KR101905228B1

KR101905228B1 - 루츠 펌프

Info

Publication number: KR101905228B1
Application number: KR1020147003957A
Authority: KR
Inventors: 피터 버치; 토마스 드레이퍼트; 로버트 젠트킨스; 클라이브 튜나
Original assignee: 라이볼트 게엠베하
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2018-10-05
Also published as: EP2745015B1; EP2745015A2; WO2013023954A3; DE202011104491U1; KR20140049555A; TWI611101B; CN103732923B; RU2631579C2; US9476423B2; RU2014109852A; JP2014521887A; CN103732923A; JP6076343B2; WO2013023954A2; US20140205483A1; TW201314032A

Abstract

루츠 펌프는 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58)을 각각 형성하는 복수의 다중 톱니형 회전 펌프(10, 48, 49), 및 인접한 펌프 스테이지(52, 54, 56, 58, 60) 각각을 연결하는 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)을 포함한다. 본 발명은 인접한 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58, 60)를 분리하는 격벽(74, 76, 78, 80, 82)에 배열되는 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)을 제공한다.

Description

루츠 펌프{ROOTS PUMP}

본 발명은 루츠 펌프(roots pump)에 관한 것이다.

루츠 펌프는 일반적으로 펌프 챔버에 배열된 2개의 톱니형 회전 펌프를 포함한다. 2개의 회전 피스톤은 반대 방향으로 구동되고, 그에 따라 형성된 개별 챔버에 의해 주 유입구를 통해 가스를 유입하고, 주 유출구를 통해 가스를 배출한다. 여기서, 주 유입구 및 주 유출구는 모두 반경 방향으로 연장하고, 서로 대향하여 배열된다. 게다가, 다중 톱니형 회전 피스톤, 특히 3개 또는 4개의 톱니를 구비한 회전 피스톤이 알려져 있다. 이러한 경우에도, 가스는 반경 방향으로 배열된 주 유입구로부터 반경 방향으로 배열된 주 유출구로 실질적으로 반경 방향으로 펌핑된다.

게다가, 낮은 압력을 생성하기 위해, 다단 루츠 펌프가 알려져 있다. 이러한 루츠 펌프는 스테이지당 한 쌍의 회전 피스톤을 포함한다. 여기서, 펌핑될 가스는 펌프 스테이지의 하나의 유출구로부터 인접한 펌프 스테이지의 유입구로 이송된다. 이것은 연결 채널을 통해 수행된다. 예를 들어 미국 특허 공개 제 2010/0158728 호에 개시된 바와 같이, 이러한 연결 채널은 루츠 펌프의 하우징에 배열될 수 있고, 연결 채널은 회전 피스톤이 배치된 펌프 챔버를 둘러싸거나 펌프 챔버의 반경 방향 외측에 배열된다. 이러한 연결 채널은, 예를 들어 루츠 펌프의 하부에 위치된 펌프 스테이지의 유출구로부터, 예를 들어 루츠 펌프의 대향하는 상부에 위치된, 인접한 펌프 스테이지의 펌프 유입구로 가스를 이송하기 위해 필요하다. 이러한 루츠 펌프는 하우징의 채널의 설계가 기술적으로 복잡하다는 점에서 불리하다. 게다가, 하우징 용적은 연결 채널을 수용하기 위해 커야만 한다. 이것은 루츠 펌프의 외측 치수를 크게할 뿐만 아니라, 특히, 높은 비용을 수반한다. 복잡한 제조 공정 외에도, 높은 비용은 또한 많은 양의 금속 사용에 기인한다.

본 발명의 목적은 기술적으로 간단한 구조를 갖고, 또한, 필요한 구조적 공간 및 비용이 바람직하게 저감된 루츠 펌프를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 본 발명을 의해 달성된다.

본 발명의 루츠 펌프는 펌프 스테이지에 각각 형성하는 복수의 다중 톱니형 회전 피스톤 쌍을 포함한다. 펌프 스테이지당, 2개 이상의 톱니를 갖는 2개의 회전 피스톤이 제공되고, 회전 피스톤은 적어도 4개, 특히 적어도 6개의 톱니를 갖는 것이 바람직하다. 펌프 스테이지의 2개의 회전 피스톤은 반대 방향으로 회전하여 가스를 이송한다. 바람직하게, 각 회전 피스톤 쌍의 2개의 회전 피스톤중 하나는 공동 샤프트에 배열되고, 그에 따라 루츠 펌프는 평행하게 연장하는 2개의 샤프트를 포함하고, 상기 각 샤프트는 각 스테이지에서 회전 피스톤중 하나를 지지한다. 2개의 샤프트는 기어를 통해 연결될 수 있어서, 샤프트중 하나만이 구동되면 된다.

인접한 펌프 스테이지는 연결 채널을 거쳐서 연결된다. 여기서, 인접한 펌프 스테이지는 하나 또는 복수의 연결 채널을 거쳐서 연결될 수도 있다. 본 발명에 연결 채널은 인접한 펌프 스테이지를 서로 분리시키는 격벽(partitioning wall)에 배치된다. 그러므로, 격벽은 인접한 펌프 스테이지의 피스톤 챔버 사이에 제공된다. 본 발명에 의해 제공되는 바와 같이, 격벽에 연결 채널을 배치함으로써, 본 발명의 루츠 펌프의 외측 치수는 종래 기술에 비하여 크게 저감될 수 있다. 이것은, 적은 물질 투입으로 인해, 비용 저감이 달성될 수 있는 이점을 갖는다. 게다가, 격벽에 제공된 연결 채널은, 직선형, 특히 원통형의 채널 또는 보어(bore)로서 형성하는 것이 가능하므로, 보다 경제적으로 제조될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따르면, 피스톤 챔버의 반경 방향 외측에 위치된 곡선형의 연결 채널의 기술적으로 어려운 제조는 요구되지 않는다. 본 발명에 따르면, 매우 콤팩트한 구조를 갖는 루츠 펌프는 중량 감소 및 부품수 감소가 달성될 수 있는 다른 이점을 갖는다. 루츠 펌프는, 오일 윤활이 없는 건식 펌프로서 설계될 수 있으므로, 유지보수 요구가 감소되는 이점을 추가로 가질 수 있다.

본 발명에 있어서의 격벽에 연결 채널의 배열의 또다른 이점은 연결 채널의 짧은 길이로 인해 압력 손실이 줄어든다는 것이다.

바람직하게, 연결 채널의 적어도 일부분은 회전 피스톤 쌍이 배열된 피스톤 챔버와 연결되어, 채널 유입구 개구부 및/또는 채널 유출구 개구부 위를 작동시에 회전 피스톤의 측벽이 쓸고 지나가게 된다. 그러므로, 적어도 하나의 연결 채널의 채널 유입구 개구부 및/또는 채널 유출구 개구부는, 피스톤 챔퍼에 대해 반경 방향으로 배열되지 않고, 축방향으로 배열된다. 개구부는 반경 방향 단부면이 쓸고 지나가지 않고, 회전 피스톤의 측벽이 쓸고 지나가게 된다.

가능한 한 콤팩트하고 경제적인 본 발명의 루츠 펌프의 구조를 허용하기 위해, 모든 연결 채널은 펌프 스테이지를 서로 분리하는 격벽에 배열되는 것이 바람직하다. 단지 하나의 주 유입구 및/또는 주 유출구만이 격벽에 배열되지는 않는다. 주 유입구 및/또는 주 유출구는 축방향으로 또는 반경 방향으로 배열될 수도 있다. 바람직하게는, 주 유입구는 주 유출구에 반경 방향으로 대향하여 마련된다. 예를 들어, 가스가 펌프의 상부에 배열된 주 유입구를 통해 유입되면 바람직한 실시예에서, 반경 방향으로 대향하는 펌프의 하부에서 가스는 배출된다. 물론, 개별 펌프가 주 유입구로부터 시작하여 주 유출구까지 축방향으로 연속적으로 배열되기 때문에, 주 유입구는 주 유출구로부터 반경 방향으로 오프셋된다.

격벽에 축방향으로 연장되는 연결 채널을 제공하기 위해, 특히, 3개 이상의 톱니를 갖는 회전 피스톤이 가능하다. 이것은 2개의 톱니 사이에 위치된 챔버는 회전 피스톤이 약 180°정도 회전한 후에만 가스를 배출하는 것이 아니라, 보다 작은 회전각에서 이미 가스를 배출한다는 사실에 의해 실현될 수 있다. 본 발명의 루츠 펌프의 이러한 바람직한 실시예에 있어서, 가스는 주 유입측 챔버로부터 주 유출측 챔버로 가스를 이송시킴으로써, 가스가 2개의 스테이지 사이에서 이송될 필요는 없다. 예를 들어, 3개의 톱니형 회전 피스톤의 경우, 가스가 펌프의 상부에서 주 유입구를 통해 유입된다. 가스는 약 90°의 회전각에서 회전 피스톤의 중앙에 배치된 연결 채널을 통해 제 1 스테이지로부터 제 2 스테이지로 이송된다. 이러한 연결 채널은, 가스가 인접한 회전 피스톤의 중앙부로 들어가도록 축방향으로 연장될 수 있다. 이러한 펌프 스테이지에 있어서, 그 후에 가스는, 유출구측을 향해 더 이동되고, 이 유출구측 영역으로부터, 특히, 격벽에 비스듬하게 또는 대각선으로 배열된 채널을 통해 인접한 펌프 스테이지의 유입측 챔버로 유입된다. 특히, 3개 이상의 톱니를 갖는 회전 피스톤의 경우, 다중 축방향 채널은 인접한 펌프 스테이지 사이에서 연장할 수 있다. 축방향 채널을 제공하면, 채널의 형성이 기술적으로 간단하다는 특별한 이점을 갖는다. 이것은 축방향, 특히 원통형의 보어일 수 있다.

또한, 격벽에서 비스듬하게 또는 대각선으로 연장하는 연결 채널의 기술적으로 간단한 디자인을 허용하기 위해, 이러한 연결 채널이 배치되는 격벽은 축방향 연결 채널이 제공된 격벽보다 축방향으로 두꺼운 것이 바람직하다. 이것에 의해, 굽힘없이, 직선형으로 비스듬한 연결 채널을 설계하는 것이 또한 가능하다.

가능한 한 낮은 펌프의 전력 소비를 유지하기 위해, 연결 채널은 가능한 한 큰 단면적을 갖는다. 단면적을 증가시키기 위해서, 복수의 상호 평행한 채널을 제공하는 것이 또한 가능하다. 특히, 격벽에서 비스듬하게 연장하는 채널의 경우, 또한 이들 채널을 가능한 한 짧게 만드는 것이 고려되어야 한다.

압축 증가를 위해, 회전 피스톤은 축방향으로 상이한 폭을 갖는 것이 바람직하며, 회전 피스톤의 폭은 특히 펌핑 방향으로 계단 형식으로 감소한다. 이것에 의해, 회전 피스톤의 톱니 사이에 형성된 개별 챔버의 용적은 감소된다.

바람직한 실시예에 있어서, 맞물리는 2개의 회전 피스톤은 동일한 직경 및 동일한 형상을 갖는다. 그러나, 회전 피스톤이 다른 속도로 회전되는 경우에, 다른 직경 및 다른 톱니 수를 갖는 회전 피스톤을 제공하는 것이 또한 가능하다. 마찬가지로, 맞물리는 회전 피스톤은 또한 다른 톱니 형상을 가질 수도 있다.

본 발명의 루츠 펌프의 디자인으로 인해, 특히, 로터의 회전에 걸쳐서 응력 피크(stress peak)의 균일화를 달성하고, 이것에 의해, 압축 열의 균일화를 또한 달성하는 것이 가능하다.

이하는 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 참조하는 본 발명의 상세한 설명이다.

도 1은 제 1 펌프 스테이지의 3개의 톱니형 압력 피스톤 쌍의 개략도,
도 2는 인접하는 제 2 펌프 스테이지의 3개의 톱니형 압력 피스톤 쌍의 개략도,
도 3은 제 1 스테이지의 6개의 톱니형 회전 피스톤 쌍의 개략도,
도 4는 제 2 스테이지의 6개의 톱니형 회전 피스톤 쌍의 개략도,
도 5는 제 3 스테이지의 6개의 톱니형 회전 피스톤 쌍의 개략도,
도 6은 도 3 내지 도 5에 개략적으로 도시된 6개의 톱니형 회전 피스톤을 포함하는 6단 루츠 펌프의 개략 단면도,
도 7은 회전 피스톤 쌍의 대안적인 실시예에 대한 개략적인 평면도.

도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 3개의 톱니형 회전 피스톤(10)은 펌프 챔버(12)의 제 1 펌프 스테이지(도 1)에 배열된다. 2개의 회전 피스톤(10)은 도시되지 않은 샤프트에 각각 회전 가능하게 지지되고, 각각 화살표(14, 16)의 방향으로 반대 방향으로 구동된다. 가스는 주 유입구(18)를 거쳐서 챔버(20)로 공급된다. 도 1에 있어서의 좌측 회전 피스톤의 회전에 의해, 가스는 외벽의 곡선 부분(22)에 의해 폐쇄된 챔버(20) 내에 밀폐된다. 도 1에서 좌측 회전 피스톤이 화살표(14)의 방향으로 더 회전될 경우, 챔버(20)는 참조 부호(24)로 지시된 챔버에 대응하는 위치에서 개방된다. 챔버(24)는 2개의 회전 피스톤의 하부 전체를 둘러싸고, 그에 따라 부분(24, 26, 28)은 동일한 압력 레벨을 갖는다. 이것에 의해, 챔버(20) 내에 처음에 있던 가스는 축방향 연결 채널(30), 즉 회전 피스톤의 회전 샤프트와 평행하게 연장하는 채널을 통해 배출된다.

마찬가지로, 도 1에서 우측 회전 피스톤은 챔버(32) 내의 가스를 밀폐하고, 이 가스는 회전 피스톤(10)의 회전에 의해 도 1의 화살표(16)의 방향으로 하향 이동된 후, 점선으로 도시된 축방향으로 연장하는 연결 채널(34)을 통해 배출된다.

제 1 펌프 스테이지(도 1)에 대해 축방향 하류측에 배열된 다음 펌프 스테이지(도 2)에 있어서, 가스는 연결 채널(30)을 통해 챔버(36)로 들어오고, 이 챔버는 부분(38, 40)과 동일한 압력 레벨을 갖는다. 도 2에서 좌측 회전 피스톤을 회전함으로써, 그 자체가 폐쇄된 챔버가 곡선형 벽(42)과 결합하여 형성되어 내부에 밀폐된 가스가 주 유출구(44)를 향해 공급된다. 동일한 이송 원리가 도 2의 우측 회전 피스톤에 의해 실행되고, 우측 피스톤(10)이 화살표 방향으로 회전되는 즉시, 연결 채널(34)을 통해 가스가 챔버(40)로 들어온다. 그 다음에, 챔버(46) 내에 밀폐된 가스는 또한 주 유출구(44)를 향해 이송된다.

제 3 스테이지를 형성하기 위해, 다시 가스는 도 2의 주 유출구인 유출구(44)로부터 주 유입구를 향해 상향으로 이송되어야 한다. 본 발명에 따르면, 이것은 격벽에서 비스듬하게 또는 대각선으로 연장하는 채널(본 실시예에 도시되지 않음)에 의해 달성된다.

도 3 내지 도 5는 제 1 스테이지(도 3), 제 2 스테이지(도 4), 제 3 스테이지(도 5)에 관련된 연결 채널과 함께 6개의 톱니형 회전 피스톤 쌍(48, 49)을 도시한다. 6개의 스테이지를 갖는 루츠 펌프(도 6)에 있어서, 예를 들어, 도 3의 도시는 제 1 스테이지(50)에 대응하고, 도 4의 도시는 제 2 스테이지(52)에 대응하며, 도 5의 도시는 제 3 스테이지(54)에 대응한다. 제 4 스테이지(56)는 본질적으로 제 1 스테이지(도 3)에 대응하지만, 유입구는 반경 방향으로 형성되지 않고, 비스듬하게 또는 대각선으로 연장하는 연결 채널(77)을 통해 형성된다. 제 5 스테이지(58)는 제 2 스테이지 또는 도 4의 스테이지에 대응하고, 제 6 스테이지(60)는 제 3 스테이지 또는 도 5에 도시된 스테이지에 대응하며, 유출구는 주 유출구(62)를 통해 반경 방향으로 형성된다. 축방향 또는 펌핑 방향(64)으로 폭이 감소하는 개별 회전 피스톤(48)은 공동 샤프트(66)에 지지된다. 마찬가지로, 회전 피스톤(49)은 공동 샤프트(68)에 지지된다. 2개의 샤프트(66, 68)는 상부 하우징 절반부(70) 또는 하부 하우징 절반부(72)에 회전 가능하게 지지되고, 도시되지 않은 기어를 거쳐서 연결되어, 2개의 샤프트(66, 68)중 하나만이 모터에 의해 구동되면 된다.

격벽(74, 76, 78, 80, 82)은 인접한 펌프 스테이지 사이에 제공된다. 도시된 실시예에 있어서, 적어도 하나의 연결 채널(84, 86, 88, 90)이 배열된다. 게다가, 종래 기술로부터 알려진 바와 같이, 외측부에 적어도 부분적으로 배열된 연결 채널을 제공하는 것이 또한 가능하다. 도시된 실시예에 있어서, 가스는 주 유입구(51)를 통해 유입된다. 반경 방향으로 배열된 주 유입구(51) 대신에, 유입구는 유입구(53)(도 3)로서 반경 방향으로 또한 형성될 수도 있다. 물론, 비스듬한 유입구 또는 심지어 상이한 유입구들의 조합을 제공하는 것이 또한 가능하고, 여기에서 유입구는 단지 챔버(55)(도 3) 내로의 가스의 유입을 위한 수단을 제공하면 된다.

그 후에, 가스는 축방향, 즉 샤프트(66, 68)와 평행하게 연장하는 연결 채널(84)을 통해 제 1 펌프 스테이지(50)로부터 제 2 펌프 스테이지(52)로 이송된다. 연결 채널(84)은 격벽(74)에 배열된다. 여기에서, 도 1 및 도 2에 대해 설명된 원리에 따르면, 가스는 중간 챔버(57)를 거쳐서 연결 채널(84)에 연결된 챔버(59) 내로 이송된다.

그 다음에, 가스는 더 이송되고(도 4), 또한 축방향으로 연장하는 연결 채널(86)을 통해 제 2 펌프 스테이지(52)로부터 제 3 펌프 스테이지(54) 내로 흐른다. 연결 채널(86)은 격벽(76)에 배열된다.

가스가 더 이송되는 경우(도 5), 가스를 주 유출구측으로부터 주 유입구측을 향해 이송하는 것이 필요하다. 이러한 목적을 위해, 대각선형 또는 비스듬한 채널(77)은 다른 격벽(74, 76, 80, 82)보다 축방향으로 두꺼운 격벽(78)에 제공된다.

가스는 격벽(80)에서 축방향으로 연장하는 채널(88)을 통해 제 4 펌프 스테이지(56)로부터 제 5 펌프 스테이지(58) 내로 이송된다. 다음 펌프 스테이지(60) 내로의 이송은 격벽(82)에 제공된 축방향 채널(90)을 통해 다시 발생한다. 도시된 실시예에 있어서, 제 6 펌프 스테이지(60)는 최종 펌프 스테이지이므로, 실질적인 반경 방향 주 유출구(62)와 연결된다.

특히, 도 3 내지 도 5로부터 명백한 바와 같이, 챔버의 일부분만이 가스를 이송하는데 사용되므로, 회전 피스톤이 배열된 챔버는 액티브한 챔버, 즉 이송에 관련된 챔버의 영역에서만 작은 허용 오차 레벨을 갖는 표면 마무리를 필요로 한다. 이것에 의해, 제조 비용은 더욱 저감될 수 있다.

동일하게 설계된 회전 피스톤 대신에, 다른 치수 및 특히 다른 톱니수를 갖는 회전 피스톤을 제공하는 것이 또한 가능하다. 게다가, 상이한 톱니 형상을 갖는 회전 피스톤의 조합도 가능하다. 일례가 도 7에 평면도로 도시되어 있다. 여기에서, 좌측 회전 피스톤(92)은 우측 회전 피스톤(94)의 5개의 상이하게 형성된 톱니와 맞물리는 톱니를 갖는다.

Claims

루츠 펌프로서, 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58)를 각각 형성하는 복수의 다중 톱니형 회전 펌프(10, 48, 49)와, 인접한 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58, 60) 각각을 연결하는 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)을 포함하는, 상기 루츠 펌프에 있어서,
상기 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)은 상기 인접한 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58, 60)를 분리하는 격벽(74, 76, 78, 80, 82)에 배열되고,
적어도 3개의 톱니형 회전 피스톤(10, 48, 49)이 제공되고, 상기 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)중 적어도 일부는 축방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
제 1 항에 있어서,
작동시에, 적어도 하나의 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)의 채널 유입구 개구부 및/또는 채널 유출구 개구부 위를 회전 피스톤(10, 48, 49)의 측벽이 쓸고 지나가는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
제 1 항에 있어서,
모든 연결 채널(30, 34, 77, 84, 86, 88, 90)은 상기 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58, 60)를 분리하는 격벽(74, 76, 78, 80, 82)에 배열되는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
삭제
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
주 유입구(51)는 주 유출구(62)에 반경 방향으로 대향하여 배열되는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
제 5 항에 있어서,
펌프 스테이지(54)를 인접한 펌프 스테이지(56)와 연결하는 연결 채널(77)은 대응하는 격벽(78)에 비스듬하게, 그리고 2개의 샤프트 축(66, 68)에 의해 형성된 평면에 대해 실질적으로 횡방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
제 6 항에 있어서,
비스듬한 연결 채널(77)을 포함하는 격벽(78)은 축방향 연결 채널(84, 86, 88, 90)을 포함하는 격벽(74, 76, 80, 82)보다 두꺼운 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
각 회전 피스톤 쌍(10, 48, 49)의 2개의 회전 피스톤(10, 48, 49)중 하나는 공동 샤프트(66, 68) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
개별 펌프 스테이지(50, 52, 54, 56, 58, 60)의 회전 피스톤(10, 48, 49)의 축방향 폭은 펌핑 방향으로 감소되는 것을 특징으로 하는
루츠 펌프.