KR20200105817A - 압축기 - Google Patents
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Abstract
건식-압축 압축기는 흡입 챔버를 형성하는 하우징(26)에 2개의 스크류 로터를 포함한다. 압축기의 압축기 입구(28)에서, 바람직하게 대기압이 지배적이고, 압축기의 압축기 출구(32)에서, 바람직하게 2 bar(절대) 이상의 압력이 지배적이다. 각각의 스크류 로터에 대해, 복수의 권선을 형성하는 헬리컬 리세스를 포함하는 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)가 제공된다. 스크류 로터 당 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)는 단일-패스 비대칭 프로파일을 갖는다.
Description
본 발명은 압축기, 특히 스크류 압축기에 관한 것이다.
가스를 압축하기 위해, 특히 압축 공기를 제공하기 위해, 오늘날 주로 오일-분사식 스크류 압축기가 사용된다. 일반적으로, 하나의 압축기 스테이지에서 1 bar(절대(absolute))에서 8.5 bar(절대) 내지 14 bar(절대)의 압축을 수행할 수 있다. 여기서, 전달된 흡입 체적은 30 ㎥/h 내지 5000 ㎥/h의 범위로 유동한다. 이러한 스크류 압축기는 2개의 역-회전 스크류 로터를 포함한다. 스크류 로터는 각각 변위 요소가 형성되도록 적어도 하나의 깊어진 헬리컬 부분을 포함한다. 2개의 스크류 로터가 배치되는 흡입 챔버 내로의 오일의 주입은 로터와 하우징 사이의 갭 및/또는 흡입 챔버의 내부 벽을 밀봉하는 역할을 한다. 오일을 제공함으로써, 하나의 압축기 스테이지에서 특히 최대 14 bar까지의 높은 압축 압력을 실현하기에 충분한 기밀성이 달성될 수 있다. 또한, 오일은 2개의 스크류 로터 사이의 롤링 접촉부를 윤활하는 역할을 한다. 따라서, 2개의 스크류 로터에 대한 동기화 기어가 필요하지 않다. 또한, 오일은 압축 열을 방출하는 역할을 한다. 단지 이러한 방식으로, 낮은 온도는 효율로 달성될 수 있다. 마지막으로, 오일은 기계적 소음을 완화시키는 역할을 한다. 오일 사용의 본질적인 단점은 오일이 전달될 가스로 들어가는 것이다. 다중-스테이지 분리기의 도움으로 압축된 공기로부터 오일을 제거해야 한다. 결과적으로, 이러한 압축기는 복잡하고, 넓은 설치 공간이 필요하다. 제약 또는 식품 산업의 분야와 같이 고순도의 압축된 공기가 필요한 분야에서 특히 오일 주입식 스크류 압축기의 사용은 불가능하거나, 매우 복잡한 다중-스테이지 오일 분리기를 사용할 때만 가능하다.
오일-프리 압축된 공기를 생성하기 위해, 건식-압축 스크류 압축기를 사용하는 것으로 알려져 있다. 여기서, 2개의 스크류 로터는 비접촉 방식으로 배치되고, 오일-윤활식 기어를 통해 서로 동기화된다. 그러나, 건식-압축 스크류 압축기는 하나의 압축기 스테이지가 4 bar(절대) 내지 5 bar(절대)로 압축만 허용한다는 단점이 있다. 그 이유는 특히 로터와 하우징 사이의 갭을 통해 큰 누출이 발생하기 때문이다. 예를 들어 9 bar(절대)의 압력에 도달하기 위해, 그에 따라 2-스테이지 스크류 압축기를 사용해야 한다. 2개의 압축기 스테이지 외에도, 압축된 공기의 중간 냉각이 필요하므로, 이는 많은 구성 요소를 포함하고 큰 설치 공간이 필요한 복잡한 장비가 필요하게 한다.
또한, 소위 회전 톱니 압축기로 구성된 건식-압축 압축기가 공지되어 있다. 이들 역시 대략 9 bar(절대)의 높은 압력을 달성하기 위해 다중-스테이지 구성이어야 한다는 단점이 있다.
또한, 건식-압축 스핀들 압축기가 공지되어 있다. 이들은 디스플레이서(displacer)의 복수의 권선 또는 루프를 따라서 하나가 다른 하나의 뒤에 배치된 복수의 폐쇄된 워킹 챔버를 포함한다. 이론적으로, 스핀들 압축기가 다중-스테이지 스크류 압축기 또는 회전 톱니 압축기를 대체할 수 있도록, 1-스테이지 설계로도 높은 압축 압력이 달성된다고 한다. 그러나, 스핀들 압축기는 지금까지 상업적으로 이용 가능하지 않으므로 1-스테이지 설계로 높은 압축 압력에 도달할 수 있다는 증거가 없다. 스핀들 압축기는 예를 들어 독일 특허 제 DE 10 2010 064 388 호, 국제 공개 제 WO 2011/101064 호, 독일 특허 제 DE 10 2012 202 712 호 및 독일 특허 제 DE 10 2011 004 960 호에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 1-스테이지 설계로도 특히 5 bar(절대) 초과의 높은 압력에 도달할 수 있는 건식-압축 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1에 따른 건식-압축 압축기에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 건식-압축 압축기는 하우징에 의해 형성된 흡입 챔버를 포함한다. 흡입 챔버에는, 서로 맞물리는 2개의 스크류 로터가 배치되어 있다. 이들은 가스를 전달하기 위해 서로에 대해 역-회전된다. 이를 위해, 각각의 스크류 압축기는 권선을 형성하기 위한 헬리컬 리세스를 갖는 적어도 하나의 변위 요소를 포함한다. 특히, 각각의 스크류 로터에 대해, 로터 샤프트와 일체로 형성될 수 있는 단지 하나의 변위 요소가 제공될 수 있다. 또한, 하우징은 바람직하게 대기압이 우세한 압축기 입구를 포함한다. 압축기 출구에서, 바람직하게 2 bar(절대) 초과의 압력이 우세하며, 여기에서 압축기 출구에서 5 bar(절대) 초과의 압력이 우세한 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 건식-압축 압축기의 도움으로, 본 발명에 따르면 스크류 로터 당 적어도 하나의 변위 요소가 단일-패스 구성이고 비대칭 프로파일을 갖기 때문에, 단일-스테이지 설계로 높은 압력에 도달할 수 있다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 비대칭 프로파일은 작은 블로우홀이 없거나 또는 단지 작은 블로우홀이 발생하도록 구성된다. 연속 블로우홀이 존재하지 않기 때문에, 바람직하게 본 발명에 따라 비대칭인 프로파일에서, 단락(short-circuit)은 단지 2개의 인접한 챔버 사이에서 발생한다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 소위 큄비(Quimby) 프로파일이 비대칭 프로파일로서 제공된다. 비대칭 프로파일에는 2개의 상이한 프로파일 에지가 있다. 2개의 별도의 작동 단계가 필요하기 때문에 제조 과정이 복잡하지만 매우 엄격한 작업 챔버를 구현할 수 있다.
단일-패스, 심지어 가능한 대칭 로터 프로파일을 제공하면 더 큰 기밀성을 성취할 수 있다는 이점이 있다. 각각의 맞물림 변위 요소의 2개 이상의 패스를 갖는 프로파일의 경우, 몇몇 챔버를 가로질러 연결부가 갭을 통해 형성되며, 그 결과 누설은 전달된 가스 흐름 및 에너지 변환 품질에 영향을 미치게 된다.
본 발명에 따른 건식-압축 압축기의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 변위 요소의 권선의 수, 또는 복수의 변위 요소의 경우, 스크류 로터의 변위 요소의 권선의 합은 압축기 출구에서 지배적인 압력 대 압축기 입구에서 지배적인 압력의 비율보다 크다. 따라서, 권선의 수는 하기 식으로부터 발생되며,
여기서 pout은 출구 압력이고, Pin은 압축기의 입구 압력이다. 권선 또는 루프의 수는 다음과 같이 계산하는 것이 특히 바람직하다.
스크류 로터 당 이러한 많은 수의 권선 또는 루프로 인해, 가스의 연속적이지만 비교적 느린 압축이 성취된다. 이에 의해, 압축 동안에 발생하는 열을 용이하게 배출할 수 있다.
또한, 입구 스테이지(Vin)에서의 이론적 전달 체적과 출구 스테이지(Vout)에서의 이론적 전달 체적 사이의 건식-압축 스크류 압축기의 설치 체적 비율은 입구(Pin) 및 출구(Pout)에서의 압력 비율에 적합하다. 여기서, Pin 및 Pout은 절대 압력으로 정의된다. 하기 식의 체적 비율(Vi)이 바람직하며,
여기에서 n은 k-0.3 내지 k+0.3의 값, 바람직하게 k-0.1과 k+0.1 사이의 값을 갖는다. 여기서 k는 전달될 가스 혼합물의 등방성 지수이다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 변위 요소는 챔버 체적(Vin)이 중간 체적(Vvk)으로 감소하는 적어도 하나의 영역 또는 부분을 포함한다.
다른 바람직한 또는 대안적인 실시예에 따르면, 큰 입구 체적(Vin)에서 작은 출구 체적(Vout)으로의 스테이지(작업 챔버)의 전달 체적의 감소는 2개의 영역으로 분할된다. 여기서, 특히 바람직하게, 제 1 영역에서, 흡입 측면을 향해 폐쇄된 작업 챔버가 작은 회전 각도 범위 내에서 특정 체적(사전압축의 체적(Vvk)의 체적)으로 감소된다. 여기에서 하기 식이 바람직하며,
Vvk=x Vin
여기서 x=0.1 내지 0.5, 특히 x=0.2 내지 0.4, 특히 바람직하게 x=0.3이다. 압축 작동으로 인해 사전압축은 가스 온도를 150 ℃ 내지 200 ℃의 적당한 값으로 상승시킨다. 압축의 제 2 영역에서, 회전 각도에 따라서, 작업 챔버 체적은 제 1 영역에서보다 상당히 작은 정도로 감소한다. 제 2 영역에서의 회전 각도 및 그에 따른 스테이지의 수는 제 1 영역에서보다 상당히 크다. 제 1 영역에서의 적당한 온도 상승, 제 2 영역에서의 큰 하우징 표면, 및 더 큰 회전 각도로 인한 제 2 영역에서의 가스의 비교적 긴 체류 시간으로 인해서, 제 2 영역에서, 압축으로 인한 가스의 다른 온도 상승은 하우징으로의 열 전달에 의해 큰 범위로 회피될 수 있다.
가스의 압축은 생성된 압축 열이 하우징의 측면 벽을 통해 쉽게 배출될 수 있도록 선택되어, 가스의 온도가 상승하지 않거나 또는 단지 작은 범위로 상승되도록 한다. 여기서, 최대 온도 변화는 바람직하게 50 ℃ 미만, 특히 바람직하게 30 ℃ 미만이다.
체적 감소의 선택된 분할의 특별한 장점은 구성요소에서 매우 균일한 온도 분포가 성취된다는 것이다. 이에 의해, 열 피크 부하 및 관련된 큰 구성요소 팽창이 회피될 수 있다.
입구 체적(Vin)과 사전압축의 체적 사이의 비율(제 1 영역에서 제 2 영역(Vvk)으로의 전이)은 압축기의 내부 체적 비율(vi)과 관련될 수 있으며,
여기서, j=2 내지 5, 특히 j=2.5 내지 3.5, 특히 바람직하게 j=3이다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 사전압축은 1.5 내지 3의 로터 회전(권선)에서 설명된 제 1 영역에서 수행된다.
바람직한 실시예에 따르면, 제 2 영역에서 본 발명의 많은 수의 권선은 각각의 로터에 대한 단일 변위 요소에 의해 실현될 수 있다. 그러나, 예를 들어 2개의 변위 요소에 의해 이러한 배출측 영역에 대응하는 수의 권선을 제공할 수도 있다. 본 발명에 따르면 바람직하게 전달될 매체가 권선 당 작은 정도로만 압축되는 이러한 영역에 본 발명의 많은 수의 권선을 제공함으로써, 로터의 내부 냉각없이 실행될 수 있다. 그 이유는 특히 이 영역에서의 상대적으로 작은 범위의 압축으로 인해서, 압축에 의해 야기된 변위 요소의 온도 증가가 작기 때문이다. 또한, 이 영역에서, 전달된 매체의 높은 밀도로 인해, 매체를 통해 변위 요소로부터 압축기 하우징으로의 우수한 열 방산이 실현된다.
바람직하게, 스크류 로터 및 적어도 하나의 제공된 변위 요소는, 출구 압력의 5 % 내지 20 %가 지배적인 영역과 배출측 로터 단부 사이에서, 적어도 6, 특히 적어도 8, 특히 바람직하게 적어도 10의 권선이 제공되도록 구성되어 있다. 여기서, 배출측 로터 단부는 압축기 출구의 영역이다. 여기서, 바람직한 실시예에 따르면, 이 영역에서 본 발명의 많은 수의 권선이 로터 당 제공된 단일 배출측 변위 요소에 제공될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 2개의 변위 요소에서 이러한 배출측 영역에 대응하는 수의 권선을 제공하는 것도 가능하다. 본 발명에 따르면, 전달될 매체가 비교적 작은 범위로만 압축되는 영역에 본 발명의 많은 수의 권선을 제공함으로써, 로터의 내부 냉각없이 수행될 수 있다. 그 이유는 특히 이러한 영역에서의 상대적으로 작은 범위의 압축으로 인해서, 압축에 의해 야기된 변위 요소의 온도 증가가 더 작기 때문이다. 또한, 이러한 영역에서, 전달된 매체의 높은 밀도로 인해서, 매체를 통해 변위 요소로부터 압축기 하우징으로의 우수한 열 방산이 실현된다.
또한, 바람직하게 많은 수의 권선으로 인해, 하우징으로의 열 교환을 위한 넓은 표면적이 이용 가능하다.
특히 바람직하게, 바람직하게 적어도 6, 특히 적어도 8, 특히 바람직하게 적어도 10 권선이 배출측 변위 요소에 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 내부 냉각없이 스크류 로터를 구성하기 위해, 배출측 변위 요소는 적어도 6, 특히 적어도 8, 특히 바람직하게 적어도 10 권선에서 2 bar(절대) 이상의 평균 작업 압력을 갖는 것이 바람직하다. 특히, 압축기 내측의 편평한 압력 구배를 실현하도록 의도된다. 따라서, 압력은 많은 권선, 특히 6 내지 10 권선을 가로질러 천천히 상승해야 한다.
본 발명에 따르면, 따라서 바람직하게 로터, 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 하우징의 내부 냉각이 없는 로터의 경우에도, 적어도 하나의 변위 요소의 표면과 섹션 챔버 사이, 특히 배출측 영역에서 높이가 0.03 ㎜ 내지 0.2 ㎜, 특히 0.05 ㎜ 내지 0.1 ㎜인 콜드 갭을 제공하는 것이 가능하다. 이러한 비교적 큰 갭 높이는 전술한 바와 같이 특히 6, 바람직하게 8, 및 특히 바람직하게 10의 마지막 권선의 본 발명의 구성으로 인해 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 직경에 대한 상대적으로 긴 스크류 로터가 선택된다. 특히, 스크류 로터 당 적어도 하나의 변위 요소, 또는 스크류 로터 당 복수의 변위 요소의 경우에, 상기 복수의 변위 요소는 길이(L) 대 직경(D)의 비율을 공동으로 가지며, 다음의 식이 적용된다.
그리고 특히
특히 많은 챔버를 갖는 긴 로터를 제공함으로써, 열 방산에 사용 가능한 영역이 증가된다. 결과적인 우수한 열 교환으로 인해, 압축 가스의 가스 온도는 상대적으로 낮다. 많은 챔버를 제공하는 것은 인접한 챔버 사이의 압력 차이가 작으며, 그에 따라 큰 기밀성을 달성할 수 있다는 이점을 추가로 제공한다. 입구로부터 출구측으로의 스테이지 당 전달 체적의 이러한 감소로 인해, 압축 프로세스는 열역학 측면에서 특히 효과적이며, 가스 온도는 상대적으로 낮게 유지된다. 여기서, 내부 체적 비율은 재통기(re-aeration)에 의한 과압축 또는 압축이 발생하지 않도록 출구 압력 대 입구 압력의 비율에 맞게 조정되는 것이 특히 바람직하다.
권선의 피치를 변경시킴으로써 내부 체적 비율이 얻어질 수 있다. 바람직하게, 권선의 피치는 특히 압축기 입구로부터 압축기 출구로 감소되고 및/또는 가파르게 되도록 변경된다. 피치는 연속적으로 및/또는 단계적으로 변경될 수 있다.
피치의 변동에 추가하여 또는 그 대신에, 프로파일의 헤드 또는 풋 직경이 연속적으로 또는 단계적으로 변경될 수 있다. 다시, 헤드 또는 풋 직경의 연속적인 변경은 로터가 특히 피치의 연속적인 변경과 결합하여 원추형 구성을 갖도록 특히 선호된다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 출구 압력과 입구 압력 사이의 압력 비율은 적어도 5이다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 출구 압력은 적어도 2 bar(절대), 특히 적어도 5 bar이다.
다른 특히 바람직한 실시예에 따르면, 건식-압축 압축기는 바람직하게 압축기 하우징 내측의 각각의 가스 수집 챔버를, 압축기 입구에 및/또는 압축기 출구에 포함한다.
또한, 건식-압축 압축기는 2개의 샤프트를 갖는 압축기인 것이 바람직하다. 후자의 2개의 샤프트는, 변위 요소들 사이 그리고 변위 요소들과 흡입 챔버의 내부 벽 사이 양자에서 좁은 갭이 실현될 수 있도록 양 측면 상에 지지되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 2개의 로터 샤프트는 바람직하게 흡입 챔버 외측에 배치된 동기화 기어에 의해 동기화된다. 베어링은 그리스 및/또는 오일로 윤활될 수 있다. 마찬가지로, 기어는 그리스 및/또는 오일로 윤활될 수 있다. 이것은 베어링과 동기화 기어 양자가 흡입 챔버의 외측에 배치되는 것이 바람직하기 때문에 가능하며, 그에 따라 전달될 가스가 오일에 의해 오염되는 것이 회피된다.
바람직하게, 하우징은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다. 여기서, 하우징을 위한 알루미늄 합금 AlSi7Mg 또는 AlMg07,5Si가 특히 바람직하다. 특히, 스크류 로터의 재료의 열 팽창 계수(팽창 계수)는 하우징의 재료의 팽창 계수보다 작다. 스크류 로터의 팽창 계수는 12*10-61/K보다 작은 것이 특히 바람직하다. 이것은 철 또는 강철 재료로 제조된 로터로 성취될 수 있다.
흡입 챔버 내에 배치된 2개의 스크류 로터는 헬리컬 리세스를 갖는 적어도 하나의 변위 요소를 포함한다. 헬리컬 리세스는 몇개의 권선을 형성한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 변위 요소는 강철 또는 철 합금으로 제조된다. 따라서, 변위 요소를 포함하는 스크류 로터는 강철 또는 철 합금으로 제조되는 것이 특히 바람직하다. 하우징은 또한 강철 또는 철 합금으로 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.
바람직하게, 각각의 변위 요소는 그 전체 길이를 따라 동일한 윤곽을 갖는 적어도 하나의 헬리컬 리세스를 포함한다. 바람직하게, 윤곽은 각 변위 요소마다 상이하다. 따라서, 개별 변위 요소는 바람직하게 일정한 피치 및 변하지 않는 윤곽을 갖는다. 이에 의해, 제조가 크게 단순화되어 제조 비용이 크게 감소될 수 있다.
흡입 용량을 추가로 개선하기 위해, 특히 펌핑 방향에서 보여지는 바와 같이 제 1 변위 요소인 흡입측 변위 요소의 윤곽은 바람직하게 비대칭 구성이다. 윤곽 및/또는 프로파일의 비대칭 구성으로 인해, 소위 블로우홀인 누설 영역이 특히 완전히 사라지거나 또는 적어도 더 작은 단면을 갖도록 에지가 구성될 수 있다. 특히 적합한 비대칭 프로파일은 소위 "큄비(Quimby)" 프로파일이다. 이러한 프로파일은 제조하기가 비교적 어렵지만, 연속적인 블로우홀이 존재하지 않는 이점을 제공한다. 단락은 2개의 인접한 챔버 사이에서만 발생한다. 이것은 상이한 프로파일 에지를 갖는 비대칭 프로파일이 있기 때문인데, 2개의 에지는 그들 비대칭성으로 인해 2개의 상이한 작업 단계에서 생성되어야 하기 때문에 생산을 위해 적어도 작업 단계들이 필요하다.
배출측 변위 요소, 특히 펌핑 방향에서 보여지는 바와 같이 최종 변위 요소는 바람직하게 대칭 윤곽을 갖는다. 특히 대칭 윤곽은 보다 쉽게 생산할 수 있는 이점을 제공한다. 특히, 대칭 윤곽을 갖는 2개의 에지는 회전 엔드 밀링 커터 또는 회전 사이드 밀링 커터를 사용하여 하나의 작업 단계에서 생성될 수 있다. 이러한 대칭 프로파일은 블로우홀을 갖지만, 이들은 연속적인데, 즉 2개의 인접한 챔버 사이에만 존재하지는 않는다. 블로우홀의 크기는 피치가 감소함에 따라 감소한다. 따라서, 바람직한 실시예에 따라 흡입측 변위 요소보다 그리고 바람직하게 또한 흡입측 변위 요소와 배출측 변위 요소 사이에 배치된 변위 요소보다 작은 피치를 갖기 때문에, 이러한 대칭 프로파일은 특히 배출측 변위 요소에 대해서 바람직할 수 있다. 이러한 대칭 프로파일의 견고성은 다소 작을지라도, 생산하기가 훨씬 쉽다는 이점을 제공한다. 특히, 단일 작업 단계에서, 그리고 바람직하게 단순 엔드 밀링 커터 또는 사이드 밀링 커터를 사용하여 대칭 프로파일을 생성할 수 있다. 이에 의해, 비용이 상당히 감소된다. 특히 적합한 대칭 프로파일은 소위 "사이클로이드 프로파일(cycloidal profile)"이다.
적어도 2개의 이러한 변위 요소를 제공함으로써 대응하는 스크류 압축기는 낮은 전력 소비로 높은 출구 압력을 생성할 수 있다. 또한, 열 부하가 적다. 압축기에서 일정한 피치 및 변하지 않는 윤곽을 갖는 본 발명에 따른 구성을 갖는 적어도 2개의 변위 요소를 배치하는 것은 피치가 변하는 변위 요소를 갖는 압축기와 본질적으로 동일한 결과를 초래한다. 높은 설치 체적 비율에서, 로터 당 3개 또는 4개의 변위 요소가 제공될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 달성 가능한 출구 압력을 증가시키기 위해 및/또는 전력 소비 및/또는 열 부하를 감소시키기 위해, 배출측 변위 요소, 특히 펌핑 방향에서 보여지는 바와 같은 최종 변위 요소는 많은 수의 권선을 포함한다. 많은 수의 권선은 일정한 성능으로 스크류 로터와 하우징 사이에 더 큰 갭을 허용한다. 여기서, 갭은 0.05 ㎜ 내지 0.3 ㎜의 콜드-갭 폭을 가질 수 있다. 배출측 변위 요소의 많은 수의 출구 권선들 또는 권선들은, 본 발명에 따르면 이러한 변위 요소가 일정한 피치 그리고 바람직하게 또한 대칭 윤곽을 가질 수 있기 때문에 제조 비용이 저렴하다. 출구측에서, 비대칭 프로파일을 사용할 수 있다. 이는 더 많은 수의 권선을 제공할 수 있도록 쉽고 저렴한 생산을 가능하게 한다. 바람직하게, 이러한 배출측 또는 최종 변위 요소는 6 이상, 특히 8 이상, 특히 바람직하게 10 이상의 권선을 가진다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 대칭 프로파일의 사용은 프로파일의 양 에지가 밀링 커터로 동시에 절단될 수 있다는 이점을 제공한다. 여기서, 밀링 커터는 밀링 작업 동안 밀링 커터의 변형 또는 왜곡 및 결과적인 부정확성이 회피되도록 각 대향 에지에 의해 지지된다.
제조 비용을 추가로 감소시키기 위해, 변위 요소와 로터 샤프트를 일체로 형성하는 것이 특히 바람직하다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 인접한 변위 요소들 사이의 피치의 변화는 불일치하거나 불규칙하다. 아마도, 2개의 변위 요소들은 길이 방향으로 서로 일정 거리에 배치되어 2개의 변위 요소들 사이에서 툴 출구로서 기능하는 원형의 원통형 챔버가 형성될 수 있다. 이것은 헬리컬 라인을 생성하는 툴이 이러한 영역에서 쉽게 제거될 수 있기 때문에 일체로 형성된 로터를 제조하는데 특히 유리하다. 변위 요소가 서로 별개로 제조되고, 그 후 샤프트에 장착되는 경우, 툴 출구, 특히 이러한 환형 원통형 영역이 제공될 필요가 없다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 피치가 변경되는 위치에서 2개의 인접한 변위 요소들 사이에 툴 출구가 제공되지 않는다. 피치의 변화의 영역에서, 양 에지는 바람직하게 툴을 제거하기 위한 불연속부 또는 리세스를 갖는다. 이러한 불연속부는 국부적인 불연속부 또는 리세스가 있기 때문에 압축기의 압축 용량에 현저한 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 따른 압축기 스크류 로터는 특히 복수의 변위 요소를 포함한다. 이들은 동일하거나 상이한 직경을 가질 수 있다. 여기서, 배출측 변위 요소는 흡입측 변위 요소보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다.
로터 샤프트와 별개로 제조된 변위 요소의 경우, 변위 요소들은 압입에 의해 샤프트에 장착된다. 여기서, 서로에 대해 변위 요소의 각도 위치를 규정하기 위해 위치결정 핀과 같은 요소를 제공하는 것이 바람직하다.
스크류 로터는 특히 강철 또는 철 합금으로 일체로 형성되는 것이 특히 바람직하다. 스크류 로터는 또한 적어도 하나의 변위 요소를 지지하는 로터 샤프트를 포함할 수 있다. 특히 복수의 변위 요소를 제공할 때, 이들은 서로 별개로 제조된 후 특히 압입 또는 수축 끼워맞춤에 의해 로터 샤프트에 연결될 수 있다는 이점을 제공한다. 여기서, 개별 변위 요소의 각도 위치를 규정하기 위한 피팅 키(fitting key) 등을 제공할 수 있다.
스크류 로터 당 복수의 변위 요소가 제공되는 경우, 변위 요소를 일체로 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스크류 로터는 내부 냉각이 없는 것이 바람직하다. 따라서, 스크류 로터는 특히 액체 냉각제가 흐르는 어떠한 덕트를 갖지 않는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 스크류 로터는 예를 들어 중량 감소의 목적으로, 밸런싱을 위한 등의 보어홀(borehole) 또는 덕트를 포함할 수 있다. 스크류 로터는 중실 구성인 것이 특히 바람직하다.
또한, 하우징은 변위 요소의 면적에서 80,000 W/㎡ 미만, 바람직하게 60,000 W/㎡ 미만, 특히 40,000 W/㎡ 미만의 평균 열 흐름 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 평균 열 흐름 밀도는 압축 영역의 벽 표면에 대한 압축 용량의 비율이다.
본 발명에 따른 건식-압축 스크류 압축기에서, 가스 애프터쿨러 및/또는 압축에 의해 생성된 응축물을 분리하기 위한 응축물 분리기 및/또는 소음기는 압축기 출구에 추가로 제공될 수 있다. 또한, 압축기 입구에 입구 공기 필터 또는 입구 소음기를 제공할 수 있다.
특히 바람직하게, 본 발명에 따른 압축기의 도움으로, 압축기의 적어도 하나의 작동 지점에 대해 적어도 70 %, 바람직하게 적어도 85 %의 체적 효율이 달성될 수 있다. 결정적인 계수는 이론적으로 가능하고 실제로 달성된 체적 흐름의 비율이다. 본 발명에 따른 압축기에 의해 달성되도록 구성된 높은 체적 효율은 압축기의 양호한 견고성의 표시이다.
또한, 바람직하게 본 발명에 따른 압축기는 적어도 45 %, 바람직하게 60 %의 높은 등온성 효율 계수를 갖는다. 등온성 효율 계수는 이상적인 등온성 압축 용량과 실제 압축 용량의 비율이다. 등온성 효율 계수는 또한 압축기의 양호한 기밀성 및 양호한 냉각의 표시이다.
또한, 건식-압축 압축기는 모터에 의해 평균 속도로 작동되는 것이 바람직하다. 특히, 속도는 3,000보다 높으며, 특히 바람직하게 4,000이상이다. 한편, 속도는 10,000보다 낮은 것이 바람직하다.
종래의 비동기 모터의 3,000의 범위에서 상대적으로 낮은 속도에서, 예를 들어 큰 로터 직경이 사용되어야 한다. 이것은 전달된 가스 체적과 누출 영역의 바람직하지 못한 비율이 야기된다. 이것은 대략 로터 직경에 대략 비례한다. 다른 한편으로, 10,000 이상의 매우 높은 속도는 로터 또는 변위 요소의 밸런싱에 대한 요구가 매우 높다. 이것은 단일-패스 스크류 나사산의 경우에는 달성하기 어렵다. 또한, 높은 속도로 인해 전력 밀도가 증가함에 따라, 압축기를 냉각시키는 것이 점점 더 어려워진다. 매우 작은 톱니 갭으로 매우 높은 속도의 다른 단점은 가스 경로에서 높은 가스 마찰이다. 이에 의해 에너지 효율이 저하된다. 본 발명에 따른 평균 속도에서, 기밀성, 밸런싱, 가스 마찰 및 열 전달 또는 온도 레벨 사이의 양호한 절충이 달성될 수 있다.
바람직하게, 하우징은 가스 및 구성요소를 냉각시켜 유지하기 위해 집중적으로 냉각된다. 본 발명에 따른 압축기의 실시예에서, 이것은 또한 로터의 내부 냉각이 없이 달성될 수 있다. 가스 온도가 낮으면 압축 작업이 줄어들고, 그에 따라 압축기의 전력 소비에 긍정적인 영향을 미친다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 로터 및/또는 변위 요소들은 예를 들어 작동 안전에 영향을 주지 않으면서 갭 높이를 감소시키기 위해 PTFE 또는 황화몰리브덴을 기초로 하는 층으로 코팅될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스크류 압축기의 스크류 로터의 바람직한 실시예의 개략적인 평면도이다.
도 2는 비대칭 프로파일을 갖는 변위 요소의 개략적인 단면도이다.
도 3은 대칭 프로파일을 갖는 변위 요소의 개략적인 단면도이다.
도 4는 스크류 압축기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 비대칭 프로파일을 갖는 변위 요소의 개략적인 단면도이다.
도 3은 대칭 프로파일을 갖는 변위 요소의 개략적인 단면도이다.
도 4는 스크류 압축기의 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 스크류 로터는 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 스크류 압축기에 사용될 수 있다.
스크류 압축기의 바람직한 실시예에 따르면, 로터는 압축 방향으로, 즉 도 1에서 좌측에서 우측으로 변화되는 및/또는 가변적인 피치를 갖는다. 제 1 변위 요소를 한정하는 제 1 흡입측 영역(10)에서 대략 50 ㎜/회전 내지 150 ㎜/회전의 큰 피치가 제공된다. 여기서, 피치는 영역(10), 즉 사전압축 영역에서, 입구 피치의 55 % 내지 65 %, 즉 약 30 ㎜/회전 내지 100 ㎜/회전으로 변경된다. 제 2 변위 요소(12)에 대응하는 제 2 배출측 영역(12)에서, 피치는 상당히 보다 작다. 이 영역에서, 피치는 10 ㎜/회전 내지 30 ㎜/회전의 범위이다. 따라서 도시된 실시예에서, 스크류 로터 당 적어도 하나의 변위 요소는 가변, 바람직하게 연속적으로 변화하는 피치를 갖는 스크류 로터에 의해 규정된다. 이는 전달의 방향에서 보여지는 바와 같이 하나가 다른 하나의 뒤에 배치된 복수의 변위 요소에 대응한다.
도시된 바람직한 실시예에서, 입구 영역과 출구 영역 양자에서, 각각의 가스 수집 챔버(14)가 제공된다.
또한, 일체형 스크류 로터는 2개의 베어링 시트(16)와 샤프트 단부(18)를 포함한다. 샤프트 단부(18)는 예를 들어 구동 목적으로 기어휠이 이에 연결된다.
마찬가지로, 개별 변위 요소(10, 12)는 서로 별개로 제조되고, 예를 들어 프레싱에 의해 로터 샤프트에 개별적으로 부착될 수 있다. 여기서, 베어링 시트(16) 및 샤프트 단부(18)는 샤프트(20)의 일체형 구성요소일 수 있다. 여기서, 연속 샤프트(20)는 변위 요소(10, 12)의 재료와 상이한 재료로 제조될 수 있다.
또한, 원추형 로터가 제공 될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이들은 복수의 변위 요소를 포함한다. 여기에서도, 복수의 변위 요소가 가변 피치에 의해 실현되는 것이 특히 바람직하다. 원추형 로터도 단일-패스 구성이다.
도 2는 비대칭 프로파일(예를 들어, 큄비(Quimby) 프로파일)의 개략적인 단면도를 도시한다. 도시된 비대칭 프로파일은 소위 큄비(Quimby) 프로파일이다. 단면도는 서로 맞물리고 그 길이 방향이 드로잉 평면에 수직인 2개의 스크류 로터를 도시한다. 로터의 역-회전은 2개의 화살표(15)로 표시된다. 변위 요소의 종방향 축에 수직으로 연장되는 평면(17)에 관련하여, 에지(19, 21)의 프로파일은 각각의 로터에 대해 상이한 구성이다. 따라서, 대향 에지(19, 21)는 서로 분리되어 제조되어야 한다. 그러나, 이러한 다소 더 복잡하고 어려운 제조는 연속 블로우홀이 존재하지 않지만 단지 2개의 인접한 챔버 사이에서 단락이 발생한다는 이점을 제공한다.
바람직하게, 이러한 비대칭 프로파일이 흡입측 변위 요소(10)에 제공된다.
도 3의 개략적인 단면도는 다시 역-회전하는(화살표(15)) 2개의 변위 요소 및/또는 2개의 스크류 로터의 횡단면을 도시한다. 대칭 축(17)과 관련하여, 각각의 변위 요소의 에지(23)는 대칭 구성이다. 도 4에 도시된 대칭 윤곽의 바람직한 실시예는 사이클로이드 프로파일이다.
배출측 변위 요소(12)에 대해 도 3에 도시된 바와 같은 대칭 프로파일이 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 2개 이상의 변위 요소가 제공되는 것이 가능하다. 이들은 상이한 헤드 직경 및 대응 풋 직경을 갖는 것이 가능하다. 여기서, 이러한 영역에서 더 큰 흡입 용량을 실현하고 및/또는 설치된 체적 비율을 증가시키기 위해, 더 큰 헤드 직경을 갖는 변위 요소가 입구, 즉 흡입측에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 전술한 실시예들의 조합이 가능하다. 예를 들어, 하나 또는 복수의 변위 요소가 샤프트와 일체로 형성될 수 있거나, 또는 추가의 변위 요소가 별개로 제조된 후 샤프트에 장착될 수 있다.
도 4에 도시된 본 발명에 따른 스크류 압축기의 바람직한 실시예의 개략도에서, 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 스크류 로터가 하우징(26)에 배치된다. 압축기 하우징(26)은 입구(28)를 포함하며, 가스는 이 입구(28)를 통해 화살표(30)로 표시된 방향으로 취입된다, 또한, 압축기 하우징(26)은 배출측 출구(32)를 포함하며, 가스는 이 출구(32)를 통해 화살표(38)로 표시된 방향으로 가스가 배출된다. 바람직하게, 본 발명에 따른 스크류 압축기는 압축된 공기 챔버에서 공기를 압축한다.
2개의 변위 요소(12)의 상부 표면(42)과, 압축기 하우징(26)에 의해 형성된 흡입 챔버(46)의 내부 표면(44) 사이에는, 그 높이가 바람직하게 0.03 ㎜ 내지 0.2 ㎜의 범위, 특히 0.05 ㎜ 내지 0.1 ㎜의 범위 내에 있는 갭이 형성된다.
변위 요소의 에지들 사이의 갭은 바람직하게 0.1 ㎜ 내지 0.3 ㎜의 갭 높이를 갖는다.
도시된 예시적인 실시예에서, 압축기 하우징(26)은 2개의 하우징 커버(47)에 의해 폐쇄된다. 도 4의 좌측 하우징 커버(47)는 2개의 로터 샤프트를 지지하기 위한 볼 베어링(48) 각각이 배치되는 2개의 베어링 지지부를 포함한다. 도 4의 우측에서, 2개의 스크류 로터 샤프트의 저널(50)은 커버(47)를 통해 돌출된다. 외측에서, 각각의 기어휠(52)은 2개의 샤프트 저널(50) 상에 배치된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 2개의 기어휠(52)은 2개의 스크류 로터를 서로 동기화하기 위해 서로 맞물린다. 또한, 도 4의 우측 커버(47)에는, 스크류 로터를 지지하기 위한 2개의 베어링(48)이 배치되어 있다. 하우징 벽(47)에서, 도시되지 않은 시일은 베어링(48)에 추가로 제공된다,
도 4의 하부 샤프트는 도시되지 않은 구동 모터에 연결된 구동 샤프트이다.
Claims (29)
- 건식-압축 압축기에 있어서,
흡입 챔버를 형성하고, 바람직하게 대기압이 지배적인 압축기 입구(28)와, 바람직하게 적어도 2 bar(절대), 바람직하게 적어도 5 bar(절대)의 압력이 지배적인 압축기 출구(32)를 구비하는 하우징(26), 및
흡입 챔버 내에 배치되고, 복수의 권선을 형성하기 위한 헬리컬 리세스를 포함하는 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)를 각각 구비하는 2개의 스크류 로터를 포함하며,
스크류 로터 당 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)는 단일-패스 비대칭 프로파일을 구비하며,
상기 스크류 로터는 로터의 내부 냉각이 없으며,
상기 하우징(26)은 변위 요소(10, 12)의 영역에서 80,000 W/㎡ 미만, 바람직하게 60,000 W/㎡ 미만, 특히 40,000 W/㎡ 미만의 평균 열 흐름 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항에 있어서,
상기 프로파일은 블로우홀이 형성되지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 스크류 로터의 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)의 프로파일은 큄비(Quimby) 프로파일로 구성되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
진공 펌프의 출구 근처에 배치된 변위 요소는 대칭 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 7 항에 있어서,
입구 체적(Vin)으로부터 사전압축 체적(Vvk)으로의 압축은 1½ 내지 3의 로터 회전(권선) 동안 발생하는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변위 요소(10, 12)의 권선의 피치는 압축기 입구(28)로부터 압축기 출구(32)까지 변화되고, 바람직하게 변경되며, 특히 바람직하게 감소되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터의 헤드 및 풋 직경은 연속적으로 변경되는 것이 바람직하고, 로터는 특히 원추형 구성인 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
평행 축을 갖는 2개의 스크류 로터가 제공되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
특히 하우징(26) 내측의 압축기 입구(28)에는, 가스 수집 챔버(14)가 제공되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
압축기 출구(32)에서, 가스 수집 챔버(14)가 특히 하우징(26) 내측에 제공되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징(26)에서, 롤러 베어링(48) 및 바람직하게 시일은 2개의 스크류 로터의 양 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 스크류 로터를 동기화하기 위해, 동기화 기어(52)가 제공되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나의 변위 요소는 배출측 변위 요소(12)로 구성되고, 각각의 스크류 로터에 대해, 적어도 하나의 추가 변위 요소(10)가 제공되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변위 요소(12)의 상부 표면(42)과 상기 흡입 챔버(46)의 내부 표면(44) 사이에서, 0.03 ㎜ 내지 0.2 ㎜의 높이, 특히 0.05 ㎜ 내지 0.1 ㎜의 높이를 갖는 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
흡입측 변위 요소(12)는 그 전체 길이를 따라 일정한 피치를 갖는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 스크류 로터는 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)를 지지하는 로터 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스크류 로터의 변위 요소(10, 12)는 일체형 구성인 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
스크류 로터 및 특히 스크류 로터 당 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)는 하우징(26)의 팽창 계수보다 작은 팽창 계수를 갖고, 상기 하우징(26)의 팽창 계수는 특히 스크류 로터 및/또는 적어도 하나의 변위 요소(10, 12)의 팽창 계수보다 적어도 큰 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
스크류 로터는 특히 액체 냉각제가 흐르는 어떠한 덕트도 포함하지 않는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스크류 로터는 중실 구성인 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
정상 운전 동안에 배출측 변위 요소(12)와 하우징(26) 사이에서 배출측 변위 요소의 영역에서 온도 차이는 50 K보다 작으며, 특히 20 K보다 작은 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
출구 압력의 5 % 내지 20 %가 지배적인 영역과 배출측 변위 요소(12)의 마지막 권선 사이의 거리가 로터 길이의 적어도 20 % 내지 30 %인 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기. - 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변위 요소들 중 적어도 하나의 변위 요소의 에지 사이의 갭은 바람직하게 0.1 ㎜ 내지 0.3 ㎜의 갭 높이를 갖는 것을 특징으로 하는
건식-압축 압축기.
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