KR101909783B1 - 외부 케이싱과 동기하여 회전하는 회전형 베인 펌프 또는 진공 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어떤 속도비로 가지고 같이 회전하여 내부의 베인과 상대 속도를 현저하게 낮추어, 내마모성과 발열을 대폭 감소시키며, 윤활유를 사용하지 않아도 되는 이점을 제공하는 외부 케이싱과 동기하여 회전하는 회전형 베인 펌프를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 베인 펌프는, 원통 형상의 케이싱(2); 상기 케이싱을 외부에서 회전 가능하게 지지하는 베어링(1); 상기 케이싱의 중심과 편심되어 놓이는 구동축; 상기 구동축이 중심에 놓이도록 상기 구동축에 결합되고 상기 케이싱의 내부에 구비되며 상기 구동축에 의해 회동되는 로터(6); 및 상기 로터에 회동 가능하게 구비되며 상기 로터가 상기 구동축에 의해 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 편심에 의해 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉된 상태로 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 케이싱의 내부의 공기를 압축시키는 하나 이상의 베인(5);을 포함한다.

Description

외부 케이싱과 동기하여 회전하는 회전형 베인 펌프 또는 진공 펌프{Rotary vane Pump or vacuum pump in motion of synchronous rotation with casing}

본 발명은 산업용 공기나 가스를 압축하는 압축기나, 진공 펌프용으로 사용하는 베인형 펌프나 압축기에 관한 것으로 종래의 기술에서 방사형으로 배치된 베인이 중심의 로터가 회전함에 따라, 직동운동을 하는 것을 회전운동으로 배치하였으며, 외부의 케이싱과 접촉부분에서 동기하여 회전하며, 압축 가스의 입출구를 중심부의 고정축을 통하여 수행하는 것에 대한 발명이다.

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종래 회전형 베인 펌프나 진공 펌프의 구조는 도1에서 보듯이 정밀 가공한 베인이 중심부 로터의 슬롯에 수납하여,회전함에 따라 반경 방향으로 직진이동하며 외부 케이싱( 또는 슬리브)의 내측에 접하면서 공기나 가스를 압축하여 케이싱의 일부에 마련된 출구측에 배출하거나, 입구측에 진공을 형성하였다. 이러한 구조로 베인은 항상 측면에 압력이 작용하여 굽힘 응력하에 케이싱의 내면에 고속으로 이동하도록 되어 있다. 이러한 점은 베인의 선단(팁)부분에 강한 압축하중과 마모로 인하여 사용 중 베인의 선단 마모와 상대품인 케이싱의 내면의 형상 변화를 불러 올 수 있었다. 아울러 왕복동식 펌프에 비하여, 정밀 가공을 필요로 하므로 상대적으로 고가에 속하여 저렴한 용도에는 대부분 채용되지 못하고 있다. 동시에 베인과 원통형 케이싱 사이에는 고압에서 저압으로 압축된 공기가 누설되지 않도록, 전용의 오일을 사용하는 바, 이는 모든 펌프의 공통 요소이다.

국내 공개특허 10-2010-0093262 공개특허 10-2010-0060455 공개특허 10-2008-0049690

해당 없음

베인형 펌프로서 공기를 압축할때, 베인의 마모를 방지하고자, 윤활유 오일을 사용하게 되는 데, 이는 펌프내에서 오일이 비산하여 배출구를 통하여 외부로 분출하게 되는 데, 이 문제는 재질의 변화 없이는 오일프리 (오일레스)를 구현 할 수가 없다. 따라서 식품업체나, 의료용, 반도체용 등 용도에는 추가 장비나 다른 기계 형식의 압축기를 사용해야 하므로, 가격이 상당히 상승하여 부담이 되어 왔다. 아울러 통상의 공기 압축기로는 왕복동식이 저렴하여 많이 사용하여 왔으나, 소음이 커서 큰 공장 주변에서는 민원이 발생하기도 하였다. 따라서 소음 문제를, 펌프를 회전형으로 구성하여 근본적으로 진동의 크기도 줄이고, 베인의 재질과 구조 그리고 케이싱과의 상대 속도를 수분의 1로 줄여, 발열량도 줄이면서 내마모성, 그리고 결과로서 오일프리 압축기를 고효율로 구현하고자 한다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 펌프는, 원통 형상의 케이싱(2 참조); 상기 케이싱을 외부에서 회전 가능하게 지지하는 베어링(1); 상기 케이싱의 중심과 편심되어 놓이는 구동축; 상기 구동축이 중심에 놓이도록 상기 구동축에 결합되고 상기 케이싱의 내부에 구비되며 상기 구동축에 의해 회동되는 로터(6); 및 상기 로터에 회동 가능하게 구비되며 상기 로터가 상기 구동축에 의해 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 편심에 의해 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉된 상태로 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 케이싱의 내부의 공기를 압축시키는 하나 이상의 베인(5);을 포함하고, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 펌프는, 상기 구동축과 동축을 이루며 고정된 상태를 유지하는 고정축; 상기 고정축에 형성되고 상기 로터의 중심과 연통되며 외부 공기의 유입을 안내하는 흡입구(7); 상기 고정축에 형성되되 상기 흡입구와 간격을 두고 형성되고 상기 로터의 중심과 연통되며 압축된 공기의 외부 배출을 안내하는 배출구(8); 및 상기 로터에 관통되며 상기 각각의 베인에 의해 열고 닫히는 각각의 연통구;를 더 포함하고, 상기 베인은, 상기 로터가 상기 구동축에 의해 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 편심에 의해 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉된 상태로 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 케이싱의 내부의 공기를 압축시켜 상기 연통구를 통해 상기 배출구로 압축된 공기가 제공되도록 하고, 계속해서 상기 로터가 상기 구동축에 의해 상기 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 연통구가 열리는 방향으로 회전되면서 상기 흡입구의 외부 공기가 상기 연통구를 통해 상기 케이싱의 내부로 유입되도록 하고, 상기 베인은, 상기 로터에 회전가능하게 구비되는 힌지부; 및 상기 로터가 상기 구동축에 의해 상기 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 힌지부에 의해 회전되면서 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉되는 길다란 부분의 장측 접촉면;을 포함하고, 상기 힌지부는 상기 구동축과 동일한 축 방향을 가지며 서로 평행하게 놓이고, 상기 장측 접촉면은 상기 케이싱의 내면과 넓고 긴밀하게 접촉되도록 원호 형상을 가진다.
상기 케이싱은, 케이싱 링(2); 케이싱 링의 내면에 적층되는 탄성체(3); 및 상기 탄성체의 내면에 적층되는 내마모성 고분자(4);를 포함할 수 있다.
상기 흡입구(7) 및 상기 배출구(8) 각각은 상기 고정축의 축 방향으로 형성될 수 있고, 상기 연통구는 상기 로터에 관통되되 상기 로터의 중심에서 반경 방향으로 관통될 수 있다.

종래 오일레스(오일 프리)형 압축기들은 피스톤 소재를 테플론등으로 제조하거나 다른 재료와 혼합하여 제작하였으나, 강도의 부족, 내마모성이 부족하고 마모시 공극의 확대로 성능 저하를 초래 하였으나, 이러한 발명에서는 도7에서와 같이 본질적으로 상대 미끄럼 속도가 작아, 마모가 잘 일어나지 않으며, 마모가 일어 나도 넓게 분산하여 베인의 형상 변화가 거의 없다. 따라서 오일을 사용하지 않으며, 이로 인하여 오염이 없는 청정한 공기를 생산할 수 있으며, 장시간 사용하여도 발열의 위험성이 줄어 들며, 본질적으로 저소음이므로 사용자의 환경을 쾌적하게 유지시킨다. 아울러 에너지 효율,양산성이 우수하며 경제성도 높다.

도면 1 : 종래의 로터리 베인 펌프의 구조도
도면 2 : 외부 케이싱과 동기하여 회전하는 회전형 베인펌프 구조도
1-케이싱 외부 지지 베어링
2-케이싱 링(금속-청색)
3-실리콘이나 내열성 탄성체(녹색)
4-내마모성 고분자( 적색)
5-회전형 베인(흰색)
6-로터(황색)
7-고정 축의 흡입구(축방향)
8-고정 축의 배출구(축방향)
도면 3 : 로터축의 측면 구조와 고정축을 통한 압축 공기의 공급 설명
도면 4 : 케이싱 링의 구조와 단면
도면 5 : 로터와 베인 조립 상태
도면 6 : 작동 시 로터 회전 상태
도면 7 : 베인과 케이싱의 상대 미끄럼 속도

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 베인 펌프는, 도 2에서 보이듯이, 케이싱 외부 지지 베어링(1)과, 케이싱 링(2)(금속-청색 단면 참조)과, 실리콘이나 내열성 탄성체(3)(녹색 단면 참조)와, 내마모성 고분자(4)(적색 단면 참조)와, 회전형 베인(5)(흰색 단면 참조)과, 로터(6)(황색 단면 참조)와, 흡입구(7)(고정축에 그 축방향으로 형성)와, 그리고 배출구(8)(고정축에 그 축방향으로 형성)를 포함하여 구성된다. 도면 부호 2,3 및 4가 각각 지칭하는 케이싱, 탄성체, 내마모성 고분자는 일체로 구성되어 외부 베어링(1)에 구속되어 있다(도 4 참조, 회전만 가능). 도 3에는 측면의 모습이며 케이싱 외부 지지 베어링(1)이 각 4개씩 좌우로 8개가 배치되어 있다. 중심부의 로터(6)는 우측의 구동축을 통해 외부 전동기가 연결되었으며, 좌측의 고정축은 외부에 고정되고, 로터(6)의 중심에 조립되어 베어링에 의해 지지하거나 저널베어링 등으로 회전이 가능하다. 이 고정축을 통하여 흡입구(7)와 배출구(8) 이렇게 2개의 통로가 만들어져, 하나는 외부의 공기를 도입하거나, 나머지 통로는 압축된 공기를 외부로 배출하도록 측면에서 가공되어 로터(6)의 중심부에서 연결된다. 로터(6)의 재질은 금속으로 알루미늄이나 스틸재질이며, 베인(5)의 재질은 초고밀도 폴리에틸렌 또는 PEEK와 같은 내마모성과 윤활성, 내열성을 갖춘 재질이며 PTFE등과 같은 재질도 복합소재 형태로 사용 가능하다. 진공펌프로 사용 시에는 가스분자의 흡착을 피하기 위해, 알루미늄이나 스텐레스 재질의 사용이 필요하다. 누설을 줄이기 위하여 별도의 시일 재료가 베인 측면이나 베인의 팁 선단에 부가할 수도 있다.
이와 같은 구조에서, 도 2에서와 같이 결합되면, 먼저 중심부의 로터(6)가 외부에서 모터축과 연결하여 회전하면, 로터(6)와 회전 힌지로 연결된 베인(5)은 원심력이나 내부의 스프링으로 베인(5)의 외부면이 케이싱 링(2)과 접하게 된다. 케이싱 링(2)의 좌측 절반은 흡입과정이며 우측 절반은 압축과정이다. 베인(5)의 끝은 로터(6)와 축 방향으로 형성된 원형 홈에 결합되어 회전만 허용된다. 따라서 로터(6)가 회전하면 베인(5)은 결합부를 중심으로 회전 요동 운동을 하며, 베인(5)의 외부면으로 접촉하여 넓은 접촉부를 가지므로, 종래의 베인보다 국부적으로 큰 압축력을 피할 수 있다. 로터(6)가 회전할 때 로터(6)는 편심량만큼 케이싱 링(2)의 하부 내면에서 접촉하므로, 마찰력으로 로터(6)의 회전력을 케이싱 링(2)에 전달할 수 있다. 또는 외부에서 로터(6)의 회전 속도와 일정비율로 케이싱을 구동하게끔, 보조 기구를 설치할 수도 있다. 도 7에서 보듯이 이러한 구조는 중심부의 로터(6)만 회전하는 것이 아니라 케이싱 링(2)도 동시에 회전하여, 베인(5)과 케이싱 링(2)의 상대속도는 케이싱 링(2)이 회전하지 아니하는 종래의 구조에 비하여 수분의 1로(1/12에서 1/5 정도 범위) 줄어드는 결과를 낳는다. 베인이 케이싱과 압축 공기로 인하여 강한 접촉 상태에 있으면서 미끄럼 속도가 클수록, 동력의 손실과 발열, 재료의 마모 현상이 동시에 일어난다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 상대속도가 적을수록 유리하며, 베인의 선단 부분이 넓은 단면으로 접촉할수록 접촉 응력이 적어서 유리하다. 도 6의 "compressed air 1"에서 "compressed air 2"로 진행되면서 내부의 유체는 압축되어 "compressed air 3"까지 압축되면서 압력이 상승하므로 로터(6)의 내부의 구멍을 통하여 고정축의 배출측 구멍인 배출구(8)으로 배출된다. 이러한 구조에서 케이싱 링(2)과 로터(6)는 하부의 접촉부에서 케이싱 링(2)의 내부의 폴리머 탄성체(3)와 적절한 압력으로 조립되어서 간극을 통하여 고압의 유체가 좌측의 저압부로 유출되는 것을 방지할 수 있고, 금속제품 일시, 초정밀 가공을 하여야 하는 요구 조건을 완화할 수 있다. 이러한 원리에서 케이싱 링(2)의 내부 재질(즉, 내마모성 고분자(4))는 내열성과 내마모성을 가지는 고분자 재료(예를 들면, 폴리이미드나 초고분자 폴리에틸렌과 같은 재질)를 사용할 수 있다. 이러한 재질의 두께는 로터 접촉부에서 고압부에서 저압부로 흐르려는 유체의 압력과 로터의 직경이 접촉하는 부분의 탄성 변형하는 정도와 관련하며, 하부의 내열성 탄성 재질(즉, 탄성체(3))의 탄성력과도 관련한다. 상대 속도가 거의 1/10 수준까지 줄어들므로 마찰열도 줄어들고, 따라서 그 만큼 에너지 효율도 높게 된다. 베인(5)의 재질은 초고밀도 폴리에틸렌이나 PEEK, Poly keton류 등 내마모성과 내열성을 가지는 재료로, 단면 형상이 일정하므로 압출이나 사출 등에 의하여 대량 생산이 가능하다. 즉 비용이 저렴하게 제작 할 수 있다. 이러한 재질과 구조는 추가로 베인(5)의 요동에 의한 소음을 탄성체(3)가 흡수할 수가 있어서 더욱 저소음으로 되며, 더구나 베인의 소재가 경량화된 플라스틱 소재로 인해, 질량 편심에 의한 진동음을 대폭 낮춘다. 이와 같이 베인의 마찰력이 급격한 감소로, 에너지 효율도 올라가지만 고분자 소재로 인하여 진동음은 대폭 감소하고, 자기 윤활성 있는 소재로 인하여 윤활유사용이 없어도 무급유로 장시간 사용이 가능해 진다.

산업계에서는 자동화된 장비에 Air supply가 필수적이므로 공기 압축기를 사용하고 있으나, 왕복동식이 주류를 이루고 있어, 소음 공해를 일으키는 것을 자주 보게 되는 데, 이러한 용도에 소음 규제만을 목적으로도 유효 하고, 식품 업계나,의료용, 생물학적 실험실, 반도체 자동화 장비와 같은 오염을 극히 배제해야 하는 업계에서 유용하다. 아울러 대량 생산으로 저렴하게 되면 소형으로 제작하여 유체의 이송펌프나, 질소 충전용 자동차 타이어 펌프,대형으로 공기의 직접 압축에 의한, 단열 팽창을 이용한 냉매 없는 에어콘, 공기 입구를 진공 장비에 연결하여 진공 펌프로 사용 하거나, 냉동 공조 기기용 펌프, 액체 식품의 이송, 날개 없는 선풍기의 공기원, 의료용 산소 공급원, 잠수사의 산소 공급 펌프 등등에 유용하다. 구조상 편심량을 대폭 줄이면 베인의 방향이 케이싱의 곡율과 거의 평행하여 하류의 압력에 의한 역회전이 불가하여 폭발성 있는 가스의 자동 차단 기능도 가능하다. 특히 긴 내구성이 요구되는 풍력 발전기의 에너지 저장 기구나, 다단으로 구성하여 하이브리드 자동차의 회생 제동용도로 적합하다.

Claims (5)

1. 베인 펌프에 있어서,
   케이싱;
   상기 케이싱을 외부에서 회전 가능하게 지지하는 베어링(1);
   상기 케이싱의 중심과 편심되어 놓이는 구동축;
   상기 구동축이 중심에 놓이도록 상기 구동축에 결합되고 상기 케이싱의 내부에 구비되며 상기 구동축에 의해 회동되는 로터(6); 및
   상기 로터에 회동 가능하게 구비되며 상기 로터가 상기 구동축에 의해 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 편심에 의해 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉된 상태로 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 케이싱의 내부의 공기를 압축시키는 하나 이상의 베인(5);
   을 포함하고,
   상기 베인 펌프는,
   상기 구동축과 동축을 이루며 고정된 상태를 유지하는 고정축;
   상기 고정축에 형성되고 상기 로터의 중심과 연통되며 외부 공기의 유입을 안내하는 흡입구(7);
   상기 고정축에 형성되되 상기 흡입구와 간격을 두고 형성되고 상기 로터의 중심과 연통되며 압축된 공기의 외부 배출을 안내하는 배출구(8); 및
   상기 로터에 관통되며 상기 각각의 베인에 의해 열고 닫히는 각각의 연통구;
   를 더 포함하고,
   상기 베인은,
   상기 로터가 상기 구동축에 의해 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 편심에 의해 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉된 상태로 상기 제1 방향과 동일한 방향으로 회전되면서 상기 케이싱의 내부의 공기를 압축시켜 상기 연통구를 통해 상기 배출구로 압축된 공기가 제공되도록 하고, 계속해서 상기 로터가 상기 구동축에 의해 상기 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 연통구가 열리는 방향으로 회전되면서 상기 흡입구의 외부 공기가 상기 연통구를 통해 상기 케이싱의 내부로 유입되도록 하고,
   상기 베인은,
   상기 로터에 회전가능하게 구비되는 힌지부; 및
   상기 로터가 상기 구동축에 의해 상기 제1 방향으로 회전되는 동안 상기 힌지부에 의해 회전되면서 상기 케이싱의 내면과 긴밀하게 접촉되는 길다란 부분의 장측 접촉면;
   을 포함하고,
   상기 힌지부는,
   상기 구동축과 동일한 축 방향을 가지며 서로 평행하게 놓이고,
   상기 장측 접촉면은,
   상기 케이싱의 내면과 넓고 긴밀하게 접촉되도록 원호 형상을 가지는
   베인 펌프.
2. 제1항에서,
   상기 케이싱은,
   케이싱 링(2);
   케이싱 링의 내면에 적층되는 탄성체(3); 및
   상기 탄성체의 내면에 적층되는 내마모성 고분자(4);
   를 포함하는
   베인 펌프.
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 흡입구 및 상기 배출구 각각은,
   상기 고정축의 축 방향으로 형성되고,
   상기 연통구는,
   상기 로터에 관통되되 상기 로터의 중심에서 반경 방향으로 관통되는
   베인 펌프.
   
5. 삭제

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