KR20230159435A - 삼중 나사 펌프용 나사 조립체 및 상기 조립체를 포함하는 삼중 나사 펌프 (Screw assembly for a triple screw pump and triple screw pump comprising said assembly) - Google Patents

Abstract

삼중 나사 펌프(10)용 나사 조립체(1)는 중앙 나사(2), 및 적어도 하나의 측면 나사(3)를 포함하며, 두 나사 모두 하나 이상의 나선형 나사산이 제공되고, 상기 측면 나사(3)는 중앙 나사축(zc)에 평행한 측면 나사축(zl)을 가지며 상기 중앙 나사(2)와 맞물리도록 배열되고, 중앙 나사(2)의 축과 측면 나사(3)의 축 사이의 거리는 중앙 나사(2) 외경(Øce)의 절반보다 크고 3/5보다 작은 것을 특징으로 하는 삼중 나사 펌프(10)용 나사 조립체(1).

Description

삼중 나사 펌프용 나사 조립체 및 상기 조립체를 포함하는 삼중 나사 펌프 (Screw assembly for a triple screw pump and triple screw pump comprising said assembly)

본 발명은 용적형 기어 펌프(volumetric gear pump)용 나사 조립체, 특히, 삼중 나사 펌프에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 나사 조립체를 포함하는 삼중 나사 펌프에 관한 것이다.

본 발명은 기어 펌프 및 특히 삼중 나사 펌프가 전통적으로 사용되는 다양한 산업 분야에서 유용한 적용을 발견한다.

삼중 나사 펌프가 높이 평가되는 일반적인 사용 분야는 리프팅 시스템이지만, 다양한 기타 응용 분야에서도 널리 사용된다: 동력 유압, 윤활, 냉각, 여과, 이송 등. 비제한적인 예로, 리프팅 시스템 이외에도 삼중 나사 펌프가 적용되는 기타 산업 분야에는 오일 및 가스, 화학, 해군, 모바일, 농식품, 발전 및 대체 에너지, 제지 산업, 제약 산업이 포함된다.

삼중 나사 펌프는 스웨덴 엔지니어 칼 몬텔리우스(Carl Montelius)가 1923년에 설계한 것으로 현재 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있는 정량펌프이다. 실제로, 이는 놀라운 전체 효율성, 우수한 신뢰성, 합리적인 가격, 낮은 수준의 음향 방출 및 흐름 전달 진동을 갖추고 있다.

삼중 나사 펌프는 1개의 중앙 리드 나사 및 2개의 측면 구동 나사로 3개-1세트의 나사를 포함한다. 상기 나사, 바람직하기로는 2개의 나선형 나사산이 있는 나사는 케이싱 내에 평행하게 장착되어 서로 맞물려 몸체 및 케이싱 사이에 폐쇄된 부피를 생성한다. 이렇게 형성된 폐쇄 챔버의 수는 로터라고도 불리우는 나사의 길이에 정비례하고, 나선형 나사산의 피치에 반비례한다. 폐쇄 챔버는 나사가 회전하는 동안 흡입구로부터 배출구로 계속해서 앞으로 이동하는 작동 유체로 채워진다.

3개 1세트의 나사의 프로파일은 구동 나사만 압력을 전달하도록 설계된다. 펌프의 구성에 따라, 이러한 나사는 방사상의 힘에 노출되지 않으므로 기계에 앞서 언급한 우수한 전체 효율성을 제공한다. 이전에 설명한 바와 같이, 2개의 종동 나사는 아이들링(idle) 상태이며 가압된 유체에 의해 안내된다. 그의 회전을 방해하는 유일한 장애물은 작동 유체와의 점성 마찰 및 중앙 나사와 중앙 나사가 들어 있는 케이싱과의 미끄럼 마찰이다. 이러한 이유로 장시간 작업 후에도 나사 플랭크(flanks)의 마모가 거의 발생하지 않는다.

발생된 지 거의 100년이 지난 지금도 삼중 나사 펌프는 제작자가 구상한 특징적인 외관을 여전히 보여주고 있으며, 이는 중앙 리드 나사의 전면 프로파일 직경과 측면 종동 나사의 전면 프로파일 직경 사이의 전형적인 비율을 특징으로 한다. Øli 및 Øle는 측면 나사의 내경 및 외경을 각각 나타내고, Øci 및 Øce는 중앙 나사의 내경 및 외경을 각각 나타내며, 치수(Øli: Øle: Øci: Øce)는 실제로 1:3:3:5 비율을 따르는데, 이는 유체가 차지하는 면적과 나사 재료에 의하여 정의되는 고체 면적 사이에서 가능한 최상의 비율을 나타내기 때문에 최적으로 간주된다.

이 비율에서, 측면 나사 외경(Øle)과 중앙 나사 내경(Øci)은 항상 엄격하게 동일하다. 이들 직경 사이의 동일성(equality)은 종래 기술에서 삼중 나사 펌프 설계의 기초가 되는 절대적인 공리로서 간주된다.

앞서 언급한 직경에 의하여 식별되는 원은 이상적인 프로파일 ? 즉, 날카로운 모서리를 제거하기 위해 일반적으로 채택되는 변경 전 프로파일을 구성하는 곡선을 만드는 데 사용되는 피치 직경을 나타낸다. 이러한 설계상의 선택에 대한 고려 사항은 접선 속도가 동일하고 반대 각속도로 회전하는 동일한 직경의 2개의 기본 실린더가 미끄러짐 없이 서로의 위에서 굴러가기 것이므로 열이나 에너지 분산이 적다는 것이다.

또한, 측면 나사 내경(Øci)에 대한 측면 나사 외경(Øle)의 감소는, 미끄러짐을 동반한 롤링을 유발하여 결과적으로 마모 및 효율성 손실을 초래하는 것 이외에도, 아무런 장점을 얻지 못하는데, 이는 작동 유체가 트래핑되는 빈 단면적의 감소, 즉, 펌프 용량의 감소 때문이다. 반대로, 측면 나사 내경(Øci)에 대한 측면 나사 외경(Øle)의 증가는 나사의 회전 중에 생성되는 나선형 프로파일의 상호 침투로 이어지기 때문에 종래 기술 연구에서는 불가능해 보였다.

따라서, 위의 동일한 직경을 선택한 경우, 종래 기술에서는 중앙 나사와 측면 나사의 플랭크가 에피트로코이드 방정식을 적용하여 얻어지는데, 에피트로코이드는 반경(r)의 원을 다른 반경(rb)의 원 외부에서 굴림으로써 반경(r)의 원의 중심으로부터 거리(p)에 있는 고정점으로부터 공간에 기술되는 점들을 연결함으로써 얻어지는 룰렛 곡선이다. 에피트로코이드는 각 나사의 플랭크의 단면 프로파일을 정의한다; 나사의 회전축을 따라 앞으로 이동함으로써, 프로파일은 연속적으로 회전하여 나선을 정의한다.

에피트로코이드의 주지진 매개변수 방정식은 다음과 같다:

극방정식(polar equation)은 다음과 같다:

도 5에서, 종래 기술과 관련하여, (R1) 및 (d1)은 중앙 나사 플랭크의 구성과 관련된 파라미터를 나타내는 반면, (R2) 및 (d2)는 측면 나사 플랭크의 구성과 관련된 파라미터를 나타낸다. 앞서 고려한 사항에 대해 기초원 반경(base radius, r)은 두 구조 모두에서 동일하다. 도시된 바와 같이, 특히 회전하는 원의 반경 (R1)과 (R2) 역시 두 구조 모두에서 (r)과 같다. 또한, 중앙 나사 플랭크의 구성에서, 추적점은 회전하는 원의 반경(r1)의 끝에 있으며, 결과 곡선은 에피사이클로이드라고 한다.

그러므로, 설정해야 할 유일한 설계 파라미터는 중심점(d2)으로부터의 거리이며, 그로부터 측면 나사 플랭크를 그리는 것 및 중앙 나사 외경과 측면 나사 내경을 각각 결정하는 것이다. 이러한 파라미터의 선택은 나사의 기계적 강도에 영향을 주지 않으면서 용량, 즉, 유체가 차지하는 나사의 체적을 최적화하는 것을 목표로 한다.

구체적으로 말하면, 나사 직경 사이의 일반적인 비율 1:3:3:5는, 예를 들면 다음의 파라미터를 선택함으로써, 값(d2)을 5/3(d1)과 동일하게 선택하여 얻는다:

R1 = R2 = 1.5

r = 1.5

d2 = 2.5 (종동 나사 플랭크 생성)

d1 = 1.5 (리드 나사 또는 구동 나사, 플랭크 생성)

이러한 프로파일은 동종(homothetic)이므로 간단한 규모 효과(scale effect)로 이러한 기본 관계가 생성되면 어떤 크기의 프로파일도 얻을 수 있다.

에피트로코이드 방정식으로 생성된 이상적인 프로파일은 날카로운 모서리를 가지고 있다는 점에 유의해야 한다. 모서리는 쉽게 변형될 수 있다. 모서리에 변형이 생기면 펌프 작동 중에 소음과 비정상적인 진동이 발생될 수 있고, 또는 심지어 펌프 자체가 복구할 수 없을 정도로 손상될 위험이 있다. 더욱이, 도구 정밀도로 모서리를 형성하기가 어렵고, 결과적으로 국부적으로 생성될 수 있는 형상 오류로 인해 나사 맞물림에 원치 않는 어려움이 발생된다.

위에서 언급한 이유로 인해, 종래 기술에서, 이상적인 프로파일은 일반적으로 전술한 날카로운 모서리를 베벨링함으로써 수정하는데, 특히, 더 날카롭고 잠재적으로 더 중요한 모서리를 갖는 종동 나사 상에서 전술한 날카로운 모서리를 베벨링한다. 베벨링은 직선으로 모서리를 절단하는 간단한 방식으로 수행하거나, 원형 호 또는 타원형 호 모양의 연결 프로파일을 사용하는 보다 세련된 방식으로 수행할 수 있다. 후자의 솔루션은 누출이나 체적 손실을 최소화하는 솔루션이다.

위에서 설명한 기하학적 수정을 도입하면 나사 플랭크 라인의 완벽한 결합이 손실되므로 종동 나사와 구동 나사 모두에 대한 프로파일을 완전히 다시 계산해야 한다.

문헌 EP 1 655 491 A2, DE 10 2009 028004 A1 및 EP 0 209 984 A1는 종래 기술에 따른 삼중 나사 펌프를 개시한다.

종래 기술과 관련하여 이 장에서 설명된 바와 같이, 삼중 나사 펌프는 1900년대 초반에 발생되었으며 나사의 프로파일은 현재까지 실질적으로 변하지 않은 상태로 남아 있다는 점을 다시 한 번 주목해야 한다. 지금까지 도입된 개선 사항에는 항상 구조적 또는 재료적 변경이 포함되었다.

반면, 이렇게 널리 보급된 기계에서는 특히 용량 증가와 반경 및 축 치수 감소와 관련하여 항상 개선이 필요하다.

그러므로 본 발명의 기술적 과제는 유사한 크기의 종래 기술 펌프보다 훨씬 더 큰 유속을 갖는 나사 조립체 및 상응하는 삼중 나사 펌프를 제공하는 것이다.

EP 1 655 491 A2 DE 10 2009 028004 A1 EP 0 209 984 A1

본 발명의 근본적인 해결책 아이디어는 직경(Øli:Øle:Øci:Øce)사이의 전통적인 비율 1:3:3:5을 검토하여 나사 조립체 및 해당 삼중 나사 펌프를 제공하는 것이다.

본 출원인은 종래 기술에서 펌프 용량과 로터의 기계적 저항 사이의 최상의 절충안으로 간주되는 이 비율에서 상당히 벗어나는 것이 가능하다는 것을 실제로 관찰하였다.

종래 기술 비율 1:3:3:5는 중앙 나사와 측면 나사의 축들(S) 사이의 거리를 중앙 나사 외경(Øce) 의 3/5로 정의한다: 축들 사이의 거리는 실제로는 측면 나사 외경과 중앙 나사 내경의 합에 의해 결정된다. 축들(S)과 중앙 나사 외경(Øce) 사이의 비율 감소는 동일한 직경(Øce)으로 작동 유체를 트래핑하는 데에 더 큰 유용한 영역을 정의한다는 점에 주목하였다. 더욱이, 축들(S)사이의 거리가 작을수록 펌프의 반경 방향 치수가 감소된다. 이상적으로는 축들(S) 사이의 거리를 중앙 나사 외경(Øce)의 절반에 해당하는 값까지 줄일 수 있다: 그러나 상기 값은 무효(null) 측면 나사 내경(Øli)과 일치하기 때문에 구체적으로 도달할 수 없는 값이다.

한편, 종래 기술에서는 구조적 견고성 이유로 3/5보다 낮은 s/Øce 비율의 사용을 항상 회피한다: 실제로, 비율이 감소함에 따라, 기계적 저항을 보장해야 하는 코어인 측면 나사 내경(Øli)이 급격히 감소된다.

그러나, 본 출원인은 측면 나사 내경(Øli)의 감소는 측면 나사 플랭크(β)의 개방 각도를 적절하게 감소시킴으로써 보상될 수 있음을 주목했다. 상기 개방 각도는 나사의 피치원과 프로파일을 생성하는 에피트로코이드의 두 교차점 사이에 위치한 중심각으로서 나사의 단면 프로파일 상에서 정의되며, 작동 유체로 채워질 수 있는 공동(hollow) 부분에 걸쳐 있다. 측면 나사의 톱니 개방 각도(β)는 중앙 나사의 톱니(α)의 동일한 개방 각도와 고유하게 관련된다. 본 출원인은 상기 각도의 변화가 작동 유체의 전체 트래핑 영역을 변경하지 않는다는 것을 결정하였다, 즉, 용량은 상기 각도의 선택과 관련하여 불변적이다. 따라서, 플랭크(β)의 개방 각도는, 특히 이 각도를 바람직하게는 90° 미만으로 유지함으로써, 나사의 적절한 기계적 강도를 허용하기 위해 편리하게 선택될 수 있습니다.

이러한 관찰 덕분에, s/Øce 비율이 재정의되었으며, 바람직하게는 52%에서 56% 사이로 구성되고, 이상적으로는 54%와 같다.

따라서, 상기 노출된 기술적 문제는 청구항 1에 따른 나사 조립체 및 청구항 15에 따른 각각의 삼중 나사 펌프에 의해 해결된다.

따라서, 상기 기술적 문제는 삼중 나사 펌프용 나사 조립체에 의하여 해결되며, 상기 삼중 나사 펌프용 나사 조립체는 중앙 나사 및 적어도 하나의 측면 나사를 포함하며, 두 나사 모두 하나 이상의 나선형 나사산이 제공되고, 상기 측면 나사는 중앙 나사축에 평행한 측면 나사축을 가지며 상기 중앙 나사와 맞물리도록 배열되고, 중앙 나사 및 측면 나사의 축들 사이의 거리는 중앙 나사 외경의 절반보다 크고 3/5보다 작은 것을 특징으로 한다.

위에서 언급한 바와 같이, 중앙 나사 및 측면 나사의 축들 사이의 거리는 바람직하기로는 중앙 나사 외경의 52% 내지 56%로 구성되며, 더욱 바람직하기로는 54%와 동일하게 구성된다.

중앙 나사 외경은 바람직하기로는 측면 나사 내경의 5배보다 크게, 더욱 바람직하기로는 측면 나사 내경의 10배보다 크게 구성된다.

측면 나사 내경은 바람직하기로는 측면 나사 외경의 60% 내지 99%로, 더욱 바람직하기로는 68% 내지 98%로, 더욱 더 바람직하기로는 85% 내지 92% 구성된다.

바람직하기로는, 측면 나사 내경은 각각의 피치원 직경보다 작고, 측면 나사 외경은 각각의 피치원 직경보다 크다.

바람직하기로는, 측면 나사 외경은 각각의 피치원 직경의 1배 내지 1.3배로, 더욱 바람직하기로는 1배 내지 1.2배로 구성되고, 더욱 더 바람직하기로는 측면 나사 외경은 각각의 피치원 직경의 1.1배 같게 구성된다.

본 발명의 기어 휠 및 장치의 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 실시예에 대한 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.

도면 중:
- 도 1은 본 발명에 따른 나사 조립체를 특징으로 할 수 있는 삼중 나사 펌프를 개략적으로 도시한 것이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 나사 조립체의 중앙 나사의 일부를 측면도로 개략적으로 도시한 것이다.
- 도 3은 본 발명에 따른 나사 조립체의 중앙 나사의 일부를 측면도로 개략적으로 도시한 것이다.
- 도 4는 작동 구성에서 본 발명에 따른 나사 조립체의 단면을 도시하며, 유체 트래핑 영역은 메쉬 부분으로 식별된다.
- 도 5는 종래 기술의 삼중 나사 펌프에서 나사 프로파일 생성에 관한 다이어그램을 도시한 것이다.
- 도 6은 본 발명에 따른 나사 조립체에서 플랭크 프로파일을 생성하는 개념적인 절차의 제1 단계를 도시한 것이다.
- 도 7은 본 발명에 따른 나사 조립체에서 플랭크 프로파일을 생성하는 개념적인 절차의 제2 단계를 도시한 것이다.
- 도 8은 본 발명에 따른 나사 조립체에서 플랭크 프로파일을 생성하는 개념적인 절차의 제3 단계를 도시한 것이다.
- 도 9는 본 발명에 따른 나사 조립체에서 플랭크 프로파일을 생성하는 개념적인 절차의 제4 단계를 도시한 것이다.
- 도 10은 본 발명에 따른 중앙 나사의 프로파일을 종래 기술에 따른 중앙 나사의 프로파일과 비교한 것이다.
- 도 11은 본 발명에 따른 측면 나사의 프로파일을 종래 기술에 따른 측면 나사의 프로파일과 비교한 것이다.
- 도 12는 본 발명에 따른 중앙 나사의 프로파일을 종래 기술에 따른 중앙 나사의 프로파일과 비교한 것으로, 보충적인 유체 트래핑 영역은 빗금친 부분으로 식별된다.
- 도 13은 본 발명에 따른 측면 나사의 프로파일을 종래 기술에 따른 측면 나사의 프로파일과 비교한 것으로, 보충적인 유체 트래핑 영역은 빗금친 부분으로 식별된다.
- 도 14는 일반적인 삼중 나사 펌프에서 구동되는 로터에 작용하는 힘을 도시한다.

위의 도 1을 참조하면, 삼중 나사 펌프는 전체적으로 참조 부호 (10)으로 표시되며, 참조 부호 (1)은 그 상부에 조립되는 나사 조립체(2, 3)를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 특히 나사(2, 3)의 프로파일(20, 30)에 관한 것으로, 이는 도 10-13에서 종래 기술의 대응 프로파일(20', 30')을 대향한다. 새로운 프로파일(20, 30)은 단면에서 보충 체적(V)을 정의하는데, 펌핑될 유체는 보충 체적(V)에서 종래 기술의 대응 프로파일(20', 30')에 대해 트래핑된다.

도면은 개략도를 나타내며 일정한 비율로 그려진 것이 아니라, 본 발명의 중요한 특징을 강조하도록 그려진 것이라는 점은 주목해야 한다. 더욱이, 도면에서는 그 형상이 원하는 적용에 따라 달라질 수 있기 때문에 다양한 요소를 개략적으로 도시하였다. 또한, 도면에서 동일한 참조 부호는 형상이나 기능이 동일한 요소를 의미한다는 점도 주목해야 한다.

공지된 방식으로, 삼중 나사 펌프(10)는 흡입구(S) 및 배출구(D)를 갖는 펌프 본체(5)를 포함한다. 펌프 본체 내에서 나사 조립체(1)는 구동축(4)과 일체형인 리드 중앙 나사(2) 및 2개의 종동 측면 나사(3)로 조립된다. 측면 나사(3)의 축(zl)과 중앙 나사(2)의 축(zc)은 서로 평행하고 나사는 서로 맞물린다. 따라서 중앙 나사(2)의 회전 운동은 2개의 측면 나사(3)를 이동시키고, 도 4에 도시된 바와 같이, 대향 나사산 사이에 둘러싸인 공간에서 흡입구(S)로부터 배출구(D)로 유체(F)를 운반한다.

중앙 나사(2)는 고정된 피치(pc)를 갖는 2개의 나사산(21, 22)을 갖는다; 측면 나사(3) 역시 2개의 나사산을 갖는데, 이들의 피치(pl)는 중앙 나사(2)의 피치와 동일하다.

따라서 중앙 나사(2)의 프로파일(20)은 단면에서 2개의 원형 크레스트(crest) 부분을 갖는데, 이들은 눈에 띄게 볼록한 플랭크에 의해 원통형 바닥에 결합된다.

측면 나사(3)의 프로파일(30) 또한 단면에서 2개의 원형 크레스트 부분을 갖는데, 이들은 눈에 띄게 오목한 플랭크에 의해 원통형 바닥에 결합된다.

2개의 측면 나사(3)는 공지된 방식으로 서로 동일하게 되거나 또는 동일한 프로파일(30)을 갖는다는 것이 주목된다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 나사(2, 3) 플랭크의 프로파일(20, 30)의 특정 형상에 관한 것이다.

본 명세서에 기술된 바람직한 실시예는 프로파일의 바람직한 형상을 보여주며, 종래 기술의 프로파일로부터 이러한 프로파일의 바람직한 형상이 어떻게 얻어지는지를 보여준다.

본 발명의 해당 문단에 설명된 바와 같이, 종래 기술 프로파일은 측면 나사 내경과 측면 나사 외경 사이의 등가 조건으로부터 만들어진다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 축들(s') 사이에는 측면 나사(2) 내경, 즉, 측면 나사(3) 외경과 동일한 거리가 존재한다. 더욱이, 종래 기술에서는 측면 나사 내경이 각각의 외경의 1/3이고, 중앙 나사 외경이 상기 내경의 5/3이다. 따라서, 직경 사이의 일반적인 비율은 1:3:3:5이다.

새로운 프로파일을 얻기 위하여, 먼저 위에서 언급한 비율을 수정하여 나사의 기계적 저항을 손상시키지 않으면서 펌프 용량을 늘릴 수 있도록 하는 새로운 매개변수화(parameterization)를 식별한다. 도 6에 도시된 직경(Ø'li: Ø'le: Ø'ci: Ø'ce) 사이의 이러한 새로운 비율은 0.4:2.7:2.7:5로 편리하게 선택되며, 흡입 섹션을 약 7%까지 늘릴 수 있다. 직경에 관해 제안된 매개변수화에 따라, 종래 기술에 관하여 축들(S) 사이의 새로운 거리가 3의 값에서 2.7의 값으로 감소되었다.

새로운 파라미터로부터 시작하여, 2개의 나사에 대한 이상적인 프로파일은 종래 기술 분석에 설명된 대로 에피트로코이드 방정식(epitrochoid equations)을 이용하여 생성된다. 전술한 바와 같이, 에피트로코이드는 반경 원의 중심으로부터 특정 거리에 있는 고정점으로부터 상기 원을 다른 원의 바깥으로 굴림으로써 공간 내에 기술되는 점들을 연결하여 얻어지는 곡선이다: 원으로부터의 거리와 원들의 반경은 이 경우 2개의 나사에 대해 선택된 내경 및 외경에 의해 결정된다. 에피트로코이드는 두 나사에 대해 선택된 내경 및 외경에 의해 정의되는 원들에 외적으로 및 내적으로 결합되어, 도 7에 표시된 이상적인 프로파일을 결정한다.

결정해야 할 나머지 파라미터는 에피트로코이드 생성의 시작점(p, p', p'')이다. 실제로, 나사를 특징짓는 파라미터는 중앙 나사(2)에 프로파일을 생성하는 에피트로코이드의 2개의 연속적인 시작점(p', p')을 연결하는 선분에 대향하는 각도(α)이다: 상기 값은 나머지 나사(3)에 해당 각도(β)에 고유하게 연결된다. 이하에서 톱니 개방 각도(α) 및 플랭크 개방 각도(β)로 정의되는 상기 각도는 중앙 나사(2)의 외부 프로파일 상에서 플랭크를 연결하는 원호의 길이 및 측면 나사(3)의 2개의 연속적인 톱니 사이의 원호의 길이를 정의한다. 상기 각도는 한편으로는 나사 하우징과 슬라이딩 접촉하는 원통형 표면을 결정하고, 다른 한편으로는 나사에 정의되는 나선의 기계적 강도를 결정한다. 본 출원인은 기하학적 분석을 통해 작동 유체를 트래핑하는 데 유용한 부피는 톱니(α) 및 플랭크(β)의 개방 각도 선택과 관련하여 불변이라는 것을 결정하였다. 이러한 이유로, 펌프의 용량에 영향을 주지 않으면서 마찰 공학적 및 기계적 고려 사항을 토대로 상기 각도를 자유로이 선택할 수 있다.

그리하여, 종동 측면 나사(3)의 이상적인 프로파일 위에 추가적인 기하학적 구조(g)가 적용된다. 도 8에 나타낸 추가적인 기하학적 구조(g)는 피치 직경 외부에서 발생되고, 에피트로코이드 방정식에 의해 정의되는 플랭크(f)를 사전에 설정된 측면 나사 외경(Ø'le)보다 큰 직경을 갖는, 즉, 피치원 직경(Cpl)보다 큰 직경을 갖는 절두원(Ct)에 연결한다. 따라서, 추가적인 기하학적 구조(g)는 이전에 식별된 지점(p)에서 플랭크에 결합되는 나사 프로파일의 면(c)을 정의한다. 에피트로코이드에 의해 정의된 면(c)과 추가적인 기하학적 구조에 의해 정의된 플랭크(f) 사이의 연결점(p)은 바람직하게는 꼭지점(angular point)이 아닌 변곡점(inflexion point)일 것이다 (여기에서 각도 점에 의하여 제1종의 미분-불가능한 점이 의도된다). 추가적인 기하학적 구조(g)는 설계 선택에 따라 적절하게 선택될 수 있으며, 예를 들어 타원 곡선 또는 스플라인 함수로 될 수 있다.

측면 나사(3)의 최종 프로파일이 얻어지면, 중앙 나사(2)의 프로파일은 보간법에 의해 얻어진다. 2개의 최종 프로파일은 도 9에 도시된다. 알 수 있듯이, 에피트로코이드에 의해 정의된 중앙 나사(2)의 면(c')의 베이스에서 피치원(Cpc)에 대한 새로운 내부 원호까지 연결 플랭크(f')가 발전된다. 따라서 이러한 프로파일의 재정의로 인하여 2개의 나사의 내경 및 외경이 변경된다. 특히, 측면 나사 내경(Øci)은 이제 측면 나사 외경(Øle)보다 작다. 이전의 매개변수화에 의한 최종 직경 사이의 비율(Øli: Øle: Øci: Øce)은 이제 0.4:2.97:2.43:5이다.

도 7에 도시된 이상적인 프로파일에 대한 수정은 동일한 나사 직경에 대한 펌프 용량을 약 10% 더 증가시킨다. 그러므로, 종래 기술에 비해 전체 용량의 증가는 약 17%에 해당한다. 또한, 나사 축 사이의 거리 감소로 인하여 펌프의 반경 방향 치수가 감소된다.

위에서 설명한 개선 사항은 도 12 및 도 13에서 명확하게 볼 수 있다; 실제로, 빗금친 영역은 펌핑된 유체가 차지할 수 있는 자유 정면 부피의 증가를 나타내며, 결과적으로 동일한 나사 외경으로 용량이 증가된다.

본 발명에 따른 펌프의 장점은 특히 반경 방향뿐만 아니라 축 방향에서도 특히 컴팩트한 치수에 기인하는데, 이는 동일한 유속에서 나사의 피치가 더 짧아지기 때문이다.

또 다른 장점은 펌프 구성에 필요한 재료의 양이 적어 생산 비용이 제한된다는 점이다.

본 발명에 따른 펌프의 다른 장점은 성능 특징과 관련된다. 특히, 펌프는 체적 효율은 동일하지만 압력 리플이 더 좋고, 소음이 감소되며, 유효 흡입 수두(net positive suction head, NPSH)가 더 낮다.

분명히, 당업자는 우발적인 특정 요구를 충족하기 위해 위에 설명된 기어 휠 및 장치에 대해 여러 가지 변경 및 변형을 가할 수 있으며, 이들 모두는 이어지는 특허 청구의 범위에 의해 정의된 본 발명의 보호 범위에 포함된다.

Claims (15)

1. 삼중 나사 펌프(10)용 나사 조립체(1)로서:
   중앙 나사(2) 및 2개의 측면 나사(3)를 포함하며,
   모든 나사는 하나 이상의 나선형 나사산(21, 22)이 제공되고,
   각각의 측면 나사(3)는 중앙 나사축(zc)에 평행한 측면 나사축(zl)을 가지며 상기 중앙 나사(2)와 맞물리도록 배열되고,
   여기에서 중앙 나사(2)와 측면 나사(3)의 축들(S) 사이의 거리는 중앙 나사(2) 외경(Øce)의 절반보다 크고 3/5보다 작은 것을 특징으로 하는 삼중 나사 펌프(10)용 나사 조립체(1).
2. 청구항 1에 있어서, 중앙 나사(2)와 측면 나사(3)의 축들(S) 사이의 거리는 중앙 나사 외경(Øce)의 52% 내지 56%로 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
3. 청구항 2에 있어서, 중앙 나사(2)와 측면 나사(3)의 축들(S) 사이의 거리는 중앙 나사 외경(Øce)의 54%와 실질적으로 동일함을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
4. 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 중앙 나사 외경(Øce)은 측면 나사(3) 내경의 5배보다 크게 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
5. 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 중앙 나사 외경(Øce)은 측면 나사 외경(Øle)보다 크고, 중앙 나사 내경(Øci)은 측면 나사 외경(Øle)보다 작게 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
6. 청구항 5에 있어서, 중앙 나사 내경(Øci)은 측면 나사 외경(Øle)의 60% 내지 99%로 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
7. 청구항 2에 있어서, 중앙 나사 내경(Øci)은 측면 나사 외경(Øle)의 85% 내지 92%로 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
8. 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 중앙 나사 내경(Øci)은 각각의 피치원(피치 circle)(Cpi)의 직경보다 작고, 측면 나사 외경(Øle)은 각각의 피치원(Cpl)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
9. 청구항 8에 있어서, 측면 나사 외경(Øle)은 각각의 피치원(Cpl) 직경의 1배 내지 1.3배로 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
10. 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 측면 나사(3)의 단면 프로파일은 에피트로코이드(epitrochoid)를 따르는 플랭크(f)를 갖고, 상기 플랭크(f)는 면(c)에 의해 절두원(truncation circle)(Ct)에 연결됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
11. 청구항 10에 있어서, 플랭크(f) 및 면(c)은 측면 나사(3)의 단면 프로파일 상에 있는 변곡점에서 연결됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
12. 청구항 10 또는 11 중 한 항에 있어서, 측면 나사(3)의 상기 면(c)은 곡선적이고(curvilinear), 꼭지점 (제1종의 미분-불가능 점, angular points (non-differentiable point of the first kind)) 없이 플랭크(f) 및 절두원(Ct)에 연결됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
13. 선행 청구항 중 한 항에 있어서, 측면 나사(3)는 서로 동일하며, 중앙 나사축(zc)에 평행한 측면 나사축(zl)을 가지며 중앙 나사의 2개의 측면에서 맞물리도록 구성됨을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
14. 청구항 13에 있어서, 중앙 나사(2)는 동일한 피치(pc)를 갖는 제1 나사산(21) 및 제2 나사산(22)으로 구성되고, 두 측면 나사(3)는 동일한 피치(pl)를 갖는 제1 나사산(31) 및 제2 나사산(32)으로 구성되며, 중앙 나사(2) 나사산의 피치(pc)는 측면 나사(3) 나사산의 피치(pl)와 동일함을 특징으로 하는 나사 조립체(1).
15. 펌프 본체(5), 흡입구(S), 배출구(D) 및 청구항 13 또는 14 중 어느 한 항에 따른 나사 조립체(1)를 포함하는 삼중 나사 펌프(10)로서, 상기 메인 나사(2) 및 측면 나사(3)는 회전방식으로 배열되어 펌프 본체(5) 내부에서 맞물리며, 상기 메인 나사(2) 및 측면 나사(3)의 회전은 유체(F)로 하여금 흡입구(S)로부터 배출구(D)로 이동하도록 함을 특징으로 하는 삼중 나사 펌프(10).