KR20120065999A

KR20120065999A - 드라이 스크루 드라이버

Info

Publication number: KR20120065999A
Application number: KR1020127003652A
Authority: KR
Inventors: 파올로 까바토르타; 움베르토 토메이
Original assignee: 로부스끼 에스.피.에이.
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-06-21
Also published as: AU2016216518A1; CN102575673B; EP2452074B1; ITPR20090054A1; PL2452074T3; RU2547211C2; DK2452074T3; JP5647239B2; RU2012104612A; BR112012000602A2; US20120201708A1; WO2011004257A3; JP2012533016A; CN102575673A; KR101799411B1; ES2429526T3; EP2452074A2; AU2010269955A1; WO2011004257A2; HK1170286A1

Abstract

본 발명은 주변 속도가 80 m/s 미만인 메일 로터(2)를 갖는 드라이 스크루 컴프레서를 개시한다. 상기 드라이 스크루 컴프레서(1)는, 인입될 기체성 유체를 위한 입구(10) 및 압축된 유체를 위한 적어도 하나의 출구(11)를 갖는 케이싱 본체(4), 및 함께 맞물리는 적어도 하나의 메일 로터(2)와 적어도 하나의 피메일 로터(3)를 포함하고, 상기 로터들(2, 3)은 케이싱 본체(4) 내에 배치되고, 이에 의해, 메일 로터(2)의 외경과 길이(Lm) 간의 비가 2 이상이고, 메일 로터(2)의 권선 각(φ)이 300°이하이다.

Description

드라이 스크루 드라이버{DRY SCREW DRIVER}

본 발명은, 압력 응용분야(예를 들어, 대량의 기체를 전달해서 유산소 반응을 개시하고 이러한 반응에 도움을 주어야 하는, 수 처리 또는 과립(granulates)이나 분말의 전달) 및 진공 응용분야(예를 들어, 기체, 연기 또는 스팀 배기 시스템)에서 사용하기 위한, 기체를 위한 구체적으로는 공기를 위한 드라이 스크루 컴프레서에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 드라이 스크루 컴프레서는 150 밀리바(mbar)인 임계 절대 압력 하에서 그리고 1바 내지 3바(bar) 사이와 같이 낮은 차압(differential pressure)을 갖는 응용분야에서 사용된다.

이미 알려져 있듯이, (1바(bar)보다 낮은) 저 차압 응용분야에서는 로브 컴프레서(lobe compressors)를 사용한다. 이러한 로브 컴프레서는, 축이 평행한 두 개의 로브 로터(일반적으로 두 개 또는 세 개의 로브)가 함께 맞물려 반대 방향으로 동기식으로 회전하는 컴프레서이다.

그러나, 이러한 로브 컴프레서는, 구조적으로는 간단하고, 경제적이며 양호한 흐름을 보장할 수 있지만, 열역학적 효율은 매우 낮다.

따라서, 저압 하에서 동작할 수 있으며, 높은 흐름과 내부 압축 기계의 열역학적 효율 특성을 갖지만, 가능한 로브 컴프레서와 유사한 구조적 특성을 갖는 스크루 컴프레서가 제안되어 왔다.

알려져 있듯이, 고압 하의 정상적인 스크루 컴프레서는, 각 축 둘레로의 회전 동안 함께 맞물리며 케이싱 본체 내에 수용되는 적어도 하나의 메일 로터(male rotor) 및 적어도 하나의 피메일 로터(female rotor)를 포함한다. 이러한 두 개의 로터의 각각은 상대측 로터의 대응하는 스크루 형상의 홈과 맞물리는 스크루 형상의 리브(ribs)를 갖는다. 메일 로터와 피메일 로터 모두는, 단면에 있어서, 각자의 리브에 대응하는 소정 개수의 톱니(teeth) 및 각자의 홈에 대응하는 소정 개수의 밸리(valleys)를 갖는다. 케이싱 본체는 가스가 인입되는 입구 및 (압축된 가스를 위한) 출구("전달 출구"라고도 함)를 갖는다. 인입 가스는 두 개의 이동 로터 간에 압축되며, 요구 압력 하에서 출구에 도달한다.

또한, 오일 주입 컴프레서와는 달리 일반적으로 "오일-프리(oil-free)" 로 지칭되는 드라이 스크루 컴프레서는, 오염 물질의 레벨을 결정된 퍼센트 임계값 아래로(일반적으로 매우 낮게) 유지해야 하는 응용분야에서 많이 사용되는 것으로 알려져 있다.

최근, 일부 제조사들은 3바 내지 10바(bar) 간의 범위를 포함하는 차압에 대한 드라이 스크루 컴프레서를 제안해 왔으며, 그 결과 고압(10바 보다 높음) 상태에서의 응용을 위해 오일 주입 스크루 컴프레서 기술을 변경하게 되었다.

그러나, 이러한 드라이 스크루 컴프레서의 제조는, 로터가 겪는 상당한 기계적 응력 및 열적 응력을 고려해야 하므로, 상당히 복잡하며 고 비용이 든다. 특히, 부하 하에서 과도한 휘어짐을 피하기 위해, 메일 로터의 길이와 외경 간의 비는 일반적으로 1.5 내지 1.8이며, 이러한 요건은 컴프레서 용량을 크게 제한하며, 일반적으로 150 m/s를 초과하는 매우 높은 주변 속도에서 로터를 개시하기 위해 컴프레서 구조 내에 기어 멀티플라이어(gear multiplier)의 삽입을 필요로 한다.

전달 출구를 변경함으로써, 전술한 컴프레서를 1바 내지 3바(bar) 범위를 포함하는 차압 하에서도 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 저압 컴프레서는, 고압 컴프레서와 동일한 구조적 복잡성으로 인해 단점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 이러한 종류의 기계에서 통상적인 열역학적 효율 및 높은 흐름을 갖고 저압 하에서 동작할 수 있는 드라이 스크루 컴프레서를 제안하는 것이다.

특히, 본 발명의 주 목적은, 구조적으로 간단하며, 유지하는 것이 경제적이고 용이하며, 높은 유동성을 가지며 (1바 내지 3바(bar) 범위를 포함하는) 저 차압 하에 있는 드라이 스크루 컴프레서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 절대 압력의 최대 150 밀리바(mbar)인 임계값까지 이르는 진공 응용분야에도 적합한 드라이 스크루 컴프레서를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제 및 특정 목적들은 실질적으로 독립 청구항 제1항과 제1항을 인용하는 종속항들에서 청구하고 있는 기술적 특성을 포함하는 드라이 스크루 컴프레서에 의해 달성된다.

본 발명의 추가 특성 및 장점은 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 하기의 드라이 스크루 컴프레서의 대략적이며 비제한적인 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 드라이 스크루 컴프레서의 길이 방향의 단면도이다.
도 2는 도 1의 드라이 스크루 컴프레서에 속하는 드라이 스크루 컴프레서에 속하는 일부 상세의 길이 방향의 3차원 도면이다.
도 3은 도 1과 도 2에 따른 컴프레서에서 사용되는 로터의 단면도이다(일정한 비율로 되어 있지 않음).
도 4는 본 발명에 따른 드라이 스크루 컴프레서에서 사용되는 메일 로터의 개략적인 3차원 측면도이다(일정한 비율로 되어 있지 않음).

도 1을 참조해 보면, 참조번호(1)는, 본 발명에 따른, 기체용, 특히, 공기용 드라이 스크루 컴프레서를 나타낸다.

컴프레서(1)는 압력 하에서 그리고 진공 하에서 사용될 수 있다.

컴프레서(1)는 함께 맞물린 적어도 하나의 메일 로터(2) 및 적어도 하나의 피메일 로터(3)를 포함한다(도 1, 도 2, 도 3).

여기서 설명하는 예시하는 실시예는 단일 케이싱 본체(4) 내에 수용되는 단일 메일 로터(2) 및 단일 피메일 로터(3)를 제공한다.

특히, 이 케이싱 본체(4)는 두 개의 연통 실린더(도시하지 않음)를 결합하여 로터들(2, 3)을 수용하는 단일 캐비티(5)를 정의함으로써 얻는다.

다른 실시예(도시하지 않음)는 메일 로터(2)와 피메일 로터(3)의 복수의 결합 쌍을 제공한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 피메일 로터(3)는 (회전축(O1)을 갖는) 샤프트(17) 상에 맞춰져 있는 반면, 메일 로터(2)는 (회전축(O2)을 갖는) 샤프트(18) 상에 맞춰져 있다. 특히, 제1 회전축(O1)은 제2 회전축(O2)으로부터 (일반적으로 중심 거리로 알려져 있는) 소정의 거리(1)에 위치한다. 제1 회전축(O1) 및 제2 회전축(O2)은 서로 평행하다.

상기 로터들(2, 3)의 각각은, 상대측 로터(2, 3)의 대응하는 스크루 형상의 리브들 간에 형성된 스크루 형상의 홈과 맞물리는 스크루 형상의 리브들(ribs)을 갖는다. 이러한 식으로, 단면(도 3)에 있어서, 메일 로터(2)는 피메일 로터(3)의 대응하는 밸리들(valleys)(8) 및 로브들(9)(또는 이)과 맞물리는 로브들(6)(또는 이) 및 밸리들(7)을 나타낸다.

또한, 도 3은 로터들(2, 3)의 프로파일을 특징으로 하는 일부 주요 치수 파라미터들을 도시하고 있다. 특히, 피메일 로터(3)의 외주연(external circumference)(Cef) 및 메일 로터(2)의 외주연(Cem)을 알 수 있다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 메일 로터(2)의 길이(Lm)는 피메일 로터(3)의 길이(Lf)에 대응한다.

본 발명의 도 3에 도시한 것과 동일한 결합된 프로파일들은 동일 출원인에 의해 출원된 국제 특허출원번호 PCT/IB2010/051416호에 개시되고 청구되어 있으며, 그 내용은 이하에서 설명하는 기하학적 요소들과 함께 본 발명의 상세한 설명의 일부를 구성하는 것으로 간주되어야 하며, 또한 컴프레서 용량을 최대화할 수 있으며 로터들 간의 그리고 로터와 로터의 케이싱 간의 결합 영역들에서 일반적으로 발생하는 가스 누출을 최소화할 수 있다.

실제로, 여기서 구체적으로 도 4를 참조하면, 권선각(winding angle; φ)은, 메일 로터(2)의 축(O2)을 메일 로터(2)의 제1 단부 평면(πl) 상의 나선(40)에 연결하는 세그먼트(OA) 및 축(O2)을 제1 단부 평면(πl)에 반대되는 로터(2)의 제2 단부 평면(π2) 상의 나선(40)에 연결하는 세그먼트(O'B') 간의 (일반 톱니(generic tooth)의 헤드에 의해 기술되는) 일반 나선(40)의 각도에 의해 형성된다.

도 4에도 도시한 바와 같이, 로터(2)는 상대적 톱니의 헤드에 의해 기술되는 서로 평행한 세 개의 나선(30, 40, 50)을 포함한다.

또한, 메일 로터(2)의 "길이"(Lm)이라는 용어는 두 개의 단부 평면(πl, π2) 간의 거리를 정의하며, 두 개의 나선(30, 40) 간의 "피치"(Pz)라는 용어는 지점(B)과 지점(B1) 간의 거리를 정의하며, "나선 각"(ψ)이라는 용어는 임의의 지점(P)에서의 나선(40)에 대한 탄젠트(r) 및 메일 로터(2)의 축(O2) 간의 각을 정의한다.

본 발명에서는, 로터들의 로브들의 프로파일들을 함께 결합한 상태로 컴프레서 용량을 최대화하기 위해 그리고 이에 따라 높은 기체 흐름을 보장하기 위해 메일 로터(2)(도 4를 또한 참조)의 외경(Dm)과 길이(Lm) 간의 비가 2 이상이어야 한다는 것을 알게 되었다. 바람직하게, 상기 Lm/Dm 비는 2 내지 3이다. 이러한 문맥에서, 외경(Dm)은 메일 로터(2)의 외주연(Cem)의 직경을 의미한다(도 3).

또한, 컴프레서 용량을 최대화하기 위해, 다른 기하학적 치수들이 동일한 경우, 권선각(φ)의 최대 값은 300°이어야 한다는 것을 알게 되었으며, 실제로, 메일 로터(2)의 이의 길이(Lm), 직경(Dm) 및 프로파일을 동일하게 하면서 권선각(φ)의 값을 증가시킴으로써, 결국 두 개의 로터(2, 3)의 이들 간의 중첩이 증가하며, 컴프레서(1)의 총 용량이 저감된다.

또한, 값들(Lm, Pz) 및 각도(φ, ψ)는 기하학적으로 서로 연관된다.

따라서, 저감된 압력 하에서 그리고 메일 로터(2)의 저감된 주변 속도에서 최대 기체 흐름을 제공하는 "권선 각" (φ)의 최적 값을 정의하기 위해, 파라미터들(Lm, Dm, Pz, ψ)의 최적 값들을 반영하여 결정할 수 있다.

바람직하게, 메일 로터(2)의 로브들(6)의 개수는 피메일 로터(3)의 로브들(9)의 개수와는 다르다. 구체적으로, 메일 로터(2)의 로브들(6)의 개수는 피메일 로터(3)의 로브들(9)의 개수보다 적어도 하나만큼 적다. 예를 들어, 여기서 설명하고 예시하는 실시예에서, 메일 로터(2)의 로브들(6)의 개수는 3인 반면, 피메일 로터(3)의 로브들(9)의 개수는 5이다. 다른 실시예(도시하지 않음)에서, 메일 로터(2)의 로브들(6)의 개수는 4인 반면, 피메일 로터(3)의 로브들(9)의 개수는 6이다.

두 개의 로터(2, 3)는 알려져 있는 종류의 두 개의 톱니 휠(toothed wheels; 20a, 20b)에 의해 형성된 동기화 기어에 의해 반복 위치에서 유지된다(도 1).

명백하게, 컴프레서(10)의 정확한 동작이 가능하도록, 동기화 기어들(20a, 20b) 간의 전달 비는 두 개의 로터(2, 3)의 이의 개수 간에 존재하는 비와 같아야 한다.

장점으로서, 구동 샤프트는 톱니를 더 많이 갖는 것이기 때문에 피메일 로터(3)가 고정된 샤프트(17)이며, 이에 따라 상기 샤프트(17)의 각각의 회전은 다수의 갭을 채우는 것에 대응되며, 다시 말해, 컴프레서(1)에 의해 전달되는 더욱 많은 부피에 대응된다.

도 2에 더욱 상세히 도시한 바와 같이, 케이싱 본체(4)는 화살표(F1)를 따라 흘러 인입될 기체성 유체를 위한 입구(10) 및 화살표(F2)를 따라 흐르는 압축된 유체를 위한 적어도 하나의 출구(11)(또는 전달 출구)를 갖는다. 상기 출구(11)는 케이싱 본체(4)에 형성된 개구부(12)를 정의한다.

컴프레서(1)는 공지된 종류의 베어링을 사용한다. 특히, 방사상 부하들은 입구(10)에 가깝게 배치된 방사상 볼 베어링의 제1 그룹(19a) 및 출구(11)에 가깝게 배치된 원통형 볼 베어링의 제2 그룹(19b)에 의해 유지된다. 반면에, 축 부하들은 베어링의 제2 그룹(19b) 옆에 배치된 비스듬한 컨택트 볼 베어링의 제3 그룹(19c)에 의해 유지된다.

도 1에 도시한 구체적인 실시예에서, 컴프레서(1)에는, 제1 회전축(O1) 둘레로 로터 회전을 개시하도록 피메일 로터(3)의 샤프트(17) 상에 로터가 고정되는 전기 모터(16)가 유익하게 제공된다. 바람직하게, 모터(16)는 영구 자석 모터이다. 바람직하게, 영구 자석 모터(16)는 물 순환에 의해 냉각되는 종류의 것이다. 다른 방안으로, 영구 자석 모터는 공기에 의해 냉각되는 종류의 것이다.

전술한 바와 같이, 모터(16)는, 바람직하게 피메일 로터(3)의 샤프트(17) 상에 고정되며(keyed), 즉, 상기 샤프트(17)와 정렬된다.

로터들(2, 3)의 속도 변동이 필요없는 경우, 컴프레서(1)는 "벨트 및 풀리" 구동(도시하지 않음)에 의해 전기 모터(도시하지 않음)에 결합될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 드라이 스크루 컴프레서의 동작을 설명한다.

기체(예를 들어, 공기)는 컴프레서(1)에 의해 취해지며, 입구(10)를 통해, 케이싱 본체(4) 내에 인입된다(도 1, 도 2) 회전 동안, 피메일 로터(3)의 스크루 형상의 리브들은 메일 로터(2)의 스크루 형상의 홈들과 맞물리며, 그 반대의 경우에도 맞물린다. 로터들(2, 3) 간에 컨택트가 없는 실시예들에서는, 로터들(2, 3) 간의 정확한 전달/승산 비가 동기화 기어들(20a, 20b)에 의해 기동된다.

케이싱 본체(4)를 길이 방향으로 가로지름으로써, 기체는 두 개의 회전하는 로터들(2, 3)의 "코일들" 간에 압축되고, 이에 따라 출구(11)에 도달하게 된다.

케이싱 본체(4)의 측면 상에 개구부(12)가 배치된 제1 실시예는, 예를 들어, 1 내지 4 범위의 "중간" 압축 비(R)에 대하여 사용되는 반면, 제2 실시예에서는, (평면(πl) 상에; 도 1 참조) 케이싱 본체(4)의 단부에 대응하여 개구부(12)가 배치되며, 이러한 최종 해결책은, 예를 들어, 4 내지 10 범위의 "높은" 압축 비(R)에 대하여 선택된다. 양측 실시예들에는 필요로 하는 압축비(R)에 대응하는 개구부(12)의 실제 치수를 정의하는 성형 수단(도시하지 않음)이 제공될 수 있다.

전술한 설명은 본 발명에 따른 드라이 스크루 컴프레서의 특성 및 그 장점을 명백히 나타낸다.

구체적으로, 메일 로터의 외경과 길이 간의 비(2 이상)는 (1바 내지 3바(bar) 간의) 저 차압에 의해 또는 진공 응용분야에서 150 밀리바(mbar)인 임계 절대 압력에 의해 가능하게 된다.

또한, 피메일 로터의 샤프트에 의한 컴프레서의 동작 및 프로파일 형상의 선택에 의해, 로터들을 동일한 길이로 하면서 컴프레서 용량을 최대화할 수 있고, 이에 따라 메일 로터(2)의 80 m/s 미만인 주변 속도에서, 요구되는 높은 흐름에 도달할 수 있다.

또한, 결합된 두 개의 로터의 프로파일들의 형상은, 밀봉이 더욱 양호하며 로터들 간의 더욱 짧은 컨택트 라인을 얻을 수 있게 하며, 이에 따라 블로바이를 저감할 수 있다.

또한, 컴프레서가 80 m/s 미만의 메일 로터의 주변 속도로 동작한다는 사실 때문에, 피메일 로터의 주변 속도는 더욱 낮아지고, 따라서 전기 모터의 로터는 피메일 로터의 샤프트 상에 직접 맞춰질 수 있으며(즉, 멀티플라이 기어들을 내삽하지 않음), 이에 따라 구조적으로 간단하고 컴팩트하며 더욱 높은 에너지 효율을 갖는 컴프레서를 얻게 된다. 이는 피메일 로터의 로브들의 개수와 메일 로터의 로브들의 개수 간의 비에 대응하는, 로터들의 동기화 기어들의 승산비를 활용하게 한다(설명한 실시예에서는, 5/3 = 1.66667임). 이는 컴프레서에 집적되는 톱니 휠 멀티플라이어들(toothed-wheel multipliers)의 사용을 피하게 해주며, 이에 따라 구조적 간단성, 방해물, 비용 및 노이즈에 있어서 장점을 갖게 해 준다.

또한, 넓은 범위의 속도에 비해 저 소모를 특징으로 하는 영구 자석 모터를 사용함으로써 컴프레서의 에너지 효율을 또한 제공한다. 특히, 이러한 종류의 영구 자석 모터는 당해 기술에서 사용되는 3상 비동기식 전기 모터보다 높은 효율성을 갖고 특히 저감된 속도에서의 높은 효율성을 갖는다. 그 중에서도, 수냉식 영구 자석 모터를 사용함으로써 모터의 크기와 무게를 저감시킬 수 있고, 이에 따라 메일 로터의 샤프트를 직접 배열할 수 있으며, 컴프레서의 방사상 베어링을 활용할 수 있다.

마지막으로, 요구되는 압축비에 따라 크기가 가변되는 전달 출구를 사용함으로써 에너지 효율의 최적화를 얻을 수 있으며, 이에 따라 다용도를 가지면서 모듈식인 컴프레서를 생성하게 된다.

Claims

주변 속도가 80 m/s 미만인 메일 로터(male rotor; 2)를 갖는 드라이 스크루 컴프레서(1)로서,
인입될 기체성 유체를 위한 입구(10) 및 압축된 유체를 위한 적어도 하나의 출구(11)를 갖는 케이싱 본체(4); 및
상기 케이싱 본체(4) 내에 배치되고, 함께 맞물리는 적어도 하나의 메일 로터(2)와 적어도 하나의 피메일 로터(3)를 포함하는 드라이 스크루 컴프레서(1)에 있어서,
상기 메일 로터(2)의 외경과 길이(Lm) 간의 비가 2 이상이고, 상기 메일 로터(2)의 권선 각(φ)이 300°이하인 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제1항에 있어서,
구동 샤프트는 상기 피메일 로터(3)가 고정되는 샤프트(17)인 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제2항에 있어서,
제1 회전축(O1) 둘레로의 회전을 개시하도록 상기 피메일 로터(3)의 상기 샤프트(17) 상에서 동작가능하게 기능하는 전기 모터(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제3항에 있어서,
상기 전기 모터(16)의 로터는 상기 피메일 로터(3)의 상기 샤프트(17) 상에 고정되는 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 전기 모터(16)는 영구 자석 모터인 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출구(11)는 상기 케이싱 본체(4)에 형성된 개구부(12)를 정의하고,
상기 개구부(12)의 실제 크기는 소정의 압축비(R)를 얻기 위해 성형 수단에 의해 가변적인 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
1바 내지 3바(bar) 사이인 차압(differential pressures) 하의 응용분야에서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
최대 150 밀리바(mbar)인 임계 절대 압력의 진공 하의 응용분야에서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 드라이 스크루 컴프레서.