KR20190135375A - 토출 구조를 개선한 스크롤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로 토출 초기의 토출 면적을 충분히 확보할 수 있도록 함으로써 토출 저항을 감소시킬 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 압축기는 고정경판부와 고정랩을 구비하는 고정스크롤과, 선회경판부와 선회랩을 구비하는 선회스크롤을 포함하며, 고정경판부에 토출구가 형성되고, 선회랩의 측면과 바닥면을 연결하는 보조토출유로를 구비하되, 상기 보조토출유로가 상기 토출구와 연통되도록 함으로써 보조토출유로를 통하여 압축된 냉매가 토출될 수 있는 구조를 제공한다.

Description

토출 구조를 개선한 스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR HAVING ENHANCED DISCHARGE STRUCTURE}
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축실에서 압축된 냉매가 토출되는 토출 구조를 개선한 스크롤 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 기계적 에너지를 압축성 유체의 압축에너지로 변환시키는 장치이다. 압축기는 유체를 압축하는 방식에 따라 왕복동 압축기, 로터리 압축기, 베인 압축기, 스크롤 압축기로 구분할 수 있다.
스크롤 압축기는 고정랩을 구비하는 고정스크롤 및 고정랩과 맞물리는 선회랩을 구비하는 선회스크롤을 포함한다. 스크롤 압축기는 선회스크롤이 고정스크롤 상에서 선회운동을 한다.
스크롤 압축기는 선회스크롤이 선회운동을 함에 따라 고정랩과 선회랩 사이에 압축실이 형성된다. 고정랩과 선회랩 사이에 형성된 압축실은 연속적으로 부피 변화를 하며 냉매의 흡입 및 압축을 수행한다.
스크롤 압축기는 다른 종류의 압축기에 비하여 상대적으로 높은 압축비를 얻을 수 있는 장점을 가진다. 또한 스크롤 압축기는 냉매의 흡입, 압축, 토출 행정이 부드럽게 이어져 안정적인 토크를 얻을 수 있는 장점을 가진다.
스크롤 압축기의 특성은 고정랩 및 선회랩의 형상에 의해 결정된다. 고정랩과 선회랩은 임의의 형상을 가질 수 있지만 통상적으로 가공이 용이한 인볼류트 곡선(Involute Curve)의 형태를 가지고 있다.
선회스크롤은 통상적으로 원판 형태로 선회경판이 형성되고, 상기 선회경판의 일측면에 선회랩이 형성된다.
대한민국 등록특허 10-1059880호 '스크롤 압축기'는 회전축의 편심부와 선회스크롤이 결합되는 지점이 선회랩과 동일 평면(회전축 상에서 중첩되는 위치)에 형성되는 형태의 스크롤 압축기를 개시하고 있다.
이러한 구조의 스크롤 압축기는 냉매의 반발력이 작용하는 작용점과 그 반발력에 대한 반력의 작용점이 동일한 높이에서 상호 반대방향으로 작용하게 되므로 선회스크롤이 기울어지는 문제를 해소할 수 있었다.
한편, 스크롤 압축기는 각 압축실에서 압축된 냉매를 토출시키는 토출구를 구비한다. 압축실에서 압축된 냉매는 토출구를 통하여 토출되는데, 토출 초기에는 토출구가 선회랩에 가려져 토출구의 토출면적을 확보하기 어려운 문제점을 가지고 있었다. 토출면적이 충분히 확보되지 못하면, 토출저항이 커져서 원활한 토출이 이루어지지 못하게 된다.
그러나 토출면적을 확대하기 위하여 토출구를 크게 가공하면 압축실이 토출구와 연통이 개시되는 크랭크각이 앞당겨지게 된다. 토출구와 압축실이 연통되는 크랭크각이 앞당겨지면 압축비 저하가 발생한다. 따라서 압축비를 유지하기 위해서는 토출구의 크기를 확대할 수 없는 한계를 가지고 있었다.
대한민국 등록특허 10-1059880호 (공고일자 2011년 8월 29일)
본 발명의 목적은 스크롤 압축기의 토출 초기에 토출면적을 충분히 확보할 수 있는 구조를 제공함으로써 토출 초기의 토출 저항을 감소시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스크롤 압축기의 압축비를 유지하면서 토출면적을 확보할 수 있도록 하는 보조토출유로 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 스크롤 압축기에 있어서 선회스크롤이 고정스크롤에 소착(seizure)되는 문제를 저감하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 압축기는 토출 초기에 토출면적을 충분히 확보할 수 있도록 하는 보조토출유로를 구비한다. 본 발명에 따른 압축기는 고정경판부와 고정랩을 구비하는 고정스크롤과, 선회경판부와 선회랩을 구비하는 선회스크롤을 포함하며, 고정경판부에 토출구가 형성되고, 선회랩의 측면과 바닥면을 연결하는 보조토출유로를 구비하되, 상기 보조토출유로가 상기 토출구와 연통되도록 함으로써 보조토출유로를 통하여 압축된 냉매가 토출될 수 있는 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 압축기는 압축비를 유지하면서 토출면적을 확보할 수 있도록 하는 보조토출유로의 구조를 제공한다. 이를 위하여 상기 보조토출유로는 선회랩의 측면에 형성되는 입구가 토출개시 시점에서 압축실을 형성하는 선회랩의 측면 영역의 내부에 배치되는 구조를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 압축기는 선회스크롤이 고정스크롤에 소착되는 것을 방지할 수 있는 구조를 제공한다. 이를 위하여 본 발명에 따른 압축기는 고정경판부와 마찰되는 선회랩의 저면에 보조토출유로가 오목홈 형상으로 형성된 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 압축기는 선회랩의 중심부분에 보조토출유로를 구비함으로써 압축된 냉매가 보조토출유로를 통하여 토출될 수 있는 구조를 제공한다. 이러한 구조는 압축된 냉매가 토출될 수 있는 면적을 확대함으로써 토출손실을 저감하는 효과를 가져온다.
본 발명에 따른 압축기는 선회랩의 측면에서 저면으로 연결되는 보조토출유로를 구비하되 측면에 형성되는 보조토출유로의 입구가 토출개시 시점의 압축실 영역 내부에 위치하도록 함으로써 압축비에 변화없이 토출면적을 확대할 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 압축기는 보조토출유로가 선회랩의 저면에 형성됨으로써, 보조토출유로를 통과하는 냉매에 의하여 고정경판부를 냉각시키는 효과를 가져온다. 보조토출유로는 소착이 발생하는 선회랩 저면의 단면적을 감소시켜 마찰면적을 감소시키는 효과를 가져온다. 이를 통하여 선회랩의 저면이 고정경판부에 소착되는 문제를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 전체 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압축기의 압축부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 압축부의 일부 절개 분리 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 선회스크롤과 고정스크롤을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 선회스크롤을 나타낸 일부 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 선회스크롤을 나타낸 일부 절개 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 압축기의 토출개시 시점에서 토출구와 보조토출구의 위치를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 토출개시 시점에서 크랭크각이 10°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 9는 도 7의 토출개시 시점에서 크랭크각이 20°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 10은 도 7의 토출개시 시점에서 크랭크각이 30°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 11은 도 7의 토출개시 시점에서 크랭크각이 40°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 12는 보조토출유로가 구비되지 않은 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 토출 입구의 개방면적의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 보조토출유로가 구비되지 않은 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 냉매의 유속의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 보조토출유로가 구비된 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 토출 입구의 개방면적의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 보조토출유로가 구비된 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 냉매의 유속의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 도출할 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 전체 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스크롤 압축기는 밀폐된 내부 공간을 형성하는 케이싱(110)과, 상기 내부 공간의 상부에 배치되는 구동모터(120)와, 상기 구동모터의 회전력을 전달받아 냉매의 흡입과 압축을 수행하는 압축부(C)를 포함한다.
케이싱(110)은 원통형상의 원통 쉘(111)과, 원통 쉘(111)의 상부에 결합되는 상부 쉘(112)과, 원통 쉘(111)의 하부에 결합되는 하부 쉘(113)을 포함한다.
케이싱(110)에는 냉매 흡입관(116)과 냉매 토출관(118)이 결합된다. 냉매는 냉매 흡입관(116)을 통하여 압축기(100)의 내부로 냉매가 흡입된다. 흡입된 냉매는 압축부(C)에서 압축된 후 냉매 토출관(118)을 통하여 압축기(100)에서 배출된다.
도시된 바와 같이, 냉매 흡입관(116)은 원통 쉘(111)을 관통하여 압축부(C)로 직접 연결될 수 있다. 냉매 토출관(118)은 상부 쉘(112)을 관통하는 형태로 압축기(100)에 구비될 수 있다.
구동모터(120)는 고정자(122)와 회전자(124)와 회전축(126)을 포함한다. 회전축(126)은 회전자와 일체로 결합된다. 또한 회전축(126)은 압축부를 관통하도록 배치된다. 회전축은 구동모터의 회전동력을 압축부로 전달하는 역할을 수행한다.
압축부(C)는 메인프레임(130)과 고정스크롤(140)과 선회스크롤(150)과 올담링(160)과 토출커버(170)를 포함한다.
메인프레임(130)은 압축부(C)의 상부를 형성한다. 메인프레임(130)의 외주면은 케이싱의 내주면에 결합된다. 메인프레임(130)은 통과되는 회전축(126)을 지지하는 역할을 수행한다. 메인프레임(130)은 회전축(126)과 함께 회전하지 않고 고정된 상태를 유지한다.
고정스크롤(140)은 메인프레임(130)의 하부에 배치된다. 고정스크롤(140)의 외주면은 케이싱(110)의 내주면에 결합된다. 고정스크롤(140)은 통과되는 회전축(126)을 지지하는 역할을 수행한다. 고정스크롤(140)은 회전축(126)과 함께 회전하지 않고 고정된 상태를 유지한다.
고정스크롤(140)은 압축된 냉매가 토출되는 토출구(148)를 구비한다. 토출밸브(149)는 토출구(148)에 배치된다. 토출밸브(149)는 냉매의 압력에 의하여 개방되는 구조를 가진다. 토출밸브(149)는 토출되는 냉매가 일정한 압력에 도달하면 개방되어 압축된 냉매가 압축실에서 토출될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
메인프레임(130)과 고정스크롤(140)의 사이에는 선회스크롤(150)이 배치된다. 선회스크롤(150)은 회전축(126)의 편심부(126c)와 결합된다. 편심부(126c)는 회전축(126)의 회전에 의하여 편심회전된다. 선회스크롤(150)은 편심부(126c)의 편심회전에 의하여 선회운동한다.
편심부(126c)는 선회스크롤(150)에 대하여 회전가능하게 결합된다.
선회스크롤(150)과 메인프레임(130)의 사이에는 올담링(160)이 배치된다. 올담링(160)은 선회스크롤(150)이 자전(roatation)하지 않고 선회운동하도록 하는 역할을 수행한다.
토출커버(170)는 고정스크롤(140)의 하부에 배치된다. 토출커버(170)는 압축실에서 토출되는 냉매와 오일을 분리하는 역할을 수행한다. 압축기의 내부에는 오일이 순환한다. 오일은 압축실의 기밀을 향상하는 역할과, 마찰부분들을 윤활하는 역할과, 마찰부분들에서 발생하는 열을 냉각하는 역할을 수행한다. 오일은 냉매와 혼합된 상태로 냉매와 함께 이동하거나, 냉매와 분리되어 저장된다.
오일은 케이싱(110) 하부에 저장된다. 오일은 케이싱 내부 공간 중 토출커버(170)의 하부 공간에 저장된다.
저장된 오일은 회전축(126)의 내부로 흡입되고 상승한 후, 필요 부위로 공급된다.
도 2는 본 발명에 따른 압축기의 압축부를 확대하여 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 압축부의 일부 절개 분리 사시도이다.
상술한 바와 같이, 압축부는 메인프레임(130), 고정스크롤(140), 선회스크롤(150), 올담링(160) 및 토출커버(170)를 포함한다.
고정스크롤(140)은 원판 형상을 가지는 고정경판부(142)와 고정경판부(142)에서 돌출 형성된 고정랩(144)을 포함한다. 토출구(148)는 고정경판부(142)를 관통하도록 형성된다.
토출구(148)가 압축실과 연결되는 부분을 토출입구라 할 수 있다. 토출구(148)가 토출커버(170)의 내부로 연결되는 부분을 토출출구라 할 수 있다. 토출밸브(149)는 토출출구에 배치된다.
선회스크롤(150)은 원판 형상을 가지는 선회경판부(152)와 선회경판부(152)에서 돌출형성된 선회랩(154)을 포함한다.
선회경판부(152)는 고정경판부(142)와 나란하게 배치된다. 선회랩(154)은 선회경판부(152)의 저면에서 고정경판부(142)를 향하여 돌출 형성된다.
선회랩(154)의 저면(바닥면)은 고정경판부(142)와 밀착된다. 고정랩(144)은 고정경판부(142)의 상면에서 선회경판부(152)를 향하여 돌출 형성된다. 고정랩(144)의 상면은 선회경판부(152)와 밀착된다.
선회랩(154)은 고정랩(144)에 맞물려 밀폐된 공간(이하, 압축실)을 형성한다. 선회랩(154)이 선회운동하면 밀폐된 공간은 회전축 방향으로 나선 궤적을 따라 이동하며 체적이 감소하게 된다.
선회랩과 고정랩의 사이에는 제1압축실과 제2압축실이 형성된다.
제1압축실은 고정랩의 내면과 선회랩의 외면의 사이에 형성된다. 제2압축실은 고정랩의 외면과 선회랩의 내면의 사이에 형성된다. 제1압축실과 제2압축실은 위상차를 가지고 흡입이 완료된 후 토출구 측으로 이동하게 된다. 제1압축실과 제2압축실은 토출구에 근접한 위치에서 하나의 압축실로 합쳐진다.
고정스크롤(140)은 고정경판부(142)에 토출구(148)를 구비한다. 토출구(148)의 토출입구는 선회랩(154)의 선회 운동에 따라 개폐된다. 토출구(148)의 토출출구에는 토출밸브(149)가 구비된다. 토출밸브(149)는 토출되는 냉매의 압력에 의하여 개폐가 조절된다.
토출구(148)를 통하여 토출된 냉매는 토출커버(170) 상부 공간으로 이동한 후, 압축부(C)의 상부로 이동하여 구동모터(120)를 통과한 후, 냉매 토출관(118)을 통하여 압축기(100)의 외부로 배출된다.
도 4는 도 1에 도시된 선회스크롤과 고정스크롤을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이, 고정스크롤(140)의 고정경판부(142)에는 토출구(148a,148b)가 형성된다. 토출구는 도시한 바와 같이 복수개가 형성될 수 있다. 도면에서 우측의 토출구를 제1토출구(148a), 다른 토출구를 제2토출구(148b)라 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 압축실에서 압축된 냉매는 토출구(148a,148b)를 통하여 압축실의 밖으로 토출된다. 그런데 토출구(148a,148b)는 선회랩(154)의 저면에 의하여 개폐가 조절된다. 냉매는 토출구(148a,148b)를 통과할 때 저항을 받게되는데 토출구(148a,148b)의 토출면적(냉매가 이동할 수 있도록 개방된 면적)이 좁으면 유속이 빨라져 토출저항이 증가하게 된다.
선회랩(154)과 고정랩(144) 사이에 형성되는 압축실은 선회스크롤(150)의 선회운동에 따라서 체적이 감소하며 선회스크롤의 중심으로 이동하게 된다.
고정경판부(142)에는 바이패스홀(147)이 형성된다. 바이패스홀(147)은 압축실의 이동 경로 상에 배치된다. 바이패스홀(147)은 과압축된 냉매가 토출되는 통로를 제공한다. 바이패스홀(147)이 압축실과 연결되는 부분을 입구라하고, 그 반대편을 출구할 수 있다.
바이패스홀(147)의 출구에는 바이패스밸브(미도시)가 배치된다. 압축기의 운전 상태에 따라서 압축실의 내부로 액체 상태의 냉매가 혼합되어 흡입될 수 있다. 액체 상태의 냉매가 혼합되면 압축실 내부에서 과압축이 발생할 수 있다.
바이패스홀(147)은 냉매의 과압축이 발생할 경우 이를 토출시키는 통로를 제공한다. 바이패스홀(147)을 통해서 토출된 냉매는 토출구(148a,148b)를 통해서 토출된 냉매와 마찬가지로 토출커버(170)의 내부로 유동한다.
종래의 압축기는 고정스크롤(140)에 형성된 토출구(148a,148b)를 통해서 압축된 냉매가 토출되는 구조를 제공하고 있었다. 이러한 구조는 토출초기에 토출구의 토출면적이 좁아서 토출 손실이 커지는 단점을 가지고 있었다.
본 발명에 따른 압축기는 선회스크롤(150)에 보조토출유로(156)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 보조토출유로(156)는 토출개시 시점에 압축된 냉매가 보조토출유로(156)를 통과하여 토출구(148a 또는 148b)로 토출될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 선회스크롤을 나타낸 일부 절개 사시도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 선회스크롤(150)은 원판 형상을 갖는 선회경판부(152)와, 선회경판부(152)에서 일정 높이 돌출 형성된 선회랩(154)과, 선회랩(154)의 중앙부분에 요입된 홈 형상으로 형성된 보조토출유로(156)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 압축기는 선회스크롤의 중심 부분에 보조토출유로(156)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 저면에서 오목홈 형태로 형성된다. 또한, 보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 측면 일부를 삭제하도록 형성되어 선회랩(154)의 측면에 입구(156a)를 형성한다.
보조토출유로(156)의 입구(156a)는 토출개시 시점에서 압축실을 형성하는 선회랩의 측면 영역의 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 보조토출유로(156)의 입구(156a)를 통하여 압축실 사이에서 냉매가 소통되지 않도록 함으로써 압축 비율을 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다.
다시말해, 보조토출유로(156)의 입구(156a)는 토출개시 이전까지 하나의 단일 압축실의 벽면을 형성하게 되는 것이다. 보조토출유로(156)의 입구(156a)가 두개의 압축실에 걸쳐지게 형성되면 두 개의 압축실 사이에 냉매가 이동하여 압축효율이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기는 선회랩(154)에 형성되는 보조토출유로(156)의 입구(156a)를 토출개시 시점에 압축실을 형성하는 측면 영역의 내부에 배치함으로써, 토출개시 시점의 크랭크각에 변화를 주지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 압축기는 압축비를 저하시키지 않고 토출구의 토출면적을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압축기는 선회랩의 중심부 바닥면(저면)에 보조토출유로가 오목한 홈 형상으로 형성된다. 다시말해 선회랩(154)의 중심부측에 근접한 바닥면의 일부가 삭제되는 것이다.
선회랩 중심부의 바닥면은 고정경판부(도 4 의 142)와 밀착되는 부분이다. 선회랩(154)의 중심부 바닥면은 압축기의 운전시에 고정경판부(142)와 소착될 수 있다. 선회랩(154)의 소착은 윤활이 제대로 이루어지지 못하는 경우 등에 발생할 수 있다. 소착이 발생하게 되면 선회랩(154)이 고정랩(144)에 대하여 선회운동하지 못하고 고착된다.
본 발명에 따른 선회랩은 중심부의 바닥면 일부 영역이 보조토출유로(156)가 되므로, 고정경판부(142)와 소착될 수 있는 부분의 면적을 감소시키는 효과를 가져온다.
또한, 보조토출유로(156)를 통해서 냉매가 이동하게 되고, 이동하는 냉매에 의하여 고정경판부(142)의 표면이 냉각될 수 있으므로 선회랩의 소착을 더욱 방지할 수 있게 된다. 또한, 냉매와 함께 오일도 이동하게 되므로 선회랩의 저면과 고정경판부 사이로 오일을 공급하는 효과도 가져온다.
보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 저면에서 일정 영역이 삭제된 홈 형상을 가진다. 보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 저면과 선회랩(154)의 측면에 걸쳐서 형성된다.
보조토출유로(156)에 의하여 삭제된 선회랩(154)의 측면 구간이 보조토출유로(156)의 입구(156a)가 되고, 보조토출유로(156)에 의하여 삭제된 선회랩(154)의 저면 구간이 보조토출유로(156)의 출구가 된다.
압축실에서 압축된 냉매는 선회랩(154)의 측면에 형성된 보조토출유로(156)의 입구로 유입되어, 선회랩(154)의 저면(바닥면)에 형성된 보조토출유로의 출구를 통과하여 고정스크롤에 형성된 토출구(도 4의 148a 또는 148b)를 통하여 토출된다.
한편, 보조토출유로(156)의 입구(156a)는 토출개시 시점의 압축실 영역의 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 이는 압축기의 압축비율을 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다.
도시한 실시예에서 F1라인과 F2라인은 토출개시 시점에서 선회랩과 고정랩이 맞닿는 선을 나타낸 것이다. 보조토출유로(156)의 입구(156a)는 F1라인과 F2라인 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
보조토출유로(156)의 입구(156a)가 F1라인 또는 F2라인을 벗어나게 형성되면, 압축과정에서 선회랩과 고정랩이 맞닿는 부분에 보조토출유로(156)의 입구를 통과하게 되므로, 이 때 압축실 간에 냉매가 소통(누설)할 수 있게 된다. 토출개시 이전에 압축실 간에 냉매의 누설이 발생하면 압축기의 효율이 저하되거나 압축비가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 보조토출유로(156)의 깊이는 선회랩 높이의 10~30% 범위로 형성되는 것이 바람직하다. 보조토출유로(156)의 깊이가 10% 미만으로 형성될 경우 보조토출유로(156)의 입구(156a)를 통해 추가로 확보되는 토출면적이 작아 토출 저항 감소의 효과과 낮다. 보조토출유로(156)의 깊이가 30%를 초과하면 보조토출유로(156) 자체의 체적이 커져서 보조토출유로(156)의 내부에 체류하는 냉매의 유량이 많아지는 단점을 가진다.
한편 선회랩(154)에 형성된 보조토출유로(156)는 선회랩(154)이 고정스크롤의 고정경판부에 소착(seizure)되는 문제를 감소시키는 효과를 가져온다.
선회랩(154)의 중앙 부분은 고정경판부와 마찰하는 면적이 선회랩의 다른 부분보다 상대적으로 크다. 또한 선회랩(154)의 중앙 부분은 고정경판부에 대하여 이동하는 속도가 상대적으로 작다. 따라서 선회랩(154)의 중앙부분은 선회랩(154)의 다른 부분에 비하여 고정경판부(142)에 소착될 가능성이 높다. 선회랩(154)의 소착은 오일의 부족 또는 과열 등에 의하여 발생할 수 있다.
소착을 방지하기 위해서는 마찰하는 면적을 축소하거나 마찰하는 부분의 온도를 낮추는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 선회랩은 중앙 부분에 보조토출유로(156)를 구비한다. 보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 중앙 부분을 삭제한 형태로 형성되는 것으로 고정경판부와 마찰되는 면적을 축소하는 효과를 가져온다. 또한 보조토출유로(156)를 통하여 냉매가 이동하며 냉매와 접촉하는 고정경판부(142)를 냉각시키는 효과도 가져온다.
따라서, 선회랩(154)에 형성된 보조토출유로(156)는 선회랩(154)과 고정랩(144)의 소착을 저감하는 효과를 가져온다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 선회스크롤을 나타낸 일부 절개 사시도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 선회스크롤의 보조토출유로는 입구유로(158)와 출구유로(159)를 포함한다.
입구유로(158)는 선회랩(154)의 측면에서 선회랩(154)의 내부로 형성된다. 출구유로(159)는 선회랩(154)의 바닥면에서 상기 입구유로(158)와 연통되도록 선회랩(154)의 내부로 형성된다.
제1실시예의 보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 측면과 저면을 연결하는 단일 홈 형상을 가지고 있었으나, 제2실시예의 보조토출유로(158,159)는 선회랩(154)의 측면으로 연결되는 입구유로(158)와 선회랩(154)의 저면으로 연결되는 출구유로(159)가 연결된 구조를 가진다.
입구유로(158)는 선회랩(154)의 측면에서 내부를 향하여 횡방향으로 형성된다. 출구유로(159)는 선회랩(154)의 바닥면에서 상기 입구유로(158)와 연통되도록 종방향으로 형성된다.
압축실에서 압축된 냉매는 입구유로(158)와 출구유로(159)를 경유하여 토출구로 토출될 수 있다.
입구유로(158)의 입구(158a)는 앞서 설명한 제1실시예와 마찬가지로 토출개시 시점의 압축실 영역의 내부에 배치되는 것이 바람직하다.
도시한 실시예의 경우 입구유로(158)가 2개, 출구유로(159)가 1개인 형태이나, 입구유로(158) 1개 출구유로(159) 1개로 형성될 수도 있고, 출구유로(159)가 복수개로 형성될 수도 있다.
제2실시예의 보조토출유로는 제1실시예의 보조토출유로와 마찬가지로 토출 면적을 확대하는 효과와 선회랩의 소착을 저감하는 효과를 가져온다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 제1실시예에 따른 압축기의 토출개시 시점부터 크랭크각이 추가로 40°도 회전할 때 까지의 토출구와 보조토출유로의 위치를 크랭크각 10°단계로 나타낸 도면이다.
도 7은 토출개시 시점을 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면 토출개시 시점에서는 제1토출구(148a)는 선회랩(154)의 저면에 모두 덮혀져 있는 상태이고, 제2토출구(148b)의 하부 일부만이 압축실로 개방되어 있다.
보조토출유로(156)가 형성되지 않은 종래의 압축기의 경우 제2토출구(148b)의 토출면적을 통해서만 압축된 냉매가 토출될 수 있으므로, 토출유속이 매우 빠르고 토출 저항도 크다.
그러나, 본 실시예와 같이 선회랩(154)의 측면과 저면을 연결하는 보조토출유로(156)를 형성하면, 압축된 냉매가 보조토출유로(156)의 입구(156a)를 통하여 보조토출유로(156)로 유입된 후 보조토출유로(156)와 중첩된 제1토출구(148a)를 통하여 토출될 수 있다.
또한, 보조토출유로(156)의 입구(156a)로 유입된 냉매는 보조토출유로와 중첩되어 있는 제2토출구(148b)를 통해서도 토출될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기는 선회랩(154)에 형성된 보조토출유로(156)를 통해 추가적인 냉매 토출 경로를 확보할 수 있게 된다. 이는 실질적으로 토출구의 유효 토출면적을 확대하는 효과를 가져온다.
도시된 바와 같이, 보조토출유로(156)는 선회랩(154)의 내측 단부 영역에 배치된다. 보조토출유로(156)는 선회랩(154)이 선회운동함에 따라 토출구(148a,148b)와 중첩되는 면적이 변화하게 된다.
도 7을 살펴보면, 토출개시 시점에서 보조토출유로(156)는 제1토출구(148a)와 넓은 영역이 중첩되어 있다. 이를 토대로 토출개시 이전에서도 보조토출유로(156)가 제1토출구(148a)와 중첩된 영역이 존재하는 것을 알 수 있다.
그런데, 토출구(148a,148b)의 토출출구에는 토출밸브(도 2의 149)가 구비되어 있으므로 토출개시 이전에 보조토출유로(146)를 통하여 냉매가 유입되더라도 토출압력에 미치지 못하면 토출밸브(149)가 개방되지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 압축기는 보조토출유로(146)와 토출개시 시점 이전에 토출구(148a,148b)와 중첩되어 있더라도, 보조토출유로(146)를 통한 토출이 토출밸브(149)에 의하여 차단될 수 있다.
도 8은 토출개시 시점에서 크랭크각이 10°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다. 도 8을 도 7과 비교하여 살펴보면 크랭크각이 10°추가 회전함에 따라 압축실로 개방된 제2토출구의 토출면적이 축소되고, 제1토출구(148a)의 개방이 시작된 것을 확인할 수 있다. 그러나 이 상태에서도 토출구의 전체 토출면적이 매우 협소한 것을 확인할 수 있다.
보조토출유로(146)는 제1토출구(148a)와 중첩된 면적이 충분하고, 제2토출구(148b)와 중첩된 면적도 제2토출구(148b)가 압축실로 직접 개방된 면적에 비하여 2배 가까이 되는 것을 확인할 수 있다.
토출개시 시점부터 크랭크각이 10°추가로 회전하는 동안 제2토출구(148b)가 압축실로 개방된 면적은 감소되며, 제1토출구(148a)가 압축실로 개방되는 면적이 증가하게 되나, 이들만으로는 토출구의 토출면적이 충분하지 못한 것을 확인할 수 있다.
그러나 선회랩에 보조토출유로(156)를 형성하면, 보조토출유로(156)를 통해서 제1토출구(148a)와 제2토출구(148b)가 선회랩(154)에 덮혀진 영역을 활용할 수 있게 되므로, 실질적으로 토출면적을 확대하는 효과를 가져오게 된다.
도 9는 토출개시 시점에서 크랭크각이 20°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 9와 도 8을 비교하여 살펴보면 크랭크각이 10°추가 회전함에 따라 압축실로 개방된 제2토출구(148b)의 토출면적이 축소되고, 제1토출구(148a)의 개방 면적이 확대된 것을 확인할 수 있다. 그러나 이 상태에서도 토출구의 전체 토출면적이 매우 협소한 것을 확인할 수 있다.
보조토출유로(156)는 제1토출구(148a)와 중첩된 면적이 충분하다. 또한 보조토출유로(156)는 제2토출구(148b)와 중첩된 면적도 제2토출구(148b)가 압축실로 직접 개방된 면적에 비하여 2배 가까이 되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 압축된 냉매는 보조토출유로(156)의 입구(156a)를 통과한 후, 보조토출유로(156)와 중첩된 제1토출구(148a) 및 보조토출유로(156)와 중첩된 제2토출구(148b)를 통해서 토출될 수 있다.
도 10은 토출개시 시점에서 크랭크각이 30°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 10과 도 9를 비교하여 살펴보면 크랭크각이 10°추가 회전함에 따라 압축실로 개방된 제2토출구(148b)는 토출면적이 축소되어 거의 닫혀진 상태가 되고, 제1토출구(148a)는 개방 면적이 확대된 것을 확인할 수 있다.
도 10의 상태에서도 제1토출구(148a)의 토출면적은 제1토출구(148a) 전체 면적의 5% 이하 수준이다.
한편, 보조토출유로(156)는 제1제토출구(148a)와 중첩된 면적이 제1토출구(148a) 전체 면적의 50% 이상임을 확인할 수 있다.
토출개시 시점에서 크랭크각이 30°추가로 회전한 상태까지 토출구(148a,148b)의 토출면적은 협소하여, 보조토출유로(156)를 통한 토출면적 확보가 유용한 것을 알 수 있다.
도 11은 토출개시 시점에서 크랭크각이 40°추가로 회전한 상태를 나타낸 것이다.
도 11과 도 10을 비교하여 살펴보면 크랭크각이 10°추가 회전함에 따라 압축실로 개방된 제2토출구(148b)의 우측 하부가 추가로 개방되어 토출면적이 확보되고, 제1토출구(148a)의 토출면적이 더욱 확대된 것을 확인할 수 있다.
이 때, 보조토출유로(156)는 여전히 제1토출구(148a)와 중첩된 영역을 충분히 확보하고 있다.
토출개시 시점에서 크랭크각이 40°추가로 회전한 상태에서는 제1토출구(148a)와 제2토출구(148b)의 토출면적이 어느정도 확보되었으나, 이 상태에서도 보조토출유로(156)를 통하여 압축된 냉매가 이동할 수 있다.
살펴본 바와 같이, 보조토출유로(156)는 압축된 냉매가 토출되는 추가 유로를 제공함으로써 토출구의 유효 토출면적을 확대하는 효과를 가져온다. 유효 토출면적의 확대는 냉매의 유속을 저하시키고 토출 저항을 감소시키는 효과를 가져온다.
도 12는 보조토출유로가 구비되지 않은 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 토출 입구의 개방면적의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 13은 보조토출유로가 구비되지 않은 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 냉매의 유속의 변화를 나타낸 그래프이다.
크랭크 각도 변화에 따라 제1압축실로 개방되는 토출면적과, 제2압축실로 개방되는 토출면적이 변화하게 된다. 토출개시 이전에 제1압축실과 제2압축실은 하나로 합쳐지게 된다.
여기서 토출면적은 압축실의 이동 경로 상에 배치되는 바이패스홀(도 4의 147)의 개방면적을 포함한 것이다. 바이패스홀은 액체 상태의 냉매가 유입되었을 때 과압축을 방지하고 압축된 냉매가 토출될 수 있도록 하기 위한 것이다.
냉매의 유속은 압축실의 체적 감소율을 개방면적으로 나누어 역산하여 도출한 수치이다.
또한, 도면에서 점선은 토출개시 시점인 크랭크각 660° 지점을 나타낸 것이다.
기체 상태의 냉매가 흡입되어 압축되는 경우에는 토출은 토출개시 시점 이후부터 이루어지게 되므로, 그래프에서 의미를 가지는 부분은 토출개시 이후 구간(크랭크각이 660°이상인 구간)이 된다.
도 12를 참조하면, 토출이 개시되기 이전에 제1압축실과 제2압축실이 하나로 합쳐지게 된다. 토출개시 시점에서 토출구의 개방면적은 약 50mm2 로 측정되었다.
도 13을 참조하면 토출개시 시점에서의 유속은 49.6m/s 로 측정되었다.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 보조토출유로가 구비된 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 토출 입구의 개방면적의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 보조토출유로가 구비된 압축기의 크랭크 각도 변화에 따른 냉매의 유속의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14와 도 15의 압축기는 선회랩의 높이가 23mm, 보조토출유로의 깊이가 3mm 이고, 토출개시 시점은 크랭크각이 660°인 지점이다.
도 14에서 토출개시 시점에서의 토출구의 개방면적은 약 60mm2 로 측정되었다. 도 15를 참조하면 토출개시 시점에서의 유속은 42.2mm/s 로 측정되었다.
도 12 및 도 13과 도 14 및 도 15를 비교해보면, 압축기에 보조토출유로를 형성함으로써 개방면적은 약 10mm2 (비율로는 약 20%)가 증가하였다. 또한 압축기에 보조토출유로를 형성함으로써 냉매의 유속은 약 7.4mm/s (비율로는 약 15%)가 감소하였다.
토출 손실은 토출되는 냉매의 유속으로부터 도출될 수 있다.
토출 손실은 토출되는 냉매의 운동에너지에 비례하게 된다. 왜냐하면 토출되는 냉매의 운동에너지는 압축기의 일(work)로부터 발생되는 것이기 때문이다.
냉매의 운동에너지는 유량과 속도의 제곱에 비례하므로, 보조토출유로의 유무에 따른 토출 손실의 차이를 유량과 속도의 제곱을 곱한값의 비율로 간편하게 확인할 수 있다.
도 12 및 도 13의 보조토출유로가 구비되지 않은 압축기의 유량과 속도의 제곱을 곱한 값은 90.2m5/s3 이고, 도 14 및 도 15의 보조토출유로가 구비된 압축기의 유량과 속도의 제곱을 곱한 값은 66.9m5/s3 으로 연산되었다.
이로부터, 보조토출유로를 형성함으로써 토출손실이 26% 감소된 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
100: 압축기 110: 케이싱
111: 원통 쉘 112: 상부 쉘
113: 하부 쉘 116: 냉매 흡입관
118: 냉매 토출관 120: 구동모터
122: 고정자 124: 회전자
126c: 편심부 126: 회전축
130: 메인프레임 140: 고정스크롤
142: 고정경판부 144: 고정랩
146: 보조토출유로 147: 바이패스홀
148a: 제1토출구 148b: 제2토출구
148: 토출구 149: 토출밸브
150: 선회스크롤 152: 선회경판부
154: 선회랩 156: 보조토출유로
156a: 입구 158: 입구유로
158a: 입구 159: 출구유로
160: 올담링 170: 토출커버
148a,148b: 토출구

Claims (14)

  1. 고정경판부와 고정랩을 구비하는 고정스크롤과, 선회경판부와 선회랩을 구비하며 상기 고정스크롤에 대하여 선회운동을 하는 선회스크롤을 포함하는 스크롤 압축기로서,
    상기 고정랩의 내측면과 상기 선회랩의 외측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점 사이에 제1압축실이 형성되고,
    상기 고정랩의 외측면과 상기 선회랩의 내측면이 접촉하여 생기는 두개의 접촉점 사이에 제2압축실이 형성되며,
    상기 고정경판부는 압축실에서 압축된 냉매를 토출시키는 토출구를 구비하며,
    상기 선회랩은 압축실을 형성하는 측면과 상기 고정경판부와 마주하는 선회랩의 바닥면을 연결하는 보조토출유로를 구비하는 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조토출유로는
    상기 선회랩의 측면에 입구가 형성되고, 상기 선회랩의 바닥면에 출구가 형성되는 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조토출유로의 입구는
    토출개시 시점에서 압축실을 형성하는 선회랩의 측면 영역의 내부에 배치된 압축기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조토출유로의 출구는
    냉매의 토출이 이루어지는 토출 구간에서 상기 토출구와 중첩되도록 배치된 압축기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조토출유로는
    상기 선회랩의 바닥면에 일정한 깊이를 가지도록 형성된 오목홈으로 형성되며,
    상기 오목홈에 의하여 상기 선회랩의 측면에 개구부가 형성된 압축기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 선회랩의 측면에 형성된 개구부는
    토출개시 시점에서 압축실을 형성하는 선회랩의 측면 영역의 내부에 배치된 압축기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 보조토출유로는
    상기 선회랩의 측면에서 상기 선회랩의 내부로 형성된 입구유로와,
    상기 선회랩의 바닥면에서 상기 입구유로와 연통되도록 상기 선회랩의 내부로 형성된 출구유로를 포함하는 압축기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 선회랩의 측면으로 개방된 상기 입구유로의 입구부는
    토출개시 시점에서 압축실을 형성하는 상기 선회랩의 측면 영역의 내부에 배치된 압축기.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 선회랩의 바닥면으로 개방된 상기 출구유로의 출구부는
    냉매의 토출이 이루어지는 토출 구간에서 상기 토출구와 중첩되도록 배치된 압축기.
  10. 하부의 저유 공간에 오일이 저장되는 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 구비되는 구동 모터;
    상기 케이싱의 내부 결합되며 상기 구동 모터의 하부에 배치되는 메인 프레임;
    상기 메인 프레임의 하부에 배치되며 고정경판부와 고정랩을 구비하는 고정스크롤;
    상기 고정스크롤의 고정랩에 맞물려 압축실을 형성하며, 선회경판부와 선회랩을 구비하고 상기 구동모터의 회전력을 전달받아 선회운동하는 선회스크롤;
    상기 고정경판부를 관통하도록 형성되어 상기 압축실에서 압축된 냉매를 토출시키는 토출구; 및
    상기 선회랩의 측면과 저면을 연결하며 상기 토출구와 연통되는 보조토출유로;를 구비하는 압축기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 토출구의 출구측을 개폐하는 토출밸브를 더 포함하는 압축기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조토출유로는
    상기 선회랩의 바닥면에 일정한 깊이를 가지도록 형성된 오목홈으로 형성되며,
    상기 오목홈에 의하여 상기 선회랩의 측면에 개구부가 형성된 압축기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 선회랩의 측면에 형성된 개구부는
    토출개시 시점에서 압축실을 형성하는 선회랩의 측면 영역의 내부에 배치된 압축기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조토출유로는
    상기 선회랩의 측면에서 상기 선회랩의 내부로 형성된 입구유로와,
    상기 선회랩의 바닥면에서 상기 입구유로와 연통되도록 상기 선회랩의 내부로 형성된 출구유로를 포함하는 압축기.
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