KR100400581B1 - 공진을 이용한 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 공진을 이용한 왕복동식 압축기는 밀폐 용기(1)의 내부에 고정자(2)와 회전자(3)로 이루어진 전동기구부(4)와, 실린더(9)와 피스톤(10)으로 이루어진 압축기구부(11)가 구비되는 압축기에서, 상기 피스톤(10)의 단부에 공진부(52)가 형성되도록 실린더(9)의 내경보다 직경이 작은 피스톤 캡(50)을 형성하여, 실린더(9)의 내부에서 피스톤(10)이 후진하는 흡입과정에서는 흡입포트에서 맥동이 발생됨과 아울러 흡입된 냉매가 공진부(52)에 유입되어 공진이 되도록 함으로써, 피스톤(10)의 속도를 흡입초기와 동일하게 증가시켜서 냉매의 흡입량을 증가시키고, 압축과정에서도 공진부(52)의 공진에 의하여 균일하게 속도가 유지되도록 하여 과압에 의한 손실이 발생되지 않는다.

Description

공진을 이용한 왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR USING RESONATION}

본 발명은 공진을 이용한 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 피스톤의 단부에 공진부를 형성하여 냉매의 흡입시 공진에 의하여 피스톤의 속도구배가 발생되지 않도록 함으로써 압축기의 효율을 향상시키도록 하는데 적합한 공진을 이용한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 유체를 흡입하고 압축하여 토출하는 기기로서, 구동력을 발생시키기 위한 전동기구부와, 그 전동기구부에서 발생되는 구동력에 의하여 유체를 압축하는 압축기구부로 이루어져 있으며, 그 압축기구부의 형태에 따라 밀폐형 회전식 압축기, 밀폐형 왕복동식 압축기, 밀폐형 스크롤 압축기 등으로 구분된다.

도 1은 종래 밀폐형 왕복동식 압축기를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 종래의 밀폐형 왕복동식 압축기는 소정의 밀폐공간을 가지는 밀폐 용기(1)의 내부에 고정자(2)와 회전자(3)로 이루어진 전동기구부(4)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 회전자(3)의 중앙에 수직으로 형성된 축압입공(3a)에는 회전축(5)이 압입되어 있고, 그와 같이 결합된 회전축(5)의 상단부는 실린더 블록(6)에 형성된 축지지공(6a)에 회전가능하게 삽입되어 있다.

또한, 상기 고정자(2)의 하측에는 회전자(3)의 회전시 고정자(2)를 전해지는충격을 완충하기 위한 수개의 스프링(6)이 지지고정되어 있다.

그리고, 상기 회전축(5)의 상단부에 편심지게 형성된 편심부(5a)에는 슬리브(7)가 결합되어 있고, 그 슬리브(7)에는 회전운동을 직선운동으로 변환시켜주기 위한 컨넥팅 로드(8)가 결합되어 있다.

또한, 상기 실린더 블록(6)의 상부 일측에는 실린더(9)가 형성되어 있고, 그 실린더(9)의 내부에는 피스톤(10)이 삽입설치되어 압축기구부(11)를 이루고 있는데, 그 피스톤(10)는 상기 컨넥팅 로드(8)의 전단부에 연결되어 있다.

그리고, 상기 실린더(9)의 일측 개구부에는 냉매가스를 실린더(9)의 압축공간(12)으로 흡입하거나 토출하기 위한 밸브조립체(13)가 결합되어 있고, 그 밸브조립체(13)의 외측에는 흡입냉매와 토출냉매를 구획하는 헤드 커버(14)가 결합되어 있다.

그리고, 상기 헤드 커버(14)의 하측에는 흡입되는 냉매가스의 소음을 저감시키기 위한 흡입소음기(15)가 연통되도록 결합되어 있고, 상측에는 토출되는 냉매의 소음을 저감시키기 위한 토출소음기(16)가 연통되도록 결합되어 있다.

한편, 상기 회전축(5)의 하단부에는 밀폐 용기(1)의 저부에 저장되어 있는 오일(17)을 흡상하기 위한 오일 피더(18)가 설치되어 있고, 그 회전축(5)의 내부에는 그 오일 피더(18)에 의하여 흡상되는 오일(17)을 압축기구부(11)의 마찰부에 공급하기 위한 오일 유로(19)가 형성되어 있다.

도면중 미설명 부호 20은 냉매가스를 흡입하기 위한 흡입관이다.

상기와 같이 구성된 종래 왕복동식 압축기는 전동기구부(4)에 전원이 인가되면 고정자(2)와 회전자(3)의 상호작용에 의하여 회전자(3)가 회전을 하고, 그 회전자(3)에 결합되어 있는 회전축(5)이 회전을 하게 된다.

그와 같이 회전축(5)이 회전을 하게 되면 회전축(5)의 편심부(5a)에 슬리브(7)로 결합된 컨넥팅 로드(8)가 회전운동을 직선왕복운동으로 전환시켜서 상기 실린더(9) 내부의 압축공간(12)에서 피스톤(10)을 왕복운동시키게 된다.

그리고, 도 2와 같이 상기 피스톤(10)이 상사점(TDP)에서 하사점(BDP)으로 이동할때는 흡입관(20)을 통하여 밀폐용기(1)의 내부로 흡입된 냉매가스가 흡입소음기(15)와 헤드 커버(14) 및 밸브조립체(13)로 연결되는 흡입통로를 통하여 실린더(9)의 압축공간(12) 내부로 흡입되고, 피스톤(10)이 다시 하사점(BDP)에서 상사점(TDP)으로 이동할때는 압축공간(12)으로 흡입된 냉매가스가 압축되어 다시 밸브조립체(13), 헤드 커버(14) 및 토출소음기(16)로 연결되는 토출통로를 통하여 외부로 토출되어 진다.

그러나, 상기와 같은 종래 밀폐형 왕복동식 압축기는 냉매를 압축공간(12)의 내부로 흡입하기 위하여 피스톤(10)이 실린더(9) 내부의 상사점(TDP)에서 하사점(BDP)으로 이동할때에 하사점(BDP) 직전에서 속도구배가 작아지며 충분한 양의 냉매를 흡입하지 못함에 따라 압축 및 토출되는 냉매의 양도 작아서 압축기의 효율을 향상시키는데 한계가 있는 문제점을 가지고 있는 것 이었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 피스톤이 실린더 내부의 상사점에서 하사점으로 이동할때에 속도구배가 발생되지 않도록 함으로써,압축효율을 향상시키도록 하는데 적합한 공진을 이용한 왕복동식 압축기를 제공함에 있다

도 1은 종래 왕복동식 압축기의 구조를 보인 종단면도.

도 2는 종래 압축기구부의 흡/토출동작을 보인 단면도.

도 3은 본 발명의 공진을 이용한 왕복동식 압축기의 구조를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명에 따른 피스톤의 설치상태를 보인 단면도.

도 5은 본 발명에 따른 피스톤의 구조를 보인 사시도.

도 6은 본 발명의 흡입-압축-토출과정을 보인 단면도.

도 7은 본 발명의 변형예를 보인 횡단면도.

도 8은 본 발명의 다른 변형예를 보인 횡단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 밀폐 용기 2 : 고정자

3 : 회전자 3a : 축압입공

4 : 전동기구부 5 : 회전축

5a : 편심부 7 : 슬리브

8 : 컨넥팅 로드 9 : 실린더

10 : 피스톤 11 : 압축기구부

50 ; 피스톤 캡 51 : 입구부

52 : 공진부

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 밀폐 용기의 내부에 고정자와 회전자로 구성되는 전동기구부가 설치되어 있고, 상기 회전자의 축압입공에는 회전축이 압입되어 있으며, 그 회전축의 상단부에 형성된 편심부에는 슬리브가 결합되어 있고, 그 슬리브에는 회전운동을 직선왕복운동으로 변환하는 컨넥팅 로드가 결합되어 있으며, 그 컨넥팅 로드에는 피스톤과 실린더로 구성되는 압축기구부가 결합되어 있는 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 단부에 실린더의 내경보다 직경이 작은 피스톤 캡을 형성하되, 그 피스톤 캡과 피스톤의 사이에는 피스톤 캡의 외주면과 실린더의 내주면 사이에 형성되는 입구부 보다 체적이 큰 공진부가 입구부의 내측에 형성되는 것을 특징으로 하는 공진을 이용한 왕복동식 압축기가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 공진을 이용한 왕복동식 압축기를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 공진을 이용한 왕복동식 압축기의 구조를 보인 종단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 피스톤의 설치상태를 보인 단면도이며, 도 5은 본 발명에 따른 피스톤의 구조를 보인 사시도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구성은 종래의 압축기의 구성과 동일하며, 동일부분에 대하여는 동일부호를 부여하여 설명한다.

즉, 소정의 밀폐공간을 가지는 밀폐 용기(1)의 내부에 고정자(2)와회전자(3)로 이루어진 전동기구부(4)가 설치되어 있고, 상기 회전자(3)의 중앙에 수직으로 형성된 축압입공(3a)에는 회전축(5)이 압입되어 있으며, 그 회전축(5)의 상단부는 실린더 블록(6)에 형성된 축지지공(6a)에 회전가능하게 삽입되어 있다.

그리고, 상기 고정자(2)의 하측에는 회전자(3)의 회전시 고정자(2)를 전해지는 충격을 완충하기 위한 수개의 스프링(6)이 지지고정되어 있고, 상기 회전축(5)의 상단부에 편심지게 형성된 편심부(5a)에는 슬리브(7)가 결합되어 있으며, 그 슬리브(7)에는 회전운동을 직선운동으로 변환시켜주기 위한 컨넥팅 로드(8)가 결합되어 있다.

또한, 상기 실린더 블록(6)의 상부 일측에는 실린더(9)가 형성되어 있고, 그 실린더(9)의 내부에는 피스톤(10)이 삽입설치되어 압축기구부(11)를 이루고 있는데, 그 피스톤(10)은 상기 컨넥팅 로드(8)의 전단부에 연결되어 있다.

그리고, 상기 실린더(9)의 일측 개구부에는 냉매가스를 실린더(9)의 압축공간(12)으로 흡입하거나 토출하기 위한 밸브조립체(13)가 결합되어 있고, 그 밸브조립체(13)의 외측에는 흡입냉매와 토출냉매를 구획하는 헤드 커버(14)가 결합되어 있으며, 그 상기 헤드 커버(14)의 하측에는 흡입되는 냉매가스의 소음을 저감시키기 위한 흡입소음기(15)가 연통되도록 결합되어 있고, 상측에는 토출되는 냉매의 소음을 저감시키기 위한 토출소음기(16)가 연통되도록 결합되어 있다.

또한, 상기 회전축(5)의 하단부에는 밀폐 용기(1)의 저부에 저장되어 있는 오일(17)을 흡상하기 위한 오일 피더(18)가 설치되어 있고, 그 회전축(5)의 내부에는 그 오일 피더(18)에 의하여 흡상되는 오일(17)을 압축기구부(11)의 마찰부에 공급하기 위한 오일 유로(19)가 형성되어 있다.

여기서, 상기 피스톤(10)의 단부에는 상기 실린더(9)의 내경보다 직경이 작은 피스톤 캡(50)을 일체로 형성하되, 그 피스톤 캡(50)과 피스톤(10)의 사이에는 피스톤 캡(50)의 외주면과 실린더(9)의 내주면 사이에 형성되는 입구부(51) 보다 체적이 큰 공진부(52)가 형성되도록 입구부(51)의 내측에 가공되어, 냉매가 실린더(9)의 내부로 흡입될때에 발생되는 맥동 주파수에 맞춰서 공진부(52)에서 공진이 발생될 수 있도록 되어 있다.

도면중 미설명 부호 20은 냉매가스를 흡입하기 위한 흡입관이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 공진을 이용한 왕복동식 압축기는 전원이 인가되면 전동기구부(4)의 고정자(2)와 회전자(3)의 상호작용에 의하여 회전자(3)가 회전을 하고, 그 회전자(3)에 결합되어 있는 회전축(5)이 회전을 하며, 그 회전축(5)의 편심부(5a)에 슬리브(7)로 결합된 컨넥팅 로드(8)가 회전운동을 직선왕복운동으로 전환시켜서 상기 실린더(9) 내부의 압축공간(12)에서 피스톤(10)을 왕복운동시키고, 그와 같이 피스톤(10)이 상사점(TDP)에서 하사점(BDP)으로 이동할때는 흡입관(20)을 통하여 밀폐용기(1)의 내부로 흡입된 냉매가스가 흡입소음기(15)와 헤드 커버(14) 및 밸브조립체(13)로 연결되는 흡입통로를 통하여 실린더(9)의 압축공간(12) 내부로 흡입되고, 피스톤(10)이 다시 하사점(BDP)에서 상사점(TDP)으로 이동할때는 압축공간(12)으로 흡입된 냉매가스가 압축되어 다시 밸브조립체(13), 헤드 커버(14) 및 토출소음기(16)로 연결되는 토출통로를 통하여 외부로 토출되어지는 기본적인 동작은 종래와 동일하다.

여기서, 본 발명은 도 6의 a)에서와 같이 피스톤(10)이 전진하여 상사점(TDP)에 도달한 후, 냉매를 흡입하기 위하여 b)→c)→d)→e)와 같은 흡입과정으로 다시 후진을 하면 흡입밸브(미도시)가 열리고 냉매가 실린더(9) 내부의 압축공간(12)으로 들어오며, 이와 같은 흡입과정에서 흡입포트(미도시)를 통하여 실린더(9)의 내부로 흡입되는 냉매는 맥동현상이 나타나는데, 그 냉매가 피스톤(10)과 피스톤 캡(50) 사이의 입구부(51)를 통하여 공진부(52)에 유입되면서 헬름홀쯔(HELMHOLTZ)의 공진원리에 의하여 공진이 되며, 피스톤(10)이 완전히 하사점(BPD)에 도달하기 직전에도 속도가 빠르게 유지되어, 압축공간(12)으로 충분한 양의 냉매가 유입된다.

다음으로, 도 6의 f)에서와 같이 피스톤(10)이 하사점(BPD)에서 다시 g)→h)→i)→j)와 같은 압축과정이 진행되면 흡입과정에서와 마찬가지로 공진에 의한 영향으로 속도가 균일하게 진행되므로 과압에 의한 손실을 감소시키게 된다.

따라서, 흡입과정에서는 종래 보다 냉매의 흡입량이 증가되고, 압축과정에서는 과압손실이 감소됨으로써 압축기의 성능이 향상되게 된다.

부연하여 설명하면, 도 4에서와 같이 V_A를 실린더와 피스톤 사이의 공간의 체적, V_B를 공진부(52)의 체적, g를 피스톤 캡과 실린더 사이의 간격, L을 피스톤 캡의 두께라고 하면, 공진주파수는 아래의 식(1)과 식(2)로 표현할 수 있은데,

여기서, c는 냉매의 음속, S는 피스톤 캡과 실린더 사이의 간격의 단면면적이며, 헬름홀쯔 공진기에서 나타나는 앤드 이팩트(END EFFECT)를 고려하여 식(2)에서 헬름홀쯔 보정계수 k를 사용하였다.

도 7은 본 발명의 변형예를 보인 횡단면도로서, 도시된 바와 같이, 피스톤(10)의 단부에 설치되는 피스톤 캡(50)의 위치를 피스톤(10)의 중심에서 일측으로 치우치게 설치되어 있는 형태로써, 이와 같이 피스톤 캡(50)이 설계되어도 공진에 의하여 압축효율이 증대될 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 변형예를 보인 횡단면도로서, 도시된 바와 같이, 피스톤(10)의 단부에 타원형의 평면을 가지는 피스톤 캡(50)을 설치한 형태로써, 이와 같은 형상의 피스톤 캡(50)을 설치하는 경우에도 마찬가지로 공진에 의한 압축효율이 증대될 수 있다.

즉, 피스톤(10)의 단부에 공진을 할 수 있도록 공진부(52)를 형성한 형태라면 피스톤 캡(5)의 형태가 어떠한 형태이든 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 형태의 응용 및 변형이 가능할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 공진을 이용한 왕복동식 압축기는 피스톤의 단부에 공진부가 형성되도록 피스톤 캡을 형성하여, 실린더의 내부에서 피스톤이 후진하는 흡입과정에서는 흡입포트에서 맥동이 발생됨과 아울러 흡입된 냉매가 공진부에 유입되어 공진이 되며 피스톤의 속도를 흡입초기와 동일하게 증가시켜서 냉매의 흡입량을 증가시키고, 압축과정에서도 공진에 의하여 속도가 균일해져서 과압손실이 발생되지 않게 되어, 압축기의 압축효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 밀폐 용기의 내부에 고정자와 회전자로 구성되는 전동기구부가 설치되어 있고, 상기 회전자의 축압입공에는 회전축이 압입되어 있으며, 그 회전축의 상단부에 형성된 편심부에는 슬리브가 결합되어 있고, 그 슬리브에는 회전운동을 직선왕복운동으로 변환하는 컨넥팅 로드가 결합되어 있으며, 그 컨넥팅 로드에는 피스톤과 실린더로 구성되는 압축기구부가 결합되어 있는 압축기에 있어서, 상기 피스톤의 단부에 실린더의 내경보다 직경이 작은 피스톤 캡을 형성하되, 그 피스톤 캡과 피스톤의 사이에는 피스톤 캡의 외주면과 실린더의 내주면 사이에 형성되는 입구부 보다 체적이 큰 공진부가 입구부의 내측에 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 공진을 이용한 왕복동식 압축기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤 캡은 피스톤의 단부에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 공진을 이용한 왕복동식 압축기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤 캡은 피스톤의 중심에서 일측으로 치우치게 형성되는 것을 특징으로 하는 공진을 이용한 왕복동식 압축기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤 캡은 타원형의 평면형상인 것을 특징으로 하는 공진을 이용한 왕복동식 압축기.