KR102054880B1 - 나선 원리에 따른 용적형 기계, 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법, 차량 공기 조화 시스템, 및 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나선 원리에 따른 용적형 기계, 특히 스크롤(scroll) 압축기(10)에 관한 것으로, 고압 챔버(40)를 포함하는 고압 영역(47), 저압 챔버(30), 및 궤도 운동하는 용적형 스파이럴(31)을 가지며, 작동 매체를 수용하기 위해 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32) 사이에 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d, 65e)가 형성되도록 용적형 스파이럴은 상대 스파이럴(32)에 결합하고, 저압 챔버(30)와 용적형 스파이럴(31) 사이에는 상대 압력 챔버(50)가 형성된다. 본 발명에 따라면, 용적형 스파이럴(31)은 단지 하나의 통로(60)를 가지며, 통로는 적어도 일시적으로 상대 압력 챔버(50)와 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d) 중 적어도 하나의 사이에 유체 연결을 이루며, 통로(60)는, 용적형 기계의 활성화 상태에서 상대 압축 챔버 용적의 85% 내지 100%, 특히 90% 내지 100%, 특히 95%가 도달되면 통로(60)가 개방되고 또한 개방 후에, 용적형 스파이럴(31)이 120°내지 360°, 특히 255°내지 315°, 특히 270°의 회전각으로 회전하는 동안에 개방된 상태로 유지되는 용적형 스파이럴(31)의 일부분에 형성되어 있다.

Description

나선 원리에 따른 용적형 기계, 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법, 차량 공기 조화 시스템, 및 차량{DISPLACEMENT MACHINE ACCORDING TO THE SPIRAL PRINCIPLE, METHOD FOR OPERATING A DISPLACEMENT MACHINE, VEHICLE AIR-CONDITIONING SYSTEM AND VEHICLE}
본 발명은 나선 원리에 따른 용적형 기계, 특히 스크롤(scroll) 압축기에 관한 것으로, 이 용적형 기계는, 고압 챔버를 포함화는 고압 영역을 가지며, 또한 저압 챔버 및 궤도 운동하는 용적형 스파이럴을 더 가지며, 작동 매체를 수용하기 위해 상기 용적형 스파이럴과 상대 스파이럴 사이에 압축 챔버가 형성되도록 용적형 스파이럴은 상대 스파이럴에 결합하고, 저압 챔버와 상기 용적형 스파이럴 사이에는 상대 압력 챔버가 형성되어 있다. 또한, 본 발명은 나선 원리에 따른 용적형 기계, 특히 스크롤(scroll) 압축기를 위한 용적형 스파이럴에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 본 발명에 따른 용적형 기계를 갖는 차량 공기 조화 시스템 및 차량에 관한 것이다.
스크롤 압축기 및/또는 스크롤 팽창기가 종래 기술에 충분히 알려져 있다. 이것들은 고압 챔버, 저압 챔버 및 궤도 운동하는 용적형 스파이럴을 포함한다. 작동 매체를 수용하기 위해 용적형 스파이럴과 상대 스파이럴 사이에 압축 챔버가 형성되도록, 궤도 운동하는 용적형 스파이럴은, 예컨대 EP 2 806 164 A1에 도시되어 있는 바와 같이, 상대 스파이럴에 결합한다. 저압 챔버와 용적형 스파이럴 사이에 수용 공간, 즉 상대 압력 챔버가 형성된다. 이러한 상대 압력 챔버는 또한 배압 공간으로 알려져 있다. 상대 압력 챔버 또는 배압 공간에 의해, 궤도 운동하는 용적형 스파이럴에 작용하는 압력을 형성할 수 있다. 결과적인 힘이 축방향으로 발생되고, 그리하여, 용적형 스파이럴이 상대 스파이럴에 눌려 스파이럴이 서로에 대해 시일링된다.
본 발명은, 상대 압력 챔버 자체 내의 압력이 유리한 방식으로 조절될 수 있도록 나선 원리에 따른 용적형 기계를 더 개량하는 과제에 기반한다. 가변 배압 시스템 또는 가변 상대 압력 시스템이 제공되며, 여기서 상대 압력 챔버 내의 압력은 다른 작동 압력에 기초하여 조절될 수 있다. 특히, 불순물에 의한 오염의 위험이 감소되도록 용적형 기계는 더 개량되어야 한다. 여기서 용적형 기계는 구조적으로 간단하게 구성되어야 한다.
또한, 본 발명은, 용적형 기계를 작동시키는 더 개량된 방법을 제시하는 과제에 기반한다. 추가로, 본 과제는, 나선 원리에 따른 더 개량된 용적형 기계를 갖는 차량 공기 조화 시스템 및/또는 차량을 제시하는 것으로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 용적형 기계에 대해서는 특허 청구항 1의 내용으로 나선 원리에 따라 해결되고, 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법에 대해서는 청구항 8로 해결되고, 차량 공기 조화 시스템에 대해서는 특허 청구항 10의 내용으로 해결되고, 또한 차량에 대해서는 특허 청구항 11의 내용으로 해결된다.
나선 원리에 따른 본 발명의 용적형 기계 및/또는 용적형 기계를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법의 유리하고 편리한 구성은 종속 청구항에 나타나 있다.
본 발명은 나선 원리에 따른 용적형 기계, 특히 스크롤(scroll) 압축기를 제시하는 아이디어에 기반하는데, 이 용적형 기계는, 고압 챔버를 포함하는 고압 영역, 저압 챔버, 및 궤도 운동하는 용적형 스파이럴을 가지며, 작동 매체를 수용하기 위해 상기 용적형 스파이럴과 상대 스파이럴 사이에 압축 챔버가 형성되도록 상기 용적형 스파이럴은 상기 상대 스파이럴에 결합한다. 상기 저압 챔버와 상기 용적형 스파이럴 사이에는 상대 압력 챔버 또는 소위 배압 공간이 형성된다.
본 발명에 따르면, 용적형 스파이럴은 단지 하나의 통로를 가지며, 상기 통로는 적어도 일시적으로 상기 상대 압력 챔버와 상기 압축 챔버 중 적어도 하나의 사이에 유체 연결을 이루며, 상기 통로는, 상기 용적형 기계의 활성화 상태에서 상대 압축 챔버 용적의 85% 내지 100%, 특히 90% 내지 100%, 특히 95%가 도달되면 상기 통로가 개방되고 또한 개방 후에, 상기 용적형 스파이럴이 120°내지 360°, 특히 255°내지 315°, 특히 270°의 회전각으로 회전하는 동안에 개방된 상태로 유지되는 용적형 스파이럴의 일부분에 형성되어 있다.
용적형 스파이럴에 단지 하나의 통로 또는 단일 통로를 형성함으로써, 압축 챔버 중 적어도 하나와 상대 압력 챔버 사이에 일시적인 유체 연결이 이루어진다. 이리하여, 배압 시스템 또는 상대 압력 시스템이 이용 가능하게 되는데. 상대 압력 챔버 내의 압력은 고압 및 적어도 하나의 압축 챔버 내의 압력에 따라 조절될 수 있다.
바람직하게는, 상대 스파이럴은 용적형 기계에 완전히 안정적으로 포함된다. 다시 말해, 상대 스파이럴은 축방향으로 움직이지 못한다. 용적형 스파이럴은 상대 스파이럴에 대해 축방향으로 움직일 수 있다. 그러므로, 궤도 운동하는 용적형 스파이럴은 축방향으로 추가로 움직일 수 있다. 여기서, 용적형 스파이럴은 상대 스파이럴의 방향으로 또한 상대 스파이럴로부터 멀어지게 움직일 수 있다.
축방향으로 용적형 스파이럴로부터 상대 스파이럴에 작용하는 접촉 압력은 상대 압력 챔버내의 전술한 압력으로 조절될 수 있다. 다시 말해, 축방향으로 용적형 스파이럴로부터 상대 스파이럴에 작용하는 힘은 바람직하게 상대 압력 챔버내의 압력으로 발생된다. 상대 압력 챔벼 내의 압력에 따라, 축방향으로 용적형 스파이럴로부터 상대 스파이럴에 작용하는 접촉 압력이 조절될 수 있다.
바람직하게는, 용적형 스파이럴은 항상 상대 스파이럴에 대한 어떤 접촉 압력을 가지고 작용하며, 그래서 두 스파이럴의 배치의 기밀성이 보장된다. 상대 스파이럴에 대한 접촉 압력은 바람직하게는, 압축기의 현재 작동점(작동 압력/회전 속도)에서의 기밀성을 위해 필요한 것 보다 높은 접촉 압력이 상대 스파이럴에 작용하지 않도록 조절된다. 이와 관련하여, 증가된 접촉 압력은 용적형 기계에서 출력 손실을 야기할 것이다.
작동 매체, 특히 냉매를 수용하여, 특히 흡입하고 그 작동 매체를 압축해 고압 챔버 안으로 방출하기 위해, 반경 방향 내측으로 이동하는 압축 챔버가 용적형 스파이럴과 상대 스파이럴 사이에 형성된다. 본 발명의 이 실시 형태에 따르면, 용적형 기계는 특히 스크롤 압축기로서 작동한다. 다시 말해, 이 용적형 기계는 스크롤 압축기이다.
용적형 스파이럴의 단지 하나의 또는 단일의 통로가 바람직하게는 용적형 스파이럴의 기부의 일부분에 형성된다. 이는, 통로는 특히 용적형 스파이럴의 나선형 플랭크 부분에 형성되지 않는다는 것을 의미한다.
단지 하나의 또는 단일의 통로는 바람직하게는 용적형 스파이럴의 기부에 대해 실질적으로 수직하게 형성되는 통로로서 구성된다. 이 통로는 바람직하게는 구멍이다.
예컨대, 통로는 두 플랭크 부분 사이에서 중앙에 형성된다. 또한, 통로는 두 플랭크 부분에 대해 편심적으로 배치될 수 있다.
상기 통로는, 상기 용적형 기계의 활성화 상태에서 상대 압축 챔버 용적의 85% 내지 100%, 특히 90% 내지 100%, 특히 95%가 도달되면 상기 통로가 개방되고 또한 개방 후에, 상기 용적형 스파이럴이 180°내지 360°, 특히 255°내지 315°, 특히 270°의 회전각으로 회전하는 동안에 개방된 상태로 유지되는 용적형 스파이럴의 일부분, 특히 기부에 형성되어 있다. 다시 말해, 제 1 통로의 개방 후에, 통로가 개방된 상태로 유지되면서, 용적형 스파이럴은 180°- 360°, 특히 255°- 315°, 특히 270°더 회전될 수 있다. 통로의 개방 상태는, 통로가 상대 스파이럴, 특히 나선형 요소 또는 상대 스파이럴의 나선형 플랭크 부분으로 덮히지 않는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 용적형 스파이럴, 특히 용적용 스파이럴에 있는 단지 하나의 단일 통로 때문에, 상대 압력 챔버와 저압 챔버 사이의 연결이 없어도 된다. 다시 말해, 상대 압력 챔버는 저압 챔버와 유체 연결되지 않는다.
유체, 특히 질량 유동이 단일의 통로에서 잔후로 움직이거나 흐르기 때문에, 냉매 중의 불순물로 인한 오염 위험이 상당히 감소된다. 이 때문에, 이 통로 내의 불순물이 더 빠르게 또한 더 쉽게 제거된다.
단지 하나의 연결 또는 하나의 통로가 적어도 하나의 압축 챔버와 상대 압력 챔버 사이에 형성되므로, 상대 압력 챔버 내의 압력이 쉽게 조절될 수 있다. 상대 챔버 내의 압력은, 고압 영역에서부터 상대 챔버 안으로 들어가는 질량 유동 및 상기 압축 챔버 중의 하나에서부터 상대 챔버 안으로 들어가는 질량 유동 때문에 형성될 수 있다. 다시 말해, 상대 챔버 내의 압력의 형성은, 고압 영역에서부터 상대 챔버 안으로 들어가는 질량 유동과 상기 압축 챔버 중의 하나에서부터 상대 챔버 안으로 들어가는 질량 유동의 조합으로 인해 일어난다.
용적형 기계의 회전각이 25°- 315°, 특히 30°- 310°, 특히 35°- 305°일 때 통로가 개방될 수 있다. 나타나 있는 범위의 첫번째 짝수는 항상 통로의 개방 과정에 존재하는 용적형 기계의 각도에 관한 것이다. 나타나 있는 범위의 마지막 짝수는 항상 통로의 폐쇄 과정에 (대략적으로) 존재하는 용적형 기계의 각도에 관한 것이다.
용적형 기계의 0°각도는 용적형 스파이럴과 상대 스파이럴 사이의 압축의 시작을 나타낸다. 용적형 기계의 0°각도는 적어도 2개의 압축 챔버 중의 하나가 폐쇄되어 있는 상태를 나타낸다.
다시 말해, 단지 하나의 또는 단일의 통로는, 개방 또는 개방 시기 및 폐쇄 또는 ?쇄 시간에 대한 위에서 언급된 조건이 얻어질 수 있는 용적형 스파이럴의 일부분에 형성된다. 용적형 기계의 크기에 따라, 통로의 배치에 대해 다른 기하학적 구성도 가능하다. 통로의 개방 및 폐쇄 시기에 대해 언급된 조건에 대해, 위에서 언급된 점은 구성될 모든 용적형 기계에도 해당된다.
바람직하게는, 소위 배출각에 도달하기 전에 통로는 적어도 10°의 회전각, 특히 적어도 20°의 회전각, 특히 적어도 30°의 회전각에서 폐쇄된다. 배출각은, 압축 챔버에서 압축된 가스가 고압 챔버 안으로 충분히 배출되었고 이에 따라 압축 챔버내의 압력이 갑자기 감소하는 회전각을 나타낸다. 다시 말해, 배출각에 도달하기 전에, 특히 배출각에 도달하기 전 적어도 10°, 특히 배출각에 도달하기 전 적어도 20°, 특히 배출각에 도달하기 전 적어도 30°에서 통로가 ?쇄된다. 이는, 압축 챔버에 존재하고 고압 챔버 안으로 배출되지 않은 압축 가스가 압축 챔버에 남아 있는 것을 의미한다. 배출 또는 방출되지 않은 남은 압축 가스는 상대 압력 챔버 또는 배압 공간에 도달할 수 없다. 그러므로, 통로는 배출각에 도달하기 전에 적절한 시간에 폐쇄될 것이다.
배압 또는 상대 압력은 사실 압축 챔버 내의 압축된 고압 때문에 반작용 축방향 힘 보다 항상 높지만, 다른 작동 단계에서의 배압은 종래의 용적형 기계의 경우 보다 작게 조절될 수 있고, 그래서 본 발명에 따른 용적형 기계로 효과적인 압축 과정이 실현될 수 있다.
용적형 기계의 활성화 상태에서, 즉, 용적형 스파이럴이 상대 스파이럴에서 궤도 운동을 하는 경우에, 복수의 압축 챔버가 형성되며, 이 압축 챔버의 공간은 용적형 스파이럴의 외측 반경 방향 원주에서 중심 쪽으로 가면서 더 작게 되고, 그래서, 원주에서 수용되어 있는 냉매 가스가 압축된다. 최종 압축 압력은 용적형 스파이럴의 축방향 영역에서, 특히, 용적형 스파이럴의 중심 부분에서 얻어지며, 고압이 얻어지면 냉매 가스가 축방향으로 방출된다. 이를 위해, 상대 스파이럴은 개구를 가지고 있어, 고압 영역, 특히 고압 챔버에의 유체 연결이 형성된다.
상대 압력 챔버와 압축 챔버 중 적어도 하나의 사이의 일시적인 유체 연결은 통로의 배치 및 용적형 스파이럴의 궤도 운동에 의해 가능하게 된다.
또한, 용적형 기계는, 용적형 기계의 고압 영역에서부터 상대 압력 챔버까지 가스 연결 라인이 형성되도록 용적형 기계가 구성될 수 있다. 예컨대, 가스 연결 라인은 고압 챔버에서부터 상대 압력 챔버까지 형성된다. 가스 연결 라인은 상대 스파이럴에 형성될 수 있고 고압 챔버를 상대 압력 챔버에 연결할 수 있다. 본 발명의 추가 실시 형태에서, 가스 연결 라인은 용적형 기계의 하우징에 형성될 수 있다.
또한, 용적형 기계의 고압 영역에서부터 상기 저압 챔버까지 오일 복귀 덕트가 형성될 수 있다. 그러므로, 압축 과정에서 오일 유동과 냉매 가스 유동이 서로 분리될 수 있다. 다시 말해, 오일 복귀 덕트는 바람직하게 가스 연결 라인과 분리된다.
냉각제는 스파이럴의 시작 영역에서 흡인되어, 두 스파이럴 사이, 즉 용적형 스파이럴과 상대 스파이럴 사이에서 압축 과정의 방향으로만 전달 또는 수송된다. 질량 유동은 상대 압력 챔버로부터 저압 영역, 특히 저압 챔버 안으로 갈 수 없다. 이 때문에, 가변 배압 시스템 또는 가변 상대 압력 시스템이 이용 가능하게 된다.
본 발명에 따른 용적형 기계은 전기적으로 그리고/또는 전동적으로(electromotively) 구동되는 용적형 기계 또는 기계식 구동기를 갖는 용적형 기계로서 구성될 수 있다.
본 발명의 추가 양태는, 본 발명에 따른 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 상기 상대 압축 챔버 용적의 85% 내지 100%, 특히 90% 내지 100%, 특히 95%가 도달되면 상기 통로가 개방되고 또한 개방 후에, 상기 용적형 스파이럴이 120°내지 360°, 특히 255°내지 315°, 특히 270°의 회전각으로 회전하는 동안에 개방된 상태로 유지된다.
바람직하게는, 상대 챔버 내의 압력은, 상기 고압 영역에서부터 상대 챔버 안으로 들어가는 질량 유동 및 상기 압축 챔버 중의 하나에서부터 상대 챔버 안으로 들어가는 질량 유동 때문에 형성된다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시 형태에 대해서는, 전술한 바, 특히, 통로의 개방 및/또는 폐쇄 시기 또는 개방 기간에 대한 전술한 바를 참조하면 된다. 본 발명에 따른 용적형 기계와 관련하여 이미 언급한 바와 유사한 이점이 얻어진다.
본 발명의 추가적인 동등한 양태는, 본 발명에 따른 용적형 기계, 특히 본 발명에 따른 스크롤 압축기를 가지고 있는 차량 공기 조화 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 용적형 기계와 관련하여 이미 언급한 바와 유사한 이점이 얻어진다.
본 발명의 추가적인 동등한 양태는, 본 발명에 따른 용적형 기계 및/또는 본 발명에 따른 차량 공기 조화 시스템을 가지고 있는 차량, 특히 하이브리드 차량에 관한 것이다. 본 발명에 따른 용적형 기계와 관련하여 이미 언급한 바와 유사한 이점이 얻어진다. 특히, 본 발명에 따른 차량은 전기 하이브리드 차량에 관한 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시 형태에 기초하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 용적형 기계의 용적형 스파이럴을 사시 상면도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 용적형 기계, 특히 스크롤 압축기의 종단면을 나타낸다.
도 3은 상대 스파이럴에서 궤도 운동을 수행하는 용적형 스파이럴의 상면도를 나타내는 것으로, 상대 스파이럴의 기부는 도시되어 있지 않다.
도 4는 본 발명에 따른 용적형 기계의 작동 원리를 도식적으로 도시한다.
도 5는 통로의 개방 기간을 회전각의 함수로 나타낸 것이다.
도 6은 R134a 냉매의 사용과 관련하여 압축 챔버내의 압력을 회전각 및 선택된 흡입 압력의 함수로 나타낸 것이다.
도 7은 R134a 냉매의 사용과 관련하여 압축 챔버로부터 고압 챔버 안으로 들어가는 방출 사이클 및 통로의 개방 단계를 나타낸다.
도 8은 흡입 압력과 관련된 폐쇄력 및 얻어질 최종 압력을 나타낸다.
이하, 동일한 부분 및 동일한 효과를 갖는 부분에 대해 동일한 참조 번호를 사용한다.
도 1에는, 본 발명에 따른 용적형 기계에 포함될 수 있는 포함될 수 있는 용적형 스파이럴(31)이 도시되어 있다. 특히, 용적형 스파이럴(31)은, 예컨대 도 2의 예시적인 실시 형태에 따라 구성될 수 있는 스크롤 압축기(10)에 포함된다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 용적형 스파이럴(31)은 기부(34)를 포함한다. 기부(34)는 용적형 스파이럴(31)의 후방 벽이라고도 할 수 있다. 기부(34)는 원형으로 구성되고 둥근 판의 형상을 가지고 있다. 나선형 플랭크 부분(36a, 36b)을 갖는 스파이럴(35)이 기부(34) 상에 형성되어 있다.
나선형 요소(35)는 용적형 스파이이럴(31)의 중간점(M)에서 진행하여 시작 영역(37)까지 연장되어 있다.
기부(34)에는 통로(60)가 형성되어 있다. 이 통로(60)는 실질적으로 기부(34)의 표면에 수직하게 있는 관통 보어에 관한 것이다. 여기서 통로(60)는 용적형 스파이럴(31)의 중심 부분(38)에 형성되어 있다. 통로(60)는 기부(34)의 일부분에 형성되어 있고, 통로(60)는 나선형 플랭크 부분(36a, 36b) 사이에 편심적으로 형성되어 있다. 나선형 통로(39)의 총 길이는 개구(37a)에서부터 진행하여 나선형 통로(39)의 단부(39a)까지 형성되어 있다. 단부(39a)는 냉매의 유동 방향으로 나선형 통로(39)의 마지막 부분이다. 도시되어 있는 실시예에서, 단부(39a)는 만곡된 형태로 구성되어 있다.
도 1에 따라 도시되어 있는 용적형 스파이럴(31)은 도 2의 예시적인 실시 형태에 따른 스크롤 압축기(10)에 포함된다. 이 스크롤 압축기(10)는 예컨대 차량 공기 조화 시스템의 압축기로서 작용할 수 있다. CO2 차량 공기 조화 시스템과 같은 차량 공기 조화 시스템은 일반적으로 가스 냉각기, 내부 열 교환기, 스로틀, 증발기, 및 압축기를 가지고 있다. 따라서 압축기는 도시되어 있는 스크롤 압축기(10)일 수 있다. 다시 말해 스크롤 압축기(10)는 나선 원리에 따른 용적용 기계에 관한 것이다.
도시되어 있는 스크롤 압축기(10)는 벨트 풀리 형태의 기계식 구동기(11)를 가지고 있다. 사용 중에, 벨트 풀리(11)는 전기 모터 또는 내연 엔진에 연결된다. 대안적으로, 스크롤 압축기는 전기식 또는 전동적으로(electromotively) 구동될 수 있다.
스크롤 압축기(10)는 상측 하우징 부분(21)을 갖는 하우징(20)을 추가로 포함하고, 그 상측 하우징 부분은 스크롤 압축기(10)의 고압 영역(47)을 폐쇄한다. 하우징(20) 안에는 하우징 중간벽(22)이 형성되어 있는데, 이 하우징 중간벽은 저압 챔버(30)를 한정한다. 저압 챔버(30)는 또한 흡입 챔버고도 할 수 있다.
하우징 기부(23)에는 관통 개구가 구성되어 있는데. 구동축(12)이 그 관통 개구를 통해 연장되어 있다. 하우징(20)의 외부에 배치되어 있는 축 단부(13)는 구동기(14)에 내토크(torque-proof) 방식으로 연결되며, 구동기는 하우징(20)에 회전 가능하게 장착되어 있는 벨트 풀리, 즉 기계식 구동기(11)에 결합되며, 따라서 토크가 벨트 풀리로부터 구동축(12)에 전달될 수 있다.
구동축(12)은 한편으로 하우징 기부(23)에 또한 다른 한편으로는 하우징 중간벽(22)에 회전 가능하게 장착된다. 하우징 기부(23)에 대한 구동축(12)의 밀봉은 제 1 축 시일(23)을 통해 이루어지고, 하우징 중간벽(22)에 대한 밀봉은 제 2 축 시일(25)을 통해 이루어진다.
스크롤 압축기(10)는 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32)을 더 포함한다. 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32)은 서로에 결합한다. 상대 스파이럴(32)은 바람직하게는 원주 방향 및 반경 방향 모두로 고정된다. 구동축(12)에 결합되어 있는 가동 용적형 스파이럴(31)은 원형 경로를 그리며, 그래서, 알려져 있는 방식으로 이 운동을 통해, 복수의 가스 포켓 또는 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d)가 형성되며, 가스 포켓 또는 압축 챔버는 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32) 사이에서 반경 방향 내측으로 이동하게 된다.
이 궤도 운동을 통해, 작동 매체, 특히 냉매가 흡입되고, 또한 추가 나선형 운동 및 이에 수반하는 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d)의 감소로 압축된다. 작동 매체, 특히 냉매는 반경 방향 외측에서 반경 방향 외측으로 가면서 예컨대 선형적으로 점점 더 압축되고, 상대 스파이럴(32)의 중심 부분에서 고압 챔버(40) 안으로 방출된다. 용적형 스파이럴(31)의 궤도 운동을 발생시키기 위해 편심 베어링(26)이 형성되어 있고, 이 편심 베어링은 편심 핀에 의해 구동축(12)에 연결된다. 편심 베어링(26)과 용적형 스파이럴(31)은 상대 스파이럴(32)에 대해 편심적으로 배치된다. 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d)는 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32)의 접촉에 의해 압밀한(pressure-tight) 방식으로 서로 분리되어 있다.
고압 챔버(40)가 유동 방향으로 상대 스파이럴(32)의 하류에 있고 출구(48)를 통해 상대 스파이럴(32)과 유체 연결된다. 바람직하게 출구(48)는 정확하게 상대 스파이럴(32)의 중간점에 배치되지 않고, 최내측 압축 챔버(65a)의 영역에서 편심적으로 위치되며, 그 최내측 압축 챔버는 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32) 사이에 형성된다. 그리하여, 출구(48)는 베어링 부시(28)로 덮히지 않고 최종 압축된 작동 매체가 고압 챔버(40) 안으로 방출될 수 있다.
상대 스파이럴(32)의 기부(33)는 어떤 부분에서 고압 챔버(40)의 기부를 형성한다. 기부(33)는 고압 챔버(40) 보다 넓다. 고압 챔버(40)는 측면에서 측벽(41)에 의해 경계져 있다. 상대 스파이럴(32)의 기부(33) 쪽을 향하는 측벽(41)의 단부에 오목부(42)가 형성되어 있고, 이 오목부에 밀봉 링(43)이 배치된다. 측벽(41)은 원주 벽이고, 이 원주 벽은 상대 스파이럴(32)의 스탑을 형성한다. 고압 챔버(40)는 상측 하우징 부분(21)에 형성된다. 이는 회전 대칭형 단면을 가지고 있다.
고압 챔버(40)에 모여 있는 압축 작동 매체, 즉 냉매 가스는 출구(44)를 통해 고압 챔버(40)로부터 유출하여 오일 분리기(45) 안으로 유입하고, 여기서 그 오일 분리기는 사이클론 분리기로 구성되어 있다. 압축 작동 매체, 즉 압축 냉매 가스는 오일 분리기(45)와 개구(46)를 통해 예시적인 공기 조화 시스템의 회로 안으로 유입한다.
상대 스파이럴(32)에 가해지는 용적형 스파이럴(31)의 접촉 압력에 대한 제어는, 용적형 스파이럴(31)의 기부(34)에 대응 압력이 작용하도록 이루어진다. 이를 위해, 상대 압력 챔버(50)(배압 공간이라고도 함)가 형성된다. 편심 베어링(26)은 상대 압력 챔버(50)에 있다. 상대 압력 챔버(50)는 용적형 스파이럴(31)의 기부(34)와 하우징 중간벽(22)에 의해 경계져 있다.
상대 압력 챔버(50)는 이미 설명한 제 2 축 시일(25)에 의해 저압 챔버(30)로부터 유밀한(fluid-tight) 방식으로 분리되어 있다. 밀봉 및 슬라이드 링(29)이 하우징 중간벽(22)의 환형 홈에 위치한다. 그러므로 용적형 스파이럴(31)은 밀봉 및 슬라이드 링(29)에서 축방향으로 지지되고 그 링 상에서 슬라이딩하게 된다.
마찬가지로 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 용적형 스파이럴(31)의 통로(60)는 적어도 일시적으로 상대 압력 챔버(50)와 도시되어 있는 압축 챔버(65a) 사이의 유체 연결을 이룰 수 있다.
상대 스파이럴(32)의 나선형 요소(66), 특히 나선형 플랭크 부분(67b)은 통로(60)를 일시적으로 폐쇄할 수 있다. 다시 말해, 통로(60)는 나선형 플랭크 부분(67b)에 대한 대응하는 변위에 의해 열리게 되며, 그래서 작동 매체가 압축 챔버(65a 또는 65b 또는 65c)로부터 상대 압력 챔버(50)의 방향으로 흐를 수 있게 된다.
도 2에 더 도시되어 있는 바와 같이, 가스 연결 라인(70)이 용적형 기계 또는 스크롤 압축기(10)의 고압 영역(47)에서부터 상대 압력 챔버(50)까지 형성되어 있다. 이 가스 연결 라인(70)은 오일 분리기(45) 다음에 형성되어 있어, 실제로는 오일이 아닌 가스만 가스 연결 라인(70)을 통해 전달된다. 스로틀(71)이 가스 연결 라인(70)에 형성되어 있다.
본 발명의 대안적인 구성(미도시)에서, 상대 스파이럴(32)에 가스 연결 라인이 형성될 수 있다. 이러한 가스 연결 라인은 고압 챔버(40)에서터 상대 압력 챔버(50)까지의 연결을 이룰 수 있다.
상대 압력 챔버(50)로부터 저압 챔버(30)까지의 유체 연결은 이루어지지 않음을 언급해 둔다. 질량 유동은 상대 압력 챔버(50)로부터 저압 챔버(30) 안으로 도달할 수 없다.
도 2에 더 나타나 있는 바와 같이, 스로틀(76)을 갖는 오일 복귀 덕트(75)가 고압 영역(47)에서부터 진행하여 형성되어 있다. 이러한 오일 복귀 덕트(75)는 오일 복귀를 보장하기 위해 고압 영역(47)과 저압 챔버(30)를 서로 연결한다. 그러므로, 개별적인 오일 복귀 및 개별적인 가스 복귀가 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 스크롤 압축기로 또는 도 1에 예시적으로 도시되어 있는 용적형 스파이럴(31)의 사용으로, 가변 배압 시스템, 즉 가변 상대 압력 챔버 시스템이 구성될 수 있다. 이는 특히 통로(60)의 배치에 기반한다. 압축 과정의 시기에 따라 스파이럴(31, 32)의 서로에 대한 다양한 위치가 나타나며, 그래서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 통로(60)가 자유롭게 될 수 있고, 압축 챔버와 상대 압력 챔버(50) 사이의 유체 연결이 이루어질 수 있다.
도 3에는 용적형 스파이럴(31)을 위쪽에서 본 것이 도시되어 있는데, 여기서 상대 스파이럴(32)의 나선형 요소(66) 또는 나선형 플랭크 부분(67a, 67b)을 볼 수 있다. 그러나, 상대 스파이럴(32)의 기부(33)는 도 3에서 볼 수 없다.
통로(60)는 폐쇄되어 있지 않은데, 즉 상대 스파이럴(32)의 나선형 요소(66) 은 통로(60)를 덮지 않는다. 통로(60)의 개방 때문에, 압축 챔버(65c)와 상대 압력 챔버(50) 사이의 유체 연결이 이루어질 수 있다.
도 4에, 본 발명에 따른 용적형 기계의 기본 원리가 도식적으로 도시되어 있다. 저압 챔버 또는 흡입 챔버(30), 고압 챔버(40), 상대 압력 챔버 또는 배압 공간(50)을 볼 수 있다. 오일 복귀 덕트(75)가 고압 챔버(40)와 저압 챔버(30) 사이에 형성되어 있다. 따라서 오일 복귀는 고압 챔버(40)와 저압 챔버(30) 사이에서만 일어나게 된다. 그와는 별도로, 가스 연결 라인(70)이 고압 챔버(40)와 상대 압력 챔버(50) 사이에 형성되어 있다. 용적형 스파이럴(31)의 통로(60)도 볼 수 있다. 형성된 통로(60) 때문에, 용적형 챔버 중의 하나와 상대 압력 챔버(50) 사이의 연결이 가능하다.
도 5에는, 스크롤 압축기의 용적 변화 곡선이 도시되어 있다. 이 용적 변화 곡선은 기본적으로 모든 스크롤 압축기에 대해 대략 동일하고 또한 사용되는 냉매에 대해서는 독립적이다. 여기서 0°의 회전 각도는 스크롤 압축기에서 압축 과정의 시작을 나타낸다. 또한, 실질적으로 직사각형인 대시선 그래프를 볼 수 있다. 여기서 이 그래프는, 압축 챔버 내의 상대 용적(상대 챔버 용적)에 따라 통로(60)가 개방되는 압축 과정의 시기를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 용적형 스파이럴의 활성화 상태에서 통로(60)는 상대 압축 챔버 용적의 90% 내지 100%, 특히 95%에 도달하면 개방되고 이어서 개방 후에 용적형 스파이럴(31)가 약 120°내지 360°의 회전 각도, 특히 약 270°의 회전 각도로로 회전 하는 중에는 개방 상태로 유지됨으로써, 제 1 통로(60)는 용적형 스파이럴(31)의 그러한 부분, 특히 그러한 기부에 형성된다. 본 경우에, 통로(60)는 35°의 회전 각도에서 개방된다. 한편, 통로(60)의 폐쇄는 305°의 회전 각도에서 일어난다.
마찬가지로 도 6에는, 통로(60)의 개방 시간 기간이 도시되어 있다. 이 도시는 스크롤 압축기(10)에 대응하고, 여기서 R134a이 냉매로 사용된다. 도시되어 있는 그래프는 냉매 종속적이다. 또한 그래프는 1 bar, 3 bar 및 6 bar의 서로 다른 흡입 압력(pS)에 대해 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 압축 챔버내의 압력(챔버 압력)의 거동은 회전각의 함수로 도시되어 있다. 1 bar의 흡입 압력 또는 낮은 압력의 경우, 압축 곡선은 통로(60)의 개방 시기에 비교적 평평하게 진행하고, 반면 각각의 시간 기간에서 6 bar의 흡입 압력에서 압축 곡선은 비교적 가파르게 진행한다. 1 bar, 3 bar 및 6 bar의 흡입 압력은 -25℃, 0℃ 및 25℃의 각각의 포화 온도/증발 온도(υ'')를 나타낸다. 표준 스크롤 압축기는 차량 공기 조화 시스템에서 -25℃ 내지 +25℃ 이들 온도 범위에서 대응 온도를 제공해야 하고, 그래서 흡입 압력(pS)은 1 bar 내지 6 bar의 범위에서 변하게 된다.
도 7에도, 회전각의 함수로 압축 챔버내의 압력(챔버 압력)을 도시하는 그래프가 나타나 있다. 여기서, 현재의 압축 사이클은 굵은 실선으로 도시되어 있다. 이전 사이클 및 다음 사이클은 더 얇은 선으로 나타나 있다. 현재의 압축 사이클에 대해, 통로(60)의 개방 기간(대시선)이 추가로 도시되어 있다.
20 bar의 압축 압력이 얻어짐을 알 수 있으며, 여기서 그래프의 평평한 상측 부분은 방출 한계(80)를 나타낸다. 이 한계(80)에서, 압축 가스는 고압 챔버(40) 안으로 방출된다. 방출은 대략 180°내지 360°의 회전각에서 일어난다. 그래프는 소위 배출각(81)을 더 나타내고 있다. 이 배출각(81)은, 마지막 압축 가스가 고압 챔버 안으로 방출되고 이어서 압축 챔버내의 압력이 갑자기 감소하는 시기에 관계된다. 압축 챔버에서 압축된 가스는 완전히 방출되지는 않는다. 잔류 가스가 압축 챔버에 남아 있게 된다. 그러나 이 잔류 가스는 상대 압력 챔버(50) 안으로 방출되어서는 안 되고, 그래서, 배출각(81)에 도달하기 전에 제 1 개구(60)는 폐쇄 상태로 유지되어야 한다. 도 7에 따르면, 배출각(81)에 도달하기 전에 제 1 통로(60)는 적어도 30°동안 폐쇄될 것이다.
영역(82)(현재 압축 사이클의 그래프와 그 위쪽에 있는 점선 사이에 형성됨)은, 고압 챔버 안으로 방출되지 않은 이전 압축 사이클의 잔류 가스를 나타낸다.
도 8에는, 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32)에 관계되는 상대 폐쇄력을 나타내는 영역이 나타나 있다. 이는 흡입 압력 및 얻어질 최종 압력(배출 압력)의 함수로 도시되어 있다. 명백한 바와 같이, 최종 압력이 증가함에 따라, 폐쇄력도 증가되어야 한다. 도 8에 나타나 있는 것은, R134a 작동 매체로 작동되는 스크롤 압축기에 관한 것이다. 실제로, 안전을 위해, 도 8에 나타나 있는 것 보다 높은 폐쇄력이 발생된다.
10 스크롤 압축기
11 기계식 구동기
12 구동 축
13 축 단부
14 구동기
15 원주 벽
20 하우징
21 상측 하우징 부분
22 하우징 중간벽
23 하우징 기부
24 제 1 축 시일
25 제 2 축 시일
26 편심 베어링
28 베어링 부시
29 슬라이드 링
30 저압 챔버
31 용적형 스파이럴
32 상대 스파이럴
33 상대 스파이럴 기부
34 용적형 스파이럴 기부
35 나선형 요소
36a, 36b 나선형 플랭크 부분
37 시작 영역
37a 개구
38 중심 부분
39 나선형 통로
39a 단부
40 고압 챔버
41 측벽
42 오목부
43 밀봉 링
44 출구
45 오일 분리기
46 개구
47 고압 영역
48 출구
50 상대 압력 챔버
60 통로
65a, 65b, 65c, 65d 압축 챔버
66 나선형 요소
67a, 67b 나선형 플랭크 부분
70 가스 연결 라인
71 스로틀
75 오일 복귀 채널
76 스로틀
80 방출 한계
81 배출각
82 영역
M 용적형 스파이럴 중간점

Claims (11)

  1. 나선 원리에 따른 용적형 기계로서, 고압 챔버(40)를 포함하는 고압 영역(47), 저압 챔버(30), 및 궤도 운동하는 용적형 스파이럴(31)을 가지며, 작동 매체를 수용하기 위해 상기 용적형 스파이럴(31)과 상대 스파이럴(32) 사이에 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d)가 형성되도록 상기 용적형 스파이럴은 상기 상대 스파이럴(32)에 결합하고, 상기 저압 챔버(30)와 상기 용적형 스파이럴(31) 사이에는 상대 압력 챔버(50)가 형성되며,
    상기 용적형 스파이럴(31)은 단지 하나의 통로(60)를 가지며, 상기 통로는 적어도 일시적으로 상기 상대 압력 챔버(50)와 상기 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d) 중 적어도 하나의 사이에 유체 연결을 이루며, 상기 통로(60)는, 상기 용적형 기계의 활성화 상태에서 상대 압축 챔버 용적의 85% 내지 100%에 도달되면 상기 통로(60)가 개방되고 또한 개방 후에, 상기 용적형 스파이럴(31)이 120°내지 360°의 회전각으로 회전하는 동안에 개방된 상태로 유지되는 용적형 스파이럴(31)의 일부분에 형성되어 있고, 가스 연결 라인(70)이 용적형 기계의 고압 영역(47)에서부터 상대 압력 챔버(50)까지 형성되어 있는, 용적형 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상대 압력 챔버(50)는 상기 저압 챔버(30)와 유체 연결되어 있지 않은, 용적형 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 통로(60)는 상기 용적형 스파이럴(31)의 기부(34)의 일부분에 형성되어 있는, 용적형 기계.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 통로(60)는 배출각에 도달하기 전에 적어도 10°의 회전각에서 폐쇄되는, 용적형 기계.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 연결 라인(70)은 하우징(20)에 형성되어 있고 상기 고압 챔버(40)를 상대 압력 챔버(50)에 연결하는, 용적형 기계.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용적형 기계의 고압 영역(47)에서부터 상기 저압 챔버(30)까지 오일 복귀 덕트(75)가 형성되어 있는, 용적형 기계.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법으로서, 상기 상대 압축 챔버 용적의 85% 내지 100%에 도달되면 상기 통로(60)가 개방되고 또한 개방 후에, 상기 용적형 스파이럴(31)이 120°내지 360°의 회전각으로 회전하는 동안에 개방된 상태로 유지되는, 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상대 압력 챔버(50) 내의 압력은, 상기 고압 영역(47)에서부터 상대 압력 챔버(50) 안으로 들어가는 질량 유동 및 상기 압축 챔버(65a, 65b, 65c, 65d) 중의 하나에서부터 상대 압력 챔버(50) 안으로 들어가는 질량 유동 때문에 형성되는, 용적형 기계를 작동시키기 위한 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 용적형 기계를 구비하는 차량 공기 조화 시스템.
  10. 제 9 항에 따른 차량 공기 조화 시스템을 구비하는 차량.
  11. 삭제
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