KR960005542B1 - 스크롤 타입 압축기의 알루미늄계 스크롤의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

스크롤 타입 압축기의 알루미늄계 스크롤의 제조방법

제 1 도는 본 발명이 적용되는 알루미늄 스크롤의 분해 사시도.

제 2(a)도 내지 제 2(d)도는 압축기 스크롤의 압축동작을 보여주는 스크롤의 단면도.

제 3 도는 본 발명에 따른 양극산화처리후의 알루미늄 스크롤에 몰리브덴 유화물을 충진시키기 위한 전해조의 개략도.

제 4 도는 알루미늄 스크롤의 표면처리 상태를 보여주기 위한 표면부분의 확대 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 고정스크롤 2 : 가동스크롤

11 : 전해조 12 : 양극

13 : 음극 14 : 전해액

21 : Al 또는 Al 합금 22 : 양극산화피막

23 : 미세다공 24 : 몰리브덴 유화물

본 발명은 스크롤 타입 압축기에 관한 것으로, 특히 알루미늄 스크롤의 내구성을 향상시키고 압축기의 운전시의 잡음을 감소시킬 수 있는 알루미늄 스크롤의 제조 방법에 관한 것이다.

카 에어콘 및 가정용 에어콘에는 냉매를 압축시키기 위해 압축기를 채용하고 있다. 이러한 에어콘의 소형화, 고효율화, 정음화의 요구가 크게 높아지고 있다.

또한 자동차의 진화와 동시에 카 에어콘에 부과되는 소형, 경량화, 저소음화등의 문제도 많아지게 되었다. 그러나 종래의 원리, 즉 피스톤식 압축기로는 한계가 발견되어, 새로운 원리에 기초한 소위 "스크롤 타입 압축기"가 제안되었다.

이러한 스크롤 압축기는 피스톤식에 비하여 토오크 변동이 매우 작고, 엔진에 부담을 주지 않을 뿐 아니라 저속 회전 영역으로부터 큰 냉방능력이 얻어진다고 하는 이점이 있다.

상기한 압축기의 스크롤부에 대한 분해 사시도가 제 1 도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 스크롤부는 고정스크롤(1)과, 고정스크롤(1)에 삽입 결합되어 회전 운동을 하는 가동스크롤(2)로 구성된다. 제 2 도에 도시된 바와 같이 가동스크롤(2)이 회전운동을 하게 되면 냉매의 흡입(제2a도)→압축(제2b 및 2c도)→토출 동작이 반복하여 행하여진다.

즉, 가동스크롤(2)이 회전하는 경우 2개의 스크롤 사이에 가능한 공간은 외측으로부터 중심측으로 이동하므로 용적이 작아지게 된다. 따라서 냉매의 압축이 일어나게 된다. 제 2 도에서 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ의 표시는 스크롤의 외측에 있는 냉매가 중심측으로 이동되어가는 현상을 나타내기 위해 부가한 것이다.

한편, 종래에는 이러한 스크롤 압축기의 재질을 주철계 재료를 사용하여 정밀절삭하여 고정스크롤과 가동스크롤을 제작하였다. 그러나 카 에어콘의 경우 그 중량을 감소시킬 필요가 있으며, 압축기의 운전시 고정스크롤의 치형과 가동스크롤의 치형이 제 2 도와 같이 서로 접촉하게 될 때 접촉부의 마찰력이 과대해지면 마모가 진행되어 냉매의 누수가 발생한다는 문제가 있었다.

따라서 최근 들어 이러한 문제들중에서 성에너지에 직결하는 부품의 경량화가 주목되어 압축기의 스크롤을 주철계에서 경량이면서 가공성이 좋은 알루미늄 합금 재료로 변경하는 검토가 진행되고 있다.

그러나 알루미늄 합금의 나재(裸材)만으로 가공된 압축기는 경량화의 목적은 달성될 수 있으나 치형스크롤이 서로 접촉할 경우에 마찰에 의한 마모와 마찰흔의 발생이 크게 일어나 냉매의 누수가 발생되곤 하였다. 또한 나재 알루미늄 합금으로 이루어진 경우에는 주철계 재료로 이루어진 경우보다 회전시에 케이스의 진동음이 더 크다는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 생각되는 것은 종래에는 알루미늄 스크롤에 양극 산화 처리를 행하여 표면에 양극산화피막을 형성하여 내마모성을 향상시키는 방법을 강구하였다. 그러나 이러한 양극산화피막은 알루미늄 지금(地金)에 비교하여 표면이 경화되지만 표면조도도 커져서 마모계수는 상당히 크기 때문에 가동스크롤과 고정스크롤간의 마찰이 과도하게 발생되어 알루마이트층이 파과되는 것을 방지할 수는 없었다.

이것을 개선하기 위하여 경질 양극산화피막을 형성한 후 후처리로서 4불화에틸렌 등의 유기 윤활제를 코팅하고 소부 또는 열처리하는 방식도 있었으나 만족할 만한 성능을 나타내지 못하였다.

즉, 상기한 윤활제를 피막하는 방식은 초기단계에서는 마찰계수가 적어 큰 저항이 없으나 어느 정도 시간이 경과되면 코팅층이 마모되어 내구성이 떨어져 박리된 코팅제가 냉매를 오염시킨다고 하는 문제가 있었다. 이같은 문제를 모두 해결하기 위하여 많은 연구를 한 결과 본 발명에 도달하게 되었다.

즉, 본 발명의 목적은 마모도가 적어 내구성이 향상되며 작동시의 소음을 줄일 수 있는 스크롤 타입 압축기의 알루미늄 스크롤의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Al계 재료를 가공하여 가동 및 고정스크롤을 형성하는 단계 ; 상기 가동 및 고정스크롤의 표면에 5㎛ 이상의 다공질 양극산화피막을 형성하는 단계 ; 및 상기 다공질 양극 산화 피막이 형성된 가동 및 고정스크롤중 적어도 어느 하나의 스크롤을 양극으로 하고 티오몰리브덴산암모늄액중에서 전해처리하여 상기 다공중에 몰리브덴유화물을 함침시키는 단계로 구성되는 스크롤 타입 압축기의 알루미늄계 스크롤의 제조방법을 제공한다.

또한 상기의 전해처리는 전해액으로 순수에 티오몰리브덴산 암모늄을 0.01wt% 내지 0.1wt% 농도로 용해하여 준비하고 0.01A/dm²내지 1A/dm²의 전류밀도, 10V 내지 200V의 정전압, 0℃ 내지 30℃의 전해액 온도로 1 내지 15분간 통전시킨다.

상기한 스크롤의 재질은 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 이루어지며, 특히 주조성, 내열성, 인장강도가 크고, 열팽창 계수가 작은 것이 요구된다. 알루미늄 합금으로 적합한 것은 Al-Cu-Si계의 AC2A와 AC2b, Al-Si-Mg계의 AC4A와 AC4C, Al-Mg계의 AC7A, Al-Si-Cu-Ni-Mg계의 AC8A와 AC9A를 들 수 있고, 그중에서도 본 발명의 요점인 양극산화피막의 다공에 전해처리에 의해 석출되는 몰리브덴 유화물의 생성시에 전해액에서 분해하여 방출되는 유황분과 금속유화물을 형성하기 쉬운 금속성분(예를 들어 Cu 또는 Pb 등)을 갖는 알루미늄 합금이 더욱 바람직하다.

이 경우 몰리브덴 유화물의 생성반응, 예를 들어 Cu²⁺+S²→CuS 또는 Pb²⁺+S²→PbS 등이 되어 몰리브덴 유화물과 함께 복수의 유화물을 형성한다.

더욱이 상기한 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 전신재(展伸材)주조, 다이캐스트재, 분말소결재, 건식 또는 습식 알루미늄 도금재등 어느 것이나 가능하다.

또한 양극산화피막은 5㎛ 이상인 경우에 명료한 다공성 구조가 얻어져 이 다공에 몰리브덴 유화물을 함침시킬 수 있고 내마모성도 좋아진다.

이하에 양극산화막의 미세다공에 몰리브덴 유화물을 함침시키는 공정을 더욱 상세히 설명하면 양극산화피막과 같은 다공질 표면을 가지는 스크롤을 전극으로 하거나 또는 전극을 부착하여 사용하고 대극으로서는 카본, 스테인레스 또는 알루미늄 재료를 사용한다.

전해는 직류 또는 교류 어느 방식이어도 좋으며, 직류 전해일 경우에는 양극산화피막을 양극으로 대극을 음극으로 한다. 교류 전해일 경우에는 양극산화처리된 스크롤측이 몰리브덴 유화물의 석출에 필요한 시간만을 양극측이 되면 좋다.

이와 같이 다공질의 양극산화피막을 티로몰리브덴산 암모늄의 수용액중에서 전해를 행하면 양극산화피막의 미세공 저부의 배어리층으로부터 방출되는 수소이온(H⁺)과 전해액에서의 해리한 MoS₄ ^2-이온이 미세공 중에서 반응하여 저부로부터 몰리브덴 유화물의 침적을 시작하여 입구를 향하여 순차적으로 진행한다.

이때 상기한 전해처리에 있어서 전해액의 농도가 0.1wt% 보다 높거나, 전류밀도가 1A/dm²보다 크거나 또는 전해시간이 15분 이상일 경우 전착과잉이 일어난다.

이베 반하여 전해액 농도가 0.01wt% 보다 낮거나 전류밀도가 0/01A/dm²보다 적거나 전해시간이 1분 이하인 경우는 다공내의 몰리브덴 유화물의 함침량이 충분하지 못하게 된다.

한편 전해액의 온도가 0℃ 이하인 경우는 전해액의 전기전도성이 저하되어 전류가 흐르기 어려운 상태로 되며, 반면에 30℃ 이상인 경우에는 전류를 통전시키지 않아도 전해액의 화학반응이 쉽게 일어나 전해액의 수명이 단축된다. 또한 정전압이 10V 미만인 경우에는 MoS₄ ^2-가 미세공의 내부까지 도달하기가 어려워 배리어층으로부터 H⁺이온과의 반응이 일어나지 않으며, 반면에 정전압이 200V를 초과하는 경우에는 배리어층으로부터 다량의 H⁺이온이 발생되어 배리어층을 박리하는 경우도 있고 안정된 몰리브덴 유화물의 반응이 진행되지 못한다.

다음에 본 발명에 따른 알루미늄 스크롤의 표면처리 방법을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

먼저 실시예 및 비교예로서 제작된 스크롤 압축기의 출력은 750W, 토출량 13㎤/rev(1회전당 13㎤ 토출)를 갖도록 구성하였다.

[실시예 1]

먼저 AC8A 알루미늄 합금 주물을 스크롤 형태로 절삭가공한 후, 20% 황산 용액중에서 5℃ 3A/dm²의 전류밀도로 직류전해에 의해 30㎛의 양극산화피막을 형성하고 그후 제 3 도에 도시된 바와 같은 전해조내에서 양극산화피막이 형성된 가동스크롤(2)와 고정스크롤(1)을 양극(12)으로 하고, 스텐레스 판을 음극(13)으로 한후 전해액(14)으로 순수(또는 탈염수)에 티오몰리브덴산 암모늄[(NH₄)₂MoS₄]을 0.05%wt 농도로 용해하여 준비하였다.

그후 150mA/dm²의 전류밀도, 15℃의 온도로 2분 동안 통전시켜 제 4 도에 도시된 바와 같이 알루미늄 합금(1)의 표면에 형성된 양극산화피막(22)의 미세다공(23)내에 몰리브덴 유화물(24)을 충전시켰다.

그후 성능평가 방법으로서 얻어진 가동, 고정스크롤을 압축기에 적용하여 1000rpm, 2000rpm, 3000rpm으로 각각 100만회 회전시킨 후 압축기를 분해하여 스크롤을 집어내어 저면과 치형에 나타난 마찰, 흔적 및 갈가먹은 험의 결함을 공손히 육안으로 관찰하였다.

스크롤에 발생된 마모의 흔적과 갈가먹은 험의 정도는 다음과 같이 구별하였다.

× … 꾀 깊게, 크게, 심하게 갈가먹히고 소부가 있음.

△ … 마모가 많이 있고 갈가 먹힌 부분도 보임.

○ … 어느 정도 정상치에 가까우나 군데 둔데 마모의 흔적이 보임.

◎ … 마모의 흔적도 거의 없고, 정상치와 변함이 없음.

또한 스크롤 압축기가 100만회 회전된 시점에서 압축기의 케이스에서 10㎝ 떨어진 점에서 소음계로 소음을 측정하였다. 이에 대한 결과를 표 1에 도시하였다.

[실시예 2]

실시예 2는 실시예 1과 동일한 방법으로 처리하였으나, 단지 가동스크롤(2)만 양극산화처리와 몰리브덴 유화물의 충전을 행하고 고정스크롤(1)에 대하여는 양극산화처리만으로서 미세다공(23)에 몰리브덴 유화물의 충전 처리를 행하지 않았다. 이렇게 하여 얻어진 스크롤을 이용하여 실시예 1과 같이 성능 시험을 행하고 마모의 정도와 소음을 측정하였다.

[실시예 3]

실시예 3은 실시예 1과 동일한 방법으로 처리하였으나 실시예 2와 반대로 고정스크롤(1)만 전 공정을 거치고 가동스크롤(2)에 대하여는 미세다공에 몰리브덴 유화물의 충전 처리를 행하지 않았다. 그후 실시예 1과 같은 방식으로 스크롤 압축기에 조립하여 성능시험을 통해 마모의 정도와 소음을 측정하였다.

[비교예 1]

비교예 1은 실시예 1과 마찬가지로 AC8A 알루미늄 합금 주물을 절삭 가공하여 고정 및 가동스크롤을 제작한 후 실시예 1과 동일한 조건으로 양극산화를 실시하여 30㎛의 경질 양극산화피막을 스크롤 표면에 형성하였다.

이렇게 얻어진 스크롤을 압축기에 조립하여 성능시험을 통해 마모의 정도와 소음을 측정하였다.

[비교예 2]

비교예 2는 비교예 1과 동일한 재료를 사용하여 가동, 고정스크롤을 제작한 후 어떤 처리도 행하지 않은 나재이다. 그후 이렇게 얻어진 스크롤을 이용하여 실시예 1과 동일하게 성능시험을 행하고 마모의 정도와 소음을 측정하였다.

[비교예 3]

비교예 3은 구상흑연 주철(종류 : FCDA-Ni 20%, Cr 20%) 재료를 사용하여 가동, 고정스크롤을 제작한 후 어떤 처리도 행하지 않았다. 그후 이렇게 얻어진 스크롤을 이용하여 실시예 1과 동일하게 성능시험을 행하고 마모의 정도와 소음을 측정하였다.

실시예 2와 3 및 비교예 1 내지 3에 대한 시험 결과를 실시예 1에 대한 실험 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

상기한 표 1로부터 알 수 있느 바와 같이 양극산화처리를 행하지 않은 나재 알루미늄 합금으로 이루어진 비교예 2는 주철계로 이루어진 비교예 3보다 스크롤 마모도와 소음면에서 더 나쁜 성능을 나타낸다.

한편 알루미늄 합금 재료를 양극산화처리하여 얻어진 비교예 1은 비교예 3보다 더 나은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나 이 경우에도 rpm이 높은 경우에는 스크롤 마모도가 매우 심하여 만족할 만한 내구성을 갖지 못하였다.

이들과 대비하여 볼때 실시예 2와 3과 같이 어느 한쪽의 스크롤만이라도 몰리브덴 유화물을 양극산화피막의 다공에 함침시킨 경우 스크롤 마모가 거의 발생하지 않았다. 또한 고정 또는 가동스크롤중 어느 하나만을 처리할 경우에는 가동스크롤을 처리하는 것이 스크롤 마모도나 소음이 적게 나타남을 알 수 있다. 그러나 고정 및 가동스크롤 모두를 본 발명에 따른 몰리브덴 유화물 함침처리를 행하는 경우 rpm의 증가에 따라 소음만 약간 증가할 뿐 마모의 흔적이 거의 보이지 않았다.

또한 소음의 경우도 몰리브덴 유화물의 함침 처리된 양극산화피막은 다음과 같은 이유로 종래에 비하여 월등한 제진(制振)흡음효과를 갖기 때문에 압축기 전체의 소음은 종래에 비하여 크게 감소한다.

즉, 종래의 경질 알루마이트 표면은 아주 미세한 다공질이 존재하므로 진동과 음파는 이 미세공에 흡수되어 경질 알루마이트 재료는 흡음과 흡진 효과를 나타낸다. 이는 경질 알루마이트 피막은 수십미크론의 얇은 막이나 알루미늄 지금(地金)보다는 수배 이상 단단하며(알루미늄 지금은 비커스 경도(HV)가 약 HV=100이고, 경질 알루마이트 경도는 약 HV=400임) 또한 알루미늄 단독보다도 알루마이트피막은 무겁게 되어 있기 때문에(알루미늄 밀도 : 약 2.7g/㎤·알루마이트 밀도 : 약 3.1g/㎤) 알루미늄 지금 단독에 비교하면 진동을 흡수하기 쉬운 특성을 갖고 있다.

따라서 이와 같은 특성을 가진 경질 알루마이트의 다공층에 몰리브덴 유화물을 충분히 충진한 경우에는 몰리브덴 유화물의 밀도(예를 들어 MoS₂일때의 밀도는 4.8g/㎤) 만큼 경질 알루마이트 단독인 경우에 더 가산되므로 한층 표면층의 밀도가 높아져 본 발명에 따라 제조된 고정 및 가동스크롤을 사용하여 스크롤 압축기를 구성한 경우 피막밀도가 증가한 것에 따라 진동을 흡수하기 쉬워 진동 억제효과(제진효과)가 종래에 비하여 크게 개선된다.

더욱이 본 발명은 상기한 스크롤 타입의 압축기이외에 냉매식 압축기에 있어서는 왕복동식, 롤링 피스톤식, 술벤식의 어느 경우에도 이들을 구성하는 피스톤, 실린더, 로더, 벤등을 본 발명의 스크롤과 같이 알루미늄화하고 그것에 양극산화처리와 전해에 의한 몰리브덴 유화물의 충진처리를 행하므로써 경량화는 물론, 스크롤의 실험결과와 같이 내구성의 향상 및 저소음화를 달성할 수가 있다.

Claims (3)

1. Al계 재료를 가공하여 가동 및 고정스크롤을 형성하는 단계 ; 상기 가동 및 고정스크롤의 표면에 5㎛ 이상의 다공질 양극산화피막을 형성하는 단계 ; 및 상기 다공질 양극산화피막이 형성된 가동 및 고정스크롤중 적오도 어느 하나의 스크롤을 양극으로 하고 티오몰리브덴산 암모늄액중에서 전해처리하여 상기 다공중에 몰리브덴유화물을 함침시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 타입 압축기의 알루미늄계 스크롤의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전해처리는 전해액으로 순수에 티오몰리브덴산 암모늄 0.01wt% 내지 0.1wt% 농도로 용해하여 준비하고, 0.01A/dm²내지 1A/dm²의 전류밀도, 10V 내지 200V의 정전압, 0℃ 내지 30℃의 전해액 온도로 1 내지 15분간 통전시키는 것을 특징으로 하는 스크롤 타입 압축기의 알루미늄계 스크롤의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 Al계 재료는 Al과 Al 합금중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스크롤 타입 압축기의 알루미늄계 스크롤의 제조방법.