KR100739550B1 - 다중용량 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필요에 따라 다단계로 압축용량이 조절되는 압축기에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 모터 및 상기 모터에 삽입되는 크랭크샤프트를 포함하는 동력 발생부; 소정크기의 실린더, 상기 실린더내에 위치되는 피스톤 및 양 끝단이 상기 피스톤 및 상기 크랭크샤프트의 크랭크 핀과 각각 연결되는 커넥팅로드를 포함하는 압축부; 그리고 상기 실린더에 설치되어 실린더 체적을 변화시키는 압축용량 가변장치로 이루어져, 상기 실린더 체적으로 다양하게 변화시킴에 따라 동일한 피스톤 행정거리에서도 여러 크기로 토출량이 조절되는 다중용량 압축기를 제공한다.

압축기, 다중용량, 실린더 체적, 보조공간, 토출량

Description

다중용량 압축기{MULTI CAPACITY COMPRESSOR}

도 1은 종래 이중용량 압축기의 일반적인 구성을 나타낸 단면도이다.

도 2는 도 1의 이중용량 압축기의 작동을 나타내는 개략도이다.

도 3은 이중용량 압축기 작동중 발생되는 크랭크 핀과 편심 슬리브사이의 상대회전을 나타내는 개략도

도 4는 본 발명에 따른 다중용량 압축기의 전체적인 구성을 나타내는 단면도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 다중용량 압축기의 압축용량 가변장치를 나타내는 평면도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 다중용량 압축기의 작동을 나타내는 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

20 : 동력발생부 21 : 고정자

22 : 회전자 23 : 크랭크샤프트

30 : 압축부 31 : 피스톤

32 : 실린더 33 : 커넥팅 로드

34 : 실린더 헤드 35 : 헤드커버

40 : 압축용량 가변장치 41 : 보조공간

41a : 관통공 42 : 피스톤

43 : 체적변화체

본 발명은 냉매등과 같은 작동유체를 소정압력으로 압축시키는 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필요에 따라 압축용량을 변화시키는 압축기에 관한 것이다.

작동유체의 압축이 필요한 여러장치, 특히 냉장고등과 같은 냉동사이클을 이용하는 가전기기에 있어서, 부하의 크기는 실제로 수시로 변화하며 작동효율의 향상을 위해서는 상기 부하 크기변화에 따라 압축기의 압축용량의 변화가 요구된다. 이러한 압축기 용량변화를 해결하기 위하여 지금까지 다양한 기술적 시도들이 수행되어 왔으며, 일 예로서 이중용량 압축기로 들 수 있다. 이러한 이중용량 압축기는 모터의 정역회전에 따라 두 개의 압축용량을 가지며, 가장 일반적인 형태가 미국특허 제4,236,874호에 개시된다.

도 1은 미국특허 제4,236,874호에 따른 이중용량 압축기의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 상기 이중용량 압축기의 작동을 나타내는 개략도이다.

이중용량 압축기의 주요부는 도시된 바와 같이, 실린더(8) 내부의 피스톤(7), 크랭크샤프트(1)와, 중심(3a)이 크랭크샤프트의 중심(1a)과 편심되게 형성되는 크랭크 핀 (3), 상기 크랭크 핀(3)에 결합되는 편심 링(4), 상기 편심 링(4) 및 피스톤(7)과 각각 연결되는 커넥팅로드(6)로 크게 이루어진다. 그리고 상기 편심 링(4)과 커넥팅 로드(6)는 인접하는 부품에 대해 회전 가능하며 상기 크랭크 핀 중심(3a)을 회전 중심으로 한다. 상기 크랭크 핀(3)과 편심 링(4)의 각 접촉면상에는 소정 길이의 해제 영역(9)이 형성되며, 상기 해제 영역(9)내에서는 상기 크랭크 핀(3)과 편심 링(4)을 서로 결합시키는 키(5)가 제공된다. 상기 이중용량 압축기의 압축 용량에 따른 작동을 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이중용량 압축기에 있어서, 편심 링(4)의 배열상태에 따라 변화되는 편심량에 의해 피스톤(7)의 행정거리가 조절되며, 부하가 크게 요구되는 경우 크랭크샤프트(1)가 시계방향(정방향), 부하가 작게 요구되는 경우 크랭크샤프트(1)를 반시계방향(역방향)으로 회전된다. 보다 상세하게는, 도 2의 A는 시계방향 회전중 피스톤(7)이 상사점, B는 피스톤(7)이 하사점에 위치한 상태를 도시하며 이 경우에는 편심량이 최대이기 때문에 행정거리(Lmax)도 최대가 된다. 또한 도 2의 C는 피스톤(7)이 하사점, D는 피스톤이 상사점에 위치한 상태를 도시하며, 최소화된 편심량으로 인해 행정거리(Lmin)도 최소가 된다.

그러나 이와 같은 작동중 크랭크샤프트 중심(1a)에 대한 회전으로 인해 상기 크랭크 핀(3)과 편심 링(4)에는 개별적인 원심력이 작용하며, 이러한 원심력은 축 중심(1a)과 핀 중심(3a)사이 및 축 중심(1a)과 링 무게중심(4a)사이의 연장선에 각각 작용된다. 따라서, 도 2의 A,B와 달리 C,D의 경우, 각 작용선이 서로 일치하지 않으므로, 상기 편심 링(4)에는 상기 핀(3)에 대해 수직거리(d)와 자신의 원심력의 곱으로 나타나는 국부적인 회전모멘트가 발생하며 이 회전 모멘트의 작용방향은 상기 크랭크 샤프트(1) 회전방향(반시계 방향)과 동일하다. 상기 크랭크 핀(3) 및 편심 링(4)은 서로 회전 가능하게 분리된 부재이므로 상기 회전 모멘트는 크랭크 사프트(1) 회전방향으로 상대적인 회전을 발생시켜 키(5)를 상기 크랭크 핀(3) 및 편심 링(4)으로부터 해제시킨다. 따라서 상기 편심 링(4)과 키(5)는 도 3에 점선으로 표시된 바와 같이 회전방향으로 이동된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 시계방향으로의 운전중 압축과정 후 실린더 내의 압력(P)(작동유체의 재팽창 압력)은 편심 링(4)을 크랭크샤프트(1) 회전방향으로 미는 힘으로 작용하고, 이러한 압력은 상기 편심 링(4)을 압축기 회전방향으로 상기 크랭크 핀(3)에 대해 상대적으로 회전시킨다. 결과적으로 이러한 상대회전으로 인해 상기 압축기의 작동이 불안정하게 되며, 원하는 압축성능이 얻어지지 않는다. 실질적으로 상기 상대회전은 상기 키(5)가 상기 크랭크 핀(3)과 편심 링(4)을 완전하게 고정시키지 못하기 때문에 발생한다. 또한 상기 키(5)는 압축기 회전방향 변화시마다 상기 해제 영역(9)내에서 구름운동을 하며 이에 따라 각 접촉부에서의 심한 마모로 인해 수명이 단축된다.

앞서 설명된 바와 같이, 종래의 이중용량 압축기는 실제 작동시 키나 편심 링과 같은 행정을 변화시키는 구조 자체의 특성으로 인해 여러 가지 문제점을 내포하게 된다. 또한 상기 이중용량 압축기는 압축용량을 2단계로만 조절할 수 있으나 실제로 많은 경우에 있어서 여러단계로 압축용량을 조절 가능한 압축기가 요구된다.

한편, 상기 이중용량 압축기 이외에도 회전속도 가변 압축기, 다중 실린더 압축기등이 변화되는 압축용량을 갖도록 개발되었으나, 이들은 비용상승 및 압축기 크기 증가등의 이유로 인해 실제 사용되기에는 많은 문제점이 있다.

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 안정적으로 압축용량을 여러 크기로 변화시키는 다중용량 압축기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모터 및 상기 모터에 삽입되는 크랭크샤프트를 포함하는 동력 발생부; 소정크기의 실린더, 상기 실린더내에 위치되는 피스톤 및 양 끝단이 상기 피스톤 및 상기 크랭크샤프트의 크랭크 핀과 각각 연결되는 커넥팅로드를 포함하는 압축부; 그리고 상기 실린더에 설치되어 실린더 체적을 변화시키는 압축용량 가변장치로 이루어져, 상기 실린더 체적으로 다양하게 변화시킴에 따라 동일한 피스톤 행정거리에서도 여러 크기로 토출량이 조절되는 다중용량 압축기를 제공한다.

실질적으로 상기 압축용량 가변장치는 상기 실린더 상단부에 형성되며 상기 실린더 내부와 연통하는 소정 크기의 보조공간 및 상기 보조공간의 체적을 변화시키는 조절부재를 포함하여 이루어진다.

여기서 상기 조절부재는 상기 보조공간내에서 왕복운동 가능한 피스톤인 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는 상기 조절부재는 상기 보조공간내에 위치되며 전기나 자기의 인가에 따라 체적이 변화되는 체적변화체도 될 수 있다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

먼저 본 발명에 따른 다중용량 압축기의 전체 구조를 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 다중용량 압축기는 도시된 바와 같이, 크게 상기 압축기 하부에 위치하여 요구되는 동력을 발생 및 전달하는 동력 발생부(20)와 상기 동력발생부(20) 상부에 위치하며, 공급된 동력을 이용하여 작동유체의 압축을 수행하는 압축부(30)로 이루어진다. 또한 이러한 일반적 구성과 더불어 상기 다중용량 압축기는 상기 압축부(30)에 설치되어 상기 압축부(30) 체적을 변화시키는 도 5a 및 도 5b의 압축용량 가변장치(40)를 더 포함하여 이루어진다. 한편, 용기(11)는 냉매 누설을 방지하기 위하여 상기 동력 발생부(20) 및 압축부(30)등을 밀폐되게 수용하며, 상기 용기(11) 내부에는 프레임(12)이 상기 용기에 부착된 다수개의 지지부재(즉, 스프링)(14)에 의해 탄성적으로 지지된다. 또한 냉매 흡입관(13) 및 토출관(15)은 각각 상기 용기(11)의 소정 위치에 설치되며 이의 내부와 연통한다.

상기 동력 발생부(20)는 상기 프레임(12) 하부에 설치되며 외부 전원에 의해 회전력을 발생시키는 고정자(21) 및 회전자(22)를 포함하는 모터와 크랭크샤프트(23)로 이루어진다. 여기서 상기 모터는 일정 회전방향에 대한 역회전 즉, 시계방향 및 반시계방향으로 회전가능하다. 그리고 상기 크랭크샤프트(23)는 동력을 전달할 수 있도록 상기 회전자(22)내부에 삽입되는 구동축(23a)과 상기 구동축(23a)의 상단에 형성되는 밸런스웨이트(23b) 및 상기 밸런스웨이트(23b)의 상부표면에 형성되는 편심되게 형성되는 크랭크 핀(23c)을 포함한다. 또한 상기 크랭크샤프트(23)는 오일 구멍이나 오일 홈등과 같은 압축기 하부에 수용되는 윤활유를 압축기의 각 구동부에 공급하기 위한 구조를 갖는다.

상기 압축부(30)는 상기 동력 발생부(20)의 상부에 위치되도록 상기 프레임(12)에 설치되며 냉매 압축을 위해 기계적으로 운동하는 구동기구와 상기 구동 기구를 보조하는 흡입 및 배출 밸브구조로 이루어진다. 여기서 실질적인 압축공간을 형성하는 실린더(32)와 함께 상기 구동 기구는 냉매 흡입/압축을 위해 상기 실린더(32) 내부에서 왕복 운동하는 피스톤(31) 및 상기 크랭크 핀(23c) 및 피스톤(31)과 각각 연결되어 상기 피스톤(31)에 왕복운동을 위한 동력을 전달하는 커넥팅 로드(33)를 갖는다. 그리고 상기 밸브 구조는 실린더 헤드(34) 및 헤드커버(35)등과 같은 관련 부품의 조합에 의해 상기 실린더(32)로의 냉매의 공급 및 압축된 냉매의 배출을 수행한다.

이러한 본 발명의 이중용량 압축기 구성중 상기 동력발생부(20)와 압축부(30)등은 일반적인 압축기와 동일하므로 이에 대한 부가적인 설명을 생략하며 상기 압축용량 가변장치(40)를 도 5a 및 도 5b를 참조하여, 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 압축용량 가변장치(40)는 도시된 바와 같이, 상기 압축부(30) 즉, 실린더(32)의 상부에 위치되며, 상기 실린더(32)의 체적을 조절한다. 이를 위하여 상기 압축용량 가변장치(40)는 상기 실린더(32) 상단부에 형성되는 소정크기의 보조공간(41) 및 상기 보조공간의 체적을 변화시키는 조절부재(42,43)를 포함한다.

먼저 상기 보조공간(41)은 관통공(41a)을 통해 상기 실린더 내부와 연통하며 이에 따라, 상기 실린더(32)내의 냉매등은 압축시, 즉 상기 피스톤(31) 전진운동시 상기 보조공간(41) 내부로 유입될 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 보조공간(41)은 조절가능한 확장된 실린더 체적이 된다. 보다 상세하게는 상기 보조공간(41)은 상기 실린더(32)의 체적중 상기 피스톤(31)이 상사점에 위치될 때 형성되는 사체적(dead volume)을 조절가능하게 확장시킨다. 이러한 보조공간(41)은 필요에 따라 상기 실린더(32) 상단에 원주방향으로 따라 다수개 형성될 수 있다.

상기 조절부재(42,43)는 상기 보조공간(41)내의 체적을 조절함으로서 실질적으로 상기 실린더(32)의 체적을 변화시키게 된다. 이러한 조절부재는 먼저 도 5a에 도시된 바와 같이 상기 보조공간(41)내에서 왕복운동 가능한 피스톤(42)이 될 수 있다. 다른 한편, 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 소정의 체적 변화체(43)가 상기 조절부재로서 사용될 수 있다. 상기 체적 변화체(43)는 상기 보조공간(41)내에 위치되며 전기나 자기의 인가에 따라 자신의 체적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있는 소재로 이루어진다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 다중용량 압축기의 작용을 첨부된 도 6a 및 6b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 다중용량 압축기의 작동중 압축용량의 조절이 필요한 경우, 상기 조절부재(42,43)는 먼저 상기 보조공간(41)의 크기를 변화시킨다. 보다 상세하게는, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(42)은 상기 보조공간(41)내에서 왕복운동에 의해 상기 보조공간(41)의 크기를 변화시킨다. 즉, 상기 피스톤(42)의 상승시 상기 보조공간(41) 크기가 감소되며, 상기 피스톤(42)의 하강시 상기 보조공간(41)의 크기가 증가된다. 또한 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 체적변화체(43)도 외부의 전류나 자기의 인가에 따른 자기 체적의 증감에 의해 상기 보조공간(41)의 크기를 증감시킨다.

이러한 보조공간(41) 크기의 변화로 인해 이와 연결되는 실린더(42)의 체적이 변화된다. 보다 상세하게는, 앞서 설명된 바와 같이 상기 보조공간(41) 자체가 상기 실린더 헤드(34) 근처에 형성됨으로서 상기 실린더 사체적이 변화된다. 한편, 상기 피스톤(41)의 행정거리가 일정하므로 상기 실린더(31)내에서 압축되는 냉매량은 일정하게 된다. 이 때에 압축된 냉매중 일부는 상기 보조공간(41)으로 유입되게 되므로 상기 사체적이 증가 또는 감소함에 따라 상기 실린더(41)로부터 상기 실린더 헤드(34)를 통한 냉매의 토출량, 즉 압축용량이 증가 또는 감소하게 된다.

한편, 상기 보조공간(41)은 상기 피스톤(42) 또는 체적변화체(43)에 의해 임의 크기로 변화될 수 있다. 따라서 본 발명의 압축기에 있어서, 필요에 따라 압축용량 또한 다양하게 조절될 수 있다.

상술된 본 명세서에서 단지 몇몇의 실시예가 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 그 취지와 범주에서 벗어남 없이 많은 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다 는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술된 상세한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위내에서 변경될 수도 있다.

앞서 설명됨 본 발명에 따른 다중용량 압축기의 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 있어서, 상기 압축용량 가변장치는 실린더 주변에 추가적인 보조공간을 형성하며 또한 조절부재에 의해 상기 보조 공간의 크기를 조절할 수 있다. 따라서 상기 보조공간의 크기가 변화함에 따라 상기 보조공간내에 유입되는 압축된 냉매량이 변화되며 이는 실질적인 토출량의 변화를 가져온다. 따라서 상기 압축용략 가변장치가 임의로 상기 보조공간의 크기를 조절함에 따라 본 발명의 압축기는 다단계의 압축용량을 가질 수 있게 된다.

한편, 상기 압축용량 가변장치의 구성이 단순하며 기타 다른 부속장치가 요구되지 않으므로, 본 발명의 다중용량 압축기에 있어서 기타 다른 형태의 용량가변압축기에 비해 생산단가가 감소될 수 있다.

Claims (4)

1. 모터 및 상기 모터에 삽입되는 크랭크샤프트를 포함하는 동력 발생부;

   소정크기의 실린더, 상기 실린더내에 위치되는 피스톤 및 양 끝단이 상기 피스톤 및 상기 크랭크샤프트의 크랭크 핀과 각각 연결되는 커넥팅로드를 포함하는 압축부; 그리고

   상기 실린더에 설치되어 실린더 체적을 변화시키는 압축용량 가변장치를 구비하고,

   상기 압축용량 가변장치는 상기 실린더 상단부에 형성되어 상기 실린더 내부와 연통하는 소정 크기의 보조공간; 및 상기 보조공간 내에 위치되어 전기나 자기의 인가에 따라 체적이 변화되어 상기 보조공간의 체적을 변화시키는 체적변화체를 구비하여 동일한 피스톤 행정거리에서도 여러 크기로 토출량이 조절되는 다중용량 압축기.
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