KR20020002406A - 사이드 채널형 컴프레서 - Google Patents

Abstract

사이드 채널형 컴프레서는 기체용 유입 포트(42)와 압축 기체용 배출 포트(44)뿐만 아니라 상기 유입 포트(42)와 상기 배출 포트(44)사이에 유동 연결부를 제공하는 사이드 채널(32)을 포함하며, 상기 사이드 채널(32)의 단면적은 상기 유입 포트(42)와 상기 배출 포트(44)사이에서 감소된다. 상기 사이드 채널(32)은 반 타원형의 단면의 구역을 한 곳 이상 구비하며, 상기 반타원형 단면 구역에서는 이 사이드 채널(32, 132)의 최고 깊이가 상기 배출 포트(44, 144)를 향해서 연속적으로 감소되는 구역을 하나 이상 구비한다.

Description

사이드 채널형 컴프레서{SIDE CHANNEL COMPRESSOR}

그러한 사이드 채널형 컴프레서는 DE 197 08 952 A1로부터 공지되어 있다. 이 사이드 채널형 컴프레서에서는, 사이드 채널의 단면이 유입 포트에서 배출 포트로 연속적으로 테이퍼져 있다. 이 테이퍼부는 사이드 채널형 컴프레서의 효율을 증가시키기 위한 것으로서 사이드 채널 내의 압력은 지속적으로 상승하고, 체적 유량은 증가된다. 종래 기술에 따르면, 사이드 채널의 단면은 직사각형이지만, 그 모서리는 둥글게 처리되어 있다.

본 발명은 기체용 유입 포트와 압축 기체용 배출 포트뿐만 아니라 유입 포트와 배출 포트 사이에 유동 연결부를 제공하는 사이드 채널을 포함하며, 상기 사이드 채널의 단면은 유입 포트와 배출 포트 사이에서 감소되는 사이드 채널형 컴프레서에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 2단식 사이드 채널형 컴프레서의 종단면도를 도시하며,

도 2는 사이드 채널의 구비한, 도 1에 도시된 덮개의 측면도를 도시하고,

도 3은 도 2에 도시된 단면선 A, B, C, D, E를 따라 취한 사이드 채널의 연속적인 단면도이며,

도 4는 변형된 사이드 채널을 구비한 다소 변형된 덮개의 측면도를 도시하며,

도 5는 도 4에 도시된 단면선 A 내지 I를 따라 취한 사이드 채널의 연속적인 단면을 도시하며,

도 6은 15 % 의 단면 테이퍼, 30 %의 단면 테이퍼 그리고 단면 테이퍼를 갖지 않는 사이드 채널형 컴프레서의 달리하는 속도에서의 효율을 다양한 과정으로 도시한다.

본 발명의 목적은 사이드 채널형 컴프레서의 효율 개선을 달성하는 것이다.

이는 사이드 채널이 반 타원형의 단면을 구비하며 채널의 최대 깊이가 배출 포트를 향해 연속적으로 감소되는 구역을 한 곳 이상 구비하는, 서두에서 언급한 형태의 사이드 채널형 컴프레서로서 달성된다.

본 발명에 따른 사이드 채널형 컴프레서에서, 단면의 경계를 정하는 벽 부분의 천이 지점이 매우 부드럽게, 실질적으로는 천이 지점이 존재하지 않도록 설계되어서 사이드 채널 내의 유동 조건이 최적화 된다. 이는 타원 형상의 채널에 의해 달성된다. 기체는 컴프레서의 날개로부터 사이드 채널로 날개 축에 대하여 소정의 축방향 속도 성분을 갖고 유동하며, 극심한 손실을 발생시키지 않으면서 사이드 채널에서 편향된다. 이렇게 함으로써, 더 많은 체적 유량 및 더 높은 컴프레서 출력을 얻는다. 타원형 구조와 관련된 경사 부분 때문에, 타원형 구조는 사형 주조법 또는 다이케스팅법에 의한 채널의 생산성의 향상을 가져온다.

사이드 채널의 타원형 단면을 갖는 구역은 사이드 채널의 전체 길이 또는 단지 일부분을 따라 연장될 수 있다. 타원형 단면을 갖는 구역은 늦어도 유입 포트와 배출 포트 사이의 유로 거리의 약 1/2 지점에서 시작되어야 한다. 이 영역에서, 다시 말하면 압축될 기체가 이미 실질적인 압축을 경험하게 되는데, 단면은 이것이 감소됨으로써 상기 압축에 적합하도록 되어야 한다.

타원형 단면을 갖는 구역은 배출 포트 영역에서 종결되어야 하며, 이 영역에서 최고의 압축 또한 나타난다.

컴프레서의 최적 출력은 단지 기체의 종류와 컴프레서의 용량, 특히 콤프레스의 속도에 따라 사이드 채널의 단면 감소를 조절함으로써 달성될 수 있다는 것이 강조되어야 한다. 예컨대, 단면 감소가 너무 크거나 너무 작다면, 전자의 경우에는 기체의 유동이 방해되며, 후자의 경우에는 기체의 압축성을 충분히 이용할 수 없으므로 최적의 상태가 되지 않는다. 바람직한 실시예에 따르면, 타원형 단면을갖는 구역에서의 사이드 채널의 단면적은 기체의 밀도 증가비에 적합하도록, 사이드 채널의 단면적이 상응하게 감소되도록 되어 있다. 단면적의 최적의 감소는 압축될 기체가 거의 단열 등엔트로피적으로 압축된다는 가정 하에 이루어지는데, 이 단면적은 기체 부피감소에 상응하게 감소된다.

이 과정은 후술되는 식과 같이 계산되는데, 사이드 채널의 유입부에서의 특성량은 첨자1로, 배출부에서의 특성량은 첨자2로 표시되어 있다.

사이드 채널을 따른 압축 과정에서

m₁= m₂= 일정이다.

이상기체 방정식에서,

또는이 얻어진다.

추가의 조건일정에 의해,

이 얻어진다.

단열 등엔트로피 압축으로

χ = 1.4

Δp = 200 mbar

P₁= 970 mbar

T₁= 20 ℃ 라 가정하면,

압축 작용에 대해서

흡입 작용에 대해서

이에 의해, 압축 작용에서의 유입부와 배출부 사이의 단면 비는

이고, 흡입 작용에서의 단면 비는

이다.

상기 공식으로, 채널의 임의의 필요한 장소에서의 최적 단면적이 결정될 수 있다.

단열 등엔트로피 압축이라는 가정 하에 사이드 채널의 길이에 따라 단면적이 점점 감소되는 과정을 최적화하는 것이 채널의 타원형 단면 형상에 한정될 필요는없다. 오히려, 이에 상응하는 단면의 감소는 기타 다른 채널 형상으로도 효율의 최적화를 초래할 수 있다.

사이드 채널형 컴프레서에서의 예컨대 등온 압축과 같은 기체의 또 다른 구조상의 변화를 생각할 수 있지만, 단열 등엔트로피 압축은 높은 효율을 달성한다는 점에서 성공적이라는 것이 증명되었다.

본 발명의 또 다른 구조는 타원형 단면을 갖는 구역의 앞에 반원형 단면을 구비한 사이드 채널을 마련하는 것이다. 이 반원형 단면은 더욱더 얕아지는 타원형으로 끊임없이 변화되는데, 사이드 채널을 포함하는 사이드 채널형 컴프레서의 덮개의 평탄한 표면에 타원의 주축이 실질적으로 위치하게 된다.

유체 기술적인 측면에서, 타원의 주축이 사이드 채널을 포함하는 사이드 채널형 컴프레서의 덮개의 다소 안쪽에 위치하게 되면 이점이 있을 수 있다.

단면 감소가 단지 감소되는 깊이에만 영향을 받지만 적합한 타원 형상을 갖도록, 사이드 채널의 폭은 바람직하게는 전체 길이에 걸쳐 일정하게 유지되어야 한다.

본 발명의 한 가지 구조에 따르면, 사이드 채널은 측면도로 도시하면, 말발굽 형상으로 진행하며 이에 따라 사이드 채널의 길이가 길어진다. 채널의 단부에서의 연장 부분은 유입 및 배출 포트로 각각 구성되어 있다.

본 발명에 따른 사이드 채널형 컴프레서는 1단식 또는 다단식으로 구성될 수 있고, 후속 단의 유입 포트의 단면적은 바로 앞의 단의 배출 포트의 단면적에 상응한다. 이것으로, 기체가 연속적인 단 사이의 체널에서 구조상의 변화를 경험하는것을 방지한다.

바람직하게는, 개개의 단 모두는 전술한 바와 같이, 즉 유입 포트와 배출 포트 사이에서 단면적이 연속적으로 감소되도록 마련된다. 다단식 컴프레서에서의 압축 수준은 1단식 컴프레서의 압축 수준과는 다르기 때문에, 단면적의 감소는 물론 이러한 효과에 적합해야한다. 따라서, 2단식 및 1단식 컴프레서의 유입부와 배출부 사이에서의 동일한 압력 상승에 대해서, 2단식 컴프레서에서의 각 단을 위해서는 1단식 컴프레서와 비교할 때의 채널 테이퍼의 단지 1/2를 필요로 한다.

본 발명의 또 다른 특징과 이점은 후술되는 설명과 참조로 마련된 첨부된 도면으로부터 분명해 질 것이다.

도 1에 도시된 사이드 채널형 컴프레서에서, 구동 모터(10), 제1 단(12) 및 제2 단(14)은 조립 유닛으로 일체화되어 있다. 하우징은 도면 부호16으로 표시되어 있다. 각 단(12, 14)의 날개(20, 22)는 구동 샤프트에 장착되며, 이 구동 샤프트는 구동 모터(10)에 의해 회전하도록 되어 있다. 하우징(16)에 나사로 고정된 제1 하우징 덮개(30)는 제1 단의 사이드 채널(32)을 포함한다. 반대측에는, 사이드 채널(28)을 포함하는 제2 하우징 덮개(26)가 하우징(16)과 연결되어 있다. 제1 단(12)은 도 2에 의해 설명되는 유입 및 배출 포트를 구비한다. 제1 단의 배출 포트는 하우징 내의 채널(도시 생략)에 의해 제2 단(14)의 유입 포트와 연결되어 있다. 제1 단의 배출 포트 및 제2단의 유입 포트의 단면뿐만 아니라 채널은 제1 단과 제2 단 사이의 채널 영역에서 단면에 변화가 없도록 설계되어 있다.

하우징 덮개(30)는 도 2에 분리되어 도시되어 있다. 이 하우징 덮개에 형성된 사이드 채널(32)은 실질적으로 말발굽 형상이며, 환형 아크형상으로 270°(단면선 A에서 단면선 E까지 이르는 부분)에 걸쳐 연장된 구역을 구비한다. 단면선 A의 상류에는 유입 포트(42)가 약 15 °에 걸쳐 연장되어 사이드 채널(32)의 연장 부분 형태를 형성한다. 단면선 E의 하류에는 마찬가지로 연장 부분같은 배출 포트(44)가 마련되어 있다.

단지 사이드 채널 자체를 도시하는 도 3의 단면 부호에서 알 수 있는 바와같이, 사이드 채널(32)은 단면선 A에서부터 단면선 E까지 동일한 폭을 구비한다. 출발점인 단면선 A에서, 사이드 채널은 반원의 중심이 덮개(30)의 평탄한 표면(46)의 약간 아래에 놓여진 반원형 단면을 여전히 구비하며, 덮개의 내부로 연장되는 사이드 채널은 이곳에서부터 시작한다. 도 3에서, 중심 M에서부터 표면(46)까지의 거리로 1 ㎜가 주어진다. 유입 포트(42)로부터 배출 포트(44)까지는 도 2에 화살표로 도시된 방향으로 중심 유동이 발생한다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 사이드 채널(32)의 단면적은 배출 포트(44)에 이르는 도중에 연속적으로 감소된다. 단면선 A에서부터 단면선 E까지의 사이드 채널(32) 구역은 타원형의 사이드 채널 단면을 구비한 구역을 형성한다. 사이드 채널(32)의 단면은 단면선 A에서의 반원형에서부터 깊이가 더욱더 감소되어 타원형으로 변화한다. 단면선 B에서의 깊이는 h1로, 단면선 C에서는 h2로, 단면선 D에서는 h3으로, 그리고 단면선 E에서는 h4로 도시되어 있다. 말하자면, 사이드 채널을 형성하는 반 타원형은 유로의 길이의 증가로 압착된다. 단면적의 감소는 단열 등엔트로피적인 구조상 변화라는 가정 하에서 압축되는 기체의 비체적이 유로를 따라 연속적으로 감소하도록 되어 있다.

단면선 B 내지 E에 따른 단면 부호에서 알 수 있는 바와 같이, 타원의 주축은 마찬가지로 약 1 ㎜ 정도 덮개 안쪽에 위치한다.

반원형에서 더욱더 얕아 지는 타원형으로 끊임없이 연속적으로 변화하는 사이드 채널(32)의 단면은, 단지 작은 유동 손실만이 발생한다는 점에서 사이드 채널(32)내의 우수한 유동 상태에 의해 두드러지게 된다. 전술한 바와 같이 단면의 과정이 압축된 기체의 구조상 변화에 적합하기 때문에 사이드 채널형 컴프레서의 효율은 매우 높다.

도 4 및 도 5에는 약간 다르게 설계된 유입 및 배출 영역을 갖는 사이드 채널(132)을 구비한 다소 변형된 하우징 덮개(130)가 도시되어 있다. 유입 영역은 15°내지 50°에 걸쳐 연장되며, 배출 영역도 마찬가지이다. 도면 부호142는 제1 단 의 유입 포트를,144는 제1 단의 배출 포트를 가리키는 것으로, 이 배출 포트는 제2 단 유입 포트에 이르게된다.

도 5에는 사이드 채널(132)이 원형 단면에서 더욱더 얕아 지는 타원형 단면으로 변화하는 것이 단면 부호로 나타나 있다.

제2 단(14)은 마찬가지로 전체 길이에 걸쳐 테이퍼져 있는 사이드 채널을 구비한다. 이 사이드 채널 또한 반원형단면에서 시작하지만, 이 단면은 타원형 단면을 갖는 배출 개구부(44)에서의 사이드 채널의 표면적에 상응하는 표면적을 구비한다. 도 2 내지 도 5에 상응하게 도시된 바와 같이, 제2 단의 사이드 채널은 이어서 더욱더 얕은 타원으로 연속적으로 변화한다.

도 6은 사이드 채널 단면의 감소에 의해 달성되는 효율의 증가를 도시한다. 3개의 서로 다른 사이드 채널형 컴프레서는 도시된 과정을 채용하며, 상이한 속도에서 측정되었다. "세리에(serie)"로 표시된 사이드 채널형 컴프레서는 테이퍼를 갖지 않는 반원형 단면을 구비한다. 타원형 단면을 갖는 본 발명에 따라 개량된 사이드 채널형 컴프레서는 유입 포트와 배출 포트 사이에서 15 %의 단면 감소가 있고, 또 다른 컴프레서는 30 %의 단면 감소가 있다. 현저한 효율 상승이 이루어졌다는 것뿐만 아니라 효율의 상승이 속도에 강하게 의존한다는 것이 도 6에 의해 나타난다. 전술한 바와 같이, 예컨대 15 %의 단면 감소는 달리하는 속도에서 효율의 매우 큰 증가를 일반적으로 이끌어 낼 수 없다. 오히려, 단면의 감소는 체적 유량과 이에 따른 속도뿐만 아니라 사이드 채널과 날개 휠의 기하학적 형상에 차례로 좌우되는 기체의 구조상 변화에 적합하도록 되어 있다. 이에 대해서, 날개 및 날개의 휠의 비속도 및 특정 기하학적 형상에서 효율의 최적화를 달성하기 위해서는 단면의 감소가 실질적으로 더 작게 또는 실질적으로 더 크게 실행되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 기체용 유입 포트(42, 142)와,

   압축 기체용 배출 포트(44, 144)와,

   상기 유입 포트(42, 142)와 상기 배출 포트(44, 144)사이에 유동 연결부를 제공하는 사이드 채널(32, 132)

   을 포함하며, 상기 사이드 채널(32, 132)의 단면은 상기 유입 포트(42, 142)와 상기 배출 포트(44, 144)사이에서 감소되는 사이드 채널형 컴프레서에 있어서,

   상기 사이드 채널(32, 132)은 반타원형 단면의 구역을 한 곳 이상 구비하며, 상기 반타원형 단면 구역에서는 이 사이드 채널(32, 132)의 최고 깊이가 상기 배출 포트(44, 144)를 향해서 연속적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
2. 제1항에 있어서, 상기 타원형 단면의 구역은 상기 배출 포트(44, 144) 영역에서 종결되는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 타원형 단면을 갖는 상기 구역은 늦어도 상기 유입 포트(42, 142)와 상기 배출 포트(44, 144)사이의 유로 거리의 1/2 지점에서 시작하는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
4. 선행항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 사이드 채널(32, 132)은 상기 타원형 단면의 구역의 앞에서는 반원형 단면인 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
5. 선행항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단면의 타원의 주축은 실질적으로 상기 사이드 채널(32, 132)을 포함하는 상기 사이드 채널형 컴프레서의 덮개(26, 30)의 평탄한 표면(42)에 있는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단면의 타원의 주축은 상기 사이드 채널(32, 132)을 포함하는 상기 사이드 채널형 컴프레서의 덮개(26, 30)의 다소 바깥쪽에 있는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
7. 선행항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 사이드 채널(32, 132)의 폭은 이 사이드 채널의 전체 길이에 걸쳐 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
8. 선행항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 사이드 채널(32, 132)의 단면적은 상기 기체의 밀도 증가비에 상응하도록, 상기 타원형 단면의 구역에서 연속적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
9. 제8항에 있어서, 상기 타원형 단면의 구역에서의 상기 사이드 채널(32, 132)의 단면적은 압축될 기체가 거의 단열 등엔트로피적으로 압축된다는 가정 하에서의 기체의 부피 감소에 상응하도록 감소되는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
10. 선행항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 사이드 채널(32, 132)은 측면도로 도시하면 말발굽 형상으로 진행하는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
11. 선행항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 컴프레서는 다단으로 구성되며 후속 단의 배출 포트(44, 144)의 단면적은 바로 앞단의 유입 포트(42, 142)의 단면적에 상응하는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.
12. 제11항에 있어서, 몇몇 단, 바람직하게는 모든 단에서, 상기 유입 포트(42, 142)와 상기 배출 포트(44, 144)사이의 단면적은 제1항 내지 제10항에 따라 설계되는 것을 특징으로 하는 사이드 채널형 컴프레서.