KR100332794B1 - 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조 - Google Patents

비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조에 관한 것으로, 본 발명은 인벌류트 곡선 형상의 랩을 구비한 선회스크롤과 고정스크롤이 맞물려 선회스크롤이 선회 운동함에 의해 압축실을 형성하고 상기 고정스크롤 랩 끝각을 선회스크롤 랩 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 것을 포함한 비대칭 스크롤 압축기에서, 상기 선회스크롤 랩 기초원 중심을 선회스크롤 경판 및 보스부 중심에 대하여 랩 끝각에서 랩이 감겨 들어가는 방향으로 30°에서 랩이 연장되는 방향으로 60° 범위에 위치함과 동시에 선회반경의 0.1 ~ 0.5배의 거리만큼 편심시키도록 구성하여 전동기구부의 구동력을 전달받아 선회 운동하는 선회스크롤의 역 자전 토오크를 최소화함으로써 선회스크롤 및 올담링의 거동이 안정화시켜 이상 마모 및 진동 소음이 방지할 뿐만 아니라 압축 가스의 누설을 방지할 수 있도록 한 것이다.

Description

비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조{STRUCTURE FOR IN ASYMMETRIC SCROLL COMPRESSOR}
본 발명은 비대칭 스크롤 압축기에 관한 것으로, 특히 선회스크롤의 역자전 토오크 를 최소화할 수 있도록 한 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 공기나 냉매 가스 등의 유체를 압축하는 기계이다. 상기 압축기는 구동력을 발생시키는 전동기구부와 그 전동기구부에서 전달된 구동력에 의해 가스를 압축시키는 압축기구부로 구성된다. 상기 압축기는 압축기구부의 구조에 따라 로타리식 압축기(Rotary Compressor), 왕복동식 압축기(Reciprocating Compressor), 스크롤 압축기(Scroll Compressor) 등으로 나누어진다.
도 1은 상기 스크롤 압축기의 압축기구부의 일례를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 스크롤 압축기는 전동기구부의 구동력을 전달받아 선회스크롤(20)이 고정스크롤(10)과 맞물려 선회 운동함에 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 2에 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 자전이 방지된 채로 선회 운동을 하면 압축실(P)이 중심부 쪽으로 움직이면서 체적이 감소되어 압축 작용을 하게 되며 이와 같은 과정은 연속적이면서 대칭적으로 이루어지게 되어 부하 변동폭이 로타리식 압축기이나 왕복동식 압축기보다 현저하게 작게 되기 때문에 진동 및 소음, 신뢰성, 효율 등의 측면에서 크게 유리하게 된다.
상기 압축과정을 보다 상세하게 설명하면 흡입 파이프를 통해 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 3에 도시한 바와 같이 고정스크롤(30)의 랩(31)을 선회스크롤(40)의 랩(41)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 4를 참조로하여 다음과 같은 식에 의해 계산된다.
Mt = Ft {β - rcos(δe - θ)} 이고,
여기서 Ft; 접선방향 가스력, β; 선회스크롤 중심으로부터 Ft작용점까지의 거리, r; 선회스크롤의 경판 중심과 그 선회스크롤에 형성된 랩의 인벌류트 곡선의 기초원 중심간의 편심량, θ; 크랭크 각, δe; 랩 끝단에서 랩이 감겨 들어가는 방향으로의 편심각도이다.
일반적인 대칭 스크롤 압축기의 경우에는 양쪽 압축실(P)의 압력이 동일하기 때문에 β가 1/2ε(선회반경의 1/2)로 일정하고 r = 0 이므로 선회 운동과정에서 선회스크롤의 자전 토오크는 항상 일정한 방향으로 작용하므로 선회스크롤의 거동이 안정되어 있다.
하지만, 비대칭 스크롤 압축기의 경우에 Ft는 거의 변화가 없지만 β값이 압축실(P)로 흡입되는 흡입 가스 양에 따른 압축실 압력의 비대칭으로 인하여 (+)(-)로 움직이기 때문에 r = 0 인 경우에는 선회스크롤의 선회 운동과정에서 선회스크롤의 자전 토오크 Mt가 (+)(-), 즉 자전 및 역자전으로 움직이게 되어 선회스크롤(40)이 회전방향, 즉 원주방향으로 진동하게 된다. 도 5는 위와 같은 조건에서 선회스크롤이 선회 운동하는 과정에서 선회스크롤에 가해지는 자전 토오크를 나타낸 그래프이고, 도 6은 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 되므로 이로 인하여 올담링 키의 양측으로 접촉력이 작용하게 되어 거동이 불안전할 뿐만아니라 선회스크롤의 키홈과 그에 삽입되는 올담링의 키사이에 접촉에 의한 진동 소음 및 접촉 마모가 발생하게 되고, 또한 선회스크롤의 원주방향의 진동으로 압축실의 갭이 발생되어 압력 누설을 유발시키게 된다.
상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 선회스크롤에 작용하는 역전 토오크를 최소화하여 선회스크롤의 거동을 안정화할 수 있도록 한 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조를 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 스크롤 압축기의 압축기구부를 도시한 단면도,
도 2는 대칭 스크롤 압축기의 압축원리를 단계적으로 각각 도시한 압축기구부의 평면도,
도 3은 종래 비대칭 스크롤 압축기의 압축기구부를 도시한 평면도,
도 4는 종래 비대칭 스크롤 압축기의 힘의 작용관계를 도시한 자유도,
도 5,6은 종래 비대칭 스크롤 압축기에서 작용하는 자전토크 및 올담링의 키 작용힘을 각각 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 역전 토오크 발생 방지구조가 구비된 압축기구부의 단면도,
도 8은 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 역전 토오크 발생 방지구조가 구비된 압축기구부의 평면도,
도 9는 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 역전 토오크 발생 방지구조를 구성하는 선회스크롤의 평면도,
도 10,11은 본 발명의 압력작용 상태를 각각 나타낸 그래프.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
30 ; 고정스크롤 31 ; 고정스크롤 랩
40 ; 선회스크롤 41 ; 선회스크롤 랩
42 ; 선회스크롤 경판 43 ; 선회스크롤 보스부
P ; 압축실 01; 경판 중심
02; 랩 기초원 중심 ε ; 선회반경
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 인벌류트 곡선 형상의 랩을 구비한 선회스크롤과 고정스크롤이 맞물려 선회스크롤이 선회 운동함에 의해 압축실을 형성하고 상기 고정스크롤 랩 끝각을 선회스크롤 랩 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 것을 포함한 비대칭 스크롤 압축기에 있어서, 선회스크롤 랩 기초원 중심을 선회스크롤 경판 및 보스부 중심에 대하여 랩 끝각에서 랩이 감겨 들어가는 방향으로 30°에서 랩이 연장되는 방향으로 60° 범위에 위치함과 동시에 선회반경의 0.1 ~ 0.5배의 거리만큼 편심시킨 것을 특징으로 하는 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조가 제공된다.
이하, 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기 압력 조절구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.
도 7, 8은 본 발명의 역전 토오크 발생 방지구조가 구비된 비대칭 스크롤 압축기의 압축기구부를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 먼저 비대칭 스크롤 압축기은 전동기구부와 압축기구부로 구성되며 그 압축기구부는 프레임(1)에 고정되는 고정스크롤(30)과 그 고정스크롤(30)과 프레임(1)사이에 선회 운동 가능하도록 맞물리는 선회스크롤(40)을 포함하여 구성된다.
상기 고정스크롤(30)은 소정 형상으로 형성된 몸체(32) 내부에 인벌류트 형상의 랩(31)이 형성되고 그 고정스크롤 몸체(32)의 가운데 토출구멍(33)이 구비되어 이루어진다. 상기 선회스크롤(40)은 소정의 두께와 면적을 갖는 경판(42)의 일측에 상기 고정스크롤 랩(31)의 인벌류트 곡선 형태와 상응하도록 랩(41)이 형성되며 상기 경판(42)의 타측에 회전축의 편심부(2a)와 연결되는 보스부(43)가 형성된다. 상기 선회스크롤의 보스(43)부에 전동기구부와 결합되는 회전축의 편심부(2a)가 삽입되어 선회스크롤(40)이 회전축(2)과 연결된다. 상기 고정스크롤의 랩(31)과 선회스크롤의 랩(41)사이에 압축실(P)이 형성된다.
상기 고정스크롤(30)과 선회스크롤(40)은 선회스크롤 랩(41)이 인벌류트 곡선 형태로 소정의 길이를 갖도록 형성되며 상기 고정스크롤 랩(31)은 선회스크롤 랩(41)과 맞물린 상태에서 선회스크롤 랩(41) 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 형태로 이루어진다. 그리고, 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 선회스크롤 랩(41) 기초원 중심(O2)이 선회스크롤 경판(42) 및 보스부 중심(01)에 대하여 랩(41) 끝각에서 랩(41)이 감겨 들어가는 방향으로 30°에서 랩(41)이 연장되는 방향으로 60° 범위에 위치함과 동시에 선회반경(ε)의 0.1 ~ 0.5배의 거리(r)만큼 편심되어 형성된다.
이하, 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조의 작용효과를설명하면 다음과 같다.
먼저, 전동기구부의 구동력이 회전축(2)을 통해 선회스크롤(40)에 전달되면 그 선회스크롤(40)은 선회스크롤 경판(42)에 결합되는 올담링(3)에 의해 자전이 방지되면서 고정스크롤의 랩(31)과 선회스크롤의 랩(41)이 맞물려 선회 운동하게 되고 그 선회스크롤(40)의 선회 운동에 의해 냉매 가스가 고정스크롤의 랩(31)과 선회스크롤의 랩(41)에 의해 형성되는 압축실(P)로 흡입되고 압축되어 고정스크롤의 토출구멍(33)을 통해 토출된다.
상기 과정에서 선회스크롤에 작용하는 자전 토오크에 대한 식은 종래 기술에서 서술된 바와 같이,
Mt = Ft {β - rcos(δe - θ)} 이다.
(Ft; 접선방향 가스력, β; 선회스크롤 중심으로부터 Ft작용점까지의 거리, r; 선회스크롤의 경판 중심과 그 선회스크롤에 형성된 랩의 인벌류트 곡선의 기초원 중심간의 편심량, θ; 크랭크 각, δe; 랩 끝단에서 랩이 감겨 들어가는 방향으로의 편심각도임)
상기 식에서 선회스크롤의 자전 토오크를 결정짓는 항 중 접선방향 가스력에 의한 항인 Ft×β에 의한 자전 토오크는 크랭크 각 θ에 따라 도 5와 같은 경향을 갖게 되고 랩의 편심에 의한 항인 Ft×r×cos(δe - θ)는 δe가 항상 일정하므로 사이파(Sine Wave)의 형태를 갖게 된다. 따라서 편심량 r과 편심된 방향의 각도인 δe를 적절하게 조정하게 되면 자전 토오크의 역전을 최소화하게 된다. 즉, 상기 선회스크롤 랩 기초원 중심(O2)을 선회스크롤 경판 및 보스부 중심(01)에 대하여 랩 끝각에서 랩이 감겨들어가는 방향으로 30°에서 랩이 연장되는 방향으로 60° 범위에 위치함과 동시에 선회반경(ε)의 0.1 ~ 0.5배의 거리(r)만큼 편심되도록 형성함으로써 선회스크롤(40)의 역 자전 토오크를 최소화하게 된다. 도 10, 11은 본 발명의 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조를 적용한 실험치를 나타낸 그래프이다.
이와 같이 선회스크롤의 역전 토오크를 최소화하게 되어 선회스크롤의 자전을 방지하는 올담링에 작용하는 힘의 방향을 한 쪽 방향으로 유지하게 됨으로써 선회스크롤 및 올담링의 거동을 안정시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조는 전동기구부의 구동력을 전달받아 고정스크롤과 맞물려 선회 운동하는 선회스크롤의 역 자전 토오크가 최소화되어 선회스크롤 및 올담링의 거동이 안정화됨으로써 이상 마모 및 진동 소음이 방지될 뿐만 아니라 압축 가스의 누설을 방지하게 되어 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 인벌류트 곡선 형상의 랩을 구비한 선회스크롤과 고정스크롤이 맞물려 선회스크롤이 선회 운동함에 의해 압축실을 형성하고 상기 고정스크롤 랩 끝각을 선회스크롤 랩 끝각보다 180°이내로 인벌류트 각을 연장시킨 것을 포함한 비대칭 스크롤 압축기에 있어서, 상기 선회스크롤 랩 기초원 중심을 선회스크롤 경판 및 보스부 중심에 대하여 랩 끝각에서 랩이 감겨 들어가는 방향으로 30°에서 랩이 연장되는 방향으로 60° 범위에 위치함과 동시에 선회반경의 0.1 ~ 0.5배의 거리만큼 편심시킨 것을 특징으로 하는 비대칭 스크롤 압축기의 역전 토오크 발생 방지구조.
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