KR20100081810A - 로터리 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터리 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 베인에 실링부재를 결합시켜 그 실링부재가 상기 롤링피스톤의 실링홈에 일체로 결합되도록 함으로써 상기 롤링피스톤과 베인 사이로 냉매가 누설되는 것을 줄여 압축기의 성능을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 베인과 롤링피스톤의 결합부위에 마찰계수가 낮은 재질의 실링부재가 개재됨에 따라 상기 롤링피스톤과 베인 사이의 마찰손실이 감소하면서 압축기에 투입되는 입력이 감소되어 압축기의 성능이 향상될 수 있다. 또, 상기 실링부재가 베인의 끝단에 압입되거나 인서트 몰딩이나 인서트 다이캐스팅으로 결합됨으로써 상기 롤링피스톤과 베인의 가공을 용이하게 할 수 있어 제조비용이 절감될 수 있다.

롤링피스톤, 베인, 고정부, 실링, 마찰

Description

로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR}

본 발명은 로터리 압축기에 관한 것으로, 특히 베인이 롤링피스톤에 일체로 결합될 때 냉매의 누설량을 현저하게 줄이면서 제조비용도 절감할 수 있도록 한 로터리 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 냉매 압축기는 냉장고나 에어콘과 같은 증기압축식 냉동사이클(이하, 냉동사이클로 약칭함)에 적용되고 있다. 상기 냉매 압축기는 일정한 속도로 구동되는 등속형 압축기 또는 회전 속도가 제어되는 인버터형 압축기가 소개되고 있다.

상기 냉매 압축기는 통상 전동기인 구동모터와 그 구동모터에 의해 작동되는 압축부가 밀폐된 케이싱의 내부공간에 함께 설치되는 경우를 밀폐형 압축기라고 하고, 상기 구동모터가 케이싱의 외부에 별도로 설치되는 경우를 개방형 압축기라고 할 수 있다. 가정용 또는 업소용 냉동기기는 대부분 밀폐형 압축기가 사용되고 있다. 그리고 상기 냉매 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 스크롤식, 로터리식 등으로 구분될 수 있다.

상기 로터리 압축기는 실린더의 압축공간에서 편심 회전운동을 하는 롤링피 스톤과 그 롤링피스톤의 외주면에 접하여 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구획하는 베인을 이용하여 냉매를 압축하는 방식이다. 근래에는 롤링피스톤과 베인 사이로 냉매가 누설되는 것을 차단하고자 상기 베인이 롤링피스톤에 삽입되어 일체로 결합되는 구조가 소개되고 있다. 이는 R410A와 같은 고압냉매가 적용되는 경우 흡입실과 토출실을 구분하는 베인의 실링력이 압축기 성능에 중요한 요소로 작용할 수 있어 상기 롤링피스톤에 베인을 일체로 결합시키려는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.

도 1과 도 2는 각각 베인이 롤링피스톤에 조립되는 예를 보인 평면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 롤링피스톤(1)의 외주면 일측에 실링홈(1a)이 축방향으로 길게 형성되고, 상기 베인(2)의 접촉단에는 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)에 회전 가능하게 삽입되도록 실링돌부(2a)가 형성되어 있다. 상기 실링돌부(2a)는 평면투영시 원형 단면 형상으로 형성되고, 그 실링돌부(2b)는 본체부(2a)의 폭보다 넓게 형성되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 로터리 압축기에 있어서는, 상기 베인(2)의 실링돌부(2a)가 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)에 회전 가능하게 조립됨에 따라 상기 롤링피스톤(1)이 선회운동을 할 때 그 롤링피스톤(1)에 결합된 상기 베인(2)은 실린더(3)에 구비된 베인슬롯(a)에서 왕복운동을 하게 된다. 이때, 상기 베인(2)은 상기 실린더(3)에 대해 왕복운동을 하는 동시에 상기 롤링피스톤(1)에 대해 소정의 각도만큼 회전운동을 하게 되고, 이 회전운동에 의해 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)과 베인(2)의 실링돌부(2a) 사이에 미끄럼이 발생되어 마찰손실이나 마모가 발생할 수 있었다.

또, 상기 롤링피스톤(1)에 베인(2)이 삽입되어 조립되도록 한 것은 그 롤링피스톤(1)과 베인(2) 사이의 접촉부위로 냉매가 누설되지 않도록 하는 것이었으므로 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)과 상기 베인(2)의 실링돌부(2a) 사이에는 간극이 최소화될 수 있도록 공차가 수㎛단위로 정밀하게 가공되어야 한다. 하지만, 상기 실링홈(1a)과 실링돌부(2a)를 정밀하게 가공하기 위하여는 그만큼 가공작업이 복잡하고 불량율이 증가할 우려가 있어 결국 제조비용이 상승하게 되는 문제점도 있었다. 특히, 상기 실링돌부(2b)가 원형 단면 형상으로 형성되고 본체부(2a)의 폭보다 넓은 직경을 갖도록 형성됨에 따라 그만큼 가공이 더 난해하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 로터리 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 롤링피스톤과 베인 사이로 냉매가 누설되는 것을 효과적으로 차단하는 동시에 가공이 용이하여 제조비용을 절감할 수 있는 로터리 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 흡입구와 토출구가 연통되도록 압축공간을 갖는 실린더; 구동모터의 크랭크축에 결합되어 상기 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하는 롤링피스톤; 및 상기 실린더의 흡입구와 토출구 사이에서 반경방향으로 미끄러지게 결합되고 상기 롤링피스톤에 회전 가능하게 일체로 결합되어 그 롤링피스톤과 함께 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하는 베인;을 포함하고, 상기 베인의 끝단에는 실링부재가 결합되고, 그 실링부재가 상기 롤링피스톤에 회전 가능하게 결합되는 로터리 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 로터리 압축기는, 상기 베인과 롤링피스톤의 사이가 면접촉을 하게 됨에 따라 실링면적이 증가하게 되고, 이로 인해 압축되는 냉매의 누설을 줄여 압축기의 성능을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 베인과 롤링피스톤의 결합부위에 마찰계수가 낮은 재질의 실링부재가 개재됨에 따라 상기 롤링피스톤과 베인 사이의 마찰손실이 감소되면서 압축기에 투입되는 입력이 감소되어 압축기의 성능이 향상될 수 있다. 또, 상기 실링부재가 베인의 끝단에 압입되거나 인서트 몰딩이나 인서트 다이캐스팅으로 결합됨으로써 상기 롤링피스톤과 베인의 가공을 용이하게 할 수 있어 제조비용이 절감될 수 있다.

본 발명의 로터리 압축기를 첨부도면에 도시된 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 밀폐용기(100)의 내부공간에 상기 전동부(200)와 압축부(300)가 함께 설치된다.

상기 전동부(200)는 코일이 권선되어 밀폐용기(100)에 고정 설치되는 고정자(210)와, 상기 고정자(210)의 안쪽에 회전 가능하게 설치되는 회전자(220)와, 상기 회전자(220)에 압입되어 함께 회전하는 크랭크축(230)으로 이루어진다.

상기 압축부(300)는 환형으로 형성되는 실린더(310)와, 상기 실린더(310)의 상측을 복개하는 상부베어링(320)와, 상기 실린더(310)의 하측을 복개하는 하부베어링(330)과, 상기 크랭크축(230)의 편심부에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(310)의 압축공간에 배치되는 롤링피스톤(340)과, 상기 롤링피스톤(340)에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(310)에 구비되는 베인슬롯(312)에서 직선으로 왕복운동을 할 수 있도록 결합되는 베인(350)과, 상기 롤링피스톤(340)과 베인(350) 사이에 개재되어 냉매누설을 줄이는 실링부재(360)를 포함한다.

상기 실린더(310)는 그 일측에 흡입구(311)가 반경방향으로 형성되고, 그 흡입구(311)의 일측에는 상기 베인(350)이 미끄러지게 삽입되도록 베인슬롯(312)이 반경방향으로 형성된다.

상기 상부베어링(320)의 일측에는 상기 압축공간에서 압축되는 냉매가 밀폐용기(100)의 내부공간으로 토출되도록 토출구(321)가 형성된다. 상기 상부베어링(320)과 하부베어링(330)은 그 중앙에 크랭크축(230)이 반경방향으로 지지되도록 저널베어링면(322)(331)이 형성되고, 그 저널베어링면(322)(331)에서 수직한 면, 즉 압축공간(S)을 이루는 면에는 상기 크랭크축(230)과 롤링피스톤(340) 그리고 베인(350)을 축방향으로 지지하도록 스러스트면(323)(332)이 형성된다.

상기 롤링피스톤(340)은 도 4에서와 같이, 환형으로 형성되어 상기 크랭크축(230)의 편심부에 회전 가능하게 결합되고, 상기 롤링피스톤(340)의 외주면 일측, 즉 상기 베인(350)과 접하는 부위에는 그 베인(350)의 일부, 보다 정확하게는 실링부재(360)가 삽입될 수 있도록 실링홈(341)이 축방향으로 길게 형성된다. 상기 실링홈(341)은 평면투영시 반원(half circle)단면보다 크게 형성되는 것이 상기 실링부재(360)를 반경방향으로 지지할 수 있어 바람직하다.

그리고 상기 실링홈(341)은 도 5 및 도 6에서와 같이, 상기 롤링피스톤(340)의 외주면 안쪽에 형성되고, 그 실링홈(341)의 바깥쪽에 상기 베인(350)이 회전할 수 있도록 부채꼴 모양의 회전안내홈(342)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 상기 회전안내홈(342)의 회전중심은 상기 실링홈(341)의 회전중심과 일치하도록 형성될 수 있다. 그리고 이 경우, 상기 실링홈(341)은 그 원호각이 상기 실링부재(360)의 원호각과 대략 동일하거나 크지 않게 형성될 수 있다. 그리고 도 7에서와 같이 상기 실링홈(341)의 직경(D1)은 베인(350)의 폭(D2)보다 넓게 형성되고, 상기 회전안내 홈(342)의 폭(D3)도 상기 베인(350)의 폭(D2)보다 넓게 형성되는 것이 베인의 안정적 거동에 바람직하다.

도 6 및 도 7에서와 같이 상기 베인(350)은 육면체 모양으로 형성되는 본체부(351)와, 그 본체부(351)의 선단에 연장 형성되고 평면투영시 거의 사다리꼴 모양으로 형성되는 고정부(352)로 이루어진다.

상기 본체부(351)는 그 일단이 상기 실린더(310)의 베인슬롯(312)에 항상 삽입된 상태를 유지할 수 있는 길이로 형성된다. 그리고 상기 본체부(351)는 그 상하 양측면이 상부베어링(320)과 하부베어링(330)에 면접촉될 수 있도록 형성된다.

상기 고정부(352)는 전술한 바와 같이 상기 본체부(351)의 일측, 즉 상기 롤링피스톤(340)의 실링홈(341)에 수용되는 부위에서 롤링피스톤(340)쪽 끝단으로 갈수록 점차 폭이 넓어지게, 즉 끝단쪽으로 넓어질 수 있도록 결합홈(353)이 경사지게 형성된다. 여기서, 상기 고정부(352)의 시작단 위치는 상기 실링홈(341)에 수용되는 범위이면 무방하다.

그리고, 상기 고정부(352)에는 도 6 및 도 7에서와 같이 양 측면에 상하방향으로 길게 결합홈(353)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 결합홈(353)은 상기 실링부재(360)가 베인(350)의 운동방향에 대해 일종의 저항력을 발생할 수 있는 형상이어야 하므로, 상기 고정부(352)는 베인(350)의 운동방향에 대해 교차되는 방향으로 길게 홈지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 결합홈(353)은 도 8의 (a)에서와 같이 사각단면이나 도 8의 (b)에서와 같이 반원홈 등 다양하게 형성될 수 있다. 그리고 상기 고정부는 도면으로 도시하지는 않았지만 적어도 한 개 이상의 반구형 홈이 나 단차홈으로 형성될 수도 있다.

상기 실링부재(360)는 도 4에서와 같이 상기 베인(350)의 끝단, 즉 상기 베인(350)의 고정부(352)에 압입하여 결합하거나 또는 인서트 몰딩이나 인서트 다이캐스팅 공법을 이용하여 결합된다. 그리고 상기 실링부재(360)의 재질은 상기 롤링피스톤(340)이나 베인(350)보다 마찰계수가 낮은 피크(peak)와 같은 엔지니어 플라스틱이나 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 실링부재(360)가 알루미늄인 경우에는 알루미늄(Al)이 85~92w%, 주석(Sn)이 5~7.5w%, 규소(Si)가 5~6.5w%, 구리(Cu)가 0.8~1.5w% 의 비율로 이루어진 알루미늄 재질이 활용될 수 있다.

도면중 미설명 부호인 110은 흡입관, 120은 토출관, 130은 어큐뮬레이터, V1은 토출영역, V2은 흡입영역이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 로터리 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 전동부(200)의 고정자(210)에 전원이 인가되어 상기 회전자(220)가 회전하면, 상기 크랭크축(230)이 상기 회전자(220)와 함께 회전하면서 상기 전동부(200)의 회전력을 상기 압축부(300)의 롤링피스톤(340)에 전달하게 된다. 상기 롤링피스톤(340)이 상기 크랭크축(230)에 의해 선회운동을 하면서 냉매가 흡입영역에서 토출영역으로 이동하게 되는 동시에 상기 베인(350)에 막혀 냉매는 압축되었다가 상기 상부베어링(320)의 토출구(321)를 통해 상기 밀폐용기(100)의 내부공간으로 토출된다.

여기서, 상기 베인(350)의 끝단, 즉 상기 베인(350)의 고정부(352)에 실링부재(360)가 결합되고 그 실링부재(360)가 상기 롤링피스톤(340)의 실링홈(341)에 삽 입되어 결합됨에 따라 상기 롤링피스톤(340)이 선회운동을 따라 상기 베인(350)이 소정의 각도내에서 각운동을 하면서 상기 실린더(310)의 베인슬롯(312)에서 왕복운동을 하게 된다.

이렇게 하여, 상기 롤링피스톤(340)의 실링홈(341)과 실링부재(360)의 외주면 사이가 면접촉을 하게 됨에 따라 실링면적이 증가하게 되고, 이로 인해 상기 토출영역(V1)에서 압축되는 고압의 냉매가 흡입영역(V2)으로 누설되는 것을 최소한으로 줄일 수 있다. 특히 R410a와 같은 고압냉매가 적용되는 경우에도 냉매가 토출영역(V1)에서 흡입영역(V2)으로 누설되는 것을 효과적으로 차단할 수 있어 압축기의 성능이 향상될 수 있다.

또, 상기 실링부재(360)가 낮은 마찰계수를 갖는 재질로 형성됨에 따라 상기 롤링피스톤(340)과 실링부재(360) 사이의 마찰손실을 줄일 수 있어 그만큼 압축기에 투입되는 입력을 줄일 수 있어 압축기 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 도 9는 본 발명과 같이 실링부재를 구비하여 롤링피스톤과 베인을 결합한 경우를 종래와 같이 롤링피스톤과 베인을 선접촉한 경우에 대해 상기 롤링피스톤과 베인 사이에서의 기계적 입력손실을 비교하여 보인 결과표이다. 이에 따르면, 종래에서와 같이 베인이 롤링피스톤에 압접되는 경우에는 상기 롤링피스톤과 베인 사이에서의 총 기계적 입력손실이 42.31W이고 이 중에서 상기 롤링피스톤과 베인 사이에서의 기계적 손실은 전체 기계적 손실에서 대략 25.5%를 차지하는 10.8W정도였다. 하지만, 본 발명에서는 총 기계적손실이 대략 37.98W가 되고 그 중에서 롤링피스톤과 베인 사이에서의 기계적 손실은 전체 기계적 손실 대비 대략 2.64%에 불과한 0.19W정도로 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 경우 종래에 비해 전체 기계적 손실량도 감소하지만 특히 롤링피스톤과 베인 사이의 기계적 손실량이 현저하게 감소하여 그만큼 압축기 성능이 향상될 수 있슴을 보여주는 것이다.

또, 본 발명에 의한 로터리 압축기는 종래의 로터리 압축기에 비해 그 가공작업이 용이하게 될 수 있다. 즉, 전술한 실시예에서는 상기 롤링피스톤과 베인을 일체로 조립하기 위하여는 그 롤링피스톤의 실링홈과 상기 베인의 실링돌부를 수㎛ 단위로 정밀하게 가공하여야 하는 것이었으나, 본 실시예와 같이 별도의 실링부재를 금형으로 다량 제작하여 상기 베인의 고정부에 압입하거나 또는 치수정밀도가 높은 인서트 몰딩이나 인서트 다이캐스팅 공법으로 결합함에 따라 상기 롤링피스톤의 실링홈과 베인의 고정부에 대한 가공작업이 간소화됨에 따라 압축기에 대한 제조비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 의한 로터리 압축기는, 전술한 바와 같이 단식 로터리 압축기는 물론 실린더가 복층으로 설치되는 복식 로터리 압축기에도 동일하게 적용할 수 있다. 그리고 상기와 같은 로터리 압축기가 적용되는 냉동기기의 압축기에도 동일하게 적용할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 롤링피스톤과 베인의 결합구조를 보인 평면도,

도 3은 본 발명 로터리 압축기를 보인 종단면도,

도 4는 도 3에 따른 로터리 압축기에서 롤링피스톤과 베인 그리고 실링부재를 분해하여 보인 사시도,

도 5 내지 도 7은 도 3에 따른 로터리 압축기에서 롤링피스톤과 베인의 조립 상태를 보인 평면도,

도 8은 도 5에 따른 로터리 압축기에서 고정부에 대한 다른 실시예를 보인 평면도,

도 9는 본 발명의 실링부재를 구비하여 롤링피스톤과 베인을 결합한 경우를 롤링피스톤과 베인을 선접촉한 경우에 대해 상기 롤링피스톤과 베인 사이에서의 기계적 입력손실을 비교하여 보인 결과표.

** 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 **

310 : 실린더 311 : 베인슬롯

340 : 롤링피스톤 341 : 실링홈

342 : 회전안내홈 350 : 베인

351 : 본체부 352 : 고정부

353 : 결합홈 360 : 실링부재

Claims (12)

1. 흡입구와 토출구가 연통되도록 압축공간을 갖는 실린더;

   구동모터의 크랭크축에 결합되어 상기 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하는 롤링피스톤; 및

   상기 실린더의 흡입구와 토출구 사이에서 반경방향으로 미끄러지게 결합되고 상기 롤링피스톤에 회전 가능하게 일체로 결합되어 그 롤링피스톤과 함께 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하는 베인;을 포함하고,

   상기 베인의 끝단에는 실링부재가 결합되고, 그 실링부재가 상기 롤링피스톤에 회전 가능하게 결합되는 로터리 압축기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실링부재는 상기 롤링피스톤 또는 베인 중에서 적어도 어느 한 쪽과는 다른 재질로 형성되는 로터리 압축기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 베인은 육면체 형상으로 형성되는 본체부와, 그 본체부의 선단측에 형성되어 상기 실링부재를 왕복방향으로 고정하는 고정부로 이루어지고,

   상기 고정부는 상기 본체부의 끝단으로 갈수록 베인의 폭이 넓어지도록 형성되어 이루어지는 로터리 압축기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 고정부의 끝단 폭은 상기 본체부의 폭보다 크지 않게 형성되는 로터리 압축기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 베인은 육면체 형상으로 형성되는 본체부와, 그 본체부의 선단측에 형성되어 상기 실링부재를 왕복방향으로 고정하는 고정부로 이루어지고,

   상기 고정부는 상기 본체부의 양 측면에서 적어도 어느 한 쪽면에 왕복방향에 대해 교차되는 방향으로 홈이 형성되어 이루어지는 로터리 압축기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 롤링피스톤은 그 외주면에 축방향으로 실링홈이 형성되고, 그 실링홈의 개구측에는 상기 베인의 회전운동이 가능하도록 회전안내홈이 연이어 더 형성되는 로터리 압축기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 실링부재는 그 마찰계수가 상기 롤링피스톤이나 베인 보다는 낮은 재질로 형성되는 로터리 압축기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 실링부재는 엔지니어링 플라스틱 재질로 형성되는 로터리 압축기.
9. 제7항에 있어서,

   상기 실링부재는 알루미늄(Al), 주석(Sn), 규소(Si), 구리(Cu)로 이루어진 로터리 압축기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 실링부재는 알루미늄(Al)이 85~92w%, 주석(Sn)이 5~7.5w%, 규소(Si)가 5~6.5w%, 구리(Cu)가 0.8~1.5w% 인 로터리 압축기.
11. 제1항에 있어서,

    상기 실링부재는 베인에 압입되어 조립되는 로터리 압축기.
12. 제1항에 있어서,

    상기 실링부재는 베인에 금형을 이용하여 일체로 결합되는 로터리 압축기.

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