KR100664293B1

KR100664293B1 - 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘

Info

Publication number: KR100664293B1
Application number: KR1020050004259A
Authority: KR
Inventors: 김정훈; 변상명; 조승연; 홍성재
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2007-01-04
Also published as: KR20060084007A

Abstract

본 발명은 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘에 관한 것으로, 증발기에서 연통하는 가스흡입관과 응축기에 연통하는 가스토출관을 구비하는 케이싱과, 케이싱의 내부에 고정 설치하여 소정의 압축공간을 형성하는 실린더와, 구동모터의 회전축에 결합하여 상기 실린더의 내부에서 선회운동을 하면서 냉매가스를 원심 압축하는 롤링피스톤과, 롤링피스톤의 외주면에 압접하도록 실린더에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기한 실린더의 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인과, 압축기의 운전모드에 따라 베인의 왕복운동을 선택적으로 제한하여 상기 압축공간의 흡입실과 압축실이 구획 또는 연통되도록 하면서 압축기의 용량을 가변하는 베인제어용 엑츄에이터를 포함함으로써, 압축기의 배관을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 이 압축기를 에어콘에 적용할 때 다른 배관과의 간섭을 미연에 방지하여 에어콘의 조립성을 향상시킬 수 있다. 또, 밸브의 개수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있고 고온 고압의 환경에 열악한 엑츄에이터의 전자석을 케이싱의 외부에 배치함으로써 엑츄에이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘{MODULATION APPARATUS FOR ROTARY COMPRESSOR AND AIRCONDITIONER WITH HIS}

도 1은 종래 용량 가변형 로터리 압축기의 일례를 보인 계통도,

도 2a 및 도 2b는 종래 용량 가변형 로터리 압축기의 정상운전시와 절약운전시에 대한 압축실 면적을 보인 개략도,

도 3은 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기의 일례를 보인 계통도,

도 4는 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기의 용량 가변 장치를 보인 종단면도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기의 정상운전시와 절약운전시에 대한 용량 가변 상태를 보인 횡단면도,

도 6은 본 발명 용량 가변형 복식 로터리 압축기의 일례를 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

3 : 응축기 4 : 증발기

5 : 어큐뮬레이터 11 : 케이싱

12 : 실린더 13 : 메인베어링

14 : 서브베어링 15 : 회전축

16 : 롤링피스톤 17 : 베인

17a : 스토퍼걸림홈 20 : 베인제어용 엑츄에이터

21 : 하우징 22 : 전자석

23 : 베인스토퍼 24 : 스토퍼스프링

P2 : 가스토출관 P4 : 가스흡입관

본 발명은 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘에 관한 것으로, 특히 케이싱의 외부에 엑츄에이터를 설치하여서 된 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘에 관한 것이다.

일반적으로 로터리 압축기는 주로 에어콘과 같은 공기조화기에 적용하는 것으로, 최근 들어 에어콘의 기능이 다양해지면서 로터리 압축기 역시 용량을 가변할 수 있는 제품을 요구하는 추세이다. 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 있다.

이에 따라 최근에는 인버터 방식을 대신하여 실린더에서 압축되는 냉매가스의 일부를 실린더의 외부로 바이패스 시켜 압축실의 용적을 가변하는 소위 "배제용적절환에 의한 냉동능력가변기술"(이하, 배제용적절환기술로 약칭함)이 널리 알려지고 있 다.

도 1은 종래 용량 가변형 로터리 압축기의 일례를 보인 계통도이고, 도 2a 및 도 2b는 종래 용량 가변형 로터리 압축기의 정상운전시와 절약운전시에 대한 압축실 면적을 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래 용량 가변형 로터리 압축기는, 실린더(1)의 압축공간 중간에서 압축되는 냉매의 일부를 압축기의 운전상태에 따라 바이패스할 수 있도록 상기 실린더의 바이패스구멍(1a)을 형성하고, 그 바이패스구멍(1a)에 바이패스관(P1)을 케이싱(2)의 외부로 연결 설치하며, 바이패스관(P1)의 끝단에서 분관하여 그 일단은 케이싱(2)의 토출측과 응축기(3)를 연결하는 가스토출관(P2)의 중간에 토출측 연결관(P3)으로 연결하는 반면 타단은 증발기(4)와 어큐뮬레이터(5)를 연결하는 가스흡입관(P4)의 중간에 흡입측 연결관(P5)으로 연결하고 있다. 또, 토출측 연결관(P3)의 중간과 흡입측 연결관(P5)의 중간에는 각각 토출측 밸브(V1)와 흡입측 밸브(V2)를 설치하고, 바이패스관(P1)의 입구측 끝단에는 상기 토출측 밸브(V1)와 흡입측 밸브(V2)의 개폐에 따라 상기 실린더(1)의 바이패스구멍(1a)을 개폐하도록 바이패스밸브(V3)를 설치하고 있다.

도면중 미설명 부호인 6은 회전축, 7은 롤링피스톤, 8은 베인이다.

상기와 같은 종래 용량 가변형 로터리 압축기에서 압축기가 정상운전을 하는 경우에는 도 1의 토출측 밸브(V1)가 열리고 흡입측 밸브(V2)가 닫힘에 따라 가스토출관(P2)으로 토출되던 냉매의 일부가 실선 화살표를 따라 바이패스관(P1)으로 유입되고 그 고압의 냉매가 도 2a에서와 같이 바이패스밸브(V3)를 밀어 상기 실 린더(1)의 바이패스구멍(1a)을 차단함으로써 실린더(1)의 압축공간으로 흡입되는 냉매 전부가 압축되면서 토출되는 상기한 가스토출관(P2)으로 토출되는 일련의 과정을 반복한다.

반면, 압축기가 절약운전을 하는 경우에는 도 1의 토출측 밸브(V1)가 닫히고 흡입측 밸브(V2)가 열림에 따라 바이패스밸브(V3)의 압력배면이 흡입압 환경이 되면서 도 2b에서와 같이 상기 바이패스밸브(V3)가 밀려 바이패스구멍(1a)이 열리고 이 열린 바이패스구멍(1a)을 통해 압축공간에서 압축되던 냉매의 일부가 도 1의 점선 화살표를 따라 흡입측 연결관(P5)을 통해 어큐뮬레이터(5)로 바이패스됨으로써 실린더(1)의 압축공간으로 흡입되는 냉매의 일부만 압축되어 토출되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 로터리 압축기의 용량 가변 장치는, 압축기 케이싱(2)의 외부에 바이패스관(P2)과 토출측 연결관(P3) 그리고 흡입측 연결관(P5)을 설치하여 에어콘의 배관에 연결함에 따라 에어콘 배관을 조립하는 작업이 난해할 뿐만 아니라 상기 배관에 토출측 밸브(V1)와 흡입측 밸브(V2)를 별도로 설치하여야 함에 따라 부품수가 증가하여 비용이 가중되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 로터리 압축기의 용량 가변 장치가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 압축기의 용량 가변 장치를 용이하면서도 간소하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라 부품수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있는 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 증발기에서 연통하는 가스흡입관과 응축기에 연통하는 가스토출관을 구비하는 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 고정 설치하여 소정의 압축공간을 형성하는 실린더; 상기 실린더의 내부에서 선회운동을 하면서 냉매가스를 원심 압축하는 롤링피스톤; 상기 롤링피스톤의 외주면에 압접하도록 실린더에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인; 및 상기 케이싱의 외부에 설치하는 전자석과, 그 전자석에 전원을 인가하는지 여부에 따라 전진 또는 후진을 하면서 상기 베인을 적어도 500gf 이상의 구속력으로 구속 또는 해제하는 베인스토퍼로 구성하여 압축기의 운전모드에 따라 상기 베인의 왕복운동을 선택적으로 제한하면서 압축기의 용량이 가변되도록 하는 베인제어용 엑츄에이터;를 포함한 로터리 압축기의 용량 가변 장치를 제공한다.

또, 상기한 로터리 압축기를 적용한 에어콘을 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 적용한 에어콘을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기의 일례를 보인 계통도이고, 도 4는 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기의 용량 가변 장치를 보인 종단면도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기의 정상운전시와 절약운전시에 대한 용량 가변 상태를 보인 횡단면도이고, 도 6은 본 발명 용량 가변형 복식 로터리 압축기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 가스흡입관(P4)과 가스토출관(P2)을 연통 설치하는 케이싱(11)과, 케이싱(11)의 상측에 설치하여 회전력을 발생하는 전동기구부와, 케이싱(11)의 하측에 설치하여 상기 전동기구부에서 발생 한 회전력으로 냉매를 압축하는 압축기구부와, 케이싱(11)의 외부에 설치하여 압축기의 운전모드에 따라 후술할 압축기구부의 베인을 선택적으로 구속하는 베인제어용 엑츄에이터(20)로 구성한다.

전동구동부는 케이싱(11)의 내부에 고정하여 외부에서 전원을 인가하는 고정자(Ms)와, 고정자(Ms)의 내부에 일정 공극을 두고 배치하여 상기한 고정자(Ms)와 상호 작용하면서 회전하는 회전자(Mr)로 이루어진다.

압축기구부는 환형으로 형성하여 케이싱(11)의 내부에 설치하는 실린더(12)와, 실린더(12)의 상하 양측을 복개하여 함께 내부공간(S)을 이루는 메인베어링플레이트(이하, 메인베어링으로 약칭함)(13) 및 서브베어링플레이트(이하, 서브베어링으로 약칭함)(14)과, 회전자(Mr)에 압입하고 메인베어링(13)와 서브베어링(14)에 지지되어 회전력을 전달하는 회전축(15)과, 회전축(15)의 편심부에 회전 가능하게 결합하여 실린더(12)의 내부공간(S)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 롤링피스톤(16)과, 롤링피스톤(16)의 외주면에 압접하도록 실린더(12)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 실린더(12)의 내부공간(S)을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인(17)과, 메인베어링(13)의 중앙부근에 구비한 토출포트(13a) 선단에 개폐 가능하게 결합하여 압축실에서 토출되는 냉매가스를 제한하는 토출밸브(18)을 포함한다.

실린더(12)는 도 4 내지 도 5b에서와 같이 상기한 롤링피스톤(16)이 상대운동을 할 수 있도록 환형으로 형성하고, 그 일측에는 상기한 베인(17)이 반경방향으로 직선운동을 할 수 있도록 베인슬릿(12a)을 선형으로 형성하며, 베인슬릿(12a)의 일측에는 가스흡입관(P4)을 연통하는 흡입구(12b)를 반경방향으로 관통 형성하는 반면 베 인슬릿(12a)의 타측에는 상기한 메인베어링(13)의 토출포트(13a)에 연통하여 냉매가스의 토출을 유도하도록 토출안내홈(12c)을 형성하고, 실린더(12)의 일측, 보다 정확하게는 베인(17)을 중심으로 토출안내홈(12c) 쪽에는 상기 베인슬릿(12a)에 대해 직교하는 방향으로 엑츄에이터삽입홈(12d)을 형성하여 이루어진다.

베인(17)은 그 전방단은 상기한 롤링피스톤(16)의 주면에 선접촉하도록 후방단이 압축스프링인 베인스프링(17b)에 의해 탄력 지지되어 설치하는 것으로, 그 외형은 대략 사각판체 모양으로 형성하되 그 일측(도면에서는 저면 중간)에 후술할 엑츄에이터(20)의 베인스토퍼(23)가 선택적으로 결합 또는 해제될 수 있도록 적어도 그 깊이가 3mm 이상인 스토퍼걸림홈(17a)을 형성한다. 스토퍼걸림홈(17a)은 그 베인(17)을 베인스토퍼가 구속할 때 베인(17)이 베인슬릿(12a)에 완전히 감춰질 수 있는 위치에 형성하는 것이 롤링피스톤(16)의 원활한 선회운동을 위해 바람직하다.

베인제어용 엑츄에이터(20)는 케이싱(11)을 관통하여 용접 결합하고 그 일부가 실린더(12)의 엑츄에이터삽입홈(12d)에 삽입 고정하는 하우징(21)과, 케이싱(21)의 외부에서 상기 하우징(21)에 고정 설치하는 전자석(22)과, 하우징(21)의 내부에 미끄러지게 삽입하여 상기 전자석(22)의 온/오프에 따라 직선으로 왕복운동을 하면서 상기한 베인(17)을 선택적으로 구속하는 베인스토퍼(23)와, 하우징(21)과 베인스토퍼(23) 사이에 양단이 지지되도록 설치하여 전자석(22)의 오프시 상기한 베인스토퍼(23)를 원위치로 복귀시키는 스토퍼스프링(24)으로 이루어진다.

여기서, 베인(17)을 지지하는 베인스토퍼(23)의 구속력은 상기 베인스프링(17b)의 탄성력과 케이싱(11) 내부의 압력을 고려하여 구속시 상기한 베인(17)을 안정적으 로 지지할 수 있는 적어도 500gf 이상의 구속력을 가질 수 있도록 제작하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 로터리 압축기의 용량 가변 장치는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 전동기구부에 전원을 인가하면 회전축(15)이 회전을 하고, 롤링피스톤(16)이 실린더(11)의 내부공간(S)에서 선회운동을 하면서 베인(17)과의 사이에 용적을 형성하여 냉매를 흡입 압축한 후 케이싱(11)의 내부로 토출하며, 이 냉매가스는 가스토출관(P2)을 냉동사이클장치의 응축기(3)로 분출되었다가 팽창기구(미부호)와 증발기(4)를 차례로 거친후 다시 가스흡입관(P4)을 통해 실린더(11)의 내부공간(S)으로 흡입되는 일련의 과정을 반복한다.

여기서, 압축기가 정상운전을 하거나 또는 이를 적용한 에어콘이 파워운전을 실시하는 경우에는 도 5a에서와 같이 베인제어용 엑츄에이터(20)의 전자석(22)에 전원이 인가되어 베인스토퍼(23)가 스토퍼스프링(24)을 압축하면서 도면의 우측으로 이동하여 베인(17)과 상기한 베인스토퍼(23)가 분리된다. 이렇게 하여 베인(17)은 베인스프링(17b)에 의해 롤링피스톤(16)쪽으로 밀려 압접되어 그 롤링피스톤(16)의 선회운동을 따라 반경방향으로 직선 왕복운동을 하면서 실린더(12)의 압축공간(S)을 흡입실과 압축실로 구획하여 흡입실로 흡입되는 냉매 전체를 압축함으로써 압축기 또는 이를 적용한 에어콘은 100% 운전을 하게 된다.

반면, 압축기 또는 이를 적용한 에어콘이 기동할 때와 같이 절약운전을 하는 경우 에는 도 5b에서와 같이 전자석(22)에 전원이 끊겨 베인스토퍼(23)가 스토퍼스프링(24)의 탄성력에 의해 도면의 좌측으로 이동하여 상기한 베인(17)의 스토퍼걸림홈(17a)에 삽입됨으로써 베인(17)이 실린더(12)의 베인슬릿(12a)에 감춰진 상태에서 정지되도록 한다. 이렇게 하여 실린더의 압축실과 흡입실이 연통됨에 따라 흡입실로 흡입되는 냉매 전체가 압축되지 않고 롤링피스톤(16)의 궤적을 따라 다시 흡입실로 이동하게 되어 압축기는 일을 하지 않음으로써 압축기 또는 이를 적용한 에어콘은 0% 운전을 하게 된다.

한편, 본 발명에 의한 용량 가변 장치를 복식 로터리 압축기에 적용하는 경우는 다음과 같다.

즉, 도 6에서와 같이 로터리 압축기의 압축기구부를 상측의 제1 압축기구부(110)와 하측의 제2 압축기구부(120)로 구획하고, 그 중 어느 한 쪽(도면에선, 제2 압축기구부를 예시함) 또는 양쪽 압축기구부 모두에 상기한 베인제어용 엑츄에이터(20)를 설치할 수도 있다.

먼저, 엑츄에이터(20)를 제2 압축기구부(120)에만 적용하는 경우에는 제1 압축기구부(110)는 항상 정상운전을 하는 반면 제2 압축기구부(120)는 상기한 엑츄에이터(20)를 제어하여 압축기의 운전모드 또는 이를 적용한 에어콘의 운전모드에 따라 100% 운전을 하거나 또는 0% 운전을 함으로써 압축기의 용량을 2단계로 제어할 수 있다.

다음, 엑츄에어터(20)를 제1 압축기구부(110)와 제2 압축기구부(120) 모두 적용하는 경우에는 압축기의 운전모드에 따라 제1 압축기구부(110)와 제2 압축기구부(120)를 모두 정상운전시키거나 또는 어느 하나를 절약운전을 시키거나 또는 모두 절약운전을 시켜 압축기의 3단계(여기서, 절약운전시에는 압축기가 일을 하지 않으므로 실질적으로는 2단계로 볼 수 있슴)로 제어할 수 있다. 특히, 두 압축기구부(110)(120)에 모두 엑츄에이터(20)를 적용하는 경우 양쪽 압축기구부(110)(120)의 실린더 용량을 상이하게 제작할 수도 있는데 이 경우에는 압축기와 이를 적용한 에어콘을 4단계(실질적으로는 3단계)로 운전할 수 있다. 예컨대, 제1 압축기구부(110)의 용량이 60%, 제2 압축기구부(120)의 용량이 40%인 경우 제1 압축기구부(110)와 제2 압축기구부(120)를 모두 정상운전시킬 때는 압축기와 이를 적용한 에어콘이 100%의 일을 하지만 제1 압축기구부(110)만 정상운전시킬 때는 60%를, 그리고 제2 압축기구부(120)만 정상운전시킬 때는 40%의 일을 하게 되므로 주위 환경에 따라 보다 다양한 운전모드를 실현할 수 있다.

본 발명에 의한 로터리 압축기의 용량 가변 장치 및 이를 구비한 에어콘은, 실린더의 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인을 선택적으로 구속할 수 있는 엑츄에이터를 설치하여 구성함으로써, 압축기의 배관을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 이 압축기를 에어콘에 적용할 때 다른 배관과의 간섭을 미연에 방지하여 에어콘의 조립성을 향상시킬 수 있다. 또, 밸브의 개수를 줄여 생산비용을 절감할 수 있고 고온 고압의 환경에 열악한 엑츄에이터의 전자석을 케이싱의 외부에 배치함으로써 엑츄에이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims

증발기에서 연통하는 가스흡입관과 응축기에 연통하는 가스토출관을 구비하는 케이싱;

상기 케이싱의 내부에 고정 설치하여 소정의 압축공간을 형성하는 실린더;

상기 실린더의 내부에서 선회운동을 하면서 냉매가스를 원심 압축하는 롤링피스톤;

상기 롤링피스톤의 외주면에 압접하도록 실린더에 반경방향으로 이동 가능하게 결합하여 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인; 및

상기 케이싱의 외부에 설치하는 전자석과, 그 전자석에 전원을 인가하는지 여부에 따라 전진 또는 후진을 하면서 상기 베인을 적어도 500gf 이상의 구속력으로 구속 또는 해제하는 베인스토퍼로 구성하여 압축기의 운전모드에 따라 상기 베인의 왕복운동을 선택적으로 제한하면서 압축기의 용량이 가변되도록 하는 베인제어용 엑츄에이터;를 포함한 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
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제1항에 있어서,

상기 베인은 그 일측에 상기한 베인스토퍼가 전진운동을 할 때 걸려 상기한 베인의 왕복운동을 제한하도록 스토퍼걸림홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제4항에 있어서,

상기 스토퍼걸림홈은 그 깊이가 3mm 이상인 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제1항에 있어서,

상기 실린더가 단수 개인 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제1항에 있어서,

상기 실린더와 베인이 각각 복수 개씩이고 그 중 어느 한 개의 베인을 구속할 수 있도록 한 개의 베인제어용 엑츄에이터를 설치하는 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제1항에 있어서,

상기 실린더와 베인이 각각 복수 개씩이고 그 각각의 베인을 독립적으로 구속할 수 있도록 복수 개의 베인제어용 엑츄에이터를 설치하는 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 복수 개의 실린더는 압축공간의 용량이 동일한 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 복수 개의 실린더는 압축공간의 용량이 상이한 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제1항에 있어서,

상기 구동모터는 정속 모터인 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제1항에 있어서,

구동모터는 인버터 모터인 것을 특징으로 하는 로터리 압축기의 용량 가변 장치.
제1항의 로터리 압축기의 용량 가변 장치를 적용하는 에어콘.