KR101719964B1

KR101719964B1 - 스크류로터

Info

Publication number: KR101719964B1
Application number: KR1020160149543A
Authority: KR
Inventors: 박재용
Original assignee: (주)글로텍
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2017-03-24

Abstract

본 발명은 별도의 중간공간구간 없이 가변 리이드 구간이 일체형으로 형성된 스크류로터에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 스크류로터는, 소정의 길이를 갖는 샤프트부 및 상기 샤프트부의 외주면을 따라 다수 개의 스크류날개가 연속하여 일체형으로 성형되고, 상기 스크류날개의 양측면에는 오목면과 볼록면이 형성된 나선형의 스크류부를 포함하고, 상기 오목면과 볼록면의 대향되는 위치에는 사이클로이드 곡선 형상의 경계선이 단차지게 형성되며, 상기 스크류부에는, 상기 사이클로이드 곡선 형상의 경계선을 기점으로 상기 스크류날개의 측면 경사각과 리이드가 가변되는 가변 리이드 구간이 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

스크류로터{Screw-rotor}

본 발명은 스크류로터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 별도의 중간공간구간 없이 가변 리이드 구간이 일체형으로 형성된 스크류로터에 관한 것이다.

스크류형 진공펌프(이하 '진공펌프'라 함)는 내부에 구비된 한 쌍의 스크류로터를 이용하여 내부의 유체를 배기함으로써 진공을 형성한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 진공펌프 내부에 구비된 스크류로터(1)는 크게 샤프트부(100)와 나선형으로 형성된 스크류부(200)로 구분되며, 한 쌍의 스크류로터(1)가 비접촉된 상태로 고속 회전한다.

진공펌프의 용량, 진공도, 소요동력 등은 고속으로 회전하는 한 쌍의 스크류로터(1)에 의해 결정되므로 스크류로터(1)의 형상 및 정밀성이 진공펌프의 성능을 결정하는 핵심적인 요소가 된다.

특히, 샤프트부(100)와 스크류부(200)를 일체형으로 형성하지 않고 조립식으로 제조할 경우 치수에 대한 오차가 필연적으로 발생하게 되며, 결국 스크류로터(1)의 회전시 진동, 소음 등이 발생하는 원인이 된다.

이에 따라, 전체적인 길이는 감소하되 높은 진공도를 얻을 수 있고 보다 적은 동력이 소요될 수 있도록 스크류로터(1)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있으며, 무단 리이드(리이드가 변함없이 일정한 값을 가짐), 다단 리이드(무단 리이드가 2개 이상 결합되어 있는 형태), 가변 리이드(회전하는 동안 리이드가 증가하거나 감소하면서 변함) 등 리이드(Lead ; 첫 시작점에서 일 회전을 하여 진행한 거리를 의미)와 관련된 다양한 기술이 개발되고 있으며, 본 출원인 역시 "무단 및 가변 리이드 혼용 진공펌프용 스크류(등록실용신안 20-0415728)" 및 "계단형 압축식 이종 무단 리이드 진공펌프용 스크류(등록특허 10-0747225)"를 발명하여 등록받은 바 있다.

본 출원인이 등록받은 도 1의 "무단 및 가변 리이드 혼용 진공펌프용 스크류"와 도 2의 "계단형 압축식 이종 무단 리이드 진공펌프용 스크류"는 하나의 스크류로터(1) 상에 무단 리이드와 가변 리이드가 동시에 존재하며, 샤프트부(100)와 스크류부(200)가 일체형으로 제조된다.

그러나, 도 1의 "무단 및 가변 리이드 혼용 진공펌프용 스크류"는 스크류부(200)를 이루는 각 스크류날개(210)의 측면 각도가 모두 동일(A°)하여야만 일체형으로 제조가능하며, 스크류날개(210)의 측면 각도가 다를 경우 가공 기술의 한계로 인해 일체형으로 제조하는 것이 불가능하였다.

이러한 문제점을 해결한 도 2의 "계단형 압축식 이종 무단 리이드 진공펌프용 스크류"의 경우 스크류날개(210)의 측면 각도가 A°인 무단 리이드와 B°인 무단 리이드를 일체형으로 제조할 수 있도록 별도의 중간공간구간(S)을 형성함으로써 진입 각도가 서로 다른 공구들의 진출입을 용이하도록 하였다.

그러나 공구의 각도를 변화시키는 것이 가능하더라도 가공하는 도중에는 공구의 각도를 변화시킬 수 없기 때문에 중간공간구간(S)이 필수적으로 형성되어야 하며, 중간공간구간(S)의 길이만큼 스크류로터(1)의 길이가 증가하게 되어 진공펌프의 전체적인 크기 역시 커지는 문제점이 있었다.

또한, 진입 각도가 서로 다른 여러 종류의 공구를 사용하지 않고 하나의 공구만을 사용하기 위해서는 공구의 각도를 변화시킬 수 있어야 하는데, 이러한 기능을 구현한 가공장치의 경우 일반적인 가공장치 가격의 수배에 달하기 때문에 결국 제품의 단가가 크게 증가하여 소비자의 부담을 가중시키는 원인이 되었다.

한국등록실용신안 20-0415728 (2006. 04. 29) 한국등록특허 10-0747225 (2007. 08. 01)

본 발명의 실시예는, 별도의 중간공간구간 없이 가변 리이드 구간이 일체형으로 형성된 스크류로터를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스크류로터는, 소정의 길이를 갖는 샤프트부 및 상기 샤프트부의 외주면을 따라 다수 개의 스크류날개가 연속하여 일체형으로 성형되고, 상기 스크류날개의 양측면에는 오목면과 볼록면이 형성된 나선형의 스크류부를 포함하고, 상기 오목면과 볼록면의 대향되는 위치에는 사이클로이드 곡선 형상의 경계선이 단차지게 형성되며, 상기 스크류부에는, 상기 사이클로이드 곡선 형상의 경계선을 기점으로 상기 스크류날개의 측면 경사각과 리이드가 가변되는 가변 리이드 구간이 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 하기와 같은 다양한 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 가변 리이드 구간이 형성된 스크류부를 샤프트부와 일체형으로 성형함으로써 조립과정을 생략할 수 있고 이에 따라 제조비용을 획기적으로 절감하는 것이 가능하다.

둘째, 본 발명은 스크류로터의 전체 길이를 대폭 감소하여 제작하는 것이 가능하며, 이에 따라 동일용량 대비 고압축비를 확보하고 소요동력을 감소시킬 수 있으며 배기시간을 단축 시킬 수 있다.

셋째, 본 발명은 이형의 리이드를 각각 가공/조립하던 방식의 비효율적인 문제점을 해결하고 가공의 중복성, 조립 누적공차 발생, 변형 발생, 조립부 이탈 등의 문제점을 근원적으로 해결하였다.

넷째, 본 발명은 일반적으로 사용되는 가공장비를 이용하여 서로 다른 측면 경사도를 갖는 스크류날개를 일체형으로 성형하는 것이 가능하므로 제조비용이 절감되는 효과가 있다.

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도 1 및 도 2는 종래의 진공펌프용 스크류로터를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 스크류로터 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스크류로터 제조방법의 제1가공단계를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스크류로터를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 스크류로터의 사이클로이드 곡선을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 스크류로터의 사이클로이드 곡선을 나타낸 실물 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명하며, 배경기술 및 이미 설명한 구성의 도면번호는 특별한 언급이 없다면 동일하게 적용된다.

이하에서 설명되는 본 발명의 스크류로터에 관한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예로서, 그 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현할 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 각 구성에 대한 형상 및 크기 등은 대표적인 실시예를 나타낸 것일 뿐 고정된 것이 아니며, 동일한 효과를 구현할 수 있다면 다양하게 변경 가능하다.

본 발명의 실시예를 나타낸 도면에는 6개의 스크류날개가 일체형으로 형성된 스크류로터와 5개의 스크류날개가 일체형으로 형성된 스크류로터가 도시되어 있지만 스크류날개의 수는 다양하게 변경될 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류로터(1)는 소정의 길이를 갖는 샤프트부(100)와, 샤프트부(100)의 외주면을 따라 다수 개의 스크류날개(210)가 연속하여 이루어진 나선형의 스크류부(200)를 포함하며, 샤프트부(100)와 스크류부(200)는 일체형으로 성형된다.

이러한 스크류부(200)에는 도 5 및 도 6과 같은 사이클로이드 곡선(CY) 형상의 경계선을 기점으로 리이드가 가변되는 적어도 하나 이상의 가변 리이드 구간(B-C. D-E)이 형성되며, 가변 리이드 구간(B-C. D-E)을 기점으로 스크류날개(210)의 피치 및 측면 경사도가 변하게 된다.

가변 리이드 구간(B-C. D-E)은 서로 리이드가 다른 다수 개의 무단 리이드에 의해 형성될 수 있으며, 각각의 무단 리이드는 사이클로이드 곡선(CY) 형상의 경계선을 기점으로 서로 자연스럽게 연결됨으로써 고속 회전시에도 정밀한 균형을 유지할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 스크류로터 제조방법에 관해 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스크류로터 제조방법은 주조단계(S100), 제1가공단계(S200) 및 제2가공단계(S300)를 포함한다.

주조단계(S100)는 소정의 길이를 갖는 샤프트부(100)와, 샤프트부(100)의 외주면을 따라 다수 개의 스크류날개(210)가 연속하여 이루어진 나선형의 스크류부(200)가 일체형으로 형성된 예비주물을 준비하는 단계로서, 제조하고자 하는 스크류로터(1)의 전체적인 형상을 갖는 예비주물을 주조단계(S100)를 통해 준비한 후 후술하는 단계를 실시함으로써 가공시간 및 비용을 절감할 수 있다.

주조단계(S100)를 통해 제조된 예비주물은 스크류로터(1)의 대략적인 형상만을 가지므로 후술하는 제1가공단계(S200)와 제2가공단계(S300)를 실시하여 정밀하게 가공하여야 한다.

제조하고자 하는 스크류로터(1)가 어떠한 리이드를 가지는에 따라 예비주물의 형상을 최대한 유사하게 형성하는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예에서는 종래에 일체형으로 제조가 불가능하였던 가변 리이드 구간을 갖는 스크류로터 제조방법을 설명한다.

제1가공단계(S200)는 예비주물의 외주면을 따라 나선형으로 형성된 다수 개의 스크류날개(210)의 좌측면(도면을 바라보는 방향에서 오목면(211)) 및 우측면(도면을 바라보는 방향에서 볼록면(212))을 정밀하게 가공하는 단계로서, 제1과정(S210), 제2과정(S220) 및 제3과정(S230)을 포함한다.

제1과정(S210)은 스크류부(200)의 좌측 끝단부에 위치한 스크류날개(210)의 오목면(211) 또는 볼록면(212)에 구동축(10)을 중심으로 회전하는 가공툴(20)을 점접촉시키는 과정으로, 후술하는 제2과정(S220)시 가공툴(20)이 예비주물의 표면과 접촉된 상태에서 회전함에 따라 예비주물의 표면이 가공 연마된다.

종래에는 스크류부(200)를 가공하기 위해 소정의 길이와 면적을 갖는 가공툴(20)을 예비주물의 스크류날개(210)와 대각선방향으로 면접촉시켜 가공을 하였지만, 면접촉을 할 경우 가변 리이드 구간(B-C. D-E)을 형성하는 것이 불가능하다.

따라서, 본 발명에 따른 스크류로터 제조방법에서는 가공툴(20)과 예비주물을 점촉시킴으로써 가변 리이드 구간(B-C. D-E)을 형성하였고, 이에 따라 하나의 스크류로터(1)에 다단 리이드를 일체형으로 형성하는 것이 가능하다.

제2과정(S220)은 샤프트부(100)의 길이방향과 동일한 방향을 따라 가공툴(20)이 각 스크류날개(210)와 수평선 상에서 점접촉상태를 유지하며 스크류부(200)의 우측 끝단부에 위치할 때까지 샤프트부(100)와 구동축(10)을 서로 90°로 유지한 채 각각 연속 회전시키면서 샤프트부(100)를 좌측 방향으로 수평이동시키는 과정으로, 제2과정(S220)이 실시되는 동안에는 가공툴(20)의 위치 및 높이는 변하지 않고 고정되며 샤프트부(100)의 위치만 변한다.

제2과정(S220)은 샤프트부(100)와 구동축(10)이 90°를 유지한 상태로 샤프트부(100)만 이동하기 때문에 스크류부(200)의 길이방향과 평행한 수평선 상에서 점접촉상태가 유지된다.

이러한 제2과정(S220)의 진행시 전체 스크류날개(210)와 가공툴(20)이 점접촉상태를 유지할 수 있도록 각 스크류날개(210) 사이의 피치에 따라 샤프트부(100)의 이동속도를 변화시키는 것이 바람직하다.

일 예로, 도 5에 도시된 스크류로터(1)는 A구간과 B구간의 피치가 동일하고 C구간과 D 구간의 피치가 동일하며 E구간과 F구간의 피치가 동일하다. 하지만 A구간, B구간, C구간은 서로 다른 피치를 가진다.

따라서, 스크류날개(210)와 점접촉된 가공툴(20)은 A구간과 B구간을 통과할 때는 α라는 속도로 이동하고 C구간과 D구간에서는 β의 속도로 이동하며 E구간과 F구간에서는 γ의 속도로 이동하는 것이 바람직하다.

제3과정(S230)은 샤프트부(100)의 수평이동이 완료되면 다음 과정을 실시할 수 있도록 샤프트부(100)의 회전을 정지시키는 과정으로, 제3과정(S230)이 완료된 후 스크류날개(210)의 가공상태에 따라 제1과정(S210) 또는 제4과정(S310)을 선택적으로 실시한다.

즉, 제3과정(S230)이 완료된 후 스크류날개(210)의 오목면(211) 및 볼록면(212) 전체면적의 가공이 완료되었다면 다음 단계인 제2가공단계(S300)를 진행하고, 스크류날개(210)의 가공이 완료되지 않았다면 제1과정(S210)을 다시 진행하되 각 과정의 반복시 가공툴(20)과 예비주물이 점접촉되는 부분이 서로 중첩되지 않도록 가공툴(20)의 위치를 변경하여 제1과정(S210)을 실시한다.

따라서, 제1가공단계(S200)는 상술한 제1과정(S210), 제2과정(S220), 제3과정(S230)을 순차적으로 반복 실시하여 각 스크류날개(210)의 오목면(211)과 볼록면(212) 전체면적에 대해 점가공을 실시하되, 각 과정의 반복시 가공툴(20)과 예비주물이 점접촉되는 부분이 서로 중첩되지 않도록 제1가공의 반복시 가공툴(20)의 위치를 변경하여 실시하는 것이 바람직하다.

이때, 제1과정(S210), 제2과정(S220), 제3과정(S230)의 반복시 가공의 정밀성을 높이기 위해 스크류날개(210)의 오목면(211) 또는 볼록면(212) 중 어느 한 면을 전체적으로 가공한 후 반대면을 가공하는 것이 바람직하다.

또한, 한 면을 가공할 때도 스크류날개(210)의 외측 즉, 바깥쪽부터 중심부 측으로 순차적으로 가공하는 것이 바람직하며, 제1과정(S210)의 반복을 통해 가공툴(20)이 점접촉하는 지점을 중심부 측으로 이동시킬 때에는 스크류날개(210)의 측면 경사를 따라 대각선 방향으로 이동시키는 것이 바람직하다.

즉, A구간에 위치한 스크류날개(210)의 측면이 X°의 기울기를 가질 수 있도록 가공하기 위해 처음 제1과정(S210)을 실시할 때는 A구간에 위치한 스크류날개(210)의 가장 외측 경사면에 가공툴(20)을 점접촉시켜 제2과정(S220) 및 제3과정(S230)을 실시하고, 다시 제1과정(S210)을 반복할 때에는 처음 가공툴(20)이 점접촉하였던 부분의 대각선 아래측에 가공툴(20)을 점접촉 시켜 제2과정(S220) 및 제3과정(S230)을 실시한다.

이러한 과정을 통해 A구간과 B구간은 X°의 측면 경사를 가지게 된다.

C구간과 E구간은 A구간과는 다른 리이드 및 측면 경사를 가지는 가변 리이드 구간(B-C. D-E)이 형성되는데, 제2과정(S220)의 진행시 하나의 리이드가 끝나고 새로운 리이드가 시작되는 기점에 가공툴(20)이 위치하였을 때 샤프트부(100)의 이동속도를 변경시킴으로써 가변 리이드 구간(B-C. D-E)을 형성할 수 있다.

새로운 리이드가 시작되는 기점을 기준으로 스크류날개(210)의 두께 및 피치, 경사각이 달라지게 되는데, 이러한 경계선이 스크류날개(210) 상에 직선으로 형성되면 추후 스크류로터(1)를 진공펌프에 적용하여 사용시 스크류로터(1)의 밸런스가 무너진 상태로 고속회전 하게 되어 진동 및 소음이 발생할 뿐 아니라 결국 진공펌프가 파손될 수 있다.

따라서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 가변 리이드 구간(B-C. D-E)은 사이클로이드(Cycloid) 곡선 형상의 경계선을 기점으로 자연스럽게 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 사이클로이드 곡선(CY) 형상의 경계선은 스크류날개(210)의 오목면(211) 및 볼록면(212) 모두에 형성된다.

이러한 사이클로이드 곡선(CY) 형상의 경계선은, 가공툴(20)과 스크류부(200)를 제어하는 컴퓨터에 사이클로이드 곡선(CY) 형상의 경계선에 대한 좌표값을 미리 입력한 후 제1과정(S210), 제2과정(S220), 제3과정(S230)을 반복 실시하면서 가공툴(20)이 기입력된 좌표에 도달했을 때 스크류부(200)의 이동속도를 변경시킴으로써 정밀하게 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 스크류로터 제조방법의 경우 점접촉을 이용한 가공방법을 적용하였기에 이러한 사이클로이드 곡선(CY) 형상의 경계선을 일체형으로 형성하는 것이 가능하지만, 종래의 면접촉을 이용한 가공시 일체형으로 형성하는 것이 불가능하다.

제2가공단계(S300)는 샤프트부(100)의 길이방향을 따라 형성된 각 스크류날개(210) 사이의 골(213)을 정밀 가공하는 단계로서, 제4과정(S310), 제5과정(S320) 및 제6과정(S330)을 포함한다.

제4과정(S310)은 샤프트부(100)의 길이방향을 따라 형성된 스크류날개(210) 사이의 골(213) 중 좌측 끝단부에 위치한 골(213)의 외주면에 가공툴(20)을 점접촉시키는 과정으로서, 후술하는 제5과정(S320)시 가공툴(20)이 예비주물의 표면과 접촉된 상태에서 회전함에 따라 예비주물의 표면이 가공 연마된다.

제5과정(S320)은 샤프트부(100)의 골(213)과 가공툴(20)이 점접촉된 상태를 유지하며 샤프트부(100)의 우측 끝단부 골(213)에 위치할 때까지 샤프트부(100)와 구동축(10)을 서로 90°로 유지한채 각각 연속 회전시키면서 샤프트부(100)를 좌측 방향으로 수평이동시키는 과정으로, 제5과정(S320)이 실시되는 동안에는 가공툴(20)의 위치 및 높이는 변하지 않고 고정되고 샤프트부(100)의 위치만 변한다.

이러한 제5과정(S320)의 진행시 샤프트부(100)의 골(213)과 가공툴(20)이 점접촉상태를 유지할 수 있도록 상술한 제2과정(S220)과 같이 각 스크류날개(210) 사이의 피치에 따라 샤프트부(100)의 이동속도를 변화시키는 것이 바람직하다.

즉, 샤프트부(100)의 골(213)과 점접촉된 가공툴(20)은 A구간과 B구간을 통과할 때는 α라는 속도로 이동하고 C구간과 D구간에서는 β의 속도로 이동하며 E구간과 F구간에서는 γ의 속도로 이동하는 것이 바람직하다.

제6과정(S330)은 샤프트부(100)의 수평이동이 완료되면 다음 과정을 실시할 수 있도록 샤프트부(100)의 회전을 정지시키는 과정으로, 제6과정(S330)이 완료된 후 골(213)의 가공상태에 따라 제4과정(S310)을 실시하거나 제2가공단계(S300)를 종료한다.

즉, 제6과정(S330)이 완료된 후 샤프트부(100)의 골(213) 전체면적에 대한 가공이 완료되었다면 제2가공단계(S300)를 종료한 후 추가로 필요한 단계를 실시하는 것이 바람직하며, 가공이 완료되지 않았다면 다시 제4과정(S310)을 진행하되 각 과정의 반복시 가공툴(20)과 예비주물이 점접촉되는 부분이 서로 중첩되지 않도록 가공툴(20)의 위치를 변경하여 제4과정(S310)을 실시한다.

따라서, 제2가공단계(S300)는 상술한 제4과정(S310), 제5과정(S320), 제6과정(S330)을 순차적으로 반복 실시하여 가공툴(20)이 샤프트부(100)의 길이방향을 따라 형성된 스크류날개(210) 사이의 골(213) 전체면적에 대해 점가공을 실시하되, 각 과정의 반복시 가공툴(20)과 예비주물이 점접촉되는 부분이 서로 중첩되지 않도록 제4가공의 반복시 가공툴(20)의 위치를 변경하여 실시하는 것이 바람직하다.

이러한 제2가공단계(S300)의 진행시 정밀한 가공을 위해 골(213)의 좌측 끝단부부터 우측 끝단부 방향으로 순차적으로 가공이 진행될 수 있도록 제4과정(S310)을 반복적으로 실시할 때 가공툴(20)의 위치를 점진적으로 이동시켜 고정한 후 진행하는 것이 바람직할 것이다.

1 : 스크류로터 100 : 샤프트부
200 : 스크류부 210 : 스크류날개
S100 : 주조단계 S200 : 제1가공단계
S210 : 제1과정 S220 : 제2과정
S230 : 제3과정 S300 : 제2가공단계
S310 : 제4과정 S320 : 제5과정
S330 : 제6과정 CY :사이클로이드 곡선

Claims

소정의 길이를 갖는 샤프트부; 및
상기 샤프트부의 외주면을 따라 다수 개의 스크류날개가 연속하여 일체형으로 성형되고, 상기 스크류날개의 양측면에는 오목면과 볼록면이 형성된 나선형의 스크류부를 포함하고,
상기 오목면과 볼록면의 대향되는 위치에는 사이클로이드 곡선 형상의 경계선이 단차지게 형성되며,
상기 스크류부에는, 상기 사이클로이드 곡선 형상의 경계선을 기점으로 상기 스크류날개의 측면 경사각과 리이드가 가변되는 가변 리이드 구간이 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 스크류로터.
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