KR20210027669A - 압축기와 다단 압축 모듈 및 이를 이용한 학습 지능형 제어 압축 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기와, 다단 압축 모듈 및 압축 시스템에 관한 것으로서, 하우징(12)과, 복수개의 슬롯(112)이 형성되는 로터(11)와, 로터(11) 구동 모터(20)와, 슬롯(112)에 삽입되어 가변되는 판 형태의 부재인 베인(111)과, 유체 압축실(121)의 상부와 하부에 결합되는 커버(17) 및, 모터(20)와 로터(11)를 연결시켜 모터(20)의 회전력을 로터(11)에 전달시키는 회전축(18)으로 구성됨으로써, 로터와 하우징 간의 마모가 방지되면서도 압축유체의 손실이 방지되어 압축효율이 더욱 향상되고, 종래보다 훨씬 적은 소음으로도 동일한 용량의 압축 율을 가지며, 상황에 따라 필요한 압축 일을 수행할 수 있는 구조를 가지는 압축 시스템을 제공하고자 한다.

Description

압축기와 다단 압축 모듈 및 이를 이용한 학습 지능형 제어 압축 시스템{Compressor, multi stage compressor module and learning-intelligent control compressor system using it}

본 발명은 압축기와, 복수개의 압축기가 다단으로 구성된 다단 압축 모듈 및 복수개의 다단 압축 모듈이 함께 연동되어 가동되는 압축 시스템에 관한 것이다.

압축기는 초소형으로부터 대형 압축기까지 다양하게 제작되며, 산업용뿐만 아니라 가정에서도 공기조화, 음식보관 용도 이외에도 광범위한 용도로 사용된다.

압축기는 이와 같이 수많은 용도로 널리 사용되므로 압축기의 효율이 높아질수록 더욱 소형화 시킬 수 있고 또한 상당한 전력 소모 절감이 가능하다.

그런데 압축기는 유체 압축을 위해 내부에서 고속으로 회전되는 기구가 내장되므로 내부에 정지된 부속과 회전되는 부속 사이의 마찰 문제로 인한 내구성 저하 및 내부 압축 공간 사이의 기밀 유지 문제가 항상 숙제로 남게 된다. 또한 마찰의 회피를 위해서 부품 간에 미세한 이격이라도 발생될 경우 그 이격된 틈을 통해 압축 유체의 손실이 발생될 수 있어 마찰로 인한 마모를 회피하기 위해 효율을 희생시키는 문제 또한 있다.

한편 종래에는 어느 특정 용도에 사용되는 압축기는 대부분 용도에 맞는 용량을 가지는 하나의 압축기가 사용된다. 압축기는 내부에서 고속 회전이 이루어지므로 큰 소음이 수반될 수밖에 없다. 그런데 가정에서 이용되는 기기에 내장되는 압축기는 큰 소음을 유발시킬 경우 일상생활에서 큰 불편이 유발되고 쾌적한 휴식이 방해될 수 있다. 하지만 가정용 기기라도 큰 압축비가 요구될 경우 모터의 용량이 커지므로 소음을 피하기가 쉽지 않다. 따라서 가정에서 큰 용량의 압축기가 필요한 경우라도 가정에서 상용화 되려면 소음 문제가 해결되어야 하는 문제가 있다.

또한 압축기는 어느 특정한 규격의 압축 용량이 정해진 기기에 내장되더라도, 그 기기가 항상 동일한 압축 용량을 필요로 하는 것은 아니다. 왜냐하면 냉방이나 공기조화 기기의 경우에는 계절에 따라 큰 수요량의 변화가 있고, 여러 용도의 기타 압축기가 사용되는 기기에서도 상황에 따라 필요로 하는 압축 용량이 다를 수 있다.

그런데 이처럼 상황에 따라 필요로 하는 압축 용량이 다르더라도 통상의 압축기(10)는 기기의 규격에 맞게 정해진 하나의 압축기가 내장되므로 수요량에 상관없이 기기의 가동이 필요한 경우 전체 압축기가 가동되는 결과, 불필요한 전력 소모 및 기기의 내구성 저하가 초래되는 문제가 있다.

등록특허공보 제10-1519698호(공고일자: 2015. 05. 12)

이에 본 발명은 로터와 하우징 간의 마모가 방지되면서도 압축유체의 손실이 방지되어 압축효율이 더욱 향상되는 압축기를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 종래보다 훨씬 적은 소음으로도 동일한 용량의 압축 율을 가지는 압축기를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 상황에 따라 필요한 압축 일을 수행할 수 있는 구조를 가지는 압축 시스템을 제공함으로써, 불필요한 전력의 소모를 대폭 절감하고 내구성이 극대화 될 수 있는 압축 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압축기(10)는 내부에 유체 압축실(121)이 관통 형성되고, 유체 압축실(121) 내부로 유체가 공급되는 유입관과, 유체 압축실(121)로부터 압축된 유체가 배출되는 유출관이 형성된 원통 형태의 하우징(12)과, 상기 압축실에 내장되어 회전되는 원통형의 부재로서 방사상으로부터 중심을 향하여 복수개의 슬롯(112)이 형성되는 로터(11)와, 상기 로터(11)를 회전 구동시키는 모터(20)와, 상기 슬롯(112)에 가변 가능하게 삽입되어 로터(11)의 회전에 따라 원심력으로 슬롯(112)으로부터 일부가 인출 되며, 로터(11)와 상기 유체 압축실(121)의 내벽과의 거리에 따라 슬롯(112)으로부터 인출되는 거리가 가변되는 판 형태의 부재인 베인(111)과, 상기 유체 압축실(121)의 상부와 하부에 결합되는 커버(17) 및, 상기 모터(20)와 로터(11)를 연결시켜 모터(20)의 회전력을 로터(11)에 전달시키는 회전축(18)의 중심은 모두 동일한 하나의 가상의 수직선상에 배치되고, 유체 압축실(121)의 중심은 상기 가상의 수직선에 대해 편심되게 형성됨으로써, 동일한 로터(11)와 하우징(12)에 대해서, 유체 압축실(121)의 형태와 크기 변경에 따라 로터(11)와 베인(111)으로 압축되는 유체의 압축비가 달라진다.

여기서 유체 압축실(121)의 상부와 하부에는 실링디스크(14)가 하나씩 설치되고, 실링디스크(14)는 로터(11)와 함께 회전됨으로써 베인(111)과 베인(111) 사이에 유체 이동으로 인한 압력 누출이 억제된다.

이 경우 유체 압축실(121) 상부에 설치된 실링디스크(14)의 저면과 유체 압축실(121) 하부에 설치된 실링디스크(14)의 상면에는 바람직하게는 상기 슬롯(112)에 대응되는 가이드 홈(141)이 형성되어 베인(111)의 상단과 하단이 각각 가이드 홈(141)에 삽입되어 가변 가능하다.

그리고 상기 실링디스크(14)의 중심과 로터(11)의 중심은 일치되되, 바람직하게는 모터(20)는 로터(11)에만 연결되어, 로터(11)와 함께 회전되는 베인(111)이 상기 가이드 홈(141)의 측면을 밀면서 실링디스크(14)가 회전됨으로써, 가이드 홈(141)의 측면과 베인(111)의 상부 또는 하부 측면이 밀착됨으로 인해 베인(111) 상단 또는 하단과 실링디스크(14) 표면 사이에서 유체의 누수가 발생되는 것이 방지된다.

여기서 상기 커버(17)와 실링디스크(14) 사이에는 바람직하게는 간격이격부재(15)가 설치되어 커버(17)와 실링디스크(14) 사이의 마찰로 인한 마모가 방지된다.

이때 상기 간격이격부재(15)는 바람직하게는 실링디스크(14) 측에 설치되는 제1자석과 커버(17) 측에 설치되는 제2자석으로 구성되며, 제1자석과 제2자석은 서로 동일한 극성끼리 마주보게 배치됨으로써, 척력으로 인해 실링디스크(14)와 커버(17) 간의 간격이 이격된다.

한편, 본 발명에 따른 다단 압축 모듈(1)은 복수개의 압축기(10)와, 적어도 하나 이상의 압축기 구동 모터(20)와, 모터(20)로 발생되는 회전 운동의 회전비를 증감시켜 각 단의 압축기(10)로 전달시키는 하나 이상의 기어 박스(40) 및, 기어 박스(40)의 회전 동작을 압축기(10)로 전달시키며 각 단의 압축기(10) 마다 구비되는 회전축(18)으로 이루어지되, 상기 복수개의 압축기(10)는 어느 하나의 압축기(10)로부터 배출되는 압축된 액체가 나머지 압축기(10)를 순차적으로 통과하면서 단계적으로 압축되게 배치된다.

여기서 상기 복수개의 압축기(10)가 배치되는 형태는 바람직하게는 직선 또는 곡선 형태로 일렬로 배치되며, 상기 복수개의 압축기(10)가 곡선 형태로 일렬로 배치되는 경우에는 회전축(18)은 와이어 형태로 이루어지거나 또는 압축기(10)와 압축기(10) 사이에서 회전축(18)이 헬리컬 커플링이나 유니버설 조인트로 연결됨으로써, 곡선 형태의 통로나 관 내부에도 설치가 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 다단 압축 모듈(1)이 이용된 압축 시스템은, 서로 병렬로 배치되는 복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)과, 복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)을 둘러싸는 냉각 재킷(2)과, 복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)에 공급될 유체가 저장되는 저압 챔버(3) 및, 복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)에서 배출되는 유체가 저장되는 고압 챔버(4)로 구성된다.

여기서 상기 냉각 재킷(2)은 바람직하게는 고압 챔버(4)와 저압 챔버(3) 사이에 배치되고, 고압 챔버(4)와 냉각 재킷(2)과 저압 챔버(3)는 일체로 형성되며, 복수개의 다단 압축 모듈(1)은 냉각 재킷(2)에 삽입되는 형태로 설치되되, 각각의 다단 압축 모듈(1)에서 유체가 입력되는 측은 저압 챔버(3)에 노출되고, 각각의 다단 압축 모듈(1)에서 유체가 배출되는 측은 고압 챔버(4)에 노출되는 형태로 설치된다.

이때 바람직하게는 상기 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 일부를 선택적으로 가동시키거나 또는 속도를 조절시킬 수 있게 제어하는 제어부(8)가 설치되며, 상기 제어부에는 학습 지능형 연산모듈이 탑재되며, 상기 학습 지능형 연산모듈은 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 전부 또는 일부를 가동시키되, 고압 챔버(4) 내의 유체의 압축비가 필요한 압축비에 도달되면서도 동시에 동일 압축비에서 전력 소모량이 최소가 될 수 있도록 상기 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 특정 위치와 특정 가동 대수 및 가동되는 각 다단 압축 모듈(1)의 회전 속도를 조절시키며, 상기 특정 위치와 특정 가동 대수가 계절과 용도에 따라 변동이 발생될 경우 각 계절과 용도에 따라 최적의 가동 대수와, 가동되는 다단 압축 모듈(1)의 위치 및, 회전 속도를 설정하여 저장시킴으로써, 계절과 용도에 따라 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 일부를 선택적으로 가동시킨다.

본 발명에 따른 압축기는 은 로터와 하우징 간의 마모가 방지되면서도 압축유체의 손실이 방지되어 압축효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 다단 압축 모듈은 종래보다 훨씬 적은 소음으로도 동일한 용량의 압축 율을 가지는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 압축 시스템은 상황에 따라 필요한 압축 일을 수행할 수 있는 구조를 가지는 압축 시스템을 제공함으로써, 불필요한 전력의 소모를 대폭 절감하고 내구성이 극대화 될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압축기의 분해사시도,
도 2는 본 발명에 따른 압축기의 단면 사시도,
도 3은 도 2의 정면도,
도 4는 도 1에서 실링디스크의 사시도,
도 5a 및 도 5b는 도 4의 실링디스크의 실링 원리를 나타낸 개념도,
도 6은 도 1에서 제1자석과 제2자석의 개념도,
도 7은 본 발명에 따른 다단 압축 모듈의 사시도,
도 8은 도 7에 내장되는 기어 박스의 내부 사시도,
도 9는 도 7의 다단 압축 모듈의 작동 개념도,
도 10은 도 7의 곡선구간 실시예를 나타내는 개념도,
도 11은 도 10의 세부 실시예를 나타내는 개념도,
도 12는 본 발명에 따른 압축 시스템의 정단면도,
도 13은 도 12의 평단면도,
도 14는 도 12의 압축 시스템의 제어 원리를 나타낸 블록도,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 베인 형태나 구체적인 형상들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

먼저 첫 번째 발명이면서 최소 단위인 압축기(10)에 대해 설명하고, 다음으로 복수개의 압축기(10)로 이루어지는 다단 압축 모듈(1)에 대해 설명한 다음, 마지막으로 다단 압축 모듈(1)이 복수개가 모여서 이루어지는 압축기(10) 시스템에 대해 설명하기로 한다.

먼저 도 1 내지 도 6을 참조하여 압축기(10)에 대해 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압축기(10)는 유체 압축실(121)이 형성되는 하우징(12)과, 유체 압축실(121)에서 설치되는 로터(11)와, 로터(11) 구동용 모터(20)와, 로터(11)에 설치되는 베인(111)과, 유체 압축실(121)의 상부와 하부에 결합되는 커버(17) 및, 회전축(18)으로 이루어진다.

하우징(12)은 도 1에 도시된 바와 같이 유체 압축실(121)이 상하로 관통되는 형태로 형성된다. 유체 압축실(121) 내부에서 유체가 압축되므로 유체가 유입될 수 있는 유입관(미도시)과 배출관(미도시)가 형성된다.

로터(11)는 유체 압축실(121) 내부에 설치되어 회전되는 원통형의 부재이다. 로터(11)에는 도 1에 도시된 바와 같이 방사상으로 복수개의 슬롯(112)이 형성되어 후술하게 될 베인(111)이 상기 슬롯(112)에 삽입된다.

모터(20)는 로터(11)를 회전 구동시키며, 모터(20)와 로터(11) 사이에는 모터(20)의 회전비를 조절시킬 수 있는 기어박스가 설치될 수 있다.

베인(111)은 판 형태의 부재로서 도 5a에 도시된 바와 같이 슬롯(112)에 삽입된다. 베인(111)은 로터(11)가 회전되면 원심력으로 슬롯(112)으로부터 인출되지만 유체 압축실(121)의 내벽에 막혀 더 이상 인출이 되지 않으므로, 로터(11)의 표면으로부터 유체 압축실(121)의 내벽까지의 거리만큼 인출된다. 그리고 후술하는 바와 같이 로터(11)의 표면과 유체 압축식의 내벽 간의 거리는 계속 가변되므로 그에 따라 베인(111)이 슬롯(112)으로부터 인출되는 길이도 계속 가변된다.

커버(17)는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(12)의 상부와 하부에 각각 하나씩 결합되어 유체 압축실(121)을 밀폐시킨다.

회전축(18)은 모터(20)와 로터(11)를 연결시켜 모터(20)의 회전운동을 로터(11)로 전달시킨다. 따라서 회전축(18)은 도 1 내지 도 6을 기준으로 볼 때 로터(11)의 수평단면 중심 위치에 결합 된다.

특히 본 발명에 따른 압축기(10)는 도 5a에서 명확하게 도시된 바와 같이 하우징(12)의 중심과 로터(11)의 중심이 일치된다. 다만 유체 압축실(121)은 내부 공간이 로터(11)에 대해 편심 되게 형성되어야만 유체의 압축이 이루어질 수 있으므로 유체 압축실(121)의 중심은 로터(11)의 중심과 불일치한다.

종래 압축기(10)는 하우징(12)에 해당되는 부재의 중심과 로터(11)의 중심이 서로 불일치되었다. 왜냐하면 하우징(12)의 설계는 하우징(12) 내부의 유체 압축실(121)의 형상에 따라 유체 압축실(121)의 중심이 하우징(12)의 중심에 일치되게 설계되었기 때문이다. 그런데 유체의 압축은 유체 압축실(121) 내부에 설치된 로터(11)가 회전되면서 로터(11)에 가변 가능하게 삽입된 베인(111)이 원심력으로 인해 유체를 쓸고 지나가면서 점점 유체를 좁은 공간으로 밀어넣으면서 일어난다. 따라서 로터(11)의 외주면과 유체 압축실(121)의 내주면 간의 거리는 일정하지 않고 로터(11)가 유체 압축실(121)에 대해 편심되는 위치에 설치된다.

이와 같은 유체 압축실(121)과 로터(11)의 편심 관계는 본 발명에서도 동일하다. 다만 본 발명에서는 유체 압축실(121)이 내부에 형성된 하우징(12)도 도 5a에 도시된 바와 같이 로터(11)의 중심과 동일한 중심을 가지도록 형성된다. 그러므로 본 발명에서는 유체의 압축비를 높이기 위해 더 큰 유체 압축실(121)을 가지도록 설계하거나 또는 소형기기에 적합하도록 더 작은 유체 압축실(121)을 가지도록 설계할 때 설계의 변수가 되는 것은 오로지 유체 압축실(121)이 되며, 하우징(12) 자체와 로터(11)는 단지 크기만 달라질 뿐 설계 변수가 되지는 않게 된다.

또한 하우징(12) 전체와 로터(11)의 중심이 서로 일치되므로 하우징(12)과 로터(11)의 조립 및 제작 과정도 보다 단순화 되고 설계 오차 가능성이 더욱 줄어들게 된다.

한편, 종래의 로터(11)와 베인(111)은 고속 회전하는 과정에서 로터(11)와 베인(111)의 상부 및 하부에 설치된 하우징(12)의 커버(17)와 상당한 고속 마찰을 일으키므로 이로 인한 마모와 상당한 소음이 발생된다. 특히 베인(111)은 로터(11)로 인해 회전됨과 동시에 로터(11)에 형성된 슬롯(112)을 따라 빠르게 인출 또는 삽입되므로 단순 회전보다 훨씬 빠르게 가변된다. 따라서 베인(111)과 하우징(12) 커버(17) 사이에는 살짝 접촉되어도 극심한 마모로 인해 내구성이 현저하게 저하된다.

이러한 문제를 피하기 위해 종래의 하우징(12)과 로터(11)는 하우징(12)의 상부 및 하부를 밀폐시키는 커버(17)와 로터(11) 또는 커버(17)와 베인(111) 사이에 미세한 간극을 형성시켜 직접적인 접촉을 피할 수 있게 설계된다. 그러나 아무리 미세한 간극이라도 베인(111)과 로터(11)는 고속으로 회전되며, 베인(111)과 베인(111) 사이에는 유체가 빠르게 압축되어 압력이 순간적으로 높아지므로 베인(111)과 커버(17) 사이의 미세한 간극을 통해 압축된 유체의 손실이 발생되며 이는 압축기(10)의 효율 저하로 직결된다.

참고로 베인(111)의 방사방향 단부와 유체 압축실(121)의 내벽도 계속 접촉되는 상태이고 베인(111)의 방사방향 단부가 유체 압축실(121)의 내벽을 지속적으로 스치면서 지나가지만 유체 압축실(121)의 내벽과 베인(111)의 단부에는 마모방지를 위한 표면처리가 되어 있을 뿐만 아니라 베인(111)의 단부에 약간의 마모가 있더라도 베인(111)이 극히 심하게 짧게 마모되지 않는 한, 베인(111) 단부의 마모가 있는 만큼 미세하게 베인(111)이 좀 더 방사 방향으로 인출되면 되므로, 원심력으로 인해 베인(111)의 방사방향 단부와 유체 압축실(121) 내벽은 지속적으로 접촉되므로 측면 방향에서 마모는 문제되지 않는다.

본 발명에서는 이러한 마찰로 인한 마모 및 큰 소음이 방지되어야 한다는 문제와, 베인(111)과 베인(111) 사이를 통한 압축 유체의 손실이 발생되는 것이 방지되어야 한다는 서로 화합시키기 힘든 두 가지 문제점을 동시에 극복하게 위해 실링디스크(14)와 간격이격부재(15)가 설치된다.

실링디스크(14)는 도 2에 도시된 바와 같이 로터(11)의 상부와 하부에 각각 하나씩 설치되는 원판 형태의 부재이다. 실링디스크(14)는 로터(11)와 함께 회전되는 부재이므로 결국 회전 부재는 두 개의 실링디스크(14)와 하나의 로터(11)로서 총 3개의 파트로 회전부재가 구성된다.

실링디스크(14)는 보다 구체적으로 도 4에 도시된 바와 같이 로터(11)와 접하는 부위에 베인(111)이 가변될 수 있는 가이드 홈(141)이 형성된다. 여기서 가이드 홈(141)의 길이는 베인(111)의 최대 가변거리, 즉 베인(111)이 로터(11)에 형성된 슬롯(112)에 완전히 삽입되는 지점부터 베인(111)이 원심력으로 인해 슬롯(112)에서 최대한 인출되는 지점까지 모두 베인(111)이 삽입될 수 있는 길이로 형성된다.

실링디스크(14)에 가이드 홈(141)이 형성됨으로써, 베인(111)은 상단과 하단이 가이드 홈(141)에 삽입된 상태에서 가변되며, 가이드 홈(141)이 형성된 부위를 제외한 나머지 부위는 로터(11)의 상면 또는 저면과 완전 밀착되어 유체가 로터(11)와 실링디스크(14) 사이로 침투되지 못한다.

이때 참고로 실링디스크(14)는 실링디스크(14)가 로터(11) 상부에 설치되었을 때 실링디스크(14)의 중심과 로터(11)의 중심이 일치되게 배치된다. 따라서 실링디스크(14) 또한 압축 용량의 변경으로 인한 설계 변경사항이 발생된다고 하더라도 실링디스크(14)가 그에 따라 별도로 다시 설계될 필요가 없게 되며, 경우에 따라 실링디스크(14)의 일면에 형성되는 가이드 홈(141)의 길이만 더 길게 또는 더 짧게 가공되면 된다.

실링디스크(14)는 로터(11)와는 별도로 회전축(18)에 결합되어 로터(11)와 함께 회전될 수도 있지만, 또는 실링디스크(14)는 회전축(18)과 결합되지 않고, 오로지 로터(11)만이 회전축(18)과 결합되어 회전되고, 실링디스크(14)는 가이드 홈(141)에 삽입된 베인(111)이 로터(11)와 함께 회전됨으로 인해 베인(111)이 실링디스크(14)를 끌고 가면서 회전됨으로써 실링디스크(14)도 함께 회전될 수 있다.

이와 같이 실링디스크(14)가 회전축(18)과 분리된 상태에서 베인(111)으로 인해 회전되는 경우, 베인(111)은 로터(11)로 인해 회전되므로, 먼저 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 로터(11)에 형성된 슬롯(112)의 양 벽면 중 회전되는 방향을 향하는 면이 베인(111)을 밀고 회전하게 된다. 물론 이 과정에서 베인(111)은 원심력에 따라 슬롯(112)으로부터 인출되거나 또는 유체 압축실(121)의 내면과의 접촉으로 인해 다시 슬롯(112)으로 삽입되는 운동을 동시에 하게 된다.

이렇게 로터(11)로 인해 베인(111)이 회전되면서, 베인(111)의 상단 또는 하단은 실링디스크(14)에 형성된 가이드 홈(141)의 두 벽면 중에서 회전되는 방향을 등지는 면에 밀착되어 실링디스크(14)가 회전될 수 있게 구동시킨다. 즉 모터(20)의 회전운동은 먼저 로터(11)로 전달된 다음 로터(11)가 베인(111)에 전달시키며 베인(111)은 실링디스크(14)로 전달시킨다.

이때 베인(111)이 슬롯(112)에서 밀착되는 면과 가이드 홈(141)에서 밀착되는 면은 도 5b에 도시된 바와 같이 서로 반대 측이므로 베인(111)의 상단을 통하여 유체가 베인(111) 너머로 이동하는 현상이 철저하게 방지된다. 따라서 베인(111)을 통한 압축 유체의 손실이 최소화 되어 압축기(10)의 효율이 증가된다.

또한 실링디스크(14)에는 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(12)의 커버(17)와 실링디스크(14)가 접촉되는 지점의 중심에 간격이격부재(15)가 설치된다. 간격이격부재(15)로는 물리적인 접촉이 되면서 내마모성이 강한 부재가 사용될 수도 있다. 또는 도 6에 도시된 바와 같이 자기적인 방법으로 커버(17)와 실링디스크(14) 사이에 간격을 발생시킬 수도 있다.

커버(17)와 실링디스크(14) 사이는 압축 유체가 있는 공간은 아니므로 밀폐될 필요가 없다. 유체의 철저한 기밀은 실링디스크(14)로 인해 가능하기 때문이다. 따라서 도 6과 같이 자석이 간격이격부재(15)로 사용될 수 있다.

자석이 간격이격부재(15)로 사용될 경우에는 도 6과 같이 두 개의 파트인 로터(11) 측 자석과 커버(17) 측 자석으로 나누어진다.

로터(11) 측 자석은 도 2에 도시된 바와 같이 실링디스크(14)에 매립되면서 표면만 노출되는 형태로 설치되고 커버(17) 측 자석은 커버(17)의 양면 중 로터(11)를 향하는 면에 마찬가지로 표면만 노출되게 매립되는 형태로 설치될 수 있다. 이때 두 자석은 각각 완전히 매립될 수도 있지만 일부가 약간 실링디스크(14) 또는 커버(17)로부터 돌출되게 매립될 수도 있다. 이는 커버(17)와 실링디스크(14)의 직접 접촉을 최대한 회피시키기 위함이다.

로터(11) 측 자석과 커버(17) 측 자석의 극성 배치는 도 6에 도시된 바와 같이 이루어진다. 즉 자석의 두께 방향으로 극성이 형성되고, 마주보는 두 자석에서 서로 가까운 쪽에는 동일한 극성이 형성되어 척력이 작용된다. 이때 자석의 규격에 따른 척력의 세기는 실제 설치 적용을 거쳐 결정될 수 있다.

따라서 실링디스크(14)와 하우징(12)의 커버(17)는 서로 접촉되지 않게 설치될 수 있으므로 결국 간격이격부재(15)와 실링디스크(14)로 인해 본 발명에서는 로터(11)와 하우징(12) 간의 접촉으로 인한 마찰과 그로 인한 파손이나 심한 소음이 완전히 방지 되면서도 또한 베인(111)과 베인(111) 사이의 압축 유체의 손실 또한 방지되어 서로 모순되는 두 가지 요청이 본 발명에서 모두 만족되는 구조를 가진다.

그리고 실링디스크(14)가 안정적이면서 원활하게 회전될 수 있도록 하우징(12)과 실링디스크(14)의 측면 사이에는 베어링(16)이 도 2에 도시된 바와 같이 설치될 수 있으며, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 실링디스크(14)에서 가이드 홈(141)이 끝나는 지점부터 베어링(16)이 설치되는 지점까지 이어지는 폭을 가지는 별도의 실링부재(13)가 설치되어 압축유체가 베어링(16) 방향으로 유출되는 현상 또한 억제됨으로써 압축 유체의 손실은 최대한 방지된다.

한편, 본 발명에 따른 다단 압축 모듈(1)은 도 7에 도시된 바와 같이 복수개의 압축기(10)와, 하나 이상의 압축기(10) 구동 모터(20) 및, 모터(20)의 회전 운동을 압축기(10)로 전달시키는 하나 이상의 기어 박스(40)로 이루어지되, 복수개의 압축기(10) 모두를 관통하는 하나의 회전축(18)으로 복수개의 압축기(10)가 구동되고, 회전축(18)은 모터(20)로 구동되고 기어 박스(40)로부터 회전운동을 전달받으며, 복수개의 압축기(10)는 어느 하나의 압축기(10)로부터 배출되는 압축된 액체가 나머지 압축기(10)를 순차적으로 통과하면서 단계적으로 압축되게 배치된다.

통상적으로 특정한 유체 압축비가 요구되는 기기에는 그 압축비를 달성할 수 있는 한 대의 압축기(10)가 설치된다. 그런데 극히 작은 기기가 아닌 이상 어느 하나의 압축기(10)는 용량이 커질수록 모터(20)와 로터(11) 및 베인(111) 등이 커질 수밖에 없어 가동될 때 상당한 소음이 수반된다. 가정용 기기라도 경우에 따라 일정 이상의 압축비가 요구되는 압축기(10) 수요가 있을 수 있으므로, 이런 경우 한 대의 압축기(10)로 그 수요를 감당하고자 하면 가동될 때의 소음으로 인해 가정 내에서 사용되기 힘들게 되는 모순이 발생된다.

이러한 문제의식으로 인해 본 발명에서는 여러 대의 압축기(10)가 서로 압축유체를 단계적으로 넘겨받으면서 압축시킬 수 있게 다단으로 구성되는 다단 압축 모듈(1)을 제안한다. 이 경우 어느 하나의 압축기(10)는 이전 압축기(10)가 압축시킨 유체를 넘겨받아 압축시키므로 압축비는 전단 압축기(10)의 압축비 X 후단 압축기(10)의 압축비의 크기로 증가될 수 있다.

특히 다단 압축 모듈(1)은 이와 같이 각 단을 통과하는 유체가 압축비의 제곱을 통해 압축비가 증가될 수 있고, 다단 압축 모듈(1)을 구성하는 각각의 압축기(10)는 클 필요가 없으므로 구동 모터(20)의 소음과 로터(11)의 회전 소음이 현저하게 감소되면서도, 큰 압축기(10)와 동등한 압축비로 유체를 압축시킬 수 있다. 이로써 다단 압축 모듈(1)의 도입으로 인해 가정 내에서도 압축기(10)의 적용 분야가 비약적으로 확장될 수 있다.

이 경우 다단 압축 모듈(1)에는 도 8에 도시된 바와 같이 기어 박스(40)가 각 단에 활용되어 회전 비가 최적이 되도록 조절시킴으로써 압축비를 자유롭게 조절시킬 수 있다. 도 8에 도시된 기어 박스(40)는 내주면에 나사산이 형성된 링 기어(41)와 링 기어(41) 내주면에 치합되는 복수개의 위성기어 및 복수개의 위성기어 중심에 배치되어 위성기로 구동되는 선기어로 이루어지는 유성기어의 형태로 도시되어 있다. 하지만 기어 박스(40)는 회전비의 조절이 가능하다면 반드시 유성기어에 한정되진 않는다.

또한 다단 압축 모듈(1)은 반드시 도 7에서와 같이 하단의 모터(20)와 상부의 다단 압축기(10) 형태로만 제작되는 것이 아니라 도 9에 도시된 개념도와 같이 필요에 따라 구동 모터(20)의 개수와 구동 모터(20)의 설치 위치 선택이 얼마든지 조절 가능하며, 기어 박스(40) 또한 설치 개수와 위치 선택이 수많은 경우의 수의 조합만큼 가능할 수 있다.

그리고 다단 압축 모듈(1)의 용도의 확장은 이처럼 소음 문제에 있어서뿐만 아니라, 도 10에 도시된 실시예와 같이 특수한 형태로도 적용될 수 있다. 도 10의 형태는 도 7에 도시된 다단 압축 모듈(1)이 적용되기 힘든 곡선 구간, 곡선 배관 내부, 곡선형 챔버 등에 적용될 수 있다.

도 10의 압축기(10)는 회전축(18)이 통상의 다단 압축 모듈(1)의 경우와는 달리 곡선 형태로 각 단의 압축기(10)를 연결시켜 함께 회전 구동시킬 수 있는 구조를 가진다. 이때 곡선형태이면서 회전될 수 있는 형태의 회전축(18)으로서는 와이어 형태로 제작된 회전축(18)일 수도 있고, 또는 곡선 구간의 중심마다 회전축(18)을 일단 단절시킨 후 단절된 부위에 도 11과 같은 헬리컬 커플링이나 벨로즈 관절 또는 유니버설 조인트로 연결시킨 형태가 될 수도 있다.

그리고 이 경우 도시되진 않았지만 각 단의 압축기(10)를 연결시키는 유체 관이 곡선 구간에 대응되게 곡선형으로 설치되어 화살표 방향으로 각 압축기(10)의 하우징(12) 내부를 단계적으로 거치면서 유체를 전달시킬 수 있다.

한편, 도 7 또는 도 9에 도시된 다단 압축 모듈(1)이 이용된 압축 시스템이 도 12에 도시되어 있다.

도 12에 도시된 압축 시스템은 서로 병렬로 배치되는 복수개의 다단 압축 모듈(1)과, 복수개의 다단 압축 모듈(1)을 둘러싸는 냉각 재킷(2)과, 복수개의 다단 압축 모듈(1)에 공급될 유체가 저장되는 저압 챔버(3) 및, 복수개의 다단 압축 모듈(1)에서 배출되는 유체가 저장되는 고압 챔버(4)로 구성된다.

압축기(10)는 앞서 설명된 바와 같이 산업용으로 널리 사용될 뿐만 아니라 소규모 자영업자와 농축산업 및 일반 가정에서도 널리 사용된다. 그리고 압축기(10)가 사용되는 기기 자체도 초소형부터 초대형 기기까지 광범위한 종류가 있다.

따라서 압축기(10)는 소음이 최소화 되면서도, 초소형부터 초대형 까지 모든 종류의 기기에 압축유체 공급 능력을 가질 수 있어야 하고, 그러면서도 압축유체의 요구량이 상황의 변화와 계절의 변화 및 목적의 변화에 따라 용량 조절이 가능해야 한다.

하지만 현재 널리 사용되는 압축기(10)는 압서 설명된 것처럼 특정한 규격을 가지는 기기에서 요구되는 최대 압축 용량을 처리하는 하나의 압축기(10)가 사용되는 것이 통상적이다.

이처럼 서로 모순되어 보이는 요구인 대규모 압축 유체 처리가 가능하면서 소음이 최소화 되어야 하고 압축 유체의 양이 얼마든지 조절 가능하여야 한다는 요청을 모두 동시에 만족시킬 수 있기 위해 본 발명에서는 도 12에 도시된 바와 같은 압축 시스템을 제안하는 것이다.

도 12를 기준으로 살펴보면 중앙에는 앞서 도 7 또는 도 9에서 살펴본 다단 압축 모듈(1)이 서로 수직 방향으로 복수개가 평행하게 설치된 것을 볼 수 있다. 이때 복수개의 다단 압축 모듈(1)을 동시에 감싸고 있는 것은 신속한 냉각을 위한 냉각 재킷(2)이다.

유체의 압축 경로는 유체가 하부로부터 복수개의 다단 압축 모듈(1)에 공급되어 상부로 배출되는 방향으로 형성된다. 따라서 복수개의 다단 압축 모듈(1)의 하부에는 저압 챔버(3)가 설치되어 다단 압축 모듈(1)의 하부가 저압 챔버(3) 내부로 노출되는 형태로 결합되며, 복수개의 다단 압축 모듈(1)의 상부에는 고압 챔버(4)가 설치되어 복수개의 다단 압축 모듈(1)의 상부가 고압 챔버(4) 내부로 노출되는 형태로 결합된다.

이때 저압 챔버(3) 내부로 공급되는 유체의 압력은 도 12에 기재된 것처럼 대기압 보다 낮으며, 고압 챔버(4) 내부의 압력은 저압 챔버(3) 내부 압력보다 높게 형성된다.

이와 같이 다단 압축 모듈(1)들이 서로 평행하게 병렬로 설치되면 하나의 큰 챔버 내부에 저압 챔버(3)와 압축기(10)와 고압 챔버(4)가 모두 내장되므로, 대형기기에 본 발명에 따른 압축 시스템이 사용되더라도 대폭 소형화 될 수 있고 또한 유체 이동 거리가 최소로 단축되므로 압축 손실율 또한 최소화 된다.

특히 본 발명에 따른 압축 시스템은 도 13을 참조하면 선택적으로 일부 다단 압축 모듈(1)만 사용하고 나머지는 작동을 정지시킴으로써, 첫째로는 요구되는 수요의 성격이나 계절 및 주위 온도 등의 다양한 운전조건 변화에 따라 달라지는 압축유체의 소비량에 지능적으로 대응될 수 있게 적절한 숫자의 다단 압축 모듈(1)만 가동시킬 수 있고, 둘째로는 이와 같이 필요한 수량의 압축 모듈만을 가동시킴으로써 전력 소모가 최소화됨은 물론, 소음 또한 최소화 되고, 불필요한 가동을 최대한 억제시킴으로써 각각의 다단 압축 모듈(1)의 내구성이 현저하게 증가될 수 있다.

참고로 도 13에서 1-1로 표현된 빗금 표시된 다단 압축 모듈(1)이 가동 중인 것이며 1-2로 표현된 빗금 표시 없는 다단 압축 모듈(1)은 가동 정지 상태의 다단 압축 모듈(1)이다.

따라서 본 발명에 따른 압축 시스템은 계절의 변화나 온도의 변화, 또는 수요량에 맞춰서 각각의 다단 압축 모듈(1)의 가동 수와 가동 시간 또는 지정된 압축기(10)의 가동 또는 정지를 알고리듬으로 프로그램화 하여 운용될 수 있다.

도 14를 참조하면 이러한 압축 시스템의 프로그램화가 어떤 식으로 가능한지를 알 수 있다. 도 14에서 중심에 도시된 각각의 스테이지는 가장 왼쪽의 스테이지1과 같이 구성된다. 스테이지 2와 스테이지 3은 구성은 스테이지 1과 동일하거나 유사하게 조합될 수 있다. 이러한 복수개의 스테이지가 모여서 하나의 다단 압축 유닛으로 구성된다.

또한 제어부(8)에는 심화학습 로직이 적용된 지능형 연산모듈(미도시)이 탑재될 수 있다.

상기 학습 지능형 연산모듈(미도시)은 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 전부 또는 일부를 가동시키되, 고압 챔버(4) 내의 유체의 압축비가 필요한 압축비에 도달되면서도 동시에 동일 압축비에서 전력 소모량이 최소가 될 수 있도록 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 특정 위치와 특정 가동 대수를 조절시킨다.

특히 지능형 연산모듈(미도시)은 특정 위치와 특정 가동 대수가 계절과 용도에 따라 변동이 발생될 경우 각 계절과 용도에 따라 최적의 가동 대수 및 가동되는 다단 압축 모듈(1)의 위치를 선정하여 저장시킴으로써, 계절과 용도에 따라 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 일부를 선택적으로 가동시킬 수 있다.

이 경우 각 다단 압축 모듈(1)의 가동 대수, 가동 위치, 모터(20) 속도와, 산출되는 유체 압축비, 시스템의 온도 등의 정보는 모바일 단말기(미도시)와 연동되어 표시될 수 있고, 모바일 단말기(미도시)로 수동 제어도 가능할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

a : 슬롯 내벽과 베인의 간극 b : 가이드 홈 내벽과 베인의 간극
1,1-1,1-2 : 다단 압축 모듈 2 : 냉각 재킷
3 : 저압 챔버 4 : 고압 챔버
5 : 압력조절 밸브 6 : 토출 밸브
7 : 안전 밸브 8 : 제어부
10 : 압축기 11 : 로터
12 : 하우징 13 : 실링부재
14 : 실링디스크 15 : 간격이격부재
16 : 베어링 17 : 커버
18 : 회전축 20 : 모터
30 : 제2모터 40 : 기어 박스
41 : 링 기어 42 : 위성 기어
43 : 선 기어 50 : 조인트 부재
60 : 메인 커버 61 : 출구 노즐
81 : 모터 제어기 82 : 냉각수 탱크
70 : 메인 볼트 111 : 베인
112 : 슬롯 121 : 유체 압축실
141 : 가이드 홈 151 : 로터 측 자석
152 : 커버 측 자석

Claims (11)

1. 내부에 유체 압축실(121)이 관통 형성되고, 유체 압축실(121) 내부로 유체가 공급되는 유입관과, 유체 압축실(121)로부터 압축된 유체가 배출되는 유출관이 형성된 원통 형태의 하우징(12)과;
   상기 압축실에 내장되어 회전되는 원통형의 부재로서 방사상으로부터 중심을 향하여 복수개의 슬롯(112)이 형성되는 로터(11)와;
   상기 로터(11)를 회전 구동시키는 모터(20)와;
   상기 슬롯(112)에 가변 가능하게 삽입되어 로터(11)의 회전에 따라 원심력으로 슬롯(112)으로부터 일부가 인출 되며, 로터(11)와 상기 유체 압축실(121)의 내벽과의 거리에 따라 슬롯(112)으로부터 인출되는 거리가 가변되는 판 형태의 부재인 베인(111)과;
   상기 유체 압축실(121)의 상부와 하부에 결합되는 커버(17); 및,
   상기 모터(20)와 로터(11)를 연결시켜 모터(20)의 회전력을 로터(11)에 전달시키는 회전축(18);으로 구성되되,
   상기 로터(11)의 중심과 하우징(12)의 중심 및 회전축(18)의 중심은 모두 동일한 하나의 가상의 수직선상에 배치되고, 유체 압축실(121)의 중심은 상기 가상의 수직선에 대해 편심 되게 배치됨으로써, 동일한 로터(11)와 하우징(12)에 대해서, 유체 압축실(121)의 형태와 크기 변경에 따라 로터(11)와 베인(111)으로 압축되는 유체의 압축비가 달라지는 것을 특징으로 하는 압축기(10).
2. 제1항에 있어서,
   상기 유체 압축실(121)의 상부와 하부에는 실링디스크(14)가 하나씩 설치되고, 실링디스크(14)는 로터(11)와 함께 회전됨으로써 베인(111)과 베인(111) 사이에 유체 이동으로 인한 압력 누출이 억제되는 것을 특징으로 하는 압축기(10).
3. 제2항에 있어서,
   상기 유체 압축실(121) 상부에 설치된 실링디스크(14)의 저면과 유체 압축실(121) 하부에 설치된 실링디스크(14)의 상면에는 상기 슬롯(112)에 대응되는 가이드 홈(141)이 형성되어 베인(111)의 상단과 하단이 각각 가이드 홈(141)에 삽입되어 가변 가능한 것을 특징으로 하는 압축기(10).
4. 제3항에 있어서,
   상기 실링디스크(14)의 중심과 로터(11)의 중심은 일치되되, 상기 모터(20)는 로터(11)에만 연결되어, 로터(11)와 함께 회전되는 베인(111)이 상기 가이드 홈(141)의 측면을 밀면서 실링디스크(14)가 회전됨으로써, 가이드 홈(141)의 측면과 베인(111)의 상부 또는 하부 측면이 밀착됨으로 인해 베인(111) 상단 또는 하단과 실링디스크(14) 표면 사이에서 유체의 누수가 발생되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 압축기(10).
5. 제3항에 있어서,
   상기 커버(17)와 실링디스크(14) 사이에는 간격이격부재(15)가 설치되어 커버(17)와 실링디스크(14) 사이의 마찰로 인한 마모가 방지되는 것을 특징으로 하는 압축기(10).
6. 제5항에 있어서,
   상기 간격이격부재(15)는 실링디스크(14) 측에 설치되는 제1자석과 커버(17) 측에 설치되는 제2자석으로 구성되며, 제1자석과 제2자석은 서로 동일한 극성끼리 마주보게 배치됨으로써, 척력으로 인해 실링디스크(14)와 커버(17) 간의 간격이 이격되는 것을 특징으로 하는 압축기(10).
7. 복수개의 압축기(10)와, 적어도 하나 이상의 압축기 구동 모터(20)와, 모터(20)로 발생되는 회전 운동의 회전비를 증감시키면서 압축기(10)로 전달시키는 하나 이상의 기어 박스(40) 및, 기어 박스(40)의 회전 동작을 압축기(10)로 전달시키는 회전축(18)으로 이루어지되, 상기 복수개의 압축기(10)는 어느 하나의 압축기(10)로부터 배출되는 압축된 액체가 나머지 압축기(10)를 순차적으로 통과하면서 단계적으로 압축되게 배치되는 것을 특징으로 하는 다단 압축 모듈(1).
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수개의 압축기(10)는 직선 또는 곡선 형태로 배치되며,
   상기 복수개의 압축기(10)가 곡선 형태로 배치되는 경우에는 상기 회전축(18)은 와이어 형태로 이루어지거나 또는 압축기(10)와 압축기(10) 사이에서 두 회전축(18)이 헬리컬 커플링이나 유니버설 조인트로 연결됨으로써, 곡선 형태의 통로에도 설치가 가능한 것을 특징으로 하는 다단 압축 모듈(1).
9. 제7항 또는 제8항에 따른 다단 압축 모듈(1)이 이용된 압축 시스템으로서,
   서로 병렬로 배치되는 복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)과;
   복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)을 둘러싸는 냉각 재킷(2)과;
   복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)에 공급될 유체가 저장되는 저압 챔버(3); 및,
   복수개의 상기 다단 압축 모듈(1)에서 배출되는 유체가 저장되는 고압 챔버(4);로 구성되는 압축 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 재킷(2)은 고압 챔버(4)와 저압 챔버(3) 사이에 배치되고, 고압 챔버(4)와 냉각 재킷(2)과 저압 챔버(3)는 일체로 형성되며, 복수개의 다단 압축 모듈(1)은 냉각 재킷(2)에 삽입되는 형태로 설치되되, 각각의 다단 압축 모듈(1)에서 유체가 입력되는 측은 저압 챔버(3)에 노출되고, 각각의 다단 압축 모듈(1)에서 유체가 배출되는 측은 고압 챔버(4)에 노출되는 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 압축 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 일부를 선택적으로 가동시킬 수 있게 제어시키는 제어부(8)가 설치되며,
    상기 제어부에는 학습 지능형 연산모듈이 탑재되며,
    상기 학습 지능형 연산모듈은 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 전부 또는 일부를 가동시키되,
    고압 챔버(4) 내의 유체의 압축비가 필요한 압축비에 도달되면서도 동시에 동일 압축비에서 전력 소모량이 최소가 될 수 있도록 상기 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중에서 가동되는 다단 압축 모듈(1)의 위치와 다단 압축 모듈(1)의 가동 대수 및 다단 압축 모듈(1)에 탑재된 모터(20)의 회전 속도를 조절시키며,
    상기 특정 위치와 특정 가동 대수 및 속도가 계절과 용도에 따라 변동이 발생될 경우 각 계절과 용도에 따라 최적의 가동 대수와 가동되는 다단 압축 모듈(1)의 위치 및 속도를 설정하여 저장시킴으로써,
    계절과 용도에 따라 복수개의 다단 압축 모듈(1) 중 일부를 선택적으로 가동시키는 것을 특징으로 하는 압축 시스템.

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