KR102353258B1 - 확장된 조정 구역을 갖는 피스톤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 실린더 내에 이동 가능하게 배치되는 피스톤으로, 실린더 내의 피스톤 상부에 배치되는 압축 챔버 내에서 공기를 압축하기 위한, 적어도 하나의 실린더를 포함하는 피스톤형 압축기에 관한 것이다. 압축 챔버는, 압축될 공기를 위한 유입 장치 및 압축된 공기를 위한 배출 장치에 연결되고, 상기 피스톤형 압축기는, 제1 구동 장치에 의해 구동될 수 있다. 유입 장치는, 제2 구동 장치에 의해 가변 출력으로 구동될 수 있으며 그리고 공기 유입구에서 흡인력을 높이기 위해 이용되는, 예비 압축 장치를 포함한다.

Description

확장된 조정 구역을 갖는 피스톤 압축기{PISTON COMPRESSOR WITH ENLARGED REGULATING REGION}
본 발명은, 실린더 내에 이동 가능하게 배치되는 피스톤으로, 실린더 내의 피스톤 상부에 배치되며 그리고 압축될 공기를 위한 유입 장치 및 압축된 공기를 위한 배출 장치에 연결되는 실린더 내의 압축 챔버 내에서, 공기를 압축하기 위한, 적어도 하나의 실린더를 포함하는, 피스톤형 압축기에 관한 것이다.
철도 차량을 위한 특히 무오일 피스톤형 압축기와 같은 피스톤형 압축기들은 특히, 불규칙한 간격으로 압축 공기가 제거되는 압축 공기 탱크를 채우기 위해 이용된다. 피스톤형 압축기들은 일반적으로, 압력 탱크가 신속하게 채워지는 충전 작동을 위해 설계되기 때문에, 최대 체적 유량이 제공된다. 경우에 따라 장시간 단속 후에 그리고 제거된 압축 공기의 보충만을 위해 압축기가 단시간 동안 작동되는 조절 작동의 경우에, 최대 체적 유량으로의 작동은 다소 바람직하지 않은 작동 상태를 의미하고, 이러한 작동 상태는 이와 같은 피스톤형 압축기들의 송출 출력을 필요에 따라 조절하는 경우에 방지될 수 있다.
공개된 피스톤형 압축기들의 조절 가능성은, 구성에 따른 최대 및 최소 회전 속도에 의해 제한된다. 따라서 특히 건식의 무오일 피스톤형 압축기의 최대 회전 속도 한계는, 건식 마찰 쌍의 최대 상대 속도에 의해 제한된다. 이와 달리 회전 속도가 낮으면 피스톤형 압축기 내부에서 자유 관성력에 의해 진동이 발생하고, 이로 인해 피스톤형 압축기의 작동 시 낮은 회전 속도 또한 제한된다. 이로 인해 대부분의 이용예에서 단속 작업 시 압축 공기 송출을 필요로 하는 피스톤형 압축기들의 약간의 회전 속도 가변성만이 주어진다.
공개된 피스톤형 압축기들에서 압축 공기 송출의 단속 조절은, 시스템 압력이 스위치 오프 압력에 도달하는 즉시, 압축기가 정지 상태로 전환됨으로써 구현된다. 시스템 압력이 특히 압축 공기의 제거에 의해 스위치 온 압력으로 떨어지면, 피스톤형 압축기는 부하 작동으로 전환되고, 이러한 부하 작동 시 상기 피스톤형 압축기는 정격 회전 속도에서 최대 체적 유량을 제공한다. 압축 공기 탱크 또는 압축 공기 시스템에서 동시에 더 많은 양의 압축 공기가 제거되지 않는 경우, 압축 공기 탱크는 상대적으로 빠르게 채워지므로, 짧은 스위치 온 시간 후에 피스톤형 압축기는 다시 더 장시간 동안 스위치 오프된다. 이러한 공개된 해결 방법의 조절 스펙트럼은, 정지 상태 및 부하 작동으로 제한되고, 이와 관련된 각각의 냉간 시동과 피스톤형 압축기의 더 높은 마모 및 더 긴 정지 시간으로 인해 바람직하지 않으며, 뿐만 아니라 특정한 사용 조건들에는 적합하지 않다.
피스톤형 압축기의 대안적인 구현 시, 미리 규정된 상이한 회전 속도로의 단속 작동은, 예를 들어 4극과 6극 사이에서 모터의 전환에 의해 또는 50㎐와 60㎐ 사이에서 전환될 수 있는 인버터에 의해 구현된다. 그러나 각각의 압축기에서 정해진 모터 회전 속도에 의해 상대적으로 제한된 조절 범위만이 실현될 수도 있다. 높은 모터 회전 속도는, 이 경우에도, 특히 무오일 마찰 쌍의 강한 열 부하를 야기하고, 이로써 피스톤형 압축기의 수명이 현저히 감소한다. 이러한 해결 방법은 체적 유량을 조절하는 간단한 방법이지만, 정해진 엔진 회전 속도에 의해 조절 스펙트럼이 제한되고 특정한 사용 조건에서 전환으로 인해 충분한 체적 유량을 생성할 수 없다.
독일 특허 출원 DE 10 2013 113 555 및 DE 10 2013 113 556의 공개공보에 각각, 피스톤형 압축기의 전기 구동 장치의 회전 속도에 계속 영향을 미치기 위한 액추에이터가 배치되며, 상기 액추에이터의 제어는 조절 수단에 의해 이루어지는, 철도 차량의 작동 상태에 의존하는 또는 철도 차량의 현재 상황에 의존하는 압축기 시스템 및 압축기 시스템을 작동하기 위한 방법이 공개되어 있다. 액추에이터는, 구동 장치 및 피스톤형 압축기의 작동을 상이한 회전 속도에 의해 철도 차량의 현재 작동 상태 또는 현재 상황에 맞게 조정하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 과제는, 에너지 효율 및 출력 밀도의 개선 하에, 송출 출력의 더 큰 조절 범위를 갖는 개선된 피스톤형 압축기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항에 따른 피스톤형 압축기 및 이러한 피스톤형 압축기를 제어하기 위한 청구항 제 6항에 따른 방법에 의해 해결된다. 제안된 해결 방법의 개선예들은 각각의 종속 청구항들의 대상이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 실린더 내에 이동 가능하게 배치되는 피스톤으로, 실린더 내의 피스톤 상부에 배치되는 압축 챔버 내에서 공기를 압축하기 위한, 적어도 하나의 실린더를 포함하는 피스톤형 압축기가 제안된다. 압축 챔버는, 공기 유입구와 공기 배출구를 구비하고, 공기 유입구에서 압축될 공기를 위해 유입 장치에 연결되고, 공기 배출구에서 압축된 공기를 위해 배출 장치에 연결된다. 피스톤형 압축기는, 제1 구동 장치에 의해 구동될 수 있다. 유입 장치는, 제2 구동 장치에 의해 가변 출력으로 구동될 수 있는, 흡인 압력을 높이기 위한 예비 압축 장치 및 압축될 공기를 냉각하기 위한 냉각 수단을 포함한다.
제안된 해결 방법은, 흡인 공기의 감소한 흡인 온도 및 상승한 흡인 압력에 의해 피스톤형 압축기의 체적 유량을 높이는 것을 가능하게 하여, 이로써 피스톤형 압축기의 송출 출력이 증가한다.
피스톤형 압축기는, 실린더를 포함하는 공개된 구성의 피스톤형 압축기이며, 상기 실린더에서 그 내부에 배치되는 피스톤은 축방향으로 이동 가능하고, 행정 운동 시 압축될 공기를, 특히 공기 유입구에 배치되는 유입 밸브에 의해 유입 장치로부터 흡인하고, 압축하고, 특히 공기 배출구에 배치되는 배출 밸브에 의해 일정한 압력으로 배출 장치에서 토출한다. 피스톤형 압축기는, 제1 구동 장치에 의해 구동될 수 있다. 피스톤형 압축기의 이용 상황에 따라, 제1 구동 장치는, 내연 기관, 전기 구동 장치 또는 다른 적합한 구동 장치이다.
본 발명에 따른 피스톤형 압축기는, 건식, 즉 무오일 피스톤형 압축기는 물론, 무오일로 구현되지 않은 피스톤형 압축기일 수 있다. 본 발명과 관련하여 건식 피스톤형 압축기 이외의 다른 것에 적용될 수 없는 장점들 또는 실시예들도 기재되었지만, 또한 이와 무관한 다른 장점들과 실시예는, 건식으로 구현되지 않은 피스톤형 압축기에 적용될 수도 있다.
제안된 피스톤형 압축기에서, 유입 장치는, 제2 구동 장치에 의해 가변 출력으로 구동될 수 있는, 예비 압축 장치를 포함한다. 이러한 예비 압축 장치에 의해, 특히 공기 유입구 상의 흡인 압력은, 가변 출력에 의해 가변적으로 출발 압력(p0)으로부터 최대 압력(pmax)까지 상승할 수 있다. 다단식 피스톤형 압축기에서 제1 실린더의 또는 일단 피스톤형 압축기에서 단일 실린더의 더 높은 흡인 압력에 의해, ΔV만큼 체적 유량의 증가가 달성되는데, 그 이유는 실린더의 압축 챔버가 더 높은 압력 상태의 압축될 공기로 채워지기 때문이다.
예비 압축 장치의 구동을 위해 이용되는 제2 구동 장치 또한, 이용 상황에 따라서 전기 구동 장치 또는 다른 적합한 구동 장치일 수 있다. 또한, 제2 구동 장치의 구동 출력은, 제1 구동 장치 또는 이용 가능한 다른 구동 장치로부터, 예를 들어 변속기에 의해 가변 변속비로, 상기 제2 구동 장치에 전달될 수 있다. 특히 전달된 출력은, 제2 구동 장치에 의해 가변적으로 조절될 수 있다.
제안된 해결 방법에서, 유입 장치는 냉각 수단을 포함하고, 상기 냉각 수단은 유입 장치를 통해 유동하는 압축될 공기를 적합한 조치에 의해 냉각한다. 이 경우 냉각 수단은, 특히 흡인 공기의 유동 방향으로 예비 압축 장치 뒤에 배치되는데, 그 이유는 공기는 예비 압축에 의해 가열되기 때문이다. 그러나 냉각 수단을 유동 방향으로 예비 압축 장치 앞에 배치하는 것도, 특히 이것이 구조적 특징으로 인해 바람직한 경우라면, 가능할 수 있다. 공기 온도는 예비 압축에 의해 다시 상승하기 때문에, 이러한 배치의 경우 온도는 더 크게 감소해야 한다. 피스톤형 압축기의 실시예에서, 흡인 공기를 예비 압축 전후에 냉각하는 것이 고려될 수도 있다.
유입 장치는 특히 적어도 하나의 도관 장치도 포함하고, 상기 도관 장치는 흡인 공기를 적어도 하나의 냉각 수단 및 적어도 하나의 압축 장치로 안내하고, 이들을 서로 및/또는 압축 챔버의 공기 유입구에 연결한다. 특히 냉각 수단은 도관 장치 외부에도 배치될 수 있다. 유입 장치의 적합한 냉각 수단은, 예를 들어 팬과 관련하여 사용되는, 예를 들어 도관 루프 또는 냉각 리브와 같이, 도관 장치 또는 유입 장치의 외부 표면의 확장을 위한 장치들 또는 냉각제 열교환기일 수 있거나, 또는 유입 장치에서 유동하는 흡인 공기에서 열에너지를 제거할 수 있는 다른 적합한 방식의 모든 수단일 수 있다.
제안된 해결 방법은, 예비 압축 장치의 인자(pmax/po)만큼 피스톤형 압축기의 체적 유량을 높이는 것을 가능하게 한다. 흡인 공기의 감소한 흡인 온도와 상승한 흡인 압력으로 인해 피스톤형 압축기의 송출 출력은 증가한다. 예비 압축 장치의 가변 출력은 피스톤형 압축기의 출력 증가와 함께 피스톤형 압축기의 더 넓은 조절 스펙트럼을 가능하게 한다. 따라서, 상승한 흡인 압력에 의해 더 높은 체적 유량이 실현되기 때문에, 전체적으로 더 작은 크기의 피스톤형 압축기의 사용 또한 가능하다. 제안된 해결 방법은, 충전 작동에서 짧은 시간 동안 매우 높은 출력으로 조절된 압축기 작동을 가능하게 하고(피스톤형 압축기의 큰 체적 유량), 조절 작동에서 낮은 출력으로 일정한 작동을 가능하게 한다(피스톤형 압축기의 더 작은 체적 유량). 따라서, 낮은 회전 속도에서 자유 관성력에 의한 진동의 위험이 없고, 특히 무오일 마찰 쌍의 최대 상대 속도가 유지될 수 있다. 또한, 제안된 해결 방법에 의해 피스톤형 압축기의 전체 온도 레벨이 낮아질 수 있다.
제안된 해결 방법은, 이에 의해 압축기의 체적 유량 및 송출 출력의 조절 범위를 높이고, 관련 온도 레벨을 낮추며, 동시에 피스톤형 압축기의 에너지 효율과 출력 밀도를 증가시킨다.
피스톤형 압축기는, 크랭크 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 크랭크 샤프트에 의해 구동된다. 각각 피스톤에 연결되는 하나 이상의 커넥팅 로드는, 크랭크 샤프트의 편심 위치에 회전 가능하게 장착되어, 상기 크랭크 샤프트의 회전 운동이 행정 운동으로서 실린더에서 축방향으로 이동하는 피스톤에 전달된다. 피스톤형 압축기는, 공기의 압축을 위한 적어도 하나의 실린더를 포함하며, 또한 그 내부에 이동 가능하게 배치되는 각각의 피스톤을 이용하여 공기를 압축하기 위해 제공되는, 연속해서 또는 병렬로 배치되는 2개 이상의 실린더를 포함할 수도 있으므로, 피스톤형 압축기는 일단으로 또는 다단으로 형성될 수 있다.
피스톤형 압축기의 실시예에서, 상기 피스톤형 압축기는, 크랭크 샤프트가 배치되는 크랭크 하우징을 갖고, 상기 크랭크 샤프트에, 피스톤에 연결된 적어도 하나의 커넥팅 로드가 회전 가능하게 장착되며, 이 경우 적어도 하나의 실린더의 흡인 공기는 크랭크 하우징을 통해 안내된다.
이러한 실시예에서 적어도 하나의 실린더의 흡인 공기는, 크랭크 하우징을 통해 안내되며, 이 경우 크랭크 메커니즘의 부재들, 실질적으로 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드, 피스톤(들)의 하부면 및 그 사이에 배치되는 베어링 요소들을 통해 유동하여 이들을 냉각한다. 흡인 공기는 실질적으로, 추후에 피스톤형 압축기의 적어도 하나의 실린더 내로 흡인되어 그 내부에서 압축되는 공기이다.
피스톤형 압축기의 실시예에서 유입 장치는 공기 편향 수단을 포함한다. 이러한 실시예는, 추후에 피스톤형 압축기의 적어도 하나의 실린더 내에 흡인 공기로서 수용되고 그 내부에서 압축되는 것보다 많은 체적 유량을 크랭크 하우징을 통해 안내하는 것을 가능하게 한다. 따라서 크랭크 하우징 내의 냉각 공기 체적 유량이 증가할 수 있고, 동시에 크랭크 하우징의 관류 시 흡인 공기의 가열은 감소할 수 있다.
공기 편향 수단은 예를 들어, 흡인 공기의 예정된 압력으로부터 개방되는, 체크 밸브 또는 압력 이완 밸브의 형태로 형성될 수 있다. 공기 편향 수단은, 예정된 파라미터 값에 따라, 특히 제어 장치에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있도록 형성될 수도 있다. 공기 편향 수단의 실시예에서 특히 유입 장치로부터 주변으로 초과량의 흡인 공기가 배출되고, 공기 편향 수단의 다른 실시예에서 예를 들어 흡인 공기의 냉각된 체적 유량의 예정된 양이 크랭크 하우징 내로 복귀될 수 있다.
피스톤형 압축기의 다른 실시예에서, 피스톤형 압축기의 적어도 하나의 실린더의 통과 후에, 압축된 공기의 냉각을 위한 후 냉각 수단이 배치된다. 특히 배출 장치는, 압축된 공기의 냉각을 위한 후 냉각 수단을 포함한다. 압축에 의해, 실린더 내의 공기가 가열되므로, 압축 챔버로부터 공기 배출구를 통해 토출된 압축된 공기는, 상승된 온도를 갖는다. 배출 장치의 적어도 하나의 후 냉각 수단을 이용한, 적어도 하나의 실린더의 통과 이후의, 압축된 공기의 냉각은, 예를 들어 공기의 후속하는 저장 또는 예를 들어 공기의 제습과 같은 후속 처리를 간단하게 한다. 피스톤형 압축기의 실시예에서, 배출 장치의 후 냉각 수단은, 유입 장치의 흡인 공기를 냉각하기 위한 냉각 수단의 분할에 의해 형성된다.
다른 실시예에서, 피스톤형 압축기는 조절 수단을 포함하고, 상기 조절 수단에 의해, 예비 압축 장치의 출력 및 공기 유입구 상의 흡인 압력이 특히 무단으로 조절될 수 있다. 조절 수단은, 예비 압축 장치를 가변 출력으로 구동하는, 제2 구동 장치에 작동적으로 연결된다. 조절 수단은, 특히 피스톤형 압축기의 필수 송출 출력과 관련된 신호 및/또는 측정값을 수신하고, 조절 수단은 상기 신호 및/또는 측정값을 이용해서 제2 구동 장치 및 예비 압축 장치의 출력을 조절한다. 이러한 방식으로 유입 장치를 통해 실린더 내로 유동하는 공기의 예비 압축 정도가, 예비 압축 장치에 의해 조절된다.
상기 과제를 해결하기 위한 그리고 전술한 방식의 피스톤형 압축기를 제어하기 위한 방법이 제안되며, 이 경우 조절 수단은 공기 유입구 상의 최대 흡인 압력(pmax)에 상응하는 최대값과 실린더에서 피스톤 행정 운동에 의해 발생되는 공기 유입구 상의 흡인 압력(p0)에 상응하는 최소값 사이에서, 예비 압축 장치의 출력을 조절한다. 따라서 피스톤형 압축기의 송출 출력은, 본 발명에 따른 방법에 의해, 공기 유입구 상의 최대 흡인 압력과 최소 흡인 압력 사이의 확장된 조절 범위에서, 무단으로 조절될 수 있다. 이러한 방식으로 압축기의 체적 유량의 조절 범위가 확장되며, 이 경우 에너지 효율과 출력 밀도는 증가한다.
피스톤형 압축기를 제어하기 위한 방법의 실시예에서, 조절 수단은, 센서의 적어도 하나의 신호 송신기 및/또는 적어도 하나의 센서에 신호 연결되고, 이 경우 조절 수단은, 이러한 적어도 하나의 신호 송신기 및/또는 센서의 적어도 하나의 값 및/또는 신호에 의존하여, 예비 압축 장치의 출력을 조절한다. 피스톤형 압축기의 현재 필요한 각각의 송출 출력에 대해, 적어도 하나의 센서 및/또는 적어도 하나의 신호 송신기로부터 관련 값 또는 신호가 조절 수단에 전송되고, 그것으로부터 조절 수단은 현재 필요한 체적 유량을 결정하며, 이러한 요구에 상응하게 예비 압축 장치의 출력을 조절한다. 이러한 방식으로, 조절 수단을 이용해서, 피스톤형 압축기의 체적 유량은, 예를 들어 철도 차량과 같은 압축기를 포함하는 시스템의 현재의 요구, 작동 상태 또는 현재 상황에 따라서 조정될 수 있다.
방법의 다른 실시예에서, 조절 수단은 적어도 하나의 센서로부터 값을 수신한다. 이를 위해 적어도 하나의 센서는, 특히 압력 센서, 온도 센서, 체적 유량 센서, 회전 속도 센서 또는 다른 적합한 센서들을 포함하는 그룹에서 선택된다. 이러한 센서들은, 특히 예비 압축 장치의 조절에 중요한 파라미터 값들을 검출한다. 적합한 압력 센서는 예를 들어 피스톤형 압축기로부터 공급된 압력 시스템 내부의 압력을 검출한다. 상기 압력 센서는 예를 들어, 배출 장치 상에서, 경우에 따라 그곳에 배치되는 후 냉각 수단 앞에 또는 뒤에, 또는 압축 공기 탱크 내에, 위치 설정될 수 있다. 압축 공기 시스템에서 검출된 압력 값에 의존해서, 신속한 충전이 필요할 수 있고, 이 경우 피스톤형 압축기의 높은 송출 출력이 요구되거나, 또는 보다 적은 양의 제거된 압축 공기의 보충 충전이 필요할 수 있고, 이는 더 낮은 송출 출력에 의해 더 경제적으로 수행될 수 있다.
체적 유량 센서를 이용해서 압축 공기 시스템으로부터 제거된 체적 유량을 직접 검출할 수 있다. 이러한 값은, 예를 들어 피스톤형 압축기의 보충 충전 작동의 경우, 필요한 압축 공기량에 영향을 미칠 수도 있다. 피스톤형 압축기를 제어하기 위한 방법에서, 조절 수단에 크랭크 샤프트의 회전 속도를 전송하는 회전 속도 센서를 이용해서, 흡인 장치를 관류하는 체적 유량의 값을 도출할 수 있다. 온도 센서에 의해, 예를 들어 크랭크 하우징, 유입 장치, 배출 장치 또는 압축 공기 시스템 내부의 공기 온도를 검출할 수 있고, 이로부터 또한 피스톤형 압축기의 송출 출력에 대한 다양한 요구 조건들이 유도될 수 있으며, 이는 조절 수단에 의해 조정될 수 있다.
피스톤형 압축기를 제어하기 위한 방법의 실시예에서, 조절 수단은 적어도 하나의 신호 송신기에 신호 연결되고, 상기 신호 송신기는, 작동 관리 시스템, 예컨대 제1 구동 장치의 제어 장치와 같은 제어 장치 또는 피스톤형 압축기의 송출 출력의 제어에 관련된 정보들을 처리하는 다른 적합한 수단들을 포함하는 그룹에서 선택된다. 피스톤형 압축기를 위한 조절 수단은, 차량 관리 시스템으로부터 예를 들어 차량 속도, 브레이크 작동 또는 주행 모드 등과 같은, 압축 공기 시스템의 현재 필요한 충전 레벨 및 현재 압축 공기 소모량을 도출할 수 있는, 차량의 현재 작동 상태와 관련된 값들을 수신한다. 제1 구동 장치의 제어 장치의 신호들에 따라서 또한, 조절 수단은, 피스톤형 압축기가 실제로 사용되는 시스템의 작동 상태 및 현재 작동 상황에 대해 정보를 도출할 수 있고, 이로부터 피스톤형 압축기의 필수 체적 유량을 위한 제어값들을 결정하고 적용할 수 있다.
피스톤형 압축기를 제어하기 위한 방법의 실시예에서, 조절 수단은 냉각 수단의 출력을 예비 압축 장치의 출력과 무관하게 조절한다. 냉각 수단의 출력에 대한 설정값은 조절 수단에 직접 전달될 수 있다. 마찬가지로, 조절 수단은 또한, 조절될 설정값을 센서 값 또는 신호 송신기 값에 의존하여 결정할 수 있고, 상기 값들은, 예를 들어 주변의, 크랭크 하우징 내부의 또는 압축 공기 탱크 내부의 온도를 포함한다. 이 경우 냉각 수단의 더 크거나 작은 냉각 출력은 예비 압축 장치의 출력과 무관하게, 예를 들어 피스톤형 압축기 내부의 공기의 더 강하거나 약한 압축을 유발하기 위해, 또는 피스톤형 압축기의 흡인 공기의 더 낮거나 높은 온도에 의해 압력 시스템의 온도 레벨에 영향을 주기 위해 필요할 수 있다.
본 발명의 다른 장점들 특징들 및 응용예들은 도면을 참조하여 후속하는 설명에 제시된다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 피스톤형 압축기의 제1 실시예의 개략도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 피스톤형 압축기의 제2 실시예의 개략도를 도시한 도면이다.
도 3은 유입 압력의 상승에 따른 체적 유량 변동을 나타낸 그래프이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 피스톤형 압축기(10)의 제1 실시예의 개략도를 도시한다. 실시예에서 무오일, 즉 건식 피스톤형 압축기(10)는, 크랭크 하우징(20)과 그 내부에 배치되는 크랭크 샤프트(21)를 포함하고, 상기 크랭크 샤프트는 제1 구동 장치(22)에 연결되어 이 구동 장치에 의해 구동된다. 실시예에서, 일단으로 도시된 피스톤형 압축기(10)는 실린더(11)를 포함하고, 상기 실린더는, 실린더(11) 내에 배치되는 피스톤(12)을 이용해서 공기를 압축하기 위한, 압축 챔버(14)를 갖고, 상기 피스톤은, 크랭크 샤프트(21)에 편심으로 회전 가능하게 장착되는 커넥팅 로드(13)에 의해 구동된다.
실린더(11)는 공기 유입구(30)를 갖고, 상기 공기 유입구는 유입 장치(31)에 연결되며, 상기 유입 장치는 압축 챔버(14)의 공기 유입구(30)로 압축될 공기를 안내한다. 또한, 실린더(11)는 공기 배출구(33)를 갖고, 상기 공기 배출구는 배출 장치(34)에 연결되며, 상기 배출 장치는 압축 챔버(14)로부터 압축된 공기를 수용한다. 크랭크 샤프트(21)는, 커넥팅 로드(13) 및, 크랭크 샤프트 상에 그리고 이들 사이에 배치되는, 베어링들과 함께, 크랭크 메커니즘(15)을 형성하고, 상기 크랭크 메커니즘은, 피스톤형 압축기(10)의 작동 도중에, 크랭크 하우징(20) 내에서 가열된다.
예시적인 실시예의 크랭크 하우징(20)은, 공기 공급 라인(25)을 통해 공기 필터(26)에 연결되고, 상기 필터에 의해 주변 공기가 흡인되어 공기 공급 라인(25)을 지나 크랭크 하우징(20) 내로 안내된다. 공기 공급 라인(25)의 접속부로부터 떨어져 있는 크랭크 하우징(20)의 영역에 유입 장치(31)가 배치되므로, 공기 공급 라인(25)으로부터 크랭크 하우징(20) 내로 안내되는 공기는, 크랭크 하우징(20)을 관류한 후에, 유입 장치(31)를 통해 다시 크랭크 하우징을 빠져나갈 수 있다. 이로 인해 형성되는 공기 유동은, 특히 크랭크 메커니즘(15)의 부재들 위로 유동하며, 그리고 크랭크 메커니즘(15)을 냉각하는 동시에 열 에너지를 흡수한다.
유입 장치(31)는, 예비 압축기 구동 장치(제2 구동 장치(29))에 의해 구동되는, 외부의 고성능 팬 형태의 예비 압축 장치(28)를 포함한다. 예비 압축 장치(28)의 작용으로 인해, 주변 공기가, 공기 필터(26)를 통해 크랭크 하우징(20) 내로 흡입되고, 크랭크 하우징 내에서 크랭크 메커니즘(15)의 부재들을 통해 유동하여 상기 부재들에서 열 에너지를 제거한다. 예비 압축 장치(28)는, 크랭크 하우징(20)을 관류한 후에 가열된 공기를 유입 장치(31) 내로 흡인하고, 이를 압축하여, 예비 압축기 구동 장치(29)의 현재 출력에 따라서 실린더(11) 전방의 공기 유입구(30)에서 주변 압력에 비해 상승한 압력을 형성한다. 공기 유입구(30) 상의 이러한 상승한 압력에 의해, 피스톤(12)의 흡인 행정 동안 압축 챔버(14) 내로 더 많은 공기가 유동할 수 있고, 이로써 피스톤형 압축기(10)의 송출 출력 및 효율이 높아진다.
도 1의 예시적인 실시예에서, 유입 장치(31)는 예비 압축 장치(28)와 실린더(11) 사이에 냉각 수단(32)을 포함하고, 상기 냉각 수단은 유입 장치(31)를 통해 유동하는 공기를 냉각한다. 크랭크 하우징(20)의 관류 시에는 물론 예비 압축 장치(28)에서의 예비 압축에 의해서도 흡인 공기는 가열되고, 이는, 흡인 행정 동안 압축 챔버(14) 내에 수용 가능한 공기량 감소를 일으키는 체적 증가를 야기한다. 이러한 효과를 저지하기 위해, 유입 장치(31)는, 흡인 공기의 유동 방향으로 예비 압축 장치(28) 뒤에, 냉각 수단(32)을 갖고, 상기 냉각 수단은 예비 압축된 흡인 공기를 냉각한다. 이로 인해 압축 챔버(14) 내에 더 많은 공기량이 수용될 수 있다. 이러한 조치에 의해 피스톤형 압축기(10)의 송출 출력 및 효율이 더 높아진다.
피스톤형 압축기(10)의 예시적인 실시예에서, 예비 압축기 구동 장치(29)는 조절 수단(40)에 연결되고, 상기 조절 수단은 예비 압축 장치(28)의 출력 및 공기 유입구(30) 상의 흡인 압력을 조절한다. 피스톤형 압축기(10)의 유입 장치(31)와 배출 장치(34)의 적절한 위치에 복수의 압력 센서(41a, 41b, 41c) 및 복수의 온도 센서(42a, 42b, 42c)가 배치되고, 상기 센서들은 조절 수단(40)에 신호 연결된다(도시되지 않음). 압력 센서들(41a, 41b, 41c) 및 온도 센서들(42a, 42b, 42c)은 유입 장치(31) 또는 배출 장치(34) 상의 이들의 각각의 위치에서 각각 우세한 공기 온도 또는 압력을 조절 수단(40)에 전송한다.
또한, 조절 수단(40)은 장치 관리 시스템(45)에 신호 연결되고, 상기 시스템은 피스톤형 압축기(10)의 압축 공기 공급에 관련된 추가 데이터를 조절 수단(40)에 전송한다. 조절 수단(40)이 특히 압력 센서(41a, 41b, 41c), 온도 센서(42a, 42b, 42c) 및 장치 관리 시스템(45)으로부터 수신한 데이터로부터, 조절 수단(40)은 압축 공기 공급 시스템의 현재 요구 및 피스톤형 압축기(10)의 필요한 송출 출력을 결정한다. 그로 인한 요구에 따라, 조절 수단(40)은, 예비 압축기 구동 장치(29)의 적절한 조절에 의해, 예비 압축 장치(28)를 이용해서 공기 유입구(30) 상의 흡인 공기의 예비 압축의 정도를 상응하게 조정한다.
본 발명에 따른 피스톤형 압축기(10)의 도시되지 않은 예시적인 다른 실시예에서, 냉각 수단(32) 및 후 냉각 수단(35)의 출력 제어부 또한, 조절 수단(40)에 연결된다. 이 경우 2개의 냉각 수단(32, 35)의 냉각 출력 또한, 조절 수단(40)에 의해, 특히 각각의 결정된 필요한 냉각 출력으로 조절될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 피스톤형 압축기(10)의 제2 실시예의 개략도를 도시한다. 도 2의 피스톤형 압축기(10)는 도 1에 도시되어 이에 대해 설명된 피스톤형 압축기(10)와 전반적으로 동일하므로, 피스톤형 압축기(10)의 동일한 부재들은 동일한 도면부호로 표시된다. 계속해서, 개략적으로 도시된 2개의 피스톤형 압축기(10) 간의 차이점만을 설명한다.
도 2에 도시된 피스톤형 압축기(10)는 도 1의 피스톤형 압축기(10)와는 달리, 유입 장치(31)에 배치되는 압력 이완 밸브 형태의 공기 편향 수단(36)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 흡인 공기의 유동 방향으로 냉각 수단(32) 이후에 유입 장치(31) 내부의 압력이 예정된 값을 초과하여 유입 장치(31) 내의 초과량의 흡인 공기가 피스톤형 압축기(10)의 주변으로 방출되는 즉시, 공기 편향 수단(36)의 압력 이완 밸브는 개방된다. 이로 인해 크랭크 하우징(20)의 냉각을 위한 공기의 체적 유량이, 피스톤형 압축기(10)의 송출 출력보다 클 수 있는데, 그 이유는 크랭크 하우징(20)을 관류한 후 및 예비 압축 후에, 초과량의 공기가 유입 장치(31)로부터 배출될 수 있기 때문이다.
이러한 예시적인 실시예에서, 크랭크 하우징(20)을 통과하는 가능한 한 임의의 많은 공기 체적 유량이 실현될 수 있으며, 이 경우 냉각 수단(32)은 증가한 체적 유량에 대해 도 1의 피스톤형 압축기(10)에 비해 크게 설계될 수 있다. 동일한 송출 출력의 도 1의 피스톤형 압축기(10)와 달리, 공기 필터(26)에 의해 흡인된 공기량의 양도 증가한다.
도 3은 유입 장치(31)의 관류 시 흡인 공기의 예비 압축 및 냉각에 기초해서 피스톤형 압축기(10)에 의해 송출되는 체적 유량의 변동을 나타내는 그래프를 도시한다. 그래프에서 공기 유입구(30) 상의 흡인 공기의 압력이 피스톤형 압축기(10)에 의해 송출되는 체적 유량에 대해 도시된다.
선행기술에 따른 피스톤형 압축기(10)에 의해 송출되는 체적 유량(51)은 파선으로 도시된 곡선으로 나타난다. 본 발명에 따른 피스톤형 압축기(10)에 의해 송출되는 체적 유량(52)은 실선으로 도시된 곡선으로 나타난다.
그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 압축 챔버의 행정 체적(V0)은, 선행기술에 따른 피스톤형 압축기(10)에서보다 많은 공기량으로 채워지기 때문에, 흡인 공기의 예비 압축 및 냉각으로 인한, 흡인 압력 peo의 pe1으로의 Δpe만큼의 상승에 의해, V1으로의 ΔV만큼의 체적 유량의 증가 또한 달성된다.
전술한 설명, 도면 및 청구항들에 공개된 본 발명의 특징들은 개별적으로 및 임의의 조합으로도 본 발명의 실현에 중요할 수 있다.
10: 피스톤형 압축기 11: 실린더
12: 피스톤 13: 커넥팅 로드
14: 압축 챔버 15: 크랭크 메커니즘
20: 크랭크 하우징 21: 크랭크 샤프트
22: 제1 구동 장치 25: 공기 공급 라인
26: 공기 필터 28: 예비 압축 장치
29: 예비 압축기 구동 장치 30: 공기 유입구
31: 유입 장치 32: 냉각 수단
33: 공기 배출구 34: 배출 장치
35: 후 냉각 수단 36: 공기 편향 수단
40: 조절 수단 41a, 41b, 41c: 압력 센서
42a, 42b, 42c: 온도 센서 45: 장치 관리 시스템
51: 선행기술의 피스톤형 압축기의 체적 유량
52: 본 발명에 따른 피스톤형 압축기의 체적 유량

Claims (9)

  1. 실린더 내에 이동 가능하게 배치되는 피스톤(12)으로, 실린더(11) 내의 피스톤(12) 상부에 배치되는 압축 챔버(14) 내에서 공기를 압축하기 위한, 적어도 하나의 실린더(11)를 갖는 피스톤형 압축기로서, 상기 압축 챔버(14)는, 공기 유입구(30)와 공기 배출구(33)를 구비하며 그리고, 상기 공기 유입구(30)에서, 압축될 공기를 위한 유입 장치(31)에 연결되며 그리고, 상기 공기 배출구(33)에서, 압축된 공기를 위한 배출 장치(34)에 연결되며, 상기 피스톤형 압축기(10)는 제1 구동 장치(22)에 의해 구동될 수 있는 것인, 피스톤형 압축기에 있어서,
    상기 유입 장치(31)는, 흡인 압력을 높이기 위해 제2 구동 장치(29)에 의해 가변 출력으로 구동될 수 있는 예비 압축 장치(28) 및, 압축될 공기를 냉각하기 위한 냉각 수단(32)을 포함하고,
    피스톤형 압축기는 크랭크 샤프트(21)가 그 내부에 배치되는 크랭크 하우징(20)을 포함하며, 상기 크랭크 샤프트 상에 상기 피스톤(12)에 연결되는 적어도 하나의 커넥팅 로드(13)가 회전 가능하게 장착되며, 상기 적어도 하나의 실린더(11)의 흡인 공기는, 상기 크랭크 하우징(20)을 통해 안내되고,
    공기 공급 라인(25)이 상기 예비 압축 장치(28)에 의한 흡인을 통해 주변 공기를 상기 크랭크 하우징(20) 내로 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤형 압축기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유입 장치(31)는, 공기 편향 수단(36)을 포함하고, 상기 공기 편향 수단(36)은 예정된 파라미터 값에 따라 개방 및 폐쇄되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤형 압축기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 피스톤형 압축기(10)의 상기 적어도 하나의 실린더(11)를 통과한 이후의 압축된 공기를 냉각하기 위한, 후 냉각 수단(35)이 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤형 압축기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 예비 압축 장치(28)의 출력 및 상기 공기 유입구(30)에서의 흡인 압력을 조절할 수 있는 조절 수단(40)이 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤형 압축기.
  5. 제 4항에 따른 피스톤형 압축기를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 조절 수단(40)은, 공기 유입구(30)에서의 최대 흡인 압력(pmax)에 상응하는 최대값과 실린더(11)에서 피스톤 행정 운동에 의해 발생되는 상기 공기 유입구(30)에서의 흡인 압력(p0)에 상응하는 최소값 사이에서, 상기 예비 압축 장치(28)의 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 조절 수단(40)은, 적어도 하나의 신호 송신기(45), 적어도 하나의 센서(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c), 또는 적어도 하나의 신호 송신기(45) 및 적어도 하나의 센서(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)와 신호 연결되고, 상기 조절 수단(40)은, 상기 적어도 하나의 신호 송신기(45), 상기 적어도 하나의 센서(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c), 또는 상기 적어도 하나의 신호 송신기(45) 및 상기 적어도 하나의 센서(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)의 적어도 하나의 값 또는 신호에 의존하여 상기 예비 압축 장치(28)의 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)는, 압력 센서(41a, 41b, 41c), 온도 센서(42a, 42b, 42c), 체적 유량 센서 및 회전 속도 센서를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 신호 송신기(45)는, 작동 관리 시스템(45) 또는 제어 수단을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 조절 수단(40)은, 냉각 수단(32)의 출력을, 상기 예비 압축 장치(28)의 출력과 무관하게, 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
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