KR100531280B1

KR100531280B1 - 로터리 압축기

Info

Publication number: KR100531280B1
Application number: KR10-2003-0030161A
Authority: KR
Inventors: 김현; 박경준; 장창용; 배지영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2005-11-28
Also published as: KR20040097747A

Abstract

본 발명은 정/역회전하면서 압축용량을 가변할 수 있는 로터리 압축기에 관한 것으로서, 하나의 흡입구와 두 개의 토출구를 갖는 압축실과, 상기 압축실의 중심으로부터 편심지고 상기 압축실의 벽면을 따라 구름운동을 함과 동시에 양방향으로 공전하면서 상기 압축실의 일부공간을 압축하는 구름부재와, 상기 토출구 사이에 위치하며 상기 구름부재와 항상 접촉을 유지함으로써 상기 압축실을 흡입부와 토출부로 구획하는 구획부재와, 상기 구름부재의 공전에 의해 형성되는 상기 압축실의 진공영역에 압축 전의 가스가 공급되는 바이패스를 포함하는 로터리 압축기를 제공한다.

Description

로터리 압축기{rotary type compressor}

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정/역방향 회전 및 압축용량 가변이 가능한 로터리 압축기에 관한 것이다;.

일반적으로, 압축기는 전기모터나 터빈 등의 동력 발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 특수 가스에 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 얻을 수 있는 장점이 있다. 그 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 압축하는 것으로서, 상기 왕복동식 압축기에 비해 저속으로 높은 압축효율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 로터리 압축기는 진동과 소음이 적게 발생하는 장점이 있다.

그러나, 종래 로터리 압축기는 전술한 장점을 가짐에도 불구하고, 구조적인 한계로 인해 상기 롤러가 양 방향으로 공전하는 것이 불가능하였다. 즉, 종래 로터리 압축기는 실린더와 통하는 흡입구와 토출구가 각각 하나씩 형성되어 있으며, 상기 롤러는 흡입구측에서 토출구측으로 상기 실린더의 내주면을 따라 구름 운동하면서 작동유체를 압축한다.

따라서, 상기 롤러가 반대방향으로(토출구측에서 흡입구측으로) 구름 운동할 경우, 작동유체의 압축이 불가능할 수 밖에 없었다.

또한, 종래 로터리 압축기는 전술한 구조적 한계로 인해 압축용량을 가변하는 것이 불가능하였다.

한편, 최근에 공기조화기 등의 다양한 운전조건에 대응하기 위해 압축용량을 가변할 수 있는 압축기가 등장하고 있다.

그러나, 종래 로터리 압축기는 하나의 압축용량을 가질 수 밖에 없기 때문에, 그 적용폭이 상당히 좁을 수 밖에 없었다.

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 정/역회전하면서 압축이 가능함과 더불어 압축용량을 가변할 수 있는 로터리 압축기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축실에 주기적으로 형성되는 진공영역과 흡입포트 사이의 압력차를 해소하여 압축기 효율저하 및 소음을 방지할 수 있도록 흡입포트의 가스를 상기 진공영역에 공급할 수 있는 바이패스 구조를 구비한 로터리 압축기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 편심부를 가지며, 정/역방향 회전이 가능한 크랭크샤프트;상기 편심부를 내부에 수용하고, 흡입포트를 갖는 실린더;상기 실린더와 함께 압축실을 형성하고, 상기 크랭크샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 압축실의 압력이 일정 이상일 때 개방되는 두 개의 압축가스 토출포트를 갖는 베어링;상기 편심부에 결합되어 상기 실린더의 내주면을 따라 구름운동을 하는 롤러;상기 토출포트 사이에 위치하도록 상기 실린더에 탄력적으로 설치되며, 상기 롤러와 항상 접촉을 유지하면서 상기 압축실을 흡입부와 토출부로 구획하는 베인;상기 롤러의 공전에 의해 형성되는 상기 압축실의 진공영역에 압축 전의 가스가 공급되도록 구비되는 바이패스; 그리고압력차에 의해 상기 바이패스의 개폐를 제어하되, 상기 압축실 측으로 향하는 가스 유동만을 허용하는 밸브모듈을 포함하되,상기 밸브모듈은, 면상에 가스 흡입공이 형성된 흡입판과 이로부터 이격설치되며 면상에 가스 배출공이 형성된 배출판과, 상기 흡입판 및 배출판을 둘러싸는 외벽체로 이루어지는 밸브하우징과, 상기 밸브 하우징의 흡입판과 배출판 사이에 설치되어 그 사이를 이동하게 되며 흡입판의 가스 흡입공을 피한 위치에 통공이 형성되는 밸브플레이트와,상기 밸브플레이트를 흡입판에 밀착되는 방향으로 가압하는 탄성부재를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기가 제공된다.이하, 본 발명의 목적이 구체적으로 달성될 수 있는 실시예를 첨부도면 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

삭제

도 1은 본 발명에 따른 로터리 압축기의 구성을 도시한 종단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 로터리 압축기의 압축부를 도시한 분해 사시도이다.

도 1에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따른 로터리 압축기는 케이스(1)와, 상기 케이스(1)의 상부에 위치하는 전동부와, 상기 전동부의 아래에 위치하는 압축부와 바이패스로 구성된다.

상기 케이스(1)는 상부와 하부에 각각 상부캡(3)과 하부캡(5)이 설치되어, 밀폐된 내부공간을 형성한다. 상기 케이스(1)의 일측에 가스가 흡입되는 흡입관(7)이 설치되고, 상기 상부캡(3)의 중심에 압축 가스가 토출되는 토출관(9)이 설치된다. 이 때, 상기 흡입관(7)은 어큐물레이터(10)에 연결된다.

상기 전동부는 케이스(1)에 고정되는 스테이터(20)와, 상기 스테이터(20)의 내부에 회전 가능하게 지지되는 로터(30)와, 상기 로터(30)에 압입되는 크랭크샤프트(40)로 구성된다. 상기 로터(30)는 전자기력에 의해 회전하게 되고, 상기 크랭크샤프트(40)는 로터(30)의 회전력을 상기 압축부에 전달한다. 이 때, 상기 스테이터(20)에 외부 전원을 공급하기 위해, 상기 상부캡(3)에 허메틱터미널(4)이 설치된다.

상기 압축부는 케이스(1)에 고정되는 실린더(50)와, 상기 실린더(50)의 내주면을 따라 구름운동을 하면서 가스를 압축하는 롤러(80)와, 상기 크랭크샤프트(40)를 회전 가능하게 지지하는 상부 베어링(60) 및 하부 베어링(70)으로 구성된다. 이 때, 상기 상부 베어링(60)과 하부 베어링(70)은 상기 실린더(50)와 함께 압축실(200)을 형성한다.

상기 압축부의 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 상기 크랭크샤프트(40)는 하부 측에 편심부(41)를 갖는다. 상기 편심부(41)는 크랭크샤프트(40)의 회전 중심으로부터 일정 거리만큼 이격된 중심을 갖는다. 이 때, 상기 편심부(41)는 크랭크샤프트(40)와 일체로 형성될 수 있으나, 상기 크랭크샤프트(40)에 삽입되는 편심핀으로 구현될 수도 있다.

상기 실린더(50)는 상 하면이 개방된 원통으로, 내부에 상기 편심부(41)가 수용된다. 그리고, 상기 실린더(50)의 측벽을 통해 내부와 외부가 연통되는 흡입포트(51)가 형성된다. 상기 흡입포트(51)는 압축실로 가스를 안내하는 유로이다. 상기 흡입포트(51)는 크랭크샤프트(40)와 직교하는 방향으로 형성되며, 연결관(52)을 통해 상기 흡입관(7, 도1 참조)에 연결된다. 그리고, 상기 실린더(50)의 측벽에 내주면으로부터 일정 깊이만큼 파진 설치홈(53)이 형성된다. 상기 설치홈(53)은 후술하는 베인(90)의 설치공간이다. 이 때, 상기 설치홈(53)은 베인(90)을 완전히 수용할 수 있는 충분한 깊이를 갖는다.

상기 롤러(80)는 실린더(50)의 내경보다 작은 외경을 갖는 링형상으로, 상기 편심부(41)에 결합된다. 이 때, 상기 롤러(80)는 실린더(50)의 내주면을 따라 구름운동을 하여야 한다. 이를 위해, 상기 롤러(80)는 편심부(41)에 대해 회전 가능하게 설치된다. 아니면, 상기 편심부(41)가 크랭크샤프트(40)에 대해 회전 가능하게 설치될 경우, 상기 롤러(80)는 편심부(41)에 고정되어도 무방하다.

상기 실린더(50)의 설치홈(53)에 베인(90)이 설치된다. 상기 베인(90)은 압축실(200, 도1 참조)을 가스가 흡입되는 흡입부와 압축 가스가 토출되는 토출부로 구획하는 부재이다. 이를 위해, 상기 베인(90)은 롤러(80)의 외주면에 항상 접촉되어야 한다. 그런데, 상기 롤러(80)는 크랭크샤프트(40)가 회전할 경우, 상기 압축실(200)의 중심을 회전 중심으로 공전하게 된다. 따라서, 상기 베인(90)과 롤러(80) 사이에 긴밀한 접촉이 유지되기 위해, 상기 베인(90)은 탄력적으로 설치될 필요가 있다. 이를 위해, 상기 실린더(50)의 설치홈(53)에 스프링(95)이 설치된다. 즉, 상기 스프링(95)은 일단이 상기 실린더(50)에 고정되고 타단이 상기 베인(90)에 결합되어, 상기 베인(90)을 롤러(80) 측으로 밀어낸다.

상기 상부 베어링(60)과 하부 베어링(70)은 상기 크랭크샤프트(40)를 관통하여 상기 실린더(50)의 상부면과 하부면에 각각 결합된다. 이 때, 상기 상부 베어링(60) 및 하부 베어링(70)과 상기 실린더(50)의 서로 대응하는 위치에 다수개의 체결공(65,75,55)이 형성된다. 따라서, 상기 실린더(50)와 베어링(60,70)은 별도의 체결나사를 통해 서로 결합된다. 이 때, 상기 실린더(50)와 베어링(60,70)은 가스의 누설이 없도록 서로 긴밀하게 결합된다.

상기 상부 베어링(60)에 2개의 토출포트(61,63, 도1 참조)가 형성된다. 상기 토출포트(61,63)는 압축실(200)과 연통되어, 압축 가스의 토출 유로를 제공한다. 그리고, 상기 상부 베어링(60)에 2개의 토출밸브(110,120)가 설치된다. 상기 토출밸브(110,120)는 토출포트(61,63)를 선택적으로 개폐하는 것으로서, 상기 압축실(200)의 압력이 일정 압력 이상일 경우에만 상기 토출포트(61,63)를 개방한다. 이를 위해, 상기 토출밸브(110,120)는, 일단은 상기 토출포트(61,63) 근방에 지지되는 반면 타단은 자유로운 상태를 유지하는, 판 스프링인 것이 바람직하다.

한편, 도 1에 도시된 바에 따르면, 상기 토출밸브(110,120)의 상부에 리테이너(retainer,130)가 설치된다. 상기 리테이너(130)는 토출밸브(110,120)의 안정된 작동을 보장하기 위한 것으로, 상기 토출밸브(110,120)와 접촉 가능하게 설치되어, 상기 토출밸브(110,120)의 열림정도를 제한한다. 상기 리테이너(130)가 없을 경우, 상기 토출밸브(110,120)가 고압으로 인해 과도하게 휘어질 우려가 있다. 이 경우, 상기 토출밸브(110,120)의 작동에 신뢰성이 떨어지게 된다.

상기 상부 베어링(60)의 상부에 머플러(140)가 설치된다. 상기 머플러(140)는 압축 가스의 토출시 발생하는 소음을 저감한다. 이를 위해, 상기 머플러(140)는 토출포트(61,63)의 상부 공간을 감싸며, 일측에 별도의 토출구(141)가 형성된다.

상기 케이스(1)의 저면에 마찰 운동하는 부재의 윤활 및 냉각을 위해 일정량의 냉동기유(O)가 채워진다. 이 때, 상기 크랭크샤프트(40)의 단부는 상기 냉동기유(O)에 잠겨져 있다.

한편, 상기 롤러(80)의 공전방향과 상기 흡입포트(51)의 위치는 본 발명의 목적을 달성하는데 있어서 아주 주요한 인자이다. 이하, 이들의 상관관계를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 로터리 압축기의 실린더 내부를 도시한 횡단면도이다. 도 3에 도시된 바에 따르면, 상기 압축실(200)은 베인(90)과 롤러(80)에 의해 2 부분(210,220)으로 구획되고, 상기 베인(90)을 중심으로 그 양측에 토출포트(61,63)가 각각 하나씩 위치한다. 이것은 상기 롤러(80)의 공전방향에 관계없이 항상 가스를 압축하기 위함이다. 즉, 상기 롤러(80)가 어느 방향으로 공전하더라도, 상기 흡입포트(51)와 베인(90) 사이에 하나의 토출포트(61,63)는 존재하게 된다. 이 때, 상기 베인(90)과 임의의 토출포트(61,63)와의 거리는 서로 동일하게 하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 압축실(200)은 베인(90)과 롤러(80)에 의해 흡입포트(51)를 통해 가스가 흡입되는 흡입부와, 임의의 토출포트(61,63)를 통해 압축 가스가 토출되는 토출부로 구획된다. 이 때, 상기 흡입부와 토출부는 상기 롤러(80)의 공전방향에 따라 결정된다. 즉, 상기 롤러(80)가 반시계방향으로 공전하면 상기 롤러(80)의 우측공간(220)이 토출부가 되고, 상기 롤러(80)가 시계방향으로 공전하면 좌측공간(210)이 토출부가 된다.

한편, 압축용량은 상기 토출부(210,220)의 용적에 의해 결정된다. 여기서, 상기 토출부(210,220)의 용적을 정확하게 정의하면, 상기 흡입포트(51)로부터 베인(90)까지 상기 실린더(50)와 롤러(80)에 의해 둘러싸인 공간의 체적이다. 따라서, 상기 압축용량은 흡입포트(51)의 위치에 따라 결정된다.

일례로, 상기 흡입포트(51)가 베인(90)을 지나는 가상선 상에 위치할 경우, 즉 대략 180°상에 위치할 경우, 상기 압축실(200)은 동일한 용적을 갖는 두 부분으로 양분된다. 따라서, 상기 롤러(80)가 어느 방향으로 공전하더라도 압축용량은 서로 동일하다.

그런데, 상기 흡입포트(51)가 베인(90)을 지나는 가상선을 기준으로 어느 일측에 위치할 경우, 상기 압축실(200)은 용적이 다른 두 부분으로 나누어진다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 압축실(200)은 베인(90)으로부터 흡입포트(51)까지의 거리가 가까운 좌측공간(210)과, 상기 베인(90)으로부터 흡입포트(51)까지의 거리가 먼 우측공간(220)으로 나누어진다. 이 때, 상기 공간(210,220)들은 롤러(80)의 공전방향에 따라 각각 토출부가 되며, 따라서 상기 토출부는 용적이 큰 고압 토출부(220)와 용적이 작은 저압 토출부(210)로 나누어진다. 이것은 본 발명에 따른 로터리 압축기가 상기 롤러(80)의 공전방향에 따라 이중 용량을 갖는다는 것을 의미한다.

이 때, 상기 흡입포트(51)의 위치는 고압 토출부(220)와 저압 토출부(210)의 압축비에 따라 결정된다. 일례로, 본 발명은 상기 흡입포트(51)가 베인(90)을 지나는 가상선으로부터 시계방향으로 180°300°사이의 범위에 위치하는 것을 제시한다. 이 경우, 상기 압축비가 50:50일 경우, 전술한 바와 같이, 상기 흡입포트(51)는 180°상에 위치하게 된다. 그리고, 상기 압축비가 75:25일 경우, 상기 흡입포트(51)는 270°상에 위치하게 된다.

한편, 상기 바이패스의 구성에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 3 및, 도 6a, 도 6b에 도시된 바에 따르면, 상기 바이패스는 흡입포트(51)에 연결되는 바이패스 흡입구(301)와, 상기 베인(90)에 의해 구획되는 상기 압축실의 양측 공간, 즉 저압 토출부(210) 및 고압 토출부(220)에 각각 연결되도록 실린더(50)에 형성되는 제1 바이패스 토출포트(390a)와 제2 바이패스 토출포트(390b)를 갖는다. 이 때, 상기 제1 바이패스 토출포트(390a)와 제2 바이패스 토출포트(390b)는 상기 베인(90)으로부터 동일한 간격을 두고 이격되는 것이 바람직하다.

상기 바이패스 흡입구(301)와 제1 및 제2 바이패스 토출포트(390a,390b)를 서로 연결하기 위해, 상기 실린더(50)에 제1 바이패스홀(310)이 형성된다. 상기 제1 바이패스홀(310)은 축방향과 나란하게 형성되며, 단부에 상기 바이패스 흡입구(301)가 형성된다.

그리고, 상기 하부 베어링(70)에 제1 바이패스홀(310)에 연결되는 제2 바이패스홀(320)이 형성된다.

또한, 상기 하부 베어링(70)에는 제1 바이패스 토출포트(390a)에 연결되는 제3 바이패스홀(330a) 및 제2 바이패스 토출포트(390b)에 연결되는 제4 바이패스홀(330b)이 각각 형성된다. 상기 바이패스홀들(310, 320,330a,330b)은 모두 축방향과 나란하게 형성된다.

또한, 상기 하부 베어링(70)의 하부에는, 상기 제2 바이패스홀(320)과 제3 바이패스홀(330a) 및 상기 제2 바이패스홀(320)과 제4 바이패스홀(330b)이 서로 연통하는 공간을 제공하기 위해, 머플러(11)가 설치된다. 상기 머플러(11)는 바이패스홀들(310,320,330a,330b)을 서로 연결시키는 기능과 동시에, 가스를 저장하는 기능을 한다. 또한, 상기 머플러(11)는 가스의 유동으로 인한 소음을 감소하는 기능도 겸비한다.

따라서, 상기 바이패스 흡입구(301)와 제1 및 제2 바이패스 토출포트(390a,390b)는 머플러(11)가 제공하는 공간에 의해 상기 바이패스홀들(310,320,330a,330b)과 서로 연결된다.

한편, 상기 제1 및 제2 바이패스 토출포트(390a,390b)에는 압력차에 의해 상기 토출포트를 선택적으로 개폐하는 밸브모듈(VM)이 각각 설치된다.

상기 밸브모듈(VM)의 구성은 다음과 같다.

상기 밸브모듈(VM)은, 기본적으로, 가스 흡입공(410a)이 형성된 흡입판(410)과 이로부터 이격설치되며 가스 배출공(420a)이 형성된 배출판(420)과, 상기 흡입판(410) 및 배출판(420)을 둘러싸는 외벽체(440)로 이루어지는 밸브하우징과, 상기 밸브 하우징의 흡입판(410)과 배출판(420) 사이에 설치되어 그 사이를 이동하게 되며 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)을 피한 위치에 통공(430a)이 형성되는 밸브플레이트(430)와, 상기 밸브플레이트(430)를 흡입판(410)에 밀착되도록 가압하는 탄성부재(450)를 포함하여 구성된다.

이 때, 상기 흡입판(410)과 배출판(420)은 원판형 또는 사각판형등 여러 가지 다양한 형태를 이룰 수 있다.

그리고, 상기 밸브플레이트(430)의 통공(430a)은 상기 배출판(420)의 가스 배출공(420a)과 동일 위치에 형성된다.

한편, 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)은 판의 가장자리에 동일간격으로 형성됨이 바람직하며, 이 경우 상기 밸브플레이트(430)에 형성되는 통공(430a)은 플레이트 중앙부에 위치하도록 형성됨이 바람직하다.

그리고, 상기 가스 흡입공(410a)은 도 7a에 도시한 원형은 물론 도 7b 및 도 7c에 도시한 바와 같이 원호형등 여러 가지 형태를 이룰 수 있으며 그 개수도 적절히 조정될 수 있음은 물론이다.

이와 더불어, 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)과 밸브플레이트(430)의 통공(430a)은 서로 겹쳐지지 않는 위치에만 형성되면 되므로 굳이 형성 위치가 한정될 필요는 없다.

즉, 예를 들어, 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)을 상기 흡입판(410)의 중앙부에 위치하도록 형성하고, 상기 밸브플레이트(430)의 통공(430a)을 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)을 피해 상기 밸브플레이트(430)의 가장자리에 동일 간격을 이루도록 다수개 형성할 수도 있다.

한편, 상기 탄성부재(450)로서는 압축스프링이 사용되며, 상기 압축스프링의 위치 안내를 위한 가이드부재가 구비됨이 바람직하다. 상기 가이드부재의 설치예로는 상기 배출판(420)의 배출공(420a) 내측면 가장자리에 보스(460)를 형성하는 경우를 들 수 있다.

이와 같이 구성된 밸브모듈(VM)은 바이패스 토출포트(390a,390b)를 개폐시키게 된다.

이하, 본 발명에 따른 로터리 압축기의 작용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 반시계방향으로 공전할 때의 작용을 순차적으로 도시한 횡단면도이다. 도 4a는 흡입 개시단계를 도시한 것이고, 도 4b는 압축 및 토출단계를 도시한 것이며, 도 4c는 토출 종료단계를 도시한 것이며, 도 4d는 상기 압축실에 형성되는 진공영역을 도시한 것이다.

먼저, 상기 롤러(80)는 크랭크샤프트(40)의 회전으로 인해, 상기 실린더(50)의 내주면을 따라 구름운동을 하면서 도면상 반시계방향으로 공전한다. 이 과정 중, 상기 흡입포트(51)가 개방되며, 상기 흡입포트(51)를 통해 가스가 상기 압축실로 흡입된다. 이 때, 상기 흡입포트(51)를 통해 곧 바로 압축실로 공급되는 가스는 상기 롤러(80)에 의해 고압 토출부(220)로만 흡입된다. 이것은 도 4a에 도시된 바와 같다.

다음, 상기 롤러(80)가 계속 공전함에 따라, 상기 고압 토출부(220)의 용적이 줄어들면서 상기 고압 토출부(220)의 가스가 압축된다. 이 과정 중, 상기 베인(90)은 스프링(95)과 롤러(80)에 의해 탄력적으로 전 후진하면서 상기 고압 토출부(220)의 기밀을 유지한다. 이와 동시에, 상기 흡입포트(51)를 통해 새로운 가스가 계속 흡입된다.

이 후, 상기 고압 토출부(220)의 압력이 일정 압력 이상이 되면, 상기 고압 토출부(220) 측의 토출밸브(110, 도1 참조)가 개방된다. 따라서, 상기 고압 토출부(220)의 가스는 토출포트(61)를 통해 머플러(140;도 1 참조)로 토출되기 시작한다. 이것은 도 4b에 도시된 바와 같다.

그리고, 상기 롤러(80)가 계속 공전을 함에 따라 일정 시점에 도달하면 상기 고압 토출부(220)의 가스는 모두 상기 토출포트(61)를 통해 머플러(140)로 토출된다. 그리고, 상기 토출포트(61)를 통해 가스가 모두 토출되고 나면, 상기 토출밸브(110)는 자체 탄성에 의해 상기 토출포트(61)를 폐쇄하게 된다. 이것은 도 4c에 도시된 바와 같다.

이 후, 상기 롤러(80)는 계속 반시계방향으로 공전하게 되고, 이에 따라 가스는, 전술한 바와 같이, 흡입, 압축, 토출 과정을 거치면서 상기 머플러로 토출된다.

한편, 전술한 과정 중 상기 압축실의 일측에 진공영역(V)이 형성된다. 즉, 롤러(80)의 반시계방향 공전에 의해 토출단계가 완료된 상태(도 4c의 상태)를 지나 도 4d에 도시된 상태에 도달할 때, 상기 롤러(80)가 지나간 영역, 즉 상기 베인(90)과 롤러(80)에 의해 구획되는 좌측공간(210)에 진공영역(V)이 형성되는데, 본 발명의 제1 바이패스 토출포트(390a)에는 상기 진공영역(V)의 진공상태를 해소하기 위한 수단이 갖추어져 있어, 이를 해소하게 된다.

이 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 롤러(80)가 반시계방향으로 계속 공전하게 되면, 도 4d에 도시된 바와 같은 상태에서는 상기 압축실의 좌측공간(210)이 진공상태가 된다.

이 때, 상기 진공영역(V)과 머플러(11) 내부 영역에는 상당한 압력차가 발생한다.

따라서, 진공영역(V) 발생 전에는 도 6a에 가상선으로 나타낸 바와 같이 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)을 폐쇄하고 있던 밸브플레이트(430)는, 진공영역(V)이 발생됨에 따라 압력차에 기인해 압축스프링을 압축시키는 방향으로 이동하여 도 6a에 실선으로 나타낸 바와 같이 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)을 개방시키게 된다.

이에 따라, 상기 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)으로 유입된 가스는 밸브플레이트(430) 중앙에 형성된 통공(430a) 및 상기 통공(430a)과 일치하는 배출판(420)의 가스 배출공(420a)을 통해 진공영역으로 유입되며, 이로써 진공영역이 해소된다.

한편, 진공영역과 머플러(11) 내부 영역의 압력차가 해소되면 압축스프링의 복원력에 의해 상기 밸브플레이트(430)는 흡입판(410)에 밀착되는 방향으로 이동하게 된다.

또한, 상기 롤러(80)가 시계방향으로 회전하며 냉매를 압축하게 되는 도 5b와 같은 상태에서는 상기 압축실의 우측공간(210)에서 가스가 압축되면서 상기 압축실 우측공간(210)내의 압축가스의 압력이 밸브플레이트(430)에 작용하게 됨으로써, 상기 밸브플레이트(430)는 도 6b에 도시한 바와 같이 흡입판(410)에 밀착된 상태를 계속 유지하게 되며, 흡입판(410)의 가스 흡입공(410a)을 막아 압축가스의 누설을 차단하게 된다.

따라서, 상기 압축실의 저압 토출부(210)내의 압축 가스는 압축공간을 빠져 나가지 못하므로 저압 토출부(210)에서의 압축과정이 순조롭게 진행될 수 있다.

즉, 냉매 압축시, 밸브모듈(VM)은 바이패스 토출포트를 폐쇄하게 된다.

한편, 도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 시계방향으로 공전할 때의 작용을 순차적으로 도시한 횡단면도이다. 도 5a는 흡입 개시단계를 도시한 것이고, 도 5b는 압축 및 토출단계를 도시한 것이며, 도 5c는 토출 종료단계를 도시한 것이며, 도 5d는 상기 압축실에 형성되는 진공영역을 도시한 것이다.

상기 롤러(80)는 크랭크샤프트(40)의 역회전으로 인해, 상기 실린더(50)의 내주면을 따라 구름운동을 하면서 도면상 시계방향으로 공전한다. 이 과정 중, 상기 흡입포트(51)가 개방되며, 상기 흡입포트(51)를 통해 가스가 상기 압축실로 흡입된다.

이 때, 상기 흡입포트(51)를 통해 곧바로 압축실로 공급되는 가스는 상기 롤러(80)에 의해 저압 토출부(210)로만 흡입된다. 이것은 도 5a에 도시된 바와 같다.

다음, 상기 롤러(80)가 계속 공전함에 따라, 상기 저압 토출부(210)의 용적이 줄어들면서 상기 저압 토출부(210)의 가스가 압축된다. 이와 동시에, 상기 흡입포트(51)를 통해 고압 토출부(220)으로는 새로운 가스가 계속 흡입된다.

이 후, 상기 저압 토출부(210)의 압력이 일정 압력 이상이 되면, 상기 저압 토출부(210) 측의 토출밸브(120, 도1 참조)가 개방된다. 따라서, 상기 저압 토출부(210)의 가스는 토출포트(63)를 통해 머플러(140, 도 1참조)쪽로 토출되기 시작한다. 이것은 도 5b에 도시된 바와 같다.

이 후, 상기 롤러(80)가 계속 공전함에 따라, 상기 고압 토출부(220)의 가스는 모두 상기 토출포트(63)를 통해 머플러로 토출된다. 상기 토출포트(63)를 통해 가스가 모두 토출되고 나면, 상기 토출밸브(120)는 자체 탄성에 의해 상기 토출포트(63)를 폐쇄하게 된다. 이것은 도 5c에 도시된 바와 같다.

이 후, 상기 롤러(80)는 계속 시계방향으로 공전하게 되고, 이에 따라 가스는, 전술한 바와 같이, 흡입, 압축, 토출 과정을 거치면서 상기 머플러로 토출된다.

마찬가지로, 전술한 과정 중 상기 압축실의 일측에 진공영역(V)이 형성된다.

즉, 롤러(80)의 시계방향 공전에 의해 토출단계가 완료된 상태를 지나 도 5d에 도시된 상태에 도달할 때, 상기 롤러(80)가 지나간 영역, 즉 상기 베인(90)과 롤러(80)에 의해 구획되는 우측공간(220)에 진공영역(V)이 형성되는데, 본 발명의 제2 바이패스 토출포트(390b)에도 전술한 제1 바이패스 토출포트(390a)와 마찬가지로 진공영역(V)의 진공상태를 해소하기 위한 수단이 갖추어져 있어, 이를 해소하게 된다.

상기 제2 바이패스 토출포트(390b)에 구비되는 진공해소용 밸브모듈(VM)의 구성 및 작동원리는 전술한 실시예에서와 동일하므로 그 설명은 생략한다.

한편, 상기한 본 발명의 진공영역 해소 수단의 필요성 및 특징을 정리해 보면 다음과 같다.

압축실에는 주기적으로 진공영역(V)이 형성되며, 상기 진공영역(V)은 갑작스런 압력변화를 야기한다. 즉, 상기 롤러(80)의 공전으로 인해 흡입포트(51)가 개방될 때, 상기 진공영역(V)과 흡입포트(51) 사이에 상당한 압력차가 발생하며, 이러한 압력변화는 크랭크샤프트(40)에 상당한 부하로 작용하여 많은 동력 소모를 가져오게 될 뿐만 아니라 압축기의 효율을 저하시키게 되고, 흡입포트(51)에서의 주기적인 소음 발생을 야기하게 된다.

그러나, 본 발명에 따른 로터리 압축기는 진공영역(V)을 인위적으로 해소시켜 주게 된다. 이를 위해, 상기 진공영역(V)에 가스를 공급할 수 있는 구조가 요구되며, 특히 압축 효율을 고려하여 압축 전의 가스가 공급된다. 따라서, 본 발명은 흡입포트(51)의 가스를 상기 진공영역(V)에 공급할 수 있는 바이패스 구조를 제공한다.

이에 더하여, 상기 바이패스 구조는 다음과 같은 특징을 더 갖는다.

첫째, 상기 바이패스는 일방향 유로이다. 즉, 상기 바이패스는 압축 전의 가스가 상기 압축실로 이동하는 것만을 허용하며, 그 역방향 이동은 허용하지 않는다. 이것은 상기 바이패스를 통해 압축 가스가 역류하는 것을 방지하기 위함이다.

둘째, 상기 바이패스는 압력차에 의해 자동으로 개폐되는 밸브부재를 갖는다. 왜냐하면, 상기 바이패스는 일방향 유로이기 때문에, 개폐를 제어하는 별도의 밸브부재가 필요하기 때문이다.

셋째, 상기 바이패스는 2개의 일방향 유로를 가진다. 전술한 바와 같이, 상기 압축실은 베인(90)을 기준으로 고압 토출부(220)와 저압 토출부(210)로 구획된다. 상기 고압 토출부(220)와 저압 토출부(210)는 롤러(80)의 공전방향에 따라 각각 진공영역(V)을 갖게 된다. 따라서, 상기 롤러(80)의 공전방향에 관계없이 진공영역(V)을 해소하기 위해, 상기 바이패스 중 임의의 하나는 상기 고압 토출부(220)와 연결되고, 다른 하나는 상기 저압 토출부(210)와 연결된다.

넷째, 상기 바이패스는 압축 전의 가스를 저장하는 저장공간을 갖는다. 상기 바이패스는 흡입포트(51)와 압축실을 연결하는 유로이다. 따라서, 상기 바이패스가 저장공간을 가질 경우, 상기 압축실의 진공영역(V)에 가스를 항상 공급할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 압축실로 흡입되고, 압축된 후 토출포트(61,63)을 통해 머플러(140)으로 토출된 압축가스는 도 1에 도시된 바와 같이, 다시 머플러(140)에 형성된 토출구(141)를 통해 케이스(1)의 내부 공간으로 토출된다.

계속해서, 상기 압축 가스는 로터(30)와 스테이터(20) 사이의 공간이나 또는 상기 스테이터(20)와 케이스(1) 사이의 공간을 통해 상부로 이동한다. 이 후, 상기 압축 가스는 토출관(9)을 통해 소정의 목적지로 이동한다.

한편, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등범위내의 모든 실시예는 본 발명의 범주내에 포함된다.

본 발명에 따른 로터리 압축기는 상기 크랭크샤프트가 어느 방향으로 회전하더라도 가스를 압축할 수 있다. 이에 더하여, 상기 크랭크샤프트의 공전방향에 따라 압축용량이 가변될 수 있다. 이것은 종래 로터리 압축기에서 전혀 기대할 수 없는 작용으로서, 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 종래에는 이중용량 압축을 구현하기 위해, 압축용량이 다른 2개의 압축기와 인버터를 조합하였다. 이 경우, 구조가 상당히 복잡해지고, 단가가 상승할 수 밖에 없었다. 그러나, 본 발명은 인버터 필요없이 하나의 압축기만으로도 이중용량 압축을 구현할 수 있다. 특히, 본 발명은 종래 로터리 압축기로부터 최소한의 부품만을 변경함으로써, 이중용량 압축을 구현할 수 있다.

둘째, 종래 단일 압축용량을 갖는 압축기는 공기조화기나 냉장고 등의 다양한 운전조건에 적합하게 대응할 수 없었다. 이 경우, 소비전력이 필요 이상으로 낭비될 수 밖에 없었다. 그러나, 본 발명은 기기의 운전조건에 대응하는 적합한 압축용량을 생산할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 로터리 압축기가 정/역회전하면서 가변 용량을 구현함에 따라 필연적으로 진공영역이 생성된다. 그러나, 본 발명에 따른 로터리 압축기는 상기 진공영역에 압축 전의 가스를 공급할 수 있는 바이패스 구조를 갖는다.

따라서, 상기 진공영역의 생성으로 인해 야기될 수 있는 여러가지 문제점들, 즉 압축 효율의 저하, 불필요한 동력 소모 및 소음 발생 등의 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 로터리 압축기의 구성을 도시한 종단면도

도 2는 본 발명에 따른 로터리 압축기의 압축부를 도시한 분해 사시도;

도 3은 본 발명에 따른 로터리 압축기의 실린더 내부를 도시한 횡단면도로서, 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 따른 횡단면도;

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 반시계방향으로 공전할 때의 작용을 순차적으로 도시한 횡단면도

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 있어서 롤러가 시계방향으로 공전할 때의 작용을 순차적으로 도시한 횡단면도

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 로터리 압축기에 적용되는 밸브모듈의 작용을 설명하기 위한 구성도로서,

도 6a는 냉매 흡입 및 진공해소 작용시의 밸브모듈의 상태를 보여주는 도 4d의 Ⅱ-Ⅱ선을 따른 종단면도

도 6b는 냉매 압축 작용시의 밸브모듈의 상태를 보여주는 도 5b의 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 종단면도

도 7a 내지 도 7c는 도 6a의 흡입판의 형태 및 다른 실시 형태를 나타낸 정면도

도 8은 도 6a의 밸브플레이트의 형태를 나타낸 정면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:케이스 11:머플러

40:크랭크 샤프트 50:실린더

51:흡입포트 60:상부 베어링

61,63:토출포트 70:하부 베어링

80:롤러 90:베인

200:압축실 301:바이패스 흡입구

390a:제1 바이패스 토출포트 390b:제2 바이패스 토출포트

310:제1 바이패스홀 320:제2 바이패스홀

VM:밸브모듈 410:흡입판

410a:가스 흡입공 420:배출판

420a:가스 배출공 430:밸브플레이트

430a:통공 440:외벽체

450:탄성부재

Claims

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편심부를 가지며, 정/역방향 회전이 가능한 크랭크샤프트;

상기 편심부를 내부에 수용하고, 흡입포트를 갖는 실린더;

상기 실린더와 함께 압축실을 형성하고, 상기 크랭크샤프트를 회전 가능하게 지지하며, 압축실의 압력이 일정 이상일 때 개방되는 두 개의 압축가스 토출포트를 갖는 베어링;

상기 편심부에 결합되어 상기 실린더의 내주면을 따라 구름운동을 하는 롤러;

상기 토출포트 사이에 위치하도록 상기 실린더에 탄력적으로 설치되며, 상기 롤러와 항상 접촉을 유지하면서 상기 압축실을 흡입부와 토출부로 구획하는 베인;

상기 롤러의 공전에 의해 형성되는 상기 압축실의 진공영역에 압축 전의 가스가 공급되도록 구비되는 바이패스; 그리고

압력차에 의해 상기 바이패스의 개폐를 제어하되, 상기 압축실 측으로 향하는 가스 유동만을 허용하는 밸브모듈을 포함하되,

상기 밸브모듈은,

면상에 가스 흡입공이 형성된 흡입판과 이로부터 이격설치되며 면상에 가스 배출공이 형성된 배출판과, 상기 흡입판 및 배출판을 둘러싸는 외벽체로 이루어지는 밸브하우징과,

상기 밸브 하우징의 흡입판과 배출판 사이에 설치되어 그 사이를 이동하게 되며 흡입판의 가스 흡입공을 피한 위치에 통공이 형성되는 밸브플레이트와,

상기 밸브플레이트를 흡입판에 밀착되는 방향으로 가압하는 탄성부재를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 11 항에 있어서,

상기 흡입판과 배출판은 원형을 이룸을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 11 항에 있어서,

상기 흡입판과 배출판은 사각형 이상의 다각형을 이룸을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 11 항에 있어서,

상기 밸브플레이트의 통공은 상기 배출판의 가스 배출공과 동일 위치에 형성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 11 항에 있어서,

상기 흡입판에는 다수개의 가스 흡입공이 상기 흡입판의 가장자리에 형성되고,

상기 밸브플레이트에는 통공이 상기 밸브플레이트의 중앙부에 위치하도록 형성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 11 항에 있어서,

상기 흡입판에는 가스 흡입공은 상기 흡입판의 중앙부에 위치하도록 형성되고, 상기 밸브플레이트에는 다수개의 통공이 상기 밸브플레이트의 가장자리에 형성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,

상기 흡입판 또는 밸브플레이트에 다수개 형성되는 가스 흡입공 또는 통공은 원주방향을 따라 동일 간격을 이루도록 형성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 11 항에 있어서,

상기 탄성부재로서는 압축스프링이 사용됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 18 항에 있어서,

상기 압축스프링의 위치 안내를 위해 상기 배출판에는 가이드부재가 구비됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.
제 18 항에 있어서,

상기 가이드는 상기 배출판의 배출공 내측면 가장자리에 형성됨을 특징으로 하는 로터리 압축기.