KR102434918B1 - 유체 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 또는 액체를 압축시키는 유체 압축기에 관한 것으로서, 압축 스테이지(20)와, 압축 스테이지(20,300)와 연결되어 압축 스테이지(20,300)에 설치된 로터(22,320) 또는 스테이터(21,310)를 회전 구동시키는 회전 구동 모듈로 구성되되, 상기 스테이터(21,310)의 내주면 또는 로터(22,320)의 외주면에 일정한 폭과 깊이로 형성되는 통로인 슬롯(221,317)의 폭 보다 큰 직경의 스프링(24,340)이 삽입가능하도록 슬롯(221,317)이 스프링(24,340) 설치위치에서 원형으로 확장되는 형태의 스프링 홀이 형성됨으로써, 로터(22,320) 회전 속도의 감소로 슬롯(221,317)에 삽입되는 베인(23,330)에 작용되는 원심력이 감소되더라도, 베인(23,330)의 단부를 스테이터(21,310)의 내주면 또는 로터(22,320)의 외주면에 밀착시키는 대구경 스프링의 설치가 가능한 유체 압축기를 제공하고자 한다.

Description

유체 압축기{Fluid compressor}

본 발명은 기체 또는 액체를 압축시키는 유체 압축기에 관한 것이다.

유체 압축기는 일상생활과 산업현장 모두에서 사람의 손을 고된 작업으로부터 해방시켜 주는 장치이다. 산업현장 뿐만 아니라 최근에는 일반 가정에서도 유체 압축기는 각종 목적을 위해 사용된다.

그런데 유체 압축기는 내부에서 빠르게 회전되는 로터(22)와 베인(23) 및 모터로 인해 상당한 소음이 유발되므로 사실상 가정 내에서의 사용에서는 상당한 장애가 존재한다. 왜냐하면 가정 내에서의 사용은 산업현장과 달리 막대한 압축비가 요구되지 않는 경우가 있어 사실상 모터를 저속으로 구동시키더라도 필요한 압축비를 얻을 수 있는 경우가 많기 때문이다.

하지만 유체 압축기 내부의 로터(22)를 저속으로 구동시킬 경우, 실제 압축을 담당하는 베인(23)에 작용되는 원심력이 너무 작아서, 압축실(210) 내부 벽면까지 베인(23)이 인출되지 못하는 경우가 발생되어, 압축이 불완전해지고, 압축실(210) 벽면과 베인(23) 사이로 압력 손실이 발생되어 압축기의 효율이 현저하게 저하되는 문제가 발생될 수 있다.

그렇다고 하여 베인(23)이 가변되는 슬롯(221) 내부에 스프링(24)이 설치될 경우, 슬롯(221)의 폭으로 인해 사용되는 스프링(24)의 탄성력도 제한이 있고, 또한 스프링(24)과 베인(23) 간의 접촉 문제로 인해 스프링(24)도 상당한 소음원으로 작용되는 문제가 있다.

가정이나 공공장소에서 유체 압축기가 사용되려면 소음 문제가 반드시 해결될 필요가 있다. 압축기의 소음이 최소화 되기 위해서는 내부 로터(22)의 회전 속도를 낮추더라도 베인(23)과 압축실(210) 내벽 간의 접촉이 안정적으로 이루어져야만 낮은 압축비를 가지는 유체가 지속적으로 생성될 수 있다.

특히 중요한 점은 가정이나 공공장소의 경우에도 산업현장의 경우와 유사한 높은 압축비를 가지는 유체의 생성이 필요한 경우가 많을 수 있으나, 이런 경우 종래의 압축기가 적용되면 높은 압축비를 생성시키기 위한 엄청난 내부 소음 발생으로 인해 사실상 가정이나 공공장소 기타 소음이 억제되어야 하는 수요처에서는 사용이 힘든 문제가 있다.

날이 갈수록 모든 부문에서 자동화가 이루어지는 추세를 감안할 경우 이러한 소음 문제가 해결되지 못한다면, 자동화의 추세 자체가 상당한 장애를 만나게 될 수 있는 상황이다.

공개특허공보 제10-2018-0064392호(공개일자: 2018. 06. 14)

이에 본 발명은 가정이나 공공장소 등과 같이 소음에 취약한 장소에서도 얼마든지 사용 가능하도록 소음은 최소화 되면서 낮은 압축비부터 높은 압축비까지 압축비의 조절이 얼마든지 가능한 저소음 고효율 유체 압축기를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체 압축기는 내부에 공간이 형성된 통 형태의 스테이터(21,310)와, 상기 공간 내부에 설치되며 스테이터(21,310)에 대해 상대 회전 되는 로터(22,320)와, 상기 스테이터(21,310)의 내주면 또는 로터(22,320)의 외주면에 일정한 폭과 깊이로 형성되는 통로인 슬롯(221,317)에 인출 가능하게 삽입되는 판 형태의 부재인 베인(23,330) 및, 상기 슬롯(221,317)에 삽입되어 베인(23,330)을 인출시키는 방향으로 탄성력을 가하여 베인(23,330)을 로터(22,320)의 외주면 또는 스테이터(21,310)의 내주면에 밀착시키는 스프링(24,340)으로 구성되며, 복수개가 다단으로 설치되어 유체가 각 단을 차례로 통과하면서 단계적으로 압축 가능한 복수개의 압축 스테이지(20,300)와, 상기 압축 스테이지(20,300)와 연결되어 상기 로터(22,320)를 회전 구동시키는 회전 구동 모듈로 구성되되, 상기 슬롯(221,317)의 중심에는 슬롯(221,317)의 폭 보다 큰 직경의 스프링(24,340)이 삽입가능하도록, 슬롯(221,317)의 일정 부위가 부풀어 수평 관 형태로 확장되는 형상의 스프링 홀이 형성된다.

여기서 상기 슬롯(221)은 바람직하게는 로터(22)의 외주면으로부터 로터(22)의 내측을 향하여 일정한 깊이만큼 형성되어 상기 스프링(24)과 베인(23)이 슬롯(221)에 차례로 삽입되고, 로터(22)의 중심은 스테이터(21)의 중심에 대해 편심되는 위치에 설치되어 로터(22)의 중심을 회전 중심으로 하여 회전되며, 상기 스프링(24)과 베인(23) 사이에는 스프링 홀(222)의 단면 형상과 크기에 대응되는 모양과 크기로 제작되는 원통 형태의 피스톤 마개(25)가 삽입됨으로써, 스프링 홀(222)을 통한 압축 유체의 손실이 방지된다.

이 경우 상기 피스톤 마개(25)는 바람직하게는 스프링(24)과의 접촉 지점에 스프링(24)의 단부가 삽입되는 원통 형태의 중공인 스프링 인서트홀(251)이 형성되고, 베인(23)과의 접촉 지점에는 베인(23)의 단부가 삽입되도록 베인(23)의 단부 형상에 대응되는 절개 홈인 제1가이드홈(252)이 형성된다.

이때 상기 베인(23)에는 바람직하게는 제1가이드홈(252)에 접촉되는 부위에, 피스톤 마개(25)의 직경에 대응되는 수직 폭으로 소정의 깊이까지 형성되는 제2가이드홈(231)이 형성된다.

또는 본 발명에 따른 유체 압축기는 상기 슬롯(317)은 스테이터(310)의 내주면으로부터 방사 방향으로 일정한 깊이만큼 형성되어 상기 스프링(340)과 베인(330)이 슬롯(317)에 차례로 삽입되고, 상기 로터(320)의 중심은 스테이터(310)의 중심에 대해 편심되는 위치에 설치되되, 로터(320)는 스테이터(310)의 중심을 지나는 가상의 수직 축을 회전 중심으로 하여 회전되며, 상기 로터(320)는 원통 형상의 로터 코어(321)와, 로터 코어(321)의 측면을 둘러싸는 관 형태의 로터 케이스(322) 및, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322) 사이에 삽입되는 로터 베어링(323)으로 구성됨으로써, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322)가 서로 자유 가변 됨으로 인해, 로터 케이스(322)의 외주면과 스테이터(310) 내주면 간의 마찰로 인한 소음과 마모가 억제된다.

이때 상기 스프링(340)과 베인(330) 사이에는 바람직하게는 스프링 홀(318)의 단면 형상과 크기에 대응되는 모양과 크기로 제작되는 원통 형태의 피스톤 마개(350)가 삽입됨으로써, 스프링 홀(318)을 통한 압축 유체의 손실이 방지된다.

또한 본 발명에 따른 유체 압축기는 바람직하게는 상기 스프링 홀(318)의 내경에 대응되는 외경으로 형성되어 스프링(24,340)을 밀봉시키는 부재인 스프링 포켓(345)이 마련됨으로써, 스프링 홀(318)을 통한 압축 유체의 손실이 감소되며, 상기 스프링 포켓(345)의 길이는 스프링(24,340)의 평형 상태 길이보다 더 짧게 형성됨으로써, 스프링(24,340)이 스프링 홀(318)에 설치될 때 스프링(24,340)의 압축상태를 수동으로 유지시키지 않더라도 스프링(24,340)이 탄성력이 증가된 상태로 스프링 홀(318)에 설치될 수 있다.

한편 상기 스테이터(21,310)에는 바람직하게는 외부 유체가 스테이터(21,310)의 내부로 유입되는 통로인 외부 주입 포트(212,312)와, 압축된 유체가 스테이터(21,310) 외부로 방출되는 배출 포트(211,311)가 형성되며, 외부 주입 포트(212,312)와 배출 포트(211,311) 사이에는 인접한 상부 또는 하부의 압축 스테이지(20)에서 압축된 유체가 스테이터(21,310)의 내부로 유입되는 압축 승계 포트(213,313)가 더 형성되고, 상기 압축 승계 포트(213,313)에는 스테이터(21,310)의 내부로 유입되는 방향으로만 개방되는 체크밸브가 설치됨으로써, 외부 주입 포트(212,312)로 유입된 유체가 압축됨으로 인해 감소되는 유량의 보충이 이루어진다.

본 발명에 따른 유체 압축기는 가정이나 공공장소 등과 같이 소음에 취약한 장소에서도 얼마든지 사용 가능하도록, 소음은 최소화 되면서 낮은 압축비부터 높은 압축비까지 압축비의 조절이 얼마든지 가능하며, 또한 유체 압축으로 인해 외부 입력 유체의 부피가 감소하더라도 최종 토출 유체의 유량은 입력 유량과 동일하게 유지되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유체 압축기의 사시도,
도 2는 도 1에서 어느 하나의 압축 스테이지에 대한 사시도,
도 3a는 도 2에서 로터의 투시 사시도,
도 3b는 도 2의 평단면도,
도 3c는 도 2의 평면도,
도 4는 도 3a의 부분 확대도,
도 5a 및 도 5b는 스프링의 추가 실시예를 나타내는 개념도,
도 6a는 도 2에서 스테이터의 사시도,
도 6b는 로터의 작동 상태도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 압축 스테이지의 분해사시도,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 압축 스테이지의 정면도,
도 9는 도 8의 A-A 절개면의 평면도,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 유체 압축기는 도 1과 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이 압축 스테이지(20,300)와, 회전 구동 모듈로 구성된다.

본 발명에 따른 유체 압축기는 크게 제1실시예와 제2실시예의 두 가지 실시예로 구성될 수 있다. 여기서 제1실시예는 도 1 내지 도 6b에 도시된 형태로 구성되고, 제2실시예는 도 7 내지 도 9의 형태로 구성될 수 있다.

이하에서는 먼저 제1실시예에 대해 설명한 다음, 제2실시예에 대해 설명하되, 제2실시예에서는 제1실시예와 제2실시예의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.

<제1실시예>

제1실시예에서는 압축 스테이지(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부에 압축실(210)이 형성된 통 형태의 스테이터(21)와, 스테이터(21)에 내장되어 회전되는 원통 형태의 부재로서 일정 간격 마다 수직 방향의 슬롯(221)이 형성되며, 압축실(210)에 대해 편심되게 배치되는 로터(22)와, 상기 슬롯(221) 마다 인출 가능하게 삽입되는 판 형태의 부재인 베인(23) 및, 베인(23)을 압축실(210) 내벽에 밀착시키는 스프링(24)으로 이루어진다. 여기서 압축 스테이지(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 복수개가 다단으로 설치되어 유체가 각 단을 차례로 통과하면서 단계적으로 압축 가능하게 구성될 수 있다.

회전 구동 모듈은 압축 스테이지(20)와 연결되어 로터(22)를 회전구동시키는 작용을 한다. 회전 구동 모듈은 하나의 압축 스테이지(20)에 연결될 수도 있고, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 압축 스테이지(20)가 다단 적층된 상태에서 최 하층이나 최 상층에 설치될 수도 있으며, 또는 어느 두 개의 압축 스테이지(20) 사이에 설치될 수도 있다. 여기서 회전 구동 모듈 또한 유체 압축기가 사용될 수요처의 용도에 맞는 최적의 압축비가 형성될 수 있게, 복수개가 적절한 위치에 설치될 수도 있다.

그리고 도 1에 도시된 것처럼 중간 냉각 모듈(30)이 설치되어 각 압축 스테이지(20) 사이를 통과하는 유체를 냉각시켜 보다 높은 압축비와 효율을 얻으면서도 소음은 감소시킬 수도 있고, 압축 스테이지(20)가 다단으로 설치될 경우 결속부재(40)가 설치될 수도 있으며, 압축비의 정교한 조절을 위해 기어가 내장되는 운동전달모듈(50)이 설치될 수도 있다.

여기서 슬롯(221)에는 도 3a에 도시된 바와 같이, 슬롯(221)의 폭 보다 큰 직경의 스프링(24)이 삽입가능하도록 슬롯(221)이 스프링(24) 설치위치에서 원형으로 확장되는 형태의 스프링 홀(222)이 형성됨으로써, 로터(22) 회전 속도의 감소로 베인(23)에 작용되는 원심력이 감소되더라도, 베인(23)의 단부를 압축실(210) 내벽에 밀착시키는 대구경 스프링(24)의 설치가 가능해진다.

스프링(24)은 슬롯(221)에 삽입되게 설치되어, 베인(23)의 외측 단부 면을 스테이터(21)의 내벽, 즉 압축실(210)의 내벽에 밀착시키는 작용을 한다.

그런데 최종적으로 요구되는 유체의 압축비가 낮거나 소음을 감소시키기 위해 로터(22)를 저속으로 회전시켜도 되는 경우나, 또는 압축실(210)에 유입되는 유체 자체가 이미 높은 압축비로 압축된 상태이어서 압축비를 약간 더 상승시키기만 하면 되는 경우에는 로터(22)를 저속으로 회전시키는 것이 전력 효율과 소음 감소를 위해 바람직할 수 있다.

그러나 로터(22)가 저속으로 회전되면, 로터(22)의 원심력이 감소되어, 원심력으로 인해 로터(22)의 회전 동안 압축실(210) 내벽에 단부 면이 밀착되는 베인(23)은 원심력이 감소되면 단부 면과 압축실(210) 내벽과의 밀착이 유지되기 힘들게 되어, 베인(23)으로 인해 분할되는 공간 간에 압축 유체가 교환될 수 있으므로 결국 압력 손실이 발생될 수 있다.

이러한 이유로 슬롯(221) 내부에는 베인(23)을 압축실(210) 내벽을 향하여 밀착시키는 스프링(24)이 설치되지만, 슬롯(221)의 폭이 제한되므로 설치 가능한 스프링(24)도 제한될 수밖에 없다.

따라서 도 3a에 도시된 실시에에서는 슬롯(221)에서 스프링(24)이 설치된 높이에, 슬롯(221)의 폭이 스프링(24) 단면적에 대응되도록 수평 방향의 원통 형상으로 확장되는 형태의 스프링 홀(222)이 설치됨으로써, 큰 탄성력을 가질 수 있게 큰 직경을 가지는 스프링(24)의 설치가 가능해지므로, 로터(22)가 저속으로 회전되더라도 베인(23)을 압축실(210) 내벽에 안정적으로 밀착시킴으로써, 베인(23)으로 구분되는 공간 간의 유체 이동이 방지될 수 있다.

그런데, 이처럼 베인(23)의 단부 면이 압축실(210) 내벽에 밀착되더라도 두 개의 베인(23) 사이에서 압축되는 압축유체 중 일부가 슬롯(221)과 베인(23) 사이를 통해 유출되다가 스프링 홀(222)을 통해서 압축이 덜 된 유체가 있는 공간으로 유출되어 압력 손실이 발생될 수 있다.

따라서 도 3b에 도시된 실시예에서는 이러한 압력 손실을 방지시키기 위해 스프링(24)과 베인(23) 사이에는 스프링 홀(222)의 단면 형상과 크기에 대응되는 모양과 크기로 제작되는 원통 형태의 밀폐 피스톤(25)이 삽입됨으로써, 스프링 홀(222)을 통한 압축 유체의 손실이 방지될 수 있다. 이처럼 밀폐 피스톤(25)은 스프링 홀(222)을 통한 유체의 손실을 방지시킨다. 이때 밀폐 피스톤(25)의 표면과 스프링 홀(222)의 내면에는 서로간의 마찰이 최소화되도록 흑연 코팅 또는 이와 유사한 표면처리가 수행될 수 있다.

또한 도 3b에 도시된 바와 같이 밀폐 피스톤(25)은 스프링(24)과의 접촉 지점에 스프링(24)의 단부가 삽입되는 원통 형태의 중공인 스프링 인서트홀(251)이 형성되고, 베인(23)과의 접촉 지점에는 베인(23)의 단부가 삽입되도록 베인(23)의 단부 형상에 대응되는 절개 홈인 제1가이드홈(252)이 형성될 수 있다.

스프링 인서트홀(251)이 형성되지 않으면 스프링(24)의 압축과 인장 과정에서 스프링(24)의 단부가 밀폐 피스톤(25)과의 접촉이 안정적으로 유지되지 못할 수 있다. 따라서 스프링 인서트홀(251)이 형성됨으로써 스프링(24)은 밀폐 피스톤(25)과 안정적으로 접촉된다.

그리고 스프링(24)의 압축과정에서 밀폐 피스톤(25)과 베인(23) 간의 접촉 및 충분한 행정거리 또한 안정적으로 이루어져야 하므로, 도 3a에 도시된 바와 같이 밀폐 피스톤(25)에는 제1가이드 홈이 형성된다.

이때 베인(23)에는 제1가이드홈(252)에 접촉되는 부위에, 밀폐 피스톤(25)의 직경에 대응되는 수직 폭으로 소정의 깊이까지 형성되는 제2가이드홈(231)이 형성될 수 있다. 이로써 밀폐 피스톤(25)과 베인(23) 간에는 안정적인 결속이 이루어지면서도 서로 간에 자유롭게 가변이 일어날 수 있으며, 가변 과정에서도 밀폐 피스톤(25)에 형성된 제1가이드 홈이 베인(23)을 안정적으로 파지하는 형태로 베인(23)에 접촉되므로 베인(23)과 밀폐 피스톤(25)의 접속 과정에서 베인(23)의 측면 진동 및 이로 인한 소음이 최소화될 수 있고, 밀폐 피스톤(25)이 없을 경우와 비교하여 베인(23)이 슬롯(221)에서 인출되거나 삽입되는 동작이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다.

한편, 도 5a에 도시된 바와 같이 스프링(24)에는 스프링(24)을 밀봉시키는 형태로 둘러싸며, 스프링 홀(222)의 내경에 대응되는 외경으로 형성되는 스프링 포켓(26)이 마련됨으로써, 스프링 홀(222)을 통한 압축 유체의 손실이 극소화될 수 있다.

여기서 스프링 포켓(26)은 스프링(24)이 내장되는 밀봉 주머니 형태이며, 유연한 재질로 이루어지므로 스프링(24)이 가변되는 공간인 스프링 홀(222)이 스프링 포켓(26)으로 인해 씰링이 이루어져, 앞서 밀폐 피스톤(25)의 작용과 유사하게 스프링 홀(222)을 통한 압축 유체의 이동이 방지되어 압력 손실이 최소화 되는 효과가 있다.

특히 스프링 포켓(26)은 도 5b에 도시된 바와 같이 스프링 포켓(26)에 삽입되는 스프링 삽입 길이(SL)가 그 스프링(24)에 외력이 가해지지 않을 경우의 길이인 스프링 평형 상태 길이(X0)에 비해 더 작도록 일정하게 압축이 가해진 상태일 수 있다. 즉 스프링(24)이 어느 정도 압축된 상태에서 스프링 포켓(26)으로 밀봉될 수 있다.

스프링 포켓(26)은 스프링(24)을 미리 압축시킨 상태에서 밀봉시키므로, 스프링 포켓(26)이 없을 경우에 스프링(24)을 설치하고자 할 때 좁은 슬롯(221) 틈을 통해 스프링(24)을 공구나 기구를 이용하여 압축시킨 상태에서 베인(23)이나 밀폐 피스톤(25)을 설치해야 하는 문제점이 해결될 수 있게 되어 스프링(24) 설치 공정이 극히 간편하고 용이하게 이루어질 수 있다.

따라서 다음과 같은 두 가지 효과가 발생된다.

첫째로는 같은 탄성력을 가지는 스프링(24)이라도 미리 압축시켜 설치가 가능한 결과, 더욱 길이가 긴 것이 채택될 수도 있고, 또는 두 개의 스프링(24)이 각각 서로 다른 스프링 포켓(26)에 내장된 상태로 나란하게 설치될 수도 있다. 이로써 베인(23)이 압축실(210) 내벽에 밀착되는 힘이 현저하게 증대될 수 있다.

둘째로는 스프링 포켓(26)이 없을 때 설치될 수 있는 스프링(24) 보다 훨씬 강한 탄성력을 가지는 강 탄성 스프링(24)이 설치될 수 있다는 점이다. 이 경우에도 설치는 간편하면서 베인(23)의 압축실(210) 내벽에 대한 밀착력은 현저하게 증대됨으로 인해 압축 손실이 최소화 되는 효과가 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 스테이터(21)에는 외부 유체가 압축실(210)로 유입되는 유입구인 외부 주입 포트와, 압축된 유체가 스테이터(21) 외부로 방출되는 배출 포트(211)가 형성되며, 외부 주입 포트(213)와 배출 포트(211) 사이에는 인접한 압축 스테이지(20)에서 압축된 유체가 압축실(210)로 유입되는 압축 승계 포트(213)가 더 형성됨으로써, 외부 주입 포트로 유입된 유체가 압축되어 감소되는 유량의 보충이 이루어질 수 있다.

유체 압축기는 외부에서 유체가 유입된 다음 압축시켜 토출시키므로 유입되는 유체의 부피가 현저하게 감소된다. 즉 부피 유량이 현저하게 감소된다. 이 경우 유량 감소 방지를 위해서는 유량의 보충이 필요하다.

유량의 보충을 위해 본 발명에서는 도 6a에 도시된 바와 같이 압축 승계 포트(213)가 형성된다. 압축실(210)에 형성된 유체 유입 또는 유출구는 모두 총 세 개이지만, 도 6a에 도시된 외부 주입 포트처럼 어느 하나의 포트가 여러개로 형성될 수 있다. 도 6a에 외부 주입 포트는 총 세 개의 구멍으로 도시되어 있지만 이 세 개의 구멍이 하나의 외부 주입 포트로 형성된다.

압축 승계 포트(213)는 본 발명에 따른 유체 압축기가 도 1에 도시된 것처럼 압축 스테이지(20)가 다단으로 형성된 경우에, 어느 하나의 압축 스테이지(20)에 인접한 다른 스테이지로부터 이미 일정정도 압축된 유체가 유입되는 포트이다.

도 6b를 참조하여 보다 상세하게 살펴보면, 외부 주입 포트는 로터(22)의 회전 방향을 기준으로 볼 때 로터(22)와 압축실(210) 내벽 간의 공간을 수직선으로 이등분 한다면, 로터(22)와 압축실(210) 내벽 간의 거리가 증가되는 왼쪽 반원에 형성된다. 그리고 배출 포트(211)는 로터(22)와 압축실(210) 내벽 간의 거리가 최소화 되기 직전의 위치에 형성됨으로써, 유체를 최대한 압축시켜 방출될 수 있게 형성된다.

이때 압축 승계 포트(213)는 도 6b에서 로터(22)의 회전 방향을 기준으로 볼 때 로터(22)의 외면과 압축실(210)의 내벽 간의 거리가 가까워지기 시작하는 오른쪽 반원에 형성된다. 여기서 압축 승계 포트(213)의 위치는 특히 외부 주입 포트와 배출 포트(211)의 대략 중간 쯤 위치에 형성되며, 외부 주입 포트 쪽이나 또는 배출 포트(211) 쪽으로 너무 치우치지 않는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 압축 승계 포트(213)로 유입되는 유체는 이미 전 단계의 압축 스테이지(20)에서 어느정도 압축된 유체이므로, 외부 주입 포트 쪽에 너무 가깝게 압축 승계 포트(213)가 형성될 경우에는 로터(22)와 압축실(210) 내벽 사이 공간의 커지면서 압력이 낮아지는 지점이므로 외부 주입 포트 보다는 압축 승계 포트(213)를 통한 유입 량이 훨씬 많게 되어 유량을 보충시키 보다는 유량 대체 작용이 더 커지게 되기 때문이다.

또한 압축 승계 포트(213)가 배출 포트(211)에 너무 가깝게 형성될 경우에는 이미 상당히 압축된 유체를 향해 압축 승계 포트(213)를 통하여 유체가 유입되므로 유체 유입량이 상당히 제한적일 수밖에 없다.

따라서 압축 승계 포트(213)의 위치는 압축 승계 포트(213)와 외부 주입 포트 간의 거리가 베인(23)과 베인(23) 간의 거리보다는 최소한 크게 형성될수록 외부에서 유체가 유입되는 작용이 방해 받지 않게 되며, 배출 포트(211)와는 일정한 거리만큼 이격되어야 압축 승계 포트(213)를 통한 압축 유체의 유입이 원활해질 수 있는 위치로 결정됨이 바람직하다.

한편 압축 승계 포트(213)에는 체크밸브가 설치될 수 있다. 압축 승계 포트(213)를 통해 유입되는 유체는 유입되는 시점의 압축실(210) 내부 유체 압력보다 큰 압력을 가지므로 역류가 일어나긴 힘들지만, 압축 승계 포트(213)를 통한 유체의 역류가 보다 더 철저하게 방지되기 위안 일종의 안전장치로서 체크밸브(2131)가 설치될 수 있다.

<제2실시예>

제2실시예는 도 7에 도시된 바와 같이, 슬롯(317)이 스테이터(310)의 내주 면으로 부터 방사 방향으로 일정한 깊이만큼 형성되어 스프링(340)과 베인(330)이 슬롯(317)에 차례로 삽입되고, 로터(320)의 중심은 스테이터(310)의 중심에 대해 편심되는 위치에 설치되되, 로터(320)는 스테이터(310)의 중심을 지나는 가상의 수직 축을 회전 중심으로 하여 회전된다.

후술하는 바와 같이 여기서 스프링(340)과 베인(330) 사이에는 제1실시예에서와 마찬가지로 도 7에 도시된 것처럼 밀폐 피스톤(350)이 설치될 수 있다.

참고로 도 9를 기준으로 할 때, 로터(320)는 시계방향으로 회전된다. 다만 도 9에서 외부 주입 포트(312)와 배출 포트(311)의 위치가 서로 반대로 될 경우에는 로터(320)는 반시계방향으로 회전된다.

도 9를 기준으로 로터(320)가 시계방향으로 회전되면, 어느 하나의 외부 주입 포트(312)로 유입되는 유체는 로터(320)의 회전 방향으로 인해 점차 배출 포트(311)를 향해 몰림과 동시에 부피가 축소된다. 따라서 배출 포트(311)에 유체가 근접되면 압축된 유체의 압력으로 인해 배출 포트(311)의 출구 측을 막도록 설치된 밀폐 볼(3112)이 밀폐 스프링(3111)을 압축시키는 방향으로 밀려들어가면서 배출 포트(311)가 출구 측으로 개방된다. 참고로 배출 포트(311)의 출구 측은 도 9의 평면도 상에서는 밀폐 볼(3112)과 동일한 크기에 동일한 위치로 도시되어 있으므로 밀폐 볼(3112)의 위치 자체가 배출 포트(311)의 출구로 간주될 수 있다.

그런데 만약 로터(320)가 제1실시예처럼 하나의 덩어리로 형성된 부재라면 로터(320)의 회전 과정에서 로터(320)의 외주면과 스테이터(310)의 내주면 간에는 심한 마찰이 발생되어 상당한 소음과 열이 발생될 수 있고, 로터(320) 또는 스테이터(310)의 마모가 빨리 진행될 수 있다.

이러한 문제의 해결을 위해 본 실시예에서 로터(320)는 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 원통 형상의 로터 코어(321)와, 로터 코어(321)의 측면을 둘러싸는 관 형태의 로터 케이스(322) 및, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322) 사이에 삽입되는 로터 베어링(323)으로 구성됨으로써, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322)가 서로 자유 가변 됨으로 인해, 로터 케이스(322)의 외주면과 스테이터(310) 내주면 간의 마찰로 인한 소음과 마모가 억제된다.

이와 같이 마찰이 저감되는 이유는, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322) 사이의 마찰은 로터 베어링(323)으로 인해 거의 제로에 가깝게 됨에 비해, 로터(320)는 스테이터(310) 내주면을 따라 굴러가는 형태로 회전되기 때문이다. 따라서 로터 베어링(323)으로 인해 로터(320)가 내부와 외부로 분리됨으로써 마찰 소음과 마모가 대폭 감소된다.

이때 로터의 회전 구조는 도 7을 기준으로 살펴보면, 도 7의 가장 하부에 도시된 로터 코어(321)의 저면에 로터 베이스(360)가 일체로 결합되고, 도 7에는 도시되진 않았지만 도 1에 도시된 것과 동일한 구동 유닛(10)이 로터 베이스(360)의 중심을 기준으로 로터 베이스(360)를 회전시키면 로터 코어(321)가 편심 회전을 하게 되는 형태이다.

이때 로터 베이스(360)의 중심은 스테이터(310)의 중심과 동일한 가상의 수직선 상에 배치된다.

한편, 제2실시예에서 또다른 변형 실시예가 있을 수 있다. 예를 들어 도 9를 기준으로 할 때 로터(320)는 정지된 상태로 유지되고, 스테이터(310)가 로터(320)의 중심을 회전 축으로 하여 편심회전 하게 되는 형태의 실시예이다. 이 경우 스테이터(310)는 로터에 대해 마치 훌라후프 회전과 유사한 형태로 로터 케이스(322)의 외주면 상에서 굴러가듯이 회전하게 된다.

그리고 제2실시예에서도 제1실시예와 마찬가지로 유입된 유체가 압축되면서 발생되는 유체의 부피 손실을 보충시키기 위해 인접한 압축 스테이지(300)에서 압축된 유체 일부를 승계 받을 수 있다. 이를 위해 도 9에 도시된 바와 같이 압축 승계 포트(313)가 형성될 수 있다.

이 경우 압축 승계 포트(313)의 위치는 압축 승계 포트(313)를 통하여 유입되는 유체 압력이 외부 주입 포트(312)에서 유입된 유체의 압력 보다 큰 지점이라면 어디든 형성될 수 있다. 따라서 압축 승계 포트(313)가 형성되더라도 유체의 역류가 방지될 수 있다. 다만 보다 확실한 유체 역류 방지를 위해 도시되진 않았지만 압축 승계 포트(313)에는 유체의 유입 방향만 개방되는 체크밸브가 설치될 수 있다.

제2실시예에서는 또한 제1실시예에서와 마찬가지로 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이 밀폐 피스톤(350)이 설치될 수 있다. 다만 제2실시예에서는 스프링(340)과 베인(330)이 로터(320)가 아니라 스테이터(310)에 설치되므로 밀폐 피스톤(350) 또한 스테이터(310)에 설치된다.

도 7에 도시된 바와 같이 제2실시예에서도 스프링의 가변이 허용될 수 있도록 슬롯(317)은 중심이 원형으로 뚱뚱해지는 형태로 스프링 홀(332)이 형성된다. 그런데 유체가 스프링 홀(332)을 통하여 흘러들어가게 되면 슬롯(317)을 경계로 하는 압축 공간 사이에 압축 유체의 손실이 발생될 수 있으므로 제2실시예에서도 밀폐피스톤(350)이 설치될 수 있다.

그리고 스테이터(310)는 도 7에 도시된 바와 같이 내주면에는 스프링 홀(332)이 형성되고, 외주면에는 스프링 설치 홀(318)이 형성될 수 있다. 스프링 홀(332)과 스프링 설치 홀(318)은 사실상 동일한 홀이므로, 스테이터를 관통하는 홀의 내측을 스프링 홀(332)이라 하고 외측을 스프링 설치 홀(318)로 구분해서 칭하기로 한다. 스프링 설치 홀(318)은 스프링(340)의 설치가 보다 용이하도록 형성되는 홀로서, 스프링(340)이 설치된 후에는 스프링(340)이 배후로 밀려나지 못하도록 밀폐된다.

또는 도시되진 않았지만 스프링 설치 홀(318)이 형성되지 않고 스프링 홀(332)만 형성될 수도 있다. 이 경우 스프링 홀(332)은 스테이터(310)의 내주면으로부터 일정한 깊이까지만 형성되며, 도 7과는 달리 스테이터(310)를 관통하는 형태로 형성되진 않는다. 따라서 스프링 설치 홀(318)이 형성되지 않는 경우에는 스프링(340)은 스프링 홀(332)을 통해 삽입되는 형태로 설치된다.(미도시)

또한 제2실시예에서도 제1실시예와 동일하게 스프링 홀(332)의 보다 철저한 밀폐를 위해 도 5a에 도시된 것과 동일한 스프링 포켓(345)이 스프링(340)을 감싸는 형태로 마련될 수 있다.

특히 제2실시예에서도 도 5b에 도시된 바와 같이 스프링 포켓(345)의 길이 및 스프링 포켓(345)에 삽입되는 스프링 삽입 길이(SL)가 스프링(340) 평형 상태 길이(X0)보다 더 짧게 형성됨으로써, 스프링(340)의 탄성력을 극대화 시킬 수 있다. 또한 이 경우 스프링(340)은 압축된 상태로 스프링 포켓(345) 내부에 밀봉되므로, 스프링(340)을 스테이터(310)에 설치하는 과정에서, 스프링(340)의 탄성력을 극대화 시킨 상태를 유지시키면서 설치해야 할 필요가 없어, 스프링(340)의 설치 공정이 훨씬 용이하게 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

SL : 스프링 삽입 길이 X₀ : 스프링 평형 상태 길이
10 : 구동 유닛 21,310 : 스테이터
22,320 : 로터 23,330 : 베인
24,340 : 스프링 25,350 : 밀폐 피스톤
26,345 : 스프링 포켓 30 : 중간 냉각 모듈
40 : 결속부재 50 : 운동전달모듈
60 : 메인커버 210 : 압축실
211,311 : 배출 포트 212,312 : 외부 주입 포트
213,313 : 압축 승계 포트 214 : 냉각핀
200,300 : 압축 스테이지 221,317 : 슬롯
222,332 : 스프링 홀 223 : 회전축
231 : 제2가이드홈 251 : 스프링 인서트홀
252 : 제1가이드홈 314 : 하부 씰링 판
315 : 상부 씰링 판 316 : 체결부재 삽입 홀
318 : 스프링 설치 홀 321 : 로터 코어
322 : 로터 케이스 323 : 로터 베어링
331 : 스프링 안착 홈 360 : 로터 베이스
2131 : 체크밸브 3111 : 밀폐 스프링
3112 : 밀폐 볼 3113 : 스터드 볼트

Claims (8)

1. 내부에 공간이 형성된 통 형태의 스테이터(21,310)와, 상기 공간 내부에 설치되며 스테이터(21,310)에 대해 상대 회전 되는 로터(22,320)와, 상기 스테이터(21,310)의 내주면 또는 로터(22,320)의 외주면에 일정한 폭과 깊이로 형성되는 통로인 슬롯(221,317)에 인출 가능하게 삽입되는 판 형태의 부재인 베인(23,330) 및, 상기 슬롯(221,317)에 삽입되어 베인(23,330)을 인출시키는 방향으로 탄성력을 가하여 베인(23,330)을 로터(22,320)의 외주면 또는 스테이터(21,310)의 내주면에 밀착시키는 스프링(24,340)으로 구성되며, 복수개가 다단으로 설치되어 유체가 각 단을 차례로 통과하면서 단계적으로 압축 가능한 복수개의 압축 스테이지(20,300)와;
   상기 압축 스테이지(20,300)와 연결되어 상기 로터(22,320)를 회전 구동시키는 회전 구동 모듈;로 구성되되,
   상기 슬롯(221,317)의 중심에는 슬롯(221,317)의 폭 보다 큰 직경의 스프링(24,340)이 삽입가능하도록, 슬롯(221,317)의 일정 부위가 부풀어 수평 관 형태로 확장되는 형상의 스프링 홀이 형성되며,
   상기 슬롯(221)은 로터(22)의 외주면으로부터 로터(22)의 내측을 향하여 일정한 깊이만큼 형성되어 상기 스프링(24)과 베인(23)이 슬롯(221)에 차례로 삽입되고,
   상기 로터(22)의 중심은 스테이터(21)의 중심에 대해 편심되는 위치에 설치되어 로터(22)의 중심을 회전 중심으로 하여 회전되며,
   상기 스프링(24)과 베인(23) 사이에는 스프링 홀(222)의 단면 형상과 크기에 대응되는 모양과 크기로 제작되는 원통 형태의 피스톤 마개(25)가 삽입됨으로써, 스프링 홀(222)을 통한 압축 유체의 손실이 방지되고,
   상기 피스톤 마개(25)는 스프링(24)과의 접촉 지점에 스프링(24)의 단부가 삽입되는 원통 형태의 중공인 스프링 인서트홀(251)이 형성되고, 베인(23)과의 접촉 지점에는 베인(23)의 단부가 삽입되도록 베인(23)의 단부 형상에 대응되는 절개 홈인 제1가이드홈(252)이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 압축기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 베인(23)에는 제1가이드홈(252)에 접촉되는 부위에, 피스톤 마개(25)의 직경에 대응되는 수직 폭으로 소정의 깊이까지 형성되는 제2가이드홈(231)이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 압축기.
5. 내부에 공간이 형성된 통 형태의 스테이터(310)와, 상기 공간 내부에 설치되며 스테이터(310)에 대해 상대 회전 되는 로터(320)와, 상기 스테이터(310)의 내주면 또는 로터(320)의 외주면에 일정한 폭과 깊이로 형성되는 통로인 슬롯(317)에 인출 가능하게 삽입되는 판 형태의 부재인 베인(330) 및, 상기 슬롯(317)에 삽입되어 베인(330)을 인출시키는 방향으로 탄성력을 가하여 베인(330)을 로터(320)의 외주면 또는 스테이터(310)의 내주면에 밀착시키는 스프링(340)으로 구성되며, 복수개가 다단으로 설치되어 유체가 각 단을 차례로 통과하면서 단계적으로 압축 가능한 복수개의 압축 스테이지(300)와;
   상기 압축 스테이지(300)와 연결되어 상기 로터(320)를 회전 구동시키는 회전 구동 모듈;로 구성되되,
   상기 슬롯(317)의 중심에는 슬롯(317)의 폭 보다 큰 직경의 스프링(340)이 삽입가능하도록, 슬롯(317)의 일정 부위가 부풀어 수평 관 형태로 확장되는 형상의 스프링 홀이 형성되고,
   상기 슬롯(317)은 스테이터(310)의 내주면으로부터 방사 방향으로 일정한 깊이만큼 형성되어 상기 스프링(340)과 베인(330)이 슬롯(317)에 차례로 삽입되고,
   상기 로터(320)의 중심은 스테이터(310)의 중심에 대해 편심되는 위치에 설치되되, 로터(320)는 스테이터(310)의 중심을 지나는 가상의 수직 축을 회전 중심으로 하여 회전되며,
   상기 로터(320)는 원통 형상의 로터 코어(321)와, 로터 코어(321)의 측면을 둘러싸는 관 형태의 로터 케이스(322) 및, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322) 사이에 삽입되는 로터 베어링(323)으로 구성됨으로써, 로터 코어(321)와 로터 케이스(322)가 서로 자유 가변 됨으로 인해, 로터 케이스(322)의 외주면과 스테이터(310) 내주면 간의 마찰로 인한 소음과 마모가 억제되고,
   상기 스프링(340)과 베인(330) 사이에는 스프링 홀(318)의 단면 형상과 크기에 대응되는 모양과 크기로 제작되는 원통 형태의 피스톤 마개(350)가 삽입됨으로써, 스프링 홀(318)을 통한 압축 유체의 손실이 방지되는 것을 특징으로 하는 유체 압축기.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 스프링 홀(318)의 내경에 대응되는 외경으로 형성되어 스프링(24,340)을 밀봉시키는 부재인 스프링 포켓(345)이 마련됨으로써, 스프링 홀(318)을 통한 압축 유체의 손실이 감소되며,
   상기 스프링 포켓(345)의 길이는 스프링(24,340)의 평형 상태 길이보다 더 짧게 형성됨으로써,
   스프링(24,340)이 스프링 홀(318)에 설치될 때 스프링(24,340)의 압축상태를 수동으로 유지시키지 않더라도 스프링(24,340)이 탄성력이 증가된 상태로 스프링 홀(318)에 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 유체 압축기.
8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
   상기 스테이터(21,310)에는 외부 유체가 스테이터(21,310)의 내부로 유입되는 통로인 외부 주입 포트(212,312)와, 압축된 유체가 스테이터(21,310) 외부로 방출되는 배출 포트(211,311)가 형성되며,
   외부 주입 포트(212,312)와 배출 포트(211,311) 사이에는 인접한 상부 또는 하부의 압축 스테이지(20)에서 압축된 유체가 스테이터(21,310)의 내부로 유입되는 압축 승계 포트(213,313)가 더 형성되고,
   상기 압축 승계 포트(213,313)에는 스테이터(21,310)의 내부로 유입되는 방향으로만 개방되는 체크밸브가 설치됨으로써, 외부 주입 포트(212,312)로 유입된 유체가 압축됨으로 인해 감소되는 유량의 보충이 이루어지는 것을 특징으로 하는 유체 압축기.

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