KR101455821B1 - 중공피스톤의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 중공피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경량화 방식으로 대량생산이 가능하고 테이퍼 나선 결합으로 체결력을 이용하여 충분한 밀폐력을 확보할 수 있는 중공피스톤의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 중공피스톤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일측에 사판 수용홈과 타측 내부로 형성되는 중공부의 입구를 테이퍼입구단으로 형성하도록 베이스를 다이케스팅 방식으로 제조 구성하고, 상기 베이스의 테이퍼입구단과 대응되는 테이퍼결합단을 일측에 형성하는 캡을 다이케스팅 방식으로 제조 구성하여, 상기 베이스의 테이퍼입구단과 캡의 테이퍼결합단에 각각 암나선과 수나선을 형성하여 각각 암나선단과 수나선단을 제조 구성하고, 상기 베이스에 캡을 나선체결 후 완전히 결합된 외부 경계면에 홈을 형성하여, 베이스과 캡을 분리시 베이스홈과 캡홈이 형성되도록 제조 구성하며, 상기 베이스의 암나선단과 캡의 수나선단에 실링제를 도포 후 베이스에 캡을 나선체결 한 다음, 상기 베이스홈과 캡이 일치되면서 형성되는 홈에 핀을 결합 구성하여 진동에 의해 캡이 풀림되지 않도록 구성하여; 베이스와 캡의 결합을 테이퍼 나선단을 이용하여 결합함으로써 결합시 밀폐력을 증대시켜 기존의 용접방식을 탈피하여 제조공정이 간단화와 제조시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

중공피스톤의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 중공피스톤{Hollow piston Manufacturing method and is manufactured by hollow piston}

본 발명은 중공피스톤에 관한 것으로, 특히 경량화 방식으로 대량생산이 가능하고 테이퍼 나선 결합으로 체결력을 이용하여 충분한 밀폐력을 확보할 수 있는 중공피스톤의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 중공피스톤에 관한 것이다.

일반적으로, 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.

이러한 압축기의 한 형태인 사판식 압축기는 엔진의 동력을 전달받는 구동축에 경사지게 축설(軸設)된 디스크 형상의 사판(斜板)이 구동축에 의해 회전하고, 이 사판의 둘레를 따라 슈(shoe)를 개재하여 결합된 다수의 피스톤들이 실린더에 형성된 다수의 보어 내부에서 사판의 회전에 의하여 직선왕복운동함으로써 냉매가스를 흡입 및 압축하여 응축기쪽으로 배출하도록 되어 있다.

이상의 냉매압축과정에 있어서, 피스톤의 중량은 피스톤의 왕복동시 운동방향과 반대방향으로 작용하여 구동축의 회전력을 저하시키는 관성으로 작용하기 때문에 압축기의 압축효율에 큰 영향을 끼치게 된다. 이러한 점을 고려하여 압축기의 피스톤은 압축효율 향상을 위해 통상 경량의 소재로 제조되고 있고, 최근에는 내부에 중공을 가지게함으로써 더욱 경량화된 피스톤들이 개발되어 가변용량형 압축기에 사용되고 있다.

중공피스톤은 그 부피의 대부분을 차지하는 원통형의 헤드 내부에 중공이 형성된 것으로서, 체적 대비 중량이 아주 가벼워 왕복동시 중량에 비례하는 관성이 아주 작다. 따라서, 중공피스톤을 채용하면 중량이 커 왕복동시 큰 관성을 발생하는 중실 피스톤을 채용할 때보다 상대적으로 압축기의 압축성능을 크게 높일 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 중공피스톤은 경량의 알루미늄 소재를 단조 또는 다이캐스팅하여 피스톤 반제품을 성형한 후 그 피스톤 반제품을 기계가공하여 최종적으로 중실 피스톤을 제조하는 방법에 비해 상대적으로 제조방법이 어렵다. 즉, 다이캐스팅 방법으로는 중공부를 가진 일체형 소재 피스톤을 단일공정으로 성형하는 것이 불가능하기 때문에, 몸체부와 요입공간을 가진 헤드부를 별개로 성형한 후 이들을 서로 접합하여 상기 요입공간이 중공부로 형성되도록 해야 하기 때문에 제조과정에 있어서 불량률이 많이 발생하고 제조원가도 상승된다.

하지만 중공피스톤은 중실 피스톤보다 압축기에 대한 압축효율 증진효과가 매우 크다는 강점을 가지기 때문에 중공피스톤을 보다 용이하게 제조할 수 있는 방법들이 다양하게 강구되어 왔다.

종래 대표적인 중공피스톤 제조방법으로는, 몸체부와 캡부를 각각 별개로 성형하고, 이들을 기계가공하여 서로 가결합(假結合)한 후, 진공상태에서 몸체부 및 캡부의 접합면을 전자빔 용접으로 고착하는 단계를 거쳐 피스톤을 제조하도록 되어 있다.

구체적으로, 알루미늄 합금 소재를 다이캐스팅 공정 또는 단조공정을 통하여, 중앙의 브릿지형성부, 상기 브릿지형성부의 한 쪽에 일체로 형성되는 헤드형성부 및 상기 브릿지형성부의 다른 쪽에 일체로 형성되는 파지부를 가진 소재 상태의 몸체부를 성형하고, 한편으로 요입공간을 가진 헤드형성부 및 상기 헤드형성부의 막힌 쪽에 일체로 형성된 파지부를 가진 소재 상태의 캡부를 성형한다(단조성형단계).

다음에, 상기 헤드형성부들을 절삭가공하여 헤드형성부들의 선단면에 이들이 억지끼움에 의하여 가결합될 수 있도록 서로 대응하는 접합면들을 차례로 형성한다(용접전 절삭가공단계).

다음에, 상기 접합면들에 의하여 상기 몸체부와 캡부를 도 3과 같이 가결합하여 지그(미도시)에 고정한 다음, 진공상태에서 접합면을 전자빔 용접으로 서로 고착시켜 몸체부과 캡부를 일체로 접합시켜 피스톤 반제품을 만든다(전자빔용접단계).다음에, 피스톤 반제품의 외주면을 절삭가공하여 1차로 헤드 외주면을 형성한 후(용접후 절삭가공단계), 피스톤 반제품의 표면 전체에 테프론을 코팅하여 내마모층을 형성하며(코팅단계), 이어 헤드 외주면을 2차로 연마하고 브릿지형성부(의 일측을 절삭하여 사판수용홈과 슈 안치부을 차례로 형성하며(절삭가공단계), 마지막으로 양측의 파지부를 절단하여 선,후단면을 각각 형성함으로써 도 4에 도시된 바와 같은 중공피스톤의 제조를 완성한다.

그러나, 이상과 같은 종래 중공피스톤 제조방법에 있어서는, 중공부를 형성하기 위해 몸체부와 캡부가 각각 별개로 성형하여 서로 접합되는 접합면에 대한 정밀한 가공이 요구되고, 접합면을 서로 용접하는데 소요되는 시간도 10초 이상으로 비교적 길어지며, 또 몸체부 및 캡부의 조립 및 조립후의 가공절차도 까다롭고 복잡하기 때문에 생산성이 크게 떨어지고 불량 발생률이 매우 높다. 또한, 알루미늄합금 소재인 몸체부와 캡부의 산화방지를 위해 진공분위기하에서 전자빔용접을 수행해야 하기 때문에, 고가(高價)의 장비를 필요로 하여 설비비 부담이 가중된다. 뿐만 아니라, 종래 중공피스톤 제조방법에 의하여 제조된 피스톤의 경우, 전자빔용접 과정에서 미세한 구멍들이 피스톤의 조직 내에 발생함에 따라 피스톤(4)의 내구성이 떨어지고, 또 그 미세한 구멍들을 통해 중공부 내에 냉매와 오일이 침투하여 냉매 및 오일 부족상태를 유발한다.

1. 등록번호 제10-0332538호 (압축기용 중공피스톤 제조방법) 2. 등록번호 제10-0358449호 (편두식 피스톤 제조용 소재의 제조방법) 3. 등록번호 제10-0915962호 (압축기용 중공 피스톤 및 그 제조방법)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 베이스와 캡의 결합을 테이퍼 나선단을 이용하여 결합함으로써 결합시 밀폐력을 증대시켜 기존의 용접방식을 탈피하도록 하는 중공피스톤의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 중공피스톤을 제공하는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 다이캐스팅 방식으로 대량 생산이 가능하며 베이스와 캡의 테이퍼 나선단에 의한 결합으로 결합력이 증가할수록 조임력과 팽창력이 증대하여 자연스럽게 베이스의 중공부를 밀폐시킬 수 있도록 하는 데 있다.

더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 결합된 베이스와 캡을 핀으로 고정함으로써 진동에 의한 풀림을 방지하도록 하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 압축기용 중공피스톤은, 일측에 사판 수용홈과 타측 내부로 형성되는 중공부가 형성된 베이스의 암나선단과 캡의 수나선단을 나선 체결되도록 구성하여, 상기 베이스의 암나선단은 수나선단을 가압하는 가압력이 증대되고, 반대로 캡의 수나선단은 암나선단을 팽창시키는 팽창력이 작용하여 암나선과 수나선의 산과 골의 경사면이 긴밀하게 밀착되어 베이스의 중공부의 밀폐력을 증대하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤에 있어서, 상기 베이스에 캡을 나선체결 후 완전히 결합된 외부 경계면에 홈을 형성하고, 베이스과 캡을 분리시 베이스홈과 캡홈이 형성되도록 제조하여, 상기 베이스홈과 캡홈이 일치되면서 형성되는 홈에 핀을 결합하여 진동에 의해 캡이 풀림되지 않도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤을 제공한다.

이상에서와 같이 본 발명은 베이스와 캡의 결합을 테이퍼 나선단을 이용하여 결합함으로써 결합시 밀폐력을 증대시켜 기존의 용접방식을 탈피하여 제조공정이 간단화와 제조시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 다이캐스팅 방식으로 대량 생산이 가능하며 베이스와 캡의 테이퍼 나선단에 의한 결합으로 결합력이 증가할수록 조임력과 팽창력이 증대하여 자연스럽게 베이스의 중공부를 밀폐시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

더불어, 결합된 베이스와 캡을 핀으로 고정함으로써 진동에 의한 풀림을 방지하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 중공피스톤의 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 중공피스톤의 결합단면도,
도 3은 본 발명에 따른 중공피스톤의 제조 공정도,
도 4는 본 발명에 따른 중공피스톤의 분해 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 중공피스톤이 적용된 일 예의 압축기의 단면도이다.

이에 상기한 바와같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 중공피스톤의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 중공피스톤은 사판 수용홈(11)이 일측에 형성되고 내부가 중공된 베이스(10)와, 상기 베이스(10)의 중공부(12)를 폐쇄하는 캡(20)으로 이루어져 피스톤(100)을 구성한다.

먼저, 상기 베이스(10)는 일측에 사판 수용홈(11)과 타측 내부로 형성되는 중공부(12)의 입구를 테이퍼입구단(13)으로 형성하도록 베이스(10)를 다이케스팅 방식으로 제조 구성한다.

그리고, 상기 캡(20)은 베이스(10)의 테이퍼입구단(13)과 대응되는 테이퍼결합단(21)을 일측에 형성하는 캡(20)을 다이케스팅 방식으로 제조 구성한다.

아울러, 상기 베이스(10)의 테이퍼입구단(13)과 캡(20)의 테이퍼결합단(21)에 각각 암나선과 수나선을 형성하여 각각 암나선단(13a)과 수나선단(21a)을 제조 구성한다.

이때, 상기 테이퍼입구단(13)과 테이퍼결합단(21)은 다이캐스트 제조 당시에 형성되도록 제조할 수도 있으며, 별도의 절삭기계를 이용한 절삭 작업을 통해 구성할 수 도 있을 것이다.

한편, 상기 암나선단(13a)과 수나선단(21a)은 별도의 나선을 제조할 수 있는 나선제조 장치를 이용하여 정밀 가공하여 구성한다.

더불어, 상기 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결 후 완전히 결합된 외부 경계면에 홈(H)을 형성하여, 베이스(10)과 캡(20)을 분리시 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 형성되도록 제조 구성한다.

즉, 상기 베이스(10)과 캡(20)을 완전히 체결할 경우 베이스(10)와 캡(20)이 일측 끝단면이 평평하게 일치하게 되는데 홈(H)은 별도의 드릴링 장치를 이용하여 베이스(10)과 캡(20)이 결합된 경계면을 중심으로 양분되도록 구성하여, 베이스(10)에는 베이스홈(14)이 형성되고 캡(20)에는 캡홈(22)을 구성하는 것이다.

그리고, 상기 베이스(10)의 암나선단(13a)과 캡(20)의 수나선단(21a)에 실링제(30)를 도포 후 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결 한 다음, 상기 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 일치되면서 형성되는 홈(H)에 핀(40)을 결합 구성하여 진동에 의해 캡(20)이 풀림되지 않도록 완성하는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(100)을 제조하기 위해서는 일측에 사판 수용홈(11)과 타측 내부로 형성되는 중공부(12)의 입구를 테이퍼입구단(13)으로 형성하도록 베이스(10)를 다이케스팅 방식으로 제조한다.

이후, 상기 베이스(10)의 테이퍼입구단(13)과 대응되는 테이퍼결합단(21)을 일측에 형성하는 캡(20)을 다이케스팅 방식으로 제조한다.

다음으로, 상기 베이스(10)의 테이퍼입구단(13)과 캡(20)의 테이퍼결합단(21)에 각각 암나선과 수나선을 형성하여 별도의 나선 제조 장치를 이용하여 각각 암나선단(13a)과 수나선단(21a)을 제조한다.

그 다음으로, 상기 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결 후 완전히 결합된 외부 경계면에 홈(H)을 형성하여, 베이스(10)과 캡(20)을 분리시 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 형성되도록 제조한다.

이후, 상기 베이스(10)의 암나선단(13a)과 캡(20)의 수나선단(21a)에 실링제(30)를 도포 후 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결 한다.

즉, 상기 베이스(10)에 캡(20)을 체결할 경우 암나선단(13a)과 수나선단(21a)은 테이퍼 경사를 이룬 특징으로 인하여 결합을 위해 캡(20)을 회전시켜 베이스(10)의 중공부(12)의 내측으로 전진할수록 베이스(10)의 암나선단(13a)은 수나선단(21a)을 가압하는 가압력이 증대되고, 반대로 캡(20)의 수나선단(21a)은 암나선단(13a)을 팽창시키는 팽창력이 작용하여 암나선과 수나선의 산과 골의 경사면이 긴밀하게 밀착되어 베이스(10)의 중공부(12)의 밀폐력을 증대시키는 것이다.

아울러, 상기 실링제(30)는 록타이트계열을 일 예로 이용하여 수나선단(21a)과 암나선단(13a)의 산과 골 사이에 존재하는 밀착되지 않은 틈새에 충진되어 밀폐력을 한층 증대시키는 것이다.

그리고, 상기 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 일치되면서 형성되는 홈(H)에 핀(40)을 결합하여 진동에 의해 캡(20)이 풀림되지 않도록 체결하여 피스톤(100)을 완성하는 것이다.

이러한, 상기 피스톤(100)의 사용 예시로 일반적인 사판식 압축기중 가변용량형 사판식 압축기(50)에 적용된 것을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 가변용량형 사판식 압축기(50)는, 내부에 크랭크실(51a)과 흡입실(52a) 및 토출실(52b) 등의 밀폐공간을 형성하는 전,후방 하우징(51,52)과; 원주방향으로 배열된 다수의 보어(53a)를 가지고 상기 전,후방 하우징(51,52) 사이에 내장되는 실린더 블록(53)과; 상기 전방 하우징(51)의 중앙을 관통하여 크랭크실(51a)에 삽입되어 상기 실린더 블록(53)의 중앙에 회전가능하게 지지되는 구동축(54)과; 상기 크랭크실(51a) 내에서 구동축(54)의 회전에 따라 회전하도록 구동축(54)에 결합되는 러그 플레이트(55)와; 상기 구동축(54) 둘레로 설치됨과 아울러 상기 러그 플레이트(55)의 일측과 힌지결합되어 러그 플레이트(55)의 회전에 따라 회전하면서 상기 구동축(54)의 축방향으로의 슬라이딩에 의하여 경사각이 가변되는 사판(56)과, 상기 사판(56)의 둘레를 따라 슈(57)를 개재하여 결합되어 상기 사판(56)의 회전에 따라 상기 실린더(53)의 각 보어(53a) 내에서 왕복동하는 다수의 피스톤(58)과, 그리고 상기 피스톤(58)의 왕복동에 의한 보어 내부의 압력변화에 의하여 냉매가스의 흡입 및 토출을 제어하도록 실린더 블록(53)과 후방 하우징(52) 사이에 개재되는 밸브 유니트(60)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 크랭크실(51a), 흡입실(52a) 및 토출실(52b)의 압력을 조정하여 피스톤(58)의 이송량을 조정하는 제어밸브(62)와, 상기 러그 플레이트(55)와 사판(56) 사이에탄성적으로 설치되어 러그 플레이트(55)의 비회전시 최소 경사각으로 사판(56)을 탄성지지하는 사판 지지용 스프링(63)이 더 구비된다.

이와 같은, 가변용량형 사판식 압축기에 있어서 증발기로부터 이송되는 냉매를 압축하여 응축기로 배출하는 과정은 다음과 같이 이루어진다. 엔진의 동력에 의하여 구동축(54)이 회전하면 러그 플레이트(55)가 회전하고 이에 따라 사판(56)이 회전함으로써 피스톤(58)들은 사판(56)의 경사각과 비례하는 거리를 왕복 운동한다.

이러한 왕복동과정에 있어서 피스톤(100)이 크랭크실(51a)쪽으로 후진하는 동안에 흡입실(52a)의 냉매가 보어(53a) 내부로 유입되고, 다시 피스톤(100)이 전진하는 동안 보어(53a)에 유입된 냉매는 압축되어 높은 압력으로 토출실(52b)로 토출된 후 소정의 냉매유로를 통하여 응축기로 배출되는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10 : 베이스 11 : 사판 수용홈
12 : 중공부 13 : 테이퍼입구단
13a : 암나선단 14 : 베이스홈
20 : 캡 21 : 테이퍼결합단
21a : 수나선단 22 : 캡홈
30 : 실링제 40 : 핀
50 : 압축기

Claims (6)

1. 삭제
2. 압축기용 중공피스톤을 제조하기 위해,
   일측에 사판 수용홈(11)과 타측 내부로 형성되는 중공부(12)의 입구를 테이퍼입구단(13)으로 형성하도록 베이스(10)와 상기 테이퍼입구단(13)과 대응되는 테이퍼결합단(21)을 일측에 형성하는 캡(20)을 제조하며,
   상기 베이스(10)의 테이퍼입구단(13)과 캡(20)의 테이퍼결합단(21)에 각각 암나선과 수나선을 형성하여 각각 암나선단(13a)과 수나선단(21a)을 가공하여,
   상기 베이스(10)의 암나선단(13a)은 수나선단(21a)을 가압하는 가압력이 증대되고, 반대로 캡(20)의 수나선단(21a)은 암나선단(13a)을 팽창시키는 팽창력이 작용하여 암나선과 수나선의 산과 골의 경사면이 긴밀하게 밀착되어 베이스(10)의 중공부(12)의 밀폐력을 증대하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤의 제조 방법에 있어서,
   상기 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결 후 완전히 결합된 외부 경계면에 홈(H)을 형성하고, 베이스(10)과 캡(20)을 분리시 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 형성되도록 제조하여, 상기 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 일치되면서 형성되는 홈(H)에 핀(40)을 결합하여 진동에 의해 캡(20)이 풀림되지 않도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤의 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 베이스(10)의 암나선단(13a)과 캡(20)의 수나선단(21a)에 실링제(30)를 도포 후 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결하여, 나선 사이이 틈새를 밀폐하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤의 제조 방법.
4. 삭제
5. 압축기용 중공피스톤은,
   일측에 사판 수용홈(11)과 타측 내부로 형성되는 중공부(12)가 형성된 베이스(10)의 암나선단(13a)과 캡(20)의 수나선단(21a)을 나선 체결되도록 구성하여,
   상기 베이스(10)의 암나선단(13a)은 수나선단(21a)을 가압하는 가압력이 증대되고, 반대로 캡(20)의 수나선단(21a)은 암나선단(13a)을 팽창시키는 팽창력이 작용하여 암나선과 수나선의 산과 골의 경사면이 긴밀하게 밀착되어 베이스(10)의 중공부(12)의 밀폐력을 증대하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤에 있어서,
   상기 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결 후 완전히 결합된 외부 경계면에 홈(H)을 형성하고, 베이스(10)과 캡(20)을 분리시 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 형성되도록 제조하여, 상기 베이스홈(14)과 캡홈(22)이 일치되면서 형성되는 홈(H)에 핀(40)을 결합하여 진동에 의해 캡(20)이 풀림되지 않도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤.
6. 제 5항에 있어서, 상기 베이스(10)의 암나선단(13a)과 캡(20)의 수나선단(21a)에 실링제(30)를 도포 후 베이스(10)에 캡(20)을 나선체결하여, 나선 사이이 틈새를 밀폐하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 중공피스톤.

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