KR102293712B1 - 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치 - Google Patents

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    • F04B41/02—Pumping installations or systems specially adapted for elastic fluids having reservoirs

Abstract

본 발명은 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치에 관한 것으로, 공기 압축 공정을 액체 피스톤을 이용한 유사 등온 과정으로 수행하고, 상기 액체 피스톤이 액체 챔버 내에서 구동하도록 하여 액체 챔버 내의 액체 중에서 적은 양의 액체가 액체 피스톤으로 작용하도록 하여 적은 에너지로 압축 공정을 수행할 수 있고, 압축 공기의 온도 변화도 최소화하며 공기 압축 공정을 수행할 수 있도록 구성되어 있다.

Description

액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치{Air Compression Device including Liquid Piston}
본 발명은 에너지 관리 및 변환 싸이클에서 사용되는 주요 공정 중의 하나인 압축 공정을 유사 등온 과정으로 수행하여 에너지 효율을 현저히 향상시킬 수 있도록 구성된 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치에 관한 것이다.
공기나 냉매 같은 기체를 압축시키기 위한 압축장치는 에너지 관리 및 에너지 변환이 필요한 다양한 기술분야에서 사용되고 있다.
통상적인 공기 압축장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 구동모터(10), 상기 구동모터(10)와 연결된 감속기(2), 상기 감속기(2)와 연동되는 압축기(1) 및 상기 압축기(1)를 통해 압축된 압축공기를 저장하는 저장탱크(5)로 구성되어 있다.
상기와 같은 통상적인 공기 압축장치는 장시간 작동시키면 구동모터(8) 및 압축기(1)에서 발생하는 열로 인하여 장비 수명이 감소하게 되는 문제점이 발생할 뿐 아니라, 특히 압축기(1)에서 많은 열이 발생하게 되므로, 압축기(1)의 열을 냉각하기 위한 냉각기가 추가로 요구된다. 또한, 이 경우, 압축 공기도 압축기(1)에 의하여 열을 받게 되고, 이로 인하여 압축 공정도 단열 공정에 가깝게 이루어져서 과열되는 문제가 있으므로, 공기 압축장치에서는 압축 공정 중에 발생하는 열을 냉각하기 위한 기술을 개발하여 왔다.
통상적으로 압축기(1)의 열을 냉각하기 위한 방법으로 공랭식과 수냉식 방법이 있는데, 공랭식은 압축기의 표면에 냉각핀 등을 설치하여 공기 중으로 열을 방출하는 방법으로 비교적 용이한 방법이지만 압축기(1)에서 발생하는 열을 냉각시키기에 불충분한 문제점이 있다.
수냉식 냉각 방법은 냉각수를 이용하여 냉각을 하는 방법으로 냉각 효율은 공랭식에 비하여 상대적으로 높지만, 그 구조가 복잡하고 대형화되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로 등록특허공보 제10-0472617호에 개시된 공기 압축장치(이하 ‘종래기술’이라 함.)가 있다.
종래기술에 나타난 공기 압축 장치(100)에는 도 2에 도시된 바와 같이 압축기(120)가 설치되는 방음액이 저장된 방음액 탱크(130)가 설치되어 있고, 보다 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 공기 압축기(120)를 구동시키는 모터(110)는 방음액 탱크(130)의 외부에 설치되어 있다.
상기 종래기술의 공기 압축장치(100)는 비교적 컴팩트한 구조를 가지면서 방음액으로 냉각 효율을 어느 정도 향상시킬 수 있는 장점은 있다. 하지만, 여전히 압축기(120)는 압축 공정이 단열 압축 공정에 가깝게 이루어지므로 압축기(120)에서 발생되는 열 냉각 및 이로 인한 압축 공기의 온도 상승을 저감하는데 한계가 있는 문제점은 여전히 존재한다.
대한민국 등록특허 제10-0472617(2005.03.08. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로, 공기 압축 공정을 액체 피스톤을 이용한 유사 등온 과정으로 수행하고, 상기 액체 피스톤이 액체 챔버 내에서 구동하도록 하여 액체 챔버 내의 액체 중에서 적은 양의 액체가 액체 피스톤으로 작용하도록 하여 적은 에너지로 압축 공정을 수행할 수 있고, 압축 공기의 온도 변화도 최소화할 수 있도록 구성된 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는, 공기 압축 모듈(300); 상기 공기 압축 모듈(300)과 연결된 공기 공급 챔버(100); 및 제어부(600)를 포함하고 있다. 여기서, 상기 공기 압축 모듈(300)은 액체(F)가 저장된 액체 챔버(310); 상기 액체 챔버(310)의 내부에 구비되어 있고, 상기 공기 공급 챔버(100)로부터 공기(A)를 공급받을 수 있으며 하단부(322)가 개방된 실린더(320); 상기 실린더(320) 내부 공기(A)의 압력을 변화시킬 수 있도록 상기 실린더(320)의 하단부(322)를 통하여 이동하는 상기 액체(F)로 형성된 액체 피스톤(340); 및 상기 실린더(310) 내부의 공기(A)의 압력 및 온도를 각각 측정할 수 있도록 설치된 제1 압력 센서(354) 및 제1 온도 센서(360)를 포함하고 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 상기 액체 챔버(310)에 액체(F)를 공급할 수 있도록 연결된 펌프(400)가 추가로 구비되어 있고, 상기 펌프(400)가 상기 액체 챔버(310)에 액체(F)를 공급함으로써 상기 실린더(320)에 연결된 액체 피스톤(340)을 상승시킬 수 있도록 구성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 공기 압축장치는 상기 제1 온도 센서(360)가 다수의 감지부(361)가 수직으로 서로 이격된 상태로 형성되어 있어, 상기 실린더(320) 내부 공기(A)의 높이에 따른 온도 및 액체(F)의 높이에 따른 온도를 측정할 수 있도록 구성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 공기 압축장치에서, 상기 실린더(320)에는 고압 공기 저장 챔버(200)가 추가로 연결되어 있고, 상기 실린더(200)의 하부와 상부에는 각각 상기 액체 피스톤(340)의 이동을 감지하는 하부 수위 센서(351) 및 상부 수위 센서(352)가 추가로 구비되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 공기 압축장치에서, 상기 액체 챔버(310)에는 배수관(510)을 매개로 저장조(500)와 연결되어 있고, 상기 펌프(400)는 상기 저장조(500)와 연결되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 공기 압축 공정을 액체 피스톤(340)을 이용한 유사 등온 과정으로 수행함으로써, 압축 공정에서 압축된 공기의 온도 변화를 최소화할 수 있고 추가적인 냉각기를 설치할 필요가 없으므로, 공기 압축 시의 에너지 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 압축 공정을 수행하는 액체 피스톤(340) 및 실린더(320)가 액체 챔버(310)에 잠겨 있도록 구성되어 있어, 액체 챔버(310) 내부에 저장된 액체(F) 중의 일부 액체(F)를 이용하여 압축 공정을 수행하는 액체 피스톤(340)을 구현하도록 구성되어 있어, 작은 에너지를 작용하여 압축 공정을 수행할 수 있고, 압축 공정 중에 압축 공기(A)에서 발생할 수 있는 열은 액체 피스톤(340)을 비롯한 액체 챔버(310) 내부의 전체 액체(F)를 통하여 분산시켜 보다 효과적으로 유사 등온 압축 공정을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 압축 공정을 수행하는 액체 피스톤(340) 및 실린더(320)가 액체 챔버(310)에 잠겨 있도록 구성되어 있어, 액체 챔버(310) 내부에 저장된 액체(F) 중의 일부 액체(F)를 이용하여 압축 공정을 수행하는 액체 피스톤(340)을 구현하도록 구성되어 있어, 공급되는 액체(F)가 직접 액체 피스톤(340)에 공급되지 않고 액체 챔버(310) 내의 액체(F)에 공급되므로, 액체 피스톤(340)의 안정적 상승 및 공기 압축장치의 안정적 작동을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 상기 액체 챔버(310)와 연결된 저장조(500)를 추가로 구비하여 서로 액체(F)를 순환시킬 수 있도록 구성하여, 압축 공정을 보다 원활하게 수행할 수 있을 뿐 아니라, 보다 효과적으로 액체(F)의 온도 상승을 방지함으로써, 압축 공정을 지속적으로 수행할 수 있는 시간을 현저히 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 액체 챔버(310)의 압력 변화를 위한 펌프(400)를 추가로 구비하고 있고, 상기 펌프(400)를 시린지 펌프(syringe pump)로 사용함으로써, 액체 챔버(310) 내의 액체(F) 및 액체 피스톤(340)의 움직임을 최소화하여 보다 효과적인 압축 공정을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 실린더(320) 내부에 구비된 공기 공급관(110)의 분사구(111)를 경사지도록 구성하여 하부의 액체 피스톤(340)에 직접 분사되는 것을 방지할 수 있어, 액체 피스톤(340)의 안정적인 하강 및 공기 압축장치의 안정적 작동을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 통상적인 공기 압축장치 구조.
도 2는 종래기술에 나타난 공기 압축장치의 일 실시예.
도 3은 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치로의 공기 유입 상태도.
도 4는 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치의 공기 압축 상태도.
도 5는 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치의 압축 공기 저장 상태도.
도 6은 도 5의 본 발명의 실린더 및 액체 피스톤 일 실시예의 상세도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치로의 공기 유입 상태도로써, 공기공급챔버(100)로부터 저압의 공기가 공급된 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치의 공기 압축 상태도로써, 펌프(400)를 작동하여 액체 챔버(310)의 내부로 액체(F)를 공급하여 액체 챔버(310) 내부의 압력을 증가시킴으로써 실린더(320) 내부의 액체 피스톤(340)이 상승하도록 하여 실린더(320) 내부의 공기(A)를 압축한 상태를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치의 압축 공기 저장 상태도로써, 실린더(320) 내부의 압축 공기(A)를 고압 공기 저장 챔버(200)로 이동시켜 저장한 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 공급 챔버(100), 고압 공기 저장 챔버(200), 공기 압축 모듈(300), 펌프(400), 저장조(500) 및 제어부(600)를 포함할 수 있다.
공기 압축 모듈(300)은 도 3에 도시된 바와 같이 액체 챔버(310), 실린더(320) 및 액체 피스톤(340)을 포함하고 있다.
상기 액체 챔버(310)는 액체(F)가 저장되어 있는 장치이고, 상기 액체(F)는 상개 액체 피스톤(340)으로 사용되는 액체(F)이다.
상기 액체 챔버(310)에는 필요에 따라, 상부에 분리 가능한 상부 덮개(311)가 형성되어 있을 수 있고, 하부에도 분리 가능한 하부 덮개(312)가 형성되어 있을 수 있다.
상기 실린더(320)는 후술하는 액체 피스톤(340)과 함께 압축 공정을 수행하는 구성요소로써 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액체 챔버(310)의 내부에 구비되어 있다.
상기 실린더(320)의 상단부(321)는 밀폐되어 있어 상기 상단부(321)를 통해서는 상기 액체 챔버(310) 내부에 저장된 액체(F)가 유입될 수 없고, 상기 실린더(320)의 하단부(322)는 개방되어 있어 상기 액체 챔버(310) 내부에 저장된 액체(F)가 유입될 수 있도록 구성되어 있다.
상기 실린더(320)의 하단부(322)를 통하여 실린더의 내부로 유입되는 액체(F)는 통상적인 실린더의 피스톤처럼 상기 실린더(320)의 내부에 존재하는 공기(A)를 압축하는 기능을 하므로, 본 발명에서는 이를 액체 피스톤(340)으로 칭한다.
상기 실린더(320)의 상단부(321)는 도 3에 도시된 바와 같이 지지부(330)를 매개로 상기 액체 챔버(310)의 상부에 결합되도록 하여, 상기 실린더(320)는 상기 액체 챔버(310)의 내부에 고정된 상태로 설치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 액체 챔버(310)에 상부 덮개(311)가 형성되어 있는 경우, 상기 실린더(320)는 상기 상부 덮개(3110)에 결합되어 있을 수 있다.
이와 같은 구성을 통하여 상기 실린더(320)의 내부에 존재하는 공기(A)는 적은 양의 액체(F)로 액체 피스톤(340)을 형성하여 고압으로 압축시킬 수 있을 뿐 아니라, 공기(A) 압축 중에 발생되는 열은 액체 피스톤(340)을 포함한 액체 챔버(310) 내의 액체(F)에서 흡수되어, 통상적인 단열 압축이 아닌 등온 압축에 가까운 압축 공정을 수행할 수 있다.
즉, 작은 단면적을 갖는 액체 피스톤(340)을 사용하여 실린더(320)의 내부에 공급된 공기(A)를 요구되는 고압 공기로 압축시킬 때 큰 에너지를 소비하지 않으며 안정적으로 구현할 수 있다. 또한, 통상적인 압축 공정과 달리, 압축 공정을 하는 실린더(320) 및 액체 피스톤(340)가 구동하는 펌프(400)와 분리되어 있어, 펌프(400)에서 발생하는 열이 실린더(320) 및 액체 피스톤(340)에 전달되지 않는 장점이 있다. 또한, 압축 공정에서 압축 공기의 온도가 상승하는 것은 실린더(320)의 내부로 유입되는 액체 피스톤(340) 및 실린더(340)의 외면을 감싸고 있는 액체(F) 전체로 효과적으로 열전달을 할 수 있으므로 실질적으로 등온 압축에 가깝게 압축 공정을 구현할 수 있다. 이처럼 본 발명의 공기 압축 장치는 압축 공정에서 액체 챔버(310) 내부의 액체(F) 및 액체 피스톤(340)이 냉각 기능도 갖고 있으므로 압축 공기의 온도를 낮추기 위하여 실린더(320)의 주위에 추가적인 열교환기 등을 설치할 필요가 없어 시스템을 단순화할 수 있는 장점도 있다.
한편, 실린더(320)의 내부에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 온도 센서(360)를 추가로 설치할 수 있다.
상기 제1 온도 센서(360)는 상기 실린더(320) 내부 공기(A)의 온도를 측정할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 상기 제1 온도 센서(360)는 공기(A)의 온도와 함께 액체 피스톤(340) 및/또는 액체(F)의 온도도 측정할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이 수직 방향으로 다수의 온도 감지부(361)가 서로 이격된 상태로 형성되어 있도록 구성할 수도 있다.
도 3에 도시된 수직 방향으로 다수의 온도 감지부(361)를 갖는 제1 온도 센서(360)는 압축 공정에서의 온도 변화를 다양한 부분에서 측정할 수 있으므로, 액체 챔버(310), 실린더(320) 및 액체 피스톤(340)의 성능을 시험하는 장치에서 성능 시험용으로 사용할 수도 있을 것이다.
다음으로, 상기 실린더(320)의 내부에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 압력 센서(354)가 구비되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 제1 압력 센서(354)는 상기 실린더(320)의 측벽에 설치되어 있을 수 있는데, 그 위치는 실린더(320)의 내부에서 압축된 공기(A)의 압력을 측정할 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 실린더(320)의 내부에는 하부 수위 센서(351) 및 상부 수위 센서(352)가 구비되어 있을 수 있다. 상기 하부 및 상부 수위 센서(351, 352)는 액체 피스톤(340)의 이동 범위를 나타낼 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직할 것이다.
도 3에 도시된 상기 공기 공급 챔버(100)는 상기 공기 압축 모듈(300)로 저압 상태의 공기를 공급하는 장치로써, 상대적으로 저압 상태의 공기를 저장하는 챔버이다.
본 발명에서 저압 상태의 공기는 상대적으로 공기 압축 모듈(300)에서 압축된 공기(A) 및 고압 공기 저장 챔버(200)에 저장되는 압축된 공기(A)와 비교하여 상대적으로 저압 상태인 것을 의미하며, 원활한 공기 공급을 위하여 통상적으로 대기압보다는 높은 압력일 수 있다.
상기 공기 공급 챔버(100)는 공기 공급관(110)을 통하여 상기 실린더(320)에 저압의 공기(A)를 제공하도록 구성되어 있다.
이 때, 상기 공기 공급관(110)의 분사구(111)는 도 3 내지 5에 도시된 바와 같이 상기 실린더(320)의 내측 상부에 위치하며, 상기 상부 수위 센서(352)보다 높은 위치에 위치하도록 구비되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 통하여 상기 분사구(111)는 본 발명의 공기 압축장치가 작동하는 중 액체 피스톤(340)이 상부 수위 센서(352)까지 도달하더라도 액체(F)로 이루어진 액체 피스톤(340)과 접촉하지 않고 항상 공기(A) 중에 위치할 수 있다.
한편, 상기 공기 공급관(110)의 분사구(111)는 하부로 분사되도록 구성할 수 있을 것이다.
하지만, 도 6에 도시된 바와 같이 분사구(111)에 경사부(111a)를 형성하여 분사구(111)의 방향이 하부에 있는 액체 피스톤(340) 방향으로 직접 공기(A)가 분사되는 것을 방지할 수 있도록 구성할 수도 있다.
도 6에서는 분사구(111)가 실린더(320)의 상부 방향으로 향하도록 도시되어 있으나, 이에 한정되지는 않고, 분사구(111)를 통하여 분사되는 공기(A)가 직접 액체 피스톤(340)에 분사되는 것을 방지할 수 있도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이 분사구(111)를 통하여 실린더(320) 내부로 분사되는 공기(A)가 액체(F)로 이루어진 액체 피스톤(340) 직접 분사되지 않도록 함으로써, 공기(A)가 유입될 때 액체 피스톤(340)이 최대한 균일하게 아래로 밀려 내려가면서 실린더(320)의 내부로 공기(A)가 공급되도록 할 수 있을 것이다.
또한, 상기 공기 공급관(110)에는 도 3에 도시된 바와 같이 저압 공기(A)의 공급 여부를 제어하기 위한 제 1 밸브(120)가 설치되어 있는 것이 바람직하고, 필요에 따라 공기(A)의 역류를 방지하기 위한 제 1 체크 밸브(110)를 추가로 구비할 수 있다.
다음으로, 상기 고압 공기 저장 챔버(200)는 상기 공기 압축 모듈(300)로부터 압축된 고압 상태의 공기를 저장하는 장치로써, 상대적으로 고압 상태의 공기(A)를 저장하는 챔버이다.
상기 고압 공기 저장 챔버(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 공기 유입관(210)을 통하여 상기 실린더(320)에서 압축된 고압의 압축 공기(A)를 유입하여 저장할 수 있도록 구성되어 있다.
이 때, 상기 공기 유입관(210)의 유입구(211)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 실린더(320)의 상부에 위치하며, 상기 상부 수위 센서(352)보다 높은 위치에 위치하도록 구비되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 통하여 상기 유입구(211)는 본 발명의 공기 압축장치가 작동하는 중 액체 피스톤(340)이 상부 수위 센서(352)까지 도달하더라도 액체(F)로 이루어진 액체 피스톤(340)과 접촉하지 않고 항상 공기(A) 중에 위치할 수 있다.
또한, 상기 공기 유입관(110)에는 도 3에 도시된 바와 같이 고압 공기(A)가 고압 공기 저장 챔버(200)로 유입되는 것을 제어하기 위한 제 2 밸브(220)가 설치되어 있는 것이 바람직하고, 필요에 따라 고압 공기(A)의 역류를 방지하기 위한 제 2 체크 밸브(210)를 추가로 구비할 수 있다.
다음으로, 펌프(400)는 상기 액체 챔버(310)에 액체(F)를 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
상기 펌프(400)는 액체 유입관(410)을 통하여 상기 액체 챔버(310)에 액체(F)를 공급할 수 있도록 구성되어 있으며, 상기 액체 유입관(410)에는 도 3에 도시된 바와 같이 액체(F) 공급 여부를 제어하기 위한 제 3 밸브(420)가 설치되어 있는 것이 바람직하고, 필요에 따라 액체(F)의 역류를 방지하기 위한 제 3 체크 밸브(410)를 추가로 구비할 수 있다.
상기 펌프(400)는 상기 액체 챔버(310)의 내부에 액체(F)를 균일하게 공급할 수 있고, 공급되는 액체(F)의 유량을 정량화하기 용이한 시린지 펌프(syringe pump)를 사용할 수 있는데, 이에 한정되지는 않고 액체(F)를 액체 챔버(310)의 내부로 공급할 수 있는 다양한 작동 원리의 펌프를 사용하는 것도 가능할 것이다.
본 발명의 장치에는 도 3에 도시된 바와 같은 저장조(500)가 추가로 구비되어 있을 수 있다.
상기 저장조(500)에는 상기 액체 챔버(210)에 저장되는 액체(F)를 저장할 수 있는 구성요소로써, 상기 액체 챔버(210)에 액체(F)를 공급할 수도 있고, 상기 액체 챔버(210) 내에서 흘러나오는 액체(F)를 저장할 수도 있다.
상기 저장조(500)에 저장된 액체(F)는 상기 저장조(500)에 연결된 상기 펌프(400)를 구동시켜 액체 챔버(310)의 내부로 공급할 수 있고, 이러한 작동을 통하여 상기 액체 챔버(310) 내부의 액체(F)의 압력을 증가시킬 수 있을 것이다.
상기 액체 챔버(310) 내부의 액체(F)의 압력은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액체 유입관(410)에 구비된 제2 압력 센서(454)를 통하여 측정할 수 있다.
또한, 상기 액체 유입관(410)에 제2 온도 센서(460)을 추가로 설치하여 상기 액체 챔버(310)의 내부로 공급되는 액체(F)의 온도를 함께 측정하는 것도 가능할 것이다.
상기 저장조(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액체 챔버(310)와 배수관(510)을 매개로 연결되어 있으며, 상기 배수관(510)에는 배수 밸브(520)를 추가로 설치하여 액체 챔버(310) 내의 액체(F)가 저장조(500)로 배수되는 것을 제어할 수 있도록 구성하는 것이 바람직할 것이다.
한편, 상기 저장조(500)에는 필요에 따라 저장되는 상기 액체(F)의 온도 상승 방지 및 온도 제어를 위하여 열교환기(550)을 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 제어부(600)는 본 발명의 공기 압축장치의 작동을 제어하는 구성요소이다.
상기 제어부(600)를 이용하여 다양한 방법으로 본 발명의 공기 압축장치를 작동시킬 수 있는데, 그 구체적인 작동방법을 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치를 작동하기 위해서는 먼저 상기 제3 밸브(420)를 개방하고 펌프(400)를 구동하여 액체 챔버(310)의 내부에 액체(F)를 공급한다.
상기 액체 챔버(310)의 내부로 액체(F)가 공급됨에 따라 실린더(320)의 하단부(322)를 통하여 액체 피스톤(340)이 형성된다.
이 때, 액체 챔버(310)의 내부로 액체(F)를 공급하여도 상기 실린더(320) 내부는 공기가 존재하고 있는 상태이므로, 액체 피스톤(340)이 상승함에 따라 실린더(320) 내부의 공기 압력이 증가하게 되므로, 액체 피스톤(340)은 일정 높이까지만 상승하고 실린더(320) 내부에는 공기 공간이 형성된다.
이 때, 액채 챔버(310)의 내부로 액체(F)를 공급할 때 상기 실린더(320) 내부공기(A)의 압력이 공기 공급 챔버(100)에서 공급하는 공기의 압력보다 낮은 압력이 유지될 때까지 공급하고 펌프(400)를 정지시키고 제3 밸브(420)를 닫는 것이 바람직할 것이다.
다음으로 이 상태에서 상기 제1 밸브(120)를 개방하여 공기 공급 챔버(100)에서 상기 실린더(320) 내부로 저압의 공기(A)를 공급한다.
실린더(320)의 내부로 공기(A)가 공급됨에 따라 상기 액체 피스톤(340)은 하강하게 된다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액체 피스톤(340)이 하부 수위 센서(351)에 도달하면 상기 제1 밸브(120)를 닫아서 실린더(320) 내부로의 공기(A) 공급을 멈춘다. 즉, 액체 피스톤(340)이 상기 하부 수위 센서(351)가 위치한 높이로 하강할 때까지 저압의 공기(A)를 공급한다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이 제3 밸브(420)를 다시 개방하고 펌프(400)를 구동하여 상기 액체 챔버(310)로 액체(F)를 공급하며 액체 피스톤(340)이 상승되도록 하여 실린더(320) 내부 공기(A)의 압력을 설정된 압력까지 가압한다.
실린더(320) 내부에 설치된 제1 압력센서((354)로 실린더(320) 내부의 압력이 설정된 압력에 도달한 것을 감지하면, 상기 펌프(400)의 구동을 멈추고 제3 밸브(420)를 닫는다.
다음으로 상기 제1 온도 센서(351)를 이용하여 실린더(320) 내부의 압축된 공기(A)의 온도를 측정하고, 설정된 온도까지 하강할 때까지 냉각시킨다.
본 발명에서는 액체 피스톤(340)을 이용하여 가압하고, 실린더(320)의 주위에 액체(F)가 감싸고 있는 상태이므로, 압축 공정 중에 공기(A)의 온도 상승은 크지는 않고, 액체 피스톤(340) 및 액체 챔버(310) 내의 액체(F)로 원활하게 열전달이 이루어져서 공기(A)의 온도를 설정된 온도까지 하강시키기 용이하다.
상기 압축된 공기(A)가 설정된 온도까지 하강하면, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제2 밸브(220)를 개방하여 실린더(320) 내부의 압축된 공기(A)를 고압 공기 저장 챔버(200)로 이송한다.
상기 압축된 공기(A)가 고압 공기 저장 챔버(200)로 이송됨에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 상기 액체 피스톤(340)이 상승하게 되는데, 상기 액체 피스톤(340)이 상부 수위 센서(352)까지만 상승하도록 상기 제2 밸브(220)를 닫고, 제1 밸브(120)는 개방하여 실린더(320) 내부로 저압의 공기(A)를 공급한다.
상기 저압 공기(A)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액체 피스톤(340)이 하부 수위 센서(351)에 도달할 때까지 공급하고, 압축, 냉각 및 저장 과정을 반복한다.
한편, 상기 압축된 공기(A)를 고압 공기 저장 탱크(200)로 저장한 후에, 공기 공급 탱크(100)로부터 저압 공기(A)를 다시 실린더(320)의 내부로 공급할 때에는 상기 배수 밸브(520)를 개방하여 보다 원활하게 저압 공기(A)가 실린더(320)의 내부로 공급되도록 할 수도 있다.
이 때, 배수 밸브(520)는 상기 압축 공정에서 실린더(320) 내부의 공기 압력을 가압할 때, 펌프(400)를 통하여 액체 챔버(310)의 내부로 추가로 공급된 유량과 동일한 유량이 배출될 때까지 개방하였다 닫도록 제어하는 것도 가능할 것이다.
이와 같은 과정을 반복하며, 제1, 2 온도 센서(360, 460)로 액체 챔버(310) 및 저장조(500) 내의 액체(F)의 온도를 측정하면서 저장조(500) 내의 열교환기(550)를 주기적으로 작동하여 각 액체(F)의 온도를 제어하면서 공기 압축장치를 작동하는 것도 가능할 것이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 공기 공급 챔버 110: 공기 공급관
120: 제1 밸브 130: 제1 체크밸브
200: 고압 공기 저장 챔버 210: 공기 유입관
220: 제2 밸브 230: 제2 체크밸브
300: 공기 압축 모듈 310: 액체 챔버
311: 상부 덮개 312: 하부 덮개 320: 실린더
321: 실린더 상단부 322: 실린더 하단부
330: 지지부 340: 액체 피스톤 351: 하부 수위 센서
352: 상부 수위 센서 354: 제1 압력 센서
360: 제1 온도 센서 361: 온도 감지부 400: 펌프
410: 액체 유입관 420: 제 3 밸브 430: 제3 체크 밸브
454: 제2 압력 센서 460: 제2 온도 센서 500: 저장조
510: 배수관 520: 배수 밸브 550: 열교환기
600: 제어부 A: 공기 F: 액체

Claims (5)

  1. 공기 압축 모듈(300); 공기 공급 챔버(100); 고압 공기 저장 챔버(200); 펌프(400); 저장조(500); 및 제어부(600)를 포함하는 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치에 있어서,
    상기 공기 압축 모듈(300)은,
    액체(F)가 저장된 액체 챔버(310); 상기 액체 챔버(310)의 내부에 지지부(330)를 매개로 고정되어 있고, 상기 공기 공급 챔버(100)로부터 공기(A)를 공급받을 수 있고, 상기 고압 공기 저장 챔버(200)로 압축된 공기를 이송할 수 있으며 하단부(322)가 개방된 실린더(320); 상기 실린더(320) 내부 공기(A)의 압력을 변화시킬 수 있도록 상기 실린더(320)의 하단부(322)를 통하여 이동하는 상기 액체(F)로 형성된 액체 피스톤(340); 및 상기 실린더(310) 내부의 공기(A)의 압력 및 온도를 각각 측정할 수 있도록 설치된 제1 압력 센서(354) 및 제1 온도 센서(360)를 포함하고,
    상기 저장조(500)는 상기 액체 챔버(310)에서 배수되는 액체(F)를 저장하거나 상기 액체 챔버(310)의 내부로 상기 액체(F)를 공급할 수 있고, 내부에 열교환기(550)가 추가로 구비되어 있으며,
    상기 펌프(400)는 상기 저장조(500)와 상기 액체 챔버(310) 사이에 연결되어 상기 저장조(500)에 저장된 액체(F)를 상기 액체 챔버(310)의 내부로 균일하게 공급할 수 있도록 구성되어 있으며,
    상기 공기 공급 챔버(100)와 상기 실린더(320)는 공기 공급관(110)을 통하여 연결되어 있고, 상기 공기 공급관(110)의 분사구(111)는 실린더(320)의 내측 상부에 위치하며,
    상기 분사구(111)는, 상기 실린더(320)의 내부로 분사되는 공기(A)가 액체(F)로 이루어진 액체 피스톤(340)에 직접 분사되지 않도록, 상기 실린더(320)의 상부 방향을 향하여 경사지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서(360)는 다수의 감지부(361)가 수직으로 서로 이격된 상태로 형성되어 있어, 상기 실린더(320) 내부 공기(A)의 높이에 따른 온도 및 액체(F)의 높이에 따른 온도를 측정할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더(200)의 하부와 상부에는 각각 상기 액체 피스톤(340)의 이동을 감지하는 하부 수위 센서(351) 및 상부 수위 센서(352)가 추가로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 피스톤을 이용한 공기 압축장치.
  5. 삭제
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