KR102453003B1 - 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치 및 방법에 관한 것으로, 실린더의 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 바이패스 한 압축기체(또는 소스 기체 공급 부에서 공급하는 압축기체)를, 2개의 압축실로 구성한 실린더의 래비린스 시일 안으로 각각 주입하되, 그 압축기체의 주입압력을 그 압축실의 내부 압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로, 압축실의 소스 기체(sauce gas) 일부가 누출되는 것을 효과적으로 방지함은 물론 압축기체 주입압력을 제어하여 저압용과 고압용으로 범용적으로 사용할 수 있다.

Description

더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치 및 방법{DOUBLE TYPE OIL FREE RECIPROCATING COMPRESSING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 실린더에서 생성한 압축기체 내에 윤활오일이 혼입되지 않는 오일 프리(lubricant oil free) 압축기체를 효율적으로 얻을 수 있는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 래비린스 시일(labyrinth seal) 안으로 압축기체를 주입하되, 압축기체의 주입압력을 실린더의 압축실 압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 압축실의 소스 기체 일부가 누출되는 현상을 방지할 수 있는 더블타입 오일 프리 왕복동 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) 로터(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 오일 타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 오일 타입 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 위해서 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 품질을 떨어뜨려서 그러한 압축기체를 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 압축기체 내에서 완전하게 제거하지 못하는 기술적 한계가 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 비접촉(contact-less seal) 또는 오일 프리(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 래비린스 시일(labyrinth seal)(23)이 형성된다.
실린더(21)의 내벽과 피스톤(22)의 외주 면이 서로 접촉하지 않으므로 윤활 오일을 사용하지 않는다. 래비린스 시일 구조에서는 실린더 내벽의 래비린스 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 기체(소스 기체)의 일부 누출(leak)이 발생하여 압력 손실을 초래하고, 압축 효율을 떨어뜨리므로, 저압(약 60 bar 미만) 기체가 필요한 곳에만 사용해야 하는 한계가 있다.
국내 특허 공개공보 제10-2015-0003331호
본 발명은, 실린더의 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체의 일부를 바이패스 한 압축기체(또는 소스 기체 공급 부에서 공급하는 압축기체)를, 2개의 압축실로 구성한 실린더의 래비린스 시일 안으로 각각 주입하되, 그 압축기체의 주입압력을 그 압축실의 내부 압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로, 압축실의 소스 기체(sauce gas) 일부가 누출되는 것을 효과적으로 방지함은 물론 압축기체 주입압력을 제어하여 저압용과 고압용으로 범용적으로 사용할 수 있는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 아래와 같이 구성된 더블타입 오일 프리(비접촉 타입) 왕복동 압축장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치는 상측 내부에 제1 압축실을 형성하며 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브와 압축한 기체를 배출하기 위한 배출밸브가 설치되며, 하측 내부에 제2 압축실을 형성하며 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브와 압축한 기체를 배출하기 위한 배출밸브가 설치되는 실린더; 상기 제1 및 제2 압축실 내부의 소스 기체를 압축할 수 있도록 상기 실린더 내에서 왕복 운동하며, 외주에 제1 래비린스 시일(first labyrinth seal)이 형성되는 피스톤; 상기 피스톤의 하부에 설치되는 피스톤 로드; 상기 제2 압축실의 소스 기체 누출을 방지하기 위하여 상기 피스톤 로드의 중간에 설치되며, 외주에 제2 래비린스 시일(secondary labyrinth seal)이 형성되는 소스 기체 누출방지 부재; 상기 피스톤 로드를 상하로 왕복 운동시키기 위하여 상기 피스톤 로드의 하부에 연결되는 크랭크 어셈블리; 및 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 소스 기체 누출방지용의 압축기체를 주입하는 누출방지용 압축기체 주입유닛을 포함한다.
상기 누출방지용 압축기체의 주입압력은 60 bar에서 300 bar 범위로 구성할 수 있다.
상기 누출방지용 압축기체의 주입압력은 상기 제1 압축실 및 상기 제2 압축실의 기체 배출 압력과 동일한 것으로 하는 것이 바람직하다.
상기 누출방지용 압축기체 주입유닛은, 상기 제1 압축실의 상기 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체 일부, 또는 소스 기체 공급라인으로부터 제공하는 압축기체를 상기 제1 래비린스 시일로 주입하기 위한 제1 압축기체 분기라인; 상기 제1 압축기체 분기라인을 통해서 공급된 누출방지용의 압축기체를 상기 제1 래비린스 시일에 주입하기 위한 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크; 상기 제2 압축실의 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체 일부를, 압축 기체 공급라인으로부터 분기하여 상기 제2 래비린스 시일로 주입하기 위한 제2 압축기체 분기라인; 및 상기 제2 압축기체 분기라인을 통해서 공급된 누출방지용의 압축기체를 상기 제2 래비린스 시일에 주입하기 위한 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크를 포함한다.
상기 제1 래비린스 시일은 상기 피스톤의 외주 면에 형성된 제1 압축기체 수용 홈을 포함하고, 상기 실린더 상측에는 상기 제1 압축기체 수용 홈과 연통하는 제1 압축기체 주입 홀이 형성된다.
상기 제2 래비린스 시일은 상기 피스톤 로드의 외주 면에 형성된 제2 압축기체 수용 홈을 포함하고, 상기 실린더 하측에는 상기 제2 압축기체 수용 홈과 연통하는 제2 압축기체 주입 홀이 형성된다.
상기 피스톤의 상사 점과 하사 점 사이에서, 상기 피스톤이 상하 왕복운동 할 때에, 상기 제1 압축기체 수용 홈과 상기 제1 압축기체 주입 홀은 연통된 상태를 유지하며, 상기 제2 압축기체 수용 홈과 상기 제2 압축기체 주입 홀은 연통(연결)한 상태를 유지한다.
상기 제2 래비린스 시일의 하측에는 상기 제2 래비린스 시일에서 누출되는 누출방지용의 압축기체를 회수하기 위하여 회수 부가 형성되며, 상기 회수 부의 일측에는 상기 회수 부에 모인 누출방지용의 압축기체의 압력이 기설정 압력보다 커지게 되는 경우, 상기 회수 부의 외부로 상기 압축기체를 배출하기 위한 배출라인이 설치될 수 있다.
상기 배출라인에는 누출방지용 압축기체 저장탱크가 설치되고, 상기 누출방지용 압축기체 저장탱크에는 상기 누출방지용 압축기체 저장탱크에 저장된 기체에서 오일을 분리하기 위한 오일 분리기가 설치될 수 있다.
상기 제1 압축실에서 상기 흡입밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 닫히게 구성되며,
상기 제1 압축실에서 상기 배출밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압력에 의해 닫히고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 열리게 되는 구성이다.
상기 제2 압축실에서 상기 배출밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 닫히게 되는 구성되며,
상기 제2 압축실에서 상기 흡입밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압력에 의해 닫히고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 열리게 되는 구성이다.
한편, 본 발명의 더블타입 오일 프리 압축방법은, 상측 내부에 제1 압축실을 형성하고 하측 내부에 제2 압축실을 구비하는 실린더와, 상기 실린더 내부에 상하 왕복 운동하도록 설치되고 상기 제1 압축실의 기체 누출을 방지하기 위하여 외주 면에 제1 래비린스 시일이 형성된 피스톤과, 상기 제2 압축실의 기체 누출을 방지하기 위하여 외주 면에 제2 래비린스 시일이 형성된 소스 기체 누출방지 부재를 구비하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치에서, 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에, 누출방지용 압축기체를 주입하여 상기 제1 압축실과 상기 제2 압축실 내의 소스 기체(sauce gas) 누출을 방지한다.
상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 누출방지용 압축기체를 주입하는 방법은, 소스 기체 공급 부로부터 상기 제1 압축실과 상기 제2 압축실에 소스 기체를 주입하되, 그 소스 기체 일부를 분기하여 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 주입한다.
상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 누출방지용 압축기체를 주입하는 방법은, 상기 제1 압축실과 상기 제2 압축실의 배출밸브로부터 배출되는 압축기체 일부를 분기하여 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 주입한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 하나의 압축실을 갖는 종전의 실린더와는 달리 본 발명에서는 제1 압축실과 제2 압축실을 갖는 실린더를 구비하고, 제1 및 제2 래비린스 시일(first and secondary labyrinth seal) 안에 누출방지용의 압축기체를 주입하되, 그 압축기체의 압력을 압축실 내부압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로, 압축실의 압축기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지함은 물론, 제1 및 제2 래비린스 시일 안에 누출방지용의 압축기체 압력을 제어하여 저압용과 고압용으로 범용적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 래비린스 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.
또한, 래비린스(Labyrinth) 형태의 피스톤의 장점인 톱니 모양의 형상을 거친 기체는 압력이 감소하여 유동을 일차적으로 제어하며, 추가로 압축기체를 주입함으로써, 완벽하게 기밀이 유지되어 고압 압축에서 효율적인 사용이 가능하며, 기밀로 사용된 추가 압축기체는 소량으로서 피스톤 로드에 사용되는 윤활오일(oil)을 실린더 내부로 유입되지 못하게 하는 역할을 하는 장점도 있다.
도 1은 종래 오일타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도
도 2는 종래 비접촉 타입 왕복동 압축기의 시일구조를 설명하는 단면도
도 3은 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치로서, 상사 점 위치를 도시한 단면도
도 4는 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치로서, 하사 점 위치를 도시한 단면도
도 5는 도 3의 요부 발췌 확대도
도 6은 도 4의 요부 발췌 확대도
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치로서, 상사 점 위치를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치로서, 하사 점 위치를 도시한 단면도이며, 도 5는 도 3의 요부 발췌 확대도이고, 도 6은 도 4의 요부 발췌 확대도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치는 실린더(110)를 구비한다.
실린더(110)는, 상측 내부에 제1 압축실(110A)을 형성하며 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브(111)와, 압축한 기체를 배출하기 위한 배출밸브(112)를 구비한다.
또, 실린더(110)는, 하측 내부에 제2 압축실(110B)을 형성하며 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브(113)와, 압축한 기체를 배출하기 위한 배출밸브(114)를 구비한다.
본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치(100)는, 제1 압축실(110A) 및 제2 압축실(110B) 내부의 소스 기체를 압축할 수 있도록 실린더(110) 내에서 왕복 운동하며, 외주에 제1 래비린스 시일(first labyrinth seal)(121)이 형성된 피스톤(120)을 구비한다.
즉, 피스톤(120)을 기준으로, 실린더(110)의 상측 내부에는 제1 압축실(110A)을 형성하고, 하측 내부에는 제2 압축실(110B)을 형성한다.
제1 압축실(110A)의 일측에는 소스 기체 공급 부(20)로부터 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브(111)가 설치되고, 제1 압축실(110A)의 타측에는 제1 압축실(110A)에서 압축한 기체를 수요처(10)로 공급하거나 배출하기 위한 배출밸브(112)가 설치된다.
배출밸브(112)에는 압축한 압축기체를 수요처(10)에 공급하기 위한 압축기체 공급라인(L3)이 설치된다. 압축기체 공급라인(L3)과 소스 기체 공급라인(L)의 교차점에는 삼방 밸브(V)가 설치되어 압축기체를 수요처(10)로 보내거나, 압축기체 및 소스 기체를 후술하는 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크(P1)로 선택적으로 보낼 수 있도록 구성될 수 있다.
제2 압축실(110B)의 일측에는 소스 기체 공급 부(20)로부터 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브(113)가 설치되고, 제2 압축실(110B)의 타측에는 제2 압축실(110B)에서 압축한 기체를 수요처(10)로 공급하거나 배출하기 위한 배출밸브(114)가 설치된다. 배출밸브(114)에는 압축한 압축기체를 수요처(10)에 공급하기 위한 압축기체 공급라인(L4)이 설치된다.
피스톤(120)의 상하 왕복 운동시, 제1 압축실(110A) 및 제2 압축실(110B)은 흡입행정과 압축행정을 거치게 되는데, 제1 압축실(110A) 및 제2 압축실(110B)은 흡입행정과 압축행정이 서로 반대로 수행된다.
즉, 제1 압축실(110A)이 흡입행정을 하면, 제2 압축실(110B)은 압축행정을 하고, 제1 압축실(110A)이 압축행정을 하면, 제2 압축실(110B)은 흡입행정을 하도록 구성된다.
제1 압축실(110A)에서 흡입밸브(111)는, 피스톤(120)이 상사 점에서 하사 점 방향으로 작동(흡입행정)할 때, 제1 압축실(110A) 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 피스톤(120)이 하사 점에서 상사 점 방향으로 작동(압축행정)할 때, 제1 압축실(110A) 내부의 기체 압력에 의해 닫히도록 구성된다.
제1 압축실(110A)에서 배출밸브(112)는, 피스톤(120)이 상사 점에서 하사 점 방향으로 작동(흡입행정)할 때, 제1 압축실(110A) 내부의 기체 압력에 의해 닫히고, 피스톤(120)이 하사 점에서 상사 점 방향으로 작동(압축행정)할 때, 제1 압축실(110A) 내부의 기체 압력에 의해 열리게 되는 구성이다.
또, 제2 압축실(110B)에서 배출밸브(114)는, 피스톤(120)이 상사 점에서 하사 점 방향으로 작동(압축행정)할 때, 제2 압축실(110B) 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 피스톤(120)이 하사 점에서 상사 점 방향으로 작동(흡입행정)할 때, 제2 압축실(110B) 내부의 기체 압력에 의해 닫히게 된다.
제2 압축실(110B)에서 흡입밸브(113)는, 피스톤(120)이 상사 점에서 하사 점 방향으로 작동(압축행정)할 때, 제2 압축실(110B) 내부의 기체 압력에 의해 닫히고, 피스톤(120)이 하사 점에서 상사 점 방향으로 작동(흡입행정)할 때, 제2 압축실(110B) 내부의 기체 압력에 의해 열리게 되는 구성이다.
본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치(100)는 피스톤(120)의 하부에 설치되는 피스톤 로드(130)를 구비한다.
피스톤 로드(130)의 하부에는 피스톤 로드(130)를 상하로 왕복 운동시키기 위하여 크랭크 어셈블리(140)가 연결 설치된다.
크랭크 어셈블리(140)는 피스톤 로드(130)의 끝단 부에 연결되는 크랭크 로드(141)와, 그 크랭크 로드(141)를 상하로 이동시키는 크랭크 축(142)과, 크랭크 축(142)을 회전시키는 구동부(미도시)를 구비할 수 있다.
본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치(100)는 제2 압축실(110B)의 소스 기체 누출을 방지하기 위하여 피스톤 로드(130)의 중간에 설치되며, 외주에 제2 래비린스 시일(secondary labyrinth seal)(151)이 형성되는 소스 기체 누출방지 부재(150)를 구비한다.
제2 래비린스 시일(151) 구조는 제1 래비린스 시일(121) 구조와 동일하게 형성될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 도면 도시와 그에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치(100)는 제1 래비린스 시일(121)과 제2 래비린스 시일(151)에 소스 기체 누출방지용의 압축기체를 주입하는 누출방지용 압축기체 주입유닛을 포함한다.
누출방지용 압축기체 주입유닛은, 제1 압축실(110A)의 배출밸브(112)를 통해서 배출되는 압축기체 일부를, 압축 기체 공급라인(L3)으로부터 분기하여 제1 래비린스 시일(121)로 주입하기 위한 제1 압축기체 분기라인(L1); 제1 압축기체 분기라인(L1)을 통해서 공급된 누출방지용의 압축기체를 제1 래비린스 시일(121)에 주입하기 위한 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크(P1); 제2 압축실(110B)의 배출밸브(114)를 통해서 배출되는 압축기체 일부를, 압축 기체 공급라인(L4)으로부터 분기하여 제2 래비린스 시일(151)로 주입하기 위한 제2 압축기체 분기라인(L2); 및 제2 압축기체 분기라인(L2)을 통해서 공급된 누출방지용의 압축기체를 제2 래비린스 시일(151)에 주입하기 위한 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크(P2)를 포함한다.
제1 누출방지용 압축기체 저장탱크(P1)와 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크(P2) 내에는 압축기체가 일정압력, 예를 들어 제1 압축실(110A)과 제2 압축실(110B)과 동일한 압력으로 유지되어 저장되어 있다가, 소스 기체 누출을 방지하고자 하는 경우에만 제1 래비린스 시일(121) 및 제2 래비린스 시일(151)에 압축기체를 주입하도록 구성할 수 있다.
제1 및 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크(P1,P2)는 압축기체의 압력을 고압, 예를 들어 약 300 bar로 유지하는 리저버 탱크(reservoir tank)를 포함할 수 있다.
누출방지용 압축기체의 주입압력은 60 bar에서 300 bar 범위로 구성할 수 있는데, 바람직하게는 150 bar에서 300 bar 범위로 설정하는 것이 좋다.
누출방지용 압축기체의 주입압력은 제1 압축실(110A) 및 제2 압축실(110B)의 기체 배출 압력과 동일하게 함으로써, 실린더(110) 내벽과 피스톤(120) 외주면 사이의 틈새로, 압축하고자 하는 기체(소스 기체)가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
여기서, 기체 배출 압력과 동일한 압력이란, 반드시 수치 적으로 정확하게 동일한 압력을 의미하는 것은 아니고, 배관 등 기타 요소로 소정의 압력강하가 이루어져서 근사한 정도로 차이가 나는 압력범위도 포괄적으로 포함할 수 있다.
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제1 래비린스 시일(121)은 피스톤(120)의 외주 면에 형성된 제1 압축기체 수용 홈(121a)을 포함하고, 실린더(110) 상측에는 제1 압축기체 수용 홈(121a)과 연통하는 제1 압축기체 주입 홀(H1)이 형성된다.
제2 래비린스 시일(151)은 피스톤 로드(130)의 외주 면에 형성된 제2 압축기체 수용 홈(151a)을 포함하고, 실린더(110) 하측에는 제2 압축기체 수용 홈(151a)과 연통하는 제2 압축기체 주입 홀(H2)이 형성된다.
피스톤(120)의 상사 점과 하사 점 구간에서, 피스톤(120)이 상하 왕복운동 할 때에, 제1 압축기체 수용 홈(121a)과 제1 압축기체 주입 홀(H1)은 연통된 상태를 유지하며, 제2 압축기체 수용 홈(151a)과 제2 압축기체 주입 홀(H2)은 연통(연결)한 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
이는, 제1 압축기체 수용 홈(121a)과 제1 압축기체 주입 홀(H1)이 연통하지 않고, 제2 압축기체 수용 홈(151a)과 제2 압축기체 주입 홀(H2)이 연통하지 않더라도 기체 누출방지 효과는 얻을 수 있으나, 제1 압축기체 수용 홈(121a)과 제1 압축기체 주입 홀(H1)은 연통한 상태를 유지하며, 제2 압축기체 수용 홈(151a)과 제2 압축기체 주입 홀(H2)은 연통한 상태를 유지하는 경우에는 더욱 큰 기체 누출방지 효과는 얻을 수 있기 때문이다.
제2 래비린스 시일(151)의 하측에는 제2 래비린스 시일(151)에서 누출되는 누출방지용의 압축기체를 회수하기 위하여 회수 부(170)가 형성되며, 회수 부(170)의 일측에는 회수 부(170)에 모인 누출방지용의 압축기체의 압력이 기설정 압력보다 커지게 되는 경우, 회수 부(170)의 외부로 압축기체를 배출하기 위한 배출라인(L5)이 설치될 수 있다. 회수 부(170)의 하부에는 회수 부(170) 내의 기체가 유출되지 않도록 하고 피스톤 로드(130)와의 베어링 역할을 하는 부재(171)가 설치될 수 있다.
배출라인(L5)에는 누출방지용 압축기체 저장탱크(P3)가 설치되고, 누출방지용 압축기체 저장탱크(P3)에는 누출방지용 압축기체 저장탱크(P3)에 저장된 기체에서 윤활 오일을 분리하기 위한 오일 분리기(S)가 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 더블타입 오일 프리 압축방법은, 상측 내부에 제1 압축실(110A)을 형성하고 하측 내부에 제2 압축실(110B)을 구비하는 실린더(120)와, 실린더(120) 내부에 상하 왕복 운동하도록 설치되고 제1 압축실(110A)의 기체 누출을 방지하기 위하여 외주 면에 제1 래비린스 시일(121)이 형성된 피스톤(120)과, 제2 압축실(110B)의 기체 누출을 방지하기 위하여 외주 면에 제2 래비린스 시일(151)이 형성된 소스 기체 누출방지 부재(150)를 구비하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치에서, 제1 래비린스 시일(121)과 제2 래비린스 시일(151)에, 누출방지용 압축기체를 주입하여 제1 압축실(110A)과 제2 압축실(110B) 내의 소스 기체(sauce gas) 누출을 방지한다.
제1 래비린스 시일(121)과 제2 래비린스 시일(151)에 누출방지용 압축기체를 주입하는 하나의 방법은, 소스 기체 공급 부(20)로부터 제1 압축실(110A)과 제2 압축실(110B)에 소스 기체를 공급하되, 그 소스 기체 일부를 분기하여 제1 래비린스 시일(121)과 제2 래비린스 시일(151)에 주입할 수 있다.
또한, 제1 래비린스 시일(121)과 제2 래비린스 시일(151)에 누출방지용 압축기체를 주입하는 다른 방법은, 제1 압축실(110A)과 제2 압축실(110B)의 배출밸브(112,114)로부터 배출되는 압축기체 일부를 분기하여 제1 래비린스 시일(121)과 제2 래비린스 시일(151)에 주입할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치에서는, 도면에 도시하지 않은 구동부, 예를 들어 모터의 구동에 의해서 크랭크 어셈블리(140)가 모터의 회전운동을 피스톤(120)의 왕복 운동으로 전환하며, 피스톤(120)의 왕복 운동에 의해서 기체를 압축하여 압축기체 수요처(10)로 공급한다.
제1 압축실(110A)과 제2 압축실(110B)에서 흡입행정과 압축행정을 수행하게 되는데, 제1 압축실(110A)과 제2 압축실(110B)은 흡입행정과 압축행정이 서로 역으로 수행하도록 한다.
우선, 제1 압축실(110A)에서 흡입행정 시, 피스톤(120)이 상사 점에서 하사 점 방향으로 작동할 때, 흡입밸브(111)는 제1 압축실(110A) 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 소스 기체 공급부(20)로부터 공급하는 소스 기체를 흡입한다.
제1 압축실(110A)에서 압축행정 시, 피스톤(120)이 하사 점에서 상사 점 방향으로 작동할 때, 소스 기체는 압축된다. 이때, 제1 압축실(110A) 내부의 기체 압력에 의해서 흡입밸브(111)는 닫히고 배출밸브(112)는 열리게 되어 압축 기체는 압축기체 공급라인(L3)을 통해서 압축기체 수요처(10)로 공급된다.
제2 압축실(110B)에서 흡입행정 시, 피스톤(120)이 하사 점에서 상사 점 방향으로 작동할 때, 흡입밸브(113)는 제2 압축실(110B) 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 소스 기체 공급 부(20)로부터 공급하는 소스 기체를 흡입한다.
제2 압축실(110B)에서 압축행정 시, 피스톤(120)이 상사 점에서 하사 점 방향으로 작동할 때, 소스 기체는 압축된다. 이때 제2 압축실(110B) 내부의 기체 압력에 의해서 흡입밸브(113)는 닫히고 배출밸브(114)는 열리게 되어 압축기체는 압축기체 공급라인(L4)을 통해서 압축기체 수요처(10)로 공급된다.
이하에서는 래비린스 시일(labyrinth seal) 안으로 압축기체를 주입하되, 압축기체의 주입압력을 실린더(110)의 압축실의 압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로, 압축실의 압축기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수는 작용효과를 설명한다.
우선, 제1 래비린스 시일(121)에 누출방지용 압축기체를 주입하는 하나의 방법은, 소스 기체 공급 부(20)로부터 제1 압축실(110A)에 소스 기체를 주입하되, 그 소스 기체 일부를 제1 압축기체 분리라인(L1)으로 제공하여 제1 래비린스 시일(121)에 주입할 수 있다.
또한, 제1 압축실(110A)의 배출밸브(112)로부터 배출되는 압축기체 일부를 제1 압축기체 분기라인(L1)으로 분기하여 제1 래비린스 시일(121)에 주입할 수 있다.
제1 압축기체 분기라인(L1)을 통해서 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크(P1) 안에 기체가 일정압력으로 저장되고, 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크(P1) 안의 압축기체는 실린더(110)의 제1 압축기체 주입 홀(H1)을 통해서 제1 래비린스 시일(121)에 주입된다. 이때, 주입된 압축기체가 피스톤(120)의 외주 면에 형성된 제1 압축기체 수용 홈(121a)으로 주입하되, 압축기체의 주입압력을 제1 압축실(110A)의 압력이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로, 제1 압축실(110A)의 압축기체(소스 기체) 일부가 누출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
한편, 제2 압축실(110B)의 배출밸브(114)로부터 배출되는 압축기체 일부를 제2 압축기체 분기라인(L4)으로 분기하여 제2 래비린스 시일(151)에 주입할 수도 있다.
제2 압축기체 분기라인(L4)을 통해서 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크(P2) 안에 기체가 일정압력으로 저장되고, 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크(P2) 안의 압축기체는 실린더(110)의 제2 압축기체 주입 홀(H2)을 통해서 제2 래비린스 시일(151)에 주입된다. 이때, 주입된 압축기체가 소스 기체 누출방지 부재(150)의 외주 면에 형성된 제2 압축기체 수용 홈(151a)으로 공급하되, 압축기체의 주입압력을 제2 압축실(110B)의 압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로 제2 압축실(110B)의 소스 기체가 누출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 제2 래비린스 시일(151)의 하측에는 제2 래비린스 시일(151)에서 누출되는 누출방지용의 압축기체를 회수하기 위하여 회수 부(170)가 형성되는데, 회수 부(170)에 모인 누출방지용의 압축기체의 압력이 기설정 압력보다 커지게 되는 경우, 압력차에 의해서 배출라인(L5)을 통해서 누출된 압축기체가 배출된다. 배출된 기체는 누출방지용 압축기체 저장탱크(P3)에서 오일 분리기(S)에 의해 오일 분리된 후에 대기중으로 배출될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 하나의 압축실을 갖는 종전의 실린더와는 달리 본 발명에서는 제1 압축실과 제2 압축실을 갖는 실린더를 구비하고, 제1 및 제2 래비린스 시일(first and secondary labyrinth seal) 안에 누출방지용의 압축기체를 주입하되, 그 압축기체의 압력을 압축실 내부압력 이상으로 주입함으로써, 실린더 내벽과 피스톤 외주면 사이의 틈새로, 압축실의 압축기체가 누출되는 것을 효과적으로 방지함은 물론, 제1 및 제2 래비린스 시일 안에 누출방지용의 압축기체 압력을 제어하여 저압용과 고압용으로 범용적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 래비린스 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.
또한, 래비린스(Labyrinth) 형태의 피스톤의 장점인 톱니 모양의 형상을 거친 기체는 압력이 감소하여 유동을 일차적으로 제어하며, 추가로 압축기체를 공급함으로써 완벽히 기밀이 되어 고압에서 효율적인 사용이 가능하며, 기밀로 사용된 추가 압축기체는 소량으로서 피스톤 로드에 사용되는 윤활오일(oil)을 실린더 내부로 들어오지 못하게 하는 역할을 하는 장점도 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
예를 들어, 본 실시 예에서 래비린스 시일 구조와 형상 및 사이즈는 본 발명의 기술에 대하여 설명의 편의를 위해서 임으로 도시한 것이므로 도면에 국한되지 않는다. 또한, 본 실시 예에서는 기체 압축에 대해서만 설명하고 있으나, 기체뿐만 아니라 액체에도 동일하게 적용됨은 물론이다.
또한, 본 실시 예에서는 소스 기체 공급라인으로부터 제공하는 압축기체를 제1 래비린스 시일로 주입하기 위한 제1 압축기체 분기라인에 대해서만 설명하고 있으나, 소스 기체 공급라인으로부터 제공하는 압축기체를 제2 래비린스 시일로 주입하기 위한 제2 압축기체 분기라인도 동일방식으로 적용될 수 있다.
100: 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치
110: 실린더
120: 피스톤
121: 제1 래비린스 시일
121a: 제1 압축기체 수용 홈
130: 피스톤 로드
140: 크랭크 어셈블리
141: 크랭크 로드
142: 크랭크 축
150: 소스 기체 누출방지 부재
151: 제2 래비린스 시일
151a: 제2 압축기체 수용 홈
H1: 제1 압축기체 주입 홀
H2: 제2 압축기체 주입 홀
L: 소스 기체 공급라인
L1: 제1 압축기체 분기라인
L2: 제2 압축기체 분기라인
L3, L4: 압축기체 공급라인
L5: 배출라인
P1: 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크
P2: 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크
P3: 누출방지용 압축기체 저장탱크
S: 오일 분리기
V: 삼방 밸브

Claims (15)

  1. 상측 내부에 제1 압축실을 형성하며 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브와 압축한 기체를 배출하기 위한 배출밸브가 설치되며, 하측 내부에 제2 압축실을 형성하며 소스 기체를 흡입하기 위한 흡입밸브와 압축한 기체를 배출하기 위한 배출밸브가 설치되는 실린더;
    상기 제1 및 제2 압축실 내부의 소스 기체를 압축할 수 있도록 상기 실린더 내에서 왕복 운동하며, 외주에 제1 래비린스 시일(first labyrinth seal)이 형성되는 피스톤;
    상기 피스톤의 하부에 설치되는 피스톤 로드;
    상기 제2 압축실의 소스 기체 누출을 방지하기 위하여 상기 피스톤 로드의 중간에 설치되며, 외주에 제2 래비린스 시일(secondary labyrinth seal)이 형성되는 소스 기체 누출방지 부재;
    상기 피스톤 로드를 상하로 왕복 운동시키기 위하여 상기 피스톤 로드의 하부에 연결되는 크랭크 어셈블리; 및
    상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 소스 기체 누출방지용의 압축기체를 공급하는 누출방지용 압축기체 주입유닛; 을 포함하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 누출방지용 압축기체의 주입압력은, 60 bar에서 300 bar 범위로 구성하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 누출방지용 압축기체의 주입압력은, 상기 제1 압축실 및 상기 제2 압축실의 기체 배출 압력과 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 누출방지용 압축기체 주입유닛은,
    상기 제1 압축실의 상기 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체 일부, 또는 소스 기체 공급라인으로부터 제공하는 압축기체를 상기 제1 래비린스 시일로 주입하기 위한 제1 압축기체 분기라인;
    상기 제1 압축기체 분기라인을 통해서 공급된 누출방지용의 압축기체를 상기 제1 래비린스 시일에 주입하기 위한 제1 누출방지용 압축기체 저장탱크;
    상기 제2 압축실의 배출밸브를 통해서 배출되는 압축기체 일부를, 압축 기체 공급라인으로부터 분기하여 상기 제2 래비린스 시일로 주입하기 위한 제2 압축기체 분기라인; 및
    상기 제2 압축기체 분기라인을 통해서 공급된 누출방지용의 압축기체를 상기 제2 래비린스 시일에 주입하기 위한 제2 누출방지용 압축기체 저장탱크; 를 포함하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 래비린스 시일은 상기 피스톤의 외주 면에 형성된 제1 압축기체 수용 홈을 포함하고, 상기 실린더 상측에는 상기 제1 압축기체 수용 홈과 연통하는 제1 압축기체 주입 홀이 형성되며,
    상기 제2 래비린스 시일은 상기 피스톤 로드의 외주 면에 형성된 제2 압축기체 수용 홈을 포함하고, 상기 실린더 하측에는 상기 제2 압축기체 수용 홈과 연통하는 제2 압축기체 주입 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 피스톤의 상사 점과 하사 점 사이에서, 상기 피스톤이 상하 왕복운동 할 때에, 상기 제1 압축기체 수용 홈과 상기 제1 압축기체 주입 홀은 연통된 상태를 유지하며, 상기 제2 압축기체 수용 홈과 상기 제2 압축기체 주입 홀은 연통된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 래비린스 시일의 하측에는 상기 제2 래비린스 시일에서 누출되는 누출방지용의 압축기체를 회수하기 위하여 회수 부가 형성되며, 상기 회수 부의 일측에는 상기 회수 부에 모인 누출방지용의 압축기체의 압력이 기설정 압력보다 커지게 되는 경우, 상기 회수 부의 외부로 상기 압축기체를 배출하기 위한 배출라인이 설치되는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배출라인에는 누출방지용 압축기체 저장탱크가 설치되고, 상기 누출방지용 압축기체 저장탱크에는 상기 누출방지용 압축기체 저장탱크에 저장된 기체에서 오일을 분리하기 위한 오일 분리기가 설치되는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압축실에서 상기 흡입밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 닫히게 되며,
    상기 제1 압축실에서 상기 배출밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압력에 의해 닫히고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제1 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 열리게 되는 구성인 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 압축실에서 상기 배출밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압력에 의해 열리고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 닫히게 되며,
    상기 제2 압축실에서 상기 흡입밸브는, 상기 피스톤이 상사 점에서 하사 점 방향으로 하강할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압력에 의해 닫히고, 상기 피스톤이 하사 점에서 상사 점 방향으로 상승할 때, 상기 제2 압축실 내부의 기체 압축압력에 의해 열리게 되는 구성인 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치.
  11. 상측 내부에 제1 압축실을 형성하고 하측 내부에 제2 압축실을 구비하는 실린더와, 상기 실린더 내부에 상하 왕복 운동하도록 설치되고 상기 제1 압축실의 기체 누출을 방지하기 위하여 외주 면에 제1 래비린스 시일이 형성된 피스톤과, 상기 제2 압축실의 기체 누출을 방지하기 위하여 외주 면에 제2 래비린스 시일이 형성된 소스 기체 누출방지 부재를 구비하는 더블타입 오일 프리 왕복동 압축장치에서, 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에, 누출방지용 압축기체를 주입하여 상기 제1 압축실과 상기 제2 압축실 내의 소스 기체(sauce gas) 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 압축방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 누출방지용 압축기체를 주입하는 방법은, 소스 기체 공급 부로부터 상기 제1 압축실과 상기 제2 압축실에 소스 기체를 공급하되, 그 소스 기체 일부를 분기하여 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 주입하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 압축방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 누출방지용 압축기체를 주입하는 방법은, 상기 제1 압축실과 상기 제2 압축실의 배출밸브로부터 배출되는 압축기체 일부를 분기하여 상기 제1 래비린스 시일과 상기 제2 래비린스 시일에 주입하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 압축방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 누출방지용 압축기체의 압력은 60 bar에서 300 bar 범위로 하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 압축방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 누출방지용 압축기체의 주입압력은, 상기 제1 압축실 및 상기 제2 압축실의 기체 배출압력과 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 더블타입 오일 프리 압축방법.
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