KR20070040750A - 왕복동식 압축기 - Google Patents

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Abstract

높은 신뢰성의 왕복동식 압축기는 보다 적은 에너지로 효율적으로 작동하며, 보다 적은 진동을 발생시킨다. 이러한 왕복동식 압축기는 크랭크 샤프트, 블록, 피스톤, 커넥팅 로드 및 균형추를 포함한다. 실린더는 실린더의 축선 및 메인 샤프트의 축선이 서로 교차하지 않도록 오프셋되어 위치된다. 균형추의 무게 중심은 메인 샤프트의 축선에 대해 편심 섹션의 중심에 실질적으로 대향하게 위치되며, 편심 섹션의 중심과 정반대 위치로부터 메인 샤프트의 회전 방향을 따라 벗어나 있다. 상기 구성은 피스톤의 측방향 압력을 감소시킴으로써, 왕복동식 압축기의 신뢰성 및 효율을 증가시키며, 피스톤, 커넥팅 로드 및 편심 섹션의 운동에 의해 발생되는 불균형한 힘을 균형추의 운동으로 상쇄시킬 수 있다.

Description

왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR}
본 발명은 왕복동식(往復動式) 압축기에 의해 발생되는 진동을 어떻게 감소시키는가에 관한 것이다.
지구 환경 보호 운동으로 인해 가정용 냉장고에 대한 에너지 절약이 점점 더 요구되고 있다. 이러한 정세에서, 가정용 냉장고 내에서 사용되는 냉매 압축기는 회전수(rpm)를 감소시키기 위해 인버터 기술을 사용하는데, 즉 이러한 기술은 보다 낮은 rpm으로 왕복동식 압축기를 작동시킬 수 있다. 또한 냉매 가스는 보다 낮은 온난화 계수를 갖는 R600a 가스를 사용하기 시작했다. 그러한 기술의 변화는 냉매의 냉각 효과를 얻기 위해 냉매 압축기 내에 위치되는 보다 큰 용량의 실린더를 필요로 한다. 그러나, 왕복동식 압축기의 보다 큰 피스톤은 피스톤의 왕복 운동에 의해 발생되는 진동을 낮은 레벨로 억제하는 것이 어렵다. 한편, 왕복동식 압축기의 신뢰성을 향상시키기 위해 다양한 조처가 실행되고 있다.
종래의 왕복동식 압축기 중 하나가 일본 특허 공개 공보 제 1995-238885 호에 개시되어 있다. 이러한 종래의 왕복동식 압축기는 샤프트의 회전 중심에 대해 실린더를 오프셋(offset)시킴으로써 피스톤의 측방향 압력을 감소시키고, 이에 따라 신뢰성을 향상시킨다. 도 5는 종래의 왕복동식 압축기의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 왕복동식 압축기의 일부를 도시하는 평면 단면도이다. 도 5 및 도 6에서, 밀폐 용기(1)는 모터 요소(2)와, 모터 요소(2)에 의해 구동되는 압축 요소(3)를 수용한다. 모터 요소(2)와 압축 요소(3)는 일체로 조립되며, 복수의 지지 스프링(4)에 의해 용기(1) 내에 탄성적으로 지지된다. 스프링(4)은 용기(1)의 원주를 따라 적절한 간격으로 위치된다.
모터 요소(2)는 플레이트 형태의 스테이터 철 코어를 적층함으로써 형성된 스테이터(5)와, 스테이터(5) 내에 회전가능하게 수용된 로터(6)를 포함한다. 크랭크 샤프트(7)는 균형추(balancing weight)(8)를 통해 샤프트(9)와 편심 섹션(10)을 포함한다. 로터(6)는 샤프트(9) 상에 장착되고, 압축 요소(3)의 평면 베어링(11)에 의해 회전가능하게 지지된다.
압축 요소(3)는 피스톤(15), 커넥팅 로드(16), 밸브 플레이트(17) 및 실린더 헤드(18)를 포함한다. 압축 요소(3)는 모터 요소(2)에 의해 샤프트(9)를 통해 구동된다. 피스톤(15)은 실린더(12)에 의해 형성된 압축 챔버(14) 내에 활주가능하게 배치된다. 커넥팅 로드(16)는 피스톤(15)을 크랭크 샤프트(7)의 편심 섹션(10)에 연결한다. 밸브 플레이트(17)는 실린더(12)의 헤드 측부 상에 배치되고, 흡입 밸브(도시되지 않음) 및 토출 밸브(도시되지 않음)를 포함한다. 실린더 헤드(18)는 밸브 플레이트(17)를 외측으로부터 덮는다.
실린더(12)는 실린더의 축선이 오프셋량 "e"만큼 샤프트(9)의 축선을 오프셋 하여 지나도록 위치된다. 균형추(8)는, 균형추의 무게 중심이 샤프트(9) 및 편심 섹션(10) 양자의 축방향 중심을 통해 지나는 선 상에 위치설정되며 샤프트(9)에 대해 편심 섹션(10)에 대향하도록 위치된다.
크랭크 샤프트(7)의 하부 부분에, 오일 펌프(19)가 배치되며, 펌프(19)의 단부는 밀폐 용기(1) 내에 저장된 오일(20)에 침지(浸漬)된다. 회전하는 크랭크 샤프트(7)는 오일 펌프(19)를 작동시켜서, 크랭크 샤프트(7) 내에 제공된 오일 통로(21)를 통해 압축 요소(3)의 미끄럼 섹션으로 오일(20)을 공급한다. 따라서 각각의 미끄럼 섹션은 윤활된다.
이와 같이 구성된 왕복동식 압축기의 작동은 하기에 설명된다. 모터 요소(2)에 전류가 통하면 모터 요소(2)가 움직이고, 로터(6)를 회전시킨다. 따라서 로터(6)와 일체로 형성된 크랭크 샤프트(7)는 회전하고, 편심 섹션(10)은 커넥팅 로드(16)를 통해 운동하며, 그 후 실린더(12) 내에서 피스톤(15)이 왕복해서, 냉매 가스(도시되지 않음)가 연속적으로 압축된다. 압축한 냉매에서, 실린더(12)의 축선이 오프셋량 "e"만큼 샤프트(9)의 축선으로부터 오프셋되도록 위치되기 때문에, 피스톤(15) 및 실린더(12) 사이의 미끄럼 면에 적용되는 하중이 감소될 수 있다. 결과적으로, 높은 신뢰성 및 높은 에너지 효율이 성취될 수 있다.
크랭크 샤프트(7)와 함께 균형추(8)가 회전함으로써 피스톤(15)의 왕복 운동으로 인한 불균형이 감소되어서, 왕복동식 압축기에 의해 발생되는 진동이 감소될 수 있다. 그러나, 상기 일본 특허 공개 공보 제 1995-238885 호에 개시된 균형추(8)의 무게 중심의 위치설정은 실린더(12)의 오프셋 위치설정으로 인해, 실린 더(12)가 오프셋 없이 위치되는 경우보다 더 큰 진동을 발생시킨다.
발명의 요약
본 발명은 에너지 소비면에서 보다 효율적으로 작동하고 보다 적은 진동을 발생시키는 신뢰성 있는 왕복동식 압축기를 제공한다. 본 발명의 왕복동식 압축기는 실린더와 균형추를 포함한다. 실린더는 실린더 및 메인 샤프트 양자의 축선이 서로 교차하지 않도록 오프셋되어 위치되며, 균형추는, 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선에 대해 편심 섹션의 중심에 대체로 대향하게 위치설정되며 편심 섹션의 중심과 정반대 위치로부터 회전 방향을 따라 벗어나도록 위치된다. 상기 구조는 피스톤의 측방향 압력을 감소시켜서, 왕복동식 압축기의 신뢰성 및 효율이 향상될 수 있다. 또한 상기 구조는 피스톤, 커넥팅 로드 및 편심 섹션의 운동에 의해 발생되는 불균형한 힘을 균형추의 운동력으로 보다 효과적으로 상쇄시킬 수 있어서, 왕복동식 압축기의 진동이 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 왕복동식 압축기를 도시하는 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 왕복동식 압축기를 도시하는 평면도,
도 3은 도 1에 도시된 왕복동식 압축기의 주요 부분을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 1에 도시된 왕복동식 압축기의 진동 특성을 도시한 도면,
도 5는 종래의 왕복동식 압축기의 단면도,
도 6은 종래의 왕복동식 압축기의 부분적인 평면 단면도.
본 발명의 왕복동식 압축기는 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 요소를 수용하는 밀폐 용기를 포함한다.
압축 요소는,
대체로 수직 방향으로 배치되며 메인 샤프트와 편심 섹션을 갖는 크랭크 샤프트와;
원통형 실린더를 형성하는 블록과;
실린더 내를 왕복하는 피스톤과;
편심 섹션을 피스톤에 연결하는 커넥팅 로드와;
피스톤, 커넥팅 로드 및 편심 섹션 중 적어도 하나를 포함하는 상기 압축 요소에 의해 발생되는 진동을 균형잡는 균형추를 포함한다.
실린더는 실린더 및 메인 샤프트 양자의 축선이 서로 교차하지 않도록 오프셋되어 위치되며, 균형추는, 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선에 대해 편심 섹션의 중심에 대체로 대향하게 위치설정되며 편심 섹션의 중심과 정반대 위치로부터 회전 방향을 따라 벗어나도록 위치된다.
상기 구조는 피스톤의 측방향 압력을 감소시켜서, 왕복동식 압축기의 신뢰성 및 효율이 향상될 수 있다. 또한 상기 구조는 피스톤, 커넥팅 로드 및 편심 섹션의 운동에 의해 발생되는 불균형한 힘을 균형추의 운동력으로 보다 효과적으로 상쇄시킬 수 있어서, 왕복동식 압축기의 진동이 감소될 수 있다. 결과적으로, 에너지 소비면에서 효율적이고 보다 적은 진동을 발생시키는 높은 신뢰성의 왕복동식 압축기를 얻을 수 있다.
피스톤이 상사점(top dead center)에 있을 때, 균형추는, 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선을 포함하고 실린더의 축선과 평행한 평면을 넘지 않도록 위치설정될 수 있다. 이러한 구조는 균형추가 장착되는 위치를 지정하는 것을 용이하게 한다.
R600a 냉매 가스의 사용은 냉매의 특성으로 인해 냉매 가스가 보다 큰 용량, 즉 보다 큰 직경을 갖는 피스톤을 필요로 해서, 보다 큰 피스톤이 큰 진동을 발생시키는 경향이 있더라도, 본 발명의 왕복동식 압축기가 보다 적은 진동을 발생시키도록 한다.
본 발명의 왕복동식 압축기의 크랭크 샤프트는 상용 전원 주파수보다 낮은 rpm에서 작동하는 인버터에 의해 구동될 수 있다. 이러한 구조는 인버터에 의한 저속 작동으로 인해 보다 커지려는 경향이 있는 진동을 왕복동식 압축기가 억제하도록 한다.
본 발명의 일 실시예는 첨부된 도면을 참고하여 하기에 설명된다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 왕복동식 압축기를 도시하는 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 왕복동식 압축기를 도시하는 평면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 왕복동식 압축기의 주요 부분을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 도 1에 도시된 왕복동식 압축기의 진동 특성을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3에서, 밀폐 용기(101)는 모터 요소(102)와, 모터 요소(102)에 의해 인버터 구동되는 압축 요소(103)를 수용한다. 모터 요소(102)와 압축 요소(103)는 함께 일체로 형성되며, 복수의 스프링(104)에 의해 용기(101) 내에 탄성적으로 지지된다. 스프링(104)은 용기(101)의 내측 원을 따라 적절한 간격으로 위치된다. 본원에서 냉매 가스(R600a)가 냉매로서 사용된다.
모터 요소(102)는 플레이트 형태의 스테이터 철 코어를 적층함으로써 형성된 스테이터(105)와, 스테이터(105) 내에 회전가능하게 수용된 로터(106)를 포함한다. 크랭크 샤프트(107)는 균형추(108)를 통해 메인 샤프트(109)와 편심 섹션(110)을 포함한다. 로터(106)는 메인 샤프트(109) 상에 장착되고, 압축 요소(103)의 평면 베어링(111)에 의해 회전가능하게 지지된다.
압축 요소(103)는 블록(115), 피스톤(117), 커넥팅 로드(118), 밸브 플레이트(119) 및 실린더 헤드(120)를 포함한다. 블록(115)은, 실린더의 축선(112)이 오프셋량 "e"만큼 메인 샤프트(109)의 축선(113)으로부터 오프셋되도록 위치된 실린더(114)의 위치를 통해 지나도록 위치된 실린더(114)를 포함한다. 피스톤(117)은 실린더(114)에 의해 형성된 압축 챔버(116) 내에 활주가능하게 배치된다. 커넥팅 로드(118)는 피스톤(117)을 크랭크 샤프트(107)의 편심 섹션(110)에 연결한다. 밸브 플레이트(119)는 실린더(114)의 실린더 헤드(120) 측부상에 배치되고, 흡입 밸브(도시되지 않음) 및 토출 밸브(도시되지 않음)를 포함한다. 실린더 헤드(120)는 밸브 플레이트(119)를 외측으로부터 덮는다.
본 발명의 왕복동식 압축기는 회전 운동을 수행하는 크랭크 샤프트(107)의 편심 섹션(110) 내에 배치된 균형추(108)를 더 포함한다. 균형추(108)는 왕복하는 피스톤(117), 회전하는 편심 섹션(110) 및 요동하는 커넥팅 로드(118)에 의해 발생되는 불균형을 균형잡기 위해 하중이 조정된다.
균형추(108)는 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선(113)에 대해 편심 섹션(110)의 중심에 대체로 대향하게 위치설정되며, 메인 샤프트(109)의 회전 방향을 따라 벗어나도록 위치된다. 그 상부에서, 피스톤(117)이 상사점에 있을 때, 균형추(108)는, 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선(113)을 포함하고 실린더의 축선(112)과 평행한 평면(B)을 넘지 않도록 위치설정된다. 보다 상세하게, 균형추(108)의 무게 중심은 정반대 위치에 대해 2°위치이다.
크랭크 샤프트(107)는 크랭크 샤프트 하부 섹션에 오일 펌프(121)를 갖고, 펌프(121)의 단부는 밀폐 용기(101) 내에 저장된 오일(122)에 침지된다. 회전하는 크랭크 샤프트(107)는 오일 펌프(121)를 작동시켜서, 크랭크 샤프트(107) 내에 제공된 오일 통로(123)를 통해 압축 요소(103)의 미끄럼 섹션으로 오일(122)을 공급한다. 따라서 각각의 미끄럼 섹션은 윤활된다.
상술된 왕복동식 압축기의 작동은 하기에 설명된다. 인버터 구동 회로(도시되지 않음)는 모터 요소(102)가 작동을 개시하도록 전력을 공급하고, 로터(106)를 회전시킨다. 균형추(108)를 구비한 크랭크 샤프트(107)는 로터(106)와 함께 회전하고, 편심 섹션(110)의 운동이 커넥팅 로드(118)를 통해 전달되고 나면 실린더(114) 내의 피스톤(117)이 왕복해서, 냉매(도시되지 않음)가 연속적으로 압축될 수 있다.
이러한 경우에서, 실린더의 축선(112)이 오프셋량 "e"만큼 메인 샤프트(109)의 축선(113)으로부터 오프셋되어 지나도록 위치되기 때문에, 실린더(114)에 가해지는 피스톤(117)의 측방향 압력이 감소되어서, 왕복동식 압축기의 신뢰성이 향상된다. 그 상부에서, 피스톤(117)의 전체 길이 및 미끄럼 영역이 감소될 수 있어서, 보다 작은 입력이 왕복동식 압축기를 작동시킬 수 있다. 모터 요소(102)의 토크가 보다 작게 설계될 수 있어서, 모터 요소(102)의 효율을 향상시키고, 보다 작은 입력이 왕복동식 압축기를 작동시킬 수 있다. 결과적으로 왕복동식 압축기는 보다 효율적으로 작동하고, 보다 적은 전력을 소비한다.
한편, 균형추(108)는, 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선(113)에 대해 편심 섹션(110)의 중심에 대체로 대향하게 위치설정되며 편심 섹션(110)의 중심과 정반대 위치로부터 메인 샤프트(109)의 회전 방향을 따라 벗어나도록 위치된다. 그 상부에서, 피스톤(117)이 상사점에 있을 때, 균형추(108)는, 균형추의 무게 중심이 메인 샤프트의 축선(113)을 포함하고 실린더의 축선(112)과 평행한 평면(B)을 넘지 않도록 위치설정된다. 이러한 구조는 진동을 감소시킬 수 있다.
도 4의 진동 특성 도면에서 도시하는 바와 같이, 균형추(108)의 무게 중심은 메인 샤프트의 축선(113)에 대해, 편심 섹션(110)의 중심과 정반대의 위치(도 4에 도시된 0°위치)로부터 진동이 최소가 되는(정반대 위치로부터 2°만큼 이동된) 위치로 벗어나서, 진동이 최소화될 수 있다. 이러한 진동이 최소가 되는 위치는 실험적인 방법에 의해 정반대 평면 및 평면(B) 사이에서 찾을 수 있다. 도 4에서, 균형추(108)의 위치설정 각도는 크랭크 샤프트(107)의 회전 방향을 플러스(+)로 계산한다.
이러한 실시예에서, 이소부탄 가스(R600a)가 냉매 가스로서 사용되며, R600a 냉매는 그 특성으로 인해 보다 큰 실린더 용량을 필요로 해서, 보다 무거운 피스톤(117)이 필요하게 되고, 따라서 왕복동식 압축기는 자연적으로 보다 큰 진동을 발생시킨다. 균형추(108)의 사용은 본 발명의 왕복동식 압축기가 유리하게 진동을 감소시킬 수 있도록 한다. 인버터의 보다 낮은 작동 회전수는 대체로 왕복동식 압축기의 진동을 증가시키지만, 본 발명의 왕복동식 압축기는 균형추(108)를 사용하기 때문에, 인버터의 낮은 작동 회전수에서도 진동이 실질적으로 감소될 수 있다.
상술된 바와 같이, 이러한 실시예는 인버터 구동 모터 요소를 포함하는 왕복동식 압축기를 설명하지만, 본 발명은 상용 전원에 의해 구동되는 유도 모터 요소를 포함하는 왕복동식 압축기에 적용될 수 있다. 이러한 실시예는 메인 샤프트(109) 및 베어링(111)으로 형성되는 베어링의 구조를 설명하지만, 본 발명은, 제 2 샤프트가 편심 섹션(110)에 대해 메인 샤프트(109)에 대향하게 배치되는 이중 단부 베어링을 사용하는 왕복동식 압축기에 적용될 수 있다.
이러한 실시예에서, 균형추(108)는 크랭크 샤프트(107)의 편심 섹션(110)에 부가되지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 균형추(108)는 압축 요소(103) 측부 상의 메인 샤프트(109) 또는 로터(106)의 단부에 부가될 수 있다. 왕복동식 압축기가 제 2 단부를 갖는 경우에서, 균형추(108)는 제 2 샤프트의 단부면에 부가될 수 있다. 그러한 경우에서, 무게 중심의 위치 지정은 상술된 것과 유사한 이점을 야기할 수 있다. 복수의 균형추는 상이한 위치에 위치설정될 수 있다. 이러한 경우에, 복수의 균형추의 복합 무게 중심은 본 발명에 따라 지정되어서, 상술된 것과 유사한 이점이 얻어진다.
균형추(108)는 이러한 실시예에서 기술된 크랭크 샤프트(7) 또는 로터(106)에 부가된 형식에 한정되지 않지만, 그들과 함께 일체로 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 압축 요소(103)는 모터 요소(102) 상에 위치되지만, 압축 요소는 유사한 이점을 갖는 모터 요소 밑에 위치될 수 있다.
본 발명의 왕복동식 압축기는 신뢰성이 높고, 효율이 높으며, 낮은 전력을 소비하고, 보다 적은 진동을 발생시켜서, 가정용 냉장고, 제습기, 쇼케이스 및 자판기와 같은 냉동 사이클을 필요로 하는 다양한 용도에서 사용된다.

Claims (4)

  1. 왕복동식(往復動式) 압축기에 있어서,
    밀폐 용기와,
    상기 밀폐 용기 내에 수용되어 냉매 가스를 압축하는 압축 요소를 포함하고;
    상기 압축 요소는,
    대체로 수직 방향으로 배치되며 메인 샤프트와 편심 섹션을 갖는 크랭크 샤프트와,
    원통형 실린더를 형성하는 블록과,
    상기 실린더 내를 왕복하는 피스톤과,
    상기 편심 섹션을 상기 피스톤에 연결하는 커넥팅 로드와,
    상기 압축 요소의 구성 부품에 의해 발생되는 진동을 균형잡는 균형추로서, 상기 구성 부품은 상기 피스톤, 상기 커넥팅 로드 및 상기 편심 섹션 중 적어도 하나를 포함하는, 상기 균형추를 포함하며;
    상기 실린더는 상기 실린더의 축선과 상기 메인 샤프트의 축선이 서로 교차하지 않도록 오프셋(offset)되어 배치되며;
    상기 균형추의 무게 중심은 상기 메인 샤프트의 축선에 대해 상기 편심 섹션의 중심에 실질적으로 대향하게 위치되며, 상기 편심 섹션의 중심과 정반대 위치로부터 상기 메인 샤프트의 회전 방향을 따라 벗어난
    왕복동식 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤은 상사점(top dead center)에 위치할 때, 상기 균형추의 무게 중심은 상기 메인 샤프트의 축선을 포함하고 상기 실린더의 축선에 대해 평행한 평면을 넘지 않도록 위치되는
    왕복동식 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 가스는 R600a인
    왕복동식 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트는 상용 전원 주파수 이하의 회전수로 작동하는 인버터에 의해 구동되는
    왕복동식 압축기.
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