KR20160028710A

KR20160028710A - 스크롤 팽창기

Info

Publication number: KR20160028710A
Application number: KR1020140117540A
Authority: KR
Inventors: 원종보; 신정식; 안용남
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-03-14

Abstract

보일러를 거쳐 과열되어 냉매와 오일의 혼합상태의 기상인 작동유체 중 일부를 선회스크롤의 배면에 위치한 배압실로 공급될 수 있게 하여 적은 냉매량으로 만족스러운 배압 기능을 구현하고, 이를 통해 스크롤의 접동부위에서 내부 리크에 따른 출력 저하를 방지하며, 배압실의 내부에 배치된 자전방지기구와 베어링을 비롯한 각종 마찰부위에 대한 효율적인 윤활을 구현하여 마찰손실을 줄일 수 있는 스크롤 팽창기를 개시한다.
전술한 스크롤 팽창기는 고정스크롤(20)과 선회스크롤(30)을 내장하는 케이싱(10), 상기 케이싱(10)에서 열 교환기(1)로부터 기체상태의 작동유체를 제공받는 흡입구(16a), 상기 흡입구(16a)를 통해 작동유체를 공급받는 흡입실(22), 상기 흡입구(16a)를 통해 작동유체를 공급받는 배압실(28), 상기 흡입구(16a)로부터 상기 배압실(28)에 이르는 작동유체의 공급경로 중에 설치되는 오리피스(18), 상기 흡입실(22)로부터 팽창실(24)을 거쳐 팽창된 상태의 작동유체와 상기 배압실(28)을 거친 작동유체를 합류하여 외부로 배출하는 토출실(26), 및 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 작동유체의 배출경로 중에 설치되는 릴리프 밸브(19)를 구비한다.

Description

스크롤 팽창기{Scroll expander}

본 발명은 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보일러를 거쳐 과열된 냉매와 오일의 혼합물이면서 기상의 작동유체 중 일부를 스크롤 팽창기의 흡입측에 제공하여 배압실로 공급될 수 있게 함으로써 적은 냉매량으로 만족스러운 배압 기능을 구현하여 내부 리크에 따른 출력 저하를 방지함과 더불어 배압실의 내부에 위치한 자전방지기구와 베어링을 비롯한 각종 마찰부위에 대한 효율적인 윤활을 구현하고 마찰손실을 줄일 수 있는 스크롤 팽창기에 관한 것이다.

일반적으로 팽창기(Expander)는 작동유체가 가지고 있는 열에너지를 회수하여 유용하게 활용하기 위한 장치에 해당한다. 특히, 스크롤형(Scroll Type) 팽창기는 기존의 압축기의 용도로 활용되던 스크롤 형상의 유체기계를 역회전하여 작동유체의 압력과 온도를 낮춰 발전 시스템 등과 같이 폐열을 회수하여 필요한 에너지로 재생할 수 있는 설비에 이용된다.

종래, 스크롤형 팽창기는 도 10에 도시된 바와 같이 케이싱(10), 고정스크롤(20), 선회스크롤(30), 회전축(40), 편심축(50), 베어링(60), 및 자전방지기구(70)를 포함하여 구성된다.

상기 케이싱(10)은 다수로 분할되어 조립되는 구조로 이루어지고, 일측에 상기 회전축(40)의 중심부위를 향해 작동유체의 유입을 위한 흡입구(12)를 형성하고, 작동유체의 배출을 위한 토출구(14)는 상기 케이싱(10)의 상부에 형성된다.

상기 고정스크롤(20)은 상기 케이싱(10)의 내부에서 일측에 위치하도록 설치되고, 상기 선회스크롤(30)은 상기 케이싱(10)의 내부에서 상기 고정스크롤(20)과 조립 가능한 위치로 설치된다. 이때, 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)은 상호 치결합 가능한 인볼류트 치형을 형성한다. 상기 흡입구(12)는 상기 고정스크롤(20)의 인볼류트 치형의 중심부위에서 상기 회전축(40)의 배치방향을 따라 형성된다.

상기 회전축(40)은 전동기와 같은 동력원으로부터 제공되는 구동력에 의해 회전하도록 구성되는 것으로, 도 1에 도시된 회전축(40)은 전동기를 포함하는 구성으로 이루어진다. 또한, 상기 회전축(40)은 상기 케이싱(10)의 내부 중심부위를 관통하여 설치되고, 일단부에 상기 편심축(50)과 결합된다. 상기 편심축(50)의 축 중심은 상기 선회스크롤(30)의 축 중심부위에 결합된다. 이 경우, 상기 회전축(40)은 편심부시(미도시)를 매개로 상기 편심축(50)과 결합되므로 이들 사이에서 발생하는 마찰을 효과적으로 줄일 수 있게 된다.

상기 베어링(60)은 상기 케이싱(10)의 내부에서 상기 회전축(40)을 축 지지하도록 설치된다. 이에 따라 상기 회전축(40)은 상기 베어링(60)에 의한 축 지지를 통해 상기 케이싱(10)의 내부에서 원활하게 회전할 수 있게 되고, 상기 회전축(40)에 의한 회전은 상기 편심축(50)을 통해 상기 선회스크롤(30)로 제공될 수 있게 된다.

상기 자전방지기구(70)는 상기 선회스크롤(30)의 배면에서 상기 고정스크롤(20)에 대한 상기 선회스크롤(30)의 공전만을 허용하도록 구성되어 설치된다. 즉, 상기 자전방지기구(70)는 상기 고정스크롤(20)에 대한 상기 선회스크롤(30)의 자전을 인위적으로 제한함으로써 작동유체의 팽창이 원활하게 이루어질 수 있게 하는 역할을 담당한다.

한편, 흡입실(80)은 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)의 인볼류트 치형 중심부위에서 상기 흡입구(12)와 교통 가능하게 형성된다. 팽창실(82)은 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)의 인볼류트 치형 사이에서 상기 흡입실(80)과 교통 가능하게 형성된다. 토출실(84)은 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)의 인볼류트 치형의 가장자리 최외곽 부위에서 상기 팽창실과 교통하게 형성된다. 배압실(86)은 상기 선회스크롤(30)의 배면에 형성되어 상기 팽창실(82)로부터 제공된 작동유체를 최종적으로 상기 토출구(14)를 통해 외부로 배출하게 된다.

이와 같은 구성의 스크롤 팽창기에서는 스크롤의 접동부위에서 발생하는 내부 리크에 의한 출력 저하를 방지하기 위해 상기 배압실(86)의 내부로 항상 적정 수준의 오일이 공급되어야 한다. 일례로, 대한민국 공개특허 제10-2012-0105365호에 개시된 랭킹 사이클 장치와, 이 랭킹 사이클 장치에 조입되는 복합 유체 기계에 있어, 랭킹 사이클 장치는 작동 유체를 위한 펌프와, 작동 유체와 폐열원으로부터 공급된 유체 사이의 열교환을 발생시키기 위한 열교환기 및, 상기 열교환에 노출된 작동 유체를 팽창시켜 기계적 에너지를 생성하는 팽창부를 갖는 회로를 포함한다. 상기 팽창부는 고정 스크롤, 고정 스크롤에 대하여 선회하는 가동 스크롤, 고정 스크롤과 마주보는 면의 반대쪽에 있는 가동 스크롤의 이면에 대응하는 쪽에 배치된 배압실을 포함한다. 랭킹 사이클 장치는, 펌프의 출구 쪽으로부터 열교환기의 입구까지 연장하는 고압 영역으로부터, 배압실로 작동 유체를 도입하기 위한 주입 기구를 더 포함하여, 가동 스크롤을 고정 스크롤에 대하여 가압하는 배압을 생성하는 구성으로 이루어진다.

이와 같은 선행문헌은 선회스크롤의 이면에 대응하는 쪽에 배압실이 구비되며, 펌프의 출구쪽으로부터 열 교환기의 입구까지 연장하는 영역인 고압 영역으로부터 배압실로 유체를 도입하기 위한 주입 기구 및 배압실/저압실 영역간 압력조정기구를 추가 구성하였으나, 펌프 출구로부터 배압실로 작동유체를 유입시키기 때문에 배압실에는 액상냉매가 충전되고, 밀도가 높은 액상냉매로 인하여 배압실 내 회전체 운동의 저항요소로 작용하게 되므로, 회전수가 감소되어 발전량 역시 감소하는 현상이 발생하는 문제를 야기하게 된다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0105365호 랭킹 사이클 장치와, 이 랭킹 사이클 장치에 조입되는 복합유체기계

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 감안하여 안출된 것으로, 보일러를 거쳐 과열되어 냉매와 오일의 혼합상태의 기상인 작동유체 중 일부를 선회스크롤의 배면에 위치한 배압실로 공급될 수 있게 하여 적은 냉매량으로 만족스러운 배압 기능을 구현하고, 이를 통해 스크롤의 접동부위에서 내부 리크에 따른 출력 저하를 방지하며, 배압실의 내부에 배치된 자전방지기구와 베어링을 비롯한 각종 마찰부위에 대한 효율적인 윤활을 구현하여 마찰손실을 줄일 수 있는 스크롤 팽창기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고정스크롤과 선회스크롤을 내장하는 케이싱, 상기 케이싱에서 열 교환기로부터 기체상태의 작동유체를 제공받는 흡입구, 상기 흡입구를 통해 작동유체를 공급받는 흡입실, 상기 흡입구를 통해 작동유체를 공급받는 배압실, 상기 흡입구로부터 상기 배압실에 이르는 작동유체의 공급경로 중에 설치되는 오리피스, 상기 흡입실로부터 팽창실을 거쳐 팽창된 상태의 작동유체와 상기 배압실을 거친 작동유체를 합류하여 외부로 배출하는 토출실, 및 상기 배압실로부터 상기 토출실에 이르는 작동유체의 배출경로 중에 설치되는 릴리프 밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 흡입구는 상기 케이싱의 축 중심부위에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 흡입구로부터 상기 배압실에 이르는 작동유체의 공급경로는 상기 흡입구로부터 반경방향으로 분지되는 제1반경방향 통로, 상기 제1반경방향 통로의 종단부에서 센터 케이싱을 축방향으로 관통하는 축방향 통로, 및 상기 축방향 통로의 종단부에서 상기 배압실을 향한 제2반경방향 통로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 오리피스는 상기 제1반경방향 통로 중에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 제2반경방향 통로는 상기 센터 케이싱의 중심에서 반경방향 외측을 향해 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 제2반경방향 오일통로의 종단부에서 상기 센터 케이싱의 외곽 전 둘레부위에서 원주상으로 형성되어 상기 토출실과 교통하는 합류통로를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 릴리프 밸브는 상기 배압실로부터 상기 합류통로를 경유하여 토출실에 이르는 배출경로 중에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 흡입구로부터 상기 배압실에 이르는 작동유체의 공급경로는 상기 흡입구를 기준으로 상부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 배압실로부터 상기 토출실에 이르는 작동유체의 배출경로는 상기 흡입구를 기준으로 하부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스크롤 팽창기는 보일러를 거쳐 과열 상태이면서 냉매와 오일이 혼합되어 기상인 작동유체 중 일부를 흡입측에 제공하여 선회스크롤의 배면에 위치한 배압실로 공급할 수 있으므로 적정 배압의 형성에 따라 스크롤의 접동부위에서 발생하는 내부 리크에 의한 출력 저하를 방지할 수 있고, 배압실의 내부에 설치되는 자전방지기구와 베어링을 비롯한 여러 습동부위에 대한 마찰손실을 보다 적극적으로 줄여 부품의 내구성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

특히, 본 발명은 보일러를 거쳐 과열되어 기체상태인 작동유체 중 일부를 배압실로 제공할 수 있으므로 적은 냉매량으로도 만족스러운 배압 기능을 구현할 수 있게 되고, 작동유체의 토출측에 별도로 릴리프 밸브를 설치함으로써 배압실 내에서 적정 수준의 배압이 조성될 때까지 외부로의 압력 누설을 제한하여 적정 배압의 조성에 기여할 수 있게 되고, 릴리프 밸브를 포함하여 작동유체의 토출측을 팽창기의 하부에 위치하여 오일의 배출을 용이하게 하는 효과를 제공하게 된다.

또한, 본 발명은 기상의 작동유체를 배압실로 공급하는 경로 중에 오리피스를 설치하여 공급되는 작동유체의 압력을 적정 수준으로 낮춤으로써 선회 스크롤의 배면에 항상 적정 수준의 배압을 유지하는 데 도움을 줄 수 있으므로 고정 스크롤에 대한 선회 스크롤의 회전에 의한 냉매의 팽창효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스크롤 팽창기가 적용되는 랭킨 사이클 시스템에 대한 구성을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스크롤 팽창기를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스크롤 팽창기의 전체 구성을 도시한 단면도.
도 4 내지 도 9는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기에 있어, 배압실을 향한 작동유체의 순환 과정을 각각 순차적으로 도시한 도면으로,
도 4는 보일러를 통해 과열된 기상의 작동유체의 유입과정을 도시한 도면.
도 5는 도 4의 도시 상태에서 리어 케이싱을 제거한 도면으로, 작동유체가 축방향 통로를 따라 이동하는 과정을 도시한 도면.
도 6은 작동유체가 축방향 통로의 내부에 설치된 오리피스를 경유하는 유동의 과정을 도시한 도면.
도 7은 도 6의 도시 상태에서 고정 스크롤을 제거한 도면으로, 선회 스크롤의 배면측 배압실을 향한 작동유체의 유동경로를 도시한 도면.
도 8은 도 7의 도시 상태에서 선회 스크롤을 제거한 도면으로, 배압 플레이트를 경유하는 작동유체의 유동경로를 도시한 도면.
도 9는 토출구를 통해 외부로 배출되는 작동유체의 유동경로를 도시한 사시도.
도 10은 종래 스크롤 팽창기의 구성을 도시한 단면도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 스크롤 팽창기는 자동차의 배기가스로부터 폐열을 회수하거나 냉각 시스템의 방열을 회수하여 발전에 이용하는 랭킨 사이클 시스템에 적용되는 것이다.

도 1을 참조로 하면, 랭킨 사이클 시스템은 열 교환기(1), 스크롤 팽창기(3), 응축기(5), 및 펌프(7)를 포함하여 구성된다.

상기 열 교환기(1)는 외부의 열 에너지를 받아 저온 고압의 액상의 작동유체를 고온 고압의 기상 상태로 전환시키는 것으로, 예컨대 증발기와 보일러를 그 예로 들 수 있다. 상기 스크롤 팽창기(3)는 고온 고압의 액상인 작동유체를 팽창시켜 저온 저압의 기상인 상태로 전환시키는 것으로, 작동유체의 상변화시 얻어지는 에너지를 이용하여 축 동력의 생성을 도모하거나, 축 동력에 의한 발전기 구동을 통해 전기 에너지의 발생을 구현할 수 있다. 상기 응축기(5)는 저온 저압의 기상인 작동유체를 응축시켜 저온 저압의 액상의 상태로 전환시키는 것이다. 즉, 상기 응축기(5)는 작동유체를 기상에서 액상으로 상변환시키는 역할을 수행한다. 상기 펌프(7)는 저온 저압의 액상 상태인 작동유체에 대해 압력 에너지를 가해 다시 고압의 상태로 전환시킨 후 상기 열 교환기(1)로 공급하는 것이다. 이 경우, 랭킨 사이클 시스템을 통해 순환하는 작동유체는 상변화를 위한 냉매와 각종 섭동부위에 대한 윤활을 목적으로 하는 오일이 각각 적정의 비율로 섞인 혼합물의 상태이다.

도 2와 도 3을 참조로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 스크롤 팽창기(3)는 열 교환기(1)로부터 고온 고압의 기체상태인 작동유체를 제공받아 이를 팽창시키는 것으로, 케이싱(10), 고정스크롤(20), 선회스크롤(30), 회전축(40), 편심축(50), 베어링(60), 및 자전방지기구(70)를 포함하여 구성된다.

상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)은 스크롤 팽창기를 구성하는 주요 부품으로 각각 인볼류트 치형을 형성한다. 특히, 상기 고정스크롤(20)은 상기 센터 케이싱(12)에 일체로 형성되고, 상기 선회스크롤(30)은 별도로 제작되어 상기 고정스크롤(20)에 조립되는 구조로 구성된다. 또한, 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)은 인볼류트 치형의 중심부위에 상기 유분리 공간(16a)과 직접적으로 교통하는 흡입실(22)을 형성한다. 이때, 상기 흡입실(22)은 인볼류트 치형의 외곽 가장자리부위를 향해 점진적으로 확장된 형태의 공간을 형성하는 팽창실(24)과 교통 가능하게 구성되고, 상기 팽창실(24)은 작동유체를 최종적으로 외부로 배출하는 토출실(26)과 교통 가능하게 구성되며, 상기 선회스크롤(30)은 배면에 상기 고정스크롤(20)과의 적정 간극을 유지하기 위해 배압실(28)을 형성하도록 구성된다.

상기 케이싱(10)은 조립의 편의를 위해 센터 케이싱(12)을 중심으로 전/후방 부위에 각각 조립되는 프론트 케이싱(14)과 리어 케이싱(16)을 포함하여 구성된다. 상기 리어 케이싱(16)은 기상인 작동유체의 유입을 위한 흡입구(16a)를 일측에 형성하고, 상기 흡입구(16a)는 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)의 축 중심에 위치한 흡입실(22)과 교통 가능하게 형성된다. 이때, 상기 흡입구(16a)의 위치는 상기 스크롤 팽창기(3)의 케이싱(10)의 축 중심부위로 설정하여 상기 흡입실(22)의 내부로 공급되는 작동유체의 흡입경로를 단축시키도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 리어 케이싱(16)은 상기 흡입구(16a)로 유입된 기상인 작동유체를 상기 선회스크롤(30)의 배면에 위치한 배압실(28)로 공급하기 위한 별도의 작동유체 공급경로를 구비하는 바, 상기 작동유체 공급경로는 상기 리어 케이싱(16)의 내부에서 상기 흡입구(16a)로부터 반경방향으로 분지되어 작동유체의 유동을 안내하도록 형성되는 제1반경방향 통로(16b)를 포함한다. 아울러, 상기 센터 케이싱(12)은 상기 회전축(40)을 중심으로 하측에 작동유체를 외부로 배출하기 위한 토출구(29)를 별도로 형성한다.

또한, 상기 센터 케이싱(12)은 작동유체의 공급경로를 형성하기 위해 상기 제1반경방향 통로(16b)와 교통 가능하게 형성되는 축방향 통로(12a)를 구비한다. 이 경우, 상기 축방향 통로(12a)는 상기 제1반경방향 통로(16b)의 종단부와 대응하는 위치, 즉 상기 센터 케이싱(12)의 가장자리부위에서 케이싱을 축방향으로 관통하는 형태로 형성된다. 특히, 상기 작동유체의 공급경로에는 상기 배압실(28)로 공급되는 작동유체의 압력을 낮추기 위해 유로 저항체의 일종인 오리피스(18)가 구비되는 바, 상기 오리피스(18)는 상기 센터 케이싱(12)의 축방향 통로(12a) 내에 설치되고, 노즐과 같은 유로 저항체로도 대체될 수 있다.

또한, 상기 축방향 통로(12a)의 종단부는 상기 배압실(28)과의 교통을 목적으로 제2반경방향 통로(12b)와 교통 가능하게 배치되는 데, 상기 제2반경방향 통로(12b)는 상기 센터 케이싱(12)의 축 중심부위에 위치한 선회스크롤(30)의 배면에 형성되는 상기 배압실(28)과 직접적으로 교통 가능하게 형성된다.

이 경우, 상기 제2반경방향 통로(12b)는 상기 축방향 통로(12a)로부터 상기 배압실(28)에 이르는 경로뿐만 아니라, 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 경로 사이를 상호 교통 가능하게 하는 형태로 형성된다. 특히, 상기 제2반경방향 오일통로(12b)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 센터 케이싱(12)의 중심에서 반경방향 외측을 향해 방사상으로 다수의 형태로 구비되고, 상기 각각의 제2반경방향 오일통로(12b)는 종단부에서 상기 센터 케이싱(12)의 외곽 전 둘레부위를 따라 원주상으로 형성되는 합류통로(12c)와 단일의 유동경로(12d)를 순차적으로 거쳐 상기 토출실(26)과 교통 가능한 구조로 구성된다.

특히, 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 작동유체의 배출경로 중에는 압력조정기구의 일종인 릴리프 밸브(19)가 별도로 구비되는 바, 상기 릴리프 밸브(19)는 상기 배압실(28)로부터 상기 합류통로(12c)를 경유하여 상기 토출실(26)에 이르는 배출경로 중에 설치되어 외부로 드레인 되는 작동유체의 유동을 허용 내지 차단함으로써 상기 배압실(28)의 내부에 항상 적정의 압력이 유지될 수 있게 하는 역할을 수행한다. 일례로, 상기 릴리프 밸브(19)에 의한 상기 배압실(28)의 압력 설정은 팽창이 완료된 작동유체의 토출압 보다 최대 3bar까지 높도록 설정함으로써 스크롤의 접동부위에서 발생하는 내부 리크에 따른 출력 저하를 보다 적극적으로 방지하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 있어, 작동유체의 공급경로는 상기 리어 케이싱(16)의 상기 흡입구(16a)로부터 상기 흡입실(22)에 이르는 제1경로와, 상기 제1경로로부터 분지되어 상기 선회스크롤(30)의 배면에 위치한 상기 배압실(28)에 이르는 제2경로로 분리되는 바, 상기 제2경로는 상기 제1반경방향 통로(16b)와 교통 가능하도록 상기 센터 케이싱(12)에 형성되는 축방향 통로(12a), 상기 축방향 통로(12a)의 종단부와 상기 배압실(28) 사이를 교통 가능하게 하는 상기 제2반경방향 통로(12b)를 포함하여 구성된다.

이 경우, 상기 흡입구(16a)로부터 상기 배압실(28)에 이르는 작동유체의 공급경로, 즉 상기 배압실(28)의 입구는 상기 스크롤 팽창기(3)의 축 중심, 즉 상기 흡입구(16a)를 기준으로 상부에 위치하고, 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 작동유체의 배출경로, 즉 상기 배압실(28)의 출구는 상기 스크롤 팽창기(3)의 축 중심, 즉 상기 흡입구(16a)를 기준으로 하부에 위치하도록 설정된다. 이와 같은 작동유체의 공급경로와 배출경로에 대한 위치 설정은 상기 흡입구(16a)를 통해 상기 배압실(28)에 이르는 작동유체의 공급과, 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)을 거쳐 토출구(29)에 이르는 작동유체의 배출을 보다 용이하게 구현하기 위함이다.

이에 따라, 냉매와 오일이 혼합된 기체 상태의 작동유체는 상기 흡입구(16a)를 통해 상기 흡입실(22)과 상기 배압실(28)로 각각 공급된다. 이 과정에서 상기 흡입실(22)로 제공되는 작동유체는 상기 흡입구(16a)를 경유하여 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)의 축 중심에 위치한 상기 흡입실(22)로 직접 공급되는 반면에, 상기 배압실(28)로 제공되는 작동유체는 상기 흡입구(16a)로부터 분지되는 상기 제1반경방향 통로(16b)와 상기 축방향 통로(12a)를 순차적으로 경유한 다음, 상기 선회스크롤(30)의 배면에 위치하는 상기 제2반경방향 통로(12b)를 지나 상기 배압실(28)로 공급될 수 있게 된다. 이때 상기 배압실(28)로 공급되는 작동유체는 상기 축방향 통로(12a) 내에 설치된 오리피스(18)에 의해 적정의 압력 수준으로 감압된 상태로 상기 배압실(28)로 제공될 수 있으므로 적정 배압의 형성에 도움을 줄 수 있게 된다.

특히, 상기 배압실(28)로 제공되는 작동유체는 상기 열 교환기(1)를 거쳐 과열된 기체상태이므로 보다 적은 냉매량으로도 만족스러운 배압 설정을 달성할 수 있게 하고, 이를 통해 스크롤의 접동부위에서 내부 리크에 따른 출력 저하를 방지함과 동시에 상기 배압실(28)의 내부에 배치된 베어링(60)과 자전방지기구(70)를 비롯한 각종 마찰부위에 대한 효율적인 윤활을 구현하여 마찰손실을 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)로 배출되는 작동유체는 상기 릴리프 밸브(19)에 의해 유동을 제한받게 된다. 즉, 상기 릴리프 밸브(19)는 작동유체의 배출경로 중에 구비되어 상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 작동유체의 유동경로에 대한 개폐를 조절함으로써 배압 조절에 직접적으로 관여하게 된다. 예컨대, 상기 릴리프 밸브(19)에 의해 상기 배압실(28)의 압력이 상기 팽창실(24)을 경유하여 상기 토출실(26)에 제공되는 작동유체의 압력 보다 설정된 정도 만큼 더 높게 조절되면, 상기 고정스크롤(20)을 향한 상기 선회스크롤(30)의 밀착 정도를 항상 긴밀하게 유지될 수 있어 스크롤의 접동부위에서 발생하는 내부 리크를 방지하게 되므로 출력의 저하를 보다 적극적으로 예방할 수 있게 된다.

상기 회전축(40)은 외부로부터 제공되는 구동력을 전달받아 회전하도록 구성되는 것으로, 상기 프론트 케이싱(14)의 내부 중심부위를 관통하여 설치되고, 일단부에 상기 편심축(50)과 결합된다. 상기 편심축(50)의 축 중심은 상기 선회스크롤(30)의 축 중심부위에 결합된다. 이에 따라, 상기 회전축(40)은 상기 편심축(50)을 매개로 상기 선회스크롤(30)을 상기 고정스크롤(20)에 대해 편심된 위치에서 공전 가능하게 함으로써, 상기 흡입실(22)로 유입된 작동유체는 상기 팽창실(24)과 상기 토출실(26)을 순차적으로 거쳐 최종적으로 상기 토출구(29)를 통해 외부로 배출될 수 있게 된다.

이 경우, 상기 회전축(40)은 상기 편심축(50)과의 사이에 편심부시(미도시)를 설치하고 있어 이들 사이의 마찰을 줄일 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 회전축(40)은 상기 프론트 케이싱(14)의 내부에서 상기 베어링(60)을 매개로 축지지 되도록 설치되고 상기 편심축(50)도 마찬가지로 상기 센터 케이싱(12)의 내부에서 상기 베어링(60)을 매개로 축지지되도록 설치된다. 이에 따라 상기 회전축(40)과 상기 편심축(50)은 상기 베어링(60)에 의한 축 지지를 통해 상기 케이싱(10)의 내부에서 원활하게 회전할 수 있게 되고, 상기 회전축(40)에 의한 회전은 상기 편심축(50)을 통해 상기 선회스크롤(30)로 제공될 수 있게 된다.

이 결과, 상기 선회스크롤(30)은 상기 자전방지기구(70)를 매개로 상기 고정스크롤(20)에 대해 자전하지 않고 공전만을 할 수 있게 되고, 이를 통해 작동유체는 상기 고정스크롤(20)과 상기 선회스크롤(30)의 인볼류트 치형 사이의 공간에서 원활하게 팽창될 수 있게 된다. 또한, 상기 베어링(60)과 상기 자전방지기구(70)는 각각 상기 배압실(28)의 내부 공간과 교통 가능한 위치에 배치되도록 구성된다.

이하 상기와 같은 구성의 스크롤 팽창기(3)에 있어, 상기 열 교환기(1)로부터 제공되는 기체 상태이면서 냉매와 오일이 혼합된 작동유체의 순환 과정을 도 4 내지 도 7에 각각 도시된 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 4와 도 5를 각각 참조로 하면, 기상의 작동유체는 상기 리어 케이싱(16)의 흡입구(16a)를 통해 내부로 유입된 다음, 리어 케이싱(16)의 내부에 형성된 반경방향 통로(16b)를 따라 이동하여 상기 센터 케이싱(12)에 형성된 축방향 통로(12a)의 입구에 도달하게 된다. 이 과정에서, 상기 센터 케이싱(12)의 축방향 통로(12a)를 배출되는 작동유체는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 축방향 통로(12a)의 내부에 설치된 오리피스(18)를 경유하여 적정 수준의 압력으로 감압된다.

이어 감압된 작동유체는 도 7과 도 8에 각각 도시된 바와 같이, 상기 축방향 통로(12a)의 종단부에서 상기 제2반경방향 통로(12b)와 합류통로(12c)를 경유하여 상기 배압실(28)의 내부로 공급되는 데, 이 과정에서 상기 제2반경방향 통로(12b)는 상기 센터 케이싱(12)의 중심에서 반경방향 외측을 향해 방사상으로 다수의 수량으로 배치되어 있어 상기 고정스크롤(20)에 대한 상기 선회스크롤(30)의 밀착 상태를 보다 긴밀하면서도 균일하게 유지할 수 있게 해 준다. 또한, 상기 선회스크롤(30)의 배면에 위치한 배압실(28)로 작동유체를 공급하기 위한 상기 축방향 통로(12a)는 도 8에 도시된 바와 같이, 배압 플레이트(28a)를 관통하는 형태로 형성된다.

또한, 상기 배압실(28)로 제공되어 상기 선회스크롤(30)의 배면에 대해 적정의 압력을 제공하는 작동유체는 다시 제2반경방향 통로(12b)를 거쳐 배압 플레이트(28a)의 외곽부위에 전 둘레를 따라 원주상으로 형성된 합류통로(12c)에서 단일의 유동경로(12d)로 합류된 다음 최종적으로 토출실(26)의 내부로 유입된다. 즉, 상기 배압실(28)을 중심으로 방사상으로 배치되는 다수의 제2반경방향 오일통로(12b) 중 상기 축방향 오일통로(12a)와 인접한 일부는 상기 축방향 오일통로(12a)로부터 제공되는 오일을 상기 배압실(28)로 공급하는 역할을 수행하고, 나머지 제2반경방향 오일통로(12b)는 상기 배압실(28)로부터 배출되는 오일을 상기 합류통로(12c)로 제공하는 역할을 수행하게 된다.

도 9를 참조로 하면, 상기 배압실(28)로 제공된 오일은 상기 제2반경방향 통로(12b)와 상기 합류통로(12c) 및 상기 단일의 유동경로(12d)를 순차적으로 거쳐 최종적으로 릴리프 밸브(19)를 경유하여 팽창이 완료된 냉매와 상기 토출실(26) 내에서 혼합된 다음, 상기 센터 케이싱(12)에 형성되는 별도의 토출구(29)를 통해 외부로 배출된다.

따라서 상기와 같이 구성되는 본 발명의 스크롤 팽창기는 보일러와 같은 열 교환기(1)를 거쳐 과열 상태이면서 냉매와 오일이 혼합되어 기체상태인 작동유체 중 일부를 공급경로를 거쳐 선회스크롤(30)의 배면에 위치한 배압실(28)로 공급할 수 있으므로 적정 배압의 형성에 따라 스크롤의 접동부위에서 발생하는 내부 리크에 의한 출력 저하를 방지함과 동시에 배압실(28)의 내부에 위치하는 베어링(60)과 자전방지기구(70)를 비롯한 여러 습동부위에서 발생하는 마찰손실을 보다 적극적으로 줄여 부품의 내구성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

이 경우, 상기 열 교환기(1)로부터 상기 스크롤 팽창기(3)에 제공되는 작동유체는 과열된 기체상태에서 배압실(28)로 제공되므로 보다 적은 냉매량으로도 만족스러운 배압 기능을 구현할 수 있게 된다. 특히, 본 발명은 작동유체의 공급측에 별도로 오리피스(18)를 설치하여 배압실(28)로 제공되는 작동유체의 압력을 적정의 수준으로 낮춰 공급할 수 있고, 작동유체의 토출측에 별도로 릴리프 밸브(19)를 설치하여 배압실(28) 내에서 적정 수준의 배압이 조성될 때까지 외부로의 압력 누설을 제한함으로써 적정 배압의 조성에 기여함과 동시에, 릴리프 밸브(19)를 포함하여 작동유체의 토출구(29)를 스크롤 팽창기(3)의 하부에 배치하여 작동유체의 배출을 더욱 용이하게 할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 이하에서 기재되는 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1-열 교환기 3-스크롤 팽창기
5-응축기 7-펌프
10-케이싱 12-센터 케이싱
12a-축방향 오일통로 12b-제2반경방향 통로
12c-합류통로 14-프론트 케이싱
16-리어 케이싱 16a-흡입구
16b-제1반경방향 통로 18-오리피스
20-고정스크롤 22-흡입실
24-팽창실 26-토출실
28-배압실 28a-배압 플레이트
29-토출구 30-선회스크롤
40-회전축 50-편심축
60-베어링 70-자전방지기구

Claims

고정스크롤(20)과 선회스크롤(30)을 내장하는 케이싱(10);
상기 케이싱(10)에서 열 교환기(1)로부터 기체상태의 작동유체를 제공받는 흡입구(16a);
상기 흡입구(16a)를 통해 작동유체를 공급받는 흡입실(22);
상기 흡입구(16a)를 통해 작동유체를 공급받는 배압실(28);
상기 흡입구(16a)로부터 상기 배압실(28)에 이르는 작동유체의 공급경로 중에 설치되는 오리피스(18);
상기 흡입실(22)로부터 팽창실(24)을 거쳐 팽창된 상태의 작동유체와 상기 배압실(28)을 거친 작동유체를 합류하여 외부로 배출하는 토출실(26); 및
상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 작동유체의 배출경로 중에 설치되는 릴리프 밸브(19)를 구비하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입구(16a)는 상기 케이싱(10)의 축 중심부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입구(16a)로부터 상기 배압실(28)에 이르는 작동유체의 공급경로는
상기 흡입구(16a)로부터 반경방향으로 분지되는 제1반경방향 통로(16b),
상기 제1반경방향 통로(16b)의 종단부에서 센터 케이싱(12)을 축방향으로 관통하는 축방향 통로(12a), 및
상기 축방향 통로(12a)의 종단부에서 상기 배압실(28)을 향한 제2반경방향 통로(12b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 3에 있어서,
상기 오리피스(18)는 상기 제1반경방향 통로(16b) 중에 설치되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 3에 있어서,
상기 제2반경방향 통로(12b)는 상기 센터 케이싱(12)의 중심에서 반경방향 외측을 향해 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 3에 있어서,
상기 제2반경방향 오일통로(12b)의 종단부에서 상기 센터 케이싱(12)의 외곽 전 둘레부위에서 원주상으로 형성되는 합류통로(12c)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 6에 있어서,
상기 릴리프 밸브(19)는 상기 배압실(28)로부터 상기 합류통로(12c)를 경유하여 토출실(26)에 이르는 배출경로 중에 설치되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입구(16a)로부터 상기 배압실(28)에 이르는 작동유체의 공급경로는 상기 흡입구(16a)를 기준으로 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배압실(28)로부터 상기 토출실(26)에 이르는 작동유체의 배출경로는 상기 흡입구(16a)를 기준으로 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.