KR101953616B1 - 열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기 - Google Patents

열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CO2를 냉매로 포함하는 열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기(1)에 관한 것으로서, 상기 스크롤 압축기는
- 압축기 하우징(2),
- 상기 압축기 하우징(2) 내부에 서로 엇갈려서 맞물려 있는 2개의 나선형부(3; 7), 이때 상기 2개의 나선형부 중 하나의 나선형부(3)는 고정식이고, 다른 한 나선형부(7)는 원형 경로 상에서 편심으로 움직일 수 있으며, 그 결과로 상기 나선형부(3; 7)들 사이에 형성된 다수의 상이한 압축 챔버(8, 9, 10)의 체적이 환상형으로 변경되고, 이 경우 개별 나선형부(3; 7)들은 각각 440° 내지 900° 범위의 전체 랩 각을 가지며, 그리고 상기 나선형부(3; 7)들 사이에는 다음의 압축 챔버(8, 9, 10)들이 형성되어 있으며:
- 내부 흡입 챔버(8.1)와 외부 흡입 챔버(8.2)로 분할되는 냉매를 흡입하기 위한 흡입 압력 챔버(8)로서 압축 챔버,
- 내부 중간 압축 챔버(9.1)와 외부 중간 압축 챔버(9.2)로 분할되는 중간 압축 챔버(9),
- 그 내부에서 상기 나선형부(3; 7)들의 2개의 내부 단부 영역(3a; 7a)이 마주 보고 있는 냉매 배출 챔버(10),
- 상기 나선형부(3; 7)들을 향하는, 상기 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a) 내에 있는 2개 또는 그 이상의 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2),
- 상기 2개의 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2)를 개방 및 폐쇄하기 위한 하나 또는 다수의 밸브(6) 및
- 항상 개방되어 있고 밸브를 구비하지 않는, 고정식 나선형부(3)의 중앙에서 상기 나선형부(3; 7)들을 향하는, 상기 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a) 내에 있는 냉매 메인 배출구(5)를 포함한다.

Description

열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기{REFRIGERANT-SCROLL COMPRESSOR FOR USE WITHIN A HEAT PUMP}
본 발명은 CO2를 냉매로 포함하는 열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 A/C 모드 및/또는 열 펌프 모드로 작동할 수 있는 CO2를 냉매로 포함하는 냉매 순환계에서 사용하기 위한 상기 냉매 스크롤 압축기의 용도와도 관련이 있다. 본 발명의 적용 분야는 특히 자동차의 전동식 냉매 압축기이다.
스크롤 압축기라는 개념은, 특히 드라이브 웜 압축기(drive worm compressor), 나선형 압축기(spiral compressor) 또는 나선형 컴프레서라는 명칭으로도 공지된 전문 용어에서 통용되는 압축기 타입명이다. 스크롤 압축기는 양변위 원리(positive displacement principle)에 따라 작동한다. 상기 스크롤 압축기는 서로 엇갈려서 맞물려 있는 2개의 나선형부로 이루어져 있는데, 이들 나선형부 중 하나의 나선형부는 고정식이고, 다른 한 나선형부는 원형 경로 상에서 편심으로 운동한다. 이때에 상기 나선형부들은 상호간에 최소 간격을 유지하고, 매 선회 시, 계속 작아지는 압축 챔버(compression chamber)들을 형성한다. 이로 인해 펌핑될 가스가 외부에서 흡입되어 스크롤 압축기 내부 압축 챔버들에서 압축되고, 나선형부 중앙에 있는 연결부를 통해 배출된다.
현재 통용되고 있는, 에어컨 냉매 순환계용 냉매 스크롤 압축기는, A/C 모드에서 고효율로 작동하도록 하기 위해 설계되었다. 이러한 설계의 목적은 높은 냉매 질량 흐름과 동시에 가능한 낮은 소비 전력에 있다. 이러한 것은 정해진 압력과 정해진 속도에서 낮은 출구 온도(outlet temperature)를 야기한다.
열 펌프 순환계에서는, 차량 실내를 가열하기 위해 높은 출구 온도에 도달하는 것이 필요하다. 이러한 경우, 높은 출구 온도에 도달하기 위해 고압 상황에서 최대 효율을 갖는 스크롤 압축기가 요구된다. 상대적으로 높은 압력에서는 등 엔트로피 효율(isentropic efficiency)이 감소함으로써, 결과적으로 압축기가 상대적으로 덜 효율적으로 작동한다. 또한, 베어링 하중(bearing load)도 증가한다.
440° 내지 900° 범위의 랩 각(wrap angle)을 갖는 종래의 스크롤 압축기는, 효율적으로 작동하기 위해 2개의 사전 배출구(pre-outlet) 및 하나의 메인 배출구(main outlet)를 필요로 한다. 압축 챔버 내에서 압력이 고압보다 떨어지면, 각각의 배출구는 밸브에 의해 폐쇄된다. 이러한 것은 고압 가스(hot gas)가 상기 압축 챔버 내로 역류하여 압축기의 효율이 감소하는 것을 방지한다. 이를 위해 에어컨 압축기는 일반적으로 3개의 배출구 밸브, 소위 쓰리 핑거 밸브(three finger valve)를 구비한다.
에어컨 압축기가 A/C 모드 상황에서 효율적으로 작동하도록 형성된 경우, 이러한 압축기는 열 펌프 모드 상황에서는 확연히 덜 효과적으로 작동한다는 단점과 결부되는 경우가 많다. 따라서 열 펌프 모드로 작동되고 높은 출구 온도가 요구되는 스크롤 압축기에 있어서는, 고압 가스가 압축 챔버 내로 역류하는 것이 매우 바람직하다.
JP 2002-070765 A호에는, 바이패스 기구를 구비한 스크롤 압축기가 기술되는데, 이때 상기 스크롤 압축기는, 스크롤 압축기 내에서의 과압(overpressure)을 방지하기 위해 사용된다. 상기 바이패스 기구는 스크롤 중심에 큰 불용 체적(dead volume)을 갖는 개방된 나선형 구조를 전제로 한다. 이 경우 상기와 같은 스크롤 중심에 있는 개방된 스크롤 구조 때문에 낮은 압축비만 달성될 수 있다. 따라서 높은 압축비, 즉 고압/흡입 압력 〉 3.7의 압축비를 갖는 고압 상태는 열 펌프 모드 상황에서는 불가능하다.
본 발명의 과제는 열 펌프 모드뿐만 아니라 A/C 모드에서도 높은 효율로 작동하는 스크롤 압축기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1의 특징들을 갖는 냉매 스크롤 압축기에 의해서 달성된다. 개선예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
본 발명에 따른 냉매 스크롤 압축기는 CO2를 냉매로 포함하는 열 펌프 내부에 사용하기에 적합하다. CO2를 냉매로 포함하는 열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기는
- 압축기 하우징,
- 상기 압축기 하우징 내부에 서로 엇갈려서 맞물려 있는 2개의 나선형부 - 이때 상기 2개의 나선형부 중 하나의 나선형부는 고정식이고, 다른 한 나선형부는 원형 경로 상에서 편심으로 움직일 수 있으며, 그 결과로 상기 나선형부들 사이에 형성된 다수의 상이한 압축 챔버의 체적이 환상형(cyclic)으로 변경되고, 이 경우 개별 나선형부들은 각각 440° 내지 900°, 바람직하게는 580° 내지 700° 범위의 전체 랩 각을 가지며, 그리고 상기 나선형부들 사이에는 다음의 압축 챔버들이 형성되어 있으며:
- 이동성 나선형부와 관련하여 개별 흡입 챔버의 위치에 따라, 내부 흡입 챔버와 외부 흡입 챔버로 분할되는 냉매를 흡입하기 위한 흡입 압력 챔버로서 압축 챔버,
- 상기 흡입 압력 챔버와 연결되어 있고, 이동성 나선형부와 관련하여 개별 흡입 챔버의 위치에 따라, 내부 중간 압축 챔버와 외부 중간 압축 챔버로 분할되는 중간 압축 챔버,
- 상기 하나 이상의 중간 압축 챔버와 연결되어 있고, 그 내부에서 상기 나선형부들의 2개의 내부 단부 영역이 마주 보고 있는 냉매 배출 챔버,
- 상기 나선형부들을 향하는, 상기 압축기 하우징의 정면 벽 내에 있는 2개 또는 그 이상의 냉매 사전 배출구,
- 상기 2개의 냉매 사전 배출구를 개방 및 폐쇄하기 위한 하나 또는 다수의 사전 배출구 밸브 및
- 상기 나선형부들을 향하는, 고정식 나선형부의 중심에 있는 상기 압축기 하우징의 정면 벽 내 냉매 메인 배출구(항상 개방되어 있고 밸브를 구비하지 않음)를 포함한다.
본 발명의 대상은 A/C 모드 및/또는 열 펌프 모드로서 작동할 수 있는 CO2를 냉매로 포함하는 냉매 순환계에서 사용하기 위한 앞서 언급한 냉매 스크롤 압축기의 용도와도 관련이 있다.
본 발명에 따른 냉매 스크롤 압축기의 형성에 의하면, 냉매가 메인 배출 개구를 통해 유출되기 전에 이미 A/C 모드 상황에서 고압이 달성된다. 이 때문에 냉매 메인 배출구에서 밸브가 필요하지 않다. 특히 나선형부들이 갖는 형상은, 메인 배출구 밸브를 생략할 수 있는 결과를 가져 온다. 본 발명의 특히 바람직한 한 실시 형태에서, 개별 나선형부들은 각각 660°의 전체 랩 각을 갖는다. 바람직하게 나선형부들은 그들의 나선형 구조와 관련하여, 스크롤 압축기의 흡입 체적(suction volume) 또는 행정 체적(displaced volume)의 ≤ 9%에 이르는 불용 체적으로 냉매 배출 챔버들의 체적을 감소시키도록 형성되어 있다. 특히 바람직한 한 실시 형태에서, 나선형부들은 그들의 나선형 구조와 관련하여, 흡입 체적의 ≤ 5.0%에 상응하는 불용 체적, 예를 들면 흡입 체적의 4.9%로 냉매 배출 챔버들의 체적을 감소시키도록 형성되어 있다. 흡입 체적이 6㎤일 때, 이는 불용 체적의 약 0.3㎤에 상응할 것이다.
열 펌프 모드에서 냉매 사전 배출구들은 주로 폐쇄된 상태로 유지되고, 전체 냉매는 냉매 메인 배출구를 통해서 유출된다. 저압 상태에서, 고압측으로부터의 역류는 압축을 악화시키고 높은 출구 온도를 야기한다.
본 발명의 한 바람직한 실시 형태에서, 냉매 사전 배출구들과 냉매 메인 배출구의 보어들은 기본적으로 선형적으로 그리고 서로 동일한 간격으로 배치되어 있으며, 이 경우 상기 메인 배출구는 한가운데에 그리고 상기 냉매 사전 배출구들은 상기 메인 배출구에 대칭적으로 배치되어 있다. 중간 압축 챔버는 2개의 중간 압축 부분 챔버로 분할되어 있는데, 이러한 챔버들은 바람직하게 서로 대칭적으로 위치 설정되어 있다. 이러한 경우, 이동식 나선형부의 위치에 따라, 항상 하나의 외부 압축 챔버와 하나의 내부 압축 챔버가 이루어진다. 다시 말해서, 상기 외부 압축 챔버는 이동성 나선형부의 볼록한 쪽에 접하고, 상기 내부 압축 챔버는 이동성 나선형부의 오목한 쪽에 접한다. 냉매 사전 배출구들의 보어는 적어도 일시적으로 중간 압축 챔버 영역에 위치하고, 이 경우 하나 이상의 보어가 외부 압축 챔버 영역에 위치하고, 동일한 수의 보어가 내부 압축 챔버 영역에 위치한다. 냉매 사전 배출구들과 메인 배출구 보어의 선형적이고 대칭적인 배치에 의해, 내부 및 외부 압축 챔버용 사전 배출구 밸브들은 압축 압력이 동일할 때 함께 개방 및 폐쇄될 수 있고, 냉매 메인 배출구로의 전달이 보장된다.
2개의 냉매 사전 배출구의 개방 및 폐쇄용 밸브로는 특히 U자형 또는 V자형 밸브가 적합한데, 이러한 밸브의 U자형 또는 V자형 암(U- or V-arm)들에 의해서는 상기 냉매 사전 배출구들이 폐쇄될 수 있으며, 한 편 개방된 냉매 메인 배출구는 바람직하게 상기 U자형 또는 V자형 암들 사이에 위치 설정되어 있다.
본 발명의 추가 장점은, 압축기가 저압 및 상대적으로 더 낮은 압축기 회전 속도에서도 열 펌프 모드로 작동될 수 있다는 것이다. 이러한 점은 개선된 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 값으로 이어지는데, 다시 말해서 차량 내에서 소음으로 들을 수 있거나 흔들림 현상으로 느낄 수 있는 진동을 감소시키고, 그리고 더 낮은 소비 전력과 베어링 하중을 야기하며, 이러한 점은 베어링의 사용 수명을 더욱 연장시키거나 베어링 크기 감소 가능성을 제공한다. 뿐만 아니라 필요한 배출구 밸브가 더욱 경제적인 비용으로 제공되도록 한다.
본 발명의 실시예들의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조해서 이루어지는 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1a는 고정식 나선형부 그리고 이러한 나선형부를 향하는, 스크롤 압축기 하우징의 정면 벽에 있는 냉매 배출구 보어들을 구비한 스크롤 압축기의 컷아웃을 내부 뷰로서 도시하고,
도 1b는 냉매 배출구 보어들을 구비한 스크롤 압축기 하우징의 정면 벽을 외부 뷰로서 도시하며,
도 2a는 3개의 배출구 보어 및 쓰리 핑거 밸브를 구비한 선행 기술에 따른 스크롤 압축기 하우징의 정면 벽을 도시하고,
도 2b는 3개의 배출구 보어 및 투 핑거 밸브(two finger valve)를 구비한 스크롤 압축기 하우징의 정면 벽을 도시하며,
도 3은 서로 엇갈려서 맞물려 있는, 스크롤 압축기의 나선형부들을 개략적으로 도시하고,
도 4a는 0°/360°의 크랭크 샤프트 회전 각도에서, 서로 엇갈려서 맞물려 있는, 스크롤 압축기의 나선형부들을 개략적으로 도시하며,
도 4b는 90°의 크랭크 샤프트 회전 각도에서, 서로 엇갈려서 맞물려 있는, 스크롤 압축기의 나선형부들을 개략적으로 도시하고,
도 4c는 180°의 크랭크 샤프트 회전 각도에서, 서로 엇갈려서 맞물려 있는, 스크롤 압축기의 나선형부들을 개략적으로 도시하며,
도 4d는 270°의 크랭크 샤프트 회전 각도에서, 서로 엇갈려서 맞물려 있는, 스크롤 압축기의 나선형부들을 개략적으로 도시하고,
도 5는 A/C 모드에서, 냉매 스크롤 압축기에서의 등 엔트로피 압축 시, 크랭크 샤프트의 회전 각도에 따라 냉매의 등 엔트로피 압력을 나타낸 그래프이며, 그리고
도 6은 열 펌프 모드에서, 스크롤 압축기에서의 등 엔트로피 압축 시, 크랭크 샤프트의 회전 각도에 따라 냉매의 등 엔트로피 압력을 나타낸 그래프이다.
도 1a는 고정식 나선형부(3)가 고정되어 있는 스크롤 압축기 하우징(2)의 부분을 갖는 스크롤 압축기(1)의 컷아웃을 내부 뷰로 보여준다. 이 경우 상기 부분은 고정식 나선형부를 향하는 상기 스크롤 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a)이다. 상기 고정식 나선형(3)부는 전체적으로 660°의 랩 각을 갖는다. 440° 내지 900° 범위의 랩 각을 갖는 스크롤 압축기는, 효율적으로 작동하기 위해 2개의 사전 배출구(4.1; 4.2) 및 하나의 메인 배출구(5)를 필요로 한다. 도 1a에 따르면, 사전 배출구 보어(4.1; 4.2) 형태의 2개의 사전 배출구(4.1; 4.2)는 고정식 나선형부(3)를 향하는 스크롤 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a) 내에 위치한다. 또한, 메인 배출구 보어(5) 형태의 메인 배출구(5)도 고정식 나선형부(3)를 향하는 스크롤 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a) 내에서 상기 고정식 나선형부의 내부 단부 영역(3a)의 중심부에 위치한다. 이 경우 제1 사전 배출구 보어(4.1)는, 이러한 제1 사전 배출구 보어(4.1)와 메인 배출구 보어(5) 사이에 상기 고정식 나선형부(3)의 벽이 배치됨 없이도 상기 사전 배출구 보어(4.1)와 메인 배출구 보어(5)가 상기 고정식 나선형부(3)에 의해 둘러싸이도록 나선형부(3)의 내측면 앞에 위치 설정되어 있다. 제2 사전 배출구 보어(4.2)는, 고정식 나선형부(3)의 벽이 메인 배출구 보어(5)와 제2 사전 배출구 보어(4.2) 사이에 배치되도록 상기 고정식 나선형부(3)의 외측면 앞에 위치 설정되어 있다.
도 1b는 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)들 및 메인 배출구 보어(5)를 구비한 스크롤 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a)을 바라보는 스크롤 압축기(1)의 외부 뷰를 도시한다. 이 경우 상기 메인 배출구 보어(5)는 실제로 2개의 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)의 중간에 배치되어 있으며, 이때 상기 메인 배출구 보어(5)와 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)는 실제로 선형적으로 배치되어 있다.
도 2a는, 선행 기술에 공지된 바와 같은 3개의 배출구 보어 및 쓰리 핑거 밸브를 구비한 스크롤 압축기 하우징의 정면 벽을 도시한다. 따라서 압축 챔버 내 압력이 고압 범위보다 낮은 범위로 감소하면, 모든 배출구가 폐쇄될 수 있다. 이에 따라 고압 가스가 압축 챔버 내로 역류하고, 압축기의 효율이 감소되는 것이 방지되는 것으로 기술되어 있다.
도 2b는, 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)들 및 메인 배출구 보어(5)를 구비한, 나선형부들을 향하는, 스크롤 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a)을 바라보는, 도 1b와 유사한 스크롤 압축기(1)의 외부 뷰를 도시한다. 이 경우 메인 배출구 보어(5)는 실제로 상기 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)들의 중간에 배치되어 있고, 이때 상기 메인 배출구 보어(5)와 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)는 실제로 선형적으로 배치되어 있다. 2개의 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)를 개방 및 폐쇄하기 위한 밸브로서, U자형 또는 V자형 밸브(6)가 제공되어 있으며, 사전 배출구 보어(4.1; 4.2)들은 이러한 밸브의 U자형 또는 V자형 암(6.1; 6.2)들에 의해 동시에 폐쇄될 수 있고, 한 편 메인 배출구 보어(5)는 상기 U자형 또는 V자형 암(6.1; 6.2)들 사이 자유 중간 챔버 내에 개방된 상태로 위치한다. 상기 밸브는 쓰리 핑거 밸브와 유사하게 투 핑거 밸브로도 명명될 수 있다.
도 3은 서로 엇갈려서 맞물려 있는 고정식 나선형부(3)와 이동식 나선형부(7)를 구비한 스크롤 압축기(1)의 횡단면을 개략적으로 보여준다. 두 나선형부는 각각 나선형부들의 전체 랩 각에 의해 660°의 전체 랩 각을 갖는다. 이동식 나선형부(7)는 원형 경로 상에서 편심으로 운동할 수 있으며, 그 결과 나선형부(3; 7)들 사이에 형성된 다수의 상이한 압축 챔버(8, 9, 10)의 체적이 환상형으로 변한다. 전체 랩 각이 660°이므로, 항상 3개의 상이한 유형의 압축 챔버가 형성된다. 도 3에 나타난 바와 같이, 다음의 압축 챔버들이 형성된다:
- 이동식 나선형부와 관련한 개별 흡입 챔버(8.1, 8.2)의 위치에 따라, 내부 흡입 챔버(8.1)와 외부 흡입 챔버(8.2)로 분할되는, 냉매를 흡입하기 위한 흡입 압력 챔버(8)로서 외부로 개방된/개방 가능한 압축 챔버,
- 상기 흡입 압력 챔버(8)와 연결되고, 이동식 나선형부의 위치에 따라, 항상 하나의 내부 중간 압축 챔버(9.1)와 외부 중간 압축 챔버(9.2)로 이루어지는 상기 흡입 압력 챔버(8)와 연결된 충간 압축 챔버(9),
- 상기 중간 압축 챔버와 연결되어 있고, 그 내부에서 상기 나선형부(3; 7)들의 2개의 내부 단부 영역(3a; 7a)이 마주 보고 있는 냉매 배출 챔버(10).
도 3은 나선형부(3; 7)들을 향하는, 압축기 하우징의 정면 벽 내에 있는 2개의 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2)를 개략적으로 도시한다. 상기 2개의 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2)들은 하나 또는 다수의 사전 배출구 밸브에 의해 폐쇄될 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉매 메인 배출구(5)는 나선형부(3; 7)들을 향하는, 압축기 하우징의 정면 벽 내에서, 고정식 나선형부(3)의 중심에 위치하고, 이때 상기 냉매 메인 배출구는 항상 개방되어 있고 밸브를 구비하지 않는다.
냉매(CO2)의 특수한 속성으로 인해, 회전각이 360°일 때 중간 압력 챔버(9.1, 9.2) 내부에서는 모든 A/C 테스트 포인트에서 필요한 고압이 달성된다.
특히 각각 660°의 나선형부(3; 7)들의 랩 각으로부터 주어지는 나선형 구조는, 달성될 수 있는 불용 체적이 흡입 체적 또는 행정 체적의 ≤ 9%, 바람직하게는 ≤ 5%에 이르도록 한다. 도 3은 나선형부(3; 7)의 중심부에서 냉매 배출 챔버(10)들의 최대 압축 위치를 보여준다.
흡입 챔버(8.1, 8.2)들 내에서 이루어지는 고압과 저압의 압력 비율 값이 ≤ 3.7일 때, 메인 배출구(5)에서의 밸브 부재는 스크롤 압축기(1)의 출력에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 이러한 점은 모든 A/C 모드 상황에 적용된다.
압력 비율이 〉3.7일 때 메인 배출구(5)에서의 밸브의 부재는 압축 챔버 내부로의 냉매 역류를 야기한다. 이와 같은 압력 비율은 열 펌프 상황에서 존재한다.
도 4a 내지 도 4d는 A/C 모드일 때 이동식 나선형부(7)가 연결된 크랭크 샤프트의 여러 회전 각도에서, 서로 엇갈려서 맞물려 있는 냉매 스크롤 압축기(1)의 나선형부(3; 7)들의 개략도를 도시한다. 이 경우 A/C 모드에서는, 냉매 배출 챔버(10)의 고압과 흡입 챔버(8.1, 8.2)들의 저압 사이에 3.7의 최대 압력이 존재한다.
도 4a는 0° 또는 360°의 크랭크 샤프트 회전각에서 냉매 스크롤 압축기(1)의 서로 엇갈려서 맞물려 있는 나선형부(3; 7)들의 개략도를 도시한다. 이 경우 흡입 챔버(8.1, 8.2)들 내에서 내부 압력은 35bar에 이른다. 이러한 내부 압력은 중간 압축 챔버(9.1, 9.2)뿐만 아니라 냉매 배출 챔버(10) 모두에서 각각 130bar에 이른다. 다시 말해서, 필요한 고압은 회전각이 360°일 때 - 에어컨의 모든 테스트 조건에서 - 이미 중간 압축 챔버(9.1, 9.2)들 내에서 달성된다. 이 때문에 메인 배출구(5)가 개방 상태로 유지될 수 있고, 이를 위해 밸브가 필요하지 않다. 2개의 냉매 사전 배출구(4.1 및 4.2)만 사전 배출구 밸브에 의해 개방 또는 폐쇄된다.
도 4b에는 90°의 크랭크 샤프트 회전각에서 냉매 스크롤 압축기(1)의 서로 엇갈려서 맞물려 있는 나선형부(3; 7)들이 개략적으로 도시되어 있다. 흡입 챔버(8.1, 8.2)들의 내부 압력은 35bar에 이른다. 중간 압축 챔버(9.1, 9.2)들의 내부 압력은 45bar이다. 냉매 배출 챔버(10) 내 압력은 130bar에 이른다.
도 4c는 180°의 크랭크 샤프트 회전각에서 스크롤 압축기(1)의 서로 엇갈려서 맞물려 있는 나선형부(3; 7)들의 개략도를 도시한다. 이 경우 흡입 챔버(8.1, 8.2)들의 내부 압력은 35bar에 이르고, 중간 압축 챔버(9.1, 9.2)들의 내부 압력은 57bar로 상승한다. 냉매 배출 챔버(10) 내 압력은 - 마찬가지로 변동 없이 - 130bar이다.
도 4d는 270°의 크랭크 샤프트 회전각에서 서로 엇갈려 맞물려 있는 나선형부(3; 7)들의 개략도를 포함한다. 흡입 챔버(8.1, 8.2)들의 내부 압력은 35bar에 이른다. 중간 압축 챔버(9.1, 9.2)들의 내부 압력은 79bar로 상승되었다. 또한, 냉매 배출 챔버(DC) 내 압력은 130bar이다.
도 4a 내지 도 4d와 관련하여 언급한 값들을 보고 알 수 있는 바와 같이, A/C 상황에서는 냉매가 메인 배출구 개구 또는 메인 배출구 보어(5)에 의해 유출되기 전에 이미 고압이 달성된다. 이 때문에 냉매 메인 배출구에서 밸브가 필요하지 않다.
도 5는, A/C 모드에서, 냉매 스크롤 압축기에서의 등 엔트로피 압축 시 크랭크 샤프트의 회전 각도에 따라 냉매의 등 엔트로피 압력을 도 4a 내지 도 4d에 상응하는 그래프로 보여준다. 흡입된 냉매의 압력은 저압 범위(LP)에서는 35bar이다. 냉매는 압축되면서 동시에 사전 배출구 보어 영역에 이른다. 냉매의 압력은 크랭크 샤프트의 회전과 동시에 상승한 다음 최종적으로 고압 레벨(HP)에 도달하며, 이러한 고압 레벨에 의해 냉매는 마찬가지로 메인 배출구 보어 영역에 이른다.
사전 배출구 보어들의 경우에만 사전 출구 밸브들이 제공되어 있으며, 이때 상기 사전 배출구 밸브들은 사전 배출구들을 개방 및 폐쇄한다. 비록 메인 배출 밸브가 없더라도, 고압 영역으로부터 스크롤 압축기의 결합형 내부 압축 챔버로의 냉매 역류가 발생하지 않는데, 그 이유는 압축 챔버들과 냉매 메인 배출구 다음에 있는 공동부는 동일한 압력 레벨로 존재하기 때문이다. 냉매 스크롤 압축기는 A/C 모드에서 낮은 출구 온도를 갖는다.
도 6은 열 펌프 모드에서, 스크롤 압축기에서의 등 엔트로피 압축 시, 크랭크 샤프트의 회전 각도에 따라 냉매의 등 엔트로피 압력을 나타낸 그래프이다.
흡입된 냉매의 압력은 먼저 저압 영역에서는 20bar이며, 따라서 이러한 압력은 A/C 모드에 비해 현저히 낮다. 냉매는 압축되고, 이와 동시에 먼저 사전 배출구 보어들 영역에 이른다. 냉매의 압력은 크랭크 샤프트의 회전과 동시에 기하급수적으로 상승하나, 냉매가 냉매 배출구 보어 영역에 이르면 고압 레벨(HP)보다는 확연히 낮다. 이 때문에 고압측에서 결합형 내부 압축 챔버 내부로의 냉매의 역류가 일어나는데, 그 이유는 메인 배출구가 항상 개방되어 있고, 압축 챔버가 냉매 배출구 다음에 있는 공동부보다 낮은 압력 레벨을 갖기 때문이다. 결합형 내부 압축 챔버 내부로의 냉매의 역류는 도 6에서 수직 화살표로 개략적으로 표시된다. 고온 냉매 가스의 역류는 열 펌프 모드에 있어서 바람직한데, 이러한 열 펌프 모드에서는 스크롤 압축기의 높은 출구 온도가 추구된다.
1: 냉매 스크롤 압축기
2: 압축기 하우징
2a: 압축기 하우징의 정면 벽
3: 고정식 나선형부
3a: 고정식 나선형부의 내부 단부 영역
4.1: 냉매 사전 배출구, 사전 배출구 보어
4.2: 냉매 사전 배출구, 사전 배출구 보어
5: 냉매 메인 배출구, 메인 배출구 보어
6: 밸브, 사전 배출구 밸브
6.1: U자형 또는 V자형 밸브(6)의 제1 암
6.2: U자형 또는 V자형 밸브(6)의 제2 암
7: 이동식 나선형부
7a: 이동식 나선형부의 내부 단부 영역
8: 흡입 압력 챔버, 압축 챔버
8.1: 내부 흡입 챔버
8.2: 외부 흡입 챔버
9: 중간 압축 챔버
9.1: 내부 중간 압축 챔버
9.2: 외부 중간 압축 챔버
10: 냉매 배출 챔버, 압축 챔버

Claims (8)

  1. CO2를 냉매로 포함하는 열 펌프 내부에 사용하기 위한 냉매 스크롤 압축기(1)로서, 상기 스크롤 압축기가
    - 압축기 하우징(2),
    - 상기 압축기 하우징(2) 내부에 서로 엇갈려서 맞물려 있는 2개의 나선형부(3; 7), 이때 상기 2개의 나선형부 중 하나의 나선형부(3)는 고정식이고, 다른 한 나선형부(7)는 원형 경로 상에서 편심으로 움직일 수 있으며, 그 결과로 상기 나선형부(3; 7)들 사이에 형성된 다수의 상이한 압축 챔버(8, 9, 10)의 체적이 환상형(cyclic)으로 변경되고, 이 경우 개별 나선형부(3; 7)들은 각각 440° 내지 900° 범위의 전체 랩 각(wrap angle)을 가지며, 그리고 상기 나선형부들 사이에는 다음의 압축 챔버(8, 9, 10)들이 형성되어 있으며:
    - 내부 흡입 챔버(8.1)와 외부 흡입 챔버(8.2)로 분할되는, 냉매를 흡입하기 위한 흡입 압력 챔버(8)로서 압축 챔버,
    - 내부 중간 압축 챔버(9.1)와 외부 중간 압축 챔버(9.2)로 분할되는 중간 압축 챔버(9),
    - 그 내부에서 상기 나선형부(3; 7)들의 2개의 내부 단부 영역(3a; 7a)이 마주 보고 있는 냉매 배출 챔버(10),
    - 상기 나선형부(3; 7)들을 향하는, 상기 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a) 내에 있는 2개 또는 그 이상의 냉매 사전 배출구(refrigerant pre-outlet)(4.1; 4.2),
    - 상기 2개의 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2)를 개방 및 폐쇄하기 위한 하나 또는 다수의 밸브(6) 및
    - 항상 개방되어 있고 밸브를 구비하지 않는, 상기 나선형부(3; 7)들을 향하는, 상기 압축기 하우징(2)의 정면 벽(2a) 내에서 고정식 나선형부(3)의 중앙에 있는 냉매 메인 배출구(refrigerant main outlet)(5)를 포함하는, 냉매 스크롤 압축기(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 개별 나선형부(3; 7)들이 각각 580° 내지 700° 범위의 전체 랩 각을 가지는 것을 특징으로 하는, 냉매 스크롤 압축기(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 개별 나선형부(3; 7)들이 각각 660°의 전체 랩 각을 가지는 것을 특징으로 하는, 냉매 스크롤 압축기(1).
  4. 제1항에 있어서, 상기 나선형부(3; 7)들이 그들의 나선형 구조와 관련하여, 상기 스크롤 압축기(1)의 흡입 체적의 ≤ 9%에 이르는 불용 체적(dead volume)으로 냉매 배출 챔버의 체적을 감소시키도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉매 스크롤 압축기(1).
  5. 제4항에 있어서, 상기 나선형부(3; 7)들이 그의 나선형 구조와 관련하여, 상기 스크롤 압축기(1)의 흡입 체적의 ≤ 5%에 이르는 불용 체적으로 냉매 배출 챔버의 체적을 감소시키도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉매 스크롤 압축기(1).
  6. 제1항에 있어서, 상기 2개의 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2)들의 개방 및 폐쇄를 위한 밸브로서, U자형 또는 V자형 밸브(6)가 제공되어 있고, 이러한 밸브의 U자형 또는 V자형 암(U- or V-arm)(6.1; 6.2)들에 의해 상기 냉매 사전 배출구(4.1; 4.2)들이 폐쇄될 수 있으며, 한 편 개방된 냉매 메인 배출구(5)는 상기 U자형 또는 V자형 암(6.1; 6.2) 사이에 위치 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 냉매 스크롤 압축기(1).
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