KR101273563B1

KR101273563B1 - 공기압축 시스템

Info

Publication number: KR101273563B1
Application number: KR1020100133859A
Authority: KR
Inventors: 김성완
Original assignee: (주) 누트파이브
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2013-06-11
Also published as: KR20120072077A

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 공기압축 시스템은 공기를 압축하여 공급하는 압축기와 상기 압축기의 공기 흡입구에 연결 설치되어 상기 압축기로 흡입되는 공기를 가속시키는 유체가속기, 및 압축기로 흡입되는 공기보다 더 높은 압력을 갖는 2차 유체를 상기 유체가속기로 공급하는 2차 유체 공급관를 포함하고, 상기 유체가속기는 관형상으로 이루어지며, 내주면에서 중심을 향하여 만곡된 볼록부와 상기 2차 유체 공급관과 상기 볼록부의 내부를 연통시키는 통로를 갖는 증폭부를 포함한다.

Description

공기압축 시스템{AIR COMPRESSING SYSTEM}

본 발명은 공기압축 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율성이 향상된 공기압축 시스템에 관한 것이다.

공기압축 시스템은 공기 등의 유체를 터빈을 이용하여 압축하는 장치로서 압축기의 후단에는 압축력으로 인한 음압이 발생하며, 압축기의 선단에는 양압이 발생한다.

압축기의 선단과 후단에서 발생하는 압력의 차이에 따라서 압축 터빈을 구동시키는 에너지의 양이 결정된다. 즉, 흡입부의 압력 강하가 적을수록 구동 에너지가 작게 소모되며, 토출부의 압력 증가가 적을수록 구동 에너지가 작게 소모된다. 토출부는 압력이 증가되지 않고 많은 양의 공기가 이동할 수 있도록 설계할 수 있으나 흡입부의 압력을 낮추는 것은 해결하기 어렵다. 이와 같이 공기압축 시스템의 효율을 높이기 위해서는 흡입부의 압력 강하를 감소시키는 것은 매우 중요하고 해결하기 어려운 기술적 과제이다.

또한, 압축기를 통해서 압축된 공기는 고온의 상태로 토출되는 바, 압축된 공기의 온도를 낮추어야 한정된 저장 공간에 많은 양의 압축 공기를 저장할 수 있으며, 공기의 압축 비율을 향상시켜서 공기압축 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면은 압축기의 선단과 후단의 압력 차이를 감소시켜서 압축 효율이 향상되고 구동 동력의 소모가 작은 공기압축 시스템을 제공함에 있다.

상기 공기압축 시스템은 상기 압축기에 형성된 압축공기 토출구에 연결 설치되어 토출되는 압축 공기와 상기 2차 유체 사이의 열교환을 유도하는 열교환기를 더 포함할 수 있으며, 상기 유체가속기로 공급되는 2차 유체는 압축된 공기 또는 스팀(steam)인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 2차 유체 공급관은 상기 열교환기에 형성된 2차 유체 토출구에 연결 설치되어 상기 2차 유체 토출구에서 토출되는 2차 유체를 상기 유체가속기로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 열교환기에 형성된 압축공기 배출구에 연결 설치되어 배출되는 압축 공기를 냉각하는 칠러(chiller)를 더 포함할 수 있으며, 상기 칠러(chiller)에서 배출된 압축 공기를 저장하는 저장탱크를 더 포함하고, 상기 저장탱크와 상기 열교환기에 형성된 2차 유체 주입구를 연결하는 압축공기 공급관을 더 포함할 수 있다.

상기 압축공기 공급관에는 압력 조정기가 설치될 수 있으며, 상기 열교환기에 형성된 상기 2차 유체 주입구에 연결 설치되어 상기 2차 유체 주입구로 물을 공급하는 물 공급관을 더 포함할 수 있다.

상기 물 공급관은 일단이 상기 2차 유체 주입구에 연결 되고 타단이 물이 저장된 수조에 연결 설치되며, 상기 수조에는 상기 칠러(chiller)에서 응축된 물을 상기 수조로 공급하는 물 회수관이 연결 설치될 수 있다. 또한, 상기 물 공급관에는 상기 수조에 저장된 물을 흡입하여 상기 2차 유체 주입구로 공급하는 펌프가 설치될 수 있다.

상기 볼록부는 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 감소하는 유입 안내부와 상기 유입 안내부와 이격되어 설치되며 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 증가하도록 설치된 배출 안내부를 포함할 수 있다.

상기 증폭부는, 상기 2차 유체 공급관과 연결되어 고압의 2차 유체를 유입시키는 흡입공과, 상기 흡입공에 연결되며 상기 볼록부의 둘레 방향으로 이어져 형성된 분배통로, 및 상기 분배 통로와 상기 볼록부의 내부를 연결하는 유도통로를 포함할 수 있다.

상기 유도통로에는 복수 개의 흡입통로를 형성하는 복수 개의 돌기들이 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 돌기는 상기 유도통로의 상기 유입 안내부 면을 따라 서로 이격 배치될 수 있다.

상기 복수 개의 돌기는 상기 유도통로의 상기 배출 안내부 면을 따라 서로 이격 배치될 수 있으며, 상기 복수 개의 돌기는 상기 유체가속기의 중심을 향하는 방향에 대하여 상기 압축기에 설치된 임펠러가 회전하는 방향으로 기울어지도록 형성될 수 있다.

상기 유체가속기는, 상기 공기 유입을 유도하는 관형상의 유입 안내부와 상기 유입 안내부에 연결된 관형상의 수용부, 및 상기 2차 유체 공급관과 연결되어 고압의 2차 유체를 유입시키는 흡입공을 포함하는 외부 몸체와, 상기 수용부에 삽입되며, 외주면에 상기 수용부의 내경보다 작은 외경을 갖도록 형성된 단차부를 포함하여 상기 볼록부의 둘레 방향으로 이어져 형성된 분배통로를 형성하고, 상기 외부 몸체와의 사이에 축방향의 간극을 형성하여 상기 분배 통로와 상기 볼록부의 내부를 연결하는 유도통로를 형성하는 관형상의 내부 몸체를 포함할 수 있다.

상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체 사이에 형성되는 축방향 간극에는 복수 개의 돌기들이 구비되어 복수 개의 유도통로를 형성할 수 있으며, 상기 복수개의 유도통로는 상기 수용부의 내주를 따라 서로 이격 배치될 수 있다.

상기 복수 개의 돌기는 상기 유체가속기의 중심을 향하는 방향에 대하여 상기 압축기에 설치된 임펠러가 회전하는 방향으로 기울어지도록 형성될 수 있으며, 상기 돌기는 외부 몸체에 형성될 수 있다.

상기 돌기는 내부 몸체의 선단면에 형성될 수 있으며, 상기 돌기는 별개의 링 형상의 이격부재의 내주면으로부터 돌출되어 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 공기압축 시스템은 압축기의 공기 흡입구측에 유체가속기가 연결 설치되어 압축기로 유입되는 공기를 가속하여 공급하므로 압축 효율이 향상된다.

또한, 유체가속기의 설치로 압축기 공기 흡입구측에서 발생되는 음압을 감소시켜서 압축기의 구동 동력을 감소시킬 수 있다.

또한, 2차 유체가 열교환기에 의하여 가열된 상태로 유체가속기로 유입되므로 더욱 큰 압력을 갖는 2차 유체를 이용하여 압축기로 유입되는 공기의 공급량을 증가시킬 수 있다.

또한, 압축기에서 발생된 폐열을 이용하여 물을 기화시켜서 고압의 스팀을 발생시키고 이 스팀이 2차 유체가 되므로 별도의 동력을 이용하지 않고도 고압의 2차 유체를 용이하게 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기압축 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유체가속기를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 유체가속기를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에서 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 절개 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 유체가속기를 축방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 유체가속기와 압축기를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기압축 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유체가속기를 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 유체가속기를 도시한 분해 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기압축 시스템을 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 공기압축 시스템(100)은 필터(101)와 압축기(102), 및 압축기(102)의 공기 흡입구(102a) 측에 연결 설치된 유체가속기(120), 압축기(102)의 압축공기 토출구(102b) 측에 연결 설치된 열교환기(103), 열교환기(103)의 압축공기 토출구(103c) 측에 연결 설치된 칠러(104)와 압축된 공기를 저장하는 용기(105), 및 유체가속기(120)로 압축된 2차 유체를 공급하는 2차 유체 공급관(115)을 포함한다.

필터(101)는 압축기(102)로 유입되는 공기 중에 포함된 불순물을 제거하는 역할을 하며, 일반적으로 공기 중에 불순물을 제거하는 다양한 형태의 필터가 적용될 수 있다. 압축기(102)는 공기가 유입되는 입구와 공기가 배출되는 출구를 갖는 원심식 압축기로 이루어질 수 있다.

열교환기(103)는 압축기(102)에 형성된 압축공기 토출구(102b)에 연결 설치되므로 압축기(102)에서 배출된 고온의 압축 공기는 열교환기(103)로 유입된다. 열교환기(103)에 형성된 2차 유체 주입구(103a)에는 물 공급관(114)이 연결 설치되고, 열교환기(103)의 2차 유체 토출구(103b)에는 2차 유체 공급관(115)이 연결 설치된다. 이로써 열교환기(103)는 물 공급관(114)을 통해서 유입된 2차 유체와 압축기(102)에서 배출되는 공기와의 열교환을 유도할 수 있다.

물 공급관(114)의 일단은 열교환기(103)의 2차 유체 주입구(103a)에 연결되고, 타단은 물이 저장된 수조(112)에 연결 설치되어 수조(112)의 물을 열교환기(103)로 공급할 수 있다. 이 때, 물 공급관(114)에는 물을 순환시키는 펌프(113)가 연결 설치된다.

액체 형태로 유입된 2차 유체는 열교환기(103) 내부에서 사행형상으로 이동하면서 압축된 공기로부터 열을 전달받아 기체인 스팀으로 변환된다. 물이 스팀 형태로 변하면 부피가 현저히 커지므로 열교환기(103)에서 발생된 스팀은 고압의 상태가 된다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 2차 유체는 스팀이 된다. 2차 유체 공급관(115)의 일단은 열교환기(103)의 2차 유체 토출구(103b)에 연결 설치되고, 타단은 유체 가속기(120)에 연결 설치되어 유체가속기(120)로 열교환기(103)에서 가열된 고압의 2차 유체가 유입된다.

압축기(102)에서 배출되는 압축 공기는 350℃ 내지 400℃의 온도를 갖는다. 종래에는 고온의 압축 공기를 냉각시키기 위해서 외부 공기 등의 별도의 냉매를 열교환기로 공급하였다. 그러나 본 실시예에서는 2차 유체가 압축 공기를 냉각하면서 열을 흡수하므로 폐열을 낭비하지 않고 재활용할 수 있으며 동력의 소모 없이 기화에 의하여 고압의 2차 유체를 용이하게 생성할 수 있다.

유체가속기(120)로 유입되는 스팀은 120℃ 이상의 온도를 갖는다. 스팀의 온도가 높으면 높을수록 더 큰 압력을 가지므로 스팀 온도는 높을수록 유리하다. 다만, 압축기(102)의 온도가 400℃일 경우, 이론적으로 스팀 온도의 한계는 300℃이다. 스팀이 유체가속기(120)로 유입되어 외부에서 유입되는 공기와 충돌하면 급격하게 응축된다. 그러나 스팀은 유체가속기(120)에서 스팀과 외부 공기가 만나는 공간 부근에서만 응축되지 않는다면 유체를 가속하는 기능을 수행할 수 있다. 스팀의 온도가 120℃보다 더 크면 스팀이 배출 안내부(123)를 통과하는 과정에서 응축되어 공기를 가속시킬 수 있으나, 스팀의 온도가 120℃보다 더 작으면 외부 공기와 만나는 과정에서 스팀이 응축되어 응축된 물이 유체가속기(120)의 유도통로(126)를 막아서 스팀의 유입이 방해되는 문제가 발생한다.

한편, 열교환기(103)에서 배출된 공기는 칠러(104)로 유입되는 바, 칠러(104)에는 냉각기가 설치되어 압축된 공기를 더욱 냉각시킨다. 이 때, 공기에 잔류하는 수분은 칠러(104)의 내부에서 응축된다. 칠러(104)와 수조(112) 사이에는 칠러(104)에서 응축된 물을 수조(112)로 공급하는 물 회수관(117)이 설치된다.

본 실시예와 같이 칠러(104)에서 응축된 물을 수조(112)로 공급하면 순수한 물이 수조(112)로 공급되므로 스팀에 이물질이 포함되지 아니하여 이물질로 인하여 유체가속기(120)가 막히는 것을 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유체가속기를 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 유체가속기(120)는 관형상으로 이루어지며, 내주면에서 중심을 향하여 돌출된 볼록부(125)와 2차 유체 공급관(115)과 볼록부(125)의 내주면을 연통시키는 통로를 제공하는 증폭부(129)를 포함한다.

볼록부(125)는 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 감소하는 유입 안내부(121)와 유입 안내부(121)의 뒤에 설치되며 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 증가하는 배출 안내부(123)를 포함한다.

그리고 증폭부(129)는 외주와 연통되어 스팀 형태의 고압의 2차 유체를 유입시키는 흡입공(127)과 흡입공(127)에 연결되며 2차 유체를 둘레 방향으로 유통시키는 분배통로(128)와 분배통로(128)를 내부와 연결하며 유입 안내부(121)와 배출 안내부(123) 사이에 배치된 유도통로(126)를 포함한다.

본 실시예에 따른 유체가속기(120)는 전체가 한 몸으로 형성되며, 내부에 공간이 형성된 관구조로 이루어진다.

유입 안내부(121)는 공기의 진행방향으로 갈수록 내주면이 축 중심을 향하여 점진적으로 돌출되도록 형성되어, 유동 면적이 점진적으로 감소하는데, 이에 따라 유입 안내부(121)를 통과하는 공기의 속도는 빨라지고 압력은 낮아진다.

배출 안내부(123)는 유입 안내부(121)와 인접한 부분에서 최소 내경을 가지며 공기의 진행방향으로 갈수록 내주면이 축 중심에서 멀어지도록 형성되어 유동 면적이 점진적으로 증가한다.

이에 따라 유체가속기(120)의 내경은 유입 안내부(121)에서 점진적으로 감소하다가 배출 안내부(123)에서는 점진적으로 증가한다.

한편, 분배통로(128)는 유체가속기(120)의 내부에서 유체가속기(120)의 둘레방향을 따라 환형으로 이어져 형성되며, 흡입공(127)과 연결되어 있다. 흡입공(127)은 유체가속기(120)의 외면까지 이어져 형성되어 2차 유체 공급관(115)과 연통된다. 따라서 흡입공(127)으로 유입된 2차 유체는 분배통로(128)를 통해서 유체가속기(120)의 둘레 방향으로 유동할 수 있다. 한편, 분배통로(128)는 유도통로(126)를 통해서 유체가속기(120)의 내부와 연결되는데, 이러한 유도통로(126)는 상기 유입 안내부(121)와 배출 안내부(123)의 사이에 축방향으로 이격된 간극을 형성함으로써 유체가속기(120)의 내면을 따라 이어져 형성되어 있다.

유도통로(126)와 배출 안내부(123)가 만나는 부분은 볼록한 곡면으로 이어져 형성된다. 이에 따라 흡입공(127)으로 유입된 2차 유체는 분배통로(128)를 따라서 유체가속기(120)의 둘레방향으로 유동하며, 유동하는 과정에서 유도통로(126)를 통해 유체가속기(120)의 내부로 유입된다. 유도통로(126)는 유체가속기(120)의 내면을 따라 이어져 형성되는데, 이에 따라 2차 유체는 유체가속기(120)의 내부로 균일하게 공급된다.

고압 상태의 스팀으로 이루어진 2차 유체는 곡면을 타고 배출 안내부(123)로 유동하는데, 강한 압력과 빠른 속도로 유동하는 2차 유체는 공기의 유입을 가속시켜서 보다 많은 공기를 압축기로 유입시키게 된다. 또한, 유체가속기(120)의 입구측에서는 공기가 가속되어 빨려들어가고 출구측에서는 가속된 공기가 밀고 나오므로 유체가속기(120)의 출구측 압력은 입구측 압력에 비하여 높아지며, 이에 따라 압축기(102) 선단의 압력 강하를 감소시켜서 압축기(102)의 구동 동력을 감소시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 유체가속기를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에서 도시된 부재들이 결합된 상태에서 잘라 본 절개 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 유체가속기를 잘라 본 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 유체가속기(200)는 공기의 진행방향(도 3에서 y축 방향)으로 갈수록 내부 단면적이 감소하는 유입 안내부(212)와 유입 안내부(212)에 연결되며 2차 유체를 유입시키는 흡입공(216)이 형성된 수용부(214)를 포함하는 외부 몸체(210)와, 수용부(214)에 삽입되며 외주면을 따라 단차부(221)가 형성된 내부 몸체(220), 및 외부 몸체(210)와 내부 몸체(220) 사이에 설치된 복수 개의 돌기들(234)을 포함한다.

외부 몸체(210)는 외부가 원통인 관 구조로 이루어지며, 앞쪽에 배치된 유입 안내부(212)와 유입 안내부(212)의 뒤에 배치된 수용부(214)를 포함하여 구성된다.

유입 안내부(212)는 선단에서 공기의 진행방향(도 4에서 y축 방향)으로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하도록 형성되는데, 일례로 내주면(212a)이 축 중심을 향해 볼록하게 만곡한 면으로 이루어질 수 있다. 이에 따라 유입 안내부(212)를 통과하는 공기의 속도는 빨라지고 압력은 낮아진다.

유입 안내부(212)의 내주면(212a)은 지지면(212b)과 연결되는데, 지지면(212b)은 내주면(212a)과 수용부(214)를 연결하며, 수용부(214)의 중심 축에 대하여 수직하게 형성된다.

수용부(214)는 내부 몸체(220)가 끼워지는 공간을 갖는 원통형의 관구조로 이루어지고, 흡입공(216)은 수용부(214)의 앞 부분에 위치하며 외주면 바깥으로 개구되어 2차 유체를 유입시킬 수 있다. 이 때, 흡입공(216)을 통해 유입되는 2차 유체는 고온 고압의 스팀으로 대기압보다 높은 압력을 갖는다. 또한, 흡입공(216)은 2차 유체 공급관(115)과 연결되어 수용부(214) 내로 2차 유체를 공급하는 통로로서의 역할을 할 수 있다.

내부 몸체(220)는 수용부(214)에 끼워지는 원통형 관구조로 이루어지는데, 도 3에 도시한 바와 같이 앞 부분에 단차부(221)가 형성된다. 단차부(221)는 수용부(214)의 내경보다 더 작은 외경을 가지며, 내부 몸체(220)의 외주를 따라 이어져 형성된다. 이에 따라 도 9에 도시한 바와 같이 단차부(221)와 수용부(214) 사이에는 공간이 형성되는데, 이를 분배통로(225)라 한다. 분배통로(225)는 흡입공(216)과 연결되어 흡입공(216)을 통해 유입된 2차 유체가 내부 몸체(220)의 외주를 따라 유동할 수 있도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 외부 몸체(210)와 내부 몸체(220) 사이에는 외부 몸체(210)와 내부 몸체(220)를 축방향으로 이격시키는 돌기들(234)이 설치되는데, 돌기들(234)은 링 형상의 이격부재(230)의 내주면으로부터 돌출되어 형성된다.

즉, 이격부재(230)는 지지대(232)와 돌기들(234)로 이루어지며, 돌기들(234)은 지지대(232)의 내주면을 따라 소정 간격으로 이격되어 배열된다. 지지대(232)는 내부 몸체(220)에서 이격되어 수용부(214)의 내면에 맞닿도록 설치되며, 내부 몸체(220)의 선단은 돌기들(234)과 맞닿도록 설치된다.

이격부재(230)에서 돌기들(234)은 지지대(232)의 중심(O)으로부터 벗어난 방향을 향하도록 돌출된다. 즉, 돌기들(234)은 지지대(232)의 내주와 설정된 각도(α)를 이루며 기울어져 형성된다. 이때, 돌기들(234)은 지지대의 중심(O)을 향하는 방향에 대하여 압축기에 설치된 임펠러(102a, 도 6에 도시)의 회전방향으로 기울어지도록 돌출된다. 여기서 임펠러(102a)의 회전방향에 따라 공기도 동일한 방향으로 회전하면서 압축기로 유입되며, 지지대의 중심(O)은 유체가속기(200)의 중심과 일치한다. 이에 따라 돌기(234)는 유체가속기(200)의 중심을 향하는 방향에 대하여 압축기(102)로 유입되는 공기가 회전하는 방향으로 기울어지도록 형성된다.

도 6에 도시된 바와 같이 이 경우 유체가속기(200)를 통과하면서 회전 유동하게 된 2차 유체가 동일한 회전방향을 유지하면서 압축기(102)를 지나게 되므로 운동에너지의 손실을 최소화하면서 충분한 양의 공기를 압축기(102)로 공급할 수 있다.

돌기(234)는 본 실시예와 같이 이격부재(230)에 고정될 수 있으며, 내부 몸체(220) 또는 외부 몸체(210)에 직접 고정 형성될 수도 있다.

외부 몸체(210)와 내부 몸체(220)가 돌기들(234)에 의하여 이격되면, 서로 이웃한 돌기들(234) 사이로 2차 유체가 유입되는 유도통로(227)가 형성된다. 이러한 유도통로(227)는 내부 몸체(220)의 선단을 따라 복수 개가 이격되어 형성되며, 유도통로(227)를 통해서 2차 유체가 배출 안내부(223) 내로 유입된다.

이와 같이 본 실시예에 따르면 복수 개의 돌기들(234)이 이격 배치되고 돌기들(234) 사이의 공간으로 2차 유체가 공급되므로 2차 유체를 균일하게 분할하여 유체가속기(200) 내부로 유입시킬 수 있다.

한편, 외부 몸체(210)의 수용부(214) 내에서 유도통로(227)를 사이에 두고 대면하는 외부 몸체(210)와 내부 몸체(220)의 면을 각각 제1 면과 제2 면이라고 할 때, 상기 제1 면은 수용부(214)의 중심 축에 대해 수직하게 형성되고 상기 제2 면은 적어도 일부분이 배출 안내부(223)를 향하여 굽어진 만곡면(226)을 형성한다. 이 때, 상기 제1 면과 제2 면은 일정한 간극을 유지하면서 중심 축을 향해 내려오다가 상기 제2 면이 먼저 굽어지게 되면서 유입된 2차 유체의 방향을 상기 배출 안내부(223) 쪽으로 유도할 수 있게 된다.

만곡면(226)의 뒤쪽에는 관형상의 배출 안내부(223)가 형성되고, 배출 안내부(223)는 만곡면(226)으로부터 공기의 진행방향(도 5에서 y축 방향)으로 갈수록 내경이 점진적으로 증가한다. 만곡면(226)의 최소 내경은 배출 안내부(223)의 최소 내경과 동일하도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 유입 안내부(212)를 따라 유입된 공기가 배출 안내부(223)를 따라 안정적으로 배출된다.

내부 몸체(220)로 유입되는 2차 유체는 코안다 효과(coanda effect)에 의하여 만곡면(226)을 따라 배출 안내부(223) 쪽으로 유동한다. 코안다 효과란 유체가 자기의 에너지가 가장 덜 소비되는 방향으로 진행하는 것을 말하며, 유체가 흐르는 방향의 앞쪽에 곡관이 나타나면 곡관을 따라 흐르게 된다. 이를 통해서 유체가 진행할 방향을 미리 예측할 수 있다.

이와 같이 유도통로(227)와 배출 안내부(223)가 만나는 부분에 만곡면(226)을 형성하면, 2차 유체를 배출 안내부(223) 쪽으로 용이하게 유도할 수 있다.

본 실시예에 따른 유체가속기(200)는 부식 저항력이 크고 고온에 견딜 수 있는 스테인리스 스틸이나 엔지니어링 플라스틱 등의 내구성이 우수한 재료로 형성된다.

한편, 외부 몸체(210)와 내부 몸체(220)는 억지끼움으로 결합되거나, 외부 몸체(210)에 내부 몸체(220)가 끼워진 상태에서 용접 등으로 고정될 수 있으며, 외부 몸체(210)의 수용부(214) 내주면에 암나사를 형성하고 내부 몸체(220)의 외주면에 나사산을 형성하여 서로 나사결합하는 것도 가능하다.

이러한 구조로 2차 유체는 흡입공(216)과 분배통로(225), 및 유도통로(227)를 통하여 유체가속기(200)의 내부로 유입될 수 있다. 또한, 높은 압력을 갖는 2차 유체가 유체가속기(200) 내부로 유입되면 강한 압력과 빠른 속도로 유동하는 2차 유체로 인해 유도통로(227) 주변의 공기가 2차 유체 진행방향을 따라 함께 유동하게 되고 유도통로(227)의 후방에는 일시적으로 진공 공간(V)이 형성된다. 이러한 진공 공간(V)으로 인하여 도 4에 도시된 바와 같이 유도통로(227) 후방에서 유체가속기(200) 내부로 공기의 유입이 발생하며, 최종적으로 2차 유체와 공기가 혼합된 혼합공기가 강한 압력과 빠른 속도로 토출된다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기압축 시스템을 도시한 구성도이다.

도 7을 참조하여 설명하면, 공기압축 시스템(300)은 필터(301)와 압축기(302), 및 압축기(302)의 공기 흡입구(302a) 측에 연결 설치된 유체가속기(320), 압축기(302)의 압축공기 토출구(302b) 측에 연결 설치된 열교환기(303), 열교환기(303)의 압축공기 토출구(303c) 측에 연결 설치된 칠러(304)와 압축된 공기를 저장하는 용기(305), 및 유체가속기(320)로 압축된 유체를 공급하는 2차 유체 공급관(315)을 포함한다.

필터(301)는 압축기(302)로 유입되는 공기 중에 포함된 불순물을 제거하는 역할을 하며, 일반적으로 공기 중에 불순물을 제거하는 다양한 형태의 필터가 적용될 수 있다. 압축기(302)는 공기가 유입되는 입구와 공기가 배출되는 출구를 갖는 원심식 압축기 또는 왕복동식 압축기로 이루어질 수 있다.

열교환기(303)는 압축기(302)에 형성된 압축공기 토출구(302b)에 연결 설치되므로 압축기(302)에서 배출된 고온의 압축 공기는 열교환기(303)로 유입된다.

열교환기(303)에서 배출된 공기는 칠러(304)로 유입되는 바, 칠러(304)에는 냉각기가 설치되어 압축된 공기를 더욱 냉각시킨다. 칠러(304)에서 배출된 압축 공기는 칠러(304)와 연결 설치된 용기(305)로 공급된다. 용기(305)는 고압의 압축 공기를 저장할 수 있는 탱크로 이루어질 수 있다.

열교환기(303)에 형성된 2차 유체 주입구(303a)에는 압축공기 공급관(314)이 연결 설치되고, 열교환기(303)의 2차 유체 토출구(303b)에는 2차 유체 공급관(315)이 연결 설치된다.

압축공기 공급관(314)의 일단은 열교환기(303)의 2차 유체 주입구(303a)에 연결되고, 타단은 압축공기가 저장된 용기(305)와 연결 설치되어 압축된 공기를 열교환기(303)로 공급한다. 이 때, 압축공기 공급관(314)에는 압력 조정기(310)가 설치되는데, 압력 조정기(310)는 용기(305)와 열교환기(303) 사이의 압력 차이를 조절하는 역할을 한다. 여기서 2차 유체는 용기(305)에 저장된 압축된 공기가 된다.

2차 유체는 열교환기(303) 내부에서 압축된 공기로부터 열을 전달받아 고온 상태로 더욱 높은 압력을 갖는 2차 유체가 된다.

한편, 2차 유체 공급관(315)의 일단은 열교환기(303)의 2차 유체 토출구(303b)에 연결 설치되고, 타단은 유체 가속기(320)에 연결 설치되어 유체가속기(320)로 열교환기(303)에서 가열된 고압의 2차 유체가 유입된다.

이와 같이 본 실시예에 따르면 용기(305)에 저장된 압축 공기를 고온으로 가열한 다음 유체가속기(320)로 공급하여 압축기(302)로 유입되는 공기의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 열교환기(303)를 통해서 압축 공기를 가열하므로 용기(305)에 저장된 공기보다 더욱 큰 압력을 갖는 공기를 유체가속기(320)로 공급하여 압축기(302)의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 보다 낮은 동력으로 압축기를 구동할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유체가속기를 도시한 분해사시도이다.

도 8을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 유체가속기(400)는 압축기의 공기 유입구 측에 설치되어 압축기로 유입되는 공기를 가속시키는 역할을 한다.

본 실시예에 따른 공기압축 시스템은 유체가속기(400)의 구성을 제외하고는 상기한 제1 실시예의 공기압축 시스템과 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 부분에 대한 중복 설명은 생략한다.

유체가속기(400)는 공기의 진행방향으로 갈수록 내부 단면적이 감소하는 유입 안내부(412)와 유입 안내부(412)에 연결되며 흡입공(416)이 형성된 수용부(414)를 포함하는 외부 몸체(410)와 수용부(414)에 삽입되며 외주면을 따라 형성된 단차부(421)와 선단면에 형성된 복수 개의 돌기들(425)을 포함하는 내부 몸체(420)를 포함한다.

외부 몸체(410)는 외부가 원통인 관 구조로 이루어지고, 유입 안내부(412)는 수용부(414) 측으로 갈수록 내면이 안쪽으로 돌출되어 내경이 감소하도록 형성되며, 수용부(414)는 유입 안내부(412)와 연통된 관 구조로 이루어진다.

내부 몸체(420)는 외주에 형성된 단차부(421)와 내부에 형성된 관구조의 배출 안내부(423)를 포함하여 구성된다. 단차부(421)는 수용부(414)와 내부 몸체(420) 사이에 공간을 형성하며, 배출 안내부(423)는 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 증가하도록 형성된다.

한편, 내부 몸체(420)의 선단면(외부 몸체를 향하는 면)에는 복수 개의 돌기들(425)이 원주 방향을 따라 소정 간격으로 이격 형성된다. 이 돌기들(425)은 내부 몸체(420)와 외부 몸체(410)를 이격시켜 돌기들(425) 사이로 통로를 형성하는 역할을 하는데, 이 통로를 통해서 2차 유체가 배출 안내부(423)로 유입된다.

이와 같이 본 실시예에서는 돌기들(425)이 내부 몸체(420)의 선단면에 형성되어 별도의 이격부재를 설치할 필요가 없으며, 따라서 제작 공정이 단순화된다.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 유체가속기(500)를 도시한 분해 사시도이다.

도 9를 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 유체가속기(500)는 압축기의 공기 유입구 측에 설치되어 압축기로 유입되는 공기를 증폭시키는 역할을 한다.

본 실시예에 따른 공기압축 시스템은 유체가속기(500)의 구성을 제외하고는 상기한 제1 실시예의 공기압축 시스템과 동일한 구성으로 이루어지므로 동일한 부분에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 제4 실시예에 따른 유체가속기(500)는 공기의 진행방향으로 갈수록 내부 단면적이 감소하는 유입 안내부(512)와 유입 안내부(512)에 연결되며 흡입공(516)이 형성된 수용부(514)를 포함하는 외부 몸체(510)와 수용부(514)에 삽입되며 전단에 형성된 단차부(521)와 유입 안내부(512)와 연통된 배출 안내부(523)를 포함하는 내부 몸체(520)를 포함한다.

외부 몸체(510)는 외부가 원통인 관 구조로 이루어지고, 유입 안내부(512)는 수용부(514) 쪽으로 갈수록 내면이 안쪽으로 돌출되어 내부 단면적이 감소하도록 형성된다. 또한, 유입 안내부(512)는 호상의 단면을 가지며 공기를 내부로 유도하는 안내면(512a)과 안내면(512a)을 수용부(514)와 연결하며 수용부(514)에 대하여 수직으로 형성된 지지면(512b)을 포함하여 구성된다.

지지면(512b)은 내부 몸체(520)가 수용부(514)에 끼워질 때, 내부 몸체(520)의 선단과 맞닿는 면인데, 이 지지면(512b)에는 복수 개의 돌기들(515)이 형성되어 있다. 돌기들(515)은 수용부(514)의 내주를 따라 소정 간격으로 이격 형성된다.

따라서 내부 몸체(520)가 수용부(514)에 삽입되면, 내부 몸체(520)와 지지면(512b) 사이에는 돌기(515) 사이의 이격 공간으로 인하여 통로가 형성되며, 이 통로를 통해서 2차 유체가 배출 안내부(523)로 유입된다.

이와 같이 본 실시예에서는 돌기들(515)이 외부 몸체(510)의 지지면(512b)에 형성되어 별도의 이격부재를 설치할 필요가 없으며, 따라서 제작 공정이 단순화된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및, 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한, 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 300: 공기압축 시스템 101, 301: 필터
102, 302: 압축기 102a: 임펠러
103, 303: 열교환기 104, 304: 칠러
105, 305: 용기 112: 수조
113: 펌프 115, 315: 2차 유체 공급관
117: 물 공급관 120, 320: 유체가속기
121: 유입 안내부 123: 배출 안내부
125: 볼록부 126: 유도통로
127: 흡입공 128: 분배통로
129: 증폭부 200, 400, 500: 유체가속기
210, 410, 510: 외부 몸체 212: 유입 안내부
212a: 내주면 212b: 지지면
214: 수용부 216: 흡입공
220, 420, 520: 내부 몸체 221: 단차부
223: 배출 안내부 225: 분배통로
226: 만곡면 227: 유도통로
230: 이격부재 232: 지지대
234: 돌기

Claims

공기를 압축하여 공급하는 압축기;
상기 압축기의 공기 흡입구에 연결 설치되어 상기 압축기로 흡입되는 공기를 가속시키는 유체가속기; 및
압축기로 흡입되는 공기보다 더 높은 압력을 갖는 2차 유체를 상기 유체가속기로 공급하는 2차 유체 공급관;
을 포함하고,
상기 유체가속기는 관형상으로 이루어지며, 내주면에서 중심을 향하여 만곡된 볼록부와 상기 2차 유체 공급관과 상기 볼록부의 내부를 연통시키는 통로를 갖는 증폭부를 포함하며,
상기 압축기에 형성된 압축공기 토출구에 연결 설치되어 토출되는 압축 공기와 상기 2차 유체 사이의 열교환을 유도하는 열교환기를 더 포함하는 공기압축 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 유체가속기로 공급되는 상기 2차 유체는 압축된 공기 또는 스팀(steam)인 것을 특징으로 하는 공기압축 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 2차 유체 공급관은 상기 열교환기에 형성된 2차 유체 토출구에 연결 설치되어 상기 2차 유체 토출구에서 토출되는 상기 2차 유체를 상기 유체가속기로 공급하는 것을 특징으로 하는 공기압축 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기에 형성된 압축공기 배출구에 연결 설치되어 배출되는 압축 공기를 냉각하는 칠러(chiller)를 더 포함하는 공기압축 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 칠러(chiller)에서 배출된 압축 공기를 저장하는 저장탱크를 더 포함하고, 상기 저장탱크와 상기 열교환기에 형성된 2차 유체 주입구를 연결하는 압축공기 공급관을 더 포함하는 공기압축 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 압축공기 공급관에는 압력 조정기가 설치된 공기압축 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기에 형성된 상기 2차 유체 주입구에 연결 설치되어 상기 2차 유체 주입구로 물을 공급하는 물 공급관을 더 포함하는 공기압축 시스템
제 8 항에 있어서,
상기 열교환기에 형성된 압축공기 배출구에 연결 설치되어 배출되는 압축 공기를 냉각하는 칠러(chiller)를 더 포함하고,
상기 물 공급관은 일단이 상기 2차 유체 주입구에 연결 되고 타단이 물이 저장된 수조에 연결 설치되며, 상기 수조에는 상기 칠러(chiller)에서 응축된 물을 상기 수조로 공급하는 물 회수관이 연결 설치된 공기압축 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 물 공급관에는 상기 수조에 저장된 물을 흡입하여 상기 2차 유체 주입구로 공급하는 펌프가 설치된 공기압축 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 볼록부는 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 감소하는 유입 안내부와 상기 유입 안내부와 이격되어 설치되며 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 증가하도록 설치된 배출 안내부를 포함하는 공기압축 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 증폭부는,
상기 2차 유체 공급관과 연결되어 고압의 2차 유체를 유입시키는 흡입공;
상기 흡입공에 연결되며 상기 볼록부의 둘레 방향으로 이어져 형성된 분배통로; 및
상기 분배 통로와 상기 볼록부의 내부를 연결하는 유도통로
를 포함하는 공기압축 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 유도통로에는 복수 개의 흡입통로를 형성하는 복수 개의 돌기들이 구비된 공기압축 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 복수 개의 돌기는 상기 유도통로의 상기 유입 안내부 면을 따라 서로 이격 배치된 공기압축 시스템
제 13 항에 있어서,
상기 볼록부는 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 감소하는 유입 안내부와 상기 유입 안내부와 이격되어 설치되며 공기의 진행방향으로 갈수록 내경이 증가하도록 설치된 배출 안내부를 포함하며,
상기 복수 개의 돌기는 상기 유도통로의 상기 배출 안내부 면을 따라 서로 이격 배치된 공기압축 시스템
제 13 항에 있어서,
상기 복수 개의 돌기는 상기 유체가속기의 중심을 향하는 방향에 대하여 상기 압축기에 설치된 임펠러가 회전하는 방향으로 기울어지도록 형성된 공기압축 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 유체가속기는,
상기 공기 유입을 유도하는 관형상의 유입 안내부와 상기 유입 안내부에 연결된 관형상의 수용부, 및 상기 2차 유체 공급관과 연결되어 고압의 2차 유체를 유입시키는 흡입공을 포함하는 외부 몸체;
상기 수용부에 삽입되며, 외주면에 상기 수용부의 내경보다 작은 외경을 갖도록 형성된 단차부를 포함하여 상기 볼록부의 둘레 방향으로 이어져 형성된 분배통로를 형성하고, 상기 외부 몸체와의 사이에 축방향의 간극을 형성하여 상기 분배 통로와 상기 볼록부의 내부를 연결하는 유도통로를 형성하는 관형상의 내부 몸체;
를 포함하는 공기압축 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 외부 몸체와 상기 내부 몸체 사이에 형성되는 축방향 간극에는 복수 개의 돌기들이 구비되어 복수 개의 유도통로를 형성하는 공기압축 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 복수개의 유도통로는 상기 수용부의 내주를 따라 서로 이격 배치된 공기압축 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 복수 개의 돌기는 상기 유체가속기의 중심을 향하는 방향에 대하여 상기 압축기에 설치된 임펠러가 회전하는 방향으로 기울어지도록 형성된 공기압축 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 돌기는 외부 몸체에 형성된 공기압축 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 돌기는 내부 몸체의 선단면에 형성된 공기압축 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 돌기는 별개의 링 형상의 이격부재의 내주면으로부터 돌출되어 형성되는 공기압축 시스템.