KR20010007167A - 스러스트 볼 베어링 및 개방형의 스크롤형 압축기 - Google Patents

스러스트 볼 베어링 및 개방형의 스크롤형 압축기 Download PDF

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    • F16C2360/42—Pumps with cylinders or pistons

Abstract

본 발명은 마모를 방지함과 동시에, 베어링의 부하 하중을 크게 할 수 있는 스러스트 볼 베어링 및 개방형의 스크롤형 압축기를 제공하는 것이다.
공전 선회 운동을 실행하는 스러스트 플레이트(9a)와, 해당 스러스트 플레이트에 대향하는 스러스트 플레이트(4a)와, 볼(41)이 지지되는 지지 구멍(42)이 형성되고, 상기 스러스트 플레이트(9a, 4a) 사이에 위치하는 지지기(40)와, 상기 지지 구멍(42)내에 지지된 볼(41)을 갖고, 상기 스러스트 플레이트(9a)의 선회 반경을 ρ, 상기 볼의 직경을 d, 상기 지지 구멍의 개구 직경을 D로 놓으면, D≥d+ρ의 관계가 성립되는 것을 특징으로 한다.

Description

스러스트 볼 베어링 및 개방형의 스크롤형 압축기{THRUST ROLLING BEARING AND OPEN TYPE SCROLL COMPRESSOR}
본 발명은 개방형의 스크롤형 압축기에 관한 것으로, 특히 이산화탄소(CO2) 등의 초임계 영역에서 냉매를 사용하는 증기 압축 냉동 사이클에 적합한 개방형의 스크롤형 압축기에 관한 것이다.
최근, 환경 보호의 관점에서, 증기 압축식 냉동 사이클에 있어서, 냉매의 탈 플레온(fleon) 대책의 하나로서, 작동 가스(냉매 가스)로서 이산화탄소(CO2)를 사용한 냉동 사이클(이하, CO2사이클이라 칭함)이 제안되었다(예를 들어, 일본 특허 공고 공보 제 1995-18602 호). 이 CO2사이클의 작동은 플레온을 사용한 종래의 증기 압축식 냉동 사이클과 마찬가지다. 즉, 도 7(CO2몰리에르 선도)의 A-B-C-D-A로 표시되는 바와 같이, 압축기에 의해 기상(氣相) 상태의 CO2를 압축하고(A-B), 이 고온 압축의 기상 상태의 CO2를 방열기(가스 냉각기)에 의해 냉각한다(B-C). 그리고, 감압기에 의해 감압하여(C-D), 기액상(氣液相) 상태로 된 CO2를 증발시켜(D-A), 증발 잠열을 공기 등의 외부 유체로부터 빼앗아 외부 유체를 냉각한다.
그런데, CO2의 임계 온도는 약 31℃로 종래의 냉매인 플레온의 임계점 온도에 비해서 낮기 때문에, 여름철 등 외기 온도가 높을 때에는, 방열기측에서의 CO2의 온도가 CO2의 임계점 온도보다 높아지게 된다. 즉, 방열기 출구측에 있어서 CO2는 응축되지 않는다(선분 BC가 포화액선 SL과 교차하지 않음). 또한, 방열기 출구측(C 점)의 상태는 압축기의 토출 압력과 방열기 출구측에서의 CO2온도에 의해서 결정되고, 방열기 출구측에서의 CO2온도는 방열기의 방열 능력과 외기 온도(제어 불가)에 의해 결정하기 때문에, 방열기 출구에서의 온도는 실질적으로는 제어할 수 없다. 따라서, 방열기 출구측(C 점)의 상태는 압축기의 토출 압력(방열기 출구측 압력)을 제어함으로써 제어가능하게 된다. 즉, 여름철 등 외기 온도가 높을 때에는, 충분한 냉각 능력(엔탈피 차)을 확보하기 위해서는, E-F-G-H-E로 표시되는 바와 같이, 방열기 출구측 압력을 높게 할 필요가 있다. 그 때문에, 압축기의 운전 압력을 종래의 플레온을 이용한 냉동 사이클에 비해서 높게 해야 한다.
예를 들어, 차량용 공기 조절 장치에서는, 상기 압축기의 운전 압력은 종래의 R134(플레온)에서는 3㎏/㎠ 정도인 것에 대하여 CO2에서는 40㎏/㎠ 정도로 높고, 또한 운전 정지 압력은 R134(플레온)에서는 15㎏/㎠ 정도인 것에 대하여 CO2에서는 100㎏/㎠ 정도로 높아진다. 따라서, 압축기도 이러한 고압에 견딜 수 있는 구성으로 해야 한다.
여기서, 종래의 차량용 공기 조절 장치에 이용되는 압축기의 일례를 도 8에 나타낸다. 도면에 도시하는 바와 같이 하우징(51)내에 선회 스크롤(52)이 설치되고, 선회 스크롤(52) 상방에는 선회 스크롤(52)과 맞물리는 고정 스크롤(53)이 설치되어 있다.
선회 스크롤(52)의 단부 판(52a)의 외면(도면에서는 하방) 중앙부에 형성된 원통형의 보스(54)의 내부에는 편심축(55)이, 레이디얼 베어링을 겸한 선회 베어링(56)에 의해서 회동가능하게 지지되어 있다. 편심축(55)은 도시하지 않은 편심 기구에 의해서 선회 반경(ρ)으로 편심 회전하도록 되어 있다.
또한, 단부 판(52a)의 외면의 외주연과 하우징(51)에 고정된 고정 프레임(57) 사이에는 선회 스크롤(52)을 지지하기 위한 스러스트 볼 베어링(58)이 배치되어 있다.
이 스러스트 볼 베어링(58)은 고정 프레임(57) 및 선회 스크롤(52)에 장착된 한 쌍의 링형상 궤도 부재(59)와, 이들 궤도 부재(59) 사이에 개재시킨 볼(60)을 구비하고 있다. 한 쌍의 궤도 부재(59)의 대향면에는 볼(60)을 회전시키는 환상(環狀)의 궤도 홈(61)이 둘레 방향 복수개소에 환상으로 배치되어 있다. 이들 궤도 홈(61)은 홈 단면이 볼(60)보다 약간 큰 곡률 반경의 원호상 단면에 형성되어 있다.
상기 구성의 동작을 설명한다. 선회 스크롤(52)은 편심축(55)에 의해서 선회 반경(ρ)으로 공전 선회 운동한다. 이 때 고정 프레임(57)과 선회 스크롤(52)은 궤도 부재(59) 사이에 개재된 볼(60)을 거쳐서 결합되어 있고, 볼(60)의 회전 범위가 궤도 홈(61)에 의해서 규제되기 때문에, 선회 스크롤(52)의 자전이 저지된다.
또한, 선회 스크롤(52) 부재에는 압축 가스 압력에 의해서 큰 축 방향 하중이 작용하지만, 이 축 방향 하중은 볼(60) 및 궤도 부재(59)에 의해서 지지된다.
상기 스러스트 볼 베어링(58)에 있어서는, 스러스트 방향의 하중을 지지함과 동시에 선회 스크롤(52)의 자전까지도 저지하는 작용을 갖는다.
즉, 고정 프레임(57)과 선회 스크롤(52)이 볼(60)을 거쳐서 결합되어 있기 때문에, 고정 프레임측 궤도 부재(59)의 궤도 홈(61)과 볼(60) 및 선회 스크롤측 궤도 부재(59)의 궤도 홈(61)과 볼(60)이 서로 미끄럼 운동한다.
구체적으로는, 도 9에 도시하는 바와 같이 볼(60)에는 압축 가스 압력에 의해서 발생하는 축 방향의 하중(Ft)이 작용하고 있음과 동시에, 선회 스크롤(52)이 자전하고자 할 때에 작용하는 좌우 방향의 가압력(Fh)이 작용하고 있다. 볼(60)이 이 가압력(Fh)에 대항하고 있음으로써, 선회 스크롤(52)의 자전이 저지되고 있다.
그러나, 볼(60)은 궤도 홈(61)상을 회전하고 있기 때문에, 좌우 방향의 가압력(Fh)이 작용함으로써 궤도 홈(61)과 볼(60)이 미끄럼 운동하여, 마찰이 작용한다. 이 때문에, 볼(60)과 궤도 홈(61)의 접촉면에 공급되어 있는 윤활유 막이 손실되어 기계 손실이 증대되고, 또한 마찰에 의해서 볼(60), 궤도 홈(61)이 마모되어, 베어링의 수명 단축을 초래한다.
이 마모는 베어링으로의 부하 하중이 클수록 현저히 발생한다. 특히 작동 가스로서 CO2를 이용한 경우, 상기와 같이 압축 가스의 압력이 플레온에 비해서 높기 때문에, 이 점으로부터 베어링의 수명이 대단히 단축된다고 하는 결점을 갖고 있다.
그러므로, 본 발명은 마모를 방지함과 동시에, 베어링의 부하 하중을 크게 할 수 있는 스러스트 볼 베어링 및 개방형의 스크롤형 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 기재된 스러스트 볼 베어링은 공전 선회 운동을 실행하는 제 1 스러스트 플레이트와, 해당 제 1 스러스트 플레이트에 대향하는 제 2 스러스트 플레이트와, 볼이 지지되는 지지 구멍이 형성되고, 상기 제 1 스러스트 플레이트와 제 2 스러스트 플레이트 사이에 위치하는 지지기와, 상기 지지 구멍내에 지지된 볼을 갖고, 상기 제 1 스러스트 플레이트의 선회 반경을 ρ, 상기 볼의 직경을 d, 상기 지지 구멍의 개구 직경을 D로 놓으면, D≥d+ρ의 관계가 성립되는 것을 특징으로 한다.
이 스러스트 볼 베어링에 있어서는, 지지 구멍의 직경은 D≥d+ρ의 관계를 갖고 있기 때문에, 볼의 공전 선회 운동을 방해하지 않는다.
즉, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이 스러스트 볼 베어링의 볼(41)은 제 1 및 제 2 스러스트 플레이트(4a, 9a)에 의해서 가압되어 있고, 선회 스크롤(공전 선회체)(9)과 동일 위상으로 공전 선회한다. 도 3a의 상태에서는 볼(41)은 최상방에 위치하고, 지지 구멍 내벽의 지지기(40) 내주측에 접촉하고 있다.
선회 스크롤(9)의 공전 선회 운동이 진행되고, 도 3d와 180°상이한 위상의 상태가 도 3b이다. 도 3b에 있어서는, 볼(41)은 최하방에 위치하고, 지지 구멍 내벽의 지지기(40) 외주측에 접촉하고 있다.
선회 스크롤(9)은 선회 반경(ρ)으로 공전 선회 운동을 실행하고 있기 때문에, 선회 스크롤(9)에 접촉하면서 회전하는 볼(41)은 선회 반경(ρ/2)으로 공전 선회 운동한다. 도 3b에 도시한 바와 같이, 볼(41)의 이동 궤적의 직경은 d/2+ρ+d/2=d+ρ이다.
지지 구멍(42)의 직경(D)은 상기와 같이 D≥d+ρ의 관계를 충족하고 있기 때문에, 지지기는 볼(41)의 공전 선회 운동을 방해하지 않는다.
따라서, 지지 구멍 내벽 또는 스러스트 플레이트와 볼 사이에서 마찰이 발생하는 일없이, 지지 구멍 내벽, 스러스트 플레이트, 볼의 마모를 방지할 수 있다.
청구항 2에 기재된 스러스트 볼 베어링은 청구항 1에 기재된 스러스트 볼 베어링에 있어서, 상기 지지기의 적어도 지지 구멍 내벽에 방음재가 설치되는 것을 특징으로 한다.
스러스트 볼 베어링의 볼은 선회 스크롤의 선회 개시시에 임의의 정지 위치로부터 운전 위치로 이동한다. 이 때, 볼이 지지 구멍 내벽에 충돌하지만, 적어도 지지 구멍 내벽에 방음재가 형성되어 있기 때문에, 볼이 내벽에 충돌할 때의 소음을 감소시킬 수 있다.
방음재로서는, 구체적으로는 탄성율이 낮고 충돌에 의해 발생하는 충격음을 억제하는 효과가 있는 수지, 합성 고무, 제동 합금 등을 채용한다.
고무나 수지의 경우에는 지지기 전체를 동일 재질로 제작하여도 비용적으로 실용성이 있고, 제동 합금의 경우에는 고가이기 때문에 부분적으로 지지 구멍 내벽에 설치하는 것이 실용적이다.
또한, 청구항 3과 같이 상기 스러스트 볼 베어링을 구비한 개방형의 스크롤형 압축기로 하면, 상기한 바와 같이 지지 구멍 내벽, 스러스트 플레이트 및 볼의 마모를 방지할 수 있다.
또한, 청구항 4의 개방형의 스크롤형 압축기에 있어서는, 스러스트 볼 베어링의 볼이 지지 구멍 내벽에 충돌하였을 때에 발생하는 소음을 억제할 수 있다.
그리고, 본 발명은 청구항 5와 같이, 작동 가스로서 이산화탄소를 사용한 냉동 사이클에 사용되는 운전 압력이 높고 부하 하중이 큰 스러스트 볼 베어링에 적용하는 것이 효과적이다.
도 1은 본 발명에 따른 개방형의 스크롤형 압축기의 일 실시예의 종단면도,
도 2는 본 발명에 따른 개방형의 스크롤형 압축기의 스러스트 볼 베어링의 지지기 평면도,
도 3은 도 1에 도시한 스러스트 볼 베어링 근방의 확대도,
도 4는 해당 스러스트 볼 베어링이 구비하는 볼의 회전 방향을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 스러스트 볼 베어링의 지지기 종단면도,
도 6은 증기 압축식 냉동 사이클을 도시하는 모식도,
도 7은 CO2의 몰리에르 선도,
도 8은 종래의 스러스트 볼 베어링을 도시한 단면도,
도 9는 종래의 스러스트 볼 베어링의 볼 근방을 도시한 확대도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
S : CO2사이클 1 : 개방형의 스크롤형 압축기
1A : 하우징(압축기 본체) 2 : 케이스 본체
4 : 프론트 케이스
4a : 스러스트 플레이트(제 2 스러스트 플레이트)
8 : 고정 스크롤 9 : 선회 스크롤(공전 선회체)
9a : 스러스트 플레이트(제 1 스러스트 플레이트)
13 : 배압 블럭 27 : 자전 방지 링
40 : 지지기 41 : 볼
42 : 지지 구멍 ρ : 선회 반경
D : 지지 구멍 직경 d : 볼 직경
다음에, 본 발명에 관한 개방형의 스크롤형 압축기의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 본 발명의 개방형의 스크롤형 압축기를 구비한 CO2사이클에 대하여, 도 6을 참조하여 설명한다. 이 CO2사이클(S)은 예를 들어 차량용 공기 조절 장치에 적용한 것이고, 참조부호(1)는 기상 상태의 CO2를 압축하는 개방형의 스크롤형 압축기이다. 개방형의 스크롤형 압축기(1)는 도시하지 않은 구동원(예를 들어, 엔진 등)으로부터 구동력을 얻어 구동한다. 참조부호(1a)는 스크롤형 압축기(1)에 의해 압축된 CO2를 외기 등과의 사이에서 열교환하여 냉각하는 방열기(가스 냉각기)이고, 참조부호(1c)는 방열기(1a) 출구측에서의 CO2온도에 따라 방열기(1a) 출구측 압력을 제어하는 압력 제어 밸브이다. CO2는 이 압력 제어 밸브(1b) 및 스로틀(1c)에 의해 감압되어 저온 저압의 기액 2상(相) 상태의 CO2로 된다. 참조부호(1d)는 차 실내의 공기 냉각 수단을 이루는 증발기(흡열기)이고, 기액 2상 상태의 CO2는 증발기(1d)내에서 기화(증발)할 때에, 차 실내 공기로부터 증발 잠열을 빼앗아 차 실내 공기를 냉각한다. 참조부호(1e)는 기상 상태의 CO2를 일시적으로 축적하는 어큐뮬레이터이다. 그리고, 스크롤형 압축기(1), 방열기(1a), 압력 제어 밸브(1b), 스로틀(1c), 증발기(1d) 및 어큐뮬레이터(1e)는 각각 배관(1f)에 의해서 접속되어 폐 회로를 형성하고 있다.
다음에, 스크롤형 압축기(1)의 일 실시예에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
스크롤형 압축기(1)의 하우징(1A)(압축기 본체)은 컵형상의 케이스 본체(2)와, 이것에 볼트(3)에 의해 체결된 프론트 케이스(4)로 구성되어 있다. 크랭크축(5)은 프론트 케이스(4)를 관통하고, 메인 베어링(6) 및 서브 베어링(7)을 거쳐서 프론트 케이스(4)에 회전가능하게 지지되어 있다. 크랭크축(5)에는 도시하지 않은 차량 엔진의 회전이 공지의 전자 클러치(32)를 거쳐서 전동되도록 되어 있다. 또한, 참조부호(32a, 32b)는 각각 전자 클러치(32)의 코일 및 풀리를 도시하고 있다.
하우징(1A)의 내부에는 고정 스크롤(8) 및 선회 스크롤(공전 선회체)(9)이 배치되어 있다.
고정 스크롤(8)은 단부 판(10)과 그 내면에 세워져 설치된 와류형상 돌기(11)를 구비하고, 이 단부 판(10)의 배면에는 배압 블럭(13)이 볼트(12)에 의해 분해가능하게 고정되어 있다. 배압 블럭(13)의 내주면 및 외주면에는 O 링(14a, 14b)이 각각 매립되어 있고, 이들 O 링(14a, 14b)은 케이스 본체(2)의 내주면에 밀접하며, 케이스 본체(2)내의 저압실(15)로부터 후술하는 고압실(16)이 격리되어 있다. 이 고압실(16)은 배압 블럭(13)의 내부 공간(13a)과, 고정 스크롤(8)의 단부 판(10)의 배면에 형성된 오목부(10a)로 구성되어 있다.
선회 스크롤(9)은 단부 판(17)과 그 내면에 세워져 설치된 와류형상 돌기(18)를 구비하고, 이 와류형상 돌기(18)는 상기 고정 스크롤(8)의 와류형상 돌기(11)와 실질적으로 동일한 형상을 갖고 있다.
고정 스크롤(8)과 프론트 케이스(4) 사이에는 링형상의 판 스프링(20a)이 배치되어 있고, 이 판 스프링(20a)은 복수의 볼트(20b)를 거쳐서, 둘레 방향으로 교대로 고정 스크롤(8) 및 프론트 케이스(4)에 체결되어 있다. 이에 의해, 고정 스크롤(8)은 그 축 방향에 있어서만 판 스프링(20a)의 최대 휨량만큼, 이동이 허용되어 있다(플로트 구조). 또한, 링형상의 판 스프링(20a) 및 볼트(20b)에 의해 고정 스크롤 지지 장치(20)가 구성되어 있다. 상기 배압 블럭(13)의 배면 돌출부와 하우징(1A) 사이에는 간극(c)이 형성되어 있음으로써, 이 배압 블럭(13)은 고정 스크롤(8)과 함께 상기 축 방향으로 가동되도록 되어 있다.
고정 스크롤(8)과 선회 스크롤(9)은 서로 공전 선회 반경만큼 편심되고, 또한 180°만큼 위상을 어긋나게 하여 도시하는 바와 같이 맞물리게 되며, 와류형상 돌기(11)의 선단에 매립된 칩 시일(도시하지 않음)은 단부 판(17)의 내면에 밀접하고, 와류형상 돌기(18)의 선단에 매립된 칩 시일(도시하지 않음)은 단부 판(10)의 내면에 밀접하며, 또한 각 와류형상 돌기(11, 18)의 측면에 서로 복수개소에서 밀접한다. 이에 의해, 와류형상의 중심에 대하여 거의 점대칭을 이루는 복수의 밀폐 공간(21a, 21b)이 한계된다. 고정 스크롤(8)과 선회 스크롤(9) 사이에는 선회 스크롤(9)의 자전을 저지하여 공전을 허용하는 자전 방지 링(27)이 설치되어 있다.
단부 판(17)의 외면 중앙부에 형성된 원통형의 보스(22)의 내부에는 드라이브 부시(23)가 레이디얼 베어링을 겸한 선회 베어링(24)을 거쳐서 회동가능하게 수용되고, 이 드라이브 부시(23)에 천공하여 설치된 관통 구멍(25)내에는 크랭크축(5)의 내측 단부에 돌출된 편심축(26)이 회동가능하게 끼워맞추어져 있다.
크랭크축(5)의 외주에는 공지의 메커니컬 시일(28)이 배치되어 있고, 이 메커니컬 시일(28)은 메인 베어링(6)의 외측에 설치되어 있다.
또한, 단부 판(17)의 외면의 외주연과 프론트 케이스(4) 사이에는 선회 스크롤(9)을 지지하기 위한 스러스트 볼 베어링(19)이 배치되어 있다. 이하, 이 스러스트 볼 베어링에 대하여 상세히 설명한다.
프론트 케이스(4)측 및 선회 스크롤(9)측에는 편심축(26) 주위에 환상의 스러스트 플레이트(4a, 9a)가 설치되어 있다. 프론트 케이스(4)에는 스러스트 플레이트(4a)가 볼트(4b)에 의해서 체결되고, 선회 스크롤(9)의 단부 판(17) 배면에는 스러스트 플레이트(9a)가 볼트(9b)에 의해 체결되어 있다.
선회 스크롤(9)측의 스러스트 플레이트(9a)는 평판이다. 대향하는 스러스트 플레이트(4a)에는 지지기(40)가 체결되어 있다. 이 지지기(40)는 상기 볼트(4b)에 의해서, 스러스트 플레이트(4a)와 일체로 되어 프론트 케이스(4)에 체결되어 있다.
지지기(40)는 도 2에 도시하는 바와 같이 환상이고, 방음재로서의 수지에 의해 형성되어 있다. 그 재질로서는 나일론, 테프론, 에폭시 수지가 이용된다.
또한, 회전체로서의 볼(41)을 1개씩 지지하는 복수의 지지 구멍(42)이 환상으로 배치되어 있고, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 이 지지 구멍의 개구 직경(D)은 선회 스크롤(9)의 선회 반경을 ρ, 볼(41)의 직경을 d로 놓으면, D=d+ρ의 관계를 충족한다. 또한, 지지기(40)의 두께는 볼 직경(d)보다 작게 구성되어 있기 때문에, 지지기(40)에 의해 유지된 볼(41)은 지지기(40) 측면으로부터 돌출되어, 스러스트 플레이트(4a, 9a) 쌍방에 접촉한다.
다음에, 스크롤형 압축기(1)의 동작에 대하여 설명한다.
전자 클러치의 코일에 통전하여, 차량 엔진의 회전을 크랭크축(5)에 전달시키면, 크랭크축(5)의 회전은 편심축(26), 관통 구멍(25), 드라이브 부시(23), 선회 베어링(24), 보스(22)로 이루어지는 선회 구동 기구를 거쳐서 선회 스크롤(9)이 구동되고, 선회 스크롤(9)은 자전 방지 링(27)에 의해서 그 자전이 저지되면서 공전 선회 반경(ρ)을 반경으로 하는 원 궤도상을 공전 선회 운동한다.
선회 스크롤(9)이 공전 선회 운동하면, 쌍방의 와류형상 돌기(11, 18)의 선 접점부가 점차적으로 와류의 중심 방향으로 이동하여, 그 결과 밀폐 공간(21a, 21b)이 용적을 감소시키면서, 와류의 중심 방향으로 이동한다. 이에 수반하여 흡입구(도시하지 않음)를 통과하여 저압실(15)로 유입된 작동 가스(화살표 A 참조)가 쌍방의 와류형상 돌기(11, 18)와의 외측 종단 개구부로부터 밀폐 공간(21a)내로 받아들여져서, 압축되면서 중심부(21c)에 도달하고, 여기로부터 고정 스크롤(8)의 단부 판(10)에 뚫린 토출 포트(34)를 통과하여, 토출 밸브(35)를 밀어서 개방하는 고압실(16)로 토출되고, 또한 토출구(38)로부터 유출된다. 이와 같이, 선회 스크롤(9)의 선회에 의해, 저압실(15)로부터 도입된 유체를 상기 밀폐 공간(21a, 21b)내에서 압축하여, 이 압축 가스를 토출한다.
또한, 이 압축 가스에 의한 가압력에 의해, 선회 스크롤(9)은 축 방향으로 가압력을 받지만, 스러스트 볼 베어링(19)이 이것을 지지하고 있다.
이하, 이 스러스트 볼 베어링(19)의 작용에 대하여 설명한다.
도 1에서 도시한 선회 스크롤(9)이 최상방에 위치하고 있을 때의 스러스트 볼 베어링(19)의 확대도를 도 3a에 도시하였다.
스러스트 볼 베어링(19)의 볼(41)은 스러스트 플레이트[4a(제 2 스러스트 플레이트), 9a(제 1 스러스트 플레이트)]에 의해 가압되어 있고, 선회 스크롤(9)과 동일 위상으로 공전 선회한다. 도면의 상태에서, 볼(41)은 최상방에 위치하여, 지지 구멍 내벽의 지지기(40) 내주측에 접촉하고 있다.
선회 스크롤(9)의 공전 선회 운동이 진행되고, 도 3a와 180°상이한 위상의 상태를 도 3b에 도시하였다. 도 3b에 있어서는, 볼(41)은 최하방에 위치하여, 지지 구멍 내벽의 지지기(40) 외주측에 접촉하고 있다.
상기한 바와 같이 선회 스크롤(9)은 선회 반경(ρ)으로 공전 선회 운동을 실행하고 있기 때문에, 선회 스크롤(9)에 접촉하면서 회전하는 볼(41)은 선회 반경(ρ/2)으로 공전 선회 운동한다. 도 3b에 도시한 바와 같이, 볼(41)의 이동 궤적의 직경은 d/2+ρ+d/2=d+ρ이다.
지지 구멍(42)의 직경(D)은 상기한 바와 같이 D=d+ρ의 관계를 갖고 있기 때문에, 볼(41)은 항상 지지 구멍(42) 내벽에 접촉하면서 선회 운동하게 된다.
이 스러스트 볼 베어링(19)에 있어서는, 스러스트 플레이트(9a)가 평판이기 때문에 볼(41)과 결합하지 않는다. 또한, 지지 구멍(42)의 직경은 D=d+ρ의 관계를 갖고 있기 때문에, 볼(41)의 공전 선회 운동을 방해하지 않는다.
따라서, 지지 구멍(42) 내벽과 볼(41) 사이에서 마찰이 발생하는 일없이, 압축기의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 지지 구멍(42), 볼(41), 스러스트 플레이트(4a, 9a)의 마모를 방지할 수 있기 때문에, 베어링의 부하 하중을 크게 할 수 있다.
또한, 지지기 자체를 수지로 구성하고 있는 것에 의해, 이하의 효과를 갖는다.
압축기 구동중에는 상기한 바와 같이 볼이 지지 구멍내에서 공전 선회 운동한다. 이 때, 선회 스크롤(9)의 공전 위상과 볼(41)의 공전 위상이 일치하고 있기 때문에, 도 4a에 도시하는 바와 같이 볼(41)의 회전 방향(a)은 항상 볼(41)과 지지 구멍(42)과의 접선 방향(1)이고, 볼(41)은 지지 구멍(42) 내벽과 충돌하는 일없이 운동한다.
그러나, 압축기 구동 개시시에는 볼(41)이 지지 구멍(42) 내벽과 충돌하는 경우가 있다. 예를 들어, 도 4a와 도 4b에 도시한 경우에 대하여 설명한다. 양자에 있어서 선회 스크롤(9)의 공전 위상은 동일한 것으로 한다. 이 위상에 있어서는, 압축기 구동중에는 항상 볼(41)은 도 4a의 위치에 있기 때문에, 상기와 같이 볼(41)은 지지 구멍(42) 내벽과 충돌하지는 않는다. 그러나, 압축기 구동 개시시에는 볼(41)의 위치는 일정하지 않기 때문에, 예를 들어 도 4b의 위치에 있을 경우, 볼(41)의 회전 방향(a)과, 볼(41)과 지지 구멍(42)과의 접선 방향(1)이 상이하다. 이 때문에, 볼(41)과 지지 구멍(42) 내벽이 충돌한다.
그 후, 볼(41)의 회전 방향(a)과, 볼(41)과 지지 구멍(42)의 접선 방향(1)이 일치[즉, 선회 스크롤(9)과 볼(41)의 공전 위상이 일치]한 후, 상기 도 4a와 같이 볼은 소정의 공전 선회 운동을 개시한다.
이와 같이, 압축기 구동 개시시에 볼(41)과 지지 구멍(42) 내벽이 충돌하지만, 지지기(40)가 수지로 되어 있기 때문에, 이 때의 소음을 경감할 수 있다.
또한, 상기 실시예에 있어서, 지지기(40)에 형성된 지지 구멍(42)에 대하여, 그 직경(D)을 D=d+ρ로 하였지만, 이 직경은 볼(41)의 공전 선회 운동을 방해하지 않는 범위로 결정하면 무방하기 때문에, D≥d+ρ를 충족시키면 무방하다. D=d+ρ의 조건하에서는 볼(41)이 지지 구멍(42) 내벽에 접촉하면서 공전 선회 운동하고, D＞d+ρ의 조건하에서는 볼(41)은 지지 구멍(42) 내벽에 접촉하지 않고서 공전 선회 운동한다.
또한, 지지 구멍(42) 내벽의 형상을 원통형상이 아니라 이하와 같이 구성하여도 무방하다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이 볼(41)의 곡면에 대응하도록, 지지 구멍(42) 내벽에 오목면을 형성한다. 지지 구멍(42)의 직경(D)은 가장 큰 직경의 값으로 한다. 이 경우 볼(41)과 지지 구멍(42) 내벽의 오목면이 면접촉 상태로 되어, 접촉면의 증가에 의해 면압력을 저하시킬 수 있다.
또한 상기 실시예에 있어서는 지지기(40)는 스러스트 플레이트(4a)와 함께 프론트 케이스(4)에 체결되어 있다고 하였지만, 지지기(40)의 설치 장소는 이것에 한정되는 것이 아니라, 선회 스크롤(9) 또는 스러스트 플레이트(9a)에 체결되어 있다고 하여도 좋다.
또한 지지기(40) 자체의 재질을 수지로 하였지만, 지지 구멍(42) 내벽이 수지이면 무방하고, 예를 들어 수지제인 환상부재를 비 수지제인 지지기(40)에 형성된 구멍에 조합하여 구성하여도 무방하다.
또한, 수지 대신에 소음을 억제하는 것 이외의 재질, 예를 들어 고무나 제동 합금을 이용하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 개방형의 스크롤형 압축기를, CO2를 작동 가스로 하는 CO2사이클에 적용하였지만, 이것에 한정하지 않고, 통상의 플레온 등을 작동 가스로 하는 증기 압축식 냉동 사이클에 적용하여도 좋다.
본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있기 때문에, 이하에 기재하는 효과를 갖는다.
청구항 1에 기재된 발명에 있어서는, 지지기의 지지 구멍 직경이 D≥d+ρ의 관계를 갖고 있다. 따라서, 지지 구멍 내벽과 볼 사이에서 마찰이 발생하지 않기 때문에 기계 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 지지 구멍 내벽, 스러스트 플레이트, 볼의 마모를 방지할 수 있기 때문에, 베어링의 수명을 연장할 수 있고, 또한 베어링의 부하 하중을 크게 할 수 있다.
청구항 2에 기재된 발명에 있어서는, 지지기의 적어도 지지 구멍 내벽에 방음재가 설치됨으로써, 압축기 구동 개시시에 볼과 지지 구멍 내벽이 충돌하는 소음을 경감할 수 있다.
청구항 3에 기재된 발명에 있어서는, 그 스러스트 볼 베어링의 지지 구멍, 스러스트 플레이트, 볼의 마모를 방지할 수 있기 때문에, 베어링의 부하 하중을 크게 할 수 있다.
청구항 4에 기재된 발명에 있어서는, 스러스트 볼 베어링의 볼이 지지 구멍 내벽에 충돌했을 때에 발생하는 소음을 경감할 수 있다.
그리고, 본 발명은 청구항 5와 같이 작동 가스로서 이산화탄소를 사용한 냉동 사이클에 사용되는 운전 압력이 높고 부하 하중이 큰 스러스트 볼 베어링에 적용하는 것이 효과적이다.

Claims (5)

  1. 공전 선회 운동을 실행하는 제 1 스러스트 플레이트와,
    상기 제 1 스러스트 플레이트에 대향하는 제 2 스러스트 플레이트와,
    볼이 지지되는 지지 구멍이 형성되고, 상기 제 1 스러스트 플레이트와 제 2 스러스트 플레이트 사이에 위치하는 지지기와,
    상기 지지 구멍내에 지지된 볼을 갖고,
    상기 제 1 스러스트 플레이트의 선회 반경을 ρ, 상기 볼의 직경을 d, 상기 지지 구멍의 개구 직경을 D로 놓으면, D≥d+ρ의 관계가 성립되는 것을 특징으로 하는
    스러스트 볼 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지기의 적어도 지지 구멍 내벽에 방음재가 설치되는 것을 특징으로 하는
    스러스트 볼 베어링.
  3. 압축기 본체내에 설치된 선회 스크롤과, 상기 선회 스크롤을 공전 선회가능하게 지지하는 스러스트 볼 베어링을 포함하되, 상기 선회 스크롤을 공전 선회 운동시킴으로써, 도입된 작동 가스를 압축하여, 소정의 고압으로 한 후에 토출하는 개방형의 스크롤형 압축기에 있어서,
    상기 선회 스크롤에 설치된 제 1 스러스트 플레이트와,
    상기 제 1 스러스트 플레이트에 대향하여 설치된 제 2 스러스트 플레이트와,
    볼이 지지되는 지지 구멍이 형성되고, 상기 제 1 스러스트 플레이트와 제 2 스러스트 플레이트 사이에 위치하는 지지기와,
    상기 지지 구멍내에 지지된 볼을 갖고,
    상기 제 1 스러스트 플레이트의 선회 반경을 ρ, 상기 볼의 직경을 d, 상기 지지 구멍의 개구 직경을 D로 놓으면, D≥d+ρ의 관계가 성립되는 것을 특징으로 하는
    개방형의 스크롤형 압축기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지기의 적어도 지지 구멍 내벽에 방음재가 설치되는 것을 특징으로 하는
    개방형의 스크롤형 압축기.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 작동 가스가 이산화탄소인 것을 특징으로 하는
    개방형의 스크롤형 압축기.
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