KR100332781B1 - 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조에 관한 것으로, 본 발명은 구비되어 전동기구부의 구동력을 전달받아 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 편심부에 삽입되는 롤링 피스톤과, 상기 롤링 피스톤이 삽입되어 롤링 피스톤의 외주면과 그 내주면과의 사이에 공간부가 형성되는 실린더와, 상기 실린더에 각각 결합되어 상기 공간부를 밀폐시킴과 아울러 상기 회전축을 지지하는 상,하부 베어링과, 상기 실린더의 주벽을 관통하여 반경방향으로 직선 왕복운동 가능하도록 결합됨과 아울러 상기 롤링 피스톤의 외주면에 선 접촉되도록 결합되어 회전축의 회전에 따라 실린더의 공간부를 흡입영역과 압축영역으로 변환시키는 베인을 구비한 회전식 압축기에 있어서, 상기 실린더의 밀폐된 공간부내에 상기 베인을 기준으로 하여 회전축의 회전 방향으로 80°~ 90°사이에 위치하는 서지홈을 형성하도록 구성하여 냉매 가스를 흡입하고 압축하여 토출시키는 과정에서 발생되는 압력 맥동에 의한 소음을 저감시킬 뿐만 아니라 냉매 가스를 압축하는데 소요되는 압축 동력 효율을 높임으로써 성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조{STRUCTURE FOR REDUCING NOISE AND IMPROVING CAPACITY IN HERMETIC TYPE ROTARY COMPRESSOR}

본 발명은 밀폐형 회전식 압축기에 관한 것으로, 특히 가스를 흡입하고 압축하여 토출시키는 과정에서 발생되는 압력 맥동에 의한 소음을 저감시킬 수 있도록 한 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 유체를 압축하는 기기로, 가스를 압축하는 방식에 따라 회전식 압축기(ROTARY COMPRESSOR), 왕복동식 압축기(RECIPROCATING COMPRESSOR), 스크롤 압축기(SCROLL COMPRESSOR) 등 여러 종류가 있다. 이와 같은 압축기는 소정의 내부 공간을 갖는 밀폐용기와 상기 밀폐용기내에 장착되어 구동력을 발생시키는 전동기구부와 상기 전동기구부의 구동력을 전달받아 가스를 압축하는 압축기구부로 구성된다.

상기 압축기의 일례로 밀폐형 회전식 압축기는, 도 1a, 1b에 도시한 바와 같이, 소정 형상으로 형성된 밀폐용기(1)내에의 일측에 전동기구부가 장착되고 상기 전동기구부와 소정의 간격을 두고 압축기구부가 장착된다. 상기 전동기구부는 밀폐용기(1)에 고정 결합되는 고정자(2)와 그 고정자(2)에 회전 가능하도록 결합되는 회전자(3)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 압축기구부는 소정의 길이를 갖도록 형성되고 그 일측에 편심부(4a)가 형성되어 상기 회전자(3)의 내경에 압입되는 회전축(4)과, 가스가 흡입되고 압축되는 내부 공간(P)이 구비되어 밀폐용기(1)의 내부에 설치됨과 아울러 그 내부 공간(P)에 상기 회전축의 편심부(4a)가 삽입되는 실린더(5)와, 상기 실린더의 내부 공간(P)을 밀폐시키도록 실린더(5)의 상,하부에 볼트(6)의 체결에 의해 각각 결합됨과 아울러 상기 회전축(4)을 지지하는 상,하부 베어링(7)(8)과, 상기 회전축의 편심부(4a)에 삽입되어 상기 실린더(5)의 내부 공간(P)내에 위치하여 회전축(4)의 회전에 따라 공전하는 롤링 피스톤(9)과, 상기 실린더(5)의 일측에 반경 방향으로 왕복운동 가능하도록 삽입됨과 아울러 그 단부가 상기 롤링 피스톤(9)의 외주면과 선 접촉되어 실린더(5)의 내부 공간 내주면과 롤링 피스톤(9)의 외주면에 의해 형성되는 공간부를 흡입영역(a)과 압축영역(b)으로 변환시키는 베인(10)을 포함하여 구성된다.

상기 실린더(5)에 가스가 흡입되는 흡입구(5a)가 베인(10)의 측부에 위치하도록 형성되고 그 베인(10)의 타측에 압축영역(b)에서 압축된 가스가 토출되는 토출포트(5b)가 형성되며 그 흡입구(5a)와 베인(10) 그리고 토출포트(5b)는 회전축(4)의 회전 방향에 따라 토출포트(5b), 베인(10) 그리고 흡입구(5a)의 순서로 형성된다. 상기 실린더(5)의 상,하부에 각각 결합되는 상부 베어링(7) 또는 하부 베어링(8)에 상기 토출포트(5b)와 연통되도록 토출공(7a)이 형성된다(도면에는 상부 베어링에 표시함). 상기 밀폐용기(1)에 가스가 흡입되고 토출되는 흡입관(11) 및 토출관(12)이 결합되며 그 밀폐용기(1) 저면에 오일이 채워져 있다.

미설명 부호 13은 토출밸브이며, 14는 리테이너이고, 15는 소음기, 16은 어큐뮬레이터이다.

상기한 바와 같은 압축기는 인가되는 전류에 의해 회전자(3)가 회전하면서 회전축(4)을 회전시키게 되면 상기 회전축(4)의 회전에 의해 회전축의 편심부(4a)에 결합된 롤링 피스톤(9)이 베인(10)과 접촉된 상태에서 실린더 내부 공간(P)에서 축 중심을 기준으로 공전하게 된다. 상기 롤링 피스톤(9)의 공전 회전에 의한 실린더 내부 공간의 내주면과 롤링 피스톤의 외주면에 의해 형성되는 공간부의 체적변화로 저온저압의 냉매가스가 흡입관(11)과 흡입구(5a)를 통해 실린더의 공간부로 흡입되어 고온고압의 상태로 압축되며 그 압축된 고온고압의 냉매가스는 토출밸브(13)의 작동과 함께 토출포트(5b) 및 토출공(7a)을 통해 토출된다.

상기 회전축(4)의 회전에 따라 냉매 가스가 흡입되고 압축되어 토출되는 과정을 보다 상세히 설명하면, 먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 회전축의 편심부(4a) 장경 선단(d)이 베인(10)과 접촉된 상태가 되면 토출 행정이 끝남과 동시에 흡입 행정이 끝나게 된다. 그리고 그 회전축(4)이 회전하여 편심부(4a)의 선단(d)이 베인(10)을 기준으로 90˚를 지나, 도 3에 도시한 바와 같이, 베인(10)과 180˚의 위치에 이르는 영역에서는 공간부(P)가 베인(10)에 의해 흡입영역(a)과 압축영역(b)으로 변환되면서 흡입영역(a)으로 냉매 가스가 흡입됨과 동시에 압축영역(b)에서 체적의 감소로 가스가 점점 압축된다. 그리고 그 회전축(4)이 회전하여 편심부의 장경 선단이 180˚를 지나, 도 4에 도시한 바와 같이, 토출포트(5b)에 위치하게 되면 흡입영역(a)으로의 냉매 가스 흡입량이 증가함과 동시에 압축영역(b)의 압력이 증가하면서 그 압축영역(b)의 압력이 토출가스보다 압력이 큰 상태가 되면 토출밸브(13)가 열리면서 압축된 가스가 토출포트(5b) 및 토출공(7a)을 통해 토출된다.

한편, 상기 압축기의 운전 중 회전자(3)가 회전하면서 냉매 가스를 흡입하고 압축하여 토출시키는 과정을 지속적으로 반복하는 과정에서 압력 맥동에 의한 소음이 발생되며, 이와 같은 압력 맥동에 대하여 실린더의 공간부에 공명 효과를 줄 수 있도록 하여 압력 맥동에 의한 소음을 감쇄시키기 위한 다각도의 연구가 진행되고 있다.

상기 압력 맥동을 저감시키기 위한 종래 구조의 일례로, 도 5a, 5b에 도시한 바와 같이, 베인(30)을 기준으로 하여 회전축의 회전 방향으로 150° ~ 270°사이에 소정의 내경과 깊이를 갖는 비관통 홀(12)이 형성된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 구조는 맥동 소음 저감 측면에서 토출 측면만을 고려한 임의로 설정된 범위로 적절한 범위가 되지 못할 뿐만 아니라 압축 효율 측면이 고려되지 못한 것이다. 즉, 압축 효율 측면에서 압축기의 성능을 P - V 선도를 근거로 하여 분석하면, 도 6에 도시한 바와 같이, 회전축이 1회전하면서 압축행정이 진행되는 과정에서 각 위치에 따라 재팽창 손실 및 압축동력이 차이가 발생된다. 상기 베인을 기준으로 하여 회전축의 회전 방향으로 24°의 위치에 이르게 되면 재팽창 손실과 압축동력의 이득이 작으며, 90°의 위치에 이르게 되면 압축되는 가스의 압축동력 이득이 재팽창 손실보다 크게 되고, 160°의 위치에 이르게 되면 가스의 압축동력 이득이 재팽창 손실보다 작게 된다. 이와 같은 상태에서 효율을 개선하여 효과를 최대로 얻을 수 있는 영역은 90°의 영역에 해당된다.

그리고 압축기의 운전시 소음 스펙트럼을 살펴보면, 도 7에 도시한 바와 같이, 효과가 명백함을 알수 있다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 압축기의 운전 중 압축기구부에서 발생되는 압력 맥동에 의한 소음 발생을 최소화할 뿐만 아니라 냉매 가스를 압축하기 위해 소요되는 압축 구동력을 감소시킬 수 있도록 한 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조를 제공함에 있다.

도 1a,1b는 일반적인 회전식 압축기를 도시한 정단면도 및 평단면도,

도 2,3,4는 상기 회전식 압축기의 작동 과정을 각각 도시한 평단면도,

도 5a,5b는 종래 회전식 압축기 소음저감구조의 일례를 도시한 정면도 및 평면도,

도 6은 상기 회전식 압축기의 각도 별 성능을 나타낸 P-V 선도,

도 7은 상기 회전식 압축기의 운전 중 발생되는 소음 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 8a,8b는 본 발명의 회전식 압축기 소음저감 및 효율개선 구조가 구비된 회전식 압축기의 정단면도 및 평단면도,

도 9,10,11은 본 발명의 회전식 압축기 소음저감 및 효율개선 구조의 작용상태를 각각 도시한 평면도,

도 12a,12b는 본 발명의 소음저감 및 효율개선 구조가 구비된 회전식 압축기와 종래 회전식 압축기의 운전 중 소음상태를 각각 도시한 그래프,

도 13은 본 발명의 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조를 구성하는 서지홈의 각 위치에 따른 소음 발생 상태를 측정하여 도시한 그래프,

도 14는 본 발명의 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조를 구성하는 서지홈의 각 위치에 따른 효율 상태를 측정하여 도시한 그래프,

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

4 ; 회전축 4a ; 편심부

5 ; 실린더 7 ; 상부 베어링

8 ; 하부 베어링 9 ; 롤링 피스톤

10 ; 베인 20 ; 서지홈

21 ; 내측홈부 22 ; 개구홈부

a ; 흡입실 b ; 압축실

P ; 압축공간

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 편심부가 구비되어 전동기구부의 구동력을 전달받아 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 편심부에 삽입되는 롤링 피스톤과, 상기 롤링 피스톤이 삽입되는 내부 공간이 형성되어 그 내주면과 롤링 피스톤의 외주면 사이에 공간부가 형성되는 실린더와, 상기 실린더에 각각 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시킴과 아울러 상기 회전축을 지지하는 상,하부 베어링과, 상기 실린더의 주벽을 관통하여 반경방향으로 직선 왕복운동 가능하도록 결합됨과 아울러 상기 롤링 피스톤의 외주면에 선 접촉되도록 결합되어 회전축의 회전에 따라 실린더의 공간부를 흡입영역과 압축영역으로 변환시키는 베인을 구비한 밀폐형 회전식 압축기에 있어서, 상기 실린더의 밀폐된 내부 공간내에 상기 베인을 기준으로 하여 회전축의 회전 방향으로 80°~ 90°사이에 위치하는 서지홈을 형성한 것을 특징으로 하는 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 8a, 8b는 본 발명의 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조의 일례를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 먼저 밀폐형 회전식 압축기는 구동력을 발생시키는 전동기구부와 그 전동기구부의 구동력을 전달받아 가스를 압축하는 압축기구부로 구성되며, 상기 압축기구부를 구성하는 회전축(4)은 소정의 길이를 가지며 그 일측에 편심부(4a)가 형성되고 전동기구부의 회전자(3)에 압입된다. 그리고 회전축(4)의 편심부(4a)에 롤링 피스톤(9)이 삽입되며 그 롤링 피스톤(9)은 실린더(5)의 내부 공간(P)내에 위치하도록 결합된다. 상기 롤링 피스톤(9)은 편심부(4a)의 외경과 상응하는 내경 및 일정 두께(t)를 갖는 환형 형상으로 형성된다. 상기 실린더(5)에 내부 공간(P)내로 가스가 흡입되는 흡입구(5a)가 형성되고 그 측부에 내부 공간(P)에서 압축된 가스가 토출되는 토출포트(5b)가 형성된다. 그리고 토출포트(5b)와 흡입구(5a)사이에 위치하도록 실린더(5)에 베인(10)이 삽입되며 아울러 그 베인(10)의 끝이 내부 공간(P)에 위치하는 롤링 피스톤(9)에 선 접촉된다. 상기 베인(10)은 회전축(4)이 회전함에 따라 실린더 내부 공간(P)의 내주면과 롤링 피스톤(9)의 외주면사이의 공간부를 흡입영역(a)과 압축영역(b)으로 변환시키게 된다.

상기 실린더(5)의 상,하면에 상부 베어링(7) 및 하부 베어링(8)이 각각 결합되어 실린더의 내부 공간(P)을 밀폐시키며 상기 회전축(4)은 상,하부 베어링(7)(8)에 각각 관통 삽입되어 회전축(4)을 지지하게 된다. 상기 상부 베어링(7) 또는 하부 베어링(8)에 상기 토출포트(5b)와 연통되도록 토출공(7a)이 형성됨(도면에서는 상부 베어링에 도시됨)과 아울러 그 토출공(7a)을 개폐하는 토출밸브(13)가 장착된다.

그리고 상기 베인(10)을 기준으로 하여 회전축(4)의 회전 방향으로 80°~ 90°사이에 위치하도록 실린더의 밀폐된 내부 공간(P)내에 서지홈(20)이 형성된다. 상기 서지홈(20)은 그 일례로 일정 내경과 소정의 깊이를 갖는 원통 형태로 형성되며, 다른 일례로 소정의 깊이를 가지며 그 단면이 타원 형태를 갖는 타원통 형태로 형성된다. 또한 서지홈(20)의 또다른 일례로 소정의 깊이를 가지며 단면이 사각 형태를 갖는 사각통 형태로 형성된다. 즉 상기 서지홈(20)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 상기 서지홈(20)은 상부 베어링(7) 또는 하부 베어링(8)에 형성될 수 있으나 하부 베어링(8)에 형성됨이 바람직하며 그 서지홈(20)의 서징 체적은 실린더(5)의 내부공간 내주면과 롤링 피스톤(9)의 외주면사이의 공간인 공간부 체적의 0.5% ~ 2%가 되도록 형성된다. 즉 냉매 가스 총 흡입체적의 0.5% ~ 2%가 되도록 형성됨이 바람직하다.

상기 서지홈(20)은 상기 실린더(5)의 주벽과 중첩되는 부위의 내측홈부(21)와 상기 내부 공간과 중첩되는 부위의 개구홈부(22)로 형성되며, 상기 실린더(5) 내벽에서 개구홈부(22)의 끝단에 이르는 거리(L)가 롤링 피스톤 두께(t)의 55% 이하가 되도록 형성된다.

이하, 본 발명의 밀폐형 회전식 압축기 소음저감 및 효율개선 구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전원이 인가되어 전동기구부를 구성하는 회전자(3)가 회전하면서 회전축(4)을 회전시키게 되면 그 회전축(4)의 회전에 의해 회전축(4)의 편심부(4a)에 결합된 롤링 피스톤(9)이 베인(10)과 접촉된 상태로 실린더 내부 공간(P)에서 공전하게 된다.

상기 롤링 피스톤(9)의 공전에 의하여 베인(10)에 의해 구획된 실린더 공간부의 체적변화로 저온저압의 냉매가스가 흡입관(11)과 흡입구(5a)를 통해 실린더 내부 공간(P)으로 흡입되어 고온고압의 상태로 압축되며 그 압축된 고온고압의 냉매가스는 토출밸브(13)의 작동과 함께 토출포트(5b) 및 토출공(7a)을 통해 토출된다. 이와 같은 과정을 보다 상세하게 설명하면, 먼저, 도 9에 도시한 바와 같이, 회전축의 편심부(4a) 장경 선단(d)이 베인(10)과 접촉된 상태가 되면 토출 행정이 끝남과 동시에 흡입 행정이 끝나게 된다. 그리고 그 회전축(4)이 회전하여 편심부(4a)의 선단(d)이, 도 10에 도시한 바와 같이, 서지홈(20)을 지난 위치에 이르는 과정에서 밀폐된 공간부가 베인(10)에 의해 흡입영역(a)과 압축영역(b)으로 변환되면서 흡입영역(a)으로 냉매 가스가 흡입됨과 동시에 압축영역(b)에서 체적의 감소로 가스가 점점 압축된다. 이 단계에서는 으로(20)에 의해 종래 보다 압축동력이 작게 작용하게 된다. 그리고, 도 11에 도시한 바와 같이, 회전축(4)이 회전하여 편심부(4a)의 장경 선단(d)이 서지홈(20)을 지나 토출포트(5b)의 위치에 이르는 과정에서는 흡입영역(a)으로의 냉매 가스 흡입량이 증가함과 동시에 압축영역(b)의 압력이 증가하면서 그 압축영역(b)의 압력이 토출가스보다 압력이 큰 상태가 되면 토출밸브(13)가 열리면서 압축된 가스가 토출포트(5b) 및 토출공(7a)을 통해 토출된다.

상기한 바와 같은 과정이 지속적으로 반복되면서 가스를 압축하게 되며 그 과정에서 발생되는 압력 맥동에 의한 소음은 상기 서지홈(20)에 의해 줄어들게 된다. 도 12a는 상기 서지홈(20)이 형성된 상태에서 압축기를 운전하여 발생되는 소음을 측정한 그래프이고, 도 12b는 상기 서지홈(20)이 형성되지 않은 상태에서 압축기를 운전하여 발생되는 압력 맥동을 측정한 그래프로, 이에 도시된 바와 같이 압축된 냉매 가스의 압축과 흡입이 동시에 진행되는 부분, 즉 90°의 위치에서 현저하게 소음이 감소됨을 알 수 있다. 그리고 도 13은 상기 서지홈(20)을 여러 각도의 위치에 형성하고 그 위치에서 압축기를 운전하여 발생되는 소음을 측정한 그래프로 이에 도시된 바와 같이 서지홈(20)이 80° ~ 90°사이에 설치될 때 그 소음 저감효과가 크게 나타난다. 특히 청감음, 즉 감성 소음을 저감시키게 된다.

그리고 상기 서지홈(20)이 형성됨에 의해 냉매 가스를 압축하는 데 가해지는 압력을 감소시킬 수 있게 된다. 도 14는 상기 서지홈(20)을 여러 각도의 위치에 형성하고 각 위치에서 압축기를 운전할 때 나타나는 효율을 측정한 그래프로, 이 그래프에 나타난 바와 같이 서지홈(20)이 베인(10)을 기준으로 하여 80° ~ 90°의 영역에 위치할 때 최대의 효과가 나타나게 된다. 즉 이는 압축 과정 중에 필요한 압축 동력을 줄이게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조는 상부 베어링과 하부 베어링이 결합되는 실린더의 압축공간내에 베인을 기준으로 하여 회전축의 회전방향으로 80°~ 90°의 위치에 서지홈을 형성함으로써 냉매 가스를 흡입하고 압축하여 토출시키는 과정에서 발생되는 압력 맥동에 의한 소음을 저감시켜 신뢰성을 높일 수 있고, 또한 냉매 가스를 압축하는데 소요되는 압축 동력 효율을 높여 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 편심부가 구비되어 전동기구부의 구동력을 전달받아 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 편심부에 삽입되는 롤링 피스톤과, 상기 롤링 피스톤이 삽입되는 내부 공간이 형성되어 그 내주면과 롤링 피스톤의 외주면 사이에 공간부가 형성되는 실린더와, 상기 실린더에 각각 결합되어 상기 내부 공간을 밀폐시킴과 아울러 상기 회전축을 지지하는 상,하부 베어링과, 상기 실린더의 주벽을 관통하여 반경방향으로 직선 왕복운동 가능하도록 결합됨과 아울러 상기 롤링 피스톤의 외주면에 선 접촉되도록 결합되어 회전축의 회전에 따라 실린더의 공간부를 흡입영역과 압축영역으로 변환시키는 베인을 구비한 밀폐형 회전식 압축기에 있어서, 상기 실린더의 밀폐된 내부 공간내에 상기 베인을 기준으로 하여 회전축의 회전 방향으로 80°~ 90°사이에 위치하는 서지홈을 형성한 것을 특징으로 하는 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 서지홈은 상기 공간부의 총 체적의 0.5% ~ 2%에 상당하는 서징 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 서지홈이 하부 베어링에 형성된 것을 특징으로 하는 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 서지홈은 상기 실린더의 주벽과 중첩되는 부위의 내측홈부와 상기 공간부와 중첩되는 부위의 개구홈부로 형성되며, 상기 실린더 내벽에서 개구홈부의 끝단에 이르는 거리가 롤링 피스톤 두께의 55% 이하인 것을 특징으로 하는 밀폐형 회전식 압축기의 소음저감 및 효율개선 구조.