KR970008004B1 - 회전식 압축기용 블레이드(blade) 및 그를 포함하는 회전식 압축기 - Google Patents

회전식 압축기용 블레이드(blade) 및 그를 포함하는 회전식 압축기 Download PDF

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Abstract

요약 없음

Description

회전식 압축기용 블레이드(blade) 및 그를 포함하는 회전식 압축기
제1도는 회전식 압축기의 단면도.
제2도는 제1도에 도시된 회전식 압축기의 실린더 및 블레이드 부재를 나타내는 확대된 투시도.
제3도는 상기 블레이드 부재의 여러가지 특성을 나타낸 테이블이고,
제4도는 블레이드 부재의 마모 및 굽힘 강도를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 회전식 압축기11 : 외부용기
12 : 회전식 압축기구13 : 모터구동기구
14 : 실린더15 : 회전축
16 : 캠17 : 로울러 부재
18 : 블레이드 부재18a : 블레이드 부재의 일측단부
19 : 탄성수단20 : 블레이드 가이드
21 : 압축실22 : 흡입파이프
23 : 배출 파이프
본 발명은 미끄럼 이동 부재에 관한 것으로, 특히 회전식 압축기용 블레이드 및 그를 포함하는 회전식 압축기에 관한 것이다.
회전식 압축기로 언급되는 회전형 유체압축기는 중심을 달리하여 회전 가능한 로울러와 상호적으로 이동 가능한 블레이드 부재가 제공되는 실린더를 갖는다. 상기 블레이드 부재는 로울러가 회전하는 동안 상기 로울러 부재의 외부 표면이 상기 블레이드 부재와 접촉을 유지하도록 블레이드 가이드내 탄성수단에 의해 상기 로울러 부재의 외부 표면과 강제로 접촉하고 상기 로울러 부재의 이동에 대응하여 방사 방향으로 움직인다. 상기 실린더의 내부표면과, 상기 로울러 및 블레이드 부재의 외부표면으로 둘러싸여진 공간이 실린더내의 압축실을 형성한다. 상기 압축실내에 흡입된 냉매는 상기 로울러 부재의 회전에 의해 압축되어 상기 실린더 밖으로 배출된다. 상기 블레이드 가이드내에서 미끄럼 운동하여 상기 로울러 부재와 접촉하는 상기 블레이드 부재는 높은 마모저항을 필요로 한다.
최근에는, 공기 조화기에서 넓은 범위의 공기조화 용량이 요구되어 왔다. 그러한 요구를 만족시키려면, 상기 공기조화기의 회전식 압축기를 계속해서 구동하고 상기 압축기의 회전속도를 증가시키기 위하여 인버터 장치가 사용된다. 상기 회전식 압축기의 회전속도는 열이 증가함에 따라 예를들면 1820r.p.m~7200r.p.m까지 변화될 수 있다. 그러나, 상기 압축기를 회전속도를 증가시킨 채로 계속 운전을 할 경우, 상기 블레이드와 로울러 부재사이 및 상기 블레이드 부재와 실린더 사이에 발생되는 금속접촉이 증가되므로 상기 블레이드와 로울러 부재와 실린더의 마모가 진행될 수 있다. 이것은 결국 회전식 압축기의 압축효율의 저하 또는 회전식 압축기의 기능고장을 초래하게 된다.
일본 특허공개 소61-36166호는 기본 성분으로서 알루미나와 5 내지 30wt%의 지르코니아(zirconia) 첨가제 또는 5 내지 50wt%의 비유기섬유질의 첨가제를 포함하는 회전식 압축기의 미끄럼 부재를 공개하고 있다. 상기 첨가제는 미끄럼부재의 굽힘강도를 증가시키지만, 상기 공개된 미끄럼 부재는 특히 압축기에 R 22 냉매의 대체제로 알려진 그의 화학성분에 염소(Cl)를 함유하지 않아서 오존층에 해를 미치지 않는 HFC-R134 냉매를 사용할때 마모저항에 관하여는 만족스럽지 못하다.
따라서, 본 발명의 목적은 높은 마모저항을 갖는 개선된 회전식 압축기용 블레이드 부재를 제공함에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 회전식 압축기의 실린더 및 로울러 부재와 같은 접촉부재의 마찰을 감소시킨 회전식 압축기용 높은 마모저항 블레이드를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 HFC 134a 냉매를 사용하기에 적합한 개선된 회전식 압축기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 회전식 압축기용 블레이드 부재는 50 내지 98.5wt%의 지르코니아 ; 1 내지 49.5wt%의 알루미나 ; 및 0.5 내지 10wt%의 안정화 물질을 함유하여 구성되는 소결체를 포함한다. 상기 소결체의 입자크기는 3μm 이하이다. 상기 안정화 물질은 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨 및 회토류 금속의 산화물중에서 선택된 적어도 하나를 포함한다. 소결체내의 지르코니아는 실질적으로 정방(正方)구조 또는 정방 및 입방(立方)의 혼합구조로 형성된다.
이하 본 발명의 구체적 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명한다.
제1도에 도시된 바와 같이, 회전식 압축기(10)는 측면에 설치된 원통형 외부용기(11)를 포함한다. 회전식 압축기구(12)와 모터구동기구(13)가 외부용기(11)내에 배치된다. 상기 회전식 압축기구(12)는 상기 모터구동기구(13)에 의해 구동된다. 상기 회전식 압축기구(12)는 그 내부에 회전축(15)이 연장된 실린더(14)를 포함한다. 상기 실린더(14)내 회전축(15)의 단부에는 캠(16)이 제공된다. 상기 캠(16)은 상기 회전축(15)의 회전중심으로부터 벗어난 중심을 갖고 로울러 부재(17)가 상기 캠(16)의 외부벽에 고정되어 있다. 따라서, 상기 로울러 부재(17)는 실린더(14)내에서 상기 회전축(15)의 회전에 대응하여 이심으로(eccentricaly) 회전된다.
블레이드 부재(18)가 실린더(14)의 단면에 대하여 방사방향으로 위치된다. 상기 블레이드 부재(18)의 일측단부(18a)는 상기 블레이드 부재(18)의 타측단부에 배치된 탄성수단(19)에 의해 로울러 부재(17)의 외부표면과 강제로 접촉된다. 제2도에 분명히 나타내어진 바와 같이, 상기 블레이드 부재(18)는 상기 로울러 부재(17)의 회전에 대응하여 블레이드 가이드(20)내에서 서로 미끄러질 수 있다. 상기 실린더(14)의 내부표면과, 상기 로울러 및 블레이드 부재(17),(18)의 외부표면으로 둘러쌓여진 공간은 압축실(21)을 형성한다. 흡입파이프(22)를 통해 압축실(21)내에 흡입된 냉매를 상기 로울러 부재(17)의 회전에 의해 압축되어 상기 실린더(14) 밖으로 배출된다. 배출파이프(23)가 상기 압축된 냉매를 압축기(10)밖으로 배출하기 위하여 외부용기에 연결된다.
다음으로, 회전식 압축기(10)용 블레이드 부재(18)의 제조공정을 설명한다.
먼저, 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 및 안정화제를 포함하는 금속분말의 혼합물을 준비하여 건조시킨다. 최종 블레이드 부재의 적절한 조성은 중량 퍼센트(wt%)로 :
ZrO250 내지 98.5wt%
Al2O31 내지 49.5wt%
안정화제0.5 내지 10wt%
이다. 상기 혼합물은 주입성형이나 고무-프레스 성형 또는 주물등과 같은 적절한 성형 처리를 통해 블레이드 모양의 본체로 성형된다.
상기 성형된 본체는 기름이 제거된 후 소결된 블레이드 본체를 얻기 위하여 1~3시간동안 1300℃~1700℃의 로에서 가열된다. 필요하다면, HIP로 불리는 핫 이소스태틱 처리(hot isostatic process)가 상기 소결된 블레이드 본체에 적용되며, 상기 처리는 10~100MPa의 압력을 갖는 비활성 기제 분위기에서 1300℃~1700℃의 온도에서 실행된다. 이와 같이 하여 정방 및 입방 지르코니아 구조가 형성된 최종의 블레이드 본체가 얻어진다. 상기 소결체의 입자크기는 3μm 이하이고 상기 소결체의 용적밀도는 95% 이상이다.
소결체의 입자의 크기는 소결전의 성형체를 구성하는 분말의 크기나 소결조건에 의해 변화될 수 있지만, 소결체의 평균입자 직경이 3μm을 초과하면 소결체의 강도가 충분히 얻어지지 않고 특히 열응력에 의한 변태에 기인하는 크랙이 발생하기 쉽다. 상기 제조조건에 의하면 소결체의 평균입자 직경이 3μm 이하로 되어 충분한 강도와 내마모성을 갖고 또한 크랙발생을 방지할 수 있다.
다른 혼합 비율의 지르코니아와 알루미나를 함유하는 여러가지 블레이드 부재 또는 제품소재가 상기한 바와 같은 공정에 의해 만들어진다. 각각의 제품소재는 회전식 압축기내에서 3MPa의 R22 냉매 압력하에서 120℃로 4000시간동안 테스트된다. 상기 제품소재(18)의 결합부재로써 로울러 부재는 Cr-Mo-Ni를 함유하는 주철합금으로 만들어졌다. 제4도는 상기 테스트 결과로써 얻어진 것이다. 제4도에서 그래프 A는 테스트후 각각의 제품 소재에 대해 측정된 마모량을 나타내며, 상기 각 소재에 함유된 알루미나의 양에 따라 변화한다. 그래프 A에 따르면, 마모는 Al2O3/Al2O3+ZrO2가 30wt%일때 최소가 된다. 회전식 압축기(10)의 블레이드 부재(13)로는, 비록 제품소재의 굽힘강도가 그래프 B가 나타내는 바와 같이 비교적 낮을지라도, 60wt%의 알루미나를 함유하는 소재가 적절한 것처럼 보인다. 상기 소재의 굽힘강도는 Al2O3/Al2O3+ZrO2가 50wt%를 초과할때 더욱 낮아진다.
상기한 바와 같이, 블레이드 부재(18)는 탄성수단(19)에 의해 로울러 부재(17)와 강제로 접촉을 유지하도록 되어 있고, 압축기(10)를 운전하는 동안 로울러 부재(17)를 따르도록 설계되어 있다. 그러나, 로울러 부재(17)의 회전시에 블레이드 부재(18)의 단부에 작용하는, 사실상 블레이드 부재(18)의 축에 수직인 힘에 대한 반작용 때문에, 블레이드 부재(18)가 로울러 부재(17)로부터 튀거나 껑충거리는 일이 발생한다. 이러한 튐은 블레이드 부재(18)에 큰 균열이 생기게 하는 원인이 된다. 따라서, 상기 블레이드 부재(18) 바람직한 굽힘 강도는 80Kgf/mm2이상인 것으로 선택된다. 이러한 점에서, 바람직한 알루미나(Al2O3)의 양은 1~49.5wt%로 결정된다. 이러한 알루미나의 양을 기초로 하여 지르코니아(ZrO2) 및 안정화제는 각각 50~98.5wt%, 0.5~10wt%로 결정된다. 알루미나 중량 퍼센트에 대한 최상의 선택은 최대 굽힘 강도를 갖는 높은 마모-저항 블레이드 부재를 실현하기 위하여 25wt%와 30wt% 사이인 것이 좋다. 본 발명에 따르면, 블레이드 물질내에 정방구조를 갖는 지르코니아는 25wt% 이상인 것이 바람직하다. 또한 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨 및 예트리아(yettria)와 같은 회토류 금속의 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 안정화제를 사용하는 것이 바람직하다.
일본 특허공개 소 61-36166A는 굽힘강도를 증가시키기 위한 첨가물로써 지르코니아를 함유하는 알루미나 베이스의 블레이드 재료를 개시한다. 30wt%의 지르코니아를 함유하는 블레이드 재료의 굽힘강도는 60Kgf/mm2으로, 100wt% 지르코니아를 함유하는 블레이드 재료에 비해 두배 더 크다. 상기 공개에서는 비록 블레이드 재료의 마모에 관한 정보는 나타내고 있지 않을지라도 30wt%의 지르코니아를 함유하는 블레이드 재료는 앞서 설명한 것과 동일한 조건하에서 4000시간동안 테스트 되었을때 접촉재료에 의해 3μm의 마모를 나타낸다. 따라서 지르코니아는 블레이드 재료의 굽힘강도를 증가시키므로 고정된 회전속도로 단속적으로 동작되는 종래의 압축기에 이용하는 것이 적합하다. 그러므로 상기 공개자료에 공개된 블레이드 재료는 증가되는 회전속도로 연속적으로 동작되는 회전식 압축기용으로는 부적절하다.
또한 고속도강(JIS SKH-51)이나 질화크롬 강과 같은 종래의 블레이드 재료는 에스테르형 합성냉매오일(oil)과 함께 R22 냉매를 사용하는 압축기용으로 개발되었다. HFC R134 냉매를 사용하는 압축기의 로울러부재와 같은 결합금속 부분과의 회전에 의한 접촉에 의한 발생되는 인화 확률은, R22 냉매내의 염소(Cl)가 인화를 방지하는 역할을 하는 반면에 HFC R134 냉매는 그의 화학적 구성에 염소(Cl)를 함유하지 않기 때문에 R22 냉매를 사용하는 압축기 보다 더 높다. 본 발명에 따른 블레이드 부재는 앞서 기술한 유사한 조건하에서 HFC R134와 R22 냉매를 사용하여 4000시간동안 비교 테스트한 결과, 우수한 마모-저항을 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 블레이드 부재의 마모는 종래의 강철 블레이드 부재의 마모가 5μm 이상인 반면에 1μm 이내였다.
제3도의 테이블에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 소결된 블레이드 부재(이하 알루미나-지르코니아 블레이드라 함)의 경도는 비커스 경도 Hv 1500으로서, 상기 알루미나-지르코니아 블레이드 표면은 종래의 질화크롬 강철의 표면(Hv 500) 보다 더 높은 경도를 갖는다. 상기 알루미나-지르코니아 블레이드는 낮은 마찰계수와 높은 용융점을 가지므로, 결과적으로 높은 마모-저항을 나타낸다. 상기 알루미나-지르코니아 블레이드의 밀도(6g/cc)는 종래 강철의 밀도(7.9g/cc)보다 낮고, 회전식 압축기의 운전동안 낮은 진동과 소음을 발생한다. 또한 상기 알루미나-지르코니아 블레이드의 열팽창 계수는 9×10-6[1/℃]로서, 주철 또는 강철의 열팽창계수 10×10-K[1/℃]와 비슷하다. 따라서, 상기 알루미나-지르코니아 블레이드는 블레이드 및 로울러 부재 또는 블레이드 부재 및 실린더 사이에 틈새가 덜 발생하기 때문에 주철 또는 강철로 이루어진 로울러 부재 혹은 실린더의 우수한 결합부재이다. 그러므로 상기 틈새에 의해 발생되는 압축손실이 방지된다.
실리콘 질화물은 높은 마모저항 물질이다. 그러나, 그의 열팽창 계수는 3.4×10-6[1/℃]로써 주철이나 강철로 만들어진 결합부재에 비해 비교적 낮다. 그러므로 실리콘 질화물로 만들어진 블레이드 부재는 회전식 압축기의 온도가 증가할때 압축손실을 발생시키기 때문에 바람직하지 않다. 말할 필요도 없이, 블레이드 부재와 로울러 부재, 또는 블레이드 부재와 실린더의 열팽창계수는 동일한 것이 바람직하다.
부분적으로 안정화된 지르코니아(PSZ)는 알루미나-지르코니아 블레이드에 비교될만한 높은 표면경도(비커스 경도가 Hv 1400)와 9×10-6[1/℃]의 열팽창 계수를 갖는다. 그러나 부분적으로 안정화된 지르코니아는 200℃의 높은 대기에서 오랜시간동안 유지되었을때 미세한 균열이 발생한다. 상기 미세한 균열은 블레이드 부재 그 자체를 파괴하게 된다. 상기 미세한 균열은 지르코니아의 상변화에 의한 부피의 팽창으로 인해 발생한다.
한편 열적으로 안정된 물질인 알루미나-지르코니아 블레이드는 그와 같은 미세한 균열을 발생시키지 않는다.
상기 블레이드 재료는 앞서 언급한 바와 같이 회전식 압축기에서 튐이 발생하기 때문에 어느정도의 강도를 요구한다. 알루미나-지르코니아 블레이드는 100[Kgf/mm2]의 굽힘강도를 갖고, 이는 충분히 안정화된 지르코니아와 충분히 안정화된 알루미나(30[Kgf/mm2])의 굽힘강도보다 더 크고 실리콘 질화물의 굽힘강도(90[Kgf/mm2])와 부분적으로 안정화된 지르코니아의 굽힘 강도(100[Kgf/mm2])에 비교할 만하다.
요약하면, 본 발명에 따르면 높은 마모저항과 높은 강도 및 열적안정성을 갖는 우수한 블레이드 부재를 얻을 수 있다.
본 발명의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 여러가지 변형이 가능할 것이다. 그러한 변형은 청구범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 지르코니아 50~98.5wt% ; 알루미나 1~49.5wt% ; 및 안정화 물질 0.5~10wt%를 함유하여 구성되는 소결체를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 압축기용 블레이드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안정화 물질이 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨 및 회토류 금속의 산화물중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 압축기용 블레이드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소결체의 입자크기가 3μm 이하인 것을 특징으로 하는 회전식 압축기용 블레이드.
  4. 제3항에 있어서, 상기 지르코니아는 정방구조 또는 정방과 입방구조의 혼합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 압축기용 블레이드.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지르코니아는 입방구조 또는 입방과 정방구조의 혼합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  6. 실린더와, 상기 실린더내에서 중심이 다르게 회전할 수 있는 로울러와, 블레이드 가이드내에서 상호 움직일 수 있고 상기 로울러 부재에 강제로 접촉되어 있는 블레이드 부재를 포함하고, 상기 브레이드 부재는 50~98.5wt%의 지르코니아, 1~49.5wt%의 알루미나 및 0.5~10wt%의 안정화 물질을 함유하여 구성되는 소결체를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 압축기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 안정화 물질은 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화세륨 및 회토류 금속의 산화물중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 압축기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 소결체의 입자크기가 3μm 이하인 것을 특징으로 하는 회전식 압축기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 지르코니아는 입방구조 또는 입방 및 정방구조의 혼합으로 형성된 것을 특징으로 하는 회전식 압축기.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 지르코니아는 정방구조 또는 정방 및 입방구조의 혼합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 압축기.
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