KR950010407B1 - 회전 압력 챔버를 갖춘 축방향 컴플라이언스 스크롤 - Google Patents

회전 압력 챔버를 갖춘 축방향 컴플라이언스 스크롤 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

회전 압력 챔버를 갖춘 축방향 컴플라이언스 스크롤
제1도는 밀봉부가 단면으로 도시된 활주 블록 및 밀봉판 조합체의 평면도.
제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 취한 스크롤 압축기의 일부의 수직 단면도.
제3a도 내지 제3d도는 제1도에 대응하지만 활주 블록 및 밀봉판 조합체의 위치들을 크랭크축에 관하여 90°간격으로 도시한 평면도.
제4도는 제2도의 선 4-4를 따라 취한 단면도.
제5도는 반전 모멘트가 어떻게 발생하는지를 보여주는 몸체가 제거된 상태의 궤도 스크롤의 다이아그램.
제6도는 회전하는 압력 챔버들에 의해 복원 모멘트가 어떻게 발생하는지를 보여주는 몸체가 제거된 상태의 스크롤의 다이아그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 활주 블록 및 밀봉판 조합체 20-1 : 보어
20-2, 20-3, 20-4 : 연장부 22, 23, 24 : 밀봉부
26, 28 : 챔버 30 : 궤도 스크롤
30-1, 30-2 : 유체 통로 30-3 : 보스
31 : 궤도 스크롤 40 : 크랭크축
40-1 : 요홈
스크롤 압축기에 있어서, 트랩 체적부(trapped volume)들은 초승달 형태이고, 고정 및 궤도 스크롤들의 랩들 또는 요소들과 그들의 단부판들 사이에 한정된다. 초승달 부분들은 초승달 부분의 단부들이 고정 및 궤도 스크로들의 랩들 사이에 접선 또는 접촉 지점들을 한정하면서 약 360°연장한다. 이들 접선 또는 접촉지점들은, 트랩 체적부들이 배출 포트에 노출될 때까지 트랩 체적부의 크기가 계속 감소됨에 따라 접선 또는 접촉 지점들이 랩들의 중심을 향하여 계속 이동한다는 점에서, 가변적이다. 트랩 체적부들의 체적이 감소함에 따라, 계속 증가하는 압력이 궤도 스크롤의 랩과 단부판에 작용하여 궤도 스크롤을 고정 스크롤에 관하여 축방향 및 방사상으로 이동시키는 경향이 있다. 트랩 체적부는 냉매 및/또는 오일의 액상 슬러그를 함유할 수 있기 때문에, 궤도 스크롤의 내향 방사상 이동을 허용하여 트랩 체적부로부터의 누설을 허용함으로써 과잉 압력 생성을 경감시키도록 하는 것이 바람직하다.
고정 스크롤부로부터의 궤도 스크롤의 방사상 이동은 방사상 컴플라이언스를 통해 제어된다. 그러한 한가지 해결책은 크랭크축과 궤도 스크롤 사이의 접속을 제공하기 위해 편심 부싱 기구를 사용하는 것이었다. 또 다른 해결책은 궤도 스크롤과 크랭크축 사이에 선회 링크 접속을 사용하는 것이었다. 미합중국 특허 제 3,924,977호에는 활주 블록 방사상 컴플라이언스 장치가 간단히 언급된어 있다. 이 특허의 경우, 편심 부싱기구를 작동시키기 위해 궤도 스크롤의 원심력이 사용된다. 궤도 스크롤의 이동 선은 원심력을 따라 즉, 균형추의 중력 중심으루부터 크랭크축의 중심을 통해 궤도 스크롤의 중심으로 연장하는 선을 따라 이루어진다. 상기 해결책의 각각은, 궁극적으로, 랩을 밀봉 접촉 상태로 유지하기 위해 크랭크축의 회전에 의해 발생된 원심력에 의존하고 있다.
고정 스크롤로부터의 궤도 스크롤의 축방향 이동은 추력(thrust force)을 발생시킨다. 궤도 스크롤, 크랭크축 및 회전자의 중량은 압축기가 수직인지 수평인지에 따라 그리고 수직이라면 모터가 궤도 스크롤의 위 또는 아래에 위치하는지에 따라, 추력과 함께 작용하거나, 추력에 대항하여 작용하거나, 추력에 대해 대수롭지 않은 충격으로 작용할 수 있다. 또한, 최대 압력은 최소 체적에 대응하므로, 궤도 스크롤의 중심부에서 최대 추력 하중이 발생하지만, 제한된 지역에서 발생케된다. 그러한 추력은 큰 포텐셜 마찰 하중으로 궤도 스크롤을 크랭크축에 대해 가압하고, 그에 따라 마모가 발생된다. 궤도 스크롤 상의 선단 밀봉부, 추력베어링 및 유체 압력 백 바이어스(back bias)와 같은 추력을 상쇄시키기 위해 많은 해결책들이 사용되어 왔다. 랩 선단 밀봉부는 고유의 누설 손실을 갖고 있으므로 각각의 스크롤 랩의 선단의 홈을 정확히 가공할 필요가 있다. 외부 압력원뿐만 아니라 트랩 체적부로부터의 배출 압력 및 중간 압력이 백 바이어스를 제공하기 위해 사용되어 왔다. 특히, 미합중국 특허 제3,600,114호, 제3,924,977호 및 제3,994,633호는 스크롤 바이어스력(biasing force)을 제공하기 위해 단일 유압 챔버를 이용한다. 이러한 해결책은 어떤 작동 조건에서 아주 큰 순 추력(net thrust force)으로 궤도 스크롤 상에 바이어스력을 제공한다. 상술한 바와같이, 궤도 스크롤의 중심부에 그러나 비교적 좁은 영역에 걸쳐 높은 압력이 집중된다. 만일 백 바이어스 영역이 동일하게 위치된다면, 약간의 추력이 백 바이어스의 방사상 외측으로 위치하게 되기 때문에 티핑(tipping)을 위한 포텐셜이 존재하게 된다. 또한, 궤도 스크롤의 후면의 이용가능한 큰 영역 덕분에, 추력을 훨씬 초과하는 백 바이어스를 제공할 수 있다.
미합중국 특허 제3,874,827호 및 제4,767,293호는 비궤도 스크롤(non-orbiting scroll)의 압력 바이어스를 개시하고 있다. 배출 압력, 중간 압력 또는 배출 및 중간 압력의 조합을 반영하는 압력이 미합중국 특허 제4,767,293호에 개시되어 있다.
스크롤 압축기 디자인의 가장 매력적인 앵태들 중의 하나는 추력 마찰 손실을 최소화하면서 모든 작동 조건에서 적절한 선단 밀봉을 제공하는 것이다. 종전에는 궤도 스크롤의 축방향 바이어스는 궤도 스크롤의 기하학적 형태에 관하여 사실상 중심이 일치하는 가스 압력에 의존하였다. 이러한 해결책은 축방향 분리력의 균형을 맞추는 복원력을 필요로 할 뿐만 아니라 접선방향 가스 압력으로 인한 궤도 스크롤의 반전 모멘트에 반작용하는 복원력을 필요로 한다. 그 결과, 효율 손실과 함께 과도한 선단 추력 하중이 발행한다.
본 발명은 궤도 스크롤 후면에 관해 회전하는 입력 챔버들을 이용한다. 압력 챔버들은 궤도 스크롤 상의 순 압력이 가스 압축력으로 인한 반전 모멘트에 반작용하는 복원 모멘트를 항상 발생시키도록 편심 방식으로 위치된다. 이러한 방식의 궁극적인 효과는 압력 챔버 내의 가스 압력이 스크롤 내의 축방향 분리력들에 반작용하기 위해 주로 사용된다는 것이다. 그러므로, 랩 선단들에서의 순 추력 하중들은 중심이 일치하는 압력 챔버들로 설게된 것 들보다 훨씬 작다.
본 발명의 목적은 보다 광범위하고 보다 안정한 작동 덮개(envelope)를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전체 작동 덮개에 걸쳐서 축방향 컴플라이언스를 개선하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 궤도 스크롤의 후면에서의 추력 손실을 최소화하는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적은 스크롤 선단에서의 추력을 감소시키는 축방형 컴플라이언스 기구를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 스크롤 압축기의 조합된 방사상 및 축방향 컴플라이언스부재를 제공하는 것이다.
이들 목적 및 다른 목적들은, 다음 설명으로부터 알 수 있는 바와같이, 본 발명에 의해 이루어진다.
기본적으로, 궤도 스크롤과 회전 부재 사이에 하나 이상의 환형 압력 챔버들이 형성된다. 챔버들은 서로에 대해서 뿐만 아니라 궤도 스크롤의 중심에 관하여 편심되게 위치한다. 조합된 회전 궤도 운동은 회전 부재의 회전축에 관하여 챔버들을 주기적으로 이동시키지만, 순 축방향 바이어스력들은 종래의 디자인의 경우보다 작다. 양호한 실시예의 경우, 회전 부재가 활주 블록과 일체식이므로, 액상 슬러그가 스크롤 랩들 사이를 통과함에 따라 약간의 방사상 이동이 가능하다.
제1도에서 참조 부호 20은 본 발명의 활주 블록 및 밀봉판 조합체를 나타낸다. 또한, 제2도를 참조하면, 원형밀봉판은 그 안에 보어(20-1)가 형성되어 있고, 보어(20-1)는 동축 연장부(20-2)에 의해 부분적으로 한정되고, 제1도에 지점 A로써 나타낸, 궤도 스크롤(30)의 축이기도 한 축 A-A와 중심이 일치한다. 제1도에 지점 C로써 나타낸 축 C-C와 중심이 일치하는 제2축방향 연장부(20-3)는 연장부 (20-2)의 방사상 외측에 연장부(20-2)에 관해 편심되게 위치한다. 제3비대칭 축방향 연장부(20-4)는 제1도에 지점 B로써 나타낸 축 B-B와 중심이 일치하는 내부 원형부를 갖고 있으며, 축 C-C가 축 A-A 및 B-B와 동일 평면 상에서 축 A-A와 축 B-B의 중간에 위치되도록 연장부(20-2, 20-3)들의 방사상 외측에 연장부(20-2, 20-3)들에 관해 편심되게 위치한다. 제1환형 밀봉부(22)는 연장부(20-2)를 에워싸고 연장부(20-2)에 의해 지지된다. 제2환형 밀봉부(23)는 연장부(20-3)의 방사상 내측에 위치하여 연장부(20-3)와 결합되어 지지된다. 제3환형 밀봉부(24)는 연장부(20-4)의 방사상 내측에 위치하여 연장부(20-4)의 내부 원형부와 결합되어 지지된다. 환형 밀봉부(22, 23)들 사이의 비대칭 환형 공간은 제1압력 챔버(26)를 한정하고, 환형 밀봉부(23, 24)들 사이의 비대칭 환형 공간은 제2압력 챔버(28)를 한정한다.
이제 제2도를 참조하면, 챔버(26, 28)들이 밀봉 스크롤 압축기(10)의 궤도 스크롤(30)과 활주 블록 및 밀봉판 조합체(20) 사이에 위치됨을 알 수 있다. 활주 블록 및 밀봉판 조합체(20)는 올드햄 커플링(Oldham coupling)(32)에 의해 에워싸여 크랭크케이스(34)에 의해 쉘(12)내에 지지된다. 챔버(26)는 궤도 스크롤(30)의 유체 제한 통로(30-1)를 경유하여 밀봉 스크롤 압축기(10)의 배출 압력과 연통되고, 챔버(28)는 궤도 스크롤(30)의 유체 제한 통로(30-2)를 경유하여 스크롤 압축기(10)의 중간 압축 압력과 연통된다. 따라서, 챔버(26)는 압축 과정시에 도달하는 최대 압려과 반드시 동일하지 않은 배출 압력에 반응하고, 챔버(28)는 중간 압력에 영향을 미치는 흡입 압력에 반응한다. 부가적으로 제4도를 참조하면, 궤도 스크롤(30)의 보스(30-3)는 보어(20-1)에 수용되어 활주 블록 및 밀봉판 조합체(20)의 일체식 활주 블록부(20-5)와 협동한다. 활주 블록부(20-5)는 평탄한 측면들과 둥근 단부들을 갖춘 길다란 형태를 갖고, 크랭크축(40)이 제1도, 제3A도 내지 제3D도 및 제4도에서 지점 D로서 나타낸 축 D-D를 중심으로 화전할 때 활주 블록 및 밀봉판 조합체(20) 및 그것에 의해 지지된 밀봉부(22 내지 24)들이 제3A도 내지 제3D도에 가장 잘 도시된 것처럼 축 D-D에 관해 크랭크축(40)과 함께 단일 유닛으로서 회전하도록 크랭크축(40)의 길다란 요홈(40-1)내에 수용된다. 활주 블록 및 밀봉판 조합체(20)는 액상 슬러그, 그리트(grit) 등의 위로 넘어가도록 축 A-A 및 축 D-D에 의해 한정된 평면에서 제한된 방사상 이동을 할 수 있지만 본래 작동 중에는 최외각 위치에 있게 된다. 그러나, 도시된 것처럼, 활주 블록부(20-5)의 노우즈(nose)는 크랭크축(40)의 내측 반경부와는 접촉하지 않는다. 종래의 것과 마찬가지로, 궤도 스크롤(30)은 크랭크축(40)이 회전하는 동안 궤도 운동으로 이동한다.
특히, 90°간격으로 부재들의 상대적인 위치들을 나타낸 제3A도 내지 제3D도를 참조하면, 챔버(26, 28)들과, 축 A-A, 축 C-C 및 축 B-B에 의해 한정된 평면은 궤도 스크롤(30)에 대해서 뿐만 아니라 축D-D에 관하여 그들의 위치를 변화시킴을 알 수 있다. 그러므로, 궤도 스크롤(30)이 제3A도 내지 제3D도의 지점 D에 관한 지점 A의 이동으로 나타낸 것처럼 궤도 운동하는 동안, 활주 블록 및 밀봉판 조합체(20) 및 그 밀봉부(22 내지 24)들은 제3a도 내지 제3d도에 지점 A 내지 지점 D로 됫된 축 D-D에 대한 축 A-A, 축 C-C 및 축 B-B에 의해 한정된 평면의 이동으로 나타낸 것처럼 회전한다. 제1도와 동일하게 제3a도에 도시한 것처럼, 지점 A 및 그에 따른 궤도 스크롤(30)은 최우측 위치에 위치하고 원심력은 축 D-D 및 축 A-A에 의해 한정된 평면을 따라 작용하지만, 챔버(26, 28)들의 영역들은 일반적으로 최하부 위치에 있게 된다. 그 결과, 스크롤 압축기가 트랩 체적부들을 대칭으로 위치시켰기 때문에, 챔버(26, 28)들의 주여 영역들의 90°전방과 90°후방에 주요 영역들을 갖는 트랩 체적부들의 영역들이 궤도 스크롤(30)과 고정 스크롤(31)사이에 한정된다. 또한, 원심력은 챔버(26, 28)들의 주요 영역 90°후방에 작용한다. 제3b도 내지 제3d도는 제3a도의 위치로부터 시작하여 90°씩 증가한 챔버(26, 28)들 및 축 A-A, 축 B-B, 축 C-C 및 축 D-D의 위치들을 도시했지만, 챔버(26, 28)들의 위치들에 대한 트랩 체적부들 및 원심력의 상대적인 위치들은 일정하게 유지된다.
압력 챔버(26, 28)들이 챔버(26, 28)들을 부분적으로 한정하는 궤도 스크롤(30)의 후면에 관해 회전하기 때문에 압력 챔버(26, 28)들은 궤도 스크롤(30)과 중심이 일치하기보다는 편심되는 방식으로 위치한다. 그러므로, 궤도 스크롤 상의 순 압력은 축방향 컴플라이언스에 대한 축방향 바이어스를 제공하는 외에 가스 압축력으로 인한 반전 모멘트에 반작용하는 복원 모멘트를 항상 발생시킨다. 제5도의 몸체가 제거된 상태의 다이아그램을 참조하면, 접선 방향 가스력은 궤도 스크롤(30)과 고정 스크롤(31)사이에 밀봉을 제공할 뿐만 아니라 균형을 맞추는, 본 발명이 추구하는 반전 모멘트를 발생시킴을 알 수 있다. 이제 제6도를 첨조하면, 챔버(26, 28)들의 후방 압력과 추력 전방 반발력(FR)은 반점 모멘트의 균형을 맞추는 복원 모멘트를 발생시키기 위해 함께 작용함을 알 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예를 기술 및 도시했지만, 본원 기술 분야에서 숙련된 사람들에 의해 다른 변경도 가능하다. 예컨대, 활주 블록 및 밀봉판 조합체를 분리된 부재들로 할 수 있고, 밀봉판을 크랭크축의 일부로 할 수도 있다. 또한, 밀봉부(22, 24)들 사이에 한정된 단일 챔버를 사용할 수도 있다. 그러므로, 본 발명의 범주를 첨부된 청구 범위에 의해서만 한정시키고자 한다.

Claims (14)

  1. 고정 스크롤(31), 축(A-A)를 갖는 궤도 스크롤(30), 상기 궤도 스크롤을 구동시키기 위해 상기 궤도 스크롤의 상기 축으로부터 이격된 축(D-D)을 중심으로 회전가능한 크랭크축(40)을 갖고 있는 스크롤 압축기 수단의, 축방향 컴플라이언스 수단에 있어서, 상기 크랭크축의 상기 축을 중심으로 상기 크랭크축에 의해 회전 가능하게 구동되는 밀봉판과, 상기 궤도 스크롤의 상기 축과 대체로 동축인 축(A-A)을 갖는 내부 밀봉부(22)와 상기 크랭크축 및 상기 궤도 스크롤의 상기 축들로부터 이격된 축(B-B)을 갖는 외부 밀봉부(24)를 포함하고 상기 밀봉판에 의해 지지된 밀봉 수단을 구비하고, 상기 밀봉 수단, 상기 밀봉판 및 상기 궤도 스크롤이 상기 크랭크축 및 상기 궤도 스크롤의 상기 축들에 관하여 편심되게 위치한 압력 챔버수단을 한정하도록 상호작동하고, 상기 압력 챔버 수단은 상기 궤도 스크롤의 상기 축에 관하여 회전하는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 수단은, 상기 압력 챔버 수단이 한쌍이 압력 챔버(26, 28)들을 포함하도록, 상기 내부 밀봉부와 외부 밀봉부 사이에 위치하고 상기 내부 밀봉부 및 외부 밀봉부 모두에 관하여 편심되게 위치한 중간 밀봉부(23)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내부 밀봉부와 중간 밀봉부 사이에 한정된 상기 압력 챔버에 배출 압력을 가하는 수단(30-1)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 수단은, 상기 압력 챔버 수단이 한쌍의 압력 챔버(26, 28)들을 포함하도록, 축(C-C)을 갖고 상기 내부 밀봉부와 외부 밀봉부 사이에 위치한 중간 밀봉부(23)를 더 포함하고, 상기 중간 밀봉부의 축(C-C)은 상기 내부 밀봉부의 축과 상기 외부 밀봉부의 축의 중간에 위치되는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  5. 제4항에 있어서, 상기 내부, 중간 및 외부 밀봉부들의 상기 축들이 동일 평면 상에 있는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  6. 제5항에 있어서, 상기 크랭크축의 상기 축과 상기 궤도 스크롤의 상기 축이, 상기 내부, 중간 및 외부 밀봉부들의 상기 축들에 의해 한정된 상기 평면에 수직인 평면을 한정하는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  7. 제6항에 있어서, 상기 밀봉판은, 상기 크랭크축(40)내에 수납되어 상기 크랭크축(40)의 상기 축(D-D)을 중심으로 상기 크랭크축(40)에 의해 구동되는 활주 블록부(20-5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  8. 제4항에 있어서, 상기 한쌍의 압력 챔버들이, 상기 내부, 중간 및 외부 밀봉부들의 상기 축들과 동일 평면상에 있는 질량 중심을 갖는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  9. 제1항에 있어서, 상기 밀봉판은, 상기 크랭크축(40)내에 수납되어 상기 크랭크축(40)의 상기 축(D-D)을 중심으로 상기 크랭크축(40)에 의해 구동되는 활주 블록부(20-5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 컴플라이언스 수단.
  10. 활주 블록 및 밀봉판 조합체 수단에 있어서, 제1 및 제2측면을 갖는 원형 말봉판과, 상기 밀봉판과 일체식으로 상기 제2측면 상에 위치하고 크랭크축(40)에 수용되어 상기 크랭크축의 축(D-D)을 중심으로 크랭크축에 의해 구동되는 길다란 활주 블록부(20-5)와, 상기 밀봉판을 통해 상기 활주 블록부 속으로 연장하고 궤도 스크롤(30)의 보스(30-3) 수용하고 궤도 스크롤의 보스와 동축인 축을 갖는 보어(20-1)와, 상기 제1측면 상에 형성되어 상기 보어의 일부를 에워싸고 한정하며 상기 크랭크축의 상기 축으로부터 이격되고 상기 보어와 동축인 축(A-A)을 갖는 내부 환형 축방향 연장부(20-2)와, 상기 내부 축방향 연장부의 상기 축으로부터 이격된 축(B-B)을 갖는 내부 원형부를 갖고 있는 외부 축방향 연장부(20-4)를 구비하고, 챔버 수단이 상기 내부 축방향 연장부와 외부 축방향 연장부 사이에 형성되어, 상기 크랭크축 및 궤도 스크롤의 상기 축들에 관하여 편심되게 위치하고, 상기 궤도 스크롤의 상기축에 관하여 상기 활주 블록부와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 활주 블록 및 밀봉판 조합체 수단.
  11. 제10항에 있어서, 상기 챔버 수단이 두개의 편심되게 위치한 환형 바력 챔버(26, 28)들을 포함하도록, 축(C-C)을 갖고 상기 내부 축방향 연장부와 외부 축방향 연장부의 중간에 위치한 중간 환형 축방향 연장부(20-3)를 더 구비하고, 상기, 중간 축방향 연장부의 상기 축(C-C)은 상기 내부 축방향 연장부의 축과 외부 축방향 연장부의 축의 중간에 위치되는 것을 특징으로 하는 활주 블록 및 밀봉판 조합체 수단.
  12. 제11항에 있어서, 상기 내부, 중간 및 외부 축방향 연장부들의 상기 축들이 동일 평면상에 있는 것을 특징으로 하는 활주 블록 및 밀봉판 조합체 수단.
  13. 제12항에 있어서, 상기 크랭축의 상기 축과 상기 궤도 스크롤의 상기 축이, 상기 내부, 중간 및 외부 축방향 연장부들에 의해 한정된 상기 평면에 수직인 평면을 한정하는 것을 특징으로 하는 활주 블록 및 밀봉판 조합체 수단.
  14. 제11항에 있어서, 상기 두 개의 압력 챔버들이, 상기 내부, 중간 및 외부 축방향 연장부들의 상기 축들과 동일 평면 상에 있는 것을 특징으로 하는 활주 블록 및 밀봉판 조합체 수단.
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