KR100724842B1 - 밀폐형 압축기 - Google Patents

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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

밸런스 웨이트의 외주 형상은 밸런스 웨이트의 외주와 피스톤 사이의 거리가 밸런스 웨이트와 피스톤가 근접하게 접근한 구간에서 거의 일정해지도록 구성된다.

Description

밀폐형 압축기{HERMETIC COMPRESSOR}
본 발명은 냉장고, 공기 조화기 및 냉동 장치와 같은 냉동 사이클에 이용되는 밀폐형 압축기에 관한 것이다.
최근에, 가정용 냉장고 및 냉동 장치에 이용되는 밀폐형 압축기는 소형, 저소음 및 저진동의 것이 강하게 요구되고 있다. 이러한 배경하에서, 오존층 파괴 계수(ozone depletion coefficient)가 영(zero)인 R600a로 대표되는 저 지구온난화 계수의 천연 냉매인 탄화수소로 냉매를 바꾸고 있다. 더욱이, 진동의 주원인인 피스톤을 균형잡기 위해서, 밸런스 웨이트(balance weight)를 이용하는 방법이 진동을 감소시키는데 효과적인 기술이다.
지금까지, 밸런스 웨이트를 이용하는 이러한 유형의 밀폐형 압축기로서는, 크랭크샤프트가 대략 원호의 프로파일(arc profile)의 밸런스 웨이트를 구비함으로써 압축기 기구의 불균형력을 조절하도록 한 것이 있었다.
도면을 참조하면, 일본 특허 공개 공보 제 2000-213462 호에 개시된 종래의 밀폐형 압축기가 하기에 설명되어 있다.
도 5는 종래의 압축기의 종단면도이다. 도 6은 종래 압축기의 평단면도이다.
도 5 및 도 6에 있어서, 밀폐 용기(closed container)(1)는 냉매(2)로 채워진다. 권선(3a)을 갖는 스테이터(3)와 로터(4)로 구성된 전기 모터 요소(5)와, 이 전기 모터 요소(5)에 의해 구동되는 압축 요소(6)는 서스펜션 스프링(suspension spring)(7)에 의해 용기(1)내에 탄성적으로 수용된다. 샤프트(10)는 로터(4)를 프레스 고정하는 메인 샤프트 본체(11)와, 이 메인 샤프트 본체(11)에 편심으로 형성된 편심 샤프트 본체(12)를 구비한다. 외주가 메인 샤프트 본체(11)의 축방향 중심상에 중심설정된 대략 원호의 프로파일인 밸런스 웨이트(22)가 편심 샤프트 본체(12)상에 고정된다. 실린더 블록(16)은 거의 원통형 압축 챔버(17)를 갖는다. 피스톤(20)은 왕복 미끄럼운동 가능하도록 압축 챔버(17)내에 삽입된다. 피스톤(20)은 연결 수단(21)에 의해 편심 샤프트 본체(12)에 결합된다.
이러한 구성의 밀폐형 압축기에 있어서의 작동을 후술한다.
전기 모터 요소(5)의 로터(4)는 샤프트(10)를 회전시킨다. 편심 샤프트 본체(12)의 회전 운동이 연결 수단(21)에 의해 피스톤(20)에 전달됨에 따라, 피스톤(20)은 압축 챔버(17)내에서 왕복운동한다. 그 결과, 냉매 가스는 냉각 시스템(도시하지 않음)으로부터 압축 챔버(17)내에 흡입 및 압축되고, 냉각 시스템내로 다시 토출된다.
압축 작용시에, 피스톤(20)이 왕복운동하므로, 왕복운동의 관성력이 불균형력으로서 발생된다. 이러한 왕복운동의 관성력은 피스톤(20)과 반대 위상(reverse phase)으로 되도록 밸런스 웨이트(22)를 장착함으로써 균형 잡힌다. 이 구성에 있어서, 수평방향으로의 피스톤(20)의 왕복운동의 관성력은 어느 정도 상쇄된다.
종래의 구조에 있어서, 압축기의 전체 높이를 낮추기 위해서, 밸런스 웨이트(22)가 피스톤(20)으로부터 수평방향으로 이격되어 배치된 경우, 밸런스 웨이트(22) 및 피스톤(20)은 피스톤(20)의 하사점(bottom dead center)에서 가장 가까운 거리에 있게 된다. 밸런스 웨이트(22)와 피스톤(20) 사이의 간섭을 회피하기 위해서, 밸런스 웨이트(22)는 대략 원호의 프로파일로 설계된다. 따라서, 밸런스 웨이트(22)는 충분한 관성력을 갖지 못한다. 즉, 피스톤(20)의 왕복운동의 관성력을 충분히 상쇄할 수 없어서, 밀폐형 압축기의 진동이 증대된다.
발명의 요약
본 발명은 종래 기술의 상기 문제점의 견지에서 이루어진 것으로, 피스톤의 수평방향 연장부상에 밸런스 웨이트를 배치하는 구성에 있어서 보다 큰 관성력을 갖는 밸런스 웨이트를 구비한 저진동의 밀폐형 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 밀폐형 압축기는, (i) 전기 모터 요소와, (ii) 상기 전기 모터 요소에 의해 구동되는 압축 요소와, (iii) 상기 전기 모터 요소와 압축 요소를 수용하는 밀폐 용기와, (iv) 상기 밀폐 용기내에 수용된 냉매를 포함한다. 상기 압축 요소는, (i) 편심 샤프트 본체와 메인 샤프트 본체를 갖는 샤프트와, (ii) 압축 챔버를 갖는 실린더 블록과, (iii) 상기 압축 챔버내에서 왕복운동하는 피스톤과, (iv) 상기 피스톤과 상기 편심 샤프트 본체를 연결하기 위한 연결 수단과, (v) 상기 샤프트상에 형성된 밸런스 웨이트를 포함한다. 상기 피스톤은 상기 밸런스 웨이트로부터 수평방향으로 이격되어 있다. 상기 밸런스 웨이트의 외주는, 상기 밸런스 웨이트의 외주와 상기 피스톤 사이의 거리가 상기 밸런스 웨이트와 피스톤이 근접하게 접근한 구간에서 거의 일정하게 되도록 하는 형상으로 형성된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 종단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 평단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 확대도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 모델 다이아그램,
도 5는 종래의 압축기의 종단면도,
도 6은 종래의 압축기의 평단면도.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 상세하게 후술한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 종단면도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 평단면도이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 확대도이다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 밀폐형 압축기의 모델 다이아그램이다.
도 1 내지 도 4에 있어서, 밀폐 용기(101)는 이소부탄(R600a)으로 이루어진 냉매(102)로 채워진다. 스테이터(103)와 로터(104)로 구성된 전기 모터 요소(105)와, 이 전기 모터 요소(105)에 의해 구동되는 압축 요소(106)는 서스펜션 스프링(107)에 의해 밀폐 용기(101)내에 탄성적으로 수용된다. 전기 모터 요소(105)는 전원 주파수 미만의 작동 주파수를 포함하는 복수의 작동 주파수로 인버터 구동된다. 본원에서, 30Hz 이하의 주파수가 작동 주파수에 포함된다. 밀폐 용기(101)는 그로밋(grommet; 탄성 지지체)(126)에 의해 지지된다.
샤프트(110)는, (i) 로터(104)를 프레스 고정하는 메인 샤프트 본체(111)와, (ii) 메인 샤프트 본체(111)에 편심적으로 형성된 편심 샤프트 본체(112)와, (iii) 메인 샤프트 본체(111)와 동축으로 제공된 보조 샤프트 본체(113)와, (iv) 편심 샤프트 본체(112)와 보조 샤프트 본체(113) 사이를 연결하는 조인트(114)와, (v) 보조 샤프트 본체(113)의 하부에 샤프트(110)와 동일한 재료로 제조된 밸런스 웨이트(122)를 구비한다. 피스톤(120)은 밸런스 웨이트(122)로부터 수평방향으로 이격되어 있다.
대략 원통 형상의 압축 챔버(117)를 갖는 실린더 블록(116)은 상부에 보조 샤프트 본체(113)를 지지하기 위한 보조 베어링(119)을 갖는다. 실린더 블록(116) 하부에는, 메인 샤프트 본체(111)를 지지하기 위한 메인 베어링(118)이 나사(123)에 의해 고정된다. 피스톤(120)은 실린더 블록(116)의 압축 챔버(117)내에 미끄럼 가능하게 삽입된다. 피스톤(120)은 연결 수단(121)에 의해 편심 샤프트 본체(112)와 결합된다. 메인 샤프트 본체(111)의 축방향 중심(111a)을 원점으로 가정하면, 밸런스 웨이트(122)의 외주의 좌표(x, y)는 수학식 1 및 수학식 2로 나타낸다.
[수학식 1]
x = [s·cos(360°-θ)+L·cos{(sin-1(s·sin(360°-θ)/L)}+C-α]·cos(360°-θ)
[수학식 2]
y = [s·cos(360°-θ)+L·cos{(sin-1(s·sin(360°-θ)/L)}+C-α]·sin(360°-θ)
여기서, s : 샤프트(110)의 편심량[메인 샤프트 본체(111)의 축방향 중심(111a)과 편심 샤프트 본체(112)의 축방향 중심(112a) 사이의 거리]
L : 연결 수단(121)의 피치 길이
C : 피스톤(120)의 스커트 길이
α : 밸런스 웨이트(122)의 외주와 피스톤(120) 사이의 거리
θ : 편심 샤프트 본체(112)의 회전 각도
예를 들어, 샤프트(110)의 편심량(s)이 10mm이고, 연결 수단(121)의 피치 길이(L)가 37.3mm이고, 피스톤(120)의 스커트 길이(C)가 9.9mm이며, 밸런스 웨이트(122)의 외주와 피스톤(120) 사이의 거리(α)가 1.5mm라고 가정하면, 밸런스 웨이트(122)의 외주의 좌표(x, y)는 수학식 3 및 수학식 4로 특정된다.
[수학식 3]
x = [10.0×cos(360°-θ)+37.3×cos{(sin-1(10.0×sin(360°-θ)/37.3)}+9.9-1.5]·cos(360°-θ)
[수학식 4]
y = [10.0×cos(360°-θ)+37.3×cos{(sin-1(10.0×sin(360°-θ)/37.3)}+9.9-1.5]·sin(360°-θ)
이러한 구성에 있어서, 밸런스 웨이트(122)와 피스톤(120)이 근접하게 접근한 구간에서, 밸런스 웨이트(122)의 외주와 피스톤(120) 사이의 거리는 1.5mm로 항상 유지될 수 있다. 즉, 피스톤(120)으로부터 수평방향으로 이격되어 배치된 밸런스 웨이트(122)를 갖는 구조체에 있어서, 피스톤(120)의 샤프트(110)측의 공간을 효율적으로 이용하기 위해서, 거리(α)를 2.0mm 이하로 설정함으로써 큰 질량을 갖는 밸런스 웨이트(122)가 제공될 수 있다. 게다가, 거리(α)를 1.5mm로 규정함으로써, 부품의 치수 정밀도의 변동을 고려하더라도 충분한 설계 품질이 얻어진다.
밸런스 웨이트(122)의 회전에 의해 얻어진 관성력의 크기는 편심 샤프트 본체(112)의 축방향 중심(112a)으로부터 밸런스 웨이트(122)의 중력 중심까지의 거리와, 밸런스 웨이트(122)의 질량의 곱에 비례한다. 따라서, 바람직한 실시예에 따르면, 종래 기술에서의 대략 원호의 프로파일의 밸런스 웨이트(22)에 비하여 보다 큰 관성력이 부가될 수 있다. 즉, 피스톤(120)의 왕복운동의 관성력은 종래 기술에 비해 보다 효과적으로 상쇄될 수 있어서, 압축기의 소형화를 저해하지 않고서 진동이 감소될 수 있다.
지금까지, 냉매로서, 테트라플로로에탄(R134a)이 일반적으로 사용되고 있지만, 이소부탄(R600a)이 본 바람직한 실시예에서 사용된다. R600a의 밀도는 R134a의 약 0.6배로 작다. 따라서, R134a와 동일한 냉매 능력을 얻기 위해서, 필요한 실린더 체적이 약 1.7배 이상으로 되어, 피스톤(120)의 질량이 크게 증가된다. 그러나, 본 실시예에서는 제한된 공간내에 큰 관성력을 갖는 밸런스 웨이트(122)를 내장하여서, 피스톤(120)의 완복운동의 관성력이 충분히 상쇄될 수 있어, 압축기의 진동이 감소될 수 있다.
게다가, 높은 효율을 실현하기 위해서 베어링이 양측부에서 지지하여서, 일 측부에서 지지하는 베어링에 비해 전체 높이가 높아지는 경향이 있다. 그러나, 밸런스 웨이트(122)를 피스톤(120)으로부터 수평방향으로 이격하여 배치하는 구조체에서, 제한된 공간내에 큰 관성력을 갖는 밸런스 웨이트(122)가 제공될 수 있다. 그 결과, 전체 높이가 그다지 증가되지 않는다. 즉, 압축기의 소형화를 저해하지 않고서, 고효율 및 저진동의 압축기가 제공될 수 있다.
밸런스 웨이트(122)를 샤프트(110)와 별개로 형성하는 경우, 소결 성형(sinter molding) 및 철판 프레스 가공(iron plate presswork)과 같은, 다이 정밀도에 가까운 치수 정밀도를 얻을 수 있는 공정을 채용함으로써, 높은 치수 정밀도의 밸런스 웨이트가 얻어질 수 있다. 그 결과, 밸런스 웨이트(122)의 외주와 피스톤(120) 사이의 거리(α)가 짧아질 수 있다. 즉, 제한된 공간에서 큰 관성력을 갖는 밸런스 웨이트(122)가 제공될 수 있기 때문에, 압축기의 진동이 보다 감소될 수 있다.
베어링이 양측부에서 지지하는 경우에, 볼트 또는 리벳을 이용하여 보조 샤프트 본체(113) 아래에, 별도로 형성된 밸런스 웨이트(122)를 고정함으로써, 조립이 보다 쉬워지고, 압축기의 제조 비용이 저감될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 실린더 블록(116) 및 메인 샤프트 본체(111)를 지지하는 메인 베어링(118)은 나사(123)에 의해 고정되지만, 메인 베어링(118)은 실린더 블록(116)내에 일체식으로 형성될 수 있다. 이 경우에 있어서, 동일한 효과가 얻어진다.
피스톤(120)과 연결되는 연결 수단(121)의 소형 단부측은 환형 형상을 갖지만, 구형 볼 조인트도 이용될 수 있다. 이 경우에 있어서, 동일한 효과가 얻어진다.
본 발명에서와 거의 동일한 효과가 밸런스 웨이트(122)의 외주의 일부에 노치 또는 오목부(dent)를 형성함으로써 얻어진다.
전기 모터 요소(105)는 구동 회로(도시하지 않음)에 의해 전원 주파수 미만의 작동 주파수인 적어도 30Hz 이하의 주파수를 포함하는 복수의 작동 주파수로 인버터 구동된다. 그 결과, 냉장고 및 냉동 장치와 같은 부하 변동이 큰 가정용 냉장 기계에서 적절한 냉장 능력이 얻어질 수 있다.
한편, 전기 모터 요소(105) 및 압축 요소(106)가 서스펜션 스프링(107)에 의해 탄성식으로 지지되기 때문에, 이들은 낮은 고유값을 갖는다. 30Hz 미만의 작동 주파수로 인버터 구동함으로써, 압축 요소(106)의 진동이 고유값에 근접하고, 진동이 공명에 의해 증가된다. 바람직한 실시예에 따르면, 압축 요소(106)의 진동이 밸런스 웨이트(122)에 의한 큰 관성력을 부가함으로써 감소될 수 있기 때문에, 30Hz 미만의 낮은 작동 주파수에서의 작동이 실현될 수 있다.
본원에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제한된 공간내에서 충분한 관성력을 갖는 밸런스 웨이트를 피스톤으로부터 수평방향으로 이격시켜 제공함으로써 피스톤의 왕복운동의 관성력이 충분히 상쇄될 수 있기 때문에, 밀폐형 압축기의 진동이 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명은 냉장고, 공기 조화기 또는 냉동 장치의 냉동 사이클에 연결될 수 있는 저진동 타입의 밀폐형 압축기를 제공한다.

Claims (8)

  1. 밀폐형 압축기에 있어서,
    전기 모터 요소와,
    상기 전기 모터 요소에 의해 구동되는 압축 요소와,
    상기 전기 모터 요소와 압축 요소를 수용하는 밀폐 용기와,
    상기 밀폐 용기내에 수용된 냉매를 포함하며,
    상기 압축 요소는, 편심 샤프트 본체와 메인 샤프트 본체를 갖는 샤프트와, 압축 챔버를 갖는 실린더 블록과, 상기 압축 챔버내에서 왕복운동하는 피스톤과, 상기 피스톤과 상기 편심 샤프트 본체를 연결하기 위한 연결 수단과, 상기 샤프트상에 형성된 밸런스 웨이트를 포함하며,
    상기 피스톤은 상기 밸런스 웨이트로부터 수평방향으로 이격되어 있고,
    상기 밸런스 웨이트는, 상기 밸런스 웨이트의 외주와 상기 피스톤 사이의 거리가 상기 밸런스 웨이트와 피스톤이 근접하게 접근한 구간에서 일정하게 되도록 하는 형상으로 형성되는
    밀폐형 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    메인 샤프트 본체의 축방향 중심을 원점으로 가정하면, 밸런스 웨이트의 외주의 x-좌표 및 y-좌표는 하기와 같이 실질적으로 표현되는
    밀폐형 압축기.
    x = [s·cos(360°-θ)+L·cos{(sin-1(s·sin(360°-θ)/L)}+C-α]·cos(360°-θ)
    y = [s·cos(360°-θ)+L·cos{(sin-1(s·sin(360°-θ)/L)}+C-α]·sin(360°-θ)
    여기서, s : 메인 샤프트 본체의 축방향 중심과 편심 샤프트 본체의 축방향 중심 사이의 거리
    L : 연결 수단의 피치 길이
    C : 피스톤의 스커트 길이
    α : 밸런스 웨이트의 외주와 피스톤 사이의 거리
    θ : 편심 샤프트 본체의 회전 각도
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸런스 웨이트의 외주와 상기 피스톤 사이의 거리는 2mm 이하인
    밀폐형 압축기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸런스 웨이트는 소결 합금 또는 철판의 프레스 가공에 의해 형성되는
    밀폐형 압축기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉매는 R600a인
    밀폐형 압축기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 샤프트 본체와 동축으로 형성된 보조 샤프트 본체와,
    상기 보조 샤프트 본체를 지지하기 위한 보조 베어링을 더 포함하며,
    상기 밸런스 웨이트는 상기 보조 샤프트 본체의 편심 샤프트 본체측의 단부에 제공되는
    밀폐형 압축기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 모터 요소는 적어도 전원 주파수 미만의 작동 주파수를 포함하는 복수의 작동 주파수로 인버터 구동되는
    밀폐형 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 작동 주파수는 적어도 30Hz 미만의 주파수를 포함하는
    밀폐형 압축기.
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