KR100286835B1 - 압축기의 히트파이프 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기의 히트파이프 구조에 관한 것으로서, 특히 압축기의 상부캡 및 하부캡의 연결부위에 복수개의 삽입공을 형성하고, 상기 각각의 삽입공에 압축기내부의 열을 외부로 방열하기 위하여 방사상으로 히트파이프를 삽입하여 설치하며, 상기 히트 파이프에는 방열부측 열교환면적을 증대시키기 위한 복수개의 열교환핀을 설치하고, 상기 히트파이프와 밀폐용기와의 사이에 일정한 각도를 유지하게 삽입하여 설치하며, 상기 히트파이프는 밀폐용기에 용접 또는 기밀 유지 장치로 부착되어 내부의 고압가스가 외부로 유출되는 것을 방지함으로써, 압축기의 흡입가스가 냉매 압축시 압축과정중에 발생하는 열 및 모터부의 발열에 의해 과열되는 것을 방지하며, 이로 인해 흡입냉매의 밀도를 높여 주어 단위시간당의 질량 유동률을 증가시켜 냉력을 향상시키고, 압축일에 해당되는 엔탈피의 변화량을 감소시켜 압력을 저감시키는 것이다.

Description

압축기의 히트파이프 구조{Structure of Heat pipe of compressor}

본 발명은 압축기의 히트파이프 구조에 관한 것으로서, 특히 압축기의 상부캡과 하부캡의 연결부위에 열교환핀이 부착된 복수개의 히트파이프를 설치함으로써, 압축기의 흡입가스가 냉매 압축시 압축과정중에 발생하는 열 및 모터부의 발열에 의해 과열되는 것을 방지하여 흡입냉매의 밀도를 높여 주어 단위 시간당의 질량 유동률을 증가시켜 냉력을 향상시키고, 엔탈피의 변화량을 감소시켜 압력을 저감시키기 위한 압축기의 히트 파이프 구조에 관한 것이다.

일반적으로 종래 로타리 압축기의 구조를 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다.

도 1a 에 도시한 바와 같이, 종래의 로타리 압축기는, 밀폐용기(1)내에 압축기구부와 이를 구동하는 전동기구부와, 상기 전동기구부의 구동에 의해서 오일이 급유되는 급유부를 포함하고 있다.

상기 전동기구부는 전원이 인가되면, 자력이 발생되는 고정자(2)와, 상기 고정자(2)의 자력에 의해 회전하는 회전자(3)와, 상기 회전자(3)에 축설되어 회전하는 크랭크축(4)으로 구성되어 있다.

상기 압축기구부는 도 1b에 도시한 바와 같이, 전동기구부의 하부에 위치하여 냉매가스를 흡입구(12)와 토출구(13)로 흡입 및 토출시키는 실린더(7)와, 상기 실린더(7)에 형성된 실린더 슬롯(11)과, 상기 실린더(7)의 상,하부에 조립되어 크랭크축(4)을 지지하는 상부베어링(5)과 하부베어링(6)과, 상기 크랭크축(4)의 하단부에 일체로 고정설치되어 실린더(7)내에서 편심되게 회전하는 편심륜(16)과, 상기 편심륜(16)에 끼워져서 실린더(7)의 내주면을 따라 자전과 공전운동을 하는 롤러(8)와, 상기 실린더(7)에 설치되어 베인스프링(10)에 의하여 자전과 공전운동을 하는 롤러(8)의 외주면을 따라 형성된 고압측인 압축실(15)과 저압측인 흡입실(14)을 구분하는 베인(9)으로 구성되어 있다.

상기 베인(9)은 베인스프링(10)에 의한 힘과 베인후면의 배압 및 자체관성력에 의해 롤러(8)와 밀착되어 축의 운동에 따라 실린더 슬롯(11)에서 상하운동을 하게 된다.

이와 같이 구성된 상태에서 로타리 압축기의 냉매가스는 흡입구(12)를 통하여 직접 실린더(7)로 유입되어 압축한 다음, 압축된 압축가스는 크랭크축(4)을 지지하는 역할을 하는 상부베어링(5)에 형성된 토출구(13) 및 밸브(미도시)를 통하여 토출되어 쉘내부를 고온,고압의 냉매 분위기 상태로 만든 후 모터의 공극과 에어컷트(Aircut)부를 통하여 상부에 용접된 토출파이프(17)로 토출되는 구조이다.

이 때, 흡입된 저온,저압의 냉매가스는 압축시 발생하는 열 및 모터부의 발열에 의해 온도가 상승하게 된다.

이러한 과정을 도 2에 도시한 바와 같이 몰레에르 선도상에서 표현하면, 흡입냉매가스의 초기온도 ts₁이 과열되어 ts₂가 되면 비체적은 Vs₁에서 Vs₂가 되고, 엔트로피의 변화는 S₁에서 S₂로 변하게 된다.

또한, 엔트로피의 변화에 의해 토출가스온도는 각각 단열 압축을 한다고 가정할 경우 td₁과 td₂가 된다.

이 때, 흡입가스 온도가 과열되지 않고 그대로 단열 압축을 할 때의 엔탈피 변화는 △ h₁= hd₁- hs₁이 되며, 흡입가스 온도가 과열된 상태로 압축을 할 때의 엔탈피 변화량은 △ h₂= hd₂- hs₂가 된다.

일반적으로 △ h₂는 △ h₁보다 커지게 되어 압축일은 증가하게 된다.

또한, 흡입가스가 과열되어 비체적이 증가함으로써, 단위시간당 저압측 흡입실(14) 내로 유입되는 냉매의 질량이 감소하게 되어 냉동능력이 감소하게 되고, 토출가스 온도가 상승하는 구조로 되어 있다.

이러한 문제점은 냉매 흡입가스가 과열되어 비체적이 증가하여 냉동능력이 감소하고, 단위 냉매 유량당의 압축일이 증대하여 압축기의 소요동력이 증가한다.

또한, 압축기가 장착되어 있는 에어콘 실외기의 외기온이 높을 경우 문제는 더욱 심각해지고, 토출가스의 온도가 높아지면, 응축압이 높아져 신뢰성 저하의 요인이 되기도 한다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 발명된 것으로 압축기의 상부캡 및 하부캡의 연결부위에 복수개의 삽입공을 형성하고, 상기 각각의 삽입공에 압축기내부의 열을 외부로 방열하기 위하여 열교환핀이 부착된 히트파이프를 삽입하여 설치함으로써, 압축기의 흡입가스가 냉매 압축시 압축과정중에 발생하는 열 및 모터부의 발열에 의해 과열되는 것을 방지하여 흡입냉매의 밀도를 높여 주어, 단위시간당의 질량 유동률을 증가시켜 냉력을 향상시키고, 엔탈피의 변화량을 감소시켜 압력을 저감시키도록 한 압축기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 는 종래 로타리 압축기의 구조도로서,

(가)는 로타리 압축기의 단면도.

(나)는 로타리 압축기의 평면도.

도 2 는 종래 로타리 압축기의 공조용 냉동 싸이클의 P-H선도.

도 3 은 본 발명 로타리 압축기의 종단면도.

도 4 는 도 3 의 A - A' 선단면도.

도 5 은 본 발명 히트파이프의 구조도로서,

(가)는 히트파이프의 단면도.

(나)는 히트파이프의 측면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

101:압축기 102:상부캡

102a:하부캡 103:삽입공

104,104a:히트파이프 105:통로

106:모세관 107:튜브

108:열교환핀

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압축기는, 밀폐용기의 상부 및 하부에 상부캡과 하부캡이 고정되는 압축기에 있어서, 상기 상부캡과 하부캡의 방사상으로 복수의 삽입공이 형성되며, 상기 복수의 삽입공에 각각 히트 파이프가 관통 삽입되어, 상기 히트파이프의 일단은 밀폐용기의 내부에 타단은 밀폐용기의 외부로 노출되어 설치되는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 압축기를 보인 단면도이고, 도 4는 도 3의 A-A'선을 따라 취한 단면도이며, 도 5의 (a)와 (b) 본 발명에 따른 압축기의 히트 파이프를 보인 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압축기는, 밀폐용기(101)의 상부와 하부에 상부캡(102)과 하부캡(102a)이 마련된 밀폐된 구조를 가진다.

상기 상부캡(102)과 하부캡(102a)에는 복수의 삽입공(103)이 형성되고, 복수의 삽입공(103)에 각각 밀폐용기(101) 내의 열을 외부로 방열시키기 위한 히트파이프(104)(104a)가 삽입 설치되어 있다. 이 히트파이프(104)(104a)는 밀폐용기(101)의 내부에서 발생되는 열을 외부로 방출할 수 있도록 방사상으로 설치된다.

이러한 히트파이프(104)(104a)는 밀폐용기(101)의 기밀 유지를 위해 삽입공(103)에 용접 설치되는 것이 바람직하다. 이 히트파이프(104)(104a)의 외주에는 열의 방출효과를 향상시키기 위한 복수의 열교환핀(108)이 설치되어 있다.

히트파이프(104)(104a)는 상부캡(102)과 하부캡(102a)에 설치될 때, 도 3과 같이 소정의 각도(α)로 설치되며, 이 소정의 각도는 2~60도 정도이다.

그리고, 상기 히트 파이프(104)(104a)는 그 일단이 밀폐용기(101)의 내부에, 타단은 밀폐용기(101)의 외부로 노출되도록 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 압축기 작동상태를 도 3 내지 도 5 에 도시한 바와 같이 살펴보면 다음과 같다.

밀폐용기의 상,하부에 용접된 상부캡(102)과 하부캡(102a)에 방사상으로 히트파이프(104),(104a)를 설치하여 밀폐 용기 내부의 열을 외부로 방출되도록 한 구조이다.

방사상으로 설치된 히트파이프(104),(104a)는 상부캡(102)과 하부캡(102a)에 용접 또는 기밀유지 장치로 고정되어 있다.

일반적으로, 로타리 압축기는 압축부의 윤활을 위해 주입된 오일이 실린더상면까지 차있은 상태이고, 오일은 고온 분위기하에서 가열되어 뜨거운 상태로 유지되고 다시 오일에 잠겨있는 압축기의 실린더부를 가열하여 흡입 냉매가스가 실린더 벽면을 통하여 열전달되어 가열된다.

따라서, 하부에 저장된 오일을 냉각시켜 주게 되면 실린더의 온도가 저하하게 되고 결과적으로 흡입냉매 가스로의 열전달되는 양도 적어져 흡입냉매가스의 온도 상승이 적어진다.

또한 히트 파이프(104),(104a)의 방열부의 전열면적을 복수개의 열교환핀(108)을 부착하여 방열효과를 향상시켰고, 자연 대류에 의해 상기 히트 파이프(104),(104a)가 원활히 작동되도록 밀폐용기(101)와 일정한 각도(α)로 경사 설치된다.

본 발명에 사용된 히트파이프(104),(104a)의 작동원리와 구조를 도 5 의 (a),(b)에 의해 설명하면 다음과 같다.

도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 히트파이프(104),(104a)의 작동원리를 보면, 증발부(EVAPORATOR), 단열부(ADRIATIC SECTION), 응축부(CONDENSER)는 반경 방향으로 열이 흡수 또는 방출되는 부분을 나타내며, 각각의 길이는 작동조건에 따라 달라질 수 있다.

그리고, 도 5 의 (b)에 도시한 바와 같이 상기 히트파이프(104),(104a)의 구조는 안쪽으로 열이 흡수 또는 방출되는 통로(105)와, 상기 통로(105)를 감싸고 있는 모세관(106)내에는 압력에 따라 액체상태의 작동유체를 응축부에서 증발부로 귀환시키는 구동력으로 작용하므로 작동유체의 순환이 이루어지게 되고, 상기 모세관(106)의 외부는 튜브(107)로 둘러싸여 있다.

이와 같은 구성상태에서 열이 상기 증발부에 가해지면, 열전도에 의해 외벽을 통해 내부에 있는 액체상태의 작동유체로 전달된다.

그러면, 평형상태에 있던 작동유체의 액체-증기 경계면에서 증발이 일어나, 경계면이 오목하게 낮아지면서 반달의 곡률반경이 낮아진다.

이 때, 상기 증발부 내부의 증기영역은 새로 발생한 증기량에 의해 국부적인 밀도와 압력이 증가한다.

즉, 온도차에 의해 압력구배가 유발되며 이에 의해 증기는 응축부쪽으로 이동한다.

한편, 상기 응축부의 액체와 벽 외부에 냉각원(HEAT SINK)이 존재하는데, 증발부에서 이동된 증기의 온도가 응축부의 액체와 벽의 온도보다 높은 상태에 있으므로 증기는 열을 방출한 후 액체 상태로 응축된다.

이 때, 상기 응축부의 액체-증기면이 높아지면서 반달의 곡률반경이 커진다.

상기 증발부와 응축부간 액체-증기 경계면에서의 곡률 반경차이가 액체의 표면 장력에 의해 모세관(106) 압력을 유발하는데 이는 라플레스 영(Laplace-Young)의 식으로 다음과 같이 표현된다.

△ Pcap = σ(1/R₁+ 1/R₂)

여기서, △ Pacp 는 모세관 압력, σ는 액체의 표면장력, 그리고 R₁및 R₂는 반달면에서 서로 직각 방향으로 잰 곡률반경이다.

이 모세관 압력은 액체 상태의 작동유체를 응축부에서 증발부로 귀환시키는 구동력으로 작용하므로 작동유체의 순환이 이루어지게 된다.

상기 증발부로 귀환된 액체는 다시 위의 과정을 반복하여 그 기능을 수행하게 된다.

압축기의 상부캡 및 하부캡의 연결부위에 복수개의 삽입공을 형성하고, 상기 각각의 삽입공에 압축기내부의 열을 외부로 방열하기 위하여 열교환핀이 부착된 히트파이프를 삽입하여 설치하므로써, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째로, 흡입된 냉매가스의 과열을 방지하여 비체적의 증가를 억제하므로 흡입 냉매가스의 밀도가 증가하여 냉동능력이 증가한다.

둘째로, 단위 냉매 유량당의 압축일이 감소하여 압축기의 소요동력이 감소된다.

세째로, 흡입가스 과열로 인한 토출가스 온도상승 저감 및 모터부 발열에 의한 토출가스 온도 상승을 억제함으로써, 고온 실외 분위기에 사용되는 냉방시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 밀폐용기의 상부 및 하부에 상부캡과 하부캡이 고정되는 압축기에 있어서, 상기 상부캡과 하부캡의 방사상으로 복수의 삽입공이 형성되며, 상기 복수의 삽입공에 각각 히트 파이프가 관통 삽입되어, 상기 히트파이프의 일단은 밀폐용기의 내부에 타단은 밀폐용기의 외부로 노출되어 설치되는 것을 특징으로 하는 압축기의 히트 파이프 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 히트파이프(104),(104a)에는 방열부측에 열교환면적을 증대시키기 위한 복수개의 열교환핀(108)을 부착한 것을 특징으로 하는 압축기의 히트파이프 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 히트파이프(104),(104a)는 히트파이프와 밀폐용기와의 사이에 일정한 각도(α)를 유지하며 삽입 설치된 것을 특징으로 하는 압축기의 히트파이프 구조.
4. 제3항에 있어서, 상기 히트파이프(104),(104a)의 설치각도는 약 2 도에서 60 도 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 압축기의 히트파이프 구조.