KR20180119054A - 스크롤 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 중심부에 회전축이 관통되는 축수구멍이 형성되고 상기 축수구멍의 주변에 토출구가 형성되는 제1 경판부, 상기 제1 경판부의 일측면에 돌출 형성되는 제1 랩을 포함하는 제1 스크롤; 및 중심부에 상기 제1 스크롤의 축수구멍을 관통하는 회전축이 편심지게 결합되도록 회전축 결합부가 형성되는 제2 경판부, 상기 제2 경판부의 일측면에 돌출 형성되며 상기 제1 랩에 맞물려 함께 압축실을 형성하는 제2 랩을 포함하는 제2 스크롤;을 포함하고, 상기 제1 랩은 랩 높이를 랩 두께로 나누고, 그 값에 상기 제1 랩의 곡률반경을 곱한 역수로 정의되는 강성계수의 제한범위가 0.005mm 이상이 되도록 형성함으로써, 랩의 변형을 억제하여 마찰손실 및 마모를 방지하고 랩의 파손을 방지할 수 있다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로, 특히 압축부가 전동부 하측에 위치하는 압축기에 관한 것이다.

스크롤 압축기는 복수 개의 스크롤에 맞물려 상대 선회운동을 하면서 양쪽 스크롤 사이에 흡입실, 중간압실, 토출실로 된 압축실을 형성하는 압축기이다. 이러한, 스크롤 압축기는 다른 종류의 압축기에 비하여 상대적으로 높은 압축비를 얻을 수 있으면서 냉매의 흡입,압축,토출 행정이 부드럽게 이어져 안정적인 토오크를 얻을 수 있다. 따라서, 스크롤 압축기는 공조장치 등에서 냉매압축용으로 널리 사용되고 있다. 최근에는 편심부하를 낮춰 운전 속도가 180Hz 이상인 고효율 스크롤 압축기가 소개되고 있다.

스크롤 압축기는 흡입관이 저압부를 이루는 케이싱의 내부공간에 연통되는 저압식과, 흡입관이 압축실에 직접 연통되는 고압식으로 구분될 수 있다. 이에 따라, 저압식은 구동부가 저압부인 흡입공간에 설치되는 반면, 고압식은 구동부가 고압부인 토출공간에 설치된다.

이러한 스크롤 압축기는 구동부와 압축부의 위치에 따라 상부압축식과 하부압축식으로 구분될 수 있는데, 압축부가 구동부보다 상측에 위치하면 상부압축식, 반대로 압축부가 구동부보다 하측에 위치하면 하부압축식이라고 한다.

스크롤 압축기에서는 통상 압축실의 압력이 상승하면서 선회스크롤이 고정스크롤로부터 멀어지는 방향으로 가스력을 받게 된다. 그러면 선회스크롤이 고정스크롤로부터 멀어지면서 압축실 간 누설이 발생하여 압축손실이 증가하게 된다.

이를 감안하여, 스크롤 압축기에서는 고정랩과 선회랩의 선단면에 실링부재를 삽입하는 팁실방식을 적용하거나 또는 선회스크롤이나 고정스크롤의 배면에 중간압 또는 토출압을 이루는 배압실을 형성하여 그 배압실의 압력으로 선회스크롤 또는 고정스크롤을 상대측 스크롤로 가압하는 배압방식을 적용하고 있다.

특히, 배압방식에서는 선회스크롤의 배면(또는 고정스크롤의 배면)과 이에 대응하는 프레임 사이에 실링부재를 설치하여 그 실링부재의 안쪽 또는 바깥쪽에 배압실이 형성되도록 하는 방식이 알려져 있다. 이러한 실링부재를 이용한 배압방식은 스러스트면을 이루는 한 쪽 부재에 환형홈을 형성하고, 그 환형홈에 사각단면 모양으로 된 환형의 실링부재를 삽입한다. 그러면 압축기의 운전시 압축실에서 압축된 중간압의 냉매가 환형홈으로 유입되고, 이 중간압의 압력에 의해 실링부재가 부상하여 맞은 편 부재에 밀착됨으로써 배압실이 형성되게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래 스크롤 압축기에서는, 고정스크롤의 중심부에 토출구가 형성됨에 따라 고정랩과 선회랩의 중심부가 받는 배압력과 가스력이 가장자리부가 받는 배압력과 가스력보다 크게 되고, 이에 따라 고정랩 또는 선회랩의 중심부는 가장자리부를 향해 휘어지면서 변형되어 고정랩 또는 선회랩이 이에 대면하는 스크롤과의 사이에서 심한 마찰손실이나 마모가 발생하면서 압축기 효율이 저하될 수 있다.

또, 상기와 같은 종래의 스크롤 압축기에서, 회전축이 압축실과 반경방향으로 중첩되는 소위 축관통 스크롤 압축기의 경우에는, 고정스크롤의 중심부에 회전축이 관통되어 결합됨에 따라, 고정랩의 토출단이 회전축에 의해 충분히 고정스크롤의 중심부까지 연장되지 못하게 되고, 이로 인해 고정랩의 토출단에 대한 강성이 약화되어 고정랩이 심하게 휘어지거나 아예 고정랩의 토출단이 파단될 수도 있었다. 더군다나, 한국등록특허 제10-1059880호에 개시된 바와 같이, 고정랩과 선회랩을 비정형성 형상으로 변경하여 압축실의 압축비를 높인 경우에는 고정랩의 토출단이 더욱 심하게 변형되어 파손될 우려가 있었다. 이는, 고정랩의 토출단에 돌기부를 형성하여 랩 지지력을 높인 경우에도 압축비의 증가에 따른 랩 변형을 완전히 억제하지 못하여, 마찰손실이나 마모 또는 랩 파단에 의해 압축기의 신뢰성이 저하될 수 있다.

또, 상기와 같은 종래의 스크롤 압축기에서는, 일본공개특허 공개번호 제2000-257573호에 개시된 바와 같이 랩의 형상 변경을 통해 랩(특히, 고정랩)의 변형이나 파단을 억제하고 있다. 하지만, 이와 같이 랩의 뿌리를 두껍게 형성하는 경우에는 마주보는 스크롤의 랩 선단에도 동일한 홈을 형성하여야 그만큼 랩의 제조공정도 복잡하게 될 뿐만 아니라, 랩의 중간에서 랩 선단까지는 랩 두께가 얇아져 결국 랩의 변형이나 파단 문제는 해결되지 못하는 한계가 있었다.

또, 이를 감안하여, 랩 두께를 전체적으로 두껍게 형성하는 경우에는 그만큼 선회반경을 확보하기 위해 스크롤의 크기를 증가시켜 압축기가 커지게 되거나 반대로 선회반경이 감소하여 압축실의 체적이 감소하게 될 수 있었다. 이는 랩의 강성에 대한 구체적인 고려 없이 랩 형상을 임의로 변경함에 따라 발생한 것으로 볼 수 있다.

한국등록특허 제10-1059880호 일본 공개번호 제2000-257573호

본 발명의 목적은, 랩의 토출단 강성을 최적화하여 랩의 토출단이 마주보는 스크롤의 경판부에 과도하게 밀착되면서 마찰손실 또는 마모가 발생하는 것을 방지할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 랩의 토출단 강성을 최적화하여 랩의 토출단 부근이 과도하게 변형되면서 파단되는 것을 억제할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 회전축이 고정스크롤을 관통하여 압축실과 반경방향으로 중첩되는 경우에도 고정랩의 토출단 강성을 최적화하여 그 고정랩의 토출단이 과도하게 변형되거나 파단되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 압축기의 효율과 신뢰성을 높일 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 상호 미끄럼운동을 하는 두 부재중에서 어느 한 쪽 부재에 형성된 랩의 토출측 강성을 최적화하여 랩이 과도하게 변형되거나 파단되는 것을 방지할 수 있는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 랩의 강성은 랩의 높이와 두께 그리고 곡률반경을 기초로 정의되는 강성계수의 범위를 한정할 수 있다.

그리고, 상기 강성계수는 랩의 기울기×가스력에 의한 랩 하중+옵션값에 의해 결정될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 중심부에는 토출단을, 가장자리부에는 흡입단을 각각 가지며, 상기 토출단에서 흡입단까지 복수 개의 곡선이 연결되어 형성되는 제1 랩; 및 중심부에는 토출단을, 가장자리부에는 흡입단을 각각 가지며, 상기 토출단에서 흡입단까지 복수 개의 곡선이 연결되어 형성되고, 상기 토출단에는 회전축이 상기 제1 랩과 중첩되어 결합되도록 회전축 결합부가 형성되며, 상기 제1 랩에 맞물려 상기 제1 랩에 대해 선회운동을 하면서 그 제1 랩과 함께 중심부를 향해 이동하는 압축실을 형성하는 제2 랩;을 포함하고, 상기 제1 랩과 제2 랩 중에서 적어도 어느 한쪽 랩의 특정 구간은 그 특정 구간에서의 랩 평균높이를 랩 평균두께로 나눠 제1 값을 구하고, 상기 제1 값에 상기 랩의 평균 곡률반경을 곱하여 제2 값을 구하며, 그 제2 값에 대한 역수로 정의되는 강성계수를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 강성계수의 제한범위가 [(0.0001~0.0003)×랩 하중(N)+(7.0000 ~ 8.0000)]으로 정의되는 한계선 제한범위 이상이 되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 한계선 제한범위는 [0.0002×랩 하중(N)+7.5202]으로 정의될 수 있다.

그리고, 상기 회전축의 회전각을 기준으로 상기 제1 랩의 중심부측을 토출단이라고 하고, 그 토출단을 0°라고 할 때, 상기 특정 구간은 상기 회전축의 회전각을 기준으로 0 ~ 45°범위일 수 있다.

그리고, 상기 회전축 결합부의 일측에는 원호압축면이 형성되고, 상기 원호압축면과 상기 회전축 결합부의 외측면 사이의 구간에는 상기 제2 랩의 두께가 감소하는 오목부가 형성되며, 상기 제1 랩의 토출단 부근의 구간에는 상기 제2 랩의 오목부와 맞물리도록 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부가 형성되는 구간의 적어도 일부는 상기 강성계수의 범위를 만족하도록 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 중심부에 회전축이 관통되는 축수구멍이 형성되고 상기 축수구멍의 주변에 토출구가 형성되는 제1 경판부, 상기 제1 경판부의 일측면에 돌출 형성되는 제1 랩을 포함하는 제1 스크롤; 및 중심부에 상기 제1 스크롤의 축수구멍을 관통하는 회전축이 편심지게 결합되도록 회전축 결합부가 형성되는 제2 경판부, 상기 제2 경판부의 일측면에 돌출 형성되며 상기 제1 랩에 맞물려 함께 압축실을 형성하는 제2 랩을 포함하는 제2 스크롤;을 포함하고, 상기 제1 랩은 랩 높이를 랩 두께로 나누고, 그 값에 상기 제1 랩의 곡률반경을 곱한 역수로 정의되는 강성계수의 제한범위가 0.005mm 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 강성계수 제한범위는 상기 제1 랩에서 랩의 진행방향을 따라 임의의 두 지점 사이의 구간에 대해 정의되며, 상기 랩 높이, 랩 두께, 랩 곡률반경은 해당 구간의 평균 랩 높이, 평균 랩 두께, 평균 랩 곡률반경으로 정의될 수 있다.

그리고, 상기 강성계수 제한범위는 상기 제1 랩에서 어느 한 지점에 대해 정의되며, 상기 랩 높이, 랩 두께, 랩 곡률반경은 해당 지점의 랩 높이, 랩 두께, 랩 곡률반경으로 정의될 수 있다.

그리고, 상기 제1 랩에서 상기 토출구에 인접한 쪽의 단부에서 어느 한 지점까지의 구간 또는 상기 구간의 어느 한 지점에서는 상기 강성계수의 제한범위가 [(0.0001~0.0003)×랩 하중(N)+(7.0000 ~ 8.0000)]으로 정의되는 한계선 제한범위 이상으로 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내부공간에 오일이 저장되는 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 구비되는 구동모터; 상기 구동모터에 결합되는 회전축; 상기 구동모터의 하측에 구비되는 프레임; 상기 프레임의 하측에 구비되고 일측면에 제1 랩이 형성되며, 중심부에 상기 회전축이 관통되는 축수구멍이 형성되고, 상기 축수구멍의 주변에 토출구가 형성되는 제1 스크롤; 및 상기 제1 랩과 맞물리는 제2 랩이 형성되고, 상기 회전축이 상기 제2 랩과 반경방향으로 중첩되도록 편심 결합되며, 상기 제1 스크롤에 대해 선회운동을 하면서 그 제1 스크롤과의 사이에 압축실을 형성하는 제2 스크롤; 상기 프레임과 제2 스크롤 사이에 구비되어 그 프레임과 제2 스크롤 사이의 간격을 중심부측인 내측 간격과 가장자리측인 외측 간격으로 분리하며, 상기 회전축을 통해 흡상되는 오일이 상기 내측 간격으로 유입되어 배압실을 형성하도록 하는 실링부재;를 포함하고, 상기 제1 랩은 상기 토출구에 인접한 쪽의 단부에서 제1 지점까지는 평균 랩 높이를 평균 랩 두께으로 나누고, 이 값에 평균 랩 곡률반경을 곱한 값의 역수에 임의의 값 1000mm를 곱해서 정의되는 강성계수 제한범위가 5 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 강성계수의 제한범위가 [(0.0001~0.0003)×랩 하중(N)+(7.0000 ~ 8.0000)]으로 정의되는 한계선 제한범위 이상이 되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 한계선 제한범위는 [0.0002×랩 하중(N)+7.5202]으로 정의될 수 있다.

그리고, 상기 회전축의 회전각을 기준으로 상기 제1 랩의 중심부측을 토출단이라고 하고, 그 토출단을 0°라고 할 때, 상기 제1 지점은 상기 회전축의 회전각을 기준으로 0 ~ 60°범위 이내의 어느 한 지점일 수 있다.

그리고, 상기 회전축 결합부의 일측에는 원호압축면이 형성되고, 상기 원호압축면과 상기 회전축 결합부의 외측면 사이의 구간에는 상기 제2 랩의 두께가 감소하는 오목부가 형성되며, 상기 제1 랩의 토출단 부근의 구간에는 상기 제2 랩의 오목부와 맞물리도록 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부가 형성되는 구간의 적어도 일부는 상기 강성계수의 제한범위를 만족하도록 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 고정랩 또는 선회랩의 토출단에 인접한 부분의 랩 강성을 최적화하여 형성함으로써, 상대적으로 높은 배압력과 가스력을 받는 중심부측 토출단의 랩 변형을 최소화하여 랩이 마주보는 스크롤을 향해 과도하게 밀착되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 스크롤 사이의 마찰손실이나 마모를 줄여 압축기 효율을 높일 수 있다.

또, 고정랩 또는 선회랩의 토출단에 인접한 부분의 랩 강성을 최적화하여 형성함으로써, 고정랩 또는 선회랩의 중심부측 토출단이 바깥쪽을 향해 반경방향으로 휘어져 변형되는 것을 억제할 수 있고, 이를 통해 압축실 누설을 억제하여 압축기 효율을 높이는 동시에 랩의 파단을 억제하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 고정스크롤의 중심부를 회전축이 관통하여 고정랩의 토출단이 고정스크롤의 중심에서 멀리 위치하는 경우에도 토출단에 인접한 부분에서의 랩 강성을 최적화함으로써, 고정랩과 스크롤 사이의 마찰이나 마모 또는 고정랩의 변형이나 파단을 방지하여 압축기의 효올과 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기를 보인 종단면도,
도 2는 도 1에서 압축부를 보인 횡단면도,
도 3은 도 1에서 습동부를 설명하기 위해 회전축의 일부를 보인 정면도,
도 4는 도 1에서 배압실과 압축실 사이의 급유통로를 설명하기 위해 보인 종단면도,
도 5는 도 1에 따른 스크롤 압축기에서, 제1 랩의 토출단 주변에서의 변형량을 부위별로 해석하여 보인 모식도,
도 6은 도 5에서 변형량이 가장 큰 부위에서의 랩 형상을 정면에서 보인 개략도,
도 7은 본 실시예에 따른 랩의 토출단에 대한 규격을 설명하기 위해 보인 개략도,
도 8은 제1 랩에 대한 다양한 규격과 운전속도에 따른 랩 변형량을 해석한 그래프
도 9는 본 실시예에 따른 랩의 강성계수 제한범위를 가진 랩의 토출단에 대한 변형량을 종래와 비교하여 보인 단면도.

이하, 본 발명에 의한 스크롤 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다. 다만, 이하에서는 편의상 압축부가 전동부보다 하측에 위치하는 하부 압축식 스크롤 압축기에서 회전축이 선회랩과 동일 평면상에서 중첩되는 유형의 스크롤 압축기를 대표예로 삼아 살펴본다. 이러한 유형의 스크롤 압축기는 고온 고압축비 조건의 냉동사이클에 적용하기에 적합한 것으로 알려져 있다.

도 1은 본 발명에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1에서 압축부를 보인 횡단면도이며, 도 3은 도 1에서 습동부를 설명하기 위해 회전축의 일부를 보인 정면도이고, 도 4는 도 1에서 배압실과 압축실 사이의 급유통로를 설명하기 위해 보인 종단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기는, 케이싱(10)의 내부에 구동모터를 이루며 회전력을 발생하는 전동부(20)가 설치되고, 전동부(20)의 하측에는 소정의 공간(이하, 중간공간)(10a)을 두고 그 전동부(20)의 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축부(30)가 설치될 수 있다.

케이싱(10)은 밀폐용기를 이루는 원통 쉘(11)과, 원통 쉘(11)의 상부를 덮어 함께 밀폐용기를 이루는 상부 쉘(12)과, 원통 쉘(11)의 하부를 덮어 함께 밀폐용기를 이루는 동시에 저유공간(10c)을 형성하는 하부 쉘(13)로 이루어질 수 있다.

원통 쉘(11)의 측면으로 냉매 흡입관(15)이 관통하여 압축부(30)의 흡입실에 직접 연통되고, 상부 쉘(12)의 상부에는 케이싱(10)의 상측공간(10b)과 연통되는 냉매 토출관(16)이 설치될 수 있다. 냉매 토출관(16)은 압축부(30)에서 케이싱(10)의 상측공간(10b)으로 토출되는 압축된 냉매가 외부로 배출되는 통로에 해당되며, 상측공간(10b)이 일종의 유분리 공간을 형성할 수 있도록 냉매 토출관(16)이 케이싱(10)의 상측공간(10b) 중간까지 삽입될 수 있다. 그리고 경우에 따라서는 냉매에 혼입된 오일을 분리하는 오일 세퍼레이터(미도시)가 상측공간(10b)을 포함한 케이싱(10)의 내부 또는 상측공간(10b) 내에서 냉매 흡입관(16)에 연결하여 설치될 수 있다.

전동부(20)는 고정자(21)와 그 고정자(21)의 안쪽에서 회전하는 회전자(22)로 이루어진다. 고정자(21)는 그 내주면에 원주방향을 따라 다수 개의 코일권선부(미부호)를 이루는 티스와 슬롯이 형성되어 코일(250)이 권선되며, 고정자의 내주면과 회전자(22)의 외주면 사이의 간격과 코일권선부를 합쳐 제2 냉매유로(P_G2)가 형성된다. 이로써, 후술할 제1 냉매유로(P_G1)를 통해 전동부(20)와 압축부(30) 사이의 중간공간(10c)으로 토출되는 냉매는 전동부(20)에 형성되는 제2 냉매유로(P_G2)를 통해 그 전동부(20)의 상측에 형성되는 상측공간(10b)으로 이동하게 된다.

그리고 고정자(21)의 외주면에는 원주방향을 따라 다수 개의 디컷(D-cut)면(21a)이 형성되며, 디컷면(21a)은 원통 쉘(11)의 내주면과의 사이에 오일이 통과하도록 제1 오일유로(P_O1)가 형성될 수 있다. 이로써, 상측공간(10b)에서 냉매로부터 분리된 오일은 제1 오일유로(P_O1)와 후술할 제2 오일유로(P_O2)를 통해 하측공간(10c)으로 이동하게 된다.

고정자(21)의 하측에는 소정의 간격을 두고 압축부(30)를 이루는 프레임(31)이 케이싱(10)의 내주면에 고정 결합될 수 있다. 프레임(31)은 그 외주면이 원통 쉘(11)의 내주면에 열박음되거나 용접되어 고정 결합될 수 있다.

그리고 프레임(31)의 가장자리에는 환형으로 된 프레임 측벽부(제1 측벽부)(311)가 형성되고, 제1 측벽부(311)의 외주면에는 원주방향을 따라 복수 개의 연통홈(311b)이 형성될 수 있다. 이 연통홈(311b)은 후술할 제1 스크롤(32)의 연통홈(322b)과 함께 제2 오일유로(P_O2)를 형성하게 된다.

또, 프레임(31)의 중심에는 후술할 회전축(50)의 메인 베어링부(51)를 지지하기 위한 제1 축수부(312)가 형성되고, 제1 축수부에는 회전축(50)의 메인 베어링부(51)가 회전 가능하게 삽입되어 반경방향으로 지지되도록 제1 축수구멍(312a)이 축방향으로 관통 형성될 수 있다.

그리고 프레임(31)의 하면에는 회전축(50)에 편심 결합된 선회스크롤(이하, 제2 스크롤)(33)을 사이에 두고 고정스크롤(이하, 제1 스크롤)(32)이 설치될 수 있다. 제1 스크롤(32)은 프레임(31)에 고정 결합될 수도 있지만, 축방향으로 이동 가능하게 결합될 수도 있다.

한편, 제1 스크롤(32)은 고정 경판부(이하, 제1 경판부)(321)가 대략 원판모양으로 형성되고, 제1 경판부(321)의 가장자리에는 프레임(31)의 하면 가장자리에 결합되는 스크롤 측벽부(이하, 제2 측벽부)(322)가 형성될 수 있다.

제2 측벽부(322)의 일측에는 냉매 흡입관(15)과 흡입실이 연통되는 흡입구(324)가 관통 형성되고, 제1 경판부(321)의 중앙부에는 토출실과 연통되어 압축된 냉매가 토출되는 토출구(325a)(325b)가 형성될 수 있다. 토출구(325a)(325b)는 후술할 제1 압축실(V1)과 제2 압축실(V2)에 모두 연통될 수 있도록 한 개만 형성될 수도 있지만, 각각의 압축실(V1)(V2)과 독립적으로 연통될 수 있도록 복수 개가 형성될 수도 있다.

그리고 제2 측벽부(322)의 외주면에는 앞서 설명한 연통홈(322b)이 형성되고, 이 연통홈(322b)은 제1 측벽부(311)의 연통홈(311b)과 함께 회수되는 오일을 하측공간(10c)으로 안내하기 위한 제2 오일유로(P_O2)를 형성하게 된다.

또, 제1 스크롤(32)의 하측에는 압축실(V)에서 토출되는 냉매를 후술할 냉매유로로 안내하기 위한 토출커버(34)가 결합될 수 있다. 토출커버(34)는 그 내부공간이 토출구(325a)(325b)를 수용하는 동시에, 그 토출구(325a)(325b)를 통해 압축실(V)에서 토출된 냉매를 케이싱(10)의 상측공간(10b), 더 정확하게는 전동부(20)와 압축부(30) 사이의 공간으로 안내하는 제1 냉매유로(P_G1)의 입구를 수용하도록 형성될 수 있다.

여기서, 제1 냉매유로(P_G1)는 유로 분리유닛(40)의 안쪽, 즉 유로 분리유닛(40)을 기준으로 안쪽인 회전축(50)쪽에서 고정스크롤(32)의 제2 측벽부(322)와 프레임(31)의 제1 측벽부(311)를 차례로 관통하여 형성될 수 있다. 이로써, 유로 분리유닛(40)의 바깥쪽에는 앞서 설명한 제2 오일유로(P_O2)가 제1 오일유로(P_O1)와 연통되도록 형성된다.

그리고 제1 경판부(321)의 상면에는 후술할 선회랩(이하, 제2 랩)(33)과 맞물려 압축실(V)을 이루는 고정랩(이하, 제1 랩)(323)이 형성될 수 있다. 제1 랩(323)에 대해서는 나중에 제2 랩(332)과 함께 설명한다.

또, 제1 경판부(321)의 중심에는 후술할 회전축(50)의 서브 베어링부(52)를 지지하는 제2 축수부(326)가 형성되고, 제2 축수부(326)에는 축방향으로 관통되어 서브 베어링부(52)를 반경방향으로 지지하는 제2 축수구멍(326a)이 형성될 수 있다.

한편, 제2 스크롤(33)은 선회 경판부(이하, 제2 경판부)(331)가 대략 원판모양으로 형성될 수 있다. 제2 경판부(331)의 하면에는 제1 랩(322)과 맞물려 압축실을 이루는 제2 랩(332)이 형성될 수 있다.

제2 랩(332)은 제1 랩(323)과 함께 인볼류트 형상으로 형성될 수 있지만 그 외의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이, 제2 랩(332)은 직경과 원점이 서로 다른 다수의 원호를 연결한 형태를 가지며, 최외곽의 곡선은 장축과 단축을 갖는 대략 타원형 형태로 형성될 수 있다. 이는 제1 랩(323)도 마찬가지로 형성될 수 있다.

제2 경판부(331)의 중앙부위에는 제2 랩(332)의 내측 단부를 이루며, 후술할 회전축(50)의 편심부(53)가 회전가능하게 삽입되어 결합되는 회전축 결합부(333)가 축방향으로 관통 형성될 수 있다.

회전축 결합부(333)의 외주부는 제2 랩(332)과 연결되어 압축과정에서 제1 랩(322)과 함께 압축실(V)을 형성하는 역할을 하게 된다.

또, 회전축 결합부(333)는 제2 랩(332)과 동일 평면상에서 중첩되는 높이로 형성되어, 회전축(50)의 편심부(53)가 제2 랩(332)과 동일 평면상에서 중첩되는 높이에 배치될 수 있다. 이를 통해, 냉매의 반발력과 압축력이 제2 경판부를 기준으로 하여 동일 평면에 가해지면서 서로 상쇄되어, 압축력과 반발력의 작용에 의한 제2 스크롤(33)의 기울어짐이 방지될 수 있다.

또, 회전축 결합부(333)는 제1 랩(323)의 내측 단부와 대향되는 외주부에 후술할 제1 랩(323)의 돌기부(328)와 맞물리게 되는 오목부(335)가 형성된다. 이 오목부(335)의 일측은 압축실(V)의 형성방향을 따라 상류측에 회전축 결합부(333)의 내주부에서 외주부까지의 두께가 증가하는 증가부(335a)가 형성된다. 이는 토출 직전의 제1 압축실(V1)의 압축 경로가 길어져, 결과적으로 제1 압축실(V1)의 압축비를 제2 압축실(V2)의 압력비에 근접하게 높일 수 있게 한다. 제1 압축실(V1)은 제1 랩(323)의 내측면과 제2 랩(332)의 외측면 사이에 형성되는 압축실로서, 제2 압축실(V2)과 구분하여 나중에 설명한다.

오목부(335)의 타측은 원호 형태를 갖는 원호압축면(335b)이 형성된다. 원호압축면(335b)의 직경은 제1 랩(323)의 내측 단부 두께(즉, 토출단의 두께) 및 제2 랩(332)의 선회반경에 의해 결정되는데, 제1 랩(323)의 내측 단부 두께를 증가시키면 원호압축면(335b)의 직경이 커지게 된다. 이로 인해, 원호압축면(335b) 주위의 제2 랩 두께도 증가되어 내구성이 확보될 수 있고, 압축 경로가 길어져서 그만큼 제2 압축실(V2)의 압축비도 증가할 수 있다.

또, 회전축 결합부(333)에 대응하는 제1 랩(323)의 내측 단부(흡입단 또는 시작단) 부근에는 회전축 결합부(333)의 외주부측으로 돌출되는 돌기부(328)가 형성되는데, 돌기부(328)에는 그 돌기부로부터 돌출되어 오목부(335)와 맞물리는 접촉부(328a)가 형성될 수 있다. 즉, 제1 랩(323)의 내측 단부는 다른 부분에 비해서 큰 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이로 인해, 제1 랩(323) 중에서 가장 큰 압축력을 받게 되는 내측 단부의 랩 강도가 향상되어 내구성이 향상될 수 있다.

한편, 압축실(V)은 제1 경판부(321)와 제1 랩(323), 그리고 제2 랩(332)과 제2 경판부(331) 사이에 형성되며, 랩의 진행방향을 따라 흡입실, 중간압실, 토출실이 연속으로 형성되어 이루어질 수 있다.

도 2와 같이, 압축실(V)은 제1 랩(323)의 내측면과 제2 랩(332)의 외측면 사이에 형성되는 제1 압축실(V1)과, 제1 랩(323)의 외측면과 제2 랩(332)의 내측면 사이에 형성되는 제2 압축실(V2)로 이루어질 수 있다.

즉, 제1 압축실(V1)은 제1 랩(323)의 내측면과 제2 랩(332)의 외측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점(P11, P12) 사이에 형성되는 압축실을 포함하고, 제2 압축실(V2)은 제1 랩(323)의 외측면과 제2 랩(332)의 내측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점(P21, P22) 사이에 형성되는 압축실을 포함한다.

여기서, 토출 직전의 제1 압축실(V1)은 편심부의 중심, 즉 회전축 결합부의 중심(O)과 두 개의 접촉점(P11, P12)을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도 중 큰 값을 갖는 각도를 α라 할 때, 적어도 토출 개시 직전에 α < 360°이고, 두 개의 접촉점(P11, P12)에서의 법선 벡터 사이의 거리 ℓ도 0보다 큰 값을 갖게 된다.

이로 인해, 토출 직전의 제1 압축실이 인볼류트 곡선으로 이루어진 고정랩과 선회랩을 갖는 경우에 비해서 더 작은 볼륨을 갖게 되므로, 제1 랩(323)과 제2 랩(332)의 크기를 늘리지 않고도 제1 압축실(V1)의 압축비와 제2 압축실(V2)의 압축비가 모두 향상될 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 제2 스크롤(33)은 프레임(31)과 고정스크롤(32) 사이에서 선회 가능하게 설치될 수 있다. 그리고 제2 스크롤(33)의 상면과 이에 대응하는 프레임(31)의 하면 사이에는 제2 스크롤(33)의 자전을 방지하는 올담링(35)이 설치되고, 올담링(35)보다 안쪽에는 후술할 배압실(S1)을 형성하는 실링부재(36)가 설치될 수 있다.

그리고 실링부재(36)의 바깥쪽에는 제2 스크롤(32)에 구비되는 급유구멍(321a)에 의해 중간압 공간을 형성하게 된다. 이 중간압 공간은 중간 압축실(V)과 연통되어 중간압의 냉매가 채워짐에 따라 배압실의 역할을 할 수 있다. 따라서, 실링부재(36)를 중심으로 안쪽에 형성되는 배압실을 제1 배압실(S1)이라고 하고, 바깥쪽에 형성되는 중간압 공간을 제2 배압실(S2)이라고 할 수 있다. 결국, 배압실(S1)은 실링부재(36)를 중심으로 프레임(31)의 하면과 제2 스크롤(33)의 상면에 의해 형성되는 공간으로, 이 배압실(S1)에 대해서는 후술할 실링부재와 함께 다시 설명한다.

한편, 유로 분리유닛(40)은 전동부(20)의 하면과 압축부(30)의 상면 사이에 형성되는 경유공간인 중간공간(10a)에 설치되어, 압축부(30)로부터 토출되는 냉매가 유분리 공간인 전동부(20)의 상측공간(10b)에서 저유공간인 압축부(30)의 하측공간(10c)으로 이동하는 오일과 간섭되는 것을 방지하는 역할을 하게 된다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 유로 분리유닛(40)은 제1 공간(10a)을 냉매가 유동하는 공간(이하, 냉매 유동공간)과 오일이 유동하는 공간(이하, 오일 유동공간)으로 분리하는 유로 가이드를 포함한다. 유로 가이드는 그 유로 가이드 자체만으로 제1 공간(10a)을 냉매 유동공간과 오일 유동공간으로 분리할 수 있지만, 경우에 따라서는 복수 개의 유로 가이드를 조합하여 유로 가이드의 역할을 하도록 할 수도 있다.

본 실시예에 따른 유로 분리유닛은 프레임(31)에 구비되어 상향 연장되는 제1 유로 가이드(410)와, 고정자(21)에 구비되어 하향 연장되는 제2 유로 가이드(420)로 이루어진다. 제1 유로 가이드(410)와 제2 유로 가이드(420)가 축방향으로 중첩되어 중간공간(10a)이 냉매 유동공간과 오일 유동공간으로 분리될 수 있도록 한다.

여기서, 제1 유로 가이드(410)는 환형으로 제작되어 프레임(31)의 상면에 고정 결합되고, 제2 유로 가이드(420)는 고정자(21)에 삽입되어 권선코일을 절연하는 인슐레이터에서 연장 형성될 수 있다.

제1 유로 가이드(410)는 외측에서 상향 연장되는 제1 환벽부(411)와, 내측에서 상향 연장되는 제2 환벽부(412), 그리고 제1 환벽부(411)와 제2 환벽부(412) 사이를 연결하도록 반경방향으로 연장되는 환면부(413)로 이루어진다. 제1 환벽부(411)는 제2 환벽부(412)보다 높게 형성되고, 환면부(413)에는 압축부(30)에서 중간공간(10a)으로 연통되는 냉매구멍이 연통되도록 냉매통공이 형성될 수 있다.

그리고, 제2 환벽부(412)의 안쪽, 즉 회전축 방향에 밸런스 웨이트(26)가 위치하며, 밸런스 웨이트(26)는 회전자(22) 또는 회전축(50)에 결합되어 회전한다. 이때, 밸런스 웨이트(26)가 회전하면서 냉매를 교반할 수 있지만, 제2 환벽부(412)에 의해 냉매가 밸런스 웨이트(26)쪽으로 이동하는 것을 막아 냉매가 밸런스 웨이트(26)에 의해 교반되는 것을 억제할 수 있다.

제2 유로 가이드(420)는 인슐레이터의 외측에서 하향 연장되는 제1 연장부(421)와, 인슐레이터의 내측에서 하향 연장되는 제2 연장부(422)로 이루어질 수 있다. 제1 연장부(421)는 제1 환벽부(411)와 축방향으로 중첩되도록 형성되어, 냉매 유동공간과 오일 유동공간으로 분리하는 역할을 한다. 제2 연장부(422)는 필요에 따라 형성되지 않을 수도 있지만, 형성되더라도 제2 환벽부(412)와 축방향으로 중첩되지 않거나 중첩되더라도 냉매가 충분히 유동할 수 있도록 반경방향으로 충분한 간격을 두고 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 회전축(50)은 그 상부는 회전자(22)의 중심에 압입되어 결합되는 반면 하부는 압축부(30)에 결합되어 반경방향으로 지지될 수 있다. 이로써, 회전축(50)은 전동부(20)의 회전력을 압축부(30)의 선회스크롤(33)에 전달하게 된다. 그러면 회전축(50)에 편심 결합된 제2 스크롤(33)이 제1 스크롤(32)에 대해 선회운동을 하게 된다.

회전축(50)의 하반부에는 프레임(31)의 제1 축수구멍(312a)에 삽입되어 반경방향으로 지지되도록 메인 베어링부(이하, 제1 베어링부)(51)가 형성되고, 제1 베어링부(51)의 하측에는 제1 스크롤(32)의 제2 축수구멍(326a)에 삽입되어 반경방향으로 지지되도록 서브 베어링부(이하, 제2 베어링부)(52)가 형성될 수 있다. 그리고 제1 베어링부(51)와 제2 베어링부(52)의 사이에는 회전축 결합부(333)에 삽입되어 결합되도록 편심부(53)가 형성될 수 있다.

제1 베어링부(51)와 제2 베어링부(52)는 동일 축중심을 가지도록 동축 선상에 형성되고, 편심부(53)는 제1 베어링부(51) 또는 제2 베어링부(52)에 대해 반경방향으로 편심지게 형성될 수 있다. 제2 베어링부(52)는 제1 베어링부(51)에 대해 편심지게 형성될 수도 있다.

편심부(53)는 그 외경이 제1 베어링부(51)의 외경보다는 작게, 제2 베어링부(52)의 외경보다는 크게 형성되어야 회전축(50)을 각각의 축수구멍(312a)(326a)과 회전축 결합부(333)를 통과하여 결합시키는데 유리할 수 있다. 하지만, 편심부(53)가 회전축(50)에 일체로 형성되지 않고 별도의 베어링을 이용하여 형성하는 경우에는 제2 베어링부(52)의 외경이 편심부(53)의 외경보다 작게 형성되지 않고도 회전축(50)을 삽입하여 결합할 수 있다.

그리고 회전축(50)의 내부에는 각 베어링부와 편심부에 오일을 공급하기 위한 오일공급유로(50a)가 축방향을 따라 형성될 수 있다. 오일공급유로(50a)는 압축부(30)가 전동부(20)보다 하측에 위치함에 따라 회전축(50)의 하단에서 대략 고정자(21)의 하단이나 중간 높이, 또는 제1 베어링부(31)의 상단보다는 높은 위치까지 홈파기로 형성될 수 있다. 물론, 경우에 따라서는 회전축(50)을 축방향으로 관통하여 형성될 수도 있다.

그리고 회전축(50)의 하단, 즉 제2 베어링부(52)의 하단에는 하측공간(10c)에 채워진 오일을 펌핑하기 위한 오일피더(60)가 결합될 수 있다. 오일피더(60)는 회전축(50)의 오일공급유로(50a)에 삽입되어 결합되는 오일공급관(61)과, 오일공급관(61)을 수용하여 이물질의 침입을 차단하는 차단부재(62)로 이루어질 수 있다. 오일공급관(61)은 토출커버(34)를 관통하여 하측공간(10c)의 오일에 잠기도록 위치될 수 있다.

한편, 도 3에서와 같이, 회전축(50)의 각 베어링부(51)(52)와 편심부(53)에는 오일공급유로(50a)에 연결되어 각 습동부로 오일을 공급하기 위한 습동부 급유통로(F1)가 형성된다.

습동부 급유통로(F1)는 오일공급유로(50a)에서 회전축(50)의 외주면을 향해 관통되는 복수 개의 급유구멍(511)(521)(531)과, 각 베어링부(51)(52)와 편심부(53)의 외주면에는 급유구멍(511)(521)(531)에 각각 연통되어 각 베어링부(51)(52)와 편심부(53)를 윤활하는 복수 개의 급유홈(512)(522)(532)으로 이루어진다.

예를 들어, 제1 베어링부(51)에는 제1 급유구멍(511)과 제1 급유홈(512)이, 제2 베어링부(52)에는 제2 급유구멍(521)과 제2 급유홈(522)이, 그리고 편심부(53)에는 제3 급유구멍(531)과 제3 급유홈(532)이 각각 형성된다. 제1 급유홈(512)과 제2 급유홈(522), 그리고 제3 급유홈(532)은 각각 축방향 또는 경사방향으로 길게 장홈 형상으로 형성된다.

그리고, 제1 베어링부(51)와 편심부(53)의 사이, 편심부(53)와 제2 베어링부(52)의 사이에는 각각 환형으로 된 제1 연결홈(541)과 제2 연결홈(542)이 각각 형성된다. 이 제1 연결홈(541)은 제1 급유홈(512)의 하단이 연통되고, 제2 연결홈(542)은 제2 급유홈(522)의 상단이 연결된다. 이에 따라, 제1 급유홈(512)을 통해 제1 베어링부(51)를 윤활하는 오일의 일부는 제1 연결홈(541)으로 흘러내려 모이게 되고, 이 오일은 제1 배압실(S1)로 유입되어 토출압의 배압력을 형성하게 된다. 또, 제2 급유홈(522)을 통해 제2 베어링부(52)를 윤활하는 오일과 제3 급유홈(532)을 통해 편심부(53)를 윤활하는 오일은 제2 연결홈(542)으로 모여 회전축 결합부(333)의 선단면과 제1 경판부(321) 사이를 거쳐 압축부(30)로 유입될 수 있다.

그리고 제1 베어링부(51)의 상단방향으로 흡상되는 소량의 오일은 프레임(31)의 제1 축수부(312) 상단에서 베어링면 밖으로 흘러나와 그 제1 축수부(312)를 따라 프레임(31)의 상면(31a)으로 흘러내린 후, 그 프레임(31)의 외주면(또는 상면에서 외주면으로 연통되는 홈)과 제1 스크롤(32)의 외주면에 연속으로 형성되는 오일유로(P_O1)(P_O2)를 통해 하측공간(10c)으로 회수된다.

아울러, 압축실(V)에서 냉매와 함께 케이싱(10)의 상측공간(10b)으로 토출되는 오일은 케이싱(10)의 상측공간(10b)에서 냉매로부터 분리되어, 전동부(20)의 외주면에 형성되는 제1 오일유로(P_O1) 및 압축부(30)의 외주면에 형성되는 제2 오일유로(P_O2)를 통해 하측공간(10c)으로 회수된다. 이때, 전동부(20)와 압축부(30)의 사이에는 유로 분리유닛(40)이 구비되어, 상측공간(10b)에서 냉매로부터 분리되어 하츠공간(10c)으로 이동되는 오일이 압축부(20)에서 토출되어 상측공간(10b)으로 이동하는 냉매와 간섭되어 재혼합되지 않고 서로 다른 통로[(P_O1)(P_O2)][(P_G1)(P_G2)]를 통해 각각 오일은 하측공간(10c)으로, 냉매는 상측공간(10b)으로 이동할 수 있게 된다.

한편, 제2 스크롤(33)에는 오일공급유로(50a)를 통해 흡상되는 오일을 압축실(V)로 공급하기 위한 압축실 급유통로(F2)가 형성된다. 압축실 급유통로(F2)는 앞서 설명한 습동부 급유통로(F1)에 연결된다.

압축실 급유통로(F2)는 오일공급유로(50a)와 중간압 공간을 이루는 제2 배압실(S2) 사이에 연통되는 제1 급유통로(371)와, 제2 배압실(S2)과 압축실(V)의 중간압실에 연통되는 제2 급유통로(372)로 이루어질 수 있다.

물론, 압축실 급유통로는 제2 배압실(S2)을 경유하지 않고 오일공급유로(50a)에서 중간압실로 직접 연통되도록 형성될 수도 있다. 하지만, 이 경우에는 제2 배압실(S2)과 중간압실(V)을 연통시키는 냉매유로를 별도로 구비하여야 하고, 제2 배압실(S2)에 위치하는 올담링(35)에 오일을 공급하기 위한 오일유로를 별도로 구비해야 한다. 이로 인해 통로의 개수가 많아져 가공이 복잡하게 된다. 따라서, 냉매유로와 오일유로를 단일화하여 통로의 개수를 줄이기 위해서라도 본 실시예와 같이 오일공급유로(50a)와 제2 배압실(S2)을 연통시키고, 제2 배압실(S2)을 중간압실(V)에 연통시키는 것이 바람직할 수 있다.

이를 위해, 제1 급유통로(371)는 제2 경판부(331)의 하면에서 두께방향으로 중간까지 형성되는 제1 선회통로부(371a)가 형성되고, 제1 선회통로부(371a)에서 제2 경판부(331)의 외주면을 향해 제2 선회통로부(371b)가 형성되며, 제2 선회통로부(371b)에서 제2 경판부(331)의 상면을 향해 관통되는 제3 선회통로부(371c)가 형성된다.

그리고, 제1 선회통로부(371a)는 제1 배압실(S1)에 속하는 위치에 형성되고, 제3 선회통로부(371c)는 제2 배압실(S2)에 속하는 위치에 형성된다. 그리고 제2 선회통로부(371b)에는 그 제1 급유통로(371)를 통해 제1 배압실(S1)에서 제2 배압실(S2)로 이동하는 오일의 압력을 낮출 수 있도록 감압봉(375)이 삽입된다. 이로써, 감압봉(375)을 제외한 제2 선회통로부(371b)의 단면적은 제1 선회통로부(371a) 또는 제3 선회통로부(371c)제2 선회통로부(371b)작게 형성된다.

여기서, 제3 선회통로부(371c)의 단부가 올담링(35)의 안쪽, 즉 올담링(35)과 실링부재(36)의 사이에 위치하도록 형성되는 경우에는 그 제1 급유통로(371)를 통해 이동하는 오일이 올담링(35)에 막혀 제2 배압실(S2)로 원활하게 이동하지 못하게 된다. 따라서, 이 경우에는 제3 선회통로부(371c)의 단부에서 제2 경판부(331)의 외주면을 향해 제4 선회통로부(371d)가 형성될 수 있다. 제4 선회통로부(371d)는 도 4와 같이 제2 경판부(331)의 상면에 홈으로 형성될 수도 있고, 제2 경판부(331)의 내부에 구멍으로 형성될 수도 있다.

제2 급유통로(372)는 제2 측벽부(322)의 상면에서 두께방향으로 제1 고정통로부(372a)가 형성되고, 제1 고정통로부(372a)에서 반경방향으로 제2 고정통로부(372b)가 형성되며, 제2 고정통로부(372b)에서 중간압실(V)로 연통되는 제3 고정통로부(372c)가 형성된다.

도면중 미설명 부호인 70은 어큐뮬레이터이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 하부 압축식 스크롤 압축기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 전동부(20)에 전원이 인가되면, 회전자(21)와 회전축(50)에 회전력이 발생되어 회전하고, 회전축(50)이 회전함에 따라 그 회전축(50)에 편심 결합된 선회스크롤(33)이 올담링(35)에 의해 선회운동을 하게 된다.

그러면, 케이싱(10)의 외부에서 냉매 흡입관(15)을 통하여 공급되는 냉매는 압축실(V)로 유입되고, 이 냉매는 선회스크롤(33)의 선회운동에 의해 압축실(V)의 체적이 감소함에 따라 압축되어 토출구(325a)(325b)를 통해 토출커버(34)의 내부공간으로 토출된다.

그러면, 토출커버(34)의 내부공간으로 토출된 냉매는 그 토출커버(34)의 내부공간을 순환하며 소음이 감소된 후 프레임(31)과 고정자(21) 사이의 공간으로 이동하고, 이 냉매는 고정자(21)와 회전자(22) 사이의 간격을 통해 전동부(20)의 상측공간으로 이동하게 된다.

그러면, 전동부(20)의 상측공간에서 냉매로부터 오일이 분리된 후 냉매는 냉매 토출관(16)을 통해 케이싱(10)의 외부로 배출되는 반면, 오일은 케이싱(10)의 내주면과 고정자(21) 사이의 유로 및 케이싱(10)의 내주면과 압축부(30)의 외주면 사이의 유로를 통해 케이싱(10)의 저유공간인 하측공간(10c)으로 회수되는 일련의 과정을 반복한다.

이때, 하측공간(10c)의 오일은 회전축(50)의 오일공급유로(50a)를 통해 흡상되고, 이 오일은 각각의 급유구멍(511)(521)(531)과 급유홈(512)(522)(532)을 통해 제1 베어링부(51)와 제2 베어링부(52), 그리고 편심부(53)를 각각 윤활하게 된다.

이 중에서 제1 급유구멍(511)과 제1 급유홈(512)을 통해 제1 베어링부(51)를 윤활한 오일은 제1 베어링부(51)와 편심부(53) 사이의 제1 연결홈(541)으로 모이고, 이 오일은 제1 배압실(S1)로 유입된다. 이 오일은 거의 토출압을 형성하게 되어 제1 배압실(S1)의 압력도 거의 토출압을 형성하게 된다. 따라서, 제2 스크롤(33)의 중심부측은 토출압에 의해 축방향으로 지지할 수 있게 된다.

한편, 제1 배압실(S1)의 오일은 제2 배압실(S2)과의 압력차이에 의해 제1 급유통로(371)를 거쳐 제2 배압실(S2)로 이동을 하게 된다. 이때, 제1 급유통로(371)를 이루는 제2 선회통로부(371b)에는 감압봉(375)이 구비되어, 제2 배압실(S2)로 향하는 오일의 압력이 중간압으로 감압된다.

그리고, 제2 배압실(중간압 공간)(S2)로 이동하는 오일은 제2 스크롤(33)의 가장자리부를 지지하는 동시에 중간압실(V)과의 압력차이에 따라 제2 급유통로(372)를 통해 중간압실(V)로 이동하게 된다. 하지만, 압축기의 운전중에서 중간압실(V)의 압력이 제2 배압실(S2)의 압력보다 높아지게 되면 제2 급유통로(372)를 통해 중간압실(V)에서 냉매가 제2 배압실(S2)쪽으로 이동하게 된다. 다시 말해, 제2 급유통로(372)는 제2 배압실(S2)의 압력과 중간압실(V)의 압력 차이에 따라 냉매와 오일이 교차 이동하는 통로 역할을 한다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 제2 스크롤의 배면, 즉 제2 스크롤의 상면에는 제2 스크롤이 압축실의 압력에 의해 밀려 제1 스크롤로부터 멀어지는 것을 방지하도록 배압실이 형성된다.

즉, 배압실은 프레임의 하면과 제2 스크롤의 상면에 실링부재가 구비되어, 제2 스크롤과 프레임 사이에 제1 배압실이, 제2 스크롤과 프레임 그리고 제1 스크롤 사이에 제2 배압실이 각각 형성된다.

따라서, 실링부재는 프레임과 제2 스크롤 사이의 실링력이 우수하며 제2 스크롤의 선회운동에 의한 마찰을 고려하여 내마모성이 우수한 것이 바람직하다. 아울러, 실링부재는 제2 스크롤에 구비되는 실링부재 삽입홈에 삽입된 상태에서 압력에 의해 부상하면서 축방향을 실링하게 되므로 낮은 압력에도 신속하게 부상할 수 있는 재질과 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 제2 스크롤의 중앙부인 제1 배압실은 토출압을, 가장자리부인 제2 배압실은 중간압을 형성함에 따라, 선회스크롤인 제2 스크롤의 중심부에서의 배압력이 가장자리부에서의 배압력보다 높은 압력을 발생하게 된다. 그러면서, 제2 스크롤은 중심부가 가장자리부보다 제1 스크롤 방향으로 더 많이 눌리게 되고, 이에 따라 제1 스크롤의 중심부에 위치한 제1 랩의 토출단은 제2 경판부에 과도하게 밀착된다. 이와 동시에, 제1 랩의 중심부는 토출단을 형성하게 되어 토출압을 받게 되고, 이 토출압에 의해 제1 랩의 토출단은 가장자리 방향으로 강한 가스력을 받게 된다.

이에 따라, 제1 랩의 토출단은 제2 스크롤의 중심부가 제1 배압실의 높은 배압력에 의해 축방향으로 누르는 힘을 받는 동시에 토출압의 가스력에 의해 반경방향으로 미는 힘을 받게 받게 되어, 결국 제1 랩의 토출단은 랩의 뿌리에서 랩의 선단면쪽, 즉 랩의 높이방향으로 갈수록 바깥쪽을 향해 휘어질 수 있다.

이러한 현상은 본 실시예와 같이 고정스크롤인 제1 스크롤의 중심부에 회전축이 관통되는 제2 축수구멍이 형성되는 경우 심하게 발생할 수 있다. 즉, 제1 스크롤의 중심에 제2 축수구멍이 형성되면 그 제2 축수구멍으로 인해 고정랩인 제1 랩의 토출단이 제1 스크롤의 중심까지 연장되어 형성되지 못하게 되고, 이로 인해 제1 랩의 토출단이 스크롤의 중심으로부터 멀리 위치하게 되어 그만큼 토출단에서의 랩 강성이 저하되면서 랩 변형이 증가하기 때문이다.

그리고 이러한 현상은 본 실시예와 같이 제1 랩과 제2 랩을 비정형성 형상으로 변경하여 압축비를 높인 경우에 더욱 심하게 발생할 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 제1 랩의 토출단에 돌기부가 형성되어 랩 지지력이 일정정도 향상되고 있으나, 압축비의 증가만큼 랩 지지력이 증가하지 못하여 제1 랩의 토출단에서의 랩 변형으로 인한 마찰손실이나 마모, 또는 랩 파단이 우려될 수 있다. 도 5는 이를 설명하기 위해 제1 랩의 토출단 주변에서의 변형량을 부위별로 해석하여 보인 모식도이고, 도 6은 도 5에서 변형량이 가장 큰 부위에서의 랩 형상을 정면에서 보인 개략도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1 랩(323)의 경우 토출단(323a)에서의 변형량이 대략 0.018mm ~ 0.02mm 정도로 가장 크고, 토출단(323a)에서 흡입단 방향으로 갈수록 변형량은 점점 감소하는 것을 볼 수 있다. 그리고, 제1 랩(323)의 토출단(323a) 주변을 포함하는 제1 경판부(321)의 변형량은 대략 -0.003mm ~ -0.005mm 정도인 것을 볼 수 있다. 이는 제1 경판부(321)가 제1 랩(323)이 변형되는 반대방향으로 힘을 받아 미세하게 변형되는 것으로 볼 수 있다.

이에 따라, 도 6과 같이, 토출단(323a) 주변의 선단면이 가스력을 받아 도면의 우측, 즉 중심부에서 가장자리부를 향해 휘어지게 되고, 그러면서 토출단(323a)의 내측 모서리(323a1)가 최고점을 이루면서 제2 경판부(331)의 하면에 대면하게 된다.

이와 동시에, 제2 스크롤이 배압력을 받아 도면의 하측방향으로 눌려 이동하게 된다. 하지만, 제1 랩(323)의 토출단(323a)이 바깥쪽으로 휘어져 변형됨에 따라, 제1 경판부(321)의 상면(321b)과 제2 랩(332)의 선단면(332c)이 배압력에 의해 채 접촉하기 전에 제1 랩(323)의 토출단(323a)과 제2 경판부(331)의 하면(331b)이 먼저 접촉하게 된다. 즉, 제1 경판부(321)의 상면과 제2 랩(332)의 선단면(332c) 사이의 간격(t1)이 제1 랩(323)의 토출단(323a)과 제2 경판부(331)의 하면(331b) 사이의 간격(t2)보다 크게 된다. 따라서, 배압력에 의해 제1 랩(323)의 선단면(323c)과 제2 경판부(331)의 하면(331b) 사이의 간격(t2)이 제거되는 과정에서 제1 경판부(321)의 상면(321b)과 제2 랩(332)의 선단면(332c) 사이에서는 앞서 설명한 마찰손실 또는 마모가 발생할 수 있고, 제1 랩의 토출단 부근이 파단될 수 있다.

이를 감안하여, 본 실시예에서는 토출단 부근에서의 랩 강성을 최적화하여, 랩이 배압력에 의해 발생되는 축방향 힘과 가스력에 의해 발생되는 반경방향 힘을 받더라도 그로 인한 랩 변형을 최소화할 수 있고, 이를 통해 랩과 경판부 사이에서의 마찰손실이나 마모, 또는 랩 파손을 억제할 수 있다.

본 실시예에 따른 제1 랩은 그 토출단 부근에서의 랩 강성이 다음과 같이 정의되는 강성계수의 범위가 최적의 한계선 범위를 만족하도록 형성됨에 따라 구현될 수 있다.

즉, 도 7을 참조하면, 제1 랩에 대한 토출단 부근(이하, 랩 중심부)에서의 강성계수(A)는 랩 중심부 구간의 평균 높이(h)를 랩 중심부 구간의 평균 두께(t)로 나눈 제1 값을 구하고, 그 제1 값에 랩 중심부 구간에 대한 회전축의 중심(즉, 제2 축수구멍의 중심)에서 제1 랩의 중심선 사이의 거리인 평균 곡률반경(R)을 곱한 제2 값을 구하며, 그 제2 값의 역수로 강성계수가 정의될 수 있다. 여기서, 제1 랩(323)의 높이는 흡입단에서 토출단으로 갈수록 랩의 높이가 점차 낮아지도록 형성되므로, 랩 중심부 구간에서의 랩 높이는 랩의 진행방향을 따라 다르게 형성된다. 따라서, 이상적으로는 해당 구간(랩 중심부 구간)에서의 랩 높이를 정확하게 산출하기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 랩 평균 높이를 구하여 대입하여야 바람직하다. 하지만, 랩 높이 차이가 극히 작기 때문에 이를 무시하고 랩 높이로 일반화하여 대입할 수도 있다. 그리고 이는 랩의 곡률반경 역시 같은 이유로 랩 곡률반경으로 일반화하여 대입할 수 있다. 참고로, 랩의 곡률반경은 대략 10~20mm 정도가 된다.

즉, 이를 식(1)으로 표현하면,

A = 1/((h/t)×R) ----------- 식(1)

과 같다. 여기에, 임의의 값 1000mm를 곱할 수 있다.

다만, 랩의 높이와 두께는 앞서 설명한 바와 같이 일정 구간의 평균 랩 높이와 평균 랩 두께, 그리고 평균 평균 곡률반경으로 정의할 수 있지만, 경우에 따라서는 랩의 진행방향을 기준으로 어떤 특정지점에서의 랩 높이와 랩 두께, 그리고 랩 곡률반경으로 정의할 수도 있다. 하지만, 일반적으로는 일정 구간을 기준으로 각 요소들을 정의하는 것이 가공 측면에서 유리할 수 있다.

예를 들어, 본 실시예의 경우 가장 큰 랩 변형량을 보이는 구간이 0 ~ 60°(여기서, 0°는 토출단)라고 한다면, 해당 구간인 0 ~ 60°사이, 더 정확하게는 0 ~ 45°사이의 랩 평균 높이와 랩 평균 두께를 이용하여 강성계수를 산출할 수도 있다.

여기서, 해당 구간에서의 강성계수(A)에 대한 제한 범위는 대략 0.005 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 위의 식(1)을 참고하여 강성계수를 구하게 되면, (h/t)는 대략 10을 넘지 않는다. 통상 랩 평균 높이를 랩 평균 두께로 나눈 값이 10 이상이 되면 랩 두께에 비해 랩 높이가 너무 높아 랩 강성이 매우 취약하게 되면서 랩 파단이 발생하게 된다. 따라서, (h/t)는 10 이하가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 최하값은 랩 두께가 랩 높이에 비해 크면 클수록 강성이 증가되므로 굳이 한정할 필요는 없다.

또, 랩 평균 곡률반경은 대략 10~20mm 정도가 된다. 랩 곡률반경은 가급적 작을 수록 랩 강성이 증가하게 되므로, 이 경우에도 굳이 랩 곡률반경이 작은 경우에 대해서는 한정할 필요가 없다. 따라서, 랩 평균 곡률반경을 20mm로 하여, 위 식(1)에 대입하면 강성계수(A) = 1/((10)×20)이 된다. 따라서, 강성계수는 0.005mm가 되고, 여기에 임의의 값 1000mm를 곱하면 강성계수는 5가 된다. 이는, 최소 강성계수 값에 해당하므로 랩의 토출단에 대한 강성계수의 제한 범위는 5 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 이러한 강성계수 제한범위를 기초로 하여 적정한 토출단의 랩 형상을 결정할 수 있다. 도 8은 제1 랩에 대한 다양한 규격과 운전속도에 따른 랩 변형량을 해석한 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 모델①의 경우는 랩 변형량이 20㎛, 모델②의 경우는 랩 변형량이 31㎛, 모델③의 경우는 랩 변형량이 79㎛, 모델④의 경우는 랩 변형량이 60㎛, 그리고 모델⑤의 경우는 랩 변형량이 67㎛ 정도가 되는 것을 볼 수 있다.

이들 모델 중에서 상대적으로 랩 변형량이 큰 모델③과 모델⑤에서는 랩의 토출단 부근이 파단되는 반면, 나머지 모델①, ②, ④에서는 랩의 토출단 부근이 파손되지 않고 유지되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 모델③과 모델⑤를 연결하는 선을 한계선이라고 정의하고, 그 한계선을 기준으로 랩 변형량이 우측에 속하도록 하는 랩 강성을 한정할 수 있다.

여기서, 한계선은 도 8을 참조할 때, 한계선의 기울기는 대략 0.0001~0.0003의 범위, 옵셋량은 7.0000 ~ 8.0000의 범위일 수 있다. 이에 따라, 강성계수는 적어도 [(0.0001~0.0003)×가스력에 의한 랩 하중(N)+(7.000 ~ 8.0000)]보다는 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 더 정확하게는 강성계수는 [0.0002×가스력에 의한 랩 하중(N)+7.5202] 보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서는 제1 랩의 토출단 부근에 대한 랩 강성을 최적화하기 위한 강성계수의 제한범위를 살펴보았으나, 이는 제1 랩(또는 제2 랩)의 다른 구간에도 적용될 수 있다. 다만, 제1 랩(또는 제2 랩)의 다른 구간에서는 그에 따른 한계선이 다르게 해석될 수 있으므로, 그 구간에서의 강성계수 제한범위는 새로이 산출되는 한계선 제한범위에 따라 정의될 수 있다.

상기와 같이, 제1 랩(또는 제2 랩)의 토출단에 인접한 부분의 랩 강성을 최적화하여 형성함으로써, 도 9와 같이 상대적으로 높은 배압력과 가스력(및 원심력)을 받는 중심부측 토출단의 랩 변형을 종래(점선 표시)에 비해 최소화할 수 있고, 이를 통해 제1 랩(323)이 마주보는 제2 스크롤(33)의 제2 경판부(331)를 향해 과도하게 밀착되는 것을 방지하여 제1 랩(323)과 제2 경판부(331)(또는 제2 랩과 제1 경판부) 사이에서의 마찰손실이나 마모를 줄여 압축기 효율을 높일 수 있다.

또, 제1 랩(323)(또는 제2 랩)의 토출단에 인접한 부분의 랩 강성을 최적화하여 형성함으로써, 제1 랩(323)(또는 제2 랩)의 중심부측 토출단이 바깥쪽을 향해 반경방향으로 휘어져 변형되는 것을 억제할 수 있고, 이를 통해 압축실(V1)(V2) 간의 누설을 억제하여 압축기 효율을 높이는 동시에 랩의 토출단이 파단되는 것을 억제하여 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 제1 스크롤(32)의 중심부를 회전축(50)이 관통하여 제1 랩(323)의 토출단이 제1 스크롤(32)의 중심에서 멀리 위치하는 경우에도 토출단에 인접한 부분에서의 랩 강성을 최적화함으로써, 제1 랩(323)(또는 제2 랩)과 이에 대응하는 제2 경판부(331) 사이의 마찰이나 마모 또는 고정랩의 변형이나 파단을 방지하여 압축기의 효올과 신뢰성을 높일 수 있다.

10 : 케이싱 20 : 전동부
30 : 압축부 31 : 프레임
32 : 제1 스크롤 323 : 제1 랩
323a : 토출단 33 : 제2 스크롤
332 : 제2 랩 40 : 유로 분리유닛
50 : 회전축 50a : 오일공급유로
51 : 제1 베어링부 52 : 제2 베어링부
53 : 편심부 60 : 오일피더
70 : 어큐뮬레이터 S1 : 제1 배압실
S2 : 제2 배압실 V : 압축실

Claims (14)

1. 중심부에는 토출단을, 가장자리부에는 흡입단을 각각 가지며, 상기 토출단에서 흡입단까지 복수 개의 곡선이 연결되어 형성되는 제1 랩; 및
   중심부에는 토출단을, 가장자리부에는 흡입단을 각각 가지며, 상기 토출단에서 흡입단까지 복수 개의 곡선이 연결되어 형성되고, 상기 토출단에는 회전축이 상기 제1 랩과 중첩되어 결합되도록 회전축 결합부가 형성되며, 상기 제1 랩에 맞물려 상기 제1 랩에 대해 선회운동을 하면서 그 제1 랩과 함께 중심부를 향해 이동하는 압축실을 형성하는 제2 랩;을 포함하고,
   상기 제1 랩과 제2 랩 중에서 적어도 어느 한쪽 랩의 특정 구간은 그 특정 구간에서의 랩 평균높이를 랩 평균두께로 나눠 제1 값을 구하고, 상기 제1 값에 상기 랩의 평균 곡률반경을 곱하여 제2 값을 구하며, 그 제2 값에 대한 역수로 정의되는 강성계수를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 강성계수의 제한범위가 [(0.0001~0.0003)×랩 하중(N)+(7.0000 ~ 8.0000)]으로 정의되는 한계선 제한범위 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 한계선 제한범위는 [0.0002×랩 하중(N)+7.5202]으로 정의되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
4. 제2항에 있어서,
   상기 회전축의 회전각을 기준으로 상기 제1 랩의 중심부측을 토출단이라고 하고, 그 토출단을 0°라고 할 때,
   상기 특정 구간은 상기 회전축의 회전각을 기준으로 0 ~ 45°범위인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전축 결합부의 일측에는 원호압축면이 형성되고,
   상기 원호압축면과 상기 회전축 결합부의 외측면 사이의 구간에는 상기 제2 랩의 두께가 감소하는 오목부가 형성되며, 상기 제1 랩의 토출단 부근의 구간에는 상기 제2 랩의 오목부와 맞물리도록 돌기부가 형성되고,
   상기 돌기부가 형성되는 구간의 적어도 일부는 상기 강성계수의 범위를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
6. 중심부에 회전축이 관통되는 축수구멍이 형성되고 상기 축수구멍의 주변에 토출구가 형성되는 제1 경판부, 상기 제1 경판부의 일측면에 돌출 형성되는 제1 랩을 포함하는 제1 스크롤; 및
   중심부에 상기 제1 스크롤의 축수구멍을 관통하는 회전축이 편심지게 결합되도록 회전축 결합부가 형성되는 제2 경판부, 상기 제2 경판부의 일측면에 돌출 형성되며 상기 제1 랩에 맞물려 함께 압축실을 형성하는 제2 랩을 포함하는 제2 스크롤;을 포함하고,
   상기 제1 랩은 랩 높이를 랩 두께로 나누고, 그 값에 상기 제1 랩의 곡률반경을 곱한 역수로 정의되는 강성계수의 제한범위가 0.005mm 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 강성계수 제한범위는 상기 제1 랩에서 랩의 진행방향을 따라 임의의 두 지점 사이의 구간에 대해 정의되며,
   상기 랩 높이, 랩 두께, 랩 곡률반경은 해당 구간의 평균 랩 높이, 평균 랩 두께, 평균 랩 곡률반경으로 정의되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
8. 제6항에 있어서,
   상기 강성계수 제한범위는 상기 제1 랩에서 어느 한 지점에 대해 정의되며,
   상기 랩 높이, 랩 두께, 랩 곡률반경은 해당 지점의 랩 높이, 랩 두께, 랩 곡률반경으로 정의되는 것을 특징으로는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   상기 제1 랩에서 상기 토출구에 인접한 쪽의 단부에서 어느 한 지점까지의 구간 또는 상기 구간의 어느 한 지점에서는 상기 강성계수의 제한범위가 [(0.0001~0.0003)×랩 하중(N)+(7.0000 ~ 8.0000)]으로 정의되는 한계선 제한범위 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
10. 내부공간에 오일이 저장되는 케이싱;
    상기 케이싱의 내부공간에 구비되는 구동모터;
    상기 구동모터에 결합되는 회전축;
    상기 구동모터의 하측에 구비되는 프레임;
    상기 프레임의 하측에 구비되고 일측면에 제1 랩이 형성되며, 중심부에 상기 회전축이 관통되는 축수구멍이 형성되고, 상기 축수구멍의 주변에 토출구가 형성되는 제1 스크롤; 및
    상기 제1 랩과 맞물리는 제2 랩이 형성되고, 상기 회전축이 상기 제2 랩과 반경방향으로 중첩되도록 편심 결합되며, 상기 제1 스크롤에 대해 선회운동을 하면서 그 제1 스크롤과의 사이에 압축실을 형성하는 제2 스크롤;
    상기 프레임과 제2 스크롤 사이에 구비되어 그 프레임과 제2 스크롤 사이의 간격을 중심부측인 내측 간격과 가장자리측인 외측 간격으로 분리하며, 상기 회전축을 통해 흡상되는 오일이 상기 내측 간격으로 유입되어 배압실을 형성하도록 하는 실링부재;를 포함하고,
    상기 제1 랩은 상기 토출구에 인접한 쪽의 단부에서 제1 지점까지는 평균 랩 높이를 평균 랩 두께으로 나누고, 이 값에 평균 랩 곡률반경을 곱한 값의 역수에 임의의 값 1000mm를 곱해서 정의되는 강성계수 제한범위가 5 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 강성계수의 제한범위가 [(0.0001~0.0003)×랩 하중(N)+(7.0000 ~ 8.0000)]으로 정의되는 한계선 제한범위 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 한계선 제한범위는 [0.0002×랩 하중(N)+7.5202]으로 정의되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
13. 제10항에 있어서,
    상기 회전축의 회전각을 기준으로 상기 제1 랩의 중심부측을 토출단이라고 하고, 그 토출단을 0°라고 할 때,
    상기 제1 지점은 상기 회전축의 회전각을 기준으로 0 ~ 60°범위 이내의 어느 한 지점인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
14. 제10항에 있어서,
    상기 회전축 결합부의 일측에는 원호압축면이 형성되고,
    상기 원호압축면과 상기 회전축 결합부의 외측면 사이의 구간에는 상기 제2 랩의 두께가 감소하는 오목부가 형성되며, 상기 제1 랩의 토출단 부근의 구간에는 상기 제2 랩의 오목부와 맞물리도록 돌기부가 형성되고,
    상기 돌기부가 형성되는 구간의 적어도 일부는 상기 강성계수의 제한범위를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
    

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