KR101401821B1 - 공기 압축/팽창기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 압축/팽창기에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 공간부(12)가 형성되고, 일측이 개구되어 흡입구(14)가 형성되는 케이싱(10)과, 이에 설치되는 기어박스(19)를 관통하여 설치되고 구동원측으로부터 동력을 전달받는 구동축(20), 상기 구동축(20)으로부터 상기 기어박스(19)의 내부에서 구동기어(21)와 종동기어(24)를 통해 동력을 전달받고 상기 케이싱(10)과 기어박스(19)를 관통하여 설치되는 종동축(23), 그리고 상기 구동축(20)과 종동축(23)에 설치되어 서로 반대방향으로 회전하면서 공기의 압축과 팽창을 수행하는 제1 및 제2로터(26,27)를 포함하여 구성되는데, 이때 상기 구동축(20) 및 종동축(23)은 각각 상기 제1 및 제2로터(26,27)에 압입되어 고정된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 테이퍼롤러베어링과 같은 별도의 베어링 없이도 상기 구동축(20)과 종동축(23)이 안정된 상태로 회전할 수 있어 제조비용이 줄어들고, 부품수가 감소하는 이점이 있다.
공기 압축/팽창기, 구동축, 널링가공

Description

공기 압축/팽창기{Air compressor/expender}
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 공기팽창기는 동일한 구성을 가지며 단지 그 동작방향을 반대로 함에 의해 공기를 압축하거나 팽창시키게 된다. 따라서, 본 명세서에서는 공기압축기를 기초로 설명을 하기로 한다.
도 1에는 일반적인 공기 압축기의 구성이 개시되어 있다. 이에 따르면, 케이싱(10)이 공기압축기의 외관과 골격을 형성한다. 상기 케이싱(10)은 대략 횡단면이 타원형인 통형상이다. 상기 케이싱(10)의 내부에는 공간부(미도시)가 형성된다. 상기 공간부와 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 공간부를 형성한다.
상기 제2엔드커버(18')에는 기어박스(19)가 장착된다. 상기 기어박스(19)의 내부에는 기어쳄버(미도시)가 형성된다. 상기 기어쳄버는 상기 기어박스(19)와 상기 제2엔드커버(18')가 협력하여 형성한다. 상기 기어쳄버의 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(도시되지 않음)이 설치된다. 상기 종동축은 상기 구동축(20)으로 부터 동력을 전달받는다. 이를 위해 상기 구동축(20)에는 구동기어(미도시)가 설치되고, 상기 종동축에는 종동기어(미도시)가 설치된다. 상기 구동기어와 종동기어는 서로 맞물려 상기 구동축(20)의 회전력을 상기 종동축으로 전달한다.
상기 구동축(20) 및 종동축에는 각각 상기 공간부에 해당되는 위치에 제1 및 제2 로터(26,27)가 설치된다. 상기 제1 및 제2로터(26,27)는 각각 외면에 나선형산(28)과 나선형골(29)이 형성되어 구성되는 것으로, 예를 들어 상기 제1로터(26)의 나선형산(28)이 상기 제2로터(27)의 나선형골(29)에 위치되도록 구성된다. 이들 로터(26,27)의 나선형산(28)의 사이에 형성되는 공간은 로터(26,27)의 회전 정도에 따라 점차 작아지다가 다시 커지는 과정을 반복하도록 되어 있어 공기의 압축이 반복적으로 수행된다.
상기 구동축(20)과 종동축은 상기 제1엔드커버(18), 제2엔드커버(18') 및 기어박스(19)에 각각 설치된 베어링(미도시)에 회전가능하게 지지된다.
이와 같은 구성을 가지는 공기압축기에서는 외부의 구동원에 의해 상기 구동축(20)이 회전되면, 상기 구동축(20)의 구동기어와 종동축의 종동기어가 맞물려 회전되면서 상기 구동축(20)과 종동축이 서로 반대방향으로 회전된다.
그리고, 상기 구동축(20)과 종동축의 회전에 의해 상기 로터(26,27)가 회전하고, 상기 로터(26,27)의 회전에 의해 상기 로터(26,27)의 나선형산(28)사이에서 상기 흡입구(14)를 통해 들어온 공기가 압축되어, 토출구를 통해 배출된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.
상기 구동축(20)과 종동축은 회전의 중심이 되는 부분으로, 회전되는 과정에서 압축기 내부에서 진동되지 않도록 고정되는 것이 중요하다. 이를 위해 상기 구동축(20)과 종동축은 각각 너트에 의해 압축기에 고정된다.
그리고, 이와는 별도로 테이퍼롤러베어링을 사용하여 구동축(20)과 종동축의 축방향 진동을 방지하고, 니들롤러베어링을 사용하여 반경방향의 진동을 방지하게 된다. 또한, 압축기 내부에 와셔를 설치하여 상기 로터(26,27)와 제2엔드커버(18') 간격의 오차를 정밀하게 조절하게 된다.
하지만, 상기 테이퍼롤러베어링은 비교적 고가의 부품으로서, 압축기의 제조비용을 상승시키는 원인이 되고, 또한 부품수를 증가시키는 문제점이 있다.
또한, 상기 로터(26,27)와 제2엔드커버(18') 사이에는 별개물인 와셔를 구비하여야 하므로, 역시 압축기의 부품수 및 전체 중량을 상승시키는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공기압축기/팽창기를 구성하는 구동축 및 종동축이 압입을 통해 로터와 각각 결합되도록 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 공간부가 형성되고, 일측이 개구되어 흡입구가 형성되는 케이싱; 상기 케이싱과 이에 설치되는 기어박스를 관통하여 설치되고 구동원측으로부터 동력을 전달받는 구동축; 상기 구동축으로부터 상기 기어박스의 내부에서 구동기어와 종동기어를 통해 동력을 전달받고 상기 케이싱과 기어박스를 관통하여 설치되는 종동축; 그리고 상기 케이싱 내부의 공간부에 위치되게 상기 구동축과 종동축에 설치되어 서로 반대방향으로 회전하면서 공기의 압축과 팽창을 수행하는 제1 및 제2로터;를 포함하여 구성되는 공기 압축/팽창기에 있어서, 상기 구동축 및 종동축은 각각 상기 제1 및 제2로터에 형성된 관통공에 압입되어 고정된다.
상기 구동축 및 종동축에는 그 외주면에 소정의 구간에 걸쳐 널링가공을 통해 널링부가 형성된다.
상기 케이싱의 일측에는 상기 구동축 및 종동축의 일측을 감싸도록 베어링이 각각 구비되고, 상기 구동축 및 종동축에는 상기 베어링에 대응되는 위치에 걸림턱이 각각 단차지게 형성되어 상기 베어링에 의해 지지된다.
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이와 같은 본 발명에 의한 공기압축기/팽창기에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에서는 구동축 및 종동축이 로터에 압입되어 볼베어링에 의해 지지되므로, 테이퍼롤러베어링과 와셔와 같은 별도의 부품 없이도 공기압축기/팽창기 내부에서 견고하게 고정될 수 있다. 이에 따라, 공기압축기/팽창기의 제조비용이 줄어들고, 부품수가 감소하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 구동축 및 종동축에 널링부가 형성되어, 로터와 구동축 및 종동축 사이의 결합력이 향상됨에 따라 구동축 및 종동축이 로터와 헛도는 현상이 방지될 수 있어 공기 압축/팽창기의 동작신뢰성이 향상되는 효과도 있다.
그리고, 구동축 및 종동축에 형성된 걸림턱이 볼베어링에 지지되므로 공기압축기/팽창기의 구동중에 구동축 및 종동축의 진동이 방지되는 효과가 있다.
이하 본 발명에 의한 공기 압축/팽창기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 공기 압축기의 바람직한 실시예의 내부 구성이 단면도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명 실시예를 구성하는 구동축 및 종동축의 구성이 평면도로 도시되어 있다. 이때, 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고, 압축기의 외부구성에 대한 사항은 도 1를 참조하여 설명하기로 한다.
이들 도면에 도시된 바에 따르면, 케이싱(10)이 공기압축기의 외관과 골격을 형성한다. 상기 케이싱(10)은 대략 횡단면이 타원형인 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 표면으로 개구되게 각각 형성된다. 공기 공기압축기에서 상기 흡입구(14)는 토출구에 비해 상대적으로 크기가 크다. 상기 케이싱(10)의 외면에는 다수개의 장착러그(16)가 돌출되어 형성된다. 상기 장착러그(16)는 공기압축기를 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 공간부(12)에서는 공기 공기압축기의 경우 압축과정이 일어나고, 공기 팽창기의 경우 팽창과정이 일어난다.
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 돌출되고, 상기 외부로 돌출된 구동축(20)에는 외부의 구동력을 전달받는 풀리(도시되지 않음)가 설치된다.
상기 구동축(20)은 외부의 구동력을 전달받아 아래에서 설명될 제1로터(26)를 회전시키는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 구동축(20)은 후술할 제1로터(26) 내부의 관통공(26')을 관통하여 설치된다. 이때, 상기 구동축(20)의 외경은 관통공(26')의 내경보다 크게 형성되어, 관통공(26')에 압입되어 고정된다.
상기 구동축(20)의 일측에는 스토퍼(20')가 돌출되게 형성된다. 상기 스토퍼(20')는 상기 구동축(20)이 관통공(26') 내부에 삽입되는 정도를 규제하고, 삽입된 후에는 구동축(20)과 케이싱(10) 내부의 사이의 유격을 방지하는 역할을 한다.
상기 구동축(20)에는 걸림턱(20'')이 형성된다. 상기 걸림턱(20'')은 상기 구동축(20)의 직경이 상대적으로 달라짐으로써 형성되는 것으로, 아래에서 설명될 베어링(30)에 의해 지지되는 부분이다. 즉, 상기 걸림턱(20'')은 베어링(30)과 대응되는 위치에 형성되어 베어링(30)에 의해 지지됨으로써, 상기 구동축(20)이 작동중에 외력에 의해 밀리지 않고 고정된 상태가 견고하게 유지될 수 있도록 한다.
이때, 상기 걸림턱(20'')은 상기 구동축(20)의 직경이 달라짐으로써 형성되는 것이 아니라, 별도의 부싱(미도시)이 구동축(20)의 외경에 구비됨으로서 형성될 수도 있다. 즉, 상기 걸림턱(20'')은 상기 구동축(20)에 비해 직경이 큰 상기 부싱에 의해 형성될 수도 있는 것이다.
상기 구동축(20)에는 널링부(knurling portion)(22)가 형성된다. 상기 널링부(22)는 널링가공을 통해 형성되는 일종의 요철형상으로, 상기 구동축(20)이 제1로터(26)에 압입되어 보다 견고하게 고정될 수 있도록 하는 부분이다. 이를 위해, 상기 널링부(22)의 직경은 상기 구동축(20)의 직경보다 소정량 크게 형성됨이 바람직하다. 이때, 상기 널링부(22)는 상기 구동축(20)의 일부 구간에만 형성되는데, 본 실시예에서는 상기 스토퍼(20')와 걸림턱(20'') 사이에 해당하는 위치에 형성된다.
상기 구동축(20)과 나란히 상기 케이싱(10)과 제1 및 제2엔드커버(18,18')를 관통하여서는 종동축(23)이 설치된다. 상기 종동축(23)은 상기 구동축(20)으로부터 동력을 전달받는다. 이를 위해 상기 구동축(20)에는 구동기어(21)가 설치되고, 상기 종동축(23)에는 종동기어(24)가 설치된다. 상기 구동기어(21)와 종동기어(24)는 서로 맞물려 상기 구동축(20)의 회전력을 상기 종동축(23)으로 전달한다.
상기 종동축(23)은 후술할 제2로터(27) 내부의 관통공(27')을 관통하여 설치된다. 이때, 상기 종동축(23)은 상기 구동축(20)과 마찬가지로 그 외경이 관통공(27')의 내경보다 크게 형성되어, 관통공(27')에 압입되어 고정된다.
상기 종동축(23)에는 상기 구동축(20)과 마찬가지로 스토퍼(23')와 걸림턱(23'')이 형성된다. 상기 스토퍼(23')는 상기 구동축(20)의 스토퍼(20')와 같이 상기 종동축(23)의 삽입정도를 규제하고, 상기 걸림턱(23'')은 단차지게 형성되어 상기 종동축(23)이 베어링(30)에 의해 지지될 수 있도록 한다. 이때, 상기 걸림턱(23'')은 상기 종동축(23)의 직경이 달라짐으로써 형성되는 것이 아니라, 별도의 부싱(미도시)이 종동축(23)의 외경에 구비됨으로서 형성될 수도 있다.
상기 구동축(20) 및 종동축(23)에는 각각 상기 공간부(12)에 해당되는 위치에 제1 및 제2 로터(26,27)가 설치된다. 상기 제1 및 제2로터(26,27)는 각각 외면에 나선형산(28)과 나선형골(29)이 형성되어 구성되는 것으로, 예를 들어 상기 제1로터(26)의 나선형산(28)이 상기 제2로터(27)의 나선형골(29)에 위치되도록 구성된다. 이들 로터(26,27)의 나선형산(28)의 사이에 형성되는 공간은 로터(26,27)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. 이때, 상기 구동축(20) 및 종동축(23)의 걸림턱(20'',23'')에 걸어지도록 위치하는 베어링(30)은 공기압축기의 작동중에 구동축(20) 및 종동축(23)이 밀리는 것을 방지하는 역할도 하게 된다. 즉 상기 베어링(30)은 단차지게 형성되는 상기 걸림턱(20'',23'')을 지지함으로써, 상기 구동축(20) 및 종동축(23)이 유동하는 것을 방지하게 되는 것이다. 본 실시예에서 상기 베어링(30)은 볼베어링으로 구성된다. 도면중 미설명 부호 36은 오일실이며, 38은 너트이다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공기 압축기의 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명의 공기압축기에서는 외부의 구동원으로부터 구동력이 전달되면, 상기 구동축(20)이 회전된다. 그리고 상기 구동축(20)의 회전에 의해 상기 구동기 어(21)와 제1로터(26)가 회전된다. 이와 같이 구동원의 구동력에 의해 상기 구동축(20)이 회전되면, 상기 구동축(20)의 구동기어(21)와 종동축(23)의 종동기어(24)가 맞물려 회전되면서 상기 구동축(20)과 종동축(23)이 서로 반대방향으로 회전된다.
상기 구동축(20)과 종동축(23)의 회전에 의해 상기 로터(26,27)가 회전하고, 상기 로터(26,27)의 회전에 의해 상기 로터(26,27)의 나선형산(28)사이에서 상기 흡입구(14)를 통해 들어온 공기가 압축된다.
이때, 상기 구동축(20)과 종동축(23)은 상기 로터(26,27)와는 각각 별개물로 구성되는 것으로서, 상기 로터(26,27)에 형성된 관통공(26',27')에 각각 압입된 상태이다. 특히, 상기 구동축(20)과 종동축(23)에는 널링부(22,25)가 소정의 구간에 걸쳐 형성되어, 테이퍼롤러베어링이 구비되지 않더라도 구동축(20)과 종동축(23)의 압입된 상태가 보다 견고하게 유지될 수 있다. 이에 따라 상기 구동축(20) 및 종동축(23)의 위치를 설정하기 위하여 별개의 와셔를 사용할 필요도 없어지게 된다.
또한, 상기 구동축(20)과 종동축(23)에 형성된 걸림턱(20'',23'')은 각각 베어링(30)에 의해 지지되므로, 구동축(20)과 종동축(23)은 공기압축기의 작동중에 밀리지 않고 견고하게 유지된 상태로 회전할 수 있게 된다.
이와 함께 상기 구동축(20)과 종동축(23)은 상기 베어링(30)의 타측에 해당하는 위치에 구비된 다수개의 베어링(32,34,36)에 의해 지지되므로, 축방향 및 반경방향으로 균형을 유지하면서 보다 안정적인 상태에서 원활하게 회전될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기 재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 종래 기술에 의한 공기 압축기의 구성을 보인 개략사시도.
도 2는 본 발명에 의한 공기 압축기의 바람직한 실시예의 내부 구성을 보인 단면도.
도 3은 본 발명 실시예를 구성하는 구동축 및 종동축의 구성을 보인 평면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 케이싱 12: 공간부
14: 흡입구 16: 장착러그
18: 제1엔드커버 18': 제2엔드커버
19: 기어박스 19': 기어쳄버
20: 구동축 22: 널링부
23: 종동축 25: 널링부
26: 제1로터 27: 제2로터
30: 베어링

Claims (3)

  1. 내부에 공간부(12)가 형성되고, 일측이 개구되어 흡입구(14)가 형성되는 케이싱(10);
    상기 케이싱(10)과 이에 설치되는 기어박스(19)를 관통하여 설치되고 구동원측으로부터 동력을 전달받는 구동축(20);
    상기 구동축(20)으로부터 상기 기어박스(19)의 내부에서 구동기어(21)와 종동기어(24)를 통해 동력을 전달받고 상기 케이싱(10)과 기어박스(19)를 관통하여 설치되는 종동축(23); 그리고
    상기 케이싱(10) 내부의 공간부(12)에 위치되게 상기 구동축(20)과 종동축(23)에 설치되어 서로 반대방향으로 회전하면서 공기의 압축과 팽창을 수행하는 제1 및 제2로터(26,27);를 포함하여 구성되는 공기 압축/팽창기에 있어서,
    상기 케이싱(10)의 일측에는 상기 구동축(20) 및 종동축(23)의 일측을 감싸도록 베어링(30)이 각각 구비되고,
    상기 구동축(20) 및 종동축(23)은 각각 상기 제1 및 제2로터(26,27)에 형성된 관통공(26', 27')에 압입되어 고정되며,
    상기 구동축(20) 및 종동축(23)에는
    각각 상기 관통공(26',27') 내부에 삽입되는 정도를 규제하도록 일측 외주면이 돌출되는 스토퍼(20', 23')와,
    각각 상기 베어링(30)에 대응되는 위치에 상기 베어링(30)에 의해 지지되도록 단차지게 형성되는 걸림턱(20'',23'')과,
    각각 상기 구동축(20) 및 종동축(23)의 직경보다 큰 직경을 가지며 상기 스토퍼(20', 23') 및 걸림턱(20'',23'') 사이의 소정 구간에 걸쳐 널링가공을 통해 형성되는 널링부(22, 25)가 형성되는 것을 특징으로 하는 공기 압축/팽창기.
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