KR101941733B1

KR101941733B1 - 밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고

Info

Publication number: KR101941733B1
Application number: KR1020147020764A
Authority: KR
Inventors: 마사노리 고바야시; 고 이나가키; 데루마사 이데
Original assignee: 파나소닉 어플라이언시스 리프리저레이션 디바이시스 싱가포르
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2019-01-23
Also published as: CN103987965A; US20140341763A1; WO2013099240A1; KR20140108574A; JP6010762B2; CN103987965B; JP2013151932A

Abstract

밀폐형 압축기(100)는 전동 요소(110), 압축 요소(112) 및 밀폐 용기(102)를 구비하고, 상기 압축 요소는 샤프트(118), 실린더 블록(124), 피스톤(130) 및 볼 베어링(176)을 구비하며, 상기 볼 베어링은 홀더부(168), 복수의 전동체(166), 제 1 레이스(164), 제 2 레이스(170) 및 지지 부재(172)를 구비하고, 회전자(116) 및 상기 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리(118a)의 질량이 M이고, 상기 지지 부재의 스프링 정수가 K이며, 상기 샤프트 어셈블리의 최고 회전 주파수가 F일 때, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하고 있다.

Description

밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고{HERMETIC COMPRESSOR AND REFRIGERATOR WITH SAME}

본 발명은 밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고에 관한 것이며, 특히, 냉동 사이클 시스템 등의 히트 펌프 사이클에 이용되는 밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고에 관한 것이다.

종래, 회전하는 샤프트와 그것을 축 방향으로 지지하는 실린더 블록과의 사이에 있어서의, 회전에 따른 에너지 손실의 저감을 도모한 밀폐 압축기가 알려져 있다. 예컨대, 특허문헌 1에 나타내는 밀폐 압축기에서는, 실린더 블록은 실린더 및 래디얼 베어링 허브에 의해 구성되며, 래디얼 베어링 허브로 크랭크 샤프트를 그 직경 방향으로 지지하고 있다. 크랭크 샤프트는 그 하부가 전동기의 로터에 고정되며 그 상부에 편심부를 갖고 있다. 편심부는 액시얼 구름 베어링을 거쳐서 래디얼 베어링 허브의 상부 환상면에 의해 축 방향으로 지지되어 있다. 액시얼 구름 베어링은 복수의 볼과, 볼을 보지하는 원형 게이지와, 볼을 상하 방향에서 끼우는 상부 환상 레이스 및 하부 환상 레이스와, 하부 환상 레이스의 하면측에 배치되는 지지 수단에 의해 구성되어 있다. 지지 수단은 상부 접촉면 및 하부 접촉면을 포함하며, 이들에 의해 하부 환상 레이스 및 래디얼 베어링 허브의 상부 환상면에 대해 진동 가능하게 형성되어 있다.

일본 특허 공표 제 2005-500476 호 공보

그렇지만, 상기 종래의 밀폐 압축기에서는, 진동하는 지지 수단에 의해 크랭크 샤프트가 공진할 수 있다. 이 때문에, 로터에 의해 크랭크 샤프트가 고속 회전하여 크랭크 샤프트의 고유 진동수와 회전수가 동기하면, 크랭크 샤프트가 공진에 의해 크게 진동하여 밀폐 압축기의 소음이 증대한다.

본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 에너지 손실 및 소음을 저감할 수 있는 밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 어느 태양에 따른 밀폐형 압축기는, 고정자와 상기 고정자에 대해 회전하는 회전자를 포함하는 전동 요소와, 상기 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소와, 상기 전동 요소 및 상기 압축 요소를 수용한 밀폐 용기를 구비하며, 상기 압축 요소는 상기 회전자에 고정된 주축과, 상기 주축에 대해 편심된 편심축과, 상기 주축 및 상기 편심축을 접속하는 플랜지를 포함하는 샤프트와, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하고 있는 주 베어링과, 내부에 압축실이 형성된 실린더를 포함하는 실린더 블록과, 상기 편심축에 연결되며 상기 압축실 내를 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 플랜지와 상기 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 볼 베어링을 구비하고, 상기 볼 베어링은 홀더부와, 상기 홀더부에 보지된 복수의 전동체와, 상기 전동체를 사이에 끼우고 있는 제 1 레이스 및 제 2 레이스와, 상기 제 2 레이스와 상기 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 탄성을 갖는 지지 부재를 구비하며, 상기 회전자 및 상기 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리의 질량이 M이며, 상기 지지 부재의 스프링 정수가 K이며, 상기 샤프트 어셈블리의 최고 회전 주파수가 F일 때, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하고 있다.

본 발명은 이상에 설명한 구성을 갖고, 에너지 손실 및 소음을 저감할 수 있는 밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고를 제공할 수 있는 효과를 발휘한다.

본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 및 이점은 첨부 도면 참조 하에 이하의 바람직한 실시형태의 상세한 설명으로부터 명확해진다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 밀폐형 압축기를 도시하는 단면도,
도 2는 도 1의 영역(A)을 확대한 도면,
도 3은 도 2의 스러스트 볼 베어링에 이용되는 파형 와셔를 도시하는 사시도,
도 4는 도 3의 샤프트 어셈블리의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 따른 냉장고를 개략적으로 도시하는 단면도.

제 1 본 발명에 따른 밀폐형 압축기는, 고정자와 상기 고정자에 대해 회전하는 회전자를 포함하는 전동 요소와, 상기 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소와, 상기 전동 요소 및 상기 압축 요소를 수용한 밀폐 용기를 구비하며, 상기 압축 요소는 상기 회전자에 고정된 주축과, 상기 주축에 대해 편심한 편심축과, 상기 주축 및 상기 편심축을 접속하는 플랜지를 포함하는 샤프트와, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하고 있는 주 베어링과, 내부에 압축실이 형성된 실린더를 포함하는 실린더 블록과, 상기 편심축에 연결되며, 상기 압축실 내를 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 플랜지와 상기 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 볼 베어링을 구비하고, 상기 볼 베어링은 홀더부와, 상기 홀더부에 보지된 복수의 전동체와, 상기 전동체를 사이에 끼우고 있는 제 1 레이스 및 제 2 레이스와, 상기 제 2 레이스와 상기 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 탄성을 갖는 지지 부재를 구비하며, 상기 회전자 및 상기 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리의 질량이 M이며, 상기 지지 부재의 스프링 정수가 K이며, 상기 샤프트 어셈블리의 최고 회전 주파수가 F일 때, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하고 있다.

이러한 구성에 의하면, 샤프트의 편심축과 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 볼 베어링에 의해, 샤프트의 회전에 따른 에너지 손실을 저감할 수 있다. 또한, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하기 때문에, 지지 부재에 의한 샤프트 어셈블리의 공진이 방지되어, 밀폐형 압축기의 소음을 저감할 수 있다.

제 2 본 발명에 따른 밀폐형 압축기는, 제 1 발명에 있어서, 상기 지지 부재는 환상의 파형 와셔이며, 상기 파형 와셔는, 상기 제 2 레이스 측으로 돌출한 복수의 볼록부와 상기 주 베어링의 스러스트면 측으로 돌출한 복수의 볼록부가 둘레 방향으로 교대로 마련되도록 두께 방향으로 기복하고 있어도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 환상의 파형 와셔의 조심 기능 및 탄성에 의해, 볼의 마모나 소성 변형이 방지되어, 샤프트의 회전에 따른 에너지 손실의 저감을 더욱 도모할 수 있다.

제 3 본 발명에 따른 밀폐형 압축기는, 제 2 발명에 있어서, 상기 파형 와셔가 스프링 강으로 형성되고, 상기 주축의 직경이 d이며, 상기 파형 와셔의 두께 치수가 t일 때, 0.1d＜t＜0.3d의 관계를 만족하고 있어도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 파형 와셔의 두께 치수가 억제되면서, 탄성이 유지된다.

제 4 본 발명에 따른 밀폐형 압축기는, 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 발명에 있어서, 상기 전동 요소는, 해당 전동 요소에 공급되는 전력의 주파수를 조정하는 인버터 전원을 이용하여, 복수의 운전 주파수로 구동되어도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 복수의 운전 주파수로 전동 요소가 운전되어도, 지지 부재에 의한 샤프트 어셈블리의 공진이 방지된다.

제 5 본 발명에 따른 냉장고는, 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 밀폐형 압축기를 구비한다. 이러한 구성에 의하면, 밀폐형 압축기에 있어서의 지지 부재에 의한 샤프트 어셈블리의 공진이 방지되기 때문에, 냉장고의 소음 및 진동을 저감할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.

또한, 이하에서는 모든 도면을 통해서 동일 또는 상당하는 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 중복하는 설명을 생략한다.

(실시형태 1)

도 1은 밀폐형 압축기(100)를 나타내는 단면도이다. 또한, 설명의 편의상, 샤프트(118)의 주축(120)의 축에 대해 평행 방향을 종방향이라 칭하고, 종방향에 대해 직교하는 방향을 횡방향이라 칭한다.

밀폐형 압축기(100)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 압축기 본체(106) 및 이것을 수용하는 밀폐 용기(102)를 구비하며, 압축기 본체(106)에 의해 작동 유체를 고온 고압 상태로 하여 밀폐 용기(102)로부터 토출하는 장치이다. 압축기 본체(106)는 전동 요소(110)와, 이것에 의해 구동되는 압축 요소(112)로 구성되며, 예컨대, 서스펜션 스프링(108)에 의해 탄성적으로 지지되어 있다.

밀폐 용기(102)에는 윤활유(104) 및 작동 유체가 봉입되어 있다. 윤활유(104)는 압축 요소(112)에 있어서의 작동의 윤활에 이용되며, 밀폐 용기(102)의 저부에 저류되어 있다. 작동 유체로서는, 예컨대, 지구 온난화 계수가 낮은 탄화 수소계의 R600a(이소 부탄) 등이 이용된다. 밀폐 용기(102)에는, 작동 유체를 흡인하는 흡입관(103)과, 작동 유체를 토출하는 토출관(105)이 접속되어 있다. 또한, 밀폐 용기(102)에는 전동 요소(110)에 접속된 전원 단자(113)가 마련되며, 전원 단자(113)에 인버터 전원(도시하지 않음)이 접속되어 있다.

전동 요소(110)는 고정자(114)와, 고정자(114)에 대해 회전하는 회전자(116)를 갖고 있다. 고정자(114)는 복수의 구성 부분이 대략 원통 형상으로 나열되어 형성되어 있다. 각 구성 부분은 박판을 적층한 철심에 구리제의 권선이 감긴 것이다. 이 권선은 모든 구성 부분에서 연속하며, 그 양단은 전원 단자(113)에 접속되어 있다. 회전자(116)는 그 중심에 원기둥 형상 공간을 포함하는 대략 원통 형상이며, 고정자(114)의 내측에 배치되어 있다.

압축 요소(112)는 전동 요소(110)의 상방에 배설되며, 전동 요소(110)에 의해 구동되는 샤프트(118)를 갖고 있다. 샤프트(118)는 원기둥 형상의 주축(120)을 포함하고 있으며, 주축(120)의 하단부가 회전자(116)의 원기둥부 공간에 삽입되어 회전자(116)에 고정되어 있다. 또한, 주축(120)에는 급유 기구(128)가 마련되어 있다. 급유 기구(128)로서는, 예컨대, 주축(120)의 하단부에 마련된 펌프부(도시하지 않음), 주축(120)의 내부를 관통하는 관통로(도시하지 않음), 주축(120)의 외주면에 형성되는 나선홈(128a)을 들 수 있다. 이 주축(120)의 하부 및 펌프부가 밀폐 용기(102)의 저부에 저류된 윤활유(104)에 침지된다. 관통로나 나선홈(128a)은 압축 요소(112)의 슬라이딩부의 근방으로 통하고 있다.

샤프트(118)는 주축(120)의 상방에 마련된 편심축(122) 및 플랜지(174)를 추가로 포함하고 있다. 편심축(122)은 원기둥 형상으로서, 그 축이 주축(120)의 축과 일치하지 않고 평행하게 마련되어 있다. 플랜지(174)는 주축(120)의 상방에 마련되어 하면이 주축(120)의 상단에 접속하며, 또한, 편심축(122)의 하방에 마련되어 상면이 편심축(122)의 하단에 접속하여, 주축(120) 및 편심축(122)을 연결한다. 플랜지(174)는, 예컨대, 편심축(122)에 직교하는 면에서 편심축(122)을 중심으로 한 대략 부채꼴 형상이다. 주축(120)은 플랜지(174)의 중앙에 접속되며, 플랜지(174)에 있어서 대략 부채꼴 형상의 호의 부분은 주축(120)으로부터 편심축(122)과 반대의 방향으로 돌출되어 있다. 플랜지(174)의 하방에 실린더 블록(124)의 주 베어링(126)이 배치되어 있다.

실린더 블록(124)은 주 베어링(126) 및 실린더(134)를 갖고 있다. 주 베어링(126)은 종방향으로 연장되는 대략 원통 형상이며, 내부에 종방향의 원기둥 형상 공간을 포함한다. 이 종방향의 원기둥 형상 공간에 주축(120)이 회전 가능한 상태로 삽입되어 있으며, 주 베어링(126)은 그 내면에서 주축(120)을 직경 방향으로 지지하고 있다. 또한, 주 베어링(126)은, 후술하는 스러스트면(160)에서 스러스트 볼 베어링(176)을 거쳐서 플랜지(174)에 작용하는 종방향의 하중을 지지하고 있다. 이 플랜지(174)에 작용하는 종방향의 하중은 질량 M의 샤프트 어셈블리(118a)의 무게에 상당한다. 이 샤프트 어셈블리(118a)는 주축(120), 플랜지(174) 및 편심축(122)을 포함하는 샤프트(118)와, 주축(120)에 고정되는 회전자(116)를 포함한다. 또한, 샤프트(118)나 회전자(116)에 웨이트가 장착되어 있는 경우, 이 웨이트도 샤프트 어셈블리(118a)에 포함된다.

실린더(134)는 내부에 횡방향으로 연장되는 원기둥 형상 공간을 포함하며, 그 단면에 밸브 플레이트(146)가 장착되어 있다. 밸브 플레이트(146)가 횡방향의 원기둥 형상 공간의 한쪽단을 막는 것에 의해, 압축실(148)이 실린더(134)의 내부에 형성된다. 또한, 밸브 플레이트(146)를 덮도록, 실린더 헤드(150)가 실린더(134)의 단면에 고정되며, 이 밸브 플레이트(146)와 실린더 헤드(150)와의 사이에 흡입 머플러(152)가 장착되어 있다. 흡입 머플러(152)는 PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트) 등의 수지로 성형되며, 내부의 소음 공간에 의해 흡입관(103)으로부터 유입하는 작동 유체의 유입음을 저감하고 있다.

피스톤(130)은, 그 일단부가 실린더(134) 내의 압축실(148) 내에 왕복 가능하게 삽입되며, 타단부가 피스톤 핀(138)에 의해 연결부(136)에 접속되어 있다. 연결부(136)는, 일단부가 피스톤(130)에 접속되며, 타단부가 편심축(122)에 접속되어 있는 것에 의해, 편심축(122)과 피스톤(130)을 연결하고 있다.

도 2는 도 1의 영역(A)을 확대한 도면이다. 실린더 블록(124)의 주 베어링(126)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 그 상면에 환상의 스러스트면(160)을 갖고 있다. 스러스트면(160)은 주 베어링(126)의 중심축에 대해 직교하는 방향으로 넓어지고, 그 중심은 주 베어링(126)의 중심축과 일치하며, 스러스트면(160)의 내경은 주 베어링(126)의 내경보다 크다. 이 스러스트면(160) 내원과 주 베어링(126)의 내면과의 사이에 관상 연장부(162)가 마련되어 있다. 관상 연장부(162)는 종방향으로 연장되는 원통 형상이며, 그 축이 주 베어링(126)의 축과 일치한다. 관상 연장부(162)의 내면은 주 베어링(126)의 본체의 내면과 연속하며, 주축(120)의 외주면에 대향한다.

샤프트(118)의 플랜지(174)와 주 베어링(126)의 스러스트면(160)과의 사이에서, 주 베어링(126)의 관상 연장부(162)의 외측에 스러스트 볼 베어링(176)이 배치되어 있다. 스러스트 볼 베어링(176)은 복수의 볼(166)을 갖고 있다. 볼(166)은 전동체이며, 복수의 볼(166)의 사이즈는 서로 동일하다. 볼(166)은 홀더부(168)에 보지되어 있다. 또한, 스러스트 볼 베어링(176)을 대신하여, 롤러 베어링 등의 다른 구름 베어링을 이용할 수도 있다.

홀더부(168)는 환상 평판 부재이며, 폴리아미드 등의 수지 재료로 형성되어 있다. 홀더부(168)는, 그 내면이 관상 연장부(162)의 외면에 접하며, 내부에 복수의 구멍부를 갖고 있다. 복수의 구멍부는 둘레 방향으로 나열되며, 그 내부에 볼(166)이 전동 가능하게 수납되어 있다. 홀더부(168)의 높이 치수는 볼(166)의 직경 치수보다 작고, 볼(166)은 홀더부(168)로부터 상하 방향의 각각으로 돌출되어 있다. 이 볼(166)은 상부 레이스(164) 및 하부 레이스(170)에 의해 상하 방향으로부터 개재되어 보지되어 있다.

상부 레이스(164) 및 하부 레이스(170)는 환상 평판 부재이며, 금속, 바람직하게는 열처리가 실시된 스프링 강으로 형성되어 있다. 각 레이스(164, 170)의 상하의 면이 평행하며, 그 상하면의 표면은 평활하게 마무리되어 있다. 상부 레이스(164)는 볼(166) 및 홀더부(168)의 상방에 위치하고, 그 상면이 플랜지(174)의 하면에 접하며, 하면이 볼(166)과 접하고 있다. 하부 레이스(170)는 볼(166) 및 홀더부(168)의 하방에 위치하고, 그 상면이 볼(166)에 접하며, 하면이 지지 부재(172)의 상면에 접하고 있다. 하부 레이스(170)의 하방에 지지 부재(172)가 위치하고 있다.

지지 부재(172)는 탄성을 갖는 환상 부재로서, 그 상면이 하부 레이스(170)의 하면에 접하며, 하면이 주 베어링(126)의 스러스트면(160)에 접하고 있다. 지지 부재(172)의 내경 치수 및 외형 치수(D)는 지지 부재(172)가 볼(166)의 하방에 위치하도록 설정되어 있다. 지지 부재(172)의 두께 치수(단면에 있어서의 종방향 치수)(t)는 샤프트(118)의 주축(120)의 직경 치수(d)에 대하여, 0.1d＜t＜0.3d의 관계를 만족하고 있다.

도 3은 스러스트 볼 베어링(176)에 이용되는 파형 와셔(172)를 도시하는 사시도이다. 지지 부재(172)에는, 예컨대, 도 3에 도시하는 환상의 파형 와셔가 이용된다. 이 파형 와셔(172)는 스프링 강에 의해 형성되어 있으며, 그 두께 방향에 있어서 상방 및 하방의 각각에 교대로 만곡하고 있다. 파형 와셔(172)는 하부 레이스(170)(도 2) 측으로 돌출하는 복수(이 실시형태에서는 2개)의 상부 볼록부(172c, 172d)와 주 베어링(126)의 스러스트면(160)(도 2) 측으로 돌출하는 복수(이 실시형태에서는 2개)의 하부 볼록부(172a, 172b)가 둘레 방향으로 교대로 마련되어 있다. 이들 상부 볼록부(172c, 172d)와 하부 볼록부(172a, 172b)의 사이는 매끄러운 곡선으로 접속되어 있다. 또한, 파형 와셔(172)에 있어서의 상부 볼록부 및 하부 볼록부의 수는 2개에 한정되지 않으며, 상부 볼록부 및 하부 볼록부가 둘레 방향에 있어서 교대로 마련되어 있으면 좋다.

다음으로, 상술한 밀폐형 압축기(100)의 동작에 대해 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 밀폐 용기(102)의 전원 단자(113)에, 밀폐 용기(102)의 외부에 마련된 상용 전원 등의 전원(도시하지 않음)이 접속된다. 이에 의해, 외부 전원으로부터 전동 요소(110)에 교류 전력이 공급되며, 전동 요소(110)에 있어서 고정자(114)에 발생하는 자계에 의해 회전자(116)가 회전한다. 이와 동시에, 회전자(116)에 고정되어 있는 샤프트(118)의 주축(120)이 회전하며, 플랜지(174)를 거쳐서 주축(120)에 연결되어 있는 편심축(122)이 편심 회전한다.

이 편심축(122)의 편심 회전 운동은 연결부(136)에 의해 직선 왕복 운동으로 변환되며, 피스톤(130)이 실린더(134)의 압축실(148) 내에서 왕복 운동한다. 피스톤(30)의 움직임에 따라서 피스톤(130)으로 막힌 압축실(148)의 용적이 변화한다. 이 용적이 증가하는 방향으로 피스톤(130)이 이동하면, 작동 유체는 흡입관(103)으로부터 밀폐 용기(102) 내에 유입하며, 흡입 머플러(152)를 거쳐서 압축실(148) 내에 흡입된다. 한편, 용적이 감소하는 방향으로 피스톤(130)이 이동하면, 작동 유체는 압축실(148) 내에서 압축된 후, 고온 고압이 되어 토출관(105) 등을 경유하여 밀폐 용기(102)로부터 냉동 사이클(도시하지 않음)로 이송된다.

또한, 주축(120)이 회전함으로써, 윤활유(104)는 주축(120)의 하부 및 펌프부에 의해 원심력으로 퍼올려져, 원심력 및 점성력으로 급유 기구(128)를 통과하여, 압축 요소(112)의 각 슬라이딩부에 공급된다. 이에 의해, 각 슬라이딩부의 마찰이나 마모가 저감된다.

또한, 플랜지(174)의 회전에 따라서, 스러스트 볼 베어링(176)에서는 각 볼(166)이 상부 레이스(164) 및 하부 레이스(170)에 점 접촉하면서 구른다. 이에 의해, 주 베어링(126)의 스러스트면(160)과 샤프트(118)의 플랜지(174)의 하면과의 사이의 마찰이 저감된다. 이 때문에, 마찰에 의한 동력의 손실이 감소하여, 밀폐형 압축기(100)의 기계 효율이 향상한다.

또한, 스러스트 볼 베어링(176)에서는 지지 부재(172)가 샤프트 어셈블리(118a)에 의해 플랜지(174)에 대해 종방향으로 가해지는 하중을 받는다. 또한, 샤프트(118)나 회전자(116)가 회전하고 있는 상태에서는, 전동 요소(110)의 종방향의 추력을 지지 부재(172)가 받는다. 여기서, 예컨대 샤프트(118)가 경사지면, 지지 부재(172)에 편향된 하중이 작용한다. 이때, 지지 부재(172)는 하중이 큰 측에서 크게, 이 이외의 부분에서 작게 변위하여, 하중의 편향을 흡수한다. 또한, 밀폐 용기(102)가 충격을 받으면, 샤프트 어셈블리(118a)의 하중에 더하여 순간적으로 큰 힘이 지지 부재(172)에 작용한다. 이 경우, 지지 부재(172)는 그 전부 또는 일부가 두께 방향으로 변형함으로써 순간적인 큰 힘을 흡수한다. 이와 같이, 지지 부재(172)는 그 탄성에 의해 조심 기능이나 충격 흡수 기능을 발휘하여, 볼(166)과 각 레이스(164, 170)와의 접촉 하중을 적정한 범위로 유지할 수 있다. 이에 의해, 볼(166)의 마모나 소성 변형이 저감되며, 스러스트 볼 베어링(176)은 샤프트(118)의 회전을 안정적으로 유지하여, 밀폐형 압축기(100)의 기계 효율을 향상할 수 있다. 또한, 볼(166)과 각 레이스(164, 170)와의 마찰이 저감되어 소음이나 진동의 발생을 방지할 수 있다.

다만, 종방향으로 탄성을 갖는 지지 부재(172)에 의해 샤프트 어셈블리(118a)가 공진할 가능성이 있다. 일반적으로, 스프링 정수 k이며 질량 m의 탄성재의 1차원 공진 주파수 f는, f=(1/2π)*(k/m)＾0.5로 나타난다. 본 실시형태에서는, 스프링 정수 K의 지지 부재(172)가 질량 M의 샤프트 어셈블리(118a)의 하중을 지지하기 때문에, 샤프트 어셈블리(118a)는, (1/2π)*(K/M)＾0.5의 주파수로 회전하면 공진한다.

이에 대해, 샤프트(118)를 포함하는 압축 요소(112)의 최고 회전 주파수 F가, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하도록 밀폐형 압축기(100)는 운전하기 때문에, 샤프트 어셈블리(118a)의 공진이 방지되어 있다. 구체적으로는, 도 4는 샤프트 어셈블리(118a)의 주파수 응답 함수를 나타내는 그래프이다. 횡축이 샤프트 어셈블리(118a)의 단위 시간 당의 회전수(회전 주파수)[Hz]를 나타내며, 종축은 파워 스펙트럼의 크기[dB]를 나타낸다. 여기서, 파워 스펙트럼의 크기[dB]는 진동의 크기를 나타낸다.

샤프트 어셈블리(118a)의 공진 주파수 f는 도 4의 주파수 응답 함수에 있어서의 피크(A)로 나타내는 바와 같이 140Hz이며, 상기와 같이 (1/2π)*(K/M)＾0.5로 나타난다. 이에 반하여, 밀폐형 압축기(100)는 샤프트 어셈블리(118a)의 최고 회전 주파수 F가 공진 주파수 f보다 작고, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하도록 운전하고 있다. 예컨대, 본 실시형태의 밀폐형 압축기(100)에서는, 도 4의 「운전 범위」로 나타내는 바와 같이, 샤프트(118)의 회전 주파수는, 27Hz 내지 70Hz이며, 그 최고 회전 주파수 F는 70Hz이다. 이와 같이, 샤프트(118)의 최고 회전 주파수 F:70Hz가 샤프트 어셈블리(118a)의 공진 주파수 f:140Hz의 1/2보다 작은 범위에서 밀폐형 압축기(100)가 운전하고 있다. 이 때문에, 지지 부재(172)에 의해 샤프트(118)가 공진으로 크게 진동하는 일이 없어서, 밀폐형 압축기(100)의 진동 증가 및 그에 수반하는 소음을 방지할 수 있다.

또한, 도 4의 주파수 응답 함수에 있어서 주파수 10Hz의 피크 B는, 밀폐 용기(102) 내에서 서스펜션 스프링(108)에 의해 현가되는 압축기 본체(106)의 공진 주파수이며, 샤프트 어셈블리(118a)의 공진 주파수 f는 아니다. 이 피크 B의 주파수 10Hz는 본 실시형태 1에 있어서의 최저 회전 주파수 27Hz보다 충분히 작기 때문에, 압축기 본체(106)가 공진하는 일은 없어서, 밀폐형 압축기(100)의 소음이나 진동이 증가하는 일은 없다.

또한, 샤프트 어셈블리(118a)의 공진 주파수 f와 최고 회전 주파수 F에 관한, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계로부터, 지지 부재(172)의 스프링 정수 K가 클수록, 샤프트(118)의 최고 회전 주파수 F를 크게 할 수 있다. 그렇지만, 지지 부재(172)의 외경 D, 두께 치수 t, 스프링 강의 영률 E의 지지 부재(172)의 종방향의 스프링 정수 K는, K∝Et＾3/D＾2로 나타난다. 이 식에 의하면, 지지 부재(172)에 대하여, 스프링 정수 k는 두께 치수 t의 3승에 비례하며, 외경 D의 2승에 반비례한다. 이 지지 부재(172)의 외경 D는 샤프트(118)의 주축(120)의 직경 d에 의해 정해진다. 또한, 지지 부재(172)의 영률 E는 스프링 강의 영률 E이며, 이 영률 E를 변경하는 것은 어렵다. 이 때문에, 지지 부재(172)의 외경 D 및 영률 E가 거의 일정해지므로, 지지 부재(172)의 스프링 정수 K를 크게 하기 위해서는, 지지 부재(172)의 두께 치수 t를 크게 해야만 한다. 이것은 밀폐형 압축기(100)의 높이 치수가 커진다고 하는 관점으로부터 바람직하지 않다. 따라서, 밀폐형 압축기(100)의 박형화의 관점에서는, 지지 부재(172)의 두께 치수 t는 샤프트(118)의 주축(120)의 직경 d에 대하여, t＜0.3d가 되도록 설정된다. 이에 의해, 밀폐형 압축기(100)의 높이 치수를 억제하면서, 샤프트 어셈블리(118a)의 공진을 회피하면서 샤프트(118)의 최고 회전 주파수 F를 크게 할 수 있다.

한편, 지지 부재(172)의 두께 치수 t가 너무 작으면, 지지 부재(172)의 종방향의 스프링 정수가 너무 작아진다. 이 때문에, 지지 부재(172)의 두께 치수 t는 샤프트(118)의 주축(120)의 직경 d에 대하여, 0.1d＜t가 되도록 설정된다. 이에 의해, 스러스트 볼 베어링(176)의 볼(166)에 대해 종방향으로 과도적 진동 하중이 작용한 경우라도, 지지 부재(172)가 탄성 변형하여 과도적 진동 하중을 충분히 흡수할 수 있다. 이 때문에, 볼(166) 및 이것에 접하는 상부 레이스(164) 및 하부 레이스(170)가 서로 부딪쳐 타흔이 생기는 것을 방지할 수 있다. 나아가서는, 타흔에 의한 밀폐형 압축기(100)의 신뢰성의 저하나 진동 및 소음의 증대를 방지할 수 있다.

또한, 밀폐형 압축기(100)의 운전이 인버터 전원에 의해 제어되는 경우에는, 샤프트 어셈블리(118a)의 최고 회전 주파수 F가 전원 주파수보다 큰 주파수로 설정될 수 있다. 즉, 인버터 전원으로부터 전동 요소(110)에 전력이 공급될 때에, 인버터 전원이 공급 전력의 주파수를 조정한다. 인버터 전원에 의해 조정된 교류 전력의 주파수에 따라서, 전동 요소(110)의 회전자(116) 및 이 회전자(116)에 고정된 샤프트(118)의 회전 주파수가 변화한다. 이 회전 주파수는 연속적으로 미리 설정된 값 또는 단계적으로 미리 설정된 복수의 값이며, 전원으로부터 공급되는 전력의 주파수 이상으로 설정되는 경우도 있다. 이와 같이, 샤프트 어셈블리(118a)의 최고 회전 주파수 F가 전원 주파수보다 크면, 회전에 의한 가진력이 회전수의 2승에 비례하여 커져서, 공진했을 경우의 진동 가속도는 매우 커진다. 그렇지만, 샤프트 어셈블리(118a)의 공진이 회피되고 있으므로, 밀폐형 압축기(100)의 진동 및 소음의 증대가 방지된다.

(실시형태 2)

도 5는 실시형태 2에 따른 냉장고(178)를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 냉장고(178)는 내부에 단열 공간을 갖는 단열 상자체(180)와, 단열 공간을 개폐 가능하게 단열 상자체(180)에 장착된 도어에 의해 구성되어 있다. 또한, 도어가 장착된 단열 상자체(180)의 면을 정면으로 하고, 그 대향하는 면을 배면이라 칭한다.

단열 상자체(180)는 종장의 대략 직방체 형상이며, 내부에 단열 공간을 형성하는 단열벽과, 단열 공간을 복수(이 실시형태에서는 5개)의 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)으로 분할하는 칸막이판을 포함하고 있다. 5개의 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)은 상하 방향으로 4단으로 분할되어 있으며, 위로부터 2단째의 단열 공간 부분은 좌우 방향으로 추가로 2개로 분할되어 있다. 예컨대, 위로부터 1단째의 단열 공간 부분은 냉장실(188)로서, 위로부터 2단째의 2개의 단열 공간 부분은 전환실(190) 및 제빙실(192)로서, 3단째의 단열 공간 부분은 야채실(194)로서, 4단째의 단열 공간 부분은 냉동실(196)로서 이용되고 있다. 이들 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)은 덕트(도시하지 않음)에 의해 서로 접속되어 있으며, 이 덕트 내에는 댐퍼(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 이 덕트에 의해 각 단열 공간 부분의 공기는 서로 이동 가능하며, 이러한 공기의 풍량은 댐퍼에 의해 조정되고 있다. 또한, 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)의 전부 또는 일부에 온도 센서(도시하지 않음)가 배치되어 있다.

단열 상자체(180)는 내부 상자(182)와, 내부 상자(182)의 외측에 마련된 외부 상자(184)에 의해 구성되어 있다. 내부 상자(182)는 ABS 등의 수지체를 진공 성형에 의해 성형한다. 내부 상자(182)는 단열 공간을 획정하는 단열벽의 내면과, 이 단열 공간을 분할하는 칸막이판을 이룬다. 외부 상자(184)는 프리코트 강판 등의 금속 재료에 의해 형성되며, 단열벽의 외면을 이룬다. 이 내부 상자(182)와 외부 상자(184)와의 사이의 공간에 단열체(186)가 일체적으로 발포 충전되어, 단열 상자체(180)가 만들어진다. 이에 의해, 단열벽과 칸막이판이 동시 또한 일체적으로 형성된다. 또한, 단열체(186)에는, 예컨대 경질 우레탄 폼, 페놀 폼 또는 스틸렌 폼 등의 발포 플라스틱이 이용되고 있다. 이 발포재에는, 온난화 방지의 관점으로부터, 예컨대, 하이드로카본계의 시클로펜탄이 이용된다.

단열 상자체(180)에는, 그 배면 및 상면의 각 일부를 오목하게 한 오목부(208)가 마련되며, 오목부(208)에 밀폐형 압축기(100)가 탄성적으로 지지되어 있다. 또한, 단열 상자체(180)의 측면 등에, 응축기(도시하지 않음)나 수분 제거를 실행하는 드라이어(도시하지 않음)가 배치되어 있다. 또한, 단열 상자체(180)의 배면에, 감압기인 캐필러리(212)나, 증발기(216)가 배치되어 있다. 단열 상자체(180) 내의 야채실(194) 및 냉동실(196)의 배면에 냉각팬(214) 및 증발기(216)가 배치되어 있다. 이들 밀폐형 압축기(100), 응축기, 캐필러리(212) 및 증발기(216)가 배관(218)에 의해 환상으로 접속되어, 냉동 사이클이 구성되어 있다. 또한, 단열 상자체(180)에는 제어 장치(도시하지 않음)가 마련되어 있으며, 이 제어 장치에는 각 단열 공간 부분에 배치된 온도 센서가 접속되어 있다. 또한, 제어 장치에는, 밀폐형 압축기(100), 응축기, 드라이어, 캐필러리(212), 증발기(216), 냉각팬(214) 및 증발기(216)가 접속되어 있다. 그리고, 제어 장치는 온도 센서에 의해 검출값에 근거하여 이들을 제어한다.

단열 상자체(180) 내의 각 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)의 정면을 개폐 가능하게 덮도록, 이 실시형태에서는, 5개의 도어(198, 200, 202, 204, 206)가 단열 상자체(180)에 장착되어 있다. 냉장실(188)에는 회전 도어(198)가 마련되며, 나머지 전환실(190), 제빙실(192), 야채실(194) 및 냉동실(196)에는 인출 도어(200, 202, 204, 206)가 각각 마련되어 있다. 이들 회전 도어(198) 및 인출 도어(200, 202, 204, 206)는 발포 스티롤 등의 단열재에 화장판이 부착되어 형성되어 있다. 각 도어(198, 200, 202, 204, 206)와 단열 상자체(180)와의 사이에는 가스킷이 배치되며, 이에 의해 각 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)의 기밀성이 보지되어 있다.

다음으로, 상술한 냉장고(178)에 있어서의 냉동 사이클의 동작에 대해 설명한다. 제어 장치는 각 온도 센서로부터의 검출 신호에 근거하여 냉각 운전을 개시 및 정지한다. 냉각 운전이 개시되면, 밀폐형 압축기(100)에서 피스톤(130)(도 1)의 왕복 운동에 의해 작동 유체가 압축되며, 고온 고압이 되어 토출관(105)(도 1)으로부터 배관(218)에 의해 냉동 사이클로 이송된다. 이 고온 고압의 기체 상태의 작동 유체는 응축기에서 방열하면 응축하여 액화한다. 이 액체 상태가 된 작동 유체는 캐필러리(212)에서 감압되어 저온 저압이 되며, 증발기(216)에 도달한다. 여기서, 냉각팬(214)에 의해, 각 야채실(194) 및 냉동실(196)의 공기가 이동하며, 이 공기와 증발기(216) 내의 저온의 작동 유체가 열교환한다. 이에 의해, 고온이 된 작동 유체는 증발 기화하며, 배관(218)을 통과하여 밀폐형 압축기(100)로 되돌아온다. 한편, 냉각된 공기는 덕트에 의해 각 단열 공간 부분(188, 190, 192)에 분배된다. 이때, 댐퍼에 의해 각 단열 공간 부분(188, 190, 192)에 분배되는 유량이 조절되기 때문에, 각 단열 공간 부분(188, 190, 192, 194, 196)은 적정 온도로 조절된다.

예컨대, 냉장실(188)은 냉장 보존을 위해서 냉동되지 않는 온도, 예컨대 1℃ 내지 5℃가 된다. 전환실(190)은 유저에 의해 변경 가능한 온도로 설정되어 있어 있으며, 이 설정 온도로 된다. 이러한 설정 온도는, 예컨대, 냉동실(196)의 온도대로부터 냉장이나 야채실(194)의 온도대까지 소정의 온도로 설정될 수 있다. 제빙실(192)은 자동 제빙 장치(도시하지 않음)를 구비하여, 얼음을 자동적으로 제작 및 저류한다. 이 얼음의 보존이 목적이기 때문에, 냉동 온도대보다 비교적 높은, 예컨대, -18℃ 내지 -10℃로 제빙실(192)의 온도가 조절된다. 야채실(194)은 냉장실(188)과 동등 혹은 약간 높은 온도, 예컨대, 2℃ 내지 7℃로 조절된다. 이 온도가 얼지 않는 정도로 낮을수록, 야채실(194) 내의 잎야채의 선도가 장기간 유지될 수 있다. 냉동실(196)은 냉동 보존을 위해서 통상 -22℃ 내지 -18℃로 조절되어 있다. 다만, 냉동 보존 상태의 향상을 위해, 예컨대 -30℃나 -25℃의 저온으로 조절되어도 좋다.

이 냉동 사이클의 동작에 있어서, 밀폐형 압축기(100)는 그 최고 회전 주파수 F가, F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하도록 운전되고 있다. 이 때문에, 파형 와셔(172)에 의한 샤프트 어셈블리(118a)의 공진 주파수 f에 비해 샤프트 어셈블리(118a)의 회전 주파수가 작기 때문에, 샤프트 어셈블리(118a)의 공진이 방지된다. 따라서, 밀폐형 압축기(100)의 소음이나 진동 증가를 방지할 수 있어서, 냉장고(178)의 소음을 저감할 수 있다.

또한, 밀폐형 압축기(100)에 있어서 스러스트 볼 베어링(176)에 의해 마찰에 의한 동력 손실이 억제된다. 이 때문에, 밀폐형 압축기(100)를 포함하는 냉장고의 에너지 손실의 저감이 도모된다.

또한, 밀폐형 압축기(100)에 있어서 파형 와셔(172)의 두께 치수 t가, 0.1d＜t＜0.3d의 관계를 만족하고 있다. 이 때문에, 밀폐형 압축기(100)의 높이 치수가 억제되어, 냉장고(178) 내의 단열 공간의 사이즈를 크게 할 수 있다. 또한, 스러스트 볼 베어링(176)에 있어서의 볼(166)의 타흔이 방지되어, 냉장고(178)의 신뢰성의 저하를 방지할 수 있는 동시에, 냉장고(178)의 진동·소음을 저감할 수 있다.

또한, 단열 상자체(180)에 있어서 칸막이판이 단열벽과 일체로 발포 충전되어 있는 것에 의해, 저비용화 및 단열 성능의 향상이 도모된다. 이와 같이 하여 작성된 칸막이판은 발포 스티롤의 단열 부재에 비해 약 2배의 단열 성능을 가지므로, 칸막이판의 박형화를 할 수 있으며, 이에 수반하여 단열 공간을 확대할 수 있다.

(그 이외의 실시예)

또한, 상기 실시형태 1에서는, 압축 요소(112)를 전동 요소(110)의 상측에 배치했지만, 압축 요소(112)를 전동 요소(110)의 하측으로 해도 좋다. 이 경우, 스러스트 볼 베어링(176)은 회전자(116)와 주 베어링(126)의 상단의 스러스트면(160)과의 사이에 배치되며, 지지 부재(172)는 하부 레이스(170)와 스러스트면(160)과의 사이에 배설된다.

또한, 상기 실시형태 2에서는, 밀폐형 압축기(100)는 냉장고(178)에 마련되었지만, 에어 컨디셔너나 자동 판매기 등의 냉동 사이클(히트 펌프 사이클)을 이용한 기기에 이용할 수 있다.

또한, 상기 실시형태 2에서는, 단열 상자체(180)에서 칸막이판 및 단열벽이 일체적으로 형성되어 있었지만, 칸막이판 및 단열벽이 별개로 마련되어 있어도 좋다.

본 발명에 의하면, 에너지 손실 및 소음을 저감할 수 있는 밀폐형 압축기 및 그것을 구비한 냉장고 등에 적용할 수 있다.

100 : 밀폐형 압축기 102 : 밀폐 용기
110 : 전동 요소 112 : 압축 요소
114 : 고정자 116 : 회전자
118 : 샤프트 120 : 주축
122 : 편심축 124 : 실린더 블록
126 : 주 베어링 130 : 피스톤
134 : 실린더 148 : 압축실
160 : 스러스트면 166 : 볼(전동체)
168 : 홀더부 164 : 상부 레이스(제 1 레이스)
170 : 하부 레이스(제 2 레이스) 172 : 지지 부재
172 : 파형 와셔 172a, 172b : 하부 볼록부(볼록부)
172c, 172d : 상부 볼록부(볼록부) 174 : 플랜지
176 : 스러스트 볼 베어링(볼 베어링) 178 : 냉장고

Claims

고정자와, 상기 고정자에 대해 회전하는 회전자를 포함하는 전동 요소와,
상기 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소와,
상기 전동 요소 및 상기 압축 요소를 수용한 밀폐 용기를 구비하며,
상기 압축 요소는,
상기 회전자에 고정된 주축과, 상기 주축에 대해 편심한 편심축과, 상기 주축 및 상기 편심축을 접속하는 플랜지를 포함하는 샤프트와,
상기 주축을 회전 가능하게 지지하고 있는 주 베어링과, 내부에 압축실이 형성된 실린더를 포함하는 실린더 블록과,
상기 편심축에 연결되며, 상기 압축실 내를 왕복 운동하는 피스톤과,
상기 플랜지와 상기 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 볼 베어링을 구비하고,
상기 볼 베어링은,
홀더부와,
상기 홀더부에 보지된 복수의 전동체와,
상기 전동체를 사이에 끼우고 있는 제 1 레이스 및 제 2 레이스와,
상기 제 2 레이스와 상기 주 베어링의 스러스트면과의 사이에 배치된 탄성을 갖는 지지 부재를 구비하며,
상기 회전자 및 상기 샤프트를 포함하는 샤프트 어셈블리의 질량이 M이고, 상기 지지 부재의 스프링 정수가 K이며, 상기 샤프트 어셈블리의 최고 회전 주파수가 F일 때,
F＜(1/4π)*(K/M)＾0.5의 관계를 만족하고 있는
밀폐형 압축기.
제 1 항에 있어서,
상기 지지 부재는 환상의 파형 와셔이며,
상기 파형 와셔는, 상기 제 2 레이스 측으로 돌출한 복수의 볼록부와 상기 주 베어링의 스러스트면 측으로 돌출한 복수의 볼록부가 둘레 방향으로 교대로 마련되도록 두께 방향으로 기복하고 있는
밀폐형 압축기.
제 2 항에 있어서,
상기 파형 와셔는 스프링 강으로 형성되며,
상기 주축의 직경이 d이고, 상기 파형 와셔의 두께 치수가 t일 때,
0.1d＜t＜0.3d의 관계를 만족하고 있는
밀폐형 압축기.
제 1 항에 있어서,
상기 전동 요소는, 상기 전동 요소에 공급되는 전력의 주파수를 조정하는 인버터 전원을 이용하여 복수의 운전 주파수로 구동되는
밀폐형 압축기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 밀폐형 압축기를 구비하는
냉장고.