KR102271977B1

KR102271977B1 - 마그네트 방식의 가스압축기

Info

Publication number: KR102271977B1
Application number: KR1020200148246A
Authority: KR
Inventors: 김춘식
Original assignee: (주)티엔지
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2021-07-06

Abstract

본 발명은, 유압을 이용하지 않고 강한 자성(磁性)을 띠는 마그네트를 사용하여 구조가 매우 간단하고 콤팩트하게 제작되어 수소와 같은 가스를 안전하고 신속하게 초고압으로 압축할 수 있는 마그네트 방식의 가스압축기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 마그네트 방식의 가스압축기는 보조탱크(11)와 압축실린더(13) 및 마그네트(15)를 기본적인 구성요소로 구비하여 하나의 가스압축유닛(10)을 이루게 되며, 동일한 구조의 가스압축유닛 복수개가 유기적으로 연결되어 가스를 안전하고 신속하게 초고압으로 압축할 수 있게 된다.

Description

마그네트 방식의 가스압축기{Magnet type gas compressor}

본 발명은 가스압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강한 자성(磁性)을 띠는 마그네트를 사용하여 구조가 간단하고 콤팩트하게 제작되어 가스를 신속하게 초고압으로 압축할 수 있는 마그네트 방식의 가스압축기 및 이를 이용한 초고압 가스압축 시스템에 관한 것이다.

현재 세계적으로 소비되는 에너지는 대부분이 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료인데, 특히 자동차는 휘발유 또는 경유를 사용하는 것이 대부분이다. 하지만 화석연료는 매장량에 한계가 있고, 에너지를 얻기 위하여 연소시킬 때 발생하는 각종 가스, 분진 및 연소 후 잔여물질은 환경오염은 물론 지구온난화의 주범이라고 할 수 있다. 수소에너지는 이러한 상황을 근본적으로 해결할 수 있는 대체에너지이면서 미래의 청정에너지원 중 하나로 꼽히고 있는데, 수소에너지의 원료가 되는 물은 지구상에 풍부하게 존재하며, 연소시 극소량의 질소와 물만 생성되고 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 배출이 전혀 없음은 물론 공해물질이 발생되지 않는다.

수소를 연료로 사용하는 수소자동차는 석유의 고갈을 대비하기 위한 대안으로 한국을 비롯한 미국, 일본, 독일 등에서 오래 전부터 연구되었고, 수소자동차의 실용화에 성공한 최초의 기업은 한국의 현대자동차인데, 연료 충전 인프라와 높은 가격 때문에 본격적인 시장 진출에는 실패했다. 수소자동차에 수소를 충전하는 과정을 간략히 설명하면, 수소충전소에서 수소를 충전하기 위해서 압축기를 이용해서 수소를 900bar 정도의 초고압으로 수소충전소(수소 스테이션)에 충전하고, 초고압의 수소를 디스펜서를 통해서 수소자동차에 설치된 고압수소 탱크에 700bar 정도의 압력으로 충전시키게 된다. 따라서 수소충전 인프라의 핵심이 되는 설비는 수소충전소이고, 수소충전소의 핵심은 수소압축기라고 할 수 있으며, 수소압축기의 핵심은 수소를 900bar 정도의 초고압으로 안전하고 신속하게 압축하는 것이라고 할 수 있다.

지금까지 수소가스 압축과 관련하여 한국 특허등록 제2000269호 "수소가스 압축장치", 특허등록 제1632859호 "수소 스테이션" 등 많은 기술이 출현하였다. 상기 특허를 비롯한 현재 사용되고 있는 수소가스 압축기는 피스톤 방식과 다이어프렘 방식으로 대별되는데, 피스톤 방식과 유압을 이용한 압축기의 경우 효율은 높으나 피스톤과 피스톤 하우징의 실링부에 장착한 실링부재의 마모가 빈번하게 발생하게 되고, 마모된 실링부재를 적기에 교체해 주지 않으면 금속접촉이 발생하여 수소가 폭발하게 되는 매우 위험한 상황이 발생할 수 있으며, 피스톤 왕복시 실린더 내부에 압력 변동이 발생하여 진동과 소음 및 폭발로 이어질 수 있고, 피스톤을 왕복운동시키기 위하여 대용량의 모터와 내연기관을 사용해야 한다는 문제가 있다.

또한, 다이어프렘 방식을 이용한 압축기의 경우 가스와 피스톤의 직접적인 접촉이 방지되고 다이어프렘이라는 얇은 금속막에 의해 전달되므로 안정성은 높으나 효율이 떨어지고, 다이어프렘을 움직여 주기 위해 유압과 대용량의 모터를 사용해야 하며, 수소를 압축하는데 많은 시간과 대규모의 설비를 필요로 하며, 압축기의 구조가 매우 복잡하여 고장이 많고 가격이 높다는 문제가 있다.

한편, 수소를 초고압으로 압축하기 위해서는 일시에 초고압으로 압축할 수 없기 때문에 압축과정을 반복하면서 단계적이고 점진적으로 압력을 높여야 하므로, 두 방식 모두 수소가스를 초고압으로 압축하기 위한 설비의 크기가 엄청난 규모로 커져야 할 뿐만 아니라 신속하게 초고압으로 압축할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 유압을 이용하지 않고 강한 자성(磁性)을 띠는 마그네트를 사용하여 구조가 매우 간단하고 콤팩트하게 제작되어 수소와 같은 가스를 안전하고 신속하게 초고압으로 압축할 수 있는 마그네트 방식의 가스압축기 및 이를 이용한 초고압 가스압축 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 마그네트 방식의 가스압축기는, 한 쌍의 제1가스유입관에 제1체크밸브가 각각 설치되어, 일측 제1체크밸브가 개방되면서 공급받은 가스가 저장되어 있는 보조탱크; 상기 보조탱크와 연결된 한 쌍의 제2가스유입관에 제2체크밸브가 각각 설치되어, 제2체크밸브가 개방되면서 보조탱크로부터 실린더의 양단부(兩端部) 쪽으로 가스가 공급되어 충전되게 되고, 실린더 내부에 설치되어 있는 내부마그네트가 왕복운동을 하면서 실린더 내부에 충전된 가스를 압축하게 되는 압축실린더; 상기 압축실린더의 내부와 외부에 각각 내부마그네트와 외부마그네트가 서로 대응하는 위치에 설치되고, 구동모터의 구동에 따라 내부마그네트와 외부마그네트가 자력(磁力)에 의해 부착되어 함께 이동하게 되면서, 압축실린더의 내부에 충전된 가스 중 내부마그네트의 일측에 충전된 가스를 압축시키게 되는 마그네트를 포함하여 구성되어 하나의 가스압축유닛을 구성하게 되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 마그네트는, 압축실린더의 내부에 설치되며, 외주면이 압축실린더 내주면에 접하면서 이동하게 되는 내부마그네트; 압축실린더의 외부에 설치되면서, 내주면이 압축실린더 외주면과 유격을 갖도록 설치되며, 상기 내부마그네트와 자력(磁力)에 의해 부착되어 함께 이동하게 되는 외부마그네트; 외부마그네트의 외부를 감싸는 마그네트하우징; 마그네트하우징의 양측 하단에 설치된 마그네트 구동부를 포함하여 구성되고, 구동모터의 구동에 따라 상기 마그네트 구동부가 압축실린더의 외측에 길이방향을 따라 설치된 가이드를 따라 왕복운동을 하게 된다.

바람직하게는, 내부마그네트는, 일정 직경을 갖는 환봉(丸棒) 형상의 중심축과, 중심축의 길이방향 중앙부분에 플랜지가 형성되어 구성된 마그네트 피스톤; 마그네트 피스톤의 플랜지 외주면에 끼워지는 오링; 마그네트 피스톤에서 플랜지의 양측에 위치하는 중심축에 각각 부착되어 설치되는 제1마그네트를 구비하여 구성되며, 내부마그네트의 오링이 압축실린더의 내주면과 밀착되도록 설치된다.

바람직하게는, 내부마그네트는, 일정 직경을 갖는 환봉(丸棒) 형상의 중심축과, 중심축의 길이방향 양단(兩端)을 포함하여 2∼3개의 플랜지가 일체로 형성되어 구성된 마그네트 피스톤; 마그네트 피스톤의 플랜지 외주면에 끼워지는 오링; 마그네트 피스톤에서 플랜지와 플랜지 사이에 위치하는 중심축에 각각 끼워지는 제1마그네트를 구비하여 구성되며, 내부마그네트의 오링이 압축실린더의 내주면과 밀착되도록 설치된다.

바람직하게는, 제1마그네트는 측면에서 봤을 때 도너츠 형상이고, 도너츠 형상의 내주면이 중심축의 외주면에 부착되어 설치되고, 도너츠 형상에서 중심각이 일정 각도로 등분(等分)되고, 제1마그네트의 길이방향에서도 일정 길이로 등분되어 이루어지며, 일정 각도와 일정 길이로 등분된 각 조각은 내측부와 외측부가 N극 또는 S극을 각각 띠게 되며, 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성된다.

바람직하게는, 외부마그네트는, 원통 형상이고, 원통형상의 양단(兩端)을 포함하여 3개의 돌출부가 원통 내측 방향으로 돌출 형성되어 구성된 마그네트홀더; 마그네트홀더의 돌출부와 돌출부 사이에 설치되는 제2마그네트를 구비하여 구성되고, 제2마그네트는 측면에서 봤을 때 도너츠 형상이고, 도너츠 형상의 외주면이 마그네트홀더의 내주면에 부착되고, 도너츠 형상의 내주면이 압축실린더의 외주면과 유격을 갖도록 설치되게 되며, 도너츠 형상에서 중심각이 일정 각도로 등분되고, 제2마그네트의 길이방향에서도 일정 길이로 등분되어 이루어지며, 일정 각도와 일정 길이로 등분된 각 조각은 내측부와 외측부가 N극 또는 S극을 각각 띠게 되며, 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성된다..

바람직하게는, 보조탱크에는 보조탱크 내부의 압력을 감지하기 위한 제1압력센서가 더 설치되고, 압축실린더의 양단(兩端) 각각에는 압축실린더 내의 압력을 감지하기 위한 제2압력센서가 더 설치된다..

바람직하게는, 가이드의 양단 부분에는, 왕복이동하는 마그네트를 정지시켜 리턴하는 위치를 감지하기 위한 제1 및 제2포지션센서가 더 설치되어, 제1 및 제2포지션센서의 신호 정보에 따라 마그네트의 이동이 멈추게 되면서 제1 및 제2체크밸브를 개폐하도록 제어된다.

본 발명에 따른 마그네트 방식의 가스압축기를 이용한 초고압 가스압축 시스템은, 일정 압력으로 압축된 가스를 공급하게 되는 공급탱크; 공급받은 가스의 압력을 일정 압력만큼 승압시켜서 승압된 가스를 공급하게 되는 마그네트 압축기; 공급받은 가스를 저장하고 있다가, 상기 마그네트 압축기에서 승압시킨 승압된 가스를 공급받아 저장하게 되는 압력탱크를 포함하여 구성되고, 상기 압력탱크는, 공급탱크로부터 공급받은 가스를 저장하고 있다가, 마그네트 압축기에서 1차로 승압시킨 승압된 가스를 공급받아 저장하면서, 마그네트 압축기에도 1차로 승압된 가스를 공급해 주게 되는 제1압력탱크; 공급탱크로부터 공급받은 가스를 저장하고 있다가, 1차로 승압된 가스를 저장하게 되는 제1압력탱크와 동일한 압력의 가스를 저장하게 되고, 마그네트 압축기에서 2차로 승압시킨 승압된 가스를 공급받아 저장하면서, 마그네트 압축기에도 2차로 승압된 가스를 공급해 주게 되는 제2압력탱크; 공급탱크로부터 공급받은 가스를 저장하고 있다가, 2차로 승압된 가스를 저장하게 되는 제2압력탱크와 동일한 압력의 가스를 저장하게 되고, 마그네트 압축기에서 3차로 승압시킨 승압된 가스를 공급받아 저장하면서, 마그네트 압축기에도 3차로 승압된 가스를 공급해 주게 되는 제3압력탱크를 포함하여 구성되고, 마그네트 압축기에서 누차(屢次) 승압시키면서 추가적으로 필요한 가스는 공급탱크가 마그네트 압축기에 공급해 주게 되며, 상기 공급탱크와 마그네트 압축기 및 압력탱크의 각 구성 사이를 연결하는 가스유입관에는 체크밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마그네트 방식의 가스압축기는, 유압을 전혀 활용하지 않고 강한 자성(磁性)을 띠는 마그네트를 활용하는 방식으로, 가스를 압축시키는 압축실린더 내부에는 내부마그네트를 설치하고 외부에는 외부마그네트를 각각 설치하여, 소형 모터의 구동에 의해 내부마그네트와 외부마그네트가 함께 왕복운동을 하면서 압축실린더의 내부에 충전된 가스 중 내부마그네트에 구비된 마그네트 피스톤의 전방측 실(室)에 충전되어 있는 가스를 압축시키는 구조이므로, 구동을 위해 유압을 전혀 사용하지 않기 때문에 가스압축기 자체의 구조가 매우 간단하고 콤팩트하며, 가스 압축과정에서 진동과 소음이 발생하지 않을 뿐만 아니라 가스를 안전하고 신속하게 초고압으로 압축할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스압축유닛이 연결 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 1개의 가스압축유닛을 분리하여 도시한 도면이다.
도 3은 내부 및 외부마그네트가 압축실린더에 설치된 상태 및 내부마그네트를 분리하여 도시한 도면이다.
도 4는 내부마그네트의 일부를 분해하여 도시한 도면이다.
도 5는 외부마그네트를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 가스압축기를 이용한 초고압 가스압축 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 초고압 가스압축 시스템에 설치된 마그네트 압축기에서 가스가 압축되는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 가스압축기의 가장 큰 기술적 특징은, 유압을 이용하지 않고 마그네트를 이용함으로써 압축기를 구조가 간단하고 콤팩트하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 가스를 안전하고 신속하게 초고압으로 압축할 수 있게 했다는 점이다.

본 발명에 따른 마그네트 방식의 가스압축기는 보조탱크(11)와 압축실린더(13) 및 마그네트(15)를 기본적인 구성요소로 구비하여 하나의 가스압축유닛(10, 10', 10")을 이루게 되며, 동일한 구조의 가스압축유닛 복수개가 유기적으로 연결되어 가스를 안전하고 신속하게 초고압으로 압축할 수 있게 된다.

보조탱크(11)에는 한 쌍의 제1가스유입관(111)이 연결되고, 각 제1가스유입관(111)에는 제1체크밸브(112)가 각각 설치되는데, 제1가스유입관(111)은 전(前)단계의 가스압축유닛에 설치된 압축실린더와 연결되는 배관으로, 보조탱크(11)는 일측 제1체크밸브가 개방되면서 전(前)단계의 가스압축유닛에 설치된 압축실린더로부터 공급받은 가스가 저장되는 탱크이다. 보조탱크(11)에는 탱크 내부의 압력을 감지하기 위한 제1압력센서(114)를 설치하여 보조탱크 내부의 압력을 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 미설명부호 113은 보조탱크(11)를 고정시키기 위한 탱크고정부이다.

압축실린더(13)는 동일한 가스압축유닛에 설치된 보조탱크(11)와 한 쌍의 제2가스유입관(131)에 의해 연결되고, 각 제2가스유입관(131)에는 제2체크밸브(132)가 각각 설치되어, 일측 제2체크밸브가 개방되면서 보조탱크로(11)부터 압축실린더(13)의 양단부(兩端部) 중 일측으로 가스가 공급되어 충전되게 되고, 압축실린더 내부에 설치되어 있는 내부마그네트(151)가 왕복운동을 함에 따라 내부마그네트(151)의 일측에 충전된 가스를 압축하게 되며, 압축된 가스는 후(後)단계 가스압축유닛의 보조탱크로 공급되게 된다. 압축실린더(13)는 내부마그네트(151)를 사이에 두고 실린더 내부가 양측으로 구획되게 되므로 제2압력센서(134)를 압축실린더(13)의 양단(兩端)에 각각 설치하여 구획된 양쪽 각 실(室)의 압력을 측정하도록 하는 것이 바람직하다. 미설명부호 133은 압축실린더(13)를 고정시키기 위한 실린더고정부이다.

본 발명의 가스압축기에서 가장 특징적인 구성이 마그네트인데, 마그네트(15)는 압축실린더(13)의 내부와 외부에 각각 내부마그네트(151)와 외부마그네트(152)가 서로 대응하는 위치에 설치되고, 구동모터(135)의 구동에 따라 내부마그네트(151)와 외부마그네트(152)가 자력(磁力)에 의해 부착되어 함께 이동하게 되면서, 압축실린더(13)의 내부에 충전된 가스 중 내부마그네트(151)의 일측에 충전된 가스를 압축시키게 된다.

마그네트(15)는, 압축실린더(13)의 내측과 외측에 각각 설치되는 내부마그네트(151)와 외부마그네트(152), 마그네트하우징(153) 및 마그네트 구동부(154)를 포함하여 구성된다.

내부마그네트(151)는 압축실린더(13)의 내부에 설치되어 내부마그네트(151)의 외주면이 압축실린더(13) 내주면에 접하면서 이동하게 된다. 내부마그네트(151)는 중심축(151a)과 플랜지(151b)가 형성되어 구성된 마그네트 피스톤과, 플랜지의 외주면에 끼워지는 오링(O-ring)(151c) 및 중심축에 부착되어 설치되는 제1마그네트(151d)를 구비하여 구성된다.

도 3에 내부마그네트(151)의 실시예를 도시했는데, 내부마그네트(151)는 일정 직경을 갖는 환봉(丸棒) 형상의 중심축(151a)과, 중심축(151a)의 길이방향 중앙부분에 플랜지(151b)가 일체로 형성되어 마그네트 피스톤을 구성한다. 플랜지(151b)의 외주면에는 오링(151c)이 끼워지고, 플랜지(151b)의 양측에 위치하는 중심축(151a)에 제1마그네트(151d)가 각각 끼워지게 되며, 내부마그네트(151)가 압축실린더(13)의 내부에서 이동할 때 오링(151c)이 압축실린더(13)의 내주면과 밀착되어 이동하게 된다. 제1마그네트(151d)를 설치하기 쉽도록 하기 위하여 중심축(151a)의 양단(兩端)에 설치된 플랜지(151b)는 중심축(151a)에서 분리될 수 있도록 설치할 수도 있다.

도 4에 내부마그네트(151)의 내부마그네트(151)의 일부를 분리하여 도시했는데, 일정 직경을 갖는 환봉(丸棒) 형상의 중심축(151a)과, 중심축의 길이방향 양단(兩端)을 포함하여 2∼3개의 플랜지(151b)가 형성되어 마그네트 피스톤을 구성하게 되는데, 플랜지(151b)가 2개 설치될 경우에는 중심축(151a)의 양단에 각각 설치되며, 플랜지(151b)가 3개가 설치될 경우에는 중심축(151a)의 양단과 중앙부분에 설치된다. 오링(151c)은 중심축의 양단에 설치된 플랜지(151b)의 외주면에는 반드시 오링(151c)이 끼워져야 하며, 중앙부분에 설치된 플랜지의 외주면에는 오링을 끼우지 않을 수도 있다. 제1마그네트(151d)는 플랜지와 플랜지 사이에 위치한 중심축에 부착되어 설치되게 된다.

제1마그네트(151)는 측면에서 봤을 때 도너츠 형상이고, 도너츠 형상의 내주면이 중심축(151a)의 외주면에 부착되어 설치되고, 도너츠 형상에서 중심각이 일정 각도로 등분(等分)되고, 제1마그네트(151)의 길이방향에서도 일정 길이로 등분되어 이루어지며, 일정 각도와 일정 길이로 등분된 각 조각은 내측부와 외측부가 N극 또는 S극을 각각 띠게 되며, 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성된다. 압축실린더(13) 내부에 충전된 가스의 압력이 높을수록 큰 힘을 받게 되고, 제1마그네트(151)가 큰 힘을 이기면서 이동하기 위해서는 제1마그네트(151)를 도너츠 형상의 일체로 된 1개의 마그네트로 형성하는 것보다는 여러 조각으로 분리하여 마그네트를 형성하는 것이 바람직하며, 마그네트를 여러 조각으로 분리하여 형성하면 훨씬 강력한 자력(磁力)을 형성할 수 있게 된다.

외부마그네트(152)는 압축실린더(13)의 외부에 설치되어, 압축실린더(13)의 내부에 설치된 내부마그네트(151)와 자력(磁力)에 의해 부착되어 함께 이동하게 되는데, 마그네트(15)의 원활한 이동을 위해 외부마그네트(152)에 구비된 제2마그네트(152a)의 내주면이 압축실린더(13) 외주면과 약간의 유격을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다. 외부마그네트(152)의 외부를 마그네트하우징(153)이 감싸도록 구성되고, 마그네트하우징(153)의 양측 하단에 마그네트 구동부(154)가 설치되어 있다.

압축실린더(13)의 외측에는 실린더의 길이방향을 따라 가이드(155)가 설치되어 있고, 구동모터(135)의 구동에 따라 마그네트 구동부(154)가 가이드(155)를 따라 왕복운동을 하게 되는데, 가이드(155)는 LM 가이드, 볼스크류 등 마그네트 구동부(154)가 직선왕복운동을 할 수 있는 다양한 수단을 사용할 수 있다.

가이드(155)에는 마그네트(15)의 위치를 감지하는 포지션센서를 설치하는 것이 바람직한데, 포지션센서는 이동하는 마그네트(15)의 위치 정보를 감지하여 신호를 보냄으로써 마그네트(15)의 이동을 정지시키면서 제1 및 제2체크밸브(112, 132)를 개폐시키는 제어를 할 수 있게 된다. 가이드(155) 양단 부분에 설치되는 제1 및 제2포지션센서(156a, 156b)는 왕복운동하는 마그네트(15)의 이동을 정지시키고 리턴하게 되는 위치를 감지하는 센서이고, 제1 및 제2포지션센서(156a, 156b) 사이의 일정 지점에 각각 설치되는 제3 및 제4포지션센서(156c, 156d)는 마그네트(15)의 이동속도를 줄이는 위치를 감지하는 센서인데, 마그네트(15)가 내부마그네트(151)의 전방에 위치한 실(室)에 충전된 가스를 압축하기 위하여 이동하다가 리턴 위치에서 갑자기 정지하게 되면 여러 문제가 발생할 수 있으므로 리턴 위치의 전방 일정 지점에서부터는 미리 이동속도를 줄여야 리턴 위치에서 안전하게 정지할 수 있게 된다.

외부마그네트(152)는 마그네트홀더(152b)의 내측에 제2마그네트(152a)가 설치되어 구성되고, 외부마그네트(152)는 압축실린더(13)의 외주면에 설치되어 내부마그네트(151)와 함께 이동하게 된다. 마그네트홀더(152b)는 원통 형상이고, 원통형상의 양단(兩端)을 포함하여 3개의 돌출부가 원통 내측 방향으로 돌출 형성되어 구성되며, 마그네트홀더(152b)의 돌출부와 돌출부 사이에 제2마그네트(152a)가 설치된다.

제2마그네트(152a)는, 제1마그네트(151d)의 형성과 같이, 도너츠 형상에서 중심각이 일정 각도로 등분되고, 제2마그네트(152a)의 길이방향에서도 일정 길이로 등분되어 이루어지며, 일정 각도와 일정 길이로 등분된 각 조각은 내측부와 외측부가 N극 또는 S극을 각각 띠게 되며, 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성된다. 제2마그네트(152a)는 제1마그네트(151d)와 대응되는 위치에 설치되게 되고, 제1마그네트(151d)와 제2마그네트(152a) 각각에서 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성될 뿐만 아니라 제1마그네트(151d)와 제2마그네트(152a) 사이에도 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어야 한다.

제2마그네트(152a)는 측면에서 봤을 때 도너츠 형상이고, 도너츠 형상의 외주면이 마그네트홀더(152b)의 내주면에 부착되고, 도너츠 형상의 내주면이 압축실린더(13)의 외주면과 일정 간격의 유격(裕隔)을 갖도록 설치되게 된다. 압축실린더(13)의 외주면과 제2마그네트(152a)의 내주면 사이에 유격을 두는 이유는 마그네트(15)의 왕복운동을 원활하게 하기 위해서이다.

이하에서는 도 6을 참조하여 초고압 가스압축 시스템에 대하여 설명한다. 가스압축 시스템(20)은 가스를 공급하게 되는 공급탱크(21)와, 서로 연결되어 설치된 다수의 가스압축유닛을 구비하여 공급받은 가스를 승압시키는 마그네트 압축기(22) 및 승압된 가스를 저장하는 복수의 압력탱크를 구비하게 되며, 공급탱크(21)와 마그네트 압축기(22) 및 압력탱크 사이에는 가스유입관으로 연결되며, 각 가스유입관에는 체크밸브가 설치되어 있다.

공급탱크(21)는 일정 압력으로 압축된 가스를 저장하고 있다가, 압축된 가스를 마그네트 압축기(22)에 공급하고, 초기에 각 압력탱크에도 공급해 주게 된다. 마그네트 압축기(22)는 공급받은 가스의 압력을 일정 압력만큼 승압시켜서 승압된 가스를 압력탱크에 공급해 주게 되는데, 마그네트 압축기(22)는 앞에서 설명했던 가스압축유닛(10, 10', 10")과 동일한 구조의 가스압축유닛 복수개가 유기적으로 연결되어 구성되며, 필요에 따라 유닛의 개수를 조정할 수 있으므로 설치 개수를 한정할 수는 없다. 또한, 압력탱크는 최초에 공급탱크(21)로부터 공급받은 가스를 저장하고 있다가, 마그네트 압축기(22)에서 승압시킨 승압된 가스를 공급받아 저장하게 되며, 압력탱크는 필요에 따라 개수를 조정할 수 있으므로 설치 개수를 한정할 수는 없다.

도 6에는 압력탱크가 4개, 즉 제1 내지 제4압력탱크(23,24,25,26)가 설치된 실시예를 도시했는데, 압력탱크의 설치 개수는 필요에 따라 얼마든지 조정할 수 있다. 도 6에서는 최초에 400bar로 압축된 가스를 공급탱크(21)에 공급하여 마그네트 압축기(22)에서 100bar를 승압시켜서 압력탱크에 공급한 후에 800bar까지 승압시키는 가스압축 시스템의 예를 도시한 것이다.

400bar의 압축된 가스를 공급탱크(21)를 저장하고, 공급탱크(21)에서 마그네트 압축기(22)와 제1 내지 제4압력탱크(23,24,25,26) 각각에 400bar의 압축가스를 공급한다. 400bar의 압축된 가스를 공급받은 마그네트 압축기(22)는 100bar를 1차로 승압시켜 제1압력탱크(23)에 공급하여 제1압력탱크(23)의 압력은 500bar가 되며, 이때 제2 내지 제4압력탱크(24,25,26) 각각에도 100bar씩 승압된 가스가 동시에 공급되어 제2 내지 제4압력탱크(24,25,26)에 충전된 가스의 압력도 500bar가 되게 되며, 제1압력탱크(23)로부터 마그네트 압축기(22)에도 가스가 공급되어 마그네트 압축기(22)의 압력도 500bar가 되게 된다.

500bar의 압축된 가스를 공급받은 마그네트 압축기(22)는 100bar를 2차로 승압시켜 제2압력탱크(24)에 공급하여 제2압력탱크(24)의 압력은 600bar가 되며, 이때 제3 및 제4압력탱크(25,26) 각각에도 100bar씩 승압된 가스가 동시에 공급되어 제3 및 제4압력탱크(25,26)에 충전된 가스의 압력도 600bar가 되게 되며, 제2압력탱크(24)로부터 마그네트 압축기(22)에도 가스가 공급되어 마그네트 압축기(22)의 압력도 600bar가 되게 된다.

600bar의 압축된 가스를 공급받은 마그네트 압축기(22)는 100bar를 3차로 승압시켜 제3압력탱크(25)에 공급하여 제3압력탱크(25)의 압력은 700bar가 되며, 이때 제4압력탱크(26)에도 100bar가 승압된 가스가 동시에 공급되어 제4압력탱크(26)에 충전된 가스의 압력도 700bar가 되게 되며, 제3압력탱크(26)로부터 마그네트 압축기(22)에도 가스가 공급되어 마그네트 압축기(22)의 압력도 700bar가 되게 된다.

700bar의 압축된 가스를 공급받은 마그네트 압축기(22)는 100bar를 4차로 승압시켜 제4압력탱크(26)에 공급하여 제4압력탱크(26)에 100bar가 승압된 800bar의 가스가 충전되게 된다. 이런 과정을 누차(屢次) 반복하여 목표로 하는 압력으로 압축된 가스를 압력탱크에 저장하게 되며, 마그네트 압축기(22)에서 누차(屢次) 승압시키면서 추가적으로 필요한 가스는 공급탱크(21)가 마그네트 압축기(22)에 공급해 주게 된다. 각 압력탱크에 설치된 PS는 압력스위치(Pressure Switch)이다.

도 7을 참조하여 가스압축유닛에서 승압시키는 과정을 간략히 설명한다. 각 가스압축유닛(10, 10', 10")은 보조탱크(11)와 압축실린더(13) 및 압축실린더에 설치된 마그네트(15)를 기본적인 구성으로 구비하여 하나의 세트를 이루며, 동일한 유닛에서 보조탱크(11)와 압축실린더(13)가 제2가스유입관(131)으로 연결되고, 전(前)단계 유닛의 압축실린더와 현(現)단계 유닛의 보조탱크가 제1가스유입관(111)에 의해 연결되게 된다.

제1가스압축유닛(10)의 압축실린더(13)에서 내부마그네트(151)가 #1 위치에서 #2 위치로 이동하려는 시점에는 내부마그네트(151)를 사이에 두고 양쪽 실(室) 모두 동일한 P1의 압력으로 가스가 충전되어 있다. 내부마그네트(151)가 #1에서 #2 위치로 이동하게 되면 좌측 실(室)의 압력은 P1에서 P2로 상승하게 되면서, 제1체크밸브(112) 때문에 보조탱크(11)로 역류하지 못하게 되며, P2의 압력이 제2가스유닛(10')의 보조탱크(11')에 충전된 가스의 압력 P3보다 높아지게 되면 좌측에 도시된 제1체크밸브(112')가 열리면서 보조탱크(11')에 높은 압력 P2의 가스가 충전되게 된다. #2 위치에서 #1 위치로 이동할 때도 동일한 과정을 거치면서 승압을 시키게 되고, 이러한 과정을 누차(屢次) 반복하면서 가스압력유닛을 통해 순차적으로 가스의 압력을 신속하고 안전하게 높일 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10, 10', 10" : 가스압축유닛
11, 11', 11" : 보조탱크 111 : 제1가스유입관
112 : 제1체크밸브 113 : 탱크고정부
114 : 제1압력센서
13, 13', 13" : 압축실린더 131 : 제2가스유입관
132 : 제2체크밸브 133 : 실린더고정부
134 : 제2압력센서 135 : 구동모터
15 : 마그네트 151 : 내부마그네트
151a : 중심축 151b : 플랜지
151c : 오링(O-ring) 151d : 제1마그네트
152 : 외부마그네트 152a : 제2마그네트
152b : 마그네트홀더 153 : 마그네트하우징
154 : 마그네트 구동부 155 : 가이드
156a∼156d : 제1∼제4포지션센서
20 : 압축가스 시스템 21 : 공급탱크
22 : 마그네트 압축기 23∼26 : 제1∼제4압력탱크

Claims

한 쌍의 제1가스유입관에 제1체크밸브가 각각 설치되어, 일측 제1체크밸브가 개방되면서 공급받은 가스가 저장되어 있는 보조탱크;
상기 보조탱크와 연결된 한 쌍의 제2가스유입관에 제2체크밸브가 각각 설치되어, 제2체크밸브가 개방되면서 보조탱크로부터 실린더의 양단부(兩端部) 쪽으로 가스가 공급되어 충전되게 되고, 실린더 내부에 설치되어 있는 내부마그네트가 왕복운동을 하면서 실린더 내부에 충전된 가스를 압축하게 되는 압축실린더;
상기 압축실린더의 내부와 외부에 각각 내부마그네트와 외부마그네트가 서로 대응하는 위치에 설치되고, 구동모터의 구동에 따라 내부마그네트와 외부마그네트가 자력(磁力)에 의해 부착되어 함께 이동하게 되면서, 압축실린더의 내부에 충전된 가스 중 내부마그네트의 일측에 충전된 가스를 압축시키게 되는 마그네트;
를 포함하여 구성되어 하나의 가스압축유닛을 구성하고, 상기 마그네트는,
상기 압축실린더의 내부에 설치되며, 외주면이 압축실린더 내주면에 접하면서 이동하게 되는 내부마그네트;
상기 압축실린더의 외부에 설치되면서, 내주면이 압축실린더 외주면과 유격을 갖도록 설치되며, 상기 내부마그네트와 자력(磁力)에 의해 부착되어 함께 이동하게 되는 외부마그네트;
상기 외부마그네트의 외부를 감싸는 마그네트하우징;
상기 마그네트하우징의 양측 하단에 설치된 마그네트 구동부;
를 포함하여 구성되어, 상기 구동모터의 구동에 따라 마그네트 구동부가 압축실린더의 외측에 길이방향을 따라 설치된 가이드를 따라 왕복운동을 하게 되며,
상기 가이드의 양단 부분에는, 왕복이동하는 마그네트를 정지시켜 리턴하는 지점을 감지하기 위한 제1 및 제2포지션센서가 더 설치되어, 제1 및 제2포지션센서의 신호 정보에 따라 마그네트의 이동이 멈추게 되면서 제1 및 제2체크밸브를 개폐하도록 제어되며,
상기 외부마그네트는,
원통 형상이고, 원통형상의 양단(兩端)을 포함하여 3개의 돌출부가 원통 내측 방향으로 돌출 형성되어 구성된 마그네트홀더;
상기 마그네트홀더의 돌출부와 돌출부 사이에 설치되는 제2마그네트;
를 구비하여 구성되고,
상기 제2마그네트는 측면에서 봤을 때 도너츠 형상이고, 도너츠 형상의 외주면이 마그네트홀더의 내주면에 부착되고, 도너츠 형상의 내주면이 압축실린더의 외주면과 유격을 갖도록 설치되게 되며,
도너츠 형상에서 중심각이 일정 각도로 등분되고, 제2마그네트의 길이방향에서도 일정 길이로 등분되어 이루어지며, 일정 각도와 일정 길이로 등분된 각 조각은 내측부와 외측부가 N극 또는 S극을 각각 띠게 되며, 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는 마그네트 방식의 가스압축기.
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제1항에 있어서, 상기 내부마그네트는,
일정 직경을 갖는 환봉(丸棒) 형상의 중심축과, 중심축의 길이방향 중앙부분에 플랜지가 일체로 형성되어 구성된 마그네트 피스톤;
상기 마그네트 피스톤의 플랜지 외주면에 끼워지는 오링(O-ring);
상기 마그네트 피스톤에서 플랜지의 양측에 위치하는 중심축에 각각 끼워지는 제1마그네트;
를 구비하여 구성되며, 내부마그네트의 오링이 압축실린더의 내주면과 밀착되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 마그네트 방식의 가스압축기.
제1항에 있어서, 상기 내부마그네트는,
일정 직경을 갖는 환봉(丸棒) 형상의 중심축과, 중심축의 길이방향 양단(兩端)을 포함하여 2∼3개의 플랜지가 형성되어 구성된 마그네트 피스톤;
상기 마그네트 피스톤의 플랜지 외주면에 끼워지는 오링(O-ring);
상기 마그네트 피스톤에서 플랜지와 플랜지 사이에 위치하는 중심축에 각각 부착되어 설치되는 제1마그네트;
를 구비하여 구성되며, 내부마그네트의 오링이 압축실린더의 내주면과 밀착되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 마그네트 방식의 가스압축기.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 제1마그네트는 측면에서 봤을 때 도너츠 형상이고, 도너츠 형상의 내주면이 중심축의 외주면에 부착되어 설치되고,
도너츠 형상에서 중심각이 일정 각도로 등분(等分)되고, 제1마그네트의 길이방향에서도 일정 길이로 등분되어 이루어지며, 일정 각도와 일정 길이로 등분된 각 조각은 내측부와 외측부가 N극 또는 S극을 각각 띠게 되며, 인접하여 배치된 각 조각은 N극과 S극이 교호로 배치되어 구성된 것을 특징으로 하는 마그네트 방식의 가스압축기.
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제1항에 있어서,
상기 보조탱크에는 보조탱크 내부의 압력을 감지하기 위한 제1압력센서가 더 설치되고, 압축실린더의 양단(兩端) 각각에는 압축실린더 내의 압력을 감지하기 위한 제2압력센서가 더 설치된 것을 특징으로 하는 마그네트 방식의 가스압축기.
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