KR101185659B1 - 스크롤 유체 기계 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 과제는 용량을 운전 조건에 따라서 자동 제어하고, 복잡한 분기 배관 등을 필요로 하지 않아, 제조 비용을 대폭으로 저감시킬 수 있고, 또한 응답성이 우수한 용량 제어와 배압 제어를 동시에 행할 수 있는 스크롤 유체 기계를 제공하는 것이다.
선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽에, 반작동실측으로부터 작동실측으로 배면 압력을 부여하는 스크롤 유체 기계에 있어서, 운전 조건에 따라서 배면 압력도 제어 가능한 용량 제어 수단을 설치한다.
선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽에, 반작동실측으로부터 작동실측으로 배면 압력을 부여하는 스크롤 유체 기계에 있어서, 운전 조건에 따라서 배면 압력도 제어 가능한 용량 제어 수단을 설치한다.
Description
본 발명은 스크롤 유체 기계에 관한 것으로, 예를 들어 작동 유체에 냉매 등의 압축성 기체 또는 액체를 취급하는 스크롤 압축기나 스크롤 진공 펌프, 스크롤 송풍기 등에 적합한 스크롤 유체 기계에 관한 것이다.
종래의 스크롤 유체 기계로서, 일본 특허 출원 공개 제2000-314382호 공보(특허 문헌 1)에 개시된 것이 있다.
이 스크롤 유체 기계는 각각의 대판(단부판)에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤이 맞물려 형성되는 작동실과, 스테이터(고정자) 및 로터(회전자)로 이루어지는 전동기와, 로터를 관통하여 로터의 회전력을 전달하는 샤프트를 갖는다. 선회 스크롤은 자전 방지 기구에 의해 자전 방지되면서, 비선회 스크롤에 대해 선회 운동을 한다. 비선회 스크롤에 형성한 흡입구로부터 작동실로 유입된 작동 유체는, 상기 샤프트의 회전 운동에 수반하여 작동실의 용적이 서서히 작아져 작동 유체를 압축하고, 비선회 스크롤에 형성한 토출구로부터 토출되어, 밀폐 케이싱에 설치된 토출 파이프로부터 스크롤 유체 기계와 배관 접속된 냉동 사이클로 보내진다.
또한, 상기 압축 동작 중에, 작동실 내의 증가한 압력에 의해 선회 스크롤 및 비선회 스크롤에는 서로를 피하는 방향의 힘이 작용하므로, 작동실의 밀폐성을 저해하여 작동 유체의 누설 손실이 증대된다. 따라서, 작동실의 밀폐성을 양호하게 유지하여, 작동 유체의 누설을 억제하기 위해, 선회 스크롤 및 비선회 스크롤의 적어도 한쪽에 대해, 서로를 근접하는 방향의 지지력인 배면 압력을 작용시킨다. 이 배면 압력에는 각 운전 조건에 따른 적정치가 존재하여, 배면 압력이 과소이면 누설 손실이 증대되고, 배면 압력이 과대이면 선회 스크롤과 비선회 스크롤의 압접에 의한 미끄럼 이동면에 발생하는 마찰 손실이 증대되어, 스크롤 유체 기계의 효율 및 신뢰성을 악화시키는 요인이 된다.
한편, 냉동 사이클의 운전 모드가 다양화되어, 스크롤 유체 기계에는 운전 범위의 가일층의 확대가 요구되고 있다. 그러나, 스크롤 유체 기계는 냉동 사이클의 토출 압력이나 흡입 압력 등, 부하의 변동에 관계없이 스크롤 랩의 제원에 의해 결정되는, 일정한 설정 압축비와 배기량을 갖는 것이다. 따라서, 예를 들어, 비선회 스크롤의 단부판에 작동실과 토출 공간이 연통하는 릴리스 밸브 기구 등을 설치하여, 운전 조건이 설정 압축비 이하라도, 여분의 압축 동작을 시키지 않도록 하고 있다. 또한, 스크롤 유체 기계를 구동하는 전동기를 인버터 제어하여, 전동기의 회전수를 가변으로 함으로써, 일정한 압제량의 상태에서도 냉동 사이클로 공급하는 적절한 작동 유체의 순환량을 확보한다. 또한, 압축 도중 또는 압축 완료 후의 작동 유체를 흡입 공간으로 바이패스시킴으로써, 외관상의 압제량을 감소시켜, 용량을 제어하는 수단도 있다.
또한, 스크롤 유체 기계의 고효율화 및 고신뢰성화를 도모하기 위해서는, 작동실과 흡입 파이프를 바이패스시켜, 외관상의 압제량을 감소시키는 용량 제어 시에, 통상 운전 시에 비해 과대로 되는 배면 압력을 작게 하여 마찰 손실의 증대를 방지할 필요가 있다. 특허 문헌 1에서는, 그 방법으로서, 흡입 파이프(71)와 토출 파이프(72)로부터 분기된 용량 제어 파이프(81)를 비선회 스크롤의 단부판에 설치한 작동실과 연통하는 바이패스 밸브(15)에 접속시킨 구조로 하고 있다. 또한, 동시에 용량 제어 파이프를 배압 제어 밸브(13)의 밸브체 배면에 접속시키고 있다. 여기서, 용량 제어 파이프에는, 통상 운전 시와 용량 제어 시의 절환을 위한 3방향 밸브(80) 등을 설치하여, 냉동 사이클의 운전 조건 등에 따라서 압축기의 외부에서 만들어진 제어 신호에 의해 전기적으로 제어하고 있다.
통상 운전 시에는, 바이패스 밸브(15)나 배압 제어 밸브(13)에 접속한 용량 제어 파이프(81) 내가, 3방향 밸브(80)에 의해 토출 파이프와 연통하여 고압의 토출 압력으로 되어 바이패스 밸브가 개방되지 않아, 용량을 제어하지 않는다. 또한, 배압 제어 밸브(13)의 스프링력이 높아져, 배면 압력은 비교적 높게 조정된다. 한편, 용량 제어 시에는 바이패스 밸브(15)나 배압 제어 밸브(13)에 접속한 용량 제어 파이프(81) 내가, 3방향 밸브(80)에 의해 흡입 파이프(71)와 연통하여 저압의 흡입 압력으로 되어 바이패스 밸브(15)가 개방되어, 압축 도중의 작동 유체를 흡입 파이프(71) 내로 복귀시킴으로써 용량을 제어한다. 또한, 배압 제어 밸브(13)의 스프링력이 낮아져, 배면 압력은 비교적 낮게 조정된다.
다른 스크롤 유체 기계로서, 특허 4044793호 공보(특허 문헌 2)에 개시된 것이 있다. 이 스크롤 유체 기계는 용량 제어용 바이패스 구멍의 무효 용적(dead volume)을 저감시켜 고효율화에 기여하는 것이다. 또한, 용량 제어 밸브의 배면에 좁은 통로를 통과하는 토출 압력을 도입함으로써 밸브체의 진동을 억제시키고 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 개시된 종래의 스크롤 유체 기계에서는, 흡입 파이프나 토출 파이프와 용량 제어용 파이프나 배압 제어용 파이프를 배관 접속할 필요가 있으므로, 구조가 복잡해지고, 부품 개수가 증가하여, 제조 비용이 증대된다고 하는 과제가 있다. 또한, 작동 유체가 분기해 가는 배관 내나 스크롤 유체 기계의 외부로부터의 전기적인 제어 신호에 의해 제어된 3방향 밸브 등을 통과하므로, 제어의 응답 지연이 발생한다고 하는 과제가 있다. 또한, 배관 내에서 압력 손실이나 가열이 발생하여, 스크롤 유체 기계의 고효율화를 방해한다고 하는 과제가 있다.
특허 문헌 2에 개시된 종래의 스크롤 유체 기계에서는, 배압 제어에 관한 기술이 없고, 용량 제어와 동시에 배압 제어를 하는 수단이 개시되어 있지 않다고 하는 과제가 있다.
본 발명의 목적은 용량을 운전 조건에 따라서 자동 제어하고, 또한 복잡한 분기 배관 등을 필요로 하지 않아, 제조 비용을 대폭으로 저감시킬 수 있고, 또한 응답성이 우수한 용량 제어와 배압 제어를 동시에 행할 수 있는 스크롤 유체 기계를 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 각각의 단부판에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤을 맞물려 형성한 작동실과, 상기 비선회 스크롤의 단부판에 형성한 흡입 공간과, 상기 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽의 반작동실측에 형성한 배면 압력 영역과, 상기 배면 압력 영역의 압력을 제어하는 배압 제어 기구를 구비한 스크롤 유체 기계에 있어서,
상기 배압 제어 기구에 의해, 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 운전 조건에 따라서 바이패스시켜 용량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 상기 배압 제어 기구는 운전 조건에 따라서 상기 배면 압력 영역과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 배면 압력을 제어하는 동시에, 유체 기계의 용량 제어 운전 시에 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 용량을 제어하는 가동 밸브부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 상기 가동 밸브부를 자성체로 하고, 상기 가동 밸브부의 가동 범위를 제한하는 부재를 영구 자석으로 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 상기 배압 제어 기구를 전기적인 신호에 의해 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 각각의 단부판에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤을 맞물려 형성한 작동실과, 상기 비선회 스크롤의 단부판에 형성한 흡입 공간과, 상기 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽의 반작동실측에 형성한 배면 압력 영역과, 상기 배면 압력 영역의 압력을 제어하는 배압 제어 기구를 구비한 스크롤 유체 기계에 있어서,
상기 작동실과 흡입 공간을 운전 조건에 따라서 바이패스시켜 용량을 제어하는 용량 제어 기구를 더 구비하고, 유체 기계의 용량 제어 운전 시에 상기 용량 제어 기구에 의해 상기 배면 압력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 상기 용량 제어 기구는 운전 조건에 따라서 상기 배면 압력 영역과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 배면 압력을 제어하는 동시에, 유체 기계의 용량 제어 운전 시에 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 용량을 제어하는 가동 밸브부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 상기 가동 밸브부를 자성체로 하고, 이 가동 밸브부의 가동 범위를 제한하는 부재를 영구 자석으로 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 상기 용량 제어 기구를 전기적인 신호에 의해 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 스크롤 유체 기계에 있어서, 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤 중 어느 한쪽의 소용돌이 형상 랩 종단부각이, 다른 쪽의 소용돌이 형상 랩 종단부각과 다르게 한 비대칭의 소용돌이 형상 랩을 사용한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 각각의 단부판에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤을 맞물려 작동실을 형성하고, 상기 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽의 반작동실측에 배면 압력 영역을 가진 스크롤 압축기에 있어서, 용량 제어 시에 압축실과 흡입 공간이 바이패스하여, 압축실에 흡입된 가스를 곧바로 압축하지는 않고, 압축 개시를 지연시킴으로써 외관상의 압제량을 감소시키는 용량 제어 기구를 설치하여, 그 용량 제어 기구로 동시에 배면 압력을 제어하는 것이다.
본 발명의 스크롤 유체 기계에 따르면, 단순한 구조로 운전 조건에 따라서 용량을 제어하여, 압축실의 밀폐성을 양호하게 확보하면서, 미끄럼 이동 마찰 손실을 억제하는 배면 압력을 부여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스크롤 압축기의 압축 기구의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스크롤 압축기 전체의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 통상 운전 시에서의 배압 제어 기구의 확대도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 용량 제어 시에서의 배압 제어 기구의 확대도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 통상 운전 시에서의 용량 제어 기구의 확대도.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 용량 제어 시에서의 용량 제어 기구의 확대도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스크롤 압축기 전체의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 통상 운전 시에서의 배압 제어 기구의 확대도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 용량 제어 시에서의 배압 제어 기구의 확대도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 통상 운전 시에서의 용량 제어 기구의 확대도.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 용량 제어 시에서의 용량 제어 기구의 확대도.
이하, 본 발명의 복수의 실시 형태에 대해 도면을 사용하여 설명한다. 각 실시 형태의 도면에 있어서의 동일한 부호는 동일물 또는 상당물을 나타낸다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되지 않는다. 또한, 특별히 한정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그들의 실시 형태로만 한정하는 취지의 것은 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
(제1 실시 형태)
본 발명의 제1 실시 형태의 스크롤 압축기(100)를, 도 1 내지 도 4를 참조하면서 설명한다. 우선, 스크롤 압축기(100)에 관하여 도 1과 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스크롤 압축기의 압축 기구의 단면도이다. 도 2는 스크롤 압축기 전체의 단면도이다.
스크롤 압축기(100)는 압축 동작을 행하는 압축 기구와, 전동기를 포함시킨 구동 기구를 밀폐 케이싱(1) 내에 수납하여 배치한 구조로 되어 있다.
압축 기구는 비선회 스크롤(2)과 선회 스크롤(3), 프레임(4)을 기본 요소로 하고 있다. 비선회 스크롤(2)과 선회 스크롤(3)은 맞물려 압축실(20)을 형성한다.
비선회 스크롤(2)은 단부판(2a)과, 이 단부판(2a)에 세워 설치된 소용돌이 형상의 랩(2b)을 기본 구성 부분으로 하고 있다. 이 단부판(2a)의 외주부에는 흡입구(2c)가 형성되어 있다. 흡입구(2c)에는 흡입 파이프(16)가 접속되어 있다. 단부판(2a)의 중앙부에는 토출구(2d)가 형성되어 있다. 또한, 단부판(2a)에 릴리스 밸브 기구(14)를 설치하여, 스크롤 랩의 제원에 의해 결정되는 일정한 설정 압축비 이하의 운전 시에는 압축실(20)과 토출 공간(17)이 연통하도록 되어 있다.
한편, 선회 스크롤(3)은 단부판(3a)과, 이 단부판(3a)에 세워 설치된 소용돌이 형상의 랩(3b)과, 단부판(3a)의 배면측에 세워 설치된 보스통(3c)을 기본 구성 부분으로 하고 있다. 보스통(3c) 내에는 선회 베어링(3d)이 설치되어 있다.
프레임(4)은 밀폐 케이싱(1)에 용접 등으로 고정되어 있다. 비선회 스크롤(2)은 프레임(4)에 볼트 등으로 고정되어 있다. 선회 스크롤(3)은 비선회 스크롤(2)과 프레임(4) 사이에 선회 가능하게 배치된다. 프레임(4)은 선회 스크롤 단부판(3a)의 배면측에 배면 압력 영역(23)인 배압실(13)을 형성한다. 또한, 비선회 스크롤 단부판(2a)에 배압 제어 기구(19)를 설치하여, 배압실(13)의 배면 압력을, 운전 시에 토출 압력과 흡입 압력 사이에서 조정한다.
선회 스크롤(3)은 운전 시에 배압실(13)의 배면 압력에 의해 비선회 스크롤(2)측으로 압박되어, 압축실(20)의 밀폐성이 높아진다. 여기서, 비선회 스크롤 단부판(2a)에 배압 제어 기구(19)와 압축실(20)이 연통하는 바이패스 구멍(22)을 형성하여, 운전 조건에 따라서 용량을 제어할 수 있도록 하고 있다.
선회 스크롤(3)을 선회 구동시키는 구동 기구는 회전 구동 수단의 일례로서의 전동기(21)와, 샤프트(7)와, 선회 스크롤(3)의 자전 방지 기구의 주요 부품인 올덤 링(8)과, 샤프트(7)의 상부를 회전 가능하게 결합하는 주베어링(9)과, 샤프트(7)의 편심부를 회전축 방향으로 이동 가능하고, 또한 회전 가능하게 결합하는 선회 베어링(3d)과, 샤프트(7)의 하부를 회전 가능하게 결합하는 부베어링(11)을 기본 요소로 하고 있다. 샤프트(7)의 미끄럼 이동부는 상기 샤프트(7)의 주베어링(9), 선회 베어링(3d) 및 부베어링(11) 등에 대한 부분이 상당한다.
전동기(21)는 유도 전동기 등으로 구성되어, 환 형상의 스테이터(5)와, 환 형상의 로터(6)로 이루어진다. 스테이터(5)는, 수축 끼워 맞춤 등에 의해 밀폐 케이싱(1)에 고착되어 있다. 로터(6)는 스테이터(5) 내에 회전 가능하게 배치되어 있다. 로터(6)의 상하 단부면에는 선회 스크롤(3)의 운동에 수반하여 발생하는 불균형력을 상쇄하여, 압축기의 진동을 낮게 유지하기 위한 평형 부품인 밸런스 웨이트(12)가 설치되어 있다.
전동기(21)와 압축 기구는 밀폐 케이싱(1)의 길이 방향으로 나란히 배치되어, 샤프트(7)에 의해 연계되어 있다. 프레임(4)은 전동기(21)와 압축 기구 사이에 배치되어 있다. 샤프트(7)는 전동기(21)의 로터(6)를 관통하여 설치되어, 그 로터(6)의 회전력을 압축 기구로 전달하는 원통 부재이다. 샤프트(7)의 상부는 주베어링(9)에 의해 회전 가능하게 축지지되고, 샤프트(7)의 중간부는 로터(6)의 중심부를 관통하고, 샤프트(7)의 하부는 부베어링(11)에 회전 가능하게 축지지된다. 부베어링(11)은 샤프트(7)의 안정된 회전을 확보하기 위해 설치되어 있다.
올덤 링(8)은 프레임(4) 내에 설치되어 있다. 올덤 링(8)에 형성한 직교하는 2세트의 키 부분의 1세트가, 프레임(4)에 구성한 키 홈을 미끄럼 이동하고, 남은 1세트가 선회 스크롤 단부판(3a)의 배면측에 구성한 키 홈을 미끄럼 이동한다.
주베어링(9)은 프레임(4)의 중심부에 내장되어 있다. 부베어링(11)은 부베어링 부재(10)의 중심부에 내장되어 있다. 부베어링 부재(10)는 전동기(21)의 반압축 기구측의 윤활유(15)의 유면 근방에 배치되어, 밀폐 케이싱(1)에 용접 등에 의해 고착되어 있다. 또한, 밀폐 케이싱(1) 내의 하부 공간에는 윤활유(15)가 저류되어 있다. 샤프트(7)의 하단부가 윤활유(15)에 침지되어 있다.
다음에, 스크롤 압축기(100)의 기본 동작에 대해 설명한다. 스테이터(5)가 발생하는 회전 자계에 의해 로터(6)에 회전력이 부여되고, 이 로터(6)의 회전에 수반하여 로터(6)에 고정된 샤프트(7)가 회전 동작을 행한다. 선회 스크롤(3)은 회전축 방향으로 이동 가능하고, 또한 회전 가능하게 샤프트(7)의 편심부와 결합되어 있고, 샤프트(7)의 회전 운동은 올덤 링(8) 등의 자전 방지 기구에 의해 선회 스크롤(3)의 선회 운동으로 변환된다. 비선회 스크롤(2)과 선회 스크롤(3)을 맞물려 형성한 압축실(20)의 용적은 선회 스크롤(3)이 선회 운동함으로써 감소한다(압축 행정).
압축 동작에서는 선회 스크롤(3)의 선회 운동에 수반하여, 냉매 등의 작동 유체가 흡입 파이프(16), 흡입구(2c)를 경유하여 압축실(20)로 흡입된다. 흡입된 작동 유체는 압축실(20)에서의 압축 행정을 경유하여 비선회 스크롤의 토출구(2d)로 흐르고, 밀폐 케이싱(1) 내의 토출 공간(17)을 경유하여, 최종적으로 토출 파이프(18)로부터 압축기 외부로 토출된다.
또한, 밀폐 케이싱(1) 내의 하부 공간에 저류된 윤활유(15)는 토출 공간(17)에서의 토출 압력과, 배압실(13)에서의 토출 압력과 흡입 압력 사이로 조정된 배면 압력과의 차압이나, 샤프트(7)의 회전 동작에 수반하는 원심력에 의해, 선회 베어링(3d)과 주베어링(9)을 윤활한 후, 배압실(13)로 공급된다. 그 후, 배압실(13) 내의 윤활유(15)는 압축실(20)로 공급되어, 작동 유체와 함께 비선회 스크롤의 토출구(2d)로부터 토출되고, 밀폐 케이싱(1) 내의 토출 공간(17)에서 오일 분리된다. 분리된 윤활유(15)는 밀폐 케이싱(1) 내의 하부 공간에 저장된다.
계속해서, 도 3과 도 4를 사용하여, 통상 운전 시와 용량 제어 시에 있어서의 배압 제어 기구의 동작에 대해 상세하게 설명한다. 도 3은 통상 운전 시에 있어서의 배압 제어 기구의 확대도이다. 도 4는 용량 제어 시에 있어서의 배압 제어 기구의 확대도이다.
배압 제어 기구(19)는 비선회 스크롤(2)에 설치되어, 배압 제어용 밸브체(19a)(가동 밸브부)와 배압 제어용 스프링(19b), 니들(19c)(가동 밸브부), 탄성체(19d)에 의해 구성된다. 배압 제어용 밸브체(19a)의 하면은 배면 압력 영역(23)과 연통되어 있고, 배압 제어용 밸브체(19a)의 상면은 비선회 스크롤 단부판(2a)에 형성한 흡입 공간(24)에 연통되어 있다. 흡입 공간(24)은 상기 흡입구(2c)에 연통되어 있다. 니들(19c)과 배압 제어용 밸브체(19a) 사이에 배압 제어용 스프링(19b)을 설치하여, 배압 제어용 스프링(19b)의 탄성력에 의해, 어떤 일정한 스프링력으로 배압 제어용 밸브체(19a)를 하방으로 압박하고 있다.
또한, 니들(19c)의 상면에는 토출 공간(17)의 압력을 도입하여, 탄성체(19d)와 배압 제어용 스프링(19b)을 압축하여, 니들(19c)을 하방으로 압박하고 있다. 니들(19c)의 측면의 비선회 스크롤(2)에는 압축실(20)에 연통하는 바이패스 구멍(22)을 형성하고 있다. 또한, 니들(19c)이 비선회 스크롤(2)의 외부로 튀어나오지 않도록, 스토퍼(19e)(가동 범위를 제한하는 부재)를 설치하거나, 니들(19c)의 측면으로부터 토출 공간(17)의 압력이, 바이패스 구멍(22)이나 흡입 공간(24)으로 누설되지 않도록, 니들(19c)의 측면에 시일재를 부속시켜도 좋다.
여기서, 배압 제어 방법에 대해 설명한다. 배압 제어 기구(19)에 의해,
(배면 압력에 의한 힘) > (흡입 압력에 의한 힘) + [스프링(19b)의 탄성력]일 때, 배압 제어용 밸브체(19a)가 상방으로 이동하여, 배면 압력 영역(23)의 배면 압력을 흡입 공간(24)으로 흘림으로써 배면 압력을 조정한다. 즉, 통상 운전 시에는, 니들(19c)의 위치가 고정되어, 배압 제어용 스프링(19b)의 스프링 길이가 일정해져,
(배면 압력) = (흡입 압력) + [일정치(α)]로 자동 제어할 수 있다. 또한, 통상 운전 시에 바이패스 구멍(22)은 니들(19c)의 측면에서 폐쇄되어, 압축실(20)과 흡입 공간(24)이 바이패스되지 않는다.
한편, 용량 제어가 요구되는 운전 조건은 일반적으로 통상 운전 시와 비교하여 토출 압력과 흡입 압력의 압력차가 작다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 용량 제어 시에는 탄성체(19d)와 배압 제어용 스프링(19b)의 탄성력을 이용하여, 니들(19c)을 상방으로 밀어올리고 있다. 니들(19c)이 상방으로 밀어 올려지면, 니들(19c)의 측면에서 폐쇄되어 있던 바이패스 구멍(22)이 개방되어, 압축실(20)과 흡입 공간(24)은 바이패스한다. 그로 인해, 바이패스 구멍(22)이 개구되어 있는 압축실(20)은 흡입 공간(24)으로 되어, 압축 동작을 하지 않아, 외관상의 압제량을 감소시킬 수 있다. 즉, 압축기의 회전수를 일정하게 유지한 상태라도, 작동 유체의 순환량이 감소되어, 용량을 제어할 수 있다.
용량 제어 시에는, 압축실(20)의 일부가 압축 동작을 하지 않으므로, 통상 운전 시에 필요한 배면 압력이 대폭으로 낮아진다. 여기서, 배면 압력이 과대이면 선회 스크롤(3)과 비선회 스크롤(2)의 미끄럼 이동면에 발생하는 마찰 손실이 증대되어, 스크롤 압축기의 효율 및 신뢰성을 악화시킨다. 그러나, 용량 제어 시에는 니들(19c)이 상방으로 밀어 올려져, 배압 제어용 스프링(19b)의 스프링 길이가 통상 운전 시에 비해 길어지므로 탄성력이 작아져, (배면 압력) = (흡입 압력) + [일정치(β)]로 제어할 수 있다. 즉, 배압 제어용 스프링(19b)의 스프링 길이로 결정되는 탄성력은,
{통상 운전 시에 있어서의 탄성력[일정치(α)]} > {용량 제어 시에 있어서의 탄성력[일정치(β)]}이고, 용량 제어 시의 배면 압력은 통상 운전 시에 비해 대폭으로 낮게 제어할 수 있다.
또한, 배압 제어 기구(19)에 있어서의 니들(19c)을 자성체로 하고, 스토퍼(19e)를 일정한 자력을 갖는 영구 자석으로 함으로써, 운전 조건이 정상일 때에, 니들(19c)을 자력에 의해 스토퍼(19e)에 흡인시켜, 토출 압력 등의 맥동에 수반하여, 니들(19c)이 상하 진동하는 것을 억제하여, 소음을 발생시키지 않도록 해도 좋다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 배압 제어 기구에 용량 제어용 바이패스 구멍을 개폐하는 기능을 부가시켜, 통상 운전 시에는 바이패스 구멍을 폐쇄하면서, 배면 압력을 높게 자동 제어하여 압축실의 누설 손실을 억제하고(압축실의 밀폐성을 양호하게 확보하면서), 용량 제어 시에는 바이패스 구멍을 개방하여, 외관상의 압제량을 감소시켜 용량을 자동 제어하는 동시에, 배면 압력을 낮게 자동 제어하여 선회 스크롤과 비선회 스크롤의 미끄럼 이동면에 발생하는 마찰 손실을 억제하여, 스크롤 압축기의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 복잡한 배관 등을 필요로 하지 않는 단순한 구조이므로, 제조 비용의 상승을 억제하고, 제어의 응답성이 우수하고, 또한 용량 제어 시의 압력 손실이나 가열을 억제하여, 고효율의 스크롤 압축기를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 배압 제어 및 용량 제어를 운전 조건에 따라서 기계적으로 자동 제어하는 수단에 대해 서술하였지만, 특수한 운전 조건에 대응하기 위해, 배압 제어 기구에 전기적인 제어 밸브(도시하지 않음)를 부속시켜도 좋다. 이 전기적인 제어의 경우, 운전 조건의 변경 시에, 민첩하고 또한 용이하게 대응할 수 있다.
(제2 실시 형태)
본 발명의 제2 실시 형태에 대해, 도 5 및 도 6을 사용하여 설명한다. 도 5 및 도 6은 용량 제어 기구를 배압 제어 기구와 별체로 한 구조이다. 도 5 및 도 6에는 배압 제어 기구를 도시하지 않지만, 제1 실시 형태에서 서술한 바와 같은 배면 압력의 조정 기능을 갖는 배압 제어 기구를 설치하고 있다. 혹은, 배압 제어 기구(19)의 니들(19c)이 압입 등에 의해 고정되고, 배압 제어용 스프링(19b)의 스프링 길이를 일정하게 하여, 유량 제어를 하지 않는 전체 운전 조건에서 압축실(20)의 밀폐성을 충분히 확보하는, (배면 압력) = (흡입 압력) + (일정치)로 설정한 배압 제어 기구를 설치하고 있다. 혹은, 제1 실시 형태에서 서술한 바와 같은 밸브를 사용하지 않고, 선회 스크롤(3)의 단부판(3a)에 배압실(13)과 압축실(20)이 연통하는 구멍을 형성하여, (배면 압력) = (흡입 압력) × (일정치)로 조정하는 배압 제어 기구를 사용해도 좋다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 통상 운전 시에서의 용량 제어 기구이다. 용량 제어 기구(25)는 비선회 스크롤(2)에 배압 제어 기구와 별개로 설치하고, 용량 제어용 밸브체(25a)(가동 밸브부)와 용량 제어용 스프링(25b), 니들(25c)(가동 밸브부), 탄성체(25d)에 의해 구성된다. 용량 제어용 밸브체(25a)는 비선회 스크롤(2)에 설치한 압축실(20)과 연통하는 바이패스 구멍(22)을 대략 메우는 돌기 형상을 갖는다. 또한, 용량 제어용 밸브체(25a)는 압축실(20)로 돌출되지 않는 선단 형상을 갖는다. 용량 제어용 밸브체(25a)의 편면은 바이패스 구멍(22) 내에 있어, 압축실(20)과 연통하고 있고, 다른 한쪽의 면은 비선회 스크롤 단부판(2a)에 형성한 흡입 공간(24)에 연통되어 있다. 니들(25c)과 용량 제어용 밸브체(25a) 사이에 용량 제어용 스프링(25b)을 설치하여, 용량 제어용 스프링(25b)의 탄성력에 의해, 어떤 일정한 스프링력으로 용량 제어용 밸브체(25a)를 압축실측으로 압박하고 있다.
또한, 니들(25c)의 편면에는 토출 공간(17)의 압력을 도입하여, 탄성체(25d)와 용량 제어용 스프링(25b)을 압축하여, 니들(25c)을 압축실측으로 압박하고 있다. 니들(25c)의 측면의 비선회 스크롤 단부판(2a)에는 배면 압력 영역(23)과 연통하고 있다. 또한, 니들(25c)이 비선회 스크롤(2)의 외부로 튀어나오지 않도록, 스토퍼(25e)를 설치하거나, 니들(25c)의 측면으로부터 토출 공간(17)의 압력이 배면 압력 영역(23)이나 흡입 공간(24)으로 누설되지 않도록, 니들(25c)의 측면에 시일재를 부속시켜도 좋다.
통상 운전 시에는 니들(25c)의 위치가 압축실측으로 압박되어 고정되어 있으므로, 용량 제어용 스프링(25b)을 강하게 압축하여, 바이패스 구멍(22)을 밀봉하여, 용량 제어를 행하지 않는다. 또한, 바이패스 구멍(22)과 흡입 공간(24), 배면 영역(23), 토출 공간(17)은 용량 제어용 밸브체(25a)나 니들(25c)의 측면으로 각각이 시일되어 연통하지 않는다.
한편, 용량 제어가 요구되는 운전 조건은, 일반적으로 통상 운전 시와 비교하여 토출 압력과 흡입 압력의 압력차가 작다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 용량 제어 시에는 탄성체(25d)의 탄성력을 이용하여 니들(25c)을 반압축실측으로 이동시키고 있다. 니들(25c)이 반압축실측으로 이동하면, 용량 제어용 스프링(25b)이 자연 길이로 되어, 용량 제어용 밸브체(25a)를 바이패스 구멍(22)으로부터 분리하고, 압축실(20)과 흡입 공간(24)은 바이패스한다. 그로 인해, 바이패스 구멍(22)이 개구되어 있는 압축실(20)의 내부 공간은 흡입 공간(24)으로 되어, 압축 동작을 하지 않아, 외관상의 압제량을 감소시킬 수 있다. 즉, 압축기의 회전수를 일정하게 유지한 상태에서도, 작동 유체의 순환량이 감소되어, 용량을 제어할 수 있다.
용량 제어 시에는 압축실(20)의 일부가 압축 동작을 하지 않으므로, 통상 운전 시에 필요한 배면 압력이 대폭으로 낮아진다. 여기서, 배면 압력이 과대이면 선회 스크롤(3)과 비선회 스크롤(2)의 미끄럼 이동면에 발생하는 마찰 손실이 증대되어 스크롤 압축기의 효율 및 신뢰성을 악화시킨다. 그러나, 용량 제어 시에는 니들(25c)이 반압축실측으로 이동하여, 배면 압력 영역(23)과 흡입 공간(24)이 연통되어, 배면 압력을 흡입 압력까지 저하시킨다. 혹은, 니들(25c)의 일부에 배압 조정 홈(25f)을 형성해 두고, 니들(25c)의 이동에 수반하여(이동 도중에 있어서), 배압 조정 홈(25f)이 간헐적으로 배면 압력 영역(23)으로 연통됨으로써, 배면 압력을 어느 목표치로 조정할 수 있다.
또한, 용량 제어 기구(25)에 있어서의 니들(25c)을 자성체로 하고, 스토퍼(25e)(가동 범위를 제한하는 부재)를 일정한 자력을 갖는 영구 자석으로 함으로써, 운전 조건이 정상일 때에 니들(25c)을 자력에 의해, 스토퍼(25e)에 흡인시키고, 토출 압력 등의 맥동에 수반하여 니들(25c)이 진동을 억제하여, 소음을 발생시키지 않도록 해도 좋다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, 배압 제어 기구와 별개로 설치하는 용량 제어 기구에 의해, 통상 운전 시에는 바이패스 구멍을 거의 완전히 밀봉하여 무효 용적을 없앤 채, 배면 압력을 배압 제어 기구에 의해 자동 제어하고, 용량 제어 시에는 압축실과 흡입실을 바이패스시켜, 외관상의 압제량을 감소시켜 용량을 자동 제어하는 동시에, 배면 압력을 낮게 자동 제어하여 선회 스크롤과 비선회 스크롤의 미끄럼 이동면에 발생하는 마찰 손실을 억제하여, 스크롤 압축기의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 용량 제어 기구의 추가만으로 기능을 부가할 수 있어, 기존의 배압 제어 기구에 용량 제어 기구를 매립하는 작업 등이 불필요해져, 사양 변경이 용이하다. 또한, 본 실시 형태에 따르면, 복잡한 배관 등을 필요로 하지 않는 단순한 구조이므로, 제조 비용의 상승을 억제하고, 제어의 응답성이 우수하고, 또한 용량 제어 시의 압력 손실이나 가열을 억제하여, 고효율의 스크롤 압축기를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 용량 제어를 운전 조건에 따라서 기계적으로 자동 제어하는 수단에 대해 서술하였지만, 특수한 운전 조건에 대응하기 위해, 용량 제어 기구에 전기적인 제어 밸브(도시하지 않음)를 부속시켜도 좋다. 이 전기적인 제어의 경우, 운전 조건의 변경 시에, 민첩하고 또한 용이하게 대응할 수 있다.
또한, 다른 실시 형태 및 본 실시형태에서는, 선회 스크롤 및 비선회 스크롤의 소용돌이 형상 랩 형상에 대해서는, 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤 중 어느 한쪽의 소용돌이 형상 랩 종단부각을 다른 쪽의 소용돌이 형상 랩 종단부각과 다르게 한 비대칭의 소용돌이 형상 랩을 갖는 스크롤 유체 기계에 본 실시 형태를 사용해도 좋다. 이에 의해, 다양한 사양의 스크롤 유체 기계에 대응할 수 있다.
1 : 밀폐 케이싱
2 : 비선회 스크롤
2a : 단부판
2b : 랩
2c : 흡입구
2d : 토출구
3 : 선회 스크롤
3a : 단부판
3b : 랩
3c : 보스통
3d : 선회 베어링
4 : 프레임
5 : 스테이터
6 : 로터
7 : 샤프트
8 : 올덤 링
9 : 주베어링
10 : 베어링 부재
11 : 부베어링
12 : 밸런스 웨이트
13 : 배압실
14 : 릴리스 밸브 기구
15 : 윤활유
16 : 흡입 파이프
17 : 토출 공간
18 : 토출 파이프
19 : 배압 제어 기구
19a : 배압 제어용 밸브체(가동 밸브부)
19b : 배압 제어용 스프링
19c : 니들(가동 밸브부)
19d : 탄성체
19e : 스토퍼(가동 범위를 제한하는 부재)
20 : 압축실
21 : 전동기
22 : 바이패스 구멍
23 : 배면 압력 영역
24 : 흡입 공간
25 : 용량 제어 기구
25a : 용량 제어용 밸브체(가동 밸브부)
25b : 용량 제어용 스프링
25c : 니들(가동 밸브부)
25d : 탄성체
25e : 스토퍼(가동 범위를 제한하는 부재)
25f : 배압 조정 홈
100 : 스크롤 압축기
2 : 비선회 스크롤
2a : 단부판
2b : 랩
2c : 흡입구
2d : 토출구
3 : 선회 스크롤
3a : 단부판
3b : 랩
3c : 보스통
3d : 선회 베어링
4 : 프레임
5 : 스테이터
6 : 로터
7 : 샤프트
8 : 올덤 링
9 : 주베어링
10 : 베어링 부재
11 : 부베어링
12 : 밸런스 웨이트
13 : 배압실
14 : 릴리스 밸브 기구
15 : 윤활유
16 : 흡입 파이프
17 : 토출 공간
18 : 토출 파이프
19 : 배압 제어 기구
19a : 배압 제어용 밸브체(가동 밸브부)
19b : 배압 제어용 스프링
19c : 니들(가동 밸브부)
19d : 탄성체
19e : 스토퍼(가동 범위를 제한하는 부재)
20 : 압축실
21 : 전동기
22 : 바이패스 구멍
23 : 배면 압력 영역
24 : 흡입 공간
25 : 용량 제어 기구
25a : 용량 제어용 밸브체(가동 밸브부)
25b : 용량 제어용 스프링
25c : 니들(가동 밸브부)
25d : 탄성체
25e : 스토퍼(가동 범위를 제한하는 부재)
25f : 배압 조정 홈
100 : 스크롤 압축기
Claims (9)
- 각각의 단부판에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤을 맞물려 형성한 작동실과, 상기 비선회 스크롤의 단부판에 형성한 흡입 공간과, 상기 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽의 반작동실측에 형성한 배면 압력 영역과, 상기 배면 압력 영역의 압력을 제어하는 배압 제어 기구를 구비한 스크롤 유체 기계에 있어서,
상기 배압 제어 기구에 의해, 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 운전 조건에 따라서 바이패스시켜 용량을 제어하고,
상기 배압 제어 기구는 운전 조건에 따라서 상기 배면 압력 영역과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 배면 압력을 제어하는 동시에, 유체 기계의 용량 제어 운전 시에 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 용량을 제어하는 가동 밸브부를 구비한 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계. - 제1항에 있어서, 상기 가동 밸브부를 자성체로 하고, 상기 가동 밸브부의 가동 범위를 제한하는 부재를 영구 자석으로 한 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배압 제어 기구를 전기적인 신호에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계.
- 각각의 단부판에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤을 맞물려 형성한 작동실과, 상기 비선회 스크롤의 단부판에 형성한 흡입 공간과, 상기 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽의 반작동실측에 형성한 배면 압력 영역과, 상기 배면 압력 영역의 압력을 제어하는 배압 제어 기구를 구비한 스크롤 유체 기계에 있어서,
상기 배압 제어 기구에 의해, 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 운전 조건에 따라서 바이패스시켜 용량을 제어하고,
상기 배압 제어 기구를 전기적인 신호에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계. - 각각의 단부판에 소용돌이 형상 랩을 세워 설치한 선회 스크롤 및 비선회 스크롤을 맞물려 형성한 작동실과, 상기 비선회 스크롤의 단부판에 형성한 흡입 공간과, 상기 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤의 적어도 한쪽의 반작동실측에 형성한 배면 압력 영역과, 상기 배면 압력 영역의 압력을 제어하는 배압 제어 기구를 구비한 스크롤 유체 기계에 있어서,
상기 작동실과 흡입 공간을 운전 조건에 따라서 바이패스시켜 용량을 제어하는 용량 제어 기구를 더 구비하고, 이 용량 제어 기구에 의해 유체 기계의 용량 제어 운전 시에, 상기 배면 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계. - 제5항에 있어서, 상기 용량 제어 기구는 운전 조건에 따라서 상기 배면 압력 영역과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 배면 압력을 제어하는 동시에, 유체 기계의 용량 제어 운전 시에 상기 작동실과 상기 흡입 공간을 바이패스시켜 용량을 제어하는 가동 밸브부를 구비한 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계.
- 제6항에 있어서, 상기 가동 밸브부를 자성체로 하고, 이 가동 밸브부의 가동 범위를 제한하는 부재를 영구 자석으로 한 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계.
- 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용량 제어 기구를 전기적인 신호에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계.
- 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 선회 스크롤 혹은 비선회 스크롤 중 어느 한쪽의 소용돌이 형상 랩 종단부각을, 다른 쪽의 소용돌이 형상 랩 종단부각과 다르게 한 비대칭의 소용돌이 형상 랩을 사용한 것을 특징으로 하는, 스크롤 유체 기계.
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