KR20100138618A - 압축기 및 그 부품의 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기 및 그 마찰부품의 코팅방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 압축기(100)에서 사용되는 부품으로 다른 부품과 마찰되는 피스톤(115), 회전축(140), 사판(148), 슈(150)와 같은 마찰부품(170)에 이황화텅스텐이 포함된 테프론으로 코팅층(WS)을 형성한다. 상기 마찰부품(170)의 표면에 별도로 질화층(N)을 형성한 후에 상기 코팅층(WS)을 형성할 수도 있다. 상기 질화층(N)은 그 표면에 다공성층(N')이 형성되고, 표면이 또한 산화처리된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 압축기가 극한 상황에서 갑작스럽게 작동하여 윤활을 위한 오일의 전달이 다수 늦어지더라도 코팅층(WS)과 질화층(N)의 존재에 의해 마찰이 최소화되므로 압축기의 내구성이 좋아지고 이상 소음 발생이 없어지는 효과가 있다. 또한, 상기 코팅층(WS)의 마찰계수가 낮아 압축기 운전시 소요되는 동력을 저감할 수 있게 되어 효율 향상을 꾀할 수 있다.

압축기, 코팅, 마찰부품

Description

압축기 및 그 부품의 코팅방법{Compressor and method of parts coating thereof}

본 발명은 압축기 및 그 부품의 코팅방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매를 압축하여 공조시스템에서 사용하도록 하는 압축기 및 그 압축기를 구성하는 부품의 코팅방법에 관한 것이다.

도 1에는 종래 기술에 의한 압축기의 구성이 개략단면도로 도시되어 있다. 이에 도시된 바에 따르면, 압축기의 외관과 골격을 실린더블록(11)과 상기 실린더블록(11)의 선단에 결합되는 전방하우징(12) 및 상기 실린더블록(11)의 후단에 결합되는 후방하우징(13)이 형성한다.

상기 실린더블록(11)과 전방하우징(12)을 관통하여서는 회전축(1)이 설치되고, 상기 회전축(1)에는 사판(2)이 일체로 회전되게 설치된다. 상기 사판(2)은 상기 회전축(1)과 일체로 회전하면서 그 각도가 변할 수 있도록 되어 있다. 상기 사판(2)은 상기 실린더블록(11)과 전방하우징(12)에 의해 형성되는 크랭크실(3) 내에 위치된다.

상기 사판(2)의 가장자리에는 슈(4,5)가 설치되어 피스톤(6)과 사판(2)이 서로 연동가능하게 한다. 상기 피스톤(6)은 상기 실린더블록(11)의 실린더실(7)내에서 직선왕복운동하면서 냉매를 압축하는 것이다. 상기 피스톤(6)은 상기 실린더실(7)내에서 직선왕복운동하면서 냉매를 압축하는 부분인 피스톤헤드(8)와 상기 실린더실(7)의 외부, 즉 상기 크랭크실(3) 내부에 위치되어 상기 슈(4,5)를 통해 상기 사판(2)과 연결되는 대략 U자 형상의 연결부(9,10)로 구성된다.

여기서, 상기 사판(2)의 양면 가장자리는 상기 슈(4,5)의 원형평면부(4a,5a)에 습동접촉한다. 그리고 상기 피스톤(6)의 연결부(9)에는, 구면 홈부(9s,10s)가 형성되고, 상기 슈(4,5)의 구면 볼록한 부분(4b,5b)이 습동 접촉하고 있다.

한편, 상기 후방하우징(13)과 상기 실린더블록(11)의 사이에는 밸브어셈블리(15)가 설치되는데, 상기 밸브어셈블리(15)는 상기 후방하우징(13)에 형성되는 흡입실(16) 및 토출실(17)과 상기 실린더실(7) 사이의 냉매 유동을 제어하게 된다. 상기 밸브어셈블리(15)는 밸브플레이트(도면부호 부여않음)에 상기 실린더실(7)과 흡입실(16)을 연통시키는 흡입공과 상기 실린더실(7)과 토출실(17)을 연통시키는 토출공이 형성되고 이들 흡입공과 토출공이 흡입밸브 및 토출밸브에 의해 선택적으로 개패되면서 냉매의 흡입과 토출을 제어하게 된다.

이와 같은 구성을 가지는 종래의 사판식 압축기에서는, 엔진의 구동력에 의해 상기 회전축(1)이 회전하면 상기 회전축(1)에 설치된 사판(2)이 소정의 각도를 유지하면서 함께 회전한다. 상기 사판(2)의 회전은 상기 슈(4,5)를 통해 상기 피스톤(6)으로 전달되어 피스톤(6)이 실린더실(7) 내에서 직선왕복운동하도록 한다.

상기 실린더실(7)에서는 상기 피스톤(6)이 하사점, 즉 크랭크실(3) 방향으로 이동하는 과정에서 상기 밸브어셈블리(15)의 흡입공을 통해 흡입실(16)에서 실린더(7)로 냉매의 유동이 발생하게 된다.

그리고, 피스톤(6)이 하사점에서 상사점, 즉 상기 밸브어셈블리(15) 방향으로 이동함에 의해 실린더실(7)내에서 냉매의 압축이 일어난다. 상기 실린더실(7)에서 냉매의 압축이 완료되면, 즉 상기 피스톤(6)이 상사점으로 이동하면 상기 토출공이 개방되면서 상기 토출실(17)로 냉매가 토출된다. 상기 토출실(17)로 토출된 냉매는 압축기의 외부로 전달되어 공조시스템을 구성하는 구성요소들로 전달된다.

한편, 압축기가 정지되어 있다가 급하게 시동되어 동작되어야 하는 경우에는 압축기를 구성하는 각 구성부품들에 윤활유가 제대로 전달되지 않은 상태여서 윤활부족이 발생한다. 특히, 서로 마찰되는 부품, 예를 들면, 사판(2)과 슈(4,5), 슈(4,5)와 피스톤(6)의 연결부(9,10), 피스톤헤드(8)와 실린더실(7) 내벽 사이 등에서는 마찰에 의한 열도 많이 발생하게 된다.

이와 같이 윤활이 부족한 상태에서 마찰에 의한 열이 많이 발생하게 되면, 예를 들어 사판(2)과 슈(4,5) 사이에 눌어붙음이 발생할 수 있게 되는 등의 문제점이 발생한다. 또한 마찰열이 과도하게 발생하면, 슈(4,5)를 경유해서 피스톤(6)에 열이 전도되어 슈(4,5)와 피스톤(6)의 연결부(9,10) 사이에도 눌어붙음이 발생할 수 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 일본특허공개 평성9-209926등에서는 이황화몰리브덴이 도포 함침되는 백색합금 용사피막을 압축기를 구성하는 구성부품의 표면, 특히 마찰이 발생하는 부품, 사판(2), 슈(4,5), 및 피스톤(6)의 표면에 형성하였다. 또는 상기 이황화몰리브덴 대신에 불소수지 또는 Ni-P이 함유된 불소수지를 코팅하였다.

하지만, 이와 같은 코팅은 일반적으로 스프레이 방식이나 전사코팅방법을 사용하므로, 스프레이방식의 재료의 손실이 많고 균일한 두께를 얻을 수 없으며, 특히 모양이 복잡한 피스톤(6)의 연결부(9,10)와 같은 부분에는 코팅층이 제대로 형성되지 않는 문제점이 있다. 그리고 전사코팅방법의 경우 부착성능이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 이황화몰리브덴 등을 재료로 사용한 코팅층은 열에 대한 내성이 낮아 상대적으로 내구성이 떨어져, 일정 시간 이상 사용되면 코팅층이 벗겨져 버리는 문제점도 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서로 마찰되는 부품의 표면에 텅스텐, 황, 테프론으로 구성되는 코팅층이 형성된 것을 사용한 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 서로 마찰되는 부품의 표면에 텅스텐, 황, 테프론으로 구성되는 코팅층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 중앙을 관통하여 센터보어가 형성되고 상기 센터보어를 중심으로 다수개의 실린더보어가 형성된 실린더블록과, 상기 실린더블록의 선단과 후단에 각각 결합되어 상기 실린더블록과 협력하여 크랭크실과 흡입실 및 토출실을 형성하는 전방 및 후방하우징과, 상기 크랭크실에 위치되는 사판이 회전가능하도록 설치되고 상기 실린더블록의 센터보어를 관통하여 설치되어, 엔진에서 전달되는 구동력에 의해 회전되는 회전축과, 상기 사판의 회전운동에 따라 상기 실린더보어 내를 직선왕복운동하는 피스톤과, 상기 사판과 피스톤 사이에 구비되어 상기 사판과 상대이동하는 슈를 포함하는 압축기에 있어서, 상기 피스톤, 회전축, 사판, 슈등 다른 부품과 마찰되는 마찰부품의 표면에는 이황화텅스텐이 고체윤활제로 포함된 테프론으로 형성된 코팅층이 형성된다.

상기 코팅층은 상기 마찰부품의 표면에 형성된 질화층상에 2~20마이크로미터의 두께로 형성되고, 상기 이황화텅스텐이 10~80중량% 포함된다.

상기 마찰부품과 코팅층의 사이에는 질화층이 더 형성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 압축기에서 서로 마찰되는 마찰부품에 코팅층을 형성하는 코팅방법에 있어서, 상기 마찰부품의 표면에 질화처리를 하는 질화층형성단계와, 상기 질화층에 산화처리를 하는 산화처리단계와, 상기 산화처리된 질화층상에 이황화텅스텐을 포함하는 테프론으로 코팅층을 형성하는 코팅층형성단계와, 상기 코팅층에 열을 가해 어닐링하는 어닐닝단계를 포함하여 구성된 다.

상기 질화층을 형성하기 전에 상기 마찰부품의 표면을 세정하는 단계를 더 수행한다.

상기 질화층형성단계에서는 열처리로 내의 온도가 약 300에서 600℃의 범위에 있도록 하고 약 30분에서 1시간 정도 NH₃와 CO₂, CH₄, N₂O, HF를 투입하여 진행된다.

상기 산화처리단계에서는 N₂O, CO₂를 함께 공급하면서 마그네타이트(Magnetite; Fe₃O₄) 피막이 전체 산화피막의 60% 이상을 차지하도록 한다.

상기 코팅층은 상기 질화층의 표면에 형성된 다공성층과 산화층에 형성되는 것으로, 질화층이 형성된 마찰부품을 이황화텅스텐이 포함된 테프론재질내에 디핑(Dipping)하여 무전해 도금방식으로 형성된다.

상기 코팅층을 형성함에 있어서, 그 조성성분에 백금과 팔라듐을 소량첨가한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 압축기 및 그 부품의 코팅방법에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 이황화 텅스텐을 포함하는 불소코팅층을 제어된 산질화처리에 의해 형성된 다공성의 질화층 상에 형성하였으므로, 불소코팅층이 부품의 표면에 보다 강력하게 부착되어 내마모성이 좋아지고 질화층의 자기윤활특성에 의해 볼소코팅층이 어느 정도 마모되더라도 부품사이의 마찰시에 마모작용이 최소화되는 효과가 있다.

본 발명에서는 이황화 텅스텐을 포함하는 테프론 코팅층을 딥핑(Dipping)에 의한 무전해도금방식으로 형성하므로, 부품의 형상에 상관없이 균일한 코팅층을 재료의 낭비없이 형성할 수 있게 되어 제조원가를 줄일 수 있고 품질을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 코팅층의 마찰계수가 0.08 ~ 0.1정도로 낮아 압축기 운전시 소요되는 동력을 저감할 수 있게 되어 압축효율이 향상된다.

이하 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 압축기 및 그 부품의 코팅방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2에는 본 발명에 의한 압축기의 바람직한 실시예의 구성이 단면도로 도시되어 있다.

이 도면에 따르면, 가변용량형 사판식 압축기(100)의 외관과 골격 일부를 실린더블록(110)이 형성한다. 상기 실린더블록(110)의 중앙을 관통하여서는 센터보어(111)가 형성된다. 상기 센터보어(111)는 아래에서 설명될 회전축(140)이 회전가능하게 설치되는 부분이다.

상기 센터보어(111)를 둘러서는 방사상으로 상기 실린더블록(110)을 관통하 게 다수개의 실린더보어(113)가 형성된다. 상기 실린더보어(113)의 내부에는 피스톤(115)이 직선왕복운동 가능하게 설치된다.

상기 피스톤(115)은 원기둥형상이고, 상기 실린더보어(113)는 이에 대응되는 원통형상이다. 상기 피스톤(115)은 상기 실린더보어(113)의 내부에서 직선왕복운동하며, 상기 실린더보어(113) 내부의 냉매를 압축시킨다.

상기 피스톤(115)은 실린더보어(113) 내에서 상사점과 하사점 사이에서 직선왕복운동한다. 여기서 상사점은 피스톤(115)이 실린더보어(113)의 내부로 가장 깊이 삽입될 때로, 상기 피스톤(115)이 상사점에 위치하는 과정에서 냉매의 압축이 최대로 이루어진다. 하사점은 피스톤(115)이 상기 실린더보어(113)에서 최대로 빠져나왔을 때의 위치로, 이때, 상기 피스톤(115)이 하사점을 향해 이동하는 과정에서 상기 실린더보어(113) 내부로 냉매가 유입된다.

상기 피스톤(115)이 하사점에 위치해 있을 때, 상기 피스톤(115)의 외면 일부가 상기 실린더보어(113)의 외부로 노출되고, 상기 피스톤(115)이 상사점에 위치해 있을 때, 다시 상기 실린더보어(113)의 내부로 들어가 노출되는 정도가 최소로 된다. 상기 피스톤(115)의 일단부, 즉 상기 실린더보어(113)의 외부로 돌출되는 부분에는 연결부(117)가 형성된다.

상기 실린더블록(110)의 일단에는 전방하우징(120)이 설치된다. 상기 전방하우징(120)은 상기 실린더블록(110)과 마주보는 쪽이 요입되어, 상기 실린더블록(110)과 함께 내부에 크랭크실(121)을 형성한다. 상기 전방하우징(120)을 전후로 관통하여서는 축공(123)이 형성된다. 상기 축공(123)에는 회전축(140)의 일단부가 회전가능하게 지지된다.

상기 실린더블록(110)의 타단, 즉 상기 전방하우징(120)이 설치된 반대쪽에는 후방하우징(130)이 설치된다. 상기 후방하우징(130)에는 상기 실린더보어(113)와 선택적으로 연통되게 흡입실(131)이 형성된다. 상기 흡입실(131)은 상기 후방하우징(130)중 상기 실린더블록(110)과 마주보는 면의 가장자리를 따라 형성된다. 상기 흡입실(131)은 상기 실린더보어(113)의 내부로 압축될 냉매를 전달하는 역할을 한다.

상기 후방하우징(130)에는 토출실(133)이 형성된다. 상기 토출실(133) 역시 상기 실린더보어(113)와 선택적으로 연통된다. 상기 토출실(133)은 상기 후방하우징(130)중 상기 실린더블록(110)과 마주보는 면의 중앙에 해당되는 영역에 형성된다. 상기 토출실(133)은 상기 실린더보어(113)에서 압축된 냉매가 토출되어 임시로 머무르는 곳이다.

상기 후방하우징(130)의 일측에는 제어밸브(135)가 구비된다. 상기 제어밸브(135)는 상기 토출실(133)로 토출된 압축된 냉매의 일부를 사용하여 아래에서 설명될 사판(148)의 각도 조절을 위한 구성이다.

상기 실린더블록(110), 전방하우징(120) 및 후방하우징(130)을 서로 체결하도록 볼트(137)가 관통하여 체결된다. 상기 볼트(137)는 다수개가 상기 실린더블록(110), 전방하우징(120) 및 후방하우징(130)의 가장자리를 동시에 관통하여 체결작용을 한다.

상기 실린더블록(110)의 센터보어(111)와 전방하우징(120)의 축공(123)을 관 통하여 회전가능하게 회전축(140)이 설치된다. 상기 회전축(140)은 엔진에서 전달되는 구동력에 의해 회전된다. 상기 회전축(140)은 상기 실린더블록(110)과 전방하우징(120)에 베어링(142)에 의해 회전가능하게 설치된다.

도면부호 144는 로터이다. 상기 로터(144)는 상기 회전축(140)이 중앙을 관통하고, 회전축(140)과 일체로 회전되게 상기 크랭크실(121)에 설치된다. 상기 로터(144)는 대략 원판상으로 상기 회전축(140)에 고정되어 설치된다. 상기 로터(144)의 일면에는 힌지아암(146)이 돌출되어 형성된다. 상기 힌지아암(146)에는 지지부(146')가 형성되는데, 상기 지지부(146')는 상기 힌지아암(146)의 일측 가장자리로 일단부가 개구된다.

상기 회전축(140)에는 사판(148)이 상기 로터(144)와 힌지결합되어 함께 회전되도록 설치된다. 상기 사판(148)은 상기 회전축(140)에 각도가 가변되도록 설치되는 것으로, 회전축(140)의 길이방향에 대해 직교한 상태와 상기 회전축(140)에 대해 소정의 각도로 기울어지게 설치된 상태 사이의 위치에 있도록 된다.

상기 사판(148)에서 상기 로터(144)를 향하는 면에는 사판스토퍼(148')가 돌출되게 형성된다. 상기 사판스토퍼(148')는 상기 사판(148)이 최대 경사각을 이루었을 때, 상기 로터(144)와 접하여 상기 사판(148)을 지지하여 주는 역할을 한다.

상기 사판(148)은 그 가장자리가 상기 피스톤(115)들과 슈(150)를 통해 연결된다. 즉, 상기 피스톤(115)의 연결부(117)에 상기 사판(148)의 가장자리가 슈(150)를 통해 연결되어 사판(148)의 회전에 의해 상기 피스톤(115)이 실린더보어(113) 내에서 직선왕복운동하도록 한다.

상기 사판(148)에는 상기 로터(144)의 힌지아암(146)과 연결되는 연결아암(152)이 돌출되어 형성된다. 상기 연결아암(152)의 선단에는 연결아암(152)의 길이방향에 직교하는 방향으로 힌지핀(154)이 설치되는데, 상기 힌지핀(154)은 상기 로터(144)의 힌지아암(146)에 형성된 지지부(146')에 이동가능하게 걸어진다.

상기 로터(144)와 상기 사판(148)의 사이에서 탄성력을 발휘하도록 반경사스프링(156)이 설치된다. 상기 반경사스프링(156)은 상기 회전축(140)의 외면을 둘러 감싸도록 설치되는 것으로, 상기 반경사스프링(156)은 상기 사판(148)의 경사각도가 작아지는 방향으로 탄성력을 발휘한다.

상기 실린더블록(110)과 후방하우징(130)의 사이에는 토출실(133) 및 흡입실(131)과 실린더보어(113)사이에서 냉매의 유동을 제어하는 밸브어셈블리(160)가 구비된다. 즉, 상기 밸브어셈블리(160)는 토출실(133)에서 실린더보어(113)로, 그리고 실린더보어(113)에서 흡입실(131)로의 냉매 유동을 제어한다.

보다 정확하게는, 상기 흡입실(131)에 있는 냉매는 실린더보어(113) 내부의 압력에 따른 밸브어셈블리(160)의 동작에 의해 상기 실린더보어(113) 내부로 흡입된다. 그리고, 상기 실린더보어(113) 내부에서 압축된 냉매는 상기 실린더보어(113) 내부의 압력에 따른 상기 밸브어셈블리(160)의 동작에 의해 상기 토출실(133)로 토출되어 압축기(100)의 외부로 전달된다.

한편, 본 발명에서 압축기(100)를 구성하는 사판(148), 슈(150), 피스톤(115), 회전축(140) 등의 부품을 통틀어 마찰부품(170)이라 하기로 한다. 물론 여기서 지적된 것 외에도 마찰부품(170)으로 볼 수 있는 것들이 더 있을 수 있다. 예를 들면 실린더블록(110)(특히, 실린더보어(113)의 내면), 밸브어셈블리(160)의 밸브플레이트 등이다.

상기 마찰부품(170)의 표면에는 질화층(N)이 형성되고, 상기 질화층(N)에는 텅스텐(W), 황(S) 및 테프론(F)으로 구성되는 코팅층(WS)이 형성된다. 상기 질화층(N)의 표면에는 소정의 두께로 다공성층(N')이 형성된다. 상기 다공성층(N')은 질화층(N)과 화학조성은 동일하지만 미세구조에서 미세기공(Micro-pore)이 형성되어 있는 것이다. 상기 다공성층(N')의 표면과 미세기공의 내부에 상기 코팅층(WS)이 형성된다.

상기 코팅층(WS)에서 상기 텅스텐(W)과 황(S)은 이황화텅스텐 형태로 약 10에서 80중량%정도가 함유되어 고체윤활제 역할을 한다. 상기 코팅층(WS)의 두께는 2에서 20마이크로미터로 형성될 수 있다. 상기 코팅층(WS)의 마찰계수는 0.08 ~ 0.1정도이다.

그리고, 상기 질화층(N)은 철계재질로 만들어지는 마찰부품(170)의 표면에 형성되는 것으로, 미세기공이 있는 상기 다공성층(N')의 표면이 산화처리되어 있음에 의해 코팅층(WS)이 보다 우수하게 결합되도록 함에 의해 코팅층(WS)이 박리되거나 마모되지 않도록 하는 역할을 한다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 압축기의 작용을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 압축기(100)는 엔진에서 전달되는 구동력을 전달받아 회전되는데, 상기 회전축(140)이 회전되면, 상기 로터(144)가 함께 회전한다. 상기 로 터(144)의 회전은 상기 힌지아암(146)과 연결아암(152)으로 연결된 사판(148)의 회전을 만들어낸다.

상기 사판(148)이 회전하면, 사판(148)의 가장자리에 슈(150)를 개재한 상태로 연결부(117)가 연결된 피스톤(115)이 상기 실린더보어(113) 내에서 직선왕복운동한다. 상기 사판(148)과 상기 피스톤(115) 사이에는 슈(150)가 구비되어 사판(148)과 피스톤(115) 사이의 마찰을 줄이게 된다.

상기 피스톤(115)의 직선왕복운동에 의해 상기 실린더보어(113) 내에서는 냉매가 압축된다. 상기 실린더보어(113) 내부로는 상기 흡입실(131)에 있는 냉매가 밸브어셈블리(160)의 제어에 의해 흡입된다. 상기 실린더보어(113) 내부에서 압축된 냉매는 상기 밸브어셈블리(160)의 제어에 의해 상기 토출실(133)로 토출되어 압축기(100)의 외부로 전달된다.

한편, 상기 사판(148)의 각도는 상기 제어밸브(135)에 의해 제어된다. 상기 제어밸브(135)를 통해 상기 토출실(133)에 있는 냉매가 상기 크랭크실(121)로 전달되면, 상기 크랭크실(121) 내의 압력과 실린더보어(113) 내부의 압력에 의해 상기 피스톤(115)이 힘을 받아 상기 사판(148)의 각도가 조절된다.

예를 들어, 상기 사판(148)이 회전축(140)에 대해 거의 직교하게 세워지게 각도가 형성되면, 피스톤(115)의 이동행정이 짧아지게 되어 토출용량이 줄어들게 된다. 그리고, 상기 사판(148)이 상기 회전축(140)에 대해 소정의 각도를 가지도록 기울어지면, 상기 피스톤(115)의 이동행정이 길어지게 되어 토출용량이 늘어나게 된다.

이와 같이 압축기(100)가 동작되는 과정에서 상기 마찰부품(170)들 사이에서는 마찰이 발생한다. 이때, 압축기(100) 내부에 있는 윤활을 위한 오일이 마찰부품(170)들 사이에서 윤활작용을 하는데, 압축기(100)가 정지하고 있다가 갑자기 동작되는 경우에 이들 마찰부품(17)들 사이에 오일이 제대로 전달되지 않은 상태에서 마찰이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 질화층(N)의 표면에 고체윤활제로서 이황화텅스텐이 포함된 코팅층(WS)이 형성되어 있어 마찰이 최소화되고 마찰열의 발생이 줄어들게 된다.

특히, 상기 코팅층(WS)은 질화층(N)의 표면에 형성되어 있는데, 질화층(N)의 다공성층(N')의 미세기공 내에도 형성되고 다공성층(N')표면의 산화층 내에서 열화학 반응을 하여 질화층(N)내로 코팅되므로 보다 우수한 결합력을 발휘할 수 있다.

여기서, 도 4를 참고하여 본 발명에 의한 코팅층 형성방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

마찰부품(170)은 철계재질로 그 형상이 만들어져 공급된다. 물론, 필요한 경우에는 표면 가공을 하여 그 조도를 설계된 값으로 만든 상태이다. 상기 마찰부품(170)의 표면을 세정하여 마찰부품(170)의 표면에 이물질이 없도록 한다.(단계 180) 물론, 상기 마찰부품(170)의 표면에 이물질이 없도록 표면 가공작업이 이루어진 경우에는 이 단계를 반드시 수행해야 하는 것은 아니다.

다음으로, 질화층(N)을 형성한다. 질화층(N)을 형성하는 과정은 열처리로 내의 온도가 약 300에서 600℃의 범위에 있도록 하고 약 30분에서 1시간 정도 NH₃와 CO₂, CH₄, N₂O, HF를 투입하여 이루어진다.

먼저 NH₃가 사용되는데, 이는 질화층(N)을 형성하는 질소의 공급원이 된다. FeN~Fe₂N의 입실론 층을 형성하거나, Fe₄N의 감마프라임층을 형성하면서 동시에 소재의 내부에 알파투 프라임의 질소 확산층을 형성하는 주요한 질소 공급원이 된다. NH₃는 전체 가스 및 첨가물에서 80중량%까지의 양을 차지한다.

다음으로 CO₂, CH₄, N₂O, HF가 전체 가스 및 첨가물에서 20중량%를 차지한다. 이들은 질화층(N)을 형성하는 첨가 가스로서, 첨가량에 의해서 입실론 층의 형성을 촉진하거나 화합물층의 형성을 억제하기도 한다.

N₂는 반응기로 체적 교환비율을 위해 첨가하는 플로우 형성 원소이다. 그리고, H₂O, N₂O, CO₂가 사용되는데, 이들은 pOH^-, pH⁺의 제어로 적절한 후-산화(Post-oxidation)를 유발하여 산화층을 형성하는 원소이다. 이들 N₂, H₂O, N₂O, CO₂는 그 중량%가 잔여부분을 차지한다.

단계 182에서 수행되는 질화층 형성과정의 공정 특성을 보다 상세하게 설명한다. 일반적인 질화공정에서는 CO₂가 주로 사용되므로, 산소와 탄소가 함께 공급되어 질화층(N)을 형성을 위한 촉진원소로 작용한다. 따라서, 화합물층 내에서 이상층의 제어와 화합물층의 미세한 제어에 어려움이 있다. 하지만, 본 발명의 공정에서는 이산화탄소 이외에 CH₄, N₂O, HF를 사용하게 되어, 이들이 각각 다른 반응을 하게 된다. 즉, CH₄는 탄소의 공급을 하게 되어 입실론 층의 형성에는 도움이 되지만, 형성되는 수소는 질화층의 형성을 억제한다. 화합물층의 후막 형성을 억제하지만, 이후에 코팅층(WS)의 형성에 유리하고, 내식성과 내소착성, 내마모성이 우수한 입실론층을 충분히 형성하게 한다. 그리고, 화합물층의 후막 형성을 억제하여 마찰부품(170)의 표면과 화합물층 간의 응력구배차이를 줄이게 하여 양호한 화합물층을 형성하게 하는 원소이다.

N₂O는 탄소의 공급없이 산소만을 공급하여 입실론층의 형성에 있어서 탄소와 산소가 함께 공급되어 화합물층 내에 탄소화합물이 형성되어 화합물층의 불순물이 되는 것을 억제하는 효과가 있다. 특히 고탄소강의 경우, 모재에 기존에 존재하던 탄소와 가스형태로 공급되는 탄소는 탄화물(Fe₃C)을 질소화합물 층 내에 형성하여 오히려 내 마모와 내소착성이 안정되지 않는 기계적 성질의 층을 형성하게 되는 경우도 있다.

HF는 강력한 산화물이어서 부동태 피막이 형성되는 철강 또는 비철계에 질화막을 형성하게 하는 참가가스이다.

단계 184에서와 같이, 산화층을 형성함에 있어서는, 기존에는 H₂O만을 공급하여 산화피막(FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄)을 형성하였으나, 본 발명에서는 N₂O, CO₂를 함께 공급하면서 산화피막을 형성한다. 따라서, 본 발명에서와 같이 적절하게 제어된 산질화에서는 마그네타이트(Magnetite; Fe₃O₄) 피막과 헤마타이트(Hematite;Fe₂O₃)의 비율을 제어하여 마그네타이트가 전체 산화피막의 60% 이상을 차지하게 하여 코팅층(WS)과의 반응성을 극대화시키게 된다.

다음으로, 코팅층(WS)을 형성하게 된다.(단계 186) 코팅층(WS)은 위에서 설명된 바와 같이 적절하게 제어된 응력구배를 가지는 질화층(N)상에 상온에서 형성되는데, 그 다공성층(N') 그리고 산화층인 마그네타이트층의 존재에 의해 일반 금속층과 반응하는 것보다 치밀한 열화학반응을 하여 본딩하게 된다. 상기 질화층(N)은 그 다공성층(N')에 의해 표면조도가 소정의 값으로 되어 마찰계수는 베어링 강재질에 대해서 0.08 ~ 0.1정도가 된다.

상기 코팅층(WS)을 형성함에 있어서, 그 조성성분에 백금과 팔라듐을 소량첨가하는데, 이는 촉매역할을 하여 모재와 텅스텐, 테프론 간의 밀착력을 향상시키게 한다. 그리고, 상기 코팅층(WS)은 그 재료 내에 마찰부품(170)을 디핑(Dipping)하여 무전해 도금방식으로 형성된다.

이와 같은 코팅층(WS)은 압축기의 비정상적인 극한조건하에서의 마찰때문에 마모가 되더라도 고체윤활제 성분인 이황화텅스텐이 질화층(N)의 다공성층(N')과 치밀하게 형성된 산화층과의 열화학적 결합을 하여 잔류하게 하는 효과가 있다. 그리고 내소착성과 윤활특성이 우수한 입실론상 역시 자체가 자기 윤활특성을 지니고 있어서, 극한 환경 하에서의 마찰부품(170)의 수명을 연장할 수 있다.

상기 코팅층(WS)을 형성한 후에는 어닐링(Annealing)을 수행하는데, 400℃이하의 온도에서 하게 된다.(단계 188)

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기 재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

상기한 실시예에서는 회전축(140)에 대한 사판(148)의 경사각이 변하는 가변용량형 사판식 압축기를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 사판의 경사각이 고정되는 고정용량형 사판식 압축기에도 적용될 수 있다.

그리고, 본 발명에서 상기 마찰부품(170)의 표면에 질화층(N)을 형성하지 않고, 직접 상기 코팅층(WS)을 형성할 수도 있다. 이는 상기 코팅층(WS)을 구성하는 고체윤활성분, 즉 이황황텅스텐의 성분이 마찰을 최소화하는 등의 작용을 할 수 있기 때문이다.

도 1은 종래 기술에 의한 압축기의 구성을 보인 개략 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 압축기의 바람직한 실시예의 구성을 보인 단면도.

도 3은 본 발명 실시예의 요부 구성을 보인 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 코팅층 형성방법의 바람직한 실시예의 공정을 보인 순서도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100: 압축기 110: 실린더블록

111: 센터보어 113: 실린더보어

115: 피스톤 117: 연결부

120: 전방하우징 123: 축공

130: 후방하우징 131: 흡입실

133: 토출실 135: 제어밸브

137: 볼트 140: 회전축

142: 베어링 144: 로터

148: 사판 150: 슈

160: 밸브어셈블리 170: 마찰부품

WS: 코팅층 N: 질화층

N': 다공성층

Claims (9)

1. 중앙을 관통하여 센터보어(111)가 형성되고 상기 센터보어(111)를 중심으로 다수개의 실린더보어(113)가 형성된 실린더블록(110)과,

   상기 실린더블록(110)의 선단과 후단에 각각 결합되어 상기 실린더블록(110)과 협력하여 크랭크실(121)과 흡입실(131) 및 토출실(133)을 형성하는 전방 및 후방하우징(120,130)과,

   상기 크랭크실(121)에 위치되는 사판(148)이 회전가능하도록 설치되고 상기 실린더블록(110)의 센터보어(111)를 관통하여 설치되어, 엔진에서 전달되는 구동력에 의해 회전되는 회전축(140)과,

   상기 사판(148)의 회전운동에 따라 상기 실린더보어(113) 내를 직선왕복운동하는 피스톤(115)과,

   상기 사판(148)과 피스톤(115) 사이에 구비되어 상기 사판(148)과 상대이동하는 슈(150)를 포함하는 압축기에 있어서,

   상기 피스톤(115), 회전축(140), 사판(148), 슈(150)등 다른 부품과 마찰되는 마찰부품(170)의 표면에는 이황화텅스텐이 고체윤활제로 포함된 테프론으로 형성된 코팅층(WS)이 형성됨을 특징으로 하는 압축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅층(WS)은 상기 마찰부품(170)의 표면에 형성된 질화층(N)상에 2~20마이크로미터의 두께로 형성되고, 상기 이황화텅스텐이 10~80중량% 포함됨을 특징으로 하는 압축기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 마찰부품(170)과 코팅층(WS)의 사이에는 질화층(N)이 더 형성됨을 특징으로 하는 압축기.
4. 압축기에서 서로 마찰되는 마찰부품(170)에 코팅층을 형성하는 코팅방법에 있어서,

   상기 마찰부품(170)의 표면에 질화처리를 하는 질화층(N)형성단계와,

   상기 질화층(N)에 산화처리를 하는 산화처리단계와,

   상기 산화처리된 질화층(N)상에 이황화텅스텐을 포함하는 테프론으로 코팅층(WS)을 형성하는 코팅층형성단계와,

   상기 코팅층(WS)에 열을 가해 어닐링하는 어닐닝단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 압축기의 마찰부품의 코팅방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 질화층(N)을 형성하기 전에 상기 마찰부품(170)의 표면을 세정하는 단계를 더 수행함을 특징으로 하는 압축기의 마찰부품의 코팅방 법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 질화층형성단계에서는 열처리로 내의 온도가 약 300에서 600℃의 범위에 있도록 하고 약 30분에서 1시간 정도 NH₃와 CO₂, CH₄, N₂O, HF를 투입하여 진행됨을 특징으로 하는 압축기의 마찰부품 코팅방법.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 산화처리단계에서는 N₂O, CO₂를 함께 공급하면서 마그네타이트(Magnetite; Fe₃O₄) 피막이 전체 산화피막의 60% 이상을 차지하도록 함을 특징으로 하는 압축기의 마찰부품 코팅방법.
8. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 코팅층(WS)은 상기 질화층(N)의 표면에 형성된 다공성층(N')과 산화층에 형성되는 것으로, 질화층(N)이 형성된 마찰부품(170)을 이황화텅스텐이 포함된 테프론재질내에 디핑(Dipping)하여 무전해 도금방식으로 형성됨을 특징으로 하는 압축기의 마찰부품 코팅방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 코팅층(WS)을 형성함에 있어서, 그 조성성분에 백금과 팔라듐을 소량첨가함을 특징으로 하는 압축기의 마찰부품 코팅방법.

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