KR20050028215A - 스크롤 압축기의 배압조절 구조 - Google Patents

스크롤 압축기의 배압조절 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 스크롤 압축기의 배압조절 구조는 상부 프레임의 일측에 형성되고, 스크롤 압축기의 토출측 유체와 오일 저장조에서 공급된 오일이 수용되어, 선회 스크롤을 지지하기 위한 배압이 형성되는 배압챔버; 상기 배압챔버와 상기 스크롤 압축기의 흡입측과 연통되도록 하는 바이패스 관로; 상기 바이패스 관로가 선택적으로 개폐되도록 하는 배압 조절부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 스크롤 압축기의 배압구조에 의하여, 상부 프레임의 내부에 형성되는 배압공간이 일정한 중간압으로 유지되도록 함으로써, 상기 선회 스크롤이 상기 고정 스크롤을 과도하게 압박하는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 배압챔버의 내외부 사이의 압력차가 감소하여 배압챔버로부터 오일이 과도하게 누설되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 배압 조절부를 통해 빠져나가는 오일을 적정량으로 조절할 수 있으므로, 압축부에 적절한 양의 오일을 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

스크롤 압축기의 배압조절 구조{Back pressure controlling apparutus of scroll compressor}
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스크롤 압축기 내에서 선회 스크롤의 하측면을 지지하는 배압이 중간압으로 유지되도록 함으로써, 선회 스크롤과 고정 스크롤의 과도한 마찰을 방지하고, 오일의 누설을 방지하기 위한 스크롤 압축기의 배압조절 구조에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축 에너지로 전환 시키는 수단으로, 크게 왕복동식, 스크롤식, 원심식 및 베인식으로 구분된다. 특히, 스크롤 압축기는 공조기 및 냉동기의 압축기로 많이 사용되고 있다.
또한, 스크롤 압축기는 저압식 스크롤 압축기와 고압식 스크롤 압축기로 나뉘어 진다.
상세히, 스크롤식 압축기는 그 케이싱의 내부에 흡입가스가 충진되는지 아니면 토출가스가 충진되는지에 따라 저압식 스크롤 압축기 또는 고압식 스크롤 압축기로 나뉘어지게 된다.
또한, 스크롤 압축기는 스파이럴 스크롤 랩으로 구성되고 구동축의 회전에 관계없이 고정되어 있는 고정 스크롤과, 구동축의 회전에 따라 공전하는 선회 스크롤의 상대적인 운동을 통해 압축을 수행하는 것이다.
근래에, 스크롤 압축기의 냉매가 고압용(R410a)으로 바뀌면서 스크롤 압축부에서 생성되는 냉매의 압력이 증가하게 되었다. 그리고, 증가된 압력에 의하여 선회 스크롤에 미치는 압력이 상부 프레임의 스러스트면에 과도하게 작용되게 되었다. 따라서, 상기 선회 스크롤의 배면과 상부 프레임의 스러스트면에 마찰력이 과도하게 작용되어 마모와, 소음이 발생되고, 압축기의 효율이 떨어지는 문제가 발생되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에는 상부 프레임의 스러스트면에 원형의홈을 파고, 원형의 띠 형상을 가지는 실링 부재를 설치하였다. 그 결과, 선회 스크롤의 배면에 적당한 배압공간이 형성되게 하여 상기 선회 스크롤을 배압으로 지지하도록 함으로써 전술한 문제를 해결하고자 하였다.
도 1은 실링 부재를 이용하여 배압실을 형성한 종래의 고압식 스크롤 압축기의 일례를 보여주는 종단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 고압식 스크롤 압축기는 회전자(22)와 고정자(21)로 이루어지는 구동모터(20), 상기 구동모터가 회전함에 따라 함께 회전하고, 또한 상부에 편심부(12)가 형성되는 구동축(10)이 포함되는 구동부와, 상기 구동축의(10) 상측에 끼워져서 상기 구동축(10)을 지지하고, 또한 중앙 홈의 가장자리에는 배압공간(33)이 형성되는 상부프레임(30)과, 외부로부터 유체가 유입되도록 하기 위한 흡입관(70)이 포함되는 흡입부가 포함된다.
상세히, 상기 편심부(12)의 외주면에는 슬라이딩 부쉬(13)가 외삽되어 상기 편심부(12)와 면접촉을 하고, 상기 상부 프레임(30)의 스러스트면에 환형의 띠형상을 이루는 실링부재(32)가 형성된다.
또한, 상기 상부 프레임(30)의 상측에 위치되고, 상기 흡입관(70)을 통해 흡입된 냉매를 선회 운동에 의하여 압축하는 선회 스크롤(50), 상기 선회 스크롤(50)과 맞물려 상기 상부 프레임(30) 상측에 고정되는 고정 스크롤(51), 상기 선회 스크롤(50)이 상기 고정 스크롤(51)내에서 선회될 수 있도록 하는 올담링(40)이 포함되는 스크롤 압축부와, 상기 고정 스크롤(51)의 중앙부를 수직으로 관통하는 토출포트(60), 압축기의 최상면에 공간을 형성하고, 또한 상기 토출포트(60)와 연통되어 있는 토출실(61), 케이싱의 일측면에 설치되어 축적된 고압의 냉매를 유출시키기 위한 토출관(62)이 형성되는 토출부가 포함된다.
또한, 상기 구동축(10)의 내부를 따라 형성되는 오일 유로(11), 상기 오일 유로로 오일을 밀어주는 오일 피더(14)로 이루어지는 오일공급부가 포함된다.
상기에서 제시되는 스크롤 압축기의 작용을 간단히 설명한다.
먼저 팽창과정을 거친 저압상태의 냉매가 흡입관(70)을 통하여 압축기 내로 유입되고, 유입된 냉매는 상기 스크롤 압축부로 이동된다. 상기 스크롤 압축부에서 압축된 고압상태의 냉매는 상기 토출포트(60)를 통하여 토출실(61)로 이동되고, 최종적으로 상기 토출관(62)을 통하여 압축기 외부로 토출되게 된다.
또한, 상기와 같이 압축과정이 수행되는 동안, 압축기의 케이싱 저면에 저장되어 있는 오일은 구동축(10)의 회전과 함께 회전되는 오일 피더(14)에 의하여 밀려 올라가게 된다. 그리고, 상기 오일은 상기 오일 유로(11)를 따라 상기 구동축(10)의 상단부까지 올라가게 되고, 상기 편심부(12)의 상측으로 분출된다. 그리고, 상기 분출된 오일은 상기 편심부(12)와 슬라이딩 부쉬(13) 사이의 틈을 따라 흘러내리면서 윤활이 이루어지고, 그 후 상부 프레임(30)에 형성된 배압 공간(33)에 축적되게 된다.
또한, 상기 스크롤 압축부에서 형성되는 토출압이 과도하게 생성되어, 상기 선회 스크롤(50)의 저면과 상기 상부 프레임(30)의 스러스트면이 과도하게 밀착되는 것을 막기 위해, 실링부재(32)가 상기 스러스트면에 삽입된다. 그래서, 상기 배압공간(33)에 일정한 압력이 형성됨으로써 상기 선회 스크롤(50)을 지지하게 되어, 마찰력이 완화된다.
도 2는 일반적인 스크롤 압축기의 압축부에서 진행되는 냉매의 압축과정을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 스크롤 압축부는 고정 스크롤(51)의 하측에 스파이럴 형상으로 형성되어 있는 고정 스크롤랩(53)과, 상기 선회 스크롤(50)의 상측에 스파이럴 형상으로 형성되고, 상기 고정 스크롤랩(53)에 대하여 180도 엇갈려 삽입되는 선회 스크롤랩(52)과, 상기 고정 스크롤랩(53)의 내측 단부에는 토출포트(60)가 포함된다.
이러한 구성에 의해서, 냉매가 압축되는 과정을 설명한다.
먼저, 상기 선회 스크롤(50)이 구동축(10)을 중심으로 편심되어 선회(공전)하게 된다. 그리고, 선회 스크롤(50)이 고정 스크롤(51)에 대하여 구동축(10)의 회전에 의하여 선회됨으로써, 각각의 랩(52)(53)끼리 면접촉을 일으켜 냉매를 압축하는 포켓(99)이 형성된다.
또한, 형성된 포켓(99)은 스크롤 랩의 중심부로 돌아 들어가면서 체적이 작아지고, 체적이 작아짐에 따라 높은 압력이 형성되고, 형성된 고압의 유체는 스크롤 부재의 중심부에 있는 토출포트(60)를 통하여 토출실(61)로 이동된다.
상기에서 설명된 종래의 일반적인 고압식 스크롤 압축기의 경우에 있어서, 배압으로 사용되는 압력은 상기 스크롤 압축부에서 토출되는 토출압이 사용되기 때문에, 때로는 상기 토출압이 과도하게 작용되는 경우가 발생한다. 그 결과, 상기 선회 스크롤을 고정 스크롤에 과도하게 밀착시키는 현상이 일어나는 문제가 있다.
또한, 상기 선회 스크롤이 고정 스크롤에 과도하게 밀착됨으로써, 씰링 부재와 이격되어 상기 배압공간에 축적된 오일이 누설되는 문제가 발생된다.
또한, 상기 과도한 압력의 차이로 인해 부재의 변형도 쉽게 일어나는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 상부 프레임에 실링부재를 형성하고, 이와 함께 상기 배압을 토출압력보다 조금 낮은 중간압력으로 전환케 하는 배압 조절부를 설치하여, 선회 스크롤의 안정성을 높이는 스크롤 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 배압 조절부를 설치함으로써, 과도한 배압에 의한 오일 누수를 제거하여 효율을 높이는 스크롤 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기된 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 배압조절 구조는 상부 프레임의 일측에 형성되고, 스크롤 압축기의 토출측 유체와 오일 저장조에서 공급된 오일이 수용되어, 선회 스크롤을 지지하기 위한 배압이 형성되는 배압챔버; 상기 배압챔버와 상기 스크롤 압축기의 흡입측과 연통되도록 하는 바이패스 관로; 상기 바이패스 관로가 선택적으로 개폐되도록 하는 배압 조절부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수 없으며, 또다른 구성요소의추가, 변경, 삭제등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범윈 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있다.
도 3은 본 발명의 사상에 따르는 스크롤 압축기의 배압조절 구조의 단면도이고, 도 4는 상기 배압조절 구조의 확대 단면도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명에 따르는 배압구조가 포함되는 스크롤 압축기는, 구동축(110)의 내부를 축방향으로 관통하여 형성되는 오일 유로(111)와, 상기 구동축의 상부에 형성되어 편심 회전되는 편심부(112)와, 상기 편심부의 외측에 형성되는 슬라이딩 부쉬(113)와, 상기 구동축(110)의 상측에 형성되어 상기 구동축(110)을 지지하는 상부 프레임(120)이 포함된다.
상세히, 상기 상부 프레임(120)의 내주면과 상기 구동축(110)의 외주면이 접촉되는 부위에는 메인 베어링(108)이 형성되고, 상기 상부 프레임(120)의 중심부에는 상부 프레임(120)의 내주면을 따라 형성되고, 상기 오일 유로(111)를 따라 올라온 오일과 상기 메인 베어링(108)을 타고 올라온 약간의 고압 냉매가 수용되는 제 1 배압챔버(121)가 형성된다.
또한, 본 발명 스크롤 압축기는, 상기 상부 프레임(120)의 대략 깊이에 형성되고, 상기 제 1 배압챔버(121)의 압력이 일정한 중간압으로 변환되도록 하는 배압 조절부(109)와, 상기 배압 조절부(109)를 빠져나간 일정량의 유체가 수용되는 제 2 배압챔버가 포함된다.
또한, 상기 제 1 배압챔버(121)와 상기 배압 조절부(109) 및 상기 제 2 배압챔버(122)가 연통되도록 하는 바이패스 관로(104)가 포함된다.
더욱 상세히, 상기 배압 조절부(109)는 상기 제 1 배압챔버(121)와 연결되는 바이패스 관로(104)에 접촉되어, 상기 바이패스 관로의 경로상에 설치되는 배압조절 밸브(101), 상기 배압조절 밸브(101)를 지지하는 배압조절 스프링(102) 및 상기 배압조절 스프링(102)을 지지하는 고정단(103)이 포함된다.
또한, 상기 상부 프레임(120)의 스러스트면에 형성되고, 환형의 띠 형상을 이루어 기밀을 유지할 뿐 아니라, 상기 배압 조절부(109)에 의하여 변환된 유체가 중간압으로 유지되도록 하는 실링부재(105)와, 상기 제 2 배압챔버(122)에 수용된 유체에 의해 윤활되는 올담링(130)이 포함된다.
또한, 상기 상부 프레임(120)의 스러스트면에 안착되어 선회 운동되는 선회 스크롤(140)과, 상기 선회 스크롤(140)의 상측에 위치되고, 상기 상부 프레임(120)에 고정되는 고정 스크롤(150)이 포함된다.
상세히, 상기 제 2 배압챔버(122)는 오일 유입구(107)와 연통되고, 또한 상기 오일 유입구(107)는 저압의 냉매가 유입되는 스크롤 압축부의 흡입구(171) 및 흡입관(170)과 연통된다.
더욱 상세히, 상기 선회 스크롤(140)은 상측에 형성되는 나선형의 선회 스크롤랩(141)과, 하측 중심부에 형성되어 상기 상부 프레임(120)의 중심에 삽입되는 보스(142)가 포함되고, 상기 고정 스크롤(150)은 상기 선회 스크롤랩(141)과 맞물려 형성되는 고정 스크롤랩(151)이 포함된다.
또한, 상기 고정 스크롤(150)의 중앙을 관통하고, 선회 스크롤(140)의 선회 운동에 의해 압축된 고압의 유체가 토출되는 토출포트(160)가 포함된다.
상기 제시된 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 배압구조의 기능과 작용에 대하여 설명한다.
먼저, 저압 상태의 냉매는 상기 흡입관(170)과 흡입구(171)를 통하여 압축부로 들어간다. 그리고, 상기 선회 스크롤(140)의 선회 운동에 의해 냉매는 고압으로 압축된다. 압축 과정은 선회 스크롤랩(141)과 고정 스크롤랩(151)의 상호 작용에 의해 압축되는데, 이는 상기에서 설명된 종래의 스크롤 압축기의 압축 방식과 동일하다.
또한, 상기 압축된 고압의 냉매가스는 토출 포트(160))를 통하여 토출실로 이동되고, 토출관이 위치한 압축기의 하부 케이스로 이동된다. 그리고, 하부 케이스에 축적되는 고압의 냉매는 상기 메인 베어링(108)을 따라 상기 제 1 배압챔버(121)로 이동된다. 그러나, 상기 하부 케이스 내의 고압 토출 가스가 바로 들어오지 않도록 상기 메인 베어링(108)을 다수 사용하여, 고압 가스의 유입이 최대한 억제된다.
한편, 상기 오일 유로(111)를 따라 올라온 오일은 상기 편심부(112) 상측으로 상승하여 분산되고, 분산된 오일은 상기 슬라이딩 부쉬(113)과 상기 편심부(112)의 접촉면을 따라 윤활 되면서 흘러내린다.
상기 흘러 내린 오일은 상기 메인 베어링(108)으로 부터 올라온 고압의 냉매와 합쳐져서, 상기 제 1 배압챔버(121)에 축적되게 된다.
상기 제 1 배압챔버(121)에 축적된 혼합유체는 상기 바이패스 관로(104)를 따라 흘러가게 되고, 상기 배압 조절부(109)의 배압조절 밸브(101)에 압력을 가하게 된다.
상기 배압 조절부(109)의 작용을 설명하면, 상기 배압공간(108)이 일정한 중간 압력으로 유지되도록 하기 위해, 상기 배압조절 밸브(101)에 가해지는 유체의 압력이 일정 중간압력 이상인 경우, 상기 배압조절 스프링(102)이 수축된다. 그리고, 상기 배압조절 스프링(102)이 수축되면, 상기 유체는 일정 중간압이 되도록, 상기 바이패스 관로(104)를 통하여 일정량의 유체가 빠져나가게 된다.
따라서, 상기 바이패스 관로(104)를 통해 유체의 일부가 빠져 나감으로써, 상기 제 1 배압챔버(121)는 일정한 중간압력이 유지된다.
또한, 상기 바이패스 관로(104)를 통해 빠져 나간 유체는 상기 올담링(130)의 하부키와 상기 상부 프레임(120)에 윤활작용을 하면서, 상기 제 2 배압챔버(122)에 이르게된다. 그리고, 상기 제 2 배압챔버(122)에 형성되는 유체는 상기 오일 유입구(107)를 통하여 흡입구(171)로 들어가, 최종적으로 스크롤 압축부 내에서 스크롤랩(141)(151)의 윤활을 돕는다. 여기서, 상기 제 2 배압챔버(122)는 상기 흡입구(171)와 연통되어 있기 때문에 흡입구(107)로 들어가는 저압의 냉매와 거의 같은 압력을 갖게 된다.
도 5는 본 발명의 사상에 따르는 스크롤 압축기의 실링부재의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 실링부재는 환형의 띠를 이루고, 수직 단면도 원형에 가까운 형상을 이루고 있다. 그리고, 상기 실링부재(105)는 상부 프레임(120)의 스러스트면에 놓여진다.
상기 실링부재(105)는 내부가 비어 있는 형상을 하고 있으며, 일정 범위의 신축성을 가진다.
따라서, 상기 실링부재(105)에 낮은 압력이 작용할 때에는 원래의 형상을 유지하지만, 고압의 유체가 유입되어 높은 압력이 작용할 때에는, 상기 실링 부재(105)의 수직단면의 곡률반경이 커지게 된다.
상기 곡률반경이 커지게 됨으로써, 상기 실링부재(105)의 상측과 접촉되어 있는 선회 스크롤의 하면을 통하여 유체가 누설되는 것이 억제된다.
또한, 상기 압축부에서 형성된 과도한 압력에 의해 상부 프레임(120)의 스러스트면과 선회 스크롤의 접촉면에 과도한 마찰이 일어나는 것을 감소 시켜준다.
도 6은 본 발명의 사상에 따르는 스크롤 압축기의 배압 조절부의 사시도이다.
도 6을 참조하면, 상기 배압 조절부는 구형의 배압조절 밸브(101)와, 상기 배압조절 밸브(101)를 지지하는 배압조절 스프링(102)과, 상기 배압조절 스프링(102)을 지지하는 고정단(103)이 포함된다.
상기 배압조절 스프링(102)은 일정 값의 탄성계수를 가지는 탄성부재로서, 일정한 스프링 압력 Ps 값을 가진다.
따라서, 상기 배압패스 관로(104)에 흐르는 유체에 의해 Ph의 압력이 상기 배압조절 밸브(101)에 가해질 때, 상기 유체가 일정 값의 중간압 Pm 이상이 되는 경우 배압조절 스프링(102)이 수축되도록 설계된다.
다시 말하면, 상기 배압조절 스프링(102)이 견딜 수 있는 스프링 압력 Ps 값은 상기 제 1 배압챔버에(121) 유지되어야 할 일정한 중간압 Pm 과 동일하다.
상기 바이패스 관로(104)로 흘러 가는 유체의 압력을 Pi 라고 할때, Pi = Ph - Ps(Pm) 식이 성립되고, 결과적으로 상기 배압구조에 의하여 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 제 1 배압챔버(121)는 항상 일정한 중간압으로 유지되게 된다.
본 발명에 따르는 스크롤 압축기의 배압구조에 의하여, 상부 프레임의 내부에 형성되는 배압공간이 일정한 중간압으로 유지되도록 함으로써, 상기 선회 스크롤이 상기 고정 스크롤을 과도하게 압박하는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 배압챔버의 내외부 사이의 압력차가 감소하여 배압챔버로부터 오일이 과도하게 누설되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 배압 조절부를 통해 빠져나가는 오일을 적정량으로 조절할 수 있으므로, 압축부에 적절한 양의 오일을 공급할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실링 부재를 이용하여 배압실을 형성한 종래의 고압식 스크롤 압축기의 일례를 보여주는 종단면도.
도 2는 일반적인 스크롤 압축기의 압축부에서 진행되는 냉매의 압축과정을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 사상에 따르는 스크롤 압축기의 배압조절 구조의 단면도.
도 4는 상기 배압조절 구조의 확대 단면도.
도 5는 본 발명의 사상에 따르는 스크롤 압축기의 실링부재의 사시도.
도 6은 본 발명의 사상에 따르는 스크롤 압축기의 배압 조절부의 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 배압조절 밸브 102 : 배압조절 스프링 103 : 고정단
104 : 바이패스 관로 105 : 실링부재 108 : 메인 베어링
120 : 상부 프레임 121 : 제 1 배압챔버 122 : 제 2 배압챔버

Claims (3)

  1. 상부 프레임의 일측에 형성되고, 스크롤 압축기의 토출측 유체와 오일 저장조에서 공급된 오일이 수용되어, 선회 스크롤을 지지하기 위한 배압이 형성되는 배압챔버;
    상기 배압챔버와 상기 스크롤 압축기의 흡입측과 연통되도록 하는 바이패스 관로;
    상기 바이패스 관로가 선택적으로 개폐되도록 하는 배압 조절부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 배압조절 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 관로와 배압 조절부는 상기 상부 프레임의 소정 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 배압조절 구조.
  3. 제 1 항또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배압 조절부는,
    상기 바이패스 관로의 경로상에 설치되는 배압조절 밸브;
    상기 배압조절 밸브를 지지하는 배압조절 스프링;
    상기 배압조절 스프링을 지지하는 고정단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기의 배압조절 구조.
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