KR102670549B1 - 가변 컴프레서 클러치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내장형 열교환 코일을 사용하여 가변 컴프레서의 작동 토크에 맞게 작동 전류를 가변하는 클러치 구조로, 냉매가 컴프레서로 들어오는 냉매 흡입구와 냉매가 컴프레서에서 빠져나가는 냉매 토출구를 포함하는 클러치 하우징(10)과, 상기 클러치 하우징(10)의 내부에서 풀리 어저스터(20)에 연결된 상태에서 클러치 하우징(10)의 외부에서 가변 풀리(30)와 연결되어 회전되는 구동축(40)과, 상기 구동축(40)과 결합하여 에어컨의 요구량에 맞춘 사판 각도 조절로 컴프레서의 토출량을 조절하기 위한 사판유닛(50)과, 한 쌍의 피스톤(60);을 포함한 가변형 컴프레서 클러치에 있어서, 상기 클러치 하우징(10) 선단 근방에 내부로 통하는 설치구멍(11)을 형성하고, 상기 설치구멍(11)에 내장형 열교환기(100)를 설치하되, 상기 내장형 열교환기의 저항의 변화에 의해 소모전류를 가변시킬 수 있도록 구성된다.

Description

가변 컴프레서 클러치{VARIABLE COMPRESSOR CLUTCH}

본 발명은 가변 컴프레서 클러치에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 내장형 열교환 코일을 사용하여 가변 컴프레서의 작동 토크에 맞게 작동 전류를 가변하는 클러치에 관한 것이다.

일반적으로 컴프레서(압축기)는 차량의 냉방시스템을 구성하여 증발기로부터 증발이 완료된 냉매를 흡입하여 액화하기 쉬운 고온과 고압상태로 만들어 응축기로 전달하는 기능을 수행한다.

이를 위해, 컴프레서는 회전력을 전달받는 풀리(pulley), 클러치타입이나 클러치리스타입으로 풀리와 연결 및 분리되어 회전하는 구동축을 기본 구성요소로 포함하고, 풀리에 연결된 구동축의 회전으로 냉매의 흡입과 토출작용이 이루어진다.

그러므로, 컴프레서의 RPM은 구동축을 회전시키는 풀리 RPM에 영향을 받음으로써 풀리의 풀리비(pulley ratio)는 컴프레서가 내구 한계를 감당할 수준으로 설정된다. 일례로, 구동벨트를 매개로 엔진의 동력을 전달받는 차량의 냉방시스템용 컴프레서는 엔진의 최고 RPM에서 감당할 수 있는 내구 한계를 가져야 하므로 풀리의 풀리비도 엔진의 최고 RPM을 고려하여 설정된다.

따라서, 컴프레서는 동력원이 컴프레서 RPM을 초과하더라도 풀리 비로 인해 내구 한계를 감당할 수 있는 RPM을 유지함으로써 차량의 냉방시스템을 안정적으로 운영하는데 일조할 수 있다.

하지만, 풀리 RPM이 풀리비로 고정되고, 컴프레서 RPM이 풀리 RPM에 비례하여 변화됨으로써 차량의 냉방시스템용 컴프레서는 그 동작에 차속을 제대로 반영할 수 없다는 한계성을 가질 수밖에 없다.

일례로, 차량의 고속 주행은 엔진 RPM과 주행풍속을 높임으로써 풀리 RPM과 컴프레서 RPM도 함께 높여 냉방 속효성에 유리하고, 반면 차량의 저속 주행은 엔진 RPM과 주행풍속을 낮추어 풀리 RPM과 컴프레서 RPM도 함께 낮아져 냉방 속효성에 불리하게 된다.

그러므로, 고속 주행 시 컴프레서의 고속회전은 냉방시스템의 콘덴서(condenser)냉각효율이 우수한 주행풍 효과를 전혀 반영하지 못하고 또한 저속 주행 시 컴프레서의 저속회전은 냉방시스템의 콘덴서(condenser)냉각효율이 미미한 주행풍 효과를 전혀 고려하지 못하게 된다.

그 결과, 고속 주행 시 냉방시스템 가동은 낮은 냉방부하임에도 엔진 동력이 컴프레서의 고 RPM을 위해 불필요하게 소모됨으로써 연비 및 동력성능 저하로 이어지고, 또한, 저속 주행 시 냉방시스템 가동은 높은 냉방부하를 필요로 함에도 컴프레서의 저 RPM으로 낮은 냉방 속효성을 가져옴으로써 고객 불만과 차량 상품성 저하로 이어지는 한 원인으로 발전될 수 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 방안으로 가변 컴프레서를 사용하는데, 상기 가변 컴프레서는 사판의 각도를 제어하여 냉매의 토출량을 가변하는 방식이다.

상기와 같은 가변 컴프레서는 에어컨 작동 전 영역에서 냉방 부하량 변동에 따른 냉매량 가변 제어가 가능하기 때문에 잦은 컴프레서의 온/오프(ON/OFF) 제어가 불필요하고, 특히 컴프레서 온/오프 때 발생되는 실내 토출온도 변화의 폭을 감소시켜 냉방 온도의 균일성을 확보할 수 있다.

이를 위해, 가변 컴프레서에는 풀리 구동되는 구동샤프트와 연계된 사판이 포함된다. 이러한 사판의 사판 각도는 가변 컴프레서의 흡입 냉매 압력과, 구동샤프트를 통해 유입된 토출 냉매의 챔버내 냉매 압력사이의 관계로 결정된다.

하지만, 가변 컴프레서는 사판 각도가 초기에 약 0.5°각도(minimum)위치에서 약 23°각도(maximum)로 이동함으로써 약 0.5°각도의 최소 토출량과 약 23°각도의 최대 토출량으로 에어컨 작동에 맞춰 작동된다.

그러므로, 가변 컴프레서가 에어컨의 요구조건에 신속히 반응되지 못하는 근본적인 구조적 한계가 있을 수밖에 없었다.

이러한 예로서, 가변 컴프레서의 작동 지연이 있다. 작동 지연이란 가동된 에어컨이 작동 초기 시 최대 용량을 요구하고, 이러한 요구에 맞춰 가변 컴프레서의 사판이 약 0.5°각도(minimum)위치에서 약 23°각도(maximum)로 신속하게 이동되어야 하나 실제적으로 수초의 시간이 소요되는 현상을 의미한다.

이로 인해, 에어컨의 초기 성능은 악영향을 받을 수밖에 없었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 방안으로 본 출원인은 국내 등록특허 제10-1491329호 "작동초기응답성을 높인 가변 컴프레서"를 제안한 바가 있다.

즉, 이 발명은 사판 각이 최대 각도로 유지됨으로써 에어컨 작동 초기 시 최대 용량요구에도 작동 지연이 나타나지 않고, 특히 사판 각도가 고정된 상태로 초기 작동이 이루어져 제어에 유리한 토크 안정성이 높아짐으로써 엔진제어도 향상되도록 한 것으로,

기본적인 컴프레서(1)의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 클러치 하우징(10), 풀리 어저스터(20), 가변풀리(30), 구동샤프트(40), 사판유닛(50), 제1 및 제2 피스톤(61,62)으로 이루어진 피스톤(60)으로 구성되어 있다.

즉, 사판유닛(50)의 사판 각의 초기 각도가 에어컨의 최대 요구 성능에 맞춘 최대 냉매 토출이 이루어지는 최대 각도로 유지되도록 락(Lock)을 형성하고, 상기 에어컨의 작동 후 발생되는 토출 냉매 압력으로 언 락(Un lock)을 형성하여 상기 최대 각도가 축소되는 밸브(52)를 구비하되, 상기 밸브의 언 락(Un lock)을 형성하는 상기 토출 냉매 압력은 냉매 유로(41)로 공급되고, 상기 냉매 유로(41)는 상기 사판(51)이 결합된 구동샤프트(40)의 내부로 유입되도록 하였다.

이들 동작을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

에어컨이 가동되면 가변 컴프레서(1)에는 압력이 형성된다. 일례로, 흡입 냉매 압력(Ps)과 챔버내 냉매 압력(Pc)이 작용하고, 이들 압력(Ps,Pc)사이의 관계는 사판(51)의 사판 각(a)을 결정한다. 이때, 챔버내 냉매 압력(Pc)은 토출되는 냉매를 구동 샤프트(40)를 통해 챔버내로 보내어 형성된다.

가변 컴프레서(1)는 에어컨이 최대 요구 용량으로 초기 작동되는 상황에 대처할 수 있도록 사판(51)의 사판각(a)을 23°각도(maximum)로 유지한 상태이다.

반면, 가변 컴프레서(1)는 작동초기 작동의도와 다르게 사판(51)은 사판각(a)을 05°각도(minimum)로 복귀시키려는 힘(상하좌우에서 우방향)이 작용될 수밖에 없다. 하지만, 밸브(52)는 락(Lock)을 유지한다.

따라서, 작동 초기응답성을 높인 가변 컴프레서에는 사판(51)의 사판각(a)의 초기각도가 에어컨의 최대 요구 성능에 맞춘 최대 냉매 토출이 이루어지는 최대 각도로 유지되도록 락(Lock)을 형성하고, 상기 에어컨의 작동 후 발생되는 토출 냉매 압력으로 언락(Unlock)을 형성하여 상기 최대 각도가 축소되는 밸브(52)가 포함됨으로써 에어컨 작동 초기 시 최대 용량요구에도 작동 지연이 나타나지 않고, 특히 사판 각도가 고정된 상태로 초기 작동이 이루어져 제어에 유리한 토크 안정성이 높아짐으로써 엔진제어도 향상시킬 수 있다.

그러나, 여전히 사판의 각에 따라 작동토크가 변경되는 것을 해소하지 못하였다.

즉, 컴프레서의 클러치를 설계할 때 목표가 되는 토크는 최대 토크(T max)가 설계 기준이 되게 된다.

이때, 최소 사판각(최소 토크, T min) 일 때는 흡입력이 잉여힘이 되는 데, 그 말은 즉 잉여 전류(I)를 사용하게 되는 셈으로 결론적으로 연비 손실이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 상황에 따른 가변 컴프레서 작동 토크에 알맞게 흡입력을 발생하는 작동 전류를 가변하는 클러치 구조 제안하게 되었다.

1. 한국 등록특허 제10-1491329호 (2015.02.02)

1. 한국 공개특허 제10-2017-0126168호(2017.11.17)

1. 한국 공개특허 제10-2018-0113049호(2018.10.15)

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안 출 된 것으로서, 내장형 열교환 코일을 사용하여 가변 컴프레서의 작동 토크에 맞게 작동 전류를 가변하도록 함으로써, 연비 손실을 방지할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
냉매가 컴프레서로 들어오는 냉매 흡입구와 냉매가 컴프레서에서 빠져나가는 냉매 토출구를 포함하는 클러치 하우징(10)과, 상기 클러치 하우징(10)의 내부에서 풀리 어저스터(20)에 연결된 상태에서 클러치 하우징(10)의 외부에서 가변 풀리(30)와 연결되어 회전되는 구동축(40)과, 상기 구동축(40)과 결합하여 에어컨의 요구량에 맞춘 사판 각도 조절로 컴프레서의 토출량을 조절하기 위한 사판유닛(50)과, 한 쌍의 피스톤(60);을 포함한 가변형 컴프레서 클러치에 있어서,

상기 클러치 하우징(10) 선단 근방에 내부로 통하는 설치구멍(11)을 형성하고, 상기 설치구멍(11)에 내장형 열교환기(100)를 설치하되, 상기 내장형 열교환기의 저항의 변화에 의해 소모전류를 가변시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

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상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 가변 컴프레서 클러치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래기술은 최대 사판(최대토크) 영역에서만 설계가 이뤄져 최소/중간 사판시에는 과잉설계를 할 수밖에 없으나, 사판각에 따른 내장형 열교환 코일의 저항을 변화시켜 소모 전류 (에너지)를 절약할 수가 있다.

둘째 가변작동영역에서 최소 사판(최소 토크) 작동하게 함으로써, 가변전류를 절약할 수가 있다.

셋째, 본 발명 내장형 열교환기에 사용되는 권선코일을 굵기가 가는 구리코일을 사용함으로써, 온도가 증가함에 따라 저항 값도 함께 증가하여 열교환속도를 빠르게 할 수가 있다.

도 1은 종래 발명에 따른 작동 초기응답성을 높인 가변 컴프레서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 컴프레서 클러치에 내장형 열교환기가 설치되기 전의 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 컴프레서 클러치에 내장형 열교환기가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 가변 컴프레서 클러치에 내장형 열교환기가 설치된 상태에서의 단면도이다.
도 5는 도 4의 "A"부의 부분 확대단면도이다.
도 6은 본 발명 가변 컴프레서 클러치에 설치된 내장형 열교환기의 전류방향상태를 나타낸 것이다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 가변 컴프레서 클러치의 동작을 나타낸 도면으로, (a)는 가변 컴프레서의 제어실 내에서 사판이 동작하지 않은 최소사판 각을 유지한 상태를 나타낸 도면이고, (b)는 사판이 동작하여 7°정도의 중간사판 각을 유지한 상태를 나타낸 도이며, (c)는 최대사판을 유지될 때 내장형 열교환기의 열환에 의해 제어실 온도가 하강된 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명 가변 컴프레서 클러치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매가 컴프레서로 들어오는 냉매 흡입구와 냉매가 컴프레서에서 빠져나가는 냉매 토출구를 포함하는 클러치 하우징(10)과, 상기 클러치 하우징(10)의 내부에서 풀리 어저스터(20)에 연결된 상태에서 클러치 하우징(10)의 외부에서 가변 풀리(30)와 연결되어 회전되는 구동축(40)과, 상기 구동축(40)과 결합하여 에어컨의 요구량에 맞춘 사판 각도 조절로 컴프레서의 토출량을 조절하기 위한 사판유닛(50)과, 한 쌍의 피스톤(60)으로 구성되는 구조는 종래와 동일하다.

다만, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 클러치 하우징(10) 선단 근방에 내부로 통하는 설치구멍(11)을 형성하고, 상기 설치구멍(11)에 내장형 열교환기(100)를 설치하되, 상기 내장형 열교환기의 저항의 변화에 의해 소모전류를 가변시킬 수 있도록 한 것을 특장으로 하였다.

상기 내장형 열교환기(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 원통형상으로 이루어지고, 하부가 개구되어 있으며, 중공을 이루며 코일하우징(110)과, 상기 코일하우징(110) 내벽에 밀착되게 권취되어 있는 권선코일(200); 및 상기 코일 하우징(110)을 클러치 하우징(10)으로 부터 탈부착하기 위한 스냅링(300); 및 상기 코일 하우징(10)의 상부에 밀폐고정 되는 밀폐부(120); 및 상기 코일 하우징(110)의 외부 상부에 설치되어 상기 클러치 하우징(10)에 기밀하게 설치되는 실링용 오링(400)을 포함한 구성이다.
이때, 상기 권선코일(200)은 가격도 저렴하고 가공이 쉬운 구리(Cu)를 사용하였다.

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상기 구리는 온도가 증가함에 따라 저항 값도 함께 증가되기 때문에 제어실 내부 온도를 빠르게 열교환시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 구리를 최대한으로 가는 코일로 제작하여 여러 번 권취한 것을 사용함으로써, 시험결과 응답성이 대략 1~2초 정도 빠른 것으로 나타났다.
이때, 권선코일(200)은 제어실 내부와 연결되게 설치되어 제어실 온도에 따라 코일 저항 및 전류를 증감시켜 흡입력을 변화시킬 수 있도록 하였다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 권선코일(200) 중 어느 한쪽 일단이 클러치 코일(31)과 연결되고, 타단이 클러치 하우징(10)과 접지되게 연결하되, 이들의 단락을 방지하기 위해 코일 하우징(110) 상부가 일체로 밀폐고정 되고, 상기 코일 하우징(110)의 외측 상부에 실링용 오링(400)이 설치되어 클러치 하우징(10)에 기밀하게 설치된다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명 가변 컴프레서 클러치(1)의 동작설명은 다음과 같다.

도 7의 (a) 내지 (c)은 본 발명에 따른 가변 컴프레서 클러치의 동작을 나타낸 도면이다.

도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 가변 컴프레서의 제어실(101) 내에서 사판이 작동하지 않은 상태에서 가변 컴프레서의 제어실(101) 온도가 상승된 상태를 나타낸 도면으로, 즉, 내장형 열교환기(100)의 저항값은 대략 4Ω 이고 온도는 100℃이며, 사판의 각도는 0°이다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 사판의 중간 동작 즉 대략 7°정도 동작하게 되면 내장형 열교환기(100)가 제어실(101) 내의 열을 교환하여 가변 컴프레서의 제어실(101) 내의 온도가 대략 55℃가 되고, 내장형 열교환기(100)의 저항값은 대략 2.5Ω 이고 온도는 55℃를 유지함을 알 수가 있다.

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또한, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 사판이 최대 14°각을 유지할 때에는 가변 컴프레서의 제어실(101) 내부 온도는 대략 10℃가 되고, 내장형 열교환기(100)의 저항값은 대략 1Ω 이고 온도는 10℃로 떨어지게 된다

에를들면, 도 7의 (a)와 같이 최소사판각의 상태에서는 작동토크가 낮고, 제어실은 상대적으로 온도가 높아지며 내장형 열교환기(100)의 코일의 온도도 높아짐과 동시에 저항 값 도 커진다.

이때, 코일에 인가되는 전류가 낮아짐에 따라 흡입력도 낮아지게 된다.

또한, 도 7의 (c)와 같이 최대사판각의 상태에서는 작동토크가 높아지고, 제어실의 온도 낮아진다.

이는 내장형 열교환기(100)의 코일의 열교환에 의해 코일 온도도 낮아지게 되고, 동시에 저항도 낮아지게 된다.

이때, 코일에 인가되는 전류는 높아지고 흡입력 역시 높아지게 된다.

따라서, 상기와 같이 사판 각도에 따라 본 발명 내장형 열교환기(100)의 저항값 및 열교환 온도가 변화에 의해 소모전류(에너지)를 절약할 수가 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1 : 가변형 컴프레서 클러치 10 : 클러치 하우징
11 : 설치구멍 20 : 풀리 어저스터
30 : 가변풀리 40 : 구동샤프트
50 : 사판유닛 60 : 피스톤
100 : 내장형 열교환기 110 : 코일하우징
120 : 밀폐부 200 : 권선코일
300 : 스냅링 400 : 실링용 오링

Claims (5)

1. 냉매가 컴프레서로 들어오는 냉매 흡입구와 냉매가 컴프레서에서 빠져나가는 냉매 토출구를 포함하는 클러치 하우징과, 상기 클러치 하우징의 내부에서 풀리 어저스터에 연결된 상태에서 클러치 하우징의 외부에서 가변 풀리와 연결되어 회전되는 구동축과, 상기 구동축과 결합하여 에어컨의 요구량에 맞춘 사판 각도 조절로 컴프레서의 토출량을 조절하기 위한 사판유닛과, 한 쌍의 피스톤;을 포함한 가변형 컴프레서 클러치에 있어서,
   상기 클러치 하우징 선단 근방에 내부로 통하는 설치구멍을 형성하고, 상기 설치구멍에 내장형 열교환기를 설치하되, 상기 내장형 열교환기의 저항의 변화에 의해 소모전류를 가변시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 가변 컴프레서 클러치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 내장형 열교환기는;
   원통형상으로 이루어지며 하부가 개구된 코일하우징; 및
   상기 코일하우징의 내벽에 밀착되게 권취된 권선코일; 및
   상기 코일 하우징을 클러치 하우징으로 부터 탈부착하기 위한 스냅링; 및
   상기 권선코일 중 어느 한쪽 일단이 클러치 코일과 연결되고, 타단이 클러치 하우징과 접지되게 연결하되, 이들의 단락을 방지하기 위해 코일 하우징 상부가 밀폐고정 되는 밀폐부; 및
   상기 코일 하우징의 외부 상부에 설치되어 상기 클러치 하우징에 기밀하게 설치되는 실링용 오링;을 포함한 것을 특징으로 하는 가변 컴프레서 클러치.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 권선코일은 구리로 제작된 것을 특징으로 하는 가변 컴프레서 클러치.
   
4. 제2 항에 있어서,
   상기 권선코일은 온도가 증가함에 따라 저항 값도 함께 증가하는 구리를 가는 코일로 제작하여 여러 번 권취하여 사용하는 것을 특징으로 하는 가변 컴프레서 클러치.
   
5. 제2 항에 있어서,
   상기 권선코일은 제어실 내부와 연결되게 설치되어 제어실 온도에 따라 코일 저항 및 전류를 증감시켜 흡입력을 변화시키는 것을 특징으로 하는 가변 컴프레서 클러치.