KR100497462B1 - 왕복동식밀폐형압축기의흡입장치 - Google Patents

Abstract

동체 내로 가스를 도입하기 위한 흡입 입구관(28)을 가진 밀폐형 동체(21)와, 그 동체(21) 내부에 배치된 실린더(22)의 헤드에 제공되어 있고 상기 흡입 입구관(28)과 유체 흐름이 통하여 있는 흡입 오리피스(24a)를 포함하는 유형의 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치에 있어서, 그 흡입장치가, 저압 가스를 상기 흡입 입구관(28)으로부터 상기 흡입 오리피스(24a)로 직접 그리고 상기 동체(21)의 내부에 대하여 밀봉 상태로 유도하기 위해, 상기 흡입 입구관(28)에 밀봉적으로 연결된 제1 단부(61)와 상기 흡입 오리피스(24a)에 밀봉적으로 연결된 제2 단부(62)를 가지고 있고, 흡인되는 가스에 대하여 열 및 음향 에너지 절연을 부여하는 흡입 수단(60)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치이다.

Description

왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치{A suction arrangement in a reciprocating hermetic}

본 발명은 흡입 입구관(inlet tube)과 압축기 동체(胴體) 내부의 흡입 체임버 사이에서 직접 흡입이 이루어지는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치에 관한 것이다.

왕복동식 밀폐형 압축기는 일반적으로, 냉매 유체의 흡입 중에 발생되는 소음(noise)을 감쇠시키는 기능을 가지고 동체 내부에 설치된 흡입 음향 감쇠 시스템(음향 필터)을 구비하고 있다. 그러나, 그러한 부품은 가스 과열 및 유량 제한으로 인하여 냉동 능력 및 압축기 효율의 손실을 야기한다. 상기 필터를 플라스틱 재료로 제작함으로써, 그의 최적화의 점에서는 상당한 진보를 나타내지만, 압축기 손실의 상당 양이 여전히 이 부품에 기인한다.

왕복동식 압축기에서는, 피스톤의 운동, 및 전체 사이클의 일부 중에만 개방되는 흡입 및 배출 밸브의 사용에 의해, 흡입 라인과 배출 라인 모두에서 맥동(脈動) 가스 흐름이 발생한다. 그러한 흐름은 소음의 원인들 중의 하나이고, 이 소음은 2가지 형태로, 즉, 압축기 또는 기계적 조립체의 다른 부품의 내부 공간의 공진 주파수의 여기(勵起)에 의해, 또는 냉동 시스템의 배관, 즉, 증발기, 응축기 및 압축기 냉동 시스템의 이들 부품의 접속관의 공진 주파수의 여기에 의해 주위로 전달될 수 있다. 첫 번째의 경우, 소음이 동체로 전달되고, 동체에 의해 외부 환경으로 방출된다.

맥동 흐름에 의해 발생되는 소음을 감쇠시키기 위해, 음향 감쇠 시스템(음향 필터)이 사용되었다. 이 시스템은 소음(消音)형 시스템과 반응형 시스템으로 분류될 수 있다. 소음형 감쇠 시스템은 음향 에너지를 흡수하지만, 바람직하지 않은 압력 손실을 야기한다. 반면에, 반응형 머플러(muffler)는 음향 에너지의 일부를 반사하여 압력 손실을 감소시킨다. 소음형 머플러는 맥동이 큰 배출 감쇠 시스템에 보다 많이 사용된다. 반응형 시스템은 압력 손실이 적기 때문에 흡입부에 바람직하다. 음향 필터에서의 압력 손실은 압력 손실 효과에 보다 민감한 주로 흡입의 경우 압축기의 효율을 감소시키는 원인들 중의 하나이다.

통상의 음향 머플러가 사용될 때, 압축기의 효율을 감소시키는 다른 원인은 흡인된 가스의 과열이다. 압축기에의 가스 유입과 압축기 실린더에의 가스 도입 사이의 시간 간격 중에, 압축기 내부에 존재하는 여러 열원(熱源)으로부터의 열 전달에 의해 가스의 온도가 상승한다. 그 온도 상승은 비(比)용적의 증가를 야기하고, 따라서, 냉매의 질량 흐름을 감소시킨다. 압축기의 냉동 능력이 질량 흐름에 정비례하기 때문에, 상기 흐름의 감소는 효율 손실을 야기한다.

이들 부정적인 효과의 감소가 음향 필터 설계의 진보에 의해 달성되었다.

종래의 구조에서는, 흡입 라인으로부터 들어와 동체 내로 방출되는 가스는, 필터에 도달하고 실린더 안쪽으로 흡인(간접 흡입)되기 전에 압축기 내부의 주된 열원을 통과한다. 이러한 가스 순환은 모터의 냉각을 촉진한다. 이 때문에 그리고 필터가 대개 금속제이기 때문에, 압축기 효율이 가스 과열에 의해 손상을 받는다.

보다 효율적인 압축기에 대한 요구가 효율 향상을 의도한 음향 감쇠 시스템의 개발을 유도하였다. 가스가 압축기 내부의 가열된 부품들을 통과하지 않고 흡입 필터의 내부로 직접 흡인된다(미국 특허 제1,591,239호 및 미국 특허 제4,242,056호). 다른 기술에서는, 압축기 내부의 흡입관에 노즐 또는 플레어(flared) 관을 사용하여(미국 특허 제4,486,153호), 흐름이 입구관과 흡입 필터 사이로 향하게 한다. 또한, 그러한 필터는 적절한 단열성을 가지는 플라스틱 재료로 제조되기 시작하였다. 이들 개량에 의해, 냉동용 밀폐형 압축기의 효율이 상당히 증가되었다. 그럼에도 불구하고, 흡입 필터의 사용에 기인한 과열 및 부하 손실이 여전히 압축기의 효율 손실의 상당 양을 차지한다.

당해 기술분야에 알려진 왕복동식 밀폐형 압축기에서는, 증발기로부터 들어오는 가스가 동체로 들어간 다음, 흡입 필터를 통과하고, 그 필터로부터 실린더 블록 내의 실린더의 내부로 흡인되고, 여기서, 배출 밸브를 개방시키기에 충분한 압력까지 압축된다. 배출 시에는, 상기 가스는 배출 밸브 및 배출 필터를 통과하고, 압축기 내부에서 떠나 냉동 시스템의 응축기에 이른다. 이러한 유형의 압축기에서는, 배출 필터는 항상 밀폐되어 있어, 가스가 동체 내부로 방출되지 않는 반면에, 흡입 필터는 동체 내부와 유체 흐름이 통하여 있다.

압축기가 동체 내부에 저압을 갖는다는 사실은 압축기의 효율 면에서 2가지 부정적 결과를 초래한다. 압축 사이클의 대부분 중에, 실린더 내부의 가스는 동체 내부의 가스보다 고압으로 되어 있다. 이러한 압력차는 피스톤과 실린더 사이에 존재하는 간극을 통해 실린더로부터 동체 내부로의 가스 누출을 발생시킨다. 그 다음, 이 가스는 동체 내부와 실린더 사이에서 일어나는 압력 평형에 의해 흡입 필터를 통해 실린더로 다시 도입된다. 그러한 가스는 증발기로 복귀하는 가스보다 고온으로 되어, 앞에서 설명된 펌핑되는 질량의 감소를 야기한다. 이러한 펌핑되는 질량의 감소는 냉동 능력 및 효율의 손실(피스톤-실린더 간극을 통한 누설에 기인한 손실)을 야기한다.

또한, 실린더 내부와 동체 내부 사이의 압력차는 피스톤 상면에 힘을 생성하고, 이 힘은 연결 로드를 통해 편심 부품 및 베어링으로 전달된다. 이 힘의 세기가 피스톤 및 베어링의 치수를 결정한다. 즉, 상기 힘이 클수록, 상기 부품의 치수가 커지고, 따라서, 베어링에서의 에너지 소산 또는 점성 에너지 손실도 커진다.

도 1은 종래 기술에 따라 구성되어 냉동 시스템에 사용되는 유형의 왕복동식 밀폐형 압축기의 개략적인 수직 단면도.

도 2는 종래 기술에 따라 냉동 시스템에 설치된 왕복동식 밀폐형 압축기의 개략도.

도 3은 본 발명의 일 구성 형태에 따라 냉동 시스템에 설치된 왕복동식 밀폐형 압축기의 일 부분의 개략도.

도 4는 본 발명의 다른 구성 형태에 따라 냉동 시스템에 설치된 왕복동식 밀폐형 압축기의 일 부분의 개략도.

도 5는 본 발명에 따른 흡입 수단의 일 구성 형태의 부분 단면 정면도.

따라서, 본 발명의 목적은, 압축기를 수용하는 밀폐형 동체와, 그 동체 내로 가스를 도입하기 위한 흡입 입구관과, 상기 동체 내부에 배치된 실린더의 헤드에 제공되어 있고 상기 흡입 입구관과 유체 흐름이 통하여 있는 흡입 오리피스를 포함하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치에 있어서, 그 흡입장치가, 저압 가스를 상기 흡입 입구관으로부터 상기 흡입 오리피스로 직접 그리고 상기 동체의 내부에 대하여 밀봉 상태로 유도하기 위해, 상기 흡입 입구관에 밀봉적으로 연결된 제1 단부와 상기 흡입 오리피스에 밀봉적으로 연결된 제2 단부를 가지고 있고, 흡인되는 가스에 대하여 열 및 음향 에너지 절연을 부여하는 흡입 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치를 제공하는데 있다.

본 발명에서는, 냉동 시스템의 증발기로부터 들어오는 가스 흐름이, 실린더 내에서 압축되고 배출 필터를 통해 응축기로 배출되기 전에, 방해 없이 직접 그리고 동체 내부에 대하여 항상 밀봉 상태로 실린더 내부로 도입된다.

이하, 도면에 의거하여 본 발명을 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 냉동 장치에 사용되는 냉동 시스템은 통상 적절한 배관에 의해 접속된 응축기(10)를 포함하고, 그 응축기(10)는 왕복동식 밀폐형 압축기(20)의 고압 측에서 고압 가스를 받고 그 고압 가스를 증발기(40)와 연결된 모세관(30)(여기서 냉매 유체가 팽창된다)으로 보내며, 증발기(40)는 저압 가스를 압축기(20)의 저압 측으로 보낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 왕복동식 밀폐형 압축기(20)는 밀폐형 동체(胴體)(21)를 포함하고, 그 동체(21) 내부에는, 실린더 블록을 포함하는 모터-압축기 유닛이 스프링을 통해 매달려 있으며, 그 실린더 블록에서는, 전기 모터에 의해 구동될 때 냉매 가스를 흡입 및 압축하도록 실린더(22) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(23)을 실린더(22) 내에 수용하고 있다. 실린더(22)는, 실린더 블록에 부착되고 흡입 오리피스(24a) 및 배출 오리피스(24b)를 구비한 밸브 판(24)에 의해 폐쇄되는 개방 단부를 가지고 있다. 실린더 블록은 또한, 밸브 판(24)상에 장착되고 그 밸브 판과 함께 흡입 체임버(25)와 배출 체임버(26)를 내부에 획정(劃定)하고 있는 헤드를 가지고 있고, 흡입 체임버(25)와 배출 체임버(26)는 각각의 흡입 오리피스(24a) 및 배출 오리피스(24b)를 통해 유체(냉매 가스)가 실린더(22)와 선택적으로 통하도록 되어 있다. 그러한 선택적인 유체 소통은 각각의 흡입 밸브(25a) 및 배출 밸브(26a)에 의해 흡입 오리피스(24a) 및 배출 오리피스(24b)를 개폐함으로써 이루어진다.

흡입 체임버란, 흡입 밸브(25a) 상류 측의 실린더 헤드의 용적만을 의미한다.

왕복동식 밀폐형 압축기(20)의 고압 측과 응축기(10) 사이에서의 유체 흐름은, 한쪽 단부가 동체(21)의 표면에 제공된 오리피스로 개방되어 배출 체임버(26)를 응축기(10)와 통하게 하고 반대쪽 단부는 배출 체임버(26)로 개방되어 있는 배출관(27)을 통해 이루어진다.

동체(21)는 또한, 그 동체)에 제공되고 동체의 안쪽으로 개방되어 있는 도입 오리피스에 장착되어, 동체(21)의 외측에 위치되고 증발기(40)에 연결된 흡입관과 통하여 있는 흡입 입구관(28)을 가지고 있다. 이 구조에서는, 동체(21)로 들어오는 가스는 흡입 밸브(25a)의 개방 중에 실린더(22)내로 흡인되는 가스의 소음을 감쇠시키기 위해 흡입 체임버(25) 앞에 장착된 흡입 음향 필터(50) 안으로 도입된다. 이러한 구조는 앞에서 설명된 바와 같은 결함들을 가지고 있다.

본 발명에 의하면, 도 3∼도 5에 도시된 바와 같이, 왕복동식 밀폐형 압축기(20)의 흡입 체임버(25)의 내부와 증발기(40) 사이에 그 부분들을 상호 접속하는 흡입 수단(60)이 장착되어 있다. 그 흡입 수단(60)은 동체(21)의 내부에 제공되고, 그의 길이의 적어도 일부에, 예를 들어, 가요성(可撓性) 재료로 된 흡입 덕트를 포함하며, 이 흡입 덕트는 흡입 입구관(28)에 밀봉적으로 연결된 제1 단부(61)와, 흡입 체임버(25)의 가스 도입부에 밀봉적으로 연결된 제2 단부(62)를 가지고 있다. 이 흡입 덕트는 흡입 입구관(28)과 흡입 체임버(25) 모두에 밀봉적으로 부착되어, 저압 가스를 증발기(40)로부터 직접 흡입 체임버(25)로 밀봉적으로 유도함으로써, 흡인되는 가스에 대하여 열 및 음향 에너지 절연이 부여되게 한다. 본 발명의 다른 구성 예에서는, 흡입 덕트의 제2 단부(62)는, 실린더(22)로 직접 흡인되는 가스가, 예를 들어, 흡입 오리피스(24a)에 직접 밀봉적으로 연결된 그 제2 단부(62)로 통하도록 되어 있다.

본 발명에서는, 왕복동식 밀폐형 압축기(20)는 동체(21) 내부에 흡입 음향 필터(50)를 가지고 있지 않다. 도 4에 도시된 바와 같은 구성 예에서는, 흡입 음향 필터(50)가 흡입 입구관(28)의 상류 측에 설치되어 있다. 그 필터를 동체(21)의 외부에 설치함으로써, 적은 압력 손실로 동일한 음향 감쇠 효과를 제공하면서도 보다 큰 용적의 필터와 보다 큰 직경의 관을 사용하는 것이 가능하게 된다. 냉동 능력이 흡입 압력에 비례하기 때문에, 압력 손실이 적을수록 압축기의 효율이 높아진다. 이러한 필터 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이 장착된 조립체에 의해 발생되는 소음 수준이 종래 기술에 따라 장착된 조립체에 의해 발생되는 것과 매우 유사하지만, 종래 기술의 구조에서 일어나는 것과 같이 가스가 상기 필터의 내부를 통과하는 동안 과도하게 가열되는 것을 방지한다.

본 발명에 의하면, 흡입 덕트는, 흡인되는 가스 흐름의 방해를 피하기 위해, 동체(21)에의 진동 전달 및 소음을 최소화하고 도입 중의 가스의 과열을 더욱 방지하는 적절한 재료로 만들어진 연속적인 관형 덕트로서 제조되도록 설계된다. 이들 특성을 얻기 위해, 흡입 덕트는, 예를 들어, 열 전도 특성이 낮고(불량한 열 전도체) 음향 감쇠 특성이 양호한 재료를 사용한 구조와 같은, 열 전달에 대한 저항이 큰 구조로 얻어진다.

흡입되는 가스가 동체 내부와 어떠한 접촉도 없기 때문에, 그 가스가 공간 내에 공진을 일으키는 것은 불가능하다. 흡입 시의 맥동 에너지가 낮기 때문에, 압축기에의 외부 배관에 어떠한 여진(勵振)도 일어나지 않는다.

도시되지 않았지만, 흡입 덕트를, 밀봉 상태로 서로 연결된 흡입 덕트 부분들로 형성되는 덕트와 같은 구조로 하는 것도 가능하다. 어떠한 구조에 있어서도, 흡입 도입 수단은 흡입 입구관(28)과 압축기의 실린더(22) 사이에서 방해 없이 유체가 흐르게 하도록 동체(21)를 증발기(40)에 연결하는 흡입 배관의 연장부로 작용하도록 배치되어야 한다.

흡입 덕트에 가요성(유연성)이 요구되는 것은, 기계적 조립체와 동체(21) 사이의 장착이 가요성 스프링을 통해 이루어져 있어 그 부분들 사이에 상대적 운동이 존재하기 때문이다. 그러한 가요성은 흡입 덕트가 압축기의 정규 작동 중에 또는 운반 및 취급 중에 파손되는 것을 방지한다.

또한, 흡입 덕트는 흡입 배관과 증발기 모두의 여진(勵振)의 결과로 생기는 맥동 흐름에 의해 발생되는 소음을 최소화하는 치수로 정해진다. 흡입 덕트의 치수 결정의 다른 특징은 흡입 덕트의 직경을 흡입 입구관(28) 상류 측의 배관의 직경보다 크게 하는 것이다. 흡입 덕트의 직경은 흡입 입구관(28)에서 들어와 흡입 체임버(25) 또는 흡입 오리피스(24a)로 직접 흐르는 가스 흐름의 부하 손실을 감소시키도록 정해진다.

가스 흐름의 특성에 기인하여, 흡입 덕트의 길이가 짧고 직경이 클수록, 필터(사용되는 경우)에서의 압력 손실이 종래의 흡입 필터에서의 압력 손실에 비하여 작게 된다.

흡입 덕트의 사용에 의해, 동체 내부의 가스가 실린더 내로 도입되기 전에 취하는 경로가 짧게 된다. 그 경로의 단축에 의해, 흡인되는 가스의 과열 효과가 보다 작게 되어, 냉동 능력 및 효율을 증가시킨다.

도 5에 도시된 바와 같은 흡입 수단(60)의 구성 예에서는, 그 흡입 수단은, 측부가 둥근 "U"자 형태로 되고 적어도 하나의 스프링 부재(63)가 내부에 설치되거나 합체(예를 들어, 재료 사출에 의해)되어 있는 루프(loop)형 관의 형태로 되어 있다. 그 스프링 부재(63)는, 압축기 작동 중에 압력차를 받게 될 때 상기 관이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 상기 관을 구조적으로 안정한 상태로 항상 유지한다.

흡입에 대한 밀봉성 때문에, 동체(21) 내부의 압력이 흡입 압력보다 높고, 이것은 피스톤(23)과 실린더(22) 사이의 간극을 통한 가스 누출에 기인한다. 이 누출은 동체(21)내의 압력을 흡입 압력과 배출 압력 사이 중간의 압력 값(대개 압축 개시 압력과 압축 종료 압력 사이의 중간 압력 값에 가까운)까지 증가시킨다.

동체 내부의 압력 증가에 의해, 압축기는 새로운 작동을 개시할 때 작은 부하로 작동할 수 있어 작동 중에 모터에 요구되는 토크(torque)가 작게 된다. 흡입 및 압축 개시 중에, 동체(21) 내부는 실린더(22) 내부보다 고압으로 되어, 실린더 내로의 가스 누출이 일어난다. 실린더(22)내의 압축 압력이 동체(21) 내부의 압력보다 높게 되면, 배출이 종료하기까지 일어나는 가스 누출은 그의 방향을 바꾸어 실린더(22) 내부로부터 동체(21) 내부로 진행한다. 이 현상의 특징에 기인하여, 동체(21) 내부 쪽으로의 누출은 동체 내부가 중간 평형 압력에 이를 때까지 다른 누출 방향을 초과한다. 이 상태에서, 시간으로 적산하면, 누출은 영으로 되고, 그 결과, 피스톤(23)과 실린더(22) 사이의 누출에 기인한 손실이 감소된다.

본 발명에 의하면, 동체(21) 내부 압력이 압축 개시 압력과 압축 종료 압력 사이의 중간이기 때문에, 피스톤(23)의 헤드에 작용하는 압력차는 종래 기술의 압축기에서 보이는 것보다 낮다. 베어링에 전달되는 힘이 종래 기술의 압축기 구조에서 보이는 것보다 작기 때문에, 베어링의 작동에 있어서의 부하가 작게 되어, 그의 신뢰성이 증가된다. 전달되는 힘이 작은 것에 의한 다른 이점(利點)은 베어링의 점성 마모에 기인한 기계적 손실이 감소한다는 것이다. 피스톤에의 작용의 차이가 작은 것에 기인한 또 다른 중요한 이점은 전체 사이클에 걸쳐서 기구의 변형이 적다는 것이다. 이와 같이 변형이 적은 것에 의해, 이 기구의 부품들의 강성(剛性)이 실제의 변형과 같은 수준으로 감소될 수 있어 저렴한 재료를 사용할 수 있기 때문에 이 기구의 부품들의 마모도 감소와 부품들의 비용 감소에 기인하여, 사용적(dead volume)이 감소되고, 따라서, 냉동 능력이 향상된다.

Claims (7)

1. 압축기를 수용하는 밀폐형 동체(21)와, 그 동체 내로 가스를 도입하기 위한 흡입 입구관(28)과, 상기 동체 내부에 배치된 압축기 실린더(22)의 헤드에 제공되어 있고 상기 흡입 입구관과 유체 흐름이 통하여 있는 흡입 오리피스(24a)를 포함하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치에 있어서,

   상기 흡입장치가, 저압 가스를 상기 흡입 입구관(28)으로부터 상기 흡입 오리피스(24a)로 직접 그리고 상기 동체(21)의 내부에 대하여 밀봉 상태로 유도하기 위해, 상기 흡입 입구관(28)에 밀봉적으로 연결된 제1 단부(61)와 상기 흡입 오리피스(24a)에 밀봉적으로 연결된 제2 단부(62)를 가지고 적어도 일부가 가요성(可撓性)으로 되어 있고 흡입 덕트로 이루어진 흡입 수단(60)을 포함하고, 그 흡입 덕트는, 흡인되는 가스에 대한 열 전달에 높은 저항을 제공하고 그 가스에 대하여 음향 에너지 절연을 제공하는 구조이고, 상기 흡입 입구관에 도달하는 가스 흐름의 부하 손실을 감소시키는 치수로 되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 덕트가 열 전도율이 낮은 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 덕트는 상기 흡입 입구관(28)의 상류 측의 배관의 직경보다 큰 직경을 가지도록 치수가 정해진 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 흡입 덕트가, 흡인되는 가스 흐름이 상기 흡입 입구관(28)과 상기 흡입 오리피스(24a) 사이에서 방해되지 않도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 흡입 덕트의 상기 제2 단부(62)가 상기 압축기 실린더와 연관된 흡입 체임버(25)에 밀봉 상태로 직접 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 흡입 덕트는 측부가 둥근 "U"자 형태로 된 루프형 관의 형태이고, 그 관을 구조적으로 안정한 상태로 항상 유지하는 적어도 하나의 스프링 부재(63)가 상기 관의 내부에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입장치가 상기 흡입 입구관(28)의 상류 측에 장착된 흡입 음향 필터(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동식 밀폐형 압축기의 흡입장치.