KR100750303B1

KR100750303B1 - 스크롤 압축기

Info

Publication number: KR100750303B1
Application number: KR1020060095220A
Authority: KR
Inventors: 아끼히로 무라까미; 마사히로 오노구찌; 아쯔시 시마다
Original assignee: 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-08-20
Also published as: JP2007107441A; CN100472069C; JP4745015B2; CN1948760A; KR20070041332A

Abstract

본 발명의 과제는 스크롤 압축기에 있어서 고압력비 운전시에 있어서의 압축기 성적 계수를 향상시키는 것이다.

스크롤 압축기(50)는 경판에 직립하여 형성된 소용돌이 형상의 랩을 구비한 선회 스크롤(3) 및 고정 스크롤(4)을 갖고, 양 스크롤(3, 4)을 서로 각각의 랩을 내측을 향해 조합하여 선회 스크롤(3)의 랩 외벽면측과 고정 스크롤(4)의 랩 내벽면측에 각각의 랩과 경판에 의해 밀폐 공간을 형성하고, 양 스크롤의 상대 운동에 의해 중심 방향으로 이동함에 따라서 밀폐 공간의 용적을 감소시키는 동시에 양 스크롤의 외주측으로부터 흡입한 가스를 압축하여 스크롤의 중앙부에 설치한 토출구로부터 토출한다. 그리고, 스크롤 압축기(50)는 행정 용적이 5 내지 25 ㎤의 범위이고, 압축실이 토출구에 연통 개시될 때의 최소 밀폐 공간의 평면 면적과 토출구의 개구 면적과의 비가 5.0 내지 8.0의 범위 내에 있다.

선회 스크롤, 고정 스크롤, 스크롤 압축기, 밀폐 용기, 전동기

Description

스크롤 압축기 {SCROLL COMPRESSOR}

도1은 본 발명의 제1 실시 형태의 스크롤 압축기의 단면도.

도2는 제1 실시 형태의 압축 동작 원리를 도시하기 위한 평면도.

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스크롤 랩의 토출구 부근의 상세 정면도.

도4는 비교예에 있어서의 스크롤 랩의 토출구 부근의 상세 정면도.

도5는 스크롤 압축기의 압축기 성능을 도시한 도면.

도6은 본 발명의 제2 실시 형태의 스크롤 압축기에 있어서의 스크롤 랩의 토출구 부근의 상세 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 밀폐 용기

2 : 전동기

2a : 회전자

2b : 고정자

3 : 선회 스크롤

4 : 고정 스크롤

5 : 압축 기구

6 : 올덤링

7 : 고정 부재

8 : 오일 저장부

9 : 급유 피스

10 : 오일 구멍

11 : 압축실

12 : 흡입구

13 : 토출구

14 : 토출관

15 : 흡입관

16 : 크랭크 샤프트

17 : 밀폐 공간

18, 19 : 최소 밀폐 공간

[문헌 1] 일본 특허 공개 평7-27065호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 평10-89269호 공보

본 발명은 용적형 유체 기계의 일종인 스크롤 압축기에 관한 것으로, 특히 작동 유체가 R404A, R507A, R508B, R410A, 탄화수소 등의 저온용 냉매를 이용한 냉동기 응용 제품용 스크롤 압축기에 적합한 것이다.

스크롤 압축기의 설정 용적비는 행정 용적과 최소 밀폐 공간의 용적의 비로 나타낸다. 최소 밀폐 공간의 압력보다도 토출 압력이 높은 상태의 운전(고압력비 운전)인 경우, 설정 용적비가 큰 쪽이 스크롤 압축기의 입력은 적어도 되며 스크롤 압축기의 도시 효율은 좋아진다.

그래서, 일본 특허 공개 평7-27065호 공보(특허 문헌 1)에 기재된 스크롤 압축기에서는, 선회 스크롤 랩 및 고정 스크롤 랩을 구성하는 기본 소용돌이 곡선에 대수 나선을 이용하는 것이 제안되어 있다. 이에 의해, 용적 변화율의 설정이 가능해지고, 설정 용적비를 원의 인볼류트로 설계하는 경우에 비해 크게 할 수 있으므로 냉매의 부족 압축에 의한 도시 동력의 저감에 의한 성능 향상을 도모할 수 있다.

또한, 일본 특허 공개 평10-89269호 공보(특허 문헌 2)에 기재된 스크롤 압축기에서는, 한쪽 스크롤의 랩 권취 개시각에 대응하는 점이 다른 쪽 스크롤 랩 내벽으로부터 이격되는 것보다도 지연되어 상기 제1 공간 내의 가스가 상기 부 유로를 경유하여 토출구로 유출하도록 구성하는 것이 제안되어 있다. 이에 의해, 설정 용적비를 크게 하는 것이 가능해져 고압력비 운전에서의 도시 효율의 향상을 도모할 수 있다.

[특허 문헌 1]

일본 특허 공개 평7-27065호 공보

[특허 문헌 2]

일본 특허 공개 평10-89269호 공보

상술한 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에는 설정 용적비를 크게 하는 것이 개시되어 있지만, 토출구로부터 토출될 때의 유로 저항 손실에 관해서는 배려되어 있지 않다. 설정 용적비를 크게 하기 위해 단순히 토출구를 작게 하면, 토출구의 유로 저항 손실이 도시 효율의 향상을 상회해 버려, 압축기 성적 계수(COP)의 저하를 초래해 버릴 우려가 있었다.

그래서, 토출구의 유로 저항 손실에 대해 다양한 연구를 한 바, 압축실이 토출구에 연통 개시할 때의 최소 밀폐 공간의 평면 면적과 토출구의 개구 면적과의 비가 압축기 성적 계수에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

또한, 특허 문헌 2에서는 설정 용적비의 확대를 도모하여 토출 가스의 부 유로의 형성 지연을 구성하기 위해, 토출구 형상을 타원, 다각형 등으로 하는 것이 개시되어 있지만, 토출구 형상이 원 형상인 경우와 비교하여 기계 가공이 복잡해지므로 특히 소형의 스크롤 압축기에서는 가공 비용이 높아져 버린다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 고압력비 운전시에 있어서의 압축기 성적 계수를 향상시킬 수 있는 스크롤 압축기를 제공하는 것에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 경판에 직립하여 형성된 소용돌이 형상의 랩을 구비한 선회 스크롤 및 고정 스크롤을 갖고, 상기 양 스크롤을 서로 상기 각각의 랩을 내측을 향해 조합하여 상기 선회 스크롤의 랩 외벽면측과 상기 고정 스크롤의 랩 내벽면측에 상기 각각의 랩과 경판에 의해 밀폐 공간을 형성하고, 상기 양 스크롤의 상대 운동에 의해 중심 방향으로 이동함에 따라서 상기 밀폐 공간의 용적을 감소시키는 동시에 상기 양 스크롤의 외주측으로부터 흡입한 가스를 압축하여 스크롤의 중앙부에 마련한 토출구로부터 토출하는 스크롤 압축기에 있어서, 행정 용적이 5 내지 25 ㎤의 범위이고, 상기 밀폐 공간이 토출구에 연통 개시할 때의 최소 밀폐 공간의 평면 면적과 토출구의 개구 면적의 비가 5.0 내지 8.0의 범위 내에 있는 구성으로 한 것에 있다.

이러한 본 발명의 보다 바람직한 구체적인 구성예는 다음과 같다.

(1) 상기 고정 스크롤 및 상기 선회 스크롤은 극좌표 형식에서 동경(r), 편각(θ), 대수 나선의 계수(a), 대수 나선의 지수(k)로 한 식 r = a·θ^k로 나타내는 대수 나선 곡선을 이용한 소용돌이 형상의 랩을 구비하고 있는 것.

(2) 압축되는 작동 유체로서 R404A, R507A, R508B, R410A, 탄화수소 중 어느 하나의 저온용 냉매를 이용한 것.

(3) 상기 토출구는 상기 밀폐 공간으로의 개구 면적보다 토출측의 면적이 커지도록 확대시킨 것.

이하, 본 발명의 복수의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 각 실시 형태의 도면에 있어서의 동일 부호는 동일물 또는 상당물을 도시한다.

(제1 실시 형태)

본 발명의 제1 실시 형태의 스크롤 압축기를, 도1 내지 도5를 이용하여 설명한다.

우선, 본 실시 형태의 스크롤 압축기의 전체 구성에 관하여 도1을 참조하면서 설명한다. 도1은 본 실시 형태의 스크롤 압축기(50)의 종단면도이다.

본 실시 형태의 스크롤 압축기(50)는 냉동기 응용 제품용 횡치 설치형의 스크롤 압축기의 예이다. 이 스크롤 압축기(50)는, 작동 유체로서 R404A, R507A, R508B, R410A, 탄화수소 등의 저온용 냉매를 이용하고 있다.

스크롤 압축기(50)는 밀폐 용기(1)의 내부에 전동기(2)와, 이 전동기(2)에 의해 구동되는 선회 스크롤(3)과 비선회 스크롤인 고정 스크롤(4)과의 사이에서 냉매를 압축하는 스크롤 압축 기구(5)를 배치하여 구성되어 있다. 스크롤 압축 기구(5)는 선회 스크롤(3)을 고정 스크롤(4)에 대해 자전시키지 않고 선회 운동시키도록 고정 스크롤(4)과 밀폐 용기(1)에 고정된 고정 부재(7)와의 사이에서 지지 안내하는 자전 규제 부재로서의 올덤링(6)을 갖고 있다.

본 실시 형태에서는 횡치 설치형의 스크롤 압축기(50)이며, 밀폐 용기(1) 내의 도면상의 좌측부에 스크롤 압축 기구(5)가 배치되고, 밀폐 용기(1) 내의 우측부에 압축 기구(5)를 구동하는 전동기(2)가 배치되고, 가장 우측부에는 오일 저장부(8)에 윤활유가 봉입된 구성으로 되어 있다. 이 스크롤 압축기(50)는 윤활유를 윤활 대상부에 공급하는 급유 기구를 구비하고 있다. 이 급유 기구는 윤활 대상부가 되는 미끄럼 이동 부분인 베어링이나 냉매를 밀봉해야만 하는 스크롤 압축 기 구(5)에, 오일 저장부(8)의 윤활유를 급유 피스(9)를 통과시켜서 빨아올려, 크랭크 샤프트(16)의 내부를 관통하는 오일 구멍(10)을 거쳐서 공급하는 것이다.

스크롤 압축 기구(5)에 있어서, 고정 스크롤(4)과 선회 스크롤(3)의 랩이 맞물려 있다. 선회 스크롤(3)은 전동기(2)의 회전에 수반하여 올덤링(6)을 거쳐서 선회 구동되고 공전 운동한다. 이 선회 스크롤(3)의 선회 운동에 의해, 선회 스크롤(3) 및 고정 스크롤(4)의 쌍방의 랩 사이에 몇 개 형성되는 압축실(11)은 흡입구(12)로 통하는 랩 외주측으로부터 토출구(13)로 통하는 랩 내주측으로 이동하면서 용적을 축소하여 압축을 행한다. 이 압축실(11)은 밀폐 공간(17)으로 구성된다. 냉매는 밀폐 용기(1) 밖으로 연장되는 토출관(14)으로부터 공기 조절용 냉동 사이클(도시하지 않음)에 공급된 후, 흡입관(15)으로 복귀되어 사이클 내를 순환한다. 이상의 일련의 동작을 연속하여 실행하여 냉동 사이클이 성립한다.

다음에, 이와 같이 구성된 스크롤 압축기(50)의 압축 동작에 관하여 도1 및 도2를 참조하면서 설명한다. 도2는 본 실시 형태의 스크롤 압축기(50)의 압축 동작 원리를 설명하는 도면이다.

전동기(2)가 구동됨으로써 크랭크 샤프트(16)가 회전하게 되면, 올덤링(6)의 작용으로 선회 스크롤(3)이 고정 스크롤(4)에 대해 선회 운동을 행하고 양 스크롤(3, 4)로 형성되는 압축실(11)이 중심으로 이동함에 따라서 그 용적을 감소한다. 즉, 고정 스크롤(4)에 대해 선회 스크롤(3)은 그 자세를 변화시키지 않고 도3에 크랭크각(Φ) = 0°, 90°, 180 °, 270°로서 나타낸 바와 같이 고정 스크롤(4)의 중심의 주위에 공전 운동[소정의 크랭크 반경(ε)에서 선회 운동]을 행한다. 이 때, 이들 양 스크롤(3, 4)에 의해 형성되는 초생달 형상의 압축실(11)인 밀폐 공간(17)의 용적이 감소되고, 흡입구(12)로부터 밀폐 공간(17) 내로 빨아 들여진 작동 유체를 압축하여 토출구(13)로부터 밀폐 용기(1) 내로 배출한다. 밀폐 용기(1) 내로 토출된 유체는 토출관(14)으로부터 외부로 토출된다. 또한, 압축 기구부에서 압축 작용을 행하면 양 스크롤(3, 4)을 분리하려고 하는 힘이 작용하지만, 선회 스크롤(3) 배면에는 흡입 압력보다 높고, 토출 압력보다 낮은 중간의 압력이 작용하고 있으므로 그 중간 압력에 의해 선회 스크롤(3)은 고정 스크롤(4)에 압박된다.

그리고, 선회 스크롤(3) 및 고정 스크롤(4)은 극좌표 형식에서 동경(r), 편각(θ), 대수 나선의 계수(a), 대수 나선의 지수(k)로 하였을 때, 다음 식 (1)로 나타내는 대수 나선을 기본 소용돌이 곡선으로 하여 권취 개시부의 소용돌이벽 두께를 보다 두껍게 하기 위해 권취 개시부측에 대수 나선의 계수(a) 또는 대수 나선의 지수(k)의 값이 커지도록 하고 있다.

r = a·θ^k (1)

이와 같이 수정한 기본 소용돌이 곡선의 포락선에 의해 선회 스크롤(3) 및 고정 스크롤(4)의 각각의 내측 곡선 및 외측 곡선을 구성하고 있다. 이에 의해, 선회 스크롤(3) 및 고정 스크롤(4)의 소용돌이벽의 두께는 모두 소용돌이의 권취 개시로부터 권취 종료에 걸쳐서 연속적으로 변화시킬 수 있으며, 내부의 유체의 압력이 가장 고압이 되는 소용돌이체의 중앙부가 두껍고, 저압이 되는 권취 종료부에서는 얇게 할 수 있다.

또한, 권취 개시부측의 편각(θ)의 소정 구간만큼 대수 나선의 계수(a) 또는 대수 나선의 지수(k)의 값이 커지도록 하고, 이 이외의 구간에서 대수 나선의 계수(a) 또는 대수 나선의 지수(k)의 값이 일정해지도록 해도 좋다.

다음에, 도3 내지 도5를 참조하면서, 밀폐 공간(17)이 토출구에 연통 개시될 때의 최소 밀폐 공간(18, 19)의 평면 면적과 토출구의 개구 면적의 비를 기초로 하는 압축기 성능에 관하여 설명한다. 도3은 본 실시 형태의 스크롤 압축기(50)에 있어서의 스크롤 랩 부근의 상세도, 도4는 비교예의 스크롤 압축기(50)에 있어서의 스크롤 랩 부근의 상세도, 도5는 본 실시 형태 및 비교예를 포함하는 스크롤 압축기(50)의 압축기 성적 계수의 특성도이다.

도3은 최소 밀폐 공간(18, 19)의 평면 면적과 토출구(13)의 개구 면적의 비가 5.8인 본 실시 형태의 일례를 도시하는 것이다. 또한, 최소 밀폐 공간(18, 19)의 평면 면적이라 함은, 최소 밀폐 공간(18, 19)을 경판의 면에 투영한 경우의 면적이며, 토출구(13)의 개구 면적이라 함은 토출구(13)가 경판에 개방되는 부분에 있어서의 경판의 면에 투영한 경우의 면적이다. 구체적으로는, 앞의 밀폐 공간(17)이 토출구(13)와의 연통이 종료된 시점과 다음 밀폐 공간(17)이 토출구(13)에 연통 개시될 때의 최소 밀폐 공간 투영 면적과 토출구 투영 면적의 비를 5.8로 하는 원 형상의 토출구로 하고 있다. 즉, 스크롤 랩이 한 쌍의 최소 밀폐 공간(18, 19)을 형성한 후, 선회 운동에 의해 압축된 가스는 최소 밀폐 공간 투영 면적과 토출구 투영 면적의 비가 5.8이 되는 토출구(13) 및 토출구(13)의 윤곽선이 제1 공간(18)측으로 인입되어 형성되는 유로를 통과시켜 토출구(13)로 유출한다. 또한, 본 실시 형태의 토출구(13)는 원 형상을 하고 있으므로, 토출구 형상을 타원, 다각형 등으로 하는 종래예와 비교하여 그 토출구(13)의 제작이 매우 용이하다.

도4는 최소 밀폐 공간(18, 19)의 평면 면적과 토출구(13)의 개구 면적의 비가 3.7인 비교예를 도시하는 것이다. 이 비교예의 경우, 본 실시 형태의 비가 5.8일 때와 비교하여 연통 개시의 타이밍이 빨라지므로, 양 스크롤 랩(3, 4)으로 형성되는 최소 밀폐 공간(18, 19)은 커지고, 그에 수반하여 설정 용적비는 작아져 고압력비 운전에서는 부족 압축에 의한 도시 동력의 증대에 따른 성능의 저하를 초래해 버린다. 한편, 토출구 직경을 크게 할 수 있으므로 토출될 때의 유로 손실 저항을 감소시켜 성능을 향상시키는 효과가 있다.

표1에, 도3 및 도4에 있어서의 최소 밀폐 공간 투영 면적과 토출구 투영 면적의 비에 의한 도시 효율·유로 손실 저항·압축기 성적 계수의 이론치와 측정 결과 및 기타의 비에 의한 도시 효율·유로 손실 저항·압축기 성적 계수의 이론치의 계산 결과를 나타낸다. 측정치는 운전 압력비가 9.5인 경우이며, 본 발명에서 상정되어 있는 설정 용적비가 부족한 조건에 상당한다.

[표1]

최소 밀폐 공간 투영 면적 /토출구 투영 면적	3.7	5.8	6.7	7.7	8.7
최소 밀폐 공간 투영 면적(㎟)	145	138	132	122	109
토출구 투영 면적(㎟)	40	24	20	16	13
도시 효율 비교(％)	100	118	121	125	127
유로 손실 저항 비교(％)	100	358	577	978	1762
압축기 성적 계수(COP) 비교(％)	100	115	116	115	108

이 결과에서는, 최소 밀폐 공간 투영 면적과 토출구 투영 면적의 비가 3.7일 때와 비교하여, 5.8에서의 설정 용적비의 개선분은 토출구에서의 유로 손실 저항의 증가분을 상회하였으므로 성능을 향상시키는 효과가 있었다. 그 밖의 비에 의한 계산 결과를 포함하여 압축기 성적 계수를 그래프에 정리하면 도5와 같아진다.

이 도5로부터 명백한 바와 같이, 최소 밀폐 공간 투영 면적과 토출구 투영 면적의 비가 5.0 내지 8.0의 범위에서 압축기 성적 계수가 각별히 향상되는 것을 알 수 있었다.

(제2 실시 형태)

다음에 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 도6을 이용하여 설명한다. 도6은 본 발명의 제2 실시 형태의 스크롤 압축기의 토출구 부근의 확대도이다. 본 제2 실시 형태는, 다음에 서술하는 점에서 제1 실시 형태와 상이한 것이며, 그 밖의 점에 대해서는 제1 실시 형태와 기본적으로는 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.

본 제2 실시예에서는, 토출구(13)가 밀폐 공간(17)으로의 개구 면적보다 토출측의 면적이 커지도록 확대시킨 것이며, 소경부(13a)와 대경부(13b)로 되어 있다. 이와 같이, 토출구(13)의 도중을 확대시킴으로써 유로 손실 저항을 감소시킬 수 있어, 한층 더 압축기 성적 계수를 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 고압력비 운전시에 있어서의 압축기 성적 계수를 향상시킬 수 있는 스크롤 압축기를 제공할 수 있다.

Claims

경판에 직립하여 형성된 소용돌이 형상의 랩을 구비한 선회 스크롤 및 고정 스크롤을 갖고, 상기 양 스크롤을 서로 상기 각각의 랩을 내측을 향해 조합하여 상기 선회 스크롤의 랩 외벽면측과 상기 고정 스크롤의 랩 내벽면측에 상기 각각의 랩과 경판에 의해 밀폐 공간을 형성하고, 상기 양 스크롤의 상대 운동에 의해 중심 방향으로 이동함에 따라서 상기 밀폐 공간의 용적을 감소시키는 동시에 상기 양 스크롤의 외주측으로부터 흡입한 가스를 압축하여 스크롤의 중앙부에 마련한 토출구로부터 토출하는 스크롤 압축기에 있어서,

행정 용적이 5 내지 25 ㎤의 범위이고, 상기 밀폐 공간이 토출구에 연통 개시할 때의 최소 밀폐 공간의 평면 면적과 토출구의 개구 면적과의 비가 5.0 내지 8.0의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서, 상기 고정 스크롤 및 상기 선회 스크롤은 극좌표 형식에서 동경(r), 편각(θ), 대수 나선의 계수(a), 대수 나선의 지수(k)로 한 식 r = a·θ^k로 나타내는 대수 나선 곡선을 이용한 소용돌이 형상의 랩을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 압축되는 작동 유체로서 R404A, R507A, R508B, R410A, 탄화수소 중 어느 하나의 저온용 냉매를 이용한 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 토출구는 상기 밀폐 공간으로의 개구 면적보다 토출측의 면적이 커지도록 확대시킨 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.