KR101985363B1 - 스크롤 팽창기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 흡입실(10); 하우징(20); 상기 하우징(20)의 내부에 고정되고, 상기 흡입실(10)과 연통되는 흡입구(34)가 형성되고, 중심으로부터 나선형으로 돌출 형성되어 유로(36)를 형성하는 고정랩(32)을 구비한 고정스크롤(30); 상기 고정랩(32)과 맞물리는 나선형의 선회랩(42)이 돌출 형성되어, 적어도 하나의 팽창포켓(44)을 형성하는 선회스크롤(40)을 포함하는 스크롤 팽창기에 있어서, 상기 고정스크롤(30)에 상기 흡입실(10)측에서 상기 유로(36)측으로 경사지게 형성된 홀(38)을 포함하여 구성된다. 이에 따라, 선회스크롤(40)의 초기 회전을 부가적인 동력원 없이 보완하고, 유체의 팽창을 효율적으로 유도하여 향상된 회전력을 제공함으로써 효율적인 발전이 가능하다. 또한, 흡입구(34)를 통해 유입되는 냉매를 용이하게 유입시킬 수 있다.

Description

스크롤 팽창기 {SCROLL EXPANDER}
본 발명은 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선회스크롤의 초기회전을 효율적으로 회전시키는 스크롤 팽창기에 관한 것이다.
열을 지닌 유체의 흐름은 압축기나 엔진 등의 냉각에서 발생한다. 특히 엔진의 폐열에는 고온의 배기 폐열과 저온의 냉각수 폐열이 있다. 이러한 폐열을 회수하는 것은 기술적인 면에서 여러 가지 문제점이 있고, 경제적인 측면에서도 실현성이 많지 않은 것으로 알려져 있다. 따라서 폐열은 대부분 그대로 대기 중으로 방출되는 경우가 많다. 또한 폐열을 지난 유체 흐름을 직접적으로 활용하려고 해도 폐열 흐름 속의 오염 물질이 문제가 되는 경우가 있다.
하지만 근래에 들어서 차량의 엔진 등에서 발생되는 폐열을 활용하는 연구가 진행됨에 따라 폐열을 재활용하는 다양한 방법이 개발되고 있다. 특히 배기 폐열을 대상으로 동력을 발생시킬 경우에는 랭킨 사이클(RANKINE CYCLE), 열전 시스템 및 터보컴파운딩 시스템이 사용될 수 있으며, 냉각수 폐열을 대상으로는 랭킨 사이클이 적용될 수 있다.
랭킨 사이클을 이용하는 폐열 회수 방법은 배기 폐열뿐만 아니라 냉각수 폐열도 함께 활용할 수 있으므로 다른 폐열 회수 시스템보다 더 효과적일 수 있다. 일반적으로 랭킨 사이클은 열역학 사이클로서 단열압축, 등압가열, 단열팽창 및 등압방열로 이루어지는, 즉 2개의 단열 변화와 2개의 등압 변화로 구성되며 유체가 기체와 액체의 상변화를 수반하는 열기관의 사이클을 말한다. 예를 들면, 자동차의 배기 폐열을 회수하는 랭킨 사이클은 고압 액체의 작동유체가 고온의 배기가스로부터 고온 열교환기를 통하여 열에너지를 공급받아 고온 고압 가스로 되고(등압가열), 고온 고압의 가스가 용적식 팽창기 또는 터빈 또는 스크롤 팽창기와 같은 동력발생장치를 통하여 저온 저압으로 팽창하면서 동력을 발생하고(단열팽창), 저온 저압 가스가 저온 열교환기를 통하여 냉각되어 작동유체를 저온의 액체로 변환하며(등압냉각), 저온 액체가 펌프에 의해 고압 액체로 변환되어 이송됨으로써(단열압축) 한 사이클이 완성된다. 결과적으로 랭킨 사이클 시스템의 동력발생장치를 동력 축에 연결하면, 랭킨 사이클을 통해 발생된 동력은 엔진과 함께 축 동력으로 사용될 수 있다.
한편 스크롤 팽창기는 랭킨 사이클 과정 중 단열팽창이 일어나는 곳으로 고압의 유체가 스크롤 팽창기에 유입되어 팽창함에 따라 스크롤 팽창기를 회전시키고, 스크롤 팽창기의 회전력으로부터 전력을 얻어서 발전용으로 주로 사용된다.
종래의 스크롤 팽창기가‘특허문헌 1’에 게재되어 있다. 종래의 스크롤 팽창기는 도 1에 도시된 바와 같이 고정스크롤(1); 선회스크롤(2); 흡입부(3); 홀(4)로 구성된다.
종래의 스크롤 팽창기는 흡입부(3)로 유입되는 냉매의 양에 따라 고정스크롤(1)에 형성된 홀(4)이 선택적으로 개방된다. 냉매의 양이 부족하여 충분한 팽창이 발생하지 않을 경우 홀(4)이 차단되어 팽창기로 유입되는 냉매의 양을 상대적으로 줄임으로써 이를 보완한다. 냉매의 양이 과한 경우에는 홀(4)을 개방하여 팽창기로 유입되는 냉매의 양을 증가시켜 과팽창이 발생하는 것을 막는다.
그러나 종래의 스크롤 팽창기는 초기에 팽창되는 냉매의 압력에 따라 선회스크롤(2)의 회전이 어려운 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 도면에는 도시되지 않았지만 모터가 설치되어 부가적인 동력이 필요하다는 문제점이 있다. 또한 흡입부(3) 주변에 두 개의 홀(4)이 수직으로 형성되어 선회스크롤(2)의 회전을 오히려 방해하는 문제점이 있다.
JP 2005-030386 A (2005. 2. 3.)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고정스크롤에 경사진 홀을 구비하고, 중심부 형상이 오목한 스크롤 팽창기를 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 스크롤 팽창기는 흡입실; 하우징; 상기 하우징의 내부에 고정되고, 상기 흡입실과 연통되는 흡입구가 형성되고, 중심으로부터 나선형으로 돌출 형성되어 유로를 형성하는 고정랩을 구비한 고정스크롤; 상기 고정랩과 맞물리는 나선형의 선회랩이 돌출 형성되어, 적어도 하나의 팽창포켓을 형성하는 선회스크롤을 포함하는 스크롤 팽창기에 있어서, 상기 고정스크롤에 상기 흡입실측에서 상기 유로측으로 경사지게 형성된 홀을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
이 때 상기 홀은 일측은 상기 흡입실과 연통되고, 타측은 상기 팽창포켓과 연통된다. 또한 상기 홀은 흡입실측에서 유로측으로 갈수록 상기 고정스크롤의 중심에서 멀어지도록 이루어진다. 이에 따라 상기 홀을 통해 유입된 고압의 냉매가 일정 각도를 가지고 상기 선회랩을 밀어 상기 선회스크롤의 회전을 보강하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한 상기 홀은 복수 개 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한 상기 고정스크롤 및 상기 선회스크롤의 중앙측에 상기 고정랩과 상기 선회랩이 접하는 단부는 각각 오목한 형상인 것을 기술적 특징으로 한다.
그리고 상기 홀의 유로측 단부는 상기 유로 상에 위치되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스크롤 팽창기는 선회스크롤의 초기 회전을 부가적인 동력원 없이 보완하고, 유체의 팽창을 효율적으로 유도하여 향상된 회전력을 제공함으로써 효율적인 발전이 가능하다.
또한 흡입구를 통해 유입되는 냉매를 용이하게 유입시킬 수 있다.
그리고 선회스크롤의 초기 기동력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 스크롤 팽창기
도 2는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 전체 단면도
도 3는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 분해 사시도
도 4은 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 정단면도
도 5는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 측단면도
도 6는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 결합 사시도
도 7 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 작동상태도
도 8 본 발명에 따른 랭킨 사이클을 도시한 블록도
아래에서는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기를 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 도 2는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 전체 단면도, 도 3는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 분해 사시도, 도 4은 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 정단면도 및 도 5는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 측단면도, 도 6는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 결합 사시도이다.
본 발명에 따른 스크롤 팽창기는 흡입실(10); 하우징(20); 상기 하우징(20)의 내부에 고정되고, 상기 흡입실(10)과 연통되는 흡입구(34)가 형성되고, 중심으로부터 나선형으로 돌출 형성되어 유로(36)를 형성하는 고정랩(32)을 구비한 고정스크롤(30); 상기 고정랩(32)과 맞물리는 나선형의 선회랩(42)이 돌출 형성되어, 적어도 하나의 팽창포켓(44)을 형성하는 선회스크롤(40)을 포함하는 스크롤 팽창기에 있어서, 상기 고정스크롤(30)에 상기 흡입실(10)측에서 상기 유로(36)측으로 경사지게 형성된 홀(38)로 구성된다.
아래에서는 각 구성요소에 대하여 상세히 설명한다.
흡입실(10)은 증발기(100)로부터 냉매가 유입되는 곳으로 하우징(20)의 외측면에 결합되어 설치된다.
하우징(20)의 일측에는 토출구(22) 및 응축기(120)로부터 냉매가 흘러드는 냉매유입구(24)가 구비되며, 내부에는 고정스크롤(30) 및 선회스크롤(40), 모터기구부(50)가 구비되어 외부로부터 밀폐된다.
고정스크롤(30)은 하우징(20)의 내측면에 고정되고 흡입실(10)과 연통 설치된다. 고정스크롤(30)은 중심부로부터 일정한 높이를 갖는 나선형의 돌출부를 형성하는 고정랩(32)이 형성되며 고정랩(32)은 외주부로 연장되어 유로(36)를 형성한다. 고정스크롤(30)의 중심에는 흡입구(34)가 형성되어 흡입구(34)를 통해 고압의 기상 냉매가 유입된다. 이때 유입된 고압의 기상 냉매는 흡입구(34)를 통과하면서 단열 팽창을 하게 된다.
한편 고정스크롤(30)의 저면에는 도 5에 도시된 바와 같이 중심에서 외측방향으로 경사지게 홀(38)이 형성된다. 홀(38)에는 고압의 냉매가 유입되는데, 고압의 냉매가 일정 각도를 가지고 분출되어 선회랩(42)을 밀어주고, 고정스크롤(30)의 유로(36)를 지나는 냉매의 유속을 증가시킨다. 결국 증가된 냉매의 유속은 선회스크롤(40)의 회전을 더욱 촉진하기 때문에 선회스크롤(40)의 회전을 보강해주는 역할을 한다.
또한 홀(38)은 필요에 따라 복수 개가 형성되어 선회스크롤(40)의 회전을 더욱 보강할 수 있다.
선회스크롤(40)은 고정랩(32)과 맞물리도록 중심부로부터 일정한 높이를 갖는 나선형의 돌출부를 형성하는 선회랩(42)이 형성되며 선회랩(42)은 외주부로 연장되어 유로(36)를 형성한다. 선회스크롤(40)은 고정스크롤(30)과 맞물린 상태에서 180도의 위상차를 가지고, 고정스크롤(30)에 대해 선회가능하다.
또한 선회스크롤(40)은 고정스크롤(30)과 맞물림으로써 팽창포켓(44)이 형성되는데, 팽창포켓(44)은 선회랩(42)과 고정랩(32)이 맞닿는 부분 사이에 형성된 공간을 말한다. 즉, 흡입실(10)을 통해 유입된 냉매가 고정스크롤(30)의 흡입구(34)로 유입된 후, 유로(36)를 지나면서 팽창함에 따라 선회스크롤(40)이 고정스크롤(30)에 대해 선회하면서 부분적으로 붙었다 떨어지기를 반복하기 때문에 팽창포켓(44)이 부분적으로 형성되었다가 사라지기를 반복한다.
한편 고정랩(32)과 선회랩(42)의 겹쳐지는 중심 단부는 도 6에 도시된 바와 같이 오목한 공간이 형성되는데, 이는 흡입구(34)를 통해 유입되는 냉매가 좀 더 빠르게 유입될 수 있도록 하기 위함이다. 일반적인 스크롤의 형태와 같이 고정랩(32)과 선회랩(42)의 중심 단부가 밀착되어 형성될 경우 그 사이를 뚫고 나오기 위해 시간이 지연될 수 있는 문제점이 있는데 오목한 공간을 형성하여 고압의 냉매를 좀 더 용이하게 유입하고 이에 따라 초기 기동력을 향상시킬 수 있다.
위와 같은 과정이 반복됨에 따라 흡입구(34)로 유입된 냉매는 선회스크롤(40)과 고정스크롤(30) 사이를 지나면서 등온 팽창한다. 이렇게 팽창된 냉매는 고정스크롤(30)의 외주면을 통해 빠져나가고, 하우징(20)의 토출구(22)을 통해 배출된다.
모터기구부(50)는 스크롤 팽창기의 회전력이 연동되는 장치로서, 스크롤 팽창기와 후술하는 냉매펌프(130)를 일체로 연결한 회전축(52)을 공유하여 설치된다. 이에 따라 별도의 동력발생장치를 구성할 필요가 없어 소형화가 가능하고 원동기로 쓰일 수 있어 차량의 연비를 개선할 수 있다.
아래에서는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 작동상태를 설명한다.
도 7는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 작동상태도이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이 고정랩(32)과 선회랩(42)의 중심부가 맞물린 상태에서 흡입구(34)의 대부분을 차단하고 있다. 이때 흡입구(34)로 고압의 냉매가 유입되어 팽창됨에 따라 선회스크롤(40)의 중심부가 고정스크롤(30)의 중심부로부터 멀어지게 되고, 팽창포켓(44) 내부에 있는 냉매가 팽창하면서 선회스크롤(40)이 그 팽창압력에 의해 선회하기 시작한다.
흡입구(34)에 냉매가 유입되어 팽창되기 시작하면, 선회스크롤(40)이 선회함에 따라 도 7(b)에 도시된 바와 같이 고정스크롤(30)과 선회스크롤(40) 사이에서 순간적으로 맞닿고 있는 면이 개방된다. 따라서 도 7(a)에 형성되어 있던 팽창포켓(44)이 개방되고 냉매의 팽창되는 힘에 의해 냉매가 유로(36)를 따라 이동하게 된다. 이때, 고정스크롤(30)에 형성된 홀(38)에 고압의 냉매가 유입되어 유로(36)에 존재하는 냉매의 흐름을 더욱 빠르게 증가시키고, 이에 따라 선회스크롤(40)의 회전도 더욱 빨라지게 된다.
선회스크롤(40)이 더욱 회전되어 도 7(c)에 도시된 바와 같이 새로운 팽창포켓(44)이 형성된다. 이에 따라 외측부에 가깝게 형성되어 있던 팽창포켓(44)에 있었던 냉매는 스크롤 팽창기 외부로 토출되고, 다시 새로운 고압의 냉매가 유입됨에 따라 선회스크롤(40)은 반복적으로 회전을 하게 된다.
아래에서는 스크롤 팽창기가 적용되는 랭킨 사이클에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 랭킨 사이클을 도시한 블록도이다.
증발기(100)는 냉매펌프(130)를 통하여 유입되는 액상의 냉매를 고온고압상태로 기화시켜 팽창기(110)에 공급하는 역할을 한다. 증발기(100)는 엔진의 냉각수나 배기가스와 액상의 냉매의 열교환을 수행하여 액상의 냉매를 고온 고압상태로 기화시킨다.
팽창기(110)는 증발기(100)로부터 열을 전달받아 기화된 냉매가 팽창되는 곳으로 냉매가 팽창하는 압력을 이용하여 운동에너지를 만든다. 일반적으로 터빈을 이용하여 동력을 발생하지만, 본 발명에 따른 스크롤 팽창기가 터빈을 대체하여 사용된다. 다시 말해 스크롤 팽창기로 유입되는 냉매가 스크롤 팽창기 내부에서 팽창함에 따라 선회스크롤(40)이 회전되고, 선회스크롤(40)의 회전력을 이용해 전력을 얻어 발전을 함으로써 다양한 에너지로 사용될 수 있다.
응축기(120)는 일반적으로 라디에이터와 같이 쿨링모듈의 형태로 차량의 전면부에 설치되어 엔진의 열을 감소시키는 냉각수가 순환되어 냉각되는 곳이다. 마찬가지로 응축기(120)는 팽창기(110)에서 팽창된 기체의 열을 감소시키는 곳으로, 등압방열하여 기체 상태였던 냉매가 액화되어 랭킨 사이클을 순환하게 된다.
냉매펌프(130)는 액화된 냉매를 단열압축하는 곳으로, 응축기(120)로부터 응축된 액상의 냉매를 공급받아 이를 증발기(100)에 공급한다. 냉매펌프(130)에서 압축된 냉매의 힘으로 랭킨 사이클을 순환하고, 팽창기(110)에서 운동에너지로 변환하게 된다.
10: 흡입실 20: 하우징
22: 토출구 24: 냉매유입구
30: 고정스크롤 32: 고정랩
34: 흡입구 36: 유로
38: 홀 40: 선회스크롤
42: 선회랩 44: 팽창포켓
50: 모터기구부 52: 회전축
100: 증발기 110: 팽창기
120: 응축기 130: 냉매펌프

Claims (5)

  1. 흡입실(10); 하우징(20); 상기 하우징(20)의 내부에 고정되고, 상기 흡입실(10)과 연통되는 흡입구(34)가 형성되고, 중심으로부터 나선형으로 돌출 형성되어 유로(36)를 형성하는 고정랩(32)을 구비한 고정스크롤(30); 상기 고정랩(32)과 맞물리는 나선형의 선회랩(42)이 돌출 형성되어, 적어도 하나의 팽창포켓(44)을 형성하는 선회스크롤(40)을 포함하는 스크롤 팽창기에 있어서,
    상기 고정스크롤(30)에 상기 흡입실(10)측에서 상기 유로(36)측으로 경사지게 형성된 홀(38)을 포함하고,
    상기 홀(38)은 일측은 상기 흡입실(10)과 연통되고, 타측은 상기 팽창포켓(44)과 연통되며,
    상기 홀(38)은 상기 흡입실(10)측에서 상기 유로(36)측으로 갈수록 상기 고정스크롤(30)의 중심에서 멀어지도록 형성되어,
    상기 홀(38)을 통해 유입된 고압의 냉매가 일정 각도를 가지고 상기 선회랩(42)을 밀어 상기 선회스크롤(40)의 회전을 보강하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 홀(38)은 복수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정스크롤(30) 및 상기 선회스크롤(40)의 중앙측에 상기 고정랩(32)과 상기 선회랩(42)이 접하는 단부는 각각 오목한 형상인 것을 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 홀(38)의 유로(36)측 단부는 상기 유로(36) 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
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