Kim, Woo-Young;Kim, Hyun-Jin;Kim, Young-Min;Lee, Sang-Tae
Proceedings of the SAREK Conference
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2007.11a
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pp.397-403
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2007
In this paper, conceptual design of scroll expander-compressor for Stirling engine utilizing solar energy as heat source has been carried out. Orbiting scroll member was designed to have a double-sided structure to reduce the overall scroll size and to cancel out the axial forces on the orbiting scroll base plate. Diameter of designed scroll base plate was about 251 mm for the expander, and it was about 218 mm for the compressor. With operating condition such as temperature range of $400^{\circ}C/20^{\circ}C$, pressure range of 6 MPa/2 MPa, and shaft speed of 2700 rpm, the shaft output of the designed scroll expander was calculated to be 49.8 kW, while input power for the scroll compressor was 38.6 kW, yielding 11.2 kW for the output power of the Stirling engine. Overall efficiencies of the scroll expander and compressor were 93.73% and 92.87%, respectively.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.21
no.2
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pp.94-102
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2009
Conceptual design of scroll expander and scroll compressor for 10kW-class Stirling engine utilizing solar energy as heat source has been carried out to estimate the applicability of scroll mechanism for Stirling cycle. CO2 was chosen as working fluid, since it has lower expansion index and higher density among probably usable gases. Gas temperature at the expander inlet was set at $700^{\circ}C$, and that at the compressor inlet was at $40^{\circ}C$. System efficiency reached maximum at the pressure ratio of about 2.5, and the peak efficiency increased with increasing high side pressure. Due to safety concern, the pressure condition of 6 MPa/2.5 MPa was chosen as design condition. Orbiting scroll members for the expander and compressor were designed to have double-sided structure in order to reduce the overall scroll size and to cancel out the axial gas forces acting on the orbiting scroll base plate. By parametric study on the scroll profile, smaller possible size for the scroll members was obtained. With the shaft speed of 3600rpm, the shaft output of the designed scroll expander was calculated to be 45.4kW, while input power for the scroll compressor was 34.5kW, yielding 10.9kW for the output power of the Stirling engine. System efficiency was estimated to be about 7.3%, and overall efficiencies of the scroll expander and compressor were around 84.1% and 88.3%, respectively.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.24
no.2
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pp.164-173
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2012
To study the applicability of a scroll type compressor to small capacity refrigerators, a R600a scroll compressor with algebraic scroll wrap has been designed. Its size and performance have been compared to a reciprocating type of the same displacement volume. By employing scroll wrap based on algebraic curve, high compression ratio can be accomplished without increasing the wrap angle much so that compact scroll may be obtained. Compared to a reciprocating one, the designed scroll compressor has diameter and height reduced by about 50% and 80%, respectively. By numerical simulation, it has been estimated that the scroll compressor provides 38.6% more cooling capacity than reciprocating type with 8.9% more power consumption, resulting in 27.3% increase in COP for ASHRAE low back pressure condition. With increasing the operating pressure ratio from 9.5 to 15.3, the overall compressor efficiency of the scroll compressor decreases from 72.6% to 65.2%, while that of the reciprocating compressor increases from 55.7% to 59.8%.
The basic elements in a rotary-type scroll compressor are two identical spiral scrolls containing refrigerant gas. The pressure variations in the compression pockets of a scroll compressor change the forces acting on the orbiting scroll, and these forces affect the dynamic behavior of the compression mechanism parts. To achieve high efficiency, using a self-sealing mechanism as a tip seal mechanism is very effective. Tip seals, which are placed on top of the scroll wraps, accomplish thrust sealing. This study calculates the friction force between the tip seal and the side plate of a scroll compressor using the numerical model considered in the Reynolds equation. The calculated friction force is verified by an experiment using a pin-on-disk apparatus. A hydraulic servo valve that controls the pressure of the oil hydraulic cylinder applies the normal load for the test, and a DC servo motor controls the sliding velocity of the disk. The friction force and normal load are measured by the force sensors attached to the supporting parts. The results show that the theoretical and experimental results are similar and that the friction is influenced by the viscosity of the oil and the sliding velocity of the scroll.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.11
no.5
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pp.605-614
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1999
Orbiting scroll mass center is different from the basic circle's for the normal involute profile. As for the orbiting scroll balanced conditions, the dynamic modeling are set up. The influences on sealing, reaction forces between the moving elements and forces from the moving elements to the compressor frame are analyzed in this paper. The simulation and experiment results are presented.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.8
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pp.1940-1950
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1993
The theoretical investigation is done on the dynamic behavior of a crank shaft used in a scroll compressor. The compression performance of a scroll compressor is directly influenced by the sealing characteristics between fixed and orbiting scrolls, which is related with the dynamic behavior of a scroll compressor. Analyzing the constrained power transmitting system is came to be of importance, accordingly. The equations of motion and interacting forces of a scroll compressor are derived and solved numerically in this paper. The locus of the crank shaft is also obtained by employing the reaction force caused by the oil film of journal bearing. The results show that the crank shaft of a scroll compressor has considerably stable rotating locus.
The aerodynamic performance of double inlet sirocco fan is strongly dependent upon the design factors of impeller and scroll. In this paper, the change of scroll size was adopted to investigate the aerodynamic performances of double inlet sirocco fan and indoor PAC. Especially, a scroll expansion angle and a cut-off clearance ratio were considered to change the scroll size. In addition, the installation depth between double inlet sirocco fan and indoor PAC was considered. As a result, the total pressure efficiency of double inlet sirocco fan shows about 62%~73% according to the change of scroll expansion angles. Moreover, the flowrate performance of indoor PAC is the best at the condition of a scroll expansion angle of 8°, an installation depth of 15 mm and a cut-off clearance ratio of 8%.
An inverter scroll compressor is used for the air conditioning in cars. Scrolls would be changed from the aluminum material to the magnesium material in order to satisfy the light weight trends of cars. The material changing influences on the scroll dimensions particularly the gap between two scrolls. Since the larger gap declines the performance of the compression, the gap between wraps of scrolls or the gap between wraps of scrolls to the plate of the opposite scroll is regarded as an important design variable. This paper is focused on the effects of the thermal stress due to the materials changing. The temperature difference between the inlet and the outlet is about 60 degrees and the highest operating temperature in the compressor is less than 110 degrees. The level of thermal stresses in the magnesium scroll is less than the result from aluminum one. The trend of the deformation is revealed that the normal directional deformation is 2 times lager than the in-plane directional deformation. Therefore the gap between the top of the wrap to the plate of the opposite scroll become more important than the other gaps. The orbiting scroll deforms larger than the fixed scroll by the thermal stresses. The deformation of the magnesium scroll is about 10% lager than that of the aluminum scroll. This value is similar to the ratio of the coefficients of thermal expansion of two materials. At the initial design stage, the results give many useful guides to engineers to propose gaps between parts.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.26
no.3
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pp.122-129
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2014
In order to extract shaft power from thermal energy in a R134a Rankine cycle as waste heat recovery system of a passenger car, a scroll expander has been designed. Algebraic spiral is adopted as the base curve for scroll wrap profile in the compact scroll design. About 19% reduction in scroll diameter is accomplished when compared to the conventional involute scroll. Performance analysis on the designed scroll expander shows that the expander efficiency is 85.5% at the vehicle speed of 120 km/hr and it decreases to 67.2% at 60 km/hr, provided that the scroll clearance is kept at 10 ${\mu}m$. The expander can produce shaft power equivalent to about 13~14% of the driving power within the speed range of 60~120 km/hr.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.10
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pp.1339-1349
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1997
A numerical method of calculating the performance of a scroll compressor for refrigerant R-22 and R-134a is presented in this paper. A series of involute curves are employed for the scroll wrap design and the compression volume is investigated geometrically. The radial leakage flow rate through tip clearance is calculated by the two-dimensional compressible flow. On the basis of the results, quasi one-dimensional leakage modeling can be applied to the performance analysis of a scroll compressor, more effectively. Furthermore, the heat transfer effect between scroll wrap and working fluid in compression chamber is considered for the performance analysis. As the results of this study, the effects of the radial and tangential leakage flow rate and heat transfer on the scroll compressor performance are derived precisely. These results may provide the guideline for the design and development of a real scroll compressor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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