KR20080046154A

KR20080046154A - 밀폐형 압축기 및 냉동 장치 및 냉장고

Info

Publication number: KR20080046154A
Application number: KR1020080044220A
Authority: KR
Inventors: 신이찌 사또오; 아끼히꼬 이시야마; 겐 곤노; 도모히로 나가오; 겐지 벳쨔꾸
Original assignee: 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2008-05-26
Also published as: JP4996867B2; KR100883532B1; SG155937A1; CN100545451C; KR20070095185A; SG136028A1; KR100856629B1; CN101042125A; JP2007248020A

Abstract

본 발명의 과제는 탄화수소계의 냉매를 이용한 냉동 장치 등의 에너지 절약화, 소형화, 고효율화를 도모하면서 신뢰성의 향상을 도모하는 것이다.

밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되는 밀폐형 압축기가 이용되는 냉동 장치에 있어서, 이소부탄(R600a)을 압축 요소로 압축되는 냉매로 이용하고, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 냉동기유로 이용함으로써, 미끄럼 이동부의 윤활성을 높이고, 고효율화와 신뢰성 향상을 양립한다.

실린더, 콘로드, 구체부, 평면부, 피스톤, 크랭크샤프트

Description

밀폐형 압축기 및 냉동 장치 및 냉장고 {CLOSED-TYPE COMPRESSOR AND REFRIGERATING APPARATUS AND REFRIGERATOR}

본 발명은 탄화수소를 냉매로서 사용하는 밀폐형 압축기 및 냉동 장치 및 냉장고에 관한 것이다.

[종래기술의 문헌 정보]

[문헌 1] 일본 특허 공개 평4-183788호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-60952호 공보

[문헌 3] 일본 특허 공개 제2002-38135호 공보

[문헌 4] 일본 특허 공개 제2003-184751호 공보

[문헌 5] 일본 특허 공개 제2003-214343호 공보

[문헌 6] 일본 특허 공개 제2004-27969호 공보

종래, 냉장고나 공기 조화기의 냉매에는 CFC(클로로플루오로카본)가 이용되고 있었지만, 환경 문제에의 배려로부터 국제적으로 사용이 제한되어, HFC(하이드로플루오로카본) 냉매와 같이 염소를 함유하지 않는 것으로 절환되어 오고 있다. 구체적으로는, CFC12(디클로로디플루오로메탄)와 가까운 열역학 특성을 갖는 R134a(1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄)가 냉장고에 사용되고 있다. 그 때, R134a 냉매와는 상용성이 나쁜 광유를 대신하여 에스테르유를 냉동기유에 이용하여 실용화되었다. 특허문헌 1에는, 냉매에 HFC계의 R134a를 이용하고, 냉동기유로서 에스테르유를 이용한 예가 나타나 있다.

그러나, HFC 냉매는 오존층 파괴에는 기여하지 않지만, 온실 효과 계수가 크고, 지구온난화 방지의 관점에서 최근에는 탄화수소계의 HC(하이드로카본) 냉매 등의 자연 냉매가 이용되고, 냉장고 등의 냉동 장치에 있어서 실용화가 진행되고 있다. 실제로, 유럽에서는 대체 냉매로 지구온난화 계수가 작은 HC 냉매를 이용한 냉장고가 제품화되고 있다.

일본 내에서도, 1997년에 개최된 지구온난화 방지 교오또 회의(COP3)에 있어서, HFC 냉매가 온실 효과 물질로 지정된 배경도 있고, 이소부탄(R600a)을 냉매로 이용한 냉장고가 2002년경부터 제조ㆍ판매되는 것에 이르고 있다.

프로판(R290)이나 이소부탄 등의 HC 냉매에 대해, 나프텐계 또는 파라핀계의 광유는 상용성이 높다. 또한, 입수성이나 경제성도 우수하여, HC 냉매를 사용하는 냉동 장치에 있어서는 광유가 냉동기유로서 사용되고 있다(특허문헌 2 참조). 또한, HC 냉매를 사용하는 냉동 장치의 냉동기유로서 에스테르유를 사용할 수 있는 취지도 특허문헌 3에 개시되어 있다.

그런데, 냉동 장치는 냉매를 고온 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 압축된 냉매를 응축하여 액냉매로 하는 응축기와, 응축기를 경유한 냉매를 감압하는 캐필러리 튜브 등의 감압(팽창) 기구와, 감압된 냉매가 증발하는 증발기가 직렬로 접속 되어 구성된다. 냉장고나 공기 조화기에는 밀폐형 압축기가 이용되고, 특허문헌 4 내지 6에 개시된 바와 같이 밀폐 용기 내에 압축 요소와 전동 요소가 수납된 구성이 채용되어 있다.

밀폐형 압축기로서는, 특허문헌 4 내지 6과 같은 왕복 운동하는 피스톤을 갖는 레시프로컬형(reciprocal)의 압축기가 알려져 있고, 레시프로컬형의 압축기는 크랭크샤프트와 피스톤을 커넥팅 로드(콘로드)로 연결하여 회전 운동하는 샤프트의 운동을 왕복 운동으로 바꾸는 구조로 되어 있다.

피스톤과 콘로드의 연결 방식으로서는, 구면 베어링에 의해 연결되는, 소위 볼 조인트 방식이 알려져 있고, 특허문헌 4 내지 5의 밀폐형 압축기에서도 채용되어 있다. 특허문헌 4에서는, 피스톤의 내구면의 일부와, 콘로드의 외구면의 일부가 모두 삭제되고, 콘로드의 외구 부분을 피스톤의 내구부에 삽입 후에 피스톤을 회전하여 콘로드와 피스톤을 연결시키고 있다.

특허문헌 5에서는, 피스톤에 설치되는 내구면을 소성 가공에 의해 성형한 구조로 하고 있고, 콘로드의 일단부를 이루는 구체부를 둘러싸고 지지하고 있다. 그리고, 구체부와 내구면 사이에 열가소성 수지재를 개재시키고 있다.

한편, 특허문헌 6은 피스톤과 콘로드의 연결에 피스톤 핀을 이용하고 있다. 피스톤 핀 방식에서는, 피스톤과 콘로드의 위치를 맞추고, 피스톤 핀을 크랭크샤프트의 연신 방향과 맞추도록 삽입함으로써 연결된다. 또한, 피스톤이나 피스톤 핀의 미끄럼 이동부에 윤활유를 공급하는 구조로 되어 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평4-183788호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-60952호 공보

[특허문헌 3] 일본 특허 공개 제2002-38135호 공보

[특허문헌 4] 일본 특허 공개 제2003-184751호 공보

[특허문헌 5] 일본 특허 공개 제2003-214343호 공보

[특허문헌 6] 일본 특허 공개 제2004-27969호 공보

냉동 장치의 에너지 절약화, 소형화, 또는 고효율화의 요구가 최근 엄격해지고, 밀폐형 압축기의 내부 조건의 가혹화가 진행되고 있다. 냉동기유는 냉매 압축기 내의 미끄럼 이동부의 윤활이나 밀봉, 냉각 등의 역할을 하고 있지만, 압축기의 신뢰성 확보의 면으로부터 윤활성, 특히 내마모성이 우수한 것이 요구되고 있다.

특허문헌 2에서는, 나프텐계나 파라핀계 광유를 냉동기유에 이용하고 있지만, 이소부탄(R600a)과의 용해성이 지나치게 높기 때문에, 냉매/오일 혼합액에 있어서의 점도의 저하가 발생하기 쉽다. 게다가, 포밍이 일어나기 쉽기 때문에 무급유(無給油) 상태가 되기 쉬워 윤활 불량이 우려된다.

또한, 나프텐계나 파라핀계의 광유는 분자 구조가 탄화수소로 구성되고, 거의 무극성 오일이므로, 철계의 미끄럼 이동 부재에 대해 흡착하지 않아 오일막을 형성하기 어려워지는 문제가 있다. 또한, HC 냉매 자체도 냉매 분자 중에 염소나 불소를 포함하고 있지 않으므로 냉매 자체의 윤활성은 기대할 수 없다.

*특허문헌 3에는, 냉동기유에 에스테르유가 이용되는 예가 나타나 있지만, 밀폐형 압축기에 있어서의 상기한 내부 조건의 가혹화에 대응한 것은 아니었다.

압축기 구동을 위한 전동 요소로서, 전동 모터가 이용되고 있다. 최근에는, 인버터화에 의한 전동 모터의 회전수 가변 제어에 의해 부하에 따른 제어가 도모되고 있다. 그 때에는, 고회전 영역으로부터 저회전 영역까지 안정된 운전이 요구되고, 각각의 회전 영역에 있어서의 고효율화도 요구되고 있다.

또한, 밀폐형 압축기 내에 있어서는, 밀폐 용기 내의 미끄럼 이동부의 마모가 압축기의 신뢰성에 영향을 미치고 있었다. 밀폐 용기 내의 미끄럼 이동부로서는, 실린더와 피스톤 사이, 콘로드-피스톤 연결부, 혹은 크랭크샤프트-콘로드 연결부 등의 부위를 예로 들 수 있다. 이들 중에서도, 콘로드-피스톤 연결부에 있어서의 미끄럼 이동의 문제가 가장 발생하기 쉽다. 레시프로컬형 압축기의 콘로드-피스톤 연결부는 크랭크샤프트의 1회전 중에 있어서의 부하가 항상 변동하기 때문에, 콘로드 또는/및 피스톤의 미끄럼 이동부에 마모가 발생하거나, 발열이 커지게 되는 등의 문제가 발생하기 쉬워, 재료 내력의 확보나 최적의 냉동기유의 선정이 필요해지고 있다.

또한, 압축기 내부의 조건의 가혹화는 미끄럼 이동부(예를 들어 콘로드-피스톤 연결부)에 있어서의 접촉 응력의 문제나 발열에 의한 온도 상승 등을 일으킨다. 구체적으로는, 예를 들어 압축기의 형상이나 운전 조건에 기인하는 접촉 응력(접촉 면압)의 증대의 문제, 냉매 및 냉동기유의 특성이나 압축기의 운전 조건에 기인하는 소부 한계 하중의 문제 혹은 냉동기유의 포밍의 문제 등을 들 수 있다.

미끄럼 이동부의 윤활성 향상을 위해 냉동기유에 요구되는 특성으로서는, 냉 매와의 상용 상태에 있어서의 점도를 들 수 있다. 구체적으로는, 점도가 지나치게 높아지면 미끄럼 이동의 저항이 되어 냉동 장치의 효율 저하를 초래하게 되는 경향이 있다. 한편, 점도가 지나치게 낮아지면 윤활유로서의 특성이 열화되어, 미끄럼 이동부의 밀봉성의 저하나, 발열이나 마모가 진행되어 버리는 문제가 있었다.

특허문헌 4에서는, 콘로드와 피스톤이 볼 조인트 방식에 의해 연결되어 있다. 그리고, 피스톤의 내구면의 일부와, 콘로드의 외구면의 일부가 함께 삭제되어 있고, 조립성이 뛰어나 장치의 소형화를 도모하기 쉬운 구조로 되어 있다. 또한, 콘로드-피스톤 연결부에 대해 냉동기유를 공급하는 공간이 확보되어 있다. 그러나, 피스톤의 내구면의 일부와, 콘로드의 외구면의 일부가 함께 삭제되어 있기 때문에, 접촉 면적이 작아지고 미끄럼 이동부의 면압이 커지기 쉬운 것이었다.

특허문헌 5는 볼 조인트 구조의 구면 받침 시트에 질화 처리 및 인산망간 처리의 양방 혹은 한쪽을 실시하여, 구면에 고탄소크롬강재를 사용하고, 또한 볼과 볼 받침 시트와의 사이에 PTFE, PFA 등의 열가소성 수지재로 이루어지는 버퍼링을 별도 구비하여 내마모성의 향상을 도모하고 있다. 그러나, 상기 구조는 소성 변형시켜 형상의 가공을 행하기 위해 가공성을 확보하는 것이 필요해질 뿐만 아니라, 구조상도 고비용이 되기 쉬운 것이었다. 또한, 밀폐형 압축기의 내부 조건의 가혹화에 수반하여, 미끄럼 이동부의 고부하화에 의한 마모의 증대, 혹은 포밍이나 소부 한계 하중 등과 같은 냉동기유의 특성에 대해 고려된 것은 아니었다.

특허문헌 6은 피스톤 핀에 의해 콘로드와 피스톤을 연결하는 방식을 채용하고 있다. 그리고, 냉동기유를 미끄럼 이동부에 공급하기 위한 공급 경로를 확보하 는 구조로 하고 있지만, 압축기의 내부 조건의 한층 더 가혹화 등에 의해 면압이 높아지거나, 냉동기유의 점도가 저하되는 문제에 관하여 특별히 고려된 것은 아니었다.

본 발명은 상기 과제에 비추어 이루어진 것으로, 밀폐형 압축기, 냉동 장치, 또는 이들 밀폐형 압축기나 냉동 장치를 이용한 냉장고에 있어서의 에너지 절약화, 소형화, 또는 고효율화를 도모하는 동시에, 이들 장치의 신뢰성의 향상에 기여하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 상기 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되고, 상기 콘로드와 상기 피스톤과의 연결부가 미끄럼 이동하는 구조의 밀폐형 압축기에 있어서, 본 발명의 제1 태양에서는, 이소부탄(R600a)을 상기 압축 요소로 압축되는 냉매로 이용하고, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 냉동기유로 이용하였다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 제2 태양에서는, 이소부탄(R600a)을 상기 압축 요소로 압축되는 냉매로 이용하고, 파렉스(Falex) 시험에 의한 소부 한계 하중을 응력으로 환산한 값이 상기 연결부에 있어서의 접촉 응력으로서 환산된 헤르츠 응력보다도 커지는 지방산 에스테르유를 냉동기유에 이용하였다. 또한 구체적으로는, 상기 연결부에 있어서의 접촉 면압은 10 ㎫ 이상이고, 상기 연결부에 냉동기유를 공급 가능한 구조를 구비하였다.

또한, 상기의 각 태양에 있어서의 보다 바람직한 구조는 다음과 같다.

(1) 파렉스 시험에 의한 소부 한계 하중이 3000 N 이상이 되는 냉동기유를 이용한 것.

(2) 냉동기유의 점도가 40 ℃에 있어서의 동점성 계수로 5 내지 15 cSt로 한 것.

(3) 냉동기유로서, 기포 생성성이 50 ㎖ 이하, 기포 안정성이 10 ㎖ 이하인 지방산 에스테르유를 이용한 것.

(4) 지방산 에스테르유로서, 다음의 일반식 (1) 내지 (3)(식 중, R₁은 수소 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기, R₂는 탄소수 5 내지 12의 알킬기를 나타냄)을 이용한 것.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

(5) 일반식 (1) 내지 (3)으로 나타나는 상기 지방산 에스테르유에는 불포화 지방산으로 이루어지는 지방산 에스테르유를 포함하고, 이 때 산화 방지제가 첨가되는 것으로 한 것.

(6) 상기 피스톤과 상기 콘로드와의 연결부는 상기 피스톤의 내부의 내구면과 상기 콘로드의 구체부(球體部)를 볼 조인트 방식에 의해 연결되어 있고,

상기 콘로드에는 상기 크랭크샤프트의 편심부로부터 상기 연결부까지 연통하여 상기 연결부에 냉동기유를 공급하는 관통 구멍이 마련되고,

상기 피스톤의 내구면과 상기 콘로드의 구체부와의 접촉면에 냉동기유가 공급되는 것.

(7) 상기 피스톤 및 상기 콘로드에는 수증기 처리나 가스 연질화 처리가 실시된 철계의 소결재를 이용한 것.

또한, 상기한 어느 하나의 것에 있어서, 상기 피스톤과 상기 콘로드와의 연결부에 있어서의 상기 콘로드의 미끄럼 이동면의 십점 평균 거칠기(Rz)를 0.1 ㎛ 내지 2.2 ㎛로 한 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 피스톤과 콘로드와의 연결부에 있어서의 양자의 클리어런스 치수를 3 ㎛ 내지 10 ㎛로 한 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 제3 태양은, 밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 상기 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되고, 상기 압축 요소 내에 미끄럼 이동부를 갖는 밀폐형 압축기에 응축기, 감압 기구 및 증발기가 직접적으로 접속된 냉동 장치에 있어서,

이소부탄(R600a)을 상기 압축 요소로 압축되는 냉매로 이용하고, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 냉동기유로 이용한 것이다.

또한, 본 발명의 제4 태양은, 밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 상기 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되고, 상기 압축 요소 내에 미끄럼 이동부를 갖는 밀폐형 압축기와,

상기 밀폐형 압축기와 단열벽을 사이에 둔 단열 공간 내부에 배치되고 상기 밀폐형 압축기와 함께 냉동 사이클을 구성하는 증발기를 구비하고,

상기 압축 요소로 압축되고, 또한 상기 증발기로 증발하는 냉매로서 이소부탄(R600a)을 이용하고,

냉동기유로서, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 이용한 것이다.

본 발명에 따르면, 밀폐형 압축기, 냉동 장치, 혹은 냉장고에 있어서의 에너지 절약화, 소형화, 고효율화를 도모면서 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 냉동 장치를 도시하는 도면이고, 도2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 냉장고를 도시하는 개념도이다.

도1에 도시한 바와 같이, 냉동 장치는 냉매를 고온 고압으로 압축하는 밀폐형의 압축기(100)와, 방열하여 냉매를 응축하기 위한 응축기(110)와, 감압 기구로서의 캐필러리 튜브(120)와, 냉매가 증발함으로써 흡열하고 냉기를 생성하는 증발 기(130)가 냉매 배관(111)에 의해 직렬로 접속된 구조로 되어 있다. 도면 중 실선의 화살표는 냉매가 흐르는 방향을 나타내고, 점선의 화살표는 열의 이동을 나타내고 있다.

냉동 장치는 단열 상자체에 조립되어 냉장고를 형성하고 있다. 도2에 도시한 바와 같이 밀폐형 압축기(100), 응축기(110), 캐필러리 튜브(120), 증발기(130)가 직렬로 접속된다. 증발기(130)는 고내에 배치되어 있고, 냉매 배관(111) 내를 흐르는 냉매의 상태 변화에 의해 고내를 냉각한다. 또한, 단열 상자체의 외주를 따라 배치된 냉매 배관(111)에 있어서도 방열이 행해져, 냉장고의 개구 주연에 발생하는 결로를 억제하는 것으로 하고 있다. 또, 부호 115로 나타낸 것은 드라이어이다.

도3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 밀폐형 압축기(100)의 종단면도이다. 본 실시예의 밀폐형 압축기는 밀폐 용기 내에 설치된 베어링부(1a) 및 프레임(1b)이 일체로 형성된 실린더(1) 내를 피스톤(4)이 왕복 운동하여 압축 요소를 구성하는 레시프로컬형의 압축기이다. 프레임(1b)의 하부에는 전동 요소로서, 전동기를 구성하는 고정자(5) 및 회전자(6)가 구비되어 있고, 크랭크샤프트(7)의 회전 중심으로부터 편심된 위치에 크랭크 핀(7a)이 설치되어 있다.

크랭크샤프트(7)는 프레임의 베어링부(1a)에 관통하여 프레임(1b)의 하부로부터 상부로 연신하고 있고, 크랭크 핀(7a)이 프레임(1b)의 상방측에 위치하도록 설치되어 있다. 크랭크샤프트(7)의 하부는 회전자(6)와 직결하고 있고, 전동기의 동력에 의해 크랭크샤프트(7)는 회전한다. 크랭크 핀(7a)과 피스톤(4) 사이는 콘 로드(2)로 연결되어 있고, 크랭크 핀(7a) 및 콘로드(2)를 통해 피스톤(4)이 왕복 운동하는 구성으로 되어 있다.

즉, 본 실시예의 밀폐형 압축기는 밀폐 용기 내에 실린더(1), 피스톤(4) 등의 압축 요소와, 전동기 등의 전동 요소가 수납되어 있고, 크랭크샤프트(7)에 의해 전동 요소로부터의 회전력을 전달하는 구성을 전제로 하고 있다. 콘로드(2)와 피스톤(4)의 연결 구조에 대해서는 후술하지만, 피스톤(4)은 크랭크샤프트(7)측으로 개방되고, 이 통로 내에 내구면을 갖고 있다.

그리고, 실린더(1) 내에 공급된 냉매는 피스톤(4)의 왕복 운동에 의해 압축되고, 압축된 가스 냉매가 실린더 헤드측에 연통하는 토출관으로 보내진다. 냉매는 응축기, 감압 기구, 증발기를 경유하여 다시 압축기 내로 복귀되고, 이들 각 기구를 갖는 냉동 사이클을 형성하고 있다.

밀폐 용기 내에는 냉동기유(윤활유)가 저장되어 있고, 크랭크샤프트(7)의 회전 운동에 의한 펌프 작용으로 끌어 올려져 압축 요소부로 보내지는 구조로 되어 있다. 또한, 이 냉동 장치는 프로판(R290)이나 이소부탄(R600a) 등의 탄화수소계의 냉매(HC 냉매)를 사용하고 있다. 또, 냉장고에 이용되는 냉매로서는 이소부탄(R600a)이 바람직하다.

다음에 피스톤(4)에 대해 도4를 이용하여 설명한다. 도4는 본 실시예의 피스톤(4)을 도시하는 도면이고, 도4의 (a)는 피스톤(4)의 내측 구조의 상세도로 피스톤(4)을 크랭크샤프트(7)측으로부터 본 도면, 도4의 (b)는 도4의 (a)의 A-A 단면도, 도4의 (c)는 도4의 (a)의 B-B 단면도이다.

피스톤(4)이 도3에 도시한 바와 같이 밀폐형 압축기에 설치된 상태에서는, 도4의 (a)의 상하 방향이 도3에 있어서의 밀폐형 압축기 상하 하방과 일치한다. 또한, 도4의 (a)의 좌우측 방향은 도3에 있어서 전방측과 안쪽을 연결하는 수평의 방향이 된다. 따라서, 도4의 (b)는 수평면의 단면인 A-A 단면을, 피스톤(4)의 상측 혹은 하측으로부터 본 상태를 도시하는 것이고, 도4의 (c)는 연직 방향의 단면인 B-B 단면을 피스톤(4)의 좌측 혹은 우측으로부터 본 상태를 도시하는 것이다. 또한, 도4의 (b)에서는 도면 중 하측이 피스톤(4)의 안쪽이 되고, 도4의 (c)에서는 도면 중 우측이 피스톤(4)의 안쪽이 된다.

피스톤(4)의 내구면(4a)은 후술하는 바와 같이, 콘로드(2)의 선단부에 설치되는 구체부의 외구면을 받치는 베어링 구조를 구성하는 것이고, A-A 단면에서는 콘로드(2)의 외구면을 180°이상의 각도로 둘러싸는 형상으로 하고 있다. 따라서, 콘로드(2)의 외구면이 피스톤(4)의 내구면(4a)에 둘러싸여 지지되고, 콘로드(2)와 피스톤(4)이 연결된다. 한편, B-B 단면에서는 콘로드(2)의 외구면을 180°이하의 각도로 둘러싸는 형상으로 되어 있고, B-B 단면에서는 A-A 단면보다도 미끄럼 이동 면적이 적은 구조로 되어 있다.

이와 같이, 내구면(4a)의 수평 방향(A-A 단면)에 있어서의 원호의 중심각을 연직 방향(B-B 단면)에 있어서의 원호의 중심각보다 크게 형성하는 구조로 하였으므로, 상하 방향에는 미끄럼 이동 면적이 적은 단면으로 한 볼 조인트 구조로 되어 있다. 따라서, 윤활유가 통과하기 쉽고, 또한 윤활유가 통과하는 경로 자체도 짧아져, 연결부에 윤활유의 유입 및 유출이 하기 쉬워 미끄럼 이동에 의한 마모 등을 저감시킬 수 있다. 또한, 미끄럼 이동부 내외로의 윤활유의 유출입 경로가 확보되므로, 미끄럼 이동부의 이상한 발열의 억제가 가능하다. 또한, 내구면(4a)의 안쪽에는 오목부가 있으므로, 미끄럼 이동면을 보다 작게 할 수 있다.

밀폐형 압축기가 운전하고 있는 상태에서는, 피스톤(4)은 내부와 외부에 미끄럼 이동부를 갖는다. 즉, 피스톤(4)의 외주와 실린더(1)의 내주면 사이의 미끄럼 이동과, 콘로드(2)와의 연결 부분에 있어서의 미끄럼 이동이다. 내구면(4a)은 콘로드(2)와의 사이의 미끄럼 이동부이고, 미끄럼 이동 면적이 작아지면, 마모가 발생하는 부분은 작아지지만, 접촉 면압은 커지는 경향이 있다.

도4에 도시한 바와 같이 내구면(4a)의 안쪽에는 오목부(4a')가 있고, 또한 상하 방향의 미끄럼 이동면은 국소적으로 되어 있다. 내구면(4a)의 원호로부터 오목부(4a')를 제외한 부분을 미끄럼 이동부라 하면, 내구면(4a)의 반경(r)의 경우, 수평 방향의 미끄럼 이동부의 크기가 r × θ41 × 2인 것에 대해, 상하 방향에서는 r × θ42 × 2가 된다[도4의 (b), 도4의 (c) 참조]. θ41 ＞ θ42이므로, 피스톤(4)의 내주부의 안쪽에 위치하는 내구면(4a)의 상방 또는/및 하방으로는 공간이 존재하고 있고, 이 공간에는 빠짐 방지 부재(10)가 배치된다.

다음에, 피스톤(4)과 연결되는 콘로드(2)에 대해 도5를 이용하여 설명한다. 본 실시예의 콘로드(2)는 피스톤(4)의 내구면(4a)에 접속되는 구체부(2a)를 일단부로 하고, 타단부를 크랭크샤프트(7)와 접속되는 베어링부(2b)로 하고, 이들 양단부를 연결하는 로드부(2c)를 갖는 구조이며, 도5는 이 구조를 구비한 콘로드(2)의 사시도이다.

도면에 도시한 바와 같이 콘로드(2)는 피스톤(4)의 내구면(4a)에 삽입되는 구체부(2a), 크랭크 핀(7a)에 삽입되는 래디얼 베어링부(2b) 및 구체부(2a)와 래디얼 베어링부(2b)를 연결하는 로드부(2c)를 구비하여 구성되고, 구체부(2a)의 외구면은 구체의 일부가 절결된 구조로 되어 있다.

이와 같이, 구체부(2a)의 일측과 다른 측에 평면부(2a')를 갖는 구성으로 하고 있으므로, 피스톤(4)과 콘로드(2)가 연결되어도 윤활유가 통과하는 경로가 짧고, 또한 윤활유가 흐르기 쉽기 때문에 미끄럼 이동 부분에 윤활유를 공급할 수 있는 구조가 된다.

콘로드(2)와 피스톤(4)과의 연결은 콘로드(2)의 구체부(2a)에 설치된 평면부(2a')를 이용한다. 도4의 (b)에 도시한 바와 같이, 피스톤(4)의 내구면(4a)은 콘로드(2)의 구체부(2a)를 180°이상의 각도로 둘러싸는 형상으로 하고 있고, A-A 단면에 있어서의 내구면(4a)의 개구 치수(L)는 구체부(2a)의 외경보다도 작은 치수로 되어 있다. 한편, 2개의 평면부(2a') 사이의 치수는 내구면(4a)의 개구 치수(L)보다도 작게 설정하고 있다. 이 개구 치수(L)의 부분이 콘로드(2)의 구체부(2a)를 삽입하기 위한 간극이 된다.

본 실시예의 평면부는 거의 평행하게 설치되고, 양 평면부(2a')를 내구면(4a)의 통로 내로 삽입한 후, 콘로드(2)와 피스톤(4)을 상대적으로 회전시켜 양자는 연결된다.

이와 같이 연결된 콘로드(2)와 피스톤(4)은 양자의 상대적인 회전이 없으면 내구면(4a)의 개구 치수가 구체부(2a)의 외경보다도 작기 때문에 빠지는 일은 없 고, 또한 미끄럼 이동부를 작게 할 수 있다.

그러나, 충격 등의 어떠한 작용에 의해 양자가 상대적으로 회전하면, 콘로드(2)와 피스톤(4)과의 연결이 해제되어 버리므로, 본 실시예에서는 연결 해제 방지를 위해 빠짐 방지 부재(10)를 구비하고 있다.

빠짐 방지 부재(10)에 대해 도6 및 도7을 이용하여 설명한다. 도6은 본 실시예의 빠짐 방지 부재(10)의 사시도이고, 도7은 빠짐 방지 부재(10)가 조립되어 연결된 피스톤(4)과 콘로드(2)의 상태를 도시하는 도면이다. 빠짐 방지 부재(10)는 콘로드(2)와 피스톤(4)과의 상대적인 회전을 방지하는 회전 규제 부재로서의 작용을 함께 갖는 형상으로 하고 있고, 콘로드(2)측이 아닌 피스톤(4)측에 고정되는 것을 특징의 하나로 하고 있다.

도6에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 빠짐 방지 부재(또한 회전 규제 부재. 이하 동일)(10)는 제1 탄성부(10a), 제2 탄성부(10b), 이들 양 탄성부를 연결하는 지지부(10c) 및 콘로드(2)의 상대적인 회전을 규제하는 회전 규제부(10d)를 구비하여 구성되어 있다. 이들 각 구성 중, 제1 탄성부(10a) 및 제2 탄성부(10b)는 피스톤(4)의 개구 내부의 내주부와 접촉하고, 탄성력에 의해 빠짐 방지 부재(10)는 지지되어 있다.

회전 규제부(10d)는 콘로드(2)와 피스톤(4)이 상대적으로 회전하고자 하는 경우에 이를 규제하기 위한 벽을 형성하는 것이고, 이들 벽은 서로 대향하여 설치된다. 콘로드(2)가 설치된 상태에서는, 콘로드(2)의 구체부(2a)에 설치된 평면부(2a')와 각각의 회전 규제부(10d)가 대향하여 배치된다.

회전 규제부(10d)는 대략 평면이 되는 부분을 갖고, 또한 서로 대향하는 양 회전 규제부(10d)를 대략 평행이 되도록 설치하는 것으로 하고 있다. 즉, 서로 대향하는 양 회전 규제부(10d) 사이에 각 회전 규제부(10d)와 콘로드(2)측의 평면부가 각각 대향하도록 배치된다. 평면부(2a')와 회전 규제부(10d) 사이에는 간극이 마련되고, 통상의 운전 상태에서 양자가 접촉하지 않도록 하고 있다.

또한, 지지부(10c)로부터 외측으로 연신된 연신부(10e)를 구비하고 있다. 연신부(10e)의 단부는 탄성부(10a, 10b)와 반대측으로 굽혀져 형성되어 있다.

도7은 이 빠짐 방지 부재(10)가 설치된 상태를 나타내는 도면이고, 도7의 (a)는 사시도, 도7의 (b)는 횡단면도이다. 빠짐 방지 부재(10)가 설치되면, 제1 탄성부(10a)가 피스톤(4)의 내주부(4b)를 누르는 힘을 발생하고, 마찰력에 의해 빠짐 방지 부재(10)를 피스톤(4)의 개구 내부에 고정한다. 마찬가지로 제2 탄성부도 내주부(4b)와 접촉시켜, 빠짐 방지 부재(10)가 피스톤(4)의 개구 내부에서 견고하게 고정된다.

빠짐 방지 부재(10)가 이와 같이 고정됨으로써 피스톤(4)이 실린더(1) 내에서 회전하고, 콘로드(2)와 피스톤(4)이 상대적으로 회전하고자 해도, 콘로드(2)가 피스톤(4)으로부터 빠지는 위치까지는 이르지 않는 구성으로 할 수 있다.

또한, 연신부(10e)의 단부가 홈(4c)에 삽입된 상태에 있어서는, 연신부(10e)의 굽힘 형상 및 빠짐 방지 부재(10)가 빠지는 방향의 관계로부터, 연신부(10e)의 선단부가 지지부가 되고, 피스톤(4)으로부터의 탈락을 억제할 수 있다. 한편, 빠짐 방지 부재(10)를 설치하는 경우에는 연신부(10e)의 단부가 홈(4c)의 위치까지 압입되면 양자가 간단하게 결합하여 설치성도 양호하게 할 수 있다. 따라서, 빠짐 방지 부재(10)가 피스톤(4)으로부터 빠지는 방향으로 힘이 작용하였을 때에도 이를 억제하여 피스톤(4)과 콘로드(2)와의 연결이 해제되는 것을 방지할 수 있다.

다음에, 미끄럼 이동부에 윤활유(냉동기유)를 공급하기 위한 구조에 대해 설명한다. 도7의 (b)에 도시한 바와 같이 콘로드(2)에는 관통 구멍(2g)이 마련되어 있다. 관통 구멍(2g)은 베어링부(2b)로부터 로드부(2c)를 경유하여 구체부(2a)의 단부까지 관통하고 있다. 밀폐 용기 내에 저장된 윤활유는 크랭크샤프트(7)가 회전함으로써 끌어 올려지고, 일부가 크랭크 핀(7a)의 상방으로부터 비산한다. 비산된 윤활유는 실린더(1)와 피스톤(4) 사이의 미끄럼 이동부에 공급되고, 다른 일부는 관통 구멍(2g)을 통해 피스톤(4)과 콘로드(2)와의 사이의 미끄럼 이동부로 유도된다.

내구면(4a)의 안쪽에는 전술한 바와 같이 오목부(4a')가 마련되어 있다. 이 오목부(4a')는 관통 구멍(2g)으로부터 미끄럼 이동부에 공급된 윤활유, 혹은 크랭크 핀(7a) 상부로부터 비산하여 구체부(2a)의 상측에 설치된 평면부(2a')에 이르고, 이 상측의 평면부(2a')로부터 미끄럼 이동부로 공급되는 윤활유를 일시적으로 저장하는 작용을 한다.

또, 상술한 바와 같이, 평면부(2a')와 대향하도록 빠짐 방지 부재(10)가 설치되어 있지만, 평면부(2a')와 빠짐 방지 부재(10) 사이에는 간극이 마련되어 있으므로, 상측의 평면부(2a')를 경유한 윤활유를 미끄럼 이동부에 공급할 수 있다.

다음에 미끄럼 이동부에 대해 설명한다. 밀폐형 압축기에 있어서의 내부 조 건의 가혹화에 의해 미끄럼 이동부의 마모의 문제가 현재화되고, 신뢰성의 저하를 초래하기 쉬워지는 과제가 발생하였다. 그리고, 실기에 입각한 조사를 거듭한 결과, 접촉 면압의 증대, 윤활유의 공급 부족, 혹은 미끄럼 이동부의 발열에 원인이 있는 것을 발견하였다.

특히, 상술한 가혹화하는 조건에 의해 미끄럼 이동부의 접촉 응력이 높아지는 경향이 있는 것이 판명되었다. 그래서, 연결부의 최적의 형상을 찾기 위해 다양한 형상에 대해 실기에 의한 마모 미끄럼 이동 시험을 실시한 결과, 헤르츠 응력으로 환산하여 그 값이 10 ㎫를 초과할 정도로 높아지면, 미끄럼 이동부의 마모가 현저해지고, 나아가서는 장치 전체의 신뢰성의 저하를 초래하기 쉬워지는 것을 알 수 있었다. 이들 지견에 대해, 이하 상세하게 서술한다.

본 실시예와 같은 레시프로컬형 압축기에서는, 주된 미끄럼 이동부로서, 콘로드-피스톤 연결부, 피스톤-실린더 사이의 미끄럼 이동부, 크랭크샤프트-콘로드 미끄럼 이동부, 혹은 주축이 되는 크랭크샤프트와 베어링 사이의 미끄럼 이동부를 들 수 있다. 도3에 도시한 바와 같은 밀폐형 압축기에 관하여 마모 미끄럼 이동 시험을 실시한 결과, 이들 각 미끄럼 이동부 중 콘로드-피스톤 연결부에 있어서의 마모가 가장 현저해지는 것을 알 수 있었다.

콘로드-피스톤 연결부의 마모량이 커지는 원인에 대해 검토한 결과, 콘로드-피스톤 연결부는 다른 미끄럼 이동부와 비교하여 미끄럼 이동 형태가 상이한 것이 판명되었다. 그리고, 그 미끄럼 이동 형태의 차이는 밀폐형 압축기의 운전시에 있어서의 미끄럼 이동부의 운동에 기인하고 있는 것을 알 수 있었다.

여기서, 각 미끄럼 이동부에 있어서의 1 사이클의 미끄럼 이동 거리를 생각한다. (A) 콘로드-피스톤 연결부는 콘로드와 피스톤의 상대 운동에 의해 생기는 미끄럼 이동부이다. 피스톤측으로부터 보면, 볼 조인트 구조 부분에서 콘로드가 소정 각도만큼 왕복 회전 운동한다. (B) 피스톤-실린더 미끄럼 이동부는 피스톤과 실린더의 상대 운동에 의해 생기는 미끄럼 이동부이고, 크랭크 핀의 편심량에 따른 거리의 왕복 운동을 행한다. (C) 크랭크샤프트-콘로드 미끄럼 이동부는 크랭크샤프트(크랭크 핀)와 콘로드의 상대 운동에 의해 생기는 미끄럼 이동부이며, 콘로드의 래디얼 베어링부에 있어서 1 사이클로 1 회전하는 운동이 된다. (D) 주축부의 미끄럼 이동부는 전동 요소에 의한 크랭크샤프트의 회전 운동에 의한 것이며, 1 사이클로 1 회전하는 운동이 된다.

이들 (A) 내지 (D)의 미끄럼 이동부에 있어서의 운동 형태를 분류하면, (A) 콘로드-피스톤 연결부가 저속의 왕복 운동인 것에 반해, (B) 피스톤-실린더 미끄럼 이동부는 고속의 왕복 운동, (C) 크랭크샤프트-콘로드 미끄럼 이동부 및 (D) 주축부의 미끄럼 이동부는 고속의 회전 운동이다. 그리고, 저속 왕복 운동이 되는 콘로드-피스톤 연결부에서는 냉매 압축시의 하중이 가해지기 쉬운 경우도 있어, 경계 윤활이 되기 쉽다. 이에 대해, 다른 미끄럼 이동부는 운동 형태 혹은 부하의 방향 등의 관계로부터 유체 윤활이 유지되기 쉽다. 이들 관계는 표1과 같이 정리된다.

또, 여기서 말하는 고속/저속은 상대적인 것이지만, 본 실시예에 있어서는 미끄럼 이동 속도가 가장 작아지는 미끄럼 이동부로서 콘로드-피스톤 미끄럼 이동부를 들고 있다. 또한, 왕복 운동은 피스톤-실린더 미끄럼 이동부와 같이 원통면 간의 미끄럼 이동에 의한 직선형의 왕복 운동뿐만 아니라, 콘로드-피스톤 미끄럼 이동부와 같이 구면간의 미끄럼 이동에 의한 회전형의 왕복 운동도 포함하는 것으로, 왕로와 복로가 공통되는 운동을 나타내고 있다.

[표1]

미끄럼 이동 부위		운동의 분류	미끄럼 이동 형태
(A)	콘로드-피스톤	저속 왕복 운동	경계 윤활
(B)	피스톤-실린더	고속 왕복 운동	유체 윤활
(C)	크랭크샤프트-콘로드	고속 회전 운동	유체 윤활
(D)	주축부	고속 회전 운동	유체 윤활

미끄럼 이동 형태가 경계 윤활이 되면, 금속면끼리의 접촉이 우려되고, 이 때 마모나 발열이 현저해지게 된다. 따라서, 콘로드-피스톤 연결부에 있어서의 미끄럼 이동 형태가 경계 윤활로 되어 현저한 손상이 일어나지 않는 대책이 필요해진다. 그래서, 본 실시예의 밀폐형 압축기에 있어서, 저속 왕복 운동의 미끄럼 이동부에 관하여 한층 더 검토를 행하였다.

본 실시예의 밀폐형 압축기에 있어서는, 피스톤(4)의 내구면(4a)과 콘로드(2)의 구체부(2a)가 콘로드-피스톤 연결부에 상당한다. 상술한 바와 같이, 내구면(4a)의 안쪽에는 오목부(4a')가 마련되고, 콘로드(2)의 구체부(2a)는 일부가 절결되어 평면부(2a')로 되어 있으므로, 실제로 미끄럼 이동에 관한 부분은 작게 되어 있다. 구체적으로는, 내구면(4a)에 있어서의 미끄럼 이동부는 도4의 (b)에 도시하는 θ41 각도 부분 및 도4의 (c)에 도시하는 θ42 각도 부분이고, 구체부(2a)에 있어서의 미끄럼 이동부는 평면부(2a')를 제외한 부분이다.

이 콘로드-피스톤 연결부에 있어서의 접촉 응력이 높아지면, 경계 윤활이 발 생하기 쉬워진다고 가정하고, 헤르츠 응력에 의한 평가를 행하였다.

상기 구조를 갖는 콘로드-피스톤 연결부에 있어서의 접촉 응력(헤르츠 응력)은 접점부의 곡률ㆍ접점부의 하중(N)ㆍ재료 특성[영률(E), 푸아송비(poissons rate)(υ)]으로 부여된다. 즉, 접점부인 피스톤(4)의 내구면(4a)의 곡률(R), 상기 접점부가 되는 콘로드(2)의 구체부(2a)의 곡률(r), 접점부의 하중(P), 피스톤재의 영률(E_R), 콘로드재의 영률(E_r), 피스톤재의 푸아송비(υ_R), 콘로드재의 푸아송비(υ_r)로 하면, 접촉면 반경(a₁)은 하기식으로 나타난다. 이 때, 헤르츠 응력(p_max) = 3P/(2πa₁ ²)가 된다. 단, 오목면일 때의 곡률은 음의 값으로서 산출한다. 이하, p_max를 헤르츠 응력이라 한다.

[수1]

상술한 바와 같이 본 실시예에서는, 구체부(2a)의 일부가 절결되어 있고, 또한 내구면(4a)의 내측에 오목부(4a')가 마련되어 있으므로, 그만큼 미끄럼 이동부의 접촉면이 작아지는 경향이 있다. 또한, 구체부(2a)와 내구면(4a)은 진구(眞球)에 근사하게 평가되지만, 가공 상의 오차나 조립 오차, 혹은 실제 운전 상태에 있어서의 회전의 편심량 등을 고려하면, 실기에 있어서의 콘로드-피스톤 연결부의 접촉 응력(접촉 면압)은 국부적으로는 더욱 커지는 것이 예상된다. 즉, 상기의 식으 로부터 얻게 되는 이론 접촉 응력보다도, 실기에 있어서의 접촉 응력(접촉 면압)이 높아지는 것이 상정된다.

신뢰성 저하의 원인에 대해, 더욱 고찰을 가한다. 도3에 도시한 바와 같이 피스톤(4)과 콘로드(2)는 볼 조인트 기구에 의해 연결된다. 이 때, 피스톤(4)의 내구면(4a)의 직경은 콘로드(2)의 구체부(2a)의 직경보다도 약간 크게 설정되고, 양자 사이에는 클리어런스가 존재한다. 이 클리어런스에는 냉동기유가 오일막을 형성함으로써 마모를 억제하는 동시에, 밀폐형 압축기의 안정적인 운전이 행해진다.

내구면(4a)의 직경과 구체부(2a)의 직경의 차가 작아지면, 양자의 접촉은「면 접촉」에 근접해 가므로, 헤르츠 응력이 작아진다. 한편, 클리어런스가 작아져 버리므로, 냉동기유가 유입하기 어려워지게 된다. 또한, 제조 오차 등을 고려하면, 소정 치수보다도 클리어런스를 작게 하는 것은 어렵다.

내구면(4a)의 직경과 구체부(2a)의 직경의 차가 커지면, 양자의 접촉은「점 접촉」에 근접해 가므로, 헤르츠 응력이 커진다. 또한, 탁상 계산에서는, 외관상 클리어런스는 커지지만, 접촉이 국소적으로 되기 쉬워, 이 접촉 부분에 냉동기유를 충분히 공급할 수는 없다.

그래서, 내구면(4a)과 구체부(2a)의 클리어런스를 양자의 반경의 차라 정의하고, 이 정의된 클리어런스를 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛로 하였을 때의 헤르츠 응력과, 상기 헤르츠 응력에 있어서의 마모 미끄럼 이동 시험에 있어서의 신뢰성 평가와의 관계에 대해 조사한 결과, 표2를 얻었다. 접촉부의 하중으로서는, 국소적인 접촉 을 고려하여, 대표적인 하중으로서 411 N으로 설정하였다. 또한, 냉동기유에는 이소부탄 등의 HC 냉매와 상용성이 좋은 광유를 사용하였다.

[표2]

결과에 있어서의 기호는 각각 다음의 의미를 나타낸다.

◎ : 양호

○ 내지 △ : 실용상 문제 없는 레벨

× : 실용상 불가 레벨

이들 결과로부터, 헤르츠 응력을 10 ㎫ 이하로 하기 위해서는, 클리어런스를 1 ㎛ 정도 혹은 그 이하로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 밀폐형 압축기 내에 존재하는 미끄럼 이동부의 마모를 억제하여 신뢰성의 향상을 도모하기 위해서는, 미끄럼 이동부의 헤르츠 응력을 10 ㎫ 이하로 억제하는 구조를 채용하는 것이 유효하다.

그러나, 일품 제조품과 같은 비양산품이면 클리어런스를 작게 하기 위해 연마하는 등이 가능하지만, 대량 생산을 행하는 것을 전제로 하는 경우에는 상술한 바와 같이 제조 오차나 조립 오차 등이 있어, 소정 치수보다도 클리어런스를 작게 하는 것은 어렵다. 또한, 미끄럼 이동면이 되는 콘로드(2)나 피스톤(4)에 수증기 처리나 질화 처리를 행하는 경우에는 질화막 등의 표면의 막두께를 컨트롤해야만 해, 제조상 매우 높은 비용이 되어 버린다. 그래서, 접촉 면압을 증대시키는 다른 요인에 대해 검토를 행하였다.

이외에 접촉 면압이 증대하는 원인으로서는, 이물질의 혼입, 미끄럼 이동부의 형상에 기인하는 것이 크다고 생각된다. 그래서, 피스톤-콘로드 연결부에 있어서의 미끄럼 이동의 문제에 관해서는, 윤활유 공급 경로의 확보를 위한 구조[오목부(4a'), 관통 구멍(2g), 평면부(2a') 등]를 채용하면서도, 미끄럼 이동부의 형상의 최적화를 도모하였다. 구체적으로는, 오목부(4a')의 주위의 에지 등과 같은 마모의 원인이 되는 부위와 콘로드(2)의 구체부(2a)와의 접촉을 회피하는 구조로 하였다. 또한, 오목부(4a')에 저장되기 쉬운 이물질을 오목부의 외측으로 배출하기 위한 배출 홈을 콘로드(2)의 구체부(2a)에 설치해도 좋다.

다음에, 윤활유에 대해 검토를 행하였다. 미끄럼 이동부로의 윤활유 공급 부족에 관해서는, 윤활유 공급 구조의 확보[상술한 오목부(4a'), 관통 구멍(2g), 평면부(2a') 등]와 함께, 포밍 발생을 회피하는 것을 검토하였다(포밍에 대해서는 후술). 또한, 발열의 문제에 관해서는, 미끄럼 이동부 재료나 냉동기유의 내력(耐力) 부족이 마모 진행의 원인으로 생각되고, 미끄럼 이동부 재료의 선정과 냉동기유의 특성에 대해 검토하였다. 냉동기유의 특성으로서는, 파렉스 소부 한계 하중(시험 방법 : ASTM D3233)에 대해 평가를 행하였다. 이하, 단순히 소부 한계 하중이라는 경우에는, 이 파렉스 시험에 의한 것을 나타내고 있다.

대량 생산에 적합한 밀폐형 압축기에 있어서의 콘로드-피스톤 연결부(볼 조인트 연결부)의 헤르츠 응력에 대해 검토한다. 원통 형상의 피스톤(4)의 외경(직경)을 26.2 ㎜로 하고, 이 때, 피스톤(4)의 선단부에 가해지는 압력 부하의 최대치는 대략 1 ㎫에 미치고, 볼 조인트부에 가해지는 하중은 약 400 내지 500 N이 된다.

대량 생산성을 고려하여 철계 재료에 의한 피스톤재와 콘로드재를 선정하는 데 있어서는, 강도나 가공성의 적합성으로부터, (A) 단조에 의한 강재(단조재), (B) 주조에 의한 주물(주조재), 혹은 (C) 소결에 의한 소결재가 고려된다. 소결재는 가공이 용이하므로 비용도 낮게 억제할 수 있지만, 마모 미끄럼 이동 특성의 관점에서는, (A) 단조재가 가장 우수하고, (C) 소결재가 가장 열화되어 있다. 따라서, 소결재를 이용해도 마모 미끄럼 이동의 내성을 확보할 수 있으면, 첫째로 저비용화가 가능하고, 둘째로 다른 재료를 이용해도 마모 억제가 가능하다고 생각된다.

본 실시예에 있어서의 피스톤(4)은 영률(E)이 110 ㎬, 푸아송비(υ)가 0.23인 철계 소결재(JIS 규격 : SMF4040)를 이용하고, 콘로드(2)에는 영률(E)이 100 ㎬, 푸아송비(υ)가 0.21인 철계 소결재(JIS 규격 : SMF4020)를 각각 이용하고 있다. 그리고, 피스톤(4)의 내구면(4a)의 내구 직경을 13 ㎜로 하고, 클리어런스 치수를 3 ㎛ 이상으로 하였다. 즉, 헤르츠 응력은 10 ㎫ 이상이 된다.

표2에 나타낸 바와 같이, 헤르츠 응력(이론 접촉 응력)이 10 ㎫보다도 높아지면, 마모에 의한 신뢰성 저하가 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 그래서, 10 ㎫를 초과하는 헤르츠 응력이 생기는 밀폐형 압축기에 관하여, 복수의 냉동기유를 이용하여 미끄럼 이동부의 미끄럼 이동 마모 시험을 실시하였다. 표3은 냉매의 토출 압력 1.7 ㎫로 하고, 4900 rpm의 조건에서 장기간 미끄럼 이동 마모 시험을 행한 경우의 피스톤과 콘로드간의 마모량을 측정한 결과를 나타내는 것이다.

[표3]

냉동기유	파라핀계 광유(VG8)	파라핀계 광유(VG10)	에스테르유
미끄럼 이동 마모 시험 결과	×	×	○

냉동기유에 광유를 이용한 경우에는, 토출 압력 1.7 ㎫, 회전수 4900 rpm의 조건에 있어서 큰 마모가 발생하였으므로, 신뢰성이 우려되는 결과가 되었지만, 에스테르유(VG8, VG10)를 이용한 경우에는 눈에 띄는 마모는 확인할 수 없었다.

도8은 압력 조건을 바꾸어 시험을 실시한 경우에 있어서의 마모 추이를 나타내는 그래프이다. 냉매의 토출 압력은 미끄럼 이동부에 있어서의 하중과 밀접한 관계가 있다. 토출 압력이 커지면, 콘로드(2)가 피스톤(4)을 누르는 힘이 커지기 때문이다. 따라서, 토출 압력이 커지면, 콘로드-피스톤 연결부에 있어서의 접촉 응력이 커진다.

도8에 도시한 바와 같이, 냉동기유에 광유를 이용한 경우에는 시간과 함께 마모가 진행되어 간다. 도면에 있어서는, 토출 압력을 1.7 ㎫, 1.6 ㎫, 1.39 ㎫로 한 경우의 마모량의 시간 추이를 나타내고 있지만, 토출 압력을 작게 한 경우라도 마모의 진행이 완만해질 뿐이고, 경향으로서는 특별히 변화는 보이지 않았다.

한편, 냉동기유로서 에스테르유를 이용한 경우에는, 광유의 경우와 경향이 크게 달랐다. 다소 마모의 진행은 있지만, 서서히 완만해져 일정한 마모량의 범위 내에 들어가는 것을 알 수 있었다. 그리고, 클리어런스를 5 내지 10 ㎛로 한 각 시험기에 있어서도 동일한 경향을 얻을 수 있었다. 즉, 클리어런스가 5 ㎛ 이상이 되고, 헤르츠 응력이 20 ㎫를 초과하는 경우라도 마모를 억제할 수 있는 결과를 얻었다.

도9는 파라핀계 광유(VG10)와 에스테르유를 이용한 경우에 있어서의 경계 윤활을 상정한 마모 미끄럼 이동 시험 결과이며, 마모 시험기에 하중을 가하여 미끄럼 이동시킨 경우에 있어서의 마찰 계수와 윤활유의 유온의 변화를 나타내고 있다. 종축은 마찰 계수(μ), 유온(℃) 및 하중(kgf)을 나타내고, 표기상의 상태로부터 하중의 단위를 kgf로 하고 있다. 피스톤재 및 콘로드재에는 상술한 것과 특별히 변함없고, JIS 규격 : SMF4040, JIS 규격 : SMF4020의 철계 소결재를 이용하여 각각의 소결 입자의 입자간 간극을 수증기 처리에 의해 사삼산화철의 형성으로 밀봉한 것, 혹은 이 수증기 처리와 가스 연질화 처리가 복합된 것을 사용하였다.

도면에 있어서, 광유와 에스테르유를 비교하면, 광유의 경우에는 마찰 계수와 유온의 변동이 크고, 에스테르유는 마찰 계수와 유온이 안정되게 추이하고 있다. 마찰 계수나 유온의 변동은 미끄럼 이동면의 표면 상태의 변화나 마찰 발열의 거동을 나타내는 것으로 생각된다.

즉, 광유의 예에서는, 표면 상태가 크게 변화하여 마모에 이를 가능성이 높다. 또한, 미끄럼 이동면의 윤활성이 떨어지면, 유온의 상승을 초래하게 된다. 유온이 과잉으로 상승하면, 성능면 혹은 신뢰성면에서도 바람직하지 않으므로, 이것을 회피하는 것이 필요해진다. 에스테르유의 예에서는, 하중의 부하시에 약간의 변동은 있지만, 마찰 계수ㆍ유온 모두 거의 일정한 범위에 들어가 있다. 이는 미끄럼 이동면이 충분히 윤활되어 있는 것을 나타내고 있다.

이들 결과에 대해 고찰하여 다음의 지견을 얻었다. 첫째로, 마모의 요인이라 생각되는 미끄럼 이동부의 발열은, 재료의 내력 부족과 함께, 냉동기유의 윤활성, 특히 소부 한계 하중이 기여하고 있는 것을 알 수 있었다. 둘째로, 냉동기유에는 에스테르유가 적합하고, 특히 발열하기 쉬운 미끄럼 이동부에서의 윤활성을 유지하기 위해서는 에스테르유 중에서도 열 안정성이 우수한 것이 유효한 것을 알 수 있었다. 이들 지견을 기초로, 바람직한 냉동기유에 관해서는 이하의 것을 말 할 수 있다.

본 실시예에 있어서의 냉동 장치에 적합한 에스테르유로서는, 다가 알콜과 1가의 지방산으로 합성되고, 열 안정성이 우수한 힌더드 타입(hindered type)이 바람직하다. 여기서 말하는 힌더드 타입의 에스테르라 함은, 수산기의 β 탄소 상에 수소 원자를 갖지 않는 에스테르를 말한다. β 탄소 상에 수소 원자를 갖고 있는 알콜의 에스테르(비힌더드)에서는 가열에 의해 β 탄소 상의 수소 원자와 에스테르 결합의 산소 원자가 근접하여, 6원환 구조의 중간체를 형성하므로, 낮은 에너지에서 열분해를 일으키기 쉽다. 힌더드 에스테르는 β 탄소 상에 수소 원자를 갖지 않으므로 6원환 구조를 취할 수 없으므로, 낮은 에너지에서는 열분해하지 않고, 고온에서 프리 래디컬적(free radical) 열분해를 일으킨다(이나바케이이찌ㆍ히라노지로 편저:「신판 지방산 화학 제2 판」; 사이와이쇼보오). 따라서, 본 실시예에서는 열 안정성이 우수한 구조를 갖는 힌더드 에스테르를 사용하는 것으로 하였다.

예를 들어, 다가 알콜로서는, 네오펜틸글리콜, 트리메티롤프로판, 펜타에리스리톨이 있다. 1가의 지방산으로서는, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 2-메틸부탄산, 2-메틸펜탄산, 2-메틸헥산산, 2-에틸헥산산, 이소옥탄산, 3, 5, 5-트리메틸헥산산 등이 있고, 이들 단독 또는 2종류 이상의 혼합 지방산을 이용한다.

특히, 냉동기유의 기유(基油)로서, 분자 중에 에스테르 결합을 적어도 2개 보유하는 하기의 일반식 (1) 내지 (3)으로 나타내는 지방산의 에스테르유의 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 바람직하다.

[화학식 1]

[화학식 2]

[화학식 3]

단, 식 중 R₁ 및 R₂는 하기와 같다.

R₁ : H 또는 탄소수 1 내지 3의 알킬기

R₂ : 탄소수 5 내지 12의 알킬기

대표적인 1가 지방산과 다가 알콜의 화학 합성된 에스테르는, 표4와 같은 동점도 또는 동점성 계수(4O ℃, cSt)를 나타낸다.

[표4]

	네오펜틸글리콜	트리메티롤프로판	펜타에리스리톨
2에틸부탄산	4.7	18.7	45.4
헵탄산	5.0	-	-
2메틸헥산산 2에틸펜탄산 2에틸헥산산	5.3	15.6	28.4
2에틸헥산산	7.4	24.8	47.6
3.5.5트리메틸헥산산	12.9	51.5	112.9

이들 지방산 에스테르는 윤활유의 기유로서, 적당량 혼합함으로써, 표준 동점도 그레이드[VG : 40 ℃일 때의 동점성 계수(cSt)]가 조제된다.

예를 들어, 표준 점도(VG5)는 네오펜틸글리콜과 헵탄산의 에스테르유의 단독, 혹은 저점도유의 2에틸부탄산과 네오펜틸글리콜의 에스테르와 기타 고점도 에 스테르유를 혼합 조제하고, 또한 VG8, VG10, VG15, VG22, VG32는 같은 개념을 기초로, 저점도의 네오펜틸글리콜에스테르유와 고점도의 펜타에리스리톨에스테르유를 적당량 혼합하여 원하는 점도로 매우 작게 조제할 수 있다.

또, 에스테르유에 산화 방지제, 산포착제, 소포제, 금속 불활성제 등을 첨가해도 좋다. 지방산은 불포화 지방산을 포함하지만, 불포화 지방산을 이용하는 경우에는 특히 산화 방지제를 첨가하는 것이 유효하다. 냉동기유에 불포화 지방산을 이용한 것을 사용하면 윤활성이 향상되는 것이 있고, 이 때, 미끄럼 이동 특성의 향상이 도모된다.

상술한 시험 결과로부터 냉동기유의 내력이 신뢰성에 큰 영향을 미치는 것이 판명되었으므로, 각 냉동기유의 소부 한계 하중에 대해 평가를 행한 것이 표5이다.

[표 5]

냉동기유	파라핀계 광유(VG8)	파라핀계 광유(VG10)	힌더드에스테르
소부 한계 하중(N)	1400	1600	3800

이 결과로부터 명백한 바와 같이, 힌더드에스테르유(VG8, VG10)의 소부 한계 하중은 광유와 비교하여 매우 높고, 미끄럼 이동 마모 시험 결과로부터 헤르츠 응력이 10 ㎫를 초과하는 밀폐형 압축기라도 신뢰성의 향상을 도모할 수 있는 것을 알 수 있었다.

그래서, 힌더드에스테르유(이하, 에스테르유로 줄임)를 냉동기유에 이용한 경우에 있어서, 더 고찰을 행하기 위해 점도 그레이드를 VG5, VG10, VG15, VG22, VG32의 범위에서 토출 압력 2.0 ㎫로서 고압 시험을 실시하였다. 이와 같은 가혹 한 조건하에 있어서도 미끄럼 이동부가 소부하는 일은 없어 마모의 발생을 억제할 수 있었다. 또한, 소부 한계 하중이 다른 냉동기유를 이용한 시험 결과로부터, 소부 한계 하중이 3000 N을 초과하는 냉동기유를 이용하면, 미끄럼 이동부의 헤르츠 응력이 10 ㎫를 초과하는 환경하에 있어서도 높은 신뢰성을 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 3000 N의 기술적 의의에 대해서는, 이후에 검토를 부가한다.

다음에, 피스톤(4) 및 콘로드(2)의 재질과 소부 한계 하중에 대해 검토하였다. 도10은 피스톤(4)으로서, 수증기 처리에 의해 밀봉 처리된 철계의 소결재(JIS 규격 : SMF4040)를 이용한 경우에 있어서의 냉동기유의 소부 한계 하중을, 콘로드 시험편을 이용하여 측정한 것이다. 냉동기유로서는 파라핀계 광유(VG10)와 에스테르유에 대해 나타냈다.

또, 콘로드재로서는 수증기 처리 및 가스 연질화 처리를 실시한 철계의 소결재(JIS 규격 : SMF4020)를 이용하고, 십점 평균 거칠기(Rz)가 0.1 내지 0.2 ㎛인 것을 사용하였다. 콘로드재에 가스 연질화 처리를 실시한 이유 중 하나는 경도를 높이는 데 있다. 즉, 피스톤(4)과 콘로드(2)의 미끄럼 이동계는 정지하는 피스톤에 대해 콘로드(2)가 운동하여, 이 양자의 상대적인 운동에 의한 미끄럼 이동이 생기는 것이지만, 양자의 경도가 가까우면 문제를 일으키는 경우가 많다. 그래서, 미끄럼 이동계에 있어서의 운동측 콘로드재의 경도를 높이는 것이다.

도10에 도시한 바와 같이, 실기(actual aquipment)에 입각한 형상에 있어서도 에스테르유의 소부 한계 하중은 광유와 비교하여 매우 높고, 냉동기유로서의 내 력이 우수한 것을 알 수 있다. 실제로, 압축기의 운전 환경의 가혹화에 수반하여, 미끄럼 이동부에의 하중이 증대하거나, 압축기의 고속 회전화가 되어도 충분히 윤활 성능을 발휘할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

도11은 에스테르유를 윤활유로서 이용한 경우에 있어서의, 콘로드(2)의 미끄럼 이동면[구체부(2a)]의 면 거칠기와 소부 한계 하중과의 관계를 나타내는 것이다. 구체적으로는, 십점 평균 거칠기(Rz)가 0.1 내지 0.2 ㎛, 0.4 내지 0.6 ㎛, 1.2 내지 1.5 ㎛로 한 경우의 소부 한계 하중을 시험재를 이용하여 평가한 것이다. 도11에 나타낸 바와 같이, 콘로드의 면 거칠기에 다소의 변동이 발생해도 소부 한계 하중의 큰 차이는 확인할 수 없었다.

그래서, 미끄럼 이동면의 십점 평균 거칠기(Rz)의 값이 길들임 운전 후에 있어서 0.4 ㎛ 내지 2.2 ㎛가 되는 범위에서 흔들어 실기 시험을 실시하였다. 구체적으로는, 냉매 R600a를 180 g 봉입하고, 토출 압력 2.0 ㎫, 회전수 4900 rpm의 조건 하에서 운전하고, 그 후에 미끄럼 이동부의 마모를 확인하였다. 그 결과, 어느 쪽의 면 거칠기의 경우도 피스톤 내구면(4a) 및 콘로드 구체부(2a)에 큰 마모의 진행은 볼 수 없어, 양호한 결과를 얻었다. 이는, 에스테르유가 갖는 금속면에의 흡착성의 높이에 따라 다소의 면 거칠기의 차이가 있어도 윤활성이 확보되기 때문이라 생각된다. 이와 같이, 시험 운전 후의 십점 평균 거칠기(Rz)가 0.1 내지 2.2 ㎛에 있어서는, 마모 억제 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

또, 상세한 설명은 생략하지만, 광유를 이용한 경우에는, 면 거칠기에 의해 소부 한계 하중은 크게 변화하였다. 이것으로부터, 표면 거칠기에 의해 마모 특성 이 변화되는 것이 상정된다. 즉, 에스테르유를 이용함으로써, 적어도 Rz가 0.1 내지 2.2 ㎛의 범위 내에 있어서는 표면 거칠기에 의한 윤활성에의 영향을 작게 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이들 결과로부터, 다소의 면 거칠기의 변동은 있어도, 에스테르유에 의한 마모 억제 효과가 유지되는 것, 및 소부 한계 하중에 의한 냉동기유의 평가가 유효한 것을 알 수 있었다.

그래서, 미끄럼 이동부의 헤르츠 응력과 냉동기유의 내력을 나타내는 소부 한계 하중과의 상관에 대해, 시험 결과를 기초로 하여 고찰을 행하였다. 지금까지의 시험 결과 등으로부터, 소결재를 이용한 경우라도 소부 한계 하중이 3000 N을 넘는 냉동기유를 이용하면, 충분한 마모 억제 효과가 발휘된다고 하는 예상을 얻을 수 있었지만, 또한 헤르츠 응력과 소부 한계 하중과의 관계로부터 고찰을 가하는 것이다.

도12는 파렉스 시험에 있어서의 접촉점의 하중의 개념도이다. 시험기(101)에 끼워진 시험편(102)을 하중(P)으로 압박하면 4개의 점에서 시험기(101)와 시험편(102)이 접촉한다. 따라서, 이들 접촉점에 있어서는 하중(P)과 동일 방향으로 P/4의 하중이 가해지게 된다. 도12에 있어서, 대표 접촉점으로서 좌측 상부의 접촉점을 예로 설명하면 수직 방향의 하중(P_f)은 하중(P)을 이용하여 표기하면, P√2/8이 된다. 따라서, 소부 한계 하중이 3000 N인 에스테르유를 이용한 경우, 접촉점에 있어서는, 약 530 N의 부하가 가해진 상태에 상당한다.

이 검토로부터, 다음의 지견을 유도할 수 있다. 상술한 바와 같이, 볼 조인트부에 가해지는 하중은 통상의 사용 태양에 있어서는 약 400 내지 500 N이다. 따라서, 마모 시험 결과로부터 얻어진「3000 N을 넘는 소부 한계 하중의 에스테르유를 이용하면 충분한 마모 억제 효과를 얻을 수 있다」는 예상은 다음의 사실에 의해 설명할 수 있다.

ㆍ윤활유에 의해 유체 윤활을 확보할 수 있는 하중(= 약 530 N)이 실제의 볼 조인트부에 가해지는 하중(약 400 내지 500 N)보다 큰 것.

ㆍ광유는 유체 윤활을 유지할 수 있는 정도의 소부 한계 하중보다 작았기 때문에, 마모가 진행되어 버린 것.

환언하면, 소부 한계 하중을 응력으로 환산한 값이 경계 윤활이 되기 쉬운 저속 왕복 운동이 되는 미끄럼 이동부[예를 들어, 콘로드(2)와 피스톤(4)과의 미끄럼 이동부]에 있어서의 접촉 응력으로서 환산된 헤르츠 응력보다도 커지는 냉동기유로 이용함으로써, 마모의 과잉 진행을 억제하는 것이 가능하다.

이들은 철계의 소결재를 이용한 경우에 있어서의 평가이다. 따라서, 단조재나 주조재를 이용한 경우에는 동일 형상이라도 물성이 다르고, 마모 미끄럼 이동특성도 변화된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 소결재에 있어서도 마모의 진행이 억제되어 있는 것을 비추어 보면, 단조재나 주조재에 있어서도 당연히 마모 억제가 도모되는 것은 자명하다. 사실, 시험편을 이용한 시험 레벨에 있어서는, 다른 재료라도 마모에 대한 높은 내성을 나타내는 것을 확인하였다.

또, 소부 한계 하중을 향상시키기 위해서는, 에스테르유를 이용하는 것 이외 에도 첨가제를 사용하는 방법을 생각할 수 있다. 예를 들어, 광유에 인계의 극압 첨가제의 인산에스테르(TCP) 등을 첨가함으로써 소부 한계 하중을 높일 수 있고, 미끄럼 이동에 대한 내력을 높이는 것이 가능하다. 또한, 폴리알킬렌글리콜(PAG)은 같은 첨가제에 의해 소부 한계 하중이 에스테르유보다도 높고, 내력이 우수하다.

그러나, 에스테르유는 분자 구조 중에 에스테르 결합을 구비하고, 금속 표면에 대한 흡착 작용을 갖는 것에 대해, 첨가제를 이용한 경우에는, 냉동 장치의 사용이 계속되면 서서히 첨가제가 소비되어 버린다. 따라서, 장기 사용에 의한 신뢰성의 저하를 피할 수 없다. 또한, PAG는 윤활성이 떨어지는 난점이 있다. 모두 장기 신뢰성의 확보의 관점에서 열화되어 에스테르유의 사용이 바람직하다고 할 수 있다. 실제로, 도8에 도시한 바와 같이 운전 시간이 1000시간을 넘어도 윤활 성능의 저하는 보이지 않고, 안정된 운전을 실현할 수 있다.

다음에, 냉동기유의 기포 생성에 대해 검토를 행하였다. 밀폐 용기 내에 있어서의 기포 생성으로서는, 급비등(bumping)에 의한 것 외에, 교반 작용에 의한 기포 생성을 들 수 있다. 냉동기유가 기포가 생성되어 버리면 미끄럼 이동부에 대한 윤활유의 공급이 불충분해지므로, 이것을 회피하는 것이 필요하다. 특히, 윤활유가 기포가 생성되기 쉬운 경우, 혹은 기포가 생성된 상태로부터 복귀되기 어려운 경우에는, 미끄럼 이동부에의 급유의 확보가 곤란해진다.

그래서, 기포 생성 시험(JIS K2518)의 결과로부터, 밀폐형 압축기나 냉동 장치에 있어서의 윤활성에 미치는 영향에 대해 평가 및 확인을 행하였다. 냉동기유 로서, JIS K2518 시험에 있어서의 기포 생성성이 50 ㎖ 이하(24 ℃, 93.5 ℃ , 93.5 ℃ 내지 24 ℃), 기포 안정성이 10 ㎖ 이하(24 ℃, 93.5 ℃, 93.5 ℃ 내지 24 ℃)가 되는 에스테르유를 이용한 결과, 밀폐형 압축기 및 냉동 장치에 있어서의 신뢰성에 큰 영향은 확인되지 않았다.

급비등에 관해서는, 에스테르유를 이용함으로써, 광유보다도 분명하게 억제되었다. 이 이유로서, 냉매와의 상용성의 차이를 들 수 있다. 즉, 에스테르유는 HC 냉매와 상용성이 우수하지만, 광유만큼은 용해하지 않는다. 따라서, 압축기 기동시에 있어서의 급비등를 억제할 수 있고, 이상음(異音) 발생을 방지할 수 있다. 또한, 냉매에의 용해가 광유와 비교하여 적기 때문에, 상용 상태에 있어서의 실점도를 유지할 수 있고, 신뢰성의 향상에 기여할 수 있다. 실제로, 냉동기유의 점도가 40 ℃에 있어서의 동점성 계수로 5 내지 32 cSt가 되는 에스테르유를 이용함으로써, 신뢰성의 확보를 얻을 수 있는 동시에, 바람직하게는 5 내지 15 cSt의 것은 냉동 장치의 고효율화도 가능해지는 것을 확인할 수 있었다.

구체적으로는, 도1에 나타낸 바와 같은 냉동 장치에 상기에서 설명한 냉매 및 냉동기유를 이용한 밀폐형 압축기를 접속한 결과, 에스테르유의 점도가 5 cSt 미만인 것에 있어서는, 약간의 마모의 진행을 확인할 수 있지만, 5 cSt 이상의 에스테르유를 이용함으로써 특별한 문제는 생기지 않았다. 또한, 밀폐 용기 내가 저압인 소위 저압 챔버형 압축기에 있어서는, 에스테르유의 점도를 15 cSt 이하로 함으로써 냉동 장치로서의 효율이 문제가 없는 범위에 들어가는 것을 확인하였다.

이와 같이 에스테르유의 점도가 5 내지 15 cSt라는 낮은 점도에 있어서도 신 뢰성의 확보와 고효율화가 가능해진 이유로서는, 다음의 것을 생각할 수 있다. 에스테르유는 금속 표면과의 흡착성이 우수하므로, 5 cSt 정도의 낮은 점도라도 미끄럼 이동부의 마모 억제 효과를 발휘한다. 미끄럼 이동부에 점도가 높은 윤활유가 개재하면, 미끄럼 이동의 저항이 되어 운전 효율이 저하되는 경향이 있지만, 점도가 낮은 윤활유의 경우에는 저항이 작아 효율을 높일 수 있다. 이들 검토로부터, 40 ℃에 있어서의 동점성 계수가 5 내지 15 cSt의 에스테르유를 이용함으로써, 미끄럼 이동의 저항을 작게 하면서도 마모의 억제를 행할 수 있고, 결과적으로 신뢰성 확보와 고효율화의 양립이 가능해진다.

마찬가지로, 이들 검토의 결과로부터, 에스테르유 자체가 갖는 특성으로서, 금속 표면과의 높은 흡착성을 구비하고 있기 때문에, 광유와 혼합된 냉동기유를 이용한 경우에 있어서도 같은 작용 효과를 기대할 수 있다.

다음에 냉매의 봉입량에 대해 서술한다. 본 실시예에서 이용되는 HC 냉매는 가연성이고, 냉동 장치 내에 봉입되는 양을 저감하는 것이 요구되고 있다. 냉동기유에 에스테르유를 이용하면, 냉매 봉입량을 저감시켜 냉동 장치의 안전성을 높이는 것에도 효과가 있다. 그 이유는 이하와 같다.

이소부탄 등의 HC 냉매를 사용하는 경우에 있어서, 에스테르유는 광유보다도 용해성이 내려간다. 이 용해성의 차이에 의해, 상술한 바와 같이 포밍 억제 효과가 있지만, 그뿐만 아니라 냉매 봉입량의 저감에도 효과가 있다. 왜냐하면, 냉매가 동일한 만큼 봉입되는 경우이면, 냉동 사이클에 작용하는 정미(正味)의 냉매량이 냉동기유에 용해되지 않는 분만큼 늘어나기 때문이다. 즉, 냉동기유를 광유로 부터 에스테르유로 바꾸면, 냉동 장치로서 필요해지는 능력을 발휘하기 위한 냉매의 봉입량을 저감시킬 수 있다. 따라서, 가연성 냉매의 봉입량을 억제하여 안정성이 높은 냉동 장치를 제공할 수 있다.

또한, COP(성적 계수)에 관해서도, 광유를 사용한 경우와 다름없는 레벨에 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 에스테르유를 이용한 것에 의한 효율 저하를 초래하지 않고, 같은 정도 혹은 그 이상의 효율을 실현할 수 있었다. 또한, 회전수가 가변인 소위 능력 가변형의 밀폐형 압축기에 있어서는, 운전 회전수의 변화, 즉 고회전화, 혹은 저회전화에 의한 밀폐 용기 내의 온도 변화가 커지는 경향이 있지만, 폭넓은 온도대에서 안정적인 윤활 성능을 유지할 수 있는 힌더드에스테르를 이용함으로써, 각 회전수 영역에 있어서 고효율의 운전이 가능하다.

이상 나타낸 예에서는, 볼 조인트 기구에 의해 연결되는 레시프로컬형 압축기가 이용되는 경우에 대해 설명하였지만, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 소위 스카치 요크식이나 피스톤 핀 방식의 왕복 운동 압축기를 이용하는 경우에 있어서도, 미끄럼 이동부(특히, 저속 왕복 운동이 되는 미끄럼 이동부)의 접촉 응력이 높아지는 경우에는 적용 가능하다.

도1은 본 실시예의 냉동 사이클을 도시하는 도면.

도2는 본 실시예의 냉장고를 도시하는 개념도.

도3은 본 실시예의 밀폐형 압축기의 종단면도.

도4는 피스톤의 내부 구조를 도시하는 도면.

도5는 콘로드의 형상을 나타내는 도면.

도6은 빠짐 방지 부재의 사시도.

도7은 피스톤과 콘로드의 조립 상태를 도시하는 도면.

도8은 마모 추이를 나타내는 그래프.

도9는 마모 미끄럼 이동 시험 결과를 나타내는 그래프.

도10은 냉동기유의 소부 한계 하중을 나타내는 도면.

도11은 면 거칠기와 소부 한계 하중과의 관계를 나타내는 도면.

도12는 파렉스 시험에 있어서의 접촉점의 하중의 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 실린더

2 : 콘로드

2a : 구체부

2a' : 평면부

4 : 피스톤

4a : 피스톤의 내구면

4c : 홈

7 : 크랭크샤프트

10 : 빠짐 방지 부재

10a : 제1 탄성부

10b : 제2 탄성부

10c : 지지부

10d : 회전 규제부

10d' : 볼록 형상부

10e : 연신부

100 : 밀폐형 압축기

101 : 시험기

102 : 시험편

110 : 응축기

111 : 냉매 배관

115 : 드라이어

120 : 캐필러리 튜브

130 : 증발기

Claims

밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 상기 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되고, 상기 콘로드와 상기 피스톤과의 연결부가 미끄럼 이동하는 구조의 밀폐형 압축기에 있어서,

이소부탄(R600a)을 상기 압축 요소로 압축되는 냉매로 이용하고, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 냉동기유로 이용한 밀폐형 압축기.
제1항에 있어서, 상기 피스톤과 상기 콘로드와의 연결부는 상기 피스톤 내부의 내구면과 상기 콘로드의 구체부를 볼 조인트 방식에 의해 연결되어 있고,

상기 콘로드에는 상기 크랭크샤프트의 편심부로부터 상기 연결부까지 연통하여 상기 연결부에 냉동기유를 공급하는 관통 구멍이 마련되고,

상기 피스톤의 내구면과 상기 콘로드의 구체부와의 접촉면에 냉동기유가 공급되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.
밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 상기 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되고, 상기 압축 요소 내에 미끄럼 이동부를 갖는 밀폐형 압축기에 응축기, 감압 기구 및 증발기가 직접적으로 접속된 냉동 장치에 있어서,

이소부탄(R600a)을 상기 압축 요소로 압축되는 냉매로 이용하고, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 냉동기유로 이용한 냉동 장치.
밀폐 용기 내에 압축 요소 및 전동 요소가 수납되고, 상기 전동 요소로 구동되는 크랭크샤프트와 피스톤이 콘로드에 의해 연결되고, 상기 압축 요소 내에 미끄럼 이동부를 갖는 밀폐형 압축기와,

상기 밀폐형 압축기와 단열벽을 사이에 둔 단열 공간 내부에 배치되고 상기 밀폐형 압축기와 함께 냉동 사이클을 구성하는 증발기를 구비하고,

상기 압축 요소로 압축되고, 또한 상기 증발기에서 증발하는 냉매로서 이소부탄(R600a)을 이용하고,

냉동기유로서, 분자 중에 에스테르 결합을 갖는 지방산 에스테르유를 이용한 냉장고.