KR101389221B1 - 스크류 압축기 - Google Patents
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Abstract
케이싱 내에 형성된 로터실에 서로 맞물리는 암수 한 쌍의 스크류 로터를 수용하고, 스크류 로터에 의해 흡입 유로로부터 흡입된 기체를 압축하여 토출 유로로부터 토출하는 스크류 압축기에는, 로터실 내의 공간에 있어서, 흡입 유로 및 토출 유로로부터 스크류 로터에 의해 격리될 수 있는 중간 압력부와 토출 유로로 연통하는 바이패스 유로로 개방하는 기능 단부면을 구비하는 기둥 형상 공간과, 기둥 형상 공간 내에 끼움 장착되어 기능 단부면에 접촉함으로써 중간 압력부와 바이패스 유로를 격리하는 피스톤을 갖고, 기둥 형상 공간의 기능 단부(2)와 반대 측의 공간을 토출 유로로 연통시키는 검압 유로가 설치되어 있다. 이와 같은 간단한 구조에 의해 기계적 압축비를 변경할 수 있다.
Description
본 발명은 스크류 압축기에 관한 것이다.
스크류 압축기의 흡입 유로의 압력 및 토출 유로의 압력은 급기 설비(대기 흡입의 경우에는 대기압) 및 수요 설비에 의해 결정된다. 한편, 스크류 압축기의 로터실로부터 토출 유로로 토출되기 직전의 기체의 압력은 흡입 유로의 압력과 스크류 압축기의 기계적 압축비(용적비)에 의해 결정된다. 로터실로부터 토출되기 직전의 기체 압력이 토출 유로의 압력보다도 높은 경우, 토출 유로로 토출된 순간에 기체는 팽창하여 압력이 저하된다. 따라서, 이 차압 분의 압축에 소요된 동력은 모두 낭비로 되어 버린다.
스크류 압축기에는 예를 들면 일본 특허 출원 공개 평9-317676호에 기재되어 있는 바와 같이, 토출 포트의 개방도를 변경하는 슬라이드 밸브를 구비하여 기계적 압축비를 조정할 수 있는 경우가 있다. 그러나, 슬라이드 밸브는 구조가 복잡하고 비용이 크게 증가한다. 또한, 슬라이드 밸브는 제어가 복잡해진다는 단점도 있다.
상기 문제점에 감안하여 본 발명은 구조가 간단하면서 기계적 압축비를 변경할 수 있는 스크류 압축기를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 스크류 압축기는 케이싱 내에 형성된 로터실에 서로 맞물리는 암수 한 쌍의 스크류 로터를 수용하고, 상기 스크류 로터에 의해 흡입 유로로부터 흡입된 기체를 압축하여 토출 유로로부터 토출하는 스크류 압축기이며, 상기 로터실 내의 공간으로서, 상기 흡입 유로 및 상기 토출 유로로부터 상기 스크류 로터에 의해 격리될 수 있는 중간 압력부와, 상기 중간 압력부로 연통하는 바이패스 유로로 개방하는 기능 단부면을 구비하는 기둥 형상 공간과, 상기 기둥 형상 공간 내에 끼움 장착되어 상기 기능 단부면에 접촉함으로써 상기 중간 압력부와 상기 바이패스 유로를 격리하는 피스톤을 갖고, 상기 기둥 형상 공간의, 상기 피스톤에 대하여 상기 기능 단부면과 반대 측의 공간을 상기 토출 유로로 연통시키는 검압 유로를 설치하고 있다.
이 구성에 따르면, 중간 압력부의 압력이 토출 압력보다 높은 경우에는, 피스톤이 기능 단부면으로부터 이격되어, 중간 압력부와 바이패스 유로가 연통된다. 따라서 중간 압력부로부터 토출 유로로 기체가 유출, 즉 실질적으로 스크류 압축기의 기계적 압축비가 저하된다. 따라서, 과잉 압축 때문에 동력을 소비하는 경우가 없다. 또한, 본 발명의 구성은 중간 압력부와 토출 유로의 압력차에 의해 피스톤을 이동시키고, 바이패스 유로를 개방(중간 압력부를 토출 유로에 접속)/폐쇄(중간 압력부를 토출 유로로부터 격리)함으로써 기계적 압축비를 변화시키는 것이기 때문에 구동을 위한 동력이나 제어가 불필요하고 그 구조도 간단하다.
또한, 본 발명의 스크류 압축기는, 상기 기둥 형상 공간의 상기 기능 단부면과 반대 측의 공간을 상기 흡입 유로로 연통시키는 저압 유로를 더 갖고, 상기 검압 유로를 차단할 수 있는 검압 유로 밸브와, 상기 저압 유로를 차단할 수 있는 저압 유로 밸브를 설치한 것으로 해도 된다.
이 구성에 따르면, 검압 유로 밸브를 차단하고 저압 유로 밸브를 개방함으로써, 피스톤을 기능 단부면으로부터 이격시켜서 토출 유로의 압력에 관계 없이, 스크류 압축기의 기계적 압축비를 낮은 상태로 유지할 수 있다. 중간 압력부의 압력과 토출 유로의 압력이 비슷한 경우에는, 바이패스 유로가 개방 및 폐쇄를 빈번히 반복할 가능성이 있으나, 검압 유로 밸브 및 저압 유로 밸브에 의해 바이패스 유로를 개방 상태로 유지함으로써, 피스톤의 이동에 의한 스크류 압축기의 압축비 변화에 수반하는 토출 유로의 압력 변동을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 스크류 압축기에 있어서, 상기 중간 압력부는, 상기 스크류 로터의 회전 위치에 따라서는 상기 토출 유로와 연통할 수 있는 부분이어도 된다.
이 구성에 따르면, 바이패스 유로를 개방한 상태에서 바이패스 유로로부터 분리된 후에 작용 공간 내에서 기체를 재압축하지 않으므로 불필요한 압축일을 하지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 스크류 압축기의 축 방향 수직 단면도.
도 2는 도 1의 스크류 압축기의 축 방향 수평 단면도.
도 3은 도 1의 스크류 압축기의 축 직각 방향 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태의 스크류 압축기의 축 직각 방향 단면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태의 스크류 압축기의 축 방향 수평 단면도.
도 2는 도 1의 스크류 압축기의 축 방향 수평 단면도.
도 3은 도 1의 스크류 압축기의 축 직각 방향 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태의 스크류 압축기의 축 직각 방향 단면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태의 스크류 압축기의 축 방향 수평 단면도.
따라서, 본 발명의 실시 형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 및 2는 본 발명의 제1 실시 형태인 스크류 압축기(1)의 구성을 도시한다. 스크류 압축기(1)는 케이싱(2)에 형성된 로터실(3)에 서로 맞물리는 수형 스크류 로터(4)및 암형 스크류 로터(5)을 수용하고 있으며, 또한 케이싱(2)에 형성된 모터실(6)에 수형 로터(4)을 구동하는 모터의 회전자(7) 및 고정자(8)를 수용하고 있다.
스크류 압축기(1)는 모터실(6)의 단부에 형성된 흡입구(9)로부터 외기를 흡입하여 로터실(3)과 모터실(6)을 접속하는 흡입 유로(10)를 통해 기체를 로터실(3)에 공급한다. 흡입구(9)의 내부에는 급기 필터(11)가 설치되어 있다. 로터실(3)에 공급된 기체는 로터실(3) 내의 수형 스크류 로터(4) 및 암형 스크류 로터(5)에 의해 구획되는 작용 공간 내에서 압축되어 토출 유로(12)을 통하여 토출 공간(13)으로 토출되고, 토출구(14)로부터 원하는 설비로 공급된다. 스크류 로터(3, 4)의 축은 베어링(15 내지 18)에 의해 지지되어 있으나, 토출측의 베어링(16), (18)은 로터실(3)을 밀봉하는 베어링 블록(19)에 보유 지지되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 베어링 블록(19)에는 로터실(3)의 토출측 단부의 암형 스크류 로터(5) 측의 외측 테두리부에 개구가 형성되는 기둥 형상 공간(20)이 형성되어 있다. 기둥 형상 공간(20)의 내부에는 피스톤(21)이 끼움 장착되어 있다. 케이싱(2)의 베어링 블록(19)과 밀접한 단부면에는 로터실(3)의 외측이며, 기둥 형상 공간(20)에 대향하는 위치로부터 베어링 블록(19)의 외측까지 연신되는 홈이 형성되어 있고, 기둥 형상 공간(20)과 토출 공간(13)을 연통시키는 바이패스 유로(22)가 구획되어 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 기둥 형상 공간(20)은 로터실(3) 공간이며, 스크류 로터(4, 5)에 의해 형성되는 작용 공간이 토출 유로(12)로부터 격리될 수 있는 부분인 중간 압축부로 개방되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 피스톤(21)은 기둥 형상 공간(20)의 로터실(3)측의 단부면[기능 단부면(23)]에 접촉함으로써, 로터실의 중간 압력부와 바이패스 유로(22)를 격리할 수 있다. 또한 기둥 형상 공간(20)의 기능 단부면(23)과 반대 측에는 토출 공간(13)으로 연통되고, 기둥 형상 공간(20)의 기능 단부면(23)과 반대 측의 내부 공간의 압력을 토출 공간(13), 나아가서는 토출 유로(12)와 같은 압력으로 하기 위한 검압 유로(24)가 형성되어 있다.
흡입 유로(10)의 압력은 외기의 압력과 동일하고, 토출 공간(13) 및 토출 유로(12)의 압력은 수요 설비의 설정 압력과 동일해진다. 중간 압력부의 압력은 흡입 유로(10)로부터 격리된 순간의 작용 공간의 용적과 기둥 형상 공간(20)으로 개방된 순간의 작용 공간의 용적 비인 용적비(예를 들어 Vi=2.0)와 흡입 유로(10)의 압력에 의해 결정된다. 또한, 로터실(3) 내에 있어서의 압력은 폴리트로프 변화로서 산출할 수 있는 것이 알려져 있다.
로터(3) 실내의 중간 압력부의 압력이 토출 공간(13)의 압력보다도 낮을 경우, 바이패스 유로(22) 및 기둥 형상 공간(20)을 통해서 토출 공간(13)으로부터 로터실(3)로 기체가 유입된다. 이 때, 바이패스 유로(22) 및 기둥 형상 공간(20)에 있어서의 압력 손실에 의해 기둥 형상 공간(20)의 기능 단부면(23) 측의 공간 압력은, 피스톤(21)을 사이에 두고 반대 측의 공간보다도 약간 낮아진다. 따라서, 피스톤(21)이 로터실(3) 측으로 이동하여 기능 단부면(23)에 밀접함으로써, 바이패스 유로(22)를 로터실(3)로부터 격리한다. 따라서, 스크류 압축기(1)는, 기둥 형상 공간(20) 및 바이패스 유로(22)가 설치되어있지 않은 통상의 스크류 압축기와 동일 상태로 되고, 흡입 유로(10)로부터 격리된 순간의 작용 공간의 용적과, 토출 유로(12)로 개방된 순간 작용 공간의 용적 비(예를 들어 Vi=3.0)로 기체를 압축한다.
로터(3) 실내의 중간 압력부의 압력이 토출 공간(13)의 압력보다도 높은 경우, 이 압력차에 의해 피스톤(21)이 기능 단부면(23)으로부터 이격되고, 중간 압력부로부터 기둥 형상 공간(20) 및 바이패스 유로(22)을 통하여 토출 공간(13)으로 기체가 유출한다. 스크류 압축기(1)에서는 스크류 로터(4, 5)의 회전에 따라 작용 공간이 이동하나, 작용 공간이 기둥 형상 공간(20)으로 개방되어 있는 동안은 작용 공간의 체적이 감소한 만큼 기체를 토출 공간(13)으로 유출시켜 압축일을 하지 않는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 기둥 형상 공간(20)으로 연통하는 중간 압력부는, 암형 로터(5)의 회전 위치에 따라서는 토출 유로(12)와도 연통할 수 있다. 즉, 작용 공간이 한번 기둥 형상 공간(20)으로 개방되면, 작용 공간이 기둥 형상 공간(20)으로부터 격리된 이후에도 압축일은 하지 않아, 쓸데 없는 에너지를 소비하지 않는다. 바꾸어 말하면 피스톤(21)이 기능 단부면(23)으로부터 이격되면 실질적으로 토출 유로(12)가 커지는 것과 같은 효과가 있어 스크류 압축기(1)의 기계적 압축비를 Vi=2.0으로 저하시킨다.
도 4에 본 발명의 제2 실시 형태의 스크류 압축기(1a)를 도시한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하여 중복하는 설명을 생략한다. 본 실시 형태의 스크류 압축기(1a)는 제1 실시 형태와 같은 배치인 제1의 기둥 형상 공간(20)과 토출 유로(12) 사이에 제2의 피스톤(21a)이 끼움 장착된 제2의 기둥 형상 공간(20a)이 설치되어 있다. 케이싱(2)에는 제2의 기둥 형상 공간(20a)에 대향하는 위치로부터 연신되어 토출 유로(12)로 개방되는 홈이 형성되어 제2의 바이패스 유로(22a)를 구획하고 있다. 제2의 기둥 형상 공간(20a), 피스톤(21a) 및 바이패스 유로(22a)의 작용은 제1 의 기둥 형상 공간(20), 피스톤(21) 및 바이패스 유로(22)와 동일하고, 로터실(3)을 바이패스 유로(22a)에 접속했을 때의 용적비(예를 들어 Vi=2.5)만이 다르다.
본 실시 형태에서는 3개의 용적비(Vi=3.0, 2.5, 2.0) 중에서 최적인 용적비가 자동적으로 선택되어 스크류 압축기(1a)가 수요 설비가 필요로 하는 압력 이상으로 과도하게 기체를 압축하는 것에 의한 동력 손실을 더욱 효과적으로 저감할 수 있다.
도 5에 본 발명의 제3 실시 형태의 스크류 압축기(31)을 도시한다. 본 실시 형태의 스크류 압축기(31)는 케이싱(32)에 형성된 로터실(33)에 서로 맞물리는 수형 스크류 로터(34) 및 암형 스크류 로터(35)을 수용하고 있고, 흡입 유로(36)로부터 흡입한 기체를 토출 유로(37)로 토출한다. 토출 유로(37)는 직접 외부의 토출 배관(38)에 접속되어 있다.
또한, 케이싱(32)에는 로터실(33)의 토출 측의 단부면에 개방되는, 스크류 로터(34), (35)에 의해 토출 유로(37)로부터 격리될 수 있는 중간 압력부로 연통할 수 있는 기둥 형상 공간(39)이 형성되어 있다. 또한, 기둥 형상 공간(39)은 중간 압력부로 개방하는 기능 단부면(40)이 케이싱(32)의 로터실(33)의 직경 방향 외측에 형성한 바이패스 유로(41)에도 개방되어, 중간 압력부와 바이패스 유로(41)를 간접적으로 접속할 수 있도록 되어 있다. 기둥 형상 공간(39) 내에는 피스톤(42)이 끼움 장착되어 있으며 피스톤(42)이 기능 단부면(40)에 밀접함으로써 중간 압력부와 바이패스 유로(41)를 분리시킬 수 있다. 바이패스 유로(41)는 케이싱(32)의 외부에 설치한 바이패스 배관(43)을 거쳐 토출 배관(38), 나아가서는 토출 유로(37)로 연통한다.
또한, 본 실시 형태의 스크류 압축기(31)는 기둥 형상 공간(39)의 기능 단부면(40)과 반대 측 공간을 토출 배관(38) 및 바이패스 배관(43)을 통하여 토출 유로(37)로 연통시키는 외부 배관으로 이루어지는 검압 유로(44)와 기둥 형상 공간(39)의 기능 단부면(40)과 반대 측의 공간을 흡입 유로(36)로 연통시키는 외부 배관으로 이루어지는 저압 유로(45)를 갖는다. 검압 유로(44)에는 그 유로를 차단할 수 있는 검압 유로 밸브(46)가 설치되고, 저압 유로(45)에는 그 유로를 차단할 수 있는 저압 유로 밸브(47)가 설치되어 있다.
본 실시 형태에서는 검압 유로 밸브(46)을 폐쇄하고 저압 유로 밸브(47)를 개방함으로써, 토출 유로(37)의 압력에 관계없이 기둥 형상 공간(39)의 기능 단부면(40) 측의 압력이 피스톤(42) 반대 측의 내부 공간의 압력보다도 항상 높아지도록 하여 바이패스 유로(41)를 로터실(33)의 중간 압력부로 연통시킨 상태로 유지할 수 있다. 따라서 토출 유로(37)의 압력이 로터실(33)의 중간 압력부의 압력 전후에서 변동할 경우에, 피스톤(42)이 빈번히 이동하여, 중간 압력부를 바이패스 유로(41)에 접속 및 절단하는 것을 반복하여 토출 압력을 변동시키는 것을 방지할 수 있다. 이러한 운전은 스크류 압축기(31)의 흡입 압력과 토출 압력을 검출하고, 그 비율이 소정의 범위에 있는 경우에 행해지도록 프로그램 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 관한 스크류 압축기는 냉매가 통하는 순환 유로에 압축기, 응축기, 팽창 수단, 증발기 등이 개재 설치되어 이루어지는 냉동 장치에 적용되어도 좋다.
Claims (3)
- 케이싱 내에 형성된 로터실에 서로 맞물리는 암수 한 쌍의 스크류 로터를 수용하고, 상기 스크류 로터에 의해 흡입 유로로부터 흡입된 기체를 압축하여 토출 유로로부터 토출하는 스크류 압축기이며,
상기 로터실 내의 공간으로서, 상기 흡입 유로 및 상기 토출 유로로부터 상기 스크류 로터에 의해 격리될 수 있는 중간 압력부와, 상기 토출 유로로 연통하는 바이패스 유로로 개방하는 기능 단부면을 구비하는 기둥 형상 공간과,
상기 기둥 형상 공간 내에 끼움 장착되어 상기 기능 단부면에 접촉함으로써 상기 중간 압력부와 상기 바이패스 유로를 격리하는 피스톤을 갖고,
상기 기둥 형상 공간의, 상기 피스톤에 대하여 상기 기능 단부면과 반대 측의 공간을 상기 토출 유로로 연통시키는 검압 유로를 설치하고 있고,
상기 중간 압력부의 기체의 압력이 상기 토출 유로의 기체의 압력보다도 낮은 경우, 당해 압력차에 의해 상기 피스톤이 상기 기능 단부면에 접촉함으로써 상기 중간 압력부와 상기 바이패스 유로를 격리하고, 상기 중간 압력부의 기체의 압력이 상기 토출 유로의 기체의 압력보다도 높은 경우, 당해 압력차에 의해 상기 피스톤이 상기 기능 단부면으로부터 이격됨으로써 상기 중간 압력부의 기체가 상기 바이패스 유로를 통해 토출 유로로 유출하는, 스크류 압축기. - 제1항에 있어서, 상기 기둥 형상 공간의 상기 기능 단부면과 반대 측의 공간을 상기 흡입 유로로 연통시키는 저압 유로를 더 갖고,
상기 검압 유로를 차단할 수 있는 검압 유로 밸브와, 상기 저압 유로를 차단할 수 있는 저압 유로 밸브를 설치하고 있는, 스크류 압축기. - 제1항에 있어서, 상기 중간 압력부는 상기 스크류 로터의 회전 위치에 따라서는 상기 토출 유로와 연통할 수 있는 부분인, 스크류 압축기.
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