KR101736864B1 - 역회전 보호 수단을 갖는 스크롤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역회전 보호 수단을 갖는 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 내부공간이 흡입공간과 토출공간으로 구획되는 밀폐용기; 상기 밀폐용기에 고정설치되며 선회스크롤과 함께 압축실을 형성하는 고정스크롤; 상기 고정스크롤의 내부공간에서 편심회전하는 선회스크롤; 및 상기 선회스크롤을 회전구동시키는 구동모터;를 포함하는 스크롤 압축기로서, 상기 고정스크롤에는 상기 흡입공간 및 토출공간 중 어느 하나와 연통되는 진공방지유로 및 상기 진공방지유로에 설치되어 상기 압축실 내부와 상기 흡입공간 및 토출공간 중 어느 하나와의 압력차에 의해 개폐되는 제어밸브를 포함하는 보호수단;을 포함하는 스크롤 압축기가 제공된다.

Description

역회전 보호 수단을 갖는 스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR WITH REVERSE ROTATION PROTECTION MEANS}
본 발명은 역회전 보호 수단을 갖는 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 크랭크축이 역회전하는 경우에 스크롤 압축기를 보호하기 위한 수단을 포함하는 스크롤 압축기에 관한 것이다.
스크롤 압축기는 밀폐용기의 내부공간에 고정스크롤이 고정되고, 그 고정스크롤에 선회스크롤이 맞물려 선회운동을 하면서 상기 고정스크롤의 고정랩과 선회스크롤의 선회랩 사이에 연속으로 이동하는 두 개 한 쌍의 압축실을 형성하게 되는 압축기이다.
스크롤 압축기는 다른 종류의 압축기에 비하여 상대적으로 높은 압축비를 얻을 수 있으면서 냉매의 흡입,압축,토출 행정이 부드럽게 이어져 안정적인 토크를 얻을 수 있는 장점 때문에 공조장치 등에서 냉매압축용으로 널리 사용되고 있다.
상기와 같은 스크롤 압축기는 선회스크롤이 선회운동을 하면서 압축실의 체적을 점차적으로 감소시켜 압축실 내부에 충전된 냉매를 압축하고 일정한 압축비에 이르면 압축된 냉매를 토출구를 통해 배출하게 된다. 스크롤 압축기는 냉매의 흡입방식에 따라 간접 흡입방식인 저압식 스크롤 압축기와 직접 흡입방식인 고압식 스크롤 압축기로 구분될 수 있다.
여기서, 상기 선회스크롤은 정해진 방향으로만 회전되도록 설계되지만, 압축기의 이상 또는 외부 조건 등에 따라서 역회전되는 경우가 생길 수 있다. 예를 들어, 선회스크롤을 회전구동시키는 모터가 단상모터인 경우에는 압축실 내부의 압축부하가 단상모터의 회전토크 보다 커지는 경우 선회스크롤이 역회전되게 된다. 이외에도, 모터에 대한 결선의 잘못으로 인해서 기동과 동시에 선회스크롤이 역회전될 수도 있다.
이러한 경우에, 압축실 내부에 존재하는 냉매는 토출측이 아닌 흡입측으로 토출되게 되며, 토출측에 설치된 토출 밸브로 인해서 압축실로 냉매가 추가적으로 공급되지 못하게 되므로, 상기와 같은 역회전 상태가 지속되면 압축실 내부는 진공에 가까워지게 된다. 선회스크롤이 진공 상태에서 회전되면, 냉매에 포함된 윤활유가 공급되지 않은 상태에서 회전되므로, 고정스크롤 및 인접한 프레임들과의 금속 마찰이 발생되게 된다. 이러한 금속마찰은 압축실 내부의 온도를 상승시키고 결국은 마찰부위가 융착되어 압축기가 파손될 우려가 높아진다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 크랭크축이 역회전되더라도 압축실 내부에 진공이 형성되는 것을 방지할 수 있는 보호수단을 포함하는 스크롤 압축기를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 내부공간이 흡입공간과 토출공간으로 구획되는 밀폐용기; 상기 밀폐용기에 고정설치되며 선회스크롤과 함께 압축실을 형성하는 고정스크롤; 상기 고정스크롤의 내부공간에서 편심회전하는 선회스크롤; 및 상기 선회스크롤을 회전구동시키는 구동모터;를 포함하는 스크롤 압축기로서, 상기 고정스크롤에는 상기 흡입공간 및 토출공간 중 어느 하나와 연통되는 진공방지유로 및 상기 진공방지유로에 설치되어 상기 압축실 내부와 상기 흡입공간 및 토출공간 중 어느 하나와의 압력차에 의해 개폐되는 제어밸브를 포함하는 보호수단;을 포함하는 스크롤 압축기가 제공된다.
본 발명의 상기 측면에서는 역회전으로 인해서 고정스크롤과 선회스크롤에 의해 결정되는 압축실 내부의 냉매가 흡입공간측으로 배출되고, 그로 인해 압력이 낮아져서 흡입공간 또는 토출공간 내의 압력보다 낮아지는 경우, 상기 제어밸브가 개방되어 흡입공간 또는 토출공간 내의 냉매가 압출실로 유입되도록 함으로써 윤활불량으로 인한 용착을 방지할 수 있도록 하고 있다. 이때, 상기 진공방지유로는 흡입공간 또는 토출공간 중 어느 하나에만 연통되도록 할 수도 있고, 양자 모두와 연통되도록 할 수 있다. 만일, 상기 진공방지유로가 흡입공간과 토출공간 모두와 연통되는 경우에는 각각의 유로에 상기 제어밸브가 구비될 수 있다.
여기서, 상기 진공방지유로의 일단부는 상기 선회스크롤에 형성되는 토출구와 연통되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 제어밸브는 상기 진공방지유로의 타단부에 설치될 수 있으며, 상기 진공방지유로를 따라서 이동가능하게 장착되는 밸브몸체; 및 상기 밸브몸체를 상기 흡입공간 또는 토출공간 측으로 미는 탄성수단;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸브몸체가 설치되는 밸브설치부가 상기 진공방지유로의 타단부에 형성되며, 상기 밸브설치부의 양단에는 상기 밸브몸체보다 작은 단면적을 갖는 개구가 형성되도록 할 수 있다. 이때, 상기 밸브몸체는 구 형태를 가질 수 있다.
그리고, 상기 압축실 내부의 온도를 감지하기 위한 온도감지수단; 및 상기 온도감지수단에 의해 감지된 온도가 사전에 설정된 수준을 초과하는 경우에 상기 구동모터의 작동을 정지시키는 제어부;가 추가적으로 포함될 수 있다. 이를 통해, 흡입공간 또는 토출공간에 충분한 정도의 냉매가 잔류하지 않는 경우 또는 상기 제어밸브 등에 이상이 있어 진공이 해소되지 않는 경우에는 강제적으로 압축기의 운전을 정지시켜서 압축기를 보호할 수 있게 된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 선회스크롤이 역회전되는 경우에도 압축실 내부가 진공이 되는 것을 방지할 수 있으므로 기기의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제1 실시예를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예 중 제어밸브를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제2 실시예를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예 중 제어밸브를 확대하여 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제1 실시예를 도시한 단면도이고, 도 2는 상기 실시예 중 제어밸브를 확대하여 도시한 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 실시예는 밀폐용기(1)의 내부공간이 흡입공간(11)과 토출공간(12)으로 구분되고, 상기 밀폐용기(1)의 흡입공간(11)에 회전력을 발생하는 구동모터(2)가 설치되며, 상기 밀폐용기(1)의 흡입공간(11)과 토출공간(12) 사이에는 메인프레임(3)이 고정 설치된다. 상기 메인프레임(3)의 상면에는 고정스크롤(4)이 고정 설치되고, 상기 메인프레임(3)과 고정스크롤(4) 사이에는 상기 구동모터(2)의 크랭크축(23)에 편심 결합되어 상기 고정스크롤(4)과 함께 연속으로 이동하는 두 개 한 쌍의 압축실(P)을 형성하는 선회스크롤(5)이 선회 가능하게 설치된다.
상기 밀폐용기(110)의 내부공간은 고정스크롤(4)에 의해 흡입공간(11)과 토출공간(12)으로 구분되고, 상기 흡입공간(11)에는 흡입관(13)이 연통되도록 결합되는 반면 상기 토출공간(12)에는 토출관(14)이 연통되도록 결합된다.
상기 고정스크롤(4)은 그 경판부(41) 저면에 돌출되어 상기 선회스크롤(5)의 선회랩(51)과 함께 압축실(P)을 이루도록 인볼류트 형상으로 고정랩(42)이 형성된다. 상기 고정스크롤의 경판부(41) 외주연 바닥면에는 상기 밀폐용기(1)의 흡입공간(11)과 압축실(P)이 연통되도록 흡입구가 형성되고, 상기 고정스크롤(4)의 경판부(41) 중심에는 압축실(P)과 상기 밀폐용기(1)의 토출공간(12)이 연통되도록 토출구(44)가 형성된다. 상기 토출구(44)에는 토출밸브(45)가 설치되어 냉매의 압력이 일정 정도 이상인 경우에만 냉매가 토출되도록 하는 한편, 상기 토출공간(12)으로부터 상기 토출구(44) 내부로 냉매가 역류하는 것을 방지하도록 한다.
상기 선회스크롤(5)은 그 경판부(51)의 상면에 돌출되어 상기 고정랩(42)과 함께 압축실(P)을 이루도록 인볼류트 형상으로 선회랩(52)이 형성된다.
도면 중 미설명 부호인 21은 고정자, 22는 회전자, 6은 서브프레임이다.
상기와 같은 본 발명에 의한 스크롤 압축기는 다음과 같이 동작된다.
즉, 상기 구동모터(2)에 전원이 인가되어 회전력이 발생되면, 상기 구동모터(2)의 크랭크축(23)에 편심 결합된 선회스크롤(5)이 선회운동을 하면서 상기 고정스크롤(4)과의 사이에 연속으로 이동하는 두 개 한 쌍의 압축실(P)을 형성한다. 상기 압축실(P)은 흡입구(또는, 흡입실)에서 토출구(또는, 토출실)(44) 방향으로 점차 체적이 좁아지는 압축실(P)이 연속하여 여러 단계로 형성된다. 여기서, 상기 압축실(P)은 바깥쪽 압축실을 제1 중간압축실(P1), 안쪽 압축실을 제2 중간압축실(P2)로 약칭한다.
그러면, 상기 밀폐용기(1)의 외부에서 제공되는 냉매는 흡입관(13)을 통하여 밀폐용기(1)의 저압부인 흡입공간(11)으로 유입되고, 상기 흡입공간(11)의 저압냉매는 고정스크롤(4)의 흡입구를 통해 유입되어 상기 선회스크롤(5)에 의해 제1 압축실(P1)에서 제2 중간압축실(P2) 방향으로 이동하면서 압축되었다가 상기 고정스크롤(4)의 토출구(44)를 통해 상기 밀폐용기(1)의 토출공간(12)으로 토출되는 일련의 과정을 반복하게 된다.
그러나, 상기 냉매의 압축부하가 지나치게 커지거나 상기 구동모터(2)의 결선이 잘못되는 경우에는 상기 선회스크롤(5)이 역회전을 하게 된다. 이렇게 선회스크롤(5)이 역회전되면 상기 압축실의 내부에 존재하던 냉매는 상기 흡입공간으로 역류하게 되지만, 토출공간에 존재하는 냉매는 상기 토출밸브(45)에 의해서 압축실로의 유입이 차단되어, 압축실의 내부 압력이 점차적으로 낮아지게 된다.
한편, 상기 고정스크롤(4)의 상부 일측에는 진공방지유로(46)가 형성된다. 상기 진공방지유로(46)는 일단부는 상기 토출구(44)와 연결되어 있고, 타단부는 상기 토출공간(12)과 연통되어, 전체적으로 'L'자 형태를 갖도록 형성된다. 그리고, 상기 토출공간(12)측 단부에는 제어밸브(100)가 설치된다.
도 2를 참조하면, 상기 제어밸브(100)는 상측과 하측에 각각 관통공(112, 114)이 형성되는 케이스(110)와 상기 케이스(110) 내부에 위치하는 구형의 밸브몸체(120) 및 상기 밸브몸체(120)의 저면에 위치하여 상기 밸브몸체(120)에 상향의 탄성력을 가하는 코일 스프링(130)을 포함한다. 상기 두 개의 관통공(112, 114)은 상기 토출구(44)의 내부에 상기 토출공간(12)을 연통시키는 역할을 하게 된다.
상기 압축기가 정상적으로 동작하는 경우에는 상기 밸브몸체(120)의 상부에 가해지는 압력은 토출압(PH)이 되고, 하부에 가해지는 압력은 토출압(PH)과 상기 코일 스프링의 탄성력에 의한 압력(PS)이 되므로, 상기 밸브몸체(120)는 상기 관통공(112)에 밀착된 상태를 유지한다. 따라서, 상기 토출공간(12)측에 존재하는 냉매는 상기 토출구(12)측으로 유입되지 않게 된다.
만일, 상기와 같이 역회전이 발생되어 상기 토출구(44)의 내부압력이 낮아지면, 상기 밸브몸체(120)의 상하부면에 작용하는 압력차가 점차 작아지게 되고, 결국은 상부면에 작용하는 압력이 더 커지게 된다. 이러한 경우, 상기 밸브몸체(120)는 하측으로 이동하게 되고, 그에 따라 토출공간(12)에 존재하던 냉매가 상기 토출구(44)로 유입된 후 상기 압축실에 채워지게 되므로 압축실 내부에서 윤활부족으로 인한 융착이 발생되는 것을 막을 수 있다.
이때, 상기 코일 스프링의 탄성력에 의한 압력(PS)은 상기 토출구(44) 내부로 토출공간(12)의 냉매가 유입되는 시점을 결정하는 역할을 하게 된다. 따라서, 당업자는 스크롤 압축기의 특성에 따라서 냉매 유입시점을 결정할 수 있고, 이러한 시점은 상기 코일 스프링의 탄성력을 조정하여 제어될 수 있다.
한편, 상기 실시예에서 상기 토출공간(12)의 냉매가 유입되는 것으로 하고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 흡입공간(11)의 냉매가 유입되는 예도 고려할 수 있다.
도 3은 흡입공간(11)과 진공방지유로가 연통되는 예를 도시한 단면도이고, 도 4는 상기 흡입공간(11) 측에 설치되는 제어밸브를 확대하여 도시한 단면도이다. 이하의 설명에 있어서, 상기 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 밀폐용기의 상측에 상기 제1 실시예와는 달리 토출공간과 흡입공간으로 구획하는 토출 플래넘(47)이 추가적으로 구비되어 있다. 상기 토출 플래넘(47)은 상기 고정스크롤(4)에 고정 결합되는 것으로서, 반드시 토출 플래넘이 설치될 필요는 없고 상기 고정스크롤의 상면에 고정되고 밀폐용기의 내주면에 밀착되는 고저압분리판(미도시)에 의해서도 상기 밀폐용기의 내부공간이 흡입공간과 토출공간으로 구획될 수도 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 토출 플래넘(47)에 의해 구획되어 상기 밀페용기의 상측에 존재하게 되는 흡입공간(11)와 연통되도록 진공방지유로(48)가 형성된다. 구체적으로, 상기 진공방지유로(48)의 일측 단부는 상기 토출구(44)와 연통되고, 타측 단부는 상기 흡입공간(11)과 연통되어 있다. 그리고, 상기 흡입공간(11)측 단부에 제어밸브(200)가 설치된다.
도 4를 참조하면, 상기 제어밸브(200)는 상기 고정스크롤(4) 내에 고정되는 힌지축(220)과 상기 힌지축(220)에 의해 일단부가 결합되는 밸브판(210)을 구비한다. 여기서, 상기 힌지축(220)에는 탄성 스프링(미도시)이 개재되어 상기 밸브판(210)을 상기 흡입공간(11)측으로 밀도록 하고 있다. 그리고, 상기 진공방지유로(48)의 흡입공간(11)측 단부에는 두 개의 돌출부(44a, 44b)가 구비되어 상기 밸브판(210)의 회동범위를 제한하게 된다.
상기 실시예의 작동에 대해서 설명한다.
정상 작동시에는 상기 밸브판(210)의 좌측에는 흡입압(PL)이 작용하고 우측에는 토출압(PH) 및 스프링압(PS)이 작용하게 된다. 압축기의 작동원리 상 토출압이 흡입압 보다 크게 되므로 상기 밸브판(210)은 실선으로 표시한 위치로 고정되게 된다. 이때, 상기 스프링압(PS)은 존재하지 않아도 무방하지만, 압축기의 가동 초기에는 토출압이 낮으므로 냉매가 상기 토출구 측으로 역류할 우려가 있으므로 이를 방지하기 위해 상기 스프링압(PS)이 필요하게 된다. 다만, 스프링압(PS)이 없는 경우에도 초기에는 일부의 냉매가 유입될 수 있지만, 토출압이 흡입압 보다 커지는 경우에는 상기 밸브판(210)은 실선의 위치를 유지하게 된다.
그러나, 역회전에 의해서 상기 토출구측의 압력이 낮아지게 되어, 토출압과 스프링압의 합이 흡입압 보다 작아지면 상기 밸브판(210)은 점선으로 도시한 형태로 회동하게 된다. 이를 통해서, 흡입공간에 존재하는 냉매가 상기 토출구측으로 유입되어 압축실 내부가 진공화되는 것을 방지한다.
한편, 도시되지는 않았지만, 상기 압축실 내부의 온도를 감지하기 위한 온도감지센서 및 온도감지센서에 의해 감지된 온도에 따라서 상기 구동모터의 작동을 제어하는 제어부를 추가적으로 포함하는 예도 고려할 수 있다. 이 경우, 역회전이 지속적으로 발생되어 흡입공간 또는 토출공간에 존재하는 냉매를 공급하더라도 윤활부족이 해소되지 않으면, 금속마찰로 인해 압축실 내부의 온도가 올라가게 되고 이를 상기 온도감지센서에 의해 감지하여 상기 제어부로 하여금 구동모터의 작동을 정지시켜서 압축기가 손상되는 것을 방지할 수 있도록 한다.
아울러, 상기한 실시예에서는 상기 진공방지유로의 일측이 상기 흡입공간 또는 토출공간 중 어느 하나에만 연결되도록 하고 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 일측은 상기 토출구에 연결되고, 도중에 유로를 분기하여 상기 흡입공간 및 토출공간 각각에 연통되도록 하는 예도 고려할 수 있다. 이러한 예에서는 흡입공간 및 토출공간 양쪽으로부터 냉매가 유입되도록 할 수 있다. 가령, 모터의 결선 오류로 인해서 초기부터 압축기가 역회전되는 경우에는 토출공간에 냉매가 존재하지 않게 되므로 흡입공간으로부터 냉매를 유입할 수 있다. 또한, 흡입측 유로가 막히거나 펌프다운 운전 등으로 인해서 흡입측에 냉매가 존재하지 않는 경우에도 토출공간으로부터 냉매를 유입할 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 내부공간이 흡입공간과 토출공간으로 구획되는 밀폐용기;
    상기 밀폐용기에 고정설치되며 선회스크롤과 함께 압축실을 형성하는 고정스크롤;
    상기 고정스크롤의 내부공간에서 편심회전하는 선회스크롤; 및
    상기 선회스크롤을 회전구동시키는 구동모터;를 포함하는 스크롤 압축기로서,
    상기 고정스크롤에는 상기 토출공간과 연통되는 진공방지유로가 형성되고, 상기 진공방지유로에 설치되어 상기 압축실의 내부와 상기 토출공간을 압력차에 의해 개폐시키는 제어밸브를 포함하며,
    상기 제어밸브는,
    상측 및 하측에 각각 관통공이 형성되는 케이스;
    상기 케이스 내부에 위치되어 상기 진공방지유로를 따라 이동 가능하도록 장착되는 밸브몸체; 및
    상기 밸브몸체의 저면을 지지하고, 상기 밸브몸체가 토출공간 측으로 밀리도록 탄성력을 제공하는 탄성수단을 포함하며,
    상기 진공방지유로는, 'L'자의 형상으로 이루어져, 일단부는 토출구와 연결되고 타단부는 상기 토출공간과 연결되며,
    상기 각 관통공은 상기 진공방지유로의 직경보다 작도록 이루어져, 상기 토출구의 내부와 상기 토출공간을 연통하도록 형성되며,
    상기 밸브몸체의 상부에는, 상기 토출공간의 압력이 작용하고, 상기 밸브몸체의 하부에는, 상기 토출구에 형성되는 압력과 상기 탄성수단에 의한 스프링압이 함께 작용하여,
    상기 토출구의 압력이 낮아지는 경우, 상기 밸브몸체의 상부면과 하부면에 형성되는 압력 차이에 의해 상기 밸브몸체는 상기 케이스의 하부로 이동해 상기 진공방지유로를 개방하여 냉매가 압축실에 채워지도록 하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공방지유로의 일단부는 상기 선회스크롤에 형성되는 토출구와 연통되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어밸브는 상기 진공방지유로의 타단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸브몸체가 설치되는 케이스는 상기 진공방지유로의 타단부에 형성되며,
    상기 관통공은 상기 케이스의 양단에 설치되며 상기 밸브몸체보다 작은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브몸체는 구 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압축실 내부의 온도를 감지하기 위한 온도감지수단; 및
    상기 온도감지수단에 의해 감지된 온도가 사전에 설정된 수준을 초과하는 경우에 상기 구동모터의 작동을 정지시키는 제어부;가 추가적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
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