다.

도3은 오일이 없는 상태에서 고정 부품의 마모량과 본 발명에 다른 베어링 재료의 쇼어 경도 사이의 관계를 도시한다.

도4는 윤활유가 있는 상태에서 본 발명에 따른 베어링 재료의 마찰 계수와 쇼어 경도 사이의 관계를 도시한다.

도5는 부하 지지 시험의 결과인 본 발명에 따른 베어링 재료의 마모량과 쇼어 경도 사이의 관계를 도시한다.

도6은 윤활유 내에서 시험된 본 발명에 따른 베어링 재료의 마찰 계수와 기공율 사이의 관계를 도시한다.

도7은 함침된 베어링 재료의 마찰 계수와 함침된 금속의 용융점 사이의 관계를 도시한다.

도8은 탄소질 재료에 함유된 흑연의 함유량과 오일이 없는 상태에서 마찰 계수와의 관계를 도시한다.

도9는 본 발명의 일 실시예인 회전 압축기의 단면도이다.

본 발명은 마찰 계수를 감소시키고 내마모성을 증가시키기 위해, 탄소질 재료에 경계 윤활 상태에서도 마손의 발생이 어려운 최적량의 흑연을 첨가하고, 윤활유 내에서 오일막을 용이하게 형성하도록 탄소질 재료의 기공에 금속을 함침시키며, 마찰 계수를 감소시키고 내마모성을 증가시키도록 납과 안티몬을 제외한 금속의 함침 조성, 조직, 양을 조절함으로써 우수한 활주 특성을 갖는 베어링을 제공한다. 이에 따라, 높은 신뢰성을 갖는 냉매 압축기가 제공될 수 있다.

본 발명은 높은 신뢰성과 긴 내구성을 갖는 냉매 압축기를 제공할 수 있으며,

상기 압축기의 베어링은 가혹한 활주 상태 또는 윤활유가 없는 상태에서도 매우 작은 마찰 계수와 양호한 내마모성을 갖는 탄소질 재료로 만들어지고,

상기 탄소질 재료는 탄소질 재료 내에 존재하는 기공을 통해 윤활유가 방출되는 것을 방지하도록 IB 족, 철을 제외한 VIII 족 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용융 금속, 또는 상기 금속들을 주로 포함하는 합금이 함침되며, 합금 내의 납과 안티몬 중 적어도 하나의 함유량은 1 중량% 이하이고, 상기 부재의 쇼어 경도는 65 내지 120의 범위가 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 부재의 65 이상의 쇼어 경도는 가혹한 작업 상태 하에서 또는 윤활유가 없는 상태에서 작은 마찰 계수와 최소 마모를 가질 수 있다. 이는 냉매 압축기가 더욱 신뢰성 있고 긴 내구성을 갖게 한다. 대량 생산을 위하여, 쇼어 경도는 (90 이상의 쇼어 경도는 재료의 작업성을 감소시키기 때문에) 90 이하가 바람직하다. 다시 말하면, 90 이하의 쇼어 경도를 갖는 재료에 의해, 본 발명은 양호한 내마모성과 양호한 작업성 모두를 갖는 냉매 압축기를 제공할 수 있다.

합금의 납과 안티몬의 함유량은 바람직하게는 0.5% 이하, 가장 바람직하게는 0%이지만, 생산을 위하여 JIS 규격에 부합하는 재료가 바람직할 것이다.

본 발명은 냉매 압축기가 정상 작동 상태에서 부드럽게 윤활될 때에도 베어링 재료에서 기공을 감소시키도록 제어한다. 다시 말해, 본 발명에 따른 베어링 재료는 탄소질 재료 내의 기공을 0.05 내지 2 체적％, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 체적％의 비율을 갖도록 흑연 함유 탄소질 재료에 금속 또는 합금을 함침시킴으로써 재료가 마모되는 것을 방지하는 안정된 오일 윤활막이 형성되도록 한다. 보다 바람직하게는, (5 내지 15 체적％의 기공 비율을 갖는) 탄소질 재료는 금속이 함침되어 함침된 탄소질 재료가 0.05 내지 2 체적％의 기공 비율을 가질 수 있다.

본 발명은, 상기 회전축 및 상기 크랭크 중 적어도 하나에 대한 베어링이, 흑연을 20 내지 50 중량%를 함유하며, 베어링 재료의 기공을 충전하기 위해 1 중량％ 이하의 납 또는 안티몬을 함유하는 금속 또는 합금이 함침된 탄소질 재료가 포함된 기초 재료로 제작되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 탄소질 재료에 함침된 금속 또는 합금에 첨가되는 0.2 중량％ 이하, 바람직하게는 0.05 내지 0.15 중량％의 바나듐 및 티타늄 중 적어도 하나는 윤활유에 대한 탄소질 재료의 습윤도를 증가시키고 베어링 재료의 기공 비율을 감소시킨다. 이것은 오일 윤활막을 더 안정하게 하여 베어링 재료가 마모되는 것을 방지함으로써 냉매 압축기의 신뢰성을 높인다.

고온에서 압축기의 연속 작동 중에 높은 윤활성 및 높은 내마모성을 보장하기 위해 탄소질 재료에 함침된 금속 또는 합금의 용융점은 구리 기초 합금에서 900℃ 이상이고, 바람직하게는 900℃ 내지 1200℃, 보다 바람직하게는 950℃ 내지 1050℃이다.

IB 족은 구리, 은 및 금을 포함하고, VIII 족은 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴 및 백금을 포함하지만, 함침되는 금속은 양호하게는 구리, 은, 코발트 및 니켈 세트에서 선택된 것이어야 한다. 또한, 함침되는 합금은 바람직하게는 80 내지 90 중량％의 구리, 5 내지 11 중량％의 주석, 3 중량％ 이하의 아연 및 1.0 중량％ 이하의 납을 함유하는 구리 합금이거나, 바람직하게는 0.5 내지 5.0 중량％의 구리, 3 중량％ 이하의 아연을 함유하는 주석 합금이어야 한다. 합금 내의 납은 1.0％ 이하, 바람직하게는 0.5％ 이하이어야 한다. 이러한 금속은 함침되기는 쉽지만 탄소(C)와 혼합시키기는 어렵고, 함침된 재료에 높은 내마모성 및 높은 늘어붙음에 대한 내성을 부여한다.

통상, 탄소질 재료는 기공을 갖는데, 그 기공을 통해 윤활유가 분산된다. 이러한 기공에 기인한 오일 윤활막의 소멸을 방지하기 위해, 탄소질 재료에 인체 및 환경에 무해한 구리가 함침된다. 그러나, 탄소질 재료의 구리가 함침된 부분은 다소 연성이고, 마찰에 의해 쉽게 용융되어 늘어붙게 된다. 이러한 용융, 늘어붙음 및 이에 의한 마모를 방지하기 위해, 합금 요소는 그 함침된 부분에 첨가된다. 이러한 용융 및 늘어붙음의 배제는 경계 윤활 상태에서도 탄소질 재료의 마찰 계수를 감소시킬 수 있다. 베어링에 이러한 함침 재료를 사용함으로써, 본 발명은 신뢰성이 높은 냉매 압축기를 제공할 수 있다.

탄소질 재료 내의 흑연은 마찰에 의해 얇게 쪼개지고 이는 탄소질 재료의 마찰 계수를 감소시키는 것으로 설명되었다. 그러나, 탄소질 재료 자체는 다량의 흑연을 포함하면, 높은 부하에서 부드러워지고, 변형하기 시작한다. 이러한 변형 저항성은 탄소질 재료의 마찰 및 마모를 모두 증가시킨다. 이것을 방지하기 위해, 탄소질 재료 내의 흑연 함유량은 50 중량％ 이하, 보다 바람직하게는 35 중량％ 이하이다. 탄소질 재료 내의 흑연 함량이 20 중량％ 이하이면, 탄소질 재료는 경화되어 결합되는 금속 재료를 마모시킨다. 따라서, 탄소질 재료 내의 흑연 함유량은 베어링에 낮은 마찰 계수 및 높은 내마모성을 부여하기 위해 20 내지 50 중량％, 바람직하게는 20 내지 35 중량％이다. 따라서, 본 발명은 신뢰성이 높은 냉매 압축기를 제공할 수 있다.

염소는 마찰을 약간 감소시키는 작용을 하므로 염소를 함유하지 않는 냉매는 경계 윤활을 유발하기 쉽다. 본 발명은 경계 윤활에서도 충분히 낮은 마찰 및 높은 내마모성을 제공할 수 있는 베어링을 채용한 냉매 압축기를 제공할 수 있다.

본 발명은 또한 상기 냉매 압축기를 사용하는 공조기 또는 냉동기에 관한 것이다.

본 발명은 바람직하게는 흑연을 포함하며, 그 기공이 IB 족, 철을 제외한 VIII 족 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속, 또는 상기 금속들을 주로 포함하는 합금이 함침된 탄소질 재료로 만들어진, 원통형 부재를 포함한 냉매 압축기를 위한 베어링에 관한 것으로써, 상기 탄소질 재료는 20 내지 50 중량％의 흑연을 포함하고, 상기 부재는 쇼어 경도가 65 내지 120이며 기공율이 0.05 내지 2 체적％이고, 상기 부재는 상기 금속을 주로 포함하고 바나듐 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 0.2 중량％까지 포함하는 금속 또는 합금으로 제작된 부재를 포함한다.

본 발명은 상기 베어링이 가압 끼워 맞춤되는 관통 구멍 또는 활주 오목부를 갖는 냉매 압축기용 프레임 또는 스크롤에 관한 것이다.

위에서 이미 설명된 바와 같이, 본 발명은 우수한 환경 저항을 갖는 재료를 채용함으로써 윤활유의 공급이 어렵거나 중단되는 대안적인 냉매 압축기의 베어링부의 늘어붙음 및 마멸을 방지할 수 있다. 이것은 압축기의 내구성을 상당히 증가시킨다. 또한, 본 발명에 따른 베어링 재료는 윤활유의 공급이 갑자기 중단되었을 때도 윤활성이 있고, 공조기 및 냉동기의 신뢰성을 증가시키기에 매우 유용하다. 또한, 우수한 기계 성능을 갖는 상기 베어링 재료는 대량 생산에 적절하고 생산 비용을 감소시킬 수 있다.

도1은 냉매 압축기의 일종인 스크롤 압축기의 단면도이다. 이러한 스크롤 압축기를 사용하는 본 발명은 이하에 상세히 설명될 것이다. 스크롤 압축기는 밀폐식으로 밀봉된 용기(1), 용기 상부의 압축 기구, 용기 하부의 모터(9) 및 압축 기구와 모터를 상호 연결하는 크랭크 축(7)를 포함한다. 압축 기구는 기부판(5a) 상에 수직 나선 랩(5b)을 갖는 고정 스크롤 부재(5)와 기부판(4a) 상에 수직 나선 랩(4b)을 갖는 회전 스크롤 부재(4)를 포함한다. 이들 고정 및 회전 스크롤 부재(4, 5)는 서로 결합된 나선 랩(4b, 5b)으로 조립된다. 고정 스크롤 부재(5)는 외주연 상에 입구 포트(5d)를 갖고 중심부 상에 배기 포트(5e)를 갖는다. 도면 부호 3은 평형추이다.

크랭크 축(7)는 프레임(6)의 중심 내의 베어링(6c)에 의해 피봇식으로 지지된다. 크랭크 축(7)의 단부 상에 돌출된 크랭크(7a)는 회전 스크롤 부재(4) 상의 회전 베어링(4c) 내로 끼워 맞춤된다.

자전 정지 기구로써 작동하는 올덤 커플링(8)은 고정 스크롤 부재(5) 상에서 회전 스크롤 부재(4)가 자전 없이 회전하게 한다. 이 커플링(8)은 회전 스크롤 부재(4)의 후방 키 홈(4d) 및 프레임(6)의 축받이 키 홈과 결합된다.

용기의 하부의 모터(9)가 크랭크 축(7)를 회전시킬 때, 크랭크(7a)의 편심 회전은 회전 스크롤 부재(4)의 자전 없이 고정 스크롤 부재 주위로 회전 스크롤 부재(4)를 회전시킨다. 이러한 작동에 의해, 냉매 가스는 입구 포트(5d)로부터 수용되어 압축되고 배기 포트(5e)로 배출된다.

회전 베어링(4c)은 기부판(4a) 상에 있고 베어링(6c)은 프레임(6) 상에 있다. 윤활유는 순환식으로 이들 베어링(4c, 6c)에 공급된다. 압축기가 시동되거나 냉매 가스의 배기 압력이 높을 때, 윤활유 공급이 충분하지 않아서 베어링은 마모나 늘어붙음에 의해 손상될 수 있다.

그러나, 본 발명의 원통 베어링들은 기부판(4a)의 함몰부와 프레임(6)의 관통 튜브 내로 각각 가압 끼워 맞춤되고 그곳에 고정된다. 이것은 스크롤 압축기의 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 베어링은 기부판(4a) 및 프레임(6) 상의 본체 내에 장착된다. 그들 각각은 5 내지 15 중량% 의 규소를 함유하는 알루미늄계 합금 및 주철로 만들어진다.

본 발명에 따른 베어링을 제조하는 방법은 함침될 금속 또는 합금을 함유한 도가니 내에 소정 길이의 원통형 탄소질 재료를 침지시켜 진공로 내의 금속 또는 합금을 녹는점 보다 100℃ 높은 온도까지 가열하는 단계와, 압축 및 함침을 위해 질소 가스를 첨가하는 단계와, 함침된 원통형 탄소질 재료를 원통 형상으로 절단하는 단계를 포함한다.

표1은 본 발명의 실시예와 비교예의 쇼어 경도 수치를 도시한다. 도2는 본 발명과 비교예의 베어링 재료(탄소질 재료 및 금속이 함침된 탄소질 재료)의 오일이 없는 상태에서의 마찰 계수와 쇼어 경도 사이의 관계를 도시한다. 도2의 삼각형 표시는 비교예를 나타내며 특히 중실 삼각형 표시는 탄소질 재료만 포함하는 비교예를 나타낸다. 원 표시는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 표시들에 부여된 숫자들은 표1에 기재된 것과 동일하다. 냉매 압축기에 사용되는 베어링 재료의 마찰 계수를 계산하기 위해, 염소를 함유하지 않는 R410A 냉매를 사용하였다. 쇼어 경도 수치가 증가함에 따라 오일이 없는 상태에서 베어링 재료의 마찰 계수가 감소하는 것은 명백하다. 청동(BC3)은 10 중량%의 주석, 2 중량%의 아연, 0.2 중량%의 납과, 나머지는 구리를 포함한다. 주석 합금의 일종인 5종 화이트 메탈(WJ5)은 2 중량%의 구리, 29 중량%의 아연과, 나머지는 주석을 포함한다. 도2에 도시된 바와 같이, 청동이 함침된 베어링 재료는 쇼어 경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상일 때 작은 마찰 계수를 갖는다.

유사하게는, WJ5가 함침된 베어링은 작은 마찰 계수를 갖는다. 이러한 경향은 탄화수소 냉매의 가스 대기 내의 마찰 계수의 평가에서도 나타난다.

[표1]

함침 전의 탄소질 재료의 기공율(중량%)은 비교예 5에서 11%이고 비교예 6에서 10.4%이고 실시예 1 내지 실시예 3에서 6%이고 실시예 4 내지 실시예 7에서 11%이다. 함침된 탄소질 재료의 기공율(중량%)은 실시예 1에서 1.3%이고 실시예 2에서 1.5%이고 실시예 3에서 0.7%이다. 탄소질 재료 내의 흑연의 함유량(중량%)은 실시예 1 내지 3에서 35%이고 실시예 4 내지 7에서 42%이다. 실시예 8 내지 10은 함침 전후에 동일한 기공율과, 실시예 1 내지 7에서와 동일한 탄소질 물질 내의 흑연의 함유량을 갖는다. 비교예와 같은 비 함침된 베어링 재료의 쇼어 경도는 기공율과 흑연, 피치 및 타르 등의 함유량에 의해 결정된다. 또한, 비 함침된 베어링 재료 내의 흑연의 함유량은 매우 작다. 도6을 참조하면, 재료의 기공율은 6% 내지 11%이다. 베어링 재료의 쇼어 경도는 기공율이 증가함에 따라 낮아진다. 합금에서의 바나듐과 티타늄의 함유량은 각각 0.1%이다.

도3은 오일이 없는 상태에서의 고정 부품의 마모량과 쇼어 강도 사이의 관계를 도시한다. 마모 시험은 고압 대기 마멸 시험에서 이동 부품으로써 가탄되고 담금질된 강철 부품(SCM415)과 고정 부품으로써 탄소질 재료 부품(10mm ×10mm ×36mm)을 위치시키는 단계와, 대안적인 냉매 대기에서 10시간 동안 1.2m/s의 활주 속도와 9.8 MPa의 표면압으로 고정 부품 상에서 SCM416 부품을 활주시키는 단계와, 마멸된 재료의 양을 측정하는 단계를 포함한다. 베어링 재료가 단단할수록 마모량은 감소한다. 도3을 참조하면, 베어링 재료의 쇼어 경도가 65 이상이며, 바람직하게는 80 이상인 경우, 재료의 마모량이 매우 낮다.

도4는 윤활유가 존재하는 경우에 쇼어 경도와 베어링 재료의 마찰 계수와의 관계를 도시한다. 베어링 재료의 마찰 계수는 쇼어 경도가 65 이상이고, 바람직하게는 80 이상인 경우 매우 작다. 윤활유가 존재할 때 청동(BC3)이 함침된 실시예 1이 가장 작은 마찰 계수를 갖는다.

금속이 함침되지 않은 비교예 2 내지 4는 그들의 쇼어 경도 값이 65 이상이어도 높은 마찰 계수를 갖는다. 이것은 탄소질 재료가 다공성이고 윤활유가 기공을 통하여 분산되어 막이 부분적으로 유실될 수 있기 때문이다. (혼합 윤활) 이는 바람직하지 않다. 비교예 6에서는, 마찰 계수는 낮지만, 함침 금속이 환경에 유해한 납을 포함한다. 따라서, (쇼어 경도 값이 65 내지 110인) 본 발명의 실시예 1, 2와 4 내지 10에 함침된 베어링 재료는 마찰 계수가 0.1 이하이므로 양호하다.

도5는 1.2 m/s의 활주 속도와 0.15 MPa의 부하 비율(100 MPa까지)의 조건하에서 윤활유 혼합물(R140A 냉매 및 합성 오일) 내에서 수행되는 마모 시험의 결과인 쇼어 경도와 베어링 재료의 마모량 사이의 관계를 도시한다. 쇼어 경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상인 청동(BC3)이 함침된 탄소질 재료는 적은 마모량을 갖는다. 청동(BC3)이 함침된 실시예 1이 윤활유에서 가장 적은 마모량을 갖는다. 따라서, 보다 높은 쇼어 경도 값을 갖는 재료가 베어링 재료로써 더 적절하다는 것을 알 수 있다. WJ5-주석 합금이 함침된 베어링 재료는 청동(BC3)이 함침된 베어링 재료보다 열등하다.

도6은 혹독한 조건하에서, 윤활유 내에서 시험된 기공율과 함침된 재료의 마찰 계수 사이의 관계를 도시한다. 기공 분산 곡선은 윤활유로써 플론(flon) 냉매(R410A)와 상응하는 합성 오일과, 시험 기구로써 (피손스(FISONS)에 의해 제작되고 암코(AMCO)에 의해 판매되는) 포로시미터(Porosimeter) 2000을 사용하여 얻어졌다. 베어링 재료의 기공율은 기공 분산 곡선으로부터 "누적 기공 체적 ×체적 밀도 ×100(%)"으로 표시된다. 기공율이 작아지면, 베어링 재료는 오일 막 보유력을 증가시킬 수 있으며 윤활유가 있는 경우 작은 마찰 계수를 갖는다. 바나듐 또는 티타늄을 포함하는 청동 합금이 함침된 실시예 6, 7은 청동만 함침된 실시예 4보다 작은 기공율을 갖는다. 이것은 바나듐 또는 티타늄이 각각 탄소 함께 VC와 TiC로 결합되어 VC와 TiC는 탄소질 재료와 함께 습윤성을 증가시키기 때문이다. 이것은 탄소질 재료의 오일 막 보유력을 증가시켜 윤활유가 있는 경우 마찰 계수를 낮게 한다. 스캐닝 전자 현미경에 의해 바나듐 또는 티타늄을 포함하는 청동 합금이 함침된 탄소질 재료의 표면을 스캐닝하여, 탄소질 물질과 합금 사이의 경계면에서 카바이드 입자(VC 또는 TiC)를 관찰할 수 있다.

도7을 참조하면, 우리는 최악의 활주 조건인 오일이 없는 상태에서 함침된 금속의 용융점과 함침된 베어링 재료의 마찰 계수 사이의 관계를 계산했다. 그래프 내의 수치들은 함침되지 않은 탄소질 재료들의 쇼어 경도값을 나타낸다. 탄소질 재료들은 함침 전에 탄소질 재료의 경도와는 별도로 함침된 재료의 종류에 따라 마찰 계수의 작용에 있어서 유사한 경향을 갖는다. 도7을 참조하면, 비등점이 낮은(200℃ 내지 400℃) 안티몬 및 납은 함침된 재료의 마찰 계수를 감소시키는 효과를 갖고 있다는 것을 인지할 수 있다. 그러나, 안티몬과 같은 함침 재료의 비등점이 상승함에 따라, 함침 재료의 마찰 계수는 증가한다. 구리 또는 구리 합금과 같은 함침 재료의 비등점이 900℃ 또는 그 이상이면, 함침 재료의 마찰 계수는 거의 저비등점 재료의 마찰 계수만큼 높아진다.

본 발명은 고비등점 재료로서 구리를 사용하지만, 함침만 가능하다면 탄소질 재료의 마찰 계수 및 내마모성을 향상시키기 위해 다른 고비등점 재료들이 사용될 수 있다. 본 실시예는 함침을 위해 용융 금속 중탕 내에 탄소질 재료를 침지하면서 동시에 가압하는 방법을 채택하고 있다. 이 공정에서, 생산성을 향상시키기 위해 가능한 한 함침 금속의 용융점을 저하시키는 것이 효과적이다. 이 목적을 위해, 비등점을 저하시키기 위해 주석이 첨가된 구리 합금을 함께 함침함으로써 저비등점 베어링 재료를 준비하였다. 합금이 함침용으로 사용될 때 그것이 함침된 금속을 보다 견고하게 만들고 동시에 그것이 함침된 베어링 재료의 경도를 증가시킨다. 또한, 절삭 성능을 향상시키는 성분이 함침 금속에 첨가될 때 베어링 재료의 절삭면(또는 활주면)을 보다 평활하게 그리고 보다 바람직하게 만든다. 이것은 베어링 부품을 보다 신뢰할 수 있게 만든다.

도8은 오일이 없는 상태의 마찰 계수와 청동(BC3) 또는 구리가 함침된 흑연 농축 탄소질 재료 내의 납의 함유량과의 관계를 도시하고 있다. 도8의 샘플 1은 제1 실시예이며 번호가 없는 샘플들은 추가적인 샘플들이다. 도8에 도시된 바와 같이, 탄소질 재료의 오일이 없는 상태의 마찰 계수는 탄소질 재료의 흑연 함유량이 20 내지 50 중량% 일 때, 특히 20 내지 40 중량%일 때 최소이다.

상기 실시예들에 개시되고 도1의 스크롤 압축기의 고정 베어링(6c) 및 회전 베어링(4c)에 적용되는 본 발명에 따른 재료의 조건하에서 베어링을 준비하였다. R410A를 냉매로 사용하였다. 이 냉매 압축기는 내마모성을 갖고 종래의 납 또는 안티몬이 함침된 탄소 화합 재료의 수명과 같거나 더 긴 수명을 가진다.

[제11 실시예]

도9는 냉매 압축기로써 사용되는 회전 압축기의 단면도이다. 회전 압축기는 크랭크축(7)과 프레임(6)의 관통 구멍을 지지하는 베어링(6c)과 크랭크 핀 베어링을 위하여 본 발명의 제1 실시예 내지 제10 실시예에 따른 금속이 함침함침소질 재료를 사용한다. 이 베어링들은 전술된 대로 제조 및 성형된다. 평가를 위해서, 공조기 내에 회전 압축기를 설치하고 냉매가 압축기 내에 모이고 윤활유의 농도가 감소하는 겨울철 모드에서 공조기를 운전하였다. 불리한 상태에서도, 베어링은 늘어붙음, 늘어붙음으로 인한 작동 정지 및 마모로 인한 성능 감소가 발생되지 않았다. 회전 압축기는 베인(분할판(10)), 피스톤(롤러(11)) 및 실린더(12)를 포함한다.

또한, 왕복 냉매 압축기에 본 발명에 따른 베어링 재료를 적용하고 냉동 사이클에서의 윤활유가 윤활유의 정상량의 약 1/4 일 때 압축기가 정상적으로 작동됨을 발견하였다. 따라서, 본 발명에 따른 베어링 재료는 표준 사용에 있어서 왕복 냉매 압축기의 신뢰성을 향상시킨다.

냉동 사이클 내의 대기에서, 냉매는 윤활유에 부분적으로 용해된다. 윤활유 내에 용해된 냉매의 양은 냉매와 윤활유의 결합에 의존하지만 통상 압력이 더 높을수록 증가한다. 냉매가 윤활유 내에 더 많이 용해됨에 따라 윤활유의 점도는 더 작아진다. 따라서, 마찰 활주는 고압 가스 상태에서 보다 불리해진다. 활주부 특히, 냉매 압축기 내의 베어링에 제공된 윤활유는 냉매 압축기 내에 보유되고 다양한 방식으로 활주부로 그리고 활주부로부터 순환된다. 탄화수소 냉매에 관해서는, 윤활유 내에 용해된 냉매의 양 또는 냉매에 함유된 윤활유의 양이 증가함에 따라 냉동 사이클에 충전된 냉매의 양이 증가한다. 냉매가 연소 가능한 경우에는 더욱 위험하게 된다.

본 발명에 따른 베어링 재료는 냉매 내의 윤활유의 용해도로 인한 불리한 활주 조건하에서 다양한 냉매 압축기에 광범위하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면 윤활유가 일시적으로 공급되지 않을 경우의 마모와 늘어붙음을 방지하도록 높은 내마모성과 높은 늘어붙음에 대한 내성을 갖는 재료로 제조된 베어링을 구비한 신뢰성 높고 긴 내구성을 갖는 냉매 압축기와, 상기 냉매 압축기와 이의 베어링을 채용한 공조기 및 냉동기를 제공할 수 있다

Claims (15)

1. 회전축의 크랭크에 의해 구동되는 압축 수단에 의해 냉매를 반복적으로 압축, 액화 및 증발시키는 냉동 사이클의 냉매 압축기에 있어서,

   상기 회전축 및 상기 크랭크를 지지하는 적어도 하나의 베어링은,

   20 내지 50 중량%의 흑연을 함유하는 탄소질 재료의 기공에,

   IB 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   철을 제외한 VIII 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   주석,

   80 내지 90 중량%의 구리, 5 내지 11 중량%의 주석, 3 중량% 이하의 아연을 함유하고 납은 1.0 중량% 이하인 구리 합금 및

   0.5 내지 5.0 중량%의 구리와 29 중량% 이하의 아연을 함유하는 주석 합금 중 어느 하나를 함침한 부재로 되는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
2. 회전축의 크랭크에 의해 구동되는 압축 수단에 의해 냉매를 반복적으로 압축, 액화 및 증발시키는 냉동 사이클의 냉매 압축기에 있어서,

   상기 회전축 및 상기 크랭크를 지지하는 적어도 하나의 베어링은,

   흑연을 함유하는 탄소질 재료의 기공에,

   IB 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   철을 제외한 VIII 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   주석,

   80 내지 90 중량%의 구리, 5 내지 11 중량%의 주석, 3 중량% 이하의 아연을 함유하고 납은 1.0 중량% 이하인 구리 합금 및

   0.5 내지 5.0 중량%의 구리와 29 중량% 이하의 아연을 함유하는 주석 합금 중 어느 하나를 함침한 부재로 되며,

   상기 부재의 쇼어 경도가 65 내지 120 인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
3. 회전축의 크랭크에 의해 구동되는 압축 수단에 의해 냉매를 반복적으로 압축, 액화 및 증발시키는 냉동 사이클의 냉매 압축기에 있어서,

   상기 회전축 및 상기 크랭크를 지지하는 적어도 하나의 베어링은,

   흑연을 함유하는 탄소질 재료의 기공에,

   IB 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   철을 제외한 VIII 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   주석,

   80 내지 90 중량%의 구리, 5 내지 11 중량%의 주석, 3 중량% 이하의 아연을 함유하고 납은 1.0 중량% 이하인 구리 합금 및

   0.5 내지 5.0 중량%의 구리와 29 중량% 이하의 아연을 함유하는 주석 합금 중 어느 하나를 함침한 부재로 되며,

   상기 부재의 기공율이 0.05 내지 2 체적%인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
4. 회전축의 크랭크에 의해 구동되는 압축 수단에 의해 냉매를 반복적으로 압축, 액화 및 증발시키는 냉동 사이클의 냉매 압축기에 있어서,

   상기 회전축 및 상기 크랭크를 지지하는 적어도 하나의 베어링은,

   흑연을 함유하는 탄소질 재료의 기공에,

   IB 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   철을 제외한 VIII 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

   주석,

   80 내지 90 중량%의 구리, 5 내지 11 중량%의 주석, 3 중량% 이하의 아연, 바나듐 및 티타늄 중 적어도 하나를 0.2중량%이하 함유하고 납은 1.0 중량% 이하인 구리 합금 및

   0.5 내지 5.0 중량%의 구리와 29 중량% 이하의 아연, 바나듐 및 티타늄 중 적어도 하나를 0.2중량%이하 함유하는 주석 합금 중 어느 하나를 함침한 부재로 되는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주석 합금은 납 및 안티몬 중 적어도 하나의 함유량이 각각 1 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구리 합금은 안티몬의 함유량이 1 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매는 염소를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 냉매 압축기를 사용하는 것을 특징으로 하는 공조기.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 냉매 압축기를 사용하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
10. 흑연을 함유하는 탄소질 재료의 기공에,

    IB 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

    철을 제외한 VIII 족으로부터 선택되는 1종의 금속,

    주석,

    80 내지 90 중량%의 구리, 5 내지 11 중량%의 주석, 3 중량% 이하의 아연을 함유하고 납은 1.0 중량% 이하인 구리 합금 및

    0.5 내지 5.0 중량%의 구리와 29 중량% 이하의 아연을 함유하는 주석 합금 중 어느 하나를 함침한 부재로 되는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 베어링.
11. 제10항에 있어서, 상기 탄소질 재료는 흑연을 20 내지 50 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 베어링.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 부재는 쇼어 경도가 65 내지 120인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 베어링.
13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 부재는 기공율이 0.05 내지 2 체적%인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 베어링.
14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 구리 합금 또는 주석 합금은 바나듐 및 티타늄 중 적어도 하나를 0.2 중량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기용 베어링.
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