KR100435844B1 - 스크류 진공펌프의 냉각기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상호 맞물리는 구동 스크류 로터(31) 및 종동 스크류 로터(32)의 내부에 일정 두께의 전열 두께를 유지하도록 동일 형상의 중공을 구비하는 스크류 진공펌프에 있어서: 상기 각 로터(31)(32)의 양단에서 회전축상에 중공 구조로 연결되는 축관(33)(35); 및 상기 각 로터(31)(32)의 중공에서 회전축상으로 장착되고, 외주면에 축방향으로 급기수단을 구비하는 급기관(34)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 스크류 진공펌프에서 스크류 내부의 냉각에 따른 온도 구배를 최소화하여 냉각효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

스크류 진공펌프의 냉각기구 {Cooling device for screw vacuum pump}

본 발명은 스크류 진공펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기의 유동을 유발하여 공기중의 먼지나 이물질을 외부로 배출하기 위한 스크류 진공펌프의 냉각효율을 향상시키는 기구에 관한 것이다.

통상적으로 물, 기름, 공기 등의 유체를 이송하기 위한 진공펌프는 대상 유체의 종류에 따라 구조가 다르며, 특히 공기와 같은 건유체를 이송하는데 있어서 윤활 및 냉각의 문제가 반드시 따르게 된다.

도 1은 종래의 일예에 따른 스크류 진공펌프를 나타내는 구성도로서, 맞물려 회전하는 한 쌍의 구동 스크류 로터(11) 및 종동 스크류 로터(12)의 냉각을 위해 각 로터(11)(12)의 내부에 일정한 두께를 전열 두께를 유지하도록 동일 형상의 중공이 형성되고 그 중공의 중심부에 각각의 급수관(14)이 삽착된다. 급수관(14)은 구동 스크류 로터(11) 및 종동 스크류 로터(12)의 일측에 연결되는 중공의 축관(13)을 통하여 삽착되고, 축관(13)의 외측단 및 급수관(14)의 내측단에는 각각의 통공(13a)(14a)이 구비된다.

이에 따라 축관(13)의 통공(13a)을 통하여 유입되는 냉각수는 급수관(14)의 외부, 로터(11)(12)의 중공, 급수관(14)의 통공(14a) 및 급수관(14)의 내부를 통해 외부로 순환된다. 로터(11)(12)의 중공으로 냉각수가 순환되면 외면의 마찰에 의한 발열을 냉각하여 진공도의 저하를 방지할 수 있다.

그런데 축관(13)의 통공(13a)으로 유입되는 냉각수가 로터(11)(12)의 치형을 순차적으로 유동하면서 필연적으로 축방향으로 온도 구배가 발생되어 상류측 및 하류측의 치형에서 냉각이 불균일해질 뿐 아니라 냉각수가 급수관(14)의 통공(14a)을 통하여 축관(13) 측으로 역류해야 하는 구조이기 때문에 유속이 떨어져 치형에서의 전열능력을 전반적으로 저하시킨다.

반면, 도 2는 종래의 다른 예에 따른 스크류 진공펌프를 나타내는 구성도로서, 로터(21)에서 급수관(14)을 생략하고 일측의 축관(23)을 유입관으로 타측의 축관(25)을 배출관으로 한다. 급수관(14)이 없고 냉각수가 역류없이 일방향으로 유동되므로 전술한 도 1에 비하여 냉각수의 유동속도가 향상된다.

그러나 이와 같은 구조를 채용하더라도 로터(21)의 내부 중공에서 굴곡진 부분에 유동이 원활하지 않아 반경방향으로 온도 구배가 발생하는 것을 해결하기 곤란하며, 그렇다고 냉각수의 유속을 계속하여 증가시키는 것도 이에 따른 동력 소모의 증가에 비하여 전열능력의 향상에 미치는 영향이 작다.

이에 따라 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스크류를 이용하여 공기의 유동을 유발하기 위한 스크류 진공펌프에서 스크류 내부의 냉각에 따른 온도 구배를 최소화하여 냉각효율을 향상시키는 스크류 진공펌프의 냉각기구를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 일예에 따른 스크류 진공펌프를 나타내는 구성도,

도 2는 종래의 다른 예에 따른 스크류 진공펌프를 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 스크류 진공펌프를 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 스크류 진공펌프의 요부를 부분확대와 함께 나타내는 도식도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

11, 21, 31: 구동 스크류 로터 12, 32: 종동 스크류 로터

13, 33, 35: 축관 14: 급수관

30: 케이싱 34: 급기관

36: 분기관 44: 토출관

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 상호 맞물리는 구동 스크류 로터(31) 및 종동 스크류 로터(32)의 내부에 일정 두께의 전열 두께를 유지하도록 동일 형상의 중공을 구비하는 스크류 진공펌프에 있어서: 상기 각 로터(31)(32)의 양단에서 회전축상에 중공 구조로 연결고정되는 축관(33)(35); 및 상기 각 로터(31)(32)의 중공에서 회전축상으로 장착되되, 개방된 일단이 축관(33)의 내측중심에 삽입설치되며, 외주면에 축방향으로 급기수단을 구비하는 급기관(34)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 일예에 따르면 상기 급기관(34)의 급기수단은 축방향으로균일한 간격마다 형성되는 복수의 노즐(34a)을 사용한다.

또한, 본 발명의 변형예에 따르면 상기 급기관(34)의 급기수단은 나선상으로 균일한 간격마다 일정한 길이로 연장되도록 설치되는 유연한 소재의 토출관(44)을 사용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 스크류 진공펌프를 나타내는 구성도가 도시된다.

본 발명은 상호 맞물리는 구동 스크류 로터(31) 및 종동 스크류 로터(32)의 내부에 일정 두께의 전열 두께를 유지하도록 동일 형상의 중공을 구비하는 스크류 진공펌프에 관련된다. 통상 열전달이라는 열이동 현상은 전도·대류·복사의 3가지 형태를 포함하는 의미이지만 좁은 의미에서 공기와 로터(31)(32)의 내면 사이의 열이동을 의미하기도 한다. 로터(31)(32)의 중공을 흐르는 유체(공기)와 로터(31)(32)의 외면을 흐르는 유체(공기)는 열전달에 의한 열교환이 수행된다. 그때 교환되는 열량은 진공펌프의 주기능인 진공도에 크게 영향을 끼치는 바, 본 발명에서 로터(31)(32) 외면의 온도를 저하시키는 방안이 제안된다.

본 발명에 따르면 상기 각 로터(31)(32)의 양단에서 회전축상에 중공 구조의 축관(33)(35)이 연결설치된다. 상류축관(33) 및 하류축관(35)은 각각의 로터(31)(32)와 일체로 결합되고, 케이싱(30) 내에서 복수의 지점에 베어링으로 지지되어 회전 중심의 기능을 수행한다. 본 발명의 상류축관(33) 및 하류축관(35)은 구동/종동이 아닌 냉각 공기의 흐름 방향에 의한 구분이다. 축관(33)(35)의 중공 구조는 축중심을 따라 원형 단면의 관통공이 형성되는 것을 의미하며 이러한 관통공을 통하여 로터(31)(32)의 냉각유체인 공기가 유동된다. 각각의 로터(31)(32) 내부의 중공은 동일한 유로 단면적으로 형성하여도 무방하다.

이때, 상류축관(33)의 중공은 케이싱(30)의 일단에 장착되는 분기관(36)을 통하여 상호 연통된다. 분기관(36)은 케이싱(30)에 형성된 공간을 의미할 수도 있으며, 그 외측의 단부에서 고압 컴프레셔와 하나의 배관으로 연결된다.

또, 본 발명에 따르면 외주면에 축방향으로 급기수단을 구비하는 급기관(34)이 상기 각 로터(31)(32)의 중공에서 회전축상으로 장착된다. 급기관(34)의 폐쇄된 일단이 로터(31)(32)의 내부에 위치하고, 개방된 타단이 로터(31)(32)에서 노출되어 축관(33)(35)의 중공에 결합된다. 급기관(34)의 폐쇄된 단부는 로터(31)(32)의 치형이 형성된 부분에 모두 걸치도록 연장된다.

이때, 본 발명에 따르면 상기 급기관(34)의 급기수단은 축방향으로 균일한 간격마다 형성되는 복수의 노즐(34a)을 사용한다. 급기관(34)에 단순하게 형성한 원형 단면의 통공을 노즐(34a)로 사용할 수 있다. 각각의 노즐(34a)은 급기관(34)을 통해 유동되는 냉각 공기가 분사되는 부분으로서 모두 동일한 크기로 형성하여 공기 분사량을 동일하게 유지한다. 물론 급기관(34)의 길이가 길어질수록 냉각 공기의 유동저항에 의해 분사량에 약간씩 차이가 발생되나, 본 발명의 급기관(34)은 그다지 길이가 길지 않으므로 분사량 차이는 크지 않다.

이에 따라 급기관(34)의 노즐(34a)로 공기가 분사되면 로터(31)(32)의 내면에 접하는 얇은 층(경계층)에서는 열전도에 의한 열이동이 진행되는 반면, 경계층밖의 공기에서는 자체의 대류에 의해 열이동이 진행된다. 이때 본 발명은 로터(31)(32)의 중공이 나선으로 굴곡진 형태이므로 열전도와 대류가 복잡하게 얽힌 대류열전달의 경로를 형성한다.

로터(31)(32)의 내면 온도를 Tr, 공기의 온도를 Ta라 하면 단위시간에 단위면적을 통과하는 열량 Q=α(Tr－Ts)가 된다. 이때, α는 열전달률 (kcal/m2·h·deg)이라는 무차원수(無次元數)이다. 로터(31)(32) 내면의 경계층에서는 층류와 난류가 공존하며 층류와 난류의 분포 변화에 따라 열전달률 및 그에 따른 열교환량은 달라진다. 따라서 급기관(34)에서 분사되는 공기의 온도도 큰 영향을 미치기는 하지만 노즐(34a)의 형상, 배치간격과 같은 설계 포인트도 중요하다. 이러한 설계 포인트는 컴퓨터 프로그램에 의한 수치해석과 병행하여 다양한 실험을 통하여 각 로터(31)(32)의 구조에 맞게 어느 정도 차별화된다.

도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 하류축관(35)은 부호 35a의 통공 외에 이와 직교하는 부호 35b의 통공을 구비한다. 이와 같이 상류축관(33)보다 하류축관(35)에 통공(35a)(35b)을 많이 형성할수록 공기의 유동에 따른 저항이 감소되고 로터(31)(32)의 중공에서 유속이 향상된다.

도 4는 본 발명의 변형예에 따른 스크류 진공펌프의 요부를 부분확대와 함께 나타내는 도식도가 도시된다.

본 발명의 변형예로서, 상기 급기관(34)의 급기수단은 나선상으로 균일한 간격마다 일정한 길이로 연장되도록 설치되는 유연한 소재의 토출관(44)을 사용한다. 토출관(44)은 유연한 고무나 합성수지로 성형되며 토출관(44)의 돌부(44b)에 긴밀하게 삽착된다. 토출관(44)은 로터(31)(32)의 중공에서 나선이 형성되지 않은 직관부(D)보다 더 외측으로 연장되도록 한다. 급기관(34)에 토출관(44)을 장착한 상태로 로터(31)(32)에 삽입할 때에도 토출관(44)이 유연하게 탄성변형되므로 간섭에 의한 손상을 방지할 수 있다.

로터(31)(32)의 내면과 같이 나선으로 굴곡진 구조에서 직관부(D)는 주로 축방향의 공기 유동을 포함하고, 직관부(D) 외측의 나선부는 축방향 및 반경방향의 유동을 모두 포함한다. 이에 따라 직관부(D) 외측의 나선부에서 열전달 경로가 복잡화되어 직관부(D)의 유동 공기와 온도 차이가 발생하므로 토출관(44)을 상기 나선부까지 연장하여 온도 구배를 줄일 수 있다.

물론, 전술한 바와 같이 이러한 토출관(44)의 수량 및 배치 형태도 수치해석에 의한 이론적인 접근만으로는 불충분하고 이과 함께 실험을 통한 시행착오를 거치면 로터(31)(32)의 구조에 따라 다소의 차이를 보일 수 있다.

종래의 경우처럼 물을 사용하여 냉각하는 경우 수밀을 위한 실(seal)이 필요하나 본 발명의 경우 로터(31)(32)와 축관(33)(35) 사이에서 공기가 누출되어도 크게 문제되지 않아 실을 생략할 수 있다.

또, 종래의 경우 물에 의한 녹발생 및 동파의 우려가 있으나 본 발명의 경우 공기를 사용함에 따라 이러한 문제가 근본적으로 해소된다.

또, 종래의 경우 물을 통하여 혼입된 이물질이 침전되어 유로를 좁히는 현상이 발생되므로 점차 냉각효율이 저하되지만, 본 발명의 경우 침전에 의한 유로의 변화가 발생하지 않아 냉각효율이 그대로 유지된다.

한편, 본 발명은 상(相)변화를 유발하지 않는 공기를 이용한 강제대류를 유발하며 냉각하는 방식에 대하여 설명하였으나, 비등이나 응축에 의한 상변화를 유발하는 다른 종류의 유체를 적용하는 것도 가능하다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 스크류를 이용하여 공기의 유동을 유발하기 위한 스크류 진공펌프에서 스크류 내부의 냉각에 따른 온도 구배를 최소화하여 냉각효율을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허등록청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

예컨대, 로터(31)(32)의 내면에 라디에터의 핀과 같이 적절한 크기의 요철을 형성하면 전열면적이 증가하므로 동일한 분사 공기량에 의한 열교환량을 증가시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 상호 맞물리는 구동 스크류 로터(31) 및 종동 스크류 로터(32)의 내부에 일정 두께의 전열 두께를 유지하도록 동일 형상의 중공을 구비하는 스크류 진공펌프에 있어서:

   상기 각 로터(31)(32)의 양단에서 회전축상에 중공 구조로 연결고정되는 축관(33)(35); 및

   상기 각 로터(31)(32)의 중공에서 회전축상으로 장착되되, 개방된 일단이 축관(33)의 내측 중심에 삽입 설치되며, 외주면에는 축방향으로 급기수단을 구비하는 급기관(34)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스크류 진공펌프의 냉각기구.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 급기관(34)의 급기수단은 축방향으로 균일한 간격마다 형성되는 복수의 노즐(34a)인 것을 특징으로 하는 스크류 진공펌프의 냉각기구.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 급기관(34)의 급기수단은 나선상으로 균일한 간격마다 일정한 길이로 연장되도록 설치되는 유연한 소재의 토출관(44)인 것을 특징으로 하는 스크류 진공펌프의 냉각기구.