KR20190114658A - 로터리 압축기 - Google Patents

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; 및 상기 롤러에 구비된 베인슬롯에 삽입 설치되고, 상기 베인슬롯에 인가되는 배압력에 의하여 돌출되어 상기 실린더의 내주면과 접하면서 압축실을 구획하는 복수개의 베인;을 포함하되, 상기 실린더 내주면 형상은 회전축 중심을 원점으로 하는 X-Y 평면에 배치되는 4개의 타원형으로 정의되고, 1사분면의 타원의 장단비는 1.62이하이고, 베인의 경사각도는 15ㅁ2° 인 경우 상기 롤러의 반지름은 0.025m 이하인 로터리 압축기를 제공한다.

Description

로터리 압축기{ROTARY COMPRESSOR}

본 발명은 실린더의 압축공간에 흡입되는 냉매를 압축시킨 후 이를 토출하는 로터리 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베인의 마모를 저감할 수 있도록 한 로터리 압축기에 관한 것이다.

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.

압축유닛에 있어서 실린더의 내주면 형상은 압축실의 체적의 변화를 기준으로 설계되고 있었다.

선행문헌으로는 일본공개특허 2014-040797호(공개일자 2014년 3월 6일)가 있다.

도 1은 종래의 실린더 내주면 형상을 회전각에 따라 나타낸 그래프이다.(선행문헌의 도 5)

선행문헌을 살펴보면, 실린더 내주면의 형상을 6개의 구간으로 구분하면서,

(0) 구간은 압축실의 용적이 증가하는 영역, (1) 구간은 압축실의 용적 감소률이 증가하는 영역, (2) 구간은 압축실의 용적 감소율이 저하되는 영역, (3) 구간은 압축실의 용적 감소율이 다시 한번 증가하는 영역, (4) 구간은 압축실의 용적 감소율이 다시 한번 저하되는 영역, (5) 구간은 압축실의 용적이 최소로 대략적으로 일정한 영역으로 설명하고 있다.

이러한 실린더의 내주면 형상 설계는 베인 관련 기계손실과 신뢰성 보다는 체적의 증가/감소에 따라 정의된 것이다.

그런데, 실린더 내주면 형상에 의해 회전각도에 따른 베인의 거동이 결정되고, 이는 베인 관련 기계 손실과 신뢰성에 직접적으로 영향을 미치게 된다.

본 발명은 실린더 형상 설계시 베인의 마찰을 저감하여 신뢰성을 향상할 수 있도록 하기 위한 것이다.

일본공개특허 2014-040797호(공개일자 2014년 3월 6일)

본 발명의 목적은 로터리 압축기의 실린더 내주면 형상을 설계함에 있어서, 베인의 거동을 고려하여 설계할 수 있도록 함으로써, 베인의 마모관련 신뢰성을 향상할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 흡입 과정 중에서 베인과 실린더 내주면의 마모를 감소시킬 수 있는 실린더 형상을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 베인에 의한 마모 가능성이 높인 실린더 내주면의 1,2사분면 형상 설계에 관한 기준을 마련함으로써 로터리 압축기의 신뢰성을 개선하기 위한 것이다.

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; 및 상기 롤러에 구비된 베인슬롯에 삽입 설치되고, 상기 베인슬롯에 인가되는 배압력에 의하여 돌출되어 상기 실린더의 내주면과 접하면서 압축실을 구획하는 복수개의 베인;을 포함하되, 상기 실린더 내주면 형상은 회전축 중심을 원점으로 하는 X-Y 평면에 배치되는 4개의 타원형으로 정의되고, 1사분면의 타원의 장단비는 1.62이하이고, 베인의 경사각도는 15ㅁ2° 인 경우 상기 롤러의 반지름은 0.025m 이하인 로터리 압축기를 제공한다.

2사분면의 타원의 장단비는 0.9이상 1.1 이하인 것이 바람직하다.

1사분면의 타원의 중점과 2사분면의 타원의 중점은 회전축 중심에서 x축 방향으로 -값 만큼 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 로터리 압축기는 실린더 내주면 형상 설계를 통해 베인으로 인한 실린더 내주면의 마모를 감소시킴으로써, 로터리 압축기의 신뢰성을 개선할 수 있는 효과를 가져온다.

도 1은 종래의 실린더 내주면 형상을 회전각에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는 로터리 압축기의 내부의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 로터리 압축기의 압축 유닛 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 고압식 로터리 압축기의 압축 유닛의 구조를 나타낸 횡단면도이다.
도 5는 회전각도에 따른 베인의 선속도와 접촉력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 1사분면과 2사분면의 형상에 따른 파라미터를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 1사분면과 2사분면의 장단비의 변화에 따른 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이다.
도 8은 실린더 내주면 형상과 베인 경사 각도에 따른 마모 발생을 나타낸 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 2는 로터리 압축기의 내부의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3은 로터리 압축기의 압축 유닛 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 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 있다. 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)를 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 4는 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 돌출되는 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 5는 회전각도에 따른 베인의 선속도와 접촉력을 나타낸 그래프이다.

실린더 내주면 형상에 있어서, 1사분면과 2사부면의 형상은 체적 선도의 압축 개시 각을 결정하는 요소이다. 압축개시각을 당겨서 압축, 토출 기간을 증가시키면 각 압축실의 압력차를 감소시켜 기계손실을 저감할 수 있다.

압축개시각을 당기게 되면 1사분면과 2사분면의 장단비가 커져서 신뢰성에 문제가 야기된다.

왜냐하면, 흡입 과정 중에서 존재하는 1사분면과 2사분면의 경우 베인에 의한 마모와 관련되는 선속도와 접촉력이 모두 큰 구간이기 때문이다.

따라서, 1사분면과 2사분면에서 베인에 의한 실린더 내주면의 마모를 감소시킬 수 있는 형상 설계가 필요한다.

도 6은 1사분면과 2사분면의 형상에 따른 파라미터를 설명하기 위한 개념도이고, 도 7은 1사분면과 2사분면의 장단비의 변화에 따른 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이다.

도 6에서 점선은 롤러를 나타내며, 실선은 1사분면과 2사분면의 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이다.

그리고, a= 1사분면 타원단축, b= 1,2사분면 타원장축, c= 2사분면 타원단축, r= 롤러 반지름, β= 베인 경사 각도, e'= b/a, 1사분면 장단비, e''= b/c, 2사분면 장단비, O= 회전중심, O'= 1/2사분면 타원중심을 나타낸다.

도 7에서 실시예1(회색)은 e'=1.62, e''= 1.04 인 경우의 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이고, 실시예2(흑색)은 e'=1.68, e''= 1.00 인 경우의 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이고, 실시예3(황색)은 e'=1.56, e''= 1.07 인 경우의 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이고, 실시예4(적색)은 e'=1.62, e''= 0.97 인 경우의 실린더 내주면 형상을 나타낸 것이다.

도 8은 실린더 내주면 형상과 베인 경사 각도에 따른 마모 발생을 나타낸 그래프이다.

실시예1과, 실시예2의 형상에서 베인의 경사각도(β)를 각각 15°와 23°로 달리하며, 롤러의 반지름 (r) 을 각각 21mm와 25mm 로 달리하며 마모의 발생을 살펴보았다.

결과를 살펴보면, 실시예 1의 실린더 내주면 형상의 경우에 있어서, 베인의 경사각도(β)가 15°이고, 롤러의 반지름이 25mm 인 경우에 회전각도가 80 이하에서 마모가 발생하였으며,

실시예 1의 내주면 형상의 경우에 있어서, 베인의 경사각도(β)가 23°이고, 롤러의 반지름이 25mm 인 경우에 회전각도가 78°이하에서 마모가 발생하였다.

이러한 결과로부터 내주면 형상의 1사분면과 2사분면의 변곡점의 위치를 90°에 근접하게 지연시킬수록 베인과 실린더 내주면 사이에서 발생하는 마모를 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 롤러의 반지름이 커지면 베인의 선속도가 증가하게 되므로, 롤러의 반지름이 커지게되면, 그로 인하여 베인과 실린더 사이의 선속도가 증가하고 이로 인해 마모가 증가하는 것을 알 수 있다.

따라서, 실린더의 내주면 형상을 설계함에 있어서, 로터리 압축기의 베인과 실린더 마모를 고려한 신뢰성을 확보하기 위해서는, 실린더 내부면 형상으 1,2사분면의 장반경과 단반경의 비율(장단비), 베인 경사각, 롤러의 반지름를 이용하여, 베인과 실린더의 접촉 위치에서의 마모 발생을 기준으로 설계할 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 (4)

1. 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;을 포함하되,
   상기 실린더의 내주면 형상은
   회전축 중심을 원점으로 하는 X-Y 평면에 배치되는 4개의 타원형으로 정의되고,
   1사분면의 타원의 장단비는 1.62이하이고, 베인의 경사각도는 15ㅁ2° 인 경우 상기 롤러의 반지름은 0.025m 이하인 로터리 압축기.
   
2. 제1항에 있어서,
   2사분면의 타원의 장단비는 0.9이상 1.1 이하인 로터리 압축기.
   
3. 제1항에 있어서,
   1사분면의 타원의 중점과 2사분면의 타원의 중점은 회전축 중심에서 x축 방향으로 -값 만큼 이격된 위치에 배치되는 로터리 압축기.
   
4. 제3항에 있어서,
   1사분면의 타원의 중점과 2사분면의 타원의 중점은 중첩되는 로터리 압축기.

Images