KR102191566B1 - 유분리 효율이 향상된 스크롤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유분리기의 구조를 개선하여 유분리 효율이 향상된 스크롤 압축기에 관한 것이다. 본 발명은 수용 공간을 형성하며, 일측으로 냉매가 유입되고 타측으로 상기 냉매가 배출되는 메인 하우징; 상기 메인 하우징의 전방 및 후방에 결합되어 상기 메인 하우징을 커버하는 프런트 헤드 및 리어 헤드; 상기 메인 하우징 내부에 장착되어 상기 냉매를 압축하는 고정 스크롤 및 선회 스크롤을 구비하는 압축부; 상기 메인 하우징 내부에 장착되어 상기 압축부를 구동하는 구동부; 상기 리어 헤드 상에 구비되되 상기 압축부에서 압축된 냉매가 유입되는 오일 실린더; 및 상기 오일 실린더 내부에 삽입되며, 상기 오일 실린더의 상측을 폐쇄하되 오일이 분리된 냉매가 배출되는 홀이 형성된 헤드와, 일단이 상기 헤드와 일체로 형성되고 타단은 상기 헤드로부터 연장되는 유분리관과, 상기 유분리관의 타단에 형성되어 상기 오일 실린더 하부로 낙하한 오일의 유막에 인접하게 배치되는 격막을 구비한 오일 분리기;를 포함한다.

Description

유분리 효율이 향상된 스크롤 압축기{Scroll compressor improved oil separating efficiency}
본 발명은 유분리 효율이 향상된 스크롤 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 냉매를 압축하는 장치를 말한다. 압축기는 왕복동식, 원심식, 베인식, 스크롤식으로 구분할 수 있다.
이 중 스크롤식 압축기(이하 스크롤 압축기)는 밀폐용기의 내부공간에 고정 스크롤이 고정되고, 고정 스크롤에 맞물려 선회운동을 하는 선회 스크롤이 구비된다. 스크롤 압축기는 선회 스크롤이 고정 스크롤에 대해 선회운동을 할 때 고정 랩과 선회 랩 사이에 냉매를 압축하는 압축실이 형성되는 압축기이다. 압축실에서 압축된 냉매는 오일 분리 구조를 거쳐 냉매와 오일이 분리된다.
이러한 스크롤 압축기의 일 예가 일본특허공개 2004-084662(공개일 2004.03.18)에 개시되어 있다(이하에서 기재된 도면 번호는 종래기술 설명에만 적용되는 번호임).
선행문헌에 개시된 스크롤 압축기에는 냉매 중에 포함되는 윤활유를 분리하는 윤활유 분리 수단(160)이 구비되어 있다. 윤활유 분리 수단(160)은 토출압 영역에 구비되며, 원심식 분리 방식으로 윤활유를 분리한다.
그런데 이러한 종래의 원심식 오일 분리 구조는 유분리 효율의 향상을 위해 유분리관의 길이가 길수록 유리하다. 그러나 오일이 저유되는 실린더 하부에 유분리관이 가까워지면, 오일 입자가 비산하여 냉매에 혼합되어 배출될 수 있다. 따라서 오일 분리 효율이 감소되는 문제가 있어 유분리관을 충분히 길게 만들기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 목적은 구조를 유분리기의 구조를 개선하여 유분리 효율이 향상된 스크롤 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 스크롤 압축기는 수용 공간을 형성하며, 일측으로 냉매가 유입되고 타측으로 상기 냉매가 배출되는 메인 하우징; 상기 메인 하우징의 전방 및 후방에 결합되어 상기 메인 하우징을 커버하는 프런트 헤드 및 리어 헤드; 상기 메인 하우징 내부에 장착되어 상기 냉매를 압축하는 고정 스크롤 및 선회 스크롤을 구비하는 압축부; 상기 메인 하우징 내부에 장착되어 상기 압축부를 구동하는 구동부; 상기 리어 헤드 상에 구비되되 상기 압축부에서 압축된 냉매가 유입되는 오일 실린더; 및 상기 오일 실린더 내부에 삽입되며, 상기 오일 실린더의 상측을 폐쇄하되 오일이 분리된 냉매가 배출되는 홀이 형성된 헤드와, 일단이 상기 헤드와 일체로 형성되고 타단은 상기 헤드로부터 연장되는 유분리관과, 상기 유분리관의 타단에 형성되어 상기 오일 실린더 하부로 낙하한 오일의 유막에 인접하게 배치되는 격막을 구비한 오일 분리기;를 포함한다.
상기 오일 분리기는 상기 유분리관이 속이 빈 원통형이고, 상기 유분리관의 타단에 인접한 외주면 상에 냉매 유입홀이 관통 형성되는 것이 특징이다.
상기 격막은 상기 오일 실린더의 내경보다 작은 직경을 갖는 원판 형상인 것이 특징이다.
상기 격막은 상기 유분리관의 길이 방향에 수직으로 배치되는 것이 특징이다.
상기 냉매 유입홀은 상기 유분리관의 길이 방향을 따라 형성되는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 스크롤 압축기는 유분리관이 저유된 오일의 유면에 최대한 가까이 위치하도록 길이를 증가시켜 유분리 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 유분리관의 단부가 저유된 오일의 유면에 가까워도 비산되는 오일이 냉매에 혼입되지 않는 구조를 가지므로 유분리 효율이 향상되는 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스크롤 압축기를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스크롤 압축기의 유분리 구조를 확대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스크롤 압축기의 유분리기를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 따른 유분리기의 오일 및 냉매 흐름을 도시한 모식도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기를 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기의 유분리 구조를 확대한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압축기의 유분리기를 도시한 사시도이다. 도 4는 도 2 및 도 3에 따른 유분리기의 오일 및 냉매 흐름을 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스크롤 스크롤 압축기(100)는 냉매 압축 구조 및 오일 분리 구조를 갖는다. 이하에서 스크롤 압축기(100)의 구성에 대해 간단히 설명한다.
본 발명의 스크롤 압축기(100)는 수용 공간을 형성하는 메인 하우징과, 메인 하우징의 전방 및 후방에 결합되어 수용 공간을 커버하는 프런트 헤드 및 리어 헤드(150)를 포함한다. 프런트 헤드의 전방에는 인버터 어셈블리(170)가 결합된다. 수용 공간에는 구동부 및 압축부가 수용된다(이하에서 프런트 헤드 방향을 전방, 리어 헤드 방향을 후방으로 정의한다. 따라서 모든 구성품의 프런트 헤드 방향은 전면, 리어 헤드 방향은 후면이 된다.).
메인 하우징은 대략 원통형의 외관을 형성한다. 또한, 메인 하우징은 길이 방향의 양단이 개방된 형태를 갖는다. 개방된 양단에 전술한 프런트 헤드 및 리어 헤드(150)가 결합된다. 프런트 헤드 및 리어 헤드(150)는 메인 하우징의 단부 형상에 대응하여 대략 원판 형상을 갖는다.
메인 하우징의 전방 일측에는 냉매를 흡입하는 냉매 흡입구(미도시) 냉매 흡입실(미도시)이 형성된다. 메인 하우징의 후방과 리어 헤드(150)의 사이에는 압축부에서 압축한 냉매를 토출하는 냉매 토출구(112) 및 냉매 토출실(114)이 형성된다. 리어 헤드(150)에는 저유부(152), 오일 실린더(153) 및 오일 분리기(154)가 구비된다.
구동부는 회전력을 생성하는 구동 모터(310)와, 구동 모터(310)에 의해 회전하는 구동축(330)을 포함한다.
압축부는 메인 하우징에 고정되는 고정 스크롤(510)과, 고정 스크롤(510) 상에 선회 운동 가능하게 결합되는 선회 스크롤(520)과, 선회 스크롤(520)의 회전을 제한하는 복수의 핀(530) 및 링(540)을 포함한다. 또한, 압축부는 선회 스크롤(520)과 구동부 사이에 결합되어 구동축(330)을 지지하는 메인 프레임(580)을 더 포함한다.
고정 스크롤(510)은 리어 헤드(150) 쪽을 향해 배치되어 후면이 리어 헤드(150)과 결합된다. 고정 스크롤(510)은 프런트 헤드를 향하는 방향이 개방된 원통 형상이다.
선회 스크롤(520)은 고정 스크롤(510)보다 작은 크기를 가지며 고정 스크롤(510)에 결합된다. 선회 스크롤(520)은 고정 스크롤(510)의 개방된 내부에 삽입되는 형태로 고정 스크롤(510)과 결합된다. 선회 스크롤(520)은 소정의 두께를 갖는 원판 형상이다.
고정 스크롤(510)과 선회 스크롤(520)은 각각 고정랩 및 선회랩을 구비하며, 상호 결합된다. 고정 스크롤(510)과 선회 스크롤(520)의 사이에 압축실(CR)이 형성되어 냉매가 압축된다.
메인 프레임(580)은 선회 스크롤(520)의 전방에 배치되어 메인 하우징의 내주면에 결합된다. 메인 프레임(580)과 선회 스크롤(520), 그리고 구동축(330)의 사이 공간에 구동부를 거친 냉매가 유입된다. 이 공간을 중간압실(MR)로 정의한다. 중간압실(MR)은 구동부를 거친 냉매가 유입되어 압력을 형성하는 공간이다.
메인 하우징 내부로 유입된 냉매는 저온 저압 상태이다. 냉매가 구동부를 통과하면서 구동부를 냉각하면 가열되어 온도와 압력이 상승하게 된다. 이 상태에서 중간압실(MR)로 유입된 냉매는 중온 중압의 상태이다. 중온 중압의 냉매가 압축실(CR)에서 압축되면 고온 고압 상태가 되어 냉매 토출실(114)로 토출된다. 또한, 중간압실(MR)에 형성된 압력에 의해 선회 스크롤(520)이 고정 스크롤(510)을 향해 밀착되어 냉매를 압축할 수 있게 된다.
전술한 냉매의 흐름을 보면, 냉매 흡입구로 유입된 저온 저압의 냉매는 냉매 흡입실을 거쳐 메인 하우징 내부 전방에서 후방 쪽으로 이동하며 구동부를 냉각하고 압축부로 유입된다. 압축부로 유입된 냉매는 압축되어 고온 고압 상태로 냉매 토출구(112)를 통해 냉매 토출실(114)로 토출된다. 토출된 냉매는 오일 실린더(153) 내부로 유입된 후 오일 분리기(154)에서 오일이 분리되어 리어 헤드(150)의 외부로 빠져나간다. 오일 분리기(154)에서 분리된 오일은 오일 저유부(152)에서 오일 유로(P)를 통해 후술할 중간압실(MR)로 공급된다. 중간압실(MR)로 공급된 오일은 압축부의 각 부위를 윤활한다.
이하에서는 전술한 오일 분리 구조에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 저유부(152)는 리어 헤드(150) 상에 형성되며, 오일 분리기(154)에서 분리된 오일이 일시 저장되는 부분이다. 저유부(152)는 별도의 공간으로 형성될 수도 있고, 오일 실린더(153)와 일체로 형성될 수도 있다. 후자의 경우 저유부(152)는 오일 실린더(153)의 내측 하부를 지칭한다.
저유부(152)의 일측에는 오일 유로(P)로 연통되는 오일 배출홀(152a)이 관통 형성된다. 냉매로부터 분리된 오일은 저유부(152)에 모여 오일 배출홀(152a)을 통해 오일 유로(P)로 배출된다. 오일 유로(P)가 모세관으로 구비되거나 오리피스 등의 감압 기구가 구비되며, 분리된 오일은 감압된 후 중간압실(MR) 또는 흡입 공간으로 회수된다.
오일 실린더(153)는 저유부(152)를 포함하거나 저유부(152)와 연결되는 원통형의 수용 공간이다. 오일 실린더(153)는 도 2를 기준으로 수직 방향으로 리어 헤드(150) 내에 형성된다. 오일 실린더(153)는 상측 일부의 직경이 나머지 부분의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 오일 실린더(153)의 일측에는 오일 유입홀(153a)이 형성된다. 또한, 오일 실린더(153) 내부에는 오일 분리기(154)가 삽입된다. 압축실(CR)에서 압축된 냉매는 토출 밸브(미도시) 및 오일 유입홀(153a)을 거쳐 오일 실린더(153) 내부로 유입된다.
오일 실린더(153) 내부로 유입된 냉매는 윤활 오일을 포함하고 있는 상태이다(도 2의 냉매+오일 흐름 참조). 냉매는 점성을 가지며 소정의 유속을 가지므로 좁은 오일 유입홀(153a)을 통과하면서 원통형의 오일 실린더(153) 내벽을 따라 흐르게 된다. 냉매가 자중에 의해 오일 실린더(153)의 내벽을 따라 저유부(152)를 향해 흐르게 된다. 냉매의 유속과 유입 방향에 따른 원심력이 작용하므로 냉매는 오일 실린더(153)의 내벽을 따라 스크롤 형상으로 낙하하게 된다(도 2의 오일 흐름 참조).
오일 실린더(153)와 오일 분리기(154) 사이에는 미리 설정된 간격이 존재한다. 따라서 냉매는 원심력에 의해 회전 하강하면서 오일과 분리되어 오일 실린더(153)와 오일 분리기(154) 사이로 상승한다. 오일이 분리된 냉매는 오일 분리기(154)를 통해 리어 헤드(150) 외부로 배출된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 오일 분리기(154)는 오일 실린더(153) 내부에 삽입되며, 오일 실린더(153)의 상측에 걸려 오일 실린더(153)를 폐쇄하는 헤드(154a)와, 헤드(154a)와 일체로 형성되고 저유부(152)에 인접하게 연장되는 유분리관(154b)과, 유분리관(154b) 상에 형성되는 냉매 유입홀(154c), 유분리관(154b)의 하단에 구비되는 격막(154d)을 포함한다.
헤드(154a)는 내부가 비어 있는 대략 원통 형상으로, 오일 실린더(153)의 상측 내주면에 밀착 결합된다. 헤드(154a)의 상면에는 냉매가 빠져나가는 홀이 관통 형성되고, 하단이 유분리관(154b)과 연통된다. 헤드(154a)는 외주면 상에 원주 방향을 따라 홈 또는 돌기가 형성될 수 있다. 이 홈 또는 돌기에 대응하는 돌기 또는 홈이 오일 실린더(153)의 상측 내주면에 형성될 수 있다. 이러한 홈과 돌기의 구조가 상호 맞물려 결합됨으로써 오일 분리기(154)가 오일 실린더(153)의 상측을 차단할 수 있다.
유분리관(154b)은 내부가 비어 있는 원통 형상으로, 일단이 헤드(154a)에 연통퇴고 타단은 저유부(152)를 향해 연장된다. 유분리관(154b)의 길이는 저장된 오일의 유막에 인접하는 것이 바람직하다. 따라서 저유부(152)에 저장되는 오일의 최대량을 고려하여 유분리관(154b)이 오일의 유막에 근접하되 접촉하지 않을 정도의 길이를 갖도록 설계할 수 있다. 유분리관(154b)의 타단에는 격막(154d)이 형성되고, 유분리관(154b)의 타단에 인접한 외주면 상에 냉매 유입홀(154c)이 형성된다.
냉매 유입홀(154c)은 유분리관(154b)의 타단에 인접한 외주면 상에 관통 형성되되 유분리관(154b)의 길이 방향을 따라 형성된다. 냉매 유입홀(154c)은 오일이 분리된 기체 상의 냉매가 유입되는 입구이다. 냉매 유입홀(154c)을 통해 유분리관(154b) 내부로 유입된 기체 상의 냉매는 유분리관(154b)을 따라 상승하여 헤드(154a)에 형성된 홀을 통해 스크롤 압축기(100) 외부로 배출된다.
격막(154d)은 원판 형상으로, 유분리관(154b)의 타단에 일체로 형성된다. 격막(154d)은 유분리관(154b)의 길이 방향에 수직인 방향으로 형성된다. 격막(154d)은 오일 실린더(153)의 내벽과 소정 간격 이격되는 크기를 갖는다. 즉, 격막(154d)이 위치하는 부분의 오일 실린더(153) 내경보다 격막(154d)의 직경이 미리 설정된 만큼 작게 형성된다.
격막(154d)과 오일 실린더(153) 내주면 사이로 오일이 함유된 냉매 및 냉매로부터 분리된 오일이 낙하한다. 또한, 오일이 분리된 기체 상의 냉매 역시 격막(154d)과 오일 실린더(153)의 내주면 사이로 상승한다. 따라서 격막(154d)은 오일 실린더(153)의 내경보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 격막(154d)은 저유부(152)에 저장된 오일의 유막(표면)과 인접하므로, 냉매에서 분리된 오일이 낙하하면서 오일 입자가 비산되어 상승하는 것을 차단하는 역할을 한다(도 4 참조).
즉, 격막(154d)은 오일 실린더(153)와의 사이에 오일이 낙하할 수 있을 정도의 간격을 유지하면서도 비산하는 오일 입자의 상승은 차단할 수 있어야 한다. 따라서 격막(154d)의 직경은 너무 커서도 안되고 너무 작아서도 안된다. 격막(154d)의 적절한 직경은 실험에 의해 정해질 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 스크롤 압축기
150: 리어 헤드
310: 구동 모터
330: 구동축 370: 메인 베어링
510: 고정 스크롤
520: 선회 스크롤 530: 핀
540: 링 550: 편심 부시
560: 서브 베어링 570: 실링부재
580: 메인 프레임 584a: 안착홈
586: 그루브

Claims (5)

  1. 수용 공간을 형성하며, 일측으로 냉매가 유입되고 타측으로 상기 냉매가 배출되는 메인 하우징;
    상기 메인 하우징의 전방 및 후방에 결합되어 상기 메인 하우징을 커버하는 프런트 헤드 및 리어 헤드;
    상기 메인 하우징 내부에 장착되어 상기 냉매를 압축하는 고정 스크롤 및 선회 스크롤을 구비하는 압축부;
    상기 메인 하우징 내부에 장착되어 상기 압축부를 구동하는 구동부;
    상기 리어 헤드 상에 구비되되 상기 압축부에서 압축된 냉매가 유입되는 오일 실린더; 및
    상기 오일 실린더 내부에 삽입되며, 상기 오일 실린더의 상측을 폐쇄하되 오일이 분리된 냉매가 배출되는 홀이 형성된 헤드와, 일단이 상기 헤드와 일체로 형성되고 타단은 상기 헤드로부터 연장되는 유분리관과, 상기 유분리관의 타단에 형성되어 상기 오일 실린더 하부로 낙하한 오일의 유막에 인접하게 배치되는 격막을 구비한 오일 분리기;
    를 포함하고,
    상기 격막은
    상기 유분리관의 타단의 외경보다 크고 상기 오일 실린더의 내경보다 작은 직경을 가지고,
    이에 따라 상기 오일 실린더의 내벽과 상기 유분리관의 외주면 사이의 거리가 오일 실린더의 내벽과 상기 격막의 외주면 사이의 거리보다 크고,
    냉매 유입홀은
    상기 격막에 인접한 유분리관의 외주면 상에 관통 형성되고,
    이에 따라 상기 격막은 상기 냉매 유입홀의 아래쪽에서 상기 오일 실린더의 내주면을 향해 돌출되는
    스크롤 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유분리관은 속이 빈 원통형인,
    스크롤 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 격막은
    원판 형상인
    스크롤 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 격막은
    상기 유분리관의 길이 방향에 수직으로 배치되는
    스크롤 압축기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 냉매 유입홀은
    상기 유분리관의 길이 방향을 따라 형성되는
    스크롤 압축기.
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