KR0122515B1 - 압축기용 스크류 로우터의 치형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기용 스크류 로우터의 치형에 관한 것으로, 압력각을 크게하여 절삭조건이 양호해지도록 하고, 진공 조성공간 내의 가스압에 의해 종동로우터에 가해지는 음의 토오크가 최소가 되도록 밀봉면을 정의하고, 로우터간 접촉이 넓은 면접촉에 의해 이루어지면서 밀봉성과 내구성이 향상되도록 하고, 구동력의 전달부위에서 미끄럼률이 최소가 되도록 하여 진동과 소음을 개선하고, 수로우터의 추종측 치형의 첫번째 구간에 각 상수를 제한조건에 맞게 최적화한 2차함수 f(x)=a₁₀x²+b₁₀x+c₁₀를 사용하여 상기의 사항들을 달성하도록 한 것이다.

Description

압축기용 스크류 로우터의 치형

제1도는 본 발명에 따라 정의된 수로우터의 치형을 나타낸 요부확대도.

제2도는 본 발명에 따라 정의된 암로우터의 치형을 나타낸 요부확대도.

제3도는 본 발명에 의한 수로우터와 암로우터가 치합된 상태를 도시한 개략도.

제4도는 본 발명에 창성인자로 사용된 2차 함수의 각 상수값이 치형에 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, (a)도는 상수값a가 변화할 경우를 나타낸 그래프. (b)도는 상수값 b가 변화할 경우를 나타낸 그래프.

제5도는 본 발명의 암로우터의 미끄럼율을 나타낸 그래프.

제6도는 본 발명에 의한 압축기의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 수로우터 2,12 : 로브

3,13 : 나선형홈 11 : 암로우터

Om : 수로우터의 회전중심 Of : 암로우터의 회전중심

Pm : 수로우터의 피치원 Pf : 암로우터의 피치원

본 발명은 가압축성 가스를 압축 또는 팽창시키면서 이송하는 압축기용 스크류 로우터에 관한 것으로, 특히 케이싱 내부에서 맞물려 작동하는 랜드(land)와 홈(groove)을 갖는 나선형 홈은 스크류형 로우터에 있어서 치형을 개선하여 보다 효율적인 성능을 갖도록 최적의 2차 함수를 창성인자로 사용한 압축기용 스크류 로우터의 치형에 관한 것이다.

일반적으로, 가압축성 가스압축기에 사용되는 비대칭 스크류 로우터는 암,수가 하나의 쌍으로 이루어져 있으며, 암스크류 로우터는 그 주요부분이 피치원의 내측에 위치하고 있는 반면에 다른 수스크류 로우터는 그 주요부분이 피치원의 외측에 위치하고 있다.

최근에 이르러 압축기용 스크류 로우터의 형상에 관련된 연구가 활발히 수행되어 왔으며, 그 결과 US4412796호와, GB1197432호 및 GB2092676호 등에 공개된 자료에서와 같이 그 성능이 향상되었다.

즉, 암,수의 스크류 로우터 치형을 대칭으로 형성하는 대신 비대칭형의 스크류 로우터를 채용하여 효율을 향상시켰으며, 상기 스크류 로우터의 치형은 로우터의 회전중심으로 부터 홈의 가장 낮은 위치를 통과하도록한 방사선에 대하여 비대칭이었다.

그러나 상기와 같은 종래의 스크류 로우터에 의하여서는 수로우터의 홈에는 디덴텀(dedendum)이 암로우터의 외경보다 비교적 크게 설정되어 있으며, 암로우터의 랜드에는 어덴덤(addendum)이 암로우터의 외경보다 비교적 크게 설정되어 있으므로, 이와 같이 큰 디덴텀과 어덴덤은 작동공간의 체적을 증대시키고, 암로우터 구동시 구동조건을 향상시키는 반면에 누설삼각형의 크기를 증대시켜 체적효율과 단열효율을 저하시키게 되는 단점이 있었다.

또한 스크류 로우터의 치형을 형성하는데 중요한 요소인 가공에 있어서, GB1197432호에 의하여 압력각이 0으로 압력각이 0으로 되는 부분이 있어 호브 밀링(hob milling)가공시 아주 열악한 절삭 특성을 지니게 되었고(압력각을 0으로 하는 경우에는 일반 가공과는 달리 가공호브를 치형 곡선의 형태로 제작하여 가공해야 하므로 호브제작비의 상승 부담이 있고 가공성도 절삭시 절삭면적이 많아지는 관계로 절삭부하가 증가하므로 불리하다.), GB1197432와 US4412796호는 추종측 치형에 점에 의해 곡선이 창성도는 상태인 점창성 부분이 있어 이 부분에 대한 정확한 가공이 어려움은 물론 점창성된 부분이 작동시 마모가 심하여 치면에 많은 손상을 입히게 되며, 진공조성 공간을 크게 하는 등의 문제점이 있었다.

여기서 점창성이란 한점이 일정한 궤도를 따라 이동하며 상대 치형의 곡선을 형성시키는 것을 말한다.

이에 따라 본 발명은 로우터의 절삭 조건을 양호하게 하면서 성능이 향상되도록 최적의 2차 함수를 창성인자로 사용한 압축기용 스크류 로우터의 치형을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 압력각을 크게 하여 절삭조건이 양호해지도록 하고, 진공 조성공간 내의 가스압에 의해 종동로우터에 가해지는 음의 토오크가 최소가 되도록 밀봉면을 정의하고, 로우터간 접촉이 넓은 면접촉에 의해 이루어지도록 하여 밀봉성과 내구성이 향상되도록 하고, 구동력의 전달부위에서 미끄럼율이 최소가 되도록 하여 진동과 소음이 개선되도록, 수로우터의 추종측 치형의 첫번째 구간에 각 상수를 각 제한조건에 맞게 최적화한 2차함수 f(x)=a₁₀x²+b₁₀x+c₁₀를 사용하여 상기의 사항들을 달성하도록 한 것이다.

이하 본 발명을 첨부 도면에 의거 상세히 기술하다 보면 다음과 같다.

제1도는 구동 수로우터의 일부 구성을 나타낸 것으로서, 4개의 나선형 로브(2)와 그 사이에 4개의 나선형홈(3)을 갖는 수로우터(1)에는 회전중심(Om)과 피치원(Pm)을 포함한다.

제2도는 암로우터의 이부구성을 나타낸 것으로서, 5개의 나선형 로브(12)와 그 사이에 5개의 나선형 홈을 갖는 암로우터(11)에는 회전중심(Of)과 피치원(Pf)을 포함한다.

제3도는 수로우터(1)와 암로우터(11)가 치합된 상태를 나타낸 것으로서, 수로우터(1)와 암로우터(11)가 맞물린 공통평면(10)에서 10^o정도 회전한 상태를 도시한 것이다.

1) 수로우터 치형

(1) 전진형 치형 : 치저에서 치선측을 향하여

(a) 선(g1-f1) ; 암로우터 치형상의 원호(g2-f2)에 의해 창성된 포락선으로 점(g1)은 치저원(45)과 외접하고, 점(f1)은 곡선(e1-f1)과 접한다.

여기서 포락선은 곡선의 무리가 있을때 이들 곡선을 감싸는 곡선, 즉 이들 곡선의 모두에 접하는 곡선을 이들 곡선의 포락선이 된다.

(b) 선(f1-e1) ; 암로우터 치형상의 원호(f2-e2)에 의해 창성된 포락선으로 점(e1)은 곡선(d1-e1)과 접한다.

(c) 선(e1-d1) ; 암로우터 치형상의 원호(e2-d2)에 의해 창성된 포락선으로 점(d1)은 수로우터 치선원(55)과 내접한다.

여기서 치선원이란 치의 끝원이라고도 하며 치형에 있어서의 치의 끝(top)을 이루는 원이다.

(2)추종측치형 : 치선으로 치저측을 향하여,

(a)선(d1-c1) ; 함수 f(x)=ax²+bx+c의 각 상수를 제한조건들을 만족하도록 최적화한 2차 함수로 제한조건은 다음과 같다.

1 : 상수c ; 상수 c의 값을 0으로 함.

2 : 상수a ; a의 값의 치형의 변화는 제4도(a)에 도시한 것과 같이, 상수 a값을 최적화하기 위한 제한 조건은 대부분의 추종측 밀봉면을 정의하며 암로우터와 수로우터의 치형이 접하는 두 접점 사이인 암로우터 치형상의 원호(c2-d2)의 크기를 결정하는 각(φ)이 11°이상으로 하여 밀봉면을 넓게하여 유체의 누설을 최소 진동과 소음을 야기하는 진공조성공간(50)을 최소화한 것이다.

이 제한조건의 근간은 추종측 밀봉면을 넓게 하여 유체의 누설을 적게 하는 동시에 암로우터에 음의 토오크를 가하여 단열효율을 저하시키고, 진동소음을 야기하는 진공공간을 최소화하여 압축기의 성능을 최적화하는데 있다.

상수 a의 최적화된 값은 a10으로, 만약 aa10이면, 밀봉면이 줄어들고, 누설삼각형 면적과 진공조성공간이 작아지며, aa10이면 밀봉면이 넓어지고, 누설삼각형 면적과 진공조성공간이 증가한다.

특히, 상수 a의 값은 전진측 치형에는 거의 영향을 주지 않고 추종측 치형형상에만 영향을 끼친다.

3 : 상수 b ; b의 값에 따른 치형의 변화는 제4도(b)에 도시한 것과 같이 b의 값을 최적화하기 위한 제한조건은 암로우터 최소 치(이빨)의 두께인 리브폭이 암로우터 치선원(56) 반경의 15% 이상이 되도록 하여 암로우터 홈면적은 최대가 되도록 하면서 암로우터 치형의 최소강도를 유지하면서 체적을 최대로 증가시키기 위한 것이다.

상수 b의 최적화된 값은 b10으로, 만약 bb10이면 리브폭이 커지면서 체적이 감소하며, bb10이면 리브폭은 작아지면서, 체적은 증가한다.

특히, 상수 b값은 추종적 치형에는 거의 영향을 주지 않고 전진측 치형에만 영향을 끼친다.

위의 설명과 같이, 본 실시예에 따른 함수 f(x)=ax²+bx+c의 각 상수를 최적화하면 밀봉면의 증대, 진공조성공간과 누설삼각형 면적 감소와 최소리브폭을 만족하면서 체적의 증가를 가져오는 장점을 얻을 수 있다.

특히, 이 함수는 곡률의 변화가 완만하므로 치형가공을 용이하게 할 수 있다.

(b) 선(c1-b1) ; 암로우터 치형상의 원호(c2-b2)에 의해 창성된 포락선으로 이 곡선과 암로우터 치형상의(d2-c2)곡선이 진공조성공간(50)을 형성한다.

(c) 선(b1-a1) ; 암로우터 치형상의 원호(b2-a2)에 의해 창성된 포락선으로 점(a1)은 수로우터 치저원(45)과 외접한다.

(d) 선(a1-g1) ; 수로우터 치저원(45)의 일부이다.

2) 암로우터 치형

(1) 전진측 치형 ; 치선에서 치적측을 향하여

(a) 선(g2-f2) ; 반경(R5)인 원호로서 점(g2)에서 암로우터 치선원(56)과 내접하고, 점(f2)에서는 원호(f2-e2)와 내접한다. 반경(R5) 크기는 피치원(Pf)의 전후에서 암로우터(11)와 수로우터(1)의 압력각과 미끄럼율을 정의하는 중요한 인자로서, 본 실시예에서는 제5도에 도시한 바와 같이, 암로우터(11)의 피치원(Pf)상의 미끄럼율이 거의 0이 되도록 반경(R5)의 값을 선정하였다.

피치원 부근의 미끄럼율이 작게 되면 원활한 동력전달과 진동, 소음이 작게 되어 기계적 효율과 내구성을 향상시킬 수 있다.

(b) 선(f2-e2) ; 반경(R4)인 원호로서 점(e2)에서 원호(d2-e2)와 외접한다. 반경(R4)의 중심(O4)은 암로우터(11)의 전진측 치형 S자의 모양을 갖도록 선정한다.

(c) 선(e2-d2) ; 반경(R3)인 원호로써 중심(O3)은 암로우터 피치원(Pf) 내측에 위치해 있고, 정확한 위치는 수로우터(1)의 치형상의 곡선(d1-c1)을 이루는 함수 f(x)=ax²+bx+c의 상수값에 의해 결정된다.

이 때, 중심(O3)을 암로우터 피치원 내측에 있도록 함으로써 제3도에 도시한 바와 같이, 수로우터(11)의 전진측 치형(25)이 암로우터 전진측 치형(26)에 가깝게 접근되어 흡입측(40)으로 누설되는 가스량을 줄일 수 있다.

(2) 추종측 치형 ; 치저에서 치선을 향하여

(a) 선(d2-c2) ; 수로우터(1)의 치형상의 곡선(d1-c1)에 의해 창성되는 곡선.

(b) 선(c2-d2) ; 반경(R2)인 원호로써 중심(O2)은 암로우터 치선원(56)상에 놓여 있고 사이 각(φ)은 11°이상으로 정함.

(c) 선(b2-a2) ; 반경(R1)인 원호로서 점(b2)은 원호(c2-b2)와 내접하고, 점(a2)는 암로우터 치선원과 내접한다.

(d) 선(a2-g2) ; 암로우터 치선원(56)의 일부이다.

상기와 같이 암로우터(11)의 치형은 다음과 같은 장점을 갖게 된다.

A. 암로우터 치형상의 반경(R5)을 갖는 원호(g2-f2)에서 반경(R5)의 크기를 암로우터 피치원(Pf)상에서 미끄러율이 0에 가깝게 되도록 정함으로써 동력전달에 따른 손실을 줄이고, 진동, 소음을 줄여 단열효율을 높일 수 있다.

B. 암로우터 치형상의 반경(R3)을 갖는 원호(e2-d2)에서 이 원호의 중심(O3)을 암로우터 피치원(Pf)내측에 위치해 있도록 함으로써, 고압측에서 저압측으로의 가스누설이 최소가 되도록 한다.

C. 수로우터 상의 곡선(d1-c1)을 이루는 함수f(x)=ax²+bx+c의 각 상수를 리브폭, 진공조성공간, 밀봉면과 누설 삼각형 등의 제한조건을 만족하도록 최적화 함으로써, 기계적 효율 및 체적효율 등의 성능이 향상된다.

제6도는 본 발명의 스크류 로우터를 이용한 압축기의 구성을 도시한 것으로서, 5개의 로브(12)와 나선형 홈(13)을 갖는 암로우터(11)가 반시계 방향으로, 4개의 로브(2)와 나선형 홈(3)을 갖는 수로우터(1)가 시계방향으로 회전하여 케이스(31)의 내부에서 가압성 유체를 압축시키게 된다.

따라서, 본 발명의 압축기용 스크류 로우터의 치형에 의하여서는 창성인자로 최적 2차 함수를 사용한 치형을 사용함으로서, 압력각이 크게 되어 절삭조건이 양호하고, 진공조성공간을 줄여 음의 토오크를 감소하며, 암,수 로우터간에 비교적 넓은 면접촉이 이루어져 밀봉촉이 이루어져 밀봉성과 내구성이 향상되고, 동력 전달부위의 미끄럼율을 최소화하여 진동, 소음을 현저히 줄인 것이다.

Claims (3)

1. 나선형 랜드와 그 사이에 홈이 형성되어 있으며, 작동공간 내에서 평행축의 주위를 회전할 수 있도록 응용된 수로우터(1) 및 이에 치합되는 암로우터(11)를 포함하는 압축기용 스크류 로우터의 치형에 있어서 ; 수로우터(1)에는 4개의 로브(2)와 그 사이에 4개의 나선형 홈(3)을 형성하고, 암로우터(11)에는 5개의 로브(12)와 그 사이에 5개의 나선형 홈(13)을 형성하고, 상기 수로우터(1)의 첫 번째 곡선(g1-f1)을 한 점은 수로우터(1)의 치저원(45)과 외접하고 다른 끝점은 수로우터(1)의 두 번째 곡선(f1-e1)에 내접하는 곡선으로 암로우터(11)의 첫 번째 원호(g1-f2)에 의해 창성된 포락선으로 하고, 수로우터(1)의 두 번째 곡선(f1-e1)은 한 쪽 끝점에서 수로우터(1)의 첫 번째 곡선(g1-f1)에 내접하고 다른 끝점에서는 수로우터(1)의 세번째 곡선(e1-d1)에 내접하는 곡선으로 암로우터(1)의 두 번째 원호(f2-e2)에 의해 창성된 포락선으로 하고, 수로우터(1)의 세 번째 곡선(e1-d1)은 한 쪽 끝점에서 수로우터(1)의 두 번째 곡선(e1-d1)에 내접하고 다른 끝점에서는 수로우터(1)의 치선원(55)에 내접하는 곡선으로 암로우터(11)의 세 번째 원호(e1-b1)에 의해 창성된 포락선으로 하고, 암로우터(11)의 첫 번째 곡선(g2-f2)은 반경(R5)의 크기를 암로우터(11)의 피치원(Pf) 부근에서 미끄럼율이 0에 가깝도록 정하고 한 쪽 끝점은 암로우터(11)의 치선원(56)과 내접하고 다른 끝점은 암로우터(11)의 두번째 곡선(f2-e2)과 내접하는 원호로 하고, 암로우터(11)의 두 번째 곡선(f2-e2)은 암로우터(11)의 전진측 치형을 S자가 되도록 중심위치를 정하고 한 쪽 끝점에서 암로우터(11)의 세번째 원호(e2-d2)에 인접하는 원호로 하고, 암로우터(11)의 세 번째 곡선(e2-d2)은 양로우터(1)(11)가 회전시 암로우터(11)의 피치원(Pm) 내측에 정한 원호에 의해 구성됨을 특징으로 하는 압축기용 스크류 로우터의 치형.
2. 압축기용 스크류 로우터의 치형에 있어서, 수로우터(1) 치형의 네 번째 곡선(d1-c1)은 2차 함수 f(x)=ax²+bx+c로서, 상수 a값은 암로우터(11)의 다섯 번째 곡선(c2-b2)이고 암로우터와 수로우터의 치형이 접하는 두 접점인 사이인 원호의 사이각(φ)이 11˚이상이 되면서 진공조성공간(50)과 누설삼각형면적이 최소가 되도록 정한 값이며, 상수 b값은 암로우터(11)의 리브폭이 암로우터(11)의 치선원(56) 반경의 15%이상이 되면서 홈면적을 최대로 하도록 정한 값이고, 상수 b는 0의 값으로 갖는 조건을 만족하는 포락선으로 하고, 암로우터(11)의 네 번째 곡선(d2-c2)은 수로우터(1)의 네 번째 곡선(d1-c1)에 의해 창성되도록 한 원호로 구성됨을 특징으로 하는 압축기용 스크류 로우터의 치형.
3. 압축기용 스크류 로우터에 있어서 암로우터(11)의 다섯번째 곡선(c2-b2)이고 암로우터와 수로우터의 치형이 접하는 두 접점 사이인 원호는 그 사이 각이 11°이상의 값을 가지며 원호의 중심인 암로우터(11)의 치선원(56)상에 놓여 있으며, 수로우터(1)의 다섯번째 곡선(c1-b1)인 포락선이 이에 의해 창성되도록 하고, 암로우터(11)의 여섯번째 곡선(b2-a2)은 한쪽 끝점이 암로우터(11) 치선원(56)에 내접하고 수로우터(1)의 여섯번째 곡선(b1-a1)은 상기 암로우터(11)의 여섯번째 곡선(b2-a2)에 의해 창성되는 포락선으로 한쪽 끝점이 수로우터(1)의 치저원(45)과 외접하도록 하고, 암로우터(11)와 수로우터(1)의 일곱번째 곡선(a2-g2), (g1-g1)은 각각 암로우터(11)의 치선원(56)과 수로우터(1)의 치저원(45)의 일부인 원호로 구성됨을 특징으로 하는 압축기용 스크류 모우터의 치형.