KR100332793B1

KR100332793B1 - 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조

Info

Publication number: KR100332793B1
Application number: KR1019990062034A
Authority: KR
Inventors: 최세헌; 이병철
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2002-04-18
Also published as: KR20010063928A

Abstract

본 발명은 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조에 관한 것으로, 본 발명은 인벌류트 곡선 형상의 랩을 구비한 선회스크롤과 고정스크롤이 맞물려 선회스크롤이 올담링에 의해 자전이 방지되면서 선회 운동함에 의해 압축실을 형성하고 상기 고정스크롤 랩 끝각을 선회스크롤 랩 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 것을 포함한 비대칭 스크롤 압축기에서, 상기 올담링의 위치가 선회스크롤 랩의 끝각에서 감겨 나가는 방향으로 10°에서 감겨 들어가는 방향으로 80°범위에 하나의 올담링 키가 위치하도록 구성하여 상기 선회스크롤의 자전을 방지하는 올담링에 작용하는 자전 토오크를 한 방향으로 작용하게 함으로써 올담링 및 선회스크롤의 거동을 안정화시켜 이상 마모 및 진동 소음을 방지할 수 있도록 한 것이다.

Description

비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조{STRUCTURE FOR IN ASYMMETRIC SCROLL COMPRESSOR}

본 발명은 비대칭 스크롤 압축기에 관한 것으로, 특히 선회스크롤의 자전을 방지하는 올담링에 작용하는 힘의 방향을 일정하게 할 수 있도록 한 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조에 관한 것이다.

도 1은 상기 스크롤 압축기의 압축기구부의 일례를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 스크롤 압축기의 압축기구부는 소정 형상의 프레임(1)에 소정의 간격을 두고 고정스크롤(10)이 결합되고 그 고정스크롤(10)과 프레임(1)사이에 선회스크롤(20)이 선회 운동 가능하도록 결합되며 상기 선회스크롤(20)은 프레임(1)에 삽입되는 회전축(2)의 편심부(2a)와 연결되고 그 회전축(2)은 전동기구부와 결합된다. 그리고 상기 프레임(1)과 선회스크롤(20)사이에 선회스크롤(20)의 자전을 방지하는 올담링(Oldham Ring)(30)이 결합된다.

도 2는 상기 올담링의 결합관계를 보다 상세하게 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 올담링(30)은 링형체(31)의 일측면에 사각 형태로 돌출된 제1,2 키(32)(33)가 직선상으로 각각 형성되고 상기 링형체(31)의 타측면에 사각 형태로 돌출된 키가 상기 제1,2 키(32)(33)와 수직선상으로 제3,4 키(34)(35)가 형성되어 이루어진다. 그리고 상기 선회스크롤(20)의 하면에 상기 제1,2 키(32)(33)가 삽입되어 직선상으로 움직일 수 있도록 직선상으로 키홈(22)(23)이 각각 형성되며 상기 프레임(1)의 상면에 상기 제3,4 키(34)(35)가 삽입되어 직선상으로 움직일 수 있도록키홈(1a)(1b)이 각각 형성된다. 상기 올담링(30)은 그 제1,2 키(32)(33)가 선회스클로의 키홈(22)(23)에 각각 삽입되고 그 제3,4 키(34)(35)가 프레임의 키홈(1a)(1b)에 각각 삽입되도록 프레임(1)과 선회스크롤(20)사이에 결합된다.

미설명 부호 11은 고정스크롤의 랩이고, 21은 선회스크롤의 랩이며, 12는 토출구멍이고, P는 압축실이다.

상기 압축기구부는 전동기구부의 구동력이 회전축(2)에 전달되면 그 회전축(2)에 결합된 선회스크롤(20)이 올담링(30)에 의해 자전이 방지되면서 고정스크롤(10)과 맞물려 선회 운동하게 되고 상기 선회스크롤(20)의 선회운동에 의해 선회스크롤(20)과 고정스크롤(10)에 각각 형성된 인벌류트 형상의 랩(11)(21)의 상대 운동에 의해 가스를 연속적으로 흡입하고 압축하여 토출시키게 된다.

상기 스크롤 압축기의 압축원리는, 도 3에 도시한 바와 같이, 인벌류트 곡선(Involute Curve) 형상의 랩(Wrap)을 갖는 고정스크롤(10)과 그 고정스크롤 랩(11)의 인벌류트 곡선과 180°의 위상차를 가진 인벌류트 곡선 형상의 랩(21)을 갖는 선회스크롤(20)이 서로 마주보도록 맞물림에 의해 쌍으로 형성된 초생달 모양의 압축실(P)이 형성되며, 이와 같은 상태에서 프레임(1)에 고정된 고정스크롤(10)에 대하여 선회스크롤(20)이 올담링(30)에 의해 자전이 방지된 채로 선회 운동을 하면 압축실(P)이 중심부 쪽으로 움직이면서 체적이 감소되어 압축 작용을 하게 되며 이와 같은 과정은 연속적이면서 대칭적으로 이루어지게 된다.

상기 압축과정을 보다 상세하게 설명하면 압축기 내부로 유입된 냉매 가스는 보통 고정스크롤(10)의 한쪽 측면에 형성된 흡입포트를 통해 스크롤내부로 유입된다. 이때 흡입 가스는 고정스크롤의 흡입포트측에 형성되는 압축실(P1)로 유입되어 압축이 시작되고 일부는 고정스크롤(10)의 안내통로를 따라 180°반대쪽에 형성되는 압축실(P2)로 유입되어 동시에 압축이 시작된다. 이와 같이 대칭적으로 동시에 압축되기 시작한 압축실(P)의 냉매 가스는 선회스크롤(20)이 선회운동을 함에 따라 스크롤 중심부 쪽으로 이동하면서 압축된 후 고정스크롤(10) 중심부에 형성된 토출구멍(12)을 통해 토출된다.

그리고 비대칭 스크롤 압축기의 경우, 도 4에 도시한 바와 같이 고정스크롤(40)의 랩(41)을 선회스크롤(50)의 랩(51)보다 180°길게 형성함으로써 일반적인 대칭형 스크롤 압축기에 비해 같은 공간에서 더 많은 냉매 가스를 흡입함으로써 행정체적을 크게 할 수 있고, 또한 압축실(P)로 흡입되는 냉매 가스의 가열을 방지할 수 있어 냉매 가스의 비체적을 줄일 수 있게 된다.

한편, 상기 스크롤 압축기에서 선회스크롤의 자전 토오크(Torque)는, 도 5를 참조로 하여 다음과 같은 식에 의해 계산된다.

Mt = Ft×β

여기서, Ft; 접선방향 가스력, β; 선회스크롤 중심으로부터 Ft작용점까지의 거리이다.

일반적인 대칭 스크롤 압축기의 경우에는 양쪽 압축실(P)의 압력이 동일하기 때문에 β가 1/2ε(선회반경의 1/2)로 일정하고 r = 0 이므로 자전토크는 항상 일정한 방향으로 작용하므로 선회스크롤의 거동이 안정되어 있다.

하지만, 비대칭 스크롤 압축기의 경우에 Ft는 거의 변화가 없지만 압축실(P)로 흡입되는 흡입 가스 양에 따른 압축실 압력의 비대칭으로 인하여 β값이(+)(-)로 움직이기 때문에 r = 0 인 경우에는 자전 토오크 Mt가 (+)(-)로 움직이게 되어 선회스크롤(50)이 회전방향, 즉 원주방향으로 진동하게 된다. 도 6은 위와 같은 조건에서 선회스크롤 및 올담링 키에 작용하는 힘의 관계를 나타낸 자유도이고, 도 7은 위와 같은 조건에서 선회스크롤이 선회 운동하는 과정에서 선회스크롤에 가해지는 자전 토오크를 나타낸 그래프이고, 도 8은 상기 선회스크롤의 자전 토오크로 인하여 선회스크롤의 자전을 방지하는 올담링의 키에 작용하는 힘의 상태를 나타낸 그래프이다. 이에 도시한 바와 같이 선회스크롤에 (+),(-)로의 자전 토오크와 역전 토오크가 작용하게 되어 올담링 키(32)(33)들 중 하나 또는 두개 모두가 양측으로 접촉력이 작용하게 되므로 선회스크롤(50) 및 올담링(30)의 거동이 불안정하게 될 뿐만 아니라 선회스크롤(50)의 키홈(52)(53)과 그에 삽입되는 올담링(30)의 키(32)(33)사이에 접촉에 의한 진동 소음 및 접촉 마모가 발생하게 되고, 또한 선회스크롤(50)의 원주방향의 진동으로 압축실의 갭이 발생되어 압력 누설을 유발시키게 된다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 선회스크롤의 자전을 방지하는 올담링에 작용하는 힘의 방향을 일정하게 하여 올담링의 거동을 안정시킬 수 있도록 한 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 스크롤 압축기의 압축기구부를 도시한 단면도,

도 2는 상기 스크롤 압축기의 압축기구부의 주요부품에 대한 분해 사시도,

도 3은 대칭 스크롤 압축기의 압축원리를 단계적으로 각각 도시한 압축기구부의 평면도,

도 4는 종래 비대칭 스크롤 압축기의 압축기구부를 도시한 평면도,

도 5는 종래 비대칭 스크롤 압축기의 힘의 작용관계를 도시한 자유도,

도 6은 종래 비대칭 스크롤 압축기에서 선회스크롤에 작용하는 힘의 관계를 나타낸 자유도,

도 7,8은 종래 비대칭 스크롤 압축기에서 선회스크롤에 작용하는 자전 토오크 및 올담링의 키 작용힘을 각각 나타낸 그래프,

도 9는 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 거동 안정구조가 구비된 압축기구부의 단면도,

도 10은 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 거동 안정구조가 구비된 압축기구부의 평면도,

도 11은 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 거동 안정구조의 압력 작용상태를 나타낸그래프.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

30 ; 올담링 32,33,34,35 ; 올담링 키

40 ; 고정스크롤 41 ; 고정스크롤 랩

50 ; 선회스크롤 51 ; 선회스크롤 랩

P ; 압축실

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 인벌류트 곡선 형상의 랩을 구비한 선회스크롤과 고정스크롤이 맞물려 선회스크롤이 올담링에 의해 자전이 방지되면서 선회 운동함에 의해 압축실을 형성하고 상기 고정스크롤 랩 끝각을 선회스크롤 랩 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 것을 포함한 비대칭 스크롤 압축기에 있어서, 상기 올담링의 위치가 선회스크롤 랩의 끝각에서 감겨 나가는 방향으로 10°에서 감겨 들어가는 방향으로 80°범위에 하나의 올담링 키가 위치하도록 한 것을 특징으로 하는 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 거동 안정구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 9, 10은 본 발명의 거동 안정구조가 구비된 비대칭 스크롤 압축기의 압축기구부를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 먼저 비대칭 스크롤 압축기의 압축기구부는 소정 형상의 프레임(1)에 인벌류트 곡선 형상의 랩(41)이 형성된 고정스크롤(40)이 결합되고 그 고정스크롤(40)과 프레임(1)사이에 상기 고정스크롤(40)의 랩(41)과 상응하는 형태의 랩(51)이 형성된 선회스크롤(50)이 고정스크롤(40)과 선회 운동 가능하도록 결합된다. 그리고 상기 프레임(1)과 선회스크롤(50)사이에 선회스크롤(50)의 자전을 방지하는 올담링(30)(Oldham Ring)이 결합되며 그 올담링(30)의 위치가 선회스크롤 랩(51)의 끝각에서 감겨 나가는 방향으로 10°에서 감겨 들어가는 방향으로 80°범위에 하나의 올담링 키가 위치하도록 한 구조이다. 상기 고정스크롤(40)의 랩(41)과 선회스크롤(50)의 랩(51)사이에 압축실(P)이 형성되며 상기 고정스크롤 랩(41)은 선회스크롤 랩(51)과 맞물린 상태에서 선회스크롤 랩(51) 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 형태로 형성된다.

상기 올담링(30)은 링형체(31)의 일측면에 소정 형상으로 돌출된 제1,2 키(32)(33)가 각각 직선 선상에 형성되고 상기 링형체(31)의 타측면에 소정 형상으로 돌출된 제3,4 키(34)(35)가 직선 선상으로 각각 형성되어 이루어지며, 상기 제1,2 키(32)(33)가 형성되는 선과 제3,4 키(34)(25)가 형성되는 선은 수직 관계를 이루게 된다. 그리고 상기 선회스크롤(50) 하면에 상기 제1,2 키(32)(33)가 삽입되어 직선상으로 움직일 수 있도록 키홈(52)(53)이 각각 형성되고 상기 프레임(1)의 상면에 상기 제3,4 키(34)(35)가 삽입되어 직선상으로 움직일 수 있도록 키홈(1a)(1b)이 각각 형성된다. 상기 올담링(30)은 그 제1,2 키(32)(33)가 선회스크롤(50)의 키홈(52)(53)에 각각 삽입되고 그 제3,4 키(34)(35)가 프레임의 키홈(1a)(1b)에 각각 삽입되도록 프레임(1)과 선회스크롤(50)사이에 결합된다. 그리고 상기 올담링(30)의 제1,2 키(32)(33) 및 그 키들(32)(33)이 삽입되는 선회스크롤(50)의 키홈(52)(53) 중 하나의 키 및 그 키가 삽입되는 키홈이 선회스크롤 랩(51)의 끝각에서 감겨 나가는 방향으로 10°에서 감겨 들어가는 방향으로 80°범위에 위치하게 되며 나머지 올담링 키 및 그 키홈은 서로 90°의 간격을 두고 각각 형성된다.

상기 선회스크롤(50)은 그 하면에 형성된 보스부(54)에 전동기구부와 결합되는 회전축의 편심부(2a)가 삽입되어 전동기구부의 구동력이 회전축(2)을 통해 선회스크롤(50)에 전달된다.

이하, 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전동기구부의 구동력이 회전축(2)을 통해 선회스크롤(50)에 전달되면 그 선회스크롤(50)은 선회스크롤에 결합되는 올담링(30)에 의해 자전이 방지되면서 고정스크롤의 랩(41)과 선회스크롤의 랩(51)이 맞물려 선회 운동하게 되고 그 선회스크롤(50)의 선회 운동에 의해 고정스크롤의 랩(41)과 선회스크롤(50)의 랩(51)에 의해 형성되는 압축실(P)로 냉매 가스가 흡입되고 그 냉매 가스가 흡입된 압축실(P)이 스크롤의 중심으로 이동함과 동시에 그 체적이 감소되면서 냉매 가스가 압축되어 고정스크롤의 토출구멍(41)을 통해 토출된다.

상기 과정에서 선회스크롤(50)은 고정스크롤(40)의 중심과 선회반경을 두고 공전 운동하게 됨과 동시에 올담링(30)에 의해 자전이 방지되어 선회 운동하게 된다. 상기 선회스크롤(50)의 선회운동에 의해 올담링(30)에 작용하는 선회스크롤(50)의 자전 방지에 대한 반력을 결정짓는 항 중에서 가장 큰 요소는 자전 토오크에 의한 영향과 실링력, 즉 선회스크롤(50)을 고정스크롤(40)에 밀어붙이는 힘이다. 이와 같은 요소 중 자전 토오크는 스크롤의 형상에 의해 결정되며 실링력은 올담링(30)의 위치에 의해 변수가 된다. 즉, 상기 실링력을 단순하게 나타내면 Fc - Fr의 형태를 가지게 되는데 그 중 원심력인 Fc는 그 방향이 올담링(30)과 일정한 각도를 이루게 되며 그 각도와 회전각의 상관 관계에 의해 사인파(Sine Wave) 형태를 띄게 된다.

따라서, 상기 올담링(30)의 키 중 선회스크롤의 키홈(52)(53)에 삽입되는 키의 하나를 상기 선회스크롤의 랩(51) 끝각에서 랩이 감기는 방향으로 적정한 각도, 즉 선회스크롤 랩(51)의 끝각에서 감겨 나가는 방향으로 10°에서 감겨 들어가는 방향으로 80°범위에 위치하게 되면 올담링(30)에 걸리는 반력이 최소화되어 올담링(30) 및선회스크롤(50)의 거동이 안정된다. 도 11은 본 발명을 적용시 올담링(30)에 작용하는 힘을 실험치로 나타낸 그래프이다. 즉, 올담링(30)의 키에 작용하는 역 자전 토오크가 최소화되고 자전 토오크가 작용하게 되어 올담링(30)에 한 방향으로 자전 토오크가 작용하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조는 고정스크롤과 맞물려 선회 운동하는 선회스크롤의 자전을 방지하는 올담링에 자전 토오크가 한 방향으로 작용하게 됨으로써 올담링 및 선회스크롤의 거동이 안정화되어 이상 마모 및 진동 소음이 방지될 뿐만 아니라 압축 가스의 누설을 방지하게 되어 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

인벌류트 곡선 형상의 랩을 구비한 선회스크롤과 고정스크롤이 맞물려 선회스크롤이 올담링에 의해 자전이 방지되면서 선회 운동함에 의해 압축실을 형성하고 상기 고정스크롤 랩 끝각을 선회스크롤 랩 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 것을 포함한 비대칭 스크롤 압축기에 있어서, 상기 올담링의 위치가 선회스크롤 랩의 끝각에서 감겨 나가는 방향으로 10°에서 감겨 들어가는 방향으로 80°범위에 하나의 올담링 키가 위치하도록 한 것을 특징으로 하는 비대칭 스크롤 압축기의 거동 안정구조.