KR20030026992A - 압축기 - Google Patents
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Abstract
압축기는 샤프트에 의해 하우징(10) 내에 회전 가능하게 각각 장착된 2개의 로터(14, 16)를 구비하며, 이들 로터(14, 16)는 상기 하우징과 접촉하지 않으면서 회전한다. 상기 로터(14, 16)는 분말 야금 Al-Si 합금으로 이루어지며, 상기 하우징(10)은 본질적으로 알루미늄으로 이루어진다.
Description
압축기는 일반적으로 압축 과정 중에 발생한 열을 소산시키기 위해 냉각될 필요가 있다. 로터와 샤프트의 직접 냉각 방식은 비용을 이유로 대부분의 경우에 배제된다. 따라서, 로터의 냉각은 운반되는 매체의 흐름 및 직접적으로 냉각된 하우징을 통해 단지 간접적으로 이루어진다.
하우징은, 예를 들면 공기 흐름 또는 수냉 재킷에 의해 직접 냉각되고, 로터는 단지 간접적으로 냉각되기 때문에, 작동시에 하우징과 로터 사이에 높은 온도차가 발생한다. 이러한 온도차는 간극의 치수를 결정하는 데에 있어 고려될 필요가 있다. 로터의 보다 큰 온도 팽창은 냉각 상태에서의 간극의 증대가 요구된다. 냉각 상태에서의 간극의 크기와 작동 상태에서의 간극의 크기 간의 차이, 즉 100K 정도의 온도차에 있어서의 간극 차이는 간극 감소로 불려진다. 모든 경우에 있어, 로터가 하우징에 대해 타격을 가하는 것을 방지하기 위해, 간극의 폭은 변화하는 압력비와 속도에 의해 초래되는 최대 열응력을 고려하여 정해진다. 간극 감소에대해 고려함으로써, 냉각 상태에서의 간극의 폭의 치수를 결정하게 된다. 그러나, 역류를 최소화하며, 체적 및 등엔트로피 효율을 최대화하도록, 간극을 가능한 한 작게 유지하기 위해 노력이 든다.
실제로, 이러한 고려는 작은 열 팽창을 특징으로 하는 재료를 사용하게 한다. 채용되는 표준 재료로, 하우징에 대해서는 편상 흑연 주철, 로터에 대해서는 구상 흑연 주철이 있다. 두 경우에 모두 열팽창 계수는 αk=10.5-6/K이다. 하우징과 로터를 위해 주철이 사용되고, 그 로터의 외경이 100㎜인 경우, 예를 들면 대략 0.1㎜의 값의 간극 감소를 발생시킨다. 이는 만족스러운 효율을 달성하기에 충분하다. 다른 한편으로, 알루미늄과 같은 재료의 사용은, 물론 2배 이상으로 큰 열팽창으로 인해, 간극 감소의 대응하는 값이 약 0.24㎜ 범위에 있게 되어, 냉각 상태에서 간극의 폭은 2배 이상으로 크게 되며, 그 결과 간극 누출에서의 상당한 증가를 초래할 것이다.
본 발명은 하우징과, 샤프트에 의해 상기 하우징에 회전 가능하게 장착된 적어도 하나의 로터를 포함하며, 상기 로터가 하우징과는 접촉하지 않으면서 회전하는 압축기에 관한 것이다.
도 1은 로터가 보이도록 개방된 클로우 타입(claw-type) 압축기를 개략적으로 나타낸 도면이며,
도 2는 변형례의 대응하는 도면이고,
도 3의 또 다른 변형례를 도시하는 도면이다.
본 발명은 알루미늄 재료를 사용함에도 불구하고, 작은 간극의 폭과 이에 상응하는 높은 효율을 나타내는 압축기를 제공한다. 본 발명에 있어서, 로터는 분말 야금으로 제조된 규소 함유 알루미늄 재료로 이루어지며, 하우징은 본질적으로 알루미늄으로 이루어진다. 하우징을 위한 알루미늄으로, 대략 23.8 x 10-6/K의 비교적 큰 열팽창 계수를 통상적으로 갖는 거의 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 여겨진다. 한편, 분말 야금으로 제조된 규소 함유 알루미늄 재료는 통상적으로 단지 16 x 10-6/K의 열팽창 계수를 갖는다. 또한, 직경 100㎜의 로터로부터 시작하면, 100K의 온도차의 경우 본 발명에 따른 재료의 조합에서 간극 감소는 이하의 식으로 계산된다.
SWA= (αK1x ΔT1- αK2x ΔT2) x L
따라서, 간극 감소의 값이 0.113㎜ 일 경우, 하우징과 로터로 주철을 사용하는 경우의 해당하는 값보다 결코 크지 않다.
주철 대신에 알루미늄 재료를 사용하는 것은, 특히 낮은 중량, 짧은 기계 가공 시간, 내부식성, 낮은 제조 비용이라는 측면에서 상당한 이점이 있다.
바람직한 실시예에서, 로터의 표면은 그 표면상에 부착된 단열 층을 구비한다. 이 단열 층은 압축된 운반 매체로부터 로터로의 열전달을 감소시킨다. 로터의 샤프트를 통한 열 흐름의 소산이 증대된다. 단열 층에 의해 로터가 덜 가열됨으로써 열팽창을 보다 작게 하며, 그 결과 보다 작은 간극 폭을 허용하여 효율을 증대시킨다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면 및 이하의 두 가지 실시예로부터 명백해질 것이다.
예로서 도 1에 도시되어 있는 압축기는 전체적으로 도면 부호 10으로 표기된 하우징을 구비하며, 이 하우징은 동일한 크기의 중첩 부분 실린더 2개로 이루어진 내측 챔버(12)를 포함한다. 이 챔버(12) 내에는 2-블레이드 루츠 타입(two blade Roots type)의 로터(14, 16) 2개가 수용된다. 각 로터(14, 16)는 해당 샤프트(18, 20)에 설치되어 있다. 이들 샤프트(18, 20)는 서로에 평행하게 배치되며, 기어 장치(도시 생략)에 의해 동기화된다. 로터(14, 16)는 상호 접촉하지 않고, 그리고 챔버(12)의 벽과 접촉하지 않으면서 챔버(12)의 내측에서 구동된다. 이들은 작동 시에 가변 사이즈의 작업 공간을 형성하여 내부 압축을 생성하도록 서로의 안으로 구르게 된다.
압축기의 작동 중에 발생하는 열은 실질적으로 하우징(10)의 냉각에 의해 소산된다. 이를 위해, 하우징(10)은 공기 흐름에 노출된 다수의 냉각핀을 구비한다. 가열된 배출 공기는 도면에서 화살표로 표시되어 있다. 로터(14, 16)와 샤프트(18, 20)는 직접적으로 냉각되지 않는다. 열 흐름의 일부가 샤프트(18, 20) 및 다른 부분을 통해, 그리고 운반되는 매체의 흐름을 통해 소산된다. 작동시에 로터(14, 16)의 가열을 감소시키기 위해, 그 표면에는 열적으로 단열된 코팅이 마련된다.
하우징(10)은 열팽창 계수가 대략 23.8 x 10-6/K에 상당하는 알루미늄 또는알루미늄 합금으로 이루어진다. 로터(14, 16)는 열팽창 계수가 대략 16 x 10-6/K에 상당하는 알루미늄 재료로 이루어진다. 이러한 재료의 조합은, 로터 직경이 100㎜라고 할 경우 대략 0.113㎜에 상당하는 간극 감소를 초래한다.
로터(14, 16)를 이루는 알루미늄 재료는 분말 야금으로 제조되어, 분산 강화(dispersion-strengthening)된다. 로터를 위한 알루미늄 재료의 조성은 다음과 같은 것이 바람직하다.
18.5 내지 21.5 중량% - 실리콘,
4.6 내지 5.4 중량% - 철
1.8 내지 2.2 중량% - 니켈
잔부 : 알루미늄
본 발명이 기초로 하는 원리는 비접촉식 로터를 구비하고 있는 대부분의 형태의 압축기에 적용될 수 있지만, 클로우 타입 압축기 또는 스크루 타입 압축기와 같이 내부 압축을 갖는 복축 압축기(twin-shaft compressor)에 특별한 이점으로 적용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명은, 특히 무접촉으로 작동하는 로터를 포함하는 기계에서, 알루미늄으로 된 하우징과 조합하여 압축기, 펌프 및 회전 피스톤 기계의 로터에 분말 야금 Al-Si 합금을 사용하는 것을 포함한다.
도 2에 도시되어 있는 변형례에서, 하우징은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 외부 본체(10a)와, 그 내에 주조된 링(10b)으로 구성된다. 그 링(10b)은 앞에서 보다 상세하게 설명한 종류의 분산 강화된 분말 야금 Al-Si 합금으로 이루어진다. 링은 압축기의 로터가 수용되는 챔버의 경계를 구성한다. 외부 본체(10a)와 링(10b) 사이의 계면에서 두 재료가 함께 융합되어, 외부 본체(10a)와 링(10b) 사이에 친밀한 상호 연결이 존재한다. 링(10b)은 외부 본체(10a)의 재료 보다 실질적으로 큰 강도를 갖는 재료로 이루어지기 때문에, 열팽창 특성은 실질적으로 하우징의 열팽창에 전체적으로 지배를 받는다. 이 실시예에서, 로터는 또한 전술한 타입의 Al-Si 합금으로 이루어진다. 링에는 반경 방향 외측으로 향해 일체로 주조된 보강 리브(10c)가 마련되어 있다. 이러한 보강 리브는 하우징의 모서리 영역에 각각 배치된다.
이 실시예에 있어서, 외경이 100㎜인 로터에 대해 약 0.16㎜의 간극 감소가 이루어질 수 있다.
도 3에 도시되어 있는 실시예에서, 하우징은 샤프트(18, 20)를 위한 2개의 베어링(24, 26)을 비롯하여, 베어링 커버(22)를 구비한다. 분산 강화 알루미늄 합금으로 제조된 보강 리브(28, 30)가 베어링(24, 26)의 양측으로 베어링 커버(22)에 주조된다. 이러한 보강 리브(28, 30)는, 한편으로는 샤프트(18, 20)의 베어링을 보강하며, 다른 한편으로는 열팽창으로 인한 중심 거리에서의 증가를 감소시키는 역할을 한다.
Claims (17)
- 하우징과, 샤프트에 의해 상기 하우징에 회전 가능하게 장착된 하나 이상의 로터를 포함하며, 상기 로터가 하우징과 접촉하지 않으면서 회전하는, 압축기에 있어서,상기 로터는 분말 야금 Al-Si 합금으로 이루어지며, 상기 하우징은 본질적으로 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항에 있어서, 상기 분말 야금 Al-Si 합금은 분산 강화되는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Al-Si 합금은18.5 내지 21.5 중량%의 실리콘과,4.6 내지 5.4 중량%의 철과,1.8 내지 2.2 중량%의 니켈과,잔부로 알루미늄을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Al-Si 알루미늄 합금은 대략 16 x 10-6/K의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징을 구성하는 알루미늄은 대략 23.8 x 10-6/K의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 공기 흐름에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터는 운반되는 매체의 흐름 및 샤프트를 통해서만 냉각되는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 접촉하지 않으면서 서로의 안으로 구르는 2개의 회전 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제8항에 있어서, 내부 압축으로 작동하는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제9항에 있어서, 상기 회전 피스톤은 2개 또는 3개의 블레이드를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 스크루 타입 압축기로 형성되는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터의 표면은 그 표면 상에 부착된 단열 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 알루미늄으로 제조된 외부 본체와, 이 본체의 내에 분산 강화 분말 야금 Al-Si 합금으로 주조된 링을 구비하는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제13항에 있어서, 상기 링과 외부 본체의 계면에서, 이들의 재료가 함께 융합되는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 링은 상기 로터를 직접 에워싸는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 하나 이상의 베어링 커버를 구비하며, 이 베어링 커버에는 그 내에 주조된 보강 리브가 마련되고, 이 보강 리브는 분산 강화된 분말 야금 Al-Si 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압축기.
- 제16항에 있어서, 상기 보강 리브는 베어링의 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 압축기.
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