KR100697782B1

KR100697782B1 - 폴리머 로터 제조 방법

Info

Publication number: KR100697782B1
Application number: KR1020027004670A
Authority: KR
Inventors: 순드스트롬매츠; 티무스카칼리스
Original assignee: 스벤스카 로토르 마스키너 아베
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2007-03-21
Also published as: JP4636764B2; WO2001028746A1; DE60016796T2; DE60016796D1; JP2003512197A; US6849220B1; WO2001028747A1; KR20020039680A; EP1237695B1; EP1237695A1; SE9903772D0

Abstract

본 발명은 금속 샤프트(2)와, 중간홈(13)에 의해서 서로 분리된 헬리컬 로브(9)를 포함하는 헬리컬 스크루 기계용 로터(124) 제조 방법으로서, 상기 샤프트(2, 19)에 축선 방향으로 연장하는 블라인드 통로(10)를 마련하는 단계와, 상기 통로(10)를 하나 이상의 채널(11)에 의해 샤프트(2, 19)의 배럴 표면과 연결하는 단계와, 로터 샤프트(2)를 적어도 대체로 밀봉하도록 둘러싸고 수용하는 각각의 개구(6, 7)를 포함하는 서로 간격을 두고 배치된 2개의 단부벽(4, 5)을 포함하는 몰드(1)에 상기 로터 샤프트(2, 19)를 삽입시키는 단계와, 상기 몰드(1)와 샤프트(2, 19)를 폴리머의 경화 온도까지 가열하는 단계와, 상기 몰드(1)에 폴리머 형성 재료를 전달하는 단계와, 상기 폴리머가 경화될 때까지 몰드(1)의 배럴 벽(3)을 상기 경화 온도로 유지하는 단계와, 상기 몰드(1)로부터 로터를 제거하는 단계를 포함하는 헬리컬 스크루 기계용 로터(12, 14) 제조 방법에 관한 것이다. 이 방법은 샤프트(2)가 몰드에 삽입될 때, 외측으로 연장하는 채널(11)을 대체로 몰드(1)의 중간에 위치하게 되도록 샤프트(2)에 배치하는 단계와, 폴리머를 축선 방향으로 연장되는 통로(10)에 1 bar 이상의 과잉 압력으로 밀어넣는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법에 관한 것이다.

Description

폴리머 로터 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING POLYMER ROTORS}

본 발명은 중간홈에 의하여 서로 분리된 헬리컬 로브(helical lobe)를 구비하는 폴리머 본체가 고정되어 있는 금속 샤프트를 포함하는 헬리컬 스크루 압축기 및 헬리컬 스크루 팽창기와 같은 헬리컬 스크루 기계용의 폴리머 로터 제조 방법에 관한 것이다.

헬리컬 스크루 기계용 로터는 로터 본체가 부착된 금속 샤프트를 포함한다. 이 로터 본체는 홈에 의해서 서로 분리된 헬리컬 로브를 구비한다. 금속 로터는 일반적으로는 일체형으로 제조되지만, 폴리머 로터는 금속 샤프트를 구비하고, 이 금속 샤프트에는 폴리머 로터의 본체가 부착된다. 이 로터 본체는 2개 이상, 대개 4개 내지 7개의 로브를 구비한다. 헬리컬 로터 기계가 대개 2개의 서로 상호 작용하는 로터를 포함하는데, 이 로터 중 하나는 대체로 상대적으로 강한 로브를 구비하는 숫로터(male rotor)이고, 다른 하나는 대체로 상대적으로 약한 로브를 구비하는 암로터(female rotor)이다. 금속 샤프트를 둘러싸는 상기 숫로터 본체는 단지 로브를 분리시키는 홈들의 재료의 두께가, 특히 암로터에 비해서 얇은 서로 결부된 본체이다.

독일 특허 출원 공개 제39 03 067 호는 헬리컬 스크루 기계용 로터의 제조 방법을 교시하고 있다. 이 특허 출원 공개 공보에 따르면, 금속 샤프트를 개방된 상부 매트릭스에 수직으로 배치하고, 그 후에 금속 샤프트의 외측에 또는 금속 샤프트의 중앙 통로를 통해 액체 폴리머를 전달하는데, 상기 채널은 중앙 통로의 하단부로부터 금속 샤프트의 외주부까지 반경방향으로 연장된다. 이들 채널은 액체 폴리머 재료로 채워진 공동(空洞)의 하단부에서 매트릭스로 개방된다. 상기 특허 출원 공개 공보에는 암로터, 즉 로터의 로브 사이의 홈들의 두께가 얇은 암로터 본체를 캐스팅(casting)하는 경우에 후자의 대안이 바람직하다고 기재되어 있다. 상기 반경방향 연장 채널은 최소 외경을 갖는 공동의 하단부로 개방된다.

상기 특허 출원 공개 공보에 따르면, 폴리머가 금속 샤프트의 중앙 통로를 통해 전달되는 경우, 폴리머는 몰드를 완전히 채우기 위해 걸리는 시간 동안 계속 몰드의 하부에서 액체로 남아 있어야 한다. 이것이 달성될 때, 비로소 폴리머를 몰드 하부에서 고체 상태로 변환시키는 조건을 적용할 수 있다.

이러한 방법으로 제조되는 로터는 그것의 단부에서보다 중앙에서 직경이 더 작다는 것이 알려져 있다. 축소 또는 수축하여 모래 시계 형상이 되는 것은 로터 중앙부보다 단부에서, 더 낮은 온도에서 폴리머가 응고되기 때문일 수 있다. 로터 중앙부에서 온도가 더 높기 때문에 더 현저하게 수축된다.

본 발명의 목적은 공지된 방법과 관련된 단점을 제거한 제조 방법을 제공하고, 더불어 축선 방향으로 잘록한 중앙부가 없는 로터를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 금속 샤프트와, 중간홈에 의해 상호 분리되는 2개 이상의 헬리컬 로브를 포함하는 헬리컬 스크루 기계용 폴리머 로터는 상기 금속 샤프트에 축선 방향으로 연장되는 블라인드 통로(blind passageway)를 마련하고, 이 축선 방향으로 연장되는 통로를 하나 이상의 반경방향 연장 채널에 의해 금속 샤프트의 배럴 표면과 연결시키며, 상기 금속 샤프트를 적어도 대체로 밀봉하도록 둘러싸서 수용하는 상호 대향하는 중앙 개구를 포함하는 서로 간격을 두고 배치된 2개의 단부벽으로 이루어진 몰드에 금속 샤프트를 삽입시키고, 몰드 및 금속 샤프트를 폴리머 경화 온도까지 가열하며, 폴리머 형성 재료를 몰드에 전달하고, 몰드 및 금속 샤프트를 폴리머가 경화될 때까지 상기 폴리머 경화 온도로 유지하며, 그 후 몰드로부터 로터와 함께 금속 샤프트를 제거함으로써 제조된다. 본 발명의 제조 방법은 금속 샤프트가 몰드에 삽입될 때에 통로로부터 외측 방향으로 연장되는 반경방향 채널이 대체로 몰드의 중간에 위치하도록 배열하고, 폴리머를 축선 방향으로 연장되는 통로에 적어도 1 bar의 과잉 압력으로 밀어 넣는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 종속항으로부터 명백해지게 된다. 폴리머 재료, 이형제, 충전재는 상기 독일 특허 출원에 기재된 재료나 당업자에게 공지된 다른 재료일 수 있다.

본 발명의 바람직한 한 가지 실시예에 따르면, 금속 샤프트는 폴리머 재료로 채워지고 외측에 위치하는 로브의 침하된 부분을 형성하는 헬리컬 리세스 또는 홈을 포함한다. 이들 리세스 또는 홈은 횡단면이 사다리꼴이고, 평행한 변 중 짧은 것이 금속 샤프트의 외주부에 가장 가까이 배치되고 금속 샤프트의 반경에 대해 수직으로 연장되는 것이 바람직하다. 평행하지 않은 변으로부터 금속 샤프트의 외주부로의 변이부의 코너부는 라운딩되어, 폴리머 재료의 파열 경향을 감소시킨다.

헬리컬 홈은 로브의 전체 길이를 따라서 또는 일부만을 따라서 연장될 수 있다. 이와 유사하게, 헬리컬 홈은 동일한 헬리컬 라인을 따라서 배치된 2개 이상의 분할 홈일 수 있다. 후자의 경우에, 외측으로 향하는 채널은 각 분할 홈으로 개방되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 금속 합금이란 용어는 예를 들면, 강 또는 황동을 포함하고, 여기에서는 특히 강이 바람직하다. 폴리머 재료는 무기 충전재, 예를 들면 규산염 함유 섬유를 포함하는 폴리우레탄일 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 더 자세히 설명하겠다.

도 1은 금속 샤프트가 삽입되어 있는 본 발명에 따른 몰드의 개략적인 종방향 단면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 취한 금속 샤프트의 단면도.

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 공지된 로터 단부 프로파일의 제1 실시예의 단면도.

도 4는 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 취한 로터 단부 프로파일의 제2 실시예의 단면도.

도 5는 스태틱 믹서(static mixer)의 개략적인 수직 단면도.

도 1에는 금속 샤프트, 바람직하게는 강제(鋼製) 샤프트(2)가 삽입되어 있는 몰드(1)가 도시되어 있다. 몰드(1)의 배럴 벽(3)은 외표면이 원통형이고 내부적으로는 헬리컬 로터의 외형을 갖는데, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 이 로터는 도시된 경우에는 5개의 로브와 동일한 수의 중간 홈을 포함한다. 몰드(1)는 원형 상단벽(4)과 원형 하단벽(5)을 포함한다. 이들 각 단부벽(4, 5)에는 중앙 샤프트 수용 개구(6, 7)가 각각 마련된다. 이들 개구(6, 7)는 로터 샤프트를 적어도 대체로 밀봉하도록 이 로터 샤프트(2)를 둘러싼다. 몰드(1)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 배럴벽(3)의 상부에 로터 로브(9) 각각의 배기구(8)를 포함한다. 이 배기구(8)는 상단벽(4)에 홈으로서 배치될 수도 있다.

로터 샤프트(2)는 그것의 하단부에서 축선 방향으로 연장되는 중앙 통로(10)를 구비하는데, 이 중앙 통로(10)는 로터 샤프트(2) 안으로 절반 이상 연장된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 단부벽(4, 5) 외측에 위치하는 로터 샤프트(2)의 단부들은 길이가 동일하다. 로터 샤프트(2)가 몰드(1)에서 비대칭으로 배치된다면, 소정 길이의 축선 방향 통로(10)는 로터 샤프트를 둘러싸는 몰드(1)의 중심을 벗어나서 연장될 것이다.

하나 이상의 반경방향 채널(11)이 중앙 통로(10)로부터 로터 샤프트의 외주부로 연장된다. 축선 방향 통로(10)로부터 로터 샤프트의 외주부로 연장되는 반경방향 채널(11)의 수는 로터에 마련된 로브(9)의 수와 동일한 것이 바람직하다. 이들 반경방향 채널(11)은 상기 로터 샤프트의 축선 방향으로 서로에 대해 오프셋되어, 상기 채널(11) 영역에 있어서의 로터 샤프트의 약화를 감소시키거나 최소화하는 것이 바람직하다.

도 2에는 로터 샤프트(2)와, 하나의 반경방향 채널(11)과, 점선으로 도시되어 있는 2개의 추가 채널(11', 11")이 도시되어 있는데, 이들 추가 채널은 단면의 표면 아래에 배치된다. 도시되지는 않았지만, 로터 샤프트는 상기 단면의 표면 위에 2개의 반경방향 채널(11)을 더 포함한다.

도 3은 5개의 로브(9)를 구비하는 숫로터(12)의 단부의 단면도이다. 이들 로브(9)는 홈(13)에 의해서 서로 분리된다. 이 도면으로부터, 이 몰드는 상부에 5 개의 배기구(8)를 구비한다는 것이 명백해지게 된다.

도 4는 6개의 로브(15)와 6개의 중간홈(16)을 구비하고, 몰드(17)에 삽입된 암로터(14)의 단부의 단면도이다. 이 암로터는 본 발명에 따라 형성된다. 이 암로터 본체(14)는 강제 샤프트(19)에 배치되고, 6개의 상호 분리된 개별적인 로브(15)의 형태를 갖는다. 이들 로브(15) 사이의 각 홈(16)의 바닥은 강제 샤프트(19)에 의해 형성된다는 것을 도면으로부터 알 수 있다. 따라서, 로브(15)는 도 3에 도시되어 있는 숫로터의 로브(9)의 경우처럼, 폴리머 재료로 상호 연결되지 않는다. 몰드는 6개의 배기구(18)를 포함한다. 도 3 및 도 4에 따라 제조된 로터는 서로 상호작용하도록 의도된 것은 아니다.

도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트(19)는 단면이 사다리꼴인 리세스(20)를 포함하는데, 이 사다리꼴 리세스의 상호 평행한 표면 중 더 긴 것이 샤프트(19)의 중심점을 향한다. 평행하지 않은 표면들은 샤프트의 외주부에 둥근 코너부를 구비한다. 이 사다리꼴 리세스(20)는 외측에 있는 로브(15)와 동일한 헬리컬 형상으로 확장된다. 본 발명의 바람직한 한 가지 실시예에서, 각 반경방향 채널(11)(도 2 참조)은 이러한 하나의 리세스(20)로 개방된다. 이들 리세스(20)는 반경방향 채널(11)로부터 보다 멀거나 가까운 곳까지 확장된다. 도 4에 도시되어 있는 실시예의 경우에는, 리세스(20)는 로브(15)와 동일한 길이를 갖는다. 이들 리세스(20)는 샤프트(19)에 폴리머를 부착시키는 데에 효과적이다. 샤프트(19) 외주부의 둥근 코너부는 균열 생성 위험을 감소시키고, 로터의 유효 수명을 연장시킨다.

도 5는 본 발명의 폴리머 로터를 몰딩하는 데에 사용하는 스태틱 믹서(static mixer)(30)의 개략적인 수직 단면도이다. 이 믹서(30)는 각 단부에 2개의 입구(33, 34)를 구비하는 제1 도관(31)을 포함한다. 상기 입구(33, 34) 사이의 상기 제1 도관 벽에는 제2 도관(32)의 일단부와 연결되는 제3 입구(35)가 마련된다. 제2 도관은 헬리컬 형상의 다수의 혼합 요소(36)를 포함한다. 이들 혼합 요소(36)는 재료가 혼합되지 않고 제2 도관(32)을 통해 축선 방향으로 통과하는 것을 방지하도록 배열된다. 이러한 스태틱 믹서는 당업계에 공지되어 있다.

본 발명에 따르면, 액체 또는 고체 폴리머 재료, 예를 들어 바람직하게는 충전재를 함유하는 폴리우레탄은 축선 방향으로 연장되는 중앙 통로(10)에 약 30 ℃의 온도로, 그리고 약 1 bar 내지 15 bar의 과잉 압력으로 전달된다. 바람직한 압력은 상기 압력 범위의 대략 중간이다. 몰드(1)와 로터 샤프트(2)는 약 90℃의 온도로 가열되었다. 이형제가 상기 폴리머 재료의 전달 단계 전에 몰드(1)의 내표면에 도포될 수도 있다. 몰드의 배럴(3)은 전기적으로 가열되어 약 90℃의 온도로 유지되는데, 이러한 것은 통상적으로 행해진다. 로터 샤프트(2)와 몰드의 단부벽(4, 5)은 열용량이 커서 가열되지 않는다. 축선 방향으로 연장되는 통로(10)에 전달되는 폴리머 재료는 반경방향으로 배치된 채널(11)을 통해서 상기 통로를 떠난다.

반경방향 채널로부터 배출되는 재료는 일단 직립한 몰드(1)의 아래로 흐르고, 그 후에 몰드가 충전될 때까지 몰드 공동에서 상승한다. 전달된 재료는 로터 샤프트(2)와 몰드(1)보다 온도가 훨씬 더 낮기 때문에, 전달되면서 열을 흡수하는 동시에, 로터 샤프트(2)와 가열되지 않은 단부 표면을 냉각시킨다. 상기 재료는 몰드(1)의 중앙에서 전달되기 때문에, 이 재료는 응고 과정의 초기에 가장 낮은 온도가 우세한 곳에 배치되게 된다. 재료가 비교적 높은 과잉 압력 하에서 정확하게 몰드의 중앙에서 전달된다는 사실 때문에, 일반적으로 중앙에서 발생하는 폴리머의 수축은 보상되어 로터는 단부 영역에서 보다 중간 영역에서 더 작은 직경을 갖게 되지 않는다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 스태틱 믹서(30)가 중앙 통로에 배치된다. 스태틱 믹서의 소정 길이의 제2 도관(32)은 믹서가 삽입되는 경우, 중앙 통로의 오리피스에 가장 가까이 놓여 있는 반경방향 연장 채널까지만 도달하게 된다. 이로 인하여 경화된 후에 함께 폴리머를 형성하는 2개의 성분이 상기 믹서(30)의 각 개구(33, 34)를 통해 전달될 수 있고, 상기 성분들은 상기 개구(35)를 거쳐 믹서의 제2 도관(32)을 통과한다. 상기 성분은 재료의 축선 방향 이동을 유발시키는 혼합 요소(36)의 도움을 받아 제2 도관에서 혼합된다.

Claims

금속 샤프트(2, 19)와, 중간홈(13, 16)에 의해서 서로 분리된 헬리컬 로브(helical lobe)(9, 15)를 포함하는 헬리컬 스크루 기계용 로터(12, 14) 제조 방법으로서,

상기 샤프트(2, 19)에 축선 방향으로 연장되는 블라인드 통로(blind passageway)(10)를 마련하는 단계와;

상기 블라인드 통로(10)를 채널(11)에 의해 샤프트(2, 19)의 배럴 표면과 연결하는 단계와;

상기 로터 샤프트(2, 19)를 밀봉하도록 둘러싸서 수용하는 각각의 개구(6, 7)를 포함하고 서로 간격을 두고 배치된 2개의 단부벽(4, 5)을 포함하는 몰드(1)에 로터 샤프트(2, 19)를 삽입하는 단계와;

상기 몰드(1)와 샤프트(2, 19)를 폴리머 경화 온도까지 가열하는 단계와;

상기 몰드(1)에 폴리머 형성 재료를 전달하는 단계와;

상기 몰드(1)의 배럴 벽(3)을 폴리머가 경화될 때까지 상기 폴리머 경화 온도로 유지하는 단계와;

상기 몰드(1)로부터 로터를 제거하는 단계,

를 포함하는 헬리컬 스크루 기계용 로터(12, 14) 제조 방법에 있어서,

상기 샤프트(2, 19)가 몰드에 삽입될 때, 외측 방향으로 연장되는 상기 채널(11)을 몰드(1)의 중간에 위치하게 되도록 샤프트(2, 19)에 배치하는 단계와, 폴리머를 축선 방향으로 연장되는 통로(10)에 1 bar 내지 15 bar의 과잉 압력으로 밀어넣는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 로터 샤프트(2, 19)에 각각의 로브(9, 15)용의 반경 방향으로 연장되는 채널(11)을 마련하고, 상기 채널(11)은 로터 샤프트의 원주 주위에 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 채널(11)은 로터 샤프트(2, 19)의 축선 방향으로 서로에 대해 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 외측을 향하는 상기 채널(11)이 각 로브(9, 15)로 개방되도록, 상기 몰드(1) 내에서 로터 샤프트(2, 19)의 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 로터 샤프트(2, 19)에, 로브(9, 15)와 동일한 헬리컬 형태를 지니고 각 채널(11)과 각각 교차하는 헬리컬 리세스(20)를 마련하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.
제4항에 있어서, 축선 방향으로 연장되는 블라인드 통로(10)에서 상기 폴리머 형성 재료를 혼합하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 중앙 통로(10)에 스태틱 믹서(static mixer)(30)를 배치하고, 이 믹서의 하나의 개구(33)를 통하여 폴리머 형성 성분을 공급하며, 다른 개구(34)를 통하여 추가적인 폴리머 형성 성분을 공급하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 스크루 기계용 로터 제조 방법.