KR20010007042A - 스크롤 압축기 - Google Patents

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마스다 노부유키
미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

압축효율을 저하시키지 않고, 선회 스크롤의 스러스트 하중을 효과적으로 저감하면서 또한 구조가 간단한 스크롤 압축기를 제공한다.
스크롤 압축기 (1) 는 단판 (10) 의 일면측에 소용돌이형상 돌기 (11) 가 형성된 고정 스크롤 (8) 과, 단판 (17) 의 일면측에 소용돌이형상 돌기 (17) 가 설치되고, 또한 이 소용돌이형상 돌기 (17) 가 고정 스크롤 (8) 의 소용돌이형상 돌기 (11) 와 조합되어 소용돌이형상 압축실 (21a, 21b, 21c) 을 형성하는 선회 스크롤 (9) 과, 선회 스크롤 (9) 의 선회에 따라, 도입한 작동가스를 압축실 (21a, 21b, 21c) 내에서 압축한 다음 토출하는 것으로, 선회 스크롤 (9) 의 단판 (17) 의 배면측에 이 단판 (17) 과의 스러스트면 (40) 에 압력 포켓 (41) 이 형성되어 선회 스크롤 (9) 을 스러스트 지지하는 스러스트 부재 (19) 가 대향배치되어 있다. 이 스러스트 부재 (19) 에는 압력 포켓 (41) 에 고압유를 도입하기 위한 도입구멍 (43) 이 형성되어 있다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL TYPE FLUID MACHINE}
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 특히 이산화탄소 (CO2) 등의 초임계역에서 냉매를 사용하는 증기압축 냉동사이클에 적합한 스크롤 압축기에 관한 것이다.
최근, 환경보호의 관점에서 증기압축식 냉동사이클에 있어서 냉매의 탈프레온대책의 하나로서, 작동가스 (냉매가스) 로서 이산화탄소 (CO2) 를 사용한 냉동사이클 (이하, CO2사이클) 이 제안되어 있다 (예컨대, 일본특허공보 평7-18602 호). 이 CO2사이클의 작동은 프레온을 사용한 종래의 증기압축식 냉동사이클과 동일하다. 즉, 도 7 (CO2몰리에르선도) 의 A-B-C-D-A 로 나타나는 바와 같이, 압축기로 기상상태의 CO2를 압축하고 (A-B), 이 고온압축의 기상상태의 CO2를 방열기 (가스쿨러) 로 냉각한다 (B-C). 그리고, 감압기에 의해 감압하여 (C-D), 기액상상태로 된 CO2를 증발시켜 (D-A), 증발잠열을 공기 등의 외부유체로부터 빼앗아 외부유체를 냉각한다.
그런데, CO2의 임계온도는 약 31°로 종래의 냉매인 프레온의 임계점 온도와 비교하여 낮기 때문에, 여름철 등 외기온이 높은 때에는 방열기측에서의 CO2의 온도가 CO2의 임계점 온도보다 높아진다. 즉, 방열기 출구측에 있어서 CO2는 응축되지 않는다 (선분 BC 가 포화액선 (SL) 과 교차하지 않는다). 또한, 방열기 출구측 (C 점) 의 상태는 압축기의 토출압력과 방열기 출구측에서의 CO2온도에 따라 결정되고, 방열기 출구측에서의 CO2온도는 방열기의 방열능력과 외기온도 (제어불가) 에 따라 결정되기 때문에, 방열기 출구에서의 온도는 실질적으로는 제어할 수 없다. 따라서, 방열기 출구측 (C 점) 의 상태는 압축기의 토출압력 (방열기 출구측 압력) 을 제어함으로써 제어할 수 있게 된다. 즉, 여름철 등 외기온이 높은 때에는 충분한 냉각능력 (엔탈피 차) 을 확보하기 위해서는, E-F-G-H-E 로 나타나는 바와 같이, 방열기 출구측 압력을 높게 할 필요가 있다. 따라서, 압축기의 운전압력을 종래의 프레온을 사용한 냉동사이클에 비하여 높게 할 필요가 있다. 차량용 공조장치를 예로 들면, 상기 압축기의 운전압력은 종래의 R134 (프레온) 에서는 3 kg/cm2정도임에 비하여 CO2에서는 40 kg/cm2정도로 높고, 또한 운전정지압력은 R134 (프레온) 에서는 15 kg/cm2정도임에 비하여 CO2에서는 100 kg/cm2정도로 높아진다.
여기서 일반적인 스크롤 압축기는, 케이싱 내에, 단판(端板)의 일면측에 소용돌이형상 돌기가 형성된 고정 스크롤과, 단판의 일면측에 소용돌이형상 돌기가 설치되고, 또한 이 소용돌이형상 돌기가 상기 고정 스크롤의 상기 소용돌이형상 돌기와 조합되어 소용돌이형상 압축실을 형성하는 선회 스크롤을 구비하고, 상기 선회 스크롤의 선회에 따라, 도입한 작동가스를 상기 압축실내에서 압축한 다음 토출하는 것이다. 그리고, 상술한 바와 같이 CO2를 작동가스로 하는 운전압력이 높은 스크롤 압축기에서는 선회 스크롤에 걸리는 커다란 스러스트에 대항하기 위해, 선회 스크롤의 배면을 스러스트 볼 베어링으로 지지함으로써, 상기 압축실로부터의 작동가스의 누출을 최대한 저지하고 있다. 또, 예를 들면 일본 공개특허공보 평3-54387호에는 선회 스크롤의 배면을 스러스트판에 의해 지지함과 동시에 이 스러스트판의 선회 스크롤과의 접촉면에 오일 또는 물을 밀봉하기 위한 오목부를 형성하거나, 또 일본 특허공보 평1-44911호에는 선회 스크롤의 배면에 배압실을 설치함과 동시에 선회 스크롤의 배면을 스프링에 의해 탄성지지되는 피스톤으로 지지하는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 선회 스크롤을 스러스트 볼 베어링으로 지지하는 것은, 소음이 크다는 문제점과 수명을 확보하기 위해서 볼의 직경을 크게 하지 않을 수가 없어 스크롤 압축기의 소직경화가 어렵다는 문제점이 있다. 또 선회 스크롤을 단순히 스러스트판으로 지지하는 것은 스러스트 손실의 저감효과가 낮다.
그래서, 본 발명자들은 여러날 예의 연구한 결과, 스러스트판의 선회 스크롤과의 대향면에 외부로부터 고압유 또는 작동가스를 도입하는 간단한 구성에 기초하여, 압축효율이 저하되지 않고, 스러스트 하중 (스러스트 부하) 을 효과적으로 저감할 수 있으면서, 윤활작용도 확보할 수 있고, 또한 스크롤 압축기의 소직경화가 가능하다는 것을 발견하였다.
즉, 본 발명은, 상기의 종래기술이 갖는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 압축효율을 저하시키지 않고, 선회 스크롤의 스러스트 하중을 효과적으로 저감하여 기계효율의 향상을 꾀하고, 구조가 간단하며 메인테넌스의 용이, 그리고 소직경화가 가능한 스크롤 압축기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1 은 본 발명에 관한 스크롤 압축기의 일 실시형태의 종단면도,
도 2 는 도 1 에 나타낸 스러스트판 및 그 근방의 확대도,
도 3 은 본 발명에 관한 스크롤 압축기의 다른 실시형태의 종단면도,
도 4(a) 및 (b) 는 스러스트판의 다른 형태의 측면도 및 단면도,
도 5 는 본 발명에 관한 스크롤 압축기의 다른 실시형태의 종단면도,
도 6 은 증기압축식 냉동사이클을 나타내는 모식도,
도 7 은 CO2의 몰리에르선도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
S : CO2사이클 1 : 스크롤 압축기
1A : 하우징 2 : 케이스 본체
4 : 프론트 케이스 (크랭크 케이스) 5 : 크랭크 샤프트
6 : 메인 베어링 8 : 고정 스크롤
9 : 선회 스크롤 12 : 볼트 (고정수단)
13 : 배압블록 15 : 저압실 (흡입실, 기계실)
16 : 고압실 19 : 스러스트판 (스러스트 부재)
27 : 자전방지 링 (올덤 커플링) 28 : 메커니컬 시일(샤프트 시일)
34 : 토출포트 35 : 토출밸브
40 : 스러스트면 41, 41', 63 : 압력 포켓
43, 43' : 고압도입구멍 44 : 급유통로 (유체통로)
50 : 오일분리기 (오일세퍼레이터) 51 : 복귀 배관
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이싱내에, 단판의 일면측에 소용돌이형상 돌기가 형성된 고정 스크롤과, 단판의 일면측에 소용돌이형상 돌기가 설치되고, 또한 이 소용돌이형상 돌기가 상기 고정 스크롤의 상기 소용돌이형상 돌기와 조합되어 소용돌이형상 압축실을 형성하는 선회 스크롤을 구비하고, 상기 선회 스크롤의 선회에 따라, 도입한 작동가스를 상기 압축실내에서 압축한 다음 토출하는 스크롤 압축기에 있어서, 상기 선회 스크롤의 상기 단판의 배면측에, 이것을 스러스트 지지하기 위한 스러스트 부재를 대향 배치시키고, 이 스러스트 부재 또는 상기 선회 스크롤 단판 중 어느 한쪽에는, 상기 스러스트 부재 또는 상기 선회 스크롤 단판 중 어느 다른 한쪽과의 대향면에 압력 포켓이 형성되어 있음과 동시에, 이 압력 포켓에 고압유체를 도입하기 위한 고압도입구멍이, 상기 스러스트 부재측 또는 선회 스크롤측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 구성의 스크롤 압축기에서는, 외부로부터 고압유체로서 고압유 또는 작동가스를 급유통로 및 도입구멍을 통하여 압력 포켓에 공급함으로써, 이 고압유체에 의해 선회 스크롤의 스러스트 하중을 저감할 수 있다.
여기서, 청구항 2 에 기재된 발명과 같이, 상기 고압도입구멍은 상기 스러스트 부재에 형성되고, 일단이 상기 압력 포켓에 개구함과 동시에 타단이 상기 케이싱에 개구하고, 또한 상기 케이싱에는 상기 고압도입구멍과 연통하는 유체통로가 형성되고, 상기 압축실에서 고압유체가 상기 유체통로 및 고압도입구멍을 거쳐 상기 압력 포켓에 공급되도록 함으로써, 압력 포켓에 고압유체를 공급할 수 있다.
구체적으로는, 청구항 3 에 기재된 발명과 같이, 상기 급유통로에 고압유체를 공급하는 고압유체 공급수단으로서, 상기 토출된 고압의 작동가스로부터 윤활유를 분리하기 위한 오일분리기와, 이 오일분리기에서 분리된 윤활유를 상기 유체통로로 되돌리기 위한 윤활유 복귀 배관을 구비하고 있음으로써 고압유를 재이용할 수 있다.
또한, 청구항 4 에 기재된 발명과 같이, 상기 고압도입구멍은 상기 선회 스크롤의 단판에 형성되고, 일단이 상기 압력 포켓에 개구함과 동시에, 타단이 상기 압축실에 개구하고, 고압유체로서 이 압축실내의 작동가스가 상기 고압도입구멍을 거쳐 상기 압력 포켓에 공급되도록 함으로써, 압력 포켓에 압축실내의 고압유체를 공급할 수 있다.
그리고 또한, 청구항 5 에 기재된 발명과 같이, 상기 고압도입구멍은 상기 선회 스크롤의 단판에 형성되고, 일단이 상기 압력 포켓에 개구함과 동시에, 타단이 상기 압축실에 개구하고, 고압유체로서 복수의 상기 압축실내의 복수압력의 작동가스가 상기 고압도입구멍을 거쳐 상기 압력 포켓에 공급되도록 할 수도 있다. 이 경우, 고압도입구멍을 복수개 설치함으로써 복수압의 작동가스를 압력 포켓에 도입할 수도 있고, 하나의 고압도입구멍의 타단을 갈래로 나눠서 할 수도 있다. 이 발명에 의하면, 복수 압력의 작동가스를 조합하여 압력 포켓에 도입시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은, 청구항 6 에 기재된 바와 같이, 작동가스로서 이산화탄소를 사용한 냉동사이클에 사용되는, 운전압력이 높은 스크롤 압축기에 적용하는 것이 효과적이다.
(발명의 실시 형태)
이어서, 본 발명에 관한 스크롤 압축기의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 본 발명의 스크롤 압축기를 구비한 CO2사이클에 대하여 도 6 을 참조하여 설명한다. 이 CO2사이클 (S) 은 예컨대, 차량용 공조장치에 적용한 것으로서, 1 은 기상상태의 CO2를 압축하는 스크롤 압축기이다. 스크롤 압축기 (1) 는 도시하지 않은 구동원 (예컨대, 엔진 등) 에서 구동력을 얻어 구동한다. 1a 는 스크롤 압축기 (1) 로 압축된 CO2를 외기 등과의 사이에서 열교환하여 냉각하는 방열기 (가스쿨러) 이고, 1c 는 방열기 (1a) 출구측에서의 CO2온도에 따라 방열기 (1a) 출구측 압력을 제어하는 압력제어밸브이다. CO2는 이 압력제어밸브 (1b) 및 스로틀 (1c) 에 의해 감압되어 저온저압의 기액 2 상 상태의 CO2로 된다. 1d 는 차실내의 공기냉각수단을 이루는 증발기 (흡열기) 로서, 기액 2 상 상태의 CO2는 증발기 (1d) 내에서 기화 (증발) 할 때에, 차실내 공기에서 증발잠열을 빼앗아 차실내 공기를 냉각한다. 1e 는 기상상태의 CO2를 일시적으로 축적하는 어큐뮬레이터이다. 그리고, 스크롤 압축기 (1), 방열기 (1a), 압축제어밸브 (1b), 스로틀 (1c), 증발기 (1d) 및 어큐뮬레이터 (1e) 는 각각 배관 (1f) 에 의해 접속되어 폐회로를 형성하고 있다.
이어서, 스크롤 압축기 (1) 의 일 실시형태에 대하여, 도 1 을 참조하여 설명한다.
스크롤 압축기 (1) 의 하우징 (1A) (케이싱) 은 컵형상의 케이스 본체 (2) 와 이것에 볼트 (3) 에 의해 체결된 프론트 케이스 (4) (크랭크 케이스) 로 구성되어 있다. 크랭크 샤프트 (5) 는 프론트 케이스 (4) 를 관통하며, 메인 베어링 (6) 및 서브 베어링 (7) 을 통해 프론트 케이스 (4) 에 회전이 자유롭도록 지지되어 있다. 크랭크 샤프트 (5) 에는 도시하지 않은 차량엔진의 회전이 공지의 전자 클러치 (32) 를 통해 전동되도록 이루어져 있다. 그리고, 부호 32a, 32b 는 각각 전자 클러치 (32) 의 코일 및 풀리를 나타낸다.
하우징 (1A) 의 내부에는 고정 스크롤 (8) 및 선회 스크롤 (9) 이 배열설치되어 있다.
고정 스크롤 (8) 은 단판 (10) 과 그 내면에 세워 설치된 소용돌이형상 돌기 (랩) (11) 를 구비하고, 이 단판 (10) 의 배면에는 링형상의 배압블록 (13) 이 고정수단으로서의 복수개의 볼트 (12) 에 의해 분해가 가능하게 고정되어 있다. 배압블록 (13) 의 내주면 및 외주면에는 O 링 (14a, 14b) 이 각각 매설되어 있으며, 이들 O 링 (14a, 14b) 은 케이스 본체 (2) 의 내주면에 밀접되어, 케이스 본체 (2) 내의 저압실 (15) (흡입실) 로부터 후술하는 고압실 (토출챔버) (16) 이 격리되어 있다. 이 고압실 (16) 은 배압블록 (13) 의 소경내 공간 (13a) 과, 소경내 공간 (13a) 에 연속하여 형성된 대경내 공간 (13b) 과, 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 의 배면에 대경내 공간 (13b) 과 연속하도록 형성된 오목부 (10a) 로 구성되어 있다. 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 에는 토출포트 (34) (톱 클리어런스) 가 뚫어설치되어 있으며, 이 토출포트 (34) 를 개폐하기 위한 토출밸브 (35) 가 상기 오목부 (10a) 에 위치되어 있다.
선회 스크롤 (9) 은 단판 (17) 과 그 내면에 세워 설치된 소용돌이형상 돌기 (랩) (18) 를 구비하며, 이 소용돌이형상 돌기 (18) 는 상기 고정 스크롤 (8) 의 소용돌이형상 돌기 (11) 와 실질적으로 동일한 형상을 갖고 있다.
고정 스크롤 (8) 과 프론트 케이스 (4) 사이에는 링형상의 판스프링 (20a) 이 배치되어 있으며, 이 판스프링 (20a) 은 복수의 볼트 (20b) 를 통해 둘레방향으로 번갈아 고정 스크롤 (8) 및 프론트 케이스 (4) 에 체결되어 있다. 그럼으로써, 고정 스크롤 (8) 은 그 축방향에서만 판스프링 (20a) 의 최대 휨량만큼 이동이 허용된다 (플로트 구조). 그리고, 링형상의 판스프링 (20a) 및 볼트 (20b) 에 의해 고정 스크롤 지지장치 (20) (축방향 컴플라이언스 지지장치) 가 구성되어 있다. 상기 배압블록 (13) 의 배면 돌출부와 하우징 (1A) 사이에는 간극 (c) 이 설치되어 있음으로써, 이 배압블록 (13) 은 상기 축방향으로 움직일 수 있게 되어 있다. 고정 스크롤 (8) 과 선회 스크롤 (9) 은 번갈아 공전 선회 반경만큼 편심되며, 또한 180°만큼 위상을 어긋나게 하여 도시와 같이 맞물려서, 소용돌이형상 돌기 (11) 의 선단은 단판 (17) 의 내면에 밀접하고, 소용돌이형상 돌기 (18) 의 선단은 단판 (10) 의 내면에 밀접한다. 또한 소용돌이형상 돌기 (11, 18) 의 측면에 서로 복수 개소에서 밀접한다. 그럼으로써, 소용돌이형상의 중심에 대하여 거의 점대칭을 이루는 복수의 밀폐공간 (21a, 21b) 이 한계된다. 고정 스크롤 (8) 과 선회 스크롤 (9) 사이에는 선회 스크롤 (9) 의 자전을 저지하여 공전을 허용하는 자전방지 링 (27) (올덤 커플링) 이 설치되어 있다.
상술한 바와 같이, 토출포트 (34) (톱 클리어런스) 를 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 에만 형성하고, 또한 이 토출포트 (34) 를 개폐하기 위한 토출밸브 (35) 를 직접 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 에 설치함으로써, 토출포트 (34) 를 배압블록 (13) 에 형성할 필요가 없고, 토출포트 (34) 의 길이 및 용적을 작게 할 수 있다. 따라서, 압축기의 재압축동력을 낮게 억제하여 성능이 향상된다.
또, 배압블록 (13) 및 고정 스크롤 (8) 은 서로 별체의 것으로, 배압블록 (13) 을 고정 스크롤 (8) 에 볼트 (12) (고정수단) 에 의해 탈착이 자유롭게 고정함으로써 배압블록 (13) 을 고정 스크롤 (8) 에 고정하기 전에, 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 에 토출밸브 (35) 를 용이하게 설치할 수 있고, 또한 설치 개소의 자유도가 높아진다.
단판 (17) 의 외면 중앙부에 형성된 원통형상 보스 (22) 의 내부에는 드라이브 부시 (23) 가 레디얼 베어링을 겸하는 선회 베어링 (24) (드라이브 베어링) 을 통해 회전운동이 자유롭도록 수용되며, 이 드라이브 부시 (23) 에 뚫어설치된 관통구멍 (25) 내에는 크랭크 샤프트 (5) 의 내단에 돌출 설치된 편심축 (26) 이 회전운동이 자유롭도록 끼워맞춰져 있다. 또한, 단판 (17) 의 외면의 외주 가장자리와 프론트 케이스 (4) 사이에는 선회 스크롤 (9) 을 스러스트 지지하기 위한 후술하는 스러스트판 (19) (스러스트 부재) 이 배치되어 있다.
크랭크 샤프트 (5) 의 외주에는 축시일장치로서의 공지의 메커니컬 시일 (28) (샤프트 시일) 이 배치되어 있고, 이 메커니컬 시일 (28) 은 프론트 케이스 (4) 에 고정된 시트 링 (28a) 과, 크랭크 샤프트 (5) 와 함께 회전하는 종동 링 (28b) 을 구비하며, 이 종동 링 (28b) 은 탄성지지부재 (28c) 에 의해 시트 링 (28a) 에 압접되어 있음으로써, 크랭크 샤프트 (5) 의 회전에 따라 시트 링 (28a) 에 대하여 슬라이딩한다.
다음으로, 본 실시 형태의 특징부에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2 에 나타낸 바와 같이, 선회 스크롤 (9) 의 배후에는 그 단판 (17) 에 접속하면서 대향하는 형태로 링형상의 스러스트판 (19) 이 설치되어 있고, 이 스러스트판 (19) 은 프론트 케이싱 (4) 의 단면에 고정되어 있다. 스러스트판 (19) 의 선회 스크롤 (9) 의 단판 (17) 측의 스러스트면 (40) 에는 압력 포켓 (41) 이 고리형상으로 형성되어 있고, 이 압력 포켓 (41) 의 내면 (42) 의 일부에는 압력 포켓 (41) 에 고압유를 도입하기 위한 고압도입구멍 (43) 이 개구하고 있다. 이 고압도입구멍 (43) 은 L 자형 통로로 되어 있고, 그 다른 쪽의 개구는 스러스트판 (19) 에 형성되어 있다. 한편, 하우징 (1A) (케이싱) 의 케이스 본체 (2) 에는 상기 고압도입구멍 (43) 에 연통하는 급유통로 (유체통로) (44) 가 형성되어 있다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 스크롤 압축기 (1) 의 토출구 (38) 에 접속된 배관 (1f) 에는 오일분리기 (50) (오일 세퍼레이터) 가 설치되어 있고, 이 오일분리기 (50) 에 의해 토출작동가스에서 포집한 고압유체로서의 윤활유 (고압유) 는 복귀 배관 (51) 을 통하여 상기 급유통로 (44) 에 공급되도록 되어 있다. 즉, 스크롤 압축기 (1) 의 작동에 따라, 도시하지 않은 수단에 의해 스크롤 압축기 (1) 내에 윤활유가 공급됨과 동시에, 토출구 (38) 로부터 토출된 고압작동가스는 오일분리기 (50) 를 통과할 때에 유분이 제거된다. 그리고, 포집한 윤활유는 고압유로서 복귀 배관 (51), 급유통로 (44) 및 고압도입구멍 (43) 을 통하여 압력 포켓 (41) 에 도입되어 충만된다.
이어서, 상기 스크롤 압축기 (1) 의 동작에 대하여 설명한다.
전자 클러치 (32) 의 코일 (32a) 로 통전하여, 차량엔진의 회전을 크랭크 샤프트 (5) 로 전동시키면, 크랭크 샤프트 (5) 의 회전은 편심축 (26), 관통구멍 (25), 드라이브 부시 (23), 선회 베어링 (24), 보스 (22) 로 이루어지는 선회구동기구를 통해 선회 스크롤 (9) 이 구동되며, 선회 스크롤 (9) 은 자전방지 링 (27) 에 의해 그 자전이 저지되면서 공전 선회 반경을 반경으로 하는 원궤도상을 공전 선회 운동한다.
선회 스크롤 (9) 이 공전 선회 운동하면, 쌍방의 소용돌이형상 돌기 (11, 18) 의 선접촉부가 점차 소용돌이의 중심방향으로 이동하며, 그 결과 밀폐공간 (21a, 21b) (압축실) 이 용적을 감소하면서 소용돌이의 중심방향으로 이동한다. 이에 따라 흡입구 (도시생략) 를 통과하여 흡입실 (15) 로 유입된 작동가스 (화살표 A 참조) 가 쌍방의 소용돌이형상 돌기 (11, 18) 와의 외종단 개구부에서 밀폐공간 (21a) 내로 들어가서 압축되면서 압축실의 중심부 (21c) 에 이르고, 여기에서 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 에 뚫어설치된 토출포트 (34) 를 통과하여 토출밸브 (35) 를 밀어 열어서 고압실 (16) 로 토출되며, 그리고 토출구 (38) 를 통해 토출된다. 이와 같이 선회 스크롤 (9) 의 선회에 의해 흡입실 (15) 로부터 도입된 유체를 상기 밀폐공간 (21a, 21b) 내에서 압축하여 이 압축가스를 토출한다. 전자 클러치 (32) 의 코일 (32a) 로의 통전을 해제하여 크랭크 샤프트 (5) 로의 회전력의 전동을 끊으면, 스크롤 압축기 (1) 의 운전은 정지된다. 그리고, 전자 클러치 (32) 의 코일 (32a) 로 다시 통전하면, 스크롤 압축기 (1) 는 재기동된다.
토출구 (38) 로부터 토출된 고압작동가스는 오일분리기 (50) 를 통과할 때에 유분이 제거된다. 그리고, 포집한 윤활유는 고압유로서 복귀 배관 (51) 을 통과하여 급유통로 (44) 에 공급된다. 급유통로 (44) 에 공급된 고압유는, 고압도입구멍 (43) 을 통하여 압력 포켓 (41) 에 도입되어 충만된다. 이 고압유에 의해 선회 스크롤 (9) 을 균등하게 스러스트 지지하고, 선회 스크롤 (9) 의 스러스트 하중을 저감한다.
즉, 압력 포켓 (41) 의 개구면적, 및 압력 포켓 (41) 내의 고압유의 압력을 각각 A 및 R 로 하면, 스러스트 경감력 (Foil) 은
Foil= A ×R + Ath×1/2·R
여기서, Ath는 고체 접촉하고 있는 스러스트 면적
으로 표기할 수 있다.
또, 고정 스크롤 (8) 및 선회 스크롤 (9) 사이를 이간시키는 힘을 Fth, 고정 스크롤 (8) 이 배압블록 (13) 에 의해 부여되는 배압을 Fz로 하면, 선회 스크롤 (9) 의 스러스트 하중 (FS) 은 FZ- Foil로 경감되게 된다.
스러스트판 (19) 과 선회 스크롤 (9) 의 단판 (17) 과의 간극 (C1) 은 예컨대, 수 ∼ 수십 ㎛ 정도로 설정되어 있고, 압력 포켓 (41) 에서 상기 간극 (C1) 을 통하여 누출된 오일은 윤활유로서 이용된다.
이렇게 본 실시형태에서는, 외부로부터 고압유를 급유통로 (44) 및 도입구멍 (43) 을 통하여 압력 포켓 (41) 에 공급함으로써, 소음이 발생하지 않고 압축효율을 저하시키지 않으면서 장기간에 걸쳐 고압유에 의해 선회 스크롤 (9) 의 스러스트 하중을 저감시키고, 기계손실의 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 종래의 스크롤 압축기와 비교하여 구조가 간단하기 때문에, 메인테넌스가 용이하며 또한 소직경화가 가능하다.
그리고 또한, 압력 포켓 (41) 으로부터 누출된 오일은, 스크롤 압축기 (1) 내부의 윤활작용을 한다. 그리고, 고압유체 공급수단으로서 고압의 토출작동가스에서 윤활유를 분리하기 위한 오일분리기 (50) 와, 이 오일분리기 (50) 에서 분리된 윤활유를 급유통로 (44) 로 되돌리기 위한 윤활유 복귀 배관 (51) 을 구비하고 있음으로써 고압유를 재이용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 관한 스크롤 압축기의 제 2 실시형태에 대해 설명한다.
도 1 에 나타낸 스크롤 압축기에서는, 고정 스크롤 (8) 이 그 축방향으로 이동이 가능 (플로트 구조) 하고, 또한 배압블록 (13) 에 의해 배압을 부여하는 구조이지만, 본 실시형태에서는 도 3 에 나타낸 바와 같이, 고정 스크롤 (8) 은 볼트 (12) 에 의해 케이싱 본체 (2) 에 단단하게 고정된 비플로트 구조로 되어 있고, 또한 배압블록을 구비하고 있지 않다. 고정 스크롤 (8) 의 단판 (10) 의 외주면에 O 링 (14) 이 끼워져 있으며, 케이싱 (2) 내를 저압실 (15) 과 고압실 (16) 로 구획하고 있다.
그리고, 본 실시형태에서는, 스러스트판 (19) 과 선회 스크롤 (9) 의 단판 (17) 과의 간극 (C2) (도 2 참조) 을 제 1 실시형태의 간극 (C1) (도 2 참조) 보다 작게 수 ㎛ ∼ 20 ㎛ 정도로 설정하고 있고, 이 간극 (C2) 에서 고압유가 최대한 누출되지 않는 구조로 되어 있다. 그 밖의 구조는 도 1 및 도 2 에 나타낸 것과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
그리고, 고정 스크롤 (8) 및 선회 스크롤 (9) 사이를 이간시키는 힘을 Fth로 하면, 스러스트 경감력 (Foil) 이 Fth보다 커지게 되도록, 고압유의 압력 및 압력 포켓 (41) 의 면적을 선정함으로써, 모든 스러스트 하중에 대항한다. 또한, 고정/선회 스크롤의 칩 선단에 칩시일을 매설 (도시생략) 하면, 칩 선단으로부터의 누설 손실의 증대를 억제할 수 있다. 따라서, 반드시 스러스트 경감력 (Foil) 을 Foil＞ Fth로 하지 않아도 되고, 오일의 누설 방지와 스러스트 하중의 저감의 성립이 가능하게 된다.
상기와 같이 구성되어 있으므로, 본 예의 스크롤 압축기에 있어서도, 상기 제 1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상기 스러스트판 (19) 의 압력 포켓 (41) 은 링형상으로 형성되어 있기 때문에, 만일 스러스트판 (19) 의 스러스트면 (40) 의 일부의 면정밀도가 나쁜 경우, 이 부분의 압력 포켓 (41) 에서 고압유가 과도하게 누출되어 압력 포켓 (41) 전체에 있어서 고압유를 유지할 수 없게 되는 우려가 있다.
이 경우, 다음의 구성을 채용할 수 있다. 도 4a, 도 4b 에 나타낸 바와 같이, 스러스트판 (60) 을 스러스트면측 부재 (61a) 및 반스러스트면측 부재 (61b) 에 두께 방향으로 분할한 2 분할 구조로 한다. 스러스트면측 부재 (61a) 의 스러스트면 (62) 에 서로 독립하는 압력 포켓 (63) 을 둘레방향으로 나열하도록 복수 (예컨대 8 개) 형성하고, 스러스트면측 부재 (61a) 및 반스러스트면측 부재 (61b) 의 접속부에 걸치도록 압력 포켓 (63) 을 접속하는 원호형상의 통로 (64) 를 형성함과 동시에, 이 통로 (64) 에 연통하여 스러스트판 (60) 의 둘레면에 개구하는 고압도입구멍 (65) 을 스러스트면측 부재 (61a) 및 반스러스트면측 부재 (61b) 에 형성한 것이다. 스러스트면측 부재 (61a) 및 반스러스트면측 부재 (61b) 를 예컨대, 용접에 의해 일체화하여 스러스트판 (60) 으로 한다. 이러한 구성에 의해, 스러스트판 (60) 의 스러스트면 (62) 의 정밀도가 국소적으로 나쁜 경우에는, 그 부분의 압력 포켓 (63) 에서의 고압유의 과도 누출이 생기는 것으로 그치고, 다른 압력 포켓 (63) 에서는 고압유가 유지되기 쉬어 과도 누출이 발생하기 어렵다.
또, 상기 제 1 및 제 2 실시 형태에 있어서, 윤활유 복귀 배관 (51) 을 설치하지 않고, 고압유를 저장하는 고압유 탱크를 따로 설치하고, 이 고압유 탱크로부터 고압유를 배관을 통해 급유통로 (44) 에 공급할 수도 있다.
또, 고압유체로서 오일분리기 (50) 에 있어서 작동가스에서 분리된 윤활유를 압력 포켓 (41) 에 공급하도록 하였으나, 토출구 (38) 에서 토출된 작동가스의 일부를 급유통로 (44) 및 고압도입구멍 (43) 을 거쳐 압력 포켓 (41) 에 도입하도록 할 수도 있다. 또한, 압축실에서의 중간압을 압력 포켓 (41) 에 도입할 수도 있다.
이 경우도, 상기와 마찬가지로 소음이 발생하지 않고, 선회 스크롤 (9) 의 스러스트 하중을 저감시켜, 기계손실의 향상을 꾀할 수 있다.
다음에서, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해서 설명한다.
도 5 에 나타낸 스크롤 압축기에서는, 선회 스크롤 (9) 의 단판 (17) 의 스러스트판 (19) 에 접하는 측면에 압력 포켓 (41') 이 고리형상으로 형성되어 있고, 이 압력 포켓 (41') 에는 압력 포켓 (41') 에 압축가스를 공급하는 고압도입구멍 (43') 이 개구하고 있다. 이 고압도입구멍 (43') 의 다른 쪽의 개구는 단판 (17) 의 소용돌이형상 돌기 (18) 측에 있어서 밀폐공간 (21a 또는 21b) 에 개구하고 있다. 그 밖의 구성은 도 1 에 나타내는 제 1 실시형태와 동일하므로, 그 설명을 생략한다.
이 스크롤 압축기에서는, 밀폐공간 (21a 또는 21b) 내의 압축가스의 일부가 고압도입구멍 (43') 을 통하여 압력 포켓 (41') 에 공급되고, 고압유체로서의 압축가스가 스러스트 하중의 일부를 지지하기 때문에, 상기 각각의 실시형태와 동일하게 소음이 발생하지 않고, 장기간에 걸쳐 고압유에 의해 선회 스크롤 (9) 의 스러스트 하중을 저감시켜 기계손실의 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 종래의 스크롤 압축기와 비교하여 구조가 간단하기 때문에, 메인테넌스가 용이하며 또한 소직경화가 가능하다.
또한, 압력 포켓 (41') 에서 누출된 압축가스에 포함되는 윤활유에 의해 스크롤 압축기 (1) 내부의 윤활작용을 한다.
또한, 압축가스에 의한 하중부담을 크게 하기 위해서는, 압력 포켓 (41') 의 개구 단면적을 가능한한 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 예에 있어서, 고압도입구멍 (43') 의 타단은 하나의 밀폐공간 (21a 또는 21b) 에 개구하고 있으나, 복수의 밀폐공간 (21a, 21b) 에 개구하고, 복수 압력의 압축가스가 압력 포켓 (41') 에 도입되도록 할 수도 있다. 이를 위해, 고압도입구멍을 복수 설치함으로써 복수압의 작동가스를 압력 포켓에 도입할 수도 있고, 하나의 고압도입구멍의 타단을 갈래를 나누어서 할 수도 있다. 이렇게 구성함으로써, 복수 압력의 작동가스를 조합하여 압력 포켓 (41') 에 도입시킬 수 있다.
상기 각각의 실시형태에 있어서, 압력 포켓 (41, 63, 41') 은 스러스트판 (19), 또는 선회 스크롤 (9) 의 스러스트판 (19) 측의 어느 한쪽에 설치할 수도 있다. 즉, 상기 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서는 압력 포켓 (41, 63) 을 스러스트판 (19) 에 설치했으나, 이를 선회 스크롤 (9) 측에 설치할 수도 있고, 제 3 실시형태에 있어서는 압력 포켓 (41') 을 선회 스크롤 (9) 측에 설치했으나, 이를 스러스트판 (19) 에 설치할 수도 있다.
또한, 상기 각각의 실시형태에서는 스크롤 압축기를, CO2를 작동가스로 하는 CO2사이클에 적용했으나, 이에 한하지 않고 통상의 프레온 등을 작동가스로 하는 증기압축식 냉동사이클에 적용할 수도 있다.
본 발명은 이상에서 설명한 바와 같이 구성되어 있기 때문에, 다음에 기재하는 효과를 나타낸다.
청구항 1 에 기재된 발명은, 고압유체를, 유체통로 및 고압도입구멍을 통하여 압력 포켓에 공급함으로써, 소음이 발생하지 않고, 장기간에 걸쳐 고압유체에 의해 선회 스크롤의 스러스트 하중을 저감시켜, 기계손실의 향상을 꾀할 수 있다. 또한, 종래의 스크롤 압축기와 비교하여 구조가 간단하기 때문에, 메인테넌스가 용이하고, 또한 소직경화가 가능하다.
여기서, 청구항 2 에 기재된 발명과 같이, 케이싱에 유체통로를 설치하고, 청구항 3 에 기재된 발명과 같이, 상기 유체통로에 고압유체를 공급하는 고압유 공급수단으로서, 상기 토출된 고압의 작동가스에서 윤활유를 분리하기 위한 오일분리기와, 이 오일분리기에서 분리된 윤활유를 상기 유체통로로 되돌리기 위한 윤활유 복귀 배관을 구비하고 있음으로써, 고압유를 재이용할 수 있다.
또, 청구항 4 에 기재된 발명과 같이, 압축실내의 작동가스를 고압유체로서 채용할 수도 있다. 그리고 또한, 청구항 5 에 기재된 발명과 같이, 압축실내의 복수의 압력이 상이한 작동가스를 고압유체로서 채용할 수도 있다.
그리고, 본 발명은, 청구항 6 과 같이, 작동가스로서 이산화탄소를 사용한 냉동사이클에 사용되는, 운전압력이 높은 스크롤 압축기에 적용함으로써 상기 효과가 특히 유효하게 된다.

Claims (6)

  1. 케이싱 내에, 단판의 일면측에 소용돌이형상 돌기가 형성된 고정 스크롤과, 단판의 일면측에 소용돌이형상 돌기가 설치되고, 또한 이 소용돌이형상 돌기가 상기 고정 스크롤의 상기 소용돌이형상 돌기와 조합되어 소용돌이형상 압축실을 형성하는 선회 스크롤을 구비하고, 상기 선회 스크롤의 선회에 따라, 도입한 작동가스를 상기 압축실내에서 압축한 다음 토출하는 스크롤 압축기에 있어서, 상기 선회 스크롤의 상기 단판의 배면측에, 이것을 스러스트 지지하기 위한 스러스트 부재를 대향배치시키고, 이 스러스트 부재 또는 상기 선회 스크롤 단판 중 어느 한쪽에는, 상기 스러스트 부재 또는 상기 선회 스크롤 단판 중 어느 다른 한쪽과의 대향면에 압력 포켓이 형성되어 있음과 동시에,
    이 압력 포켓에 고압유체를 도입하기 위한 고압도입구멍이 상기 스러스트 부재측 또는 선회 스크롤측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고압도입구멍은 상기 스러스트 부재에 형성되고, 일단이 상기 압력 포켓에 개구함과 동시에, 타단이 상기 케이싱에 개구하고,
    또한, 상기 케이싱에는 상기 고압도입구멍과 연통하는 유체통로가 형성되고,
    상기 압축실에서 고압유체가 상기 유체통로 및 고압도입구멍을 거쳐 상기 압력 포켓에 공급되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유체통로에 고압유체를 공급하는 고압유체 공급수단으로서, 상기 토출된 고압의 작동가스로부터 윤활유를 분리하기 위한 오일분리기와, 이 오일분리기에서 분리된 윤활유를 상기 유체통로로 되돌리기 위한 윤활유 복귀 배관을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고압도입구멍은 상기 선회 스크롤의 단판에 형성되고, 일단이 상기 압력 포켓에 개구함과 동시에, 타단이 상기 압축실에 개구하고, 고압유체로서 이 압축실내의 작동가스가 상기 고압도입구멍을 거쳐 상기 압력 포켓에 공급되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 고압도입구멍은 상기 선회 스크롤의 단판에 형성되고, 일단이 상기 압력 포켓에 개구함과 동시에, 타단이 상기 압축실에 개구하고, 고압유체로서 복수의 상기 압축실내의 복수압력의 작동가스가 상기 고압도입구멍을 거쳐 상기 압력 포켓에 공급되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동가스는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
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