KR101275606B1 - 펌프와 압축기의 효율 개선 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펌프와 압축기에 있어 흡입과정과 압축과정의 피스톤 이동 속도를 변화시켜 흡입효율과 압축효율을 개선한 부등속 회전 전달장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로써, 실린더 속의 피스톤, 버킷 등의 왕복운동으로 액체를 수송하는 왕복펌프나 피스톤의 왕복운동에 의해서 기체를 압축하는 왕복압축기는 일반적으로 실린더 헤드, 흡입구, 배출구, 흡입밸브, 배출밸브, 실린더 내벽에 밀착되어 왕복 직선운동을 하는 피스톤과 상기 피스톤에 연결되어진 커넥팅 로드, 상기 로드에 체결되어 피스톤의 직선운동이 회전운동으로 변화되는 크랭크축으로 이루어지며, 상기와 같은 압축기 또는 펌프의 실린더에 있어서, 압축기나 펌프를 구동시키기 위한 구동장치의 구동축이 크랭크축과 어긋나 있는 상태에서 그 사이를 구동 로드로 연결시키고 이와 같은 구동 로드를 길이 가변형이나 이중 링크 형태로 구비하여 구동장치에서 발생되는 동력을 구동 로드에서 전달받아 크랭크축을 회전시키는데 있어 실린더의 압축과 흡입시에 동일한 회전 반경을 갖는 크랭크축에 비해 구동 로드의 회전 반경은 압축시의 회전 반경은 크게 하고 흡입시의 회전 반경은 작게 함으로써, 압축시의 최대 토크를 줄여주어 결과적으로 적은 용량의 구동기구로도 소정의 결과를 얻을 수 있도록 하여 전체적인 효율을 개선한 펌프와 압축기에 사용되어지는 부등속 회전 전달장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

펌프와 압축기의 효율 개선 방법 및 그 장치{The ununiform rotary transmission and control method which is using the pump and compressor}

본 발명은 압축기나 펌프의 효율을 개선하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 구동모터나 터빈 등에 의해 작동되는 실린더는 왕복기관의 특성상 흡입->압축->폭발->배기의 순서를 거치게 되는데, 피스톤이 상사점과 하사점으로 이동시에 동일한 위치에 있는 크랭크 축과 구동축은 그 회전각도는 180도로 일정하지만 그에 비해 구동장치에 걸리는 부하는 흡입보다 압축시에 최대 토크치가 높기 때문에 전체적으로는 동일하지 않지 않으며 이와 같은 최대 토크를 충족시키기 위해서는 고용량의 동력기구가 필요하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 압축기나 펌프를 구동시키기 위한 구동장치의 구동축이 크랭크축과 어긋나 있는 상태에서 그 사이를 구동 로드로 연결시키고 이와 같은 구동 로드를 길이 가변형이나 이중 링크 형태로 구비하여 구동장치에 의해 전달되는 동력을 구동 로드에서 받아 크랭크를 회전하는데 있어 실린더의 압축과 흡입시에 동일한 회전 반경을 갖는 종래의 크랭크축에 비해 본 발명은 크랭크 축과 구동축의 위치를 달리하여 구동축을 압축시에는 회전 반경이 크게 하고 흡입시에는 회전 반경을 작게 함으로써, 종래보다 압축시의 최대 토크를 줄여주어 적은 용량의 구동장치로도 동일한 작업을 무리 없이 가능케 하여 전체적인 효율을 개선하는 것을 그 목적으로 한다.

펌프와 압축기에 사용되어지는 실린더 구조에 있어서;

구동장치의 구동축과 링크되어진 로드의 회전반경이 피스톤이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 흡입행정시에는 작아지고(로드의 회전반경이 작아진다는 것은 구동축의 회전각이 180°보다 좁아지는 것을 의미한다), 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 압축행정시에는 넓어지도록 구동축의 위치를 크랭크축의 중심과 달리하고 상기 크랭크 축과 구동축을 별도의 로드로 링크 시키는 것을 특징으로 하는 펌프와 압축기의 효율 개선 방법.

본 발명은 구동장치의 구동 축을 크랭크축의 위치와 달리하여 가변적으로 회전하도록 구성함으로써, 펌프나 압축기의 효율과 동작 특성을 개선하고, 압축시 최대 토크는 줄고 흡입시 최대 토크는 약간 증가하여 회전운동의 특성이 좋아지며, 압축기나 펌프의 구동기구의 용량을 줄여 압축기나 펌프의 효율개선에 최적화를 제공하는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 기술하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 응용이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 응용이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

제 1도는 본 발명에 의한 부등속 회전 전달장치의 구조를 보인 예시도.
제 2a도는 가변로드를 이용하여 본 발명의 실시예를 보인 측단면 예시도.
제 2b도는 가변로드를 이용하여 본 발명의 실시예를 보인 정단면 예시도.
제 2c도는 가변로드를 이용하여 본 발명의 실시예를 보인 평단면 예시도.
제 3도는 1사이클시 이중 링크로 구성된 구동 로드의 변화를 도시한 예시도.
제 4a도는 가변로드로 구성되어진 4행정 사이클기관의 적용실시 정단면도.
제 4b도는 가변로드로 구성되어진 4행정 사이클기관의 적용실시 평단면도.
제 5a도는 본 발명에 의한 실린더의 압축과정시의 회전각을 보인 참고도.
제 5b도는 본 발명에 의한 실린더의 흡입과정시의 회전각을 보인 참고도.
제 6a도는 종래의 등속 압축기에 의한 회전각과 최대토크의 변화량 그래프.
제 6b도는 본 발명에 의한 부등속 압축기의 회전각과 최대토크의 변화량 그래프

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 펌프와 압축기에 사용되어지는 펌프와 압축기의 효율 개선 방법 및 그 장치는 일정하게 회전하는 동력축의 회전 운동으로 펌프와 압축기를 가동하는 방법에 있어, 구동장치에서 필요로 하는 최대토크를 감소시키기 위한 가변 링크 로드(7)나, 이중 링크 로드(4)를 통하여 실린더 내의 피스톤이 상사점으로부터 하사점으로 상하 왕복 운동 하는데에 따라 회전하는 크랭크의 회전 반경이 180°로 동일한 등속회전이 아닌 상하 왕복운동의 운동거리에 회전운동의 회전반경이 비례하지 않는 부등속 회전비 전달장치를 구비하는 것을 그 특징으로 한다.

이는 흡입행정 혹은 폭발행정 과정의 피스톤 이동 속도를 압축행정 혹은 배출행정 과정의 속도와 달리하여, 최대 토크를 낮추거나 동작상태를 조절하도록 하는 것으로, 일반적으로 활용되는 종래의 일정하게 회전하는 등속 회전축 운동은

시간의 경과에 따른 체적의 변화 그래프인 [표 1] 에서와 같이 일정한 파형을 이루며, 본 발명에 의한 부등속비 회전전달 기구를 사용하여 이루어지는 부등속 회전 방식에 의해서는 시간에 경과, 즉 회전운동이 [표 2]와 같이 왜곡된다.

여기에서 부등속비 회전 전달기구라는 것은 부등속 회전을 가능케 하는 기구를 말하는 것이며, 등속회전인 종래의 피스톤의 상하왕복운동의 운동거리와 일치하는 크랭크 회전운동의 운동반경에 비해, 부등속 회전은 피스톤이 상사점 위치에서 하사점으로 이동하는 운동과, 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 운동에 있어 전자의 운동시에 구동축에 걸리는 회전반경과 후자의 운동시에 구동축에 걸리는 회전반경이 서로 일치하지 않는 것을 의미하는 것이다.

이러한 부등속 회전에 의한 부등속 회전비를 갖는 로드를 이용하여 회전력에 따른 압축시간과 팽창시간 또는 압축속도와 팽창속도를 다르게 함으로써, 효율을 개선하거나 동작 특성을 바꿀 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의해 보다 상세히 설명하기로 한다.

일반적인 피스톤(6) 펌프는 유체를 흡입한 후, 흡입 밸브를 닫고 다시 유체를 압축하여 배출밸브를 통해 배출하는데 이때 펌프나 압축기는 회전속도가 일정하여 구동기구나 펌프를 작동시킬 때 흡입행정 시간과 압축행정 시간이 같을 것이다.

그러나 펌프에서 흡입시의 유체 압력은 압축시의 유체 압력에 비해 훨씬 낮으므로 실질적으로 최대 토크 값은 압축행정에서 발생되며, 이로써 압축기를 동작시키기 위해서는 이 압축기가 필요로 하는 최대 토크(Tmax)를 충족시킬 수 있는 부하를 갖는 동력기구를 필요로 하며, 이는 결과적으로 압축기에 사용되는 구동장치의 크기나 용량이 필요 이상으로 대형화되어야 한다는 것으로, 이는 곧 효율의 저하를 유발하게 되는 것이다.

제 6a도는 종래의 등속 압축기에 의한 회전각과 최대토크의 변화량 그래프로써, 도면에서 보는 바와 같이 실제 압축기가 동작할 때 필요로 하는 최대 토크는 1사이클 중에 아주 짧은 순간에 불과한 것이므로 이와 같이 순간적으로 발생되는 최대토크를 낮추기 위해서 본 발명에 의한 부등속 압축기의 회전각과 최대토크의 변화량 그래프를 보여주고 있는 제 6b도에서와 같이 저항이 큰 압축행정에서 동력축은 180도(π)보다 많이 회전하도록 하고, 저항이 작은 흡입과정에서는 동력축이 180도보다 작게 회전하게 하여 화살표처럼 흡입시의 토크는 조금 상승하는 반면 압축시의 최대토크(Tmax)는 줄어들어 1사이클당 똑같은 유체를 운반하는데 있어 보다 작은 토크의 구동기구를 사용해도 되기 때문에 결과적으로 효율증대의 효과가 있다.

이상의 내용을 식으로 정리하면 다음과 같다.

일(W)과 토크(T) 및 축의 회전각(θ)은 다음과 같은 관계가 있다.

상기의 [수학식 1]에서와 같이 제 6a도와 제 6b도가 똑같은 일(W)을 함에 있어 회전각(θ)을 크게 하면 토크(T)는 줄어들고 회전각(θ)을 작게 하면 토크(T)는 증가한다는 것을 알 수 있는 것이다.

따라서 부등속으로 회전함으로써, 전달되는 로드를 이용하여 펌프나 압축기의 압축행정기관의 회전각은 늘리고 흡입행정기관의 회전각은 줄임으로써 제 6a도와 동일한 일(하나의 크고 작은 반원의 합이 1사이클당일)을 할 때 제 6b도는 압축시 최대 토크는 줄고, 흡입시 최대 토크는 약간 증가하여 회전운동의 특성이 좋아지며, 이는 결과적으로 압축기나 펌프의 구동기구의 용량을 줄이는 결과가 되어 압축기나 펌프의 효율개선의 여지와 가격 개선의 결과를 가져오게 되는 것이다.

제 5a도는 본 발명에 의한 실린더(1)의 압축과정시의 회전각을 보인 참고도로써, 도면에서 보는바와 같이 압축과정시의 하사점에서 상사점으로 피스톤(6)의 왕복운동에 의해 커넥팅 로드(2)가 이동함에 따라 크랭크축(5)은 180도를 회전하게 되고 이때, 구동축(3)에 걸리는 가변 링크 로드(7)는 하사점의 위치로부터 상사점의 위치에 도달할 때까지의 회전각도가

"

"와 같이 회전하게되며, 반대로 본 발명에 의한 실린더(1)의 흡입과정시의 회전각을 보인 참고도인 제 5b도를 보면 상사점에서 하사점으로 피스톤(6)이 이동함에 따라 크랭크축(5)은 역시 180도를 회전하게 되나 이때, 구동축(3)에 걸리는 가변 링크 로드(7)는 상사점의 위치로부터 하사점의 위치에 도달할 때까지의 회전각도가

"

"와 같이 되어지므로써, 상기의 [수학식 1]에서와 같이 구동장치에 걸리는 최대토크를 낮출 수 있게 되는 것이다.

제 4a도는 가변로드로 구성되어진 4행정 사이클기관의 적용실시 정단면도이며, 제 4b도는 가변로드로 구성되어진 4행정 사이클기관의 적용실시 평단면도로써, 본 발명에 의한 펌프와 압축기에 사용되어지는 부등속 회전 전달 방법 및 그 장치는 4행정 사이클 기관에 응용이 가능하며, 이때의 폭발 순서는 도면에서 보는바와 같이 ① -> ③ -> ② -> ④ 의 순서로 폭발하는 것으로 종래의 4행정 기관과 동일한 특성을 살릴 수 있는 것이다.

본 발명은 구동장치의 구동축과 링크되어진 로드의 회전반경이 피스톤이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 흡입행정시에는 작은 각으로, 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 압축행정시에는 넓은 각으로 회전하기 위하여 크랭크축의 중심과 위치를 달리하고 형성되는 구동축과, 상기 구동축에 링크되어진 가변 링크 로드(7)와 가변 링크 로드(7)의 내부에 원형의 통공을 형성하고, 가변 링크 로드(7)의 회전시에 통공내부로 삽입 내지 삽탈되어지는 작은 원통으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한 상기의 실시예로 기재되어진 가변 링크 로드(7)와 같은, 회전비를 부등속으로 전달하여 주는 장치는 가변 링크 로드(7) 외에도 편심기어나, 타원기어, 풀리 등을 사용하는 것이 가능하고 이중 링크 로드(4)로도 구성되어질 수 있으며, 이는 1사이클시 이중 링크 로드(4)로 구성된 구동 로드의 변화를 도시한 예시도인 제 3도에서 보는바와 같으며, 가변 링크 로드(7)로 구성되어 피스톤(6)의 직선 왕복운동에 따른 크랭크축(5)의 회전운동시 구동축(3)과 크랭크 축 사이에 연결된 링크의 길이가 가변적으로 변화하는 가변 링크 로드(7)의 구조는 가변로드를 이용하여 본 발명의 실시예를 보인 측단면 예시도인 제 2a도와 가변로드를 이용하여 본 발명의 실시예를 보인 정단면 예시도인 제 2b도 및 가변로드를 이용하여 본 발명의 실시예를 보인 평단면 예시도인 제 2c도에서와 같다.

1. 실린더 2. 커넥팅 로드 3. 구동 축
4. 이중 링크 로드 5. 크랭크 축 6. 피스톤
7. 가변 링크 로드

Claims (3)

1. 펌프와 압축기에 사용되어지는 실린더 구조에 있어서;
   구동장치의 구동축과 링크되어진 로드의 회전반경이 피스톤이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 흡입행정시에는 작아지고(로드의 회전반경이 작아진다는 것은 구동축의 회전각이 180°보다 좁아지는 것을 의미한다), 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 압축행정시에는 넓어지도록 구동축의 위치를 크랭크축의 중심과 달리하고 상기 크랭크 축과 구동축을 별도의 로드로 링크 시키는 것을 특징으로 하는 펌프와 압축기의 효율 개선 방법.
2. 펌프와 압축기에 사용되어지는 실린더 구조에 있어서;
   구동장치의 구동축과 링크되어진 로드의 회전반경이 피스톤이 상사점으로부터 하사점으로 이동하는 흡입행정시에는 작은 각으로, 하사점으로부터 상사점으로 이동하는 압축행정시에는 넓은 각으로 회전하기 위하여 크랭크축의 중심과 위치를 달리하고 형성되는 구동축과; 상기 구동축에 링크되어진 가변 링크 로드와; 상기 가변 링크 로드의 내부에 원형의 통공을 형성하고, 가변 링크 로드의 회전시에 통공내부로 삽입 내지 삽탈되어지는 작은 원통으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펌프와 압축기에 사용되어지는 펌프와 압축기의 효율 개선 장치.
3. 제 2 항에 있어서;
   구동축에 링크되어진 가변 링크 로드 대신 이중 링크 로드가 사용되어지는 것을 특징으로 하는 펌프와 압축기의 효율 개선 장치.

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