KR960004246B1 - Scroll compressor with dual pocket axial compliance - Google Patents
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Abstract
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Description
제 1 도는 본 발명에 따른 스크롤 압축기의 개략적인 측입면도.1 is a schematic side elevational view of a scroll compressor according to the present invention.
제 2 도는 제 1 도에 도시한 스크롤 압축기의 돌출하는 스크롤 랩들 사이에 압축 포켓을 형성하도록 이들 스크롤 랩들이 맞물리는 상태를 도시한 단면 평면도.FIG. 2 is a cross sectional plan view showing a state where these scroll wraps are engaged to form compression pockets between protruding scroll wraps of the scroll compressor shown in FIG.
제 3 도는 제 1 도의 스크롤 압축기의 일부를 확대한 부분 단면도.3 is an enlarged partial sectional view of a portion of the scroll compressor of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 스크롤 압축기 11 : 고정 스크롤10: scroll compressor 11: fixed scroll
13 : 궤도 선회 스크롤 15 : 모터13: orbital scroll 15: motor
19 : 압축 포켓 21,23 : 포트19: compression pocket 21,23: port
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것이며, 특히 스크롤 압축기에서 높은 효율을 얻기 위해 스크롤 요소들 사이의 축방향 컴플라이언스(axial compliance)를 개선하는 것에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to scroll compressors, and more particularly to improving axial compliance between scroll elements to achieve high efficiency in scroll compressors.
스크롤 압축기는 압축비를 낮게 조절하기 원할 때, 특히 공기 조화 및 열펌프 산업등에서 광범위하게 적용된다. 이러한 적용은 다른 경쟁 상태의 압축기와 비교할 때 효율이 높고, 부품수가 적으며 저소음과 저진동을 얻을 수 있다. 종래의 스크롤 압축기는 편심 크랭크를 구비한 축을 구동하는 모터를 포함하며, 궤도 선회 스크롤 요소의 궤도 선회 운동을 야기시킨다. 궤도 선회 스크롤 요소는 결합 고정 요소상의 유상 형상의 돌출 랩과 서로 작동하는 스크롤 또는 나선형의 돌출 랩을 갖는다. 두개의 돌출 랩사이의 상호 맞물림 작동에 의해 반경 방향 내측으로 기체상 유체를 이동시키는 동시에 유량을 감소시킬 때 압축이 이루어진다.Scroll compressors are widely applied in the air conditioning and heat pump industries, especially when the compression ratio is to be adjusted low. This application is more efficient, has fewer parts, lower noise and lower vibration than competing compressors. Conventional scroll compressors include a motor for driving an axis with an eccentric crank and cause orbital movement of the orbiting scroll element. The orbiting scroll element has an oil-shaped protruding wrap on the mating fixed element and a scroll or helical protruding wrap that works with each other. Compression occurs when the flow rate is reduced while moving the gaseous fluid radially inward by the interengaging action between the two projecting wraps.
그러나, 가압 유체의 내부 누출은 스크롤 압축기의 효율을 감소시킨다. 스크롤 압축기와 관련된 누출에는 두가지 형태가 있는데, 하나는 측면(flank) 누출이고 다른 하나는 선단(tip) 누출이다. 양자의 경우에, 더 높은 압력의 포켓에서 유체는 갭을 통해 더 낮은 압력의 포켓내로 빠져나간다. 측면 누출은, 두개의 돌출 맞물림 랩들 사이에 형성된 포켓으로 부터의 유체가 서로 접촉되어 있는 측면 표면들에서 빠져 나갈 때 발생한다. 선단 누출은 각 요소의 돌출 랩의 단부 표면과 다른 요소의 기부가 접촉됨에 따라 그들 사이를 유체가 빠져 나갈 때 발생한다. 전형적으로, 선단 누출용의 전체 유효 누출 경로 폭이 측면 누출용의 폭보다 몇배 크기 때문에 선단 누출이 두배이상 심하다. 더우기, 압축 공정은 고정 스크롤 요소로 부터 축방향으로 멀리 궤도 선회 스크롤 요소를 밀어내는 큰 축방향 하중을 발생시킴으로써 선단 누출을 증가시킨다. 고정 스크롤로부터 멀리 궤도 선회 스크롤 요소를 구동하는 축방향력에 부가하여, 고정 스크롤 요소와 접하는 평면으로부터 궤도 선회 스크롤 요소를 기울이려고 하는 역전 모멘트도 있다.However, internal leakage of pressurized fluid reduces the efficiency of the scroll compressor. There are two types of leaks associated with scroll compressors: flank leaks and tip leaks. In both cases, the fluid exits from the higher pressure pocket through the gap into the lower pressure pocket. Lateral leakage occurs when fluid from a pocket formed between two protruding engagement wraps exits side surfaces that are in contact with each other. Tip leakage occurs when fluid exits between them as the end surface of the protruding wrap of each element contacts the base of another element. Typically, tip leak is more than doubled because the total effective leak path width for tip leak is several times larger than the width for side leak. Moreover, the compression process increases tip leakage by generating large axial loads that push the orbiting scroll elements axially away from the fixed scroll elements. In addition to the axial force driving the orbiting scroll element away from the fixed scroll, there is also a reversal moment that attempts to tilt the orbiting scroll element from a plane in contact with the fixed scroll element.
정밀 공차의 제조 기술이 선단 누출로 인한 압력의 손실을 방지하기에 적합하지 않았기 때문에, 다른 방법들이 개발되었다. 하나의 접근 방법은 미합중국 특허 제 4,395,205 호; 제 4,411,605 호; 제 4,415,317 호; 제 4,415,48 호에 기재된 바와 같이 다양한 형태의 선단 밀봉체를 사용하는 것이다. 어느 한쪽의 스크롤 요소의 돌출 랩의 단부 표면에는 선단 누출을 감소시키는 선단 밀봉 수단이 구비되어 있다. 비록 이러한 방법이 밀봉에 효과적일지라도, 이 방법은 복잡한 제조 공정을 필요로하며, 마찰을 증가시키고, 비용을 증가시킨다.Since the manufacturing techniques of close tolerances were not suitable for preventing the loss of pressure due to tip leakage, other methods have been developed. One approach is described in US Pat. No. 4,395,205; No. 4,411,605; No. 4,415,317; As described in US Pat. No. 4,415,48, various types of tip seals are used. The end surface of the protruding wrap of either scroll element is provided with tip sealing means for reducing tip leakage. Although this method is effective for sealing, this method requires a complicated manufacturing process, increases friction, and increases cost.
선단 누출을 감소시키기 위한 또 다른 접근 방법은 결합 요소를 서로 가압하기 위해 보상 배압을 적용하는 것이다. 높은 압력의 유체는 압축 챔버로부터 궤도 선회 스크롤 이면에 위치한 비교적 큰 전형적인 단일 챔버인 배면 챔버내로 배기 포트를 통해 의도적으로 빠져나간다. 이것은 고정 요소에 대항하여 궤도 선회 요소를 밀어주는 가압 유동체를 제공함으로서, 돌출 스크롤의 선단과 요소들의 기부사이에 있는 갭을 감소시킨다. 갭을 감소시키면 유체의 누출이 최소로 되고, 그 결과 압축 챔버내의 압력이 증가된다.Another approach to reduce tip leakage is to apply compensating back pressures to pressurize the coupling elements together. The high pressure fluid intentionally exits from the compression chamber through the exhaust port into the back chamber, a relatively large typical single chamber located behind the orbiting scroll. This provides a pressurized fluid that pushes the orbiting pivotal element against the stationary element, thereby reducing the gap between the tip of the protruding scroll and the base of the elements. Reducing the gap minimizes the leakage of fluid, which in turn increases the pressure in the compression chamber.
예컨대, 미합중국 특허 제 4,384,831 호; 제 4,600,369 호; 제 4,645,437호; 제 4,696,630 호; 제 4,861,245 호의 각각은 그러한 배압 챔버를 구비한 스크롤 압축기를 기재하고 있다. 공동 양도된 미합중국 특허 제 4,992,032 호 및 제 4,993,928 호는 또한 배압 기술을 이용한 스크롤 압축기를 기재하고 있다. 여기에 기재된 바와 같이, 단일 배면 챔버가 아닌 두개의 밀봉 압력 챔버 즉, 중간 압력에 하나 그리고 배출 압력에 또 다른 하나가 궤도 선회 스크롤 요소뒤에 배치되며, 압축 챔버 내의 가스 압축력에 반발하도록 그리고 고정 스크롤 요소쪽으로 궤도 선회 스크롤 요소를 편향시키도록 설계된다. 그러나, 종래 기술의 배압 기술은 궤도 선회 사이클 동안에 경험한 최고 역전 모멘트를 극복하도록 설계되며, 잔여 사이클에 걸쳐 과도한 추력을 초래한다. 추력이 크면 두개의 결합 부품들사이에 과도한 마찰을 발생시키고 스크롤 압축기의 효율을 감소시킨다.See, for example, US Pat. No. 4,384,831; No. 4,600,369; No. 4,645,437; No. 4,696,630; Each of 4,861,245 describes a scroll compressor with such a back pressure chamber. Co-assigned US Pat. Nos. 4,992,032 and 4,993,928 also describe scroll compressors using back pressure technology. As described herein, two sealed pressure chambers, not a single back chamber, ie one at medium pressure and another at discharge pressure, are disposed behind the orbiting scroll element, to counteract the gas compression force in the compression chamber and to the fixed scroll element. It is designed to bias the orbiting scroll element toward. However, prior art back pressure techniques are designed to overcome the highest reversal moment experienced during orbital turn cycles, resulting in excessive thrust over the remaining cycles. Large thrust creates excessive friction between the two coupling parts and reduces the scroll compressor's efficiency.
부가적으로, 미합중국 특허 제 4,557,675 호는 배면 챔버내로 배기된 압력이 작동 조건의 변화에 따라 변화하도록 압력 균등화 포트를 위치시켜 주므로서 배면 챔버내의 압력을 조정하는 방법을 기재하고 있다. 그러나, 배압은 어떠한 주어진 정상 상태동안 비교적 일정하게 유지되며, 따라서 작동 조건이 변함에 따라 압력 변화로써 최고 역전 모멘트 및 축방향력을 극복하고자 하여, 그 결과 잔여 사이클 동안에 과도한 추력을 야기시키고 과잉 마찰을 초래함으로써, 스크롤 압축기의 효율을 감소시킨다.Additionally, US Pat. No. 4,557,675 describes a method of adjusting the pressure in the back chamber by placing a pressure equalization port such that the pressure exhausted into the back chamber changes with changes in operating conditions. However, the back pressure remains relatively constant during any given steady state, thus trying to overcome peak reversal moments and axial forces with pressure changes as operating conditions change, resulting in excessive thrust and excess friction during the remaining cycles. Thereby reducing the efficiency of the scroll compressor.
본 발명의 목적은 스크롤들 사이의 마찰력을 감소시킴으로서 스크롤 압축기의 효율을 증가시키는 것이다.It is an object of the present invention to increase the efficiency of a scroll compressor by reducing the friction between the scrolls.
본 발명에 따라, 가압 유체는 배압이 서브 사이클(sub-cycle)을 기준으로 변화하도록 스크롤 요소내의 포트를 통해 압축 챔버로부터 적어도 하나의 동적 배면 챔버내로 배출된다. 비교적 작은 체적의 챔버와 이 챔버에 압력 유체를 공급하기 위한 큰 유동 영역의 포트를 특징으로 하는 동적 배면 챔버는 궤도 선회 요소뒤에 위치된다. 본 발명에 의하면, 과잉 마찰력이 발생시키지 않고 역전 모멘트에 반발하는 효과적인 수단은 서브 사이클을 기준으로 배압을 변화시킴으로서 성취될 수 있다.According to the invention, pressurized fluid is discharged from the compression chamber into the at least one dynamic back chamber through a port in the scroll element such that the back pressure changes on a sub-cycle basis. The dynamic rear chamber, which is characterized by a relatively small volume chamber and a port of a large flow area for supplying pressure fluid to the chamber, is located behind the orbiting pivot element. According to the present invention, an effective means of repelling the reversing moment without generating excessive friction force can be achieved by changing the back pressure on the basis of the sub cycle.
본 발명의 이들 목적과 다른 목적, 특징, 및 장점들은 첨부 도면을 참조한 가장 양호한 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.These and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the best embodiments with reference to the accompanying drawings.
제 1 도 내지 제 3 도을 참조하면, 스크롤 압축기(10)은 궤도 선회 스크롤(13)과 맞물리는 고정 스크롤(11)을 포함한다. 궤도 선회 스크롤(13)은 모터(15)로 구동되는 축(17)에 의해 고정 스크롤(11)에 대해 궤도 선회 운동을 하도록 구동된다. 궤도 선회 스크롤(13)과 고정 스크롤(11)로부터 각각 돌출하는 스크롤 랩(18,20)이 그들 사이에 다수의 압축 포켓(19)를 형성하여 다량의 유체를 포획(trap)하도록 맞물릴때 유체 압축이 이루어진다. 이러한 궤도 선회 작용은 포켓의 유체량을 감소시키는 동시에 포획된 유체의 포켓을 나선방향 내측으로 이동시키므로써 내부에 포획된 유체를 압축해준다.1 to 3, the scroll compressor 10 includes a fixed scroll 11 that engages the orbiting scroll 13. The orbital swing scroll 13 is driven to orbital swing movement with respect to the fixed scroll 11 by an axis 17 driven by a motor 15. When the scroll wraps 18 and 20 protruding from the orbiting scroll 13 and the fixed scroll 11, respectively, form a plurality of compression pockets 19 therebetween to engage to trap a large amount of fluid. Compression is done. This orbital rotation reduces the amount of fluid in the pocket and simultaneously compresses the captured fluid by moving the pocket of trapped fluid inward in a helical direction.
제 3 도에 도시된 바와같이, 가압 유체는 각각 포트(21,23)을 통해 배면 챔버(25,27)내로 흘러나간다. 이들 챔버내의 유체는 선단 누출을 감소시키고 역전 모멘트에 반발하기 위해 고정 스크롤(11)쪽으로 궤도 선회 스크롤(13)을 밀어주는 배압을 야기시킨다. 그러나, 발생된 배압은 전체 사이클에 걸쳐 일정하지가 않다. 그 대신에, 배압은 사이클 동안에 궤도 선회 스크롤(13)상에 작용하여 이 궤도 선회 스크롤을 고정 스크롤(11)에 대해 기울여주는 역전 모멘트의 변동에 따라 변화한다. 따라서 발생된 배압은 역전 모멘트에 반발하기에 충분하다. 역전 모멘트가 크면, 궤도 선회 스크롤을 제 위치에 유지하여 누출을 막기 위해 보다 큰 배압이 필요하다. 역전 모멘트가 작으면, 배압 또한 적어지고, 따라서 과도한 마찰 손실을 야기하지 않는다. 이러한 효과는 적어도 하나의 동적 챔버를 제공함으로서 달성되는데, 이 챔버에서 압력은 역전 모멘트에 비례하여 변동된다.As shown in FIG. 3, pressurized fluid flows into the back chambers 25 and 27 through the ports 21 and 23, respectively. The fluid in these chambers causes back pressure that pushes the orbiting scroll 13 towards the fixed scroll 11 to reduce tip leakage and counteract the reversing moment. However, the generated back pressure is not constant over the entire cycle. Instead, the back pressure changes in response to the change in the inversion moment acting on the orbiting scroll 13 during the cycle and tilting the orbiting scroll relative to the fixed scroll 11. The back pressure thus generated is sufficient to repel the inversion moment. If the reversal moment is large, greater back pressure is required to keep the orbiting scroll in place and prevent leakage. If the reversal moment is small, the back pressure also decreases, thus not causing excessive friction losses. This effect is achieved by providing at least one dynamic chamber in which the pressure varies in proportion to the reversing moment.
도시한 실시예에는 두개의 포트(21,23)과 두개의 대응 챔버(25,27)이 있다. 포트(23)은 정적 챔버(27)내로 가압 유체를 공급한다. 포트(21)은 동적 챔버(25)내로 가압 유체를 공급한다. 이 두가지 사이의 차이점은 정적 챔버가 전체 사이클에 걸쳐 비교적 일정한 유체 압력을 갖는 반면, 동적 챔버는 사이클 동안에 광범위하게 변하는 유체 압력을 갖는다는 것이다. 정적 포트/챔버 조합체는 작은 포트 직경 및 큰 챔버 체적을 갖는다. 치수들은 압력이 사이클 전체에 걸쳐 거의 일정하도록 충분한 감쇠 작용(damping)을 일으키는 방식으로 선택된다.In the illustrated embodiment there are two ports 21, 23 and two corresponding chambers 25, 27. The port 23 supplies pressurized fluid into the static chamber 27. The port 21 supplies pressurized fluid into the dynamic chamber 25. The difference between the two is that the static chamber has a relatively constant fluid pressure over the entire cycle, while the dynamic chamber has a fluid pressure that varies widely during the cycle. The static port / chamber combination has a small port diameter and a large chamber volume. The dimensions are chosen in such a way as to cause sufficient damping so that the pressure is nearly constant throughout the cycle.
동적 챔버내의 서브 사이클을 기준으로 한 압력 변화는 포트 직경 및 챔버 체적의 매개 변수들을 서로에 대해 적당한 치수로 해주므로서 얻어진다. 동적 포트/챔버 쌍은 큰 직경의 포트(21) 및 작은 체적의 채범(25)를 갖는다. 치수들은 동적 챔버내의 압력이 압축 공정을 따르도록 매우 작은 감쇠 작용을 일으키는 방식으로 선택된다. 이것은 서브사이클을 기준으로 한 압력 변화를 달성하게 해준다.The pressure change based on the sub cycle in the dynamic chamber is obtained by giving the parameters of the port diameter and the chamber volume to appropriate dimensions relative to each other. The dynamic port / chamber pair has a large diameter port 21 and a small volume collection 25. The dimensions are chosen in such a way that the pressure in the dynamic chamber causes a very small damping action to follow the compression process. This allows to achieve pressure changes on a subcycle basis.
정적 챔버내의 압력을 실질상 일정하게 유지하기 위해서는 챔버 체적의 세제곱근에 대한 포트 직경의 비율이 비교적 작아야 한다는 것이 발견되었다. 동적 챔버내에 광범위하게 변화하는 압력을 제공하기 위해서, 이 비율은 비교적 커야 한다. 예컨대, 비율이 0.05인 정적 챔버와 비율이 0.22인 동적 챔버를 갖도록 설계된 압축기로 테스트했을 때, 정미 축방향 힘이 대략 45% 감소되어 나타났다.It has been found that the ratio of the port diameter to the cubic root of the chamber volume must be relatively small in order to keep the pressure in the static chamber substantially constant. In order to provide a wide variety of pressures in the dynamic chamber, this ratio must be relatively large. For example, when tested with a compressor designed to have a static chamber with a ratio of 0.05 and a dynamic chamber with a ratio of 0.22, the net axial force was reduced by approximately 45%.
비록 도시된 실시예가 하나의 동적 그리고 하나의 정적 챔버/포트 조합체를 가질지라도, 다른 조합체가 가능하다. 본 발명은 소정 수의 정적 챔버와 함께 또는 필요없이 하나 이상인 소정 수의 동적 챔버/포트 조합체를 포함한다. 스크롤상의 전체 배압력이 정적 챔버내의 일정 압력 및 동적 챔버내의 변화 압력에 의해 발생된 힘이 합이기 때문에, 전체 배압은 종래 기술에서와 같이 일정하게 유지되는 대신에 궤도 선회 사이클상에서 변화한다.Although the illustrated embodiment has one dynamic and one static chamber / port combination, other combinations are possible. The present invention includes any number of dynamic chamber / port combinations with one or more with or without a certain number of static chambers. Since the total back pressure on the scroll is the sum of the forces generated by the constant pressure in the static chamber and the change pressure in the dynamic chamber, the total back pressure changes on the orbital turning cycle instead of being kept constant as in the prior art.
또한, 유효 포트 직경/유효 챔버 체적의 세제곱근의 적절한 비율들이 유지되는한, 하나의 포트는 하나이상의 챔버에 인도될 수가 있고, 반대로 하나 이상의 포트가 하나의 챔버로 인도될 수 있다. 실제로 유사한 결과를 초래할 수 있는 또 다른 변화는 배압이 궤도 선회 스크롤이 아닌 고정 스크롤에 적용되어 고정 스크롤이 축방향으로 이동할 수 있다는 것이다. 포트들의 정확한 위치가 본 발명에 중요하지 않고 각 압축기의 특성에 따라 좌우된다 할지라도, 포트의 위치 선택시에는 배면 챔버내에 충분한 압력을 발생시키기 위해서 압축 챔버 내부의 압력 변화를 활용해야 한다.Also, as long as the proper ratios of the cube root of the effective port diameter / effective chamber volume are maintained, one port can be led to one or more chambers, and vice versa, one or more ports can be led to one chamber. Another change that can actually lead to similar results is that back pressure is applied to fixed scrolls rather than orbiting scrolls so that the fixed scrolls can move axially. Although the exact location of the ports is not critical to the present invention and depends on the characteristics of each compressor, the location of the ports should utilize the pressure variations inside the compression chamber to generate sufficient pressure in the back chamber.
비록 본 발명이 본 발명의 최선의 실시예에 따라 도시되고 설명되었을지라도, 본 발명의 정신 및 번주를 벗어남이 없이 본 발명의 형태 및 상세에 상술한 여러 가지 다른 변경, 생략 및 부가가 이루어질 수 있다는 것을 본 분야에 숙련된 자들에 의해 이해될 수 있다.Although the present invention has been illustrated and described in accordance with the best embodiments thereof, it is understood that various other changes, omissions, and additions described above in the form and details of the invention may be made without departing from the spirit and the spirit of the invention. Can be understood by those skilled in the art.
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