KR910002404B1

KR910002404B1 - 냉동공조장치

Info

Publication number: KR910002404B1
Application number: KR1019870012067A
Authority: KR
Inventors: 나오시 우찌가와; 아끼라 무라야마; 데쓰야 아라다
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1986-12-04
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1991-04-22
Also published as: DE3740726A1; DE3740726C2; KR880007929A; JPH0830471B2; US4774816A; JPS63140884A

Abstract

내용 없음.

Description

냉동공조장치

제1도는 본 발명의 공조기에 사용되는 스크롤·압축기의 예를 나타낸 종단면도.

제2도(a)∼(d)는 스크롤 압축기의 동작의 상태를 나타낸 평면도.

제3도는 스크롤 압축기의 선회스크롤의 회전각도와 압축실내 압력의 변화를 나타낸 그래프.

제4도는 바이패스구멍을 구비한 고정스크롤의 저면도.

제5도는 바이패스밸브의 구조를 예시한 일부 확대 단면도.

제6도는 본 발명의 공조기의 실시예에 있어서의 냉매회로도.

제7도는 정속의 압축기를 사용한 공조장치의 운전패턴을 나타낸도.

제8도는 가변속의 압축기를 사용한 공조장치의 운전패턴을 나타낸도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축기부 2 : 전동기

3 : 밀폐용기 4 : 구동축

4a : 편심축 5 : 고정스크롤

6 : 선회스크롤 5a, 6a : 경판

7 : 프레임 7a : 베아링

8 : 배압실 9 : 자전방지기구

11 : 흡입구멍 12 : 압축실

13 : 토출구멍 16 : 배압구멍

21 : 바이패스구멍 22 : 바이패스밸브

본 발명은 가변속구동식(예를 들어 인버터를 가진 전동기구동식)의 스크롤 압축기를 사용한 공조기, 특히 스크롤 압축기에 과압축방지용 바이패스밸브가 설치되는 냉동공조장치에 관한 것이다. 냉매 압축기용으로 스크롤 압축기를 사용한 공조기는 종래 공지이다. 스크롤 압축기는 경판과 그 경판에 일체적으로 직립하여 형성된 원의 임보류트(involute) 또는 그것에 가까운 소용돌이 형상의 랩으로 이루어지는 선회스크롤을 이선회스크롤과 동일한 구성을 가지며 경판의 중심에 토출구멍을 가진 고정스크롤을 서로 랩을 내측으로 향하여 맞물리고 이것을 흡입구를 가진 밀폐 하우징내에 수용하고, 올덤링 기구에 의하여 선회스크롤의 자전은 허용되지 않으나, 선회스크롤의 고정스크롤 중심의 주위를 선회할 수 있도록 하고, 선회스크롤을 전동기로 구동되는 크랭크축에 의해서 고정스크롤의 중심의 주위에 선회스크롤의 중심이 선회하도록 구동하는 것이다. 선회스크롤이 이와 같이 구동되면, 선회 및 고정양 스크롤의 경판 및 랩에 의하여 밀폐공간(압축실)이 형성되고 이 압축실은 선회스크롤의 선회에 따라 중심으로 향하여 이동하면서 그 용적이 점차 축소하여 마침내는 고정스크롤의 경판중심에 위치하는 토출구멍과 연통하도록 된다. 따라서 이 압축실에 흡입되어 가두어진 냉매가스는 흡입시보다 높은 압력으로 압축되어 이 토출구멍에서 토출된다.

제2도는 이와 같은 스크롤 압축기의 흡입 압축동작을 설명하는 도면이고, 고정스크롤의 소용돌이 형상랩(5b)의 중심에 대하여 선회스크롤의 소용돌이 형상랩(6b)의 중심이 반시계방향으로 돌고, a에서 d까지의 싸이클을 반복한다. 동도 a에서는 양 랩사이의 공간(12a)은 아직 밀폐공간을 형성하지 않고 가스를 흡입하고 있는 상태이다. b에서는 최대의 밀폐공간(12b)이 형성되고 이곳에 가스흡입이 완료된 상태이다. c에서는 축소된 밀폐공간(12c)은 고정스크롤의 중심의 토출구멍(13)에 연결되기 직전의 상태, 즉, 가스 압축이 완료되어 토출직전의 상태이다. d는 밀폐공간(12d)이 토출구멍(13)과 연통하여 가스를 토출하고 있는 상태를 나타낸다. b에 나타낸 밀폐공간(12b)내의 압력 즉 흡입압력을 분모(分母)로 하고, c에 나타낸 밀폐공간(12c)내의 압력 즉 토출직전의 압력을 분자로 하는 비를 스크롤 압축기의 설정압력비라 칭하고, 이것은 랩의 형상으로 결정되는 일정한 값을 가진다. 한편, 흡입압력과 토출구멍(13)의 압력과의 비(토출압력/흡입압력)를 운전압력비라 칭하고, 이것은 공조기의 운전상태에 따라 다르다.

제3도는 선회스크롤의 회전각도와 압축실내 압력과의 관계를 나타낸 도면이다. 선회스크롤의 회전에 따라 흡입이 완료한 상태(A)로부터 압축완료의 상태(B)(설정압력비에 달한 상태)에 이르고, 그 다음 토출압력의 상태를 거쳐 다시 상태(A)로 돌아가는 싸이클을 반복한다. 운전압력비가 설정압력비보다 작은 경우에는 압축실내의 압력은 도면중 A→B→C와 같이 변화한다.

이와 같은 운전상황을 과압축이라 칭하고, 이 경우 DBC로 나타낸 면적에 상당하는 일이 불필요한 일이 된다. 한편, 운전압력비가 설정압력비 보다 큰경우는 압축실내의 압력은 A→B→E와 같이 변화하고, 이 경우 BEF로 나타낸 면적에 상당하는 여분의 일을 필요로 한다. 과압축은 불필요한 일을 소비하므로 이것을 저감하는 것이 바람직하다. 과압축을 저감하는 수단으로써 바이패스밸브를 설치하는 것이 종래 공지이다. 이것은 제4도에 나타낸 바와 같이 고정스크롤의 경판에 압축실과 토출측을 연통하는 바이패스구멍(21)을 설치하고, 또한 토출측으로부터 압축실내로의 가스의 역류를 방지하는 바이패스밸브를 토출측에 상기 바이패스구멍(21)에 설치한다. 이 바이패스구멍(21)은 고정스크롤의 랩(5b)에 근접시켜 형성한다. 이 바이패스구멍(21)은 선회스크롤의 회전에 수반하는 압축행정이 어느단계까지 진행할때까지의 선회스크롤이 랩으로 덮혀지기 때문에 압축실과 연통하지 않으나 압축행정이 어느단계를 넘으면 선회스크롤의 랩에 의해 덮혀지지 않고 압축실로 연통된다. 제3도에 있어서, GH는 바이패스구멍(21)이 압축실에 연통하는 선회스크롤의 회전각도 범위를 나타낸다.

이와 같은 바이패스밸브를 설치했을 경우 제3도에 있어서, 운전압력비가 C일때, 압축실내 압력은 점 D로부터 가스의 방출이 시작되므로 (GD간에서는 상기 바이패스밸브의 존재에 의하여 가스방출은 일어나지 않음) A→D→C와 같이 변화하고 불필요한 과압축은 방지된다. 이상으로부터 명백한 바와 같이 GH사이에서 바이패스구멍(21)이 통하게되는 바이패스밸브를 설치하는 것은 적어도 운전압력비가 1까지 저하한 운전상태에서도 유효하게 과압축을 방지할 수 있다. 바이패스구멍(21)이 압축실에 연통하는 시기는 바이패스구멍(21)을 설치한 위치에 의해 정해진다.

이와 같은 바이패스밸브를 설치한 스크롤 압축기의 공지예는 USP 4,389,171호에 개시되어 있다.

다음에 본 발명의 설명에 관계가 있는 다른 사항으로서 정속회전의 압축기를 사용한 공지의 공조기와, 가변속회전(예를 들어 인버터를 거치는 전동기구)의 압축기를 사용한 공지의 건조기에 관하여 설명한다. 정속의 압축기를 사용한 공조기에 있어서는 부하가 작을 경우는 압축의 용량이 과대하게되므로 압축기는 빈번하게 운전 및 정지를 반복한다. 압축기가 정지하면 공조기의 냉매회로내의 압력은 균형을 이룬다. 압축기를 운전하면 공조기의 냉매회로내에는 고압부와 저압부가 형성된다. 따라서, 압축기의 운전 및 정지의 반복은 균형상태로부터 고압, 저압을 형성하는 일만큼 여분의 일을 필요로 한다. 이 문제를 해결하기 위하여 부하가 클때는 압축기를 고속회전하고 부하가 작을때에는 저속회전시키는 가변속 제어의 압축기를 사용한 공조기가 공지로 되어있다. 공조기의 냉매회로의 용적은 일정하므로, 상기와 같은 공조기에 있어서는 압축기의 고속회전시에는 토출량이 증가하여, 토출압력이 더 높으며 흡입압력이 더 낮은 고운전압력비의 상태로 되고, 또 저속회전시에는 토출압력이 더 낮고, 흡입압력이 더 높은 저운전압력비의 상태로 된다.

상기와 같은 바이패스밸브를 설치한 종래의 스크롤 압축기에 있어서는, 예를 들어 USP 4,389,171호에 개시된 것은 기동시의 토오크를 저감하기 위한 것으로, 바이패스밸브의 구멍의 위치에 관해서는 특별히 규정되어 있지않다. 그리고 압축실의 압력이 토출압력보다도 높아졌을때에 압축가스를 바이패스시키는 바이패스밸브를 설치하도록 한것도 있으나, 바이패스밸브의 구멍의 위치에 관해서는 특별히 규정되어 있지않다.

이와 같이 종래 기술은 바이패스구멍의 위치에 대해서는 특별히 고려되어 있지않고, 반드시 효율을 최적을 하기 위한 바이패스밸브의 위치에 관해서는 명확하게 밝혀져 있지 않았다.

본 발명은 가변속의 스크롤 압축기를 사용하여 용량제어를 하는 공조기에 있어서 바이패스밸브의 구멍의 위치를 효율이 최적이 되도록 정함으로써 커다란 에너지절감을 달성하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 정속의 압축기를 사용한 공조기에 있어서는 운전압력비가 설정압력비를 하회하는 운전상태의 발생빈도는 비교적 적고, 따라서 과압축방지를 위한 바이패스밸브를 설치해도 에너지 절감 효과는 거의 없는 것이 통예이다. 한편 인버터를 개재시킨 전동기구동등의 가변속의 스크롤 압축기를 사용하여 용량제어를 행하는 공조기에 있어서는, 운전압력비가 설정압력비를 하회하는 저속에서의 운전상태의 발생빈도가 매우 많다는 사실을 본 발명자는 실제의 공조기의 운전 패턴의 연구의 결과로 확인하였다.

본 발명은 이 사실에 의거하여 가변속의 스크롤 압축기를 사용하여 용량제어를 하는 공조기에 있어서, 값이 1보다 작고 또한 발생빈도가 가장 많은 운전압력비/설정압력비의 범위에서 바이패스밸브가 작동하는 위치에 바이패스구멍을 설치한 것을 특징으로 한 것이다. 일반적으로는 그 비의 값은 0.5∼0.75의 범위로 설정되는 것이 좋다.

상기와 같은 위치에 바이패스밸브의 바이패스구멍을 설치한 결과, 가변속의 스크롤 압축기를 사용한 공조기에 있어서, 가장 발생빈도가 많은 저운전압력비일때에 바이패스밸브가 작동하여 과압축이 방지되므로, 동력 손실이 적어져 대폭적인 에너지 절감 효과가 달성된다.

이하 도면에 의거하여 실시예를 설명한다.

제1도는 본 발명의 공조기에 사용되는 스크롤 압축기의 한예를 나타낸 종단면도이다. 제1도에 있어서 1은 고정스크롤(5) 및 선회스크롤(6)로 이루어지는 압축기이고, 전동기(2)와 직결되어 밀폐용기(3)내에 수납된다. 고정스크롤(5)은 경판(5a)과 이것에 일체적으로 직립설치된 소용돌이 형상의 스크롤랩(5b)을 가지며, 외주부에는 랩과 동일 높이의 외벽(5c)을 가진다. 선회스크롤(6)은 경판(6a)과 이것에 일체적으로 직립 설치한 소용돌이 형상의 스크롤랩(6b)을 가지며, 경판(6a)의 반대측에 보스(6c)를 가진다. 상기 고정스크롤(5)과 선회스크롤(6)은 서로 랩(5b, 6b)을 내측으로 지향시켜 조합하고 고정스크롤(5)이 밀폐용기(3)에 고정한 프레임(7)에 고정된다. 프레임(7)은 중앙부에 베아링(7a)를 형성하여 구동축(4)을 지지하고, 또 선회스크롤의 경판(6a)의 배면측에 배압실(8)을 형성한다. 구동축(4)의 상부에는 편심축(4a)이 돌출되고, 이 편심축(4a)이 상기 보스(6c)에 삽입되며, 프레임(7)과 선회스크롤의 경판(6a)과의 사이에는 선회스크롤 자전방지기구(9)가 설치되고, 구동축(4)의 회전에 의하여 선회스크롤(6)은 자전하지 않고 고정스크롤(5)에 대하여 선회운동을 한다.

고정스크롤(5)의 외주부에는 흡입구멍(11)이 설치되고, 이 흡입구멍(11)에는 밀폐용기(3)을 관통하여 흡입관(31)이 접속된다. 고정스크롤의 경판(5a)의 중앙부에는 토출구멍(13)이 설치되고 고정스크롤 상부의 토출실(3a)은 통로(14a,14b,14c)를 거쳐 전동기 상부의 실(3b)에 연통하고, 이 실(3b)에는 밀페용기(3)를 관통하여 토출관(32)이 접속된다. 선회스크롤의 경판(6a)에는 압축도중의 압축실과 배압실(8)을 연통하는 배압구멍(16)이 뚫려있고, 이 배압구멍(16)은 고정 및 선회의 양스크롤 랩의 맞물림에 의하여 대칭 형상으로 형성되는 2개의 압축실에 각각 연통하도록 설치된다. 스크롤 압축기의 운전에 따라 흡입압력과 토출압력의 중간적인 압축도중의 압력이 상기 배압구멍(16)을 통해 배압실(8)에 도입되고, 이 배압에 의하여 운전중 선회스크롤(6)이 고정스크롤(5)에 대하여 축방향으로 압력을 받고, 양경판(5a, 5a) 및 랩(6b, 5b)선단의 축방향 밀봉을 유지한다. 그리고 고정스크롤의 경판(5a)에는 제4도에서 고정스크롤의 저면도에 나타낸 바와 같이 설정압력비가 0.5∼0.7의 압력비로 바이패스하게 하는 위치에 랩(5b)에 근접하여 대략 랩의 판두께와 동등한 구멍 지름의 바이패스구멍(21)을 1개 또는 그 이상이 경판(5a)을 관통하여 설치된다. 이 바이패스구멍(21)은 양스크롤의 랩(5b, 6b)의 맞물림에 의하여 형성되는 2개의 대칭형의 압축실의 각각 대칭위치에 개구된다. 또 제5도에 나타낸 바와 같이 상기 경판(5a)의 실(3b)에 면하는 끝에는 판형상의 바이패스밸브(22)와 이 밸브의 개방도를 제어하는 스토퍼(28)가 볼트(24)에 의해서 설치된다. 이 바이패스밸브(22)는 압축실(12)보다 상부의 토출실(3a)의 압력이 크면 바이패스구멍(21)을 폐쇄하고, 압축실(12)의 압력이 상부의 토출실(3a)보다 크면 바이패스구멍(21)을 열어 압축실(12)로부터 상부의 토출실(3a)로 흐르는 바이패스 유로를 형성한다.

이상 설명한 스크롤 압축기를 사용한 공조장치의 냉매회로를 제6도에 나타낸다. 냉매회로는 사방향변환밸브(33), 실내열교환기(34), 팽창밸브(35), 실외열교환기(36), 스크롤 압축기(1)에 의하여 구성되고, 압축기(1)는 교류전원(38)으로부터 인버터(37)를 거쳐서 상기 전동기에 의해 구동된다. 사방향변환밸브(33)를 냉방측으로 변환시키므로서 냉방운전시는 압축기(1)-사방향변환밸브(33)-실외열교환기(36)-팽창밸브(35)-실내열교환기(34)-사방향변환밸브(33)-압축기(1)의 순서로 냉매가 순환하는 회로가 형성된다. 또 사방향변환밸브(33)를 난방측으로 변환시키므로서 냉매순환 결로는 역전된다. 인버터의 구동주파수는 실내의 냉방부하 혹은 난방부하에 따라 제어되고, 실내온도가 설정온도에 근접했을 경우에는 저속으로 운전하도록 인버터의 주파수를 내리도록 제어된다. 이러한 저속운전의 경우에는 냉매순환량이 감소하기 때문에 상대적으로 열교환기 용적이 커지고, 토출압력은 저하하고, 흡입압력은 상승하며, 따라서 운전압력비가 낮은 상태로 운전된다. 이들의 열부하에 대하여 공조기의 요량의 선정은 정격 회전수의 용량으로 선정하고 있으나, 최대부하의 열부하에 대해서도 능력적으로 만족하도록 선정하기 때문에 일반적으로 용량적으로 여유가 있어 상기와 같이 저속에서의 운전이 대부분이 된다.

다음에 공조기의 연간의 운전압력비의 빈도에 관해서 설명한다.

제7도 및 제8도는 스크롤 압축기를 사용한 공조기의 실제의 운전패턴에 의거하여 적성한 도면이고, 압축기 회전수를 횡축, 운전압력비와 설정압력비와의 비(운전압력비/설정압력비)를 종측으로 취한 경우의 양자의 관계를 나타낸 챠트이다. 도면중의 원과 그것에 기록한 수치는 그 원의 중심에 나타난 운전상태가 연간(이것을 100으로 한다)에 차지하는 비율 즉, 운전빈도를 나나탠다. 제7도는 정속의 압축기를 사용한 공조기의 경우이고, 제8도는 인버터구동에 의한 가변속 압축기를 사용하여 부하에 따른 용량제어를 행하는 공조의 경우이다. 제7도에서 알수 있는 바와 같이 정속 압축기를 사용하는 경우 운전압력비가 설정압력비 이상인 운전상태의 빈도가 크다. 이것에 대하여 제8도에서 알 수 있는 바와 같이 회전속도를 제어하는 압축기를 사용한 공조기의 경우에는 운전압력비/설정압력비의 값이 0.5∼0.75로 되는 운전상태가 연간 85%를 점하고, 그와 같은 운전상태의 빈도가 매우 큰것을 알수 있다.

본 발명의 상기 실시예에서는 이와 같은 사실을 감안하여 상기와 같이 설정압력의 0.5∼0.75의 압력비에 의해 바이패스밸브가 작동되는 위치에 바이패스구멍(21)을 설치하였기 때문에 가장 빈도가 많은 운전상태에 있어서의 과압축을 방지할수 있고, 효과적인 에너지 절감 효과를 높일 수가 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 인버터등에 의하여 회전수를 제어하는 냉동공조장치에 있어서 운전빈도가 많은 낮은 운전압력비에 바이패스밸브가 작동하도록 바이패스구멍의 위치를 설정한 스크롤 압축기를 사용함으로써 종래의 바이패스밸브가 없는 스크롤 압축기에 대하여 약 10%정도 높은 에너지 절감 효과를 얻을 수가 있다.

Claims

증발기(34), 응축기(36), 팽창밸브(35), 흡입 및 토출관(31,32) 스크롤 압축기(1)등의 기기에 의하여 냉동싸이클을 형성하고, 이 스크롤 압축기(1)의 구동회전속도를 인버터(37)에 의하여 냉동공조를 부하에 따라서 변화시키도록 제어하는 냉동공조장치에 있어서, 상기 스크롤 압축기(1)의 고정스크롤의 경판(5a)을 관통하여 압축 도중의 압축실측과, 토출실(3a)을 연통하는 바이패스구멍(21)을 고정스크롤의 랩(5b) 근방에 설치함과 동시에 이 바이패스구멍(21)에 압축실측에서 토출실(3a)측으로의 냉매가스의 유통을 허용하는 체크 밸브 작용을 가진 바이패스밸브(22)를 설치하고, 상기 바이패스구멍(21)이 그 값이 1보다 작으며 또한 발생 빈도가 가장 많은 운전압력비/설정압력비의 범위에 의하여 상기 바이패스밸브를 흐르는 냉매 가스의 유통이 생기는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 냉동공조장치.
제1항에 있어서, 상기 운전압력비/설정압력비의 범위가 0.5∼0.75의 범위로 선정되는 것이 특징인 냉동공조장치.