KR100284850B1 - 스크롤 압축기의 역회전 방지장치 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 압축기의 운전정지시 각 기구부의 역회전을 방지하기 위한 스크롤 압축기의 역회전 방지장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 적어도 하나의 가이드홈을 가진 주축과, 주축의 정회전방향과 동일방향의 경사면을 포함한 적어도 하나의 걸림턱 및 주축의 가이드홈과 결합되는 적어도 하나의 돌기를 가지며 주축의 회전에 연동하여 상하 직선운동하는 가동체와, 가동체의 걸림턱과 대응되는 적어도 하나의 걸림턱을 가지며 상부프레임이나 하부프레임 중 어느 하나에 고정된 고정체를 포함한 것을 특징으로 하며,

이에 따라, 간단한 구조의 스토퍼를 이용하여 주축이 역회전되는 것을 근본적으로 해결할 수 있어 역회전시 발생되는 심한 소음이나 기구부의 손상을 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.

Description

스크롤 압축기의 역회전 방지장치{Device preventing opposite revolution in scroll compressor}

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토출실과 압축실의 압력차이로 생긴 냉매의 역류에 의해 각 기구부가 역회전하는 것을 방지하기 위한 역회전 방지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 스크롤 압축기는 다른 종류의 압축기들에 비해 넓은 용량의 범위에서 우수한 동적 성능을 갖고 있고, 주로 공조기 및 냉동기 등에 사용되는 압축기의 한 형태이다.

스크롤 압축기의 주요부분은 도 1과 같이 상부격막(1)을 통해 구분된 상,하부 쉘(2)(2a), 회전자(3) 및 고정자(4)로 된 전동기구부와, 전동기구부의 구동력을 주축(5)을 통해 전달받아 냉매를 흡입·압축하는 선회스크롤(6) 및 고정스크롤(7)로 이루어지는 압축기구부 등으로 되어 있고, 상부격막(1)을 중심으로 윗쪽은 토출실(8), 아래쪽은 흡입실(9)로 이루어지며, 흡입실(9)과 토출실(8)을 구분하는 상부격막(1)과 고정스크롤(7) 사이에 설치된 첵밸브(10)를 통해 압축기구부에서 압축된 냉매를 토출실(8)로 보내도록 되어 있다.

따라서 압축기 쉘(2)(2a)안의 압력 분포는, 흡입파이프(11)를 통해 냉매를 유입하는 흡입실(9)은 저압측이 되고, 압축기구부를 거쳐서 유입되는 상부 쉘(2)의 토출실(8)은 상대적인 고압측을 형성한다.

흡입파이프(11)를 통해 유입되는 냉매는 고정스크롤(7)과 선회스크롤(6)에 형성된 인벌류트 곡선 랩(Wrap)의 압축챔버 안으로 흡입되어 지고, 전동기구부의 회전자(3)가 회전하여 주축(5)을 회전시키면, 상부프레임(12)과 구동부시(13) 위에 있는 올담링(14)이 선회스크롤(6)과 한방향 키이홈으로 연결되어 주축(5)의 회전운동을 선회스크롤(6)의 선회운동으로 바꾼다.

선회스크롤(6)의 선회 각도에 따르는 냉매 압축과정은 도 2와 같다. 여기서 A는 선회방향이고, S1은 선회운동중심=주축중심=고정스크롤중심이다. 선회스크롤 랩이 0°에서 고정스크롤의 바깥쪽 랩과 떨어져 흡입유로를 형성할 때 이를 통해 유입된 냉매가 선회각도에 따라 두 스크롤 랩이 형성한 두 개의 반달형 압축챔버를 스크롤 중앙으로 모아가며 압축을 진행한다.

결국 중앙으로 모아진 압축챔버는 고정스크롤(7) 배면에 있는 토출포트(15)에서 열리게 되고 토출된 압축 냉매에 의해 첵밸브(10)가 열리게 되어 상부격막(1)과 상부 쉘(2)로 이루어진 토출실(8)내로 토출되고 토출파이프(18)를 통해 압축된 냉매를 냉동·공조 사이클 등으로 보내게 된다.

상기와 같은 일련의 과정은 압축기가 정상적으로 운전될 경우에 관하여 기재한 것으로, 압축기의 운전이 정지되면 토출실(8) 내부의 압력이 냉매의 토출압력보다 커지게 되므로 냉매가 토출실(8) 내부로부터 흡입실(9)측으로 역류되는 현상이 발생된다.

이러한 역류현상으로 인해 각 스크롤(6)(7) 및 회전자(3)가 역회전하게 되면 심한 소음이나 기구부의 파손을 야기하므로 역류현상을 방지할 방안으로 실린더-피스톤형 첵밸브(10)를 제안하게 된 것이다.

실린더-피스톤형 첵밸브(10)는 도 3과 같이 고정스크롤(7)의 중앙부 토출포트(15)를 중심으로 그 가장자리 시트면부에 볼트(19)를 통해 지지되는 밸브하우징(16), 밸브하우징(16) 내부에서 고정스크롤(7)의 토출포트(15)에 센터링된 밸브부재(17)로 이루어진다.

또한, 밸브하우징(16)의 윗면은 상부격막(1)의 토출유로(20)를 따라 토출실(8)과 통하는 통로(21)가 있으며, 내부는 밸브부재(17)를 습동시키는 작동공간(22)으로 비워져 있고, 고정스크롤(7)에 지지되지만 고정스크롤(7)과는 틈새를 형성하는 러그(23)(23a)가 있는 실린더형 밸브하우징(16)의 형태이며, 상대적으로 밸브부재(17)는 피스톤형상으로 이루어진다.

스크롤 압축기에서 이와 같은 실린더-피스톤형 첵밸브(10)는 판형 첵밸브에 비하여 작동공간과 거동 단면적을 충분히 확보하여 토출압력에 반응하는 거동면에서 안정적인 발전된 형태이다.

스크롤 압축기에서 첵밸브(10)의 중요한 역할은 압축된 냉매를 토출실(8)로 보내는 유로를 형성하는 것과, 토출실(8) 내부의 냉매 역류를 단속하여 각 스크롤(6)(7) 및 회전자(3)가 역회전하는 것을 방지하는 기능을 동시에 하는 것으로, 밸브의 동작을 살펴보면 아래와 같다.

압축기구부의 토출압력이 Pp이고 토출실(8)의 압력이 Pd인 조건에서, Pp < Pd이면 도 4a에 도시된 바와 같이 고정스크롤(7)의 토출포트(15)는 닫힌 상태가 되고, Pp > Pd이면 도 4b에 도시된 바와 같이 고정스크롤(7)의 토출포트(15)는 열린 상태가 된다.

즉, 고정스크롤(7)과 선회스크롤(6)의 랩으로 형성된 압축챔버내에서 압축된 냉매는 고정스크롤(7) 배면에 있는 토출포트(15)를 통해 선단에 놓여있는 밸브부재(17)를 밸브하우징(16) 내벽을 따라 부상시키면서 토출을 시작한다. 이때 밸브하우징(16) 내벽을 따라 부상되는 밸브부재(17)는 정상 운전이 계속되는 조건에서 밸브하우징(16)의 상단면부에 면접촉(도 4b) 부상상태를 유지하게 된다.

이렇게 밸브부재(17)가 토출압력 Pp의 힘으로 들어올려져 밸브하우징(16)의 작동공간(22)에 위치하는 조건은 정상운전 상태이며, 이때 압축된 냉매는 토출포트(15)를 통과하여 밸브하우징(16)의 러그(23)(23a) 높이 만큼의 냉매유로를 통해 상부격막(1)을 지나 토출실(8)로 이동한다.

운전정지시에는 압축기구부의 일이 정지되면서 흡입압력 Ps가 저하됨에 따라 토출압력 Pp은 급격히 떨어지고 동시에 상부 쉘(2)의 토출실(8)에 채워져 있던 압축된 토출 냉매가 상부격막(1)의 토출유로(20)를 지나 밸브하우징(16)의 통로(21)를 통해 밸브부재(17)를 Pd의 힘으로 가압하게 되며, 이로 인해 순간적으로 밸브부재(17)는 고정스크롤(7)의 토출포트(15)를 폐쇄하여 토출실(8) 또는 상부격막(1)의 공간사이에 잔류하는 토출 냉매의 역류를 막아주는 것이다.

따라서, 이와 같은 작용을 원활히 수행하기 위해 실린더-피스톤형 첵밸브(10)를 이루는 밸브하우징(16) 및 밸브부재(17)의 정밀 가공이 요구된다.

이와 같이 스크롤 압축기의 역회전 방지를 위해 첵밸브를 사용함에 있어 토출압력은 항상 일정하지 않으며, 따라서 밸브부재의 거동은 토출압력의 영향을 받게 된다.

즉, 정상운전시에는 토출포트를 지나는 토출압력이 토출실 내의 압력보다 상대적으로 높게 나타나므로 밸브부재가 부상하여 토출 냉매의 유로를 형성하고 위치적으로는 밸브하우징의 내벽 상단면에 붙어있는 위치를 유지하게 되나, 운전정지와 같은 이유로 흡입압력이 갑자기 낮아지면 압력비(토출압력/흡입압력)가 높아지는 것과 같기 때문에 토출포트에서의 압력은 토출실 내의 압력보다 작게되고, 이로 인해 토출실에 있던 냉매가 거꾸로 밸브하우징의 통로를 따라 역류하는 현상이 발생된다.

이때, 밸브부재는 밸브하우징의 윗면으로부터 떨어져 내려오다가 후기 토출압력이 정상적인 궤도에 오르는 시점에서 다시 밸브부재가 재 부상하여 밸브하우징의 상단면부를 타격하는 채터링(Chattering)현상으로 나타나고, 압력비 변동에 의한 일련의 연속적인 사이클에서는 밸브부재의 상하 거동으로 인해 금속부재간의 채터링 소음이 주기적이거나 간헐적으로 발생한다.

특히, 운전 주파수가 30∼40㎐와 같이 낮은 경우에는 이러한 밸브의 상하 거동이 심해져 소음 발생가능성이 더욱 커지게 된다.

밸브부재의 거동에 관여하여 소음에 영향을 주는 압력비의 변화는 압축기의 다양한 운전 조건 예컨대 설치위치, 시스템 또는 사용조건의 이상 등에서 흔히 발생되며, 구조적으로는 스크롤의 기하학적인 체적비(흡입체적/토출체적)가 작을수록 동일운전 조건이라도 역류하는 냉매량이 많아져 소음 발생 가능성이나 빈도가 높게 나타난다.

이러한 소음을 저감하기 위해서는 토출포트 부근에 일정한 공명공간을 가진 머플러 등을 설치할 수 있으나 토출포트 부근에는 역류 방지를 위한 실린더-피스톤형 첵밸브가 설치되므로 공간이 협소하여 머플러 설치의 위치적 제약이 수반된다.

따라서, 본 발명은 이러한 점을 감안하여 제안된 것으로, 다양한 운전 주파수에 상관없이 압축기의 운전정지시에 주축이 역회전되지 않도록 하는 스크롤 압축기의 역회전 방지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 스크롤 압축기의 종단면도이고,

도 2는 일반적인 스크롤 압축기의 냉매 압축과정 진행도이고,

도 3은 종래 스크롤 압축기의 밸브기구부 및 그 요부 상세도이고,

도 4는 종래 스크롤 압축기 밸브의 거동 상태를 표현한 단면도로서,

도 4a는 밸브부재가 토출포트를 폐쇄한 상태이고,

도 4b는 밸브부재가 밸브하우징의 상단면과 밀착된 상태이고,

도 5는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 역회전 방지장치 구성도이고,

도 6은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 역회전 방지장치에 제공되는 주축으로서,

도 6a는 정면도이고,

도 6b는 평면도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

101 : 주축102 : 스토퍼

103 : 지지체104 : 스토퍼의 걸림턱

105 : 경사면106 : 돌기

107 : 지지체의 걸림턱108 : 가이드홈

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 역회전 방지장치는, 고정자와 회전자로 이루어진 전동기구부, 상기 전동기구부의 구동력을 주축을 통해 전달받아 냉매를 흡입·압축하는 압축기구부, 상기 주축을 지지하는 상부프레임 및 하부프레임을 포함한 스크롤 압축기에 있어서:

(1) 상기 주축의 정회전방향과 동일방향의 경사면을 포함한 적어도 하나의 걸림턱과, 상기 주축과 결합되는 적어도 하나의 돌기를 포함하며, 상기 주축의 회전에 연동하여 상하 직선운동하는 가동체; 및

(2) 상기 가동체의 걸림턱과 대응되는 적어도 하나의 걸림턱을 가지며, 상기 상부프레임이나 상기 하부프레임 중 어느 하나에 고정된 고정체를 포함하며;

(3) 상기 주축은,

상기 가동체의 경사면과 반대방향의 기울기를 가지고 상기 가동체의 돌기와 결합되는 적어도 하나의 가이드홈을 포함한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하면, 압축기의 정상운전시에는 가동체가 주축에 의해 상승하여 고정체로부터 이격된 상태가 되며, 운전정지시에는 가동체가 하강하여 고정체와 걸리게 되므로 주축의 정회전시에는 가동체가 고정체와 걸리지 않아 정상운전이 가능하고, 역회전시에는 가동체가 고정체에 걸려 역회전이 방지됨을 알 수 있다.

그 결과, 다양한 압축비의 변화에 상관없이 압축기의 운전이 정지되면 주축의 역회전이 방지되어 다양한 압축비의 변화에 기인하는 소음이나 기구부의 손상을 미연에 방지할 수 있는 이점이 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

이 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 스크롤 압축기의 역회전 방지장치의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 역회전 방지장치의 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 역회전 방지장치에 제공되는 주축으로서, 도 6a는 정면도이고, 도 6b는 평면도이다.

본 실시 예에 따른 스크롤 압축기의 역회전 방지장치는 크게 도 5와 같이 원통형으로 구성되어 주축(101)의 외경에 삽입되는 스토퍼(102) 및 지지체(103)로 구성되며, 스토퍼(102)는 주축(101)의 회전에 따라 선택적으로 상하 직선운동하는 부분을 이루고, 지지체(103)는 도면상에 도시되지 않은 상부프레임이나 하부프레임에 고정되는 부분을 이루게 된다.

스토퍼(102)에는 대칭으로 형성된 2개의 걸림턱(104)이 있는데, 주축(101)의 정회전시 스토퍼(102)를 상승시킬 수 있도록 걸림턱(104)의 끝단으로부터 주축(101)의 정회전방향과 동일방향으로 경사된 경사면(105)을 가지며, 주축(101)의 회전과 연동하여 스토퍼(102)를 상승시킬 수 있도록 스토퍼(102)의 내경부에 2개의 돌기(106)를 갖는다.

또한, 지지체(103)는 스토퍼(102)의 걸림턱(104)과 대응되는 2개의 걸림턱(107)을 가지며, 주축(101)에는 도 6과 같이 스토퍼(102)의 돌기(106)가 결합되어 가이드되는 2개의 가이드홈(108)이 있고, 이 가이드홈(108)은 스토퍼(102)의 경사면(105)과 연동하여 스토퍼(102)를 상승시킬 수 있도록 스토퍼(102)의 경사면(105)과 반대방향의 기울기를 갖고 경사된다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 다음과 같은 동작을 한다.

먼저, 압축기의 운전이 정상상태일 경우, 즉 주축(101)이 정회전할 경우에는 스토퍼(102)의 경사면(105)이 지지체(103)의 걸림턱(107) 상부를 따라 미끄러지는 상승력과 정지해 있으려는 관성에 의해 스토퍼(102)의 돌기(106)가 주축(105)의 가이드홈(108)을 따라 상승하여 스토퍼(102)와 지지체(103)가 이격된 상태가 되므로 정상운전이 가능하다.

압축기의 운전정지와 같은 이유로 흡입압력이 갑자기 낮아지는 경우에 주축(101)은 정지하고, 스토퍼(102)에는 계속 돌려는 관성이 작용하여 스토퍼(102)는 주축(101)의 가이드홈(108)을 따라 하강하게 된다.

이런 상태에서 상부 토출측에서는 차압이 발생하여 냉매의 역류 현상이 발생되며, 이로 인해 주축(101)이 역회전되고 스토퍼(102)는 돌기(106)가 주축(101)에 결합되어 있는 관계로 주축(101)을 따라 역회전하다가 스토퍼(102)의 걸림턱(104)이 처음 만나는 지지체(103)의 걸림턱(107)에 걸리게 된다.

이와 같이, 스토퍼(102)의 걸림턱(104)과 지지체(103)의 거림턱(107)간 걸림에 의해 주축(101)의 역회전은 더 이상 진행되지 않는다.

따라서, 주축과 연결된 회전자(3) 및 선회스크롤(6)의 역회전도 발생되지 않게 된다.

이러한 구조를 적용하게 되면, 토출측에 형성된 첵밸브(10)의 기능 중 역회전 방지기능을 대신할 수 있으므로 정밀한 가공을 요하는 실린더-피스톤형 첵밸브 대신 냉매의 차압에 의해 토출을 수행할 수 있는 간단한 구조의 밸브로 대체할 수 있다.

한편, 비교 예로서 종래의 기술, 즉 다시 말해서 역회전 방지기구로 냉매의 토출측에 실린더-피스톤형 첵밸브를 설치한 것과 달리, 본 발명은 주축의 회전에 연동하여 주축의 역회전을 정지시킬 수 있도록 주축과 상/하부프레임이 접하는 위치에 스토퍼 및 지지체를 설치한 것을 알 수 있다.

이 결과에서, 본 발명에 의하면 운전주파수에 민감하지 않으며 토출구에 설치하지 않고 주축과 상/하부프레임이 접하는 위치에 설치가능하므로 저소음을 위한 머플러의 설치가 가능해지고, 가공의 정밀도가 높지 않아도 되므로 제조원가가 절감되며, 압축기의 용량에 따라서 크기를 변경할 필요가 없는 이점이 있다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 설명으로부터 분명한 것은, 본 발명은 간단한 구조의 스토퍼를 이용하여 주축이 역회전되는 것을 근본적으로 해결할 수 있어 역회전시 발생되는 심한 소음이나 기구부의 손상을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다는 것이다.

Claims (1)

1. 고정자와 회전자로 이루어진 전동기구부, 상기 전동기구부의 구동력을 주축을 통해 전달받아 냉매를 흡입·압축하는 압축기구부, 상기 주축을 지지하는 상부프레임 및 하부프레임을 포함한 스크롤 압축기에 있어서:

   (1) 상기 주축의 정회전방향과 동일방향의 경사면을 포함한 적어도 하나의 걸림턱과, 상기 주축과 결합되는 적어도 하나의 돌기를 포함하며, 상기 주축의 회전에 연동하여 상하 직선운동하는 가동체; 및

   (2) 상기 가동체의 걸림턱과 대응되는 적어도 하나의 걸림턱을 가지며, 상기 상부프레임이나 상기 하부프레임 중 어느 하나에 고정된 고정체를 포함하며;

   (3) 상기 주축은,

   상기 가동체의 경사면과 반대방향의 기울기를 가지고 상기 가동체의 돌기와 결합되는 적어도 하나의 가이드홈을 포함한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 역회전 방지장치.