KR20010016078A - 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단 배기시스템을 구비한 사축식 기체압축장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 역류방지용 체크밸브가 내장된 복 수개의 배기통로와 모든 배기통로의 내부가 흡기통로와 연통되도록 한 무부하용 배관을 구비하여 압축장치의 압축배기과정이 순조롭게 이루어지게 함으로써 압축에 소요되는 동력를 줄여 에너지효율을 높일 수 있으며 공기역학적 소음원을 줄여 정숙한 운전이 가능하고, 부하변동폭을 줄여 기계적 내구성을 높이며 무부하운전이 가능하며, 압축기의 내부에 기계적 마찰과 공기압축에 의해 발생된 열을 순조롭게 방출하여 기체의 압축효율과 장치의 내구성을 증가시키고, 회전하는 피스톤에 발생한 원심력에 의해 실린더내부의 접촉면에 발생하는 상대마찰력을 줄여 열 발생을 억제시켜 기체의 압축효율을 높이고 구성품의 수명연장을 도모하며, 길이조절이 가능한 피스톤로드를 구비하여 피스톤의 조립이 쉬워지도록 하는 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치는 일측이 개구된 원통형의 케이싱(1)과 내부에 수납되어 회전운동을 직선왕복운동으로 변환시키는 운동변환체(2)와, 구동축(7)에 고정되어 회전하면서 흡입된 기체를 압축하는 작동조립체(3)와, 상기 작동조립체(3)와 대향되게 케이싱 헤드부(5)에 고정 설치되어 상기 작동조립체(3)가 회전할 때마다 실린더실(3b)과 연통되면서 기체의 흡입과 배기를 중계하는 흡배기판(4)과, 구동축(7)을 지지하고 개구된 케이싱을 밀봉하도록 고정부착되는 케이싱 헤드부(5)와, 외부로의 압축된 기체의 배출과 외부로부터의 기체의 흡입을 위한 외부연통부(6)와, 케이싱(1)의 방열을 돕는 외각원통부(8)로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치{a rotating compressor with an inclined shaft and multi-exhaust systems}

본 발명은 다단 배기시스템을 구비한 사축식 기체압축장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 역류방지용 체크밸브가 내장된 복 수개의 배기통로와 모든 배기통로의 내부가 흡기통로와 연통되도록 한 무부하용 배관을 구비하여 압축장치의 압축배기과정이 순조롭게 이루어지게 함으로써 압축에 소요되는 동력를 줄여 에너지효율을 높일 수 있으며 공기역학적 소음원을 줄여 정숙한 운전이 가능하고, 부하변동폭을 줄여 기계적 내구성을 높이며 무부하운전이 가능하며, 압축기의 내부에 기계적 마찰과 공기압축에 의해 발생된 열을 순조롭게 방출하여 기체의 압축효율과 장치의 내구성을 증가시키고, 회전하는 피스톤에 발생한 원심력에 의해 실린더내부의 접촉면에 발생하는 상대마찰력을 줄여 열 발생을 억제시켜 기체의 압축효율을 높이고 구성품의 수명연장을 도모하며, 길이조절이 가능한 피스톤로드를 구비하여 피스톤의 조립이 쉬워지도록 하는 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치에 관한 것이다.

종래에는 피스톤을 사용하여 압축하는 왕복동 압축기는 도 11의 (가)에 도시되어 있는 바와 같이 실린더실(3b)을 갖는 실린더(3m)와 실린더내에 위치한 피스톤(3e)을 컨넥팅로드(10f)와 편심축을 경유하여 상하 왕복운동시키기 위해 회전하는 크랭크축(11)으로 이루어진 구동부(12)와 실린더(3m), 피스톤(3e), 실린더의 끝단인 실린더헤드(3p), 실린더실(3b)과 실린더헤드(3p)에 유체를 흡입하는 흡입밸브(10a), 배기하는 배기밸브(10e)로 이루어진 압축기부로 되어 있다.

상기의 왕복동 압축기는 도 11의 (나)에 도시되어 있는 바와같이, 크랭크축(11)이 회전중심(C)을 기준으로 회전하면 이 축에 편심되게 설치된 편심축이 편심된 길이(L)를 반경으로 하는 원을 따라 움직이며, 이에 연결된 켄넥팅로드(10f)를 경유하여 피스톤(3e)이 실린더(3m)내를 직선왕복운동을 하게 되며, 이로 인해 발생된 실린더실(3b)내의 유체압력에 따라 흡입밸브(10a)와 배기밸브(10e)가 개폐되면서 유체를 흡입, 압축, 배기하는 과정을 수행하도록 되어 있다. 따라서, 크랭크축이 1회전할 때마다 피스톤이 1회의 직선왕복운동을 하여 실린더내의 유체를 흡입, 압축 및 배기하는 일련의 과정을 연속적으로 행하도록 되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래의 피스톤을 사용하는 왕복동 압축기는 실린더헤드(3p)에 흡입과 배기를 위한 밸브(10a)(10e)가 각각 1개씩 구비되어 있어서, 이 흡,배기밸브(10a)(10e)들이 작동할 때 구동회전수와 동일한 횟수의 피스톤헤드(10b)와의 부딪힘으로 인한 기계적 소음과 밸브의 휨 운동으로 인한 파단이 발생할 뿐만 아니라 동일 횟수의 밸브의 개폐에 의해 유체의 흡입과 배기가 간헐적으로 일어남으로 인하여 맥동현상 및 밸브를 여닫는 순간에 유체의 팽창에 의한 파찰음에 의하여 소음이 문제시되어 왔다. 이를 개선하기 위하여 복잡한 구조로 되어 있는 흡배기용 소음기를 장착함에 따라, 유체저항이 증가하여 압축기의 성능을 저하시켰으며 또한 부품수의 증가로 생산성을 저하시키는 문제점이 있었다.

또 다른 종래의 예로서 일본국 공개특허공보 소59-184648호 (1986,04,03 공개)에 실린더 헤드가 없는 사축식 압축장치가 알려져 있으며, 상기의 실린더 헤드가 없는 사축식 압축장치는 단면도인 도 11의 (가)와 플로우트밸브판의 평면도인 도 11의 (나)에 도시되어 있는 바와같이, 케이싱(1)의 내부에 관통구멍으로 이루어진 복수 개의 실린더(3m)로 구성된 원통형의 실린더 블록(3a)과 개구된 실린더(3m)내에 수납되고 피스톤 로드(3f)와 구면부(3h)를 갖는 피스톤(3e)으로 이루어지는 작동조립체(3)와, 상기 구동축(7)의 끝단측에는 이 축과 일정의 각도를 이루면서 케이싱(1) 내부에 고정 설치된 지지축(2a)과, 이 지지축을 중심으로 베어링(2d)의 위에 안치되어 회전되는 경사판(2b)과, 이 경사판(2b)을 회전시키기 위한 구동축(7)의 끝단에 설치되는 유니버셜조인트 등으로 이루어진 구동각도변환장치(2c)가 설치되며, 상기 경사판(2b)의 외주에는 각 피스톤 로드(3f)를 연결하기 위해 구면부(3h)가 피스톤의 개수만큼 설치되어 있다.

그리고, 원판형인 케이싱 헤드부(5)에는 외부에서 기체를 흡입하는 흡기관(6b)과 압축된 기체를 배출하는 배기관(6e)이 각 각 연통되는 구멍인 흡기구(15a)와 배기구(15b)가 각 각 1개씩 구비되며, 상기 케이싱 헤드부(5)의 내측면에는 상기 배기구(15b)를 둘러싸되 그 면적이 개구된 1개의 실린더실의 단면적보다 크며, 또한 피스톤의 압축,배기행정시 실린더(3m)의 개구부가 회전하여 움직이는 원주방향의 구간을 모두 포함하는 도넛형상의 고무재의 시일링(9)이 매설되어 있고, 상기 시일링(9)은 외주부분이 케이싱 헤드부(5)에 고정되는 원판형상의 플로우트밸브판(14)의 일측면에 의해 압착되어 설치된다.

상기 플로우트밸브판(14)의 타측면은 개구된 실린더실(3b)의 밀봉과 헤드 역활을 하기 위하여 철판으로 되어 있으며, 내부에는 피스톤(3e)이 흡입행정시 기체의 흡입을 위한 도넛형상의 흡기구간 구멍(14a)과 피스톤의 압축,배기행정시 기체를 배출하기 위한 배기구간 구멍(14c)이 각 각 1개씩 형성하면서 상기 케이싱 헤드부(5)에 구비된 흡기구(15a)과 배기구(15b)와 각 각 연통이 되도록 설치되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래의 사축식 압축장치의 작용관계를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

도시되지 않은 모터의 회전력이 밸트를 거쳐 구동축(7)에 회전력이 전달되면, 구동축(7)에 고정 설치된 실린더 블록(3a)이 구동축(7)과 함께 회전하며, 구동축(7)의 끝단에 고정 설치되어 있는 구동각도변환장치(2c)에 의해서 경사판(2b)이 회전하게 되고, 이에 따라 경사판(2b)에 구면지지 되어져 있는 피스톤로드(3f)을 경유하여 피스톤(3e)이 실린더(3m)내를 구동축방향으로 직선왕복운동하게 된다.

이 때, 회전하는 실린더블록(3a)의 개구된 실린더실(3b)은 플로우트밸브판(14)에 의해 밀봉되며, 피스톤의 흡입행정에서는 흡입구간 구멍(14a)과 연통이 되어 기체를 흡입하고 피스톤의 압축배기행정에서는 배기구간 구멍(14c)과 연통되어 압축된 기체를 배출하게 된다.

상기와 같이 구동축(7)의 회전에 의하여 경사판(2b)의 회전에 따라 직선왕복운동하는 피스톤(3e)에 의하여 압축된 기체를 배출하는 종래의 사축식 압축장치는, 케이싱 헤드부(5)의 내측면에 매설된 고무재의 시일링(9)의 억압력에 의해 플로우트밸브판(14)이 실린더블록(3a)쪽으로 밀착되어 개구된 실린더실(3b)을 밀봉하며, 회전하는 실린더실(3b)이 배기구간 구멍(14c)과 겹쳐지면 배기구(15b)와 상기 고무재 시일링(9)에 의해 형성된 고압공간(10)내의 기체는 실린더실(3b)의 압력과 동등한 압력이 되며, 또한 고무재 시일링(9)에 의해 형성된 플로트밸브판(4)의 일측면상의 면적은 타측면상에 형성된 실린더실(3b)의 개구부의 단면적보다 넓기 때문에 상기 플로트밸브판(14)을 실린더블록(3a)쪽으로 밀려는 억압력이 발생하여 개구된 실린더실(3b)을 자력으로 밀봉하게 된다.

상기 종래의 기술로 이루어진 왕복동 압축기와 사축식 압축기를 작동하여 얻어지는 공력특성을 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 13의 (가)와 도 13의 (나)는 실린더내로 흡입되어진 기체(압력 p0)가 압축후 배기되어 저장조로 흘러가는 각 과정을 피스톤의 압축과정에서 얻어진 실린더실내의 압력(p)과, 배기과정 종료후의 배기관내에서의 압력(pe)과, 이와 연결되어진 저장조(탱크)내의 압력(pt)과, 사용자가 원하는 저장조내의 정규압력(ptr)들로 나타내고, 압축기의 압축횟수(N)에 따라 변하는 양상을 도식적으로 나타낸 것으로서, 종래의 왕복동 압축기의 경우를 도 13의 (가)에, 종래의 사축식 압축기의 경우를 도 13의 (나)에 나타나 있으며, 공력특성의 설명을 간단하게 하기 위하여, 사용된 기호들 중 점C의 압력(pe)과 점D의 압력(pt)은 배관이나 밸브 등에 의한 압력손실을 무시하여 동일한 것으로 하나, 실제는 점C의 압력(pe)이 점D의 압력(pt)보다 압력손실 만큼 크다.

흡입된 압력이 p0인 점A의 기체는 압축구간이 완료되는 점B의 압력(pp)으로, 이 후 압축과정을 동반하여 배기되는 점C의 압력(pe)이 된 후에, 점D의 압력(pt)인 저장조로 이송된다. 이때, 저장조의 압력(pt)이 정규값(ptr)이 되는 점E에서 압축기의 작동은 멈추게 된다.

그리고, 저장조의 압력(pt)이 정규압력(ptr)보다 낮은 경우인 통상적인 운전에 있어서, 도13의 (가)에 도시되어 있는 종래의 왕복동 압축기의 경우는 피스톤이 실린더내의 흡입기체(점A)를 압축하는 도중에 실린더실의 압력(p)이 점D의 저장조 압력(pt)보다 낮으면 계속하여 압축하고, 같아지면 배기용 배기밸브가 열리기 시작하여 배기하게 되어, 동일 압력을 갖는 점C에 도달하게 되며, 압축하는 횟수가 증가할수록 즉 저장조의 압력이 높아질수록 각 회전마다 압축과정을 종료하는 점B의 위치는 바뀌며, 상사점으로 이동하는 특성이 있다.

또한, 도 13의 (나)에 도시되어 있는 종래의 사축식 압축기의 경우는 실린더실을 형성한 관통구멍이 막혀 있는 하사점에 해당하는 상태에서 플로우트밸브판(14)의 배기구간 구멍(14c)에 접하는 위치(점B)까지는 압축과정이며, 플로우토밸브판(14)의 배기구간 구멍(14c)과 연통되는 위치(점C)까지의 구간 동안은 배기과정이다. 모든 회전수에 있어서 점B의 위치와 그 점에서의 압력(pp)은 일정하므로, 점D의 저장조 압력(pt)이 점B의 압력(pp)보다 낮으면 압축되었던 점B의 기체는 점C의 낮은 압력(pe)으로 팽창되면서 흘러가고, 또, 점D의 저장조 압력(pt)이 점B의 압력(pp)보다 높으면 점B의 기체는 압축과정을 동반하는 배기과정을 통하여 점C의 높은 압력(pe)으로 압축되어 흘러간다.

이상에서 얻어진 저장조의 압력(pt)이 압축횟수에 따라 비례되게 증가하는 양상을 각 회전수에서의 점D들을 연결한 점선으로 나타내었다.

한편, 압축기의 구동축은 계속 회전하나 압축기의 배기관을 흡기관 또는 외기에 연결되도록 하여 압축기에 공력적인 부하가 걸리지 않도록 한 통상의 무부하운전에 있어서, 종래 두 압축기에 적용하여 얻어진 실린더내의 압력(p)분포를 도 13 (가)와 도 13 (나)에 점G, 점H, 점I로 표기하여 나타냈으며, 점I의 압력(p00)이 점G의 압력(p0)보다 높게 표시한 것은, 압력이 p00인 흡입구에서의 기체가 실린더까지 흡입되는 동안 압력손실이 발생하여 p00보다 낮은 p0인 압력이 되는 것을 의미한다. 따라서, 상기 무부하운전의 의미는 정확하게 부하가 최소인 상태에서의 운전을 의미한다.

이상의 결과들로부터 다음과 같은 비교결과를 도출시킬 수가 있다.

회전 구동축의 1회전에 두 압축기의 배출 유량이 동일한 경우, 압축기의 기체압축에 소요되는 부하는 실린더내의 기체를 압축한 정도에 비례하며, 또한, 압축기를 시동하여 저장조의 압력(pt)이 흡입압력(p0)에서 정격압력(ptr)이 될 때까지의 운전에 소요되는 총 부하량은 압축기체를 만드는데 소요된 에너지의 총량과 비례한다.

저장조의 압력(pt)이 정규값(ptr)이 되는 점E까지 소요된 총 부하량은 도 13 (가)와 도 13 (나)에서 각 회전마다 점A, 점B, 점C, 점F로 이루어진 다각형의 면적의 총합으로 나타나며, 또, 무부하운전 시의 총 부하량은 점G, 점H, 점I로 이루어진 다각형의 면적의 총합으로 나타난다. 따라서, 종래의 사축식 압축기가 종래의 왕복동 압축기보다 에너지를 2배정도 더 소비하고 있음을 알 수가 있으며, 특히 무부하운전일 경우는 소요 에너지량의 차이가 더욱 더 커지고 있음을 알 수 있다.

한편, 공력소음은 고압으로 압축된 기체가 보다 저압인 상태로 분출할 때 발생하므로, 압축구간의 최대압력(pp)과 배기압력(pe)과의 압력차가 공력소음의 강도를 나타낸다 할 수 있다. 따라서, 종래의 사축식 압축기의 경우가 종래의 왕복동 압축기보다 훨씬 공력소음이 큼을 알 수 있다.

또한, 실린더내의 압축부하는 바로 구동축 방향의 축력부하에 해당이 되는데, 이 압축부하의 단위시간당 변동폭이 종래의 왕복동 압축기보다 종래의 사축식 압축기의 경우가 훨씬 크다. 따라서, 종래의 사축식 압축기의 구성요소중 취약부품인 경사판을 지지하는 베어링부와 회전축에 연결된 베어링부에 직접적인 영향이 미칠 가능성이 높아, 내구성이 결려될 소지가 많은 문제점이 있다.

그러나, 종래의 왕복동 압축기의 경우, 구동축과 수직방향으로 피스톤을 왕복운동시켜야 되는 구조에 비해서, 종래의 사축식 압축기의 경우는 구동축의 방향으로 피스톤을 왕복운동시키는 구조로 되어 있어, 압축기의 내부와 외형 형상을 컴팩트화할 수 있는 장점을 갖고 있으며, 또한, 종래의 사축식 압축기를 연속적인 정격부하에서만 사용할 경우에는 종래의 왕복동 압축기와 동등의 성능과 공력소음특성을 갖고 있다. 특히, 종래의 왕복동 압축기에 있어서는 흡배기 밸브들이 구동회전수와 동일한 횟수의 피스톤헤드와의 부딪힘으로 인한 기계적 소음이 컷으나, 종래의 사축식 압축기의 경우는 밸브가 없으므로 이로 인한 기계적 소음이 없는 특징을 갖고 있다.

그럼에도 불구하고, 종래의 사축식 압축기가 기체압축기로서 상용화되어 사용되는 경우를 찾아볼 수 없는 이유는 부품들의 내구성의 결여, 낮은 에너지효율, 부품수의 많음, 통상의 무부하운전이 불가능한 기능, 한정된 특정기체의 사용 등에 기인한다고 볼 수 있다.

이와같이 상기의 사축식 압축장치에서는 회전하는 실린더 블록(3a)의 일측면과 정지된 플로우트밸브판(14)사이의 기밀유지를 위해 상호마찰이 필연적이어서 이로 인한 마모와 과다한 열이 발생하기 때문에 압축할려는 기체에 윤활성이 있어야만 하는 제한적 요소가 있어서, 사용기체의 특정종류에 한정되게 사용할 수 밖에 없는 한계가 있으며, 또한 기체를 압축하는 과정에는 상대적인 마찰운동을 일으키는 기계적 요소에 의한 열의 발생과 함께 기체가 압축과정에서 발생하는 열이 상당한 정도에 이르기 때문에 장치의 내외부에 열을 발산하거나 흡수하는 장치가 없어서, 발생된 열로 인한 기계의 내구성이 짧아지고 기체의 압축효율이 저하되는 문제점이 있었다.

상기의 종래 사축식 압축장치의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 역류방지용 체크밸브가 내장된 복 수개의 배기통로와, 모든 배기통로의 내부가 흡기통로와 연통되도록 한 무부하용 배관을 구비하여 압축장치의 압축배기과정이 순조롭게 이루어지게 함으로써, 압축에 소요되는 동력를 줄여 에너지효율을 높이며, 공기역학적 소음원을 줄여 정숙한 운전이 가능하고, 부하변동폭을 줄여 기계적 내구성을 높일 수 있고, 사용기체에 제한이 없고, 무부하운전이 가능한 압축장치를 제공하며, 압축기의 내부에 기계적 마찰과 공기압축에 의해 발생된 열을 순조롭게 방출하게 함으로써, 기체의 압축효율과 장치의 내구성을 증가시킬 수 있도록 하며, 또한, 본 발명은 회전하는 피스톤에 발생한 원심력에 의해 실린더내부의 접촉면에 발생하는 상대마찰력을 줄임으로써, 열 발생을 억제시켜 기체의 압축효율을 높이고 구성품의 수명연장을 도모하며, 피스톤과 이 피스톤을 왕복운동시키는 경사판의 지지점과의 사이에 길이조절이 가능한 피스톤로드를 구비하여 피스톤의 조립이 쉬워지도록 함으로써, 제품의 조립생산성을 높일 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치는, 케이싱의 내부에 관통구멍으로 이루어진 복수 개의 실린더로 구성된 원통형의 실린더 블록과 개구된 실린더내에 수납되고 실린더수와 동일하게 피스톤 로드와 구면부를 갖는 피스톤과, 구동축의 끝단측에는 이 축과 일정의 각도를 이루면서 케이싱 내부에 고정 설치된 지지축과, 상기 지지축을 중심으로 트러스트베어링의 위에 안치되어 회전되는 경사판이 설치된 것에 있어서, 상기 구동축의 내부에는 유증기배출통로와 냉각실이 형성되고, 상기 경사판의 외주부에는 복수개의 비산날개가 설치되며, 상기 원통형의 실린더 블록과, 케이싱의 외주면에는 나선형 방열핀이 형성되며, 상기 구동축의 회전에 의해 경사판을 회전시키기 위하여 구동축의 끝단과 경사판의 상부에는 베벨기어가 각각 설치되며, 상기 실린더 블록의 상부에는 실린더헤드가 설치되고, 상기 실린더헤드와 대향되게 케이싱 헤드부의 내측 면에는 관통된 구멍을 구비한 1개의 흡기구간 홈과, 각 관통된 1차,2차,3차 배기구가 구비된 1차,2차,3차 배기구간 홈사이에 구획벽으로 구성되어 있는 환형의 흡배기판이 설치되고, 상기 케이싱 헤드부에는 흡배기판의 흡기구간 홈과 배기구간 홈들을 통하여 흡입된 기체를 배기할 수 있도록, 상기 1개의 흡기구간 홈과 연통이 되는 1개의 흡기구멍과, 상기 1차,2차,3차 배기구간 홈과 연통이 되면서 내부에는 각각의 체크밸브가 설치되는 1차,2차,3차 배기구멍이 내외로 관통되게 형성되며, 중심부가 관통되어 구동축이 삽입되는 축지지부와 흡배기판이 안치되는 흡배기판 설치홈이 형성되고, 상기 케이싱 헤드부에 관통되게 형성되어 있는 1차,2차,3차 배기구멍에는 각각의 체크밸브가 각각 설치되고, 상기 원판형인 케이싱 헤드부의 상부에는 흡기홈과 배기홈이 형성되고, 압축기의 무부하운전시 흡기관과 연통시키기 위한 보조배기관이 연통되게 형성되며, 케이싱 헤드부의 외측 면에 뚫여 있는 1차,2차,3차 배기구멍과 모두 연통되도록 외부로의 기체배출을 위한 체크밸브가 내장된 배기관과, 압축기의 무부하운전시 배기관과 연통시키기 위한 보조흡기관이 연통되게 형성되며, 상기 케이싱 헤드부의 외측 면에 뚫여 있는 1개의 흡기구멍과 연통되는 흡기관으로 이루어지는 외부연통부가 밀착시켜 고정 설치된다.

제2실시예로써 상기 케이싱의 외주면에 형성되어 있는 나선형 방열핀의 외주면에는 상기 케이싱의 나선형 방열핀이 모두 연결되어 통로를 이루도록 나선형 방열핀이 시작과 끝나는 위치에 내측과 외측이 관통되는 냉각매체 유입구와 냉각매체 배출구가 형성되며 양측면이 개구된 원통형으로 외측에는 방열핀이 구비되어 있는 외각원통부와, 상기 냉각매체 유입구와 냉각매체 배출구의 상하부와 케이싱의 외주면 상하부 사이에 밀폐링이 설치되며, 제3실시예로서 상기 실린더에 내장되어 있는 피스톤이 실린더와 함께 회전할 때, 피스톤에 작용하는 원심력을 상쇄시키기 위하여 각 피스톤과 연결되는 피스톤로드와 경사판에는 판스프링이 설치되며, 제4실시예로써 상기 피스톤로드는 일측이 각 피스톤의 구면 받침부에 삽입되는 구면부와 암나사부로 이루어진 로드부와, 타측이 경사판의 구면 받침부에 삽입되는 구면부와 숫나사에로 형성된 로드부로 이루어지며, 상기 로드부에 형성되어 있는 암나사부에 로드부에 형성되어 숫나사부에 나사 결합되며, 상기 로드부와 로드부를 고정시키는 고정너트로 되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 다단 배기시스템을 구비한 사축식압축장치의 단면도.

도 2는 본 발명의 실린더블록의 측면도.

도 3은 본 발명의 경사판의 평면도.

도 4는 본 발명의 흡배기판을 나타내는 사시도.

도 5의 (가)는 본 발명의 케이싱 헤드부의 평면도.

(나)는 도 5의 (가)에 도시된 케이싱 헤드부의 저면도.

(다)는 도 5 (가)(나)의 케이싱 헤드부의 A-O-B 부분을 펼친 상태의 단면도.

도 6의 (가)는 본 발명의 외부연통부의 평면도.

(나)는 도 6의 (가)에 도시된 외부연통부의 저면도.

(다)는 도 6의 (가)에 도시된 외부연통부의 A-O-B부분을 펼친 상태의 단면도.

도 7의 (가)는 본 발명의 기체의 흡입 및 압축배기과정의 설명도.

(나)는 본 발명의 기체의 흡입 및 압축배기과정의 공력특성도.

도 8은 본 발명의 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치의 공력특성도.

도 9는 본 발명에 의한 사축식 다단 배기시스템을 구비한 압축장치의 다른실시예의 단면도.

도 10은 본 발명에 사용되는 피스톤로드의 다른실시예에 의한 확대단면도.

도 11의 (가)는 종래의 왕복동 압축기의 단면도.

(나)는 종래의 왕복동 압축기의 작용원리도.

도 12의 (가)는 종래의 사축식 압축기의 단면도.

(나)는 종래의 사축식 압축기에 사용되는 밸브판의 평면도.

도 13의 (가)는 종래의 왕복동 압축기의 공력특성도.

(나)는 종래의 사축식 압축기의 공력특성도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1: 케이싱 1a : 경사면 1b : 나선형 방열핀

2 : 운동변환체 2a : 지지축 2b : 경사판

2c : 베벨기어 2d : 트러스트베어링 2f : 테이퍼롤러베어링

2g : 고정너트 2h : 로드연결부 2i : 구면 받침부

2j: 비산날개 2k : 판스프링 3 : 작동조립체

3a : 실린더블록 3b : 실린더실 3c : 실린더 헤드

3d : 흡배기 겸용 단일구멍 3e : 피스톤 3f : 피스톤 로드

3f', 3f" : 로드부 3g : 쿠션 3i : 구면 받침부

3p'3p" : 구면부 3j : 베벨기어 3k : 냉각실

3l : 나선형 방열핀 3m : 실린더 3n : 트러스트베어링

3q : 암나사부 3r : 숫나사부 4 : 흡배기판

4a : 흡기구간 홈 4b : 흡기구 4c : 1차 배기구간 홈

4d: 2차 배기구간 홈 4e : 3차 배기구간 홈 4f : 1차 배기구

4g : 2차 배기구 4h: 3차 배기구 4i : 구획벽

5 : 케이싱 헤드부 5a : 흡기구멍 5b : 1차 배기구멍

5c : 2차 배기구멍 5d : 3차 배기구멍 5e: 체크밸브

5h : 방열핀 5i : 흡배기판 설치홈 5J : 축지지부

6 : 외부연통부 6a : 흡기홈 6b : 흡기관

6c : 보조흡기관 6d : 배기홈 6e : 배기관

6f : 보조배기관 6g : 체크밸브 6h : 구획벽

7 : 구동축 7a : 볼베어링 7b : 테이퍼롤러베어링

7c: 구동풀리 7d : 유증기배출통로 8 : 외각원통부

8a : 방열핀 8b : 냉각액 유입구 8c : 냉각액 배출구

8d : 밀폐링

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 도 1 내지 도 10을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 의한 사축식 다단 배기시스템을 구비한 압축장치의 단면도를 나타낸 것이고, 도2는 본 발명의 실린더블록의 측면도를 나타낸 것이며, 도3은 본 발명의 경사판의 평면도를 나타낸 것이고, 도4는 본 발명의 흡배기판을 나타내는 사시도를 나타낸 것이며, 도5의 (가)(나)는 본 발명의 케이싱 헤드부의 평면도와 저면도를, (다)는 도 5 (가)(나)의 케이싱 헤드부의 A-O-B 부분을 펼친 상태의 단면도를 나타낸 것이고, 도6의 (가)(나)는 본 발명의 외부연통부의 평면도, 저면도를, (다)는 도 6의 (가)에 도시된 외부연통부의 A-O-B부분을 펼친 상태의 단면도를 나타낸 것이며, 도7의 (가)는 본 발명의 기체의 흡입 및 압축배기과정의 설명도와 (나)는 본 발명의 기체의 흡입 및 압축배기과정의 공력특성도를 나타낸 것이고, 도8은 본 발명의 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치의 공력특성도를 나타낸 것이며, 도 9는 본 발명에 의한 사축식 다단 배기시스템을 구비한 압축장치의 다른실시예의 단면도를 나타낸 것이고, 도 10은 본 발명의 다른실시예에 의한 확대단면도를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 관하여 첨부된 도면들을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치는 개략적으로 일측이 개구된 원통형의 케이싱(1)과 내부에 수납되어 회전운동을 직선왕복운동으로 변환시키는 운동변환체(2)와, 구동축(7)에 고정되어 회전하면서 흡입된 기체를 압축하는 작동조립체(3)와, 상기 작동조립체(3)와 대향되게 케이싱 헤드부(5)에 고정 설치되어 상기 작동조립체(3)가 회전할 때마다 실린더실(3b)과 연통되면서 기체의 흡입과 배기를 중계하는 흡배기판(4)과, 구동축(7)을 지지하고 개구된 케이싱을 밀봉하도록 고정부착되는 케이싱 헤드부(5)와, 외부로의 압축된 기체의 배출과 외부로부터의 기체의 흡입을 위한 외부연통부(6)와, 케이싱(1)의 방열을 돕는 외각원통부(8)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 작동조립체(3)는 도 1에 도시되어 있는 바와같이 원통형인 실린더블록(3a)을 관통되게 설치된 복수 개의 실린더(3m)로 구성되어 있으며, 실린더블록(3a)의 외주면에는 나선형 방열핀(3l)이 형성되어 있으며, 구동축(7)의 내부에는 유증기배출통로(7d)와 중공인 냉각실(3k)로 이루어져 있으며, 구동축(7)과 일체형으로 구성되어 있는 원판형의 실린더헤드(3c)는 내 측면이 상기 실린더블록(3a)의 일측면에 나사로 조립되며, 각 실린더(3m)가 위치하고 동심 반경으로 이루어진 원주상의 위치에 한 개씩의 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 내외로 트여지게 형성되어 있고, 실린더헤드(3c)의 외측면의 외주면에는 대향되게 고정 설치된 케이싱 헤드부(5)의 내측면과의 간격을 일정하게 유지하기 위한 트러스트베어링(3n)이 설치되는 턱이 형성되어 있으며, 또한, 중심부가 뚫여지고 돌출된 원통부위가 상기 냉각실(3k)에 삽입되어 실린더블록(3a)의 타측면에 나사로 조립되는 베벨기어(3j)가 설치되어 있으며, 각 실린더(3m)내에 실린더실(3b)을 직선왕복운동하는 피스톤(3e)에는 구면부와 암나사부로 이루어진 피스톤로드(3f)가 충격흡수재인 쿠션(3g)이 내장된 구면 받침부(3i)에 삽입되어 연결되며, 또한, 구동풀리(7c)를 통하여 회전력을 전달받는 상기 구동축(7)은 케이싱 헤드부(5)의 보스부에 수납 설치된 볼베어링(7a)과 테이퍼롤러베어링(7b)에 관통되어 지지되도록 구성되며, 상기의 피스톤로드(3f)는 다른 실시예로서 도 9 및 도10에 도시되어 있는 바와같이 일측이 각 피스톤(3e)의 구면 받침부(3i)에 삽입되는 구면부(3p')에 연장되는 부위에 암나사부(3q)가 형성된 로드부(3f')와, 타측이 경사판(2b)의 구면 받침부(2i)에 삽입되는 구면부(3p")에 연장되는 부위에 숫나사부(3r)로 형성된 로드부(3f")로 이루어지며, 상기 로드부(3f')에 형성되어 있는 암나사부(3q)에 로드부(3f")에 형성되어 숫나사부(3r)에 나사 결합되며, 상기 로드부(3f')와 로드부(3f")를 고정시키는 고정너트(2g)로 구성되어 있다.

상기 운동변환체(2)는 구동축(7)과 일정 각도를 이루며, 외측에 테이퍼롤러베어링(2f)이 끼워진 지지축(2a)이 케이싱(1)의 내측면에 위치한 경사면(1a)에 고정되어 있고, 상기 테이퍼롤러베어링(2f)의 외측에는 구동축(7)에 고정 연결된 베벨기어(3j)와 맞물리게 연결된 또 하나의 베벨기어(2c)가 볼트로 원판형의 경사판(2b)의 중심부에 고정되어 있으며, 상기 경사판(2b)은 일측면에 경사면(1a)과의 사이에 트러스트베어링(2d)이 설치될 수 있도록 턱이 형성되어 있으며, 외주부에는 사각판재로 이루어지고 외향되게 복수 개의 비산날개(2j)가 설치되어 있으며, 다른 실시예로써 도 9 및 도10에 도시되어 있는 바와같이 상기 피스톤로드(3f)의 일측에 고정되고 타측인 경사판(2b)에 단순 지지되는 복수 개의 판스프링(2k)이 부착되어 있는 구성되어 있다.

상기 흡배기판(4)은 도 4에 도시되어 있는 바와같이 환형으로 형성되어 있으며, 구동축(7)의 중심과 상기 흡배기 겸용 단일구멍(3d)의 중심과의 거리에 해당하는 반경으로 이루어진 원주상에 이중원호와 구획벽(4i)으로 구성되어 있는 도너츠형상의 구간홈들이 파여져 있으며, 더욱 상세하게는 상기 피스톤(3e)이 상사점(T)에서 하사점(B)까지 움직이는 흡입 행정구간에 해당하는 원주상의 180°(도) 구간에는 1개의 흡입구간 홈(4a)과, 그리고 피스톤이 하사점(B)에서 상사점(T)까지 움직이는 압축배기 행정구간에 해당하는 원주상의 또 하나의 180°(도) 구간에는 3개의 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)이 흡배기 겸용 단일구멍(3d)의 크기보다 작지 않은 폭으로 이루어진 구획벽(4i)을 사이에 두고 1차 배기구간 홈(4c), 2차 배기구간 홈(4d), 3차 배기구간 홈(4e)의 순서로 순차적으로 배열 형성되어 있고, 상기 흡입구간 홈(4a), 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)들에는 각각의 흡기구(4b)와, 1차 배기구(4f), 2차 배기구(4g), 3차배기구(4h)가 관통되게 뚫어져 있으며, 상기 흡입구간 홈, 1차,2차,3차 배기구간 홈(4a)(4c)(4d)(4e)들이 상기 실린더헤드(3c)의 흡배기 겸용 단일구멍(3d)과 대향되게 케이싱 헤드부(5)의 내측에 고정 설치되도록 구성되며. 특히, 각 상기 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)에 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 1개 이상 위치하지 않도록 구간이 형성되어 있다.

상기 케이싱 헤드부(5)는 도 1 및 도 5에 도시되어 있는 바와같이 환상형으로 형성되어 있으며, 내측면에는 실린더헤드(3c)와의 간격을 일정하게 유지하기 위한 상기 트러스트베어링(3n)의 설치 홈과 상기 흡배기판(4)이 고정설치되는 흡배기판 설치홈(5i)이 형성되어 있고, 중심부에는 상기 구동축(7)을 지지하기 위한 볼베어링(7a)과 테이퍼롤러베어링(7b)을 수납하는 보스부가 트여지게 형성되어 있으며, 외측면에는 방열핀(5h)이 구비되어 있고, 한편, 상기 흡배기판 설치홈(3h)에는 흡배기판(4)의 흡기구(4b)와 대향되는 위치에 흡기구멍(5a)과 1차 배기구(4f), 2차 배기구(4g), 3차배기구(4h)들과 대향되는 위치에 각 각 1차 배기구멍(5b), 2차 배기구멍(5c), 3차 배기구멍(5d)이 관통되게 뚫여 있으며, 각 상기 1차,2차,3차배기구멍(5b)(5c)(5d)에는 외측에서 내측으로의 유동을 방지하는 각각의 체크밸브(5e)가 내장되어 있고, 외주부의 볼트로 개구된 케이싱(1)을 밀봉하도록 구성되어 있다.

상기 외부연통부(6)는 도 6에 도시되어 있는 바와같이, 원통형으로 이루어지며, 일측면 원주상에 이중원호와 구획벽으로 형성된 도너츠형상의 2개의 홈, 즉 흡기홈(6a)과 배기홈(6d)이 대향되게 파여 있으며, 한 측의 흡기홈(6a)은 기체를 흡입하기 위한 흡기관(6b)과 압축기의 무부하운전시 타측의 홈인 상기 배기홈(6d)과 연통되도록 한 보조흡기관(6c)이 연통되게 외측으로 트여지게 형성되어 원통 외각에 용접하여 설치되고, 타측의 배기홈(6d)은 압축기체를 배출하고 역류를 방지하기 위한 체크밸브(6g)가 내장된 배기관(6e)과 압축기의 무부하운전시 상기 흡기홈(6a)과 연통되도록 한 보조배기관(6f)이 연통이 되게 외측으로 트여지게 형성되어 원통 외각에 용접하여 설치되어 있는 구성으로 되어 있으며, 또한, 상기 외부연통부(6)를 구성하는 상기 흡기홈(6a)은 상기 케이싱 헤드부(5)의 외측 면에 뚫여 있는 1개의 흡기구멍(5a)과 연통이 되도록 덮혀지며, 상기 배기홈(6d)은 케이싱 헤드부(5)의 외측 면에 뚫여 있는 3개의 1차,2차,3차배기구멍(5b)(5c)(5d)이 모두 연통이 되도록 케이싱 헤드부(5)에 밀착되게 고정되어 덮는 잇는 형태로 구성되어 있다.

그리고 본 발명의 또다른 실시예로써 도 9에 도시되어 있는 바와같이 외각원통부(8)는 양 측면이 개구된 원통형으로 이루지며 상기 케이싱(1)의 외주면에 형성되어 있는 나선형 방열핀(1b)의 외주면에는 상기 케이싱(1)의 나선형 방열핀(1b)이 모두 연결되어 통로를 이루도록 나선형 방열핀(1b)이 시작과 끝나는 위치에 내측과 외측이 관통되는 냉각매체 유입구(8b)와 냉각매체 배출구(8c)가 형성되며 양측면이 개구된 원통형으로 외측에는 방열핀(8a)이 구비되어 있는 구성으로 이루어지며, 상기 냉각매체 유입구(8b)와 냉각매체 배출구(8c)의 상하부와 케이싱(1)의 외주면 상하부 사이에 밀폐링(8d)이 설치되어 있는 구성으로 되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명의 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치의 작용관계를 도 1 내지 도 10를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시되어 있는 바와같이 도시되지 않은 모터의 회전력을 벨트를 매개로 하여 구동풀리(7c)를 회전시켜 회전력이 구동축(7)에 전달되면, 구동축(7)이 회전함과 동시에 이와 일체로 된 작동조립체(3)도 회전하는 동시에 구동축(7)과 나사에 의해 일체로 체결되어 있는 내측 실린더블록(3a)과 일체로 되어 있는 베벨기어(3j)가 회전하면 경사판(2b)에 일체로 결합되어 있는 베벨기어(2c)가 회전하면 운동변환체(2)의 경사판(2b)도 지지축(2a)을 중심으로 같은 회전속도로 회전하게 된다.

여기서, 상기 경사판(2b)에 지지되어 있는 피스톤로드(3f)의 연결부인 구면받침부(2i)의 중심과 지지축(2a)의 중심사이의 거리를 반경 R, 구동축(7)과 지지축(2a)이 이루는 각을 경사각 K0, 한 구면받침부(2i)의 중심이 지지축(2a)을 중심으로 회전한 각도를 회전각 K라 하면, 한 구면받침부(2i)의 중심이 구동축방향으로 움직인 거리 Z는 2Rsin(K0)(1-cos(K))의 식으로 나타낼 수 있으므로, 경사판(2b)의 1회전에 한 구면받힘부(2i)는 구동축방향으로 최대 2Rsin(K0)의 거리를 왕복운동하게 된다. 따라서, 경사판(2b)은 구면받침부(2i)와 피스톤로드(3f)을 통하여, 행정거리 2Rsin(K0)인 피스톤(3e)을 실린더(3m)내에서 직선왕복운동하게 하는 역할을 하며, 작동조립체(3)를 구성하는 실린더블록(3a)에는 실린더 헤드(3c)를 갖는 복수 개의 실린더(3m)가 있고, 각 실린더는 내장된 피스톤(3e)에 의해 밀폐된 작업공간인 실린더실(3b)을 형성하고 있으므로, 피스톤의 왕복운동은 실린더실(3b)의 밀폐된 공간에서 직선왕복운동하게 된다.

따라서, 상기 실린더실(3b)의 공간이 늘어나는 흡입행정과정은 실린더헤드(3c)에 뚫여진 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 회전하면서 대향되게 근접 설치된 흡배기판(4)의 흡기구간 홈(4a)과 연통되는 과정에 해당되어, 외부연통부(6)의 흡기관(6b)과 케이싱 헤드부(5)에 형성되어 있는 흡기구멍(5a)과 흡배기판(4)의 흡기구간 홈(4a)과 실린더헤드(3c)의 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 하나의 통로를 이루어 기체를 흡입하게 된다.

또한, 상기 실린더실(3b)의 공간이 줄어드는 압축배기과정은 실린더헤드(3c)의 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 회전하면서, 흡배기판(4)의 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)과 순차적으로 연통되는 과정에 해당되어, 외부연통부(6)의 배기관(6e)과 케이싱 헤드의 1차,2차,3차 배기구멍(5b)(5c)(5d)들과 각각 연통되어진 흡배기판(4)의 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)과 실린더헤드(3c)의 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 하나의 통로를 이루어 기체를 순차적으로 압축 배기하게 된다.

그리고, 케이싱(1)의 내부에는 움직이는 부품들의 냉각과 윤활을 위한 윤활유가 실린더블록(3a)의 하부에 위치한 나선형 방열핀(3l)이 잠길 정도로 담겨져 있으며, 구동축(7)의 회전에 의해 경사판(2b)이 회전하면 경사판(2b)에 부착된 비산날개(2j)에 의해 윤활유를 비산하여 윤활유와 직접 접하지 않는 부위에 윤활과 냉각 그리고 윤활유가 보유한 열을 케이싱(1)의 내부면에 골고루 분산하여 케이싱(1)의 내부에서 움직이는 부품들을 윤활과 동시에 냉각하게 되며. 비산날개(2j)에 의해 비산된 윤활유는 실린더블록(3a)의 외주면에 형성되어 있는 나선형 방열핀(3l)에 나선형으로 윤활유가 경사판(2b)의 방향으로 이동시키므로서 실린더(3m) 내에서 기체압축에 의해 발생된 열을 실린더블록(3a)에 형성되어 있는 나선형 방열핀(3l)을 통하여 외부로 발산하여 케이싱(1)과 케이싱(1)의 내부에 설치되어 있는 부품들을 냉각하게 되는 동시에 밀폐된 케이싱 내부에서 발생되는 열에 의해 생성되는 증기는 구동축(7)을 관통하여 형성되어 있는 유증기배출통로(7d)를 통하여 배출되고, 작동조립체(3)의 중심에 위치한 냉각실(3k)은 실린더내에서 기체압축에 의해 발생된 열을 실린더블록(3a)의 내피를 통하여 발산하게 되는 것이다.

또한, 상기 케이싱(1)과 케이싱(1)의 내부에 설치되어 있는 부품들을 더욱더 냉각시키기 위한 다른 실시예로서 도 9에 도시되어 있는 바와같이, 케이싱(1)의 외주면에 형성되어 있는 나선형 방열핀(1b)의 외주면에 방열핀(8a)와 냉각매체 유입구(8b)와 냉각매체 배출구(8c)로 이루어진 외각원통부(8)을 덧씌우고, 냉각매체 유입구(8b)와 냉각매체 배출구(8c)의 상하부와 케이싱(1)의 외주면 상하부 사이에 밀폐링(8d)을 삽입 설치하여 냉각매체 유입구(8b)에 냉각매체를 순환시키면 냉각매체는 케이싱(1)의 외주면에 형성되어 있는 나선형 방열핀(1b)을 따라 선회하여 순환하면서 케이싱(1)과 케이싱(1)의 내부에 설치되어 있는 부품들에서 발생하는 기계적 마찰열과 기체압축에 의해 발생된 모든 열을 케이싱 헤드부(5)의 방열핀(5h)과 방열핀(8a)을 통하여 케이싱(1)의 외부로 열을 발산하면서 케이싱(1)과 케이싱(1)의 내부에 설치되어 있는 부품들을 냉각시키게 된다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예로써 도 9 및 도 10에 도시되어 있는 바와같이, 실린더(3m)내에서 직선왕복운동하는 피스톤(3e)은 실린더(3m)들로 이루어진 실린더블록(3a)의 회전과 함께 회전하므로 피스톤(3e)에 구동축(7)을 중심으로 반경이 커지는 방향으로 즉 외향의 원심력이 작용하게 되고, 이 원심력은 실린더내부의 회전반경이 큰 원통면에 억압하는 힘으로 작용하게 되며, 피스톤(3e)이 실린더내에서 직선왕복운동시 마찰력의 증가로 나타나서 상호 마모와 이로 인한 열이 발생된다. 여기서, 피스톤이 구동축(7)의 중심과 이루는 반경을 R, 회전각속도를 W, 피스톤의 질량을 M이라 하면, 외향원심력은 M*R*W*W이 된다. 따라서, 상기의 외향원심력을 상쇄하기 위하여 일정 길이와 탄성력을 갖는 판스프링(2k)을 원심력이 작용하는 반대 방향으로 피스톤(3e)과 연결된 피스톤로드(3f)에 지지되도록 설치하므로서 판스프링(2k)에 의하여 지렛대의 원리처럼 피스톤의 원심력을 상쇄시키도록 작용하게 되는 것이다.

다음은 도시되어 있는 도(7)과 도(8)에 의하여 피스톤(3e)이 왕복운동하는 과정에서 상기 흡배기판(4)을 이용하여 기체를 흡입하고 압축하여 배기하는 과정과 이로 인해 얻어지는 각 위치에서의 공력특성도에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

피스톤이 상사점(T)에 위치했을 때를 기준으로 해서, 실린더 헤드(3c)의 기준 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 반시계방향으로 회전하는 각도를 K로 나타내면, K=0°(도)∼180°(도)의 회전구간은 피스톤의 흡입행정구간에 해당하고, 또한 K=180°(도)∼360°(도)의 회전구간은 피스톤의 압축배기행정구간에 해당된다.

상사점(T)에서 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 회전하여 흡기구간 홈(4a)과 연통되기 직전인 K1까지는 실린더실(3b)에 배기되지 않고 잔류해 있는 일부의 압축기체가 팽창하도록 하는 구간이며, 흡기구간 홈(4a)과 연통되는 K1에서 K2까지는 기체를 흡입하는 흡입구간(S2)이며, 이 후, 피스톤이 하사점(B)에 해당하는 K3까지는 흡배기 겸용 단일구멍(3d)을 막아 압축을 준비하는 구간이다.

또한, 하사점(B)에서 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 막혀진 K4까지는 1차 압축구간(R1)이고, 1차 배기구간 홈(4c)과 연통하기 시작하는 위치에서 K5까지는 1차 배기구간(E1)이며, 또 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 막혀진 상태에서 K6까지는 2차 압축구간(R2)이고, 2차 배기구간 홈(4d)과 연통하기 시작하는 위치에서 K7까지는 2차 배기구간(E2)이며, 또 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 막혀진 상태에서 K8까지는 3차 압축구간(R3)이고, 3차 배기구간 홈(4e)과 연통하기 시작하는 위치에서 K9까지는 3차 배기구간(E2)이며, 이 후, 피스톤이 상사점(T)에 해당하는 K10까지는 흡배기 겸용 단일구멍(3d)을 막아 흡입을 준비하는 구간이다.

여기서, 상기의 배기구간(E1,E2,E3)에서 흡배기 겸용 단일구멍(3d)이 상기 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)들과 연통이 되어 있어도, 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)들과 외부연통부(6)의 배기홈(6d)과의 사이에 각각의 역류방지용 체크밸브(5e)가 내장되어 있으므로, 상기 배기홈(6d)내의 압력조건에 따라 각각의 체크밸브(5e)가 열리고 닫힌 상태가 된다. 상기 배기구간(E1,E2,E3)들을 배기구간이라 명명했으나 체크밸브가 닫힌 상태가 되면 실질적으로는 압축구간의 역할을 하게 된다.

실린더내로 흡입되어진 기체가 압축후 배기되어 저장조로 흘러가는 각 위치에서의 압력상태가 압축기의 회전수(N)에 따라 변하는 양상을 도 8에, 압축기의 1회전에 해당되는 구간에서 흡배기 겸용 단일구멍(3d)의 회전각 K에 따라서 변하는 양상을 도 7의 (나)에 나타내었다.

여기서, 흡입행정구간동안 흡입된 기체의 압력(p0)을 기준으로, 피스톤의 압축과정에서 얻어진 실린더실(3b)내의 압력을 회전각 K4, K5, K6 등의 순서대로 p4, p5, p6 등으로 나타내고, 상기 배기홈(6d)내의 압력을 pe, 배기관(6e)이 외부의 저장조에 연결되어 있는 경우, 그 저장조내의 압력을 pt, 그리고, 사용자가 원하는 저장조내의 정규압력을 ptr로 나타내었으며, 또한 설명을 간단하게 하기 위하여, 체크밸브와 배관에 의한 압력손실을 무시하여 배기홈(6d)의 압력(pe)과 저장조내의 압력(pt)은 동일하다고 하였다.

우선, 저장조의 정규압력(ptr)이 정해지면, 실린더실(3b)내의 최고도달압력(pmax)이 상기 정규압력(ptr)이상이 되도록 피스톤의 행정거리를 정한다. 여기서, 상기 최고도달압력(pmax)은 모든 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)과 배기홈(6d)의 사이에 있는 체크밸브(5e)가 모두 닫혀져 있는 상태에서 피스톤(3e)으로 압축해서 얻어지는 실린더실(3b)의 최고압력을 의미하며, 도 7의 (나)에 따라 설명하면, 회전각 K가 K4가 되면 점(4)의 압력(p4)이 얻어지고, 순서대로 K5, K6, K7, K8, K9이면 각각 p5, p6, p7, p8, p9이 얻어지므로 최고도달압력(pmax)은 p9가 된다. 따라서, 본 발명의 압축장치에서는 마지막에 위치한 배기구간(E3)에서 얻어지는 p8과 p9사이의 압력이 사용자의 저장조의 정규압력(ptr)이 되도록 하였다.

도 8에 따라 저장조의 압력(pt)이 도 7의 (나)에 나타낸 점(4)와 점(5)사이의 압력에 해당하는 경우를 설명하면, 작동은 점(3), 점(4), 점(4A), 점(5), 점(6), 점(7), 점(8), 점(9)로 이어지는 과정이 된다. 즉, 처음 점(3)의 압력(p0)에서 점(4)까지는 압축이 진행이 되며, 계속해서 첫 번 째 체크밸브(5e)가 있는 1차 배기구간(E1)에서 점D로 나타낸 저장조의 압력(pt)과 동일해지는 위치, 점(4A)까지는 체크밸브(5e)가 닫혀 있는 상태로 압축이 진행이 된다. 이 후 점(4A)를 지나면서 체크밸브(5e)가 열리고, 점D의 압력과 동일압력으로 점(5)에 도달한다. 계속해서, 점(5)에서 점(6)까지는 압축이 진행되고, 2차 배기구간(E2)의 시작인 점(6)의 압력이 점D의 압력보다 높으므로 두 번째 체크밸브(5e)가 열리게 되고, 2차 배기과정(E2)이 끝나는 점(7)에서 점D의 압력이 된다. 계속해서, 점(7)에서 점(8)까지는 압축이 진행되고, 3차 배기구간(E3)의 시작인 점(8)의 압력이 점D의 압력보다 높으므로 세 번째 체크밸브(5e)가 열리게 되고, 3차 배기과정(E2)이 끝나는 점(9)에서 점D의 압력이 된다. 이상에서 설명했듯이 실린더내의 압력(p)가 점D로 나타낸 저장조의 압력(pt)이 되기 이전에 위치한 체크밸브(5e)는 항상 닫혀있고, 그 이후의 체크밸브(5e)는 항상 열려있음을 나타내고 있으며, A자의 기호로 체크밸브(5e)가 열리는 위치를 나타내고 있다. 따라서, 점D로 나타낸 저장조의 압력(pt)이 점(6)와 점(7)사이의 압력에 해당하는 경우의 작동은 점(3), 점(4), 점(5), 점(6), 점(6A), 점(7), 점(8), 점(9)로 이어지는 과정으로 이루어 지고, 또, 점(8)와 점(9)사이의 압력에 해당하는 경우는 점(3), 점(4), 점(5), 점(6), 점(7), 점(8), 점(8A), 점(9)과 같이 된다.

한편, 압축기의 구동축(7)은 계속 회전하나 압축기의 보조배기관(6f)을 보조흡기관(6c)에 연결되도록 하여 실린더실에 공력적인 압축부하가 걸리지 않도록 한 통상의 무부하운전 즉, 점D로 나타낸 저장조의 압력(pt)이 점(4)의 압력보다 낮은 경우, 즉 도 8의 제일 우측에 나타낸 작동도에서 점(3), 점(4), 점(5), 점(6), 점(7), 점(8), 점(9)로 이어지는 과정이 되어, 모든 체크밸브(5e)는 열린 상태가 된다. 여기서, 1차 압축구간이 끝나는 점(4)의 위치는 흡기관(6b)에 연통되어진 점D의 압력(pe), 즉 흡기압력(p00)보다 낮지 않도록 결정되어 진다.

이상의 결과들로부터 다음과 같은 결과가 도출된다.

압축장치의 기체압축에 소요되는 부하는 실린더(3m)내의 기체를 압축한 정도에 비례한다. 도 8을 참조하면, 압축기가 구동하여 저장조의 압력(pt)이 정규값(ptr)이 되는 점E까지 소요된 총 부하량은 각 회전마다 점3에서 점9까지의 점들로 이루어진 다각형의 면적의 총합으로 나타나며, 또한 이 값은 외부에서 구동한 에너지의 총 소요량과 비례한다.

본 발명에 의한 압축장치의 경우, 에너지 총소요량은 도 13의 (가)(나)에서 나타낸 종래의 왕복동 압축기의 경우와 유사하나, 종래의 사축식 압축기의 경우보다는 약 60(%)정도에 그치고 있어, 에너지효율이 1.5배 이상 높은 장치임을 보여주며. 특히 무부하운전일 경우는 소요에너지량의 차이가 더욱 더 커지고 있어 에너지 효율이 높은 무부하운전이 가능한 장치임을 알 수 있으며, 또한, 매 회전마다 실린더내에서 얻어지는 기체의 최대압력이 저장조의 압력(pt)과 거의 동일하므로 압축된 기체가 보다 저압인 상태로 분출할 때 발생하는 공력소음이 미미한 것임을 알 수 있다.

또한, 실린더(3m)내의 압축부하는 바로 구동축(7) 방향의 축력부하에 해당이 되는데, 이 압축부하의 단위시간당 변동폭이 종래의 사축식 압축기의 경우가 보다 훨씬 적다. 따라서, 이 변동부하에 의해 직접 영향받는 경사판(2b)을 지지하는 베어링들과, 회전축에 연결된 베어링들의 내구성은 상당히 높아지게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치는 역류방지용 체크밸브가 내장된 복 수개의 배기통로와, 모든 배기통로의 내부가 흡기통로와 연통되도록 한 무부하용 배관을 구비하여 압축기의 압축배기과정이 순조롭게 이루어지게 함으로써, 압축에 소요되는 동력를 줄여 에너지효율을 높일 수 있으며, 공기역학적으로 소음원을 줄여 정숙한 운전이 가능하고, 부하변동폭을 줄여 기계적 내구성을 높일 수 있으며, 효율이 높은 무부하운전이 가능한 압축장치를 제공하며, 냉각매체를 압축장치의 주위를 순환하며, 압축기의 내부에 기계적 마찰과 공기압축에 의해 발생된 열을 냉각윤활유를 이용하여 순조롭게 외부로 방출하므로써 기체의 압축효율과 압축장치의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 피스톤의 회전에 의해 발생되는 원심력을 상쇄시키기 위한 판스프링을 부착하여 피스톤이 직선왕복운동시 실린더내부의 접촉면에 발생하는 상대마찰력을 줄임으로써 열 발생을 억제시켜 기체의 압축효율을 높이고 구성품의 수명연장을 도모하는 동시에 피스톤을 직선왕복운동시키는 경사판의 지지점과 피스톤사이에 길이조절이 가능한 피스톤로드를 구비하여 피스톤의 조립이 쉬워지도록 함으로써 제품의 조립생산성을 향상을 기할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 케이싱(1)의 내부에 관통구멍으로 이루어진 복수 개의 실린더(3m)로 구성된 원통형의 실린더 블록(3a)과 개구된 실린더(3m)내에 수납되고 실린더(3m)수와 동일하게 피스톤 로드(3f)와 구면부(3p)를 갖는 피스톤(3e)과, 구동축(7)의 끝단측에는 이 축과 일정의 각도를 이루면서 케이싱(1) 내부에 고정 설치된 지지축(2a)과, 상기 지지축(2a)을 중심으로 트러스트베어링(2d)의 위에 안치되어 회전되는 경사판(2b)이 설치된 것에 있어서,

   상기 구동축(7)의 내부에는 증기배출통로(7d)와 냉각실(3k)이 형성되고, 상기 경사판(2b)의 외주부에는 복수개의 비산날개(2j)가 설치되며, 상기 원통형의 실린더 블록(3a)과, 케이싱(1)의 외주면에는 각각 나선형 방열핀(3l)(1b)이 형성되며, 상기 구동축(7)의 회전에 의해 경사판(2b)을 회전시키기 위하여 구동축(7)의 끝단과 경사판(2b)의 상부에는 베벨기어(3j)(2c)가 각각 설치되며, 상기 실린더 블록(3a)의 상부에는 실린더헤드(3c)가 설치되고,

   상기 실린더헤드(3c)와 대향되게 케이싱 헤드부(5)의 내측 면에는 관통된 구멍(4b)을 구비한 1개의 흡기구간 홈 (4a)과, 각 관통된 1차,2차,3차 배기구(4f)(4g)(4h)가 구비된 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)사이에 구획벽(4i)으로 구성되어 있는 환형의 흡배기판(4)이 설치되고,

   상기 케이싱 헤드부(5)에는 흡배기판(4)의 흡기구간 홈(4a)과 배기구간 홈들을 통하여 흡입된 기체를 배기할 수 있도록, 상기 1개의 흡기구간 홈(4a)과 연통이 되는 1개의 흡기구멍(5a)과, 상기 1차,2차,3차 배기구간 홈(4c)(4d)(4e)과 연통이 되면서 내부에는 각각의 체크밸브(5e)가 설치되는 1차,2차,3차 배기구멍(5b)(5c)(5d)이 내외로 관통되게 형성되며, 중심부가 관통되어 구동축(7)이 삽입되는 축지지부(5j)와 흡배기판(4)이 안치되는 흡배기판 설치홈(5i)이 형성되고,

   상기 케이싱 헤드부(5)에 관통되게 형성되어 있는 1차,2차,3차 배기구멍(5b)(5c)(5d)에는 각각의 체크밸브(5e)가 각각 설치되고,

   상기 원판형인 케이싱 헤드부(5) 상부에는 흡기홈(6a)과 배기홈(6d)이 형성되고, 상기 배기홈(6d)과 압축기의 무부하운전시 보조흡기관(6c)과 연통시키기 위한 보조배기관(6f)이 연통되게 형성되며, 케이싱 헤드부(5)의 외측 면에 뚫여 있는 1차,2차,3차 배기구멍(5b)(5c)(5d)과 모두 연통되어 외부로의 기체배출을 위한 체크밸브(6g)가 내장된 배기관(6e)과, 상기 흡기홈(6a)과 압축기의 무부하운전시 보조배기관(6f)과 연통시키기 위한 보조흡기관(6c)이 연통되게 형성되며, 상기 케이싱 헤드부(5)의 외측 면에 뚫여 있는 1개의 흡기구멍(5a)과 연통되는 흡기관(6b)으로 이루어지는 외부연통부(6)가 밀착시켜 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 케이싱(1)의 외주면에 형성되어 있는 나선형 방열핀(1b)의 외주면에는 상기 케이싱(1)의 나선형 방열핀(1b)이 모두 연결되어 통로를 이루도록 나선형 방열핀(1b)이 시작과 끝나는 위치에 내측과 외측이 관통되는 냉각매체 유입구(8b)와 냉각매체 배출구(8c)가 형성되며 양측면이 개구된 원통형으로 외측에는 방열핀(8a)이 구비되어 있는 외각원통부(8)와, 상기 냉각매체 유입구(8b)와 냉각매체 배출구(8c)의 상하부와 케이싱(1)의 외주면 상하부 사이에 밀폐링(8d)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 실린더(3m)에 내장되어 있는 피스톤(3e)이 실린더와 함께 회전할 때, 피스톤(3e)에 작용하는 원심력을 상쇄시키기 위하여 각 피스톤(3e)과 연결되는 피스톤로드(3f)와 경사판(2b)에는 판스프링(2k)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 피스톤로드(3f)는 암나사부(3q)가 형성된 로드부(3f')와, 숫나사부(3r)가 형성된 로드부(3f")로 이루어지며, 상기 로드부(3f')와 로드부(3f")를 고정시키는 고정너트(2g)로 되는 것을 특징으로 하는 다단 배기시스템을 구비한 사축식 압축장치.