KR20170086843A

KR20170086843A - 스크롤 압축기

Info

Publication number: KR20170086843A
Application number: KR1020160006367A
Authority: KR
Inventors: 양재호
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-07-27

Abstract

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 구동력을 발생시키는 구동모터; 상기 구동모터의 구동력을 전달받아 선회 운동하는 선회스크롤; 및 상기 선회 스크롤과 함께 압축실을 형성하는 고정 스크롤;을 포함하고, 상기 선회 스크롤과 상기 고정 스크롤 중 적어도 하나는 모재의 표면에 버퍼층이 형성되고, 상기 버퍼층의 표면에 DLC층이 형성될 수 있다. 이에 의하여, 상기 선회 스크롤과 상기 고정 스크롤 사이 마모 및 손상이 방지되고 마찰이 저감될 수 있다. 그리고, 상기 버퍼층과 상기 DLC층을 형성하는 코팅 공정의 전처리 공정이 단순화되고, 상기 코팅 공정 이후에 열처리 공정이 삭제됨에 따라, 제조 공정이 단순화되고, 제조원가가 절감될 수 있다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}

본 발명은, 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고정 스크롤과 선회 스크롤의 경도 및 마찰 특성을 향상시킬 수 있도록 한 스크롤 압축기에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에는 실내의 냉난방을 위한 공조장치가 설치된다. 이러한 공조장치는 냉방시스템의 구성으로서 증발기로부터 인입된 저온 저압의 기상 냉매를 고온 고압의 기상 냉매로 압축기켜 응축기로 보내는 압축기를 포함하고 있다.

압축기에는 피스톤의 왕복운동에 따라 냉매를 압축하는 왕복식과 회전운동을 하면서 압축을 수행하는 회전식이 있다. 왕복시에는 구동원의 전달방식에 따라 크랭크를 사용하여 복수의 피스톤으로 전달하는 크랭크식, 사판이 설치된 회전축으로 전달하는 사판식 등이 있고, 회전식에는 회전하는 로터리축과 베인을 사용하는 베인 로터리식, 선회 스크롤과 고정 스크롤을 사용하는 스크롤식이 있다.

스크롤 압축기는 다른 종류의 압축기에 비하여 상대적으로 높은 압축비를 얻을 수 있으면서 냉매의 흡입, 압축, 토출 행정이 부드럽게 이어져 안정적인 토크를 얻을 수 있는 장점 때문에 공조장치 등에서 냉매 압축용으로 널리 사용되고 있다.

스크롤 압축기는 하우징의 내부에 구동력을 발생시키는 구동모터, 상기 구동모터의 구동력을 전달하는 회전축, 상기 회전축으로 통해 구동력을 전달받아 선회 운동하는 선회 스크롤 및 상기 선회 스크롤과 함께 압축실을 형성하는 고정 스크롤을 포함한다. 여기서, 고정 스크롤은 하우징에 고정 설치되고, 선회 스크롤은 고정 스크롤에 치합되고, 선회 운동을 하면서 냉매를 압축한다.

이 과정에서, 선회 스크롤은 고정 스크롤과 접촉되어 구동된다. 따라서, 선회 스크롤과 고정 스크롤 사이 접촉부위는 마찰에 의한 손상 및 에너지 손실을 저감하기 위해 고경도 및 저마찰 특성이 요구된다.

이를 고려하여, 종래의 선회 스크롤은 주로 모재에 니켈-인(Ni-P)이 도금된 부재가 사용된다.

도 1은 종래 선회 스크롤의 코팅층을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 코팅층을 형성하는 제조공정을 도시한 순서도이다.

첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 선회 스크롤은 모재(B)의 표면에 니켈-인(Ni-P) 재질의 도금층(P)이 형성된다. 더욱 구체적으로, 상기 선회 스크롤은 탈지 공정(O1), 에칭 수세 공정(O2), 디스머트 수세 공정(O3), 징케이트 수세 공정(O4), 도금 공정(O5) 및 열처리 공정(O6)을 거쳐 형성된다. 여기서, 상기 탈지 공정(O1)에서는 상기 모재(B)로부터 유분이 제거되고, 상기 에칭 수세 공정(O2)에서는 상기 모재(B)의 표면이 부식되고, 상기 디스머트 수세 공정(O3)에서는 상기 모재(B)로부터 검정(smut)가 분리되며, 상기 징게이트 수세 공정에서는 도금 밀착력 향상을 위해 상기 모재(B)가 촉매처리된다. 한편, 상기 도금 공정(O5)에서 형성되는 도금층(P)은 경도가 낮기 때문에 경도 향상을 위해 상기 열처리 공정(O6)이 필요하다.

여기서, 선회 스크롤을 예로 들어 설명하였으나, 고정 스크롤도 선회 스크롤과 유사하게 모재(B)의 표면에 도금층(P)이 형성될 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 스크롤 압축기에 있어서는, 상기 도금층(P)의 경도와 윤활성이 낮은 문제점이 있었다. 이에 따라, 상기 도금층(P)의 낮은 경도에 의해 상기 도금층(P)이 마모 또는 손상되어 상기 선회 스크롤과 상기 고정 스크롤에 마모 및 손상이 발생되는 문제점이 있었다. 그리고, 상기 도금층(P)의 낮은 윤활성 및 상기 도금층(P)의 손상에 의해 상기 선회 스크롤과 고정 스크롤 사이 마찰이 증가되어 에너지 손실이 증가되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 도금층(P)을 제조하는 공정에서 상기 도금 공정(O5) 이전에 여러 공정(탈지 공정(O1), 에칭 수세 공정(O2), 디스머트 수세 공정(O3), 징케이트 수세 공정(O4))이 구비되어야 하고, 상기 도금 공정(O5) 이후에도 상기 열처리 공정(O6)이 구비되어야 하므로, 선회 스크롤 및 고정 스크롤을 제조하는 공정이 복잡하고, 제조원가가 증가되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 10-2013-0094124호

따라서, 본 발명은, 선회 스크롤과 고정 스크롤 사이 마모 및 손상을 방지하고 마찰을 저감할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 제조 공정을 단순화시키고, 제조원가를 절감할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 구동력을 발생시키는 구동모터; 상기 구동모터의 구동력을 전달받아 선회 운동하는 선회스크롤; 및 상기 선회 스크롤과 함께 압축실을 형성하는 고정 스크롤;을 포함하고, 상기 선회 스크롤과 상기 고정 스크롤 중 적어도 하나는 모재의 표면에 버퍼층이 형성되고, 상기 버퍼층의 표면에 DLC층이 형성되는 스크롤 압축기를 제공한다.

상기 버퍼층과 상기 DLC층은 상기 선회 스크롤에 형성될 수 있다.

상기 모재는 알루미늄 재질로 형성수 있다.

상기 버퍼층은 크롬(Cr) 재질로 형성수 있다.

상기 버퍼층과 상기 DLC층은 상기 버퍼층의 두께와 상기 DLC층의 두께의 합이 사전에 결정된 범위로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층과 상기 DLC층은 상기 버퍼층의 두께와 상기 DLC층의 두께의 합이 3㎛보다 크거나 같고, 3.5㎛ 보다 작거나 같은 범위로 형성되는 스크롤 압축기.

상기 버퍼층의 두께는 1㎛보다 크거나 같고, 상기 DLC층의 두께는 2㎛보다 작거나 같은 범위로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층의 두께는 1.5㎛로 형성되고, 상기 DLC층의 두께는 2㎛로 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 선회 스크롤과 고정 스크롤 중 적어도 하나가 모재의 표면에 버퍼층이 형성되고, 상기 버퍼층의 표면에 DLC층이 형성됨으로써, 선회 스크롤과 고정 스크롤 사이 마모 및 손상을 방지하고 마찰을 저감할 수 있다.

또한, 상기 버퍼층과 상기 DLC층을 형성하는 코팅 공정의 전처리 공정이 단순화되고, 상기 코팅 공정 이후에 열처리 공정이 삭제됨에 따라, 제조 공정을 단순화시키고, 제조원가를 절감할 수 있다.

도 1은 종래의 스크롤 압축기에서 선회 스크롤의 코팅층을 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 코팅층을 형성하는 제조공정을 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤 압축기를 도시한 단면도,
도 4는 도 3의 선회 스크롤의 코팅층을 도시한 단면도,
도 5는 도 4의 코팅층을 형성하는 제조공정을 도시한 순서도,
도 6은 도 4의 코팅층의 두께 조건별 마찰 마모 특성을 표시한 도표이다.

이하, 본 발명에 의한 스크롤 압축기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤 압축기를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 선회 스크롤의 코팅층을 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 코팅층을 형성하는 제조공정을 도시한 순서도이고, 도 6은 도 4의 코팅층의 두께 조건별 마찰 마모 특성을 표시한 도표이다. 여기서, 도 6은 거리 1,000m, 하중 10N, 선속도 100mm/s, 반경 8mm, 상대재 SUJ2 Ball, Dry 분위기의 마모시험조건에서 수행된 시험 결과를 표시한 도표이다.

첨부된 도 3 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤 압축기는 하우징(1)의 내부에, 구동력을 발생시키는 구동모터(2), 상기 구동모터(2)의 구동력을 전달하는 회전축(3), 상기 회전축(3)으로 통해 구동력을 전달받아 선회 운동하는 선회 스크롤(4) 및 상기 선회 스크롤(4)과 함께 압축실을 형성하는 고정 스크롤(5)을 포함할 수 있다.

상기 고정 스크롤(5)은 원판형의 고정 경판부(51) 및 상기 고정 경판부(51)의 일 면으로부터 돌출되는 고정 랩부(52)을 포함할 수 있다.

상기 선회 스크롤(4)은 원판형의 선회 경판부(41), 상기 선회 경판부(41)의 일 면으로부터 돌출되고 상기 고정 랩부(52)와 치합되는 선회 랩부(42) 및 상기 선회 경판부(41)의 다른 면으로부터 돌출되고 상기 회전축(3)과 결합되는 보스부(43)를 포함할 수 있다.

이러한 구성의 상기 고정 스크롤(5)은 상기 하우징(1)의 내부에 고정 설치되고, 상기 선회 스크롤(4)은 상기 고정 스크롤(5)에 치합되어 선회 운동을 하면서 냉매를 압축할 수 있다.

이 과정에서, 상기 선회 스크롤(4)은 상기 고정 스크롤(5)과 접촉되어 구동될 수 있다.

따라서, 상기 선회 스크롤(4)과 상기 고정 스크롤(5) 사이 접촉부위(선회 경판부(41)의 일 면과 고정 랩부(52)의 선단면 사이, 선회 랩부(42)의 선단면과 고정 경판부(51)의 일 면 사이, 선회 랩부(42)의 측면과 고정 랩부(52)의 측면 사이)는 마찰에 의한 손상 및 에너지 손실을 저감하기 위해 고경도 및 저마찰 특성이 요구될 수 있다.

이를 고려하여, 상기 선회 스크롤(4)은 그 선회 스크롤(4)의 모재(B)에 코팅층(C)이 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 모재(B)는 상기 코팅층(C)의 균열을 방지하도록 알루미늄 합금 재질(예를 들어, Al 6082)로 형성될 수 있다. 여기서, 종래의 경우 상기 모재(B)가 주철 소재로 형성되어 그 모재(B)의 내부에 흑연상이 산포되어 있다. 상기 흑연상은 유연하고 강도가 낮아 외력을 받으면 쉽게 취화(脆化, Embrittlement)된다. 이에 따라, 종래의 경우, 상기 흑연상이 쉽게 취화되어 상기 모재(B)와 상기 코팅층(C) 사이에 공극을 형성하고, 상기 공극은 상기 모재(B)와 상기 코팅층(C) 사이 지지 강성을 약화시켜 상기 코팅층(C)에 균열을 발생시킨다. 상기 코팅층(C)의 균열은 상기 코팅층(C)을 거칠게 하여 그 코팅층(C)의 윤활성을 악화시킨다. 하지만, 본 실시예의 경우 상기 모재(B)가 알류미늄 합금 재질로 형성됨에 따라, 상기 흑연상에 의한 상기 코팅층(C)의 균열이 방지될 수 있다.

한편, 상기 모재(B)는 탈지 공정(N1)을 거쳐 그 모재(B)로부터 유분이 제거되고, 수세 공정(N2)을 거쳐 그 모재(B)로부터 세척제가 제거되며, 이온 세정 공정(N3)을 거쳐 그 모재(B)의 코팅 밀착력이 증가될 수 있다. 여기서, 상기 수세 공정(N2)과 상기 이온 세정 공정(N3)은 두 개의 공정으로 구성되어, 에칭 수세 공정(O2), 디스머트 수세 공정(03), 징케이트 수세 공정(04)을 구비하여 구성되는 종래보다 단순화 될 수 있다.

이와 같이 형성된 상기 모재(B)의 표면에는 상기 코팅층(C)이 형성될 수 있다.

상기 코팅층(C)은 상기 모재(B)의 표면에 형성되는 버퍼(Buffer)층(C1) 및 상기 버퍼층(C1)의 표면에 형성되는 DLC(Diamond Like Carbon)층(C2)을 포함할 수 있다.

상기 버퍼층(C1)은 크롬(Cr) 재질로 형성되어, 상기 DLC층(C2)과 상기 모재(B) 사이 밀착성을 향상시키고 상기 DLC층(C2)의 경도를 향상시킬 수 있다.

상기 DLC층(C2)은 높은 경도와 윤활성을 갖는 비정질 박막으로 형성될 수 있다.

이러한 구성의 상기 코팅층(C)은 방전(sputter) 공법 및 플라즈마 증진 화학 기상 증착(PACVD : Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용한 코팅 공정(N4)을 통해 상기 모재(B)의 표면에 형성될 수 있다.

여기서, 상기 코팅층(C)은 상기 선회 스크롤(4) 중 상기 고정 스크롤(5)과의 접촉부위(선회 경판부(41)의 일 면, 선회 랩부(42)의 선단면, 선회 랩부(42)의 측면)에 형성될 수 있고, 상기 선회 스크롤(4)의 외면 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다. 상기 선회 스크롤(4)의 외면 전체에 걸쳐 상기 코팅층(C)이 형성될 경우, 상기 선회 스크롤(4)과 상기 고정 스크롤(5) 사이 접촉부위 이외에도 상기 선회 스크롤(4)과 상기 회전축(3) 사이 및 상기 선회 스크롤(4)과 그 선회 스크롤(4)을 지지하는 메인 프레임(12) 사이에서 마찰이 감소되고, 마모 및 손상이 방지될 수 있다.

한편, 상기 코팅층(C)은 그 코팅층(C)의 두께(t)(버퍼층(C1)의 두께(t1)와 DLC층(C2)의 두께(t2)의 합)가 사전에 결정된 범위로 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 첨부된 도 6을 참조하면, 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)가 1㎛보다 얇게 형성될 경우 그 버퍼층(C1)이 제 기능을 발휘하지 못할 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(C1)이 상기 DLC층(C2)을 충분히 지지하지 못하여 상기 코팅층(C)에 균열이 발생되고, 상기 코팅층(C)이 쉽게 마모되며, 상기 코팅층(C)의 윤활성이 악화될 수 있다. 이에 따라, 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)는 1㎛ 이상으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 그리고, 안전성을 고려하여, 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)는 1.5㎛로 형성되는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 한편, 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)가 1.5㎛ 이상으로 형성될 경우, 그 버퍼층(C1)의 두께(t1)가 증가될수록 원가는 증가되나, 그 버퍼층(C1)의 균일도가 저하되고, 그 버퍼층(C1)의 두께(t1) 편차가 증가되며, 결국 상기 코팅층(C)의 균일도 저하 및 상기 코팅층(C) 두께(t) 편차 증가로 이어져, 상기 코팅층(C)의 윤활성 증가가 미미할 수 있다. 이에 따라, 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)는 1㎛ 이상 1.5㎛ 이하의 범위로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)가 2㎛ 이하인 경우에는 그 DLC층(C2)의 두께(t2)가 증가될수록 상기 코팅층(C)의 윤활성이 크게 증가될 수 있다. 한편, 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)가 2㎛보다 두껍게 형성될 경우에는 그 DLC층(C2)의 두께(t2)가 증가될수록 원가는 증가되나, 그 DLC층(C2)의 균일도가 저하되고, 그 DLC층(C2)의 두께(t2) 편차가 증가되며, 결국 상기 코팅층(C)의 균일도 저하 및 상기 코팅층(C) 두께(t) 편차 증가로 이어져, 상기 코팅층(C)의 윤활성 증가가 미미할 수 있다. 이에 따라, 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)는 2㎛ 이하의 범위로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 그리고, 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)는 가격 대비 효용을 고려했을 때 2㎛로 형성되는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 즉, 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)가 2㎛로 형성될 경우, 최소의 원가로 상기 코팅층(C)의 윤활성을 극대화시킬 수 있다.

이러한 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)와 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)를 고려했을 때, 상기 코팅층(C)의 두께(t)는, 3㎛ 이상 3.5㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직할 수 있고, 상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)가 1.5㎛이고 상기 DLC층(C2)의 두께(t2)가 2㎛인 3.5㎛로 형성되는 것이 더욱 바람직할 수 있다.

그리고, 상기 코팅층(C)은 윤활성이 사전에 결정된 범위로 확보되는 범위 내에서 그 코팅층(C)의 제조원가가 절감되도록 중심선 평균 거칠기(Ra)가 0.6㎛ 수준으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 중심선 평균 거칠기(centerline average height, Ra)는 산술평균 거칠기라고도 지칭되는데, 단면 곡선에서 기준 길이 전체에 걸쳐 평균선(mean line, 단면 곡선에서 물체의 윤곽에 해당되는 기하학적 형태의 선)으로부터 벗어나는 모든 봉우리와 골짜기의 편차에 대한 평균값으로 표면 거칠기를 지정한 값으로서, 그 거칠기가 낮을수록 상기 코팅층(C)의 윤활성이 향상되나, 제조원가가 증가된다.

이러한 구성의 상기 코팅층(C)은 사전에 결정된 경도(예를 들어, Min. 1200HV)와 사전에 결정된 마찰계수(예를 들어, Dry 기준 0.2, Oil 기준 0.05)를 가질 수 있다.

한편, 본 실시예의 경우 상기 선회 스크롤(4)에 상기 코팅층(C)이 형성되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 상기 고정 스크롤(5)에 상기 코팅층(C)이 형성될 수도 있고, 상기 선회 스크롤(4)과 상기 고정 스크롤(5) 모두에 상기 코팅층(C)이 형성될 수도 있다. 다만, 상기 선회 스크롤(4)과 상기 고정 스크롤(5) 중 어느 하나에만 상기 코팅층(C)이 형성되는 것이 경도 및 윤활성을 동등 수준으로 유지하면서 제조원가 절감을 도모할 수 있어 바람직할 수 있고, 특히 상기 선회 스크롤(4)과 상기 고정 스크롤(5) 중 가공이 상대적으로 용이하고 다른 구성요소와의 마찰 부위가 더 많은 상기 선회 스크롤(4)에 상기 코팅층(C)이 형성되는 것이 비용 대비 효용을 최대화시킬 수 있어 더욱 바람직할 수 있다.

여기서, 본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 상기 선회 스크롤(4)과 고정 스크롤(5) 중 적어도 하나가 모재(B)의 표면에 버퍼층(C1)이 형성되고, 상기 버퍼층(C1)의 표면에 DLC층(C2)이 형성됨으로써, 선회 스크롤(4)과 고정 스크롤(5) 사이 마모 및 손상을 방지하고 마찰을 저감할 수 있다.

또한, 상기 버퍼층(C1)과 상기 DLC층(C2)을 형성하는 코팅 공정(N4)의 전처리 공정이 단순화되고, 상기 코팅 공정(N4) 이후에 열처리 공정이 삭제됨에 따라, 제조 공정을 단순화시키고, 제조원가를 절감할 수 있다.

2: 구동모터 4: 선회 스크롤
5: 고정 스크롤 C: 코팅층
C1: 버퍼층 C2: DLC층
B: 모재 t: 코팅층의 두께
t1: 버퍼층의 두께 t2: DLC층의 두께

Claims

구동력을 발생시키는 구동모터(2);
상기 구동모터(2)의 구동력을 전달받아 선회 운동하는 선회스크롤(4); 및
상기 선회 스크롤(4)과 함께 압축실을 형성하는 고정 스크롤(5);을 포함하고,
상기 선회 스크롤(4)과 상기 고정 스크롤(5) 중 적어도 하나는 모재(B)의 표면에 버퍼층(C1)이 형성되고, 상기 버퍼층(C1)의 표면에 DLC층(C2)이 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층(C1)과 상기 DLC층(C2)은 상기 선회 스크롤(4)에 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 모재(B)는 알루미늄 재질로 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층(C1)은 크롬(Cr) 재질로 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 버퍼층(C1)과 상기 DLC층(C2)은 상기 버퍼층의 두께(t1)와 상기 DLC층의 두께(t2)의 합이 사전에 결정된 범위로 형성되는 스크롤 압축기.
제5항에 있어서,
상기 버퍼층(C1)과 상기 DLC층(C2)은 상기 버퍼층의 두께(t1)와 상기 DLC층의 두께(t2)의 합이 3㎛보다 크거나 같고, 3.5㎛ 보다 작거나 같은 범위로 형성되는 스크롤 압축기.
제6항에 있어서,
상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)는 1㎛보다 크거나 같고,
상기 DLC층(C2)의 두께(t2)는 2㎛보다 작거나 같은 범위로 형성되는 스크롤 압축기.
제7항에 있어서,
상기 버퍼층(C1)의 두께(t1)는 1.5㎛로 형성되고,
상기 DLC층(C2)의 두께(t2)는 2㎛로 형성되는 스크롤 압축기.