KR20060097018A

KR20060097018A - 압축기

Info

Publication number: KR20060097018A
Application number: KR1020067007565A
Authority: KR
Inventors: 매츠 순드스트룀; 헨리크 오만
Original assignee: 스벤스카 로토르 마스키너 아베
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-09-13
Also published as: SE524343C2; SE0302739D0; WO2005038257A1; JP2007508494A; SE0302739L; US20070207045A1; CN100458164C; CN1867775A; EP1687539A1

Abstract

본 발명은 압력(P)이 최저 압력(P2)과 최대 압력(P1) 사이에서 변경될 수 있는 압력 용기(T)에 대하여 작동하도록 되어 있는 헬리컬 스크루 로터 압축기(K)에 관한 것으로, 상기 압축기(K)는 전기 모터(M)에 의해 구동된다. 상기 전기 모터는 상기 압력 용기의 압력 구간(P)에 의해 정해지는 작동 범위에서, 모터의 절반의 토크에 의해 모터의 속도를 적어도 6% 증가시키도록 되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 압축기는 압축기의 압력이 개방 상태에서 P2 + 0.85 * (P1 - P2) 이하로 되도록 하는 내부 용적 인자(inner volume factor)에 대하여 최적화되는 것이 또한 바람직하다.

Description

압축기{COMPRESSOR}

본 발명은 압력(P)이 압축기의 작동 범위 내에 있고 최저 압력과 최고 압력 사이에서 변경될 수 있는 압력 용기에 대하여 작동하도록 되어 있는 속도 조절식 헬리컬 스크류 로터 압축기에 관한 것이다. 압축기는 전기 모터에 의해 구동된다.

이러한 압력 용기 또는 축압기 탱크에서는 압력 변동이 보다 작은 것이 바람직하다. 대형 축압기 탱크의 경우에, 이러한 작은 압력 변동은 매우 빈번한 시작-정지 제어 설비에 의해 또는 모터의 속도(r.p.m.)를 조절함으로써 달성될 수 있다.

압축기의 속도 제어는 일반적으로 파워가 10-30 kW에 이르는 하이 파워 모터(high power motor)에 의해 구동되는 공기 압축기에 대하여 사용된다. 압축기의 속도는 전자식 제어 수단에 의해 제어된다. 10-30 kW보다 훨씬 낮은 파워의 로우 파워 모터(lower power motor)와 같은 약한 모터에 의해 구동되는 압축기에 있어서는, 전자 회로를 기반으로 하는 압축기 속도 제어를 경제적인 이유로 사용할 수 없다. 그 이유는, 압축기 속도 제어로 인한 에너지 절감에 비하여 제어용 전자 장치가 극히 고가이기 때문이다. 그러나, 속도 제어 압축기의 파워에 있어서의 상기 약 10-30 kW의 하한은 에너지 비용의 증가에 의해 낮아질 수 있다.

압력 용기 내의 압력을 제어하는 바람직한 방법은, 적절한 제어 수단을 매개 로, 용기 내의 압력이 최대값에 도달한 때에 압축기 모터를 정지시키고, 용기 내의 압력이 예정된 하한값에 도달한 때에 모터를 동작시키도록 작동하는 압력 센서를 압력 용기에 사용하는 것이다.

통상의 비동기 모터를 사용할 때에, 그러한 제어의 결과로 압력 용기를 빠르게 최대 압력으로 되게 할 수 있다. 소비가 많거나 압력 용기가 비교적 작은 경우에, 모터는 빈번하게 정지 및 동작한다. 이들 빈번한 모터의 시동은 모터의 수명을 상당히 단축시킬 수 있다.

에너지 절감 이외에, 속도 제어의 목적은 압축기와 관련하여 작동하는 버퍼 탱크를 속도를 제어하지 않는 경우보다 훨씬 작게 제작할 수 있도록 하는 것이다. 따라서, 속도가 제어되지 않는 압축기는 보다 큰 버퍼 탱크와 보다 큰 탱크 수납 공간을 필요로 하며, 이와 함께 투자 비용이 더 증가하게 된다.

스크루드라이버, 페인트 스프레이 및 그 외의 다양한 수동 공구와 같이 보다 간단한 용례에서 사용될 수 있는 소형의 속도 조절식 압축기에 대한 요구가 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 모터가 전술한 최저 파워보다 훨씬 작은 파워를 갖고, 고가의 제어 장비 없이도 적어도 하나의 작동 범위 내에서 속도를 조절할 수 있는 모터 구동식 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 속도가 소정의 작동 범위 내에서 토크 또는 모멘트 인덱스(index)에 크게 의존하는 모터에 의해 구동되는 압축기에 의해 달성된다. 바람직한 실시예를 종속항으로부터 알 수 있다.

이제 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 공지의 헬리컬 스크루 압축기의 종방향 단면도이고,

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 단면도이고,

도 3은 압축기를 포함하는 시스템의 개략도이고,

도 4는 통상의 압축기 모터의 모터를 속도(r.p.m.)의 함수로서 개략적으로 도시하고 있고,

도 5는 본 발명에 따른 압축기 모터의 도 4에 대응하는 도면을 개략적으로 도시하고 있다.

이하에서는 도 2를 참고로 하여, 헬리컬 스크루 압축기의 구성 및 작동 원리를 개략적으로 설명하기로 한다.

한 쌍의 상호 맞물리는 스크루 로터(101, 102)가 2개의 단부벽(103, 104)에 의해 경계가 정해진 작동 공간에서 회전하도록 장착되어 있고, 상기 단부벽들 사이에서 배럴벽(105; barrel wall)이 연장된다. 배럴벽(105)은 도 2로부터 명확한 바와 같이 2개의 실린더가 서로 일부 겹쳐지는 형태와 대략 대응하는 형태를 갖는다. 각각의 로터(101, 102)는 복수의 로브(106, 107)와, 로터를 따라 나선형으로 연장되는 중간의 홈(111, 112)을 포함하고 있다. 하나의 로터(101)는 각 로브(106)의 주요 부분이 피치원의 외측에 위치하고 있는 수형 로터이고, 다른 로터(102)는 각 로브(107)의 주요 부분이 피치원의 내측에 위치하고 있는 암형 로터이다. 암형 로터(102)는 일반적으로 수형 로터(101)보다 많은 수의 로브를 구비한다. 통상의 조합으로는, 수형 로터(101)가 4개의 로브를 구비하고, 암형 로터(102)가 6개의 로브를 구비하는 것이 있다.

압축 대상의 가스, 일반적으로 공기는 입구 포트(108)를 통하여 압축기의 작동 공간으로 운반된 후에, 작동 공간의 벽과 로터 사이에 형성된 V형 작동 챔버에서 압축된다. 각 작동 챔버는 로터(101, 102)가 회전함에 따라 도 1의 우측으로 이동한다. 따라서, 작동 챔버의 용적은 입구 포트와의 연통이 차단된 후에 사이클의 후반부 중에 계속해서 감소한다. 이로써, 가스는 압축되어, 압축 상태로 출구 포트(109)를 통하여 압축기로부터 나간다. 출구 압력 대 입구 압력 사이의 비율은 입구 포트(108)와의 연통이 차단된 직후의 작동 챔버의 용적과, 출구 포트(109)와의 연통이 시작하는 때의 작동 챔버의 용적 사이의 고유의 용적 관계에 의해 결정된다.

도 3은 샤프트 또는 액슬(1)을 매개로 모터(M)에 의해 구동되는 압축기(K), 바람직하게는 헬리컬 스크루 압축기를 도시하고 있다. 압축기는 유입 라인(2)이 개방되는 입구 포트(6)를 구비한다. 유입 라인(2)은 공기가 압축기로 들어갈 수 있게 하는 동시에 공기가 반대 방향으로 유동하는 것을 방지하는 체크 밸브(3)를 구비한다. 압축기는 타단에 출구 포트(7)를 구비하며, 이 출구 포트는 라인(4)을 매개로 압력 탱크(T)에 연결되어 있다. 압축 공기에 의해 구동되는 하나 이상의 공구(V)에는 라인(5)을 매개로 압력 탱크(T)로부터 압력이 공급된다. 압력 탱크는 신호 전달 라인(10)을 매개로 제어 수단(8)에 연결되어 있는 압력 센서(9)를 구비하며, 상기 제어 수단은 모터의 기동 및 정지를 제어하는 기능을 한다.

압력 탱크(T) 내의 압력은 최고 압력(P1)과 최저 압력(P2) 사이에서 변경된다. 모터(M)는 압력 탱크 내의 압력이 상기 최고 압력(P1)에 도달할 때까지 압축기(K)를 구동하고, 최고 압력에 도달한 때에 모터(M)가 정지한다. 압력 탱크(T) 내의 압력이 최저 압력(P2)으로 강하되면, 모터(M)가 재가동되어 압축기를 다시 구동하며, 이와 함께 압축 공기를 압력 탱크(T)로 반송한다. 체크 밸브(3)는 압축 공기가 압력 탱크(T)로부터 압축기(K) 및 유입 라인(2)을 통하여 역류하는 것을 방지한다.

도 4는 토크 곡선을 비동기 모터의 회전 속도의 함수로서 개략적으로 도시하고 있다. 축에는 눈금이 그어져 있지 않다. 모터는 토크 M_2A에 대해 N₄의 속도를 갖는다. 모터의 토크가 M_1A로 증가하면, 모터의 속도는 N₃로 낮아질 것이다. 이러한 비동기 모터에 대한 관계는 상기 모터의 작동 범위에서 적어도 실질적으로 선형이다. 따라서, 비동기 모터는 비교적 큰 토크 증가〔△M_k = M_1A-M_2A〕가 모터 속도의 비교적 작은 감소를 유도하는 특징이 있다.

비동기 모터의 이러한 특징의 결과로, 모터는 압력 탱크 내의 압력이 압력 P2로 강하할 때 기동하고, 이와 함께 압축기가 공기를 압축하기 시작한다. 모터 토크를 M_2A로부터 M_1A로 상승시키는 데 필요한 속도 증가가 작기 때문에, 압축기는 이러한 토크 범위에서 거의 최대 용량으로 작동할 것이다. 그 결과 탱크 압력은 빠르게 상승한다. 따라서 비동기 모터에 의해 구동되는 압축기로 인하여, 압력 탱크(T) 내에 원하는 최대 압력을 얻는 데에 소요되는 압축기 작동 시간이 짧아진다. 탱크 내의 압력의 저하를 유도하는 비교적 소량의 공기만이 이러한 짧은 주기 동안에 소모된다. 이로 인하여 모터가 빈번하게 기동하여, 탱크 내의 압력을 원하는 압력 범위로 유지한다. 모터의 빈번한 기동 및 정지 시의 이들 모멘트는 예컨대 모터 권선의 과열의 결과로 모터의 수명을 현저하게 감소시킨다.

도 4와 유사하게, 도 5는 토크 곡선을 모터 속도의 함수로서 개략적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시된 곡선은 정류기 모터에 관한 것이다. 도 5에 도시된 축에는 눈금이 그어져 있지 않다. 도 5의 토크(M_1k 및 M_2k)는 도 4의 토크(M_1A 및 M_2A)에 대응하는 것이다. 정류기 모터는 토크 M_2k에 대하여 N₂의 속도를 갖는다. 상기 모터의 토크가 M_1k로 증가하면, 모터의 rpm은 N₁으로 낮아질 것이다. 이러한 관계는 작동 범위에서 정류기에 대하여 적어도 실질적으로 선형이다. 이러한 모터의 경우에는, 비교적 큰 토크 증가〔△M_k = M_1A-M_2A〕가 모터 속도의 비교적 큰 감소를 야기한다.

정류기 모터의 이러한 특성의 결과로, 탱크 내의 압력은 모터가 기동하는 때에(도 3 참조) P_2k로 낮아지고, 이와 함께 압축기가 공기를 압축하기 시작한다. 모터 토크를 M_2k로부터 M_1k로 상승시키는 데 필요한 rpm, 즉 모터 속도가 현저히 증가하기 때문에, 압축기는 최대 압력을 달성하기 위해서는 비동기 모터에서 필요로 하 는 시간 주기보다 상당히 긴 시간 주기에 걸쳐 작동할 필요가 있다. 이는 압축기를 정류기 모터에 의해 구동하는 경우에 탱크 압력(P1)을 달성하는 데에 더 긴 시간이 소요되는 것을 의미하는 것이다. 이러한 압축기 작동 시간 중에, 소비되는 공기의 용적은 비동기 모터에 의해 구동되는 압축기의 경우보다 훨씬 크며, 이와 같이 비동기 모터에 의해 구동되는 압축기에서 최대 탱크 압력에 훨씬 빠르게 도달할 수 있다. 따라서, 압력 탱크(T)를 가압 상태로 유지하기 위하여 정류기 모터를 이용할 때에 포함되는 모터의 기동 회수는 동일한 압축기를 비동기 모터에 의해 구동할 때에 포함되는 모터의 기동 회수보다 훨씬 작다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 내부 용적 인자(inner volume factor)가 비교적 작은 압축기가 사용된다. 내부 용적 인자는 사용된 헬리컬 로터 압축기에 포함되는 최소 및 최대 스레드 용적(thread volume) 사이의 관계를 의미하는 것이다. 상기 내부 용적 인자는, 압력 탱크(T)와 연통하기 시작하는 작동 챔버의 스레드 용적이 최소 용적을 가질 때에 압축기(K)의 압력이 〔P2 + 0.85 * (P1 - P2)〕 이하로 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 이것은, 소정의 작동 범위에서의 압축기의 출구 압력이 최대로 압력 탱크의 최소 압력과, 압력 탱크의 최대 압력과 최소 압력 사이의 차이의 85%를 더한 것과 동일하다는 것을 의미하는 것이다. 압축기는, 개방 상태에서의 압축기 압력이 압력 용기 내의 최저 작동 압력(P2)과 동일하게 되도록 내부 용적 인자가 최적화되는 것이 바람직하다. 압축기는, 개방 상태에서의 압축기 압력이 압력 용기 내의 최저 작동 압력(P2)보다 낮게 되도록 내부 용적 인자가 최적화되는 것이 가장 바람직하다.

Claims

압력(P)이 최저 압력(P2)과 최대 압력(P1) 사이에서 변경될 수 있는 압력 용기(T)에 대하여 작동하도록 되어 있는 헬리컬 스크루 로터 압축기(K)로서,

상기 압축기(K)는 전기 모터(M)에 의해 구동되며, 압력 용기(T)의 압력 구간(P)에 의해 정해지는 작동 범위에서, 상기 전기 모터는 모터의 절반의 토크에 의해 모터의 속도를 적어도 6% 증가시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 로터 압축기.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터(M)는 모터의 절반의 토크에 의해 모터의 속도를 최대 100%까지 증가시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 로터 압축기.
제1항에 있어서, 상기 전기 모터(M)는 정류기 모터인 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 로터 압축기.
제1항에 있어서, 상기 압축기(K)는, 압축기(K)의 압력이 개방 상태에서 P2 + 0.85 * (P1 - P2) 이하로 되도록 내부 용적 인자(inner volume factor)가 최적화되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 로터 압축기.
제4항에 있어서, 상기 압축기(K)는 압축기(K)의 압력이 개방 상태에서 압력 용기 내의 최저 작동 압력(P2)과 동일하게 되도록 내부 용적 인자가 최적화되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 로터 압축기.
제4항에 있어서, 상기 압축기(K)는 압축기(K)의 압력이 개방 상태에서 압력 용기 내의 최저 작동 압력(P2) 이하로 되도록 내부 용적 인자가 최적화되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 로터 압축기.