KR100771594B1 - 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 저속 운전과 고속 운전을 병행하는 냉응용기용 압축기에 있어서, 저속 운전시에도 냉동기유를 원활히 공급할 수 있음과 더불어 냉동기유의 누유를 방지할 수 있는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트는 냉동기유가 원심력에 의해 상승 이동할 수 있도록 원주면을 따라 냉동기유 유로(34,35,36)가 형성되고 로터와 저널 베어링에 압입되는 중실 원통형상의 축부(31)와, 상기 축부의 일단에 중심이 축부의 중심과 편심지도록 구비되며 상기 냉동기유 유로와 연통되는 편심부(32)와, 상기 축부의 타단에 구비되어 축부의 회전시 원심력으로 냉동기유를 상기 냉동기유 유로로 펌핑하는 오일펌프를 포함한다.

냉응용기, 압축기, 크랭크샤프트, 냉동기유

Description

냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트{crankshaft of compressor for refrigerating machine}

도 1은 일반적인 냉응용기용 압축기의 구성을 나타낸 단면도

도 2는 도 1에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트 구조를 나타낸 정면도

도 3은 본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트를 나타낸 사시도

도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 크랭크샤프트의 급유작용을 나타낸 정면도

도 5는 본 발명의 다른 형태에 따른 크랭크샤프트의 급유작용을 나타낸 일부 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 크랭크샤프트 31 : 축부

32 : 편심부 33 : 밸런스웨이트

34 : 제1 오일그루브 35 : 오일홀

36 : 제2 오일그루브 37a : 피스

37b : 프로펠라

본 발명은 냉응용기용 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저속 운전시에도 충분한 냉동기유를 공급할 수 있는 급유구조를 갖는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트에 관한 것이다.

일반적으로 냉응용기용 압축기는 냉장고나 공기조화기와 같은 냉동 공조장치에 있어서 증발 열교환기를 통과한 작동유체를 압축하여 응축 열교환기로 공급하는 역할을 수행한다.

이하, 일반적인 냉응용기용 압축기 중 특히 왕복동식 압축기의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1은 일반적인 냉응용기용 압축기의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2는 일반적인 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트 구조를 나타낸 정면도이다.

도 1에 도시된 바에 따르면, 상기 왕복동식 압축기는 하부쉘(2)과 상부쉘(3)로 이루어진 밀폐된 공간(1) 내에 전원을 인가받아 회전력을 발생시키는 전동부와, 상기 전동부의 회전력에 의해 작동유체를 압축시키는 압축부로 크게 구성된다.

상기 전동부는 전원을 인가받아 전자기력을 발생시키는 스테이터(4)와, 상기 스테이터의 전자기력에 의해 회전력을 발생시키는 로터(5)로 구성된다.

그리고, 상기 압축부는 상기 로터(5) 내에 압입되어 같이 회전하는 크랭크샤프트(20)와, 상기 크랭크샤프트의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 전환하는 커넥팅 로드(13)와, 상기 커넥팅 로드에 의해 실린더 블록(11)의 내부에서 작동유체를 압축하는 피스톤(12)으로 구성된다.

상기 커넥팅 로드(13)는 일단이 상기 크랭크샤프트(20)의 상단부에 형성된 편심부(22)에 핀 결합되고 타단이 상기 피스톤(12)에 핀 결합되어 있어, 상기 크랭크샤프트(20)의 회전 운동을 직선 왕복운동으로 전환시킬 수 있다.

한편, 상기 전동부 및 압축부는 크랭크샤프트(20)의 상부 원주면을 감싸고 있는 프레임(6)에 의해 지지된다. 이 때, 상기 프레임(6)과 크랭크샤프트(20) 사이에는 축 방향에 수직한 하중을 지지하기 위한 별도의 저널 베어링(journal bearing)이 구비되기도 한다.

그리고, 하부쉘(2)의 저면에는 각종 기계부품의 마모를 방지하기 위해 냉동기유(L)가 적정 깊이만큼 고여 있으며, 상기 크랭크샤프트(20)의 하단부는 상기 냉동기유(L)에 잠겨 있다. 상기 냉동기유(L)는 크랭크샤프트(20)가 회전하면서 발생하는 원심력에 의해 상기 크랭크샤프트의 내부와 원주면에 형성된 유로를 따라 상기 편심부(22)까지 공급되어 비산됨으로써, 각종 기구부의 마찰 운동부를 윤활시킴과 동시에 내부 열을 방출하게 된다.

도 2에 도시된 바에 따르면, 상기 크랭크샤프트(20)는 상단에 축 중심과 편심져 구비되는 편심부(22)와, 상기 편심부의 하단에 구비되어 회전시 진동을 방지하는 밸런스웨이트(23)와, 상기 밸런스웨이트의 하단에 냉동기유에 잠겨 있다가 회전시 냉동기유를 펌핑하는 오일펌프(27) 및 냉동기유의 상승 유로가 구비되는 축부(21)로 구성된다.

이 때, 상기 축부(21)의 내부에는 상기 오일펌프(27)가 삽입되어 펌핑된 냉동기유가 상향 이동하는 드릴홀(drill hole,24)과, 상기 드릴홀의 끝단에 상기 축 부(21)의 원주면까지 연장된 오일홀(oil hole,25)과, 상기 오일홀로부터 상기 편심부(22)까지 축부(21)의 원주면을 따라 오일그루브(oil groove,26)가 형성된다. 이 때, 상기 드릴홀(24)의 내경은 상기 축부(21) 외경에 대해 대략 50% 정도로서, 상기 축부의 축 중심에 대해 편심져 있다.

그리고, 상기 오일펌프(27)는 원심력을 이용하여 냉동기유를 펌핑하는 일종의 원심펌프로, 크랭크샤프트의 축부(21) 하단에 삽입되는 원통 형상의 피스(27a)와, 상기 피스 내에 비스듬히 삽입되어 냉동기유의 상승 유로를 형성하는 프로펠라(27b)로 이루어진다.

이와 같이 구성된 크랭크샤프트(20)는 전동부에 전원이 인가되면 로터(5)와 함께 회전하게 되고, 상기 크랭크샤프트의 하단에 구비된 오일펌프(27)도 같이 회전하게 된다. 이 때, 냉동기유(L)는 원심력에 의해 상기 오일펌프의 프로펠라(27b)를 통해 상향 이동하면서 상기 드릴홀(24)로 펌핑되고, 계속해서 상기 오일홀(25)을 통해 오일그루브(26)로 이동하게 된다. 계속해서, 상기 냉동기유(L)는 오일그루브(26)를 따라 프레임 또는 저널 베어링을 윤활시키면서 편심부(22)까지 상향 이동하여 쉘 내의 각 부분으로 비산된다. 이 때, 상기 드릴홀(24)로 펌핑된 냉동기유의 가스는 별도의 가스홀을 통해 외부로 배출된다.

그런데, 최근에는 냉응용기 제품의 소비전력을 저감할 목적으로 저속 운전과 고속 운전을 병행할 수 있는 극변환 모터나 BLDC 모터가 압축기의 모터로 널리 적용되고 있다.

그러나, 상술한 크랭크샤프트(20)는 고속 운전(대략 3600rpm)을 위한 것으 로, 저속 운전(대략 1800rpm)시 냉동기유의 급유가 원활하지 못한 문제가 발생하게 되었다. 즉, 상기 냉동기유(L)는 크랭크샤프트(20)의 회전 운동에 의한 원심력으로 상향 이동하는 바, 상기 크랭크샤프트를 저속으로 회전시킬 경우 원심력이 급격히 감소하여 냉동기유를 제대로 공급할 수 없게 된다. 이것은 각종 부품의 마모를 방지하기 위한 윤활 성능과 내부 열을 외부로 발산하는 냉각 성능을 저하시킴으로써 압축기의 수명에 치명적인 결과를 초래하게 되었다.

또한, 상기 크랭크샤프트의 오일홀(25)이 형성되는 지점은 전동부의 로터(5)와 저널 베어링 또는 프레임(6)이 만나는 지점으로, 아무리 정밀하게 결합된다 할지라도 상기 로터와 저널 베어링 사이에는 스러스트 갭(thrust gap)이 존재하게 된다. 따라서, 상기 크랭크샤프트의 오일홀(25)로 공급된 냉동기유가 상기 스러스트 갭에 의해 누유되는 문제도 함께 발생하게 되었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저속 운전과 고속 운전을 병행하는 냉응용기용 압축기에 있어서, 저속 운전시에도 냉동기유를 원활히 공급할 수 있음과 더불어 냉동기유의 누유를 방지할 수 있는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트는 냉동기유가 원심력에 의해 상승 이동할 수 있도록 원주면을 따라 냉동기유 유로가 형성되고 로터와 저널 베어링에 압입되는 중실 원통형상의 축부와, 상기 축 부의 일단에 중심이 축부의 중심과 편심지도록 구비되며 상기 냉동기유 유로와 연통되는 편심부와, 상기 축부의 타단에 구비되어 축부의 회전시 원심력으로 냉동기유를 상기 냉동기유 유로로 펌핑하는 오일펌프를 포함한다.

이 때, 상기 냉동기유 유로는 축부의 타단에서 중간 부분까지 로터와 함께 유로를 형성하는 제1 오일그루브와, 상기 축부의 일단에서 중간 부분까지 저널 베어링과 함께 유로를 형성하는 나선형의 제2 오일그루브와, 상기 제1 오일그루브와 제2 오일그루브를 연통시키도록 축부의 중간 내부에 형성되는 오일홀로 이루어진다.

그리고, 상기 제1 오일그루브는 축 방향과 평행한 직선형으로 형성됨이 바람직하며, 축 방향에 수직한 단면 형상은 사다리꼴이다.

또한, 상기 오일홀이 위치하는 원주면에 저널 베어링과 로터가 만남으로써, 상기 저널 베어링과 로터 사이의 스러스트 갭에 의한 냉동기유의 누유를 방지할 수 있다.

한편, 상기 오일펌프는 축부의 타단에 직접 결합되거나, 로터의 내부에 축부의 타단 부근까지 삽입되어 구비될 수도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3은 본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 크랭크샤프트의 급유작용을 나타낸 정면도이며, 도 5는 본 발명의 다른 형태에 따른 크랭크샤프트의 급유작용을 나타 낸 일부 단면도이다.

설명에 앞서, 냉응용기용 압축기의 일반적인 구성에 관해서는 전술한 바, 후기에는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 3에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트(30)는 하부가 전동부의 로터(도시 생략)에 압입되고 상부가 프레임 또는 저널 베어링(도시 생략)에 압입되며 상기 로터와 함께 회전하는 원통형상의 축부(31)와, 상기 축부의 상단에 그 중심이 축부의 중심과 편심지고 외주연에 커넥팅로드(도시 생략)가 결합되는 중공의 편심부(32)와, 상기 축부(31)와 편심부(32) 사이에 구비되어 회전시 발생하는 진동을 저감시키는 밸런스웨이트(33)와, 상기 축부(31)의 하단에 냉동기유에 잠겨 있도록 구비되어 축부의 회전시 냉동기유를 펌핑하는 오일펌프(도시 생략)로 구성된다.

그리고, 상기 축부(31)의 원주면에는 오일펌프로부터 공급된 냉동기유가 상기 편심부(32)까지 원심력에 의해 상승 이동할 수 있는 냉동기유 유로가 형성된다. 이 때, 상기 냉동기유 유로가 축부(31)의 원주면을 따라 형성됨으로써, 동일한 회전속도에서도 원심력을 극대화시켜 펌핑량을 증가시킬 수 있다. 즉, 원심력은 회전 중심으로부터의 거리에 비례하는 바, 상기 냉동기유 유로를 축부(31)의 축 중심으로부터 가장 먼 원주면에 형성시킴으로써 원심력을 증대시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 냉동기유 유로는 축부(31)의 하단에서 상단에 이르기까지 원주면을 따라 소정 깊이를 갖도록 형성되는 2개의 오일그루브(oil groove)(34,36)와, 상기 오일그루브를 연통시키는 오일홀(oil hole)(35)로 이루어진다. 이 때, 상 기 오일그루브는 연결된 하나로 형성될 수도 있으나, 로터와 저널 베어링 사이의 스러스트 갭(thrust gap)에 의한 냉동기유의 누유를 방지하기 위해, 축부(31)의 중간 부분, 즉 상기 로터와 저널 베어링이 만나는 지점를 기준으로 제1 오일그루브(34)와 제2 오일그루브(36)로 분할됨이 바람직하다.

즉, 상기 제1 오일그루브(34)는 축부(31)의 하단에서 중간 부분까지 형성되어 상기 로터와 함께 냉동기유의 유로를 형성하며, 상기 제2 오일그루브(36)는 축부의 상단에서 중간 부분까지 형성되어 상기 저널 베어링과 함께 냉동기유의 유로를 형성한다. 그리고, 상기 축부(31)의 중간 부분의 내부에 제1 오일그루브(34)와 제2 오일그루브(36)를 서로 연통시키는 오일홀(35)이 형성된다.

이 때, 상기 제1 오일그루브(34)의 길이방향 형상은 나선형이든 직선형이든 관계가 없으나, 상기 제1 오일그루브를 지나는 냉동기유는 로터의 윤활이 목적이 아니기 때문에 이동 경로가 가장 짧도록 축 방향과 평행한 직선형으로 이루어짐이 가장 바람직하다. 또한, 상기 제1 오일그루브(34)의 축 방향에 수직한 단면 형상은 저면에서 원주면으로 갈수록 벌어지는 사다리꼴 형상이다. 이러한 단면 형상 역시 한정된 것은 아니기 때문에 사각형, 삼각형, 또는 원형으로 형성될 수 있으나, 원심력의 영향을 고려할 때 원주면 측의 면적이 넓은 사다리꼴 형상이 가장 바람직하다.

그리고, 상기 제2 오일그루브(36)의 길이방향 형상은 냉동기유가 저널 베어링을 충분히 윤활시키면서 공급될 수 있도록 나선형으로 이루어진다.

그리고, 상기 오일홀(35)은 축부(31)의 원주면과 오일그루브(34,36)의 저면 사이에 축 방향과 평행하게 또는 비스듬하게 형성되어 상기 제1 오일그루브(34)와 제2 오일그루브(36)의 끝단을 서로 연통시킨다. 이 때, 상기 오일홀(35)이 위치하는 원주면에 로터와 저널 베어링의 끝단이 서로 만나게 되며, 이들 사이에 갭이 존재하더라도 상기 오일홀이 원주면에 폐쇄되어 있기 때문에 냉동기유의 누유를 방지할 수 있다.

이와 같이 구성된 크랭크샤프트에 있어서 냉동기유의 급유 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4에 도시된 크랭크샤프트는 오일펌프가 축부의 하단에 직접 결합된 형태이다.

도 4에 도시된 바에 따르면, 상기 오일펌프는 축부(31)의 하단 원주면에 삽입되는 중공 원통형상의 피스(37a)와, 상기 피스의 내부에 비스듬하게 구비되어 냉동기유의 상승 유로를 형성하는 프로펠라(37b)로 구성되며, 상기 축부(31)의 회전시 발생하는 원심력으로 냉동기유를 펌핑하는 일종의 원심펌프이다.

먼저 전동부에 전원이 인가되어 로터가 회전하게 되면, 상기 로터에 압입되어 있는 축부(31)가 회전하게 된다. 이 때, 냉동기유는 원심력에 의해 오일펌프의 프로펠라(37b)를 타고 상승하여 축부의 제1 오일그루브(34)로 유입된다. 계속해서, 상기 냉동기유는 제1 오일그루브(34)와 로터 사이의 유로를 통해 상승하다가 오일홀(35)을 지나 제2 오일그루브(36)로 유입된다. 그리고, 상기 냉동기유는 제2 오일그루브(36)와 저널 베어링 사이의 유로를 통해 상승하면서 상기 저널 베어링을 윤활시킨 후, 최종적으로 편심부(32)까지 상승하여 쉘 내의 각 부분으로 고루 비산되 어 각종 마찰 운동부를 윤활시킴과 동시에 내부 열을 발산하여 냉각시키게 된다.

이와 같이 작용하는 크랭크샤프트는 냉동기유의 유로를 형성하는 제1 오일그루브(34)와 제2 오일그루브(36)가 축부(31)의 원주면에 형성됨에 따라, 고속 회전시는 물론이고 저속 회전시에도 상당한 원심력을 확보할 수 있기 때문에 충분한 양의 냉동기유를 공급하게 된다. 뿐만 아니라, 축부(31)가 압입되는 로터와 저널 베어링 사이의 스러스트 갭은 상기 제1 오일그루브(34)와 제2 오일그루브(36)에 대해 폐쇄되어 있기 때문에 냉동기유의 누유를 방지하게 된다.

한편, 도 5에 도시된 크랭크샤프트는 오일펌프가 축부에 직접 결합된 것이 아니라 로터의 하단에 삽입되어 있는 형태이다.

도 5에 도시된 바에 따르면, 상기 오일펌프의 피스(47a)는 로터(5)의 하단 내부에 소정 길이만큼 삽입되며, 상기 피스(47a)와 축부(31)의 하단은 소정 간격 이격되어 있다. 이 때, 상기 피스(47a)와 축부(31)는 서로 접하여도 관계없다. 이 경우, 상기 피스(47a)와 로터(5) 사이에 냉동기유의 누유를 방지할 수 있도록 오링(O-ring)이 구비됨이 바람직하다.

전동부에 전원이 인가되어 로터(5)가 회전함에 따라, 상기 축부(31)와 오일펌프는 로터와 함께 회전하게 되며, 냉동기유는 원심력에 의해 상기 오일펌프의 프로펠라(47b)를 타고 상승하다가 축부의 제1 오일그루브(34)로 유입되며, 이후 진행되는 작용은 상술한 바와 같다.

한편, 본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트는 상술한 실시예의 형태로 한정된 것은 아니며, 냉동기유의 유로가 축부의 원주면에 형성되는 오일그 루브와 상기 축부의 소정 위치에 형성되고 원주면에 개방되지 않는 오일홀로 이루어지는 한 그 형태는 얼마든지 변형 가능하다.

본 발명에 따른 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 본 발명에 의하면 냉동기유의 유로가 축부의 원주면 상에만 형성됨에 따라 저속 운전시에도 상당한 원심력을 확보할 수 있으며, 이로 인해 충분한 양의 냉동기유를 편심부까지 공급할 수 있다.

둘째, 본 발명에 의하면 냉동기유의 유로로부터 폐쇄된 오일홀의 원주면 상에 로터와 저널 베어링이 서로 만남에 따라, 상기 로터와 저널 베어링 사이의 스러스트 갭을 통한 냉동기유의 누유를 방지할 수 있다.

Claims (7)

1. 냉동기유가 원심력에 의해 상승 이동할 수 있도록 원주면을 따라 냉동기유 유로가 형성되고, 로터와 저널 베어링에 압입되는 중실 원통형상의 축부와;

   상기 축부의 일단에 중심이 축부의 중심과 편심지도록 구비되며, 상기 냉동기유 유로와 연통되는 편심부와;

   상기 축부의 타단에 구비되어 축부의 회전시 원심력으로 냉동기유를 상기 냉동기유 유로로 펌핑하는 오일펌프를 포함하는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉동기유 유로는 축부의 타단에서 중간 부분까지 로터와 함께 유로를 형성하는 제1 오일그루브와, 상기 축부의 일단에서 중간 부분까지 저널 베어링과 함께 유로를 형성하는 나선형의 제2 오일그루브와, 상기 제1 오일그루브와 제2 오일그루브를 연통시키도록 축부의 중간 내부에 형성되는 오일홀로 이루어지는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 오일그루브는 축 방향과 평행한 직선형으로 형성되는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1 오일그루브의 축 방향에 수직한 단면은 사다리꼴인 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 오일홀이 위치하는 원주면에 저널 베어링과 로터가 만나는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 오일펌프는 축부의 타단에 직접 결합되는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 오일펌프는 로터의 내부에 축부의 타단 부근까지 삽입되는 냉응용기용 압축기의 크랭크샤프트.

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