KR101853942B1 - 멀티 스테이지 피스톤 압축기 - Google Patents

멀티 스테이지 피스톤 압축기 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 둘 이상의 압축기 스테이지(A; B; C; D)를 가지는, 기체 또는 극저온적으로 액화된 매체를 위한 멀티 스테이지 피스톤 압축기(1)에 관한 것으로서, 이는 조인트 파워링을 위해서 공유형 구동 트레인(4)과 작동적으로 상호작용하며, 각각의 압축기 스테이지(A; B; C; D)는 구동 트레인(4)과 기계적으로 연결되고, 그리고 압축기 실린더 내에 정렬되어 길이방향으로 이동할 수 있는 피스톤(3A; 3B; 3C; 3D)을 제공한다. 압축기 스테이지가 서로 독립적으로 작동될 수 있게 하고 그리고 마모 및 에너지 효율을 개선할 수 있게 하기 위한 그러한 멀티 스테이지 압축기를 제공하는 목적은 각각의 압축기 스테이지(A; B; C; D)의 피스톤(3A; 3B; 3C; 3D)이 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D) 내에 위치된 비압축 액체의 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)과 연결된다는 사실에 의해서 본원 발명에 따라 달성될 수 있고, 이는 피스톤(3A; 3B; 3C; 3D)의 피스톤 행정 운동을 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D) 내에 정렬된 압축기 피스톤(10A; 10B; 10C; 10D)의 운동으로 변환시키며, 그에 따라 피스톤이 길이방향으로 이동되고, 압축기 피스톤(10A; 10B; 10C; 10D)의 압축기 행정(VH)을 변화시키기 위한 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)이 배출구(15)와 연결될 수 있다.

Description

멀티 스테이지 피스톤 압축기{MULTISTAGE PISTON COMPRESSOR}
본원 발명은 둘 이상의 압축기 스테이지를 가지는, 기체 또는 극저온적으로(cryogenically) 액화된 매체를 위한 멀티 스테이지 피스톤 압축기에 관한 것으로서, 이는 조인트 파워링(joint powering)을 위해서 공유형 구동 트레인(a shared drive train)과 작동적으로 상호작용하며(operatively interact), 각각의 압축기 스테이지는 구동 트레인과 기계적으로 연결되고, 그리고 압축기 실린더 내에 정렬되어 길이방향으로 이동(shift)할 수 있는 피스톤을 제시한다.
일반적인 멀티 스테이지 피스톤 압축기가 10 2006 042 122 A1으로부터 공지되어 있다.
그러한 압축기는 기체 또는 액체 상태의 수소, 질소 또는 천연 가스와 같은 기체 또는 액체 매체를 압축하기 위해서 이용된다.
일반적으로, 멀티 스테이지 압축기에서, 개별적인 압축기 스테이지의 피스톤들이 공유형 구동 트레인과 연결되고, 그리고 개별적인 압축기 스테이지의 피스톤들이 구동 트레인과 기계적으로 결합되며, 압축기 스테이지의 피스톤이 구동 트레인에 의해서 조인트방식으로 파워를 받으며, 그리고 작동되는 구동 트레인 각각은 일정한 피스톤 행정으로 피스톤 운동을 수행한다. 대응하는 압축기 스테이지의 각 피스톤이 대응하는 압축기 스테이지 내의 매체 축적물의 압력에 노출된다. 예를 들어 부분적인 부하(load) 범위 또는 부하가 없는 상태에서, 압축기 스테이지가 압축기 파워가 없이 동시에 작동된다면, 피스톤 행정을 실행하는 동시 작동 피스톤 상의 매체의 축적된 압력이 부가적인 에너지 요구를 생성하게 되고, 이는 피스톤의 파워링을 위해서 구동 트레인에 의해서 반드시 인가되어야 한다. 또한, 축적 압력으로 인해서 동시 작동하는 피스톤이 구동 트레인에 부하를 가하고, 그 결과로, 특히 압축기 스테이지의 부분 부하 작동 또는 무부하(no-load) 작동 중에, 불균일한 부하가 구동 트레인에 가해진다. 또한, 부분적인 부하 또는 무부하 상태 하에서 동시에 작동되는 압축기 스테이지의 피스톤 내의 할당된(allocated) 성분들에서, 예를 들어, 압축기 실린더 내에서 피스톤을 실링(sealing)하기 위한 실링 장치에서, 압축되는 매체의 흡입 밸브 및 압력 밸브 그리고 피스톤의 장착부(mount)에서, 부하 및 기계적인 마모가 발생된다. 또한, 압축기 스테이지의 동시 작동 피스톤의 피스톤 행정 운동은 피스톤과 압축기 실린더 사이의 대응 표면들 상에서 마모를 발생시킨다.
만약 압축기 스테이지가, 일반적으로 멀티 스테이지 압축기가 스테이지 압축기로서 직렬로 연결된다면, 그리고 압축기 스테이지의 출력 측부(side)가 다음 압축기 스테이지의 입력부와 연결된다면, 압축기 스테이지의 피스톤이 공유형 구동 트레인과 커플링되고 그리고 동시적으로 파워링되는 일반적인 압축기에서, 결과적으로 각 압축기 스테이지의 압축 비율 및 입력 압력 범위은 대응 압축기 스테이지의 피스톤에 의한 고정되고 일정한 피스톤 행정에 의해서 좁은 범위로 한정된다.
본원 발명의 목적은 일반적인 멀티 스테이지 압축기 스테이지를 제공하는 것이며, 그러한 멀티 스테이지 압축기 스테이지에서 압축기 스테이지가 서로 독립적으로 운전될 수 있고, 그리고 마모 및 에너지 효율과 관련하여 개선된다.
이러한 목적은 각각의 압축기 스테이지의 피스톤이 압축기 실린더 내에 위치된 비압축(imcompressible) 액체의 액체 기둥(column)과 연결된다는 사실에 의해서 본원 발명에 따라 달성될 수 있고, 상기 압축기 실린더는 피스톤의 피스톤 행정 운동을 압축기 실린더 내에 정렬된 압축기 피스톤의 운동으로 변환시키며, 그에 따라 피스톤이 길이방향으로 이동되고, 압축기 피스톤의 압축기 행정을 변화시키기 위한 액체 기둥이 배출구와 연결될 수 있다. 본원 발명에 따라서, 구동 트레인과 기계적으로 커플링된 각 압축기 스테이지의 피스톤이 비압축성 액체, 얘를 들어 유압(hydraulic) 유체의 액체 기둥에 의해서 압축기 피스톤과 연결되고, 이는 압축되는 매체를 압축하기 위한 대응 압축기 행정을 실행한다. 각 압축기 스테이지의 액체 기둥은 액체 기둥을 배출구와 연결하는 것에 의해서 본원 발명에 따라서 변경 또는 변화될 수 있으며, 그에 따라 구동 트레인에 의해서 기계적으로 파워링되는 피스톤의 일정한 피스톤 행정이 주어지면, 피스톤에 할당된 압축기 피스톤의 압축기 행정이 피스톤의 행정과 무관하게 제어될 수 있게 된다. 이에 따라, 피스톤이 파워링되는 경우에도 압축기 피스톤을 부분적으로 또는 완전히 비활성화(deactivate)할 수 있게 되고, 그에 따라 압축기 피스톤을 차단(shut down) 또는 부동화(immobilize)할 수 있게 되고 또는 압축기 행정 내에서 그것을 제어할 수 있게 된다. 그에 따라, 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기에서, 공유형 구동 트레인이라면, 독립적이고 개별적으로 작동될 수 있는 압축기 스테이지가 달성될 수 있을 것이다. 결과적으로, 본원 발명에 따라 피스톤에 의해서 파워링되는 유압 유체의 액체 기둥을 연결하는 것은 대응하는 압축기 스테이지의 부분적인 부하 작동을 용이하게 가능하게 한다. 또한, 액체 기둥을 배출구와 연결하는 것은 하나 또는 둘 이상의 압축기 스테이지의 비활성화를 가능하게 하고, 여기에서 대응하는 압축기 피스톤이 부동화되고 그리고 차단되며, 그리고 압축기 실린더 내에서 어떠한 운동도 하지 않게 된다. 대응 압축기 피스톤의 압축기 행정을 차단 또는 변화시키는 것은 에너지 효율의 개선을 초래하는데, 이는 구동 파워가 비활성화된 피스톤에 대해서 인가될 필요가 없기 때문이고, 또는 압축기 피스톤의 대응 압축기 행정 을 변화시키는 것은 부분적인 부하 범위에서 구동 트레인 상에 균일한 부하를 인가(place)한다. 또한, 압축기 피스톤을 차단하는 것은 무부하 압축기 스테이지의 매체의 유입구 및 배출구 밸브, 피스톤의 시일(seals), 피스톤과 압축기 실린더 사이의 표면 상의 마모를 감소 또는 방지한다.
밸브 구성체는 록킹된(locked) 위치와 유동 위치를 가지는 제어 밸브로서, 특히 슬라이드 밸브 또는 볼 밸브로서 최적으로 디자인된다. 대응 작용을 통해서, 그러한 제어 밸브를 이용하여 유동 위치의 방향을 따라 액체 컬럼을 배출구와 용이하게 연결시킬 수 있고, 구동 트레인에 의해서 파워링되는 피스톤이 액체 기둥을 배출구로 이동시키는 목적을 가지며, 그에 따라 압축기 피스톤의 압축기 행정 및 운동을 제어한다.
전자 제어부로 밸브 구성체를 작동(활성화)시킬 수 있는 능력은 특별한 이점을 제공한다. 밸브 구성체를 대응 작동시킴으로써, 전자 제어부를 이용하여 압축기의 거동을 용이하게 제어할 수 있다.
수집 배출구 라인은 컨테이너와, 특히 프리텐션(pretension; 예비 인장) 압력에 노출되는 컨테이너와 최적으로 연결된다. 프리텐션 압력에 노출되는 컨테이너는 액체 기둥을 파워링된 피스톤으로부터 밸브 구성체가 특정 반대(counter)-압력하에서 개방된 컨테이너로 이동시킨다. 대안으로서, 수집 배출구 라인 내의 특정(specific) 프리텐션 압력이 수집 배출구 라인 내의 오버플로우 밸브에 의해서 달성될 수 있을 것이다.
하나 이상의 부가적인 밸브 구성체가 수집 배출구 라인 또는 분지 배출구 라인 내에 위치되는 경우에, 본원 발명의 추가적인 개선 사항은 특별한 이점을 제공한다. 부가적인 밸브 구성체는 압축기의 거동에 영향을 주기 용이하게 하고 및/또는 거동을 제어하기 용이하게 한다.
본원 발명의 일 실시예에서, 부가적인 밸브 구성체가 오버플로우 밸브로서, 특히 압력 릴리프(relief) 밸브로서 디자인될 수 있다. 대응 분지 배출구 라인 내의 압력 릴리프 밸브는 대응 압축기 스테이지의 입력부 압력 및/또는 출력부 압력을 보장하고, 그에 따라 대응 압축기 스테이지가 변경된 입력부 압력 및/또는 출력부 압력에 맞춰 질 수 있다.
본원 발명의 다른 실시예에서, 부가적인 밸브 구성체가 압력 제어 밸브 및/또는 유동 제한 밸브로서 디자인될 수 있다. 그러한 부가적인 밸브 구성체는 대응 압축기 스테이지의 부분적인 부하 비활성화를 용이하게 허용할 수 있게 한다.
본원 발명의 바람직한 실시예에서, 구동 트레인은 구동 모터에 의해서 파워링되는 크랭크 또는 편심 샤프트를 둘러싸고, 피스톤은 각각의 커넥팅 로드에 의해서 크랭크 샤프트와 연결된다. 여기에서, 피스톤 압축기가 선형(linear) 압축기로서 디자인될 수 있고, 여기에서 피스톤은 압축기 실린더 내에서 순수 선형 운동을 실행하고, 그리고 커넥팅 로드는 장착부에 의해서 크랭크 샤프트 상에 정렬된다. 대안으로서, 본원 발명에 따른 압축기가 회전(swiveling) 피스톤 구성을 가질 수 있고, 피스톤은 압축기 실린더 내에서 진자(pendulum) 운동을 실행하고, 그리고 커넥팅 로드가 크랭크 또는 편심 샤프트에 견고하게(rigidly) 고정될 수 있다.
본원 발명의 바람직한 추가적인 개선 실시예에서, 액체 기둥이 공급원과 링크될 수 있다. 공급원을 이용하여 대응 압축기 스테이지의 액체 기둥을 용이하게 재충진할 수 있고, 그에 따라 공급원이 압축기 스테이지에 연결될 수 있게 한다. 공급원은 또한 유압 유체를 용이하게 변경할 수 있게 하고 그리고 액체 기둥을 용이하게 환기(ventilate)시킬 수 있게 한다.
공급원은 컨테이너와 링크된 공급 펌프를 최적으로 둘러싸고, 이는 공급 라인에 의해서 이송하고, 압축기 실린더는 각각의 분지 공급 라인에 의해서 공급 라인과 연결되고, 상기 분지 공급 라인은 각각의 밸브 구성체를 포함한다. 대응 분지 공급 라인 내의 밸브 구성체는 공급 라인으로 공급하는 공급 펌프를 통해서 할당된 압축기 스테이지의 액체 기둥을 용이하게 재충진할 수 있게 한다.
본원 발명의 가능한 실시예에서, 본원 발명에 따른 피스톤 압축기 내의 압축기 스테이지가 직렬(in series)로 연결된다. 둘 이상의 압축기 스테이지가 직렬로 연결된 스테이지 압축기는, 압축기 스테이지의 배출구가 다른 압축기 스테이지의 입력부와 연결된 상태에서, 본원 명세서에 기재된 바와 같은 하나 또는 모든 압축기 스테이지와 배출구의 연결을 통해서 압축기 스테이지의 부분적인 부하 작동을 용이하게 가능하게 한다. 결과적으로, 균일한 부하가 구동 트레인으로 인가된다. 또한, 이는 대응 압축기 스테이지가 가변적인 입력부 또는 출력부 압력에 맞춰질 수 있게 허용하며, 그에 따라 본원 발명에 따른 피스톤 압축기는 넓은 범위의 입력부 및 출력부 압력에서 작동될 수 있다.
본원 발명의 다른 가능한 실시예에서, 압축기 스테이지가 병렬로 연결된다. 각각의 압축기 스테이지가 독립적인 압축기를 구성하고 그리고 압축된 매체에 대한 대응 전달 용량(capacity)을 제공하는, 병렬 피스톤 압축기에서, 본원 명세서에 기재된바와 같이 개별적인 압축기 스테이지를 부분적으로 또는 완전히 비활성화시키는 것에 의해서 가변적이고 조정가능한 전달 용량을 용이하게 제공할 수 있게 된다. 본원 발명에 따른 할당된 압축기 스테이지의 대응 액체 기둥을 연결하는 것에 의해서 공유형 구동 트레인으로 가변 전달 용량에 대한 복수의 압축기 해결책(solution)을 용이하게 구현할 수 있게 된다. 여기에서, 부분적으로 또는 완전하게 비활성화된 압축기 스테이지 각각은 독립된, 단독형 압축기를 포함한다. 만약 그러한 멀티 스테이지 피스톤 압축기가 큰 전달 용량을 필요로 한다면, 부가적인 압축기 스테이지가 순차적으로 연결될 수 있을 것이다. 또한, 본원 발명에 따른 압축기는 구동 모터의 설치된 엔진 출력을 최적으로 이용할 수 있게 한다. 만약 출력부에서 압축된 매체의 반대-압력이 낮다면, 몇 개의 압축기 스테이지가 동시에 작동될 수 있을 것이다. 부스터(booster) 작동 중에 또는 출력부에서 보다 높은 반대-압력이 주어진다면, 개별적인 압축기 스테이지가 용이하게 분리되어 엔진 출력을 조정할 수 있게 된다.
본원 명세서에 기재된 바와 같이 대응 압축기 스테이지의 액체 기둥을 배출구에 연결하는 것에 의해서, 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 압축기의 경우에, 선택된 압축기 스테이지를 개별적으로 작동시킬 수 있을 것이다. 이는, 예를 들어 압축기 스테이지의 오작동의 경우에, 다른 압축기 스테이지를 작동시킬 필요가 없이 선택된 압축기 스테이지의 작동을 가능하게 한다. 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 압축기 내의 하나 또는 둘 이상의 압축기 스테이지의 고장 또는 오작동의 경우에,영향을 받은 압축기 스테이지가 스위치 오프(switch off)될 수 있고, 그리고 압축기가 기능적인(functional) 압축기 스테이지로 계속 작동될 수 있을 것이다. 액체 기둥에 의해서 작동되는 압축기 피스톤이 압축되는 매체와 직접적으로 접촉하고, 그리고 매체를 둘러싸도록 하는 방식으로 본원 발명에 따른 피스톤 압축기가 디자인될 수 있다. 본원 발명의 바람직한 추가적인 개량 실시예에서, 압축기가 이온(ionic) 압축기로서 디자인되고, 대응 압축기 스테이지의 압축기 피스톤이 압축기 실린더 내에 위치되는 이온 작동 액체의 액체 기둥과 접촉하고, 그리고 매체를 압축하기 위해서 이용된다. 그러한 이온 압축기는 압축되는 매체를 이온 액체 기둥으로부터 변위 실린더로 변위시키고(displace), 그리고 바람직하게 압축 가스 매체, 예를 들어 수소에 대해서 이용된다.
본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기에 의해서 액체 기둥과 배출구를 연결할 수 있고, 그에 따라 구동 트레인이 계속적으로 작동될 때 하나의 압축기 스테이지 또는 몇 개의 압축기 스테이지를 부분적으로 또는 완전하게 비활성화할 수 있다. 개별적인 압축기 스테이지의 부분적인 비활성화는 선택된 압축기 스테이지의 부분적인 부하 작동을 용이하게 가능하게 한다. 개별적인 압축기 스테이지의 완전한 비활성화로 인해서 압축기 출력을 가변 압축기 파워의 달성 및/또는 구동 트레인의 구동 모터의 설치된 엔진 출력에 맞춰 조정할 수 있게 된다. 또한, 붕괴된(disrupt) 또는 비작동상태인 압축기 스테이지의 경우에 개별적인 압축기 스테이지의 완전한 비활성화는 압축기가 계속 작동될 수 있게 한다.
또한, 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기로 인해서 모든 압축기 스테이지의 액체 기둥을 배출구와 연결할 수 있게 되고 그에 따라 구동 트레인이 계속적으로 작동될 때 압축기의 비상 차단을 시작할 수 있다. 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기의 경우에, 압축기 스테이지의 모든 액체 기둥이 배출구와 동시에 연결되어 비상 부하 분할(shedding)을 구현할 수 있고, 구동 트레인을 즉각적으로 정지시키지 않고도 모든 압축기 스테이지가 비활성화된다.
본원 발명의 부가적인 이점 및 세부적인 사항이 도면에 도시된 예시적인 실시예를 기초로 보다 구체적으로 설명된다.
도 1은 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기를 도시한 도면이다.
도 2는 본원 발명의 추가적인 개량 실시예를 도시한 도면이다.
피스톤(3A, 3B, 3C, 3D)이 길이방향으로 이동할 수 있도록, 각 압축기 스테이지(A, B, C, D)가 압축기 실린더(2A, 2B, 2C, 2D) 내에 위치된 피스톤(3A, 3B, 3C, 3D)을 둘러싼다. 피스톤(3A-3D)을 조인트식으로 파워링하기 위해서, 피스톤(3A-3D)이 공유형 구동 트레인(4)과 구동가능하게(drivingly) 링크된다.
도시된 예시적인 실시예에서, 구동 트레인(4)은 구동 모터(5), 예를 들어 전기 모터 또는 연소식 엔진에 의해서 파워링되는 크랭크 또는 편심 샤프트(6)로 이루어지며, 피스톤(3A-3D)은 커넥팅 로드(7A-7D)에 의해서 크랭크 샤프트(6)와 각각 기계적으로 연결된다. 상기 커넥팅 로드(7A-7D)가 크랭크 또는 편심 샤프트(6)에 힌지식으로 연결되는 곳에서 장착부(8A-8D)가 포함될 수 있다.
본원 발명에 따라서, 각 피스톤(3A-3D)은 압축기 실린더(2A, 2B, 2C, 2D) 내의 비압축성 매체, 예를 들어 유압 유체로 이루어진 액체 기둥(9A-9D)에 의해서 압축기 피스톤(10A-10D)과 연결되며, 그러한 피스톤은 압축기 실린더(2A-2D) 내에서 길이방향으로 이동되고 그리고 압축되는 매체(M)를, 예를 들어 기체 또는 액체 수소를 직접적으로 또는 이온 작동 액체(30A-30D)의 액체 기둥을 삽입한 상태로 압축하기 위해서 이용된다. 개략적으로 도시된 실링 구성체를 이용하여 피스톤(3A-3D)을 대응 압축기 실린더(2A-2D)로부터 밀봉한다.
파워링되는 구동 트레인(4)의 경우에, 크랭크 샤프트(6)와 커넥팅 로드(7A-7D)의 운동역학적 관계(kinematics)가 각각의 압축기 스테이지(A-D)의 대응 피스톤(2A-2D)의 상부 및 하부 사점(dead point) 사이의 소정(所定; predetermined)의 일정한 피스톤 행정(KH)을 유도한다.
본원 발명에 따라서, 할당된 압축기 스테이지(A-D)의 각각의 액체 기둥(9A-9D)이 배출구(15)와 추가적으로 연결될 수 있다.
이러한 목적을 위해서, 컨테이너(20)로 연결되고(routed) 그리고 각각의 하나의 대응 분지 배출구 라인(22A-22D)에 의해서 각각의 압축기 실린더(2A-2D)에 연결되는 수집 배출구 라인(21)이 제공된다. 액체 기둥(9A-9D)과 수집 배출구 라인(21)을 연결하는, 그에 따라 할당된 액체 기둥(9A-9D)의 유압 유체를 배수하는 프로세스를 제어하기 위해서, 각 분지 배출구 라인(22A-22D)은 밸브 구성체(23A-23D)를 포함한다. 컨테이너(20)는 약간의 프리텐션에 노출될 수 있다.
밸브 구성체(23A-23D)가 슬라이드 밸브 또는 볼 밸브로서 디자인될 수 있고, 그러한 밸브는 유동 위치와 록킹된 위치 사이에서 작동될 수 있다.
컨테이너(20)로부터 압축기 스테이지(A-D)의 대응 액체 기둥(9A-9D)으로 유압 유체를 재충진하기 위해서 공급원(25)이 제공된다면, 흡입 측부(side)에서 공급 라인(27)과 연결되고 그리고 압력 측부에서 공급 라인으로 이송하는 공급 펌프(26)가 제공된다. 압축기 실린더(2A-2D)가 각각 분지 공급 라인(28A-28D)에 의해서 공급 라인(27)과 연결된다. 각 밸브 구성체(29A-29D)가 공급 라인(28A-28D) 내에 위치되어, 할당된 액체 기둥(9A-9D) 내에 유압 유체를 대응하여 충진한다. 밸브 구성체(29A-29D)가 슬라이드 밸브 또는 볼 밸브로서 디자인될 수 있고, 그러한 밸브는 유동 위치와 록킹된 위치 사이에서 작동될 수 있다.
유압 유체는 밸브 구성체(23A-23D)를 대응하여 작동시킴으로써 대응 액체 기둥(9A-9D)으로부터 배수될 수 있으며, 그에 따라 도 1의 상부를 향하는 할당 피스톤(3A-3D)의 미리 정해지고 일정한 피스톤 행정(KH)이 주어지면, 밸브 구성체(23A-23D)가 개방된 상태에서 압축기 실린더(2A-2D) 내에서 이송되는 액체 기둥(9A-9D)의 유압 유체 형태의 유동 압력 인가(exerting) 수단이 부분적으로 또는 완전히 배출구(15)로 이송되고, 그에 따라 컨테이너(20) 내로 이송된다. 밸브 구성체(23A-23D)가 개방될 때, 기계적으로 파워링되는 피스톤(3A-3D)에 의해서 이송되는 유압 유체가 할당 압축기 피스톤(10A-10D)으로 유입되는 것이 그리고 대응 운동이 압축기 피스톤(10A-10D)으로 전달되는 것이 방지되거나 또는 단지 부분적으로 방지된다. 액체 기둥(9A-9D) 내의 이송된 유압 유체의 수집 배출구 라인(21)으로의 이러한 전환으로 인해서, 영향을 받는 압축기 스테이지(A-D)를 스위칭시킬 수 있고, 그에 따라 압축기 피스톤(3A-3D)을 부분적으로 또는 완전하게 무부하로 스위칭할 수 있고, 그에 따라 이동하지 않게 할 수 있다. 여기에서, 구동 트레인(4)은 계속 작동될 수 있고, 그리고 부가적인 압축기 스테이지들을 파워링할 수 있다.
결과적으로, 본원 명세서에 기재된 바와 같이 각각의 압축기 스테이지(A-D)의 액체 기둥(9A-9D)을 배출구(15)와 연결하는 것에 의해서, 각 압축기 피스톤(10A-10D)의 압축기 행정(VH)을 할당 피스톤(3A-3D)의 일정한 피스톤 행정(KH)과 무관하게 변화 및 변경시킬 수 있고, 상기 압축기 피스톤(10A-10D)은 압축기 행정(VH)이 제로(zero)인 상태로 추가적으로 완전히 차단될 수 있을 것이다. 그에 따라, 배출구(15)를 이용하여 그리고 그에 따라 컨테이너(20)를 이용하여 액체 기둥(9A-9D)을 제어하는 것은 압축기 실린더(10A-10D)의 부분적인 또는 완전한 비활성화를 가능하게 한다. 밸브 구성체(23A-23D)를 개별적으로 활성화시키는 것에 의해서, 다른 압축기 스테이지의 다른 압축기 피스톤의 압축기 행정과 무관하게, 각 압축기 피스톤(10A-10D)의 압축기 행정(VH)을 제어 및 변경할 수 있게 된다.
도 2는 본원 발명에 따른 압축기(1)의 압축기 스테이지(A)를 기초로 본원 발명의 추가적인 개량 실시예를 도시한다. 본원 발명에 따른 압축기(1)의 다른 압축기 스테이지(B-D)도 상응하게 디자인될 수 있을 것이다.
도 2에 따라서, 압축기(1)가 이온 압축기(1)로서 디자인되며, 이때 유압 유체에 의해서 이동되고 그에 따라 액체 기둥(9A-9D)에 의해서 이동되는 상(phase) 분리기로서 디자인된 압축기 피스톤(10A)은 압축기 실린더(2A) 내에 위치된 이온 작동 액체(30A)의 액체 기둥과 접촉하고, 그리고 압축기 피스톤(10A)의 압축기 행정(VH)에 대응하는 충진 레벨(31)에서 압축기 행정을 실행한다. 이온 작동 액체(30A)를 이용하여 매체(M)를 압축하고, 이러한 매체는 변위 실린더(2A) 및 이온 작동 액체(30A)에 의해서 생성된 변위 공간 내에 위치된다. 압축기 실린더(2A)에 위치하는 유입구 밸브(32A) 및 배출구 밸브(33A)를 이용하여 매체(M)를 흡입하고 배출한다.
도 2는 분지 배출구 라인(22A) 내에 위치된 밸브 구성체(23A)를 활성화시키기 위한 전기 활성화 장치(40A), 예를 들어 자기식 또는 전기식 액츄에이터(actuator)를 추가적으로 도시한다. 밸브 구성체(23A)는 전자 제어부(41)에 의해서 활성화될 수 있고, 상기 전자 제어부는 이러한 목적을 위해서 활성화 장치(40A)와 연결된다.
도 2에 따라서, 하나 이상의 부가적인 밸브 구성체(50A)가 분지 배출구 라인(22A) 내에 정렬된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 오버플로우 밸브(51A), 예를 들어 압력 릴리프 밸브, 그리고 제어 밸브(52A), 예를 들어 압력 제어 또는 압력 릴리프 밸브가 부가적인 밸브 구성체(50A)로서 분지 배출구 라인(22A) 내에 위치된다.
본원 발명에 따른 멀티 스테이지 압축기(1)와 연관된 일련의 이점들이 제공된다.
본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기(1)에서, 단일 구동 모터(5)를 구비하는 공유형 구동 트레인(4)의 경우에 독립적인 압축기 스테이지(A-D)가 달성될 수 있다. 공유형 구동 트레인(4)을 구비하는 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기(1)에서, 개별적인 압축기 스테이지(A-D)가 부분적으로 또는 완전히 비활성화될 수 있고, 그에 따라 부분적인 부하 또는 무부하 조건하에서 작동될 수 있고, 또는 개별적인 압축기 피스톤들이 이동하지 않게 될 수 있다. 이는 개선된 에너지 효율을 제공하고 그리고 비활성화된 압축기 스테이지를 가지는 드라이브에 대한 부하를 감소시킨다. 또한, 압축기 스테이지의 부동화된 압축기 피스톤에서, 예를 들어 압축기 실린더 뿐만 아니라 압축기 피스톤의 표면 및 압축기 피스톤의 밀봉부들, 그리고 압축기 스테이지의 밸브들에서 감소된 부하 및 적은 기계적 마모가 달성된다.
개별적인 압축기 스테이지를 구동 트레인으로부터 부분적으로 또는 완전하게 디커플링(decoupling)시키는 것은 부분적인 부하 작동 중에 에너지 효율의 증대를 추가로 제공한다. 또한, 이는 구동 트레인 상에서 균일한 부하가 유지될 수 있게 한다.
또한, 본원 명세서에 설명된 바와 같이 독립적인 압축기 스테이지를 개별적으로 비활성화하는 것에 의해서 압축되는 매체의 입력부 및 출력부 압력을 변화시킬 수 있도록 압축기(1)가 조정될 수 있다. 결과적으로, 스테이지 압축기로 디자인된 본원 발명에 따른 멀티 스테이지 피스톤 압축기에서, 이러한 것은 확장된 입력부 압력 범위에서의 작동 및 대응 압축기 스테이지 에서의 가변 압축 비율을 가능하게 한다.
대응 압축기 스테이지의 분지 배출구 라인들 내에 하나 또는 둘 이상의 부가적인 밸브 구성체를 위치시키는 것은 압축기의 거동에 용이하게 영향을 미칠 수 있게 되고 및/또는 용이하게 제어할 수 있게 된다. 오버플로우 밸브, 예를 들어 압력 릴리프 밸브, 및/또는 제어 밸브, 예를 들어 압력 제어 밸브 또는 유동 제어 밸브를 압축기 스테이지의 대응 분지 배출구 라인 내에 정렬시킴으로써, 대응 압축기 스테이지에 대한 하나 또는 둘 이상의 비활성화 변형(variants) (부분적인 부하, 압력 릴리프, 완전한 차단)이 용이하게 허용될 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 둘 이상의 압축기 스테이지를 구비하는 기체인 매체(gaseous medium) 또는 극저온적으로 액화된 매체(cryogenically liquefied medium)를 위한 멀티 스테이지 피스톤 압축기로서, 조인트 파워링(joint powering)을 위해서 공유형 구동 트레인과 작동적으로(operatively) 상호작용하며, 각각의 압축기 스테이지가, 상기 구동 트레인과 기계적으로 연결되고 압축기 실린더 내에 정렬되어 길이방향으로 이동할 수 있는 피스톤을 구비하는, 멀티 스테이지 피스톤 압축기에 있어서,
    상기 각각의 압축기 스테이지(A; B; C; D)의 상기 피스톤(3A; 3B; 3C; 3D)은 상기 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D) 내에 위치된 비압축성 액체의 액체 기둥(liquid column; 9A; 9B; 9C; 9D)과 연결되고, 상기 압축기 실린더는 피스톤(3A; 3B; 3C; 3D)의 피스톤 행정 운동(piston stroke motion)을 상기 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D) 내에 정렬된 압축기 피스톤(10A; 10B; 10C; 10D)의 운동으로 변환하여 상기 압축기 피스톤이 길이방향으로 이동할 수 있게 하며, 상기 압축기 피스톤(10A; 10B; 10C; 10D)의 압축기 행정(VH)의 변화를 위한 상기 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)이 배출구(15)와 연결될 수 있는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    밸브 구성체(23A; 23B; 23C; 23D)가 상기 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)을 상기 배출구(15)와 연결하기 위해서 제공되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D)가 각각의 분지 배출구 라인(22A; 22B; 22C; 22D)에 의해서 수집 배출구 라인(21)과 연결되고, 상기 밸브 구성체(23A, 23B; 23C; 23D)가 상기 분지 배출구 라인(22A; 22B; 22C; 22D) 내에 위치되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 밸브 구성체(23A, 23B; 23C; 23D)는 록킹된 위치와 유동 위치를 가지는 제어 밸브로 디자인되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 밸브 구성체(23A, 23B; 23C; 23D)가 전자 제어부(41)에 의해 활성화될 수 있는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 수집 배출구 라인(21)이 컨테이너(20)와 연결되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  7. 제 3 항에 있어서,
    하나 이상의 부가적인 밸브 구성체(50A)가 수집 배출구 라인(21) 또는 분지 배출구 라인(22A; 22B; 22C; 22D) 내에 위치되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부가적인 밸브 구성체(50A)가 오버플로우 밸브(51A)로 디자인되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 부가적인 밸브 구성체(50A)가 제어 밸브(52A)로 디자인되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 부가적인 밸브 구성체(50A)가 유동 제한 밸브로서 디자인되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 트레인(4)은 구동 모터(5)에 의해서 파워링되는 크랭크 또는 편심 샤프트(6)를 둘러싸고, 상기 피스톤(3A; 3B; 3C; 3D)은 각각의 커넥팅 로드(7A; 7B; 7C; 7D)에 의해서 크랭크 또는 편심 샤프트(6)와 연결되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)이 공급원(25)과 연결될 수 있는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 공급원(25)은 컨테이너(20)와 링크된 공급 펌프(26)를 둘러싸고, 이는 공급 라인(27)에 의해서 이송하고, 상기 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D)는 각각의 분지 공급 라인(28A; 28B; 28C; 28D)에 의해서 공급 라인(27)과 연결되고, 상기 분지 공급 라인(28A; 28B; 28C; 28D)은 각각의 밸브 구성체(29A, 29B; 29C; 29D)를 포함하는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기 스테이지(A; B; C; D)가 직렬로 연결되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기 스테이지(A; B; C; D)가 병렬로 연결되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멀티 스테이지 피스톤 압축기가 이온 압축기로서 디자인되고, 상기 대응 압축기 스테이지(A; B; C; D)의 압축기 피스톤(10A; 10B; 10C; 10D)이 상기 압축기 실린더(2A; 2B; 2C; 2D) 내에 위치되는 이온 작동 액체(30A; 30B; 30C; 30D)의 액체 기둥과 접촉하고, 그리고 매체(M)를 압축하기 위해서 이용되는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)을 배출구(15)와 연결하는 것은 상기 구동 트레인(4)이 계속 작동될 때 하나의 압축기 스테이지(A; B; C; D) 또는 몇 개의 압축기 스테이지(A; B; C; D)를 부분적으로 또는 완전히 비활성화시킬 수 있게 하는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    모든 몇 개의 압축기 스테이지(A; B; C; D)의 액체 기둥(9A; 9B; 9C; 9D)을 배출구(15)와 연결하는 것은 구동 트레인(4)이 계속적으로 작동될 때 멀티 스테이지 피스톤 압축기의 비상 차단을 시작할 수 있게 하는
    것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 피스톤 압축기.
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