KR20200043423A - 유체를 펌핑하기 위한 펌프 및 방법 - Google Patents

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Abstract

가스를 펌핑하기 위한 펌프 및 방법이 개시되어 있다. 펌프는 로터 및 스테이터를 포함한다. 로터 또는 스테이터 중 적어도 하나는 액체 소스와 유체 연통하도록 구성된 적어도 하나의 액체 개구를 포함한다. 액체 개구는 액체 소스로부터 액체에 가해지는 구동력에 응답하여, 액체 스트림이 개구로부터 출력되도록 구성되고, 액체 스트림은 로터와 스테이터 사이에 액체 블레이드를 형성하고, 스테이터, 로터 및 액체 블레이드에 의해 한정된 가스가 펌프를 통해 가스 입구로부터 가스 출구를 향해 구동된다.

Description

유체를 펌핑하기 위한 펌프 및 방법
본 발명의 분야는 펌프 및 펌핑 방법에 관한 것이다.
가스를 펌핑하기 위한 상이한 유형의 펌프가 알려져 있다. 이들은 가스가 제거되기 전에 펌프 내측의 표면 상에 포획되는 포획형 펌프(entrapment type pump); 가스 분자가 입구측으로부터 출구 또는 배기구측을 향해 가속되는 터보분자 펌프와 같은 운동 또는 운동량 전달 펌프(kinetic or momentum transfer pump); 및 가스가 포획되어 펌프의 입구로부터 출구를 향해 이동되는 용적형 펌프(positive displacement pump)를 포함한다.
용적형 펌프는 일반적으로 하나 이상의 로터와 스테이터 사이에 형성된 이동하는 펌핑 챔버를 제공하며, 로터의 이동은 유효 펌핑 챔버가 이동하게 한다. 입구에 수용된 가스는 펌핑 챔버 내에 진입하여 포획되고, 출구로 이동된다. 일부 경우에는, 이동 동안에 가스 포켓의 체적이 감소하여 효율을 향상시킨다. 그러한 펌프는 루츠(roots) 및 회전식 베인형(rotary vane type) 펌프를 포함한다. 가스를 챔버 내로 흡인하기 위해, 챔버가 일반적으로 팽창하고, 챔버로부터 가스를 방출하기 위해, 챔버 체적이 일반적으로 수축된다. 이러한 체적 변화는 예를 들어, 회전식 베인 펌프에서는 자체가 마모되는 스프링과 같은 장치를 사용하여 펌프 챔버의 내부 및 외부로 연장되는 블레이드(blade)에 의해 달성될 수 있거나, 루츠 또는 스크루 펌프에서는 서로 협동하는 2개의 동기화된 로터와, 가스 포켓을 이동시키고 입구와 출구 사이의 체적 변화를 발생시키는 스테이터를 사용하여 달성될 수 있다. 추가적인 로터는 로터 이동을 동기화하기 위해 추가적인 샤프트, 베어링 및 타이밍 방법, 예컨대 기어를 필요로 한다.
또한, 가스가 포획된 상태에서 누출을 최소화하거나 적어도 감소시키고 가스를 효율적으로 이동시키기 위해, 가동 부분은 서로, 및 가스의 포획된 체적부를 형성하는 고정 부분과 밀접 시일(close seal)을 형성할 필요가 있다. 일부 펌프는 포획된 체적부의 표면 사이를 밀봉하기 위해 오일과 같은 액체를 사용하는 반면, 다른 펌프는 엄격한 비접촉 간극에 의존하고, 이는 제조 비용의 증가를 초래할 수 있으며, 또한 부분들이 접촉하는 경우, 또는 펌핑되는 유체에 미립자 또는 불순물이 존재하는 경우, 로킹(locking) 또는 소착(seizure)에 민감한 펌프를 초래할 수 있다.
액체 링 펌프는 스테이터 보어 내에서 편심 회전하는 고정 블레이드를 갖는 로터를 제공함으로써 이러한 문제의 일부를 해결한다. 블레이드는 원심 작용에 의해 스테이터 보어의 외주부를 향해 소정량의 액체를 구동시키고, 가스 펌핑 챔버는 로터의 인접한 블레이드와 액체 링의 내주부 사이에 형성된다. 이에 의해, 로터 블레이드가 스테이터 보어와 접촉하지 않고 미립자가 큰 간극 및 액체 링 자체에 수용될 수 있기 때문에, 마모가 적고 미립자 내성이 양호한 펌프가 제공된다. 그러나, 이러한 유형의 펌프는 전형적으로 전력 소비가 높으며, 드래그 손실(drag loss), 난류 및 캐비테이션(cavitation)을 감소시키기 위해 저주파수로 작동하는 단점이 있다. 이것은 주어진 양의 펌핑 용량에 대해 비교적 큰 펌핑 메커니즘을 초래할 수 있다.
내마모성이고, 낮은 전력 소비 및 비교적 작은 펌핑 메커니즘을 제공하며, 제조 및 작동 비용이 비교적 저렴한 펌프를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제 1 양태는 가스를 펌핑하기 위한 펌프를 제공하며, 상기 펌프는 로터 및 스테이터를 포함하며, 상기 로터 또는 스테이터 중 적어도 하나는 액체 소스와 유체 연통하도록 구성된 적어도 하나의 액체 개구를 포함하고, 상기 액체 개구는 상기 액체 소스로부터 액체에 가해지는 구동력에 응답하여, 액체 스트림이 상기 개구로부터 출력되도록 구성되고, 상기 액체 스트림은 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 액체 블레이드를 형성하고, 상기 스테이터, 로터 및 액체 블레이드에 의해 한정된 가스가 상기 펌프를 통해 가스 입구로부터 가스 출구를 향해 구동된다.
본 발명의 발명자는, 액체가 로터와 스테이터 사이에 표면 또는 블레이드를 형성하는데 사용되는 경우, 가스가 스테이터, 로터 및 액체 블레이드에 의해 한정되어 로터의 회전 시에 가스가 펌프를 통해 구동될 수 있게 한다는 것을 인식했다. 이것은 간단하고 콤팩트하고 저전력이며 저비용인 배열을 제공할 가능성을 가지며, 접촉 표면 사이의 마찰 및 마모로 인해 생기는 문제 및 엄격한 간극에 대한 제조 공차에 수반되는 비용이 회피되거나 적어도 경감된다. 본 발명의 발명자는 또한, 그러한 블레이드가 하나 이상의 액체 개구를 통해 액체를 구동함으로써 간단한 방식으로 형성될 수 있다는 것을 인식했다. 스테이터 또는 로터 중 하나 상에 액체 개구(들)를 배열하는 것은 액체 스트림이 로터와 스테이터 사이에 액체 표면 또는 블레이드를 형성할 수 있게 한다. 그러한 액체 블레이드는 본질적으로 변형 가능하고 저비용이며, 엄격한 제조 공차에 대한 필요 없이 포획된 체적부의 표면 사이에 양호한 밀봉을 제공할 수 있다. 또한, 그러한 블레이드는 그 자체가 마모되지 않으며, 접촉하는 표면에 대한 마모가 매우 적다.
블레이드는 유동하는 액체로 형성되어, 블레이드를 형성하는 액체가 연속적으로 보충된다. 블레이드의 표면은 로터 및 스테이터의 표면과 함께, 펌핑될 가스를 한정하거나 포획하거나 격리시키거나 봉입하도록 작용한다. 로터의 회전은 포획된 가스가 가스 입구로부터 가스 출구로 이동되게 한다.
액체 개구로부터의 액체의 유동은 로터와 스테이터 사이에서 액체 개구로부터 액체 표면으로서 연장되는 블레이드를 제공한다. 펌핑될 가스는 블레이드 양 측부 상에 위치된다.
본 특허 출원의 목적 상, 펌프의 로터는 회전 요소이고, 스테이터는 로터가 그에 대해 회전하는 요소이다. 또한, 펌핑될 가스는 증기, 또는 가스 증기 혼합물, 또는 그 안에 입자가 혼입된 가스일 수 있다.
일부 실시예에서, 로터는 스테이터의 보어 내에 회전 가능하게 장착되고, 로터와 스테이터 보어 사이에 액체 블레이드를 형성하는 액체 스트림은 스테이터 보어 내에서의 로터의 회전 시에 펌프를 통해 가스를 구동하도록 작동 가능하다.
로터의 회전은 가스 포켓을 봉입하는 표면 사이의 상대 운동을 제공하고, 그에 따라 일부 실시예에서, 액체 블레이드는 펌핑 경로를 따라 가스 입구로부터 가스 출구로 가스를 구동시킨다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 표면이 액체 블레이드로 형성되고 그 변형 가능한 성질로 인해 그 표면 형상 및 크기가 회전 동안의 로터와 스테이터 사이의 거리에 적합화되기 때문에, 가스 포켓의 체적 변화와 함께 이러한 상대 운동은 가스 포켓을 한정하는 표면에 대한 어떠한 상당한 마모 없이도 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 상기 액체 소스로부터 상기 적어도 하나의 액체 개구를 통해 상기 액체를 구동하기 위해 상기 액체에 상기 구동력을 가하기 위한 구동 메커니즘을 포함한다.
액체에 가해지는 구동력은 펌프 외부의 소스로부터 나올 수 있지만, 펌프는 예를 들어 외부 가압 액체 소스에 연결될 수 있으며, 일부 실시예에서는 펌프 자체가 액체에 이러한 구동력을 가하기 위한 구동 메커니즘을 포함한다.
액체 개구는 로터의 표면 상에 형성될 수 있지만, 일부 실시예에서는 스테이터 보어의 표면 상에 형성되고 로터를 향해 지향된다. 이것은, 로터와 달리, 스테이터 보어가 회전하지 않고 일부 실시예에서 펌프의 외부면을 제공하기 때문에, 가압 액체를 펌프에 공급하는 보다 간단한 방식을 허용하는 장점을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 로터는 중공 몸체이고, 상기 구동 메커니즘은 상기 로터를 회전시키기 위한 모터를 포함한다.
액체 개구(들)가 로터 상에 있는 경우에 액체에 구동력을 제공하는 하나의 방식은 중공 로터를 사용하고 이러한 로터를 회전시키는 것이다. 그러한 실시예에서, 로터의 회전은 중공 로터 몸체 내의 액체가 중공 로터 몸체의 외주부에 대해 원심 작용에 의해, 그리고 액체 스트림을 형성하는 하나 이상의 액체 개구를 통해 외부로 강제되게 할 수 있다. 액체 개구가 적절하게 배열되는 경우, 이러한 액체 스트림은 스테이터 보어까지 연장되는 액체 블레이드를 형성할 것이다.
일부 실시예에서, 상기 액체 소스는 상기 로터가 부분적으로 침지되는 저장조를 포함한다.
중공 로터에 액체를 공급하는 하나의 방식은 로터를 액체의 저장조에 부분적으로 침지시키는 것이다.
일부 실시예에서, 상기 중공 로터는 상기 액체 저장조 내로 연장되는 하단부에 개구를 가지며, 상기 중공 로터의 내경은 상기 하단부로부터 증가한다. 로터의 회전은 액체가 로터 내에서 위로 상승하여 액체 개구(들)를 통해 배출되게 한다.
중공 로터 몸체의 내경이 하단부로부터 상단부를 향해 증가하고, 하단부가 저장조에 침지되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 액체 저장조에 침지된 하단부에서는 직경이 보다 작고, 직경은 중공 몸체 위로 증가한다. 이것은 중공 몸체의 내부면에 대한 원심력에 의해 가압된 액체가 로터 몸체의 상부를 향해 증가하는 내경 위로 상승하게 한다. 직경의 증가는 경사진 증가일 수 있거나, 단계적 증가일 수 있거나, 또는 이들 2개의 조합일 수 있다. 또한, 보다 큰 직경을 향한 액체의 가속을 지원하는 것이 로터의 내부면 상의 베인에 의해 보충될 수 있다. 액체는 중공 몸체의 내부면을 향해 내몰려지고 다음 액체의 가속 및 압력에 의해 위로 가압되어 위로 상승한다. 회전 속도는, 액체의 밀도와 같은 다른 파라미터와 마찬가지로, 액체가 중공 몸체 위로 얼마나 높이 가압되는지에 영향을 미친다. 블레이드 또는 베인을 형성하기 위해 개구를 통해 펌핑될 액체의 원하는 유동 속도에 따라, 로터의 적절한 속도 및 크기가 선택될 수 있다. 가스가 효과적으로 펌핑되도록 로터와 스테이터 사이에 중단되지 않는 액체 스트림을 유지하기 위해, 충분한 액체가 저장조로부터 중공 로터 몸체 내로 공급되어야 한다는 것에 주목해야 한다. 이것은 또한, 로터의 회전 속도와, 또한 개구의 크기와 개수와, 로터의 높이와 같은 파라미터에 따라 달라질 것이다.
일부 실시예에서, 상기 로터와 스테이터는 하나가 내부 구성요소를 포함하고 다른 하나가 외부 구성요소를 포함하도록 하나가 다른 하나의 보어 내에 장착된다.
펌프는 하나가 다른 하나 내에 평행한 축으로 장착된 로터 및 스테이터로 형성될 수 있다. 로터는 회전하여 2개의 구성요소 사이에 상대 운동을 제공하고, 이러한 상대 운동은 가스를 펌핑하기 위한 구동력을 제공한다. 일부 실시예에서, 회전 구성요소(로터)는 내부 구성요소인 한편, 다른 실시예에서는 외부 구성요소이다.
일부 실시예에서, 상기 내부 구성요소는 상기 외부 구성요소의 보어 내에 편심으로 장착되는 한편, 다른 실시예에서, 상기 내부 구성요소는 상기 외부 구성요소의 보어 내에 동심으로 장착된다.
내부 구성요소를 편심으로 장착하는 것은, 상대 회전이 있을 때, 스테이터, 로터 및 액체 블레이드에 의해 형성된 가스 포켓의 체적이 변한다는 것을 의미한다. 이러한 체적 변화는 입구에서의 가스가, 가스 포켓을 한정하는 챔버가 팽창할 때 펌핑 챔버 내로 흡입되고 수축할 때 가스 출구 밖으로 강제될 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 펌프는 블레이드를 형성하는 변형 가능한 액체 표면을 갖는 회전식 베인 펌프와 유사한 방식으로 작용한다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 블레이드는 로터가 회전함에 따라 사실상 크기가 변하지만, 이것은 로터 표면의 일부가 스테이터를 향해 그리고 스테이터로부터 멀리 이동함에 따라 자연적으로 일어날 것이다. 펌핑 챔버의 체적 변화를 생성하기 위해 스프링 및 고체 블레이드와 같은 기계적 또는 슬라이딩 부분이 필요하지 않다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 상기 스테이터와 상기 로터 사이를 밀봉하기 위한 밀봉 부재를 더 포함하고, 가스 입구가 상기 밀봉 부재의 일 측부에 있고 가스 출구가 다른 측부에 있다.
로터와 스테이터가 동심으로 장착되고 액체 개구(들)가 로터 상에 있는 경우, 스테이터와 로터 사이의 밀봉 부재는 밀봉 부재의 양 측부에 위치된 2 개의 펌핑 챔버의 벽을 형성할 수 있다. 이러한 펌핑 챔버는 로터가 회전함에 따라 체적이 변한다. 가스 출구는 로터가 회전하는 밀봉 부재의 측부에 있을 수 있고, 가스 입구는 먼 측부에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터 또는 로터 중 하나의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고, 상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터와 로터 사이에서 축방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 표면으로서 상기 액체 블레이드를 제공하도록 구성된다.
액체 개구는 다수의 상이한 방식으로 배열될 수 있지만, 액체 개구로부터 배출된 액체가 로터와 스테이터 사이에서 펌프 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 액체 블레이드를 형성하도록 하는 방식으로 배열될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 상기 적어도 하나의 액체 개구를 포함하지 않는 상기 로터 또는 스테이터 중 하나의 표면으로부터 연장되는 돌출부를 더 포함한다.
스테이터 또는 로터 중 하나는 적어도 하나의 액체 개구를 갖고 다른 하나는 돌출부를 가질 수 있으며, 그에 따라 2개 사이의 상대 회전은 적어 하나의 액체 개구로부터 형성된 액체 블레이드(들)가 돌출부에 의해 형성된 경로를 따라 가스를 스위핑(sweeping)하게 한다.
액체 개구(들)는 다수의 방식으로 배열될 수 있다. 서로 인접하게 배열된 복수의 액체 개구가 있거나, 슬롯 형태의 단일 개구가 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 슬롯 또는 복수의 개구는 로터 및 스테이터의 축에 실질적으로 평행하게 연장되는 종방향 형태를 갖는다. 그러한 배열은 펌핑 챔버의 반경에 실질적으로 수직인 블레이드를 제공한다.
다른 실시예에서, 슬롯 또는 인접한 개구는 스테이터와 로터의 축에 대해 경사질 수 있고, 일부 경우에는 나선형 액체 블레이드가 스테이터와 로터 사이에 형성되도록 나선을 형성할 수 있다.
스테이터 또는 로터 중 하나의 표면 주위로 연장되는 복수의 개구로 형성된 나선형 슬롯 또는 나선은 스크루 펌프와 유사한 방식으로 작용하는 펌프를 제공한다.
그러한 블레이드를 생성하도록 구성된 펌프는 다른 구성요소의 표면 상의 나선형 돌출부와 함께, 또는 평면 표면과 함께 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 나선의 각도는 상기 나선의 피치가 상기 가스 출구를 향해 감소하도록 상기 가스 입구로부터 상기 가스 출구를 향해 변한다.
가스가 펌핑될 때 가스에 대한 체적 압축을 제공하는 것은 챔버로부터의 가스 배출을 도울 뿐만 아니라, 주어진 체적의 가스를 펌핑하는데 필요한 전력을 감소시킨다.
회전식 베인형 배열에서, 로터가 회전하고 블레이드가 스테이터 보어 주위로 이동함에 따라, 스테이터 보어 내에의 로터의 편심 장착으로 인해 체적 압축이 제공된다.
스크루형 배열의 경우, 가스 입구와 가스 출구 사이에서 크기가 감소되는 펌핑 챔버를 제공하는 방식은 가스 입구로부터 가스 출구를 향해 나선의 피치를 변화시키는 것이다. 이것은 펌프 축의 길이를 따라 체적 압축을 생성한다.
일부 실시예들에서, 상기 스테이터와 상기 로터 중 적어도 하나는 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 거리가 상기 가스 출구를 향해 감소하도록 테이퍼져 있다.
입구와 출구 사이에서 크기가 감소되는 펌핑 챔버를 제공하는 다른 방식은 스테이터와 로터 사이의 거리가 가스 출구를 향해 감소되도록 테이퍼링을 제공하는 것이다. 일부 실시예에서는, 스테이터가 테이퍼진다. 회전하지 않는 스테이터의 테이퍼링은 종종 가스 출구를 향한 펌핑 챔버의 크기 감소를 생성하는 가장 간단한 방식이다.
일부 실시예에서, 상기 스테이터와 상기 로터 중 적어도 하나는 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 거리가 상기 가스 출구를 향해 감소되도록 비-축대칭으로 테이퍼진다.
일부 실시예에서, 외부 구성요소의 보어가 상기 가스 출구를 향해 비-축대칭으로 테이퍼지는 한편, 다른 실시예에서는, 내부 구성요소가 증가하는 직경을 가질 수 있다.
비-축대칭 테이퍼는 가스 출구를 통한 가스 배출 및 가스 입구를 통한 가스 흡입을 도울 수 있다.
스테이터가 테이퍼진 경우, 로터는 이 길이를 따라 밀봉하기 위해 일 측부에서 스테이터에 평행하고 근접하게 유지될 수 있고, 스테이터 보어는 로터로부터 더 멀리 떨어진 측부에서 테이퍼진다. 가스 출구는 블레이드의 회전 방향으로, 로터와 스테이터가 시일을 형성하는 부분 바로 앞에 배열될 수 있는 한편, 가스 입구는 그 부분 바로 뒤에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 로터의 표면에 수직이 아닌 각도로 배열되고, 상기 액체는 가압 액체로서 로터에 공급되고, 경사진 상기 액체 개구에서의 상기 가압 액체의 출력은 상기 로터를 회전시키기 위한 구동력을 제공한다.
액체 개구가 로터의 표면에 대해 소정 각도로 배열되는 경우, 액체의 출력 자체가 로터에 힘을 부여하여 로터의 회전을 유발할 수 있다. 따라서, 이것은 모터가 로터를 구동할 필요성을 없애며, 펌프의 비용을 감소시키고 간단하고 비용 효율적으로 구성하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 구동 메커니즘은 상기 액체 소스로부터 공급된 상기 액체를 가압하기 위한 가압 수단을 포함한다.
이전에 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 액체 소스로부터 개구로 액체를 구동하기 위한 구동 메커니즘은 로터의 회전에 의해 부여될 수 있는 한편, 다른 실시예에서, 구동 메커니즘은 액체 소스로부터 공급된 액체를 가압하기 위한 가압 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 액체는 로터의 회전과 독립적으로 가압 형태로 공급될 수 있다. 이것은 액체에 필요한 압력을 생성하기 위해 로터가 요구되는 경우보다 로터와 펌핑 챔버의 더 느린 회전을 허용한다.
일부 실시예에서, 상기 가스 입구 및 상기 가스 출구는 상기 스테이터 상에 형성되고, 일방향 밸브를 각각 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 펌프는 상기 스테이터 상에 형성되고 일방향 밸브를 각각 포함하는 복수의 가스 입구 및 가스 출구를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 샤프트를 구동하기 위한 모터를 포함하며, 상기 로터는 상기 샤프트 상에 장착된 실질적으로 원형의 편심 캠(eccentric cam)을 포함하며, 상기 샤프트는 스테이터 보어에 동심으로 장착된다.
스테이터 보어 상에 액체 개구가 있는 상태에서 잘 작동할 수 있는 다른 유형의 펌프는 로터가 스테이터 보어 내에서 회전하는 원형 편심 캠인 펌프이다. 로터의 회전은 로터 외부면과 스테이터 보어 내부면과 액체 표면 사이의 펌핑 챔버의 크기가 변하게 하여, 피스톤 펌프의 작동과 유사하게, 펌핑 챔버가 팽창할 때 가스 입구 밸브를 통해 가스가 흡입되고 펌핑 챔버가 수축할 때 가스 출구 밸브를 통해 외부로 가압되게 한다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 액체 개구는 상기 로터와 상기 스테이터 보어 사이에 복수의 액체 블레이드를 형성하는 복수의 액체 스트림을 제공한다.
펌프는 단일 액체 블레이드를 형성하기 위한 단일 액체 개구를 포함할 수 있지만, 일부 실시예에서는 복수의 액체 개구를 포함한다. 복수의 개구로부터의 액체는 단일 블레이드를 형성할 수 있거나, 개구는 이 개구로부터 배출된 액체가 복수의 블레이드를 형성하도록 배열될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 복수의 액체 개구의 적어도 하나의 세트는 서로 인접하게 배열되고, 상기 복수의 액체 개구의 적어도 하나의 세트로부터 출력된 스트림은 결합되어 단일 액체 블레이드를 형성한다.
일부 경우에, 복수의 개구가 있을 수 있고, 이들의 세트는 단일 블레이드를 형성할 수 있다. 하나의 블레이드만이 존재하는 경우, 이러한 세트는 모든 액체 개구를 포함할 수 있지만, 다른 실시예에서, 그 자신의 블레이드를 형성하도록 각각 배열된 몇 개의 세트가 있을 수 있다. 액체 블레이드는 예컨대 슬롯 형태의 단일 액체 개구로부터 형성될 수 있지만, 일부 실시예에서는 각 개구를 통과한 액체 스트림이 합체하여 단일 블레이드를 형성하기에 충분히 서로 근접한 복수의 인접한 개구에 의해 형성될 수 있다. 단일 슬롯이 아닌 복수의 개구를 가짐으로써, 복수의 개구가 배열된 로터 또는 스테이터의 구조적 완전성을 향상시키고, 이에 의해 펌프의 기계적 완전성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 복수 쌍의 가스 입구 및 가스 출구를 포함하고, 각 쌍의 가스 입구 및 가스 출구는 상기 쌍의 가스 입구 및 가스 출구 사이에 상기 액체 블레이드를 제공하는 액체 개구에 의해 분리된다.
예를 들어, 펌프가 원형 편심 캠 로터를 포함하는 경우, 복수 쌍의 가스 입구 및 가스 출구가 존재할 수 있으며, 각각의 쌍 및 각각의 가스 체적부가 액체 개구에 의해 분리된다. 편심 캠의 회전은 액체 개구로부터 형성된 액체 표면에 의해 경계지어진 펌핑 챔버가 초기에 체적이 증가하여 입구를 통해 내부로 가스를 흡입하고 다음에 수축하여 출구를 통해 외부로 가스를 가압하게 한다. 입구 및 출구는 각각 밸브식일 수 있다. 이러한 복수 쌍의 가스 입구 및 출구는 펌프의 성능 특성을 변화시키도록 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 가스 입구 및 가스 출구와, 상기 가스 입구와 상기 가스 출구 사이에서 상기 가스를 이동시키기 위한 적어도 하나의 펌핑 챔버를 포함하며, 펌프는 작동 시에 상기 액체 표면, 상기 로터의 표면 및 상기 스테이터의 표면이 적어도 하나의 펌핑 챔버의 표면을 형성하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 상기 펌프는 상기 로터의 적어도 하나의 단부를 지지하기 위한 적어도 하나의 유체역학적 베어링을 포함한다.
펌프의 로터는 베어링 상에 지지되며, 전형적으로 이러한 베어링은 윤활이 필요하고 마모되는 고가의 부품일 수 있는 롤러 베어링 또는 볼 베어링이다. 이러한 유형의 펌프에 대해서는, 원통형 샤프트와 보어 사이에 액체 막을 이용하는 유체역학적 베어링이 적절할 수 있다. 일부 경우에, 유체역학적 베어링은 펌프 블레이드와 동일한 액체 소스로부터의 액체로 충전되어, 로터와 스테이터에 이미 사용되는 액체 공급부 및 기계적 특징부가 효율적으로 사용되고 추가 구성요소 또는 상이한 윤활제 액체의 사용이 회피된다.
펌프는 압축기와 같은 다수의 물품들일 수 있지만, 일부 실시예에서는 진공 펌프를 포함한다. 실시예들에 따른 펌프는 특히, 마모가 적고 초기 비용이 저렴하면서 효율적인 방식으로 가스가 이송될 수 있게 효과적인 진공 펌프를 구성한다.
본 발명의 제 2 양태는 저감 시스템(abatement system)으로부터 펌핑된 오염물질을 감소시키기 위한 습식 스크러버(wet scrubber)를 제공하며, 상기 습식 스크러버는 본 발명의 제 1 양태에 따른 펌프를 포함한다.
저감 시스템은 종종, 저감 시스템으로부터 펌핑되는 가스로부터 미립자를 제거하거나 가스와 반응하도록 액체 스트림을 제공하는 습식 스크러버와 함께 사용된다. 액체 표면을 사용하여 가스를 이동시키는 펌프는 추가의 액체 스크러빙 소스(liquid scrubbing) source)와 함께, 또는 그 자체로 사용되어, 가스를 이동시키고 가스로부터 미립자를 제거하는데 필요한 펌핑 및 액체 소스 모두를 제공한다.
본 발명의 제 3 양태는 가스를 펌핑하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 스테이터 또는 로터 중 하나 상의 적어도 하나의 액체 개구로부터 액체를 출력하여 스테이터와 로터의 표면 사이에 액체 블레이드를 형성하는 것과, 상기 로터를 회전시켜서, 상기 스테이터, 상기 로터 및 상기 액체 블레이드에 의해 한정된 가스가 펌핑 경로를 따라 가스 입구로부터 가스 출구로 이동하게 하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 스테이터의 보어 내에서 상기 로터를 회전시켜서 상기 액체 블레이드가 상기 펌핑 경로를 따라 상기 가스를 구동하게 하는 것을 포함한다.
다른 특정의 바람직한 양태는 첨부된 독립 청구항 및 종속 청구항에 기재되어 있다. 종속 청구항의 특징은 청구범위에 명시적으로 제시된 것 이외의 조합으로 그리고 적절하게 독립 청구항의 특징과 조합될 수 있다.
장치 특징이 기능을 제공하도록 작동 가능한 것으로 설명되는 경우, 이것은 그러한 기능을 제공하거나 그러한 기능을 제공하도록 적합화되거나 구성되는 장치 특징을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
이제, 본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다:
도 1은 스테이터 보어 내에 편심으로 장착된 로터의 횡단면 및 종단면을 도시하고,
도 2는 로터의 표면 상에 액체 개구가 제공되어, 상기 개구로부터의 액체 유동이 액체 표면 또는 블레이드를 형성한 상태의 동일한 로터 및 스테이터 보어를 도시하고,
도 3a 내지 도 3c는 로터가 회전함에 따라 주어진 액체 개구를 통해 출력되는 액체의 궤적과, 액체의 스트림에 의해 생성된 대응하는 표면 또는 블레이드를 도시하고,
도 4a 및 도 4b는 인접한 액체 표면 사이에 형성된 가스 포켓/체적부를 도시하고,
도 5a는 로터가 스테이터 보어 내에 장착되는 일 실시예에 따른, 펌프의 로터 상의 상이한 액체 개구 배열을 도시하고,
도 5b 내지 도 5f는 스테이터와 로터가 서로 내에 장착된 펌프의 상이한 실시예를 도시하고,
도 6은 일 실시예에 따른 다단 피스톤형 펌프를 도시하고,
도 7은 로터의 표면에 수직이 아닌 슬롯으로부터의 액체 유동에 의해 구동되는 자체 구동 로터를 도시한다.
실시예들을 보다 상세하게 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다.
실시예들은 액체로 형성된 고속 표면인 액체 블레이드를 포함하는 펌프를 제공하며, 이 표면은 종래의 진공 펌프에서 발견되고 가스 포켓을 격리 및 이동시키기 위한 물리적 경계로서 사용되는 고체의 기계적 표면의 일부를 모방한다. 액체는 물일 수 있으며, 예를 들어 증기압 또는 프로세스 호환성과 같은 펌프의 특성을 변화시키기 위해 다른 액체가 사용될 수 있다.
액체 표면의 크기 및 형상은, 종래 펌프에서 발견되는 강성 고체 표면과 달리, 로터와 스테이터의 상대 위치에 적합화되며, 또한 다른 표면에 대한 상당한 마모를 유발하지 않거나, 엄격한 공차에 의존하지 않거나, 펌핑되는 임의의 가스 또는 유체 유동 내의 미립자에 민감하지 않으면서 다른 표면과의 양호한 시일을 제공한다.
도 1 내지 도 4a는 진공 생성에 있어서 회전식 베인 펌프에 근사하고, 고체의 기계적 슬라이딩 베인 또는 블레이드를 액체 표면으로 대체하는 실시예를 도시하고 있다.
액체 "블레이드"는 펌프의 로터를 형성하는 회전 샤프트의 구멍 또는 슬롯으로부터 유래하는 연속적인 액체 스트림으로 형성된다. 액체 스트림은 편심 스테이터 보어를 향해 고속으로 이동한다. 액체를 샤프트에서 스테이터 보어로 고속으로 구동하는데 필요한 압력은 회전 샤프트의 원심 작용을 통해 달성될 수 있다. 액체 스트림으로 형성되고 액체 블레이드를 제공하는 표면은 샤프트와 함께 회전하고, 그에 따라 회전식 베인 펌프의 거동을 모방한다.
도 1은 실질적으로 원형의 스테이터 보어(20) 내에서 고주파수로 회전하는 실질적으로 원형의 중공 샤프트를 통한 단면도를 도시하고 있다. 샤프트는 펌프의 로터(10)를 형성하고, 스테이터 보어(20) 내경보다 작은 외경을 갖는다. 샤프트는 스테이터 내부에 대략 최대 오프셋으로 편심 위치되어 있다.
샤프트 및 스테이터의 축은 수직으로 배향되고, 중공의 단부-개방형 샤프트의 베이스는 액체 저장조(30) 내에 침지되어 있다.
도 2는 액체 저장조(30)로부터의 액체가 로터의 회전 시에 샤프트(10) 위로 상승하고 있는 상태의 작동 중의 펌프를 도시하고 있다. 샤프트(10)의 중공 보어는 액체 저장조 레벨 아래에 위치된 내부 직경방향 증가부(12)를 가지며, 내부 직경방향 증가부(12)는 샤프트가 회전할 때 원심력에 의해 액체를 가속시키고 이 액체를 위로 펌핑하여 샤프트의 내부를 충전하고(13) 다음에 샤프트의 구멍 또는 세장형 슬롯(15)으로부터 배출하여 샤프트 또는 로터(10)와 스테이터 내부 보어(20) 사이에 연속적인 액체 표면(40)을 형성하는 역할을 한다. 액체는 스테이터 보어(20)의 내벽 아래로 저장조(30) 내로 다시 유동한다(42). 이것은, 연속 사이클에 기초하여, 스테이터 내부 보어(20)와 접촉하는 액체, 일부 실시예에서는 물이 중력하에서 보어 아래로 이동하여 저장조를 보충하도록 한다. 화살표는 단일 표면 또는 블레이드(40)를 생성하기 위한 액체의 유동 방향을 도시한다는 것에 주목하자.
샤프트 내부의 액체는 원심력하에서 구멍/슬롯을 통해 강제되고, 스테이터 보어를 향해 이동하여 복수의 액체 표면(40)을 형성하며, 이들은 로터(10)가 회전함에 따라 펌프를 통해 가스를 구동하는 블레이드를 형성한다. 이것은 도 3a 내지 도 3c에 보다 상세하게 도시되어 있다.
도 3a는 이러한 표면의 펌핑 작용으로 인한 차압의 압력 영향을 무시할 경우에 물의 액적의 궤적을 도시하고 있다. 도 3b는 차압의 영향이 고려되는 경우의 보다 현실적인 액적 궤적을 도시하는 한편, 도 3c는 후속 시간에 개구로부터 각각 방출된 몇 개의 액적의 합으로서의 블레이드의 순간 이미지를 도시하고 있다.
도 3a 내지 도 3c는 샤프트(10)가 회전함에 따라, 주어진 구멍/슬롯을 통한 액체의 연속적인 방출이, 그 유효 표면이 샤프트와 함께 회전하는 곡선형 블레이드와 동등한 표면(40)을 제공하는 것을 도시하고 있다. 도 3a는 원심력으로 인한 액적 운동을 도시하고 있다. 도 3b는 액체 블레이드 양 측면에 대한 압력차 및 원심력이 모두 고려된 액적 운동을 도시하고 있다. 도 3c는 원심력, 압력차 및 회전으로 인한 블레이드 프로파일을 도시하고 있다. 액체 표면을 가로지르는 압력차(PH-PL)는 이러한 표면의 펌핑 작용으로 인한 것이다. 액체가 느리게 배출될수록, 압력차에 의해 액체가 보다 많이 편향된다. 액체가 빠르게 이동할수록, 압력차에 의해 액체가 덜 편향된다. 따라서, 회전 속도는 액체의 속도가 로터와 스테이터 내벽 사이에 중단되지 않는 표면을 유지하기에 충분할 정도로 빠르도록 선택되어야 한다. 이러한 빠른 회전 속도는 또한 물리적으로 작은 펌프가 비교적 높은 펌핑 용량을 가질 수 있게 한다. 예를 들어, 150㎜의 스테이터 직경 및 100㎜의 축방향 길이를 갖고 200Hz로 작동하는 진공 펌프는 500 ㎥/h 초과의 배기량을 제공할 수 있다. 이것은 단지 예일 뿐이며, 확대 또는 축소될 수 있다. 주목하여야 할 것은 성능 밀도(performance density)(물리적 크기의 함수로서의 용량)이다. 펌프 원리는 ㎥ 체적당 ~300,000 ㎥/h를 제공할 수 있다. 이것은 여분의 공간을 낭비하는 액체 링이 없으므로, 액체 링 펌프와 비교할 때 고주파수 회전 및 높은 공간 효율 모두를 가능하게 한다.
도 4a는 인접한 액체 블레이드 사이에 포획된 가스 포켓 또는 체적부가 그러한 펌프에 의해 어떻게 이동되는지를 도시하고 있다. 가스 포켓은 샤프트 회전 및 보어에 대한 편심 위치의 함수로서 이동하고 체적이 변화되어, 입구로부터 출구로의 펌핑 작용을 야기한다. 가스 포트(50, 52)에는 일방향 밸브가 제공될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 블레이드를 형성하는 결과적인 액체 표면(40)의 형상은 샤프트 회전 및 압력 강하의 조합으로 인해 만곡될 것이다. 이것을 설명하기 위해, 개별 '액적'의 운동 및 '액적'의 스트림에 의해 생성된 결과적인 '표면'을 고려하는 것이 유용하다.
예를 들어, 시각 t=0에서, 액적 1이 반경 'r'에서 샤프트로부터 방출된다. 시간 t=δt에서, 동일한 액적 1은 이제 반경 r+δr에 있을 것이고, 다른 액적이 샤프트 주파수에 따라 전진 각도에서 동일한 구멍/슬롯으로부터 방출될 것이다. 첫 번째 액적이 시간 t=n.δt에서 스테이터 보어에 도달한 경우, 이 액적은 블레이드의 '팁부(tip)'를 나타내며, 이러한 동일한 시점에서, 샤프트의 동일한 구멍/슬롯으로부터 방출되는 액적이 블레이드의 '루트부(root)'를 형성한다.
특정 시점에서 관찰된 워터 블레이드는 시간 n.δt(액체가 샤프트로부터 스테이터 보어로 이동하는데 걸리는 시간) 경과에 따른 액체 '액적'의 연속적인 스트림의 생성물이다. 이러한 기간에, 샤프트가 회전하여 루트부, 팁부 및 중간 위치에 상이한 접선방향 궤적 및 블레이드의 만곡된 외관을 제공한다.
가스를 펌핑할 때, 또한 블레이드를 가로질러 압력 강하가 존재하며, 이 압력 강하는 액적을 공칭 접선방향 궤적으로부터 편향시키고 블레이드의 곡률을 증폭시키는 역할을 한다. 편향/곡률의 양은 압력 강하, 액체 속도, 액체 질량/밀도 및 이동 거리를 포함하는 몇 개의 파라미터에 따라 달라진다. 이들 값의 불리한 조합은 액적이 스테이터 보어에 도달하기 전에 액적을 '실속시키고(stall)' 블레이드가 완전히 형성되는 것을 방해할 수 있다. 따라서, 이러한 파라미터 값은 샤프트와 스테이터 사이에 완전한 블레이드 형성을 제공하도록 조합하여 선택될 수 있다.
이들 파라미터는 또한 시스템에서 순환하는 액체의 체적, 및 결과적으로 액체 운동 에너지를 생성하는데 소비되는 전력에 영향을 미친다.
도면에는, 동력전달계(drivetrain), 베어링, 시일 등이 도시되어 있지 않다.
효과적인 펌핑 작동을 제공하는데 고려할 주요 파라미터
● 액체 순환 속도 - 샤프트 내로의 액체의 공급 및 다시 저장조로의 배수는 액체가 구멍/슬롯(15)을 통해 샤프트를 빠져나가는 속도를 초과하도록 유지되어야 하며, 그렇지 않으면 블레이드 표면(40)이 완전히 형성되지 않을 것이다. 따라서, 구멍/슬롯은 바람직하게는 샤프트(10) 및 저장조(30) 내로의 유동과 비교하여 '제한적'이어야 한다.
● 샤프트 주파수 및 내경/외경 - 액체 순환 속도 및 운동 에너지 또는 전력 소비, 액체 속도 및 최대 압력 강하, 펌핑 속도에 영향을 미친다.
● 샤프트 외경과 스테이터 보어 내경 사이의 갭은 최대 압력 강하 및 펌핑 속도에 영향을 미친다.
● 블레이드/펌프의 축방향 길이는 펌핑 속도, 액체 순환 속도 및 운동 에너지 또는 전력 소비에 영향을 미친다.
상기 파라미터는 펌프에 특정 특성을 제공하도록 고려 및 선택되어야 한다.
도 4b는 도 4a의 편심 배열에 대한 동심의 대안적인 배열을 도시하고 있다. 이러한 배열에서, 가스 입구와 가스 출구 사이에는 시일(51)이 있으며, 이것은 로터(10)의 회전 시에 펌핑 챔버 체적의 변화를 유발하여, 가스가 출구(52)를 통해 배출되고 입구(50)를 통해 흡입되게 한다. 동심 배열은 블레이드(40)의 길이가 로터의 회전 시에 변하지 않으므로 보다 높은 체적 용량을 제공할 수 있다. 따라서, 보다 긴 블레이드를 갖는 부분 및 결과적으로 펌핑 챔버 사이의 압력차에 대한 보다 높은 민감도를 갖는 부분이 존재하지 않는다. 대조적으로, 도 4a의 배열의 장점은 별도의 시일 및 내장된 부드러운 체적 압축부에 대한 필요 없이 자연적인 밀봉 지점이다.
도 5a는 종방향 블레이드를 형성하도록 배열된 펌프의 회전 샤프트(10) 상의 액체 개구(15)의 상이한 배열을 도시하고 있다. 액체 개구는, 첫 번째 도면에 도시된 바와 같이 라인으로 배열된 복수의 슬롯형 구멍(15), 또는 두 번째 도면에 도시된 바와 같이 복수의 둥근 구멍(15), 또는 실질적으로 로터(10)의 전체 길이를 따라 연장되는 종방향 액체 개구 또는 슬롯(15)으로 형성될 수 있다. 많은 실시예에서, 로터 주위의 상이한 원주방향 위치에 배열된 액체 개구에 의해 형성된 복수의 블레이드가 존재한다. 개구의 각 종방향 배열을 통한 액체 출력은 회전식 베인 펌프와 유사한 펌프 배열로 액체 블레이드를 형성한다. 종방향 블레이드가 단일 슬롯을 통한 액체 출력으로 형성되는 것이 아니라 라인을 따른 복수의 인접한 개구를 통한 액체 출력으로부터 형성되는 경우, 각각의 인접한 개구로부터의 액체 출력은 합체하여 액체 블레이드를 형성한다.
도 5b는 대안적인 편심 나선형 스크루 실시예를 도시하며, 여기서 축방향 펌핑은 상부에 있는 가스 입구(50)로부터 하부를 향한 가스 출구(52)로 가스를 구동하는 단일 샤프트 스크루 펌프에 의해 제공되며, 스크루의 벽은 나선형 액체 표면(40)에 의해 형성된다. 도면의 좌측에 보다 상세하게 도시된 로터(10)는 나선형 액체 개구(15)를 가지며, 액체 개구(15)로부터의 액체 출력은 스크루형 액체 표면을 형성한다. 액체 개구(15)는 단일 나선형 슬롯으로서 도시되어 있지만, 도 5a에서와 같이 나선형 경로를 따라 서로 인접하게 배열된 복수의 개구로 형성될 수 있다. 도면의 좌측에 도시된 로터로부터 알 수 있는 바와 같이, 나선의 피치는 가스 출구(52)를 향해 감소되어, 가스가 펌핑될 때 가스의 체적 압축을 제공한다. 이러한 실시예의 하나의 장점은 액체 저장조(30)(로터의 베이스에 있음)가 가스 입구(50)(로터의 상부에 있음)로부터 멀리 위치될 수 있게 한다는 것이다. 이것은 액체 저장조를 가로질러 발생하는 큰 압력 강하를 방지한다. 또한, 가스 입구(50)는 진공 펌프의 경우에 고객 장비에 가장 근접하여 있으며, 그래서 저장조 및 이로부터 떨어진 임의의 관련 배수구를 갖는 것이 유리할 수 있다. 나선의 피치는 가스 출구를 향해 감소하여 가스의 압축을 제공하고 펌핑 효율을 증가시키도록 선택될 수 있다.
통상적으로 스크루형 펌프에는 협동하는 고체 스크루 프로파일을 각각 갖는 2 개의 회전 샤프트가 형성되었지만, 나선형 액체 표면의 변형성 및 스테이터 보어 내의 샤프트의 편심 배열은 단일 샤프트로 형성될 수 있게 한다.
다른 유사한 실시예가 도 5c에 도시되어 있다. 도 5b에서와 같이, 스테이터 보어(20) 내에서의 로터 또는 샤프트(10)의 회전은 회전 나선형 개구(15)를 통한 액체 출력에 의해 회전 나선형 블레이드(40)를 제공한다. 그러나, 이러한 실시예는 가변 루트부-팁부 직경을 이용하여, 도시된 바와 같이 스테이터 보어(20) 직경을 감소시키는 것에 의해, 또는 샤프트(10) 직경을 증가시키는 것에 의해, 또는 둘 모두에 의해 출구를 향해 반경방향 갭을 단축시킨다. 이것은, 압축 효율을 향상시키고 펌프의 보다 높은 압력 강하 단부에서 블레이드를 유지하는데 필요한 최대 액체 속도/유동 속도를 감소시켜서 전력 소비를 감소시킬 수 있는 내부 체적 압축을 제공한다. 스테이터가 테이퍼진 경우, 로터는 이 길이를 따라 밀봉하기 위해 일 측부에서 스테이터에 평행하고 근접하게 유지될 수 있고, 스테이터 보어는 로터로부터 더 멀리 떨어진 측부에서 테이퍼진다. 가스 출구는 블레이드의 회전 방향으로, 로터와 스테이터가 시일을 형성하는 부분 바로 앞에 배열될 수 있는 한편, 가스 입구는 그 부분 바로 뒤에 있을 수 있다.
일부 실시예에서는, 도 5b에 도시된 바와 같은 가변 피치 나선형 액체 블레이드에 의해 추가의 체적 압축이 제공될 수 있다. 블레이드의 피치는 출구를 향해 감소하여, 펌핑 챔버의 체적을 펌프의 고압 단부를 향해 감소시킨다.
도 5d는 테이퍼형 스테이터가 가스 출구(52)를 향해 체적 압축을 제공하는 다른 실시예를 도시하고, 이러한 실시예에서 테이퍼형 스테이터(20) 내에 동심 로터(10)가 존재한다. 고체 나선형 나사산(25)이 스테이터로부터 로터(10)까지 연장된다. 일부 실시예(도시되지 않음)에서, 로터 상의 액체 개구는 도 5a에 도시된 바와 같은 슬롯형 종방향 형태를 가져서 나사산에 의해 형성된 나선형 경로를 따라 가스를 구동하는 축방향 블레이드를 제공할 수 있다. 따라서, 로터(10)가 스테이터(20) 내에서 회전함에 따라, 입구(50)로부터 가스는 나선형 경로를 따라 출구(52)를 향해 구동된다. 테이퍼형 보어는 가스가 출구를 향해 이동함에 따라 가스를 압축하는 역할을 한다. 대안적으로, 액체 개구 자체가 도 5b에서와 같은 나선형 형태를 가져서 나선형 블레이드를 형성할 수 있다. 이러한 경우에, 나사산 및 블레이드의 나선형 형태는 반대 방향으로 진행하고, 그에 따라 나선형 나사산이 시계 방향으로 하강하면, 나선형 블레이드는 반시계 방향으로 하강한다. 이것은 도 5f의 비테이퍼형 보어 실시예에 대해 보다 상세하게 도시되어 있다.
테이퍼형 보어로 인해, 가스 출구쪽의 액체 블레이드는 입구쪽의 것보다 작으며, 따라서 증가된 차압을 지원할 수 있다. 그러한 배열에서 유체를 펌핑하기 위해 로터를 구동하는데 필요한 전력도 또한 상당히 감소된다.
비테이퍼형 스테이터 및 스테이터(20) 상의 나선형 나사산(25)을 갖는 동심 배열이 도 5e에 도시되어 있다. 로터(10)는 또한 일 단부가 액체 저장조(30)에 침지되고, 중공 샤프트 위로 상승하는 액체는 종방향 슬롯을 통해 출력되어, 나사산(25), 스테이터 보어(20) 및 로터(10)에 의해 한정된 나선형 경로를 따라 가스 입구(50)로부터 가스 출구(52)로 가스를 스위핑(sweeping)하는 종방향 액체 블레이드(40)를 형성한다.
도 5f는 스테이터 보어(20) 상에 내부 나선형 나사산(25)을 또한 포함하지만 액체 블레이드(40)가 종방향 블레이드가 아닌 나선형 블레이드인 대안적인 동심 배열을 도시하고 있다.
몇 개의 이러한 액체 블레이드 배열에 있어서, 종래의 기계적 펌프의 기술에서 알려진 바와 같이 용량을 증대시키기 위해 펌프 스테이지의 수가 증가될 수 있다.
도 6은 캠 샤프트(10)와, 스테이터(20)로부터 캠 샤프트 로터(10)를 향해 연장되는 비회전 액체 블레이드(40)를 도시하고, 이는 다단 피스톤 펌프와 유사한 다단 용적형 펌프를 제공한다. 이 실시예는 얼마나 많은 액체 블레이드(40)가 사용되는지에 따라 상이한 수의 펌핑 스테이지를 허용한다. 액체 블레이드를 제공하기 위한 액체 개구(15)는 스테이터 보어(20) 상에 위치될 수 있고, 펌핑 챔버(17로 표시됨)는 이들 표면 및 스테이터 보어(20) 및 캠 샤프트(10)의 표면에 의해 제공된다. 보어 내에서의 캠 샤프트(10)의 회전은, 캠 샤프트의 진행 및 펌핑 챔버(17)의 대응하는 체적 변화가 도시된 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 펌핑 챔버(17)의 체적이 변하게 한다. 가스 입구(50) 및 출구(52)의 복수의 쌍이 각각의 액체 블레이드(40) 사이에 배열되고, 밸브를 각각 포함한다. 캠 샤프트가 회전함에 따라, 펌핑 챔버가 팽창하고, 가스 입구(50)를 통해 가스가 흡인된다. 추가 회전 시에, 펌핑 챔버(17)는 수축되고 가스 출구(52)를 통해 가스가 배출된다. 다음에, 로터(10)는 후속 펌핑 챔버의 체적이 변하게 한다. 이러한 방식으로, 포트(50, 52)의 쌍은 펌핑 프로세스에서 스테이지를 형성하며, 보다 큰 압력차를 위해 직렬로 연결되거나, 보다 큰 용량을 위해 병렬로 연결될 수 있다. 블레이드(40)는 스테이터 상의 개구(15)로 형성된 위치에 고정되어, 밸브가 또한 고정된 위치에 있게 한다.
전술한 많은 실시예에서, 액체 표면을 제공하는 액체 순환은 액체에 원심력을 제공하는 회전 로터에 의해 생성되지만, 일부 실시예에서는, 액체 순환을 생성하는 대안적인 방법, 즉 고압 액체 소스가 사용된다.
그러한 고압 액체 공급부 또는 펌프는 별도로 또는 조절된 샤프트 회전과 함께 사용될 수 있다(펌핑 성능 요구에 따라 유체 속도 및 샤프트 주파수 모두의 독립적인 변동을 가능하게 하여, 제어 가능한 효율 및 펌프 튜닝(pump tuning)을 허용함).
도 7은 공칭 접선방향 구멍/슬롯(15)을 갖는 샤프트를 도시하고 있다. 이러한 실시예는 외부 소스를 사용하여 샤프트에 고압 액체를 제공한다. 이러한 실시예에서, 고압 액체 공급부가 변형 가능한 액체 표면(40)을 위한 액체 유동을 제공할 뿐만 아니라, 수압으로부터 샤프트(10)의 회전을 구동하는 힘을 제공한다.
일부 실시예에서, 펌핑 기능이 습식 스크러빙(wet scrubbing)에 통합될 수 있도록 펌프가 습식 세정 환경에서 사용될 수 있으며, 액체 블레이드는 그러한 실시예에서 유리하다. 이와 관련하여, 액체 블레이드 펌프 중 하나를 프로세스 가스 유동과 연관지어 배치함으로써, 펌프는 (예를 들어 저감 시스템의 출구(또는 입구)에서) 진공 발생에 부가하여 습식 스크러빙에 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 액체 블레이드와 동일한 고압 액체 소스로부터의 유체역학적 베어링이 샤프트의 회전 운동을 지원하는데 사용된다(따라서, 펌프를 더욱 단순화시키고 펌프의 비용을 감소시킴).
샤프트를 구동하기 위한 구동 수단, 예컨대 모터 및 주파수 인버터 또는 벨트 드라이브(belt drive)가 필요한 경우, 이러한 구동 시스템은 바람직하게는 구동 수단 내로 액체가 누출될 위험을 감소시키도록 샤프트의 상부에 위치될 수 있다.
요약하면, 실시예들은 액체 개구로부터의 방출을 충족시키거나 초과하는 액체의 순환이 달성될 수 있는 경우에 효과적으로 기능한다. 이것은 블레이드를 연속 표면으로서 유지하는 것을 돕고, 펌핑 챔버 사이에서의 누출을 방지한다. 액체 개구의 크기, 사용된 액체의 유형, 액체 속도, 로터와 스테이터 사이의 거리, 및 로터의 길이 및 그 회전 속도와 같은 많은 파라미터가 모두 액체 표면의 형성 및 유지에 영향을 미친다는 것에 주목해야 한다. 따라서, 이들 특징은 전력 소비, 펌핑 용량 및 압축과 같은 특정 펌프에 필요한 특성에 따라 선택되어야 한다.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 상세하게 개시되었지만, 본 발명은 정확한 실시예에 한정되지 않는다는 것과, 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 규정된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경 및 변형이 당업자에 의해 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
10 : 로터 13 : 샤프트 내의 액체
15 : 액체 개구 17 : 펌핑 챔버
20 : 스테이터 내부 보어 25 : 나선형 나사산
30 : 액체 저장조 40 : 액체 블레이드
42 : 액체 유동 50 : 가스 입구
51 : 시일 52 : 가스 출구

Claims (34)

  1. 가스를 펌핑하기 위한 펌프에 있어서,
    상기 펌프는 로터 및 스테이터를 포함하며,
    상기 로터 또는 스테이터 중 적어도 하나는 액체 소스와 유체 연통하도록 구성된 적어도 하나의 액체 개구를 포함하고,
    상기 액체 개구는 상기 액체 소스로부터 액체에 가해지는 구동력에 응답하여, 액체 스트림이 상기 개구로부터 출력되도록 구성되고, 상기 액체 스트림은 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 액체 블레이드를 형성하고, 상기 스테이터, 상기 로터 및 상기 액체 블레이드에 의해 한정된 가스가 상기 펌프를 통해 가스 입구로부터 가스 출구를 향해 구동되는
    펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터는 회전 가능하게 장착되고, 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 상기 액체 블레이드를 형성하는 상기 액체 스트림은 상기 로터의 회전 시에 상기 펌프를 통해 상기 가스를 구동하도록 작동 가능한
    펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 액체 소스로부터 상기 적어도 하나의 액체 개구를 통해 상기 액체를 구동하기 위해 상기 액체에 상기 구동력을 가하기 위한 구동 메커니즘을 포함하는
    펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 로터의 표면 상에 형성되는
    펌프.
  5. 제 2 항 및 제 3 항을 인용하는 경우의 제 4 항에 있어서,
    상기 로터는 중공 몸체이고, 상기 구동 메커니즘은 상기 로터를 회전시키기 위한 모터를 포함하는
    펌프.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액체 소스는 상기 로터가 부분적으로 침지되는 저장조를 포함하는
    펌프.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중공 로터는 상기 액체 저장조 내로 연장되는 하단부에 개구를 가지며, 상기 중공 로터의 내경은 상기 하단부로부터 증가하는
    펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터의 표면 상에 형성되는
    펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터와 스테이터는 하나가 내부 구성요소를 포함하고 다른 하나가 외부 구성요소를 포함하도록 하나가 다른 하나의 보어 내에 장착되는
    펌프.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 구성요소는 상기 외부 구성요소의 보어 내에 편심으로 장착되는
    펌프.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 구성요소는 상기 외부 구성요소의 보어 내에 동심으로 장착되는
    펌프.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 스테이터와 상기 로터 사이를 밀봉하기 위한 밀봉 부재를 더 포함하고, 상기 가스 출구는 상기 밀봉 부재의 일 측부에 있고, 상기 가스 입구는 상기 밀봉 부재의 다른 측부에 있는
    펌프.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터 또는 로터 중 하나의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되는 적어도 하나의 액체 개구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터와 로터 사이에서 축방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 표면으로서 상기 액체 블레이드를 제공하도록 구성되는
    펌프.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 구성요소들의 축에 실질적으로 평행하게 연장되는 종방향을 따라 배열되는
    펌프.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터 또는 로터의 표면 주위로 연장되는 나선 형태로 배열되며, 상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 스테이터와 로터 사이의 나선형 표면으로서 상기 액체 블레이드를 제공하도록 구성되는
    펌프.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 나선의 각도는 상기 나선의 피치가 상기 가스 출구를 향해 감소하도록 상기 가스 입구로부터 상기 가스 출구를 향해 변하는
    펌프.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터와 상기 로터 중 적어도 하나는 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 거리가 상기 가스 출구를 향해 감소하도록 테이퍼지는
    펌프.
  18. 제 17 항에 있어서,
    테이퍼진 상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 하나는 비-축대칭으로 테이퍼지는
    펌프.
  19. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액체 개구는 상기 로터의 표면에 수직이 아닌 각도로 배열되고, 상기 액체는 가압 액체로서 공급되고, 경사진 상기 액체 개구에서의 상기 가압 액체의 출력은 상기 로터를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는
    펌프.
  20. 제 3 항, 또는 제 3 항을 인용하는 경우의 제 4 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 메커니즘은 상기 액체 소스로부터 공급된 상기 액체를 가압하기 위한 가압 수단을 포함하는
    펌프.
  21. 제 8 항, 또는 제 8 항을 인용하는 경우의 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 가스 입구 및 상기 가스 출구는 상기 스테이터 상에 형성되고, 상기 가스 입구 및 상기 가스 출구는 각각 일방향 밸브를 포함하는
    펌프.
  22. 제 21 항에 있어서,
    일방향 밸브를 각각 포함하는 복수의 가스 입구 및 가스 출구를 상기 스테이터 상에 포함하는
    펌프.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 펌프는 샤프트를 구동하기 위한 모터를 포함하며, 상기 로터는 상기 샤프트 상에 장착된 실질적으로 원형의 편심 캠을 포함하는
    펌프.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 액체 개구를 포함하는
    펌프.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 복수의 액체 개구는 상기 로터와 상기 스테이터 보어 사이에 복수의 액체 블레이드를 형성하는 복수의 액체 스트림을 제공하는
    펌프.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 액체 개구의 적어도 하나의 세트는 서로 인접하게 배열되고, 상기 복수의 액체 개구의 적어도 하나의 세트로부터 출력된 스트림은 단일 액체 블레이드를 형성하는
    펌프.
  27. 제 22 항 또는 제 23 항을 인용하는 경우의 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    상기 펌프는 복수 쌍의 가스 입구 및 가스 출구를 포함하고, 각 쌍의 가스 입구 및 가스 출구는 상기 쌍의 가스 입구 및 가스 출구 사이에 상기 액체 블레이드를 제공하는 액체 개구에 의해 분리되는
    펌프.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 작동 시에 상기 액체 블레이드, 상기 로터의 표면 및 상기 스테이터 보어의 표면이 상기 가스 입구와 상기 가스 출구 사이에서 상기 가스를 이동시키기 위한 적어도 하나의 펌핑 챔버의 표면을 형성하도록 구성되는
    펌프.
  29. 제 2 항, 또는 제 2 항을 인용하는 경우의 제 3 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 로터의 적어도 하나의 단부를 지지하기 위한 적어도 하나의 유체역학적 베어링을 더 포함하는
    펌프.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 유체역학적 베어링은 상기 액체 소스로부터의 액체로 충전되는
    펌프.
  31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프는 진공 펌프인
    펌프.
  32. 저감 시스템으로부터 펌핑된 오염물질을 감소시키기 위한 습식 스크러버에 있어서,
    상기 습식 스크러버는 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 기재된 펌프를 포함하는
    습식 스크러버.
  33. 가스를 펌핑하는 방법에 있어서,
    스테이터 또는 로터 중 하나 상의 적어도 하나의 액체 개구로부터 액체를 출력하여 스테이터와 로터의 표면 사이에 액체 블레이드를 형성하는 것과,
    상기 로터를 회전시켜서, 상기 스테이터, 상기 로터 및 상기 액체 블레이드에 의해 한정된 가스가 펌핑 경로를 따라 가스 입구로부터 가스 출구로 이동하게 하는 것을 포함하는
    가스 펌핑 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 스테이터의 보어 내에서 상기 로터를 회전시켜서 상기 액체 블레이드가 상기 펌핑 경로를 따라 상기 가스를 구동하게 하는 것을 포함하는
    가스 펌핑 방법.
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