KR100561099B1

KR100561099B1 - 히트파이프를 이용한 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기

Info

Publication number: KR100561099B1
Application number: KR1020030035424A
Authority: KR
Inventors: 김영민; 신동길; 이장희
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2006-03-15
Also published as: KR20040104043A

Abstract

본 발명은 고정 스크롤과 선회 스크롤을 한 쌍으로 구비하여 작동유체를 연속적으로 압축시키는 스크롤형 압축기와 이를 적용한 냉동사이클에 관한 것이다.

이에 본 발명에 따른 스크롤형 압축기는, 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 가지고, 상기 출입구 이외는 밀폐된 하우징과; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과; 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입되는 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤과; 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축; 및 상기 하우징의 외측면에 히트파이프 구조로 이루어져 상기 하우징 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있는 냉각부를 포함한다.

스크롤, 압축기, 히트파이프, 냉동 사이클

Description

히트파이프를 이용한 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기{SCROLL-TYPE COMPRESSOR HAVING A COOLING STRUCTURE WITH HEAT PIPE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.

도 3은 도 1의 B 방향에서 본 평면도이다.

도 4는 일반적인 히트펌프 냉동사이클을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 구비한 히트펌프 냉동사이클을 도시한 구성도이다.

도 6은 여러 가지 압축과정에 따른 P-V선도이다.

도 7은 일반적인 다단 압축구성을 갖는 냉동사이클을 도시한 구성도이다.

도 8은 다단 압축의 효과를 확인할 수 있는 T-s 선도이다.

도 9는 다단 압축의 효과를 확인할 수 있는 P-h 선도이다.

도 10은 스크롤 압축기의 압축과정을 설명하기 위하여 도시한 원리도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 스크롤형 압축기 12: 하우징

12a: 흡입관 12b: 배출관

13: 고정 스크롤 14: 압축실

15: 선회 스크롤 17: 구동축

18: 회전 방지축 20: 모터

23,24,25: 베어링 30: 냉각부

32: 내부 방열핀 34: 외부 방열핀

36: 냉각수 자켓 36a: 냉각수 입구

36b: 냉각수 출구 50: 냉동 사이클

52: 저온수 라인 53: 제1 열교환기

55: 팽창변 56: 열원수 라인

57: 제2 열교환기

본 발명은 스크롤형 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정 스크롤과 선회 스크롤을 한 쌍으로 구비하여 작동유체를 연속적으로 압축시키는 스크롤형 압축기와 이를 적용한 냉동사이클에 관한 것이다.

일반적으로 피스톤 방식의 압축기인 경우 실린더 외부에 충분한 방열핀을 설치한다고 하더라도 압축가스와 접하는 실린더내의 면적이 충분하지 않기 때문에 피스톤이 움직이는 짧은 시간동안 다량의 열을 실린더 벽면을 통하여 외부로 전달시키는 것은 불가능하다. 따라서 실제의 압축과정은 등온과정이기 보다는 단열과정에 가깝다.

도 6의 P-V 선도를 참조하면, 1―3은 등온과정이고 1―2는 단열과정이다. 압축기의 압력비가 클 때에는 압축으로 인해 가스의 온도가 높아지며 단열 압축일과 등온 압축일의 차이(면적 1-2-3)가 커진다. 이러한 경우에는 압축일을 적게 하고 또 체적 효율을 크게 하기 위하여 압축일을 여러 단으로 나누어 압축하며 그 도중에 중간 냉각기를 설치하여 압축초기의 온도까지 냉각하여 전체가 등온압축(1→3)에 가깝게 한다.

도 6에서 2단 압축하는 경우에 저압 실린더의 P_A에서 P_B까지 압축하고, 중간냉각하여 온도가 초기온도가 되게 낮추고 고압 실린더에서 P_B에서 P_C까지 압축한다. 이렇게 하면 P_A에서 P_C까지 단열압축(1→2)하는 경우보다 면적 2-4-5-6 만큼 소비일은 적어진다. 또한 단수를 증가시키면 등온과정(1―3)에 접근하게 되어 소요일량은 더욱 감소시킬 수 있으나 장치구성이 복잡해지고 장치값이 증가하게 되어 동력비의 감소와 장치값의 증가하는 투자가 서로 평형되는 점으로 단수가 정해지게 된다.

냉동 사이클에서 왕복동식 압축기를 사용할 경우 압축비가 크면 압축기의 출구 온도가 높아져서 압축기의 체적 효율이 저하된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 다단으로 나누어 압축을 하는 방법이 사용되고 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 압축과정을 저압압축(2―3)과 고압압축(4―5)의 2단으로 하여 중간냉각(3―4)을 할 경우, 도 8의 T-s 선도에서 빗금친 면적 3-4-5-3' 만큼 압축일이 감소하게 되며, 이 때 압축일(w)은 도 9의 P-h 선도에서 w=(h₃-h₂)+(h₅-h₄) 이 된다. 압축단수를 2단에서 더욱 증가시킬 경우 도 8의 T-s 선도에서 2―5에 가까워지며 압축일은 면적 2-3-4와 면적 4-5-5' 만큼 더욱 줄어들어 탁월한 에너지 절감효과를 가져오게 된다. 특히 증발 온도가 저하되면 압축비가 커지므로 압축과정을 2단, 3단으로 나누어 압축하는 다단의 압축방식이 적용되고 있다.

한편, 도 10은 스크롤 압축기의 압축과정을 설명하기 위하여 도시한 원리도이다.

스크롤 압축기의 작동원리는, 도 10에서 보는 바와 같이, 인볼류트 형상의 고정스크롤(60)과 선회스크롤(70)이 서로 180°의 위상차를 가지도록 배치되며, 이로 인하여 스크롤 압축기의 내부에는 초승달 형상의 밀폐공간이 여러개 존재하게 된다. 고정스크롤(60)의 원주에 위치한 흡입관을 통하여 가스가 스크롤 압축기 내로 유입되면 선회스크롤(70)의 선회운동에 의해 초승달 형상의 밀폐공간이 중심부로 이동되면서 밀폐공간의 체적이 작아지고 가스는 압축되어 고정스크롤(60)의 중심부에 위치한 토출구를 통하여 토출된다. 이 때 스크롤 압축기 내부에서는 초승달 형상의 여러 개의 밀폐공간에 의해 일련의 과정이 연속적으로 진행되게 된다.

이러한 스크롤 압축기는 현재 고효율, 저소음, 저진동 및 경량 등의 장점을 가지고 있기 때문에 냉동공조 산업의 냉매압축기 뿐만 아니라 일반 공기 압축기 및 무급유식 공기 압축기로도 사용되고 있으며 점차 대용량화에 대한 요구도 높아지고 있다.

현재 스크롤 압축기의 운전에서 고부하, 고압축비, 대형화 될 수록 문제점으 로 나타나는 것은 토출가스의 온도상승에 따라 오일을 탄화시키거나 각 스크롤 랩(고정스크롤 또는 선회스크롤의 나선형 날부분)의 선단면에 삽입되어 있는 팁실(Tip Seal)을 용해시켜 압축기의 신뢰성이 저하되면서 수명을 단축시킨다는 것이다.

스크롤 압축기의 또 다른 문제점으로는 작동가스가 중심부로 압축되면서 온도가 상승하고, 이에 따라 스크롤 랩의 중심부의 온도가 주변부의 온도보다 훨씬 상승하게 되면서 중심부와 주변부의 열팽창의 차이로 인해 마찰, 누설, 진동이 증가하게 되고 압축성능은 급격하게 악화된다는 것이다. 스크롤 압축기의 원리적인 특징상 스크롤 내부의 스크롤 랩 내부의 여러 개의 밀폐공간의 밀폐를 유지하기 위해서는 중심부와 주변부의 스크롤 랩 간격(선회반경의 2배)이 일정해야 하지만, 중심부와 주변부의 온도차이에 의해 열팽창이 달라지게 되면 랩 간격의 차이 발생으로 마찰, 누설, 진동이 증가하고 압축성능이 급격하게 악화되게 된다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서 스크롤 랩의 효과적인 냉각이 요구되는 바, 지금까지 공기압축기의 경우는 냉각팬(cooling fan)을 이용한 공기순환 냉각방식이 가장 많이 사용되고 있으며, 이러한 예로 US 특허공개 제2002/0110470호에서는 고정스크롤 하우징에 냉각수 통로를 형성하여 냉각수로 중심부를 냉각하고 나서 가열된 냉각수에 의해 다시 압축기 내 주변부의 흡입가스가 재가열되지 않도록 주변부에 단열재를 설치한 구성을 개시하고 있다.

또한, US 특허 제3,986,799호에서는 고정스크롤과 선회스크롤 랩에 정밀하게 냉각수 채널을 구성하여 냉각시키는 방안이 제시되고 있으나, 기계적인 구조가 매우 복잡할 뿐만 아니라 냉각수가 채널을 통과하면서 계속해서 온도가 가열되기 때 문에 스크롤 랩을 균일하게 냉각시킬 수 없는 단점이 있다.

냉매압축기의 냉각방식으로는 대한민국 특허공개 제1999-0042632호에서는 저온의 흡입가스를 고정스크롤과 넓게 접촉되도록 하여 고정스크롤 및 그 고정스크롤의 토출포트를 통과하는 토출가스를 냉각시키는 방법이 제시되고 있으나, 이 때에는 냉각 후 흡입가스의 온도상승으로 인하여 압축기의 체적효율이 떨어지며 토출가스의 온도도 다시 상승하게 되는 문제가 발생한다. 또한, US특허 제6,186,755호에서는 종래기술로서 고정스크롤 하우징 내부에 히트파이프를 설치하여 흡입가스로 고정스크롤을 냉각하는 방식은 흡입가스의 온도상승으로 인하여 압축기의 체적효율이 떨어지므로 냉각효율이 저하됨을 지적하면서, 가장 온도가 높은 중심부 구동축 내부에 히트파이프를 구성하여 중심부에서 열을 흡수하여 축을 통해 축 양쪽에 냉각팬으로 열을 발산하는 방안이 제시되고 있다.

한편, 저온용의 냉매압축기의 경우는 높은 운전압력비가 요구되며 이 때 토출가스 온도가 과도하게 높아지기 때문에 US 특허 제5,447,420호에서는 압축실 내에 액냉매를 분사함으로써 증발 잠열을 활용하여 압축가스의 온도를 낮출 수 있으나 액인젝션량의 증가에 따른 압축기 압력이 증가하기 때문에 압력의 증가를 억제하기 위해 스크롤압축기 탑재유닛에서는 토출가스 온도와 토출압력 포화온도와의 가열도에 의해 액인젝션량을 자동적으로 제어하는 기능을 가진 액인젝션 밸브를 채용하고 있다. 그러나 이러한 압축기 내 액인젝션 분사방법은 이론적으로는 열역학적인 효율향상은 없으며 기계적인 구성과 제어방법이 다소 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비함으로써 중심부 흡기구로 공급되는 작동유체가 연속적으로 압축되고, 냉각이 효과적으로 이루어지도록 히트파이프를 이용한 냉각구조를 하우징 외부에 설치하여, 고정 스크롤의 열을 흡수하여 냉각매체 유로로 열을 발산하는 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기를 포함함으로써 소요동력 절감, 냉각용량 증가, 내구성 향상의 특징을 가지는 냉동사이클을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스크롤형 압축기는, 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 가지고, 상기 출입구 이외는 밀폐된 하우징과; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과; 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입되는 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤과; 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축; 및 상기 하우징의 외측면에 히트파이프 구조로 이루어져 상기 하우징 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있는 냉각부를 포함한다.

상기 냉각부는 상기 고정 스크롤의 중심부를 포함하는 상기 하우징의 외측면 부분에 형성되는 것이 바람직하며, 적어도 상기 고정 스크롤의 중심을 포함하는 평면적 만큼의 크기로 상기 하우징 외측면에 형성되는 것이 또한 바람직하다.

그리고 상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징의 외측면과 대응되는 부분의 내부에 다수의 내부 방열핀이 형성될 수 있으며, 상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징과 인접하지 않는 부분의 외부에 다수의 외부 방열핀이 형성될 수 있다.

나아가 상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부의 외측에는 냉각수 자켓이 더욱 설치될 수 있으며, 상기 외부 방열핀의 배열방향이 상기 냉각수 자켓을 통과하는 냉각수의 유출입방향과 소정 각도(θ) 엇갈리도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 냉동 사이클은, 상기한 특징을 갖는 스크롤형 압축기와; 상기 스크롤형 압축기 중심부의 작동유체 출구와 연결되어 상기 스크롤형 압축기로부터 압축되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기의 후단과 연결되어 이를 지나온 작동유체를 팽창시키는 팽창변과; 상기 팽창변의 후단에 연결되는 한편 상기 스크롤형 압축기 외주부의 작동유체 입구와 연결되어 상기 팽창변을 지나온 저온의 작동유체가 지나 다시 상기 스크롤형 압축기로 공급되는 제2 열교환기를 포함한다.

상기 냉동 사이클에 있어서, 상기 제1 열교환기를 통하여 저온수 라인이 지나면서 상기 제1 열교환기를 또한 지나는 고온의 작동유체로부터 열을 흡수하고, 상기 제2 열교환기를 통하여 열원수 라인이 지나면서 상기 제2 열교환기를 또한 지나는 저온의 작동유체에 열을 공급할 수 있다.

그리고 상기 히트파이프 구조를 갖는 스크롤형 압축기의 냉각부 외측에 냉각수 자켓이 더욱 설치될 때, 상기 저온수 라인이 상기 냉각수 자켓을 지나면서 1차로 열을 흡수하고, 상기 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기를 지나면서 2차로 열을 흡수하도록 할 수 있다.

상기 제1 열교환기와 제2 열교환기는 적어도 하나가 공랭식 열교환기로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 잘라서 본 단면도이며, 도 3은 도 1의 A방향에서 본 평면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기(10)는 하우징(12)의 내부에 고정 스크롤(13)과 선회 스크롤(15)를 포함하여 유입되는 작동유체를 압축시켜 하우징(12)의 외부로 토출시키게 된다.

하우징(12)은 외주부에 작동유체의 입구인 흡입관(12a)을 가지며, 중심부에 작동유체의 출구인 배출관(12b)을 가진다. 상기 하우징(12)은 상기 흡입관(12a) 및 배출관(12b)을 제외한 부분에서는 외부로부터 밀폐된다.

고정 스크롤(13)은 하우징(12)의 내측면에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 바, 이 고정 스크롤(13)의 중심부는 하우징(12)의 배출관(12b)과 대응되게 위치한다. 선회 스크롤(15)은 하우징(12)의 내부에서 고정 스 크롤(13)과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루면서 외주부로 연장되며, 하우징(12)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회한다.

선회 스크롤(15)에는 이를 구동시키기 위한 구동축(17)이 연결되고, 인접하여 선회 스크롤(15)의 자체 회전 방지를 위한 회전 방지축(18)이 또한 연결된다. 이러한 구동축(17)을 통해 외부로부터 동력을 전달받을 수 있으며, 본 실시예에서는 상기 구동축(17)에 모터(20)가 연결되어 동력을 제공하게 된다. 구동축(17) 및 회전 방지축(18)이 체결되어 회전하는 부분에는 베어링(23,24,25)이 각각 설치된다. 또한 상기 모터(20)의 외주부에는 이 모터(20)의 외주를 따라 냉각수가 흐르도록 모터 냉각수 자켓(21)이 더욱 설치될 수 있다.

하우징(12)의 외측면에는 하우징(12) 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수하도록 냉각부(30)가 설치된다. 이러한 냉각부(30)는 히트파이프 구조로 이루어지며, 상기 고정 스크롤(13)의 중심부를 포함하는 하우징(12)의 외측면 부분에 형성된다. 또한 상기 냉각부(30)는 적어도 상기 고정 스크롤(13)의 중심을 포함하는 평면적 만큼의 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 하우징(12)의 외측면과 대응되는 부분의 내부에 다수의 내부 방열핀(32)이 형성될 수 있고, 상기 하우징(12)과 인접하지 않는 부분의 외부에 다수의 외부 방열핀(34)이 형성될 수 있다.

한편, 상기 냉각부(30)의 외측에는 히트파이프에 의해 수송된 열을 외부로 발산하기 위하여 냉각수 자켓(36)이 더욱 설치된다. 냉각수 자켓(36)에는 냉각수 입구(36a) 및 냉각수 출구(36b)가 형성되어 냉각수의 유출입이 가능하게 된다. 이 때 상기 외부 방열핀(34)의 배열방향은 상기 냉각수 자켓(36)을 통과하는 냉각수의 유출입 방향과 나란하지 않고 소정의 각도(θ)만큼 엇갈려 형성될 수 있으며, 이렇게 함으로써 유입되는 냉각수가 보다 많은 수의 외부 방열핀(34)과 접촉하면서 방열효율을 높일 수 있게 된다. 상기 각도(θ)는 예각을 이루는 것이 바람직하다.

상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 스크롤형 압축기(10)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

즉, 흡입관(12a)을 통하여 유입되는 작동유체는 하우징(12) 내부의 압축실(14)로 직접 유입되어 선회하는 선회 스크롤(15)과 고정 스크롤(13)의 사이를 지나면서 점점 압축된다. 이 때 하우징(12) 외측에 설치된 히트파이프 구조의 냉각부(30)와 냉각수 자켓(36)을 통하여 효과적이고 연속적으로 중간 냉각이 이루어지므로 등온압축에 가까운 과정을 거치게 되면서 압축시 소요 동력을 최소화할 수 있다. 이렇게 압축된 작동유체는 배출관(12b)을 통하여 하우징(12) 외부로 토출된다.

이러한 상기 스크롤형 압축기(10)는 스크롤 랩으로 인하여 왕복동식 압축기에 비해 압축공간 내의 가스와 접하는 전열면적이 10배 이상 넓고, 동일한 회전수에서 압축공간 내 체류시간이 두세배 이상 증가하기 때문에 고정 스크롤(13)과 대응하는 하우징(12)의 외측면에 고속으로 열을 수송하는 히트파이프 구조의 냉각부(30)를 설치하여 작동유체가 압축되면서 발생하는 열을 흡수하여 냉각매체, 예를 들어 냉각수 등으로 발산함으로써 여러 단의 다단압축에 가까운 등온압축과정 을 실현할 수 있고 소비일을 그만큼 줄일 수 있다. 이 때 고정 스크롤(13)의 효율적인 냉각을 위해서 열전도도가 뛰어난 재질, 예를 들면 알루미늄, 구리 등과 같은 소재로 고정 스크롤(13)을 제작하는 것이 바람직하다.

또한 히트파이프의 특징은 증발잠열에 의한 대량의 열수송이 가능할 뿐만 아니라 히트파이프 내 기-액 상평형 유지에 따른 매우 탁월한 등온효과(Isothermalizing Effect)에 의해 수열부(受熱部)와 방열부(放熱部)의 온도분포를 매우 균일(온도차 1∼2℃ 이내)하게 유지할 수 있다. 이러한 히트파이프의 특징으로 인하여 스크롤형 압축기의 냉각에서 가장 중요한 충분한 냉각과 균일한 온도분포의 냉각을 달성할 수 있어서, 스크롤 랩에 온도구배(열팽창의 차이)로 인한 마찰, 누설, 진동 증가에 따른 압축기의 성능악화를 최소화 할 수 있으며 토출가스의 온도가 낮아짐에 따라 팁실(tip seal)의 용해를 방지하여 내구성이 향상되게 된다.

한편, 히트파이프는 수열면적과 방열면적을 다르게 사용할 수 있기 때문에 좁은 면적의 빠른 냉각 또는 가열을 효과적으로 할 수 있다. 따라서 히트파이프 구조를 갖는 냉각부(30)의 내부에는 고정 스크롤(13)과 인접하는 수열부의 열교환 면적을 크게 할 수 있도록 상기와 같이 내부 방열핀(32)이 형성되고, 외부에는 냉각수 자켓(36)의 냉각수와 접하는 방열부의 열교환 면적을 더욱 크게 할 수 있도록 외부 방열핀(34)이 형성된다. 이렇게 함으로써 히트파이프 구조를 갖는 냉각부(30)의 열수송을 원활히 할 수 있다.

도시된 바와 같이, 히트펌프 냉동사이클은 압축기(41), 응축용 열교환기(43), 팽창변(45) 및 증발용 열교환기(47)가 사이클을 이루도록 구성되며, 고온 냉매의 냉각을 위해 저온수가 응축용 열교환기(43)로 공급되어 가열된 다음 고온수로 활용되고, 저온 냉매의 가열을 위해 열원수가 증발용 열교환기(47)로 공급어 냉각된 다음 냉수로 활용된다. 가정용 냉동기일 경우, 응축용 열교환기(43)와 증발용 열교환기(47)는 수냉식 뿐만 아니라 공랭식도 사용되고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 히트펌프 냉동사이클(50)은 상기 스크롤형 압축기(10)를 포함하고 있으며, 이 스크롤형 압축기(10) 중심부의 작동유체 출구인 배출관(12b)과 연결되어 이로부터 압축되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기(53)와, 상기 제1 열교환기(53)의 후단과 연결되어 이를 지나온 작동유체를 팽창시키는 팽창변(55)과, 상기 팽창변(55)의 후단에 연결되어 이를 지나온 저온의 작동유체가 지나는 제2 열교환기(57)로 이루어진다. 제2 열교환기(57)는 상기 스크롤형 압축기(10) 외주부의 작동유체 입구인 흡입관(12a)과 연결됨으로써 사이클을 이루게 된다.

이 때 상기 제1 열교환기(53)는 고온의 작동유체가 지나면서 열을 빼앗기는 응축기 역할을 하고, 제2 열교환기(57)는 저온의 작동유체가 지나면서 열을 얻는 증발기 역할을 한다. 이를 위하여 제1 열교환기(53)를 통하여 저온수 라인(52)이 지나면서 열을 흡수하고, 제2 열교환기(57)를 통하여 열원수 라인(56)이 지나면서 열을 공급하게 된다.

그리고 상기 저온수 라인(52)은 상기 스크롤형 압축기(10)의 냉각부(30) 외측에 설치되는 냉각수 자켓(36)을 지나도록 함으로써 상기 저온수는 여기서 1차로 열을 흡수하고 상기 제1 열교환기(53)를 지나면서 2차로 열을 흡수하게 된다. 다시 말하면, 상기 저온수는 냉각수 자켓(36)으로 공급되면서 스크롤형 압축기(10)의 압축과정에서 작동유체를 1차적으로 냉각하고, 제1 열교환기(53)에서 2차적으로 더욱 냉각하게 되는 것이다. 또한 모터(20)의 냉각을 위해 상기 저온수는 냉각수 자켓(36)으로 공급되기 전 분기되어 모터 냉각수 자켓(21)으로 공급되어 모터(20)를 냉각한 다음, 스크롤형 압축기(10)의 냉각수 자켓(36)을 지나온 상기 저온수 라인(52)에 합류될 수 있다.

스크롤형 압축기(10)에서 압축과 동시에 히트파이프 구조의 냉각부(30)를 이용하여 넓은 스크롤 랩면에 접촉하는 작동유체의 열을 냉각수 자켓(36)으로 대량으로 이동시킴으로써 소요동력을 줄일 수 있고, 토출되는 작동유체의 온도를 낮게 할 수 있기 때문에 응축에 필요한 제1 열교환기(53)를 종래보다 더 소형화 할 수 있으며, 작동유체의 냉각으로 인해 상대적으로 가열되는 저온수는 다시 고온수로 활용될 수 있다.

제1 열교환기(53)를 지나면서 냉각된 작동유체는 팽창변(55)을 지나면서 압력이 강하되어 제2 열교환기(57)로 공급되며 열원수 라인(56)으로부터 열을 흡수하여 증발이 일어난 다음 다시 스크롤형 압축기(10)의 흡입관(12a)으로 재공급되면서 순환하게 된다. 이 때 상기 저온의 작동유체의 증발을 위해 제2 열교환기(57)로 공급되는 열원수는 열교환 후 상대적으로 냉각되어 다시 냉수로 활용될 수 있다.

상기 제1 열교환기(53)와 제2 열교환기(57)로는 본 실시예에서의 수냉식 열교환기뿐만 아니라 공랭식 열교환기를 사용할 수도 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 히트파이프를 이용한 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기에 의하면, 하우징의 외측면에 히트파이프 구조를 갖는 냉각부를 설치하여 작동유체의 압축 시 발생하는 열을 연속적으로 흡수하여 냉각매체로 열을 발산함으로써, 토출되는 작동유체의 온도를 낮추어 압축기의 내구성을 향상시키고 압축기의 소요동력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 스크롤형 압축기를 적용한 냉동 사이클에서는, 스크롤형 압축기를 효과적으로 냉각함으로써 압축일을 감소시키고 압축기의 용량을 증가시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 압축기 내에서 히트파이프 구조를 통해서 압축시 작동유체의 열을 대량으로 흡수하여 토출되는 작동유체의 온도를 낮출 수 있기 때문에 응축에 필요한 열교한기를 소형화 할 수 있는 장점이 있다.

Claims

중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 가지고, 상기 출입구 이외는 밀폐된 하우징;

상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤;

상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입되는 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤;

상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축;

상기 하우징의 외측면에 히트파이프 구조로 이루어져 상기 하우징 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있는 냉각부; 및

상기 냉각부의 외측에 장착되는 냉각수 자켓을 포함하는 스크롤형 압축기.
제1항에 있어서,

상기 냉각부는 상기 고정 스크롤의 중심부를 포함하는 상기 하우징의 외측면 부분에 형성되는 스크롤형 압축기.
제2항에 있어서,

상기 냉각부는 적어도 상기 고정 스크롤의 중심을 포함하는 평면적 만큼의 크기로 상기 하우징 외측면에 형성되는 스크롤형 압축기.
제1항에 있어서,

상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징의 외측면과 대응되는 부분의 내부에 다수의 내부 방열핀이 형성되는 스크롤형 압축기.
제1항에 있어서,

상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징과 인접하지 않는 부분의 외부에 다수의 외부 방열핀이 형성되는 스크롤형 압축기.
삭제
제1항에 있어서,

상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징과 인접하지 않는 부분의 외부에 다수의 외부 방열핀이 형성되고, 상기 외부 방열핀의 외측에 상기 냉각수 자켓이 설치되며, 상기 외부 방열핀의 배열방향이 상기 냉각수 자켓을 통과하는 냉각수의 유출입방향과 소정 각도(θ)로 엇갈려 있는 스크롤형 압축기.
제1항에 있어서,

상기 구동축에 연결되어 동력을 제공하는 모터 및

상기 모터의 외주를 따라 냉각수가 흐르도록 설치되는 모터 냉각수 자켓

을 더 포함하는 스크롤형 압축기.
중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 가지고, 상기 출입구 이외는 밀폐된 하우징, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입되는 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤, 상기 하우징의 외측면에 히트파이프 구조로 이루어져 상기 하우징 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있는 냉각부, 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축, 및 상기 냉각부의 외측에 장착되는 냉각수 자켓을 포함하는 스크롤형 압축기;

상기 스크롤형 압축기 중심부의 작동유체 출구와 연결되어 상기 스크롤형 압축기로부터 압축되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기;

상기 제1 열교환기의 후단과 연결되어 이를 지나온 작동유체를 팽창시키는 팽창변; 및

상기 팽창변의 후단에 연결되는 한편 상기 스크롤형 압축기 외주부의 작동유체 입구와 연결되어 상기 팽창변을 지나온 저온의 작동유체가 지나 다시 상기 스크롤형 압축기로 공급되는 제2 열교환기

를 포함하는 냉동 사이클.
제9항에 있어서,

상기 제1 열교환기를 통하여 저온수 라인이 지나면서 상기 제1 열교환기를 또한 지나는 고온의 작동유체로부터 열을 흡수하고, 상기 제2 열교환기를 통하여 열원수 라인이 지나면서 상기 제2 열교환기를 또한 지나는 저온의 작동유체에 열을 공급하는 냉동 사이클.
제10항에 있어서,

상기 저온수 라인이 상기 냉각수 자켓을 지나면서 1차로 열을 흡수하고, 상기 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기를 지나면서 2차로 열을 흡수하는 냉동 사이클.
제11항에 있어서,

상기 저온수 라인은 상기 냉각수 자켓으로 연결되기 전 분기되어 스크롤형 압축기의 모터 외주면에 설치되는 모터 냉각수 자켓으로 연결되면서 냉각수를 공급하고, 상기 모터 냉각수 자켓은 다시 상기 저온수 라인과 연결되어 상기 모터 냉각수 자켓을 지나온 냉각수가 상기 저온수 라인에 합류될 수 있도록 하는 냉동 사이클.
제9항에 있어서,

상기 제1 열교환기와 제2 열교환기는 적어도 하나가 공랭식 열교환기인 냉동

사이클.