KR20050033613A

KR20050033613A - 냉매 압축기

Info

Publication number: KR20050033613A
Application number: KR1020057000992A
Authority: KR
Inventors: 마사노리 고바야시
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2005-04-12
Also published as: EP1541868A4; WO2004099617A1; EP1541868A1; JP2004360686A; US20060039808A1

Abstract

밸브 플레이트는 복수의 흡입공과 그것을 개폐하는 복수의 흡입 리드 밸브를 갖는다. 이들 흡입 리드 밸브 중 적어도 2개는 서로 다른 고유 주파수를 갖는다. 이 구성에서는, 하나의 흡입 리드 밸브의 고유 진동수가 크다. 그 때문에 운전 주파수가 높게 변화한 경우에 있어서도, 압축기는 닫힘 지연과 리프트량의 감소가 생기는 일 없이 효율 좋게 냉매 가스를 실린더 내에 흡입할 수 있어, 냉동 능력이나 압축 효율이 높아진다.

Description

냉매 압축기{Refrigerant compressor}

본 발명은 냉동냉장장치 등에 사용되는 밀폐형 압축기의 효율 향상에 관한 것이다.

최근, 냉동냉장장치 등에 사용되는 밀폐형 압축기는 효율 향상이 강하게 요망되고 있다. 종래의 밀폐형 압축기는, 예를 들면 압축부 밸브 장치의 흡입공을 2개로 함으로써 흡입 효율을 높이고, 압축 효율을 개선하고 있다. 이러한 압축기는 예를 들면, 특개평 3-175174호 공보에 개시되어 있다. 이하, 도면을 참조하여 종래의 밀폐형 압축기의 일예에 대하여 설명한다.

도 6은 종래의 냉매 압축기의 단면도이며, 도 7은 종래의 냉매 압축기의 밸브의 분해사시도이다. 밀폐 용기(51)에는, 흡입관(52)의 일단인 출구부(52A)가 접합되고, 흡입관(52)의 타단은 냉동 사이클의 저압측 배관(도시하지 않음)과 접합되어 있다. 모터(53)는 고정자(54)와 회전자(55)로 구성되며, 압축부(56)를 구동하고 있다. 또한, 냉동기 오일(57)은 밀폐 용기(51)의 저부에 저장되어 있다. 코일 스프링(58)은, 모터(53)와 압축부(56)를 탄성적으로 지지하고 있다.

압축부(56)는 실린더 헤드(61)와 실린더 블록(62)과, 밸브 플레이트(64)와, 흡입 리드 밸브(67)와, 피스톤(68)과, 연접봉(70)과, 흡입 머플러(30)로 구성되어 있다. 실린더 헤드(61)는 흡입 공간(61A)과 토출 공간(61B)을 형성한다. 실린더 블록(62)은 실린더(63)를 갖는다. 밸브 플레이트(64)는 2개의 흡입공(65)과 2개의 토출공(66)을 갖는다. 흡입 리드 밸브(이하, 밸브)(67)는 변형부(67A)를 갖는다. 연접봉(70)은 크랭크축(69)의 편심부(69A)에 연결되어 있다. 흡입 머플러(30)는 흡입 공간(61A)에 연통관(30A)을 통하여 밸브 플레이트(64)의 흡입공(65)과 연통하며, 입구부(30B)로부터 냉매 가스를 흡입한다.

이상과 같이 구성된 냉매 압축기에 대하여 이하 그 동작을 설명한다. 먼저, 모터(53)에 의해 압축부(56)가 구동되고, 피스톤(68)은 실린더(63) 내에서 왕복 운동한다. 외부 냉매 사이클(도시하지 않음)로부터 되돌아온 저온저압의 냉매 가스는 먼저 흡입관(52)으로부터 밀폐 용기(51) 내로 흡입된다. 냉매 가스는 또한 흡입 머플러(30)의 입구부(30B)로부터 흡입되어, 연통관(30A)을 통하여 흡입공(65)을 지나게 된다. 흡입 행정시에 밸브(67)의 변형부(67A)를 휘게 함으로써, 냉매 가스는 밸브(67)를 열고 실린더(63)로 도입된다. 압축 행정시에는 밸브(67)가 닫히고, 냉매 가스는 압축되어 고온고압이 되어 토출공(66)으로부터 토출관(도시하지 않음)을 지나, 외부 냉동 사이클(도시하지 않음)로 도입되어 냉동 작용을 수행한다.

이 때, 밸브(67)는 저속의 운전 주파수에 따라 타이밍 좋게 개폐 동작하는 고유 진동수를 갖도록 설계되어 있기 때문에, 압축기는 흡입 손실도 작아 체적 효율이 높은 운전이 가능하다.

그러나 저속의 운전 주파수에서, 냉각 부하 조건의 변화로 인해 운전 주파수가 높게 변화되면, 밸브(67)의 고유 진동수로 결정되는 개폐 동작의 타이밍이 어긋나게 된다. 이 때 실린더(63) 내의 압력이 실린더 헤드(61)의 흡입 공간(61A) 내를 초과하는 압력으로 되어도 밸브(67)가 닫힘 동작을 완료하지 않는다. 그 때문에 닫힘 지연으로 인해 냉매 가스가 역류하여 체적 효율이 저하되므로, 냉동 능력, 냉동 효율이 저하한다.

밸브(67)의 닫힘 지연으로 인한 냉매 가스의 역류를 작게 하기 위하여 고속 운전에 대응시켜 고유 진동수를 높게 설계하는 대책을 고려할 수 있다. 이 경우, 변형부(67A)의 스프링 정수(定數)가 커지기 때문에, 변형부(67A)의 휨량이 작아져 흡입 손실이 증대하므로 냉동 능력, 냉동 효율이 저하한다.

도 1은 본 발명 실시예에 있어서의 냉매 압축기의 단면도.

도 2는 도 1의 냉매 압축기에 있어서의 흡입 리드 밸브의 정면도.

도 3은 도 1의 냉매 압축기에 있어서의 실린더 헤드부 단면도.

도 4는 본 발명 실시예에 있어서의 냉매 압축기의 저속 운전에서 일행정 중의 실린더 내 압력, 리드 밸브 휨량 선도.

도 5는 본 발명 실시예에 있어서의 냉매 압축기의 고속 운전에서 일행정 중의 실린더 내 압력, 리드 밸브 휨량 선도.

도 6은 종래의 냉매 압축기의 단면도.

도 7은 도 6의 냉매 압축기의 밸브 분해사시도.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 밀폐 용기

2 흡입관

2A 출구부

3 모터

4 고정자

5 회전자

6 압축부

7 냉동기 오일

8 코일 스프링

12 실린더 블록

13 실린더

18 피스톤

19 크랭크축

19A 편심부

20 연접봉

30 흡입 머플러

30A 연통관

30B 입구부

51 밀폐용기

52 흡입관

52A 출구부

53 모터

54 고정자

55 회전자

56 압축부

57 냉동기 오일

58 코일 스프링

61 실린더 헤드

61A 흡입공간

61B 토출공간

62 실린더 블록

63 실린더

64 밸브 플레이트

65 흡입공

66 토출공

67 흡입 리드 밸브

67A 변형부

68 피스톤

69 크랭크축

69A 편심부

70 연접봉

101 실린더 헤드

101A 흡입공간

101B 토출공간

110 밸브 플레이트

112A, 112B 흡입공

114A, 114B, 114C, 114D 개구부

120A, 120B 흡입 리드 밸브

122A, 122B 변형부

124A, 124B 중심선

126A, 126B 가스압 하중의 작용점

128A, 128B 실(seal)부

130 흡입 머플러

130A 연통관

130B 입구부

140, 141 압력

140A, 140B, 141A, 141B 점

151A, 151B 개폐동작

본 발명에 따른 냉매 압축기는, 피스톤과 실린더와 밸브 플레이트를 갖는다. 밸브 플레이트는 실린더의 개구단에 설치되며, 복수의 흡입공을 갖는다. 본 발명에 따른 냉매 압축기는 또한, 실린더의 개구단과 밸브 플레이트 사이에 설치되어 복수의 흡입공을 각각 개폐하는 복수의 흡입 리드 밸브를 갖는다. 흡입 리드 밸브의 적어도 하나는 다른 리드 밸브와 서로 다른 고유 진동수를 갖는다. 이 구성에 의해 운전 주파수가 변화하여도, 흡입 리드 밸브의 닫힘 지연이나 휨량의 감소가 방지된다.

도 1은 본 발명 실시예에 있어서의 냉매 압축기의 단면도이다. 도 2는 흡입 리드 밸브의 정면도이다. 도 3은 실린더 헤드부 단면도이다.

밀폐 용기(1)에는, 흡입관(2)의 일단인 출구부(2A)가 접합되고, 흡입관(2)의 타단은 냉동 사이클의 저압측 배관(도시하지 않음)과 접합되어 있다. 모터(3)는 고정자(4)와 회전자(5)로 구성되며, 압축부(6)를 구동하고 있다. 또한, 냉동기 오일(7)은 밀폐 용기(1)의 저부에 저장되어 있다. 코일 스프링(8)은 모터(3)와 압축부(6)를 탄성적으로 지지하고 있다.

압축부(6)는, 실린더 헤드(101), 실린더 블록(12), 밸브 플레이트(110), 흡입 리드 밸브(이하, 밸브)(120A, 120B), 피스톤(18), 연접봉(20) 및 흡입 머플러(130)로 구성되어 있다. 실린더 헤드(101)는 흡입 공간(101A)과 토출 공간(101B)을 형성한다. 실린더 블록(12)은 실린더(13)를 갖는다. 연접봉(20)은 크랭크축(19)의 편심부(19A)에 연결되어 있다. 흡입 머플러(130)는 흡입 공간(101A)에 연통관(130A)을 통하여 밸브 플레이트(110)의 흡입공(112A, 112B)과 연통하여, 입구부(130B)로부터 냉매 가스를 흡입한다.

밸브 플레이트(110)는 흡입공(112A, 112B)과 토출공(도시하지 않음)을 갖는다. 흡입공(112A, 112B)은 밸브 플레이트(110)의 실린더(13)측의 개구부(114A, 114B)로부터 실린더 헤드(101)측의 개구부(114C, 114D)로, 서로 간격이 작아지는 방향으로 경사져 있다. 밸브(120A, 120B)는 길이가 서로 다른 변형부(122A, 122B)를 각각 가지고 있다. 변형부(122A)는 변형부(122B)보다 길기 때문에, 밸브(120A)의 스프링 정수가 작고, 밸브(120A)는 밸브(120B)보다 낮은 고유 진동수를 가지고 있다. 또한, 밸브(120A, 120B)의 형상은 변형부(122A, 122B)의 중심선(124A, 124B)에 대하여 비대칭이다. 흡입공(112A, 112B)의 중심점의 위치와 밸브(120A, 120B)의 점(126A, 126B)은 각각 대응하고 있다.

실(seal)부(128A, 128B)는, 밸브 플레이트(110)에 설치된 흡입공(112A, 112B)을 밀봉한다.

이상과 같이 구성된 본 실시예의 냉매 압축기에 대하여, 이하 그 동작을 설명한다. 도 4는 본 실시예에 따른 냉매 압축기의 저속 운전에서의 일행정 중의 실린더 내 압력, 리드 밸브 휨량 선도이다. 도 5는 본 실시예에 따른 냉매 압축기의 고속 운전에서의 일행정 중의 실린더 내 압력, 리드 밸브 휨량 선도이다.

모터(3)에 의해 압축부(6)가 구동되고, 피스톤(18)은 실린더(13) 내에서 왕복 운동한다. 외부 냉동 사이클(도시하지 않음)로부터 되돌아 온 저온저압의 냉매 가스는 먼저 흡입관(2)으로부터 밀폐 용기(1) 내로 흡입된다. 냉매 가스는 또한 흡입 머플러(130)의 입구부(130B)로부터 흡입되어, 연통관(130A)을 통하여 흡입공(112A, 112B)을 지나게 된다. 흡입 행정시에 밸브(120A, 120B)의 변형부(122A, 122B)를 휘게 함으로써, 냉매 가스는 밸브(120A, 120B)를 열고 실린더(13)로 도입된다. 압축 행정시에는 밸브(120A, 120B)가 닫히고, 냉매 가스는 압축되어 고온고압이 되어 토출공으로부터 토출관(도시하지 않음)을 지나, 외부 냉동 사이클로 도입되어 냉동 작용을 수행한다.

실린더(13) 내에서 피스톤(18)이 왕복 운동을 수행할 때, 흡입 행정에 있어서, 피스톤(18)이 하사점측으로 이동한다. 저속 운전하에서는 이 흡입 행정에 있어서, 실린더(13) 내의 압력(140)이 실린더 헤드(101)의 흡입 공간(101A) 내 압력보다 저하했을 때의 차압으로 생기는 가스압 하중이 밸브(120A, 120B)에 작용한다. 이 때, 점(140A)에서 흡입 리드 밸브(120A, 120B)가 열리기 시작하여, 냉매 가스가 실린더(13) 내로 흡입된다. 점(140A)은, 차압으로 생기는 가스압 하중이 밸브(120A, 120B)의 휨 하중과 밸브(120A, 120B)의 실(seal)부의 냉동기 오일의 점성에 따른 밀착력과의 합력보다 커진 시점을 의미한다.

또한, 압축 행정에 있어서, 밸브(120A, 120B)는 실린더(13) 내의 압력이 실린더 헤드(101)의 흡입 공간(101A) 내의 압력을 초과하는 점(140B)에서 닫아, 흡입 머플러(130)로부터의 냉매 가스의 흡입이 완료된다.

점(140A)에서 점(140B) 사이에 있어서, 밸브(120A)는 변형부(122A)를 휘게 하면서, 1차 변형 모드의 고유 진동수로 2번의 개폐 동작(150A)을 반복한다. 밸브(120A)는 저속 운전 주파수 대응의 고유 진동수가 선정되어 있기 때문에, 밸브(120A)는 점(140B)과 거의 같은 타이밍으로 완전히 닫힌다. 또한 밸브(120A)의 스프링 정수가 작기 때문에, 저속 운전시의 흡입 가스 유속이 느린 조건에서도, 휨량 부족으로 흡입 손실이 증대하는 일은 없다.

또한, 밸브(120B)는, 밸브(120A)보다 높은 고유 진동수, 스프링 정수를 가지고 있으며, 점(140A)에서 점(140B) 사이에서 4번의 개폐 동작(150B)을 반복한다. 이 때, 밸브(120B)는, 1회째부터 3회째의 개폐 동작(150B)으로 냉매 순환량에 따른 소정의 휨량으로 크게 개구한다. 4회째의 개폐 동작에서는, 압축 행정에 있기 때문에 실린더(13) 내와 실린더 헤드(101)의 흡입 공간(101A)과의 차압이 상당히 작은 상태에 있다. 이 때 냉매 가스는 보다 크게 휜 밸브(120A)의 흡입공(112A)을 흐른다. 그 때문에, 밸브(120B)의 흡입공(112B)을 흐르는 냉매 가스는 불과 얼마 되지 않으므로, 냉매 가스의 흐름에 의한 동압이 작아진다. 즉, 밸브(120B)는 거의 휘는 일 없이 점(141B) 근방에서 개폐 동작을 완료한다.

따라서, 밸브(120A, 120B)가 닫힘 지연을 일으킴에 따른 냉매 가스의 역류가 방지됨과 동시에, 흡입 행정시의 휨량 과소에 기인하는 흡입 손실의 증대도 방지된다. 이 때문에 체적 효율이 높아진다.

또한, 고속 운전의 경우에 있어서, 밸브(120B)는 점(141A)에서 점(141B) 사이에서 3번의 개폐 동작(151B)을 반복하고, 냉매 순환량에 따른 소정의 휨량으로 휘어진 후 타이밍 좋게 완전히 닫힌다. 점(141A)은, 실린더(13) 내의 압력이 실린더 헤드(101)의 흡입 공간(101A) 내 압력보다 저하하는 시점을 의미한다. 또한 점(141B)은, 실린더(13) 내의 압력이 실린더 헤드(101)의 흡입 공간(101A) 내의 압력을 초과하는 시점을 의미한다.

밸브(120A)는, 1회째의 개폐 동작(151A)에서 냉매 순환량에 따른 소정의 휨량으로 크게 개구한다. 한편, 2회째의 개폐 동작에서는, 압축 행정에 있기 때문에 실린더(13) 내와 실린더 헤드(101)의 흡입 공간(101A)의 차압이 상당히 작은 상태에 있다. 그 때문에 냉매 가스는, 2회째 이후, 보다 크게 휜 밸브(120B)의 흡입공(112B)을 통과한다. 그 때문에, 밸브(120A)는 거의 휘는 일 없이 점(141B) 근방에서 개폐 동작을 완료한다.

따라서, 고속 운전의 경우에 있어서도 밸브(120A, 120B)의 닫힘 지연이나 휨량 부족이 생기는 일 없이, 냉매 가스는 효율 좋게 실린더(13) 내로 흡입된다. 따라서, 운전 주파수가 변화한 경우에 있어서도 압축기의 냉동 능력이나 압축 효율이 높아진다.

또한, 밸브(120A, 120B)의 형상은 변형부(122A, 122B)의 중심선(124A, 124B)에 대하여 비대칭이다. 이 때문에, 밸브(120A, 120B)에 작용하는 가스압 하중의 작용점(126A, 126B)과, 밸브(120A, 120B)의 휨 변형의 중심선(124A, 124B)에 어긋남이 생긴다. 이로 인해, 밸브(120A, 120B)가 뒤틀림 변형하면서 열리기 시작한다. 즉, 가스압 하중에 의한 뒤틀림 모멘트가 밸브(120A, 120B)에 작용한다. 이 때문에, 밸브(120A, 120B)의 원형 실(seal)부(128A, 128B)의 편측에, 냉동기 오일(7)의 점성에 의해 밀착부를 떼어내는 힘이 집중적으로 작용하여, 밸브(120A, 120B)는 열리기 쉬워진다. 따라서, 흡입 행정에 있어서의 밸브(120A, 120B)의 열림 시작이 빨라진다. 그 때문에 냉매 가스는, 효율 좋게 실린더(13) 내에 흡입되어, 냉동 능력이나 압축 효율이 높아진다. 또한, 도 2에서는 밸브(120A, 120B)의 형상은 모두 변형부(122A, 122B)의 중심선(124A, 124B)에 대하여 비대칭이나, 한 쪽만을 그렇게 하여도 상관없다.

밀폐 용기(1) 내의 냉매 가스는 흡입 머플러(130)를 통하여 고온의 실린더 헤드(101) 내의 흡입 공간(101A)을 통과하여, 밸브 플레이트(110)에 설치된 흡입공(112A, 112B)으로부터 실린더(13) 내로 흡입된다. 여기에서, 실린더(13) 내의 냉매 가스는 압축 작용에 의해 약 100℃ 정도의 고온 상태가 되어 실린더 헤드(101)의 토출 공간(101B)으로 토출된다. 이로 인해, 실린더 헤드(101)는 가열되어 약 80℃ 가까운 고온 상태가 된다.

이 때, 실린더 헤드(101) 내의 흡입 공간(101A)의 두 개의 흡입공(112A, 112B)의 간격은, 최소라도 실(seal)부(128A)와 실(seal)부(128B)의 폭을 더한 거리가 필요하다. 여기에서 도 3에 나타낸 바와 같이 흡입공(112A, 112B)에 경사를 구비시키면, 실(seal)부(128A)와 실(seal)부(128B)의 폭을 고려할 필요가 없어 흡입공(112A, 112B)의 간격을 대폭 작게 할 수 있다. 이로 인해, 실린더 헤드(101) 내의 흡입 공간(101A)의 용적과 수열 면적을 작게 구성할 수 있어, 흐르는 냉매 가스로의 열 전달은 저감된다. 따라서, 냉매의 온도는 낮게 유지되어, 가스 냉매의 밀도가 높아 냉매 순환량이 커지므로, 냉동 능력이나 압축 효율이 높아진다. 또한, 도 3에서는 흡입공(112A, 112B) 양쪽에 경사를 구비하고 있으나, 한 쪽에만 구비하여도 상관없다.

또한, 본 실시예에 있어서, 밸브(120A, 120B)의 개수를 2개로 하고 있으나, 3개 이상이라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 밸브(120A, 120B)의 길이를 바꾸어 고유 진동수를 변경하고 있으나, 밸브(120A, 120B)의 폭이나 형상을 바꾸어 고유 진동수를 변경하여도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 밸브(120A, 120B)의 일행정 중의 개폐 회수를 2회 내지 4회로 하여 설명하고 있으나, 1회 이상이면 동일한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 냉매 압축기는, 피스톤과 실린더와 밸브 플레이트를 갖는다. 밸브 플레이트는 실린더의 개구단에 설치되며, 복수의 흡입공을 갖는다. 본 발명에 따른 냉매 압축기는 또한, 실린더의 개구단과 밸브 플레이트 사이에 설치되어 복수의 흡입공을 각각 개폐하는 복수의 흡입 리드 밸브를 갖는다. 흡입 리드 밸브의 적어도 하나는 다른 리드 밸브와 서로 다른 고유 진동수를 갖는다. 이 구성에 의해 냉매 압축기의 냉동 능력이나 압축 효율을 높일 수 있기 때문에, 에어 컨디셔너, 냉동냉장장치 등의 용도로 적용할 수 있다.

Claims

피스톤과, 상기 피스톤을 수납하는 실린더와, 상기 실린더의 개구단에 설치되며 제 1 흡입공과 제 2 흡입공이 설치된 밸브 플레이트와, 상기 실린더의 개구단과 상기 밸브 플레이트 사이에 설치되며 상기 제 1 흡입공을 개폐하는 제 1 흡입 리드 밸브와, 상기 실린더의 개구단과 상기 밸브 플레이트 사이에 설치되며 상기 제 2 흡입공을 개폐하고 상기 제 1 리드 밸브와 서로 다른 고유 진동수를 갖는 제 2 흡입 리드 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 흡입 리드 밸브가 제 1 변형부를 가지고, 상기 제 2 흡입 리드 밸브가 제 2 변형부를 가지며, 상기 제 1 흡입 리드 밸브의 형상이 상기 제 1 변형부의 중심선에 대하여 비대칭이거나, 상기 제 2 흡입 리드 밸브의 형상이 상기 제 2 변형부의 중심선에 대하여 비대칭이거나, 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 흡입공과 상기 제 2 흡입공 중 적어도 어느 한 쪽이, 상기 밸브 플레이트의 상기 실린더의 개구단면으로부터 타단면으로, 상기 제 1 흡입공과 상기 제 2 흡입공과의 간격이 작아지는 방향으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 냉매 압축기.