KR20200145137A - 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기 - Google Patents

결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결합형 베인-롤러 구조를 가지는 로터리 압축기에서 베인의 재료 및 제조 방법의 제어를 통해 생산성과 신뢰성을 향상시킨 로터리 압축기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 압축 공간을 포함하는 실린더; 상기 실린더 내에서 냉매를 압축하는 환형 형상의 롤러; 상기 압축 공간 내에서 흡입 공간과 압축 공간을 나누고 상기 롤러와 결합되는 베인;을 포함하며, 상기 베인은 질소 화합물을 포함하는 백색층의 표면을 가지는, 로터리 압축기를 제공한다.

Description

결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR HAVING A COMBINED VANE-ROLLER STRUCTURE}
본 발명은 결합형 베인-롤러 구조를 가지는 로터리 압축기에서 베인의 소재 특성을 제어함으로써 내마모성과 신뢰성을 향상시킨 로터리 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 냉매를 압축하는 장치를 말한다. 압축기는 왕복동식, 원심식, 베인식, 스크롤식 등으로 구분할 수 있다.
이 중 로터리 압축기는 실린더의 압축 공간에서 편심 회전 운동하는 롤러(또는 롤링 피스톤이라 한다)와 상기 롤러의 외주면에 접하여 상기 실린더의 압축 공간을 흡입실과 토출실로 구획하는 베인을 이용하여 냉매를 압축하는 방식을 이용하는 압축기이다.
종래의 로터리 압축기에서는 상기 롤러와 상기 베인 사이로 냉매가 누설되어 압축기의 성능이 저하되는 문제가 있었다.
최근 들어 상기 롤러와 베인 사이의 누설을 해결하고자 상기 베인이 상기 롤러에 삽입되어 결합된 구조의 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기가 소개되었다.
결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 종래의 롤러는 통상적으로 샤프트(shaft)나 엑슬(axles) 등의 높은 스트레스를 받는 부품에 적용되며 Ni-Cr-Mo 강이라 일컬어지는 SNCM 815 강(KS D3867 또는 JIS G4053에서 스펙이 규정됨)을 열처리하여 제조된다. 상기 SNCM 815 강은 통상 담금질과 템퍼링의 열처리를 통해 강도와 인성을 조절하여 사용된다. 그 결과 담금질 후 템퍼링 된 종래의 롤러는 통상 비커스 경도 기준 약 550Hv 정도의 높은 경도를 가진다.
그런데 상기 Ni-Cr-Mo 강이 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기의 롤러에 적용되면, 베인이 결합되는 롤러의 결합 홈부의 가공이 매우 어려워지는 문제가 있었다.
구체적으로 살펴보면, 도 1과 같은 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 베인(350)이 결합되는 롤러(340)의 결합 홈부(341)는 방전 가공 또는 와이어 가공을 이용하여 형상이 구현된다. 상기 Ni-Cr-Mo 강은 롤러의 내구성을 위해 높은 경도를 가지도록 열처리 되고 상기 Ni-Cr-Mo 강의 높은 경도는 방전 또는 와이어 가공 이외의 통상적인 기계 가공의 적용을 어렵게 하기 때문이다.
종래의 롤러 소재로 사용되는 상기 Ni-Cr-Mo 강의 높은 경도는 다시 롤러의 결합 홈부와 결합되는 베인에도 직접적인 영향을 미친다.
일반적으로 서로 접촉하여 운동하는 물체 사이에는 항상 마찰(friction) 현상이 발생한다. 이 때 접촉면에서 물체의 운동을 방해하는 힘을 마찰력이라 하며 상기 마찰력은 물체의 질량, 물체의 표면 조도 등의 물리적 요인 뿐만 아니라 표면 경도(hardness)와 같은 물체가 가지는 물성에 의해서도 영향을 받는다.
종래 롤러 소재인 상기 Ni-Cr-Mo 강의 높은 경도는 롤러와 결합되는 베인도 높은 경도를 가질 것을 요구한다. 특히 베인(350)은 실린더(310) 내의 베인 슬롯(312) 내에서 왕복 운동을 하는 부품이므로 롤러(340) 보다 높은 경도가 요구된다. 따라서 종래의 베인(350)의 높은 표면 경도는 다시 베인의 가공을 더욱 어렵게 하여 압축기의 생산성을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
또한 종래의 베인(350)은 높은 표면 경도를 가지기 위해 통상 열처리 후 급냉(quench) 및 템퍼링 공정을 거친다. 종래의 베인은 상기 급냉 공정 동안 마르텐사이트 변태를 일으켜 기지(matrix)가 마르텐사이트 미세조직을 가진다. 상기 마르텐사이트 변태는 surface relief를 수반하는데 그 결과 베인 형상의 변형을 초래하게 된다. 따라서 종래의 베인은 상기 열처리 후 반드시 후속 가공 및 정형 공정을 필요로 한다. 결국 종래의 베인은 제조 공정 상 생산성이 크게 저하되는 문제점을 필연적으로 가질 수 밖에 없다.
한편 상기 베인(350)의 높은 경도는 다시 베인(350)과 베인 슬롯(312)에서 마찰을 일으키는 실린더(310)의 마모 특성에도 영향을 미친다.
일반적으로 GC 250과 같은 회주철(grey iron)이 로터리 압축기의 실린더용 재료로 주로 사용된다. 상기 GC 250 회주철은 KS 규격의 명칭이며 Vickers 경도로 환산 시 대략 Hv 250 정도의 표면 경도를 가진다. 상대적으로 무른(soft) 실린더와 상대적으로 딱딱한(hard) 베인이 베인 슬롯에서 마찰을 일으키면, 상대적으로 딱딱한 베인의 표면 경도는 상대적으로 무른 실린더의 마모 특성을 결정하는 주요 요인이 된다. 따라서 기존의 베인의 높은 표면 경도는 다시 실린더에서의 마모를 유발하고 그 결과 압축기의 수명과 신뢰성을 저하시키는 문제를 유발한다.
본 발명의 목적은 결합형 롤러-베인 압축기에서 베인의 재료 및 제조 방법을 변경하여 베인의 표면 경도를 제어함으로써 베인 및 실린더의 내마모성을 향상시킬 수 있는 로터리 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 결합형 롤러-베인 압축기에서 롤러 및 베인에 새로운 재료 및 제조 방법을 적용하여 롤러 및 베인의 표면 경도를 제어함으로써 롤러와 베인에서의 내마모성을 향상시킬 수 있는 로터리 압축기를 제공하는 것이다.
더 나아가 본 발명은 롤러 및 베인 제조에 있어 새로운 재료 및 제조 방법을 적용함으로써 롤러 및 베인의 정밀 가공이 용이하고 생산성이 우수한 로터리 압축기의 제조 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 로터리 압축기는 질소 화합물을 포함하는 백색층의 표면을 가지는 베인과 롤러가 결합된 압축기이다.
상기 베인은 상기 롤러와 결합하는 노즈부와 실린더 내부를 왕복 운동하는 베인 스템을 포함한다.
상기 노즈부 및/또는 상기 베인 스템의 베인 측면부 상에 상기 백색층이 위치할 수 있다.
상기 베인은 베어링 강으로 형성될 수 있고, SUJ2 강이 바람직하다.
상기 베인 측면부와 상기 실린더와의 경도 값의 차이는 비커스 경도 기준 450~650 Hv 인 것이 바람직하다.
상기 롤러는 환형 형상이고 상기 베인의 노즈부와 결합되는 결합 홈부를 외주면에 포함한다.
상기 결합 홈부는 ferrosoferric oxide(Fe3O4) 막을 포함한다.
상기 결합 홈부는 Hv 기준 150~300의 경도를 가지는 것이 바람직하다.
상기 베인과 상기 롤러의 경도 값의 차이가 비커스 경도 기준 500~700 Hv인 것이 바람직하다.
상기 롤러는 소결에 의해 형성되는 강으로 이루어 진다.
바람직하게는 상기 롤러의 재질은 SMF 4040 강으로 이루어 진다.
본 발명에 따른 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 롤러와 베인 사이의 면접촉을 확보할 수 있다. 그 결과 본 발명의 로터리 압축기는 종래의 롤러-베인 구조의 로터리 압축기보다 낮은 경도를 가지는 베인과 롤러를 사용할 수 있다.
나아가 본 발명의 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 낮은 경도를 가지는 베인 및/또는 로터를 적용함으로써 베인과 실린더 사이 그리고 베인과 로터 사이에서의 향상된 내마모 특성을 가질 수 있다. 이로 인해 본 발명의 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 신뢰성 및 수명이 크게 향상되는 효과를 가진다.
또한 본 발명의 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 낮은 경도를 가지는 베인을 적용함으로써 베인 제조 시 산화 및 변형을 방지할 수 있고 더 나아가 후속 가공 내지는 정형 공정을 요구하지 않는다. 그 결과 본 발명의 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 생산성이 크게 향상되는 효과를 가진다.
더 나아가 본 발명의 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 롤러의 경도를 낮춤으로써 롤러의 가공을 보다 용이하게 할 수 있어 생산성이 크게 향상되는 효과를 가진다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기를 도시한 단면도이다.
도 2는 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기의 압축부를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러의 단면의 형상을 보여주는 단면도 및 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인의 형상을 도시한 사시도이다.
도 5는 종래의 SUS 440 강의 열처리 후와 본 발명의 일 실시예에 따른 SUJ2 강의 질화 처리 후의 베인 표면에서의 깊이에 따른 경도 차이를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러의 제조 방법의 단계를 나타낸 모식도이다.
도 7은 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 베인과 실린더의 경도 차이에 따른 베인과 실린더의 마모량을 도시한 것이다.
도 8은 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 베인과 롤러의 경도 차이에 따른 베인과 롤러의 마모량을 도시한 것이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하 본 발명의 로터리 압축기를 실시예들을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1 및 2는 각각 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기를 도시한 단면도와 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기의 압축부를 도시한 사시도이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이 결합형 베인-롤러 구조를 가지는 로터리 압축기는 밀폐용기(100)의 내부 공간에 전동부(200)와 압축부(300)가 함께 위치한다.
상기 전동부(200)는 코일이 권선되어 밀폐용기(100)에 고정 설치되는 고정자(210)와 상기 고정자(210)의 내측에 회전 가능하게 위치하는 회전자(220)와 상기 회전자(220)에 압입되어 회전자와 함께 회전하는 크랭크축(230)을 포함한다.
한편 압축부(300)는 환형으로 형성되는 실린더(310)와 상기 실린더(310)의 상부에 위치하는 상부 베어링(320, 또는 메인 베어링)과 상기 실린더(310)의 하측을 복개하는 하부 베어링(330, 또는 서브 베어링)과 상기 크랭크축(230)의 편심부에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(310)의 내주면에 접하고 상기 실린더(310)의 압축 공간에 배치되는 롤러(340)와 상기 롤러(340)에 결합되어 상기 실린더(310)에 위치하는 베인 슬롯(312)에서 직선으로 왕복 운동하도록 위치하는 베인(350)을 포함한다.
상기 압축부(300)는 다시 상기 베인(350)을 기준으로, 도 2에서의 베인(350)의 왼쪽 부분에 흡입 공간('S')이 위치하고 베인(350)의 오른쪽 부분에 압축 공간('P')이 위치한다. 따라서 상기 베인(350)은 롤러와 결합되어 물리적으로 그리고 안정적으로 흡입 공간과 압축 공간을 분리할 수 있다.
이 때 상기 실린더(310)에는 그 일 측에 압축 반경 방향으로 냉매 흡입을 위한 흡입구(311)가 반경 방향으로 위치된다. 또한 상기 실린더(310)에는 상기 베인(350)이 삽입되는 베인 슬롯(312)이 반경 방향으로 위치된다. 한편 상부 베어링(320)의 일측에는 상기 압축 공간('P')에서 압축되는 냉매가 밀폐용기(100)의 내부 공간으로 토출되도록 토출구(321)가 위치한다.
상기 상부 베어링(320)과 하부 베어링(330)은 각각의 중심부에 크랭크축(230)이 위치하며, 상기 중심부는 상기 크랭크축(230)이 반경 방향으로 지지되도록 저널 베어링 면들(322, 331)이 위치한다. 또한 상기 저널 베어링면들(322, 331)에 수직인 면, 즉 흡입 공간('S')과 압축 공간('P')을 이루는 면에는 상기 크랭크축(230)과 롤러(340) 및 베인(350)을 크랭크축(230)의 축 방향으로 지지하도록 스러스트 면들(323, 332)이 위치한다. 따라서 상기 롤러(340)의 양 측면과 함께 상기 베인(350)의 양 측면은 상기 상부 베어링(320) 및 상기 하부 베어링(330)과 간극(또는 클리어런스)를 가지고 접하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 로터리 압축기는 다음과 같이 동작된다.
전동부(200)의 고정자(210)에 전원이 인가되면, 고정자(210)와 회전자(220) 사이에 형성된 자기장에 따라 발생하는 힘에 의해 회전자(220)가 회전되며 회전자(220)의 중심을 관통하는 크랭크축(230)에 회전력이 전달된다. 이에 따라 크랭크축(230)에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(310)의 압축 공간(도 3에서의 'P')에 배치되는 롤러(340)가 상기 크랭크축(230)과 편심된 거리만큼 상기 롤러(340)는 선회운동을 한다.
상기 압축 공간(P)이 상기 롤러(340)의 선회운동에 의해 중심으로 이동되며 체적이 감소됨에 따라, 냉매가스는 흡입관(110)의 흡입구(311)를 통해 베인(350)에 의해 물리적으로 구분된 흡입 공간(S)으로 흡입된다. 상기 흡입된 냉매가스는 롤러(340)의 선회운동에 의해 압축되면서 토출홀(313)을 따라 이동한 후 토출구(321)를 통해 토출관(120)으로 토출된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러(340)의 단면의 형상을 보여주는 단면도 및 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베인의 형상을 도시한 사시도이다.
도 2 내지 4에서 도시하는 바와 같이, 상기 롤러(340)는 환형(ring shape)으로 형성되어 상기 크랭크축(230)과 편심 회전 가능하게 결합되고 상기 롤러(340)의 외주면의 일측, 다시 말하면 상기 베인(350)과 접하는 부분에는 상기 베인(350)의 노즈부(351)가 삽입될 수 있도록 롤러(340)의 결합 홈부(341)가 크랭크축(230)의 축 방향으로 길게 위치한다.
또한 상기 베인(350)은 상기 노즈부(351)와 함께 베인 스템(352)를 포함한다. 상기 베인 스템(352)는 상기 노즈부(351)과 함께 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 베인 스템(352)는 상기 노즈부(351)와 연결되어 상기 롤러(340)의 회전 운동 시 상기 실린더(310) 내의 베인 슬롯(312) 내부로 삽입되어 베인 슬롯(312) 내부를 왕복 운동한다. 상기 베인 스템(352)은 상기 베인 슬롯(312) 내부와 접하는 베인 측면부(352-1)와 상기 상부 베어링(320, 메인 베어링) 및 하부 베어링(330, 하부 베어링)과 접하는 베인 상하면부(352-2)로 이루어 진다.
크랭크축(230)의 회전운동으로 인해 상기 롤러(340)가 선회운동을 하면, 상기 롤러의(340)의 결합 홈부(341)의 내면과 상기 베인(350)의 상기 노즈부(351)의 외면 사이에서는 마찰이 발생한다. 또한 상기 베인 스템(352)이 상기 베인 슬롯(312) 내부에서 왕복 운동함에 따라, 상기 베인 측면부(352-1)와 상기 베인 슬롯(312) 사이에서 상기 크랭크축(230)의 반경 방향으로 마찰이 발생한다.
한편 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기에서는 롤러의 거동이 베인에 의해 제약을 받는다. 그 결과 결합형 롤러-베인 구조에서의 롤러의 높이 방향(크랭크 축 방향)의 변위는 다른 구조의 로터리 압축기 대비 매우 크게 된다. 그 결과 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 베인(350)의 상하부면(352-2)과 상부 베어링(320) 및 하부 베어링(330) 사이에서도 마찰이 많이 발생하게 된다.
본 발명의 베인-롤러 결합형 구조의 로터리 압축기의 결합 홈부(341)는 도 3에서 도시하는 바와 같이 크랭크축(230)의 축 방향에 수직한 단면 방향에서 보았을 때 롤러(340)의 원호의 180도 이상까지 형상이 구현되는 특징을 가진다. 따라서 베인-롤러 결합형 구조의 로터리 압축기는 베인(350)과 롤러(340)의 결합 홈부(341)가 선 접촉이 아닌 면 접촉을 할 수 있다.
만일 베인(350)과 롤러(340)가 면 접촉을 하게 되면, 롤러(340)의 표면 경도가 높지 않아도 롤러(340)의 마모 특성이 저하되지 않을 수 있다. 왜냐하면 롤러(340)와 베인(350)이 면접촉한다는 것은 동일한 하중을 받는 롤러(340)의 면적이 실질적으로 증가함을 의미하기 때문이다. 다만 롤러(340)의 표면 경도가 변화하면 롤러(340)와 접촉하는 베인(350)의 마모 특성도 영향을 받게 된다. 또한 베인(350)의 마모 특성이 변화하면, 상기 베인(350)과 접촉하는 실린더(310)는 물론 상부 베어링(320) 및 하부 베어링(330)의 마모 특성도 영향을 받는다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 롤러(340)와 베인(350)이 면 접촉하는 점에 착안하여 내마모성이 우수한 롤러(340)와 베인(350) 및 베인(350)과 실린더(310) 조합을 도출하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 베인(350)과 상기 결합 홈부(341)를 가지는 롤러(340)는 새로운 소재 및 제조 방법에 의해 구체적으로 구현될 수 있다.
먼저 본 발명의 하나의 기술적 특징은 실린더(310) 및 롤러(340)와 결합되는 베인(350)의 재질, 제조 방법 및 표면 경도를 변경한 점에 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 종래의 베인(350)은 베인은 STS440 스테인레스 강과 같이 소입(quench)에 의해 경도를 높일 수 있는 마르텐사이트계 스테인레스 강으로 제조되었다. 상기 마르텐사이트계 스테인레스 강의 기지(matrix)는 소입 공정에 의해 고온의 오스테나이트에서 저온의 마르텐사이트로 변태된다. 그런데 상기 마르텐사이트 변태는 surface relief를 수반하므로 열처리 후에 베인(350)의 치수 변형을 유발한다. 따라서 종래의 베인(350)은 열처리 공정 이후 반드시 형상 가공 및 정형 공정을 포함하는 후속 공정을 거쳐야 하는 문제가 있다.
한편 상기 마르텐사이트 기지로 이루어진 종래의 베인(350)은 표면뿐만 아니라 내부까지도 높은 경도를 가진다. 따라서 종래의 베인(350)은 높은 경도로 인해 후속 가공 공정 및 정형 공정이 매우 어려운 문제가 있다.
상기와 같은 종래의 베인(350)의 문제점을 개선하고자 본 발명은 기지 자체의 경도나 강도가 높지 않아서 가공 및 정형이 용이하며 베어링 강으로 사용되는 SUJ2 강(JIS G4805 규격에 의해 성분이 규정되어 있음)을 베인에 적용하였다. 다만 본 발명의 베인(350)의 재질이 SUJ2 강으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 베인(350)은 질화 처리에 의해 표면이 경화될 수 있는 모든 강재가 적용될 수 있다.
한편 상기 SUJ2 강의 경도를 포함한 기계적 특성도 통상적으로는 종래의 마르텐사이트 스테인레스강과 같이 담금질 및 템퍼링의 열처리에 의해 제어된다. 상기와 같은 열처리는 본 발명의 일 실시예에서의 SUJ2 강의 표면뿐만 아니라 내부까지도 경도를 높이므로 그로 인해 상기 SUJ2 강의 가공 및 정형을 매우 어렵게 한다. 따라서 본 발명에서는 열처리가 아닌 표면 처리에 의해 상기 SUJ2 강의 표면 경도를 제어하였다.
구체적으로 본 발명에서 상기 SUJ2 강에 적용한 표면 처리는 질화 처리이다. 다만 본 발명의 표면 처리가 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서의 질화 처리는 종래의 담금질을 포함한 열처리보다 낮은 온도에서 진행되므로 재료의 표면에서의 산화나 기지의 경도 저하 등의 문제에 보다 자유로운 이점이 있다. 더 나아가 본 발명에서의 질화 처리는 담금질 후 발생하는 변형을 원천적으로 차단할 수 있는 또 다른 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 질화 처리된 베인(350)은 표면으로부터 내부 방향으로 각각 백색층 및 확산층을 포함한다.
상기 백색층은 SUJ2 강의 질화 처리 시 분위기(atmosphere) 내의 질소와 표면에서의 Fe 원자가 반응하여 형성된 질소 화합물층이며, 조성은 주로 Fe2N 질화물을 많이 함유한 FexN으로 표시된다. 상기 백색층의 두께는 질소의 높은 확산 속도에도 불구하고 낮은 질화 처리 온도로 인해 통상 10~20㎛ 정도이다. 상기 백색층은 비교적 경(hard)한 질소 화합물로 인해 기지(matrix) 또는 심부(core)보다 높은 경도를 가진다.
베인(350)의 표면에 위치하는 백색층 아래에는 확산층이 형성된다. 상기 확산층은 질소의 높은 확산속도에도 불구하고 표면 아래까지 확산되는 질소의 량이 제한됨에 따라 Fe 기지 내에 질소가 고용되거나 또는 SUJ2 강에 포함된 합금 원소와 질소가 반응하여 형성되는 약간의 질화물이 Fe 기지 내에 포함된 층을 말한다. 상기 확산층은 고용된 질소 또는 석출된 질화물에 의해 심부(core) 보다 높은 경도를 가지나 표면의 백색층보다는 낮은 경도를 가진다.
도 5는 종래의 SUS 440 강의 열처리 후와 본 발명의 일 실시예에 따른 SUJ2 강의 질화 처리 후의 베인 표면에서의 깊이에 따른 경도 차이를 도시한 것이다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화 처리 후의 베인은 표면에서 약 20 ㎛ 정도의 깊이까지 위치하는 질소 화합물을 포함하는 백색층과 상기 백색층 아래에 위치하며 표면에서 약 100 ㎛ 정도의 깊이까지 위치하는 확산층을 포함한다. 상기 도 5에서는 도시하지는 않았으나 상기 백색층은 평균적으로 비커스 경도 기준 약 700~900 Hv의 경도 값을 가지는 것으로 측정되었다.
반면 마르텐사이트 스테인레스 강을 열처리한 종래의 베인은 표면에서 심부까지 대략 균일한 경도를 가진다. 상기 종래의 베인은 표면에서 비커스 경도 기준 약 1,000 Hv의 경도 값을 가지는 것으로 측정되었다.
도 6은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 상기 결합 홈부(341)을 가지는 롤러(340)의 제조 방법의 단계를 나타낸 모식도이다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에서의 롤러(340)는 출발 물질로 파우더 상태의 SMF(sinter metal ferrous) 4040 강을 이용하였다. 다만 본 발명에서의 롤러(340)의 출발 물질은 상기 SMF 4040 강으로만 한정되지 않는다. 본 발명에서의 롤러(340) 제조를 위한 출발 물질은 상기 SMF 4040 강 이외에도 소결에 의해 그 형상을 제어할 수 있고 더 나아가 열처리에 의해 롤러(340)의 표면 경도를 제어할 수 있는 모든 강재가 사용될 수 있다.
상기 SMF 4040 강의 물성 및 성분, 그리고 조성범위는 일본 표준규격 JIS Z 2550:2000에 의해 규정되어 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 SMF 4040 강은 중량 %로, 0.2~1.0% C 및 1~5% Cu와 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가진다.
다음으로 상기 파우더는 롤러 형상으로 컴팩팅(compacting) 공정을 거친 후 소결 공정을 통해 롤러의 반제품으로 가공되었다.
상기 컴팩팅(conpacting) 공정은 분말 야금 또는 세라믹 분야에서 널리 사용되는 전처리 공정으로, 파우더 상태의 원재료가 상온 또는 고온에서 원하는 형상의 틀에 장입된 후 압력을 받아 물리적 또는 화학적인 결합에 의해 원하는 형상을 유지할 수 있게 하는 공정이다.
한편 상기 소결 공정은 분말 야금 또는 세라믹 분야에서 파우더 상태의 출발물질로부터 벌크(bulk) 상태의 제품을 제조하기 위해 적용되는 공정이다. 상기 소결 공정의 초기에는 본 발명의 상기 SMF 4040 강의 파우더들 사이에서 일어나는 확산(diffusion)에 의해 각각의 상기 파우더들 사이에 네크(neck)들이 형성된다. 그 후 소결이 진행됨에 따라, 상기 형성된 네크들은 서로 결합되어 연결 기공(inter-connected pore)을 형성하게 된다. 그 후 소결이 더 진행되면, 상기 연결 기공들은 서로 떨어지고 그 결과 각각의 기공이 존재하는 형태인 고립 기공(isolated pore)들이 형성된다. 그리고 소결 공정의 후기 단계에서는 상기 고립 기공들 각각이 파우더 물질들에 의해 채워지게 된다. 그 결과 본 발명의 일 실시예에 따른 최종 소결된 물품(product)은 이론 밀도에 근접한 벌크(bulk) 상태의 롤러 형상을 가질 수 있다.
이 때 본 발명의 일 실시예에서의 소결 공정은 800~1,200℃에서 1~8 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
만일 소결 온도 또는 시간이 상기 조건보다 낮거나 짧으면, 확산이 일어날 충분한 온도 또는 시간이 담보되지 못한다. 그 결과 소결 제품은 내부에 기공이 지나치게 크고 많아 최종 제품인 롤러의 강도와 경도가 요구되는 특성을 맞출 수 없는 문제가 있다.
반면 소결 온도 또는 시간이 상기 조건보다 높거나 길면, 소결이 완료된 후 소결 제품의 내부에서 결정립 성장(grain growth)이 일어난다. 그 결과 최종 소결 제품은 강도와 연신율이 저하된다.
상기 소결된 롤러(340) 제품은 롤러로 사용되기 위해 1차 가공 단계를 거친다.
본 발명의 일 실시예에서의 1차 가공은 먼저 1차 정형과 선삭 가공이 포함될 수 있다.
상기 1차 정형은 이전의 컴팩팅 및 소결된 반제품이 본 발명의 롤러-베인 결합형 롤러에 적용될 수 있도록 상기 반제품의 외경과 결합 홈부 등의 크기 및 형상을 롤러(340)에 적합하도록 가공하는 공정이다.
상기 1차 정형 공정 이후 상기 소결된 반제품은 추가적을 단면, 내경 및 내경의 면치 부위 등의 가공을 위해 선삭 가공 될 수도 있다.
더 나아가 보다 정밀한 치수 가공 및 표면 가공을 위해 브러쉬 가공 공정도 포함될 수 있다.
다음으로 상기 1차 정형된 반제품은 본 발명의 롤러-베인 결합형 롤러(340)에서 요구하는 표면 특성, 보다 정확하게는 표면에서의 경도(hardness) 제어를 위해 스팀 처리된다.
상기 스팀 처리 공정은 강 제품을 비교적 고온인 500 ~ 600℃에서 수증기와 접촉시켜 강 제품 표면에 산화물을 형성함으로써 표면 경도를 높이는 열처리이다.
상기 스팀 처리된 강 제품은 표면에 특징적인 변화가 일어난다. 보다 구체적으로 다음의 화학식에 의해 스팀 처리된 강 제품의 표면에는 ferrosoferric oxide(Fe3O4) 산화막이 형성된다. 상기 산화막은 기지인 강 제품의 표면과의 접착력이 매우 우수하며 고유의 흑색의 컬러를 가진다(도 3의 사진 참조).
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
상기 스팀 처리된 제품, 즉 롤러(340)는 다시 필요에 따라 2차 정형 공정을 거칠 수 있다.
본 발명에서의 상기 2차 정형 공정은 소위 말하는 사이징 공정에 해당하며 상기 일련의 제조 방법에 의해 제조된 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러(340)를 정확한 설계 치수 대로 정밀 가공하는 공정이다.
또한 필요한 경우 상기 2차 정형 공정 이후 롤러(340)의 단면, 외경 및 내경까지 연마하는 공정이 추가될 수도 있다.
다만 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러(340)의 외경부에 형성된 결합 홈부(341)는 상기 2차 정형 공정 단계에서 추가 가공되지 않는다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러는 결합 홈부(341)의 표면에 흑색(도 4의 사진 참조)의 ferrosoferric oxide를 포함한 산화막을 가지는 것을 다른 주요 기술적 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 소결 공정과 스팀처리 공정을 통해 제조된 롤러(340)는 Hv(비커스 경도) 기준으로 약 150~300의 경도 값을 가지는 것으로 측정되었다. 본 발명의 일 실시예에 의한 롤러(340)의 표면에서의 상기 경도 값은 종래의 SNCM 815 강을 담금질 후 템퍼링 공정하여 제조된 롤러(340)의 경도 값인 Hv 550 대비 매우 낮은 특징을 가진다.
이하 실험예를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 롤러-베인 결합형 롤러를 가지는 로터리 압축기의 특성에 대해 검증하고자 한다.
실험예 1 - 실린더와 베인의 마모량 측정
아래의 표 1은 결합형 롤러-베인 구조를 가지는 로터리 압축기에서 실린더와 베어링의 소재에 따른 마모량을 측정한 결과를 요약한 표이다.
<표 1> 결합형 롤러-베인 구조에서의 실린더-베인의 마모량(㎛)
Figure pat00001
앞에서 설명한 바와 같이, 로터리 압축기의 실린더는 통상 GC 250과 같은 회주철(grey iron)로 제조되며, 상기 GC 250 회주철은 Vickers 경도로 환산 시 대략 Hv 250 정도의 표면 경도를 가진다.
본 발명의 로터리 압축기와 같은 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기에서는 베인(350)이 실린더(310) 내의 베인 슬롯(312)과 상대적인 왕복 운동을 한다. 그에 따라 실린더(310)와 마찰이 일어나는 베인(350)의 구성 요소는 베인 스템(352)의 베인 측면부(352-1)이다. 따라서 실험예 1에서의 베인(350)의 마모 특성은 베인 측면부(352-1)의 표면 상태에 크게 영향을 받는다.
먼저 기존 상용품인 STS 440 스테인레스 강으로 제조된 베인과 일반적인 GC250 회주철로 제조된 실린더로 이루어진 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 베인과 실린더 모두에서 상당량의 마모(각각 0.5 ㎛ 및 3.0 ㎛)가 발생한 것으로 측정되었다. 특히 상대적으로 더 무른(soft) 실린더의 마모량이 더 경한(hard) 베인의 마모량보다 더 큼을 알 수 있다.
반면 상기 SUJ2 강의 질화 처리 후 형성된 백색층을 유지한 베인 측면부(352-1)를 포함하는 베인과 회주철로 제조된 실린더로 이루어진 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 베인과 실린더 모두에서 마모 량이 크게 감소함을 알 수 있다. 특히 백색층을 포함하는 베인은 종래의 STS 440 스테인레스 강으로 된 베인 대비 경도가 감소하였음에도 베인에서의 마모량은 거의 제로(zero) 수준으로 감소하는 것으로 측정되었다.
반면 상기 SUJ2 강의 질화 처리 후 형성된 백색층을 제거한 베인 측면부(352-1)를 포함하는 베인과 회주철로 제조된 실린더로 이루어진 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 기존의 STS 440 스테인레스 강 + 회주철로 제조된 실린더의 조합보다 마모 특성이 크게 저하되는 것으로 측정되었다.
도 7은 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 실린더와 베인의 경도 차이에 따른 롤러와 베인의 마모량을 도시한 것이다.
도 7에서 도시하는 바와 같이 결합형 롤러-베인 구조에서는 베인과 실린더의 경도 차이가 실린더와 베인의 각각의 경도 값 보다 마모 특성에 보다 더 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 도 7은 베인과 실린더의 경도 차이가 Hv 기준 450~650 구간일 때, 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기의 마모 특성 및 신뢰성이 매우 향상됨을 명확하게 제시하고 있다.
실험예 2 - 롤러와 베인의 마모량 측정
아래의 표 2는 결합형 롤러-베인 구조를 가지는 로터리 압축기에서 롤러와 베어링의 소재에 따른 마모량을 평가한 결과를 요약한 표이다.
<표 2> 결합형 롤러-베인 구조에서의 롤러-베인의 마모량(㎛)
Figure pat00002
먼저 기존 상용품인 STS 440 스테인레스 강으로 제조된 베인과 SMF 4040 강의 소결 및 스팀 처리된 롤러로 이루어진 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 베인과 롤러 모두에서 상당량의 마모(각각 0.6 ㎛ 및 2.5 ㎛)가 발생한 것으로 측정되었다. 특히 상대적으로 더 무른(soft) 롤러의 마모량이 더 경한(hard) 베인의 마모량보다 더 큼을 알 수 있다.
한편 상기 SUJ2 강의 질화 처리 후 형성된 백색층을 유지한 베인 노즈부(351)를 포함하는 베인과 SMF 4040 강의 소결 및 스팀 처리된 롤러로 이루어진 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 베인과 롤러 모두에서 마모 량이 크게 감소함을 알 수 있다. 특히 백색층을 포함하는 베인은 기존 STS 440 스테인레스 강으로 된 베인 대비 경도가 감소하였음에도 베인에서의 마모량은 거의 1/3 수준으로 감소하는 것으로 측정되었다.
반면 상기 SUJ2 강의 질화 처리 후 형성된 백색층을 제거한 베인 노즈부(351)를 포함하는 베인과 SMF 4040 강의 소결 및 스팀 처리된 롤러로 이루어진 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기는 기존의 STS 440 스테인레스 강 + SMF 4040 소결 및 스팀 처리된 롤러의 조합보다 마모 특성이 크게 저하되는 것으로 측정되었다.
도 8은 결합형 베인-롤러 구조의 로터리 압축기에서 롤러와 베인의 경도 차이에 따른 롤러와 베인의 마모량을 도시한 것이다.
도 8에서 도시하는 바와 같이 결합형 롤러-베인 구조에서는 베인과 롤러의 경도 차이가 각각의 롤러와 베인의 경도 값 보다 마모 특성에 보다 더 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 도 8은 베인과 롤러의 경도 차이가 Hv 기준 500~700 구간일 때, 결합형 롤러-베인 구조의 로터리 압축기의 마모 특성 및 신뢰성이 매우 향상됨을 명확하게 제시하고 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 밀폐용기 110: 흡입관
120: 토출관 200: 전동부
210: 고정자 220: 회전자
230: 크랭크축 300: 압축부
310: 실린더 311: 흡입구
312: 베인 슬롯 313: 토출홀
320: 상부 베어링(메인 베어링) 321: 토출구
322: 저널 베어링 면 323: 스터스트 면
330: 하부 베어링(서브 베어링) 331: 저널 베어링면
332: 스러스트 면 340: 롤러
341: 결합 홈부 350: 베인
351: 베인 노즈부 352: 베인 스템
352-1: 베인 측면부 352-2: 베인 상하면부
P: 압축 공간 S: 흡입 공간

Claims (10)

  1. 압축 공간을 포함하는 실린더;
    상기 실린더 내에서 냉매를 압축하는 환형 형상의 롤러;
    상기 압축 공간 내에서 흡입 공간과 압축 공간을 나누고 상기 롤러와 결합되는 베인;을 포함하며,
    상기 베인은 질소 화합물을 포함하는 백색층의 표면을 가지는,
    로터리 압축기.
  2. 제1항에 있어서
    상기 베인은 상기 롤러와 결합되는 노즈부를 포함하고 상기 노즈부는 상기 백색층의 표면을 가지는, 로터리 압축기.
  3. 제1항에 있어서
    상기 베인은 상기 실린더 내의 베인 슬롯과 마찰되는 베인 측면부를 포함하고,
    상기 베인 측면부는 상기 백색층의 표면을 가지는, 로터리 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베인의 재질은 SUJ2 강인, 로터리 압축기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 베인과 상기 실린더의 경도 값의 차이가 비커스 경도 기준 450~650 Hv인, 로터리 압축기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 롤러는 상기 베인의 노즈부와 결합하는 결합 홈부를 가지고 상기 결합 홈부는 표면에 ferrosoferric oxide(Fe3O4) 막을 포함하는, 로터리 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결합 홈부는 Hv 기준 150~300 의 경도를 가지는, 로터리 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베인과 상기 결합 홈부의 경도 값의 차이가 비커스 경도 기준 500~700 Hv인, 로터리 압축기.
  9. 제6항에 있어서
    상기 롤러의 재질은 소결 강인, 로터리 압축기.
  10. 제9항에 있어서
    상기 롤러의 재질은 SMF 4040 강인, 로터리 압축기.
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