KR960001626B1

KR960001626B1 - 스크롤유체기계의 급유장치

Info

Publication number: KR960001626B1
Application number: KR1019870004153A
Authority: KR
Inventors: 요시가쓰 도미다; 가쓰아끼 기꾸찌; 에이이찌 하자끼; 데쓰야 아라다; 마사오 시이바야시; 가즈다까 스에후지; 다까오 센슈; 아끼라 무라야마
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1986-07-21
Filing date: 1987-04-29
Publication date: 1996-02-03
Anticipated expiration: 2007-04-29
Also published as: JP2718666B2; US4749344A; KR880012892A; DE8717942U1; DE3712755A1; JPS6329083A

Abstract

내용 없음.

Description

스크롤유체기계의 급유장치

제1도는 스크롤 유체기계의 종단면도.

제2도는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 급유장치를 구비한 크랭크 샤프트부분을 확대한 종단면도.

제3도는 급유홈과 하중작용 방향과의 관계를 나타낸 크랭크부의 확대평면도.

제4도는 하중작용방향과 베어링유막 압력분포와의 관계를 나타낸 크랭크 샤프트부분의 설명도.

제5도는 제4도의 Ⅴ-Ⅴ단면 위치에서의 원심력에 의한 선회스크롤 베어링부의 하중작용방향과 베어링유막압력분포도.

제6도는 급유홈의 위치와 마찰개구 및 최소 유막두께의 관계를 나타낸 설명도로서, (a)도는 마찰계수, (b)도는 최소유막두께를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 챔버 2 : 고정스크롤

3 : 선회스크롤 4, 5 : 경판

6, 7 : 랩 8, 11, 12, 29 : 베어링

9 : 크랭크샤프트 10 : 프레임

13 : 전동기 14 : 올덤링

16 : 흡입파이프 18 : 배출파이프

19 : 급유로 21, 27, 34 : 급유홈

25 : 중간실 26, 33 : 급유구

28 : 환상홈 30 : 배유실

31 : 배유구

본 발명은 압축기, 팽창기 또는 유체펌프 등에 사용되며 또한 인버터 등에서 회전수 가변운전되는 스크롤유체기계의 베어링급유장치에 관한 것으로, 특히 가변속운전시에 베어링부에 안정된 급유가 확보될 수 있게 하는 급유장치에 관한 것이다.

스크롤유체기계는, 경판과 이 경판에 직립하는 인벌루트 또는 인벌루트에 가까운 곡선으로 형성되는 랩을 가지는 선회스크롤과 이 선회스크롤에 배출구를 추가한 형상의 고정스크롤을 상호 랩을 내측으로 향하여 맛물리게 하여, 이를 흡입구를 가진 하우징의 내부에 수납하고, 선회스크롤과 하우징 또는 고정스크롤의 사이에 선회스크롤의 자전을 방지하는 올덤링을 개재시켜서 선회스크롤에 크랭크샤프트를 걸어맞추고, 크랭크샤프트에 의하여 선회스크롤을 외견상 자전되지 않도록 선회시켜서 양 스크롤에 의하여 형성되는 밀폐공간내의 유체에 펌프작용시키거나, 배출구로부터 압력유체를 팽창시켜, 크랭크샤프트에 회전동력을 발생시킨다.

이 스크롤유체기계에 있어서 크랭크샤프트는 통상 직립형으로 배치되고, 이 샤프트는 상하 2개의 슬라이드베어링에 의해 지지되며, 또한 크랭크부는 선회스크롤에 마련된 슬라이드베어링에 조립된다. 이 때문에, 크랭크샤프트는, 이에 대항하는 슬라이드베어링과의 사이에 존재하는 간극의 범위에서 반경방향으로 미소량의 이동이 가능한 상태가 되게 된다. 한편, 이 스크롤유체기계에서는 양 스크롤에 의하여 형성되는 밀폐공간내의 유체압력과 선회스크롤의 원심력에 의한 반경방향력이 선회스크롤을 통해서 크랭크샤프트의 크랭크부의 반경방향으로 작용하게 된다. 따라서 크랭크샤프트는 샤프트부를 지지하는 상측슬라이드 베어링과 하측슬라이드 베어링내에서 경사져, 각각의 베어링에 강하게 압착되게 된다.

이 스크롤유체기계의 급유장치의 선행기술로서 미국특허 제4,462,772호가 제안되어 있으나, 이 선행기술은 스크롤압축기의 압축작용에 의해 선회스크롤에 작용하는 유체압력에 의하여 발생하는 베어링하중에 대해서는 기재되어 있으나, 인버터 등에 의해 회전수를 가변제어하는 운전에 있어서는 스크롤압축기의 선회스크롤 베어링부에 걸리는 베어링하중이 상기 유체압력에 의해 발생되는 선회스크롤의 원심력에 의해 발생하는 하중쪽이 지배적이 됨에도 불구하고, 이 점에 대해서는 개시되어 있지 않다. 이 기술분야에 있어서 해마다 압축기의 최고 회전수는 상승하고 있으며, 특히 고속 운전시에는 원심력에 의한 하중의 영향이 중요하게 되고 있다.

즉, 상기 선행기술은 선회스크롤의 베어링부에 작용하는 하중은 스크롤압축기의 압축작용에 의해 선회스크롤에 작용하는 가스압축 하중보다 원심력에 의해 발생하는 하중 쪽이 큼에도 불구하고 이 원심력에 대해서는 배려되어 있지 않아, 회전수가 가변제어되는 스크롤압축기에서는 특히 고속운전의 선회스크롤베어링에 대한 신뢰성에 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 회전수가 가변제어되는 스크롤유체기계의 선회스크롤부의 베어링에 안정된 급유를 성취함과 동시에 충분하 유막두께를 확보할 수 있는 베어링급유장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 크랭크부의 표면에 마련된 축방향 급유홈을 원심력에 의하여 샤프트의 반경방향으로 작용하는 하중이 크랭크부에 작용하는 위치보다 크랭크부의 회전방향을 향하여 대략 45도 전진한 위치에 마련함으로써 달성될 수 있다.

선회스크롤의 베어링에 조립되는 크랭크부의 슬라이딩면에서 최소유압두께가 형성되는 범위는 인버터부착모터 등에 의해 가변속 운전되게 되면, 유체압 하중이 작용하는 위치로부터 원심력 하중이 작용하는 위치의 사이를 변동하게 된다. 따라서, 이 위치는 고속운전할수록 원심력하중이 작용하는 위치측으로 이행한다. 즉, 크랭크부는 항상 선회스크롤의 원심력작용의 영향을 강하게 받게 된다.

따라서, 선회스크롤의 선회운동에 의하여 생기는 원심력하중이 크랭크부에 작용하는 위치보다 회전방향으로 향하여 진행하는 위치에 홈을 마련하고, 이 홈으로부터 급유하게 되면 이 오일은 크랭크부의 회전에 의하여 확실하게 상기 원심력 작용에 의한 하중을 받는 면에 도달하게 되고, 충분히 오일이 공급되어 유막압력이 발생하여 필요한 유막두께를 확보할 수 있기 때문에 선회베어링과 크랭크부는 소착(燒着)되지 않는다. 또한 상기 진행각도는 대략 45도 위치가 마찰계수 및 유막두께의 관계면에서 양호하게 된다.

본 발명에 의하면, 가변속 구동의 스크롤유체기게의 선회스크롤에 의한 원심력에 의해 발생되는 하중에 대하여 이에 대항하는 유막반력을 베어링내에 생기게 할 수가 있어, 베러링의 마모 및 소착을 방지할 수가 있는 것이다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시예는 스크롤유체기계를 압축기로 사용한 예에 대하여 설명한다.

제1도 내지 제3도는 인버터제어의 스크롤유체기계의 일례를 나타낸 것으로, 제1도에서 도면부호 1은 챔버, 2는 고정스크롤, 3은 선회스크롤이다. 고정스크롤(2)과 선회스크롤(3)은 서로 원판상의 경판(4), (5)과 여기에 직접 형성되어 있는 나선형의 랩(6), (7)을 구비하고, 이들의 랩(6), (7)은 내측으로 향해 맞물려 있다. 선회스크롤(3)에는 그 하면측에 슬라이드베어링(8)이 장치되어 있다. 이 슬라이드베어링(8)에는 크랭크샤프트(9)의 샤프트부(9a)의 중심에 대하여 편심되어 있는 크랭크부(9b)가 걸려지게 된다. 크랭크샤프트(9)의 샤프트부(9a)에는 프레임(10)에 장착된 상측 슬라이드베어링(11) 및 하측 슬라이드베어링(12)에 의하여 지지된다. 크랭크샤프트(9)는 전동기(13)에 의하여 회전된다. 크랭크샤프트(9)의 회전에 의하여 선회스크롤(3)은 올덤링(14)과 올덤키(15)에 의하여 선회운동을 하게 되지만 외견상 자전이 저지되고 있다. 이 운동에 의하여 흡입파이프(16)로부터 흡입된 가스가 선회스크롤(3)과 고정스크롤(2)의 내부에서 압축되고 배출구(17)에서 챔버(1)내로 방출되어 배출파이프(18)로부터 배출된다. 양 스크롤(2), (3)에 의해 밀폐된 유체의 압축작용에 의하여 선회스크롤(3), 슬라이드베어링(8) 및 크랭크샤프트(9)의 크랭크부(9b)를통해서 샤프트부(9a)에 작용하는 하중은 슬라이드베어링(11), (12)에 의하여 지지된다.

또한 크랭크샤프트(9)의 회전에 의하여 크랭크부(9b)에는 다음식에 의한 윈심력(F)이 발생하게 된다.

F=m·γ·ω²

여기에서, m : 선회스크롤의 질량

γ : 선회반경(크랭크부의 편심량)

ω : 각속도(2πN)(N : 회전속도)

이 원심력 F은 슬라이드베어링(8)을 거쳐서 크랭크부(9b)에 작용한다.

그리고 이 방향은 크랭크부(9b)의 편심방향이 된다.

크랭크샤프트(9)내에는 급유로(19)가 마련되어 있으며, 챔버(1)의 저면의 오일이 오일팬의 압력과 프레임(10) 및 선회스크롤(3)에 형성되는 배압실(25)의 압력과의 압력차에 의하여 상기 급유로(19)를 상승시키게 된다. 각 베어링(8), (11), (12)에의 급유 구조를 제2도 및 제3도를 참조하여 설명한다. 이 급유는 크랭크부(9b)과 슬라이드베어링(8)과 선회스크롤(3)의 벽면에 형성된 오일실(20)에 도입되고, 이어서, 크랭크샤프트(9)의 크랭크부(9b)의 외주면에 축방향으로 마련되어 있는 급유홈(21)에 유입되어 선회스크롤의 슬라이드베어링(8)과 크랭크부를 윤활시킨다.

슬라이드베어링(8)을 윤활시킨 오일은 크랭크샤프트(9)의 크랭크부(9b)와 평행추(22)와의 접속부에 마련한 환상홈(23)을 통해 슬라이드베어링(8)의 하부에 일체로 형성한 드러스트베어링(24)을 윤활한 후에 프레임(10)과 선회스크롤(3)에 의해 구획되는 중간실(25)로 배출된다.

크랭크샤프트(9)의 샤프트부(9a)를 지지하는 상측의 슬라이드베어링(11)에의 급유는 급유로(19)에 통하는 급유구(26) 및 이에 통하는 샤프트부(9a)의 외주면에 축방향으로 설치된 급유구(27)에 공급하여 행해진다. 이 슬라이드베어링(11)을 윤활한 오일은 샤프트부(9a)와 평행추(22)의 접속부에 설치된 환상홈(28)을 통하여 슬라이드베어링(11)의 상부에 일체로 성형된 드러스트베어링(29)에 유입되어, 이것을 윤활한 후에 중간실(25)에 배출된다. 상측의 슬라이드베어링(11)을 윤활한 오일의 일부는 이 슬라이드베어링(11)의 하단에서 샤프트(9a), 프레임(10), 슬라이드베어링(11), 및 슬라이드베어링(12)에 의하여 구획되는 배유실(30)로 배출된 후에 프레임(10)에 마련된 배유구(31)를 지나서 챔버(1)로 배출된다. 상술된 중간실(25)로 배출된 오일은 선회스크롤(3)에 마련된 미세구(32)를 지나서 양 스크롤(2), (3)의 맛물림부로 배출된다. 따라서 중간실(25)은 배출압력과 흡입압력의 중간압력이 된다.

따라서, 상측 슬라이드베어링(11)과 선회스크롤(3)의 슬라이드베어링에의 급유는 배출압력과 중간압력에 의한 차압에 의하여 행해진다. 크랭크샤프트(9)의 샤프트부(9a)를 지지하는 하측의 슬라이드베어링(12)에의 급유는 급유로(19)에 의하여 흡입 상승된 오일을 급유로(19)에 통하는 급유구(33)과, 이를 통하여 동시에 샤프트부(9a)의 외주면에 축방향으로 마련되는 급유홈(34)에 공급하므로써 행하여진다. 이 슬라이드베어링(12)을 윤활한 오일은 이 슬라이드베어링(12)의 상단으로부터 배유실(30), 배유구(31)를 지나 챔버(1)에 배출되면서, 슬라이드베어링(12)의 하단으로부터 챔버(1)로 배출된다.

상술한 축방향의 급유홈(21), (27), (34) 및 급유구(26), (33)중에서 급유홈(21)은 크랭크샤프트(9)의 샤프트부(9a)의 중심(C)와 크랭크샤프트부(9b)의 중심(S)를 연결하는 선(X)이 아니라 크랭크샤프트(9)의 회전방향을 향하여 45도 위치에 배치되어 있다. 또 다른 급유홈(27), (34) 및 급유구(26), (33)은 상기 X선상에 배치되어 있다. 즉, 급유홈(21)의 위치는 유체압력(P₁)에 대하여, 크랭크샤프트(9)의 회전방향으로 135도 진행한 위치, 다시말하여 선회스크롤에 걸리는 원심력 F에 대하여 크랭크샤프트(9)의 회전방향으로 45도 전진한 위치이다.

급유홈(27)은 유체압력 P에 대하여 크랭크샤프트(9)의 회전방향을 향하여 270도 전진한 위치에 설치되며, 다시 급유홈(34)은 급유홈(27)에 대하여 180도 엇갈린 위치에 마련된다. 이들 급유홈(21), (27), (34)의 배치는 베어링 유막반력을 유효하게 생기게 한다.

다음에, 상기 구조의 인버터제어 스크롤유체기계의 급유장치의 작동에 대하여 설명한다.

인버터(도시생략)로 제어되는 전동기(13)에 의해, 제2도 화살표 A로 나타낸 방향으로 크랭크샤프트(9)가 회전되면, 선회스크롤(3)는 고정스크롤(2)에 대하여 선회운동을 행하고, 흡입관(16)을 경유하여 압축기의 흡입실에 흡입된 가스는 선회스크롤의 선회운동에 의해 압축되어 배출구(17)로부터 배출된다. 이와 같은 압축공정중에 양 스크롤(2), (3)에 형성된 밀폐공간내의 유체의 압력 P는 제3도 및 제4도에 나타낸 바와 같이, 선회스크롤(3), 슬라이드베어링(8)을 거쳐 크랭크샤프트의 크랭크부(9b)에 작용한다. 한편, 선회스크롤(3)는 선회반경 ε에서, 고정스크롤(2)에 대하여 슬라이드베어링(8)을 거쳐 크랭크부(9b)에 작용하게 된다. 따라서, 크랭크샤프트(9)는 상측의 슬라이드베어링(11)과 하측의 슬라이드베어링(11)의 범위에서 경사진다.

이 결과, 슬라이드베어링(11)에는 하중(P₂)이, 또한 슬라이드베어링(12)에는 하중(P₃)이 작용하게 된다.

한편, 샤프트부(9a)와 크랭크부(9b)와의 사이에는 크랭크부와 180도 방향으로 크랭크샤프트(9)에 대하여 선회스크롤(3)과 크랭크부(9b)에 의해 발생되는 원심력하중에 대항하는 평행추(22)가 장착되어 있어, 크랭크샤프트(9)의 정적인 균형을 유지시킨다. 즉, 회전축으로서 설계는 양 스크롤(2), (3)에 의하여 형성되는 밀폐공간내의 유체압력(P₁)과 슬라이드베어링(12)의 베어링반력(f₃)이 동일한 방향이 되고, 이에 대하여 슬라이드베어링(11)의 베어링반력(f₂)은 역방향이 된다. 그리고 슬라이드베어링(11) 및 슬라이드베어링(12)의 급유는, 상기 경사로 인한 최적의 위치는 미국특허 제4,462,772호에 상술되어 있는 바와 같이 하중의 작용점에 대하여 크랭크샤프트(9)의 회전방향으로 90도 각을 전진한 위치에 급유하면 된다.

그리고 선회스크롤(3)의 베어링(8)에서는 전동기(13)의 회전에 수반하여 그 원심력 F가 작용하고 이 원심력 F를 베어링(8)에서 받치지 않으면 안된다.

다음에, 제5도를 참조하여 선회스크롤(3)의 슬라이드베어링(8)과 크랭크부(9b)의 사이에 형성되는 유막압력분포에 대하여 설명한다.

크랭크부(9b)의 중심(S₁)은 크랭크샤프트의 회전속도의 크기에 수반하여, 원심력이 크게 작용하게 되어, 슬라이드베어링(8)의 중심(B₁)에서 편심하게 된다(도면은 베어링간극을 확대 도시하였음).

상기 중심(S₁), (B₁)을 연결하는 선 Y₁에 있어서 원심력 F가 작용하는 쪽의 베어링부에 최소간극(Za₁)이, 또 이와 반대측에 최소의 간극(Za₂)이 형성된다. 그리소 상기 원심력 F가위치보다, 샤프트의 회전방향측에 45도 전진한 위치의 급유홈(21)으로부터 베어링면에 급유된 오일이 급유압과 크랭크부(9b)의 회전에 의해 크랭크부와 슬라이드베어링이 사이의 베어링간극으로 인출되어, 크랭크부의 회전방향으로 향하여 간극이 좁혀지는 베어링간극 영역으로 강제 압입되어, 소위 쐬기작용이 발생하게 된다. 이 쐬기작용의 효과에 의하여 유막압력은 최대간극위치(Za₂)부터 상승하여 최소간극위치(Za₁)의 직전에서 최대가 되고, 하중(P₁)에 대향하는 유막압력(F₁)이 생기게 된다. 그후, 유막압력은 감소하고 최소간극위치(Za₁)에서 대략 중간압이 된다. 크랭크부(9b)의 회전방향을 따라 형성되는 최소간극위치(Na₁)로부터의 확대간극의 영역에서는 유막압력은 최소간극위치(Za₁)부터 저하하여 중간압보다 낮아진다.

그후 유막압력은 최소치가 된 후에 회복하여 급유홈(21)의 부분에서는 급유압이 되게 된다. 이로 인해 급유홈(21)과 최대간극위치(Za₂)사이에서는 크랭크부(9b)의 회전방향에 대하여 확대간극이 되므로 유막압력은 저하하고, 그후 서서히 회복하여 최대간극위치(Za₂)에서는 대략 중간압이 된다.

상술한 바와 같이, 베어링(8)에서는 그 슬라이딩면에 선회스크롤의 원심력에 의한 하중 P를 지지하는데 충분한 유막압력을 연속적으로 또한 적정하게 발생되게 된다.

제6도는 크랭크부(9b)에 결합되는 슬라이드베어링에 대하여 크랭크부(9b)의 축방향의 위치(각도)를 변화시킬 경우의 베어링의 마찰계수를 (a)도에, 최소유막두께를 (b)도에 나타내고 있는 바와 같이, 실험과 계산에 의해 설명한 결과를 나타내고 있다. 각도 0에서 하중작용점을 고정하여, 축방향의 급유홈(21)의 각도를 θ방향으로 1도부터 수차변화시켜 가면, 도시한 바와 같이 (a)도의 마찰계수는 0도를 지나면 감소하기 시작하여, 대략 45도 부근에서 최소가 되고, 이 이후는 약간 상승쪽으로 진행하게 된다.

또한, (b)도의 최소유막두께는 0도 부근에서 상승경향을 나타내고 대략 45도 부근에서 최대두께가 되고, 그 이후 200정도 정도까지는 이 값이 지속된다. 상기 마찰계수 및 유막두께 양자로부터, 마찰계수가 작으며 또한 유막두계가 큰 위치는 대략 45도 부근이 최적인 상태를 표시한다.

또한 고정스크롤 및 선회스크롤의 양스크롤에 의하여 형성되는 밀폐공간내의 유체압력(P₁)은 원심력(F)의 작용방향보다 90도 지연된 위치에 있다. 따라서, 이 베어링 간극위치에서도 유막압력은 그 전에 실선으로 표시한 유막압력이 발생하기 때문에, 여기에는 유체압력 P₁에 대하여 파선으로 표시하고 있는 바와 같이, 충분한 유막압력이 될 수 있다.

Claims

고정스크롤부재 및 이것과 맞물려 함께 작업실을 형성하는 선회스크롤부재를 가지는 케이스와, 프레임내에서 베어링에 의해 저널되며 그 크랭크부가 선회스크롤부재에서 슬라이드베어링과 맞물려 있는 것으로 모터에 의해 구동되며 오일실내에 함침되어 있는 크랭크샤프트를 포함하며, 상기 베어링용 급유로는 상기 크랭크샤프트 및 크랭크부를 통하여 크랭크부의 종단에서의 공간 위에서 상기 슬라이드베어링에 연장되어 있으며, 축선에 평행한 급유홈이 상기 크랭크부의 주위에 제공되어 있는 스크롤유체기계의 급유장치에 있어서, 상기 급유홈은, 가변속 모터를 이용하여 상기 선회스크롤부재의 선회운동에 의해 발생된 원심력에 의해 상기 크랭크샤프트의 반경방향으로 상기 크랭크샤프트의 상기 크랭크부에 인가되는 하중의 작용선에 관련하여 상기 크랭크부의 회전방향(ω방향)으로 45도 범위 전진된 크랭크부의 위치에 마련되어 있어 오일이 원할하게 급유되게 하는 것을 특징으로 하는 스크롤유체기계의 급유장치.
제1항에 있어서, 상기 스크롤유체기계는, 밀폐용기내에 수납되며, 밀폐용기 저부에 오일실을 형성하여 크랭크샤프트하단의 급유구의 개구단이 상기 오일실내의 오일내에 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 스크롤유체기계의 급유장치.
제2항에 있어서, 상기 밀폐용기내를 고압분위기로 유지하는 것을 특징으로 하는 스크롤유체기계의 급유장치.
제1항에 있어서, 상기 가변속 구동모터는 인버터구동모터인 것을 특징으로 하는 스크롤유체기계의 급유장치.