KR101409874B1 - 로터리 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터리 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 베인과 롤링피스톤의 사이가 면접촉을 하게 됨에 따라 실링면적이 증가하게 되고, 이로 인해 압축되는 냉매의 누설을 줄여 압축기의 성능이 향상될 수 있다. 또, 상기 베인과 롤링피스톤의 결합부위에 마찰계수가 낮은 재질의 윤활부재가 개재되는 경우에는 상기 롤링피스톤과 베인 사이의 마찰손실이 낮아지면서 압축기에 투입되는 입력이 감소되어 압축기 성능이 향상될 수 있다.

롤링피스톤, 베인, 실링, 마찰

Description

로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR}

본 발명은 로터리 압축기에 관한 것으로, 특히 베인이 롤링피스톤에 일체로 결합될 때 그 베인과 롤링피스톤 사이의 마모를 줄일 수 있도록 한 로터리 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 냉매 압축기는 냉장고나 에어콘과 같은 증기압축식 냉동사이클(이하, 냉동사이클로 약칭함)에 적용되고 있다. 상기 냉매 압축기는 일정한 속도로 구동되는 등속형 압축기 또는 회전 속도가 제어되는 인버터형 압축기가 소개되고 있다.

상기 냉매 압축기는 통상 전동기인 구동모터와 그 구동모터에 의해 작동되는 압축부가 밀폐된 케이싱의 내부공간에 함께 설치되는 경우를 밀폐형 압축기라고 하고, 상기 구동모터가 케이싱의 외부에 별도로 설치되는 경우를 개방형 압축기라고 할 수 있다. 가정용 또는 업소용 냉동기기는 대부분 밀폐형 압축기가 사용되고 있다. 그리고 상기 냉매 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 스크롤식, 로터리식 등으로 구분될 수 있다.

상기 로터리 압축기는 실린더의 압축공간에서 편심 회전운동을 하는 롤링피 스톤과 그 롤링피스톤의 외주면에 접하여 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구획하는 베인을 이용하여 냉매를 압축하는 방식이다. 근래에는 롤링피스톤과 베인 사이로 냉매가 누설되는 것을 차단하고자 상기 베인이 롤링피스톤에 삽입되어 일체로 결합되는 구조가 소개되고 있다. 이는 R410A와 같은 고압냉매가 적용되는 경우 흡입실과 토출실을 구분하는 베인의 실링력이 압축기 성능에 중요한 요소로 작용할 수 있어 상기 롤링피스톤에 베인을 일체로 결합시키려는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.

도 1과 도 2는 각각 베인이 롤링피스톤에 조립되는 예들을 보인 평면도이다.

도 1은 롤링피스톤(1)의 외주면 일측에 실링홈(1a)이 축방향으로 길게 형성되고, 상기 베인(2)의 접촉단에는 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)에 회전 가능하게 삽입되도록 실링돌부(2a)가 형성되어 있다. 도 2는 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)과 상기 베인(2)의 실링돌부(2a) 사이로 윤활유가 유입되도록 상기 베인(2)의 실링돌부(2a)에 급유홈(2b)이 형성되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 로터리 압축기에 있어서는, 상기 베인(2)의 실링돌부(2a)가 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)에 회전 가능하게 조립됨에 따라 상기 롤링피스톤(1)이 선회운동을 할 때 그 롤링피스톤(1)에 결합된 상기 베인(2)은 실린더(3)에 구비된 베인슬롯(a)에서 왕복운동을 하게 된다. 이때, 상기 베인(2)은 상기 실린더(3)에 대해 왕복운동을 하는 동시에 상기 롤링피스톤(1)에 대해 소정의 각도만큼 회전운동을 하게 되고, 이 회전운동에 의해 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)과 베인(2)의 실링돌부(2a) 사이에 미끄럼이 발생되어 마찰손실이나 마모가 발생할 수 있었다.

또, 상기 롤링피스톤(1)에 베인(2)이 삽입되어 조립되도록 한 것은 그 롤링피스톤(1)과 베인(2) 사이의 접촉부위로 냉매가 누설되지 않도록 하는 것이었으므로 상기 롤링피스톤(1)의 실링홈(1a)과 상기 베인(2)의 실링돌부(2a) 사이에는 간극이 최소화될 수 있도록 공차가 수㎛단위로 정밀하게 가공되어야 한다. 하지만, 상기 실링홈(1a)과 실링돌부(2a)를 정밀하게 가공하기 위하여는 그만큼 가공작업이 복잡하고 불량율이 증가할 우려가 있어 결국 제조비용이 상승하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 로터리 압축기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 롤링피스톤과 베인 사이로 냉매가 누설되는 것을 효과적으로 차단하는 동시에 가공이 용이하여 제조비용을 절감할 수 있는 로터리 압축기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 구동모터의 크랭크축에 결합되어 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하고 그 외주면에 축방향으로 실링홈이 형성되는 롤링피스톤; 상기 롤링피스톤의 실링홈에 회전 가능하게 결합되고 그 롤링피스톤과 함께 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하는 베인; 및 상기 롤링피스톤과 상기 베인의 사이에 조립되는 윤활부재;를 포함한 로터리 압축기가 제공된다.

본 발명에 의한 로터리 압축기는, 상기 베인과 롤링피스톤의 사이가 면접촉을 하게 됨에 따라 실링면적이 증가하게 되고, 이로 인해 압축되는 냉매의 누설을 줄여 압축기의 성능이 향상될 수 있다. 또, 상기 베인과 롤링피스톤의 결합부위에 마찰계수가 낮은 재질의 윤활부재가 개재되는 경우에는 상기 롤링피스톤과 베인 사이의 마찰손실이 낮아지면서 압축기에 투입되는 입력이 감소되어 압축기 성능이 향상될 수 있다.

본 발명의 로터리 압축기를 첨부도면에 도시된 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 로터리 압축기는, 밀폐용기(100)의 내부공간에 상기 전동부(200)와 압축부(300)가 함께 설치된다.

상기 전동부(200)는 코일이 권선되어 밀폐용기(100)에 고정 설치되는 고정자(210)와, 상기 고정자(210)의 안쪽에 회전 가능하게 설치되는 회전자(220)와, 상기 회전자(220)에 압입되어 함께 회전하는 크랭크축(230)으로 이루어진다.

상기 압축부(300)는 환형으로 형성되는 실린더(310)와, 상기 실린더(310)의 상측을 복개하는 상부베어링(320)와, 상기 실린더(310)의 하측을 복개하는 하부베어링(330)과, 상기 크랭크축(230)의 편심부에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(310)의 압축공간에 배치되는 롤링피스톤(340)과, 상기 롤링피스톤(340)에 회전 가능하게 결합되어 상기 실린더(310)에 구비되는 베인슬롯(311)에서 직선으로 왕복운동을 할 수 있도록 결합되는 베인(350)과, 상기 롤링피스톤(340)과 베인(350) 사이에 개재되어 마찰손실을 줄이는 윤활부재(360)를 포함한다.

상기 롤링피스톤(340)은 도 4에서와 같이, 환형으로 형성되어 상기 크랭크축(230)의 편심부에 회전 가능하게 결합되고, 상기 롤링피스톤(340)의 외주면 일측, 즉 상기 베인(350)과 접하는 부위에는 그 베인(350)의 일부가 삽입될 수 있도록 실링홈(341)이 축방향으로 길게 형성된다. 상기 실링홈(341)은 평면투영시 반원(half circle)단면보다 크게 형성되는 것이 후술할 실링돌부(352)를 반경방향으로 지지할 수 있어 바람직하다.

그리고 상기 실링홈(341)은 도 5에서와 같이, 상기 롤링피스톤(340)의 외주면 안쪽에 형성되고, 그 실링홈(341)의 바깥쪽에 상기 베인(350)이 회전할 수 있도록 부채꼴 모양의 회전안내홈(342)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 상기 회전안내홈(342)의 회전중심은 상기 실링홈(341)의 회전중심과 일치하도록 형성될 수 있다. 그리고 이 경우, 상기 실링홈(341)은 그 원호각이 후술할 실링돌부(332)의 원호각과 대략 동일하거나 크지 않게 형성될 수 있다.

한편, 상기 실링홈(341)은 도 6에서와 같이 그 외주면에 직접 접하도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 실링홈(341)은 그 원호각이 후술할 실링돌부(352)의 원호각보다 작게 형성되어야 상기 베인(350)의 회전동작이 원활하게 진행될 수 있다.

상기 베인(350)은 육면체 모양으로 형성되는 본체부(351)와, 그 본체부(351)의 선단에 연장 형성되고 평면투영시 거의 원형으로 형성되는 실링돌부(352)로 이루어진다. 상기 본체부(251)는 그 두께가 상기 실링돌부(352)의 직경과 대략 동일한 정도로 형성된다.

상기 윤활부재(360)는 도 4에서와 같이 씨(C)자 모양의 스냅링으로 형성되고, 그 재질은 상기 롤링피스톤(340)이나 베인(350)보다 마찰계수가 낮은 테프론이나 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 윤활부재가 알루미늄인 경우에는 알루미늄(Al)이 85~92w%, 주석(Sn)이 5~7.5w%, 규소(Si)가 5~6.5w%, 구리(Cu)가 0.8~1.5w% 의 비율로 이루어진 알루미늄 재질이 활용될 수 있다.

그리고 상기 윤활부재(360)는 탄력을 가지도록 형성되어 상기 롤링피스 톤(340)의 실링홈(341)에 오무렸다 펴지면서 압착되도록 할 수도 있고, 반대로 상기 베인(350)의 실링돌부(352)에 펴졌다가 오므라들면서 압착되도록 할 수도 있다.

도면중 미설명 부호인 110은 흡입관, 120은 토출관, 130은 어큐뮬레이터, V1은 토출영역, V2는 흡입영역이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 로터리 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 전동부(200)의 고정자(210)에 전원이 인가되어 상기 회전자(220)가 회전하면, 상기 크랭크축(230)이 상기 회전자(220)와 함께 회전하면서 상기 전동부(200)의 회전력을 상기 압축부(300)의 롤링피스톤(340)에 전달하게 된다. 상기 롤링피스톤(340)이 상기 크랭크축(230)에 의해 선회운동을 하면서 냉매가 흡입영역에서 토출영역으로 이동하게 되는 동시에 상기 베인(350)에 막혀 냉매는 압축되었다가 상기 상부베어링(320)의 토출구(미도시)를 통해 상기 밀폐용기(100)의 내부공간으로 토출된다.

여기서, 상기 베인(350)의 실링돌부(352)가 상기 롤링피스톤(340)의 실링홈(341)에 삽입되어 결합됨에 따라 상기 롤링피스톤(340)이 선회운동을 따라 상기 베인(350)이 소정의 각도내에서 각운동을 하면서 상기 실린더(310)의 베인슬롯(311)에서 왕복운동을 하게 된다.

이때, 상기 베인(350)의 실링돌부(352)와 롤링피스톤(340)의 실링홈(341)의 사이가 윤활부재(360)를 사이에 두고 대략 면접촉을 하게 됨에 따라 실링면적이 증가하게 되고, 이로 인해 상기 토출영역(V1)에서 압축되는 고압의 냉매가 흡입영역(V2)으로 누설되는 것을 최소한으로 줄일 수 있다. 특히 R410a와 같은 고압냉매 가 적용되는 경우에도 냉매가 토출영역(V1)에서 흡입영역(V2)으로 누설되는 것을 효과적으로 차단할 수 있어 압축기의 성능이 향상될 수 있다. 아울러 상기 실링돌부(352)와 실링홈(341) 사이에 마찰계수가 낮은 재질로 형성됨에 따라 상기 롤링피스톤(340)과 베인(350) 사이의 마찰손실을 줄일 수 있어 그만큼 압축기에 투입되는 입력을 줄일 수 있어 압축기 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 7은 압축기의 운전시간을 달리하여 종래와 비교한 그래프이다. 이에 따르면, 동일한 하중, 즉 동일한 운전시간을 가했을 때 본 발명의 온도와 마찰계수가 도 1에 도시된 종래기술에 보다 덜 상승하는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 8은 고압냉매인 R410A를 적용한 경우, 마모율과 마찰계수를 실험한 결과표이다. 이에 따르면, 고압냉매를 적용한 경우에도 본 발명이 도 1에 따른 종래기술에 비해 마모율과 마찰계수가 낮아지는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 로터리 압축기는 종래의 로터리 압축기에 비해 그 가공작업이 용이하게 될 수 있다. 즉, 전술한 실시예에서는 상기 롤링피스톤과 베인을 일체로 조립하기 위하여는 그 롤링피스톤의 실링홈과 상기 베인의 실링돌부를 수㎛ 단위로 정밀하게 가공하여야 하는 것이었으나, 본 실시예와 같이 상기 실링홈과 실링돌부 사이에 별도의 윤활부재를 삽입함에 따라 상기 실링홈과 실링돌부에 대한 허용오차가 종래에 비해 훨씬 낮아지게 되고 이로 인해 상기 롤링피스톤과 베인에 대한 가공작업이 간소화됨에 따라 압축기에 대한 제조비용을 절감할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 롤링피스톤과 베인의 결합구조를 보인 평면도,

도 3은 본 발명 로터리 압축기를 보인 종단면도,

도 4는 도 3에 따른 로터리 압축기에서 롤링피스톤과 베인을 분해하여 보인 사시도,

도 5 및 도 6은 도 3에 따른 로터리 압축기에서 롤링피스톤과 베인의 조립 상태를 실시예별로 보인 평면도,

도 7은 압축기의 운전시간을 달리하여 종래와 비교한 그래프,

도 8은 고압냉매인 R410A를 적용한 경우, 마모율과 마찰계수를 실험한 결과표.

** 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 **

310 : 실린더 311 : 베인슬롯

340 : 롤링피스톤 341 : 실링홈

342 : 회전안내홈 350 ; 베인

351 : 본체부부 352 : 실링돌부

360 : 윤활부재

Claims (14)

1. 구동모터의 크랭크축에 결합되어 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하고 그 외주면에 축방향으로 실링홈이 형성되는 롤링피스톤;

   상기 롤링피스톤의 실링홈에 회전 가능하게 결합되고 그 롤링피스톤과 함께 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하는 베인; 및

   상기 롤링피스톤과 상기 베인의 사이에 조립되는 윤활부재;를 포함하고,

   상기 베인은 그 선단측에 적어도 반원(half circle) 보다 큰 단면을 가지는 실링돌부가 형성되어 상기 윤활부재에 삽입되며,

   상기 실링홈의 개구측에는 상기 베인의 회전운동이 가능하도록 회전안내홈이 확장 형성되는 로터리 압축기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 윤활부재는 상기 롤링피스톤 또는 베인 중에서 적어도 어느 한 쪽과는 다른 재질로 형성되는 로터리 압축기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 윤활부재는 스냅링 모양으로 형성되는 로터리 압축기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 윤활부재는 상기 실링홈의 내주면에 고정되어 그 내주면이 베어링면을 형성하는 로터리 압축기.
9. 제1항에 있어서,

   상기 윤활부재는 상기 베인의 외주면에 고정되어 그 외주면이 베어링면을 형성하는 로터리 압축기.
10. 제1항 및 제2항 및 제7항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 윤활부재는 그 마찰계수가 상기 롤링피스톤이나 베인 보다는 낮은 재질로 형성되는 로터리 압축기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 윤활부재는 테프론 재질로 형성되는 로터리 압축기.
12. 구동모터의 크랭크축에 결합되어 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하고 그 외주면에 축방향으로 실링홈이 형성되는 롤링피스톤;

    상기 롤링피스톤의 실링홈에 회전 가능하게 결합되고 그 롤링피스톤과 함께 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하는 베인; 및

    상기 롤링피스톤과 상기 베인의 사이에 조립되는 윤활부재;를 포함하고,

    상기 베인은 그 선단측에 적어도 반원(half circle) 보다 큰 단면을 가지는 실링돌부가 형성되어 상기 윤활부재에 삽입되며,

    상기 윤활부재는 알루미늄(Al), 주석(Sn), 규소(Si), 구리(Cu)로 이루어진 로터리 압축기.
13. 제12항에 있어서,

    상기 윤활부재는 알루미늄(Al)이 85~92w%, 주석(Sn)이 5~7.5w%, 규소(Si)가 5~6.5w%, 구리(Cu)가 0.8~1.5w% 인 로터리 압축기.
14. 구동모터의 크랭크축에 결합되어 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하고 그 외주면에 축방향으로 실링홈이 형성되는 롤링피스톤;

    상기 롤링피스톤의 실링홈에 회전 가능하게 결합되고 그 롤링피스톤과 함께 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구분하는 베인; 및

    상기 롤링피스톤과 상기 베인의 사이에 조립되는 윤활부재;를 포함하고,

    상기 베인은 그 선단측에 적어도 반원(half circle) 보다 큰 단면을 가지는 실링돌부가 형성되어 상기 윤활부재에 삽입되며,

    상기 윤활부재는 알루미늄(Al)을 포함하여 형성되는 로터리 압축기.

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