KR20180008272A - 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 구비한 가스 상태의 유체 압축 장치 및 상기 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법 - Google Patents

제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 구비한 가스 상태의 유체 압축 장치 및 상기 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 상태의 유체, 특히 냉매를 압축하기 위한 장치(1, 1', 1")에 관한 것이다. 상기 압축 장치(1, 1', 1")는 흡입압 챔버(8)와 고압 챔버(9)를 갖춘 하우징(2), 압축 기구 그리고 이러한 압축 기구를 제어하기 위해 유체-윤활제-혼합물로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한, 상기 고압 챔버(9) 내에 형성된 장치(10, 10', 10")를 구비한다. 상기 분리 장치(10, 10', 10")는 제어 질량 흐름으로서 가스 상태의 유체의 질량 흐름을 분리하도록, 상기 압축 장치(1, 1', 1")로부터 압축된 유체-윤활제-혼합물의 메인 질량 흐름을 유도하기 위한 제 1 유동 채널(11, 11', 11")과 상기 압축 장치(1, 1', 1") 내부에서 상기 흡입압 챔버(8)로 제어 질량 흐름을 안내하기 위한 제 2 유동 채널(12, 12', 12")을 구비하여 형성되고 배치되어 있다. 본 발명은 또한 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치(1, 1', 1") 내에서 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치(10, 10', 10")를 이용해 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법과 관련이 있다.

Description

제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 구비한 가스 상태의 유체 압축 장치 및 상기 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법{DEVICE FOR COMPRESSING A GASEOUS FLUID HAVING AN ARRANGEMENT FOR SEPARATING A CONTROL MASS FLOW AND METHOD FOR SEPARATING THE CONTROL MASS FLOW}
본 발명은 가스 상태의 유체, 특히 냉매를 압축하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 압축 장치는 흡입압 챔버와 고압 챔버를 갖춘 하우징, 압축 기구(compression mechanism) 그리고 상기 압축 기구를 제어하기 위해 유체-윤활제-혼합물로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한, 상기 고압 챔버 영역에 형성된 장치를 구비한다. 본 발명은 또한 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치 내에서 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 이용해 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법과도 관련이 있다.
선행 기술에 공지되어 있는 압축기, 예를 들면 냉매 순환계를 통해서 냉매를 압축하고 이송하기 위한 이동식 적용예를 위한, 특히 자동차 공기 조화 시스템용 압축기는 냉매-오일-혼합물로부터 오일을 분리하기 위해 오일 분리기를 구비하여 형성되어 있다. 이때 상기 오일 분리기는, 냉매 압축 후 압축기에 필요한 오일 량을 분리하여 압축기 내부에서, 흡입측으로도 명명되는 저압측으로 돌려보내기 위해 압축기의 고압측에 배치되어 있다. 그 결과 분리된 오일이 압축기 내부에서 압축기의 유출구로부터 다시 유입구로 이송된다.
소형 구조에서 충분한 분리 효율(separation efficiency)뿐만 아니라 적은 비용만을 야기하기 위하여, 압축기들, 특히 냉매 압축기들의 종래의 오일 분리기는 충격 분리기(impact separator) 또는 원심 분리기(centrifugal separator)로서 형성되어 있다.
선행 기술에 속하는 압축기들은 윤활용 오일을 포함해 냉매를 흡입하고 압축하며, 유출하기 위한 압축 기구 그리고 상기 압축된 냉매로부터 오일을 분리하기 위한 오일 분리기를 구비한다. 상기 압축 기구와 오일 분리기는 하우징 내부에 배치되어 있다.
US 6 511 530 B2호에서 오일 분리기는 하우징 내에 형성된 그리고 냉매-오일-혼합물용 유입 개구와 오일용 유출 개구를 갖는 분리 챔버를 구비한다. 상기 분리 챔버 내부에는 분리 관이 배치되어 있다. 또한, 압축기는 오일 분리기 영역에 냉매용 유출 관을 구비하고, 상기 유출 관은 압축기의 하우징과 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있다. 압축기로부터 나와 상기 분리 관을 통해 유출되는 가스 형태의 냉매는 상기 압축기로부터 나와 유출관을 지나서 유출된다. 오일은 챔버 내에 수집된다.
DE 10 2012 104 045 A1호에는 냉매 순환계의 고압 라인으로부터 흡입 영역으로 오일 재순환 기능을 갖춘 자동차 공기 조화 시스템용 냉매 스크롤 압축기(scroll compressor)가 기술되어 있다. 상기 압축기는 스테이터 스파이럴(stator spiral) 및 이러한 스테이터 스파이럴에 대해 상대적으로 이동하는 방식으로 움직이는 로터 스파이럴(rotor spiral) 그리고 이들 스파이럴을 상호 밀봉하기 위한 축 방향 힘을 발생시키기 위한 중압 챔버를 구비한다. 또한, 상기 압축기는 중압 채널을 구비하여 형성되어 있으며, 가스 상태의 냉매는 상기 중압 채널을 통해 상기 스파이럴들 사이 압축 공정(compression process)에서 곧바로 상기 중압 챔버로 안내된다. 따라서 상기 중압 챔버에는 스파이럴들 사이에 형성되는 압축 챔버들로부터 곧바로 냉매가 공급되며, 이 경우 상기 중압 챔버 내 압력은 상기 스파이럴들의 압축 챔버의 관련 영역의 평균 압력으로서 설정된다. 오일은 냉매 순환계의 고압 라인으로부터 오일 재순환 채널에 의해 중압 챔버로 재순환되고, 상기 중압 채널로부터는 오일 흡입 채널에 의해 냉매 스크롤 압축기의 흡입 영역으로 재순환된다. 중압 챔버 내에서는 압축 챔버로부터 나와 중압 챔버로 유입되는 가스 상태의 냉매가 오일과 혼합되며, 그 결과 냉매-오일-혼합물이 오일 흡입 채널을 통해 흡입 영역으로 흐른다.
WO 2015/0029845 A1호에는 압축기용 오일 분리기가 기술되어 있다. 상기 오일 분리기는 측면적을 갖는 원통형 분리 챔버를 구비하고, 상기 분리 챔버는 재차 가스 유입 개구를 구비하여 형성되어 있다. 상기 가스 유입 개구는 벽에 접선 방향으로 배치되어 있다. 오일은 기본적으로 수직으로 배향된 분리 챔버의 하부 단부에 침전되어 있고, 반면에 압축된 가스는 상기 분리 챔버의 하부 말단 단부에 마주 놓인 상부 단부로부터 유출된다.
충격 분리기 또는 원심 분리기의 동작은 분리될 유체들, 예를 들면 액상 오일과 가스 상태의 냉매의 밀도 차이에 기인한다. 이동식 적용예에 사용되는 냉매 압축기의 작동 동안에는 충격 분리기 또는 원심 분리기의 시작 작동 모드의 편차가 발생한다. 한 편으로는 냉매 순환계의 여러 컴포넌트들의 작동에 의해 또는 생산 잔류물에 의해 야기되는 냉매 순환계의 모든 내부 오염이 가스 상태의 냉매보다 큰 밀보를 갖는 입자를 야기한다. 이 경우 상기 입자는 가스 상태의 냉매보다 큰 밀도로 인해 오일과 함께 분리된 다음 압축기 내부에서 압축기의 흡입측으로 재순환될 수 있을 것이다. 압축기의 내부 컴포넌트(예: 베어링, 밀봉부, 밸브 및 예를 들면 스크롤 압축기의 경우 스파이럴 또는 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)의 경우 실린더 내부에 있는 피스톤과 같은 다른 이동성 부재)들을 손상시키거나 파괴시키지 않기 위해, 압축기 내부에서의 입자 순환이 방지되어야 한다. 입자를 여과하거나 침전시키기 위해서는 적어도 가능한 큰 필터 면적 그리고 가능한 경우 침전을 위한 유동 안정화 영역이 제공되어야 한다. 이 경우 필터의 메시 크기(mesh size)는 한 편으로는, 입자에 의한 차단으로부터 유동 횡단면을 효과적으로 보호하기 위하여, 압축기 내부 최소 유동 횡단면 크기에 종속된다. 다른 한 편으로 메시 크기는, 관류되는 입자가 중요 컴포넌트(예: 베어링, 밀봉부 그리고 스크롤 압축기의 경우 스파이럴)들을 손상시키지 않도록 작게 선택되어야 한다. 냉매 압축기용 제어 질량 흐름의 내부 역류(back flow)는 기능과 관련이 있기 때문에, 추가적으로 최대한 분리된 입자 흐름이 필터 면적의 차단을 야기하지 않고, 이와 더불어 압축기를 손상시키지 않도록 하는 것이 보장되어야 한다.
시작 작동 모드의 또 다른 차이점은 압축기 입구에서 액상 냉매 비율에 의한 냉매 압축기의 작동이다. 압축기 내부에서 액상 냉매의 비율 정도와 유동 속도에 따라 액상 냉매는 방울(drop)로 오일 분리기로 유입된다. 이러한 방울 또한 액상 냉매와 가스 상태의 냉매의 밀도 차이로 인해 분리되고, 분리된 오일과 함께 내부에서 재순환된다. 내부 제어 질량 흐름은 내부 노즐들과 채널들의 횡단면으로 인해 구조와 관련해서 제한된다. 이로 인해 제어 질량 흐름 내 분리된 액상 냉매의 비율이 동시에 역류되는 오일의 감소를 야기한다. 그 외에 액상 냉매는 예를 들면 베어링 그리고 스크롤 압축기의 경우 스파이럴들에 대해 오일을 씻어내는 작용을 하고, 그리고 압축기의 수명에 불리한 영향을 미칠 수 있다.
선행 기술에 공지된 압축기들의 경우, 소위 제어 질량 흐름이 압축기 내부에서, 고압측으로부터 흡입측으로 재순환된다. 제어 질량 흐름 내 가스 상태의 냉매 비율로 인해, 흡입측으로의 재순환은 압축기의 용적 손실을 야기한다. 또한, 제어 질량 흐름에 의해서는 열량(heat quantity) 또한 압축기의 흡입측으로 재순환되고, 이러한 열량은 압축기 내부로 유입 시 냉매 온도 증가 또는 압축 시작 온도 증가를 야기한다. 증가된 유입 온도로 인해 압력이 일정한 경우 흡인된 냉매의 밀도가 낮아지고, 이는 마찬가지로 전체 압축기의 용적 효율도 감소시키며, 그리고 압축기의 출구에서 증가된 고압가스 온도(hot gas temperature)를 야기한다. 그 외에 증가된 고압가스 온도는 냉매 순환계의 컴포넌트들에 더 높은 하중을 야기한다.
본 발명의 과제는, 제어 질량 흐름을 압축기 내부에서 고압측으로부터 흡입측으로 재순환시킬 수 있는 압축기를 제공하는 데 있다. 이 경우 상기 제어 질량 흐름은 가스 상태의 유체 비율로 인해, 한 편으로는 압축기의 용적 손실 그리고 다른 한 편으로는 흡입측으로 전달되는 열량을 최소화하기 위하여 가능한 한 적은 수준이어야 한다. 전체 압축기의 용적 효과는 최대 수준이어야만 한다. 압축기 출구에서는 고압가스 온도가 최소화되어야 한다. 또한, 구조상 입자로 인한 내부 제어 채널들의 차단 위험이 최소화되고, 압축기 내부에서 액상 냉매의 재순환이 방지되어야 한다. 압축기는, 최소 개수의 부품으로 이루어지는 동시에 최소의 공간을 필요로 하는 간단한 구성을 가져야만 한다. 또한, 제조, 관리, 조립 및 작동을 위한 비용도 최소이어야만 한다.
상기 과제는, 독립 특허 청구항의 특징들을 갖는 대상에 의해서 해결된다. 개선예들이 종속 특허 청구항들에 기재되어 있다.
상기 과제는, 가스 상태의 유체, 특히 냉매를 압축하기 위한 본 발명에 따른 장치에 의해서 해결된다. 상기 압축 장치는, 흡입압 챔버와 고압 챔버를 갖춘 하우징, 압축 기구 그리고 상기 압축 기구를 제어하기 위해 유체-윤활제-혼합물로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한, 상기 고압 챔버 영역에 형성된 장치를 구비한다. 본 발명은 또한 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치 내에서 상기 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 이용해 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법과도 관련이 있다.
본 발명의 구상에 따라, 상기 분리 장치는 제어 질량 흐름으로서 가스 상태의 유체의 질량 흐름을 분리하기 위해, 압축 장치로부터 압축된 유체-윤활제-혼합물의 메인 질량 흐름을 유출하기 위한 제 1 유동 채널과 흡입압 챔버로 이어지는 상기 압축 장치 내부에서 제어 질량 흐름을 안내하기 위한 제 2 유동 채널을 구비하여 형성되어 배치되어 있다.
상기 제어 질량 흐름은 가스 상태의 유체의 질량 흐름으로서 바람직하게는 윤활제를 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 비율의 윤활제만 포함하고, 그리고 액상 냉매를 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 비율의 액상 냉매만 포함하며, 그리고 고체 입자를 전혀 포함하지 않는다.
가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치는 바람직하게 냉매 압축기로서, 특히 전동 냉매 압축기로서 형성되어 있다.
본 발명의 대안적인 제 1 실시예에 따르면, 제어 질량 흐름을 분기하기 위해 상기 분리 장치의 제 2 유동 채널은 상기 고압 챔버로 이어지도록 고압 챔버의 유동 안정화 영역 내부에 배치되어 있다.
이때 유동 안정화 영역은 유동 내에서 주목할 만한 난류를 갖지 않는 영역을 의미하며, 이 경우 예컨대 고체 입자로서 작은 부유 입자가 중력으로 인해 이미 침전되어 있으며, 상기 유동 안정화 영역 내에는 기본적으로 순수 가스 상태의 유체만 존재한다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 유동 채널들은 유체-윤활제-혼합물로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치 내부에서 서로 분리되는 방식으로 형성되어 있고, 상기 장치의 길이 방향으로 연장되는 방식으로 배향되어 있다.
메인 질량 흐름과 제어 질량 흐름의 유동 방향들은 바람직하게는 서로 반대 방향으로 향한다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에 따르면, 유체-윤활제-혼합물로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치는 원통형 형태(cylindrical form), 특히 원형 원통형 형태(circular-cylindrical form)를 갖는다.
본 발명의 대안적인 제 2 실시예에 따르면, 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치는 고압 챔버의 유출구 영역에 배치되어 있다. 이 경우 상기 제 2 유동 채널은 제 1 유동 채널로부터 소정의 각으로 분기되는 방식으로 형성되어 있음으로써, 결과적으로 제어 질량 흐름이 제 2 유동 채널로 유입될 때 적어도 90° 각 정도 편향된다.
본 발명의 한 개선예에 따르면, 제 2 유동 채널은 제어 질량 흐름의 유동 방향으로 볼 때 고압 채널로 이어지도록 형성되어 있다. 상기 고압 채널의 유출구에는 제어 질량 흐름을 고압 레벨에서 중압 레벨로 팽창하기 위한 제 1 팽창 기관, 예를 들면 고압 노즐 또는 밸브가 배치되어 있다. 이 경우 상기 제어 질량 흐름은 하우징 영역으로 안내되며, 상기 하우징 영역에는 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급된다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급되는 하우징 영역은 흡입압 챔버로 이어지는 관통 개구를 갖는다. 또한, 상기 관통 개구 내부에는 제어 질량 흐름을 중압 레벨에서 저압 레벨로 팽창시키기 위한 제 2 팽창 기관, 예를 들면 저압 노즐 또는 밸브가 배치되어 있다. 이 경우 저압 레벨은 가스 상태의 냉매를 압축하기 위한 장치의 흡입압 챔버 내 흡입압 레벨에 상응한다.
가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치의 압축 기구는 바람직하게는 스크롤 압축기로서 고정된 스테이터(fixed stator) 및 이동성 오비터(movable orbiter) 그리고 중압 챔버를 구비하여 형성되어 있다. 이 경우 상기 스테이터와 오비터는 각각 베이스 플레이트 및 이러한 베이스 플레이트로부터 연장되는, 스파이럴형으로 형성된 벽을 갖는다. 이들 벽은 서로 맞물리는 형태로 배치되어 있다. 또한, 상기 중압 챔버는 이동성 오비터의 베이스 플레이트 후면에 형성되어 있고, 그리고 상기 중압 챔버에는 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급된다.
본 발명의 한 대안적인 실시예에 따르면, 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치의 압축 기구는 피스톤 압축기로서 가변적인 행정 체적을 구비하여 형성되어 있다.
본 발명에 따른 장치는 바람직하게 자동차 공기 조화 시스템의 냉매 순환계 내에 사용된다.
본 발명의 과제는 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 이용해 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치 내에서 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서도 해결된다. 상기 방법은 하기의 단계들을 갖는다:
- 고압으로 압축된 유체-윤활제-혼합물을 고압 챔버로 유출하는 단계,
- 상기 압축 장치의 제 1 유동 채널을 통해 상기 유체-윤활제-혼합물의 메인 질량 흐름을 유도하는 단계,
- 상기 메인 질량 흐름으로부터 제어 질량 흐름을 분리하고, 상기 제어 질량 흐름을 제 2 유동 채널을 통해 상기 장치 내부에서 흡입압 챔버로 유도하는 단계, 이 경우 제어 질량 흐름으로서 가스 상태의 유체는 고체 입자 없이 분리됨.
제어 질량 흐름은 가스 상태의 유체의 질량 흐름으로서, 또한 바람직하게는 윤활제를 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 비율의 윤활제만 포함하고, 그리고 액상 냉매를 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 비율의 액상 냉매만 포함한다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 제어 질량 흐름은 제 1 팽창 기관, 예를 들면 고압 노즐 또는 밸브를 관류할 때, 고압 레벨에서 중압 레벨로 팽창되고, 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급되는 하우징 영역으로 안내된다. 제 2 팽창 기관을 관류할 때, 예를 들면 저압 노즐 또는 밸브를 관류할 때, 상기 제어 질량 흐름은 계속해서 중압 레벨에서 저압 레벨로 팽창되고, 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치의 흡입압 챔버로 안내된다.
요약적으로 말해서, 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 본 발명에 따른 장치는 다음과 같은 다양한 장점들을 갖는다:
- 전체 수명 동안 제어 질량 흐름을 팽창시키기 위한 작고 견고한 팽창 기관 사용,
- 입자에 의한 제어 질량 흐름의 하중이 최소화됨으로써 차단 현상이 발생하지 않기 때문에 팽창 기관 보호를 위해 작은 메시 크기를 갖는 크기가 작은 필터 면적 사용,
- 제어 질량 흐름 내 액상 냉매 방지 및 이와 관련하여 예를 들면 중압 챔버 내에 배치된 베어링으로부터 윤활제 씻김 방지,
- 노즐 또는 밸브와 같은 팽창 기관의 최소 횡단면을 통과하는 손실 질량 흐름으로서 제어 질량 흐름이 최솟값이기 때문에 압축기 작동 시 특히 낮은 회전 속도와 높은 압력차뿐만 아니라 최대 효과,
- 또한, 적은 오일 량으로 인해 제어 질량 흐름 내 에너지 함량(energy content)이 최솟값이기 때문에 최소한의 열만 흡입 가스 내로 유입되고, 그리고
- 고압가스 온도에 도달할 때까지 단지 최소 수준으로 흡입 가스 가열 및 작동 한계 최대 확대,
- 최소 개수의 부품으로 이루어지는 동시에 최소의 공간을 필요로 하는 간단한 구성, 그리고
- 제조, 조립 및 작동을 위한 최소 비용.
본 발명의 또 다른 세부 사항, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 1은 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치를 구비하는 압축기, 특히 스크롤 압축기를 단면도로 도시하고,
도 2는 노즐로서 형성된 팽창 기관을 통과하는 제어 질량 흐름의 유동을 개략적으로 도시하며,
도 3은 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치의 대안적인 제 1 실시예의 상세도를 단면도로 도시하고, 그리고
도 4는 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치의 대안적인 제 2 실시예의 상세도를 단면도로 도시한다.
도 1은, 실제로 분리기(10)로도 명명되는, 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치(l0)를 구비한 압축기(1)를 단면도로 도시한다. 상기 압축기(1)는 또한 윤활 목적을 위한 윤활제로서 오일을 포함한 가스 상태의 유체로서 냉매를 흡입, 압축 및 유출하기 위한 압축 기구를 구비한다. 상기 압축 기구와 분리기(10)는 하우징 내부에 배치되어 있다.
압축기(1)는 스크롤 압축기로서 후방 하우징 요소(2a), 중간 하우징 요소(2b) 및 전방 하우징 요소(2c)를 구비하여 형성되어 있으며, 이들 하우징 요소는 압축기(1) 조립 상태에서 하우징(2)을 형성한다. 압축기(1)의 압축 기구는 각각 베이스 플레이트와 이러한 베이스 플레이트로부터 연장되는, 스파이럴형으로 형성된 벽을 갖는 고정된 스테이터(3)와 이동성 오비터(4)를 구비한다. 상기 베이스 플레이트들은 상기 벽들이 서로 맞물리도록 상호 배치되어 있다. 상기 고정된 스테이터(3)는 하우징(2) 내부에 또는 하우징의 구성 요소로서 형성되어 있고, 그리고 상기 이동성 오비터(4)는 편심 드라이브(eccentric drive)에 의해 회전하는 드라이브 샤프트(5)에 커플링 되어 있고 원형 트랙 상에서 가이드 된다. 상기 드라이브 샤프트(5)는 하우징(2)의 중간 하우징 요소(2b)에서는 하나 이상의 레이디얼 베어링(7)에 의해 그리고 하우징(2)의 전방 하우징 요소(2c)에서는 도면에 도시되지 않은 제 2 레이디얼 베어링 내에 지지되어 있다. 이동성 오비터(5)는 레이디얼 베어링(6)을 통해서 드라이브 샤프트(5)에 고정되는 방식으로 배치되어 있다.
오비터(4)가 이동할 때, 스테이터(3)와 오비터(4)의 스파이럴형 벽들은 다수의 위치에서 접촉하고, 이들 벽 내부에서 다수의 연속하는, 폐쇄된 작업 영역을 형성하며, 이 경우 이웃하여 배치된 작업 영역들은 상이한 크기의 용적을 제한한다. 스테이터(3)에 상대적으로 움직이는 오비터(4)의 이동에 대한 반작용 시, 상기 작업 영역의 용적과 위치가 변경된다. 상기 작업 영역의 용적은 스파이럴형 벽들의 중앙으로 갈수록 점점 작아진다. 압축될 가스 형태의 유체, 특히 오일을 포함하는 가스 형태의 냉매는 냉매-오일-혼합물로서 흡입 챔버(8)(냉매의 압력으로 인해 흡입압 챔버(8)로도 명명됨)를 통해 작업 영역으로 흡입되고, 스테이터(3)에 상대적으로 움직이는 오비터(4)의 이동에 의해 압축되며, 그리고 고압 챔버(9)로도 명명되는 냉매의 압력으로 인해 유출 챔버(9)로 유출된다.
고압 챔버(9) 내에 고압 레벨로 있는 냉매-오일-혼합물은 유동 채널(11)을 통해 유동 방향(18)으로 압축기(1)로부터 이송되며, 이때 상기 유동 채널(11)은 가스 상태의 냉매 또는 냉매-오일-혼합물의 메인 질량 흐름을 안내한다. 그 결과 냉매-오일-혼합물의 메인 질량 흐름은 고압 챔버(9)로부터, 분리 장치(10) 내에 형성된 압축기(1)의 유동 채널(11)을 통해 냉매 순환계 내부로 흐른다. 이 경우 유동 채널(11)은 바람직하게는 원통형으로 형성된 분리기(10)의 길이 방향으로 연장되고, 상기 분리기(10)의 제 1 단부에서, 냉매의 압력 레벨로 인해 고압 하우징으로도 명명되는 후방 하우징 요소(2a) 내에 형성된 개구로 이어진다.
압축기(1)는 또한 압축기(1) 내부 압력 레벨로 인해 중압 챔버(16)로도 명명되는 역압 챔버(16)로서 형성된 영역을 구비하며, 이 영역은 이동성 오비터(4)의 베이스 플레이트의 후면에 형성되어 있고 고정된 스테이터(3) 쪽으로 오비터(4)를 가압한다. 상기 역압 챔버(16)에는 중압 또는 흡입 압력과 고압의 중간 압력이 공급된다. 상이한 압력으로 인해 얻어지는 힘은 축 방향으로 작용하며, 그리고 오비터(4)와 스테이터(3)의 벽들은 축 방향으로 겹쳐서 있는 단부면들에서 서로 가압되어 상호 밀폐됨으로써 가스 상태의 냉매의 반경 방향 횡류(radial transverse flow)가 최소화될 수 있다.
분리 장치(10)는 압축기(1)로부터 냉매 순환계 내부로 냉매-오일-혼합물을 유도하기 위한 제 1 유동 채널(11)뿐만 아니라 압축기 내부에서 제어 질량 흐름을 유도하기 위한 제 2 유동 채널(12)도 구비한다. 이 경우 제 2 유동 채널(12)은 수직으로 그리고 유동 안정화 영역에서 고압 챔버(9)로 이어짐으로써, 특히 가스 상태의 냉매가 수직 유동 방향으로 고압 챔버(9)로부터 유동 채널(12) 내부로 유입된다.
상기 유동 안정화 영역은 예를 들면 압축 기구의 작업 영역의 유출 개구들로부터 떨어져서 마주보도록 배치되어 있다. 유동 채널(12)의 입구는 또한 중력 방향으로 고압 챔버(9)의 중간 영역 내지 상부 영역에 형성되어 있으며, 그 결과 바람직하게는 오일 비율을 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 오일 비율만을 포함하고, 액상 냉매의 비율을 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 액상 냉매 비율만을 포함하며, 그리고 추가 입자를 전혀 포함하지 않는 갖는 가스 상태의 냉매만 유동 채널(12) 내부로 유입된다. 오일 및 발생 가능한 부유 입자는 고압 챔버(9)의 하부 영역에 침전되어 있고/있거나 제 1 유동 채널(11)을 통해 압축기(1)로부터 유도된다.
제 2 유동 채널(12)은 대체로 바람직하게는 원통형으로 형성된 분리기(10)의 길이 방향으로 연장되고, 이 경우 고압 영역(9)으로 이어지는 입구 개구는 상기 길이 방향에 수직으로 배치되어 있으며, 그리고 분리기(10)의 제 1 단부 말단부에 형성된 제 2 단부에서 고압 채널(13) 내부로 연결된다. 상기 고압 영역(9)으로 이어지는 제 2 유동 채널(12)의 입구 영역에서는 가스 상태의 냉매가 약 90°편향되어 유동 방향(19)으로 제 2 유동 채널(12)을 통해 연결 채널로서 형성된 고압 채널(13) 내부로 흐른다.
특히 고압 챔버(9)의 유동 안정화 영역에 제 2 유동 채널(12)의 개구 배치에 의해 그리고 상기 유동 채널(12) 내부에서 편향에 의해, 가스 상태의 냉매는 주로 고압 채널(13)에 도달하고, 그리고 예를 들면 고압 노즐 또는 밸브, 특히 제어 밸브로서 형성된 제 1 팽창 기관(14)에 도달한다.
분리기(10) 내 냉매-오일-혼합물의 메인 질량 흐름과 제어 질량 흐름의 분할 또는 분리 후, 가스 상태의 냉매의 제어 질량 흐름은 제 1 팽창 기관(14)을 관류할 때 중압 레벨로 팽창되어 중압 채널(15)을 통해 중압 챔버(16) 내부로 안내된다. 그 결과 제어 질량 흐름에 의해서 스테이터(3)에 오비터(4)를 가압하기 위한 역압이 보장된다.
제어 질량 흐름은 예컨대, 저압 노즐 또는 밸브, 특히 제어 밸브로서 형성된 제 2 팽창 기관(17)을 관류할 때 중압 레벨에서 흡입압 레벨로 팽창되어 흡입압 챔버(8)로 재순환된다. 흡입압 챔버(8) 내에서 제어 질량 흐름은 냉매 순환계의 압축기(1)로부터 흡입된 냉매-오일-혼합물과 혼합되어 작업 영역 내로 흡입된다. 제어 질량 흐름의 순환계는 폐쇄되어 있다.
압축기(1)를 가능한 효율적으로 작동하기 위하여, 제어 질량 흐름은 최소한으로 존재해야 한다. 제어 질량 흐름은 예를 들면 고압 노즐 또는 저압 노즐과 같은 팽창 기관(14, 17)을 관류할 때, 상태 변수, 특히 상기 팽창 기관(14, 17)의 앞과 뒤에서 팽창될 유체의 압력차 Δp = p2 - p1 그리고 냉매의 밀도(ρ2)와 상기 팽창 기관(14, 17)의 횡단면 치수, 특히 상기 노즐 또는 밸브의 지름(d)에 의존적이다. 도 2는 노즐로서 형성된 팽창 기관(14, 17)을 통과하는 제어 질량 흐름의 유동을 개략적으로 도시한다. 냉매의 밀도(ρ2)와 압력차(Δp)는 영향을 받지 않을 수 있기 때문에 팽창 기관(14, 17)의 지름(d)은 감소될 수 있다. 이 경우 팽창 기관(14, 17)의 지름(d) 또는 단면적이 작게 형성될수록 제어 질량 흐름이 적어진다.
그러나 상기 횡단면 또는 지름(d)이 작을수록, 입자에 의한 상기 팽창 기관(14, 17)의 차단 민감성이 증가한다. 전체 수명 동안 팽창 기관(14, 17)의 차단과 더불어 막힘을 방지하기 위해, 분리기(10)에 의해 메인 질량 흐름으로부터 가스 상태의 냉매의 입자 없는 제어 질량 흐름이 분리되고, 상기 제어 질량 흐름이 팽창 기관(14, 17)들을 통해 압축기(1)의 흡입측으로 재순환된다.
도 3 및 도 4에는 각각 압축기(1', 1")의 대안적인 실시예의 상세도, 특히 분리기(10', 10")의 배치가 단면도로 도시되어 있다.
하우징(2)의 후방 하우징 요소(2a)는 각각 고압 챔버(9) 및 메인 질량 흐름으로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 분리기(10', 10")를 구비한다. 이 경우 제 1 유동 채널(11', 11")은 메인 질량 흐름의 유동 경로로서, 고압 챔버(9)에서 출발하여 하우징(2) 내 개구까지 연장된다. 메인 질량 흐름으로서 안내되는 냉매-오일-혼합물은 유동 채널(11', 11")을 통해 유동 방향(18)으로 압축기(1', 1")로부터 냉매 순환계 내부로 이송된다. 분리기(10', 10")는 각각 후방 하우징 요소(2a)의 부분으로서 형성되어 있다.
도 3에 따른 실시예에서, 제 1 팽창 기관(14)으로 제어 질량 흐름을 안내하기 위한 제 2 유동 채널(12') 또는 고압 채널(13')은 수직으로, 즉 90°각(α)으로 메인 질량 흐름의 제 1 유동 채널(11') 내부로 연결된다. 제어 질량 흐름의 유동 방향(19)과 메인 질량 흐름의 유동 방향(18)은 상기 메인 질량 흐름으로부터 상기 제어 질량 흐름이 분기될 때, 90°각(α)으로 상호 배치되어 있다. 유동 채널(11', 12')들은 2개의 보어 홀로서 형성되어 있고 적어도 90°각(α)으로 상호 배향되어 있다.
도면에 도시되지 않은 실시예에 따르면, 메인 질량 흐름과 제어 질량 흐름의 유동 방향들은 분기 영역에서 90°보다 큰 각으로 상호 배향되어 있다. 유동 방향들이 90°보다 큰 각으로 상호 배치된 경우, 제어 질량 흐름은 분기 영역에서 90°보다 큰 각을 포괄하며, 상기 제어 질량 흐름은 대략 90°보다 큰 각으로 편향된다.
도 4에 따른 실시예의 경우, 메인 질량 흐름의 제 1 유동 채널(11")은 하우징(2) 내에 형성된 개구에 비스듬히, 제어 질량 흐름의 제 2 유동 채널(12")의 분기 영역으로 이어진다. 도면에 도시되지 않은 실시예에 따르면, 메인 질량 흐름의 제 1 유동 채널은 하우징 내에 형성된 개구에 비스듬히 제어 질량 흐름의 제 2 유동 채널의 분기 영역으로 이어진다. 제어 질량 흐름의 제 2 유동 채널(12")의 분기 영역에는 분리 슬리브(20)가 배치되어 있다. 상기 분리 슬리브(20)는 90°보다 작은 각으로 제 1 유동 채널(11")과 제 2 유동 채널(12") 상호 배치 시 제어 질량 흐름의 강제 유동 가이드에 사용된다. 분리 슬리브(20)와 제 2 유동 채널(12")은, 제어 질량 흐름이 기본적으로 메인 질량 흐름의 유동 방향(18)에 반대로 제 2 유동 채널(12") 내부로 분기되어 편향되도록 서로 정렬되어 있다. 이때 제어 질량 흐름은 유동 방향(18)으로 제 1 유동 채널(11") 또는 분리 슬리브(20)로부터 흘러나와, 초기에는 90°를 초과하는 각(α)으로 그리고 전체적으로 관찰할 때 대략 135° 내지 165°범위의 각(α)으로 편향된 다음, 약 90°로 추가로 편향에 의해 제 2 유동 채널(12") 내부로 유입된다.
입자를 포함하는 냉매-오일-혼합물로서 메인 질량 흐름으로부터 오일 성분을 포함하지 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 비율의 오일만 포함하는 또는 액상 냉매를 전혀 포함하지 않거나 단지 최소 비율의 액상 냉매만 포함하는 입자가 없는, 가스 상태의 냉매 질량 흐름을 분리할 때에는 입자의 관성뿐만 아니라 유체의 관성도 이용되며, 이는 도 3 및 도 4의 실시예에 따라 제어 질량 흐름을 적어도 90° 편향에 의해 또는 도 1의 실시예들에 따라 고압 챔버(9)의 유동 안정화 영역 내부에서 분기에 의해 보장된다.
1, 1', 1": 압축 장치, 압축기
2: 하우징
2a: 후방 하우징 요소
2b: 중간 하우징 요소
2c: 전방 하우징 요소
3: 스테이터
4: 오비터
5: 드라이브 샤프트
6: 오르비터(4) 드라이브 샤프트(5)의 레이디얼 베어링
7: 하우징(2) 드라이브 샤프트(5)의 레이디얼 베어링
8: 흡입 챔버, 흡입압 챔버
9: 유출 챔버, 고압 챔버
10, 10', 10": 분리 장치, 분리기
11, 11', 11": 메인 질량 흐름의 제 1 유동 채널
12, 12', 12": 제어 질량 흐름의 제 2 유동 채널
13, 13', 13": 고압 채널
14: 제 1 팽창 기관
15: 중압 채널
16: 역압 챔버, 중압 챔버
17: 제 2 팽창 기관
18: 메인 질량 흐름의 유동 방향
19: 제어 질량 흐름의 유동 방향
20: 분리 슬리브
α: 각
d: 지름
p1, p2: 압력
ρ1, ρ2: 밀도

Claims (10)

  1. 흡입압 챔버(8)와 고압 챔버(9)를 갖춘 하우징(2), 압축 기구(compression mechanism) 그리고 이러한 압축 기구를 제어하기 위해 유체-윤활제-혼합물로부터 제어 질량 흐름을 분리하기 위한, 상기 고압 챔버(9) 내에 형성된 분리 장치(10, 10', 10")를 구비하는, 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 장치(1, 1', 1")로서,
    상기 분리 장치(10, 10', 10")가 제어 질량 흐름으로서 가스 상태의 유체의 질량 흐름을 분리하도록, 상기 압축 장치(1, 1', 1")로부터 압축된 유체-윤활제-혼합물의 메인 질량 흐름을 유도하기 위한 제 1 유동 채널(11, 11', 11")과 상기 압축 장치(1, 1', 1") 내부에서 상기 흡입압 챔버(8)로 제어 질량 흐름을 안내하기 위한 제 2 유동 채널(12, 12', 12")을 구비하여 형성되고 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1, 1', 1").
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 질량 흐름을 분기하기 위해 상기 분리 장치(10)의 제 2 유동 채널(12)이 상기 고압 챔버(9)로 이어지도록 상기 고압 챔버(9)의 유동 안정화 영역 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 채널(11, 12)들이 상기 분리 장치(10) 내부에서 서로 분리되어 형성되어 있고, 그리고 상기 분리 장치(10)의 길이 방향으로 연장되는 방식으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분리 장치(10)가 원통형 형태(cylindrical form)를 갖는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 장치(10', 10")가 상기 고압 챔버(9)의 유출구 영역에 배치되어 있고, 상기 제 2 유동 채널(12', 12")은 상기 제 1 유동 채널(11', 11")로부터 소정의 각(α)로 분기되는 방식으로 형성되어 제어 질량 흐름이 상기 제 2 유동 채널(12', 12") 내부로 유입될 때 적어도 90° 각(α) 만큼 편향되는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1', 1").
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유동 채널(12, 12', 12")이 제어 질량 흐름의 유동 방향으로 볼 때 고압 채널(13, 13', 13")로 이어지도록 형성되어 있고, 상기 고압 채널(13, 13', 13")의 유출구에 제어 질량 흐름을 고압 레벨에서 중압 레벨로 팽창하기 위한 제 1 팽창 기관(14)이 배치되어 있으며, 상기 제어 질량 흐름은 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급되는 상기 하우징(2) 영역으로 안내되는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1, 1', 1").
  7. 제 6 항에 있어서,
    중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급되는 상기 하우징(2) 영역이 흡입압 챔버(8)로 이어지는 관통 개구를 갖고, 상기 관통 개구 내부에 제어 질량 흐름을 중압 레벨에서 저압 레벨로 팽창시키기 위한 제 2 팽창 기관(17)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1, 1', 1").
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압축 기구가 스크롤 압축기로서 고정된 스테이터(fixed stator)(3)와 이동성 오비터(movable orbiter)(4) 그리고 중압 챔버(16)를 구비하고, 이때
    - 상기 스테이터(3)와 오비터(4)는 각각 베이스 플레이트와 이러한 베이스 플레이트로부터 연장되는, 스파이럴형으로 형성된 벽을 구비하여 형성되어 있고, 이들 벽은 서로 맞물리는 형태로 배치되어 있으며,
    - 상기 중압 챔버(16)는 상기 이동성 오비터(4)의 베이스 플레이트 후면에 형성되어 있고, 그리고 상기 중압 챔버에는 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급되는 것을 특징으로 하는, 압축 장치(1, 1', 1").
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 가스 상태의 유체를 압축하기 위한 압축 장치(1, 1', 1") 내에서 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 장치(10, 10', 10")를 이용해 제어 질량 흐름을 분리하기 위한 방법으로서,
    - 고압으로 압축된 유체-윤활제-혼합물을 고압 챔버(8)로 유출하는 단계,
    - 상기 압축 장치(1, 1', 1")로부터 제 1 유동 채널(11, 11', 11")을 통해 유체-윤활제-혼합제의 메인 질량 흐름을 유도하는 단계,
    - 상기 메인 질량 흐름으로부터 제어 질량 흐름을 분리하고, 상기 제어 질량 흐름을 제 2 유동 채널(12, 12', 12")을 통해 상기 압축 장치(1, 1', 1") 내부에서 흡입압 챔버(8)로 유도하는 단계를 포함하고, 이때 제어 질량 흐름으로서 가스 상태의 유체가 고체 입자 없이 분리되는, 제어 질량 흐름 분리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 질량 흐름이
    - 제 1 팽창 기관(14)을 관류할 때 고압 레벨에서 중압 레벨로 팽창되어 상기 중압 레벨의 가스 상태의 유체가 공급되는 하우징(2) 영역으로 안내되고,
    - 제 2 팽창 기관(17)을 관류할 때 상기 중압 레벨에서 저압 레벨로 팽창되어 흡입압 챔버(8)로 안내되는 것을 특징으로 하는, 제어 질량 흐름 분리 방법.
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