KR102555770B1 - 혼합유체압 동력시스템 - Google Patents

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Abstract

액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 압력 용기, 액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터, 압력 기체의 출입구에서 나온 제1 압력 기체를 제1 입구로 입력 받아 일정 조건 하에서 출구로 출력하는 제1 압력 조절밸브, 압력 조절밸브의 출력 기체를 받아 동력을 발생시키고 제1 압력보다 낮은 제2 압력을 가지는 제2 압력 기체를 배출하는 제1 공압모터를 구비하여 이루어지는 혼합유체압 동력시스템이 개시된다.
본 발명에 따르면 공압 모터 사용을 위해 압력 용기에 공기를 축적할 때 단순한 송풍기와 같은 수단으로 공기를 축적하는 것보다 액츄에이터로 액체의 양을 조절하는 방식으로 빠르게 압력 공기를 축적할 수 있다.

Description

혼합유체압 동력시스템{power system using pressed gas and liquid}
본 발명은 유체압력을 이용한 동력시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력 용기 내에 유체로서 기체와 액체를 함께 구비하면서, 액체에 작용하는 장치를 이용하여 기체압축을 실시하고 동력에너지를 축적하여 인출하고 사용할 수 있도록 이루어진 혼합유체압 동력시스템에 관한 것이다.
기체는 일반적으로 압축가능하고 기체 압축을 통해 에너지 축적이 가능하며, 압축된 기체는 팽창하면서 외부에 힘을 작용시켜 그 동력을 이용하는 것이 가능하다.
가령, 외부 전기나 동력을 이용하여 컴프레서의 압력용기에 기체를 압축하고, 역으로 압축된 기체를 방출하면서 이를 이용하여 발전을 하거나, 프랑스 MDI사의 에어포드 2.0(AirPod 2.0), 미니캣, 시티캣과 같은 차량에서 압축 공기로 공압 엔진을 돌려 차량 추진을 위한 동력을 인출하는 동력장치가 이미 개시되어 있다.
또한, 회생제동을 하면서 차량의 운동에너지를 공기 압축에 사용하고, 이 압축된 공기를 다시 차량 주행에 보조적으로 사용하는 선행기술도 개시되어 있다.
그런데, 기존의 공압 동력장치는 에너지 저장량에서 한계를 가지며, 일반적으로 고압의 공기를 1개 단위의 공압모터 구동범위로 감압해서 바로 사용하는 경우, 고압의 공기를 동력으로 전환함에 있어서 공기 압력탱크에 저장된 팽창에너지를 충분히 사용하더라도 현재 공압모터의 효율의 한계로 인하여 일반 전기 모터에 비해 고효율이라고 볼 수 없다. 또한 기존의 공압 동력장치는 공간 사용 효율에서 많은 한계를 가지는 것으로 알려져 있다.
많은 에너지를 저장하기 위해 일반적으로 압력용기의 크기가 크고 압력이 높아져야 하며, 이는 압력용기의 크기가 커질 것과, 압력 용기의 큰 내압을 요구하게 된다.
한편, 다량의 압축 기체를 저장하기 위해 기체의 액체로의 상변이를 이용하는 경우, 공기 압축, 액화장치가 필요하며, 이런 장치는 대개 큰 내압을 요구하게 되고, 또한 상전환 과정에서 다량의 열이 발생하면서 에너지 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
압축 공기를 이용하여 동력을 인출하는 동력장치에서도 큰 압력을 이용하기 위해 내압구조가 필요하고, 이를 위한 장치 비용이 커지며, 압축공기 사용에 따라 공기압이 떨어지면 압축공기 이용 장비의 효율이 낮아질 수도 있다. 가령, 압축기체의 높은 압력 범위에서의 운용과 낮은 압력 범위에서의 운용을 모두 에너지 측면이나 공간 측면에서 효율성 있게 운용하기가 어려울 수 있다.
대한민국 등록특허 10-2227744 대한민국 공개특허 10-2020-0111983
본 발명은 기존의 압축된 공기의 압력을 이용하는 동력 시스템에서 알려진 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 압축 공기를 채우는 데 큰 시간을 사용하지 않고, 다량의 공기를 짧은 시간 내에 고압으로 하여 사용할 수 있는 구성을 가지는 혼합유체압 동력 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 다양한 압력 구간에서 구동 가능한 동력 장치를 다단으로 설치하여 고압의 공기를 동력으로 전환함에 있어서 공기에 저장된 에너지를 충분히 사용할 수 있도록 하여 에너지 효율을 높일 수 있는 혼합유체압 동력 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 혼합유체압 사용을 위한 매개기체 및 매개액체를 폐쇄된 시스템 내에 한정하여 사용할 수 있도록 함으로써 환경 오염의 염려를 줄일 수 있고, 공간 사용 효율을 높일 수 있는 혼합유체압 동력 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혼합유체압 동력 시스템은,
액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 압력 용기,
액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터,
압력 기체의 출입구에서 나온 제1 압력 기체를 제1 입구로 입력 받아 일정 조건 하에서 출구로 출력하는 제1 압력 조절밸브,
제1 압력 조절밸브의 출력 기체를 받아 동력을 발생시키고 제1 압력보다 낮은 제2 압력을 가지는 제2 압력 기체를 배출하는 제1 공압모터를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 공압 모터는 기체 압력을 받아 동력을 생산할 수 있는 모든 형태의 동력장치를 포괄하여 지칭하는 것으로 한다.
또한, 기체는 공기나 다른 기체를 사용할 수 있으며, 본 발명의 공압 다단 동력 시스템은 필요에 따라 기체의 종류를 교체하여 사용할 수 있도록 이루어질 수 있다.
본 발명에서 압력 용기 내에 액체가 채워지는 공간과 압력 기체가 채워지는 공간을 구분하도록 설치되며, 압력 용기 내에서 액체와 압력 기체가 채워진 공간의 비율이 바뀜에 따라 변위할 수 있는 격막이 설치될 수 있다.
본 발명의 동력 시스템은, 압력 조절밸브로서 차압 조절밸브를 사용하고, 제1 공압모터의 제2 압력 기체 출력단을 제1 차압 조절밸브의 제2 입구로 피드백 연결하여 제1 압력에 의한 힘이 제2 압력에 의한 힘과 제1 차압 조절밸브에서 설정한 일정 힘의 합보다 작을 때에만 일정 조건이 성취되도록 이루어진 것일 수 있다.
이때, 차압 조절 혹은 차압 조절밸브의 설정은 제1 입구의 기체압력에 의한 힘이 제2 입구의 기체압력에 의한 힘과 차압 조절밸브에 설정된 힘의 합보다 작을 때 열리도록 형성되는 다양한 밸브에서의 구성을 적용할 수 있고, 이를 위해 제2 입구와 연결되어 제2 입구의 기체 압력이 인가되는 배압실에 밸브 조절 손잡이로 조절되는 스프링을 설치하여 기체압력에 의한 힘에 스프링에 의한 힘을 더하도록 하는 방식을 사용할 수 있다.
압력 조절밸브는 이외에도, 다이어프램 밸브나 돔 밸브에서 통로를 여닫는 동작부의 배후 공간에 제2 입구와 연결되어 기준 압력이 인가되는 배압실을 형성하여 압력 조절을 하는 방식, 압력 센서 및 센서 신호에 의해 동작하는 액츄에이터를 설치하는 방식 등의 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 동력 시스템은, 제1 압력 조절밸브와 제1 공압모터를 제1단 동작부라고 할 때, 제 2 압력 기체 출력단에는 압력 기체 경로 상에 제2 압력 조절밸브와 제2 공압모터가 차례로 설치되어 이루어진 제2단 동작부가 설치되고, 이때 제2단 동작부인 제2 압력 조절밸브와 제2 공압모터는 제1단 동작부인 제1 압력 조절밸브와 제1 공압모터와 같은 방식으로 압력 기체의 입력 및 출력 이루어지도록 이루어진 것일 수 있다.
마찬가지로, 공기 흐름상 앞선 것을 전단, 뒤쪽 것을 후단이라고 할 때, 제2단 동작부 후단에는 직렬로 복수 개의 후단 동작부가, 가령 제3단 동작부, 제4단 동작부가 더 이어질 수 있다.
본 발명의 동력 시스템은 일 측면에서,
액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 2개의 압력 용기를 구비하며, 액체의 출입구와 압력 기체의 출입구는 배관상으로 서로 연결되고, 압력 액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터는 압력 액체의 출입구를 서로 연결하는 배관 상에 설치되어 2개의 압력 용기에서의 압력 액체의 배분을 조절하도록 이루어지고, 압력기체의 출입구에는 분기밸브나 분기부속 등을 통해 조절 가능하게 배관 분기가 이루어져 2개의 압력 용기의 각 분기관이 분기밸브를 매개로 서로 연결되고, 고압측 용기에서 나온 압력 기체는 분기관과 분기밸브를 통해 제1 단 동작부와 같은 하나의 동작부로 연결되거나 직렬 다단 동작부로 연결되고, 동작부의 말단에서 배출되는 기체는 다른 분기밸브와 여기 연결된 다른 분기관을 통해 저압측 용기로 들어가도록 이루어진 것일 수 있다.
이때, 2개의 압력 용기의 압력 기체의 출입구에는 분기밸브를 거치지 않은 별도 분기관이 설치되어 별도 조절밸브를 매개로 서로 연결되고, 별도 조절밸브는 배관을 통해 가장 후단 동작부의 압력 조절밸브(차압 조절밸브)의 제2 입구에 연결되어 저압측 압력 용기의 압력이 가장 후단 동작부의 제2 입구에 작용하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에서, 같은 단의 동작부를 이루는 차압 조절밸브의 출력측에서 나와 그 동작부의 공압모터로 들어가는 연결 배관 상에는 어큐뮬레이터가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 같은 단 동작부의 공압모터에서 나와 같은 단 동작부의 차압 조절밸브의 제2 입구로 압력을 피드백하도록 연결하는 경우, 그 연결 경로 상에는 기체 압력 균일화 용기가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면 공압 모터 사용을 위해 압력 용기에 공기를 축적할 때 단순한 송풍기와 같은 수단으로 공기를 축적하는 것보다 액츄에이터로 액체의 양을 조절하는 방식으로 사전에 충전된 압축 공기를 압력 용기 내에서 운용할 수 있으므로 빠르게 압축 공기를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일측 용기에서 배출되는 공기는 다른 용기에 축적될 수 있고, 다른 용기에서 배출되는 액체는 일측 용기에 옮겨져 압력 기체 및 압력 액체의 외부 방출 없이 폐쇠 시스템으로 공압 시스템을 운영할 수 있으므로 시스템 성격상 적합한 특정 기체 및 액체를 이용하는 것이 가능하고, 이런 경우, 이들의 외부 유출로 인한 환경 오염의 염려를 줄일 수 있고, 자원의 효율적 사용이 가능할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 폐쇄 공간 내의 공압 모터 구동으로 압력 기체를 일반 대기압으로 방출할 때와 같은 소음이 없다.
도1 및 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합유체압 동력 시스템의 사시도 및 정면도,
도3 및 도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼합유체압 동력 시스템의 사시도 및 정면도,
도5 및 도6은 본 발명에 사용될 수 있는 차압 조절 밸브의 한 예시에 따른 정면도 및 부분 사시단면도,
도7 및 도8은 본 발명에 사용될 수 있는 차압 조절 밸브의 다른 예시에 따른 정면도 및 부분 사시단면도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도1 및 도2를 참조하면서 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 공압 동력 시스템을 설명한다.
여기서는, 압력 용기(30, 40)는 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지고, 압력 용기(30, 40) 내의 액체의 양을 조절하여 배출되는 기체 압력을 조절하도록 이루어진다.
이때, 압력 용기(30, 40) 내의 액체와 압력 기체의 구분을 위해 압력 용기 내에서 변위되는 격판(31, 41)이 구비될 수 있고, 압력 용기 내의 액체의 공급은 액체를 공급하는 배관에 설치된 펌프와 같은 액츄에이터(80)에 의해 조절되나, 격판을 외부 동력에 의해 이동시키는 방식으로 이루어지는 것도 고려될 수 있다.
본 실시예에서는 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 압력 용기(30, 40)는 액체측 및 압력 기체측이 서로 연결된 두 개가 구비된다.
따라서, 본 실시예에서는 하나의 압력 용기(30)에서의 액체량의 감소는 다른 압력 용기(40)에서의 액체량 증가를 가져오고, 하나의 압력 용기(30)에서의 기체량 감소는 복수 단(여기서는 3개 단)의 동작부를 통해 기체가 이동함으로써 다른 압력용기(40)에서의 기체량 증가를 가져오도록 구성되며, 액체와 압력 기체는 시스템 내에서 폐쇄적으로 이동하면서 외부로 유출되지 않고 시스템 내에서 한정되어 관리될 수 있다.
물론, 필요에 따라 자연적으로 손실되는 액체나 기체를 보충하는 배관 및 액츄에이터(미도시) 구성이 있을 수 있고, 가령 각 압력 용기의 입출구 상단에 설치되는 압력센서(32, 42)와 세이프티 밸브 혹은 릴리프 밸브(미도시) 같이 안전상의 이유나 기타 필요에 따라 일부 액체나 기체를 자체 압력에 의해 배출하는 배관 및 밸브 구성이 구비될 수 있다.
보다 구체적 구성을 살펴보면, 본 실시예는 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 압력 용기(30, 40), 압력 용기를 연결하는 배관에 설치되어 액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터(80), 압력 기체의 출입구에서 나온 제1 압력 기체를 제1 입구로 입력 받아 일정 조건 하에서 출구로 출력하는 제1 차압 조절밸브(110)와 제1 차압 조절밸브(110)의 출력 기체를 받아 동력을 발생시키고 제1 압력보다 낮은 제2 압력을 가지는 제2 압력 기체를 배출하는 제1 공압모터(120)를 포함하는 제1단 동작부를 구비하여 이루어진다.
제1 공압모터(120)의 제2 압력 기체 출구를 제1 차압 조절밸브(110)의 제2 입구로 연결하여 제1 압력에 의한 힘이 제2 압력에 의한 힘과 제1 차압 조절밸브(110)에서 설정한 일정 힘의 합보다 작을 때에만 일정 조건이 성취되도록 이루어진다.
제 2 압력 기체 출력단에는 압력 기체 경로 상에 제2 차압 조절밸브(210)와 제2 공압모터(220)가 차례로 설치되어 이루어진 제2단 동작부가 설치되고, 이때 제2단 동작부인 제2 차압 조절밸브(210)와 제2 공압모터(220)는 제1단 동작부인 제1 차압 조절밸브(110)와 제1 공압모터(120)와 같은 방식으로 압력 기체의 입력 및 출력 이루어지도록 이루어진다.
마찬가지로, 공기 흐름상 제2단 동작부 아래에는 직렬로 제3단 동작부가 더 이어진다. 각 단 동작부에서 이루어지는 동작은 실질적으로 앞선 실시예에서 이루어지는 동작과 공통적으로 이루어진다.
단, 제1 압력 용기(30)와 제2 압력 용기(40)의 액체의 출입구와 압력 기체의 출입구는 배관상으로 서로 연결되고, 액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터(80)로서 펌프가 액체의 출입구를 서로 연결하는 배관 상에 설치되어 복수 압력 용기(30, 40)에서의 액체의 배분을 조절한다.
압력기체의 출입구에는 분기밸브(34, 44) 등을 통해 조절 가능하게 배관 분기가 이루어져 두 압력 용기(30, 40) 각각의 두 분기관(35, 36, 45, 46)은 각각 분기밸브(50, 70)를 매개로 서로 연결된다. 이들 분기밸브(34,44, 50, 70)에서는 기체의 흐름을 본 발명 시스템에 맞게 정해진 일정 방향으로 흐르도록 하고, 고압측 압력 용기의 고압 기체가 바로 저압측 압력 용기로 흘러가지 않도록 일방으로만 열리는 체크밸브의 판막과 같은 판막을 사용할 수 있으며, 분기밸브에서 판막이 열리는 방향은 가령 도2의 화살표의 방향을 참고하여 설정할 수 있다.
두 압력 용기 가운데 고압측 압력 용기(30)에서 나온 압력 기체는 하나의 분기관(35) 및 분기밸브(50)를 통해 나온 제1 압력 기체는 제1 차압 조절밸브(110)의 제1 입구로 입력된다. 제1 차압 조절 밸브는 도5 및 도6에 도시된 것과 같은 제1 타입 차압 조절 밸브가 될 수 있다. 여기서 제1 타입 차압 조절 밸브(110)는, 몸체(111)와, 몸체 하부에 설치되어 조절 대상이 되는 기체가 입력되는 제1 입구(112)와, 조절 대상이 되는 기체가 이 차압 조절 밸브를 통과할 것인지를 결정하게 만드는 조절부와, 몸체 하부에 설치되어 이 차압 조절 밸브를 통과한 기체가 배출 혹은 출력되는 출구(113)를 구비하여 이루어진다.
이때 조절부는 차압 조절 밸브 내부에 설치되는 압축스프링(114), 몸체 상부에 나사 결합 형태로 설치되면서 압축스프링 상단에 연결되어 회전 조작을 통해 압축스프링 상단의 위치 혹은 압축스프링 설치 공간의 상부 경계를 결정하는 조절손잡이(115), 압축스프링의 하단 위치 혹은 압축스프링 설치 공간의 하부 경계를 이루는 상판(116), 위치에 따라 제1 입구(112)와 출구(113) 사이의 공간적 연결을 단속하는 하판(117), 상판(116)과 하판(117) 사이의 공간인 배압 공간, 배압 공간으로 기준 공기압을 인가하는 제2 입구(118)를 구비하여 이루어진다.
따라서 배압공간에는 제2 입구(118)에서 들어오는 기체의 압력이 기준 공기압으로 작용하며, 압축스프링(114)에 의해 상판(116)에 미치는 압력도 작용하여, 하판(117)에는 기준 공기압과 압축스프링(114)에 의한 압력의 합이 하판(117)에 압력으로 작용한다.
그리고, 하판의 하면은 제1 입구(112)와 연결되어 제1 입구(112)로 공급되는 기체의 압력이 하판(117)에 압력으로 작용한다. 상판(116) 위쪽에 설치되어 설정 조절 역할을 하는 압축스프링(114)과 마찬가지로, 주변 상황에 따라 하판(117) 아래쪽에 제1 입구(112) 쪽에도 보조 압축스프링을 설치하여 제1 입구(112)를 통해 하판(117)에 인가되는 압력을 증강시키는 구성도 가능하다.
결국, 차압 조절밸브의 구성상 하판(117)에 작용하는, 제2 입구로 입력되는 기체의 공기압에 의한 힘과 압축스프링(114)에 의한 힘의 합보다 제1 입구(112)로 공급되는 기체의 압력에 의한 힘이 더 작다면, 하판(117)은 아래로 이동하고, 하판 아래쪽에는 도시된 바와 같은 포핏이 있어서 하판(117)이 포핏을 아래로 밀고 내려서 이 차압 조절밸브의 몸체와 포핏의 소구경 부분 사이의 틈새를 통하여 제1 입구(112)로부터 출구(113)로 제1 입구측의 고압의 압력기체가 일정량으로 통과되도록 할 수 있다.
제1 차압조절밸브(110)의 출구(113)에서 나온 제1 압력의 기체는 제1 공압모터(120)의 기체 입구로 투입되어 공압모터를 구동시켜 동력을 발생시키고 제1 공압모터(120)의 제2 압력 상태로 기체출구로 배출된다.
이 기체출구는 제1 차압조절밸브(110)의 제2 입구(118)로 연결되어 결국 제2 입구(118) 및 배압공간에는 제2 압력이 기준 공기압으로 작용하게 된다. 즉, 제1 압력에 의한 힘이 제2 압력에 의한 힘과 제1 차압 조절밸브(110)의 압축스프링(114)에 의해 설정된 힘의 합보다 작으면 제1 공압모터(120)에는 제1 압력의 기체가 작용하여 공압모터를 구동시키게 된다. 여기서 압축스프링(114)에 의해 설정된 힘은 조절손잡이(115)를 통해 조절될 수 있으며, 미리 공압모터(120) 구동에 적합한 값으로 설정된다.
여기서 제1 차압 조절밸브(110)는 차압 설정을 압축스프링(114)과 그 길이를 조절하는 조절손잡이(115)에 의해 주로 하고 있지만, 차압 설정은 기존에 알려진 차압조절밸브의 다른 구성을 통해서도 물론 할 수 있다. 가령, 차압 조절 혹은 차압 조절밸브의 설정은 기존에 알려진 일정 압력 이하에서만 열리도록 형성된 다양한 밸브에서의 구성을 적용할 수 있고, 이를 위해 위에서 본 것처럼 제2 입구와 연결되어 기준 압력이 인가되는 배압실에 밸브 조절 손잡이로 조절되는 스프링 압력을 더하도록 스프링을 설치하는 방식을 사용할 수 있지만, 압력 조절밸브는 이외에도, 다이어프램 밸브나 돔 밸브에서 통로를 여닫는 동작부의 배후 공간에 제2 입구와 연결되어 기준 압력이 인가되는 배압실을 형성하여 압력 조절을 하는 방식, 압력 센서 및 센서 신호에 의해 동작하는 액츄에이터를 설치하는 방식 등의 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
여기서 제1 차압조절밸브(110)의 출구(113)에서 제1 공압모터(120)의 기체 입구로 연결되는 배관에는 어큐뮬레이터(130)가 설치되며, 제1 공압모터(120)의 기체 출구와 제1 차압조절밸브(110)의 제2 입구(118)를 연결하는 배관에는 기체 압력 균일화 용기(140)가 설치된다.
이들은 모두 공기의 흐름 및 공압을 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 공기 흐름 상의 앞단에서 공기 흐름이 여러 가지 요인에 의해 균일하지 않고 압력이 변동되면 전체적 진동, 충격의 발생, 소음의 발생과 그에 따른 시스템 설비 내구성 저하가 발생할 수 있고, 압력을 이용하여 동력을 생산하는 공압 모터의 경우에는 효율 저하 등의 문제가 발생할 수 있으며, 어큐뮬레이터와 기체 압력 균일화 용기는 모두 공기 경로상에 충분한 크기의 공간을 형성하여 공기 흐름 및 공기 압력의 급작스런 변동을 줄이고 방지할 수 있다.
한편, 차압조절밸브는 도5, 6에 도시된 것과 달리, 도7, 8에 도시된 형태의 것을 사용할 수도 있다.
도7, 8에 도시된 차압조절밸브(110')도 도5, 6에 도시된 것과 비슷한 구성을 가지며, 하판(117')의 상부에 기준 공기압과 압축스프링(114')에 의한 미리 설정된 압력을 인가하고, 하판(117')의 하부에는 제1 압력을 인가하도록 구성된다는 측면에서 공통점을 가진다.
그러나, 도5, 6의 차압조절밸브(110)에서는 먼저 압축스프링(114)의 압력이 작용하고, 그 아래 기준 공기압이 추가되어 압력 경계인 하판(117)을 누르는 힘으로 작용하지만 도7, 8의 차압조절밸브(110')에서는 제2 입구(118')가 몸통(111')의 위쪽 부분에 형성되고, 기준 공기압이 인가되어 상판(116')을 통해 아래로 누르는 힘을 작용시키고, 상판(116')과 하판(117') 사이에 압축스프링(114')을 설치하여 기준 공기압에 의한 누르는 힘에 압축스프링에 의한 누르는 힘을 추가시켜 제1 압력 기체와의 압력 경계인 하판에 작용하게 한다는 차이가 있다. 여기서도 물론 상판은 그 위치가 조절손잡이(115')에 의해 조절될 수 있도록 설치된다.
이런 차이에 의해 차압조절밸브는 부분적 기밀유지 여부, 공간 배치의 차이를 가질 수 있고, 제작 및 운용 상의 다소간의 장단점을 가질 수 있으므로 주변 상황에 맞게 적합한 타입의 차압조절밸브를 선택하여 사용할 수 있다.
차압조절밸브와 공압모터를 구비하는 동력 인출을 위한 부분은 동작부라고 하면, 제1 차압조절밸브(110)와 제1 공압모터(120)를 구비하는 동력 인출을 위한 부분은 제1 단 동작부라고 칭하고, 공기 흐름상 그 아래쪽에 설치되는 부분은 제2 차압조절밸브(210)와 제2 공압모터(220)를 구비하는 제2단 동작부, 제3 차압조절밸브(310)와 제3 공압모터(320)를 구비하는 제3단 동작부라고 할 수 있으며, 실시예에 따라서는 더 많은 후단 동작부가 더 설치될 수 있지만, 이하 이 실시예에서는 제3단 동작부까지 설치되는 경우를 대상으로 설명한다.
제1단 동작부의 제1 공압모터(120)의 기체 출구에서 배출된 제2 압력 기체는 이제 제2단 동작부의 제2 차압조절밸브(210)의 제1 입구로 들어가고, 미리 설정된 압력 조건을 만족하면 출구로 나오게 된다. 출구로 나온 제2 압력 기체는 제2 공압모터(220)의 기체 입구로 들어가 이 공압모터를 가동시키면서 동력을 발생시키고, 제3 압력의 기체로서 기체 출구로 나오게 된다.
여기서도 제3 압력의 기체가 제2 차압조절밸브(210)의 제2 입구로 연결되어 제3 압력을 기준 공기압으로 하여 제2 차압조절밸브(210)의 기체 통과 조건을 형성하게 되는 것과, 배관 상에 어큐뮬레이터(230)와 기체 압력 균일화 용기(240)가 설치되는 것은 제1단 동작부에서 설명한 것과 동일하다.
그리고, 제2단 동작부의 제2 공압모터(220)의 기체 출구에서 배출된 제3 압력 기체는 이제 제3단 동작부의 제3 차압조절밸브(310)의 제1 입구로 들어가고, 미리 설정된 압력 조건을 만족하면 출구로 나오게 된다. 출구로 나온 제3 압력 기체는 제3 공압모터(320)의 기체 입구로 들어가 이 공압모터(320)를 가동시키면서 동력을 발생시키고, 제4 압력의 기체로서 기체 출구로 나와 동작부 말단으로 배출 된다.
동작부의 말단에서 배출되는 기체는 다른 분기밸브(70)와 여기에 연결된 다른 분기관(46), 분기밸브(44)를 통해 저압측 용기(40)로 들어간다. 조절밸브(60)는 두 압력 용기(30, 40) 각각에 설치된 압력센서(32, 42)와 연동하고 필요에 따라 두 압력 용기(30, 40)에 액체유량센서(미도시)나 격판 위치 센서(미도시)를 설치하여 조절밸브(60)와 연동해서 이러한 압력용기(40)의 압력을 제3 차압조절밸브(310)의 제2 입구(118)로 유체 흐름이 가능하도록 조절 개방 된다.
이런 흐름을 통해 고압측 압력 용기에서 대부분의 압력 기체가 저압측 압력 용기로 이동하고 액체는 고압측 압력 용기로 이동한 상태가 되면 액체량을 조절하는 액츄에이터(80)는 두 압력 용기(30, 40) 각각에 설치된 압력센서(32, 42)와 연동하고 필요에 따라 두 압력 용기(30, 40)에 액체유량센서(미도시)나 격판 위치 센서(미도시)를 설치하여 각 조절밸브(82, 84)와 연동해서 구동되고 압력 작용 방향 및 액체의 이동 방향을 바꾸어 이번에는 압력 기체로 채워진 압력 용기로 액체를 이송 가압해서 고압측 압력 용기가 되도록 하면서 압력 기체의 흐름 방향도 바뀌어 두 압력 용기 가운데 새로운 고압측 압력 용기(40)에서 나온 압력 기체는 하나의 분기관(45) 및 분기밸브(50)를 통해 직렬로 배치된 3개의 동작부로 연결되고, 동작부의 말단에서 배출되는 기체는 다른 분기밸브(70)와 여기에 연결된 다른 분기관(36), 분기밸브(34)를 통해 새로운 저압측 압력 용기(30)로 들어간다. 이때에도 조절밸브(60)는 두 압력 용기(30, 40) 각각에 설치된 압력센서(32, 42)와 연동하고 필요에 따라 두 압력 용기(30, 40)에 액체유량센서(미도시)나 격판 위치 센서(미도시)와 연동해서 압력용기(30)의 압력을 제3 차압조절밸브(310)의 제2 입구로 유체 흐름이 가능하도록 새롭게 조절 개방된다.
이런 실시예에서는 어느 쪽이 고압측 압력 용기가 되더라도 동작부에서의 각 공압 모터의 회전 방향은 바뀌지 않으므로 동작부의 구동은 안정적이고 단순한 구성으로 지속될 수 있다.
이 실시예에서 압력 용기의 압력기체의 출입구에는 분기밸브(34, 44) 를 거치지 않은 별도 분기관(37, 47)이 설치되고 조절밸브(60)을 매개로 서로 연결된다. 그리고, 조절밸브(60)는 배관을 통해 제3단 동작부의 제3 차압 조절밸브의 제2 입구에 연결되어 저압측 압력 용기(40)의 압력이 제3단 동작부의 제3 차압 조절밸브의 제2 입구에 작용하도록 한다.
한편 같은 단의 동작부를 이루는 차압 조절밸브의 출력측에서 나와 그 동작부의 공압모터로 들어가는 연결 배관 상에는 어큐뮬레이터(130, 230)가 구비되고, 제1, 제2 단에서 공압모터(120, 220)에서 나와 같은 단 동작부의 차압 조절밸브(110, 210)의 제2 입구로 피드백 연결되는 경로 상에는 기체 압력 균일화 용기(140, 240)가 구비되어 제2 입구에 제1 입구보다 상대적으로 저압을 작용시킨다.
이런 구성에서는, 처음부터 압력 용기의 기체를 상당한 고압으로 저장하여 공압모터와 같은 동력 장치의 효율을 높게 운영하는 것이 가능하며, 다단 운영을 통해 상대적으로 높은 압력 범위, 중간 압력 범위, 낮은 압력 범위에서 모두 동력 장치를 운영하여 동력을 얻는 것이 가능하고, 이로써 전체 동력 시스템 내의 운전중 에너지 효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
또한, 고압 액체를 이송하는 액츄에이터에서는 한번에 큰 힘을 들여 압력 용기 내의 기체 압축을 통해 에너지를 저장하고, 상당 기간에 걸쳐 다단으로 압축 기체를 이동시키면서 공압모터에서 작은 동력을 장기간 인출하여 사용할 수 있다.
또한, 액체 및 압력 기체를 시스템 내에서 폐쇄적으로 운영하는 경우, 본 발명의 동력 시스템에 적합한 액체나 고압 기체가 환경 오염을 유발할 수 있는 유독성 물질인 경우라도 외부 환경에 물질을 누출시키지 않으면서 해당 물질의 특성상의 장점을 이용하면서 동력 시스템을 운영할 수 있다.
이하에서는 도3 및 도4를 참조하면서 본 발명의 제2 실시예에 따른 혼합유체압 동력 시스템을 설명한다.
여기서는, 다른 구성들은 대부분 도1 및 도2에 도시된 제1 실시예의 구성과 공통점을 가진다. 단, 전체 동작부가 제1 실시예의 직렬 3단 동작부가 아니고 단순히 하나의 단위 동작부로 이루어져 있다.
도3, 4의 압력 용기(30, 40)는 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지고, 압력 용기(30, 40) 내의 액체의 양을 조절하여 배출되는 기체 압력을 조절하도록 이루어진다.
이때, 압력 용기(30, 40) 내의 액체와 압력 기체의 구분을 위해 압력 용기 내에서 변위되는 격판(31, 41)이 구비된다. 압력 용기 내의 액체의 공급은 액체를 공급하는 배관에 설치된 액츄에이터(80)에 의해 조절된다.
보다 구체적 구성을 살펴보면, 본 실시예는 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 압력 용기(30, 40), 압력 용기를 연결하는 배관에 설치되어 액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터(80), 압력 기체의 출입구에서 나온 제1 압력 기체를 제1 입구로 입력 받아 일정 조건 하에서 출구로 출력하는 차압 조절밸브(410)와 차압 조절밸브(410)의 출력 기체를 받아 동력을 발생시키고 제1 압력보다 낮은 제2 압력을 가지는 제2 압력 기체를 배출하는 공압모터(420)를 포함하는 동작부를 구비하여 이루어진다. 제1 압력 용기(30)와 제2 압력 용기(40)의 액체의 출입구와 압력 기체의 출입구는 배관상으로 서로 연결된다.
압력기체의 출입구에는 분기밸브(34, 44) 등을 통해 조절 가능하게 배관 분기가 이루어져 두 압력 용기(30, 40) 각각의 두 분기관(35, 36, 45, 46)은 각각 다른 분기밸브(50, 70)를 매개로 서로 연결된다. 두 압력 용기 가운데 고압측 압력 용기(30)에서 나온 압력 기체는 하나의 분기관(35) 및 분기밸브(50)를 통해 동작부로 연결되고, 동작부의 말단에서 배출되는 기체는 다른 분기밸브(70)와 여기에 연결된 다른 분기관(46), 분기 밸브(44)를 통해 저압측 용기로 들어간다. 각 분기밸브(50, 70)는 이러한 유체 흐름이 가능하도록 각 배관 연결부의 개폐가 조절될 수 있다.
압력 용기(30, 40)의 압력기체의 출입구에는 분기밸브(34, 44)를 거치지 않은 별도 분기관(37, 47)이 설치되고 조절밸브(60)을 매개로 서로 연결된다. 그리고, 조절밸브(60)는 배관을 통해 동작부의 차압 조절밸브의 제2 입구에 연결되어 저압측 압력 용기(40)의 압력이 동작부의 차압 조절밸브의 제2 입구에 작용하도록 한다.
차압 조절밸브(410)의 출력측에서 나와 공압모터(420)로 들어가는 연결 배관 상에는 완충용 기체용기(430) 혹은 공기실이 구비된다.
이런 구성에서도 고압 액체를 이송하는 액츄에이터에서는 한번에 큰 힘을 들여 압력 용기 내의 기체 압축을 통해 에너지를 저장하고, 상당 기간에 걸쳐 다단으로 압축 기체를 이동시키면서 공압모터에서 작은 동력을 장기간 인출하여 사용할 수 있고, 액체 및 압력 기체를 시스템 내에서 폐쇄적으로 운영하는 경우, 본 발명의 동력 시스템에 적합한 고압 액체나 고압 기체라면 환경독성이 있는 물질인 경우라도 외부 환경에 물질을 누출시키지 않으면서 폭넓게 채용할 수 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
30, 40: 압력 용기 32, 42: 압력 센서
33, 43: 밸브 34, 44, 50, 70: 분기밸브
35, 36, 37, 45, 46, 47: 분기관 60, 82, 84: 조절밸브
80: 액츄에이터 110, 210, 310, 410: 차압 조절밸브
111, 111': 몸체 112, 112': 제1 입구
113, 113': 출구 114, 114': 압축스프링
115, 115': 조절손잡이 116, 116': 상판
117, 117': 하판 118, 118': 제2 입구
120, 220, 320, 420: 공압 모터
130, 230, 330, 430: 어큐뮬레이터 140, 240: 기체 압력 균일화 용기

Claims (10)

  1. 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 액체의 출입구를 가지고, 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 압력 용기,
    액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터,
    압력 기체의 출입구에서 나온 제1 압력 기체를 제1 입구로 입력 받아 일정 조건 하에서 출구로 출력하는 제1 압력 조절밸브,
    상기 제1 압력 조절밸브의 출력 기체를 받아 동력을 발생시키고 제1 압력보다 낮은 제2 압력을 가지는 제2 압력 기체를 배출하는 제1 공압모터를 구비하여 이루어지며,
    상기 제1 압력 조절밸브는 차압 조절밸브로서 제2 입구를 가지고, 상기 일정 조건을 만족시키기 위해 상기 제1 공압모터의 기체 출력단을 상기 제2 입구로 연결하여, 상기 제1 압력 조절밸브의 조절손잡이로 설정한 압축 스프링의 힘과 상기 제2 입구에 전달되는 기체압력에 의한 힘을 합한 힘이 작용하여 하판이 포핏의 소구경 부분을 아래로 밀고 내려서 상기 제1 압력 조절밸브의 몸체와 상기 소구경 부분 사이의 틈새를 통하여 상기 제1 입구로부터 상기 출구로 고압의 압력기체를 통과시킬 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합유체압 동력시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 용기 내에 변위가능하며 상기 액체와 상기 압력 기체를 구분하는 격벽이 구비되는 것을 특징으로 하는 혼합유체압 동력 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 압력 조절밸브와 상기 제1 공압모터를 구비하여 이루어진 동작부를 제1단 동작부라고 하고,
    상기 제 2 압력 기체의 출력단에는 압력 기체 경로 상에 제2 압력 조절밸브와 제2 공압모터가 차례로 설치되어 이루어진 제2단 동작부가 설치되고,
    상기 제2단 동작부의 상기 제2 압력 조절밸브와 상기 제2 공압모터는 상기 제1단 동작부의 상기 제1 압력 조절밸브와 상기 제1 공압모터와 같은 방식으로 결합되어 압력 기체의 입력 및 출력 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합유체압 동력시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    압력 용기로서, 압력 액체와 압력 기체를 함께 수용할 수 있도록 일측에 압력 액체의 출입구를 가지고 다른 일측에는 압력 기체의 출입구를 가지는 제1 압력 용기와 제2 압력 용기가 구비되고,
    상기 제1 압력 용기와 상기 제2 압력 용기의 압력 액체의 출입구와 압력 기체의 출입구는 배관상으로 서로 연결되고, 압력 액체의 양을 조절할 수 있는 액츄에이터는 압력 액체의 출입구를 서로 연결하는 배관 상에 설치되어 상기 제1 압력 용기와 상기 제2 압력 용기에서의 압력 액체의 배분을 조절하도록 이루어지고,
    압력기체의 출입구에는 조절 가능하게 배관 분기가 이루어져 상기 제1 압력 용기와 상기 제2 압력 용기의 각 분기관이 분기밸브를 매개로 서로 연결되고,
    상기 제1 압력 용기와 상기 제2 압력 용기 가운데 고압측 압력 용기에서 나온 압력기체는 하나의 분기밸브를 통과하여 저압측 압력 용기로 들어가는 경로에서 상기 제1 압력 조절밸브와 상기 제1 공압모터를 통과하여 흐르도록 이루어지는 혼합유체압 동력시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    같은 단의 동작부를 이루는 압력 조절밸브의 출력측에서 나와 공압모터로 들어가는 연결 배관 상에는 어큐뮬레이터가 더 구비되는 혼합유체압 동력시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 단에서 같은 단의 동작부를 이루는 공압모터에서 나와 압력 조절밸브의 제2 입력측으로 연결되는 연결 배관 상에는 기체 압력 균일화 용기가 더 구비되는 혼합유체압 동력시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압력 용기의 압력 기체의 출입구에는 별도 분기관이 설치되어 별도 조절밸브를 매개로 서로 연결되고, 상기 별도 조절밸브는 배관을 통해 상기 제1 압력 조절밸브의 상기 제2 입구에 연결되어 상기 저압측 압력 용기의 압력이 상기 제2 입구에 작용할 수 있도록 이루어지는 혼합유체압 동력시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력용기에 사용하는 상기 압력 기체를 필요에 따라 교체할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 혼합유체압 동력시스템.
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