KR20080041565A - 증기 인젝션 및 언로더 포트를 포함하는 스크롤 압축기 - Google Patents

증기 인젝션 및 언로더 포트를 포함하는 스크롤 압축기 Download PDF

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Abstract

스크롤 압축기는 언로더 기능과 이코노마이저 인젝션 기능을 제공하기 위한 통로가 제공된다. 이러한 일반적인 통로는 개별적인 포트와 연통된다. 바이-패스 언로딩 공정에 광범위하게 이용되는 상기 포트는 바이-패스 언로딩 공정 시에만 개방되며, 증기 주입 공정 시에는 폐쇄된다. 일반적인 상대적으로 작은 증기 인젝션 포트는 증기 주입과 바이-패스 언로딩 공정을 위해 개방된다. 이러한 2 세트의 포트를 이용함에 따라 상대적으로 작은 전체 포트 영역이 증기 주입 공정을 위해 제공되며, 상대적으로 큰 전체 개방 포트 영역이 바이-패스 공정을 위해 제공된다. 증기 주입과 바이-패스 언로딩 공정을 위한 이러한 다양한 개방 포트 영역으로 인해 이러한 양 작동 상태에서 압축기의 작동이 최적화될 수 있다.

Description

증기 인젝션 및 언로더 포트를 포함하는 스크롤 압축기{SCROLL COMPRESSOR WITH VAPOR INJECTION AND UNLOADER PORT}
본 발명은 스크롤 압축기에 관한 것이며, 여기서 한 세트의 포트는 증기 냉각제를 압축 지점의 중간에 위치한 압축기로부터 압축기 흡입부로 안내함으로써 압축기 언로딩(compressor unloading)을 수행하고 증기 냉각제를 압축기로 주입하기 위해 이용되며, 그 외의 개별적인 세트의 포트는 오직 압축기 언로딩을 위해 이용된다.
스크롤 압축기는 냉각제 압축 분야에 폭 넓게 이용되어 진다. 스크롤 압축기에서, 제 1 및 제 2 스크롤 부재는 기저부와 상기 기저부로부터 연장된 나선형 랩(spiral wrap)을 각각 가진다. 2개의 스크롤 부재의 랩은 압축 챔버를 형성하기 위해 상호 끼워 맞춤된다. 2개의 스크롤 부재들 중 한 스크롤 부재는 그 외의 다른 스크롤 부재에 대해 궤도 운동을 하며, 이러한 스크롤 부재들이 서로에 대해 궤도 운동을 함에 따라 냉각제는 랩들 사이에 형성된 압축 챔버 내에 가둬진다(trap). 궤도 스크롤이 궤도 사이클을 통해 이동함에 따라 이러한 압축 챔버의 크기는 감소되고, 가둬 진 냉각제는 압축된다.
냉각제 압축 설비와 스크롤 압축기에서 이용되는 다수의 선택적인 특징이 제공된다. 한 선택적인 특징에 있어서, 스크롤 압축기와 연결된 냉각제 시스템으로부터 요구되는 감소된 냉각 용량이 제공될 때, 압축기는 "언로드 상태(unloaded)" 일 수 있다. 압축기가 언로드될 때, 냉각제는 압축 챔버로부터 개방된 언로더 밸브를 통해 압축기로 안내되는 흡입 포트로 재차 분기될 수 있다. 이러한 방식으로, 상당량의 압축된 냉각제가 감소되며, 이와 연관된 냉각제 시스템의 용량이 유사하게 감소된다.
그 외의 다른 선택적인 특징에 있어서, 추가 용량이 요구될 때, 이코노마이저 사이클이 구동될 수 있다. 이코노마이저 사이클에 따라서, 콘덴서의 다운스트림에 위치된 냉각제는 주요 냉각제 흐름 라인으로부터 분기되며(tap), 분기된(tapped) 냉각제는 팽창된다. 이러한 분기된 냉각제는 이코노마이저 열교환기 내에서 주요 냉각제와의 열교환 방식으로 흐르며, 이에 따라 주요 냉각제 흐름은 과냉된다. 분기된 냉각제는 압축기 내의 일련의 포트 또는 중간 압축 포트로 유입된다.
언로더와 이코노마이저 기능을 제공하는 종래의 구조물은 비-궤도 스크롤 부재 내에서 동일한 흐름 통로로 연결되는 기능을 한다. 이러한 구조물에서, 인젝션 통로는 이코노마이저 인젝션 통로를 흡입 라인으로 선택적으로 연통시키는 언로더 라인에 연결된다. 셧 오프 장치가 콘덴서와 언로더 라인 사이의 이코노마이저 라인 에 설치됨에 따라 이코노마이저 인젝션 통로는 개방된 상태 또는 폐쇄된 상태로 유지될 수 있다. 개별적인 흐름 제어 장치는 언로더와 이코노마이저의 작동 상태를 제어한다. 흡입을 위한 흐름의 바이-패스 또는 증기 주입 이코노마이저 기능을 수행하기 위하여 비-궤도 스크롤의 기저부를 통하여 압축 챔버로 안내되는 포트로 연장되는 통로가 제공된다.
종래 기술에서, 이러한 포트의 크기와 위치에 대해 고려된다. 최적화된 이코노마이저 작동(증기 주입)을 위해, 상대적으로 작은 포트를 가지는 것이 선호된다. 주입을 위한 포트가 상대적으로 크게 선택된다면, 압축 사이클의 효율이 저하된다. 한편, 최적화된 언로더 작동을 위해 압축기 치수 엔벨롭(compressor dimensional envelope)에 의해 허용될 수 있을 정도의 크기로 포트가 선택되는 것이 선호된다.
따라서 종래 기술에서, 이러한 포트의 크기를 선택할 시 동일한 포트가 증기 주입과 바이-패스 언로딩 작업을 위해 이용되기 때문에 이러한 2가지의 목적 사이에서 절충적으로 선택되어야 한다.
본 발명의 공개된 실시예에서, 단일의 통로는 압축기 쉘을 통해 비-궤도 스크롤 부재 내의 통로로 연통된다. 이러한 통로는 압축 챔버와 연통되기 위하여 비- 궤도 스크롤 부재의 기저부를 통해 연장되는 바이패스 포트와 이코노마이저 포트로 안내된다. 바람직하게 상기 이코노마이저 포트는 압축 사이클의 중간 부분에 보다 인접한 것이 선호되며(그러나 몇몇 상태에서 이코노마이저 포트는 흡입부 측면에 보다 인접하게 인접하는 것이 선호됨), 반면 개별적인 바이패스 홀은 흡입부 측면에 보다 인접하게 위치된다.
바이패스 홀은 이코노마이저 홀보다 큰 횡단 영역으로 구성된다. 상대적으로 큰 크기의 바이-패스 포트를 가짐에 따라, 바이-패스 언로딩 작동 시 압축기의 성능이 최적화되며, 포트의 크기가 커질수록 상대적으로 작은 포트보다 보다 많은 흐름이 흡입부로 바이패스된다. 또한 기생 스로틀링 흐름 손실(parasitic throttling flow loss)은 바이-패스 포트의 크기가 커짐에 따라 감소된다. 추가적으로 바이패스 홀은 이코노마이저 인젝션 홀로 유입된 증기가 바이패스 홀로 이동되지 않도록 체크 밸브와 연결되는 것이 선호된다. 그러나 바이-패스 흐름은 인젝션 포트 또는 바이-패스 포트를 통해 흐를 수 있다(흐름이 바이패스될 때 체크 밸브가 개방됨). 이 경우, 바이-패스 흐름이 상기 개구부들을 통해 흐를 수 있음에 따라 바이-패스 흐름의 양이 증가되기 때문에 바이-패스 공정은 추가적으로 최적화된다.
본 발명에 따라서, 스크롤 압축기의 설계자는 각각의 기능에 대해 최적화되도록 포트들의 크기와 위치를 설계할 수 있다.
본 발명의 상기 및 그 외의 다른 특징들은 하기 명세서와 도면으로부터 명확 히 이해될 수 있다.
압축기 쉘(compressor shell, 21)을 포함하는 압축기(compressor, 19)를 가지는 냉각제 시스템(refrigerant system, 20)이 도 1에 도시된다. 압축기는 궤도 스크롤 부재(orbiting scroll member, 22)와 비-궤도 스크롤 부재(non-orbiting scroll member, 24)를 가진 스크롤 압축기이다. 흡입 라인(suction line, 26)은 압축기 쉘(21) 내에서 냉각제를 챔버(31)로 이송한다. 공지된 바와 같이, 냉각제는 궤도 스크롤 부재(22)와 비-궤도 스크롤 부재(24) 사이에서 압축되며, 배출 라인(discharge line, 28)을 통해 쉘(21)의 외측을 향해 이송된다. 이코노마이저 인젝션 라인(economizer injection line, 30)은 비-궤도 스크롤 부재(24)의 기저부를 통해 연장된 통로(32)와 연통된다. 추가 도시된 바와 같이, 라인(34)은 흡입 라인(26)에 대해 통로(30)와 연통된다. 상기 라인(34)에 배치된 언로더 밸브(unloader valve, 36)는 냉각제를 압축 챔버로부터 외측을 향하여 재차 흡입 라인(26)으로 선택적으로 흐르게 하거나 차단한다.
콘덴서(condenser, 100)는 배출 포트(28)의 다운스트림에 위치된다. 탭(tap, 102)은 주요 냉각제 라인(103)으로부터 냉각제의 일부분을 분기시키며(tap), 팽창 장치(105)에서 분기된 냉각제를 팽창시킨다. 분기된 냉각제는 이코노마이저 열교환기(104) 내에서 주요 흐름 라인(103) 내의 냉각제와 열전달 방식으로 이동된다. 분기된 냉각제는 밸브(106)를 통해 재차 복귀되고, 통로(30)를 통해 라인으로 복귀된 다. 주요 냉각제 흐름(103)과 분리된 냉각제(102)의 흐름이 이코노마이저 열교환기(104)를 통해 동일한 방향으로 도시될지라도 실질적으로 이러한 흐름들은 역방향으로 형성된다.
이코노마이저 열교환기(104)의 다운스트림에서, 주요 냉각제 흐름 라인은 팽창 장치(108), 증발기(110)를 통과하고 재차 흡입 라인(26)으로 통과한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 통로(32)는 이코노마이저 인젝션 포트(200)와 연통된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍(또는 다수)의 포트(200) 또는 비-궤도 스크롤(24)의 기저부에서 2개의 개별적인 위치와 관련된 단일 포트가 제공된다. 추가적으로 언로더 포트(202)가 도면에 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이, 포트(202)들의 위치는 궤도 및 비-궤도 스크롤 부재의 랩(wrap)의 외부 위치에 더욱 인접하게 형성되어 이코노마이저 홀(200)보다 흡입 위치에 보다 인접하다. 궤도 스크롤이 궤도 운동함에 따라(orbit), 바이-패스 언로더 포트는 고정된 스크롤(24)과 궤도 스크롤(22) 사이의 부분적으로 압축된 가스뿐만 아니라 흡입 압축 시 챔버(31)로 노출될 수 있다. 바이-패스 언로더 포트들이 추가적으로 압축 공정(compression process)에 배열된다면, 상기 포트들은 오직 부분적으로 압축된 냉각제로 노출될 수 있으며, 필수적으로 챔버(31)로부터 분리될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 언로더 홀(202)은 밸브 스톱(valve stop, 204), 밸브 스톱(204)을 고정하는 볼트(210) 및 리드 밸브(reed valve, 206)와 연결된다. 언로딩 작업 동안, 스크롤 요소 내의 압력은 흡입 압력보다 크며, 이에 따라 리드 밸브가 개방되고, 스크롤 압축 포켓으로부터의 흐름의 일부분이 통로(202)를 통해 흡입부로 바이패스될 수 있다. 몇몇의 추가 흐름은 항시 개방된 상태인 개방 통로(200)를 통해 바이패스된다. 한편 증기 주입 공정이 수행될 때, 감소된 통로(economized passage) 내의 압력은 스크롤 압축 포켓 내의 압력보다 크며, 이에 따라 리드 밸브가 밀폐되어 증기가 폐쇄된 통로(200)를 통해 주입되는 것이 방지된다. 그 뒤 증기는 오직 통로(200)를 통해 주입되며, 상기 통로(200)의 크기와 위치는 증기 주입 흐름의 양을 최적화하도록 선택된다.
체크 밸브가 한 세트의 포트를 포함하는 듀얼 포트 장치를 이용함에 따라, 본 발명은 상기 타입의 작동에 대한 최적화된 형상을 제공할 수 있다. 이에 따라 종래 기술의 문제점이 제거된다.
본 발명의 선호되는 실시예가 공개되었다고 할지라도 종래 기술의 당업자는 본 발명의 범위 내에서 특정 변형을 인지할 수 있을 것이다. 이러한 이유로, 하기 청구항은 본 발명의 진정한 범위와 내용을 결정하는데 검토되어 져야 한다.
도 1은 본 발명에 따르는 스크롤 압축기의 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따르는 비-궤도 스크롤의 상면도.
도 3은 본 발명의 다른 특징으로 도시하는 도면.

Claims (9)

  1. 스크롤 압축기에 있어서, 상기 스크롤 압축기는
    -기저부 및 상기 기저부로부터 연장된 나선형 랩을 가진 제 1 스크롤 부재를 포함하고,
    -기저부 및 상기 기저부로부터 연장된 나선형 랩을 가진 제 2 스크롤 부재를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 스크롤 부재의 기저부들은 압축 챔버를 형성하기 위하여 상호 끼워 맞춤되고, 상기 제 2 스크롤 부재는 상기 제 1 스크롤 부재에 대해 궤도 운동하도록 구동되며,
    -냉각제를 상기 압축기에 대한 압축기 쉘로 연통시키기 위한 흡입 라인 및 냉각제를 상기 쉘의 외측을 향하여 연통시키기 위한 배출 라인을 포함하며,
    -증기 냉각제를 이코노마이저 서킷으로부터 압축 챔버로 재차 주입하기 위한 이코노마이저 인젝션 라인을 포함하고, 상기 이코노마이저 인젝션 라인은 상기 제 1 스크롤 부재의 상기 기저부를 통과하고 증기 냉각제를 상기 압축 챔버로 주입하기 위한 하나 이상의 이코노마이저 포트와 연통되며,
    -상기 이코노마이저 인젝션 라인을 상기 흡입 라인으로 선택적으로 연통시키기 위한 언로더 라인을 포함하고, 상기 언로더 라인은 언로더 밸브와 연결되며, 언로더 포트들은 상기 비-궤도 스크롤 내에 제공되며 상기 언로더 밸브가 개방되었을 때 상기 언로더 포트를 통해 상기 압축 챔버로부터 상기 이코노마이저 인젝션 라인, 상기 언로더 라인 및 상기 흡입 라인으로 냉각제를 연통시키고, 상기 언로더 포트와 상기 이코노마이저 포트는 개별적인 포트인 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이코노마이저 포트는 상기 언로더 포트보다 압축 사이클 내에 추가적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 언로더 포트들 중 2개의 포트와 상기 이코노마이저 포트들 중 2개의 포트가 제공되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  4. 제 1 항에 있어서, 체크 밸브는 상기 이코노마이저 인젝션 라인으로부터 상기 언로더 포트를 통해 상기 압축 챔버까지의 흐름을 차단하고, 상기 체크 밸브는 상기 압축 챔버로부터 상기 언로더 포트를 통해 상기 이코노마이저 인젝션 라인으로 냉각제를 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 이코노마이저 포트는 하나 이상의 상기 언로더 포트보다 작은 횡단 영역으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 이코노마이저 포트의 흐름 저항(flow resistance)은 상기 하나 이상의 언로더 포트의 흐름 저항보다 큰 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 언로더 밸브가 개방될 때, 냉각제는 상기 이코노마이저 포트를 통해 상기 이코노마이저 인젝션 라인, 상기 언로더 라인 및 상기 흡입 라인으로 이송될 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  8. 스크롤 압축기에 있어서, 상기 스크롤 압축기는
    -기저부 및 상기 기저부로부터 연장된 나선형 랩을 가진 제 1 스크롤 부재를 포함하고,
    -기저부 및 상기 기저부로부터 연장된 나선형 랩을 가진 제 2 스크롤 부재를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 스크롤 부재의 기저부들은 압축 챔버를 형성하기 위하여 상호 끼워 맞춤되고, 상기 제 2 스크롤 부재는 상기 제 1 스크롤 부재에 대해 궤도 운동하도록 구동되며,
    -냉각제를 상기 압축기에 대한 압축기 쉘로 연통시키기 위한 흡입 라인 및 냉각제를 상기 쉘의 외측을 향하여 연통시키기 위한 배출 라인을 포함하며,
    -증기 냉각제를 이코노마이저 서킷으로부터 압축 챔버로 재차 주입하기 위한 이코노마이저 인젝션 라인을 포함하고, 상기 이코노마이저 인젝션 라인은 상기 제 1 스크롤 부재의 상기 기저부를 통과하고 증기 냉각제를 상기 압축 챔버로 주입하기 위한 하나 이상의 이코노마이저 포트와 연통되며,
    -상기 이코노마이저 주입 라인을 상기 흡입 라인으로 선택적으로 연통시키기 위한 언로더 라인을 포함하고, 상기 언로더 라인은 언로더 밸브와 연결되며, 언로 더 포트들은 상기 비-궤도 스크롤 내에 제공되며 상기 언로더 밸브가 개방되었을 때 상기 언로더 포트를 통해 상기 압축 챔버로부터 상기 이코노마이저 인젝션 라인, 상기 언로더 라인 및 상기 흡입 라인으로 냉각제를 연통시키고, 상기 언로더 포트와 상기 이코노마이저 포트는 개별적인 포트로 형성되며, 상기 이코노마이저 포트는 상기 언로더 포트보다 작은 횡단 영역으로 형성되고,
    -상기 이코노마이저 인젝션 라인으로부터 상기 언로더 포트를 통해 상기 압축 챔버까지의 흐름을 차단하는 체크 밸브를 포함하며, 상기 체크 밸브는 상기 압축 챔버로부터 상기 언로더 포트를 통해 상기 이코노마이저 인젝션 라인으로 냉각제를 흐르게 하기 위해 개방되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 언로더 밸브가 개방되었을 때, 냉각제는 상기 이코노마이저 포트를 통해 상기 이코노마이저 인젝션 라인, 상기 언로더 라인 및 상기 흡입 라인으로 이송되는 것을 특징으로 하는 스크롤 압축기.
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