KR100284851B1 - 스크롤 압축기의 과압축 방지장치 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 압축기가 설정 압력 범위를 벗어나서 운전되는 것을 방지하기 위한 스크롤 압축기의 과압축 방지장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 고정스크롤의 배면에 형성되어 고압부, 흡입부, 중간압부와 연통되는 적어도 하나의 홈과, 홈에 삽입되어 고압부와 흡입부, 고압부와 중간압부를 개폐하는 적어도 하나의 밸브부와, 토출부와 연통되는 토출구를 가지며, 밸브부의 상부 높이를 제한하는 적어도 밸브안착부를 포함한 것을 특징으로 하며,

이에 따라, 압축기가 정상조건에서 벗어나 운전되는 경우, 즉 초기 기동시나 과압축시, 또는 고압력비 조건일 경우 냉매를 고압부에서 저압부측으로 신속히 우회시킴으로써 냉매가 적정압력으로 유지되어 압축기 내에서 냉매의 압축과정이 원활히 진행되는 이점이 있다.

Description

스크롤 압축기의 과압축 방지장치{Device preventing over compression in scroll compressor}

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매의 토출압력 대 흡입압력의 비가 설정 범위에서 벗어나면 냉매를 고압부에서 저압부로 우회시켜 과압축에 따른 손실을 최소화하기 위한 과압축 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) 사이의 토출부(10)를 통해 압축기구부에서 압축된 냉매를 토출실(8)로 보내도록 되어 있다.

통상적으로 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 냉매는 토출부(10)를 통해 상부격막(1)과 상부 쉘(2)로 이루어진 토출실(8)내로 토출되며, 토출파이프(18)를 통해 냉매 사이클의 응축기로 유입된다.

이상은 압축기가 정상적으로 운전되는 경우로서, 스크롤 압축기는 그 압력비(토출압력대 흡입압력의 비)가 항상 정상상태를 유지하는 것이 아니고 다양한 이유로 인하여 수시 변동되면서 운전된다.

즉, 초기 기동시나 과압축이 발생될 경우에는 압력비의 변동이 커지는 상태이므로 적정한 중간압으로 조정함이 바람직하며, 이를 위해 도 3에 도시한 바와 같이 압축도중의 중간압력을 우회시켜 토출부(10)로 공급하는 바이패스 밸브(19)를 설치한 것이다.

이러한 바이패스 밸브(19)는 고정스크롤(7)의 중간압 위치에 토출포트(15)를 중심으로 대칭으로 형성된 2개의 중간압 유로(20)와, 중간압 유로(20)의 상단면부에 형성된 판형의 밸브(21)와, 밸브(21)의 거동 높이를 제한하는 리테이너(22)로 구성된다.

이와 같이 구성된 상태에서 초기 기동시나 토출부(10)의 압력이 중간압보다 작은 경우 압력 발란스에 의해 중간압력이 밸브(21)를 위로 밀어주게 되어 냉매가 토출부(10)로 우회되며, 토출된 냉매는 압력이 상대적으로 낮은 냉매와 혼합되어 정상적인 압력을 유지하는 것이다.

반대로, 정상운전시에는 토출부(10)의 압력이 중간압보다 크기 때문에 중간압 유로(20)가 밸브(21)에 의해 닫힌 상태가 되어 압축행정을 계속 진행하게 된다.

그러나, 이러한 구조는 밸브가 판형 스프링의 기능을 갖게 되어 2개의 밸브가 동시에 열리지 않는 단점이 있다. 따라서, 압축실내의 압력이 언발란스되어 토크의 변동 및 진동 발생이 심하며, 밸브를 열어 냉매를 우회시키는 시간이 지연되어 충분한 과압축 손실 대책효과가 얻어지지 않는다.

또한, 압력비(토출압력/흡입압력의 비)가 커지는 경우에는 적절한 대책이 없는 관계로 압축기는 상당한 부하를 받게 되며, 이로 인해 압축되는 냉매의 온도가 상승된다. 이러한 열에 의해 고정스크롤과 선회스크롤 사이의 일부에서 유막이 깨질 경우 고정스크롤과 선회스크롤이 금속접촉을 하면서 운전되어 이 부분에서 고열이 발생되며, 오일이 탄화되고 심하게는 고정스크롤과 선회스크롤이 서로 눌러 붙게 되어 압축기의 작동 불능 상태를 초래하게 된다.

특히, 공조기, 냉동기의 설치 또는 이동 등의 이유로 압축기에 냉매 유입을 중단한 상태에서 운전시켜 냉매를 회수하는 경우에는 압축기 내부의 압력이 급속도로 낮아져 결국 진공에 가깝게 되므로 전원 공급 단자끼리 통전되어 용융·소손되는 상태를 초래할 수도 있다.

이를 해결하기 위하여 도 4에 도시한 바와 같이 특허 공고번호 96-9872에서는 토출압이 흡입압보다 과도하게 높은 경우, 즉 압력비가 설정 압력비 이상이 되면 밸브(21')를 아래로 이동시켜 토출부(10)의 냉매를 흡입실(9)측으로 우회시키는 방안을 제안하였다.

즉, 이 바이패스 밸브(19')는 흡입압력과 토출압력의 합이 중간압력보다 높은 경우에는 개방되어 토출부(10)와 흡입실(9)이 연통되며, 이외의 경우에는 폐쇄되어 정상적인 냉매 압축과정을 수행하는 것이다.

그러나 이러한 바이패스 밸브의 구조는 각 실의 압력에 의해서만 동작되므로 정확한 압력을 설정해야 하는 어려움과 아울러 정밀한 작업이 요구되어 작업성이 저하되며, 냉매가 토출부와 흡입실 사이에서만 연통되므로 압력 변동폭이 커 중간치의 압력에 대한 반응성이 저하되며, 적정압력을 유지하는 시간이 지연되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 점을 감안하여 제안된 것으로, 압축기 내에서 이상 압력비로 운전되는 경우 냉매를 고압측에서 저압측으로 신속히 우회시켜 빠른 시간내에 적정압력조건에서 운전되도록 하는 스크롤 압축기의 과압축 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 바이패스 밸브 제 1 실시예의 구성도이고,

도 4는 종래 스크롤 압축기의 바이패스 밸브 제 2 실시예의 구성도이고,

도 5는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 바이패스 밸브 구성도이고,

도 6은 본 발명에 따른 바이패스 밸브의 동작도로서,

도 6a는 초기 기동시나 과압축시의 경우이고,

도 6b는 고압력비 조건일 경우이고,

도 7은 본 발명에 따른 플레이트 밸브 형상도이고,

도 8은 본 발명에 따른 밸브 시트 형상도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

7 : 고정스크롤7a : 흡입부측 유로

7b : 중간압부측 유로101 : 흡입부

102 : 중간압부103 : 토출부

104 : 홈105 : 피스톤 밸브

105a : 홀105b : 요홈부

106 : 밸브시트106a : 토출구

107 : 볼트108 : 오링

109 : 플레이트 밸브109a : 본체

109b : 다리110 : 스프링

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 과압축 방지장치는, 고정자와 회전자로 이루어진 전동기구부, 상기 전동기구부로부터 구동력을 제공받아 냉매를 압축하는 고정스크롤과 선회스크롤로 이루어진 압축기구부를 포함한 스크롤 압축기에 있어서:

(1) 냉매 압축 전인 흡입부, 냉매 압축이 진행중인 중간압부, 냉매 압축이 완료된 토출부와 연통되도록 상기 고정스크롤의 배면에 형성된 적어도 하나의 홈;

(2) 상기 홈 내에서 상, 하 직선운동하면서 상기 흡입부를 개폐하는 피스톤 밸브;

(3) 상기 피스톤 밸브를 탄력적으로 지지하는 탄성부재;

(4) 상기 피스톤 밸브를 관통하여 상기 중간압부와 연통된 관통홀;

(5) 상기 관통홀을 개폐하는 플레이트 밸브; 및

(6) 상기 토출부와 연통되는 토출구를 가지며, 상기 피스톤 밸브의 거동 높이를 제한하는 적어도 하나의 밸브안착부를 포함한다.

바람직하기로, 상기 고정스크롤에는 상기 홈과 연통되는 흡입부측 유로 및 중간압부측 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 플레이트 밸브는 원형의 본체에 방사상으로 다수의 다리가 형성된 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 밸브안착부는 환형의 단일 플레이트에 상기 홈의 개수에 대응되는 토출구를 갖는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하면, 각 부분의 압차에 따라 2개의 밸브가 각각 거동되며, 각 밸브의 거동에 따라 토출부와 흡입부, 토출부와 중간압부 사이에서 냉매의 우회가 이루어짐을 알 수 있다.

그 결과, 압축기의 압력비가 설정 압력비보다 현저히 크거나 작을 경우 냉매의 우회가 이루어져 항상 적정 압력비를 유지하면서 운전되므로 초기 기동시에 과압축을 방지할 수 있음은 물론 고압력비 조건에도 원활히 대처할 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 과압축 방지장치의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 바이패스 밸브 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 바이패스 밸브 동작도로서, 도 6a는 초기 기동시나 과압축시의 경우이고, 도 6b는 고압력비 조건일 경우이고, 도 7은 본 발명에 따른 플레이트 밸브의 형상도이고, 도 8은 본 발명에 따른 밸브 시트의 형상도이다.

본 실시 예에 따른 스크롤 압축기의 바이패스 밸브는 고정스크롤(7) 배면의 중간압 위치에 2개소 형성되는 것으로, 도 5와 같이 흡입부(101) 및 중간압부(102) 및 토출부(103)와 연통되어 실린더 역할을 하는 홈(104)에 피스톤 밸브(105)가 삽입되며, 피스톤 밸브(105)의 상부에는 밸브 시트(106)가 피스톤 밸브(105)의 높이를 제한하기 위해 볼트(107)에 의해 고정되고, 피스톤 밸브(105)와 홈(104)의 사이는 오링(108)에 의해 밀봉된다.

피스톤 밸브(105)의 중앙부에는 중간압부(102)와 통하는 홀(105a)이 형성되며, 이 홀(105a)의 토출부측 단부는 요홈형상을 이루고, 이 요홈부(105b)에는 홀(105a)을 개폐하기 위해 플레이트 밸브(109)가 안착된다.

이때, 플레이트 밸브(109)는 도 7과 같이 원형의 본체(109a)에 방사상으로 다수의 다리(109b)를 구비하여 다리(109b)에 의해 형성되는 틈으로 냉매가 통하도록 함이 바람직하다.

또한, 피스톤 밸브(105)의 하부에는 이를 탄력적으로 지지하기 위한 스프링(110)이 위치하여 중간압과 함께 피스톤 밸브(105)를 상, 하 이동시키게 된다.

밸브 시트(106)는 홈(104)의 개수와 동일하게 형성하거나 도 8과 같이 환형의 단일 플레이트에 각 홈(104)의 개수와 동일한 개수의 토출구(106a)를 가지도록 형성할 수도 있다.

아울러, 고정스크롤(7)에는 홈(104)과 통하는 흡입부측 유로(7a) 및 중간압부측 유로(7b)를 구비함이 바람직하다.

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

먼저, 초기 기동시나 과압축이 발생될 경우에는 도 6a와 같이 중간압부(102)의 압력 및 스프링(110)에 의한 탄성력이 토출부(103)의 압력보다 큰 상태이므로 피스톤 밸브(105) 및 플레이트 밸브(109)를 상부로 밀어 피스톤 밸브(105)에 의해 흡입부측 유로(7a)는 폐쇄되고 플레이트 밸브(109)에 의해 홀(105a)은 개방된다.

이에 따라, 냉매는 고압부에서 저압부, 즉 중간압부(102)에서 토출부(103)측으로 우회하게 되며, 고압부와 저압부의 압력이 서로 상쇄되어 적정 압력범위를 유지할 수 있게 된다.

반대로, 고압력비 조건으로 운전될 경우에는 도 6b와 같이 중간압부(102)의 압력 및 스프링(110)에 의한 탄성력이 토출부(103)의 압력보다 작은 상태이므로 피스톤 밸브(105) 및 플레이트 밸브(109)를 아래로 밀어 흡입부측 유로(7a) 및 토출구(106a)는 개방되고, 홀(105a)은 폐쇄된다.

이에 따라, 냉매는 고압부에서 저압부, 즉 토출부(103)에서 흡입부(102)측으로 우회하게 되며, 마찬가지로 고압부와 저압부의 압력이 서로 상쇄되어 적정 압력범위를 유지하는 것이다.

마지막으로, 정상운전일 경우에는 도 5와 같이 토출부(103)의 압력이 중간압부(102)의 압력보다 큰 상태이므로 플레이트 밸브(109)는 폐쇄되고, 토출부(103)의 압력이 스프링(110)에 의한 탄성력보다는 작으므로 피스톤 밸브(105)는 상승하여 흡입부측 유로(7a)를 폐쇄하는 상태가 된다.

즉, 각 밸브(105)(109)가 모두 폐쇄된 상태이므로 정상적으로 냉매 압축이 진행된다.

각 경우의 압력 발란스 상태를 수식으로 나타내면 아래와 같다.

피스톤 밸브(105)의 상부에서 이를 누르는 힘은 Pd·Ad(Pd:토출압, Ad:작용면적)와 P₀·A₀(P₀:밸브시트가 접촉하는 환형 면적의 압력, A₀:작용면적)이며, 피스톤 밸브(105) 하부에서 미는 힘은 Pi·Ai(Pi:중간압, Ai:작용면적)와 Fk(스프링의 탄성력)이다.

따라서, 피스톤 밸브(105)가 밸브시트(106)에 안착되고 플레이트 밸브(109)가 개방될 경우, 즉 초기 기동시나 과압축시에는 Pd·Ad + P₀·A₀＜ Pi·Ai + Fk가 되며,

피스톤 밸브(105)가 밸브시트(106)로부터 이격되어 흡입부측 유로(7a)가 개방되고 플레이트 밸브(109)가 폐쇄될 경우, 즉 고압력비 조건일 경우에는 Pd·Ad + P₀·A₀＞ Pi·Ai + Fk이 되며,

정상운전시에는 Pd·Ad + P₀·A₀≒ Pi·Ai + Fk이 된다.

상기에서는 편의상 홈(104)과 피스톤 밸브(105)의 마찰력, 피스톤 밸브(105)의 하중, 플레이트 밸브(109)의 하중은 무시하였지만 실제 설계에 있어서는 이를 전부 고려해야 하며, 특히 스프링(110)의 탄성력과 각 부분의 압력과의 관계를 조합한 최적인 설계 조건을 설정해야 함은 자명한 일이다.

한편, 비교 예로서 종래의 기술, 즉 다시 말해서 중간압부에 냉매 우회장치를 설계함에 있어 판형 밸브를 형성하거나 냉매가 토출부와 흡입부 사이에서 직접 우회되도록 형성한 것과 달리, 본 발명은 각 부분의 압차에 따라 중간압부와 토출부, 토출부와 흡입부를 연통할 수 있는 구조임을 알 수 있다.

이 결과에서, 본 발명에 의하면 어떠한 운전조건하에서도 이를 신속히 대처할 수 있는 이점이 있으며, 다기능을 갖는 반면 설치가 간단하여 제조원가를 절감할 수 있는 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 초기 기동시나 과압축시, 또는 고압력비 조건일 경우 냉매를 고압부에서 저압부측으로 신속히 우회시킴으로써 냉매가 적정압력으로 유지되어 압축기 내에서 냉매의 압축과정이 원활히 진행되는 효과가 있다는 것이다.

Claims (4)

1. 고정자와 회전자로 이루어진 전동기구부, 상기 전동기구부로부터 구동력을 제공받아 냉매를 압축하는 고정스크롤과 선회스크롤로 이루어진 압축기구부를 포함한 스크롤 압축기에 있어서:

   (1) 냉매 압축 전인 흡입부, 냉매 압축이 진행중인 중간압부, 냉매 압축이 완료된 토출부와 연통되도록 상기 고정스크롤의 배면에 형성된 적어도 하나의 홈;

   (2) 상기 홈 내에서 상, 하 직선운동하면서 상기 흡입부를 개폐하는 피스톤 밸브;

   (3) 상기 피스톤 밸브를 탄력적으로 지지하는 탄성부재;

   (4) 상기 피스톤 밸브를 관통하여 상기 중간압부와 연통된 관통홀;

   (5) 상기 관통홀을 개폐하는 플레이트 밸브; 및

   (6) 상기 토출부와 연통되는 토출구를 가지며, 상기 피스톤 밸브의 거동 높이를 제한하는 적어도 하나의 밸브안착부를 포함한 스크롤 압축기의 과압축 방지장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정스크롤에는 상기 홈과 연통되는 흡입부측 유로 및 중간압부측 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 과압축 방지장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 플레이트 밸브는 원형의 본체에 방사상으로 다수의 다리가 형성된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 과압축 방지장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 밸브안착부는 환형의 단일 플레이트에 상기 홈의 개수에 대응되는 토출구를 갖는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 과압축 방지장치.