KR20040104043A - Scroll-type compressor having a cooling structure with heat pipe - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스크롤형 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정 스크롤과 선회 스크롤을 한 쌍으로 구비하여 작동유체를 연속적으로 압축시키는 스크롤형 압축기와 이를 적용한 냉동사이클에 관한 것이다.The present invention relates to a scroll compressor, and more particularly, to a scroll compressor having a fixed scroll and a swing scroll in a pair to continuously compress the working fluid and a refrigeration cycle using the same.
일반적으로 피스톤 방식의 압축기인 경우 실린더 외부에 충분한 방열핀을 설치한다고 하더라도 압축가스와 접하는 실린더내의 면적이 충분하지 않기 때문에 피스톤이 움직이는 짧은 시간동안 다량의 열을 실린더 벽면을 통하여 외부로 전달시키는 것은 불가능하다. 따라서 실제의 압축과정은 등온과정이기 보다는 단열과정에 가깝다.In general, in the case of a piston-type compressor, even if a sufficient heat radiation fin is installed outside the cylinder, it is impossible to transmit a large amount of heat to the outside through the cylinder wall for a short time when the piston moves due to insufficient area in the cylinder contacting the compressed gas. . Therefore, the actual compression process is closer to the adiabatic process than to the isothermal process.
도 6의 P-V 선도를 참조하면, 1―3은 등온과정이고 1―2는 단열과정이다. 압축기의 압력비가 클 때에는 압축으로 인해 가스의 온도가 높아지며 단열 압축일과 등온 압축일의 차이(면적 1-2-3)가 커진다. 이러한 경우에는 압축일을 적게 하고 또 체적 효율을 크게 하기 위하여 압축일을 여러 단으로 나누어 압축하며 그 도중에 중간 냉각기를 설치하여 압축초기의 온도까지 냉각하여 전체가 등온압축(1→3)에 가깝게 한다.Referring to the P-V diagram of FIG. 6, 1-3 is an isothermal process and 1-2 is an adiabatic process. When the pressure ratio of the compressor is large, the temperature of the gas increases due to compression, and the difference (area 1-2-3) between the adiabatic compression day and the isothermal compression day increases. In this case, in order to reduce the compression work and increase the volumetric efficiency, the compression work is compressed into several stages, and in the meantime, the intermediate cooler is installed and cooled to the initial temperature of compression to make the whole close to isothermal compression (1 → 3). .
도 6에서 2단 압축하는 경우에 저압 실린더의 PA에서 PB까지 압축하고, 중간냉각하여 온도가 초기온도가 되게 낮추고 고압 실린더에서 PB에서 PC까지 압축한다. 이렇게 하면 PA에서 PC까지 단열압축(1→2)하는 경우보다 면적 2-4-5-6 만큼 소비일은 적어진다. 또한 단수를 증가시키면 등온과정(1―3)에 접근하게 되어 소요일량은 더욱 감소시킬 수 있으나 장치구성이 복잡해지고 장치값이 증가하게 되어 동력비의 감소와 장치값의 증가하는 투자가 서로 평형되는 점으로 단수가 정해지게 된다.In the case of two-stage compression in FIG. 6, P A to P B of the low pressure cylinder are compressed, and intermediate cooling is performed to lower the temperature to the initial temperature and P B to P C in the high pressure cylinder. This reduces the consumption days by area 2-4-5-6 than in the case of adiabatic compression (1 → 2) from P A to P C. In addition, increasing the number of stages may approach the isothermal process (1-3), which may further reduce the required amount of work, but the composition of the device is complicated and the device value is increased. The singular will be determined.
냉동 사이클에서 왕복동식 압축기를 사용할 경우 압축비가 크면 압축기의 출구 온도가 높아져서 압축기의 체적 효율이 저하된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 다단으로 나누어 압축을 하는 방법이 사용되고 있다.When a reciprocating compressor is used in a refrigeration cycle, a large compression ratio decreases the compressor's volumetric efficiency by increasing the outlet temperature of the compressor. In order to solve such a problem, a compression method is generally used by dividing into multiple stages.
도 7에 도시된 바와 같이, 압축과정을 저압압축(2―3)과 고압압축(4―5)의 2단으로 하여 중간냉각(3―4)을 할 경우, 도 8의 T-s 선도에서 빗금친 면적 3-4-5-3' 만큼 압축일이 감소하게 되며, 이 때 압축일(w)은 도 9의 P-h 선도에서 w=(h3-h2)+(h5-h4) 이 된다. 압축단수를 2단에서 더욱 증가시킬 경우 도 8의 T-s 선도에서 2―5에 가까워지며 압축일은 면적 2-3-4와 면적 4-5-5' 만큼 더욱 줄어들어 탁월한 에너지 절감효과를 가져오게 된다. 특히 증발 온도가 저하되면 압축비가 커지므로 압축과정을 2단, 3단으로 나누어 압축하는 다단의 압축방식이 적용되고 있다.As shown in FIG. 7, when the intermediate cooling (3-4) is performed using two stages of the low compression (2-3) and the high compression (4-5), the hatching in the Ts diagram of FIG. The compressed work is reduced by the area 3-4-5-3 ', where the compressed work w becomes w = (h 3 -h 2 ) + (h 5 -h 4 ) in the Ph diagram of FIG. 9. . If the number of compression stages is further increased in two stages, it is closer to 2-5 in the Ts diagram of FIG. 8 and the compression work is further reduced by an area of 2-3-4 and an area of 4-5-5 ', resulting in an excellent energy saving effect. In particular, when the evaporation temperature is lowered, the compression ratio increases, and a multistage compression method that compresses the compression process into two stages and three stages is applied.
한편, 도 10은 스크롤 압축기의 압축과정을 설명하기 위하여 도시한 원리도이다.On the other hand, Figure 10 is a principle diagram shown to explain the compression process of the scroll compressor.
스크롤 압축기의 작동원리는, 도 10에서 보는 바와 같이, 인볼류트 형상의 고정스크롤(60)과 선회스크롤(70)이 서로 180°의 위상차를 가지도록 배치되며, 이로 인하여 스크롤 압축기의 내부에는 초승달 형상의 밀폐공간이 여러개 존재하게 된다. 고정스크롤(60)의 원주에 위치한 흡입관을 통하여 가스가 스크롤 압축기 내로 유입되면 선회스크롤(70)의 선회운동에 의해 초승달 형상의 밀폐공간이 중심부로 이동되면서 밀폐공간의 체적이 작아지고 가스는 압축되어 고정스크롤(60)의 중심부에 위치한 토출구를 통하여 토출된다. 이 때 스크롤 압축기 내부에서는 초승달 형상의 여러 개의 밀폐공간에 의해 일련의 과정이 연속적으로 진행되게 된다.The operation principle of the scroll compressor, as shown in Figure 10, is arranged so that the fixed scroll 60 and the swing scroll 70 of the involute shape has a phase difference of 180 degrees with each other, thereby the crescent moon inside the scroll compressor There will be several sealed spaces. When gas flows into the scroll compressor through the suction pipe located at the circumference of the fixed scroll 60, the crescent shaped enclosed space is moved to the center by the orbiting movement of the orbiting scroll 70, and the volume of the enclosed space is reduced and the gas is compressed. Discharged through the discharge port located in the center of the fixed scroll (60). At this time, in the scroll compressor, a series of processes are continuously performed by several closed spaces of the crescent shape.
이러한 스크롤 압축기는 현재 고효율, 저소음, 저진동 및 경량 등의 장점을 가지고 있기 때문에 냉동공조 산업의 냉매압축기 뿐만 아니라 일반 공기 압축기 및 무급유식 공기 압축기로도 사용되고 있으며 점차 대용량화에 대한 요구도 높아지고 있다.Since such scroll compressors have advantages such as high efficiency, low noise, low vibration, and light weight, they are used not only as refrigerant compressors in the refrigeration and air conditioning industry but also as general air compressors and oil-free air compressors.
현재 스크롤 압축기의 운전에서 고부하, 고압축비, 대형화 될 수록 문제점으로 나타나는 것은 토출가스의 온도상승에 따라 오일을 탄화시키거나 각 스크롤 랩(고정스크롤 또는 선회스크롤의 나선형 날부분)의 선단면에 삽입되어 있는 팁실(Tip Seal)을 용해시켜 압축기의 신뢰성이 저하되면서 수명을 단축시킨다는 것이다.As the high load, high compression ratio, and large size of the scroll compressor operate, the problem is that the oil is carbonized or inserted into the end surface of each scroll wrap (fixed scroll or spiral blade) according to the temperature of discharge gas. It dissolves the tip seal, which reduces the reliability of the compressor and shortens its life.
스크롤 압축기의 또 다른 문제점으로는 작동가스가 중심부로 압축되면서 온도가 상승하고, 이에 따라 스크롤 랩의 중심부의 온도가 주변부의 온도보다 훨씬 상승하게 되면서 중심부와 주변부의 열팽창의 차이로 인해 마찰, 누설, 진동이 증가하게 되고 압축성능은 급격하게 악화된다는 것이다. 스크롤 압축기의 원리적인 특징상 스크롤 내부의 스크롤 랩 내부의 여러 개의 밀폐공간의 밀폐를 유지하기 위해서는 중심부와 주변부의 스크롤 랩 간격(선회반경의 2배)이 일정해야 하지만, 중심부와 주변부의 온도차이에 의해 열팽창이 달라지게 되면 랩 간격의 차이 발생으로 마찰, 누설, 진동이 증가하고 압축성능이 급격하게 악화되게 된다.Another problem with scroll compressors is that as the working gas is compressed into the center, the temperature rises, and as a result, the temperature of the center of the scroll wrap is much higher than the temperature of the periphery, resulting in friction, leakage, The vibration increases and the compression performance deteriorates rapidly. Due to the principle of the scroll compressor, the space between the center and the periphery of the scroll wrap (two times the radius of rotation) must be constant to maintain the tightness of the several enclosed spaces inside the scroll wrap within the scroll. If the thermal expansion is changed by the difference in the lap spacing, friction, leakage, vibration increases and compression performance is sharply deteriorated.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서 스크롤 랩의 효과적인 냉각이 요구되는 바, 지금까지 공기압축기의 경우는 냉각팬(cooling fan)을 이용한 공기순환 냉각방식이 가장 많이 사용되고 있으며, 이러한 예로 US 특허공개 제2002/0110470호에서는 고정스크롤 하우징에 냉각수 통로를 형성하여 냉각수로 중심부를 냉각하고 나서 가열된 냉각수에 의해 다시 압축기 내 주변부의 흡입가스가 재가열되지 않도록 주변부에 단열재를 설치한 구성을 개시하고 있다.In order to solve these problems, effective cooling of the scroll wrap is required. In the case of an air compressor, the air circulation cooling method using a cooling fan is most commonly used. Thus, US Patent Publication No. 2002/0110470 The arc discloses a configuration in which a cooling water passage is formed in the fixed scroll housing to cool the central portion with the cooling water, and then a heat insulating material is provided at the periphery so that the suction gas is not reheated by the heated cooling water.
또한, US 특허 제3,986,799호에서는 고정스크롤과 선회스크롤 랩에 정밀하게 냉각수 채널을 구성하여 냉각시키는 방안이 제시되고 있으나, 기계적인 구조가 매우 복잡할 뿐만 아니라 냉각수가 채널을 통과하면서 계속해서 온도가 가열되기 때문에 스크롤 랩을 균일하게 냉각시킬 수 없는 단점이 있다.In addition, US Pat. No. 3,986,799 proposes a method of precisely configuring a cooling water channel in a fixed scroll and a rotating scroll wrap to cool it, but the mechanical structure is very complicated and the temperature is continuously heated as the cooling water passes through the channel. As a result, the scroll wrap cannot be cooled uniformly.
냉매압축기의 냉각방식으로는 대한민국 특허공개 제1999-0042632호에서는 저온의 흡입가스를 고정스크롤과 넓게 접촉되도록 하여 고정스크롤 및 그 고정스크롤의 토출포트를 통과하는 토출가스를 냉각시키는 방법이 제시되고 있으나, 이 때에는 냉각 후 흡입가스의 온도상승으로 인하여 압축기의 체적효율이 떨어지며 토출가스의 온도도 다시 상승하게 되는 문제가 발생한다. 또한, US특허 제6,186,755호에서는 종래기술로서 고정스크롤 하우징 내부에 히트파이프를 설치하여 흡입가스로 고정스크롤을 냉각하는 방식은 흡입가스의 온도상승으로 인하여 압축기의 체적효율이 떨어지므로 냉각효율이 저하됨을 지적하면서, 가장 온도가 높은 중심부 구동축 내부에 히트파이프를 구성하여 중심부에서 열을 흡수하여 축을 통해 축 양쪽에 냉각팬으로 열을 발산하는 방안이 제시되고 있다.As a cooling method of a refrigerant compressor, Korean Patent Laid-Open Publication No. 1999-0042632 proposes a method of cooling a discharged gas passing through a fixed scroll and a discharge port of the fixed scroll by bringing a low temperature suction gas into wide contact with a fixed scroll. In this case, the volumetric efficiency of the compressor decreases due to the rise in temperature of the suction gas after cooling, and the temperature of the discharge gas also rises again. In addition, in US Pat. No. 6,186,755, a method of cooling a fixed scroll with suction gas by installing a heat pipe inside the fixed scroll housing as the prior art decreases the volumetric efficiency of the compressor due to a rise in temperature of the suction gas, thereby lowering the cooling efficiency. Pointing out, a method of forming a heat pipe inside a central drive shaft with the highest temperature to absorb heat at the center and dissipating heat through the shaft to cooling fans on both sides of the shaft has been proposed.
한편, 저온용의 냉매압축기의 경우는 높은 운전압력비가 요구되며 이 때 토출가스 온도가 과도하게 높아지기 때문에 US 특허 제5,447,420호에서는 압축실 내에 액냉매를 분사함으로써 증발 잠열을 활용하여 압축가스의 온도를 낮출 수 있으나 액인젝션량의 증가에 따른 압축기 압력이 증가하기 때문에 압력의 증가를 억제하기 위해 스크롤압축기 탑재유닛에서는 토출가스 온도와 토출압력 포화온도와의 가열도에 의해 액인젝션량을 자동적으로 제어하는 기능을 가진 액인젝션 밸브를 채용하고 있다. 그러나 이러한 압축기 내 액인젝션 분사방법은 이론적으로는 열역학적인 효율향상은 없으며 기계적인 구성과 제어방법이 다소 복잡해지는 단점이 있다.On the other hand, in the case of a low temperature refrigerant compressor, a high operating pressure ratio is required, and at this time, the discharge gas temperature becomes excessively high. US Pat. No. 5,447,420 injects liquid refrigerant into the compression chamber to utilize the latent heat of evaporation to increase the temperature of the compressed gas. Although the compressor pressure increases with the increase of the liquid injection amount, the scroll compressor mounting unit automatically controls the liquid injection amount by the degree of heating between the discharge gas temperature and the discharge pressure saturation temperature. A liquid injection valve with a function is adopted. However, the injection method of the liquid injection in the compressor does not theoretically improve the thermodynamic efficiency, and the mechanical configuration and the control method are somewhat complicated.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비함으로써 중심부 흡기구로 공급되는 작동유체가 연속적으로 압축되고, 냉각이 효과적으로 이루어지도록 히트파이프를 이용한 냉각구조를 하우징 외부에 설치하여, 고정 스크롤의 열을 흡수하여 냉각매체 유로로 열을 발산하는 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기를 제공하는 것이다.The present invention was devised to solve the above problems, and its object is to provide a fixed scroll and a swing scroll so that the working fluid supplied to the central air inlet is continuously compressed and the cooling is effectively performed using a heat pipe. A structure is provided outside the housing to provide a scroll compressor having a cooling structure that absorbs heat from the fixed scroll and dissipates heat to the cooling medium flow path.
본 발명의 다른 목적은 상기 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기를 포함함으로써 소요동력 절감, 냉각용량 증가, 내구성 향상의 특징을 가지는 냉동사이클을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a refrigeration cycle having the features of reducing the power consumption, increase the cooling capacity, improve durability by including a scroll-type compressor having the cooling structure.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a scroll compressor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 잘라서 본 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 1.
도 3은 도 1의 B 방향에서 본 평면도이다.3 is a plan view seen from a direction B of FIG. 1.
도 4는 일반적인 히트펌프 냉동사이클을 개략적으로 도시한 구성도이다.Figure 4 is a schematic view showing a general heat pump refrigeration cycle.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 구비한 히트펌프 냉동사이클을 도시한 구성도이다.5 is a block diagram showing a heat pump refrigeration cycle having a scroll compressor according to an embodiment of the present invention.
도 6은 여러 가지 압축과정에 따른 P-V선도이다.6 is a P-V diagram according to various compression processes.
도 7은 일반적인 다단 압축구성을 갖는 냉동사이클을 도시한 구성도이다.7 is a configuration diagram showing a refrigeration cycle having a general multi-stage compression configuration.
도 8은 다단 압축의 효과를 확인할 수 있는 T-s 선도이다.8 is a T-s diagram for confirming the effect of multi-stage compression.
도 9는 다단 압축의 효과를 확인할 수 있는 P-h 선도이다.9 is a P-h diagram which can confirm the effect of multi-stage compression.
도 10은 스크롤 압축기의 압축과정을 설명하기 위하여 도시한 원리도이다.10 is a diagram illustrating the compression process of the scroll compressor.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10: 스크롤형 압축기 12: 하우징10: scroll compressor 12: housing
12a: 흡입관 12b: 배출관12a: suction line 12b: discharge line
13: 고정 스크롤 14: 압축실13: fixed scroll 14: compression chamber
15: 선회 스크롤 17: 구동축15: Swivel scroll 17: Drive shaft
18: 회전 방지축 20: 모터18: Anti-rotation shaft 20: Motor
23,24,25: 베어링 30: 냉각부23, 24, 25: bearing 30: cooling part
32: 내부 방열핀 34: 외부 방열핀32: Internal heat sink fin 34: External heat sink fin
36: 냉각수 자켓 36a: 냉각수 입구36: coolant jacket 36a: coolant inlet
36b: 냉각수 출구 50: 냉동 사이클36b: cooling water outlet 50: refrigeration cycle
52: 저온수 라인 53: 제1 열교환기52: low temperature water line 53: the first heat exchanger
55: 팽창변 56: 열원수 라인55: expansion valve 56: heat source water line
57: 제2 열교환기57: second heat exchanger
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스크롤형 압축기는, 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 가지고, 상기 출입구 이외는 밀폐된 하우징과; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과; 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입되는 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤과; 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축; 및 상기 하우징의 외측면에 히트파이프 구조로 이루어져 상기 하우징 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수할 수 있는 냉각부를 포함한다.In order to achieve the above object, a scroll compressor according to the present invention comprises: a housing having at least one working fluid entrance and exit at each of the central and outer periphery thereof, except for the entrance; A fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center and extending to the outer circumference; A pivoting scroll which spirals from a center portion of the housing so as to engage with the fixed scroll and extends to an outer circumferential portion thereof and has a predetermined turning radius so as to continuously compress the working fluid flowing into the housing; A drive shaft connected to the swing scroll to drive the swing scroll; And a cooling unit configured to have a heat pipe structure on an outer surface of the housing to absorb heat generated by the working fluid compression inside the housing.
상기 냉각부는 상기 고정 스크롤의 중심부를 포함하는 상기 하우징의 외측면부분에 형성되는 것이 바람직하며, 적어도 상기 고정 스크롤의 중심을 포함하는 평면적 만큼의 크기로 상기 하우징 외측면에 형성되는 것이 또한 바람직하다.The cooling unit is preferably formed on the outer surface portion of the housing including the center of the fixed scroll, it is also preferably formed on the outer surface of the housing to a size as large as the plane including at least the center of the fixed scroll.
그리고 상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징의 외측면과 대응되는 부분의 내부에 다수의 내부 방열핀이 형성될 수 있으며, 상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부는 상기 하우징과 인접하지 않는 부분의 외부에 다수의 외부 방열핀이 형성될 수 있다.The cooling unit having the heat pipe structure may have a plurality of internal heat dissipation fins formed inside a portion corresponding to the outer surface of the housing, and the cooling unit having the heat pipe structure may be disposed outside the portion not adjacent to the housing. An external heat dissipation fin may be formed.
나아가 상기 히트파이프 구조를 갖는 냉각부의 외측에는 냉각수 자켓이 더욱 설치될 수 있으며, 상기 외부 방열핀의 배열방향이 상기 냉각수 자켓을 통과하는 냉각수의 유출입방향과 소정 각도(θ) 엇갈리도록 형성되는 것이 바람직하다.Furthermore, a coolant jacket may be further installed on an outer side of the cooling unit having the heat pipe structure, and the arrangement of the external heat dissipation fins may be such that the arrangement direction of the external heat dissipation fins is staggered with a predetermined angle (θ) from the inflow and outflow direction of the coolant passing through the coolant jacket. .
한편, 본 발명에 따른 냉동 사이클은, 상기한 특징을 갖는 스크롤형 압축기와; 상기 스크롤형 압축기 중심부의 작동유체 출구와 연결되어 상기 스크롤형 압축기로부터 압축되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기의 후단과 연결되어 이를 지나온 작동유체를 팽창시키는 팽창변과; 상기 팽창변의 후단에 연결되는 한편 상기 스크롤형 압축기 외주부의 작동유체 입구와 연결되어 상기 팽창변을 지나온 저온의 작동유체가 지나 다시 상기 스크롤형 압축기로 공급되는 제2 열교환기를 포함한다.On the other hand, the refrigeration cycle according to the present invention, the scroll compressor having the above characteristics; A first heat exchanger connected to a working fluid outlet at the center of the scroll compressor to pass a high temperature working fluid compressed and discharged from the scroll compressor; An expansion valve connected to a rear end of the first heat exchanger to expand a working fluid passing through the first heat exchanger; And a second heat exchanger connected to the rear end of the expansion valve and connected to the working fluid inlet of the scroll compressor outer circumference to pass the low temperature working fluid passing through the expansion valve to the scroll compressor.
상기 냉동 사이클에 있어서, 상기 제1 열교환기를 통하여 저온수 라인이 지나면서 상기 제1 열교환기를 또한 지나는 고온의 작동유체로부터 열을 흡수하고, 상기 제2 열교환기를 통하여 열원수 라인이 지나면서 상기 제2 열교환기를 또한 지나는 저온의 작동유체에 열을 공급할 수 있다.In the refrigeration cycle, as the cold water line passes through the first heat exchanger, heat is absorbed from the high temperature working fluid passing through the first heat exchanger, and the second heat source water line passes through the second heat exchanger. The heat exchanger can also supply heat to the cold working fluid that passes.
그리고 상기 히트파이프 구조를 갖는 스크롤형 압축기의 냉각부 외측에 냉각수 자켓이 더욱 설치될 때, 상기 저온수 라인이 상기 냉각수 자켓을 지나면서 1차로 열을 흡수하고, 상기 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기를 지나면서 2차로 열을 흡수하도록 할 수 있다.When the coolant jacket is further installed outside the cooling unit of the scroll compressor having the heat pipe structure, the low temperature water line first absorbs heat while passing through the coolant jacket, and the high temperature working fluid passes. The heat can be absorbed secondarily through the heat exchanger.
상기 제1 열교환기와 제2 열교환기는 적어도 하나가 공랭식 열교환기로 이루어질 수 있다.At least one of the first heat exchanger and the second heat exchanger may be an air-cooled heat exchanger.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 잘라서 본 단면도이며, 도 3은 도 1의 A방향에서 본 평면도이다.1 is a cross-sectional view showing a scroll compressor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of Figure 1, Figure 3 is a plan view seen from the direction A of FIG.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기(10)는 하우징(12)의 내부에 고정 스크롤(13)과 선회 스크롤(15)를 포함하여 유입되는 작동유체를 압축시켜 하우징(12)의 외부로 토출시키게 된다.As shown, the scroll compressor 10 according to an embodiment of the present invention includes a fixed scroll 13 and a revolving scroll 15 inside the housing 12 to compress the working fluid flowing into the housing ( It is discharged to the outside of 12).
하우징(12)은 외주부에 작동유체의 입구인 흡입관(12a)을 가지며, 중심부에 작동유체의 출구인 배출관(12b)을 가진다. 상기 하우징(12)은 상기 흡입관(12a) 및 배출관(12b)을 제외한 부분에서는 외부로부터 밀폐된다.The housing 12 has a suction pipe 12a, which is an inlet of the working fluid, at an outer circumference thereof, and a discharge pipe 12b, which is an outlet of the working fluid, at its center. The housing 12 is sealed from the outside at portions other than the suction pipe 12a and the discharge pipe 12b.
고정 스크롤(13)은 하우징(12)의 내측면에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 바, 이 고정 스크롤(13)의 중심부는 하우징(12)의 배출관(12b)과 대응되게 위치한다. 선회 스크롤(15)은 하우징(12)의 내부에서 고정 스크롤(13)과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루면서 외주부로 연장되며, 하우징(12)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회한다.The fixed scroll 13 is fixed to the inner side of the housing 12, spirals from the center and extends to the outer circumference, the center of the fixed scroll 13 is located to correspond to the discharge pipe 12b of the housing 12. . The swinging scroll 15 extends from the center to the outer circumference in a spiral form so as to engage with the fixed scroll 13 in the housing 12, and to continuously compress the working fluid introduced into the housing 12. Turn with a turning radius of.
선회 스크롤(15)에는 이를 구동시키기 위한 구동축(17)이 연결되고, 인접하여 선회 스크롤(15)의 자체 회전 방지를 위한 회전 방지축(18)이 또한 연결된다. 이러한 구동축(17)을 통해 외부로부터 동력을 전달받을 수 있으며, 본 실시예에서는 상기 구동축(17)에 모터(20)가 연결되어 동력을 제공하게 된다. 구동축(17) 및 회전 방지축(18)이 체결되어 회전하는 부분에는 베어링(23,24,25)이 각각 설치된다. 또한 상기 모터(20)의 외주부에는 이 모터(20)의 외주를 따라 냉각수가 흐르도록 모터 냉각수 자켓(21)이 더욱 설치될 수 있다.The swinging scroll 15 is connected with a drive shaft 17 for driving it, and adjacently a rotation preventing shaft 18 for preventing self-rotation of the swinging scroll 15 is also connected. Power may be transmitted from the outside through the drive shaft 17. In this embodiment, the motor 20 is connected to the drive shaft 17 to provide power. Bearings 23, 24, and 25 are installed at portions where the drive shaft 17 and the rotation preventing shaft 18 are engaged and rotated. In addition, a motor coolant jacket 21 may be further installed at an outer circumference of the motor 20 so that the coolant flows along the outer circumference of the motor 20.
하우징(12)의 외측면에는 하우징(12) 내부의 작동유체 압축에 의해 발생하는 열을 흡수하도록 냉각부(30)가 설치된다. 이러한 냉각부(30)는 히트파이프 구조로 이루어지며, 상기 고정 스크롤(13)의 중심부를 포함하는 하우징(12)의 외측면 부분에 형성된다. 또한 상기 냉각부(30)는 적어도 상기 고정 스크롤(13)의 중심을 포함하는 평면적 만큼의 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 하우징(12)의 외측면과 대응되는 부분의 내부에 다수의 내부 방열핀(32)이 형성될 수 있고, 상기 하우징(12)과 인접하지 않는 부분의 외부에 다수의 외부 방열핀(34)이 형성될 수 있다.The cooling unit 30 is installed on the outer surface of the housing 12 to absorb heat generated by the working fluid compression inside the housing 12. The cooling unit 30 has a heat pipe structure and is formed on an outer surface portion of the housing 12 including a central portion of the fixed scroll 13. In addition, the cooling unit 30 is preferably formed in a size as large as a plane including the center of the fixed scroll 13, a plurality of internal heat radiation fins in the interior corresponding to the outer surface of the housing 12 32 may be formed, and a plurality of external heat dissipation fins 34 may be formed on the outside of the portion not adjacent to the housing 12.
한편, 상기 냉각부(30)의 외측에는 히트파이프에 의해 수송된 열을 외부로 발산하기 위하여 냉각수 자켓(36)이 더욱 설치된다. 냉각수 자켓(36)에는 냉각수입구(36a) 및 냉각수 출구(36b)가 형성되어 냉각수의 유출입이 가능하게 된다. 이 때 상기 외부 방열핀(34)의 배열방향은 상기 냉각수 자켓(36)을 통과하는 냉각수의 유출입 방향과 나란하지 않고 소정의 각도(θ)만큼 엇갈려 형성될 수 있으며, 이렇게 함으로써 유입되는 냉각수가 보다 많은 수의 외부 방열핀(34)과 접촉하면서 방열효율을 높일 수 있게 된다. 상기 각도(θ)는 예각을 이루는 것이 바람직하다.On the other hand, the coolant jacket 36 is further provided on the outside of the cooling unit 30 to dissipate heat transported by the heat pipe to the outside. The cooling water jacket 36 is provided with a cooling water inlet 36a and a cooling water outlet 36b to allow the cooling water to flow in and out. At this time, the arrangement direction of the external heat dissipation fins 34 may be formed to be staggered by a predetermined angle θ without being parallel to the inflow and outflow direction of the coolant passing through the coolant jacket 36. It is possible to increase the heat dissipation efficiency while contacting a number of external heat dissipation fins 34. The angle θ preferably forms an acute angle.
상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 스크롤형 압축기(10)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the scroll compressor 10 according to the present invention as described above are as follows.
즉, 흡입관(12a)을 통하여 유입되는 작동유체는 하우징(12) 내부의 압축실(14)로 직접 유입되어 선회하는 선회 스크롤(15)과 고정 스크롤(13)의 사이를 지나면서 점점 압축된다. 이 때 하우징(12) 외측에 설치된 히트파이프 구조의 냉각부(30)와 냉각수 자켓(36)을 통하여 효과적이고 연속적으로 중간 냉각이 이루어지므로 등온압축에 가까운 과정을 거치게 되면서 압축시 소요 동력을 최소화할 수 있다. 이렇게 압축된 작동유체는 배출관(12b)을 통하여 하우징(12) 외부로 토출된다.That is, the working fluid introduced through the suction pipe 12a is gradually compressed while passing between the turning scroll 15 and the fixed scroll 13 which flows directly into the compression chamber 14 inside the housing 12 and pivots. At this time, since the cooling unit 30 and the coolant jacket 36 of the heat pipe structure installed outside the housing 12 are effectively and continuously cooled, the process requires close to isothermal compression while minimizing the power required for compression. Can be. The compressed working fluid is discharged to the outside of the housing 12 through the discharge pipe 12b.
이러한 상기 스크롤형 압축기(10)는 스크롤 랩으로 인하여 왕복동식 압축기에 비해 압축공간 내의 가스와 접하는 전열면적이 10배 이상 넓고, 동일한 회전수에서 압축공간 내 체류시간이 두세배 이상 증가하기 때문에 고정 스크롤(13)과 대응하는 하우징(12)의 외측면에 고속으로 열을 수송하는 히트파이프 구조의 냉각부(30)를 설치하여 작동유체가 압축되면서 발생하는 열을 흡수하여 냉각매체, 예를 들어 냉각수 등으로 발산함으로써 여러 단의 다단압축에 가까운 등온압축과정을 실현할 수 있고 소비일을 그만큼 줄일 수 있다. 이 때 고정 스크롤(13)의 효율적인 냉각을 위해서 열전도도가 뛰어난 재질, 예를 들면 알루미늄, 구리 등과 같은 소재로 고정 스크롤(13)을 제작하는 것이 바람직하다.The scroll compressor 10 has a heat transfer area that is in contact with the gas in the compression space more than 10 times larger than the reciprocating compressor due to the scroll wrap, and because the residence time in the compression space increases more than two to three times at the same rotational speed, the fixed scroll ( 13) and a heat pipe structure cooling unit 30 is installed on the outer surface of the housing 12 corresponding to the high speed to absorb the heat generated when the working fluid is compressed to cool the cooling medium, for example, coolant, etc. By using this method, the isothermal compression process close to multiple stages of multistage compression can be realized and the consumption days can be reduced by that. In this case, in order to efficiently cool the fixed scroll 13, it is preferable to manufacture the fixed scroll 13 using a material having excellent thermal conductivity, for example, aluminum or copper.
또한 히트파이프의 특징은 증발잠열에 의한 대량의 열수송이 가능할 뿐만 아니라 히트파이프 내 기-액 상평형 유지에 따른 매우 탁월한 등온효과(Isothermalizing Effect)에 의해 수열부(受熱部)와 방열부(放熱部)의 온도분포를 매우 균일(온도차 1∼2℃ 이내)하게 유지할 수 있다. 이러한 히트파이프의 특징으로 인하여 스크롤형 압축기의 냉각에서 가장 중요한 충분한 냉각과 균일한 온도분포의 냉각을 달성할 수 있어서, 스크롤 랩에 온도구배(열팽창의 차이)로 인한 마찰, 누설, 진동 증가에 따른 압축기의 성능악화를 최소화 할 수 있으며 토출가스의 온도가 낮아짐에 따라 팁실(tip seal)의 용해를 방지하여 내구성이 향상되게 된다.In addition, the heat pipe is characterized by a large amount of heat transport by the latent heat of evaporation, as well as the heat-soaking part and the heat dissipating part due to the excellent isothermalizing effect of maintaining the gas-liquid equilibrium in the heat pipe. The temperature distribution of can be kept very uniform (within the temperature difference of 1 to 2 ℃). Due to the characteristics of the heat pipe, it is possible to achieve sufficient cooling and uniform temperature distribution, which is the most important in the cooling of the scroll compressor. Therefore, due to the increase in friction, leakage and vibration due to the temperature gradient (difference in thermal expansion) of the scroll wrap, Deterioration of the compressor can be minimized and durability is improved by preventing dissolution of the tip seal as the temperature of the discharge gas is lowered.
한편, 히트파이프는 수열면적과 방열면적을 다르게 사용할 수 있기 때문에 좁은 면적의 빠른 냉각 또는 가열을 효과적으로 할 수 있다. 따라서 히트파이프 구조를 갖는 냉각부(30)의 내부에는 고정 스크롤(13)과 인접하는 수열부의 열교환 면적을 크게 할 수 있도록 상기와 같이 내부 방열핀(32)이 형성되고, 외부에는 냉각수 자켓(36)의 냉각수와 접하는 방열부의 열교환 면적을 더욱 크게 할 수 있도록 외부 방열핀(34)이 형성된다. 이렇게 함으로써 히트파이프 구조를 갖는 냉각부(30)의 열수송을 원활히 할 수 있다.On the other hand, since the heat pipe can use different heat receiving areas and heat dissipating areas, it is possible to effectively cool or heat a small area quickly. Therefore, the internal heat dissipation fins 32 are formed in the cooling unit 30 having the heat pipe structure so as to increase the heat exchange area of the fixed scroll 13 and the heat receiving unit adjacent to each other, and the cooling water jacket 36 is formed outside. An external heat dissipation fin 34 is formed to further increase the heat exchange area of the heat dissipation portion in contact with the cooling water. By doing in this way, the heat transportation of the cooling part 30 which has a heat pipe structure can be made smooth.
도 4는 일반적인 히트펌프 냉동사이클을 개략적으로 도시한 구성도이다.Figure 4 is a schematic view showing a general heat pump refrigeration cycle.
도시된 바와 같이, 히트펌프 냉동사이클은 압축기(41), 응축용 열교환기(43), 팽창변(45) 및 증발용 열교환기(47)가 사이클을 이루도록 구성되며, 고온 냉매의 냉각을 위해 저온수가 응축용 열교환기(43)로 공급되어 가열된 다음 고온수로 활용되고, 저온 냉매의 가열을 위해 열원수가 증발용 열교환기(47)로 공급어 냉각된 다음 냉수로 활용된다. 가정용 냉동기일 경우, 응축용 열교환기(43)와 증발용 열교환기(47)는 수냉식 뿐만 아니라 공랭식도 사용되고 있다.As shown, the heat pump refrigeration cycle is configured such that the compressor 41, the condensation heat exchanger 43, the expansion valve 45 and the evaporation heat exchanger 47 constitutes a cycle, the low-temperature water for cooling the high-temperature refrigerant It is supplied to the heat exchanger 43 for condensation and heated and then used as high temperature water, and the heat source water is supplied to the evaporation heat exchanger 47 for cooling of the low temperature refrigerant, and then used as cold water. In the case of a domestic refrigerator, the condensation heat exchanger 43 and the evaporation heat exchanger 47 are not only water cooled but also air cooled.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤형 압축기를 구비한 히트펌프 냉동사이클을 도시한 구성도이다.5 is a block diagram showing a heat pump refrigeration cycle having a scroll compressor according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 히트펌프 냉동사이클(50)은 상기 스크롤형 압축기(10)를 포함하고 있으며, 이 스크롤형 압축기(10) 중심부의 작동유체 출구인 배출관(12b)과 연결되어 이로부터 압축되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 제1 열교환기(53)와, 상기 제1 열교환기(53)의 후단과 연결되어 이를 지나온 작동유체를 팽창시키는 팽창변(55)과, 상기 팽창변(55)의 후단에 연결되어 이를 지나온 저온의 작동유체가 지나는 제2 열교환기(57)로 이루어진다. 제2 열교환기(57)는 상기 스크롤형 압축기(10) 외주부의 작동유체 입구인 흡입관(12a)과 연결됨으로써 사이클을 이루게 된다.As shown, the heat pump refrigerating cycle 50 according to the present embodiment includes the scroll compressor 10 and is connected to the discharge pipe 12b which is the working fluid outlet of the center of the scroll compressor 10. The first heat exchanger (53) through which the high-temperature working fluid discharged by compression passes, the expansion side (55) connected to the rear end of the first heat exchanger (53) to expand the working fluid passing therethrough, and the expansion side ( 55 is connected to the rear end of the second heat exchanger (57) through which the low-temperature working fluid passes. The second heat exchanger 57 is cycled by being connected to the suction pipe 12a which is the working fluid inlet of the outer peripheral portion of the scroll compressor 10.
이 때 상기 제1 열교환기(53)는 고온의 작동유체가 지나면서 열을 빼앗기는 응축기 역할을 하고, 제2 열교환기(57)는 저온의 작동유체가 지나면서 열을 얻는 증발기 역할을 한다. 이를 위하여 제1 열교환기(53)를 통하여 저온수 라인(52)이 지나면서 열을 흡수하고, 제2 열교환기(57)를 통하여 열원수 라인(56)이 지나면서열을 공급하게 된다.At this time, the first heat exchanger 53 serves as a condenser to lose heat as the high temperature working fluid passes, and the second heat exchanger 57 serves as an evaporator to obtain heat as the low temperature working fluid passes. To this end, the low temperature water line 52 passes through the first heat exchanger 53 to absorb heat, and the heat source water line 56 passes through the second heat exchanger 57 to supply heat.
그리고 상기 저온수 라인(52)은 상기 스크롤형 압축기(10)의 냉각부(30) 외측에 설치되는 냉각수 자켓(36)을 지나도록 함으로써 상기 저온수는 여기서 1차로 열을 흡수하고 상기 제1 열교환기(53)를 지나면서 2차로 열을 흡수하게 된다. 다시 말하면, 상기 저온수는 냉각수 자켓(36)으로 공급되면서 스크롤형 압축기(10)의 압축과정에서 작동유체를 1차적으로 냉각하고, 제1 열교환기(53)에서 2차적으로 더욱 냉각하게 되는 것이다. 또한 모터(20)의 냉각을 위해 상기 저온수는 냉각수 자켓(36)으로 공급되기 전 분기되어 모터 냉각수 자켓(21)으로 공급되어 모터(20)를 냉각한 다음, 스크롤형 압축기(10)의 냉각수 자켓(36)을 지나온 상기 저온수 라인(52)에 합류될 수 있다.The low temperature water 52 passes through a coolant jacket 36 installed outside the cooling unit 30 of the scroll compressor 10 so that the low temperature water absorbs heat first and the first heat exchanger. Passing the group 53 will absorb the heat second. In other words, the cold water is supplied to the cooling water jacket 36 to cool the working fluid primarily in the compression process of the scroll compressor 10 and to further cool the second heat in the first heat exchanger 53. . In addition, to cool the motor 20, the low temperature water is branched before being supplied to the coolant jacket 36 to be supplied to the motor coolant jacket 21 to cool the motor 20, and then to the coolant of the scroll compressor 10. Join the cold water line 52 passing through the jacket (36).
스크롤형 압축기(10)에서 압축과 동시에 히트파이프 구조의 냉각부(30)를 이용하여 넓은 스크롤 랩면에 접촉하는 작동유체의 열을 냉각수 자켓(36)으로 대량으로 이동시킴으로써 소요동력을 줄일 수 있고, 토출되는 작동유체의 온도를 낮게 할 수 있기 때문에 응축에 필요한 제1 열교환기(53)를 종래보다 더 소형화 할 수 있으며, 작동유체의 냉각으로 인해 상대적으로 가열되는 저온수는 다시 고온수로 활용될 수 있다.By using the cooling unit 30 of the heat pipe structure at the same time as the compression in the scroll compressor 10, a large amount of heat of the working fluid in contact with the wide scroll wrap surface can be moved to the coolant jacket 36 to reduce the required power, Since the temperature of the discharged working fluid can be lowered, the first heat exchanger 53 required for condensation can be further miniaturized than before, and the low temperature water relatively heated due to the cooling of the working fluid is again used as high temperature water. Can be.
제1 열교환기(53)를 지나면서 냉각된 작동유체는 팽창변(55)을 지나면서 압력이 강하되어 제2 열교환기(57)로 공급되며 열원수 라인(56)으로부터 열을 흡수하여 증발이 일어난 다음 다시 스크롤형 압축기(10)의 흡입관(12a)으로 재공급되면서 순환하게 된다. 이 때 상기 저온의 작동유체의 증발을 위해 제2 열교환기(57)로공급되는 열원수는 열교환 후 상대적으로 냉각되어 다시 냉수로 활용될 수 있다.The working fluid cooled while passing through the first heat exchanger 53 is supplied with pressure to the second heat exchanger 57 through the expansion valve 55 and absorbs heat from the heat source water line 56 to evaporate. Then it is recirculated while being supplied again to the suction pipe 12a of the scroll compressor 10. At this time, the heat source water supplied to the second heat exchanger 57 for evaporation of the low temperature working fluid may be relatively cooled after heat exchange and used as cold water again.
상기 제1 열교환기(53)와 제2 열교환기(57)로는 본 실시예에서의 수냉식 열교환기뿐만 아니라 공랭식 열교환기를 사용할 수도 있다.As the first heat exchanger 53 and the second heat exchanger 57, not only a water-cooled heat exchanger in this embodiment but also an air-cooled heat exchanger may be used.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 히트파이프를 이용한 냉각구조를 갖는 스크롤형 압축기에 의하면, 하우징의 외측면에 히트파이프 구조를 갖는 냉각부를 설치하여 작동유체의 압축 시 발생하는 열을 연속적으로 흡수하여 냉각매체로 열을 발산함으로써, 토출되는 작동유체의 온도를 낮추어 압축기의 내구성을 향상시키고 압축기의 소요동력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the scroll-type compressor having a cooling structure using a heat pipe according to the present invention, a cooling unit having a heat pipe structure is installed on the outer surface of the housing to continuously absorb and cool the heat generated when the working fluid is compressed. By dissipating heat to the medium, it is possible to lower the temperature of the discharged working fluid to improve the durability of the compressor and to minimize the required power of the compressor.
본 발명에 따른 스크롤형 압축기를 적용한 냉동 사이클에서는, 스크롤형 압축기를 효과적으로 냉각함으로써 압축일을 감소시키고 압축기의 용량을 증가시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 압축기 내에서 히트파이프 구조를 통해서 압축시 작동유체의 열을 대량으로 흡수하여 토출되는 작동유체의 온도를 낮출 수 있기 때문에 응축에 필요한 열교한기를 소형화 할 수 있는 장점이 있다.In the refrigerating cycle to which the scroll compressor according to the present invention is applied, by effectively cooling the scroll compressor, it is possible to obtain the effect of reducing the work of compression and increasing the capacity of the compressor, and operating during compression through the heat pipe structure in the compressor. Since the temperature of the working fluid discharged by absorbing a large amount of the heat of the fluid can be lowered, there is an advantage of miniaturizing the heat bridge required for condensation.
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2003
- 2003-06-02 KR KR1020030035424A patent/KR100561099B1/en not_active IP Right Cessation
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