KR20160055639A

KR20160055639A - 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치

Info

Publication number: KR20160055639A
Application number: KR1020140155703A
Authority: KR
Inventors: 윤제수; 공성규; 손은기; 안휴남; 정유철
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-18

Abstract

본 발명은 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치에 관한 것으로, 로터아암과 허브아암이 피스톤 압축 반력의 합력 작용선 쪽으로 편심 형성됨으로써 피스톤 압축 반력의 합력에 의해 형성되는 모멘트가 감소된다. 따라서, 사판의 경사각 조절 작동시 로터아암과 허브아암 사이의 마찰 저항이 감소하여 사판의 작동성 및 제어성이 향상된다.

Description

가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치{Apparatus for driving piston of variable swash plate compressor}

본 발명은 가변 사판식 압축기에 관한 것으로, 특히 압축기의 피스톤을 구동해주는 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치에 관한 것이다.

자동차의 냉방장치에서 압축기는 기상 냉매를 압축하여 토출함으로써 냉매의 상변화에 따른 냉방 사이클의 순환이 지속적으로 이루어지도록 하는 한다. 압축기의 여러 종류 중에서 가변 사판식 압축기는 피스톤을 구동하는 사판의 경사각이 가변될 수 있도록 된 것이다.

종래 기술에 따른 가변 사판식 압축기의 일예가 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0058017호에 개시되어 있다. 가변 사판식 압축기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 구동축(20)과, 구동축(20)상에 경사각이 조절될 수 있도록 설치된 사판(26)과, 사판(26)에 연결된 피스톤(14)과, 구동축(20)의 전방 단부에 설치되어 엔진으로부터 벨트를 매개로 구동력을 전달받는 풀리를 포함한다.

압축기의 외관은 실린더블록(10)과, 그 양측에 각각 설치된 전방하우징(30)과 후방하우징(50)으로 이루어진다.

실린더블록(10)에는 원주 방향으로 다수의 실린더보어(11)가 형성되어 있으며, 실린더보어(11)에 피스톤(14)이 삽입되어 있다. 피스톤(14)의 일단부에 형성된 연결부(18)에 슈(19)를 매개로 사판(26)이 연결되어 있으며, 사판(26)은 구동축(20)에 장착되어 일체로 회전되는 로터(22)에 연결된다.

보다 상세하게는, 사판(26)은 구동축(20)에 장착된 허브의 외주에 장착되며, 허브에 허브아암(28)이 형성된다. 로터(22)에 형성된 로터아암(24)에 허브아암(28)이 힌지핀(P)으로 연결되며, 힌지핀(P)은 로터아암(24)에 형성된 슬롯(24')에 삽입되어 슬롯(24')을 따라 이동할 수 있으며, 이에 사판(26)의 경사각 변화가 가능하다.

엔진 동력이 전달되어 풀리가 회전되면 구동축(20)과, 로터(22)와, 사판(26)이 회전되고, 이때 사판(26)이 경사진 상태로 회전되므로 피스톤(14)이 실린더보어(11)의 내부에서 전후 이동됨으로써 실린더보어(11)의 냉매가 압축되어 토출되거나 흡입된다.

상기 사판(26)의 경사각은 크랭크실(31)의 압력 변화에 따라 증감되며, 크랭크실(31)의 압력 조절을 위한 제어밸브(80)가 후방하우징(50)에 구비된다.

따라서, 냉방 부하가 클 때는 크랭크실(31)의 압력을 감소시켜 사판(26)의 경사각을 증가시킴으로써 피스톤(14) 행정을 증가시켜 냉매 토출량이 증가되도록 하고, 냉방 부하가 작을 때는 크랭크실(31)의 압력을 증가시켜 사판(26)의 경사각을 감소시킴으로써 피스톤(14)의 행정을 감소시켜 냉매 토출량이 감소되도록 제어한다.

에어컨의 작동이 필요 없을 때는 사판(26)을 구동축(20)에 대해 직각인 상태로 유지함으로써 구동축(20)이 회전되어도 사판(26)이 피스톤(14)을 작동시키지 않기 때문에 냉매의 압축과 토출이 이루어지지 않는다.

한편, 사판(26)이 회전되면 사판(26)에 피스톤 압축 반력이 작용하는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 피스톤 압축 반력의 합력(F)은 구동축(20)의 중심선(A-A)으로부터 소정 거리(압축기 사양마다 상이함) 이격된 지점에서 구동축(20)의 중심축선(A-A)에 평행하게 작용한다.

상기 합력(F)은 로터아암(24)과 허브아암(28)이 만나는 두 면(즉, 로터아암(24)의 양 측면) 중에서 합력(F)이 작용하는 쪽 면으로 전달되는데, 이 면을 합력지지면(S)으로 칭하기로 한다.

따라서, 합력지지면(S)에는 합력(F)에 의해 작용하는 사판(26)의 모멘트(M1 = 합력(F)×합력지지면(S)과 합력(F) 작용선 사이의 수직 거리(L))에 의해 허브아암(28)과 로터아암(24)의 접촉면 사이와, 로터아암(24)의 슬롯(24')과 힌지핀(P) 사이에 하중이 작용하고, 그 하중에 의해 사판(26) 경사각 조절 작동시 상기 접촉부들의 마찰이 증가하여 사판(26) 경사각 조절 작동에 저항으로 작용함으로써 사판(26) 경사각 조절 작동이 원활하게 이루어지지 않게 되는 문제점이 있었다. 즉, 사판(26) 경사각 제어성이 저하되는 문제점이 있었다.

도 3은 로터아암(24)이 2개 형성된 타입의 로터(22)를 포함하는 피스톤 구동장치를 도시한 것으로, 각 로터아암(24)은 구동축 중심선(A-A)으로부터 동일 거리 이격되어 있다. 이러한 로터아암(24)이 각각 대응되는 허브아암(28)의 측면에 맞대어져 이들을 관통하는 힌지핀(P)에 의해 연결된다. 로터아암(24)의 힌지 삽입공은 길이가 긴 슬롯(24')으로 형성된다.(슬롯(24')은 도 1 참조)

이와 같이 로터아암(24)이 2개인 경우, 각 로터아암(24)이 대응 허브아암(28)의 외측에 접촉되어 이를 지지함과 더불어 각 로터아암(24)의 슬롯(24')에 의해 힌지핀(P)의 양단부가 안정적으로 지지되므로 사판(26)의 비틀림에 대해 로터(22)와 사판(26)의 자세 유지가 용이하다. 즉, 로터(22)와 사판(26)의 정렬 상태가 양호하다. 따라서, 로터아암(24)이 1개인 경우보다 2개인 경우 사판 경사각 제어성이 더 우수하다.

그런데, 상기와 같이 로터아암(24)이 2개인 경우에도, 사판(26)에 피스톤 압축 반력의 합력(F)이 작용하고, 그 합력(F)에 의해 일측 로터아암(24)과 허브아암(28)의 접촉면(합력지지면(S))에 모멘트(M2 = F × X(합력지지면(S)과 합력(F) 작용선 사이의 수직 거리))가 작용하며, 따라서 상기 접촉면 사이 및 힌지핀(P)과 슬롯(24') 사이의 접촉 하중이 증가하여 사판(26)의 경사각 조절 작동시 마찰 저항이 증가함으로써 사판 경사각 제어성이 저하되는 동일한 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 사판의 경사각 조절 작동시 로터아암과 허브아암 및 슬롯과 힌지핀 사이에 마찰 저항이 감소함으로써 사판의 경사각 조절 작동이 원활하게 이루어질 수 있도록 된 가변 사판식 압축기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일단에 동력이 입력되는 풀리가 장착된 구동축과, 상기 구동축에 스플라인 결합되어 구동축과 일체로 회전되고, 일측면에 로터아암이 돌출 형성된 로터와, 상기 구동축에 전후 이동 및 경사각 조절이 가능하게 장착되고, 상기 로터아암에 힌지핀을 매개로 연결되는 허브아암이 형성된 허브와, 상기 허브의 외주에 장착되고, 외주부에 피스톤이 연결되는 사판을 포함하고, 상기 로터아암과 허브아암이 상기 피스톤 압축 반력의 합력 작용선 쪽으로 위치 이동되어 상기 구동축의 중심선에 대해 편심 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 로터에 1개의 로터아암이 형성되고, 상기 허브에 2개의 허브아암이 형성되어 허브아암의 사이에 로터아암이 삽입되는 상태로 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 로터에 2개의 로터아암이 형성되고, 상기 허브에 2개의 허브아암이 형성되어 로터아암의 사이에 허브아암이 삽입되는 상태로 연결된 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 로터아암과 허브아암의 위치가 이동되어 합력지지면이 합력작용선에 가까워짐으로써 사판에 작용하는 모멘트가 감소된다.

따라서, 로터아암과 허브아암의 사이와 로터아암의 슬롯과 힌지핀의 접촉면에 작용하는 접촉 하중이 감소하여, 상기 각 접촉면에서 발생하는 마찰 저항력의 크기도 감소된다.

따라서, 사판이 크랭크실의 압력 변동에 따라 경사각이 변화될 때 보다 원활하게 작동할 수 있게 됨으로써 사판의 경사각 제어성이 향상된다.

따라서, 로터아암이 1아암 타입일 때도 2아암 타입 만큼의 제어성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 로터아암이 1아암 타입일 때는 2아암 타입일 때에 비하여 구동장치(로터와 허브 및 사판)의 중량이 감소하여 구동장치의 언밸런스(구동장치 중량의 구동축에 대한 반경방향 편심량)가 감소되어 차량 진동이 개선된다.

또한, 로터아암이 2아암 타입일 때는 1아암 타입일 때에 비하여 로터와 사판 사이의 정렬 상태가 향상되어 보다 우수한 사판 경사각 제어성을 확보할 수 있다.

도 1은 가변 사판식 압축기의 구성도.
도 2는 종래 기술로서, 로터 1아암 타입 피스톤 구동장치의 평면도.
도 3은 종래 기술로서, 로터 2아암 타입 피스톤 구동장치의 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 로터 1아암 타입 피스톤 구동장치의 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 로터 2아암 타입 피스톤 구동장치의 평면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

[발명의 배경이 되는 기술]란에서 설명한 바와 같이, 가변 사판식 압축기는 일단에 엔진에 연동되는 풀리가 구비된 구동축에 로터와 사판(허브 포함)이 장착되고, 사판에 복수의 피스톤이 연결되어, 사판이 회전됨으로써 피스톤의 왕복 운동이 발생하도록 되어 있다. 그리고 상기 로터와 사판의 조립체를 피스톤 구동장치로 지칭하였다. 피스톤 구동장치를 포함한 가변 사판식 압축기의 전체적인 구성 및 그 작동은 기 설명한 바와 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명에 따른 가변 사판식 압축기 피스톤 구동장치의 평면도로서, 로터아암이 1개 형성된 타입의 피스톤 구동장치를 도시한 것이다.

구동축(100)에 로터(200)가 감합 설치된다. 즉, 구동축(100)이 로터(200)의 중심에 형성된 결합공으로 삽입되는 상태로 양자가 결합된다. 로터(200) 결합공의 내주면과 이에 대응되는 구동축(100)의 외주면에는 스플라인기어가 형성되어 양자는 상호 스플라인 결합된다. 따라서, 구동축(100) 회전시 로터(200)는 구동축(100)과 일체로 회전된다.

로터(200)에는 사판(300)과의 대향면에 로터아암(210)이 돌출 형성되는데, 본 발명은 상기 로터아암(210)이 구동축(100)의 중심선(A-A)에 대해 피스톤 압축 반력의 합력(F)이 작용하는 쪽으로 편심되어 형성된다.

구동축(100)에는 로터(200)와 마주보도록 사판(300)이 설치된다. 정확히는 구동축(100)에 허브(310)가 장착되고, 허브(310)의 외주에 중공 원판형의 사판(300)이 장착되는 것이다. 허브(310)는 구동축(100)을 따라 축방향으로 전후 이동 가능하고 구동축(100)에 대한 경사각이 가변될 수 있다. 따라서, 허브(310)의 외주에 장착된 사판(300)도 구동축(100)에 대한 경사각이 가변될 수 있다.

허브(310)의 로터(200) 대향부에는 한 쌍의 허브아암(320)이 돌출 형성된다. 한 쌍의 허브아암(320)은 상호 상기 로터아암(210)의 폭과 동일한 거리만큼 이격되어 있다. 따라서, 허브아암(320)의 사이에 로터아암(210)이 삽입될 수 있다.

로터아암(210)과 허브아암(320)은 이들을 관통하는 힌지핀(400)에 의해 연결된다. 힌지핀(400) 결합을 위해 로터아암(210)과 허브아암(320)에는 핀홀(도시되지 않음)이 형성되는데, 허브아암(320)에는 원형의 핀홀이 형성되고, 로터아암(210)에는 길이가 긴 슬롯이 형성된다.(종래기술에 대한 설명에 기재한 슬롯(24')과 동일함)

허브아암(320)은 구동축(100)의 중심선(A-A)에 대해 피스톤 반력의 합력(F)이 작용하는 쪽으로 로터아암(210)과 동일한 양만큼 편심 형성된다. 즉, 로터아암(210)과 허브아암(320)은 구동축(100) 중심선(A-A)에 대해 동일한 방향 및 거리로 편심 형성되어 있다.

압축기의 다른 구성 요소들 특히, 사판(300)에 연결되는 피스톤은 사양 변화 없이 동일하므로 피스톤 압축 반력의 합력(F)은 구동축(100) 중심선(A-A)에 대해 종래와 동일한 거리 이격된 지점에 작용한다.

그러나, 상기와 같이 로터아암(210)과 허브아암(310)은 구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 합력(F) 작용선 쪽으로 편심 형성되어 있으므로, 합력(F)이 작용하는 쪽의 로터아암(210)과 허브아암(310)의 접촉면 즉, 합력지지면(S)의 위치가 합력(F) 작용선 쪽으로 더 까깝게 위치한다.

따라서, 합력지지면(S)과 합력(F) 작용선 사이의 수직거리 l(L의 소문자)이 종래 기술의 합력지지면(S)과 합력(F) 작용선 사이의 수직거리 L에 비하여 감소된다.(L > l)

따라서, 피스톤 압축 반력의 합력(F)에 의해 사판(300)에 형성되는 모멘트(M3 = F × l)가 종래의 모멘트(M1 = F × L)보다 감소하므로, 그 모멘트(M3)에 의해 합력지지면(S)에 가해지는 하중이 감소하며, 이에 로터아암(210)과 허브아암(320)의 사이 및 힌지핀(400)과 로터아암(210)에 형성된 슬롯 사이의 마찰 저항이 감소된다.

따라서, 사판(300)의 경사각 가변 작동이 보다 부드럽고 원활하게 이루어지므로 사판 경사각 제어성이 향상된다.

따라서, 본 발명에 따르면 로터 1아암 타입의 피스톤 구동장치의 경우에도 기존의 로터 2아암 타입의 피스톤 구동장치(로터아암 및 허브아암이 구동축 중심선에 대해 편심되지 않은 경우)만큼의 사판 경사각 제어성을 확보할 수 있게 된다.

따라서, 기존의 로터 2아암 타입 구동장치를 사용하는 경우보다 로터 가공이 용이할 뿐만 아니라 로터의 중량이 감소하게 된다.

이와 같이 로터의 중량 감소에 의해 구동장치의 중량이 감소되므로 구동장치의 언밸런스(구동축 중심에 대한 중량의 편심량)가 개선되어 차량 진동이 감소되는 효과가 있다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 가변 사판식 압축기 피스톤 구동장치의 평면도로서, 로터아암이 2개 형성된 타입의 피스톤 구동장치를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 로터 2아암 타입의 피스톤 구동장치에도 본 발명에 따른 아암 편심 구조를 적용할 수 있다.

즉, 한 쌍의 로터아암(220)이 상호간의 간격을 그대로 유지하면서 피스톤 반력의 합력(F)이 작용하는 쪽으로 위치 이동되어 형성된다. 이에 맞추어 한 쌍의 로터아암(220)에 각각 맞대어지는 한 쌍의 허브아암(320)도 상호 간의 간격을 그대로 유지하면서 로터아암(220)과 동일한 방향으로 동일한 거리만큼 위치 이동되어 형성된다.(미설명 부호 400은 로터아암(220)과 허브아암(320)을 관통하여 이들을 연결하는 힌지핀이다.)

따라서, 상기 합력(F)의 지지면은 합력(F)이 작용하는 쪽에 가까운 로터아암(220)과 허브아암(320)의 접촉면 사이에 형성된다.(합력지지면(S))

상기와 같이 한 쌍의 로터아암(220)과 허브아암(320) 모두가 동일한 간격을 유지하면서 그 형성 위치가 합력(F) 작용선쪽으로 이동하였기 때문에 합력지지면(S)에 대한 사판(300)의 모멘트 거리(x)가 종래의 모멘트 거리(X)보다 감소된다. 따라서, 각각 한 쌍의 로터아암(220)과 허브아암(320)이 합력(F) 작용선 쪽으로 편심 이동된 경우의 모멘트(M4 = F ×x)는 그렇지 않은 경우(도 3의 경우)의 모멘트(M2 = F ×X) 보다 감소한다.(M2 > M4)

따라서, 합력지지면(S)에 작용하는 하중의 크기가 감소되고, 이에 합력지지면(S)에 발생하는 마찰력이 크기가 감소됨으로써 사판(300)의 경사각 조절 작동이 보다 부드럽고 원활하게 이루어진다. 따라서, 사판(300)의 경사각 제어성이 향상된다.

기본적으로 로터 2아암 타입의 피스톤 구동장치는 로터 1아암 타입의 피스톤 구동장치에 비해서 로터와 사판의 정렬 상태가 양호하여 경사각 조절 작동성이 보다 우수하다. 따라서, 본 발명에 따른 로터아암 및 허브아암의 편심구조를 적용할 경우 합력지지면에 발생하는 마찰 저항의 크기를 감소시킬 수 있기 때문에 더욱 우수한 경사각 조절 작동성을 발휘할 수 있게 된다.

상기 합력(F)의 작용선(합력중심점)은 압축기 사양(모델)에 따라 구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 15.1mm ~ 20.2mm 사이에 있다. 이때 사판(300)에 작용하는 모멘트를 최소화하기 위하여 합력작용선과 합력지지면(S)을 동일 위치(구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 동일 거리 떨어진 위치)에 오도록 하는 것이 최선이지만(이 경우, 모멘트는 0이 된다.), 압축기 부품의 패키지 및 공용화 문제로 구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 합력지지면(S)까지의 거리(합력지지면(S) 거리 = Y1 : 도 5 참조)는 구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 합력작용선까지의 거리(합력작용선 거리 = Y2)의 60% ~ 86% 범위에 형성되는 것이 바람직하다.

합력지지면(S) 거리(Y1)가 합력작용선 거리(Y2)의 60% 미만이거나 86%를 초과하게 되면 압축기 부품의 패키지 및 공용화 비율이 저하되어 각각의 압축기 마다 전용 부품을 따로 제작해야만 하므로 압축기 제조비용이 크게 상승하기 때문이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 구동축 200 : 로터
210, 220 : 로터아암 300 : 사판
310 : 허브 320 : 허브아암
400 : 힌지핀 F : 피스톤 압축 반력의 합력
S : 합력지지면

Claims

일단에 동력이 입력되는 풀리가 장착된 구동축(100)과;
상기 구동축(100)에 스플라인 결합되어 구동축(100)과 일체로 회전되고, 일측면에 로터아암(210,220)이 돌출 형성된 로터(200)와;
상기 구동축(100)에 전후 이동 및 경사각 조절이 가능하게 장착되고, 상기 로터아암(210,220)에 힌지핀(400)을 매개로 연결되는 허브아암(320)이 형성된 허브(310)와;
상기 허브(310)의 외주에 장착되고, 외주부에 피스톤이 연결되는 사판(300);을 포함하고,
상기 로터아암(210,220)과 허브아암(320)이 상기 피스톤 압축 반력의 합력(F) 작용선 쪽으로 위치 이동되어 상기 구동축(100)의 중심선(A-A)에 대해 편심 형성된 것을 특징으로 하는 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치.
청구항 1에 있어서,
상기 로터(200)에 1개의 로터아암(210)이 형성되고, 상기 허브(310)에 2개의 허브아암(320)이 형성되어 허브아암(320)의 사이에 로터아암(210)이 삽입되는 상태로 연결된 것을 특징으로 하는 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치.
청구항 1에 있어서,
상기 로터(200)에 2개의 로터아암(220)이 형성되고, 상기 허브(310)에 2개의 허브아암(320)이 형성되어 로터아암(220)의 사이에 허브아암(310)이 삽입되는 상태로 연결된 것을 특징으로 하는 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치.
청구항 1에 있어서,
상기 구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 상기 합력(F)을 지지하는 합력지지면(S)까지의 거리(Y1)는 구동축(100) 중심선(A-A)으로부터 합력(F) 작용선까지의 거리(Y2)의 60% ~ 86% 범위에 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 사판식 압축기의 피스톤 구동장치.