KR100493315B1 - 로터리 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두개의 압축용량을 갖는 로터리 압축기에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 양방향 회전이 가능하며 소정 크기의 편심부를 갖는 구동축과; 소정크기의 내부체적을 형성하는 실린더와; 상기 실린더 내에서 편심 회전하며 실린더 내주면을 따라 구름운동을 하는 롤러와; 상기 롤러와 계속적으로 접촉하도록 상기 실린더에 탄성적으로 설치되는 베인과; 상기 유체챔버와 연통하는 복수개의 토출포트와; 상기 실린더 상부에서 구동축의 상부를 회전가능하게 지지하는 상부 베어링과; 상기 실린더의 하부에서 상기 구동축의 하부를 회전가능하게 지지하고, 복수개의 흡입포트가 형성된 하부 베어링과; 상기 하부 베어링의 하부에 고정되어 외부로부터 압축 대상 유체를 공급받아 임시적으로 저장하는 흡입 플레넘과; 상기 실린더와 하부 베어링 사이에 회전 가능하게 설치되고, 상기 하부 베어링의 각 흡입포트들보다 큰 크기를 갖도록 되어 상기 흡입포트들을 선택적으로 개방 및 폐쇄하는 복수개의 개구부가 형성된 회전밸브와; 상기 하부 베어링의 상부에 고정되게 설치되어 상기 회전밸브의 회전을 안내하는 고정밸브를 포함하여 구성된 로터리 압축기를 제공한다.

Description

로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR}
본 발명은 로터리 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축기의 압축용량을 변화시켜 토출할 수 있도록 한 로터리 압축기에 관한 것이다.
일반적으로, 압축기는 전기모터나 터빈 등의 동력 발생장치로부터 동력을 전달받아 공기, 냉매등과 같은 작동유체에 압축일을 가함으로써, 작동유체의 압력을 높여주는 기계이다. 이러한 압축기는 공기조화기 분야나 냉장고 분야 등의 일반적인 가전제품에서부터 플랜트 산업에까지 널리 사용된다.
이러한 압축기는 압축을 이루는 방식에 따라 용적형 압축기(positive displacement compressor)와 터보형 압축기(dynamic compressor or turbo compressor)로 분류된다. 이 중에서도, 산업 현장에 널리 쓰이는 것은 용적형 압축기으로서, 체적의 감소를 통해 압력을 증가시키는 압축방식을 갖는다. 상기 용적용 압축기는 다시 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)와 로터리 압축기(rotary compressor)로 분류된다.
상기 왕복동식 압축기는 실린더 내부를 직선 왕복운동하는 피스톤에 의해 작동유체를 압축하는 것으로서, 비교적 간단한 기계요소로 높은 압축효율을 생산하는 장점이 있다. 반면에, 상기 왕복동식 압축기는 피스톤의 관성으로 인해 회전속도에 한계가 있으며, 관성력으로 인해 상당한 진동이 발생하는 단점이 있다. 상기 로터리 압축기는 실린더 내부를 편심된 채로 공전하는 롤러에 의해 작동유체를 압축하며, 상기 왕복동식 압축기에 비해 저속으로 높은 압축효율을 생산할 수 있다. 따라서, 상기 로터리 압축기는 진동과 소음이 적게 발생하는 장점을 더 갖는다.
최근, 최소 2 개의 압축용량을 갖는 압축기들이 개발되고 있다. 이들 이중용량 압축기들은 부분적으로 변형된 압축 메커니즘을 사용하여 회전방향(즉, 시계방향 또는 반시계방향)에 따라 서로 다른 압축용량을 갖는다. 이러한 이중용량 압축기는 요구되는 부하의 크기에 따라 압축 용량을 조절할 수 있기 때문에, 작동유체의 압축이 필요한 여러 장치 특히, 냉장고등과 같이 냉동 사이클을 이용하는 가전기기에 작동효율을 증가시키기 위해 널리 적용되고 있다.
그러나, 종래 로터리 압축기는 실린더와 통하는 흡입구와 토출구를 각각 하나씩 가지고 있으며, 상기 롤러는 상기 흡입구측에서 토출구측으로 상기 실린더의 내주면을 따라 구름 운동하면서 작동유체를 압축한다. 따라서, 상기 롤러가 반대방향으로(토출구측에서 흡입구측으로) 구름 운동할 경우, 작동유체가 압축되지 않는다. 즉, 종래의 로터리 압축기는 회전방향의 변경에 의해 서로 다른 압축 용량을 갖는 것이 불가능하다. 따라서, 전술된 고유한 장점을 가질 뿐만 아니라 가변 압축용량을 갖는 로터리 압축기의 개발이 필요하다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구동축의 시계 및 반시계 방향의 회전 둘 다에 있어서 압축이 가능함과 더불어 압축 용량을 가변시킬 수 있으며, 압축 과정에서 압축기의 구동에 필요한 오일 공급이 원활히 이루어질 수 있도록 한 로터리 압축기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 시계 및 반시계방향 둘 다로 회전가능하며, 소정 크기의 편심부를 갖는 구동축과; 소정크기의 내부체적을 형성하는 실린더와; 상기 실린더 내주면에 접하도록 상기 편심부의 외주면에 회전가능하게 설치되어, 상기 내주면을 따라 구름운동을 하며 상기 내주면과 함께 유체의 흡입 및 압축을 위한 유체챔버를 형성하는 롤러와; 상기 롤러와 계속적으로 접촉하도록 상기 실린더에 탄성적으로 설치되는 베인과; 상기 유체챔버와 연통하는 복수개의 토출포트와; 상기 실린더 상부에서 상기 내부체적을 밀폐하도록 설치되고, 상기 구동축의 상부를 회전가능하게 지지하는 상부 베어링과; 상기 실린더의 하부에서 상기 내부체적을 밀폐하도록 설치되며, 상기 구동축의 하부를 회전가능하게 지지하고, 복수개의 흡입포트가 형성된 하부 베어링과; 상기 하부 베어링의 하부에 고정되어 외부로부터 압축 대상 유체를 공급받아 임시적으로 저장하는 흡입 플레넘과; 상기 실린더와 하부 베어링 사이에 회전 가능하게 설치되고, 상기 하부 베어링의 각 흡입포트들보다 큰 크기를 갖도록 되어 상기 흡입포트들을 선택적으로 개방 및 폐쇄하는 복수개의 개구부가 형성된 회전밸브와; 상기 하부 베어링의 상부에 고정되게 설치되어 상기 회전밸브의 회전을 안내하는 고정밸브를 포함하여 구성된 로터리 압축기를 제공한다.
이하 본 발명의 로터리 압축기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로터리 압축기는 케이스(1)와 상기 케이스(1)의 내부에 위치하는 동력발생부(10)와 압축부(20)로 이루어진다. 도 1에서 상기 동력발생부(10)는 압축기의 상부에, 상기 압축부(20)는 압축기의 하부에 각각 위치하나 필요에 따라 이들의 위치들은 서로 바뀔 수 있다.
상기 케이스(1)의 상부와 하부에는 각각 상부캡(3)과 하부캡(5)이 설치되어, 밀폐된 내부공간을 형성한다. 작업 유체를 흡입하는 흡입관(7)은 상기 케이스(1)의 일측에 설치되고, 또한 냉매로부터 윤활유를 분리하는 어큐물레이터(8)에 연결된다.
그리고, 상기 상부캡(3)의 중심에는 압축된 유체가 토출되는 토출관(9)이 설치된다. 또한 상기 하부캡(5)에는 마찰 운동하는 부재의 윤활 및 냉각을 위해 일정량의 윤활유(O)가 채워진다. 이 때, 상기 구동축(40)의 단부는 상기 윤활유(O)에 잠겨져 있다.
상기 동력발생부(10)는 상기 케이스(1)에 고정되는 스테이터(11)와, 상기 스테이터(11)의 내부에 회전 가능하게 지지되는 로터(12)와, 상기 로터(12)에 압입되는 구동축(13)을 포함한다. 상기 로터(12)는 전자기력에 의해 회전하며, 상기 구동축(13)은 로터(12)의 회전력을 상기 압축부(20)에 전달한다. 상기 스테이터(20)에 외부 전원을 공급하기 위해, 상기 상부캡(3)에 터미널(4)이 설치된다.
상기 구동축(13)의 내부에는 오일(O)을 상측으로 펌핑할 수 있도록 길이방향을 따라 모세관 형태의 오일펌핑유로(13b)가 형성된다.
상기 압축부(20)는 크게 상기 케이스(1)에 고정되는 실린더(21), 상기 실린더(21)내부에 위치되는 롤러(22), 및 상기 실린더(21)의 상하부에 각각 설치되는 상부 및 하부 베어링(24,25)으로 이루어진다. 그리고, 상기 하부 베어링(25)의 하측에는 흡입될 유체를 임시적으로 저장하는 흡입 플레넘(200)이 설치되고, 상기 하부 베어링(24)과 실린더(21) 사이에는 상기 흡입 플레넘(200)에 저장된 유체를 상기 실린더(21) 쪽으로 선택적으로 공급하기 위한 밸브 어셈블리(100)가 설치된 구성으로 되어 있다. 이러한 구성으로 된 압축부(20)를 도 2 내지 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 실린더(21)는 소정 크기의 내부체적을 가지며 압축되는 유체의 압력을 견딜수 있도록 충분한 강도를 갖는다. 상기 실린더(21)는 또한 상기 내부체적내에 상기 구동축(13)에 형성되는 편심부(13a)를 수용한다. 상기 편심부(13a)는 일종의 편심된 캠으로서, 상기 구동축(13)의 회전 중심으로부터 일정거리만큼 이격된 중심을 갖는다. 그리고, 상기 실린더(21)에 그의 내주면으로부터 일정 깊이로 연장되는 홈(21b)이 형성된다. 상기 홈(21b)에는 후술되는 베인(23)이 설치된다. 상기 홈(21b)은 상기 베인(90)을 완전히 수용할 수 있도록 충분한 길이를 갖는다.
상기 롤러(22)는 실린더(21)의 내경보다 작은 외경을 갖는 링 부재이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 롤러(22)는 상기 실린더(21)의 내주면에 접하며 상기 편심부(13a)에 회전가능하게 결합된다. 따라서 상기 롤러(22)는 구동축(13)이 회전할 때 상기 편심부(13a)의 외주면상에서 자전하면서 상기 실린더(21)의 내주면을 따라서 구름운동한다.
또한 상기 롤러(22)는 구름운동동안 상기 회전중심(O)에 대해 상기 편심부(13a)에 의해 소정거리로 이격되어 공전한다. 이와 같은 롤러(22)의 외주면은 상기 편심부(13a)에 의해 항상 실린더 내주면과 접하고 있으므로 롤러(22)의 외주면 및 실린더 내주면은 상기 내부체적내에 별도의 유체챔버(29)를 형성하게 된다. 이 유체챔버(29)는 로터리 압축기에서 유체의 흡입 및 압축에 이용된다.
상기 베인(23)은 앞서 언급된 바와 같이 상기 실린더(21)의 홈(21b)내에 설치된다. 또한 상기 홈(21b)내에는 상기 베인(23)을 탄성적으로 지지하도록 압축스프링과 같은 탄성부재(23a)가 설치되며, 상기 베인(23)은 상기 롤러(22)와 계속적으로 접촉한다. 즉, 상기 탄성부재(23a)는 일단이 상기 실린더(21)에 고정되고 타단이 상기 베인(90)에 결합되어, 상기 베인(23)을 롤러(22) 측으로 밀어낸다.
따라서 상기 베인(23)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 유체챔버(29)를 2개의 독립적인 공간들(29a,29b)로 분할한다. 상기 구동축(13)의 회전 즉, 상기 롤러(22)의 공전 동안 상기 공간들(29a,29b)의 크기는 변화하나 상보적(complementary)이다. 즉, 상기 롤러(22)가 시계방향으로 회전하는 경우, 어느 하나의 공간(29a)은 점점 축소하는 반면 상기 다른 하나의 공간(29b)은 상대적으로 점점 증가된다. 그러나 상기 공간들(29a,29b)의 합은 항상 일정하며 상기 소정의 유체챔버(29)의 크기와 대체적으로 일치한다.
이와 같은 공간들(29a,29b)은 구동축의 회전방향중 어느 하나(즉, 시계 또는 반시계방향)에서 각각 유체를 흡입하는 흡입실과 유체를 압축하는 압축실로 상대적으로 작용한다. 따라서 앞서 설명된 바와 같이 상기 롤러(22)의 회전에 따라 상기 공간들(29a,29b)중 압축실은 이전에 흡입된 유체를 압축하도록 점점 축소되며 흡입실은 상대적으로 유체를 새롭게 흡입하도록 점차적으로 확장된다.
만일 롤러(22)의 회전방향이 역전되면 이와 같은 각 공간들(29a,29b)의 기능도 서로 바뀐다. 즉, 상기 롤러(22)가 반시계 방향으로 공전하면 상기 롤러(22)의 우측 공간(29b)이 압축실이 되고, 상기 롤러(22)가 시계방향으로 공전하면 좌측 공간(29a)이 토출부가 된다.
상기 상부 베어링(24)과 하부 베어링(25)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 실린더(21)의 상부 및 하부에 각각 설치되며 슬리브(sleeve) 및 그 내부에 형성된 관통공(24b,25b)을 이용하여 상기 구동축(13)을 회전가능하게 지지한다. 보다 상세하게는, 상기 상,하부 베어링(24,25)과 상기 실린더(21)는 서로 대응되도록 형성된 다수개의 체결공들(24a,25a,21a)을 포함한다. 그리고 볼트와 너트와 같은 체결부재를 사용하여 상기 실린더(21) 및 상,하부베어링(24,25)은 상기 실린더 내부체적 특히, 상기 유체챔버(29)가 밀폐되도록 서로 견고하게 체결된다.
상기 상부 베어링(24)에는 2개의 토출포트(26a,26b)가 형성된다. 상기 토출포트(26a,26b)들은 압축된 유체가 토출될 수 있도록 상기 유체챔버(29)와 연통된다. 상기 토출포트(26a,26b)들은 상기 유체챔버(29)와 직접 연통될 수 있으며 다른 한편, 상기 실린더(21) 및 상부베어링(24)에 형성되는 소정길이 유로(21d)를 통해 상기 유체챔버(29)와 연통될 수 있다.
그리고 이러한 토출포트들(26a,26b)을 개폐하도록 상기 상부 베어링(24)에 토출밸브(26c,26d)가 설치된다. 상기 토출밸브(26c,26d)는 상기 챔버(29)의 압력이 일정 압력 이상일 경우에만 상기 토출포트(26a,26b)를 선택적으로 개방한다. 이를 위해, 상기 토출밸브(26c,26d)는, 일단은 상기 토출포트(26a,26b) 부근에 고정되며 타단은 자유롭게 변형가능한 판 스프링인 것이 바람직하다. 도시되지는 않았으나 상기 토출밸브(26c,26d)의 상부에 상기 밸브들이 안정적으로 작동하도록 그 변형량을 제한하는 리테이너가 설치될 수도 있다. 또한, 상기 상부 베어링(24)의 상부에는 압축된 유체의 토출시 발생하는 소음을 감소시키는 머플러(도시안됨)가 설치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 하부 베어링(25)에는 상기 유체챔버(29)와 연통하는 3개의 흡입포트(27a,27b,27c)들이 형성된다. 상기 흡입포트(27a,27b,27c)들은 하부의 흡입 플레넘(200)에 임시 저장된 압축될 유체를 상기 유체챔버(29) 내로 안내하는 역할을 한다.
그리고, 상기 하부 베어링(25)의 상부면에는 각 흡입포트(27a,27b,27c)에서부터 중앙의 관통공(25b) 쪽으로 하향 경사지게 오일가이드유로(151,152,153)가 형성된다. 상기 오일가이드유로(151,152,153)들은 이후에 상세히 설명하겠지만 후술하는 밸브 어셈블리(100)와 관계하여 유체챔버(29) 내부에서 각 흡입포트(27a,27b,27c)로 유입되는 오일을 구동축(13) 쪽으로 유도하는 역할을 한다.
한편, 다시 도 2와 도 3을 참조하면, 상기 흡입 플레넘(200)은 흡입관(7)과 직접 연결되어 유체를 공급받을 수 있으나, 도 3에 도시된 것과 같이 실린더(21)의 일측벽에 흡입홀(21c)에 형성하고, 밸브 어셈브리(100)에 상기 흡입홀(21c)과 대응되는 흡입홀(122)을 형성하며, 하부 베어링(25)에 상기 흡입홀(122)과 연통하는 흡입홀(25c)을 형성하여 별도의 흡입유로를 구성하고, 상기 흡입관(7)을 상기 실린더(21)의 흡입홀(21c)에 연결함으로써 흡입 플레넘(200)의 상측에서부터 유체를 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하부 베어링(24)의 슬리브(sleeve)(25d)는 상기 구동축(13)을 윤활하기 위하여 상기 케이스(1) 하부의 윤활유에 잠겨야 한다. 따라서 상기 흡입플레넘(200)의 중앙에는 상기 슬리브(25d)를 위한 관통공(200a)이 형성된다.
상기 흡입 플레넘(200)의 체적은 유체를 안정적으로 공급하기 위하여 상기 유체챔버(29) 체적의 100%-400%인 것이 바람직하다.
한편, 상기 흡입 및 토출포트(26,27)들은 로터리 압축기의 압축용량의 결정에 있어서 중요한 요소가 되며 도 4 및 도 5를 참조하여 다음에서 보다 상세하게 설명된다. 도 4는 상기 흡입포트(27)를 명확하게 보여주도록 밸브 어셈블리(100) 없이 상기 하부 베어링(25)과 결합된 실린더(21)를 도시한다.
먼저 본 발명의 압축기는 적어도 2개 이상의 토출포트(26a,26b)를 포함한다. 도시된 바와 같이 상기 롤러(22)가 어느 방향으로 공전하더라도, 그 공전경로 내에 위치하는 흡입포트와 베인(23) 사이에 하나의 토출포트가 존재하여야 압축된 유체를 토출할 수 있다.
따라서 각 회전방향에 대해 하나의 토출포트가 필요하며, 이는 본 발명의 압축기가 상기 롤러(22)의 공전방향(즉, 구동축(13)의 회전방향)에 관계없이 유체를 토출할 수 있게 한다.
한편, 앞서 설명된 바와 같이 상기 공간들(29a,29b)중 압축실은 상기 롤러(22)가 상기 베인(23)에 가까이 접근해 갈수록 유체가 압축되도록 점점 작아진다. 따라서 최대한 압축된 유체를 토출하기 위하여 상기 토출포트(26a,26b)는 상기 베인(23)의 근처에 서로 대향되게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 도시된 바와 같이 상기 토출포트(26a,26b)는 상기 베인(23)의 좌우측에 각각 위치된다. 그리고 상기 토출포트(26a,26b)는 가능한 한 상기 베인(23)에 근접하게 위치되는 것이 바람직하다.
이러한 토출포트(26a,26b)와 롤러(22) 사이에서 유체가 압축될 수 있도록 상기 흡입포트(27)는 적절하게 위치된다. 실제적으로 로터리 압축기에서 유체는 어느 하나의 흡입포트에서부터 상기 롤러(22)의 공전경로 내에 위치하는 임의의 토출포트까지 압축된다. 즉, 해당 토출포트에 대한 흡입포트의 상대위치가 압축용량을 결정하며, 이에 따라 회전방향에 따라 서로 다른 흡입포트들(27)을 사용함으로써 2개의 압축용량을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명의 압축기는 상기 2개의 토출포트(26a,26b)에 각각 대응하는 2개의 제 1 및 제 2 흡입포트(27a,27b)를 가지며, 이들 흡입포트들은 중심(O)에 대해 서로 다른 2개의 압축용량을 위해 서로 소정각도로 이격된다.
바람직하게는 상기 제 1 흡입포트(27a)는 상기 베인(23) 근처에 위치된다. 이에 따라 상기 롤러(22)는 어느 한 방향 회전(도면상 반시계 방향)에서 상기 제 1 흡입포트(27a)에서부터 상기 베인(23) 건너편에 위치하는 제 2 토출포트(26b)까지 유체를 압축한다. 이러한 제 1 흡입포트(27a)에 의해 상기 롤러(22)는 상기 유체챔버(29) 전체를 이용하여 압축을 하며, 이에 따라 압축기는 반시계 방향의 회전에서 최대 압축용량을 갖는다. 즉, 상기 유체챔버(29) 전체 체적만큼의 냉매가 압축된다.
상기 제 2 흡입포트(27b)는 상기 제 1 흡입 포트(27a)로부터 상기 중심(O)에 대해 소정각도로 이격된다. 상기 롤러(22)는 시계방향 회전중 제 2 흡입포트(27b)로터 상기 제 1 토출포트(26a)까지 유체를 압축한다. 상기 제 2 흡입포트(27b)는 상기 베인(22)으로부터 시계방향으로 상당한 각도로 이격되어 있으므로 상기 롤러(22)는 상기 챔버(29)의 일부분만을 이용하여 압축하며 이에 따라 반시계 방향보다 적은 압축용량을 낸다. 즉, 상기 챔버(29)의 일부체적만큼의 냉매가 압축된다. 바람직하게는 상기 제 2 흡입포트(27b)는 상기 베인(23)으로부터 시계 또는 반시계방향으로 90°-180°범위를 갖는 각도로 이격된다.
한편, 각 회전방향에서 원하는 압축용량을 얻기 위해서는 어느 하나의 회전방향에서는 유효한 흡입포트가 하나만 존재하여야 한다. 만일 롤러(22)의 회전경로내에서 두 개의 흡입포트가 존재하면 이들 흡입포트들 사이에서는 압축이 발생하지 않는다. 즉, 상기 제 1 흡입포트(27a)가 개방되면, 상기 제 2 흡입포트(27b)는 폐쇄되어야 하며 반대의 경우도 마찬가지이다. 따라서 밸브 어셈블리(100)가 상기 흡입포트(27a,27b)들중 어느 하나만을 상기 롤러(22)의 공전방향에 따라 선택적으로 개방하기 위해 본 발명의 압축기에 설치된다.
도 2, 도 3, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 밸브 어셈블리(100)는 상기 흡입포트들과 인접하도록 상기 실린더(21) 및 하부 베어링(25) 사이에 설치되는 회전밸브(110) 및 고정밸브(120)로 구성된다. 상기 고정밸브(120)는 하부 베어링(25)의 상면에 고정되며, 회전밸브(110)는 고정밸브(120) 내측에서 소정 각도로 왕복 회전하도록 구성된다.
먼저, 상기 회전밸브(110)는 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 구동축(13) 보다 정확하게는 편심부(13a)의 하면과 접촉하도록 설치된 원판부재다. 따라서 상기 구동축(13)이 회전(롤러(22)가 공전)할 때 상기 회전밸브(110)는 오일의 점성, 즉 마찰력에 의해 같은 방향으로 회전한다. 상기 회전밸브(110)는 상기 실린더(21)의 내경보다 큰 직경을 갖는 것이 바람직하며, 이에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 상기 회전밸브(110)의 일부(즉 외주연부)는 상기 실린더(21)에 의해 안정적으로 회전하도록 지지된다.
도 2와 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 이와 같은 회전밸브(110)는 특정 회전방향에서 상기 제 1 및 제 2 흡입 포트(27a,27b)와 각각 연통하는 제 1 및 제 2 개구부(111,112)와 상기 구동축(13)이 통과하는 관통공(110a)을 포함한다. 보다 상세하게는, 상기 제 1 개구부(111)는 상기 롤러(22)가 어느 한 방향으로 회전할 때 상기 회전밸브(110)의 회전에 의해, 상기 제 1 흡입포트(27a)와 연통하며, 상기 제 2 흡입포트(27b)는 상기 회전밸브(110)의 몸체에 의해 폐쇄된다.
그리고, 상기 제 2 개구부(112)는 상기 롤러(22)가 다른 한 방향으로 회전할 때 상기 제 2 흡입 포트(27b)와 연통하며, 이때 상기 제 1 흡입포트(27a)는 상기 회전밸브(110)의 몸체에 의해 폐쇄된다. 이러한 제 1 및 제 2 개구부(111,112)는 원형 또는 다각형 형태로 각 흡입포트(27a, 27b, 27c)의 형태와 상응하는 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1,2 개구부(111, 112)는 실린더(21)의 유체챔버(29) 내부를 통해 상기 각 흡입포트(27a, 27b, 27c)로 흘러내리는 오일을 각각의 해당 오일가이드유로(151,152,153)로 유도할 수 있도록 각 흡입포트(27a, 27b, 27c)들보다 넓은 면적을 갖는다.
도 2, 도 3, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 고정밸브(120)는 회전하는 상기 회전밸브(110)의 운동을 안내하도록 상기 실린더(21) 및 하부 베어링(25) 사이에 고정된다. 상기 고정밸브(120)는 상기 회전밸브(110)를 회전가능하게 수용하는 자리부(121)를 갖는 링 형태의 부재이다.
상기 고정밸브(120)에는 또한 상기 실린더(21) 및 상하부 베어링(24,25)과 함께 체결부재에 의해 체결될 수 있도록 체결공(120a)이 형성되어 있다. 그리고 유체의 누설방지 및 안정적 지지를 위해서 상기 고정밸브(120)의 두께는 상기 회전밸브(110)의 두께와 동일한 것이 바람직하다.
한편, 도 4를 참조하면, 시계방향회전의 경우, 상기 롤러(22)가 상기 베인(23)으로부터 상기 제 2 흡입포트(27b)까지 공전하는 동안, 상기 베인(23)과 롤러(22)사이에 유체의 흡입이나 토출이 발생하지 않느다. 따라서 롤러(22)가 지나간 영역(V)은 진공상태가 된다.
이와 같은 진공영역(V)은 구동축(13)의 동력손실을 가져오며 큰 소음을 발생시킨다. 따라서 이와 같은 진공영역(V)을 해소하기 위하여 상기 하부 베어링(25)에 제 3 흡입포트(27c)가 형성된다.
상기 제 3 흡입포트(27c)는 상기 제 2 흡입포트(27b)와 상기 베인(23)사이에 형성되어, 상기 롤러(22)가 상기 제 2 흡입포트(27b)를 지나가기 이전에 진공상태가 형성되지 않도록 상기 롤러(22)와 상기 베인(23)사이의 공간에 유체를 공급하는 역할을 한다. 상기 제 3 흡입포트(27c)는 진공상태를 빠르게 해소시킬 수 있도록 상기 베인(23) 근처에 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 제 3 흡입포트(27c)는 상기 제 1 흡입 포트(27a)와 다른 회전방향에서 작동하므로 상기 제 1 흡입포트(27a)에 대향되게 위치된다.
이와 같은 제 3 흡입포트(27c)는 상기 제 2 흡입포트(27b)와 함께 작용하므로 상기 롤러(22)의 어느 한 방향의 공전중에 이들 제 2 및 제 3 흡입포트들(27b,27c)은 동시에 개방되어야 한다. 따라서 상기 회전밸브(110)는 상기 제 2 흡입포트(27b)가 개방될 때 동시에 상기 제 3 흡입포트(27c)와 연통하도록 구성된 제 3 개구부를 더 포함한다.
이러한 제 3 개구부는 회전밸브(110)에 독립적으로 형성될 수 있으나, 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 제 1 및 제 3 흡입포트(27a,27c)는 서로 인접하므로 회전밸브(110)의 회전각도를 조절하여 제 1 개구부(111)가 회전방향에 따라 상기 제 1 및 제 3 흡입포트(27a,27c) 둘 다를 개방하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 이 실시예에서는 상기 제 1개구부(111)가 제 3개구부의 역할을 겸한다.
상기 회전밸브(110)는 롤러(22)의 회전방향에 따라 상기 흡입포트(27a,27b,27c)들을 개방할 수 있으나 원하는 압축용량을 얻기 위해서는 해당 흡입포트들이 정확하게 개방되어야 한다. 그리고 이러한 흡입포트들의 정확한 개방은 상기 회전밸브의 회전각도를 제어함으로써 얻어질 수 있다. 따라서 상기 밸브 어셈블리(100)는 바람직하게는 상기 회전밸브(110)의 회전각도를 제어하는 수단이 구성되어야 한다.
이 실시예에서 이러한 회전밸브(110)의 회전각도를 제어하기 위한 수단은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 회전밸브(110)로부터 반경방향으로 돌출되는 돌출부(115)와 상기 고정밸브(220)에 형성되며 상기 돌출부(115)를 이동가능하게 수용하는 홈(123)으로 이루어진다.
이러한 밸브 어셈블리(100)는 상기 구동축(13; 도 3참조)이 반시계방향으로 회전하면 도 6a에 도시된 바와 같이 상기 돌출부(115)가 상기 홈(123)의 일단부에 걸린다. 따라서, 상기 제 1 개구부(111)는 상기 제 1 흡입포트(27a)와 유체가 흡입되도록 연통하며 나머지 제 2 및 제 3 흡입포트(27b,27c)는 폐쇄된다.
이와는 반대로 상기 구동축(13)이 시계방향으로 회전하면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 돌출부(115)가 상기 홈(116)의 다른 한 끝단에 걸리면서, 상기 제 1 개구부(111)와 제 2 개구부(112)는 유체를 흡입하도록 상기 제 3 흡입 포트(27c)와 제 2 흡입포트(27b)를 함께 개방한다. 그리고 상기 제 1 흡입포트(27a)는 회전밸브(110)에 의해 폐쇄된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 로터리 압축기는 다음과 같이 작동한다.
도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 반시계방향으로 공전할 때의 작용을 순차적으로 도시한 횡단면도이다.
먼저 도 7a에는 상기 구동축(13)이 반시계방향으로 회전할 때 실린더 내부의 각 부품들의 상태가 도시되어 있다. 먼저 상기 제 1 흡입포트(27a)는 상기 제 1 개구부(111)와 연통되며 나머지 제 2 흡입포트(27b) 및 제 2 흡입포트(27c)는 폐쇄된다.
상기 제 1 흡입포트(27a)가 개방된 상태에서, 상기 롤러(22)는 구동축(13)의 회전으로 인해, 상기 실린더(21)의 내주면을 따라 구름운동을 하면서 반시계방향으로 공전한다. 상기 롤러(22)가 계속 공전함에 따라, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 공간(29b)의 크기가 줄어들면서 이미 흡입되어 있던 유체가 압축된다. 이 과정 중, 상기 베인(23)은 탄성부재(23a)의해 탄성적으로 상하 운동을 하면서 상기 유체 챔버(29)를 2개의 공간(29a,29b)으로 밀폐되게 분할한다. 이와 동시에 상기 제 1 흡입포트(27)를 통해 새로운 유체가 다음 행정에서 압축되기 위하여 계속 상기 공간(29a)으로 흡입된다.
상기 공간(29b)내의 유체 압력이 일정 값 이상이 되면, 상기 제 2 토출밸브(26d, 도2 참조)가 개방된다. 따라서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 토출포트(26b)를 통해 토출된다. 상기 롤러(22)가 계속 공전함에 따라, 상기 공간(29b)내의 모든 유체는 상기 제 2 토출포트(26b)를 통해 토출된다. 유체가 모두 토출되고 나면, 상기 제 2 토출밸브(26d)는 자체 탄성에 의해 상기 제 2 토출포트(26c)를 폐쇄하게 된다.
이와 같은 하나의 행정이 종료된 후, 상기 롤러(22)는 계속 반시계방향으로 공전하며, 동일한 행정을 반복하며 유체를 토출한다.
상기와 같은 반시계방향의 행정에 있어서, 상기 롤러(22)는 상기 제 1 흡입포트(27a)로부터 제 2 토출포트(26b)까지 공전하면서 유체를 압축한다. 앞서 설명된 바와 같이 제 1 흡입포트(27a)와 제 2 토출포트(27b)는 서로 대향되게 상기 베인(23) 근처에 위치되므로 상기 반시계방향 행정중 전체 유체챔버(29)의 체적을 이용하여 유체가 압축되며 이에 따라 최대의 압축용량이 얻어진다.
도 8a 내지 8c는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 시계방향으로 공전할 때의 작용을 순차적으로 도시한 횡단면도이다.
먼저 도 8a에는 상기 구동축(13)이 시계방향으로 회전할 때 실린더 내부의 각 부품들의 상태가 나타난다. 구동축(13)이 시계방향으로 회전하면 회전밸브(110)가 시계방향으로 회전한다. 따라서, 도 6b를 참조하여 전술한 것처럼 상기 제 1 흡입포트(27a)는 폐쇄되며 제 2 흡입포트(27b) 및 제 3 흡입포트(27c)는 상기 제 2 개구부(112)와 제 1 개구부(111)와 각각 연통된다.
상기 제 2 및 제 3 흡입포트(27b,27c)가 개방된 상태에서, 상기 롤러(22)는 구동축(13)의 시계방향 회전으로 인해, 상기 실린더(21)의 내주면을 따라 구름운동을 하면서 시계방향으로 공전하기 시작한다.
이러한 초기단계의 공전중, 상기 롤러(22)가 상기 제 2 흡입포트(27b)에 도달할 때까지 흡입되어 있던 유체들은 압축되지 않고 도 8a에 도시된 바와 같이 상기 롤러(22)에 의해 상기 제 2 흡입포트(27b)를 통해 실린더(21)의 외부로 밀려나간다.
따라서 상기 유체들은 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 롤러(22)가 상기 제 2 흡입포트(27b)를 지나가는 시점부터 압축되기 시작한다. 동시에, 상기 제 2 흡입포트(27b)와 상기 베인(23)사이의 공간, 즉 공간(29b)은 진공상태가 된다. 그러나, 앞서 설명된 바와 같이, 상기 롤러(22)의 공전이 시작되면 상기 제 3 흡입포트(27c)는 유체를 흡입하도록 상기 제 1 개구부(111)와 연통되어 개방되므로 제 3흡입포트(27c)를 통해 흡입되는 유체에 의해 진공상태가 해소되며 소음의 발생 및 동력손실이 억제된다.
상기 롤러(22)가 계속 공전함에 따라, 상기 공간(29a)의 크기가 줄어들면서 이미 흡입되어 있던 유체가 압축된다. 이러한 압축과정중, 상기 베인(23)은 탄성부재(23a)의해 탄성적으로 상하 운동을 하면서 상기 유체 챔버(29)를 2개의 공간(29a,29b)으로 밀폐되게 분할한다. 그리고 상기 제 2 흡입포트(27b) 및 제 3 흡입포트(27c)를 통해 새로운 유체가 다음 행정에서 압축되기 위하여 계속 상기 공간(29b)으로 흡입된다.
상기 공간(29a)내의 유체 압력이 일정 값 이상이 되면, 도 8c에 도시된 바와 같이 상기 제 1 토출밸브(26c, 도2 참조)가 개방되며, 상기 제 1 토출포트(26a)를 통해 토출된다. 유체가 모두 토출되고 나면, 상기 제 1 토출밸브(26c)는 자체 탄성에 의해 상기 제 1 토출포트(26a)를 폐쇄하게 된다.
이와 같은 하나의 행정이 종료된 후, 상기 롤러(22)는 계속 시계방향으로 공전하며, 동일한 행정을 반복하며 유체를 토출한다. 상기 반시계방향의 행정에 있어서, 상기 롤러(22)는 상기 제 2 흡입포트(27b)로부터 제 1 토출포트(26a)까지 공전하면서 유체를 압축한다. 따라서 상기 반시계방향 행정중 전체 유체챔버(29)의 일부분만을 이용하여 유체가 압축되며 상기 시계방향의 압축용량보다 적은 압축용량이 얻어지게 되는 것이다.
한편, 상술한 바와 같이 구동축(13)이 시계방향 또는 반시계방향으로 고속으로 회전하면서 압축행정이 수행될 때, 구동축(13)의 원심력에 의해 내부에 형성된 오일펌핑유로(13b)를 통해서 하부의 오일이 펌핑되어 상단부로 안내된다. 오일펌핑유로(13b)를 따라 펌핑된 오일은 구동축(13)의 상단부에서 비산되면서 구동축의 윤활작용을 하게 되는데, 이 때 구동축(13) 상단으로 비산된 오일은 중력에 의해 구동축(13) 외주면을 따라 아래쪽으로 흐르게 된다.
상기와 같이 구동축(13)을 따라 흐르는 오일은 상부 베어링(24)의 관통공(24b)을 지나 실린더(21) 내부로 유입된 후 각 흡입포트(27a,27b,27c)를 통해 아래쪽으로 흐르게 된다.
이 때, 만약 상기 흡입포트(27a,27b,27c)들과 회전밸브(110)의 각 개구부(111,112)의 크기가 동일하거나 개구부(111,112)의 크기가 더 크다면 오일은 흡입포트(27a,27b,27c)를 통해서 흡입 플레넘(200) 내부로 바로 유입되게 된다. 이 경우, 시간이 지남에 따라 흡입 플레넘(200) 내부에 점점 더 많은 오일이 쌓이게 되고, 따라서 압축기에 필요한 오일의 전체 양이 줄어들어 원활한 윤활작용이 불가능해지고, 흡입 플레넘(200)을 통한 실린더(21)로의 오일 공급 또한 원활히 이루어지지 않게 된다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같이 개구부(111,112)의 면적을 흡입포트(27a,27b,27c)의 면적보다 크게 형성하고, 상기 각 흡입포트(27a,27b,27c)에서부터 구동축(13) 방향으로 오일가이드유로(151, 152, 153)를 형성함으로써 오일이 흡입 플레넘(200)으로 유입되지 않고 구동축(13)으로 유도될 수 있도록 하고 있다.
즉, 도 6a와 도 6b를 참조하면, 구동축(13)의 상단부에서부터 실린더(21) 내부로 흘러내리는 오일은 개구부(111,112)의 크기가 더 크기 때문에 각 흡입포트(27a,27b,27c)의 가장자리로 유도된 후, 표면장력에 의해 흡입포트(27a,27b,27c) 가장자리를 따라 퍼지면서 오일가이드유로(151,152,153)를 통해 구동축(13)으로 유도된다.
이와 같이, 구동축(13)의 하부로 유도된 오일은 구동축(13) 하단부로 흘러내리게 된다.
한편, 전술한 실시예에서는 오일가이드유로(151,152,153)가 하부 베어링(25)의 상부면에 경사진 개방홈 형태로 형성되어 있으나, 이와는 다르게 도 9에 도시된 것처럼 오일가이드유로(154,155)가 회전밸브(110)의 하부면에 개구부(111,112)에서부터 중앙 쪽으로 형성될 수도 있다.
또한, 도 10에 도시된 것과 같이 오일가이드유로(157,158)가 각 흡입포트(27a,27b,27c) 내측부에서부터 관통공(25b)까지 하부 베어링(25)의 내부를 경사지게 관통하여 형성될 수도 있을 것이다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 각 흡입포트(27a,27b,27c)의 가장자리로 유도된 오일이 각각의 오일가이드유로 쪽으로 더욱 원활히 유도될 수 있도록 하기 위하여 흡입포트(27a,27b,27c) 내측부에 흡입포트의 양측부에서 오일가이드유로쪽으로 수렴하는 경사진 홈 형태의 오일유도부를 형성할 수도 있을 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 로터리 압축기는 상기 구동축이 어느 방향으로 회전하더라도 유체를 압축할 수 있으며 상기 구동축의 회전방향에 따라 가변되는 압축용량들을 가지게 된다.
따라서, 종래 단일 압축용량을 갖는 압축기는 공기조화기나 냉장고 등의 다양한 운전조건에 적합한 압축용량을 생산할 수 없고, 이 경우 소비전력이 필요 이상으로 낭비될 수 밖에 없었으나, 본 발명에 의하면 기기의 운전조건에 대응하는 적합한 압축용량을 생성할 수 있고, 소비전력을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 구동축의 상단부를 통해 실린더 내부로 재유입된 오일이 하부의 흡입 플레넘으로 유입되지 않고 구동축으로 유도되도록 함으로써 흡입 플레넘 내에 오일이 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 압축기의 윤활에 필요한 오일 유량의 감소를 방지하고, 연속적인 오일 공급을 보장하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 로터리 압축기를 나타내는 요부 종단면도
도 2는 본 발명에 따른 로터리 압축기의 압축부를 나타내는 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 로터리 압축기의 압축부를 나타내는 요부 단면도
도 4는 본 발명에 따른 로터리 압축기의 실린더 내부를 도시한 횡단면도
도 5는 본 발명의 로터리 압축기의 하부 베어링의 일 실시예의 형태를 나타낸 평면도
도 6a 및 도 6b는 밸브 어셈블리 및 하부 베어링의 구조를 나타내는 평면도
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 반시계방향으로 공전할 때 실린더 내부에서 일어나는 압축과정을 순차적으로 나타내는 횡 단면도
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 시계방향으로 공전할 때 실린더 내부에서 일어나는 압축과정을 순차적으로 나타내는 횡 단면도
도 9는 본 발명에 따른 로터리 압축기의 변형 실시예의 형태를 나타낸 압축부의 요부 단면도
도 10은 본 발명에 따른 로터리 압축기의 다른 변형 실시예의 형태를 나타낸 압축부의 요부 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
13 : 구동축 21 : 실린더
22 : 롤러 23 : 베인
24 : 상부 베어링 25 : 하부 베어링
25b : 관통공 26a, 26b : 토출포트
27a,27b,27c : 제 1,2,3 흡입포트 100 : 밸브 어셈블리
110 : 회전밸브 111, 112 : 개구부
120 : 고정밸브 151 ~ 158 : 오일가이드유로

Claims (6)

  1. 시계 및 반시계방향 둘 다로 회전가능하며, 소정 크기의 편심부를 갖는 구동축과;
    소정크기의 내부체적을 형성하는 실린더와;
    상기 실린더 내주면에 접하도록 상기 편심부의 외주면에 회전가능하게 설치되어, 상기 내주면을 따라 구름운동을 하며 상기 내주면과 함께 유체의 흡입 및 압축을 위한 유체챔버를 형성하는 롤러와;
    상기 롤러와 계속적으로 접촉하도록 상기 실린더에 탄성적으로 설치되는 베인과;
    상기 유체챔버와 연통하는 복수개의 토출포트와;
    상기 실린더 상부에서 상기 내부체적을 밀폐하도록 설치되고, 상기 구동축의 상부를 회전가능하게 지지하는 상부 베어링과;
    상기 실린더의 하부에서 상기 내부체적을 밀폐하도록 설치되며, 상기 구동축의 하부를 회전가능하게 지지하고, 복수개의 흡입포트가 형성된 하부 베어링과;
    상기 하부 베어링의 하부에 고정되어 외부로부터 압축 대상 유체를 공급받아 임시적으로 저장하는 흡입 플레넘과;
    상기 실린더와 하부 베어링 사이에 회전 가능하게 설치되고, 상기 하부 베어링의 각 흡입포트들보다 큰 크기를 갖도록 되어 상기 흡입포트들을 선택적으로 개방 및 폐쇄하는 복수개의 개구부가 형성된 회전밸브와;
    상기 하부 베어링의 상부에 고정되게 설치되어 상기 회전밸브의 회전을 안내하는 고정밸브를 포함하여 구성된 로터리 압축기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각 흡입포트 내측에서부터 중앙의 구동축까지 형성된 오일가이드유로를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 로터리 압축기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 오일가이드유로는 하부 베어링의 상부면에 상기 흡입포트 내측에서부터 구동축 방향으로 하향 경사지게 형성된 홈 형태로 된 것을 특징으로 하는 로터리 압축기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 오일가이드유로는 하부 베어링의 각 흡입포트 내측부에서부터 중앙의 관통공까지 하부 베어링 내부를 하향 경사지게 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 로터리 압축기.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 오일가이드유로는 회전밸브의 하부면에 개구부의 내측에서부터 중앙의 관통공까지 오목한 홈 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 로터리 압축기.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 각 흡입포트의 내측부에 흡입포트의 양측에서부터 상기 오일가이드유로의 입구쪽으로 수렴하는 오일유도부가 형성된 것을 특징으로 하는 로터리 압축기.
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