KR102118617B1 - 스크롤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 상기 스크롤 압축기가 흡인 유입구(10)와 시스템-배출구(11)를 갖는 하우징(9), 상기 하우징(9) 내에 고정 배치되어 있고, 제1 플레이트(14)에 형성된 스파이럴(15)을 갖는 제1 스크롤 부재(13), 상기 하우징(9) 내에 회전 가능하게 배치되어 있고, 제2 플레이트(12)에 형성된 제2 스파이럴(2)을 갖는 제2 스크롤 부재(1)를 포함하고, 상기 제2 스파이럴(2)은 제2 스크롤 부재(1)가 회전할 때 제1 스파이럴(15) 상에 흡인 챔버(SC), 중앙 챔버(MC) 및 배출 챔버(DC)를 형성하면서 스크롤링될 수 있도록 상기 제1 스파이럴(15)과 소정의 각도로 회전하고 그리고 반경 방향으로 오프셋 방식으로 배치되어 결합되어 있으며, 이 경우 상기 제1 플레이트(14) 내에는, 각각 밸브(16)에 의해 차단 가능한 2개의 편심 배치된 예비 배출구(3)와 상기 흡인 유입구(10)를 통해 공급되는 냉매용으로 중앙에 배치된 메인 배출구(4)가 형성되어 있으며, 이 경우 상기 스크롤 압축기는 상기 메인 배출구(4)가 불용 체적을 갖는 배출 캐비티(17)로 이어지고, 상기 배출 캐비티는 상기 메인 배출구(4)와 시스템-배출구(11) 사이에 형성되어 있고 상기 시스템-배출구(11) 방향으로 배출 밸브(18)를 구비하며, 이 경우 상기 배출 캐비티(17)로 이어지는 메인 배출구(4)의 입구에는 상기 메인 배출구(4)를 차단하기 위한 밸브(16)가 제공되어 있지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}
본 발명은 공기 조화 모드와 열 펌프 모드에서 효율적으로 작동하는 스크롤 압축기(scroll compressor)에 관한 것이다.
통상적으로 공기 조화 시스템의 냉각 회로용 스크롤 압축기는 특히, 공기 조화 모드, 즉 냉각 모드에서 효율적으로 작동하도록 설계되어 있다. 목표는 최대 유동률(flow rate)에서 낮은 전력 소비를 달성하는 것이다. 이는 특정 압력비와 속도에서 출구 온도가 낮아지도록 한다. 그러나 열 펌프 회로에서는 객실 내부를 가열하기 위해 높은 출구 온도를 달성해야 한다. 이 때문에 높은 출구 온도를 달성하기 위해서는 효율적인 스크롤 압축기를 사용하여 높은 압력비를 달성해야 한다. 그러나 상대적으로 더 높은 압력비에서는 체적 효율이 떨어지고, 압축기가 비효율적으로 된다. 이 경우에는 베어링 하중(bearing load)도 증가한다.
440° 내지 900° 범위의 랩 각(wrap angle)을 갖는 통상적인 스크롤 압축기의 경우, 효율적으로 작동할 수 있도록 2개의 예비 배출구와 하나의 메인 배출구가 필요하다. 각각의 배출구는 압축 챔버 내 압력이 고압 아래로 떨어지면 밸브(25)에 의해 폐쇄된다. 그 결과 고온 가스가 다시 압축 챔버 내로 흐르고, 압축기가 비효율적으로 되는 것이 방지된다. 이러한 이유로, 종래 기술에 따른 A/C 압축기는 3중 배출 밸브, 소위 3-핑거 밸브를 갖는다. 높은 배기가스 온도가 요구되는 열 펌프 회로에서 작동하는 스크롤 압축기에 있어서는, 고온 가스가 다시 압축 챔버 내로 흐를 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 과제는, 공기 조화(air condition) 모드와 열 펌프 모드 모두에서 효율적으로 작동하는 냉매 스크롤 압축기를 제안하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 특징들을 갖는 스크롤 압축기에 의해 해결된다. 개선예들은 종속항들에 기재되어 있다.
해결책은 모든 A/C 조건에서 냉매가 메인 배출 개구를 통해 유출되기 전에 고압이 달성되도록 스크롤 구조를 설계하는 것이다. 이에 따라 메인 배출구에서 밸브가 필요하지 않다. 추가적인 불용 체적(dead volume)이 제공됨으로써, 상기와 같은 메인 배출구에서의 밸브 생략은 출력에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 열 펌프 상태에서는 예비 배출 밸브들이 폐쇄된 상태로 유지되고, 전체 냉매가 메인 배출구를 벗어난다. 고압 측으로부터의 역류는 낮은 압력비에서 높은 출구 온도와 불충분한 압축을 초래한다.
본 발명에 따른 스크롤 압축기는 흡인 유입구와 시스템-배출구를 갖는 하우징을 구비한다. 상기 하우징 내에는 제1 플레이트에 형성된 스파이럴을 갖는 제1 스크롤 부재가 배치되어 있다. 또한, 상기 하우징은 회전 가능하게 배치되어 있고, 제2 플레이트에 형성된 제2 스파이럴을 갖는 제2 스크롤 부재를 포함하며, 상기 제2 스파이럴은 제2 스크롤 부재가 회전할 때 제1 스파이럴 상에 흡인 챔버, 중앙 챔버 및 배출 챔버를 형성하면서 스크롤링될 수 있도록 상기 제1 스파이럴과 소정의 각도로 회전하고 그리고 반경 방향으로 오프셋 방식으로 배치되어 결합되어 있으며, 이 경우 상기 제1 플레이트 내에는, 각각 밸브에 의해 차단 가능한 2개의 편심 배치된 예비 배출구 그리고 상기 흡인 유입구를 통해 공급되는 냉매용으로 중앙에 배치된 하나의 메인 배출구가 형성되어 있다. 상기 메인 배출구는 불용 체적을 갖는 배출 캐비티로 이어지고, 상기 배출 캐비티는 상기 메인 배출구와 시스템-배출구 사이에 형성되어 있고 상기 시스템-배출구 방향으로 배출 밸브를 구비한다. 이 경우 상기 배출 캐비티로 이어지는 메인 배출구의 입구에는 상기 메인 배출구를 차단하기 위한 밸브가 제공되어 있지 않다. 상기 배출 밸브와 배출 캐비티는 홀더에 의해 하우징 내에 고정될 수 있다.
본 발명의 장점은 스크롤 컴프레서 또는 간단히 컴프레서로도 지칭될 수 있는 스크롤 압축기가 열 펌프 모드에서 상대적으로 더 낮은 압력과 더 낮은 회전 속도로 작동할 수 있다는 것이다. 이것은 보다 개선된 NVH(Noise, Vibration, Harshness), 더 낮은 에너지 소비 및 더 낮은 베어링 하중으로 이어진다. 바람직하게는 이로써 베어링의 긴 사용 수명이 달성될 수 있거나, 또는 베어링 크기가 감소될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 셧다운 시 개선된 NVH 거동을 갖는다는 중요한 장점이 있다.
본 발명에 따른 스크롤 압축기의 일 실시예에 따르면, 스크롤 압축기의 출구 측에 리어 헤드(rear head)로도 지칭되는 하우징부의 전체 공동이 배출 캐비티를 형성할 수 있으며, 이 경우 상기 배출 캐비티의 체적은 불용 체적에 상응한다. 이 경우에는 메인 배출구와 2개의 예비 배출구가 배출 캐비티로 이어질 수 있다. 또한, 상기 배출 캐비티는 출구 측에서 제1 플레이트에 배치되어 있고 메인 배출구와 2개의 예비 배출구를 덮는 돔(dome)을 구비하여 형성될 수 있다.
메인 배출구만 배출 캐비티로 이어지는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 추가 실시 변형예에 따르면, 상기 배출 캐비티가 돔을 구비하여 형성되어 있고, 이러한 돔은 출구 측에서 제1 플레이트에 배치되어 있고, 동시에 메인 배출구를 덮으며, 이 경우 2개의 예비 배출구는 배출 캐비티와 시스템-배출구 사이에 형성된 간극으로 이어진다. 합목적적으로 배출 캐비티와 시스템-배출구 사이에는 간극이 제공될 수 있다. 이 경우 간극은 2개의 예비 배출구와 배출 캐비티의 출구가 상기 간극으로 이어지도록 형성될 수 있다.
바람직하게 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 660°의 총 랩 각을 가질 수 있다. 그 결과 스크롤 부재들의 스파이럴들 사이에 각 하나의 흡인 챔버, 중앙 챔버 및 배출 챔버가 형성될 수 있다. 이 경우 메인 배출구가 밸브에 의해 차단됨 없이 중앙 챔버 내에서 모든 테스트 포인트에서는 항상 필요한 고압이 달성된다. 단지 예비 배출구들만 개폐된다.
본 발명은 또한, 공기 조화 모드 또는 열 펌프 모드에서 전술한 스크롤 압축기의 용도를 포함하며, 이 경우 예비 배출구들의 밸브들은 냉각 에너지를 발생시키기 위한 공기 조화 모드에서는 개폐되고, 그리고 열을 발생시키기 위한 열 펌프 모드에서는 폐쇄된 상태로 유지된다.
본 발명의 실시예들의 추가적인 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 이루어지는 실시예들의 하기 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1은 스크롤 압축기의 스크롤 부재의 개략도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 3-핑거 밸브이며,
도 3은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제1 실시 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제2 실시 변형예의 개략적인 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제3 실시 변형예의 개략적인 단면도이고,
도 6은 공기 조화 모드를 상세히 설명하기 위한 제1 개략도를 도시하며,
도 7은 공기 조화 모드를 상세히 설명하기 위한 제2 개략도를 도시하고,
도 8은 공기 조화 모드를 상세히 설명하기 위한 스크롤 압축기의 등방성 압축을 나타낸 다이어그램이며, 그리고
도 9는 열 펌프 모드를 상세히 설명하기 위한 스크롤 압축기의 등방성 압축을 나타낸 다이어그램이다.
반복되는 특징들은 도면들에서 동일한 도면 번호로 표시되어 있다.
도 1은 스크롤 부재(13)를 도시하며, 이 경우 도면 A에서 상기 스크롤 부재(13)는 스파이럴(15), 2개의 예비 배출구(3) 및 메인 배출구(4)를 갖는다. 도면 B는 2개의 예비 배출구(3) 및 메인 배출구(4)를 갖는 스크롤 부재(13)의 출구 측 형상을 도시한다.
도 2는, 종래 기술에 따라 핑거 또는 블레이드(6)들을 이용해서 2개의 예비 배출구(3)를 차단하기 위해 그리고 메인 블레이드 또는 중앙 블레이드(7)를 이용해서 메인 배출구(4)를 차단하기 위해 사용되는 바와 같은, 소위 3-핑거 밸브(5)를 도시한다. 상기 3-핑거 밸브는 예비 배출구(3)들과 메인 배출구(4)의 동시 개폐를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 스크롤 압축기의 콘셉트에 따르면, 메인 배출구(4)에는 밸브가 제공되지 않기 때문에, 상기 메인 배출구(4)는 항상 개방되어 있으며, 이 경우 상기 메인 배출구(4)는 배출 캐비티로 이어진다.
도 3은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제1 실시 변형예의 개략적인 단면도를 도시한다. 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 흡인 유입구(10)와 시스템-배출구(11)를 갖는 하우징(9)을 구비한다. 상기 하우징(9) 내에는 제1 플레이트(14)에 형성된 제1 스파이럴(15)을 갖는 제1 스크롤 부재(13)가 고정 배치되어 있다. 또한, 상기 하우징(9)은 제2 플레이트(12)에 형성된 제2 스파이럴(2)을 갖고 회전 가능하게 배치된 제2 스크롤 부재(1)를 포함하고, 상기 제2 스파이럴(2)은 제2 스크롤 부재(1)가 회전할 때 제1 스파이럴(15) 상에 흡인 챔버(SC), 중앙 챔버(MC) 및 배출 챔버(DC)(도 6 및 7 참조)를 형성하면서 스크롤링될 수 있도록 상기 제1 스파이럴(15)과 소정의 각도로 회전하고 그리고 반경 방향으로 오프셋 방식으로 배치되어 결합되어 있으며, 이 경우 상기 제1 플레이트(14) 내에는, 각각 밸브(16)에 의해 차단 가능한 2개의 편심 배치된 예비 배출구(3)와 상기 흡인 유입구(10)를 통해 공급되는 냉매용으로 중앙에 배치된 메인 배출구(4)가 형성되어 있다. 상기 메인 배출구(4)는 불용 체적을 갖는 배출 캐비티(17)로 이어지고, 상기 배출 캐비티는 상기 메인 배출구(4)와 시스템-배출구(11) 사이에 형성되어 있고 상기 시스템-배출구(11) 방향으로 배출 밸브(18)를 구비한다. 이 경우 상기 배출 캐비티(17)로 이어지는 메인 배출구(4)의 입구에는 상기 메인 배출구(4)를 차단하기 위한 밸브가 제공되어 있지 않다. 상기 배출 밸브(18)와 배출 캐비티(17)는 홀더(19)에 의해 하우징(9) 내에 고정되어 있다. 본 실시 변형예에서 예비 배출구(3)들과 메인 배출구(4)는 배출 캐비티(17)로 이어진다.
도 4는 도 3과 같이, 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제2 실시 변형예의 개략적인 단면도를 도시하며, 이 경우 차이점은 배출 캐비티(17)가 돔(8)을 구비하여 형성되어 있고, 상기 돔은 단지 메인 배출구(4)만 덮음으로써, 상기 예비 배출구(3)들이 상기 돔(8)과 시스템 배출구(11) 사이에 형성된 간극(20)으로 이어진다는 것이다.
도 5는 도 4와 같이, 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제3 실시 변형예의 개략적인 단면도를 도시하며, 이 경우 차이점은 돔(8)이 예비 배출구(3)들과 메인 배출구(4)를 덮음으로써, 상기 예비 배출구(3)들과 메인 배출구(4)가 배출 캐비티(17)로 이어진다는 것이다.
도 6 및 도 7은 공기 조화 모드를 상세히 설명하기 위한 개략도를 도시한다. 제1 스파이럴(15)과 제2 스파이럴(2)의 상이한 회전각이 각각 도시되어 있으며, 이 경우 상기 스파이럴(15 및 2)들 사이에는 각 하나의 흡입 챔버(SC), 중앙 챔버(MC) 및 배출 챔버(DC)가 형성되어 있다. 도 6a는 0° 또는 360°의 회전각을 도시하고, 이 경우 흡입 챔버(SC)는 35bar의 압력을, 중앙 챔버(MC)는 130bar의 압력을 그리고 배출 챔버(DC)는 130bar의 압력을 갖는다. 도 6a와 달리, 도 6b에서 회전각은 90°이고, 이 경우 중앙 챔버(MC)는 45bar의 압력을 갖는다.
도 7a는 180°의 회전각을 도시하며, 이 경우 중앙 챔버(MC)는 57bar의 압력을 갖는다. 도 7b에 도시된 바와 같이 회전각이 270°일 때 중앙 챔버(MC)는 79bar의 압력을 갖는다.
도 8은, 공기 조화 모드를 상세히 설명하기 위한, 영역(21)과 영역(22)에서 스크롤 압축기의 등방성 압축에 대한 다이어그램을 도시하며, 이 다이어그램에서 예비 배출구(3)들의 밸브(16)들은 영역(21)에서 개폐된다. 비록 메인 배출구(4)에 메인 배출 밸브가 존재하지 않더라도, 결합된 내부 압축 챔버 내에서 고압 유동이 발생하지 않으며, 이 경우 상기 압축 챔버는 배출 챔버(DC)와 배출 캐비티(17)로 형성되어 있다. 배출 챔버(DC)와 배출 캐비티(17)의 레벨은 동일하다. 압축기는 낮은 출구 온도를 갖는다. 총 랩 각은 660°에 이르며, 그 결과 항상 3개의 압축 챔버(흡입 챔버(SC), 중앙 챔버(MC) 및 배출 챔버(DC))가 형성될 수 있다. 특정 냉매 CO2의 특성으로 인해, 중앙 챔버(MC) 내 모든 온도 조절 테스트 포인트에서 요구되는 고압이 달성된다(360°의 회전각). 따라서 메인 배출 밸브가 필요하지 않다. 단지 예비 배출구(3)만 개폐된다.
도 9는 열 펌프 모드를 상세히 설명하기 위한, 영역(21)과 영역(22)에서 스크롤 압축기의 등방성 압축에 대한 다이어그램을 도시한다. 열 펌프 모드에서, 예비 배출구(3)들의 밸브(16)들은 폐쇄된 상태로 유지된다. 메인 배출구(4)가 항상 개방되어 있기 때문에 고압 유동이 가능하다. 압축 챔버 내 압력 레벨은 배출 캐비티(17) 내 압력 레벨보다 낮다. 스크롤 압축기는 열 펌프의 효율적인 작동을 위해 필요한 높은 출구 온도를 갖는다.
1: 제2 스크롤 부재
2: 제2 스파이럴
3: 예비 배출구
4: 메인 배출구
5: 3-핑거 밸브
6: 핑거/블레이드
7: 메인 블레이드/중앙 블레이드
8: 돔
9: 하우징
10: 흡인 유입구
11: 시스템-배출구
12: 제2 플레이트
13: 제1 스크롤 부재
14: 제1 플레이트
15: 제1 스파이럴
16: 밸브
17: 배출 캐비티
18: 배출 밸브
19: 홀더
20: 간극
21: 예비 배출구 영역
22: 메인 배출구 영역
SC: 흡인 챔버/흡입 챔버
MC: 중앙 챔버
DC: 출구 챔버
LP: 흡인 압력/저압
HP: 배출 압력/고압

Claims (6)

  1. 스크롤 압축기(scroll compressor)로서,
    상기 스크롤 압축기가 흡인 유입구(10)와 시스템-배출구(11)를 갖는 하우징(9), 상기 하우징(9) 내에 고정 배치되어 있고, 제1 플레이트(14)에 형성된 제1 스파이럴(15)을 갖는 제1 스크롤 부재(13), 상기 하우징(9) 내에 회전 가능하게 배치되어 있고, 제2 플레이트(12)에 형성된 제2 스파이럴(2)을 갖는 제2 스크롤 부재(1)를 포함하고, 상기 제2 스파이럴(2)은 제2 스크롤 부재(1)가 회전할 때 제1 스파이럴(15) 상에 흡인 챔버(SC), 중앙 챔버(MC) 및 배출 챔버(DC)를 형성하면서 스크롤링될 수 있도록 상기 제1 스파이럴(15)과 소정의 각도로 회전하고 그리고 반경 방향으로 오프셋 방식으로 배치되어 결합되어 있으며, 상기 제1 플레이트(14) 내에는, 각각 밸브(16)에 의해 차단 가능한 2개의 편심 배치된 예비 배출구(3)와 상기 흡인 유입구(10)를 통해 공급되는 냉매용으로 중앙에 배치된 메인 배출구(4)가 형성되어 있으며,
    상기 메인 배출구(4)가 불용 체적(dead volume)을 갖는 배출 캐비티(17)로 이어지고, 상기 배출 캐비티는 상기 메인 배출구(4)와 시스템-배출구(11) 사이에 형성되어 있고 상기 시스템-배출구(11) 방향으로 배출 밸브(18)를 구비하며, 상기 배출 캐비티(17)로 이어지는 메인 배출구(4)의 입구에는 상기 메인 배출구(4)를 차단하기 위한 밸브(16)가 제공되어 있지 않고,
    상기 배출 밸브(18)는 상기 하우징(9)의 내벽에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는,
    스크롤 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배출구(4)와 2개의 예비 배출구(3)가 상기 배출 캐비티(17)로 이어지는 것을 특징으로 하는,
    스크롤 압축기.
  3. 스크롤 압축기(scroll compressor)로서,
    상기 스크롤 압축기가 흡인 유입구(10)와 시스템-배출구(11)를 갖는 하우징(9), 상기 하우징(9) 내에 고정 배치되어 있고, 제1 플레이트(14)에 형성된 제1 스파이럴(15)을 갖는 제1 스크롤 부재(13), 상기 하우징(9) 내에 회전 가능하게 배치되어 있고, 제2 플레이트(12)에 형성된 제2 스파이럴(2)을 갖는 제2 스크롤 부재(1)를 포함하고, 상기 제2 스파이럴(2)은 제2 스크롤 부재(1)가 회전할 때 제1 스파이럴(15) 상에 흡인 챔버(SC), 중앙 챔버(MC) 및 배출 챔버(DC)를 형성하면서 스크롤링될 수 있도록 상기 제1 스파이럴(15)과 소정의 각도로 회전하고 그리고 반경 방향으로 오프셋 방식으로 배치되어 결합되어 있으며, 상기 제1 플레이트(14) 내에는, 각각 밸브(16)에 의해 차단 가능한 2개의 편심 배치된 예비 배출구(3)와 상기 흡인 유입구(10)를 통해 공급되는 냉매용으로 중앙에 배치된 메인 배출구(4)가 형성되어 있으며,
    상기 메인 배출구(4)가 불용 체적(dead volume)을 갖는 배출 캐비티(17)로 이어지고, 상기 배출 캐비티는 상기 메인 배출구(4)와 시스템-배출구(11) 사이에 형성되어 있고 상기 시스템-배출구(11) 방향으로 배출 밸브(18)를 구비하며, 상기 배출 캐비티(17)로 이어지는 메인 배출구(4)의 입구에는 상기 메인 배출구(4)를 차단하기 위한 밸브(16)가 제공되어 있지 않고,
    상기 배출 캐비티(17)가 돔(dome)(8)을 구비하여 형성되어 있고, 상기 돔은 출구 측에서 상기 제1 플레이트(14)에 배치되어 상기 메인 배출구(4) 또는 상기 메인 배출구(4)와 2개의 예비 배출구(3) 덮으며,
    상기 배출 캐비티(17)와 시스템-배출구(11) 사이에는, 상기 제1 플레이트(14), 상기 돔(8) 및 상기 하우징(9)에 의해 둘러싸인 간극(20)이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    스크롤 압축기.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 스크롤 압축기가 660°의 총 랩 각(total wrap angle)을 갖는 것을 특징으로 하는,
    스크롤 압축기.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 예비 배출구(3)들의 밸브(16)들은 냉각 에너지를 발생시키기 위한 압축기의 공기조화 모드에서는 개폐되고, 열을 발생시키기 위한 압축기의 열 펌프 모드에서는 폐쇄된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 스크롤 압축기.
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