KR101058746B1 - 스크롤 유체기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크롤 유체기계에 관한 것으로서, 하우징과, 회전력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부에 의해 회전구동되는 구동축과, 스크롤 랩이 형성되어 있으며 하우징에 고정 설치된 고정스크롤과, 스크롤 랩이 형성되어 있으며 구동축에 연결되어 선회하는 선회스크롤과, 상기 선회스크롤과 구동축 사이에 연결된 편심작용부를 포함하되, 상기 편심작용부는, 상기 구동축의 선단에 편심되게 형성된 크랭크핀과, 상기 크랭크핀의 둘레와 선회스크롤 사이에서 선회스크롤과의 상대 회전이 가능하게 설치된 편심부시를 포함하며, 상기 편심부시에는 구동축을 중심으로 선회스크롤의 반대쪽에 밸런스웨이트가 고정 설치된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 고 회전수 영역에서 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 밀봉력을 줄여서 스크롤 랩이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 압축되는 냉매의 일부를 바이패스시켜서 냉각능력을 줄임으로써 클러치의 잦은 단속현상을 방지할 수 있으며, 결국 이를 통해 진동, 소음 및 충격을 완화하여 신뢰성 및 제운전성능을 유지할 수 있다는 이점이 있다.

스크롤, 압축기, 냉매, 선회, 크랭크핀, 편심부시, 밀봉력

Description

스크롤 유체기계{A SCROLL FLUID MACHINE}

본 발명은 스크롤 유체기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고 회전수 영역에서의 과도한 밀봉력으로 인한 압축기의 손상, 클러치의 잦은 단속현상 및 이에 의한 진동, 소음 및 충격 등을 방지하고 제운전성능을 유지할 수 있도록 하는 스크롤 유체기계에 관한 것이다.

일반적으로, 스크롤 유체기계는, 스크롤 랩으로 구성되고 구동축의 회전에 관계없이 고정되어 있는 고정스크롤과, 구동축의 회전에 따라 선회하는 선회스크롤의 상대적인 운동을 통해 압축을 수행하는 장치로서 시중에 많은 종류가 개시되어 있다. 스크롤 유체기계 중 대표적인 것으로 냉방 또는 냉장 시스템에 포함되는 스크롤 압축기를 들 수 있다.

도 1a 내지 도 1c에는 스크롤 압축기의 대표적인 구성(이하, '종래기술'이라 함)이 개시되어 있으며, 그 구조에 대하여 개략적으로 기술하면 이하와 같다.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 종래기술의 스크롤 압축기는, 밀폐용기(1)의 내측 상,하부에 상,하부프레임(2,3)이 설치되고, 그 상,하부프레임(2,3) 사이에 고정자(4)가 고정 설치되며, 그 고정자(4)의 내주연에는 회전자(5)가 삽입,설치되 고, 그 회전자(5)의 중앙에는 구동축(6)이 상부프레임(2)의 중앙부를 관통하도록 압입되며, 상기 상부프레임(2)의 상단면에는 인벌류트 곡선으로 랩(Wrap)(7a)이 형성된 선회스크롤(7)이 구동축(6)과 편심되게 결합되어 얹혀진다.

그리고, 상기 선회스크롤(7)의 상측에는 선회스크롤(7)의 랩과 서로 맞물려 압축실을 형성하는 고정스크롤(8)이 얹혀져 상부프레임(2)의 가장자리에 체결되며, 상기 상부프레임(2)과 선회스크롤(7) 사이에는 자전방지기구인 올담링(9)이 결합되어 있다.

도면중 미설명 부호인 10은 토출커버, 11은 역지변 하우징, 12는 흡입파이프, 13은 토출파이프이다.

상기와 같이 구성된 종래기술의 스크롤 압축기에 따르면, 인가된 전원에 의해 고정자(4)의 내측에서 회전자(5)가 회전을 하면서 구동축(6)이 회전하고, 그 구동축(6)의 회전에 의해 구동축(6)의 중심에 대하여 편심되게 배치된 선회스크롤(7)이 선회 운동을 하게 된다.

이와 같은 선회스크롤(7)의 선회운동에 의해 그 선회스크롤(7)과 고정스크롤(8)의 각 스크롤 랩(7a,8a) 사이에는 압축실(포켓)이 형성되고, 그 압축실은 지속적인 선회운동에 의해 중심으로 이동하면서 체적이 감소되어 흡입된 냉매가스를 더욱 압축하게 되는 것이다.

한편, 도 1b와 도 1c에 도시한 바와 같이, 종래기술의 스크롤 압축기에 따르면, 구동축(6)의 선단에 크랭크핀(15)이 편심되게 형성되어 있고, 상기 크랭크핀(15)의 둘레에는 편심부시(16)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 편심부시(16)는 베어링(17)을 개재하여 상기 선회스크롤(7)에 상대 회전이 가능하게 결합되어 있다.

이에 따라, 구동축(6) 및 크랭크핀(15)의 회전에 따라 선회스크롤(7)이 고정스크롤(8)에 대하여 선회 운동을 하게 될 때, 고정스크롤(8)에 대한 선회스크롤(7)의 밀봉력이 증대하여 냉매가 누설되는 것이 방지된다.

즉, 종래기술에 따르면, 상용 회전수나 아이들링 회전수 영역에서는 통상의 설계조건(행정체적 설계조건)으로 설계되어도 충분한 냉각능력(cooling capacity)을 확보할 수 있는 동시에 선회스크롤(7) 및 편심부시(16)의 원심력에 의해 고정스크롤(8)의 랩과 선회스크롤(7)의 랩 사이에 밀봉력도 적당한 수준에서 유지된다.

그러나, 상대적으로 작은 냉방능력을 요하는 4000rpm 이상의 고 회전수 영역에서는, 선회스크롤(7)의 원심력이 매우 커짐에 따라 고정스크롤(8)에 대한 선회스크롤(7)의 밀봉력(접촉력)이 과도하게 되는 현상이 발생할 수 있다. 이 경우에는, 서로 겹쳐서 배치된 고정스크롤(8)의 랩과 선회스크롤(7)의 랩이 서로 과도한 힘으로 접촉하게 되고, 이로 인해 랩이 손상되어 제수명을 유지할 수 없게 되는 경우가 생긴다.

또한, 고 회전수 영역에서 적절한 냉각능력을 얻기 위해서는 전자클러치 등의 단속수단이 자주 ON/OFF될 수밖에 없었다. 이에 따라, 종래에는 진동, 소음 및 충격이 발생하였고, 결국 스크롤 유체기계의 신뢰성과 운전성능이 크게 저하된다는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 따르면, 스크롤 압축기의 셧다운(shutdown)시 고정스크롤 과 선회스크롤 사이에 이미 채워져 있는 고압의 냉매에 의해 선회스크롤이 고정스크롤에 대하여 역회전하여 스크롤 랩이 파손될 수 있고, 이에 따라 스크롤간의 타격에 의한 신뢰성 저하 및 소음발생 등의 단점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 고 회전수 영역에서 선회스크롤의 과도한 원심력으로 인해 고정스크롤과 선회스크롤 사이에 과도한 밀봉력이 발생하여 스크롤 랩이 손상되는 것을 방지할 수 있는 스크롤 유체기계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 고 회전수 영역에서 상대적으로 작은 냉각능력을 발휘하기 위한 클러치의 잦은 단속현상을 방지하고, 이를 통해 진동, 소음 및 충격을 완화하여 신뢰성 및 제운전성능을 유지할 수 있도록 하는 스크롤 유체기계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 스크롤 압축기의 셧다운(shutdown)시 별도의 역회전방지수단이 없어도 선회스크롤의 역회전 없이 고정스크롤에 대하여 이격시킬 수 있는 스크롤 유체기계를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 스크롤 유체기계는, 하우징과, 회전력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부에 의해 회전구동되는 구동축과, 스크롤 랩이 형성되어 있으며 하우징에 고정 설치된 고정스크롤과, 스크롤 랩이 형성 되어 있으며 구동축에 연결되어 선회하는 선회스크롤과, 상기 선회스크롤과 구동축 사이에 연결된 편심작용부를 포함하되, 상기 편심작용부는, 상기 구동축의 선단에 편심되게 형성된 크랭크핀과, 상기 크랭크핀의 둘레와 선회스크롤 사이에서 선회스크롤과의 상대 회전이 가능하게 설치된 편심부시를 포함하는 스크롤 유체기계에 있어서, 상기 편심부시에는 구동축을 중심으로 선회스크롤의 반대쪽에 밸런스웨이트가 고정 설치된 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 밸런스웨이트와 편심부시 일체 구조의 구동축 중심에 대한 무게중심까지의 거리와 질량의 곱은 선회스크롤의 편심거리와 질량의 곱보다 크게 설정된 것이 바람직하다.

또한, 선회스크롤의 고정스크롤에 대한 밀봉력은,

Fs = Fos - Feb - Fr + Ft×tanθ

(여기서, Fs는 밀봉력, Fos는 선회스크롤의 원심력, Feb는 밸런스웨이트와 편심부시의 원심력, Fr은 압축실 내의 냉매가스력으로, 선회스크롤의 원심력 방향인 r방향 성분, Ft는 압축실 내의 냉매가스력으로, 상기 r방향에 수직한 t방향 성분, θ는 t방향에 대한 선회스크롤의 중심과 크랭크핀의 중심을 연결한 선 사이의 각도)에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 θ는 20~70°의 범위에 있는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 고 회전수 영역에서 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 밀봉력을 줄여서 스크롤 랩이 손상되는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고 회전수 영역에서, 압축되는 냉매의 일부를 바이패스시켜서 냉각능력을 줄임으로써 클러치의 잦은 단속현상을 방지할 수 있으며, 결국 이를 통해 진동, 소음 및 충격을 완화하여 신뢰성 및 제운전성능을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 스크롤 압축기의 셧다운(shutdown)시 고정스크롤과 선회스크롤 사이에 이미 채워져 있는 고압의 냉매가 서서히 바이패스되도록 하여 별도의 역회전방지수단이 없어도 선회스크롤의 역회전을 방지할 수 있어 스크롤 간의 타격에 의한 소음을 방지할 수 있고 신뢰성을 유지할 수 있다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 실시예는 벨트구동식 스크롤 압축기에 대하여 설명하고 있지만, 전동식 등 다양한 종류의 스크롤 압축기 및, 일반적인 스크롤 유체기계에 적용할 수 있음은 물론이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스크롤 압축기(1000)는 냉매와 오일을 흡입하는 흡입실(101)을 구비하는 하우징(100)과, 상기 하우징(100)에 고정 설치되 는 고정스크롤(S1)과, 상기 고정스크롤(S1)에 선회운동이 가능하게 결합되는 선회스크롤(S2)과, 상기 하우징(100)의 전면에 결합되는 메인프레임(200)과, 상기 메인프레임(200) 내에 회전가능하게 배치되고 일단이 상기 선회스크롤(S2)과 연결되는 구동축(300)과, 상기 구동축(300)으로 동력을 공급하는 구동부(400)를 포함한다.

상기 하우징(100)의 외측에는 냉매를 흡입하는 흡입구(A)가 형성되어 있고 그와 연통된 내측에는 흡입실(101)이 형성되어 있으며, 후방 일측면에는 내부로부터 고압의 상태로 압축된 냉매와 오일이 토출되는 토출실(102)이 형성되어 있다.

상기 하우징(100)에는 고정스크롤(S1)이 고정되게 설치되어 있으며, 상기 고정스크롤(S1)의 전면에는 선회스크롤(S2)이 선회운동 가능하게 결합되어 있다.

이러한 선회스크롤(S2)의 선회운동에 의해 냉매가 외주로부터 중앙으로 오는 동안, 고정스크롤(S1)의 스크롤 랩과 선회스크롤(S2)의 스크롤 랩 사이의 체적이 변화하는 포켓에 의해 냉매가 연속적으로 압축된다.

또한, 상기 하우징(100)과 고정스크롤(S1) 사이의 토출실(102)에는 상기 고정스크롤(S1)과 선회스크롤(S2)의 압축작용에 의해 고압의 압축된 상태로 배출되는 냉매를 냉매가스와 오일로 각각 분리시키는 오일분리기(110)가 설치된다.

기술되지 않은 도면부호 212는 선회스크롤(S2)의 자전을 방지하기 위한 올담링이다.

한편, 상기 선회스크롤(S2)과 구동축(300) 사이에는 구동축(300)의 회전에 의해 선호스크롤(S2)을 선회시키는 편심작용부(500)가 설치되어 있다.

상기 편심작용부(500)는, 상기 구동축(300)의 선단에 편심되게 형성된 크랭 크핀(510)과, 상기 크랭크핀(510)의 둘레와 선회스크롤(S2) 사이에서 선회스크롤과의 상대 회전이 가능하게 설치된 편심부시(520)를 포함한다.

상기 편심부시(520)가 크랭크핀(510)의 둘레를 감싼 상태에서 선회스크롤(S2)에 결합되도록, 상기 선회스크롤(S2)의 앞면에는 상기 편심부시(520)가 삽입되는 결합홈(G)이 형성되어 있다.

또한, 상기 편심부시(520)와 결합하는 결합홈(G)의 내주면에는 베어링(B)이 설치되어 있어 편심부시(520)가 원활하게 회전할 수 있도록 하는 것이 좋다.

구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 구동축(300) 방향에서 바라볼 때, 상기 크랭크핀(510)의 중심(CP)은 구동축(300)의 중심(CS)으로부터 편심된 위치에 형성되어 있다.

그리고, 상기 구동축(300)의 중심(CS)에 대하여, 상기 밸런스웨이트(600)와 편심부시(520)의 합의 무게중심(EB)은 선회스크롤(S2)의 중심(OS)의 반대쪽에 형성되어 있다.

이와 같이 구성하면, 고 회전수 영역에서 선회스크롤의 원심력을 밸런스웨이트의 원심력이 보상함으로써 고정스크롤에 대한 선회스크롤의 밀봉력을 줄일 수 있으며, 이에 따라 과도한 밀봉력에 의한 스크롤 랩의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 상기 밸런스웨이트(600)와 편심부시(520) 일체 구조의 구동축(300) 중심에 대한 무게중심까지의 거리와 질량의 곱은 선회스크롤(S2)의 편심거리와 질량의 곱보다 크게 구성하여 밀봉력을 줄이도록 하는 것이 좋다.

또한, 선회스크롤(S2)의 원심력 방향을 r방향, 상기 r방향에 수직한 방향을 t방향으로 할 때, 상기 t방향에 대한 선회스크롤의 중심(OS)과 크랭크핀의 중심(CP)을 연결한 선 사이의 각도(θ)에 따라 밀봉력을 조절할 수 있다.

이는, 냉매가스력이 r방향과 t방향으로 벡터적으로 나뉘어지고 이들이 합하여 밀봉력에 영향을 미치는 성분으로 작용하기 때문이다. 상기 냉매가스력은 구동축(300)의 회전속도에 영향받지 않는다.

이에 따라, 낮은 회전수에서는 냉매가스력에 의해 밀봉력이 충분하여 냉각능력을 크게 발휘하고, 고 회전수 영역에서 원심력이 본격적으로 작용하여 밀봉력이 (-)값을 갖게 되어 일부 냉매가 바이패스되므로 클러치를 자주 끊지 않더라도 작은 냉각능력을 유지할 수 있다.

또한, 전술한 구조의 밸런스웨이트(600)를 설치함으로써, 스크롤 압축기의 셧다운(shutdown)시 고정스크롤(S1)과 선회스크롤(S2) 사이에 이미 채워져 있는 고압의 냉매가 서서히 바이패스되도록 함으로써 별도의 역회전방지수단이 없어도 선회스크롤(S2)의 역회전을 방지할 수 있으며, 이에 따라 스크롤 랩 사이의 타격에 의한 소음을 방지할 수 있고 신뢰성을 유지할 수 있다.

이하, 도 5와 도 6a 및 도 6b를 참조하여 본 실시예에 따른 구성에 기초한 밀봉력의 관계를 설명한다.

도시된 바와 같이, 밸런스웨이트(600)와 편심부시(520)가 일체로 형성된 경우, 구동축(300)의 회전에 의해 고정스크롤(S1)에 대한 선회스크롤(S2)의 밀봉력은 다음과 같은 식으로 정리될 수 있다.

Fs = Fos - Feb - Fr + Ft×tanθ

여기서, Fs는 밀봉력, Fos는 선회스크롤의 원심력, Feb는 밸런스웨이트와 편심부시의 원심력, Fr은 압축실 내의 r방향 냉매가스력, Ft는 압축실 내의 t방향 냉매가스력, θ는 t방향 라인에 대한 선회스크롤(S2)의 중심(OS)과 크랭크핀(510)의 중심(CP)을 연결한 선의 사이 각도를 나타낸다.

전술한 [수학식 1]은 편심부시(520)에 작용하는 힘들을 크랭크핀(510)의 중심에 대하여 모멘트 평형을 취함으로써 얻어진다.

즉, Mcp = b·cosθ(Fr + Fs - Fos + Feb) - Ft·sinθ = 0

의 관계로부터 얻어질 수 있다.

이러한, 힘의 관계를 기초로 할 때, 상기 밸런스웨이트와 편심부시 일체 구조의 구동축 중심에 대한 무게중심까지의 거리와 질량의 곱이 선회스크롤의 편심거리와 질량의 곱보다 큰 경우, Fos-Feb는 (-)의 값을 나타내므로 Fos - Fbw - Fr은 (-)의 값을 갖는다.

이때, Fos - Feb의 절대값은 구동축의 회전수에 따라 증가하는 특성을 가지고 있어, 회전수가 작은 상용 회전수나 아이들링 회전수 영역에서는 Ft×tanθ가 Fos - Feb - Fr를 능가하도록 함으로써 밀봉력이 (+)가 되게 할 수 있으므로 커다란 냉각능력을 확보할 수 있게 된다.

반면, 4000rpm 이상의 고 회전수 영역에서는 Ft×tanθ가 Fos - Feb - Fr보다 작기 때문에 밀봉력은 (-)값을 나타내고 일부 냉매의 누설, 즉 바이패스 작용이 일어나 냉각능력을 줄이고 타격에 의한 스크롤 랩의 손상을 방지할 수 있다.

상기 θ는 20~70°의 범위에 있도록 하여 구성 요소 상호간의 간섭이 없도록 하는 것이 좋다.

도 1a는 종래의 배압조절밸브 기능을 가지는 스크롤 압축기의 일 예를 나타내는 종단면도이다.

도 1b는 도 1a에서의 편심작용부를 나타내는 측단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 스크롤 압축기계의 일 예를 나타내는 종단면도이다.

도 3은 도 2에서 편심작용부의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 4는 도 3의 종단면도이다.

도 5는 도 3에서 구동축, 편심부시 및 밸런스웨이트의 구조를 개략적으로 나 타내는 축방향 도면이다.

도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 스크롤 압축기계에서 편심작용부 주변의 힘의 상관 관계를 나타내는 구성도이다.

<주요 구성부호의 설명>

100... 하우징

200... 메인프레임

300... 구동축

400... 구동부

500... 편심작용부

510... 크랭크핀

520... 편심부시

600... 밸런스웨이트

S1... 고정스크롤

S2... 선회스크롤

A... 흡입구

B... 베어링

1000... 스크롤 압축기

Claims (4)

1. 하우징과, 회전력을 발생하는 구동부와, 상기 구동부에 의해 회전구동되는 구동축과, 스크롤 랩이 형성되어 있으며 하우징에 고정 설치된 고정스크롤과, 스크롤 랩이 형성되어 있으며 구동축에 연결되어 선회하는 선회스크롤과, 상기 선회스크롤과 구동축 사이에 연결된 편심작용부를 포함하되, 상기 편심작용부는, 상기 구동축의 선단에 편심되게 형성된 크랭크핀과, 상기 크랭크핀의 둘레와 선회스크롤 사이에서 선회스크롤과의 상대 회전이 가능하게 설치된 편심부시를 포함하는 스크롤 유체기계에 있어서,

   상기 편심부시에는 구동축을 중심으로 선회스크롤의 반대쪽에 밸런스웨이트가 고정 설치되되, 상기 구동축의 중심에 대하여, 상기 밸런스웨이트와 편심부시의 합의 무게중심은 선회스크롤의 중심의 반대쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 유체기계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 밸런스웨이트와 편심부시 일체 구조의 구동축 중심에 대한 무게중심까지의 거리와 질량의 곱은 선회스크롤의 편심거리와 질량의 곱보다 크게 설정된 것을 특징으로 하는 스크롤 유체기계.
3. 삭제
4. 삭제

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