KR0177012B1 - 경량 스크롤 요소 및 그 제조 방법 - Google Patents

경량 스크롤 요소 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 궤도 스크롤은 세라믹 입자 강화 알루미늄 금속 기재 조성물로 제조조된다. 이렇게 제조된 부품은 증가된 내 마모성을 가지며 주철과 열팽창이 일치하므로 선단 시일이 없이도 사용될 수 있으며 경량화와 관련된 이점을 제공한다.
본 발명의 부품을 제조함에 있어서, 상기 부품을 거의 망상으로 가압 주조하고 최종 형상으로 기계 가공한다.

Description

경량 스크롤 요소 및 그 제조 방법
제1도는 본 발명에 따른 밀폐형 스크롤 압축기를 도시하는 부분 수직 단면도.
제2도는 선회(orbiting) 스크롤을 제조하는 단계를 나타내는 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 고정 스크롤 21 : 선회 스크롤
22,23 : 랩(wrap) 25 : 토출 포트
27 : 외부면 28,29 : 유출 구멍
32, 34 : 환상 밀봉체 36 : 크랭크 케이스
40 : 챔버 50 : 올덤 커플링
52 : 슬라이더 블록 110 : 판
펌프, 압축기, 또는 팽창기(expander) 등과 같은 스크롤 기계(scroll machine)에 있어서, 스크롤 요소들 간에는 하나가 다른 하나에 대해 선회 운동해야 한다는 기본 상호 작용이 있다. 압축기의 경우에, 압축되는 유체는 스크롤 요소들을 축 방향으로 분리시키려고 하며 스크롤 요소들의 랩(wrap)을 반경 방향으로 분리시키려고 하는 힘을 스크롤 요소들에 가한다. 압축기 작동에 필요한 밀봉을 유지시키기 위해서는 어떤 형태의 축 방향 및 반경 방향 컴플라이언스(compliance)가 필요하다. 축 방향 컴플라이언스는 선회 스크롤의 랩의 선단이 고정 스크롤의 바닥(floor)과 접촉하는 상태로 편의되도록 선회 스크롤의 판 상에 작용하는 토출 압력 또는 중간 압력의 형태를 취할 수 있다. 축방향 컴플라이언스의 또 다른 형태는 상기 랩의 선단내의 홈 안에 위치하는 선단 밀봉체(tip seal)의 형태이다. 선단 밀봉체는 하나의 스크롤 요소의 랩의 선단과 대면하는 스크롤 요소의 바닥 사이의 접촉을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
관성을 고려하는 경우 때로는 선회 스크롤이 가능한 한 경량일 것을 요구할 수 있다. 중량을 고려할 때, 알루미늄은 선회 스크롤을 위한 바람직한 재료이다. 알루미늄의 마모 특성은 들러붙는 것을 방지할 뿐만 아니라 랩의 선단이 마모되는 것을 방지하기 위해서 선단 밀봉체의 사용을 요구할 수 있다. 선단 밀봉체를 수용하기 위한 홈의 기계 가공 요건과 선단 밀봉체의 사용과 관련한 누출 문제 때문에, 일반적으로는 선단 밀봉체를 사용하지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 종래 기술에서 선단 밀봉체를 구비하지 않은 알루미늄 스크롤 요소를 사용하는 것을 만족스럽지 않았다.
알루미늄을 모재로 하고 세라믹 입자가 첨가되어 보강된 합성물(이하, 세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물이라 한다)이 다이 캐스팅 또는 스퀴즈 캐스팅과 같은 가압 주조 공정에 의해 망상(net shape)으로 제조된다. 다이 캐스팅 이후에, 제조된 부품은 최종 형상으로 기계 가공된다. 세라믹 입자 첨가물은 맞물리는 스크롤이 주철로 제조되는 경우에 대하여 주철에 부합하는 증가된 강성, 증가된 내마모성 및 더욱 유사한 열팽창을 제공함으로써 스크롤의 성능을 향상시킨다. 이러한 특성들은 고정 스크롤과 선회 스크롤이 모두 동일한 세라믹 입자 보강형 알루미늄 합금으로 제조되는 경우에 동일하게 되거나, 다른 합금들이 사용되는 경우에 아주 유사하게 된다. 이렇게 되면 상기 모든 이점들 외에도 고정 스크롤의 경량화 이점을 추가로 갖게 된다. 더욱이 세라믹 입자 보강형 알루미늄을 사용하면 선단 밀봉체 및 베어링 삽입체 또는 부싱이 필요 없게 된다.
본 발명의 목적은 선단 밀봉체를 사용하지 않고도 알루미늄 모재 합성물제 또는 주철제 스크롤과 관련하여 사용되는 알루미늄 모재 합성물제 선회 스크롤을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 선회 스크롤의 관성 하중을 줄임으로써 변속 적용을 위한 속도 범위를 확장시키는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 초기 길들이기 시간(wear-in time)을 개선하고 누출 경로를 줄이는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 주철에 상당하는 열팽창 계수와 탄성 계수를 갖는 알루미늄 모재 합성물제 선회 스크롤을 제공하는 데 있다. 이하에서 명확하게 되는 이러한 목적과 기타 목적은 본 발명에 의하여 달성된다.
본 발명에 따르면, 세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물로 제조되며, 측면 및 선단을 갖는 랩과, 바닥을 구비하는 제1 스크롤 수단과; 측면 및 선단을 갖는 랩과, 바닥을 구비하는 제2 스크롤 수단과; 상기 제1 스크롤 수단과 상기 제2 스크롤 수단 사이에서 측면이 밀봉 접촉하도록 상기 제1 스크롤 수단을 구동시키는 구동 수단과; 상기 제1 스크롤 수단의 선단이 상기 제2 스크롤 수단의 바닥과 직접 밀봉 접촉되게 하고 상기 제2 스크롤 수단의 선단이 상기 제1 스크롤 수단의 바닥과 직접 밀봉 접촉되게 하는 축방향 컴플라이언스 수단을 포함하는 스크롤 기계 장치가 제공된다.
기본적으로 실리콘 카바이드 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물제 선회 스크롤은, 주철의 바람직한 물리적 특성에 근접하거나 이와 일치하게 되어 주철 또는 알루미늄 모재 합성물제 고정 스크롤과 함께 사용될 수 있도록 마련된다.
제1도를 참고하면, 도면 부호 100은 밀폐형 스크롤 압축기를 나타낸다. 통상적으로 토출 압력과 중간 압력의 합산 압력으로 가압된 유체는 유출 구멍(28, 29)을 거쳐서, 제1 스크롤 수단으로서의 선회 스크롤(21)의 배면과 환상 밀봉체(32, 34)와 크랭크 케이스(36)로 한정된 환상 챔버(40)로 공급된다. 환상챔버(40) 안의 가압 유체는 선회 스크롤(21)을 도시된 바와같이 제2 스크롤 수단으로서의 고정 스크롤(20)과 결합 유지되게 작용한다. 유출 구멍(28) 및 환상 챔버(40)는 축방향 컴플라이언스 수단으로서 역할하며, 선회 스크롤(21)의 배면과 결합되는 챔버(40)의 면적과 챔버(40) 안의 압력은 선회 스크롤(21)에 작용하는 컴플라이언스 힘을 결정한다. 구체적으로는, 랩(22, 23)의 선단은 스크롤(21, 20) 각각의 대면하는 바닥에 바로 접촉하고, 선회 스크롤(21)의 바닥 또는 판(110)의 외부 부분은 챔버(40) 내의 압력의 편의 효과에 의해 고정 스크롤(20)의 외부면(27)과 결합한다. 선회 스크롤(21)은 종래와 마찬가지로 올덤 커플링(Oldham coupling)(50)에 의해 선회 운동을 하도록 유지된다. 선회 스크롤(21)은, 베어링 삽입체가 필요없이 슬라이더 블록(52)안에 수용되며 그리고(도시되지 않은) 모터의 회전자에 고정된 구동 수단으로서의 크랭크축(60)에 의해 구동되는 허브(26)를 구비한다. 슬라이더 블록(52)은 크랭크축(60)에 대해 왕복 운동할 수 있어서, 선회 스크롤(21)의 반경 반향 컴플라이언스가 랩(22, 23)의 측면(flank)이 액체 슬러그 등을 짓누르면서 밀봉 접촉 상태에서 유지되게 하는 역할을 한다. 크랭크축(60)은 고정 스크롤(20)의 축이기도 한 축 Y-Y를 중심으로 회전하며, 축 Z-Z를 갖는 선회 스크롤(21)은 축 Y-Y를 중심으로 궤도 선회한다. 압축 가스는 토출 포트(25)를 거쳐서 셸(shell) 안으로 통과하며, 이어서 (도시되지 않은) 냉동 시스템 또는 공기 조화 시스템으로 토출된다.
선회 스크롤(21)은 실리콘 카바이드 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물로 제조된 점과, 선단 밀봉체 또는 마모 판을 사용하지 않으면서도 주철제 고정 스크롤(20)과 함께 사용할 수 있다는 점에서 종래의 스크롤과 다르다. 그러나, 고정 스크롤도 역시 실리콘 카바이드 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물로 제조될 수 있다. 또한, 허브(26)와 슬라이더 블록(52) 사이에는 별도의 베어링이 필요하지 않다.
세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물은 10 내지 25 부피%의 실리콘 카바이드 입자를 함유한다. 20 부피%의 실리콘 카바이드의 혼합물이 380 알루미늄과 함께 채용된다. 이러한 혼합물에서의 탄성 계수(×1021b/in2)는 16.5이고 이에 비해 주철의 탄성 계수는 15.5이다. 이와 유사하게 열팽창 계수(×10-6/℉)는 9.2이고 이에 비해 주철의 열팽창 계수는 6.0이다. 제2도를 참조하면, 도면 부호 200으로 나타낸 단계에서처럼, 상기 혼합물을 가열하여 용탕으로 만든다. 도면 부호 210으로 나타낸 단계에서처럼, 상기 용탕을 다이 캐스팅 등에 의해 가압 주조하여 망상의 선회 스크롤로 제조한다. 알루미늄 모재 합성물의 마모 저항은 기계 가공을 어렵게 하므로, 망상으로의 가압 주조는 기계 가공되어 제거될 재료의 양을 최소로 하기 위해서 중요하다. 주조 후에, 도면 부호 220으로 나타낸 단계에서처럼, 이 주조 부품은 최종 형상으로 기계 가공된다. 그 다음 상기 부품을 압축기(100)에 조립시킬 준비를 한다.
본 발명은 선회 스크롤에 대해 설명되었지만, 알루미늄이 바람직한 재료이면서도 주철의 특성에 부합되야 하거나 그리고/또는 내마모성으로 제조해야 하는 어떤 다른 경우에도 사용될 수 있다. 또한, 실리콘 카바이드가 세라믹 입자 재료로 설명되었지만, 티타늄 카바이드, 알루미나, 질화 티타늄 또는 질화 알루미늄, 또는 기타의 입자와 같은 다른 재료도 사용될 수 있다. 특정의 것을 선태함에 있어서는 요구되는 특정의 성질에 따라 선택된다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims (5)

  1. 스크롤 기계 장치(100)에 있어서, 세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물로 제조되며, 측면 및 선단을 갖는 랩(23)과, 바닥을 구비하는 제1 스크롤 수단(21)과, 측면 및 선단을 갖는 랩(22)과, 바닥을 구비하는 제2 스크롤 수단(20)과, 상기 제1 스크롤 수단과 상기 제2 스크롤 수단 사이에서 측면이 밀봉 접촉하도록 상기 제1 스크롤 수단을 구동시키는 구동 수단(60)과, 상기 제1 스크롤 수단의 선단이 상기 제2 스크롤 수단의 바닥과 직접 밀봉 접촉되게 하고 상기 제2 스크롤 수단의 선단이 상기 제1 스크롤 수단의 바닥과 직접 밀봉 접촉되게 하는 축방향 컴플라이언스 수단(28, 40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 기계 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물은 10내지 25 부피%의 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 기계 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 스크롤 수단은 주철로 제조된 것을 특징으로 하는 스크롤 기계 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 스크롤 수단은 세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물로 제조된 것을 특징으로 하는 스크롤 기계 장치.
  5. 세라믹 입자 보강형 알루미늄 모재 합성물제 스크롤 요소를 제조하는 방법에 있어서, 10 내지 25 부피%의 실리콘 카바이드 입자와 알루미늄의 혼합물을 용탕 상태까지 가열하는 단계와, 망상의 주조품을 제조하기 위하여 용탕 혼합물을 가압 주조하는 단계와, 상기 주조품을 최종 형상으로 기계 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 요소 제조 방법.
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