KR20090076786A - 스크류 압축기 - Google Patents

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KR20090076786A
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screw
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KR1020080135552A
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쇼오지 요시무라
아끼노리 다무라
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명에 따른 스크류 압축기에서는, 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱 내에 압축 대상 기체를 흡입하는 흡입 유로와, 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링 사이에 립 시일이 배치된다. 흡입 유로와 립 시일 사이에는 격벽이 형성되며, 격벽과 로터 샤프트 사이에는 0.5 내지 1.5mm의 간극이 형성된다. 이 구조에 따르면, 립 시일의 수명이 먼지에 의해 단축될 우려가 없다.
Figure P1020080135552
스크류 로터, 로터 케이싱, 흡입 유로, 로터 샤프트, 베어링, 립 시일, 격벽, 간극, 윤활 유로

Description

스크류 압축기{SCREW COMPRESSOR}
본 발명은 스크류 압축기에 관한 것이다.
예를 들어, 일본 특허 공개공보 제2007-132243호에는, 흡입측 베어링 내의 윤활유가 흡입 유로(channel)로 유출되는 것을 방지하기 위해 베어링 케이싱 내에 립 시일(lip seal)이 배치되는 수냉식 스크류 압축기가 개시되어 있다. 이러한 스크류 압축기에서는, 흡입 유로와 베어링 케이싱 사이에 구획(partition)을 제공하는 격벽과 로터(rotor) 샤프트 사이의 간극(gap)이 가능한 한 작게 설정되어, 따라서 립 시일이 파괴될 때에도, 베어링 윤활유가 즉시 흡입 유로로 유출되지 않아 베어링에 대한 손상을 초래하지 않을 수 있다.
통상적으로, 흡입 유로는 베어링 케이싱에 대해 부압(negative pressure)으로 유지되지만, 예를 들어, 작동이 중단될 때는, 흡입 유로의 내부 압력이 베어링 케이싱의 내부 압력보다 높아지며, 압축 대상 기체가 베어링 케이싱 내로 유입될 수 있다. 이때, 압축 대상 기체가 먼지를 동반할 수 있고 먼지가 립 시일과 격벽 사이에 유입될 수 있다는 우려가 있다. 격벽과 로터 샤프트 사이의 간극이 작기 때문에, 립 시일과 격벽 사이에 일단 유입된 먼지는 그 곳에 정체되게 되고, 그 결 과 립 시일이 손상되어 립 시일의 수명이 단축된다.
조립 시에, 흡입 유로를 구획하는 격벽과 립 시일 사이에 스크류 압축기 먼지가 유입되어, 결국 립 시일 수명을 단축시키는 경우도 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은 립 시일 수명이 먼지에 의해 단축되지 않는 스크류 압축기를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 태양에서는, 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터와, 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱과, 압축 대상 기체를 로터 케이싱 내로 흡입하는 흡입 유로와, 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링과, 흡입 유로와 베어링 사이에 배치된 립 시일과, 흡입 유로와 립 시일 사이에 형성된 격벽을 포함하며, 격벽과 로터 샤프트 사이에는 0.5mm 이상의 간극이 형성된 스크류 압축기가 제공된다.
이 구조에 따르면, 립 시일의 로터측 공간에 유입되는 먼지가 격벽과 로터 샤프트 사이의 간극으로부터 배출되어, 립 시일이 손상되지 않는다.
본 발명의 제1 태양에 따른 스크류 압축기에서, 격벽과 로터 샤프트 사이의 간극은 1.5mm 이하일 수 있다.
격벽과 로터 샤프트 사이의 간극이 1.5mm를 초과하더라도, 먼지 배출 작용에는 차이가 없다. 립 시일의 손상에 대한 대책으로서, 문제의 간극을 작게 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 태양에서는, 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터와, 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱과, 압축 대상 기체를 로터 케이싱 내로 흡입하 는 흡입 유로와, 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링과, 흡입 유로와 베어링 사이에 배치된 립 시일과, 흡입 유로와 립 시일 사이에 형성된 격벽을 포함하며, 격벽과 로터 샤프트 사이에는 립 시일의 높이의 1/10 이상의 간극이 형성되된 스크류 압축기가 제공된다. 본 명세서에서 언급되는 "립 시일의 높이"란, 로터 샤프트에 수직인 립 시일의 크기를 의미한다. 흡입 유로와 베어링 사이에 복수의 립 시일이 존재하는 경우에, 문제의 크기는 흡입 유로에 가장 가깝게 위치하는 립 시일의 크기이다.
이 구조에 따르면, 립 시일의 로터측 공간에 유입되는 먼지가 격벽과 로터 샤프트 사이의 간극으로부터 배출되므로, 립 시일이 손상되지 않는다.
본 발명의 제2 태양에 따른 스크류 압축기에서, 격벽과 로터 샤프트 사이의 간극은 립 시일의 높이의 3/10 이하일 수 있다.
격벽과 로터 샤프트 사이의 간극이 립 시일의 높이의 3/10을 초과하더라도, 먼지 배출 작용에는 차이가 없다. 립 시일의 손상에 대한 대책으로서, 격벽과 로터 샤프트 사이의 간극을 작게 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 및 제2 태양에 따른 스크류 압축기에서, 립 시일과 격벽 사이에는 윤활 유체를 그 내부로 도입하는 윤활 공간이 형성될 수 있으며, 윤활 공간에 윤활 유체를 도입하는 윤활 유로도 형성될 수 있다.
이 구조에 따르면, 윤활 유체는 흡입 유로로부터 윤활 공간으로의 먼지 유입을 방지하며, 먼지가 윤활 공간에 유입되어야 할지라도, 윤활 유체가 먼지를 흡입 유로로 배출하기 때문에 립 시일은 먼지에 의해 손상되지 않는다.
본 발명의 제3 태양에서는, 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터와, 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱과, 압축 대상 기체를 로터 케이싱 내로 흡입하는 흡입 유로와, 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링과, 베어링을 유지하는 베어링 케이싱과, 흡입 유로와 베어링 케이싱 사이를 구획하고 로터 샤프트가 이를 통해 연장되는 격벽과, 베어링 케이싱 내에서 베어링에 대해 흡입 유로측에 배치되고 베어링 케이싱의 내부를 분할하는 립 시일과, 윤활유를 도입하고 립 시일에 대해 흡입 유로측에서 베어링 케이싱 내의 공간에 형성된 윤활 유로를 포함하는 스크류 압축기가 제공된다.
이 구조에 따르면, 윤활 유체가 베어링 케이싱 내의 립 시일에 대해 흡입 유로측에 형성된 공간으로부터 흡입 유로를 향해 지속적으로 흐르기 때문에, 먼지가 흡입 유로로부터 베어링 케이싱 내로 유입될 우려가 없다.
따라서, 본 발명에서는, 베어링을 흡입 유로로부터 격리시키는 립 시일 주위에 먼지가 유입되도, 먼지를 흡입 유로 내로 배출할 수 있거나(제1 및 제2 태양), 또는 본 발명에 따른 스크류 압축기는 베어링을 흡입 유로로부터 격리시키는 립 시일 주위에 흡입 유로로부터 먼지가 유입되는 것을 방지하도록(제3 태양) 구성된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 립 시일의 수명이 단축되지 않는다.
특히, 본 발명에 따르면, 베어링이 윤활유에 의해 윤활되고 로터 케이싱이 물에 의해 윤활되는 수냉식 스크류 압축기에 있어서, 베어링 윤활유의 유출을 방지하기 위한 립 시일의 수명 단축을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 하기에 설명한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스크류 압축기(1)를 도시한다. 스크류 압축기(1)는, 압축 대상 기체(예를 들면, 공기 또는 냉매)가 하우징(2)의 로터 케이싱(3) 내에 수용된 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터(4)에 의해 압축되는 오일 프리(oil-free) 스크류 압축기이다.
하우징(2)에는, 압축 대상 기체를 로터 케이싱(3)에 공급하는 흡입 유로(5)와, 스크류 로터(4)에 의해 압축된 기체를 로터 케이싱(3)에 배출하는 배출 유로(6)와, 흡입측과 배출측 양측에서 스크류 로터(4)의 로터 샤프트(7)를 지지 및 밀봉하는 구조물을 그 내부에 설치하는 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8, 9)이 형성된다. 흡입 유로(5)와, 흡입측에 배치된 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8)은 로터 샤프트(7)의 관통을 위한 개구를 갖는 격벽(10)에 의해 상호 구획된다.
스크류 압축기(1)는, 로터 케이싱(3)의 내부를 윤활 및 냉각시키기 위해 냉각수가 압축 대상 기체와 함께 급수로(도시되지 않음)로부터 흡입 유로(5)를 통해 로터 케이싱(3) 내로 공급되는 방식으로 구성된 수냉식 압축기이다.
각각의 로터 샤프트(7)는 흡입측에 배치된 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8) 내에 설치된 하나의 롤러 베어링(11)에 의해 또한 배출측에 배치된 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(9) 내에 설치된 두 개의 볼 베어링(12)에 의해 회전가능하게 지지된다. 로터 샤프트(7)는 흡입측 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8)을 통해 하우징(2)의 외부까지 연장되며, 모터(도시되지 않음)에 연결된다.
롤러 베어링(11)의 모터측에는, 모터측에 이물질[롤러 베어링(11) 내의 윤활유 또는 그리스]이 유입되는 것을 방지하는 립 시일(13)이 설치된다. 롤러 베어링(11)의 스크류 로터(4)측에는, 롤러 베어링(11) 내의 윤활유가 스크류 로터(4)를 향해 유출되는 것을 방지하는 립 시일(14) 및 냉각수가 흡입 유로(5)로부터 롤러 베어링(11) 내로 유입되는 것을 방지하는 립 시일(15)이 배치된다.
스크류 로터(4)와 볼 베어링(12) 사이에 배치된 배출측 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(9)에는, 스크류 로터(4)측으로부터 순서대로 기계적 시일(16)과 립 시일(17, 18)이 배치된다. 기계적 시일(16)은, 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(9)의 내벽과 끼워맞춤된 고정 스테이터(fixed stator) 및 스테이터와 기밀하게 접촉하고 로터 샤프트(7)와 끼워맞춤되어 로터 샤프트(7)와 함께 회전하는 로터를 포함하는 공지된 밀봉 장치이다. 립 시일(17)은 기계적 시일(16)측으로부터 냉각수의 유입을 방지하는 방향으로 설치되는 반면에, 립 시일(18)은 볼 베어링(12)으로부터 윤활유 또는 그리스의 유출을 방지하는 방향으로 설치된다.
하우징(2) 내에는, 립 시일(14, 15) 사이에 배치된 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8)과 외부를 연통하는 개방 유로(19) 및 기계적 시일(16)과 립 시일(17) 사이에 배치된 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(9)과 흡입 유로(5)를 연통하는 감압 유로(20)가 형성된다.
스크류 압축기(1)와 관련하여, 도2는 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)과, 립 시일의 정상 수명인 5000시간의 작동 이후의 립 시일(15)의 마모량과의 관계를 도시한다. 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)이 0.5mm보다 작 은 값으로 설정되었을 때, 립 시일(15)은 5000시간의 경과 이전에 손상되었다.
도2에 도시된 바와 같이, 립 시일(15)의 요구 수명은 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)을 0.5mm 이상으로 설정함으로써 보장될 수 있다. 이는 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)을 크게 만든 결과로써 간극(δ)으로부터 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8)에 유입되는 먼지가 동 간극으로부터 흡입 유로(5)로 배출되어 그로인해 립 시일(15)이 손상되기 어려워지기 때문이다. 이 실험에서의 립 시일(15)의 높이가 5mm이기 때문에, 립 시일(15)의 높이에 기초하여, 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)은 립 시일(15)의 높이의 1/10 이상일 필요가 있다. 본 명세서에서 언급되는 립 시일(15)의 높이란, 도면에서 수직 방향, 즉 로터 샤프트에 수직인 립 시일(15)의 크기를 의미한다.
먼지에 의해 초래되는 립 시일(15)의 마모는 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)이 커질수록 감소된다. 안전 계수를 고려하면, 간극(δ)은 1.0mm[립 시일(15)의 높이의 2/10] 이상의 값인 것이 바람직하다.
그러나, 간극(δ)이 1.5mm[립 시일(15)의 높이의 3/10]를 초과하더라도, 마모 감소 효과에는 차이가 없다. 립 시일(13, 14)이 손상되는 경우에도 롤러 베어링(11) 내의 윤활유의 유출을 감소시키기 위해 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극(δ)은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 따라서, 간극(δ)은 1.5mm[립 시일(15)의 높이의 3/10] 이하여야 한다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스크류 압축기(1a)를 도시한다. 이하의 설명에서, 이전 실시예와 동일한 구성요소는 이전 실시예에서와 동일한 도면부호로 지칭되며, 동일한 설명은 생략된다. 제1 실시예의 스크류 압축기(1)와 마찬가지로, 스크류 압축기(1a) 역시 로터 케이싱(3)이 냉각수에 의해 윤활 및 냉각되는 수냉식 스크류 압축기이다.
스크류 압축기(1a)에서, 립 시일(15)의 로터 케이싱(3)측에는, 립 시일(15)과 격벽(10) 사이에 윤활 공간(21)이 형성된다. 추가로, 하우징(2) 내에는 상기 윤활 공간(21)에 냉각수(윤활 유체)를 공급하기 위한 윤활 유로(22)가 형성된다. 스크류 압축기(1a)의 배출측에서의 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(9) 내에는, 로터-스테이터 간극을 냉각수로 밀봉하기 위한 비접촉형 래비린스(labyrinth) 시일(16a)이 배치된다.
스크류 압축기(1a)는 냉각수를 분리시키기 위해 배출 유로(6)로부터 기액 분리기(gas-liquid separator)(23) 내로 압축 기체의 배출을 유도하며, 이후 이 기체를 소비 설비(도시되지 않음)에 공급한다. 기액 분리기(23)에 의해 분리된 냉각수는 필터(24)에 의해 이물질이 제거된 후, 윤활 유로(22)를 통해 윤활 공간(21)에 도입된다. 이렇게 윤활 공간(21)에 도입된 냉각수는 각각의 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극을 통해 흡입 유로로 유입되고, 기체와 함께 로터 케이싱(3) 내로 흡입되어 로터 케이싱(3) 및 스크류 로터(4)를 윤활 및 냉각시킨다.
본 실시예에서는, 냉각수가 윤활 공간(21)에 공급되기 때문에, 윤활 공간(21)으로부터 흡입 유로를 향한 윤활 유체의 지속적인 유동이 보장된다. 따라서, 먼지가 흡입 유로(5)로부터 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱(8) 내로 유입되지 못한다. 따라서, 립 시일(15)의 비정상적인 마모를 방지할 수 있어, 그로인해 립 시 일(15)의 수명은 단축되지 않는다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스크류 압축기(1b)를 도시한다. 스크류 압축기(1b)는 제2 실시예와 마찬가지로 수냉식 스크류 압축기이지만, 각각의 로터 샤프트(7)와 격벽(10) 사이의 간극은 종래의 스크류 압축기에서와 같이 작다. 따라서, 윤활 공간(21)으로부터 흡입 유로로 누출되는 냉각수의 양이 작으며, 냉각수는 주로 로터 케이싱(3)에 직접 공급된다. 본 실시예에서, 윤활 공간(21)의 압력 상승을 방지하기 위해서는, 윤활 유로(22)에 공급되는 냉각수의 유량 및 압력을 규제하기 위한 조절장치(regulator) 등을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 윤활 공간(21)으로부터 흡입 유로를 향한 윤활 유체의 지속적인 유동이 보장되기 때문에, 흡입 유로로부터 윤활 공간(21)으로의 먼지 유입의 우려가 없다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스크류 압축기의 도시도.
도2는 격벽과 로터 샤프트 사이에 형성된 간극의 크기와 립 시일의 마모 사이의 관계를 도시하는 그래프.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스크류 압축기의 도시도.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 스크류 압축기의 도시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 스크류 압축기 2: 하우징
3: 로터 케이싱 4: 스크류 로터
5: 흡입 유로 6: 배출 유로
7: 로터 샤프트 8, 9: 샤프트 지지 및 밀봉 케이싱
10: 격벽 11: 롤러 베어링
12: 볼 베어링 13, 14, 15, 17, 18: 립 시일
19: 개방 유로 20: 감압 유로
21: 윤활 공간 22: 윤활 유로
23: 기액 분리기 24: 필터

Claims (8)

  1. 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터와,
    상기 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱과,
    압축 대상 기체를 상기 로터 케이싱 내로 흡입하는 흡입 유로와,
    상기 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링과,
    상기 흡입 유로와 상기 베어링 사이에 배치된 립 시일과,
    상기 흡입 유로와 상기 립 시일 사이에 형성된 격벽을 포함하고,
    상기 격벽과 상기 로터 샤프트 사이에는 0.5mm 이상의 간극이 형성된 스크류 압축기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 격벽과 상기 로터 샤프트 사이의 상기 간극은 1.5mm 이하인 스크류 압축기.
  3. 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터와,
    상기 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱과,
    압축 대상 기체를 상기 로터 케이싱 내로 흡입하는 흡입 유로와,
    상기 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링과,
    상기 흡입 유로와 상기 베어링 사이에 배치된 립 시일과,
    상기 흡입 유로와 상기 립 시일 사이에 형성된 격벽을 포함하고,
    상기 격벽과 상기 로터 샤프트 사이에는 상기 립 시일의 높이의 1/10 이상의 간극이 형성된 스크류 압축기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 격벽과 상기 로터 샤프트 사이의 상기 간극은 상기 립 시일의 높이의 3/10 이하인 스크류 압축기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 립 시일과 상기 격벽 사이에는 윤활 유체를 그 내부에 도입하는 윤활 공간이 형성되고, 상기 윤활 공간에 상기 윤활 유체를 도입하는 윤활 유로가 형성된 스크류 압축기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 윤활 유체는 물인 스크류 압축기.
  7. 서로 맞물리는 한 쌍의 암수 스크류 로터와,
    상기 스크류 로터를 수용하는 로터 케이싱과,
    압축 대상 기체를 상기 로터 케이싱 내로 흡입하는 흡입 유로와,
    상기 스크류 로터 각각의 흡입측 로터 샤프트를 지지하는 베어링과,
    상기 베어링을 유지하는 베어링 케이싱과,
    상기 흡입 유로와 상기 베어링 케이싱 사이를 구획하고, 상기 로터 샤프트가 이를 통해 연장되는 격벽;
    상기 베어링 케이싱 내에서 상기 베어링에 대해 상기 흡입 유로측에 배치되 고, 상기 베어링 케이싱의 내부를 분할하는 립 시일과,
    윤활유를 도입하고, 상기 립 시일에 대해 상기 흡입 유로측에서 상기 베어링 케이싱 내의 공간에 형성된 윤활 유로를 포함하는 스크류 압축기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 윤활 유체는 물인 스크류 압축기.
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