KR101180145B1 - 무급유식 천연가스 압축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무급유식 천연가스 압축장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연가스 압축장치의 실린더 윤활작용을 위해 실린더 내에 별도로 오일을 공급할 필요가 없이 장기간 운전 가능하도록 수명을 연장함과 더불어 추후 유지관리가 용이하도록 하고자 본 발명은, 크랭크케이스의 측면에 조립된 실린더에 의해 천연가스를 다단계에 걸쳐 압축하도록 된 무급유식 천연가스 압축장치에 있어서, 상기 실린더는 내측에 구비되며 피스톤이 내면에 접촉하는 금속 라이너의 표면 강도가 로크웰경도시험(HRC)70이상이며; 상기 실린더의 상부에 수평으로 설치되며 상기 실린더의 무게를 지지하기 위한 실린더 지지수단은, 상기 크랭크케이스의 상단 고정구에 결합하여 실린더의 상부에 축 방향으로 나란하게 설치되는 가로바와; 상기 가로바의 외측 끝단을 받치고 있는 기둥 및; 상기 기둥에 구비되며 상기 실린더의 중심을 크랭크케이스와 일치시키기 위한 높이조절구와; 상기 실린더의 상단에 부착하여 상기 가로바를 따라 미끄럼 접촉하는 브래킷와; 상기 실린더를 분해한 상태에서 위치를 고정하기 위한 스토퍼가 구비된 것을 특징으로 하는 무급유식 천연가스 압축장치를 제안하는 것이다.

Description

무급유식 천연가스 압축장치{Non-lubricated type CNG compressor}

본 발명은 무급유식 천연가스 압축장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연가스 압축장치의 실린더 윤활작용을 위해 실린더 내에 별도로 오일을 공급할 필요가 없이 장기간 운전 가능하도록 수명을 연장함과 더불어 추후 유지관리가 용이하도록 된 친환경적인 무급유식 천연가스 압축장치에 관한 것이다.

일반적으로, 천연가스 압축장치(CNG Compressor)는 천연가스를 고압으로 압축하여 자동차의 연료로 사용하기 위한 것으로, 천연가스를 고압으로 압축시키게 되는데, 이는 천연가스(CNG)는 탄화수소 화합물로 이루어져 있어서 쉽게 액화되지 않는 단점 때문에 고압으로 압축하여 고압의 용기에 저장하게 된다.

여기서, 상기의 천연가스 압축장치는 천연가스를 250barG.까지 압축할 수 있도록 고도의 정밀도와 첨단기술이 요구되고 있으며, 가스를 고압으로 압축하는 실린더에는 내부 피스톤의 원활한 작동을 위해 윤활유, 광유오일(이하 '오일'이라 함)을 공급하여 윤활작용을 하도록 하고 있다. 다시 말해, 실린더 내에 오일을 공급하지 않고서는 실린더 내면과 피스톤의 압축링 사이의 마모(마찰)현상을 방지할 수 없을 뿐만 아니라 조기마모로 인해 빈번하게 교체해야만 하는 것이다.

여기서, 천연가스 압축장치를 가동 중에 오일이 천연가스에 혼합되어 점차적으로 소모되는 현상이 발생하는데, 근자에 들어 환경을 위해 천연가스 차량(버스)이 증가하면서 천연가스의 소비량이 급속히 증가함에 따라 동시에 오일의 소모량도 상대적으로 급속히 증가하며, 여러 가지 문제점을 초래하고 있는 실정이다.

즉, 일일 버스 100대를 충전할 수 있는 압축장치는 1,100Nm3/Hr정도이고 압축장치 1대 운전시 공급되는 오일은 일일 12시간 운전시 연간 약6.4드럼의 오일이 소모된다. 이에 연간 6.4드럼의 오일이 압축기에 공급되었지만 각종 보조기기 및 드레인밸브(Drin valve)를 통해 전량 배출 및 회수할 수 없는 관계로 대부분 차량의 가스저장탱크로 유입이 되고, 엔진에까지 투입됨으로 엔진의 오작동이나 과부하를 유발하게 되는 심각한 문제점이 있었다. 구체적으로, 실린더의 압축실 내부의 운전온도에서 오일의 점도가 물처럼 묽어짐으로 압축가스와 함께 수증기 포화상태로 변하게 되고, 가스가 흐를 때 오일과 함께 토출라인으로 계속 옮겨가기 때문에 결국 드레인되지 않은 오일은 차량에 탑재된 저장용기까지 유입이 되고 또 엔진에까지 도달하게 되는 것이다. 다시 말해, 드레인되지 않은 오일이 가스포켓에 점차적으로 고이게 되면 결국 실린더에 유입되게 됨으로 인해, 흡입/토출 밸브의 밸브플레이트의 손상에 의한 증간압력 상승으로 안전변이 개방되고 압축링 및 안내링의 파손을 유발하며, 오일은 비압축성 유체임으로 피스톤의 파손까지 초래하는 심각한 문제점이 있었다.

한편, 상기의 급유식 압축장치에 관한 종래의 선행기술문헌으로는 국내공개특허 제10-2000-0055660호(2000.09.15.공개)의 '압축 천연가스 자동차의 가스 공급장치' 또는 국내공개특허 제10-2001-0017007호(2001.03.05.공개)의 '압축 천연가스 차량의 연료 여과장치 및 방법' 등이 이미 공지된 바에 있으며, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 급유식 천연가스 압축장치(Lubricated CNG compressor)는 도시가스 4.0~5.0kg/cm2G. 가스를 흡입하여 제4단계에 걸쳐 250kg/cm2G.까지 압축이 가능하며 압축하는 실린더에 오일이 공급되는 방식이다. 이러한 급유식 압축기는 차량 1대를 기준으로, 제1단계의 실린더에서부터 제4단계의 실린더까지 제2, 제3 패킹을 포함하고 12시간 운전하면 일일 오일의 소모량은 3.5리터(L)이며, 연간 1,277.5리터(약 6.4드럼)의 오일이 공급되며, 전국의 차량을 대비해보면 그 소비량이 막대할 뿐만 아니라 비경제적이며, 심각한 환경공해물질을 유발하게 되는 문제점이 있었다. 이에, 국내 천연가스 충전소는 약 168기 정도가 운영되고 있으며, 각 충전소마다 2~3대의 압축장치가 구비되고 있음을 감안하여 보면, 연간 약2,944드럼의 오일이 소모되고 있는 실정이다.

또한, 압축기로 공급된 오일은 오일분리기 또는 저장용기의 바닥에 고인 오일을 드레인벨브를 이용하여 주기적으로 배출시켜야 하는 번거로움이 있었다. 그리고 상기의 오일은 압축장치의 실린더에 투입된 채 실린더의 온도가 110~160도씨까지 올라가게 되면, 그 특성이 변하여 재사용이 불가하고 폐유로 분리 배출해야 하는 애로사항이 있었다.

또한 압축기 각단 실린더에 공급된 오일을 제거하기 위해 각단 흡입 전단에 맥동방지용 및 오일을 제거할 수 있는 오일분리기가 구비되지만, 증기상태로 토출라인을 따라 흘러가는 오일을 차단할 수 있는 근본적인 대책이 마련되지 않고 있으며, 이를 최소화하기 위해 제3단계의 실린더와 제4단계의 실린더 사이 즉, 제4단계 실린더의 최종단 이후에 필터를 설치하거나 또는 주유기(Dispensor) 전단 라인에까지 필터를 설치하도록 법적으로 의무화하고 있는 실정이다.

한편, 국내도시가스는 원유를 정제하여 건조가스 상태로 공급되며, 오일과 혼합하게 되면 자연스럽게 습가스로 변하게 되는데, 이때 주유기에 문제가 발생한다. 즉 250barG. 고압저장 탱크에서 차량에 탑재된 노즐부분에 가스팽창에 의해 주위의 열을 빼앗아감으로 주유기 노즐이 막혀 주유가 되지 않는 경우도 발생하고 있으며, 오일의 특성상 파라핀계열의 저유동성은 -17도씨. 나프텐계열의 오일은 -30도씨이하가 되면 오일도 교체하기 시작한다. 하지만 주유기 노즐부분의 차압은 초기 충전시 초기 220~170barG.까지 발생할 수 있으며, 이로 인해 온도가 -110도씨까지 내려갈 수 있고 이때, 주유기의 노즐이 막히는 현상이 발생할 뿐만 아니라 주된 요인은 건조가스가 아닌 오일인 것이다. 즉 건조가스만 존재한다면, 천연가스는 탄화수소 화합물로 이루어져 있기 때문에 -110도씨에서 어떠한 상태변화를 일으킬 수 없으며, 다만 과다한 오일이나 수분이 존재한다면 결빙현상에 의해 주유기 노즐이 막히는 현상을 초래할 수 있게 된다.

근자에 들어서는, 급유식 압축장치에도 피스톤의 압축링을 주철이 아닌 고엔지니어링 플라스틱 소재를 적용하고 있고, 제4단계에 걸쳐 압축을 하는 데 비해 압축비는 다소 높지않지만 각단 실린더의 흡입압력과 토출압력의 차이가 높고, 이 높은 압력에 의한 체적효율을 향상시키기 위해 역시, 오일을 공급되어 진다.

또한 압축장치의 실린더는 모델이나 규격에 따라 다소의 차이는 있으나, 중량이 500~700kg정도로 상당히 무겁고 장치의 부피를 최대한 줄이기 위해 실린더의 상부에 쿨러가 설치되어 있는 관계로 실린더를 분해하기가 난해하다. 또한, 삼발이, 크레인 등과 같은 별도의 지지수단을 이용하기가 매우 곤란할 뿐만 아니라, 정밀검사 및 교체작업이 어려운 문제점들이 있었다.

1. 국내공개특허 제10-2000-0055660호(2000.09.15.공개) 2. 국내공개특허 제10-2001-0017007호(2001.03.05.공개)

본 발명의 목적은 천연가스 압축장치의 실린더와 피스톤 사이에 초정밀가공된 금속성 라이너를 구비함에 따라 마찰력을 최소화하고 오일을 공급할 필요가 없으며, 클랭크케이스의 외측으로 실린더 지지수단을 구비하여 실린더의 중량을 안전하게 지지하도록 된 무급유식 천연가스 압축장치를 제공하는 데에 있다. 특히, 그랜드패킹을 분해 및 교체하기 위해서는 크랭크케이스의 측면 실린더를 분리해야만 하며, 실린더를 분해 시 많은 어려움과 위험요소들이 있으며 이로 인한 안전사고의 발생을 방지하고자 하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은, 크랭크케이스의 측면에 조립된 실린더에 의해 천연가스를 다단계에 걸쳐 압축하도록 된 무급유식 천연가스 압축장치에 있어서, 상기 실린더는 내측에 피스톤이 내면에 접촉하는 금속 라이너가 구비되며, 상기 금속 라이너의 표면이 로크웰경도씨(HRC)70이상이며; 상기 실린더의 상부에 설치되는 실린더 지지수단은, 상기 크랭크케이스의 상단 고정구에 결합하여 실린더의 상부에 축 방향으로 나란하게 설치되는 가로바와; 상기 가로바의 외측 끝단을 받치고 있는 기둥 및; 상기 기둥에 구비되며 상기 실린더의 중심을 크랭크케이스와 일치시키기 위한 높이조절구와; 상기 실린더의 상단에 부착하여 상기 가로바를 따라 미끄럼 접촉하는 브래킷와; 상기 실린더를 분해한 상태에서 위치를 고정하기 위한 스토퍼가 구비된 것을 특징으로 하는 무급유식 천연가스 압축장치를 제안한다.

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본 발명은 천연가스 압축장치의 실린더에 오일을 공급하지 않게 됨으로, 천연가스만이 압축된 청정연료를 얻을 수 있으며, 차량의 엔진 성능을 향상시키고, 연비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다. 또한, 실린더의 중량을 안정적으로 지지할 수 있게 됨에 따라, 실린더 및 그랜드패킹을 분해 및 교체시에도 크랭크케이스의 측면 실린더를 분해하기가 용이하고 어려움과 위험요소들을 해소하여 안전사고의 발생을 방지하는 효과가 있다. 그리고, 본 발명은 오일이 공급되지 않으므로 필터엘리멘트의 교환주기를 약 4배 이상 늘이고 수명을 연장할 수 있으며, 오일공급 및 폐 오일처리, 소모품교체, 유지관리 등의 비용을 월등히 절감할 수 있는 경제적인 효과가 수반된다. 특히, 오일로 인한 유해배기가스 및 환경공해물질, 탄소의 발생을 방지하여 매우 환경 친화적이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무급유식 천연가스 압축장치를 나타낸 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 무급유식 천연가스 압축장치의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 천연가스 압축장치의 부분 단면으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 천연가스 압축장치를 분해하는 상태의 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 상기 도면에 따르면 본 발명은, 크랭크케이스(10)의 측면에 조립된 실린더(20,30)에 의해 천연가스를 다단계에 걸쳐 압축하도록 된 무급유식 천연가스 압축장치에 있어서, 상기 실린더(20,30)는 내측에 피스톤(26,28,36,38)이 내면에 접촉하는 금속 라이너(27,29,37,39)가 구비되며, 상기 금속 라이너(27,29,37,39)의 표면이 로크웰경도씨(HRC)70이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 실린더(20,30)의 상부에 실린더 지지수단(40)이 구비된 것을 특징으로 한다.

위를 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 무급유식 천연가스 압축장치(100)는 천연가스를 고압으로 압축 공급하기 위한 것으로, 압축가스를 적어도 일 회 이상, 다단계에 걸쳐 압축시키게 되며, 크랭크케이스(10)의 일측 또는 양측면에 제1, 제2실린더(20,30)가 조립되고, 크랭크케이스(10)는 기초(19) 위에 안착되는 베이스프레임(18)의 중간부에 고정 설치되어 있다.

상기 크랭크케이스(10)는 본체(12)에 내장된 피스톤(14)이 크랭크로드를 통해 에 연결되고 상기 피스톤(14)이 왕복으로 작동하면서 제1, 제2실린더(20,30)를 작동시키게 된다.

상기 제1, 제2실린더(20,30)는 흡기측으로 유입된 가스(천연가스)를 피스톤으로 압축시킨 후 배기측으로 토출하는 과정을 반복적으로 수행하여 압축 공급한다. 이를 위해, 크랭크케이스의 측면에 실린더블럭(22,32)을 축 중심방향으로 구비하고 볼트로 조립하여, 상기 실린더블럭의 제1 내지 제4피스톤(26,28,36,38)이 연결되어 있는 제1, 제2피스톤로드(24,34)가 크랭크케이스의 피스톤(14)에 연결된다. 그리고 상기 크랭크케이스와 실린더의 연결부에는 누설을 방지하기 위한 제1, 제2그랜드패킹(25,35)이 구비되면서 피스톤로드가 관통하여 슬라이딩 접촉한다.

여기서 본 발명은, 상기 실린더(20,30)는 내측면에 피스톤(26,28,36,38)이 접촉하는 금속 라이너(27,29,37,39)가 구비된다. 본 발명의 무급유식 천연가스 압축장치는 실린더에 오일이 공급되지 않는 대신 실린더 내에 고강도의 금속 라이너(27,29,37,39)를 구비함에 따라, 천연가스에 오일이 혼합되지 않을 뿐만 아니라 피스톤의 작동이 원활하고 장치의 수명이 연장된다. 상기의 제1 내지 제4의 금속 라이너(27,29,37,39)는 고강도, 내마모성, 내식성, 마찰계수가 작은 금속소재로 이루어지며, 특히 라이너의 내면에는 표면을 열처리가공하여 표면의 강도가 로크웰경도씨-스케일(HRC:rockwell hardness C-scale)70이상으로 고강도를 유지함으로써, 마찰접촉에 대한 손상이나 변형이 발생하지 않고 내열성이 뛰어나고 반영구적으로 사용할 수 있도록 된다. 이를 위해 상기 금속 라이너는 니켈합금, 크롬합금, 알루미늄합금 등으로 구성하는 것이 바람직하며, 비용절감을 위해 라이너의 표면에 상기와 같은 소재의 합금을 사용하여 선택적으로 피막 도금층을 형성시킬 수도 있다.

여기서, 본 발명의 무급유식 천연가스 압축장치(100)는 실린더(20,30)에는 오일이 공급되지 않지만, 크랭크케이스 외측의 피스톤로드(24,34)에 구비되는 제1, 제2그랜드패킹(25,35)에는 오일이 공급되는데, 상기 그랜드패킹에 공급된 오일이 피스톤로드(24,34)에 흡착한 채로, 피스톤로드와 그랜드패킹 사이에 오일점막을 형성시켜 기밀유지가 되고 또 압축시 실린더 내부 가스가 크랭크케이스로 누설되지 않도록 차단작용을 한다. 한편 상기 피스톤로드와 그랜드패킹 사이로 아주 미세한 량의 오일이 실린더로 유입이 되는데, 실린더로 유입되는 오일의 량은 5PPM이하로 극미하며, 가스와 혼합되어 액상이 아닌 전량 포화수증기(Vapor)상태로 존재하게 되며, 이로 인한 엔진의 과부하나 오작동을 유발하는 요인으로 작용하지는 않는다.

본 발명에 따르면, 상기 실린더 지지수단(40)은 상기 크랭크케이스(10)의 상단 고정구(45)에 결합하여 실린더(20,30)의 상부에 축 방향으로 나란하게 설치되는 가로바(42)와; 상기 가로바(42)의 외측 끝단을 받치고 있는 기둥(43) 및; 상기 실린더(20,30)의 상단에 부착하여 가로바(42)를 따라 미끄럼 접촉하는 브래킷(46)으로 구성됨을 특징으로 한다. 즉, 상기 실린더 지지수단(40)은 실린더를 분해/조립시 실린더 및 부품의 무게를 축 방향으로 지지하기 위한 것으로, 제1, 제2실린더(20,30)의 상부에 수평으로 가로바(42)가 설치되고 상기 실린더(20,30)의 상단에 부착된 브래킷(46)이 가로바에 끼워져 미끄럼 접촉한다. 상기 가로바(42)는 일단이 실린더의 상단 고정구(45)에 결합되고 타단에 기둥이 결합된다. 이에 실린더를 안전하게 분리 또는 조립할 수 있게 되며, 진동이나 흔들림, 추락으로 인한 장치의 파손을 방지하고 작업자의 안전을 보호할 수 있게 된다. 이는 앞서 언급한 바대로 상당한 무게의 실린더의 분해/조립은 물론 정밀검사, 교체, 유지보수 등의 작업이 매우 정밀하고 안정적이다.

상기 기둥(43)은 '∩'형으로 세워져 가로바가 중간에 연결되고 내측 공간으로 실린더가 통과하도록 구성된다. 상기 브라켓(46)은 실린더의 상단 양측에 실린더와 일체로 구성하거나 또는, 탈/부착이 용이하도록 나사로 조립하는 것이 바람직하며, 고리형태의 아이볼트(eye bolt), 훅볼트(Hook blot) 등을 포함한다.

여기서 상기 실린더 지지수단(40)은, 상기 기둥(43)에 실린더의 중심을 크랭크케이스(10)와 일치시키기 위한 높이조절구(44)와; 상기 실린더(20,30)를 분해한 상태에서 위치를 고정하기 위한 스토퍼(48)가 구비된 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 기둥(43)의 저면에 나사로 조립된 높이조절구(44)로 높낮이를 기둥(43) 및 가로바(42)의 레벨을 조절할 수 있게 되며, 실린더 및 피스톤로드, 피스톤 그리고, 그랜드패킹 등의 분해/조립을 정밀하고 용이하게 할 수 있게 된다. 이때, 상기 고정구(45)는 기둥이 원만히 승강할 수 있게 가로바와 힌지 또는 핀 등의 연결수단으로 조립하는 것이 바람직하다.

상기 스토퍼(48)는 기둥의 측면에 나사로 조립하여 가로로 구비된 채, 실린더의 측면에 접촉하면서 실린더의 위치를 고정하게 되며, 실린더의 측면에도 암나사를 형성하고 스토퍼의 타단을 나사로 연결 고정하는 것이 바람직하다. 또는 상기 브라켓의 위치를 고정하기 위한 고정핀이나 볼트 등을 포함하는 별도의 고정수단을 구비할 수도 있다.

더불어, 미설명부호 '16'은 크랭크케이스의 본체 내부에 윤활유를 공급하기 위한 통상의 급유기이고, 미설명부호 '33'은 실린더블럭의 헤드커버이다.

10:크랭크케이스 12:본체 14:피스톤
18:베이스프레임 20:제1실린더 22,32:실린더블록
24:제1피스톤로드 25:제1그랜드패킹 26:제1피스톤
27:제1라이너 28:제2피스톤 29:제2라이너
30:제2실린더 32:실린더블록 34:제2피스톤로드
35:제2그랜드패킹 36:제3피스톤 37:제3라이너
38:제4피스톤 39:제4라이너 40:실린더 지지수단
42:가로바 43:기둥 44:높이조절구
45:고정구 46:브래킷 48:스토퍼
100:천연가스 압축장치

Claims (4)

1. 크랭크케이스(10)의 측면에 조립된 실린더(20,30)에 의해 천연가스를 다단계에 걸쳐 압축하도록 된 무급유식 천연가스 압축장치에 있어서,
   상기 실린더(20,30)는 내측에 피스톤(26,28,36,38)이 내면에 접촉하는 금속 라이너(27,29,37,39)가 구비되며, 상기 금속 라이너(27,29,37,39)의 표면이 로크웰경도씨(HRC)70이상이며;
   상기 실린더(20,30)의 상부에 구비되는 실린더 지지수단(40)은,
   상기 크랭크케이스(10)의 상단 고정구(45)에 결합하여 실린더(20,30)의 상부에 축 방향으로 나란하게 설치되는 가로바(42)와;
   상기 가로바(42)의 외측 끝단을 받치고 있는 기둥(43) 및;
   상기 기둥(43)에 구비되며 상기 실린더(20,30)의 중심을 크랭크케이스(10)와 일치시키기 위한 높이조절구(44)와;
   상기 실린더(20,30)의 상단에 부착하여 상기 가로바(42)를 따라 미끄럼 접촉하는 브래킷(46)와;
   상기 실린더(20,30)를 분해한 상태에서 위치를 고정하기 위한 스토퍼(48)가 구비된 것을 특징으로 하는 무급유식 천연가스 압축장치.
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