KR100547321B1 - 용량 조절식 스크롤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 스크롤 압축기는 스크롤 부재의 압축 공간을 따라서 적어도 두개 이상 형성되어, 압축 중인 유체가 적어도 두개 이상의 지점에서 각각 바이패스되도록 하여, 적어도 세개 이상의 다단으로 압축용량을 조정할 수 있도록 하는 바이패스 포트; 일단이 각각의 상기 바이패스 포트와 연결되고, 타단이 상기 스크롤 압축기 내에서 압축되기 전의 저압 상태 유체가 저장되는 흡입 챔버와 연결되는 바이패스 관로; 각각의 바이패스 포트와 각각의 바이패스 관로의 연결 상태를 개방 또는 폐쇄 상태로 조작하기 위한 막음 밸브; 각각의 막음 밸브의 위치를 개방 또는 폐쇄 위치로 조정하기 위하여, 상기 스크롤 압축기 흡입구의 저압 유체와, 상기 스크롤 압축기 토출구의 고압 유체가 소정의 조정 관로를 경유하여, 각각의 막음 밸브에 선택적으로 인가되도록 하기 위한 조정 밸브가 포함된다.
본 발명은 별도의 추가적인 구성없이, 스크롤 압축기에 의해서 압축되기 전과, 압축된 후의 유체 압력을 이용하여 밸브를 구동함으로써, 스크롤 압축기의 제작 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 압축 용량을 보다 많은 단계로 변경시키며, 스크롤 압축기를 운전할 수 있게 되므로, 시스템의 용량에 맞추어 보다 적합하게 스크롤 압축기를 가동시킬 수 있는 효과가 있다.
스크롤 압축기

Description

용량 조절식 스크롤 압축기{Scroll compressor with volume regulating capability}
도 1은 본 발명의 사상에 따른 스크롤 압축기의 구성을 설명하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 비선회 스크롤 부재의 저면도.
도 3과 도 5는 도 1에서 "A"부분을 확대한 도면.
도 4와 도 6은 바이패스 포트의 개폐 상태에 따른 스크롤 부재의 상태를 개념적으로 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 실시예를 설명하는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 바이패스 포트의 형성 위치를 개념적으로 설명하는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 스크를 압축기에서 상부 밀폐 외각의 절개도.
도 11은 본 발명의 다른 형태를 보이기 위해서 비선회 스크롤 부재의 형상을 개념적으로 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 밀폐성 외각 12 : 밀폐 플레이트 13 : 흡입 챔버
14 : 토출 챔버 15 : 비선회 스크롤 부재
16 : 선회 스크롤 부재 17 : 비선회 나선형 랩
18 : 선회 나선형 랩 19 : 구동축
21 : 베어링 22 : 흡입구 23 : 토출구
24 : 바이패스 포트 25 : 막음 밸브 26 : 중앙 토출 관로
31 : 바이패스 관로
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 상세하게는, 스크롤 압축기의 토출 용량을 다단으로 조절할 수 있는 용량 조절식 스크롤 압축기에 관한 것이다.
냉동 시스템은 에어컨 또는 냉장고에 적용되는 시스템으로서, 냉동 시스템을 순환하는 냉매에 의한 열의 흡수 및 방출에 의해서 특정 부분의 온도를 냉각시키는 시스템으로 사용된다. 상세하게 냉동 시스템은 계(boundary)의 내부에서 열을 흡수하고, 계의 외부로 흡수된 열을 방출하는 동작이 반복해서 수행됨으로써, 계의 내부를 냉각시키는 시스템이다.
또한, 열펌프 시스템은 냉동 시스템과 유사하지만 냉매의 순환을 냉동 시스템과는 역방향으로 운전하여, 열의 흡수 및 배출 운전을 냉동 시스템과는 반대로 운전함으로써, 계의 내부를 외부보다 고열로 유지되도록 하는 시스템이다.
이와 같은 냉동 시스템 및 열펌프 시스템은 압축, 응축, 팽창 및 증발로 이어지는 일련의 과정으로 이루어지고, 이러한 일련의 과정 중에서 스크롤 압축기는 냉매를 압축하는 기능을 수행하게 된다.
한편, 스크롤 압축기는 본원 발명의 출원인이 대한민국 특허출원번호 "10-1999-0000607", 발명의 명칭, "스크롤 압축기"등과 같은 다수의 문헌에 의해서 이미 공지된 바가 있으므로, 그 구성 및 동작에 관한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명은 스크롤 압축기의 작동에 의해서 압축되는 압축 용량을 가변할 수 있는 스크롤 압축기에 관한 것이다. 이하에서는, 이와 같이 스크롤 압축기의 동작 중에서 압축기의 압축 용량의 가변이 필요한 이유를 설명한다.
냉동 시스템 및 열펌프 시스템에서는 방열량등과 같이 일정하게 주어지는 제한 조건 하에서, 그 기기의 사양에 맞는 스크롤 압축기를 선택하는 것은 상당히 어려운 문제이다. 그러므로, 그 사용처를 예상하여 가장 불리한 작동 조건, 예를 들면 가장 큰 압축 용량이 필요한 조건(예를 들면, 공조기의 난방 운전)과 작은 압축 용량이 필요한 조건(예를 들면, 공조기의 냉방 운전)을 예상하여 스크롤 압축기를 선택하는 것이 일반적이다.
그러나, 이러한 불리한 조건은 실제 작동시에는 거의 발생되지 아니하는 것이 일반적이므로, 결국 압축기를 선택하는데 있어서 용량이 큰 압축기를 선택하게 되면, 고 비율의 작동 시간 동안 저부하 조건하에서 압축기가 작동하게 된다. 이러한 작동은 결과적으로 시스템의 전체적인 작동효율을 떨어뜨리게 된다.
그러므로, 보통의 작동 조건하에서 전체적인 작동 효율을 향상시키는 동시에, 압축기가 가장 불리한 조건 하에서도 작동 조건을 수용할 수 있도록, 압축 용량의 조절이 가능한 압축기가 요구된다.
이와 같이 스크롤 압축기의 압축 용량을 가변하기 위하여 종래에 적용되는 방법은, 전기적으로 스크롤 압축기의 회전수를 제어하는 방법과, 압축 중인 냉매의 누설을 이용하는 방법이 있다.
그러나, 종래 스크롤 압축기의 압축 용량을 가변하는 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 회전수를 제어하는 방법은 성능이 우수하지만, 모터를 정확한 회전수로 제어하기 위한 인버터등과 같은 추가적인 부품이 소요되고, 고속 회전시에 마찰부위의 신뢰성을 확보하기가 어려운 단점이 있다. 그리고, 누설을 이용하는 방법으로는, 대한민국 특허출원 10-2001-0062567(미국특허출원번호 09/686,561)등이 있는데, 이러한 방법 또한 다수의 복잡한 부품이 적용되기 때문에, 제조 비용이 상승되는 등의 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 압축 모터의 회전수가 동일한 상태에서, 바이패스(Bypass)기능을 이용하여 압축 용량을 가변할 수 있도록 하는 용량 조절식 스크롤 압축기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 추가적인 구성없이, 스크롤 압축기에 의해서 압축되기 전과, 압축된 후의 유체 압력을 이용하여 밸브를 구동하여, 압축 용량을 가변할 수 있도록 하는 용량 조절식 스크롤 압축기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 압축 용량의 조정 단계가 두 단계 이상의 다단으로 조정될 수 있도록 하여, 다양하게 주어지는 냉동 시스템 및 열펌프 시스템의 운전조건 하 에서도, 요구되는 특정의 압축 용량에 맞추어서 유체가 압축될 수 있도록 하는 용량 조절식 스크롤 압축기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 모터의 손실이나 추가적인 동력의 제공없이, 압축 용량을 가변하여 스크롤 압축기를 구동시킬 수 있는 용량 조절식 스크롤 압축기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기된 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용량 조절식 스크롤 압축기는 스크롤 부재의 압축 공간을 따라서 적어도 두개 이상 형성되어, 압축 중인 유체가 적어도 두개 이상의 지점에서 각각 바이패스되도록 하여, 적어도 세개 이상의 다단으로 압축용량을 조정할 수 있도록 하는 바이패스 포트; 일단이 각각의 바이패스 포트와 연결되고, 타단이 상기 스크롤 압축기 내에서 압축되기 전의 저압 상태 유체가 저장되는 흡입 챔버와 연결되는 바이패스 관로; 각각의 바이패스 포트와 각각의 바이패스 관로의 연결 상태를 개방 또는 폐쇄 상태로 조작하기 위한 막음 밸브; 각각의 막음 밸브의 위치를 개방 또는 폐쇄 위치로 조정하기 위하여, 상기 스크롤 압축기 흡입구의 저압 유체와, 상기 스크롤 압축기 토출구의 고압 유체가 소정의 조정 관로를 경유하여, 각각의 막음 밸브에 선택적으로 인가되도록 하기 위한 조정 밸브가 포함된다.
제시되는 바와 같은 용량 조절식 스크롤 압축기에 의해서, 별도의 추가적인 구성없이 스크롤 압축기의 압축 용량을 가변하여 운전할 수 있게 된다. 그리고, 스크롤 압축기에 요구되는 두개 이상의 운전 조건에 보다 적극적으로 대응하여 압축 용량을 가변하여 스크롤 압축기를 운전할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수는 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 스크롤 압축기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 용량 조절식 스크롤 압축기는 스크롤 압축기의 일반적인 구성과, 압축 용량이 조정되기 위한 바이패스 구조와, 상기 바이패스 구조를 조정하기 위한 바이패스 조정 구조가 포함된다.
먼저, 일반적인 스크롤 압축기의 구성으로는 계의 내부를 밀폐하여 외계와 분리하는 밀폐성 외각(11)과, 상기 밀폐성 외각(11)의 내부에 형성되어 압축기의 내부를 저압의 흡입 챔버(13)와 고압의 토출 챔버(14)로 분리하는 밀폐 플레이트(12)와, 상기 흡입 챔버(13)와 연결되어 압축되는 유체가 흡입되는 흡입구(22)와, 상기 토출 챔버(14)와 연결되어 압축된 유체가 토출되는 토출구(23)와, 상기 밀폐성 외각(11)에 고정되는 비선회 스크롤 부재(15)와, 모터(미도시)로부터 연장되고 상단부가 편심되어 형성되는 구동축(19)과, 상기 구동축(19)과 연계되는 선회 스크롤 부재(16)와, 상기 비선회 스크롤 부재(15)에 형성되는 공기의 압축 경로로서 비선회 나선형 랩(17)과, 상기 비선회 나선형 랩(17)과 간헐적으로 면접되어 공기의 압축경로를 형성하는 선회 나선형 랩(18)과, 상기 구동축(19)을 안전하게 지지하기 위한 베어링(21)과, 상기 비선회 스크롤 부재(15)의 중심부가 관 통되어 압축된 유체가 상기 토출 챔버(14)로 배출되기 위한 중앙 토출 관로(26)가 포함된다.
그리고, 상기 바이패스 구조는 상기 비선회 스크롤 부재(15)의 중심이 아닌 다른 소정 부위가 개구되어 형성되는 바이패스 포트(24)와, 상기 바이패스 포트(24)의 후방에 형성되어 유체의 경로를 가이드하는 막음 밸브(25)와, 상기 막음 밸브(25)에서 분지되어 상기 바이패스 포트(24)를 통해서 유출된 유체가 상기 흡입 챔버(13)로 유출되도록 하는 관로인 바이패스 관로(31)가 포함된다.
그리고, 바이패스 조정 구조로는 상기 막음 밸브(25)와 연결되어 상기 막음 밸브(25)를 조정하는 압력을 제공하는 조정 관로(30)와, 상기 조정 관로(30)에 가하여지는 압력이 저압관로(27) 또는 고압관로(28)로 부터 선택적으로 절환되어 공급되도록 하기 위한 조정 밸브(29)가 포함된다.
특히, 상기 저압 관로(27)는 일단은 상기 조정 밸브(29)와 연결되고 타단은 흡입구(22)와 연결되어, 상기 흡입구(22)의 압력이 상기 저압관로(27)에 가하여 진다. 그리고, 상기 고압 관로(28)는 일단은 상기 조정 밸브(29)와 연결되고 타단은 토출구(23)와 연결되어, 상기 토출구(23)의 압력이 상기 고압관로(28)에 가하여 지도록 한다.
상세하게, 상기 막음 밸브(25)는 플로우트 밸브(Float Valve)가 적용되어, 소정 하우징의 내부를 자유로이 움직이는 물체에 의해서, 압력이 가해지는 방향으로 자유로이 움직여서 관로의 연결 상태를 변경하도록 한다.
예를 들면, 도면에 제시되는 바와 같은 원기둥 형상의 부체가 원형의 하우징 내부를 움직이도록 하여, 양측 중에서 저압이 가하여지는 방향으로 자유로이 움직이도록 하는 구조가 가능하다. 또 다른 예로서는 하우징의 내주에 놓여 하우징의 내부를 자유로이 움직일 수 있는 원형의 구슬이 형성되도록 하고, 유체가 흐르는 통기구를 개폐하는 일정의 밸브로 사용될 수 있다.
또한, 상기 조정 밸브(29)는 소정의 콘트롤러에 의해서 움직이는 솔레노이드 밸브가 적용될 수 있다.
상기되는 바와 같은 압력 조절식 스크롤 압축기의 동작을 간단히 설명한다. 먼저, 일반적인 스크롤 압축기는 모터(미도시)와 연결되는 구동축(19)이 회전되면, 상기 구동축(19)과 접촉되는 선회 스크롤 부재(16)가 선회 운동하게 된다. 이때, 비선회 스크롤 부재(15)는 정지 상태로 놓여있다.
그리고, 선회 스크롤 부재(16)가 회전되면, 선회 스크롤 부재(16)에 형성되는 선회 나선형 랩(18)과, 비선회 스크롤 부재(15)에 형성되는 비선회 나선형 랩(17)의 사이에 형성되는 공간으로, 흡입 챔버(13)의 내부에 있는 저압의 피 압축 유체가 유입되어 압축된다.
그리고, 압축된 유체는 비선회 스크롤 부재(15)의 중심부에 형성되는 중앙 토출 관로(26)를 통하여, 상기 토출 챔버(14)로 토출되고, 토출 챔버(14)의 고압 유체는 토출구(23)를 통해 배출된다.
한편, 압축 중인 유체의 바이패스 구조로서, 상기 막음 밸브(25)가 형성되어 있어, 막음 밸브(25)가 닫혀있는 경우에는, 바이패스 포트(24)를 통해서 유체가 배출될 수 없다. 그러나, 막음 밸브(25)가 열려있는 경우에는, 바이패스 포트(24)를 경유한 유체가, 상기 바이패스 관로(31)를 통해서 상기 흡입 챔버(13)의 내부로 배출되어 바이패스 된다. 그러므로, 상기 막음 밸브(25)가 열려있는 경우에는, 압축 용량이 떨어지게 된다.
한편, 상기 바이패스 구조를 조정하는 상기 바이패스 조정 구조로서, 상기 막음 밸브(25)의 동작을 조정하기 위하여, 막음밸브(25)에 일단이 연결되어 일정의 조정 압력을 인가하는 조정 관로(30)가 포함된다. 상기 조정 관로(30)의 타단에는 조정 밸브(29)가 형성되고, 상기 조정 밸브(29)에 의해서, 상기 저압 관로(27) 및 고압 관로(28)로부터 공급되는 압력이 선택적으로 상기 조정 관로(30)로 가하여진다.
특히, 상기 저압 관로(27) 및 고압 관로(28)는 상기 흡입구(22) 및 토출구(23)에 그 타단이 연결되어 있어, 상기 스크롤 압축기에서 압축되기 전의 저압의 유체압 또는 압축된 후의 고압의 유체압이 저압 관로(27) 및 고압 관로(28)에 가하여 지도록 한다.
상세하게, 상기 조정 밸브(29)가 도 1을 기준으로 하여 상측으로 이동되어 고압 관로(28)와 조정 관로(30)가 연결되는 경우에는, 조정 관로(30)에는 고압이 인가되기 때문에, 상기 막음 밸브(25)는 도면을 기준으로 하측으로 이동된다. 그리고, 상기 막음 밸브(25)가 하측으로 이동되어 닫혀 있을 때는, 상기 바이패스 포트(24)가 막혀져 압축되는 중에 있는 유체가 바이패스 되지 아니한다. 그러므로, 압축 용량의 손실없이 많은 유체가 압축될 수 있다.
그러나, 도 1을 기준으로 하여 상기 조정 밸브(29)가 하측으로 이동되어 저 압 관로(27)와 조정 관로(30)가 연결되는 경우에는, 조정 관로(30)에는 저압이 인가되기 때문에, 상기 막음 밸브(25)는 도 1을 기준으로 상측으로 이동되어 열리게 된다. 왜냐하면, 스크롤 부재(15)(16)의 상호 운동에 의해서 압축 중인 유체는 적어도 흡입구(22)내의 압력보다는 압력이 높기 때문에, 플로우팅 밸브인 상기 막음 밸브(25)는 열리게 되는 것이다.
또한, 상기 막음 밸브(25)가 상측으로 이동되어 열려 있을 때는, 상기 바이패스 포트(24)가 열려 있는 상태이기 때문에, 압축되는 도중에 있는 유체가 바이패스 관로(31)를 통해서 상기 흡입 챔버(13)의 내부로 바이패스 되어 토출된다. 그러므로, 압축 용량이 줄어들게 되고, 이러한 경우는 유체가 바이패스되는 양만큼 압축 용량이 줄어들게 되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 비선회 스크롤 부재의 저면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 사상에 따른 비선회 스크롤 부재(15)는 나선형으로 꼬여있는 비선회 나선형 랩(17)과, 상기 비선회 나선형 랩(17)의 중앙부에 형성되어 압축된 유체가 토출되는 중앙 토출 관로(26)와, 상기 비선회 나선형 랩(17)들이 이격되는 사이의 공간에 형성되는 소정의 홀로서 압축되는 도중에 있는 유체가 바이패스 되기 위한 바이패스 포트(24)가 형성된다.
이하에서는, 본 발명에 따르는 압력 조절식 스크롤 부재의 동작에 대해서 자세히 설명한다.
도 3과 도 5는 도 1에서 "A"부분을 확대한 도면이고, 도 4와 도 6은 바이패스 포트의 개폐 상태에 따른 스크롤 부재의 상태를 개념적으로 설명하는 도면이다. 그리고, 도 3과 도 4는 바이패스 포트가 막혀있는 상태를 보이고 있고, 도 5와 도 6은 바이패스 포트가 개방되어 있는 상태를 보이고 있는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 바이패스 포트(24)가 폐쇄되어 있는 상태를 도시하고 있다. 상세히는, 대향되는 상기 비선회 나선형 랩(17)의 이격되는 공간의 사이에 바이패스 포트(24)가 형성되고, 상기 바이패스 포트(24)는 막음 밸브(25)에 의해서 막혀있다. 이때, 상기 조정관로(30)에는 고압이 인가되기 때문에, 상기 막음 밸브(25)는 강하게 상기 바이패스 포트(24)를 막고 있을 수 있다.
도 4를 참조하면, 바이패스 포트(24)가 막혀있는 상태에서는, 비선회 나선형 랩(17)과 선회 나선형 랩(18)과의 사이에 형성되는 공간인 제 1 흡입체적(41)이 비선회 나선형 랩(17)과 선회 나선형 랩(18)이 만나는 첫 위치부터 형성될 수 있다.
상세하게 흡입 체적의 형성에 대하여 설명하면, 비선회 나선형 랩(17)과 선회 나선형 랩(18)이 접촉되어 형성되는 흡입 체적은 두개가 있을 수 있다.
하나는, 비선회 나선형 랩(17)의 내주면과 선회 나선형 랩(18)의 외주면이 만나서 형성되는 제 1 흡입 공간으로서, 도 4에 도시되는 바와 같은 제 1 흡입체적(41)으로 설명될 수 있다.
다른 하나는, 비선회 나선형 랩(17)의 외주면과 선회 나선형 랩(18)의 내주면이 만나서 형성되는 제 2 흡입 공간으로서, 도면에 도시되지는 아니하지만, 선회 나선형 랩(18)이 선회되는 동작에 의해서 생성되는 흡입체적을 충분히 생각해 볼 수 있다.
상기 제 1 흡입공간이 처음으로 시작되는 지점은 CS1(Compress Start 1)로 표시되는 지점이고, 상기 제 2 흡입공간이 처음으로 시작되는 지점은 CS2(Compress Start 2)로 표시되는 지점이다. 한편, 제 1, 2 흡입 공간의 시작 지점이 대칭적이지 아니하므로, 이러한 동작 상태를 '비대칭 운전'이라고 말할 수 있다. 즉, 상기 제 1, 2 흡입 공간의 시작 지점이 중심부를 기준으로 볼 때, 한쪽에 같이 형성되는 경우를 '비대칭 운전'이라고 말할 수 있는 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 바이패스 포트(24)가 개방되어 있는 상태를 도시하고 있다. 상세히는, 대향되는 상기 비선회 나선형 랩(17)의 이격되는 공간의 사이에 바이패스 포트(24)가 형성되고, 상기 바이패스 포트(24)는 막음 밸브(25)가 상측으로 이동되어 있으므로 개방되어 있다. 이때, 상기 조정관로(30)에는 기 설명된 바와 같이 저압이 인가되기 때문에, 상기 막음 밸브(25)가 개방되어 압축 중인 유체가 바이패스 되어 바이패스 포트(24) 및 바이패스 관로(31)를 통하여 흡입 챔버(13)의 내부로 바이패스되어 토출된다.
도 6을 참조하면, 바이패스 포트(24)가 개방되어 있는 상태에서는, 비선회 나선형 랩(17)과 선회 나선형 랩(18)과의 사이에 형성되는 공간인 제 2 흡입 체적(42)이, 비선회 나선형 랩(17)과 선회 나선형 랩(18)이 만나는 첫 위치부터 형성되지 아니한다. 그 대신에 상기 바이패스 포트(24)가 형성되어 있는 위치를 지난 지점부터 제 2 흡입체적(42)이 형성되기 시작하는 것을 볼 수 있다.
상세하게 흡입 체적의 형성에 대하여 설명하면, 비선회 나선형 랩(17)과 선회 나선형 랩(18)이 접촉되어 형성되는 흡입 공간은 기 설명된 바와 같이 두개가 있을 수 있다.
즉, 하나는, 비선회 나선형 랩(17)의 내주면과 선회 나선형 랩(18)의 외주면이 만나서 형성되는 제 1 흡입 공간으로서, 도 6에 도시되는 바와 같은 제 1 흡입체적(41)으로 설명될 수 있다.
다른 하나는 비선회 나선형 랩(17)의 외주면과 선회 나선형 랩(18)의 내주면이 만나서 형성되는 제 2 흡입 공간으로서, 도면에 도시되지는 아니하지만, 선회 나선형 랩(18)이 선회되는 동작에 의해서 생성되는 흡입공간을 충분히 생각해 볼 수 있다.
또한, 상기 바이패스 포트(24)는 비선회 나선형 랩(17)의 내주면에 가까이 형성되므로, 제 2 흡입 공간의 형성에는 방해가 없다. 즉, 제 2 흡입 공간이 형성될 때, 상기 바이패스 포트(24)는 선회 나선형 랩(18)에 의해서 막히게 되므로, 제 2 흡입 공간은 바이패스 포트(24)의 유무에 영향을 받지 아니하는 것이다.
압축 초기에 상기 제 1 흡입공간이 처음으로 시작되는 지점은 CS1로 표시되는 지점이고, 압축 초기에 상기 제 2 흡입공간이 처음으로 시작되는 지점은 CS2로 표시되는 지점이다. 즉, 상기 제 1, 2 흡입 공간의 시작 지점인 CS1 과 CS2가 스크롤 부재(15)(16)의 중심을 기점으로 양자가 대칭적이므로, 이러한 동작 상태를 '대칭 운전'이라고 말할 수 있다.
한편, 상기된 바와 같은 '대칭 운전'이 완전하게 이루어지도록 하기 위하여, 바이패스 포트(24)의 형성 위치는 비선회 스크롤 부재(15)의 중심부를 기점으로 비선회 나선형 랩(17) 시작 부위의 반대쪽에 형성될 수 있다.
한편, 상기 도 4에 도시되어 있는 제 1 흡입체적(41)과 도 6에 도시되어 있 는 제 2 흡입체적(42)을 비교하면, 흡입체적에 있어서 차이가 있는 것을 알 수 있다.
상세하게, 상기 제 1 흡입체적(41)은 제 2 흡입체적(42)에 비하여 크고, 이는 곧 비대칭 운전 상태에서는, 보다 많은 유체가 압축되는 것을 의미한다. 다만, 상기 제 2 흡입공간은 양자간에 동일할 수 있다.
이와 같이 제 1 흡입체적(41)과 제 2 흡입체적(42)의 공간이, 바이패스 포트(24)의 개방상태 또는 폐쇄상태에 따라 양자 간에 차이가 남으로써 발생되는 흡입 공간의 체적 차이에 의해서, 압축 용량에 차이가 날 수 있게 된다.
실험에 따르면, 바이패스 포트(24)가 폐쇄되어 압축이 가능한 전체의 용량(전 부하)으로 압축을 시행할 경우에는, 바이패스 포트(24)가 개방되어 일 부분의 용량(부분 부하)에 대해서만 압축을 시행할 경우에 비하여, 18%정도의 압축 용량의 증대가 있는 것을 볼 수 있다.
결국, 바이패스 포트(24)의 개방/폐쇄 상태, 막음 밸브(25)의 개방/폐쇄 상태, 및 조정 밸브(29)의 조정 상태의 변경에 따라서, 스크롤 압축기는 비대칭/대칭 운전으로 운전 상태가 전환된다. 그리고, 운전 상태의 전환은 흡입체적의 증감으로 이어져 압축 용량의 가변을 가져올 수 있다.
예를 들면, 조정 밸브(29)의 조정 상태가 고압 관로(28)와 조정 관로(30)를 연결하는 쪽으로 이동되는 경우에는, 막음 밸브(25)가 도면을 기준으로 하측으로 이동되고, 바이패스 포트(24)는 폐쇄된다. 그리고, 상기 제 1, 2 흡입공간의 시작 지점이 비대칭으로서 스크롤 압축기는 비대칭 운전상태가 된다. 또한, 이러한 경우 에는 압축 용량이 증가되므로, 큰 압축 용량이 요구되는, 예를 들면 공조기의 난방 운전 상태에 적합할 수있다.
이와 반대되는 경우를 설명하면, 조정 밸브(29)의 조정 상태가 저압 관로(27)와 조정 관로(30)를 연결하는 쪽으로 이동되는 경우에는, 막음 밸브(25)가 도면을 기준으로 상측으로 이동되고, 바이패스 포트(24)는 개방된다. 그리고, 상기 제 1, 2 흡입공간의 시작 지점이 대칭으로서 스크롤 압축기는 대칭 운전상태가 된다. 또한, 이러한 경우에는 압축 용량이 감소되므로, 작은 압축 용량이 요구되는 공조기의 냉방 운전 상태에 적합할 수 있는 것이다.
다만, 공조기의 냉방/난방의 운전 상태를 예시적인 설명에 지나지 아니하면, 압축 용량의 차이가 필요한 그 어느 사용처라 하더라도 무관하게 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서는 많은 부분에서 기 설명된 바가 있는 원 실시예와 동일하고, 다만, 조정 밸브를 기점으로 하는 연결 상태만이 변경된다.
상세하게 설명하면, 조정 관로(52)와, 조정 밸브(53), 및 고압관로(51)가 형성되는 것은 원 실시예와 동일하다. 그러나, 본 실시예에서는 조정 밸브(53)의 또 다른 연결관로인 저압 관로(도 1의 27참조)가 형성되지 아니하는 점에 그 특징이 있다.
상기되는 본 발명의 다른 실시예와 같이 저압 관로(27)가 형성되지 아니하는 경우에는, 조정밸브(53)가 도 7을 기준으로 하측으로 이동되어 고압이 조정관로(52)에 가해지지 아니한다.
또한, 그 경우에는 조정 관로(52)의 내부 압력이, 바이패스 포트(24)가 형성된 지점의 압력으로서, 스크롤 압축기의 압축 중인 유체의 중간 압력보다 작으므로, 상기 막음 밸브(25)가 개방될 수 있다.
이를 위해서 상기 막음 밸브(25)는 소정의 하우징 내부에 자유로이 움직일 수 있는 플로우팅 밸브가 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예는 많은 부분에 있어서는 도 1내지 도 7에서 설명된 바와 동일하다. 특히, 스크롤 압축기에 압축되는 중에 있는 유체가 중간 단계에서 바이패스됨으로써, 중간 단계 이전에는 압축이 수행되지 아니하는 것은 동일하다. 다만, 두개 이상의 조정 관로, 조정 밸브, 저압 관로, 고압 관로, 및 바이패스 포트 등이 하나의 스크롤 압축기에 적용되도록 함으로써, 바이패스되는 냉매의 양 및 압축되는 냉매의 양에 따르는 압축용량의 차이가 다단으로 조정되도록 하는 것에 그 특징이 있다.
다시 말하면, 다수의 바이패스 포트가 개별적으로 조작되어, 압축 중인 냉매가 각각의 바이패스 포트에서 다른 상태에서 바이패스되도록 함으로써, 바이패스되는 냉매의 양을 다수의 단계로 조정할 수 있도록 하는 것이다.
본 실시예의 구성을 상세히 설명하면, 스크롤 부재에 의해서 압축 중에 있는 유체가 바이패스될 수 있는 첫번째 바이패스 구조로서, 제 1 바이패스 포트(241), 제 1 막음 밸브(251), 제 1 바이패스 관로(311), 제 1 조정관로(301), 제 1 조정밸 브(291), 제 1 고압관로(281), 제 1 저압관로(271)가 형성되어 압축 중인 유체가 바이패스 되도록 한다.
상기되는 첫번째 바이패스 구조의 유로 조작에 의해서, 유체가 스크롤 부재(15)(16)의 선회/비선회 운동에 의해서 압축되는 중에 바이패스되어, 압축 용량이 가변될 수 있다. 그 외의 상세한 다른 구성은 도 1 내지 도 7에서 설명된 바와 동일하므로, 그 자세한 설명을 생략한다.
또한, 두번째 바이패스 구조로서, 제 2 바이패스 포트(242), 제 2 막음 밸브(252), 제 2 바이패스 관로(312), 제 2 조정관로(302), 제 2 조정밸브(292), 제 2 고압관로(282), 제 2 저압관로(272)가 형성되어 압축 중인 유체가 바이패스 되도록 한다.
상기 두번째 바이패스 구조는, 상기 첫번째 바이패스 구조에 의해서 바이패스된 뒤에, 다시 압축되기 시작하는 유체가 바이패스되기 위한 구조이다. 이를 위해서, 상기 제 1 바이패스 포트(241)는 제 2 바이패스 포트(242) 보다 비선회 나선형 랩(17)의 나선 방향의 꼬임에서 안쪽에 형성된다.
상기 두번째 바이패스 구조에 의해서 유체가 바이패스되는 경우에는, 스크롤 압축기를 통해서 압축되는 유체의 양이, 첫번째 바이패스 구조만이 열리는 경우보다 더욱 줄어들게 된다.
또한, 세번째 바이패스 구조로서, 제 3 조정관로(303), 제 3 조정밸브(293), 제 3 고압관로(283), 제 3 저압관로(273)가 형성되어 압축 중인 유체가 바이패스 되도록 한다. 도면의 제약으로 인해서 도시되지 아니하는, 제 3 바이패스 포트, 제 3 막음 밸브, 제 3 바이패스 관로 또한, 첫번째 바이패스 구조 및 두번째 바이패스 구조와 동일한 구성 및 형식으로 다른 형성될 수 있다. 특히, 상기 제 3 바이패스 포트는 제 2 바이패스 포트(242)보다 비선회 나선형 랩(17)의 나선 방향의 꼬임에서 안쪽에 형성될 수 있다.
상기 세번째 바이패스 구조는, 상기 첫번째 바이패스 구조 및 두번째 바이패스 구조에 의해서 바이패스된 뒤에, 다시 압축되기 시작하는 유체가 바이패스되기 위한 구조이다. 이를 위해서 상기 제 3 바이패스 포트(미도시)는 제 1, 2 바이패스 포트(241)(242)보다 비선회 나선형 랩(17)의 나선 방향의 꼬임에서 안쪽에 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 상단에는 다수의 조정 관로(301)(302)(303)가 인입되도록 하기 위하여 중앙부가 개구되는 상부 밀폐 외각(112)과, 상기 상부 밀폐 외각(112)의 개구된 부분과 조정관로(301)(302)(303) 사이에 실링이 완벽하게 이루어지도록 하기 위한 실링부재(61)가 포함된다.
이하에서는 바이패스 포트(241)(242)(243)의 형성 위치에 대해서 상세히 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 바이패스 포트의 형성 위치를 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 비선회 스크롤 부재(15)의 내면에는 비선회 나선형 랩(17)이 형성되고, 상기 나선형 랩을 따라서 형성되는 나선형의 공간에는 외측에서 안쪽으로 들어가는 순서데로, 제 1 바이패스 포트(241), 제 2 바이패스 포트(242), 제 3 바이패스 포트(243)가 형성된다. 상기 제 1 바이패스 포트(241) 및 제 3 바이패스 포트(243)는 상기 제 2 흡입 공간을 통해서 흡입되는 유체가 바이패스 되도록 한다. 그리고, 제 2 바이패스 포트(242)는 상기 제 1 흡입 공간을 통해서 바이패스 된다. 제 1, 2 바이패스 포트의 설명은 이미 설명된 바와 같이 비선회 나선형 랩과 선회 나선형 랩이 접촉되는 면을 기준으로 하여 구분될 수 있다.
다만, 다수의 바이패스 포트(241)(242)(243)가 형성될 수 있는 위치는, 도 9에 설명된 바와 같은 것으로 제한되지 아니하며, 도면에 제시되는 3 개를 넘어서 보다 많거나 적으면서도 다른 위치에 형성될 수 있다. 그리고, 제 1 흡입 공간 또는 제 2 흡입 공간 중에서 어느 곳에 형성되는 지도, 스크롤 압축기에 요구되는 구체적인 압축 용량에 따라서 달라질 수 있다.
예를 들어, 도 9에 제시되는 위치에 바이패스 포트가 형성되는 경우에 구현이 가능한 압축 용량의 변화는 표 1과 같이 제시될 수 있다.
압축 용량 제 1 바이패스 포트 제 2 바이패스 포트 제 3 바이패스 포트
100% 닫힘 닫힘 닫힘
80% 열림 닫힘 닫힘
60% 열림 열림 닫힘
40% 열림 열림 열림
상기 바이패스 포트가 상기 막음밸브에 가하여지는 압력에 따라 열리거나 닫힘으로써, 스크롤 압축기에 의해서 압축되는 압축 용량의 변화가 네 단계로 달리 압축될 수 있다. 즉, 본 발명의 스크롤 압축기가 냉동 시스템 또는 열펌프 시스템에 적용될 때, 구체적인 압축 용량의 변화가 세개 이상의 단계별로 달리 운전될 수 있게 되는 것이다.
한편, 열려있는 바이패스 포트(241)(242)(243) 중에서 비선회 나선형 랩(17)을 따라서 가장 안쪽에 형성되는 바이패스 포트가 열리는 경우에는, 그 바깥 쪽에 형성되는 바이패스 포트가 열리는 지에 무관하게 압축되는 용량은 기대된 바와 같이 정하여질 수 있다. 예를 들면, 40%의 압축용량으로 스크롤 압축기를 운전하고자할 때에는, 제 3 바이패스 포트(243)가 열리기만 하면 무관하고, 제 1 바이패스 포트(241)의 열림 또는 닫힘과는 무관하다. 그러나, 제 1 바이패스 포트(241)가 닫혀있는 상태에서는, 유체를 압축하기 위하여 사용되는 모터일이 그만큼 증가하기 때문에, 기기의 전체 효율이 떨어지므로 바람직하지 못할 수는 있다.
다만, 이와 같이 비선회 나선형 랩(17)을 따라서 안쪽에 형성되는 바이패스 포트가 열리는 경우에, 바깥 쪽에 형성되는 바이패스 포트의 열림/닫힘과는 무관하게 압축 용량이 산정될 수 있는 것은, 동일한 흡입 공간에 형성되는 바이패스 포트에 한정된다. 상세하게, 제 1 흡입 공간에 형성되는 다수의 바이패스 포트들은 제 1 흡입공간들에만 영향을 미치고, 제 2 흡입 공간에 형성되는 다수의 바이패스 포트들은 제 2 흡입 공간에만 영향을 미치게 된다. 예를 들어, 제 2 흡입 공간에 형성되는 제 1 바이패스 포트(241) 및 제 3 바이패스 포트(243)는, 기 설명된 바와 같이 제 3 바이패스 포트(243)가 열리는 경우에, 제 1 바이패스 포트(241)는 열림/닫힘과 무관하게 정하여져 있는 압축용량을 달성할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 스크를 압축기에서 상부 밀폐 외각의 절개도이다.
도 10을 참조하면, 하부의 전체면이 열려있고, 상부의 대략 가운데 부위가 개구되는 상부 밀폐 외각(112)과, 상기 상부 밀폐 외각(112) 중심의 개구된 부위를 통해서 인입되는 조정관로(301)(302)(303)와, 상기 조정관로와 상부 밀폐 외각 사이의 접촉부가 밀폐되어 토출 챔버(14)의 고압 유체가 누설되지 않도록 하기 위한단일의 실링부재(61)가 포함된다.
또한, 상기 조정관로(301)(302)(303)는 다수의 다발이 모듈화되도록 하여 관리의 편의를 기하고, 나아가서 조정관로가 통과되도록 하기 위하여 상부 밀폐 외각(112)의 다수의 개구부가 형성되는 경우에 발생될 수 있는 실링의 어려움을 방지한다.
또한, 상기 실링부재(61) 하단부의 모서리가 일정 정도 외측으로 확장되도록 함으로써, 토출 챔버(14)의 고압에 의해서 실링부재(61)가 바깥으로 빠질 수 있는 현상을 방지할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 형태를 보이기 위해서 비선회 스크롤 부재의 형상을 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 많은 부분은 도 9 및 그와 관련되는 부분에서 설명된 바와 동일하다. 다만, 제 4 바이패스 포트(244)가 비선회 나선형 랩(17)의 나선을 따라서 가장 안쪽에 형성된다. 이와 같이 하나의 바이패스 포트가 더 형성됨으로써, 압축 용량이 보다 많은 단계로 가변될 수 있다. 표 2에서는 그러한 압축 단계의 구분을 보이고 설명하고 있다.
압축 용량 제 1 바이패스 포트 제 2 바이패스 포트 제 3 바이패스 포트 제 4 바이패스 포트
100% 닫힘 닫힘 닫힘 닫힘
80% 열림 닫힘 닫힘 닫힘
70% 닫힘 열림 닫힘 닫힘
60% 열림 닫힘 열림 닫힘
40% 닫힘 열림 닫힘 열림
상기 표 2에 의해서 설명되는 바와 같이, 바이패스 포트가 네 개 형성되는 경우에는 스크롤 압축기의 용량은 다섯 단계로 구분될 수 있기 때문에, 냉동 시스템의 용량은 보다 많은 단계로 구분되어 동작될 수 있고, 이로 인하여 보다 효율적으로 스크롤 압축기를 운전할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 모든 바이패스 포트가 열림으로써 가장 낮은 압축 용량을 구현할 수도 있다.
또한, 흡입 공간에 형성되는 바이패스 포트에 있어서, 비선회 나선형 랩의 가장 안쪽에 형성되는 바이패스 포트가 열려있는 경우에, 바깥 쪽에 형성되는 바이패스 포트의 열림/닫힘은 압축 용량에 영향을 미치지 아니하는 것은 기 설명된 바와 동일하다.
예를 들어, 표 2에서 압축 용량이 40%일 경우에, 제 4 바이패스 포트가 열리는 경우에는 제 2 바이패스의 열림/닫힘은 압축 용량의 변화에 영향을 미치지 아니하고, 다만, 모터일의 증가를 가져오게 된다.
설명된 바와 같은 본 발명은, 조정 밸브의 조정 상태를 조정하기만 하면 편리하게 압축 중인 유체를 바이패스시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 바이패스 포트를 조작할 수 있는 원동력은 압축기로 흡입되기 전의 압력인, 저압의 압축전 압력과, 압축기에 의해서 압축되어 토출된 후의 압력인 고압의 압축후 압력이 이용됨으로써, 그 구조를 한층 더 간단히 할 수 있고, 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
이 뿐만 아니라, 압축 용량을 다단으로 변경할 수 있기 때문에, 냉동 시스템 또는 열펌프 시스템에서 요구되는 압축 용량에 보다 적합하게 대응하여 스크롤 압축기를 운전할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 용량 조절식 스크롤 압축기는, 압축 모터의 회전수가 동일한 상태에서 간단한 구성으로도 유체의 바이패스 기능을 이용하여 압축 용량을 가변할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 별도의 추가적인 구성없이, 스크롤 압축기에 의해서 압축되기 전과, 압축된 후의 유체 압력을 이용하여 밸브를 구동함으로써, 스크롤 압축기의 제작 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 압축 용량을 보다 많은 단계로 변경시키며, 스크롤 압축기를 운전할 수 있게 되므로, 시스템의 용량에 맞추어 보다 적합하게 스크롤 압축기를 가동시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 스크롤 부재의 압축 공간을 따라서 적어도 두개 이상 형성되어, 압축 중인 유체가 적어도 두개 이상의 지점에서 각각 바이패스되도록 하여, 적어도 세개 이상의 다단으로 압축용량을 조정할 수 있도록 하는 바이패스 포트;
    일단이 각각의 상기 바이패스 포트와 연결되고, 타단이 상기 스크롤 압축기 내에서 압축되기 전의 저압 상태 유체가 저장되는 흡입 챔버와 연결되는 바이패스 관로;
    각각의 바이패스 포트와 각각의 상기 바이패스 관로의 연결 상태를 개방 또는 폐쇄 상태로 조작하기 위한 막음 밸브;
    각각의 막음 밸브의 위치를 개방 또는 폐쇄 위치로 조정하기 위하여, 상기 스크롤 압축기 흡입구의 저압 유체와, 상기 스크롤 압축기 토출구의 고압 유체가 소정의 조정 관로를 경유하여, 각각의 막음 밸브에 선택적으로 인가되도록 하기 위한 조정 밸브;
    압축기의 일 부분을 덮는 밀폐 외각;
    상기 조정 밸브와 상기 막음 밸브를 연결하는 적어도 두개 이상의 조정관로; 및
    상기 조정관로가 모여서 상기 밀폐외각을 통과하는 위치에서 상기 조정관로와 상기 밀폐 외각이 접하는 일 부분에 형성되는 실링부재가 포함되는 용량 조절식 스크롤 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정 밸브와 상기 막음 밸브를 연결하는 조정관로는, 고압 챔버의 상측을 덮는 상부 밀폐 외각의 일 지점을 통과하는 용량 조절식 스크롤 압축기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 실링 부재가 빠지지 않도록 하기 위하여 하측단의 모서리가 외측으로 확장되는 용량 조절식 스크롤 압축기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 포트는 나선형 랩의 내주면 및/또는 외주면에 인접 형성되는 용량 조절식 스크롤 압축기.
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