KR101422807B1 - 피스톤 없는 압축기 - Google Patents

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로베르트 아틀러
헬무트 마이어
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린데 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기(1)에 관한 것이고, 압축기는 매체를 위한 입구 라인(6) 및 출구 라인(7)에 연결된 하나 이상의 압축기 실린더(4a; 4b; 4c; 4d; 4e)를 갖고, 작동 유체(5) 특히 이온성 작동 유체가 압축기 실린더(4a; 4b; 4c; 4d; 4e)에 배치되며, 이 압축기 실린더는 변위 기계(2)와 상호 작용하고(cooperating), 상기 변위 기계(2)는 하나 이상의 실린더 공간(2a; 2b; 2c; 2d; 2e)을 가진 피스톤 기계로서 구성되며, 각각의 실린더 공간(2a; 2b; 2c; 2d; 2e)은 압축기 실린더(4a; 4b; 4c; 4d; 4e)와 상호작용한다. 최소의 구성 노력으로 안전한 작동을 보장하는 압축기를 제공하는 작업을 해결하기 위해, 본 발명은 작동 유체(5)를 위한 분리 장치(8)가 압축기(1)의 출구 라인(7)과 결합되는(associated with) 것을 제시하고, 분리 장치(8)는 작동 유체(5)의 재순환을 위해 상기 압축기(1)의 입구 라인(6)과 상호작용한다.

Description

피스톤 없는 압축기 {PISTONLESS COMPRESSOR}
본 발명은 하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체의 압축을 위한 압축기에 관한 것으로, 압축기는 매체를 위한 입구 도관 및 출구 도관과 연결되고, 작동 유체 특히 이온성 작동 유체는 압축기 실린더 내에 배열되며, 상기 유체는 변위 기계와 연결되고, 이 경우 변위 기계는 하나 이상의 실린더 챔버를 구비한 피스톤 기계로서 구성되며 각각의 실린더 챔버는 압축기 실린더와 연결된다.
이러한 압축기는 예를 들어 천연 가스 또는 수소와 같은 가스상 매체의 압축을 위해 이용된다. 이 매체는 압축기 실린더에서 작동 유체에 의해 변위되고(displaced), 이에 의해 이러한 압축기는 피스톤 없는 압축기로서 나타난다. 이온성 유체(ionic fluid)는 유체로서 이용될 수 있다. 그러나, 낮은 가스 용해도를 가진 유체 또는 낮은 증기 압력을 가진 유체를 이용하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 유체는 매체에서 용해되지 않고 잔여물 없이 매체로부터 분리될 수 있으며 이에 의해 압축된 매체가 높은 순도를 갖는다는 사실을 공통으로 갖는다.
가스상 매체를 위한 피스톤 없는 압축기는 US 6,652,243 B2에서 공지되어 있다. 이 피스톤 없는 압축기에서, 압축기 실린더에서의 작동 유체는 유압식 펌프로 구성된 변위 기계와 연결되고, 제어 밸브가 작동 유체의 유입 및 유출을 제어하도록 제공되고, 상기 제어 밸브는 전자 이동 측정 시스템에 의해 탐지되는 압축기 실린더 내의 작동 유체의 유체 레벨에 따라 제어된다. 압축기 실린더는 수직으로 배열되는 것이 바람직하고, 이에 의해 중력을 통한 변위 실린더로부터 밖으로의 작동 유체의 유출을 돕는다. 이러한 압축기에서, 작동 유체의 유체 컬럼(fluid column)은 중력 가속도에 의해 가속될 수 없고, 이에 의해 압축기의 사이클 속도는 중력 가속도에 의해 제한된다. 이러한 높은 사이클 시간 및 긴 스테이션 시간에 의해, 이러한 압축기는 압축된 매체의 전달 유동의 높은 전달 유동 맥동(pulsation)을 갖는다. 압축된 매체의 균일한 전달 유동이 필요한 경우에, 예를 들어 차량의 연료 보급을 위해, 중간 저장부(intermediate reservoir)가 필요하고, 여기로 압축기 실린더가 운반된다. 높은 압축기 성능을 얻기 위해, 압축기 실린더의 큰 실린더 치수가 높은 사이클 시간 때문에 필요하다. 큰 실린더 치수 및 중간 저장부는 높은 제조 비용 및 많은 공간의 필요를 야기한다. 또한, 전자 이동 측정 시스템 및 제어 밸브를 통해, 높은 구조적 지출이 야기된다. 또한, 큰 실린더 치수를 통해, 많은 양의 작동 유체가 필요하고, 이는 높은 제조 비용 및 높은 작동 비용을 야기시킨다. 많은 양의 작동 유체를 구동시키기 위해, 강한 유압식 펌프가 필요하고, 이는 상응하게 높은 제조 비용 및 작동시 높은 소음 레벨을 갖는다.
WO 2006/034748 A1으로부터, 피스톤 없는 압축기는 이온성 유체로서 형성된 작동 유체로 공지되어 있다. 분리 장치가 제공되어 압축된 매체 안으로 운반되는 이온성 유체를 출구 도관으로부터 되찾는다. 이온성 유체는 주입 장치에 의해 압축기 실린더 안으로 주입된다. 이를 위해, 레벨 측정 시스템이 제공되고, 이에 의해 압축기 실린더 내의 작동 유체의 레벨이 측정되고, 기준값 미만으로 떨어질 때 작동 유체는 주입 장치에 의해 압축기 실린더 안으로 주입된다. US 6,652,243 B2로부터 이미 공지된 단점에 부가하여, WO 2006/034748 A1으로부터 공지된 압축기는 레벨 측정 시스템에 의해 높은 구조적 지출을 갖는다.
또한, 일반적인 압축기가 공지되고, 여기에 변위 기계가 하나 이상의 실린더 챔버를 구비한 피스톤 기계로서 구성되며, 각각의 실린더 챔버는 압축기 실린더와 연결된다. 여기서, 압축된 매체의 전달 유동은 다수의 압축기 실린더에 의해 만들어지고, 압축기 실린더는 피스톤 기계의 실린더 챔버와 각각 연결되며 연속적으로 그리고 균일하게 출구 도관으로 운반되고, 이에 의해 낮은 전달 유동 맥동으로 압축된 매체의 전달 유동이 얻어질 수 있다. 이러한 일반적인 압축기는 짧은 스테이션 시간 및 짧은 사이클 시간을 갖고, 이에 의해 압축기 실린더의 실린더 치수가 감소될 수 있다. 여기서, 작은 구조적 공간 요구 및 낮은 제조 비용이 초래된다. 또한, 작동 유체의 양은 감소될 수 있고, 이에 의해 유사하게 낮은 작동 비용이 초래된다. 또한, 대략 중력 가속도로 작동 유체를 이동시키는 것이 가능하고, 피스톤 기계는 높은 회전 속도로 작동될 수 있다. 그 결과 높은 압축기 성능을 위해, 구조적 비용 및 소음 불쾌함은 피스톤 기계로서 구성된 변위 기계를 위해 감소될 수 있다. 그러나, 이러한 일반적인 압축기에서, 압축기 실런더에서의 짧은 사이클 시간 때문에, 작동 유체의 정확한 레벨 측정은 더이상 가능한 것이 아니고, 이에 의해 변위 실린더에서 작동 유체의 충분한 양으로 압축기의 안전한 작동이 더 이상 보장되지 않는다.
본 발명은 도입부에서 언급된 유형의 압축기를 제공하는 문제점에 기초하고, 이 경우 신뢰성 있는 작동이 낮은 구조적 비용으로 보장된다.
이러한 문제점은 본 발명에 따라 해결되는데, 작동 유체를 위한 분리 장치는 압축기의 출구 도관과 결합되고, 분리 장치는 작동 유체의 회수를 위한 압축기의 입구 도관과 연결된다. 본 발명에 따르면, 출구 도관으로 압축기에 의해 운반되는 작동 유체는 분리 장치에 의해 압축된 매체로부터 분리되고 입구 도관으로 직접 다시 운반된다. 이에 의해 압축기의 신뢰성 있는 작동을 위해 필요한 압축기 실린더에서의 작동 유체의 레벨을 간단한 방식으로 유지하는 것이 가능하고, 압축기의 작동을 위한 압축기 실린더 상에 레벨 측정 시스템이 필요하지 않다. 이에 의해 압축기의 신뢰성 있는 작동이 낮은 구조적 비용으로 보장될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분리 장치는 회수 도관에 의해 입구 도관과 연결되고, 밸브 장치는 회수 도관에 배열된다. 밸브 장치는 예를 들어 입구 도관의 방향으로 비회수 밸브 개구(nonreturn valve opening)로서 구성될 수 있다. 또한, 스위치 가능한 체크 밸브로서 밸브 장치를 구성하는 것이 가능하다. 이러한 밸브 장치로, 간단한 방식으로 분리 장치에 의해 출구 도관으로부터 분리된 입구 도관으로 작동 유체를 연속적으로 또는 주기적으로 운반하는 것이 가능하고, 이에 의해 간단한 방식으로 압축기는 작동 유체의 일정한 양으로 작동될 수 있다.
본 발명의 추가적인 바람직한 내용에 따르면, 콘테이너가 제공되고 이는 누수 도관에 의해 피스톤 기계와 연결된다. 피스톤 기계의 작동에서 일어나는 작동 유체의 누수량은 간단한 방식으로 콘테이너로 공급될 수 있다.
주입 펌프가 제공될 때 특별한 장점들이 나타나고, 이 주입 펌프는 콘테이너와 입력부 상에서 그리고 압축기의 입구 도관과 출력부 상에서 연결된다. 콘테이너에 위치한 피스톤 기계의 작동 유체의 누수량은 압축기의 입구부로 간단한 방식으로 공급될 수 있고, 이에 의해 압축기는 작동 유체의 일정한 양으로 작동될 수 있다.
주입 펌프는 연속적으로 또는 주기적으로 작동될 수 있다.
본 발명의 한 개발 형태에 따르면, 주입 펌프는 콘테이너에 위치한 작동 유체의 양에 의해 제어될 수 있다. 이에 의해, 압축기에서 작동 유체의 양을 일정하게 유지시키는 것이 간단한 방식으로 가능하고, 이로써 압축기의 신뢰성 있는 작동을 얻는다.
편리하게, 콘테이너에는 레벨 측정 시스템이 제공되고, 주입 펌프는 레벨 측정 시스템에 의해 제어될 수 있다. 레벨 측정 시스템이 콘테이너에서 작동 유체의 양을 탐지하고, 압축기 실린더에서 작동 유체의 양은 낮은 구조적 비용으로 낮게 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피스톤 기계는 방사상 피스톤 기계로서 구성될 수 있다. 방사상 피스톤 기계로, 방사상 피스톤 기계의 각각의 실린더 챔버는 압축기 실린더와 연결되고, 낮은 전달 유동 맥동을 가진 압축된 매체의 전달 유동은 작은 구조적 비용 및 공간 요구로 얻어질 수 있다. 또한, 방사상 피스톤 기계는 긴 수명을 갖고, 이에 의해 압축기의 긴 수명이 얻어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 피스톤 기계는 축방향 피스톤 기계와 유사하게 구성될 수 있다. 각각의 실린더 챔버가 압축기 실린더와 연결된 축방향 피스톤 기계의 경우, 유사하게 압축된 매체의 전달 유동이 낮은 구조적 비용 및 공간 요구 그리고 압축기의 긴 수명을 가진 채 낮은 전달 유동 맥동으로 얻어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 장점들 및 상세한 내용들은 개략적인 도면에서 도시된 예시적 실시예들의 도움으로 더욱 자세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 압축기(1)의 회로도이다.
도면에서 회로도가 본 발명에 다른 압축기(1)로 도시된다. 압축기(1)는 예를 들어 방사상 피스톤 기계와 같은 피스톤 기계(2)로서 구성된 변위 기계를 갖고, 여기에 다수의 실린더 챔버(2a, 2b, 2c, 2d, 2e)가 제공된다. 더이상 도시되지는 않은 개별적으로 피스톤이 변위 가능하게 장착된 각각의 실린더 챔버(2a, 2b, 2c, 2d, 2e)는 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)와 연결 도관(3a, 3b, 3c, 3d, 3e)에 의해 연결된다. 피스톤 기계(2)에 의해 이동 가능한 이온성 유체로서 형성된 작동 유체(5)는 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에 위치한다.
압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)는, 예를 들어 천연 가스 또는 수소와 같은 압축되는 매체를 위한 입구 도관(6)과 각각 입구 밸브(6a, 6b, 6c, 6d, 6e)를 통해 입력부 상에서 연결된다. 입력 압력 및 출력 성능을 증가시키기 위해, 사전-압축기(pre-compressor)가 입구 도관(6)과 결합될 수 있다. 출력부에서, 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)가 각각 출구 밸브(7a, 7b, 7c, 7d, 7e)를 통해 출구 도관(7)에 연결된다.
출구 도관(7)에서, 예를 들어 유체 분리기로서 구성된 분리 장치(8)가 배열되고, 이에 의해 출구 도관(7)으로 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에 의해 운반되는 작동 유체(5)가 분리될 수 있다.
본 발명에 따르면, 분리 장치(8)는 회수 도관(9)과 연결되고, 이 도관은 입구 도관(6)과 연결된다. 회수 도관(9)에는 밸브 장치(10)가 배열된다. 회수 도관(9)에 의해, 분리 장치(8)에 의해 출구 도관(7)으로부터 분리된 작동 유체(5)는 다시 입구 도관(6)으로 되돌아갈 수 있다. 이에 의해 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에서 작동 유체(5)의 양을 일정하게 유지하는 것이 간단한 방식으로 가능하다.
피스톤 기계(2)는 콘테이너(12)로 향하는 누수 도관(11)과 연결된다. 피스톤 기계(2)에서 일어나는 작동 유체(5)의 누수량은 누수 도관(11)을 통해 콘테이 너(12)로 유동한다. 콘테이너(12)에는 레벨 측정 시스템(15)이 제공된다. 입력부 상에서 콘테이너(12)와 연결되며 출력부 상에서 주입 도관(14)을 통해 입구 도관(6)과 연결된 주입 펌프(13)에 의해, 콘테이너(12)로 누수 도관(11)을 통해 유동하는 피스톤 기계(2)의 작동 유체(5)의 누수량이 입구 도관(6)으로 운반될 수 있다. 주입 펌프(13)는 여기서 레벨 측정 시스템(15)에 의해 작동될 수 있다. 이에 의해 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에서 작동 유체(5)의 양을 일정하게 유지시키는 것이 간단한 방식으로 가능하다.
압축기(1)의 작동에서, 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에 위치한 작동 유체는 거의 중력 가속도로 피스톤 기계(2)에 의해 이동되고 이에 의해 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에서 압축되는 매체는 입구 덕트(6)로 흡입되고 압축된 매체는 출구 덕트(7)로 운반된다. 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)는 낮은 스테이션 시간을 가진 채 출구 도관(7)으로 연속적으로 높은 사이클 속도로 운반되고, 이에 의해 낮은 전달 유동 맥동을 가진 압축된 매체의 전달 유동이 이루어진다. 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에서 작동 유체(5)의 양이 측정되고 이에 의해 출구 도관(7)으로의 작동 유체(5)의 운반이 연속적으로 일어난다. 이에 의해 입구 도관(6)으로부터 흡입되는(sucked in out of inlet duct) 매체는 완전히 압축되어 출구 도관(7)으로 운반되고, 이에 의해 압축되는 매체의 데드 볼륨(dead volume) 및 운반 손실이 감소된다.
출구 도관(7)으로의 압축기(1)에 의해 운반되는 작동 유체(5)는 분리 장치(8)에 의해 압축된 매체로부터 분리된다. 작동 유체(5)의 분리된 양은 회수 도관(9) 및 밸브 장치(10)를 통해 연속적으로 또는 주기적으로 입구 도관(6)으로 되돌아 가도록 운반되고, 이에 의해 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에서의 작동 유체의 양은 일정하게 유지될 수 있다.
피스톤 기계(2)의 작동에서 누수량으로서 일어나는 작동 유체(5)는 콘테이너(12)로 누수 도관(11)을 통해 유동한다. 레벨 측정 시스템(15)에 의해, 일어나는 작동 유체(5)의 누수량은 콘테이너(12)에서 측정되고 예를 들어 주파수 조절된 주입 펌프(13)는 콘테이너(12)에서 작동 유체(5)의 측정된 누수량에 따라 제어되며, 이에 의해 피스톤 기계(2)의 누수로서 일어나는 작동 유체(5)는 입구 도관(6)으로 용기(12)로부터 운반된다. 이에 의해 일정한 양의 작동 유체(5)가 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에 존재한다.
본 발명에 따른 압축기(1)는 낮은 스테이션 시간, 높은 사이클 시간 및 작은 전달 유동 맥동을 통해, 예를 들어 차량의 재연료 충전을 위한 것과 같은 압축된 매체의 일정하고 균일한 전달 유동을 필요로 하는 소비자에게 적절하다.
출구 도관(7)으로의 작동 유체(5)의 운반 및 압축기(1)의 입구 도관(6)으로의 분리 장치(8)를 통한 작동 유체(5)의 회수 운반 그리고 압축기(1)의 입구 도관(6)으로의 주입 펌프(13)에 의한 피스톤 기계(2)의 누수량의 회수를 통해, 간단한 방식으로 작동 유체(5)의 충분한 양이 압축기 실린더(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)에서 보장될 수 있다. 주입 펌프(13)를 제어하기 위해, 간단한 구조적 레벨 측정 시스템(15)이 필요하다. 또한, 출구 도관(7)으로의 작동 유체(5)의 운반을 통해, 데드 공간(dead space) 및 운반 손실이 피해진다. 이에 의해 높은 효율의 압축기(1)가 얻어질 수 있다.
피스톤 기계(2)는 여기서 높은 회전 속도로 작동될 수 있고, 이에 의해 작동 유체(5)의 작은 양으로도 작은 구조 공간 및 낮은 소음 발생, 그리고 높은 전달 효율의 압축기(1)가 얻어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기에 있어서,
    상기 하나 이상의 압축기 실린더는 상기 매체를 위한 입구 도관 및 출구 도관과 연결되고, 상기 압축기 실린더 내에 작동 유체가 배치되며 상기 유체가 변위 기계(displacement machine)에 연결되며, 상기 변위 기계는 하나 이상의 실린더 챔버를 구비한 피스톤 기계로서 구성되고, 각각의 실린더 챔버는 압축기 실린더와 연결되며,
    상기 작동 유체(5)를 위한 분리 장치(8)는 상기 압축기(1)의 출구 도관(7)과 결합되고, 상기 분리 장치(8)는 상기 작동 유체(5)의 회수(return)를 위해 상기 압축기(1)의 입구 도관(6)과 연결되며,
    누수 도관(leakage duct)에 의해 피스톤 기계(2)와 연결되는 콘테이너(12)가 제공되며,
    출력부 상에서 상기 압축기(1)의 입구 도관(6)과 그리고 입력부 상에서 상기 콘테이너(12)와 연결되는 주입 펌프(13)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 장치(8)가 회수 도관(9)에 의해 상기 입구 도관(6)과 연결되고, 상기 회수 도관(9) 내에 밸브 장치(10)가 배치되는 것을 특징으로 하는,
    하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 주입 펌프(13)가 상기 콘테이너(12)에 위치한 작동 유체(5)의 양에 따라 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 콘테이너(12)에 레벨 측정 시스템(15)이 제공되고, 상기 주입 펌프(13)가 상기 레벨 측정 시스템(15)에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기.
  7. 제 1 항, 또는 제 2 항, 또는 제 5 항, 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 피스톤 기계(2)가 방사상 피스톤 기계로서 구성되는 것을 특징으로 하는,
    하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기.
  8. 제 1 항, 또는 제 2 항, 또는 제 5 항, 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 피스톤 기계(2)가 축방향 피스톤 기계로서 구성되는 것을 특징으로 하는,
    하나 이상의 압축기 실린더로 가스상 매체를 압축하기 위한 압축기.
KR1020097007447A 2006-09-13 2007-09-06 피스톤 없는 압축기 KR101422807B1 (ko)

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