KR101281385B1 - 사판식 압축기의 피스톤 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 공기조화기에 사용되는 사판식 압축기의 피스톤의 제조방법에 관한 것으로, 피스톤의 접합방법은 마그네틱 펄스 웰딩에 의한다. 그리고, 종래의 피스톤 제조방법과 달리 피스톤헤드의 마찰을 줄이기 위하여, 테프론 코팅이 아닌 코퍼(Copper) 링을 피스톤헤드에 접합하는 것을 특징으로 한다.

사판식 압축기, 피스톤, 마그네틱 펄스 웰딩, 코퍼링

Description

사판식 압축기의 피스톤 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING PISTON FOR SWASH PLATE TYPE COMPRESSOR}

도 1은 자동차용 공기조화기에 사용되는 사판식 압축기의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 사판식 압축기 피스톤 제조방법 중 성형단계를 마친 각각의 부품들의 사시도.

도 3의 (a),(b),(c)은 마그네틱 펄스 웰딩 장치의 평면도와 단면도.

도 4의 (a),(b),(c)는 본 발명에 따른 사판식 압축기 피스톤 제조방법에 의하여 완성된 피스톤의 사시도 및 단면도.

<발명의 주요 구성에 대한 도면부호>

10: 피스톤

20: 몸체부

24: 사판수용홈
25: 삽입부

28: 슈안착홈

30: 피스톤헤드

40: 코퍼링

60: 사판

80: 턴코일

본 발명은 자동차용 공기조화기에 사용되는 사판식 압축기의 피스톤의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 경량으로 관성이 매우 작아 압축기의 압축효율을 높일 수 있는 압축기용 중공(中空) 피스톤 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 냉방장치를 구성하는 압축기는 풀리를 통하여 전달되는 엔진의 동력을 전자클러치의 단속작용에 의하여 선택적으로 전달받아 증발기로부터 공급되는 기상의 냉매를 압축하여 액화하기 쉬운 고온고압의 상태로 변화시켜 응축기로 토출하는 장치이다. 일반적으로 자동차용 공기조화기에 사용되는 사판식 압축기는 증발기로부터 증발이 완료되어 이송되는 냉매가스를 흡입하여 액화하기 쉬운 고온고압의 상태로 변화시켜 응축기로 토출하도록 구성된다. 이러한 사판식 압축기는 엔진의 동력을 전달받아 회전하는 구동축에 축착된 디스크 형상의 사판이 구동축의 회동에 따라 구동축과 함께 회전함으로써 사판의 둘레를 따라 슈(shoe)를 사이에 두고 장착되는 다수의 피스톤들이 실린더에 형성된 다수의 기통 내부를 직선왕복운동을 함에 따라 냉매를 흡입 및 토출하도록 되어 있다.

이와 같은 사판식 압축기의 피스톤은 구조가 복잡하고 중량이 무겁다는 단점은 있다. 그러나, 사판식 압축기의 피스톤은 형상이 원통형으로 이루어져 차량 장착성 및 내구성이 좋으며, 압축효율 및 작동효율 또한 높다. 또한, 기통수가 많기 때문에 회전중 토오크 변동이 적을 뿐만 아니라 기계적인 조화를 이루어 진동 및 소음이 적고 고속운전이 가능하다는 장점으로 인하여 많이 사용되고 있다. 그리고, 피스톤의 무게를 줄이기 위하여 피스톤헤드를 중공으로 제조하는 것이 일반적이다.

중공 피스톤은 피스톤 부피의 대부분을 차지하는 원통부분을 중공(中空)으로 형성한 것으로서, 이러한 중공 피스톤은 체적 대비 중량이 아주 가벼워 왕복동시 중량에 비례하여 발생하는 관성이 매우 작다. 따라서, 압축기에 적용할 경우, 상대적으로 무거워 왕복동시 큰 관성이 발생되는 중실 피스톤을 적용하는 경우에 비해 압축기의 압축성능을 크게 높일 수 있다.

그러나, 중공 피스톤의 경우, 다이캐스팅 또는 단조공정에 의해 중공부를 갖는 일체형 소재 피스톤을 성형할 수 없기 때문에 부득이 두 부재로 분할하여 성형한 후 이들을 결합하여 중공부를 형성해야 하는 제조상의 큰 난점을 가지고 있다. 이러한 이유로 중공 피스톤은 제조단가가 높고 제조상의 복잡함에서 기인하는 불량률이 매우 높다는 단점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고, 중공의 피스톤은 압축기 효율 증진 효과가 매우 크다는 강점을 갖기 때문에 중공 피스톤을 보다 용이하게 제조할 수 있는 압축기용 중공 피스톤 제조방법들이 다양하게 제시되어 왔다.

종래 중공 피스톤 제조방법은 피스톤(10)을 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)로 분리하여 성형한 후, 소재 상태의 이들을 기계가공하여 가결합하고, 이어 진공상태에서 상기 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)를 전자빔 용접으로 고착하여 피스톤(10)을 형성한다.

이와 같은 종래 압축기용 중공 피스톤 제조방법은 중공부를 형성하기 위해 분할성형되는 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)의 각 접합면에 대한 정밀한 가공이 요 구되고, 용접에 소요되는 시간이 10 초 이상으로 비교적 길다. 또한, 조립 및 가공절차가 까다롭고 복잡하기 때문에 피스톤 전체의 제조공정이 상당히 복잡하게 되어 생산성 저하는 물론 피스톤 불량 발생률이 매우 높다는 등의 문제점을 가지고 있었다. 또한, 주로 알루미늄계 합금재인 피스톤바디와 피스톤헤드 사이를 접합하는 전자빔 용접은 소재 산화방지를 위하여 진공환경하에서 행해져야 하기 때문에, 진공환경을 조성한 다음 전자빔 용접을 행할 수 있는 고가(高價)의 장비를 필요로 하여 설비비 부담이 과중하다는 문제점도 있다.

뿐만 아니라, 종래 중공 피스톤 제조방법에 의하여 제조된 피스톤은, 전자빔 용접과정에서 발생한 미세한 구멍들을 그 조직내에 함유하여 내구성이 떨어지고, 또, 그 미세한 구멍들을 통해 냉매와 오일이 침투하여 냉매량과 오일량 부족상태를 유발하는 문제점을 가지고 있었다. 또한 그 미세한 구멍들이 피스톤과 보어 사이에 리크(leak)를 발생시키고 또 그 구멍들이 중공부 내외를 관통하는 경우 그 구멍을 통해 냉매나 오일이 중공부에 충전되어 피스톤 중량을 증대시키기 때문에 압축기의 성능을 크게 떨어뜨리는 문제점도 가지고 있다.

그리고, 상기 전자빔 대신 두 분할소재의 접합면을 마찰시켜 접합하는 마찰용접에 의한 방법도 사용되나, 마찰부위가 접합시에 융기되어 이 부분을 연마해야하는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 기존의 사판식 압축기의 피스톤 제조방법의 단점을 해결하기 위한 새로운 사판식 압축기의 피스톤 제조방법을 제안하는 것을 그 목적으로 한 다. 구체적으로 피스톤헤드와 피스톤바디의 접합방법을 대체할 수 있는 새로운 접합방법과 테프론 코팅을 대체하여 제조원가를 낮출 수 있는 방법을 제안하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 사판식 압축기의 피스톤의 제조방법에 있어서, 사판수용홈과 슈안착홈이 형성된 몸체부(20)와, 일측면이 개방된 원통형 중공 피스톤헤드(30)를 별개로 성형하는 성형단계; 및

상기 성형단계에 의하여 가공된 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)의 접합부위를 마그네틱 펄스 웰딩(Magnetic Pulse Welding)에 의하여 접합하는 피스톤 접합단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 피스톤헤드의 외주면에 코퍼(Copper) 재질의 코퍼링을 마그네틱 펄스 웰딩(Magnetic Pulse Welding)에 의하여 접합하는 코퍼링 접합단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.

이하 도면과 함께 사판식 압축기의 피스톤 제조방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.

사판식 압축기는 그 사판의 경사각이 가변되는 가변형과 상기 사판이 고정된 고정형으로 나뉜다. 그 압축기에 사용되는 피스톤은 피스톤헤드의 개수에 따라서, 양두식과 단두식으로 제작할 수 있으며, 그 제작방법은 단두식 피스톤과 양두식 피스톤에 있어서 실질적으로 동일하다. 따라서, 본 발명에 따른 사판식 압축기의 피스톤 제조방법에 대한 설명이나 도면은 두 가지 형태의 피스톤에 모두 사용될 수 있는 방법임은 자명하다.

종래 피스톤의 제조 방법의 경우 접합방법이 전자빔에 의하거나 마찰에 의한 방법이 사용되어 그 접합시간이 길다는 단점과 테프론 코팅에 의하여 제조원가가 상승하는 문제점이 있다는 것은 이미 살펴본 바와 같다.

도 2는 본 발명에 따른 사판식 압축기 피스톤 제조방법 중 성형단계를 마친 각각의 부품들의 사시도이다. 본 발명에 따른 피스톤 제조방법의 성형단계는 내구성을 요하는 부품의 특성상 단조공정에 의하여 이루어진다. 그리고, 피스톤의 재질은 일반적으로 알루미늄계 합금이 사용되어 압축기의 사판의 회전부하를 낮출 수 있다. 사판의 회전부하를 낮추는 것은 압축기의 효율을 증가시키는 방법이며, 피스톤헤드가 비어있는 중공 피스톤을 사용하는 것도 회전부하를 낮추어 압축기의 효율을 증가시키는 방법이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 몸체부(20)를 성형하는 단계는 사판수용홈(24)과 슈안착홈(28)을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 사판수용홈(24)은 슈안착홈(28)에 안착된 슈가 장착된 사판을 수용하기 위한 공간이다.

피스톤을 중공으로 제작하기 위하여 피스톤헤드(30)는 컵의 형상을 가지도록 성형하는 것이 바람직하다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)의 결합부위는 어느 한쪽이 다른 한쪽에 일정부분이 삽입되도록 성형하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 몸체부(20) 또는 피스톤헤드(30)의 결합부위에 걸림턱을 형성하여 접합부위를 넓히는 방법이 사용될 수 있다.

도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서, 상기 몸체부(20)가 피스톤헤드(30)로 삽입되도록 삽입부(25)가 가공되어 있다. 단조과정이 완료된 상기 몸체부(20)에 상대적으로 직경이 작은 삽입부(25)를 형성하는 작업은 절삭가공에 의한다.

그리고, 도 2에 도시되지 않았으나 피스톤의 중공부는 피스톤헤드(30) 내부를 중공상태로 가공하는 방법과 함께 몸체부(20)의 측면을 깎아내서 중공부를 확장시킬 수도 있다. 그리고, 본 발명에 따른 실시예에서, 상기 피스톤(10)과 압축기 하우징 내면의 마찰을 방지하기 위해 피스톤헤드(30)의 끝단에 걸림턱(35)을 형성하여 코퍼링(40)을 장착할 수 있다.

도 3의 (a)(b)(c)은 본 발명에 따른 사판식 압축기 피스톤 제조방법 중 접합방법에 사용되는 마그네틱 펄스 웰딩(Magnetic Pulse Welding) 장치의 평면도와 단면도이다. 마그네틱 펄스 웰딩 장치는 이종금속의 접합에 유용한 접합방법이며, 웰딩(용접) 시간이 아주 짧다는 것이 장점이다. 생산성의 측면이나 가공품질에 있어서 기존의 전자빔 용접이나 마찰 용접에 비하여 우수하다.

도 3의 (a)는 마그네틱 펄스 웰딩 장치를 단순화한 평면도이다. 중심부에 웰딩 대상을 위치시킬 수 있는 장소가 마련된 원판 형태의 턴코일(80)에 일단에서 전류를 흘려보내면 도시된 바와 같이 원주방향으로 전류(I)가 흐르게 된다.

원주방향으로 흐르는 전류(I)에 의하여 솔레노이드와 유사하게 자기장이 형성되고, 턴코일(80)의 수직방향으로 턴코일을 감싸는 자기장이 형성된다. 원판형태의 턴코일(80) 내부에는 같은 방향을 가지는 자기장이 형성되고, 내부로 자기에 의한 자기압(Magnetic Pressure)이 형성된다. 이와 같은 자기압은 턴코일 내부로 압축력을 제공하게 되고, 턴코일(80) 중심부에 위치된 웰딩 대상물은 아주 짧은 시간 에 접합이 이루어지게 된다.

도 3의 (b)와 도 3의 (c)는 마그네틱 펄스 웰딩 공정의 전.후 단계의 피스톤의 피스톤헤드(30)와 몸체부(20)의 단면도이다.

마그네틱 펄스 웰딩에 의하여 상기 몸체부(20)와 피스톤헤드(30), 그리고, 상기 피스톤헤드(30)와 코퍼링(40)의 접합은 하나의 접합공정에서 이루어질 수 있다. 즉, 종래에는 상기 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)를 접합한 후 상기 피스톤헤드(30)의 외주면이 실린더와의 마찰에 의해 손상되지 않도록 코팅하는 코팅공정이 필요하였으나, 상기 피스톤헤드(30)에 상기 코퍼링(40)을 접합함으로써 코팅공정을 생략할 수 있게 되는 등, 접합공정과 코팅공정을 하나의 공정으로 대체할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 그리고, 코퍼링(40)의 외부직경은 피스톤헤드(30)의 직경보다 크고 압축기 내부에서 마찰이 일어나는 부분도 코퍼링의 외측면에 한정될 수 있다.

종래의 경우는 테프론 코팅 공정 이외에도 마찰면을 연마하는 공정이 추가되는 것이 일반적이나, 본 발명에 따른 피스톤의 제조방법에 의할 경우, 피스톤의 마찰부위가 상기 코퍼링(40)의 외측면으로 제한될 것이므로 별도의 연마공정 등을 생략할 수 있다.

도 4의 (a),(b),(c)는 본 발명에 따른 사판식 압축기 피스톤 제조방법에 의하여 완성된 사판식 압축기의 피스톤의 사시도와 단면도이다. 이미 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압축기 피스톤의 제조방법은 양두식 피스톤은 물론 단두식 피스톤의 경우에도 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 사판식 압축기의 피스톤 제조방법에 사용되는 마그네틱 펄스 웰딩은 종래 피스톤을 이루는 개별 부품의 접합시에 사용되던 전자빔용접 또는 마찰용접을 대체할 수 있다. 그리고, 피스톤헤드에 코퍼링을 접합함으로써 생산비용 을 저감할 수 있다.

Claims (2)

1. 사판식 압축기의 피스톤의 제조방법에 있어서,

   사판수용홈(24)과 슈안착홈(28)이 형성된 몸체부(20)와, 일측면이 개방된 원통형 중공 피스톤헤드(30)를 별개로 성형하는 성형단계와;

   상기 성형단계에 의하여 가공된 몸체부(20)의 삽입부(25)를 상기 피스톤헤드(30)의 개구부에 삽입한 후, 상기 몸체부(20)와 피스톤헤드(30)의 접합부위를 마그네틱 펄스 웰딩(Magnetic Pulse Welding) 방식으로 접합하는 피스톤 접합단계와;

   상기 피스톤헤드(30)의 끝단 외주면을 절삭하여 걸림턱(35)을 형성한 후 상기 걸림턱(35)에 코퍼(Copper) 재질의 코퍼링(40)을 삽입하고, 상기 피스톤헤드(30)와 코퍼링(40)의 접합부위를 마그네틱 펄스 웰딩(Magnetic Pulse Welding) 방식으로 접합하는 코퍼링 접합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사판식 압축기의 피스톤 제조방법.
2. 삭제

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