KR100221227B1 - 스크류 압축기용 리프트밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크류 압축기용 리프트 밸브에 관한 것으로, 케이싱(10)의 내부에 회전하는 한쌍의 스크류로터(16)와, 스프링(30)에 의해 탄지되면서 케이싱(10)의 내부 공간부(24)에서 승.하강하는 밸브피스톤(18)으로 이루어진 통상의 스크류 압축기에 있어서, 상기 케이싱(10)의 내부에 장착된 밸브피스톤(18)의 일측으로 승.하강하는 유로변환피스톤(50)이 갖추어지고, 이 유로변환피스톤(50)이 승.하강되도록 소정크기의 공간부(52)의 일측으로 고압유로(54)가 연통되게 형성되고, 상기 공간부(52)의 타측 하부에는 저압유로(56)가 형성되며, 이 저압유로(56)의 상부에는 절곡된 경로를 가지는 고/저압변환유로(58)가 형성되어 있으며, 상기 유로변환피스톤(50)의 환턱(50a) 상부에는 스프링(60)이 탄지되어 있는 구조로서, 작동유체의 상태를 별도의 전자밸브 등에 의해 결정하지 않고, 운전중의 밀폐계내 작동유체에 의해 수행가능하므로 장치의 구조가 단순해지고, 단가가 낮춰짐은 물론 고장발생율을 현저하게 줄일 수 있어 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

스크류 압축기용 리프트밸브

본 발명은 스크류압축기용 리프트밸브(A Lift Valve For Screw Compressor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동용적비를 설정할 수 있는 스크류 압축기용 리프트 밸브에 관한 것이다.

일반적으로, 스큐류 압축기의 기본원리는 1978년 독일의 크리가르(Krigar)에 의해 발명되었으나, 기술상의 미비로 실용화되지 못하다가 1934년 스웨덴의 A. Lysoholm에 의해 공기 압축기가 개발된 이후 스웨덴의 SRM(Svenska Rotor Maskiner A.B.)에 의해 꾸준히 개발되었으며, 1950년 후반 이후 스크류 압축기는 산업적인 이용에 실질적으로 응용화되었으며, 1950년 후반 이후 스크류 압축기는 산업적인 이용에 실질적으로 응용화되어 무급유식 가스 압축기 생산에서 오일분사를 이용한 급유식 스크류 공기 압축기가 사용되다가 1966년부터 냉동기용으로도 사용하게 되었다. 스크류 압축기의 주요부분인 스크류 엔드부의 케이스내에 내장된 2개의 나선형 로터들은 크랭크축 또는 피스톤과 같은 기기가 없음으로 인해 일정한 속도의 회전운동이 가능하다. 또한, 이것은 왕복동식 압축기에 비해 체적효율과 난열효율이 높고, 콤팩트하며 경량이고, 기계적인 진동이 거의 없으며, 입구 및 출구 어디에도 밸브가 필요하지 않다는 장점으로 인해 최근에 스크류 압축기의 요구가 매년 증가하고 있다.

스크류 압축기는 숫로터와 암로터가 서로 맞물려 회전하면서 연속적으로 유체를 압축하는 것으로 터보형 압축기처럼 높은 선속도(2000m/s)로 운전이 가능하며, 종래의 타압축기에 비하여 운전이 안정적이며, 체적효율 및 압축효율이 높기 때문에 고성능이다. 그리고, 접동부분이 베어링, 로터축 및 로터와 케이싱 사이의 틈새등으로 접동부분이 적어 구조가 단순하고 고장이 적어 유지보수가 용이하며, 부하조건에 따른 용량제어 범위가 넓고 미세조정이 가능하며, 경제적인 운전이 가능하다. 또한, 같은 용량의 타압축기보다 소형경량으로 설치면적이 적고, 소음과 진동이 적어 특별한 기초공사나 소음차단벽등이 필요없이 설치비용이 적게든다.

스크류 가스 압축기는 일반 냉동, 공조용은 물론, 식품 및 농수산물의 저장과 화학약품 등의 냉각플랜트 그리고 제습 및 건조분야 등에 주로 사용되어 오고 있으며, 최근에는 그 응용분야가 점점 확대되고 있다.

스크류 압축기는 일정한 크기를 지닌 2개의 나선형 로터들이 케이싱내에서 회전운동을 하며, 치형의 결합 및 케이싱에 의한 공유공간들의 증가 및 감소를 이용하여 유체를 흡입,압축 및 토출과정을 연속적으로 행하여 압축유체를 얻어낸다. 케이싱내로 흡입된 유체는 숫로터의 회전에 의한 숫로터각의 증가에 따른 밀폐공간의 증가에 따라 흡입이 진행되며, 밀폐공간이 최대가 되었을 때, 로터 치형의 결합에 의해 흡입된 유체가 케이싱내에 완전히 밀봉됨으로써 흡입과정이 종료된다.

이 밀봉된 유체는 로터의 회전에 의해 이동하며, 밀폐공간이 로터의 치형에 의해 체적이 감소되면서 압축이 진행된다. 압축과정중 케이싱 내부와 오일탱크 간의 냉각, 숫로터와 암로터, 케이싱 사이의 누설방지와 윤활작용을 한다. 로터가 회전을 계속하면서 미리 설계된 용적비(Vi)(암수로터의 치형공간의 비례값, 영문으로 "built-in volumn ratio"라 함)가 되면, 토출구와 밀폐공간이 연결되어 압축된 유체는 토출구를 통해 토출된다. 이러한 토출구의 설계는 압축비와 깊은 관계가 있다. 압축비 설정이 정확하지 않을 경우, 미압축 혹은 과압축 현상이 발생된다. 미압축이라 하면, 사이클에서 요구되어지는 압력에 미치지 못하는 상태로 토출시키는 것이며, 과압축이라 하면, 사이클에서 요구되어지는 압력 이상으로 토출시키는 것을 의미한다. 미압축 및 과압축의 경우, 효율이 저하되어 에너지 소비효율을 감소시킴은 물론, 압축기에 무리를 주게된다. 사이클에서 요구되어지는 적정한 압축비를 얻기위해 일반적으로 일정한 비율이 되도록 토출구의 크기를 선정하는 방법 이외에 슬라이드 리프트 밸브가 부착된 것도 있다. 이와 유사한 유형의 리프트밸브는 다수 제안되었는바, 예컨데 비교를 위해 미국 특허 제 4,457,681호, 제 4,737,082호, 제 4,909,716호, 제 4,913,634호, 제 4,946,362호, 제 5,052,901호 등에서 찾아볼 수 있다. 상기 제안들의 대부분은 리프트 밸브의 동작을 위해 별도의 전자밸브 등을 이용하며, 복잡한 구조와 전자밸브를 사용함으로써 이를 제어하기 위한 전기제어가 필요하고, 이에따른 원가의 상승요인이 발생하므로 효율적이지 못한 단점이 있었다.

이러한 종래의 스크류압축기의 일례를 도면을 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 첨부된 도면 도 6에 도시된 바와 같이, 스크류압축기는 장치의 외형을 이루는 케이싱(10)과, 이 케이싱(10)의 상부에 스크류 또는 보울트 등의 체결부재(12)에 의해 체결된 커버(14)와, 상기 케이싱(10)의 내부에 장착되어 동력을 받아 회전하는 한쌍의 스크류로터(16)와, 이 스크류로터(16)의 상부쪽에 승.하강되는 밸브피스톤(18)으로 이루어져 있다. 또한, 상기 스크류로터(16)의 회전에 의해 압축되는 유체를 토출시킬 수 있는 토출구(20)(21)이 스크류로터(16)의 바로 윗쪽에 형성되어 있고, 토출구(20)의 너머로 소정면적의 공간부(22)가 형성되어 있으며, 그 윗쪽에 자리잡고 있는 밸브피스톤(18)도 소정의 공간부(24)내에서 승.하강되면서 그 하단부에 밸브피스톤헤드(26)가 스크류 등의 체결부재(28)에 의해 체결되어 있다. 또한, 밸브피스톤(18)의 외주면에는 스프링(30)이 탄지되어 있고, 밸브피스톤(18)의 상단부의 외주면에는 실링부재(18a)가 구비되어 있다.

한편, 상기 공간부(24)의 상부에는 커버(14)를 관통하여 작동배관(32)이 설치되어 있고, 이 작동배관(32)이 2갈래의 분기관(34)(36)으로 형성되면서 이 분기관(34)(36)에 각각 전자밸브(38)(40)가 설치되어 있다.

도면중 미설명부호 42는 토출가스의 행로를 나타낸 것이다.

이와 같이 구성된 종래의 스크류압축기는 도시된 바와 같이, 여러 가지의 부대 구성요소(전자밸브(38)(40)등)가 필요하고, 이러한 부대 구성요소를 제어하기 위한 별도의 전기제어장치가 요구되어 제품단가의 상승을 초래하는 등의 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 별도의 전자밸브를 설치하지 않고 내부에서 발생하는 가스압력들에 의한 힘의 차이를 이용하여 운전 상태에 따라 자동적으로 토출구의 조건을 변경함으로써 적합한 용적비를 실현할 수 있는 스크류 압축기용 리프트밸브를 제공함에 발명의 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 케이싱의 내부에 회전하는 한쌍의 스크류로터와, 스프링의 의해 탄지되면서 케이싱의 내부 공간부에서 승하강하는 밸브피스톤으로 이루어진 통상의 스크류 압축기에 있어서, 케이싱의 내부에 장착된 밸브피스톤의 일측으로 승.하강하는 유로변환피스톤이 갖추어지고, 이 유로변환피스톤이 승.하강되도록 소정크기의 공간부의 일측으로 고압유로가 연통되게 형성되고, 공간부의 타측 하부에는 저압유로가 형성되며, 이 저압유로의 상부에는 관통된 경로를 가지는 고/저압변환유로가 형성되어 있으며, 상기 유로변환피스톤의 환턱 상부에는 스프링이 탄지되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유로변환피스톤의 길이방향을 따라 통공이 형성되어 있고, 상기 공간부의 하부에는 저압구역인 공간부와 연통되는 구멍이 천공되어 있다.

또한, 상기 유로변환피스톤의 상하 소정위치에는 외주면을 따라 실링부재가 구비되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스크류 압축기의 초기상태 및 저 압축비 상태에서의 밸브 위치를 나타낸 단면도

도 2는 본 발명에 따른 스크류 압축기의 고 압축비 상태에서의 밸브 위치를 나타낸 단면도

도 3은 도 1의 작동유체 흐름을 나타낸 상세 단면도

도 4는 도 2의 작동유체 흐름을 나타낸 상세 단면도

도 5는 유로 변환 피스톤에 작용하는 힘의 분포를 나타낸 분포도

도 6은 종래의 스크류압축기에 적용되는 밸브의 구조를 나타낸 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 케이싱 16 : 스크류로터

18 : 밸브피스톤 24,52,70 : 공간부

30,60 : 스프링 50 : 유로변환피스톤

50a : 환턱 50b: 통공

50c : 요입부 52a : 구멍

54 : 고압유로 56 : 저압유로

58 : 고/저압 변환유로 80,82 : 실링부재

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명한다.

상기 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 이에 대한 설명은 생략하는 한편, 신규한 구성요소에 대해서만 새로운 부호를 부여한다.

첨부된 도면 도 1은 본 발명에 따른 스크류 압축기의 초기 상태 및 저 압축비 상태에서의 밸브 위치를 나타낸 단면도로서, 도시된 바와 같이, 케이싱(10)의 내부에 회전하는 한쌍의 스크류로터(16)와, 스프링(30)에 의해 탄지되면서 케이싱(10)의 내부 공간부(24)에서 승.하강하는 밸브피스톤(18)으로 이루어진 통상의 스크류 압축기에 있어서, 상기 케이싱(10)의 내부에 장착된 밸브피스톤(18)의 일측으로 승.하강하는 유로변환피스톤(50)이 갖추어지고, 이 유로변환피스톤(50)이 승.하강되도록 소정크기의 공간부(52)의 일측으로 고압유로(54)가 연통되게 형성되고, 상기 공간부(52)의 타측 하부에는 저압유로(56)가 형성되며, 이 저압유로(56)의 상부에는 관통된 경로를 가지는 고/저압변환유로(58)가 형성되어 있으며, 상기 유로변환피스톤(50)의 환턱(50a) 상부에는 스프링(60)이 탄지되어 있다.

또한, 상기 유로변환피스톤(50)의 길이방향을 따라 통공(50b)이 형성되어 있고, 중앙위치에는 요입부(50c)가 환설되어 있으며, 상기 공간부(52)의 하부에는 저압구역인 공간부(70)와 연통되는 구멍(52a)가 천공되어 있다.

또한, 상기 유로변환피스톤(50)의 상하 소정위치에는 외주면을 따라 실링부재(80)(82)가 구비되어 있다.

이와 같이 구성된 본 고안은 대별하여 작동단계에 따라 설명하면 다음과 같다.

먼저, 첫 번째 경우로서 저 압축비 운전을 요구하는 냉동사이클에서 운전할 경우이다. 운전개시와 동시에 한쌍의 스크류로터(16)가 맞물려 회전하면서 유체가 압축되어 소정의 압력을 형성한다. 그러면, 압축유체가 토출구(20)내에 삽설된 밸브피스톤헤드(26)를 밀게된다. 그에따라 밸브피스톤(18)은 공간부(22)내에서 상승하게 되면서 밸브피스톤(18)의 상승으로 압축가스 토출구(20)가 개방된다. 그러면, 토출구(20)를 통과한 압축유체는 토출구역인 공간부(24)에 유입되어 배출된다. 이 경우, 토출압력은 낮아지고, 토출량은 증가한다. 저 압축비이면서 고 용량이 요구되어지는 냉동기에 효율적으로 운전하기 위함이다.

여기서, 상기 밸브피스톤(18)에 작용하는 힘의 분포를 살펴보면 다음과 같다.

즉, 첨부된 도면 도 5에 도시된 바와 같이, 초기에 작용하는 압력은 스프링(30)에 의한 스프링력(k)만이 작용한다. 스프링력(k)에 의한 유로변환 피스톤(50)은 아랫방향으로 위치하게 된다. 운전이 개시되면, 저압구역인 공간부(70)에는 저압유체에 의한 압력이 형성되며, 토출구역인 공간부(24)에서는 고압유체에 의한 압력이 형성된다.

또한, 토출구역인 공간부(24)와 연결된 고압구역인 공간부(52)에는 고압유체에 의한 압력이 형성된다. 이때 유체의 흐름을 보면 다음과 같다. 저압구역인 공간부(70)로부터 저압유체가 유로변환 피스톤(50)의 길이방향을 따라 천공된 통공(50b)(저압유로의 역할을 한다.)을 통과하여 고/저압변환유로(58)를 경유하여 저압↔고압 변환구역이면서 밸브피스톤(18)이 자리잡고 있는 공간부(22)로 유입된다. 힘의 분포면에서 하방향의 힘이 상방향의 힘보다 크게 나타난다. 즉, 유로변환피스톤(50)에 작용하는 힘은 크게 4가지로 구분된다.

저압유체의 힘(F1)이 상.하방향으로 작용하며, 스프링력(k) 및 저압유체의 힘(F2)는 하방향으로의 힘이다. 또한, 고압구역인 공간부(52)에서 작용하는 힘은 상.하 방향으로 작용하지만, 일부는 상쇄된 후 상방향의 고압유체의 힘(F3)만이 작용한다. 여기서, 스프링력(k)과 저압유체의 힘(F2)의 합이 고압유체의 힘(F3)보다 클 경우가 상기 서술한 첫 번째 경우에 해당한다.

두 번째 경우로서, 고압축비 운전을 요구하는 냉동사이클에서 운전할 경우이다. 응축기(미도시)를 비롯한 사이클에서 고압축비 사양을 요구할 경우, 저압축비 압축기를 적용하면 토출압력은 미압축 상태가 된다. 즉, 요구되어지는 압력에 도달하지 못하고, 토출되어진 작동유체는 응축기에 영향을 미친다. 응축기로부터 역으로 고압상태가 되며, 다시 압축기로 전달된다. 점차적으로 압력이 증가하면, 고압구역인 공간부(52)의 압력이 높아지며, 고압유체의 힘(F3)의 상승을 유발한다.

냉동기에서 요구되어지는 적정 압축비에 도달하였을 때, 고압유체의 힘(F3)은 스프링력(k)과 저압유체의 힘(F2)의 합보다 크게 작용한다. 이때 유로변환피스톤(50)은 상방향으로 상승하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 유로변환피스톤(50)의 상승으로 저압구역인 공간부(70)의 작동유체는 오직 저압유로(56)를 경유하여 밸브피스톤(18)의 하부로 유입된다. 저압유체가 통공(50b)를 지나 고/저압변환유로(58)를 통과하는 것을 실링부재(80)에 의해 차단하기 때문이다.

또한, 고압구역인 공간부(52)의 작동유체는 고/저압 변환유로(58)를 경유하여 밸브피스톤(18)의 상부위치로 유입되는바, 이것은 유로변환피스톤(50)이 공간부(52)내에서 상부위치에 위치할 때, 유로변환피스톤(50)의 중앙위치에 형성된 요입부(50c)로 인해 고/저압변환유로(58)가 개방되기 때문이다. 이때 밸브피스톤(18)에 작용하는 상방향으로의 힘보다 하방향으로의 힘이 크게 작용한다. 그러므로 밸브피스톤(18)은 하방향으로 운동하게 되며, 밸브피스톤 헤드(26)는 압축가스 토출구(20)를 차단하게 된다. 압축가스 토출구(20)의 차단으로 토출구(21)만을 통과한 작동유체는 압력이 높아지면서 적합한 용적비(Vi)를 얻게된다.

위와 같이 본 발명은 작동유체의 상태를 별도의 전자밸브 등에 의해 결정하지 않고, 운전중의 밀폐계내의 작동유체에 의해 수행가능하므로 장치의 구조가 단순해지고, 단가가 낮춰짐은 물론 고장발생율을 현저하게 줄일 수 있어 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 케이싱(10)의 내부에 회전하는 한쌍의 스크류로터(16)와, 스프링(30)에 의해 탄지되면서 케이싱(10)의 내부 공간부(24)에서 승.하강하는 밸브피스톤(18)으로 이루어진 통상의 스크류 압축기에 있어서,

   상기 케이싱(10)의 내부에 장착된 밸브피스톤(18)의 일측으로 승.하강하는 유로변환피스톤(50)이 갖추어지고, 이 유로변환피스톤(50)이 승.하강되도록 소정크기의 공간부(52)의 일측으로 고압유로(54)가 연통되게 형성되고, 상기 공간부(52)의 타측 하부에는 저압유로(56)가 형성되며, 이 저압유로(56)의 상부에는 절곡된 경로를 가지는 고/저압변환유로(58)가 형성되어 있으며, 상기 유로변환피스톤(50)의 환턱(50a) 상부에는 스프링(60)이 탄지되어 있는 것을 특징으로 하는 스크류압축기용 리프프밸브.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유로변환피스톤(50)의 길이방향을 따라 통공(50b)이 형성되어 있고, 중앙위치에는 요입부(50c)가 환설되어 있으며, 상기 공간부(52)의 하부에는 저압구역인 공간부(70)와 연통되는 구멍(52a)가 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 스크류압축기용 리프트밸브.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 유로변환피스톤(50)의 상.하 소정위치에는 외주면을 따라 실링부재(80)(82)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 스크류압축기용 리프트밸브.

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