KR19990077507A - 압축기흡입밸브응력감소를위한유막팽창 - Google Patents

Abstract

왕복 압축기의 흡입 밸브의 시트는 방사상 크기를 제한함으로써 밸브와 밸브 시트 사이에 환형 유막이 수립될 수 있는 면적을 제한하도록 변형된다. 착좌면의 양호한 방사상 크기는 0.3556㎜(0.014 인치) 내지 0.4572㎜(0.018 인치)이고, 흡입 밸브 시트 대 이 시트를 통과하는 통로의 양호한 면적비는 13％ 내지 25％ 범위 내에 있다.

Description

압축기 흡입 밸브 응력 감소를 위한 유막 팽창 {OIL FILM DILATION FOR COMPRESSOR SUCTION VALVE STRESS REDUCTION}

흡입 및 배출 밸브를 채택하는 용적식 압축기에 있어서, 두 가지 유형의 밸브들 사이에는 유사점과 차이점이 있다. 통상적으로, 밸브들은 동일한 일반적 유형으로 이루어진다. 각 밸브는 보통은 폐쇄되며, 개방 방향으로의 밸브의 횡단 압력차로 인해 개방된다. 밸브는 스프링 재료로 이루어질 수 있고, 그 자신의 착좌 편의력(seating bias)을 제공할 수 있거나, 또는 별도의 스프링이 채택될 수 있다. 흡입 밸브(들)는 압축실/실린더 내로 개방되기 때문에 이들 밸브는 통상적으로 틈새 체적을 최소화하기 위한 밸브 지지체(backer)를 갖지 않아서 밸브의 휨이 물리적으로 제한되지 않는다. 배출 밸브는 통상적으로 배출 밸브의 과잉 운동/굴곡을 회피하기 위해서 몇 가지 종류의 밸브 지지체를 구비한다. 누출 등의 영향을 무시하면, 동일한 질량의 가스가 압축실 내로 흡입되고 그로부터 배출된다. 그러나, 흡입 행정은 공칭적으로 1/2 사이클에 걸쳐 발생하는 반면에, 압축 및 배출 행정은 도합해서 공칭적으로 1/2 사이클을 구성한다. 흡입 행정의 경우에, 흡입 밸브는 흡입 밸브 횡단 압력차가 흡입 밸브를 탈좌시킬 수 있게 됨에 동시에 개방된다. 전형적으로, 흡입 밸브를 개방시키는데 요구되는 압력차는 공칭 흡입 압력의 대략 15 내지 35％ 정도이다. 압축 행정의 경우에, 압축은 가스의 체적 감소/밀도 증가를 수반하면서 계속되는데 이 가스는 피압축 가스의 압력이 밸브 부재 및/또는 별도의 스프링의 스프링 편의력과 더불어 배출 밸브 상에 작용하는 조합된 시스템 압력을 극복할 정도로 충분할 때까지 압축된다. 전형적으로, 배출 밸브를 개방시키는데 요구되는 압력차는 공칭 배출 압력의 대략 20 내지 40％ 정도이다. 이에 따라, 질량 유동율은 배출 행정 중에 훨씬 더 크다.

설계상, 흡입 밸브는 배출 밸브보다 훨씬 더 낮은 착좌 편의력을 갖는다. 낮은 착좌 편의력은 밸브 횡단 압력차로 초래된 힘에 의해 밸브 작동이 개시된다는 사실로 인해 필수적이다. 흡입 밸브의 경우에, 개방은 통상적으로 배출 밸브에서보다 훨씬 더 낮은 압력에서 발생한다. 따라서, 흡입 밸브에 대해서는 배출 밸브에 대한 잠재적 압력차와 개방력에 비해 작은 압력차만이 발생되며 이에 따라 작은 개방력만이 발생될 수 있다. 흡입 밸브 횡단 압력차는 약간만 증가되어도 이 밸브의 횡단 압력차의 백분율 증가는 커진다. 반대로, 배출 밸브의 횡단 압력차가 동일하게 증가하면 이 압력차의 백분율 증가는 훨씬 더 작은데 이는 상당히 높은 공칭 작동 압력 때문이다.

밸브 상에 작용하는 개방력 F는 방정식

F ＝ P·A

로 주어지며, 여기서, P는 밸브 횡단 압력차이고, A는 P가 작용하는 밸브 면적이다. 압력차가 작용하는 방향은 한 사이클의 일부분 동안에 압력차가 밸브 착좌 편의력을 제공하도록 완전한 한 사이클 중에 변동한다는 사실을 주지해야 한다. A가 일정하게 유지되면 F의 변화는 P의 변화에 비례한다는 사실, 보다 상세하게는 F의 백분율 변화가 P의 백분율 변화에 비례한다는 사실은 명백하다. 예를 들어, 35％의 전형적인 초과 압력치에서 흡입 압력이 20 psia이고 배출 압력이 300 psia인 작동 조건을 가정하면 실린더는 배출 밸브가 개방되기 전에 405 psia로 상승된다. 대조적으로, 30％의 전형적인 부압치에서 실린더 압력은 흡입 밸브가 개방되기 전에 14 psia로 강하된다. 양 밸브들을 개방시키는데 요구되는 압력차가 10 psia만큼 증가되면 배출 초과 압력치는 35％에서 38％로 증가하는 반면에 흡입 부압치는 30％에서 80％로 증가된다. 따라서, 흡입 밸브 상에 작용하는 개방력이 167％로 증가됨을 예측할 수 있다.

특히, 틈새 체적의 영향으로 인해, 흡입 밸브 횡단 압력의 변화는 매우 급속하게 증가하지 않는데, 이는 장치가 틈새 체적부로부터의 압축 가스로 인해 초기에는 충전된 다음에 흡입 밸브가 개방될 때까지 진공 펌프로서의 작용을 하기 때문이다. 구체적으로, 실린더로의 가스의 유입은 전형적으로 조합 팽창 및 흡입 행정의 최종 95％ 중에 발생하도록 설계된다. 대조적으로, 압축실 압력은 압축 행정이 완성되어 감에 따라 급속하게 상승하며, 압력은 실린더를 탈출하는 체적 유동이 압축실 체적의 감소율과 일치하지 않는다면 배출 행정 중에 계속해서 상승할 수 있다. 전형적으로, 실린더로부터의 가스의 유출은 조합 압축 및 배출 행정의 최종 40％ 중에 발생한다. 상기 관계들 중 하나 이상의 상당한 변화는 밸브에 대한 작동 문제를 초래할 수 있다.

전형적인 작동 조건하에서 윤활 유체(오일)는 흡입 및 배출 밸브와 밸브 시트를 포함해서 압축기의 모든 내면을 도포한다는 사실로부터 다른 복잡한 문제가 발생한다. 배출 밸브와 관련된 배출 효율을 향상시키는 것에 대한 관련 문제점들이 미국 특허 제4,580,604호에 제기되고 있다. 배출 밸브의 경우에, 실린더 압력은 배출 밸브 상에 작용하는 시스템 압력, 밸브 상에 작용하는 스프링 편의력, 및 시트로의 밸브의 부착을 극복해야 한다. 이에 따라, 시트로의 배출 밸브의 부착은 초과 압력과 이에 따른 효율 손실을 나타낸다.

전형적인 왕복 압축기는 일체형 흡입 포트와 흡입 밸브 시트를 갖는 밸브 판을 구비하게 된다. 폐쇄 위치에 있을 때 흡입 밸브와 그 시트 사이에 존재하는 유막은 대략 수개의 분자 직경 정도로 매우 얇다. 이것은 부분적으로 압축실 압력이 압축 및 배출 행정 중에 흡입 밸브 상에 작용해서 이 흡입 밸브에 스프링 편의력을 제공한다는 사실에 기인한다. 정상 작동 하에서 흡입 밸브에 가해지는 개방력은 흡입 행정 중에 피스톤이 밸브로부터 멀어짐에 따라 발생되는 밸브 횡단 압력차에 의해 제공된다. 전형적으로, 개방력은 밸브 질량(관성)과 임의의 스프링력 또는 기타 편의력에 의해 야기되는 개방에 대한 저항을 극복하기에 충분할 정도로 클 필요가 있다. 이 힘은 또한 밸브와 시트 사이에 포획된 유막을 팽창시키고 전단시키기에 충분할 정도로 클 필요가 있다. 윤활제 막을 팽창시키고 전단시키는데 필요한 힘에 영향을 주는 인자들은 윤활제 막의 점성, 유막의 두께, 윤활제 분자들간의 분자간 인력, 흡입 밸브 및/또는 밸브 시트의 구성 재료, 및 냉매 가스 유출율을 포함한다.

광물계(MO) 또는 알킬벤젠(AB) 윤활제를 사용하는 통상적인 냉매 압축기 응용예에 있어서, 윤활제에 의해 야기되는 개방에 대한 저항은 밸브 개방을 개시하는데 요구되는 압력차가 비교적 작게 표시되기 때문에 무시할만하다. 이것은 대부분 MO 및 AB 윤활제가 작동 조건의 전 범위에 걸쳐서 비교적 낮은 점성과, 낮은 분자간 힘과, 냉매와의 양호한 용해성을 나타낸다는 사실에 기인한다.

보다 새롭고 오존 친화성인 냉매 압축기 응용예는 폴리올 에스테르(POE) 윤활제를 이용한다. MO 또는 AB 윤활제와 비교했을 때 POE 윤활제는 특히, 낮은 작동 압력 및/또는 온도 하에서 극히 높은 윤활제 점성과, R134a, R404A, 및 R507 등의 HFC 냉매와의 불량한 용해성을 나타낸다. POE의 비교적 높은 점성은 밸브와 시트 사이에 포획된 유막을 팽창시키고 전단시키는데 필요한 힘의 상당한 증가를 야기시킬 수 있다. 부가적으로, POE 윤활제는 전형적으로 밸브와 밸브 시트를 제조하는데 사용되는 매우 극성이 있는 철계 재료에 대해 강한 분자 인력을 갖는다. 구성 재료와 POE의 상호 인력은 밸브를 밸브 시트로부터 분리시키는데 필요한 힘을 더욱 증가시킨다.

밸브를 그 밸브 시트로부터 분리시키는데 필요한 힘의 증가를 발생시키기 위해서는 밸브 횡단 압력차가 밸브 개방 시기의 지연을 수반하면서 증가되어야 한다. 흡입 밸브가 최종적으로 개방될 때 이 밸브는 매우 높은 속도로 개방된다. 또한, 이러한 상태가 가중되면 흡입 밸브 개방의 지연으로부터 초래되는 실린더 내 유입 흡입 가스의 체적 유동율이 증가된다. 흡입 가스의 체적 유동율의 증가는 흡입 가스 속도의 증가를 야기하고, 이것은 다시 흡입 밸브에 인가되는 개방력을 증가시키며 이에 따라 밸브가 개방되는 속도를 증가시킨다. 개방 지연으로 인에 밸브 상에 작용하는 보다 높은 압력차와 흡입 밸브 상에 충돌하는 유동의 보다 높은 체적 유동율의 조합된 영향으로부터 초래된 흡입 밸브 개방 속도의 증가는 흡입 밸브가 실린더 보어 내로 휘게 하고자 했던 것보다 더욱 휘게 한다. 배출 밸브에 존재하게 될 밸브 지지체의 도움이 없다면 밸브 작동 압력은 밸브 휨의 증가로 인해 증가되어야 한다. 작동 응력이 밸브의 겉보기 피로 강도를 초과하면 밸브 고장이 발생하게 된다.

본 발명은 흡입 밸브와 밸브 시트 사이에 포획된 유막의 팽창을 조장함으로써 흡입 밸브를 개방시키는데 요구되는 압력을 감소시킨다. 이러한 방식으로, 높은 밸브 속도와, 높은 체적 유동율과, 높은 흡입 가스 속도, 및 높은 밸브 응력과 관련된 제반 문제점들이 회피된다. 요컨대, 밸브와 밸브 시트간의 접촉 면적을 감소시킴으로써 밸브를 개방시키는데 요구되는 압력의 감소가 유리하게 달성될 수 있으며, 부수적으로 작동 압력의 감소가 수반된다.

흡입 밸브 시트의 방사상 크기 또는 폭(w)은 3％ 내지 33％ 범위, 바람직하게는 13％ 내지 25％ 범위 내의 밸브 시트 면적 대 밸브 포트 면적의 비를 제공하는 특정 범위의 값으로 면밀하게 제어되어야 한다. 흡입 밸브의 실질적인 방사상 크기는 0.3556 ㎜(0.014 인치) 내지 0.4572 ㎜(0.018 인치) 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 0.508㎜(0.02 인치)가 최대 허용 가능한 폭이다. 이 범위는 나이프 에지(knife edge) 시트가 쉽게 마모되고 최소 부착되는 것과 폭을 증가시킬 경우의 내구성 및 부착성 증대간의 절충을 의미한다. 본질적으로, 흡입 밸브 시트는 밸브 판으로부터 연장된 환형의 박벽 원통부이다.

본 발명의 목적은 밸브 시트로의 흡입 밸브 부착을 감소시키는데 있다.

본 발명의 부가적인 목적은 흡입 밸브 상의 작동 압력을 감소시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 흡입 행정의 초기에 밸브 시트로부터의 흡입 밸브의 해제를 조장하는데 있다. 이후에 명료하게 될 상기 목적 및 기타 목적이 본 발명에 의해 달성된다.

기본적으로, 흡입 밸브의 밸브 시트는 밸브와 밸브 시트간의 접촉 면적 및 해당 유막을 감소시키도록 구성된다.

도1은 본 발명을 채용한 왕복 압축기의 일부 단면도.

도2는 도1의 단면 2-2를 따라 취한 부분 절결도.

도3은 흡입 밸브 구조를 도시한 도1의 일부의 단면도.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 압축기

20 : 흡입 밸브

20-1 : 선단부

30 : 밸브 판

30-1 : 흡입 밸브 시트

30-2 : 카운터보어

40 : 크랭크케이스

40-1 : 렛지

40-2 : 리세스

40-3 : 실린더

42 : 피스톤

50 : 배출 밸브

51 : 밸브 지지체

60 : 유막

도1 및 도2에서, 도면 부호 10은 왕복 압축기를 가리킨다. 종래에서처럼, 압축기(10)는 리드(reed) 밸브들로 도시되고 있는 흡입 밸브(20) 및 배출 밸브(50)와, 보어 또는 실린더(40-3) 내에 위치된 피스톤(42)을 구비한다. 배출 밸브(50)는 밸브의 운동을 제한하고 통상적으로 그 전체 개방 운동에 걸쳐서 배출 통로(30-5)를 통해 밸브(50)에 인가되는 개방력을 소산시키도록 구성된 지지체(backer, 51)를 구비한다. 흡입 밸브(20)의 경우에 있어서, 그 선단부(20-1)는 크랭크케이스(40)의 리세스(40-2)에 있는 렛지(ledge, 40-1)와 결합하며, 이 렛지는 밸브 멈치로서의 역할을 한다. 렛지(40-1)는 도1에서 가상선으로 도시된 밸브(20)의 굴곡에 의한 추가적인 개방 운동으로써 틈새 체적을 최소화하기 위해서 대략 2.54 ㎜ (0.1 인치) 정도의 개방 운동 후에 결합된다. 구체적으로, 밸브(20)의 초기 운동은 캔틸레버형 비임으로서 선단부(20-1)가 렛지(40-1)와 결합한 다음에 굴곡이 양 단부에서 지지된 비임의 형태로 될 때까지이다. 도1에서 가상선으로 도시된 바와 같이 밸브(20)는 보어(40-3) 내로 이동한다.

상술한 바와 같이, POE 윤활제는 밸브(20)와 밸브 판(30)에 형성된 시트(30-1)간의 부착을 야기하는 경향이 있다. 본 발명에 따른 부착 감소가 없다면 밸브(20)는 높은 압력차에서 개방되고 고속에서 렛지 또는 멈치(40-1)를 타격하는 경향이 있어서 보어(40-3) 내로의 굴곡을 조장하는 것과 같은 일이 발생할 수 있으며, 이것은 흡입 통로(30-2)로부터의 충돌 유동과 결부될 때 밸브(20)를 그 항복 강도 이상으로 굴곡시킬 수 있거나 또는 밸브를 보어(40-3) 내로 더 멀리 추진시켜서 선단부(20-1)가 렛지 또는 멈치(40-1)로부터 미끄러져 빠질 수 있다.

이제 도3을 참조하면, 시트(30-1)는 실질적으로 3％ 내지 33％ 범위, 바람직하게는 13％ 내지 25％ 범위 내의 밸브 시트 면적 대 밸브 포트 면적의 비를 갖는 평탄한 환형 착좌면(30-1a)을 구비한 박벽형 실린더이다. 부가적으로, 착좌면(30-1a)의 바람직한 방사상 크기 또는 폭(w)은 0.3556 내지 0.4572㎜(0.014 내지 0.018 인치)이다. 소망하는 폭을 유지하는 것을 돕기 위해서 정밀 카운터보어(30-2a)가 견부(30-2b)에 의해 흡입 통로(30-2)의 시트로부터 분리되어 제공된다. 시트(30-1)의 외부 원통면(30-1b)은 정밀 카운터보어(30-2a)에 대해 정밀 기계 가공되어 착좌면(30-1a)의 방사상 폭(w)의 허용 오차의 유지를 허용한다. 견부(30-2b)와 표면(30-1b)의 단부를 한정하는 견부(30-4)는 착좌면(30-1a)에 대해 법선으로 될 수 있어서 제조 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 견부에 의해 한정되는 천이부에서 챔퍼 또는 모서리 파쇄부(edge break)를 갖는 것이 바람직하다. 이 챔퍼는 제조 중의 버어(burr)의 발생을 제거할 수 있으며 밸브(50)와 착좌면(30-1a) 사이에 포획된 유막의 전단을 조장할 수 있다.

위치를 제한함으로써 유막(60)의 폭을 제한하는 것이 주요 고려 사항이다. 구체적으로, 밸브와 접촉하거나 또는 근접하는 시트(30-1)의 부분을 제한함으로써 이들 사이의 유막(60)을 유지하는 것이 주요 고려 사항이다. 유막이 얇을수록 보다 낮은 압력차와 보다 덜 격렬한 개방과 보다 저속인 유동에서 흡입 행정에서의 조기 개방의 결과 보다 쉽게 파단됨은 명백하다.

본 발명에 따르면, 밸브 시트로의 흡입 밸브 부착을 감소시키고, 흡입 밸브 상의 작동 압력을 감소시키며, 흡입 행정의 초기에 밸브 시트로부터의 흡입 밸브의 해제를 조장하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 내부에 피스톤을 갖는 실린더(40-3)와, 흡입 밸브(20)와, 일체형 흡입 밸브 시트(30-1)를 갖고 상기 흡입 밸브와 상기 밸브 시트 사이에 유막을 형성하는 오일에 의해 윤활되는 밸브 판(30)을 구비하고, 상기 유막의 적어도 일부는 두께가 단지 수 개의 분자 직경인 왕복 압축기(10)에 있어서,

   상기 시트는 흡입 통로의 연장체인 환형 포위 벽을 형성하고, 상기 흡입 밸브 시트 대 상기 흡입 통로 연장체의 면적비는 3％ 내지 33％ 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 왕복 압축기.
2. 제1항에 있어서, HFC 냉매가 상기 압축기에 의해 압축되는 것을 특징으로 하는 왕복 압축기.
3. 제2항에 있어서, HFC 냉매는 R134a, R404A, 및 R507 중 하나인 것을 특징으로 하는 왕복 압축기.
4. 제1항에 있어서, 상기 시트는 0.508㎜(0.02 인치) 이하의 방사상 크기를 갖는 환형 착좌면을 구비하는 것을 특징으로 하는 왕복 압축기.