KR102269944B1 - 압축기 - Google Patents

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Abstract

베인형 압축기가 개시된다. 베인형 압축기는, 축방향의 양쪽 단부가 개방되어 있으며, 내주면이 외주면에 대해 편심된 통형(筒形)의 실린더; 상기 실린더의 개방단부에 각각 위치하는 메인 베어링 및 서브 베어링; 상기 메인 베어링과 서브 베어링에 의해 지지되는 로터 샤프트에 결합되고, 상기 실린더의 내주면에 대해 편심된 상태로 설치되는 로터부; 및 상기 로터부에 결합되어 상기 로터부와 함께 회전하고, 상기 로터부의 회전 시 상기 실린더의 내주면을 흡입실과 압축실을 포함하는 복수 개의 공간으로 구획하는 복수 개의 베인을 포함하고, 상기 실린더의 내주면과 상기 로터부 간의 최소 간극을 유지하는 접점부에는 일부가 상기 실린더의 내주면 안쪽으로 돌출되도록 탄성 부재가 설치되며, 상기 실린더의 내주면에 형성되는 토출 딤플의 한쪽 단부는 상기 접점부까지 연장된다.

Description

압축기{COMPRESSOR}
본 발명은 압축기에 관한 것이다. 보다 상세하게, 과압축 및 토출-흡입 간 누설을 저감시켜 효율 및 소음을 개선한 베인형 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 모터나 터빈 등의 동력 발생 장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 등의 작동 유체를 압축하도록 이루어지는 장치를 말한다.
이러한 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor), 회전식 압축기(로터리 압축기, Rotary compressor), 및 스크롤 압축기(Scroll compressor)로 구분될 수 있다.
왕복동식 압축기는 작동 가스가 흡, 토출되는 압축 공간을 피스톤과 실린더 사이에 형성하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축하는 방식이고, 로터리 압축기는 작동 가스가 흡, 토출되는 압축 공간을 편심 회전되는 로터와 실린더 사이에 형성하여 로터가 실린더 내벽을 따라 편심 화전되면서 냉매를 압축하는 방식이며, 스크롤 압축기는 작동 가스가 흡, 토출되는 압축 공간을 선회 스크롤(orbiting scroll)과 고정 스크롤(fixed scroll) 사이에 형성하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전하면서 냉매를 압축하는 방식이다.
이 중에서 일반적인 로터리 압축기는 로터부와 베인이 접촉되어, 그 베인을 중심으로 실린더의 압축 공간이 흡입실과 토출실로 구분되는 압축기로서, 로터부가 선회 운동을 하면서 베인이 직선 운동을 하게 되고, 이에 다라 흡입실과 토출실은 체적(용적)이 가변되는 압축실을 형성하여 냉매를 흡입, 압축, 토출하게 된다.
또, 이러한 일반적인 로터리 압축기와는 반대로 베인이 로터부에 삽입되어, 그 로터부와 함께 회전 운동을 하면서 원심력과 배압력에 의해 인출되면서 압축실을 형성하는 베인형 압축기도 알려져 있다. 이러한 베인형 압축기는 통상 복수 개의 베인이 로터부와 함께 회전을 하면서 그 베인의 실링면이 실린더의 내주면과 접촉된 상태에서 미끄러지게 되므로 일반적인 로터리 압축기에 비해 마찰 손실이 증가하게 된다.
이러한 베인형 압축기는 실린더의 내주면이 원형 형상으로 형성되기도 하지만, 최근에는 실린더의 내주면이 타원 형상으로 형성되어 마찰 손실을 줄이면서도 압축 효율을 높이는 소위 하이브리드 실린더를 구비한 베인형 압축기가 소개되고 있다.
베인형 압축기의 한 예가 선행문헌 일본 특개 2012-167578호에 개시되어 있다.
이하, 첨부 도면 도 1 내지 도 5를 참조하여 상기 선행문헌에 개시된 베인형 압축기에 대해 개략적으로 설명한다.
도 1은 선행문헌의 베인형 압축기의 종단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 압축 요소의 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시한 제2 베인과 베인 얼라이너를 나타내는 사시도이다.
그리고 도 4는 도 1에 도시한 압축 요소의 평면도(회전 각도 90°)이고, 도 5는 도 1에 도시한 베인형 압축기의 압축 동작을 나타내는 압축 요소의 평면도이다.
베인형 압축기(100)는 냉동 기기, 냉장 기기, 에어컨 등에 적용될 수 있다.
한 예로, 베인형 압축기를 탑재한 에어컨은 냉매를 압축하는 베인형 압축기(100), 응축기, 감압장치, 증발기 등을 구비할 수 있다.
베인형 압축기(100)는 밀폐 용기(103) 내에, 압축 요소(101)와, 압축 요소(101)를 구동하는 전동 요소(102)가 수납된다.
압축 요소(101)는 밀폐 용기(103)의 하부에 위치하고, 밀폐 용기(103) 내의 저부에 저류하는 냉동기 오일(25)은 급유 기구에 의해 압축 요소(101)에 공급되어 압축 요소(101)의 각 슬라이딩부를 윤활한다.
압축 요소(101)를 구동하는 전동 요소(102)는, 예를 들면, 브러쉬리스DC모터로 구성되어, 구동 회로에 의해 회전수 가변 가능하게 제어된다. 전동 요소(102)는, 밀폐 용기(103)의 내주에 고정되는 고정자(21)와, 영구자석으로 형성되며 고정자(21)의 안쪽에 설치되는 회전자(22)를 구비한다.
고정자(21)에는 밀폐 용기(103)에 고정되는 전원 공급 단자(23)로부터 전력이 공급된다.
압축 요소(101)는 흡입부(26)로부터 저압의 냉매를 압축실에 흡입해서 압축하고, 압축된 냉매는 밀폐 용기(103) 내에 토출되고, 전동 요소(102)를 통과해서 밀폐 용기(103)의 상부에 고정된 토출관(24)으로부터 외부(냉동 사이클의 고압측)에 토출된다.
베인형 압축기(100)는, 밀폐 용기(103) 내(內)가 고압이 되는 고압 타입, 혹은 밀폐 용기(103) 내(內)가 저압이 되는 저압 타입 중 어느 하나일 수 있다.
압축 요소(101)는 아래의 구성요소를 포함한다.
(1) 실린더(1): 전체 형상이 거의 원통형이며, 축방향의 양 단부는 개구하고 있다. 실린더 내주면(1a)에 축방향의 전 범위에 있어서, 실린더 내주면(1a)보다 외주 측에 크게 원형(단면)으로 잘라낸 흡입 딤플(1b)이 형성되어 있으며, 실린더 내주면(1a) 또는 흡입 딤플(1b)에 흡입 포트(1c)가 개구하고 있다.
(2) 메인 베어링(2): 단면이 거의 "T"자형으로, 실린더(1)에 접하는 부분은 거의 원판형으로 형성되고, 실린더(1)의 한쪽 개구부(도 2에서는 위쪽)을 폐쇄한다. 메인 베어링(2)의 실린더(1)측 단면에는 실린더 내주면(1a)과 동심인 링 홈 형상의 베인 얼라이너 유지부(2a)가 형성되어 있고, 베인 얼라이너 유지부(2a)에는 베인 얼라이너(5, 7)가 결합된다.
그리고 메인 베어링(2)의 중앙부는 원통형으로 형성되며, 여기에 베어링부(2b)가 삽입되어 있고, 메인 베어링(2)의 대략 중앙부에 토출 포트(2c)가 형성되어 있다.
(3) 서브 베어링(3): 단면이 거의 "T"자형으로, 실린더(1)에 접하는 부분은 거의 원판형으로 형성되며, 실린더(1)의 다른 방향 개구부 (도 2에서는 아래쪽)을 폐쇄한다. 서브 베어링(3)의 실린더(1)측 단면에는 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)과 동심인 링 홈 형상의 베인 얼라이너 유지부(3a)가 형성되어 있고, 베인 얼라이너 유지부(3a)에는 베인 얼라이너(6, 8)가 결합된다.
그리고 서브 베어링(3)의 중앙부는 원통형으로 형성되며, 여기에 베어링부(3b)가 삽입되어 있다.
(4) 로터 샤프트(4): 실린더(1) 내(內)로 실린더(1)의 중심축과는 편심한 중심축위로 회전 운동을 행하는 로터부(4a) 및 상하의 회전축부(4b, 4c)가 일체로 형성된 구조로, 회전축부(4b, 4c)는 각각 메인 베어링(2)의 베어링부(2b), 서브 베어링(3)의 베어링부(3b)에 의해 베어링 된다.
로터부(4a)에는 단면이 거의 원형에서 축방향으로 관통하는 부시 설치부(4d, 4e) 및 베인 설치부(4f, 4g)가 형성되어 있고, 부시 설치부(4d)와 베인 설치부(4f)는 연통하고 있으며, 부시 설치부(4e)와 베인 설치부(4g)는 연통하고 있다. 또한, 부시 설치부(4d)와 부시 설치부(4e), 베인 설치부(4f)와 베인 설치부(4g)는 거의 대칭의 위치에 배치되고 있다.
(5) 베인 얼라이너(5, 7): 부분 링 형의 부품으로, 축방향의 한 쪽 단면 (도 2에서는 아래쪽)에, 4각형의 돌기인 베인 유지부(5a, 7a)가 형성되어 있다. 베인 유지부(5a, 7a)는 부분 링의 원호 법선 방향으로 형성된다. 베인 선단부(9a, 10a)의 원호형상의 반경은 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)의 반경과 거의 동일한 반경으로 구성될 수 있다.
(6) 베인 얼라이너(6, 8): 부분 링 형의 부품으로, 축방향의 한 쪽 단면 (도 2에서는 위쪽)에, 4각형의 돌기인 베인 유지부(6a, 8a)가 형성되어 있다. 베인 유지부(6a, 8a)는 부분 링의 원호 법선 방향으로 형성된다. 베인 선단부(9a, 10a)의 원호형상의 반경은 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)의 반경과 거의 동일한 반경으로 구성될 수 있다.
(7) 제1 베인(9): 거의 4각형의 판형으로 형성되고, 실린더(1)의 실린더 내주면(1a) 측에 위치하는 베인 선단부(9a)는 원호형상으로 형성된다. 그 원호형상의 반경은 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)의 반경과 거의 동일한 반경으로 구성되어 있다. 제1 베인(9)의 실린더 내주면(1a)과 반대측이 되는 뒷면에는 베인 얼라이너(5)의 베인 유지부(5a) 및 베인 얼라이너(6)의 베인 유지부(6a)가 결합되는 슬릿형의 뒷면 홈(9b)이 형성된다.
(8) 제2 베인(10): 거의 4각형의 판형으로 형성되고, 실린더(1)의 실린더 내주면(1a) 측에 위치하는 베인 선단부(10a)는 원호형상으로 형성된다. 그 원호형상의 반경은 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)의 반경과 거의 동일한 반경으로 구성되어 있다. 제2 베인(10)의 실린더 내주면(1a)과 반대측이 되는 뒷면에는 베인 얼라이너(7)의 베인 유지부(7a) 및 베인 얼라이너(8)의 베인 유지부(8a)가 결합되는 슬릿형의 뒷면 홈(10b)이 형성된다.
(9) 부시(11, 12): 거의 반원주상에서, 한 쌍으로 구성된다. 로터 샤프트(4)의 부시 설치부(4d, 4e)에 결합되고, 부시(11, 12)의 안쪽에는 제1 베인(9), 제2 베인(10)이 로터부(4a)에 대하여 회전 가능함과 동시에 대략 법선 방향으로 이동 가능하게 유지된다.
한편, 도 2에서는 제1 베인(9)이 베인 얼라이너(5, 6)과, 또 제2 베인(10)이 베인 얼라이너(7, 8)와 일체화되기 전의 상태를 도시하였다. 실제로는, 제1 베인(9)의 뒷면 홈(9b)에 베인 얼라이너(5, 6)의 베인 유지부(5a, 6a)가, 제2 베인(10)의 뒷면 홈(10b)에 베인 얼라이너(7, 8)의 베인 유지부(7a, 8a)가 삽입되어 제1 베인(9)은 베인 얼라이너(5, 6)와 일체화되며, 제2 베인(10)은 베인 얼라이너(7, 8)와 일체화된다.
도 3은 제2 베인(10)과 베인 얼라이너(8)를 일체화한 도면이다. 제1 베인(9)은 베인 얼라이너(5, 6)와 일체화되고, 제2 베인(10)은 베인 얼라이너(7, 8)와 일체화되므로, 제1 베인(9), 제2 베인(10)의 선단 원호 법선은 항상 실린더 내주면(1a)의 법선과 일치하게 방향이 규제되고, 제1 베인(9), 제2 베인(10)의 로터 법선 방향의 움직임이 제한된다.
한편, 일체화한 제1 베인(9)과 베인 얼라이너(5), 베인 얼라이너(6)는 실린더 내주면(1a)의 중심축을 중심으로 회전하고, 실린더 내주면(1a)의 중심축으로부터 베인 선단부(9a)까지의 거리는 항상 실린더 내주면(1a)의 반경보다도 작게(거의 동일하게) 형성한다. 제2 베인(10)과 베인 얼라이너(7), 베인 얼라이너(8)에 대해서도 동일하다.
다음에 동작에 대해서 설명한다. 로터 샤프트(4)의 회전축부(4b)가 전동 요소(102) 등(엔진 구동의 경우는, 엔진)의 구동부에서 회전 동력을 전달 받으면 로터부(4a)는 실린더(1) 내(內)에서 회전한다. 로터부(4a)의 회전에 따라, 로터부(4a)의 외주 부근에 배치된 부시 설치부(4d, 4e)는 로터 샤프트(4)를 중심축으로 한 원주 상을 이동한다. 그리고, 부시 설치부(4d, 4e) 내에 유지되고 있는 한 쌍의 부시(11, 12) 및 그 한 쌍의 부시(11, 12)의 사이에 회전 가능하게 유지되고 있는 제1 베인(9), 제2 베인(10)도 로터부(4a)와 함께 회전한다.
또, 실린더 내주면 (1a)과 동심으로 메인 베어링(2) 및 서브 베어링(3)의 실린더측 단면에 형성된 베인 얼라이너 유지부(2a)와 베인 얼라이너 유지부(3a)에 회전 가능하게 결합된 부분 링 형상의 베인 얼라이너(5, 6)에 의해 실린더(1)의 법선 방향으로 제1 베인(9)의 방향이 제한되고, 동시에 제1 베인(9)의 로터 법선 방향의 움직임이 제한된다.
또, 실린더 내주면 (1a)과 동심으로 메인 베어링(2) 및 서브 베어링(3)의 실린더측 단면에 형성된 베인 얼라이너 유지부(2a)와 베인 얼라이너 유지부(3a)에 회전 가능하게 결합된 부분 링 형상의 베인 얼라이너(7, 8)에 의해 실린더(1)의 법선 방향으로 제2 베인(10)의 방향이 제한되고, 동시에 제2 베인(10)의 로터 법선 방향의 움직임이 제한된다.
더욱이 제1 베인(9)은 베인 선단부(9a)와 뒷면 홈(9b)의 압력 차이 (제1 베인(9)의 뒷면 공간에 고압 혹은 중간압의 냉매를 인도하는 구성의 경우), 스프링(도시하지 않음), 원심력 등에 의해, 실린더(1)의 실린더 내주면(1a) 방향으로 압압될 수 있다.
제1 베인(9)은 베인 얼라이너(5), 베인 얼라이너(6)와 일체이며, 일체화한 제1 베인(9)과 베인 얼라이너(5), 베인 얼라이너(6)는 실린더 내주면(1a)의 중심축을 중심으로 회전하고, 실린더 내주면(1a)의 중심축으로부터 베인 선단부(9a)까지의 거리는 항상 실린더 내주면(1a)의 반경보다도 작게(대략 유사하게) 형성된다.
따라서, 베인 선단부(9a)는 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)에는 접촉하지 않고, 베인 얼라이너(5, 6)가 베인 얼라이너 유지부(2a), 베인 얼라이너 유지부 (3a)와 슬라이딩하면서 회전한다.
그리고 제1 베인(9)의 베인 선단부(9a)의 원호의 반경은 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)의 반경과 거의 일치하고 있고, 양자의 법선도 거의 일치하고 있기 때문에, 양자 간은 미세한 틈을 유지하면서 회전한다.
아울러, 구체적으로 설명하지는 않지만, 제2 베인(10)은 위에서 언급한 제1 베인(9)과 동일한 방법으로 설치 및 동작되는 것으로 생각할 수 있다.
베인형 압축기(100)의 압축 원리는 종래의 베인형 압축기와 대략 동일하다.
도 4는 베인형 압축기(100)의 압축 요소(101)의 평면도(회전 각도 90°)이다.
도 4와 같이, 로터 샤프트(4)의 로터부(4a)와 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)은 한 지점(도 4의 최근접점(最近接點))에 있어서 가장 근접하여 접하고 있다. "최근접점"은 "근접부"로 표시할 수도 있다.
또, 제1 베인(9)과 실린더(1)의 실린더 내주면(1a), 제2 베인(10)과 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)이 각각 한 군데에서 근접 하는 것에 의해, 실린더(1) 내(內)에는 3개의 공간(흡입실(13), 중간실(14), 압축실(15))이 형성된다.
흡입실(13)에는 흡입 포트(1c)(냉동 사이클의 저압측에 연통한다)가 개구하고 있고, 압축실(15)은 토출 포트(2c)(예를 들면, 메인 베어링(2)에 형성되는, 단, 서브 베어링(3)에 형성될 수도 있다)에 연통하고 있다.
그리고 중간실(14)은 흡입 포트(1c) 또는 토출 포트(2c)의 어느 것에도 연통하지 않고 있는 밀폐 공간이다.
도 5는 베인형 압축기(100)의 압축 동작을 나타내는 압축 요소(101)의 평면도다.
도 5를 참조하여, 로터 샤프트(4)의 회전에 따른 흡입실(13), 중간실(14) 및 압축실(15)의 용적이 변화되는 모양을 설명한다.
먼저, 도 5에 있어서의 회전 각도를, 로터 샤프트(4)의 로터부(4a)와 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)이 가장 근접하여 접하고 있는 최근접점이라고 하고, 제1 베인(9)의 베인 선단부(9a)가 최근접점에 가장 근접할 때를 "각도 0°"으로 정의한다.
또, "각도 0°"으로부터 로터 샤프트(4)가 시계 방향으로 45° 회전한 위치를 "각도 45°"로 정의하고, "각도 45°"로부터 로터 샤프트(4)가 시계 방향으로 45° 회전한 위치를 "각도 90°"로 정의하며, "각도 90°"로부터 로터 샤프트(4)가 시계 방향으로 45° 회전한 위치를 "각도135°"로 정의한다.
도 5는 "각도 0°", "각도 45°", "각도 90°", "각도 135°"에서의 제1 베인(9), 제2 베인(10)의 위치와, 그 때의 흡입실(13), 중간실(14) 및 압축실(15)의 상태를 도시하고 있다.
또, 도 5의 "각도 0°"의 도면에 표시한 화살표는 로터 샤프트(4)의 회전 방향(도 5에서는 시계 방향)이며, 도 5의 다른 도면 ("각도 45°", "각도 90°", "각도 135°")에서는 로터 샤프트(4)의 회전 방향을 나타내는 화살표를 생략하고 있다.
아울러, "각도 180°" 이후의 상태를 도시하지 않고 있는 것은 "각도 180°"이 이루어지면, "각도 0°"에 있어서 제1 베인(9)과 제2 베인(10)의 위치가 서로 교체된 상태와 같아지기 때문이다.
한편, 실린더 내주면(1a)에는, 최근접점과, "각도 90°"에 있어서의 제1 베인(9)의 베인 선단부(9a)와 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)이 근접하는 점A (기하학적 압축 개시 시점)과의 범위의 적어도 일부에는 축방향으로 전역에 걸쳐 실린더 내주면(1a)보다도 외주 방향으로 크게 형성되는 흡입 딤플(1b)이 형성되어 있고, 흡입 포트(1c)는 흡입 딤플(1b) 내에 형성되어 있다.
그리고 로터 샤프트(4)의 로터부(4a)와 실린더(1)의 실린더 내주면(1a)이 가장 근접하고 있는 최근접점의 근방에서, 최근접점으로부터 소정의 거리의 왼쪽(예를 들면, 거의 30°)에 토출 포트(2c)가 위치한다.
도 5에 있어서의 "각도 0°"에서는 최근접점과 제2 베인(10)으로 구분된 오른쪽의 공간은 흡입 포트(1c)와 연통하고 있는 흡입실(13)이며, 흡입실(13)에는 가스(냉매)가 흡입된다. 그리고 최근접점과 제2 베인(10)으로 구분된 왼쪽의 공간은 토출 포트(2c)에 연통한 압축실(15)이다.
도 5에 있어서의 "각도 45°"에서는 흡입실(13)의 용적이 "각도 0°"의 때보다 커지므로, 가스의 흡입을 계속한다. 또, 제2 베인(10)과 최근접점에서 구분된 공간인 압축실(15)의 용적은 "각도 0°"의 때보다 작아져, 냉매는 압축되어 서서히 그 압력이 높아진다.
도 5에 있어서의 "각도 90°"에서는 제1 베인(9)의 베인 선단부(9a)가 실린더(1)의 실린더 내주면(1a) 위의 점A와 겹치므로, "각도 45°"에서 흡입실(13)이었던 공간은 흡입 포트(1c)와 연통하지 않고, 중간실(14)이 된다.
한편, 이 때의 중간실(14)(흡입 포트1c에 연통하지 않고 있는 상태)의 용적은 거의 최대가 된다. 압축실(15)의 용적은 "각도 45°"의 때보다 더욱이 작아져, 냉매의 압력은 상승한다. 흡입 포트(1c)에 연통하는 독립한 공간으로서, 흡입실(13)이 이 상태에서 형성된다.
도 5에 있어서의 "각도 135°"에서는 중간실(14)의 용적은 "각도 90°" 때보다 작아져, 냉매의 압력은 상승한다. 또, 압축실(15)의 용적도 "각도 90°"의 때보다 작아져, 냉매의 압력은 상승한다. 흡입실(13)의 용적은 "각도 90°"의 때보다 커지고, 흡입을 계속한다.
그 후, 제2 베인(10)이 토출 포트(2c)에 근접하지만, 압축실(15)의 압력이 냉동 사이클의 고압을 상회하면, 압축실(15)의 냉매는 토출 포트(2c)를 통해 밀폐 용기(103) 내(內)로 토출된다.
제2 베인(10)이 토출 포트(2c)를 통과 하면, 압축실(15)에 고압의 냉매가 약간 남는다. 그리고 "각도 180°"(도 5의 "각도 0°"에 있어서, 제1 베인(9)과 제2 베인(10)의 위치가 교체된 상태와 같다)에서, 압축실(15)이 소멸했을 때, 이 고압의 냉매는 흡입실(13)에서 저압의 냉매로 변화된다. 이후 압축 동작을 되풀이한다.
이러한 구성의 베인형 압축기는 실린더와 베인 간 마찰이 없어 소음 및 진동이 낮은 장점이 있다.
하지만, 베인이 실린더의 중심을 향하게 하기 위해 베인 얼라이너, 베인 얼라이너 유지부, 부시 등을 구비해야 하므로, 베인이 실린더의 중심을 향하게 하기 위해 필요한 부품의 개수가 많다.
따라서, 각 부품의 누적 공차로 인해 각 부품의 조립이 용이하지 않고, 조립 공정 및 인건비가 증가하는 문제점이 있다.
그리고 가스(냉매)의 토출 완료 시 발생하는 과압축 손실을 저감하기 위해서는 토출 딤플을 실린더와 로터부의 접점까지 가공해야 하는데, 토출 딤플을 실린더와 로터부의 접점까지 가공하는 경우에는 토출 고압이 흡입실로 누설되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 종래에는 도 9의 좌측 도면에 도시한 바와 같이 토출 딤플(1d)을 실린더 내주면과 로터부 간의 최소 간극을 유지하는 접점부(최근접점)까지 가공하지 못하고 상기 접점부로부터 일정한 간격(D, D=4mm 내지 5mm)만큼 이격된 지점까지만 형성할 수 있으므로, 도 10에 도시한 바와 같이 발생되는 과압축을 허용하거나 저밀도 냉매를 사용할 수 밖에 없다.
[선행문헌]
(특허문헌 1) 일본 특개 2012-167578 A (2012.9.6. 공개)
본 발명은 과압축 및 토출-흡입 간 누설을 저감시켜 효율 및 소음을 개선한 베인형 압축기를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
본 발명은 부품 수를 감소시켜 부품 간의 누적 공차로 인한 진동 소음을 개선할 수 있고, 조립 공정 및 인건비를 감소시킬 수 있는 베인형 압축기를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
본 발명은 외경 확대나 베인 수 증가를 통해 소형화 및 대용량화가 유리한 베인형 압축기를 제공하는 데, 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 베인형 압축기는, 축방향의 양쪽 단부가 개방되어 있으며, 내주면이 외주면에 대해 편심된 통형(筒形)의 실린더; 상기 실린더의 개방단부에 각각 위치하는 메인 베어링 및 서브 베어링; 상기 메인 베어링과 서브 베어링에 의해 지지되는 로터 샤프트에 결합되고, 상기 실린더의 내주면에 대해 편심된 상태로 설치되는 로터부; 및 상기 로터부에 결합되어 상기 로터부와 함께 회전하고, 상기 로터부의 회전 시 상기 실린더의 내주면을 흡입실과 압축실을 포함하는 복수 개의 공간으로 구획하는 복수 개의 베인을 포함하고, 상기 실린더의 내주면과 상기 로터부 간의 최소 간극을 유지하는 접점부에는 일부가 상기 실린더의 내주면 안쪽으로 돌출되도록 탄성 부재가 설치되며, 상기 실린더의 내주면에 형성되는 토출 딤플의 한쪽 단부는 상기 접점부까지 연장된다.
이러한 구성의 압축기에 따르면, 토출 딤플이 실린더의 내주면과 로터부 간의 최소 간극을 유지하는 접점부까지 연장될 수 있으므로, 과압축 및 토출-흡입 간의 누설을 저감할 수 있다.
상기 탄성 부재는 원형 또는 판형 스프링으로 형성될 수 있고, 상기 원형 또는 판형 스프링의 표면에는 윤활을 위한 코팅막이 형성될 수 있다.
따라서, 베인의 선단부가 원형 또는 판형 스프링과 접촉할 때 마찰력이 감소할 수 있다.
상기 실린더에는 상기 원형 또는 판형 스프링이 삽입되는 원형의 스프링 삽입부가 형성될 수 있고, 상기 스프링 삽입부의 적어도 일부는 상기 실린더의 내주면 안쪽으로 개방될 수 있다.
따라서, 원형 또는 판형 스프링의 일부가 상기 개방된 부분을 통해 상기 실린더의 내주면 안쪽으로 돌출될 수 있다.
상기 스프링 삽입부에 삽입된 상기 원형 또는 판형 스프링의 후단에는 배압이 형성될 수 있다.
따라서, 원형 또는 판형 스프링의 돌출 부분이 베인의 선단부와 접촉할 때 베인의 선단부와 원형 또는 판형 스프링의 돌출 부분이 탄성적으로 접촉될 수 있다.
상기 로터 샤프트와 상기 메인 베어링 및 상기 서브 베어링은 동심(同心)으로 위치할 수 있다.
상기 메인 베어링과 상기 서브 베어링은 상기 베인을 향하는 면에 각각 원형의 레일 홈을 구비하고, 상기 베인에는 상기 레일 홈에 삽입되는 돌기부가 구비될 수 있다.
따라서, 로터부와 베인 및 베어링(메인 베어링 및 서브 베어링)을 효과적으로 조립할 수 있고, 누적 공차가 감소하여 진동 소음을 개선할 수 있다.
상기 레일 홈은 상기 메인 베어링과 상기 서브 베어링에 대해 편심될 수 있다.
따라서, 복수의 베인에 의해 실린더의 내부 공간을 압축실 및 흡입실을 포함하는 복수의 공간으로 형성할 수 있다.
상기 레일 홈과 상기 실린더의 내주면은 정원(正圓)으로 형성될 수 있고, 이 경우, 상기 복수의 베인은 각각, 흡입 완료 시점을 기준으로 회전 방향으로 40° 내지 160° 사이의 특정 각도에서 상기 실린더의 내주면 직경보다 작고 동심인 선단부를 구비할 수 있고, 상기 베인은 상기 로터부의 중심축을 통과하는 방사 방향에 대해 5° 내지 20°의 경사각으로 상기 로터부에 결합될 수 있다. 그리고 상기 실린더의 내주면에는 흡입 딤플이 더 형성될 수 있으며, 상기 흡입 딤플에는 흡입 포트가 형성될 수 있다.
실린더의 내주면에 흡입 딤플을 형성하면, 흡입실에 흡입되는 가스(냉매)량을 증가시킬 수 있다.
이와 달리, 상기 레일 홈 및 상기 실린더의 내주면 중 적어도 하나는 정원(正員)으로 형성되지 않을 수 있고, 이 경우에도 상기 실린더의 내주면에는 흡입 딤플이 더 형성될 수 있으며, 상기 흡입 딤플에는 흡입 포트가 형성될 수 있다.
실린더의 내주면에 흡입 딤플을 형성하면, 흡입실에 흡입되는 가스(냉매)량을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 베인형 압축기는 과압축 및 토출-흡입 간 누설을 저감시켜 효율 및 소음을 개선할 수 있다.
그리고 부품 수를 감소시켜 부품 간의 누적 공차로 인한 진동 소음을 개선할 수 있고, 조립 공정 및 인건비를 감소시킬 수 있다.
그리고 외경 확대나 베인 수 증가를 통해 소형화 및 대용량화가 유리하다.
도 1은 종래 기술에 따른 베인형 압축기의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 압축 요소의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 제2 베인과 베인 얼라이너를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 압축 요소의 평면도(회전 각도 90°)이다.
도 5는 도 1에 도시한 베인형 압축기의 압축 동작을 나타내는 압축 요소의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 요소의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 압축 요소 중에서 로터부, 베인 및 실린더의 조립 상태를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 주요부 확대도이다.
도 9는 종래 기술에 따른 토출 딤플 각도와 본 발명의 실시 예에 따른 토출 딤플 각도를 비교한 도면이다.
도 10은 압축실의 실제 압력과 이론 압력을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 발명(invention)의 용어는 discloser, document, specification, description 등의 용어로 대체할 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 압축기에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 압축 요소의 분해 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시한 압축 요소 중에서 로터부, 베인 및 실린더의 조립 상태를 나타내는 평면도이며, 도 8은 도 7의 주요부 확대도이다.
그리고 도 9는 종래 기술에 따른 토출 딤플 각도와 본 발명의 실시 예에 따른 토출 딤플 각도를 비교한 도면이고, 도 10은 압축실의 실제 압력과 이론 압력을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 베인형 압축기를 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 특징적인 기술은 일반적인 밀폐형 로터리 압축기에도 적용이 가능하다.
본 실시 예의 베인형 압축기는 냉동 기기, 냉장 기기, 에어컨 등에 적용될 수 있다.
한 예로, 베인형 압축기를 탑재한 에어컨은 냉매를 압축하는 본 실시 예의 베인형 압축기 외에, 응축기, 감압장치, 증발기 등을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 베인형 압축기는 냉동 기기, 냉장 기기, 에어컨 등에 적용될 수 있으며, 압축 요소와, 압축 요소를 구동하는 전동 요소 및 압축 요소와 전동 요소를 수납하는 밀폐 용기를 포함한다.
밀폐 용기와 전동 요소는 전술한 선행 기술의 밀폐 용기와 전동 요소를 적용하는 것이 가능하므로, 이하에서는 압축 요소에 대해서만 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 베인형 압축기의 압축 요소는 아래의 구성요소를 포함한다.
(1) 실린더(201): 전체 형상이 거의 원통형이며, 축방향의 양쪽 단부는 개방되어 있다. 실린더 내주면(201a)은 실린더 외주면에 대해 편심되어 있으며, 실린더 내주면(201a)에는 실린더 내주면(201a)보다 외주 측에 크게 원형(단면)으로 잘라낸 흡입 딤플(201b)이 형성되어 있으며, 실린더 내주면(201a) 또는 흡입 딤플(201b)에 흡입 포트(201c)가 개구하고 있다. 그리고 실린더 내주면(201a) 중에서 실린더 내주면(201a)과 로터부(204a) 간의 최소 간극을 유지하는 접점부에는 적어도 일부가 실린더 내주면(201a) 안쪽으로 개방된 원형의 스프링 삽입부(201d)가 형성되며, 실린더 내주면(201a)에는 실린더 내주면(201a)보다 외주 측에 크게 원형(단면)으로 잘라낸 토출 딤플(201e)이 한쪽 단부가 상기 접점부까지 연장되도록 형성되어 있다. 실린더 내주면(201a)은 정원(正圓)으로 형성될 수 있지만, 정원(正圓)으로 형성되지 않을 수도 있다.
(2) 메인 베어링(202): 단면이 거의 "T"자형으로, 실린더(201)에 접하는 부분은 거의 원판형으로 형성되고, 실린더(201)의 한쪽 개구부(도 6에서는 위쪽)을 폐쇄한다. 메인 베어링(202)의 실린더(201)측 면에는 메인 베어링(202)에 대해 편심된 원형의 레일 홈(202a)이 형성되어 있다. 상기 레일 홈(202a)은 정원(正圓)으로 형성될 수 있지만, 정원(正圓)으로 형성되지 않을 수도 있다.
그리고 메인 베어링(202)의 중앙부는 원통형으로 형성되며, 여기에 회전축부(204b)가 삽입되어 있다.
(3) 서브 베어링(203): 단면이 거의 "T"자형으로, 실린더(201)에 접하는 부분은 거의 원판형으로 형성되며, 실린더(201)의 다른 방향 개구부 (도 6에서는 아래쪽)을 폐쇄한다. 서브 베어링(203)의 실린더(201)측 면에는 서브 베어링(203)에 대해 편심된 원형의 레일 홈(203a)이 형성되어 있다. 상기 레일 홈(203a)은 정원(正圓)으로 형성될 수 있지만, 정원(正圓)으로 형성되지 않을 수도 있다. 메인 베어링(202)의 레일 홈(202a)과 서브 베어링(203)의 레일 홈(203a) 중에서 적어도 하나는 정원(正圓)으로 형성되지 않을 수도 있다
그리고 서브 베어링(203)의 중앙부는 원통형으로 형성되며, 여기에 회전축부(204c)가 삽입되어 있다.
(4) 로터 샤프트(204): 실린더(201) 내(內)로 실린더(201)의 중심축과는 편심한 중심축위로 회전 운동을 행하는 로터부(204a) 및 상하의 회전축부(204b, 204c)가 일체로 형성된 구조로, 회전축부(204b, 204c)는 각각 메인 베어링(202)의 베어링부와 서브 베어링(203)의 베어링부에 의해 베어링 된다.
로터부(204a)에는 축방향으로 관통하는 베인 설치부(204g)가 형성되어 있고, 베인 설치부(204g)는 로터부(204)의 중심축을 통과하는 방사 방향에 대해 5° 내지 20°의 경사각(θ1)으로 형성되어 있다.
로터 샤프트(204)와 메인 베어링(202) 및 서브 베어링(203)은 동심(同心)으로 위치한다.
(5) 베인 (209): 거의 4각형의 판형으로 형성되고, 축방향의 양쪽 단면 (도 6에서는 위쪽 및 아래쪽)에는 레일 홈(202a, 203a)에 결합되는 돌기부(209a, 209b)가 형성되어 있다. 복수의 베인(209)은 각각, 흡입 완료 시점을 기준으로 회전 방향으로 40° 내지 160° 사이의 특정 각도에서 실린더(201)의 내주면 직경보다 작고 동심인 선단부(209c)를 갖는다. 그리고 복수의 베인(209)은 각각, 로터부(204a)에 형성된 베인 설치부(204g)에 결합되어 로터부(204a)와 함께 회전하고, 로터부(204a)의 회전 시 실린더(201)의 내주면(201a)을 흡입실과 압축실을 포함하는 복수 개의 공간으로 구획한다. 도 6은 3개의 베인을 구비한 것을 예로 들어 도시하였으나, 베인의 개수는 2개 이상이면 제한적이지 않다.
(6) 탄성 부재(205): 원형 또는 판형 스프링으로 형성될 수 있고, 실린더 내주면(201a)과 상기 로터부(204a) 간의 최소 간극을 유지하는 접점부에 형성된 스프링 삽입부(201d)에 설치되어 일부가 실린더(201)의 내주면(201a) 안쪽으로 돌출된다.
원형 또는 판형 스프링의 표면에는 윤활을 위한 코팅막(205a)이 형성될 수 있고, 스프링 삽입부(201d)에 삽입된 원형 또는 판형 스프링의 후단에는 배압이 형성될 수 있다.
스프링 삽입부(201d)를 전체적으로 원형으로 형성하고, 스프링 삽입부(201) 내에 원형 또는 판형 스프링을 도 8에 도시한 바와 같이 설치하면, 별도의 기구물을 사용하지 않으면서도 스프링의 후단에 배압을 형성할 수 있다.
따라서, 원형 또는 판형 스프링의 돌출 부분이 베인의 선단부와 접촉할 때 베인의 선단부와 원형 또는 판형 스프링의 돌출 부분이 탄성적으로 접촉될 수 있다.
한편, 도 6에서는 베인(209)이 로터부(204a) 및 베어링(202, 203)과 일체화되기 전의 상태를 도시하였다. 실제로는, 베인(209)이 베인 설치부(204g)에 결합되고 베인(209)의 돌기부(209a, 209b)가 레일 홈(202a, 203a)과 결합된다. 따라서, 베인(209)이 로터부(204a) 및 베어링(202, 203)과 일체화되므로, 종래에 비해 부품 수를 감소시킬 수 있어 로터부와 베인 및 베어링(메인 베어링 및 서브 베어링)을 효과적으로 조립할 수 있고, 부품 간의 누적 공차가 감소하여 진동 소음을 개선할 수 있으며, 조립 공정 및 인건비를 감소시킬 수 있다.
그리고 외경 확대나 베인 수 증가를 통해 소형화 및 대용량화가 가능하다.
일체화한 베인(209)과 로터부(204a)는 실린더 내주면(201a)의 중심축을 중심으로 회전하고, 실린더 내주면(201a)의 중심축으로부터 베인 선단부(209a)까지의 거리는 항상 실린더 내주면(201a)의 반경보다도 작게(거의 동일하게) 형성한다.
다음에 동작에 대해서 설명한다. 로터 샤프트(204)의 회전축부(204b)가 전동 요소 등(엔진 구동의 경우는, 엔진)의 구동부에서 회전 동력을 전달 받으면 로터부(204a)는 실린더(201) 내(內)에서 회전한다. 로터부(204a)의 회전에 따라, 로터부(204a)의 베인 설치부(204g) 내에 유지되고 있는 베인(209)도 로터부(204a)와 함께 회전한다.
또, 실린더 내주면 (201a)과 동심으로 메인 베어링(202) 및 서브 베어링(203)의 실린더측 단면에 형성된 레일 홈(202a, 203a)에 회전 가능하게 결합된 돌기부(209a, 209b)에 의해 실린더(201)의 법선 방향으로 베인(209)의 방향이 제한된다.
따라서, 베인(209)은 실린더 내주면(201a)의 중심축을 중심으로 회전하고, 실린더 내주면(201a)의 중심축으로부터 베인 선단부(209a)까지의 거리는 항상 실린더 내주면(201a)의 반경보다도 작게(대략 유사하게) 형성된다.
따라서, 베인 선단부(209a)는 실린더(201)의 실린더 내주면(201a)에는 접촉하지 않고, 돌기부(209a, 209b)가 레일 홈(202a, 203a)을 따라 슬라이딩하면서 베인(209)이 회전한다.
그리고 베인(209)의 베인 선단부(209a)의 원호의 반경은 실린더(201)의 실린더 내주면(201a)의 반경과 거의 일치하고 있고, 양자의 법선도 거의 일치하고 있기 때문에, 양자 간은 미세한 틈을 유지하면서 회전한다.
따라서, 로터 샤프트(204)의 로터부(204a)가 회전함에 따라 실린더(201) 내(內)에는 흡입실, 중간실, 압축실의 용적이 변화하면서 냉매의 흡입 및 압축이 이루어지게 된다.
그런데, 본 발명의 실시 예에 따른 압축기에서는 토출 딤플(201e)이 탄성 부재(205)와 로터부(204a)의 접점까지 형성되어 있으므로, 상기한 흡입 및 압축 과정에서 과압축을 감소시켜 기계 효율을 대략 0.5% 정도 개선할 수 있다.
그리고 탄성 부재(205)가 로터부(204a)와 항상 선접촉을 하고 있으므로, 상기한 흡입 및 압축 과정에서 토출-흡입 간 누설을 감소시켜 체적 및 지시 효율을 대략 3% 정도 개선할 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 어떤 실시 예들 또는 다른 실시 예들은 서로 배타적이거나 구별되는 것은 아니다. 앞서 설명된 본 발명의 어떤 실시 예들 또는 다른 실시 예들은 각각의 구성 또는 기능이 병용되거나 조합될 수 있다.
예를 들어 특정 실시 예 및/또는 도면에 설명된 A 구성과 다른 실시 예 및/또는 도면에 설명된 B 구성이 결합될 수 있음을 의미한다. 즉, 구성 간의 결합에 대해 직접적으로 설명하지 않은 경우라고 하더라도 결합이 불가능하다고 설명한 경우를 제외하고는 결합이 가능함을 의미한다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
201: 실린더 202: 메인 베어링
203: 서브 베어링 204: 로터 샤프트
205: 탄성부재

Claims (16)

  1. 축방향의 양쪽 단부가 개방되어 있으며, 내주면이 외주면에 대해 편심된 통형(筒形)의 실린더;
    상기 실린더의 개방단부에 각각 위치하는 메인 베어링 및 서브 베어링;
    상기 메인 베어링과 서브 베어링에 의해 지지되는 로터 샤프트에 결합되고, 상기 실린더의 내주면에 대해 편심된 상태로 설치되는 로터부; 및
    상기 로터부에 결합되어 상기 로터부와 함께 회전하고, 상기 로터부의 회전 시 상기 실린더의 내주면을 흡입실과 압축실을 포함하는 복수 개의 공간으로 구획하는 복수 개의 베인
    을 포함하고,
    상기 실린더의 내주면과 상기 로터부 간의 최소 간극을 유지하는 접점부에는 일부가 상기 실린더의 내주면 안쪽으로 돌출되도록 탄성 부재가 설치되며, 상기 실린더의 내주면에 형성되는 토출 딤플의 한쪽 단부는 상기 접점부까지 연장되는 베인형 압축기.
  2. 제1항에서,
    상기 탄성 부재는 원형 또는 판형 스프링으로 형성되는 베인형 압축기.
  3. 제2항에서,
    상기 원형 또는 판형 스프링의 표면에는 윤활을 위한 코팅막이 형성되는 베인형 압축기.
  4. 제2항에서,
    상기 실린더에는 상기 원형 또는 판형 스프링이 삽입되는 원형의 스프링 삽입부가 형성되며, 상기 스프링 삽입부의 적어도 일부는 상기 실린더의 내주면 안쪽으로 개방되는 베인형 압축기.
  5. 제4항에서,
    상기 스프링 삽입부에 삽입된 상기 원형 또는 판형 스프링의 후단에는 배압이 형성되는 베인형 압축기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
    상기 로터 샤프트와 상기 메인 베어링 및 상기 서브 베어링은 동심(同心)으로 위치하는 베인형 압축기.
  7. 제6항에서,
    상기 메인 베어링과 상기 서브 베어링은 상기 베인을 향하는 면에 각각 원형의 레일 홈을 구비하고, 상기 베인에는 상기 레일 홈에 삽입되는 돌기부가 구비되는 베인형 압축기.
  8. 제7항에서,
    상기 레일 홈은 상기 메인 베어링과 상기 서브 베어링에 대해 편심된 베인형 압축기.
  9. 제8항에서,
    상기 레일 홈과 상기 실린더의 내주면이 정원(正圓)으로 형성되는 베인형 압축기.
  10. 제9항에서,
    상기 복수의 베인은 각각, 흡입 완료 시점을 기준으로 회전 방향으로 40° 내지 160° 사이의 특정 각도에서 상기 실린더의 내주면 직경보다 작고 동심인 선단부를 갖는 베인형 압축기.
  11. 제10항에서,
    상기 베인은 상기 로터부의 중심축을 통과하는 방사 방향에 대해 5° 내지 20°의 경사각으로 상기 로터부에 결합되는 베인형 압축기.
  12. 제11항에서,
    상기 실린더의 내주면에는 흡입 딤플이 더 형성되는 베인형 압축기.
  13. 제12항에서,
    상기 흡입 딤플에는 흡입 포트가 형성되는 베인형 압축기.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 레일 홈 및 상기 실린더의 내주면 중 적어도 하나는 정원(正圓)으로 형성되지 않는 베인형 압축기.
  15. 제14항에서,
    상기 실린더의 내주면에는 흡입 딤플이 더 형성되는 베인형 압축기.
  16. 제15항에서,
    상기 흡입 딤플에는 흡입 포트가 형성되는 베인형 압축기.
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