KR102276365B1

KR102276365B1 - 왕복동 기체 압축장치 및 방법

Info

Publication number: KR102276365B1
Application number: KR1020170035445A
Authority: KR
Inventors: 전동수; 구정민
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2021-07-12
Also published as: KR20180106713A

Abstract

본 발명은 실린더에서 생성한 압축기체에 윤활오일이 혼입되지 않는 오일 프리(lubricant oil free) 압축기체를 효율적으로 얻을 수 있는 기체 압축기에 관한 것으로, 실린더의 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 바이패스하여 그 바이패스 한 압축기체를 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이에 공급하거나 별도의 압축기체 공급 장치를 이용하여 압축기체를 공급하되, 압축기체를 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급하여서 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지하여 저압은 물론 고압용으로도 범용적으로 사용할 수 있다.

Description

왕복동 기체 압축장치 및 방법{RECIPROCATING FLUID COMPRESSING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 실린더에서 생성한 압축기체 내에 윤활오일이 혼입되지 않는 오일 프리(lubricant oil free) 압축기체를 효율적으로 얻을 수 있는 왕복동 기체 압축장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이에 압축기체를 공급하되, 압축기체를 라비린스 시일(labyrinth seal) 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 실린더 내부의 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 왕복동 기체 압축장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 압축기(compressor)란 공기(air)나 천연가스(natural gas) 등의 기체를 압축시켜 압력을 높이는 기계적 장치로서, 외부로부터 끌어들인 기체에 기계적 에너지를 가해 기체의　역학적 에너지를 증가시킨 후 압력으로 바꾸어 고압 기체를 얻는 기계를 말한다.

압축방식에 의한 분류를 살펴보면, 1) 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하면서 기체를 압축하는 왕복동식 압축기(reciprocating compressor), 2) 로우터(회전자)가 실린더 내부를 회전하면서 기체를 압축하는 회전식 압축기(rotary compressor), 3) 암나사(female) 및 수나사(male)로 된 두 개의 로터가 맞물림에 의해 기체를 압축하는 나사식 압축기(screw compressor), 4) 고속 회전하는 임펠러의 원심력을 이용하여 기체의 속도 에너지를 압력으로 바꾸는 원심식 압축기(centrifugal compressor) 등이 있다.

도 1은 종래 오일타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종전의 왕복동 압축기는 실린더(11)의 내벽과 피스톤(12)의 외주 면이 서로 접촉되므로 피스톤(12)의 외주에 시일용 오링(O-ring)(13)이 설치되며, 윤활 및 마찰 저감을 위해 윤활 오일이 필수적으로 사용된다.

그러나 종래 오일타입 왕복동 압축기는 윤활 및 마찰 저감을 위해 투입된 윤활 오일의 일부가 압축기체 내에 혼입(混入)되는 단점이 있다.

압축기체 내에 윤활 오일이 혼입되는 경우 압축기체의 질을 떨어뜨려 반도체나 정밀기계 제조공정에서 사용하기에 적합하지 않게 되고, 별도의 필터링 공정을 거쳐서 혼입된 윤활 오일을 제거하는 작업을 별도로 수행해야만 하는 문제가 있을 뿐만 아니라 필터링 공정을 거치더라도 이미 혼입된 윤활 오일을 완전하게 제거하지 못하는 기술적 한계가 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 비접촉(contact-less seal) 또는 오일프리(oil-free sealing) 타입의 압축기가 개발되었다.

도 2는 종래 비접촉 타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 종래 비접촉 타입 왕복동 압축기는 실린더(21)의 내벽과 피스톤(22)의 외주에 라비린스 시일(labyrinth seal)(23)이 형성된다.

실린더(21)의 내벽과 피스톤(22)의 외주 면이 서로 접촉하지 않으므로 윤활 오일을 사용하지 않는다. 라비린스 시일 구조에서는 실린더 내벽의 라비린스 시일(23)을 지날 때마다 압력 강하되어 일정거리를 지나면 압력이 0(zero)이 되어 기체의 이동이 없어진다.

그러나 종래 비접촉 타입 왕복동 압축기는 피스톤의 외주 면과 실린더 내벽 사이의 틈새(gap)로 압축하고자 하는 기체의 누출(leak)이 발생하여 압력손실 및 효율을 떨어뜨리므로, 저압(약 60 bar) 기체가 필요한 곳에만 사용할 수 밖에 없는 한계가 있다.

국내 특허 공개공보 제10-2015-0003331호

본 발명은 실린더의 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 바이패스하여 그 바이패스 한 압축기체를 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이에 공급하거나 별도의 압축기체 공급 장치를 이용하여 압축기체를 공급하되, 압축기체를 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급함으로써 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 실린더 내부의 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지하여 저압은 물론 고압용으로 범용적으로 사용할 수 있는 왕복동 기체 압축장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 왕복동 기체 압축방법은 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하면서 흡입한 기체를 압축하여 배출하되, 상기 피스톤의 외주 면에 형성된 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이에 압축기체를 공급하되, 압축기체를 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급하여서 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체(실린더 내부 기체)가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 왕복동 기체 압축기는 일측에 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브가 형성되고, 타측에 기체를 배출하기 위한 배출밸브가 형성되는 실린더; 상기 실린더 내에서 왕복 운동하면서 상기 흡입밸브로부터 흡입한 기체를 압축하여 압축기체를 생성한 후, 그 압축기체를 상기 배출밸브로 배출하며, 외주 면에 라비린스 시일이 형성되는 피스톤; 모터의 회전운동을 상기 피스톤의 왕복운동으로 전환하기 위하여 상기 피스톤의 피스톤 로드에 연결되는 크랭크 어셈블리; 상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이의 틈새로 상기 실린더 내부에서 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 고압의 압축기체를 공급하는 압축기체 공급유닛; 상기 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 우회(bypass)하여 상기 라비린스 시일로 공급하기 위한 압축기체 우회 라인을 포함한다.

상기 압축기체 공급유닛은 상기 압축기체 우회 라인에 설치될 수 있다.

상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체는 60 bar에서 400 bar 범위 내로 할 수 있고, 바람직하게는 150 bar에서 300 bar 범위 내로 할 수 있다.

상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체 압력은 상기 실린더 내부의 토출압력, 예를 들어 300 bar와 동일한 압력으로 할 수 있다.

상기 압축기체 공급유닛에서 상기 라비린스 시일 안에 압축기체를 공급하기 위하여 상기 실린더의 측면에 압축기체 주입 홀이 형성되고, 상기 피스톤의 외주 면에 압축기체 수용 홈이 형성되며, 상기 압축기체 수용 홈의 상측과 하측에 각각 상기 라비린스 시일이 형성될 수 있다.

상기 피스톤의 상사 점과 하사 점 사이에서, 상기 피스톤이 왕복운동 할 때에, 상기 압축기체 수용 홈과 상기 압축기체 주입 홀이 항상 연통된 상태를 유지하도록 한다.

상기 실린더의 하부에는 상기 압축기체 공급유닛에서 공급한 압축기체가 상기 틈새를 거쳐서 하방으로 모이게 되는 기체 회수공간이 형성되며, 상기 기체 회수공간의 내벽에는 상기 기체 회수공간에 모인 기체를 상기 기체 회수공간의 외부로 배출하기 위한 기체 배출 홀이 형성될 수 있다.

상기 기체 배출 홀에서 배출되는 기체는 상기 압축기체 공급유닛으로 회수되거나 대기중으로 벤트(vent) 되는 것 중 어느 하나일 수 있다.

상기 흡입밸브는 상기 피스톤이 하사 점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 흡입압력에 의해 열리고, 상기 피스톤이 상사 점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 압축력에 의해 닫히며, 상기 배출밸브는 상기 피스톤이 하사점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 흡입압력에 의해 닫히고, 상기 피스톤이 상사 점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 압축력에 의해 열리도록 구성된다.

본 발명의 기술은 에어 압축기 또는 천연가스 압축기(CNG compressor)의 기체는 물론, 압축하고자 하는 매질의 순도를 거의 100% 가깝게 사용하고자 하는 모든 기체에 적용할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 피스톤의 외주 면에 형성된 라비린스 시일(labyrinth seal) 안에, 다시 말해서 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이에 압축기체를 공급하되, 압축기체를 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급함으로써 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지하여, 저압 물론 고압용으로도 범용적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 라비린스 시일에 공급된 압축기체가 기체 회수공간으로 회수되는 과정에서, 기체 회수공간 내의 압축기체 압력에 의해서 피스톤 로드의 윤활을 위해서 사용하는 오일이 실린더 내부로 역류하지 못하도록 함으로써, 제품에 대한 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 오일타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도
도 2는 종래 오일프리 타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치를 도시한 전체 구성도
도 4는 도 3의 실린더 및 압축기체 회수공간 내부를 설명하는 도면
도 5는 도 4의 요부 발췌도
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치를 도시한 구성도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 왕복동 기체 압축장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치를 도시한 전체 구성도이고, 도 4는 도 3의 실린더 및 압축기체 회수공간 내부를 설명하는 도면이며, 도 5는 도 4의 요부 발췌도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 왕복동 기체 압축방법은 실린더(110) 내에서 피스톤(120)이 왕복 운동하면서 흡입한 기체를 압축하여 배출하는데, 실린더 내벽과 피스톤(120) 외주면 사이에, 다시 말해서 피스톤(120)의 외주 면에 형성된 라비린스 시일(labyrinth seal)(122) 안에 압축기체를 공급하되, 압축기체를 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치는 실린더(110)의 배출밸브(112)를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 바이패스 하여 그 바이패스 한 압축기체를 라비린스 시일(122) 안으로 공급하는 구성이다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치(100)는 실린더(110), 피스톤(120), 크랭크 어셈블리(130), 압축기체 우회 라인(140), 및 압축기체 공급유닛(150)을 포함한다.

실린더(110)는 일측에 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브(111)가 형성되고, 타측에 기체를 배출하기 위한 배출밸브(112)가 형성된다.

흡입밸브(111)는 피스톤(120)이 하사 점 방향으로 작동할 때 실린더(110) 내부의 기체 흡입압력에 의해 열리고, 피스톤(120)이 상사 점 방향으로 작동할 때 실린더(110) 내부의 기체 압축력에 의해 닫힌다.

배출밸브(112)는 피스톤(120)이 하사점 방향으로 작동할 때 실린더(110) 내부의 기체 흡입압력에 의해 닫히고, 피스톤(120)이 상사 점 방향으로 작동할 때 실린더(110) 내부의 기체 압축력에 의해 열리도록 구성된다.

피스톤(120)은 실린더(110) 내에서 왕복 운동하면서 흡입밸브(111)로부터 기체를 흡입하고, 흡입한 기체를 압축하여 압축기체를 생성한 후, 그 압축기체를 배출밸브(112)로 배출한다. 피스톤(120)의 외주 면에 압축기체 수용 홈(121)이 형성되며, 압축기체 수용 홈(121)을 기준으로 상측과 하측에 각각 라비린스 시일(122)이 형성된다.

크랭크 어셈블리(130)는 모터(미도시)의 회전운동을 피스톤(120)의 왕복운동으로 전환하기 위하여 피스톤(120)의 피스톤 로드(125)에 연결된다. 즉, 크랭크축(131)에는 모터(미도시)가 연결되고, 크랭크축(131)에는 커넥팅 로드(132)가 연결되며, 커넥팅 로드(132)는 피스톤 로드(125)에 연결된다.

압축기체 우회 라인(140)은 배출밸브(112)를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 우회(bypass)하여 라비린스 시일(122)로 공급하기 위해 설치된다.

압축기체 공급유닛(150)은 기체 압축시 실린더(110) 내벽과 피스톤(120) 외주면 사이의 틈새(gap)로 실린더(110) 내부에서 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 라비린스 시일(122) 안에 압축기체를 공급한다.

압축기체 공급유닛(150)은 압축기체 우회 라인(140)을 흐르는 압축기체의 압력을 고압, 예를 들어 약 300 bar로 유지하는 리저버 탱크(reservoir tank)를 포함한다.

압축기체 공급유닛(150)을 기준으로, 입구 측과 출구 측에 각각 개폐밸브(V1)(V2)가 설치된다.

압축기체 공급유닛(150)에서 라비린스 시일(122) 안에 압축기체를 공급하기 위하여 실린더(110)의 측면에 압축기체 주입 홀(113)이 형성되고, 압축기체 주입 홀(113)과 압축기체 수용 홈(121)은 연통된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

다시 말해서, 피스톤(120)의 상사 점과 하사 점 사이에서, 피스톤(120)이 왕복운동 할 때에, 압축기체 수용 홈(122)과 압축기체 주입 홀(113)이 연통된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

실린더(110)의 하부에는 압축기체 공급유닛(150)에서 공급한 압축기체가 글랜드(gland)(163)를 거쳐서 하방으로 모이게 되는 기체 회수공간(160)이 형성되며, 기체 회수공간(160)의 내벽에는 그 기체 회수공간(160)에 모인 기체를 기체 회수공간(160)의 외부로 배출하기 위한 기체 배출 홀(161)이 형성된다.

기체 배출 홀(161)에서 배출되는 기체는 압축기체 공급유닛(150)으로 다시 회수되거나 대기중으로 벤트(vent) 될 수 있다.

기체 회수공간(160)의 바닥 플레이트(165)에는 피스톤 로드(125)를 지지하는 베어링(166)이 설치되는데, 베어링(166)의 오일은 기체 회수공간(160) 내부 압력에 의해서 크랭크 어셈블리(130) 쪽으로 낙하된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치에서는, 도면에 도시하지 않은 모터의 구동에 의해서 크랭크 어셈블리(130)가 모터(미도시)의 회전운동을 피스톤(120)의 왕복운동으로 전환한다.

반대로, 배출밸브(112)는 피스톤(120)이 하사점 방향으로 작동할 때 실린더(110) 내부의 기체 흡입압력에 의해 닫히고, 피스톤(120)이 상사 점 방향으로 작동할 때 실린더(110) 내부의 기체 압축력에 의해 열린다.

흡입밸브(111) 및 배출밸브(112)의 개폐와 피스톤(120)의 왕복운동으로 인해서 압축된 기체는 압축기체 수용부로 공급된다.

압축기체 공급유닛(150)은 개폐밸브(V1)를 개방하여 우회라인(140)을 흐르는 압축기체 일부를 내부에 저장하여서 약 300 bar로 압력을 항상 일정하게 유지한다.

라비린스 시일(122) 안에 압축기체를 공급하기 위하여 압축기체 공급유닛(150)은 개폐밸브(V1)를 폐쇄하고, 개폐밸브(V2)를 개방하여서 실린더(110)의 압축기체 주입 홀(113) 안으로 압축기체를 공급한다.

압축기체 주입 홀(113)을 통해서 유입된 기체는 압축기체 수용 홈(121) 안으로 공급된다. 압축기체 주입 홀(113)과 압축기체 수용 홈(121)은 연통된 상태를 유지하는 것이 가스 누출방지 효율성을 높일 수 있으므로 바람직하다.

다시 말해서, 피스톤(120)의 상사 점과 하사 점 사이에서, 피스톤(120)이 왕복운동 할 때에, 압축기체 수용 홈(122)과 압축기체 주입 홀(113)이 항상 연통된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

도면에 도시하지는 않았지만, 설사 압축기체 주입 홀(113)과 압축기체 수용 홈(121)이 서로 연통하지 않더라도 라비린스 시일(122) 안으로 압축기체 주입 홀(113)을 통해서 유입된 기체가 공급되므로 기체 누출을 방지할 수 있다.

본 발명에서는 피스톤(120)의 외주 면과 실린더 내벽 사이에 형성된 라비린스 시일(122) 안에 압축기체를 공급하여서 실린더(110) 내벽과 피스톤(120) 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는데, 실린더(110)의 토출압력과 동일한 압력 내지는 라비린스 시일(122) 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상으로 공급하여서 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

여기서, 라비린스 시일(122) 안으로 주입하는 압축기체의 압력은, 실린더 토출 부분으로부터 실제 라비린스 시일(122)로 주입하는 부분까지의 거리에 따라 압력 강하가 생기므로, 실제로 주입되는 압축기체의 압력은 토출 압력보다는 작다.

따라서, 상기 토출압력과 동일한 압력이란 반드시 수치 적으로 정확하게 동일한 압력을 의미하는 것은 아니고, 배관 등 기타 요소로 소정의 압력강하가 이루어져서 근사한 정도로 차이가 나는 압력 범위도 포괄적으로 포함하는 개념임을 의미한다.

또한, 라비린스 시일(122) 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상의 압축기체의 압력은, 도 5를 참조하면, 피스톤(120)의 압축 행정시(상사점 위치), 라비린스 시일(122)로 기체의 누출이 발생하고, 그 누출 기체를 막을 수 있는 정도의 압력이상으로 하면 된다.

예를 들어, 실린더의 토출압력이 300 bar 일 때, 실린더 토출 부분에서부터 실제 라비린스 시일(122)로 주입하는 부분까지의 거리에 따라 점차 약 290 bar, 280 bar, 250 bar로 압력 강하가 생기므로, 라비린스 시일(122) 안으로 주입되는 위치에서의 실린더 내부 압력 이상의 압축기체의 압력은 250 bar 이상으로 하면 되는 것이다.

또한, 압축기체 수용 홈(121) 내의 압축기체는 하방으로 이동하여 기체 회수공간(160)으로 유입된다.

기체 회수공간(160)으로 기체가 유입되는 과정에서 기설정된 압력이상이 되면, 기체 회수공간(160) 안에 있던 기체가 기체 배출 홀(161)을 통해서 외부로 배출됨으로써, 기체 회수공간(160)의 기체 압력이 항상 일정하게 된다.

기체 배출 홀(161)에서 배출되는 기체는 압축기체 공급유닛(150)으로 다시 회수되거나 대기중으로 배기될 수 있다.

기체 회수공간(160)의 바닥 플레이트(165)에는 피스톤 로드(125)를 지지하는 베어링(166)이 설치되는데, 베어링(166)의 오일은 기체 회수공간(160) 내부 압력에 의해서 크랭크 어셈블리(130) 쪽으로 떨어지도록 함으로써, 오일 누출이 발생하지 않는다.

한편, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치를 도시한 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치는 압축기체 공급 장치(250)를 제외하고는 나머지 구성이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치(도 3 참조)와 동일하므로 동일 구성에 대해서는 동일한 도면번호를 부여하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.

실린더(110) 내벽과 피스톤(120) 외주면 사이에 공급되는 압축기체는 60 bar에서 400 bar 범위 내로, 바람직하게는 150 bar에서 300 bar 범위로 할 수 있다. 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치는 실린더(110)의 배출밸브(112)를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 바이패스 하지 않고 별도의 압축기체 공급 장치(250)를 이용하여 라비린스 시일(122) 안으로 공급하는 구성일 수 있다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 기체 압축장치는 압축기체 공급 장치(250)를 압축기체 우회 라인(140)에 연결하지 않고 별개로 구성함으로써, 압축기체 공급을 좀 더 자유롭게 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 피스톤의 외주 면에 형성된 라비린스 시일(labyrinth seal) 안에, 다시 말해서 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에, 고압의 압축 유체 또는 실린더 토출압력과 동일한 압축기체를 공급하여서 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지함으로써, 저압 물론 고압에서도 범용적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

110: 실린더
111: 흡입밸브
112: 배출밸브
113: 압축기체 주입 홀
120: 피스톤
121: 압축기체 수용 홈
122: 라비린스 시일
125: 피스톤 로드
130: 크랭크 어셈블리
131: 크랭크축
132: 커넥팅 로드
140: 압축기체 우회 라인
150: 압축기체 공급유닛
160: 기체 회수공간
161: 기체 배출 홀
163: 글랜드(gland)
166: 베어링
250: 압축기체 공급유닛
V1, V2: 개폐밸브

Claims

일측에 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브가 형성되고, 타측에 기체를 배출하기 위한 배출밸브가 형성되는 실린더;
상기 실린더 내에서 왕복 운동하면서 상기 흡입밸브로부터 흡입한 기체를 압축하여 압축기체를 생성한 후, 그 압축기체를 상기 배출밸브로 배출하며, 외주 면에 라비린스 시일(labyrinth seal)이 형성되는 피스톤;
모터의 회전운동을 상기 피스톤의 왕복운동으로 전환하기 위하여 상기 피스톤의 피스톤 로드에 연결되는 크랭크 어셈블리; 및
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이의 틈새로 상기 실린더 내부에서 압축하고자 하는 기체가 누출되는 것을 방지할 수 있도록 상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 압축기체를 공급하는 압축기체 공급유닛; 을 포함하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체 압력은 60 bar에서 400 bar 범위인 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체 압력은 상기 실린더의 토출 압력과 동일한 압력으로 하는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체의 압력은 상기 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 상기 실린더 내부 압력 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 우회(bypass)하여 상기 라비린스 시일로 공급하기 위한 압축기체 우회 라인을 더 포함하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 5에 있어서,
상기 압축기체 공급유닛은 상기 압축기체 우회 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압축기체 공급유닛에서 상기 라비린스 시일 안에 압축기체를 공급하기 위하여 상기 실린더의 측면에 압축기체 주입 홀이 형성되고, 상기 피스톤의 외주 면에 압축기체 수용 홈이 형성되며, 상기 압축기체 수용 홈의 상측과 하측에 각각 상기 라비린스 시일이 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 7에 있어서,
상기 피스톤의 상사 점과 하사 점 사이에서, 상기 피스톤이 왕복운동 할 때에, 상기 압축기체 수용 홈과 상기 압축기체 주입 홀이 연통된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더의 하부에는 상기 압축기체 공급유닛에서 공급한 압축기체가 상기 틈새를 거쳐서 하방으로 모이게 되는 기체 회수공간이 형성되며, 상기 기체 회수공간의 내벽에는 상기 기체 회수공간에 모인 기체를 상기 기체 회수공간의 외부로 배출하기 위한 기체 배출 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 9에 있어서,
상기 기체 회수공간으로 유입된 기체는 기설정된 압력이상으로 되면, 상기 기체 배출 홀을 통해서 자동으로 배출되는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 9에 있어서,
상기 기체 배출 홀에서 배출되는 기체는 상기 압축기체 공급유닛으로 회수되거나 대기 중으로 벤트(vent) 되는 것 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입밸브는 상기 피스톤이 하사 점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 흡입압력에 의해 열리고, 상기 피스톤이 상사 점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 압축력에 의해 닫히며,
상기 배출밸브는 상기 피스톤이 하사점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 흡입압력에 의해 닫히고, 상기 피스톤이 상사 점 방향으로 작동할 때 상기 실린더 내부의 기체 압축력에 의해 열리도록 구성되는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축장치.
실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하면서 흡입한 기체를 압축하여 배출하되, 상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 압축기체를 공급하여서 상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이의 틈새로 상기 실린더 내부의 압축된 기체가 누출되는 것을 방지하며,
상기 피스톤 외주면에는 라비린스 시일(labyrinth seal)이 형성되고, 상기 라비린스 시일에 상기 압축기체가 공급되는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축방법.
청구항 13에 있어서,
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체 압력을 60 bar에서 400 bar로 하는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축방법.
청구항 13에 있어서,
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체 압력을 상기 실린더의 토출압력과 동일한 압력으로 하는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축방법.
청구항 13에 있어서,
상기 실린더 내벽과 상기 피스톤 외주면 사이에 공급되는 상기 압축기체의 압력을 상기 라비린스 시일 안으로 주입되는 위치에서의 상기 실린더 내부 압력 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 왕복동 기체 압축방법.