ITPR20090054A1 - Compressore a vite a secco - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“COMPRESSORE A VITE A SECCO”

La presente invenzione ha per oggetto un compressore a vite a secco per aria o gas, per impiego sia in pressione (ad esempio nel trasporto di granulati o polveri, oppure nel trattamento delle acque) sia in vuoto (ad esempio nell’aspirazione di gas, fumi o vapori). In particolare, il compressore a vite a secco qui proposto trova impiego per applicazioni a basse pressioni differenziali da 1 bar a 3 bar ed in vuoto fino ad una pressione assoluta limite di 150 mbar.

Come è noto, un compressore a vite comprende almeno un rotore maschio ed almeno un rotore femmina ingrananti tra loro durante la rotazione attorno a rispettivi assi ed alloggiati entro un corpo contenitore. Ciascuno dei due rotori presenta rilievi elicoidali che ingranano in corrispondenti scanalature elicoidali dell’altro rotore. Sia il rotore maschio che il rotore femmina mostrano, in sezione trasversale, un prefissato numero di lobi (o denti) corrispondenti ai loro rilievi ed un prefissato numero di vani corrispondenti alle loro scanalature. Il corpo contenitore presenta un ingresso per il gas da aspirare ed una uscita (anche detta “luce di mandata”) per il gas compresso. Il gas aspirato viene compresso tra i due rotori in movimento ed arriva in uscita alla pressione richiesta.

I compressori a vite a secco, comunemente indicati come “oil-free” in contrapposizione ai compressori ad iniezione d’olio, trovano largo impiego in applicazioni nelle quali il livello dei contaminanti deve essere mantenuto al di sotto di una determinata soglia percentuale (solitamente molto bassa).

Negli ultimi anni, alcune case costruttrici hanno proposto compressori a vite a secco per pressioni differenziali comprese fra 3 bar e 10 bar, riadattando la tecnologia dei compressori a vite ad iniezione d’olio per impiego ad alte pressioni (superiori a 10 bar).

Tuttavia, la costruzione di tali compressori è molto sofisticata e costosa in quanto deve tenere in considerazione le elevate sollecitazioni meccaniche e termiche alle quali i rotori sono sottoposti. In particolare, per evitare eccessive flessioni sotto carico, il rapporto tra lunghezza e diametro esterno del rotore maschio è tipicamente compreso tra 1.5 e 1.8. La geometria del profilo dei rotori è adeguata alle elevate pressioni ed alla presenza dell’iniezione d’olio. Inoltre, il numero dei denti è legato alla problematica della riduzione dell’influenza dei trafilamenti durante la compressione. Sempre per ridurre l’influenza dei trafilamenti fra i due rotori, le velocità di rotazione degli stessi sono comprese tra 10000rpm e 20000rpm. Per ottenere tali velocità, viene impiegato un sistema meccanico di moltiplicazione costruttivamente complicato e dispendioso dal punto di vista energetico. Inoltre, a differenza dei compressori a vite ad iniezione d’olio, questi compressori fanno uso di ingranaggi di sincronizzazione tra i due rotori.

Una ulteriore complicazione costruttiva di tali compressori è rappresentata dalla necessità di predisporre un sistema di cuscinetti a rotolamento speciali (per sopportare le elevate sollecitazioni indotte dai rotori) corredato da un complesso circuito di lubrificazione. Infatti, a causa degli elevati regimi di velocità e della elevata temperatura di funzionamento, l’olio di lubrificazione deve essere iniettato nei cuscinetti e, una volta recuperato, deve essere filtrato e raffreddato.

Apportando alcune modifiche alle luci di mandata, è possibile utilizzare i compressori sopra descritti anche per pressioni differenziali comprese fra 1 bar e 3 bar. Tuttavia, tali compressori hanno lo svantaggio di presentare la medesima complessità costruttiva dei compressori per alte pressioni (superiori a 10 bar).

Più frequentemente, per applicazioni a basse pressioni differenziali (inferiori ad 1 bar), sono usati compressori di tipo “Roots”. Si tratta di compressori nei quali due rotori a lobi (tipicamente due o tre lobi) ad assi paralleli ruotano in sincronia in senso opposto. Pur essendo costruttivamente semplici, economici ed in grado di garantire buone portate, uno degli svantaggi di tali compressori risiede nella scarsa efficienza del loro ciclo termodinamico.

In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è proporre un compressore a vite a secco che superi gli inconvenienti della tecnica nota sopra citata.

In particolare, è scopo della presente invenzione rendere disponibile un compressore a vite a secco per basse pressioni differenziali (comprese tra 1 bar e 3 bar) e con portate elevate, costruttivamente semplice, economico e facile da mantenere.

Inoltre, è scopo della presente invenzione proporre un compressore a vite a secco anche per applicazioni in vuoto fino ad un limite di 150 mbar di pressione assoluta.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un compressore a vite a secco, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un compressore a vite a secco, come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1 illustra un compressore a vite a secco, secondo la presente invenzione, in sezione longitudinale;

- la figura 2 illustra una porzione (corpo contenitore) del compressore di figura 1, in sezione longitudinale, per un diverso rapporto di compressione;

- la figura 3 illustra una porzione (rotori) del compressore di figura 1, in sezione trasversale. Con riferimento alle figure, con 1 è stato indicato un compressore a vite a secco per aria o gas, per impiego sia in pressione sia in vuoto. Il compressore 1 comprende almeno un rotore maschio 2 ed almeno un rotore femmina 3 tra loro coniugati. Nella forma realizzativa qui descritta ed illustrata, sono presenti un solo rotore maschio 2 ed un solo rotore femmina 3 alloggiati entro un corpo 4 contenitore ed ingrananti tra loro. In particolare, tale corpo 4 contenitore è ottenuto dall’unione di due cilindri (non illustrati) tra loro comunicanti in modo tale da definire un’unica cavità 5 di alloggiamento dei rotori 2, 3. In una forma realizzativa alternativa (non illustrata), sono presenti una pluralità di coppie coniugate di rotori maschi 2 e di rotori femmina 3.

Come illustrato in figura 3, il rotore femmina 3 ruota attorno ad un primo asse O1 di rotazione, mentre il rotore maschio 2 ruota attorno ad un secondo asse O2 di rotazione. In particolare, il primo asse O1 di rotazione si trova ad una distanza I (comunemente nota con il termine di “interasse”) dal secondo asse O2 di rotazione. Il primo asse O1 ed il secondo asse O2 di rotazione sono tra loro paralleli.

Ciascuno di detti rotori 2, 3 presenta rilievi elicoidali che ingranano in scanalature elicoidali ricavate tra corrispondenti rilievi elicoidali dell’altro rotore 2, 3. In tal modo, in sezione trasversale, il rotore maschio 2 mostra lobi 6 (o denti) e vani 7 ingrananti in corrispondenti vani 8 e lobi 9 (o denti) del rotore femmina 3. In particolare, i profili dei lobi 6, 9 e dei vani 7, 8 dei rotori 2, 3 sono asimmetrici per ottimizzare l’efficienza volumetrica. È inoltre prevista la presenza di ingranaggi 20a, 20b di sincronismo di tipo noto tra i rotori 2, 3.

In figura 3 sono individuati alcuni parametri dimensionali principali che caratterizzano i rotori 2, 3. In particolare, sono state tracciate una circonferenza Cef esterna del rotore femmina 3 ed una circonferenza Cem esterna del rotore maschio 2. Originalmente, il rapporto tra lunghezza Lm e diametro Dm esterno del rotore maschio 2 è maggiore o uguale a due. Preferibilmente, tale rapporto è compreso fra 2 e 3. Per diametro esterno si intende, in questo contesto, il diametro della circonferenza esterna Cem del rotore maschio 2. Come visibile in figura 1, la lunghezza Lm del rotore maschio 2 è pari alla lunghezza Lf del rotore femmina 3.

Preferibilmente, il numero di lobi 6 del rotore maschio 2 è diverso dal numero di lobi 9 del rotore femmina 3. In particolare, il numero di lobi 6 del rotore maschio 2 è minore del numero di lobi 9 del rotore femmina 3 di almeno una unità. Ad esempio, nella forma realizzativa qui descritta ed illustrata, il numero di lobi 6 del rotore maschio 2 è pari a tre, mentre il numero di lobi 9 del rotore femmina 3 è pari a cinque. In un’altra forma realizzativa (non illustrata), il numero di lobi 6 del rotore maschio 2 è pari a quattro, mentre il numero di lobi 9 del rotore femmina 3 è pari a sei.

Il corpo 4 contenitore presenta un ingresso 10 per un fluido gassoso da aspirare ed almeno una uscita 11 (o luce di mandata) per il fluido compresso. Tale uscita 11 definisce una apertura 12 ricavata nel corpo 4 contenitore. In una prima forma realizzativa, illustrata in figura 1, tale apertura 12 è di forma triangolare ed è ricavata su una superficie laterale (o mantello) del corpo 4 contenitore. In una seconda forma realizzativa (non illustrata), tale apertura 12 è ricavata in corrispondenza di una estremità del corpo 4 contenitore. Il compressore 1 è inoltre provvisto di mezzi di sagomatura (non illustrati in quanto di tipo noto) dell’apertura 12 per variarne la dimensione in modo tale da conseguire un prefissato rapporto R di compressione. Ad esempio, le figure 1 e 2 illustrano aperture 12 aventi dimensioni diverse, corrispondenti a due diversi rapporti R di compressione.

Il compressore 1 impiega cuscinetti di tipo noto. In particolare, i carichi radiali sono sopportati da un primo gruppo 19a di cuscinetti radiali a sfere posti in prossimità dell’ingresso 10 e da un secondo gruppo 19b di cuscinetti a rulli cilindrici posti in prossimità dell’uscita 11. I carichi assiali, invece, sono sopportati da un terzo gruppo 19c di cuscinetti a sfere a contatto obliquo disposti a fianco dei cuscinetti di del secondo gruppo 19b.

I cuscinetti del primo gruppo 19a, posti sul lato di aspirazione (dove le temperature sono sempre piuttosto basse) sono lubrificati a vita mediante grasso. I cuscinetti del secondo gruppo 19b e del terzo gruppo 19c, posti sul lato di mandata (dove le temperature sono più elevate) sono lubrificati a bagno d’olio insieme agli ingranaggi 20a, 20b di sincronismo.

Il sistema di tenuta del gas, presente solo sul lato di scarico del compressore 1, è formato da uno o più anelli montati, rispettivamente, su un albero 17 del rotore femmina 3 e su un albero 18 del rotore maschio 2. Tali anelli sono costituiti da materiale antiattrito, ad esempio grafite. In particolare, gli anelli sono montati liberi, ma con giochi estremamente ridotti, sui rispettivi alberi 17, 18 dei due rotori 2, 3.

Il sistema di tenuta dell’olio di lubrificazione è costituito, da due ulteriori anelli montati, rispettivamente, sugli alberi 17, 18 dei due rotori 2, 3. Tali ulteriori anelli sono realizzati in materiale a basso coefficiente di attrito (ad esempio in bronzo). In particolare, tali anelli sono montati liberi, ma con giochi estremamente ridotti, sui rispettivi alberi 17, 18 dei due rotori 2, 3.

Il compressore 1 è provvisto di un motore elettrico 16 operativamente attivo sull’albero 17 del rotore femmina 3 per azionarne la rotazione attorno al primo asse O1 di rotazione. Preferibilmente, il motore 16 è del tipo a magneti permanenti. Preferibilmente, il motore 16 a magneti permanenti è del tipo raffreddato con circolazione di acqua. In alternativa, è prevista la possibilità di impiegare un motore a magneti permanenti del tipo raffreddato ad aria.

Preferibilmente, il motore 16 è calettato sull’albero 17 del rotore femmina 3, cioè è in asse con tale albero 17. Nei casi in cui non è richiesta la variazione di velocità, è possibile accoppiare il compressore 1 al motore 16 con cinghie e pulegge.

Il funzionamento del compressore a vite a secco, secondo la presente invenzione, è descritto nel seguito. Il gas (ad esempio aria) viene aspirato dal compressore 1 e, tramite l’ingresso 10, entra nel corpo 4 contenitore. Durante la rotazione, i rilievi elicoidali del rotore femmina 3 ingranano nelle scanalature elicoidali del rotore maschio 2 e viceversa, pertanto anche il rotore maschio 2 viene posto in rotazione. Nelle forme realizzative senza contatto tra i rotori 2, 3, il corretto rapporto di trasmissione/moltiplicazione tra i rotori 2, 3 viene realizzato tramite gli ingranaggi 20a, 20b di sincronismo.

Nell’attraversare longitudinalmente il corpo 4 contenitore, il gas viene compresso tra le “spire” dei due rotori 2, 3 in rotazione e giunge all’uscita 11.

La prima forma realizzativa (apertura 12 sulla superficie laterale del corpo 4 contenitore) è impiegata per rapporti R di compressione “intermedi”, ad esempio compresi tra 1 e 4, mentre la seconda forma realizzativa (apertura 12 in corrispondenza di una estremità del corpo 4 contenitore) è impiegata per rapporti R di compressione “elevati”, ad esempio compresi tra 4 e 10. In entrambe le due forme realizzative, i mezzi di sagomatura definiscono la dimensione dell’apertura 12 corrispondente al rapporto R di compressione desiderato.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del compressore a vite a secco, secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

In particolare, il rapporto tra lunghezza e diametro esterno del rotore maschio (maggiore o uguale a due) è reso possibile dalle basse pressioni differenziali (comprese tra 1 bar e 3 bar), o dalla pressione assoluta limite di 150 mbar per applicazioni in vuoto.

Inoltre, la scelta della geometria del profilo e l’azionamento del compressore tramite l’albero del rotore femmina consentono di massimizzare la cilindrata del compressore, a parità di lunghezza dei rotori, permettendo quindi di raggiungere le portate richieste a velocità di rotazione nettamente inferiori a 10000rpm.

Inoltre, la geometria del profilo consente di avere una linea di contatto maggiore tra i rotori con una migliore tenuta, riducendo i trafilamenti.

Inoltre, grazie alle forze relativamente ridotte generate dalla pressione che agisce sui rotori ed alla velocità di rotazione relativamente bassa, il compressore può impiegare tipologie di cuscinetti economiche e costruttivamente semplici. In particolare, a differenza dei compressori a vite di arte nota, è evitato l’uso di cuscinetti speciali caratterizzati da giochi ridotti, gabbie di disegno e materiali speciali o l’uso di speciali assiemi di cuscinetti con corpi volventi precaricati.

Inoltre, i carichi ridotti e la bassa velocità di rotazione permettono di semplificare notevolmente anche il sistema di lubrificazione dei cuscinetti ed il sistema di tenuta del gas e dell’olio di lubrificazione, in modo tale da conseguire la massima efficienza al minor costo. In particolare, per quanto riguarda la tenuta dell’olio di lubrificazione, lo speciale disegno del labirinto realizzato sulla superficie dell’anello affacciata all’albero corrispondente, garantisce la tenuta delle gocce di olio e delle particelle di aerosol che si generano all’interno del carter di lubrificazione.

Inoltre, grazie al fatto che il compressore funziona a velocità non superiori a 10000rpm, è possibile calettare direttamente il motore sull’albero del rotore femmina (cioè senza l’interposizione di organi di trasmissione), ottenendo un compressore costruttivamente semplice, compatto ed avente una maggiore efficienza energetica. In tal modo, si sfrutta il rapporto di moltiplicazione degli ingranaggi di sincronismo dei rotori, che corrisponde al rapporto tra il numero di lobi del rotore femmina ed il numero di lobi del rotore maschio (nella forma realizzativa illustrata esso è pari a 5/3=1.66667). Si evita così l’utilizzo di moltiplicatori a ruote dentate, conseguendo un vantaggio in termini di semplicità costruttiva, ingombro, costi e rumorosità.

Inoltre, all’efficienza energetica del compressore contribuisce anche l’impiego del motore a magneti permanenti, il quale consegue bassi consumi su una ampia gamma di velocità. In particolare, il motore impiegato presenta rendimenti maggiori dei motori elettrici asincroni trifase utilizzati nella tecnica nota, specialmente a velocità ridotte. Tra l’altro, l’impiego di un motore a magneti permanenti raffreddato ad acqua consente di ridurre le dimensioni ed il peso del motore stesso, consentendone appunto l’installazione diretta sull’albero del rotore femmina, sfruttando i cuscinetti radiali del compressore stesso.

L’ottimizzazione del rendimento energetico è ottenuta anche grazie all’adozione di una luce di mandata di dimensioni variabili sulla base del rapporto di compressione desiderato, realizzando in tal modo un compressore estremamente versatile e modulare.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Compressore (1) a vite a secco comprendente: un corpo (4) contenitore avente un ingresso (10) per un fluido gassoso da aspirare ed almeno una uscita (11) per il fluido compresso; almeno un rotore maschio (2) ed almeno un rotore femmina (3) tra loro coniugati, detti rotori (2, 3) essendo disposti entro detto corpo (4) contenitore ed ingrananando tra loro, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra lunghezza (Lm) e diametro (Dm) esterno del rotore maschio (2) è maggiore o uguale a due.
2. 2. Compressore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto rotore maschio (2) presenta tre lobi (6) e detto rotore femmina (3) presenta cinque lobi (9).
3. 3. Compressore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre un motore (16) operativamente attivo su un albero (17) del rotore femmina (3) per azionarne la rotazione attorno ad un primo asse (O1) di rotazione.
4. 4. Compressore (1) secondo la rivendicazione 3, in cui detto motore (16) è del tipo a magneti permanenti.
5. 5. Compressore (1) secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto motore (16) è calettato su detto albero (17) del rotore femmina (3).
6. 6. Compressore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un primo gruppo (19a) di cuscinetti radiali a sfere posti in prossimità di detto ingresso (10), un secondo gruppo (19b) di cuscinetti a rulli cilindrici posti in prossimità di detta uscita (11) ed un terzo gruppo (19c) di cuscinetti a sfere a contatto obliquo disposti a fianco dei cuscinetti di detto secondo gruppo (19b).
7. 7. Compressore (1) secondo la rivendicazione 6, in cui i cuscinetti del primo gruppo (19a) sono lubrificati a grasso permanente, mentre i cuscinetti del secondo gruppo (19b) e del terzo gruppo (19c) sono lubrificati a bagno d’olio.
8. 8. Compressore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta uscita (11) definisce una apertura (12) ricavata nel corpo (4) contenitore, la dimensione di detta apertura (12) essendo modificabile tramite mezzi di sagomatura in modo tale da conseguire un prefissato rapporto (R) di compressione.
9. 9. Compressore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di trovare impiego in applicazioni a pressioni differenziali da 1 bar a 3 bar.
10. 10. Compressore (1) secondo le rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto di trovare impiego in applicazioni in vuoto fino ad una pressione assoluta limite di 150 mbar.