KR100313895B1

KR100313895B1 - 스크롤 압축기

Info

Publication number: KR100313895B1
Application number: KR1019990019835A
Authority: KR
Inventors: 이승준; 안병하; 이장우; 서민영; 사범동; 김영종
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2001-11-15
Also published as: KR20000075314A

Abstract

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 스크롤 압축기에 형성되는 압축실 내에서 비선형적인 냉매의 압축에 따른 압력 변화에 대하여 각 스크롤에 형성된 각 랩이 원활히 대응할 수 있도록 함과 함께 냉매의 과압축으로 인하여 각 랩의 끝단부에서 발생하는 응력집중을 원활히 해소할 수 있도록 한 것이다.

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 고정스크롤에 맞물려 상기 고정스크롤의 중심부에 대하여 일정 선회 동경을 가지면서 선회하는 선회스크롤(160)을 구비한 것에 있어서, 상기 각 스크롤의 랩이 형성하는 선회곡선의 동경(radius vector)이 함수 “F()”라 할 때, 상기 F()는 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)인 “”, “”와, 편향 각도(angle of deviation)인 “” 및 정수(integer number)인 “”, “”와 상호

Description

스크롤 압축기{scroll type compressor}

본 발명은 압축기 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스크롤의 선회에 따라 냉매의 압축이 수행되는 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 인벌루트 형상으로 랩(13a)이 돌출 형성되어 있다.

또한, 상기 고정스크롤의 하방에는 상기 고정스크롤과 상응하면서 결합되도록 상측에 인벌루트 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 경판(13c)(14c)이 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 구비된 모터(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 체적 변화시켜 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 상태로써 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 인벌루트(involute) 형상의 랩(13a)(14a)에 의해 형성된 유로의 입구를 통해 유입된 후, 도 2b와 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 2c와 같이 고정스크롤(1)에 관통 형성된 토출구(13b)를 통하여 토출실(18)로 토출된 후 토출관(12)을 통해 응축기(3)로 토출된다.

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 인벌루트 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 인벌루트(involute) 즉, 제1기본곡선(Basic-Curve)(21)을 형성한다.

이 때, 상기 기초원의 중심점과 제1기본곡선(21) 이루는 각도(인벌루트 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 인벌루트 즉, 제2기본곡선(22)을 형성한다.

즉, 최초 형성한 인벌루트 곡선이 내측 인벌루트 곡선이라 한다면 이후 형성한 인벌루트 곡선은 외측 인벌루트 곡선이 되며, 상기 각 인벌루트 곡선간의 간격에 의해 랩을 형성하기 위한 일정한 두께가 이루어진다.

상기와 같이 하여 인벌루트의 설계가 완료되면 상기 설계완료된 인벌루트 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 수 밖에 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 됨으로써상기 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 형성 방법과는 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 같이 X축과 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 있으며, 그 값이 0일 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 제3선회곡선(82)을 서로 조합하여 이루어진 하나의 스크롤을 근거로 하여 도 6e와 같은 선회스크롤(60)의 랩(61)을 형성하고, 제2선회곡선(73)과 제4선회곡선(83)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 형성되는 각 랩의 끝단은 정확한 곡선을 이루지 않게 된다.

이는, 최초 각 선회곡선의 시작점간을 조합하는 과정중 발생하게 되는 오차로 인한 것으로써 결국, 이 오차를 이루는 부분은 가공을 통해 적절한 형상을 이룰 수 있도록 하게 된다.

이와 같은 가공은 선회스크롤에 형성되는 랩의 경우 도시한 도 6g와 같이 X축과 Y축의 중심을 기준으로 하여혹은값을 가지는값의 절반 즉,/2만큼 -X축에 위치된 점이 그 중심점을 이룸과 동시에 상기값을 그 반경으로 가지는 기초원을 형성한 후 도 7a와 같이 상기 기초원의 둘레를 따라 별도의 가공공구를 이용하여 그 가공을 수행하게 된다.

또한, 고정스크롤에 형성되는 랩의 경우 도시한 6h와 같이 X축과 Y축의 중심을 기준으로 하여혹은값을 가지는값의 절반 즉,/2만큼 +X축에 위치된 점이 그 중심점을 이룸과 동시에 상기값을 그 반경으로 가지는 기초원을 형성한 후 도 7b와 같이 상기 기초원의 둘레를 따라 별도의 가공공구를 이용하여 그 가공을 수행하게 된다.

이 때, 상기 각 랩의 가공은 우선, 랩의 내측부 끝단을 시작점으로 하여 그 내측 곡선을 따라 일차 가공을 수행하고, 이후, 상기 랩의 내측부 끝단을 시작점으로 하여 그 외측 곡선을 따라 재차 가공을 수행함으로써 각 랩간의 원활한 밀착이 이루어질 수 있도록 하게 된다.

상기와 같이 형성된 각 스크롤중 선회스크롤(60)은 고정스크롤의 랩을 형성하기 위해 가상으로 형성하였던 기초원의 둘레를 따라 선회할 수 있도록 그 선회 반경이 설정되고, 또한 이에 따라 구성된다.

즉, 상기 선회스크롤의 선회 반경(Orbiting Radius)은혹은가 되는 것이다.

이는, 상기 선회스크롤의 랩(61) 끝단이 고정스크롤의 랩 끝단 내측면을 따라 선회함으로써 지속적인 밀착이 이루어질 수 있도록 하고, 또한 이에 따른 압축효율의 상승을 얻을 수 있도록 하기 위함이다.

따라서, 냉각 싸이클의 수행은 우선, 상기 스크롤 압축기의 냉매 유입측을 통해 고정스크롤(50) 및 선회스크롤(60)에 형성된 각 랩(51)(61)의 사이로 도 8a와 같이 냉매가 유입되고, 이와 같은 상태에서 상기 선회스크롤의 연속적인 선회에 의해 압축실이 형성됨과 함께 상기 냉매는 도 8b 및 8c와 같이 점차 압축되어가는 상태로써 냉매 유출측 즉, 토출구(52)가 형성된 측으로 유동한 후 상기 토출구를 통해 응축기(3)로 토출되고, 계속해서 도 8d와 같이 냉매 유입측을 통해 냉매의 재유입이 이루어진다..

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.

하지만, 종래 전술한 바와 같은 개선된 스크롤 압축기는 전술한 바와 같은 장점이 있는 반면 후술하는 바와 같은 각종 문제점이 역시 있었다.

첫째, 전술한 바와 같은 스크롤 압축기는 각 스크롤의 압축실 내부로 유입되는 냉매의 유입이 비선형적으로 이루어짐과 함께 비선형적으로 그 압축이 이루어지는 반면 상기 각 스크롤의 랩은 선형적인 관계를 가지면서 형성되어 있음에 따라 원활한 냉매의 압축이 이루어지지 않게 된 문제가 있다.

이는, 각 스크롤에 형성된 각 랩이 곡선으로 이루어져 있음과 함께 상기 각 랩간의 접촉에 의해 형성되는 압축실의 형상 역시 비선형적으로 이루어짐에 따라 상기 압축실내에서의 냉매 압축은 비선형적으로 이루어지게 될 뿐 아니라 상기 냉매의 압축에 따른 압력 역시 비선형적으로 발생하게 되었다.

하지만, 종래 전술한 바와 같은 개선된 스크롤 압축기는 각 스크롤에 형성된 랩의 두께가 선형적으로만 증가 혹은 감소하도록 형성됨에 따라 각 랩간의 연속적인 접촉이 불가능하게 되어 결국, 냉매의 압축에 따른 압력 변화에 대하여 적절한 대응을 이루어지 못하게 되는 것이다.

즉, 각 스크롤의 랩이의 수식을 근거로 한 상태로써 선회곡선을 이루도록 형성할 때 상기 수식에서 지수(k)의 값이 편향각()의 변화에 관계없이 항상 일정하기 때문에 전술한 바와 같은 문제점이 발생하게 됨은 이해 가능하다.

둘째, 전술한 바와 같은 개선된 스크롤 압축기의 구성시 각 스크롤을 구성하는 랩의 끝단간이 항상 접촉할 수 있도록 형성하기 위해서는 세밀한 랩의 가공을 필요로 하게 되었다.

즉, 랩의 내측곡선과 상기 랩의 외측곡선을 각각 가공하여 상기 랩의 두께를 정확히 설정함에 따라 결국, 오랜 제조 시간의 소요에 따른 생산성 저하를 유발하게 되었다.

셋째, 일반적으로 각 스크롤에 형성된 랩간의 밀착에 의해 형성되는 압축실중 냉매가 토출되는 냉매 토출측은 도 8b와 같은 상태가 냉매의 압축에 따라 각 랩이 받게되는 압력이 가장 높은 지점이 된다.

그럼에도 불구하고 종래에는 냉매의 모든 토출이 완료될 때까지 각 스크롤에 형성된 랩의 끝단이 서로 접촉하고 있음에 따라 상기 랩의 끝단에서 응력집중(應力集中)이 발생할 뿐만 아니라 과압축(過壓縮)이 이루어지게 되는 문제점을 발생하게 되었다.

즉, 고정스크롤의 중앙부에 형성된 토출구가 임의의 반경만큼 형성되어 있는 반면 랩의 끝단이 선회스크롤의 회전 기간 중에 연속적으로 접촉하면서 계속적인 압축을 수행하기 때문으로써 결국, 상기 랩의 끝단부에서는 응력집중이 발생되어 랩의 파손이 발생할 뿐만 아니라 과압축이 이루어지게 되는 것이다.

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

본 발명의 다른 목적은 각 랩의 끝단에서 발생하는 냉매의 과압축 현상을 방지할 수 있도록 함과 함께 이에 따른 응력 집중현상 역시 방지할 수 있도록 하는데 그 목적이 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 선회스크롤에 형성된 랩의 가공과정을 나타낸 상태도

도 7b 는 개선된 스크롤 압축기의 고정스크롤에 형성된 랩의 가공과정을 나타낸 상태도

도 8a 는 개선된 스크롤 압축기의 작용중 냉매가 압축실로 유입되는 최초 상태를 나타낸 구성도

도 8b 는 도 8a의 선회스크롤이 90。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 8c 는 도 8a의 선회스크롤이 180。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 8d 는 도 8a의 선회스크롤이 270。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도

도 10a 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤중 선회스크롤의 랩을 형성하기 위해 가공하는 과정을 나타낸 상태도

도 10b 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤중 고정스크롤의 랩을 형성하기 위해 가공하는 과정을 나타낸 상태도

도 11a 는 개선된 스크롤 압축기의 작용중 냉매가 압축실로 유입되는 최초 상태를 나타낸 구성도

도 11b 는 도 11a의 선회스크롤이 90。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 11c 는 도 11a의 선회스크롤이 180。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도 11d 는 도 11a의 선회스크롤이 270。 선회한 상태를 나타낸 구성도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

150. 고정스크롤 151. 고정스크롤의 랩

152. 토출구 153. 고정스크롤의 아크부

160. 선회스크롤 161. 선회스크롤의 랩

163. 선회스크롤의 아크부 171. 제1선회곡선

172. 제2선회곡선 181. 제3선회곡선

182. 제4선회곡선 191. 인벌루트 곡면

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 형성하는 선회곡선의 동경(radius vector)이 함수 “F()”라 할 때, 상기 F()는 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)인 “”, “”와, 편향 각도(angle of deviation)인 “” 및 정수(integer number)인 “”, “”와 상호의 관계를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공된다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도 9a 내지 도 12을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시한 도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤을 구성하는 랩의 형성 과정을 나타낸 상태도이고, 도 10a 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤중 선회스크롤의 랩을 형성하기 위해 가공하는 과정을 나타낸 상태도이며, 도 10b 는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 각 스크롤중 고정스크롤의 랩을 형성하기 위해 가공하는 과정을 나타낸 상태도이다.

또한, 도 11a 는 개선된 스크롤 압축기의 작용중 냉매가 압축실로 유입되는 최초 상태를 나타낸 구성도이고, 도 11b 는 도 11a의 선회스크롤이 90。 선회한 상태를 나타낸 구성도이며, 도 11c 는 도 11a의 선회스크롤이 180。 선회한 상태를 나타낸 구성도이고, 도 11d 는 도 11a의 선회스크롤이 270。 선회한 상태를 나타낸 구성도로서, 본 발명은 각 스크롤에 형성된 랩의 선회곡선 동경 F()가 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)인 “”, “”와, 편향 각도(angle of deviation)인 “” 및 정수(整數;integer number)인 “”, “”에 대하여의 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.

상기와 같은 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, 도 9a와 같이 가상의 X축 및 Y축을 기준으로 하여 편향각()의 변화에 따라 피치 간격이 비선형적으로 넓어지거나 혹은 좁아질 수 있도록의 관계를 가지는 함수 F()가 그 선회동경으로 이루어진 제1선회곡선을 가상으로 형성한다.

즉, 상기 편향각의 변화에 따라 점차적으로 곡선간의 피치가 좁아지거나 넓어지는 제1선회곡선(171)을 형성한다.

상기에서 각 스크롤에 형성된 랩(151)(161)의 선회곡선이 이루는 관계식 중값은 상기 랩을 형성하는 선회곡선의 피치에 관계되는 것으로써 상기값의 크고 작음에 따라 선회곡선의 동경이 커지거나 혹은 작아진다.

또한,의 값은 전체적인 스크롤 압축기의 스크롤 크기 및 압축 용량에 연관된 것으로써 그 값을 크게 한다면 보다 큰 용량의 스크롤 압축기를 형성할 수 있고, 반대로 그 값을 적게 한다면 보다 소형의 스크롤 압축기를 형성할 수 있는 것이다.

이는, 사용자의 필요에 따라 적절히 조절 가능하므로 그 수치적인 한정은 하지 않는다.

결국, 상기와 같은 각 관계에 의해 형성되는 선회곡선은 비선형적으로 변화하는 곡선을 이룰 수 있게 됨은 이해 가능하다.

이 때, 상기 각 스크롤에 형성된 랩(151)(161)의 선회동경이 비선형적으로 변화하도록 하는 이유는 전술한 바와 같이 선회스크롤(160)에 형성된 랩(161)이 상기 선회스크롤의 선회에 따라 선회하는 과정에서 고정스크롤(150)의 랩(151)과의 접촉이 항상 연속적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 정확한 냉매의 압축을 수행할 수 있도록 하기 위함이다.

상기와 같은 과정에 의해 가상의 제1선회곡선(171)이 형성되면, 도시한 도 9b와 같이 상기 제1선회곡선의 시작점으로부터 X축으로만큼 떨어진 위치를 시작점으로 F()의 함수를 가지는 가상의 제2선회곡선(172)을 형성한다.

이 때, 상기 F()의 함수를 가지는 가상의 제2선회곡선(172) 역시 전술한 바와 같이의 관계에 적용을 받으며, 이 때에는 상기식에서대신만을 대입하면 된다.

또한, 도 9c와 같이 상기 제1선회곡선을 형성한 가상의 X축 및 Y축과는 별도로 또 다른 X축과 Y축을 기준으로 하여 상기 F()와 180。의 위상차를 가지도록 F()의 함수를 갖지는 가상의 제3선회곡선(181)을 형성한다.

상기와 같이 가상의 제3선회곡선(181)이 형성되면, 도시한 도 9d와 같이 상기 제3선회곡선의 시작점으로부터 X축으로만큼 떨어진 위치를 시작점으로 F()의 함수를 가지는 가상의 제4선회곡선(182)을 형성한다.

상기와 같이 하여 가상의 제1선회곡선(171), 제2선회곡선(172), 제3선회곡선(181), 제4선회곡선(182)이 형성되면, 상기 각 선회곡선을 상호 조합하여 선회스크롤(160)의 랩(161)을 형성함과 동시에 고정스크롤(150)의 랩(151)을 형성한다.

즉, 도시한 도 9e와 같이 제1선회곡선(171)과 제4선회곡선(182)을 조합하여 선회스크롤(160)의 랩(161)을 형성하고, 도시한 도 9f와 같이 가상의 제2선회곡선(172)과 제3선회곡선(181)을 조합하여 고정스크롤(150)의 랩(151)을 형성하게 되는 것이다.

이 때, 상기 제1선회곡선(171)은 선회스크롤(160)에 형성된 랩(161)의 내측곡면이 되고, 제4선회곡선(182)은 선회스크롤(160)에 형성된 랩(161)의 외측곡면이 되며, 제2선회곡선(172)은 고정스크롤(150)에 형성된 랩(151)의 내측곡면이 되고, 제3선회곡선(181)은 고정스크롤(150)에 형성된 랩(151)의 외측곡면이 된다.

또한, 각 스크롤의 랩을 형성하는 각 내측곡면(171)(172)의 내측 끝단부에는 가상의 기초원 반경을 가지는 인벌루트 형상의 곡면(191)을 형성한다.

상기와 같이 인벌루트 형상의 곡면(191)을 이루는 각 랩(151)(161)의 내측 끝단부에는 호형(弧形)으로 이루어진 아크부(153)(163)를 각각 형성함으로써 상기 각 랩의 내측곡면(171)(172) 및 외측곡면(181)(182)을 상호 연결하여 각 랩(151)(161)이 일정한 두께를 이룰 수 있도록 한다.

상기에서 각 랩의 내측 끝단부에 아크부(153)(163)를 각각 형성하는 이유는, 각 스크롤의 랩(151)(161)이 항상 일정한 간격()을 가지면서 서로 떨어져 있도록 하여, 냉매가 상기 각 랩의 내측 끝단부에 이르러 고정스크롤(150)의 토출구(152)를 통해 토출되는 과정에서 발생하게 되는 과압축을 방지할 수 있도록 함과 함께 상기와 같은 과압축에 의해 각 랩(151)(161)의 내측 끝단부에서 이루어지는 응력의 집중을 해소하기 위한 것으로써 결국, 상기와 같은 과압축의 방지 및 응력 집중의 해소에 의해 보다 안정적인 냉매의 압축이 수행될 수 있게 됨은 이해 가능하다.

이 때, 상기 각 스크롤에 형성된 랩(151)(161)의 아크부(153)(163) 간에 이루어지는 간격()은 상기 랩의 두께보다 같거나 작도록 하여, 선회스크롤(160)이 선회한다 하더라도 상기 선회스크롤에 형성된 랩(161)의 끝단부인 아크부(163)가 고정스크롤(150)에 형성된 랩(151)의 끝단부인 아크부(153)에 접촉되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 이 때에는 너무 과도한 간격()이 형성되지 않도록 하여야 하는데, 이는 상기와 같은 과도한 간격으로 인해 원활한 냉매의 압축이 진행되지 않은 상태로써 토출될 수 있기 때문이다.

상기에서 각 랩을 형성하기 위한 가상의 선회곡선 시작부위는 굳이 인벌루트 형상의 곡선을 이루지 않더라도 상관은 없으나 그 가공상의 편리함 및 보다 원활한 선회스크롤의 선회가 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 전술한 바와 같이 인벌루트 곡선으로 형성함으로써 상기 선회스크롤의 선회에 따라 각 랩간에 발생할 수 있는 간섭현상을 방지할 수 있도록 하는 것이 가장 바람직하다.

한편, 상기와 같은 각 랩(151)(161)의 형성은 가공을 수행함으로써 그 정확한 형상을 이룰 수 있도록 하는데, 이와 같은 가공 과정을 도시한 도 10a, 도 10b를 참조로 하여 보다 구체적으로 설명하면 후술하는 바와 같다.

우선, 각 랩을 가공하는 과정은 별도의 가공공구(200) 등을 이용하여 수행하게 된다.

즉, 별도의 가공공구를 이용하여 각 랩(151)(161)의 내측곡면중 내측 혹은외측 끝단에서부터 일정한 두께(t)로 가공을 수행하게 되는 것이다.

이 때, 상기 일정한 두께라 함은 사용자의 필요에 따라 그 값이 틀려질 수 있는 값으로써 대용량의 냉매 압축을 필요로 할 경우 상기 t값을 크게 설정하여 그 가공을 수행하게 되고, 소용량의 냉매 압축을 필요로 할 경우에는 단순히 각 랩의 내측곡면이 정확한 곡률반경을 이룰 수 있을 정도로 t값을 설정하여 그 가공을 수행하게 되는 것이다.

또한, 이 때에는 종래와는 달리 각 랩(151)(161)의 내측곡면만을 가공하게 된다.

이는, 종래 일반적인 각 랩의 내측곡면 및 외측곡면이 전체적으로 선형적인 관계를 이루면서 형성되어 있음에 따라 선회스크롤(60)의 선회에 의해 선회스크롤의 랩(61)과 고정스크롤(50)의 랩(51)이 항상 연속적인 밀착을 이룰 수 있도록 하기 위해서는 어느 한 측면만을 가공할 수 없고, 반드시 내측곡면 및 외측곡면을 동시에 가공하여야만 하였다.

하지만, 본 발명에서는 상기 각 랩의 내측곡면 및 외측곡면이 비선형적인 관계를 이루면서 형성되어 있음에 따라 상기 각 랩의 내측곡면만을 가공하더라도 선회스크롤(160)의 선회에 따라 각 랩(151)(161)간의 연속적인 밀착이 원활히 이루어질 수 있기 때문이다.

또한, 전술한 바와 같이 각 랩(151)(161)의 내측 끝단을 이루게 되는 인벌루트 형상의 곡면(191) 형성 역시 가공공구(200) 등을 이용하여 불필요한 부분(도면상 “E”부분)을 제거함으로써 가능하며, 이와 같은 인벌루트 형상의 곡면(191) 형성은 설정 반경()을 가지는 가상의 기초원을 기준으로 하여 설정 각도()만큼의 곡면만을 형성하게 된다.

상기에서 기초원을 이루는 설정 반경() 및 인벌루트 형상의 곡면이 이루는 설정 각도()는 각 랩의 크기에 따라 그 값이 달라질 수 있는 것으로써 굳이 이에 대한 한정은 행하지 않는다.

결국, 상기와 같이 각 과정에 의해 고정스크롤(150) 및 선회스크롤(150)의 랩(151)(161)이 각각 형성되며, 이와 같은 각 스크롤을 상호 결합하여 이루어진 스크롤 압축기의 작용은 기 전술한 종래 개선된 스크롤 압축기의 작용과 동일하나 각 랩의 끝단간에 이루는 구조는 도시한 도 11a 내지 도 11d와 같이 항상 적정한 간격을 유지할 상태를 이루게 된다.

이 때, 상기 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 구체적인 작용 설명은 전술한 바와 같이 종래 개선된 스크롤 압축기의 작용과 동일하게 이루어짐에 따라 생략하도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 후술하는 바와 같은 각종 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 본 발명은 각 랩이 편향 각도에 따라 비선형적으로 곡면을 가지고 있음에 따라 압축실 내에서 비선형적으로 변하는 냉매의 압축에 따른 압력 변화에 대하여 원활히 대응할 수 있게 된 효과가 있다.

즉, 상기 랩의 형상이의 수식을 근거로 한 상태인 비선형적으로 형성되어 있음에 따라 비선형적으로 압축되는 냉매의 압축력에 적절히 대응할 수 있음에 따라 가능하다.

둘째, 동일한 크기로 이루어진 스크롤 압축기라 할 지라도 서로 다른 범위의 압축 효율을 얻을 수 있도록 그 설계가 가능함에 따라 다양한 냉각 시스템에 적절히 적용 가능하게된 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 원활히 이루어질 수 있기 때문이다.

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 각 스크롤에 형성된 랩의 끝단간이 항상 일정한 간격을 유지할 수 있도록 구성되어 있음에 따라 상기 각 랩의 끝단에서 발생하는 냉매의 과압축 현상을 방지할 수 있을 뿐 아니라 이에 따른 응력 집중현상 역시 방지할 수 있게된 효과가 있다.

즉, 종래에는 선회스크롤의 선회에 의해 각 랩의 끝단이 계속적으로 밀착된 상태를 이루면서 냉매의 압축을 행하도록 구성되어 있음에 따라 냉매가 토출되는 과정 중에서도 계속적인 압축을 이루는 과압축 상태를 이루게 되지만, 본 발명은 상기 냉매가 토출되는 과정 중에서는 각 랩간의 간격()에 의해 더 이상의 압축이 수행되지 않게 되어 결국, 과압축 현상을 방지할 수 있게 된 것이다.

넷째, 본 발명은 각 랩의 가공과정이 간단히 수행됨에 따라 그 제조시간이 단축된 효과가 있다.

즉, 종래에는 랩의 내측곡면 및 외측곡면을 동시에 가공함으로써 필요로 하는 랩의 형상을 이루었지만, 본 발명에서는 상기 랩의 내측곡면만을 가공함으로써 필요로 하는 랩의 형상을 이룰 수 있게 되어 그 제조시간이 반감될 수 있는 것이다.

Claims

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 형성하는 선회곡선의 동경(radius vector)이 함수 “F()”라 할 때, 상기 F()는 대수적 선회 계수(coefficient of the algebraic spiral)인 “A”, “k”와, 편향 각도(angle of deviation)인 “” 및 정수(integer number)인 “i”, “n”와 상호의 관계를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
제 1 항에 있어서,

F()의 함수를 갖도록 가상의 제1선회곡선을 형성하고, 상기 제1선회곡선의 시작점으로부터 X축으로만큼 떨어진 위치를 시작점으로 F()의 함수를 갖도록 가상의 제2선회곡선을 형성하며, 상기 F()와 180。의 위상차를 가지면서 F()의 함수를 갖도록 가상의 제3선회곡선을 형성하고, 상기 제3선회곡선의 시작점으로부터 X축으로만큼 떨어진 위치를 시작점으로 F()의 함수를 갖도록 가상의 제4선회곡선을 형성하여, 상기 가상의 제1선회곡선과 제4선회곡선을 조합하여 선회스크롤의 랩을 형성하고, 상기 가상의 제2선회곡선과 제3선회곡선을 조합하여 고정스크롤의 랩을 형성한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
제 2 항에 있어서,

각 스크롤의 랩을 형성하는 가상의 선회곡선중 제1선회곡선과 제3선회곡선의 내측부인 각 선회곡선의 시작부위는 가상의 기초원 반경을 가지는 인벌루트 형상의 곡선을 갖도록 형성하고, 상기 각 인벌루트 형상의 곡선 끝단부에는 호형(弧形)으로 이루어진 아크부를 형성하여 각 스크롤의 랩이 항상 일정한 간격을 가지면서 서로 떨어져 있도록 한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
제 3 항에 있어서,

각 스크롤의 랩간에 이루어지는 간격은 상기 랩의 두께보다 같거나 작도록 하여서 됨을 특징으로 하는 스크롤 압축기.