KR102002124B1 - 전동식 압축기 - Google Patents

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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 전동식 압축기는, 제1 스크롤; 상기 제1 스크롤에 맞물려 선회운동을 하면서 상기 제1 스크롤과의 사이에 두 개 한 쌍의 압축실을 형성하는 제2 스크롤; 상기 제2 스크롤에 편심지게 결합되는 회전축; 상기 회전축이 삽입되어 회전 가능하게 지지되는 베어링부재; 및 상기 제2 스크롤을 사이에 두고 상기 제1 스크롤의 반대쪽에서 반경방향으로 고정되며, 상기 베어링부재가 삽입되어 고정되는 베어링 지지부가 형성되는 프레임;을 포함하고, 상기 베어링부재가 상기 프레임에 삽입되기 전을 기준으로 할 때, 상기 베어링 지지부의 내경은 상기 베어링부재의 외경보다 작게 형성될 수 있다.

Description

전동식 압축기{MOTOR OPERATED COMPRESSOR}
본 발명은 압축기에 관한 것으로, 특히 전기 차량을 포함한 차량에 주로 적용되는 전동식 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 공조시스템에서 냉매를 압축시키는 역할을 하는 압축기는 다양한 형태로 개발되어 왔으며, 최근 자동차 부품의 전장화 추세에 따라 모터를 이용하여 전기로 구동되는 전동식 압축기의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
전동식 압축기는 여러 압축 방식 중에서 고압축비 운전에 적합한 스크롤 압축 방식이 주로 적용되고 있다. 이러한 스크롤 방식의 전동식 압축기는 밀폐된 케이싱의 내부에 회전모터로 된 전동부가 설치되고, 전동부의 일측에 고정 스크롤과 선회 스크롤로 이루어진 압축부가 설치되며, 전동부와 압축부는 회전축으로 연결되어 전동부의 회전력이 압축부로 전달된다. 압축부로 전달되는 회전력은 선회 스크롤을 고정 스크롤에 대해 선회운동을 시켜 흡입실, 중간압실, 토출실로 된 2개 한 쌍의 압축실을 형성하여, 냉매를 양쪽 압축실로 각각 흡입시켜 압축하고 동시에 토출하는 방식이다.
한편, 차량용 공조시스템에 적용되는 압축기는 차량의 엔진룸 구조상 주로 횡형으로 설치되어 있다. 이에 따라, 압축기의 전동부와 압축부가 횡방향으로 배열되어 회전축으로 연결되고, 전동부를 중심으로 횡방향 양쪽에 회전축을 회전 가능하게 지지하기 위한 지지부가 구비되며, 스크롤 압축기의 경우에 지지부는 전동부를 중심으로 양쪽에 구비되는 메인 프레임과 서브 프레임으로 이루어져 있다.
그리고, 메인 프레임과 서브 프레임에는 회전축을 반경방향으로 지지하기 위한 베어링이 구비되어 있다. 베어링은 부시 베어링이 사용될 수도 있지만, 통상 깊은홈 볼 베어링(이하, 볼 베어링)이 적용되고 있다. 볼 베어링의 경우 회전축을 반경방향으로 지지하는 동시에 축방향으로도 지지할 수 있다. 하지만, CO2 냉매가 적용되어 100bar 이상의 토출압을 형성하는 압축기에서는 다른 냉매(예를 들어, R134a 또는 R410a)가 적용되는 동일한 압축기에 비해 축방향 하중 및 원주방향 하중이 크게 증가하게 되어, 특히 메인 베어링에 결합되는 볼 베어링은 기존 사양의 간섭량을 적용하여 결합할 경우 압축기의 구동 중에 베어링의 외륜이 쉽게 탈거될 수 있다. 그러면, 압축기의 효율이 저하될 뿐만 아니라 신뢰성이 크게 저하될 수 있었다.
이를 감안하여, 베어링을 삽입한 후 그 베어링의 주변을 일정 간격을 두고 눌러 버(burr)를 형성하는 일종의 코킹 작업을 진행하고, 이 버를 이용하여 베어링을 축방향으로 지지하는 기술이 알려져 있다. 하지만, 이러한 기술은 작업이 균일하게 이루어지지 않으면 베어링을 일정하게 지지할 수 없을 뿐만 아니라, 코킹 작업에 따른 가공비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
또, 종래에는 베어링이 압입되는 구동축 삽입공의 내주면에 축방향으로 일정 간격을 둔 압입비드를 돌출 형성하여, 베어링에 대한 지지력을 높이는 기술[선행기술(한국실용신안등록번호: 20-0351633호, 2004.05.17)]도 알려져 있다.
그러나, 상기와 같은 선행기술은, 앞서 설명한 바와 같이 구동축 삽입공의 내주면에 다수 개의 압입비드를 형성함에 따라, 가공비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
또, 종래의 선행기술에서는, 구동축 삽입공에 베어링을 압입하는 과정에서 압입비드의 끝단이 베어링에 의해 짓이겨지면서 버(burr)가 발생하게 된다. 이 버는 오일이나 냉매와 섞여 압축기의 내부를 유동하면서 베어링면으로 유입되고, 이로 인해 베어링면이 마모되면서 베어링 및 그 베어링을 포함한 압축기의 수명이 단축되는 것은 물론 압축기의 신뢰성이 저하될 수 있었다.
한국실용신안등록번호 20-0351633호(2004.05.17)
본 발명의 목적은, 회전축을 지지하는 베어링이 그 베어링이 결합되는 부분으로부터 쉽게 탈거되지 않도록 하는 전동식 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 회전축을 지지하는 베어링 또는 그 베어링이 결합되는 부분에 대한 가공을 용이하게 하면서도 베어링이 쉽게 탈거되지 않도록 할 수 있는 전동식 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 회전축을 지지하는 베어링을 결합하는 과정에서 이물질이 발생되는 것을 억제하여 이물질로 인해 베어링을 비롯한 다른 부품들이 손상되는 것을 미연에 방지하고, 이를 통해 베어링 및 이를 포함한 압축기의 수명이 단축되는 것을 억제할 수 있는 전동식 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 베어링의 열팽창율보다 베어링이 삽입되는 지지부의 열팽창율이 높은 경우에도 베어링이 운전중에 이탈되지 않도록 하여 베어링의 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있는 전동식 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 베어링의 외경보다 그 베어링이 삽입되는 지지부의 내경을 작게 형성하면서도 베어링 하중이 과도하게 상승하지 않도록 하여 압축기 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 전동식 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 토출압이 100bar 이상인 전동식 압축기에서, 프레임의 베어링 지지부에 베어링부재가 삽입되어 결합되고, 상기 베어링부재가 상기 프레임의 베어링 지지부에 삽입된 이후의 상기 베어링 지지부의 내경은 상기 베어링부재가 삽입되기 전에 비해 0.08~0.13% 증가하게 되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 프레임은 알루미늄으로, 상기 베어링부재는 스틸로 각각 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 베어링부재가 상기 베어링 지지부에 압입된 상태에서, 상기 베어링 지지부의 모서리에서의 내경은 원주방향을 따라 동일하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 베어링부재가 상기 베어링 지지부에 압입된 상태에서, 상기 베어링 지지부의 모서리에서의 내경은 상기 베어링부재의 외경과 원주방향을 따라 동일하게 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 스크롤; 상기 제1 스크롤에 맞물려 선회운동을 하면서 상기 제1 스크롤과의 사이에 두 개 한 쌍의 압축실을 형성하는 제2 스크롤; 상기 제2 스크롤에 편심지게 결합되는 회전축; 상기 회전축이 삽입되어 회전 가능하게 지지되는 베어링부재; 및 상기 제2 스크롤을 사이에 두고 상기 제1 스크롤의 반대쪽에서 반경방향으로 고정되며, 상기 베어링부재가 삽입되어 고정되는 베어링 지지부가 형성되는 프레임;을 포함하고, 상기 베어링부재가 상기 프레임에 삽입되기 전을 기준으로 할 때, 상기 베어링 지지부의 내경은 상기 베어링부재의 외경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 베어링 지지부의 내경은 상기 베어링부재의 외경보다 0.08~0.13% 작게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 프레임은 상기 베어링부재 또는 상기 회전축보다 열변형 온도가 낮은 소재로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 베어링 지지부는 상기 베어링부재가 삽입되는 방향으로 내경이 확대되도록 안내면이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 안내면의 축방향 길이는 상기 베어링 지지부의 축방향 길이 대비 1/2 이하가 되도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 압축실에서 토출되는 냉매의 압력은 100bar 이상을 이룬다.
그리고, 상기 프레임은 알루미늄 소재로 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 제1 스크롤; 상기 제1 스크롤에 맞물려 선회운동을 하면서 상기 제1 스크롤과의 사이에 두 개 한 쌍의 압축실을 형성하는 제2 스크롤; 상기 제2 스크롤에 편심지게 결합되는 회전축; 상기 제2 스크롤을 사이에 두고 상기 제1 스크롤의 반대쪽에서 반경방향으로 고정되며, 상기 회전축이 관통하여 결합되는 프레임; 및 상기 프레임과 회전축의 사이 또는 상기 제2 스크롤과 회전축의 사이에 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링부재;를 포함하고, 상기 베어링부재의 외경은 상기 베어링부재가 삽입되는 베어링 지지부의 내경보다 크게 형성되고, 상기 베어링부재의 외경과 상기 베어링 지지부의 내경 사이의 차이로 정의되는 상기 베어링부재와 상기 베어링 지지부의 사이의 간섭량은, 상기 베어링 지지부의 내경에 대해 0.08~0.13% 인 것을 특징으로 하는 전동식 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 프레임에는 상기 회전축이 관통되는 축구멍이 형성되고, 상기 축구멍은 상기 베어링 지지부의 일측에 형성되며, 상기 축구멍에는 그 축구멍의 내주면과 상기 회전축의 외주면 사이를 밀봉하는 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기가 제공될 수 있다.
그리고, 상기 실링부재는 상기 프레임에 비해 열팽창율이 큰 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 전동식 압축기는, 회전축을 지지하는 베어링의 외경이 베어링 지지부의 내경보다 크게 형성됨에 따라, 베어링이 베어링 지지부로부터 쉽게 탈거되는 것을 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 베어링의 이탈을 방지하기 위한 추가 공정을 하지 않아 베어링을 용이하게 결합할 수 있다.
또, 본 발명은, 회전축을 지지하는 베어링의 외경과 베어링이 삽입되어 지지되는 지지부의 내경 사이의 간섭량을 적절하게 설정함에 따라, 베어링을 압입하는 과정에서 이물질이 발생하는 것을 최소화하여 베어링 및 이를 포함한 압축기의 수명이 단축되는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 발명은, 베어링과 그 베어링이 삽입되는 지지부의 간섭량을 적절하게 설정함에 따라, 베어링의 열팽창율보다 베어링이 삽입되는 지지부의 열팽창율이 높은 경우에도 베어링이 운전중에 이탈되는 것을 억제하여 베어링의 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 본 발명은, 베어링과 그 베어링이 삽입되는 지지부의 간섭량을 적절하게 설정함에 따라, 베어링이 지지부에 과도하게 압착되어 베어링 하중이 과도하게 상승하는 것을 억제할 수 있고, 이를 통해 압축기 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전동식 압축기를 보인 단면도,
도 2는 도 1에 따른 전동식 압축기에서 압축 유닛을 보인 단면도,
도 3은 도 2의 "Ⅵ-Ⅵ"선단면도,
도 4는 본 실시예에 따른 메인 프레임과 메인 베어링을 분리하여 보인 단면도,
도 5는 본 실시예에 따른 메인 프레임과 메인 베어링을 조립하여 보인 단면도,
도 6은 본 실시예에 따른 전동식 압축기에서 메인 베어링과 베어링 지지부 사이의 간섭량을 보인 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 전동식 압축기에서, 메인 프레임의 베어링 지지부에 대한 다른 실시예를 보인 단면도.
이하, 본 발명에 의한 전동식 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 전동식 압축기는 두 개의 스크롤이 맞물려 냉매를 압축하도록 이루어지는 스크롤 압축기일 수 있다. 본 발명에 따른 전동식 압축기는 작동 유체로 냉매를 흡입하여 압축하는 냉동 사이클 장치의 일 구성요소가 될 수 있다. 본 실시예에서는 이산화탄소(CO2)를 작동 유체로 사용하여 토출압이 100basr, 더 정확하게는 대략 130bar이고, 토출온도가 대략 170℃ 정도인 고온고압의 전동식 스크롤 압축기를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 전동식 압축기를 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 압축기(100)는, 케이싱(101), 프레임(102), 구동 유닛(103) 및 압축 유닛(104)을 포함하고, 프레임(120)은 메인 프레임(121) 및 서브 프레임(125)을 구비할 수 있다. 이들의 전체적인 위치 관계는 예를 들면, 케이싱(101)의 내벽 중간에 메인 프레임(121)이 고정되고, 메인 프레임(121)의 일측(전방)에는 구동력을 발생시키는 구동 유닛(103)이 설치될 수 있다. 그리고, 메인 프레임(121)의 타측(후방)에는 구동 유닛(103)의 구동력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축 유닛(104)이 설치될 수 있다.
아울러, 케이싱(101)의 외부에는 압축기의 운전을 제어하는 제어 유닛이 설치될 수 있다. 제어 유닛은 구동 유닛(103)을 기준으로 압축 유닛(104)의 반대편에 위치될 수 있다.
도 1에서와 같이, 케이싱(101)은 쉘(111), 프론트 커버(112) 및 리어 커버(113)를 구비할 수 있다. 쉘(111)은 양 단부(전방 및 후방)가 개방된 원통형으로 이루어지며, 내부에 흡입공간(S1)을 형성할 수 있다. 쉘(111)의 내부에는 구동 유닛(103), 프레임 및 압축 유닛(104)이 수용될 수 있다.
프론트 커버(112)는 쉘(111)의 전방 단부를 밀폐시키도록 결합될 수 있고, 프론트 커버(112)의 외부에는 제어 유닛, 전원 공급부 등이 연결될 수 있다. 리어 커버(113)는 쉘(111)의 후방 단부를 밀폐시키도록 결합될 수 있다. 후술하는 것과 같이, 리어 커버(113)는 토출공간(S2)의 일부를 형성하며, 오일분리부(116)를 구비할 수 있다.
프론트 커버(112)에는 흡입관이 연결되어 냉매를 흡입공간(S1)으로 유입시키는 흡기구(114)가 형성될 수 있다. 흡기구(114)는 구동 유닛(103)을 기준으로 압축 유닛(104)의 반대편인 구동 유닛(103)의 전방 단부에 위치하도록 형성될 수 있다. 이로써, 냉매는 흡기구(114)를 통해 케이싱(101) 내부로 유입되고, 구동 유닛(103)을 전방 측에서 후방 측으로 통과한 후에 압축 유닛(104)으로 흡입될 수 있다.
아울러, 리어 커버(113)에는 압축 유닛(104)에서 압축된 냉매를 냉동 사이클로 안내하도록 토출관이 연결되는 배기구(115)가 형성될 수 있다. 리어 커버(113)에 의해 폐쇄되는 압축 유닛(104)의 후방 측 공간이 배기구(115)와 연통되는 토출공간(S2)이 될 수 있다. 토출공간(S2)으로부터 배기구(115)로 연결되는 경로에는 토출되는 냉매 및 오일의 혼합물로부터 오일을 분리하는 오일분리부(116)가 형성될 수 있다. 도 1은, 토출공간(S2)과 연통되는 오일분리부(116)가 원심력에 의해 냉매와 오일을 서로 분리하는 실시예를 보이고 있다. 냉매로부터 분리된 오일은 오일분리부(116)의 저면에 형성되는 회수공간(116a)에 축적될 수 있다.
구동 유닛(103)은 고정자(131) 및 회전자(132)를 포함하며, 회전축(135)을 구동시키는 회전력을 발생한다. 본 실시예에서 고정자(131)는 쉘(111)의 내주면에 고정되고 내부에 원통형의 공간을 형성하도록 환형으로 이루어질 수 있다. 고정자(131)의 내부 공간에는 회전자(132)가 고정자(131)와 이격되도록 배치될 수 있다. 회전자(132)는 대략 원통형으로 이루어질 수 있고, 그 중심에는 회전축(135)이 결합될 수 있다. 구동 유닛(103)에 전원이 공급되면, 고정자(131)와 회전자(132)의 상호 작용에 의해 회전자(132) 및 회전축(135)이 함께 회전할 수 있다.
회전축(135)은 쉘(111) 내부에 수용될 수 있고, 프레임(120)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 회전축(135)의 후방 측은 메인 프레임(121)에 장착되는 메인 베어링(161)에 의해 반경 방향으로 지지될 수 있다. 메인 베어링(161)의 내륜은 회전축에, 외륜은 메인 프레임(121)에 각각 결합되는 깊은홈 볼 베어링(Deep Groove Ball Bearing)으로 이루어져 후술할 메인 프레임(121)의 베어링 지지부(123)에 압입되는 것으로, 메인 베어링의 장착구조에 대해서는 나중에 자세하게 설명한다.
아울러, 회전축(135)의 전방 단부는 프론트 커버(112)의 내면에 형성되는 서브 프레임(125)에 장착되는 서브 베어링(162)에 의해 반경 방향으로 지지될 수 있다. 회전축(135)의 외주면 일부는 회전자(132)와 결합되어 구동 유닛(103)에 의해 발생되는 회전력을 전달받을 수 있다.
압축 유닛(104)은 고정 스크롤인 제1 스크롤(140)과, 선회 스크롤인 제2 스크롤(150)을 포함할 수 있다. 제2 스크롤(150)은 구동 유닛(103)의 회전자(132)에 결합된 회전축(135)에 편심 결합되어 제1 스크롤(140)에 대해 선회 운동을 하면서 제1 스크롤(140)과 함께 흡입실, 중간압실, 토출실로 된 두 개 한 쌍의 압축실(P)을 형성하게 된다.
제1 스크롤(140)은 원판모양으로 고정측 경판부(141)가 구비되고, 고정측 경판부(141)의 일 측면에는 메인 프레임(121)을 향해 돌출되는 고정측 측벽부(142)가 형성될 수 있다.
고정측 경판부(141)의 중심부에는 후술할 선회랩(152)과 맞물려 두 개 한 쌍의 압축실(P)을 형성하는 고정랩(143)이 돌출 형성되고, 고정측 경판부(141)의 가장자리에는 케이싱(101)의 흡입공간(S1)과 연통되는 흡입구(미도시)가 형성되며, 고정측 경판부(141)의 중앙에는 최종 압축실에서 토출공간(S2)으로 연통되는 토출구(144)가 형성될 수 있다.
제2 스크롤(150)은 원판모양으로 선회측 경판부(151)가 형성되고, 선회측 경판부(151)의 일 측면에는 고정측 경판부(141)를 향해 돌출되어 고정랩(143)과 맞물리는 선회랩(152)이 형성되며, 선회측 경판부(151)의 타측면에는 회전축(135)을 지지하는 편심베어링(163)이 삽입되어 고정되도록 보스홈(153)이 형성된다.
한편, 메인 프레임(121)은 대략 원판 모양으로 형성되어 제1 스크롤(140)의 고정측 측벽부(142) 및 케이싱(101)의 내면에 결합되어 지지될 수 있다.
또, 메인 프레임(121)의 중앙에는 제2 스크롤(150)을 제1 스크롤(140)쪽으로 지지하는 배압공간(S3)을 이루도록 배압공간부(122)가 형성되고, 배압공간부(122)의 내부에는 회전축(135)에 결합되어 제2 스크롤(150)의 편심된 운동에 따른 불균형을 보상하는 밸런스 웨이트(136)가 회전 가능하게 수용될 수 있다.
메인 프레임(121)의 배압공간부(122)와 이에 접하는 제2 스크롤(150)의 사이 및 메인 프레임(121)과 회전축(135) 사이를 실링함에 따라, 배압공간부(122)가 밀봉되어 앞서 설명한 배압공간(S3)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 메인 프레임(121)에 접하는 제2 스크롤(150)의 저면에는 제1 실링부재(171)가 구비되어 메인 프레임(121)과 제2 스크롤(150) 사이의 스러스트 베어링면을 실링하게 되고, 메인 프레임(121)의 축구멍(124) 내주면과 회전축(135)의 외주면 사이에는 제2 실링부재(172)가 구비되어 메인 프레임(121)과 회전축(135) 사이의 레이디얼 베어링면을 실링하게 된다.
제1 실링부재(171)와 제2 실링부재(172)는 사각단면 또는 브이(V)자 단면 또는 유(U)자 단면 형상의 링 모양으로 형성될 수 있고, 고무나 테프론 또는 엔지니어 플라스틱과 같은 소재로 형성될 수 있다. 다만, 제1 실링부재(171)와 제2 실링부재(172)는 마찰손실을 고려하여 메인 프레임(121)이나 제2 스크롤(150)보다는 마찰계수가 낮은 소재로 형성될 수 있다.
한편, 제1 스크롤(150)의 고정측 경판부(151)와 메인 프레임(121)에는 토출공간(S2)과 배압공간(S3) 사이를 연통시키는 배압통로(F)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 토출공간(S2)에서 분리된 오일이 배압통로(F)를 통해 배압공간(S3)으로 이동하여, 배압공간(S3)에서 배압력을 형성하게 된다.
상기와 같은 본 발명에 의한 전동식 압축기는 다음과 같이 동작된다.
먼저, 구동 유닛(103)에 전원이 인가되면, 회전축(135)이 구동 유닛(103)의 회전자(132)와 함께 회전을 하면서 제2 스크롤(150)에 회전력을 전달하게 된다. 그러면, 회전축(135)과 편심되게 연결된 제2 스크롤(150)은 자전방지부재(180)에 의해 편심된 거리만큼 선회 운동을 하게 되고, 압축실(P)은 회전축(135)의 반경 방향 중심측을 향해 지속적으로 이동되면서 체적이 감소하게 된다.
이에 따라, 냉매는 흡기구(114)를 통해 흡입공간(S1)으로 유입되어 압축실(P)로 흡입된다. 이때, 냉매는 고정자(131)를 통과하면서 고정자(131)와 회전자(132)를 냉각시킬 수 있다.
이후, 압축실(P)로 흡입된 냉매는 압축실(P)의 이동 경로를 따라 중심 측으로 이동되면서 압축되고, 토출구를 통해 제1 스크롤(140)과 리어 커버(113) 사이에 형성된 토출공간(S2)으로 토출된다.
이 토출공간(S2)으로 토출된 냉매는 토출공간(S2)에서 오일이 분리되거나 또는 오일분리부(116)를 통과하면서 오일 성분이 분리되고, 냉매는 배기구(115)를 통해 냉동 사이클로 배출된다. 반면, 분리된 오일은 오일분리부(116)의 회수공간(116a)에 잔류되어 회수될 수 있다.
한편, 상기와 같은 전동식 압축기는, 앞서 설명한 바와 같이 냉매의 종류에 따라 토출압과 토출온도가 상이하게 된다. 예를 들어, R134a 냉매인 경우에는 토출압이 대략 30bar, 토출온도는 대략 120℃ 정도가 된다. 하지만, CO2 냉매인 경우에는 토출압이 대략 100bar 이상, 더 높게는 130bar, 토출온도는 150℃, 더 높게는 170℃ 정도가 된다. 따라서, 기존의 R134a 냉매를 사용할 때에 비해 CO2 냉매를 사용할 때가 훨씬 높은 압력과 높은 온도 조건에서 압축기가 운전을 하게 된다.
이런 경우에, 베어링을 삽입하여 고정하는 지지부재의 열팽창율이 베어링의 열팽창율에 비해 높으면, 운전중에 지지부재가 베어링보다 더 크게 열팽창하면서 베어링을 견고하게 고정하지 못하게 된다. 그러면 베어링이 지지부재로부터 이탈되어 베어링의 내구성이 약화되어 수명이 단축되는 것은 물론 압축기의 신뢰성이 저하될 수 있다. 특히, 케이싱의 내부가 흡입압으로 채워지는 저압식의 경우에는 회전축이 축방향으로 움직이면서 회전축에 결합된 제2 스크롤의 거동이 불안정하게 될 수 있다. 그러면, 압축실이 긴밀하게 밀봉되지 못하여 압축실에서 냉매가 누설될 수 있고, 회전축이 축방향 및 원주방향으로 움직이면서 압축기 소음과 마찰손실이 증가하게 될 수 있다.
하지만, 그렇다고 하여 베어링 지지부재를 철이나 스틸과 같이 열팽창율이 낮은 소재로 제작하게 되면 베어링을 지지하는 부재의 무게가 증가하게 된다. 그러면, 차량에 적용할 경우 차량의 무게가 증가하게 되어 그만큼 불리하게 될 수 있다. 이에, 차량용 압축기인 전동식 압축기 분야에서는 열팽창율은 다소 높더라도 무게가 가벼운 알루미늄 소재로 된 부품을 사용하고 있다. 베어링 지지부재 역시 마찬가지이다.
따라서, 본 발명은 알루미늄과 같이 열팽창율은 높더라도 무게가 가벼운 부품을 적용하는 전동식 압축기에서, 회전축을 지지하는 베어링이 베어링 지지부재에 용이하면서도 견고하게 결합될 수 있도록 하는 것이다. 특히, 베어링을 지지하는 프레임 중에서 배압공간에 인접하게 배치되는 메인 프레임은 상대적으로 고온고압의 조건에 놓이게 되므로 압축기의 운전시 열팽창될 가능성이 매우 크다.
만약 메인 프레임이 열팽창을 하여 베어링 지지부의 내경이 증가하게 되면 메인 프레임에 결합되는 메인 베어링이 베어링 지지부로부터 쉽게 이탈되어 앞서 설명한 바와 같이 베어링의 수명은 물론 압축기의 효율과 신뢰성이 크게 저하될 수 있다. 이는, 알루미늄 소재로 형성되는 제2 스크롤에 고정되는 편심베어링 역시 마찬가지이다. 이하에서는, 메인 프레임에 메인 베어링을 용이하면서도 견고하게 고정하는 구조를 중심으로 살펴보겠지만, 이는 제2 스크롤과 편심베어링에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2는 도 1에 따른 전동식 압축기에서 압축 유닛을 보인 단면도이고, 도 3은 도 2의 "Ⅵ-Ⅵ"선단면도이며, 도 4는 본 실시예에 따른 메인 프레임과 메인 베어링을 분리하여 보인 단면도이고, 도 5는 본 실시예에 따른 메인 프레임과 메인 베어링을 조립하여 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전동식 압축기에서 메인 프레임(121)은, 제2 스크롤(150)이 대향되는 스러스트면 중앙에 앞서 설명한 배압공간부(122)가 형성되고, 배압공간부(122)의 바닥면 중앙에는 메인 베어링(161)이 삽입되어 고정되는 베어링 지지부(123)가 형성되며, 베어링 지지부(123)의 바닥면 중앙에 회전축(135)이 관통하여 결합되는 축구멍(124)이 형성될 수 있다. 축구멍(124)의 내주면에는 제2 실링부재(172)가 삽입되어 지지되는 실링홈(124a)이 베어링 지지부(123)에서 단차지게 형성될 수 있다. 이에 따라, 메인 프레임(121)은 스러스트면에서 반대쪽으로 적어도 3단에 걸쳐 단차지게 형성될 수 있다.
베어링 지지부(123)는 배압공간(S3)을 이루는 배압공간부(122)의 바닥면(도면에서는 전방면)(122a)에서 그 배압공간부(122)의 내경(D1)보다 작은 내경(D2)을 가지도록 베어링 지지부(123)가 단차지게 형성되며, 베어링 지지부(123)의 바닥면(도면에서는 전방면)(124a)에는 그 베어링 지지부(123)의 내경(D2)보다 작은 내경(D3)을 가지는 축구멍(124)이 단차지게 형성될 수 있다. 이에 따라, 베어링 지지부(123)는 제2 스크롤(150)을 향하는 제1 단부가 개구되어, 그 제1 단부를 통해 메인 베어링(161)이 베어링 지지부(123)로 압입될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 베어링 지지부(123)의 일측에는 실링홈(124a)이 형성되고, 실링홈(124a)에는 제2 실링부재(172)가 삽입되어 구비될 수 있다. 실링홈(124a)은 깊은 홈 볼 베어링으로 된 메인 베어링(161)을 통해 배압공간(S3)을 이루는 배압공간부(122)와 연통될 수 있다. 이에 따라, 배압공간(S3)은 제2 실링부재(172)에 의해 일단이 밀봉될 수 있다.
제2 실링부재(172)는 앞서 설명한 바와 같이 사각 단면 형상으로 형성되거나 또는 브이(V)자 단면 형상 또는 유(U)자 단면 형상으로 형성되고, 고무 또는 테프론과 같이 열팽창율이 메인 프레임보다 큰 소재로 형성될 수 있다. 이에 따라, 메인 프레임(121)에 메인 베어링(161)을 압입할 때, 메인 프레임(121)을 가열한 후 메인 베어링(161)을 삽입하는 열간 압입법을 적용할 수 없다. 즉, 제2 실링부재(172)가 삽입되는 실링홈(124a)이 메인 베어링(161)이 삽입되는 베어링 지지부(123)를 향해 개구됨에 따라, 메인 프레임(121)에는 제2 실링부재(172)를 먼저 결합한 상태에서 메인 베어링(161)을 삽입하여야 한다. 하지만, 제2 실링부재(172)는 앞서 설명한 바와 같이 메인 프레임(121)보다 열팽창율이 큰 소재로 형성됨에 따라, 제2 실링부재(172)를 메인 프레임(121)에 삽입한 상태에서 가열을 하게 되면 제2 실링부재(172)가 과도하게 열변형되거나 손상될 수 있다. 이에, 메인 프레임(121)에 제2 실링부재(172)가 삽입된 상태에서 메인 베어링(161)을 베어링 지지부(123)에 압입하여 결합하게 된다.
여기서, 메인 베어링(161)이 베어링 지지부(123)에 압입된 상태에서 압축기가 운전을 하게 되면, 압축기는 토출압을 기준으로 대략 150~170℃, 100~130bar 가량으로 압축된 고온 고압의 냉매를 토출공간(S2)으로 토출하게 된다. 이 고온 고압의 냉매는 토출공간(S2)에서 오일과 냉매로 분리되어 오일은 배압통로(F)를 통해 일정 정도 감압되면서 배압공간(S3)으로 이동하게 된다. 따라서, 배압공간(S3)의 온도와 압력은 토출공간의 냉매 온도와 압력에 비해서는 낮지만 R134a 냉매를 적용한 것에 비해서는 상당히 높은 온도와 압력 상태가 될 수 있다. 이러한 고온 고압의 오일에 의해 메인 프레임(121)이 접촉되면, 알루미늄 재질로 된 메인 프레임(121)의 베어링 지지부(123)는 스틸 재질로 된 메인 베어링(161)에 비해 더 많이 열팽창하게 된다. 그러면, 베어링 지지부(123)의 내주면(123a)과 메인 베어링(161)의 외주면(161a) 사이가 벌어지면서 메인 베어링(161)이 베어링 지지부(123)로부터 이탈되어 메인 베어링(161)의 흔들림량이 크게 증가할 수 있다.
이를 감안하여, 본 실시예는 도 4 및 도 5와 같이, 베어링 지지부(123)의 내경(D2)을 메인 베어링(161)의 외경(정확하게는 외륜의 외경)(D4)보다 작게 형성할 수 있다. 그러면, 메인 베어링(161)을 베어링 지지부(123)에 압입할 때, 베어링 지지부(123)의 내측 일부가 메인 베어링(161)에 의해 짓눌리면서 압착되고, 메인 베어링(161)의 외주면(161a)이 베어링 지지부(123)의 내주면(123a)에 긴밀하게 밀착되어 결합될 수 있다. 그러면, 고온 고압의 오일에 의해 메인 프레임(121)이 메인 베어링(161)보다 열팽창을 하더라도 메인 베어링(161)이 쉽게 이탈되는 것을 억제할 수 있다. 도면중 빗금친 A는 베어링 지지부에서 눌려진 부분이다.
하지만, 베어링 지지부(123)의 내경(D2)이 메인 베어링(161)의 외경(D4)에 비해 너무 작게 형성되는 경우에는 메인 베어링(161)의 외주면(161a)과 베어링 지지부(123)의 내주면(123a)이 과도하게 밀착되면서 베어링 하중이 과도하게 증가하게 되고, 이로 인해 회전축(135)의 회전시 메인 베어링(161)에서의 마찰손실이 증가할 수 있다.
따라서, 메인 베어링(161)의 압입시 메인 베어링(161)의 외주면(161a)과 베어링 지지부(123)의 내주면(123a)이 과도하게 밀착되지 않으면서 베어링 지지부(123)의 열팽창에 의해 메인 베어링(161)이 이탈되어 흔들리지 않을 정도로 베어링 지지부(123)의 내경을 설정하는 것이 중요하다.
도 6은 본 실시예에 따른 전동식 압축기에서 메인 베어링과 베어링 지지부 사이의 간섭량을 보인 그래프이다. 이는, 본 출원인에 속한 연구인력이 많은 시행착오를 경험하면서 얻은 자료를 토대로 작성된 그래프이다.
이에 도시된 바와 같이, X축을 간섭량(%)으로, 제1 Y축을 회전축의 흔들림량(mm)으로, 제2 Y축을 베어링 하중(N)으로 각각 설정하여, 간섭량 대비 회전축의 흔들림량과 베어링 하중과의 최적 관계를 비교한 결과를 보면 다음과 같다.
즉, 간섭량이 감소할수록 회전축의 흔들림량은 증가하는 반면, 베어링 하중은 감소하는 것을 볼 수 있다. 반대로, 간섭량이 증가할수록 회전축의 흔들림량은 감소하는 반면, 베어링 하중은 증가하는 것을 볼 수 있다.
하지만, 이러한 현상은 간섭량이 0.08 ~ 0.13% 범위에서는 회전축의 흔들림량과 베어링 하중의 변동폭이 다른 범위에 비해 크게 개선되는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 간섭량을 0.08 ~ 0.13% 범위가 되도록 설정할 경우, 회전축을 안정적으로 지지하는 동시에 베어링의 하중을 적절하게 유지하여 압축기의 신뢰성을 높이고 효율을 향상시킬 수 있다.
이를 실제로 실험한 일례를 들어 살펴보면 다음과 같다. 실험에 사용된 메인 프레임은 알루미늄 소재이며, 메인 베어링은 스틸 소재이다. 따라서, 열팽창 계수는 메인 프레임이 0.000023, 메인 베어링이 0.000012이므로 대략 메인 프레임의 열팽창계수가 메인 베어링의 열팽창계수에 비해 2배 정도가 된다.
또, 조립온도는 상온인 25℃이고, 구동온도를 대략 100℃인 환경에서 실험하였다. 여기서, CO2 냉매의 경우 토출온도는 150℃ 이상이지만, 토출된 냉매가 배압공간으로 이동하면서 온도가 낮아져 실제 배압공간의 온도는 토출온도보다는 낮은 100℃를 구동온도로 설정하였다. 다만, CO2 냉매의 토출온도를 감안하여 간섭량을 보수적으로 한정하였다.
또, 가공오차는 10㎛ 이하로 관리되도록 설정하였다.
상기와 같은 조건을 기준으로 하여, 먼저 조립온도인 25℃에서의 메인 프레임의 내경과 메인 베어링의 외경 보면,
메인 프레임의 내경(mm)
최소 평균 최대
46.935 46.945 46.955
메인 베어링의 외경(mm)
최소 평균 최대
46.989 46.955 47
위와 같고, 따라서 간섭량을 계산하면 아래와 같다.
간섭량
최소 평균 최대
0.034 0.0495 0.065
즉, 메인 베어링을 메인 프레임에 조립하기 전에는 간섭량이 0.034 ~ 0.065mm가 된다.
이를 구동온도인 100℃에서의 메인 프레임의 내경과 메인 베어링의 외경 보면,
메인 프레임의 내경(mm)
최소 평균 최대
47.008 47.018 47.028
메인 베어링의 외경(mm)
최소 평균 최대
47.034 47.040 47.045
위와 같고, 따라서 간섭량을 계산하면 아래와 같다.
간섭량
최소 평균 최대
0.006 0.022 0.037
즉, 압축기의 구동중에도 메인 프레임(121)의 베어링 지지부(123)와 메인 베어링(161)이 적절한 간섭량을 확보하게 되어, 메인 베어링(161)이 베어링 지지부(123)로부터 이탈되는 것을 억제할 수 있게 된다. 이를 메인 베어링(161)의 외경(D4)에 대한 베어링 지지부(123)의 내경(D2)의 비로 보면, 메인 프레임의 내경(D2)을 메인 베어링의 외경(D4)에 비해 대략 0.07 ~ 0.14% 정도 작게 형성하여 얻을 수 있다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 배압공간(S3)으로 이동하는 오일이 감압되는 점을 감안하여 상기의 비율을 보수적으로 한정할 경우 대략 0.08 ~ 0.13% 정도가 될 수 있다.
한편, 상기의 간섭량을 적용한 경우 메인 베어링이 받는 하중을 검토하면 다음과 같다.
간섭량(mm) 0.034 0.065
베어링 접선방향 응력(Mpa) 80.83 154.24
프레임 접선방향 응력(Mpa) 66.54 127.26
베어링&프레임 원주방향 응력(Mpa) 14.9 28.45
이는, 상기의 간섭량을 만족하도록 베어링 지지부의 내경(D2)과 메인 베어링의 외경(D4)을 설계할 경우, 접선 및 원주방향에서 소성변형 이하의 응력을 보이므로 베어링 하중이 과도하게 증가하여 압축기 효율이 저하되지 않는다는 것을 알 수 있다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이 메인 베어링(161)을 메인 프레임(121)에 조립하기 전의 간섭량을 0.08 ~ 0.13%로 한정할 경우, 압축기의 구동중에도 메인 베어링(161)이 메인 프레임(121)의 베어링 지지부(123)로부터 이탈되지 않아 신뢰성을 확보하면서도 메인 베어링(161)의 하중이 과도하게 상승하여 압축기 효율이 저하되지 않으므로 압축기 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전동식 압축기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
즉, 전술한 실시예에서는 메인 프레임의 베어링 지지부 내주면이 동일한 내경을 가지도록 형성되는 것이나, 본 실시예는 베어링 지지부의 내주면 모서리를 경사지게 형성하여 메인 베어링을 용이하게 압입할 수 있도록 하는 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 전동식 압축기에서, 메인 프레임의 베어링 지지부에 대한 다른 실시예를 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 베어링 지지부(123)의 내주면 중에서 개구된 제1 단부의 모서리에 제1 단부 방향으로 갈수록 확대되도록 경사지거나 곡면진 안내면(123b)이 형성될 수 있다.
다만, 안내면(123b)의 축방향 길이(L2)는 베어링 지지부(123)의 전체 축방향 길이(L1) 대비 1/2보다 작게 형성되고, 안내면(123b)의 최대 넓이는 그 안내면의 외경(D5)이 메인 베어링의 외경(D4)보다 작거나 같게 형성될 수 있다. 이에 따라, 안내면(123b)이 형성되더라도 메인 베어링(161)과 베어링 지지부(123)가 밀착된 상태를 유지하여 메인 베어링에 대한 고정력을 확보할 수 있다.
나아가, 메인 베어링(161)을 이루는 외륜의 외측 모서리는 모따기 가공되어 메인 베어링(161)의 압입시 그 메인 베어링(161)의 외륜 모서리(161b)가 베어링 지지부(123)의 안내면(123b)에 미끄러지면서 원활하게 압입될 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 전동식 압축기의 베어링 지지부(123)에 메인 베어링(161)을 압입하여 결합하기 위한 구조는 전술한 실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 베어링 지지부(123)의 모서리에 안내면(123b)이 형성됨에 따라, 안내면(123b)이 형성된 부위에서는 전술한 실시예에 비해 베어링 지지부(123)와 메인 베어링(161) 사이의 결합력이 다소 감소될 수도 있다. 하지만, 안내면이 없는 부분에서는 상기한 간섭량이 전술한 실시예에서와 같이 0.08 ~ 0.13%를 확보함에 따라 베어링 지지부(123)가 메인 베어링(161)을 지지하는 고정력이 충분하게 확보할 수 있다.
100: 전동식 압축기 101: 케이싱
103: 구동 유닛 104: 압축 유닛
111: 쉘 112: 프론트 커버
113: 리어 커버 114: 흡기구
115: 배기구 116: 오일분리부
121: 메인 프레임 122: 배압공간부
123: 베어링 지지부 123a: 베어링 지지부의 내주면
123b: 안내면 124: 축구멍
135: 회전축 136: 밸런스 웨이트
140: 제1 스크롤 150: 제2 스크롤
161 : 메인 베어링 161a: 메인 베어링의 외주면
171: 제1 실링부재 172: 제2 실링부재

Claims (10)

  1. 제1 스크롤;
    상기 제1 스크롤에 맞물려 선회운동을 하면서 상기 제1 스크롤과의 사이에 두 개 한 쌍의 압축실을 형성하는 제2 스크롤;
    상기 제2 스크롤에 편심지게 결합되는 회전축;
    상기 회전축이 삽입되어 회전 가능하게 지지되는 베어링부재; 및
    상기 제2 스크롤을 사이에 두고 상기 제1 스크롤의 반대쪽에서 반경방향으로 고정되며, 상기 베어링부재가 삽입되어 고정되는 베어링 지지부가 형성되고, 상기 베어링 지지부의 내주면은 평평하게 형성되는 프레임;을 포함하고,
    상기 프레임은 상기 베어링부재 또는 상기 회전축보다 열변형 온도가 낮은 소재로 형성되며,
    상기 베어링부재가 상기 프레임에 삽입되기 전을 기준으로 할 때, 상기 베어링 지지부의 내경은 상기 베어링부재의 외경보다 작게 형성되며,
    상기 베어링 지지부의 내경은 상기 베어링부재의 외경보다 0.08~0.13% 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 지지부는 상기 베어링부재가 삽입되는 방향으로 내경이 확대되도록 안내면이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안내면의 축방향 길이는 상기 베어링 지지부의 축방향 길이 대비 1/2 이하가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  6. 제1항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축실에서 토출되는 냉매의 압력은 100bar 이상인 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프레임은 알루미늄 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  8. 제1 스크롤;
    상기 제1 스크롤에 맞물려 선회운동을 하면서 상기 제1 스크롤과의 사이에 두 개 한 쌍의 압축실을 형성하는 제2 스크롤;
    상기 제2 스크롤에 편심지게 결합되는 회전축;
    상기 제2 스크롤을 사이에 두고 상기 제1 스크롤의 반대쪽에서 반경방향으로 고정되며, 상기 회전축이 관통하여 결합되는 프레임; 및
    상기 프레임과 회전축의 사이 또는 상기 제2 스크롤과 회전축의 사이에 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하며, 상기 프레임 또는 상기 제2 스크롤에 비해 열변형 온도가 높은 재질로 형성되는 베어링부재;를 포함하고,
    상기 베어링부재의 외경은 상기 베어링부재가 삽입되는 베어링 지지부의 내경보다 크게 형성되고,
    상기 베어링부재의 외경과 상기 베어링 지지부의 내경 사이의 차이로 정의되는 상기 베어링부재와 상기 베어링 지지부의 사이의 간섭량은, 상기 베어링 지지부의 내경에 대해 0.08~0.13% 인 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프레임에는 상기 회전축이 관통되는 축구멍이 형성되고, 상기 축구멍은 상기 베어링 지지부의 일측에 형성되며,
    상기 축구멍에는 그 축구멍의 내주면과 상기 회전축의 외주면 사이를 밀봉하는 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실링부재는 상기 프레임에 비해 열팽창율이 큰 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 압축기.
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