KR20160051400A

KR20160051400A - 압축기

Info

Publication number: KR20160051400A
Application number: KR1020140151331A
Authority: KR
Inventors: 양은수; 강승민; 이병철
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2016-05-11

Abstract

본 발명은 저마찰 및 내마모 특성의 코팅층을 포함하는 압축기를 제공한다. 압축기는, 회전축; 상기 회전축의 적어도 일부를 감싸도록 이루어지며, 상기 회전축과 상대 회전하도록 이루어지는 적어도 하나의 베어링; 및 상기 회전축과 상기 베어링의 마찰 부위에 형성되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 Zr과 Al을 포함하는 질화물상과 적어도 하나의 금속상이 혼합된 복합구조를 가지고, 상기 코팅층을 형성하는 결정립의 크기가 5 ~ 30㎚이며, 상기 질화물은 Zr 질화물의 결정구조를 가지고, 상기 금속상은 Cu 및 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 포함하며 비정질상을 가진다.

Description

압축기{COMPRESSOR}

본 발명은 구성요소 간의 마찰 저항을 저감화 할 수 있는 구조의 압축기에 관한 것이다.

압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 로터리식, 스크롤식 등으로 구분될 수 있다.

왕복동식 압축기는 피스톤 구동부가 피스톤을 직선으로 움직이면서 냉매를 압축하는 방식이다.

로터리 압축기는 실린더의 압축공간에서 편심 회전운동을 하는 롤링피스톤과 그 롤링피스톤에 접하여 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구획하는 베인을 이용하여 냉매를 압축하는 방식이다.

스크롤 압축기는 밀폐용기의 내부공간에 고정스크롤이 고정되고, 그 고정스크롤에 선회스크롤이 맞물려 선회운동을 하면서 고정스크롤의 고정랩과 선회스크롤의 선회랩 사이에 흡입실, 중간압실, 토출실로 된 두 개 한 쌍의 압축실이 연속으로 형성되는 압축기이다.

특히 로터리 압축기나 스크롤 압축기와 같이 구성요소의 회전을 기초로 작동하는 압축기에서는 회전축과의 마찰 저항을 줄이기 위해 베어링을 사용한다. 나아가 회전축과 베어링의 마찰 저항을 줄이기 위해 윤활막을 이용한다.

코팅 베어링 역할로 고체 윤할막을 이용하는 마찰 및 마모 저감법은 서로 접촉하여 상대 운동하는 기계부품의 양쪽 혹은 한쪽 마찰면에 마찰 및 마모 특성이 우수한 고상의 재료를 수 ㎛ 이하의 두께로 증착하여 마찰면의 트라이볼로지 특성을 향상 시킴으로서 마찰과 마모를 저감화하는 방법이다.

압축기의 고속화 및 소형화에 따라 기계부품의 작동 조건은 계속해서 가혹해지므로 고체 윤활막을 이용한 마찰 및 마모 저감 방법은 그 중요성을 더해 가고 있다. 따라서 기계부품에 적합한 고체 윤활막을 선정하여 기계 시스템의 마찰 손실을 저감화 하고, 기계 시스템의 수명을 연장하며, 기계 시스템의 작동 신뢰성 향상 효과를 극대화하는 것이 필요하다.

특히 고속화 및 소형화 조건으로 설계된 압축기가 대형의 압축기와 동등 혹은 그 이상의 효율을 발휘하기 위해서는 가혹한 운전 조건에서도 열화되지 않게 하기 위한 설계를 새로 하는 것이 불가피하다.

압축기의 고온 혹은 과부하 운전 조건에서 베어링의 표면 온도는 100℃ 이상으로 유지될 수 있으며, 유막의 깨짐으로 인하여 마모나 마찰의 특성이 과하게 진행될 수 있다. 이에 종래의 기술 중에는 망간계 피막염 대체 소재로 고경도 내마모 저마찰 소재인 DLC(Diamond like Carbon)를 적용한 바 있다. DLC는 루브라이트 코팅 대비 30% 이상의 손실 저감을 확인할 수 있으나, 압축기에 사용되는 오일의 첨가제와 친화력이 약하여 저속의 특성 개선에 한계가 있었다. 또한 기존의 망간계 피막염은 고경도 저마찰 소재 대비 자기 소진에 의해 저마찰 특성이 유지되므로 가혹한 운전 조건에서 표면의 마모 및 마찰에 의해 신뢰성 및 효율 개선 측면에서 한계가 있었다.

따라서, 종래의 기술적 한계를 극복하고 마찰 특성이 개선된 압축기에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 일 목적은 종래보다 개선된 마찰 특성을 갖는 압축기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고경도 저마찰 특성의 코팅층을 갖는 압축기를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축기에 사용되는 오일의 첨가제와 충분한 친화력을 보이는 코팅층을 갖는 압축기를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 압축기는, 회전축; 상기 회전축의 적어도 일부를 감싸도록 이루어지며, 상기 회전축과 상대 회전하도록 이루어지는 적어도 하나의 베어링; 및 상기 회전축과 상기 베어링의 마찰 부위에 형성되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 Zr과 Al을 포함하는 질화물상과 적어도 하나의 금속상이 혼합된 복합구조를 가지고, 상기 코팅층을 형성하는 결정립의 크기가 5 ~ 30㎚이며, 상기 질화물은 Zr 질화물의 결정구조를 가지고, 상기 금속상은 Cu 및 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 포함하며 비정질상을 가진다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 질화물상은 Cr, Mo, Si, Nb, Hf, Ti, V, Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 Al, Cr, Mo, Si, Nb, Hf, Ti, V, Fe의 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나가 상기 Zr 질화물에 고용되어 있을 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 Zr 질화물은 ZrN을 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 금속상은 Co, Sn, In, Bi, Zn, Ag로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 마찰 부위의 표면 조도는 0.5 ~ 0.7Rz 일 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 코팅층이 코팅되는 모재는 강재로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 코팅층이 코팅되는 모재는 주물로 형성될 수 있다.

상기 압축기는 상기 모재와 상기 코팅층 사이에 형성되는 버퍼층을 더 포함하고, 상기 버퍼층은 비정질 합금박막 또는 Ti층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 버퍼층은 상기 모재에 상기 Ti층과 상기 비정질 합금박막이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.

상기 버퍼층과 상기 코팅층의 계면은 질소 또는 상기 버퍼층을 형성하는 원소들이 경사조성화된 경계층을 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 코팅층은 합금타겟을 스퍼터링하여 형성되고, 상기 합금타겟은, (a1) Al, (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나 및 (a3) Zr과 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

상기 합금타겟은 상기 (a1) Al을 5 ~ 20 원자%, 상기 (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 15 ~ 40 원자% 포함하고, 잔부가 상기 (a3) Zr과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

상기 합금타겟은 (a4) Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 합금타겟은, 상기 (a1) Al을 5 ~20 원자%, 상기 (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 15 ~ 40 원자%, 상기 (a4) Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 0 초과 8원자% 이하로 포함하고, 잔부가 상기 (a3) Zr과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

상기 합금타겟은 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금일 수 있다.

상기 결정질 합금은 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 ⅰ) 결정화 개시 온도 이상 ⅱ) 용융온도 미만의 온도 범위에서 가열하여 형성될 수 있다.

상기 결정질 합금에서 결정립의 평균 크기는 0.1 ~ 5㎛일 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 고 하중에서의 저속 운전 시 회전축과 베어링 사이에 윤활유가 부족하거나 점도가 부족한 경우, 압축기의 기동 직후나 정지 시, 액체 상태 냉매 유입의 비정상적인 구동 조건에서도 코팅층은 마모되지 않고 유지될 수 있다.

또한 본 발명은, 코팅층이 모재의 특성이 강재이거나 주물이거나 상관없이 증착될 수 있다. 특히, 주물과 같이 흑연상이 존재하는 모재에서도 코팅층은 마찰 특성을 충분히 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 압축기의 부분 단면도다.
도 2는 본 발명과 관련된 코팅층의 확대 사진이다.
도 3a는 본 발명에 의한 압축기의 작동 실험 전 코팅층 소재를 다른 코팅층 소재와 비교한 그래프.
도 3b는 본 발명에 의한 압축기의 작동 실험 후 코팅층 소재를 다른 코팅층 소재와 비교한 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 압축기의 작동 실험 후 코팅층 소재를 다른 코팅층 소재와 비교한 표면 거칠기 그래프.
도 5a와 도 5b는 서로 다른 차압 조건에서 강재와 주물의 성능을 평가한 그래프.
도 6은 본 발명과 관련된 스크롤 압축기의 단면도.
도 7은 본 발명과 관련된 스크롤 압축기의 다른 단면도.
도 8은 본 발명과 관련된 로터리 압축기의 단면도.

도 1은 본 발명과 관련된 압축기(10)의 부분 단면도다.

압축기(10)는 냉매를 압축하는 방식에 따라 다양한 종류로 구분된다. 다양한 종류의 압축기(10) 중 회전축(11)의 회전을 이용하는 구조의 압축기(10)는 상기 회전축(11)과 접촉하는 구성요소의 마찰 저항을 줄이기 위해 베어링(12, 13)을 포함한다. 도 1은 회전축(11)과 베어링(12, 13)을 사용하는 임의의 형태의 압축기(10)를 도시한 것이다.

회전축(11)은 압축기(10)의 작동 시 기체의 압축을 위해 회전한다. 그리고, 베어링(12, 13)은 회전축(11)의 적어도 일부를 감싸도록 이루어진다. 베어링(12, 13)은 고정되어 있으나 회전축(11)과 상대 회전하도록 이루어진다. 베어링(12, 13)은 메인 베어링(12, 혹은 제1 베어링)과 서브 베어링(13, 혹은 제2 베어링)을 포함할 수 있다.

압축기(10)가 작동하면, 회전축(11)이 회전하는 동안 회전축(11)의 일측으로부터 가스가 유입된다. 그리고 유입되는 가스에 의한 가스력(G)과 반대 방향으로 반력(F)이 형성된다. 따라서 회전축(11)이 회전하는 동안 회전축(11)은 베어링과 지속적으로 접촉한다.

코팅층은 내마모 및 저마찰을 구현하기 위해 회전축(11)과 베어링(12, 13)의 마찰 부위(12a, 13a)에 형성된다. 코팅층은 회전축(11)과 베어링(12, 13) 중 적어도 하나에 증착될 수 있다.

압축기(10)의 성능 향상을 위해 요구되는 코팅층의 성능은 고경도, 내마모성, 저마찰 특성 및 압축기(10) 오일과의 친화력이며, 이하에서 설명할 본원발명의 코팅층은 이러한 성능을 충족할 수 있도록 이루어진다.

코팅층의 구성

먼저 코팅층의 구성에 대하여 설명하면, 코팅층은 Zr과 Al을 포함하는 질화물상과 적어도 하나의 금속상이 혼합된 복합구조를 갖는다. 코팅층을 형성하는 결정립의 크기는 5 ~ 30㎚이며, 더욱 바람직하게는 5 ~ 10㎚일 수 있다.

질화물상은 질화물의 구성원소로 Zr과 Al을 포함한다. 질화물상은 Cr, Mo, Si, Nb, Hf, Ti, V, Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

코팅층은 Zr 질화물의 결정구조를 갖는다. 상기 Al, Cr, Mo, Si, Nb, Hf, Ti, V, Fe의 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나가 상기 Zr 질화물에 고용되어 있을 수 있다.

Zr 질화물은 ZrN을 포함한다. 예를 들어 Al의 경우 ZrN의 결정격자를 이루는 Zr 자리의 일부를 치환함으로써 ZrN 내에 고용될 수 있다. 이 경우 Zr 및 Al을 포함하는 질화물은 ZrN과 AlN의 고용체를 의미할 수 있다.

코팅층에서 금속의 질화물상은 나노수준의 결정립으로 이루어진 나노 결정질 구조를 갖는다. 이에 비해 금속상은 나노 결정립계에 미량 분포될 수 있다. 예를 들어 금속상은 수개의 원자 단위로 분포하며, 특별한 결정구고를 이루지 못한 형태로 존재할 수 있다. 다만 금속상은 특정 영역에 집중적으로 분포하는 것보다 코팅층 전체에 균일하게 분포되는 것이 바람직하다.

금속상은 Cu 및 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다. 금속상은 비정질상을 갖는다. 금속상은 Co, Sn, In, Bi, Zn, Ag로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

압축기(10)는 모재와 코팅층 사이에 형성되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 버퍼층은 비정질 합금박막 또는 Ti층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어 버퍼층은 모재에 Ti층과 비정질 합금박막이 순차적으로 적층되어 형성되는 구조일 수 있다.

버퍼층은 모재의 특성을 더욱 향상시키기 위한 것이다. 모재와 코팅층 사이에 형성되는 버퍼층은 예를 들어 코팅층의 모재에 대한 접착력을 향상시키기 위한 접착층으로 기능할 수 있다. 다른 예로서 버퍼층은 모재와 코팅층 사이의 응력을 이완시키기 위한 응력이완층이 될 수 있다. 또 다른 예로서 내식성을 향상시키기 위한 내식층이 될 수도 있다. 그러나 버퍼층은 이에 한정되지 않으며 코팅층과 모재 사이에 형성될 수 있는 모든 층을 지칭할 수 있다.

코팅층을 형성하는 공정

다음으로 코팅층을 형성하는 공정에 대하여 설명하면, 코팅층은 합금타겟을 스퍼터링하여 형성될 수 있다. 예를 들어 코팅층은 스퍼터링 장치의 내부로 질소(N), 질소가스(N₂), 또는 질소(N)를 포함하는 반응가스(예를 들어 NH₃)를 투입하면서 합금타겟을 스퍼터링하여 형성될 수 있다.

합금타겟은 (a1) Al, (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나 및 (a3) Zr과 불가피한 불순물을 포함한다. 예를 들어 합금타겟은 Zr, Al 및 Cu를 포함하는 3원계 합금이거나, Zr, Al 및 Ni을 포함하는 3원계 합금이거나, Zr, Al, Cu 및 Ni을 포함하는 4원계 합금일 수 있다.

이와 관련된 일 실시예로 합금타겟은 (a1) Al을 5 ~ 20 원자% 포함하고, (a2) Cu와 Ni로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 15 ~ 40 원자% 포함한다. 예를 들어, 합금타겟은 Cu를 15 ~ 40 원자% 포함하거나, Ni를 15 ~ 40 원자% 포함하거나, Cu와 Ni를 15 ~ 40 원자% 포함할 수 있다. 그리고 합금타겟의 잔부는 (a3) Zr과 불가피한 불순물로 이루어진다.

합금타겟은 (a4) Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 합금타켓은 Zr, Al, Cu 및 상기 (a4)에 기재된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는 다원계 합금이거나, Zr, Al, Ni 및 상기 (a4)에 기재된 원소들 중 적어도 하나를 포함하는 다원계 합금이거나, Zr, Al, Cu, Ni 및 상기 (a4)에 기재된 원소들 중 적어도 하난를 포함하는 다원계 합금일 수 있다.

이와 관련된 일 실시예로 합금타겟은 상기 (a1) Al을 5 ~20 원자%, 상기 (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 15 ~ 40 원자%, 상기 (a4) Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 0 초과 8원자% 이하로 포함하고, 잔부가 상기 (a3) Zr과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

합금타겟은 비정질 형성능(glass forming ability)을 가지는 결정질 합금으로 이루어질 수 있다.

결정질 합금은 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 비정질 합금을 상기 비정질 합금의 ⅰ) 결정화 개시온도 이상 ⅱ) 용융온도 미만의 온도 범위에서 가열하여 제조할 수 있다. 비정질 합금의 경우 가열 과정에서 결정화가 일어난 후 결정립 성장 과정을 거치게 된다. 여기서 결정화 개시온도란 비정질 상태에 있던 합금의 결정화가 시작되는 온도로서 합금의 조성에 따라 고유의 값을 갖는다. 비정질합금은 실질적으로 특정한 결정 구조를 가지지 않으며 X-선 회절 패턴이 특정한 브래그 각도에서 뚜렷한 결정 피크(sharp peak)를 보이지 않고 넓은 각도 범위에서 브로드 피크(broad peak)가 관찰되는 상을 가진 금속합금체를 의미할 수 있다.

또한 결정질 합금은 비정질 형성능을 가지는 3 이상의 금속원소로 이루어진 나노결정질 합금을 상기 나노결정질 합금의 ⅰ) 결정화 개시온도 이상 ⅱ) 용융온도 미만의 온도 범위에서 가열하여 제조할 수 있다. 나노결정질 합금의 경우 나노결정립의 성장이 일어나게 된다. 여기서 나노결정질 합금의 결정화 개시온도란 나노결정질 합금과 동일한 조성을 갖는 비정질 합금의 결정화가 시작되는 온도로 정의된다. 나노결정질 합금은 결정립의 평균크기가 100㎚ 미만인 금속합금체를 의미할 수 있다.

상기 결정질 합금에서 결정립의 평균 크기는 0.1 ~ 5㎛일 수 있다. 결정질 합금을 제조하기 위한 가열 조건은 결정립의 평균 크기가 0.1 ~ 5㎛를 갖도록 제어될 수 있다.

비정질 형성능이란 특정조성의 합금이 어느 정도의 냉각속도까지 용이하게 비정질화될 수 있는지를 나타내는 상대적인 척도이다. 일반적으로 주조를 통해 비정질 합금을 형성하기 위해서는 일정 수준 이상의 높은 냉각속도를 필요로 한다. 응고속도가 상대적으로 느린 주조방법(예를 들어 구리금형주조법)으로 사용할 경우 비정질 형성 조성범위가 줄어들게 되는 반면, 회전하는 구리 롤에 용융합금을 떨어뜨려 리본이나 선재로 응고시키는 멜트스피닝(melt spinning)과 같은 금속응고법은 10⁴ ~ 10⁶ K/sec 이상의 냉각속도를 얻을 수 있어서 비정질을 형성할 수 있는 조성범위가 확대된다. 따라서 특정 조성이 어느 정도의 비정질 형성능을 가지고 있는지에 대한 평가는 일반적으로 주어진 급속냉각공정의 냉각속도에 따라 상대적인 값을 나타내는 특성이 있다.

비정질 형성능은 합금 조성과 냉각 속도에 의존적이며, 일반적으로 냉각속도는 주조 두께에 역비례[(냉각속도) ∝ (주조두께)^-2]하기 때문에 주조 시 비정질을 얻을 수 있는 주조제의 임의 두께를 평가하여 비정질 형성능을 상대적으로 정량화할 수 있다. 예를 들어, 구리금형주조법에 의할 시, 비정질 형성능은 비정질구조를 얻을 수 있는 주조재의 임계주조두께(봉상인 경우에는 지름)로 표시할 수 있다. 다른 예로서 멜트스피닝에 의해 리본 형성시, 비정질 형성능은 비정질이 형성되는 리본의 임의두께로 표시할 수 있다.

본 발명에 있어서, 비정질 형성능을 가지는 합금은 상기 합금의 용탕을 10⁴ ~10⁶ K/sec 범위의 냉각속도로 주조 시 20 ~ 100㎛ 범위의 주조 두께로 비정질 리본을 얻을 수 있는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 비정질 형성능을 가지는 합금은 3원소 이상의 다성분으로 구성되며, 주원소간의 원자반경의 차이가 12% 이상으로 크고, 주 원소간의 혼합열(heat of mixing)이 음의 값을 갖는 특징을 가질 수 있다.

본 발명에서의 결정질 합금은 동일 조성의 비정질 합금에 비해 매우 우수한 열적 안정성을 가진다. 비정질 합금의 경우 열적 불안정성으로 인해 외부에서 전달된 열에너지에 의해 국부적으로 부분 결정화가 일어나면서 나노결정질이 국부적으로 형성된다. 이러한 국부적인 결정화는 비정질 합금의 구조완화 현상에 의해 취약해지며 파괴인성이 감소하게 된다. 그러나 본 발명에서와 같이 비정질 합금 또는 나노결정질 합금으로부터 결정화 및/또는 결정립 성장을 통해 그 결정립 크기가 제어된 결정질 합금은 외부에서 열이 가해지더라도 미세조직의 큰 변화를 보이지 않으며, 종래의 비정질 합금이나 나노결정질 합금이 가지는 열적, 기계적 불안전성에 기인한 파괴가 나타나지 않는다.

스퍼터링 타겟의 경우 공정 중에 플라즈마로부터 가속되는 이온이 계속 충돌하게 되며, 이로 인해 스퍼터링 타겟은 공정 중에 필연적으로 온도가 상승하게 된다. 스퍼터링 타겟이 비정질로 이루어진 경우, 스퍼터링 과정 중 온도 상승에 따른 타켓 표면에서의 국부적인 결정화가 진행될 수 있으며, 이러한 국부적 결정화는 타겟의 취성을 증가시켜 스퍼터링 공정 중에 타겟이 쉽게 파괴되는 결과를 초래할 수 있다. 이에 반해 결정질 합금은 열처리에 의해 제어된 특정한 크기 범위를 가지는 결정립이 균일하게 분포하는 미세조직을 가지므로, 열적/기계적 안정성이 크게 향상되어 스퍼터링 중에 발생되는 타겟의 온도 상승에도 국부적인 조직의 변화가 나타나지 않는다. 따라서 본 발명에서의 결정질 합금에는 비정질 합금에서와 같은 기계적 불안정성이 나타나지 않는다. 이러한 이유로 본 발명에서의 결정질 합금을 스퍼터링의 합금타겟에 적용하는 경우, 비정질 박막의 코팅층이나 나노복합박막의 코팅층을 안정적으로 형성할 수 있다.

코팅층은 비반응성 스퍼터링이나 반응성 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.

나노 결정질의 합금타겟을 이용한 비반응성 스퍼터링으로 모재에 코팅층을 형성하는 경우 상기 코팅층은 비정질 합금박막일 수 있다. 여기서 비반응성 스퍼터링이란 스퍼터링 장치의 내부로 나노 결정질 합금타켓을 구성하는 물질과 반응성이 있는 가스를 도입하지 않고, 불활성 가스(예를 들어, Ar과 같은 가스)만으로 스퍼터링을 수행하는 것을 의미한다.

나노 결정질 합금타겟은 비정질 형성능을 가지고 있으므로, 스퍼터링과 같이 높은 냉각속도로 고상이 형성되는 공정에서는 비정질 합금 조직을 나타내게 된다. 이때 형성된 비정질 합금박막은 스퍼터링에 이용된 나노 결정질 합금타겟의 조성과 근사한 조성을 가질 수 있다.

나노 결정질의 합금타겟을 이용한 반응성 스퍼터링으로 모재에 코팅층을 형성하는 경우 상기 코팅층은 나노복합박막일 수 있다. 예를 들어 반응성 가스로서 질소가스(N₂) 또는 질소(N)를 포함하는 가스(예를 들어 NH₃)를 스퍼터링 챔버로 도입하면서 스퍼터링을 수행하는 경우 합금내에서 반응성 높은 Zr은 질소와 반응하여 Zr 질화물, 예를 들어 ZrN이나 Zr₂N을 형성할 수 있으며 그 외의 원소들은 Zr 질화물에 고용되거나 금속상으로 존재할 수 있다. 이때 제조된 코팅층은 결정립이 나노수준의 미세한 크기, 예를 들어 5 ~ 30㎚일 수 있으며, 나아가 5 ~ 10㎚일 수 있다.

버퍼층은 상술한 나노 결정질의 합금타겟을 이용하여 형성되는 비정질 합금박막일 수 있다. 구체적으로 스퍼터링 챔버 내에 나노 결정질 합금타겟을 장착한 후 스퍼터링 모재를 코팅하는 공정에서, 제1단계에서는 비반응성 스퍼터링 고정으로 모재의 상부에 비정질 합금박막을 소정의 두께만큼 형성한 후, 상기 스퍼터링 챔버 내부로 질소가스를 도입하면서 스퍼터링을 수행하여 코팅층을 형성할 수 있다. 이 경우 동일한 나노 결정립의 합금타겟을 이용하여 버퍼층과 코팅층을 인-시츄(in-situ)로 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며,m 버퍼층인 비정질 합금박막과 코팅층을 서로 다른 조성을 가지는 합금타겟을 이용하여 형성하는 것도 가능하며, 나아가 별도의 챔버에서 각각 형성하는 것도 가능하다.

버퍼층의 다른 예로서 별도의 타겟을 이용한 금속층, 예를 들어 Ti 타겟을 이용한 Ti층이 이용될 수 있다. 또 다른 예로서, 상술한 금속모재의 표면으로부터 Ti층과 비정질 합금박막층이 순차적으로 적층된 2중층으로 구성될 수도 있다.

도 2는 본 발명과 관련된 코팅층의 확대 사진이다.

코팅층(ZALC coating)은 모재(substrate)에 증착된다. ZALC란 Zr, Al, Li 및 Cu로 이루어짐을 의미한다. 이하에서 ZALC는 특별히 한정하지 않는 한 본 발명의 코팅층을 의미한다.

본 발명의 코팅층은 경도가 높은 Zr 질화물과 상대적으로 탄성계수가 낮은 금속합금이 혼합되어 있으므로 매우 미세한 나노수준의 결정립을 보임에 따라 고경도를 나타내면서도 금속 모재와의 탄성계수 차이가 크게 나지 않는 특징이 있다. 특히 종래에 비해 현저하게 개선된 저마찰 특성을 나타내게 된다.

이하에서는 본 발명의 효과에 대하여 설명한다.

도 3a는 본 발명에 의한 압축기의 작동 실험 전 코팅층 소재를 다른 코팅층 소재와 비교한 그래프다.

그래프에서 본 발명에 의한 압축기의 코팅층 소재는 가운데에 도시된 ZALC에 해당한다. 그리고, ZALC의 좌측에 도시된 루브라이트(내마모성을 지닌 망간계 인산염으로 저마찰 특성제인 MoS₂와 함께 사용)와 ZALC의 우측에 도시된 Si-DLC는 종래의 코팅층 소재에 해당한다.

ZALC의 표면조도는 0.5 ~ 0.7Rz의 범위에 존재한다. 이에 반해 루브라이트의 표면조도는 1.6Rz 이상의 값을 갖는다. Si-DLC의 표면조도는 0.4 ~ 0.6Rz의 범위에 존재한다.

도 3a는 본 발명에 의한 압축기의 작동 실험 후 코팅층 소재를 다른 코팅층 소재와 비교한 그래프다.

압축기를 작동시킨 후 각각의 코팅층 소재의 표면조도 변화를 검토해 보면, 루브라이트는 길들임에 의해 표면조도가 1.6Rz에서 1.2Rz로 개선되었음을 확인할 수 있다. 그러나, 표면조도가 개선되는 만큼 루브라이트가 소진(마모)되기 때문에 마찰 계수는 오히려 상승하게 된다.

Si-DLC의 표면조도는 일부 상승하기는 하였으나 큰 변화가 있는 것은 아니다. Si-DLC의 경우 마찰재료가 소진되지 않고, 초기 마찰 계수를 유지한다.

본 발명의 ZALC도 표면조도의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 코팅층은 압축기의 작동에서 마찰재료가 소진되지 않고, 초기 마찰 계수를 유지한다는 것을 확인할 수 있다. 초기 마찰 계수를 유지한다는 것은 코팅층이 내마모성을 지닌다는 것을 의미한다.

도 3a와 도 3b를 비교해 보면, Si-DLC와 ZALC는 모두 내마모 및 저마찰 특성을 가지므로, 압축기의 코팅층에 적용될 때 차이가 없는 것으로 생각할 수 있다. 그러나 앞서 언급한 것과 같이 DLC는 압축기 오일(윤활유와 Tribofilm 첨가제)과의 친화력이 약하기 때문에 표면을 개질하여 사용해야 하는 단점이 있다. 친화력 강화를 위한 개질물로는 Ag, Cu, Ni, Co 등의 연질 금속(soft metal), 황(sulphur), 인(phosphorous) 등을 사용한다.

이에 반해 ZALC는 그 자체에 Cu와 Ni와 같은 개질물을 포함하고 있다. 따라서 ZALC는 별도의 표면 개질 없이도 압축기 오일과의 친화력이 높으므로 DLC에서 문제되었던 저속에서의 저마찰 특성을 충분히 개선될 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 압축기의 작동 실험 후 코팅층 소재를 다른 코팅층 소재와 비교한 표면 거칠기 그래프다.

표면 거칠기 그래프는 아래에서부터 순서대로 루브라이트, ZALC, DLC에 해당한다. 압축기의 작동 실험 후 비교 대상 중 ZALC의 표면 거칠기가 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명의 코팅층은 저마찰 특성을 갖는다는 것을 의미한다.

도 5a와 도 5b는 서로 다른 차압 조건에서 강재와 주물의 성능을 평가한 그래프다.

차압 조건이란 압축기에 유입되는 가스력의 조건을 의미하는 것으로, 차압이 증가할수록 회전축에 가해지는 하중이 증가한다. 차압 조건1에서는 30, 60, 90, 120Hz에서 입력 변화율(%)을 평가하였으며, 차압 조건2에서는 40, 60, 90Hz에서 입력 변화율(%)을 평가하였다. 입력 변화율이란 압축기의 작동에 의해 얻어지는 압력차의 이득을 말하는 것으로, 입력 변화율이 높을수록 압축기의 성능이 개선되는 것을 의미한다.

평가 대상은 강을 모재로 하는 ZALC, 주물을 모재로 하는 루브라이트, 주물을 모재로 하는 ZALC다.

먼저 주물을 모재로 하는 ZALC는 차압 조건1의 30, 60, 90, 120Hz에서 루브라이트 대비 1.2, 0.97, 1.4, 0.8%의 성능 개선이 이루어진다. 그리고, 주물을 모재로 하는 ZALC는 차압 조건2의 40, 60, 90Hz에서 루브라이트 대비 1.03, 1.3, 0.6%의 성능 개선이 이루어진다.

다음으로 강을 모재로 하는 ZALC는 차압 조건1의 30, 60, 90, 120Hz에서 루브라이트 대비 0.6, 1.4, 1.0, 2.0%의 성능 개선이 이루어진다. 그리고 강을 모재로 하는 ZALC는 차압 조건2의 40, 60, 90Hz에서 루브라이트 대비 1.6, 2.3, 1.7%의 성능 개선이 이루어진다.

이로부터 본 발명의 코팅층은 모재의 특성에 제한 없이 증착될 수 있으며, 특히 주물과 같이 흑연상이 존재하는 모재에서도 마찰 특성이 충분히 개선되는 것을 확인할 수 있다.

이하에서는 본 발명이 적용될 수 있는 압축기들의 예에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명과 관련된 스크롤 압축기(100)의 단면도다.

도 6에서는 스크롤 압축기를 대상으로 한 것이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 회전축과의 마찰 저항을 줄이기 위해 베어링을 사용하는 임의의 형태의 압축기에도 적용될 수 있음은 자명하다.

도 6을 참조하면, 상기 스크롤 압축기(100)는 밀폐용기(110)의 내부에 메인프레임(120)과 서브프레임(130)이 설치되고, 상기 메인프레임(120)과 서브프레임(130) 사이에는 전동유닛인 구동모터(140)가 설치되며, 상기 메인프레임(120)의 상측에는 구동모터(140)에 결합되어 냉매를 압축하도록 고정스크롤(150)과 선회스크롤(160)로 된 압축유닛이 설치된다.

상기 구동모터(140)는 코일이 감기는 고정자(141)와, 상기 고정자(141)에 회전 가능하게 삽입되는 회전자(142)와, 상기 회전자(142)의 중심에 압입되어 회전력을 압축기구부에 전달하는 회전축(143)으로 이루어진다. 상기 회전축(143)은 그 상단에 축의 회전중심에 대해 편심지게 구동핀부(144)가 돌출 형성된다.

상기 압축기구부는 메인프레임(120)의 상면에 고정되는 고정스크롤(150)과, 상기 고정스크롤(150)에 맞물리도록 메인프레임(120)의 상면에 얹히는 선회스크롤(160)과, 상기 선회스크롤(160)과 메인프레임(120) 사이에 배치되어 상기 선회스크롤(160)의 자전을 방지시키는 올담링(170)을 포함한다.

상기 고정스크롤(150)에는 나선형으로 감겨 후술할 선회랩(161)과 함께 압축실(P)을 이루는 고정랩(151)이 형성되고, 상기 선회스크롤(160)에는 나선형으로 감겨 상기 고정랩(151)과 맞물려 압축실(P)을 이루는 선회랩(161)이 형성된다. 그리고 상기 선회스크롤(160)의 저면, 즉 상기 선회랩(161)의 반대쪽 측면에는 상기 회전축(143)에 결합되어 회전력을 전달받도록 보스부(162)가 돌출 형성된다.

상기 선회스크롤(160)의 보스부(162)의 내부에는 상기 회전축(143)의 구동핀부(144)의 외주면과 대향하게 배치되는 제1 코팅층(163)이 형성된다. 상기 제1 코팅층(163)은 상기 보스부(162)의 내면에 형성되며, 상기 회전축(143)과 상기 선회스크롤(160) 사이의 마찰을 줄이는 역할을 한다.

그리고, 상기 메인프레임(120)의 내측에도 제2 코팅층(122)이 형성되어 회전축과 메인프레임 사이의 마찰을 감소시키게 되며, 상기 서브프레임(130)의 내측에도 제3 코팅층(132)이 설치된다. 상기 제1 내지 제3 코팅층(122, 132, 163)에는 원활한 윤활작용이 이루어지도록 하기 위해서 오일이 공급되게 된다.

상기 구동모터(140)에 전원을 인가하여 회전축(143)이 회전을 하면, 상기 회전축(143)에 편심 결합한 선회스크롤(160)이 일정한 궤적을 따라 선회운동을 하고, 상기 선회스크롤(160)과 고정스크롤(150) 사이에 형성되는 압축실(P)이 선회운동의 중심으로 연속적으로 이동하면서 체적이 감소하여 냉매를 연속적으로 흡입 압축하면서 토출한다.

이러한 과정에서 상기 압축유닛을 구성하는 각각의 구성요소들 사이에서 발생되는 마찰을 줄이기 위해서는 적정량의 오일을 공급하여야 하며, 이러한 오일은 상기 밀폐용기(110)의 베이스(112)측에 주입되어 저장된다. 이렇게 주입된 오일은 상기 회전축(143)의 내부에 형성되는 오일유로(180)를 통해서 상기 압축유닛 내부 및 상기 제1 내지 제3 베어링층으로 공급될 수 있다.

도면 중 미설명 부호인 152는 흡입구, 153은 토출구, 190은 오일 펌프 커버, SP는 흡입관, DP는 토출관이다.

종래의 스크롤 압축기의 경우 상기 제1 내지 제3 코팅층을 대신하여, 링 형태의 저널 베어링을 사용하고 있는데, 이들은 대략 2mm 정도의 두께를 갖는다. 상기 제1 내지 제3 코팅층의 경우 대략 0.1mm 이하의 두께로도 충분한 내마모성 및 윤활효과를 거둘 수 있기 때문에 종래에 비해서 훨씬 얇은 두께를 가지고도 유사한 내마모성을 제공할 수 있는 것이다.

이렇게 감소된 두께는 스크롤 압축기(100)의 크기를 줄이는 것을 가능하게 하며, 동일 사이즈 대비 더 높은 압축비를 제공하도록 활용될 수 있다. 아울러, 스크롤 압축기(100)의 경우 가스압으로 인해서 선회 스크롤이 후퇴하는 것을 방지하기 위해서 선회 스크롤의 배면에 배압을 가하여야 한다. 상기 배압은 압축실에 존재하는 압축 가스의 일부를 유입하여 가해지게 되는데, 종래의 베어링을 사용하는 경우에 이러한 배압공급구조로 인해서 베어링 사이즈를 원하는 만큼 증가시키는 것이 어려운 경우가 종종 발생하지만, 상기 실시예에 의하면 그러한 설계상의 제약도 없앨 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 메인 프레임을 생략하고 고정 스크롤이 메인 프레임의 역할을 겸하게 되는, 소위 "축관통" 형태의 스크롤 압축기에도 적용될 수 있다. "축관통"이라는 용어는 회전축이 고정 스크롤의 경판을 관통하도록 삽입되는 점을 감안하여 붙어진 것으로서, 도 7에 이러한 축관통 스크롤 압축기에 본 발명의 사상이 적용된 스크롤 압축기의 제2 실시예를 도시하였다.

도 7은 본 발명과 관련된 스크롤 압축기(200)의 다른 단면도다.

도 7을 참조하면, 스크롤 압축기(200)는 상부 쉘(212)과 하부 쉘(214)로 이루어지는 케이싱(210)을 포함하며, 상기 상부 쉘(212)과 하부 쉘(214)은 상기 케이싱(210)에 용접되어 케이싱(210)과 함께 하나의 밀폐 공간을 형성하게 된다.

상기 상부 쉘(212)의 상부에는 토출파이프(216)가 설치되어 있다. 상기 토출파이프(216)는 압축된 냉매가 외부로 배출되는 통로에 해당되며, 토출되는 냉매에 혼입된 오일을 분리하는 오일 세퍼레이터(미도시)가 상기 토출파이프(216)와 연결될 수 있다. 그리고, 상기 케이싱(210)의 측면으로 흡입파이프(218)가 설치된다. 상기 흡입파이프(218)는 압축될 냉매가 유입되는 통로로서, 도 7에서는 상기 흡입파이프(218)가 상기 케이싱(210)과 상부 쉘(212)의 경계면에 위치하고 있으나 그 위치는 임의로 설정할 수 있다. 아울러, 상기 하부 쉘(214)은 압축기가 원활하게 작동될 수 있도록 공급되는 오일을 저장하는 오일챔버로서도 기능하게 된다.

상기 케이싱(210) 내부의 대략 중앙부에는 구동유닛으로서의 모터(220)가 설치된다. 상기 모터(220)는 상기 케이싱(210)의 내면에 고정되는 고정자(222)와 상기 고정자(222)의 내부에 위치하며, 고정자(222)와의 상호작용에 의해 회전되는 회전자(224)를 포함한다. 상기 회전자(224)의 중심에는 회전축(226)이 배치되어, 상기 회전자(224)와 회전축(226)은 함께 회전하게 된다.

상기 회전축(226)의 중심부에는 오일유로(226a)가 회전축(226)의 길이방향을 따라서 연장되도록 형성되어 있고, 상기 회전축(226)의 하단부에는 상기 하부 쉘(214)에 저장되어 있는 오일을 상부로 공급하기 위한 오일펌프(226b)가 설치된다. 상기 오일펌프(226b)는 상기 오일유로(226a)의 내부에 나선형의 홈을 형성하거나 별도의 임펠러를 설치한 형태일 수 있고, 별도의 용적식 펌프를 설치할 수도 있다.

상기 회전축(226)의 상단부에는 후술할 고정 스크롤에 형성되는 보스부 내부에 삽입되는 확경부(226c)가 배치된다. 상기 확경부는 다른 부분에 비해서 큰 직경을 갖도록 형성되고, 확경부(226c)의 단부에는 핀부(226d)가 형성되어 있다. 상기 핀부(226d)에는 편심 베어링층(228)이 위치한다.

상기 케이싱(210)과 상부 쉘(212)의 경계부에 고정 스크롤(230)이 장착된다. 상기 고정 스크롤(230)은 그 외주면이 상기 케이싱(210)과 상부 쉘(212) 사이에 열박음 방식으로 압입되어 고정되거나, 케이싱(210)과 상부 쉘(212)와 함께 용접에 의해 결합될 수 있다.

상기 고정 스크롤(230)의 저면에는 상술한 회전축(226)이 삽입되는 보스부(232)가 형성된다. 상기 보스부(232)의 상측면(도 7 기준)에는 상기 회전축(226)의 핀부(226d)가 관통될 수 있도록 하는 관통공이 형성되어 이를 통해 상기 핀부(226d)는 상기 고정 스크롤(230)의 경판부(231)의 상측으로 돌출되게 된다. 그리고, 상기 보스부(232)의 내면에는 회전축(226)과의 마찰을 저감시키기 위한 제1 코팅층(234)이 형성된다.

상기 경판부(231)의 상부면에는 후술할 선회랩(242)과 치합되어 압축실을 형성하는 고정랩(232)이 형성되어 있으며, 상기 경판부(231)의 외주부에는 후술할 선회 스크롤(240)을 수용하는 공간부를 형성하고, 상기 케이싱(210)의 내주면과 접하는 측벽부(238)가 형성된다.

상기 고정 스크롤(230)의 상부에는 선회 스크롤(240)이 설치된다. 상기 선회 스크롤(240)은 대량 원형을 갖는 경판부(241) 및 상기 고정랩(232)과 치합되는 선회랩(242)이 형성된다. 그리고, 경판부(241)의 중심부에는 상기 편심 베어링층(228)이 회전가능하게 삽입 및 고정되는 대략 원형의 회전축 결합부(246)가 형성된다. 상기 회전축 결합부(246)의 외주부는 상기 선회랩(242)과 연결되어 있어, 압축과정에서 상기 고정랩(232)과 함께 압축실을 형성하는 역할을 하게 된다.

한편, 상기 회전축 결합부(246)에는 상기 편심 베어링층(228)이 형성되어, 상기 회전축(226)의 단부가 상기 고정 스크롤(230)의 경판부(231)를 관통하여 삽입되고, 상기 선회랩(242), 고정랩(232) 및 편심 베어링층(228)은 상기 압축기의 측방향으로 중첩되도록 설치된다. 압축시에는 냉매의 반발력이 상기 고정랩(232)과 선회랩(242)에 가해지게 되고, 이에 대한 반력으로서 회전축 지지부와 편심 베어링층 사이에 압축력이 가해지게 된다. 상기와 같이, 회전축(226)의 일부가 경판부(231)를 관통하여, 랩과 중첩되는 경우 냉매의 반발력과 압축력이 경판을 기준으로 하여 동일 측면에 가해지므로 서로 상쇄되게 된다. 이로 인해서, 압축력과 반발력의 작용에 의한 선회 스크롤(240)의 기울어짐이 방지될 수 있다.

그리고, 도시되지 않았으나 상기 경판부(241)에는 토출공이 형성되어 압축된 냉매가 상기 케이싱의 내부로 토출될 수 있도록 한다. 상기 토출공의 위치는 요구되는 토출압 등을 고려하여 임의로 설정할 수 있다.

그리고, 상기 선회 스크롤(240)의 상측에는 상기 선회 스크롤의 자전을 방지하기 위한 올담링(250)이 설치된다. 한편, 상기 케이싱(210)의 하부에는 상기 회전축(226)의 하측을 회전가능하게 지지하기 위한 하부 프레임(260)이 설치되어 있고, 상기 선회 스크롤의 상부에는 상기 선회 스크롤과 상기 올담링(250)을 지지하는 상부 프레임(270)이 각각 설치된다. 상기 상부 프레임(270)의 중앙에는 상기 선회 스크롤(240)의 토출공과 연통되어 압축된 냉매를 상기 상부 쉘측으로 토출되도록 하는 홀이 형성된다.

상기와 같은 구성을 갖는 제2 실시예에서, 상기 편심 베어링층(228) 및 제1 코팅층(234)은 상기 제1 실시예에서와 같은 구조 및 재질을 갖는다. 특히, 제2 실시예에 있어서, 선회 스크롤의 중심부에 회전축 결합부가 위치하고 있어, 선회 스크롤(240)의 경판부(231) 중 압축공간으로 활용할 공간이 대폭적으로 축소되게 된다. 따라서, 축관통형 스크롤 압축기(200)의 경우 그렇지 않은 압축기에 비해서 동일 압축비를 얻기 위해서는 그 크기가 증가되어야 하지만, 본 발명에 의하면 코팅층의 두께를 종래에 비해서 대폭적으로 줄일 수 있으므로, 크기 증가를 최소화할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명과 관련된 로터리 압축기(300)의 단면도다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 로터리 압축기(300)는, 내부에 오일이 채워져 있고 토출관(DP) 및 흡입관(SP)이 구비되어 있는 케이싱(310), 상기 케이싱(310)의 내부에 설치되어 구동력을 발생시키는 구동모터(320), 상기 케이싱(310)의 내부에 설치되어 상기 구동모터(320)에 의해 구동되어 냉매가스를 압축하는 압축기구부(340) 및 상기 구동모터(320)에서 상기 압축기구부(340)로 구동력을 전달하는 크랭크축(330)을 포함할 수 있다.

상기 케이싱(310)은 상부에 상기 케이싱(310)의 벽면을 관통하는 상기 토출관(DP)이 구비되고, 하부에 상기 케이싱(310)의 벽면을 관통하여 상기 압축기구부(340)와 연통되는 상기 흡입관(SP)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 케이싱(310)은 상부에 상기 구동모터(320)와 외부 전원을 통전 가능하게 연결하는 클러스터 블록(350)이 설치될 수 있다.

상기 구동모터(320)는 상기 케이싱(310)에 고정되는 고정자(322) 및 상기 고정자(322)에 일정 공극을 두고 삽입되어 상기 고정자(322)와의 상호작용으로 회전되는 회전자(324)를 구비하여 구성될 수 있다.

상기 회전자(324)는 상기 크랭크축(330)의 일단부와 결합될 수 있다.

상기 크랭크축(330)은 타단부에 상기 크랭크축(330)의 회전축에 편심되어 형성되는 편심부(332)가 구비될 수 있다. 상기 크랭크축(330)의 타단부는 후술할 제1 베어링(344) 및 제2 베어링(346)을 관통하고, 상기 편심부(332)가 후술할 압축공간 내에 배치될 수 있다. 이때, 상기 크랭크축(330)은 상기 제1 베어링(344) 및 상기 제2 베어링(346)에 의해 지지될 수 있다. 또한, 상기 크랭크축(330)은 내부에 오일유로(334)가 축방향으로 길게 관통되도록 형성될 수 있다. 상기 오일유로(334)의 하부에는 상기 케이싱(310)에 채워진 오일을 펌핑하는 오일피더(미도시)가 결합될 수 있다.

상기 압축기구부(340)는 상기 케이싱(310)의 내주면에 고정되어 상기 흡입관(SP)과 연통되는 원형의 실린더(342), 상기 실린더(342)의 양측 개구부에 밀착되어 상기 실린더(342)와 함께 압축공간을 형성하는 제1 베어링(344)과 제2 베어링(346)(이하, '베어링들'이라 지칭함), 상기 크랭크축(330)의 편심부(332)에 결합되어 상기 압축공간 내에서 편심 회전되는 롤링피스톤(348) 및 상기 롤링피스톤(348)의 외주면에 압접되어 상기 롤링피스톤(348)의 선회운동시 직선운동을 하면서 상기 압축공간을 흡입공간과 토출공간으로 구획하는 베인(미도시)을 구비하여 구성될 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 로터리 압축기는, 상기 구동모터에 전원이 인가되면, 상기 회전자(324) 및 상기 크랭크축(330)이 회전될 수 있다. 상기 롤링피스톤(348)은, 상기 크랭크축(330)의 회전에 의해 상기 압축공간 내에서 편심 회전될 수 있다. 상기 베인(미도시)은, 상기 롤링피스톤(348)의 회전에 의해 직선운동 되면서 상기 압축공간을 흡입공간과 압축공간으로 구획할 수 있다. 상기 흡입관(SP)을 통해 상기 압축공간으로 유입된 냉매는, 상기 롤링피스톤(348) 및 상기 베인(미도시)의 운동에 의해 압축되어 상기 토출공간(DP)으로 토출될 수 있다.

여기서, 상기 크랭크축(330)은 상기 제1 베어링(344)과 제2 베어링(346)에 미끄럼 접촉됨에 따라 상기 크랭크축(330)의 표면 상태가 압축기의 마찰손실을 줄이는데 매우 중요할 수 있다.

이를 감안하여, 크랭크축(330)과 제1 베어링(344), 제2 베어링(346)에는 전술한 코팅층이 형성될 수 있다. 또는, 상기 크랭크축(330)은 모재의 외주면에 상기 버퍼층이 형성되고, 상기 버퍼층의 외주면에 상기 코팅층이 형성될 수 있다.

이에 따라, 코팅층은 기본적인 고경도 및 저마찰 특성에 의해 로터리 압축기(300)의 효율 저하를 억제하고, 상기 크랭크축(330)이 상기 베어링들(344, 346)과 접촉되는 부위에 손상이 발생되는 것을 억제할 수 있다.

이에 더불어, 상기 코팅층은 유막에 의한 윤활이 원활히 되지 못하는 경우에도 저마찰 특성을 유지하여 압축기의 효율 저하를 억제하고, 상기 크랭크축(330)이 상기 베어링들(344, 346)과 접촉되는 부위에 손상이 발생되는 것을 억제할 수 있다.

여기서, 상기 유막에 의한 윤활이 원활히 되지 못하는 경우는, 압축기가 기동 직후인 상태, 고하중 및 저속으로 운전되고 있는 상태, 액 냉매가 유입된 상태, 기동이 정지된 상태 등의 운전 상태일 때, 상기 크랭크축(330)과 상기 베어링들(344, 346) 사이 접촉부위에 오일량이 부족하거나 오일 점도가 부족하여 발생될 수 있다.

이 경우, 전술한 실시예에 따른 코팅층이 로터리 압축기(300)의 상기 크랭크축(330)과 제1 및 제2 베어링(344, 346)에 적용되었으나, 다른 부품에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 코팅층은 로터리 압축기(300)의 실린더(342), 상기 롤링피스톤(348), 상기 베인(미도시) 등의 마찰 부위에 적용될 수 있다.

이상에서 설명된 압축기는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

회전축;
상기 회전축의 적어도 일부를 감싸도록 이루어지며, 상기 회전축과 상대 회전하도록 이루어지는 적어도 하나의 베어링; 및
상기 회전축과 상기 베어링의 마찰 부위에 형성되는 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층은 Zr과 Al을 포함하는 질화물상과 적어도 하나의 금속상이 혼합된 복합구조를 가지고, 상기 코팅층을 형성하는 결정립의 크기가 5 ~ 30㎚이며,
상기 질화물은 Zr 질화물의 결정구조를 가지고,
상기 금속상은 Cu 및 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 포함하며 비정질상을 가지는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 질화물상은 Cr, Mo, Si, Nb, Hf, Ti, V, Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제2항에 있어서,
상기 Al, Cr, Mo, Si, Nb, Hf, Ti, V, Fe의 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나가 상기 Zr 질화물에 고용되어 있는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 Zr 질화물은 ZrN을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 금속상은 Co, Sn, In, Bi, Zn, Ag로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 마찰 부위의 표면 조도는 0.5 ~ 0.7Rz 인 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 코팅층이 코팅되는 모재는 강재로 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 코팅층이 코팅되는 모재는 주물로 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 압축기는 상기 모재와 상기 코팅층 사이에 형성되는 버퍼층을 더 포함하고,
상기 버퍼층은 비정질 합금박막 또는 Ti층 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층은 상기 모재에 상기 Ti층과 상기 비정질 합금박막이 순차적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제9항에 있어서,
상기 버퍼층과 상기 코팅층의 계면은 질소 또는 상기 버퍼층을 형성하는 원소들이 경사조성화된 경계층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제1항에 있어서,
상기 코팅층은 합금타겟을 스퍼터링하여 형성되고,
상기 합금타겟은,
(a1) Al, (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나 및 (a3) Zr과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제12항에 있어서,
상기 합금타겟은 상기 (a1) Al을 5 ~ 20 원자%, 상기 (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 15 ~ 40 원자% 포함하고, 잔부가 상기 (a3) Zr과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
제12항에 있어서,
상기 합금타겟은 (a4) Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
제14항에 있어서,
상기 합금타겟은,
상기 (a1) Al을 5 ~20 원자%, 상기 (a2) Cu와 Ni로부터 선택된 적어도 하나를 15 ~ 40 원자%, 상기 (a4) Cr, Mo, Si, Nb, Co, Sn, In, Bi, Zn, V, Hf, Ag, Ti 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 0 초과 8원자% 이하로 포함하고, 잔부가 상기 (a3) Zr과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
제12항에 있어서,
상기 합금타겟은 비정질 형성능을 가지는 결정질 합금인 것을 특징으로 하는 압축기.
제16항에 있어서,
상기 결정질 합금은 비정질 합금 또는 나노결정질 합금을 ⅰ) 결정화 개시 온도 이상 ⅱ) 용융온도 미만의 온도 범위에서 가열하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
제16항에 있어서,
상기 결정질 합금에서 결정립의 평균 크기는 0.1 ~ 5㎛ 인 것을 특징으로 하는 압축기.