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KR101245024B1 - 밀폐형 압축기 및 그를 이용한 냉동 냉장 장치 - Google Patents

밀폐형 압축기 및 그를 이용한 냉동 냉장 장치 Download PDF

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KR101245024B1
KR101245024B1 KR1020107025312A KR20107025312A KR101245024B1 KR 101245024 B1 KR101245024 B1 KR 101245024B1 KR 1020107025312 A KR1020107025312 A KR 1020107025312A KR 20107025312 A KR20107025312 A KR 20107025312A KR 101245024 B1 KR101245024 B1 KR 101245024B1
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KR
South Korea
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piston
angle
compression chamber
shaft
center
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KR1020107025312A
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KR20110003365A (ko
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히로나리 아카시
이치로 모리타
히로키 도리마스
마사노리 고바야시
Original Assignee
파나소닉 주식회사
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Publication date
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Abstract

베어링부(120) 및 압축실(115)은 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)이 서로 교차하도록 배치되며, 제 1 중심선(141)과 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a1)와 사전 설정된 각도(b1)는 식 (1)의 관계를 만족할 수도 있으며, 각도(b1)는 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)에 관련되어 설정되며, 이에 의해 피스톤과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다.

Description

밀폐형 압축기 및 그를 이용한 냉동 냉장 장치{CLOSED TYPE COMPRESSOR AND FREEZING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 냉동 냉장고(freezer-refrigerator) 등의 냉동 사이클에 사용되는 밀폐형 압축기와 그 밀폐형 압축기를 이용한 냉동 냉장 장치에 관한 것이다.
최근, 냉동 냉장고 등의 냉동 냉장 장치에 사용되는 밀폐형 압축기는 소비 전력을 줄이기 위한 고효율화 외에 저소음화나 고신뢰성이 요구된다. 이러한 종류의 종래의 밀폐형 압축기 중에서, 몇몇은 커넥팅 로드와 피스톤 사이의 연결부로의 급유 방법을 개선함으로써 효율이나 신뢰성을 향상시켰다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
이하, 첨부 도면을 참조하면서 이러한 종래의 밀폐형 압축기의 예에 대하여 설명한다. 도 20은 특허문헌 1에 개시된 종래의 밀폐형 압축기의 종단면도이다. 도 21은 도 20의 요부의 확대 단면도이다. 도 22는 도 20의 요부의 단면도이다.
도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 밀폐 용기(1)에는 스테이터(2) 및 로터(3)를 갖는 전동 요소(motor-driven element)(4)와, 전동 요소(4)에 의해 구동되는 압축 요소(5)가 통합된다. 밀폐 용기(1)의 바닥부에는 윤활유(6)가 저류된다. 샤프트(10)는 주축부(11)와, 이 주축부(11)와 일체로 이동하도록 그의 일단부에 편심되어 형성된 편심축부(12)를 갖는다. 주축부(11)는 로터(3)의 축심에 고정되어 있다.
실린더 블록(14)은 서로 특정 위치에 고정되도록 배치된 대략 원통형의 압축실(15) 및 베어링부(20)를 갖는다. 압축실(15)에는 피스톤(23)이 왕복 운동 가능하게 삽입되어 있다.
피스톤(23)은 편심축부(12)에 평행하게 되도록 끼워 맞춤된 피스톤 핀(25)을 갖는다. 베어링부(20)는 샤프트(10)의 주축부(11)에 있어서의 편심축부(12)측 단부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링(cantilever bearing)을 형성한다.
커넥팅 로드(26)는 대단부 구멍부(large end hole part)(28), 소단부 구멍부(small end hole part)(29) 및 로드부(30)로 구성되어 있다. 대단부 구멍부(28)는 편심축부(12)에 밀착하여 끼워 맞춤되며, 소단부 구멍부(29)는 피스톤 핀(25)에 연결된다. 그 결과, 편심축부(12)와 피스톤(23)은 서로 연결된다. 소단부 구멍부(29)의 내벽은, 피스톤 핀(25)과 소단부 구멍부(29)가 소단부 구멍부(29)의 축방향 중심 부근에서 서로 접촉하는 경우에, 소단부 구멍부(29)의 축방향의 양단부에 각각 간극이 형성되도록 볼록면 형상의 구면부(31)를 갖는다.
샤프트(10)의 내부에는 급유 통로(35)가 마련되어 있으며, 이 급유 통로(35)의 편심축부(12)측의 단부에는 산유관(oil sprinkle tube)(36)이 끼워 맞춤되어 있다. 주축부(11)의 편심축부(12)와 반대측 단부, 즉 하단부(40)는 윤활유(6)가 소정의 깊이까지 침입하도록 급유 통로(35) 내로 돌출되어 있다.
이러한 구성을 갖는 밀폐형 압축기에 있어서, 이하에 그 작동을 설명한다. 전동 요소(4)의 로터(3)는 샤프트(10)를 회전시킨다. 그에 따라, 편심축부(12)의 회전 운동이 커넥팅 로드(26)를 거쳐 피스톤(23)에 전달된다. 그 결과, 피스톤(23)은 압축실(15) 내에서 왕복 운동한다. 피스톤(23)의 왕복 운동에 의해, 냉각 시스템(도시 생략)으로부터 냉각 가스가 압축실(15) 내로 흡입되며, 압축된 후에 다시 냉각 시스템으로 토출된다.
급유 통로(35)의 하단부는 샤프트(10)의 회전에 의해 펌프와 같이 작용하도록 설계되어 있다. 이러한 펌프 작용에 의해, 밀폐 용기(1)의 바닥부의 윤활유(6)는 급유 통로(35)를 거쳐 상방으로 펌핑된다. 급유 통로(35)의 상부에 도달한 윤활유(6)는, 화살표(X)로 표시된 바와 같이, 산유관(36)의 상부로부터 원심력에 의해 밀폐 용기(1) 내의 전체 원주 방향으로 수평하게 분사된다. 분사된 윤활유(6)의 일부는 피스톤 핀(25), 피스톤(23) 등을 윤활하도록 공급된다.
소단부 구멍부(29)의 내벽이 볼록면 형상의 구면부(31)를 가지므로, 커넥팅 로드(26)를 상하로 움직이게 하는 힘이 발생한 경우, 구면부(31)의 접촉 부분이 빗나가게 됨으로써, 피스톤 핀(25)과 소단부 구멍부(29)의 국소적인 지렛대 거동(prying)이 방지될 수 있다. 나아가, 피스톤 핀(25)과 소단부 구멍부(29)의 슬라이딩부(sliding parts)에 다량의 윤활유(6)가 공급될 수 있어서, 높은 신뢰성 및 효율이 얻어진다.
그러나, 종래의 밀폐형 압축기에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용할 때에 발생하는 피스톤(23)과 압축실(15)의 내벽(15a) 사이의 지렛대 거동을 방지하는 것에는 충분하지 못했다.
도 22의 요부의 단면도를 참조하여, 피스톤(23)과 압축실(15)의 내벽(15a) 사이의 지렛대 거동의 발생을 설명한다.
도 22에 도시된 바와 같이, 냉매 가스의 압축 행정에서 피스톤(23)에 발생하는 압축 하중(F)은 커넥팅 로드(26)를 거쳐 편심축부(12)에 작용한다. 주축부(11)와 베어링부(20) 사이에 간극이 존재하기 때문에, 압축 하중(F)이 편심축부(12)에 작용할 때, 샤프트(10)는 베어링부(20)의 축심(20A)을 기준으로 하여, 주축부(11)가 베어링부(20) 내에서의 최대 범위의 각도(c)로 경사지게 된다. 그 결과, 편심축부(12)도 주축부(11)의 축심으로부터[즉, 주축부(11)의 축심과 평행한 편심축부(12)의 축심(12A)을 기준으로 하여] 각도(dc)만큼 경사지게 되며, 압축실(15)과 베어링부(20) 사이의 축심의 상대 각도도 변화한다. 그 때문에, 피스톤(23)은 도 22에 도시된 바와 같이 그 축심이 경사지게 된다.
종래의 밀폐형 압축기에서, 소단부 구멍부(29)의 내벽에 볼록면 형상을 형성함으로써, 피스톤(23)의 경사를 억제할 수 있지만, 피스톤(23)과 압축실(15)의 내벽(15a) 사이의 지렛대 거동의 발생을 방지할 수는 없었다.
피스톤(23)과 압축실(15)의 내벽(15a) 사이에 발생하는 지렛대 거동으로 인해, 압축실(15)의 내벽(15a)과 슬라이딩하는 피스톤(23)의 슬라이딩면의 일부, 즉 도면 중에서 P로 표시한 상단면의 에지의 일부의 면압이 국부적으로 증가한다. 그 결과, 소단부 구멍부(29)에 볼록면 형상의 내벽을 갖는 종래의 밀폐형 압축기에서도, 피스톤(23)의 조속한 마찰, 마찰량의 증가, 슬라이딩 손실의 증대 등과 같은 문제가 있었다.
일본 특허 공개 제 1997-317644 호
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 피스톤과 압축실 사이의 지렛대 거동을 방지함으로써, 피스톤의 마찰을 억제하고 슬라이딩 손실을 줄이며 신뢰성 및 효율을 증대시킬 수 있는 밀폐형 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 밀폐 용기 내에 전동 요소와 그 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소를 수납한 밀폐형 압축기로서, 압축 요소는, 전동 요소에 의해 회전 구동되는 주축부 및 주축부와 일체로 운동하도록 주축부의 일단부에 형성된 편심축부를 갖는 샤프트와, 샤프트의 주축부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성하는 베어링부와, 베어링부에 있어서의 특정 위치에 고정되도록 배치되며 원통형 압축실을 형성하는 실린더 블록과, 압축실의 내부에 왕복 운동 가능하게 삽입된 피스톤과, 편심축부와 피스톤을 연결하는 커넥팅 로드를 포함하며, 베어링부 및 압축실은 베어링부의 축심 또는 베어링부의 축심에 평행한 선이 압축실의 축심과 서로 교차하도록 배치되며, 베어링부의 축심 또는 베어링부의 축심에 평행한 선과 압축실의 축심에 의해 형성되는 각도(a1)(rad)와 사전 설정된 각도(b1)(rad)가 식 (1)을 만족하며, 각도(b1)는 베어링부와 주축부 사이의 간극에 기초한 베어링부에 대한 샤프트의 경사 각도의 절대값(c1)(rad)과 관련하여 설정되는 밀폐형 압축기를 제공한다.
a1 = π/2 ＋ b1 (rad) 식 (1)
또한, 본 발명은, 밀폐 용기 내에 전동 요소와 그 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소를 수납한 밀폐형 압축기로서, 압축 요소는, 전동 요소에 의해 회전 구동되는 주축부 및 주축부와 일체로 운동하도록 주축부의 일단부에 형성된 편심축부를 갖는 샤프트와, 샤프트의 주축부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성하는 베어링부와, 베어링부에 있어서의 특정 위치에 고정되도록 배치되며 원통형 압축실을 형성하는 실린더 블록과, 압축실의 내부에 왕복 운동 가능하게 삽입되며 핀 구멍을 갖는 피스톤과, 핀 구멍에 삽입 고정되는 피스톤 핀과, 편심축부와 피스톤을 연결하며 일단부에 대단부 구멍부와 타단부에 소단부 구멍부를 갖는 커넥팅 로드를 포함하며, 피스톤의 축심과 핀 구멍의 축심에 의해 형성되는 각도(a2)(rad)와 사전 설정된 각도(b2)(rad)가 식 (2)를 만족하며, 각도(b2)는 베어링부와 주축부 사이의 간극에 기초한 베어링부에 대한 샤프트의 경사 각도의 절대값(c2)(rad)과 관련하여 설정되는 밀폐형 압축기를 제공한다.
a2 = π/2 ＋ b2 (rad) 식 (2)
또한, 본 발명은, 밀폐 용기 내에 전동 요소와 그 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소를 수납한 밀폐형 압축기로서, 압축 요소는, 전동 요소에 의해 회전 구동되는 주축부 및 주축부와 일체로 운동하도록 주축부의 일단부에 형성된 편심축부를 갖는 샤프트와, 샤프트의 주축부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성하는 베어링부와, 베어링부에 있어서의 특정 위치에 고정되도록 배치되며 원통형 압축실을 형성하는 실린더 블록과, 압축실의 내부에 왕복 운동 가능하게 삽입되며 핀 구멍을 갖는 피스톤과, 핀 구멍에 삽입 고정되는 피스톤 핀과, 편심축부와 피스톤을 연결하며 일단부에 대단부 구멍부와 타단부에 소단부 구멍부를 갖는 커넥팅 로드를 포함하며, 대단부 구멍부의 축심과 소단부 구멍부의 축심에 의해 형성되는 각도(a3)(rad)가, 베어링부와 주축부 사이의 간극에 기초한 베어링부에 대한 샤프트의 경사 각도의 절대값(c3)(rad)의 0.5배 내지 3.3배 이도록 구성되는 밀폐형 압축기를 제공한다.
이러한 구성에 의해, 피스톤과 압축실 사이의 지렛대 거동을 방지할 수 있다. 그 결과, 피스톤의 마모가 감소되어 신뢰성이 높아지며, 슬라이딩 손실의 감소로 고효율화가 달성된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 있어서의 밀폐형 압축기의 종단면도,
도 2는 도 1의 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용하지 않을 때의 요부의 확대 단면도,
도 3은 도 1의 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용할 때의 요부의 확대 단면도,
도 4는 도 1의 실시예에 있어서의 베어링부와 압축실의 상대적 위치를 나타내는 요부의 단면도,
도 5는 도 1의 실시예에 기초한 실험의 결과를 나타내는 특성도,
도 6은 도 1의 실시예에 있어서의 베어링부와 압축실의 상대적 위치를 나타내는 상면의 단면도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 있어서의 압축실 근방의 요부의 단면도,
도 8은 도 7의 실시예에 있어서의 압축실 근방의 요부의 단면도,
도 9는 도 7의 실시예에 기초한 실험의 결과를 나타내는 특성도,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예 3에 있어서의 밀폐형 압축기의 종단면도,
도 11은 도 10의 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용하지 않을 때의 요부의 확대 단면도,
도 12는 도 10의 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용할 때의 요부의 확대 단면도,
도 13은 도 10의 실시예에 있어서의 피스톤과 핀 구멍의 상대적 위치를 나타내는 요부의 단면도,
도 14는 도 10의 실시예에 기초한 실험의 결과를 나타내는 특성도,
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 4에 있어서의 압축 하중이 작용하지 않을 때의 요부의 확대 단면도,
도 16은 도 15의 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용할 때의 요부의 확대 단면도,
도 17은 도 15의 실시예에 있어서의 커넥팅 로드의 대단부 구멍부와 소단부 구멍부의 상대적 위치를 나타내는 요부의 단면도,
도 18은 도 15의 실시예에 기초한 실험의 결과를 나타내는 특성도,
도 19는 본 발명의 바람직한 실시예 5에 있어서의 냉동 냉장고의 개략 구성도,
도 20은 종래의 밀폐형 압축기의 종단면도,
도 21은 도 20에 있어서의 요부의 확대 단면도,
도 22는 도 20에 있어서의 요부의 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이들 바람직한 실시예에 한정되지 않음을 유의해야 한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 있어서의 밀폐형 압축기의 종단면도이다. 도 2는 동일한 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용하지 않을 때의 요부의 확대 단면도이다. 도 3은 동일한 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용할 때의 요부의 확대 단면도이다. 도 4는 동일한 실시예에 있어서의 베어링부와 압축실의 상대적 위치를 나타내는 요부의 단면도이다. 도 5는 동일한 실시예에 기초한 실험의 결과를 나타내는 특성도이다.
도 1 내지 도 3에서, 밀폐 용기(101)는 스테이터(102) 및 로터(103)를 갖는 전동 요소(104)와, 전동 요소(104)에 의해 구동되는 압축 요소(105)를 통합한다. 밀폐 용기(101)의 바닥부에는 윤활유(106)가 저류되어 있다.
샤프트(110)는 주축부(111)와, 이 주축부(111)와 일체로 운동하도록 그의 일단부에 편심되어 형성된 편심축부(112)를 갖는다. 주축부(111)는 로터(103)의 축심에 고정되어 있다. 샤프트(110)의 내부나 표면에는 급유 통로(113)가 형성되어 있다. 샤프트(110)의 하단부는, 윤활유(106)가 소정의 깊이까지 급유 통로(113) 내로 침입할 수 있도록 연장되어 있다.
실린더 블록(114)은 서로 특정 위치에 고정되도록 배치된 원통형(또는 거의 원통형) 압축실(115) 및 베어링부(120)를 갖는다. 베어링부(120)는 샤프트(110)의 주축부(111)에 있어서의 편심축부(112)측 단부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성한다.
압축실(115) 내에는 피스톤(123)이 왕복 운동 가능하게 삽입된다. 피스톤(123)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 편심축부(112)와 평행하게 되도록 피스톤 핀(125)을 갖는다.
실린더 블록(114)의 단부면에는 밸브 플레이트(150)가 마련되어 있다. 피스톤(123) 및 밸브 플레이트(150)와 함께 압축실(115)을 형성하기 위해, 실린더 블록(114)의 내에는 원통형 구멍부(116)가 형성되어 있다.
커넥팅 로드(126)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 대단부 구멍부(128), 소단부 구멍부(129) 및 로드부(130)로 구성되어 있다. 대단부 구멍부(128)는 편심축부(112)에 끼워 맞춤되어 있고, 소단부 구멍부(129)는 피스톤 핀(125)을 거쳐 피스톤(123)에 연결되어 있다. 편심축부(112) 및 피스톤(123)은 커넥팅 로드(126) 및 피스톤 핀(125)을 거쳐 서로 연결되어 있다.
본 바람직한 실시예에서, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용하는 경우, 종래의 예에서와 마찬가지로, 샤프트(110)의 경사로 인해 피스톤(123)의 축심(C)이 경사진다. 그러나, 본 바람직한 실시예에서는 피스톤(123)의 경사에 대응하여 압축실(115)이 그의 축심(D)을 경사지게 함으로써 형성되어 있다.
즉, 본 바람직한 실시예에서는, 압축 하중이 작용하지 않는 경우, 도 2의 확대 단면도에 도시된 바와 같이, 축심(D)을 경사지게 형성한 압축실(115)에 대하여 피스톤(123)의 축심(C)은 경사지지 않는다. 한편, 압축 하중이 작용하는 경우에는, 도 3의 확대 단면도에 도시된 바와 같이, 압축실(115)의 축심(D)과 피스톤(123)의 축심(C)이 서로 일치할 수 있도록 피스톤(123)은 경사지게 된다.
압축실(115)의 경사에 대하여는 도 4를 참조해서 설명한다. 베어링부(120) 및 압축실(115)은, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)이 서로 교차할 수 있도록 배치된다. 제 1 중심선(141)과 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도(a1)는, 종래의 밀폐형 압축기에서는 π/2였던 반면에, 본 바람직한 실시예에서는 각도(a1)가 사전 설정된 각도(b1)와 함께 식 (1)을 만족한다.
이하, 그러한 구성을 갖는 밀폐형 압축기에서의 동작 및 작용을 설명한다. 도 1에서, 전동 요소(104)의 로터(103)는 샤프트(110)를 회전시킨다. 샤프트(110)의 회전에 따라, 편심축부(112)의 회전 운동이 커넥팅 로드(126)를 거쳐 피스톤(123)에 전달된다. 그 결과, 피스톤(123)은 압축실(115) 내에서 왕복 운동한다. 피스톤(123)의 왕복 운동에 의해, 냉동 사이클을 갖는 냉각 시스템(도시 생략)으로부터 냉매 가스가 압축실(115) 내로 흡입된다. 냉매 가스는 압축실(115)에서 한 차례 압축된 후, 다시 냉각 시스템으로 토출된다.
급유 통로(113)의 하단부는 샤프트(110)의 회전에 의해 펌프와 같은 작용을 한다. 이러한 펌프 작용에 의해, 밀폐 용기(101)의 바닥부 내의 윤활유(106)는 급유 통로(113)를 통해 상방으로 펌핑되며, 밀폐 용기(101) 내의 전체 원주 방향으로 수평하게 분사된다. 분사된 윤활유(106)의 일부는 피스톤 핀(125), 피스톤(123) 등을 윤활하도록 공급된다.
켄틸레버 베어링에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 샤프트(110)의 편심축부(112)에 대하여 오직 주축부(111)의 편측에서만 지지된다. 따라서, 샤프트(110)는 주축부(111)와 베어링부(120) 사이의 간극 내에서 경사진다. 그러므로, 베어링부(120)의 간극 내에서 경사진 샤프트(110)의 주축부(111)의 축심(144)과, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이의 각도(a1)는 π/2보다 작다.
이러한 샤프트(110)의 경사에 의한 피스톤(123)의 압축실(115)에 대한 지렛대 거동을 방지하기 위해, 본 바람직한 실시예에서는 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선 사이의 각도(a1)가 π/2보다 약간 크게 설정된다.
도 4에서, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 교점을 O로 한다. 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값을 c1으로 한다. 사전 설정된 각도의 값을 b1으로 한다. 이때, 압축실(115)은 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141) 및 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a1)가 식 (1) 및 식 (3)을 만족하도록 형성된다.
b1 = f(c1); f는 독립 변수 c1에 대한 함수 식 (3)
각도(b1)를 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)에 관련짓게 하기 위한 구체적인 값으로서 실험값이 사용될 수도 있다. 도 5는, 압축실(115)의 축심의 각도에 있어서 상이한 4종류의 실린더 블록(114)이 마련되어 이들 실린더 블록이 조립된 밀폐형 압축기의 효율을 측정한 결과를 나타낸다. 도 5에서, 횡축은 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 π/2로부터의 확대[도 5에서는 베어링에 대한 압축실의 각도(b1)로 기재됨]를 나타낸다. 종축은 각도(b1)에 대한 효율 COP(coefficient of performance)를 나타낸다. 즉, 도 5는 각도(b1)에 대한 효율 COP의 측정값을 2차 곡선으로 근사한 특성도이다.
여기에서, 선(P1)은 각도(b1)가 0(rad)임을 나타내며, 이때의 효율은 종래의 밀폐형 압축기의 평균값을 나타낸다. 본 실험에서, 간극에 의한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)은 선(Q1)으로 표시되는 약 3.7×10-4(rad)이었다. 도 5로부터, 각도(b1)가 약 3.7×10-4(rad) 내지 10×10-4(rad)의 범위(A) 내에 있을 때에 효율이 매우 높아지게 된다는 것을 알았다. 유사하게, 각도(b1)가 약 2×10-4(rad) 내지 12×10-4(rad)의 범위(B) 내에 있을 때에 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다.
이 각도(b1)의 범위는 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)을 사용하여 표시되는데, 각도(b1)가 1.0c1 내지 2.7c1의 범위 내에 있을 때에 효율은 매우 높으며, 특히 0.5c1 내지 3.3c1의 범위 내에서 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다.
그러므로, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a1)가 식 (1)로 표현된 때에, 각도(b1)와 각도의 절대값(c1)은 식 (4)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
0.5c1≤b1≤3.3c1 식 (4)
또한, 각도(b1)과 각도의 절대값(c1)은 식 (5)의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다.
1.0c1≤b1≤2.7c1 식 (5)
이와 같이, 식 (1)로 표현되는 각도(a1)를 압축실(115)의 축심의 각도의 설계값으로 하고, 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)에 관련지음으로써 실제 값에 근접하도록 사전 설정된 각도(b1)를 설정하는 것에 의해, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 보다 확실하게 방지될 수 있다.
또한, 효율을 높이기 위해, 구성은 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)과 베어링부(120)를 나타내는 제 1 중심선(141)이 교차하지 않도록 결정될 수도 있다.
이 구성은 본 바람직한 실시예에 있어서의 베어링부와 압축실의 위치 관계를 나타내는 도 6의 상면의 단면도를 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 기술된다.
압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 대하여, 베어링부(120)를 나타내는 제 1 중심선(141)(도 6에서는 점임)은 "e"의 치수만큼 평행하게 이탈하게 되며, 이를 일반적으로 오프셋이라고 부른다.
도 6에서, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)(도 6에서는 점임)에 평행한 제 3 중심선(143)(도 6에서는 점임), 즉 베어링부(120)의 축심에 평행한 선과, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)은 서로 교차한다. 실험에 의하면, 치수 "e"가 3㎜ 이내이면, 본 구성에서도 도 5에서 나타난 것과 동일한 결과가 얻어졌다.
그러므로, 베어링부(120)에 대한 압축실(115)의 오프셋(치수 "e")이 3㎜ 이내이면, 상기와 동일한 효과가 얻어진다. 즉, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)과 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 평행한 제 3 중심선(143)이 서로 교차하도록 베어링부(120)와 압축실(115)이 배치된 경우, 이하의 사항이 알려질 수도 있다. 제 3 중심선(143)과 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도(a1')(rad)가 식 (6)으로 표현되며, 이때, 각도(b1)와 각도의 절대값(c1)이 식 (4)의 관계를 만족할 수도 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 각도(b1)와 각도의 절대값(c1)은 식 (5)의 관계를 만족해야만 한다.
a1' = π/2 ＋ b1 (rad) 식 (6)
본 바람직한 실시예의 캔틸레버 베어링에서, 피스톤(123)이 하사점에 위치할 때, 적어도 피스톤(123)의 일부가 실린더 블록(114)으로부터 노출될 수도 있도록 형성되어 있다. 구체적으로, 축방향에 있어서 피스톤(123)의 전체 길이의 적어도 1/3 이상이 노출될 수도 있도록 형성되어 있다.
흡입 행정의 후반 또는 압축 행정의 초기에서, 냉매 가스의 압력으로 인한 압축 하중이 피스톤(123)의 단부면(123a)에 크게 작용하지 않는 경우, 샤프트(110)는 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 내에 유지되어 그다지 크게 경사지지 않는다. 따라서, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 상대 각도를 π/2보다 약간 크게 설정함으로써, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 증가되며, 슬라이딩 손실이 증대될 우려가 있다.
그러나, 본 바람직한 실시예에서는, 피스톤(123)이 하사점에 위치할 때, 축방향의 전체 길이에 있어서 피스톤(123)의 적어도 1/3 이상이 노출되도록 설계되어 있다. 즉, 지렛대 거동을 야기하는 피스톤(123)의 축방향 길이가 짧게 형성되어, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 억제될 수도 있다.
그러므로, 피스톤(123)이 하사점 근방에 위치하는 경우, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다. 그 결과, 피스톤(123)의 마찰 감소에 의한 높은 신뢰성 및 슬라이딩 손실 경감에 의한 고효율을 실현할 수 있다.
[실시예 2]
바람직한 실시예 1에서, 피스톤(123)의 경사에 대응하여 압축실(115)은 그 축심(D)을 경사지게 하여 형성되었다. 그러나, 본 바람직한 실시예에서는, 바람직한 실시예 1의 구성에 더하여, 압축실(115)을 형성하기 위한 원통형 구멍부(116) 내에 테이퍼부가 형성되어 있다. 그러므로, 본 바람직한 실시예에서는, 바람직한 실시예 1에서와 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고, 바람직한 실시예 1과 상이한 구성을 주로 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 바람직한 실시예에도 적용될 수 있다. 도 7은 본 바람직한 실시예에 있어서의 압축실 근방의 요부의 단면도이며, 피스톤이 하사점에 위치하는 상태를 나타낸다. 도 8은 본 바람직한 실시예에 있어서의 압축실 근방의 요부의 단면도이며, 피스톤이 테이퍼부를 따라 슬라이딩하고 있는 상태를 나타낸다. 도 9는 본 바람직한 실시예에 기초한 실험의 결과를 나타내는 특성도이다.
본 바람직한 실시예에서는, 바람직한 실시예 1에서와 마찬가지로, 피스톤(123) 및 밸브 플레이트(150)와 함께 압축실(115)을 형성하기 위해, 실린더 블록(114) 내에 원통형 구멍부(116)가 형성되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 원통형 구멍부(116)는, 피스톤(123)이 상사점에 위치하는 측으로부터 하사점에 위치하는 측을 향해 내경이 Dt로부터 Db(＞Dt)까지 증가하는 테이퍼부(117)를 갖는다. 또한, 원통형 구멍부(116)는, 상사점에 도달한 피스톤(123)의 압축실(115)측의 단부에 대응하는 위치에, 축방향으로 길이(L)의 구간만큼 내경이 일정한 스트레이트부(118)를 갖는다. 피스톤(123)은 전체 길이에 걸쳐서 동일한 외경으로 형성되어 있다.
실린더 블록(114)은, 도 7에 도시된 바와 같이 피스톤(123)이 하사점에 위치하는 동안 피스톤(123)의 반 압축실(115)측이 노출되도록, 원통형 구멍부(116)의 주변 벽의 일부, 즉 상방 벽부(119) 내에 절결된 노치를 갖는다.
본 바람직한 실시예의 이러한 구성에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용할 때의 샤프트(110)의 경사로 인한 피스톤(123)의 경사에 대응하여, 압축실(115)이 그 축심(D)을 경사지게 하여 형성되며, 나아가 압축실(115)을 형성하기 위한 원통형 구멍부(116) 내에 테이퍼부(117)가 형성되어 있다.
압축실의 축심(D)을 경사지게 하여 압축실을 형성하는 구성에 대해 구체적으로 설명한다. 바람직한 실시예 1의 도 4에서 설명한 바와 같이, 베어링부(120) 및 압축실(115)은 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)이 서로 교차하도록 배치된다. 제 1 중심선(141)과 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도 중, 제 1 중심선(141)의 하방의 베어링부(120)측과 제 2 중심선 하방의 압축실(115)측 사이의 각도를 a1으로 한다. 종래의 밀폐형 압축기에서는 바람직한 실시예 1에서 설명한 바와 같이 각도(a1)는 π/2였다. 본 바람직한 실시예에서는 바람직한 실시예 1에서와 마찬가지로 사전 설정된 값의 각도를 b1으로 할 때, 각도(a1) 및 각도(b1)는 식 (1)을 만족한다.
이하는 압축실(115)을 형성하는 원통형 구멍부(116)의 테이퍼부(117) 및 스트레이트부(118)의 구성에 대한 설명이다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩할 때의 피스톤(123)의 축심과, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도를 d1으로 한다. 이때, 도 7 및 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 테이퍼부(117)와 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도가 d1에 해당한다.
이러한 구성을 갖는 밀폐형 압축기에서는, 동작 및 작용이 기본적으로 바람직한 실시예 1에서 설명한 것과 동일하다. 따라서, 샤프트(110)는 주축부(111)와 베어링부(120) 사이의 간극 내에서 경사진다. 그러므로, 베어링부(120)의 간극 내에서 경사진 샤프트(110)의 주축부(111)의 축심(144)과, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이의 각도(a1)는 π/2보다 작다.
이러한 샤프트(110)의 경사에 의한 피스톤(123)의 압축실(115)에 대한 지렛대 거동을 방지하기 위해, 본 바람직한 실시예에서는 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이의 각도(a1)가 π/2보다 약간 크게 설정된다.
도 4에서, 바람직한 실시예 1에서와 마찬가지로, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 교점을 O로 한다. 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값을 c1으로 한다. 사전 설정된 각도의 값을 b1으로 가정하면, 본 바람직한 실시예에서, 압축실(115)은 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141) 및 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a1)가 식 (1) 및 식 (3)을 만족하도록 형성된다.
상기한 바와 같이, 본 바람직한 실시예에서는, 샤프트(110)의 경사로 인한 피스톤(123)의 압축실(115)에 대한 지렛대 거동이 방지된다. 이와 동시에, 압축 행정에서 상사점측으로 이행하는 도중의 위치까지 슬라이딩 손실이 낮게 억제되며, 피스톤(123)이 상사점 위치에 접근하는 경우, 냉매 가스의 압력 증가로 인한 가스 누출의 발생이 방지된다. 따라서, 본 바람직한 실시예에서는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 압축실(115)을 형성하는 원통형 구멍부(116)는, 피스톤(123)이 상사점에 도달한 때의 피스톤(123)의 압축실(115)측의 단부에 대응하는 위치에, 축방향으로 내경이 일정하도록 형성된 스트레이트부(118)를 갖는다. 또한, 원통형 구멍부(116)는, 피스톤(123)이 상사점에 위치하는 측으로부터 하사점에 위치하는 측을 향해 내경이 증가하는 테이퍼부(117)를 갖는다.
나아가, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩할 때의 피스톤(123)의 축심(C)과, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도(d1)에 사전 설정된 각도(b1)를 가산한 값은 각도(c1)와 관련지어 설정된다. 즉, 각도(b1)과 각도(d1)의 합이 식 (7)을 만족하도록 압축실(115)이 형성된다.
(b1＋d1) = f'(c1); f'는 독립 변수 c1에 대한 함수 식 (7)
이와 같이, 본 바람직한 실시예에서는, 사전 설정된 각도(b1)의 값 또는 각도(b1)와 테이퍼부(117)의 설정 각도(d1)를 가산한 값은, 샤프트(110)의 경사 각도의 잘대값(c1)에 관련된 구체적인 값으로서 실험값을 사용할 수 있다. 도 9는, 본 바람직한 실시예에 있어서, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 각도가 상이한 몇 종류의 실린더 블록(114)이 마련되어 이들 실린더 블록이 조립되어 있는 밀폐형 압축기의 효율을 측정한 결과를 나타낸다.
즉, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 π/2로부터의 확대 각도(b1)와, 테이퍼부(117)의 각도(d1)의 합(b1＋d1)을 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)으로 나누었으며, 그에 의해 얻어진 무차원 수가 횡축에 표시되어 있다. 횡축의 각 각도에 대응하는 효율 COP은 종축에 표시되어 있다. 즉, 도 9는 (b1＋d1)/c1에 있어서의 효율의 각 측정값을 2차 곡선으로 근사한 특성도이다.
여기에서, 횡축 상의 값 0에서의 효율은 종래의 밀폐형 압축기에 있어서 테이퍼부(117)가 없는 사양에서의 평균값을 나타낸다. 본 실험에서, 간극에 의한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)은 약 3.7×10-4(rad)이었다. 그러므로, 도 9에서, 이들 값은 각각 선(P2) 및 선(Q2)로 표시된다.
도 9로부터, (b1＋d1)/c1의 값이 약 1 내지 3.2의 범위(A) 내에 있을 때에 효율이 매우 높다는 것을 알았다. 또한, (b1＋d1)/c1의 값이 약 0.3 내지 4의 범위(B) 내에 있을 때에 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다는 것을 알았다.
그러므로, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)의 각도(a1)가 식 (1)로 표현되는 경우, 바람직하게는 각도(b1)와 각도(c1)는 식 (8)의 관계를 만족해야만 한다.
0＜b1≤2.5c1 식 (8)
한편, 각도(b1)를 0(rad)을 포함하지 않는 양의 값으로 설정함으로써, 특히 압축 행정에서, 샤프트(110)가 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 내에서 크게 경사진 때에 있어서의 스트레이트부(118)와 피스톤(123) 사이의 지렛대 거동을 효과적으로 방지한다. 또한, 각도(b1)를 2.5c1 이하로 설정함으로써, 흡입 행정의 후반부 또는 압축 행정의 초기에서, 샤프트(110)가 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 사이에서 그리 크게 경사져 있지 않은 때에, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동의 발생을 효과적으로 방지한다.
동시에, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩하는 때의 피스톤(123)의 축심(C)과 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(d1)는 각도(b1), 각도(c1) 및 각도(d1)에 관련되는 식 (9)를 만족하는 것이 바람직하다.
0.3c1≤(b1＋d1)≤4c1 식 (9)
보다 바람직하게는, 각도(b1), 각도(d1) 및 각도(c1)는 식 (10)을 만족하는 관계이어야만 한다.
c1≤(b1＋d1)≤3.2c1 식 (10)
여기에서, 베어링부(120)의 축심(141)에 대한 압축실(115)의 축심(142)의 각도를 π/2보다 크게 설정하는 것의 효과와, 압축실(115)의 커넥팅 로드(126)측에 테이퍼부(117)를 형성하는 것의 효과를 설명한다.
우선, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 각도를 π/2보다 크게 설정하는 것의 효과는 바람직한 실시예 1에서 설명한 바와 동일하다. 즉, 캔틸레버 베어링에 의해 냉매 가스를 압축할 때의 압축 하중에 의한 베어링부(120)의 간극 내에서의 샤프트(110)의 경사로 인한 피스톤(123)의 압축실(115)에 대한 지렛대 거동을 효과적으로 방지한다.
그러나, 피스톤(123)이 압축실(115) 내에서 왕복 운동할 때, 피스톤(123)의 외주면과 압축실(115)의 내주벽 사이의 슬라이딩으로 인해, 슬라이딩 손실이 비교적 커진다.
이 피스톤(123)의 외주면과 압축실(115)의 내주벽 사이의 슬라이딩 손실을 줄이기 위해, 본 바람직한 실시예에서는, 압축실(115)의 상사점측에, 축방향으로 내경이 일정한 스트레이트부(118)가 제공되며, 또한, 테이퍼부(117)가 압축실(115)의 커넥팅 로드(126)측에 상사점측으로부터 하사점측을 향해 내경이 증대되도록 형성되어 제공된다.
따라서, 압축 행정에서 상사점측으로 이행하는 도중의 상태까지는 블로우 바이(blow-by)[즉, 압축실(115) 내에서 압축된 냉매가 피스톤(123)의 외주면과 압축실(115)의 내벽 사이의 간극으로부터 누출되는 현상]이 거의 발생하지 않는다. 또한, 피스톤(123)의 슬라이딩 저항(슬라이딩 손실)은 작아지게 된다. 나아가, 피스톤(123)이 상사점에 접근할 때까지 압축 행정이 진행되는 상태에서, 가스 압력의 증가로 인한 냉매 가스의 가스 누출의 발생은 전체 길이에 걸쳐서 테이퍼부(117)를 형성하는 경우에 비하여 감소될 수 있다.
여기에서, 압축 행정에서는, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩하는 것으로 여겨질 수도 있다. 도 8의 압축실 근방의 요부의 단면에 도시된 바와 같이, 피스톤(123)의 외주면이 중력 방향 하방으로 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩할 때, 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 피스톤(123)의 축심(C)의 경사는 π/2보다 (b1＋d1)만큼 크다. 따라서, 각도(b1)뿐만 아니라 테이퍼부(117)의 각도(d1)도 고려하여, 베어링부(120)와 주축부(111) 사이의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)과의 관계에 의해 최적화하는 것이 고려될 수도 있다.
선택적으로, 테이퍼부(117)의 각도(d1)만을 고려하여, 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)과의 관계에 의해 설계되어도, 축방향으로 내경이 일정한 스트레이트부(118)가 압축실(115)의 상사점측에 제공되는 경우, 스트레이트부(118)와 피스톤(123) 사이의 슬라이딩에서는, 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사로 인한 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동을 방지하는 것은 가능하지 않다.
베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 피스톤(123)의 축심(C)의 경사가 종래의 밀폐형 압축기에서와 마찬가지로 π/2로 유지된 채로, 테이퍼부(117)의 각도(d1)가 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)과의 관계로 설계되는 경우, 테이퍼부(117)의 각도(d1)가 크면, 압축실(115) 내에서의 피스톤(123)의 거동이 불안정하게 되며, 노음이 증가될 수도 있다. 동시에, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 윤활유의 유지가 충분치 못하게 되어 냉매 가스의 누출이 증가될 수도 있다.
이와 반대로, 테이퍼부(117)의 각도(d1)가 작으면, 피스톤(123)의 외주면과 압축실(115)의 내주벽 사이의 슬라이딩 손실을 감소시키기 위한 효과가 줄어든다.
그러므로, 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사로 인한 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다. 동시에, 압축 행정에서 상사점측으로 이행하는 도중의 상태까지는 피스톤(123)의 슬라이딩 저항(슬라이딩 손실)을 효과적으로 감소시킨다. 또한, 피스톤(123)이 상사점 위치에 근접할 때까지 압축 행정이 진행될 때, 가스 압력의 증가로 인한 냉매 가스의 가스 누출의 발생은 줄어든다. 이들 요건을 충족하기 위해, 베어링부(120)의 축심에 대한 압축실(115)의 축심의 각도가 π/2보다 크게 설정되며, 동시에 압축실(115)의 커넥팅 로드(126)측에 테이퍼부(117)가 제공됨으로써, 상승적인 효과가 얻어질 수도 있다.
그러나, 단순히 베어링부(120)의 축심에 대한 압축실(115)의 축심의 각도를 π/2보다 크게 설정하고 압축실(115)의 커넥팅 로드(126)측에 테이퍼부(117)를 형성하는 것만으로는 상호의 문제가 보완되지 않을 수도 있다. 즉, 베어링부(10)의 축심에 대한 압축실(115)의 축심의 각도(a1)와 테이퍼부(117)의 각도(d1) 모두를 고려하여, 각도(b1), 각도(d1) 및 각도(c1)가 식 (9) 및 식 (10)의 관계를 만족하도록 정의되며, 베어링부(120)와 주축부(111) 사이의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c1)에 관련지어서 실제의 값에 근접하도록 설정됨으로써, 상기의 효과가 실현된다.
이때, 또한, 각도(b1) 및 각도(d1)가 식 (11)을 만족하는 경우, 실험 결과에 따르면, 그 효과가 더 증대되며, 종래의 밀폐형 압축기에서보다 신뢰성 및 효율이 더 높아졌다.
0.5b1≤d1≤1.5b1 식 (11)
테이퍼부(117)의 각도(d1)가 각도(b1)의 0.5배 미만인 경우, 피스톤(123)의 외주면과 압축실(115)의 내벽 사이의 슬라이딩 손실을 감소시키는 효과가 작아지게 되며, 반대로 테이퍼부(117)의 각도(d1)가 각도(b1)의 1.5배 초과인 경우에는, 압축실(115) 내에서의 피스톤(123)의 거동이 불안정하게 되어 소음의 증가를 야기하며, 양 특성의 관점으로부터 최적화할 의도이다.
또한, 본 바람직한 실시예에서도 바람직한 실시예 1에서와 마찬가지로, 보다 높은 효율을 얻기 위해, 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)이 베어링부(120)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 교차하지 않도록 구성요소가 배치될 수도 있다. 그러한 경우, 본 바람직한 실시예에서도, 도 6을 참조하여 바람직한 실시예 1에서 설명한 바와 같이, 각도(a1') 및 각도(b1)는 식 (6)을 만족하도록 정의될 수도 있다.
또한, 본 바람직한 실시예에서도, 피스톤(123)이 하사점에 위치하는 경우, 적어도 피스톤(123)의 일부가 실린더 블록(114)으로부터 노출되도록 형성된다. 보다 구체적으로, 피스톤(123)의 축방향에 있어서 전체 길이의 1/3 이상이 노출된다. 그러므로, 바람직한 실시예 1에서 설명한 바와 같이 본 바람직한 실시예에서도, 피스톤(123)이 하사점 근방에 위치하는 경우, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다.
한편, 본 바람직한 실시예에서는, 피스톤(123)이 상사점에 위치하는 경우, 축방향으로 내경이 일정한 스트레이트부(118)가 피스톤(123)의 압축실(115)측의 상단부에 대응하는 압축실(115)의 내주벽에 형성되어 있다. 그러나, 스트레이트부(118)의 형성 없이, 오직 테이퍼부(117)만이 제공되는 한 본 발명은 적용될 수 있다. 즉, 테이퍼부(117)만이 제공되는 경우, 압축실로부터의 냉매 가스의 누출이 증가하며 효율이 감소되는 경향이 있더라도, 베어링부(120)와 주축부(111) 사이의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사의 절대값(c1)과 관련지어서 각도(d1)를 실제의 값에 근접하도록 설계함으로써 문제가 해결될 수 있다.
[실시예 3]
바람직한 실시예 1 및 2에서는, 피스톤(123)의 경사에 대응하여 압축실(115)의 축심을 경사지게 함으로써 압축실(115)이 형성된다. 그러나, 본 바람직한 실시예에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용할 때의 샤프트(110)의 경사로 인해 경사진 커넥팅 로드의 경사에 대응하여, 핀 구멍의 축심을 경사지게 함으로써 핀 구멍이 형성된다.
도 10은 본 바람직한 실시예에 있어서의 밀폐형 압축기의 종단면도이다. 도 11은 본 바람직한 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용하지 않을 때의 요부의 확대 단면도이다. 도 12는 본 바람직한 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용할 때의 요부의 확대 단면도이다. 도 13은 본 바람직한 실시예에 있어서의 피스톤과 핀 구멍의 상대 위치를 나타내는 요부의 단면도이다. 도 14는 본 바람직한 실시예에 근거한 실험의 결과를 나타내는 특성도이다. 본 바람직한 실시예의 밀폐형 압축기의 기본 구성은 바람직한 실시예 1 및 2에서와 동일하나, 다시 설명한다.
도 10 내지 도 12에서, 밀폐 용기(101)는 스테이터(102) 및 로터(103)를 갖는 전동 요소(104)와, 전동 요소(104)에 의해 구동되는 압축 요소(105)를 통합한다. 밀폐 용기(101)의 바닥부에는 윤활유(106)가 저류되어 있다.
샤프트(110)는 주축부(111)와, 이 주축부(111)와 일체로 운동하도록 그의 일단부에 편심되어 형성된 편심축부(112)를 갖는다. 주축부(111)는 로터(103)의 축심에 고정되어 있다. 샤프트(110)의 내부나 표면에는 급유 통로(113)가 형성되어 있다. 샤프트(110)의 하단부는, 윤활유(106)가 소정의 깊이까지 급유 통로(113) 내로 침입할 수 있도록 연장되어 있다.
실린더 블록(114)은 서로 특정 위치에 고정되도록 배치된 거의 원통형의 압축실(115) 및 베어링부(120)를 갖는다. 베어링부(120)는 샤프트(110)의 주축부(111)에 있어서의 편심축부(112)측 단부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성한다.
압축실(115) 내에는 피스톤(123)이 왕복 운동 가능하게 삽입된다. 피스톤(123)은 핀 구멍(124)과, 핀 구멍(124) 내에 삽입 고정되는 피스톤 핀(125)을 갖는다.
커넥팅 로드(126)는, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 대단부 구멍부(128), 소단부 구멍부(129) 및 로드부(130)로 구성되어 있다. 대단부 구멍부(128)는 편심축부(112)에 끼워 맞춤되어 있다. 소단부 구멍부(129)는 피스톤 핀(125)을 거쳐 피스톤(123)에 연결되어 있다. 편심축부(112) 및 피스톤(123)은 커넥팅 로드(126) 및 피스톤 핀(125)을 거쳐 서로 연결되어 있다.
본 바람직한 실시예에서, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용하는 경우, 샤프트(110)의 경사로 인해 커넥팅 로드(126)도 경사지게 된다. 그러나, 커넥팅 로드(126)의 경사에 대응하여, 핀 구멍(124)은 그 축심을 경사지게 함으로써 형성되어 있다.
도 11 및 도 12를 참조하여 경사의 상태에 대해 설명한다. 도 11은, 압축 하중이 작용하지 않는 경우로서, 압축실(115)의 축심(D)에 대해 핀 구멍(124)의 축심을 경사지게 하여 형성된 피스톤(123)의 축심(C)의 상태의 확대 단면도를 도시한다. 도 12는, 압축 하중이 작용하는 경우로서, 압축실(115)의 축심(D)이 피스톤(123)의 축심(C)과 일치하게 되는 피스톤(123)의 상태의 확대 단면도를 도시한다.
핀 구멍(124)의 경사는 도 13에 도시되어 있는데, 여기에서 피스톤(123)의 축심(C)을 나타내는 제 1 중심선(141)과 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도(a2)는, 종래의 밀폐형 압축이에서는 π/2인데 비하여 본 바람직한 실시예에서는 사전 설정된 각도(b2)와 함께 식 (2)를 만족하도록 정의된다.
이하, 그러한 구성을 갖는 밀폐형 압축기에서의 동작 및 작용을 설명한다. 전동 요소(104)의 로터(103)는 샤프트(110)를 회전시킨다. 샤프트(110)의 회전에 따라, 편심축부(112)의 회전 운동이 커넥팅 로드(126)를 거쳐 피스톤(123)에 전달된다. 그 결과, 피스톤(123)은 압축실(115) 내에서 왕복 운동한다. 피스톤(123)의 왕복 운동에 의해, 냉동 사이클을 갖는 냉각 시스템(도시 생략)으로부터 냉매 가스가 압축실(115) 내로 흡입되며, 한 차례 압축된 후, 다시 냉각 시스템으로 토출된다.
급유 통로(113)의 하단부는 샤프트(110)의 회전에 의해 펌프와 같은 작용을 한다. 이러한 펌프 작용에 의해, 밀폐 용기(101)의 바닥부 내의 윤활유(106)는 급유 통로(113)를 통해 상방으로 펌핑되며, 밀폐 용기(101) 내의 전체 원주 방향으로 수평하게 분사된다. 분사된 윤활유(106)의 일부는 피스톤 핀(125), 피스톤(123) 등을 윤활하도록 공급된다.
켄틸레버 베어링에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 샤프트(110)의 편심축부(112)에 대하여 오직 주축부(111)의 편측에서만 지지된다. 따라서, 샤프트(110)는 주축부(111)와 베어링부(120) 사이의 간극 내에서 경사진다. 그러므로, 베어링부(120)의 간극 내에서 경사진 샤프트(110)의 주축부(111)의 축심(144)과, 압축실(115)의 축심(D) 사이의 상대 각도는 π/2보다 작다.
이러한 샤프트(110)의 경사에 의한 피스톤(123)의 압축실(115)에 대한 지렛대 거동을 방지하기 위해, 본 바람직한 실시예에서는 피스톤(123)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선 사이의 상대 각도가 π/2보다 약간 크게 설정된다.
도 12 및 도 13에서, 피스톤(123)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 교점을 O로 한다. 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)의 축심에 대한 주축부(111)의 축심(144)의 경사 각도의 절대값을 c2로 한다. 사전 설정된 각도의 값을 b2로 하며, 핀 구멍(124)은 피스톤(123)의 축심(C)을 나타내는 제 1 중심선(141) 및 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a2)가 식 (2) 및 식 (12)를 만족하도록 형성된다.
b2 = f(c2); f는 독립 변수 c2에 대한 함수 식 (12)
사전 설정된 각도(b2)를 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c2)에 관련짓기 위한 구체적인 값으로서 실험값이 사용될 수도 있다. 도 14는, 핀 구멍(124)의 축심의 각도에 있어서 상이한 피스톤(123)이 마련되어 이들 피스톤(123)이 조립되어 있는 밀폐형 압축기의 효율을 측정한 결과를 나타낸다. 즉, 횡축은 피스톤(123)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)에 대한 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 π/2로부터의 확대[도 14에서는 피스톤 축심에 대한 핀 구멍 축심의 각도(b2)로 기재됨]를 나타낸다. 종축은 각도(b2)에 대한 효율 COP를 나타낸다. 즉, 도 14는 각도(b2)에 대한 효율 COP의 측정값을 2차 곡선으로 근사한 특성도이다.
여기에서, 선(P3)에 의해 0으로 표시된 각도(b2)에서의 효율은 종래의 밀폐형 압축기의 평균값을 나타낸다. 본 실험에서, 간극에 의한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c2)은 약 3.7×10-4이었다. 도 14로부터, 각도(b2)가 약 3.7×10-4 내지 10×10-4의 범위(A) 내에 있을 때에 효율이 매우 높아지게 된다는 것을 알았다. 유사하게, 각도(b2)가 약 2×10-4 내지 12×10-4의 범위(B) 내에 있을 때에 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다.
이 각도(b2)의 범위는 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c2)을 사용하여 표시되는데, 각도(b2)가 1.0c2 내지 2.7c2의 범위 내에 있을 때에 효율은 매우 높으며, 특히 0.5c2 내지 3.3c2의 범위 내에서 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다.
그러므로, 피스톤(123)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a2)가 식 (2)로 표현될 때에, 각도(b2)와 각도의 절대값(c2)은 식 (13)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
0.5c2≤b2≤3.3c2 식 (13)
또한, 각도(b2)와 각도의 절대값(c2)은 식 (14)의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다.
1.0c2≤b2≤2.7c2 식 (14)
이와 같이, 본 바람직한 실시예에서는, 식 (2)로 표현되는 각도(a2)를 핀 구멍(124)의 축심의 각도의 설계값으로 정의하여, 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c2)에 관련지음으로써 실제의 값에 근접하도록 사전 설정된 각도(b2)를 설정하는 것에 의해, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 보다 확실하게 방지될 수 있다.
또한, 본 바람직한 실시예의 캔틸레버 베어링에서, 피스톤(123)이 하사점에 위치할 때, 적어도 피스톤(123)의 일부가 실린더 블록(114)으로부터 노출될 수도 있도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로, 축방향에 있어서 피스톤(123)의 전체 길이의 1/3 이상이 노출될 수도 있도록 형성되어 있다.
흡입 행정의 후반 또는 압축 행정의 초기에서, 냉매 가스의 압력으로 인한 압축 하중이 피스톤(123)의 단부면(123a)에 크게 작용하지 않는 경우, 샤프트(110)는 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 내에 유지되어 그다지 크게 경사지지 않는다. 따라서, 피스톤(123)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 핀 구멍(124)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 상대 각도를 π/2보다 약간 크게 설정함으로써, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 증가되며, 슬라이딩 손실이 증대될 우려가 있다.
그러나, 본 바람직한 실시예에서는, 피스톤(123)이 하사점에 위치할 때, 축방향에 있어서의 피스톤(123)의 전체 길이의 적어도 1/3 이상이 노출되도록 설계되어 있다. 즉, 지렛대 거동을 야기하는 피스톤(123)의 축방향 길이가 짧게 형성되어, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 억제될 수도 있다.
그러므로, 피스톤(123)이 하사점 근방에 위치하는 경우, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다. 그 결과, 피스톤(123)의 마찰 감소에 의한 높은 신뢰성 및 슬라이딩 손실 경감에 의한 고효율을 실현할 수 있다.
본 바람직한 실시예에서, 피스톤(123)은 조립 과정에서 상하를 용이하게 구별할 수 있도록 수직 방향에 있어서 비대칭으로 되어 있다. 구체적으로, 피스톤(123)의 상부 내에 판별 구멍(146a)이 형성되어 있다. 이 판별 구멍(146a)이 상측으로 오도록 조립함으로써, 피스톤(123)이 상하 반대로 조립되지는 않는다. 그러므로, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동 방지 효과가 확실하게 달성될 수 있다.
본 바람직한 실시예에서도, 바람직한 실시예 2에서와 마찬가지로, 압축실(115)을 형성하기 위한 원통형 구멍부(116) 내에 테이퍼부(117)를 형성함으로써, 바람직한 실시예 2에서와 동일한 효과가 얻어진다. 즉, 도 10 내지 도 13에서 설명한 구성에 추가하여, 도 7 및 도 8에 도시된 구성을 적용함으로써, 도 9에 도시된 바와 같은 특성을 얻었다. 도 7 내지 도 9에서, 바람직한 실시예 2에서와 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호를 사용하며, 각도는 바람직한 실시예 2에서와 동일한 부호를 사용함으로써 설명한다. 본 바람직한 실시예에서, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩할 때의 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)과 피스톤(123)의 축심(C) 사이에 형성되는 각도(d2)에 사전 설정된 각도(b2)를 가산한 합은 각도(c2)와 관련되어 설정된다. 압축실(115)은 각도(b2)와 각도(d2)의 합이 식 (15)를 만족하도록 형성된다.
(b2＋d2) = f"(c2); f"는 독립 변수 c2에 대한 함수 식 (15)
본 바람직한 실시예에서도, 사전 설정된 각도(b2) 또는 각도(b2)와 테이퍼부(117)의 사전 설정된 각도(d2)의 합은, 샤프트(110)의 경사 각도의 잘대값(c2)에 관련된 구체적인 값으로서 실험값을 사용할 수 있다. 바람직한 실시예 2에서와 동일한 실험에 의해, 도 9에서와 동일한 실험 결과가 얻어졌다.
그러므로, 본 바람직한 실시예에서도, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩할 때의 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)과 피스톤(123)의 축심(C) 사이에 형성되는 각도(d2)는 각도(b2), 각도(c2) 및 각도(d2)의 식으로서 식 (16)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
0.3c2≤(b2＋d2)≤4c2 식 (16)
또한, 바람직하게는 각도(b2), 각도(d2) 및 각도(c2)는 식 (17)의 관계를 만족해야만 한다.
c2≤(b2＋d2)≤3.2c2 식 (17)
나아가, 각도(b2) 및 각도(d2)가 식 (18)을 만족할 때, 바람직한 실시예 2에서와 동일한 효과가 얻어지며, 신뢰성 및 효율이 종래의 밀폐형 압축기에서보다 훨씬 더 높아진다.
0.5b2≤d2≤1.5b2 식 (18)
[실시예 4]
바람직한 실시예 1 및 2에서는, 피스톤(123)의 경사에 대응하여 압축실(115)의 축심을 경사지게 함으로써 압축실(115)이 형성된다. 바람직한 실시예 3에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용할 때의 샤프트(110)의 경사로 인해 경사진 커넥팅 로드(126)의 경사에 대응하여, 핀 구멍(124)의 축심을 경사지게 함으로써 핀 구멍(124)이 형성된다. 그러나, 본 바람직한 실시예에서는, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용할 때의 샤프트(110)의 경사에 대응하여, 소단부 구멍부(129)의 축심이 대단부 구멍부(128)의 축심에 대하여 경사져 있다.
본 바람직한 실시예의 밀폐형 압축기의 기본 구성은 도 10에서 설명한 바람직한 실시예 3에서와 동일하다. 도 15는 본 바람직한 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용하지 않을 때의 요부의 확대 단면도이다. 도 16는 본 바람직한 실시예에 있어서의 압축 하중이 작용할 때의 요부의 확대 단면도이다. 도 17은 본 바람직한 실시예에 있어서의 커넥팅 로드의 대단부 구멍부와 소단부 구멍부의 상대 위치를 나타내는 요부의 단면도이다. 도 18는 본 바람직한 실시예에 근거한 실험의 결과를 나타내는 특성도이다.
도 10, 도 15 및 도 16을 참조하는 본 바람직한 실시예의 전체 구성에 대한 설명은 바람직한 실시예 3에서와 동일하므로 생략한다. 본 바람직한 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 냉매 가스를 압축하기 위한 압축 하중이 작용할 때의 샤프트(110)의 경사에 대응하여, 소단부 구멍부(129)의 축심이 대단부 구멍부(128)의 축심에 대하여 경사져 있다.
도 15 및 도 16을 참조하여 이 경사 상태에 대해 설명한다. 도 15는 압축 하중이 작용하지 않을 때의 압축실(115)의 축심(D)에 대한 피스톤(123)의 축심(C)의 상태의 확대 단면도를 도시한다. 도 16은 압축 하중이 작용하는 때 압축실(115)의 축심(D) 및 피스톤(123)의 축심(C)이 서로 일치할 수도 있는 피스톤(123) 및 커넥팅 로드(126)의 상태의 확대 단면도를 도시한다.
도 17에는 대단부 구멍부(128)의 축심과 소단부 구멍부(129)의 축심의 경사의 관계가 도시되어 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도 중, 제 1 중심선(141)의 상방의 편심축부(112)측[반주축부(111)측]과 제 2 중심선(142) 또는 선(143)의 상방의 편심축부(112)측[반주축부(111)측] 사이에 형성되는 각도를 a3로 한다. 또한, 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값을 c3로 한다. 종래의 밀폐형 압축기에서 각도(a3)는 0이었다. 본 바람직한 실시예에서, 각도(a3)는 식 (19)로 정의된다.
0.5c3≤a3≤3.3c3 식 (19)
즉, 대단부 구멍부(128)의 축심과 소단부 구멍부(129)의 축심은 편심축부(112)측(상방)으로부터 주축부(111)측(하방)으로 이동함에 따라 근접하는 방향으로 약간 경사져 있다.
그러한 구성을 갖는 밀폐형 압축기에서, 기본 동작 및 작용은 바람직한 실시예 3에서와 동일하므로 설명을 생략한다. 본 바람직한 실시예에서도, 켄틸레버 베어링에서는, 냉매 가스를 압축할 때의 압축 하중이 샤프트(110)의 편심축부(112)의 편측에서의 주축부(111)에 의해서만 지지된다. 그러므로, 샤프트(110)는 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 내에서 경사진다.
따라서, 베어링부(120)의 간극 내에서 경사진 샤프트(110)의 주축부(111)의 축심(144)과, 압축실(115)의 축심(D) 사이의 상대 각도는 π/2보다 작다.
이러한 샤프트(110)의 경사에 의한 피스톤(123)의 압축실(115)에 대한 지렛대 거동을 방지하기 위해, 본 바람직한 실시예에서는 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선 사이의 상대 각도가 0보다 약간 크게 설정된다.
도 16 및 도 17에서, 대단부 구멍부(128) 및 소단부 구멍부(129)는, 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이에 형성되는 각도(a3)와, 베어링부(120)와 주축부(111)의 간극에 기초한 베어링부(120)의 축심에 대한 주축부(111)의 축심(144)의 경사 각도의 절대값(c3)이 식 (15)를 만족하도록 형성된다. 도 17에서, 각도(a3)에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 평행한 선(143)이 표시되어 있으며, 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 선(143) 사이의 각도가 각도(a3)로 표시되어 있다.
각도(a3)를 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c3)에 관련짓기 위한 구체적인 값으로서 실험값이 사용될 수도 있다. 도 18은, 대단부 구멍부(128)의 축심과 소단부 구멍부(129)의 축심 사이의 상대 각도(a3)가 변경된 커넥팅 로드(126)가 마련되어 이들 커넥팅 로드(126)가 조립되어 있는 밀폐형 압축기의 효율을 측정한 결과를 나타낸다. 즉, 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142) 사이의 각도[도 18에서는 커넥팅 로드의 대단부 구멍부의 축심과 소단부 구멍부의 축심의 각도(a3)]가 횡축에 표시된다. 각도(a3)의 각 수치에 대한 COP이 종축에 표시된다. 즉, 도 18은 각도(a3)의 각 수치에서의 효율 COP의 각 측정값을 2차 곡선으로 근사한 특성도이다.
여기에서, 선(P4)에 의해 0으로 표시된 각도(a3)에서의 효율은 종래의 밀폐형 압축기의 평균값을 나타낸다. 본 실험에서, 선(Q4)로 표시된 간극에 의한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c3)은 약 3.7×10-4이었다. 도 18로부터, 각도(a3)가 약 3.7×10-4 내지 10×10-4의 범위(A) 내에 있을 때에 효율이 매우 높아지게 된다는 것을 알았다. 유사하게, 각도(a3)가 약 2×10-4 내지 12×10-4의 범위(B) 내에 있을 때에 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다.
이 각도(a3)의 범위는 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c3)을 사용하여 표시되는데, 각도(a3)가 1.0c3 내지 2.7c3의 범위 내에 있을 때에 효율은 매우 높으며, 특히 0.5c3 내지 3.3c3의 범위 내에서 효율은 종래의 밀폐형 압축기에서보다 높다.
그러므로, 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)에 의해 형성되는 각도(a3)와, 각도(c3)는 식 (19)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 각도(a3)와 각도(c3)는 식 (20)의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다.
1.0c3≤a3≤2.7c3 식 (20)
그러나, 각도(a3)가 각도(c3)에 비해 너무 작게 설정되면, 특히 압축 행정에서, 샤프트(110)가 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 내에서 많이 경사진 때의 스트레이트부(118)와 피스톤(123) 사이의 지렛대 거동을 방지할 수 없으며, 반대로, 각도(a3)가 각도(c3)에 비해 너무 크게 설정되면, 흡입 행정의 후반 또는 압축 행정의 초기에서, 샤프트(110)가 주축부(111)와 베어링부(120)의 간극 내에서 그리 많이 경사져 있지 않은 때에 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동을 방지할 수 없다.
이와 같이, 본 바람직한 실시예에서는, 대단부 구멍부(128)의 축심과 소단부 구멍부(129)의 축심의 각도(a3)를 베어링부(120)에 대한 샤프트(110)의 경사 각도의 절대값(c3)에 관련지음으로써 실제의 값에 근접하도록 정의함으로써, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다.
또한, 본 바람직한 실시예의 캔틸레버 베어링에서, 피스톤(123)이 하사점에 위치할 때, 적어도 피스톤(123)의 일부가 실린더 블록(114)으로부터 노출될 수도 있도록 설계되어 있다. 보다 구체적으로, 축방향에 있어서 피스톤(123)의 전체 길이의 1/3 이상이 노출될 수도 있다.
본 바람직한 실시예에서는, 바람직한 실시예 3에서와 마찬가지로, 흡입 행정의 후반 또는 압축 행정의 초기에서, 대단부 구멍부(128)의 축심을 나타내는 제 1 중심선(141)과 소단부 구멍부(129)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)의 상대 각도를 0보다 약간 크게 설정함으로써, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 증가되며, 슬라이딩 손실이 증대될 우려가 있다.
그러나, 본 바람직한 실시예에서는, 피스톤(123)이 하사점에 위치할 때, 축방향에 있어서의 피스톤(123)의 전체 길이의 적어도 1/3 이상이 노출될 수도 있다. 즉, 지렛대 거동을 야기하는 피스톤(123)의 축방향 길이가 짧게 형성되어, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 억제될 수도 있다.
그러므로, 피스톤(123)이 하사점 근방에 위치하는 경우, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동이 방지될 수 있다. 그 결과, 피스톤(123)의 마찰 감소에 의한 높은 신뢰성 및 슬라이딩 손실 경감에 의한 고효율을 실현할 수 있다.
본 바람직한 실시예에서, 커넥팅 로드(126)는 조립 과정에서 상하를 용이하게 구별할 수 있도록 수직 방향에 있어서 비대칭으로 되어 있다. 구체적으로, 커넥팅 로드(126)의 상부 내에 판별 돌기(146b)가 형성되어 있다. 이 판별 돌기(146a)가 상측으로 오도록 조립함으로써, 커넥팅 로드(126)가 상하 반대로 조립되지는 않는다. 그러므로, 피스톤(123)과 압축실(115) 사이의 지렛대 거동 방지가 확실하게 달성될 수 있다.
고효율을 위해, 구성요소는 압축실(115)의 축심을 나타내는 중심선이 베어링부(120)의 축심과 교차하지 않도록 배치될 수도 있다. 이러한 경우에서도, 바라직한 실시예 1에서와 마찬가지로, 베어링부(120)로부터의 압축실(115)의 오프셋이 3㎜ 이내인 한, 바람직한 실시예 1에서와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 바람직한 실시예에서도, 바람직한 실시예 2 및 3에서와 마찬가지로, 압축실(115)을 형성하기 위한 원통형 구멍부(116) 내에 테이퍼부(117)를 형성함으로써, 바람직한 실시예 2 및 3에서와 동일한 효과가 얻어진다.
그러므로, 본 바람직한 실시예에서도, 피스톤(123)의 외주면이 테이퍼부(117)를 따라 슬라이딩할 때의 압축실(115)의 축심을 나타내는 제 2 중심선(142)과 피스톤(123)의 축심(C) 사이에 형성되는 각도(d3)는 사전 설정된 각도(b3), 각도(c3) 및 각도(d3)의 항으로 된 식 (21)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
0.3c3≤(b3＋d3)≤4c3 식 (21)
또한, 바람직하게는 각도(b3), 각도(d3) 및 각도(c3)는 식 (22)의 관계를 만족해야만 한다.
c3≤(b3＋d3)≤3.2c3 식 (22)
나아가, 각도(b3) 및 각도(d3)가 식 (23)을 만족할 때, 바람직한 실시예 2에서와 동일한 효과가 얻어지며, 신뢰성 및 효율이 종래의 밀폐형 압축기에서보다 훨씬 더 높아진다.
0.5b3≤d3≤1.5b3 식 (23)
[실시예 5]
도 19는, 바람직한 실시예 1 내지 4에서 설명한 밀폐형 압축기 중 하나를 사용한 본 발명의 바람직한 실시예 5에 있어서의 냉동 냉장고를 나타내는 개략 구성도이다. 도 19에서, 본 바람직한 실시예의 냉장 냉동고(200)는 케이싱(201)의 전방측에 마련된 복수의 저장실(202)과, 배면측에 마련된 기계실(203)을 포함한다. 기계실(203)에는 바람직한 실시예 1 내지 4에서 설명한 바와 같은 밀폐형 압축기(204)가 배치되어 있다. 밀폐형 압축기(204)는 응축기와 같은 냉동 사이클 구성요소(205)와 파이프(206)에 의해 결합되어 있다. 밀폐형 압축기(204)는 제어 장치(207)에 의해 제어되며, 적절한 냉동 사이클이 실행된다. 그러므로, 본 바람직한 실시예에 따르면, 높은 신뢰성 및 효율을 갖는 냉동 냉장고를 얻을 수 있다.
[산업상 이용 가능성]
본 명세서에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 밀폐형 압축기는 높은 신뢰성 및 고효율을 달성할 수 있고, 에어 컨디셔너 또는 자동 판매기 등의 냉동 사이클로 작동되는 냉동 냉장 장치에 적용 가능하다.
101 : 밀폐 용기 102 : 스테이터
103 : 로터 104 : 전동 요소
105 : 압축 요소 106 : 윤활유
110 : 샤프트 111 : 주축부
112 : 편심축부 113 : 급유 통로
114 : 실린더 블록 115 : 압축실
116 : 원통형 구멍부 117 : 테이퍼부
118 : 스트레이트부 120 : 베어링부
123 : 피스톤 123a : 단부면
124 : 핀 구멍 125 : 피스톤 핀
126 : 커넥팅 로드 128 : 대단부 구멍부
129 : 소단부 구멍부 130 : 로드부
141 : 제 1 중심선 142 : 제 2 중심선
143 : 제 3 중심선 144 : 주축부의 축심
146a : 판별 구멍 146b : 판별 돌기
150 : 밸브 플레이트 200 : 냉동 냉장고
201 : 케이싱 202 : 저장실
203 : 기계실 204 : 밀봉형 압축기
205 : 냉동 사이클 구성 요소 206 : 파이프
207 : 제어 장치

Claims (26)

  1. 밀폐형 압축기에 있어서,
    밀폐 용기 내에 수납된 전동 요소 및 상기 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소를 포함하며,
    상기 압축 요소는, 상기 전동 요소에 의해 회전 구동되는 주축부 및 상기 주축부와 일체로 운동하도록 상기 주축부의 일단부에 형성된 편심축부를 갖는 샤프트와, 상기 샤프트의 주축부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성하는 베어링부와, 상기 베어링부에 있어서의 특정 위치에 고정되도록 배치되며 원통형 압축실을 형성하는 실린더 블록과, 상기 압축실의 내부에 왕복 운동 가능하게 삽입된 피스톤과, 상기 편심축부와 상기 피스톤을 연결하기 위한 커넥팅 로드를 포함하며, 상기 베어링부 및 상기 압축실은 상기 베어링부의 축심을 나타내는 제 1 중심선 또는 상기 제 1 중심선에 평행한 제 3 중심선과 상기 압축실의 축심을 나타내는 제 2 중심선이 서로 교차하도록 배치되고,
    상기 제 1 중심선 또는 상기 제 3 중심선과 상기 제 2 중심선에 의해 형성되는 각도(a1)(rad)와 사전 설정된 각도(b1)(rad)가 식 (1)을 만족하며, 상기 사전 설정된 각도(b1)는 상기 베어링부와 상기 주축부 사이의 간극에 기초한 상기 베어링부에 대한 상기 샤프트의 경사 각도의 절대값(c1)(rad)과 관련하여 설정되는
    밀폐형 압축기.
    a1 = π/2 ＋ b1 (rad) 식 (1)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b1)는 상기 경사 각도의 절대값(c1)의 0.5배 이상 3.3배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b1)는 상기 경사 각도의 절대값(c1)의 1.0배 이상 2.7배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b1)는 상기 경사 각도의 절대값(c1)의 2.5배 이하의 0(rad)을 포함하지 않는 양의 값으로 설정되며,
    상기 압축실은 상사점에 위치 설정된 피스톤측으로부터 하사점에 위치 설정된 피스톤측을 향해 내경이 증가하도록 형성된 테이퍼부를 가지며,
    상기 피스톤의 외주면이 상기 테이퍼부를 따라 슬라이딩할 때의 상기 피스톤의 축심과 상기 압축실의 축심 사이에 형성되는 각도(d1)와 상기 사전 설정된 각도(b1)의 합은 상기 경사 각도의 절대값(c1)의 0.3배 이상 4배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b1)와 상기 각도(d1)의 합은 상기 경사 각도의 절대값(c1)의 1.0배 이상 3.2배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각도(d1)는 상기 사전 설정된 각도(b1)의 0.5배 이상 1.5배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 피스톤이 상사점에 위치할 때 상기 피스톤의 압축실측에 있는 상단부에 대응하는 위치에 상기 테이퍼부에 인접하여 형성된 스트레이트부를 더 포함하는
    밀폐형 압축기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤이 하사점에 위치할 때, 상기 피스톤의 적어도 일부가 상기 실린더 블록으로부터 노출되는
    밀폐형 압축기.
  9. 밀폐형 압축기에 있어서,
    밀폐 용기 내에 수납된 전동 요소 및 상기 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소를 포함하며,
    상기 압축 요소는, 상기 전동 요소에 의해 회전 구동되는 주축부 및 상기 주축부와 일체로 운동하도록 상기 주축부의 일단부에 형성된 편심축부를 갖는 샤프트와, 상기 샤프트의 주축부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성하는 베어링부와, 상기 베어링부에 있어서의 특정 위치에 고정되도록 배치되며 원통형 압축실을 형성하는 실린더 블록과, 상기 압축실의 내부에 왕복 운동 가능하게 삽입되며 핀 구멍을 갖는 피스톤과, 상기 핀 구멍에 삽입 고정되는 피스톤 핀과, 상기 편심축부와 상기 피스톤을 연결하며 일단부에 대단부 구멍부와 타단부에 소단부 구멍부를 갖는 커넥팅 로드를 포함하며,
    상기 피스톤의 축심을 나타내는 제 1 중심선과 상기 핀 구멍의 축심을 나타내는 제 2 중심선에 의해 형성되는 각도(a2)(rad)와 사전 설정된 각도(b2)(rad)가 식 (2)를 만족하며, 상기 사전 설정된 각도(b2)는 상기 베어링부와 상기 주축부 사이의 간극에 기초한 상기 베어링부에 대한 상기 샤프트의 경사 각도의 절대값(c2)(rad)과 관련하여 설정되는
    밀폐형 압축기.
    a2 = π/2 ＋ b2 (rad) 식 (2)
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b2)는 상기 경사 각도의 절대값(c2)의 0.5배 이상 3.3배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b2)는 상기 경사 각도의 절대값(c2)의 1.0배 이상 2.7배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b2)는 상기 경사 각도의 절대값(c2)의 2.5배 이하의 0(rad)을 포함하지 않는 양의 값으로 설정되며,
    상기 압축실은 상사점에 위치 설정된 피스톤측으로부터 하사점에 위치 설정된 피스톤측을 향해 내경이 증가하도록 형성된 테이퍼부를 가지며,
    상기 피스톤의 외주면이 상기 테이퍼부를 따라 슬라이딩할 때의 상기 피스톤의 축심과 상기 압축실의 축심 사이에 형성되는 각도(d2)와 상기 사전 설정된 각도(b2)의 합은 상기 경사 각도의 절대값(c2)의 0.3배 이상 4배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b2)와 상기 각도(d2)의 합은 상기 경사 각도의 절대값(c2)의 1.0배 이상 3.2배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 각도(d2)는 상기 사전 설정된 각도(b2)의 0.5배 이상 1.5배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축실은 상사점에 위치 설정된 피스톤측으로부터 하사점에 위치 설정된 피스톤측을 향해 내경이 증가하도록 형성된 테이퍼부를 가지며,
    상기 피스톤이 상사점에 위치할 때 상기 피스톤의 압축실측에 있는 상단부에 대응하는 위치에 상기 테이퍼부에 인접하여 형성된 스트레이트부를 더 포함하는
    밀폐형 압축기.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 피스톤이 하사점에 위치할 때, 상기 피스톤의 적어도 일부가 상기 실린더 블록으로부터 노출되는
    밀폐형 압축기.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 피스톤은 수직 방향에 있어서 비대칭으로 형성되는
    밀폐형 압축기.
  18. 밀폐형 압축기에 있어서,
    밀폐 용기 내에 수납된 전동 요소 및 상기 전동 요소에 의해 구동되는 압축 요소를 포함하며,
    상기 압축 요소는, 상기 전동 요소에 의해 회전 구동되는 주축부 및 상기 주축부와 일체로 운동하도록 상기 주축부의 일단부에 형성된 편심축부를 갖는 샤프트와, 상기 샤프트의 주축부를 지지함으로써 캔틸레버 베어링을 형성하는 베어링부와, 상기 베어링부에 있어서의 특정 위치에 고정되도록 배치되며 원통형 압축실을 형성하는 실린더 블록과, 상기 압축실의 내부에 왕복 운동 가능하게 삽입되며 핀 구멍을 갖는 피스톤과, 상기 핀 구멍에 삽입 고정되는 피스톤 핀과, 상기 편심축부와 상기 피스톤을 연결하며 일단부에 대단부 구멍부와 타단부에 소단부 구멍부를 갖는 커넥팅 로드를 포함하며,
    상기 대단부 구멍부의 축심을 나타내는 제 1 중심선과 상기 소단부 구멍부의 축심을 나타내는 제 2 중심선에 의해 형성되는 각도(a3)가, 상기 베어링부와 상기 주축부 사이의 간극에 기초한 상기 베어링부에 대한 상기 샤프트의 경사 각도의 절대값(c3)의 0.5배 내지 3.3배로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 각도(a3)는 상기 경사 각도의 절대값(c3)의 1.0배 이상 2.7배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  20. 제 18 항에 있어서,
    각도(b3)가 상기 경사 각도의 절대값(c3)의 2.5배 이하의 0(rad)을 포함하지 않는 양의 값으로 설정되며,
    상기 압축실은 상사점에 위치 설정된 피스톤측으로부터 하사점에 위치 설정된 피스톤측을 향해 내경이 증가하도록 형성된 테이퍼부를 가지며,
    상기 피스톤의 외주면이 상기 테이퍼부를 따라 슬라이딩할 때의 상기 피스톤의 축심과 상기 압축실의 축심 사이에 형성되는 각도(d3)와 사전 설정된 각도(b3)의 합은 상기 경사 각도의 절대값(c2)의 0.3배 이상 4배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 각도(b3)와 상기 각도(d3)의 합은 상기 경사 각도의 절대값(c3)의 1.0배 이상 3.2배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 각도(d3)는 상기 사전 설정된 각도(b3)의 0.5배 이상 1.5배 이하로 설정되는
    밀폐형 압축기.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 압축실은 상사점에 위치 설정된 피스톤측으로부터 하사점에 위치 설정된 피스톤측을 향해 내경이 증가하도록 형성된 테이퍼부를 가지며,
    상기 피스톤이 상사점에 위치할 때 상기 피스톤의 압축실측에 있는 상단부에 대응하는 위치에 상기 테이퍼부에 인접하여 형성된 스트레이트부를 더 포함하는
    밀폐형 압축기.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 피스톤이 하사점에 위치할 때, 상기 피스톤의 적어도 일부가 상기 실린더 블록으로부터 노출되는
    밀폐형 압축기.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 커넥팅 로드는 수직 방향에 있어서 비대칭으로 형성되는
    밀폐형 압축기.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 밀폐형 압축기를 장착한
    냉동 냉장 장치.
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