KR0162478B1 - 스크롤형 유체기계 - Google Patents

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Description

스크롤형 유체기계

본 발명은 스크롤형 유체기계에 관한 것으로, 특히 고정스크롤에 최적의 중심위치를 잡아 스크롤 압축기의 토오크 변동량을 최소화 하기 위한 스크롤형 유체기계의 스크롤 최적의 중심위치에 관한 것이다.

일반적으로 스크롤 압축기는 제1도에서 도시한 바와 같이, 쉘(2)에 고정되어 있는 고정자(3)와, 크랭크축(4)에 고정되어 있는 회전자(5)에서 발생되는 구동력에 의해 크랭크축(4)이 회전하게 되고, 크랭크축(4)이 회전됨에 따라 크랭크축(4)의 상단에 편심되게 설치되는 크랭크 핀(6)에 의해 선회스크롤(7)이 일정량의 편심량을 가지고, 자전방지기구(8)에 의해 자전이 방지되면서 선회운동을 하도록 되어 있다.

이때, 각각 인볼루트(Involute)형상의 랩(Wrap)을 가지고 서로 맞물려 압축실(9)을 형성하고 있는 선회스크롤(7)과 고정스크롤(10)은 상기 크랭크축(4)에 의한 선회스크롤(7)의 선회운동에 의해 냉매가스를 연속적으로 압축하게 되며, 압축된 냉매가스는 고정스크롤(10)의 중심부에 형성된 투출구(11)를 통해 토출되게 되어 있다.

상기, 스크롤 압축기의 스크롤구조는 1쌍의 고정스크롤과 선회스크롤로 이루어진 스크롤쌍에 있어서도, 제7도에서 고정스크롤중심(0₂)주위를 선회스크롤중심(0₃)이 선회하는 것으로 운동을 묘사하게 된다. 즉 선회라는 의미는 선회스크롤의 모든 부위가 각자의 중심을 선회반경(r_a: 고정 스크롤 중심과 선회스크롤 중심간의 거리)을 갖고 공전하고 있고, 이때 선회스크롤 중심(0₃)은 고정스크롤 중심(0₂)주위를 공전하고 있는 것이다.

따라서, 제7도는 종래의 스크롤압축기에서 스크롤 중심의 위치를 보인 평면도를 나타낸 것으로, 스크롤운동을 각 부재의 중심의 위치로 표시하면 크랭크축 중심(0₁)을 중심으로 흡입 완료되는 시점, 즉 스크롤 양 끝단이 각각 접촉하게 되는 시점의 선회스크롤 위치에서 크랭트 각(Q_C)이 0이 되도록 X,Y좌표를 정하게 되면 고정스크롤 중심 0₂(r_e,α₁)주위를 선회스크롤 중심가 0₃(r_o,α_c) 공전하게 된다.

이때, 고정스크롤 랩(12)과 선회스크롤 랩(13)에 의해 이루어진 포겟내의 압축가스에 의해 선회스크롤 운동을 방해하는 힘이 작용하게 되고, 이 힘을 고정스크롤 중심(0₂)과 선회스크롤 중심(0₃)간의 중심방향력(Fr)과 운동방향인 접선방향력(Ft)로 나누면 제2도에서 처럼 되고 중심방향력(Fr)은 선회스크롤과 고정스크롤의 랩간 접촉을 떨러뜨리려는 방향으로 작용하고 접선방향력(Ft)는 선회스크롤 운동방향의 반대로 작용한다.

상기 스크롤형상의 특성으로 인해 스크롤포겟은 중심방향에 대해서는 대칭이지만 접선방향으로는 대칭이 아니므로 실제로 큰힘이 접선방향으로 작용되어 중심방향력(Fr)은 접선방향력(Ft)의 10% 수준이 된다.(제4도참조)

이 힘은 스크롤랩에 작용되는 힘으로 반경방향력 Fr은 선회스크롤 원심력에 비해 작고 그 차가 스크롤랩의 접촉을 유지하는 반경방향실링력(Fs)가 된다.

따라서, 실제로 크랭크축(4)에 가해지는 접선방향과 반경방향으로 나눌 수 있지만 중심방향으로는 제2도에서 처럼 운동이 가능하고 실제로 슬라이드부시(14)와 크랭크핀(6) 중심이 접촉하지 않으므로 거의 대부분 D커트면(15)으로 접촉되어 잇는 접선방향으로 작용된다. 이때, 접선방향축하중(Fsbt)은 접선방향력(Ft)과 비슷하지만 반경방향축하중은 접선방향축하중(Fsbt)의 1%정도의 값이 된다.(제5도참조)

그러므로 축에 걸리는 토오크 T=d·Fsbt가 되고 축동력 P=T·w가 되고 토오크의 변동량의 효율과 진동에 영향이 있음을 알게 된다.

종래의 구조에서 고정스크롤 중심을 크랭크축 중심과 일치시키거나 편심되어도 최적의 위치보다 가공상의 용이함 등에 기인하고 있었다.

제6도는 크랭크각에 따른 토오크 및 축하중의 변화를 나타낸 것으로, 고정스크롤중심(0₂)과 크랭크축중심(0₁)이 일치하는 경우 선회반경(ra)가 d와 일치되므로 토오크 변동량은 축하중 변동량과 똑같이 변하게 되는 것을 나타낸 것이다.

상기의 스크롤압축기는 토오크변동량이 최소가 되는 최적의 고정스롤 중심의 위치를 찾기 위한 것으로, 종래의 고정스크롤과 축중심이 일치한 경우에는 축토오크가 어느 적정의 각도(180˚)에서는 토오크 변동량이 크게 작용하여 스크롤압축기의 효율저하 및 진동증가의 문제점을 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 고정스크롤에 최적의 중심위치를 잡아 스크롤 압축기의 토오크 변동량을 최소화 하기 위한 스크롤형 유체기계를 제공함에 있다.

제1도는 일반적인 스트롤압축기의 내부를 보인 단면도.

제2도는 일반적인 스트롤압축기의 슬라이드부시와 크랭크축을 보인 평면도.

제3도는 일반적인 스트롤압축기의 슬라이드부시와 크랭크축핀을 보인 단면도.

제4도는 스트롤압축기의 가스력을 보인 그래프.

제5도는 스트롤압축기의 축하중과 반경방향실링력을 비교하여 보인 그래프.

제6도는 스크롤압축기의 크랭크각에 따른 토오크 및 축하중의 변화를 보인 그래프.

제7도는 종래의 스크롤압축기에서 스크롤 중심의 위치를 보인 평면도.

제8도는 본 발명의 스크롤압축기에서 고정스크롤 랩과 선회스크롤 랩의 양끝단이 모두 접촉한 상태를 보인 것으로,

(8a)는 편심된 스크롤 중심의 위치를 보인 평면도.

(8b)는 (8a)도의 중심부분을 확대하여 보인 평면도.

제9도는 본 발명에 관련된 스크롤압축기의 실험결과를 보인 것으로,

(9a)는 크랭크각도와 r_e/r_a비의 관계에서 토르크 변동량을 보인 그래프.

(9b)는 r_e/r_a비와 고정스크롤 중심 위치각이 α₁=0°∼135° 사이에서의 토르크 변동량을 보인 그래프.

(9C)는 r_e/r_a비와 고정스크롤 중심 위치각이 α₁=0°∼135° 사이에서의 토르크 변동량을 보인 그래프.

제10도는 고정스크롤을 위한 슬라이더 부시와의 힘의 관계도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 선회스크롤 랩 21 : 고정스크롤 랩

0₁: 크랭크축중심 0₂: 고정스크롤중심

0₃: 선회스크롤중심

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 크랭크축 방향에 나란히 놓인 1쌍의 스크롤로 구성되면서 하나의 스크롤기초원 중심을 다른 하나의 스크롤 기초원중심이 선회하는 스크롤 유체기계에 있어서, 고정스크롤 기초원중심이 크랭크축 중심으로 부터 거리는 선회반경의 10%이내이고 각도는 직각의 범위내에 위치하도록 구성하여 스크롤형 유체기계를 제공함에 있다.

상기 고정스크롤 중심의 직각 범위는 -45˚∼+45˚로 정한다.

이하, 본 발명에 의한 스크롤형 유체기계를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라서 설명하면 다음과 같다.

제8도의 (8a)(8b)에서 크랭크축 방향에 나란히 놓인 1쌍의 스크롤로 구성되면서 하나의 스크롤기초원 중심을 다른 하나의 스크롤 기초원중심이 선회하는 스크롤 유체기계에 있어서, 고정스크롤 기초원중심(0₂)이 크랭크축 중심(0₁)으로 부터 거리는 선회반경의 10%이내 이고 각도는 직각의 범위내에 위치시킨다.

상기 크랭크축 중심(0₁)을 원점으로 하면서 흡입완료 시점의 선회스크롤 중심(0₃)의 각도가 0˚인 좌표계에서, 고정스크롤 중심(0₂)의 직각 범위는 -45˚∼+45˚로 구성한다. 도면중 미설명 부호 20은 선회스크롤 랩, 21은 고정스크롤 랩을 나타낸 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 스크롤형 유체기계의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

제8도의 (8a)(8b)는 본 발명의 편심된 고정스크롤 중심(0₂)의 위치를 나타낸 것이고, 제7도는 종래의 스크롤 중심위치로, 고정부재경판의 중심과 크랭크 축의 중심(0₁)그리고 고정스크롤의 중심(0₂)이 모두 일치하였으나, 본 발명에서는 토오크변동량이 최소가 되는 최적의 위치로 고정스크롤의 중심(0₂)을 잡고자 한다.

압축기 조립의 편리성을 위해 고정부재경판의 중심과 축의 중심은 일치시키되 초기에 스크롤 가공시 스크롤 기초원의 중심을 최적의 위치에 잡고 가공하면 최적의 위치로 중심이 편심된 고정스크롤을 얻을 수 있다.

현재 스크롤 가공은 모두 CNC가공을 이용하므로 편심된 위치에 중심이 오도록 프로그램을 입력하여 가공하면 편심되지 않고 고정스크롤 가공과 동일하게 된다.

일단 고정스크롤 중심이 편심되면 선회스크롤의 중시미과 크랭크축핀의 중심도 같은 양만큼 편심시키면, 그 후의 가공 및 조립공정은 전과 같게 된다.

최적의 고정스크롤 중시(0₂)을 정하기 위하여 우선 스크롤부에 작용하는 가스력으로부터 각 지지부에 작용되는 힘을 구하는 방정식은 다음과 같다.

고정부재의 기초원 중심이 크랭크축 중심에서 (r_e, α₁)만큼 편심되었을 때, 슬라이더부시에 작용하는 각종 힘들의 작용도인 제10도에서 힘과 모멘트의 평형을 구하면

과 같다. 여기서 Fsbt, Fsbr는 각각 선회스크롤이 슬라이더 부시에 주는 접선방향 및 반경방향의 힘들이고, Fcbl는 슬라이더 부시의 원심력, Fbl은 크랭크핀이 슬라이더 부시에게 주는 힘 즉 구동력이다. d와 r₁₃는 각각 프랭크축 중심에서 선회스크롤까지의 거리이고, wbl는 선회스크롤 중심에서 크랭크핀 구동면까지의 거리를 나타낸다. Tsb는 슬라이더 부시가 선회스코롤로부터 받는 토크이다.

식(1)∼(3)으로 부터 크랭크핀 구동력과 작용점을 각가 다음과 같이 구한다.

따라서 압축기 구도토크는,

이 되며, 더 간략화하면

으로 표현된다. 여기서 r₁₃와 α₃는 제10도의 기하학적인 관계로부터 선회반경 r_a과 고정부재의 편심(r_e, α₁)으로 나타낼 수 있다. 그런데 선회스크롤이 슬라이더 부시에 작용하는 접선방향의 힘 Fsbt에 관해서는 슬라이더 부시에 작용하는 힘과 모멘트의 평형으로부터는 단지 다음과 같은 반경방향의 힘 Fsbr과의 관계식만을 얻을 수 있을 뿐이다.

따라서 접선방향의 힘 Fsbt을 구하기 위해서는 선회스크롤의 운동을 함께 고려해 주어야 한다. 선회스크롤과 선회스크롤의 자전방지 기구인 올담링에 작용하는 힘과 모멘트, 그리고 위의 슬라이딩 부시에 작용하는 접선방향의 힘과 반경방향의 힘의 관계식인 식(7)이 함께 하여서, 미지수 9개에 식이 9개인 9원 1차 연립방정식이 나온다.

이를 매트릭스꼴로 표현하면 다음과 같다.

여기서

그런데 매트릭스 A에서

이며 각 기호들은 다음을 나타낸다. b:올담링 키높이, c: 선회부재 기판 상단면에서 무게 중심까지 거리, 1:선회부재 보스길이, m_or: 올담링 질량, Rox,Roy: 올담링의 장축 및 단축 반경, r_sb:선회부재 보스내경, y_r=ra sinθ:올담링이 프레임상에서의 움직인 거리이다.

또한 매트릭스 B에서 Fc는 선회스크롤의 원심력이고 Fa, Ftg, Frg는 각각 선회스코롤에 작용하는 축방향, 접선방향, 그리고 반경방향으로의 가스력이다. 우리가 얻고자 하는 미지수들은 매트릭스 F에 있다.

식(8)에서 필요로하는 입력으로는 스크롤부재의 각 칫수들과 또한 선회스크롤에 작용하는 각종 힘들 중에서 각 방향으로의 가스력들이다. 여기서는 3마력급 스크롤 압축기를 대상으로 계산을 수행하였다.

그러므로, 상기의 고정스크롤 중심(0₂)을 각 좌표로 표시하여 위치각도에 따른 그리고 중심으로 부터의 거리에 따른 토오크 변동량을 제9도의 (9a)(9b)(9c)를 통하여 그래프로 토오크의 변화량을 나타내었다. 즉, 제9도의 (9a)에서 X축은 크랭크각도를 나타낸 것이고, Y축은 r_e/ r_a비를 나타낸 것으로, r_e/ r_a율 비율에서 0.06가 가장 적은 토오크변동량을 나타낸다. 그러므로 크랭크축 중심에서 고정스크롤 중심은 0.06(6%)내에 위치하는 것이 가장 적은 토오크 변동량을 방생시킨다.

제9도의 (9b)는 고정스크롤 중심을 적정위치( r_e/ r_a=0.06)에 위치시키고 크랭크각도는 0˚∼135˚범위에서 토오크 변동량을 45˚간격으로 나타났을 때, 45각도에서 가장 적은 토오크변동을 나타남을 알 수 있다.

그리고, 제9도의 (9c)는 고정스크롤 중심을 적정위치( r_e/ r_a=0.06)에 위치시키고 크랭크각도는 180˚∼315˚범위에서 45도 간격으로 토르크 변동량을 나타낸 것으로, 315˚도가 가장 적은 토오크 변동량을 나타남을 알 수 있다.

그러므로, 상기의 실험결과로 고정스코롤 중심은 크랭크축으로부터 6%범위에 위치하는 것이 가장 이상적인 위치이면서 고정스크롤 중심 각도는 -45˚∼+45˚ 범위에 위치하는 것이 가장 적은 토오크변동량을 가질 수 있다.

또한, 고정스크롤의 최적의 중심위치는 스크롤형상에 따라 변화는 값이므로 다양한 스크롤형상을 가지는 스크롤 유체기계에 모두 적용이 가능하여 스크롤유체기계의 스크롤 최적의 중심 위치를 찾을 수 있다.

상기, 제(8a)도의 조립이 완료된 시점에 축 중심에 원점을 갖는 X,Y좌표를 고정스크롤에 표시할 때 X축이 흡입완료 시점 즉, 스크롤 양끝단이 모두 접촉하여 가장 큰 포겟을 형성했을 때, 원점으로 부터 선회스크롤 중심으로 X축을 정하고 선회하는 방향이 (+)양이 되도록 Y축을 정하여 고정좌표 X,Y가 정해지면, 그 X,Y좌표로 부터 고정 스크롤 중심의 위치를 원점(크랭크축 중심)으로 부터 거리는 선회반경 10%이내 이면서 각도는 -45˚∼+45˚ 인 곳에 좌표로 정해주면 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 스크롤형 유체기계는, 크랭크축 방향에 나란히 놓인 1쌍의 스크롤로 구성되면서 하나의 스크롤기초원 중심으로 다른 하나의 스크롤 기초원중심이 선회하는 스크롤 유체기계에 있어서, 고정스크롤 기초원중심(0₂)이 크랭크축 중심(0₁)으로 부터 거리는 선회반경의 10%이내 이고 각도는 직각의 범위내에 위치하도록 구성하고, 상기 크랭크축 중심(0₁)을 원점으로 하면서 흡입완료 시점의 선회스크롤 중심(0₃)의 각도가 0˚인 좌표계에서 고정스크롤 중심(0₂)의 직각범위는 -45˚∼+45˚로 정하여 줌으로써, 토오크변동량을 최소화 시킬수 있는 효과를 얻을 수 있어, 스크롤 압축기의 효율 상승과 진동을 감소시킬 수 있는 효과를 얻는다.

Claims (2)

1. 크랭크축 방향에 나란히 놓인 1쌍의 스크롤로 구성되면서 한의 스크롤기초원 중심을 다른 하나의 스크롤 기초원중심이 선회하는 스크롤 유체기계에 있어서, 고정스크롤 기초원중심이 크랭크축 중심으로 부터 거리는 선회반경의 10%이내 이고 각도는 직각의 범위내에 위치하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.
2. 청구항 제1항에 있어서, 상기 크랭크축 중심을 원점으로 하면서 흡입완료시점의 선회스크롤 중심의 각도 0˚인 좌표계에서 고정스크롤 중심의 각가 범위는 -45˚∼+45˚로 구성하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 유체기계.