KR20200040802A

KR20200040802A - 회전 메커니즘

Info

Publication number: KR20200040802A
Application number: KR1020207006830A
Authority: KR
Inventors: 겐후이 짜오; 쉬 왕; 퀴밍 짜우; 안빙 마오
Original assignee: 에머슨 클라이미트 테크놀로지스 (쑤저우) 코., 엘티디.
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-04-20
Also published as: JP2022183232A; EP3670918A1; JP3242528U; WO2019033894A1; JP2020531728A; EP3670918A4

Abstract

하우징(11), 회전 부재(110) 및 배출 부재(130)를 포함하는 회전 메커니즘; 오일 및 가스 혼합물이 하우징(11) 내에 포함된다; 회전 부재(110)는 하우징(11) 내에 제공되고 오일 및 가스 혼합물을 구동하여 사이클론 유동을 형성하도록 회전축을 중심으로 회전 가능하며, 그로 인해 원심력 하에서 오일 및 가스 혼합물 내의 오일 함유량은 회전 부재(110)에 접근함에 따라 더 적고; 배출 부재(130)는 하우징(11) 상에 제공되고 하우징(11)으로부터 오일 함유량이 미리 설정된 양 이하인 위치까지 반경방향 내향으로 연장된다.

Description

회전 메커니즘

본 개시내용은, 발명의 명칭이 "ROTARY MACHINERY"이고 2017년 8월 16일자로 CNIPA(China National Intellectual Property Administration)에 출원된, 중국 특허 출원 제201710701301.0호 및 제201721025170.0호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시내용은 본원에 참조로 통합된다.

본 개시내용은 회전 기계에 관한 것이다.

본 섹션의 내용은 단지, 반드시 종래 기술을 구성하지는 않을 수 있는, 본 개시내용과 관련된 배경 정보를 제공한다.

압축기(예를 들어, 스크롤 압축기, 회전자 압축기 등)는 전형적으로 압축 메커니즘, 구동 샤프트 및 모터를 포함한다. 구동 샤프트는 베어링 하우징 내의 베어링에 의해 지지되고 모터에 의해 회전하도록 구동된다. 구동 샤프트의 회전은, 작동 유체(예를 들어, 냉매)를 압축하기 위해 이동하도록 압축 메커니즘의 가동 구성요소(예를 들어, 스크롤 압축기의 궤도운동 스크롤, 회전자 압축기의 회전자 등)를 추가로 구동한다. 가동 구성요소 및 전체 압축기의 작동 안정성 및 신뢰성을 유지하기 위해서, 압축기의 각각의 가동 구성요소(예를 들어, 스크롤 압축기의 궤도운동 스크롤, 회전자 압축기의 회전자, 베어링 등)는 윤활유로 윤활될 필요가 있다. 따라서, 압축기를 위한 윤활유 순환 시스템은 압축기의 중요한 부분이다.

압축기가 작동될 때, 차압 하에서 또는 오일 펌핑 메커니즘에 의해 압축기의 오일 풀로부터 각각의 가동 구성요소로 윤활유가 운반되어, 예를 들어, 각각의 가동 구성요소의 정상 작동을 유지하도록 각각의 구성요소를 윤활하고, 최종적으로 오일 풀로 복귀한다. 또한, 윤활유의 순환 동안, 이는 또한 마모를 감소시키기 위해 구성요소의 접촉 표면 사이의 불순물을 제거할 수 있고, 마찰 또는 흐름으로 인해 각각의 구성요소에 의해 발생되는 열을 제거할 수 있다.

윤활유의 순환 동안, 윤활유의 일부는 작동 유체와 함께 압축기로부터 배출될 것이다. 압축기로부터 배출되는 윤활유의 양이 너무 큰 경우, 압축기가 일정 기간 동안 작동된 후에 오일 풀 내의 윤활유의 양은 점진적으로 감소할 것이고, 즉, 오일 레벨이 낮아질 것이며, 이는 압축기 내의 윤활유가 가동 구성요소의 정상 작동을 유지하기에 불충분하여 그에 따른 압축기의 비정상 작동을 초래한다. 따라서, 압축기 내의 오일 풀의 레벨을 유지하는 것은 매우 중요하다. 한편, 작동 유체와 함께 압축기로부터 배출되는 윤활유는, 예를 들어, 응축기 및 증발기의 코일에 또한 부착될 것이며, 그로 인해 주변 공기와의 작동 유체의 열교환 효율에 영향을 미칠 것이다. 따라서, 압축기가 윤활유 순환율(오일 순환율로도 지칭됨)을 적절하게 제어하는 것이 필요하다. 여기서, 오일 순환율은 압축기로부터 배출되는 단위 작동 유체에 포함된 윤활유의 (질량) 비율로서 이해할 수 있다.

오일 순환율을 제어하기 위해, 오일-가스 분리 장치가 압축기 내에 배치될 수 있다. 그러나, 압축기 케이싱의 내부 공간이 제한되기 때문에, 단순한 구조 및 작은 공간 점유로 오일 순환율을 효율적으로 제어할 수 있는 압축기를 제공하는 것이 바람직하다.

본 개시내용의 일 목적은 단순한 구조 및 작은 공간 점유로 오일 순환율을 효율적으로 제어할 수 있는 회전 기계를 제공하는 것이다.

본 개시내용의 다른 목적은, 단순화된 제조 및 조립으로 낮은 비용을 갖고 압축기의 오일 순환율을 합리적으로 제어할 수 있는 압축기를 제공하는 것이다.

본 개시내용의 일 양태에 따르면, 케이싱, 회전 부재 및 배출 부재를 포함하는 회전 기계가 제공된다. 케이싱은 오일-가스 혼합물을 내부에 포함한다. 회전 부재는 케이싱 내에 배치되고 오일-가스 혼합물을 구동하여 사이클론 유동을 형성하도록 회전축을 중심으로 회전 가능하며, 그로 인해 원심력 하에서 오일-가스 혼합물 내의 오일 함유량은 회전 부재에 접근함에 따라 감소한다. 배출 부재는 케이싱 상에 배치되고 케이싱으로부터 오일 함유량이 미리 정의된 함유량 이하인 위치까지 반경방향 내향으로 연장된다. 본 개시내용에 따른 회전 기계는 윤활유 순환율을 양호하게 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 케이싱 내부에 위치된 배출 부재의 단부 부분과 회전 부재의 외주면 사이에 미리 정의된 거리가 존재하고, 배출 부재의 원형 배출 통로의 직경에 대한 미리 정의된 거리의 비율은 1.5 미만이다.

일부 실시예에서, 배출 부재의 원형 배출 통로의 직경에 대한 미리 정의된 거리의 비율은 0.25 초과이다.

일부 실시예에서, 원형 배출 통로의 직경에 대한 미리 정의된 거리의 비율은 0.4 내지 0.5이다.

일부 실시예에서, 회전 부재는 축방향으로 제1 축방향 단부 표면 및 제2 축방향 단부 표면을 갖고, 배출 부재는 제1 축방향 위치와 제2 축방향 위치 사이에 위치설정된다. 배출 부재가 제1 축방향 위치에 있는 경우, 배출 부재의 배출 통로의 일 반경방향 측면은 제1 축방향 단부 표면의 축방향 외측에 위치되고, 배출 통로의 일 반경방향 측면에 대향하는 다른 반경방향 측면은 제1 축방향 단부 표면과 정렬된다. 배출 부재가 제2 축방향 위치에 있는 경우, 배출 통로의 다른 반경방향 측면은 제2 축방향 단부 표면의 축방향 외측에 위치되고, 배출 통로의 일 반경방향 측면은 제2 축방향 단부 표면과 정렬된다.

일부 실시예에서, 배출 부재는 회전 부재의 축방향 중심 부분과 실질적으로 정렬되도록 위치설정된다.

일부 실시예에서, 회전 부재에 인접한 배출 부재의 단부 부분은 회전축에 수직인 수평 방향으로 선형적으로 연장되고, 단부 부분의 단부 표면은 회전 부재의 외주면에 대해 사선으로 배향된다.

일부 실시예에서, 회전 부재에 인접한 배출 부재의 단부 부분은 회전 부재의 원주방향으로 그리고/또는 회전축에 평행한 수직 방향으로 굴곡된다.

일부 실시예에서, 배출 부재의 배출 개구는 회전 부재의 회전 방향의 하류측과 대면하도록 배향되고, 케이싱 내의 오일-가스 혼합물은 배출 개구를 통해 배출 부재로 진입한다.

일부 실시예에서, 회전 부재는 축방향으로 제1 축방향 단부 표면 및 제2 축방향 단부 표면을 갖고, 배출 부재는 제1 축방향 단부 표면 또는 제2 축방향 단부 표면의 축방향 외측에 위치설정되며, 케이싱 내에 위치된 배출 부재의 단부 부분은 회전 부재의 외주면과 동일 평면에 있거나 회전 부재의 외주면의 반경방향 내측에 있도록 내향으로 연장된다.

일부 실시예에서, 회전 부재는 캠, 편심부, 또는 평형추의 형태이고, 배출 부재는 배출 파이프 또는 배출 통로의 형태이다.

일부 실시예에서, 회전 기계는 압축 메커니즘, 구동 샤프트 및 모터를 추가로 포함한다. 압축 메커니즘은 케이싱 내에 위치되고 작동 유체를 압축하도록 구성된다. 구동 샤프트는 압축 메커니즘을 구동하도록 구성된다. 모터는 고정자, 및 고정자에 대해 회전 가능하고 구동 샤프트를 회전 구동하도록 구성된 회전자를 포함한다. 회전 부재는 구동 샤프트 상에 배치되거나 회전자 상에 배치된다.

일부 실시예에서, 회전 부재는 압축 메커니즘과 모터 사이에 또는 모터와 오일받이 사이에 위치된다.

일부 실시예에서, 회전 기계는 고압측 스크롤 압축기이다.

상기 구조에서, 회전 기계의 회전 부재가 회전할 때 회전 부재는 그를 둘러싸는 오일-가스 혼합물을 구동하여 사이클론 유동을 형성할 수 있기 때문에, 윤활유는 오일-가스 혼합물이 압축기로부터 배출되기 전에 원심력 하에서 오일-가스 혼합물로부터 분리될 수 있어, 윤활유 순환율을 양호하게 제어할 수 있다. 한편, 압축기 내의 오일 풀의 오일 레벨은 원하는 레벨로 유지될 수 있다. 다른 한편으로는, 압축기로부터 배출되고 압축기 시스템으로 진입하는 윤활유의 양이 감소될 수 있고, 예를 들어, 열교환기로 진입하는 윤활유의 양이 감소될 수 있으며, 그로 인해 압축기 시스템의 전체적인 작동 효율이 개선된다.

본 개시내용의 하나 이상의 실시예의 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 더 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 오일-가스 분리 장치를 포함하는 압축기의 종방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 압축기의 오일-가스 분리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 평형추에 대한 배출 파이프의 상이한 반경방향 위치를 도시하는, 도 1의 오일-가스 분리 장치의 개략도이다.
도 4는 평형추에 대한 배출 파이프의 상이한 축방향 위치를 도시하는, 도 1의 오일-가스 분리 장치의 개략도이다.
도 5 및 도 6은 상이한 위치에 위치된 오일-가스 분리 장치를 갖는 압축기의 개략도이다.
도 7은 배출 파이프와 평형추 사이의 거리 및 순환율을 도시한 그래프이다.
도 8a는 본 개시내용에 따른 오일-가스 분리 장치의 오일-가스 분포를 도시하는 단면도이다.
도 8b는 비교예의 오일-가스 분리 장치의 오일-가스 분포를 도시하는 단면도이다.
도 9는 배출 파이프의 일 변형예를 도시하는, 도 2와 유사한 개략도이다.
도 10은 배출 파이프의 다른 변형예을 도시하는, 압축기의 오일-가스 분리 장치의 개략적인 종단면도이다.

바람직한 실시예에 관한 이하의 설명은 단지 예시적인 것이고, 결코 본 개시내용 및 그 적용예 또는 이용을 제한하고자 의도되지 않는다. 도면 전체를 통해서 유사한 구성요소를 나타내기 위해서 유사한 참조 부호를 사용하였고, 유사한 구성요소의 구조에 관한 설명은 반복적으로 설명되지 않을 것이다.

설명의 용이성을 위해, 특정 구성요소가 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 경우, 본원에서 구성요소에 대해 언급된 "종방향" 또는 "축방향"은 회전축에 평행한 방향을 지칭하고, 본원에서 구성요소에 대해 언급된 "반경방향"은 회전축에 수직인 방향을 지칭한다. 본원에서 언급된 "제1" 및 "제2" 및 다른 용어는 단지 상이한 구성요소를 구별하기 위해 사용되고, 순서 또는 다른 의미를 나타내기 위해 사용된 것이 아니다.

이하에서, 본 개시내용에 따른 오일-가스 분리 장치 및 오일-가스 분리 장치를 포함하는 압축기를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 고압측 수직 스크롤 압축기가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 개시내용은 수평 스크롤 압축기, 회전자 압축기 및 피스톤 압축기와 같은 다른 유형의 압축기에도 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

도 1을 참조하면, 압축기(10)는 케이싱(11), 및 케이싱(11) 내에 배치된 압축 메커니즘(12), 모터(13), 및 구동 샤프트(회전 샤프트 또는 크랭크샤프트로도 지칭됨)(14)를 포함한다.

모터(13)는 케이싱(11)에 고정된 고정자(13b), 및 고정자(13b)의 내측에 위치되고 구동 샤프트(14)에 고정된 회전자(13a)를 포함한다. 모터(13)가 시동되면, 회전자(13a)가 회전하고 구동 샤프트(14)와 함께 회전하도록 구동 샤프트를 구동한다.

구동 샤프트(14)는 구동 샤프트(14)가 회전할 때 (일반적으로 가스 상인) 작동 유체를 압축하기 위해 압축 메커니즘(12)을 구동하도록 압축 메커니즘(12)에 끼워맞춤된다. 도면에 도시된 스크롤 압축기(10)에서는, 구동 샤프트(14)의 편심 크랭크 핀(14b)이 궤도운동 스크롤(12b)을 회전 구동하기 위해 압축 메커니즘(12)의 궤도운동 스크롤(12b)에 끼워맞춤된다.

압축기(10)는 케이싱(11)에 고정된 주 베어링 하우징(15)을 추가로 포함한다. 주 베어링 하우징(15)은 메인 베어링(15a)을 통해 구동 샤프트(14)를 회전식으로 지지하고, 압축 메커니즘(12), 특히 궤도운동 스크롤 구성요소(12b)를 지지한다.

압축 메커니즘(12)은 케이싱(11) 또는 주 베어링 하우징(15)에 고정된 비-궤도운동 스크롤 구성요소(12a), 및 비-궤도운동 스크롤 구성요소(12a)에 대해 이동 가능한 궤도운동 스크롤 구성요소(12b)를 포함한다. 구동 샤프트(14)에 의해 구동되면, 궤도운동 스크롤 구성요소(12b)는 비-궤도운동 스크롤 구성요소(12a)에 대해 궤도운동한다(즉, 궤도운동 스크롤 구성요소의 중심축은 비-궤도운동 스크롤 구성요소의 중심축 주위로 이동하지만, 궤도운동 스크롤 구성요소 자체는 그 자체의 중심축을 중심으로 회전하지 않는다). 체적이 반경방향 외측으로부터 반경방향 내측으로 점진적으로 감소하는 일련의 압축 챔버가 비-궤도운동 스크롤 구성요소(12a)의 나선형 베인(spiral vane)과 궤도운동 스크롤 구성요소(12b)의 나선형 베인 사이에 형성된다. 작동 유체는 이러한 압축 챔버 내에서 압축되고, 이어서 압축 메커니즘(12)의 배출 구멍(17)을 통해 배출된다. 압축 메커니즘(12)의 배출 구멍(17)은 대체로 비-궤도운동 스크롤 구성요소(12a)의 단부 판의 대략적으로 중심에 배치된다.

스크롤 압축기의 작동 중에, 편심 구성요소의 회전에 의해 생성되는 원심력 또는 원심 토크가 압축기를 진동하게 한다. 일반적으로, 평형추가 회전 구성요소 상에 배치되어 역원심력 또는 역원심 토크를 제공하여 편심 구성요소에 의해 발생되는 불균형을 상쇄시킨다. 도 1에 도시된 압축기(10)에서, 평형추(110)가 구동 샤프트(14)의 외주면 상에 고정되고 주 베어링 하우징(15)에 인접하고; 평형추(210)가 압축 메커니즘(12)과 대면하는 모터(13)의 회전자(13a)의 단부 표면 상에 배치되며; 압축 메커니즘(12)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 모터(13)의 회전자(13a)의 단부 표면 상에는 평형추(310)가 배치된다. 도면의 압축기는 3개의 평형추를 포함하지만, 평형추의 수는 특정 적용예 요건에 따라 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

도 1에 도시된 압축기의 예에서, 윤활유를 저장하기 위한 오일받이(20)가 압축기 케이싱(11)의 저부에 배치된다. 구동 샤프트(14) 내에는 실질적으로 구동 샤프트(14)의 축방향을 따라 연장되는 통로(14a)가 형성될 수 있다. 오일받이(20) 내의 윤활유는 이 통로(14a)를 통해서 압축기의 각각의 베어링, 주 베어링 하우징(15)의 베어링 표면, 및 궤도운동 스크롤 구성요소(12b), 압축 메커니즘 등에 공급된다. 압축기의 다양한 구성 요소가 윤활된 후에, 윤활유는 오일받이(20)로 복귀한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(10)는 고압측 스크롤 압축기이다. 배출 파이프(배출 부재)(130)가 케이싱(11) 상에 배치된다. 저압 작업 유체는 압축 메커니즘의 흡입 파이프(도시되지 않음) 및 흡입 구멍(도시되지 않음)을 통해 압축 메커니즘(12)의 흡입 챔버 또는 저압 챔버 내로 직접적으로 공급되고, 이어서 압축되어 압축 메커니즘(12)의 배출 구멍(17)으로부터 압축기의 케이싱(11)으로 둘러싸인 공간 내로 배출된다. 도시된 예에서, 배출 파이프(130)는 압축기(10) 외부로 압축 가스를 배출하도록 케이싱(11) 내에 밀폐식으로 설치된다. 압축기의 작동 중에, 배출 구멍(17)으로부터 배출되는 작업 유체가 윤활유와 혼합되고, 구동 샤프트(14)의 통로(14a)로부터 공급되는 윤활유가, 궤도운동 스크롤 구성요소(12b), 모터(13)의 회전자(13a) 등의 이동으로 인해, 압축기 케이싱(11) 내의 공간에서 오일 미스트의 형태로 분배된다. 따라서, 압축기 외부로 배출 파이프(130)를 통해 배출될 고압 작업 유체는 종종 윤활유를 포함하고, 따라서 배출 파이프(130)를 통해 압축기 외부로 배출되는 작업 유체 내의 윤활유의 양을 제어하여, 압축기 전체의 오일 순환율(OCR)을 제어하는 것이 필요하다.

압축기의 오일 순환율(OCR)을 양호하게 제어하기 위해, 오일-가스 분리 장치가 압축기(10) 내에 배치될 수 있다. 그러나, 추가적인 오일-가스 분리 장치는 특정 공간을 필요로 하고 제조 및 조립 공정을 복잡하게 한다. 특히, 압축기의 내부 공간이 제한되는 경우에는, 오일-가스 분리 장치를 추가적으로 설치하기에 적합하지 않다.

상기 문제를 극복하기 위해, 본 개시내용의 발명자는, 압축기에 이미 존재하는 부재를 사용함으로써 그리고 단지 부재 사이의 상대적인 위치 관계를 합리적으로 구성함으로써 원심력으로 고압 작동 유체로부터 윤활유가 분리될 수 있고, 감소된 함유량의 윤활유를 포함하거나 또는 심지어 윤활유를 포함하지 않는 작동 유체가 배출되어, 그로 인해 압축기의 오일 순환율(OCR)을 합리적으로 제어하는 해결책을 고안하였다. 이러한 해결책은 부품의 수를 상당히 감소시킬 수 있고, 설치 공간을 상당히 절약할 수 있으며, 조립 공정을 상당히 단순화할 수 있어, 그로 인해 비용을 크게 감소시킬 수 있다.

본 개시내용의 실시예에 따른 오일-가스 분리 장치를 도 1 및 도 2를 참조하여 아래에서 설명한다. 도면에 도시된 바와 같이, 오일-가스 분리 장치는 평형추(110) 및 배출 파이프(130)를 포함한다. 평형추(110)는 구동 샤프트(14)의 외주면에 고정되고 구동 샤프트(14)와 함께 회전될 수 있다. 이 예에서, 평형추(110)의 회전축은 또한 구동 샤프트(14)의 회전축, 즉 구동 샤프트(14)의 종방향 중심축이다. 배출 파이프(130)는 반경방향으로 평형추(110) 외측에 위치되고 케이싱(11) 상에 밀폐식으로 고정된다.

평형추(110)는 배출 파이프(130)에 인접하여 대면하는 외주면(111)과, 서로 대향하는 제1 축방향 단부 표면(115) 및 제2 축방향 단부 표면(117)을 갖는다. 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 평형추는 반경방향 외향으로 돌출하는 반경방향 돌출부(112), 및 제2 축방향 단부 표면(117)으로부터 축방향으로 연장되는 축방향 돌출부(114)를 가질 수 있다. 평형추의 구조(특히, 돌출부의 위치, 크기 및 수)는 특정 적용예에 따라 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 평형추는 반경방향 돌출부와 축방향 돌출부 중 하나만을 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 평형추는 제1 축방향 단부 표면으로부터 축방향으로 연장되는 축방향 돌출부를 가질 수 있다.

평형추(110)가 구동 샤프트(14)와 함께 회전할 때, 평형추(110)의 반경방향 돌출부(112) 및 축방향 돌출부(114)는 그들을 둘러싸고 배출 구멍(17)으로부터 배출된 오일-가스 혼합물을 교반하고 그들을 둘러싸는 오일-가스 혼합물이 사이클론 유동을 형성하게 강제한다. 원심력 하에서, 오일-가스 혼합물 내의 윤활유는 반경방향 외향으로 케이싱(11)에 보내지고, 중력 하에서 케이싱(11)을 따라 아래로 다시 오일받이(20) 내로 유동한다. 이러한 방식으로, 평형추(110)에 근접한 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 함유량은 낮고, 케이싱(11)에 근접한 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 함유량은 높다. 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 함유량은 평형추(110)로부터 케이싱(11)으로의 방향으로 증가한다. 사이클론 유동의 반경방향 내측의 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 함유량은 사이클론 유동의 반경방향 외측의 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 함유량보다 더 적다. 따라서, 본 발명자는 케이싱 내부에 제공되는 배출 파이프의 단부 부분을, 평형추의 회전에 의해 발생되는 사이클론 유동의 영역 내에, 특히 사이클론 유동의 반경방향 내측 내에 배치하는 것을 제안한다. 배출될 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 바람직한 함유량은 원하는 오일 순환율에 따라 미리 정의될 수 있다. 이후, 배출 파이프의 위치가 미리 정의된 바람직한 함유량("미리 정의된 함유량"이라고도 지칭됨)에 따라 결정될 수 있다. 즉, 배출 파이프는 케이싱으로부터 오일-가스 혼합물 내의 윤활유의 함유량이 미리 정의된 함유량 이하인 위치까지 반경방향 내향으로 연장될 수 있다.

본 개시내용의 발명 개념은, 평형추(110)의 회전에 의해 발생되는 사이클론 유동이 평형추(110)와 케이싱(11) 사이에서 윤활유의 함유량의 구배 변화를 야기하고 원하는 그리고 감소된 오일 순환율을 획득하도록 배출 파이프(130)와 평형추(110) 사이의 상대적인 위치 관계가 결정되는 원리에 기초한다는 것을 이해해야 한다. 일부 종래 압축기에서는, 설치 요건으로 인해, 배출 파이프의 길이가 압축기 케이싱 내로 연장될 수 있다. 이 경우에, 배출 파이프의 연장 길이는 설치 요건만을 충족시키면 되고, 그에 따라 배출 파이프의 연장 단부는 압축기 케이싱에 더 근접한 경향이 있다. 또한, 일부 종래 압축기에서, 윤활유가 압축기 케이싱의 내부 표면을 따라 유동하기 때문에, 윤활유가 배출 파이프 내로 유동하는 것을 방지하도록 배출 파이프의 길이가 압축기 케이싱 내로 또한 연장될 수 있다. 그러나, 종래 압축기에서의 배출 파이프의 연장 길이의 설정은 평형추의 회전, 평형추의 회전에 의해 발생되는 사이클론 유동 등과 전혀 관계가 없다.

일 실시예에서, 배출 파이프(130)는, 케이싱(11)과 평형추(110) 사이에서, 본 개시내용의 발명 개념에 따라 평형추(110)에 더 근접하게 위치설정될 수 있다. 바람직하게는, 배출 파이프(130)는 평형추(110)에 인접하게 배치되고, 즉 감소된 함유량의 윤활유를 포함하거나 또는 심지어 필요에 따라 윤활유를 포함하지 않는 작동 유체를 배출하도록 평형추(110)의 외주면으로부터 미리 정의된 거리에 위치설정된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 배출 파이프(130)는 원형 튜브형 부재이고 원형 배출 통로(133)를 갖는다. 배출 파이프(130)는 또한 평형추(110)에 인접한 단부 표면(131)을 갖는다. 다시 말해서, 케이싱 내부에 위치된 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)은 케이싱의 벽으로부터 평형추(110) 부근까지 내향으로 연장된다. 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)과 평형추(110)의 외주면(111) 사이에는 거리(L)가 존재한다. 거리(L)는 배출 파이프(130)를 통한 작동 유체의 배출을 용이하게 하면서, 배출된 작동 유체 내에 포함된 윤활유의 더 낮은 함유량을 보장할 수 있는 것이 바람직하다. 거리(L)는 작동 조건, 예를 들어, 평형추(110)의 회전 속도, 주위 압력, 평형추(110)로부터 케이싱(11)까지의 거리, 배출 구멍(17)을 통해 배출되는 작동 유체 내의 윤활유의 함유량, 및 배출 파이프(130)를 거쳐 배출될 작동 유체 내의 윤활유의 바람직한 함유량 등에 따라 결정될 수 있다. 거리(L)는 미리 정의될 수 있거나 압축기의 작동 조건에 따라 변경될 수 있다. 바람직하게는, 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)은 더 양호한 오일-가스 분리 효과를 제공하기 위해 평형추(110)의 외주면(111)에 가능한 한 근접한 것이 바람직하고, 또한 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)과 평형추(110)의 외주면(111) 사이의 거리는 배출 파이프(130)의 유동 영역을 불리하게 감소시키지 않도록 너무 작지 않은 것이 바람직하다.

본원에서 언급된 "윤활유의 더 낮은 함유량" 또는 "감소된 함유량의 윤활유" 등은, 배출 파이프(130)를 통해 배출되는 작동 유체 내의 윤활유의 함유량이 압축기 케이싱(11) 내의 작동 유체 내의 윤활유의 함유량보다 적고, 적합한 범위의 윤활유 순환율(OCR) 내에 있다는 것을 지칭한다. 설명의 편의를 위해, "압축기 케이싱 내의 작동 유체"는 "분리 이전의 작동 유체" 또는 "오일-가스 혼합물"로 지칭되고, 본원에서 "배출 파이프(130)를 통해 배출되는 작동 유체"는 "분리된 작동 유체"로 지칭된다.

도 3 의 예에서, 원형 배출 통로(133)의 직경이 D인 것으로 가정되는 경우, 직경(D)에 대한 거리(L)의 비율(L/D)은 약 1.5 미만일 수 있다. 일부 예에서, 직경(D)에 대한 거리(L)의 비율(L/D)은 약 0.25 초과일 수 있다. 일부 예에서, 직경(D)에 대한 거리(L)의 비율(L/D)은 약 0.25 내지 1.25, 약 0.4 내지 1, 약 0.4 내지 0.75, 바람직하게는 약 0.4 내지 0.5일 수 있다. 더 바람직하게는, 직경(D)에 대한 거리(L)의 비율은 약 0.5일 수 있다. 도 7을 참조하면, 압축기가 5400 RPM(분당 회전수)으로 작동될 때 배출 파이프와 평형추 사이의 거리 대 순환율을 도시하는 그래프가 도시되어 있다. 도 7에서, 가로 좌표는 배출 파이프의 단부 표면과 평형추의 최외측 외주면 사이의 반경방향 거리(L)를 나타내고, D는 배출 파이프의 내경을 나타내며; 세로 좌표는 압축기의 오일 순환율(OCR)을 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, L이 약 1/2 D인 경우, 압축기의 오일 순환율은 최저이고 약 1.08%이다. 종래 기술의 압축기의 경우, 압축기가 5400 RPM으로 작동될 때, 그 오일 순환율은 5%를 초과한다. 대조적으로, 본 개시내용에서는, 평형추에 근접하게 배출 파이프를 제공함으로써, 즉, 배출 파이프와 평형추 사이의 거리를 특정 범위 내에서 설정함으로써, 압축기의 오일 순환율이 상당히 감소될 수 있고, 이는 예상치 못한 기술적 효과를 상당히 달성한다.

종래 압축기 및 본 개시내용에 따른 압축기는 본 발명자에 의해 테스트되고, 테스트 결과는 아래의 표에 나열되어 있다. 테스트는 한 세트의 종래 압축기(C1) 및 3개 세트의 본 개시내용의 압축기(T1, T2, 및 T3)에 대해 상이한 작동 조건(평형추의 상이한 회전 속도) 하에서 수행되었고, 테스트에서 직경(D)에 대한 거리(L)의 비율은 본 개시내용의 압축기에서 0.4이다. 표의 테스트 결과는 분리된 작동 유체 내의 윤활유의 함유량이다. 종래 압축기(C1)에서, 배출 파이프는 단지 조립의 편의를 위해 압축기 케이싱 내로 연장되지만, 평형추로부터 멀리 떨어져있고, 즉, 배출 파이프와 평형추 사이의 거리가 배출 파이프의 내경보다 훨씬 더 크다.

회전 속도(RPM)	T1	T2	T3	T4
3600	0.42%	0.41%	0.37%	1.29%
5400	0.96%	1.13%	0.57%	5.54%
6000	1.77%	1.77%	1.24%	7.56%

상기 테스트 및 테스트로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 개시내용에 따른 압축기로부터 배출되는 작동 유체 내의 윤활유의 함유량은 종래 압축기로부터 배출되는 작동 유체 내의 윤활유의 함유량보다 상당히 낮다. 테스트 결과는 본 개시내용의 액체-가스 분리 장치가 오일-가스 혼합물로부터 윤활유를 효율적으로 분리할 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 본 개시내용의 압축기는 윤활유 순환율(OCR)을 상당히 감소시킨다. 이러한 결과는 본 발명이 이루어지기 전에는 관련 기술분야의 통상의 종래 압축기로부터 기대될 수 없다.

도 8a 및 도 8b를 또한 참조할 수 있다. 도 8a는 본 개시내용에 따른 오일-가스 분리 장치의 오일-가스 분포를 도시하는 단면도이고; 도 8b는 비교예의 오일-가스 분리 장치의 오일-가스 분포를 도시하는 단면도이다. 도 8b로부터 알 수 있는 바와 같이, 평형추의 외주면 부근에서 더 높은 윤활유 함유량을 갖는 영역이 존재하고, 또한 압축기 케이싱 부근에서 더 높은 윤활유 함유량을 갖는 영역이 존재하며, 배출 파이프로부터 배출되는 작동 유체 내에 포함된 윤활유의 함유량이 더 높다. 대조적으로, 도 8a에서는, 더 높은 윤활유 함유량을 갖는 영역이 케이싱 부근에 집중된다. 따라서, 더 적은 윤활유의 함유량이 평형추에 인접한 배출 파이프로부터 배출되는 작동 유체 내에 포함되고, 그로 인해 압축기의 오일 순환율을 감소시킨다.

본 개시내용의 압축기에서, 평형추는 능동 회전 부재로서 사용되고, 회전할 때 그를 둘러싸는 오일-가스 혼합물이 사이클론 유동을 형성하도록 강제되며, 그로 인해 원심력의 작용 하에서 더 큰 비중을 갖는 윤활유를 반경방향 외향으로 보낸다. 따라서, 평형추에 근접한 작동 유체는 그 내부에 더 적은 윤활유를 포함하고, 평형추에 근접하게 배치된 배출 파이프로부터 용이하게 배출된다.

다른 실시예에서, 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)은 평형추(110)의 회전축의 방향으로 평형추(110)의 외주면(111)에 평행하지 않을 수 있지만, 평형추(110)와 대면할 수 있고 평형추(110)의 외주면(111)에 대해 경사를 갖는다. 대안적 실시예에서, 배출 파이프(130)의 배출 개구는 평형추의 회전 방향의 하류측과 대면하도록 배향될 수 있고, 압축기 케이싱 내부의 오일-가스 혼합물은 배출 구멍을 통해 배출 파이프로 진입하고 배출 파이프를 거쳐 압축기로부터 배출된다. 이러한 방식으로, 배출 파이프(130)로 진입하는 윤활유의 양이 감소될 수 있고, 더 양호한 오일-가스 분리 효과가 구현될 수 있다.

일부 예에서, 배출 파이프(130)는 평형추(110)의 회전축의 방향에 수직인 수평 방향으로 압축기 케이싱으로부터 선형으로 연장될 수 있다. 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)은 평형추(110)의 외주면(111)을 향해 배향되고, 평형추(110)의 외주면(111)에 대해 경사를 갖는다. 이 경우에, 배출 파이프(130)의 단부 표면(131)과 배출 파이프(130)의 중심 종방향 축 사이의 각도는 0도 초과 90도 미만이다.

다른 예에서, 평형추(110)에 인접한 배출 파이프(130)의 단부 부분은 평형추(110)의 원주방향으로 그리고/또는 평형추(110)의 회전축에 평행한 수직 방향으로 굴곡될 수 있다. 즉, 배출 파이프(130)는 케이싱 내에 위치된 굴곡 단부 부분을 포함할 수 있다. 굴곡 단부 부분은 만곡된 원호 형상일 수 있거나 일정한 각도로 굴곡될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 배출 파이프(130)의 굴곡 단부 부분(230)이 평형추(110)의 원주방향으로 굴곡된다. 일 예에서, 굴곡 단부 부분(230)의 단부 표면(231)의 배출 개구는 평형추(110)의 회전 방향의 하류와 대면할 수 있다. 따라서, 더 양호한 오일-가스 분리 효과를 달성할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 배출 파이프(130)의 굴곡 단부 부분(330)이 평형추(110)의 회전축에 평행한 수직 방향으로 굴곡된다. 도시된 예에서, 굴곡 단부 부분(330)의 단부 표면(331)은 하향으로 배향될 수 있다. 대안적인 예에서, 굴곡 단부 부분(330)의 단부 표면(331)은 하향으로 배향될 수 있거나, 배출 파이프로 진입하는 윤활유의 양을 감소시킬 수 있는 임의의 다른 적합한 방향으로 배향될 수 있다.

도시된 압축기의 축방향에서, 배출 파이프(130)는 평형추(110)의 회전에 의해 야기되는 사이클론 유동의 범위 내에 위치설정될 수 있다. 도 4에 도시된 예에서, 배출 파이프(130)는 제1 축방향 위치(P1)와 제2 축방향 위치(P2) 사이에 위치설정될 수 있다. 제1 축방향 위치(P1)에서, 배출 파이프(130)는 평형추(110)의 제1 축방향 단부 표면(115)의 축방향 외측 상에 위치되고, 제1 축방향 단부 표면(115)과 실질적으로 정렬된다. 다시 말해서, 제1 축방향 위치(P1)에서, 배출 파이프(130)의 배출 통로(133)의 일 반경방향 측면은 제1 축방향 단부 표면(115)의 축방향 외측에 위치되고, 배출 통로(133)의 일 반경방향 측면에 대향하는 다른 반경방향 측면은 제1 축방향 단부 표면(115)과 실질적으로 정렬된다. 도 4의 배향에 따르면, 제1 축방향 위치(P1)에서, 배출 파이프(130)는 축방향으로 평형추(110)의 제1 축방향 단부 표면(115) 아래에 위치되고, 배출 파이프(130)의 배출 통로의 축방향 최상부는 제1 축방향 단부 표면(115)과 실질적으로 정렬된다. 제2 축방향 위치(P2)에서, 배출 파이프(130)는 평형추(110)의 제2 축방향 단부 표면(117)의 축방향 외측에 위치되고, 제2 축방향 단부 표면(117)과 실질적으로 정렬된다. 다시 말해서, 제2 축방향 위치(P2)에서, 배출 파이프(130)의 배출 통로의 상기 다른 반경방향 측면은 제2 축방향 단부 표면(117)의 축방향 외측에 위치되고, 배출 통로의 상기 일 반경방향 측면은 제2 축방향 단부 표면(117)과 실질적으로 정렬된다. 도 4의 배향에 따르면, 제2 축방향 위치(P2)에서, 배출 파이프(130)는 축방향으로 평형추(110)의 제2 축방향 단부 표면(117) 위에 위치되고, 배출 파이프(130)의 배출 통로의 축방향 최하부는 제2 축방향 단부 표면(117)과 실질적으로 정렬된다.

본 개시내용의 개념에 따르면, 배출 파이프(130)는 또한 제1 축방향 위치(P1)의 축방향 외측 또는 제2 축방향 위치(P2)의 축방향 외측[즉, 제1 축방향 위치(P1)보다 더 낮거나 제2 축방향 위치(P2)보다 더 높음] 상에 위치설정될 수 있고, 예를 들어, 평형추(110)의 외주면(111)과 동일 평면이 되도록 반경방향 내향으로 더 연장될 수 있거나 또는 심지어 평형추(110)의 외주면(111)의 반경방향 내측으로 더 연장될 수 있다. 평형추(110)의 회전에 의해 야기되는 사이클론 유동으로 인해, 배출 파이프(130)로부터 배출되는 작동 유체는 더 낮은 오일 순환율(OCR)을 여전히 유지할 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 실시예에서, 평형추(110)는 구동 샤프트(14)의 외주면 상에 배치된다. 그러나, 오일-가스 분리 장치는 임의의 다른 적합한 회전 부재 및 배출 파이프 상에 배치되는 평형추를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 오일-가스 분리 장치는 압축 메커니즘과 대면하는 모터(13)의 회전자(13a)의 단부 표면(1301)상에 배치된 평형추(210)를 포함할 수 있다. 도 6을 참조하면, 오일-가스 분리 장치는 압축 메커니즘으로부터 멀어지는 방향을 향하는 모터(13)의 회전자(13a)의 단부 표면(1302) 상에 배치된 평형추(310)를 포함할 수 있다. 배출 파이프(130)와 평형추 사이의 상호 위치 관계 및 치수 관계는 상기 설명을 참조하여 적절하게 설정될 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 실시예에서, 오일-가스 분리 장치는 주 베어링 하우징(15)과 모터(13) 사이에 배치된다. 그러나, 오일-가스 분리 장치는 압축기 케이싱(11)에 의해 형성되는 내부 공간의 임의의 적합한 위치에 배치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 오일-가스 분리 장치는 모터(13)와 오일받이(20) 사이에 위치될 수 있다.

평형추가 회전하여 그를 둘러싸는 오일-가스 혼합물을 강제하여 사이클론 유동을 형성할 수 있는 한, 평형추는 임의의 적합한 구조를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어, 평형추는 일정한 반경방향 치수 또는 가변적인 반경방향 치수를 가질 수 있으며, 그리고/또는 일정한 축방향 치수 또는 가변적인 축방향 치수를 가질 수 있다. 평형추는 원통형 외주면, 테이퍼진 외주면, 또는 상기 효과를 구현할 수 있는 적합한 형상을 갖는 임의의 다른 외주면을 가질 수 있다. 특정 적용예에 따라서, 도면에 도시된 평형추는 캠, 편심부, 또는 상기 효과를 구현할 수 있는 임의의 다른 적합한 부재로 대체될 수 있다.

유사하게, 배출 파이프는, 작동 유체의 배출을 용이하게 할 수 있는 한, 임의의 적합한 구조 및/또는 수를 가질 수 있다. 예를 들어, 배출 파이프는 확개된 단부 부분을 포함할 수 있다. 배출 파이프는 평형추의 외주면에 대해 사선으로 배치되는 단부 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 평형추에 인접한 배출 파이프의 단부 부분은 사선으로 하향이고, 이는 배출 파이프의 내벽 상의 윤활유의 유출을 용이하게 할 수 있다. 도면의 압축기는 하나의 배출 파이프를 포함하지만; 그러나, 배출 파이프의 수는 복수일 수 있다. 특정 적용예에 따라, 도면에 도시된 배출 파이프는 또한 고정된 구조 내에 배치되는 배출 통로로 대체될 수 있다.

본 개시내용의 일부 실시예 및 변형예가 상세하게 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용이 상술되고 도면에 도시된 실시예 및 변형예로 제한되지 않고 다른 다양한 가능한 변형 및 조합을 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 오일-가스 분리 장치는 저부 부분을 갖지 않을 수 있고, 그에 따라 윤활유는 벽을 따라 오일받이 내로 직접적으로 낙하될 수 있다. 본 개시내용의 본질 및 범주로부터 벗어나지 않고 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 다른 변형 및 수정이 구현될 수 있다. 모든 변형예 및 수정예는 본 개시내용의 범주 내에 포함된다. 또한, 본원에서 설명된 모든 부재는 기술적으로 등가의 다른 부재에 의해 대체될 수 있다.

Claims

회전 기계이며,
그 내부에 오일-가스 혼합물을 포함하는 케이싱,
케이싱 내에 배치되고 오일-가스 혼합물을 구동하여 사이클론 유동을 형성하도록 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전 부재(110)로서, 그로 인해 원심력 하에서 오일-가스 혼합물 내의 오일 함유량은 회전 부재에 접근함에 따라 감소하는, 회전 부재(110); 및
케이싱 상에 배치되고 케이싱으로부터 오일 함유량이 미리 정의된 함유량 이하인 위치까지 반경방향 내향으로 연장되는 배출 부재(130)를 포함하는, 회전 기계.
제1항에 있어서, 케이싱 내부에 위치되는 배출 부재의 단부 부분과 회전 부재의 외주면 사이에 미리 정의된 거리(L)가 존재하고, 배출 부재(130)의 원형 배출 통로(133)의 직경(D)에 대한 미리 정의된 거리(L)의 비율은 1.5 미만인, 회전 기계.
제2항에 있어서, 배출 부재(130)의 원형 배출 통로(133)의 직경(D)에 대한 미리 정의된 거리(L)의 비율은 0.25 초과인, 회전 기계.
제3항에 있어서, 원형 배출 통로의 직경(D)에 대한 미리 정의된 거리(L)의 비율은 0.4 내지 0.5인, 회전 기계.
제1항에 있어서, 회전 부재는 회전축의 방향으로 제1 축방향 단부 표면(115) 및 제2 축방향 단부 표면(117)을 갖고, 배출 부재는 제1 축방향 위치(P1)와 제2 축방향 위치(P2) 사이에 위치설정되며, 배출 부재가 제1 축방향 위치(P1)에 있는 경우, 배출 부재의 배출 통로의 일 반경방향 측면은 제1 축방향 단부 표면의 축방향 외측에 위치되고, 배출 통로의 상기 일 반경방향 측면에 대향하는 다른 반경방향 측면은 제1 축방향 단부 표면과 정렬되며, 배출 부재가 제2 축방향 위치(P2)에 있는 경우, 배출 통로의 다른 반경방향 측면은 제2 축방향 단부 표면의 축방향 외측에 위치되고, 배출 통로의 상기 일 반경방향 측면은 제2 축방향 단부 표면과 정렬되는, 회전 기계.
제5항에 있어서, 배출 부재는 회전 부재의 축방향 중심 부분과 실질적으로 정렬되도록 위치설정되는, 회전 기계.
제1항에 있어서, 회전 부재에 인접한 배출 부재의 단부 부분은 회전축에 수직인 수평 방향으로 선형적으로 연장되고, 단부 부분의 단부 표면은 회전 부재의 외주면에 대해 사선으로 배향되는, 회전 기계.
제1항에 있어서, 회전 부재에 인접한 배출 부재의 단부 부분은 회전 부재의 원주방향으로 그리고/또는 회전축에 평행한 수직 방향으로 굴곡되는, 회전 기계.
제1항에 있어서, 배출 부재의 배출 개구는 회전 부재의 회전 방향의 하류측과 대면하도록 배향되고, 케이싱 내의 오일-가스 혼합물은 배출 개구를 통해 배출 부재로 진입하는, 회전 기계.
제1항에 있어서, 회전 부재는 축방향으로 제1 축방향 단부 표면(115) 및 제2 축방향 단부 표면(117)을 갖고, 배출 부재는 제1 축방향 단부 표면(115) 또는 제2 축방향 단부 표면(117)의 축방향 외측에 위치설정되며, 케이싱 내에 위치되는 배출 부재의 단부 부분은 회전 부재의 외주면과 동일 평면에 있거나 회전 부재의 외주면의 반경방향 내측에 있도록 내향으로 연장되는, 회전 기계.
제1항에 있어서, 회전 부재는 캠, 편심부, 또는 평형추의 형태이고, 배출 부재는 배출 파이프 또는 배출 통로의 형태인, 회전 기계.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
케이싱 내에 위치되고 작동 유체를 압축하도록 구성되는 압축 메커니즘(12);
압축 메커니즘을 구동하도록 구성되는 구동 샤프트(14); 및
고정자, 및 고정자에 대해 회전 가능하고 구동 샤프트를 회전 구동하도록 구성되는 회전자를 포함하는 모터(13)를 추가로 포함하고;
회전 부재는 구동 샤프트 상에 배치되거나 회전자 상에 배치되는, 회전 기계.
제12항에 있어서, 회전 부재는 압축 메커니즘과 모터 사이에 또는 모터와 오일받이 사이에 위치되는, 회전 기계.
제12항에 있어서, 회전 기계는 고압측 스크롤 압축기인, 회전 기계.