KR101269657B1

KR101269657B1 - 가변 지름 간극을 구비한 피스톤과 실린더 조립체, 및 가변 지름 간극을 구비한 피스톤과 실린더 조립체에 사용하기 위한 실린더

Info

Publication number: KR101269657B1
Application number: KR1020087002149A
Authority: KR
Inventors: 에거하트 그라프; 로드리고 링크; 파비오 헨리크 크레인; 크리스티아노 라파엘 쉬람
Original assignee: 월풀 에쎄.아.
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2013-05-30
Also published as: CN101228354B; US8037809B2; JP5491652B2; KR20080027892A; ES2347587T3; JP2013139884A; EP1907703A1; CN101228354A; EP1907703B1; US20100186585A1; JP5350788B2; WO2007009202A1; MX2008000810A; DE602006014545D1; BRPI0503019A; JP2009503368A; BRPI0503019B1; ATE469301T1

Abstract

예를 들어 냉장고, 에어컨 시스템 등을 포함할 수 있는 냉각 시스템에서 사용되는 피스톤과 실린더 조립체. 일반적으로 압축기의 체적(또는 냉각 능력) 손실의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, 압축되는 가스가 피스톤(10) 상부에 상당한 힘을 가하지 않는 상태로 마찰이 가능한 작아지도록 그리고 체적 손실이 압축기의 효율을 저해하는 순간인, 압축될 가스가 피스톤(10)에 더 큰 힘을 가하는 상태 동안 마찰이 상당한 효과를 가지도록 압축 챔버의 실린더(11)를 형성한다.

실린더, 피스톤, 상사점, 하사점, 압축 가스, 변위신장부

Description

가변 지름 간극을 구비한 피스톤과 실린더 조립체, 및 가변 지름 간극을 구비한 피스톤과 실린더 조립체에 사용하기 위한 실린더 {A PISTON-AND-CYLINDER ASSEMBLY WITH A VARIABLE DIAMETRAL CLEARANCE, AND A CYLINDER FOR USE IN A PISTON-AND-CYLINDER ASSEMBLY WITH A VARIABLE DIAMETRAL CLEARANCE}

본 발명은 피스톤과 실린더 조립체는 물론 압축 실린더에 관한 것으로서, 특히 예를 들어 냉장고, 에어컨 시스템 등을 포함할 수 있는 냉각 시스템에서 사용되는 왕복운동(alternating) 압축기에 적용할 수 있는 것에 관한 것이다. 본 발명의 개시내용은 예컨대 선형 압축기 및 내연 엔진 등의 왕복운동 실린더를 사용하는 모터에 일반적으로 적용할 수도 있다.

본 출원은 2005년 7월 22일자로 제출된 브라질 특허 케이스 제PI0503019-6호의 우선권을 주장하는바, 위 특허 케이스는 본 명세서에 참고문헌으로서 합체된다.

종래기술에서 알려진 것처럼 그리고 도1에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각에 사용되는 왕복운동 피스톤 압축기(1)에 있어서, 냉각 가스의 압축은 각각 하사점과 상사점으로 불리는, 구동기구에 의해 제공된 최소 및 최대 변위 사이에서 (크기가 다양한 압축 챔버(C)를 구성하는) 실린더(11) 내의 피스톤(10)의 왕복운동을 통해 달성된다. 압축 챔버는 그 일단부에서 개방되고 상기 밸브 플레이트(5)에 의해 타단부에서 닫힌다. 피스톤(10)의 운동이 적절한 방식으로 일어나도록 하기 위하여 피스톤과 압축 챔버의 직경들 사이에 차이가 있어야 한다. 현재 알려진 압축기(1)에 있어서, 피스톤의 직경과 압축 챔버의 직경은 일정하게 유지되는데, 상수 또는 일정하게 변하는 직경의 간극(F)으로 특징지워진다.

압축기가 작동하는 동안, 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 간극은 윤활유로 채워져 유지되어, 피스톤(10)에 베어링 지지를 제공하므로 피스톤(10) 및/또는 압축 챔버의 마모를 가져오는 압축 챔버의 벽과의 접촉이 방지된다. 이는 오일에 의해 그리고 압축 챔버에 대한 피스톤의 상대 운동에 의하여 제공되는 점성 마찰을 극복하기 위한 기계적 에너지의 소실에 기인한 것이다.

피스톤(10)이 하사점으로부터 상사점으로 이동하면, 압축 챔버 내부에 존재하는 가스는 압축되고 압축기 하우징에 존재하는 가스 압력에 대하여 압력이 증가한다. 이는 압축될 가스의 일부분을 하우징으로 방출하는 경향이 있는 압력차이를 형성하고, 그리 되면 가스가 직경의 간극(F)을 통해 새어 나간다. 이 현상은 압축기의 체적 손실 (또는 냉각 능력의 손실)로 특징지워지는데, 압축 일이 새어나가는 것을 통해 손실된 가스에 행해졌기 때문이다. 이 손실은 압축기의 에너지 효율을 직접 감소시킨다.

피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 간극을 통한 기계적 에너지의 소실과 가스의 누출은 이 간극의 값에 의해 강하게 영향을 받게 되어, 그 값이 작을수록 기계적 에너지의 소실이 커지고 가스의 누출이 적어진다. 한편, 그 값이 커질수록 기계적 에너지의 소실이 적어지고 가스의 누출이 커진다. 이런 이유로, 고효율의 압축기들은, 압축기의 에너지 효율이 최대가 되도록 가스의 누출과 기계적 에너지의 소실이 최적이 될 것으로 생각되는 간극 값을 얻고자 한다.

피스톤과 압축 챔버 사이의 직경의 간극(F)에 추가하여, 다음의 인자들이 기 계적 에너지의 소실과 가스의 누출에 영향을 미친다.

ⅰ) 피스톤(10)의 직경

ⅱ) 압축 챔버와 피스톤(10)의 길이

ⅲ) 피스톤(10)이 이동한 거리

ⅳ) 구동축의 회전속도

ⅴ) 구동 기구의 구조

ⅵ) 사용된 냉각 가스의 타입

ⅶ) 윤활유의 타입, 및

ⅷ) 압축기의 동작 조건 (압력 및 온도)

압축기는 체적 손실이 최대일 때의 순간을 가진다. 이는 도2에서 관찰될 수 있는데, 도2는 하사점(LDP)과 상사점(UDP) 사이에서 움직이는 피스톤의 위치를 나타낸다.

도시된 것처럼, 하사점에서 상사점으로의 변위 사이에서, 크랭크 각도가 0°와 125°사이의 체적 손실은 무시할만 하다. 같은 일이 반대방향에서 일어나는데, 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하면 체적 손실은 210°에서 360°까지 무시할만 하고 크랭크의 새로운 회전 사이클이 시작된다. 그러나 125°와 210°의 각도 (또는 누설 영역(LeaR)) 사이에서는 체적 손실이 상당히 증가하고 그래서 이와 같이 피스톤(10)이 신장되어 있을 때의 낮은 효율을 방지하기 위하여 필요한 대책을 취하여야 한다.

이 문제를 해결하기 위하여 종래에 알려진 것들 중 하나가 독일특허문헌 DE 236148에 기술되어 있는데, 여기에는 가변 직경 간극을 갖는 피스톤과 실린더 조립 체의 사용이 개시되어 있다. 이 문헌은, 피스톤 행정의 절반은 일정한 직경의 간극을 갖고 피스톤 행정의 다른 절반은 하사점까지 일정하게 감소하는 직경의 간극을 갖는 실린더를 개시한다. 누출영역(LeaR)에서의 가스 누출의 문제점을 개선시킴에도 불구하고 피스톤의 상부가 특별히 형성되어야 할 필요가 있는데, 그래서 상사점(UDP)에 가깝게는 직경의 간극이 지나치게 감소하지 않아서 마찰이 커지고 이에 따라 압축기의 효율 손실은 물론 피스톤의 피로가 발생한다. 이런 방식으로 상기 문헌에 기술된 해결책이 누출영역(LeaR)에서의 가스 손실을 줄여줌에도 불구하고 피스톤은 차별화된 특성을 가지고 제조될 필요가 있어서 피스톤과 실린더 조립체의 제조원가를 상승시킨다.

다른 종래의 해결책은 특허문헌 WO 94/24436에 알려져 있다. 이 문헌은 꼭대기를 잘라낸 원뿔 형상으로 형성된 원통 프로파일을 개시하는데, 상사점(UDP)에서의 실린더 직경은 하사점(LDP)에서의 실린더(11) 직경보다 작아서 직경의 간극은 압축 챔버 내부의 압력 상승을 가져온다. 이 해결책은 실린더의 더 정밀한 밀봉 가능성을 가져옴에도 불구하고 높은 효율을 보여주지 않는데, 이는 상사점에 더 가까운 영역에서만 압축챔버 내의 압력이 상당히 상승하기 때문이다.

압축기(또는 유사한 장치)의 체적 손실(또는 냉각 능력 손실)의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, 압축되는 가스가 피스톤(10) 상부에 상당한 힘을 가하지 않는 상태에서 마찰이 가능한 작아지도록 그리고 체적 손실이 압축기의 효율을 저해하는 순간인, 압축될 가스가 피스톤(10)에 더 큰 힘을 가하는 상태 동안만 마찰이 상당한 효과를 가지도록 압축 챔버의 실린더(11)를 형성한다.

따라서, 본 발명은 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 간극을 통한 가스의 누출이 압축 챔버와 하우징(미도시) 내부의 가스압 차이의 함수라는 사실에 기초한다. 압축 챔버 내부의 커다란 압력 증가는 피스톤이 상사점에 거의 근접할 때만 일어나기 때문에, 가스의 누출은 최종 압축 순간에만 발생한다. 따라서, 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 직경의 간극은 피스톤이 상사점에 가까워질 때만 작아져야 한다는 결론에 이른다. 이런 식으로, 직경의 간극이 압축 챔버와 하우징 내부의 압력 사이의 차이가 상당한 영역에서 감소된다는 사실에 의해 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 간극을 통한 가스의 누출이 작게 유지될 것이고, 압축 챔버의 길이의 대부분에서 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 직경의 간극이 커지고 그에 따라 마찰이 작아질 것이므로 기계적 에너지의 소실이 적게 될 것이다.

본 발명의 목적들은, 피스톤이 실린더 내부에 변위가능하게 위치되고, 실린더는 압축 챔버를 가지고, 피스톤은 상사점과 하사점 사이에서 이동하고, 직경의 간극이 피스톤의 미끄럼 면과 실린더 안내면을 분리시키고, 실린더 안내면은 직경의 간극이 하사점에서 상사점으로의 피스톤의 변위를 따라서 변동할 수 있도록 형성된, 피스톤과 실린더 조립체에 의해 달성된다. 상기 목적들은 피스톤의 변위를 따른 직경 간극의 변동이 비선형인 사실에 의해 역시 달성되는데, 일 실시예에서 실린더 미끄럼 면은 원통 프로파일에서의 제1 변위신장부와 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부를 가지고, 제1 변위신장부는 상사점에 근접하여 위치되며, 다른 실시예에서 실린더는 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제1 변위신장부와 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부를 가지고, 제1 변위신장부는 상사점에 근접하여 위치되고, 상사점에서의 실린더의 직경은 하사점에서의 실린더의 직경보다 더 작고, 제1 변위신장부에서의 하사점을 향한 실린더 직경과 상사점 쪽을 향한 실린더 직경의 관계가 제2 변위신장부에서의 하사점쪽을 향한 실린더 직경과 상사점 쪽을 향한 실린더 직경의 관계와 다르다.

그리고, 본 발명의 목적들은, 행정의 끝에 근접하여 더 작고 변동가능한 직경을 구비한 프로파일을 가지며, 상기 직경의 변동은 비선형인, 피스톤과 실린더 조립체에 사용하기 위한 실린더에 의해 달성된다. 이 실린더는 원통 프로파일에서의 제1 변위신장부와 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부를 가지고, 또는 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제1 변위신장부와 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부를 가지며, 제2 변위신장부의 각도는 제1 변위신장부의 각도보다 더 열려있다.
압축될 가스가 피스톤에 가하는 힘에 비례하는 이 직경 변동을 가지는 가능성 내에서, 체적 손실을 방지하는, 피스톤이 상사점에서 최대에 접근하는 상태에서 원통형 프로파일과 그리고 (가스가 피스톤에 낮은 압력을 가하는 상태 동안) 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 신장부(stretch)의 조합과; 직경의 간극을 줄이고 따라서 체적 손실을 방지하는 2개의 원뿔 프로파일의 조합, 더 닫힌 각도를 갖는 상사점에 가장 가까운 원뿔; 또는 원통 프로파일이 비선형이고 가스가 피스톤에 가하는 압력에 역비례하는 방식으로 직경 간극이 줄어들도록 형성된 것도 기대할 수 있다.

이하의 도면을 참조하여 본 발명이 상세히 설명된다.

도1은 종래 기술에 따른 왕복 압축기의 압축 챔버를 나타내는 개략도이다.

도2는 크랭크 각도의 함수로 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 간극을 통해 피스톤의 위치와 가스 누출 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도3은 본 발명에 따른 2개의 꼭대기를 자른 원뿔 형상의 압축 챔버를 나타내는 개략도이다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2개의 꼭대기를 자른 원뿔 형상으로 원 톤부분을 갖는 압축 챔버의 개략도로서, 상사점(UDP)에 근접한 부분은 원통형이다.

도3과 도4에 도시된 바와 같이, 피스톤과 실린더 조립체는 피스톤(10)이 실린더(11) 내부에 변위가능하게 위치되는 방식으로 배열되어 있다. 실린더(11)는 압축 챔버(C)를 가진다. 압축 챔버(C)는 피스톤(10)이 상사점(UDP)으로 변위되었을 때의 최소 체적과 피스톤이 하사점(LDP)에 있을 때의 최대 체적 사이에서 변화한다. 직경의 간극(F)은 피스톤 미끄럼 면(9)(피스톤(10)의 바깥면)과 실린더 안내면(12)(실린더(11)의 안쪽면)을 분리시킨다.

본 발명의 목적들을 달성하기 위하여 실린더(11)의 미끄럼 면(9)은 직경의 간극(F)이 상사점(UDP)과 하사점(LDP) 사이에서 피스톤(10)의 변위를 따라서 변하는 방식으로 형성되고, 이 변화는 선형 또는 비선형일 수 있다.

본 발명의 실시예들중 하나가 도4에 도시되는데, 직경의 간극(F)을 도2에 도시된 체적 손실의 양태에 근접시키는 것을 목표로 한다. 본 실시예에 따르면, 압축 챔버는 실린더(10)의 미끄럼 면(9)이 원통 프로파일에서의 제1 변위신장부(LR)와 꼭대기를 잘라낸 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부(LC)를 갖는 방식으로 형성될 것인데, 제1 변위신장부(LR)는 상사점(UDP)에 근접하여 위치된다. 도4에 도시된 것처럼, 꼭대기를 잘라낸 원뿔 프로파일의 직경은 상사점(UDP)에 근접하여 최소이고, 더 상세하게는 원통 프로파일에서의 변위신장부(LR)의 시작점에서 최소이고 하사점(LDP)에서 최대이다.

따라서, 피스톤과 압축 챔버 사이에 존재하는 직경의 간극(F)이 최소이며 일 정한 상사점(UDP)에 가까운 영역과, 간극이 피스톤(10)의 각 위치에서 변할 수 있고 하사점(LDP)에서 최대인 영역이 존재할 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도3에 도시된 바와 같이, 실린더(11)는 꼭대기를 잘라낸 원뿔 프로파일에서의 제1 변위신장부(LR)와 역시 꼭대기를 잘라낸 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부(LC)를 가지도록 형성될 수 있는데, 여기서 제1 변위신장부(LR)가 상사점(UDP)에 가깝게 위치된다. 본 실시예에서 상사점(UDP)에서의 실린더(11)의 직경은 하사점(LDP)에서의 실린더(11)의 직경보다 크다. 바람직하게는 제2 변위신장부(LC)의 꼭대기를 잘라낸 원뿔의 각도는 제1 변위신장부(LR)의 각도보다 더 열려있어서, 제1 변위신장부(LR)에서의 하사점(LDP)과 상사점(UDP)에서의 실린더(11)의 직경 사이의 관계가 제2 변위신장부(LC)에서의 하사점(LDP)과 상사점(UDP)에서의 실린더(11)의 직경 사이의 관계와 다른 결과를 가져온다.

달리 말하면, 제1 변위신장부(LR)에서의 하사점(LDP) 쪽을 향하는 실린더의 직경과 상사점(UDP)에서의 실린더(11)의 직경 사이의 관계는 제2 변위신장부(LC)에서의 하사점(LDP)에서의 실린더의 직경과 상사점(UDP) 쪽을 향하는 실린더(11)의 직경 사이의 관계보다 크다.

실린더(11)의 프로파일이 비선형이고 가스에 의해 피스톤에 가해지는 압력에 역비례하는 방식으로 직경의 간극을 감소시키도록 형성되어 있는 경우가 도면에는 도시되어 있지 않지만 도2에 도시된 것처럼 가스 압력/가스 누출의 양태에 따라 조정되는 미끄럼 면을 가져야 한다. 본 발명의 개시내용이 적용될 피스톤과 실린더 조립체의 각 특별한 해결책을 위한 필요한 개조가 이루어져야 한다.

기술한 모든 실시예의 경우 압력 챔버(C)내의 가스의 태양을 따라 가도록 직경의 간극이 조정되어 본 발명의 목적, 즉 최소의 변위 저항을 제공하고 동시에 압축된 가스의 누출을 방지하는 것이 달성가능하고 따라서 종래 기술의 단점이 극복된다.

이상으로 바람직한 실시예를 기술하였는바, 본 발명의 범위는 다른 가능한 변수들을 포섭하는 것으로서 첨부된 청구항들의 내용에만 한정되는 것은 아니고 가능한 균등물을 포함한다.

Claims

피스톤과 실린더 조립체로서,

피스톤(10)은 실린더(11) 내부에 변위가능하게 위치되고,

실린더(11)는 압축 챔버(C)를 가지고,

피스톤(10)은 상사점(UDP)과 하사점(LDP) 사이에서 이동하고,

직경의 간극(F)이 피스톤(10) 미끄럼 면(9)과 실린더(11) 안내면(12)을 분리시키고,

상기 실린더(11) 안내면(12)은 직경 간극(F)이 피스톤(10) 조립체의 변위를 따라서 변하도록 형성된 피스톤과 실린더 조립체에 있어서,

상기 직경의 간극(F)이 하사점(LDP)으로부터 상사점(UDP)까지 변하고,

상기 실린더(11) 미끄럼 면(9)은 상사점(UDP)에 근접하여 위치된 제1 변위신장부(LR)와 제2 변위신장부(LC)를 갖추고, 상기 제1 변위신장부(LR)는 원통 프로파일을 가지고 상기 제2 변위신장부(LC)는 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일을 가지며, 꼭대기가 잘린 원뿔의 직경은 상사점(LDP)에 더 가까운 직경보다 하사점(LDP)에 더 가깝고 더 큰 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조립체.
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제1항에 있어서, 상기 원통 프로파일에서의 제1 변위신장부(LR)의 직경의 간극(F)은 최소인 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조립체.
제1항에 있어서, 상기 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일의 직경은 상사점(UDP)에 근접하여 최소이고 하사점(LDP)에서 최대인 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조립체.
제1항에 있어서, 상기 실린더(11)는 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제1 변위신장부(LR)와 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부(LC)를 가지고, 제1 변위신장부(LR)는 상사점(UDP)에 근접하여 위치되고,

상사점(UDP)에서의 실린더(11)의 직경은 하사점(LDP)에서의 실린더(11)의 직경보다 더 크고,

제1 변위신장부(LR)에서의 하사점(LDP) 쪽에서의 실린더 직경과 상사점(UDP) 쪽의 실린더(11) 직경 사이의 관계가 제2 변위신장부(LC)에서의 하사점(LDP)쪽에서의 실린더 직경과 상사점(UDP) 쪽의 실린더(11) 직경 사이의 관계와 다른 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조립체.
제6항에 있어서, 제1 변위신장부(LR)에서의 하사점(LDP) 쪽과 상사점(UDP) 쪽에서의 실린더 직경 사이의 관계가 제2 변위신장부(LC)에서의 하사점(LDP)쪽과 상사점(UDP) 쪽에서의 실린더(11) 직경 사이의 관계보다 큰 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조립체.
제1항에 있어서, 직경의 간극(F)은 압축 챔버(C)에서 압축될 가스가 피스톤(10)에 가하는 힘에 비례하는 것을 특징으로 하는 피스톤과 실린더 조립체.
행정의 끝에서 더 작고 변동가능한 직경을 구비한 프로파일을 가지며, 상기 직경의 변동은 비선형인 피스톤과 실린더 조립체에 사용하기 위한 실린더로서, 제1 변위신장부(LR)와 제2 변위신장부(LC)를 가지며, 제2 변위신장부(LC)는 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 실린더.
제9항에 있어서, 원통 프로파일에서의 제1 변위신장부(LR)를 가지는 것을 특징으로 하는 실린더.
제9항에 있어서, 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제1 변위신장부(LR)와 꼭대기가 잘린 원뿔 프로파일에서의 제2 변위신장부(LC)를 가지고, 제2 변위신장부(LC)의 각도는 제1 변위신장부(LR)의 각도보다 더 열려있는 것을 특징으로 하는 실린더.