KR20140007930A - 스크롤 압축기 - Google Patents

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알렉산더 머레이 카메론
피터 데이비드 존스
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에드워즈 리미티드
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Abstract

본 발명은, 궤도 스크롤 판(37)으로부터 고정 스크롤을 향하여 축방향으로 연장하는 궤도 스크롤 벽(35)을 갖는 궤도 스크롤(20)과; 고정 스크롤 판(30)으로부터 궤도 스크롤을 향하여 축방향으로 연장하는 고정 스크롤 벽(28)을 갖는 고정 스크롤(22)과; 편심 샤프트 부분(16)을 가져서, 편심 샤프트 부분의 회전이, 고정 스크롤에 대한 궤도 운동을 궤도 스크롤에 부여할 수 있도록 하는 축방향 연장 구동 샤프트(14)를 포함하는 스크롤 압축기에 관한 것이다. 상기 궤도 스크롤 벽의 축방향 단부(35)는 상기 궤도 스크롤 벽과 상기 고정 스크롤 판 사이의 밀봉을 위한 제 1 시일(58)을 갖고, 상기 고정 스크롤 벽의 축방향 단부(29)는 상기 고정 스크롤 벽과 상기 궤도 스크롤 판 사이의 밀봉을 위한 제 2 시일(58)을 가지며; 상기 제 1 시일 또는 상기 제 2 시일은 1:1.25 이상의 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것이다.
종래 기술의 스크롤 압축기 또는 펌프(10)가 도 7에 도시된다. 이 펌프(10)는 펌프 하우징(12)과, 편심(eccentric) 샤프트 부분(16)을 갖는 구동 샤프트(14)를 포함한다. 샤프트(14)는 모터(18)에 의해 구동되며, 편심 샤프트 부분은 궤도 스크롤(20)에 연결되어, 사용중, 샤프트의 회전이 고정 스크롤(22)에 대한 궤도 운동(orbiting motion)을 궤도 스크롤에 부여함으로써, 압축기의 펌프 입구(24)와 펌프 출구(26) 사이의 유체 유동 경로를 따라 유체를 펌핑한다.
고정 스크롤(22)은, 대체로 원형인 베이스 판(30)에 대해 수직하게 연장되고 축방향 단부 면 또는 단부 표면(29)을 갖는 스크롤 벽(28)을 포함한다. 궤도 스크롤(20)은, 대체로 원형인 베이스 판(37)에 대해 수직하게 연장되고 축방향 단부 면 또는 단부 표면(35)을 갖는 스크롤 벽(34)을 포함한다. 궤도 스크롤의 궤도 운동 중에 궤도 스크롤 벽(34)은 고정 스크롤 벽(28)과 협동하거나 메쉬 결합한다. 스크롤들의 상대적인 궤도 운동은 소정 체적의 가스가 스크롤들 사이에 포획(trap)되어 입구로부터 출구로 펌핑되게 한다.
스크롤 펌프는 건식 펌프이며 윤활되지 않을 수도 있다. 이 경우에는, 역 누설(back leakage)을 방지하기 위해서, 일 스크롤의 스크롤 벽의 축방향 단부(29, 35)와 다른 스크롤의 베이스 판(30, 37) 사이의 공간이 일반적으로 팁 시일(tip seal)을 포함하는 밀봉 구조체에 의하여 밀봉된다. 팁 시일은 제조 공차 및 작동 공차에 의해 야기되는 스크롤 사이의 갭을 폐쇄하여, 누설을 허용가능한 레벨로 감소시킨다. 그러나, 팁 시일은 팁 시일 분진의 발생으로 고통받으며, 운전 요건을 이루기 전에 베딩 인 기간(a period of bedding in)을 필요로 한다. 게다가, 통상의 스크롤 펌프에 있어서, 팁 시일은 마모된 후 정기적인 시간 간격으로 보수를 필요로 한다.
팁 시일(36)을 보다 상세히 도시하는 고정 스크롤(22)의 일부를 통한 확대 단면도가 도 6에 도시된다. 팁 시일(36)은 1:1의 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는다. 즉, 팁 시일의 반경방향 폭은 팁 시일의 축방향 길이와 같아서, 도 6에 단면으로 도시하는 바와 같이 팁 시일은 정사각형 단면을 갖는다. 따라서 팁 시일은 반경방향으로 비교적 강성이다.
팁 시일은 고정 스크롤 벽의 축방향 단부에서 채널(38) 내에 위치된다. 팁 시일(36)의 축방향 단부와 채널(38)의 베이스 사이에 작은 축방향 갭이 있어서, 사용중에는, 상기 갭을 점유한 유체가 팁 시일을 궤도 스크롤의 베이스 판(37)을 향하여 축방향으로 가압한다. 따라서, 팁 시일은 유체의 쿠션 위에 지지되는데, 이 유체의 쿠션은 팁 시일을 맞은편 시일 면 쪽으로 가압하는 역할을 한다. 아울러, 도 6에는 도시하지 않지만, 팁 시일과 채널의 내측 반경방향 대향 표면 사이에는 반경방향 간극이 있다. 스크롤들의 상대적인 궤도 운동중, 팁 시일은 그 운동의 일부 동안에는 하나의 내측 반경방향 표면에 대하여 가압되고, 그 운동의 다른 부분 동안에는 다른 내측 반경방향 표면에 대하여 가압된다. 팁 시일이 이들 위치 사이에서 이동함에 따라 누설이 증가되는데, 그 이유는 팁 시일의 일 측부로부터 팁 시일의 다른 측부까지 형성된 누설 경로가 있기 때문이다. 반경방향으로 비교적 강성인 팁 시일(36)은 채널 내에서의 위치를 비교적 천천히 변경하며, 그에 따라 누설은 증가된다.
본 발명은 종래 기술과 관련된 상기 문제점중 하나 이상을 적어도 완화시키고자 한다.
본 발명은,
궤도 스크롤 판으로부터 고정 스크롤을 향하여 축방향으로 연장하는 궤도 스크롤 벽을 갖는 궤도 스크롤과;
고정 스크롤 판으로부터 궤도 스크롤을 향하여 축방향으로 연장하는 고정 스크롤 벽을 갖는 고정 스크롤과;
편심 샤프트 부분을 가져서, 편심 샤프트 부분의 회전이, 고정 스크롤에 대한 궤도 운동을 궤도 스크롤에 부여할 수 있도록 하는, 축방향 연장 구동 샤프트를 포함하며;
상기 궤도 스크롤 벽의 축방향 단부는 상기 궤도 스크롤 벽과 상기 고정 스크롤 판 사이의 밀봉을 위한 제 1 시일을 갖고, 상기 고정 스크롤 벽의 축방향 단부는 상기 고정 스크롤 벽과 상기 궤도 스크롤 판 사이의 밀봉을 위한 제 2 시일을 가지며;
상기 제 1 시일 또는 상기 제 2 시일은 1:1.25 이상의 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는,
스크롤 압축기를 제공한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시태양 및/또는 선택적인 실시태양은 첨부 도면에 규정된다.
본 발명을 보다 잘 이해하기 위하여 예시를 위해서만 기재된 일 실시예가 후술하는 바와 같은 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 스크롤 압축기의 고정 스크롤의 일부를 통한 단면도,
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 팁 시일을 채널 내의 제 1 위치 및 제 2 위치에서 도시하는 확대도,
도 4 및 도 5는 종래 기술의 스크롤 벽 및 시일의 일부에 대한 평면도와, 일 실시예에 따른 스크롤 벽 및 시일의 일부에 대한 평면도,
도 6은 종래 기술의 스크롤 압축기의 고정 스크롤의 일부를 통한 단면도,
도 7은 종래 기술의 스크롤 압축기의 개략도.
고정 스크롤(50)의 일부를 통한 단면도가 도 1에 도시된다. 이 고정 스크롤(50)은, 본 발명을 구현하는 스크롤 압축기의 일부를 형성하는 것으로서, 도 1 내지 도 5에 도시하고 후술하는 양상을 제외하곤, 도 7에 도시된 종래 기술의 스크롤 압축기와 구성 및 동작이 유사하다. 따라서 간결을 위하여, 전체 스크롤 압축기의 구조 및 동작이 다시 상세히 기술되지는 않을 것이다.
도 1에 도시된 스크롤 압축기(50)는 고정 스크롤 판(52)과, 전형적으로 인벌루트(involute)의 형태로 고정 스크롤 판으로부터 대체로 수직으로 연장하는 고정 스크롤 벽(54)을 포함한다. 변형예로서, 멀티-스타트(multi-start)인 스크롤 펌프에 있어서, 스크롤 벽은 그의 길이의 일부에 걸쳐서만, 보통은 반경방향 내측 부분을 걸쳐서만, 인벌루트를 형성할 수도 있다. 고정 스크롤 벽의 축방향 단부는 채널(56)을 포함하며, 상기 채널(56) 내에는 도 2 및 도 3에 도시된 궤도 스크롤(60)에 대항하여 밀봉하도록 팁 시일(58)이 위치된다.
본 명세서의 설명은 고정 스크롤의 팁 시일에 대한 것이다. 그러나, 궤도 스크롤에 대하여 유사한 팁 시일 구조가 부가적으로 또는 대안적으로 제공될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
팁 시일이 설치될 때, 팁 시일(58)은 1:1.25보다 큰 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는다. 다시 말해서, 종횡비가 x(축방향 길이):y(반경방향 폭)이고, x가 1인 경우에, y는 1.25 이상이다. 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 축방향 길이는 도 4에 도시된 길이와 유사하지만, 팁 시일(58)은 반경방향으로 더 얇으며, 따라서 더욱 경량이고 가요성이 크다. 도시된 실시예에 있어서, 종횡비는 종횡비는 1:1.5이고, 펌프 필요 조건에 따라 달라지며, 팁 시일은 각기 약 1.8mm 및 1.2mm 내지 4mm 및 2.6mm 범위의 축방향 범위 및 반경방향 폭을 갖는다. 따라서 종횡비는 1:2보다 클 수도 있다는 것을 볼 것이다.
도시된 구조는 종래 기술에 비추어 다수의 이점을 제공한다. 현재 사용되고 있는 재료로 팁 시일(58)을 제조할 때, 마모율 & 팁 시일 수명(압력-속도 제도(regime))는 대체로 변하지 않고 유지된다. 게다가, 팁 시일(58)은 보다 짧은 베딩-인 또는 안정화 시간을 나타낸다. 팁 시일(58)이 더욱 얇고, 따라서 반경방향으로 가요성이 더욱 크며; 추가로, 그 단면적은 보다 작아서, 축방향으로 더욱 가요성이 크다. 따라서 그것은 궤도 스크롤에 대하여 전체 폭 단부면(62)을 제공할 수 있는 능력이 보다 크다는 것을 말한다. 그러므로 초기 사용중 축방향 면의 전부는 아니지만 축방향 면의 대부분이 재빨리 베딩 인된다.
상기 축방향 단부 면(62)은 종래기술의 팁 시일의 축방향 단부 면보다 상대적으로 작은 면적을 차지하기 때문에, 사용중 궤도 스크롤에 대항한 마멸로 인한 분진이 적게 발생한다. 사용중 발생된 분진은 주기적으로 제거하여야 하기 때문에, 분진 발생이 보다 적으면 소유 비용이 감소된다. 게다가, 팁 시일이 반경방향으로 비교적 강성인 종래기술에 있어서는, 축방향 단부 면의 일부 또는 코너 만이 궤도 스크롤에 제공될 수도 있다. 본 실시예에서는 축방향 단부 면이 종래기술에 있어서의 축방향 단부 면보다 작지만, 보다 가요성이 큰 시일은 궤도 스크롤에 그것의 전체 단부 면을 제공할 수 있어서 보다 좋을 것인 반면, 종래기술에 있어서는 스크롤 단부 면의 코너만이 궤도 스크롤에 제공될 수도 있었다.
도 4 및 도 5는 종래기술의 구조 및 본 발명의 실시예에 따른 구조에 대한 스크롤 벽의 홈 내의 팁 시일의 일부의 평면도를 각기 도시한다. 스크롤 벽은 나선형이지만, 양 도면에 있어서는, 설명을 위하여 스크롤 벽을 직선으로 도시하였다.
도 4 및 도 5의 양 도면에 있어서, 스크롤 벽(29, 35)의 궤도 운동 중에는, 초승달 형상의 유체 포켓이 유체 경로를 따라 펌핑 구조체의 출구를 향해 강제됨에 따라 스크롤 벽들(20, 22) 사이에 포획되어 압축된다. 포획된 유체 포켓이 경로를 따라 통과할 때, 팁 시일(36, 58)은 그것을 가로지른 압력차의 방향 변화를 경험한다. 이와 관련하여, 시일을 가로지른 압력차는, 샤프트의 매 회전시 반복되는 사이클 방식으로, 궤도 운동의 제 1 부분 중에는 시일을 반경방향 내측으로 구동시키고, 그 다음 궤도 운동의 제 2 부분에서는 시일을 반경방향 외측으로 구동시키는 경향이 있다. 따라서 팁 시일의 일 부분은 포획된 포켓의 상류부에 있을 때에는 홈의 반경방향 내측을 향하여 구동되고, 포획된 포켓의 하류부에 있을 때에는 홈의 반경방향 외측을 향하여 구동된다. 대향하는 스크롤의 팁 시일에 대해서는 역이 성립할 것이다.
보다 상세히 언급하여, 펌프의 사용중 임의의 소정 시간에 팁 시일(36, 58)의 전체 길이를 고려하면, 팁 시일의 제 1 부분(68, 70)은 홈(74)의 반경방향 내측(72)에 위치하고, 팁 시일의 제 2 부분(76, 78)은 홈의 반경방향 외측(80)에 위치한다. 제 1 부분과 제 2 부분 사이에서, 팁 시일(36, 58)의 중간 부분(82, 84)은 홈의 반경방향 내측(72)과 반경방향 외측(80) 사이의 갭을 연결(bridge)한다. 팁 시일과 홈의 반경방향 내측(72) 사이에서, 팁 시일 아래에서 그리고 팁 시일과 홈의 반경방향 외측(80) 사이에서 연장하는 누설 경로가 있기 때문에, 유체가 중간 부분에서 팁 시일을 가로질러 누설될 수 있다. 즉, 중간 부분(82, 84)에서, 홈의 측부 중 하나 쪽으로 가압함으로써 팁 시일이 침투 경로(seepage path)를 차단하지 않는다. 종래기술의 팁 시일(36)은 보다 큰 반경방향 폭 대 축방향 깊이를 가지며, 따라서 반경방향으로 비교적 강성이 크다. 결과적으로, 중간 부분(82)의 길이는 보다 길며, 이것은 누설이 보다 많이 발생한다는 의미이다. 팁 시일(58)은 보다 작은 반경방향 폭 대 축방향 깊이를 가지며, 따라서 반경방향으로 비교적 가요성이 크다. 결과적으로, 중간 부분(84)의 길이는 보다 짧으며, 이것은 누설이 보다 적게 발생한다는 의미이다.
본 발명의 추가 이점은, 팁 시일이 차지한 공간이 반경방향으로 더 작으며, 따라서 스크롤 벽 두께가 감소된다는 것이다. 따라서 도 1에 도시한 바와 같이, 6개의 랩(wrap)이 도시되지만, 도 6에 있어서는 5개의 랩만이 도시된다. 따라서 임의의 소정 크기의 펌프에 대하여, 랩이 더 많다는 것은 입구와 배출구 사이의 펌프 경로가 더 길어서, 압축이 증가된다는 것이기 때문에, 본 실시예는 증가된 펌핑 능력을 허용한다. 변형예로서, 상기 실시예는 보다 소형의 펌프에서 유사한 펌핑 능력을 허용한다. 후자와 관련하여, 종래기술보다 적은 용적을 점유하는 펌프는, 보다 적은 재료를 필요로 하고 사용중 보다 작은 풋프린트를 점유하기 때문에, 제조하기 위한 비용이 대체로 적게 든다.
도 2 및 도 3은 팁 시일(58)의 일부와 채널 또는 홈(74)의 반경방향 측부(72, 80) 사이의 반경방향 간극(R)을 도시한다. 도면에서는 설명의 목적을 위해 상기 간극이 과장되었다. 팁 시일은 시일 아래의 공간(G)을 점유하는 가스에 의해서 궤도 스크롤(60)의 대응 면(62)에 대항하여 압력 로딩된다. 궤도 스크롤이 궤도 운동할 때, 시일은 반경방향으로의 압력 차 및 대응 면에 대항한 마찰의 조합에 의해서 채널의 측부 쪽으로 가압된다.
전술한 바와 같이, 단일 팁 시일(58)의 길이를 따른 상이한 지점에서, 팁 시일은 도 2나 도 3중 어느 하나에 도시된 위치에 위치되거나 또는 두 개의 도시된 위치 사이에서 이동하는 과정에 있다. 즉, 도 2에서는 팁 시일(58)의 제 1 부분(70)이 채널의 반경방향 내측(72)에 위치되며, 도 3에서는 팁 시일(58)의 제 2 부분(78)이 채널의 반경방향 외측(80)에 위치된다. 팁 시일이 두개의 도시된 위치 사이에 있을 때에는, 팁 시일을 가로질러 침투 경로가 형성되어 누설을 야기한다. 이 침투 경로는 팁 시일의 일 반경방향 면을 따라서 연장하고 갭(G)을 가로질러 연장하며 팁 시일의 대향하는 반경방향 면을 따라서 연장한다. 팁 시일(58)이 종래 기술에서보다 반경방향으로 더욱 가요성이기 때문에, 상기 팁 시일은 두개의 도시된 위치 사이에서 보다 빠르게 이동하고, 따라서 누설이 적게 발생한다.
전술한 바와 같이, 팁 시일의 하나 또는 양자는 1:1.25보다 큰 증가된 종횡비를 가질 수도 있다. 상기 종횡비는 각 팁 시일의 전체 길이를 따라 대체로 동일한 것이 바람직하지만, 팁 시일의 하나 또는 양자가 그 길이를 따라 상이한 종횡비를 가질 수도 있다.
전형적으로는 스크롤 압축기가 유체를 펌핑하기 위하여 동작하지만, 궤도 스크롤을 고정 스크롤에 대하여 회전시키기 위하여 가압 유체를 사용할 때에는, 스크롤 압축기가 그 대신에 전기 에너지를 발생시키기 위한 발전기(generator)로서 동작할 수도 있다. 본 발명은 펌핑 및 에너지 발생을 위한 스크롤 압축기의 사용을 모두 포함하도록 의도된다.
20: 궤도 스크롤 22: 고정 스크롤
28: 고정 스크롤 벽 29: 축방향 단부 면
30: 베이스 판 34: 궤도 스크롤 벽
36: 팁 시일 37: 베이스 판
38: 채널 50: 고정 스크롤
52: 고정 스크롤 판 54: 고정 스크롤 벽
56: 채널 58: 팁 시일
60: 궤도 스크롤 62: 축방향 단부 면

Claims (6)

  1. 스크롤 압축기에 있어서,
    궤도 스크롤 판으로부터 고정 스크롤을 향하여 축방향으로 연장하는 궤도 스크롤 벽을 갖는 궤도 스크롤과;
    고정 스크롤 판으로부터 궤도 스크롤을 향하여 축방향으로 연장하는 고정 스크롤 벽을 갖는 고정 스크롤과;
    편심 샤프트 부분을 가져서, 편심 샤프트 부분의 회전이, 고정 스크롤에 대한 궤도 운동을 궤도 스크롤에 부여할 수 있도록 하는, 축방향 연장 구동 샤프트를 포함하며;
    상기 궤도 스크롤 벽의 축방향 단부는 상기 궤도 스크롤 벽과 상기 고정 스크롤 판 사이의 밀봉을 위한 제 1 시일을 갖고, 상기 고정 스크롤 벽의 축방향 단부는 상기 고정 스크롤 벽과 상기 궤도 스크롤 판 사이의 밀봉을 위한 제 2 시일을 가지며;
    상기 제 1 시일 또는 상기 제 2 시일은 1:1.25 이상의 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는
    스크롤 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시일 또는 제 2 시일은 펌프 입구로부터 펌프 출구까지의 전체 인벌루트(involute)에 걸쳐서 1:1.25 이상의 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는 스크롤 압축기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 시일 및 제 2 시일은 1:1.25 이상의 축방향 길이 대 반경방향 폭의 종횡비를 갖는
    스크롤 압축기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 종횡비는 1:1.5 이상인
    스크롤 압축기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 궤도 스크롤 벽의 축방향 단부는 상기 제 1 시일을 위치설정하기 위한 채널을 갖고, 상기 고정 스크롤 벽의 축방향 단부는 상기 제 2 시일을 위치설정하기 위한 채널을 갖는
    스크롤 압축기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 스크롤 압축기를 위한 시일.
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