KR102338127B1 - 로터리 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 구동모터; 회전축; 상기 케이스에 고정되고, 상기 회전축을 따라 설치되는 메인베어링과 서브베어링; 상기 메인베어링과 서브베어링의 사이에 고정 설치되고, 중심부에 냉매가 수용되며, 반경 방향으로 흡입포트와 토출포트가 각각 형성되는 실린더; 일 측이 상기 실린더의 내주면에 접하도록 상기 실린더의 내부에 위치하고, 상기 회전축과 함께 회전하여 상기 실린더의 내부에 압축공간을 형성하는 롤러; 및 상기 롤러에 삽입 설치되고, 상기 롤러의 회전에 의해 돌출되어 상기 실린더의 내주면과 접하면서 상기 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 적어도 두 개 이상의 베인을 포함하며, 상기 실린더의 내주면 일측에는, 상기 토출포트의 단부를 확장하도록 이루어지고 압축된 냉매의 유량을 증가시키는 토출포트홈이 형성되는 압축기에 관한 것이다.

Description

로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR}
본 발명은 실린더의 압축공간에 흡입되는 냉매를 압축시킨 후 이를 토출하는 로터리 압축기에 관한 것이다.
압축기는 냉장고나 에어컨과 같은 증기압축식 냉동사이클에 적용되는 것으로, 압축기는 냉매를 압축실로 흡입하는 방식에 따라 간접 흡입 방식과 직접 흡입 방식으로 구분될 수 있다.
간접 흡입 방식은 냉동사이클을 순환하는 냉매가 압축기의 케이스 내부공간으로 유입된 후 압축실로 흡입되는 방식이고, 직접 흡입 방식은 간접 흡입 방식과 달리 냉매가 직접 압축실로 흡입되는 방식이다. 간접 흡입 방식은 저압식 압축기로, 직접 흡입 방식은 고압식 압축기로 지칭될 수 있다.
저압식 압축기는 냉매가 압축기의 케이스 내부공간으로 먼저 유입됨에 따라 액냉매나 오일이 압축기 케이스의 내부공간에서 걸러지므로 별도의 어큐뮬레이터가 구비되지 않는다. 이에 반해, 고압식 압축기는 압축실로 액냉매나 오일이 유입되는 것을 방지하기 위해 통상적으로 어큐뮬레이터가 압축실보다 흡입측에 구비되어 있게 된다.
압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 회전식과 왕복동식으로 구분할 수 있다.
회전식 압축기는 롤링피스톤(이하 롤러라 한다.) 실린더에서 회전이나 선회운동을 하면서 압축공간의 체적을 가변시키는 방식이고, 왕복동식 압축기는 롤링피스톤이 실린더에서 왕복 운동을 하면서 압축공간의 체적을 가변시키는 방식이다.
회전식 압축기로는, 전동부의 회전력을 이용하여 냉매를 압축하는 로터리 압축기가 있다.
최근에는 로터리 압축기를 점차 소형화하면서, 그 효율을 높이는 것이 주된 기술 개발의 목표가 되고 있다. 또한, 소형화된 로터리 압축기의 운전속도 가변 범위를 증대시킴으로써 더 큰 냉방 능력(Cooling Capacity)을 얻기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
로터리 압축기는 외관을 형성하는 케이스의 내부에 구동모터 및 압축유닛이 포함하며 흡입된 냉매를 압축한 후 토출하게 된다. 구동모터는 회전축을 중심으로 회전자와 고정자 순으로 이루어지며, 고정자에 전원이 인가되면 회전자는 고정자의 내부에서 회전하면서 회전축을 회전시키게 된다.
압축유닛은 압축공간을 형성하는 실린더, 회전축에 결합되는 롤링피스톤(이하, 롤러) 및 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인으로 이루어진다.
실린더의 내부에는, 회전축을 중심으로 회전하며 베인과 함께 복수개의 압축 공간을 형성하는 롤러가 설치된다. 롤러는 회전축과 동심 회전운동을 하게 된다.
롤러의 외주면에는 방사상으로 다수의 베인슬롯이 설치되고, 각 베인은 베인슬롯으로부터 슬라이딩되어 돌출된다. 각 베인은, 후단부에 형성되는 오일의 배압력과 롤러의 회전에 의한 원심력에 의해, 베인슬롯으로부터 돌출되어 실린더의 내주면과 밀착됨으로써 실린더의 내부 공간에서 수용된 냉매를 압축할 수 있게 된다. 즉, 흡입실로 유입되는 냉매는 실린더의 내주면을 따라 이동하는 베인에 의해 일정한 압력까지 압축된 후, 토출배관을 거쳐 냉동사이클 장치로 배출될 수 있다.
종래의 로터리 압축기는, 베인이 실린더의 내주면을 따라 이동하면서 연속적인 압축 메커니즘을 형성하므로 흡입된 냉매의 압력이 빠르게 토출 압력까지 도달하게 된다. 이 경우, 냉매는 압축하려는 압력보다 더 큰 압력으로 압축되면서 과압축손실이 발생하게 된다. 냉매의 과압축은 불필요한 압축 손실을 발생시키고 압축기의 효율을 저감시키며, 기계적 파손을 야기하는 문제점이 발생하게 된다.
종래의 로터리 압축기는 실린더의 측면을 통해 압축된 냉매의 일부를 바이패스시켜 토출시키는 방법을 사용하거나, 압축공간에서 냉매의 과압축이 형성되는 것을 방지하도록 토출포트의 직경을 키우는 방법을 사용하였다.
다만, 바이패스에 의하더라도 냉매의 과압축을 방지하는데 한계가 있으며, 토출포트의 직경을 키우더라도 베인의 두께보다는 작아야하므로 과압축에 따른 지시손실을 방지하는데 한계가 있다.
본 발명의 일 목적은, 압축공간에서 냉매의 압축으로 인한 압력이 빠르게 상승하는 것을 막아 냉매의 과압축이 방지하며, 이로 인해 압축 손실을 저감시킴으로써 압축 효율을 상승시킬 수 있는 압축기의 구조를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 일 목적은, 압축 공간에 수용된 냉매가 원하는 압력보다 더 높은 압력으로 상승되는 것을 제한하기 위한 것이다.
본 발명의 일 목적은, 압축공간의 내부에서 압축된 고압의 냉매 일부를 바이패스시킴으로써, 압축실에 형성되는 압력이 일정한 압력 이상으로까지 상승하는 것을 제한하기 위한 것이다.
본 발명은, 압축된 냉매가 토출구를 통해 토출되는 속도를 저감시킬 수 있는 압축기의 구조를 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로터리 압축기는, 케이스의 내부에서 회전력을 발생시키는 구동모터, 구동모터와 결합되어 회전력을 전달하는 회전축, 회전축을 따라 설치되는 메인베어링과 서브베어링, 메인베어링과 서브베어링의 사이에 고정 설치되고, 중심부에 냉매가 수용되며, 반경 방향으로 흡입포트와 토출포트가 각각 형성되는 실린더를 포함하며, 실린더의 내주면 일측에는, 상기 토출포트의 단부를 확장하도록 이루어지고 압축된 냉매의 유량을 증가시키도록 토출포트홈이 형성되는 특징을 가진다. 토출포트홈에 의해, 압축된 냉매의 이동 통로가 확장되는 효과를 얻을 수 있게 된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 실린더에는, 상기 냉매가 압축되는 방향을 기준으로 토출포트보다 전방에 위치된 바이패스포트에는 바이패스포트의 단부가 확장되어 이동하는 냉매의 유량이 증가되도록, 일측에 바이패스홈이 형성될 수 있다. 바이패스홈에 의해, 압축된 냉매가 이동할 수 있는 통로가 확장되는 효과를 얻을 수 있을 것이다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 메인베어링과 서브베어링에는, 상기 압축공간과 오버랩되는 위치에 상기 케이스의 내부 공간과 연통되도록 바이패스홀이 형성될 수 있다. 바이패스홀에 의해, 압축된 냉매의 일부가 토출됨으로써 냉매가 과압축되는 것을 제한할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성에 따른 로터리 압축기는, 토출포트의 단부에 형성되는 토출포트홈에 의해 압축된 냉매가 토출될 수 있게되어, 압축실에 수용된 냉매가 과압축되는 것을 방지할 수 있어, 압축기의 지시손실을 줄일 수 있게 된다. 냉매의 과압축이 방지되면, 베인의 측면으로 작용하는 힘을 줄어들게 되어, 베인의 베인슬롯과의 충돌이나 마모가 줄어들 수 있게 된다.
또한, 바이패스포트의 단부에 형성되는 바이패스포트홈에 의해, 압축된 냉매가 일부 토출될 수 있어, 압축실의 내부에서 냉매가 과압축되는 것이 방지되게 된다. 이에 따라, 압축기의 지시손실을 저감시킬 수 있게 되며, 베인의 측면으로 작용하는 힘을 줄어들게 되어, 베인의 베인슬롯과의 충돌이나 마모가 줄어들 수 있는 효과가 있게 된다.
또한, 압력이 상승하는 냉매를 바이패스홀을 통해 일부 배출시킴으로써 압축실 내부에서 냉매의 압력이 과다하게 상승하는 것을 방지하고, 냉매의 과압축에 따른 손실을 저감시킬 수 있으며, 바이패스홀을 통해, 압축된 냉매를 일부 배출시킴으로써, 토출구에서의 냉매의 토출 속도의 상승을 제한할 수 있으며, 토출에 의한 손실도 저감시킬 수 있게 된다.
도 1은, 로터리 압축기의 내부의 모습을 나타내는 단면도.
도 2는, 도 1의 로터리 압축기의 내부 모습을 확대도.
도 3은, 압축유닛의 모습을 나타내는 평면도.
도 4는, 본 발명에 따르는 로터리 압축기에 설치되는 실린더의 모습을 나타내는 사시도.
도 5의 (a), (b), (c)는, 토출포트와 토출포트홈의 모습을 나타내는 확대도.
도 6은, 실린더(133)의 모습을 나타내는 사시도.
도 7은, 베인에 반력이 형성되는 모습을 나타내는 개념도.
도 8은, 베인 측면에 형성되는 반력을 회전축의 회전 각도에 따라 나타낸 그래프.
도 9는, 압축유닛을 위에서 바라본 평면도.
도 10는, 바이패스홀에 형성되는 토출밸브의 모습을 나타내는 도면.
도 11은, 바이패스홀의 효과를 나타내는 그래프.
도 12는, 바이패스홀 효과를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 로터리 압축기에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은, 로터리 압축기(100)의 내부의 모습을 나타내는 단면도이다.
로터리 압축기(100)는, 케이스(110), 구동모터(120) 및 압축유닛(130)을 포함한다.
케이스(110)는 외관을 형성하는 것으로, 일 방향을 따라 연장되는 원통형의 형상으로 이루어질 수 있으며, 회전축(123)의 연장 방향을 따라 형성될 수 있다.
케이스(110)의 내부에는 흡입된 냉매가 압축된 후 토출되도록, 압축공간(V1, V2)을 형성하는 실린더(133)가 설치된다.
케이스(110)는 상부쉘(110a), 중간쉘(110b) 및 하부쉘(110c)로 이루어진다. 중간쉘(110b)의 내측면에는 구동모터(120)와 압축유닛(130)이 고정 설치될 수 있으며, 중간쉘(110b)의 상부와 하부에는 각각 상부쉘(110a) 및 하부쉘(110c)이 위치되어 내부에 위치되는 구성 요소들의 외부 노출을 제한하게 된다.
압축유닛(130)은 냉매를 압축하여 토출시키는 역할을 하는 것으로, 롤러(134), 베인(135), 실린더(133), 메인베어링(131) 및 서브베어링(132)을 포함한다.
구동모터(120)는 압축유닛(130)의 상부에 위치되고, 냉매를 압축하기 위한 동력을 제공 역할을 한다. 구동모터(120)는 고정자(121), 회전자(122) 및 회전축(123)을 포함한다.
고정자(121)는 케이스(110)의 내부에 고정되도록 설치되며, 원통형의 케이스(110)의 내주면에 열박음의 방법으로 장착될 수 있을 것이다. 또한, 고정자(121)는 중간쉘(110b)의 내주면에 고정 설치되도록 위치될 수 있다.
회전자(122)는 고정자(121)와 이격 배치되며, 고정자(121)의 내측에 배치될 수 있다. 고정자(121)에 전원이 인가되면, 고정자(121)와 회전자(122)의 사이에 형성된 자기장에 따라 발생하는 힘에 의해 회전자(122)가 회전되며, 회전자(122)의 중심을 관통하는 회전축(123)에 회전력을 전달하게 된다.
중간쉘(110b)의 일 측에는 흡입포트(133a)가 설치되고, 상부쉘(110a)의 일 측에는 토출배관(114)이 설치되어, 케이스(110)의 내부로부터 냉매의 유출이 가능하게 된다.
흡입포트(133a)는 냉동사이클을 형성하는 증발기(미도시)로부터 흡입배관(113)과 케이스(110)를 연통시키고, 토출구(미도시)는 응축기(미도시)로부터 토출배관(114)과 케이스(110)를 연통시키게 된다.
케이스(110)의 내부에 설치되는 압축유닛(130)은, 흡입된 냉매를 압축시킨 후 토출하게 된다. 냉매의 흡입과 토출은 압축공간(V1, V2)을 형성하는 실린더(133)의 내부에서 이루어지게 된다.
본 발명에 따르는 로터리 압축기(100)는, 실린더(133)에 형성되는 흡입포트(133a)를 통해 유입되는 냉매가 압축된 후 토출되는 과정에 있어서, 토출포트(133b)의 단부가 확장되는 구조를 가짐으로써, 압축된 냉매가 보다 원활하게 토출될 수 있다.
도 2는, 도 1의 로터리 압축기(100)의 내부 모습을 확대한 도면이고, 도 3은, 압축유닛(130)의 모습을 나타내는 평면도이다.
실린더(133)의 내부에는 회전축(123)을 중심으로 회전하며, 실린더(133)의 내주면(133a)과 접하면서 압축공간(V1, V2)을 형성하는 롤러(134)가 설치된다. 롤러(134)는 회전축(123)에 형성되는 편심부(미도시)에 설치되며, 롤러(134)는 실린더(133)의 내주면 사이에 하나의 접촉점(P)을 형성하며 회전하게 된다.
롤러(134)는 일 측이 실린더(133)의 내주면에 접하도록, 실린더(133)의 내부에 위치되고, 회전축(123)과 함께 회전하여 실린더(133)의 내부에 압축공간(V1, V2)을 형성하게 된다.
실린더(133)의 일 측에는 베인(135)이 설치된다. 베인(135)은 압축공간(V1, V2)으로 돌출되며, 롤러(134)의 외주면과 접해 실린더(133) 내부의 압축공간(V1, V2)을 각각 흡입실(V1)과 압축실(V2)로 구획하게 된다. 베인(135)은 적어도 두 개 이상의 복수개로 이루어질 수 있고, 각 베인(135)은 롤러(134)의 내부에 위치되며 서로 대칭되도록 위치될 수 있다.
회전축(123)이 회전함에 따라, 각 베인(135)은 롤러(134)와 함께 회전하면서 실린더(133)의 내주면에 접하면서 이동하며, 실린더(133) 중심부에 형성되는 공간부와 롤러(134)의 사이에는 압축공간(V)이 형성되게 된다.
베인(135)의 이동에 의해 흡입포트(133a)로부터 유입되는 냉매는 압축된 후, 토출포트(133b)를 따라 이동하며, 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에 각각 형성되는 토출홀(143, 144) 따라 토출되게 된다.
다만, 실린더(133)와 롤러(134)간의 접촉점은 동일한 위치로 유지되고, 베인(135)의 전단부는 실린더(133)의 내주면을 따라 이동하므로, 압축공간(V1, V2)에 형성되는 압력은 베인(135)의 이동에 따라 연속된 압축되는 메커니즘을 가지며, 압축실(V2)의 압력이 빠르게 토출압력에 도달하게 되므로, 과압축에 따른 손실이 발생하여 효율의 저하를 가져오게 된다.
종래의 로터리 압축기의 경우, 실린더(133)의 압축공간(V1, V2)과 연통되는 각 토출홀(143, 144)을 통해, 압축된 냉매가 한번에 토출되는 구조를 가지므로, 토출되지 못한 냉매가 과압축되는 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
압축공간(V1, V2)에 수용되는 냉매의 과압축이 발생하는 경우, 불필요한 압축 손실이 발생시켜 압축기의 효율을 저감시키며, 기계적 파손을 야기하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 냉매의 과압축에 따른 기계적 손실을 저감시킬 수 있도록, 실린더(133)의 내부에 형성되는 바이패스포트(133c), 토출포트(133b)의 순으로 토출하게 된다. 또한, 토출포트(133b)와 바이패스포트(133c)의 단부를 확장하도록 이루어져, 압축된 냉매의 유량을 증가시킬 수 있는 구조를 가진다.
도 4는, 본 발명에 따르는 로터리 압축기(100)에 설치되는 실린더(133)의 모습을 나타내는 사시도이다.
실린더(133)는 중심부에 공간부를 구비하며, 롤러(134)와의 사이에 압축공간(V1, V2)을 형성하게 된다.
실린더(133)의 내주면에는, 냉매가 압축공간(V1, V2)으로 흡입되는 흡입포트(133a)가 형성되며, 베인(135a, 135b, 135c)의 이동 방향을 따라 압축된 냉매가 이동하기 위한 토출포트(133b)가 형성된다. 실린더(133)의 내주면에는 상하로 두 개의 토출포트(133b)가 형성될 수 있다.
로터리 압축기(100)는, 롤러(134)가 회전함에 따라 베인(135a, 135b, 135c)은 롤러(134)로부터 돌출되며, 베인(135a, 135b, 135c)의 전단부는 실린더(133)의 내주면과 접해 이동하면서 흡입된 냉매를 압축할 수 있게 된다.
종래의 발명의 경우, 베인(135a, 135b, 135c)의 움직임에 의해 냉매의 압력이 빠르게 토출 압력에까지 도달하게 되었으며, 과압축에 따른 지시손실이 증가되는 문제점이 있었다. 토출포트(133b)의 직경을 키우면 용량 대비 토출 면적의 확대를 꾀할 수 있으므로 이를 고려할 수 있겠으나, 베인(135a, 135b, 135c)의 폭 보다 토출포트(133b)의 직경이 커지게 되면, 흡입실(V1)과 압축실(V2) 간의 누설이 발생하게 되는 문제점이 있으므로 그 한계가 존재한다.
본 발명에 따르는 로터리 압축기(100)는, 베인(135a, 135b, 135c)의 회전에 의해 압축되는 냉매가 토출되는 토출포트(133b)의 단부를 확장하도록 이루어지며 압축된 냉매의 유량을 증가시킬수 있는 토출포트홈(133b')을 구비하는 특징을 가진다.
토출포트홈(133b')은 실린더의 내주면을 따라 리세스되는 형상으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 토출포트(133b)의 구멍과 연통되는 냉매의 이동 유로를 별도로 형성함으로써, 압축된 냉매의 토출이 보다 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
도 5의 (a), (b), (c)는 토출포트(133b)와 토출포트홈(133b')의 모습을 나타내는 확대도이다.
토출포트홈(133b')은, 토출포트(133b)의 직경이 베인(135)의 폭에 의해 제한되는 문제점을 해소하기 위해, 토출포트(133b)의 단부를 확장하도록 실린더(133)의 내주면을 따라 리세스되는 형상으로 이루어져, 냉매의 이동하는 유량을 증가시키도록 이루어진다.
토출포트홈(133b')은 토출포트(133b)의 시작 부분에 토출포트(133b)의 단부를 확장하도록 이루어진다. 토출포트홈(133b')은, 실린더(133)의 내주면의 형상을 따라 일정한 깊이를 가지는 홈의 형상으로 이루어질 수 있다.
도 5에서 보듯이, 토출포트홈(133b')은 토출포트(133b)의 높이보다 큰 높이를 가지도록 이루어질 수 있으며, 토출포트(133b)의 직경보다 큰 가로폭을 가지도록 이루어질 수 있을 것이다. 토출포트홈(133b')은 토출포트(133b)의 일단에서 베인(135)이 이동하는 방향을 따라 형성될 수 있으며, 토출포트(133b)의 일 측에서 실린더(133)의 내주면을 따라 연장 형성될 수 있다.
토출포트홈(133b')은, 토출포트(133b)의 단부와 일부 혹은 전부가 겹쳐지도록 이루어질 수 있다. 도 5의 (a)와 (b)는 토출포트(133b)의 단부와 토출포트홈(133b')이 일부가 겹쳐지도록 이루어지는 형상을, (c)는 토출포트(133b)의 단부와 토출포트홈(133b')의 전부가 겹쳐지도록 이루어지는 형상을 나타낸다.
토출포트(133b)의 단부와 겹쳐지는 면적이 넓어질수록, 토출포트홈(133b')을 통해 압축실(V2)에서 압축된 냉매가 이동할 수 있는 유량은 더 커질 수 있어, 냉매의 과압축을 더욱 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
압축실(V2)에서 압축된 냉매는 토출포트홈(133b')을 통해 토출될 수 있으므로, 압축된 냉매가 토출포트(133b)에 의해서만 토출되는 것에 비해 유량이 더 커질 수 있으므로, 압축실(V2)의 내부 압력이 급격하게 상승하는 것을 제한할 수 있게 된다.
도 6은, 실린더(133)의 모습을 나타내는 사시도이다.
실린더(133)는 중심부에 공간부를 구비하며, 롤러(134)와의 사이에 압축공간(V1, V2)을 형성한다.
실린더(133)의 내주면에는, 냉매가 압축공간으로 흡입되는 흡입포트(133a)가 형성되며, 베인(135)의 이동 방향을 따라 압축된 냉매가 이동하기 위한 토출포트(133b)가 형성된다. 실린더(133)의 내주면에는 상하로 두 개의 토출포트(133b)가 형성될 수 있다.
또한, 실린더(133)에는 냉매가 압축되는 방향을 기준으로 토출포트(133b)보다 전방에 위치되어 압축된 냉매의 토출이 이루어지는 바이패스포트(133c)가 추가로 형성될 수 있다.
바이패스포트(133c)는 냉매가 압축되는 과정에서 일부 토출시킴으로써, 압축실(V2)의 내부 압력이 상승하는 것을 제한하는 역할을 한다. 압축된 냉매가 토출포트(133b)에서만 토출되도록 이루어지는 경우, 베인(135)의 운동에 의한 압축실(V2)의 내부 압력이 계속 상승하는 문제점이 있으므로, 바이패스포트(133c)는 압축된 냉매의 일부를 토출시킴으로써, 냉매의 과압축을 방지할 수 있게 된다.
바이패스포트(133c)의 직경은 압축실(V2)과 흡입실(V1) 간의 누설이 방지되도록, 베인(135)의 폭에 의해 제한되는 문제점이 있다. 이에, 실린더(133)의 내주면에는 바이패스포트(133c)의 단부가 확장되어 냉매의 유량이 증가될 수 있도록 바이패스포트홈(133c')이 형성될 수 있다. 바이패스포트홈(133c')은 실린더(133)의 내주면을 따라 리세스되는 형상으로 이루어질 수 있다. 이에, 바이패스포트(133c)의 구멍과 연통되는 냉매의 이동 유로를 별도로 형성함으로써, 압축된 냉매가 원활하게 토출되도록 하게 된다.
바이패스포트홈(133c')은 바이패스포트(133c)의 높이보다 큰 높이를 가지도록 이루어질 수 있으며, 바이패스포트(133c)의 직경보다 큰 가로폭을 가지도록 이루어질 수 있을 것이다. 바이패스포트홈(133c')은 바이패스포트(133c)의 일단에서 베인(135)이 이동하는 방향을 따라 형성될 수 있으며, 바이패스포트(133c)의 일 측에서 실린더(133)의 내주면을 따라 연장 형성될 수 있을 것이다. 도 6에서는, 실린더(133)에 바이패스포트(133c)가 하나 형성된 모습만을 나타내었으나, 바이패스포트(133c)는 하나 혹은 그 이상의 개수가 실린더(133)에 형성될 수 있으며, 이에 대응하도록 바이패스포트홈(133c')이 형성될 수 있다.
도 7은, 베인(135)에 반력이 형성되는 모습을 나타내는 개념도이다.
베인(135)은 롤러(134)의 회전에 의해 돌출되며, 베인(135)의 전단부는 실린더(133)의 내주면에 접하면서 냉매의 압축을 형성하게 된다. 베인(135)의 이동 방향을 따라, 앞쪽에는 압축실(V2)이, 뒤쪽에는 흡입실(V1)이 위치된다. 압축실(V2)의 압력은 흡입실(V1)의 압력보다 높은 압력이 형성되므로, 압축실(V2)의 압력에 의해 베인(135)에 작용하는 힘은 흡입실(V1)의 압력에 의해 베인(135)에 작용하는 힘보다 더 크게 된다. 즉, 베인(135)의 측면에는 압축실(V2)로부터 흡입실의 방향으로 측면힘(Fp)이 작용하게 된다. 측면힘(Fp)에 의해, 베인(135)은 베인슬롯과 충돌되거나 큰 마모를 발생시키게 된다.
특히, 측면힘(Fp)은, 압축실(V2)의 압력이 급격히 상승하게 되는 위치에서 더욱 커지게 되는데, 베인(135)의 측면에 작용하는 힘은 압축실(V2)에 형성되는 압력이 큰 경우, 측면힘(Fp) 또한 커지게 된다.
본 발명에 따르는 로터리 압축기(100)는, 토출포트(133b)의 면적이 확대하도록 이루어지는 토출포트홈(133b')과, 바이패스포트(133c)의 면적을 확대하도록 이루어지는 바이패스포트홈(133c')이 각각 형성됨으로써, 압축실(V2)에서의 냉매의 압력이 설정된 값 이상으로 상승되는 과압축현상을 방지할 수 있다. 즉, 압축실(V2)에 형성되는 냉매의 압력이 필요 이상으로 증가되는 것을 막아 베인(135)의 측면에 형성되는 측면힘(Fp)이 커지는 것을 제한함으로써 베인(135)의 측면에 반력이 상승하는 것을 막을 수 있게 된다. 이에, 베인(135) 측면의 마찰 손실을 저감시킬 수 있게 된다.
도 8은, 베인 측면에 형성되는 반력을 회전축의 회전 각도에 따라 나타낸 그래프이다.
그래프에서 가로축은 회전축의 회전 각도를 나타내며, 세로축은 베인(135)의 측면에 형성되는 반력의 크기를 나타낸다.
여기서, 반력은 베인(135)의 측면에 형성되는 측면힘(Fp)에 의해 형성된다.
베인(135)의 측면에 형성되는 측면힘(Fp)은, 압축이 개시되는 압축개시각으로부터 토출이 시작되는 토출개시각 사이에서 증가하게 된다. 구체적으로, 압축개시각인 대략 160° 지점에서부터 토출개시각인 대략 220° 지점 사이에서 측면힘(Fp)이 증가하다, 바이패스포트(133c)가 형성되는 220° 지점 이후부터 감소하기 시작한다.
본 발명은, 토출포트(133b)의 면적이 확대하도록 이루어지는 토출포트홈(133b')과, 바이패스포트(133c)의 면적을 확대하도록 이루어지는 바이패스포트홈(133c')이 각각 형성됨으로써, 압축실(V2)에서의 냉매의 압력이 설정된 값 이상으로 상승되는 과압축현상을 방지할 수 있게 된다. 특히, 바이패스포트홈(133c')이 형성되는 대략 220° 지점에서부터 토출포트홈(133b')이 형성되는 대략 260° 지점 사이에서 측면힘(Fp)을 저감시킬 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 베인(135)의 측면에 작용하는 힘이 감소됨으로써, 베인(135)의 측면과 베인슬롯 사이에서 발생하는 마찰 손실을 저감시킴으로써, 압축기의 기계적인 손실을 줄일 수 있는 효과가 있게 된다.
도 9는, 압축유닛을 위에서 바라본 평면도이다.
본 발명에 따르는 압축기는, 압축공간(V1, V2)의 압력 상승을 저감시키도록, 과압축에 의한 지시손실을 줄일 수 있는 바이패스홀(140)을 포함한다.
바이패스홀(140)은, 메인베어링(131)과 서브베어링(132)의 압축공간(V)과 오버랩되는 위치에 형성되는 것으로, 베인(135)이 실린더(133) 내주면에 접한 상태에서 이동함에 따라 형성되는 압축공간(V1, V2)에 수용된 냉매의 압력을 저감시키는 역할을 한다. 바이패스홀(140)을 통해 유출되는 냉매는, 케이스(10)의 내부 공간으로 이동하게 된다.
압축유닛(130)은, 위에서부터 아래 방향으로 메인베어링(131), 실린더(133) 및 서브베어링(132)이 순서대로 적층되어 형성된다.
메인베어링(131)과 실린더(133), 서브베어링(132)과 실린더(133)는 각각 나사홀(143)에 나사체결되어 고정될 수 있다. 실린더(133)의 중심부에 형성되는 내부공간에는 롤러(134)가 위치되고, 베인(135)은 실린더(133)의 내주면에 접하며, 롤러(134)와 실린더(133)의 내주면의 사이에는 압축공간(V)이 형성된다.
압축공간(V1, V2)은, 냉매가 유입되는 흡입포트(133a)와 바이패스포트(133c) 및 토출포트(133b)와 연통되도록 이루어진다.
롤러(134)와 실린더(133)는 하나의 접촉점(P)을 가진다. 접촉점(P)과 회전축(123)의 중심을 연결하는 가상의 선을 기준선으로 하며, 이때의 각도를 0°라 한다. 회전각도는 상기 기준선과 특정한 위치와 회전축(123)의 중심을 연결하는 선 사이의 각도를 반시계방향으로 측정한 각도를 의미한다.
제1 베인(135a)이 흡입이 완료되는 시점인 흡입포트(133a)의 끝단에 위치될 때, 제1 베인(135a)과 일정한 각도 이격되게 위치되는 제2 베인(135b)의 위치와 회전축(123)의 중심을 연결하는 선이 형성하는 각도는 대략 160°에서 165° 사이의 각도를 형성하며, 이를 압축개시각(β)이라 칭한다. 여기서, 흡입이 완료되는 시점인 흡입포트(133a)의 끝단의 위치는 대략 40°에서 45° 사이의 각도를 이룬다. 또한, 실린더(133)의 측면에 형성되는 바이패스포트(133c)는 회전각이 대락 270°인 지점에 형성되며, 바이패스포트(133c)의 시작점의 위치까지의 각도를 토출개시각(γ)이라고 한다.
바이패스홀(140)은, 메인베어링(131), 서브베어링(132) 및 압축공간(V)이 서로 중첩되는 위치에 형성될 수 있다. 바이패스홀(140)은, 압축개시각에서부터 토출개시각 사이에 형성되도록 이루어질 수 있다. 구체적으로, 바이패스홀(140)은, 회전각이 압축개시각인 β의 각도부터 토출개시각인 γ의 각도 사이의 영역에 위치하게 된다. 예를 들어, 바이패스홀(140)은, 접촉점(P)를 기준으로 할 때, 160°에서 270°의 사이에 위치에 형성되며, 압축공간(V)과 오버랩되도록 이루어질 수 있다.
구동모터(20)가 회전함에 따라, 회전축(123)이 반시계방향으로 회전하면, 회전축(123)에 설치되는 롤러(134)는 반시계방향으로 회전하게 되는데, 롤러(134)가 반시계방향으로 회전함에 따라 흡입포트(133a)를 통해 실린더(133)의 압축공간(V1, V2)으로 유입되는 냉매는 실린더(133)의 내주면과 각 베인(135) 사이에 형성되는 공간에 위치되며, 베인(135)의 이동에 따라 롤러(134)의 외주면과 실린더(133) 내주면 사이의 간격이 좁아지면서 압축이 이루어질 수 있다. 압축된 냉매는 바이패스포트(133c)를 통해 일부 유출되며, 최종적으로는 베인(135)의 움직임에 의해 토출유로(142)를 따라 이동하게 된다.
바이패스홀(140)을 통해, 압축된 냉매가 이동할 수 있으며, 베인(135)의 움직임에 따른 냉매의 압축에서 과압축을 방지할 수 있게 되는 것이다.
바이패스홀(140)은, 메인베어링(131)의 하면으로부터 상방향으로 형성되어 압축공간(V)과 케이스(10)의 내부 공간을 연통시키도록 이루어진다. 또한, 바이패스홀(140)은, 서브베어링(132)의 상면으로부터 하방향으로 형성되어, 압축공간(V1, V2)과 케이스(10)의 내부 공간을 연통하도록 이루어질 수 있다.
바이패스홀(140)은, 메인베어링(131)과 압축공간(V), 서브베어링(132)과 압축공간(V1, V2)이 서로 오버랩되는 위치에 형성될 수 있다. 바이패스홀(140)은, 적어도 하나 이상의 복수개로 이루어질 수 있으며, 일정한 길이의 원호를 따라 서로 이격되게 형성될 수 있다. 바이패스홀(140)은 원형의 홀로 이루어질 수 있으며, 바이패스홀(140)의 직경은, 베인(135)의 두께보다는 작아야 할 것이다. 베인(135)의 두께보다 바이패스홀(140)의 직경이 큰 경우, 베인(135)에 의해 구획되는 압축공간(V1, V2)간의 누설 현상이 발생하기 때문이다.
도 10는, 바이패스홀에 형성되는 토출밸브(150)의 모습을 나타내는 도면이다.
토출밸브(150)는 메인베어링(131)의 상부면과 서브베어링(132)의 하부면에 각각 고정 설치될 수 있으며, 상기 각 바이패스홀(140)을 덮도록 이루어질 수 있다. 토출밸브(150)는 압축공간(V)에 형성되는 압력에 의해 바이패스홀(140)의 개폐를 형성할 수 있게 된다.
토출밸브(150)는 바이패스홀(140)의 갯수에 대응되는 갯수로 이루어질 수 있다. 토출밸브(150)는 복수개로 이루어져 각 바이패스홀(140)을 덮도록 이루어질 수 있다. 이 경우, 각 토출밸브(150)는, 각 바이패스홀(140)에 형성되는 압력에 의해 고정된 일 단을 기준으로 상측으로의 움직임이 형성될 수 있다.
도 11과 도 12는, 바이패스홀(140)의 효과를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따르는 로터리 압축기는, 실린더(133)의 내주면의 일 측에 형성되어 압축공간(V1, V2)과 연통되도록 이루어지는 바이패스포트(133c)와 토출포트(133b) 외에 추가적으로 메인베어링(131) 및 서브베어링(132)에 각각 바이패스홀(140)이 형성될 수 있다.
베인(135)이 압축방향으로 회전함에 따라, 압축공간(V1, V2)에 수용되는 냉매는 압축되고, 바이패스포트(133c)를 통해 압축공간(V1, V2)에서 압축되는 냉매의 일부가 유출되며, 바이패스포트(133c)를 지나 위치되는 토출포트(133b)를 통해 압축된 냉매의 토출이 이루어지게 된다. 이때, 토출포트홈(133b') 및 바이패스포트홈(133c')에 의해 각각 토출포트(133b)와 바이패스포트(133c)를 통해 이동되는 압축 냉매의 유량이 증가할 수 있음은 앞서 살펴본 바와 동일하다.
로터리 압축기(100)에서 구동모터가 40Hz이상의 고속으로 회전하게 되면, 베인(135)을 통해 압축되는 냉매의 양도 더 많아지기 때문에, 압축된 냉매를 원활한 토출을 위해, 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에는 압축공간(V1, V2)과 중첩되는 영역에 바이패스홀(140)이 형성할 수 있다.
바이패스홀(140)은 복수개로 이루어질 수 있으므로, 유효한 토출 면적의 증가 효과를 가져올 수 있게 된다.
도 11은, 압축공간(V1, V2) 내에 수용된 냉매의 질량 유량의 속도를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 가로축은 회전축의 회전각도를 나타내며, 세로축은 압축공간(V1, V2) 내의 질량유량의 속도를 나타낸다.
여기서, 점선은 각 베어링에 바이패스홀(140)이 형성되지 않은 것을 도시하며, 실선은 각 베어링(131, 132)에 바이패스홀(140)이 형성된 경우를 도시한다. 그래프에서 보는 바와 같이, 60Hz로 회전하는 로터리 압축기에서 로터리 압축기(100)에 바이패스홀(140)이 형성되는 경우, 압축공간(V) 내에 수용된 냉매의 유속이 전체적으로 감소함을 알 수 있다. 즉, 바이패스홀(140)을 형성시키게 되면 냉매의 유속이 전체적으로 줄어듬을 확인할 수 있게 된다. 또한, 토출시의 냉매의 유속이 감소하여 압축기의 손실을 줄일 수 있게 된다.
도 12는, 회전각에 따른 압축실의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
여기서, 점선은 바이패스홀(140)이 부존재하는 경우를, 실선은 바이패스홀(140)이 형성된 경우를 나타낸다.
점선과 같이, 로터리 압축기에 바이패스홀(140)이 형성되지 않은 경우, 회전각이 약 240°일 때, 압축공간(V1, V2)의 압력이 계속해서 증가하여 냉매가 과압축되는 현상이 발생하게 된다. 이는 냉매를 불필요하게 압축함에 따라 압축기의 효율의 저하를 야기하게 된다. 그래프에서 빗금친 부분은 회전각이 대략 240°에서부터 압축실(V2)의 압력이 상승하면서 발생하는 과압축에 따른 손실을 보여준다.
바이패스홀(140)은 압축개시각(β)으로부터 토출개시각(γ) 사이의 영역에 형성되며, 대략 160°에서 270° 사이에 형성될 것이다. 예를 들어, 바이패스홀(140, 240, 340)이 회전각이 240° 부근에서부터 형성되어 있는 경우, 압축실(V2)의 압력은 대략 22.5 kgf/cm^2을 최고치로 더이상 증가하지 않으면서 일정하게 유지될 수 있다. 바이패스홀(140)을 통해, 압력이 상승된 냉매는 일부 유출될 수 있어, 압축실(V2)의 압력이 계속해서 상승하여 냉매가 과압축되는 현상을 막을 수 있다.
또한, 바이패스홀(140)을 통해, 압축공간(V1, V2)에서 압축되는 냉매의 일부가 토출되게 되므로, 최종적으로 토출구를 통해 토출되는 냉매의 유속도 감소할 수 있게 된다. 이에, 압축기의 효율은 더욱 상승될 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 로터리 압축기를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
100: 로터리 압축기 110: 케이스
120: 구동모터 121: 고정자
122: 회전자 123: 회전축
130: 압축유닛 131: 메인베어링
132: 서브베어링 133: 실린더
133a: 흡입포트 133b: 토출포트
133b': 토출포트홈 133c: 바이패스포트
133c': 바이패스포트홈 134: 롤러
135: 베인 140: 바이패스홀
150: 토출밸브 V1, V2: 압축공간

Claims (9)

  1. 케이스의 내부에서 회전력을 발생시키는 구동모터;
    상기 구동모터와 결합되어 회전력을 전달하는 회전축;
    상기 케이스에 고정되고, 상기 회전축을 따라 설치되는 메인베어링과 서브베어링;
    상기 메인베어링과 서브베어링의 사이에 고정 설치되고, 중심부에 냉매가 수용되며, 반경 방향으로 흡입포트와 토출포트가 각각 형성되는 실린더;
    일 측이 상기 실린더의 내주면에 접하도록 상기 실린더의 내부에 위치하고, 상기 회전축과 함께 회전하여 상기 실린더의 내부에 압축공간을 형성하는 롤러; 및
    상기 롤러에 삽입 설치되고, 상기 롤러의 회전에 의해 돌출되어 상기 실린더의 내주면과 접하면서 상기 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 적어도 두 개 이상의 베인을 포함하며,
    상기 실린더의 내주면 일측에는, 상기 토출포트의 단부를 확장하도록 이루어지고 압축된 냉매의 유량을 증가시키는 토출포트홈이 형성되고,
    상기 실린더에는, 상기 냉매가 압축되는 방향을 기준으로 상기 토출포트보다 전방에 위치되어 상기 압축된 냉매의 토출이 이루어지는 바이패스포트를 구비하고,
    상기 바이패스포트는,
    상기 바이패스포트의 단부가 확장되어 이동하는 냉매의 유량이 증가되도록, 일측에 바이패스포트홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토출포트홈은, 상기 실린더의 내주면을 따라 리세스되는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토출포트홈은, 상기 토출포트의 일단에서 상기 베인의 이동 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 토출포트홈은, 상기 토출포트의 일 측에서 상기 실린더의 내주면을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인베어링과 서브베어링에는, 상기 압축공간과 오버랩되는 위치에 상기 케이스의 내부 공간과 연통되도록 바이패스홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바이패스홀은, 적어도 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 메인베어링의 상부면과 상기 서브베어링의 하부면에 각각 고정 설치되고, 상기 바이패스홀을 덮도록 이루어지며, 상기 바이패스홀의 개폐를 형성하는 토출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스포트홈은, 상기 실린더의 내주면을 따라 리세스되는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
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