Compressore meccanico – Soffiatore radici

In precedenza, abbiamo discusso della sovralimentazione meccanica dei motori a combustione interna in generale. Sebbene questa tecnologia sia diventata obsoleta con l’introduzione dei turbocompressori, il suo ricco passato e le numerose soluzioni tecniche che hanno arricchito la base di conoscenze dell’industria automobilistica meritano comunque di essere ricordate negli articoli tecnici.

Questa volta, ci concentreremo su una delle versioni più spettacolari dei metodi di ricarica dipendenti dal motore: il soffiatore Roots, conosciuto anche come compressore Roots.

Un’Analisi Storica

In Europa, la conoscenza di questo dispositivo, e soprattutto dell’origine del suo nome, risulta piuttosto limitata.

Il nome Roots deriva dal nomi di due ingegneri americani, Philander Higley Roots e Francis Marion Roots. Nel 1854 fondarono la Roots Blower Company, la quale è collegata all’invenzione in questione.

Molte leggende sono sorte riguardo allo sviluppo, ma la maggior parte degli storici concorda sul fatto che l’oggetto del nostro articolo non fosse originariamente destinato ai motori a combustione interna.

La storia più nota è legata all’uso dell’energia idroelettrica. I fratelli Roots iniziarono la loro attività a Connersville, nell’Indiana, vicino al Whitewater Canal. Questa ubicazione era importante la differenza di livello nel canale, pari a circa 3,4 metri, risultava sufficiente per il funzionamento del mulino ad acqua che generava energia elettrica. Tuttavia, la ruota del mulino esistente si è rivelata inefficiente e, inoltre essendo di legno non era sufficientemente resistente, cosi la sua deformazione ha immobilizzato il motore.

Mentre i fratelli Roots stavano esaminando la ruota, uno di loro girò l’albero, che poi è rimasto sospeso in aria, ei rotori rotanti a secco hanno fatto saltare il cappello dalla testa dell’altro fratello. A quel tempo, il sovrintendente della locale fonderia di ferro offrì loro l’opportunità di fondere il ferro nel suo stabilimento. Il risultato fu la progettazione del primo soffiatore Roots, brevettato nel 1860.Top of Form

Il primo contatto con l’industria automobilistica risale al 1900, quando Gottlieb Daimler depositò una domanda di brevetto per i soffiatori Roots per motori a combustione interna.

Nel 1931 l’azienda fu acquisita dalla Derrick and Equipment Company, che in seguito produsse compressori a vite per sottomarini per la Marina degli Stati Uniti durante la seconda guerra mondiale.

Costruzione e funzionamento

Nel complesso, un compressore Roots è una pompa a ingranaggi dotata di dentature speciali che funziona secondo il principio del dislocamento. Questa speciale dentatura è responsabile solo del trasporto del fluido, senza alcun collegamento diretto con la pompa stessa. Due pistoni rotanti sono collegati tramite una ruota dentata separata.

La peculiarità di questo dispositivo è che, in sostanza, non avviene una compressione al suo interno. I denti spingono solo il mezzo intrappolato nelle loro fessure nell’area ad alta pressione – la compressione viene creata dall’aria, dall’acqua o da altro mezzo fornito lì.

Il numero di lame è importante per diversi motivi. Minore è il numero di pale sui rotori, maggiore è l’impatto dei processi oscillatori del mezzo che ritorna periodicamente – per ora parleremo solo dell’aria come mezzo adatto alle applicazioni automobilistiche. Ciò può causare un trasferimento irregolare e un rumore particolarmente sgradevole.

Un altro problema è che l’unità rotante non solo deve trasportare la quantità di aria aspirata in contropressione, ma anche l’aria che si è accumulata durante la compressione. Questo, ovviamente, causa ulteriori perdite.

Da un punto di vista tecnico, i caricabatterie Roots non sono necessariamente i più efficienti. Di tutti i compressori azionati da un motore meccanico, il ventilatore Roots ha la peggiore efficienza termica e l’importanza di questo svantaggio aumenta con l’aumentare della pressione.

Di conseguenza, possiamo incontrare configurazioni in cui, oltre al ventilatore Roots, è presente anche un intercooler – sebbene questa apparecchiatura sia più spesso utilizzata con i turbocompressori, la scarsa dissipazione del calore giustifica la sua presenza qui.

Una soluzione comune consiste nel posizionare uno scambiatore di calore molto sottile tra il rotore e il motore. L’acqua viene inviata a una seconda unità situata nella parte anteriore del veicolo, dove un ventilatore e l’aria ambiente rimuovono il calore in eccesso.

In generale, si può affermare che le aree di applicazione più ideali per i compressori Roots sono le attività in cui è necessario spostare una grande quantità di aria (una grande quantità di fluido) con una differenza di pressione relativamente piccola. Questo comprende le applicazioni a basso vuoto, dove il soffiatore Roots può persino funzionare con altre pompe come parte di un sistema più ampio.

Viene utilizzato meno frequentemente nell’industria automobilistica, ma è ancora popolare in molte applicazioni industriali. Questi includono, ad esempio, sistemi di trasporto pneumatico, sirene della protezione civile, dispositivi di misurazione del flusso di gas e, in passato, sono stati utilizzati anche soffianti per equalizzare le cabine degli aerei.

L’essenza della costruzione

Le giranti dei soffiatori Roots presentano una geometria specifica. Le giranti più semplici hanno una struttura cicloidale e sono composte da segmenti con curve ipocicloidali ed epicicloidali. Le forme effettive sono generalmente più complesse in quanto il profilo è fondamentale per migliorare le prestazioni.

È necessaria una trasmissione a ingranaggi separata perché le pale del rotore non si muovono in sincronia in tutte le situazioni, anche con un gioco minimo. Inoltre, per garantire la continuità operativa, è necessario mantenere tutte le interruzioni tra di loro. Da ciò deriva il teorema di cui sopra secondo cui un soffiatore Roots può produrre solo una differenza di pressione limitata. Se questa limitazione viene superata, la generazione di calore aumenterà in misura estrema, per cui le pale del rotore entreranno in contatto e il compressore verrà danneggiato in modo permanente.

Tuttavia, il vantaggio principale dei soffiatori Roots in molti settori è che non richiedono una lubrificazione speciale delle superfici interne, quindi possono operare in condizioni in cui altri metodi di riempimento/pompaggio non sono un’opzione.