KR101528645B1 - 로터리식 2단 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀폐 용기, 밀폐 용기 내에 구비되며, 회전력을 전달하는 회전축, 회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 저압 롤러, 저압 롤러가 수용되는 저압 실린더 및 저압 실린더 내부 공간을 구획하는 저압 베인을 구비하는 저압 압축 어셈블리, 회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 고압 롤러, 고압 롤러가 수용되는 고압 실린더 및 고압 실린더 내부 공간을 구획하는 고압 베인을 구비하는 고압 압축 어셈블리, 저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 고압 압축 어셈블리로 유입되도록 유로를 제공하는 연결 파이프 및 연결 파이프에 연결되는 인젝션 파이프를 포함하며, 연결 파이프의 중간부의 내경이 연결 파이프의 양 단부보다 큰 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
로터리, 2단 압축, 연결 파이프, U-튜브, 내경, 높이

Description

로터리식 2단 압축기 {2-STAGE ROTARY COMPRESSOR}
본 발명은 로터리식 2단 압축기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 저압 압축 어셈블리에서 압축된 중간압의 냉매를 고압 압축 어셈블리로 안내하는 연결 파이프의 구조를 개선한 로터리식 2단 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(Compressor)는 전기모터나 터빈 등의 동력발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 다양한 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계장치로써, 냉장고와 에어컨 등과 같은 가전기기 또는 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
이러한 압축기를 크게 분류하면, 피스톤(Piston)과 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡, 토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 피스톤이 실린더 내부에서 직선 왕복 운동하면서 냉매를 압축시키는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor)와, 편심 회전되는 롤러(Roller)와 실린더(Cylinder) 사이에 작동가스가 흡,토출되는 압축공간이 형성되도록 하여 롤러가 실린더 내벽을 따라 편심 회전되면서 냉매를 압축시키는 로터리식 압축기(Rotary compressor)와, 선회 스크롤(Orbiting scroll)과 고정 스크롤(Fixed scroll) 사이에 작동가스가 흡, 토출되 는 압축공간이 형성되도록 하여 선회 스크롤이 고정 스크롤을 따라 회전되면서 냉매를 압축시키는 스크롤식 압축기(Scroll compressor)로 나뉘어진다.
특히 로터리식 압축기는, 상, 하부에 두 개의 롤러와 두 개의 실린더를 구비하고, 상, 하부의 롤러와 실린더 쌍이 전체 압축 용량을 일부와, 나머지를 압축하는 로터리식 트윈 압축기 및 상, 하부에 두 개의 롤러와 두 개의 실린더를 구비하고, 두 개의 실린더가 연통되어 한 쌍은 상대적으로 저압의 냉매를 압축하고, 다른 한 쌍은 저압 압축 단계를 지난 상대적으로 고압의 냉매를 압축하는 로터리식 2단 압축기 등으로 더 발전되었다.
대한민국 등록특허공보 특1994-0001355에 로터리식 압축기가 개시되어 있다. 쉘 내부에 전동기가 위치하고, 전동기를 관통하도록 회전축이 설치된다. 또한 전동기의 하부에는 실린더가 위치하고, 실린더의 내부에 회전축에 끼워진 편심부와, 편심부에 끼워진 롤러가 위치한다. 실린더에는 냉매 토출홀과 냉매 유입홀이 형성되고, 냉매 토출홀과 냉매 유입홀 사이에는 압축되지 않은 저압의 냉매가 압축된 고압의 냉매와 섞이지 않게 하는 베인이 설치된다. 또한 편심되어 회전하는 롤러와 베인이 접촉된 상태를 유지하기 위해, 베인의 일단에는 스프링이 설치된다. 전동기에 의해 회전축이 회전하면 편심부와 롤러가 실린더의 내주를 따라 회전하면서 냉매 가스를 압축하고, 압축된 냉매 가스는 냉매 토출홀을 통해 토출된다.
대한민국 공개특허공보 10-2005-0062995는 로터리식 트윈 압축기를 개시하고 있다. 도 1을 참조하면, 동일용량을 압축하는 2 개의 실린더(1035, 1045)와 중간판(1030)을 구비하여, 압축 용량을 1단 압축기에 비해 2배 향상시켰다.
대한민국 공개특허공보 10-2007-0009958은 로터리식 2단 압축기를 개시하고 있다. 도 2를 참조하면, 압축기(2001)는 밀폐 용기(2013) 내부의 상방에 고정자(2007)와 회전자(2008)를 갖는 전동기(2014)를 구비하고, 전동기에 연결된 회전축(2002)은 2개의 편심부를 구비한다. 회전축(2002)에 대해 전동기(2014)측으로부터 차례로 주베어링(2009), 고압용 압축 요소(2020b), 중간판(2015), 저압용 압축 요소(2020a) 및 부베어링(2019)이 적층되어 있다. 또한 저압용 압축 요소(2020a)에서 압축된 냉매를 고압용 압축 요소(2020b)로 유입하는 중간관(2040)이 개시되어 있다.
본 발명은 저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매를 고압 압축 어셈블리로 안내하는 연결 파이프가 각 부의 역할에 따라 서로 다른 내경을 가지도록 하여, 압축기의 신뢰성을 확보하는 동시에 압축기의 냉동 능력을 향상시킬 수 있는 연결 파이프를 구비하는 로터리식 2단 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 밀폐 용기, 밀폐 용기 내에 구비되며, 회전력을 전달하는 회전축, 회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 저압 롤러, 저압 롤러가 수용되는 저압 실린더 및 저압 실린더 내부 공간을 구획하는 저압 베인을 구비하는 저압 압축 어셈블리, 회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 고압 롤러, 고압 롤러가 수용되는 고압 실린더 및 고압 실린더 내부 공간을 구획하는 고압 베인을 구비하는 고압 압축 어셈블리, 저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 고압 압축 어셈블리로 유입되도록 유로를 제공하는 연결 파이프 및 연결 파이프에 연결되는 인젝션 파이프를 포함하며, 저압 실린더의 행정 체적(V1)에 대한 고압 실린더의 행정 체적(V2) 비가 0.43 ＜ V2 / V1 ＜ 0.82의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명은 밀폐 용기, 밀폐 용기 내에 구비되며, 회전력을 전달하는 회전축, 회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 저압 롤러, 저압 롤러가 수용되는 저압 실린더 및 저압 실린더 내부 공간을 구획하는 저압 베인을 구비하는 저압 압 축 어셈블리, 회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 고압 롤러, 고압 롤러가 수용되는 고압 실린더 및 고압 실린더 내부 공간을 구획하는 고압 베인을 구비하는 고압 압축 어셈블리, 저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 고압 압축 어셈블리로 유입되도록 유로를 제공하는 연결 파이프 및 연결 파이프에 연결되는 인젝션 파이프를 포함하며, 연결 파이프의 중간부의 내경이 연결 파이프의 양 단부보다 큰 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 토출되어 일시적으로 저장되는 중간압실을 더 포함하고, 연결 파이프의 일 단부는 중간압실에 연결되고, 타 단부는 고압 실린더에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 연결 파이프의 고압측 단부의 내경(Du)은 고압 실린더의 높이(H)에 대해, 0.4 ＜ Du/H < 0.85의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 연결 파이프의 고압측 단부의 내경(Du)은 고압 실린더의 높이(H)보다 적어도 5mm 작은 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 중간압실은 하부 베어링 내에 형성되며, 연결 파이프의 저압측 단부의 내경(Du)은 하부 베어링의 높이(H)에 대해, 0.4 ＜ Du/H < 0.85의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 중간압실은 하부 베어링 내에 형성되며, 연결 파이프의 저압측 단부의 내경(Du)은 하부 베어링의 높이(H)보다 적어도 5mm 작은 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 저압 실린더는 저압의 냉매가 흡입되는 냉매 유입관을 더 포함하며, 냉매 유입관의 내경과 연결 파이프의 저압측 단부의 내경은 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 인젝션 파이프는 연결 파이프의 양단부보다 내경이 큰 중간부에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 인젝션 파이프는 고압측 단부보다 저압측 단부에 더 근접한 곳에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 회전축은 회전축의 중심에 대해 편심된 위치에 저압 편심부를 구비하며, 저압 편심부는 저압 롤러의 내주면와 맞닿는 접촉부 및 저압 롤러의 내주면과 맞닿지 않는 비접촉부를 구비하고, 저압 편심부의 접촉부의 높이는 저압 롤러의 높이에 대해 70% 이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 회전축은 회전축의 중심에 대해 편심된 위치에 고압 편심부를 구비하며, 고압 편심부는 고압 롤러의 내주면와 맞닿는 접촉 부 및 고압 롤러의 내주면과 맞닿지 않는 비접촉부를 구비하고, 고압 편심부의 접촉부의 높이는 고압 롤러의 높이에 대해 70% 이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 저압 롤러 및 저압 편심부의 질량 합과 고압 롤러 및 고압 편심부의 질량 합은 서로 같은 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기를 제공한다.
본 발명이 제공하는 로터리식 2단 압축기는 저압 실린더와 고압 실린더의 높이를 달리하여 행정 체적의 크기를 서로 다르게 함으로써, 과압축 손실을 줄여 냉동 능력(COP)을 향상시키고,
본 발명이 제공하는 로터리식 2단 압축기는 저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매를 고압 압축 어셈블리로 안내하는 연결 파이프의 중간부의 내경을 증가시켜, 연결 파이프의 증가된 체적에 의해 저압 압축 어셈블리에서 토출되어 고압 압축 어셈블리로 흡입되는 과정에서 냉매의 맥동을 저감시킬 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 로터리식 2단 압축기는 연결 파이프의 중간부의 내경이 증가함에 따라 연결 파이프에 연결되는 인젝션 파이프의 내경을 증가시킬 수 있고, 인젝션 파이프를 통해 인젝션 되는 기체 냉매의 양을 증가시킬 수 있어, 냉동 능력(COP)를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 로터리식 2단 압축기는 연결 파이프의 양 단부의 내경이 하부 베어링 또는 고압 실린더의 높이에 대해 일정한 범위의 비율을 가지도 록 하여 압축기의 신뢰성을 확보하는 동시에 압축기의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 3은 로터리식 2단 압축기가 구성하는 냉동 사이클의 일 예를 도시한 개략도이다. 난방 사이클은 로터리식 2단 압축기(100), 응축기(300), 증발기(400), 상분리기(500: phase seperator), 4방 밸브(600)와 같은 부품들을 포함한다. 이 중 응축기(300)는 실내 유닛을 구성하고, 압축기(100), 증발기(400), 상분리기(500)는 실외 유닛을 구성한다. 압축기(100)에서 압축된 냉매는 4방 밸브(600)를 거쳐 실내기의 응축기(300)로 유입되어, 압축된 냉매 기체가 주위와 열교환하며 응축된다. 응축된 냉매는 팽창밸브를 거치며 저압이 된다. 팽창밸브를 거친 냉매는 상분리기(500)에서 기체와 액체로 분리되어, 액체는 증발기(400)로 유입된다. 액체는 증발기(400)에서 열교환을 하며 증발하여, 기체 상태로 어큐뮬레이터(200)로 유입되고, 어큐뮬레이터(200)에서 압축기(100) 냉매유입관(151)을 통해 저압 압축 어셈블리(미도시)로 유입된다. 또한 상분리기(500)에서 분리된 기체는 인젝션 관(153)을 통해 압축기(100)로 유입된다. 압축기(100)의 저압 압축 어셈블리에서 압축된 중간압의 냉매와, 인젝션 관(153)을 통해 유입된 냉매는 압축기(100)의 고압 압축 어셈블리(미도시)로 유입되어 고압으로 압축된 뒤, 냉매토출관(152)을 통해 다시 압축기(100)의 외부로 토출된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리식 2단 압축기를 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리식 2단 압축기(100)는 밀폐 용기(101) 내에 하부로부터, 저압 압축 어셈블리(120), 중간판(140), 고압 압축 어셈블리(130) 및 전동기(110)를 포함한다. 또한 밀폐 용기(101)를 관통하며, 어큐뮬레이터(200)와 연결된 냉매 유입관(151) 및 압축된 냉매를 밀폐 용기의 외부로 토출하는 냉매 토출관(152)을 포함한다.
전동기(110)는 스테이터(111), 로터(112) 및 회전축(113)을 포함한다. 스테이터(111)는 링 형상의 전자 강판을 적층한 라미네이션과 라미네이션에 권선된 코일을 구비한다. 로터(112)도 전자 강판을 적층한 라미네이션을 구비한다. 회전축(113)은 로터(112)의 중앙을 관통하며, 로터(112)에 고정된다. 전동기(110)에 전류가 인가되면, 스테이터(111)와 로터(112) 사이의 상호전자기력에 의해 로터(112)가 회전하며, 로터(112)에 고정된 회전축(113) 또한 로터(112)와 함께 회전한다. 회전축(113)은 저압 압축 어셈블리(120), 중간판(140), 고압 압축 어셈블리(130)의 중앙부를 관통하도록 로터(112)로부터 밀폐 용기(101)의 저면 부근까지 뻗어있다.
저압 압축 어셈블리(120) 및 고압 압축 어셈블리(130)는, 중간판(140)을 사이에 두고, 하부로부터 저압 압축 어셈블리(120)-중간판(140)-고압 압축 어셈블리(130) 순으로 적층될 수도 있고, 반대로 하부로부터 고압 압축 어셈블리(120)-중간판(140)-고압 압축 어셈블리(130) 순으로 적층될 수도 있다. 또한 저압 압축 어셈블리(120), 중간판(140) 및 고압 압축 어셈블리(130)의 적층 순서와 관계없어, 적층된 어셈블리의 하부 및 상부에는 각각 하부 베어링(161) 및 상부 베어링(162)이 설치되어 회전축(113)의 회전을 도우며, 수직으로 적층된 2단 압축 어셈블리의 각 부품의 하중을 지지한다. 상부 베어링(162)은 밀폐 용기(101)에 3점 용접되어, 2단 압축 어셈블리의 하중을 지지하고, 밀폐 용기(101)에 고정된다.
저압 압축 어셈블리(120)는 외부로부터 밀폐용기(101)를 관통하여 들어온 냉매 유입관(151)이 연결된다. 또한, 저압 압축 어셈블리(120)의 하부에는 하부 베어링(161)이 위치한다. 하부 베어링(161) 내에 중간압실(Pm)이 형성된다. 중간압실(Pm)은 저압 압축 어셈블리(120)에서 압축된 냉매가 토출되는 공간이며, 고압 압축 어셈블리(130)로 냉매가 유입되기 전에 냉매가 일시적으로 저장되는 공간으로, 저압 압축 어셈블리(120)로부터 고압 압축 어셈블리(130)로 냉매가 흐르는 유로 상에서 완충 공간의 역할을 한다.
저압 압축 어셈블리(120)에서 압축되어 중간압까지 압력이 상승한 냉매는 하부 베어링(161) 내에 형성된 중간압실(Pm)로 토출된 다음 연결 파이프(180)를 통해 고압 압축 어셈블리(130)로 흡입된다. 고압 압축 어셈블리(130)에서 냉매는 2차로 압축되어 고압으로 압력이 상승된 다음 고압 압축 어셈블리(130)로부터 토출된다. 고압의 냉매는 고압 압축 어셈블리(130)의 상부에 위치하는 상부 베어링(162)과 상부 베어링(162)의 상부에 위치하는 토출 커버(163) 사이의 토출 공간으로 토출된 다음, 토출 커버(163)에 형성된 토출 포트(미도시)를 통해 밀폐 용기(101) 내로 토출된다. 토출 포트(미도시)를 통해 밀폐용기(101) 내로 토출된 냉매는 밀폐용기(101)의 상부에 위치한 냉매토출관(152)을 통해 외부로 토출된다.
도 5는 저압 압축 어셈블리의 저면을 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 저압 압축 어셈블리(120)는 저압 실린더(121), 저압 롤러(123), 저압 베인(124), 저압 탄성부재(125) 및 저압 유입홀(126)을 포함한다. 회전축(113)이 저압 실린더(121)의 중앙부를 지나며, 회전축(113)에 일체로 형성되는 저압 편심 부(113a)에 저압 롤러(123)가 회전가능하게 결합되며, 저압 롤러(123)가 회전축(113)의 회전에 따라 저압 실린더(121)의 내경을 따라 구르면서 회전한다. 저압 베인(124)의 양측에 저압 유입홀(126)과 중간압 토출홀(127)이 형성된다. 또한 저압 실린더(121) 내의 공간은 저압 베인(124)과 저압 롤러(123)에 의해 구획되어, 압축 전, 후의 냉매가 저압 실린더(121) 내에 공존한다. 저압 베인(124)과 저압 롤러(123)에 의해 구획되며, 저압 냉매 유입홀(126)이 포함되는 부분을 저압 냉매 유입부(Sl), 중간압 토출홀(127)이 포함되는 부분을 중간압 냉매 토출부(Dm)라 한다. 여기서 저압 탄성부재(125)는 저압 베인(124)이 저압 롤러(123)와 접촉을 유지하도록, 저압 베인(124)에 힘을 가해주는 수단이다. 저압 베인(124)이 위치할 수 있도록 저압 실린더(121)에 형성된 베인 홀(124h)은 저압 실린더(121)를 횡방향으로 관통하도록 형성된다. 베인 홀(124h)을 통해 저압 베인(124)의 움직임이 안내되고, 저압 베인(124)에 힘을 가해주는 저압 탄성부재(125)가 베인 홀(124h)을 통해 저압 실린더(121)를 관통하여 밀폐 용기(101)까지 연장된다. 저압 탄성부재(125)의 일단은 저압 베인(124)과 접촉하고, 타단은 밀폐 용기(101)와 접촉하여, 저압 베인(124)이 저압 롤러(123)와 접촉을 유지하도록 저압 베인(124)을 밀어준다.
회전축(113)의 회전에 의해 저압 편심부(113a)가 회전축(113)의 중심에 대해 편심되게 회전하고, 저압 편심부(113a)의 회전에 따라 저압 롤러(123)가 저압 실린더(121)를 따라 구르면, 저압 유입부(Sl)의 체적이 늘어나면서 저압 유입부(Sl)가 저압이 되므로, 저압 유입홀(126)을 통해 냉매가 유입된다. 반면, 중간압 토출 부(Dm)의 체적은 줄어들면서, 중간압 토출부(Dm)에 채워진 냉매가 압축되어, 중간압 토출홀(127)을 통해 토출된다. 저압 편심부(122)와 저압 롤러(123)의 회전에 따라 저압 유입부(Sl)와 중간압 토출부(Dm)의 부피는 계속 변하며, 1회전 시마다 압축 냉매를 토출하게 된다.
저압 압축 어셈블리(120)에서 압축된 냉매는 하부 베어링(161)에 형성된 중간압실(Pm) 및 연결 파이프(180)를 통해 고압 압축 어셈블리(130)로 흡입되며, 고압 압축 어셈블리(130)에서는 저압 압축 어셈블리(120)에서 냉매가 압축되는 것과 동일한 과정으로 압축되어 밀폐 용기(101) 내로 토출된다. 즉, 고압 유입홀(136)을 통해 흡입된 중간압의 냉매가 고압 실린더(131) 내에서 고압 편심부(113b)에 의해 편심 회전되는 고압 롤러(133)에 의해 압축된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 실린더, 고압 실린더, 하부 베어링 및 연결 파이프를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 저압 실린더(121) 및 고압 실린더(131)는 밀폐 용기(101) 내면에 고정되어야 하기 때문에, 밀폐 용기(101)의 내경에 대응하는 외경을 가지는 것이 바람직하다. 따라서 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 외경은 거의 동일하다. 또한 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 내경은 거의 동일하다. 저압 롤러(123)와 고압 롤러(133)는 각각 회전축(113)의 저압 편심부(113a) 및 고압 편심부(113b)에 의해 편심회전하며 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 내경을 따라서 회전하며 냉매를 압축한다. 이때, 저압 롤러(123), 고압 롤러(133), 저압 편심부(113a) 및 고압 편심부(113b)의 무게가 한쪽에 편중되어 회전하면서 밀폐 용기(101)에 진동 및 소음이 발생하는 것을 방지하기 위해, 저압 롤러(123)-저압 편심부(113a)와 고압 롤러(133)-고압 편심부(113b)는 서로 180° 간격을 두고 위치되는 것이 일반적이다. 저압 롤러(123)-저압 편심부(113a)의 RPM과 고압 롤러(133)-고압 편심부(113b)의 RPM은 서로 같다. 따라서 저압 롤러(123)와 저압 편심부(113a)의 질량의 합과, 고압 롤러(133)와 고압 편심부(113b)의 질량의 합을 같게 했을 때, 저압 롤러(123)와 저압 편심부(113a)에 작용하는 원심력과 고압 롤러(133)와 고압 편심부(113b)에 작용하는 원심력은 대략 저압 롤러(123)의 외경과 고압 롤러(133)의 외경, 즉 저압 실린더(121)의 내경과 고압 실린더(131)의 내경에 비례한다고 할 수 있다. 이때, 저압 롤러(123)와 저압 편심부(113a)에 의해 가해지는 원심력과 고압 롤러(133)와 고압 편심부(113b)에 가해지는 원심력이 같아야 압축기의 진동을 최소화할 수 있을 것이므로, 저압 실린더(121)의 내경과 고압 실린더(131)의 내경을 동일하게 하는 것이 유리하다.
따라서 저압 실린더(121)의 내경과 고압 실린더(131)의 내경이 동일하고, 저압 롤러(123)의 외경과 고압 롤러(133)의 외경이 동일하므로, 저압 실린더(121) 내에 형성되는 압축 공간의 체적(행정 체적)과 고압 실린더(131) 내에 형성되는 행정 체적은 저압 실린더(121) 및 고압 실린더(131)의 높이에 비례한다고 볼 수 있다.
그런데, 고압 압축 어셈블리(130)에서 압축되는 냉매는, 저압 압축 어셈블리(120)에서 1차로 압축된 냉매가 다시 재 압축되는 것이므로 고압 압축 어셈블리(130)에 요구되는 행정체적 자체가 저압 압축 어셈블리에 요구되는 행정체적에 비해 작다. 연결 파이프(180)에 연결된 인젝션 파이프(190)를 통해, 상 분리기(500: 도 3 참조)에서 분리된 중간압의 기체 냉매가 더 유입되어, 1회전 시 압축되는 냉매의 질량이나 몰수는 고압 압축 어셈블리(130)에서 더 크나, 행정체적은 저압 압축 어셈블리(120)가 더 크다.
이때, 저압 압축 어셈블리(120)의 행정 체적(V1)에 대한 고압 실린더(130)의 행정 체적(V2)의 비가
Figure 112009021572246-pat00001
와 같은 범위에 있을 때 양호한 성능을 보였다.
앞에서 설명한 바와 같이, 저압 실린더(121) 높이(H1)와 고압 실린더(131)의 높이(H2)의 비(H2/H1)는 저압 압축 어셈블리(120)와 고압 압축 어셈블리(130)의 행정 체적의 비(V2/V1)와 거의 일치하는 값을 가진다.
물론, 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 높이를 같게 하되, 내경을 달리하여 압축 공간의 체적(행정 체적)을 서로 다르게 조절할 수도 있다. 그러나 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)를 밀폐 용기(101)에 고정시키려면, 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 외경은 밀폐 용기(101)의 내경과 거의 같아야 한다. 따라서, 고압 실린더(131)의 외경과 내경 사이의 크기가 커지므로 고압 실린더(131)의 무게가 증가하며, 제조 단가가 상승하는 단점이 있으므로, 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 내, 외경을 같게 하고, 높이를 달리하여 행정 체적을 달리하는 것이 제조 단가, 무게 저감 등의 관점에서 유리하다.
또한, 저압 롤러(123)와 고압 롤러(133)의 높이는 각각 저압 실리너(121)의 높이 및 고압 실린더(131)의 높이가 일치한다. 저압 롤러(123)와 저압 편심부(113a)에 의해 가해지는 원심력과 고압 롤러(133)와 고압 편심부(113b)에 가해지는 원심력은 저압 실린더(121) 및 고압 실린더(131)의 내경과 각속도 이외에 저압 롤러(123) 및 저압 편심부(113a)의 질량 합과, 고압 실린더(133) 및 고압 편심부(113b)의 질량의 합이 또 하나의 변수가 된다. 따라서, 저압 편심부(113a) 및 고압 편심부(113b)는 각각 저압 롤러(123) 및 고압 롤러(133)에 직접 접촉하는 접촉부와 접촉하지 않는 비접촉부를 포함한다. 즉, 저압 편심부(113a) 및 고압 편심부(113b) 전체가 각각 저압 롤러(123) 및 고압 롤러(133)에 접촉하는 것이 아니라, 일부만 접촉하되, 나머지 일부는 그 크기를 줄임으로써, 저압 편심부(113a)와 고압 편심부(113b)의 질량을 줄여 모터 구동 시 냉매의 압축에 의해 발생하는 부하가 아니라 편심부(113a, 113b)의 회전을 위해 발생하는 부하를 줄일 수 있다. 또한, 저압 편심부(113a)의 접촉부의 높이와 고압 편심부(113b)의 접촉부의 높이를 각각 조절함으로써, 저압 편심부(113a)에 의해 발생하는 원심력과 고압 편심부(113b)에 의해 발생하는 원심력을 같게 하여, 압축기의 구동 시 발생하는 진동 및 소음을 저감할 수 있다.
한편, 압축기에는 하부 베어링(161)과 고압 실린더(131)에 각각 양단이 삽입되어, 저압 압축 어셈블리(120)에서 압축된 냉매를 고압 압축 어셈블리(130)로 안내하는 연결 파이프(180)가 구비된다. 더 나아가 연결 파이프(180)는 저압 압축 어셈블리(120)에서 토출되는 중간압의 냉매를 고압 압축 어셈블리(130)로 안내하면서, 냉매의 맥동을 저감하는 역할을 한다. 냉매의 맥동은 냉매가 저압 압축 어셈블 리(120)에서 불연속적으로 토출되기 때문에 발생한다. 또한 저압 압축 어셈블리(120)와 고압 압축 어셈블리(130)는 각각 소정 압력 이상에서 토출 밸브(미도시)가 개방되어 다시 닫힐 때까지 냉매를 토출하며, 토출 밸브(미도시)의 개방은 1 행정(1 회전) 당 한번 이루어진다. 반면 저압 실린더(121) 및 고압 실린더(131) 내에서 유입부(Sl: 도 5 참조)의 체적이 커짐에 따라 유입부(Sl) 내에 음압이 형성되면서 저압 압축 어셈블리(120) 및 고압 압축 어셈블리(130)로 냉매의 흡입이 일어난다. 유입부(Sl)의 체적은 롤러(123, 133)가 실린더(121, 131)의 내경을 따라 구르면서 연속적으로 증가하게 되므로, 저압 압축 어셈블리(120) 및 고압 압축 어셈블리(130)로의 냉매의 흡입 또한 연속적으로 일어난다.
저압 압축 어셈블리(120)로 흡입되는 냉매는 어큐뮬레이터(200)에 저장되어 있던 냉매이므로, 저압 압축 어셈블리(120)로 냉매를 흡입할 때에는 맥동이 크게 문제되지 않는다. 그러나, 고압 압축 어셈블리(130)로 흡입되는 냉매는, 저압 압축 어셈블리(120)에서 1차로 압축된 냉매이므로, 저압 압축 어셈블리(120)에서 토출이 이루어져야만 고압 압축 어셈블리(130)로 이루어질 수 있으므로, 저압 압축 어셈블리(120)로부터 토출될 때 불연속적인 냉매의 토출로 인한 맥동이 문제가 된다. 저압 압축 어셈블리(120)에서 토출된 냉매가 하부 베어링(161) 내에 형성된 중간압실(Pm)에서 일시적으로 저장되며 맥동을 어느 정도 저감시켜준다. 중간압의 냉매를 일시적으로 저장하는 공간이 클수록 저압 압축 어셈블리(120)에서 토출된 냉매의 맥동을 효과적으로 저감시킬 수 있으나, 압축기의 크기에 한계가 있으므로, 하부 베어링(161) 내에 형성되는 중간압실(Pm)의 체적을 크게 만드는 것에도 한계가 있다. 즉, 중간압실(Pm)의 체적을 키우기 위해서는 하부 베어링(161)의 길이 또는 내,외경이 커져야 하는데, 하부 베어링(161)의 길이 또는 내외경의 증가는, 밀폐용기의 길이 또는 지름이 길어지므로, 압축기 자체의 크기가 압축 용량과 무관한 요소에 의해 불필요하게 커지게 되어 공간활용도 측면에서 비효율적이다.
저압 압축 어셈블리(120)에서 토출되는 중간압 냉매의 맥동을 저감하여 고압 압축 어셈블리(130)로 흡입시키기 위한 또 다른 방법으로 본 발명의 로터리식 2단 압축기는 연결 파이프(180)의 내경을 키워 연결 파이프(180)의 체적을 증가시키고,연결 파이프(180) 내부 공간이 중간압 냉매의 맥동을 저감시키는 댐핑 공간의 역할을 할 수 있도록 하였다. 그러나 압축기(100)의 용량에 따라 저압 압축 어셈블리(120)와 고압 압축 어셈블리(130)의 압축 용량이 미리 결정되어 있으므로, 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 높이도 미리 결정되어 있다. 또한 하부 베어링(161)의 크기도 소정의 크기로 결정되어 있다. 그러나, 연결 파이프(180)의 내경은 저압 실린더(121)와 고압 실린더(131)의 높이와 무관하게 키울 수 없다. 따라서 본 발명의 로터리식 2단 압축기가 구비하는 연결 파이프(180)는 각각 하부 베어링(161) 및 고압 실린더(131)에 삽입될 수 있을 정도의 내경을 가지는 양 단부(181, 182)와, 양 단부(181, 182)보다 큰 내경을 가지는 중간부(183)를 포함한다. 따라서 연결 파이프(180)는 저압 실린더(121), 고압 실린더(131) 및 하부 베어링(161)의 높이와 무관하게 중간압 냉매의 맥동을 저감하는 공간으로 활용될 수 있는 체적을 키울 수 있다.
한편, 양 단부(181, 182)의 내경은 각각 하부 베어링(161)과 고압 실린더(131)의 중간압 연통홀(161a)과 고압 유입홀(136) 주변부의 두께가 충분히 확보하여 작동 신뢰성을 충분히 확보하는 것과 동시에 최대한 양 단부의 내경(181, 182)의 크기를 증가시켜 중간압으로 압축된 냉매의 맥동을 저감시켜 줄 수 있는 범위 내에서 결정되어야 한다.
이를 위해 연결 파이프(180)의 양 단부(181, 182)는 각각 단부(181, 182)의 내경은 삽입되는 하부 베어링(161) 및 고압 실린더(131)의 높이에 대해 소정 비율 이하의 크기를 가져야 한다. 양 단부(181, 182)의 내경(Du)은 각각 삽입되는 하부 베어링(161) 및 고압 실린더(131)의 높이(H)에 대해 0.4 ＜ Du/H ＜ 0.85 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 만약 0.4 ＞ Du/H 의 값을 가지면, 양 단부(181, 182)의 내경(Du)이 지나치게 작아져서 하부 베어링(161)으로부터 연결 파이프(180)로 냉매가 유입될 때, 중간부(183)로부터 단부(182)로 냉매가 흡입될 때의 유로 저항이 커져서 냉매의 흡입, 토출이 원활하게 일어날 수 없다. 반대로, Du/H ＞ 0.85 의 값을 가지면, 양 단부(181, 182)의 내경(Du)이 지나치게 커져서, 양 단부(181, 182) 부근의 하부 베어링(161) 또는 고압 실린더(131)의 두께가 얇아져서 작동 시 발생하는 진동 등에 의해 하중이 집중되어 파손될 염려가 있다. 한편, 압축기(100)의 용량이 작아서 하부 베어링(161) 또는 고압 실린더(131)의 높이가 낮은 경우에는 적어도 Du ＜ H - 5 (mm), 즉 하부 베어링(161) 또는 고압 실린더(131)의 높이보다 양 단부(181, 182)의 내경이 적어도 5mm 이상 작은 것이 바람직하다.
한편 연결 파이프(180)에 연결되는 인젝션 파이프(190)의 내경이 증가하면, 상 분리기(300)에서 유입되는 기체 냉매의 인젝션 양이 많아지므로 COP를 향상시킬 수 있다. 따라서 인젝션 파이프(190)가 연결 파이프(180)에 연결되는 부분은, 내경이 큰 중간부(183)인 것이 바람직하다.
또한 저압 실린더(121)에 형성되는 저압 유입홀(126)과 하부 베어링(161)에 형성되는 중간압 연통홀(161a)은 대략 동일한 크기로 할 수 있다. 즉, 저압 유입홀(126)에 삽입되는 냉매 유입관(151)의 내경과 연결 파이프(180)의 저압측 단부(181)의 내경이 대략 동일한 크기인 것이 바람직하다. 이 경우 중간압 연통홀(161a) 및 저압 유입홀(126)의 형성과, 냉매 유입관(151)의 연결 및 연결 파이프(180)의 저압측 단부(181)의 연결을 동일하게 관리할 수 있어, 제조 공정 및 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리식 2단 압축기가 구비하는 연결 파이프를 도시한 도면, 도 8은 본 발명의 연결 파이프 중간부의 내경의 확대에 따른 COP 향상을 도시한 그래프, 도 9는 본 발명의 연결 파이프 중간부의 내경의 확대에 따른 냉매의 흡입 유량 및 인젝션 파이프를 통한 기체 냉매의 인젝션 양의 변화를 도시한 그래프이다. 도 7 내지 도 9에서, D1은 연결 파이프(180)의 중간부(183)의 내경, D2는 고압 실린더(131)에 연결되는 고압측 단부(182)의 내경, D3는 하부 베어링(161)에 연결되는 저압측 단부(181)의 내경, D4는 인젝션 파이프(190)의 내경을 나타낸다. 도 8을 살펴보면, 연결 파이프(180)의 내경이 중간부(183)와 양 단부(181, 182)의 구분 없이 동일한 경우 압축기의 COP를 100%로 봤을 때, 본 발명에 따른 중간부(183)의 내경(D1)의 크기가 양 단부(181,182)의 내 경(D3, D2)가 큰 경우 COP 105%로 COP가 5% 가량 향상되었다. 또한 도 9를 살펴보면, 인젝션 파이프를 통해 연결 파이프로 유입되는 유량까지 합하여 연결 파이프(180) 내부를 흐르는 냉매의 유량을 비교했을 때, 연결 파이프(180)의 내경이 일정한 경우(D1 = D2 = D3)의 유량을 100%로 봤을 때, 중간부(183)의 내경(D1)이 양 단부(181, 182)의 내경(D2, D3)보다 큰 경우(D1＞D2, D3)의 유량은 110%로, 대략 연결 파이프(180) 내를 흐르는 냉매의 유량이 10% 가량 향상된 것을 확인할 수 있다. 연결 파이프(180) 내를 흐르는 냉매의 유량은 곧, 고압 압축 어셈블리(130)로 흡입되는 냉매의 유량으로 볼 수 있으며, 고압 압축 어셈블리(130)에서 압축되는 냉매의 양이 증가하고, COP가 향상된다는 것은 곧 냉동 능력이 향상된다는 것을 의미한다. 또한 증가한 연결 파이프(180)의 체적은 압력 맥동을 저감하는 댐퍼 역할을 하고, 저압 압축 어셈블리(120)에서의 과압축 손실을 저감시켜 주는 역할도 한다. 즉, 압력 맥동을 저감하고, 과압축 손실을 저감하여 진동 및 소음을 개선할 수 있고, 압축기의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 로터리식 2단 압축기의 일 예를 도시한 도면;
도 2는 종래의 로터리식 트윈 압축기의 일 예를 도시한 도면;
도 3은 로터리식 2단 압축기가 포함되는 싸이클의 일 예를 도시한 개략도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리식 2단 압축기를 도시한 도면;
도 5는 저압 압축 어셈블리의 저면을 도시한 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압 실린더, 고압 실린더, 하부 베어링 및 연결 파이프를 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리식 2단 압축기가 구비하는 연결 파이프를 도시한 도면;
도 8은 본 발명의 연결 파이프 중간부의 내경의 확대에 따른 COP 향상을 도시한 그래프;
도 9는 본 발명의 연결 파이프 중간부의 내경의 확대에 따른 냉매의 흡입 유량 및 인젝션 파이프를 통한 기체 냉매의 인젝션 양의 변화를 도시한 그래프.

Claims (13)

  1. 밀폐 용기;
    밀폐 용기 내에 구비되며, 회전력을 전달하는 회전축;
    회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 저압 롤러, 저압 롤러가 수용되는 저압 실린더 및 저압 실린더 내부 공간을 구획하는 저압 베인을 구비하는 저압 압축 어셈블리;
    회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 고압 롤러, 고압 롤러가 수용되는 고압 실린더 및 고압 실린더 내부 공간을 구획하는 고압 베인을 구비하는 고압 압축 어셈블리;
    저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 고압 압축 어셈블리로 유입되도록 유로를 제공하는 연결 파이프; 및
    연결 파이프에 연결되는 인젝션 파이프;를 포함하며,
    저압 실린더의 행정 체적(V1)에 대한 고압 실린더의 행정 체적(V2) 비가
    0.43 ＜ V2 / V1 ＜ 0.82
    의 관계식을 만족하고,
    연결 파이프의 중간부의 내경이 연결 파이프의 양 단부보다 큰 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  2. 밀폐 용기;
    밀폐 용기 내에 구비되며, 회전력을 전달하는 회전축;
    회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 저압 롤러, 저압 롤러가 수용되는 저압 실린더 및 저압 실린더 내부 공간을 구획하는 저압 베인을 구비하는 저압 압축 어셈블리;
    회전축의 중심에 대해 편심되게 회전하는 고압 롤러, 고압 롤러가 수용되는 고압 실린더 및 고압 실린더 내부 공간을 구획하는 고압 베인을 구비하는 고압 압축 어셈블리;
    저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 고압 압축 어셈블리로 유입되도록 유로를 제공하는 연결 파이프; 및
    연결 파이프에 연결되는 인젝션 파이프;를 포함하며,
    연결 파이프의 중간부의 내경이 연결 파이프의 양 단부보다 큰 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    저압 압축 어셈블리에서 압축된 냉매가 토출되어 일시적으로 저장되는 중간압실;을 더 포함하고,
    연결 파이프의 일 단부는 중간압실에 연결되고, 타 단부는 고압 실린더에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    연결 파이프의 고압측 단부의 내경(Du)은 고압 실린더의 높이(H)에 대해,
    0.4 ＜ Du/H < 0.85
    의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  5. 제3항에 있어서,
    연결 파이프의 고압측 단부의 내경(Du)은 고압 실린더의 높이(H)보다 적어도 5mm 작은 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  6. 제3항에 있어서,
    중간압실은 하부 베어링 내에 형성되며,
    연결 파이프의 저압측 단부의 내경(Du)은 하부 베어링의 높이(H)에 대해,
    0.4 ＜ Du/H < 0.85
    의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  7. 제3항에 있어서,
    중간압실은 하부 베어링 내에 형성되며,
    연결 파이프의 저압측 단부의 내경(Du)은 하부 베어링의 높이(H)보다 적어도 5mm 작은 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  8. 제1항에 있어서,
    저압 실린더는 저압의 냉매가 흡입되는 냉매 유입관을 더 포함하며,
    냉매 유입관의 내경과 연결 파이프의 저압측 단부의 내경은 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  9. 제1항에 있어서,
    인젝션 파이프는 연결 파이프의 양단부보다 내경이 큰 중간부에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    인젝션 파이프는 고압측 단부보다 저압측 단부에 더 근접한 곳에 연결되는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전축은 회전축의 중심에 대해 편심된 위치에 저압 편심부를 구비하며,
    저압 편심부는 저압 롤러의 내주면와 맞닿는 접촉부 및 저압 롤러의 내주면과 맞닿지 않는 비접촉부를 구비하고,
    저압 편심부의 접촉부의 높이는 저압 롤러의 높이에 대해 70% 이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전축은 회전축의 중심에 대해 편심된 위치에 고압 편심부를 구비하며,
    고압 편심부는 고압 롤러의 내주면와 맞닿는 접촉부 및 고압 롤러의 내주면과 맞닿지 않는 비접촉부를 구비하고,
    고압 편심부의 접촉부의 높이는 고압 롤러의 높이에 대해 70% 이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    저압 롤러 및 저압 편심부의 질량 합과 고압 롤러 및 고압 편심부의 질량 합은 서로 같은 것을 특징으로 하는 로터리식 2단 압축기.
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