KR101196934B1 - 공기 압축기 - Google Patents

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박언철
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Abstract

콤팩트하면서도 구동 소음이 작고 발생 풍량이 증강된 공기 압축기가 제공된다. 본 발명에 따른 공기 압축기는 압전 액츄에이터를 포함하는 구동유닛과, 압전 액츄에이터의 동작에 의해 공기를 흡입 압축하기 위한 압축실이 내부에 마련된 실린더 및 압축실을 가압하기 위해 실린더를 왕복 이동하는 피스톤을 포함하는 압축유닛과, 피스톤의 왕복 거리를 확대시키기 위해 압전 액츄에이터와 피스톤 사이에 마련되는 증폭부재를 포함하며, 증폭부재는 오일이 채워진 액압실을 포함하는 하우징과, 액압실을 가압하기 위해 하우징에 왕복 이동 가능하게 마련되는 가압피스톤으로 압전 액츄에이터를 포함한다. 따라서, 압전 액츄에이터에 인가되는 전압 또는 주파수를 변동함으로써 압축유닛에서 생성되는 발생 풍량을 수배 증폭시킬 수 있으며, 이와 같은 발생 풍량의 증폭으로 인해 압축 공기 저장실을 줄일 수 있기 때문의 압축기의 소형화에 유리하다. 또한, 본 발명에 따른 공기 압축기는 종래와 달리 모터를 구동원으로 사용하지 않기 때문에 압축 공기가 설정값에 도달했을 때 신속하게 동작을 정지시킬 수 있으며, 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 요구되는 발생 풍량에 도달할 수 있기 때문에 작동 소음이 작아 실내 설치가 가능해진다.

Description

공기 압축기{Air Compressor}
본 발명은 공기 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콤팩트하면서도 구동 소음이 작고 발생 풍량이 큰 공기 압축기에 관한 것이다.
일반적으로, 압축기는 냉장고나 공기 조화기 등의 냉동 사이클이 적용된 제품에서 냉매를 흡입하여 압축 토출시키거나 대형 차량의 공압 제동에 필요한 압축공기를 발생시키는데 사용되는 기기를 말한다. 압축기의 종류로는 크게 왕복동형, 회전형, 리니어형을 들 수 있으며, 이 중 리니어형 압축기는 모터를 이용하여 구동하며 에너지 손실이 적어 상대적으로 다른 압축기보다 효율이 높다.
통상의 압축기는 밀폐용기 내에서 동력을 발생시키는 구동부와, 구동부의 동력을 전달받아 냉매 또는 공기를 흡입 압축하는 압축부를 구비한다. 압축부는 압축실이 마련된 실린더와, 압축실을 가압하기 위해 실린더를 왕복 이동하는 피스톤으로 이루어진다. 구동부는 이 피스톤과 연결된다.
그런데, 일례로 종래의 공기 압축기는 실린더를 구동시키는데 전자석을 이용하는 모터를 채용하고 있기 때문에 소형 모터의 경우 회전력이 약해 실린더의 크기를 확장하는데 제한적이다. 즉, 실린더 제약으로 인해 발생 풍량을 증가시키기 위해서는 고속의 rpm이 요구되고 이는 구동 발생 소음 증가로 이어져 실내 설치가 어려운 문제점을 가지며, 다른 한편으로 실린더가 작은 만큼 압축된 공기가 축적되는 저장실의 용적을 키워야 하므로 전반적인 장치 소형화가 어려운 실정이다. 또한, 종래 공기 압축기는 모터 구동 방식이기 때문에 설정 압력에 도달하더라도 빠른 시간에 동작을 멈출 수 없다.
본 발명은 상술한 종래 기술에 착안한 것으로서, 본 발명의 목적은 콤팩트하면서도 구동 소음이 작고 발생 풍량이 증강된 공기 압축기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기 압축기는 압전 액츄에이터를 포함하는 구동유닛과, 압전 액츄에이터의 동작에 의해 공기를 흡입 압축하기 위한 압축실이 내부에 마련된 실린더 및 압축실을 가압하기 위해 실린더를 왕복 이동하는 피스톤을 포함하는 압축유닛과, 피스톤의 왕복 거리를 확대시키기 위해 압전 액츄에이터와 피스톤 사이에 마련되는 증폭부재를 포함하되, 증폭부재는 오일이 채워진 액압실을 포함하는 하우징과, 액압실을 가압하기 위해 하우징에 왕복 이동 가능하게 마련되는 가압피스톤으로 압전 액츄에이터를 포함하고, 액압실은 압전 액츄에이터와 연결되는 제1액압실과, 제1액압실과 연통되며 피스톤과 연결되는 제2액압실을 포함하고, 제1액압실의 단면적은 제2액압실의 단면적보다 크다.
또한, 본 발명에 따른 공기 압축기의 상기 제2액압실에는 상기 압전 액츄에이터의 제1액압실 가압에 따라 이동하는 왕복링커가 마련되고, 상기 왕복링커는 상기 피스톤과 지렛대를 통해 연결된다.
또한, 본 발명에 따른 공기 압축기의 상기 지렛대는 받침점과 힘점과 작용점을 포함하며, 상기 받침점은 공기 압축기에 고정 마련되고, 상기 힘점은 왕복링커 측에 마련되고, 상기 작용점은 피스톤 측에 마련되며, 상기 힘점과 받침점 간 거리(D1)는 상기 작용점과 받침점 간 거리(D2)보다 짧다.
또한, 본 발명에 따른 공기 압축기의 상기 왕복링커에는 제2액압실의 오일을 제1액압실로 이동시키기 위한 탄성스프링이 마련된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 압전 액츄에이터를 포함하는 구동유닛과, 상기 압전 액츄에이터의 동작에 의해 공기를 흡입 압축하기 위한 압축실이 내부에 마련된 실린더 및 상기 압축실을 가압하기 위해 실린더를 왕복 이동하는 피스톤을 포함하는 압축유닛과, 상기 피스톤의 왕복 거리를 확대시키기 위해 상기 압전 액츄에이터와 피스톤 사이에 마련되는 증폭부재를 포함하며, 상기 증폭부재는 일단이 상기 압전 액츄에이터와 연결되고 타단이 상기 피스톤과 연결되는 지렛대인 공기 압축기가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 공기 압축기의 상기 압축유닛은 피스톤의 일방향 복귀를 위한 탄성스프링을 더 포함한다.
본 발명에 따른 공기 압축기는 구동유닛의 압전 액츄에이터와 압축유닛의 피스톤 사이에 적어도 하나 이상의 증폭부재를 마련함으로써 예를 들어, 압전 액츄에이터에 인가되는 전압 또는 주파수를 변동함으로써 압축유닛에서 생성되는 발생 풍량을 수배 증폭시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같은 발생 풍량의 증폭으로 인해 압축 공기 저장실을 줄일 수 있기 때문의 압축기의 소형화에 유리하다.
또한, 본 발명에 따른 공기 압축기는 종래와 달리 모터를 구동원으로 사용하지 않기 때문에 압축 공기가 설정값에 도달했을 때 신속하게 동작을 정지시킬 수 있으며, 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 요구되는 발생 풍량에 도달할 수 있기 때문에 작동 소음이 작아 실내 설치가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 공기 압축기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 공기 압축기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 공기 압축기를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 공기 압축기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 본 실시예의 공기 압축기는 동력을 발생시키는 구동유닛(100)과, 구동유닛(100)의 동력에 의해 공기를 흡입 압축하는 압축유닛(200)을 포함한다. 압축유닛(200)은 내부에 압축실(P)이 마련된 실린더(210)와, 압축실(P)을 가압하기 위해 실린더(210)를 왕복 운동하는 피스톤(220)과 압축된 공기를 저장하는 압축공기 저장실(230)을 포함한다.
구동유닛(100)은 제어부(110)와 구동부로 이루어진다. 제어부(110)는 외부로부터 전원(전압)이 인가되면 구동부를 동작시키거나 다양한 변수 예를 들면, 압축공기 저장실(230)의 공기압을 감지하거나 사용자의 구동부 발생 풍량 설정에 등에 따라 구동부를 제어한다.
구동부는 압축유닛(200)의 피스톤(220)을 왕복 동작시키기 위한 액츄에이터(120)와, 액츄에이터(120)와 연결되어 한정된 압축기 공간에서 피스톤(220)의 왕복 구간을 확대시킬 수 있도록 마련되는 적어도 하나 이상의 제1,2증폭부재(130,140)를 포함한다.
액츄에이터(120)는 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하는 것으로, 최소형으로 구현 가능할 수 있도록 본 실시예에서는 압전 액츄에이터(120)를 사용한다. 압전 액츄에이터에 채용되는 압전소자는 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략하며, 또한 기계적 변위량이 작은 압전소자의 특성상 변위량을 증가시킬 수 있는 확대기구를 압전소자에 추가 설치할 수도 있다. 확대기구의 일례로는 한국 특허등록 제10-0735823호에 개시된 '미소변위 확대장치'를 들 수 있다.
제1증폭부재(130)는 압전 액츄에이터(120)와 피스톤(220) 사이에 개재되어 압전 액츄에이터(120)의 기계적 변위량(거리)를 증강시킨다. 이를 위해, 제1증폭부재(130)는 도면에 도시한 바와 같이 내부에 액압실(A1,A2)이 마련된 하우징(132)과, 액압실(A1,A2)을 가압하기 위해 하우징(132)을 왕복 이동하는 가압피스톤(134)을 포함한다. 액압실은 S1의 단면적을 갖는 제1액압실(A)과 S2의 단면적을 갖는 제2액압실(A)로 구성된다. 제1,2액압실(A1,A2)에는 고점도 오일이 채워져 있으며 상호 연통되어 있고, 제1액압실(A1)의 단면적(S1)은 제2액압실(A2)의 단면적(S2)보다 크다. 본 실시예에서는 제1액압실(A1)의 일측을 가압하는 가압피스톤(134)의 피스톤로드로 상술한 압전 액츄에이터(120)를 사용하며, 그 반대편의 제2액압실(A2)에는 압전 액츄에이터(120)의 제1액압실(A1) 가압에 따라 선형 이동하는 왕복링커(136)가 마련된다. 따라서, 제1액압실(A1)에 압전 액츄에이터(120)에 의해 ℓ0 만큼의 변위가 발생하면, 제2액압실(A2)에는 ℓ0보다 큰 L1만큼의 변위가 발생한다. 구동부에서 미설명된 참조부호 131은 오일 유입구이다.
제2증폭부재(140)는 상술한 제1증폭부재(130)의 피스톤(220) 왕복 거리를 확대하기 위한 것으로 지렛대를 포함한다. 지렛대는 고정되어 있는 받침점과, 힘을 작용하는 힘점과, 물체에 힘을 작용하는 작용점으로 구성되어 힘점과 받침점 사이의 거리와 작용점과 받침점 사이의 거리 관계에 따라 더 큰 힘을 내거나 짧은 길이를 움직여서 물체를 멀리 움직일 수 있도록 하는 것이다. 본 실시예의 지렛대는 받침점(P1)은 미도시된 압축기 케이스에 고정 마련하고, 힘점(P2)은 왕복링커(136)와 회전 가능하게 연결하고, 작용점(P3)은 피스톤(220)의 피스톤로드(224)에 회전 가능하게 연결하며, 힘점과 받침점 사이의 거리(D1)가 작용점과 받침점 사이의 거리(D2) 보다 짧게 마련함으로써, 왕복링커(136)의 짧은 왕복 거리(L1)를 피스톤(220)의 긴 왕복 거리(L2)로 증강시킨다. 미설명된 참조부호 222는 피스톤(220)의 일방향 복귀를 위한 탄성스프링(222)이다.
한편, 압축유닛(200)은 상술한 바와 같이 내부에 압축실(P)이 마련된 실린더(210)와, 압축실(P)을 가압하기 위해 실린더(210)를 왕복 운동하는 피스톤(220) 및 피스톤로드(224)를 포함한다. 압축실(P)은 피스톤(220)의 동작에 따라 공기가 흡입되는 흡입구(212)와 압축된 공기가 배출되는 토출구(214)를 구비한다. 흡입구(212)와 토출구(214)에는 각각 일방향 체크 밸브(213,215)가 설치된다. 압축실(P)의 토출구(214)는 압축공기 저장실(230)과 연결되며, 고압으로 압축된 공기는 저장실(230)에 축적된다. 압축공기 저장실(230)에는 내부 압력을 감지하기 위한 압력 센서(232)가 마련되어 있으며, 이 압력 센서(232)는 구동유닛(100)의 제어부(110)에 의해 제어된다.
그러면, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 제1실시예에 따른 공기 압축기의 동작을 살펴보기로 한다.
먼저, 전원이 인가되지 않은 상태의 압전 액츄에이터(120)에는 변위가 발생하지 않으며, 이때 압축유닛(200)의 피스톤(220)은 탄성스프링(138)에 의해 도면의 상측에 위치한다.
이 상태에서, 압전 액츄에이터(120)에 전압(일례로 (+))이 인가되면, 압전 액츄에이터(120)는 제1액압실(A1)을 ℓ0 만큼 가압한다. 그러면, 제1액압실(A1)의 오일은 제2액압실(A2)로 이동하면서 제1증폭부재(130)의 왕복링커(136)를 도면에서 하측으로 L1 만큼 이동시킨다. 즉, 제1액압실(A1)과 제2액압실(A2)의 단면적 차에 의해 왕복링커(136)가 L1 만큼 하강하면, 받침점(P1)을 기준으로 피스톤(220)과 피스톤로드(224)는 L2 만큼 실린더(210)를 상승하면서 압축실(P)의 공기를 압축한다.
한편, 압전 액츄에이터(120)에 인가된 전압이 해제되면, 압전 액츄에이터(120)는 제1액압실(A1)의 가압을 해제한다. 그러면, 압축유닛(200)의 탄성스프링(222)에 의해 피스톤(220) 및 피스톤로드(224)는 L2 만큼 하강하고, 그에 따라 왕복링커(136)는 L1만큼 상승하며 제2액압실(A2)의 오일은 제1액압실(A1)로 이동한다. 압축유닛(200)에 마련되는 탄성스프링(222) 대신 도시한 바와 같이 구동부의 왕복링커(136)에 탄성스프링(138)을 마련하여 제2액압실(A2)의 오일을 제1액압실(A1)로 이동시킬 수도 있다.
구동유닛(100)의 제어부(110)는 상기와 같은 동작을 감지하여, 원하는 출력(발생 풍량)이 될 때까지 압전 액츄에이터(120)에 전원을 반복적으로 인가하여 피스톤(220)을 상하 왕복 운동시킨다.
도 2,3은 본 발명의 제2,3실시예에 따른 공기 압축기를 개략적으로 도시한 도면이다. 상기 제1실시예와 대비해서 본 실시예들의 다른 점만 설명하면 다음과 같다. 도 2의 제2실시예는 제1실시예에서 제1증폭부재(130)가 생략된 것이며, 도 3의 제3실시예는 제1실시예에서 제2증폭부재(140)가 생략된 것이다. 또한, 제3실시예는 압축유닛(200)에 마련되는 피스톤(220)의 일방향 복귀를 위한 탄성스프링(222)을 피스톤(222)이 아닌 압축실(P) 내부에 마련한 것이 다를 뿐 동작이 제1실시예와 동일하다.
따라서, 본 발명에 따른 공기 압축기는 상기 제1,2,3실시예에 기재한 바와 같이 압전 액츄에이터(120)와 피스톤(220) 사이에 적어도 하나 이상의 증폭부재(130,140)를 마련하여 피스톤(220)의 왕복 거리를 확대함으로써, 예를 들어 압전 액츄에이터에 인가되는 전압 또는 주파수의 변동만으로 압축유닛에서 생성되는 발생 풍량을 수배 증폭시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같은 발생 풍량의 증폭으로 인해 압축 공기 저장실을 줄일 수 있기 때문의 압축기의 소형화에 유리하다.
또한, 본 발명에 따른 공기 압축기는 종래와 달리 모터를 구동원으로 사용하지 않기 때문에 압축 공기가 설정값에 도달했을 때 신속하게 동작을 정지시킬 수 있으며, 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 요구되는 발생 풍량에 도달할 수 있기 때문에 작동 소음이 작아 실내 설치가 가능해진다.
100..구동유닛 110..제어부
120..압전 액츄에이터 130..제1증폭부재
140..제2증폭부재 200..압축유닛
210..실린더 220..피스톤
2300..압축공기 저장실

Claims (7)

  1. 압전 액츄에이터를 포함하는 구동유닛과, 상기 압전 액츄에이터의 동작에 의해 공기를 흡입 압축하기 위한 압축실이 내부에 마련된 실린더 및 상기 압축실을 가압하기 위해 실린더를 왕복 이동하는 피스톤을 포함하는 압축유닛과, 상기 피스톤의 왕복 거리를 확대시키기 위해 상기 압전 액츄에이터와 피스톤 사이에 마련되는 증폭부재를 포함하되,
    상기 증폭부재는 오일이 채워진 액압실을 포함하는 하우징과, 상기 액압실을 가압하기 위해 상기 하우징에 왕복 이동 가능하게 마련되는 가압피스톤으로 상기 압전 액츄에이터를 포함하며,
    상기 액압실은 상기 압전 액츄에이터와 연결되는 제1액압실과, 상기 제1액압실과 연통되며 상기 피스톤과 연결되는 제2액압실을 포함하고, 상기 제1액압실의 단면적은 상기 제2액압실의 단면적보다 큰 공기 압축기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2액압실에는 상기 압전 액츄에이터의 제1액압실 가압에 따라 이동하는 왕복링커가 마련되고, 상기 왕복링커는 상기 피스톤과 지렛대를 통해 연결되는 공기 압축기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 지렛대는 받침점과 힘점과 작용점을 포함하며,
    상기 받침점은 공기 압축기에 고정 마련되고, 상기 힘점은 왕복링커 측에 마련되고, 상기 작용점은 피스톤 측에 마련되며,
    상기 힘점과 받침점 간 거리(D1)는 상기 작용점과 받침점 간 거리(D2)보다 짧은 공기 압축기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 왕복링커에는 제2액압실의 오일을 제1액압실로 이동시키기 위한 탄성스프링이 마련되는 공기 압축기.
  5. 압전 액츄에이터를 포함하는 구동유닛과, 상기 압전 액츄에이터의 동작에 의해 공기를 흡입 압축하기 위한 압축실이 내부에 마련된 실린더 및 상기 압축실을 가압하기 위해 실린더를 왕복 이동하는 피스톤을 포함하는 압축유닛과, 상기 피스톤의 왕복 거리를 확대시키기 위해 상기 압전 액츄에이터와 피스톤 사이에 마련되는 증폭부재를 포함하며,
    상기 증폭부재는 일단이 상기 압전 액츄에이터와 연결되고 타단이 상기 피스톤과 연결되는 지렛대인 공기 압축기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 지렛대는 받침점과 힘점과 작용점을 포함하며,
    상기 받침점은 공기 압축기에 고정 마련되고, 상기 힘점은 압전 액츄에이터 측에 마련되고, 상기 작용점은 피스톤 측에 마련되며,
    상기 힘점과 받침점 간 거리(D1)는 상기 작용점과 받침점 간 거리(D2)보다 짧은 공기 압축기.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축유닛은 피스톤의 일방향 복귀를 위한 탄성스프링을 더 포함하는 공기 압축기.
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