KR102481368B1 - 스크롤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 구비되는 구동모터; 상기 구동모터의 회전자에 결합되어 함께 회전하는 회전축; 상기 구동모터의 하측에 구비되는 프레임; 상기 프레임의 하측에 구비되며, 고정랩이 구비되는 고정스크롤; 및 상기 프레임과 상기 고정스크롤 사이에 구비되며, 상기 고정랩과 맞물려 흡입실, 중간압실, 토출실로 이루어진 압축실을 형성하도록 선회랩이 구비되고, 상기 회전축이 관통하여 결합되는 회전축 결합부가 구비되는 선회스크롤;을 포함하고, 상기 고정스크롤의 중심과 상기 선회스크롤의 중심을 일치시킨 상태에서, 상기 고정랩과 상기 선회랩 사이의 간격이 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 스크롤 압축기는 다른 종류의 압축기에 비하여 상대적으로 높은 압축비를 얻을 수 있으면서 냉매의 흡입,압축,토출 행정이 부드럽게 이어져 안정적인 토오크를 얻을 수 있는 장점 때문에 공조장치 등에서 냉매압축용으로 널리 사용되고 있다.
스크롤 압축기의 거동 특성은 비선회스크롤(이하, 고정스크롤으로 약칭함)의 비선회랩(이하, 고정랩으로 약칭함)과 선회스크롤의 선회랩의 형태에 의해 결정된다. 고정랩과 선회랩은 임의의 형상을 가질 수 있지만, 통상적으로는 가공이 용이한 인볼류트 곡선의 형태를 가진다. 인볼류트 곡선은 임의의 반경을 갖는 기초원의 주위에 감겨있는 실을 풀어낼 때, 실의 단부가 그리는 궤적에 해당되는 곡선을 의미한다. 이러한 인볼류트 곡선을 이용하는 경우 랩의 두께가 일정하게 되어 고정랩과 선회랩이 안정적으로 상대운동을 하면서 냉매를 압축하는 압축실을 형성하게 된다.
스크롤 압축기의 압축실은 바깥쪽에서 안쪽으로 갈수록 체적이 좁아지면서 바깥쪽에는 흡입실이, 안쪽에는 토출실이 형성된다. 따라서, 고정스크롤과 선회스크롤은 압축열로 인해 안쪽으로 갈수록 고온을 형성하게 된다. 특히, 고온 고압축비 조건을 만족하는 스크롤 압축기의 경우에는 바깥쪽 압축실에 비해 안쪽 압축실의 온도가 크게 높아지게 된다.
이로 인해, 고정스크롤과 선회스크롤은 중심부에의 열팽창율이 가장 크게 발생되고, 가장자리부로 갈수록 열팽창율이 점차 감소하게 된다. 하지만, 가장자리부에서는 중심부에서부터 발생되는 열팽창이 누적되어 실제로는 중심부보다 가장자리부에서의 열팽창량이 가장 커지게 된다. 따라서, 고정스크롤의 고정랩과 선회스크롤의 선회랩은 가장자리부에서 국부적으로 과도하게 접촉되면서 마찰손실이 발생될 수 있고, 고정랩의 측면 또는 선회랩의 측면이 마모되어 압축되는 냉매가 누설될 수도 있다. 특히, 고정스크롤과 선회스크롤의 재질이 상이한 경우, 예를 들어 고정스크롤은 주물로 제작되는 반면 선회스크롤은 알루미늄과 같은 가벼우면서 열팽창 계수가 큰 재질로 형성되는 경우에는 선회스크롤의 열변형이 고정스크롤에 비해 증가하면서 마찰손실이나 마모가 더욱 증가하게 될 수 있었다.
또, 이로 인해 고정스크롤과 선회스크롤의 재질을 선택하는데 제약이 있을 뿐만 아니라, 고압축비 운전시에는 더 많은 압축열이 발생되면서 선회스크롤의 변형량이 증가될 수 있으므로 압축기를 고압축비로 설계하는데도 한계가 있을 수 있다.
본 발명의 목적은, 열팽창에 따른 고정랩과 선회랩 사이의 간섭을 방지하여 마찰손실 또는 마모를 최소화할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 고정스크롤과 선회스크롤의 재질 선택을 용이하게 할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 압축비를 설계하는데 한계를 줄일 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정랩을 가지는 고정스크롤; 및 상기 고정랩에 맞물려 압축실을 이루도록 선회랩을 가지는 선회스크롤;을 포함하고, 상기 고정랩과 선회랩 사이의 간격이 냉매의 토출측에서 흡입측으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 선회랩의 랩두께는 냉매의 토출측에서 흡입측으로 갈수록 감소할 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 구비되는 구동모터; 상기 구동모터의 회전자에 결합되어 함께 회전하는 회전축; 상기 구동모터의 하측에 구비되는 프레임; 상기 프레임의 하측에 구비되며, 고정랩이 구비되는 고정스크롤; 및 상기 프레임과 상기 고정스크롤 사이에 구비되며, 상기 고정랩과 맞물려 흡입실, 중간압실, 토출실로 이루어진 압축실을 형성하도록 선회랩이 구비되고, 상기 회전축이 관통하여 결합되는 회전축 결합부가 구비되는 선회스크롤;을 포함하고, 상기 고정스크롤의 중심과 상기 선회스크롤의 중심이 일치된 상태에서, 상기 고정랩과 상기 선회랩 사이의 간격이 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 점차 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 선회랩 또는 상기 고정랩의 랩두께는 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 점차 감소하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 선회랩 또는 상기 고정랩은 그 랩의 진행방향 중심선을 기준으로 양쪽 측면의 폭이 함께 감소하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 선회랩 또는 상기 고정랩은 그 랩의 진행방향 중심선을 기준으로 한쪽 측면의 폭이 감소하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 고정랩과 상기 선회랩은 이종 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 선회랩은 상기 고정랩에 비해 연질인 재질로 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정 경판부, 상기 고정 경판부에서 돌출되는 고정랩, 상기 고정랩의 외측단 부근에 형성되는 흡입구, 및 상기 고정랩의 내측단 부근에 형성되는 적어도 한 개 이상의 토출구를 가지는 고정스크롤; 및 선회 경판부, 및 상기 선회 경판부에서 돌출되어 상기 고정랩에 결합되고 상기 고정랩에 대해 선회운동을 하면서 상기 고정 경판부, 고정랩, 선회 경판부와 함께 랩의 진행방향을 따라 외측에서 내측방향으로 흡입실, 중간압실, 토출실로 이루어지는 압축실을 형성하는 선회랩이 구비되는 선회스크롤;을 포함하고, 상기 고정랩 또는 상기 선회랩의 랩방향 중심선에 직교하는 방향으로 랩간 간격이 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 고정스크롤의 중심과 상기 선회스크롤의 중심을 일치시킨 상태에서, 상기 고정랩과 상기 선회랩 사이의 간격이 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 점차 증가하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 고정랩과 상기 선회랩은 이종 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 선회랩은 상기 고정랩에 비해 연질인 재질로 형성될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정 경판부, 상기 고정 경판부에서 돌출되는 고정랩, 상기 고정랩의 외측단 부근에 형성되는 흡입구, 및 상기 고정랩의 내측단 부근에 형성되는 적어도 한 개 이상의 토출구를 가지는 고정스크롤; 및 선회 경판부, 및 상기 선회 경판부에서 돌출되어 상기 고정랩에 결합되고 상기 고정랩에 대해 선회운동을 하면서 상기 고정 경판부, 고정랩, 선회 경판부와 함께 랩의 진행방향을 따라 외측에서 내측방향으로 흡입실, 중간압실, 토출실로 이루어지는 압축실을 형성하는 선회랩이 구비되는 선회스크롤;을 포함하고, 상기 고정스크롤의 중심과 상기 선회스크롤의 중심이 일치된 상태에서, 상기 고정랩과 상기 선회랩 사이의 반경방향 간격이 상기 선회스크롤의 선회반경보다 큰 부위가 존재하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정 경판부, 상기 고정 경판부에서 돌출되는 고정랩, 상기 고정랩의 외측단 부근에 형성되는 흡입구, 및 상기 고정랩의 내측단 부근에 형성되는 적어도 한 개 이상의 토출구를 가지는 고정스크롤; 및 선회 경판부, 및 상기 선회 경판부에서 돌출되어 상기 고정랩에 결합되고 상기 고정랩에 대해 선회운동을 하면서 상기 고정 경판부, 고정랩, 선회 경판부와 함께 랩의 진행방향을 따라 외측에서 내측방향으로 흡입실, 중간압실, 토출실로 이루어지는 압축실을 형성하는 선회랩이 구비되는 선회스크롤;을 포함하고, 상기 고정랩과 선회랩 사이의 간격은 흡입측이 상대적으로 토출측보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 고정랩 또는 선회랩은 토출측보다 상대적으로 흡입측에서의 랩두께가 얇게 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 고정랩과 선회랩 사이의 간격이 가장자리쪽으로 갈수록 점차 증가하도록 형성됨으로써, 고정스크롤 또는 선회스크롤이 열팽창하여 중심부에서 가장자리쪽으로 늘어나더라도 고정랩과 선회랩이 간섭되는 것을 미연에 방지할 수 있고 이를 통해 고정랩과 선회랩의 간섭에 따른 마찰손실 또는 마모를 현저하게 줄일 수 있다.
또, 고정스크롤 또는 선회스크롤의 재질 선택시 열변형에 따른 상호 간섭에 대한 우려를 줄임으로써, 고정스크롤과 선회스크롤의 재질 선택에 대한 제한을 낮출 수 있고 이를 통해 고온 고압 조건에서도 열변형에 대한 우려 없이 가벼운 재질을 선택하여 효율을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 고정랩 또는 선회랩의 열변형에 대한 우려를 낮춤으로써, 고압축비에 적합한 랩 설계가 가능하게 될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기의 일례를 보인 종단면도,
도 2는 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, "IV-IV"선단면도,
도 3a 및 도 3b는 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 국부적 간섭 현상을 설명하기 위해 랩 두께를 펼쳐 보인 전개도 및 평면도,
도 4는 본 발명에 의한 스크롤 압축기에서, 고정스크롤의 중심과 선회스크롤의 중심이 일치된 상태를 설명하기 위해 보인 평면도,
도 5는 도 4의 "Ⅴ-Ⅴ"선단면도로서, 선회스크롤에 고정스크롤이 결합된 상태에서의 랩간 간격을 설명하기 위해 보인 종단면도,
도 6은 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 국부적 간섭 현상을 방지하기 위한 일실시예를 설명하기 위해 랩 두께를 상측에서 펼쳐 보인 전개도,
도 7 및 도 8은 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 국부적 간섭 현상을 방지하기 위한 다른 실시예를 설명하기 위해 랩 두께를 상측에서 펼쳐 보인 전개도.
이하, 본 발명에 의한 스크롤 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다. 참고로, 본 발명에 의한 스크롤 압축기는 고정랩과 선회랩 사이의 간격을 조절하여 열팽창으로 인한 랩간 마찰손실 및 마모를 줄이고자 하는 것이다. 따라서, 고정랩과 선회랩을 가지는 스크롤 압축기는 어떤 유형의 스크롤 압축기라도 모두 적용될 수 있다. 다만, 이하에서는 편의상 압축부가 전동부보다 하측에 위치하는 하부 압축식 스크롤 압축기에서 회전축이 선회랩과 동일 평면상에서 중첩되는 유형의 스크롤 압축기를 대표예로 삼아 살펴본다. 이러한 유형의 스크롤 압축기는 고온 고압축비 조건의 냉동사이클에 적용하기에 적합한 것으로 알려져 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, "IV-IV"선단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기는, 케이싱(1)의 내부공간(1a)에 구동모터를 이루며 회전력을 발생하는 전동부(2)가 설치되고, 전동부(2)의 하측에는 그 전동부(2)의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부(3)가 설치될 수 있다.
케이싱(1)은 밀폐용기를 이루는 원통 쉘(11)과, 원통 쉘(11)의 상부를 덮어 함께 밀폐용기를 이루는 상부 쉘(12)과, 원통 쉘(11)의 하부를 덮어 함께 밀폐용기를 이루는 동시에 저유공간(1b)을 형성하는 하부 쉘(13)로 이루어질 수 있다.
원통 쉘(11)의 측면으로 냉매 흡입관(15)이 관통하여 압축부(3)의 흡입실에 직접 연통되고, 상부 쉘(12)의 상부에는 케이싱(1)의 내부공간(1a)과 연통되는 냉매 토출관(16)이 설치될 수 있다. 냉매 토출관(16)은 압축부(3)에서 케이싱(1)의 내부공간(1a)으로 토출되는 압축된 냉매가 외부로 배출되는 통로에 해당되며, 토출되는 냉매에 혼입된 오일을 분리하는 오일 세퍼레이터(미도시)가 냉매 토출관(16)과 연결될 수 있다.
케이싱(1)의 상부에는 전동부(2)를 이루는 고정자(21)가 고정 설치되고, 고정자(21)의 내부에는 그 고정자(21)와 함께 전동부(2)를 이루며 고정자(21)와의 상호작용에 의해 회전하는 회전자(22)가 회전 가능하게 설치될 수 있다.
고정자(21)는 그 내주면에 원주방향을 따라 다수 개의 슬롯(미부호)이 형성되어 코일(25)이 권선되며, 그 외주면에는 디컷(D-cut) 모양으로 절단되어 원통 쉘(11)의 내주면과의 사이에 오일이 통과하도록 오일회수통로(26)가 형성될 수 있다.
고정자(21)의 하측에는 소정의 간격을 두고 압축부(3)를 이루는 메인 프레임(31)이 케이싱(1)의 내주면에 고정 결합될 수 있다. 메인 프레임(31)은 그 외주면이 원통 쉘(11)의 내주면에 열박음되거나 용접되어 고정 결합될 수 있다.
그리고 메인 프레임(31)의 가장자리에는 환형으로 된 프레임 측벽부(제1 측벽부)(311)가 형성되고, 중심에는 후술할 회전축(5)의 메인 베어링부(51)를 지지하기 위한 제1 축수부(312)가 형성될 수 있다. 제1 축수부에는 회전축(5)의 메인 베어링부(51)가 회전 가능하게 삽입되어 반경방향으로 지지되도록 제1 축수구멍(312a)이 축방향으로 관통 형성될 수 있다.
메인 프레임(31)의 저면에는 회전축(5)에 편심 결합된 선회스크롤(33)을 사이에 두고 고정스크롤(32)이 설치될 수 있다. 고정스크롤(32)은 메인 프레임(31)에 고정 결합될 수도 있지만, 축방향으로 이동 가능하게 결합될 수도 있다.
그리고, 고정스크롤(32)은 고정 경판부(이하, 제1 경판부)(321)가 대략 원판모양으로 형성되고, 제1 경판부(321)의 가장자리에는 메인 프레임(31)의 저면 가장자리에 결합되는 스크롤 측벽부(이하, 제2 측벽부)(322)가 형성될 수 있다.
그리고 제1 경판부(321)의 상면에는 후술할 선회랩(33)과 맞물려 압축실(V)을 이루는 고정랩(323)이 형성될 수 있다. 압축실(V)은 제1 경판부(321)와 고정랩(323), 그리고 후술할 선회랩(332)과 제2 경판부(331) 사이에 형성되며, 랩의 진행방향을 따라 흡입실, 중간압실, 토출실이 연속으로 형성되어 이루어질 수 있다.
여기서, 압축실(V)은 고정랩(323)의 내측면과 선회랩(332)의 외측면 사이에 형성되는 제1 압축실(V1)과, 고정랩(323)의 외측면과 선회랩(332)의 내측면 사이에 형성되는 제2 압축실(V2)로 이루어질 수 있다.
즉, 도 2에서와 같이, 제1 압축실(V1)은 고정랩(323)의 내측면과 선회랩(332)의 외측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점(P11, P12) 사이에 형성되고, 편심부의 중심(O)과 두 개의 접촉점(P11, P12)을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도 중 큰 값을 갖는 각도를 α라 할 때, 적어도 토출 개시 전에 α < 360°로 이루어진다. 또, 제2 압축실(V2)은 고정랩(323)의 외측면과 선회랩(332)의 내측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점(P21, P22) 사이에 형성된다.
따라서, 제1 압축실(V1)은 제2 압축실(V2)에 비해 냉매가 먼저 흡입되고 압축경로가 상대적으로 길지만 선회랩(332)이 비정형성을 가지고 형성됨에 따라, 제1 압축실(V1)의 압축비가 제2 압축실(V2)에 비해 상대적으로 낮게 형성된다. 또, 제2 압축실(V2)은 제1 압축실(V1)에 비해 냉매가 나중에 흡입되고 압축경로가 상대적으로 짧지만 선회랩(332)이 비정형성을 가지고 형성됨에 따라, 제2 압축실(V2)의 압축비는 제1 압축실(V1)에 비해 상대적으로 높게 형성된다.
그리고, 제2 측벽부(322)의 일측에는 냉매 흡입관(15)과 흡입실이 연통되는 흡입구(324)가 관통 형성되고, 제1 경판부(321)의 중앙부에는 토출실과 연통되어 압축된 냉매가 토출되는 토출구(325)가 형성될 수 있다. 토출구(325)는 제1 압축실(V1)과 제2 압축실(V2)에 모두 연통될 수 있도록 한 개만 형성될 수도 있지만, 각각의 압축실(V1)(V2)과 독립적으로 연통될 수 있도록 복수 개가 형성될 수도 있다.
또, 고정스크롤(32)의 경판부(321) 중심에는 후술할 회전축(5)의 서브 베어링부(52)를 지지하는 제2 축수부(326)가 형성되고, 제2 축수부(326)에는 축방향으로 관통되어 서브 베어링(52)부를 반경방향으로 지지하는 제2 축수구멍(326a)이 형성될 수 있다.
그리고, 제2 축수부(326)의 하단에는 서브 베어링부(52)의 하단면을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링부(327)가 형성될 수 있다. 스러스트 베어링부(327)은 제2 축수구멍(326a)의 하단에서 축중심을 향해 반경방향으로 돌출되어 형성될 수 있다. 하지만, 스러스트 베어링부는 제2 축수부에 형성되지 않고, 후술할 회전축(5)의 편심부(53) 저면과 이에 대응하는 고정스크롤(32)의 제1 경판부(321) 사이에 형성될 수도 있다.
한편, 고정스크롤(32)의 하측에는 압축실(V)에서 토출되는 냉매를 수용하여 후술할 냉매유로로 안내하기 위한 토출커버(34)가 결합될 수 있다. 토출커버(34)는 그 내부공간이 토출구(325)를 수용하는 동시에 압축실(V1)에서 토출된 냉매를 케이싱(1)의 내부공간(1a)으로 안내하는 냉매유로(PG)의 입구를 수용하도록 형성될 수 있다.
여기서, 냉매유로(PG)는 유로 분리부(8)를 기준으로, 그 유로 분리부(8)의 안쪽에서 고정스크롤(32)의 제2 측벽부(322)와 메인 프레임(31)의 제1 측벽부(311)를 차례로 관통하여 형성될 수도 있고, 제2 측벽부(322)의 외주면과 제1 프레임(311)의 외주면에 연속으로 홈지게 형성될 수도 있다.
한편, 선회스크롤(33)은 메인 프레임(31)과 고정스크롤(32) 사이에서 선회 가능하게 설치될 수 있다. 그리고 선회스크롤(33)의 상면과 이에 대응하는 메인 프레임(31)의 저면 사이에는 선회스크롤(33)의 자전을 방지하는 올담링(35)이 설치되고, 올담링(35)보다 안쪽에는 배압실(S)을 형성하는 실링부재(36)가 설치될 수 있다. 따라서, 배압실(S)은 실링부재(36)를 중심으로 그 실링부재(36)의 바깥쪽에서 메인 프레임(31)과 고정스크롤(32) 그리고 선회스크롤(33)에 의해 형성되는 공간으로 이루어지고, 이 배압실(S)은 고정스크롤(32)에 구비되는 배압구멍(321a)에 의해 중간 압축실(V)과 연통되어 중간압의 냉매가 채워짐으로써 중간압을 형성하게 된다. 하지만, 실링부재(36)의 안쪽에 형성되는 공간은 고압의 오일이 채워짐으로써 이 공간 역시 배압실의 역할을 할 수 있다.
선회스크롤(33)은 선회 경판부(이하, 제2 경판부)(331)가 대략 원판모양으로 형성될 수 있다. 제2 경판부(331)의 상면은 배압실(S)이 형성되며, 저면에는 고정랩(322)과 맞물려 압축실을 이루는 선회랩(332)이 형성될 수 있다.
그리고, 제2 경판부(331)의 중앙부위에는 후술할 회전축(5)의 편심부(53)가 회전가능하게 삽입되어 결합되는 회전축 결합부(333)가 축방향으로 관통 형성될 수 있다.
회전축 결합부(333)는 선회랩(332)의 내측 단부를 이루도록 그 선회랩(332)에서 연장 형성될 수 있다. 이로써, 회전축 결합부(333)는 선회랩(332)과 동일 평면상에서 중첩되는 높이로 형성되어, 회전축(5)의 편심부(53)가 선회랩(332)과 동일 평면상에서 중첩되는 높이에 배치될 수 있다. 이를 통해, 냉매의 반발력과 압축력이 제2 경판부를 기준으로 하여 동일 평면에 가해지면서 서로 상쇄되어, 압축력과 반발력의 작용에 의한 선회스크롤(33)의 기울어짐이 방지될 수 있다.
회전축 결합부(333)의 외주부는 선회랩(332)과 연결되어 압축과정에서 고정랩(322)과 함께 압축실(V)을 형성하는 역할을 하게 된다. 선회랩(332)은 고정랩(323)과 함께 인볼류트 형상으로 형성될 수 있지만 그 외의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이, 선회랩(332)과 고정랩(323)은 직경과 원점이 서로 다른 다수의 원호를 연결한 형태를 가지며, 최외곽의 곡선은 장축과 단축을 갖는 대략 타원형 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 고정랩(323)의 내측 단부(흡입단 또는 시작단) 부근에는 회전축 결합부(333)의 외주부측으로 돌출되는 돌기부(328)가 형성되는데, 돌기부(328)에는 그 돌기부로부터 돌출되도록 형성되는 접촉부(328a)가 형성될 수 있다. 즉, 고정랩(323)의 내측 단부는 다른 부분에 비해서 큰 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이로 인해, 고정랩(323) 중에서 가장 큰 압축력을 받게 되는 내측 단부의 랩 강도가 향상되어 내구성이 향상될 수 있다.
고정랩(323)의 내측 단부와 대향되는 회전축 결합부(333)의 외주부에는 고정랩(323)의 돌기부(328)와 맞물리게 되는 오목부(335)가 형성된다. 이 오목부(335)의 일측은 압축실(V)의 형성방향을 따라 상류측에 회전축 결합부(333)의 내주부에서 외주부까지의 두께가 증가하는 증가부(335a)가 형성된다. 이는 토출 직전의 제1 압축실(V1)의 길이를 짧게 하여, 결과적으로 제1 압축실(V1)의 압축비를 높일 수 있게 한다.
오목부(335)의 타측은 원호 형태를 갖는 원호면(335b)이 형성된다. 원호면(335b)의 직경은 고정랩(323)의 내측 단부 두께 및 선회랩(332)의 선회반경에 의해 결정되는데, 고정랩(323)의 내측 단부 두께를 증가시키면 원호면(335b)의 직경이 커지게 된다. 이로 인해, 원호면(335b) 주위의 선회랩 두께도 증가되어 내구성이 확보될 수 있고, 압축 경로가 길어져서 그만큼 제2 압축실(V2)의 압축비도 증가할 수 있다.
회전축(5)은 그 상부는 회전자(22)의 중심에 압입되어 결합되는 반면 하부는 압축부(3)에 결합되어 반경방향으로 지지될 수 있다. 이로써, 회전축(5)은 전동부(2)의 회전력을 압축부(3)의 선회스크롤(33)에 전달하게 된다. 그러면 회전축(5)에 편심 결합된 선회스크롤(33)이 고정스크롤(32)에 대해 선회운동을 하게 된다.
회전축(5)의 하반부에는 메인 프레임(31)의 제1 축수구멍(312a)에 삽입되어 반경방향으로 지지되도록 메인 베어링부(51)가 형성되고, 메인 베어링부(51)의 하측에는 고정스크롤(32)의 제2 축수구멍(326a)에 삽입되어 반경방향으로 지지되도록 서브 베어링부(52)가 형성될 수 있다. 그리고 메인 베어링부(51)와 서브 베어링부(52)의 사이에는 선회스크롤(33)의 회전축 결합부(333)에 삽입되어 결합되도록 편심부(53)가 형성될 수 있다.
메인 베어링부(51)와 서브 베어링부(52)는 동일 축중심을 가지도록 동축 선상에 형성되고, 편심부(53)는 메인 베어링부(51) 또는 서브 베어링부(52)에 대해 반경방향으로 편심지게 형성될 수 있다. 서브 베어링부(52)는 메인 베어링부(51)에 대해 편심지게 형성될 수도 있다.
편심부(53)는 그 외경이 메인 베어링부(51)의 외경보다는 작게, 서브 베어링부(52)의 외경보다는 크게 형성되어야 회전축(5)을 각각의 축수구멍(312a)(326a)과 회전축 결합부(333)를 통과하여 결합시키는데 유리할 수 있다. 하지만, 편심부(53)가 회전축(5)에 일체로 형성되지 않고 별도의 베어링을 이용하여 형성하는 경우에는 서브 베어링부(52)의 외경이 편심부(53)의 외경보다 작게 형성되지 않고도 회전축(5)을 삽입하여 결합할 수 있다.
그리고 회전축(5)의 내부에는 각 베어링부와 편심부에 오일을 공급하기 위한 오일공급유로(5a)가 형성될 수 있다. 오일공급유로(5a)는 압축부(3)가 전동부(2)보다 하측에 위치함에 따라 회전축(5)의 하단에서 대략 고정자(21)의 하단이나 중간 높이, 또는 메인 베어링부(31)의 상단보다는 높은 높이까지 홈파기로 형성될 수 있다.
그리고 회전축(5)의 하단, 즉 서브 베어링부(52)의 하단에는 저유공간(1b)에 채워진 오일을 펌핑하기 위한 오일피더(6)가 결합될 수 있다. 오일피더(6)는 회전축(5)의 오일공급유로(5a)에 삽입되어 결합되는 오일공급관(61)과, 오일공급관(61)의 내부에 삽입되어 오일을 흡상하도록 프로펠러와 같은 오일흡상부재(62)로 이루어질 수 있다. 오일공급관(61)은 토출커버(34)의 관통구멍(341)을 통과하여 저유공간(1b)에 잠기도록 설치될 수 있다.
여기서, 각 베어링부와 편심부, 또는 각 베어링부의 사이에는 오일공급유로를 통해 흡상되는 오일이 각 베어링부와 편심부의 외주면으로 공급되도록 급유구멍 및/또는 급유홈이 형성될 수 있다. 따라서, 회전축(5)의 오일공급유로(5a), 급유구멍(미부호) 및 급유홈(미부호)을 따라 메인 베어링부(51)의 상단방향으로 흡상되는 오일은 메인 프레임(31)의 제1 축수부(312) 상단에서 베어링면 밖으로 흘러나와 그 제1 축수부(312)를 따라 메인 프레임(31)의 상면으로 흘러내린 후, 그 메인 프레임(31)의 외주면(또는 상면에서 외주면으로 연통되는 홈)과 고정스크롤(32)의 외주면에 연속으로 형성되는 오일통로(PO)를 통해 저유공간(1b)으로 회수된다.
아울러, 압축실(V)에서 냉매와 함께 케이싱(1)의 내부공간(1a)으로 토출되는 오일은 케이싱(1)의 상부공간에서 냉매로부터 분리되어, 전동부(2)의 외주면에 형성되는 통로 및 압축부(3)의 외주면에 형성되는 오일통로(PO)를 통해 저유공간(1b)으로 회수된다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기는 다음과 같이 동작된다.
즉, 전동부(2)에 전원이 인가되면, 회전자(21)와 회전축(5)에 회전력이 발생되어 회전하고, 회전축(5)이 회전함에 따라 그 회전축(5)에 편심 결합된 선회스크롤(33)이 올담링(35)에 의해 선회운동을 하게 된다.
그러면, 케이싱(1)의 외부에서 냉매 흡입관(15)을 통하여 공급되는 냉매는 압축실(V)로 유입되고, 이 냉매는 선회스크롤(33)의 선회운동에 의해 압축실(V)의 체적이 감소함에 따라 압축되어 토출구(322a)을 통해 토출커버(34)의 내부공간으로 토출된다.
그러면, 토출커버(34)의 내부공간으로 토출된 냉매는 그 토출커버(34)의 내부공간을 순환하며 소음이 감소된 후 메인 프레임(31)과 고정자(21) 사이의 공간으로 이동하고, 이 냉매는 고정자(21)와 회전자(22) 사이의 간극을 통해 전동부(2)의 상측공간으로 이동하게 된다.
그러면, 전동부(2)의 상측공간에서 냉매로부터 오일이 분리된 후 냉매는 냉매 토출관(16)을 통해 케이싱(1)의 외부로 배출되는 반면, 오일은 케이싱(1)의 내주면과 고정자(21) 사이의 유로 및 케이싱(1)의 내주면과 압축부(3)의 외주면 사이의 유로를 통해 케이싱(1)의 하부공간인 저유공간으로 회수되는 일련의 과정을 반복한다.
여기서, 고정스크롤(32)과 선회스크롤(33) 사이에 형성되는 압축실(V)은 선회스크롤(33)을 기준으로 하여 가장자리부에 흡입실이, 중심부에 토출실이 형성됨에 따라, 고정스크롤(32)과 선회스크롤(33)의 중심부 온도가 가장 높게 된다. 이에 따라, 고정스크롤(32)과 선회스크롤(33)은 중심부에서 열팽창이 크게 발생하게 되는데, 특히 선회스크롤(33)이 알루미늄과 같은 상대적으로 연질의 재질로 형성되는 경우에는 주물로 형성되는 고정스크롤(32)에 비해 더 많이 열팽창될 수 있다. 따라서, 이하에서는 선회스크롤을 중심으로 살펴본다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 스크롤 압축기에서, 선회스크롤이 열팽창하여 고정스크롤과 국부적으로 간섭되는 현상을 설명하기 위해 랩 두께를 펼쳐 보인 전개도 및 평면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 고정랩(323)과 선회랩(332) 사이의 간격(G)이 선회반경만큼 일정한 경우에는 선회랩(332)이 고정랩(323)과 간섭되는 구간이 발생될 수 있다. 즉, 토출실이 있는 선회스크롤(33)의 중심부가 열팽창을 하게 되면 그 선회스크롤(33)의 가장자리부는 중심부에서부터 가장자리부 방향으로 팽창된 팽창량이 순차적으로 누적되므로, 가장자리부에서의 총 팽창량은 중심부에서의 팽창량과 그 가장자리부에서의 팽창량이 합쳐진 양이 된다. 그만큼 가장자리부로 갈수록 팽창량이 증가하게 된다.
이로 인해, 도 3b와 같이 가장자리부에서는 선회랩(332)의 측면이 이에 대응하는 고정랩(323)의 측면과 과도하게 접촉되는 지점이 발생하게 되어, 고정랩(323)과 선회랩(332)의 접촉면 사이에는 마찰손실이 발생하게 된다. 특히, 상대적으로 연질로 된 선회랩(332)의 접촉면에는 심한 마모가 발생되어 선회랩(332)과 고정랩(323) 사이가 벌어지면서 냉매가 누설되어 압축손실이 야기될 수 있다.
이를 감안하여, 본 실시예에서는 선회랩의 랩 간격이 중심부에서 가장자리부 방향으로 갈수록 점차 증가되도록 형성함으로써, 선회스크롤이 반경방향으로 열팽창을 하더라도 선회랩이 고정랩과 간섭되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 스크롤 압축기에서, 고정스크롤의 중심과 선회스크롤의 중심이 일치된 상태를 설명하기 위해 보인 평면도이고, 도 5는 도 4의 "Ⅴ-Ⅴ"선단면도로서, 선회스크롤에 고정스크롤이 결합된 상태에서의 랩간 간격을 설명하기 위해 보인 종단면도이다.
도 4에서와 같이, 고정스크롤(32)의 중심(O)과 선회스크롤(33)의 중심(O')이 일치된 상태에 고정랩(323)과 선회랩(332) 사이의 간격을 보면, 선회스크롤(33)은 중심부를 이루는 회전축 결합부(333)의 외주면과 이웃하는 최내측 랩의 측면 사이에 형성되는 랩간격(G1)이 바깥쪽으로 이웃하는 다른 랩들 사이의 랩간격(G2, G3)보다 작게 형성될 수 있다. 그리고 제2 랩간격(G2)은 제3 랩간격(G3)보다 작게 형성될 수 있다.
이를 위해, 회전축 결합부(333)가 이루는 랩두께(t1)보다 그 회전축 결합부(333)의 바깥쪽으로 이웃하여 위치하는 부위에서의 랩두께(t2) 및 그 바깥 부위에서의 랩두께(t3)가 상대적으로 얇아져 랩간 간격(D1, G2, G3)이 선회스크롤(33)의 중심부에서 가장자리 방향으로 갈수록 증가될 수 있다. 하지만, 경우에 따라서는 랩두께는 일정하면서도 랩간 간격은 가장자리 방향으로 갈수록 증가하거나 또는 랩두께는 가장자리 방향으로 갈수록 두꺼워지면서도 랩간 간격이 가장자리 방향으로 갈수록 증가될 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 스크롤 압축기에서, 선회스크롤이 고정스크롤과 국부적으로 간섭되는 현상을 방지하기 위한 일실시예를 설명하기 위해 랩 두께를 펼쳐 보인 전개도이다.
이에 도시된 바와 같이, 선회랩(332)은 그 랩의 중심선(CL)을 기준으로 양쪽 측면(332a,332b)의 폭이 토출실(Vd)에서 흡입실(Vs) 방향으로 갈수록 함께 감소하도록 오프셋(offset)(a1,a1)되어, 선회랩(32)의 랩두께(t)가 토출실측 단부(332c)에서 흡입실측 단부(332d)로 갈수록 얇아지게 형성될 수 있다.
이에 따라, 도 5와 같이, 고정랩(323)과 선회랩(332) 사이의 간격(G1, G2, G3)이 토출실을 형성하는 중심부에서 흡입실을 형성하는 가장자리부로 갈수록 점진적으로 증가하게 형성할 수 있다. 즉, 고정랩(323)과 선회랩(332) 사이의 간격은 선회스크롤(33)(또는/및, 고정스크롤)의 중심부에 형성되는 제1 간격(G1)이 그 선회스크롤(33)의 선회반경(r)과 동일하고, 중심부와 가장자리부 사이에 형성되는 제2 간격(G2) 및 가장자리부에 형성되는 제3 간격(G3)이 선회스크롤(33)의 선회반경(r)보다 크며, 제3 간격(G3)은 제2 간격(G2)보다 크게 형성될 수 있다.
이로써, 선회랩이 중심부에서 가장자리부 방향으로 갈수록 열팽창으로 인한 반경방향(랩두께 방향)으로의 열변형이 누적되어 증가하더라도 가장자리부에서의 고정랩(323)과 선회랩(332) 사이의 간격이 충분히 확보됨에 따라, 고정랩(323)의 측면과 이에 대응하는 선회랩(332)의 측면이 과도하게 밀착되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 발명에 의한 스크롤 압축기에서 랩간 간격을 스크롤의 중심에서 가장자리 방향으로 갈수록 확대시키기 위한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다. 도 7 및 도 8은 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 국부적 간섭 현상을 방지하기 위한 다른 실시예를 설명하기 위해 랩 두께를 상측에서 펼쳐 보인 전개도이다.
도 7과 같이, 선회랩(332)의 양쪽 측면중에서 한쪽 측면(332b)만 오프셋(a2)시킬 수 있으나, 이 경우 오프셋되지 않은 측면은 상대쪽 고정랩(323)의 측면과 간섭될 수 있다. 따라서, 이 경우에는 상대쪽 고정랩(323)의 측면도 오프셋시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우에도, 선회랩(332)의 흡입실측 랩두께가 너무 얇아지는 것을 방지하여 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 도 8에서와 같이 선회랩(332)뿐만 아니라 고정랩(323) 역시 선회랩(332)과 마찬가지로 고정랩(323)의 양쪽 측면을 토출실측 단부(323c)에서 흡입실측 단부(323d)로 갈수록 랩 두께가 얇아지도록 각각 오프셋(a31)(a32) 형성하여, 고정랩(323)과 선회랩(332) 사이의 간격(G)이 선회스크롤(33)(또는/및 고정스크롤)의 중심부에서 가장자리부 방향으로 갈수록 점차 증가되도록 할 수도 있다. 이 경우에도, 선회랩(332)의 흡입실측 랩두께가 너무 얇아지는 것을 방지하여 신뢰성을 높일 수 있다.
하지만, 고정랩(323)과 선회랩(332)이 동일한 재질로 형성되는 경우에도 고정랩(323)에 비해 선회랩(332)의 열팽창이 크게 발생하는 점을 고려하면 고정랩(323)은 랩두께를 원래의 프로파일에 따라 가공하는 반면 선회랩(332)만 원래의 프로파일보다 얇게 가공하는 것이 바람직할 수 있다. 더군다나, 고정스크롤(32)이 주물로 형성되는 반면 선회스크롤(33)이 알루미늄으로 형성되는 경우에는 알루미늄이 주물에 비해 2배 정도 열팽창 계수가 크므로 선회랩(332)의 랩두께를 흡입측 방향으로 점차 줄여가는 것이 바람직할 수 있다.
이렇게 하여, 고정랩과 선회랩 사이의 간격이 가장자리쪽으로 갈수록 점차 증가하게 되므로, 압축기 운전시 고정스크롤 또는 선회스크롤이 열팽창하여 중앙에서 가장자리쪽으로 늘어나더라도 고정랩과 선회랩 사이의 간섭을 방지할 수 있고 이를 통해 고정랩과 선회랩의 간섭에 따른 마찰손실 또는 마모를 현저하게 줄일 수 있다.
또, 고정스크롤 또는 선회스크롤의 재질 선택시 열변형에 따른 상호 간섭에 대한 우려를 줄임으로써, 고정스크롤과 선회스크롤의 재질 선택에 대한 제한을 낮출 수 있고 이를 통해 고온 고압 조건에서도 열변형에 대한 우려 없이 가벼운 재질을 선택하여 효율을 높일 수 있다. 또, 고정랩 또는 선회랩의 열변형에 대한 우려를 낮춤으로써, 고압축비에 적합한 랩 설계가 가능하게 될 수 있다.

Claims (13)

  1. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부공간에 구비되는 구동모터;
    상기 구동모터의 회전자에 결합되어 함께 회전하는 회전축;
    상기 케이싱에 고정 결합되고, 상기 구동모터의 하측에 구비되어 상기 회전축을 지지하는 프레임;
    상기 프레임에 결합되어 상기 구동모터의 하측에 구비되며, 고정랩이 구비되는 고정스크롤; 및
    상기 프레임과 상기 고정스크롤 사이에 구비되며, 상기 고정랩과 맞물려 흡입실, 중간압실, 토출실로 이루어진 압축실을 형성하도록 선회랩이 구비되고, 상기 회전축이 관통하여 결합되는 회전축 결합부가 구비되는 선회스크롤을 포함하고,
    상기 고정스크롤의 중심과 상기 선회스크롤의 중심을 일치시킨 상태에서, 상기 고정랩과 상기 선회랩 사이의 간격이 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 점차 증가하도록 상기 선회랩의 랩두께는 상기 토출실에서 흡입실 방향으로 갈수록 점진적으로 감소하는 반면 상기 고정랩의 랩두께는 상기 선회랩의 랩두께에 비해 두껍게 형성되며,
    상기 고정스크롤의 열팽창계수가 상기 선회스크롤의 열팽창계수보다 작은 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선회랩 또는 상기 고정랩은 그 랩의 진행방향 중심선을 기준으로 양쪽 측면의 폭이 함께 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선회랩 또는 상기 고정랩은 그 랩의 진행방향 중심선을 기준으로 한쪽 측면의 폭이 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선회랩은 상기 고정랩에 비해 연질인 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항, 제3항 내지 제4항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정스크롤의 중심과 상기 선회스크롤의 중심이 일치된 상태에서, 상기 고정랩과 선회랩은 그 고정랩과 선회랩 사이의 반경방향 간격이 상기 선회스크롤의 선회반경보다 큰 부위가 존재하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  12. 삭제
  13. 삭제
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