KR100873682B1 - 다단 로터리 압축기 - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 다단 로터리 압축기의 제1 실시예를 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다단 로터리 압축기는 밀폐 공간을 내부에 형성한 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100)에 내장되어 구동력을 생산하는 구동유닛(200)과, 상기 구동유닛(200)에 연결되어 냉매를 압축하는 2개의 압축유닛(300, 400)과, 상기 2개의 압축유닛(300, 400)을 연결하여 제2 압축유닛(400)에서 토출된 냉매가 제1 압축 유닛(300)으로 바로 흡기되어 재압축되도록 냉매를 안내하는 연결유닛(500)을 포함하여 구성된다.
상기 케이싱(100)에 토출관(110)과 제2 흡입관(510)이 각각 관통되어 설치한다.
상기 구동유닛(200)은 케이싱(100)의 내부에 고정하여 외부에서 전원을 인가하는 고정자(210)와, 상기 고정자(210)의 내부에 일정 공극을 두고 배치하여 상기 고정자와 상호 작용하면서 회전하는 회전자(220)와, 상기 회전자(220)와 일체로 형성되어 구동력을 압축유닛(300, 400)으로 전달하며 2개의 편심부를 구비한 회전축(230)으로 구성한다.
상기 구동유닛(200)은 정속 모터로 구성되는 것이 바람직하다. 정속 모터는 일반적으로 제어 드라이브가 구비된 인버터 모터보다 가격이 저렴한 장점이 있다. (종래 기술에 언급됨)
상기 제1 압축유닛(300)은 환형으로 형성하여 케이싱(100)의 내부에 설치하는 제1 실린더(310)와, 상기 제1 실린더(310)의 상하 양측을 복개하여 함께 제1 내부공간(330)을 이루면서 회전축(230)을 반경방향으로 지지하는 상부베어링(320) 및 중간베어링(350)과, 상기 회전축(230)의 상측 편심부에 삽입되어 제1 실린더(310)의 제1 내부공간(330)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 제1 롤링피스톤(340)과, 상기 제1 롤링피스톤(340)의 외주면에 압접하도록 제1 실린더(310)에 반경 방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 제1 실린더(310)의 제1 내부공간(330)을 제1 흡입실과 제1 압축실로 각각 구획하는 제1 베인(미도시)과, 상기 상부베어링(320)에 제1 압축실과 연통되도록 형성된 제1 토출 구멍(360) 선단에 개폐 가능하게 결합하여 제1 압축실에서 토출되는 냉매의 토출을 조절하는 제1 토출밸브(370)로 이루어진다. 상기 제1 베인은 일반적인 로터리 압축기에 구비되는 것이다.
상기 제2 압축 유닛(400)은 환형으로 형성하여 상기 제1 실린더(310) 하측에 위치하며 상기 중간베어링(350)에 접촉하는 제2 실린더(410)와, 제2 실린더(410)의 상면에 결합하여 함께 제2 내부 공간(430)을 이루면서 상기 회전축(230)을 반경방향 및 축방향으로 지지하는 하부베어링(450)과, 상기 회전축(230)의 하측 편심부에 회전 가능하게 결합되어 상기 제2 실린더(410)의 제2 내부공간(430)에 위치하는 압축하는 제2 롤링피스톤(440)과, 상기 제2 롤링피스톤(440)의 외주면에 접하도록 제2 실린더(410)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 제2 실린더(410)의 제2 내부공간(430)을 제2 흡입실과 제2 압축실로 각각 구획하는 제2 베인(미도시)과, 상기 하부베어링(450)의 일측에 제2 압축실과 연통되도록 형성된 제2 토출 구멍(460) 선단에 개폐 가능하게 결합되는 제2 토출밸브(470)로 이루어진다.
상기 제2 베인은 일반적인 로터리 압축기에 구비되는 것이다.
상기 제1 실린더(310)의 제1 내부공간(330)의 체적과 제2 실린더(410)의 제2 내부공간(430)의 체적은 서로 상이하게 형성될 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 상기 제2 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피와 상기 제1 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피비는 1:0.5~0.8인 것이 압축 성능 관점에서 바람직하다. 보다 효과적으로, 상기 제2 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피와 상기 제1 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피비는 1:0.6~0.65인 것이 바람직하다.
상기 연결 유닛(500)은 냉매를 제2 압축유닛(400)으로 안내하는 제2 흡입관(510)과, 상기 제2 압축유닛(400)의 제2 토출 밸브(470)를 복개하여 제2 압축유닛(400)에서 토출된 냉매를 일시 저장하는 챔버(chamber)(520)와, 상기 챔버(520)에서 제1 압축유닛(300)으로 냉매를 안내하는 제1 연결유로(530)를 포함하여 구성된다.
상기 제2 흡입관(510)의 흡입측은 냉매의 기액을 분리하는 어큐뮬레이터(accumulator)(130)와 연결된다.
상기 챔버(520)는 하부베어링(450)의 하부에 냉매가 누설되지 않도록 기밀을 유지하도록 설치되며 압축기의 운전시 저소음을 실현할 수 있도록 머플러(muffler)의 역할도 동시에 수행할 수 있게 한다.
상기 제1 연결유로(530)는 하부베어링(450), 제2 실린더(410) 및 중간베어링(450)을 축방향으로 관통하여 제1 실린더(310)의 반경방향으로 연장 형성되어 제1 실린더(310)의 제1 내부공간(330)과 연결된다.
이상과 같은 본 발명의 다단 로터리 압축기의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
구동 유닛(200)에 전원을 인가하면, 회전축(230)이 회전을 하고 제1 롤링피스톤(340)과 제2 롤링피스톤(440)이 각 실린더의 내부공간(330, 430)에서 선회운동을 하면서 제1 베인(미도시) 및 제2 베인(미도시)과의 사이에 용적을 형성하여 냉매를 흡입한다. 어큐뮬레이터(130)를 경유한 냉매는 제2 흡입관(510)을 통해 제2 압축유닛(400)으로 흡입된 후 압축되었다가 제2 토출구멍(460)를 경유하여 챔버(520)의 내부로 토출된다. 그 챔버(520)로 토출된 냉매는 제1 연결유로(530)를 통해 제1 압축유닛(300)으로 흡입되어 재압축된다. 재압축된 냉매는 제1 토출구멍(360)를 통해 케이싱(100)의 내부로 토출되고 토출관(110)을 통해 압축기의 외부로 안내된다.
냉매가 제2 압축유닛(400)과 제1 압축유닛(300)을 순차적으로 거치면서 토출 압력에 이르게 된다. 적정 수준의 토출 압력을 얻기 위하여 2단계의 압축 과정을 거치며, 특히 제1 압축유닛의 경우에는 제2 압축유닛(400)에 의해 어느 정도 압축된 냉매가 흡입되므로 소요 동력이 적게 든다.
도 2는 본 발명에 의한 제2 실시예를 도시한 단면도이다. 이하, 제1 실시예와 동일한 사항에 대하여는 설명을 생략한다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 연결 유닛(600)은 냉매를 제2 압축유닛(400)으로 안내하는 제2 흡입관(610)과, 상기 제2 압축유닛(400)의 제2 토출 밸브(470)를 복개하여 제2 압축 유닛(400)에서 토출된 냉매를 일시 저장하는 제1 챔버(620)와, 상기 제1 챔버(620)에서 냉매를 공급받아 냉매를 일시 저장하는 제2 챔버(630)와, 상기 제1 챔버(620)에서 제2 챔버(630)로 냉매를 안내하는 제1 연결유로(640)와, 상기 제2 챔버(630)에서 제1압축유닛(300)으로 냉매를 안내하는 제2 연결유로(650)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 챔버(620)는 하부베어링(450)의 하부에 냉매가 누설되지 않도록 기밀을 유지하도록 설치된다.
상기 제2 챔버(630)는 상부베어링(320)의 상부에 냉매가 누설되지 않도록 설치된다.
상기 제1 연결유로(640)는 베어링(320, 350, 450) 및 제1,2 실린더(310, 410)를 축방향으로 관통하여 제1 챔버(620) 및 제2 챔버(630)가 연통되도록 형성된다.
상기 제2 연결유로(650)는 상부베어링(320)을 관통하여 형성되어 제2 챔버(630)와 제2 실린더(410)의 제2 내부공간(430)을 연결한다.
본 발명의 제2 실시예도 제1 실시예와 유사하게 작동하나 차이점을 살펴보면 다음과 같다.
제2 압축유닛(400)에서 제1 챔버(620)내로 토출된 냉매는 제1 연결유로(640)를 통하여 제2 챔버(630)내로 이동하며, 다시 제2 연결유로(650)를 통하여 제1 압축유닛(300)의 내부공간(330)으로 안내된다. 본 실시예에서는 챔버(620, 630)를 두 개 사용함으로써 머플러 기능을 강화하여 저소음 운전을 실현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 단면도이다. 이하, 제1 실시예와 동일한 사항에 대하여는 설명을 생략한다.
도 3에서 표시된 700은 연결유닛을 나타낸 것이며, 그 연결유닛(700)은 제2 압축유닛(400)에서 토출된 냉매가 제1 압축유닛(300)으로 바로 흡기되어 압축되거나, 제1 압축유닛과 제2 압축유닛에서 각각 1회 압축된 후 토출되도록 냉매를 선택적으로 안내하게 된다.
상기 케이싱(100)은 토출관과 2개의 흡입관(710, 730)을 연통하여 설치하며, 일측에 후술하는 제3 연결관(780)과 연통된다.
상기 연결 유닛(700)은 냉매를 제1 압축유닛(300)으로 안내하는 제1 흡입관(710)과, 상기 제1 흡입관(710)에 장착되어 흡입 냉매를 단속하는 제1 제어밸브(720)와, 냉매를 제2 압축유닛(400)으로 안내하는 제2 흡입관(730)과, 제2 압축유닛의 토출 냉매를 단속하는 제2 토출 밸브(470)를 복개하여 제2 압축 유닛(400)에서 토출된 냉매를 일시 저장하는 챔버(740)와, 냉매 흐름 방향을 조절하는 제2 제어밸브(750)와, 상기 챔버(740)와 상기 제2 제어밸브(750)를 연결하는 제1 연결관(760)과, 상기 제2 제어밸브(750)와 제1 연결관(760)을 연결하여 제1 압축유닛(300)으로 냉매를 안내하는 제2 연결관(770)과, 상기 제2 제어밸브(750)와 케이싱(100)을 연결하여 냉매를 케이싱(100)의 내부 공간으로 안내하는 제3 연결관(780)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 흡입관(710) 및 제2 흡입관(730)의 흡입측은 냉매의 기액을 분리하는 어큐뮬레이터(130)와 연결된다. 상기 어큐뮬레이터(130)는 외부에서 냉매를 받는 하나의 어큐뮬레이터 파이프(accumulator pipe)(135)로부터 기액 분리후 기체 성분만을 제1 흡입관(710)및 제2 흡입관(730)으로 내보내게 된다.
상기 챔버(740)는 하부베어링(450) 하부에 냉매가 누설되지 않도록 기밀을 유지하는 한편, 제2 연결관(770)을 통해 상기 제2 제어밸브(750)와 연결된다. 상기 챔버(740)는 확대된 공간을 갖게 되기 때문에 압축기의 운전시 저소음을 실현할 수 있도록 머플러의 역할도 동시에 수행할 수 있게 된다.
상기 제2 제어밸브(750)는 3 방향 밸브(3 way valve)로서 제어에 의해 제1 연결관(760)과 제2 연결관(770)을 연통시키거나, 또는 제1 연결관(760)과 제3 연결관(780)을 연통시킨다.
이상과 같은 본 발명의 다단 로터리 압축기는 다음과 같이 작동한다. 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 파우어 모드(power mode)시 작동을 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 먼저 파우어 모드일 경우를 설명하면, 제1 제어밸브(720)를 on시켜 흡입냉매가 제1 압축유닛(300)으로 유입되게 한다. 이와 동시에 제2 제어밸브(750)를 제어하여 제1 연결관(760)과 제3 연결관(780)이 연통되게 하는데, 이때 제2 연결관(770)쪽으로는 냉매가 흐르지 않도록 한다.
구동 유닛(200)에 전원을 인가하면, 회전축(230)이 회전을 하고 제1 롤링피스톤(340)과 제2 롤링피스톤(440)이 각 실린더의 내부공간(330, 430)에서 선회운동을 하면서 제1 베인(미도시) 및 제2 베인(미도시)과의 사이에 용적을 형성하여 냉매를 흡입한다. 어큐뮬레이터(130)를 경유한 냉매중 일부는 제1 흡입관(710)을 통해 제1 압축유닛(300)으로 흡입되고 압축되어 제1 토출구멍(360)를 통해 케이싱(100)의 내부로 토출된다. 어큐뮬레이터(130)를 경유한 나머지 냉매는 제2 흡입관(730)을 통해 제2 압축유닛(400)으로 흡입되고 압축되어 상기 제2 토출구멍(460)를 통해 챔버(740)내로 토출된다. 챔버(740)에 토출되었던 냉매는 제1 연결관(760), 제2 제어밸브(750) 및 제3 연결관(780)을 통해 케이싱(100)의 내부로 토출된다. 제1 압축유닛(300)과 제2 압축유닛(400)에서 각각 토출된 냉매는 케이싱(100)의 내부를 포화시키게 되고 토출관을 통해 케이싱(100) 외부로 토출되는 과정을 반복하게 된다.
이와 같이, 파우어 모드일 경우에는 상기 제1 및 제2 압축유닛이 병렬로 연결되어 각각 압축되고 토출되며 케이싱(100)의 내부에서 합쳐진 후 토출관을 통해 압축기의 외부로 이동하게 되므로 후술하는 세이빙 모드(saving mode)에 비해 냉매의 토출량이 많다.
다음 세이빙 모드를 도 5을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제1 제어밸브(720)를 오프(off)시켜 어큐뮬레이터를 경유한 흡입냉매가 제1 압축유닛(300)으로 유입되지 못하게 하는 동시에 제2 제어밸브(750)를 제어하여 제1 연결관(760)과 제2 연결관(770)이 연통되게 한다. 어큐뮬레이터(130)를 경유한 냉매는 제2 흡입관(730)을 통해 전량 제2 압축유닛(400)으로 흡입되어 압축되었다가 제2 토출구멍(460)를 통해 챔버(740)내로 토출된다. 챔버(740)에 일시 저장되었던 냉매는 제1 연결관(760), 제2 제어밸브(750) 및 제2 연결관(770)을 통해 제1 압축유닛(300)으로 흡입되어 재압축된다. 재압축된 냉매는 제1 토출구멍(360)를 통해 케이싱(100)의 내부로 토출되고 토출관을 통해 외부의 냉동시스템으로 안내된다.
이와 같이, 세이빙 모드일 경우에는 상기 제2 압축유닛(400)에서 일단 압축된 냉매가 다시 제1 압축유닛(300)으로 이동하여 재압축된다. 즉, 압축유닛이 직렬로 연결되어 냉매가 제2 압축유닛(400)과 제1 압축유닛(300)을 순차적으로 거치면서 토출되므로 상대적으로 냉매의 토출량은 작게되나 고압축비를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예를 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이 상기 제1 흡입관은 어큐뮬레이터를 거쳐서 압축유닛에 유입되나 제2 흡입관은 어큐뮬레이터를 거치지 않고 바로 압축유닛에 흡입된다.
도 7은 본 발명에 따른 실린더의 부피비에 따른 압축 효율을 도시한 그래프이다. 본 그래프의 x축은 제1 실린더의 제1 내부공간의 부피를 제2 실린더의 제2 내부공간의 부피로 나눈 부피비(volume ratio)이고, 본 그래프의 y축은 압축효율(efficiency of compression)을 나타낸다. 압축효율은 내부의 틈새누설이나 흡토출 손실, 열전달, 재팽창으로 인한 손실 등에 의해 영향을 받게 되는 효율 계수이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 부피비는 0.5 ~ 0.8일 부근에서 가장 높은 압축 효율을 가진다.
제1 실린더의 제1 내부공간의 부피와 제2 실린더의 제2 내부공간의 부피는 1: 0.60~0.65일때가 바람직하다.
Claims (18)
- 밀폐 공간을 내부에 형성한 케이싱과,상기 케이싱에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동 유닛과,상기 구동 유닛으로부터 구동력을 전달받아 냉매를 압축하는 제1 압축 유닛 및 제2 압축유닛과,상기 제2 압축유닛에서 토출된 냉매가 제1 압축유닛으로 흡기되어 재압축되거나 또는 각각의 압축유닛에서 독립적으로 압축된 후 토출되도록 냉매를 선택적으로 안내하는 연결유닛을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 1항에 있어서, 상기 구동유닛은 정속 모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 압축 유닛 및 제2 압축유닛은 압축 냉매를 흡입하여 압축하는 내부 공간이 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 3항에 있어서, 상기 제2 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피와 상기 제1 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피비는 1:0.5~0.8인 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 4항에 있어서, 상기 제2 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피와 상기 제1 압축유닛의 실린더의 내부공간의 부피비는 1:0.6~0.65인 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
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- 제 1항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 연결유닛은 냉매를 제1 압축유닛으로 안내하는 제1 흡입관과,상기 제1 흡입관에 장착되어 흡입냉매를 단속하는 제1 제어밸브와,냉매를 제2 압축유닛으로 안내하는 제2 흡입관과,상기 제2 압축유닛의 토출냉매를 단속하는 제2 토출밸브를 복개하여 제2 압축유닛에서 토출된 냉매를 일시 저장하는 챔버와,냉매 흐름방향을 조절하는 제2 제어밸브와,상기 챔버와 상기 제2 제어밸브를 연결하는 제1 연결관과,상기 제2 제어밸브와 제1 연결관을 연결하여 제1 압축유닛으로 냉매를 안내하는 제2 연결관과,상기 제2 제어밸브와 케이싱을 연결하여 냉매를 케이싱의 내부공간으로 안내하는 제3 연결관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 15항에 있어서, 상기 제1 흡입관 및 제2 흡입관의 흡입측은 냉매의 기액을 분리하는 어큐뮬레이터와 각각 연결된 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 15항에 있어서, 상기 제1 흡입관 또는 제2 흡입관 중에서 하나만 어큐뮬레이터와 연결된 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
- 제 15항에 있어서, 상기 제2 제어밸브는 파이로트밸브인 것을 특징으로 하는 다단 로터리 압축기.
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