KR20070086950A - 소형 로터리 압축기 및 그 제조방법 - Google Patents

소형 로터리 압축기 및 그 제조방법 Download PDF

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더글라스 에스. 올슨
강 피. 이
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아스펜 컴프레서 엘엘씨.
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Abstract

크기와 무게가 휴대가능하고 가동성 있는 적용을 위해 소형화되고, 주요 냉각제를 사용하는 회전하는 피스톤 로터리 압축기가 개시된다. 소형 로터리 압축기는 압축 메커니즘, 무브러시 DC 모터 그리고 케이스로 구성된다. 압축 메커니즘은 실린더, 편심부를 갖춘 축, 축을 지지하기 위한 하나 또는 그 이상의 베어링, 롤러, 프로펠러의 베인, 오일 통, 윤활 오일과 냉각제를 전달하는 구멍, 그리고 입구부와 배출부로 구성된다. 압축 메커니즘과 모터는 밀폐하여 처리되거나 반쯤 밀폐하여 처리된 케이스에 설치된다. 본 발명의 구성과 디자인은 초경량 소형 압축기의 현실화를 허용한다. 소형 로터리 압축기는 기존의 냉각제를 갖춘 로터리 압축기와 비교하여 더 높은 동력 밀도와 비슷한 효율성을 제공한다. 또한 소형 로터리 압축기를 제조하는 방법이 개시된다.
피스톤, 로터리, 압축기, 메커니즘, DC 모터, 베어링, 실린더, 하우징, 편심부, 플랜지, 롤러, 챔버, 축차

Description

소형 로터리 압축기 및 그 제조방법{MINIATURE ROTARY COMPRESSOR AND METHODS RELATED THERETO}
출원과 연관된 참조 문헌(CROSS REFERENCE)
본 출원은 2004년 12월 29일에 출원된 특허 출원 번호(serial number) 60/640,699에 우선권의 이익을 청구하는 정규출원(non-provisional)이다.
본 발명은 일반적으로 로터리 압축기와 그것에 연관된 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증기 압축 시스템에서 사용되는 것처럼, 작동 유체로써 주요 냉각제를 사용하는 회전 피스톤 타입의 소형 로터리 압축기 및 그 제조방법에 관한 것이다. 소형 로터리 압축기는 초경량 냉각 시스템을 요구하는 기기(application)에서 특히 유용하다. 이 소형 로터리 압축기는 이동성을 위해 배터리에 의해 동력이 전달될 수 있고, 전통적인 공기 조절을 위해 비현실적인(impractical) 뜨거운 환경에서 사용될 수 있다.
새로운 작은 크기의 기술의 출현은 전통적인 공간의 공기조절이 대체되는 환경을 만들었다. 그러한 대체가 발생하는 영역은 마이크로프로세서, 전기통신(telecommunications), 안내 장치(guidance equipment)와 같은 다양한 전자적인 구성요소의 온도 관리 영역이다. 다른 영역으로 비행조종사, 군인, 긴급상황에 대 응하는 사람, 위험한 물질을 다루는 사람 등의 열적 보호를 위한 휴대용 시스템을 포함한다. 이러한 시스템의 디자인은 특별한 요구 사항을, 고정된 냉각 시스템 상에 미리 직면되지 않은(not previously encounted) 냉각 시스템의 구성요소에 적용하였다. 이러한 적용이 요구하는 특별한 서비스로 인하여, 압축기와 냉각 시스템은 초경량 무게이고, 매우 작으며, 높은 내구성이 있고, 충격에 강하며, 다른 상황(orientation)에서 안정적으로 임무를 수행하도록 해야 한다.
여러 타입의 압축기들이 냉각 시스템에서의 사용을 위해 현재 이용할 수 있다. 가정용 냉장고와 에어 컨디션을 위해 회전 피스톤 압축기(rolling piston compressors)들이 보통 사용된다. 회전 피스톤 압축기들은 또한 고정된 베인형(vane) 로터리 압축기들에 적용된다. 이런 압축기에 있어서, 베인은 회전자(rotor)에 따라 회전하지 않는다. 하지만 압축기의 고정부에 의해 둘러싸인 슬롯(slot)에서 왕복운동을 한다(reciprocated). 압축기의 실린더 부분은 편심축(eccentric shaft) 상에 설치되고, 실린더 벽의 실린더 표면에서 회전하기 때문에 회전 피스톤으로 명명되었다. 사이클의 흡입 동안, 냉각 가스는 입구부를 통하여 압축 챔버(chamber)로 흡입되고 가스체적은 증가한다. 흡입 과정 동안, 압축 스트로크(stroke)는 피스톤과 베인의 마주보고 있는 면의 체적 감소에서 발생한다. 그러므로, 가스는 롤러의 편심 운동 때문에 압축된다. 배출 유동 흐름은 배출 밸브를 통하여 조절된다.
회전 피스톤 압축기의 작은 크기(주어진 수용능력을 위함)는 이익인 반면에, 실린더 벽의 표면에 따른 냉각제의 누출(leakage)은 불이익이다. 압축기에 부가되 는 윤활 오일(lubricating oil)은 압축기 펌프부의 적절한 작용에 필수적인 두 기능을 수행한다. 제 1 기능은 작동부의 윤활(lubrication)을 자체적으로 유지하는 것이다. 제 2 기능은 작동부들 사이의 모든 틈(clearance)의 밀폐상태를 유지하여 압축기의 성능과 효율성에 불리하게(adversely) 영향을 미치는 직접적인 가스 누출을 최소로 하는 것이다.
그리드(grid) 또는 차량 동력이 적용되지 않은 이동성이 있고 휴대 가능한 기기(application)에 적합한 소형 크기의 로타리 압축기의 필요성이 있다. 지금까지, 이러한 크기는 이전에 결코 이룰 수 없었고, 또한 높은 내부 압력에서 로타리 압축장치의 사용은 감소하였다. 압축장치의 축소 원리(scaling laws)에 따라서, 그러한 장치의 소형화는 특히 부품의 기계 가공과 적당한 치수 공차(reasonable dimensional tolerance)와 같은 심각한 기술적 장애(hurdles)에 불가피하게(inevitably) 직면하였다. 소형 로터리 압축기를 디자인하는 과정에서, 회전 축, 베어링, 롤러, 베인, 그리고 실린더를 포함한 압축 구성요소의 치수(dimension)와 공차(tolerances)는 축소되어야 하고, 압력과 낮은 유동 조건에 맞춰져야 한다(apportioned).
치수 공차와 표면 처리(finishes)는 소형화 과정에서 중요하고, 성능 변화(performance variation)와 각 압축기의 반복공정에 직접적인 영향을 미친다. 더욱이, 압축기 부품의 크기를 축소하는 과정에서 어떤 부분에서는, 큰 크기의 압축기의 성형에 맞추고 큰 크기의 시스템과 같은 효율성을 유지하기 위해 필요한 엄격한 치수 공차에 따라, 가격측면에서 효율적으로 부품을 만드는 것은 가능하지 않을 지도 모른다. 작은 조정 체적(control volume) 내에서 이러한 부품들의 포장 (packaging)은 또한 수많은 기술적 도전을 수반한다.
동적인 터보기계 구성요소에 있어서, 크기, 회전 속도, 기계를 교차하는(across) 압력 비율은 모두 연관된다. 더욱이, 터보 기계의 디자인 관계(relationships)에서 작은 크기는 작은 반경을 요구하고, 높은 신뢰도는 느린 회전 속도를 요구하며, 높은 효율성은 큰 압력 비율을 요구하는 것과 같은 소형 시스템의 심각한 문제가 존재한다. 그러므로 소형화는 높은 효율성을 유지하는 동안 쉽게 성취될 수 없다. 이러한 문제는 복잡성과 크기의 비용이 아닌, 다수의 단계의 사용을 통하여 어느 정도 까지(to some extent) 완화될 수 있다. 소형 압축기의 디자인은 전기 모터 구동 유닛에 요구되는 낮은 동력에 상응하는 낮은 질량 유동률의 요구에 의해 더 복잡하게 된다. 냉각제의 낮은 유동률은 다양한 틈들을 통해 상대적인 누출 유동률을 증가시킨다.
전형적인 설계 규칙(rule)은 전통적인 크기의 구성요소에 적용되고, 소형 크기의 구성요소에는 적용되지 않는다. 소형화는 더 큰 표면 대 체적비의 압축기 펌프부를 제공한다. 게다가, 로타리 압축기 내부에서 손실된 냉각제는 기계 가공된 부분의 틈(clearance)과 직접적으로 관련되어 있고, 표면부는 윤활(lubrication)을 요구하여 윤활제가 사용된다. 그러므로, 만약 디자인이 그 손실들에 맞서(counter) 변경되지 않는다면, 축소된 크기는 예측 가능한 효율성의 손실을 일으킨다. 더욱이, 전통적인 디자인의 단순한 재포장은 소형 크기에서의 최적의 수행(optimum performance)을 제공하지 못할 것이다. 소형 압축기는 더 작은 크기와 작은 크기에 관련된 제조적 제한(fabrication limitations)을 수용하도록 신선하고 새로운 디자인을 사용하여야만 한다.
최근까지 존재하는 로타리 압축기는 제한된 정도(limited degree)에 따라 성공적으로 크기가 축소되었다. 상대적으로 큰 전체 크기와 무게를 가진 압축기들은, 위에서 정의된 최근 생겨난 영역(emerging areas)에서 사용할 수 없게 되었다. 가장 작은 상업적으로 이용 가능한 로터리 압축기는 약 5인치의 크기, 약 4인치의 직경, 약 5파운드를 넘는 무게를 가진다. 더욱이, 그러한 압축기의 효율/성능은 그것의 크기와 무게가 줄어듦에 따라 감소하였다.
표준 냉각제(standard refrigerants)를 위한 회전 피스톤 로터리 압축기의 다양한 구성(configurations)이 현재 존재한다. 그러나 이러한 알려진 회전 피스톤 로터리 압축기의 가장 작은 것조차 너무 부피가 크고(bulky) 및/또는 이동성이 없고 및/또는 작고 초경량 휴대용 압축기를 요구하는 기기(application)에 충분한 냉각 효과를 제공할 수 없다.
위의 관점에 있어서, 표준 냉각제를 사용하기 위한 작고, 초경량인, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기가 필요하다. 또한 초경량인 소형 회전 압축기를 제조하는 방법이 필요하다.
그러므로, 본 발명의 한 관점에서, 약 2.5인치의 직경, 약 3.5인치 이하의 축 길이, 약 1.7파운드 이하의 무게, 그리고 약 3.0cc/회전 이하의 배출량(displacement)을 갖춘 작고, 초경량인 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제공한다.
본 발명의 다른 관점에서, 더 높은 동력 밀도와 기존(state-of-the-art)의 냉각제를 사용하는 로터리 압축기와 비교하여 동등한(comparable) 효율을 제공하는 초경량인 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제공한다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 믿을 수 있고 일정범위의(with a range of) 냉각제를 사용할 수 있고 효율적인 가격으로 생산할 수 있는 초경량인 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제공한다.
본 발명의 또 다른 관점에서, 개인용 냉각 시스템, 작은 냉장고, 냉동장치, 휴대용 혈액 냉각기, 음료수 냉각기 등과 같은 휴대용 냉각 기기에 적절한 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제공한다. 또한, 크기, 무게, 효율성과 같은 다른 요소는 기능성(functionality)을 억제하지 않으며, 실질적으로 많은 양의 열을 생산하는 마이크로프로세서나 다른 전기적인 구성요소들과 같은 작은 고정된 기기에 적절한 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제공한다.
또한, 본 발명의 한 관점에서, 초경량인 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 압축기 메커니즘, 케이스, 무브러시 DC 모터를 포함하는 초경량 소형 회전 피스톤 로터리 압축기와 관련된다. 소형 로터리 압축기의 메커니즘은 밀폐되거나 반쯤 밀폐 처리된 케이스에 설치된다. 압축기 메커니즘은 압축 실린더, 편심부를 갖는 축, 축을 지지하기 위한 상부와 바닥의 베어링, 윤활 오일을 전달하는 구멍, 롤러, 베인, 입구부(또한 흡입과 관련된)와 배출부(discharge ports)를 포함한다. 압축기 메커니즘은 오일 펌프와 오일 분리기를 더 포함한다. 케이스의 바닥부는 윤활 오일 저장소(reservoir)와 같이 작동한다.
한 실시예에서 밀봉된 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 상부캡(top cap), 케이스, 하부캡(bottom cap)의 세 개의 하우징부를 포함하고, 그것들은 바람직하게 용접에 의해 결합된다. 다른 실시예에서 압축기는 세 개 또는 그 이상의 전기적인 피드스루 핀(feedthrough pin)을 포함하고, 이것들은 상부캡(top cap)에서 직접적으로 씰링(sealing)을 통하여 절연 유리(insulating glass)와 결합된다.
본 발명의 소형 로터리 압축기는 종래의(state-of-the art) 압축기보다 상당히 더 작고 가볍지만, 반면에 동등한 효율성/성능을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에서 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 약 2.2인치의 직경과 약 2.7인치의 축 길이와 약 1.4파운드의 무게를 가진다. 또 다른 실시예에서 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 배기량(displacement)은 종래의 가장 작은 압축기 배기량의 20퍼센트이다. 다른 실시예에서 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 물리적 크기 체적은 종래의 가장 작은 압축기의 크기 체적의 7.5 퍼센트이다. 다른 실시예에서 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 오일 펌프는 동등한 모터 속도에서, 종래 압축기의 오일 체적의 약 61 퍼센트의 오일을 공급한다. 다른 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 종래의 압축기의 76 퍼센트의 직경을 가지는 입구 구멍을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 종래 압축기의 40퍼센트의 길이를 갖는 상부 플랜지 베어링(upper flange bearing)을 포함하고, 반면에 종래 압축기의 84퍼센트의 길이를 갖는 하부 플랜지 베어링(lower flange bearing)을 포함한다.
한 실시예에서, 모터 드라이브(motor drive)에 동력을 공급하기 위한 세 개의 피드스루(feedthrough) 핀은 케이스 내에 설치되고 결합된다. 다른 실시예에서, 얇은 벽으로 된 압축기 케이스는 ASME 압축 용기 코드(pressure vessel code)의 구조적인 요구와 밀폐한 압축기를 위한 UL의 유체정역학 시험 요구(hydrostatic test requirement)를 만족시키는(meeting) 동안 이용된다. 다른 실시예에 있어서, 지지 구조(support structure)는 총 축 길이를 최소로 유지하도록 하는 측면에 설치된 출구 연결부를 위해 이용된다. 다른 실시예에 있어서, 소음기는 원하는 냉각 수용능력(capacity)과 성능 계수(coefficient of performance)을 제공하기 위해 가장 작은 케이스의 축 길이와 직경이 허용되는, 오일 손실이 최소화되는 방법으로 결합된다. 다른 실시예에 있어서, 모터는 열 감소(shrinking)의 사용 없이 축에 고정된다.
본 발명은 또한 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제조하기 위한 방법과 관련된다. 한 실시예에서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 제조 방법은 주어진 한 세트의 타이트한 공차(tolerance)에서 구성요소 부분을 기계 가공하는 단계와, 바람직하게는 7000rpm 이하의 속도로 작동하는 무브러시 DC 모터를 결합하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 제조 방법은 실린더, 축, 롤러, 베인, 상부와 하부 베어링 플랜지를 드라이브 모터와 케이스에 조립하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에 있어서, 실린더, 롤러, 베인, 축, 상부와 하부 베어링 플랜지는 각각 드라이브 모터, 그리고 케이스를 갖춘 조립체에 우선하여 조립된다. 다른 실시예에 있어서, 회전자(rotor)는 모터 자석(magnet)에 피해를 주는 열을 피하기 위한 방법으로 축에 부착된다. 다른 실시예에 있어서, 케이스를 플라즈마 용접(plasma-welding)하는 방법은 모터에 열손상을 피하기 위한 방법으로 사용된다.
상기의 본 발명의 요약은 각각의 설명된 실시예나 본 발명의 모든 실시를 설명하기 위한 의도는 아니다. 도면들과 상세한 설명은 이들 실시예를 특별히 예시한 것이다.
본 발명은 다음과 같은 도면을 수반하여 발명의 다양한 실시예의 상세한 설명을 고려함으로써 더 완벽하게 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 입구 튜브와 배출 튜브를 가지는 밀폐 처리된 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 단면도를 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 설치된 회전자의 확대된 측면 단면도를 나타낸다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 설치된 회전자의 확대된 평면 단면도를 나타낸다.
도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 다른 방도로(alternative) 설치된 회전자의 확대된 측면 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 도 1a(A-A로 정의된)의 밀폐 처리된 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 평면 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 도 1a의 압축기 조립체 구성요소 의 분해 조립도(exploded view)를 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 반 정도 밀폐된 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 측면 단면도를 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 반 정도 밀폐된 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 평면 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 것으로써, 고정자의 적층 구조물 (the stack of stator laminations) 내부의 경사진 슬롯(slanted slots)을 나타낸다.
본 발명은 다양한 수정과 양립 가능한 형태에 따르고, 그것의 상세한 설명은 도면의 실시예에 의한 방법에 의해 보여지고, 자세하게 묘사된다. 그러나, 본 발명은 설명된 특별한 실시예에 발명이 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 반대로 본 발명은 부가된 청구항에 의해 정의 되어진 발명의 사상과 영역 내의 모든 수정(modifications), 동등(equivalents), 대체(alternatives) 사항을 포함한다.
본 발명은 개인용 냉각 시스템, 작은 냉장고와 냉동 장치, 휴대용의 혈액 냉각기, 음료수 냉각기와 같은 휴대용의 냉각 기기를 위해 우선 디자인된 주 냉각제를 위한 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 포함한다. 그것의 크기, 무게, 효율성과 같은 다른 요소는 기능성(functionality)을 억제하지 않는다. 이 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 마이크로프로세서, 레이저, x-레이, 그리고 실제적으로 많은 양의 열을 발생하는 다른 전자 구성요소의 냉각과 같이 작은 고정된 기기(stationary applications)에 적절하다.
1. 정의 (Definitions)
여기에서 사용되는 "초경량" 혹은 "초경량 무게"와 같은 용어는 휴대용 동력 공급기와 함께 완전한 냉각 시스템의 내부에 포함되었을 때, 방해물(encumbrance) 없이 편안하게 개인적으로 설치될 수 있을 정도로 충분히 작은 질량을 나타낸다. 이러한 점에서, 2.0 파운드보다 적은 무게와 약 100에서 약 500와트의 냉각 수용능력을 가진 압축기는 개인적인 냉각을 위한 휴대능력의 요구를 충족시킬 수 있다. 그러나, 휴대용 냉각 시스템의 최종적인 결과의 질량은 압축기의 질량 뿐만 아니라, 예를 들어 배터리, 연료 셀 혹은 태양 셀과 같은 동력원의 질량과 크기를 제어하는 압축기의 효율에 의존한다.
여기에서 사용되는 "배기량(displacement)"의 용어는 압축기 내의 피스톤의 단순 회전(revolution)에 의해 배출된(pumped) 가스 체적을 나타낸다.
여기에서 사용되는 "COP" 혹은 "성능 계수(coefficient of performance)는 냉각 출력(와트)의 동력 입력(와트)에 대한 무차원 비율(dimensionless ratio)을 나타낸다.
여기에서 사용되는 "공차(tolerance)"는 주어진 부품의 치수에서 특정된 (specified) 양의 허락된 변동량을 나타낸다.
여기에서 사용되고 첨부된 청구항에 있는 것과 같은 "a", "an", "the"의 단일 형태는 만약 문맥이 명확히 구술되지(dictate) 않는다면 다수의 기준을 포함한다는 것을 이해하여야 한다.
2. 소형 회전 피스톤 로터리 압축기
본 발명은 초경량의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 구현을 위해 배열되고(configured) 디자인된다. 본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 기존의 냉각제를 기초로 하거나 비 냉각제를 기초로 한 로터리 압축기와 비교하여 높은 동력 밀도와 효율성을 제공한다. 그것의 크기, 무게, 내구성(특히 밀폐된 케이스를 가진), 그리고 윤활 시스템과 같은 독특한 특징의 조합은 휴대용 기기에 적절하게 본 발명의 압축기를 만든다. 그러나 소형의 고정된 기기에 사용될 수도 있다.
본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 압축기 메커니즘, 케이스, 그리고 압축기 메카니즘의 구동을 위한 무브러시 DC 모터를 포함하는 조립체이다. 바람직하게 무브러시 DC 모터는 약 7000rpm의 최대 속도 이하의 범위 내에서 다양한 속도로 작동된다. DC 압축기 모터는 배터리, 연료 셀 또는 태양 셀 들에 의해 동력을 전달받을 수 있다. 생성된 동력이 이용 가능하게 되었을 때, 압축기는 DC 동력 공급기를 통하여 동력을 전달받을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 도 1a에 묘사되어 있는 것과 같이 압축기 조립체(100)는 압축 실린더(117), 편심부를 가지는 축(102)(크랭크 축으로 간주됨), 축(102)을 지지하기 위한 상부 베어링(103a)(상부 플랜지로 간주됨)과 하부 베어링(103b)(하부 플랜지로 간주됨), 롤러(104), 베인(106) 및 흡입 튜브 조립체(105)를 포함한다. 흡입 튜브 조립체(105)는 흡입 슬리브 케이스(105a), 흡입 튜브(105b), 흡입 칼라(105c)(collar) 및 압축기 조립체(100)에 냉각제를 전달하는 배출 튜브(116)를 포함한다. 도 1a와 도 3에서 설명된 것과 같이, 무브러시 DC 모터의 회전자(118)는 축(102)를 통하여 압축 메커니즘에 기계적으로 연결된다.
또한 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 윤활 오일통(123)과 윤활 오일을 펌핑하기 위한 오일 펌프(115)를 포함한다. 윤활 오일은 소형 회전 피스톤 로터리 압축기에서의 사용을 위해 선택된 주된 냉각제와 호환되는(compatible with) 어떤 오일일 수 있다. 예를 들어 HFC 냉각제에서 사용되는 적절한 냉각제는 폴리에스터(Polyolester)(POE) 그리고 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride)(PVC) 윤활제를 포함한다. 냉각 기기를 위해 냉각제 HFC-134a는 사용될 수 있고, 반면에 낮은 온도(냉동) 기기에서는 HFC-404A가 선택될 것이다. 냉각제는 주어진 온도 범위에서 효과적인 적절한 주된 냉각제일 수 있고, 바람직하게는 할로겐화 탄소(halocarbon) 냉각제나 그것의 혼합물이다.
소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 바람직하게 외부 조절기(controller)에 의해 조절될 수 있으며, 그것은 압축기 조립체(100)의 일부는 아니다. 본 발명의 한 실시예에 있어서, 압축기는 부하요구를 충족하기 위해 모터의 속도를 변화시킴으로써 조절된다. 모터는 순간(instantaneous) 부하 요구를 충족하기 위해 압축기 조립체의 냉각 수용능력에 따른 넓은 범위 내에서 매우 낮은 속도와 증가하는 어떤 속도에서 시작할 수 있다.
도 1a에서 보여지는 본 발명의 한 실시예에 있어서, 본 발명의 소형 회전 압축기는 밀폐된 케이스 내부에 설치된다. 그러한 케이스에 있어서, 소형 로터리 압축기 조립체는 바람직하게 용접에 의해 조립된 상부캡(top cap)(101a), 하부캡(bottom cap)(101b), 케이스 슬리브(case sleeve)(114)의 세 개의 하우징(housing) 부분을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 압축기 조립 체(100)는 반 정도 밀폐된 케이스 내에 설치된다. 그러한 케이스 내에서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체는 하나 또는 그 이상의 O-링 실(O-ring seals)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 종래의 로터리 압축기보다 명확하게 작고 가볍지만 동등한 효율/성능을 제공한다. 본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 약 2.5인치 이하의 직경, 바람직하게는 1.5인치에서 2.5인치의 범위의 직경, 약 3.5인치 이하의 축 길이, 바람직하게는 1.5인치에서 3.0인치 이하의 축 길이, 더 바람직하게는 2.0인치에서 2.8인치의 축 길이, 약 3.0cc/회전 이하의 배출량, 바람직하게는 약 0.9cc/회전에서 약 3.0cc/회전 사이의 범위 내의 배출량, 더 바람직하게는 약 1.2cc/회전에서 약 3.0cc/회전 사이의 범위 내의 배출량, 약 1.7파운드 이하의 무게, 바람직하게는 약 0.8lbs에서 약 1.5lbs 사이의 무게, 더 바람직하게는 약 1.0lbs에서 약 1.4lbs 사이의 무게를 포함한다. 본 발명의 한 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 약 2.2인치의 직경, 약 3.0인치의 축 길이 그리고 약 1.2파운드의 무게로 구성된다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 종래 가장 작은 압축기의 배출량의 20 퍼센트에 해당하는 배출량을 가진다. 다른 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 물리적 크기 체적은 종래 압축기 크기 체적의 7.5 퍼센트이다. 다른 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 오일 펌프는 동등한 모터 속도에서 종래 압축기의 오일 체적의 약 61 퍼센트의 오일 체적을 펌프하도록 설계되었다. 다른 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터 리 압축기는 종래 압축기의 76 퍼센트의 직경을 가지는 입구부를 포함한다. 이것은 특히 높은 압축기 속도에 있어서, 어떤 유동 제한을 제거하고, 압축기의 열역학적 성능을 향상시킨다. 또 다른 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 종래 압축기의 40 퍼센트의 길이를 갖는 상부 플랜지 베어링을 포함한다. 반면에, 하부 플랜지 베어링의 길이는 종래 압축기의 84 퍼센트이다. 본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 디자인은 긴 하부 플랜지에 주어진(given) 안정된 지지 시스템(stiffer support system)을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 밀폐된 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 상부캡(101a)과 하부캡(101b)으로 구성된 밀폐 케이스(114)를 포함한다. 무브러시 DC 모터 고정자(110)는 모터에 의해 구동되는 축(102)과 동축상으로(coaxial) 연관된 케이스(114) 안에 꼭맞게 설치된다. 도 1a, 도 2, 도 3에서 설명된 것처럼, 압축기 메커니즘(100)은 실린더(117), 실린더(117)의 상부와 하부의 끝 표면에 근접하여 설치된 상부(103a)와 하부(103b) 베어링 부재, 한 쪽 끝 단에 설치되고 상부 베어링 부재(103a)에 의해 상부의 측면에 지지되며 하부 베어링 부재(103b)에 의해 하부의 측면에 지지되는 모터 회전자(118)를 가지는 축(102) 및 로타리 압축 메커니즘, 예를 들면 편심축(102a)에 의해 실린더(117)의 내부에 편심하여 회전하는 롤러(104), 실린더 벽에 위치한 흡입구(121), 상부 플랜지(103a)에 설치되고 실린더(117)와 연결된 배출 밸브부(113), 그리고 고압(128)과 저압(129) 측 또는 챔버로 실린더(117)을 나누기 위하여 롤러(104)에 맞물리도록 슬라이드 가능하게 설치된 베인(106)을 포함한다.
종래의 압축기에 있어서, 압축기 조립체는 고정된 모터 고정자를 포함한다. 고정자는 얇은 판(lamination)으로 간주되는 금속 박판(sheet metal)의 다중 층으로 구성된다. 얇은 판의 적층 구조(stack)는 모터 권선(winding)을 위한 공간을 제공하기 위해서 고정자의 내부 직경 상에 위치한 슬롯(slots)을 형성한다. 종래 압축기의 전형적인 모터에 있어서, 이들 슬롯은 수직으로 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 도 5에서 보이는 바와 같이, 고정자(110)는 얇은 판의 적층 구조(110a)를 포함하며, 이는 회전 축(102)의 방향 내에서 상부부터 하부까지 경사진(sloped) 슬롯(137)을 포함한다. 경사진 슬롯은 냉각 가스 내에 동반된(entrained) 오일을 모으거나 오일 웅덩이(sump)(123)로 되돌리는 오일 홈(oil groove)으로써 작용한다. 이 실시예에 있어서, 되돌려진 오일은 웅덩이를 향한 오일 유동의 결과인, 회전하는 회전자에 의해 생성되는 회전 유동에 의해서 증가된다. 모터 공기 갭(gap)은 윤활제(lubricant)가 압축기 조립체(100)로부터 움직이는 주요 경로이고, 얇은 판의 적층 구조상의 슬롯에서 이 역(reverse) 오일 유동은 냉각제에 동반된 압축기 조립체(100)로부터 움직이는 오일의 양을 감소시키는 경향이 있다. 고정자(110)의 얇은 판의 적층 구조(110a) 내의 슬롯(137)은 웅덩이(sump)(123)를 향한 오일의 방향을 바꾸기 위해 경사져 있고, 따라서 오일 순환률(circulation rate)을 감소시키고 오일 웅덩이 내에 더 높은 오일 수준을 유지하는 기능을 한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상부캡(101a)은 모터 고정자 박판(motor stator lamination)(110a)의 중앙에 위치한 케이스(114)에 결합하도록 위치한다. 이 형 상(configuration)은 히트 싱크(heat sink)로써 고정자 박판의 사용을 허용하고 권선 작동(winding operation)에서 발생하는 열로부터 고정자 권선이 손상 받을 가능성을 최소화하거나 막는다.
압축기 조립체부와 케이스(114)는 종래 회전 피스톤 압축기에서 사용되는 다른 등급의 합금을 포함하는 거의 금속 물질로부터 제조된다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 내의 가스 누출(leakage)의 횡단면 영역은 종래의 로터리 압축기의 횡단면 영역보다 작고, 높은 효율을 유지하면서, 베인 폭, 베인 길이, 롤러 벽 두께의 감소된 크기를 허용한다.
본 발명의 한 실시예에 있어서, 축(102)과 회전자(118)는 회전자 자석에 열 손상을 막는 열의 사용 없이 기계적인 고정수단에 결합된다. 오히려 열 감소(shrinking)로, 평평한 판(131)은 축(102) 상에 위치하고, 회전자(118) 위에 평평한 판을 붙인다(matching). 대안적으로, 열쇠 통로(a key way)(133)는 우드루프 키(woodruff key)(134)를 위해 회전자(118) 내에서 작동될 수 있다(machined).
본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 종래의 큰 로터리 압축기에 상응한 효율/성능을 제공하고, 초경량이며 작은 로터리 압축기이다. 개인적인 냉각 기기를 위하여, 증발기 온도가 약 40 ℉에서 약 60 ℉의 범위이며, 응축기 온도는 약 85 ℉에서 약 160 ℉의 범위일 때의 작동 조건상 본 발명의 소형 로터리 압축기의 COP는 약 1.5에서 약 4.5의 범위 내이다. 한 실시예에 있어서, 소형 로터리 압축기는 증발기 온도가 55 ℉이고, 응축기 온도가 150 ℉일 때 약 1.85에서 약 2.25 의 범위 내에서 최대 COP를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 소형 로터리 압축기는 증발기 온도가 55 ℉이고, 응축기 온도가 110 ℉일 때 약 3.8에서 약 4.6의 범위 내에서 최대 COP를 갖는다.
소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 크기와 무게는 종래의 압축기보다 더 휴대용 기기에 적절하도록 할 수 있다. 본 발명의 압축기는 개인적인 냉각 시스템, 소형 냉장고, 냉동고, 휴대용의 혈액 냉각기, 음료수 냉각기 등과 같은 휴대용의 냉각 기기에서 사용될 수 있다. 크기, 무게, 다른 요소들은 기능적인 운동성(functional mobility)을 제한하지 않는다. 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 또한 마이크로프로세서나 실제적으로 많은 양의 열을 생산하는 구성요소를 위한 전기적인 냉각장치와 같은 소형의 고정된 기기에서 사용될 수 있다.
3. 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제조하는 방법
본 발명은 또한 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 제조하는 방법을 포함한다. 한 실시예에 있어서, 제조 방법은 주어진 공차에서 압축기 조립체의 부품을 기계 가공하는 단계와, 약 7000rpm 이하의 높은 분당 회전률로 작동하는 무브러시 DC 모터를 결합시키는 단계를 포함한다. 다른 실시 예에 있어서, 제조 방법은 실린더, 축, 롤러, 베인, 드라이브 모터를 갖는 상 하부 베어링 플랜지, 케이스 등의 조립 과정을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 드라이브 모터와 케이스의 최종 조립 이전에, 실린더, 롤러, 베인, 축, 상 하부 베어링 플랜지는 압축기 펌프 조립체에 결합된다.
본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 디자인과 제조에 있어서, 부품 구조(parts geometries)는 베인 폭과 베인 슬롯(slot) 사이, 베인 높이와 실린더 높이 사이, 롤러 높이와 실린더 높이 사이, 롤러와 실린더의 내부 직경 사이 등과 같은 성능 유극(clearance)을 제외하고, 필요에 따라 규모가 축소된다(scaled down). 그리고 저널 베어링 유극(journal bearing clearance)은 종래의 것과 동등한 열역학적 성능과 신뢰도를 제공하도록 종래 로터리 압축기의 그것과 같도록 유지한다. 심지어, 압축기 조립체가 본 발명보다 명확히 작아지더라도 성능상 악화되지 않는다. 본 발명의 실시예에 있어서, 다양한 압축기 유극(clearance)은 다음과 같다. 베인 폭 유극 -0.0009/0.0004; 베인 끝 유극 - 0.0007/0.0003; 롤러 끝 유극- 0.0008/0.0004; 실린더 세트 유극 - 0.0005/0.0003; 저널 베어링 유극(루브라이트로 간주되는 망간 인산염 건조 윤활제를 사용(with manganese phosphate dry lubricant, also referred to as lubrite))-0.0008/0.0002.
본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 주요 파라미터는 표 1에 나타난다.
표 1 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 매개변수들
매개변수 범위 바람직한 범위
윤활된 표면 범위 약 5.45in² 에서 약 9.10in² 약 6.15in² 에서 약 8.20in²
오일 체적 약 10cc 에서 약 46.25cc 약 20cc 에서 약40cc
오일 펌프율 약 0.75cc/min에서 약 6.2cc/min 약 0.90cc/min에서 약 5.50cc/min
냉각 동력 밀도 약 13.6watts/in³ 에서 약 41watts/in³ 26.85watts/in³ 에서 32.50 watts/in³
냉각 동력 밀도 (약 145℉ 응축) 약 200.00 watts/lb 에서 약 312.50 watts/lb 227.50 watts/lb 에서 275.00 watts/lb
압축기 무게 약 0.8lbs 에서 약 1.7lbs 약 0.8lbs 에서 약 1.5 lbs; 약 1.0lbs 에서 약 1.4lbs
압축기 체적 약 7.5 in³ 에서 약 20.00in³ 약 8.5in³ 에서 약 12.10in³;
압축기 직경 약 2.5in 이하 약 1.5in 에서 약 2.5in
압축기 축 길이 약 3.5in 이하 약 1.5in 에서 약 3.0in; 약 2.0in 에서 약 2.8in.
배기량(회전 당 측정된) 약 3.00cc 이하 약 0.90cc 에서 약 3.0cc; 약 1.8cc 에서 약 3.0cc
COP(중요한 작동조건) 약 1.5 에서 약 4.5
상부 플랜지 베어링 길이 약 0.40in 에서 약 0.50in 약 0.44in 에서 약 0.45in
하부 플랜지 베어링 길이 약 0.35in 에서 약 0.40in 약 0.36in 에서 약 0.37in
배출구 직경 약 0.08in 에서 약 0.20in 약 0.12in 에서 약 0.14in
입구 직경 약 0.125in 에서 약 0.375 in 약 0.19in 에서 약 0.21in
오일 펌프축 구멍직경 약 0.16in 에서 약 0.24in 약 0.19in 에서 약 0.21in
베인 폭 약 0.09in 에서 약 0.15in 약 0.12in 에서 약 0.13in
베인 슬롯 길이 약 0.28in 에서 약 0.33in 약 0.31in 에서 약 0.32in
롤러 벽 두께 약 0.10in 에서 약 0.13in 약 0.11in 에서 약 0.12in
케이스/엔드캡 두께 약 0.03in 에서 약 0.07in 약 0.04in 에서 약 0.06in
보어/고도율 약 2.0 에서 약 2.4 약 2.0 에서 약 2.1
본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 디자인과 제조에서, 부품의 기하학적 외형은, 개별적인 부품의 치수 공차가 종래의 로터리 압축기와 같게 유지되는 것을 제외하고 크기를 줄이는 것이 필요하다. 예외는, 왕복 운동하는 베인에서 실린더(117) 내의 베인 슬롯(135)이다. 베인 슬롯 공차는 종래 압축기 보다 좁은 것으로써 +/-0.0002이다. 이것은 종래 기술에서 현재 사용되는 "브로칭(broaching)"공정 대신에 새로운 와이어 EDM(전기적인 배출 기계 공정)의 사용(novel use of wire EDM)에 의해 성취된다. 베인 슬롯(135)의 더 좁은 공차는, 바람직한 유극(clearance)을 이루기 위해 종래 압축기에서 행해진 선택된 베 인(106)/실린더(117)의 맞춤(nmatching)의 필요성을 제거하였다. 이것은 조립 공정을 대단히 단순화한 것이다. 결과적으로 교환성(interchangeability aspect)은 본 발명을 가격적인 면에서 더 효율적으로 만들 것이다.
본 발명의 소형 압축기의 디자인과 제조는 종래 로터리 압축기 디자인과 제조와는 상당히 다르다. 종래의 로터리 압축기 디자인과 제조에 있어서, 밀폐된 전기적인 접촉은 타출된(stamped) 직경 1.5in의 쇠 컵으로부터 제조된 분리된 피드스루(feedthrough)와 상부캡에 용접된 쇠 컵과 함께 절연 유리를 갖춘 쇠 컵(steel cup) 내에 밀폐된 세 개의 니켈 코팅 쇠 핀(steel pin)에 의해 이루어진다. 그리고 나일론 끝부분 블록(nylon terminal block)은 압축기 케이스의 내부 상에 모터 전선을 접촉하기 위해 사용된다. 그리고 동력원으로부터 나오는 전기적인 전도체는 기준 전기 끝부분(terminal)에서 사용하는 피드스루(feedthrough)의 외부면에 접촉된다. 반면에, 현재의 소형 압축기의 디자인과 제조는 관습적으로 타출된(stamped) 상부캡(101a) 내에 직접적으로 피드스루 핀(108)을 설치하는 것을 포함한다. 기준 나일론 끝부분 블록(111a)은 내부 상에 모터를 연결하기 위해 사용되고, 다른 기준 나일론 끝부분 블록(111b)은 압축기 조립체(100)의 외부 상에 동력원을 연결하기 위해 사용된다. 소형 회전 피스톤 로터리 압축기를 위해, 유리 절연체(109)의 구멍과 쇠 핀(108)은 타출(stamping) 공정에서 압출 성형된다(extruded). 일반적으로, 피드스루 컵과 핀과 연결부의 크기는 압축기 축 길이의 소형화를 제한한다. 본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기의 디자인은 압축기 상의 축 길이를 감소할 수 있고, 미 가공된(raw) 물질의 사용을 감소할 수 있으며, 제조 비용을 감소할 수 있다. 더욱이, 이 디자인은 상부캡(101a) 내에 피드스루를 용접할 필요성을 제거한다.
종래 로터리 압축기 디자인과 제조에 있어서, 배출 튜브는 상부캡의 중앙에 수직으로 설치되어 있어, 압축기 축 길이의 최소화를 막으며, 튜브는 압축기를 납땜된(brazed) 응축기에 연결한다. 그 때문에, 추가적인 고도 요구(height requirement)가 부가된다. 반면에, 본 발명의 소형 압축기는 배출 튜브(116)가 상부캡(101a)의 옆면에 수평으로 위치해 있어, 압축기의 축 길이를 감소하며, 압축기에 접촉되도록 디자인되고 제조된다.
종래의 로터리 압축기의 디자인과 제조에 있어서, 상부캡은 주된 케이스의 내부 직경 내에 삽입되고, 밀폐되도록 용접되며, 상부캡과 케이스가 겹쳐지도록 압축기 내부에 충분한 공간을 요구한다. 그리고 전통적인 MIG 용접 공정으로부터 열 손상을 막도록 두 부품의 용접 시 충분히 떨어진 공간을 제공한다. 반면에, 본 발명의 소형 압축기의 디자인과 제조에서는 용접 시임(seam)이 모터 고정자(110)에 바로 인접해 위치한 케이스(114)의 외부 직경 상에 상부캡(101a)이 배치되도록 한다. 한 실시 예에 있어서, 모터의 열 손상은 용접 시임상에 직접적으로 더 작은 양의 에너지를 집중하는 플라즈마 용접 기술을 사용함으로써 막을 수 있다. 압축기 조립체 용접은 용접된 물질로부터 모터와 같은 소형 압축기의 다른 부분으로 매우 작은 열이 전도되도록 하기 위한 충전제 와이어(filler wire)를 사용할 필요없이 빠르게 이루어진다.
종래 로터리 압축기 디자인과 제조에 있어서, AC 유도 모터(induction motor)가 전형적으로 사용된다. 이 모터 타입은 제조에 있어서 상대적으로 싸지만, 낮은 동력밀도는 압축기의 토크 요구사항을 만족하도록 꽤 큰 직경과 큰 축 길이의 결과를 발생시킨다. 더욱이, AC모터는 전형적으로 3500rpm의 속도로 작동하는 단일 속도 모터이고, 시동 전류 증대(start-up current surge)를 다루기 위해 큰 시동 축전지(capacitor)를 요구한다. 반면에, 소형 압축기의 디자인과 제조는 높은 속도의 무브러시 DC 모터(고정자(110)과 회전자(118)를 포함한)의 사용을 포함한다. 이 모터는 압축기의 직경, 축 길이, 무게의 감소를 발생시키는 높은 동력 밀도를 가진다. 게다가, 무브러시 DC 모터는 10000rpm 까지의 속도로 작동할 수 있고, 그 때문에 동등한 수용능력을 제공하면서 압축기 크기의 감소가 가능하다.
종래의 로터리 압축기의 디자인과 제조에 있어서, 상기에서 설명된 것처럼 전형적인 로터리 압축기 내에서 사용되는 AC 유도 모터는 단일 속도로 작동한다. 이것은 종래의 압축기가 순환하거나 순환하지 않도록(cycle on and off) 이용하고, 변화하는 부하에 냉각 수용능력을 맞추는 냉각 시스템의 요구사항의 결과이다. 이것은 압축기가 큰 시동 전류 증대를 가지고, 냉각시스템이 반복되지 않은 열 손실을 가지며 높은 작동 비용을 유발하는 비효율성을 발생시킨다. 반면에, 소형 압축기의 디자인과 제조는 다양한 속도의 무브러시 DC 모터의 사용을 포함한다. 이 모터는 시동 전류 증대를 제거하도록 낮은 속도로 시작할 수 있다. 그것은 또한 압축기의 냉각 수용능력을 변화하는 부하에 근접하게 맞추도록 넓은 범위 내에서 어떤 속도로 작동할 수 있다. 냉각 시스템은 최종적으로 작동을 위해 더 적은 에너지를 사용하고, 작동 비용의 감소를 발생시킬 뿐만 아니라 배터리로 작동하는 시스템을 위해 시스템의 무게를 감소시킨다. 이것은 특히 사용자에 의해 휴대되는(carried), 전체적인 냉각 시스템과 동력원이 있는 휴대용의 개별 냉각 시스템 내에서 유리하다.
종래의 로터리 압축기 디자인과 제조에 있어서, 큰 오일통(oil-sump)은 압축기 케이스의 바닥에 제공된다. 모든 로터리 압축기는 작동하는 동안 냉각 시스템에서 오일통 내의 약간의 오일을 잃는다. 오일 안개(mist)와 작은 물방울은 배출 가스와 섞이고, 배출 튜브의 외부와 응축기의 내부로 운반된다. 오일은 시스템을 통하여 흐르고, 결국 흡입 튜브를 통하여 압축기로 되돌려진다. 결국, 시스템 평형이 이루어지고, 압축기 내의 오일 유동은 압축기 외부의 오일 유동과 동등해진다. 그러나 어느 정도의 오일의 양은 시스템 내부에 항상 남게 되고, 압축기의 기름통 내의 오일 감소를 유발한다. 만약 이러한 오일 수준이 어떤 수준 이하로 감소하면, 오일은 축 끝 부분에 있는 오일 펌프에 제공되지 않을 것이고, 압축기에서 윤활은 손실될 것이다. 이것은 증가된 누출(leakage)과 마찰의 결과이다. 양 요소는 높은 동력 소비와 조급한(premature) 압축기의 작동 실패의 결과이다. 이러한 이유로, 압축기 오일통 내의 다량의 오일은 최대일 것이 틀림없다. 그러나 오일통의 오일 수준은 실린더의 중앙부를 초과할 수 없다. 만약 오일 수준이 이보다 높다면, 이것은 압축기 내부로 유동될 것이고, off 싸이클 동안 압축 챔버에 채워질 것이다. 압축기가 작동되기 시작할 때, 매우 높은 전류 상승(surge)은 오일의 비압축성(imcompressibility) 때문에 발생한다. 이 전류 상승은 안전 제한을 초과하고, 보통 퓨즈로 이동하거나 회로 브레이커(circuit breaker)로 이동한다. 또한 배출 밸브(113b)의 외부에 힘을 가하는 오일은 밸브 받침(backer)(113a)에 피해를 입히거나 압축기를 사용할 수 없도록 한다.
이러한 것들의 발생을 막기 위해서, 종래의 로터리 압축기 케이스는 오일통이 넘치지(overfilling) 않을 정도로 적절한 오일통의 수용능력을 제공하도록 충분히 크다. 반면에, 소형 압축기의 디자인과 제조는 변화하는 속도의 무브러시 DC 모터(고정자(110)와 회전자(118))를 사용하도록 하고, 오일통(123)내에 충분한 오일의 양을 유지하도록 간결한 디자인이 이루어지게 하는 새로운 제어 설계를 포함한다. 본 발명의 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 내의 오일 수준은 전형적으로 실린더(117)의 중앙부 위 부분이다. 소형 회전 피스톤 로터리 압축기는 전류의 증대(a surge in current)나 어떤 압축기 부분의 손상 없이 실린더 압축 챔버(128)의 외부로 오일을 천천히 배출시키는(purge) 시동 과정을 이용한다. 압축기 속도의 전기적인 제어는 5rpm과 같은 상대적으로 낮은 속도에서 시작될 것이다. 이 시동속도는 매우 낮은 토크에서 실린더 압축 챔버(128)나 배출 밸브부(113)의 외부로부터 오일을 매우 느리게 움직이도록 한다. 또한 낮은 전류가 사용된다. 챔버(128)로부터 오일이 배출되는 경우, 압축기 속도는 작동 속도(수천 rpm)까지 안정적으로 상승할 것이다. 이 새로운 시동 제어 설계는 더 높은 수준의 오일을 오일통(123)에 채울 수 있어 생기는 결과이고, 압축기 조립체(100)의 크기를 감소할 수 있으며, 압축기 크기와 무게, 제조비용을 감소시키도록 한다.
종래의 로터리 압축기 제조에 있어서, 케이스는 전형적으로 MIG 용접 공정을 사용함으로써 용접된다. MIG 용접은 용접되는 두 물질의 내부로 충전제 와이어(a filler wire)를 자동적으로 공급한다. 반면에, 본 발명의 한 실시예에서, 소형 압축기의 제조공정에서는 모터 손상에 대해서 안전하도록 플라즈마 용접을 사용한다. 플라즈마 용접공정은 결합되는 부분에 더 적은 열이 주입되고, 추가적인 충전제 와이어를 요구하지 않으므로 바람직하다.
제조 공정 중에서, 압축기 펌프부는 용접을 위해서 전형적으로 압축기 케이스(114)의 내부에 위치한다. 케이스(114)에 압축기 펌프를 점성용접(tack welding)하기 쉽도록 압축기 케이스(114)의 내부에 세 개의 추가적인 구멍을 형성한다. 종래의 로터리 압축기는 점성 용접을 위해 케이스 내에 구멍을 갖고 있지 않았다. 종래 압축기의 큰 크기 때문에, 점성 용접 과정 동안 점성 용접의 부작용 없이 구멍은 케이스(114)를 통하여 연소할 수 있게 되었다. 본 발명의 소형 압축기의 작은 크기와 바람직하게 얇은 케이스 두께 때문에, 연소되는 구멍의 크기를 제어하기 어렵게 되어 케이스를 통한 연소가 현실적으로 어렵게 되었다. 대신에, 본 발명의 소형 로터리 압축기는 점성 용접 공정을 용이하게 하기 위해 점성 용접의 위치에서 케이스 내에 파일롯 구멍(pilot hole)을 형성한다.
종래 로터리 압축기 디자인과 제조에 있어서, 평형추(counterweig ht)는 회전 조립체의 균형을 맞추기 위하여 모터 회전자(rotor)에 사용된다. 평형추는 배출 머플러와 배출부의 회전자의 바닥면에 위치한다. 평형추는 일반적으로 회전 방향에 수직하는 명확히 큰 황단면 정면부를 갖는 초생달 모양이다. 이 평형추 정면부는 냉각제 기포를 통과하여 움직이고(plow), 상당한 난류가 추가된 오일 안개는 냉각제와 오일의 빈틈없는(thorough) 혼합에 의해 발생한다. 잘 섞인 오일과 냉각제의 혼합은 배출 튜브를 통하여 압축기의 외부로 더 많은 오일을 배출되게 하고, 오일통 내에 남아 있는 오일 수준을 감소시킨다. 위에서 설명한 바와 같이, 이 감소된 오일 수준은 압축기의 작동 실패를 발생시킬 수 있다.
반면에, 본 발명의 소형 압축기의 디자인과 제조는 도 1a에서 묘사된 바와 같이, 압축기 조립체(100)에 남아 있는 오일을 감소시키기 위해서 평형추(122)의 마주보는 면에 회전자(118)의 상부와 하부에 설치된 초경량의 초생달 모양의 구성요소(125)를 이용하여 평형추(122)의 정면부를 가린다(masking). 이 새로운 구성요소(125)는 인접하는 속이 빈 실린더를 형성하고, 와셔(washer)와 유사하며, 난류 그리고 냉각 기포와 오일의 혼합체를 생성하고, 혼합체의 교유(churning of the mixture)와 높은 항력 계수(high drag coefficient) 때문에, 동력을 소비하는 정면부가 존재하지 않는다. 이 구성요소의 추가는 매우 가벼운 물질로 제조되고, 속이 텅 비어 있기 때문에 회전 조립체의 균형을 방해하지 않는다. 압축기 조립체(100)의 외부로 매우 적은 양의 오일이 배출되기 때문에, 오일통(123)은 더 작아질 수 있고, 이는 압축기의 소형화를 더욱 유도한다.
종래의 로터리 압축기 제조에 있어서, 타출된(stamped) 박판 금속으로 제조된 머플러(또한 배출 머플러로 간주됨)는 압축 챔버 배출부와 배출 밸브가 위치하는 상부 플랜지를 보호한다(cover). 압축 실린더에 존재하는 압축 가스는 머플러로 들어와서 짧은 경로를 움직이며, 상부 표면에 위치하는 여러 개의 구멍을 통하여 머플러로부터 나가게 된다. 이와 같이, 가스 흐름은 모터 회전자의 바닥을 향하게 되며, 회전자와 회전하는 평형추에 영향을 미친다(impinges).
본 발명의 소형 압축기에 있어서, 회전자(118)와 평형추(122)는 머플러(112)의 상부에 매우 가깝게 위치하고 있으며, 머플러(112)에서 배출된 가스와 오일은 회전하는 회전자(118)에 즉시 접촉한다. 이것은 난류를 일으키고, 가스와 혼합된 잔여 오일의 가능성을 증가시키며, 마지막으로 압축기에 남게 된다. 본 발명의 소형 압축기 디자인은 오일의 분리(separation)를 용이하게 하도록 방사상의 구멍을 포함한 머플러(112)를 결합시킨다.
이 디자인은 머플러(112)의 수직면에 머플러(112)의 방사상 구멍들을 위치하게 함으로써 압축기 조립체(100)에 남아 있는 오일을 감소하도록 한다. 그러므로, 가스와 오일의 흐름은 회전하는 모터에 직접적으로 충격을 가하지 않고, 수평방향으로 외부를 향하게 된다. 냉각 가스와 오일 혼합체는 케이스(114)의 내부 직경 상에 영향을 미치고, 오일은 분리되어 오일통(123)에 되돌아 가는 경향이 있다. 본 발명의 한 실시예에 있어서, 압축기로부터의 오일 손실은 감소하고, 회전자(118)가 배출 머플러(112)의 상부에 매우 가깝게 위치되는 것을 허용하며, 이것은 압축기 조립체의 크기를 감소시킬 수 있도록 한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 주요 냉각제를 사용하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기와 그것과 연관된 방법에 관한 것이다. 본 발명은 상기에서 설명된 특별한 실시예에 의해 제한되지 않으며, 덧붙여진 청구항에서 언급된 발명의 모든 면을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 변형, 동등한 과정, 뿐만 아니라 다수의 구성은 본 발명이 나타낸 상세한 설명에 따르면 명백할 것이다. 청구항 들은 그러한 변형을 포함한다.

Claims (20)

  1. 압축기 메커니즘, 무브러시 DC 모터, 및 케이스를 포함하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체로서, 상기 압축기 조립체는 약 3.5in 이하의 축 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기 조립체는 약 2.5in 이하의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기 조립체는 약 3.0cc/회전 이하의 배기량을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기 조립체는 1.7파운드 이하의 무게인 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 오일의 분리를 위한 방사상의 구멍을 포함하는 배출 머플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 밀폐된 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 세 개의 하우징부를 더 포함하고, 상기 하우징부는 플라즈마 용접을 통하여 결합되는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 케이스는 반쯤 밀폐된 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 소형 로터리 압축기는 약 23.6 watts/in³에서 약 36.9 watts/in³의 범위, 또는 약 200.00 watts/lb 에서 약 312.50 watts/lb 의 범위 내의 냉각 동력 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 소형 로터리 압축기는 약 55℉ 의 증발기 온도와 약 150 ℉의 응축기 온도에서 약 1.85에서 약 2.25의 범위 내의 COP를 갖거나 약 55℉의 증발기 온도와 약 110의 응축기 온도에서 약 3.8에서 약 4.6 의 범위 내의 COP를 갖는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 소형 로터리 압축기는 부하 요구(load demand)에 따라 그것의 속도를 맞추는 것에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스 톤 로터리 압축기 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 모터 고정자와 회전자는 공기 갭에 의해 분리되고, 상기 공기 갭은 오일 분리기로 작용하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 평형추(counterweight)와 초경량 초생달 모양의 구성요소를 더 포함하고, 상기 평형추와 초경량 초생달 모양의 구성요소는 인접하는 텅 빈 실린더(contiguous hollow cylinder)를 형성하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 소형 로터리 압축기는 개인용 냉각 시스템, 소형 냉장고와 냉동고, 휴대용 혈액 냉각기, 음료수 냉각기를 포함한 휴대용 냉각 기기; 또는 마이크로 프로세서와 실제적으로 많은 양의 열을 생산하는 전기적인 구성요소의 냉각 시스템을 포함한 소형의 고정 기기;에 사용되는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체.
  15. a) 주어진 공차(tolerances)에서 압축기 메커니즘의 기계가공단계;
    b) 무브러시 DC모터의 결합단계; 및
    c) 케이스 결합단계;를 포함하고,
    소형 로터리 압축기는 약 2.5in 이하의 직경, 약 3.5in 이하의 축 길이, 약 1.7파운드 이하의 무게를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 압축기 메커니즘은 실린더, 축, 롤러, 베인, 구동 모터를 가지는 상부 베어링 플랜지와 하부 베어링 플랜지 및 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 오일통의 결합을 더 포함하고, 상기 오일통은 실린더 중간 높이 보다 더 높은 수준의 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체의 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 배출 튜브와 상부캡의 결합을 더 포함하고, 상기 배출 튜브는 압축기 조립체의 축 길이의 감소를 위해 상부캡의 옆 면에 수평으로 위치한 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체의 제조 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 전기적인 피드스루 핀들(feedthrough pins)과 상부캡의 결합을 더 포함하고, 상기 하나 또는 그 이상의 전기적인 피드스루 핀들은 상부캡에 직접 절연 유리와 함께 밀폐되는 것을 통하여 결합하는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체의 제조 방 법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 소형 로터리 압축기 조립체는 베인과 실린더를 포함하고, 상기 베인과 실린더는 비선택적으로 조립되는 것을 특징으로 하는 소형 회전 피스톤 로터리 압축기 조립체의 제조 방법.
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