KR20000030982A - 용적형 유체펌프의 유량조절장치 - Google Patents

Abstract

실린더 역할을 하는 케이싱을 구비한 용적형 유체펌프에 있어서, 상기 케이싱의 상부 및 하부에는 각각 유량조절장치를 설치하되, 이 유량조절장치는 케이싱의 내부에서 압축되는 유체를 케이싱의 유체 흡입구측으로 유도시키는 유체 유도관과, 이 유체 유도관의 내부에 설치되어, 상기 유체 유도관을 통하여 유체 흡입구측으로 유도되는 유량을 가변시키는 유량조절밸브로 구성한다. 여기에서 유체 유도관은, 로우터의 회전에 의하여 케이싱의 내부에서 압축되는 유체의 일정량을 흡입할 수 있도록, 로우터의 중심 종축(Y-Y')상에 위치하는 점의 케이싱 상부 및 하부에서 각각 케이싱의 내측과 서로 연통시킨 유체 흡입부와, 상기 유체 흡입부를 통하여 유입된 일정량의 유체를 케이싱의 유체 흡입구측으로 보낼 수 있도록, 상기 케이싱의 유체 흡입구측과 서로 연통시킨 유체 배출부로 구성한다. 케이싱의 흡입구를 통하여 유입되는 유체는 한쌍의 로우터에 의하여 케이싱내에서 압축되므로 케이싱의 내부에는 점점 높은 압력이 형성된다. 그러나 유체 유도관쪽에 형성되는 유체의 일정 압력은 이 유체 유도관을 통하여 케이싱의 유체 흡입구쪽으로 유도(역류)된다. 이에 따라 압력의 완화 효과가 발생되어 맥동 및 소음이 감소되고, 역류된 유량만큼 토출구측의 유량이 감소되므로 이에 따른 동력절감효과를 가져올 수 있다.

Description

용적형 유체펌프의 유량조절장치

본 발명은 각종 산업분야에서 이용되는 유체펌프(Fluid-Pump)에 관한 것으로서, 특히 용적형 유체펌프의 유량조절장치에 관한 것이다.

유체펌프에는 유체 유동의 발생원리에 따라 2가지의 기본형식이 있는데, 즉 용적형과 동역학식 또는 운동량 변화식이 그것이다.

동역학식 또는 운동량 변화식 유체펌프는 원심력을 이용하여 유체를 이동시키는 원심펌프로서, 고속으로 움직이는 날개(Blade)나 깃(Vane) 또는 어떠한 특수 설계장치에 의하여 유체에 단순히 운동량을 부가하는 것이다. 즉, 유체는 개방통로를 통과하는 사이에 그 운동량이 증가되고, 그 후 디퓨저(Diffuser)에 들어가므로써 회전자에서 얻은 높은 속도가 압력증가로 변환되는 것이다.

상기한 동역학식 유체펌프는 일반적으로 용적형 유체펌프보다 많은 유량을 낼 수 있고, 정상적으로 송출할 수 있는 장점을 갖는다. 이것은 흡입구측 또는 토출구측에서 유량의 제어가 가능하므로 그 유량을 조절할 수 있다는 것이다. 그러나 단점으로는 원심력의 한계를 들 수 있는데, 여기에서 원심력을 지배하는 요소는 유체의 질량과 회전수다. 따라서 유체의 질량이 가벼우면 원심력이 저하되고, 또한 회전수를 무한히 높일 수 없기 때문에 원심력의 한계를 나타내게 된다.

용적형 유체펌프는 부피의 변화에 따라 유체를 이송시키는 이동경계가 존재하는데, 진공실이 열리면 유체는 흡입구측에서 흡입되고, 이어서 진공실이 닫히면 유체는 토출구측에서 압축되어 토출된다. 이것의 전형적인 예로서 포유류의 심장을 들 수 있는데, 이것이 기계로 실현되어 널리 사용되고 있는 것이다.

모든 용적형 유체펌프는 그 진공실이 개방된 후 유체를 흡입하고, 그리고 압출하기 때문에 맥동 또는 주기적 유동이 나타난다. 이런 형식의 펌프가 갖는 큰 장점은 점성에 관계없이 어떠한 유체도 압송시킬 수 있다는 점이다. 다시 말해서 이것은 유체의 질량에 관계없이 압력을 무한정 높일 수 있다는 것이다. 즉, 용적형의 경우 유체에 의하여 채워지는 공간을 기계적으로 압축하기 때문에 일반적으로 높은 압력을 얻을 수 있다. 그러나 단점으로는 펌프의 설계시 유량(용적)이 결정되면 그 유량을 변화시키지 못하는 구조를 가지므로 유량변화가 힘들다는 것이다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 종래의 용적형 유체펌프는 변속장치 등에 의하여 펌프 회전자의 회전수를 변동시켜 유량을 조절하거나, 또는 토출구측에 바이패스관을 설치하여 토출되는 유체를 흡입구측으로 다시 리턴시켜 유량을 조절하였다. 그러나 회전자의 회전수를 변동시키는 인버터 모터나 벨트 풀리 등의 변속장치는 유체펌프의 제조비용을 상승시키고, 동력효율을 저하시키는 원인이 된다. 또한 토출된 공기는 이미 일을 한 부분이므로 다시 흡입구측으로 리턴시키는 바이패스관의 설치는 그만큼의 동력손실을 가져오는 문제점에 노출된다.

상기한 용적형 유체펌프의 일 예로써, 3엽식(Three-lobe type) 루츠(Roots)형 펌프를 들 수 있는데, 이와 관련된 펌프를 제6도 및 제7도에 도시하였다. 이 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

루츠형 펌프는 흡입구(100a) 및 토출구(도시되지 않음)가 수평으로 형성되는 동시에 하부에 다리가 일체로 형성된 케이싱(100)과, 이 케이싱 내부에 설치되는 한쌍의 로우터(1A,1B)와, 케이싱에 록핀(Lock Pin)으로 고정되어 분해 및 조립이 가능한 사이드 커버(110)와, 이 사이드 커버의 내부에 위치되어 각각의 구동축에 설치된 후 서로 맞물리는 각각의 타이밍기어(120a,130a)와, 각 로우터의 중심을 관통하는 각각의 구동축(120,130) 및 사이드 커버의 우측에 설치되는 기어커버(140)로 구성된다.

이어서 제8a도 내지 제8d도에 도시한 도면을 참고로 하여 상기한 종래의 유체펌프 작용을 설명하면 다음과 같다.

타이밍기어의 회전에 의하여 로우터의 위상이 일정한 상태에서 회전하는데, 한쌍의 로우터(1A,1B)는 케이싱의 내부에서 서로 반대방향으로 회전하며, 케이싱의 내벽과 로우터 상호간에 근소한 간격을 유지하면서 회전한다. 로우터가 화살표 방향으로 서로 상반되게 회전할 때 로우터 엽(lobe) 사이의 유체는 도면에서와 같이 케이싱의 내벽을 따라 이동한다. 따라서 제8b도 및 제8c도에서와 같이 유체는 토출구(100b)측으로 이동하게 되고, 결과적으로는 제8d도에 도시한 바와 같이 유체는 토출구(100b)측으로 토출된다.

상기한 바와 같이 3엽 로우터의 경우에 상기 작동이 1회전당 6번 반복하여 일어나고, 로우터의 회전수에 비례하여 일정량의 유체가 이동하여 토출구측으로 배출된다.

상기한 루츠형 유체펌프는 습동부분이 없으므로 내부 윤활이 불필요하며, 따라서 토출되는 유체에 윤활유가 혼입되지 않는다는 장점이 있다. 그러나 로우터가 케이싱의 내부에서 회전방향을 따라 회전할 때 로우터(1A,1B)가 형성하는 공간체적에 의하여 케이싱 내부의 압력이 점점 높아지는 영역으로 이동하게 된다. 이에 따라 그만큼 소요되는 동력이 증가되고, 유체의 토출이 상당히 맥동적이며, 소음이 커지는 동시에 기계의 동력효율이 감소되는 문제점이 존재한다.

본 발명은 종래의 용적형 유체펌프의 장점은 그대로 유지하고, 동시에 유체의 유량조절로 인하여 유체의 압력을 완화시키므로써, 맥동 및 소음을 감소시키며, 또한 이로 인한 동력절감 효과를 가져올 수 있는 용적형 유체펌프의 유량조절장치를 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명의 용적형 유체펌프를 나타낸 사시도.

제2도는 본 발명의 용적형 유체펌프를 나타낸 종단면도.

제3도는 본 발명에 의한 용적형 유체펌프의 동작을 나타낸 단면도.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 용적형 유체펌프를 나타낸 단면도.

제5도는 로우터의 회전시 케이싱의 내부위치에 대한 압력의 변화를 나타낸 압력분포도.

제6도는 종래의 용적형 유체펌프를 나타낸 사시도.

제7도는 종래의 용적형 유체펌프를 나타낸 종단면도.

제8a도 내지 8d도는 종래의 용적형 유체펌프 동작을 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1A, 1B : 로우터 10 : 케이싱

10a : 유체 흡입구 10b : 유체 토출구

12, 13 : 구동축 12a, 13a : 타이밍기어

20 : 유체 유도관 20a : 유체 흡입부

20b : 유체 배출부 21 : 유량조절밸브

본 발명의 유체펌프의 기본 구성은 종래의 3엽식 루츠형 펌프와 동일한 구성을 갖지만, 케이싱의 상부 및 하부에 유량조절장치를 설치하는 것이 종래의 3엽식 루츠형 펌프와 다른 점이다.

제1도 및 제2도에 도시한 3엽식 루츠형 펌프를 예로 들어 본 발명에 의한 용적형 유체펌프의 그 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

유체 흡입구(10a) 및 토출구가 수평으로 형성되는 동시에 하부에 다리가 일체로 형성된 케이싱(10)과, 이 케이싱 내부에 설치되는 한쌍의 로우터(1A,1B)와, 케이싱에 록핀으로 고정되어 분해 및 조립이 가능한 사이드 커버(11)와, 이 사이드 커버의 내부에 위치되어 각각의 구동축에 설치된 후 서로 맞물리는 각각의 타이밍기어(12a,13a)와, 각 로우터의 중심을 관통하는 각각의 구동축(12,13) 및 사이드 커버의 우측에 설치되는 기어커버(14)로 구성되는 루츠형 유체펌프에 있어서, 상기한 케이싱(10)의 상부 및 하부에는 각각 본 발명의 유량조절장치를 설치하는데, 이 유량조절장치는 케이싱(10)의 내부에서 압축되는 유체를 케이싱(10)의 유체 흡입구(10a)측으로 유도(역류)시키는 유체 유도관(20)과, 이 유체 유도관의 내부에 설치되어, 상기 유체 유도관(20)을 통하여 케이싱의 유체 흡입구(10a)측으로 유도(역류)되는 유량을 가변시키는 유량조절밸브(21)로 구성한다.

상기한 유량조절장치를 구성하는 유체 유도관 및 유량조절밸브의 설치관계를 제3도를 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 유체 유도관(20)은, 로우터(1A,1B)의 회전에 의하여 케이싱(10)의 내부에서 압축되는 유체의 일정량을 흡입할 수 있도록, 로우터의 중심 종축(Y-Y')상에 위치하는 점의 케이싱(10) 상부 및 하부에서 각각 케이싱(10)의 내측과 서로 연통시킨 유체 흡입부(20a)와, 상기 유체 흡입부(20a)를 통하여 유입된 일정량의 유체를 상기 케이싱(10)의 유체 흡입구(10a)측으로 보낼 수 있도록, 케이싱의 유체 흡입구(10a)측에 서로 연통시킨 유체 배출부(20b)로 구성한다. 여기에서 유체 유도관의 직경은 유체의 유량에 따라 임의로 조절 가능하고, 또한 유체 유도관은 유체의 유량에 따라 적어도 하나 이상 설치할 수 있으며. 유체 유도관의 형상은 다각형의 형상을 갖거나 또는 원통 형상으로 형성할 수 있다. 상기한 유체 흡입부(20a)와 유체 배출부(20b)가 서로 일체로 형성되어 구성되는 유체 유도관(20)의 내부, 즉 유체 흡입부와 배출부 사이에는 유량조절밸브(21)를 설치하여 본 발명을 완성한다.

본 발명에 의한 유량조절장치가 구비된 3엽식 루츠형 펌프의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

케이싱(10)의 유체 흡입구(10a)를 통하여 유체가 유입되면, 케이싱의 내부에 위치된 한쌍의 로우터(1A,1B)는 상호 반대방향으로 회전하고, 이에 따라 유체는 케이싱내에서 압축되는데, 이때 유체가 압축되는 쪽의 로우터 회전에 따라 케이싱의 내부 벽면에는 점점 높은 압력이 형성된다. 그러나 로우터(1A,1B)의 회전시 유체 유도관(20)의 유체 흡입부(20a)쪽에 위치하는 유체는 이 유체 흡입부(20a)를 통하여 유체 배출부(20b)쪽으로 유출되어 케이싱(10)의 유체 흡입구(10a)쪽으로 유도(역류)된다. 즉, 일정 유량이 유체 유도관(20)을 통하여 케이싱의 유체 흡입구(10a)측으로 유도(역류)된다. 이에 따라 압력의 완화 효과가 발생되어 맥동 및 소음이 감소되고, 또한 케이싱의 흡입구측으로 역류된 유량에 따라 토출구측의 유량은 이 역류량만큼 감소된다. 그러므로 줄어든 유량에 따른 동력절감효과를 가져올 수 있다. 또한 이때에 유체 유도관에 설치된 유량조절밸브(21)의 선택적인 개폐량에 따라 케이싱에 형성된 유체흡입구(10a)측의 유체 역류량을 가변적으로 조절할 수 있게 된다.

(실시예 1)

본 발명이 여러가지 실시예들로 실시될 수 있을 것이지만, 여기에 설명된 실시예는 본 발명의 원리를 예시적으로 설명하려는 것이며, 본 발명을 한정하려는 것은 아니다.

제4도에 도시한 것과 같이 케이싱(10)의 유체 흡입구(10a)측 계기압은 0㎏／㎠으로 설정하고, 토출구(10b)측의 계기압은 1㎏／㎠으로 설정하였을 때, 케이싱 내부의 압력은 도시된 그림에서와 같이 분포되었다. 이때 유체 유도관(20)의 유체 유입구측에서 케이싱(10)의 내벽면쪽에 위치한 0.11㎏／㎠의 압력을 가진 유체는 유체 유도관의 유체 흡기부를 통하여 계기압이 0㎏／㎠인 케이싱(10)의 흡입구(10a)측에 역류된다. 따라서 로우터(1A,1B)에 의하여 형성되는 케이싱내의 공간체적이 유체가 역류된 양만큼 줄어든 상태에서 계기압이 1㎏／㎠의 토출구(10b)측 압력 영역으로 이동하게 된다. 여기에서 일량은 압력＊유량이므로 줄어든 유체의 유량에 따른 동력절감효과를 가져온다.

제5도는 로우터의 회전시 케이싱의 내부위치에 대한 압력의 변화를 나타낸 압력분포도로서, 계기압이 0㎏／㎠의 유체를 1㎏／㎠의 유체로 짧은 시간에 빠른 속도로 반복하여 압축시키기 위하여 로우터가 회전하므로써 나타나는 것을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 압력변화가 심한 영역(P)이 나타내는 지점은 로우터의 회전에 의하여 로우터와 케이싱과의 체적공간에서 체적변화가 일어나는 부분으로서, 이렇게 압력변화가 심한 영역에서 유체 유도관을 통하여 유체를 역류시키면 압력의 완화 효과가 발생하여 맥동 및 소음을 감소시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 유량조절장치는 3엽식 루츠형 펌프에만 적용할 수 있는 것이 아니고 요동 피스톤형 펌프나 오비트 펌프(ORBIT PUMP) 등의 용적형 유체펌프에 다양하게 적용할 수 있을 것이다. 여기에서 상기 오비트 펌프는 로우터가 케이싱의 궤도에 따라 선회운동을 행하는 펌프를 말하는 것이다.

본 발명의 유량조절장치를 구비하는 용적형 유체펌프는 유량조절장치를 구성하는 유체 유도관 및 유량조절밸브의 작용에 의하여 저맥동 및 저소음을 이룰 수 있는 동시에 동력손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 실린더 역할을 하는 케이싱을 구비한 용적형 유체펌프에 있어서, 상기 케이싱의 상부 및 하부에는 각각 유량조절장치를 설치하되, 상기 유량조절장치는 케이싱의 내부에서 압축되는 유체를 케이싱의 유체 흡입구측으로 유도(역류)시키는 유체 유도관과, 이 유체 유도관의 내부에 설치되어, 상기 유체 유도관을 통하여 유체 흡입구측으로 유도(역류)되는 유량을 가변시키는 유량조절밸브로 구성한 것을 특징으로 하는 용적형 유체펌프의 유량조절장치.
2. 청구항 1에 있어서, 유체 유도관은, 로우터의 회전에 의하여 케이싱의 내부에서 압축되는 유체의 일정량을 흡입할 수 있도록, 로우터의 중심 종축(Y-Y')상에 위치하는 점의 케이싱 상부 및 하부에서 각각 케이싱의 내측과 서로 연통시킨 유체 흡입부와, 상기 유체 흡입부를 통하여 유입된 일정량의 유체를 상기 케이싱의 유체 흡입구측으로 보낼 수 있도록, 케이싱의 유체 흡입구측과 서로 연통시킨 유체 배출부로 구성하는 것을 특징으로 하는 용적형 유체펌프의 유량조절장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 유체 유도관의 직경은 유체의 유량에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 용적형 유체펌프의 유량조절장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 유체 유도관은 유체의 유량에 따라 적어도 하나 이상 설치하는 것을 특징으로 하는 용적형 유체펌프의 유량조절장치.