KR20110131744A - 밀폐형 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐형 압축기에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 밀폐용기; 상기 밀폐용기의 내부공간에 설치되는 회전 구동부; 상기 회전 구동부에 결합되는 회전축; 상기 회전축에 결합되어 냉매를 흡입 압축하는 압축 기구부; 상기 압축 기구부에 고정되어 상기 회전축을 지지하는 제1 베어링; 및 상기 밀폐용기에 고정되며, 상기 회전축 상에서 상기 제1 베어링과 먼 쪽의 단부를 지지하는 제2 베어링;을 포함하고, 상기 제2 베어링의 내경을 D(㎛), 상기 회전축의 직경을 d(㎛), 상기 회전축이 상기 제2 베어링의 내부에 수직하게 위치하는 경우에 상기 제2 베어링과 상기 회전축 사이의 정상 공차를 C₀라 할 때,
C₀ ＜ (D - d) ＜ 90㎛ + d/1000
의 관계를 만족하는 밀폐형 압축기가 제공된다.

Description

밀폐형 압축기{HERMETIC COMPRESSOR}

본 발명은 밀폐형 압축기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 크랭크 축의 상하 양단에 베어링이 설치되는 밀폐형 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 밀폐형 압축기는 밀폐용기의 내부공간에 구동력을 발생하는 구동모터와, 그 구동모터에 결합되어 작동하면서 냉매를 압축하는 압축 기구부가 함께 설치되어 있다. 그리고 상기 밀폐형 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 스크롤식, 로터리식, 진동식 등으로 구분할 수 있다. 상기 왕복동식과 스크롤식 그리고 로터리식은 구동모터의 회전력을 이용하는 방식이고, 상기 진동식은 구동모터의 왕복운동을 이용하는 방식이다.

상기와 같은 밀폐형 압축기 중에서 회전력을 이용하는 밀폐형 압축기의 구동모터에는 회전축이 구비되어 그 구동모터의 회전력을 압축 기구부에 전달하도록 구성되어 있다. 예컨대, 상기 로터리식 밀폐형 압축기(이하, 로터리 압축기)의 구동모터는 상기 밀폐용기에 고정되는 고정자와, 상기 고정자에 일정 공극을 두고 삽입되어 상기 고정자와의 상호작용으로 회전하는 회전자와, 상기 회전자에 결합되어 그 회전자의 회전력을 상기 압축 기구부에 전달하는 회전축으로 이루어져 있다. 그리고 상기 압축 기구부는 상기 회전축에 결합되어 실린더의 내부에서 회전운동을 하면서 냉매를 흡입,압축,토출시키는 압축 기구부과, 상기 압축 기구부를 지지하는 동시에 상기 실린더와 함께 압축공간을 형성하는 복수 개의 베어링부재로 이루어져 있다. 상기 베어링부재는 통상 구동모터의 일측에 배치되어 상기 회전축을 지지하고 있다. 하지만, 최근에는 압축기가 고성능화되면서 상기 회전축의 상하 양단에 각각 베어링을 설치하여 압축기 진동을 최소화하는 기술이 소개되고 있다.

이렇게, 회전축을 지지하는 베어링이 추가되면 베어링과 회전축과의 접촉 면적이 증가되게 되고, 이렇게 증가된 접촉 면적은 마찰 손실의 증대로 이루어지므로, 마찰 손실을 최소화할 필요가 있다. 따라서, 이러한 마찰 손실을 최소화하기 위해서는 각각의 부품들의 기구적인 정밀도를 높일 필요가 있지만 이는 제조 비용의 상승으로 이어지므로 한계가 있고, 통상적으로는 베어링과 회전축 사이의 공차를 최적화하고 윤활작용을 하는 오일의 공급을 원활하게 하여 마찰 손실을 줄일 수 있도록 하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 마찰 손실을 최소화할 수 있는 밀폐형 압축기를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 밀폐용기; 상기 밀폐용기의 내부공간에 설치되는 회전 구동부; 상기 회전 구동부에 결합되는 회전축; 상기 회전축에 결합되어 냉매를 흡입 압축하는 압축 기구부; 상기 압축 기구부에 고정되어 상기 회전축을 지지하는 제1 베어링; 및 상기 밀폐용기에 고정되며, 상기 회전축 상에서 상기 제1 베어링과 먼 쪽의 단부를 지지하는 제2 베어링;을 포함하고, 상기 제2 베어링의 내경을 D(㎛), 상기 회전축의 직경을 d(㎛), 상기 회전축이 상기 제2 베어링의 내부에 수직하게 위치하는 경우에 상기 제2 베어링과 상기 회전축 사이의 정상 공차를 C₀라 할 때,

C₀ ＜ (D - d) ＜ 90㎛ + d/1000

의 관계를 만족하는 밀폐형 압축기가 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는 상기 제2 베어링과 회전축 사이의 공차를 설정함에 있어서, 각각의 구성요소의 치수뿐만 아니라 회전축의 기울기도 고려하여 회전축이 수직하게 위치하는 경우에 비해서 보다 큰 공차를 갖도록 하고 있다. 즉, 회전축이 베어링의 내부에서 베어링의 접촉면에 대해서 평행하게 위치하는 경우에 설정되는 공차(이하, 정상 공차)를 C₀라 할 때, 종래에는 회전축의 기울어짐에 대해서는 고려하지 않고 공차를 결정하여 왔다.

그러나, 본 발명자들의 연구 결과 회전축의 길이가 길어질수록 상부에 위치하는 베어링에서는 베어링 내경과 회전축 직경을 정밀하게 가공한다 하더라도, 회전축의 경사로 인해서 공차가 축소되거나 증가될 수 있음을 확인하게 되었다. 이렇게 공차가 축소되면 베어링과 회전축 사이에서 유체 윤활이 이루어지지 못하고, 경계윤활만이 이루어지거나 회전축이 베어링면에 직접 접촉하는 등의 문제가 생길 수 있다. 따라서, 회전축이 기울어지는 경우를 대비하여 양자 사이의 공차를 정상 공차보다 크게 설정할 필요가 있다.

다만, 공차를 지나치게 크게 설정하는 경우에는 베어링의 역할을 하지 못하게 될 뿐만 아니라, 회전축이 기울어지지 않은 경우도 존재할 수 있으므로, 그 상한선을 회전축 직경의 1/1000에 90㎛를 더한 값으로 설정하였다.

한편, 상기 D - d값과 상기 C₀의 차이는 상기 제2 베어링의 두께(L)에 비례하여 크게 설정될 수 있다. 즉, 회전축이 동일한 경사도를 갖더라도 베어링의 두께가 커질수록 공차 축소량이 증가하게 되므로, 이를 고려하여 베어링의 두께가 커질수록 상기 D - d값과 상기 C₀의 차이를 크게 할 수 있다.

한편, 상기 정상 공차(C₀)는 회전축 직경의 1/1000로 설정될 수 있다.

또한, 상기 제2 베어링은 상기 밀폐용기의 내주면에 결합되는 프레임; 상기 프레임에 결합되어 상기 회전축과 회전 가능하게 결합되는 하우징; 및 상기 하우징 내부에 설치되며 상기 회전축과 대향하는 베어링 부시;를 포함하며, 상기 베어링 부시는 상기 하우징으로부터 하향으로 돌출되어 위치할 수 있다. 이를 통해, 제2 베어링을 고정하기 위한 프레임과 회전 구동부 사이에 충분한 간격을 유지하면서도 제1 베어링과 제2 베어링 사이의 간격을 줄여서 회전축이 기울어지는 것에 의해 공차가 축소되는 양을 줄일 수 있게 된다.

여기서, 상기 프레임과 하우징은 별개로 제작되어 조립되거나 일체로 형성될 수도 있다.

구체적으로, 상기 하우징은 상기 밀폐용기의 하측으로 돌출되게 형성되는 베어링돌부를 포함하고, 상기 베어링돌부의 내부에 상기 베어링 부시가 장착될 수 있다.

여기서, 상기 제2 베어링의 두께(L)는 상기 베어링 부시의 두께일 수 있다.

또한, 상기 D - d 값이 50㎛ + d/1000 과 90㎛ + d/1000 사이의 값이 되도록 설정할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 회전축이 경사지게 배치되어 공차를 적정 범위 내로 유지할 수 있으므로, 마찰 손실로 인한 압축기의 성능 저하를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 밀폐형 압축기의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1 중 선 I-I에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1 중 제2 베어링 내에서 회전축이 경사지게 배치된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 실시예에서 상기 제2 베어링의 길이에 따른 공차 축소량을 도시한 그래프이다.
도 5는 제2 베어링에서의 공차에 따른 회전 토크 및 성능의 변화를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명에 의한 크랭크축 및 이를 구비한 밀폐형 압축기를 첨부도면에 도시된 로터리 압축기의 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 로터리 압축기를 내부를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1의 "Ｉ-Ｉ"선단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 밀폐용기(100)의 내부공간(101) 상측에 구동력을 발생하는 구동모터(200)가 설치되고, 상기 밀폐용기(100)의 내부공간(101) 하측에는 상기 구동모터(200)에서 발생된 동력으로 냉매를 압축하는 압축 기구부(300)가 설치되며, 상기 구동모터(200)의 하측과 상측에는 후술할 크랭크축(230)을 지지하는 제1 베어링(400)과 제2 베어링(500)이 각각 설치된다.

상기 밀폐용기(100)는 상기 구동모터(200)와 압축 기구부(300)가 설치되는 용기본체(110)와, 상기 용기본체(110)의 상측 개구단(이하, 제1 개구단)(111)을 복개하는 상부캡(이하, 제1 캡)(120)과, 상기 용기본체(110)의 하측 개구단(이하, 제2 개구단)(112)을 복개하는 하부캡(이하, 제2 캡)(130)으로 이루어진다.

상기 용기본체(110)는 원통모양으로 형성되고, 그 용기본체(110)의 하반부 주면에는 흡입관(140)이 관통 결합되며, 상기 흡입관은 후술할 실린더(310)에 구비된 흡입구(미도시)에 직접 연결된다.

상기 제1 캡(120)은 그 가장자리가 절곡되어 상기 용기본체(110)의 제1 개구단(111)에 용접 결합된다. 그리고 상기 제1 캡(120)의 중앙에는 상기 압축 기구부(300)에서 상기 밀폐용기(100)의 내부공간(101)으로 토출되는 냉매를 냉동사이클로 안내하는 토출관(150)이 관통 결합된다.

상기 제2 캡(130)은 그 가장자리가 절곡되어 상기 용기본체(110)의 제2 개구단(112)에 용접 결합된다.

상기 구동모터(200)는 상기 밀폐용기(100)의 내주면에 열박음되어 고정되는 고정자(210)와, 상기 고정자(210)의 내부에 회전 가능하게 배치되는 회전자(220)와, 상기 회전자(220)에 열박음 되어 함께 회전을 하면서 상기 구동모터(200)의 회전력을 압축 기구부(300)으로 전달하는 크랭크축(230)으로 이루어진다.

상기 고정자(210)는 다수 장의 스테이터시트가 소정의 높이만큼 적층되고, 그 내주면에 구비되는 티스에는 코일(240)이 권선된다.

상기 회전자(220)는 상기 고정자(210)의 내주면에 일정 공극을 두고 배치되며 그 중앙에 상기 크랭크축(230)이 열박음으로 압입되어 일체로 결합된다.

상기 크랭크축(230)은 상기 회전자(220)에 결합되는 축부(231)와, 그 축부(231)의 하단부에 편심지게 형성되어 후술할 롤링피스톤이 결합되는 편심부(232)로 이루어진다. 그리고 상기 크랭크축(230)의 내부에는 상기 밀폐용기(100)의 오일이 흡상되도록 오일 유로(233)가 축방향으로 관통 형성된다. 또한, 상기 크랭크축(230)의 상부 중 상기 제2 베어링과 마주하는 부분에는 상기 오일 유로(233)와 연통되는 오일 통공(235)이 형성된다. 상기 오일 통공(235)에 대해서는 후술한다.

상기 압축 기구부(300)는 상기 밀폐용기(100)의 내부에 설치되는 실린더(310)와, 상기 크랭크축(230)의 편심부(232)에 회전 가능하게 결합되고 상기 실린더(310)의 압축공간(V1)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 롤링피스톤(320)과, 상기 실린더(310)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합되어 그 일측의 실링면이 상기 롤링피스톤(320)의 외주면에 접촉되고 상기 실린더(310)의 압축공간(미부호)을 흡입실과 토출실로 구획하는 베인(330)과, 상기 베인(330)의 후방측을 탄력 지지하도록 압축스프링으로 된 베인스프링(340)으로 이루어진다.

상기 실린더(310)는 환형으로 형성되고, 상기 실린더(310)의 일측에는 상기 흡입관과 연결되는 흡입구(미도시)가 형성되며, 상기 흡입구의 원주방향 일측에는 상기 베인(330)이 미끄러지게 결합되는 베인슬롯(311)이 형성되고, 상기 베인슬롯(311)의 원주방향 일측에는 후술할 상부베어링(410)에 구비되는 토출구(411)에 연통되는 토출안내홈(미도시)이 형성된다.

상기 제1 베어링(400)은 상기 실린더(310)의 상측을 복개하는 동시에 상기 밀폐용기(100)에 용접 결합되어 상기 크랭크축(230)을 축방향과 반경방향으로 지지하는 상부베어링(410)과, 상기 실린더(310)의 하측을 복개하여 상기 크랭크축(230)을 축방향과 반경방향으로 지지하는 하부베어링(420)으로 이루어진다.

상기 제2 베어링(500)은 상기 고정자(210)의 상측에서 상기 밀폐용기(100)의 내주면에 용접 결합되는 프레임(510)과, 상기 프레임(510)에 결합되어 상기 크랭크축(230)과 회전 가능하게 결합되는 하우징(520)으로 이루어진다.

상기 프레임(520)은 환형으로 형성되고, 그 외주면에 소정의 높이로 돌출되어 상기 용기본체(110)에 용접되는 고정돌부(511)가 형성된다. 상기 고정돌부(511)는 대략 원주방향을 따라 120°의 간격을 두고 소정의 원호각 길이를 갖도록 형성된다.

상기 하우징(520)은 상기 프레임(510)에 3점 지지될 수 있도록 대략 120도의 간격을 두고 지지돌부(521)들이 형성되고, 상기 지지돌부(521)들의 중심에는 상기 크랭크축(230)의 상단이 삽입되어 지지될 수 있도록 베어링돌부(522)가 하향 돌출되도록 형성된다. 상기 베어링돌부(522)에는 베어링부시(530)가 결합되거나 또는 볼베어링이 결합될 수 있다.

도면 중 미설명 부호인 250은 오일피더이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 로터리 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 구동모터(200)의 고정자(210)에 전원을 인가하여 상기 회전자(220)가 회전하면, 상기 크랭크축(230)이 상기 제1 베어링(400)과 제2 베어링(500)에 의해 양단이 지지되면서 회전을 하게 된다. 그러면 상기 크랭크축(230)이 상기 구동모터(200)의 회전력을 상기 압축 기구부(300)에 전달하고, 상기 압축 기구부(300)에서는 상기 롤링피스톤(320)이 상기 압축공간에서 편심 회전운동을 한다. 그러면, 상기 베인(330)이 상기 롤링피스톤(320)과 함께 압축공간을 형성하면서 냉매를 압축하여 상기 밀폐용기(100)의 내부공간(101)으로 토출하게 된다.

이때, 상기 크랭크축(230)은 고속으로 회전을 하면서 그 하단에 구비된 오일피더(250)가 상기 밀폐용기(100)의 저유부에 채워진 오일을 펌핑하게 되고, 이 오일은 상기 크랭크축(230)의 오일 유로(233)를 통해 흡상되면서 각 베어링면을 윤활하게 된다. 이렇게 흡상된 오일은 상기 오일 통공(235)을 통해서 상기 제2 베어링으로 공급되게 된다.

한편, 상기 크랭크축(230)은 하부에 위치하는 상기 제1 베어링을 통해 상기 밀폐용기(110) 내에 고정되어 있고, 상기 고정자(210)와는 소정의 갭을 두고 이격되어 위치하므로, 경우에 따라서는 상기 밀폐용기(110)의 종방향에 대해서 경사지게 배치될 수 있다. 이러한 양상을 도 3에 도시하였다.

도 3을 참조하면, 상기 제2 베어링(500) 중 상기 크랭크축(230)과 대향하는 베어링 부시(530)의 내경을 D, 크랭크축(230)의 직경을 d라 할 때, 상기 크랭크축(230)이 상기 베어링 부시(530)의 내벽면과 평행하게 위치하는 경우의 정상 공차(C₀)는 통상적으로 d/1000(㎛)로 설정된다.

그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 크랭크축(230)이 상기 베어링 부시(530)의 내부에서 경사각(α°)을 갖고 경사지게 배치되는 경우, 상부에서는 상기 정상 공차가 축소되고, 하부에서는 정상 공차가 증가하게 되므로 적정한 범위의 공차를 유지할 수 없게 된다. 특히, 공차가 축소되는 상단부에서는 회전 중 상기 크랭크축이 상기 베어링 부시의 내면과 접촉될 가능성도 존재하며, 이는 마찰 손실의 증가로 이어지게 된다. 아울러, 이러한 공차 축소량은 상기 베어링 부시의 길이(L)에 따라서 증가하게 된다.

도 4는 상기 베어링 부시의 길이에 따른 공차 축소량을 도시한 그래프로서, 구체적으로는 상기 베어링 부시의 길이(L)가 10, 20, 30, 40, 50㎛인 각각의 경우에 있어서 경사각에 따른 편측 공차 축소량을 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 동일한 경사각인 경우에 베어링 부시의 길이(L)가 증가할수록 공차 축소량도 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.

본 발명자들은 상기와 같은 점들을 감안하여 상기 크랭크축의 직경이 10 mm, 상기 베어링 부시의 길이가 10mm인 경우에 대해서 공차(D - d)에 따른 회전토크 및 성능의 변화를 테스트하였고, 그 결과가 도 5에 도시되어 있다. 여기서, 상기 회전토크는 외력이 가해지지 않은 상태에서 상기 크랭크축을 회전시키는 데 필요한 토크로서 작을수록 바람직하며, 성능은 이론상 계산된 성능과 실제로 측정된 성능의 비율을 의미하며 클수록 바람직하다.

도 5를 참조하면, 회전 토크는 공차가 클수록 감소하지만 40㎛를 기준으로, 그 이전에는 공차 증가에 따라 급격하게 감소하지만, 그 이후에는 공차가 증가하여도 크게 감소되지 않음을 알 수 있다. 아울러, 성능은 60㎛와 100㎛의 사이에서 완만한 기울기를 갖고 있음을 알 수 있다.

한편, 상기 공차는 상기 크랭크축의 직경(d)과 상기 베어링 부시의 길이(L)에 비례하여 증가하여야 한다. 즉, 크랭크축이 동일한 경사도로 기울어지는 경우에도 상기 크랭크축의 직경이나 상기 베어링 부시의 길이가 증가할수록 기설정된 공차의 감소량이 증가하게 되므로 최적의 공차는 상기 크랭크축의 직경과 상기 베어링 부시의 길이를 감안하여 설정하여야 한다.

상기 예에서, 상기 크랭크축이 기울어지지 않은 상태에서는 크랭크축 직경의 1/1000, 즉 10㎛가 최적의 공차이나, 상기 도 5에 나타난 결과는 60㎛와 100㎛ 사이의 공차가 최적임을 보여주고 있으므로, 최적 공차에서 최소 50㎛, 최대 90㎛까지 공차를 증가시켜야 함을 알 수 있다. 즉,

50㎛ + d/1000 ＜ D - d ＜90㎛ + d/1000

와 같이 정리할 수 있다.

Claims (7)

1. 밀폐용기;
   상기 밀폐용기의 내부공간에 설치되는 회전 구동부;
   상기 회전 구동부에 결합되는 회전축;
   상기 회전축에 결합되어 냉매를 흡입 압축하는 압축 기구부;
   상기 압축 기구부에 고정되어 상기 회전축을 지지하는 제1 베어링; 및
   상기 밀폐용기에 고정되며, 상기 회전축 상에서 상기 제1 베어링과 먼 쪽의 단부를 지지하는 제2 베어링;을 포함하고,
   상기 제2 베어링의 내경을 D(㎛), 상기 회전축의 직경을 d(㎛), 상기 회전축이 상기 제2 베어링의 내부에 수직하게 위치하는 경우에 상기 제2 베어링과 상기 회전축 사이의 정상 공차를 C₀라 할 때,
   C₀ ＜ (D - d) ＜ 90㎛ + d/1000
   의 관계를 만족하는 밀폐형 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 D - d값과 상기 C₀의 차이는 상기 제2 베어링의 두께(L)에 비례하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 베어링은 상기 밀폐용기의 내주면에 결합되는 프레임;
   상기 프레임에 결합되어 상기 회전축과 회전 가능하게 결합되는 하우징; 및
   상기 하우징 내부에 설치되며 상기 회전축과 대향하는 베어링 부시;를 포함하며,
   상기 베어링 부시는 상기 하우징으로부터 하향으로 돌출되어 위치하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 하우징은 상기 밀폐용기의 하측으로 돌출되게 형성되는 베어링돌부를 포함하고,
   상기 베어링돌부의 내부에 상기 베어링 부시가 장착되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제2 베어링의 두께(L)는 상기 베어링 부시의 두께인 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.
6. 제3항에 있어서,
   상기 프레임과 하우징은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.
7. 제1항에 있어서,
   50㎛ + d/1000 ＜ D - d ＜90㎛ + d/1000
   의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 압축기.

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