KR20220077944A

KR20220077944A - 스크롤 압축기

Info

Publication number: KR20220077944A
Application number: KR1020200165419A
Authority: KR
Inventors: 강동수; 김기범; 김성준; 임혁주; 임정택
Original assignee: 주식회사 두원공조; 두원중공업(주)
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-10

Abstract

본 발명은, 모터와, 상기 모터와 결합되는 회전축이 내부에 수용되는 메인하우징; 상기 메인하우징의 일 측에 설치되는 고정스크롤; 및 상기 메인하우징과 고정스크롤의 사이에 설치되며, 상기 회전축이 관통되는 선회경판과, 상기 선회경판의 일 측에 연결되는 선회랩과, 상기 선회랩의 중심에 연결되며 상기 회전축이 관통하는 결합부를 포함하는 선회스크롤을 포함하되, 상기 선회랩은, 일 측에서 보았을 때, 복수개의 가상의 원호(Circular arc)와, 상기 복수개의 가상의 원호를 연결하는 가상의 곡선(Curve)을 프로파일(Profile)로 갖는 형상으로 형성된 스크롤 압축기를 제공한다.

Description

스크롤 압축기{Scroll compressor}

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 선회스크롤의 공전을 통해 냉매를 흡입하여 압축시키는 스크롤 압축기에 관한 것이다.

종래의 스크롤 압축기에서 스크롤의 랩(Wrap) 형상으로 널리 사용되어 오고 있는 곡선은 인볼루트 곡선(Involute curve)이다. 인볼루트 곡선의 경우 랩 두께 및 피치가 일정하여 가공에 유리하나 설계 자유도가 적어 소형화 등의 효과적인 스크롤 랩 설계에 한계가 있다. 최근 들어 랩 두께 및 피치를 변화시킬 수 있는 곡선인 대수나선에 기초한 스크롤 설계가 적용되기 시작했으며, 더 나아가 구간별로 인볼루트와 대수나선을 조합하는 등의 하이브리드 랩도 소개되고 있다.

또한 스크롤 압축기는 사판식과는 달리 설계 체적비에 기인한 고정 압축비를 가지고 있다. 운전 압력비가 설계 압력비를 벗어나게 되면 손실이 발상하게 되는데, 운전 압력비가 설계 압력비보다 높은 경우 토출실로부터 압축실로의 역류가 발생하고, 운전압력비가 설계 압력비보다 낮은 경우에는 과압축 손실이 발생한다.

그러므로 근본적으로는 스크롤 랩 형상에 대한 설계 자체가 성능 및 크기에 영향을 미친다.

종래의 기술 중에서, 축관통 구조의 스크롤 압축기가 개시된 바 있다. 구체적으로 선회 스크롤의 중앙을 관통하는 결합부가 형성되고, 결합부에 회전 가능하게 삽입되는 회전축의 단부가 고정 스크롤에 지지되도록 이루어 질 수 있다. 이와 같은 축 관통 구조에 의해, 냉매의 반발력과 압축력이 선회 스크롤의 선회경판을 기준으로 동일 평면에 가해지면서 서로 상쇄되어, 압축력과 반발력의 작용에 의한 선회 스크롤의 기울어짐이 방지 될 수 있는 이점이 있다.

축관통 구조의 스크롤 압축기에서는, 선회 스크롤의 중심을 회전축이 관통하게 되어 스크롤 중심부에 회전축이 위치하게 되므로, 동일 크기의 종래 스크롤 압축기보다 낮은 설계 압력비를 가지게 되며, 조립 등의 이유로 인해 선회 스크롤의 선회반경이 제한된다. 그러므로 종래의 스크롤 압축기보다 작은 선회반경을 유지하면서 동시에 스크롤 압축기의 크기가 증가 하지 않도록 해야 하고, 이로 인해 고압축비 운전에 적합한 충분한 설계 압력비를 가진 스크롤 압축기를 설계할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 축관통 방식의 스크롤 압축기에서 선회 스크롤의 선회경판 크기가 증가하지 않고, 종래의 고압축비 스크롤 압축기와 유사한 설계 압축비를 구비하는 전동식 압축기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 종래의 인볼루트 곡선식 스크롤 랩의 단점인 설계 자유도를 개선하고, 선회 스크롤의 두께를 일정하게 고정하여 가공에 유리한 선회 스크롤을 구비하는 전동식 압축기를 제공하는 데 있다.

상기 선회랩에서, 상기 결합부와 연결되는 원호를 제1원호라 하고, 상기 제1원호와 연결되는 곡선을 제1곡선이라 하며, 제1곡선과 연결되는 원호를 제2원호라 하였을 때, 상기 제2원호는, 상기 제1원호보다 반지름이 더 크며, 상기 제1원호에 대해 중심이 편심된 위치에 배치될 수 있다.

상기 제2원호와 연결되는 곡선을 제2곡선이라 하며, 상기 제2곡선과 연결되는 원호를 제3원호라 하였을 때, 상기 제3원호는, 상기 제2원호보다 반지름이 더 크며, 상기 제2원호와 중심이 일치할 수 있다.

상기 결합부의 중심을 기준으로 상기 제1원호의 반대 측에서 상기 제1원호와 연결되어 상기 결합부의 프로파일을 구성하는 원호를 제0원호라 하였을 때, 상기 제0원호는, 상기 제2원호와 중심이 일치할 수 있다.

상기 복수개의 가상의 원호는, 상기 선회경판보다 반지름이 작을 수 있다.

상기 복수개의 가상의 원호는, 각각 30 내지 180도의 범위에서 형성될 수 있다.

상기 제0원호의 중심을 원점으로 갖는 x-y 좌표계에서, 상기 제0원호가 시작되는 지점으로부터 상기 결합부 및 선회랩의 프로파일을 따라 상기 가상의 곡선 중 어느 한 지점까지 회전한 각도를

라 하였을 때, 상기 가상의 곡선은, 다음의 x,y 좌표에 의해 정의되는 스크롤 압축기.

,

단,

,

은 상수.

상기 선회랩이 상기 선회경판으로부터 일 측으로 돌출된 높이를 h라 하고, 상기 선회경판의 반경방향 기준 상기 선회랩의 두께를 t라 하였을 때,

의 관계를 가질 수 있다.

본 발명에 의하면, 선회랩이 대수나선 곡선과 원을 이용하여 그 형상을 가지게 되며, 연결되는 원의 직경과 각도를 변경함에 따라 자유로운 설계가 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면, 원과 원 사이의 연결선인 대수나선 곡선은 3차 이상의 고차 방정식 해로써 얻게 되며, 이를 통해 각 연결 부위가 동일한 기울기를 가지게 되어 선회랩의 가공성과 내구성을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 선회경판의 최대 면적을 흡입구간으로 사용함으로써 동일한 선회반경과 랩 높이를 가지는 종래 스크롤 형상 대비 많은 흡입체적을 확보할 수 있으며, 스크롤의 중심부까지의 랩 형상을 자유롭게 결정함으로써 높은 설계 자유도와 설계 압축비를 가질 수 있다.

도 1은 일반적은 축관통 스크롤 압축기의 단면도이다.
도 2는 선회스크롤을 일 측에서 본 모습을 나타낸 것으로, 종래의 결합부와 선회랩의 형상과 본 발명의 결합부와 선회랩의 형상을 겹쳐서 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 결합부와 선회랩을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 결합부와 선회랩의 프로파일을 나타낸 도면이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 축관통 스크롤 압축기(10)는, 메인하우징(110), 메인프레임(120), 고정스크롤(130), 선회스크롤(140) 및 커버하우징(150)을 포함한다.

상기 메인하우징(110)은, 외부로부터 냉매가 흡입되는 흡입실이 내부에 형성되며, 내부에 모터(111) 및 회전축(112)이 수용된다. 상기 회전축(112)은 상기 모터(111)를 관통하며, 상기 모터(111)에 의해 회전한다.

상기 메인프레임(120)은, 상기 메인하우징(110)의 일 측에 설치되며, 상기 회전축(112)이 중심으로 관통된다.

상기 고정스크롤(130)은, 상기 메인프레임(120)의 일 측에 설치된다.

상기 선회스크롤(140)은, 상기 메인프레임(120)과 고정스크롤(130)의 사이에 설치되며, 원판 형상의 선회경판(141)과, 상기 선회경판(141)으로부터 일 측으로 돌출 형성되는 선회랩(142)과, 상기 선회랩(142)의 중심에 연결되며 상기 회전축(112)의 일단이 관통하는 결합부(143)를 포함한다.

상기 커버하우징(150)은, 상기 고정스크롤(130)의 일 측에 설치되며, 상기 고정스크롤(130)과의 사이에 압축된 냉매가 토출되는 토출실이 형성된다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 선회랩(142)과 결합부(143)는, 일 측에서 보았을 때, 복수개의 가상의 원호(Circular arc)와, 상기 복수개의 가상의 원호를 연결하는 가상의 곡선(Curve)을 프로파일(Profile)로 갖는 형상으로 형성된다.

도 2에서는, 종래의 선회랩(1)과 결합부(2)의 형상과, 본 발명에서의 선회랩(142)과 결합부(143)의 형상을 함께 도시하고 있다. 도 3에서는, 본 발명에서의 선회랩(142)과 결합부(143)의 형상을 도시하고 있다. 도 4에서는, 결합부(143)의 프로파일을 형성하는 제0원호(10)와, 선회랩(142)의 프로파일을 형성하는 제1 내지 제3원호(11,12,13), 제1 내지 제3곡선(21,22,23)을 도시하고 있다.

상기 제0원호(10)는, 상기 결합부(143)의 프로파일을 구성한다. 상기 제1원호(11)는, 상기 제0원호(10)와 연결된다. 상기 제1곡선(21)은, 상기 제1원호(11)와 연결된다. 상기 제2원호(12)는, 상기 제1곡선(21)과 연결된다. 상기 제2곡선(22)은, 상기 제2원호(12)와 연결된다. 상기 제3원호(13)는, 상기 제2곡선(22)과 연결된다. 상기 제3곡선(23)은, 상기 제3원호(14)와 연결된다.

한편, 도 4에 도시된 선회랩(142)의 프로파일은 일 예에 불과하며, 상기 선회랩(142)은 제m원호(m은 4 이상의 자연수)와 제n곡선(n은 4 이상의 자연수)을 포함하는 프로파일로 형성될 수도 있다.

또한, 도 4에서는 상기 결합부(143)와 선회랩(142)의 프로파일이 중심점(C)을 기준으로 시작점(O)으로부터 반시계방향으로 형성되는 것으로 도시하고 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 상기 프로파일은 시계방향으로 형성될 수도 있음은 물론이다.

상기 제0원호(10)는, 도 4에서 0부터

의 각도 범위까지 형성되는 것으로, 중심점(C)을 원의 중심으로 갖는 원호의 형상으로 형성된다. 여기서, 상기 중심점(C)은 상기 결합부(143)의 중심일 수 있다.

상기 제1원호(11)는, 도 4에서

부터

의 각도 범위까지 형성되는 것으로, 상기 제0원호(10)와

의 지점에서 연속되면서, 상기 중심점(C)을 기준으로 상기 제0원호(10)의 반대 측에 형성된다. 상기 제1원호(11)는, 상기 제0원호(10)보다 반지름이 크면서, 원의 중심이 상기 중심점(C)이 아닌 다른 곳에 위치한다.

상기 제2원호(12)는, 도 4에서

부터

의 각도 범위까지 형성되는 것으로, 상기 제1원호(11)보다 반지름이 더 크게 형성된다. 그리고 상기 제2원호(12)는, 원의 중심이 상기 중심점(C)에 위치한다. 즉, 상기 제2원호(12)는, 원의 중심이 상기 제0원호(10)의 원의 중심과는 일치하고 상기 제1원호(11)의 원의 중심과는 편심된 위치에 배치된다.

상기 제1곡선(21)은, 도 4에서

부터

의 각도 범위까지 형성되는 것으로, 상기 제1원호(11)와 제2원호(12)의 사이에서 상기 제1원호(11)와 제2원호(12)에 연결된다. 도 4에서 중심점(C)에서 우측으로 향하는 방향을 x축의 양의 방향이라 하고, 중심점(C)에서 상측으로 향하는 방향을 y축의 양의 방향이라고 하였을 때, 그리고 상기 시작점(O)으로부터 상기 프로파일을 따라 상기 제1곡선(21) 중 어느 한 지점까지 회전한 각도를

라 하였을 때, 상기 제1곡선(21)은, 다음의 x,y 좌표에 의해 정의된다.

,

단,

,

은 상수.

여기서,

,

인 4개의 미지수를 풀기 위해서는 4개의 경계조건(Boundary condition)이 필요한데, 4개의 조건 중 2개 조건은

일 때

,

일 때

,

이며, 나머지 2개의 조건은 전술한 2개의 조건을 각각 미분한 값(기울기)이 된다. 4개의 미지수를 위의 4가지 조건에서 도출된 4개의 식에 대입하여 풀어내면(가우스 소거법), 미지수

,

값을 얻을 수 있으며, 이 값을 대입하여 다항고차식

,

를 도출할 수 있다.

상기 제2곡선(22)은, 도 4에서

부터

의 각도 범위까지 형성되는 것이다. 상기 제3원호(13)는, 도 4에서

부터

의 각도 범위까지 형성되는 것이다. 상기 제3곡선(23)은, 도 4에서

부터

의 각도 범위까지 형성되는 것이다. 상기 제3원호(13)는, 상기 제2원호(12)보다 반지름이 더 크며, 원의 중심이 상기 중심점(C)에 위치할 수 있다. 그리고 상기 제2곡선(22)과 제3곡선(23)은, 상기 제1곡선(21)과 마찬가지로 다항고차식의 해(Solution)로써 구현될 수 있다.

상기 제0 내지 제3원호(10,11,12,13)는, 상기 선회경판(141)보다 반지름이 작게 형성될 수 있다. 그리고 상기 제0 내지 제3원호(10,11,12,13)는, 각각 30 내지 180도의 범위에서 형성될 수 있다. 즉, 0부터

의 각도 범위,

부터

의 각도 범위,

부터

의 각도 범위,

부터

의 각도 범위는 각각 30 내지 180도 이내일 수 있다.

한편, 상기 선회랩(142)이 상기 선회경판(141)으로부터 일 측으로 돌출된 높이를 h라 하고, 상기 선회경판(141)의 반경방향 기준 상기 선회랩(142)의 두께를 t라 하였을 때,

의 관계를 가질 수 있다.

100 : 축관통 스크롤 압축기 140 : 선회스크롤
141 : 선회경판 142 : 선회랩
143 : 결합부 10 : 제0원호
11 : 제1원호 12 : 제2원호
13 : 제3원호 21 : 제1곡선
22 : 제2곡선 23 : 제3곡선
C : 중심점 O : 시작점

Claims

모터와, 상기 모터와 결합되는 회전축이 내부에 수용되는 메인하우징;
상기 메인하우징의 일 측에 설치되는 고정스크롤; 및
상기 메인하우징과 고정스크롤의 사이에 설치되며, 상기 회전축이 관통되는 선회경판과, 상기 선회경판의 일 측에 연결되는 선회랩과, 상기 선회랩의 중심에 연결되며 상기 회전축이 관통하는 결합부를 포함하는 선회스크롤을 포함하되,
상기 선회랩은, 일 측에서 보았을 때, 복수개의 가상의 원호(Circular arc)와, 상기 복수개의 가상의 원호를 연결하는 가상의 곡선(Curve)을 프로파일(Profile)로 갖는 형상으로 형성된 스크롤 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 선회랩에서,
상기 결합부와 연결되는 원호를 제1원호라 하고,
상기 제1원호와 연결되는 곡선을 제1곡선이라 하며,
제1곡선과 연결되는 원호를 제2원호라 하였을 때,
상기 제2원호는, 상기 제1원호보다 반지름이 더 크며, 상기 제1원호에 대해 중심이 편심된 위치에 배치되는 스크롤 압축기.
청구항 2에 있어서,
상기 제2원호와 연결되는 곡선을 제2곡선이라 하며,
상기 제2곡선과 연결되는 원호를 제3원호라 하였을 때,
상기 제3원호는, 상기 제2원호보다 반지름이 더 크며, 상기 제2원호와 중심이 일치하는 스크롤 압축기.
청구항 2에 있어서,
상기 결합부의 중심을 기준으로 상기 제1원호의 반대 측에서 상기 제1원호와 연결되어 상기 결합부의 프로파일을 구성하는 원호를 제0원호라 하였을 때,
상기 제0원호는, 상기 제2원호와 중심이 일치하는 스크롤 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 가상의 원호는, 상기 선회경판보다 반지름이 작은 스크롤 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 가상의 원호는, 각각 30 내지 180도의 범위에서 형성되는 스크롤 압축기.
청구항 4에 있어서,
상기 제0원호의 중심을 원점으로 갖는 x-y 좌표계에서, 상기 제0원호가 시작되는 지점으로부터 상기 결합부 및 선회랩의 프로파일을 따라 상기 가상의 곡선 중 어느 한 지점까지 회전한 각도를
라 하였을 때,
상기 가상의 곡선은, 다음의 x,y 좌표에 의해 정의되는 스크롤 압축기.

,

,

단,
,
,
,
은 상수.
청구항 1에 있어서,
상기 선회랩이 상기 선회경판으로부터 일 측으로 돌출된 높이를 h라 하고, 상기 선회경판의 반경방향 기준 상기 선회랩의 두께를 t라 하였을 때,
의 관계를 갖는 스크롤 압축기.