KR19980033289A - 고정 스크롤 부재와 선회 스크롤 부재 간의 분리력을 감소시킨스크롤 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스크롤 압축기는 스크롤 랩의 적어도 하나의 선단에 스크롤 랩을 분리시키는 분리력을 감소시키는 구조가 마련된다. 일 실시예에서, 상기 구조는 저압 유체가 선단과 이에 대향된 스크롤 기부 사이의 표면을 가로질러서 배출되도록 선단에 형성된 리세스를 포함한다. 저압 유체는 스크롤 랩 사이의 분리력을 감소시킨다. 분리 벽은 분리 홈을 한정하도록 형성된다. 제2 실시예에서는, 중간 압력 유체가 홈 안으로 배출된다. 또한, 저압은 스크롤 랩을 가로지르는 분리력 성분을 감소시킨다. 이러한 본 발명은 두꺼운 랩을 구비하는 종류의 스크롤 랩에 있어 특히 유용하다.

Description

고정 스크롤 부재와 선회 스크롤 부재 간의 분리력을 감소시킨 스크롤 압축기

본 발명은 스크롤 부재들 중 적어도 한 부재의 선단으로의 중간 흡입 압력을 끌어냄으로서 스크롤 압축기 내의 분리 압력을 최소화 하기 위한 구조에 관한 것이다.

스크롤 압축기는 HVAC 및 냉동 산업에 널리 사용되고 있다. 스크롤 압축기는 이에 대응하는 왕복 압축기에 비해 비교적 고가이지만 통상적으로는 보다 효율적이고 소음이 적다. 스크롤 압축기 기술은 지난 수년 동안 상당히 진보되어 왔다. 그러나 스크롤 압축기 설계에 있어서 넓은 범위의 흡입 및 토출 상태에 대해서 신뢰성 있게 작동할 수 있게 하는 데에는 아직도 해결해야 할 과제들이 남아 있다. 그 중 한가지 주요 과제는 선회 스크롤 부재와 고정 스크롤 부재 간의 분리력을 줄이는 것이다.

도1은 종래의 스크롤 압축기(20)를 도시하고 있는 것이다. 선회 스크롤(orbiting scroll)(22)은 축(24)에 의해서 구동되어서 고정 스크롤(26)에 대해서 운동하여 선회 스크롤(22)과 고정 스크롤(26) 사이에 가두어진 유체를 압축하게 된다. 고정 스크롤(26)은 스크롤 랩(wrap)(28)을 구비하고, 선회 스크롤은 스크롤 랩(wrap)(28)을 구비한다. 알려져 있는 바와 같이, 이와 같은 2개의 스크롤 랩은 대응하는 기부 판뿐만 아니라 측면(flank)을 따라서 여러 지점에서 서로 접촉하여서 고정 스크롤 랩과 선회 스크롤 랩 사이에 압축실을 한정한다.

선회 스크롤(22)과 고정 스크롤(26) 사이에 가두어진 냉매는 2개의 스크롤 부재를 서로 멀리 떨어뜨리는 운동을 하는 분리력을 생성시킨다. 누출을 최소화 하소 불안정성을 해소하기 위해서는 2개의 스크롤 부재를 서로 접촉 유지시키는 것이 바람직하다. 스크롤 압축기가 불안정한 경우에, 선회 스크롤은 평형을 이루지 못한다. 대신에, 선회 스크롤이 다른 기계 요소와 접촉을 하게 될 때까지 선회 스크롤은 피벗식으로 선회하거나 혹은 전복된다. 이러한 작동이 선회 스크롤의 선회 운동과 결합하게 되면 일종의 동요가 발생하여서 부품의 가장자리를 따라서 축 방향 접촉이 발생하게 된다. 이와 같은 동요 또는 불안정성은 결국 분리된 선단에 의해 개방된 간극을 통한 누출을 야기시키고, 스크롤 표면의 가장자리 부하를 야기시키며, 스크롤 구동 베어링의 각도 오정렬을 야기시킨다. 이러한 모든 사항은 급기야는 성능의 손실과 압축기의 조기 고장을 야기하게 된다.

사실, 분리력은 선회 스크롤(22)을 고정 스크롤(26)로부터 멀리 밀어낸다. 이러한 분리력에 대항할 수 있도록 하기 위해서, 고정 스크롤(26)에 고정된 크랭크 케이스(33) 내에 장착된 2개의 밀봉 요소(30, 32) 사이에 배압실(29)을 마련한다. 배압실(29)은 선단, 일례로 선단(34)으로부터 유체를 받는다. 이러한 관점에서 설명된 압축기(20)의 태양은 당해 기술 분야에 공지되어 있으며 본 발명의 부분을 이루지는 않는다.

그러나 배압실 압력은 그 크기가 제한되는데, 그 이유는 배압실 영역에 대한 공간적 제한과 최대 허용 배압실 압력 때문이다. 실질적으로 배압실(29) 내의 압력은 분리력을 극복해서 선회 스크롤(22)을 고정 스크롤에 대해 상향으로 가압해야 하고 또한 선회 스크롤의 불안정성을 배제할 수 있도록 충분히 커야 한다. 이러한 문제점은 작동 압력의 범위가 넓은 냉동 장치에 있어서 가장 현저하다. 따라서, 압축기 작동 압력에 대한 제한을 최소화 할 수 있도록 분리력을 감소시키는 것이 가장 바람직하다.

스크롤 부분을 가로지르는 분리력은 도2에 그래프로 도시되었다. 점선(28)은 스크롤 랩의 선단 부분 위의 위치를 나타내는 것이다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 랩(28)의 한 측면에는 보다 높은 압력이 가해지고 반대 측면에는 보다 낮은 압력이 존재한다. 분리력은 압력이 가해지는 면적과 압력을 곱함으로써 계산된다.

본 발명은 스크롤 랩 선단을 가로질러 가해지는 분리력의 성분을 줄이는 데 있다. 스크롤 랩(28)의 선단을 가로지르는 압력 전이 또는 구배(35)가 있다. 전이는 랩의 폭을 가로지르는 저압에 대한 고압 간의 경사를 직선이라고 가정하여 계산한 것이다. 이러한 계산은 항상 정확한 것은 아니지만, 이러한 계산은 일반적으로 양호한 어림 계산이다. 그러나 실제에 있어서는 약간의 변동이 있으며 압력 구배는 항상 일정한 경사가 아니다. 본 발명에서 해결하려는 문제점에 대해서는 도2에 도시된 일정 압력 경사를 기준으로 하여 설명한다. 그러나 경사는 곡선이나 혹은 기타 다른 불규칙한 형상일 수 있다는 점을 알아야 한다. 해결해야 하는 문제점은 여전히 남아 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 스크롤 랩(28)의 폭을 가로지르는 구배(35) 아래의 횡방향 해칭선에 의하여 변동 압력이 도시되어 있다. 이 압력에 이 압력이 포위하는 면적을 곱하면 분리력의 일부에 기여하는 것이 된다. 원래, 스크롤 랩은 얇으며 일정한 폭으로 이루어져 있다. 스크롤 랩을 가로지르는 분리력 성분은 이와 같은 종류의 종래 기술의 시스템에서 비교적 작은데, 그 이류는 스크롤 랩의 면적이 비교적 작기 때문이다.

그러나 최근에는 도1에 도시된 바보와 같이 폭이 변화하는 스크롤 랩이 개발되었다. 이와 같이 폭이 변화하는 스크롤 랩은 다소 비교적 넓은 위치를 갖는다. 넓은 위치에서는, 스크롤 랩 선단에 대한 분리력 성분이 중요해졌으며, 이와 마찬가지로 앞에서 설명한 바와 같은 이유로 인해 분리력 성분을 줄이는 데 있어 유리하게 되었다.

도1은 종래 기술의 스크롤 압축기를 도시한 도면.

도2는 종래 기술의 스크롤 압축기의 제한 사항을 나타낸 도면.

도3은 본 발명에 따른 제1 실시예를 도시한 도면.

도4는 도3의 선 4-4를 따라서 도시한 횡단면도.

도5는 제1 실시예에 따른 향상된 사항을 그래프로 나타낸 도면.

도6은 본 발명에 따른 제2 실시예를 나타내는 도면.

도7은 도5의 선 6-6을 따라서 도시한 횡단면도.

도8은 제3 실시예를 나타내는 도면.

도9는 제2 실시예 및 제3 실시예에 따른 향상된 사항을 그래프로 나타낸 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

28, 41, 49, 53: 스크롤 랩

42: 리세스

44: 내벽

48: 분리 벽

50: 홈

56, 58: 탭

개시되어 있는 본 발명의 실시예는 스크롤 랩 선단을 가로지르는 압력에 의해 생성된 분리력 성분을 최소화 한다. 본 발명의 실시예에서, 저압 유체는 스크롤 랩 선단과 이에 대향된 스크롤 판 사이의 위치로 배출된다. 이러한 방식으로, 스크롤 랩은 그것의 대부분의 폭에 대해 저압만을 나타낸다. 랩의 폭의 비교적 작은 부분에 대해서만 저압에 대한 고압의 구배가 발생한다. 따라서, 스크롤 랩의 폭으로 인한 분리력의 총 성분은 상당히 감소된다. 본 발명은 분리력과 반전 모멘트가 큰 냉동 장치에 특히 유리하다. 본 발명을 달성하기 위한 일 실시예는 스크롤 랩 안으로 축 방향으로 연장되는 얕은 리세스를 사용한다. 리세스는 스크롤 랩의 저압 측으로 연장되고, 저압 유체를 스크롤 랩의 선단 상의 리세스에 의하여 형성된 공간 안으로 배출된다. 저압에 대한 고압의 구배는 리세스를 지나는 위치에 이르러서야 실질적으로 시작된다. 따라서 본 발명은 저압에 대한 고압의 구배를 랩의 보다 작은 부분으로 감소시키게 된다. 스크롤 랩의 나머지 부분은 저압으로 유지된다. 따라서, 스크롤 랩 선단 상의 압력으로 인한 총 분리력 성분은 상당히 감소된다. 본 발명은 폭이 넓은 스크롤 랩, 즉 폭이 변화하는 스크롤 랩의 종류에서 특히 유리하게 적용된다.

본 발명의 실시예의 양호한 특징에 있어서, 리세스는 서로 분리된다. 이러한 특징은 고압 측으로부터 저압 측으로의 원주 방향에서 스크롤 랩을 따라서 발생하는 누출을 최소화 한다. 본 발명의 양호한 특징에 있어서, 리세스의 깊이는 200마이크론 미만이다. 보다 바람직하기로는, 리세스의 깊이는 20마이크론 이하이다. 제조를 용이하게 하기 위해서, 일련의 리세스를 하나의 연속 리세스로 바꿀 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에서, 중간 압력 유체는 스크롤 랩 선단 상에 형성된 홈 도는 일련의 홈 안으로 배출된다. 저압 유체 쪽으로의 탭(tap)은 홈 안으로 연통한다. 스크롤 랩 선단은 홈 사이에서 저압을 나타낼 것이고 스크롤의 저압 측을 외향으로 향하여 연장된다. 저압에 대한 고압의 구배는 홈으로부터 랩의 측면 토출 압력까지 발생한다. 구배가 폭의 비교적 작은 부분에 걸쳐 발생하기 때문에, 구배로부터의 총 분리력 성분은 감소된다.

본 실시예의 특징에 있어서, 홈은 비교적 얕으며, 앞에서 설명한 바와 같은 리세스와 동일한 깊이이거나 혹은 그보다 깊은 깊이이다. 압력 탭은 스크롤 랩의 저압 측과 연통하여 홈 쪽으로 이르는 유체를 막는다. 또한 홈은 각각이 압력 탭과 연통하는 다수의 홈으로 분리될 수 있다.

본 실시예의 양호한 특징에 있어, 탭은 스크롤 랩 선단 상에 위치한 홈의 형태로 형성된다. 홈 내의 압력을 더 줄이기 위해, 리세스를 소정의 각도로 기계 가공하여서 저압에 가장 근접한 위치에서 홈에 연결시킬 수 있다.

본 발명의 이러한 특징들과 기타 다른 특징들은 첨부된 도면과 이하의 상세한 설명으로부터 잘 이해할 수 있을 것이다.

도3은 스크롤 랩(41)을 도시하는 것이다. 스크롤 랩(41)은 가장 양호한 실시예에서는 선회 스크롤이나 고정 스크롤을 나타내지만, 고정 스크롤은 종종 선회 스크롤보다 얇기 때문에 적어도 고정 스크롤에는 독창적인 구조가 마련된다. 얕은 리세스(42)가 고정 스크롤 랩(41)의 선단에 형성된다. 얕은 리세스(42)는 스크롤 랩(41)의 고압 측(45)에 인접한 내벽(44) 쪽으로 연장된다. 리세스(42)는 스크롤 랩(41)의 저압 측(46)으로 연장된다. 따라서, 저압 측(46)으로부터 나오는 저압 유체는 리세스(42) 안으로 해서 벽(44) 쪽으로 이동한다. 리세스(42)들 사이에는 분리 벽(48)이 형성된다. 분리 벽(48)은 불연속 리세스를 형성하는데, 이것은 스크롤 랩(41)을 따라서 원주 방향으로 발생하는 누출을 줄인다.

도4에 도시된 바와 같이, 리세스(42)는 가장자리(46)로부터 벽(44)까지 고압 측(45)으로부터 이격된 위치에서 연장된다. 분리 벽(48)은 리세스(42)에 인접한 중간부까지 연장된다. 리세스(42) 전체는 랩의 원주 방향 길이를 따라서 연장된다. 제조를 용이하게 하기 위해서 단일 리세스로 구성하여도 동일한 목적이 달성되기는 하지만, 이 경우 부수적인 누출이 스크롤 랩을 따라서 발생할 수 있다.

리세스(42)는 얕은데, 예시의 목적으로 도시한 도4에서는 상당히 과장되어 있다. 통상적으로 축 방향 높이가 적어도 12.7cm(5인치) 및 그 이상의 수 인치인 스크롤 랩용의 리세스의 깊이는 200마이크론 미만인 것이 바람직하다. 보다 바람직하기로는, 리세스의 깊이는 20마이크론 이하인 것이 좋다. 깊이는 일정하지 않고 고압 측을 향해서 테이퍼지게 할 수 있다.

고정 스크롤용이거나 혹은 선회 스크롤용의 스크롤 랩(41)을 구비하는 스크롤 압축기가 작동할 때, 총 분리력은 이하에서 설명하는 바와 같이 감소된다. 도3 및 도4에 도시된 바와 같은 제1 실시예에 의한 이점들은 도5에서 알 수 있게 된다. 도5는 스크롤의 부분을 가로지르는 분리력의 성분을 그래프로 나타내었다는 점에서 도2와 유사하다. 고압은 외부 단부(45) 쪽으로 연장된다. 저압(43)은 스크롤 랩(41)을 안쪽으로 가로질러서 벽(44) 쪽으로 연장된다. 벽(44)과 외부 가장자리(45) 사이에서는 저압에 대한 고압의 구배(47)가 발생한다. 분리력은 고압이 작용하는 영역을 최소화 함으로써 감소된다. 선(49)은 종래 기술에서 발생하게 되는 구배를 나타내는 것이다. 본 발명에 의해 이루어지는 바와 같은 구배(47)와 선(43) 아래의 음영 부분에 의하여 포위되는 면적은 본 발명의 스크롤 랩에 의하여 발생하는 분리력 성분에 비례한다. 구배(47)와 선(43)과 구배(49)에 의하여 포위되는 면적은 본 발명의 본 실시예에 의하여 달성된 분리력의 감소에 비례한다.

도6에는 스크롤 랩(53)을 구비하는 제2 실시예가 도시되어 있다. 스크롤 랩(53)에는 랩(53)의 토출 압력 측(51)을 향해서 이격된 위치에서 다수의 홈 구성 요소에 의하여 형성된 홈(50)이 마련된다. 홈(50)은 랩(53)의 길이를 다라서 연장된다. 도시된 바와 같이, 홈(50)은 고압 측(51)을 향하여 이격된 벽(52)을 구비한다. 탭(58)은 홈(50)으로부터 랩(53)의 저압 측(54) 쪽으로 외향으로 연장된다. 홈(50)은 벽(52)과 외벽(55) 사이에서 연장된다. 또 다른 탭(56)이 랩(53) 안쪽으로 연장되어 탭(58)과 연통한다. 저압 유체는 탭(58, 56)을 통해서 홈(50) 안으로 배출된다. 분리 벽(59)이 홈(50) 안에 형성되어서 누출을 재차 감소시킨다. 이러한 결과는 독립된 탭(56, 58)을 각각 구비하는 다수의 불연속 홈 구성 요소에 의한 것이다.

도7에 도시된 바와 같이, 탭(58)은 스크롤 랩(49)의 저압 측(54) 쪽으로 외향으로 연장된다. 홈은 도시된 바와 같이 저압 영역을 향해서 각지게 형성하는 것이 바람직하다. 또한 도시된 바와 같이, 홈(50)은 스크롤 랩(53)의 토출 압력 측(51)을 향해서 이격된다. 또한, 이러한 구조를 이용함으로써, 스크롤 랩(49)을 가로지르는 총 분리력이 감소된다.

도8은 도6의 실시예에 도시된 바와 같이 홈 부분(72)을 구비하는 제3 실시예(70)에서의 랩(69)의 작은 일부를 도시하는 것이다. 탭(74)은 스크롤 선단의 전면에 형성되어서 외부 가장자리(75) 쪽으로 연장된다. 이와 같은 탭(74)은 도6의 실시예의 탭과 같이 각지게 형성할 수 있다.

도6 및 도7에 도시된 제2 실시예와 도8에 도시된 실시예에 의한 이점들은 도9에 그래프로 예시되어 있다. 도8에 도시된 바와 같이, 벽(51)과 홈(50)의 벽(52) 사이에 토출 압력 구배(64)가 발생한다. 홈(50)을 가로지르며 그리고 랩(49)의 중간 압력 측(54)에까지 이르는 모든 압력은 선(66)으로 나타낸 바와 같이 저압이다. 종래 기술에 의한다면 저압에 대한 고압의 구배(68)가 얻어졌을 것이다. 구배(64)와 선(66)과 구배(68) 사이의 면적은 본 발명의 이와 같은 실시예에 따른 분리력의 감소에 비례한다.

도3 내지 도6에 도시된 본 발명은 두꺼운 스크롤 랩용으로 특히 가치가 있다. 이러한 것들은 도3 내지 도6의 실시예에 예시된 바와 같은 종류의 스크롤 랩이다. 여러가지 이유로 해서, 비교적 두꺼운 부분을 구비하는 폭이 변화하는 스크롤 랩은 최근에는 많은 적용례에서 사용되고 있다. 이와 같은 종류의 스크롤 랩에 있어서, 스크롤 랩 선단을 가로지르는 분리력은 총 분리력의 대부분이 된다. 이와 같은 적용례에서는 본 발명이 특히 유리하다.

이상에서 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 개시하였으나, 여기에 대한 특정의 수정은 통상의 기술을 가진 자들이라면 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 인식할 것이다. 이러한 이유로 해서, 본 발명의 범위와 내용은 특허 청구의 범위를 고찰함으로써 결정될 것이다.

Claims (11)

1. 스크롤 압축기에 있어서,

   기부로부터 연장되는 선회 스크롤 랩을 구비하는 선회 스크롤 부재와, 기부로부터 연장되는 고정 스크롤 랩을 구비하는 고정 스크롤 부재를 포함하고,

   상기 선회 스크롤 랩은 상기 고정 스크롤 랩과 상호 체결되어서 다수의 압력실을 형성하고, 상기 스크롤 랩의 제1 측면에는 고압실이 형성되고 상기 스크롤 랩의 제2 측면에는 저압실이 형성되며,

   상기 스크롤 랩 각각은 또 다른 상기 스크롤 부재의 기부와 대면하는 선단을 구비하고, 상기 스크롤 랩들 중 적어도 하나의 선단은 저압실들 중 적어도 하나로부터 상기 선단으로 압력을 배출시키는 구조를 상기 하나의 스크롤 랩의 상기 측면들 사이의 위치에 구비하여서 상기 스크롤 랩들 사이의 총 분리력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
2. 제1항에 있어서, 상기 구조는 상기 하나의 스크롤 랩 내의 벽으로부터 상기 제2 측면까지 연장되는 리세스를 구비하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
3. 제2항에 있어서, 상기 리세스는 상기 스크롤 랩의 길이를 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
4. 제3항에 있어서, 상기 리세스는 분리 벽에 의해서 다수의 리세스로 분리된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
5. 제2항에 있어서, 상기 리세스는 200 마이크론 미만의 깊이로 선단의 전면 안으로 연장된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
6. 제5항에 있어서, 상기 깊이는 20 마이크론 미만인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
7. 제1항에 있어서, 상기 구조는 상기 선단의 단부 면 안에 형성된 적어도 하나의 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
8. 제7항에 있어서, 상기 홈 안에 분리 벽이 형성되어서 상기 홈을 불연속 구성 요소로 분할하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
9. 제8항에 있어서, 상기 스크롤 랩의 제2 측면으로부터 상기 홈 구성 요소까지 유체 탭이 연장된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
10. 제7항에 있어서, 상기 스크롤 랩의 제2 측면으로부터 상기 홈까지 유체 탭이 연장된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
11. 제7항에 있어서, 상기 홈으로부터 상기 저압실까지의 상기 선단의 전면 내에 탭이 형성된 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.