KR100726308B1

KR100726308B1 - 회전 압축기

Info

Publication number: KR100726308B1
Application number: KR1020010013049A
Authority: KR
Inventors: 스나가다까시; 마쯔모또겐조; 다께나까마나부; 오까지마마사조
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2007-06-08
Also published as: DE60103792T2; JP2001263280A; DE60103792D1; US6435850B2; KR20010092300A; US20010043879A1; CN1313471A; CN1189662C; EP1134418A2; ES2222946T3; EP1134418A3; TW484003B; EP1134418B1

Abstract

본 발명은 분자 중에 염소를 포함하지 않는 냉매 및 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유로서 사용하더라도, 롤러와 베인의 이상한 마모가 방지되는 신뢰성이 높은 회전 압축기의 제공을 과제로 한다.

베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 곡률 반경(Rv)(㎝)이 다음 수식 (1)로 나타내게 되는 베인을 이용한다.

T < Rv < Rr …… 수식 (1)

[단, 수식 (1) 중, T는 베인의 두께(㎝), Rr은 베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 외주 곡률 반경(㎝)을 나타냄]

회전 압축기, 응축기, 팽창 장치, 증발기, 실린더, 흡입구, 토출구, 크랭크부, 롤러, 베인

Description

회전 압축기{ROTARY COMPRESSOR}

도1은 본 발명을 적용하는 2 실린더 방식의 회전 압축기의 단면 구조를 도시한 설명도.

도2는 도1에 도시한 회전 압축기의 실린더, 롤러, 베인 등의 관계를 도시한 단면 설명도.

도3은 도1에 도시한 회전 압축기의 베인의 설명도.

도4는 도1에 도시한 회전 압축기의 롤러와 베인의 관계를 도시한 단면 설명도.

도5는 도1에 도시한 회전 압축기의 회전축의 회전 중심, 롤러 중심과 베인의 곡률 반경의 중심 등의 관계를 도시한 단면 설명도.

도6은 도1에 도시한 회전 압축기의 냉동 회로를 도시한 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

a, 1 : 회전 압축기

b : 응축기

c : 팽창 장치

d : 증발기

31, 32 : 실린더

23 : 흡입구

35 : 토출구

26 : 크랭크부

38 : 롤러

40 : 베인

본 발명은 분자 중에 염소를 포함하지 않는 냉매 및 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유(基油)로서 이용한 회전 압축기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 롤러와 베인의 이상한 마모를 방지하여, 신뢰성이 높은 회전 압축기를 제공하는 데 적합한 롤러와 베인의 구성에 관한 것이다.

냉장고, 자동 판매기 및 쇼 케이스용의 압축기나 가정용ㆍ업무용 에어컨에 사용되는 압축기는 종래 냉매로서 디클로로디플루오로메탄(R12)이나 모노클로로디플루오로메탄(R22)을 많이 사용하고 있었다. 이 R12나 R22는 오존 파괴의 잠재성에 의해 대기 중에 방출되어 지구 상공의 오존층에 도달하면, 이 오존층을 파괴하는 문제로 인해 프론 규제의 대상이 되고 있다. 이 오존층의 파괴는 냉매 중의 염소기(C1)에 의해 야기된다. 그래서, 이 염소기를 함유하지 않는 냉매, 예를 들어 R32, R125나 R134a 등의 HFC계 냉매, 혹은 프로판, 부탄 등의 탄화 수소류계 냉매, 탄산 가스, 암모니아 등의 자연 냉매가 대체 냉매로서 고려되어지고 있다.

도1은 본 발명을 적용하는 2 실린더 방식의 회전 압축기의 단면 구조를 도시한 것이며, 도2는 실린더, 롤러, 베인 등의 관계를 도시한 단면 설명도이며, 도3은 베인의 설명도이며, 전체를 도면 부호 1로 도시한 회전 압축기는 원통형의 밀폐 용기(10)와, 밀폐 용기(10) 내에 수용된 전동기(20) 및 압축 장치(30)를 구비한다. 전동기(20)는 밀폐 용기(10)의 내벽부에 고정된 스테이터(22)와 로터(24)를 갖고, 로터(24)의 중심에 부착된 회전축(25)은 실린더(31, 32)의 개구부를 폐쇄하는 2매의 플레이트(33, 34)에 회전 가능하게 저어널된다. 회전축(25)의 일부에는 편심되어 설치되는 크랭크부(26)가 형성된다. 2매의 플레이트(33, 34)의 내부에, 실린더(31, 32)가 배치된다. 이 실린더(31, 32)(이하, 실린더(32)에 대해 서술함)는 회전축(25)의 축선과 동일한 축선을 갖는다. 이 실린더(32)의 주벽부에는 냉매의 흡입구(23)와 토출구(35)가 설치되어 있다.

실린더(32) 내에는 링형상의 롤러(38)가 장착 구비되고, 이 롤러(38)는 그 내주면(38b)이 크랭크부(26)의 외주면(26a)에 접촉하고, 롤러(38)의 외주면(38a)은 실린더(32)의 내주면(32b)에 접촉한다. 실린더(32)에는 베인(40)이 미끄럼 이동 가능하게 설치되고, 베인(40)의 선단부는 롤러(38)의 외주면(38a)에 접촉한다. 베인(40)을 롤러(38)를 향하게 해 힘을 더하고, 또한 베인(40)의 배면에 압축된 냉매를 도입함으로써 베인 선단부와 롤러(38)의 밀봉을 확실하게 한다. 이 베인(40)과, 롤러(38)와, 실린더(32)와, 실린더(32)를 폐색하는 플레이트(34) 등에 둘러싸여져 압축실(50)이 형성된다.

그래서, 회전축(25)이 도2에서 반시계 방향으로 회전하면, 롤러(38)도 실린 더(32) 내에서 편심 회전하고, 흡입구(23)로부터 흡입된 냉매 가스는 압축되어 토출구(35)로부터 토출된다. 이 흡입-압축-토출 행정에 있어서, 롤러(38)와 베인(40)의 접촉부에 압박력(Fv)이 발생한다.

종래는 이 베인(40) 선단부의 롤러(38)의 외주면(38a)과의 접촉면(40a)을 곡률 반경(Rv)을 갖는 원호형으로 형성하고 있었다. 이 곡률 반경(Rv)은 베인(40)의 폭 치수(T)와 대략 같은 값을 갖고, 롤러(38)의 반경 치수에 대하여 1/10 내지 1/3 정도인 것이었다. 그리고, 롤러(38)의 재료로서 주철 혹은 합금 주철에 담금질을 실시한 것, 베인(40)의 재료에는 스테인레스강 혹은 공구강 또는 이들에 질화 처리 등의 표면 처리를 실시한 것이 주로 사용되고, 특히 베인 재료에 높은 경도와 인성을 갖게 하는 것이 일반적인 것이었다.

롤러(38)와 베인(40)의 접촉 상태는, 도4에 도시한 바와 같이 다른 곡률을 갖는 원통 끼리의 접촉 문제로 대체할 수 있다. 이러한 상태에서는 베인(40)의 압박력(Fv)에 의해, 롤러(38)와 베인(40)의 2개의 탄성체가 압박되면, 일반적으로 그들은 점이나 선 접촉이 아닌 면 접촉을 하여, 그 때의 탄성 접촉면 길이(d)는 상기 수식 (7)에서 계산되고, 그리고 접촉부에 다음 수식 (9)에서 나타내어지는 헤르츠 응력 Pmax(kgf/㎠)가 발생한다(헤르츠의 탄성 접촉 이론).

Pmax = 4/πㆍFv/L/d …… 수식 (9)

[수식 (9) 중의 Fv, L, d는 수식 (6), 수식 (7)인 것과 동일함]

이와 같이 면 접촉을 하여, 헤르츠 응력이 증대하면 분자 중에 염소를 포함 하지 않는 냉매를 이용하여 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유로서 이용한 회전 압축기의 베인(40)은 내마모성의 향상을 위해 질화 처리나 CrN의 이온 코팅 등의 표면 처리가 행해지고 있지만, 질화 처리는 그 내력(耐力)이 충분하지 않으며, 또한 CrN의 이온 코팅은 코팅층의 박리의 위험성이 있는 동시에 생산 비용이 상승하는 등의 결점이 있었다.

본 발명의 목적은 종래의 여러 문제를 해결하여, 분자 중에 염소를 포함하지 않는 냉매 및 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유로서 이용한 회전 압축기로서, 롤러와 베인의 이상한 마모를 방지하여 신뢰성이 높은 로터리 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 문제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 종래는 베인(40) 선단부의 롤러(38)의 외주면(38a)과의 접촉면(40a)의 곡률 반경(Rv)을 베인(40)의 폭 치수(T)와 거의 같은 값으로 하고 있었던 것을 개선하여, 베인(40)과 롤러(38)의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하는 범위에 있어서 곡률 반경(Rv)을 베인(40)의 폭 치수(T)보다 크게 함으로써, 헤르츠 응력 Pmax가 저감되는 동시에, 미끄럼 이동 거리(ev)가 커져 응력이 분산되어 베인(40)과 롤러(38)의 미끄럼 접촉부에 있어서의 온도가 저하하므로, 베인(40)에 고가인 코팅 처리를 행하지 않고, 저렴한 질화 처리(NV 질화, 침황 질화, 래디컬 질화)에서도 충분히 롤러(38)의 외주(38a)나 베인(40)의 마모를 경감시키는 효과가 있어, 롤러(38)와 베인(40)의 이상한 마모를 방지하여 신뢰성이 높은 로터리 압축기를 제공할 수 있는 것을 발견 하여 본 발명을 이루는 데 이르렀다.

과제를 해결하기 위한 본 발명의 청구항 1의 발명은 압축기, 응축기, 팽창 장치, 증발기 등을 차례로 배관에 의해 접속하여 이루어지는 냉동 회로를 구비하고, 분자 중에 염소를 포함하지 않는 냉매 및 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유로서 이용한 회전 압축기에 있어서, 흡입구와 토출구를 갖는 실린더와, 실린더의 축선 상에 배치되는 크랭크부를 갖는 회전축과, 크랭크부와 실린더 사이에 배치되어 편심 회전하는 롤러와, 실린더에 설치되는 홈 내를 왕복 이동하여 롤러의 외주면에 미끄럼 접촉하는 베인을 갖고, 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 곡률 반경(Rv)(㎝)이 다음 수식 (1)로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 회전 압축기에 관한 것이다.

T < Rv < Rr …… 수식 (1)

본 발명의 청구항 2의 발명은 청구항 1 기재의 회전 압축기에 있어서, 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하기 위해, 회전축의 회전 중심(O1)과 롤러 중심(02)의 편심량(㎝)을 E라 하고, 베인의 곡률 반경(Rv)의 중심(O3)과 롤러 중심(O2)을 잇는 직선(Ll)이 중심(O3)과 회전 중심(O1)을 잇는 직선(L2)과 이루는 각도를 α라 하고, 직선(Ll)이 롤러의 외주에 교차되는 점과 직선(L2)이 롤러의 외주에 교차되는 점 사이의 미끄럼 이동 거리를 ev라 한 때, T, Rv, Rr, E, α, ev가 다음 수식 (2) 내지 수식 (4)로 나타내어지는 관계에 있는 것 을 특징으로 한다.

T > 2ㆍRvㆍE/(Rv ＋ Rr) …… 수식 (2)

sinα = E(Rv ＋ Rr) …… 수식 (3)

ev = RvㆍE/(Rv ＋ Rr) …… 수식 (4)

본 발명의 청구항 3의 발명은 청구항 1에 기재된 회전 압축기에 있어서, 고부하 운전시의 탄성 접촉을 고려하여, 베인의 롤러와의 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하기 위해, 베인의 높이를 L(㎝)이라 하고, 베인과 롤러의 종탄성 계수를 각각 E1, E2(kgf/㎠)라 하고, 베인과 롤러의 프와송비를 υ1, υ2라 하고, 설계 압력을 ΔP(kgf/㎠)라 하고, 수식 (5)에서 계산되는 등가 반경(㎝)을 ρ라 하고, 수식 (6)에서 계산되는 베인의 압박력을 Fv(kgf)라 하고, 이들을 이용하여 수식 (7)에서 계산되는 탄성 접촉면 길이를 d(㎝)라 한 때, T, Rv, Rr, E, d가 다음 수식 (8)로 표현되는 관계에 있는 것을 특징으로 한다.

T > [2ㆍRvㆍE/(Rv ＋ Rr)] ＋ d …… 수식 (8)

[단, 수식 (8) 중 T, Rv, Rr, E는 수식 (1), 수식 (2)와 같은 것을 나타냄]

[단, ρ는 등가 반경(㎝), Rv는 베인의 곡률 반경(㎝), Rr은 베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 외주 곡률 반경(㎝)을 나타냄]

[단, Fv는 베인의 압박력(kgf), T는 베인의 두께(㎝), L은 베인의 높이(㎝), ΔP는 운전시의 설계 압력(kgf/㎠)을 나타냄]

[단, E1은 베인의 종탄성 계수(kg/㎠), E2는 롤러의 종탄성 계수(kg/㎠), υ₁은 베인의 프와송비, υ₂는 롤러의 프와송비, L은 베인의 높이(㎝), Fv는 수식 (6)에서 계산되는 베인의 압박력(kgf), ρ는 수식 (5)에서 계산되는 등가 반경(㎝)을 나타냄]

본 발명의 청구항 4의 발명은 청구항 3에 기재된 회전 압축기에 있어서, 고부하 운전시의 설계 압력(ΔP)이 HFC407C를 사용하는 냉동 사이클인 경우는 2.98MPa, HFC410A인 경우는 4.14MPa, HFC404A인 경우는 3.10MPa, HFC134a인 경우는 1.80MPa로 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 5의 발명은 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 회전 압축기에 있어서, 베인이 종탄성 계수 1.96×10⁵ 내지 2.45×10⁵N/㎟인 철계 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 6의 발명은 청구항 5에 기재된 회전 압축기에 있어서, 베인의 최외측 표면에 Fe과 N을 주성분의 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층을 형성시킨 질화 처리에 의해 처리되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 7의 발명은 청구항 5에 기재된 회전 압축기에 있어서, 베 인의 표면이 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층만을 형성하여 이루어지는 질화 처리에 의해 처리되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 8에 기재된 발명은 청구항 5에 기재된 회전 압축기에 있어서, 질화 처리에 의해 베인의 최외측 표면에 Fe과 S을 주체로 한 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe-N을 주체로 한 확산층을 형성시키는 질화 처리에 의해 처리되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 9 기재의 발명은 청구항 6 기재의 회전 압축기에 있어서, 베인의 최외측 표면에 Fe과 N을 주성분의 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층을 형성하는 질화 처리를 행하고, 베인의 적어도 측면의 Fe과 N을 주성분으로 하는 화합물층을 제거한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 10 기재의 발명은 청구항 8 기재의 회전 압축기에 있어서, 질화 처리에 의해 베인의 최외측 표면에 Fe과 S을 주체로 한 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe-N을 주체로 한 확산층을 형성하는 질화 처리를 행하고, 베인의 적어도 측면의 Fe과 S을 주성분으로 하는 화합층을 제거한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 11 기재의 발명은 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 회전 압축기에 있어서, 베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 재질은 종탄성 계수 9.81 × 10⁴ 내지 1.47 × 10⁵N/㎟의 철계 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 청구항 12 기재의 발명은 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 회전 압축기에 있어서, 기유의 동점도(動粘度)가 40℃에서 20 내지 80㎟/s인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

도6에, 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 윤활유 기유로서 이용하고, 증발 기화한 HFC계 냉매 등의 분자 중에 염소 분자를 포함하지 않는 냉매를 압축하는 본 발명의 회전 압축기 a, 동일한 냉매를 응축 액화하는 응축기 b, 동일한 냉매의 압력을 줄이는 팽창 장치 c, 액화 냉매를 증발시키는 증발기 d 등을 차례로 냉매관에 의해 연결되어 형성된 냉동 회로의 예를 도시한다.

도5는 본 발명의 회전 압축기의 롤러와 베인의 관계를 도시한 단면 설명도이다.

도5에 있어서, 회전축(25)의 회전 중심(01)과 롤러(38)의 롤러 중심(02)의 편심량(㎝)을 E라 하고, 베인(40)의 곡률 반경(Rv)의 중심(03)과 롤러 중심(02)을 잇는 직선(Ll)이 중심(03)과 회전축(25)의 회전 중심(01)을 잇는 직선(L2)과 이루는 각도를 α라 하고, 직선(Ll)이 롤러(38)의 외주(38a)에 교차되는 점과 직선(L2)이 롤러(38)의 외주(38a)에 교차되는 점 사이의 미끄럼 이동 거리를 ev라 한 때, ev는 상기 수식 (4)에서 계산된다.

베인(40)의 롤러(38)와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 곡률 반경(Rv), 베인(40)의 두께(T), 베인(40)과 미끄럼 접촉하는 롤러(38)의 외주 곡률 반경(Rr), 편심량(E), 베인(40)과 롤러(38)의 종탄성 계수를 E1, E2, 베인(40)과 롤러(38)의 프와송비를 각각 υ1, υ2, 설계 압력 ΔP를 구체적으로 설정하면,

ρ는 상기 수식 (5)에서, 베인의 압박력(Fv)은 상기 수식 (6)에서, 탄성 접촉면 길이 d는 상기 수식 (7)에서, 헤르츠 응력 Pmax는 상기 수식 (9)에서 계산된다.

예를 들어, 실린더 내경 39mm × 높이 14mm, 편심량(E) 2.88mm, 배제 용적 4.6cc × 2의 2 실린더 방식의 회전 압축기에 대해, T, Rr, E1, E2, υ1, υ2, ΔP을 표 1에 나타낸 값으로 하고, Rv를 3.2mm, 4mm, 6㎜, 8㎜, 10㎜, 16.6㎜(Rr과 동일), 편평하게 변화시킨 경우의 ρ, Fv, d, ev, (T-ev-d)/2, Pmax 등의 계산 결과를 표1에 나타낸다.

표 1에서, 헤르츠 응력 Pmax는 T = Rv인 경우를 100%라 하면, Rv를 증가함에 따라 감소하고, 한편 ev(미끄럼 이동 거리)는 증가하고, Rv = 10mm에서 헤르츠 응 력 Pmax는 66%가 되어, ev는 약 2.3배가 된다. 그러나, Rv = 16.6mm = Rr이라 하면, 헤르츠 응력 Pmax는 57%가 되지만, (T - ev - d)/2 ≒ 0.16이 되어 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면의 확보가 곤란해지는 것을 알 수 있다.

또한, 실린더 내경 39㎜ × 높이 14㎜, 편심량(E) 2.35mm, 배제 용적 4.6cc × 2의 2 실린더 방식의 회전 압축기에 대해, T, Rr, E1, E2, υ1, υ2, ΔP를 표2에 나타낸 값으로 하고, Rv를 3.2㎜, 4㎜, 6mm, 8mm, 10mm, 18.1㎜(Rv와 동일), 편평하게 변화시킨 경우의 ρ, Fv, d, ev, (T - ev - d)/2, Pmax 등의 계산 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터, 헤르츠 응력 Pmax는 T = Rv인 경우를 100%라 하면, Rv를 증가함 에 따라 감소하고, 한편 ev(미끄럼 이동 거리)는 증가하고, Rv = 10 mm에서 헤르츠 응력 Pmax는 65%가 되어 ev는 약 2.4배가 된다. 그러나, Rv = 18.1 mm = Rr이라 하면, 헤르츠 응력 Pmax는 55%가 되지만, (T - ev - d)/2 ≒ 0.42가 되어 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면의 확보가 곤란해지는 것을 알 수 있다.

또한, 실린더 내경 41㎜ × 높이 16㎜, 편심량(E) 3.475mm, 배제 용적 6.6cc × 2의 2 실린더 방식의 회전 압축기에 대해, T, Rr, E1, E2, υ1, υ2, ΔP를 표 3에 나타낸 값으로 하고, Rv를 3.2㎜, 4mm, 6mm, 8mm, 10mm, 17mm(Rr와 동일), 편평하게 변화시킨 경우의 ρ, Fv, d, ev, (T - ev - d)/2, Pmax 등의 계산 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3으로부터, 헤르츠 응력 Pmax는 T = Rv인 경우를 100%라 하면, Rv를 증가함에 따라서 감소하고, 한편, ev(미끄럼 이동 거리)는 증가하고, Rv = 10mm에서 헤 르츠 응력 Pmax는 65%가 되어 ev는 약 2.3배가 된다. 그러나, Rv = 17mm = Rr이라 하면, 헤르츠 응력 Pmax는 56%가 되지만, (T - ev - d)/2 ≒ -0.14가 되어 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보할 수 없는 것을 알 수 있다.

또한, 실린더 내경 38 ㎜ × 높이 15㎜, 편심량(E) 4.715 mm, 배제 용적 7.65 cc의 회전 압축기에 대해, T, Rr, E1, E2, υ1, υ2, ΔP를 표 4에 도시한 값으로 하고, Rv를 4.7㎜, 6mm, 8mm, 10mm, 12mm, 14.5mm(Rr과 동일), 편평하게 변화시킨 경우의 ρ, Fv, d, ev, (T - ev - d)/2, Pmax 등의 계산 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4로부터, 헤르츠 응력 Pmax는 T = Rv인 경우를 100%라 하면, Rv를 증가함에 따라 감소하고, 한편 ev(미끄럼 이동 거리)는 증가하고, Rv = 12 ㎜에서 헤르츠 응력 Pmax는 74%가 되어 ev는 약 1.9배가 된다. 그러나, Rv = 14.5 ㎜ = Rr이라 하면 헤르츠 응력 Pmax는 70%가 되지만, (T - ev - d)/2 ≒ -0.008이 되어 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보할 수 없는 것을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, Rv가 상기 수식 (1)에서 나타내어지는 T < Rv < Rr의 범위에 있으면, 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하면서 헤르츠 응력을 감소할 수 있고, 편심량(ev)이 커져 응력이 분산되어 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 온도가 저하하여, 롤러와 베인의 이상한 마모를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다.

베인에 고가인 코팅 처리를 행하지 않고, 저렴한 질화 처리(NV 질화, 침황 질화, 래디컬 질화)라도 충분히 롤러의 외주나 베인의 마모를 경감시키는 효과가 있어 신뢰성이 높은 로터리 압축기를 제공할 수 있다.

T가 상기 수식 (2)에서 나타내어지는 T > 2ㆍRvㆍE/(Rv + Rr)의 범위에 있으면, 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 안전하게 확보할 수 있다.

T가 상기 수식 (8)에서 나타내어지는 T > [2ㆍRvㆍE/(Rv + Rr)] + d의 범위에 있으면, 고부하 운전시라도 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 안전하게 확보할 수 있다.

고부하 운전시의 설계 압력(ΔP)이 HFC407C를 사용하는 냉동 사이클인 경우는 2.98MPa, HFC410A인 경우는 4.14MPa, HFC404A인 경우는 3.10MPa, HFC134a인 경 우는 1.80MPa라 하고, 각 냉매마다의 고부하시의 탄성 변형을 고려한 경우, 롤러와 베인 사이의 미끄럼 이동 거리에 있어서, 베인의 실린더와 미끄럼 접촉하는 측면과 롤러와 미끄럼 접촉하는 면의 쌍방의 능선 사이에서의 롤러 곡면과의 미끄럼 접촉면이 확보된다.

베인을 종탄성 계수 1.96 × 10⁵ 내지 2.45 × 10⁵N/㎟의 철계 재료로 형성하지만, 탄성 계수가 지나치게 작으면 베인의 마모내력이 부족하며, 지나치게 크면 탄성 변형을 기대할 수 없어 응력 저감이 도모되지 않아 내마모내력을 얻을 수 없다.

베인의 표면이 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층만을 형성하여 이루어지는 질화 처리에 의해 처리되어 있거나, 베인의 최외측 표면에 Fe과 N을 주성분의 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층을 형성시킨 질화 처리에 의해 처리되어 있거나, 베인의 최외측 표면에 Fe과 S을 주체로 한 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe-N을 주체로 한 확산층을 형성시키는 질화 처리에 의해 처리되어 있는 베인이 베인의 마모내력에 유효한 것이, 일본 특허 공개 평10-141269호 공보, 일본 특허 공개 평11-217665호 공보, 일본 특허 공개 평5-73918호공보 등에 개시되어 있다. 그러나, HFC 냉매 하에서는 그 마모내력이 충분하지는 않다.

그래서 본 발명에 있어서는 베인과 롤러의 미끄럼 이동부에 있어서의 베인의 곡률 반경(Rv)을 상기 수식 (1) 내지 수식 (8)에 의해 계산되는 것으로 하고, 그와 같은 곡률 반경(Rv) 등을 갖는 형상의 베인에 상기 처리를 행하는 것과 병용함으로써, 보다 고마모내력을 얻을 수 있다.

또한, 베인의 최외측 표면에 Fe과 N을 주성분으로 하는 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층을 형성하는 질화 처리에 의해 베인의 적어도 측면의 Fe과 N을 주성분으로 하는 화합물층을 제거한 것이나, 베인의 최외측 표면에 Fe과 S을 주체로 한 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe-N을 주체로 한 확산층을 형성시키는 질화 처리를 행하고, 베인의 적어도 측면의 Fe과 S을 주성분으로 하는 화합층을 제거한 것은 처리에 의한 결정 구조의 변화가 가져오는 치수 변화에 대응하여, 치수의 재조정을 위한 연마 등에 의해 그 화합물층을 제거해도 고마모내력을 얻을 수 있다.

베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 재질은 종탄성 계수 9.81 × 10⁴ 내지 1.47 × 10⁵N/㎟의 철계 재료로 형성되지만, 종탄성 계수가 지나치게 작으면 롤러의 마모내력이 부족하며, 지나치게 크면 탄성 변형을 기대할 수 없어 베인과 롤러 사이의 응력 저감이 도모되지 않아 내마모내력을 얻을 수 없다.

본 발명에서 이용하는 폴리올에스테르 또는 폴리비닐에테르로 이루어지는 기유의 동점도는 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 기유의 동점도가 40℃에서 20 내지 80㎟/s인 것이 바람직하다. 기유의 동점도가 20㎟/s 미만에서는 미끄럼 접촉부에 있어서의 마모를 방지할 수 없을 우려가 있으며, 80㎟/s를 넘으면 소비 전력이 커지는 등 비경제적이 될 우려가 있다.

또, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니므로, 특허 청구의 범위에 기재된 취지에서 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

본 발명의 청구항 1에 기재된 회전 압축기는 분자 중에 염소를 포함하지 않는 냉매 및 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유로서 이용하더라도, 베인과 롤러의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하면서 헤르츠 응력을 감소할 수 있고, 편심량(ev)이 커져 응력이 분산되어 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 온도가 저하하고, 롤러와 베인의 이상한 마모를 방지할 수 있다.

본 발명의 청구항 1에 기재된 회전 압축기는 베인에 고가의 코팅 처리를 행하지 않고, 저렴한 질화 처리(NV 질화, 침황 질화, 래디칼 질화)에서도 충분히 롤러의 외주나 베인의 마모를 경감시키는 효과가 있어 신뢰성이 높다.

본 발명의 청구항 2에 기재된 회전 압축기는 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면이 확보된다.

본 발명의 청구항 3에 기재된 회전 압축기는 고부하 운전시에 있어서도 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면이 확보된다.

본 발명의 청구항 4에 기재된 회전 압축기는 각 냉매마다의 고부하에서의 탄성 변형을 고려한 경우, 롤러와 베인 사이의 미끄럼 이동 거리에 있어서, 베인의 실린더와 미끄럼 접촉하는 측면의 롤러와 미끄럼 접촉하는 면의 능선이 롤러와의 미끄럼 접촉을 방지하는 미끄럼 이동 거리를 확보할 수 있다.

본 발명의 청구항 5에 기재된 회전 압축기는 탄성 변형을 고려한 응력 저감을 도모할 수 있어 베인의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 6에 기재된 회전 압축기는 베인의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 7에 기재된 회전 압축기는 베인의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 8에 기재된 회전 압축기는 베인의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 9에 기재된 회전 압축기는 베인의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 10에 기재된 회전 압축기는 베인의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 11에 기재된 회전 압축기는 탄성 변형을 고려한 응력 저감을 도모할 수 있어 롤러의 마모내력을 향상할 수 있다.

본 발명의 청구항 12에 기재된 회전 압축기는 저소비 전력을 유지하면서 마모를 경감시키는 효과가 있어 신뢰성이 높다.

Claims

압축기, 응축기, 팽창 장치, 증발기 등을 차례로 배관에 의해 접속하여 이루어지는 냉동 회로를 구비하고, 분자 중에 염소를 포함하지 않는 냉매 및 윤활유로서 폴리올에스테르, 또는 폴리비닐에테르를 기유로서 이용한 회전 압축기에 있어서,

흡입구와 토출구를 갖는 실린더와, 실린더의 축선 상에 배치되는 크랭크부를 갖는 회전축과, 크랭크부와 실린더 사이에 배치되어 편심 회전하는 롤러와, 실린더에 설치되는 홈 내를 왕복 이동하여 롤러의 외주면에 미끄럼 접촉하는 베인을 갖고, 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 곡률 반경(Rv)(㎝)이 다음 수식 (1)로 표현되는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.

T < Rv < Rr …… 수식 (1)

[단, 수식 (1) 중, T는 베인의 두께(㎝), Rr은 베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 외주 곡률 반경(㎝)을 나타냄]
제1항에 있어서, 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하기 위해, 회전축의 회전 중심(O1)과 롤러 중심(02)의 편심량(㎝)을 E라 하고, 베인의 곡률 반경(Rv)의 중심(O3)과 롤러 중심(O2)을 잇는 직선(Ll)이 중심(O3)과 회전 중심(O1)을 잇는 직선(L2)과 이루는 각도를 α라 하고, 직선(Ll)이 롤러의 외주에 교차되는 점과 직선(L2)이 롤러의 외주에 교차되는 점 사이의 미 끄럼 이동 거리를 ev라 한 때, T, Rv, Rr, E, α, ev가 다음 수식 (2) 내지 수식 (4)로 나타내어지는 관계에 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.

T > 2ㆍRvㆍE/(Rv ＋ Rr) …… 수식 (2)

sinα = E(Rv ＋ Rr) …… 수식 (3)

ev = RvㆍE/(Rv ＋ Rr) …… 수식 (4)
제1항에 있어서, 고부하 운전시의 탄성 접촉을 고려하여 베인의 롤러와의 미끄럼 접촉부에 있어서의 미끄럼 접촉면을 확보하기 위해,

베인의 높이를 L(㎝)이라 하고, 베인과 롤러의 종탄성 계수를 각각 E1, E2(kgf/㎠)라 하고, 베인과 롤러의 프와송비를 υ1, υ2라 하고, 설계 압력을 ΔP(kgf/㎠)라 하고, 수식 (5)에서 계산되는 등가 반경(㎝)을 ρ라 하고, 수식 (6)에서 계산되는 베인의 압박력을 Fv(kgf)라 하고, 이들을 이용하여 수식 (7)에서 계산되는 탄성 접촉면 길이를 d(㎝)라 한 때, T, Rv, Rr, E, d가 다음 수식 (8)에서 나타내어지는 관계에 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.

T > [2ㆍRvㆍE/(Rv ＋ Rr)] ＋ d …… 수식 (8)

[단, 수식 (8) 중 T, Rv, Rr, E는 수식 (1), 수식 (2)와 같은 것을 나타냄]

[단, ρ는 등가 반경(㎝), Rv는 베인의 곡률 반경(㎝), Rr은 베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 외주 곡률 반경(㎝)을 나타냄]

[단, Fv는 베인의 압박력(kgf), T는 베인의 두께(㎝), L은 베인의 높이(㎝), ΔP는 운전시의 설계 압력(kgf/㎠)을 나타냄]

[단, E1은 베인의 종탄성 계수(kg/㎠), E2는 롤러의 종탄성 계수(kg/㎠), υ₁은 베인의 프와송비, υ₂는 롤러의 프와송비, L은 베인의 높이(㎝), Fv는 수식 (6)에서 계산되는 베인의 압박력(kgf), ρ는 수식 (5)에서 계산되는 등가 반경(㎝)을 나타냄]
제3항에 있어서, 고부하 운전시의 설계 압력(ΔP)이 HFC407C를 사용하는 냉동 사이클인 경우는 2.98MPa, HFC410A인 경우는 4.14MPa, HFC404A인 경우는 3.10MPa, HFC134a인 경우는 1.80MPa로 한 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 베인이 종탄성 계수 1.96×10⁵ 내지 2.45×10⁵N/㎟의 철계 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제5항에 있어서, 베인의 최외측 표면에 Fe과 N을 주성분으로 하는 화합물층 을 형성시키고, 그 하부에 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층을 형성시킨 질화 처리에 의해 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제5항에 있어서, 베인의 표면이 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층만을 형성하여 이루어지는 질화 처리에 의해 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제5항에 있어서, 질화 처리에 의해 베인의 최외측 표면에 Fe과 S을 주체로 한 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe-N을 주체로 한 확산층을 형성시키는 질화 처리에 의해 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제6항에 있어서, 베인의 최외측 표면에 Fe과 N을 주성분으로 하는 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe과 N을 주성분으로 하는 확산층을 형성하는 질화 처리를 행하고, 베인의 측면의 Fe과 N을 주성분으로 하는 화합물층을 제거한 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제8항에 있어서, 질화 처리에 의해 베인의 최외측 표면에 Fe과 S을 주체로 한 화합물층을 형성시키고, 그 하부에 Fe-N을 주체로 한 확산층을 형성하는 질화 처리를 행하고, 베인의 측면의 Fe과 S을 주성분으로 하는 화합층을 제거한 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 베인과 미끄럼 접촉하는 롤러의 재질은 종탄성 계수 9.81 × 10⁴ 내지 1.47 × 10⁵N/㎟의 철계 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 압축기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기유의 동점도가 40℃에서 20 내지 80㎟/s인 것을 특징으로 하는 회전 압축기.