KR20040035886A - 진공 펌프 - Google Patents

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KR20040035886A
KR20040035886A KR10-2004-7004327A KR20047004327A KR20040035886A KR 20040035886 A KR20040035886 A KR 20040035886A KR 20047004327 A KR20047004327 A KR 20047004327A KR 20040035886 A KR20040035886 A KR 20040035886A
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요시무라마사시
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다이코 기카이 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 승압기로서 작동시켰을 때의 축력에 의한 베어링의 수명저하를 막는 것을 목적으로 하고 있으며, 스크류 로터(3, 4)를 맞물리게 한 상태에서 케이싱(2) 내에 회동 가능하게 피봇 지지시키며, 스크류 로터의 회동에 의해 로터 축방향으로 기체를 압축하여 토출시키는 진공 펌프(1)에서, 케이싱의 흡입측에 있어서 스크류 로터의 샤프트(6, 7)에 밸런스 피스톤(13, 14)을 설치하고, 밸런스 피스톤으로 스크류 로터측의 수용실(17)과 밸런스 피스톤측의 가압실(16)을 구획시키며, 가압실에 토출압을 작용시켜 승압시의 스크류 로터의 추력을 상쇄시킨다. 토출압을 밸런스 피스톤(13, 14)에 작용시킬 때는 승압기로서 운전하고, 진공 펌프로서 작동시킬 때는, 토출측의 기체를 쿨러를 매개로 스크류 로터측의 수용실(17)의 토출측에 가까운 위치에 냉기로서 흡인시킨다.

Description

진공 펌프{VACUUM PUMP}
진공 펌프를 이용하여 분체나 고형분 등(예컨대, 절삭가루, 생활쓰레기, 진개(塵芥; 먼지쓰레기), 재, 석탄, 진흙, 모래, 시멘트, 밀가루, 눈 등)의 공기 수송을 행하는 기술에 있어서, 최근, 초기 비용의 삭감을 도모하기 위하여, 배관의 사이즈 다운이나, 원거리 수송이나 대량 수송을 위한 고밀도 수송이 행하여지고 있어, 풍압이 2∼3.5 kg/cm2G로 높아지는 경향에 있다.
이 압력 영역은 통상의 블로어 영역(상기 압력보다도 낮음)이나 컴프레서의 압력(상기 압력보다도 높으며 7∼8 kg/cm2G 정도)을 벗어나 있고, 공기 수송에 블로어를 이용하는 경우는 다단으로 하며, 압축기를 이용하는 경우는 감압하여 대응하고 있다.
또한, 공기 수송의 경우, 일반적으로는 진공 회수하여 압송하는 식의 사용 방법이 많으며, 이 경우, 진공 펌프와 압축기의 2대가 필요하게 된다. 예컨대, 진공 펌프로 세퍼레이터 탱크 내에 분체를 흡인하고, 탱크 내의 분체를 로터리 밸브로 일정량씩 배관 속으로 낙하시키면서 블로어(승압력 1 kg/cm2G 이하의 것) 또는 콤프레서(승압력 1 kg/cm2G을 넘는 것)의 압축 공기로 압송한다.
그러나, 종래의 스크류 진공 펌프를 콤프레서로서 사용한 경우, 스크류 로터에는, 토출압(Pd)을 받아 Fa≒π/4(Da2-Db2)Pd가 되는 추력(축력)이 작용하며, 이 힘이 스크류 로터의 고정측 베어링에 작용하기 때문에, 베어링수명을 현저하게 짧게 하여 버린다고 하는 문제가 있었다.
상기 Da=스크류 외경, Db=스크류 골(바닥) 직경, Pd= 토출압이다. 예컨대, 진공 펌프 전용으로서 사용한 경우, 수명 Lh=3만 시간이던 것이, 압력 3 kg/cm2G의 콤프레서로서 사용한 경우는 수명 Lh=수천 시간으로 극단적으로 짧아져 버린다.
그래서, 베어링을 사이즈업하기 위하여 로터 샤프트 직경을 크게 하면, 스크류 골 직경이 커져, 스크류 로터에 의한 1회전당 공기의 압송량이 적어져 버리며, 그것을 보충하기 위하여 스크류 로터의 회전수를 늘리면, 진동이나 소음이 커지는 동시에 윤활성을 높여야 한다고 하는 문제를 발생시키고, 압송량을 늘리기 위하여 스크류 로터의 외경을 늘리면, 펌프 자체가 대형화된다고 하는 문제를 발생시킨다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여, 압력 2∼3.5 kg/cm2G 정도의 승압기로서 사용한 경우에도 베어링의 수명을 연장시킬 수 있고, 또한 흡입측을 막아서 진공 펌프로서도 사용할 수 있는, 승압 기능을 갖춘 진공 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 한 쌍의 스크류 로터를 회전시켜 기체의 진공 흡인과 압송을 행할 수 있는 승압 기능을 갖춘 진공 펌프에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 진공 펌프의 일실시 형태를 도시하는 횡단면도이다.
도 2는 마찬가지로 진공 펌프의 밸런스 피스톤 조립부를 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 진공 펌프와 그 구동 장치 및 배관 상태의 외관을 도시하는 평면도이다.
도 4는 진공 펌프의 스크류 로터의 일형태를 도시하는 축직각 단면형상도(설명도)이다.
도 5는 진공 펌프의 사용 상태의 일형태를 도시하는 설명도이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 청구항 1에 관한 진공 펌프는, 축직각 단면형상이 에피택셜 트로코이드(trochoid), 원호, 의사(pseudo)아르키메데스 곡선으로 이루어지는 한 쌍의 스크류 로터를 맞물리게 한 상태에서 케이싱 내에 회동 가능하게 피봇 지지시키고, 상기 한 쌍의 스크류 로터의 회동에 의해 로터축 방향으로 기체를 압축하여 토출시키는 진공 펌프에 있어서, 상기 케이싱의 흡입측에 있어서 상기 한 쌍의 스크류 로터의 샤프트에 각각 밸런스 피스톤을 설치하고, 상기 밸런스 피스톤으로 상기 스크류 로터측의 수용실과 상기 밸런스 피스톤측의 가압실을 구획시키며, 상기 가압실에 토출압을 작용시켜, 승압시의 상기 스크류 로터의 추력을 상쇄시키도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 한 쌍의 스크류 로터의 회전에 의해 흡입측이 저압으로 되고, 토출측이 고압으로 되어 한 쌍의 스크류 로터가 흡입측으로 압박됨으로써, 스크류 로터의 샤프트의 축받이(베어링)에 추력(축방향의 힘)이 작용할려고 하지만, 토출측의 압력이 밸런스 피스톤에 작용하여 밸런스 피스톤을 샤프트와 일체로 토출측으로 압박하기 때문에, 베어링의 추력이 상쇄되어, 베어링에 무리한 힘이 걸리지 않는다.
청구항 2에 관한 진공 펌프는, 청구항 1에 기재된 진공 펌프에 있어서, 상기 각 밸런스 피스톤이 복수매의 플레이트부와 상기 플레이트부 사이에 간극을 구비하며, 한 쪽의 밸런스 피스톤의 상기 간극에 다른 쪽의 밸런스 피스톤의 상기 플레이트부가 회전 가능하게 진입한 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 복수매의 플레이트부 사이의 간극으로 래버린쓰 시일(labyrinth seal)이 구성되고, 플레이트부의 외주면과 수용실의 내주면이 비접촉이라도 가압실로부터 수용실로의 압력 누출이 매우 작게 억제된다. 양 밸런스 피스톤의 플레이트부가 교호로 위치함으로써 양 밸런스 피스톤사이에 있어서의 간극 누출이 방지된다.
청구항 3에 관한 진공 펌프는, 청구항 1 또는 2에 기재된 진공 펌프에 있어서, 상기 밸런스 피스톤의 외경을 D1, 골 직경을 D2, 상기 스크류 로터의 외경을 Da, 골 직경을 Db, 상기 샤프트의 축간 거리를 H로 하였을 때, H=(D1+D2)/2=(Da+Db)/2인 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 밸런스 피스톤의 외경(D1)이 스크류 로터의 외경(Da)과 같고, 밸런스 피스톤의 골 직경(D2)이 스크류 로터의 골 직경(Db)과 같으므로, 압력이 작용하는 밸런스 피스톤의 면적과 스크류 로터의 면적이 같으며, 토출압에 의해 압박되어 발생하는 추력이 밸런스 피스톤과 스크류 로터에서 동일하게 되어(힘의 방향은 반대임), 샤프트의 베어링에 작용하는 추력이 확실하게 상쇄된다.
청구항 4에 관한 진공 펌프는, 청구항 1∼3 중 어느 한 항에 기재된진공 펌프에 있어서, 상기 토출압을 상기 밸런스 피스톤에 작용시킬 때는 승압기로서 운전하고, 진공 펌프로서 작동시킬 때는, 토출측의 기체를 쿨러를 매개로 상기 스크류 로터측의 수용실의 토출측에 가까운 위치에 냉기로서 흡인시키는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 승압기로서 토출측을 고압으로 한 경우는 전술한 바와 같이 밸런스 피스톤에 의해 베어링의 마모 등이 방지되고, 진공 펌프로서 흡입측을 진공으로 하고, 토출측을 대기압으로 한 경우는, 쿨러로부터의 냉기에 의해 토출측이 냉각되어, 예컨대 분체 등의 흡인 회수가 확실하게 행해지는 동시에, 스크류 로터가 냉각된다.
청구항 5에 관한 진공 펌프는, 청구항 4에 기재된 진공 펌프에 있어서, 상기 케이싱의 토출구를 상기 쿨러와 연통시키고, 상기 쿨러를 제1 입구 밸브를 매개로 상기 가압실과 연통시킴과 동시에, 제2 입구 밸브를 매개로 상기 토출측에 가까운 위치와 연통시키며, 상기 승압기 또는 진공 펌프로서 작동시킬 때에 양 입구 밸브를 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 승압기로서 작동시킬 때는 제1 입구 밸브를 닫고 제2 입구 밸브를 열며, 진공 펌프로서 작동시킬 때는 제1 입구 밸브를 열고 제2 입구 밸브를 닫는다. 토출구로부터 나온 고압 기체의 일부가 쿨러에 도입되어 냉각되어, 입구 밸브를 거쳐서 밸런스 피스톤측의 가압실 또는 수용실의 토출측에 도입된다. 가압실 또는 수용실의 토출측은 냉기로 냉각된다.
청구항 6에 관한 진공 펌프는, 청구항 1∼5 중 어느 한 항에 기재된 진공 펌프에 있어서, 상기 가압실의 입구에 오리피스를 설치하고, 상기 오리피스를 매개로 상기 토출압을 상기 가압실에 작용시키는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 가압실 내의 압력이 필요 이상으로 높게 되는 것이 방지되며, 이에 의해 밸런스 피스톤으로부터 수용실 내로의 리크의 증가나 진공 펌프의용적 효율의 저하가 방지된다.
이하에 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 진공 펌프의 일실시 형태의 내부 구조를 도시하는 단면도이다.
이 진공 펌프(1)는 금속제 케이싱(2)의 내부에 우측 나선과 좌측 나선의 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)를 맞물리게 한 상태로 설치하고, 케이싱(2)의 한 쪽의 기어 케이스실(5) 내에서 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)의 각 샤프트(6, 7)의 일단부를 각 타이밍 기어(8)를 매개로 회동 가능하게 연결시키며, 케이싱(2)의 다른 쪽의 베어링 커버(9)의 내부에서 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)의 각 샤프트(6, 7)의 타단부를 각 베어링(10)으로 회동 가능하게 지지시키고, 케이싱(2)의 한 쪽에 흡입구(11)를 마련하고, 케이싱(2)의 다른 쪽에 토출구(12)를 마련한 진공 펌프(1)로서, 흡입구(11)측에서 케이싱(2)의 내부에 한 쌍의 밸런스 피스톤(13, 14)을 설치하고, 한 쪽의 밸런스 피스톤(13)을 한 쪽의 스크류 로터(3)의 샤프트(6)에 고정시키고, 다른 쪽의 밸런스 피스톤(7)을 다른 쪽의 스크류 로터(4)의 샤프트(7)에 고정시켜, 각 밸런스 피스톤(13, 14)을 각 스크류 로터(3, 4)와 일체로 회동 가능하게 하며, 밸런스 피스톤(13, 14)을 경계로 한 쪽에 가압실(16)을 형성하고, 다른 쪽(스크류 로터측)에 상기 흡입구(11)에 이어지는 수용실(17)을 위치시키며, 토출압에 의한 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)의 축방향의 압박력을 가압구(15)로부터 밸런스 피스톤(13, 14)에 작용하는 압력으로 상쇄하여, 베어링(10)에 대한 과대한 축방향 부하를 없앤 것을 특징으로 하는 것이다.
케이싱(2)은 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)를 병렬로 수용하도록 폭방향(축직교 방향)으로 대략 안경형으로 형성되며, 축방향의 한 쪽에 흡입구(11)를 가지고, 다른 쪽에 토출구(12)를 가지고 있다. 스크류 로터(3, 4)는 기존의 것으로서, 이후의 도 4에서 상세히 설명한다. 케이싱(2)과 베어링 커버(9), 기어 케이스실(5) 사이는 격벽(18, 19)으로 기밀하게 구획되어 있다. 본 형태에서 케이싱(2)과 기어 케이스(부호 5로 대용한다)는 일체이다. 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)의 각 샤프트(6, 7)는 각 격벽(18, 19)을 관통하여 기어 케이스실(5)과 베어링 커버(9) 내로 돌출되어 있다.
한 쪽 격벽(18)측에서 각 샤프트(6, 7)는 한 쪽의 베어링인 롤러 베어링(20)으로 회동 가능하게 지지되고, 기어 케이스실(5) 내의 타이밍 기어(8)에 키와 테이퍼 부재로 고정되어 있다. 롤러 베어링(20)은 내륜과 외륜과 양륜 사이의 원주형의 복수의 롤러로 이루어지며, 샤프트(6, 7)를 축방향으로 어느 정도 이동 가능하게 지지하고 있어, 샤프트(6, 7)가 사용시의 열팽창에 의해 신장한다고 하더라도 축방향으로 신장을 흡수할 수 있다. 한 쌍의 타이밍 기어(8)는 상호 맞물려 있다. 격벽(18)과 밸런스 피스톤(13, 14) 사이에 좁은 가압실(공실)(16)이 형성되고, 가압실(16)은 가압구(입구)(15)에서 외부로 이어지고 있다.
케이싱(2)의 다른 쪽 격벽(19)의 외측의 베어링 커버(9) 내에서 각 샤프트(6, 7)는 다른 쪽의 베어링인 앵귤러볼베어링(10)으로 지지되고, 한 쪽의 샤프트(6)는 외측으로 연장되며 그 연장부가 2중 메카니컬 시일(21)로 밀봉되면서 모터(22)(도 3)에 접속된다. 앵귤러볼베어링(10)은 3개가 1조로 되고 그 중 2개가 추력을 받는 3연식(連式) 조합 앵귤러볼축이며, 각 내륜과 외륜과 양륜 사이의 복수의 볼로 이루어지고, 각 내륜은 샤프트(6, 7)의 외주면에 견고히 밀착 고정되며, 각 외륜은 공통의 홀더(23)에 고정되고, 홀더(23)는 격벽(19)에 이어지는 프레임벽(24)에 고정되어 있다. 3연식 조합 앵귤러볼베어링(10)은 전측의 2개와 후측의 1개이며 볼의 접촉각을 다르게 하고 있다.
앵귤러볼베어링(10)은 롤러베어링(20)에 비해서 구름 저항이 낮아 고회전용으로 적합하다. 롤러베어링(20)은 앵귤러볼베어링(10)과 달리 샤프트(6, 7)의 축방향 이동이 허용되어 있고, 추력을 받지 않으며, 레이디얼 방향(직경방향)의 무거운 하중을 받는다. 3연식 조합 앵귤러볼축(10)은 추력에 강하지만, 토출압이 스크류 로터(3, 4)에 작용했을 때에 있어서의 추력을 상쇄하여 베어링 수명을 더욱 향상시키기 위하여 상기 밸런스 피스톤(13, 14)을 설정하고 있다.
밸런스 피스톤(13, 14)은 도 2에 그 주요부 단면도를 도시하는 바와 같이, 좌우 1조인 것을 전후 대칭으로 배치하여 구성되고, 좌우의 각 밸런스 피스톤(13, 14)은 금속제 원반 형상의 플레이트(25)를 축방향으로 복수매(본형태에서는 4장) 중첩하여 구성되며, 각 플레이트(25)는 중앙에 돌출된 소경의 보스부(25a)와, 보스부(25a)와 동심이면서 보스부(25a)보다도 약간 판 두께가 얇은 대경의 플레이트 주체부(플레이트부)(25b)로 구성되어 있다.
각 보스부(25a)는 축방향으로 접합되고, 각 플레이트 주체부(25b)는 평행하게 위치하며, 각 플레이트 주체부(25b) 사이에 환형의 간극(26)이 구성되고, 이 간극(26)에 이웃하는 밸런스 피스톤(13 또는 14)의 플레이트 주체부(25b)가 회전 가능하게 진입되어 있다. 각 플레이트 주체부(25b)는 서로 약간의 간극을 가지며 비접촉으로 위치하고 있다. 또, 열팽창 계수가 작은 재료를 이용하여, 양 밸런스 피스톤(13, 14)의 간극을 보다 작게 하여 간극 누출을 적게 하는 것도 가능하다.
각 플레이트 주체부(25b)의 외경, 즉 밸런스 피스톤(13, 14)의 외경은 각 스크류 로터(3, 4)의 외경과 동일하고, 각 보스부(25a)의 외경, 즉 밸런스 피스톤(13, 14)의 골 직경은 스크류 로터(3, 4)의 골 직경과 같다. 스크류 로터(3, 4)의 외경을 Da, 스크류 로터(3, 4)의 골 직경을 Db, 밸런스 피스톤(13, 14)의 외경을 D1, 밸런스 피스톤(13, 14)의 골 직경을 D2, 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)의 샤프트(6, 7)의 축간 거리를 H로 하였을 때, H=(D1+D2)/2=(Da+Db)/2이다.
밸런스 피스톤(13, 14)의 각 보스부(25a)의 내경측이 키(27)에 의해 샤프트(6, 7)에 둘레 방향으로 움직이지 않게 위치결정 고정되고, 밸런스 피스톤(13, 14)의 전단부가 스크류 로터(3, 4)의 골부(28)의 단면(28a)에 접촉하며, 밸런스 피스톤(13, 14)의 후단부가 스토퍼 플레이트(29)에 접촉하고, 밸런스 피스톤(13, 14)은 스크류 로터(3, 4)와 샤프트(6, 7)와 일체로 축방향으로 약간의 거리(베어링의 여유 정도의 거리)를 이동할 수 있다. 스크류 로터(3, 4)와 샤프트(6, 7)는 키 등의 수단에 의해 둘레 방향과 축방향으로 움직이지 않게 고정되어 있다.
밸런스 피스톤(13, 14)의 복수매의 플레이트 주체부(25b)와 그 사이의 간극(26)으로 래버린쓰 시일이 구성되고, 이에 의해, 가압구(15)로부터의 기체 압력(공기압)에 대하여 플레이트 주체부(25b)의 외주면과 케이싱(2)의 내통부(30)의 내주면 사이의 간극(h')으로부터의 압력 누출이 적게 되어 있다. 이 약간의 간극(h')에 의해 밸런스 피스톤(13, 14)과 케이싱(2)과의 접촉 눌러붙음이 방지되어 있다.
또, 가공이 가능하다면 복수매의 플레이트(25)가 아니라 하나의 단원주형(短圓柱形)의 금속 부재에 환형의 간극(26)을 복수 병렬로 형성하여 밸런스 피스톤(13, 14)을 구성시켜도 좋다. 플레이트 주체부(25) 사이의 간극(26)은, 펌프 작용을 발휘하는 것이 아니라, 밸런스 피스톤(13, 14)을 경계로 한 전후의 공실 사이[수용실(17)과 가압실(16)]의 밀봉을 확보하기 위함이다..
양 쪽 밸런스 피스톤(13, 14)의 각 플레이트 주체부(25b)는 서로 엇갈리게위치하여 축방향의 약간의 간극(h)을 가지면서 교호로 회동 가능하게 맞물려 있다. 한 쌍의 밸런스 피스톤(13, 14)은 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)와 마찬가지로, 케이싱(2) 내의 예컨대, 대략 안경형의 공실을 직경 방향으로 랩(연통)시킨 형상(대략 8자형)의 수용실(17) 내에 수용되어, 각 스크류 로터(3, 4)와 일체로 회전 가능하다. 케이싱(2) 내에 있어서 한 쪽 격벽(18)과 각 밸런스 피스톤(13, 14) 사이의 가압실(16)은 가압구(15)에 이어져 있다.
도 3에 진공 펌프(1)와 외부 배관 및 모터(22)와의 접속 상태를 도시하는 바와 같이, 가압구(15)는 스로틀부인 오리피스(31)와 제1 입구 밸브(32)를 거쳐서 외부의 배관(33)으로 이어지며, 배관(33)은 도 3에서 좌측으로 돈다고 보았을 때 필터(34)를 매개로 송냉(送冷) 쿨러(35)에 이어지고, 송냉 쿨러(35)는 짧은 배관을 거쳐서 케이싱(2)의 전단부측의 토출구(12)에 이어져 있다. 또한, 제1 입구 밸브(32)로부터 우측으로 돈다고 보았을 때 역지 밸브(36)와 제2 입구 밸브(37)를 거쳐서 케이싱(2)의 송냉구(입구)(38)에 이어져 있다. 송냉구(38)는 토출구(12)와는 직경 방향이 거의 180° 반대측에 위치하고, 축방향으로 보면 송냉구(38)는 토출구(12)보다 약간 흡입구(11)쪽에 치우쳐 위치하고 있다.
토출구(12)는 도 1과 같이 스크류 로터(3, 4)의 토출측의 공실(17)과 연통하고 있다. 송냉 쿨러(35)는 냉각수 입구(39)와 나선형의 냉각수 통로(40)와 냉각수 출구(41)와 내측의 토출 공기 통로를 가지며, 토출구(12)로부터 토출된 기체를 냉각시켜 가압구(32)측으로 보낸다. 필터(34)는 송냉 쿨러(35)에서 냉각된 기체로부터 진개 등을 제거한다. 제1 입구 밸브(32)는 개폐 가능하며, 개방 조작으로 토출압이 부하된 기체를 오리피스(31)를 매개로 밸런스 피스톤(13, 14)측의 가압실(16)(도 1)로 보낸다{이 때, 제2 입구 밸브(36)는 닫아 둔다}. 오리피스(31)는 압송시(승압기로서 사용시)의 가압실(16)이나 수용실(17)내의 과대한 압력 상승을 막는다.
제2 입구 밸브(37)도 개폐 가능하며, 제1 입구 밸브(32)를 닫은 상태에서 송냉 쿨러(35)로부터의 냉각 기체를 송냉구(38)로부터 케이싱(2) 내의 스크류 로터(3, 4)의 토출측의 수용실(17)로 보낸다. 역지 밸브(36)는 저진공시에 있어서의 송냉구(38)로부터의 기체의 역류를 막는다.
도 3에서, 부호 11은 케이싱(2)의 흡입구, 22는 모터를 각각 나타내며, 흡입구(11)는 예컨대, 외부의 진공 회수하는 쪽의 분체와 공기가 들어간 세퍼레이터 탱크 등에 배관 접속되고, 모터(22)는 축커플링(41)을 매개로 도 1의 구동측 샤프트(6)에 접속되어 있다.
이하에 본 발명의 승압 기능을 갖춘 진공 펌프(1)의 작용을 상세히 설명한다.
우선, 진공 펌프(1)를 승압기(콤프레서)로서 사용하는 경우, 도 3의 제1 입구 밸브(32)를 열고, 제2 입구 밸브(37)를 닫는다. 모터(22)의 구동에 의해 도 1의 구동측 스크류 로터(3)가 회전하고, 동시에 타이밍 기어(8)를 매개로 종동측 스크류 로터(4)가 구동측(3)과는 반대 방향으로 회전하여, 토출측(12)으로 향함에 따라서 기체가 압축되어 압력이 높아진다(일례로서 2∼3.5 kg/cm2G 정도가 된다).
토출측의 압력이 높아지면, 각 스크류 로터(3, 4)에 도 2의 화살표(Fa)와 같이 흡입측으로 향하는 축력이 작용하고, 토출측에서 각 스크류 로터(3, 4)의 샤프트(6, 7)에 밀착된 베어링(앵귤러볼베어링)(10)의 내륜이 화살표(Fa) 방향으로 압박되어, 베어링(10)에 축력(베어링에 상처를 주고자 하는 힘)이 작용하는 경향으로 된다.
그렇지만, 도 3에서 압축 기체는 토출구(12)로부터 화살표와 같이 도시하지 않은 배관으로 보내어짐과 동시에, 압축 기체의 일부가 송냉 쿨러(35) 및 필터(34)를 거쳐서 제1 입구 밸브(32)로부터 오리피스(31)를 통과하여 흡입측의 밸런스 피스톤(13, 14)의 가압실(16)로 보내어지기 때문에, 밸런스 피스톤(13, 14)이 도 2의 화살표(P1)와 같이 압력을 일단면에서 균등하게 받아 스크류 로터(3, 4)를 축력(Fa)과는 반대 방향으로 압박하며, 이에 의해 베어링(10)에 작용하는 축력(Fa)이 상쇄된다.
즉, 동일한 크기의 토출압이 스크류 로터(3, 4)와 밸런스 피스톤(13, 14)과 동시이면서 역방향으로 작용함으로써, 스크류 로터(3, 4)의 축력이 상쇄되며, 이에 의해, 베어링(10)의 수명이 현저하게 연장되게 된다.
롤러베어링(20)은 상기한 바와 같이 축력 흡수성을 갖기 때문에 축력(Fa)을 전혀 받지 않고, 앵귤러볼베어링(10)에 모든 축력(Fa)이 작용한다.
공기를 압송할 때, 제1 입구 밸브(32)에 도입되는 기체는 송냉 쿨러(35)로 냉각될 필요가 있다. 이에 따라, 밸런스 피스톤(13, 14)이 냉각된다(흡기측이 냉각된다). 진공 사용시에는 제1 입구 밸브(32)는 폐지된다.
스크류 로터(3, 4)의 외경을 Da, 스크류 로터의 골 직경을 Db, 토출압을 Pd, 축력을 Fa라고 하면, Fa≒π/4(Da2-Db2)Pd이다. 스크류 로터(3, 4)에는 반경방향의 레이디얼 하중으로서 교번 하중(양, 음 등의 큰 반복 하중)이 작용하지만, 상기 축력에 비해서 상당히 작은 하중으로서 아무런 문제가 되지 않는 것이다.
제1 입구 밸브(32)와 가압구(15) 사이에는 오리피스(31)가 설치되어 있는데, 이것은, 밸런스 피스톤(13, 14)으로부터의 간극 누출이 가압실(16) 내의 압력의 작용으로 커지기 때문에, 베어링(10)의 수명과 간극 누출에 의한 효율 저하를 고려하여 압력 스로틀을 넣어 필요 이상의 압력 상승을 막는 것에 의거한다.
간극 누출량은 일반적으로 다음 식으로 부여된다.
G=0.000313VF√{P1/(Z+1.5)U1×60}
여기서, G; 간극 누출량, P1; 고압측 압력 Kg/cm2ab, U; 비용적 RT/P1m3, R; 기체 상수=29.27 Kgfm/KgfK, Po; 저압측 압력 1.033 Kg/cm2ab, Z; 래버린쓰의 스로틀 단수(段數), f; 스로틀부의 평균 간극 면적, V; 유량 계수, Pc; 임계 압력 Kg/cm2, Pc=0.85 P1/√(Z+1.5)이다. √는 대괄호로 묶인 수치 전체에 걸리는 것이다.
이와 같이, 오리피스(31)는 고압측(가압실측)의 압력(P1)을 조절하고, 간극누출량(G)을 억제하여, 용적 효율의 악화를 방지한다. 오리피스(31) 대신에 입구 밸브(32)로 그 역할을 대용시키는 것도 가능하지만, 미리 오리피스(31)로 스로틀링 기능을 하게 해둠으로써 입구 밸브(32)는 완전 개방 또는 완전 폐쇄 조작만 하면 되어, 작업(제어)이 용이하다.
예컨대, 토출압이 2 Kg/cm2G까지는 베어링(10)의 수명은 Lh=3만 Hrs 이상이기 때문에, 토출압(Pd)이 2 Kg/cm2G이상인 경우, 예컨대, Pd=3.5 Kg/cm2G일 때는, P1=3.5-2=1.5(Kg/cm2)로 하면, 수명 Lh=3만 Hrs가 달성되게 된다. 여기서, 가압실(16)의 압력 P1=3.5 Kg/cm2G로 하면, 수명 Lh=∝(거의 전혀 파손되지 않는다)로 되지만, 그 대신 밸런스 피스톤(13, 14)으로부터의 간극 누출량(G)이 늘어나고, 진공 펌프(승압기)(1)의 용적 효율은 저하된다.
용적 효율을 향상시키기 위해서는, 밸런스 피스톤(13, 14)의 외주와 케이싱(2)의 내주 사이의 간극이나 각 밸런스 피스톤(13, 14) 사이의 간극을 작게 하여 간극 누출을 적게 할 필요가 있다. 이 간극을 작게 하기 위해서, 예컨대, 노비나이트(nobinite) 주철이라는 열팽창 계수가 통상의 철에 비해서 1/5정도인 것을 밸런스 피스톤재나 케이싱재로 사용하는 것도 유효하며, 이것을 스크류 로터재에 적용하는 것도 가능하다.
이어서, 진공 펌프(1)를 탈기용으로 사용하는 경우는, 도 3의 제1 입구 밸브(32)를 닫고 제2 입구 밸브(37)를 연다. 케이싱(2)의 흡입구(11)에는, 예컨대,흡인하는 쪽의 기체와 용제(액체)가 들어간 탱크 등을 접속해 둔다. 흡입구(11)를 흡입 밸브(도시하지 않음)로 막는 것도 가능하다. 제1, 제2 입구 밸브(32, 37)의 스위칭을 전기적으로 행하게 하는 것도 가능하다.
상기 승압기로서 작동시킨 경우와 마찬가지로 모터(22)의 구동에 의해 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)가 돌아서, 예컨대, 분체 등이 흡인되어 세퍼레이터 탱크 내로 회수된다.
도 3에서 토출구(12)로 배출된 기체의 일부가 송냉 쿨러(35)로 도입되어 냉각된 후, 배관(33)의 도중에 있는 필터(34)에서 여과되어, 역지 밸브(36)를 통과하여 제2 입구 밸브(37)로부터 케이싱(2)의 송냉구(38)를 지나서 토출측에 가까운{토출구(12)와는 거의 180° 반대측의) 수용실(17) 내에 도입된다. 이에 의해, 수용실(17) 및 스크류 로터(3, 4)가 냉각되고, 예컨대 수용실(17) 내의 용제의 응축이 촉진되어, 스크류 로터(3, 4)에 의한 흡인력이 증대됨으로써, 진공 펌프로서 크게 작용하게 된다.
스크류 로터(3, 4)는 도 1과 같이 모터(22)(도 3)에 직결된 우측 나선의 구동측(3)과, 타이밍 기어(8)를 매개로 회동하는 좌측 나선의 종동측(4)으로 이루어지고, 각 스크류 로터(3, 4)는 동일 형상의 것이 180° 반전된 상태에서 미끄럼 이동 가능하게 맞물려 있다. 각 스크류 로터(3, 4)는 골부(28)(도 2)와, 골부(28) 외측의 비대칭의 나선치(螺旋齒)(42)를 구비하며, 골부(28)의 내측에 샤프트(6, 7)를 구비하고 있다.
도 4에 한 쌍의 스크류 로터(3, 4)의 맞물린 상태의 축직각방향 단면을 도시하는 바와 같이, 각 나선치(42)는 골부(28)(도 2)의 외주를 구성하는 소경의 거의 1/4주의 원호(43)와, 원호(43)의 한쪽으로 이어지는 의사(pseudo)아르키메데스 곡선(44)과, 원호(43)의 다른 쪽으로 이어지는 에피택셜 트로코이드 곡선(45)과, 나선치 외주의 큰 원호(46)로 구성되고, 의아르키메데스 곡선(44)의 아래쪽과 에피택셜 트로코이드 곡선(45)의 아래쪽은 큰 원호(46)로 부드럽게 이어져 있다. 도 4에서 부호 47은 회전 중심을 나타낸다.
한 쌍의 스크류 로터(3, 4)가 케이싱(2) 내에서 화살표와 같이 역방향으로 회전하여 소정 지점까지 압축없이 등용적(等容積)으로 이동하고, 사이드 케이스(9)측의 격벽(19)에 마련한 토출 포트(12a)(도 1)가 스크류 로터(4)의 단면으로 폐지된 상태로부터 개방되기 직전의 1/2 회전이 되는 지점에서 기체가 압축되어, 토출 포트(12a)의 개방과 동시에 배출된다. 상세한 것에 대해서는 특개소63-36085호 공보 참조.
본 발명에 있어서의 밸런스 피스톤(13, 14)(도 1)은 상기 곡선 형상 이외의 스크류 로터를 사용하는 진공 펌프에도 적용 가능하다. 또한, 밸런스 피스톤(13, 14)은 밀봉성만 좋으면 복수매가 아니라 1장만이어도 좋고, 또한 복수매를 일체화시킨 것이어도 좋다. 플레이트 주체부(25b)(도 2)의 매수는 2장이어도 3장이어도 그 이상이어도 좋지만, 래버린쓰 시일의 관점에서 4장 정도가 타당하다.
또한, 상기 실시예에서는 스크류 로터(3, 4)와 샤프트(6, 7)와 밸런스 피스톤(13, 14)는 일체적으로 동일 회전수로 회전하지만, 밸런스 피스톤(13, 14)을 예컨대, 스러스트 베어링 등을 매개로 샤프트(6, 7)와는 별개로 회전 가능하게 하는것도 가능하다. 이 경우, 밸런스 피스톤(13, 14)은 축방향의 간극이나 요동없이 스크류 로터(3, 4)의 단면(28a)에 접촉되어 있을 필요가 있다.
도 5는 참고적으로 상기 진공 펌프의 사용 상태의 일형태를 도시하는 것으로서, 도 5에서, 부호 1은 진공 펌프, 51, 52는 사일런서(silencer), 53은 세퍼레이터 탱크, 54는 로터리 밸브, 55∼58은 밸브, 59, 60은 배관, 61은 흡인 호스, 62는 회수물인 예컨대, 분체를 각각 나타낸다.
제1 밸브(55)는 사일런서(51)와 진공 펌프(1)의 흡입구를 연결하는 흡입측의 배관(59a)에 설치되고, 제2 밸브(56)는 탱크(53)와 흡입측의 배관(59a)을 접속하는 배관(60)에 설치되고, 제3 밸브(57)는 진공 펌프(1)의 토출측의 배관(59b)과 사일런서(52)를 연결하는 배관의 도중에 설치되고, 제4 밸브(58)는 탱크(53)와 로터리 밸브(54) 사이에 설치된다.
흡인시에는, 제2 밸브(56)와 제3 밸브(57)를 열고, 압송 방향(화살표 A 방향)과는 반대측의 제1 밸브(55)와 탱크 아래쪽의 제4 밸브(58)를 닫고, 진공 펌프(1)를 작동시켜 작업자가 흡인 호스(61)로 회수물(62)을 탱크(53) 내에 회수한다.
회수물(62')을 압송(공기 수송)할 때에는, 반대로 제2와 제3의 각 밸브(56, 57)를 닫고, 제1과 제4의 각 밸브(55, 58)를 열고, 진공 펌프(1)를 작동시킴으로써 탱크(53) 내의 회수물(62')이 로터리 밸브(54)에 의해 일정량씩 베이스 배관(59) 내로 낙하하면서 진공 펌프(1)의 토출압으로 압송된다.
이상과 같이, 청구항 1에 기재된 발명에 따르면, 승압기로서 작동시켰을 때에, 스크류 로터의 축받이(베어링)에 큰 추력이 작용하고자 하지만, 밸런스 피스톤이 그 힘을 상쇄시킴으로써 베어링의 부하가 경감되어, 베어링의 수명이 현저하게 연장된다. 이에 의해, 진공 펌프를 예컨대, 토출압 2∼3.5 kg/cm2G의 승압기로 하여도 아무런 문제 없이 사용할 수 있으며, 분체나 고형물 등의 공기 수송에 있어서의 배관의 사이즈 다운이나, 원거리 수송·대량 수송을 위한 고밀도 수송에 콤프레서를 사용하지 않고서 진공 펌프만으로 확실하게 대응할 수 있다.
청구항 2에 기재된 발명에 따르면, 래버린쓰 시일 작용에 의해서 밸런스 피스톤측의 가압실로부터 스크류 로터측의 수용실로의 압력 누출이 매우 작게 억제되고, 스크류 로터측의 압축 효율의 저하가 방지된다.
청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 밸런스 피스톤과 스크류 로터에서 압력 작용부의 면적이 동일하므로, 추력이 밸런스 피스톤과 스크류 로터에서 동일하게 되어(힘의 방향은 역), 베어링에 작용하는 추력이 확실하게 상쇄되어, 베어링의 수명이 한층 더 확실하게 향상된다.
청구항 4에 기재된 발명에 따르면, 승압기로서 작동시킨 경우는 전술한 바와 같이 밸런스 피스톤에 의해 베어링의 마모 등이 방지되고, 진공 펌프로서 작동시킨 경우는, 쿨러로부터의 냉기로 토출측이 냉각되어, 예컨대 분체 등의 진공 회수가 확실하게 행해지는 동시에, 스크류 로터가 냉각되어, 스크류 로터의 열팽창에 의한 케이싱과의 접촉·눌러붙음이 방지된다.
청구항 5에 기재된 발명에 따르면, 각 입구 밸브의 개폐 조작으로 승압기와 진공 펌프의 적절한 사용을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 밸런스 피스톤이 냉각됨으로써, 밸런스 피스톤의 열팽창에 의한 케이싱과의 접촉이나 눌러붙음이 방지된다.
청구항 6에 기재된 발명에 따르면, 가압실 내의 압력이 필요 이상으로 높아지는 것이 방지되고, 이에 의해, 밸런스 피스톤으로부터 수용실 내로의 리크의 증가나 진공 펌프의 용적 효율의 저하가 방지된다. 이에 의해, 밸런스 피스톤에 의한 추력의 상쇄 작용이 확실하게 행해지는 동시에, 스크류 로터에 의한 압축 효율의 저하가 방지된다.

Claims (6)

  1. 축직각 단면 형상이 에피택셜 트로코이드, 원호, 의사(pseudo)아르키메데스 곡선으로 이루어지는 한 쌍의 스크류 로터를 맞물리게 한 상태에서 케이싱 내에 회동 가능하게 피봇 지지시키고, 상기 한 쌍의 스크류 로터의 회동에 의해 로터축 방향으로 기체를 압축하여 토출시키는 진공 펌프에 있어서,
    상기 케이싱의 흡입측에 있어서 상기 한 쌍의 스크류 로터의 샤프트에 각각 밸런스 피스톤을 설치하고, 상기 밸런스 피스톤으로 상기 스크류 로터측의 수용실과 상기 밸런스 피스톤측의 가압실을 구획시키며, 상기 가압실에 토출압을 작용시켜, 승압시의 상기 스크류 로터의 추력을 상쇄시키도록 한 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 밸런스 피스톤이 복수매의 플레이트부와 상기 플레이트부 사이에 간극을 구비하며, 한 쪽의 밸런스 피스톤의 상기 간극에 다른 쪽의 밸런스 피스톤의 상기 플레이트부가 회전 가능하게 진입한 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밸런스 피스톤의 외경을 D1, 골 직경을 D2, 상기 스크류 로터의 외경을 Da, 골 직경을 Db, 상기 샤프트의 축간 거리를 H로하였을 때, H=(D1+D2)/2=(Da+Db)/2인 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토출압을 상기 밸런스 피스톤에 작용시킬 때는 승압기로서 운전하고, 진공 펌프로서 작동시킬 때는, 토출측의 기체를 쿨러를 매개로 상기 스크류 로터측의 수용실의 토출측에 가까운 위치에 냉기로서 흡인시키는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  5. 제4항에 있어서, 상기 케이싱의 토출구를 상기 쿨러와 연통시키고, 상기 쿨러를 제1 입구 밸브를 매개로 상기 가압실과 연통시킴과 동시에, 제2 입구 밸브를 매개로 상기 토출측에 가까운 위치와 연통시키며, 상기 승압기 또는 진공 펌프로서 작동시킬 때에 양 입구 밸브를 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가압실의 입구에 오리피스를 설치하고, 상기 오리피스를 매개로 상기 토출압을 상기 가압실에 작용시키는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
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