KR101413619B1 - 냉매압축기 및 그 냉매압축기를 사용하는 공조기, 냉동기, 급탕기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매압축기에 있어서, 저렴하고 신뢰성을 확보할 수 있게 하는 것이다.

이를 위한 본 발명은 냉매압축기(10)는, 밀폐용기(1) 내에 염소를 함유하지 않은 냉매를 압축하는 압축기부(2)와, 이 압축기부(2)를 구동하는 회전축(7)과, 이 회전축(7)을 축 지지하는 베어링과, 회전축(7)을 회전 운동시키는 전동기(9)를 구비한다. 회전축(7)은 전동기의 로터(9b)에 고착된 주축부(7a)와, 압축기부(2)에 걸어 맞춰진 크랭크부(7b)를 가진다. 베어링은 주축부(7a)를 축 지지하는 주베어링(6c)과, 크랭크부(7b)를 축 지지하는 크랭크베어링(4c)를 가진다. 주베어링(6c)은 크랭크측 주베어링(6c1)과 이 크랭크측 주베어링에 인접한 전동기측 주베어링(6c2)으로 구성된다. 크랭크베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)은 흑연을 함유하는 탄소질기재의 기공에 금속을 함침한 카본베어링으로 구성된다. 전동기측 주베어링(6c2)은 판재를 감아 형성한 감김부시로 구성된다.

Description

냉매압축기 및 그 냉매압축기를 사용하는 공조기, 냉동기, 급탕기{REFRIGERANT COMPRESSOR AND AIR-CONDITIONER, REFRIGERATOR, WATER HEATER USING THEREOF}

본 발명은 냉매압축기에 관한 것으로, 특히 공기조화용, 냉동용 및 급탕기용에 사용되는 냉매압축기에 적합한 것이다.

종래의 냉매압축기로서, 일본국 특개2002-147354호 공보(특허문헌 1)에 나타낸 것이 있다. 이 냉매압축기는, 밀폐용기 내에 염소를 함유하지 않은 냉매를 압축하는 압축기부와, 이 압축기부를 구동하는 회전축과, 이 회전축을 축 지지하는 베어링과, 상기 회전축을 회전 운동시키는 전동기를 구비하고 있다. 회전축은 전동기의 로터에 고착된 주축부와, 압축기부에 걸어맞춰진 크랭크부를 가지고 있다. 회전축의 베어링은, 전동기의 압축기부측의 주축부를 축 지지하는 주베어링과, 크랭크부를 축 지지하는 크랭크베어링을 가지고 있다. 주베어링 및 크랭크베어링으로서, 카본 베어링재나 수지 베어링재나 백플레이트부착 수지 복합 베어링재 등이 이용되는 것이 개시되어 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2002-147354호 공보

상기한 특허문헌 1의 냉매압축기에 있어서 주베어링 및 크랭크베어링의 모두에 카본 베어링을 사용한 경우에는 카본 베어링이 고가라는 문제가 있었다.

또, 주베어링 및 크랭크베어링의 모두에 수지 베어링재나 백플레이트부착 수지 복합 베어링재를 사용한 경우에는, 경계 윤활상태에서의 내마모성이나 내용착성 등의 신뢰성을 확보하는 것이 어렵다는 문제가 있었다. 최근에는 냉매로서 R410A, 이산화탄소, 프로판 등의 냉매가 사용되고, 압축기 성능을 향상시키기 위하여 베어링의 부하가 증대하고 있으며, 면압이 높은 부분에서 윤활유에 의한 윤활막이 부분적으로 도중에서 끊겨, 베어링과 회전축이 국부적으로 직접 접촉하는, 소위 경계 윤활상태가 되기 쉽게 되어 있고, 특히 냉매압축기의 운전개시(기동)시나 과대한 냉매의 혼입에 의하여 경계 윤활상태가 되기 쉬웠다.

본 발명의 목적은 저렴하고 신뢰성을 확보할 수 있는 냉매압축기 및 이것을 사용한 공조기, 냉동기 및 급탕기를 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 형태는, 밀폐용기 내에 염소를 함유하지 않은 냉매를 압축하는 압축기부와, 상기 압축기부를 구동하는 회전축과, 상기 회전축을 축 지지하는 베어링과, 상기 회전축을 회전 운동시키는 전동기를 구비하고, 상기 회전축은, 상기 전동기의 로터에 고착된 주축부와, 상기 압축기부에 걸어맞춰진 크랭크부를 가지고, 상기 회전축을 축 지지하는 베어링은, 상기 주축부를 축 지지하는 주베어링과, 상기 크랭크부를 축 지지하는 크랭크베어링을 가지고 있는 냉매압축기에 있어서, 상기 주베어링은 크랭크측 주베어링과 이 크랭크측 주베어링에 인접한 전동기측 주베어링으로 구성되고, 상기 크랭크베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 금속을 함침한 카본 베어링으로 구성되고, 상기 전동기측 주베어링은 판재를 감아 형성한 감김부시로 구성되어 있는 것이다.

이와 같은 본 발명의 제 1 형태에 있어서의 더욱 바람직한 구체적 구성예는 다음과 같다.

(1) 상기 압축기부는 대판에 소용돌이형상 랩을 세워 설치한 고정 스크롤과 대판에 소용돌이형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤을 각각의 랩을 맞물리게 하여 구성되고, 상기 크랭크베어링은 상기 선회 스크롤의 반(反)랩측으로 돌출하여 설치된 보스부 내에 설치되고, 상기 주베어링은 상기 전동기보다 압축기부측에서 상기 회전축을 축 지지하고, 상기 회전축은 상기 밀폐용기 내에 저류된 윤활유를 차압에 의하여 상기 크랭크베어링 및 상기 주베어링에 공급하도록 오일통로를 가지고 있는 것.

(2) 상기 감김부시는, 자기 윤활성을 가지는 PTFE계 수지 또는 자기 윤활성을 가지는 흑연이나 MoS₂ 등을 함유한 폴리이미드계 수지의 표면층을 구비한 금속판을, 상기 표면층이 안쪽이 되도록 감아 성형한 것.

(3) 상기 (2)에서 상기 감김부시는 상기 금속판상에 소결된 청동의 다공질 내에 자기 윤활성을 가지는 PTFE계 수지 또는 자기 윤활성을 가지는 흑연이나 MoS₂ 등을 함유한 폴리이미드계 수지를 함침시킨 표면층을 가지는 것.

(4) 상기 (2) 또는 (3)에서, 상기 크랭크베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 20∼50 중량% 함유하는 탄소질 기재의 기공에, 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 주로 한 합금을 함침한 카본 베어링으로 구성한 것.

(5) 상기 (2) 또는 (3)에서, 상기 크랭크베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 주로 한 합금을 함침하고, 쇼어경도가 65∼120인 카본 베어링으로 구성한 것.

(6) 상기 (5)에서, 상기 크랭크베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 주로 한 합금을 함침하고, 기공율이 0.05∼2 체적%의 카본 베어링으로 구성한 것.

(7) 상기 (2) 또는 (3)에서, 상기 크랭크베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 주로 하고, V 및 Ti의 적어도 한쪽을 0.2 중량% 이하 함유하는 합금을 함침한 카본 베어링으로 구성한 것.

(8) 상기 냉매는 R410A, 이산화탄소, 프로판 중 어느 하나의 냉매인 것.

또, 본 발명의 제 2 형태는, 상기 본 발명의 제 1 형태 및 그 바람직한 구체예 중의 어느 하나의 냉매압축기를 사용한 공조기에 있다.

또, 본 발명의 제 3 형태는, 상기 본 발명의 제 1 형태 및 그 바람직한 구체예 중의 어느 하나의 냉매압축기를 사용한 냉동기에 있다.

또, 본 발명의 제 4 형태는, 상기 본 발명의 제 1 형태 및 그 바람직한 구체예 중의 어느 하나의 냉매압축기를 사용한 급탕기에 있다.

본 발명에 의하면, 저렴하고 신뢰성을 확보할 수 있는 냉매압축기 및 이것을 사용한 공조기, 냉동기 및 급탕기를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태의 냉매압축기에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.

본 실시형태의 냉매압축기(10)는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 밀폐용기(1) 내에 염소를 함유하지 않은 냉매를 압축하는 압축기부(2)와, 이 압축기부(2)를 구동하는 회전축(7)과, 이 회전축(7)을 축 지지하는 베어링(4c, 6c1, 6c2, 6d)과, 베어링(6c1, 6c2)을 지지하는 상부 프레임(6A)과, 베어링(6d)을 지지하는 하부 프레임(6B)과, 회전축(7)을 회전 운동시키는 전동기(9)를 주요 구성요소로서 구비하고 있다. 염소를 함유하지 않은 냉매로서는, R410A, 이산화탄소, 프로판 중 어느 하나의 냉매가 사용된다. 밀폐용기(1)의 바닥부에는 윤활유가 저류되어 있다. .

이 냉매압축기(10)는 압축기부(2)를 위쪽에, 전동기(9)를 아래쪽에 배치하고, 수직하게 설치된 회전축(7)을 거쳐 압축기부(2)와 전동기(9)를 연달아 설치하 여 구성된 세로형 스크롤 압축기이다. 전동기(9)는, 밀폐용기(1)에 고정된 스테이터(9a)와, 스테이터(9a)의 안쪽에 회전 자유롭게 배치된 로터(9b)로 이루어져 있다.

압축기부(2)는 대판(5a)에 소용돌이형상 랩(5b)을 직립한 고정 스크롤(5)과, 대판(4a)에 소용돌이형상 랩(4b)을 직립한 선회 스크롤(4)을, 랩(5b, 4b)을 서로 맞물리게 하여 배치하고 있다. 고정 스크롤(5)과 선회 스크롤(4)의 사이에 압축실이 형성된다. 고정 스크롤(5)의 바깥 둘레부에는 흡입구(5d)가 형성되고, 중앙부에는 토출구(5e)가 형성되어 있다. 고정 스크롤(5)은 상부 프레임(6A)에 볼트에 의하여 고정되어 있다. 선회 스크롤(4)은, 고정 스크롤(5)과 상부 프레임(6A)과의 사이에 배치되고, 고정 스크롤(5)에 의하여 지지되어 있다. 상부 프레임(6A)은 밀폐용기(1)에 용접 등에 의하여 고정되어 있다. 고정 스크롤(5), 선회 스크롤(4) 및 상부 프레임(6A)은, 주철 또는 Si를 5∼15 중량% 함유하는 Al기 합금에 의하여 구성되어 있다.

자전 방지기구로서의 올덤커플링(8)은, 선회 스크롤(4)이 고정 스크롤(5)에 대하여 자전하지 않고 선회운동을 하기 위한 커플링으로, 선회 스크롤(4)의 대판(4a)의 배면 키홈(4d)과 상부 프레임(6A)의 대좌 키홈과의 사이에 걸어맞춰져 있다.

회전축(7)은, 전동기(9)의 로터(9b)에 고착된 주축부(7a)와, 압축기부(2)에 걸어맞춰진 크랭크부(7b)를 가지고 있다. 회전축(7)에는 균형추(3)가 설치되어 있다. 주축부(7a)는 로터(9b)를 관통하여 상하로 연장되고, 하단부에 오일 도입 관(7c)을 장착하고 있다. 크랭크부(7b)는, 주축부(7a)의 상측단부에 일체로 설치되고, 선회 스크롤(4)의 반랩측으로 돌출하여 설치된 보스부(4e)에 걸어맞춰져 있다.

주축부(7a)는, 로터(9b)의 상측이 주베어링(6c)으로 축 지지되고, 로터(9b)의 하측이 부베어링(6d)으로 축 지지되어 있다. 주베어링(6c)은 크랭크측 주베어링(6c1)과, 이 크랭크측 주베어링(6c1)에 인접한 전동기측 주베어링(6c2)으로 구성되어 있다.

크랭크측 주베어링(6c1)은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 금속을 함침한 카본 베어링으로 구성되어 있다. 이 크랭크측 주베어링(6c1)은, 구체적으로는 흑연을 20∼50 중량% 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족, 및 Sn에서 선택되는 1종 또는 이들 금속을 주로 하고, V 및 Ti의 적어도 한쪽을 0.2 중량% 이하 함유하는 합금을 함침하고, 쇼어경도가 65∼120, 기공율이 0.05∼2 체적% 인 카본 베어링으로 구성되어 있다.

전동기측 주베어링(6c2)은, 판재를 감아 형성한 감김부시로 구성되어 있다. 전동기측 주베어링(6c2)은 구체적으로는 자기 윤활성을 가지는 PTFE계 수지 또는 자기 윤활성을 가지는 폴리이미드계 수지의 표면층을 구비한 금속판을, 상기 표면층이 안쪽이 되도록 감아 성형한 것이다. 본 실시형태에서는 금속판 위에 소결된 청동의 다공질 내에 자기 윤활성을 가지는 PTFE계 수지 또는 자기 윤활성을 가지는 폴리이미드계 수지를 함침시킨 것이다.

크랭크부(7)는, 보스부(4e) 내에 설치된 크랭크베어링을 구성하는 선회베어 링(4c)에 의하여 축 지지되어 있다. 이 선회베어링(4c)은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 금속을 함침한 카본 베어링으로 구성되어 있다. 이 선회베어링(4c)은 구체적으로는 흑연을 20∼50 중량% 함유하는 탄소질 기재의 기공에, 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종 또는 이들 금속을 주로 하고, V 및 Ti의 적어도 한쪽을 0.2 중량% 이하 함유하는 합금을 함침하고, 쇼어경도가 65∼120, 기공율이 0.05∼2 체적% 인 카본 베어링으로 구성되어 있다.

베어링(4c, 6c1, 6c2)은, 모두 5 mm 이상의 길이를 가지는 미끄럼 베어링으로 구성되어 있다. 이것에 의하여 선회베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)에 부하되는 고부하의 면압을 허용할 수 있고, 신뢰성이 높은 냉매압축기로 할 수 있다.

회전축(7)은, 밀폐용기(1) 내의 바닥부에 저류된 윤활유를, 차압에 의하여 부베어링(6d), 주베어링(6c), 선회베어링(4c) 및 압축기부(2) 등에 공급하도록 회전축(7)의 중심부에 상하로 관통하여 오일통로(7d)를 형성하고 있다. 이 오일통로(7d)는 오일 도입관(7c)에 연통되어 있다.

이와 같은 구성의 냉매압축기에서, 전동기(9)에 의하여 회전축(7)이 회전되어 냉매압축기(10)가 기동되면, 크랭크부(7b)의 편심 회전에 의하여 선회 스크롤(4)은 자전하지 않고, 고정 스크롤(5)에 대하여 선회운동을 행한다. 이것에 의하여 외부의 냉동사이클의 냉매가스는 흡입관(11)을 통하여 흡입구(5d)로부터 압축기부(2)에 흡입되고, 압축기부(2)의 압축실에서 압축되어 토출구(5e)로부터 밀폐용기(1) 내에 토출된다. 토출된 냉매가스는 토출관(12)으로부터 외부의 냉동사이클 에 토출된다.

그리고 밀폐용기(1) 내가 고압의 냉매가스로 채워지면 밀폐용기(1)의 바닥부의 윤활유는 차압에 의하여 오일 도입관(7c) 및 오일통로(7d)를 통하여 부베어링(6d), 주베어링(6c), 선회베어링(4c) 및 압축기부(2) 등에 공급되어 이들의 슬라이딩부를 윤활한다. 그러나 기동시나 냉매의 토출압력이 높은 경우에, 윤활유의 공급이 부족되어 마모나 용착 등의 손상이 발생하기 쉽다. 특히 베어링의 면압이 높은 고부하부분에서 마모나 용착 등의 손상이 발생하기 쉽다.

따라서 본 실시형태에서는 면압이 높은 고부하부가 되는 크랭크베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)을 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 금속을 함침한 카본 베어링으로 구성함으로써, 경계 윤활상태에서의 내마모성이나 내용착성 등의 신뢰성을 확보함과 동시에, 면압이 낮은 저부하부가 되는 전동기측 주베어링(6c2)을 판재를 감아 형성한 감김부시로 구성함으로써 저렴한 것으로 하고 있다.

다음에 본 실시형태에서 사용되는 선회베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)의 제조방법을 설명한다.

먼저, 진공로 중에서 금속이나 합금의 소재를 넣은 도가니를 이들 금속이나 합금의 용융온도에 대하여 100℃ 높은 온도로 가열하여 이들 금속이나 합금을 용탕상태로 한다. 이어서 이들 금속이나 합금의 용탕 중에 소정길이의 원주체 또는 직사각체로 구성된 흑연을 함유하는 탄소질 기재를 담그고, 질소가스에 의하여 가압함으로써 탄소질 기재의 기공에 이들 금속이나 합금을 함침시킨다. 그후, 도가니로부터 탄소질 기재를 인출하고, 이 탄소질 기재를 절삭 가공하여 원통형상으로 형 성함으로써 선회베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)으로 한다.

또한 탄소질 기재는, 니어넷 쉐이프에 의하여 원주형상으로 성형한 후, 소정의 길이로 절단하여 형성하도록 하여도 좋다. 또한 탄소질 기재는 니어넷 쉐이프의 1개 누름 성형법에 의하여 원통체 또는 원주체로 성형하도록 하여도 좋다.

다음에 본 실시형태에서 사용되는 선회베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)을 구성하는 베어링재인 실시예 1∼7의 각종 베어링 성능을, 비교예 1∼6과 비교하면서 설명한다.

표 1에, 비교예 1∼4 및 실시예 1∼7에서의 함침금속(또는 함침합금)의 종류와 쇼어경도를 나타낸다.

항목	번호	함침금속	쇼어경도
비교예	1	없음	58
	2	없음	68
	3	없음	74
	4	없음	105
실시예	1	Sn	70
	2	청동	84
	3	청동 + V	88
	4	청동 + Ti	86
	5	청동	103
	6	Sn	105
	7	Cu	115
	8	PTFE계 감김부시	-
	9	폴리이미드계 감김부시	-

여기서 실시예 1, 6에서의 Sn은, 중량으로 99% 이다. 실시예 7에서의 Cu는, 중량으로 99.9% 이다. 실시예 2∼5에서의 청동(BC3)은, 중량으로 Sn 10%, 아연 2% 및 Pb 0.2%를 함유하고, 잔부가 Cu 이다. 또한 실시예 3, 4에서의 V 및 Ti 량은, 합금에 대하여 각각 0.1% 이다.

또, 함침 금속이 없는 비교예 1∼4의 베어링재의 기공율은, 뒤에서 설명하는 도 7에 나타내는 바와 같이 6∼11%를 가지고, 기공율이 많을 수록 경도가 낮아진다. 탄소질 기재의 함침 전의 기공율은, 체적율로 실시예 1∼4가 11%, 실시예 5∼7가 6% 이다. 그 함침 후의 기공율은, 체적율로 실시예 1이 1.1 %, 실시예 2가 1.2 %, 실시예 3이 0.6 %, 실시예 4가 0.7 %, 실시예 5가 1.3 %, 실시예 6이 1.5%, 실시예 7이 0.7% 이다. 탄소질 기재의 흑연량은 중량으로 실시예 1∼7이 35% 이다. 함침 금속이 없는 비교예 1∼4의 베어링재의 경도는 기공율, 흑연, 피치, 타르 등의 양에 의하여 다른 것이다.

도 3은 비교예 1∼4 및 실시예 1∼7에서의 쇼어경도와 무윤활상태에서의 마찰계수와의 관계를 나타낸다. 도 3에서는 무윤활상태로서 염소분을 함유하지 않은 냉매의 일례로서 R410A의 기체 중에서 마찰계수의 평가를 실시하였다. 또한 도 3 내지 도 7에서 ▲는 비교예의 베어링재이고, ○는 실시예의 베어링재이다. 이들 각 표시에 붙여진 숫자는, 비교예 또는 실시예의 표 1에 나타내는 번호이다.

베어링재의 무윤활에서의 마찰계수는, 실시예 및 비교예 모두 쇼어경도가 커질 수록 작아지는 경향이 있는 것을 도 3으로부터 알 수 있다. 이 경향은 탄화수소계의 냉매의 기체 중에서 마찰 평가한 경우도 동일하였다. 청동(BC3)을 사용한 것은 쇼어경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상으로 높은 쪽이 마찰계수가 작은 경향에 있다.

도 4는 비교예 1∼4 및 실시예 1∼7의 베어링재에서의, 쇼어경도와 무윤활 중에서의 마모량과의 관계를 나타낸다. 마모시험은 고압 분위기 마모 시험기를 사용하고, 시험편으로서 고정편(10 mm × 10 mm × 36 mm)에 탄소질 기재, 가동편에 SCM415의 구조용 강의 침탄 퀀칭재로 하고, 면압 9.8 MPa, 슬라이딩 속도 1.2 m/s, R410A 냉매 분위기 중에서 10시간 행하여 시험 후의 마모량을 측정하였다. 마모량은 베어링재의 쇼어경도가 높을 수록 적어지는 것을 도 4로부터 알 수 있다. 청동(BC3)을 사용한 것은 쇼어경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상으로 높은 쪽이 마모량이 적은 것을 알 수 있다.

도 5는, 비교예 1∼4 및 실시예 1∼7의 베어링재에서의 쇼어경도와 윤활유 중에서의 마찰계수와의 관계를 나타낸다. 도 5에서 분명한 바와 같이 금속을 함침하고 있지 않은 비교예 2∼4는, 쇼어경도가 65 이상임에도 불구하고, 마찰계수가 0.1 이상으로 높다. 이것은 비교예 1∼4의 베어링재에서의 기공율이 도 7에 나타내는 바와 같이 높기 때문에 윤활유 중에서의 슬라이딩에서 오일이 끊겨 유막이 얇아지고, 혼합 윤활이 되기 때문이며, 바람직하지 않다. 청동(BC3)을 사용한 것은, 쇼어경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상의 베어링재는 마찰계수가 작다. 실시예 5는 함침 금속으로서 청동(BC3)을 사용한 것으로, 윤활유 중의 마찰계수가 낮다.

도 6은 비교예 1∼4 및 실시예 1∼7의 베어링재에서의 쇼어경도와 윤활유 중에서의 마모량과의 관계를 나타낸다. 이 도 6에서는 R410A 냉매 + 합성유의 혼합 윤활 중에서, 1.2 m/s의 슬라이딩 속도로 면압을 98 MPa까지 0.15 MPa/s의 부하속도로 부하한 내하중 시험의 마모량을 나타내는 것이다. 청동(BC3)을 사용한 것은, 쇼어경도가 65 이상, 바람직하게는 80 이상의 베어링재는 마모량이 적다. 실시예 5는 함침 금속으로서 청동(BC3)을 사용한 것으로, 윤활유 중의 마모량이 가장 적다. 따라서 쇼어경도가 높은 것일 수록 베어링재료로서 적합한 것을 알 수 있었다.

도 7은 비교예 1∼4 및 실시예 1∼7의 베어링재에서의 잔존 기공율과 윤활유 중에서의 과혹조건에서의 마모시험에서의 마찰계수의 관계를 나타낸다. 윤활유로서는 합성유를 사용하고, 그 오일은 R410A 프론냉매에 적합한 것이다.

이 기공율의 측정은 FISONS사제[(주)아무코]의 포로시미터 2000형을 사용하여 행하였다. 이 방법으로 채취한 세공분포곡선으로부터 「누적 기공 용적」×「벌크밀도」× 100(%)에 의하여 기공율을 산출하였다. 기공율이 작을 수록 유막 유지력이 향상하여 윤활유 중에서의 마찰계수가 작은 것을 확인할 수 있었다. 또 청동에 V 또는 Ti를 첨가한 합금을 함침한 실시예 3이나 실시예 4는, 함침시에 V나 Ti의 탄화물(VC, TiC)을 만들어 탄소질 기재와 젖음성이 좋아지고, V 또는 Ti를 첨가하지 않은 실시예 1이나 실시예 5에 비하여 기공율이 작아져 윤활 중에서의 유막 유지력이 향상하여 마찰계수가 작아진다. 이 V 또는 Ti를 첨가한 합금을 함침한 탄소질 기재의 표면을 주사형 전자현미경으로 관찰한 결과, 탄소질 기재와 합금과의 계면에 V나 Ti의 탄화물(VC, TiC)이 확인되었다.

도 8은 함침금속의 융점과 가장 가혹한 윤활조건인 무윤활상태에서의 마찰계수와의 관계를 나타낸다. 도면에서의 숫자는 금속을 함침하기 전의 탄소질 기재의 쇼어경도를 나타낸다. 함침하기 전의 탄소질 기재의 쇼어경도가 달라도 함침금속의 차이에 의한 마찰계수의 경향은 대략 동일하였다. 융점을 900℃ 이상으로 한 Cu나 Cu 합금에서는 저융점 금속과 동일한 정도의 마찰계수가 되는 것을 알 수 있었다.

또한 융점이 높은 재료로서 Cu를 사용하였으나, 다른 고융점 금속이어도 함침이 가능하면, 탄소질 기재와 조합함으로써 내마모성과 저마찰을 실현할 수 있다.

본 실시형태에서는 함침의 프로세스로서 용융 금속 중에 탄소질 기재를 침지함과 동시에 가압함으로써, 금속을 함침하는 방법을 채용하고 있다. 이 프로세스에서는 원래 가능한 한 융점을 낮게 하는 것이 생산성의 향상에 유효하다. 따라서 Cu에 Sn을 첨가하여 약간 융점을 낮게 하여 베어링재를 제작하는 것이 바람직하다. 함침 금속에 합금을 사용함으로써 함침 금속의 강도도 향상되기 때문에, 베어링 전체의 경도 향상에도 효과가 있다. 또한 함침 금속에 절삭성을 향상시키는 원소를 첨가함으로써 베어링재의 마찰면 표면의 가공 마무리상태가 평활하고 또한 양호하게 되어 더욱 신뢰성이 높은 베어링부를 구성하는 것이 가능하다.

도 9는 흑연을 함유하는 탄소질 기재를 구성하고, 이것에 청동(BC3) 또는 Cu를 함침한 베어링재에 대하여 각 흑연 함유율과 무윤활 마찰계수와의 관계를 나타낸다. No.5는 상기한 실시예 5이고, 5-1∼5-4는 추가 데이터이다. 도 9에 나타내는 바와 같이 마찰계수는 흑연 함유율이 20∼50 중량%, 특히 20∼40 중량%에서 극소값을 나타낸다.

도 10은 실시예 8의 PTFE계의 감김부시와 실시예 5의 카본 베어링의 R410A 냉매 분위기 중에서의 마모시험결과를 나타낸다. 감김부시의 시험면은, 청동 노출율을 36%로 조정하고 있다. 분위기 압력 0.5 MPa, 슬라이딩 속도 1.2 m/s로 시험시간을 목표 2시간으로 하고, 시험 후의 마모량을 측정하였다. 마모량은 저부하 영역의 10 MPa에서는 실시예 8의 감김부시의 쪽이 적으나, 면압 20 MPa에서는 실시예 5의 카본 베어링의 쪽이 적고, 고경도의 실시예 5의 카본 베어링의 쪽이 경도가 낮아 내열온도가 낮은 감김부시보다 가혹환경에서의 고부하 영역에서의 내마모성이 우수한 것을 알 수 있었다.

도 11은 실시예 8의 PTFE계의 감김부시 및 실시예 5의 카본재에서의 R410A 냉매 + 합성유의 혼합윤활 중에서 1.2 m/s의 슬라이딩속도로 면압을 98 MPa까지 0.15 MPa/s의 부하속도로 부하한 내하중 시험의 마모량을 나타낸다. 오일이 존재하는 윤활상태에서도 면압을 고부하 영역의 98 MPa까지 부하한 경우의 마모량은, 고경도의 실시예 5의 카본 베어링재의 쪽이 마모량이 적고 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다.

도 12는 실시예 8의 PTFE계 감김부시, 실시예 9의 폴리이미드계의 감김부시 및 실시예 5의 카본 베어링재에서의 면압이 9.8 MPa, 이산화탄소 냉매 분위기 중에서의 마모시험시의 마모량을 나타낸다. PTFE계의 감김부시의 시험면은 청동 노출율을 36%로 조정하고 있다. 한편, 폴리이미드계의 감김부시의 시험면에는 청동은 노출되어 있지 않다. 마모량은 실시예 5의 카본 베어링재 < 실시예 8의 PTFE계의 감김부시 < 실시예 9의 폴리이미드계의 감김부시의 순서대로 적다. 이상과 같이 면압이 9.8 MPa로 높은 경우에는 실시예 5의 카본 베어링재가 내마모성이 우수한 것을 알 수 있었다.

도 13은 실시예 8의 PTFE계 감김부시, 실시예 9의 폴리이미드계 감김부시 및 실시예 5의 카본 베어링재에서의 면압이 9.8 MPa, 이산화탄소 냉매 분위기 중에서의 마모시험시의 평균 마찰계수를 나타낸다. PTFE계 감김부시의 시험면은 청동 노출율을 36%로 조정하고 있다. 한편, 폴리이미드계의 감김부시의 시험면에는 청동은 노출되어 있지 않다. 평균 마찰계수는 마모량과 마찬가지로 실시예 5의 카본 < 실시예 8의 PTFE계 감김부시 < 실시예 9의 폴리이미드계 감김부시의 순서대로 낮다. 이상과 같이 면압이 9.8 MPa로 높은 경우에는, 실시예 5의 카본 베어링재가 저마찰인 것을 알 수 있었다.

다음에 실시예 5의 길이 14 mm의 카본 베어링을 실기(實機) 압축기의 선회 베어링(4c)에 사용하고, 실시예 5의 길이 21.5 mm의 카본 베어링을 크랭크측 주베어링(6c1)에 사용하고, 실시예 8의 PTFE계의 감김부시를 전동기측 주베어링(6c2)에 사용한 냉매압축기의 시험결과에 대하여 설명한다. 그 시험은 R410A 냉매와 합성유 중에서 베어링의 기동정지를 모의한 가혹한 시험으로 하였다. 그 결과, 선회 베어링(4c)의 회전 베어링측이나 크랭크측 주베어링(6c1)의 크랭크측 끝부에서도 이상 마모는 보이지 않고, 모든 베어링(4c, 6c1, 6c2)에서 건전하고, 냉매압축기의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

이 실기 시험을 이산화탄소 냉매와 합성유의 분위기에서도 실시한 바, 선회 베어링(4c)의 회전 베어링측이나 크랭크측 주베어링(6c1)의 크랭크측 끝부에서도 이상 마모는 보이지 않고, 모든 베어링(4c, 6c1, 6c2)에서 건전하고, 냉매압축기의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

또한 실시예 5의 길이 14 mm의 카본 베어링을 실기 압축기의 선회 베어링(4c)에 사용하고, 실시예 5의 길이 21.5 mm의 카본 베어링을 크랭크측 주베어링(6c1)에 사용하고, 실시예 9의 폴리이미드계의 감김부시를 전동기측 주베어링(6c2)에 사용하여 시험을 행하였다. 그 시험은 R410A 냉매와 합성유 중에서 베어링의 기동정지를 모의한 가혹한 시험으로 하였다. 그 결과, 선회베어링(4c)의 회전 베어링측이나 크랭크측 주베어링(6c1)의 크랭크측 끝부에서도 이상 마모는 보이지 않고, 모든 베어링(4c, 6c1, 6c2)에서 건전하고, 냉매압축기의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

이 실기시험을 이산화탄소 냉매와 합성유의 분위기에서도 실시한 바, 선회 베어링(4c)의 회전 베어링측이나 크랭크측 주베어링(6c1)의 크랭크측 끝부에서도 이상 마모는 보이지 않고, 모든 베어링(4c, 6c1, 6c2)에서 건전하고, 냉매압축기의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

상기한 실시형태에 의하면, 경계 윤활상태에서도 용착하기 어려운 탄소질 기재의 함유 흑연량을 마찰계수가 저감 및 내마모성을 높게 하도록 최적화하고, 상기 탄소질 기재의 기공에 윤활유 중에서 유막을 형성시키기 쉽게 하기 위하여 금속을 함침하고, 또한 납 및 안티몬 이외의 함침 금속의 조성 및 조직, 함침량을 마찰계수가 저감 및 내마모성이 얻어지도록 조정함으로써 슬라이딩 특성이 우수한 베어링이 얻어지고, 탄소질 기재 중의 흑연이 마찰에 의하여 얇게 벽개(劈開;cleavage)됨으로써 마찰계수를 저감할 수 있다. 그리고 고하중에서 흑연의 함유량이 많으면 탄소질 기재 자체가 연질이 되어 변형저항이 증대하여 마찰이 증대하고, 동시에 마모가 증대하기 때문에, 흑연의 함유량은 50 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 35 중량% 이하가 적당하다. 또한 흑연 함유량이 20 중량% 미만에서는 탄소질 기재가 단단해져 마찰하는 상대의 금속재를 마멸시키기 때문에, 흑연의 함유량을 바람직하게는 20∼50%, 더욱 바람직하게는 20∼35%로 함으로써 저마찰 또한 내마모성이 높은 베어링이 얻어지고, 신뢰성이 높은 냉매압축기를 제공할 수 있다. 또 선회 베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)은 길이를 5 mm 이상으로 함으로써 고부하의 면압을 허용할 수 있고, 신뢰성이 높은 냉매압축기를 얻을 수 있다.

또, 본 실시형태에 의하면, 무윤활이나 가혹한 슬라이딩조건에 노출되는 냉매압축기에서, 무윤활 또는 가혹한 슬라이딩상태에서도 마찰계수가 작고 내마모성도 양호한 탄소질 기재와, 윤활유 중에서 사용되는 경우에 흑연을 함유하는 탄소질 기재에 잔존하는 기공을 통하여 윤활유가 배출되어 유막의 형성이 곤란하게 되는 것을 방지하기 위하여 탄소질 기재의 기공에 납 및 안티몬의 각각이 1 중량% 이하이고, IB족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종의 금속 또는 이들에 V, Ti를 0.2 중량% 이하 첨가한 합금을 용융 함침한 베어링재를 사용하여 냉매압축기의 베어링을 구성하고, 그 베어링재의 경도를 쇼어경도로 바람직하게는 65∼120, 더욱 바람직하게는 80 이상, 가장 바람직하게는 100 이상으로 함으로써 무윤활 또는 가혹한 슬라이딩조건에서 마찰계수를 작게 유지하고, 또한 마모도 최소한으로 억제함으로써 고신뢰성 또한 수명이 긴 냉매압축기를 제공할 수 있다. 또 양산성을 고려한 경우에는 쇼어경도가 90 이상이 되면 가공성이 떨어지기 때문에, 상기 베어링재의 경도를 쇼어경도로 바람직하게는 60∼90, 더욱 바람직하게는 80∼90으로 함으로써, 내마모성을 구비하고 또한 생산성도 겸비한 냉매압축기를 제공할 수 있다.

또한 납 및 안티몬의 함유량은 바람직하게는 0.5% 이하, 제로가 가장 바람직하나, JIS 규격재를 사용하는 것이 생산상 바람직하다.

또, 본 실시형태에 의하면, 냉매압축기의 정상운전상태에서 윤활이 윤택하게 행하여지고 있는 경우에도 베어링재의 기공을 적게 제어하는, 즉 베어링재의 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공율을 0.05∼2 체적%로 함으로써 윤활유막을 안정되게 형성하여 마모를 억제할 수 있기 때문에, 수명이 긴 냉매압축기가 얻어진다.

또, 본 실시형태에 의하면 선회베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)에 사용하는 탄소질 기재의 기공에 함침하는 합금에 V 또는 Ti를 0.2 중량% 첨가함으로써 탄소질 기재와의 젖음성이 향상하고, 기공율이 작아져 윤활유막을 더욱 안정되게 형성할 수 있어 마모를 억제할 수 있고, 고신뢰성의 냉매압축기가 얻어진다.

또, 본 실시형태에 의하면, 선회 베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)에서의 탄소질 기재에 함침하는 금속 및 합금의 융점을 900℃ 이상으로 함으로써 가혹한 슬라이딩상태가 계속된 경우에 온도가 상승하여도 윤활성과 내마모성을 유지하여 냉매압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

IB족은 Cu, Au, VIII족은 Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt로 이루어지나, Cu, Au, Co, Ni가 바람직하다. 또한 합금은 중량으로 구리 80∼90%, 주석 5∼11% 및 아연 3% 이하를 함유하고, 납 1.0% 이하, 바람직하게는 0.5% 이하인 합금이 바람직하다. 이들 금속은 C와 화합물을 형성하기 어렵고, 높은 내마모성과 내용착성을 가지며 함침이 용이한 것이다.

탄소질 기재에는 기공이 존재하기 때문에, 윤활유가 이 기공으로 유입한다. 이에 의하여 유막이 소실되기 때문에 환경 및 인체에 대한 영향이 적은 구리를 함침한다. 구리만으로는 함침부가 연질이고, 마찰에 의하여 구리의 부분이 융착되기 쉽기 때문에 합금화 원소를 첨가하고 강화하여 융착 또한 마모를 방지하였다. 융착이 없어짐으로써 경계 윤활상태에서도 마찰계수를 작게 할 수 있고, 이것을 베어링으로서 사용함으로써 신뢰성이 높은 냉매압축기가 얻어진다.

또, 본 실시형태에 의하면, 선회 베어링(4c) 및 크랭크측 주베어링(6c1)에서의 탄소질 기재에 함침하는 금속 및 합금의 융점을 900℃ 이상으로 함으로써, 가혹한 슬라이딩상태가 계속된 경우에 온도가 상승하여도 윤활성과 내마모성을 유지하여 냉매압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명은 내용착성이나 내마모성이 요구되는 공기조화기용 압축기, 냉동기용 압축기 및 급탕기용 압축기에 유효하게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 냉매압축기의 종단면도,

도 2는 도 1의 냉매압축기의 주요부 확대단면도,

도 3은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예 및 비교예에서의 쇼어경도와 무윤활에서의 마찰계수와의 관계를 나타내는 도,

도 4는 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예 및 비교예에서의 쇼어경도와 무윤활에서의 고정편 마모량과의 관계를 나타내는 도,

도 5는 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예 및 비교예에서의 쇼어경도와 윤활유 중의 마찰계수와의 관계를 나타내는 도,

도 6은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예 및 비교예에서의 쇼어경도와 윤활유 중의 마모량과의 관계를 나타내는 도,

도 7은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예 및 비교예에서의 기공율과 베어링재의 윤활유 중에서의 마찰계수와의 관계를 나타내는 도,

도 8은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예의 융점과 마찰계수의 관계를 나타내는 선도,

도 9는 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예의 흑연 함유율과 무윤활에서의 마찰계수와의 관계를 나타내는 도,

도 10은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예의 시험면압과 마모량과의 관계를 나타내는 도,

도 11은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예의 윤활유 중에서 의 내하중 시험에서의 마모량을 나타내는 도,

도 12는 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예의 무윤활에서의 마모량을 나타내는 도,

도 13은 도 1의 냉매압축기에 사용하는 베어링재의 실시예의 무윤활에서의 마모량을 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 밀폐용기 2 : 압축기부

3 : 균형추 4 : 선회 스크롤

4a : 대판 4b : 소용돌이형상의 랩

4c : 선회 베어링(크랭크 베어링) 4d : 배면키 홈

5 : 고정 스크롤 5a : 대판

5b : 소용돌이형상의 랩 5d : 흡입구

5e : 토출구 6A : 상부 프레임

6B : 하부 프레임 6c : 주베어링

6c1 : 크랭크측 주베어링(카본 베어링)

6c2 : 전동기측 주베어링(감김부시)

6d : 부베어링 7 : 회전축

7a : 주축부 7b : 크랭크부

7c : 오일 도입관 7d : 오일통로

8 : 올덤 커플링 9 : 전동기

9a : 스테이터 9b : 로터

10 : 냉매압축기

Claims (12)

1. 밀폐용기 내에 염소를 함유하지 않은 냉매를 압축하는 압축기부와, 상기 압축기부를 구동하는 회전축과, 상기 회전축을 축 지지하는 베어링과, 상기 회전축을 회전 운동시키는 전동기를 구비하고,

   상기 회전축은, 상기 전동기의 로터에 고착된 주축부와, 상기 압축기부에 걸어 맞춰진 크랭크부를 가지고,

   상기 회전축을 축 지지하는 베어링은, 상기 주축부를 축 지지하는 주베어링과, 상기 크랭크부를 축 지지하는 크랭크 베어링을 가지고 있는 냉매압축기에 있어서,

   상기 주베어링은 크랭크측 주베어링과 상기 크랭크측 주베어링에 인접한 전동기측 주베어링으로 구성되고,

   상기 크랭크 베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 금속을 함침한 카본 베어링으로 구성되고,

   상기 전동기측 주베어링은 판재를 감아 형성한 감김부시로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압축기부는 대판에 소용돌이형상 랩을 세워 설치한 고정 스크롤과 대판에 소용돌이형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤을 각각의 랩을 맞물리게 하여 구성 되고, 상기 크랭크 베어링은 상기 선회 스크롤의 반(反) 랩측으로 돌출하여 설치된 보스부 내에 설치되고, 상기 주베어링은 상기 전동기보다 압축기부측에서 상기 회전축을 축 지지하고, 상기 회전축은 상기 밀폐용기 내에 저류된 윤활유를 차압에 의하여 상기 크랭크 베어링 및 상기 주베어링에 공급하도록 오일통로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 감김부시는 자기 윤활성을 가지는 PTFE계 수지 또는 자기 윤활성을 가지는 폴리이미드계 수지의 표면층을 구비한 금속판을, 상기 표면층이 안쪽이 되도록 감아 성형한 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 감김부시는 상기 금속판 위에 소결된 청동의 다공질 내에 자기 윤활성을 가지는 PTFE계 수지 또는 자기 윤활성을 가지는 폴리이미드계 수지를 함침시킨 표면층을 가지는 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 크랭크 베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 20∼50 중량% 함유하는 탄소질 기재의 기공에, 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 포함한 합금을 함침한 카본 베어링으로 구성한 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 크랭크 베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 포함한 합금을 함침하고, 쇼어경도가 65∼120인 카본 베어링으로 구성한 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 크랭크 베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 포함한 합금을 함침하고, 기공율이 0.05∼2 체적%의 카본 베어링으로 구성한 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
8. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 크랭크 베어링 및 상기 크랭크측 주베어링은, 흑연을 함유하는 탄소질 기재의 기공에 1B족, Fe를 제외하는 VIII족 및 Sn에서 선택되는 1종, 또는 이들 금속을 포함하고, V 및 Ti의 적어도 한쪽을 0.2 중량% 이하 함유하는 합금을 함침한 카본 베어링으로 구성한 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 냉매는 R410A, 이산화탄소, 프로판 중 어느 하나의 냉매인 것을 특징으로 하는 냉매압축기.
10. 제 1항 내지 제 4항 및 제 9항 중 어느 한 항에 기재된 냉매압축기를 사용한 것을 특징으로 하는 공조기.
11. 제 1항 내지 제 4항 및 제 9항 중 어느 한 항에 기재된 냉매압축기를 사용한 것을 특징으로 하는 냉동기.
12. 제 1항 내지 제 4항 및 제 9항 중 어느 한 항에 기재된 냉매압축기를 사용한 것을 특징으로 하는 급탕기.

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