KR20140136798A

KR20140136798A - 스크롤 압축기

Info

Publication number: KR20140136798A
Application number: KR1020130057321A
Authority: KR
Inventors: 이재상; 이강욱; 원인호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-12-01
Also published as: CN104179680A; CN104179680B; US9879679B2; KR102022871B1; US20140348680A1

Abstract

본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 고정측 토출구가 선회측 토출구와 넓은 범위에서 중첩될 수 있도록 선회스크롤의 기구학적 중심으로부터 선회측 토출구 방향으로 편심지게 형성됨으로써, 선회측 토출구와 고정측 토출구 사이에서의 유로저항을 낮출 수 있고 이를 통해 최종 압축실에서 압축되는 냉매가 상부프레임에 막히지 않고 신속하게 토출되면서 적정한 토출 압력을 유지하게 될 뿐만 아니라 양쪽 압축실의 압력이 균일하게 되어 과압축으로 인한 입력 손실을 낮출 수 있다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로, 특히 선회스크롤에 토출구가 형성되는 스크롤 압축기에 관한 것이다.

스크롤 압축기는 고정스크롤의 고정랩과 선회스크롤의 선회랩이 맞물린 상태에서 선회스크롤이 고정스크롤에 대해 선회운동을 하면서 고정랩과 선회랩 사이에 연속적으로 이동하는 압축실을 형성하여 냉매를 흡입 및 압축하는 형태의 압축기이다.

이러한 스크롤 압축기는 흡입, 압축 및 토출이 연속적으로 이루어지므로 작동 과정에서 발생되는 진동 및 소음 측면에서 다른 형태의 압축기에 비해 우수한 장점을 갖는다.

스크롤 압축기는의 거동 특성은 고정랩과 선회랩의 형태에 의해 결정된다. 고정랩과 선회랩은 임의의 형상을 가질 수 있지만 통상적으로는 가공이 용이한 인볼류트 곡선의 형태를 갖고 있다. 인볼류트 곡선은 임의의 반경을 갖는 기초원의 주위에 감겨있는 실을 풀어낼 때 실의 단부가 그리는 궤적에 해당되는 곡선을 의미한다. 이러한 인볼류트 곡선을 이용하는 경우 랩의 두께가 일정하여 용적변화율도 일정하게 되므로 높은 압축비를 얻기 위해서는 랩의 권수를 늘려야 하지만, 이 경우 압축기의 크기도 함께 커지게 되는 단점이 있다.

한편, 선회스크롤은 통상적으로는 원판 형태로 된 경판의 일측면에 선회랩이 형성되고, 선회랩이 형성되지 않은 배면에 보스부가 형성되어 선회스크롤을 선회구동시키는 회전축과 연결되게 된다. 이러한 형태는 경판의 거의 전면적에 걸쳐서 선회랩을 형성할 수 있어 동일한 압축비를 얻기 위한 경판부의 직경을 작게 할 수 있는 반면, 압축시에 냉매의 반발력이 적용되는 작용점과 반발력을 상쇄하기 위한 반력이 적용되는 작용점이 수직 방향으로서로 이격되어 작동 과정에서 선회스크롤의 거동이 불안정해지면서 진동이나 소음이 커지는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위한 방법으로, 도 1에서와 같이 회전축(1)과 선회스크롤(2)이 결합되는 지점이 선회랩(2a)과 동일한 면에 형성되는 소위 축관통 스크롤 압축기가 개시되어 있다. 이러한 축관통 스크롤 압축기는 냉매의 반발력의 작용점과 그 반력의 작용점이 동일 지점에 작용하게 되므로 선회스크롤(2)이 기울어지는 문제를 해소할 수 있다.

하지만, 상기와 같은 축관통 스크롤 압축기의 경우는 선회스크롤(2)에 구비되는 선회측 토출구(2b)가 선회스크롤(2)의 기하학적 중심(Oo)에 대해 편심지게 형성됨에도 불구하고 선회스크롤(2)의 배면에 설치되는 상부프레임(3)의 고정측 토출구(3a)가 그 상부프레임(3)의 중심에 형성됨에 따라 선회측 토출구(2b)를 통해 토출되는 냉매가 고정측 토출구(3a)로 안내되는 과정에서 과압축이 발생하면서 압축 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 즉, 선회스크롤(2)과 상부프레임(3) 사이에는 배압실을 형성하기 위한 실링부재(4a)(4b)가 설치됨에 따라 종래에는 도 1에서와 같이 고정측 토출(3a)구가 상부프레임(3)의 중앙에 형성되고, 이로 인해 도 2에서와 같이 고정측 토출구(3a)와 선회측 토출구(2b)가 중첩되는 구간이 좁아지게 되면서 선회측 토출구(2b)를 통해 토출되는 냉매는 상부프레임(3)의 고정측 토출구(3a) 주변에 막혔다가 고정측 토출구(3a)로 토출하게 되어 선회측 토출구(2b)와 고정측 토출구(3a) 사이에 유로저항이 증가하면서 해당 압축실에서 과압축이 발생되어 전체적인 압축 효율이 저하될 수 있었다.

본 발명의 목적은, 압축실에서 토출되는 냉매에 대한 유로저항을 줄여 과압축으로 인한 압축 효율의 저하를 줄일 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정랩을 갖는 고정스크롤; 상기 고정랩과 치합되어 외측면과 내측면에 제1 및 제2 압축실을 형성하는 선회랩을 가지며, 상기 선회랩의 안쪽 끝단부에서 배면으로 관통되도록 선회측 토출구가 형성되고, 중앙부에 회전축 결합부가 형성되어 상기 고정스크롤에 대해서 선회운동하는 선회스크롤; 상기 선회스크롤의 배면에 구비되어 상기 선회스크롤을 지지하며, 상기 선회측 토출구와 연통되도록 고정측 토출구가 형성되는 프레임; 및 일단부에 편심부를 가지며, 상기 편심부가 상기 선회랩과 측방향으로 중첩되도록 상기 선회스크롤의 회전축 결합부에 결합되는 회전축;을 포함하고, 상기 고정측 토출구는 상기 선회측 토출구와 적어도 일부가 항상 중첩되는 위치에 형성되는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.

또, 고정스크롤과 선회스크롤이 서로 맞물려 상기 선회스크롤이 고정스크롤에 대해 상대 선회운동을 하면서 바깥쪽에서 안쪽 방향으로 연속 이동하도록 형성되는 2개 한 쌍의 압축실; 상기 압축실 중에서 최외곽 압축실에 연통되도록 형성되는 흡입구; 상기 압축실 중에서 안쪽 압축실에 연통되도록 형성되는 토출구; 상기 선회스크롤과 그 선회스크롤의 배면에 설치되는 프레임 사이에 형성되는 배압실; 및 상기 선회스크롤의 중앙에 형성되고 상기 압축실과 중첩되는 평면을 가지도록 형성되어 회전축이 결합되는 회전축 결합부;를 포함하고, 상기 토출구는 상기 회전축 결합부의 바깥쪽에 형성되는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.

도 1은 종래 축관통 스크롤 압축기의 압축부를 보인 종단면도,
도 2는 도 1에 따른 축관통 스크롤 압축기에서 선회스크롤의 선회궤적에 따른 고정측 토출구와 선회측 토출구 사이의 위치관계를 보인 평면도,
도 3은 본 발명 축관통 스크롤 압축기를 보인 종단면도,
도 4는 도 3에 따른 축관통 스크롤 압축기에서 압축부를 보인 평면도,
도 5는 도 4에 다른 축관통 스크롤 압축기에서 선회스크롤의 선회궤적에 따른 고정측 토출구와 선회측 토출구 사이의 위치관계를 보인 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 축관통 스크롤 압축기에서 토출구에 대한 다른 실시예를 보인 종단면도,
도 7은 도 3에 따른 축관통 스크롤 압축기에서 크랭크각에 대한 압력변화를 다른 예들과 비교하여 보인 그래프.

이하, 본 발명에 의한 스크롤 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 축관통 스크롤 압축기를 보인 종단면도이고, 도 4는 도 3에 따른 축관통 스크롤 압축기에서 압축부를 보인 평면도이며, 도 5는 도 4에 다른 축관통 스크롤 압축기에서 선회스크롤의 선회궤적에 따른 고정측 토출구와 선회측 토출구 사이의 위치관계를 보인 평면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 스크롤 압축기는, 밀폐용기(10)의 내부에는 구동모터(30)가 설치되고, 구동모터(20)의 상측에는 메인프레임과 일체로 된 고정스크롤(30)이 고정 설치되며, 고정스크롤(30)의 상측에는 그 고정스크롤(30)에 맞물리고 구동모터(20)의 회전축(23)에 결합되어 선회운동을 하면서 냉매를 압축하도록 선회스크롤(40)이 설치될 수 있다.

밀폐용기(10)는 원통형의 케이싱(11)과, 케이싱(11)의 상부 및 하부를 각각 덮어 용접 결합되는 상부 쉘(12) 및 하부 쉘(13)로 이루어질 수 있다. 케이싱(10)의 측면으로 흡입파이프(14)가 설치되고, 상부 쉘(12)의 상부에는 토출파이프(15)가 설치될 수 있다. 하부 쉘(13)은 압축기가 원활하게 작동될 수 있도록 공급되는 오일을 저장하는 오일챔버로서도 기능하게 된다.

구동모터(20)는 케이싱(10)의 내면에 고정되는 고정자(22)와, 고정자(22)의 내부에 위치하며 고정자(22)와의 상호작용에 의해 회전되는 회전자(22)를 포함할 수 있다. 회전자(22)의 중심에는 그 회전자(22)와 함께 회전하는 회전축(23)이 결합될 수 있다.

회전축(23)의 중심부에는 오일유로(F)가 회전축(23)의 길이방향을 따라서 관통 형성되고, 회전축(23)의 하단에는 하부 쉘(13)에 저장되어 있는 오일을 상부로 공급하기 위한 오일펌프(24)가 설치될 수 있다. 회전축(23)의 상단에는 핀부(23c)가 편심지게 형성될 수 있다.

고정스크롤(30)은 그 외주면이 케이싱(11)과 상부 쉘(12) 사이에 열박음 방식으로 압입되어 고정되거나, 케이싱(11)과 상부 쉘(12)와 함께 용접에 의해 결합될 수 있다.

그리고 고정스크롤(30)의 경판부(31) 중앙에는 보스부(32)가 형성되고, 보스부(32)에는 회전축(23)이 관통하도록 축수구멍(33)이 형성될 수 있다. 고정스크롤(30)의 경판부(31) 상면에는 후술할 선회랩(42)과 치합되어 그 선회랩(42)의 외측면에 제1 압축실(S1)을, 내측면에 제2 압축실(S2)을 형성하는 고정랩(34)이 형성될 수 있다.

선회스크롤(40)은 고정스크롤(30)의 상면에 지지될 수 있다. 선회스크롤(40)은 대략 원형으로 경판부(41)가 형성되고, 경판부(41)의 상면에는 고정랩(34)과 치합되어 연속으로 이동하는 2개 한 쌍의 압축실(S1)(S2)을 형성하도록 선회랩(42)이 형성될 수 있다. 그리고, 경판부(41)의 중심부에는 회전축(23)의 핀부(23c)가 회전 가능하게 삽입되어 결합되는 대략 원형의 회전축 결합부(43)가 형성될 수 있다.

회전축 결합부(43)에는 회전축(23)의 핀부(23c)가 고정스크롤(30)의 경판부(31)를 관통하여 삽입되고, 선회랩(42)과 고정랩(34) 그리고 핀부(23c)는 압축기의 반경방향으로 중첩되도록 설치될 수 있다. 여기서, 압축시에는 냉매의 반발력이 고정랩(34)과 선회랩(42)에 가해지게 되고, 이에 대한 반력으로서 회전축 결합부(43)와 핀부(23c) 사이에 압축력이 가해지게 된다. 상기와 같이, 회전축(23)의 핀부(23c)가 선회스크롤(40)의 경판부(41)를 관통하여 랩과 반경방향으로 중첩되는 경우 냉매의 반발력과 압축력이 경판부(41)를 기준으로 하여 동일 측면에 가해지므로 서로 상쇄될 수 있다.

한편, 고정랩(34)과 선회랩(42)이 인볼류트 곡선으로 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 인볼류트 곡선이 아닌 다른 곡선을 갖도록 형성할 수도 있다. 도 4을 참조하면, 회전축 결합부(43)의 중심을 O라 하고, 두 개의 접촉점을 각각 P1, P2라 할 때, 두 개의 접촉점(P1, P2)과 회전축 결합부의 중심(O)을 연결한 두 개의 직선에 의해 정의되는 각α는 360°보다 작고, 각각의 접촉점에서의 법선 벡터 사이의 거리 ℓ도 0보다 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 토출 직전의 제1 압축실(S1)이 인볼류트 곡선으로 이루어진 고정랩(34)과 선회랩(42)을 갖는 경우에 비해 더 작은 볼륨을 갖게 되므로 압축비가 증가될 수 있다.

그리고, 고정랩(34)의 내측 단부 부근에 상기 회전축 결합부(43)측으로 돌출되는 돌기부(35)가 형성되고, 돌기부(35)에는 그 돌기부(35)로부터 돌출되도록 형성되는 접촉부(35a)가 더 형성될 수 있다. 이에 따라, 고정랩의 내측 단부는 다른 부분에 비해서 보다 큰 두께를 갖도록 형성될 수 있다.

회전축 결합부(43)에는 돌기부(35)와 맞물리게 되는 오목부(44)가 형성될 수 있다. 오목부(44)의 일측벽은 돌기부(35)의 접촉부(35a)와 접촉하면서 제1 압축실(S1)의 일측 접촉점(P1)을 형성하게 될 수 있다.

한편, 선회스크롤(40)의 상측에는 그 선회스크롤(40)의 배면과 올담링(50)을 지지하는 상부프레임(60)이 설치되고, 선회스크롤(40)의 배면과 상부프레임(60)의 저면 사이에는 배압실을 형성하여 선회스크롤(40)을 지지할 수 있도록 실링부재(71)(72)가 설치될 수 있다. 그리고 상부프레임(60)에는 후술할 선회스크롤(40)의 선회측 토출구(45)와 연통되어 압축된 냉매를 상부 쉘(12)측으로 토출되도록 하는 고정측 토출구(61)가 형성될 수 있다.

선회측 토출구(45)는 제1 압축실(S1)과 제2 압축실(S2)에서 압축되는 냉매가 번갈아 토출될 수 있도록 회전축 결합부(43)의 바깥쪽 주변에 형성될 수 있다. 선회측 토출구(45)는 입구측의 단면적보다 출구측의 단면적이 더 넓게 형성될 수도 있지만, 고정측 토출구(61)가 선회측 토출구(45)와 평면투영시 넓게 중첩되도록 형성되는 경우에는 도 4 및 도 5에서와 같이 입구측과 출구측 단면적이 동일하게 형성될 수도 있다.

고정측 토출구(61)는 선회스크롤(40)의 기구학적 중심(Oo)에 대략 일치하도록 상부프레임(60)의 중심 또는 중심 부근에 형성될 수도 있지만, 이 경우 선회측 토출구(45)가 절곡되거나 복잡한 유로를 형성하여 유로저항이 발생될 수 있으므로 가급적 선회측 토출구(45)와 넓게 중첩될 수 있도록 그 선회측 토출구(45) 방향으로 편심되게 형성되는 것이 선회측 토출구(45)의 유로를 직선화하여 유로저항을 줄일 수 있어 바람직할 수 있다.

예를 들어, 고정측 토출구(61)는 선회스크롤(40)이 선회운동을 할 때 그 선회측 토출구(45)의 적어도 일부가 고정측 토출구(61)와 중첩될 수 있는 위치, 즉, 선회측 토출구(45)의 축중심이 고정측 토출구(61)의 축중심과 적어도 한 번 일치할 수 있는 위치에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 스크롤 압축기는, 구동모터(40)에 전원을 인가하여 회전축(43)이 회전을 하면, 그 회전축(43)에 편심 결합한 선회스크롤(60)이 일정한 궤적을 따라 선회운동을 하고, 선회스크롤(60)과 고정스크롤(50) 사이에 형성되는 압축실(P)이 선회운동의 중심으로 연속적으로 이동하면서 체적이 감소하여 냉매를 연속적으로 흡입 압축하면서 토출을 하는 일련의 과정을 반복하게 된다.

여기서, 제1 압축실(S1)과 제2 압축실(S2)에는 토출압력과 고정체적비(Vr)의 차이에 의해 과압축이 발생할 수 있다. 특히, 선회스크롤(40)의 선회측 토출구(45)가 회전축 결합부(43)에 의해 선회스크롤(40)의 기구학적 중심에 형성되지 못하고 회전축 결합부(43)의 바깥쪽에 편심지게 형성되고 상부프레임(60)의 고정측 토출구(61)가 실링부재(71)(72)를 감안하여 선회스크롤(40)의 기구학적 중심에 대략 일치하도록 형성되는 경우에는 그 고정측 토출구(61)와 선회측 토출구(45) 사이에서 유로저항이 증가하면서 도 6에서와 같이 제1 압축실(S1)의 압력이 과도하게 상승하는, 소위 과압축이 발생할 수 있다. 하지만, 본 실시예와 같이 고정측 토출구(61)가 선회측 토출구(45)와 넓은 범위에서 중첩될 수 있도록 선회스크롤(40)의 기구학적 중심(Oo)으로부터 선회측 토출구(45) 방향으로 편심지게 형성되는 경우에는 선회측 토출구(45)와 고정측 토출구(61) 사이에서의 유로저항을 낮출 수 있고 이를 통해 최종 압축실에서 압축되는 냉매가 상부프레임(60)에 막히지 않고 신속하게 토출되면서 도 6에서와 같이 적정한 토출 압력을 유지하게 될 뿐만 아니라 양쪽 압축실(S1)(S2)의 압력이 균일하게 되어 과압축으로 인한 입력 손실을 낮출 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 스크롤 압축기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예는 선회스크롤에 선회측 토출구를, 상부프레임에 고정측 토출구를 각각 형성하되, 고정측 토출구가 선회측 토출구에 근접하도록 선회스크롤의 기구학적 중심으로부터 선회측 토출구쪽으로 편심지게 형성되는 것이었으나, 본 실시예는 도 7에서와 같이 고정스크롤(30)에 토출구(37)를 형성하는 것이다.

이 경우, 토출구(37)는 선회스크롤(40)의 선회랩(42)과 접하는 고정스크롤(30)의 경판부(31) 바닥면에서 외주면으로 관통 형성될 수 있다. 그리고 토출구(37)는 그 도입단에서 도출단까지 동일한 형상과 크기를 가지도록 형성될 수도 있지만, 가공상 편의를 위해 토출구(37)의 형상에 따라서는 도입단에서 수직단까지의 제1 토출유로(37a)와, 도출단에서 수평단까지의 제2 토출유로(37b) 형상을 다르게 형성할 수도 있다.

그리고 토출구(37)의 도출단에는 케이싱을 관통하는 토출관(15)이 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 흡입구(미도시)는 흡입관(14)이 연통되는 밀폐용기(10)의 내부공간에 연통되도록 형성될 수 있다.

상기와 같이 토출구(37)가 고정스크롤(30)에 형성되는 경우에도 압축실에서 토출되는 냉매의 토출유로가 간소화되어 유로저항이 감소되면서 도 6에서와 같이 양쪽 압축실(S1)(S2)의 압력이 균등하게 유지될 뿐만 아니라 과압축으로 인한 압축 효율의 저하를 미연에 방지할 수 있다.

30 : 고정스크롤 33 : 축수구멍
34 : 고정랩 40 : 선회스크롤
42 : 선회랩 43 : 회전축 결합부
45 : 선회측 토출구 60 : 상부프레임
61 : 고정측 토출구 71,72 : 실링부재

Claims

고정랩을 갖는 고정스크롤;
상기 고정랩과 치합되어 외측면과 내측면에 제1 및 제2 압축실을 형성하는 선회랩을 가지며, 상기 선회랩의 안쪽 끝단부에서 배면으로 관통되도록 선회측 토출구가 형성되고, 중앙부에 회전축 결합부가 형성되어 상기 고정스크롤에 대해서 선회운동하는 선회스크롤;
상기 선회스크롤의 배면에 구비되어 상기 선회스크롤을 지지하며, 상기 선회측 토출구와 연통되도록 고정측 토출구가 형성되는 프레임; 및
일단부에 편심부를 가지며, 상기 편심부가 상기 선회랩과 측방향으로 중첩되도록 상기 선회스크롤의 회전축 결합부에 결합되는 회전축;을 포함하고,
상기 고정측 토출구는 상기 선회측 토출구와 적어도 일부가 항상 중첩되는 위치에 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 선회스크롤의 배면에는 상기 프레임과의 사이에 배압실을 형성하기 위한 실링부재가 설치되고,
상기 고정측 토출구는 상기 프레임의 기구학적 중심으로부터 편심되게 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 고정측 토출구는 상기 선회스크롤의 기구학적 중심으로부터 편심되게 형성되는 스크롤 압축기.
제1항에 있어서,
상기 선회측 토출구과 고정측 토출구는 상기 선회스크롤의 선회운동시 양쪽 축중심이 적어도 한 번 일치되도록 형성되는 스크롤 압축기.
제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서,
상기 선회측 토출구는 상기 압축실과 접하는 면에서 배면방향으로 동일한 내경을 가지고 축방향으로 관통 형성되는 스크롤 압축기.
고정스크롤과 선회스크롤이 서로 맞물려 상기 선회스크롤이 고정스크롤에 대해 상대 선회운동을 하면서 바깥쪽에서 안쪽 방향으로 연속 이동하도록 형성되는 2개 한 쌍의 압축실;
상기 압축실 중에서 최외곽 압축실에 연통되도록 형성되는 흡입구;
상기 압축실 중에서 안쪽 압축실에 연통되도록 형성되는 토출구;
상기 선회스크롤과 그 선회스크롤의 배면에 설치되는 프레임 사이에 형성되는 배압실; 및
상기 선회스크롤의 중앙에 형성되고 상기 압축실과 중첩되는 평면을 가지도록 형성되어 회전축이 결합되는 회전축 결합부;를 포함하고,
상기 토출구는 상기 회전축 결합부의 바깥쪽에 형성되는 스크롤 압축기.
제6항에 있어서,
상기 토출구는 상기 선회스크롤에 형성되는 선회측 토출구 및 상기 프레임에 형성되는 고정측 토출구로 이루어지고,
상기 고정측 토출구는 상기 선회측 토출구와 적어도 일부가 항상 중첩되는 위치에 형성되는 스크롤 압축기.
제6항에 있어서,
상기 고정측 토출구는 상기 프레임의 기구학적 중심으로부터 편심되게 형성되는 스크롤 압축기.
제6항에 있어서,
상기 토출구는 상기 고정스크롤에 형성되는 스크롤 압축기.
제9항에 있어서,
상기 토출구의 끝단에 토출구가 직접 연통되는 스크롤 압축기.