KR20240063653A - 배압 조절 밸브 및 이를 가진 전동식 스크롤 압축기 - Google Patents

배압 조절 밸브 및 이를 가진 전동식 스크롤 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배압 조절 밸브 및 이를 가진 전동식 스크롤 압축기에 관한 것이다. 전동식 스크롤 압축기를 위한 배압 조절 밸브는 제1 하우징(11), 제2 하우징(12) 및 제1, 2 하우징(11, 12)을 연결하는 연통로(13)로 이루어진 밸브 하우징; 및 제1 하우징(11)에 위치하는 제1 피스톤(141), 제2 하우징(12)에 위치하는 제2 피스톤(142) 및 제1, 2 피스톤(141, 142)을 연결하는 연결봉(143)으로 이루어진 피스톤(14)을 포함하고, 피스톤(14)은 제1, 2 하우징(11, 12)의 내부에서 상하 이동이 가능하다.

Description

배압 조절 밸브 및 이를 가진 전동식 스크롤 압축기{A Back Pressure Regulating Valve and An Electric Type of a Scroll Compressor with the Same}
본 발명은 배압 조절 밸브 및 이를 가진 전동식 스크롤 압축기에 관한 것이다.
냉동기의 냉동 사이클에 적용되는 일반적인 스크롤 압축기는 도 3에 도시된 구조를 가질 수 있다. 스크롤 압축기는 고정 스크롤(31); 고정 스크롤(31)에 대하여 선회 운동을 하는 선회 스크롤(32); 압축된 냉매가 배출되는 배출 공간(33); 냉매가 유입되는 입구(34); 선회 스크롤(32)의 회전을 위한 모터(36a); 및 모터(36a)의 작동에 의하여 선회 스크롤(32)을 회전시키는 축(36b)을 포함한다. 또한 아래에서 설명되는 압축실과 배압실(35) 사이의 압력을 조절하기 위한 배압공(351) 또는 배출공(352)을 포함할 수 있다. 이와 같은 전동식 스크롤 압축기의 경우 고정 스크롤(51)과 고정 스크롤(51)과 쌍을 이루면서 선회 운동을 통하여 압축실을 형성하고 가스 압축을 수행하는 선회 스크롤(32) 사이의 간극에서 발생하는 누설이 최소가 되도록 선회 스크롤(32)의 경판 배면에 배압실(35)이 형성되어야 한다. 압축실 내에 형성된 가스력 중 축 방향 성분은 선회 스크롤(32)을 고정 스크롤(31)로부터 밀어내어 두 개의 스크롤(31, 32) 사이에 축 방향 간극을 증가시키므로 선회 스크롤(32)의 경판 배면에 배압실(35)이 형성되면 배압실(35)의 내부 압력에 의해 선회 스크롤(32)을 고정 스크롤(31)의 방향으로 밀어주어 축 방향 간극을 감소시키는 배압력이 발생한다. 이와 같은 경우 배압력이 축 방향 가스력보다 작으면 선회 스크롤(32)은 고정 스크롤(31)로부터 이격되고, 이와 달리 배압력이 축 방향 가스력보다 크면 선회 스크롤(32)이 고정 스크롤(31)의 방향으로 밀착된다. 이러한 밀착은 두 스크롤(31, 32) 사이에 마찰 손실을 발생시키고, 배압력이 클수록 마찰 손실은 증가하게 된다. 따라서 두 스크롤(31, 32) 사이의 축 방향 간극이 최소가 되도록 하면서 동시에 마찰 손실은 미리 결정된 수준 이상으로 증가되지 않도록 하는 적정 수준의 배압력을 만들어 주는 것이 필요하다. 배압실(35)의 배압을 형성하는 공지의 방법으로는 선회 스크롤 경판에 배압공(351)을 형성하여 경판 전면의 압축실과 경판 후면의 배압실(35)을 연통해 주는 것이다. 이와 같은 경우 압축실 내의 가스가 배압공을 통해 배압실(35)로 유입되어 배압실 압력이 형성된다. 배압실(35)을 채우는 가스의 압력 수준은 배압공(351)의 위치에 따라 결정되고, 배압공(351)이 선회 스크롤(32)의 중심부에 가까울수록 고압의 가스가 배압실(35)로 유입되게 된다. 이와 같은 배압공 방식은 구조는 간단하지만 운전 조건이 바뀌면 운전 조건에 상응하는 적정 배압을 형성하지 못하여 배압이 과다해지거나 또는 부족해지는 경우가 발생할 수 있다. 배압실 배압을 형성해 주는 다른 방법으로 배압공(351)을 경판 면에 형성하는 것이 아니라 선회 스크롤 랩 중앙부 선단 면에서 랩이 수직으로 장착되어 있는 선회 스크롤 경판 배면에 이르기까지 축 방향에 해당하는 랩 높이 방향을 따라 랩 내부에 배압공을 형성하는 것이다. 이와 같은 경우 배압실의 배압이 충분하다면 선회 스크롤 랩 선단 면은 고정스크롤 경판 면에 밀착되어 축 방향 간극이 최소화된 상태에서 고정 스크롤 경판 면에서 미끄럼 선회 운동을 하게 된다. 운전 조건이 바뀌어 배압 부족해지는 상태가 되면 선회 스크롤은 고정 스크롤로부터 축 방향으로 이격되고, 이와 같은 이격은 선회 스크롤 랩 중앙부 선단 면에 형성된 배압공의 입구가 고정 스크롤 경판 면에서 분리되는 틈새 유로를 만들어 준다. 이로 인하여 중앙부에 위치한 압축실의 고압 가스가 이와 같이 열린 배압공 입구를 통해 배압공 내부로 흘러 들어가 배압실로 유입되게 된다. 이러한 고압 가스의 유입이 배압실 압력을 상승시켜서 배압실의 배압력이 축 방향 가스력에 비하여 커지고 선회 스크롤을 고정 스크롤 쪽으로 다시 밀어 올리게 된다. 이와 달리 토출 압력이 감소하거나 또는 흡입 압력이 감소하는 것과 같이 운전 조건이 변화하는 경우 과다해진 배압을 적절하게 해소해 주어야 하지만 적절한 배압 감소가 신속히 이루어지지 못한다는 단점을 가진다. 고정 스크롤과 선회 스크롤 사이의 간극을 조절과 관련하여 국제공개번호 WO 2010/064537은 압축실과 연통할 수 있는 유입구와 배압실에 연통되는 유출구와 유입구와 유입구를 연통시키는 연통 구멍을 포함하는 스크롤 압축기 대하여 개시한다. 그러나 선행기술은 위에서 언급한 단점을 가진다. 그러므로 운전 조건에 변화에 신속하게 대응하면서 고정 스크롤과 선회 스크롤 사이의 간극을 최소로 만들고, 동시에 선회 스크롤과 고정 스크롤 사이에 마찰 손실이 과다해지지 않도록 배압을 제공해 주는 방법이 만들어질 필요가 있다. 그러나 선행기술은 이와 같은 방법에 대하여 개시하지 않는다.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
선행기술1: 국제공개번호 WO 2010/064537(가부시키가이샤 도요다 지도숏키, 2010.06.10. 공개) 스크롤형 압축기
본 발명의 목적은 본 발명의 목적은 운전조건 변화에 따른 배압실 배압의 최적 값 제공이 가능한 배압 조절 밸브 및 이를 가진 스크롤 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 전동식 스크롤 압축기를 위한 배압 조절 밸브는 제1 하우징, 제2 하우징 및 제1, 2 하우징을 연결하는 연통로로 이루어진 밸브 하우징; 및 제1 하우징에 위치하는 제1 피스톤, 제2 하우징에 위치하는 제2 피스톤 및 제1, 2 피스톤을 연결하는 연결봉으로 이루어진 피스톤을 포함하고, 피스톤은 제1, 2 하우징의 내부에서 상하 이동이 가능하다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제2 하우징은 제1 하우징에 비하여 상대적으로 큰 단면적을 가진다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제1 하우징 상단 실린더는 토출실과 연결되고, 제1 하우징 하단 실린더는 배압실과 연결되고, 제1 하우징의 측면에는 제1 배압실 연통로가 형성되어 피스톤이 하사점에 도달할 때 제1 하우징 상단 실린더와 배압실을 연통시키고, 제2 하우징 상단 실린더는 흡입실과 연결되면서 제2 하우징 하단 실린더는 배압실과 연결되고, 제2 하우징의 측면에 제1 흡입실 연통로가 설치되어 피스톤이 상사점에 도달할 때, 제2 하우징 하단 실린더와 흡입실을 연통시켜준다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 제1 하우징 및 제2 하우징에 설치되어 제1 피스톤 및 제2피스톤의 이동을 제한하며 동시에 복원력을 제공하는 탄성 유닛을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 압력비 rp=(A2-A0)/A1로 표시되고, A0, A1 및 A2는 각각 연결봉, 제1 피스톤 및 제2 피스톤의 단면적을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 스크롤 압축기는 고정 스크롤; 고정 스크롤에 대하여 회전되는 선회 스크롤; 선회 스크롤의 경판 배면에 형성된 배압실; 및 배압실의 배압 형성이 청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 배압 조절 밸브를 포함한다.
본 발명에 따른 배압 조절 밸브는 토출압과 흡입압에 따라 선회스크롤의 축 방향 순응이 최적화 되도록 하는 최적의 배압을 제공하여 스크롤 압축기의 고정 스크롤과 선회 스크롤 사이의 누설과 마찰 손실이 최소화되도록 한다. 본 발명에 따른 배압 조절 밸브는 다양한 운전 조건 변화, 예를 들어 토출압의 증가 또는 감소 그리고 흡입압의 증가 또는 감소와 같은 운전 조건 변화에 대하여 이에 상응하는 피스톤의 상하 운동 및 피스톤 위치에 따른 배압 통로와 흡입압 통로의 개폐에 의해 배압실 압력이 정해진 수준으로 유지되도록 한다. 본 발명에 따른 스크롤 압축기는 냉동기의 압축기에 적용되어 누설이 최소화되면서 또한 마찰 손실이 최소화된 고효율 가스 압축 기능을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 배압 조절 밸브의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 배압 조절 밸브에 의하여 배압실의 압력이 조절되는 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 공지의 스크롤 압축기의 실시 예를 도시한 것이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배압 조절 밸브의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 전동실 스크롤 압축기를 위한 배압 조절 밸브는 제1 하우징(11), 제2 하우징(12) 및 제1, 2 하우징(11, 12)을 연결하는 연통로(13); 제1 하우징(11)에 위치하는 제1 피스톤(141), 제2 하우징(12)에 위치하는 제2 피스톤(142) 및 제1, 2 피스톤(141, 142)을 연결하는 피스톤 연결봉(143)으로 이루어진 피스톤(14)을 포함하고, 피스톤(14)은 제1, 2 하우징(11, 12)의 내부에서 상하 이동이 가능하다.
구체적으로 제1 및 제2 하우징(11, 12)의 내부에는 피스톤(14)이 설치되어 상하 운동을 하고, 피스톤(14)은 제1 피스톤(141); 제2 피스톤(142); 및 제1, 2 피스톤(141, 142)을 연결하는 연결봉(143)으로 이루어진다. 제1 피스톤(141)은 제 1 하우징(11)의 내부에 위치하고; 제2 피스톤(142)은 제2 하우징(12)의 내부에 위치하고; 그리고 피스톤 연결봉(143)은 연통로(13) 내부를 관통하는 형태로 위치한다. 제1 피스톤(141), 제2 피스톤(142) 및 피스톤 연결봉(143)은 각각 제1 하우징(11), 제2 하우징(12) 및 연통로(13)의 내부에서 상하 운동이 가능하다.
제1 하우징(11)은 속이 빈 실린더 형상이 될 수 있고, 제1 수용 공간을 형성할 수 있다. 제2 하우징(12)은 속이 빈 실린더 형상이 될 수 있고, 제2 수용 공간을 형성하면서 연통로(13)에 의하여 제1 하우징(11)과 연결될 수 있다. 제1 피스톤(141)은 원통 형상이 되면서 제1 하우징(11)의 내부에 수용되어 상하 이동이 가능한 구조를 가질 수 있다. 제2 피스톤(142)은 원통 형상이 되면서 제2 하우징(12)의 내부에 수용되어 상하 이동이 가능한 구조를 가지면서 연결봉(143)에 의하여 제1 피스톤(141)과 연결될 수 있다. 피스톤(14)은 밸브 하우징의 내부에 수용될 수 있고, 연결봉(143)이 연통로(13)를 따라 상하로 이동되면서 피스톤(14)이 상하로 이동될 수 있다. 제2 하우징(12)은 제1 하우징(11)에 비하여 상대적으로 큰 단면적을 가질 수 있고, 이에 따라 제2피스톤(142)은 제1 피스톤(141)에 비하여 상대적으로 큰 단면적을 가질 수 있지만 제1, 2 하우징(11, 12) 또는 제1, 2 피스톤(141, 142)은 다양한 단면적을 가질 수 있고 이에 제한되지 않는다.
배압실(19)은 유도로(191)에 의하여 제2 하우징 하부 실린더(121)에 형성된 제3 배압실 연통로(17)와 연결될 수 있다. 제1 하우징 상부 실린더(111)의 위쪽에 토출실과 연결되는 토출실 연통로(18)가 형성될 수 있다. 배압실 연통로(15)는 제1 하우징(11)의 측면에 형성된 제1 배압실 연통로(151); 제1 하우징 하부 실린더(112)에 연결된 제2 배압실 연통로(152); 및 제1, 2 배압실 연통로(151, 152)를 배압실(19)과 연결하는 배압실 연결 연통로(153)로 이루어질 수 있다. 또한 흡입실 연통로(16)는 제2 하우징(12)의 측면에 연결된 제1 흡입실 연통로(161); 제2 하우징 상부 실린더(121)에 연결된 제1 흡입실 연통로(162); 및 흡입실과 연결되는 흡입실 연통로(163)로 이루어질 수 있다. 또한 제1 하우징 상부 실린더(111)에 토출실 연통로(18)가 형성될 수 있다.
제1 하우징(11) 내에 위치한 제1 피스톤(141)에 의하여 제1 하우징(11)의 내부 공간이 상하로 2개의 공간으로 구획될 수 있다. 제1 피스톤(141)의 상부 공간에 제1 하우징 상단 실린더(111) 및 제2 피스톤(142)의 하부 공간에 제1 하우징 하단 실린더(112)가 각각 형성될 수 있다. 제2 하우징(12)의 내부에 위치하는 제2 피스톤(142)에 의하여 제2 하우징(12)의 내부 공간이 상하로 2개의 공간으로 구획될 수 있다. 구체적으로 제2 하우징(12)의 내부 공간은 제2 피스톤(142)의 상부 공간에 해당하는 제2 하우징 상단 실린더(121) 및 제2 피스톤(142)의 하부 공간에 해당하는 제2 하우징 하단 실린더(122)로 각각 구획될 수 있다. 피스톤(14)은 제1 피스톤(141) 및 제2 피스톤(142)의 상하 단면적에 걸리는 압력 분포에 따른 힘의 크기에 따라 상하로 이동될 수 있다. 제1 하우징 상단 실린더(111)에 항상 토출압(Pd)이 작용하고, 제1 하우징 하단 실린더(112)에 항상 배압(Pb)이 작용한다. 그리고 제2 하우징 상단 실린더(121)에 하단 흡입압(Ps)이 작용하고, 제2 하우징 하단 실린더(122)에 항상 배압(Pb)이 작용한다. 피스톤(14)은 운전조건의 변화 즉 흡입실 또는 토출실의 압력에 따라 상하로 움직인다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 제1 하우징(11) 및 제2 하우징(12)의 내부에 스프링과 같은 제1, 2 탄성 유닛(21, 22)이 배치될 수 있다. 구체적으로 제1 하우징(11)의 상단에 제1 탄성 유닛(21)이 설치되고, 제2 하우징(12)의 하단에 제2 탄성 유닛(22)이 설치되어 제1 피스톤(141) 및 제2피스톤(142)의 상하 이동을 제한할 수 있다. 이와 같은 피스톤(14)의 운동으로 인하여 제1 피스톤(141)의 위치에 따라 제1 하우징(11)의 측면에 형성된 제1 배압실 연통로(151)의 개폐가 결정된다. 또한 제2 피스톤(142)의 위치에 따라 제2 하우징(12)의 측면에 형성된 제1 흡입실 연통로(161)의 개폐가 결정된다. 이와 같은 연통로(151, 161)의 개폐를 통해 고압(Pd)의 가스가 배압실(19)로 유입되거나, 배압실(19)의 가스가 흡입실로 유출될 수 있다. 이와 같은 배압실(19)의 가스 유출입 제어를 통하여 배압실(19)의 압력이 미리 설정된 배압 값에 도달할 수 있다.
아래에서 이와 같은 과정에 대하여 구체적으로 설명된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 배압 조절 밸브에 의하여 배압실의 압력이 조절되는 과정을 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2e에서 피스톤의 위치에 따른 상태
제1 하우징(11) 및 제2 하우징(12)의 내에서 피스톤(14)의 위치는 도 2a 내지 도 2e 중 어느 하나에 해당된다.
도 2a는 피스톤이 최고도로 위로 올라간 위치, 즉 상사점에 도달한 상태이다. 상사점에 도달하면 제1 탄성 유닛(21)은 최대로 수축되고, 제2 탄성 유닛(22)은 전혀 수축이 되지 않는 자유장(free length) 상태가 된다. 이와 같은 상태에서 제2피스톤(142)의 하단 면과 제2 탄성 유닛(22)의 이격 거리는 최대가 된다. 이 상태에서는 제1 배압실 통로(151)은 닫히고, 제1 흡입실 연통로(161)는 열려 있게 된다.
도 2b를 참조하면, 제1 피스톤(141)이 상사점으로부터 아래쪽으로 이동되면서 제1 탄성 유닛(21)의 수축 변위가 사라지고 이에 따라 제1 탄성 유닛(21)이 자유장의 상태가 된 위치이다. 이 상태에서는 제1 배압실 연통로(151)는 계속 닫혀 있고, 제1 흡입실 연통로(161)가 막 닫힌 상태가 된다. 즉, 제2 피스톤(142)의 하단 모서리가 제1 흡입실 연통로(161)의 하단에 도달하여 연통로(161)를 막은 상태가 된다.
도 2c를 참조하면, 제2피스톤(142)이 아래쪽으로 더 이동되면 제1 피스톤(141)은 제1 탄성 유닛(21)과 이격되고, 제2 피스톤(142)이 제2 탄성 유닛(22)과 접촉하되 제2 탄성 유닛(22)이 아직 수축이 이루어지지는 않은 자유장을 유지한 상태이다. 이 상태에서는 제1 배압실 연통로(151)는 계속 닫혀 있되 열리기 직전이고, 제1 흡입실 연통로(161)는 닫혀 있는 상태이다.
도 2d를 참조하면, 제2 피스톤(142)이 아래쪽으로 최대한 이동되어 하사점에 도달한 상태이다. 이때 제2 탄성 유닛(22)은 최대로 수축되어 최소 길이가 된다. 이 상태에서는 제1 배압실 연통로(151)는 열려 있고, 제1 흡입실 연통로(161)는 닫혀 있는 상태이다.
도 2e를 참조하면, 이는 도 2b와 도 2c의 상태의 중간 위치가 되고, 제1 탄성 유닛과 제2 탄성 유닛(22)의 양쪽으로부터 떨어져 있고, 제1 배압실 연통로(151)와 제1 흡입실 연통로(161)는 모두 닫혀 있는 상태이다.
이와 같은 과정에서 제1, 2 피스톤(141, 142)에 작용하는 힘들은 다음과 같다. 제1 피스톤(141)에 대하여 아래쪽으로 작용하는 힘을 F1, 제2피스톤(142)에 대하여 위쪽으로 작용하는 힘을 F2라고 하고, A1, A2 및 A0을 각각 제1 피스톤(141)의 단면적, 제2 피스톤(142)의 단면적 및 연결봉(143)의 단면적이라고 하면, F1과 F2는 각각 아래의 식(1) 및 식(2)와 같이 표현된다.
식(1) 및 (2)에서 k1, Δy1은 제1 하우징(11)의 상단 면에 고정된 제1 탄성 유닛(21)의 탄성 계수 및 수축장이고, k2, Δy2는 제2 하우징(12)의 하단 면에 고정된 제2 탄성 유닛(22)의 탄성 계수 및 수축장이다.
도 2b, 2c 및 2e에서 각각의 탄성 유닛(21, 22)은 변위가 없는 자유장의 상태이므로 Δy1=Δy2=0이 되고, 이에 따라 F1 및 F2는 각각 아래의 식(3) 및 (4)와 같이 표시될 수 있다.
(3)
(4)
또한 제1 피스톤(141)에 작용하는 힘 F1과 제2 피스톤(142)에 작용하는 힘 F2 가 평형을 이루므로 F1=F2가 되고 아래의 식(5)가 성립된다.
식(5)를 정리하면 식(6)이 유도된다.
배압실 압력비 rp 를 식(7)과 같이 정의하면,
식(6)으로부터 배압실 압력비 rp는 식(8)로 표시될 수 있다.
식(8)에서 배압실 압력비 rp는 제1 피스톤(141)의 단면적(A1)과 제2 피스톤(142)의 단면적(A2), 그리고 연결봉(143)의 단면적(A0)에 의하여 결정된다. 이로부터 제1, 2 피스톤(141, 142)의 단면적 및 연결봉(143)의 단면적이 결정되면 압력비는 식(8)로부터 상수가 된다는 것을 알 수 있다. 또한 식(8)로부터 배압(Pb)은 아래와 같이 식(9)로 표시될 수 있다.
본 발명의 배압 조절 밸브는 운전 조건인 토출압(Pd) 및 흡입압(Ps)이 변할 때, 배압실의 배압이 식(9)를 충족하는 값을 갖도록 작동을 하게 된다.
배압이 식(9)에 해당하는 값에 도달하도록 피스톤(14)이 움직여 도 2b 또는 도 2c의 위치에, 또는 도 2b와 도 2c 사이의 임의의 지점인 도 2e와 같은 위치에 놓이게 된다. 이와 같은 위치에서 제1 배압실 연통로(151) 및 흡입실 연통로(161)가 닫힌 상태가 되고, 제1 피스톤(141)에 작용하는 힘 F1과 제2피스톤(142)에 작용하는 힘 F2는 평형을 이룬다.
다음은 운전 조건 변화에 따라 이와 같이 작동하는 배압 조절 밸브의 피스톤 운동과 이에 따라 설정 배압에 도달하고, 설정 배압 도달 시 피스톤 힘이 평형을 이루는 과정에 대한 상세한 설명이다.
운전 조건 변화는 토출압의 증가 또는 감소; 그리고 흡입압의 증가 또는 감소의 경우가 있다.
A. 토출압 증가
운전 조건의 변화로 인하여 토출압(Pd)이 증가하면, 식(9)에 따라 배압(Pb)이 아래의 설명과 같이 증가한다.
피스톤(14)이 힘 평형 상태에 있을 때의 상태인 도 2b, 2c 또는 2e의 상태 가운데 어느 한 상태에서 토출압(Pd)이 증가하면 식(3)에서 F1이 증가하여 F1>F2가 되므로, 피스톤(14)은 하방으로 움직이게 되고, 도 2c의 위치를 지나 도 2d의 위치에 접근하게 된다.
피스톤(14)이 도 2c의 위치보다 아래로 내려올 경우 제2 탄성 유닛(22)의 반력 k2Δy2가 발생되지만 가스력 증가분에 비해 매우 작게 설정되면(통상적으로 가스력이 제1, 2 탄성 유닛(21, 22)의 반력에 비하여 매우 큼) 결국 토출압(Pd)의 증가로 인해 F1>F2 가 된다. 즉 토출압(Pd)이 조금만 증가하여도 F1>F2가 되어 피스톤은 도 2d의 하사점에 도달하게 된다. 피스톤이 도 2c를 지나는 순간부터 열리는 제1 배압실 연통로(151)를 통해 제1 하우징 상단 실린더(111)를 채우고 있는 토출압 가스가 배압실로 유입되어 배압실 압력이 올라가게 된다.
배압실 압력이 올라가면, 식(3)에서 F1은 감소하고, 식(2)에서 F2는 증가한다. 만약 배압이 증가하여도 아직 F1>F2인 상태라면 제1 배압실 연통로(151)는 계속 열려 있게 되어 계속 배압은 증가한다. 결국은 F2≒F1이 되거나 또는 미세하게 F1<F2와 같이 힘이 역전되려고 하는 순간에 다다르게 되고, 이때 피스톤(14)은 상향 운동을 하게 되며 제 1 배압실 연통로(151)가 닫힐 때까지 이동하게 된다.
피스톤(14)이 도 2c와 도 2d 사이에 있을 때, 제2 탄성 유닛(22)의 변위에 의한 탄성 반력이 발생하는데 이 반력의 역할은 피스톤(14)에 작용하는 순수 가스 압력 차에 의한 상하 힘 평형이 미세할 때, 피스톤(14)을 상향 운동을 시키는, 즉 제1 배압실 연통로(151)를 닫게 하는 방향으로 작용하여 힘 평형을 회복하는데 도움을 준다. 이와 같은 탄성 유닛(21, 22)의 역할은 다음의 모든 경우에 걸쳐 동일하다.
최종적으로 피스톤(14)은 새로운 평형에 도달하고, 배압(Pb)은 새로운 운전 조건에서 식(9)를 만족하는 설정 배압 값이 된다. 피스톤(14)은 다시 도 2b, 2c의 사이, 즉 도 2e와 같은 위치가 된다.
B. 토출압 감소
운전 조건의 변화로 인해 토출압(Pd)이 감소한다면, 식(9)에 따라 배압(Pb)이 감소하는 것을 다음과 같이 설명한다.
피스톤(14)이 힘 평형 상태에 있을 때의 상태인 도 2b, 2c 또는 2e의 상태 가운데 어느 한 상태에서 토출압(Pd)이 감소하면, F1이 감소하여, F1<F2가 되므로, 피스톤(14)은 상향 이동하고, 도 2b와 같은 상태를 거쳐 도 2a에 근접하게 된다. 피스톤(14)이 도 2a의 위치에 근접하게 되면 제1 탄성 유닛(21)의 반력 k1Δy1이 발생하기는 하지만 가스력 증가분에 비해 매우 작게 설정된다. 즉 토출압(Pd)이 조금만 감소하여도 F1<F2가 되어 피스톤(14)은 도 2b를 거쳐 도 2a의 상사점에 도달하게 된다. 피스톤(14)이 도 2b를 지나는 순간부터 열리는 제1 흡입실 연통로(161)를 통해 제2 하우징 하단 실린더(122)를 채우고 있는 배압 가스가 흡입실로 유출되게 되어 배압실 압력이 감소하게 된다.
배압실 압력이 감소하면, 식(1)에서 F1은 증가하고, 식(4)에서 F2는 감소한다. 이러한 배압의 감소는 제1 흡입실 연통로(161)가 열려 있는 동안 지속되며, 결국은 F2≒F1과 같이 되거나 또는 미세하게 F1>F2와 같이 힘이 역전되려고 하는 순간에 다다르게 되고, 이때 피스톤(14)은 하향 운동을 하게 되며 제1 흡입실 연통로(161)가 닫힐 때까지 이동하게 된다. 이때 제1 탄성 유닛(21)의 반력은 피스톤(14)의 하향 운동을 도와준다. 이럴 때 피스톤(14)은 새로운 평형에 도달하고, 배압(Pb)은 새로운 운전조건에서 식(9)를 만족하는 설정 배압 값이 된다. 피스톤은 다시 도 2b와 도 2c 사이, 즉 도 2e와 같은 위치가 된다.
C. 흡입압 증가
운전 조건의 변화로 인하여 흡입압(Ps)이 증가하면, 식(9)에 따라 배압(Pb)이 증가하는 것을 다음과 같이 설명한다.
피스톤(14)이 힘 평형 상태에 있을 때의 상태인 도 2b, 2c 또는 2e의 상태 가운데 어느 한 상태에서 흡입압(Ps)이 증가하면 식(4)에서 F2가 감소하여 F1>F2 가 되므로, 피스톤(14)은 하방으로 움직이게 되고, 도 2c를 거쳐 도 2d의 위치에 접근하게 된다. 피스톤(14)이 도 2c의 위치보다 아래로 내려올 경우, 제2 탄성 유닛(22)의 반력 k2Δy2가 발생한다.
피스톤(14)이 도 2c를 지나는 순간부터 열리는 제1 배압실 연통로(151)를 통해 제1 하우징 상단 실린더(111)를 채우고 있는 토출압 가스가 배압실로 유입되게 되어 배압실 압력이 올라가게 된다.
배압실 압력이 올라가면, 식(3)에서 F1은 감소하고, 식(2)에서 F2는 증가한다. 결국은 F2≒F1이 되거나 또는 미세하게 F1<F2와 같이 힘이 역전되려고 하는 순간에 다다르게 되고, 이때 피스톤(14)은 상향 운동을 하게 되며 제1 배압실 연통로(151)가 닫힐 때까지 이동하게 된다. 이때 제2 탄성 유닛(22)의 탄성 반력은 피스톤(14)의 상향 운동을 돕는다.
최종적으로 피스톤(14)은 새로운 평형에 도달하고, 배압(Pb)은 새로운 운전 조건에서 식(9)를 만족하는 설정 배압 값이 된다. 피스톤(14)은 다시 도 2b 및 도 2c의 사이, 즉 도 2e와 같은 위치가 된다.
D. 흡입력 감소
운전 조건의 변화로 인해 흡입압(Ps)이 감소한다면, 식(9)에 따라 배압(Pb)가 감소하는 것을 다음과 같이 설명한다.
피스톤(14)이 힘 평형 상태에 있을 때의 상태인 도 2b, 도 2c 또는 도 2e의 상태 가운데 어느 한 상태에서 흡입압(Ps)이 감소하면, 식(4)에서 F2가 증가하여, F1<F2가 되므로, 피스톤(14)은 상향 이동하고, 도 2b와 같은 상태를 거쳐 도 2a에 근접하게 된다. 피스톤(14)이 도 2a의 위치에 근접하게 되면 제1 탄성 유닛(21)의 반력 k1Δy1 이 발생한다.
피스톤(14)이 도 2b를 지나는 순간부터 열리는 제1 흡입실 연통로(161)를 통해 제2 하우징 하단 실린더(122)를 채우고 있는 배압 가스가 흡입실로 유출되게 되어 배압실 압력이 감소하게 된다. 배압실 압력이 감소하면, 식(1)에서 F1은 증가하고, 식(4)에서 F2는 감소한다. 이러한 배압의 감소는 제1 흡입실 연통로(161)가 열려 있는 동안 지속되며, 결국은 F2≒F1과 같이 되거나 또는 미세하게 F1>F2와 같이 힘이 역전되려고 하는 순간에 다다르게 되고, 이때 피스톤(14)은 하향 운동을 하게 되며 제1 흡입실 연통로(161)가 닫힐 때까지 이동하게 된다. 이때 제1 탄성 유닛(21)의 반력은 피스톤 하향 운동을 돕는다.
최종적으로 피스톤(14)은 새로운 평형에 도달하고, 배압(Pb)은 새로운 운전 조건에서 식(9)를 만족하는 설정 배압 값이 된다. 피스톤(14)은 다시 도 2b 및 도 2c 사이, 즉 도 2e와 같은 위치가 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 배압 조절 밸브는 토출압의 증가 또는 감소 또는 흡입압의 증가 또는 감소와 같은 운전 조건 변화에 대하여 다양한 운전 조건 변화에 대해 배압은 항상 식(9)에서 주어지는 값을 갖도록 해 준다. 식(9)에서 토출압(Pd)과 흡입압(Ps)이 주어지는 경우 배압(Pb)은 압력비(rp)에 따라 결정된다. 그런데 식(8)에서 정의된 압력비(rp)는 피스톤의 형상 치수에 해당하는 제1 피스톤(141)의 단면적(A1)과 제2피스톤(142)의 단면적(A2) 및 연결봉(143)의 단면적(A0)에 의하여 결정되는 고정된 값을 갖는다.
예를 들어 제1 피스톤(141)의 직경이 5mm, 제2피스톤(142)의 직경이 7.35mm, 그리고 연결봉(143)의 직경은 2mm가 되는 경우 압력비(rp)는 2.0이 되고, 식(10)과 같이 표시된다.
rp=2.0이 되는 경우 배압은 식(11)과 같이 표시된다.
제1 피스톤(141), 제2피스톤(142) 및 연결봉(143)은 다양한 치수를 가질 수 있고 이에 의하여 본 발명은 제한되지 않는다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
11: 제1 하우징 12: 제2 하우징
13: 연통로 14: 피스톤
19: 배압실 21, 22: 탄성 유닛
111: 제1 하우징 상단 실린더 112: 제1 하우징 하단 실린더
113: 제2 하우징 상단 실린더 114: 제2 하우징 하단 실린더
141: 제1 피스톤 142: 제2 피스톤
143: 연결봉 191: 유도로

Claims (6)

  1. 전동식 스크롤 압축기를 위한 배압 조절 밸브에 있어서,
    제1 하우징(11), 제2 하우징(12) 및 제1, 2 하우징(11, 12)을 연결하는 연통로(13)로 이루어진 밸브 하우징; 및
    제1 하우징(11)에 위치하는 제1 피스톤(141), 제2 하우징(12)에 위치하는 제2 피스톤(142) 및 제1, 2 피스톤(141, 142)을 연결하는 연결봉(143)으로 이루어진 피스톤(14)을 포함하고,
    피스톤(14)은 제1, 2 하우징(11, 12)의 내부에서 상하 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 배압 조절 밸브.
  2. 청구항 1에 있어서, 제2 하우징(12)은 제1 하우징(11)에 비하여 상대적으로 큰 단면적을 가지는 것을 특징으로 배압 조절 밸브.
  3. 청구항 1에 있어서, 제1 하우징 상단 실린더(111)는 토출실과 연결되고, 제1 하우징 하단 실린더(112)는 배압실과 연결되고, 제1 하우징(11)의 측면에는 제1 배압실 연통로(151)가 형성되어 피스톤(14)이 하사점에 도달할 때 제1 하우징 상단 실린더(111)와 배압실(19)을 연통시키고, 제2 하우징 상단 실린더(121)는 흡입실과 연결되면서 제2 하우징 하단 실린더(122)는 배압실(19)과 연결되고, 제2 하우징(12)의 측면에 제1 흡입실 연통로(161)가 설치되어 피스톤(14)이 상사점에 도달할 때 제2 하우징 하단 실린더(122)와 흡입실을 연통시켜주는 것을 특징으로 하는 배압 조절 밸브.
  4. 청구항 1에 있어서, 제1 하우징(11) 및 제2 하우징(12)에 설치되어 제1 피스톤(141) 및 제2피스톤(142)의 이동을 제한하며 동시에 복원력을 제공하는 탄성 유닛(21, 22)을 더 포함하는 배압 조절 밸브.
  5. 청구항 1에 있어서, 압력비 rp=(A2-A0)/A1로 표시되고, A0, A1 및 A2는 각각 연결봉(143), 제1 피스톤(141) 및 제2 피스톤(142)의 단면적을 나타내는 것을 특징으로 하는 배압 조절 밸브.
  6. 고정 스크롤;
    고정 스크롤에 대하여 회전되는 선회 스크롤;
    선회 스크롤의 경판 배면에 형성된 배압실; 및
    배압실의 배압 형성이 청구항 1 내지 5 중 어느 하나의 배압 조절 밸브를 포함하는 스크롤 압축기.
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