KR101275190B1 - 스크롤 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 스크롤 압축기에 관한 것이다. 본 발명은, 토출구와 인접한 고정부재에 차단부를 형성하여 상기 토출구가 토출 개시 시점에서 일시적으로 가려지도록 함으로써, 별도의 체크밸브를 설치하지 않고도 토출공간으로 토출된 냉매가 토출 개시 시점에서 압축실로 역류하는 것을 미연에 방지할 수 있고, 이를 통해 체크밸브의 설치시 발생될 수 있는 밸브타음으로 인한 압축기의 소음 증가, 밸브의 손상으로 인한 압축기의 신뢰성 저하, 제조비용의 상승을 미연에 방지할 수 있다.

Description

스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR}

본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것이다.

스크롤 압축기는 고정랩을 갖는 고정스크롤과 선회랩을 갖는 선회스크롤을 포함한다. 이러한 스크롤 압축기는 상기 선회스크롤이 고정스크롤 상에서 선회운동을 하면서, 고정랩과 선회랩 사이에 형성되는 압축실의 연속적인 부피 변화를 통해서 냉매를 흡입 및 압축하는 방식이다.

그리고 이러한 스크롤 압축기는 흡입, 압축 및 토출이 연속적으로 이루어지므로 작동 과정에서 발생되는 진동 및 소음의 측면에서 다른 형태의 압축기에 비해서 우수한 장점을 갖는다.

스크롤 압축기에 있어서, 그 거동 특성은 상기 고정랩 및 선회랩의 형태에 의해 결정되게 된다. 고정랩과 선회랩은 임의의 형상을 가질 수 있지만 통상적으로는 가공이 용이한 인볼류트 곡선의 형태를 갖고 있다. 인볼류트 곡선은 임의의 반경을 갖는 기초원의 주위에 감겨있는 실을 풀어낼 때 실의 단부가 그리는 궤적에 해당되는 곡선을 의미한다. 이러한 인볼류트 곡선을 이용하는 경우 랩의 두께가 일정하므로 용적변화율도 일정하게 되므로, 충분한 정도의 압축비를 얻기 위해서는 랩의 권수를 늘려야 하지만, 압축기의 크기도 함께 커지게 된다.

한편, 상기 선회스크롤은 통상적으로는 원판 형태의 경판과 상기 경판의 일측에 상술한 선회랩이 형성된다. 그리고, 선회랩이 형성되지 않은 배면에 보스부가 형성되어 선회스크롤을 선회구동시키는 회전축과 연결되게 된다. 이러한 형태는 경판의 거의 전 면적에 걸쳐서 선회랩을 형성할 수 있어 동일한 압축비를 얻기 위한 경판부의 직경을 작게 할 수 있는 반면에, 압축시에 냉매의 반발력이 적용되는 작용점과 상기 반발력을 상쇄하기 위한 반력이 적용되는 작용점이 서로 축방향으로 이격되어 작동 과정에서 선회스크롤이 기울어(tilting)지면서 진동이나 소음이 커지는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위한 방법으로, 회전축과 선회스크롤이 결합되는 지점이 상기 선회랩과 동일한 면에 형성되는 형태인 소위 축관통 스크롤 압축기가 개시된 바 있다. 이러한 형태의 압축기는 냉매의 반발력의 작용점과 그 반력의 작용점이 동일지점에 작용되므로 선회스크롤이 기울어지는 문제를 해소할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 스크롤 압축기는 토출구가 회전축의 외주면 밖으로 편심지게 형성됨에 따라 양쪽 압축실(이하, 고정랩의 내측면과 선회랩의 외측면 사이에서 형성되는 압축실을 제1 압축실, 선회랩의 내측면과 고정랩의 외측면 사이에서 형성되는 압축실을 제2 압축실이라고 한다)의 압축비가 동일하지 않을 뿐만 아니라 토출이 개시되는 시점도 상이하게 된다. 이에 따라 상기 토출구를 통해 냉매가 토출되는 시점에서의 압력은 토출측의 압력(이하, 토출압)에 비해 낮아지면서 상기 토출측으로 토출된 냉매가 압축실로 역류하게 되고 이로 인해 재압축손실이 야기될 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는 토출구에 체크밸브를 설치하여 토출측의 냉매가 압축실로 역류하는 것을 차단할 수 있으나, 이는 체크밸브가 개폐되면서 밸브타음을 야기하게 되어 압축기 소음을 가중시키는 것은 물론 상기 체크밸브가 반복적인 충돌로 인해 파손되어 압축기의 신뢰성이 저하되며, 상기 체크밸브의 설치로 인해 압축기의 제조비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 토출구에 체크밸브를 설치하지 않고도 토출 개시 시점에서 토출공간의 냉매가 압축실로 역류하는 것을 차단할 수 있는 스크롤 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 고정랩을 갖는 고정스크롤; 상기 고정랩과 치합되어 외측면과 내측면에 제1 압축실과 제2 압축실을 형성하는 선회랩을 가지며, 상기 제1 압축실과 제2 압축실에서 압축된 냉매가 토출되도록 토출구를 가지는 선회스크롤; 일단부에 편심부를 가지며, 상기 편심부가 상기 선회랩과 반경방향으로 중첩되도록 상기 선회스크롤에 결합되는 회전축; 및 상기 회전축을 구동하는 구동유닛;을 포함하고, 상기 토출구의 선회 경로 중에서 일부 구간을 가릴 수 있도록 차단부가 구비되는 스크롤 압축기가 제공된다.

여기서, 상기 선회스크롤을 사이에 두고 상기 고정스크롤의 반대쪽에는 상기 선회스크롤을 지지하는 프레임이 더 구비되고, 상기 프레임에는 상기 토출구가 연통되도록 토출통로가 관통 형성되며, 상기 차단부는 상기 토출통로의 내주면에 일체로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 차단부는 상기 토출통로의 내주면에서 그 토출통로의 중심방향으로 향해 돌출 형성될 수 있다.

그리고, 상기 차단부는 상기 토출통로의 내주면에서 임의의 두 점을 연결하여 형성될 수 있다.

그리고, 상기 토출구에서 냉매가 토출되는 시점을 토출 개시 시점이라고 할 때, 상기 차단부는 적어도 토출 개시 시점에서 상기 토출구를 차단할 수 있도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 토출 개시 시점에서의 토출구의 중심을 연결하는 선을 토출 개시 라인(C_L)이라고 할 때, 상기 차단부는 그 중심이 토출 개시 시점에서 상기 토출 개시 라인(C_L)의 선상에 위치하도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 차단부의 양단을 연결하여 생긴 각을 차단 범위각(α)이라고 할 때, 상기 차단부는 토출 개시 시점에서 상기 토출구 전체를 가릴 수 있는 차단 범위각을 가지도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 토출 개시 시점에서의 토출구의 주면을 연결하여 생긴 접선 사이의 각을 토출 개시각(β)이라고 할 때, 상기 토출 개시각(β)은 토출 개시 시점에서 상기 차단 범위각(α)보다 작게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제1 압축실과 제2 압축실은 서로 다른 압축비를 가지도록 형성되고, 상기 토출구는 상대적으로 높은 압축비를 갖는 압축실과 먼저 연통되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 차단부는 높은 압축비를 갖는 압축실이 토출을 개시하는 시점부터 양쪽 압축실이 서로 연통되는 시점까지의 구간을 차단하도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 제1 압축실은 상기 고정랩의 내측면과 선회랩의 외측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점(P1, P2) 사이에서 형성되고, 상기 편심부의 중심(O)과 상기 두 개의 접촉점(P1, P2)을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도 중 큰 값을 갖는 각도를 α라 할 때, 적어도 토출 개시 전에 α < 360°가 되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 두 개의 접촉점(P1, P2)에서의 법선 사이의 거리를 ℓ이라 할 때, ℓ> 0 가 되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 선회스크롤의 중심부에는 내부에 상기 편심부가 결합되는 회전축 결합부가 형성되고, 상기 고정랩의 내측 단부의 내주면에는 돌기부가 형성되며, 상기 회전축 결합부의 외주면에는 상기 돌기부와 접촉하여 압축실을 형성하는 오목부가 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐된 내부공간을 갖는 밀폐용기; 상기 밀폐용기의 내부공간에 고정되고, 고정랩을 갖는 고정스크롤; 상기 고정랩과 치합되어 외측면과 내측면에 제1 압축실과 제2 압축실을 형성하는 선회랩을 가지며, 상기 제1 압축실과 제2 압축실에서 압축된 냉매가 토출되도록 토출구를 가지는 선회스크롤; 상기 선회스크롤을 사이에 두고 상기 고정스크롤의 반대쪽에 설치되어 상기 선회스크롤을 지지하는 프레임; 일단부에 편심부를 가지며, 상기 편심부가 상기 선회스크롤에 결합되는 회전축; 및 상기 회전축에 결합되어 상기 밀폐용기의 내부공간에 구비되는 구동유닛;을 포함하고, 상기 프레임에는 상기 토출구와 연통되도록 토출통로가 형성되며, 상기 토출통로의 내주면에는 상기 토출구의 선회 경로 중에서 일부 구간을 가릴 수 있도록 차단부가 구비되는 스크롤 압축기가 제공될 수도 있다.

여기서, 상기 토출구에서 냉매가 토출되는 시점을 토출 개시 시점이라고 할 때, 상기 차단부는 적어도 토출 개시 시점에서 상기 토출구를 차단할 수 있도록 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 스크롤 압축기는, 토출구와 연통되는 상부프레임의 토출통로에 차단부를 형성하여 압축실의 냉매가 토출되기 시작하는 토출 개시 시점에 토출구를 차단함으로써, 별도의 체크밸브를 설치하지 않고도 토출측의 냉매가 압축실로 역류하는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 그리고 이를 통해 체크밸브의 설치시 발생되는 밸브타음으로 인한 압축기 소음의 증가, 밸브 손상으로 인한 신뢰성 저하, 및 제조비용의 상승을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 축관통 스크롤 압축기의 일실시예에 대한 내부 구조를 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 실시예 중 압축 유닛을 도시한 부분 절개도,
도 3은 도 2에 도시된 압축 유닛을 도시한 분해 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 압축 유닛에서 차단부를 갖는 상부베어링을 상측에서 보인 평면도,
도 5는 도 4에서 차단부의 일실시예를 보인 평면도,
도 6은 도 4에서 차단부의 다른 실시예를 보인 평면도,
도 7은 도 4에서 토출 개시 시점에서의 압력변화와 차단부의 설치위치를 설명하기 위해 보인 그래프,
도 8은 인볼류트 형태의 선회랩 및 고정랩을 갖는 축관통 스크롤 압축기에서 흡입 직후 및 토출 직전의 제1 및 제2 압축실을 도시한 평면도,
도 9는 다른 인볼류트 형태의 선회랩 및 고정랩을 갖는 축관통 스크롤 압축기에서의 선회랩의 형태를 도시한 평면도,
도 10은 다른 포락선에 의해 얻어진 선회랩 및 고정랩을 도시한 평면도,
도 11는 도 10에서 중앙부를 확대하여 도시한 평면도,
도 12는 도 10에 도시된 실시예에서 선회랩이 토출 개시전 150°위치에 있는 상태를 도시한 평면도,
도 13은 도 10에 도시된 실시예에서 제2 압축실에서 토출이 개시되는 시점을 도시한 평면도.

이하, 본 발명에 의한 스크롤 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 스크롤 압축기는, 원통형의 케이싱(110)과, 상기 케이싱의 상부 및 하부를 각각 덮는 상부 쉘(112) 및 하부 쉘(114)을 갖는다. 상기 상부 쉘과 하부 쉘은 상기 케이싱에 용접되어 케이싱과 함께 하나의 밀폐용기(100)를 형성하게 된다. 그리고 상기 밀폐용기의 하부공간은 흡입공간(S1)을 형성하고, 상기 밀폐용기의 상부공간은 토출공간(S2)을 형성하게 된다. 상기 하부공간과 상부공간은 후술할 상부프레임(170)을 기준으로 구분될 수 있다.

상기 상부 쉘(112)의 상부에는 토출파이프(116)가 설치된다. 상기 토출파이프(116)는 압축된 냉매가 외부로 배출되는 통로에 해당되며, 토출되는 냉매에 혼입된 오일을 분리하는 오일 세퍼레이터(미도시)가 상기 토출파이프(116)와 연결될 수 있다. 그리고, 상기 케이싱(110)의 측면으로 흡입파이프(118)가 설치된다. 상기 흡입파이프(118)는 압축될 냉매가 유입되는 통로로서, 도 1에서는 상기 흡입파이프(118)가 상기 케이싱(110)과 상부 쉘(112)의 경계면에 위치하고 있으나 그 위치는 임의로 설정할 수 있다. 아울러, 상기 하부 쉘(114)은 압축기가 원활하게 작동될 수 있도록 공급되는 오일을 저장하는 오일챔버로서도 기능하게 된다.

상기 케이싱(110) 내부의 대략 중앙부에는 구동유닛으로서의 모터(120)가 설치된다. 상기 모터(120)는 상기 케이싱(110)의 내면에 고정되는 고정자(122)와, 상기 고정자(122)의 내부에 위치하며 고정자(122)와의 상호작용에 의해 회전되는 회전자(124)를 포함한다. 상기 회전자(124)의 중심에는 회전축(126)이 결합되어 상기 회전자(124)와 함께 회전하게 된다.

상기 회전축(126)의 중심부에는 오일유로(126a)가 회전축(126)의 길이방향을 따라서 연장되도록 형성되고, 상기 회전축(126)의 하단부에는 상기 하부 쉘(114)에 저장되어 있는 오일을 상부로 공급하기 위한 오일펌프(126b)가 설치된다. 상기 오일펌프(126b)는 상기 오일유로의 내부에 나선형의 홈을 형성하거나 별도의 임펠러를 설치한 형태일 수 있고, 별도의 용적식 펌프를 설치할 수도 있다.

상기 회전축(126)의 상단부에는 후술할 고정스크롤에 형성되는 보스부 내부에 삽입되는 확경부(126c)가 형성된다. 상기 확경부는 다른 부분에 비해서 큰 직경을 갖도록 형성되고, 확경부의 단부에는 핀부(126d)가 형성된다. 상기 핀부(126d)에는 편심베어링(128)이 끼워지는데, 도 3을 참조하면, 상기 편심베어링(128)은 상기 핀부(126d)에 대해서 편심되게 끼워지며, 핀부(126d)에 대해서 편심베어링(128)이 회전하지 않도록 양자의 결합부는 대략 "D"자 형태를 갖도록 형성된다.

상기 케이싱(110)과 상부 쉘(112)의 경계부에 고정스크롤(130)이 장착된다. 상기 고정스크롤(130)은 그 외주면이 상기 케이싱(110)과 상부 쉘(112) 사이에 열박음 방식으로 압입되어 고정되거나, 케이싱(110)과 상부 쉘(112)와 함께 용접에 의해 결합될 수 있다.

상기 고정스크롤(130)의 저면에는 상술한 회전축(126)이 삽입되는 보스부(132)가 형성된다. 상기 보스부(132)의 상측면(도 1 기준)에는 상기 회전축(126)의 핀부(126d)가 관통될 수 있도록 하는 관통공이 형성되어 이를 통해 상기 핀부(126d)는 상기 고정스크롤(130)의 경판부(134)의 상측으로 돌출되게 된다.

상기 경판부(134)의 상부면에는 후술할 선회랩과 치합되어 압축실을 형성하는 고정랩(136)이 형성되며, 상기 경판부(134)의 외주부에는 후술할 선회스크롤(140)을 수용하는 공간부를 형성하고, 상기 케이싱(110)의 내주면과 접하는 측벽부(138)가 형성된다. 상기 측벽부(138)의 상단부 내측에는 상기 선회스크롤(140)의 외주부가 안착되는 선회스크롤 지지부(138a)가 형성되며, 상기 선회스크롤 지지부(138a)의 높이는 상기 고정랩(136)과 동일 높이 또는 고정랩 보다 약간 작은 높이를 갖도록 형성되어 선회랩의 단부가 고정스크롤의 경판부 표면과 접할 수 있도록 하고 있다.

상기 고정스크롤(130)의 상부에는 선회스크롤(140)이 설치된다. 상기 선회스크롤(140)는 대량 원형을 갖는 경판부(142) 및 상기 고정랩(136)과 치합되는 선회랩(144)이 형성된다. 그리고, 경판부(142)의 중심부에는 상기 편심베어링(128)이 회전가능하게 삽입 및 고정되는 대략 원형의 회전축 결합부(146)가 형성된다. 상기 회전축 결합부(146)의 외주부는 상기 선회랩과 연결되어 압축과정에서 상기 고정랩과 함께 압축실을 형성하는 역할을 하게 된다. 이에 대해서는 후술한다.

한편, 상기 회전축 결합부(146)에는 상기 편심베어링(128)이 삽입되어 상기 회전축(126)의 단부가 상기 고정스크롤의 경판부를 관통하여 삽입되고, 상기 선회랩, 고정랩 및 편심베어링(128)은 상기 압축기의 반경방향으로 중첩되도록 설치된다. 압축시에는 냉매의 반발력이 상기 고정랩과 선회랩에 가해지게 되고, 이에 대한 반력으로서 회전축 지지부와 편심베어링 사이에 압축력이 가해지게 된다. 상기와 같이, 축의 일부가 경판부를 관통하여, 랩과 반경방향으로 중첩되는 경우 냉매의 반발력과 압축력이 경판을 기준으로 하여 동일 측면에 가해지므로 서로 상쇄되게 된다. 이로 인해서, 압축력과 반발력의 작용에 의한 선회스크롤의 기울어짐이 방지될 수 있다.

그리고, 상기 경판부(142)에는 토출구(148)가 형성되어 압축된 냉매가 상기 케이싱의 내부로 토출될 수 있도록 한다. 상기 토출구(148)의 위치는 요구되는 토출압 등을 고려하여 임의로 설정할 수 있으나, 상기 선회스크롤(140)의 중심에 회전축 결합부(146)가 형성됨에 따라 상기 회전축 결합부(146)의 외주면 근처에 형성될 수 있다.

그리고 상기 토출구(148)는 양쪽 압축실에 대해 동시에 연통되도록 형성될 수 있으나, 통상 압축비가 높은 압축실이 먼저 연통될 수 있도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 선회스크롤(140)의 상측에는 상기 선회스크롤의 자전을 방지하기 위한 올담링(150)이 설치된다. 상기 올담링(150)은 상기 선회스크롤(140)의 경판부 배면에 끼워지는 대략 원 형태를 갖는 링부(152)와 상기 링부(152)의 일측면으로 돌출되는 한 쌍의 제1 키(154) 및 제2 키(156)를 포함한다. 상기 제1 키(154)는 상기 선회스크롤(140)의 경판부(142) 외주측의 두께보다 길게 돌출되어, 상기 고정스크롤(130)의 측벽부(138)의 상단 및 상기 선회스크롤 지지부(138a)에 걸쳐서 형성되는 제1 키홈(154a)의 내부에 삽입된다. 아울러, 상기 제2 키(156)는 상기 선회스크롤(140)의 경판부(142)의 외주부에 형성되는 제2 키홈(156a)에 각각 끼워진 상태로 결합된다.

여기서, 상기 제1 키홈(154a)은 상방향으로 연장되는 수직부와 좌우방향으로 연장되는 수평부를 갖도록 형성되는데, 상기 선회스크롤의 선회 운동 시에 상기 제1 키(154)의 하측 단부는 항상 상기 제1 키홈(154a)의 수평부에 끼워진 상태를 유지하지만, 제1 키(154)의 반경방향 외측 단부는 상기 제1 키홈(154a)의 수직부로부터 이탈될 수 있도록 형성된다. 즉, 상기 제1 키홈(154a)과 고정스크롤 사이의 결합이 상하 방향으로 이루어지기 때문에, 고정스크롤의 직경을 작게 할 수 있다.

구체적으로, 상기 선회스크롤의 경판부와 상기 고정스크롤의 내벽 사이에는 선회 반경에 해당되는 만큼의 유격을 확보하여야 한다. 만일, 올담링의 키가 고정스크롤과 반경방향으로 결합되는 경우에는, 선회 과정에서 올담링이 키홈으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위해서는 고정스크롤에 형성되는 키홈의 길이가 적어도 선회 반경보다는 커야 하고 이는 고정스크롤의 크기를 증가시키는 원인이 된다.

반면에, 상기 실시예와 같이 키홈이 선회스크롤의 경판부와 선회랩 사이의 공간 하부로 연장되도록 하면 충분한 키홈의 길이를 확보하면서도 고정스크롤의 크기를 작게 할 수 있다.

아울러, 상기 실시예에서의 올담링은 링부의 일측면에 모든 키가 형성되어 있어 양측면에 각각 키가 형성되는 경우에 비해서 압축 유닛의 축방향의 높이를 줄일 수 있게 된다.

한편, 상기 케이싱(110)의 하부에는 상기 회전축(126)의 하측을 회전가능하게 지지하기 위한 하부프레임(160)이 설치되어 있고, 상기 선회스크롤의 상부에는 상기 선회스크롤과 올담링(150)을 지지하는 상부프레임(170)이 각각 설치된다.

상기 상부프레임(170)의 중앙에는 상기 선회스크롤(140)의 토출구(148)와 연통되어 압축된 냉매를 상기 상부 쉘의 토출공간(S2)측으로 토출되도록 하는 후술할 토출통로(171)가 형성된다. 상기 토출통로(171)의 내주면에는 후술할 차단부(172)가 돌출 형성된다.

상기와 같은 스크롤 압축기의 경우에는 제1 압축실과 제2 압축실의 압축비가 상이할 뿐만 아니라, 토출 개시 시점도 상이하게 된다. 그리고 토출이 개시되는 시점에서는 냉매의 압력이 순간적으로 토출공간의 압력보다 낮아지게 될 수 있다. 이에 따라, 상기 토출공간으로 토출된 냉매의 일부가 압력차에 의해 순간적으로 압축실로 역류하게 되어 재압축되면서 손실이 발생될 수 있다.

이를 감안하여, 종래에는 냉매의 역류를 방지하기 위해 상기 토출구에 체크밸브를 설치하였으나, 상기와 같은 체크밸브는 밸브타음으로 인한 압축기의 소음 증가, 밸브손상으로 인한 압축기의 신뢰성 저하, 그리고 밸브 추가로 인한 제조비용의 상승을 초래하게 될 수 있었다.

따라서, 본 실시예에서는 체크밸브를 설치하지 않고 토출구가 일시적으로 차단되도록 하여 토출공간으로 토출된 냉매가 압축실로 역류하는 것을 방지하는 구조를 제공하고자 한다.

도 4는 도 2에 도시된 압축 유닛에서 차단부를 갖는 상부베어링을 상측에서 보인 평면도이고, 도 5는 도 4에서 차단부의 일실시예를 보인 평면도이며, 도 6은 도 4에서 차단부의 다른 실시예를 보인 평면도이고, 도 7은 도 4에서 토출 개시 시점에서의 압력변화와 차단부의 설치위치를 설명하기 위해 보인 그래프이다.

이들 도면을 참조하면, 상기 상부프레임(170)은 전술한 바와 같이 평판모양으로 형성되어 그 중앙부에 토출통로(171)가 형성된다. 상기 토출통로(171)는 선회스크롤(140)의 토출구(148)가 선회 경로의 전구간에 걸쳐 수용될 수 있게, 즉 상기 토출구(148)가 선회스크롤(140)의 선회운동으로 인해 상부프레임(170)의 토출통로(171)에 대해 선회운동을 하더라도 그 토출구(148)의 모든 구간에서 상기 토출구(148)가 토출통로(171)의 영역 안에서 선회운동을 할 수 있을 정도로 상기 토출통로(171)를 크게 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 상기 토출구(148)를 통해 토출되는 냉매가 상기 토출구(148)의 선회운동 중에도 유로 저항 없이 곧바로 토출공간(S2)으로 토출되도록 하여 압축손실을 방지할 수 있다.

그리고 상기 토출통로(171)의 내주면에는 상기 토출구(148)를 선택적으로 차단할 수 있는 차단부(172)가 형성될 수 있다. 상기 차단부(172)는 도 5에서와 같이 토출통로(171)의 내주면에서 중심을 향해 방사상으로 돌출되도록 형성할 수도 있지만, 도 6에서와 같이 내주면에서 임의의 두 점을 연결하여 판 형상으로 형성할 수 있다.

상기 차단부(172)는 압축실에서 토출되는 냉매의 압력이 토출공간(S2)에 채워진 냉매의 압력에 비해 낮아지는 시점, 즉 토출 개시 시점에서 토출구(148)의 전체가 가려질 수 있도록 형성될 수도 있고, 토출구(148)의 일부가 가려질 수 있도록 형성될 수도 있다. 하지만, 가급적이면 압축실에서 토출되는 냉매의 압력이 토출공간(S2)에 채워진 냉매의 압력에 비해 낮아지는 시점에서 토출구 전체를 가릴 수 있도록 형성되는 것이 토출공간(S2)의 냉매가 압축실로 역류하는 것을 효과적으로 방지할 수 있고 이를 통해 압축기의 재압축 손실을 최소한으로 낮출 수 있어 바람직할 수 있다.

여기서, 상기 차단부가 토출 개시 시점에서 토출구 전체를 가리도록 형성하기 위해서는 도 5 및 도 6에서와 같이 상기 차단부의 범위를 정의할 수 있다. 즉, 상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 토출 개시 시점에서의 토출구(148)의 중심을 연결하는 선을 토출 개시 라인(C_L)이라고 할 때, 상기 차단부(172)는 그 중심이 토출 개시 시점에서 상기 토출 개시 라인(C_L)의 선상에 위치하도록 형성될 수 있다. 그리고 상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 차단부의 양단을 연결하여 생긴 각을 차단 범위각(α)이라고 할 때, 상기 차단부(172)는 토출 개시 시점에서 상기 토출구 전체를 가릴 수 있는 차단 범위각을 가지도록 형성될 수 있다. 그리고 상기 선회스크롤(140)의 선회중심(O)과 상기 토출 개시 시점에서의 토출구(148)의 주면을 연결하여 생긴 양쪽 접선 사이의 각을 토출 개시각(β)이라고 할 때, 상기 토출 개시각(β)은 토출 개시 시점에서 상기 차단 범위각(α)보다 작게 형성될 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 스크롤 압축기는, 도 7에서와 같이 압축실의 냉매가 토출공간으로 토출되기 시작하는 시점에서 상기 차단부(172)가 토출구(148)를 가리게 되므로 상대적으로 고압인 토출공간(S2)의 냉매가 상대적으로 저압을 이루는 압축실로 역류하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 더욱이, 토출 개시 시점에서 상기 차단부(172)가 토출구(148)의 중심에 놓일 수 있도록 형성됨에 따라 토출공간(S2)에서 압축실로 역류하려는 냉매를 더욱 효과적으로 차단할 수 있다.

또, 상기 차단부(172)의 폭이 상기 토출구(148)에서 냉매가 토출되기 시작하는 시점에서 전후 양쪽으로 일정 범위만큼 더 가로막을 수 있도록 형성됨에 따라 토출공간(S2)의 냉매가 압축실로 역류하는 것을 더욱 효과적으로 차단할 수 있다. 하지만, 상기 차단부(172)의 차단범위가 너무 넓게 되면 토출시 유로저항을 유발할 수 있으며 그렇다고 상기 차단부(172)의 차단범위가 너무 좁으면 토출공간의 냉매가 차단부의 선회방향 양쪽으로 우회하여 압축실로 역류할 수 있으므로 상기 차단부(172)의 폭은 적정하게 조절하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 선회스크롤(140)이 토출 개시 시점을 지나 더 선회운동을 하게 되면, 압축실의 체적이 더욱 감소하면서 압축실의 압력이 급격하게 상승하게 된다. 그러면 상기 압축실의 압력이 토출공간(S2)의 압력보다 일정 범위만큼 높아지는 시점에서 상기 토출구(148)는 차단부(172)를 벗어나 토출공간(S2)에 대해 열리게 되고, 상기 압축실의 냉매가 상대적으로 저압을 이루는 토출공간(S2)으로 토출된다. 이때, 상기 토출공간(S2)의 압력보다 압축실의 압력이 더 높아지게 되므로 상기 토출구(148)가 차단부(172)를 벗어나더라도 토출공간(S2)의 냉매가 압축실로 역류하지는 않게 된다.

한편, 상기와 같이 상부프레임과 같은 고정부재에 차단부를 돌출 형성시켜 선회스크롤에 구비되는 토출구가 토출 개시 시점에서 일시적으로 차단되도록 함으로써 토출공간으로 토출된 냉매가 압축실로 역류하는 것을 방지하는 기술은 도 8 내지 도 13에 도시된 다양한 형태의 스크롤 형상을 갖는 각각의 스크롤 압축기에 고르게 적용될 수 있다.

도 8은 인볼류트 곡선으로 이루어진 선회랩과 고정랩을 갖고, 축의 일부가 경판을 관통하는 형태의 스크롤 압축기에서 흡입 직후의 압축실과 토출 직전의 압축실을 도시한 평면도이다. 도 8의 (a)는 고정랩의 내측면과 선회랩의 외측면 사이에서 형성되는 제1 압축실의 변화를 도시한 것이고, (b)는 선회랩의 내측면과 고정랩의 외측면 사이에서 형성되는 제2 압축실의 변화를 도시한 것이다.

상기와 같은 스크롤 형상을 갖는 스크롤 압축기에서 압축실은 고정랩과 선회랩이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점 사이에서 생기게 되며, 인볼류트 곡선을 갖는 고정랩과 선회랩을 갖는 경우 하나의 압축실을 정의하는 두 개의 접촉점은 일직선 상에 위치하게 된다. 다시 말해서, 상기 압축실은 상기 회전축의 중심에 대해서 360°에 걸쳐서 배치된다.

이 경우, 상기 제1 압축실의 체적변화를 살펴보면, 외측에 위치하는 흡입 직후의 압축실은 선회스크롤의 선회운동에 의해서 중심부로 이동하면서 점차적으로 그 체적이 감소하여, 선회스크롤의 중심에 위치하는 회전축 결합부의 외주부에 도달할 때 최소값을 갖는다. 인볼류트 곡선의 고정랩 및 선회랩을 갖는 경우에는 체적감소율이 상기 회전축의 회전각이 증가함에 따라서 선형적으로 감소하게 되므로 높은 압축비를 얻기 위해서는 압축실을 가급적 중심에 가깝게 이동시켜야 하지만, 상기와 같이 중심부에 회전축이 존재하는 경우에는 회전축의 외주부까지만 압축실을 이동시킬 수 있게 된다. 이로 인해서 압축비가 낮아지게 되며, 도 8의 (a)에서 압축비는 대략 2.13 정도이다.

도 8의 (b)에 도시된 제2 압축실은 제1 압축실에 비해서 더욱 낮은 압축비를 갖는데 대략 1.46의 값을 갖게 된다. 그러나, 제2 압축실의 경우 선회스크롤의 형상을 변경하여, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이 상기 회전축 결합부(P)와 선회랩의 연결부위를 원호 형상으로 하면, 토출되기 전까지의 제2 압축실의 압축경로가 길어져서 압축비를 3.0 정도까지 높일 수 있게 된다. 이 경우, 상기 제2 압축실은 토출직전에 360도 미만의 범위를 갖게 된다. 그러나, 이러한 방법은 상기 제1 압축실에 대해서는 적용이 불가능하다.

따라서, 인볼류트 형상의 고정랩과 선회랩을 갖는 경우에는 제2 압축실의 경우 의도한 수준의 압축비를 얻을 수 있지만, 제1 압축실의 경우에는 불가능하며, 이렇게 두 개의 압축실 사이에서 현저한 압축비의 차이가 있는 경우 압축기의 작동에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

이를 해소하기 위해서, 상기 고정랩과 선회랩이 인볼류트 곡선이 아닌 다른 곡선을 갖도록 형성할 수도 있다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 회전축 결합부(146)의 중심을 O라 하고, 두 개의 접촉점을 각각 P1, P2라 할 때, 상기 두 개의 접촉점(P1, P2)과 상기 회전축 결합부의 중심(O)을 연결한 두 개의 직선에 의해 정의되는 각 α는 360°보다 작고, 각각의 접촉점에서의 법선 벡터 사이의 거리 ℓ도 0보다 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이로 인해서, 토출 직전의 제1 압축실이 인볼류트 곡선으로 이루어진 고정랩과 선회랩을 갖는 경우에 비해서 더 작은 볼륨을 갖게 되므로 압축비가 증가된다. 그리고, 도 10에 도시된 선회랩과 고정랩은 직경과 원점이 서로 다른 다수의 원호를 연결한 형태를 가지며, 최외곽의 곡선은 장축과 단축을 갖는 대략 타원형 형태를 갖고 있다.

그리고, 상기 고정랩의 내측 단부 부근에 상기 회전축 결합부(146)측으로 돌출되는 돌기부(137)가 형성되는데, 상기 돌기부(137)에는 상기 돌기부로부터 돌출되도록 형성되는 접촉부(137a)가 추가적으로 형성된다. 즉, 상기 고정랩의 내측 단부는 다른 부분에 비해서 보다 큰 두께를 갖도록 형성된다. 이로 인해서, 고정랩 중 가장 큰 압축력을 받게 되는 내측 단부의 랩 강도를 향상시킬 수 있으므로 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 접촉부(137a) 중에서 도 11과 같이 토출 개시 시점에서 제1 압축실을 형성하는 두 개의 접촉점 중에서 내측에 위치하는 접촉점(P1)을 시작으로 하여 고정랩의 두께는 점차적으로 감소하게 된다. 구체적으로, 상기 접촉점(P1)과 인접한 제1 감소부(137b) 및 그 제1 감소부와 이어지는 제2 감소부(137c)를 형성하게 되며, 상기 제1 감소부에서의 두께 감소율은 제2 감소부에서보다 크게 된다. 그리고, 상기 제2 감소부 이후에는 상기 고정랩은 소정 구간동안 그 두께가 증가하게 된다.

그리고, 상기 고정랩 내측면과 회전축의 축중심(O') 사이의 거리를 D_F라 할 때, 상기 D_F는 상기 P1에서 반시계방향(도 11 기준)으로 갈수록 증가한 후 감소하게 되는데, 그 구간이 도 12에 도시되어 있다. 도 12는 토출 개시 150°전에 선회랩의 위치를 도시한 평면도로서, 도 12의 상태로부터 상기 회전축이 150°더 회전하면 도 10에 도시된 상태에 이르게 된다. 도 12를 참조하면, 상기 접촉점은 상기 회전축 결합부(146)의 상측에 위치하게 되며, 도 10에서의 P1에서 도 12에서의 P1 사이의 구간에서 상기 D_F는 증가한 후 감소하게 된다.

상기 회전축 결합부(146)에는 상기 돌기부와 맞물리게 되는 오목부(145)가 형성된다. 상기 오목부(145)의 일측벽은 상기 돌기부(137)의 접촉부(137a)와 접촉하면서 제1 압축실의 일측 접촉점을 형성하게 된다. 상기 회전축 결합부(146)의 중심으로부터 상기 회전축 결합부(146)의 외주부 사이의 거리를 D_o라 할 때, 상기 D_o는 상기 도 10의 P1에서 도 12의 P1 사이의 구간에서 증가한 후 감소하게 된다. 마찬가지로, 상기 회전축 결합부(146)의 두께도 상기 도 10의 P1에서 도 12의 P1 사이의 구간에서 증가한 후 감소하게 된다.

그리고, 상기 오목부(145)의 일측벽은 두께가 상대적으로 급격히 증가하는 제1 증가부(145a)와, 상기 제1 증가부와 연결되며 상대적으로 낮은 비율로 두께가 증가하는 제2 증가부(145b)를 포함한다. 이는 상기 고정랩의 제1 감소부 및 제2 감소부와 대응된다. 이들 제1 증가부, 제1 감소부, 제2 증가부 및 제2 감소부는 포락선을 회전축 결합부 측으로 꺾은 결과로 얻어진 것이다. 이들에 의해, 제1 압축실을 형성하는 내측 접촉점(P1)이 상기 제1 증가부 및 제2 증가부에 위치하게 되며, 토출 직전의 제1 압축실의 길이를 짧게 하여 결과적으로 압축비를 높일 수 있게 한다.

상기 오목부(145)의 타측벽은 원호 형태를 갖도록 형성된다. 상기 원호의 직경은 상기 고정랩 단부의 랩 두께 및 선회랩의 선회반경에 의해 결정되는데, 고정랩 단부의 두께를 증가시키면 상기 원호의 직경이 커지게 된다. 이로 인해서, 상기 원호 주의의 선회랩 두께도 증가되어 내구성이 확보될 수 있고, 압축 경로가 길어져서 그만큼 제2 압축실의 압축비도 증가하는 장점이 있다.

여기서, 상기 오목부(145)의 중앙부는 상기 제2 압축실의 일부를 이루게 된다. 도 13은 제2 압축실에서 토출이 개시될 때의 선회랩의 위치를 도시한 평면도로서, 도 13에서 제2 압축실은 상기 오목부의 원호형태의 측벽과 접하고 있으며, 회전축이 좀 더 회전하면 제2 압축실의 일단부는 상기 오목부의 중앙부를 지나게 된다.

한편, 다양한 형태의 스크롤 형상을 갖는 각각의 스크롤 압축기에서 상기와 같이 선회스크롤에 구비되는 토출구에 인접한 고정부재에 상기 토출구를 일시적으로 차단할 수 있는 차단부를 형성하여 토출구가 토출 개시 시점에서 일시적으로 차단되도록 하면, 별도의 체크밸브를 설치하지 않고도 토출공간으로 토출된 냉매가 토출 개시 시점에서 압축실로 역류하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이를 통해, 체크밸브의 설치시 발생되는 밸브타음으로 인한 압축기의 소음 증가, 또는 밸브의 손상으로 인한 압축기의 신뢰성 저하, 그리고 밸브의 설치로 인한 제조비용의 상승을 미연에 방지할 수 있다.

아울러, 상기 상부프레임과 같은 고정부재의 토출통로에 차단부를 설치함으로써 상기 압축실에서 대략 선형적으로 압축되던 냉매의 압력이 토출 개시 시점에서 급격하게 상승하는 소위 점핑 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 상기 선회스크롤의 거동을 안정시키는 동시에 압축기의 베어링면이 마모되거나 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

110 : 케이싱 122 : 고정자
124 : 회전자 126 : 회전축
130 : 고정스크롤 132 : 보스부
136 : 고정랩 140 : 선회스크롤
142 : 경판부 144 : 선회랩
146 : 회전축 결합부 148 : 토출구
150 : 올담링 160 : 하부프레임
170 : 상부프레임 171 : 토출통로
172 : 차단부

Claims (19)

1. 고정랩을 갖는 고정스크롤;
   상기 고정랩과 치합되어 외측면과 내측면에 제1 압축실과 제2 압축실을 형성하는 선회랩을 가지며, 상기 제1 압축실과 제2 압축실에서 압축된 냉매가 토출되도록 토출구를 가지는 선회스크롤;
   상기 선회스크롤을 사이에 두고 상기 고정스크롤의 반대쪽에 설치되어 상기 선회스크롤을 지지하는 프레임;
   일단부에 편심부를 가지며, 상기 편심부가 상기 선회랩과 반경방향으로 중첩되도록 상기 선회스크롤에 결합되는 회전축; 및
   상기 회전축을 구동하는 구동유닛;을 포함하고,
   상기 프레임에는 상기 토출구와 연통되도록 토출통로가 형성되며, 상기 토출통로의 내주면에는 상기 토출구의 선회 경로 중에서 일부 구간을 가릴 수 있도록 차단부가 구비되는 스크롤 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 차단부는 상기 토출통로의 내주면에 일체로 형성되는 스크롤 압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 차단부는 상기 토출통로의 내주면에서 그 토출통로의 중심방향으로 향해 돌출 형성되는 스크롤 압축기.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 토출구에서 냉매가 토출되는 시점을 토출 개시 시점이라고 할 때,
   상기 차단부는 적어도 토출 개시 시점에서 상기 토출구를 차단할 수 있도록 형성되는 스크롤 압축기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 토출 개시 시점에서의 토출구의 중심을 연결하는 선을 토출 개시 라인(C_L)이라고 할 때,
   상기 차단부는 그 중심이 토출 개시 시점에서 상기 토출 개시 라인(C_L)의 선상에 위치하도록 형성되는 스크롤 압축기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 차단부의 양단을 연결하여 생긴 각을 차단 범위각(α)이라고 할 때,
   상기 차단부는 토출 개시 시점에서 상기 토출구 전체를 가릴 수 있는 차단 범위각을 가지도록 형성되는 스크롤 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 선회스크롤의 선회중심(O)과 상기 토출 개시 시점에서의 토출구의 주면을 연결하여 생긴 접선 사이의 각을 토출 개시각(β)이라고 할 때,
   상기 토출 개시각(β)은 토출 개시 시점에서 상기 차단 범위각(α)보다 작게 형성되는 스크를 압축기.
9. 제5항에 있어서,
   상기 제1 압축실과 제2 압축실은 서로 다른 압축비를 가지도록 형성되고,
   상기 토출구는 상대적으로 높은 압축비를 갖는 압축실과 먼저 연통되도록 형성되는 스크롤 압축기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 차단부는 높은 압축비를 갖는 압축실이 토출을 개시하는 시점부터 양쪽 압축실이 서로 연통되는 시점까지의 구간을 차단하도록 형성되는 스크롤 압축기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압축실은 상기 고정랩의 내측면과 선회랩의 외측면이 접촉하여 생기는 두 개의 접촉점(P1, P2) 사이에서 형성되고,
    상기 편심부의 중심(O)과 상기 두 개의 접촉점(P1, P2)을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도 중 큰 값을 갖는 각도를 α라 할 때,
    적어도 토출 개시 전에 α < 360° 인 스크롤 압축기.
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