KR102180179B1 - 베인 로터리 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 베인 로터리 압축기는, 실린더; 상기 실린더에 결합되어 상기 실린더와 함께 압축공간을 형성하고, 상기 실린더를 마주보는 면에는 배압포켓이 형성되는 메인베어링 및 서브베어링; 상기 메인베어링과 서브베어링의 반경방향 베어링면에 지지되는 회전축; 일단이 외주면으로 개구되는 복수 개의 베인슬롯이 원주방향을 따라 형성되고, 상기 베인슬롯의 타단에는 상기 배압포켓과 연통되도록 배압챔버가 형성되는 롤러; 및 상기 롤러의 베인슬롯에 미끄러지게 삽입되며, 상기 배압챔버의 배압력과 원심력에 의해 상기 실린더의 내주면을 향하는 방향으로 돌출되어 상기 압축공간을 복수 개의 압축실로 구획하는 복수 개의 베인;을 포함하며, 상기 배압포켓은, 원주방향을 따라 분리되어 서로 다른 내부압력을 갖는 복수 개의 포켓으로 형성되고, 상기 복수 개의 포켓은, 상기 회전축의 외주면을 마주보는 내주측에 구비되어 상기 회전축의 외주면에 대해 반경방향 베어링면을 이루는 베어링돌부가 각각 형성될 수 있다.

Description

베인 로터리 압축기{VAIN ROTARY COMPRESSOR}
본 발명은 압축기에 관한 것으로, 베인이 회전하는 롤러에서 돌출되어 실린더의 내주면에 접촉하면서 압축실을 형성하는 베인 로터리 압축기에 관한 것이다.
로터리 압축기는 베인이 실린더에 미끄러지게 삽입되어 롤러에 접촉되는 방식과, 베인이 롤러에 미끄러지게 삽입되어 실린더에 접촉되는 방식으로 구분할 수 있다. 통상적으로 전자는 로터리 압축기라고 하고, 후자는 베인 로터리 압축기라고 구분한다.
로터리 압축기는 실린더에 삽입된 베인이 탄성력 또는 배압력에 의해 롤러를 향해 인출되어 그 롤러의 외주면에 접촉하게 된다. 반면, 베인 로터리 압축기는 롤러에 삽입된 베인이 롤러와 함께 회전운동을 하면서 원심력과 배압력에 의해 인출되어 실린더의 내주면에 접촉하게 된다.
로터리 압축기는 롤러의 회전당 베인의 개수만큼의 압축실을 독립적으로 형성하여, 각각의 압축실이 동시에 흡입, 압축, 토출행정을 실시하게 된다. 반면, 베인 로터리 압축기는 롤러의 회전당 베인의 개수만큼의 압축실을 연속적으로 형성하여, 각각의 압축실이 순차적으로 흡입, 압축, 토출행정을 실시하게 된다. 따라서, 베인 로터리 압축기는 로터리 압축기에 비해 높은 압축비를 형성하게 된다. 이에 따라, 베인 로터리 압축기는 R32, R410a, CO2와 같이 오존층파괴지수(ODP) 및 지구온난화지수(GWP)가 낮은 고압 냉매를 사용하는데 더 적합하다.
이러한 베인 로터리 압축기는 특허문헌[일본공개특허: JP2013-213438A, (공개일: 2013.10.17)]에 개시되어 있다. 특허문헌에 개시된 베인 로터리 압축기는 모터실의 내부공간이 흡입냉매가 채워지는 저압방식이나, 복수 개의 베인이 회전하는 롤러에 미끄러지게 삽입되는 구조는 베인 로터리 압축기의 특징을 개시하고 있다.
특허문헌은 베인의 후단부에 배압챔버(R)가 각각 형성되고, 배압챔버는 배압포켓(21,31)(22,32)이 연통되도록 형성되어 있다. 배압포켓은 제1 중간압을 형성하는 제1 포켓(21,31)과 제1 중간압보다 높고 토출압에 근접한 제2 중간압을 형성하는 제2 포켓(22,32)으로 나뉜다. 제1 포켓은 회전축과 베어링 사이가 터져 연통되어 오일이 회전축과 베어링 사이로 감압되어 제1 포켓으로 유입되고, 제2 포켓은 회전축과 베어링 사이가 막혀 베어링을 관통하는 유로(34a)를 통해 거의 압력손실 없이 제2 포켓으로 유입된다. 따라서, 흡입측에서 토출측을 향하는 방향을 기준으로 제1 포켓은 상류측에 위치하는 배압챔버에 연통되고, 제2 포켓은 하류측에 위치하게 되는 배압챔버에 연통된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 베인 로터리 압축기에서는, 배압챔버 중에서 제2 포켓은 회전축을 향하는 면이 폐쇄되어 베어링면을 형성하는 반면, 제1 포켓은 회전축을 향하는 내주면이 개방되어 베어링면이 형성되지 못하는 일종의 불연속면을 형성하게 된다. 이는, 베인 로터리 압축기의 특성상 면압이 크게 발생하게 되므로, 전체적인 베어링의 지지력이 저하되게 된다. 이로 인해 회전축의 거동이 불안정하게 되고, 회전축과 베어링 사이의 마모 또는 마찰손실이 증가하게 되어 기계 효율이 저하될 수 있었다.
나아가, 베어링과 회전축 사이가 개방된 제1 포켓의 압력이 일정하지 못하여 베인을 지지하는 배압력의 변동폭이 증가되고, 이로 인해 베인의 거동이 불안정하게 되면서 베인과 실린더 사이의 충돌소음이 증가하거나 압축실 간 누설이 증가할 수 있었다.
나아가, 장시간 운전시 베어링과 회전축 사이가 개방된 제1 포켓으로 이물질이 누적되어 베어링면이 마모될 우려가 있었다.
또, 종래의 베인 로터리 압축기는, R32, R410a, CO2와 같은 고압 냉매를 사용하는 경우에 앞서 설명한 문제가 더욱 크게 발생될 수 있다. 즉, 고압 냉매를 사용하게 되면 베인의 개수를 늘려 각 압축실의 체적을 줄이더라도 R134a와 같은 상대적으로 저압 냉매를 사용하는 것과 동등한 수준의 냉력을 얻을 수 있다. 하지만, 베인의 개수를 늘리게 되면 그만큼 베인과 실린더 사이의 마찰면적이 증가하게 된다. 따라서, 회전축에 베어링면이 감소하게 되면 그만큼 회전축의 거동이 더욱 불안정하게 되어 기계적 마찰손실이 더욱 증가하게 된다. 이는 난방 저온 조건, 높은 압력비 조건(Pd/Ps ≥ 6), 그리고 고속 운전 조건(80Hz 이상)에서 더 크게 영향을 받게 될 수 있다.
특허문헌: 일본공개특허: JP2013-213438A, (공개일: 2013.10.17)
본 발명의 목적은, 베인의 위치에 따라 그 베인에 대한 배압력을 차별화하면서도 회전축에 대한 반경방향 지지력을 높여 회전축과 베어링 사이의 기계효율을 높일 수 있는 베인 로터리 압축기를 제공하려는데 있다.
나아가, 회전축을 지지하는 베어링면을 연속면으로 형성하거나 또는 불연속면을 최소화하여, 회전축의 거동을 안정시킬 수 있는 베인 로터리 압축기를 제공하려는데 있다.
나아가, 베인을 지지하는 배압력의 압력맥동을 낮춰 베인의 거동을 안정시키고, 이를 통해 베인과 실린더 사이의 충돌소음을 낮추며 압축실 간 누설을 줄여 압축효율을 향상시킬 수 있는 베인 로터리 압축기를 제공하려는데 있다.
나아가, 장시간 운전시에도 이물질이 베어링과 회전축 사이가 누적되는 것을 차단하여 베어링 또는 회전축이 마모되는 것을 방지할 수 있는 베인 로터리 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 목적은, R32, R410a, CO2와 같은 고압 냉매를 사용하는 경우에 앞서 설명한 회전축에 대한 반경방향 지지력을 높일 수 있는 베인 로터리 압축기를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 목적은, 난방 저온 조건, 높은 압력비 조건과 고속 운전 조건에서도 앞서 설명한 회전축에 대한 반경방향 지지력을 높일 수 있는 베인 로터리 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 실린더; 상기 실린더에 결합되어 상기 실린더와 함께 압축공간을 형성하며, 상기 실린더를 마주보는 면에는 배압포켓이 형성되는 메인베어링 및 서브베어링; 상기 메인베어링과 서브베어링에 반경방향으로 지지되는 회전축; 일단이 외주면으로 개구되는 복수 개의 베인슬롯이 원주방향을 따라 형성되고, 상기 베인슬롯의 타단에는 상기 배압포켓과 연통되도록 배압챔버가 형성되는 롤러; 및 상기 롤러의 베인슬롯에 미끄러지게 삽입되며, 상기 배압챔버의 배압력과 원심력에 의해 상기 실린더의 내주면을 향하는 방향으로 돌출되어 상기 압축공간을 복수 개의 압축실로 구획하는 복수 개의 베인;을 포함하며, 상기 배압포켓은, 원주방향을 따라 분리되어 서로 다른 내부압력을 갖는 복수 개의 포켓으로 형성되고, 상기 복수 개의 포켓은, 상기 회전축의 외주면을 마주보는 내주측에 구비되어 상기 회전축의 외주면에 대해 반경방향 베어링면을 이루는 베어링돌부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 복수 개의 포켓은, 제1 압력을 가지는 제1 포켓; 및 상기 제1 압력보다 높은 압력을 가지는 제2 포켓;으로 이루어지고, 상기 제2 포켓의 베어링돌부에는 상기 회전축의 외주면을 마주보는 상기 베어링돌부의 내주면과 그 반대쪽 측면인 외주면을 연통키도록 연통유로가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 연통유로는 상기 메인베어링 또는 서브베어링의 반경방향 베어링면에 구비된 오일그루브와 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 연통유로는 상기 베어링돌부의 축방향 단면에 기설정된 넓이와 깊이만큼 함몰지게 형성되는 연통홈으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 연통유로는 상기 베어링돌부의 내주면과 외주면 사이를 관통하는 연통구멍으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 연통유로는 상기 베어링돌부의 내주면측 면적이 출구측 면적보다 크게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 배압포켓의 축방향 깊이를 H라고 하고, 상기 베어링돌부의 반경방향 폭을 T라고 할 때, 2≤H/T≤6을 만족할 수 있다.
그리고, 상기 메인베어링 또는 서브베어링에서 압축공간을 이루는 부위를 플랜지부라고 하고, 상기 플랜지부의 두께를 L이라고 할 때, L-H≥2를 만족할 수 있다.
그리고, 상기 베어링돌부는 원주방향을 따라 축방향 깊이와 반경방향 폭이 동일하게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 롤러는 상기 회전축의 중심과 동심을 이루며, 상기 실린더의 중심에 대해 편심지게 수용되어 상기 회전축과 함께 회전할 수 있다.
그리고, 상기 롤러의 외주면은 상기 실린더의 내주면에 한 점에서 접촉되도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 회전축의 중심부에는 축방향을 따라 오일유로가 형성되고, 상기 오일유로의 내주면에서 상기 회전축의 외주면을 향해 오일통공이 형성되며, 상기 오일통공은 상기 반경방향 베어링면의 범위 내에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 오일통공은 상기 베어링돌부의 축방향 범위에 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐된 내부공간을 가지는 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 설치되고, 회전력을 발생시키는 구동모터; 상기 케이싱의 내부공간에서 상기 구동모터의 일측에 구비되는 실린더; 상기 실린더에 결합되어 상기 실린더와 함께 압축공간을 형성하는 메인베어링 및 서브베어링; 일단은 상기 구동모터에 결합되고, 타단은 상기 메인베어링과 서브베어링을 관통하여 반경방향으로 지지되며, 중앙부에 오일유로가 축방향으로 관통 형성되는 회전축; 상기 회전축의 축중심과 동심을 이루며, 일단이 외주면으로 개구되는 복수 개의 베인슬롯이 원주방향을 따라 형성되고, 상기 베인슬롯의 타단에는 배압챔버가 연통되도록 형성되는 롤러; 및 상기 롤러의 베인슬롯에 미끄러지게 삽입되며, 상기 배압챔버의 배압력과 원심력에 의해 상기 실린더의 내주면을 향하는 방향으로 돌출되어 상기 압축공간을 복수 개의 압축실로 구획하는 복수 개의 베인;을 포함하며, 상기 배압챔버는 서로 다른 배압력을 제공하는 복수 개의 배압포켓에 독립적으로 연통되며, 상기 복수 개의 배압포켓 중에서 상대적으로 높은 내부압력을 가지는 배압포켓은 상기 회전축의 오일유로와 연통되도록 연통유로가 형성되고, 상기 연통유로는 상기 회전축을 마주보는 상기 배압포켓의 내주측 단면적보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 배압포켓은 상기 회전축의 외주면을 마주보는 내주측에 구비되어 상기 회전축의 외주면에 대해 반경방향 베어링면을 이루는 베어링돌부가 형성되고, 상기 연통유로는 상기 베어링돌부에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 베인 로터리 압축기는, 회전축을 마주보는 배압포켓의 내주측에 베어링돌부가 형성됨에 따라, 회전축을 반경방향으로 지지하는 축수부의 베어링면이 연속면을 형성할 수 있다. 나아가, 베어링돌부가 연속면을 형성함에 따라 탄성베어링효과를 높일 수 있게 된다. 이에 따라, 회전축의 거동을 안정시켜 압축기의 기계효율을 높이고 베어링의 내주면이 마모되는 것을 억제하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 베어링돌부에 연통유로를 형성함에 따라, 토출압 또는 토출압에 근접한 고압의 오일이 고압측 배압포켓에 신속하면서도 원활하게 공급될 뿐만 아니라 배압포켓에서의 압력맥동이 감소된다. 이에 따라, 고압측 배압포켓에 연결되는 배압챔버에 고압의 오일을 공급하여 해당 베인에 대한 안정적인 배압력을 제공할 수 있다. 이를 통해 토출행정에 관여된 베인이 실린더로부터 이격되는 것을 억제하여 압축실 간 누설을 방지할 수 있다. 아울러, 베인의 거동을 안정시켜 베인의 떨림 현상으로 인한 압축기 소음을 줄일 수 있다.
또, 베어링돌부에 의해 장시간 운전시에도 이물질이 베어링면으로 유입되는 것을 방지하여 베어링 또는 회전축이 마모되는 것을 억제할 수 있고, 이를 통해 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 본 발명에 따른 베인 로터리 압축기는, R32, R410a, CO2와 같은 고압 냉매를 사용하는 경우에 R134a와 같은 중저압 냉매를 사용하는 것에 비해 베어링에 대한 면압이 높아지더라도 회전축에 대한 반경방향 지지력을 높일 수 있다. 이를 통해 압축실 간 누설을 억제하고 베인의 거동을 안정시켜 고압 냉매를 사용하는 베인 로터리 압축기에서의 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 본 발명에 따른 베인 로터리 압축기는, 난방 저온 조건, 높은 압력비 조건과 고속 운전 조건에서도 회전축에 대한 반경방향 지지력을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 베인 로터리 압축기의 일례를 종단면하여 보인 단면도,
도 2 및 도 3은 도 1에 적용된 압축유닛를 횡단면하여 보인 단면도로서, 도 2는 도 1의 "Ⅳ-Ⅳ"선단면도이고, 도 3은 도 2의 "Ⅴ-Ⅴ"선단면도,
도 4의 (a) 내지 도 4의 (d)는 본 실시예에 따른 실린더에서 냉매가 흡입, 압축되어 토출되는 과정을 보인 단면도,
도 5는 본 실시예에 의한 베인 로터리 압축기에서, 각 배압챔버의 배압력을 설명하기 위해 압축부를 종단면하여 보인 단면도,
도 6은 본 실시예에 따른 배압포켓을 설명하기 위해 메인베어링과 서브베어링을 분리하여 보인 사시도,
도 7은 도 6에서 "A"부를 확대하여 보인 사시도,
도 8은 도 7의 "Ⅵ-Ⅵ"선단면도,
도 9는 도 8에서 연통유로에 대한 다른 실시예를 보인 단면도,
도 10은 도 6에서 "A"부에 대한 다른 예를 확대하여 보인 사시도,
도 11은 도 10의 "Ⅶ-Ⅶ"선단면도,
도 12는 도 11에서 연통유로에 대한 다른 실시예를 보인 단면도,
도 13은 본 실시예에 따른 배압포켓과 베어링돌부의 규격을 설명하기 위해 서브베어링을 횡단면하여 보인 단면도,
도 14는 본 실시예에서 탄성베어링비율에 따른 마찰계수를 비교하여 보인 그래프.
이하, 본 발명에 의한 베인 로터리 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 베인 로터리 압축기의 일례를 종단면하여 보인 단면도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 적용된 압축유닛를 횡단면하여 보인 단면도로서, 도 2는 도 1의 "Ⅳ-Ⅳ"선단면도이고, 도 3은 도 2의 "Ⅴ-Ⅴ"선단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 베인 로터리 압축기는, 케이싱(110)의 내부에 구동모터(120)가 설치되고, 구동모터(120)의 일측에는 회전축(123)에 의해 기구적으로 연결되는 압축유닛(130)가 설치된다.
케이싱(110)은 압축기의 설치양태에 따라 종형 또는 횡형으로 구분될 수 있다. 종형은 구동모터와 압축유닛가 축방향을 따라 상하 양측에 배치되는 구조이고, 횡형은 구동모터와 압축유닛가 좌우 양측에 배치되는 구조이다.
구동모터(120)는 냉매를 압축하는 동력을 제공하는 역할을 한다. 구동모터(120)는 고정자(121), 회전자(122) 및 회전축(123)을 포함한다.
고정자(121)는 케이싱(110)의 내부에 고정 설치되며, 원통형 케이싱(110)의 내주면에 열박음 등의 방법으로 장착될 수 있다. 예를 들어, 고정자(121)는 중간쉘(110b)의 내주면에 고정 설치될 수 있다.
회전자(122)는 고정자(121)와 서로 이격되도록 배치되며, 고정자(121)의 내측에 위치된다. 회전자(122)의 중심에는 회전축(123)이 압입되어 결합된다. 이에 따라, 회전축(123)은 회전자(120)와 함께 동심 회전을 하게 된다.
회전축(123)의 중심에는 오일유로(125)가 축방향으로 형성되고, 오일유로(125)의 중간에는 오일통공(126a)(126b)이 회전축(123)의 외주면을 향해 관통 형성된다. 오일통공(126a)(126b)은 후술할 제1 축수부(1311)의 범위에 속하는 제1 오일통공(126a)과 제2 축수부(1321)의 범위에 속하는 제2 오일통공(126b)으로 이루어진다. 제1 오일통공(126a)과 제2 오일통공(126b)은 각각 1개씩 형성될 수도 있고, 복수 개씩 형성될 수 있다. 본 실시예는 복수 개씩 형성된 예를 도시하고 있다.
오일유로(125)의 중간 또는 하단에는 오일피더(127)가 설치된다. 이에 따라, 회전축(123)이 회전을 하면 케이싱의 하부에 채워진 오일은 오일피더(127)에 의해 펌핑되어 오일유로(125)를 따라 흡상되다가 제2 오일통공(126b)을 통해 제2 축수부와의 서브베어링면(1321a)으로, 제1 오일통공(126b)을 통해 메인베어링면(1311a)으로 공급된다.
제1 오일통공(126a)은 후술할 제1 오일그루브(1311b)에, 제2 오일통공(126b)은 제2 오일그루브(1321b)에 각각 중첩되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 제1 오일통공(126a) 및 제2 오일통공(126b)을 통해 메인베어링(131)의 베어링면 및 서브베어링(132)의 베어링면(1311a)(1321a)으로 공급되는 오일이 후술할 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)에 신속하게 유입될 수 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명한다.
압축유닛(130)에는 축방향 양측에 설치되는 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에 의해 압축공간(410)이 형성되는 실린더(133)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 메인베어링(131)과 서브베어링(132)은 케이싱(110)에 고정 설치되고, 회전축(123)을 따라 서로 이격되게 설치된다. 메인베어링(131)과 서브베어링(132)은 회전축(123)을 반경방향으로 지지하는 동시에 실린더(133)와 롤러(134)를 축방향으로 지지하는 역할을 한다. 이에 따라, 메인베어링(131)과 서브베어링(132)은 회전축(123)을 반경방향으로 지지하는 축수부(1311)(1321)와, 축수부(1311)(1321)에서 반경방향으로 연장되는 플랜지부(1312)(1322)로 각각 이루어질 수 있다. 편의상, 메인베어링(131)의 축수부를 제1 축수부(1311) 및 플랜지부를 제1 플랜지부(1312)로, 서브베어링(132)의 축수부를 제2 축수부(1321) 및 제2 플랜지부(1322)로 정의한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 제1 축수부(1311)와 제2 축수부(1321)는 각각 부시 형상으로 형성되고, 제1 플랜지부와 제2 플랜지부는 원판 형상으로 형성된다. 제1 축수부(1311)의 내주면인 반경방향 베어링면(이하, 베어링면 또는 제1 베어링면으로 약칭함)(1311a)에는 제1 오일그루브(1311b)가, 제2 축수부(1321)의 내주면인 반경방향 베어링면(이하, 베어링면 또는 제2 베어링면으로 약칭함)(1321a)에는 제2 오일그루브(1321b)가 각각 형성된다. 제1 오일그루브(1311b)는 제1 축수부(1311)의 상하 양단 사이에서 직선 또는 사선으로 형성되고, 제2 오일그루브(1321b)는 제2 축수부(1321)의 상하 양단 사이에서 직선 또는 사선으로 형성된다.
제1 오일그루브(1311b)에는 후술할 제1 연통유로(1315)가, 제2 오일그루브(1321b)에는 후술할 제2 연통유로(1325)가 각각 형성된다. 제1 연통유로(1315)와 제2 연통유로(1325)는 각각의 베어링면(1311a)(1321a)으로 유입되는 오일을 메인측 배압포켓(1313)과 서브측 배압포켓(1323)으로 안내하기 위한 것으로, 이에 대해서는 나중에 배압포켓과 함께 다시 설명한다.
제1 플랜지부(1312)에는 메인측 배압포켓(1313)이, 제2 플랜지부(1322)에는 서브측 배압포켓(1323)이 각각 형성된다. 메인측 배압포켓(1313)은 메인측 제1 포켓(1313a)과 메인측 제2 포켓(1313b)으로, 서브측 배압포켓(1323)은 서브측 제1 포켓(1323a)과 서브측 제2 포켓(1323b)으로 이루어진다.
메인측 제1 포켓(1313a)과 메인측 제2 포켓(1313b)은 원주방향을 따라 소정의 간격을 두고 형성되며, 서브측 제1 포켓(1323a)과 서브측 제2 포켓(1323b)은 원주방향을 따라 소정의 간격을 두고 형성된다.
메인측 제1 포켓(1313a)은 메인측 제2 포켓(1313b)에 비해 낮은 압력, 예를 들어 흡입압과 토출압 사이의 중간압을 형성하며, 서브측 제1 포켓(1323a)은 서브측 제2 포켓(1323b)에 비해 낮은 압력, 예를 들어 메인측 제1 포켓(1313a)과 거의 같은 중간압을 형성한다. 메인측 제1 포켓(1313a)은 후술할 메인측 제1 베어링돌부(1314a)와 롤러(134)의 상면(134a) 사이의 미세통로를, 서브측 제1 포켓(1323a)은 후술할 서브측 제1 베어링돌부(1314a)와 롤러(134)의 하면(134b) 사이의 미세통로를 오일이 각각 통과하여 메인측 및 서브측 제1 포켓(1313a)(1323a)으로 유입되면서 감압되어 중간압을 형성하게 된다. 하지만, 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)은 제1 오일통공(126a)과 제2 오일통공(126b)을 통해 메인베어링면(1311a)과 서브베어링면(1321a)으로 유입되는 오일이 후술할 제1 연통유로(1315)와 제2 연통유로(1325)를 통해 메인측 및 서브측 제2 포켓(1313b)(1323b)으로 유입되므로 토출압 또는 거의 토출압 상태의 압력을 유지하게 된다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명한다.
실린더(133)는 압축공간(V)을 이루는 내주면이 타원 형상으로 형성된다. 실린더(133)의 내주면은 한 쌍의 장축과 단축을 가지는 대칭형 타원 형상으로 형성될 수도 있다. 하지만, 본 실시예에서는 실린더(133)의 내주면이 여러 쌍의 장축과 단축을 가지는 비대칭형 타원 형상으로 형성된다. 이러한 비대칭형 타원으로 된 실린더(133)를 통상 하이브리드 실린더라고 하고, 본 실시예는 하이브리드 실린더가 적용되는 베인 로터리 압축기를 설명한다. 다만, 본 발명에 따른 배압포켓의 구조는 대칭형 타원 형상의 베인 로터리 압축기에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 하이브리드 실린더(이하, 실린더로 약칭함)(133)는 그 외주면은 원형으로 형성될 수도 있지만, 비원형이라도 케이싱(110)의 내주면에 고정되는 형상이면 족할 수 있다. 물론, 메인베어링(131)이나 서브베어링(132)이 케이싱(110)의 내주면에 고정되고, 실린더(133)는 케이싱(110)에 고정된 메인베어링(131) 또는 서브베어링(132)에 볼트로 체결될 수도 있다.
또, 실린더(133)의 중앙부에는 내주면을 포함하여 압축공간(V)을 이루도록 빈 공간부가 형성된다. 이 빈공간부는 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에 의해 밀봉되어 압축공간(V)을 형성하게 된다. 압축공간(V)에는 후술할 롤러(134)가 회전 가능하게 결합된다.
실린더(133)의 내주면(133a)에는 그 실린더(133)의 내주면(133a)과 롤러(134)의 외주면(134c)이 거의 접촉되는 지점을 중심으로 원주방향 양쪽에 각각 흡입구(1331)와 토출구(1332a)(1332b)가 형성된다.
흡입구(1331)는 케이싱(110)을 관통하는 흡입관(113)이 직접 연결되고, 토출구(1332a)(1332b)는 케이싱(110)의 내부공간(110)을 향해 연통되어 그 케이싱(110)에 관통 결합되는 토출관(114)과 간접적으로 연결된다. 이에 따라, 냉매는 흡입구(1331)를 통해 압축공간(V)으로 직접 흡입되는 반면, 압축된 냉매는 토출구(1332a)(1332b)를 통해 케이싱(110)의 내부공간(110)으로 토출되었다가 토출관(114)으로 배출된다. 따라서, 케이싱(110)의 내부공간(110)은 토출압을 이루는 고압상태가 유지된다.
또, 흡입구(1331)에는 별도의 흡입밸브가 설치되지 않는 반면, 토출구(1332a)(1332b)에는 그 토출구(1332a)(1332b)를 개폐하는 토출밸브(1335a)(1335b)가 설치된다. 토출밸브(1335a)(1335b)는 일단이 고정되고 타단이 자유단을 이루는 리드형 밸브로 이루어질 수 있다. 하지만, 토출밸브(1335a)(1335b)는 리드형 밸브 외에도 피스톤 밸브 등 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
또, 토출밸브(1335a)(1335b)가 리드형 밸브로 이루어지는 경우 실린더(133)의 외주면에는 그 토출밸브(1335a)(1335b)가 장착될 수 있도록 밸브홈(1336a,1336b)이 형성된다. 이에 따라, 토출구(1332a)(1332b)의 길이가 최소한으로 줄어들어 사체적을 줄일 수 있다. 밸브홈(1336a,1336b)은 도 2 및 도 3과 같이 평평한 밸브시트면을 확보할 수 있도록 삼각형 모양으로 형성될 수 있다.
한편, 토출구(1332a)(1332b)는 압축경로(압축진행방향)를 따라 복수 개가 형성된다. 편의상, 복수 개의 토출구(1332a)(1332b)는 압축경로를 기준으로 상류측에 위치하는 토출구를 부 토출구(또는, 제1 토출구)(1332a), 하류측에 위치하는 토출구를 주 토출구(또는, 제2 토출구)(1332b)라고 한다.
하지만, 부 토출구는 반드시 필요한 필수구성은 아니고, 필요에 따라 선택적으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예와 같이 실린더(133)의 내주면(133a)이 후술하는 바와 같이 압축주기를 길게 형성하여 냉매의 과압축을 적절하게 감소시키는 경우라면 부 토출구를 형성하지 않을 수도 있다. 다만, 압축되는 냉매의 과압축량을 최소한으로 줄이기 위해서라면 종래와 같은 부 토출구(1332a)를 주 토출구(1332b)의 앞쪽, 즉 압축진행방향을 기준으로 주 토출구(1332b)보다 상류측에 형성할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 실린더(133)의 압축공간(V)에는 앞서 설명한 롤러(134)가 회전 가능하게 구비된다. 롤러(134)는 그 외주면(134c)이 원형으로 형성되고, 롤러(134)의 중심에는 회전축(123)이 일체로 결합된다. 이로써, 롤러(134)는 회전축(123)의 축중심(Os)과 일치하는 중심(Or)을 가지며, 그 롤러(134)의 중심(Or)을 중심으로 하여 회전축(123)과 함께 동심 회전을 하게 된다.
롤러(134)의 중심(Or)은 실린더(133)의 중심(Oc), 즉 실린더(133)의 내부공간의 중심(이하에서는, 편의상 실린더의 중심으로 정의한다)(Oc)에 대해 편심되어 그 롤러(134)의 외주면(134c) 일측이 실린더(133)의 내주면(133a)과 거의 접촉된다. 여기서, 롤러(134)의 외주면 일측이 실린더(133)의 내주면에 가장 근접하여 롤러(134)가 실린더(133)에 거의 접촉하게 되는 실린더(133)의 임의의 지점을 접촉점(P)이라고 할 때, 그 접촉점(P)과 실린더(133)의 중심을 지나는 중심선이 실린더(133)의 내주면(133a)을 이루는 타원곡선의 단축에 해당하는 위치가 될 수 있다.
롤러(134)는 그 외주면에 원주방향을 따라, 적당개소에 복수 개의 베인슬롯(1341a,1341b,1341c)이 형성되고, 각 베인슬롯(1341a,1341b,1341c)마다에는 베인(1351,1352,1353)이 각각 미끄러지게 삽입되어 결합된다. 베인슬롯(1341a,1341b,1341c)은 롤러(134)의 중심을 기준으로 반경방향을 향해 형성될 수도 있지만, 이 경우에는 베인의 길이를 충분히 확보하기 어렵게 된다. 따라서 베인슬롯(1341a,1341b,1341c)은 반경방향에 대해 소정의 경사각만큼 경사지게 형성되는 것이 베인의 길이를 충분히 확보할 수 있어 바람직할 수 있다.
여기서, 베인(1351,1352,1353)이 기울어지는 방향은 그 롤러(134)의 회전방향에 대해 역방향, 즉 실린더(133)의 내주면(133a)과 접하는 베인(1351,1352,1353)의 선단면이 롤러(134)의 회전방향 쪽으로 기울어지도록 하는 것이 압축이 빨리 시작될 수 있도록 압축개시각을 롤러(134)의 회전방향 쪽으로 당길 수 있어 바람직할 수 있다.
또, 베인슬롯(1341a,1341b,1341c)의 내측단에는 베인(1351,1352,1353)의 후방측으로 오일(또는 냉매)이 유입되도록 하여 각 베인(1351,1352,1353)을 실린더(133)의 내주면 방향으로 가세할 수 있는 배압챔버(1342a,1342b,1342c)가 형성된다. 편의상, 베인의 운동방향을 기준으로 실린더를 향하는 방향을 전방, 반대쪽을 후방이라고 정의한다.
배압챔버(1342a,1342b,1342c)는 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에 의해 밀봉 형성된다. 이 배압챔버(1342a,1342b,1342c)는 각각 독립적으로 배압포켓(1313)(1323)와 연통될 수도 있지만, 복수 개의 배압챔버(1342a,1342b,1342c)가 배압포켓(1313)(1323)에 의해 서로 연통되도록 형성될 수도 있다.
배압포켓(1313)(1323)은 도 1에서와 같이 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에 각각 형성될 수도 있다. 하지만, 경우에 따라서는 메인베어링(131)이나 서브베어링(132) 중에서 어느 한쪽에만 형성될 수도 있다. 본 실시예는 배압포켓(1313)(1323)이 메인베어링(131)과 서브베어링(132)에 모두 형성된 예를 설명한다. 편의상, 배압포켓은 메인베어링(131)에 형성되는 것을 메인측 배압포켓(1313)으로, 서브베어링(132)에 형성되는 것을 서브측 배압포켓(1323)으로 정의한다.
앞서 설명한 바와 같이, 메인측 배압포켓(1313)은 다시 메인측 제1 포켓(1313a)과 메인측 제2 포켓(1313b)으로, 서브측 배압포켓(1323)은 서브측 제1 포켓(1323a)과 서브측 제2 포켓(1323b)으로 이루어진다. 또, 메인측과 서브측 모두 제2 포켓이 제1 포켓에 비해 고압을 형성하게 된다. 따라서, 메인측 제1 포켓(1313a)과 서브측 제1 포켓(1323a)은 베인 중에서 상대적으로 상류측(흡입행정에서 토출행정 전)에 위치하는 베인이 속하는 배압챔버와 연통되고, 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)은 베인 중에서 상대적으로 하류측(토출행정에서 흡입행정 전)에 위치하는 베인이 속하는 배압챔버와 연통될 수 있다.
베인(1351,1352,1353)은 압축진행방향을 기준으로 접촉점(P)에서 가장 근접하는 베인을 제1 베인(1351)이라고 하고, 이어서 제2 베인(1352), 제3 베인(1353)이라고 하면, 제1 베인(1351)과 제2 베인(1352)의 사이, 제2 베인(1352)과 제3 베인(1353)의 사이, 제3 베인(1353)과 제1 베인(1351)의 사이는 모두 동일한 원주각만큼 이격된다.
따라서, 제1 베인(1351)과 제2 베인(1352)이 이루는 압축실을 제1 압축실(V1), 제2 베인(1352)과 제3 베인(1353)이 이루는 압축실을 제2 압축실(V2), 제3 베인(1353)과 제1 베인(1351)이 이루는 압축실을 제3 압축실(V3)이라고 할 때, 모든 압축실(V1,V2,V3)은 동일한 크랭크각에서 동일한 체적을 가지게 된다.
베인(1351,1352,1353)은 대략 직육면체 형상으로 형성된다. 여기서, 베인의 길이방향 양단 중에서 실린더(133)의 내주면(133a)에 접하는 면을 베인의 선단면이라고 하고, 배압챔버(1342a,1342b,1342c)에 대향하는 면을 후단면이라고 정의한다.
베인(1351,1352,1353)의 선단면은 실린더(133)의 내주면(133a)과 선접촉하도록 곡면 형상으로 형성되고, 베인(1351,1352,1353)의 후단면은 배압챔버(1342a,1342b,1342c)에 삽입되어 배압력을 고르게 받을 수 있도록 평면지게 형성될 수 있다.
도면중 미설명 부호인 110a는 상부쉘, 110c는 하부쉘이다.
상기와 같은 본 실시예에 따른 베인 로터리 압축기는, 구동모터(120)에 전원이 인가되어 그 구동모터(120)의 회전자(122)와 이 회전자(122)에 결합된 회전축(123)이 회전을 하게 되면, 롤러(134)가 회전축(123)과 함께 회전을 하게 된다.
그러면, 베인(1351,1352,1353)이 롤러(134)의 회전에 의해 발생되는 원심력과 그 베인(1351,1352,1353)의 후방측에 구비된 배압챔버(1342a,1342b,1342c)의 배압력에 의해 각각의 베인슬롯(1341a,1341b,1341c)으로부터 인출되어, 각 베인(1351,1352,1353)의 선단면이 실린더(133)의 내주면(133a)에 접하게 된다.
그러면 실린더(133)의 압축공간(V)이 복수 개의 베인(1351,1352,1353)에 의해 그 베인(1351,1352,1353)의 개수만큼의 압축실(흡입실이나 토출실을 포함)(V1,V2,V3을 형성하게 되고, 각각의 압축실(V1,V2,V3)은 롤러(134)의 회전을 따라 이동하면서 실린더(133)의 내주면(133a) 형상과 롤러(134)의 편심에 의해 체적이 가변되며, 각각의 압축실(V1,V2,V3)에 채워지는 냉매는 롤러(134)와 베인(1351,1352,1353)을 따라 이동하면서 냉매를 흡입, 압축하여 토출하게 된다.
이를 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다. 도 4의 (a) 내지 도 4의 (d)는 본 실시예에 따른 실린더에서 냉매가 흡입, 압축되어 토출되는 과정을 보인 단면도이다. 도 4의 (a) 내지 도 4의 (d)에서는 메인베어링을 투영하여 도시하였고, 도면으로 도시하지 않은 서브베어링은 메인베어링과 동일하다.
도 4의 (a)와 같이, 제1 베인(1351)이 흡입구(1331)를 통과하고 제2 베인(1352)이 흡입완료시점에 도달하기 전까지 제1 압축실(V1)의 체적은 지속적으로 증가하게 되어, 냉매가 흡입구(1331)에서 제1 압축실(V1)로 지속적으로 유입된다.
이때, 제1 베인(1351)의 후방측에 구비된 제1 배압챔버(1342a)는 메인측 배압포켓(1313)의 제1 포켓(1313a)에, 제2 베인(1352)의 후방측에 구비된 제2 배압챔버(137b)는 메인측 배압포켓(1313)의 제2 포켓(1313b)에 각각 노출된다. 이에 따라 제1 배압챔버(1342a)에는 중간압, 제2 배압챔버(1342b)에는 토출압 또는 토출압에 근접한 압력(이하, 토출압으로 정의함)이 형성되고, 제1 베인(1351)은 중간압으로, 제2 베인(1352)은 토출압으로 각각 가압되어 실린더(133)의 내주면에 밀착된다.
도 4의 (b)와 같이, 제2 베인(1352)이 흡입완료시점(또는, 압축개시각)을 지나 압축행정을 진행하게 되면 제1 압축실(V1)은 밀봉상태가 되어 롤러(134)와 함께 토출구 방향으로 이동을 하게 된다. 이 과정에서 제1 압축실(V1)의 체적은 지속적으로 감소하게 되면서 그 제1 압축실(V1)의 냉매는 점진적으로 압축된다.
이때, 제1 압축실(V1)의 냉매 압력이 상승하게 되면 제1 베인(1351)이 제1 배압챔버(1342a)쪽으로 밀려날 수 있고, 이에 따라 제1 압축실(V1)이 선행하는 제3 압축실(V3)과 연통되면서 냉매 누설이 발생할 수 있다. 따라서 냉매의 누설을 방지하기 위해서는 제1 배압챔버(1342a)에 더욱 높은 배압력이 형성되어야 한다.
도면을 보면, 제1 배압챔버(1342a)는 메인측 제1 포켓(1313a)을 지나 메인측 제2 포켓(1313b)으로 진입하기 전단계에 위치하고 있다. 이에 따라, 제1 배압챔버(1342a)에 형성되는 배압은 곧 중간압에서 토출압으로 상승되게 된다. 이에 제1 배압챔버(1342a)의 배압력이 상승하면서 제1 베인(1351)이 후방으로 밀려나는 것을 억제할 수 있다.
도 4의 (c)와 같이, 제1 베인(1351)은 제1 토출구(1332a)를 통과하고 제2 베인(1352)은 제1 토출구(1332a)에 도달하지 않은 상태가 되면, 제1 압축실(V1)은 제1 토출구(1332a)와 연통되면서 그 제1 압축실(V1)의 압력에 의해 제1 토출구(1332a)가 개방된다. 그러면 제1 압축실(V1)의 냉매 일부가 제1 토출구(1332a)를 통해 케이싱(110)의 내부공간으로 토출되어, 제1 압축실(V1)의 압력이 소정의 압력으로 하강하게 된다. 물론, 제1 토출구(1332a)가 없는 경우에는 제1 압축실(V1)의 냉매가 토출되지 않고 주 토출구인 제2 토출구(1332b)를 향해 더 이동을 하게 된다.
이때, 제1 압축실(V1)의 체적은 더욱 감소하여 제1 압축실(V1)의 냉매는 더욱 압축되게 된다. 하지만, 제1 베인(1351)이 수용된 제1 배압챔버(1342a)는 완전히 메인측 제2 포켓(1313b)에 연통된 상태여서 제1 배압챔버(1342a)는 거의 토출압을 형성하게 된다. 그러면, 제1 베인(1351)은 제1 배압챔버(1342a)의 배압력에 의해 밀려나는 것이 저지되면서 압축실 간 누설을 억제할 수 있게 된다.
도 4의 (d)와 같이, 제1 베인(1351)이 제2 토출구(1332b)를 통과하고 제2 베인(1352)이 토출개시각에 도달하게 되면, 제1 압축실(V1)의 냉매 압력에 의해 제2 토출구(1332b)가 개방되면서 제1 압축실(V1)의 냉매가 제2 토출구(1332b)를 통해 케이싱(110)의 내부공간으로 토출된다.
이때, 배압챔버(1342a)는 토출압 영역인 메인측 제2 포켓(1313b)을 지나 중간압 영역인 메인측 제1 포켓(1313a)으로 진입하기 직전이다. 따라서 배압챔버(1342a)에 형성되는 배압은 곧 토출압에서 중간압으로 낮아지게 된다.
반면, 제2 배압챔버(1342b)는 토출압 영역인 메인측 제2 포켓(1313b)에 위치하고, 제2 배압챔버(1342b)에는 토출압에 해당하는 배압이 형성된다.
도 5는 본 실시예에 의한 베인 로터리 압축기에서, 각 배압챔버의 배압력을 설명하기 위해 압축부를 종단면하여 보인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 메인측 제1 포켓(1313a)에 위치하게 되는 제1 베인(1351)의 후단부에는 흡입압과 토출압 사이의 중간압(Pm)이, 제2 포켓(1313b)에 위치하게 되는 제2 베인(1352)의 후단부에는 토출압(Pd)(실제로는 토출압보다 약간 낮은 압력)이 형성된다. 특히, 메인측 제2 포켓(1313b)은 제1 오일통공(126a)과 제1 연통유로(1315)를 통해 오일유로(125)와 직접 연통됨에 따라, 그 메인측 제2 포켓(1313b)에 연통되는 제2 배압챔버(1342b)의 압력이 토출압(Pd) 이상으로 상승하는 것을 방지할 수 있게 된다.
이에 따라, 메인측 제1 포켓(1313a)에는 토출압(Pd)보다 크게 낮은 중간압(Pm)이 형성됨으로써 실린더(133)와 베인(135) 사이의 기계효율을 높일 수 있으며, 메인측 제2 포켓(1313b2)은 토출압(Pd) 또는 토출압(Pd)보다는 약간 낮은 압력이 형성됨에 따라 베인이 실린더에 적절하게 밀착되어 압축실 간 누설을 억제하면서도 기계효율을 높일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 메인측 배압포켓(1313)의 제1 포켓(1313a)과 제2 포켓(1313b)은 제1 오일통공(126a)을 통해 오일유로(125)와 연통되고, 서브측 배압포켓(1323)의 제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)은 제2 오일통공(126b)을 통해 오일유로(125)와 연통된다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 메인측 제1 포켓(1313a)과 서브측 제1 포켓(1323a)은 메인측 및 서브측 제1 베어링돌부(1314a)(1324a)에 의해 메인측 및 서브측 제1 포켓(1313a)(1323a)이 마주보는 각각의 베어링면(1311a)(1321a)에 대해 폐쇄된다. 이에 따라, 메인측 및 서브측 제1 포켓(1313a)(1323a)의 오일(냉매오일)은 각각의 오일통공(126a)(126b)을 통해 베어링면(1311a)(1321a)으로 유입된 후, 메인측 및 서브측 제1 베어링돌부(1314a)(1324a)와 마주보는 롤러(134)의 상면(134a) 또는 하면(134b) 사이를 통과하면서 감압되어 중간압을 형성하게 된다.
반면, 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)은 메인측 및 서브측 제2 베어링돌부(1314b)(1324b)에 의해 메인측 및 서브측 제2 포켓(1313b)(1323b)이 마주보는 각각의 베어링면(1311a)(1321a)에 대해 연통된다. 이에 따라, 메인측 및 서브측 제2 포켓(1313b)(1323b)의 오일(냉매오일)은 각각의 오일통공(126a)(126b)을 통해 베어링면(1311a)(1321a)으로 유입된 후, 메인측 및 서브측 제2 베어링돌부(1314b)(1324b)를 통과하여 각각의 제2 포켓(1313b)(1323b)으로 유입됨에 따라 토출압 또는 토출압보다 다소 낮은 압력을 형성하게 된다.
다만, 본 실시예 따른 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)은 그 메인측 및 서브측 제2 포켓(1313b)(1323b)이 마주보는 각각의 베어링면(1311a)(1321a)에 대해 완전히 개구되어 연통되지는 않는다. 즉, 메인측 제2 베어링돌부(1314b)와 서브측 제2 베어링돌부(1324b)는 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)을 대부분 차단하기는 하지만, 일부는 연통유로(1315)(1325)를 두고 각각의 제2 포켓(1313b)(1323b)을 차단하게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 메인측 배압포켓과 서브측 배압포켓은 다음과 같이 형성될 수 있다. 도 5는 본 실시예에 따른 배압포켓을 설명하기 위해 메인베어링과 서브베어링을 분리하여 보인 사시도이다.
도 5를 참조하면, 메인베어링(131)의 플랜지부(1312)에는 앞서 설명한 메인측 제1 포켓(1313a)과 제2 포켓(1313b)이 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성되고, 서브베어링(132)의 플랜지부(1322)에는 앞서 설명한 서브측 제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)이 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성된다.
메인측 제1 포켓(1313a)과 제2 포켓(1313b)의 내주측은 각각 메인측 제1 베어링돌부(1314a)와 제2 베어링돌부(1314b)에 의해 차단되고, 서브측 제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)의 내주측은 각각 서브측 제1 베어링돌부(1324a)와 제2 베어링돌부(1324b)에 의해 차단된다.
이에 따라, 메인베어링(131)의 축수부(1311)는 거의 연속면으로 된 원통형의 베어링면(1311a)을 형성하게 되고, 서브베어링(132)의 축수부(1321)는 거의 연속면으로 된 원통형의 베어링면(1321a)을 형성하게 된다. 아울러, 메인측 제1 베어링돌부(1314a)와 제2 베어링돌부(1314b), 그리고 서브측 제1 베어링돌부(1324a)와 제2 베어링돌부(1324b)는 일종의 탄성베어링면을 형성하게 된다.
메인베어링(131)의 베어링면(1311a)에는 앞서 설명한 제1 오일그루브(1311b)가 형성되고, 서브베어링(132)의 베어링면(1321a)에는 앞서 설명한 제2 오일그루브(1321b)가 형성된다.
메인측 제2 베어링돌부(1314b)에는 메인베어링면(1311a)과 메인측 제2 포켓(1313b)을 연통시키는 제1 연통유로(1315)가 형성되고, 서브측 제2 베어링돌부(1324b)에는 서브베어링면(1321a)과 서브측 제2 포켓(1323b)을 연통시키는 제2 연통유로(1325)가 형성된다.
제1 연통유로(1315)는 메인측 제2 베어링돌부(1315b)와 중첩되는 동시에 제1 오일그루브(1311b)와 중첩되는 위치에 형성되고, 제2 연통유로(1325)는 서브측 제2 베어링돌부(1324b)와 중첩되는 동시에 제2 오일그루브(1321b)와 중첩되는 위치에 형성된다.
도면에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 메인측 배압포켓(1313)과 서브측 배압포켓(1323)은 그 구성이나 작용효과가 동일하다. 따라서, 이하에서는 편의상 서브측 배압포켓(1323)을 대표예로 삼아 설명하고, 메인측 배압포켓(1313)은 서브측 배압포켓(1323)을 준용한다.
도 7은 도 6에서 "A"부를 확대하여 보인 사시도이고, 도 8은 도 7의 "Ⅵ-Ⅵ"선단면도이며, 도 9는 도 8에서 연통유로에 대한 다른 실시예를 보인 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 서브측 배압포켓(1323)의 제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)은 롤러(134)의 하면(134b)을 마주보는 서브베어링(132)의 플랜지부(1322)에 형성된다. 따라서, 제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)의 내주면을 이루며 각각의 포켓(1323a)(1323b)과 서브베어링면(1321a) 사이를 차단하는 제1 베어링돌부(1324a)와 제2 베어링돌부(1324b)의 내주면은 각각 제2 축수부(1321)의 내주면을 형성하게 된다.
제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)은 각각 원호 형상으로 형성되어 원주방향을 따라 배열된다. 제1 포켓(1323a)의 외벽면과 제2 포켓(1323b)의 외벽면은 실린더(133)의 내경과 롤러(134)의 외경이 결정되면 함께 결정되는 것으로, 제1 포켓(1323a)의 외경과 제2 포켓(1323b)의 외경은 동일하다.
다만, 제1 포켓(1323a)의 원주방향 양쪽 측벽면 사이 길이인 원호길이는 제2 포켓(1323b)의 원호길이보다 길게 형성된다. 이는 제1 포켓(1323a)이 흡입행정과 압축행정 대부분에 연관되고, 제2 포켓(1323b)이 압축행정의 나머지 일부와 토출행정에 연관되기 때문이다.
제1 베어링돌부(1324a)와 제2 베어링돌부(1324b)는 동일한 곡률과 동일한 폭길이를 가지도록 형성될 수 있다. 특히, 제1 베어링돌부(1324a)와 제2 베어링돌부(1324b)의 폭길이(T)는 각각 제1 포켓(1323a)과 제2 포켓(1323b)을 실링하는 역할을 하게 되므로, 대략 1.5mm의 실링길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
다만, 제1 베어링돌부(1324a)와 제2 베어링돌부(1324b)는 축방향으로 동일한 높이를 가지되, 제2 베어링돌부(1324b)의 단면은 앞서 설명한 제2 연통유로(1325)가 형성될 수 있다.
도 7에서와 같이, 제2 연통유로(1325)는 제2 베어링돌부(1324b)의 내주면에서 외주면으로 관통되는 연통구멍으로 형성될 수 있다. 또, 도 8에서와 같이, 제2 연통유로(1325)는 연통구멍의 내주면쪽 단면적과 외주면쪽 단면적을 동일하게 형성될 수 있다.
하지만, 경우에 따라서는 도 9에서와 같이, 연통구멍의 내주면쪽 단면적이 외주면쪽 단면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 오일이 제2 포켓(1323b)으로 신속하면서도 원활하게 유입되는 동시에 제2 포켓(1323b)의 오일이 효과적으로 보유될 수 있도록 할 수 있다. 이를 통해, 제2 포켓(1323b)에 연통되는 배압챔버로 오일이 중단없이 연속적으로 공급될 수 있도록 할 수 있다.
또, 제2 연통유로(1325)는 제2 베어링돌부(1324b)의 상반부에 형성되는 것이 제2 포켓(1323b)에서 오일을 효과적으로 보유하도록 할 수 있어 더 바람직하다.
상기와 같이 본 실시예에 따른 베인 로터리 압축기는, 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)에서도 대부분은 연속된 베어링면을 형성함에 따라, 회전축(123)의 거동을 안정시켜 압축기의 기계효율을 높일 수 있다.
또, 메인측 제2 베어링돌부(1314b)와 서브측 제2 베어링돌부(1324b)가 연통유로를 제외하고는 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)을 거의 폐쇄함에 따라 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)이 일정한 체적을 유지하게 된다. 이를 통해, 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)에서 베인을 지지하는 배압력의 압력맥동을 낮춰 베인의 거동을 안정시키는 동시에 떨림을 억제시키고, 이에 따라 베인과 실린더 사이의 충돌소음을 낮추며 압축실 간 누설을 줄여 압축효율을 향상시킬 수 있다.
또, 장시간 운전시에도 이물질이 메인측 제2 포켓(1313b)과 서브측 제2 포켓(1323b)으로 유입되었다가 베어링면(1311a)(1321a)과 회전축(123) 사이로 흘러들어 누적되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 베어링(131)(132) 또는 회전축(123)이 마모되는 것을 억제할 수 있다.
또, 본 실시예에 따른 베인 로터리 압축기는, R32, R410a, CO2와 같은 고압 냉매를 사용하는 경우에 R134a와 같은 중저압 냉매를 사용하는 것에 비해 베어링에 대한 면압이 높아질 수 있다. 하지만, 앞서 설명한 회전축(123)에 대한 반경방향 지지력을 높일 수 있다. 아울러, 고압 냉매의 경우 베인에 대한 면압도 상승하여 압축실 간 누설이 발생되거나 떨림이 발생할 수 있으나, 각 베인에 따라 배압챔버의 배압력을 적절하게 유지하여 베인(1351,1352,1353)과 실린더(133) 사이의 접촉력을 적절하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 압축실 간 누설을 억제하고 베인의 떨림 현상을 억제할 수 있다. 이를 통해, 상기의 고압 냉매를 사용하는 베인 로터리 압축기에서의 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 본 실시예에 따른 베인 로터리 압축기는, 난방 저온 조건, 높은 압력비 조건과 고속 운전 조건에서도 앞서 설명한 회전축에 대한 반경방향 지지력을 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 베인 로터리 압축기에서 연통유로에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.
도 10은 도 6에서 "A"부에 대한 다른 예를 확대하여 보인 사시도이고, 도 11은 도 10의 "Ⅶ-Ⅶ"선단면도이며, 도 12는 도 11에서 연통유로에 대한 다른 실시예를 보인 단면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 제2 연통유로(1325)는 제2 베어링돌부(1324b)의 단면에 소정의 깊이와 원주길이를 가지는 연통홈으로 형성될 수도 있다. 본 실시예와 같이 연통홈으로 된 제2 연통유로(1325)는 그 제2 연통유로(1325)가 형성되는 부위에서의 높이가 제1 베어링돌부(1324a)보다 낮아지게 된다.
제2 연통유로(1325)는 앞서 설명한 바와 같이 제2 오일그루브(1321b)와 중첩되도록 형성된다. 또, 도 11과 같이 제2 연통유로(1325)는 입구인 내주면쪽 단면적과 출구인 외주면쪽 단면적이 동일하게, 즉 평행하게 형성될 수 있다.
하지만, 도 12와 같이, 제2 연통유로(1325)는 경사지게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 제2 연통유로(1325)는 연통구멍인 경우와 마찬가지로 입구인 내주면쪽 단면적이 출구인 외주면쪽 단면적보다 크게 형성할 수 있다.
이에 따라, 오일이 제2 포켓(1323b)으로 신속하면서도 원활하게 유입되는 동시에 제2 포켓(1323b)의 오일이 효과적으로 보유될 수 있도록 할 수 있다. 이를 통해, 제2 포켓(1323b)에 연통되는 배압챔버로 오일이 중단없이 공급될 수 있도록 할 수 있다.
한편, 제1 베어링돌부와 제2 베어링돌부는 제1 포켓과 제2 포켓에 의해 일종의 탄성베어링 효과를 얻을 수 있다. 이러한 탄성베어링 효과는 제1 베어링돌부와 제2 베어링돌부는 원주방향을 따라 원형띠를 이루게 되므로 일종의 불연속적인 베어링면을 형성하게 되어 높은 탄성베어링 효과를 기대할 수 있다.
상기와 같은 탄성베어링 효과는 제1 베어링돌부와 제2 베어링돌부의 폭을 최소한의 실링거리를 확보한 상태에서 최대한 얇고 깊게 형성하는 것이 탄성베어링 효과를 높이는데 바람직하다.
도 13은 본 실시예에 따른 배압포켓과 베어링돌부의 규격을 설명하기 위해 서브베어링을 횡단면하여 보인 단면도이고, 도 14는 본 실시예에서 탄성베어링비율에 따른 마찰계수를 비교하여 보인 그래프이다.
여기서, 제1 포켓과 제2 포켓은 그 규격을 상이하게 할 수도 있으나, 설명의 편의상 동일한 규격을 가진 것으로 간주하여 설명한다. 이는, 제1 베어링돌부와 제2 베어링돌부도 마찬가지이다.
도 13을 참조하면, 배압포켓(1323)의 축방향 깊이를 H라고 하고, 베어링돌부(1324)의 반경방향 폭을 T라고 할 때, 배압포켓의 축방향 깊이를 베어링돌부의 반경방향 폭으로 나눈 탄성베어링비(H/T)가 2≤H/T≤6을 만족하도록 형성될 수 있다. 이는 탄성베어링비율과 마찰계수의 상관관계를 비교한 실험결과를 통해 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 탄성베어링비율(H/T)가 0~2미만까지는 완만하게 하강하지만, 2~6까지는 급격하게 하강하는 것을 볼 수 있다. 이는 베어링돌부(1324)의 반경방향 폭에 비해 축방향 깊이가 너무 낮게 형성되어, 베어링돌부의 축방향 깊이(H)가 폭(두께)(T)에 비해 너무 짧게 형성되면서 충분한 탄성력을 가지지 못하게 된 것으로 볼 수 있다.
반면, 탄성베어링비율이 6을 초과하여 10까지는 다시 완만하게 상승하는 것을 볼 수 있다. 이는 베어링돌부(1324)의 반경방향 폭에 비해 축방향 깊이(H)가 너무 깊게 형성되어, 베어링돌부(1324)의 깊이(길이)가 폭에 비해 너무 길어지면서 역시 탄성력을 충분하게 가지지 못하게 된 것으로 볼 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 탄성베어링비율은 2≤H/T≤6을 만족하도록 형성되는 것이 바람직하다.
아래의 [표 1]은 본 실시예에 따른 탄성베어링을 적용한 경우에 대한 임계하중, 마찰계수, 토출압, 압력비를 탄성베어링을 적용하지 않은 경우와 비교하여 보인 표이다. 탄성베어링을 적용하지 않은 경우라는 것은 배압포켓을 적용하지 않은 경우이다.
항목 종래 본 발명
임계하중(N) 2900 6200
마찰계수 0.009 0.005
토출압(kgf/㎠) 42 46
압력비 7.5 8.5
위 [표 1]에서 보는 바와 같이, 탄성베어링을 적용한 본 발명의 경우가 탄성베어링을 적용하지 않은 종래에 비해 베어링에서의 임계하중은 약 114% 향상되고, 마찰계수는 약 49% 경감되었으며, 토출압은 약 46% 상승하였고, 압력비는 약 13% 상승한 것을 알 수 있다.
상기와 같은 결과로 볼 때, 본 실시예에 따른 배압포켓을 적용하게 되면 임계하중, 마찰계수, 토출압, 압력비 모두 향상되는 것을 알 수 있다. 특히, 토출압이 상승하는 점을 고려하면 오존층파괴지수(ODP) 및 지구온난화지수(GWP)가 낮은 R32, R410a, CO2와 같은 친환경 고압 냉매를 사용하는데 적합할 수 있다.
한편, 도 13을 다시 참조하면, 상기와 같은 적정한 탄성베어링비율을 가지도록 배압포켓과 베어링돌부를 설계함에 있어 플랜지부의 강성을 고려하여야 한다. 즉, 본 실시예와 같은 베인 로터리 압축기는 메인베어링은 물론 서브베어링을 실린더에 볼트 체결하게 된다. 통상 5개의 볼트를 체결할 때 발생되는 체결력은 대략 80~110kgf/㎠가 된다. 따라서, 이만큼의 체결력을 견딜 수 있는 플랜지부의 강성을 확보하여야 신뢰성을 유지할 수 있다.
이를 위해, 배압포켓의 축방향 깊이를 H, 플랜지부의 두께를 L이라고 할 때, L-H≥2를 만족하도록 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 플랜지부의 두께가 10~12mm라고 하면, 배압포켓의 축방향 깊이는 대략 8~10mm정도까지 가능하다. 따라서, 플랜지부의 최소 두께는 앞서 설명한 체결력을 기준으로 할 때 적어도 2mm 이상은 확보되어야 신뢰성을 유지할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들은 실린더가 한 개인 싱글형 베인 로터리 압축기를 예로 들어 설명하였으나, 경우에 따라서는 복수 개의 실린더가 축방향으로 배열되는 트윈형 베인 로터리 압축기에도 앞서 설명한 배압포켓을 이용한 탄성 베어링 구조가 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 이 경우에는 복수 개의 실린더 사이에 중간 플레이트가 구비되고, 중간 플레이트의 축방향 양쪽 측면에 앞서 설명한 배압 포켓이 각각 형성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 실린더;
    상기 실린더에 결합되어 상기 실린더와 함께 압축공간을 형성하며, 상기 실린더를 마주보는 면에는 배압포켓이 형성되는 메인베어링 및 서브베어링;
    상기 메인베어링과 서브베어링에 의해 반경방향으로 지지되는 회전축;
    일단이 외주면으로 개구되는 복수 개의 베인슬롯이 원주방향을 따라 형성되고, 상기 베인슬롯의 타단에는 상기 배압포켓과 연통되도록 배압챔버가 형성되는 롤러; 및
    상기 롤러의 베인슬롯에 미끄러지게 삽입되며, 상기 배압챔버의 배압력과 원심력에 의해 상기 실린더의 내주면을 향하는 방향으로 돌출되어 상기 압축공간을 복수 개의 압축실로 구획하는 복수 개의 베인;을 포함하며,
    상기 배압포켓은, 원주방향을 따라 분리되어 서로 다른 내부압력을 갖는 복수 개의 포켓으로 형성되고,
    상기 회전축의 외주면을 마주보는 상기 복수 개의 포켓의 내주측에는 상기 회전축의 외주면에 대해 반경방향 베어링면을 이루는 베어링돌부가 환형으로 형성되며,
    상기 복수 개의 포켓은,
    제1 압력을 가지는 제1 포켓; 및
    상기 제1 압력보다 높은 압력을 가지는 제2 포켓;으로 이루어지고,
    상기 베어링돌부에서 상기 제2 포켓을 마주보는 부위에는 상기 베어링돌부의 내주면과 외주면을 연통시키도록 연통유로가 형성되며,
    상기 연통유로는 상기 메인베어링 또는 서브베어링의 반경방향 베어링면에 구비된 오일그루브와 적어도 일부가 중첩되도록 형성되고,
    상기 연통유로는 상기 베어링돌부의 내주면과 외주면 사이를 관통하는 연통구멍으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실린더보다 하측에 위치하는 베어링의 베어링돌부에 형성되는 연통유로는 상기 배압포켓에 오일이 보유되도록 상기 베어링돌부의 상반부에 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연통유로는 상기 베어링돌부의 내주면측 면적이 출구측 면적보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배압포켓의 축방향 깊이를 H라고 하고, 상기 베어링돌부의 반경방향 폭을 T라고 할 때,
    2≤H/T≤6을 만족하는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메인베어링 또는 서브베어링에서 압축공간을 이루는 부위를 플랜지부라고 하고, 상기 플랜지부의 두께를 L이라고 할 때,
    L-H≥2를 만족하는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 베어링돌부는 원주방향을 따라 축방향 깊이와 반경방향 폭이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 롤러는 상기 실린더의 중심에 대해 편심지게 수용되어 상기 회전축과 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 롤러의 외주면은 상기 실린더의 내주면에 한 점에서 근접되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  12. 제1항, 제3항, 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전축의 중심부에는 축방향을 따라 오일유로가 형성되고,
    상기 오일유로의 내주면에서 상기 회전축의 외주면을 향해 오일통공이 형성되며,
    상기 오일통공은 상기 반경방향 베어링면의 범위 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 오일통공은 상기 베어링돌부의 축방향 범위에 적어도 일부가 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 베인 로터리 압축기.
  14. 삭제
  15. 삭제
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