KR20150069366A - 스크롤 팽창기 - Google Patents

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Abstract

스크롤 팽창기가 개시된다. 플레이트 형상의 선회스크롤 플레이트 및 그 위에 형성된 선회스크롤 랩으로 구성되어 선회 운동하는 선회스크롤과, 선회 스크롤 랩과 맞물리는 고정 스크롤 랩을 구비하고, 고정 스크롤 랩이 형성된 고정 스크롤 플레이트를 구비한 고정스크롤과, 고정스크롤 플레이트 하측에 삽입되어 선회스크롤 랩과 마찰 윤활되는 윤할판으로 구성될 수 있다. 이는, 고정 스크롤 플레이트와 고속 회전 운동을 하는 선회 스크롤랩이 맞물려 있는 부분에 윤활판이 삽입됨으로써, 교체가 가능하며, 고속 및 고하중에서도 윤활성과 내마모성이 우수한 장점이 있다.

Description

스크롤 팽창기{Scroll expander}
본 발명은 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 팽창기 내부에 고정되어 있는 고정 스크롤과 고속 회전 운동을 하는 선회 스크롤이 맞물려 있는 부분에 고체윤활판을 가공 삽입하여 고속 및 고하중에서도 윤활성과 내마모성이 우수한 성질을 갖는 스크롤 팽창기에 관한 것이다.
일반적으로 스크롤 팽창기는 스크롤 압축기의 반대 작용으로 사용되는 것으로 유체를 팽창시킨다. 스크롤 팽창기는 두 개의 스크롤이 하나는 고정되어 있고 다른 하나는 스크롤 형상에 따라 선회하면서 작동유체의 팽창력을 이용하여 회전력을 얻도록 구성된다. 이는 높은 압력과 열을 갖고 있는 작동유체가 팽창기 입구로 유입되면 스크롤의 특성에 따라 체적의 차이가 발생하며 선회 스크롤을 움직이게 된다. 일반적으로 스크롤 팽창기의 윤활은 적당량의 윤활유를 분사하여 압축하는 과정에서 열을 제거하고 압축공간의 밀폐와 윤활작용을 동시에 하는데, 윤활유를 분사하는 방식으로는 내부적으로 윤활유가 스크롤 내부에서 순환할 수 있게 구조적인 형상을 만들거나 작동유체와 윤활유를 섞어 윤활을 실시하는 방식이 있다.
압축기는 적당량의 윤활유로 인해 냉각효과가 나타나기 때문에 토출온도가 낮게 되고 압축과정이 등온압축에 가까우므로 높은 효율을 얻을 수 있다. 하지만 팽창기의 경우 압축기와는 반대적 성질을 갖기 때문에 윤활유를 작동유체와 같이 사용하게 되면 팽창기에서 냉각에 따른 온도가 낮아지기 때문에 그만큼 효율은 낮아지게 된다.
다른 예로는 고체윤활 코팅층을 압축기용 사판에 주로 사용된 기술로 미국 특허 US658488는 사판 표면에 폴리 에테르·에테르 케톤(Poly ehter ether ketone 이하 PEEK라 한다)과 고체 윤활제가 혼합된 코팅층을 형성하였다. 여기서 피크(PEEK)수지는 용해 성형 가능한 결정성 수지로서는 가장 높은 내열성을 가지며 내피로성, 뛰어나 재료로서, 전기·전자분야, 항공우주 분야 등에 많이 사용되고 있다. 피크(PEEK) 수지의 융점은 340? 내외로써 이들 수지를 분말 상태로 코팅하여 대략 400? 정도로 가영하여 분말수지를 녹여서 사판 표면에 피크(PEEK)수지 코팅층을 형성하게 된다. 그러나 코팅층의 경우 피크(PEEK) 수지 내에 고체윤활제가 분산되어 있기 때문에 피크(PEEK) 수지의 결합력을 약하게 함으로서 고속 및 고하중 조건에서 고체윤활제를 포함하고 있는 피크(PEEK) 수지 코팅층이 쉽게 파괴되는 문제점이 있다. 또한, 피크(PEEK) 수지내에 고체윤활제 첨가량에 한계가 있기 때문에 윤활에 역할에 충실하지 못한 경우도 있다.
따라서 윤활표면에 강도 및 내열성이 우수한 피크(PEEK) 코팅층을 형성하고, 복잡한 구조를 극복하고 안정적인 윤활작용을 돕는 장치개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 고정 스크롤 플레이트상에 윤할판을 삽입하여, 고속 및 고하중에서도 탈착이 되지 않는 스크롤 팽창기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 윤할판을 교체할 수 있어서, 스트롤 팽창기의 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라, 윤활판만을 교체함으로서 수리/교체가 간단하며 선회 및 고정스크롤의 마모를 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 스크롤 팽창기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 스크롤 팽창기에 있어서, 플레이트 형상의 선회스크롤 플레이트 및 그 위에 형성된 선회스크롤 랩으로 구성되어 선회 운동하는 선회스크롤과, 선회 스크롤 랩과 맞물리는 고정 스크롤 랩을 구비하고, 고정 스크롤 랩이 형성된 고정 스크롤 플레이트를 구비한 고정스크롤과, 고정스크롤 플레이트 하측에 삽입되어 선회스크롤 랩과 마찰 윤활되는 윤할판으로 구성될 수 있다.
윤활판은 고정스크롤 플레이트와 선회 스크롤랩이 접촉되는 사이에 삽입되며, 윤활판은 고체 윤활제가 코팅될 수 있다. 고체 윤활제로는 이황화몰리브덴(MoS2), 그래파이트, 이황화턴스텐(WS2), 질화붕소(BN), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)중의 적어도 한 개 이상이 포함될 수 있으며, 윤활판에 피크(PEEK) 코팅층을 형성하여 구성이 가능하다.
또한, 윤활판은 고정스크롤 플레이트 중에서 선회 스크롤 랩이 선회되는 공간의 형상과 대응되도록 형성되거나 혹은 나선형 형상으로 형성될 수 있다. 이는, 고정 스크롤 플레이트와 고속 회전 운동을 하는 선회 스크롤랩이 맞물려 있는 부분에 고체윤활판이 삽입됨으로써, 교체가 가능하며, 고속 및 고하중에서도 윤활성과 내마모성이 우수한 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 스크롤 플레이트에 윤할판을 삽입하기 때문에, 탈착이 되지 않아, 고속 고하중에서도 강도 및 내열성이 우수한 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 윤할판을 교체할 수 있어서, 스트롤 팽창기의 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라, 윤활판만을 교체함으로서 수리/교체가 간단하며 선회 및 고정스크롤의 마모를 방지하고 수명을 연장시킬 수 있다.
도1은 선회스크롤의 사시도이다.
도2는 고정스크롤의 사시도이다.
도3은 고정스크롤 플레이트에 고체 윤활판을 삽입한 것을 나타낸 정면도이다.
도4는 스크롤 팽창기의 작동을 설명하기 위해 나타낸 상태도이다.
도5는 스크롤 팽창기의 단면을 설명하기 위한 단면도이다.
도1은 선회스크롤의 사시도이며, 도2는 고정스크롤의 사시도이며, 도3은 고정스크롤 플레이트에 고체 윤활판을 삽입한 것을 나타낸 정면도이다. 이를 참조하여 설명한다.
선회 스크롤(10)은 선회 스크롤 플레이트(11) 상단에 나선형 형상의 선회 스크롤 랩(12)이 구비되며, 선회 스크롤과 맞물리게 되는 고정스크롤(20)도, 고정스크롤 플레이트(21) 상단에 나선형 형상의 고정 스크롤 랩(22)이 구비된다. 나선형 형상을 하고 있는 스크롤(10,20)은 고정과 선회 스크롤이 서로 맞물리도록 하며, 움직임에 따라 스크롤 내부의 체적이 변하며 압축 또는 팽창작용을 한다.
이는, 작동유체가 고정 스크롤(20) 중앙에 형성된 유입구(24)로 들어와서 가스가 팽창함에 따라 선회 스크롤(10)을 공전 선회시키며 점점 외주부로 이동하여 결국에는 고정스크롤의 외주부에 형성된 토출구(25)로 유체가 배출되도록 구성된다.
여기에서, 고정, 선회 스크롤의 움직임에 따라, 고정 스크롤 플레이트(21)와 선형 스크롤 랩(12)이 맞닿아 있으며, 고정플레이트와 선회 스크롤 랩이 접촉하는 부위 사이에, 고정플레이트의 바닥부에 윤활판이 삽입될 수 있도록 구성이 가능하다.
윤할판은 고체 윤활제가 코팅된 것으로 구성될 수 있으며, 단층식 또는 복층식의 코팅된 것일 수 있다. 복층의 경우 강도 및 내열성이 우수한 피크(PEEK) 코팅층을 형성하고, 그 위에 윤활성이 우수한 고체 윤활제를 함유한 수지 코팅층을 형성할 수 있다.
피크(PEEK)층이 내측에 형성되고 고체윤활제를 함유한 수지층이 외측에 형성되도록 할 수 있으며, 반대로 고체윤활제를 함유한 수지층을 내측에 형성하고 피크 층을 외측에 형성할 수 도 있다.
고체윤활제로는 이황화몰리브덴(MoS2), 그래파이트, 이황화턴스텐(WS2), 질화붕소(BN), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 등을 사용 할 수 있으며 한 종 이상을 혼합하여 사용할 수 도 있다. 고체 윤활제로 코팅층을 형성하는 방식에 있어서, 다른 종을 사용할 수 있으며 2종 이상을 같이 사용할 수 있도록 구성된다. 코팅층을 형성하는 방법으로는 여러 가지 방법을 이용할 수 있다.
또한, 윤활제 분말을 피착시킬 시, 윤활제 분말과 함께 유기 또는 무기 결합제를 함께 사용할 수 있으며, 코팅층은 고정 스크롤 플레이트의 표면 전체에 형성할 수도 있지만, 선회 스크롤 랩이 맞닿는 부위에만 입힐 수 도 있다. 코팅층은 진동, 충격, 마찰 등의 기계적인 힘을 사용하여 물리적인 방식으로 입힐 수 있고, 경우에 따라서는 열 등으로 코팅할 수도 있다. 도금, 스프레이코팅, 인쇄기법, 롤코팅, 패드프린트법, 정전도장법, 증착법 등의 코팅 방법을 사용할 수도 있다.
또한, 고정스크롤 랩과 선회 스크롤 랩의 상단부에U자 형상의 오목하게 오일홈인 고정 오일홈(23), 선회 오일홈(13)이 형성되도록 구성이 가능하며, 각각의 플레이트와 스크롤 랩이 마찰되는 부분인 오일홈에 윤활제 등을 발라 고속 회전 운동을 할 시, 플레이트와 스크롤랩의 마찰을 줄이도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 고정스크롤 플레이트에 삽입되는 윤활판은 쉽게 탈부착이 가능하여, 마모 혹은 닳아진 윤활판을 자유롭게 교체를 할 수 있다.
도4는 스크롤 팽창기의 작동을 설명하기 위해 나타낸 상태도이며, 도5는 스크롤 팽창기의 단면을 설명하기 위한 단면도이다. 이를 참조하여 설명한다. 스크롤 팽창기의 작동 개념은 고압의 작동유체가 고정 스크롤(20) 중앙에 형성된 유입구(24)로 들어와서 가스가 팽창함에 따라 선회 스크롤(10)을 공전 선회시키며 점점 외주부로 이동하여 결국에는 외주부 끝단이 열리며 토출구(25)로 배출된다. 이 과정에 유발된 선회 스크롤(10)의 선회운동은 크랭크샤프트에서 전달받아 축 동력을 발생하게 된다.
작동유체가 유입되는 유입구가 형성되고 외측에는 작동유체가 유출되는 토출구가 형성되는 고정 스크롤(20)과, 고정 스크롤의 고정 스크롤랩(22)과 맞물린 선회 스크롤랩(12)이 위치한다. 선회 스크롤(10)의 지지홈에 편심축부(40)가 구비되고 후단에는 회전축부가 구비되는 크랭크샤프트(미도시)와, 크랭크샤프트가 회전시에 균형을 맞춰주기 위해 크랭크샤프트의 회전축부에 밸런스웨이트가 구비될 수 있다.
선회스크롤(10)의 형성되는 지지홈에는 편심축부(40)가 원활하게 회전할 수 있도록 하기 위해 부시가 체결될 수 있다. 크랭크샤프트의 회전축부가 회전이 자유롭게 하기 위해 제1단 베어링(41), 제2단 베어링(42)이 체결될 수 있다. 여기에서, 선회 스크롤과 고정 스크롤의 선회 스크롤랩(12)과 고정 스크롤랩(22)은 서로 맞물려 있는데, 움직임에 따라 스크롤 내부의 체적이 변하며 압축 또는 팽창작용을 한다. 이는 스크롤의 선회 방향에 의해 결정이 되는데 압축의 반대 방향으로 선회하게 되면 팽창을 하게 된다. 이 두 개의 스크롤 랩은 미세한 차이로 서로 맞물려 있으며, 선회 스크롤랩(12)과 맞닿는 고정 스크롤 플레이트(21)에는 고체 윤활판(30)이 삽입되어 장착 될 수 있다.
윤할판(30)에 고체 윤활제가 코딩될 수 있으며, 단층식 또는 복층식의 코팅을 하도록 구성될 수 있다.
복층의 경우 강도 및 내열성이 우수한 피크(PEEK) 코팅층을 먼저 형성하고 그 위에 윤활성이 우수한 고체 윤활제를 함유한 수지 코팅층을 형성할 수 있으며, 반대로 고체윤활제를 함유한 수지층을 내측에 형성하고 피크 층을 외측에 형성할 수 있다.
또한, 윤활판(30)은 고정스크롤 플레이트(21)의 바닥면에 삽입되며, 선회 스크롤이 선회되는 공간의 형상에 대응하게 장착되며, 윤활판(30)의 상면이 고정 플레이트(21)의 상면과 같게 평평하게 장착됨으로써 플레이트 및 스크롤랩이 선회하게 될 시, 마찰로 인한 스크래치를 줄이게 해주며, 내열성, 강도가 우수한 스크롤 성질을 갖도록 할 수 있다. 윤활판(30)은 선회스크롤 랩(12)의 선회되는 공간의 형상에 대응되게 장착되거나 혹은 나선형 형상의 윤활판이 장착되거나, 고정플레이트 바닥부 전체에 삽입될 수 있다.
수지코팅층, 고체윤활제가고팅된 윤활판(30)을 탈부착 할 수 있어, 교체가 자유로우며, 가공이 간편해지는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 선회 스크롤 11: 선회 스크롤 플레이트
12: 선회 스크롤랩 20: 고정 스크롤
21: 고정 스크롤 플레이트 22: 고정 스크롤랩
30: 윤활판 40: 편심축부
41: 제1단베어링 42: 제2단베어링

Claims (7)

  1. 플레이트 형상의 선회스크롤 플레이트 및 그 위에 형성된 선회스크롤 랩으로 구성되어 선회 운동하는 선회스크롤;
    상기 선회 스크롤 랩과 맞물리는 고정 스크롤 랩을 구비하고, 상기 고정 스크롤 랩이 형성된 고정 스크롤 플레이트를 구비한 고정스크롤; 및
    상기 고정스크롤 플레이트 하측에 삽입되어 상기 선회스크롤 랩과 마찰 윤활되는 윤할판;
    을 포함하는 스크롤 팽창기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 윤활판은 상기 고정스크롤 플레이트와 상기 선회 스크롤랩이 접촉되는 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 윤활판은 고체 윤활제가 코팅된 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고체 윤활제는 이황화몰리브덴(MoS2), 그래파이트, 이황화턴스텐(WS2), 질화붕소(BN), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)중의 적어도 한 개 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 윤활판에 피크(PEEK) 코팅층을 형성한 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 윤활판은 상기 고정스크롤 플레이트 중에서 상기 선회 스크롤 랩이 선회되는 공간의 형상과 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 윤활판은 나선형 형상인 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
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