KR100685330B1

KR100685330B1 - Ｃｏ2 냉매 압축기용 베어링, 이를 이용한 압축기 및 그용도

Info

Publication number: KR100685330B1
Application number: KR1020030025893A
Authority: KR
Inventors: 다까야스히로시; 바바노보루; 나까시마쇼오이찌; 이이즈까다다시; 야마나까도시아끼; 오구라히로아끼; 후꾸다도시오미; 오자끼신이찌
Original assignee: 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤; 도요탄소 가부시키가이샤
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2007-02-22
Also published as: EP1357293A3; JP3876756B2; ES2314141T3; US20030231815A1; CN1261701C; US7128528B2; DE60324056D1; EP1357293B1; KR20030084719A; CN1455126A; JP2003314448A; EP1357293A2

Abstract

본 발명의 목적은 높은 내마모성과 내하소성을 갖는 베어링 재료를 사용하고높은 신뢰성과 장기간의 수명을 갖는 CO₂ 냉매 압축기용 베어링과, 그러한 베어링을 각각 이용하는 압축기, 공기 조화기, 냉동기 및 온수 공급기를 제공하는 것이다. 본원 발명에 따른 CO₂ 냉매 압축기용 베어링 및 그러한 베어링을 이용하는 압축기, 공기 조화기, 냉동기 및 온수 공급기는 상기 베어링이 원통형 부재를 포함하고 상기 원통형 부재에서의 흑연 함유 탄소질 재료는 주석 또는 IB 족 또는 철을 제외한 VIII 족으로부터 선택된 한가지 타입의 금속 또는 이 금속들에 기초한 합금이 함침되는 구멍을 갖는 것을 특징으로 하고, 각각의 베어링이 20 내지 50 중량 퍼센트의 흑연를 함유한 탄소질 재료를 포함하고, 대응 부재의 쇼어 경도가 65 내지 120 사이의 범위이고, 대응 부재의 압축 강도가 200 내지 500 MPa 사이의 범위이고, 대응 부재의 기공율이 0.05 내지 2.00 체적 퍼센트의 범위이고, 대응 부재 내에 함유된 금속 또는 합금이 적어도 바나듐 또는 티타늄 또는 양자를 0.2 중량 퍼센트 이하의 비율로 함유하여야 하는 조건들 중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 한다.

탄소질 기반 재료, 쇼어 경도, 기공율, 니어 네트 형상, 스크롤

Description

ＣＯ2냉매 압축기용 베어링, 이를 이용한 압축기 및 그 용도{BEARINGS FOR CO2 REFRIGERANT COMPRESSOR USE, COMPRESSOR USING THE SAME, AND APPLICATIONS OF THE SAME}

도1은 본 발명에 속한 두 단계 압축기의 단면도.

도2는 본 발명에 따른 각각의 베어링 재료의 쇼어 경도와 무오일 상태 하에 존재하는 마찰 계수 사이의 관계를 도시한 도표.

도3은 무오일 상태 하에 존재하는 쇼어 경도와 고정 테스트 피스의 마멸 손실 사이의 관계를 도시한 도표.

도4는 쇼어 경도와 윤활 오일 분위기 하에 존재하는 마찰 계수 사이의 관계를 도시한 도표.

도5는 쇼어 경도와 하중 테스트를 버틴 후에 측정된 마멸 손실 사이의 관계를 도시한 도표.

도6은 압축 강도와 하중 테스트를 버틴 후에 측정된 마멸 손실 사이의 관계를 도시한 도표.

도7은 베어링 재료의 기공율과 윤활 오일 분위기 하에 존재하는 이러한 베어링 재료의 마찰 계수 사이의 관계를 도시한 도표.

도8은 함침 재료의 마찰 계수와 용융점 사이의 관계를 도시한 도표.

도9는 흑연 함유량 데이터와 무오일 마찰 계수 데이터 사이의 관계를 도시한 도표.

도10은 본 발명에 속한 CO₂ 냉매 스크롤 압축기의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 수납 용기

2: 전기 구동 요소

3: 압축 요소

4: 냉각 오일

9: 흡입 파이프

14: 스크롤 부재

16: 프레임

17: 크랭크샤프트

본 발명은 내마모성이 향상된 새로운 타입의 CO₂ 냉매 압축기용 베어링, 이러한 베어링들을 이용하는 압축기 및 베어링들을 각각 이용하는 공기 조화기, 냉동기 및 온수 공급 장치와 같은 것에 관한 것이다.

주철, 청동 기반 재료들, 알루미늄 합금 재료들 또는 다른 금속 재료 또는 수지 함유 재료들 또는 수지와 금속으로 구성된 합성 재료들이 종래의 냉매 압축기에 베어링 재료들로서 이용되어 왔다. 청동 기반 재료들에는 다량의 납이 포함되어 왔다. 납을 포함하는 다수의 활주 재료들은 다른 장치들에서 가장 통상적으로 사용되어 왔다. 이러한 상황하에서, 베어링내로 삽입된 샤프트들은 벗겨짐 방지를 위하여 표면 처리가 되어 왔다. 주철과 다른 베어링 재료가 사용될 때, 벗겨짐과 비정상적인 마모의 발생은 샤프트 재료와 상이한 재료를 채용함으로써 방지되어 왔다.

흑연 함유 탄소 재료들에 알루미늄을 함침함으로써 형성된 베어링 재료들은 일본 특허 출원 공개평 제02-248676호 및 제02-275114호에 개시된다.

종래 압축기에서, 성능 향상으로 인한 베어링 하중에서의 증가는 오일에 의해 형성된 윤활막의 부분적인 파손에 이르게 하고, 이는 국부적인 직접 접촉이 베어링과 샤프트 사이에 발생하는 소위 "경계 윤활" 상태를 유발하여 왔다. 경계 윤활은 압축기의 작동 개시 또는 냉매의 과도한 유입에 의해 또한 유발된다. 이러한 경계 윤활 상태하에서, 종래의 금속 기반 베어링, 수지 기반 베어링, 표면 처리된 샤프트등은 벗겨짐 또는 열적 녹아 붙음 상태에 놓이기 쉽다. 베어링 하중이 베어링의 내경 또는 베어링부 길이를 증가시킴으로써 감소될 수 있을지라도, 베어링을 위한 공간이 밀폐 타입의 모터 내장 압축기에 제한되므로 이러한 방법들은 그 한계를 가지고 있었다.

윤활 특성을 갖는 납 또는 안티몬이 각각의 요소들 중 하나로서 함유되는 연청동 및 안티몬 합금들, 납 또는 안티몬 및 탄소로 구성되는 합성 재료 및 다른 재료들은 열적 녹아 붙음 또는 벗겨짐이 쉽게 일어나지 않는다는 것이 알려져 있다. 하지만, 동시에 납 및 안티몬은 환경 및 인체에 영향을 끼치는 단점을 또한 가지고 있다. 이러한 요소들은 사용이 화학물질 배출량 조사 제도(PRTR Law)에 의해 규제되는 물질들의 범주내에 또한 포함된다. 연청동, 안티몬 합금들 및 납 또는 안티몬 및 탄소로 구성되는 합성 재료들에 대하여, 무오일 상태 또는 심각한 상태하에서 각각의 내마모성의 향상은 각각의 이러한 금속의 용융점이 낮은 특성을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이러할 지라도, 심각한 마모는 고온에 사용되고 심각한 활주 상태하에서 연속적으로 사용되는 부품들에 발생한다.

알루미늄이 함침된 탄소 재료들로 제조된 이러한 종래의 베어링들은 알루미늄과 다른 금속 또는 함침후 얻어진 흑연 함유 또는 기공율이 제공되는 것이 개시되지 않았다.

본 발명의 목적은 내마모성과 열적 녹아 붙음 저항성에서 높고, 윤활유가 일시적으로 제공되지 않는 CO₂냉매 압축기의 베어링부에서 비정상적인 마모 및 열적 녹아 붙음을 방지하기 위한 CO₂냉매 압축기용 베어링과, 이러한 베어링들을 이용하는 압축기와, 베어링들을 각각 이용하는 공기 조화기, 냉동기 및 온수 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 경계 윤활 상태하에서조차도 쉽게 열적 녹아 붙음을 일으 키지 않는 탄소질 기반 재료의 흑연 함량이 감소된 마찰 계수 및 향상된 내마모성에 대하여 최적화되고, 윤활유의 오일막의 형성을 용이하게 하도록 탄소질 기반 재료의 기공들이 금속으로 함침되고, 납 또는 안티몬과 다른 함침 금속의 조성, 구조및 함량은 감소된 마찰 계수 및 내마모성에 대하여 예조절된다.

뛰어난 활주 특성들을 얻고, 이에 따라 신뢰성이 높은 CO₂냉매 압축기를 얻는 것이 또한 가능하다.

무오일 상태 또는 심각한 베어링 활주 상태에서조차도 작은 마찰 계수 및 높은 내마모성을 갖는 탄소질 기반 재료에 남겨진 기공을 통해 윤활유의 배출에 의해 오일 막의 형성이 어렵게 되는 것을 방지하도록, 무오일 상태 또는 심각한 베어링 활주 상태에 노출된 CO₂냉매 압축기에서 및 베어링이 윤활유에서 사용될 때 흑연 함유 탄소질 기반 재료에서, 본 발명의 특징은 탄소질 기반 재료가 주석이 함침되거나 또는 IB 족 또는 철을 제외한 VIII 족으로부터 선택된 한종류의 금속이 함침되거나 또는 용융 상태하에서 이러한 금속들에 기반한 합금이 함침된 기공을 구비하는 부재를 포함하는 CO₂냉매 압축기용 베어링을 제공한다는 점이다.

상기 설명된 금속들 또는 합금들 각각에서 적어도 납 또는 안티몬의 함량은 1 중량 퍼센트 이하이고, 대응 부재의 쇼어 경도는 65 내지 120의 범위에 있는 것이 또한 양호하다. 무오일 상태 또는 심각한 베어링 활주 상태하에서 65이상으로 쇼어 경도를 증가시키고 동시에 마모를 최소화함으로써, 작은 마찰 계수를 유지하고, 이에 따라 신뢰성이 높고 수명이 긴 CO₂냉매 압축기를 제공하는 것이 가능하 다. 또한, 대량 생산 측면에서, 90을 넘는 쇼어 경도는 기계 가공성을 악화시키므로, 내마모성과 생산성이 모두 높은 CO₂냉매 압축기용 베어링은 쇼어 경도를 90 이하로 제어함으로써 제공될 수 있다.

본 발명에서, 납 또는 안티몬의 함량은 0.5 중량 퍼센트이하로 조절되어야 하고, JIS 지정 재료들이 사용되어야 하는 생산성에 대해서 또한 양호하다. 또한, 부재의 압축 강도는 200 내지 500 MPa인 것이 양호하다. 무오일 상태 또는 심각한 베어링 활주 상태하에서 200 MPa이상으로 압축 강도를 증가시키고 동시에 마모를 최소화함으로써, 작은 마찰 계수를 유지하고, 이에 따라 신뢰성이 높고 수명이 긴 CO₂냉매 압축기용 베어링을 제공하는 것이 가능하다. 또한, 500 MPa 이상의 압축 강도는 기계 가공성을 악화시키므로, 대량 생산 측면에서 압축 강도는 500 MPa를 초과해서는 안된다.

본 발명에서, 냉매 압축기의 정상 작동 상태하에서 윤활이 순조롭게 될 때조차도 베어링 재료에서의 기공들은 최소화될 수 있게 제어된다. 더 특히, 윤활유 막을 안정적으로 형성하고, 베어링 재료로 사용되는 금속- 또는 합금-함침 및 흑연- 함유 탄소질 기반 재료의 기공율을 0.05 내지 2.00 체적 퍼센트 양호하게는 0.5 내지 1.5 체적 퍼센트로 제어함으로써 마모를 억제하고, 이에 따라 CO₂냉매 압축기용 긴 수명의 베어링을 얻는 것이 가능하다. 함침 전에 탄소질 기반 재료의 기공율을 5 내지 15 체적 퍼센트로 제어함으로써 0.05 내지 2.00 체적 퍼센트의 기공율을 얻도록 탄소질 기반 재료가 금속으로 함침되는 것은 또한 양호하다.

본 발명에서, 20 내지 50 중량 퍼센트 흑연을 갖는 탄소질 기반 재료의 기공에서 1 중량 퍼센트 이하의 적어도 납 또는 안티몬을 함유하고, 상기 설명된 합금 또는 납 또는 안티몬과 다른 금속으로 함침된 베어링 재료를 포함한다는 점에서 베어링은 특징이 있다.

본 발명에서, 상기 설명된 금속 또는 합금에 2 중량 퍼센트이하, 양호하게는 0.05 내지 0.15 중량 퍼센트의 적어도 바나듐 또는 티타늄을 첨가함으로써 바나듐 또는 티타늄의 카바이드(VC, TiC)를 생성하고, 탄소질 기반 재료에 대해 가용성(wettability)을 향상시킴으로써 함침 금속으로 탄소질 기반 재료의 기공을 완전히 충전할 수 있으므로, 기공율은 감소되고 훨씬 더 안정적인 윤활유 막이 형성될 수 있다. 결과적으로, 마모가 억제될 수 있고 높은 신뢰도의 CO₂ 냉매 압축기가 얻어질 수 있다.

구리 또는 그 합금의 경우 적어도 900 ℃, 바람직하게는 900 내지 1200 ℃, 더 바람직하게는 950 내지 1050 ℃에서 탄소질 재료에 대해 함침원 금속 또는 합금의 용융점을 제어함으로써, 온도가 연속적인 심한 활주 상태로 증가하더라도 냉매 압축기의 신뢰성을 향상시키고 윤활 특성 및 내마모성을 유지시키는 것이 가능하다.

IB 족은 구리, 은 및 금으로 구성되고 Ⅷ 족은 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐 및 플라티늄으로 구성된다. 그러나, 구리, 은, 코발트 및 니켈이 바람직하다. 또한, 중량비의 면에서, 80 내지 90% 구리, 5 내지 11% 주석, 최대 3%의 아연, 최대 1.0%의 납, 바람직하게는 최대 5%의 납을 함유한 합금이 바람직하다. 더욱이, 중량비의 면에서 전술한 합금은 0.5 내지 5.0% 구리 및 25 내지 30% 아연을 함유한 주석 합금이 바람직하다. 이러한 금속 또는 합금은 합성물을 형성하는 것이 어렵고 내마모성 및 열적 녹아 붙음 저항성이 높고 함침이 용이하다.

기공이 탄소질 재료에 존재하므로, 윤활 오일이 기공 내로 유동하여 유막이 소실되고, 탄소질 재료는 분위기 및 인체에 영향을 최소화하기 위해 구리를 함침한다. 구리 단독으로 함침된 부분은 아주 부드럽고 마찰은 구리부를 융착하기 쉽게 한다. 따라서, 이러한 융착, 심지어 특이한 마모를 피하기 위해 구리부의 강도는 합금 요소를 추가함으로써 향상될 수 있다. 융착을 방지함으로써, 마찰 계수가 감소될 수 있고, 경계 윤활 상태에서도 베어링에 대한 이러한 재료를 사용함으로써 높은 신뢰성의 CO₂ 냉각 압축기가 얻어질 수 있다.

탄소질 금속에 함유된 흑연은 마찰로 인한 씬닝 다운(thinning-down)에 의한 마찰 계수를 감소시키는 것으로 이해된다. 그러나, 고하중(load)에서 너무 높은 흑연 함유량은 탄소질 금속 자체를 연화시키고 그 결과 변형 저항이 증대하여 마찰이 증가한다. 동시에, 마모 또한 증가한다. 따라서, 50 중량 퍼센트 이하, 바람직하게는 35 중량 퍼센트의 흑연 함유량이 적절하다. 역으로, 20 중량 퍼센트보다 작은 흑연 함유량은 탄소질 재료를 경화시키고 마찰을 겪는 금속 재료를 침식시킨다. 이러한 이유로, 20 내지 50 %, 바람직하게는 20 내지 35 %로 흑연 함유량을 제어함으로써 마찰 계수가 낮고 내마모성이 높은 베어링을 얻을 수 있어서 높은 신뢰성의 CO₂ 냉매 압축기를 제공하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 베어링 제조 방법은 구운 블록형의 탄소질 재료를 금속으로 함침하고 다음에 이러한 기재 재료를 베어링 형상으로 절단하는 것이다. 이러한 경우, 만약 절단 양이 너무 크고 특히 탄소질 재료의 쇼어 경도가 너무 높으면 절단 도구의 수명은 감소하고 이것은 더욱 잦은 도구 교체를 야기하여 경비를 증가시킨다. 이러한 이유로, 바람직한 베어링은 시작부터 니어 네트 형상(near-net- shaping)에 의해 최종 베어링 형상에 근접한 형상으로 탄소질 재료를 먼저 제조하고, 다음에 이에 따라 제조된 탄소질 재료를 금속에 함침하고 요구된 절단양을 감소시킴으로써 제조되는 것이 필요하다. 생산성이 높은 CO₂ 냉매 압축기는 이러한 방식으로 베어링을 제조함으로써 얻어질 수 있다.

본 발명은 염소를 함유하지 않은 CO₂ 냉매를 사용하는 CO₂ 압축기용 베어링으로 구성되고, 특히 냉매 그 자체의 마찰 감소 작용이 작고 따라서 계면 윤활이 발생하기 쉬어서 높은 신뢰성의 CO₂ 냉매 압축기는 계면 윤활에서도 충분히 낮은 마찰 특성 및 충분한 내마모성을 갖는 베어링을 사용함으로써 얻어질 수 있다.

본 발명은 회전축의 회전에 의해 구동되는 가압 수단을 사용함으로써 CO₂ 냉매를 압축하는 CO₂ 냉매 압축기에서, 전술한 회전축을 지지하는 베어링부는 CO₂ 냉매 압축기용 전술한 베어링으로 구성되는 점에서 특징이 있다.

전술한 가압 수단은 회전축의 회전에 의해 실린더 내측으로 편심 회전되는 롤러에 의해 생성된 중간압을 가하는 중간 압력 가압 수단, 및 회전축의 회전에 의해 실린더 내측으로 편심 회전되는 롤러에 의해 주어진 중간압으로부터 고압을 생성하는 고압 가압 수단을 포함하고, 상술된 중간 압력 가압 수단 및 고압 가압 수단은 회전축에 대해 수직 방향으로 배열되고, 베어링이 구비된 분리 수단 및 또한 베어링이 구비된 프레임은 샌드위치형 배열을 하도록 두 개의 가압 수단 사이에 구비되어야 하고 두 개의 베어링은 프레스 끼워맞춤에 의해 단일 조립체로 형성된다.

또한, 전술된 가압 수단은 전술된 회전축의 회전에 의해 구동되고 고정된 스크롤을 대향하도록 배치된 회전 스크롤 및 고정 스크롤을 구비한다는 점에서 특징이 있다. 전술된 회전축은 전술된 베어링을 갖는 프레임에 의해 지지되고 고정 스크롤은 스크롤의 리세스에 고정된 전술된 베어링을 구비하고, 그 베어링 둘 다 프레스 끼워춤에 의해 단일 조립체로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 각각이 상술된 CO₂ 냉매 압축기를 사용하는 에어컨, 냉장고 및 온수 공급기 등이다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 윤활 오일이 공급되기 어렵거나 또는 일시적으로 공급되지 않는 고압 CO₂ 냉매 압축기의 베어링부용 높은 내마모 재료를 사용함으로써 특이한 마모 및 열부착의 발생을 방지하여 전체 압축기 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하다. 갑작스런 오일 부족에서도 그들의 적용성때문에, 이러한 베어링은 또한 에어컨, 냉장고 및 온수 공급기의 신뢰성을 향상시키는 데 매우 유 용하다. 더욱이, 니어 네트 형상에 의한 이러한 베어링의 가공성은 생산성의 향상을 가능하게 한다.

(제1 내지 제12 실시예)

본 발명에 속한 베어링은 전술된 최종 베어링 형상에 근접한 실린더 형상으로 니어 네트 형상과 같이 흑연 함유 탄소질 재료로 형성된 실린더 본체를 금속 또는 합금의 용융점보다 100℃ 높은 온도로 진공로, 금속- 또는 합금 장입된 도가니에서 가열하여 얻은 용탕에 침지시키고, 다음에 질소 기체 압력하에 함침시킴으로써 얻을 수 있다. 함침 후에, 이러한 형태의 베어링은 실린더 형상으로 각각 절단되고, 이러한 절단 공정은 단지 거의 금속 함침된 부분을 절단함으로써 수행될 수 있다.

표1은 쇼어 경도에서의 실시예와 비교예 사이의 관계를 도시하고 도2는 본 발명의 각각의 베어링 재료의 쇼어 경도와 탄소질 재료 및 탄소질 재료를 금속에 함침함으로써 얻어진 금속 시스템에서 무오일 상태 하에 존재하는 마찰 계수 사이의 관계를 도시한다.

도2의 삼각형 기호는 비교예를 나타내고, 도2의 검은색(black masked) 기호는 전술한 탄소질 기반 재료로만 만들어진 베어링 재료를 나타낸다. 원 기호는 본 발명의 실시예들을 나타낸다. 숫자는 실시예의 식별 번호이고, 이들 번호는 표1의 것들과 동일하다. 도면에서의 냉매 압축기로, 무오일 상태 평가가 CO₂ 기체 대기하에서 수행된다. 베어링 재료의 무오일 상태 하에서 마찰 계수는 쇼어 경도가 증가 함에 따라 감소한다. 청동(BC3)은 중량비로 10 ％ 주석, 2 ％ 아연 및 0.2 ％ 납을 함유하고, 나머지는 구리이다. 5 종류의 백색 합금(WJ5)은 각각 중량비로 2 ％ 구리 및 29 ％ 아연을 함유하고, 나머지는 주석이다. 도2에 도시된 바와 같이, 청동 함침 재료는 각각의 쇼어 경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상으로 증가함에 따라 마찰 계수가 감소한다. 마찬가지로, WJ5가 함침된 재료들은 마찰 계수가 작다.

탄소질 기반 재료에 함침이 제공되기 전에 존재하는 기공율은 체적비로 비교예4의 경우의 11 ％ 및 비교예1의 경우의 10.3 ％ 이다. 또한, 함침 후의 기공율은 체적비로 비교예1의 경우의 1.3 ％, 비교예2의 경우의 0.4 ％, 비교예3의 경우의 0.3 ％, 비교예4의 경우의 1.5 ％, 비교예5의 경우의 0.7 ％이다. 탄소질의 기반 재료의 흑연 함량은 중량비로 비교예1 내지 실시예5의 경우의 35％ 또는 비교예6 내지 9의 경우의 42 ％이다. 실시예10 내지 실시예12의 경우에 함침 전후에 얻어진 기공율 및 흑연 함량은 실시예1 내지 실시예9의 것과 거의 동일하다.

[표1]

아이템	번호	함침 금속	쇼어 경도
비교예	1	없음	58
	2	없음	74
	3	없음	105
	4	없음	68
	5	Sb	110
	6	Pb	63
실시예	1	청동	103
	2	청동+V	108
	3	청동+Ti	106
	4	Sn	105
	5	Cu	115
	6	Sn	70
	7	청동	84
	8	청동+V	88
	9	청동+Ti	86
	10	WJ5	65
	11	WJ5+V	67
	12	WJ5+Ti	70

비교예들의 비함침 베어링 재료의 경도는 기공율, 흑연 함량, 피치 함량, 타르 함량 및 다른 인자에 따라 상이하다. 도6에 도시된 바와 같이, 이들 베어링 재료의 기공율은 6 ％ 내지 11 ％이고, 기공율이 증가함에 따라 경도는 감소한다.

도3은 무오일 상태 하에서 존재하는 쇼어 경도와 고정된 시편의 마멸 손실 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다. 마멸 시험은 고압 대기 마모 시험 기계를 사용하여 수행되고, 이 시험 동안, 탄소질 기반 재료(크기 10 ㎜ ×10 ㎜ ×36 ㎜)와 접착 및 담금질된 구조적인 강 재료(SCM415)는 고정된 시편 및 가동 시편으로 각각 이용된다. 시험은 9.8 ㎫의 표면 압력, 1.2 m/sec의 활주 속도 및 CO₂ 냉매 대기 하에서 10 시간동안 수행되고, 그런 후 각각의 시험된 재료의 마모 손실이 측정되었다. 베어링 재료의 경도가 증가함에 따라, 이의 마모 손실은 감소한다는 것을 알 수 있다. 베어링 재료의 쇼어 경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상으로 증가함에 따라, 이의 마모 손실은 감소한다는 것을 도3으로부터 또한 알 수 있다.

도4는 윤활유 대기 하에서 존재하는 마찰 계수 및 쇼어 경도 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다. 쇼어 경도가 65 이상으로, 바람직하게는 80 이상으로 증가함에 따라, 베어링 재료의 마찰 계수는 감소한다. 실시예1은 함침 금속으로 청동(BC3)을 사용하고, 이 경우에 윤활유 대기 하의 마찰 계수는 낮다. 또한, 실시예2 및 실시예3에서 0.1 ％ 티타늄 또는 바나듐이 함침 금속으로 이용되는 합금에 첨가됨에 따라, 기공율은 감소하고 이는 유막 보존력을 향상시키고 마찰 계수를 더욱 감소시킨다.

함침 재료로 금속을 각각 사용하는 비교예2, 비교예3 및 비교예4에서, 쇼어 경도가 65 이상임에도 불구하고 마찰 계수는 0.1 이상으로 높다. 탄소질 재료는 기공성이고 그리고 윤활유 대기 하에서 활주 중에 오일의 가능한 부족이 유막을 약하게 하여 혼합된 윤활을 유발할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 더욱이, 비교예6은 마찰 계수가 낮지만 납이 함침 재료에 사용되기 때문에 환경적인 이유로 바람직하지 않다. 함침 재료로 금속을 각각 사용하는 비교예1, 비교예2 및 비교예4 내지 12는 쇼어 경도가 65 내지 110 일 때, 마찰 계수가 0.1 미만으로 낮다.

도5는 CO₂ 냉매에 합성 오일을 첨가함으로써 생성된 혼합 윤활 상태 하에서, 0.15 ㎫/sec 의 부하율, 1.2 m/sec의 활주 속도 및 98 ㎫ 까지의 표면 압력에서 수행된 내부하 시험의 완료 후에 측정된 마모 손실 및 쇼어 경도 사이의 관계를 나타 내는 다이어그램이다. 청동(BC3)을 사용하는 베어링 재료는 개별 쇼어 경도 값이 65 이상, 바람직하게는 80 이상일 때 마찰 계수가 작다. 실시예1은 함침 금속으로 청동(BC3)을 사용하고, 이 경우의 베어링 재료는 윤활유 대기 하에서의 마모 손실이 모든 실시예 중에서 가장 적다. 따라서, 쇼어 경도가 더 높은 재료가 베어링 재료로서 더 적합하다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예2 및 3에서, 0.1 ％ 티타늄 또는 바나듐이 함침 금속으로 사용되는 합금에 첨가됨에 따라 기공율은 감소하고 이는 유막 보존력을 향상시키고 마찰 계수를 더욱 감소시킨다.

도6은 CO₂ 냉매에 합성 오일을 첨가함으로써 생성된 혼합 윤활 상태 하에서, 0.15 ㎫/sec 의 부하율, 1.2 m/sec의 활주 속도 및 98 ㎫ 까지의 표면 압력에서 수행된 내부하 시험의 완료 후에 측정된 마모 손실 및 압축 강도 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다. 청동(BC3)을 사용하는 베어링 재료는 압축 강도가 30 이상일 때 마찰 계수가 작다. 실시예1은 함침 금속으로 청동(BC3)을 사용하고, 이 경우의 베어링 재료는 윤활유 대기 하에서의 마모 손실 면에서 모든 실시예 중에서 가장 적다. 따라서, 압축 강도가 더 높은 재료가 베어링 재료로서 더 적합하다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예2 및 3에서, 0.1 ％ 티타늄 또는 바나듐이 함침 금속으로 사용되는 합금에 첨가됨에 따라 기공율은 감소하고 이는 유막 보존력을 향상시키고 마찰 계수를 더욱 감소시킨다.

도7은 윤활유 대기 하에서 극심한 마찰 시험 동안에 측정된 마찰 계수와 베어링 재료 내의 잔류 기공율 사이의 관계를 나타내는 다이어그램이다. CO₂ 냉매에 배합되는 합성 오일이 윤활유로서 사용되었다. 기공율은 FISONS(AMCO)에 의해 제작된 Model-2000 포로시미터(porosimeter)를 이용하여 측정되었다. 기공율은 상기 방법으로 추출된 기공 분포 곡선을 사용하여 [(누적 기공 체적) × (체적 밀도) ×100 (％)] 로부터 산출되었다. 기공율이 감소함에 따라 유막의 보전력이 향상되고 윤활유 대기 하에서의 마찰 계수가 감소한다는 것이 확인될 수 있다. 바나듐 또는 티타늄이 청동에 첨가된 합금이 함침 재료로 사용된 실시예2, 3, 8 및 9는 함침 동안 바나듐 또는 티타늄의 탄화물(VC, TiC)을 생성하고 탄소질 기반 재료에 대하여 가용성을 증가시킨다. 결과적으로, 바나듐 또는 티타늄이 첨가되지 않은 실시예1 및 4와 비교할 때, 실시예2, 3, 8 및 9는 기공율을 감소시키고, 윤활유 대기 하에서의 유막의 보존력을 향상시키고 마찰 계수를 감소시킨다. 첨가된 바나듐 또는 티타늄을 갖는 합금이 함침된 탄소질 기반 재료의 표면은 바나듐 또는 티타늄의 탄화물(VC, TiC)이 탄소질 기반 재료와 합금 사이의 경계부에 존재하는 지를 알아내기 위해 주사식 전자 현미경을 통해 관찰되었다.

도8은 무오일 상태 즉, 가장 극심한 윤활 조건 하에서 존재하는 마찰 계수와 함침 금속의 용융점 사이의 관계의 연구 결과를 도시하는 다이어그램이다. 도면에서 수치는 각각의 금속이 함침되기 전에 존재하는 탄소질 기반 재료의 쇼어 경도를 나타낸다. 비록 함침 전에 탄소질 기반 재료의 경도는 함침 금속의 형태에 따라 상이하지만, 함침 금속의 형태의 차이에 기인한 마찰 계수의 경향은 거의 동일하다. 도8에 도시된 바와 같이, 납 및 안티몬은 용융점이 대략 200 내지 400 ℃로 낮은 금속이고, 마찰 계수 감소 효과는 이들 금속에서도 확인되었다. 또한, 용융 점이 900 ℃ 이상으로 조절된 구리 합금 및 구리는 용융점이 낮은 전술된 금속의 것과 동일한 마찰 계수를 나타낸다.

용융점이 높은 재료로써 구리가 사용되었지만, 다른 고용융점 금속의 함침이 가능할 경우, 높은 내마모성 및 저마찰성이 탄소질 재료와의 조합으로 달성될 수 있다. 이러한 실시예는 함침 프로세스와 같이 탄소질 재료를 용융된 금속에 침지시키면서 동시에 압력을 인가함으로써 금속을 충전시키는 방법에 적용된다. 이러한 프로세스에서, 생산성을 개선시키기 위해서 초기에 용융점을 최저로 감소시키는 것이 유용하다. 따라서, 상기 용융점은 베어링 재료를 제조하기 위해 구리에 주석을 부가함으로써 약간 감소된다. 상기 함침 금속에 합금을 사용하는 것은 함침 금속 자체의 강도를 개선시키고 전체적인 베어링 재료의 경도를 개선시키는 데 효과적이다. 또한, 함침 금속에 절삭 특성을 개선시킨 성분을 부가하는 것은 베어링 재료의 마찰면에 매끄러움과 보다 양호한 마무리를 제공하여 보다 신뢰할 만한 베어링을 제조할 수 있다.

도9는 흑연 함유 탄소질 재료를 굽고 이후 청동(BC3) 또는 구리에 함침시킴으로써 제조된 베어링 재료에 각각 관련된 흑연 함유물 데이터 및 무오일 마찰 계수 데이터들 사이의 관계를 도시한 다이아그램이다. 데이터 1번은 실시예1과 관련되고 번호가 없는 데이터는 부가된 데이터이다. 도9에 도시된 것처럼, 최소 마찰 계수는 흑연 함유물이 20 내지 50 중량% 특히, 20 내지 40 중량% 영역일 경우 얻어진다.

(제13 실시예)

도1은 본 발명의 제1 내지 제12 실시예에 속한 복수의 CO₂ 냉매 압축기용 베어링을 사용하는 회전축의 회전에 의해 구동하는 가압 수단(압축 수단)을 갖는 2단 압축기의 단면도이다. 실린더(3-1, 3-2) 및 롤러(3-3, 3-4)는 전기 구동 요소(2) 및 압축 요소(3)를 구성하도록 수납 용기(1)에 각각 수용되며, 냉매 오일(4)은 바닥에 저장된다. 수납 용기(1) 내측은 분리 부재(5)에 의해 전기 구동 요소(2)를 포함하는 상부 공간(7)과 압축 요소(3) 및 냉각 오일(4)을 포함하는 하부 공간(8)으로 분할된다. 상기 냉매 가스는 흡입 파이프(9)로부터 저압 상태로 상부 공간(7)으로 유도된 후, 중간 압력 가압 수단으로서 흡입 포트(10)로부터 제1 실린더(3-1) 내를 편심 회전하는 롤러(3-3)에 흡입되어 중간압으로 압축된 후, 중간압의 상태로 하부 공간(8)에 송출된다. 또한 고압 가압 수단으로서 제2 실린더(3-2) 내를 편심 회전하는 롤러(3-4)에 의해 중간압으로부터 고압으로 압축된 냉매가 토출 파이프(12)에 의해 사이클로 송출된다.

(주 베어링으로서도 기능하는) 분리 부재(5) 및 프레임(13)은 주철로 제조되고, 본 발명에 따른 상기 설명한 베어링(5a, 13a)는 프레스 끼워맞춤에 의해 독립적인 단일 조립체로 조립되고 순환되는 윤활 오일은 두 개의 조립체 모두에 공급된다. 압축기의 시동 중, 냉매의 토출압이 매우 높을 경우 윤활 오일의 공급량은 불충분해져서 비정상적인 마모 또는 열적 녹아 붙음으로 인해 손상을 입는다. 그러나, 본 발명의 원통형 베어링은 프레임의 리세스 또는 분리 부재(5)의 관통 구멍으로 프레스 끼워맞춤식으로 고정되기 때문에, 2단 압축기의 신뢰성 및 내구성은 개선될 수 있다. 도면부호 5a는 베어링이고, 도면부호 6은 압력 조절 밸브이다.

상기 설명한 제1 내지 제12 실시예에서 명백히 알 수 있듯이, 본 발명의 베 어링은 도1에 도시된 2단 압축기의 프레임(13) 및 분리 부재(5)에 인가되어 결국 CO₂ 냉매에 대한 내마모성 및 수명은 납 또는 안티몬이 함침된 탄소질 재료를 기초로하는 종래의 합성 재료를 사용함으로써 얻을 수 있는 것과 동일한 레벨 또는 이보다 높은 레벨로 얻을 수 있다.

(제 14실시예)

도10은 본 발명에 속한 복수의 베어링 채용 CO₂ 냉매 압축기를 사용하는 회전축의 회전에 의해 구동하는 가압 수단을 갖는 CO₂ 냉매 스크롤 압축기의 단면도이다. 프레임(16)의 베어링(16a) 및 기부판(14a)의 회전식 베어링(14c)은 본 발명의 제1 내지 제10 실시예에서 설명한 탄소질 재료에 금속이 함침된 프레스 끼워맞춤식 베어링이다. 상기 스크롤 압축기는 수납 용기(1) 위에는 압축 기구를 그 아래에서는 모터(19)를 가지며, 상기 압축 기구 및 모터는 크랭크 샤프트(17)를 통해 연결된 형태로 구비된다. 압축기부에서, 기부판(15a) 상에 직립 위치된 스파이럴 랩(spiral lap; 15b)을 갖는 스크롤 부재(15)와 기부판(14a) 상이 직립 위치된 스파이럴 랩(14b)을 갖는 회전식 스크롤 부재(14)는 서로 랩(14b)과 맞물림으로써 배치되고, 흡입 구멍(15d) 및 토출 구멍(15e)은 고정식 스크롤 부재(15)의 외부면부 및 중심부에서 각각 배치된다.

크랭크샤프트(17)는 프레임(16)의 중심에 구비된 베어링(16c)에 의해 지지되고, 크랭크샤프트(17)의 인입 단부 위로 돌출되는 크랭크(17a)는 회전식 스크롤 부재(14)의 회전식 베어링(14c)으로 삽입되어 결합된다. 자동 회전 방지 부재로써 올드함(Oldham) 커플링은 회전식 스크롤 부재(14)가 자율적인 회전없이 고정식 스 크롤 부재(15)에 대해 피봇식 이동되게 기능하고, 이러한 커플링은 회전식 스크롤 부재(14)의 기부판(14a)에서의 후방 키이웨이(keyway; 14b)와 프레임(16)의 장착 기부판에서의 키이웨이 사이에 결합된다. 상기 커플링의 결합부에서, 크랭크샤프트(17)가 커플링 아래에 위치된 모터(19)에 의해 회전될 경우, 크랭크샤프트(17)의 편심 회전은 회전식 스크롤 부재(14)가 자율적인 회전없이 고정식 스크롤 부재(15)에 대해 피봇식 이동을 개시하도록 작동하여 흡입 구멍(15d)으로부터 취해진 냉매 가스는 가압된 뒤 이러한 가압 가스는 토출 구멍(15e)로부터 토출된다.

회전식 베어링(14c) 및 베어링(16c)은 기부판(14a) 및 프레임(16)에 각각 구비되며, 순환되는 윤활 오일은 베어링 모두에 공급된다. 그러나, 압축기의 시동 중에, 냉매의 토출압이 매우 높을 경우, 윤활 오일의 공급량은 불충분해져서 비정상적인 마모 또는 열적 녹아 붙음으로 인해 손상을 입게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 원통형 베어링은 기부판(14a)의 리세스 및 프레임(16)의 관통 구멍으로 프레스 끼워맞춤으로 인해 고정되기 때문에, 스크롤 압축기의 신뢰성 및 내구성은 개선될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 베어링은 기부판(14a) 및 프레임(16)에서 일체식 조립체로 형성되며, 이러한 조립체들은 1 내지 15 중량%의 주철 또는 실리콘을 함유한 알루미늄기 합금을 사용하여 구성된다. 도면부호 14d는 후방 키이웨이이고, 도면부호 20은 균형 중량이다.

본 발명에 속한 베어링은 상기 설명한 제1 내지 제12 실시예와 동일하다. 온수 공급 기계에 적용된 스크롤 압축기는 겨울에 사용할 것을 가정하여 측정되었 다. 고압 대기에서 그리고 압축기에 CO₂ 냉매를 응축시키고 윤활 오일의 농도를 감소시키는 몇몇 상태에서 조차, 비정상적인 마모로 인한 수행 능력의 악화 또는 베어링부의 박피로 인한 압축기의 작동 정지 없이 바람직한 결과를 얻을 수 있다.

(제15 실시예)

본 발명의 제1 실시예에 설명한 베어링 재료는 제13 및 제14 실시예와 마찬가지로 가압 수단으로서 왕복형 CO₂ 냉매 압축기에 적용되었다. 결국, 냉각 사이클로 토출되는 윤활 오일의 양이 정상 수치의 1/4로 감소될 경우에도, 냉매의 압축 작동 중에 열등한 점은 없다. 따라서, 정상 작동 상태에서 사용될 경우 상기 베어링은 왕복식 압축기의 신뢰성이 개선된다고 판정할 수 있다.

냉각 사이클의 대기에서, 용해 냉매는 윤활 오일에 있게 된다. 냉매의 용해율은 냉매 및 윤활 오일의 특정 조합에 따라 달라진다. 그러나, 대개 압력이 증가할 때 용해율도 증가하다. 윤활 오일의 점성은 용해율이 증가함에 따라 감소하기 때문에 고압 대기에서 마찰식 활주는 엄격하게 된다. 활주부 특히 냉각 압축기의 베어링에 공급된 윤활 오일은 그 안에 저장되고 다양한 방법을 사용함으로써 활주부에 공급된다. 따라서, 본 발명에 따른 베어링 재료는 윤활 오일의 냉매의 용해 상태에서의 소정의 차로 인한 활주 상태의 제한에 의해 영향을 받지 않기 때문에, 이러한 베어링은 넓은 범위에서 적용 가능하다.

본 발명은 내마모성과 열적 녹아 붙음 저항성에서 높고, 윤활유가 일시적으 로 제공되지 않는 CO₂냉매 압축기의 베어링부에서 비정상적인 마모 및 열적 녹아 붙음을 방지하기 위한 CO₂냉매 압축기용 베어링과, 이러한 베어링들을 이용하는 압축기와, 베어링들을 각각 이용하는 공기 조화기, 냉동기 및 온수 공급 장치를 제공하는 것이다.

Claims

삭제
삭제
CO₂ 냉매 압축기용 베어링에 있어서,

상기 베어링은 원통형 부재를 포함하고, 상기 원통형 부재에서의 흑연 함유 탄소질 재료는 주석 또는 IB 족 또는 철을 제외한 VIII 족으로부터 선택된 한가지 타입의 금속 또는 이 금속들을 기초로 한 합금에 의해 함침되는 구멍을 갖고,

상기 원통형 부재는 압축 강도가 200 내지 500 MPa 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기용 베어링.
삭제
삭제
삭제
삭제
CO₂ 냉매 압축기용 베어링에 있어서,

상기 베어링은 원통형 부재를 포함하고, 상기 원통형 부재에서의 흑연 함유 탄소질 재료는 합금에 의해 함침되는 구멍을 갖고,

상기 합금은 구리를 0.5 내지 5.0 중량 퍼센트 그리고 아연을 25 내지 35 중량 퍼센트의 비율로 각각 함유하는 주석 합금인 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기용 베어링.
제8항에 있어서, 상기 탄소질 재료는 그 최종 형상이 니어 네트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기용 베어링.
회전축의 회전에 의해 구동되는 가압 수단을 사용하여 CO₂ 냉매를 압축하는 CO₂ 냉매 압축기에 있어서,

상기 회전축은 베어링에 의해 지지되며,

상기 베어링은 원통형 부재를 포함하고, 상기 원통형 부재에서의 흑연 함유 탄소질 재료는 주석 또는 IB 족 또는 철을 제외한 VIII 족으로부터 선택된 한가지 타입의 금속 또는 이 금속들에 기초한 합금이 함침되는 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 있어서, 상기 가압 수단은 중간 압력 가압 수단과 고압 가압 수단을 더 포함하고, 상기 중간 압력 가압 수단은 상기 회전축의 회전에 의해 실린더 내측에서 편심적으로 회전되는 롤러에 의해 생성된 중간 압력을 인가하고, 상기 고압 가압 수단은 회전축의 회전에 의해 실린더 내측에서 편심적으로 회전되는 롤러에 의해 제공된 중간 압력으로부터 고압을 생성하는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제11항에 있어서, 상기 중간 압력 가압 수단과 상기 고압 가압 수단은 상기 회전축에 대해 수직 방향으로 배열되고, 상기 베어링이 설치된 분리 부재와 상기 베어링이 또한 설치된 프레임은 상기 2개의 가압 수단 사이에 제공되어 그 사이에 끼워지도록 구성되고, 양 베어링들은 프레스 끼워맞춤에 의해 단일 조립체로 형성되는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 있어서, 상기 가압 수단에는 고정 스크롤과, 상기 고정 스크롤에 대면하여 제공된 상기 회전축의 회전에 의해 구동되는 회전 스크롤이 설치되는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제13항에 있어서, 상기 회전축은 프레임에 제공된 상기 베어링에 의해 지지되고, 상기 회전 스크롤에는 상기 스크롤에 제공된 리세스부에 고정된 상기 베어링이 또한 설치되고, 양 베어링들은 프레스 끼워맞춤에 의해 단일 조립체로 형성되는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 따른 CO₂ 냉매 압축기를 이용하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
제10항에 따른 CO₂ 냉매 압축기를 이용하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
제10항에 따른 CO₂ 냉매 압축기를 이용하는 것을 특징으로 하는 온수 공급기.
제10항에 있어서, 상기 원통형 부재는 쇼어 경도가 65 내지 120 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 있어서, 상기 원통형 부재는 기공율이 0.05 내지 2.00 체적 퍼센트의 범위인 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 있어서, 상기 베어링은 바나듐 또는 티타늄 중 하나에서 또는 그 합금 자체에서 0.2 중량 퍼센트 이하의 비율로 적어도 하나의 바나듐 또는 티타늄을 함유하는 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 있어서, 상기 합금 또는 상기 금속들 중 하나는 적어도 납 또는 안티몬을 1 중량 퍼센트 이하의 비율로 함유하는 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.
제10항에 있어서, 상기 합금은 80 내지 90 중량 퍼센트의 구리, 5 내지 11 중량 퍼센트의 주석, 3 중량 퍼센트까지의 아연 및 1.0 중량 퍼센트까지의 납을 함유하는 구리 합금인 것을 특징으로 하는 CO₂ 냉매 압축기.