KR100313894B1 - 스크롤 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 상기 스크롤 압축기에 형성되는 압축실 내에서 비선형적인 냉매의 압축에 따른 압력변화에 각 스크롤에 형성된 각 랩이 원활히 대응할 수 있도록 함과 함께 전체적인 스크롤 압축기의 크기와 압축효율이 사용자의 필요에 따라 동시에 만족시킬 수 있도록 하는데 있다.

이를 위해 본 발명은 본체(1)내에 고정되어 랩(wrap)(151)이 선회곡선(volute curve)을 이루면서 돌출 형성되어 있는 고정스크롤(150)과, 상기 고정스크롤에 형성된 랩(151)에 대응하여 별도의 랩(161)이 돌출 형성된 상태로써 고정스크롤(150)에 맞물려 상기 고정스크롤의 중심부에 대하여 일정 선회 동경을 가지면서 선회하는 선회스크롤(160)을 구비한 것에 있어서, 상기 각 스크롤의 랩(151)(161)이 이루는 선회곡선의 선회 동경(radius vector)을 “r”이라 하고, 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)를 “a”라 하며, 편향 각도(angle of deviation)를 “”라 할 때, “”의 관계를 가지도록 하여 상기 편향 각도 “”에 따른 랩(151)(161)의 피치 간격 및 랩의 두께가 상기 “

Description

스크롤 압축기{scroll type compressor}

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스크롤의 선회에 따라 냉매의 압축을 수행하는 스크롤 압축기의 각 스크롤 구조에 관한 것이다.

일반적으로 스크롤 압축기는 고효율, 저소음, 소형 및 경량성으로 인해 룸에어콘이나 자동차 에어콘분야의 주로 적용되는 압축기로써 대향되는 한 쌍의 스크롤에 의해 기체가스를 압축할 때 사용된다.

이와 같은 스크롤 압축기는 도시한 도 1과 같이 밀폐된 용기 형상의 본체(1)에 냉각 싸이클의 증발기(vaporizer)(2)로부터 냉매를 흡입하는 흡입관(11) 및 냉각 싸이클의 응축기(condenser)(3)로 냉매를 토출하는 토출관(12)이 각각 설치되어 있다.

상기 본체의 내부 상측에는 그 중앙부에 토출구(13b)가 형성된 고정스크롤(13)이 고정되어 있으며, 상기 고정스크롤은 그 하측면에 인벌류트 형상으로 랩(13a)이 돌출 형성되어 있다.

또한, 상기 고정스크롤의 하방에는 상기 고정스크롤과 상응하면서 결합되도록 상측에 인벌류트 형상의 랩(14a)이 형성된 선회스크롤(14)이 선회가능하게 설치되어 있다.

상기에서 고정스크롤(13)과 선회스크롤(14)에 형성된 각 랩(13a)(14a)의 측면은 상호 접속됨과 동시에 상기 각 랩 선단과 상대 스크롤 경판이 상호 맞닿도록 포개어진 상태로 설치됨으로써 압축실(유입된 냉매가 압축을 행할 수 있도록 밀폐된 상태로 점차 축소되는 공간)을 형성하게 된다.

또한, 상기 선회스크롤은 크랭크축(15)에 결합되어 본체(1)내 하부에 구비된모터(16)의 구동에 의한 회전력을 상기 크랭크축을 통해 전달받아 선회하게 되고, 올담링(Oldham’s rings)(17)에 의해 자전이 방지된 상태로 선회운동을 행하면서 압축실을 순차적으로 체적변화시켜 두 개의 스크롤(13)(14) 사이로 유입된 냉매가스를 압축시킨 후 고정스크롤(13)에 형성된 토출구(13a)를 통해 토출관(12)으로 토출시키도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 종래 스크롤 압축기의 작용을 보다 구체적으로 설명하면 후술하는 바와 같다.

우선, 모터(16)에 전원이 인가되면 크랭크축(15)이 회전하면서 그 상단부에 구비된 선회스크롤(14)을 선회시킨다.

이 때, 선회스크롤(14)의 하측과 본체(1)를 이루는 프레임의 상측 사이에 배치된 올담링(17)은 크랭크축(15)의 회전력에 의해 회전하려는 선회스크롤(14)의 회전력을 저지한 상태에서 그 형상만을 유지한 체 소폭의 진원을 형성하며 공회전 시킨다.

또한, 이와 같은 과정중에는 증발기(2)로부터 열교환을 이룬 후 흡입관(11)을 통하여 흡입된 저온 저압의 냉매는 도 2a에 도시한 바와 같이 고정스크롤(13)과 선회스크롤(14)에 각각 구비된 인벌류트 형상의 랩(13a)(14a)에 의해 형성된 유로의 입구를 통해 유입된 후, 도 2b, 2c와 같이 선회스크롤(14)의 계속적인 선회에 의해 그 면적이 점차 감소되면서 압축실의 내측 즉, 고정스크롤(13)의 토출구(13b)가 형성된 위치로 흘러간다.

이와 같이 냉매가 압축실로 흘러가는 도중 전술한 바와 같이 점차적인 체적감소에 의해 고온, 고압으로 압축됨은 이해 가능하며, 이렇게 압축된 냉매는 결국, 도 2d와 같이 고정스크롤(13)에 관통 형성된 토출구(13b)를 통하여 토출실(18)로 토출된 후 토출관(12)을 통해 응축기로 토출되고, 또한, 이 때에는 각 스크롤간의 결합으로 형성되는 압축실의 냉매 유입측을 통해 압축을 위한 냉매가 재 유입된다.

상기와 같은 작용을 수행하는 종래 스크롤 압축기는 상기 냉매가 압축실 측으로 갈수록 점차 압축되어야 함에 따라 선회스크롤 및 고정스크롤의 각 랩이 적정 위치에서 서로 밀착될 수 있도록 설계를 행하는 것이 중요한 요인의 하나이다.

이하, 상기 종래 스크롤 압축기의 선회스크롤 및 고정스크롤의 인벌류트 곡선 설계과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

최초, 도시한 도 3a와 같이 X축과 Y축 상의 중심을 기준으로 하여 반경 “a”를 가지는 가상의 기초원(20)을 형성한다.

상기와 같이 기초원(20)이 형성되면, 상기 기초원의 둘레중 어느한 지점 즉, X축으로부터 α만큼의 각도를 가지는 기초원(20) 둘레의 어느한 지점을 기점으로 하여 인벌류트(involute) 즉, 제1기본곡선(Basic-Curve)(21)을 형성한다.

이 때, 상기 기초원의 중심점과 제1기본곡선(21) 이루는 각도(인벌류트 각도; ψ)는 90-의 각도를 가지게 되며, 점차적으로 형성되는 제1기본곡선(21)의 각 지점은 X=a{cosψ+(ψ-α)sinψ}, Y=a{sinψ-(ψ-α)cosψ}의 관계를 이루게 된다.

또한, 스크롤(14)의 랩(wrap)(14a) 두께를 형성하기 위하여 도시한 도 3b와 같이 기초원(20)의 둘레중 -α의 각도를 가지는 지점을 그 시작점으로 하여 또 다른 인벌류트 즉, 제2기본곡선(22)을 형성한다.

즉, 최초 형성한 인벌류트 곡선(21)이 내측 인벌류트 곡선이라 한다면 이후 형성한 인벌류트 곡선은 외측 인벌류트 곡선(22)이 되며, 상기 각 인벌류트 곡선간의 간격에 의해 랩을 형성하기 위한 일정한 두께()가 이루어진다.

상기와 같이 하여 인벌류트의 설계가 완료되면 상기 설계완료된 인벌류트 곡선을 이용하여 도 3c와 같은 스크롤 압축기의 선회스크롤(14)을 형성하게 된다.

또한, 고정스크롤(13)은 도시한 도 4a, 4b, 4c와 같이 상기 선회스크롤의 형상과는 180。의 위상차를 준 형상으로써 구성하게 된다.

즉, 선회스크롤(14)의 형성을 위해 최초 기준점으로 정해졌던 기초원(20)과 동일 방법으로 기초원(30)을 형성하고, 상기 기초원의 일 지점을 기준으로 하여 각각의 선회곡선(31)(32)을 형성한 후 상기 각 선회곡선을 근거로 하여 스크롤 압축기의 고정스크롤(13)을 형성하게 되는 것으로써 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이 때, 상기 고정스크롤을 구성하는 랩(13a)의 최초 형성지점 즉, 상기 고정스크롤의 중앙부 저면에는 토출관(12)과 연통되도록 토출구(13b)를 형성하므로써 압축된 냉매가 토출될 수 있도록 한다.

또한, 상기와 같이 구성된 선회스크롤(14) 및 고정스크롤(13)에 형성된 각 랩(13a)(14a)의 적소가 서로 접촉하도록 하기 위해서는 상기 선회스크롤의 선회 반경()이 (P-2t)/2의 관계를 가져야만 한다.

상기에서 P는로써 각 스크롤에 형성된 랩(13a)(14a)의 피치(pitch)를 의미하고, t는 2aα로써 상기 랩의 두께(thickness)를 의미한다.

따라서, 모터(16)의 구동에 의해 선회스크롤(14)이 선회 반경()을 따라 선회하면서 압축실이 형성됨과 함께 상기 압축실 내부로 유입된 냉매는 그 압축이 이루어지게 되는 것이다.

하지만, 현 추세가 고효율을 유지한 상태로써 압축기의 소형화를 이룰 수 있도록 하는 연구가 진행되고 있음을 감안한다면 전술한 설계에 따른 각 스크롤의 랩 형성으로는 그 한계가 있게 된 것이다.

즉, 스크롤 압축기의 용량을 늘이기 위해서는 스크롤 압축기의 전체적인 크기를 증가하거나 혹은 각 스크롤에 형성된 랩의 높이를 높일 수밖에 없었던 것이다.

그러나, 이는, 압축기의 소형화를 이루기 위한 현 추세에 위배될 뿐만 아니라, 상기 각 스크롤에 형성된 랩의 높이를 증가시키게 될 경우 냉매의 압축에 따라 발생하게 되는 압력은 상기 증가된 랩의 높이만큼 그 작용점이 높아지게 됨으로써 상기 랩이 받게되는 전체적인 모멘트(moment)가 증가되어 결국, 신뢰성의 저하를 유발하게된 것이다.

이에 따라 전술한 바와 같은 각 문제점을 동시에 해소할 수 있도록 도 5와 같은 미국 특허 제5427512호와 같은 형상의 스크롤이 개발되기에 이르렀다.

이하, 상기와 같은 개선된 각 스크롤의 형상 및 그 형성 방법에 관해 보다 상세히 설명하면 후술하는 바와 같다.

우선, 상기 개선된 형태의 스크롤 압축기를 구성하는 각 스크롤(50)(60)의 형상은 압축실내로 냉매가 유입되는 측으로부터 토출구(52)를 통해 냉매가 유출되는 측으로 갈수록 상기 각 스크롤에 형성된 랩(51)(61)의 두께가 점차적으로 두꺼워지도록 대수적인 소용돌이(algebraic spiral)로써 형성한 것이다.

이는, 전체적인 압축실의 냉매 유입체적을 증가시킬 수 있도록 한 형태로써, 종래와 동일한 크기의 스크롤 압축기라 할 지라도 유입되는 냉매의 양 및 압축하는 냉매의 양을 더욱 증가시킬 수 있게 된다.

즉, 냉매 유입측으로 갈수록 각 스크롤(50)(60)에 형성된 랩(51)(61)의 두께가 얇아짐에 따라 종래에 비해 유입되는 냉매의 체적은 상기 랩의 얇아진 두께만큼 증가된 상태로써 냉매 유입측을 통해 유입됨과 함께 압축실 내에서 압축이 이루어지게 된 것이다.

이와 같은 형상의 각 스크롤(50)(60)은 종래 일반적인 스크롤(13)(14)의 형성방법과는 다른 형태로써 이루게 된다.

이는, 종래와 동일한 방법으로 각 스크롤을 설계한 상태에서 상기한 바와 같이 냉매 유입측으로부터 냉매 토출측으로 갈수록 랩의 두께를 두껍게 형성한다면, 선회스크롤의 선회에 따라 상기 선회스크롤과 고정스크롤에 형성된 각 랩간의 접촉지점이 각각 달라지거나 혹은 원활한 접촉이 이루어지지 않기 때문이다.

이하, 전술한 바와 같이 냉매 유입측으로부터 냉매 토출측으로 갈수록 랩의 두께를 두껍게 형성하되 선회스크롤의 선회에 따른 각 랩간의 접촉이 원활히 이루어질 수 있는 설계방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 도시한 도 6a와 같이 X축과 Y축 상의 중심을 기점으로 하여 제1기본 선회곡선(Basic-Volute Curve)(71)을 형성한다.

이 때, 상기 제1기본 선회곡선의 선회 동경(radius vector)은으로써 결국, 상기 제1기본 선회곡선은 상기인 (r,)의 극좌표(polar coordinate)에 의해 형성되어진다.

상기에서 a는 일반적인 계수(coefficient)를 뜻하고,는 편향각(angle of deviation)을 뜻하며, k는 대수적인 소용돌이를 이루기 위한 지수(exponent)값이다.

즉, 상기 편향각도()를 점차적으로 변화시키는 과정에서 기 설정된 k값을 대입함으로써 일정한 제1기본 선회곡선(71)이 형성되는 것이다.

상기와 같이 제1기본 선회곡선(71)이 형성되면, 도 6b와 같이 상기 제1기본 선회곡선을 기준으로 하여 Y축으로부터의 지점을 시작점으로 하여 상기 제1기본 선회곡선과 동일한 선회 동경을 가지는 제1선회곡선(72)을 형성하고, 상기 Y축으로부터의 지점을 시작점으로 하여 상기 제1기본 선회곡선과 동일한 선회 동경을 가지는 제2선회곡선(73)을 형성한다.

이 때, 상기값과값은 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있는 것으로써, 이는 사용자의 필요에 따라 혹은, 냉각 싸이클의 구조에 따라 각각 다르게 설정할 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기와 같이 형성되는 제1기본 선회곡선(71)과는 별도로 도 6c와 같이X축과 Y축 상의 중심을 기점으로 하여 상기 제1기본 선회곡선에 대하여 180。의 위상차를 가지는 제2기본 선회곡선(81)을 형성한다.

이 때, 상기 제2기본 선회곡선의 선회 동경(r) 역시 제1기본 선회곡선(71)의 선회 동경과 동일하다.

상기와 같이 제2기본 선회곡선(81)이 형성되면, 도 6d와 같이 상기 제2기본 선회곡선을 기준으로 하여 Y축으로부터의 지점을 시작점으로 하여 상기 제2기본 선회곡선과 동일한 선회 동경을 가지는 제3선회곡선(82)을 형성하고, 상기 Y축으로부터의 지점을 시작점으로 하여 상기 제2기본 선회곡선과 동일한 선회 동경을 가지는 제4선회곡선(83)을 형성한다.

이 때에도, 상기값과값은 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있음은 이해 가능하다.

전술한 바와 같이 하여 제1선회곡선(72), 제2선회곡선(73), 제3선회곡선(82), 제4선회곡선(83)이 형성되면, 이 각각의 선회곡선을 서로 조합하여 고정스크롤(50) 및 선회스크롤(60)의 랩(51)(61)을 형성하게 된다.

즉, 제1선회곡선(72)과 제4선회곡선(83)을 서로 조합하여 이루어진 하나의 스크롤을 근거로 하여 도 6e와 같은 선회스크롤(60)의 랩(61)을 형성하고, 제2선회곡선(73)과 제3선회곡선(82)을 서로 조합하여 이루어진 또 다른 하나의 스크롤을 근거로 하여 도 6f와 같은 고정스크롤(50)의 랩(51)을 형성하는 것이다.

이 때, 상기와 같이 형성된 각 랩은 서로간의 밀착을 원활히 하기 위해 별도의 가공공구(90)로써 가공을 행하게 되는데, 이에 따른 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기와 같이 형성된 선회스크롤(60)의 선회 반경(Orbiting Radius;)은혹은가 될 수 있도록 구성함으로써 상기 선회스크롤의 랩(61)은 냉매의 압축을 위한 압축실이 형성되도록 고정스크롤(50)의 랩(51)과 접촉할 수 있게 된다.

따라서, 냉매 유입측을 통해 고정스크롤(50) 및 선회스크롤(60)에 형성된 각 랩(51)(61)의 사이로 도 7a와 같이 냉매가 유입되면 상기 선회스크롤의 연속적인 선회에 의해 압축실이 형성됨과 함께 상기 냉매는 도 7b 및 도 7c와 같이 점차 압축되어가는 상태로써 냉매 유출측 즉, 토출구(52)가 형성된 측으로 유동한 후 도 7d와 같이 상기 토출구를 통해 응축기(3)로 토출된다.

이 때, 상기 냉매 유입측으로 유입되는 냉매의 양은 종래 일반적인 형상의 고정스크롤(13) 및 선회스크롤(14)을 사용하였을 때 냉매 유입측으로 유입되는 냉매의 양에 비해 더욱 많은 양을 유입할 수 있음에 따라 결국, 압축효율을 증가할 수 있었다.

한편, 일반적으로 스크롤 압축기의 냉매 유입측으로부터 유입되어 압축이 행하여지는 냉매는 비선형적으로 유입됨과 함께 비선형적으로 그 압축이 이루어진다.

즉, 각 스크롤(13)(14)(50)(60)에 형성된 각 랩(13a)(14a)(51)(61)이 곡선으로 이루어져 있음과 함께 상기 각 랩간의 접촉에 의해 형성되는 압축실의 형상 역시 비선형적으로 형성됨으로써 결국, 상기 압축실내에서의 냉매 압축은 비선형적으로 이루어지게 되는 것이다.

또한, 상기와 같이 압축실 내에서의 냉매 압축이 비선형적으로 이루어져 있음에 따라 상기 냉매의 압축에 따라 발생하는 압력 역시 비선형적으로 이루어지게 된다.

하지만, 종래 전술한 바와 같은 개선된 스크롤 압축기는 각 스크롤에 형성된 랩의 두께는 선형적인 증가 혹은 감소를 이루도록 형성되어 있음에 따라 냉매의 압축에 따른 압력 변화에 대하여 적절한 대응이 이루어지지 않게 된 문제가 있다.

이는, 각 스크롤의 랩이의 수식을 근거로 한 상태로써 선회곡선을 이루도록 형성할 때 상기 수식에서 지수(k)의 값이 편향각()의 변화에 관계없이 항상 일정하기 때문이다.

즉, 각 스크롤에 형성된 랩의 각 부분 중 냉매의 압축에 따른 압력을 비교적 많이 받게되는 랩의 일측부위가 상기 압력에 저항하기에는 부족한 두께를 이룰 수 있고, 반대로 냉매의 압축에 따른 압력을 비교적 적게 받는 랩의 일측부위가 상기 압력의 저항에 충분한 두께보다 더욱 두껍게 형성될 수 있게 된 것이다.

이에 따라 선회스크롤 및 고정스크롤에 형성된 각 랩간의 접촉이 연속적으로써 원활히 이루어지지 않게 되는 원인이 된다.

결국, 상기와 같은 원인에 의하여 압축실 내에서 냉매의 압축이 이루어지는 과정중 냉매의 누설등과 같은 문제점 역시 발생하게 되었다.

또한, 전술한 바와 같은 개선된 스크롤 압축기는 전체적인 스크롤 압축기의 구성을 위한 설계시에는 필요로하는 압축비를 감안하여 k의 값을 결정하였고, 상기 결정된 k의 값에 따라 스크롤 압축기를 구성하는 각 스크롤의 크기가 결정되었으며, 이로 인해 전체적인 스크롤 압축기의 크기가 결정되었다.

즉, 스크롤을 형성하기 위해 기본 선회곡선을 형성할 경우 상기 기본 선회곡선의 선회 반경을 증가시키게되면 랩의 두께가 전체적으로 두꺼워 질 수밖에 없었던 것이다.

이는, 사용자가 필요로하는 압축효율 및 스크롤 압축기의 전체적인 크기를 동시에 만족시키기에는 어려운 문제점을 발생하게 되었다.

즉, 상기 개선된 스크롤 압축기 역시 압축효율을 더욱 증가시키려고 한다면 스크롤 압축기의 전체적인 크기가 커질 수 밖에 없었고, 또한, 압축효율을 더욱 감소시키려고 한다면 상기 스크롤 압축기의 전체적인 크기는 작아질 수 밖에 없게된다.

하지만, 일반적으로 압축율은 냉각 시스템을 구성하는 각 구성장치의 필요에 따라 그 값이 변하게 됨을 감안한다면 전술한 바와 같이 스크롤 압축기는 압축율에 비례하여 항상 그 크기가 일정하여야만 하기 때문에 만일, 필요로 하는 냉매의 압축률이 변경될 경우 상기 스크롤 압축기의 크기를 변경하여야 할 뿐 아니라 이로 인해 전체적인 냉각 시스템의 재설계를 행하여야만 하게 된 문제점으로까지 발전하게 된 것이다.

또한, 종래에는 선회스크롤의 선회 반경이 편향각 즉,값에 따른 영향을받지 않음에 따라 고정스크롤의 중앙부에 대하여 선회스크롤이 선회하는 과정중 과압축이 발생할 수 있게 되어 결국, 압축 효율에 대한 신뢰성이 저하되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 스크롤 압축기에 형성되는 압축실 내에서 비선형적인 냉매의 압축에 따른 압력변화에 각 스크롤에 형성된 각 랩이 원활히 대응할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 사용자의 필요에 따른 전체적인 스크롤 압축기의 크기와 압축효율을 동시에 만족시킬 수 있도록 하는데 있다.

도 1 은 일반적인 스크롤 압축기를 나타낸 종단면도

도 2a 는 일반적인 스크롤 압축기의 작용중 냉매가 압축실로 유입되는 최초 상태를 나타낸 구성도

도 2b 는 도 2a의 선회스크롤이 90。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 2c 는 도 2a의 선회스크롤이 180。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 2d 는 도 2a의 선회스크롤이 270。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 3a, 3b, 3c 는 일반적인 스크롤 압축기의 선회스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도

도 4a, 4b, 4c 는 일반적인 스크롤 압축기의 고정스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도

도 5 는 개선된 스크롤 압축기를 나타낸 종단면도

도 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f 는 개선된 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도

도 7a 는 개선된 스크롤 압축기의 작용중 냉매가 압축실로 유입되는 최초 상태를 나타낸 구성도

도 7b 는 도 7a의 선회스크롤이 90。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 7c 는 도 7a의 선회스크롤이 180。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 7d 는 도 7a의 선회스크롤이 270。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도

도 9a, 9b, 9c, 9d 는 본 발명에 따른 랩의 기본 선회곡선이 함수 g()의 값에 따라 이루는 형상을 나타낸 구성도

도 10a, 10b 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형상을 다른 실시예로써 나타낸 상태도

도 11a, 11b 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형상을 또 다른 실시예로써 나타낸 상태도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

150. 고정스크롤 151. 랩

152. 토출구 160. 선회스크롤

161. 랩 171. 제1기본 선회곡선

172. 제1선회곡선 173. 제2선회곡선

181. 제2기본 선회곡선 182. 제3선회곡선

183. 제4선회곡선

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 본체내에 고정되어 랩(wrap)이 선회곡선(volute curve)을 이루면서 돌출 형성되어 있는 고정스크롤과, 상기 고정스크롤에 형성된 랩에 대응하여 별도의 랩이 돌출 형성된 상태로써 고정스크롤에 맞물려 상기 고정스크롤의 중심부에 대하여 일정 선회 동경을 가지면서 선회하는 선회스크롤을 구비한 것에 있어서, 상기 각 스크롤의 랩이 이루는 선회곡선의 선회 동경(radius vector)을 “r”이라 하고, 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)를 “a”라 하며, 편향 각도(angle of deviation)를 “”라 할 때, “”의 관계를 가지도록 하여 상기 편향 각도 “”에 따른 랩의 피치 간격 및 랩의 두께가 상기 “”의 값에 따라 변하도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공된다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도 8a 내지 도 11b를 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시한 도 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도이고, 도 9a, 9b, 9c, 9d 는 본 발명에 따른 랩의 기본 선회곡선이 함수 g()의 값에 따라 이루는 형상을 나타낸 구성도이다.

또한, 도 10a, 10b 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형상을 다른 실시예로써 나타낸 상태도이고, 도 11a, 11b 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형상을 또 다른 실시예로써 나타낸 상태도로서, 본 발명은 고정스크롤(150) 및 선회스크롤(160)의 랩(wrap)이 이루는 선회곡선의 선회 동경(radius vector)을 “r”이라 하고, 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)를 “a”라 하며, 편향 각도(angle of deviation)를 “”라 할 때, “”의 관계를 가지도록 하여 상기 편향 각도 “”에 따른 랩(151)(161)의 피치 간격 및 랩(151)(161)의 두께가 상기 “”의 값에 따라 변하도록 한다.

이 때, 상기 g()는의 값에 따라 설정 피치값()으로부터 일정한 기울기 값()을 가지도록의 관계식을 이루면서 선형적으로 변하는 함수이다.

상기에서 g()는 굳이의 관계를 이루는 함수에만 한정된 것은 아니라혹은 그 이상의 다항식을 이루어도 상관은 없으나, 일반적인 설계상의편리함을 위해 전술한 바와 같이 g()=의 관계를 갖도록 하는 것이 바람직 하다.

이 때, 상기과은 0일 수도 있고 혹은 0이 아닐수도 있으며, 상호 동일한 값일 수도 있고 혹은 그렇지 않을 수도 있는 실수값으로 이루어지며, 그 값은 스크롤 압축기의 전체적인 크기 및 압축율을 고려하여 설정하게 된다.

상기와 같은 각 구성부분간의 관계를 이용하여 본 발명에 따른 고정스크롤(150) 및 선회스크롤(160)의 랩(151)(161)을 형성하는 과정에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 후술하는 바와 같다.

우선, 도시한 도 8a와 같이 X축과 Y축 상의 중심을 기점으로 하여 제1기본 선회곡선(171)을 형성한다.

이 때, 상기 제1기본 선회곡선의 선회 동경로써 결국, 상기 제1기본 선회곡선은 상기인 (r,)의 극좌표에 의해 형성되어 지며, 상기 편향 각도 “”에 따른 랩의 피치 간격 및 랩의 두께가 되는 g()는 상기 “”의 값에 따라 비선형적으로 변하게 된다.

즉, 최초 시작점으로부터 증가하게 되는 편향각도()의 변화에 따라 g()의 값이 점차적으로 변화하게 되는 것이다.

이 때, 상기 g()의 값은의 관계에 의해이라는 기울기를 가진 상태로써이라는 설정값을 설정한 상태에서 편향 각도의 변화에 따라 점차 증가하게 됨은 이해 가능하다.

도시한 9a, 9b, 9c, 9d는 상기,의 다양한 값에 따라 변화하는 스크롤의 형상을 참고로 나타낸 것으로써 도 9a는≠0,≫1일 때를 도시한 것이고, 도 9b는≒0,＞1일 때를 도시한 것이며, 도 9c는≠0,＜1일 때를 도시한 것이고, 도 9d는=0,=1일 때를 도시한 것이다.

이와 같은 각 도시한 각 상태를 근거로 하여 설계자는 상기값과값을 적절히 조절하여 원하는 형태의 스크롤 곡선을 구현할 수 있게 된다.

결국, 상기와 같은 제반 과정에 의해 어느 하나의 일정한 제1기본 선회곡선(171)이 형성되면, 도 8b와 같이 상기 제1기본 선회곡선을 기준으로 하여 스크롤의 두께가 형성될 수 있도록 하는 제1선회곡선(172) 및 제2선회곡선(173)을 형성한다.

이 때, 상기 도 8b와 같은 임의의 편향각의 위치에서 제1선회곡선(172)의 관계는 제1기본 선회곡선(171)에서 -b의 차이를 가지고, 제2선회곡선(173)은 같은 위치의 편향각에서 +b의 차이를 가진다.

상기에서가 0일 때에는 제1선회곡선(172)의 Y축 값은 +b이고, 제2선회곡선(173)의 Y축 값은 -b임은 이해 가능하다.

이에 따라, 상기 Y축의 b값을 기점으로 하여값의 변화에 따라 제1선회곡선(172) 및 제2선회곡선(173)이 형성된다.

상기에서 a, b는 사용자의 필요에 따라 설정할 수 있는 실수값(real number)이다.

또한, 제1기본 선회곡선(171)과는 별도로써 도 8c와 같이 X축과 Y축 상의 중심을 기점으로 하여 상기 제1기본 선회곡선에 대하여 180。의 위상차를 가지는 제2기본 선회곡선(181)을 형성한다.

이 때, 상기 제2기본 선회곡선의 선회 동경(r) 역시 제1기본 선회곡선의 선회 동경과 동일한의 관계를 갖는다.

상기와 같은 제반 과정에 의해 제2기본 선회곡선(181)이 형성되면, 도시한 도 8d와 같이 상기 제2기본 선회곡선을 기준으로 하여 스크롤의 두께가 형성될 수 있도록 하는 제3선회곡선(182) 및 제4선회곡선(183)을 형성한다.

이 때, 제3선회곡선(182)의 Y축 값은 함수치 즉,의 관계를 갖고, 제4선회곡선(183)의 Y축 값 역시 함수치인의 관계를 갖게 된다.

즉, 최초 상태인가 0일 때 제3선회곡선(182)의 Y축 값은 단순히 -c값만을 갖게 되고, 제4선회곡선(183)의 Y축 값은 +c값을 갖게 된다.

상기에서 a, c 역시 사용자의 필요에 따라 설정할 수 있는 실수값(real number)이다.

결국, 전술한 바와 같은 각 과정에 의해 제1선회곡선(172), 제2선회곡선(173), 제3선회곡선(182), 제4선회곡선(183)이 형성되면, 이 각각의 선회곡선을 서로 조합하여 고정스크롤(150) 및 선회스크롤(160)의 랩(151)(161)을 각각 형성하게 된다.

즉, 제1선회곡선(172)과 제4선회곡선(183)을 서로 조합하여 이루어진 하나의스크롤을 근거로 하여 도 8e와 같은 선회스크롤(160)의 랩(161)을 형성하고, 제2선회곡선(173)과 제3선회곡선(182)을 서로 조합하여 이루어진 또 다른 하나의 스크롤을 근거로 하여 도 8f와 같은 고정스크롤(150)의 랩(151)을 형성하고, 상기와 같이 형성된 각 랩(151)(161)은 가공공구(90)를 이용하여 가공을 행함으로써 완전한 랩이 완성된다.

한편, 전술한 바와 같이 하여 형성된 제1선회곡선(172), 제2선회곡선(173), 제3선회곡선(182), 제4선회곡선(183)은 반드시 전술한 각 함수치에 관계된 것에 한정하는 것은 아니다.

즉, 제1선회곡선의 함수치를로 설정하고, 제2선회곡선의 함수치를로 설정하며, 제3선회곡선의 함수치를로 설정하고, 제4선회곡선의 함수치를로 설정할 수도 있다.

이에 따라 각 스크롤을 구성하는 랩(251)(261)은 도 10a, 10b와 같이 냉매 유입측으로 갈수록 그 두께가 점차 두꺼워 지는 형태로 형성할 수 있게 됨이 가능하다.

또한, 상기와 같은 일반상수를 가지는 함수치가 아닌 삼각함수를 가지는 함수치로 이루어질 수도 있다.

즉, 제1선회곡선의 함수치가이고, 제2선회곡선의 함수치가이며, 제3선회곡선의 함수치가이고, 제4선회곡선의 함수치가일 수도 있는 것이다.

상기와 같이 각 선회곡선의 함수치가 삼각함수로 이루어질 경우에는 도시한 도 11a와 같이 비선형적인 형상으로 이루어진 선회스크롤의 랩(361)을 형성할 수 있음과 함께 도시한 도 11b와 같이 비선형적인 형상으로 이루어진 고정스크롤의 랩(351)을 형성할 수 있게 됨은 이해 가능하다.

상기에서 각 선회곡선(172)(173)(182)(183)의 함수치는 제1선회곡선(172)의 함수치와 제3선회곡선(182)의 함수치의 합 및 제2선회곡선(173)의 함수치와 제4선회곡선(183)의 함수치의 합이라는 수치가 나온다면 어느 함수이든지 상관은 없다.

이는, 상기의 값이 선회스크롤(160)의 선회 반경()이 되어 고정스크롤(150)의 중심부에 대한 선회스크롤(160)의 선회가 상기 반경를 가지는 원둘레를 따라 공전 운동을 행할 수 있도록 함으로써 상기 선회스크롤 및 고정스크롤 상호간의 접촉이 항상 정확히 이루어질 수 있기 때문이다.

즉, 본 발명에 따른 선회스크롤의 기본 외측곡선의 오프셋(offset) 두께 함수가 Foo()=-a'+b이고, 고정스크롤의 기본 내측곡선의 오프셋 두께 함수가 Ffi()=a'+c임을 감안 할 때, 선회스크롤의 선회반경 R 은 R=Foo()+Ffi()의 관계를 가지도록 함에 따라 결국, 상기 선회 반경은 b+c의 값이 되는 것이다.

이 때, 선회스크롤 기본 내측곡선의 오프셋(offset) 두께 함수가 Foi()=a'+b이고, 고정스크롤의 기본 외측곡선의 오프셋 두께 함수가 Ffo()=-a'+c일 때에도 마찬가지의 관계로써 선회스크롤의 선회반경 R 은R=Foi()+Ffo()의 관계에 의거하여 b+c라는 값이 되는 것이다.

즉, 종래 개선된 스크롤 압축기를 구성하는 선회스크롤(60)의 선회 오프셋(offset)양은 단순히 상수값으로 이루어지는 반면, 본원 발명에 따른 선회스크롤(160)의 선회 오프셋(offset)양은 편향각에 따라 변하는 함수값으로 이루어져 있음에 따라 보다 정확한 선회를 행할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 압축 과정은 종래 기 설명한 개선된 스크롤 압축기의 압축 과정과 동일함에 따라 그 상세한 설명을 생략하도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 스크롤 압축기를 구성하는 고정스크롤 및 선회스크롤의 형상을 보다 다양하게 구현할 수 있도록 함으로써 다음과 같은 각종 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 본 발명은 압축실 내에서 비선형적으로 변하는 냉매의 압축에 따른 압력 변화에 대하여 랩의 저항이 원활히 이루어질 수 있는 효과가 있다.

이는, 상기 랩의 형상이의 수식을 근거로 한 상태인 비선형적으로 형성되어 있음에 따라 비선형적으로 압축되는 냉매의 압축력에 대응하도록 구성되어 결국, 각 스크롤에 형성된 랩은 냉매의 압축에 따른 압축력에 비례하여 그 저항력을 발생하게 되기 때문이다.

둘째, 동일한 크기로 이루어진 스크롤 압축기라 할 지라도 서로 다른 범위의 압축 효율을 발생할 수 있도록 하는 구성이 원활히 이루어질 수 있음에 따라 냉각시스템의 설계가 보다 수월하게 이루어질 수 있게 된 효과가 있다.

이는, 각 스크롤에 형성되는 랩의 피치가 비록 일정한 관계를 가지면서 변화한다 하더라도 그 변화가 비선형적으로 이루어질 수 있고 또한, 상기 랩의 두께 역시 비선형적으로 변화 가능하기 때문에 사용자의 필요에 적절한 압축효율을 얻을 수 있도록 하는 구성이 간편해 질 수 있게 된다.

즉, 종래에는 랩의 각 부분에 따른 두께가 항상 선형적인 변화만을 이룰 수 밖에 없었으나, 본 발명에서는 랩의 각 부분에 따른 두께가 비선형적인 관계를 갖도록 함수값으로 지정함에 따라 보다 광범위한 압축효율의 변경을 행할 수 있게된 것이다.

셋째, 본 발명은 선회스크롤의 선회 반경이 편향각의 값에 따라 변화하는 함수로 구현됨에 따라 상기 선회스크롤의 선회과정중 냉매의 압축은 항상 적절히 수행되어 과압축 현상을 방지할 수 있게 되었다.

이에 따라 사용자는 냉각 시스템의 설계를 정확히 수행할 수 있게 되어 결국, 압축기의 압축 효율에 대한 신뢰성이 향상된 효과가 있다.

Claims (5)

1. 본체내에 고정되어 랩(wrap)이 선회곡선(volute curve)을 이루면서 돌출 형성되어 있는 고정스크롤과, 상기 고정스크롤에 형성된 랩에 대응하여 별도의 랩이 돌출 형성된 상태로써 고정스크롤에 맞물려 상기 고정스크롤의 중심부에 대하여 일정 선회 동경을 가지면서 선회하는 선회스크롤을 구비한 것에 있어서,

   상기 각 스크롤의 랩이 이루는 선회곡선의 동경(radius vector)을 “r”이라 하고, 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)를 “a”라 하며, 편향 각도(angle of deviation)를 “”라 할 때, “”의 관계를 가지도록 하여 상기 편향 각도 “”에 따른 랩의 피치 간격 및 랩의 두께가 상기의 값에 따라 변하도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
2. 제 1 항에 있어서,

   g()는의 값에 따라 설정 피치값()으로부터 일정한 기울기 값()을 가지도록의 관계식을 이루면서 선형적으로 변하는 변수인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
3. 제 1 항에 있어서,

   g()는의 값에 따라 설정 피치값()으로부터 일정한 기울기 값()을가지는 비선형적으로 변하는 변수인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
4. 제 1 항에 있어서,

   선회스크롤을 구성하는 기본 외측곡선의 오프셋(offset) 두께 함수가 Foo()이고, 고정스크롤의 기본 내측곡선의 오프셋 두께 함수가 Ffi() 일 때, 선회스크롤의 선회반경 R 은 R=Foo()+Ffi()의 관계를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
5. 제 1 항에 있어서,

   선회스크롤을 구성하는 기본 내측곡선의 오프셋(offset) 두께 함수가 Foi() 이고, 고정스크롤을 구성하는 기본 외측곡선의 오프셋 두께 함수가 Ffo() 일 때, 선회스크롤의 선회반경 R 은 R=Foi()+Ffo()의 관계를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.