KR101292410B1 - 공기 압축/팽창기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 압축/팽창기에 관한 것이다. 본 발명에서는 케이싱(100)이 외관과 골격을 형성하고, 상기 케이싱(100)의 내부의 공간부(112)에 설치된 로터(122,124)가 구동축(120)과 종동축(120')에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 공기를 압축하고 팽창시킨다. 상기 구동축(120)에는 구동원측과 상기 로터(122) 등의 부하측의 사이에 커플링(140)이 설치된다. 상기 커플링(140)은 상기 구동원의 구동력을 상기 부하측으로 전달하고 구동원측에서 전달되는 외력이나 진동은 차단하는 역할을 하게 된다. 상기 커플링(140)은 상기 구동축(120)과 종동축(120')의 연동을 위한 구동기어(121)와 종동기어(121')가 설치되는 기어박스(119) 내부의 기어쳄버(119')에 위치되는데, 상기 커플링(140)의 설치를 위해 상기 기어박스(119)의 일측에는 돌출부(119")가 돌출되게 형성되고, 상기 돌출부(119")의 내부에서 상기 구동축(120)은 적어도 2개 이상의 베어링(134)에 의해 지지된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 공기 압축/팽창기의 효율이 높아지고 내구성이 좋아지는 이점이 있다.
에어사이클, 공기 압축기, 공기 팽창기, 커플링

Description

공기 압축/팽창기{Air compressor and expander}
도 1은 종래 기술에 의한 공기 압축기의 구성을 보인 개략사시도.
도 2는 종래 기술에 의한 공기 압축기의 내부 구성을 보인 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 공기 압축기의 바람직한 실시예의 구성을 보인 단면도.
도 4는 본 발명 실시예를 구성하는 커플링을 보인 사시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 케이싱 112: 공간부
118: 제1엔드커버 118': 제2엔드커버
119: 기어박스 119': 기어쳄버
119": 돌출부 120: 구동축
120': 종동축 121: 구동기어
122: 제1로터 124: 제2로터
125: 나선형산 126: 나선형골
128: 부싱 130,132,134: 베어링
136: 오일실 138: 너트
140: 커플링 142: 슬릿
144: 연결공 146: 고정부재
본 발명은 공기 압축/팽창기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기조화를 위한 에어사이클에서 공기를 압축하거나 팽창시키는데 사용되는 공기 압축/팽창기에 관한 것이다.
지구온난화 및 환경문제의 대두로 냉동사이클에 사용되던 작동유체인 냉매(R134a)를 대체하기 위해 이 분야의 연구자들이 많은 노력을 기울이고 있다. 그런 노력 가운데 하나가 환경친화적이고, 안전하며 효율이 높은 시스템을 개발하는 것이다. 이런 시스템의 일 예로서, 역-브레이턴(Bryton)사이클이라 불리우는 에어사이클이 있다. 에어사이클은 공기를 작동유체로 사용하는 시스템이며, 가스동력사이클로서 최초로 개발된 브레이턴 사이클을 역으로 가동하여 냉동효과를 얻는 것이다.
이와 같은 에어사이클의 효율은 그 구성요소인 공기 압축기와 공기 팽창기의 효율에 크게 의존한다. 상기 공기 압축기와 공기 팽창기는 동일한 구성을 가지며 단지 그 동작방향을 반대로 함에 의해 공기를 압축하거나 팽창시키게 된다. 따라서, 본 명세서에서는 공기 압축기를 기초로 설명을 하기로 한다.
도 1 및 도 2에는 일반적인 공기 압축기의 구성이 개시되어 있다. 이에 따르면, 케이싱(10)이 외관과 골격을 형성한다. 상기 케이싱(10)은 대략 횡단면이 타원 형인 통형상이다. 상기 케이싱(10)의 내부에는 공간부(12)가 형성된다. 상기 공간부(12)와 외부를 연통하기 위한 흡입구(14)와 토출구(도시되지 않음)가 상기 케이싱(10)의 양측 표면에 각각 형성된다. 공기 압축기에서 상기 흡입구(14)는 토출구에 비해 상대적으로 크기가 크다. 상기 케이싱(10)의 외면에는 다수개의 장착러그(16)가 돌출되어 형성된다. 상기 장착러그(16)는 압축기를 원하는 위치에 장착하기 위한 것이다.
상기 케이싱(10)의 일측면은 제1엔드커버(18)에 의해 차폐되고, 타측면은 제2엔드커버(18')에 의해 차폐된다. 상기 제1 및 제2 엔드커버(18,18')는 각각 케이싱(10)의 양단에 체결되어 상기 공간부(12)를 형성한다.
상기 제2엔드커버(18')에는 기어박스(19)가 장착된다. 상기 기어박스(19)의 내부에는 기어쳄버(19')가 형성된다. 상기 기어쳄버(19')는 상기 기어박스(19)와 상기 제2엔드커버(18')가 협력하여 형성한다. 상기 기어쳄버(19')의 내부에는 오일이 채워진다.
상기 케이싱(10)과 제1,2엔드커버(18,18') 및 기어박스(19)를 관통하여서는 구동축(20)이 설치된다. 상기 구동축(20)의 일단부는 상기 기어박스(19)를 관통하여 외부로 돌출된다. 이와 같이 기어박스(19)의 외부로 돌출된 구동축(20)에는 외부의 구동력을 전달받는 풀리(도시되지 않음)가 설치된다.
상기 구동축(20)과 나란히 상기 케이싱(10)과 제1 및 제2엔드커버(18,18')를 관통하여서는 종동축(20')이 설치된다. 상기 종동축(20')은 상기 구동축(20)으로 부터 동력을 전달받는다. 이를 위해 상기 구동축(20)에는 구동기어(21)가 설치되 고, 상기 종동축(20')에는 종동기어(21')가 설치된다. 상기 구동기어(21)와 종동기어(21')는 서로 맞물려 상기 구동축(20)의 회전력을 상기 종동축(20')으로 전달한다.
상기 구동축(20) 및 종동축(20')에는 각각 상기 공간부(12)에 해당되는 위치에 제1 및 제2 로터(22,24)가 설치된다. 상기 제1 및 제2로터(22,24)는 각각 외면에 나선형산(25)과 나선형골(26)이 형성되어 구성되는 것으로, 예를 들어 상기 제1로터(22)의 나선형산(25)이 상기 제2로터(24)의 나선형골(26)에 위치되도록 구성된다. 이들 로터(22,24)의 나선형산(25)의 사이에 형성되는 공간은 로터(22,24)의 회전 정도에 따라 점차 작아지다가 다시 커지는 과정을 반복하도록 되어 있어 공기의 압축이 반복적으로 수행된다.
상기 구동축(20)과 종동축(20')은 상기 제1엔드커버(18), 제2엔드커버(18') 및 기어박스(19)에 각각 설치된 베어링(30,32,34)에 회전가능하게 지지된다. 도면중 미설명 부호 28은 부싱이고, 36은 오일실이며, 38은 너트이다.
이와 같은 구성을 가지는 공기 압축기에서는 외부의 구동원에 의해 상기 구동축(20)이 회전되면, 상기 구동축(20)의 구동기어(21)와 종동축(20')의 종동기어(21')가 맞물려 회전되면서 상기 구동축(20)과 종동축(20')이 서로 반대방향으로 회전된다.
상기 구동축(20)과 종동축(20')의 회전에 의해 상기 로터(22,24)가 회전하고, 상기 로터(22,24)의 회전에 의해 상기 로터(22,24)의 나선형산(25)사이에서 상기 흡입구(14)를 통해 들어온 공기가 압축되어, 토출구를 통해 배출된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
에어사이클에서는 작동유체로 사용되는 공기가 공기조화를 위한 공간에 직접 전달되도록 되어 있다. 즉, 공기가 에어사이클을 구성하는 공기 압축기와 공기 팽창기 내부를 통과하고 공기조화를 위한 공간도 통과한다. 따라서, 상기 공기에는 공기조화를 위한 공간에 있는 사람 등의 건강을 위해 오일이나 이물질 등이 섞이지 않아야 한다.
이와 같은 에어사이클의 특성상 상기 공기 압축기와 공기 팽창기의 로터(22,24)는 서로 접촉되지 않고 회전하도록 설계된다. 물론, 상기 로터(22,24)는 상기 공간부(12)의 내벽에도 접촉하지 않도록 설계된다. 이를 위해 상기 구동축(20)과 종동축(20')을 다수개의 베어링(30,32,34)을 사용하여 지지한다.
하지만, 상기 구동축(20)중에서 상기 기어박스(19)의 외부로 돌출된 부분에는 외부로부터 전달되는 구동력을 전달받기 위한 풀리가 설치되는데, 상기 풀리에는 상기 구동축(20)의 길이방향에 수직한 방향으로 외력이 작용하고 벨트의 구동에 따른 진동이 전달된다.
따라서, 상기 구동축(20)이 비록 베어링(30,32,34)에 의해 지지되어 있기는 하지만, 상기 풀리 측에 작용하는 외력과 진동에 의해 그 지지상태가 틀어져 상기 공간부(12) 내부에서 회전하는 로터(22)가 설계된 대로의 궤적을 따라 회전하지 못해 상대 로터(24)나 공간부(12)의 내벽에 접촉하게 된다.
이와 같이 로터(24)가 주변 부품과 접촉하게 되면 마모가 발생하여 공간부(12) 내부의 온도가 높아지고 마모에 의해 발생한 이물이 저압측 공간에 쌓여 고 착되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구동원측에서부터 전달되는 외력이나 진동이 부하측으로 전달되는 것을 차단하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 공간부가 형성되는 케이싱; 상기 케이싱의 일단부에 설치되는 기어박스; 상기 케이싱과 기어박스를 관통하여 설치되고 구동원측으로부터 동력을 전달받는 구동축; 상기 구동축으로부터 상기 기어박스의 내부에서 구동기어와 종동기어를 통해 동력을 전달받고 상기 케이싱과 기어박스를 관통하여 설치되는 종동축; 상기 케이싱 내부의 공간부에 위치되게 상기 구동축과 종동축에 설치되어 서로 반대방향으로 회전하면서 공기의 압축과 팽창을 수행하는 제1 및 제2로터;를 포함하는 공기 압축/팽창기에 있어서, 상기 기어박스의 구동기어와 구동원측 사이의 상기 구동축에는 구동원측으로부터 전달되는 진동을 흡수하는 커플링이 설치된다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면 공기 압축기나 공기 팽창기에서 구동원과 로터의 사이에 해당되는 구동축에 커플링이 설치되어 구동원측으로부터 전달되는 불필요한 외력이나 진동이 로터측으로 전달되는 것을 차단하므로 로터의 회전이 보다 정확하게 이루어져 압축기의 효율이 높아지고 마모가 발생하지 않게 되어 압축기의 성능 및 내구성이 좋아지는 이점이 있다.
이하 본 발명에 의한 공기 압축/팽창기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3에는 본 발명에 의한 공기 압축기의 바람직한 실시예가 단면도로 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명 실시예를 구성하는 커플링의 구성이 사시도로 도시되어 있다.
이에 따르면, 케이싱(100)이 압축기의 외관과 골격을 형성한다. 상기 케이싱(100)은 대략 횡단면이 타원형인 통형상이다. 상기 케이싱(100)의 내부에는 공간부(112)가 형성된다. 상기 공간부(112)와 외부를 연통하기 위한 흡입구(도 1의 14 참고)와 토출구(도시되지 않음)가 상기 케이싱(100)의 양측 표면으로 개구되게 각각 형성된다. 공기 압축기에서 상기 흡입구는 토출구에 비해 상대적으로 크기가 크다. 상기 케이싱(100)의 외면에는 다수개의 장착러그(116)가 돌출되어 형성된다. 상기 장착러그(116)는 압축기를 원하는 위치에 장착하기 위한 것이다.
상기 케이싱(100)의 일측면은 제1엔드커버(118)에 의해 차폐되고, 타측면은 제2엔드커버(118')에 의해 차폐된다. 상기 제1 및 제2 엔드커버(118,118')는 각각 케이싱(100)의 양단에 체결되어 상기 공간부(112)를 형성한다. 상기 공간부(112)에서는 공기 압축기의 경우 압축과정이 일어나고, 공기 팽창기의 경우 팽창과정이 일어난다.
상기 제2엔드커버(118')에는 기어박스(119)가 장착된다. 상기 기어박스(119)의 내부에는 기어쳄버(119')가 형성된다. 상기 기어쳄버(119')는 상기 기어박 스(119)와 상기 제2엔드커버(118')가 협력하여 형성한다. 상기 기어쳄버(119')의 내부에는 오일이 채워진다.
한편, 상기 기어박스(119)의 일측에는 돌출부(119")가 돌출되어 형성된다. 상기 돌출부(119")는 대략 원통형상으로 상기 기어박스(119)의 일면에 돌출된다. 상기 돌출부(119")의 내부도 기어쳄버(119')를 형성하여 내부에 오일이 채워진다.
상기 케이싱(100)과 제1,2엔드커버(118,118') 및 기어박스(119)를 관통하여서는 구동축(120)이 설치된다. 상기 구동축(120)의 일단부는 상기 기어박스(119)를 관통하여 외부로 돌출된다. 보다 자세하게는 상기 구동축(120)은 상기 돌출부(119")를 길이방향으로 관통하게 설치되어, 상기 돌출부(119")의 일측을 관통하여 외부로 돌출된다. 이와 같이 기어박스(119)의 외부로 돌출된 구동축(120)에는 외부의 구동력(예를 들면 구동모터의 구동력)을 전달받는 풀리(도시되지 않음)가 설치된다. 상기 구동축(120)은 팽창기의 구동축과 연결될 수도 있다. 이는 팽창기에서의 팽창과정에서 얻어지는 동력을 사용하여 압축기에서 사용하기 위함이다. 이와 같이 하면 팽창기의 동력으로 압축기의 압축일을 도울 수 있어 압축기의 소모동력을 감소시킬 수 있다.
상기 구동축(120)과 나란히 상기 케이싱(100)과 제1 및 제2엔드커버(118,118')를 관통하여서는 종동축(120')이 설치된다. 상기 종동축(120')은 상기 구동축(120)으로 부터 동력을 전달받는다. 이를 위해 상기 구동축(120)에는 구동기어(121)가 설치되고, 상기 종동축(120')에는 종동기어(121')가 설치된다. 상기 구동기어(121)와 종동기어(121')는 서로 맞물려 상기 구동축(120)의 회전력을 상기 종동축(120')으로 전달한다.
상기 구동축(120) 및 종동축(120')에는 각각 상기 공간부(112)에 해당되는 위치에 제1 및 제2 로터(122,124)가 설치된다. 상기 제1 및 제2로터(122,124)는 각각 외면에 나선형산(125)과 나선형골(126)이 형성되어 구성되는 것으로, 예를 들어 상기 제1로터(122)의 나선형산(125)이 상기 제2로터(124)의 나선형골(126)에 위치되도록 구성된다. 이들 로터(122,124)의 나선형산(125)의 사이에 형성되는 공간은 로터(122,124)의 회전 정도에 따라 점차 작아지다가 다시 커지는 과정을 반복하도록 되어 있어 공기의 압축이 반복적으로 수행된다.
상기 구동축(120)과 종동축(120')은 상기 제1엔드커버(118), 제2엔드커버(118') 및 기어박스(119)에 각각 설치된 베어링(130,132,134)에 회전가능하게 지지된다. 특히, 상기 구동축(120)은 상기 돌출부(119")에 위치되는 일단부, 즉 구동원측과 연결되는 일단부가 적어도 2개 이상의 베어링(134)에 의해 지지된다. 이는 외력이 가해지는 상기 구동축(120)의 부분을 보다 정확하게 지지할 수 있도록 하기 위함이다. 도면중 미설명 부호 128은 부싱이고, 136은 오일의 누설을 방지하는 오일실이며, 138은 베어링(130)의 이탈을 방지하는 너트이다.
한편, 상기 구동축(120)에는 커플링(140)이 설치된다. 상기 커플링(140)은 구동축(120)의 일측, 즉 구동원 측과 부하(로터(122))측의 사이에 해당되는 부분에 설치되어 이들 사이에서 진동 등의 전달을 차단하는 역할을 한다. 상기 커플링(140)은 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 원기둥형상으로 그 외주면 중간중간에 슬릿(142)이 형성되어 있다. 상기 슬릿(142)의 존재에 의해 상기 커플링(140)으로 전 달된 외력이나 진동이 제거된다. 상기 커플링(140)의 양단에는 상기 구동축(120)이 삽입되는 연결공(144)이 형성되어 있고, 상기 연결공(144)에 상기 구동축(120)을 고정하기 위한 고정부재(146)가 구비된다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공기 압축기의 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명의 공기 압축기에서는 외부의 구동원으로부터 구동력이 전달되면, 상기 구동축(120)이 회전된다. 상기 구동축(120)의 회전에 의해 상기 구동기어(121)와 제1로터(122)가 회전되는데, 상기 구동축(120)의 회전시에 상기 구동원 측에서 부터 전달되는 외력이나 진동은 상기 커플링(140)에 의해 제거된다. 즉, 상기 구동원측에서 부하측인 상기 제1로터(122)쪽으로 상기 구동축(120)의 회전을 위한 구동력 외에 외력이나 진동은 상기 커플링(140)이 흡수하여 제거한다.
따라서, 상기 구동축(120)에서 부하측인 상기 제1구동기어(121)와 제1로터(122)쪽으로는 외력이나 진동이 전달되지 않고 구동력만이 정확하게 전달될 수 있다. 이와 같이 구동원의 구동력에 의해 상기 구동축(120)이 회전되면, 상기 구동축(120)의 구동기어(121)와 종동축(120')의 종동기어(121')가 맞물려 회전되면서 상기 구동축(120)과 종동축(120')이 서로 반대방향으로 회전된다.
상기 구동축(120)과 종동축(120')의 회전에 의해 상기 로터(122,124)가 회전하고, 상기 로터(122,124)의 회전에 의해 상기 로터(122,124)의 나선형산(125)사이에서 상기 흡입구를 통해 들어온 공기가 압축되어, 토출구를 통해 배출된다.
한편, 상기 구동축(120)에서 상기 돌출부(119")의 내부에 구비되는 단부, 다 시 말해 구동원측과 연결되는 단부는 적어도 2개의 베어링(134)에 의해 지지된다. 이와 같이 적어도 2개의 베어링(134)에 의해 구동축(120)의 단부가 지지되면 구동축(120)의 회전이 보다 정확하게 지지될 수 있어 구동축(120) 전체의 회전이 정확하게 수행될 수 있게 된다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
예를 들면, 도시된 실시예에서는 상기 기어박스(119)의 일측에 돌출부(119")가 돌출되게 형성되어 있으나 반드시 그러할 필요는 없으며, 기어박스(119) 전체를 돌출부(119")가 돌출된 정도의 크기로 설계할 수도 있다. 물론, 도시된 실시예의 돌출부(119")만을 돌출되게 함에 의해 나머지 공간을 활용할 수 있는 이점이 있다.
위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에서는 구동축의 구동원측과 부하측의 사이에 커플링을 설치하여 구동원측에서 발생한 외력이나 진동이 부하측으로 전달되지 않도록 하였다. 따라서, 부하측에 설치된 로터의 회전이 정확하게 수행되어 로터가 주변 부품과 간섭되는 것이 방지된다. 즉, 제1로터가 설계된 대로 회전하게 되어 제2로터 등과의 마찰이 없게 되어 마찰에 의한 온도상승이나 마모분발생이 방지되어 압축기의 효율이 높아 지고 마모분이 공기에 섞여 공기조화를 위한 공간으로 전달되는 것이 방지되어 사용자가 쾌적한 공기조화환경을 누릴 수 있다.
그리고, 커플링이 설치되는 구동축에서 구동원측과 연결되는 단부가 적어도 2개 이상의 베어링에 의해 지지되도록 하였으므로, 구동원의 회전이 보다 정확하게 일어날 수 있어 위에서 설명된 효과를 배가시킬 수 있는 효과도 있다.

Claims (3)

  1. 내부에 공간부(112)가 형성되는 케이싱(100);
    상기 케이싱(100)의 일단부에 설치되는 기어박스(119);
    상기 케이싱(100)과 기어박스(119)를 관통하여 설치되고 구동원측으로부터 동력을 전달받는 구동축(120);
    상기 구동축(120)으로부터 상기 기어박스(119)의 내부에서 구동기어(121)와 종동기어(121')를 통해 동력을 전달받고 상기 케이싱(100)과 기어박스(119)를 관통하여 설치되는 종동축(120');
    상기 케이싱(100) 내부의 공간부(112)에 위치되게 상기 구동축(120)과 종동축(120')에 설치되어 서로 반대방향으로 회전하면서 공기의 압축과 팽창을 수행하는 제1 및 제2로터(122,124);를 포함하는 공기 압축/팽창기에 있어서,
    상기 기어박스(119)의 구동기어(121)와 구동원측 사이의 상기 구동축(120)에는 구동원측으로부터 전달되는 진동을 흡수하는 커플링(140)이 설치됨을 특징으로 하는 공기 압축/팽창기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기어박스의 일측에는 상기 커플링(140)과 구동축(120)의 일단부가 위치되는 돌출부(119")가 돌출되게 형성됨을 특징으로 하는 공기 압축/팽창기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 돌출부(119")의 내부에서 상기 구동축(120)은 적어도 2개 이상의 베어링(134)에 의해 회전가능하게 지지됨을 특징으로 하는 공기 압축/팽창기.
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