KR20200085044A - 왕복동식 압축기 - Google Patents

왕복동식 압축기 Download PDF

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Abstract

왕복동식 압축기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기는, 실린더; 상기 실린더에 삽입되어 상기 실린더에 대해 상대 왕복운동 하는 피스톤; 상기 실린더에 도입된 가스가 상기 피스톤에 의해 압축되도록 상기 피스톤을 구동하는 구동부를 포함하며, 상기 실린더의 내부에는 격벽이 형성되어 서로 구획되는 제1내부공간과 제2내부공간을 포함하며, 상기 피스톤은 상기 제1내부공간 및 상기 제2내부공간과 대응되는 형상으로 마련되는 제1피스톤과 제2피스톤을 포함한다.

Description

왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR}
본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 격벽에 의해 내부공간이 구획되는 실린더와, 각 내부공간에 삽입되는 피스톤에 의해 구획된 공간에서 각각 기체가 압축됨으로써, 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있는 왕복동식 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기(compressor)란 공기(air)나 천연가스(natural gas) 등의 기체를 압축시켜 압력을 높이는 기계적 장치로서, 외부로부터 끌어들인 기체에 기계적 에너지를 가해 기체의　역학적 에너지를 증가시킨 후 압력으로 바꾸어 고압 기체를 얻는 기계를 말한다.
압축방식에 의한 분류를 살펴보면, 1) 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하면서 기체를 압축하는 왕복동식 압축기(Reciprocating compressor), 2) 로터(회전자)가 실린더 내부를 회전하면서 기체를 압축하는 회전식 압축기(Rotary compressor), 3) 암나사 및 수나사로 된 두 개의 로터가 맞물림에 의해 기체를 압축하는 스크류 압축기(Screw compressor), 4) 고속 회전하는 임펠러의 원심력을 이용하여 기체의 속도 에너지를 압력으로 바꾸는 원심식 압축기(Centrifugal compressor) 등이 있다.
이 중, 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 가스를 흡입 압축하여 토출하는 방식이다. 왕복동식 압축기는 피스톤의 구동방식에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다. 연결형 왕복동식 압축기는 피스톤이 회전모터의 회전축에 컨넥팅 로드로 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤이 왕복동 모터의 무버(mover)에 연결되어 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다.
이러한 왕복동식 압축기는 압력이 높고 유량이 적으면 실린더, 피스톤 등의 크기가 작아져야 되는데, 왕복동식 압축기는 크기가 작아지는 경우 그 제조의 한계상 적용이 불가능한 문제점이 있었다. 따라서, 압력이 높고 유량이 적은 경우에는 다이어프램 압축기를 사용하는데, 다이어프램 압축기의 경우 다이어프램이 깨지는 등의 내구성 저하의 문제점이 있다.
따라서, 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있는 왕복동식 압축기의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1745471호 대한민국 등록특허 제10-1860340호
본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기는 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기는 격벽에 의해 내부공간이 구획되는 실린더와, 각 내부공간에 삽입되는 피스톤에 의해 구획된 공간에서 각각 기체가 압축됨으로써, 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기는, 실린더; 상기 실린더에 삽입되어 상기 실린더에 대해 상대 왕복운동 하는 피스톤; 상기 실린더에 도입된 가스가 상기 피스톤에 의해 압축되도록 상기 피스톤을 구동하는 구동부를 포함하며, 상기 실린더의 내부에는 격벽이 형성되어 서로 구획되는 제1내부공간과 제2내부공간을 포함하며, 상기 피스톤은 상기 제1내부공간 및 상기 제2내부공간과 대응되는 형상으로 마련되는 제1피스톤과 제2피스톤을 포함한다.
또한, 상기 실린더는 횡단면이 원형으로 마련되며, 상기 제1내부공간과 상기 제2내부공간은 횡단면이 반원형으로 마련되고, 상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤은 반원형으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤은 상기 구동부에 연결되어 함께 구동될 수 있다.
또한, 상기 제1내부공간으로의 가스의 흡입 및 토출을 제어하는 제1흡입밸브와 제1토출밸브; 제1토출밸브로부터 토출된 가스의 상기 제2내부공간으로의 흡입 및 토출을 제어하는 제2흡입밸브와 제2흡입밸브; 및 상기 제1토출밸브와 상기 제2흡입밸브 사이에 배치되는 중간 냉각기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기는 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기는 격벽에 의해 내부공간이 구획되는 실린더와, 각 내부공간에 삽입되는 피스톤을 포함함으로써 크기를 제한하지 않으면서도 고압·저유량의 가스도 압축할 수 있어, 제조가 용이하다.
또한, 격벽에 의해 내부공간이 구획되는 실린더와, 각 내부공간에 삽입되는 피스톤을 포함하되 각 피스톤이 함께 작동됨으로써, 각 내부공간에서 가스가 압축되어 저유량의 경우에도 압축기 가능하며, 한 내부공간에서 압축되어 토출된 가스가 다시 다른 내부공간으로 흡입되어 압축됨으로써 고압으로 압축시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 장치도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 작동설명도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 이에 대해 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
설명에 앞서 상세한 설명에 기재된 용어에 대해 설명한다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 종단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 횡단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 개략적인 장치도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기(1000)는 격벽에 의해 내부공간이 구획되는 실린더와, 각 내부공간에 삽입되는 피스톤에 의해 구획된 공간에서 각각 기체가 압축됨으로써, 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있는 것으로서, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 실린더(100)와, 피스톤(200)과, 구동부(300)와, 흡입밸브(410,420)와, 토출밸브(510,520) 및 중간 냉각기(600)를 포함한다. 도면에서 왕복동식 압축기(1000)의 실린더(100), 피스톤(200) 등의 특징적인 구성을 제외하고는 도시는 생략한다.
실린더(100)는 내부공간(120)을 형성하여 피스톤(200)이 삽입되며, 내부공간(120) 내에서 흡입된 가스가 압축되는 구성이다. 본 실시예에서 실린더(100)는 내부공간(120)의 횡단면이 원형이 되도록 형성된다. 즉, 실린더(100)는 대략 원기둥 형상으로 마련될 수 있다.
본 실시예의 실린더(100)의 주요 특징은 실린더(100) 내부에 격벽(110)이 형성되어 내부공간(120)이 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)으로 구획되는 것이다. 이때, 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)은 서로 완전히 분리된 공간이다. 즉, 제1내부공간(130)으로 흡입된 가스는 실린더(100) 내부에서는 제2내부공간(140)으로 이동되지 않는다.
격벽(110)은 실린더(100)의 내부공간(120)을 절반으로 구획하도록 형성된다. 따라서, 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)의 크기는 동일하며, 내부공간(120)의 형상에 의해 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)의 횡단면은 각각 반원형으로 마련된다.
즉, 일반적으로 왕복동식 압축기의 경우 하나의 실린더(100)에 하나의 내부공간(120)(압축공간)이 형성되며 그 내부공간(120)에 하나의 피스톤(200)이 삽입되나, 본 실시예는 하나의 실린더(100)에 격벽(110)이 형성되어 2 개의 내부공간(120)을 형성하는 점에 특징이 있다.
실린더(100)의 단부에는 실린더 헤드(160)가 설치된다. 실린더 헤드(160) 내에는, 흡입밸브(410,420)와 토출밸브(510,520)가 설치될 수 있다. 내부공간(120)으로의 가스 흡입시에는 왕복동식 압축기(1000)의 외부로부터 공급되는 가스가 흡입밸브(410,420)를 통해 내부공간(120)으로 흡입되고, 내부공간(120)으로부터의 가스의 배출 시에는, 압축 후의 가스가 토출밸브(410,420)를 통해 왕복동식 압축기(1000)의 외부로 배출된다. 흡입밸브(410,420)와 토출밸브(410,420)의 자세한 내용에 대해서는 후술한다.
피스톤(200)은 실린더(100)의 내부공간(120)에 배치되며 실린더(100)에 대해 상대 왕복운동을 함으로써 내부공간(120)에 흡입된 가스를 압축시키는 구성이다.
본 실시예에서 피스톤(200)의 주요 특징은, 하나의 실린더(100)의 내부공간(120)이 격벽(110)에 의해 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)으로 구획되는데, 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)에 삽입되도록 한 쌍으로 마련되는 점이다. 즉, 피스톤(200)은 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140) 내에 삽입되도록 횡단면이 반원형으로 마련된다.
일반적으로 왕복동식 압축기는 하나의 실린더(100)에 하나의 내부공간(120)이 형성되며 그 내부공간(120)에 하나의 피스톤(200)이 삽입되나, 본 실시예는 하나의 실린더(100)에 격벽(110)이 형성되어 2 개의 내부공간(120)을 형성하며, 각 내부공간(120)에 각각 피스톤(200)이 삽입된다. 즉, 하나의 실린더(100)에 2 개의 피스톤(200)이 삽입된다. 따라서, 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)에 흡입된 가스는 각각의 피스톤(200)에 의해 개별적으로 압축된다.
본 실시예는 격벽(110)에 의해 내부공간(120)이 구획되는 실린더(100)와, 각 내부공간(120)에 삽입되는 피스톤(200)을 포함함으로써 크기를 제한하지 않으면서도 고압·저유량의 가스도 압축할 수 있어, 제조가 용이하다. 즉, 일반적으로 사용되는 왕복동식 압축기(1000)와 동일한 크기인 경우에도, 실린더(100) 내부 격벽(110)에 의해 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)으로 구획되며, 각각의 내부공간(120)에서 피스톤(200)에 의해 가스가 압축되므로 저유량의 경우에도 압축이 가능하다. 또한, 제1내부공간(130)에서 압축되어 토출된 가스가 다시 제2내부공간(140)으로 흡입되어 압축됨으로써 적은 유량의 가스를 고압으로 압축시킬 수 있다.
실린더(100)의 내벽과 피스톤(200) 사이에는 밀봉부재(210)가 개재된다. 일 예시로 실린더(100)의 내벽과 피스톤(200) 사이에 시일용 오링이 개재되거나 또는 실린더(100)의 내벽과 피스톤(200)의 외주에 라비린스 시일(labyrinth seal)이 형성될 수 있다. 이때, 밀봉부재(210)의 형상은 피스톤(200)의 외주를 따라 반원형으로 마련된다.
구동부(300)는 피스톤(200)을 실린더(100) 내부에서 왕복운동 시키는 구성이다. 구동부(300)는 피스톤(200)을 왕복운동시킬 수 있다면 구동방법은 제한되지 않는다. 도면에서, 피스톤(200)을 왕복운동시키는 구성 외에는 도시가 생략되었다.
일 예시로, 연결형으로서 피스톤(200)이 회전모터의 회전축에 커넥팅 로드로 연결되어 내부공간(120)에서 왕복운동을 하면서 가스를 압축시키도록 할 수 있다. 또는, 피스톤(200)이 왕복동 모터의 무버(mover)에 연결되어 진동하면서 내부공간(120)에서 왕복운동을 하여 가스를 압축시킬 수도 있다. 왕복동 모터에 의해 왕복운동하는 경우, 왕복동 모터의 코일에 전원이 인가되면 왕복동 모터의 무버에 구비된 마그네트가 코일과 함께 양방향 유도자기를 발생시켜 무버가 유도자기 등에 의해 스테이터에 대해 왕복운동을 하게 된다. 그러면 무버에 결합된 피스톤(200)이 실린더(100)의 내부에서 직선으로 왕복 운동을 하면서 가스를 흡입하여 압축한 후 토출밸브(510,520)를 통해 토출하게 된다.
즉, 구동부(300)는 피스톤(200)을 왕복운동 시킨다면 구동방법은 제한되지 않는데, 여기서 주요 특징은 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)에 삽입된 각각의 피스톤(200)을 함께 구동시킨다는 점이다. 즉, 한 쌍의 피스톤(200)은 함께 구동부(300)에 연결되어 구동부(300)가 작동되면 함께 각각의 내부공간(120) 내에서 왕복운동을 한다.
흡입밸브(410,420)와 토출밸브(510,520)는 각각 실린더(100) 내부로 가스를 흡입하며 배출되도록 하는 구성이다. 본 실시예에서 흡입밸브(410,420)는 제1흡입밸브(410)와 제2흡입밸브(420)를 포함하며, 토출밸브(510,520)는 제1토출밸브(510)와 제2토출밸브(520)를 포함한다.
흡입밸브(410,420)는 피스톤(200)이 하사점 방향으로 작동할 때 실린더(100) 내부의 기체 흡입압력에 의해 열리고, 피스톤(200)이 상사점 방향으로 작동할 때 실린더(100) 내부의 기체 압축력에 의해 닫히도록 구성될 수 있다. 토출밸브(510,520)는 피스톤(200)이 하사점 방향으로 작동할 때 실린더(100) 내부의 기체 흡입압력에 의해 닫히고, 피스톤(200)이 상사점 방향으로 작동할 때 실린더(100) 내부의 기체 압축력에 의해 열리도록 구성될 수 있다.
실린더(100)는 격벽(110)에 의해 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)으로 구획되며, 각 내부공간(120)에서 개별적으로 가스가 압축되므로, 각각의 내부공간(120)에 작용하는 흡입밸브(410,420)와 토출밸브(510,520)가 설치된다. 즉, 제1내부공간(130) 측 실린더 헤드(160)에는 제1흡입밸브(410)와 제1토출밸브(510)가 설치되며, 제2내부공간(140) 측 실린더 헤드(160)에는 제2흡입밸브(420)와 제2토출밸브(520)가 설치된다.
그리고, 제1내부공간(130)에서 압축된 기체는 토출되어 제2내부공간(140)으로 유입되어 한번 더 압축된다. 즉, 제1토출밸브(510)에 의해 토출된 가스는 제2흡입밸브(420)에 의해 제2내부공간(140)으로 흡입되어 압축된다.
제1토출밸브(510)와 제2흡입밸브(420) 사이에는 중간 냉각기(600)가 배치된다. 중간 냉각기(600)는 제1내부공간(130)으로부터 토출된 가스를 냉각되어 제2내부공간(140)으로 흡입되도록 하는 구성이다.
지금부터 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 작동에 대해 설명한다.
본 실시예에 따른 왕복동식 압축기(1000)는 기존의 왕복동식 압축기와 유사한 크기로 마련된다. 다만, 실린더(100)는 격벽(110)에 의해 횡단면이 반원형인 제1내부공간(130)과 제2내부공간(140)으로 구획되며 각각의 내부공간(120)에는 대응되는 형상으로 마련되는 피스톤(200)이 각각 삽입되어 구동부(300)에 의해 구동된다.
왕복동식 압축기(1000)의 작동의 일 예시로, 왕복동 모터의 코일에 전원이 인가되면 왕복동 모터의 무버에 구비된 마그네트가 코일과 함께 양방향 유도자기를 발생시켜 무버가 유도자기 등에 의해 스테이터에 대해 왕복운동을 하게 되고, 무버에 결합된 한 쌍의 피스톤(200)이 각각의 내부공간(120) 내에서 직선으로 함께 왕복 운동을 한다.
구동부(300)에 의해 피스톤(200)이 실린더(100) 내부에서 왕복운동을 하며, 피스톤(200)이 하사점 방향으로 작동할 때 실린더(100) 내부의 기체 흡입압력에 의해 흡입밸브(410,420)가 열리고 토출밸브(510,520)는 닫힌다. 따라서, 피스톤(200)이 하사점 방향으로 작동할 때 제1흡입밸브(410)에 의해 왕복동식 압축기(1000) 외부의 가스가 제1내부공간(130) 내부로 흡입된다. 피스톤(200)이 상사점 방향으로 작동하면 제1내부공간(130)으로 흡입된 가스는 압축되며, 이 때 내부의 기체 흡입압력에 제1토출밸브(510)는 열려 압축된 가스가 토출된다.
제1토출밸브(510)를 통해 토출된 압축가스는 중간 냉각기(600)를 거쳐 냉각된다. 냉각된 압축가스는 피스톤(200)이 하사점 방향으로 작동할 때 열린 제2흡입밸브(420)에 의해 제2내부공간(140)으로 흡입되며, 다시 피스톤(200)이 상사점 방향으로 작동하면 제2내부공간(140)으로 흡입된 가스는 압축되고 제2토출밸브(520)에 의해 토출된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 격벽에 의해 내부공간이 구획되는 실린더와, 각 내부공간에 삽입되는 피스톤에 의해 구획된 공간에서 각각 기체가 압축됨으로써, 고압·저유량의 경우에도 적용될 수 있는 왕복동식 압축기가 제공된다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000 : 왕복동식 압축기 100 : 실린더
200 : 피스톤 300 : 구동부
410, 420 : 흡입밸브 510, 520 : 토출밸브
600 : 중간냉각기

Claims (4)

  1. 실린더;
    상기 실린더에 삽입되어 상기 실린더에 대해 상대 왕복운동 하는 피스톤;
    상기 실린더에 도입된 가스가 상기 피스톤에 의해 압축되도록 상기 피스톤을 구동하는 구동부를 포함하며,
    상기 실린더의 내부에는 격벽이 형성되어 서로 구획되는 제1내부공간과 제2내부공간을 포함하며,
    상기 피스톤은 상기 제1내부공간 및 상기 제2내부공간과 대응되는 형상으로 마련되는 제1피스톤과 제2피스톤을 포함하는 왕복동식 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더는 횡단면이 원형으로 마련되며,
    상기 제1내부공간과 상기 제2내부공간은 횡단면이 반원형으로 마련되고,
    상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤은 반원형으로 마련되는 왕복동식 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤은 상기 구동부에 연결되어 함께 구동되는 왕복동식 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1내부공간으로의 가스의 흡입 및 토출을 제어하는 제1흡입밸브와 제1토출밸브;
    제1토출밸브로부터 토출된 가스의 상기 제2내부공간으로의 흡입 및 토출을 제어하는 제2흡입밸브와 제2흡입밸브; 및
    상기 제1토출밸브와 상기 제2흡입밸브 사이에 배치되는 중간 냉각기;를 더 포함하는 왕복동식 압축기.
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