KR101954533B1

KR101954533B1 - 로터리 압축기

Info

Publication number: KR101954533B1
Application number: KR1020170142853A
Authority: KR
Inventors: 신진웅; 노기율; 문석환
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-03-05

Abstract

본 발명은, 케이스의 내부에서 회전력을 발생시키는 구동모터; 상기 구동모터와 결합되어 회전력을 전달하는 회전축; 상기 케이스에 고정되고, 상기 회전축을 따라 설치되는 상부커버와 하부커버; 상기 상부커버와 하부커버의 사이에 고정 설치되고, 중심부에 냉매가 수용되며, 반경 방향으로 흡입포트와 토출포트가 각각 형성되는 실린더; 일 측이 상기 실린더의 내주면에 접하도록 상기 실린더의 내부에 위치하고, 상기 회전축과 함께 회전하여 상기 실린더의 내부에 압축공간을 형성하는 롤러; 상기 롤러에 구비된 베인슬롯에 삽입 설치되고, 상기 베인슬롯에 인가되는 배압력에 의하여 돌출되어 상기 실린더의 내주면과 접하면서 압축실을 구획하는 복수개의 베인; 및 상기 상부커버 또는 상기 하부커버에 구비되어 상기 베인슬롯과 연통하는 제1배압포켓 및 제2배압포켓;을 포함하는 로터리 압축기를 제공한다.

Description

로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR}

본 발명은 실린더의 압축공간에 흡입되는 냉매를 압축시킨 후 이를 토출하는 로터리 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배압이다.

압축기는 냉장고나 에어컨과 같은 증기압축식 냉동사이클에 적용되는 것으로, 압축기는 냉매를 압축실로 흡입하는 방식에 따라 간접 흡입 방식과 직접 흡입 방식으로 구분될 수 있다.

간접 흡입 방식은 냉동사이클을 순환하는 냉매가 압축기의 케이스 내부공간으로 유입된 후 압축실로 흡입되는 방식이고, 직접 흡입 방식은 간접 흡입 방식과 달리 냉매가 직접 압축실로 흡입되는 방식이다. 간접 흡입 방식은 저압식 압축기로, 직접 흡입 방식은 고압식 압축기로 지칭될 수 있다.

저압식 압축기는 냉매가 압축기의 케이스 내부공간으로 먼저 유입됨에 따라 액냉매나 오일이 압축기 케이스의 내부공간에서 걸러지므로 별도의 어큐뮬레이터가 구비되지 않는다. 이에 반해, 고압식 압축기는 압축실로 액냉매나 오일이 유입되는 것을 방지하기 위해 통상적으로 어큐뮬레이터가 압축실보다 흡입측에 구비되어 있게 된다.

압축기는 냉매를 압축하는 방식에 따라 회전식과 왕복동식으로 구분할 수 있다.

회전식 압축기는 롤링피스톤(이하 롤러라 한다.) 실린더에서 회전이나 선회운동을 하면서 압축공간의 체적을 가변시키는 방식이고, 왕복동식 압축기는 롤링피스톤이 실린더에서 왕복 운동을 하면서 압축공간의 체적을 가변시키는 방식이다.

회전식 압축기로는, 전동부의 회전력을 이용하여 냉매를 압축하는 로터리 압축기가 있다.

최근에는 로터리 압축기를 점차 소형화하면서, 그 효율을 높이는 것이 주된 기술 개발의 목표가 되고 있다. 또한, 소형화된 로터리 압축기의 운전속도 가변 범위를 증대시킴으로써 더 큰 냉방 능력(Cooling Capacity)을 얻기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

로터리 압축기는 외관을 형성하는 케이스의 내부에 구동모터 및 압축유닛이 포함하며 흡입된 냉매를 압축한 후 토출하게 된다. 구동모터는 회전축을 중심으로 회전자와 고정자 순으로 이루어지며, 고정자에 전원이 인가되면 회전자는 고정자의 내부에서 회전하면서 회전축을 회전시키게 된다.

압축유닛은 압축공간을 형성하는 실린더, 회전축에 결합되는 롤링피스톤(이하, 롤러) 및 압축공간을 흡입실과 압축실로 구획하는 베인으로 이루어진다.

실린더의 내부에는, 회전축을 중심으로 회전하며 베인과 함께 복수개의 압축 공간을 형성하는 롤러가 설치된다. 롤러는 회전축과 동심 회전운동을 하게 된다.

롤러의 외주면에는 방사상으로 다수의 베인슬롯이 설치되고, 각 베인은 베인슬롯으로부터 슬라이딩되어 돌출된다. 각 베인은, 후단부에 형성되는 오일의 배압력과 롤러의 회전에 의한 원심력에 의해, 베인슬롯으로부터 돌출되어 실린더의 내주면과 밀착됨으로써 실린더의 내부 공간에서 수용된 냉매를 압축할 수 있게 된다. 즉, 흡입실로 유입되는 냉매는 실린더의 내주면을 따라 이동하는 베인에 의해 일정한 압력까지 압축된 후, 토출배관을 거쳐 냉동사이클 장치로 배출될 수 있다.

내부 고압형 로터리 압축기에서는 압축유닛에서 압축된 압력이 케이스 내부에 모두 작용한다. 따라서, 케이스 내부의 압력을 베인의 배압으로 이용할 경우 과도하게 높은 힘으로 베인을 가압하게 되어 베인과 실린더 내주면 사이에 과도한 마찰이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 베인과 실린더 내주면 사이의 마찰 손실을 감소시켜, 압축기의 효율을 향상하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 베인에 인가되는 압력을 구간별로 달리 설정하여, 압축실의 밀폐성능을 유지하면서, 베인과 실린더 내주면 사이의 마찰 손실을 감소시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

제1배압포켓과 제2배압포켓의 사이에 무포켓 구간을 배치할 수도 있다.

또한, 제1배압포켓과 제2배압포켓을 상부커버 또는 하부커버에 분할하여 형성할 수도 있다.

본 발명에 따른 로터리 압축기는 상부커버 또는 하부커버에 중간압이 인가되는 제1배압포켓과, 토출압이 부여되는 제2배압포켓을 구비하여, 크랭크각의 구간별로 베인슬롯에 인가되는 압력을 조절할 수 있는 효과를 가져온다.

따라서, 제1배압포켓과 제2배압포켓의 구간을 적절히 설정하는 것으로 마찰 손실을 저감할 수 있는 효과를 가져온다.

도 1은 로터리 압축기의 내부의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 로터리 압축기의 압축 유닛 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 로터리 압축기의 압축 유닛의 구조를 나타낸 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 압축기의 압축 유닛 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 압축기의 압축 유닛을 나타낸 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 압축기의 압축 유닛을 나타낸 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배압포켓의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배압포켓의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배압포켓의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배압포켓의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명에 관련된 로터리 압축기에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 로터리 압축기의 내부의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 로터리 압축기의 압축 유닛 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고압식 로터리 압축기(100)는, 케이스(110), 구동모터(120) 및 압축유닛(130)을 포함한다.

케이스(110)는 외관을 형성하며 내부 공간을 밀폐하는 역할을 수행하는 것으로, 일 방향을 따라 연장되는 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다. 케이스(110)의 내부에는 구동모터(120)와 압축유닛(130)이 수용된다. 케이스(110)는 상부쉘(110a), 중간쉘(110b) 및 하부쉘(110c)을 포함한다.

중간쉘(110b)의 내측면에는 구동모터(120)와 압축유닛(130)이 고정 설치될 수 있으며, 중간쉘(110b)의 상부와 하부에는 각각 상부쉘(110a) 및 하부쉘(110c)이 결합된다.

중간쉘(110b)의 일 측에는 흡입배관(113)이 설치되고, 상부쉘(110a)의 일 측에는 토출배관(114)이 설치된다.

구동모터(120)는 압축유닛(130)의 일측(도시한 실시예의 경우에는 구동모터가 압축유닛의 상부에 배치되어 있으나, 구동모터가 압축유닛의 하부에 배치될 수도 있다.)에 위치된다. 구동모터(120)는 냉매를 압축하기 위한 동력을 제공하는 역할을 수행한다.

구동모터(120)는 고정자(121), 회전자(122) 및 회전축(123)을 포함한다. 고정자(121)는 케이스(110)의 내부에 고정되도록 설치되며, 원통형의 케이스(110)의 내주면에 열박음의 방법으로 장착될 수 있을 것이다. 또한, 고정자(121)는 중간쉘(110b)의 내주면에 고정 설치되도록 위치될 수 있다.

회전자(122)는 고정자(121)와 이격 배치되며, 고정자(121)의 내측에 배치될 수 있다. 고정자(121)에 전원이 인가되면, 고정자(121)와 회전자(122)의 사이에 형성된 자기장에 따라 발생하는 힘에 의해 회전자(122)가 회전되며, 회전자(122)의 중심을 관통하는 회전축(123)에 회전력을 전달하게 된다.

압축유닛(130)은 냉매를 압축하여 토출시키는 역할을 하는 것으로, 실린더(133), 롤러(134), 베인(135), 상부커버(131) 및 하부커버(132)을 포함한다.

압축유닛(130)은 흡입된 냉매를 압축시킨 후 토출한다. 냉매의 흡입과 토출은 압축공간(V1, V2)을 형성하는 실린더(133)의 내부에서 이루어지게 된다.

압축유닛(130)은 냉매가 유입되는 흡입포트(133a)와, 압축유닛(130)에서 압축된 냉매가 토출되는 토출구(미도시)를 구비한다. 흡입포트(133a)는 냉동사이클을 형성하는 흡입배관(113)을 통해 증발기(미도시)와 연통된다. 토출구(미도시)는 토출배관(114)을 통해 응축기(미도시)로 연통된다.

도 3은 로터리 압축기의 압축 유닛의 구조를 나타낸 횡단면도이다.

도시된 바와 같이, 실린더(133)의 내부에는 회전축(123)을 중심으로 회전하며, 실린더(133)의 내주면(133a)과 접하면서 압축실을 형성하는 롤러(134)가 설치된다. 롤러(134)는 회전축(123)과 일체로 회전하도록 설치된다. 롤러(134)는 실린더(133)의 내주면 사이에 하나의 접촉점을 형성하며 회전하게 된다.

롤러(134)는 복수개의 베인슬롯(134a,134b,134c)을 구비한다. 각각의 베인슬롯(134a,134b,134c)에는 베인(135)이 설치된다. 베인(135)은 베인슬롯(134a,134b,134c)에 인가되는 압력에 의하여 도출도는 방향으로 힘을 받는다.

회전축(123)이 회전함에 따라, 각 베인(135)은 롤러(134)와 함께 회전하면서 실린더(133)의 내주면에 접하면서 이동하며, 실린더(133)의 내주면과 롤러(134)의 외주면과 베인(135)에 의하여 복수개의 압축실이 형성된다. 도시한 바와 같이 베인이 3개인 경우 압축실은 3개 또는 4개 형성된다.

실린더(133)와 롤러(134)간의 접촉점은 동일한 위치로 유지되고, 베인(135)의 전단부는 실린더(133)의 내주면을 따라 이동하므로, 각각의 압축실에 형성되는 압력은 베인(135)의 이동에 따라 연속된 압축되는 메커니즘을 가진다.

구동모터(20)가 회전함에 따라, 회전축(123)이 반시계방향으로 회전하면, 회전축(123)에 설치되는 롤러(134)는 반시계방향으로 회전한다. 롤러(134)가 반시계방향으로 회전함에 따라 흡입포트(133a)를 통해 실린더(133)의 압축실로 유입되는 냉매는 실린더(133)의 내주면과 각 베인(135) 사이에 형성되는 공간에 위치된다.

베인(135)의 이동에 따라 롤러(134)의 외주면과 실린더(133) 내주면 사이의 간격이 좁아지면서 압축이 이루어질 수 있다. 압축된 냉매는 토출포트(133b, 133c)를 통해 유출된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 압축기의 압축 유닛을 나타낸 종단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 압축기의 압축 유닛을 나타낸 횡단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 로터리 압축기는 압축 유닛의 상부커버(131)과 하부커버(132)에 제1배압포켓(131a,132a)과 제2배압포켓(131b,132b)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

제1배압포켓(131a,132a)과 제2배압포켓(131b,132b)은 롤러와 상부커버(131) 및 하부 블록(132)이 중첩되는 구간에 배치되어, 롤러에 형성된 베인슬롯(134a,134b,134c)과 연통된다. 제1배압포켓(131a,132a)과 제2배압포켓(131b,132b) 내부의 압력이 베인(135)의 배압으로 작용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

제1배압포켓(131a,132a)은 토출압력과 흡입압력 사이의 중간압력이 인가될 수 있도록 하고, 제2배압포켓(131b,132b)은 토출압력이 인가될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 제2배압포켓(131b,132b)은 회전축(123) 저널부와 연통되도록 하는 것이 바람직하다.

고압식 로터리 압축기는 압축 유닛(130)의 제외한 케이스(110) 내부 공간 전체에 토출압이 인가되는 구조를 가지며, 회전축(123)의 저널부에는 토출압으로 오일이 공급된다. 따라서, 제2배압포켓(131b,132b)가 회전축(123)의 저널부와 연통하면 토출압에 대응하는 고압의 오일이 공급된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배압포켓의 형상을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배압포켓의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

먼저 도 6을 참조하면, 제1배압포켓(131a,132a)은 롤러의 외주면과 G1의 간격을 가지고 있다. 그리고 제1배압포켓(131a,132a)은 롤러의 회전축 저널부와 G2의 간격을 가지고 있다.

반면에, 제2배압포켓(131b,132b)는 롤러의 외주면과 G3의 간격을 가지고 있으며, 회전축 저널부와는 연통하는 구조이다.

이러한 구조로 인하여 제1배압포켓에는 토출압과 흡입압력 사이의 중간압이 형성되고, 제2배압포켓에는 토출압이 형성된다.

제1배압포켓과 제2배압포켓의 외경은 롤러의 외경의 70~90% 범위인 것이 바람직하다. 이는 배압포켓에 인가되는 압력이 압축실에 영향을 미치지 않도록 하기 위한 것이다.

도 7은 크랭크 각도에 따른 베인과 실린더 내주면 사이의 마찰력을 나타낸 그래프이다.

실선은 크랭크 각도에 따른 베인슬롯의 압력을 나타낸 것이고, 점선은 크랭?? 각도에 따른 압축실 내부의 압력을 나타낸 것이고, 일점쇄선은 베인슬롯과 압축실의 압력차를 나타낸 것이다. 베인슬롯과 압축실의 압력차는 베인과 실린더 내주면 사이의 마찰력과 동일하다. 따라서, 일점쇄선의 아래 부분 면적이 베인과 실린더 내주면 사이의 마찰력으로 인한 손실이다.

제1배압포켓의 크기와 길이를 최적화하여, 베인과 실린더 사이의 마찰로 인하여 발생하는 손실을 저감할 수 있다.

제1배압포켓의 압력의 크기는 G1간격이 커질수록 증가하고, 제1배압포켓의 길이(A1 구간의 각도)를 변경하여, 제1배압포켓의 중간압이 베인슬롯으로 작용하는 구간을 변경할 수 있다.

본 실시예의 경우 제1배압포켓의 형성 구간(A1)은 크랭크각 -5도~0도 에서 시작하여, 크랭크각 110~230도에서 끝날 수 있다. 그리고 제1배압포켓이 형성되지 않은 나머지 구간에 제2배압포켓을 형성(A2)할 수 있다.

도시한 도면에서는 제1배압포켓 형성 구간(A1)과 제2배압포켓 형성 구간(A2)의 사이에 무포켓 구간이 배치되는데, 이는 제1배압포켓과 제2배압포켓 사이의 연통을 감소시키기 위한 것이다.

도시한 실시예의 경우 상부커버(131)에 제1배압포켓(131a)과 제2배압포켓(132b)이 모두 형성되고, 하부커버(132)에도 제1배압포켓(131a)과 제2배압포켓(132b)이 모두 형성되어 있는 구조이다. 그러나 반드시 이러한 형태로 형성해야 하는 것은 아니다.

예를 들면, 상부커버(131)에는 제1배압포켓(131a)만을 형성하고, 하부커버(132)에는 제2배압포켓(132b)만을 형성할 수도 있고, 반대로 상부커버(131)에는 제2배압포켓(131b) 만을 형성하고, 하부커버(132)에는 제1배압포켓(132a)만을 형성할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배압포켓의 형상을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배압포켓의 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

본 실시예는 제1배압포켓(131a,132a)과, 제2배압포켓(131b,132b)의 사이에 무포켓 구간(A3)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

무포켓 구간(A3)은 압축실이 압축되는 구간에 해당하므로, 베인(135)이 후퇴하면서 발생하는 압력이 베인(135)을 돌출시키는 배압력으로 작용하게 된다.

제1배압포켓(131a,132a)와 제2배압포켓(131b,132b)이 너무 근접하면, 제2배압포켓(131b,132b) 내부의 압력이 제1배압포켓(131a,132a)과 연통할 수 있으나, 무포켓 구간(A3)을 형성하면 이러한 문제점을 해결하고 제1배압포켓의 압력과 제2배압포켓의 압력이 서로 영향을 받지 않도록 할 수 있다.

본 실시예의 경우 제1배압포켓의 형성 구간(A1)은 크랭크각 -5도~0도 에서 시작하여, 크랭크각 110~200도에서 끝날 수 있다.

그리고, 제2배압포켓 형성 구간(A2)은 크랭크각 110~200도에서 시작하여, 크랭크각 200~250도에서 끝날 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 로터리 압축기를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100: 로터리 압축기 110: 케이스
120: 구동모터 121: 고정자
122: 회전자 123: 회전축
130: 압축유닛 131: 상부커버
131a: 제1배압포켓 131b: 제2배압포켓
132: 하부커버 132a: 제1배압포켓
132b: 제2배압포켓 133: 실린더
133a: 흡입포트 133b: 토출포트
133c: 토출포트
134: 롤러 134a,134b,134c: 베인슬롯
135: 베인

Claims

케이스의 내부에서 회전력을 발생시키는 구동모터;
상기 구동모터와 결합되어 회전력을 전달하는 회전축;
상기 케이스에 고정되고, 상기 회전축을 따라 설치되는 상부커버와 하부커버;
상기 상부커버와 하부커버의 사이에 고정 설치되고, 중심부에 냉매가 수용되며, 반경 방향으로 흡입포트와 토출포트가 각각 형성되는 실린더;
일 측이 상기 실린더의 내주면에 접하도록 상기 실린더의 내부에 위치하고, 상기 회전축과 함께 회전하여 상기 실린더의 내부에 압축공간을 형성하는 롤러; 및
상기 롤러에 구비된 베인슬롯에 삽입 설치되고, 상기 베인슬롯에 인가되는 배압력에 의하여 돌출되어 상기 실린더의 내주면과 접하면서 압축실을 구획하는 복수개의 베인;
상기 상부커버 또는 상기 하부커버에 구비되어 상기 베인슬롯과 연통하는 제1배압포켓 및 제2배압포켓;을 포함하며,
상기 제1배압포켓은 상기 롤러의 외주면과 간격을 가지고, 상기 롤러의 회전축 저널부와 간격을 가지도록 배치되어, 상기 제1배압포켓에 토출압과 흡입압력 사이의 중간압이 형성되고,
상기 제2배압포켓은 상기 롤러의 외주면과 간격을 가지고, 상기 롤러의 회전축 저널부와 연통하도록 배치되어, 상기 제2배압포켓에 토출압이 인가되는 로터리 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1배압포켓과 상기 제2배압포켓 사이에 무포켓 구간이 구비되는 로터리 압축기.
제1항에 있어서,
상기 제1배압포켓은 크랭크각 -5도 내지 0도에서 시작하여,
크랭크각 110도 내지 230도 사이에서 끝나는 로터리 압축기.
제3항에 있어서,
상기 제2배압포켓은 상기 제1배압포켓과 중첩되지 않는 구간에 배치되는 로터리 압축기.
제4항에 있어서,
상기 제1배압포켓 또는 제2배압포켓 중의 어느 하나는 상부커버에 배치되고,
나머지 하나는 하부커버에 배치되는 로터리 압축기.
제2항에 있어서,
상기 제1배압포켓은 크랭크각 -5도 내지 0도에서 시작하여,
크랭크각 110도 내지 200도 사이에서 끝나고,
상기 무포켓 구간은 상기 제1배압포켓이 끝나는 지점에서부터 시작하여
크랭크가 200도 내지 250도 사이에 끝나는 로터리 압축기.
제6항에 있어서,
상기 제2배압포켓은 상기 제1배압포켓과 중첩되지 않는 구간에 배치되는 로터리 압축기.
제7항에 있어서,
상기 제1배압포켓 또는 제2배압포켓 중의 어느 하나는 상부커버에 배치되고,
나머지 하나는 하부커버에 배치되는 로터리 압축기.