KR0161309B1 - 냉동압축기의 배출밸브장치 및 밀폐식 냉동압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 작동효율이 향상된 소형의 단일 실린더 밀폐식 냉동 압축기를 제공하는 것이다. 냉동 압축기는 실린더(24)의 단부와 교차하여 연장하는 평평한 밸브 플레이트(33)를 구비하고 있다. 배출구(48)가 구상의 밸브시트(65)를 지니는 밸브 플레이트에 형성되며, 구상의 밸브포핏부재(68)가 밸브시트에 대하여 이동가능하게 설치되어 있다. 평탄한 판스프링(51)과 밸브 스톱부재(56)가 밸브포핏의 상방에 장착되어, 밸브포핏의 이동을 제어한다. 밸브포핏의 구상의 헤드(69)는, 폐쇄되면 피스톤의 정합 오목부와 정합하여 밸브 플레이트의 면을 지나 연장하며, 압축기(10)의 간극공간을 최소로 한다. 밸브시트와 밸브포핏은 배출구의 여분의 간극용적을 실질적으로 배제할 수 있으며, 압축기의 작동효율을 높일 수 있다.

Description

냉동 압축기의 배출 밸브장치 및 밀폐식 냉동 압축기

제1도는 본 발명의 적절한 실시예를 구체화하는 냉동 압축기의 정면 횡단면도.

제2도는 압축행정의 초기의 피스톤 위치를 제시하는, 피스톤, 실린더 및 밸브 플레이트의 확대 부분 횡단면도.

제3도는 배출밸브가 개방되어 바로전 행정의 종료 부근에 있는 피스톤을 제시하는 제2도와 유사한 횡단면도.

제4도는 개방초기의 배출밸브를 제시하는 제2도 및 제3도와 유사한 횡단면도.

제5도는 배출밸브가 완전히 개방된 행정의 단부에 있는 피스톤을 제시하는 제2도 내지 제4도와 유사한 횡단면도.

제6도는 피스톤 및 배출밸브의 세부를 제시하는 제5도와 유사한 확대 부분 횡단면도.

제7도는 배출밸브 장치가 소정위치에 배치된 밸브 플레이트의 확대 평면도.

제8도는 피스톤의 단면도.

제9도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브 플레이트 및 배출밸브의 확대 횡단면도.

제10도는 제9도의 선 10 -10을 따라 취해진 횡단면도.

제11도는 밸브의 조립전 밸브 플레이트의 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 냉동 압축기 11 : 동체(shell)

12 : 실린더 블록 14 : 스프링

16 : 아암 18 : 고정자

19 : 회전자 21 : 크랭크 샤프트

24 : 실린더 28 : 피스톤

[발명의 배경]

본 발명의 일반적으로 냉동 압축기에 관한 것이며, 보다 상세히 말하자면, 냉각기 및 냉동기와 같은 가정용 기기에 사용되는 분수마력(fractional horsepower) 형태의 밀폐식 냉동 압축기에 관한 것이다.

상기와 같은 기기에 있어서는 에너지 효율을 높이는 것이 계속하여 기대되고 있지만, 개량을 이룩한 분야중 하나에 밀폐식 압축기 분야가 있다. 개량의 대부분은 압축기의 전동기 부분에 대하여 이루어졌지만, 왕복피스톤 압축기의 용적효율 및 압축효율 분야에는 여전히 개선의 여지가 남아있다.

상기 압축기의 용적효율에 영향을 미치는 인자중 하나에 펌핑 실린더(pumping cylinder)의 간극(clearance), 즉 재팽창용적이 있는데, 상기 재팽창용적은 피스톤이 상사점, 즉 펌핑행정(pumping stroke)의 단부에 있을때에 펌핑 실린더내의 공간의 용적으로 정의된다. 상기 공간은, 실질적으로 흡입 및 배출 리드(reed) 밸브가 장착되는 밸브 플레이트와 피스톤 면사이의 공간과 밸브 플레이트를 통하여 연장하는 배출구의 용적으로 이루어진다. 배출 리드밸브가 밸브 플레이트의 외측에 있으며, 밸브 플레이트는 소요의 강도를 지니기에 충분한 최소한의 두께를 지녀야 하기 때문에, 배출구의 용적은 반드시 전체 간극 용적의 대부분을 차지한다. 이상적인 압축기는 간극용적을 지니지 않는 것으로 되어 있으며, 일반적으로는, 간극용적이 크면 클수록 압축기의 효율은 낮아진다. 간극용적이 효율에 악영향을 미치는 이유는 그 간극용적이 피스톤의 작동행정에 있어서 여분의 작업, 즉 압축 에너지를 필요로하는 기체를 구성하기 때문이며, 그 에너지는, 실린더의 재충전이 흡입구를 통하여 행해질 때에, 흡입행정에 있어서 재팽창을 통하여 극히 일부가 회수된다. 따라서, 다른인자들이 악영향을 받지 않는 한, 간극용적이 감소하면 압축기의 효율은 상승한다.

간극용적은 대개 상기 2가지 성분으로 되기 때문에, 그 용적을 적게하기 위하여 피스톤 면과 밸브 플레이트, 즉 흡입 밸브 리드를 합체시키는 밸브시트 사이의 거리를 최소로 하는 방법이 취해져 왔다. 배출구의 용적에 관해 말하자면, 직경을 작게하면 배출유동에 대한 제한이 커지기 때문에, 직경을 소정의 최소치보다도 작게 할 수 없으며, 배출구의 길이는, 밸브 플레이트 두께의 관점에서 보면, 압축된 냉매의 힘에 견디는데 필요한 강도를 제공하도록 되어야 한다. 1988년 2월 9일자로 J. F. Fritchman에 허여되고, 본 발명의 양수인에 양도된 미합중국 특허 제 4,723,896 호에 개시된 바와같이, 밸브 플레이트에 배출밸브를 인입함으로써 배출구의 길이가 어느정도 감소될 수 있지만, 밸브 플레이트의 두께를 충분히 두껍게 하여 배출구가 전체 간극 용적의 상당한 부분을 차지하도록 하는 것이 여전히 필요하다.

배출구의 간극용적을 감소시키는 과제에 대한 다른 해결책으로서, 배출구 내로 연장하여, 배출구를 부분적으로 차지하는 돌출부 또는 플러그를 피스톤 면에 형성하는 것이 있다. 1992년 9월 22일자 허여된 본 발명자의 미합중국 특허 제 5,149,254 호에 개시된 바와같이 상기 해결책이 실시될 수 있지만, 이러한 장치는 제조비가 비교적 높으며, 플러그의 측부와 배출구 자체의 벽 사이에 간극을 여전히 필요로 한다.

또 다른 해결책으로서, 시일링 밸브시트를 지나 배출구 자체내로 돌출하여, 밸브부재와 피스톤 사이의 공간을 실질적으로 차지하는 밸브를 제공하는 것이 있다. 대형의 더욱 강력한 압축기의 경우에, 이것은, 중앙에 배치된 포핏밸브(poppet valve)와 포위링(surrounding ring) 형태의 흡입밸브를 사용하여 행해지고 있다. 배출 밸브는, 가이드 포핏 또는 바이어싱 스프링(biasing spring)과 큰 원추 밸브시트에 의해 배치된 자유포핏(free poppet)중 어느 한 형태를 취할 수 있으며, 포핏의 치수에 따라, 포핏의 평탄면이 피스톤 면에 접근하여 연장하는 것이 가능하도록 되어 있다. 이러한 구성은, 예를들면 미합중국 특허 제 4,368,755 호 및 제 4,543,989 호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 구성은, 매우 크기가 작고 구조가 간단한 가정용 냉동 압축기에는 적용할 수 없는 것이 판명되었다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 종래기술이 지니는 상기 과제를 해결할 수 있는 냉동 압축기의 배출 밸브장치 및 필폐식 냉동 압축기를 제공하는 것이다.

[발명의 개요]

본 발명의 적절한 실시예는 배출구의 간극용적을 실질적으로 배제하는 신규한 구형 배출밸브를 제공한다. 압축기는 평탄한 밸브 플레이트에 의해 실린더의 개방단부가 폐쇄된 단일 실린더 형태로 된다. 흡입밸브는, 밸브 플레이트와 실린더 블록사이에 연장하는 스프링강의 얇은 시트형태로 되며, 시트는 절취되어 흡입밸브를 형성하며, 배출구 주위에 개방영역을 제공한다. 배출구 자체는, 밸브 플레이트의 내측면과 외측면에 의해 형성된 구의 일부 형태를 이루는 구형상의 밸브 시트로 형성되며, 밸브시트가 밸브 플레이트의 내면과 교차하는 연부는, 예리한 연부를 제거하도록 챔퍼가공(chamfering)되어 있다.

밸브는, 부유(floating ; 浮遊)한 또는 완만한 포핏의 형태를 이루며, 완전히 구형인 헤드는 밸브시트와 동일한 곡률반경을 지닌다. 밸브포핏은, 헤드로부터 이격된 측에, 밸브포핏의 축선과 직교하는 평탄한 단면에서 종결되는 짧은 원통형 생크 또는 보스를 지닌다. 평탄한 판스프링 형상의 밸브 스프링이 밸브포핏의 생크를 가로질러 연장하며, 밸브 포핏의 단부와 접촉하거나 또는 상기 단부로부터 약간 이격하여, 밸브포핏을 폐쇄위치에 바이어스시키며, 한편, 강성의 스톱부재가 스프링 및 밸브포핏 상방에서 밸브 플레이트에 고정되며, 밸브 포핏의 개방방향 왕복거리(travel)를 제한한다.

밸브포핏은 완전한 구형을 이루고 있으므로, 밸브포핏의 중앙은, 밸브포핏이 폐쇄위치에 있을때에, 배출구를 통하여 밸브포핏의 내측을 지나 연장하도록 되어 있다. 이에따라, 배출구의 간극 용적을 실질적으로 배제할 수 있지만, 밸브포핏과 피스톤 사이의 접촉을 방지하는데 필요한 최소의 작동 간극을 형성하도록 피스톤면에 적절한 크기의 요부를 제공하는 것이 필요하다. 피스톤 면의 요부외에, 그 요부에 피스톤 면은 또한, 상기한 미합중국 특허 제 5,149,254 호에 개시된 바와같이, 약간 오목하게 되거나 또는 돌출될 수 있다.

밸브포핏은, 고온 및 냉매에 의한 부식에 내성을 지니며, 높은 시일링 컴플라이언스(Sealing Compliance)를 제공하는 흑연을 충전한 폴리이미드 수지(polyimide resin)와 같은 고성능 플라스틱 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 밸브시트와 포핏헤드는 동일한 곡률반경으로 형성되기 때문에, 밸브포핏은 시일링 기능에 영향을 주지 않고, 밸브시트에 관하여 회전할 수 있지만, 밸브스프링에 의해 단면에 인가되는 바이어싱력은 중심정합작용(cnetering action)을 확실히 행한다.

[실시예]

도면들에 관하여 보다 상세히, 특히 제1도에 관하여 설명하면, 단일 실린더 왕복피스톤 밀폐식 냉동 압축기(10)는, 금속 동체(11 ; shell)를 구비하는바, 그 동체의 내부에는 동체(11)의 내측에 고정된 지지아암(16)에 재치(載置)된 스프링(14)에 탄성지지되어 있는 실린더 블록(12)이 장착되어 있다. 압축기를 구동하는 전동기는, 실린더 블록(12)의 상부면에 직접 고정된 고정자(18 ; stator)를 구비하고 있다. 회전자(19 ; rotor)가 고정자(18)내에 배치되어, 실린더 블록의 중앙에서 베어링 허브(22)에 저널(journal)된 회전가능한 크랭크 샤프트(21)에 의해 지탱된다.

실린더 블록(12)은 수평방향으로 연장하는 실린더(24)를 구비하며, 그 실린더(24)에는 크랭크 샤프트(21)와 반경반향으로 정합하여 블록을 관통하는 구멍이 형성되어 있는 동시에, 외측단부가, 실린더 블록에 형성되며 실린더(24)의 축선과 직교하는 면에 위치하는 단면(26)에서 종단하고 있다. 피스톤(28)이, 실린더(24)내에 시일링 감합(嵌合)하여 활주가능하게 장착되며, 또한 통상적인 방식으로, 커넥팅 로드(29)에 의해 크랭크 샤프트(21)의 크랭크(31)에 연결되어 있으며, 크랭크 샤프트(21)가 회전하면, 피스톤(28)이 실린더(24)내에서 단면(26)에 대하여 왕복운동하도록 되어 있다.

밸브 플레이트(33)가 실린더(24)와 단면(26)의 포위부에 완전히 교차하여 연장하도록 단면(26)에 장착되며, 또한 얇은 스프링강의 흡입 밸브시트(34)가 밸브 플레이트(33)와 실린더 블록(12)의 단면(26)사이에서 밸브 플레이트의 내측, 즉 내면(36)에 장착되어 있다. 실린더 헤드(37)가 밸브 플레이트(33)의 외측에 장착되며, 밸브 플레이트 전체에 걸쳐 연장하여, 흡입과 배출 쌍방의 공간(plenum)을 제공하고 있다. 흡입공간(도시되지 않았음)에는 복귀라인으로부터 흡입 머플러(39)를 통하여 냉매 가스가 공급되며, 흡입가스가 밸브시트(34)에 형성된 리드(reed) 형태의 흡입밸브를 지나, 참조번호 38로 도시한 흡입구(제7도 참조)를 통하여 유동하는 것에 의해, 피스톤이 흡입행정에 있는때에 실린더를 충전할 수 있도록 되어 있다.

실린더 헤드(37)의 대부분의, 동체(11)의 외부와 연통하는 배출라인(41)에 적절한 머플러(도시되지 않았음)를 통하여 접속된 배출공간(40)에 의해 취출된다.

밸브 플레이트(33)는, 배출공간(40)내의 외측, 즉 외면(42)에 배출 오목부(43)를 지닌다. 배출 오목부(43)는, 밸브 플레이트(33)가 이 영역에서 더욱 얇은 두께로 되며, 밸브 구조체의 높이를 감소시키는 동시에, 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와같이, 기체의 흐름을 개선할 수 있도록 설계되어 있다. 외면(42) 하방의 더 얕은 깊이의 오목부(43)의 각 측에는 경감부(relief portion)가 있다. 따라서, 경감부(44)는, 제7도에 도시된 바와같이 좌측을 향해 일방향으로 연장하며, 비교적 폭이 좁으며, 경감부(44)와 동일한 깊이의 더 넓은 경감부(46)가 우측으로 연장하며, 오목부(43)와 거의 동일한 폭을 지니고 있다. 배출구(48)가, 우측의 경감부(46)에 인접한 오목부(43)에 배치되어 있다. 평탄한 판상의 밸브 스프링(51)이 오목부(43)와 교차한 경감부(44 및 46)의 쌍방에 도달하도록 연장한다. 그 스프링은, 좌측의 경감부(44)보다도 아주 적은 폭을 지니며, 스프링의 단부(52)가 경감부(44)에 장착될 때, 경감부(46)내의 스프링 타단부의 측방 이동이 실질상 제한되는 것에 의해, 스프링이 소정의 위치에서 측방으로 보지되도록 되어 있다.

강성이 있는 스톱부재(56)가 스프링(51)에 장착되어 있으며, 상기 스톱부재(56)는, 리벳(58)이 스톱부재(56)와 스프링의 단부(52)양자에 형성된 적절한 개구를 통하여 연장하여 밸브 플레이트(33)에 고정되며, 그들 부재를 상호 견고하게 클램프하는 동시에 스톱부재(56)와 스프링을 소정의 위치에 보지하고 있는 경감부(44)내에, 단부(57)를 지니고 있다. 스톱부재(56)의 중앙부(59)는, 만곡부가 오목부(43)위를 일단부(57)로부터 다른쪽 경감부(46)내에 위치하는 타단부(61)로 연장하는 만곡부를 지니도록, 상방으로 돌출한 형상으로 형성되어 있다. 돌출부(62)가 스톱부재(56)의 단부(61)로부터 측방으로 연장하는 동시에, 밸브 플레이트(33)를 향해 하방으로 약간 편향되며, 밸브 플레이트와 접촉하여 있다. 리벳(63)이 밸브 플레이트(33)에 고정되어, 돌출부(62)와 스톱부재(56)의 인접단부를 소정의 위치에 보지하고 있다. 따라서, 스톱부재(56)는 양단부가 밸브 플레이트에 견고하게 고정되고, 스프링(51)은 일단부(52)만 고정되며, 타단부(53)는 경감부(46)와 스톱부재의 단부(61) 사이에서 수직방향으로 일정한 운동을 행하도록 되어 있다.

밸브시트(65)가, 오목부(43)내에서 배출구(48) 주위에 설치되며, 밸브시트(65)는, 정확한 직경의 구가 밸브시트(65)의 전체면과 면접촉하도록 구면형상으로 형성되어 있다. 적절한 쳄퍼부(66)가 밸브시트(65)와 밸브 플레이트(33)의 내측부(36)사이에 형성되어, 배출구(48)를 통과하는 유동의 특성을 개선하는 동시에, 예리한 연부를 없애며, 챔퍼부를 제외하고, 밸브시트(65)는 오목부(43)에서 밸브 플레이트의 전체 두께에 부합하여 연장하도록 형성되어 있다. 구형상의 헤드(69)를 지니는 밸브포핏(63)이 설치되어 있으며, 구면은 후면(73)을 규정하는 연부(70)까지 헤드(69)의 전면에 걸쳐 연장하도록 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 밸브시트(65)와 접촉하는 헤드(69) 부분만을 구형으로 하며, 중앙부는 평탄하게 또는 비-구형으로 할 수도 있다. 짧은 원통형 생크(71)가, 헤드(69)로부터 상방으로 연장하며, 밸브 스프링(51)에 인접한 비교적 평탄한 단면(72)에서 종단하도록 형성되어 있다. 헤드(69)의 구형상 부분의 반경은 밸브포핏(68)이 소정 위치에 배치될 때에 헤드(69)가 밸브시트의 구면전체와 면접촉하는 것이 가능하도록, 밸브시트(65)의 반경과 동일하게 되도록 형성되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 곡률중심을 중심으로 일정의 거리를 회전하도록 할 수 있는 동시에, 여전히 시일링 접촉을 유지하도록 되어 있지만, 단면(72)과 스프링(51)의 면접촉에 의해 밸브포핏(68)을 정합상태로 보지할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

밸브포핏(68)의 밸브시트에 대한 실제의 행정거리는 비교적 적지만, 압축기 모터의 속도에 따라 분당 약 3450회 진동의 고속으로 작동하고 있으므로, 밸브포핏의 질량을 가능한한 적게 하는 것이 중요하다. 이것은 펌핑 실린더내의 기체의 압력만이 밸브를 개방하는 힘이 있으므로, 중요하며, 한편, 배출공간(40)내의 압력은 또한 밸브포핏(68)의 폐쇄작동에 있어서 밸브스프링(56)에 의해 부여된 힘을 보조하도록 밸브포핏의 폐쇄작동에 있어서 중요한 인자를 제공한다. 이와같이 질량을 작게할 필요가 있으므로, 밸브포핏이 노출되는 고온에 있어서 특성을 유지하는 고강도의 중합재료가 밸브포핏(68)의 바람직한 재료로 되는 것이 이해될 것이다. 현시점에서 밸브포핏(68)의 바람직한 재료로는, 미국 델라웨어주, 윌밍톤에 소재하는 뒤퐁사의 VESPEL이라는 상표명으로 판매되는 폴리이미드 수지가 있다. 이러한 재료는 다수의 상이한 등급으로 입수할 수 있지만, SP-22와 같은 흑연 충전 등급의 것이 지금까지 사용되어 왔으며, 흑연 충전 재료에 의해 제공되는 낮은 열팽창 계수 및 윤활특성의 관점에서 포핏에 대하여는 특별히 적합한 것으로 보이지만, 등급 SP-1의 비충전된 수지가 고도의 컨시스턴시(consistency)를 지니는 우수한 결과를 제공하는 것으로 알려져 있다.

밸브포핏(68)의 헤드(69)와 밸브시트(65)에는 압축기의 윤활유에 의해 오일의 막이 통상적으로 존재하므로, 충분한 시일을 제공할 것으로 생각되는 경우에도, 확실한 시일을 얻기 위하여는, 밸브포핏의 헤드(69)와 밸브시트(65) 양자를 현저히 매끈하게 매무리하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 밸브시트(65)는 6 마이크로 인치보다 더 크지않는 표면 마무리를 지니며, 밸브포핏 헤드(69)는 적어도 12 마이크로 인치의 최대 표면 마무리를 지니는 것이 바람직하다. 헤드(69)의 연부(70)의 직경은, 오목부(43)에서의 밸브시트(65)의 최대직경보다 더 크게되어, 밸브포핏이 헤드(69)의 곡률중심을 중심으로 어느정도 회전할지라도, 밸브시트(65) 전체에 걸쳐 충분한 면접촉이 여전히 행해질 것이다.

이러한 구성으로 인하여, 헤드(69)는 밸브 플레이트(33)의 내측부(36)를 지나 돌출하는 것이 가능하다. 따라서, 피스톤 단면(75)에는 밸브포핏(68)과 정합하는 구상 오목부(74)가 형성되며, 피스톤과 밸브포핏과의 접촉가능성을 회피하는 동시에, 간극 용적을 절대 최소치로 유지하고 있다. 더욱이, 피스톤의 단면(75)에는 구상 오목부(74)의 주위에 경사진 간극 오목부(76)를 설치하여, 피스톤의 단면(75)이 상사점에 근접한 때에 냉매 가스의 유동을 개선하는 것에 의해, 미합중국 특허 제 5,149,254 호에 개시된 바와 같이, 간극 용적을 더 작게 하는 것이 바람직하다.

밸브포핏(68)의 동작의 상태를 제2도 내지 제5도를 참고하여 설명한다. 통상의 작동상태에 있어서, 시스템 전체의 압력이 안정되어 있을 때에는, 대표적인 가정용 냉각기 또는 식품 냉동기는 압축기의 낮은측의 압력, 즉 흡입압의 약 8 내지 10배의 압축기의 높은측의 압력, 즉 배출압력을 지닌다. 충전이 압력작동의 리드 흡입밸브를 통하여 행해지므로, 피스톤이 압축공정을 개시할때에 흡입압은 펌핑실린더내의 압력을 결정함과 동시에, 피스톤은, 배출밸브가 개방되기 전에는, 실린더내의 기체의 압력이 배출공간(40)내의 배출측 압력보다도 크게 되도록 충분한 거리를 이동하여야 한다. 이것은, 배출밸브의 개방동작이 행해지기 전에, 피스톤은 실린더내의 기체를 압축하는 공정의 대부분을 이동하고 있는 것을 의미한다.

제2도에 도시된 바와같이 피스톤이 행정의 저부에 근접하면, 밸브포핏(68)은 밸브시트(65)와 긴밀하게 시일링가능하도록 맞물려, 배출밸브는 폐쇄된다. 밸브 스프링(51)은, 경감부(46)에 지지되어 있는 자유단부(53)를 지니고 있으며, 이러한 상태에서는, 밸브포핏의 단면(72)과 스프링(51)사이에 약간의 간극을 지니는 것이 바람직하다. 이러한 간극은, 시일링에 유해한 것은 아니다. 이것은, 밸브포핏을 밸브시트에 대하여 보지하는 기본적인 시일링력이, 밸브를 실제로 폐쇄위치에 보지하기 보다는, 밸브포핏을 밸브시트와 맞물리는 방향으로 이동시키기 위하여, 초기의 폐쇄력을 완전 개방위치 부근에서 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 스프링(51)에 의해 안가되는 힘으로가 아니라, 배출공간(40)내의 압력으로 되어 있기 때문이다.

제3도에 도시된 바와같이, 피스톤이 행정의 종료에 가까운 위치에 도달하면, 실린더내의 압력은 배출공간(40)내의 압력과 동일하게 되어, 밸브포핏(68)이 밸브시트(15)와 시일링 맞물림을 벗어나도록 이동한다. 스프링(51)에 의한 힘의 인가가 없을 때에, 극복되어야 하는 주된 힘은, 밸브포핏 밸브(68)과 밸브시트(65) 사이에 존재하는 오일막에 의해 발생된 접착력이다. 밸브포핏 밸브는, 스프링과 접촉하기까지는, 약 0.1 밀리미터 범위내의 짧은 거리를 자유롭게 이동하므로, 밸브는, 오일막에 의해 발생하는 접착력에 의해서만 정해지는 최소의 압력차로 신속히 개방되기 시작할 것이다.

실린더내의 압력이 배출공간(40)내의 압력을 실질상 넘는 경우에, 제4도에 도시된 바와같이 피스톤(28)이 다시 이동하면, 밸브포핏(68)은 여기서 이동가능하게 되며, 스프링(51)의 자유단부(53)가 경감부(46)와의 접촉으로부터 벗어나 스톱부재(56)의 단부(61)의 하측과 맞물리기까지 이동할 수 있도록 스프링(51)을 휘게하기 시작한다. 스프링 단부(53)가 이와같이 짧은거리를 이동할때에는, 스프링력은, 대향단부(52)에 있어서 캔틸레버 형태(cantilever form)를 이루는 스프링의 휨에 의해서만 결정된다. 그러나, 일단 스프링 단부(53)가 스톱부재의 단부(61)와 맞물리면, 스프링은 실제로 양단이 보지되며, 스프링의 강성, 즉 속도(rate)가 현저히 상승하며, 밸브포핏(68)을 다시 이동시키는 경우에는, 제5도에 도시된 바와같이, 스프링(51)의 중앙부를 스톱부재(56)의 중앙부(59)를 향해 상향으로 굽혀야 한다. 이러한 구성에 따라, 스프링(51)은 점진적인 속도를 지니며, 그 속도는, 배출공간(40)에 배압(back pressure)이 없는 시동상태에 있어서 발생한 것과 같은 최대의 행정을 지닐 때에 증대한다. 따라서, 밸브포핏(68)의 개방거리가 커지면, 그것을 폐쇄하려고 하는 스프링의 힘은 현저히 커지며, 그 힘은 밸브가 밸브시트에 도달하기전에 영(0)으로 저하한다. 폐쇄상태에 있어서 생크의 단면(72)와 스프링(51) 사이에 간극이 있으면, 폐쇄력은, 전체적으로 기체의 압력과 폐쇄동작시의 밸브포핏(68)의 관성으로부터 얻어진다. 또한, 밸브포핏(68)이 개방될 때에는, 신속한 개방에 대한 스프링(51)의 저항은 최소로 되며, 최대량의 압축기체를 배출공간(40)에 배출할 수 있는 충분한 시간을 얻을 수 있다.

본 발명은 기본적으로 2가지 다른 방법으로 압축기의 효율을 증가시킨다. 밸브포핏의 헤드(69)가 밸브시트가 마찬가지로 구형으로 되어 있으므로, 기체가 유동하는 방향의 변화는, 평탄한 밸브시트에 평탄한 리드밸브가 작용하는 경우에 비하여 적으므로, 밸브포핏(68)이 밸브시트로부터 이격되어 있는 때에는 난류가 최소로 되는 확실한 유로를 얻을 수 있다. 더욱이, 상기 미합중국 특허 제 5,149,254 호에 개시된 바와같이, 압축기내의 간극용적을 현저히 감소시키는 것이 가능하다. 상기 특허에 개시된 바와같이 피스톤 면(75)에 간극 오목부(76)가 존재하면 피스톤 면의 나머지 부분은 흡입밸브 시트(34)의 내측에 더 근접할 수 있으므로, 배출구(48) 주위의 간극용적의 양을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 밸브포핏의 헤드(69)는, 밸브 플레이트(33)와 밸브시트(34)의 표면을 지나 구형 오목부(74)중으로 돌출할 수 있으므로, 리드 배츨밸브 압축기의 배출구(48)가 차지하는 간극용적의 실질상 전부를 없앨 수 있다.

구형 오목부(74)는, 피스톤이 상사점에 있을 때, 즉 밸브 플레이트(33)에 가장 접근한 위치에 있는 경우에 밸브포핏(68)이 밸브시트(65)에 완전하게 놓이는 폐쇄위치에 있다고 하여도 밸브포핏의 헤드(69)와 오목부(74)사이에 여전히 최소의 간극공간이 존재할 수 있도록하는 치수로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 어떠한 상태에 있어서도 밸브포핏과 피스톤이 접촉할 가능성을 확실히 배제할 수 있다.

제9도 내지 제11도에 본 발명의 다른 실시예가 도시된 바, 이 실시예는 밸브포핏을 취부하는데, 밸브 플레이트에 삽통되는 리벳 또는 고정구를 사용할 필요를 없게하며, 조립을 간단히 할 수 있도록 구성되어 있다. 이 실시예는, 1988년 2월 9일자 Jack F. Fritchman에게 허여되고, 본 출원의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제 4,723,896호에 개시된 리드형태 배출밸브와 다소 유사한 요소들을 구비하고 있다. 밸브 플레이트(80)는, 후술되는 것을 제외하고, 밸브 플레이트(33)와 대체로 유사하며, 평행을 이루는 내측 및 외측, 즉 내면 및 외면(81 및 82)을 지닌다. 흡입구(84)가, 리드형 흡입밸브(도시되지 않았음)를 수용하도록 밸브 플레이트를 관통하고 있다. 오목부(86)가, 밸브 플레이트의 표면과 평행하게 연장하며, 측연부(88)에 의해 형성되는 저벽을 지니도록 외면(82)에 형성되어 있다. 저벽(87)은, 전체에 걸쳐 대략 균일한 깊이를 지니며, 그 영역에 있어서 밸브 플레이트(80)의 두께를 감소시킴으로써 더 작은 밸브포핏의 사용을 가능하게 하며, 따라서 소정의 직경에 대한 질량을 더 적게 함으로써 개방 및 폐쇄력에 대한 밸브보핏의 신속한 응답을 행할 수 있도록 되어 있다. 이하에 설명하는 것과 같이, 배출구(91)는 오목부(86)의 한측에 배치되며, 챔퍼가공된 연부(93)를 지니는 구형의 밸브시트(92)를 지니고 있다.

오목부(86)의 각각의 단부에서는, 상기 오목부와 교차하여 연장하고, 밸브 플레이트의 면(81 및 82)과 평행을 이루는 면내에 위치하는 약간 상승되어 형성된 지지면(94 및 96)이 설치되어 있다. 지지면(94 및 96)의 영역에 있어서, 밸브 플레이트(80)는 오목부(86)영역의 두께보다 더 두꺼운 두께를 지니며, 오목부(86)로부터 벗어난 밸브 플레이트(80)의 부분보다는 더 얇은 두께를 지닌다. 지지면(96)은, 더 상세히 후술되는 바와같이, 밸브 스프링 부분을 수용하도록 한쌍의 돌출한 오목부(97)들을 지니고 있다. 밸브 플레이트(80)는, 지지면(94 및 96)의 외측의 오목부(86)의 각 단부에, 밸브 플레이트(80)를 완전히 관통하여 연장하는 직사각형개구(99 및 101)를 지니고 있다.

포핏(103)은, 밸브포핏(68)과 동일한 재료로 형성되지만, 약간 상이한 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 밸브보핏(103)은, 밸브시트(92)와 동일한 곡률반경이며, 약간 더 큰 직경으로 형성된 구형헤드(104)를 지니며, 밸브포핏(103)이 회전되어 밸브시트(92)와 정확한 정합으로부터 벗어난 경우에도 확실한 시일링 맞물림을 유지하도록 되어 있다. 밸브포핏(103)은 베이스부를 지니며, 상기 베이스부는 작은 치수의 원통형 측벽(107)과, 베이스부 전체 직경을 지님과 동시에 원통형 측벽(107)의 축선과 교차하여 연장하는 면을 지니는 평탄한 단면(108)을 구비하고 있다. 평탄한 판스프링 형태의 밸브 스프링(111)이 오목부(86)와 교차하여 연장하고 있으며, 상기 스프링의 중앙부(112)는 밸브포핏의 단면(108)위를 연장하고 있다. 밸브 스프링(111)의 일단부(113)는, 지지면(96)에 접하는 동시에, 밸브 스프링(111)을 소정의 위치에 유지시키도록 오목부(97)내로 연장하는 한쌍의 연장부(도시되지 않았음)를 지닌다. 밸브 스프링(111)의 타단부(116)는 지지면(94)과 접촉상태로 보지된다. 밸브 스프링(111)은 평탄하며, 통상적으로 2개의 지지면(94 및 96)들과 맞물려 있으며, 밸브보핏의 단면(108)과 접촉하거나 또는 상기한 바와같이 단면에 대하여 약간의 간극공간을 지니도록 구성될 수 있다.

강성이 있는 밸브 스톱부재(118)가 밸브 스프링(111)의 상방에 장착되며, 밸브 스프링(111)으로부터 상방으로 이격배치된 중앙영역(119)을 지님으로써, 밸브포핏(103)이 밸브시트(92)로부터 이격이동할 때에 밸브 스프링(111)이 상방으로 휠 수 있도록 되어있다. 밸브 스톱부재(118)는, 일단부(121)가 밸브 스프링 단부(113)에 접하여 상기 단부를 지지면(96)에 고정하고 있다. 밸브 스톱부재의 타단부(122)는, 지지면(94)에 지지되어 있지만, 지지면(96)으로부터 상방으로 이격하도록 형성된 오목부 스톱면(123)을 지니며, 밸브포핏(103)의 예비 개방동작시에 밸브스프링의 자유단부(116)가 지지면(94)으로부터 상방으로 약간 이동할 수 있도록 되어 있다.

이에따라, 밸브포핏(103)의 단면(108)과 밸브스프링(111) 사이에 초기 간극이 있는 경우에, 밸브시트(92)로부터의 밸브포핏(103)의 당초의 이동이 밸브포핏에 작용하는 유체 압력차에 의해서만 저항받도록 점진적으로 작동할 수 있다. 간극이 흡수되면, 밸브 스프링(111)은 헤드의 단부(113)에 인접하여 구부러지는 것에 의해 휘기시작하며, 자유단부(116)는 스톱면(123)에 접촉하기까지 지지면(94)과 떨어져서 상승한다.

이 경우, 밸브스프링은 양단부가 소정의 위치에 고정되어 있으므로, 중간부가 전체적으로 휘어야 하기 때문에, 밸브포핏의 그 이상의 이동은 더 큰 저항을 받는다.

밸브 스톱부재(118)를 소정의 위치에 보지시키기 위해, 돌출한 선단부(126)가 지지면(96)에 인접한 개구(101)에 삽입되며, 바람직하게는 개구의 측면에 접촉하여 밸브 스톱부재(118)를 밸브 플레이트(80)에 대하여 확실히 위치결정한다. 타단부에서 선단부(127)는, 지지면(94)에 인접한 개구(99)내부를 하향으로 연장하고 있다. 밸브 스톱부재(118)를 소정의 위치에 보지하기 위해, 반달 모양의 중앙부(131)를 지니는 증량이 있는 스프링 모양의 키퍼(130 ; kepper)가 밸브 스톱부재(118)의 상방으로 장착되어 있다. 키퍼의 일단부(132)는 밸브 스톱부재(118)의 상면을 압압(壓押)하는 동시에, 개구(101)내로 연장하는 선단부(134)를 지닌다. 키퍼(130)의 타단부는, 밸브 스톱부재(118)의 단부(122)에 있어서 상기 밸브 스톱부재(118)의 상면과 맞물리는 동일한 형상의 단부(133)를 지니고 있으며, 또한 개구(99)내로 연장하는 선단부(135)가 형성되어 있다. 배출 실린더 헤드(137)는 상기 실린더 헤드 및 밸브 플레이트(80)를 통하여 실린더 블록에 삽통되는 볼트에 의해 소정의 위치에 보지됨과 동시에 개스킷(138)에 의해 밸브 플레이트로부터 분리되며, 실린더 헤드(137)와 밸브 플레이트(80)에 의해 형성되는 배출공간(141)내의 배출가스가 누출되지 않도록 시일을 제공하고 있다. 실린더 헤드(137)에는, 실린더 헤드가 소정의 위치에 고정될 때에 키퍼(130)의 중앙부(131)와 맞물림으로써, 키퍼(130)와 밸브 스톱부재(118)와 밸브 플레이트의 소정의 위치에 고정된 밸브 스프링(111)을 보지하도록 배치된 돌출보스(139)가 형성되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 특허청구범위에 기재된 바와같은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고, 수정과 변경을 행할 수 있음이 자명하다.

Claims (15)

1. 압축공간에 노출된 내면과 배출공간에 노출된 외면을 지니며 상기 내면과 외면 사이를 관통연장하는 배출구를 지니는 밸브 플레이트, 상기 외면에 있어서 상기 배출구를 포위하도록 배치되며 구상면을 지니는 밸브시트, 상기 밸브시트로부터 이격하여 배치되며 평탄면을 지니는 베이스부와 상기 밸브시트에 노출되는 구상 헤드부를 지니는 밸브포핏을 구비하며, 상기 밸브시트와 상기 헤드부는 폐쇄상태에서는 상기 헤드부가 상기 밸브시트와 면접촉 시일링을 행하도록 동일한 곡률반경을 지니며, 상기 헤드부의 구상면은 상기 밸브시트의 직경보다도 큰 직경을 지니며, 상기 베이스로부터 이격하여 상기 밸브포핏 위를 연장하는 밸브 스톱부재, 상기 밸브포핏의 베이스부와 맞물려 상기 밸브포핏을 상기 밸브시트에 향하여 미는 스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동 압축기의 배출 밸브장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 베이스부의 평탄면은, 상기 헤드부가 상기 밸브시트와 맞물리 때에 상기 판 스프링과 접촉하지 않도록 이격배치되는 것을 특징으로 하는 배출 밸브장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 밸브포핏의 헤드부는 상기 밸브시트와 맞물리면, 상기 밸브 플레이트를 지나 상기 압축기의 공간내로 연장하는 것을 특징으로 하는 배출 밸브장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 밸브 플레이트의 상기 외면의 상기 배출구 및 상기 밸브시트와 인접한 부분은 상기 밸브 플레이트의 나머지 부분의 두깨보다도 얇은 두께를 지니도록 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배출 밸브장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 밸브 포핏은 중합 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 배출 밸브장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 중합 재료는 폴리이미드 수지(polyimide resin)로 되는 것을 특징으로 하는 배출 밸브장치.
7. 단면을 지니는 실린더 블록, 상기 단면으로부터 상기 실린더 블록을 통하여 연장하며 상기 단면과 직교하는 축선을 형성하는 실린더 보어, 상기 단면에 고정되어 상기 실린더 보어를 가로질러 연장하는 밸브 플레이트, 상기 밸브 플레이트에 대하여 상기 실린더 보어내에서 왕복운동하도록 배치된 피스톤, 상기 밸브 플레이트와 개구를 통하여 상기 실린더로 연장하는 배출구, 상기 피스톤으로부터 이격된 측에서 상기 배출구를 포위하며 구상면을 지니는 밸브시트, 상기 밸브시트와 맞물릴 수 있는 구면을 지니는 헤드를 구비한 밸브포핏 및 상기 밸브시트를 향해 상기 밸브 포핏을 미는 스프링 수단을 포함하는 밀폐식 냉동 압축기(hermetic refrigeration compressor)로서, 상기 밸브포핏은 상기 밸브시트와 맞물리면, 상기 피스톤에 노출되는 상기 밸브 플레이트의 면을 지나 상기 밸브시트를 통하여 연장하는 중앙부를 지니며, 상기 피스톤은 상기 밸브 플레이트에 인접하여 연장하는 단면을 지니며, 상기 단면은 상기 밸브포핏의 상기 중앙부를 수용하도록 상기 배출구와 정합하는 오목부를 지니는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
8. 제7항에 있어서, 상기 밸브 플레이트의 상기 배출구에 인접한 부분은 그 영역내에서 상기 밸브 플레이트의 두께를 감소시키도록 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
9. 제7항에 있어서, 상기 구상면은 상기 헤드의 전면에 걸쳐 연장하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
10. 제7항에 있어서, 상기 밸브포핏은 중합 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
11. 제10항에 있어서, 상기 중합 재료는 폴리이미드 수지로 되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
12. 제7항에 있어서, 상기 밸브 포핏위에서 연장하는 밸브 스톱부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
13. 제12항에 있어서, 상기 스프링 수단은 상기 밸브포핏과 상기 스톱부재 사이에서 연장하는 평탄한 판 스프링인 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
14. 제13항에 있어서, 상기 밸브포핏은 상기 평탄한 판 스프링과 인접하는 평탄한 면을 지니는 베이스부를 구비하는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.
15. 제14항에 있어서, 상기 밸브포핏이 상기 밸브시트와 시일링가능하게 맞물리 때에, 상기 스프링은 상기 평탄한 면과 접촉하지 않도록 이격배치되는 것을 특징으로 하는 밀폐식 냉동 압축기.