KR100263408B1

KR100263408B1 - 토출 챔버 압력 해제 홈을 갖는 회전식 압축기

Info

Publication number: KR100263408B1
Application number: KR1019970066658A
Authority: KR
Inventors: 코스타 안드레아 비. 다; 프란시스 피. 윌슨; 제임스 더블유. 부시
Original assignee: 윌리엄 더블유. 하벨트; 캐리어 코포레이션
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 2000-08-01
Also published as: MX9709839A; EP0846864A1; US5823755A; MY121252A; EG21351A; JPH10176690A; CN1093229C; CN1186176A; BR9706249A; TW365633B; ES2180014T3; EP0846864B1; JP2963888B2; KR19980063888A

Abstract

롤링 피스톤 압축기의 환상 피스톤은 밸빙 작용에 있어서 홈과 상호 작용하여, 홈이 추가 토출 유동 구역으로서 역할하지만 홈 내의 가스가 흡입 유동의 일부를 구성하지 않도록 한다. 홈은 모터 단부 베어링 및/또는 펌프 단부 베어링에 있을 수 있으며, 토출 챔버가 토출 상태에 있는 동안 셸의 내부와 유체 연통하는 피스톤의 내부로 압축 챔버로부터 유동하게 한다.

Description

토출 챔버 압력 해제 홈을 갖는 회전식 압축기

용적형 압축기에 있어서, 유동 효율을 위하여 큰 토출 포트 구역을 갖는 것이 바람직하다. 토출 포트 구역의 증가는 틈새 체적(clearance volume)은 압축/토출 행정의 말기에서 토출 밸브의 상류측에 있는 압축 가스의 양이다. 압축 가스에 행해진 일을 갖는 상기 압축 가스는 흡입 행정 동안에 흡입 챔버로 유동하여, 일 및 용량 모두에서 손실을 나타낸다.

고압 밀봉 롤링 피스톤 압축기에서, 토출 밸브에 의해 제어되는 토출 포트를 통한 흡입부와 토출부 사이의 통상의 연통 통로는 롤링 피스톤을 가로지르는 유체 통로에 의해 추가된다. 롤링 피스톤의 내부는 하나 이상의 유체 통로를 통해 셸(shell)의 내부와 연통한다. 롤링 피스톤은 밸빙 작용(valving action)에 있어서 롤링 피스톤을 가로지른 유체 통로와 상호 작용한다. 토출 과정은 약 210°의 크랭크 각도에서 시작하여, 대략 그 지점에서 롤링 피스톤이 모터 단부 베어링 및/또는 펌프 단부 베어링의 홈의 양단부를 덮지 않음으로써 롤링 피스톤을 가로질러 연통하게 하도록 한다. 덮이지 않은 홈의 양단부에 의해, 홈은 추가 토출부를 구성하여 증가된 토출 구역을 제공한다. 틈새 체적이 증가하고 흡입부로 역류 배기되는 종래의 토출부 확대 방식과는 달리, 롤링 피스톤의 밸빙 작용은 홈 내의 토출 가스를 밀봉하여, 흡입이 완료될 때까지, 또는 귀환(feed back) 효과를 흡입 포트와 교류하는 데 있어서의 시간 지연으로 인하여 압축되는 질량이 적어도 감소되지 않을 때까지, 압축될 포획 체적(trapped volume)과 홈 내의 토출 가스를 연통시키지 않는다.

본 발명의 목적은 압축 과정의 말기에서 토출 챔버 내의 증기가 이동하게 하여야 하는 정미(net) 유동 구역을 증가시키는 것이다.

본 발명의 목적은 토출 유동 구역을 증가시키면서 틈새 체적을 제한하는 것이다. 이하에서 명백하게 되는 상기 목적 및 다른 목적은 본 발명에 의해 성취된다.

도1은 흡입 구조물을 지나 절취한, 롤링 피스톤 압축기의 종단면도.

도2는 도1의 선 2-2를 따라 절취한 단면도.

도3은 본 발명의 주제인 토출 구조물을 지나 절취한, 도1의 롤링 피스톤 압축기에 대응하는 부분 종단면도.

도4는 본 발명을 채용한 모터 베어링의 펌프 단부면도.

도5 내지 도8은 롤링 피스톤이 각각 공칭 30°, 50°, 210°및 280°의 크랭크 각도에 재위치된 상태에서의, 도2에 대응하는 단면도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

C : 압축 챔버

S : 흡입 챔버

10 : 압축기

12 : 셸 또는 케이싱

20-1 : 실린더 보어

22 : 피스톤

24, 28 : 단부 베어링 또는 베어링 수단

24-2, 28-3 : 홈

30 : 베인

기본적으로, 롤링 피스톤은 밸빙 작용시 홈과 상호 작용하여, 홈이 추가 토출 유동 구역으로서 역할하도록 하고 홈 내의 가스가 흡입 유동의 일부분을 구성하지 않도록 한다.

도1 내지 도3에서, 참조 부호 10은 수직형 고압 롤링 피스톤 압축기를 나타낸다. 참조 부호 12는 밀봉 셸 또는 케이싱을 나타낸다. 흡입 튜브(16)는 셸(12)에 대해 밀봉되어 있으며, (도시되지 않은) 증발기에 연결된 흡입 축압기(14)와 흡입 챔버(S) 사이에서 유체 연통을 제공한다. 흡입 챔버(S)는 실린더(20)의 보어(20-1), 환상 피스톤(22), 펌프 단부 베어링 또는 베어링 수단(24) 및 모터 단부 베어링 또는 베어링 수단(28)에 의해 한정된다.

편심축(40)은 펌프 단부 베어링(24)의 보어(24-1) 내에 지지되어 수납된 부분(40-1)과, 피스톤(22)의 보어(22-1) 내에 수납된 편심륜(eccentric, 40-2)과, 모터 단부 베어링(28)의 보어(28-1) 내에 지지되어 수납된 부분(40-3)을 포함한다. 오일 분배 홈(28-2)이 보어(28-1) 내에 형성된다. 오일 픽업 튜브(34)는 부분(40-1) 내의 보어로부터 섬프(sump, 36) 내로 연장된다. 고정자(stator, 42)는 수축 끼워 맞춤, 용접 또는 임의의 다른 적당한 수단에 의해 셸(12)에 고정된다. 회전자(rotor, 44)는 수축 끼워 맞춤에 의해 축(40)에 대해 적당하게 고정되어 고정자(42)의 보어(42-1) 내에 위치되며, 전기 모터를 형성하도록 고정자와 상호 작용한다. 베인(vane, 30)은 스프링(31)에 의해 피스톤(22)과 접촉하도록 편의된다.

도3을 참조하면, 토출 포트(28-5)는 모터 단부 베어링(28)에 형성되고, 보어(20-1) 위에 부분적으로 위치되며, 압축 챔버(C)로부터 토출 포트(28-5)로의 유동 통로를 제공하는 도2에 가장 잘 도시된 토출 리세스(20-3) 위에 위치된다. 토출 포트(28-5) 상부에는 종래와 마찬가지로 토출 밸브(38) 및 이격된 밸브 정지부(stop, 39)가 연속적으로 위치된다. 지금까지 설명된 바와 같이, 압축기(10)는 대체로 종래의 것이다. 본 발명은 펌프 단부 베어링(24) 및/또는 모터 단부 베어링(28)에서 홈을 부가하여, 보어(22-1)에 의해 한정된 피스톤(22)의 내부와 토출 압력 상태에 있는 셸 또는 케이싱(12)의 내부 사이에서 유체 통로를 제공한다. 구체적으로, 홈(24-2)은 펌프 단부 베어링(24)의 표면(24-3)에 형성되고, 홈(28-3)은 모터 단부 베어링(28)의 표면(28-4)에 형성된다. 도4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 홈(28-3)은 환상 피스톤(22)의 벽의 반경 방향 두께보다 작은 폭을 갖는 왜곡된 평행사변형의 형상을 갖는다. 변(28-3A)과 변(28-3C)은 평행하며, 변(28-3B)은 변(28-3A) 및 변(28-3C)을 연결한다. 변(28-3D)은 환상 피스톤(22)의 벽의 외부 곡선에 대응하도록 굴곡되어 있어, 피스톤(22)이 홈(28-3)을 너무 빨리 덮지 않게 되는 것을 방지하도록 함으로써, 흡입 사이클의 종료 이전에 연통을 허용하도록 한다. 변(28-3E)은 환상 피스톤(22)의 벽의 내부 곡선에 대응하도록 굴곡되어 있어, 토출 시작 전에 피스톤(22)을 가로지른 연통을 방지하도록 한다.

통상의 윤활 구조물의 일부분으로서, 홈(28-2)은 보어(28-1)의 전체 축방향 길이로 연장되고, 홈(40-2A)은 편심륜(40-2)의 축방향 길이로 연장된다. 따라서, 홈(28-2)을 통해 셸(12)의 내부와 그리고 베어링(24, 28)과 각각 상호 작용하는 피스톤(22) 및 편심륜(40-2)에 의해 형성된 챔버(22-3, 22-4)들 사이에는 통상적으로 어느 정도의 유체 연통이 있다. 홈(28-2, 40-2A)에는 보어(40-4)로부터 연장하는 반경 방향 통로(가상선으로 도시됨)를 통해 오일이 공급되고, 홈(28-2, 40-2A)은 수정되지 않은 상태로 또는 홈(28-2 및/또는 40-2A)을 확대하는 것에 의해 적절한 윤활을 제공함과 동시에 추가 토출을 위해 적당하게 될 수 있다. 그러나, 양호하게는, 섬프(36) 위에 위치된 챔버(35)와 챔버(22-3)를 연결하도록 홈(24-2)이 존재한다면 펌프 단부 베어링(24)에 보어 또는 통로(24-4)를 제공하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 챔버(22-4)를 머플러(32)의 내부와 연결하도록 홈(28-3)이 존재한다면 모터 단부 베어링(28)에 보어 또는 통로(28-6)를 제공하는 것이 바람직하다.

홈(24-2, 28-3)의 형상은 큰 유동 통로 구역을 제공하도록, 홈과 흡입부 사이에서 연통을 방지하도록, 그리고 토출 시작시에 셸(12)의 내부와 압축 챔버 사이에서 연통을 허용하도록 선택된다. 이상에서 설명되어진 왜곡된 평행사변형은 이러한 목적을 충족시킨다. 이하의 설명은 홈(24-2 및/또는 28-3) 사이와 압축 챔버(C)를 연통하게 하는 가장 이른 시간이 되도록 피스톤(22)과 보어(20-1) 사이의 접촉부가 흡입 포트(20-2)를 통과하는 지점을 고려한다. 그러나, 상기 지점은 홈(24-2 및/또는 28-3)을 통한 흡입 챔버(S)와의 연통과 흡입 유입구에서 발생하는 그 효과 사이의 시간 지연으로 인해 사이클 내에서 더 이르게 위치될 수 있다. 작동 속도 등의 인자는 홈(24-2 및/또는 28-3)을 통한 연통을 촉진시키는 데 있어서 고려되어야 할 것이다.

이제, 도2 및 도5 내지 도8로 돌아가면, 피스톤(22)과 홈(24-2) 사이의 여러 상호 작용이 도시되어 있으며, 동일한 상호 작용이 피스톤(22)과 홈(28-3) 사이에서 발생할 수 있다. 12시 위치를 0°라 하고 반시계 방향으로 측정한다고 가정하면, 흡입 행정의 말기는 약 50°의 크랭크 각도에서 종료하고. 흡입 챔버(S)는 압축 챔버(C)가 된다. 흡입 행정의 말기의 정확한 위치는 베인(30)과 흡입 통로(20-2) 사이의 분리에 의해 그리고 보어(20-1)에 대한 통로(20-2)의 원주 방향 범위에 의해 영향을 받는다. 압축 과정의 진행이 도5, 도6, 도2, 도7 및 도8에 연속적으로 도시되어 있다. 도5로부터 출발하면, 홈(24-2)만이 피스톤(22)의 내부, 결국 셸(12)의 내부와 연통한다. 흡입 과정은 완료되고 압축 챔버(C)는 최대 체적 상태에 있다. 도6의 위치로 진행하면, 홈(24-2)은 홈(24-2) 위에 위치하는 환상 피스톤(22)에 의해 완전히 격리된다. 압축 챔버(C)는 체적이 감소되고, 흡입 챔버(S)는 형성되기 시작한다. 도2 위치로 진행하면, 홈(24-2)만이 압축 챔버(C)와 연통하여, 피스톤(22)과의 상호 작용에 의해 홈(24-2) 내에 담긴 임의의 가압된 냉매가 흡입부로부터 격리된 후에 압축 챔버(C)로 분배되어 있도록 한다. 흡입 챔버(S)가 형성되어 있으며, 압축 챔버(C)는 체적 감소가 계속된다. 도7의 위치로 진행하면, 피스톤(22)은 홈(24-2)을 통해 피스톤(22)을 가로질러 유체 통로가 존재하도록 일단부가 압축 챔버(C) 내에서 덮이지 않고 대향 단부가 보어(22-1) 내에서 덮이지 않도록 홈(24-2)에 대하여 위치되어 있다. 토출 과정이 시작되어, 일부의 유동이 압축 챔버(C)로부터 토출 포트(28-5)를 통해 그리고 일부분으로부터 홈(24-2) 및 하나 이상의 통로(22-3, 40-2A, 28-6, 28-2)를 통해 토출된다. 압축 챔버(C)는 계속 감소되고 흡입 챔버(S)는 계속 증가한다. 도8의 위치로 진행하면, 피스톤(22)은 홈(24-2)이 압축 챔버(C)와는 연통하지 않지만 피스톤 보어(22-1)의 내부와는 연통하도록 홈(24-2) 위에 위치되어 홈(24-2)과 상호 작용한다. 압축 챔버(C)는 흡입 챔버(S)가 증가함에 따라 계속 감소되고, 토출 및 흡입 행정이 거의 완료된다.

상기 설명으로부터, 홈(24-2)은 (가) 흡입 챔버와 연통하지 않으며, (나) 압축되는 질량을 증가시키기 위하여 홈(24-2)과 관련된 틈새 체적에 대응하는 체적이 포획 체적으로 항상 분배되도록, 홈(24-2)이 흡입부로부터 격리된 때 압축 챔버와 연통하고, (다) 토출 행정 중에 피스톤(22)을 가로질러 연통함으로써 추가 토출 포트로서 작용한다. 또한, 대응하는 작동이 홈(28-3)에 대하여도 적용될 것이다.

작동시, 회전자(44) 및 편심축(40)은 일체로서 회전하고, 편심륜(40-2)은 피스톤(22)이 이동하게 한다. 섬프(36)로부터의 오일은 원심 펌프로서 작용하는 보어(40-4) 내로 오일 픽업 튜브(34)를 통해 흡입된다. 펌핑 작용은 축(40)의 회전 속도에 좌우된다. 보어(40-4)로 분배된 오일은 부분(40-1), 편심륜(40-2) 및 부분(40-3) 내에서 반경 방향으로 연장되는 일련의 통로 내로 유동할 수 있어, 베어링(24), 피스톤(22) 및 베어링(28) 각각을 윤활시키도록 한다. 피스톤(22)은 가스가 흡입 튜브(16) 및 통로(20-2)를 통해 흡입 챔버(S)로 흡입되도록 종래 방식으로 베인(30)과 상호 작용한다. 흡입 챔버(S) 내의 가스는 포획되고 압축되어서, 리세스(20-3)에 의해 부분적으로 형성된 유동 통로를 통해 압축 챔버(C)로부터 토출 포트(28-5)로 토출된다. 고압 가스는 밸브(38)를 밸브 시트로부터 이격시켜 머플러(32)의 내부로 통과한다. 압축된 가스는 머플러(32)를 통해 셸(12)의 내부로 통과하고, 회전하는 회전자(44)와 고정자(42) 사이의 환상 간극을 경유하고 토출 라인(60)을 통해 (도시되지 않은) 냉매 회로의 응축기로 통과한다. 압축 과정의 완료시, 피스톤(22)은 리세스(20-3)의 구역에서 보어(20-1)에 접하게 될 것이다. 통상의 틈새 체적은 리세스(20-3)의 체적과, 토출 포트(28-5)의 체적과, 리세스(28-3)를 형성하기 위해 제거된 재료의 체적이다.

전술된 통상의 작동에 홈(24-2 및/또는 28-3)의 존재로 인한 작동이 중첩된다. 구체적으로는, 홈(24-2 및/또는 28-3)은 다음 압축 과정 동안에 흡입 챔버(S)가 밀봉되고 압축 챔버(C)가 되는 시간 이후인 공칭 50°의 크랭크 각도에서 덮이지 않는다. 홈(24-2 및/또는 28-3)은 덮이지 않지만, 토출 챔버 체적을 보어(22-1)의 내부에 위치된 체적과는 아직 연통시키지 않는다. 홈(24-2 및/또는 28-3) 내에 포획된 체적은 토출 라인 압력 및 온도 상태에 있으며, 훨씬 더 낮은 압력 및 온도 상태에 있는 압축 챔버(C) 내에서 팽창한다. 흡입 과정이 이미 일어났기 때문에, 이러한 재팽창 증기는 흡입 챔버(S)를 이미 채우고 있는 흡입 챔버 증기의 양을 변경시키지 않는다. 따라서, 압축기(10)를 통한 질량 유동의 감소가 없다. 그러나, 이는 압축 과정의 시작시에 압축 챔버(C)에서의 온도 및 압력을 상승시킨다. 이러한 압력 및 온도의 증가는 요구되는 총 압축 동력을 증가시킨다. 토출 과정이 시작되는 각도인 약 210°의 크랭크 각도에서, 홈(24-2 및/또는 28-3)은 토출 챔버 체적과, 피스톤(22)의 체적, 구체적으로는 챔버(22-3, 22-4) 내부의 체적을 연결하며, 이는 토출 유동 구역을 증가시킨다. 토출 유동 구역의 증가는 토출 유동 속도 및 관련 유동 손실을 감소시키며, 이는 토출 과정 동력을 감소시킨다. 토출 과정 동력의 감소는 이전의 압축 동력의 증가보다 크며, 이에 의해 총 압축 동력 소비는 감소된다. 홈(24-2 및/또는 28-3)은 토출 압력 상태에 있는 토출 증기를 보어(22-1) 내의 챔버(22-3, 22-4)로, 결국은 토출 라인 압력 상태에 있는 셸(12)의 내부로 각각 배출되게 한다. 필연적으로, 홈(24-2 및/또는 28-3)은 모터 단부 베어링(28)의 토출 포트(28-5)의 연장부이다.

본 발명의 양호한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당해 기술 분야의 숙련자는 다른 변경을 이룰 수 있다. 예컨대, 본 발명은 특히 홈(24-2, 28-3) 모두가 채용된 때, 통상의 토출 포트 크기를 감소시켜서 그 틈새 체적 손실을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것이다.

본 발명에 따르면, 압축 과정의 말기에서 토출 챔버 내의 증기가 이동하게 되는 정미 유동 구역이 증가되며, 토출 유동 구역의 증가는 토출 유동 속도 및 관련 유동 손실을 감소시켜 토출 과정 동력을 감소시킨다. 토출 과정 동력의 감소는 이전의 압축 동력의 증가보다 큼으로써 총 압축 동력 소비는 감소된다. 또한, 본 발명에 따르면, 토출 유동 구역이 증가됨과 동시에 틈새 체적은 제한된다.

Claims

토출 압력 상태에 있는 내부와, 베어링 수단(24; 28)이 각각의 단부에 위치된 실린더 보어(20-1)에 의해 한정된 챔버 내에 배치된 환상 피스톤(22)과, 상기 환상 피스톤과 상호 작용하는 베인을 구비하는 고압 회전식 압축기(10)의 추가 토출 수단에 있어서,

상기 추가 토출 수단은 상기 베어링 수단들 중 하나의 베어링 수단에 위치된 홈(24-2; 28-3)을 포함하며,

상기 환상 피스톤은 상기 내부와 유체 연통하고 밸빙 작용을 위해 상기 홈과 상호 작용하는 보어(22-1)를 구비하고,

상기 피스톤 및 홈은 밸빙 작용을 위해 상호 작용하며,

상기 피스톤 및 홈은, 상기 홈이 추가 토출 수단으로서 작용하도록, 상기 2개의 베어링 수단, 상기 피스톤, 상기 실린더 보어 및 상기 베인에 의해 한정된 압축 챔버(C)가 토출 과정에 있을 때만, 상기 압축 챔버와 상기 피스톤의 상기 보어 사이에서 유체 통로를 형성하도록 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 추가 토출 수단.
제1항에 있어서, 상기 베어링 수단 중 다른 하나의 베어링 수단에 홈이 위치된 것을 특징으로 하는 추가 토출 수단.
제1항에 있어서, 상기 홈은 깊이가 1 mm 내지 5 mm 정도인 것을 특징으로 하는 추가 토출 수단.
제1항에 있어서, 상기 홈은, 상기 밸빙 작용을 최적화하기 위하여, 상기 환상 피스톤의 내벽에 대하여 곡률이 일치하는 일부분(28-3E)과, 상기 환상 피스톤의 외벽에 대하여 곡률이 일치하는 제2 부분(28-3D)을 갖는 외주를 구비하는 것을 특징으로 하는 추가 토출 수단.
제1항에 있어서, 상기 2개의 베어링 수단, 상기 피스톤, 상기 실린더 보어 및 상기 베인은 흡입 챔버(S)를 한정하도록 상호 작용하며, 상기 밸빙 작용은 상기 홈이 상기 흡입 챔버와 유체 연통하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 추가 토출 수단.
제1항에 있어서, 상기 밸빙 작용은 상기 홈 내에 밀봉된 압축 가스가 압축 사이클의 초기 시점에서 그리고 토출 이전에 상기 압축 챔버로 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 추가 토출 수단.