KR101409876B1

KR101409876B1 - 용량가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기 및 그 운전 방법

Info

Publication number: KR101409876B1
Application number: KR20080082506A
Authority: KR
Inventors: 변상명; 김상모
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2014-06-20
Also published as: EP2318716A4; CN102105694A; EP2318716A1; US20110138848A1; WO2010021491A1; US9017048B2; EP2318716B1; CN102105694B; KR20100023632A

Abstract

본 발명은 용량 가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기는, 제2 베인의 후방측에 공급될 토출압이 기준압력 이상으로 도달한 후에 공급하여 압축기의 운전모드가 세이빙운전에서 파워운전으로 전환되도록 함으로써, 상기 제2 베인이 떨림없이 신속하고 정확하게 움직이면서 제2 롤링피스톤에 압접되도록 할 수 있고 이를 통해 상기 압축기 또는 그 압축기가 적용된 냉동기기가 파워운전을 할 때 상기 압축기에 구비된 제2 베인의 떨림으로 인한 소음이나 효율저하를 미연에 방지할 수 있다.

용량 가변, 로터리 압축기, 베인챔버, 모드전환

Description

용량가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기 및 그 운전 방법{VARIABLE CAPACITY TYPE ROTARY COMPRESSOR AND REFRIGERATOR HAVING THE SAME AND METHOD FOR DRIVING THEREOF}

본 발명은 파워운전과 세이빙운전을 선택할 수 있는 용량가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기에 관한 것이다.

일반적으로 냉동기기는 압축기, 응축기, 팽창기 그리고 증발기로 구성되는 냉매압축식 냉동사이클을 적용하여 냉매의 상변화를 통해 발생되는 냉기를 이용하는 기기이다. 상기와 같은 냉매압축식 냉동사이클을 이용하는 냉동기기로는 에어콘, 냉장고 등이 널리 알려져 있다.

상기 냉매압축식 냉동사이클에 적용되는 냉매 압축기(이하, 압축기로 약칭함)는 일정한 속도로 구동되는 등속형 압축기 또는 회전 속도가 제어되는 인버터형 압축기가 소개되고 있다.

상기 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 압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 왕복동식, 스크롤식, 로터리식 등으로 구분될 수 있다.

상기 로터리 압축기는 실린더의 압축공간에서 편심 회전운동을 하는 롤링피스톤과 그 롤링피스톤에 접하여 상기 실린더의 압축공간을 흡입실과 토출실로 구획하는 베인을 이용하여 냉매를 압축하는 방식이다. 근래에는 부하의 변화에 따라 압축기의 냉동용량을 가변할 수 있는 용량 가변형 로터리 압축기가 소개되고 있다. 압축기의 냉동용량을 가변하기 위한 기술로는 인버터 모터를 적용하는 기술과, 압축되는 냉매의 일부를 실린더의 외부로 바이패스시켜 압축실의 용적을 가변시키는 기술이 알려져 있다. 하지만, 인버터 모터를 적용하는 경우에는 그 인버터 모터를 구동하기 위한 드라이버의 가격이 통상 정속모터의 드라이버에 비해 10배 정도로 매우 비싸 압축기의 생산원가를 높이게 되는 반면, 냉매를 바이패스시키는 경우에는 배관시스템이 복잡하게 되어 냉매의 유동 저항이 증가됨에 따라 압축기의 효율이 저하되는 단점이 있다.

이를 감안하여, 복수 개의 실린더를 구비하고 그 복수 개의 실린더중에서 적어도 한 개의 실린더는 공회전을 할 수 있도록 하는 소위 독립 흡입식 용량 가변형 로터리 압축기(이하, 독립 흡입식 로터리 압축기로 약칭함)가 소개되고 있다. 상기 독립 흡입식 로터리 압축기는 복수 개의 실린더에 각각 롤링피스톤과 그 롤링피스톤과 함께 압축실을 형성하는 베인이 설치되고, 그 중 적어도 한 개의 베인은 가변압력을 가세하여 지지되도록 설치되고 있다. 그리고 상기 베인의 후방측에는 압력 을 가변할 수 있는 모드전환장치가 연결되어 있다.

그러나, 종래의 모드전환장치가 구비된 압축기 또는 그 압축기를 적용한 냉동기기에서는, 주변 환경 조건의 변화에 따라 강제로 상기 모드전환장치를 작동시킴에 따라 압축기의 용량 가변이 원활하게 작동되지 못하는 문제점이 있었다. 예컨대, 상기 베인의 후방측 압력이 모드전환될 수 있는 정도로 충분히 상승하지 못한 상태에서는 상기 모드전환장치를 작동시키더라도 상기 베인이 롤링피스톤에 밀착되지 못하여 일종의 베인 떨림 현상이 발생될 수 있고 이로 인해 압축기 소음이 유발되는 것은 물론 불필요한 전력소비로 인해 압축기 또는 그 압축기를 적용한 냉동기기의 에너지 효율이 저하될 수 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 용량 가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 복수 개씩의 실린더와 롤링피스톤 그리고 베인를 구비하고 적어도 한 개의 베인은 가변압력으로 지지하는 용량 가변형 로터리 압축기에서 모드전환 시점을 특정하여 베인의 거동을 안정시키고 전력소비량을 줄여 효율을 향상시킬 수 있는 용량 가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 흡입관과 토출관이 구비되는 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 설치되는 적어도 한 개의 실린더; 상기 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하면서 냉매를 압축하는 적어도 한 개의 롤링피스톤; 상기 롤링피스톤과 함께 실린더의 압축공간을 흡입공간과 토출공간으로 분리하는 적어도 한 개의 베인; 상기 베인들 중에서 적어도 한 개는 가변압력에 의해 지지되도록 그 베인에 가변압력을 제공하는 모드전환유닛; 및 상기 실린더에서 토출되는 토출압과 그 실린더로 흡입되는 흡입압과의 차압이 미리 설정된 기준압력에 도달하면 상기 모드전환유닛이 운전모드를 전환하도록 제어하는 제어유닛;을 포함한 용량 가변형 로터리 압축기가 제공된다.

또, 파워운전모드와 세이빙운전모드로 전환할 수 있는 용량 가변형 로터리 압축기의 운전 방법에 있어서, 상기 파워운전모드로 전환하기 전에 토출압과 흡입 압의 차압을 검출하고, 그 검출된 값이 기준값보다 작지 않은 경우에 파워운전모드로 전환되도록 하는 용량 가변형 로터리 압축기의 운전 방법이 제공된다.

또, 압축기, 응축기, 팽창변 그리고 증발기를 포함한 냉매압축식 냉동사이클로 이루어진 냉동기기에 있어서, 상기 압축기는 앞서 설명한 압축기로 이루어지는 냉동기기가 제공된다.

본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기 및 이를 적용한 냉동기기는, 상기 제2 베인의 후방측에 공급될 토출압이 기준압력 이상으로 도달한 후에 공급하여 압축기의 운전모드가 세이빙운전에서 파워운전으로 전환되도록 함으로써, 상기 제2 베인이 떨림없이 신속하고 정확하게 움직이면서 제2 롤링피스톤에 압접되도록 할 수 있고 이를 통해 상기 압축기 또는 그 압축기가 적용된 냉동기기가 파워운전을 할 때 상기 압축기에 구비된 제2 베인의 떨림으로 인한 소음이나 효율저하를 미연에 방지할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기(1)는, 응축기(2), 팽창변(3), 그리고 증발기(4)로 이어지는 폐루프 냉동사이클의 일부를 이루도록 상기 증발기(4)의 출구측에 흡입측이 연결되는 동시에 상기 응축기(2)의 입구측에 토출측이 연결된다. 그리고 상기 증발기(4)의 출구측과 압축기(1)의 입구 측 사이에는 상기 증발기(4)에서 압축기(1)로 전달되는 냉매에서 가스냉매와 액냉매를 분리할 수 있도록 어큐뮬레이터(5)가 연결된다.

상기 압축기(1)는 도 2에서와 같이 밀폐된 케이싱(100)의 내부공간 상측에 구동력을 발생하는 전동부(200)가 설치되고, 상기 케이싱(100)의 내부공간 하측에는 상기 전동부(200)에서 발생된 동력으로 냉매를 압축하는 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400)가 설치된다. 그리고 상기 케이싱(100)의 외부에는 상기 제2 압축부(400)가 필요에 따라 공회전을 하도록 압축기의 운전모드를 전환하는 모드전환유닛(500)이 설치된다.

상기 케이싱(100)은 그 내부공간이 상기 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400) 또는 제1 압축부(300)에서 토출되는 냉매에 의해 토출압의 상태를 유지하고, 상기 케이싱(100)의 하반부 주면에는 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400)의 사이로 냉매가 흡입되도록 한 개의 흡입관(140)이 연결되며, 상기 케이싱(100)의 상단에는 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400)에서 압축되어 토출된 냉매가 냉동시스템으로 전달되도록 한 개의 토출관(150)이 연결된다. 상기 흡입관(140)은 후술할 중간베어링(130)의 연통유로(131)에 삽입되는 중간연결관(미도시)에 삽입되어 용접 결합된다.

상기 전동부(200)는 상기 케이싱(100)의 내주면에 고정되는 고정자(210)와, 상기 고정자(210)의 내부에 회전 가능하게 배치되는 회전자(220)와, 상기 회전자(220)에 열박음 되어 함께 회전을 하는 회전축(230)으로 이루어진다. 상기 전동부(200)는 정속모터일 수도 있고 인버터모터일 수도 있다. 하지만, 비용을 고려하 면 상기 전동부(200)는 정속모터를 이용하면서도 상기 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400) 중에서 어느 한 쪽을 필요시 공회전시켜 압축기의 운전모드를 가변할 수 있다.

그리고 상기 회전축(230)은 회전자(220)에 결합되는 축부(231)와, 그 축부(231)의 하단부에 좌우 양측으로 편심지게 형성되는 제1 편심부(232)와 제2 편심부(233)로 이루어진다. 상기 제1 편심부(232)와 제2 편심부(233)는 대략 180°의 위상차를 두고 대칭되게 형성되고 후술할 제1 롤링피스톤(340)과 제2 롤링피스톤(430)이 각각 회전 가능하게 결합된다.

상기 제1 압축부(300)는 환형으로 형성되고 상기 케이싱(100)의 내부에 설치되는 제1 실린더(310)와, 상기 회전축(230)의 제1 편심부(232)에 회전 가능하게 결합되고 상기 제1 실린더(310)의 제1 압축공간(V1)에서 선회하면서 냉매를 압축하는 제1 롤링피스톤(320)과, 상기 제1 실린더(310)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합되어 그 일측의 실링면이 상기 제1 롤링피스톤(320)의 외주면에 접촉되고 상기 제1 실린더(310)의 제1 압축공간(V1)을 제1 흡입실과 제1 토출실로 각각 구획하는 제1 베인(330)과, 상기 제1 베인(330)의 후방측을 탄력 지지하도록 압축스프링으로 된 베인스프링(340)을 포함한다. 그리고 미설명 부호인 350은 제1 토출밸브이고, 360은 제1 머플러이다.

상기 제2 압축부(400)는 환형으로 형성되고 상기 케이싱(100) 내부에서 상기 제1 실린더(310) 하측에 설치되는 제2 실린더(410)와, 상기 회전축(230)의 제2 편심부(233)에 회전 가능하게 결합되고 상기 제2 실린더(410)의 제2 압축공간(V2)에 서 선회하면서 냉매를 압축하는 제2 롤링피스톤(420)과, 상기 제2 실린더(410)에 반경방향으로 이동 가능하게 결합되고 상기 제2 롤링피스톤(420)의 외주면에 접촉되어 상기 제2 실린더(410)의 제2 압축공간(V2)이 제2 흡입실과 제2 토출실로 각각 구획되거나 또는 상기 제2 롤링피스톤(420)의 외주면에서 이격되어 상기 제2 흡입실과 제2 토출실이 서로 연통되도록 하는 제2 베인(430)을 포함한다. 그리고 미설명 부호인 440은 제2 토출밸브이고, 450은 제2 머플러이다.

여기서, 상기 제1 실린더(310)의 상측에는 상부베어링플레이트(이하,상부베어링)(110)가 복개되고, 상기 제2 실린더(410)의 하측에는 하부베어링플레이트(이하, 하부베어링)(120)가 복개되며, 상기 제1 실린더(310)의 하측과 제2 실린더(410)의 상측 사이에는 중간베어링플레이트(이하, 중간베어링)(130)가 개재되어 함께 제1 압축공간(V1)과 제2 압축공간(V2)을 형성하면서 상기 회전축(230)을 축방향으로 지지하게 된다.

도 3 및 도 4에서와 같이, 상기 상부베어링(110)과 하부베어링(120)은 원판모양으로 형성되고, 그 각각의 중앙에는 상기 회전축(230)의 축부(231)가 반경방향으로 지지되도록 축구멍(111)(121)을 갖는 축수부(112)(122)가 돌출 형성된다. 그리고 상기 중간베어링(130)은 상기 회전축(230)의 편심부가 관통하는 정도의 내경을 가지는 환형으로 형성되고, 그 일측에는 상기 흡입관(140)이 후술할 제1 흡입구(312)와 제2 흡입구(412)에 연통되도록 하는 연통유로(131)가 형성된다.

상기 중간베어링(130)의 연통유로(131)는 상기 흡입관(140)과 연통되도록 반경방향으로 형성되는 수평로(132)와, 상기 수평로(132)의 끝단에는 상기 제1 흡입 구(312)와 제2 흡입구(412)가 상기 수평로(132)와 연통되도록 축방향으로 관통되는 수직로(133)로 이루어진다. 상기 수평로(132)는 중간베어링(130)의 외주면에서 내주면을 향해 일정 깊이, 즉 완전히 내주면으로 관통되지 않는 깊이까지 홈파기 형성된다.

상기 제1 실린더(310)는 제1 압축공간(V1)을 이루는 내주면의 일측에 상기 제1 베인(330)이 직선 왕복운동을 하도록 제1 베인슬롯(311)이 형성되고, 상기 제1 베인슬롯(311)의 일측에는 냉매를 제1 압축공간(V1)으로 유도하는 제1 흡입구(312)가 형성되며, 상기 제1 베인슬롯(311)의 타측에는 냉매를 상기 제2 머플러(360)의 내부공간으로 토출하는 제1 토출안내홈(미도시)이 상기 제1 흡입구(312)와 반대쪽 모서리에서 모따기하여 경사지게 형성된다.

상기 제2 실린더(410)는 제2 압축공간(V2)을 이루는 내주면의 일측에 상기 제2 베인(430)이 직선 왕복운동을 하도록 제2 베인슬롯(411)이 형성되고, 상기 제2 베인슬롯(411)의 일측에는 냉매를 제2 압축공간(V2)으로 유도하는 제2 흡입구(412)가 형성되며, 상기 제2 베인슬롯(411)의 타측에는 냉매를 상기 제2 머플러(450)의 내부공간으로 토출하는 제2 토출안내홈(미도시)이 상기 제2 흡입구(412)와 반대쪽 모서리에서 모따기하여 경사지게 형성된다.

상기 제1 흡입구(312)는 상기 중간베어링(130)의 수직로(133)의 상측 끝단에 접하는 제1 실린더(310)의 하면 모서리에서 상기 제1 실린더(310)의 내주면을 향하도록 모따기하여 경사지게 형성된다.

상기 제2 흡입구(412)는 상기 중간베어링(130)의 수직로(133)의 하측 끝단에 접하는 상기 제2 실린더(410)의 상면 모서리에서 상기 제2 실린더(410)의 내주면을 향하도록 모따기하여 경사지게 형성된다.

여기서, 상기 제1 흡입구(312)와 제2 흡입구(412)는 평면투영시 반경방향 중심선들이 그 흡입구들(312)(412)을 갖는 각 실린더들(310)(410)의 축중심과 각각 교차되도록 형성되고, 상기 제1 흡입구(312)와 제2 흡입구(412)는 축방향으로 일직선상에서 상기 연통유로(131)를 중심으로 서로 대칭되도록 형성된다.

그리고, 도 3에서와 같이 상기 제1 베인슬롯(311)은 상기 제1 베인(330)이 직선으로 왕복운동을 하도록 반경방향으로 소정의 깊이만큼 절개하여 형성되고, 상기 제1 베인슬롯(311)의 후방측, 즉 외곽측 끝단측에는 도 4에서와 같이 상기 케이싱(100)의 내부공간과 연통되도록 축방향으로 관통된 관통구멍(312)이 형성된다. 상기 제1 실린더(310)의 관통구멍(313)에는 베인스프링(340)이 설치된다.

상기 제2 베인슬롯(411)은 상기 제2 베인(430)이 직선으로 왕복운동을 하도록 반경방향으로 소정의 깊이만큼 절개하여 형성되고, 상기 제2 베인슬롯(411)의 후방측, 즉 외곽측 끝단측에는 후술할 공용측 연결관(530)과 연통되도록 베인챔버(413)가 형성된다. 상기 베인챔버(413)는 그 상면과 하면에 접하는 중간베어링(130)과 하부베어링(120)에 의해 상기 케이싱(100)의 내부공간과 분리되도록 밀봉 결합된다.

그리고 상기 베인챔버(413)는 그 전방측은 상기 베인챔버(413)와 연통되는 반면 그 후방측은 상기 공용측 연결관(530))과 용접되어 연결되도록 하는 중간연결관(미도시)이 압입되어 결합될 수 있다. 그리고 상기 베인챔버(413)는 상기 제2 베 인(430)이 완전히 후진하여 상기 제2 베인슬롯(411)의 안쪽에 수납되더라도 그 제2 베인(430)의 후면이 상기 공용측 연결관(530)을 통해 공급되는 냉매에 대해 가압면을 이룰 수 있도록 소정의 내부체적을 갖게 형성된다.

여기서, 상기 제2 베인(430)은 그 실링면이 압축기의 운전모드에 따라 상기 제2 롤링피스톤(420)과 접하거나 또는 이격되도록 그 가압면이 상기 베인챔버(413)에 채워지는 흡입압의 냉매 또는 토출압의 냉매에 의해 지지되므로, 상기 제2 베인(430)이 압축기의 어떤 운전모드, 즉 세이빙모드에서 상기 제2 베인슬롯(411)의 안쪽에서 구속되어야 그 제2 베인(430)의 떨림에 의한 압축기 소음이나 효율저하를 미연에 방지할 수 있다. 이를 위해 도 5에서와 같은 케이싱의 내부압력을 이용한 제2 베인의 구속방법이 제안될 수 있다.

예컨대, 상기 제2 실린더(410)에는 제2 베인(430)의 운동방향에 대해 직교하거나 또는 적어도 엇갈림각을 갖는 방향으로 고압측 베인구속유로(이하, '제1 구속유로'라고도 한다)(414)가 형성된다. 상기 제1 구속유로(414)는 상기 케이싱(100)의 내부와 제2 베인슬롯(411)이 연통되도록 하여 그 케이싱(100)의 내부공간에 채워진 토출압의 냉매가 상기 제2 베인(430)을 반대쪽 베인슬롯면으로 밀어내 구속되도록 한다. 그리고, 상기 제1 구속유로(414)의 맞은편에는 상기 제2 베인슬롯(411)과 제2 흡입구(412)가 연통되는 저압측 베인구속유로(이하, '제2 구속유로'라고도 한다)(415)가 형성될 수 있다. 상기 제2 구속유로(415)는 상기 제1 구속유로(414)와 압력차가 유발되면서 상기 제1 구속유로(414)를 통해 유입되는 토출압의 냉매가 상기 제2 구속유로(415)로 빠져나가면서 상기 제2 베인(430)이 신속하게 구속되도 록 하는 역할을 할 수 있다.

상기 제1 구속유로(414)는 제2 베인(430)을 중심으로 상기 제2 실린더(410)의 토출안내홈(미부호)쪽에 위치하여 상기 제2 실린더(410)의 외주면에서 제2 베인슬롯(411)의 중심으로 관통 형성될 수 있다. 그리고 상기 제1 구속유로(414)는 2단 드릴을 이용하여 제2 베인슬롯(411)쪽이 좁게 2단으로 단차지게 형성되고, 상기 제2 베인(430)의 직선운동이 안정적으로 이루어질 수 있도록 그 출구단이 상기 제2 베인슬롯(411)의 길이방향으로 대략 중간에 형성될 수 있다. 그리고 상기 제1 구속유로(414)는 상기 압축기의 파워운전시 상기 제2 베인(430)과 제2 베인슬롯(411) 사이의 틈새를 통해 상기 베인챔버(413)와 연통될 수 있는 위치에 형성되는 것이 상기 제1 구속유로(414)를 통해 유입되는 토출압의 냉매가 상기 베인챔버(413)로 유입되어 제2 베인(430)의 후면압을 높일 수 있으나, 상기 압축기의 세이빙운전시 상기 제2 베인(430)이 구속될 때 상기 제1 구속유로(414)가 베인챔버(413)와 연통되면 그 베인챔버(413)의 압력이 높아져 상기 제2 베인(430)을 밀어내면서 제2 베인(430)의 떨림이 발생될 수 있으므로 상기 제1 구속유로(414)는 제2 베인(430)의 왕복범위 내에 위치하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고 상기 제1 구속유로(414)는 그 단면적이 상기 베인챔버(413)를 통해 제2 베인(430)의 가압면(432)의 단면적 보다 같거나 좁게 형성되는 것이 상기 제2 베인(430)을 과도하게 구속하는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 구속유로(414)의 단면적은 그 제1 구속유로의 단면적을 상기 제2 베인(430)의 베인면적, 즉 상기 제2 베인(430)이 구속압력을 받는 측면의 베인면적으로 나눌 때 특정 범위 로 형성되는 것이 모드전환소음을 최소화할 수 있어 바람직할 수 있다.

그리고, 상기 제1 구속유로(414)는 도면으로 제시하지는 않았으나 상기 제2 실린더(410)의 상하 양면에 소정의 깊이로 음형지게 형성될 수도 있고, 상기 제2 실린더(410)의 상하 양면에 결합되는 중간베어링(130)이나 하부베어링(120)에 소정의 깊이로 음형지거나 관통하여 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 제2 구속유로(415)가 하부베어링(120)의 상면이나 중간베어링(130)의 저면에 음형지게 형성되는 경우에는 상기 제2 실린더(410)나 각 베어링(120)(130)을 소결 가공할 때 함께 형성하는 것이 생산비용을 절감할 수 있다.

상기 제2 구속유로(415)는 제2 베인(430)의 이동방향에 수직한 양 측면에 토출압과 흡입압의 압력차를 유발시켜 그 압력차에 의해 상기 제2 베인(430)이 제2 베인슬롯(411)에 밀착될 수 있도록 가급적 상기 제1 구속유로(414)와 동일 직선상에 배치되는 것이 바람직하나, 상기 제2 흡입구(412)가 축방향에 대해 경사지게 형성됨에 따라 그 제2 흡입구(412)에 연통될 수 있도록 경사지거나 절곡 형성될 수도 있다.

상기 제2 구속유로(415)는 상기 압축기의 세이빙운전시 상기 제2 베인(430)과 제2 베인슬롯(411) 사이의 틈새를 통해 상기 베인챔버(413)와 연통될 수 있는 위치에 형성되는 것이 바람직하나, 상기 압축기의 파워운전시 상기 제2 베인(430)이 전진운동을 할 때 상기 제2 구속유로(415)가 베인챔버(413)와 연통되면 그 베인챔버(413)에 채워지는 토출압(Pd)의 냉매가 제2 흡입구(412)로 누설되면서 상기 제2 베인(430)을 충분히 지지하지 못할 수 있으므로 상기 제2 구속유로(415)는 제2 베인(430)의 왕복범위 내에 위치하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 모드전환유닛(500)은 도 1 내지 도 3에서와 같이, 그 일단이 상기 흡입관(140)에서 분관되는 흡입압측 연결관(510)과, 상기 케이싱(100)의 내부공간에 그 일단이 연결되는 토출압측 연결관(520)과, 상기 제2 실린더(410)의 베인챔버(413)에 그 일단이 연결되어 상기 흡입압측 연결관(510)과 토출압측 연결관(520)에 선택적으로 연통되는 공용측 연결관(530)과, 상기 공용측 연결관(530)을 통해 제2 실린더(410)의 베인챔버(413)에 연결되는 제1 모드전환밸브(540)와, 상기 제1 모드전환밸브(540)에 연결되어 그 제1 모드전환밸브(540)의 개폐동작을 제어하는 제2 모드전환밸브(550)로 이루어진다.

상기 흡입압측 연결관(510)은 그 타단이 상기 제1 모드전환밸브(540)의 제1 입구에 연결되고, 상기 토출압측 연결관(520)은 그 타단이 상기 제1 모드전환밸브(540)의 제2 입구에 연결되며, 상기 공용측 연결관(530)은 그 타단이 상기 제1 모드전환밸브(540)의 출구에 연결된다. 그리고 상기 흡입압측 연결관(510)의 양단은 각각 흡입관(140)과 제1 모드전환밸브(540)에 용접 연결되고, 상기 토출압측 연결관(520)의 양단은 각각 케이싱(보다 정확하게는, 그 케이싱의 내부공간에 실링 결합되는 중간연결관)(100)과 제1 모드전환밸브(540)에 용접 결합되며, 상기 공용측 연결관(530)의 양단은 각각 중간베어링(보다 정확하게는, 그 중간베어링에 실링 결합되는 중간연결관)(130)과 제1 모드전환밸브(540)에 용접 결합된다.

상기 제2 모드전환밸브(550)는 압축기의 운전을 제어하거나 또는 그 압축기가 적용된 냉동기기의 운전을 제어하는 제어유닛(600)에 전기적으로 연결되어 상기 압축기의 운전모드가 전환되도록 제어된다.

상기 제어유닛(600)은 도 1 내지 도 3에서와 같이 실린더들(310)(410)에서 토출되는 냉매의 압력을 검출하는 제1 센서(610)와, 상기 실린더들(310)(410)로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하는 제2 센서(620)와, 상기 제1 센서(61)와 제2 센서(620)에 의해 검출된 값을 기준압력(P1)과 비교하여 모드전환여부를 판단하는 제어기판(630)으로 이루어진다.

상기 제1 센서(610)는 상기 케이싱(100)의 내부공간의 압력을 검출할 수 있도록 상기 케이싱(100)의 내부공간에 설치되거나 또는 상기 토출관(150)의 내부압력을 검출할 수 있도록 상기 토출관(150)의 중간에 설치될 있다.

상기 제2 센서(620)는 흡입관(140)의 내부압력을 검출할 수 있도록 그 흡입관(140)의 중간에 설치될 수 있다.

상기 제어기판(630)은 상기 제2 모드전환밸브(550)가 실린더들(310)(410)의 압축공간(V1)(V2)들에서 토출되는 토출압(Pd)과 그 실린더들(310)(410)의 압축공간(V1)(V2)들로 흡입되는 흡입압의 차압(△P)이 미리 설정된 기준압력(P1)에 도달하면 모드전환을 수행할 수 있도록 상기 제1 센서(610)와 제2 센서(620)에 전기적으로 연결된다.

여기서, 상기 차압(△P)은 도 6에서와 같이 상기 제2 베인(430)의 후단면에 가세되는 후방측 압력에 의한 힘(F1)이 상기 제1 구속유로(414)를 통해 제2 베인(430)의 측면에 가세되는 측압력에 의한 힘(F2)과 상기 제2 베인(430)의 관성력(F3) 그리고 상기 제2 베인(430)의 전방면에 가해지는 정압력(F4)을 합한 힘(F2+F3+F4)과의 관계로 나타난다.

그리고, 상기 기준압력은 2kgf/cm²로 설정될 수 있으나, 이는 압축기의 용량에 따라 가될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기의 기본적인 압축과정은 다음과 같다.

즉, 상기 전동부(200)의 고정자(210)에 전원을 인가하여 상기 회전자(220)가 회전하면, 상기 회전축(230)이 상기 회전자(220)와 함께 회전하면서 상기 전동부(200)의 회전력을 상기 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400)에 전달하고, 상기 제1 압축부(300)와 제2 압축부(400)에서는 각각 제1 롤링피스톤(320)과 제2 롤링피스톤(420)이 상기 각 제1 압축공간(V1)과 제2 압축공간(V2)에서 편심 회전운동을 하며, 상기 제1 베인(330)과 제2 베인(430)이 상기 제1 및 제2 롤링피스톤(320)(420)과 함께 180°의 위상차를 가지는 압축공간들(V1)(V2)을 각각 형성하면서 냉매를 압축하게 된다.

예컨대, 상기 제1 압축공간(V1)이 흡입행정을 시작하면, 냉매가 어큐뮬레이터(5)와 흡입관(140)을 통해 상기 중간베어링(130)의 연통유로(131)로 유입되고, 이 냉매는 상기 제1 실린더(310)의 제1 흡입구(312)를 통해 제1 압축공간(V1)으로 흡입되어 압축된다. 그리고, 상기 제1 압축공간(V1)이 압축행정을 진행하는 동안에 그 제1 압축공간(V1)과 180°의 위상차를 가지는 상기 제2 실린더(410)의 제2 압축공간(V2)은 흡입행정을 시작하게 된다. 이때, 상기 제2 실린더(410)의 제2 흡입 구(412)가 상기 연통유로(131)와 연통되면서 냉매가 상기 제2 실린더(410)의 제2 흡입구(412)를 통해 상기 제2 압축공간(V2)으로 흡입되어 압축된다.

상기와 같은 본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기에서 압축기의 용량이 가변되는 과정은 다음과 같다.

즉, 상기 압축기가 기동할 때와 같이 세이빙운전을 하는 경우에는 도 7 및 도 8에서와 같이, 상기 제1 모드전환밸브(540)에 전원이 오프되어 상기 흡입압측 연결관(510)과 공용측 연결관(530)이 연통되고, 상기 제2 실린더(410)로 흡입되는 저압의 냉매가스 일부가 상기 베인챔버(413)로 유입된다. 이에 따라 상기 제2 베인(430)이 제2 압축공간(V2)에서 압축되는 냉매에 밀려 제2 베인슬롯(411)의 안쪽으로 수납되면서 제2 압축공간(V2)의 흡입실과 토출실이 연통되어 상기 제2 압축공간(V2)으로 흡입되는 냉매가스는 압축되지 못하도록 한다. 이때, 상기 제2 실린더(410)에 구비되는 제1 구속유로(414)에 의해 상기 제2 베인(430)의 일측면에 가세되는 압력과 상기 제2 구속유로(415)에 의해 상기 제2 베인(430)의 타측면에 가세되는 압력 사이에는 큰 압력차가 발생함에 따라 상기 제1 구속유로(414)를 통해 가세되는 압력이 제2 구속유로(415)쪽으로 이동하려는 경향이 발생되면서 상기 제2 베인(430)을 구속할 수 있게 된다.

반면, 상기 압축기가 파워운전을 하는 경우에는, 도 9 및 도 10에서와 같이 상기 제1 모드전환밸브(540)에 전원이 인가되어 상기 흡입압측 연결관(510)은 차단되는 반면 상기 토출압측 연결관(520)이 공용측 연결관(530)과 연결된다. 이에 따라 상기 케이싱(100) 내부의 고압 가스가 토출압측 연결관(520)을 통해 상기 제2 실린더(410)의 베인챔버(413)로 공급됨으로써 상기 제2 베인(430)이 베인챔버(413)의 내부에 채워진 고압의 냉매에 밀려 상기 제2 롤링피스톤(420)에 압접된 상태를 유지하면서 상기 제2 압축공간(V2)으로 유입되는 냉매가스를 정상적으로 압축하여 토출시키게 된다. 이때, 상기 제2 실린더(410)에 구비된 제1 구속유로(414)로 고압의 냉매가스 또는 오일이 공급되어 상기 제2 베인(430)의 일측면을 가세하게 되나, 이 제1 구속유로(414)의 단면적이 제2 베인슬롯(411)의 단면적보다 좁게 형성됨에 따라 측면에서의 가압력이 상기 베인챔버(413)에서의 전후방향 가압력보다 작게 되어 상기 제2 베인(430)을 구속하지 못하게 된다. 따라서, 상기 제2 베인(430)이 제2 롤링피스톤(420)에 압접되어 상기 제2 압축공간(V2)을 흡입실과 토출실로 구획하면서 상기 제2 압축공간(V2)으로 흡입되는 냉매 전체를 압축하여 토출하게 된다. 이로써 압축기 또는 이를 적용한 에어콘은 100% 운전을 하게 된다.

여기서, 상기 압축기가 세이빙모드에서 파워모드로 전환되는 과정은 다음과 같다.

즉, 도 11 및 도 12에서와 같이, 압축기는 정지상태에서 평압과정을 거치면서 흡입압과 토출압이 동일한 상태를 유지하게 된다.

다음, 상기 압축기가 기동을 하게 되면, 상기 토출압(Pd)이 기준압력(P1)까지 상승할 때까지 세이빙 운전을 지속하게 된다. 이 과정에서 상기 제1 센서(610)는 토출압(Pd)에 해당하는 상기 케이싱(100)의 내부압력이나 또는 토출관(150)의 내부압력을 실시간으로 검출하고, 이와 동시에 상기 제2 센서(620)는 흡입압(Ps)에 해당하는 상기 흡입관(140)의 내부압력을 실시간으로 검출하며, 상기 제어기 판(630)에서는 상기 제1 센서(610)에서 검출한 토출압(Pd)과 제2 센서(620)에서 검출한 흡입압(Ps) 사이의 차압(△P)을 계산하여 그 차압(△P)을 미리 설정된 기준압력(P1)과 비교한다.

다음, 상기 차압(△P)이 기준압력(P1)보다 작은 경우에는 압축기가 세이빙운전모드를 계속하도록 상기 제어기판(630)에서 지령을 내리는 반면, 상기 차압(△P)이 기준압력(P1)보다 큰 경우에는 압축기가 파워운전모드로 전환되도록 상기 제어기판(630)에서 지령을 내린다.

다음, 상기 제어기판(630)에서 파워운전모드로 전환되도록 지령을 내리면 앞서 설명한 바와 같이 제1 모드전환밸브(540)와 제2 모드전환밸브(550)에 의해 상기 공용측 연결관(530)이 토출압측 연결관(520)과 연결되어 상기 베인챔버(413)로 고압의 토출압(Pd)이 공급됨으로써 상기 제2 베인(430)은 제2 롤링피스톤(420)과 접촉된 상태를 유지하게 되고 이로 인해 상기 제2 압축부(400)에서도 일을 하게 되는 것이다.

이렇게, 상기 제2 베인의 후방측에 공급될 토출압이 기준압력 이상으로 도달한 후에 공급하여 압축기의 운전모드가 세이빙운전에서 파워운전으로 전환되도록 함으로써, 상기 제2 베인이 떨림없이 신속하고 정확하게 움직이면서 제2 롤링피스톤에 압접되도록 할 수 있고 이를 통해 상기 압축기가 파워운전을 할 때 제2 베인의 떨림으로 인한 소음이나 효율저하를 미연에 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 압축기가 냉동기기에 적용되는 경우, 그 냉동기기의 소음을 저감시키는 동시에 효율을 향상시킬 수 있다.

예컨대, 도 13에서와 같이 압축기, 응축기, 팽창기 그리고 증발기를 포함한 냉매압축식 냉동사이클을 갖는 냉동기기(700)에서 그 냉동기기(700)에는 냉동기기의 운전 전반을 제어하는 메인기판(710)에 상기 압축기(C)에 설치되는 제1 센서(610)와 제2 센서(620)를 연결할 수 있다.

이렇게 하여, 상기 제1 센서와 제2 센서에 의해 검출되는 토출압과 흡입압의 차압을 상기 메인기판에 저장된 기준압력과 비교하여 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 모드전환밸브를 작동시킴으로써 상기 제어유닛이 냉동기기의 운전과 연동되어 작동되도록 할 수 있다.

본 발명에 의한 용량 가변형 로터리 압축기는 가정용 또는 산업용 에어콘과 같은 냉동기기에 고르게 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명 용량 가변형 로터리 압축기를 포함한 냉동사이클을 개략적으로 보인 계통도,

도 2는 도 1에 따른 로터리 압축기를 베인을 중심으로 종단면하여 내부를 보인 종단면도,

도 3은 도 1에 따른 로터리 압축기를 흡입구를 중심으로 종단면하여 내부를 보인 종단면도,

도 4는 도 1에 따른 로터리 압축기의 압축부를 파단하여 보인 사시도,

도 5는 도 1에 따른 로터리 압축기에서 제2 베인을 구속하기 위한 구속유로를 설명하기 위한 것으로, 도 4의 Ⅰ-Ⅰ선단면도,

도 6은 도 1에 따른 로터리 압축기에서 제2 베인의 주변에 형성되는 힘들을 설명하기 위해 보인 횡단면도,

도 7 및 도 8은 도 1에 따른 로터리 압축기의 세이빙운전모드를 보인 종단면도 및 횡단면도,

도 9 및 도 10은 도 1에 따른 로터리 압축기의 파워운전모드를 보인 종단면도 및 횡단면도,

도 11 및 도 12는 도 1에 따른 로터리 압축기의 운전 양태를 설명하기 위해 보인 그래프 및 순서도,

도 13은 도 1에 따른 로터리 압축기가 구비된 에어콘 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 케이싱 130 : 중간베어링

131 : 연통유로 140 : 흡입관

310 : 제1 실린더 312 : 제1 흡입구

320 : 제1 롤링피스톤 330 : 제1 베인

410 : 제2 실린더 412 : 제2 흡입구

413 : 베인챔버 414,415 : 구속유로

510 : 흡입압측 연결관 520 : 토출압측 연결관

530 : 공용측 연결관 540,550 : 모드전환밸브

600 : 제어유닛 610,620 : 제1,제2 센서

630 : 제어기판 △P : 차압(토출압-흡입압)

Claims

흡입관과 토출관이 구비되는 케이싱;

상기 케이싱의 내부공간에 설치되고, 냉매가 압축되는 압축공간을 가지며, 그 압축공간으로 냉매를 안내하는 흡입구를 가지는 적어도 한 개의 실린더;

상기 실린더의 압축공간에서 선회운동을 하면서 냉매를 압축하는 적어도 한 개의 롤링피스톤;

상기 롤링피스톤과 함께 실린더의 압축공간을 흡입공간과 토출공간으로 분리하는 적어도 한 개의 베인;

상기 베인들 중에서 적어도 한 개는 가변압력에 의해 지지되도록 그 베인에 가변압력을 제공하는 모드전환유닛; 및

상기 실린더에서 토출되는 토출압과 그 실린더로 흡입되는 흡입압과의 차압이 미리 설정된 기준압력에 도달하면 상기 모드전환유닛이 운전모드를 전환하도록 제어하는 제어유닛;을 포함한 용량 가변형 로터리 압축기.
제1항에 있어서,

상기 제어유닛은 실린더에서 토출되는 냉매의 압력을 검출하는 제1 센서와, 상기 실린더로 흡입되는 냉매의 압력을 검출하는 제2 센서와, 상기 제1 센서와 제2 센서에 의해 검출된 값을 기준압력과 비교하여 모드전환여부를 판단하는 제어기판을 포함한 용량 가변형 로터리 압축기.
제2항에 있어서,

상기 제1 센서는 상기 케이싱의 내부공간의 압력을 검출하거나 또는 상기 토출관의 내부압력을 검출할 수 있도록 설치되는 용량 가변형 로터리 압축기.
제2항에 있어서,

상기 제2 센서는 흡입관의 내부압력을 검출할 수 있도록 설치되는 용량 가변형 로터리 압축기.
제1항에 있어서,

상기 모드전환유닛에 의해 지지되는 베인의 후방측에는 상기 케이싱의 내부공간과 분리되어 흡입압 또는 토출압의 냉매가 채워지는 챔버가 형성되는 용량 가변형 로터리 압축기.
제1항에 있어서,

상기 모드전환유닛에 의해 가세되는 베인을 구속하거나 해제하는 베인구속유닛을 더 포함하고,

상기 베인구속유닛은 상기 케이싱의 내부공간의 압력을 이용하여 상기 베인을 구속하는 용량 가변형 로터리 압축기.
제6항에 있어서,

상기 모드전환유닛이 연결되는 실린더에는 베인이 반경방향으로 움직일 수 있도록 하는 베인슬롯에 연통되고, 그 베인슬롯에서 움직이는 베인의 이동방향에 대해 교차하는 방향으로 관통되며, 상기 케이싱의 내부공간과 연통되도록 하는 적어도 한 개의 제1 구속구멍이 형성되는 용량 가변형 로터리 압축기.
제7항에 있어서,

상기 실린더에는 그 베인슬롯을 중심으로 상기 제1 구속구멍의 반대쪽에서 상기 흡입구에 연통되도록 제2 구속구멍이 형성되는 용량 가변형 로터리 압축기.
제1항에 있어서,

상기 실린더는 각각의 압축공간이 서로 분리되도록 하여 복수 개가 구비되고, 상기 복수 개의 실린더들은 그 각각의 압축공간으로 냉매가 분배 공급되도록 한 개의 흡입관에 연결되는 용량 가변형 로터리 압축기.
제1항에 있어서,

상기 기준압력은 2kgf/cm²인 용량 가변형 로터리 압축기.
파워운전모드와 세이빙운전모드로 전환할 수 있는 용량 가변형 로터리 압축기의 운전 방법에 있어서,

상기 파워운전모드로 전환하기 전에 토출압과 흡입압의 차압을 검출하고, 그 검출된 값이 기준값보다 작지 않은 경우에 파워운전모드로 전환되도록 하는 용량 가변형 로터리 압축기의 운전 방법.
제11항에 있어서,

운전기동시에는 세이빙운전모드로 진행하고, 그 세이빙운전모드를 진행하는 동안 실시간으로 토출압과 흡입압의 차압을 검출하여 기준값과 비교하면서 파워운전모드로 전환할 수 있는지를 판단하는 용량 가변형 로터리 압축기의 운전 방법.
제11항에 있어서,

상기 기준값은 2kgf/cm²로 설정되는 용량 가변형 로터리 압축기의 운전 방법.
압축기, 응축기, 팽창변 그리고 증발기를 포함한 냉매압축식 냉동사이클로 이루어진 냉동기기에 있어서,

상기 압축기는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 압축기로 이루어지는 냉동기기.