KR970009957B1 - 루우트 타입 회전기계 - Google Patents

루우트 타입 회전기계 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

루우트 타입 회전기계
제1도는 본 발명에 따른 루우트 타입 펌프의 한 로우터의 프로우필을 나타낸 도면.
제2도는 제1도에 도시한 로우터를 채용한 펌프의 단면구조를 대략적으로 나타낸 도면.
제3도는 인벌류우트곡선의 압력각(a)과 샤프트직경(d)에 대한 인벌류우트타입 로우터외측직경(D)의 비(D/d) 사이의 관계를 나타낸 도면.
제4도는 샤프트직경(d)에 대한 외측직경(D)의 비(D/d), 샤프트 강도비(A) 그리고 일회전에 대한 이론적 배개량계수(K) 사이의 관계를 나타낸 도면.
제5도는 다단구조에 제공된 것으로 본 발명에 따른 로우터를 갖는 루우트 타입 펌프에서 제1로우터를 구동하는 회전샤프트의 축을 따라 취한 단면도.
제6도는 제5도의 선 Ⅵ-Ⅵ을 따라 취한 단면도.
제7도는 종래의 루우트 타입 펌프에서 로우터의 단면구조를 대략적으로 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2,3,22,23,32,42 : 로우터 2a,3a : 선단부
2b,3b : 루우트부, 2c,3c : 인벌류우트곡선부
26, 27 : 회전샤프트 36,37 : 베어링
39 : 타이밍기어 50 : 흡입구
52 : 송출구
본 발명은 진공펌프시스템에서 사용하기 위해 루우트(roots) 타입 펌프와 같은 루우트 타입 회전기계에 관한 것이다.
루우트 타입 펌프와 같은 회전기계가 안정작동을 하도록 하기 위해 회전샤프트에 충분한 강도를 제공하는 것이 설계관점에서 가장 중요한 것이다. 그러나 로우터의 외측직경(D)에 대하여 회전샤프트의 직경(d)의 과도한 증가는 일회전에 대한 이론적인 배기량의 감소를 초래한다. 따라서, 배기량과 기계적강도를 고려하여 적절한 샤프트 직경(d)을 선정할 필요가 있다. 엔벌루우프, 인벌류우트 그리고 사이클 로이드 프로우필들은 루우트타입의 펌프의 로우터프로우필로써 일반적으로 알려져 있다. 엔벌루우프와 사이클 로이드 프로우필의 경우에는 회전샤프트직경(d) 즉 최단직경(로우트원의 직경)에 대한 로우터 외측직경(D)(선단원의 직경)의 비(D/d)가 근본적으로 결정되는 것에 반하여, 인벌류우트프로우필의 경우에는 비(D/d)가 어떤 범위내에서 인벌류우트곡선의 압력각(a)을 변화시키므로써 바람직하게 변할 수 있다.
전형적인 종래의 인벌류우트타입의 로우터를 도시한 제7도에서 각 선단부(12a),(13a)는 인벌류우트곡선부(12c),(13c)를 가로지르는 로우터의 외측직경(선단원의 직경)의 원으로 한정되고, 이에 반하여 각 루우트 각(12b),(13b)는 인벌류우트곡선부(12c),(13c)를 가로지르고 또한 직경(d)의 원과 접촉하는 두원호(반경 rο)로 한정된다. 일회전에 대한 이론적인 배기량 크기는 하우징(11)과 로우터(12)사이로 한정되는 트랩핑공간(14)의 6배(삼엽 로우터의 경우)에 해당하며 다음과 같이 표현된다.
V=KD²L
V : 일회전에 대한 이론적 배기량 크기
D : 로우터의 외측직경
L : 로우터 두께(로우터가 점유하는 공간의 깊이)
K : 이론적 배기량 계수
이론적 배기량 계수(K)는 로우터 프로우필에 의해 결정된다. 이론적 배기량 계수(K)의 극대화로 펌프의 배기량이 증가될 수 있다.
제7도에 예로써 도시된 형상을 갖는 상기 인벌류우트 타입 펌프의 경우에 밀폐된 공간(15)은 로우터(12)와 (13) 사이의 맞물림 결합의 영역으로 한정되고, 이 공간(15)은 트랩핑 과정중에 로우터(12)같은 여러 결점과, 동력소비의 증가 그리고 배기량의 감소를 초래하게 되며, 이에 따라 펌프작동의 손실을 초래하게 된다. 특히 종래기술은 압력각(a)이 더 작게됨에 따라 밀폐된 공간(15)이 증가된다는 문제점을 갖는다.
상기의 상황에 비추어서 본 발명의 주목적은 상기 종래의 인벌류우트타입 로우터의 결점중 하나인 밀폐된 공간을 최소로 할 수 있도록 설계되고 동시에 인벌류우트타입의 로우터의 장점을 확실하게 하여 어떤 범위내에서 인벌류우트 곡선의 압력각(a)을 변화시켜서 샤프트직경(d)에 대한 로우터의 외측 직경(D)의 비(D/d)를 바람직하게 선정할 수 있는 인벌류우트 타입의 회전기계를 제공하는 것이다.
이렇게 하기 위하여 본 발명은 흡입구와 송출구와 한 단계에 공동으로 구성되는 적어도 두개 의 로우터를 갖는 하우징을 포함하고, 상기 로우터가 하우징내에 배치되며 서로 반대방향으로 회전하는 개개 샤프트를 갖고 흡입구로부터 송출구를 향하여 가스를 송출시키는 회전기계에 있어서, 각 로우터의 선단부가 로우터의 기초원(제1도에 도시된 직경(R)의 원)상에 중심을 두고 인벌류우트곡선과 비교적 부드럽게 접촉하는 원호(반경 r)로 한정되는 동시에, 각 로우터의 루우트부가 기초원상에 중심을 두고 인벌류우트곡선을 가로지르는 반경(r')(r+간극)의 원호로 한정되고, 로우터사이의 간극이 실질적으로 일정한 수준에서 유지되며, 직경(d)(루우트원의 직경)에 대한 각 로우터의 직경(D)(선단원의 직경)의 비(D/d)가 아래와 같이 표현되는 범위내에 있도록 선정되는 것을 특징으로 하는 루우트 타입 회전기계를 제공하는 것이다.
Figure kpo00001
D/d
Figure kpo00002
[1+sin(180 /2n)]/[1-sin(180 /2n)]
여기서, n은 로우터의 날개수이다 : n
Figure kpo00003
3
상기 장치에 의해 소정의 로우터 외측직경(D)을 위해 어떤 범위내에서 바람직하게 샤프트직경(d)을 선정할 수 있다. 샤프트 강도와 일회전에 대해 이론적 배기량 계수(제4도에 도시됨)을 고려하여 최적의 샤프트직경(d)이 선정될 수 있다. 따라서 진동과 소음의 발생, 동력소비의 증가, 배기량의 감소 등을 야기시킬 수 있는 밀폐된 공간이 실질적으로 없으며 실질적으로 일정한 로우터간극이 항상 확실하게 되도록 설계된 인벌류우트타입의 로우터를 만들 수 있다.
첨부도면을 참고하여 이하에서 본 발명의 일실시예를 설명한다.
제1도은 본 발명에 따른 루우트 타입의 펌프의 한 로우터의 프로우필을 나타낸 것이며, 제2도는 제1도에 도시한 로우터를 채용한 루우트 타입 펌프의 단면구조를 대략적으로 나타낸 것이다. 도면에서 명확한 바와 같이 외측직경(D')의 선단부(2a),(3a)는 각각이 종래 인벌류우트타입 로우터의 기초원(직경 R)상에 중심을 두고 대응하는 인벌류우트곡선부(2c),(3c)와 접촉하는 원호(반경 r)로 한정되고, 마찬가지로 루우트부(2b),(3b)는 각각이 기초원상에 중심을 두고 반경(r')(r+간극)을 가지며 또 각각이 대응하는 인벌류우트곡선을 가로지르는 원호로 한정되며, 이에 따라 종래 인벌류우트타입 로우터의 샤프트직경(d)에 대해 외측직경(D)의 비(D/d) 보다 더 작은 비(D'/d')을 갖는 새로운 인벌류우트타입 로우터[외측직경 D'(D), 최단직경(d')(d)]를 얻을 수 있다.
제3도는 인벌류우트타입 로우터의 샤프트직경에 대한 외측직경의 비(D/d)와 인벌류우트곡선의 압력각(a) 사이의 관계를 나타낸 것이다. 매개변수로써 채용된 압력각(a)으로 샤프트직경(d)에 대한 외측직경(D)의 비(D/d)를 얻는 것은 제3도로부터 가능하다. 압력각(a)이 인벌류우트곡선의 프로우필을 나타내기 때문에 샤프트직경(d)에 대한 외측직경(D)의 비(D/d)는 소정의 압력각(a)에 대해 일정하다. 따라서, 만일 압력각이 일정하다면 외측직경(D)에 대한 다른 외측직경(D')을 각각 갖는 두 로우터의 프로우필은 서로 유사하다. 이것은 소정의 로우터외측직경(D)이 일정할 때 압력각(a)이 로우터의 회전샤프트를 위해 필요한 샤프트직경(d)과 직경(D)으로부터 얻어진다면 로우터프로우필이 결정된다는 것을 의미한다.
로우터(2),(3)가 인벌류우트곡선부(2c),(3c)에서 서로 결합되어 밀폐되는 경우에는 실질적으로 일정한 간극이 인벌류우트곡선의 특성으로 유지되고, 실질적으로 일정한 간극은 루우트부(2b),(3b)를 한정하는 원호의 반경을 r'로 되도록 설정하여 선단부(2a), (3a)와 루우트부(3b),(2b)사이의 영역에서 항상 유지되며, r'는 선단부(2a), (3a)를 한정하는 원호의 반경(r)에 간극을 더하여 결정된다.
상기 설비는 제 2도에 도시한 바와 같이 종래기술의 결점중 하나인 밀폐된 공간(15)의 극소화를 가능하게 한다.
상기 설명한 바와 같이 샤프트직경(d)이 매개변수로써 인벌류우트곡선의 압력각(a)을 채용하여 소정의 로우터외측지경(D)을 위한 어떤 범위내에서 바람직하게 선정될 수 있기 때문에, 제4도에 도시한바와 같이 일회전에 대한 이론적 배기량 계수와 샤프트 강도를 고려하여 최적의 샤프트직경(d)를 선정할 수 있다. 더우기 최적의 샤프트직경(d)은 사이클로이드타입 로우터의 경우에서 샤프트직경(d)에 대한 외측직경(D)의 비(D/d)와 엔벌루우트타입 로우터의 경우에서의 비(D/d)사이의 다음 범위내에서 선정될 수 있으며, 여기서 비(D/d)를 갖는 두 타입의 로우터는 주로 다음과 같이 결정된다.
(n+1)/(n-1)
Figure kpo00004
D/d
Figure kpo00005
[1+sin(180 /2n)]/[1-sin(180 /2n)]
여기서, n은 로우터의 날개 개수이다 : n
Figure kpo00006
3
더우기 로우터(2)와 (3) 사이에는 실절적으로 밀폐된 공간이 없으며, 실질적으로 일정한 로우터간극이 항상 그들 사이에서 유지된다.
제5와, 제6도는 다른 실시예와의 결합을 도시한 것이고, 여기서 본 발명이 다단진공펌프에 채용된 것이다. 이 다단진공펌프에서 공기는 예를 들면 진공챔버와 연통하고 있는 흡입구(50)를 통하여 두 개의 삼엽로우터(22), (23)로 구성된 제1단 펌프로 흡입된 다음에, 압력이 흡입구측 보다 다소 더 높은 송출구(52)로 배출된다.
계속하여 공기는 로우터(32)를 포함한 제2단펌프의 흡입구(도시하지 않음)로 인도된 다음에, 압력이 제2단펌프의 작동에 의해 더욱 더 높은 상태로 유지되는 송출구로 배출된다. 이런 방식으로 흡입구(50)로부터 흡입된 공기는 직렬로 배치된 다수 펌프를 통하여 지나서 공기 압력이 점차로 상승되고 공기가 최종단 펌프의 송출구로부터 배출된다. 이런 방식으로 흡입구(50)로부터 흡입된 공기는 직렬로 배치된 다수 펌프를 통하여 지나서 공기 압력이 점차로 상승되고 공기가 최종단 펌프의 송출구로부어 대기중으로 배출된다.
제5도에 도시된 실시예에서 하우징(21)에 견고하게 고착된 베어링(36),(37)에 의해 지지되는 한 회전샤프트(26)는 제1단 내지 제3단에 있는 제1로우터(22),(32),(42)를 구동한다. 회전샤프트(26)는 샤프트(26)의 일단에 작동 가능하게 연결된 모터(38)의 작동에 의해 구동된다.
회전샤프트(26)는 회전샤프트(26)의 다른단에 있는 타이밍기어(39)의 작동에 의해 제1단 내지 제3단에 있는 다른 또는 제2로우터(제6도에는 단지 제1단로우터(23)를 도시함)를 구동하는 다른 회전샤프트(27)와 동시에 회전하도록 배열된다.
제5도에 도시한 다단펌프에서 각 회전샤프트(26),(27)에 걸리는 하중은 각 샤프트가 다수 로우터를 구동하기 때문에 증가할 것이다. 그러나, 본 발명에서는 각 회전샤프트의 최대응력이 인벌류우트타입로우터를 채용하므로써 또 인벌류우트곡선의 압력각을 위한 적절한 값을 선정하므로써 소정의 값보다 더 작게 되도록 하기 위해 샤프트직경(d)을 선정할 수 있고, 이에 따라 회전샤프트에 적절한 기계적 강도를 제공할 수 있다. 더욱이 로우터의 선단부 및 루우트부를 원호로 한정하므로써 밀폐된 공간을 실질적으로 제거할 수 있고, 이에 따라 진공과 소음의 발생을 극소화할 수 있다.
상기 실시예에서 삼엽로우터를 채용하고 있지만 본 발명은 세 개 이상의 날개를 가진 어떤 로우터에도 적용할 수 있다. 홈이나 또는 원호의 외부에 있는 다른 국부영역은 각 로우터의 선단부에 형성될 수 있다. 상기 실시예에서 본 발명이 루우트타입 펌프에 적용되었지만, 본 발명은 루우트 타입 펌프에 더하여 루우트 타입 유량계와 같은 루우트 타입 회진기계에 널리 적용될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명은 다음 장점들을 제공한다.
소정의 로우터외측직경(D)에 대해 제4도에 예로써 도시된 바와 같이 일회전에 대한 이론적 배기량계수와 샤프트 강도를 고려하여 어떤 범위내에서 최적의 샤프트직경(d)을 선정할 수 있다. 따라서, 진동 및 소음의 발생, 동력소비의 증가, 그리고 배기량의 감소 등을 야기할 수 있는 밀폐된 공간이 실질적으로 없으며 또 실질적으로 일정한 로우터간극이 항상 확실하게 되도록 인벌류우트타입 로우터를 채용하는 루우트 타입 펌프를 제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 흡입구와 송출구 그리고 하나의 단에서 결합하여 구성되는 적어도 두 개의 로우터를 가진 하우징을 포함하고, 상기 로우터는 상기 하우징내에 배치되며 서로 반대방향으로 회전하는 개개 샤프트를 구비하여 상기 흡입구로부터 송출구를 향하여 가스를 배출하는 루우트 타입 회전기계에 있어서; 상기 개개 로우터는 각각 원호로 형성된 선단부와 루우트부를 가지고; 상기 선단부와 루우트부가 인벌류우트곡선을 통하여 서로 부드럽게 연속되며; 상기 로우터들 사이의 간격이 실질적으로 일정한 수준으로 유지되며, 루우트원의 직경(샤프트직경)(d)에 대한 각 로우터 선단원의 직경(외측직경)(D)의 비(D/d)가
    (n+1)/(n-1)
    Figure kpo00007
    D/d
    Figure kpo00008
    [1+sin(180 /2n)]/[1-sin(180 /2n)]
    (여기서 n은 로우터의 날개갯수이며, n
    Figure kpo00009
    3이다.)로 표현되는 범위내에 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 루우트 타입 회전기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나의 단의 각각의 두 로우터에 각각 고정되어 상기 각각의 로우터를 서로 반대방향으로 회전시키는 두 개의 샤프트에 길이방향의 연장부분을 형성하고, 상기 각각의 연장부분에, 다른 단을 구성하는 한 쌍의 각각의 로우터가 고정되어 회전되는 것을 특징으로 하는 루우트 타입 회전기계.
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