KR100585809B1 - 용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법 - Google Patents

용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 밀폐공간을 내부에 형성하고 그 밀폐공간에 냉매토출관을 연통 설치하는 케이싱과, 케이싱의 내부에 장착하여 구동력을 발생시키는 구동유닛과, 케이싱의 내부에 설치하여 구동유닛으로부터 구동력을 전달받아 냉매를 압축하는 적어도 3개 이상의 압축유닛과, 냉동사이클의 증발기 출구를 각 압축유닛의 흡입측에 연결하는 동시에 각 압축유닛의 토출측을 이웃하는 다른 압축유닛의 흡입측으로 바이패스되도록 연결하거나 케이싱의 밀폐공간에 직접 연통되도록 결합하여 운전모드에 따라 냉매의 유동방향을 가변하는 연결유닛을 포함함으로써, 정속모터를 사용하면서도 압축기의 용량을 4단계로 제어함에 따라 저렴하면서도 압축기 용량을 보다 세분하여 운전할 수 있고 이를 통해 에어콘의 기능을 다양화하여 쾌적함은 물론 소비전력량을 낮춰 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법{MODULATION TYPE MULTI ROTARY COMPRESSOR AND OPERATION METHOD}
도 1은 본 발명 다중 로터리 압축기의 일례를 보인 종단면도,
도 2 내지 도 5는 본 발명 다중 로터리 압축기에서 각각의 운전모드에 따른 계통도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10: 케이싱 11,12,13:제1,제2,제3냉매흡입관
13: 냉매토출관 20: 구동유닛
30,40,50 : 제1,제2,제3 압축유닛 37,45: 제1,제2 토출안내관
60: 연결유닛
61a,61b,61c: 제1,제2,제3 흡입측 연결관
62a,62b : 제1,제2 토출측 연결관
63a,63b : 제1,제2 바이패스측 연결관 64a,64b : 제1,제2 개폐밸브
65a,65b : 제1,제2 절환밸브
본 발명은 용량 가변형 로터리 압축기에 관한 것으로서, 특히 실린더를 3다능로 구성하여 용량을 4단계로 가변할 수 있는 용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 전기 모터 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 특수가스에 압축일을 가함으로써 작동가스를 압축시켜 압력을 높여 주는 장치로서 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 압축기는 압축을 이루는 방식에 따라서 용적형과 터보형으로 분류할 수 있다. 용적형 압축기(positive displacement compressor)는 체적의 감소를 통해 압력을 증가시키는 방식이고, 터보형 압축기(turbo compressor)는 가스의 운동에너지를 압력에너지로 변환시켜 압축을 이루는 방식이다. 용적형 압축기 중 로터리 압축기는 주로 에어컨과 같은 공기조화기에 적용하는 것으로 최근 들어 에어컨의 기능이 다양해지는 추세에 부응하여 로터리 압축기도 용량을 가변할 수 있는 제품을 요구하고 있는 실정이다.
로터리 압축기에서 용량을 가변하는 기술로는 주로 인버터 모터를 채용하여 압축기의 회전수를 제어하는 소위 인버터 방식이 알려져 있으나, 이 기술은 인버터 모터 자체가 고가여서 원가 부담이 클 뿐만 아니라 통계상 대부분의 에어콘은 냉방기로 사용하는 점을 감안할 때 에어콘용 압축기에서 더욱 중요한 냉방조건에서의 냉동능력을 높이는 것이 오히려 난방조건에서의 냉동능력을 높이는 것에 비해 어렵다는 한계가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 인버터모 터를 사용하지 않고도 압축기 용량을 다단계로 가변할 수 있는 용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐공간을 내부에 형성하고 그 밀폐공간에 냉매토출관을 연통 설치하는 케이싱과, 케이싱의 내부에 장착하여 구동력을 발생시키는 구동유닛과, 케이싱의 내부에 설치하여 구동유닛으로부터 구동력을 전달받아 냉매를 압축하는 적어도 3개 이상의 압축유닛과, 냉동사이클의 증발기 출구를 각 압축유닛의 흡입측에 연결하는 동시에 각 압축유닛의 토출측을 이웃하는 다른 압축유닛의 흡입측으로 바이패스되도록 연결하거나 케이싱의 밀폐공간에 직접 연통되도록 결합하여 운전모드에 따라 냉매의 유동방향을 가변하는 연결유닛을 포함한 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기를 제공한다.
또, 앞에서 파워모드인 경우에는 모든 흡입측 개폐밸브를 열어 냉매가 증발기에서 각 압축유닛으로 흡입되어 압축된 후 케이싱의 밀폐공간으로 토출되도록 하는 반면, 세이빙모드인 경우에는 특정 흡입측 개폐밸브만 열어 냉매가 증발기에서 특정 압축유닛으로만 흡입되도록 하는 동시에 흡입측 개폐밸브가 닫힌 압축유닛은 이웃하는 다른 압축유닛의 토출측에 설치한 토출측 절환밸브를 조절하여 이웃하는 압축유닛에서 1단 압축되는 냉매가 재흡입되어 2단 압축된 후 케이싱의 밀폐공간으로 토출되도록 하는 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기의 운전 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 의한 용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법을 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 다중 로터리 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명 다중 로터리 압축기에서 각각의 운전모드에 따른 계통도이다.
이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 용량 가변형 다중 로터리 압축기는, 밀폐공간(S)을 내부에 형성하는 케이싱(10)과, 케이싱(10)의 내부에 설치하여 구동력을 발생하는 구동유닛(20)과, 구동유닛(20)에 연결하여 냉매를 압축하도록 케이싱의 내부에 설치하는 수 개의 제1 압축유닛(30) 및 제2 압축유닛(40) 및 제3 압축유닛(50)과, 냉동사이클의 증발기 출구를 각 압축유닛(30)(40)(50)의 흡입측에 연결하는 동시에 각 압축유닛의 토출측을 이웃하는 다른 압축유닛의 흡입측에 연결하거나 케이싱(10)의 밀폐공간(S)에 연통 결합하는 연결유닛(60)으로 구성한다.
케이싱(10)은 냉동사이클의 증발기 출구에 각각의 압축유닛(30)(40)(50)을 연통하도록 수 개의 냉매흡입관(11)(12)(13)을 연결 설치하고, 냉동사이클의 응축기 입구에 케이싱(10)의 밀폐공간을 연통하도록 한 개의 냉매토출관(14)을 관통 설치한다.
구동유닛(20)은 케이싱(10)의 내부에 고정하여 외부에서 전원을 인가하는 고정자(21)와, 고정자(21)의 내부에 일정 공극을 두고 배치하여 상기 고정자(21)와 상호 작용하면서 회전하는 회전자(22)와, 회전자(22)와 일체로 결합하여 구동력을 압축유닛(30)(40)으로 전달하는 회전축(23)으로 이루어진다. 여기서, 구동유닛(20)은 정속 모터로 구성하는 것이 제어 드라이브를 구비하는 인버터 모터보다 가격이 저렴하여 바람직하나, 경우에 따라서는 인버터 모터로 구성할 수도 있다.
제1 압축유닛(30)은 환형으로 형성하여 케이싱(10)의 내부에 설치하는 제1 실린더(31)와, 제1 실린더(31)의 하부와 상부 양측을 복개하여 함께 제1 내부공간(V1)을 이루면서 회전축(23)을 반경방향 및 축방향으로 지지하는 하부베어링(32) 및 제1 중간베어링(33)과, 회전축(23)의 하측 편심부에 삽입하여 제1 실린더(31)의 제1 내부공간(V1)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 제1 롤링피스톤(34)과, 제1 롤링피스톤(34)의 외주면에 압접하도록 제1 실린더(31)에 반경 방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 제1 실린더(31)의 제1 내부공간(V1)을 제1 흡입실과 제1 압축실로 각각 구획하는 제1 베인(미도시)과, 하부베어링(32)에 제1 압축실과 연통되도록 형성하는 제1 토출구멍(32a)을 개폐 가능하게 결합하여 제1 압축실에서 토출되는 냉매의 토출을 조절하는 제1 토출밸브(35)와, 제1 토출밸브(35)를 수용하여 하부베어링(32)에 설치하는 하부머플러(36)로 이루어진다. 하부머플러(36)의 일측에는 케이싱(10)의 외부로 관통하여 후술할 제1 토출측 절환밸브(65a)를 통해 제1 토출측 연결관(62a)과 제1 토출측 바이패스관(63a)을 분관하는 제1 토출안내관(37)을 설치한다.
제2 압축유닛(40)은 환형으로 형성하여 상기 제1 실린더(31) 상측에 위치하며 상기 제1 중간베어링(33)에 접촉하는 제2 실린더(41)와, 제2 실린더(41)의 상면에 결합하여 함께 제2 내부공간(V2)을 이루면서 상기 회전축(23)을 축방향으로 지지하는 제2 중간베어링(42)과, 회전축(23)의 중간 편심부에 회전 가능하게 결합하여 상기 제2 실린더(41)의 제2 내부공간(V2)에 위치하는 압축하는 제2 롤링피스톤(43)과, 제2 롤링피스톤(43)의 외주면에 압접하도록 제2 실린더(41)에 반경방향으 로 이동 가능하게 결합하여 상기 제2 실린더(41)의 제2 내부공간(V2)을 제2 흡입실과 제2 압축실로 구획하는 제2 베인(미도시)과, 제2 중간베어링(42)의 일측에 제2 압축실과 연통되도록 형성하는 제2 토출구멍(42a)을 개폐 가능하게 결합하여 제2 압축실에서 토출되는 냉매의 토출을 조절하는 제2 토출밸브(44)로 이루어진다. 제2 중간베어링(42)의 내부에는 제2 토출밸브(44)를 설치할 수 있도록 토출유로(42b)를 형성하고, 토출유로(42b)의 출구에는 케이싱(10)의 외부로 관통하여 후술할 제2 토출측 절환밸브(65b)를 통해 제2 토출측 연결관(62b)과 제2 토출측 바이패스관(63b)을 분관하는 제2 토출안내관(45)을 설치한다.
제3 압축유닛(50)은 환형으로 형성하여 상기 제2 실린더(41) 상측에 위치하며 상기 제2 중간베어링(42)에 접촉하는 제3 실린더(51)와, 제3 실린더(51)의 상면에 결합하여 함께 제3 내부공간(V3)을 이루면서 상기 회전축(23)을 반경방향으로 지지하는 상부베어링(52)과, 회전축(23)의 상측 편심부에 회전 가능하게 결합하여 상기 제3 실린더(51)의 제3 내부공간(V3)에 위치하는 압축하는 제3 롤링피스톤(53)과, 제3 롤링피스톤(53)의 외주면에 압접하도록 제3 실린더(51)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 제3 실린더(51)의 제3 내부공간(V3)을 제3 흡입실과 제3 압축실로 구획하는 제3 베인(미도시)과, 상부베어링(52)의 일측에 제3 압축실과 연통되도록 형성하는 제3 토출구멍(52a)을 개폐 가능하게 결합하여 제3 압축실에서 토출되는 냉매의 토출을 조절하는 제3 토출밸브(54)와, 제3 토출밸브(54)를 수용하여 상부베어링(52)에 설치하는 상부머플러(55)로 이루어진다.
여기서, 제1 실린더(31)와 제2 실린더(41) 그리고 제3 실린더(51)는 각각의 용적을 상이하게 형성하되, 제3 실린더(51)의 토출측이 케이싱(10)의 내부에 위치하는 점을 고려하여 제3 실린더(51)의 용적을 가장 작게 형성하고 제2 실린더(41)를 중간 크기, 그리고 제1 실린더(31)를 가장 크게 형성하는 것이 바람직하다.
연결유닛(60)은 어큐뮬레이터(A)의 출구측에서 분관되어 각각의 냉매흡입관(11)(12)(13)을 통해 각 실린더(31)(41)(51)의 흡입측에 연결하는 제1 흡입측 연결관(61a) 및 제2 흡입측 연결관(61b) 그리고 제3 흡입측 연결관(61c)과, 제1 토출안내관(37)에서 케이싱(10)의 내부로 연통 설치하는 제1 토출측 연결관(62a) 및 제2 토출안내관(45)에서 케이싱(10)의 내부로 연통 설치하는 제2 토출측 연결관(62b)과, 제1 토출안내관(37)에서 제1 토출측 연결관(62a)과 분관하여 제2 흡입측 연결관(61b)으로 연결 설치하는 제1 바이패스측 연결관(63a) 및 제2 토출안내관(45)에서 제2 토출측 연결관(62b)과 분관하여 제3 흡입측 연결관(61c)으로 연결 설치하는 제2 바이패스측 연결관(63b)과, 제2 흡입측 연결관(61b) 및 제3 흡입측 연결관(61c)에 각각 설치하는 제1 개폐밸브(64a) 및 제2 개폐밸브(64b)와, 각 토출안내관(37)(45)과 토출측 연결관(62a)(62b) 그리고 바이패스측 연결관(63a)(63b)의 접점지점에 설치하는 제1 절환밸브(65a) 및 제2 절환밸브(65b)로 이루어진다.
개폐밸브(64a)(64b)는 모두 온/오프 밸브로 이루어져 바이패스측 연결관(63a)(63b)이 연결되는 지점 보다 냉매의 흡입유로를 기준으로 전류측에 위치하는 것이 바람직하다. 또, 절환밸브(65a)(65b)는 3방밸브로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명 용량 가변형 다중 로터리 압축기는 다음과 같은 작용 효과가 있다.
즉, 구동유닛(20)의 고정자(21)에 전원을 인가하여 회전자(22)가 회전하면, 회전축(23)이 회전자(22)와 함께 회전하면서 구동유닛(20)의 회전력을 제1 압축유닛(30)과 제2 압축유닛(40) 그리고 제3 압축유닛(50)에 전달하고, 에어콘에서의 필요 용량에 따라 각각의 개폐밸브(64a)(64b)와 절환밸브(65a)(65b)를 적절하게 조절하여 파워모드로 운전하면서 대용량의 냉력을 발생하거나 세이빙운전을 실시하면서 소용량의 냉력을 발생한다.
예컨대, 파워모드로 운전하는 경우에는 도 2에서와 같이 제1 개폐밸브(64a)와 제2 개폐밸브(64b)를 모두 온(ON)상태로 전환하여 증발기를 통과한 냉매가 제1 압축유닛(30)과 제2 압축유닛(40) 그리고 제3 압축유닛(50)으로 모두 흡입되도록 하여 모든 압축유닛(30)(40)(50)에서 냉매를 압축되도록 한다. 이와 함께 제1 절환밸브(65a)는 제1 토출안내관(37)과 제1 토출측 연결관(62a)이 연결되도록 조절하고 제2 절환밸브(65b)는 제2 토출안내관(45)과 제2 토출측 연결관(62b)이 연결되도록 조절함으로써 각 압축유닛(30)(40)(50)에서 토출되는 냉매가 곧바로 케이싱(10)의 밀폐공간(S)으로 토출되도록 하여 100%의 냉력을 발생한다.
반면, 세이빙모드1로 운전하는 경우에는 도 3에서와 같이 제2 개폐밸브(64b)는 온 상태, 제1 개폐밸브(64a)는 오프(OFF)상태로 전환하여 증발기를 통과한 냉매가 제1 압축유닛(30)과 제3 압축유닛(50)으로만 직접 흡입되도록 한다. 이와 함께 제1 절환밸브(65a)는 제1 토출안내관(37)과 제1 바이패스측 연결관(63a)이 연결되도록 조절하고 제2 절환밸브(65b)는 제2 토출안내관(45)과 제2 토출측 연결관(62b) 이 연결되도록 조절함으로써 제1 압축유닛(30)에서 1단 압축되는 냉매는 제1 토출안내관(37)과 제1 바이패스측 연결관(63a) 그리고 제2 흡입측 연결관(61b)을 거쳐 제2 압축유닛(40)으로 흡입되어 2단 압축된 후 제2 토출안내관(45)과 제2 토출측 연결관(62b)을 통해 케이싱(10)의 밀폐공간(S)으로 토출된다. 이와 동시에 제3 압축유닛(50)으로 흡입되는 냉매는 그 제3 압축유닛(50)에서 압축되어 곧바로 케이싱(10)의 밀폐공간(S)로 토출되므로 결국 세이빙운전모드1에서는 제1 압축유닛(30)과 제3 압축유닛(50)의 용적 만큼에 해당하는 냉력을 발생한다.
반면, 세이빙모드2로 운전하는 경우에는 도 4에서와 같이 제1 개폐밸브(64a)는 온 상태, 제2 개폐밸브(64b)는 오프(OFF)상태로 전환하여 증발기를 통과한 냉매가 제1 압축유닛(30)과 제2 압축유닛(40)으로만 직접 흡입되도록 한다. 이와 함께 제1 절환밸브(65a)는 제1 토출안내관(37)과 제1 토출측 연결관(62a)이 연결되도록 조절하고 제2 절환밸브(65b)는 제2 토출안내관(45)과 제2 바이패스측 연결관(63b)이 연결되도록 조절함으로써 제1 압축유닛(30)으로 흡입되는 냉매는 그 제1 압축유닛(30)에서 압축되어 곧바로 케이싱(10)의 밀폐공간(S)으로 토출되도록 한다. 이와 동시에 제2 압축유닛(40)에서 1단 압축되는 냉매는 제2 토출안내관(45)과 제2 바이패스측 연결관(63b) 그리고 제3 흡입측 연결관(61c)을 거쳐 제3 압축유닛(50)으로 흡입되어 2단 압축된 후 케이싱(10)의 밀폐공간(S)으로 토출되므로 결국 세이빙운전모드2에서는 제1 압축유닛(30)과 제2 압축유닛(40)의 용적 만큼에 해당하는 냉력을 발생한다.
반면, 세이빙모드3으로 운전하는 경우에는 도 5에서와 같이 제1 개폐밸브 (64a)와 제2 개폐밸브(64b)를 모두 오프(OFF)상태로 전환하여 증발기를 통과한 냉매가 제1 압축유닛(30)으로만 직접 흡입되도록 한다. 이와 함께 제1 절환밸브(65a)와 제2 절환밸브(65b)는 각각 제1 토출안내관(37)과 제1 바이패스측 연결관(63a) 그리고 제2 토출안내관(45)과 제2 바이패스측 연결관(63b)이 연결되도록 조절함으로써 제1 압축유닛(30)으로 흡입되는 냉매는 그 제1 압축유닛(30)에서 1단 압축되었다가 제2 압축유닛(40)으로 재흡입되고 제2 압축유닛(40)에서 2단 압축되었다가 제3 압축유닛(50)으로 다시 재흡입되어 3단 압축된 후 케이싱(10)의 밀폐공간(S)으로 토출되므로 결국 세이빙운전모드3에서는 제1 압축유닛(10)의 용적 만큼에 해당하는 냉력을 발생한다.
참고로, 전술한 일실시예에서는 3개의 압축유닛을 구비한 경우를 예를 설명하였으나 이는 4개 또는 그 이상의 압축유닛을 구비한 경우에도 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
본 발명에 의한 용량 가변형 다중 로터리 압축기 및 그 운전 방법은, 정속모터를 사용하면서도 압축기의 용량을 4단계로 제어함에 따라 저렴하면서도 압축기 용량을 보다 세분하여 운전할 수 있고 이를 통해 에어콘의 기능을 다양화하여 쾌적함은 물론 소비전력량을 낮춰 에너지 효율을 높일 수 있다.

Claims (5)

  1. 밀폐공간을 내부에 형성하고 그 밀폐공간에 냉매토출관을 연통 설치하는 케이싱과,
    케이싱의 내부에 장착하여 구동력을 발생시키는 구동유닛과,
    케이싱의 내부에 설치하여 구동유닛으로부터 구동력을 전달받아 냉매를 압축하는 적어도 3개 이상의 압축유닛과,
    냉동사이클의 증발기 출구를 각 압축유닛의 흡입측에 연결하는 동시에 각 압축유닛의 토출측을 이웃하는 다른 압축유닛의 흡입측으로 바이패스되도록 연결하거나 케이싱의 밀폐공간에 직접 연통되도록 결합하여 운전모드에 따라 냉매의 유동방향을 가변하는 연결유닛을 포함한 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    각 압축유닛의 용량은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연결유닛은 냉동사이클의 증발기 출구에서 각 압축유닛의 흡입측에 각각 독립적으로 연결하는 수 개의 흡입측 연결관과, 제1 압축유닛과 제2 압축유닛의 토출 측에서 제2 압축유닛과 제3 압축유닛의 흡입측 연결관에 연결하는 복수 개의 바이패스 연결관과, 제1 압축유닛과 제2 압축유닛의 토출측에서 각각의 바이패스 연결관과 분관되어 케이싱의 밀폐공간에 연통하는 복수 개의 토출측 연결관과, 각 흡입측 연결관에 설치하여 흡입되는 냉매를 조절하는 수 개의 개폐밸브와, 각 바이패스 연결관과 토출측 연결관 사이에 설치하여 토출되는 냉매의 유동방향을 조절하는 복수 개의 절환밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    절환밸브는 바이패스측 연결관과 토출측 연결관의 분관 지점에 설치하는 3방밸브인 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기.
  5. 제3항에서 파워모드인 경우에는 모든 개폐밸브를 열어 냉매가 증발기에서 각 압축유닛으로 흡입되어 압축된 후 케이싱의 밀폐공간으로 토출되도록 하는 반면,
    세이빙모드인 경우에는 특정 개폐밸브만 열어 냉매가 증발기에서 특정 압축유닛으로만 흡입되도록 하는 동시에 개폐밸브가 닫힌 압축유닛은 이웃하는 다른 압축유닛의 토출측에 설치한 절환밸브를 조절하여 이웃하는 압축유닛에서 1단 압축되는 냉매가 재흡입되어 2단 압축된 후 케이싱의 밀폐공간으로 토출되도록 하는 것을 특징으로 하는 용량 가변형 다중 로터리 압축기의 운전 방법.
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