KR20060012305A - 공구의 공압 작동용 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

공구의 공압 작동용 장치는, 일반적으로 폐쇄된 가압 유체 회로(2)와, 입구와 출구를 가지며 회로 내 가압 유체의 압력을 높이기 위한 적어도 하나의 압축기(5)와, 회로의 가압 유체에 의해 구동되는 공구를 포함하며, 가압 유체는 회로에서 공구에 의해 압축기(5)의 출구로부터 입구 쪽으로 운반된다. 공구(8)의 하류측 복귀 가압 유체의 압력이 주위 대기압보다 높도록, 압축기에 의해 생성된 압력과 공구(8)에 의해 선택된 하중이 적용된다.

연소 기관, 공구 작동용 장치, 공압식 공구, 공압 장치, 압축기

Description

공구의 공압 작동용 방법 및 장치 {A METHOD AND DEVICE FOR THE PNEUMATIC OPERATION OF A TOOL}

본 발명은 공구의 공압 작동용 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 특허 청구범위 제1항의 전제부에 따르는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 이 방법을 실현하기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 특허 청구범위 제6항의 전제부에 따르는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 공기나 그 외 임의의 기체에 의해 작동되는 엔진 또는 공구 등 모든 종류의 공압 장치에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 언급하는 공구는 임의의 산업용 장치, 차량의 공압 작동을 위한 장치, 엔진 밸브를 위한 공압 작동식 액츄에이터용 장치, 모든 형태의 작업 공구 등을 포함하여 넓은 의미로 이해되어야 한다.

"일반적으로 폐쇄된"이란, 압축기의 출구로부터 작동식 공구를 통해 압축기의 입구 쪽으로의 연속적인 가압 유체 도관인 회로가 가능한 한 폐쇄된다는 것을 나타낸다. 양호하게는, 이러한 회로는 가압 유체가 주위 대기로 누출될 수 있도록 된 통로를 배제할 수 있다.

공압 장치는 통상적으로 유체, 공기 또는 임의의 기타 기체를 압축하기 위한 압축기와, 이 압축기와 연통된 탱크와, 하나 이상의 사용자 위치(user place)로 유체를 안내하기 위한 도관을 포함한다. 보통, 사용자 위치는 공기-작동식 공구 또는 공기-작동식 엔진 등의 공기-작동 부재이다.

공기가 압축되면 열이 발생되는데, 최근의 현재 공압식 장치에서 이 열은 공기가 사용자 위치에 도달하기 전에 통상적으로 그리고 일반적으로 주변(environment)으로 전달된다. 온도가 27 ℃(300 K)이고 압력이 100 ㎪ 절대압(1 바 절대압) 내지 1,000 ㎪ 절대압(10 바 절대압)인 공기의 (본 명세서에서 압축기의 일반적인 형태인 피스톤 압축기에 대해, 주변과 어떠한 열교환도 없는) 소위 단열 압축과 관련하여, 최종 온도는 약 306 ℃(579 K)이다. 사용자 위치에서의 온도가 27 ℃(300 K)로 떨어진다면, 사용자 위치에 있는 즉, 공구에 의한 공기 부피는 (1 - 300 / 579) × 100 % = 48 % 만큼 감소된다. 통상, 주변으로의 열전달은 에너지의 상당한 손실일 뿐이다. 가끔, 압축열이 물을 가열하기 위한 목적으로 이용되어, 전체 경제성의 실질적인 개선을 얻을 수 있다. 그러나, 플랜트의 크기 즉 압축기의 크기 및 그 용량은 여전히 동일하다. 더욱이, 공기 도관 뿐만 아니라 공기의 저장용으로 사용되는 탱크는 어느 정도 단열되어, 에너지 소비의 절감이라는 측면에서도 긍정적이다. 압축기와 탱크는 사용자 위치에서의 공기의 필요 및 열 손실의 관점에서 치수 결정된다.

또한, 다른 손실들이 있지만, 상기 열손실이 손실의 가장 중요한 원인이다. 열손실은 에너지 효율에 부정적인 영향을 미친다. 예를 들어 특정 동력의 공구에 가압 공기를 제공하기 위한 압축기의 작동을 위해, 과도한 양의 에너지가 요구된 다.

본원 발명의 목적은 회로에서 생기는 열손실을 최소화함과 동시에 공구 작동용 가압 유체, 공기 또는 기타 기체의 필요를 충족시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본원 발명의 다른 목적은 특정 공구의 작동을 위해 상대적으로 작은 용량의 즉, 공기 에너지를 조금 소비하는 압축기를 사용하도록 허용하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 주목적은 특허 청구범위 제1항의 특징부에서 한정된 특징을 구비한 방법 및 특허 청구범위 제6항의 특징부에서 한정된 특징을 구비한 장치에 의해 달성된다.

본 발명에서는, 동시적인 온도 상승 없이 압축을 통해 필요한 가압 유체가 생성될 수 있다면, 열손실은 그에 대응하는 만큼 감소될 수 있으며, 많은 경우에 중요한 장점이 되는 압축기의 충분한 소형화가 가능하다는 결론에 의거한다.

본 발명에 따르면, 압축기가 주위 대기압보다 높은 상승된 압력에서 작동될 때 압축기에 의한 온도 상승이 매우 작아지며, 그 결과 특정 절대 압력 증가에 대한 열손실이 상당히 작아질 수 있다. 한가지 조건은, 도관이 가압 유체를 압축기로부터 공구 쪽으로 안내하는 그 주변이, 대기압으로부터 필요한 압력으로 압축될 때 가압 유체가 갖게 되는 온도보다 낮은 특정 최대 온도를 갖는다는 것이다. 또한, 통상 가압 유체의 온도를 주위 온도로 낮추게 열교환되도록, 도관의 길이가 정해져야 한다. 본 발명의 실현은 결과적으로 상당히 낮은 압축 온도, 압축 기체의 온도를 얻게 하여, 열손실을 감소시킬 수 있고 열공급을 향상시킬 수 있다.

공압식 작동 공구의 유효일(useful work out)을 얻기 위해, 고압원 및 저압원이 필요하다. 최근 장치에서는, 압력이 약 100 ㎪(1 바)인 주위 대기가 저압원을 구성한다. 고압원은 대기로부터의 공기를 특정 압력으로 예를 들어 후술하는 예에서는 1,000 ㎪(10 바)로 가압함으로써 얻어진다. 공압 공구는 고압원과 저압원 사이의 차에 의해, 이 예에서는 900 ㎪(9 바)에 의해 구동된다. 만일, 예를 들어 저압원이 1,100 ㎪(11 바)이고 고압원이 2,000 ㎪(20 바)이면, 동일한 압력차가 된다. 100 ㎪(1 바)에서 1000 ㎪(10 바)까지의 압축시 온도 상승은 실질적으로 1100 ㎪(11 바)에서 2000 ㎪(20 바)로의 압축시보다 크다. 따라서, 후자의 경우, 압축시의 온도 상승이 상당히 작아지므로, 열손실 가능성이 실질적으로 더 작다. 고압원과 저압원 사이의 관계인 압력비는 전자의 경우(9/1)에 비해 후자의 경우(20/11)가 더 작다. (30/21), (40/31) 등과 같이 압력비가 더 작아질수록, 온도 상승은 줄어들게 된다. 상대적으로 낮은 압축 후 온도로 인하여 열손실 가능성은 낮아짐과 함께, 열공급의 가능성은 증가한다.

본 발명의 목적이 달성되도록 하는 방법의 바람직한 실시예들이 종속 청구항 제2항 내지 제5항에 개시되어 있다. 작동시 주위 대기의 온도보다 높은 온도를 갖는 연소 기관 또는 다른 발열 부품이 장치에 제공되거나 또는 장치가 이들을 포함하는 경우, 상기 연소 기관 또는 발열 부품으로부터 열손실의 부가적인 절감을 위한 가압 유체로의 열전달을 위해 또는 심지어 가압 유체의 가열을 위해, 열교환기가 압축기와 공구 사이에 연장된 가압 유체 도관의 일부를 따라 유익하게 배열된다.

본 발명의 목적들을 달성하는데 기여할 수 있는 장치의 바람직한 실시예들이 종속 청구항 제7항 내지 제10항에 개시되어 있다.

본 발명에 따르는 방법 및 장치의 다른 특징 및 장점을 아래에서 상세히 설명한다.

위에서 또는 아래에서 단독으로 또는 다른 단어의 부분으로 일컬어지는 유체는 기체 또는 기체 혼합물, 바람직하게는 공기이다.

공구를 작동시키기 위한 최근 압축기 구성에서는, 통상 대기로부터 공기를 취하여 600 ㎪ 내지 1,000 ㎪ 절대압(6 내지 10 바 절대압)의 범위인 최종 압력으로 압축시킨다. 공기가 공구를 작동시키기 위해 사용되는 경우, 공기는 대기로 복귀된다. 본 발명에 따르면, 공기는 대기로 복귀되면 안되며, 대신 폐쇄계(closed system) 내에서 압축기로 복귀된다. 본 발명의 특징은, 복귀 공기가 대기 압력을 초과하는 압력을 갖는 것이다. 그 결과, 대기로 공기를 복귀시키는 개방계(open system)보다 높은 압력으로 압축기의 공기를 압축시켜야 하며, 이것은 공구에 의한 필요한 일(work)의 양을 얻도록 특정 공구를 작동시키는데 필수적이다. 본 발명에 따르면, 폐쇄계로부터의 공기의 누출은 대기로부터 또는 저장조로부터의 공기로 보충된다. 이하, 장점들이 예를 들어 설명된다.

후술하는 본 발명의 예에서, 어떻게 열손실의 가능성이 상당한 정도로 감소될 수 있는지가 설명된다. 100 ㎪ 절대압(1 바 절대압)이며 온도가 27 ℃(300 K)인 대기 공기를 900 ㎪(9 바)의 압력차인 1,000 ㎪ 절대압(10 바 절대압)으로의 단열 압축은 약 306 ℃(579 K)의 최종 온도를 얻게 한다. 주위 온도가 27 ℃(300 K)인 사용자 위치까지의 열손실에 대한 가능성은 306 - 27(579 - 300) 즉, 279도이다. 본 발명에 따르는 폐쇄계에서는, 2,000 ㎪(20 바 절대압)으로의 단열 압축 전에 공기 압력이 1,100 ㎪(11 바 절대압)이고 (즉, 압력 차가 900 ㎪(9 바)) 온도가 27 ℃(300 K)인 경우, 최종 온도가 약 83 ℃(356 K)로 된다. 사용자 위치까지의 열손실에 대한 가능성은 83 - 27(356 - 300), 즉 56도이다. 첫번째 예에서는 온도가 주변 온도보다 279도 높게 되며, 후자의 경우에는 56도 높게 된다. 후자의 발명의 경우, 주변으로의 열손실에 대한 가능성이 상당히 낮아지게 된다. 동시에, 열공급에 대한 가능성은 향상된다. 이 예에 따르면, 온도가 83 ℃(356 K) 초과인 열원들이 2,000 ㎪(20 바)로 압축되는 공기의 온도를 높이기 위해 사용될 수 있다. 이것은, 다시, 특정한 요구를 위해 생성되어야 하는 2,000 ㎪(20 바)의 공기 양보다 적은 것을 의미하는 부피 증가를 생기게 하며, 다시 압축기 일의 감소를 필요하게 한다.

본 발명을 실시함으로써, 피스톤 압축기가, 예를 들어, 향상된 유동 용량을 갖지만 알맞은 수준으로 효율을 유지하기 위해 낮은 압축비로 작동되는 보다 소형의 회전식 압축기로 대체될 수 있다. 복귀압이 증가하면서 필요한 변위가 감소되며, 이것은 다시 더 작은 마찰 및 더 작은 열전달 표면을 얻게 한다. 양호하게는, 공기가 작업 공구에 공급되기 전에, 폐열 또는 임의의 다른 열원이 공기를 가열하는데 사용되거나 적어도 냉각을 최소화하는데 사용된다. 그 다음, 압축 전에 유체의 냉각이 또한 필요하다. 양호하게는, 압축 전에 (압축 후보다 온도가 높다면, 이는 공구 상류측 열원으로부터 너무 과도한 열이 공급된 결과이다) 그리고 열원으로부터 어떤 열이 공급되기 전에, 복귀 공기가 최종 냉각되기 전에 복귀 공기로부터 열이 회수된다. 이러한 가열 및 냉각으로, 공압 에너지 변환기(pneumatic energy transformer)가 제공되며, 외부열 공급 덕분에 압축기에 의해 공급되는 것보다 더 많은 일이, 예를 들어, 작동 공구 또는 팽창기(expander)에 의해 생성된다. 폐쇄계에서는 응축된 수분을 제거할 필요가 최소화된다.

본 발명의 다른 장점 및 특징이 이하 상세한 설명과 나머지 종속하는 특허 청구범위에서 후술될 것이다.

이하, 본 발명이 첨부된 도면들을 참조하여 예를 들어 더 상세히 설명될 것이다.

도1은 본 발명에 따른 장치의 공압 회로의 개략도,

도2는 본 발명에 따른 장치의 제2 실시예에 따르는 장치의 공압 회로의 개략도,

도3은 본 발명에 따르는 장치의 제3 실시예에 따르는 장치의 공압 회로의 개략도,

도4는 본 발명에 따르는 장치의 제4 실시예에 따르는 장치의 공압 회로의 개략도이다.

도1은 저압축비와 고압으로 유체를 가압 및 펌핑하는 적어도 하나의 압축기(5)를 포함하는 일반적으로 폐쇄된 가압 유체 회로(2)를 갖는 장치(1)를 도시한다. 유체는 가압될 때 압축기의 입구(4)로부터 압축기(5)를 통해 압축기의 출구(3)로 운반된다. 입구(4)에서의 압력이 주위 대기의 압력보다 높으며 최근 장치는 주위 대기압과 일반적으로 동일한 입구 압력으로 작동하기 때문에, 압축기 내 압력의 임의의 절대적인 증가를 위해, 출구(3)의 압력과 입구(4)의 압력 사이의 관계는 최근 방법/장치에 비해 상당히 작다. 양호하게는, 입구 압력은 주위 대기의 압력보다 1.5배 초과, 바람직하게는 2.0배 높다.

유체는 압축기(5)로부터 도관(6)을 통해 적어도 하나의 유체-작동식 공구(8)의 입구(7) 쪽으로 안내된다. 공구(8)는 연소 기관의 밸브들을 작동시키기 위한 공압 작동식 액츄에이터에서의 또는 피스톤 팽창기에서의 왕복 피스톤을 포함할 수 있다. 일반적으로, 공구(8)는 엔진, 작업 공구(working tool) 또는 공압식으로 작동되는 임의의 기타 장치이다. 도관(6)의 압력은 압축기의 출구(3)에서와 공구(8)의 입구(7)에서와 대체로 동일하다. 유체는 공구(8)를 거쳐 압축기의 출구(9)로 안내된다. 공구(8)에서는, 공급된 유체가 상기 부재를 거쳐 출구(9)로 통과하면서 일을 발생시킨다. 출구(9)는 도관(10)에 의해 압축기(5)의 입구(4)와 연결되어 있다. 압축기와 공구 사이의 도관(6) 내의 유체와, 복귀 도관(10) 내의 유체 사이의 압력차에 의해, 그리고/또는 도관(6)으로부터 입구(7)를 통해 출구(9)를 지나 도관(10)으로의 유체의 팽창에 의해 일이 발생된다. 도관(10)은 압축기(5)의 입구(4)에서처럼 공구(8)의 출구(9)에서의 압력과 일반적으로 동일하다. 복귀 도관(10)을 거쳐, 유체는 공구의 출구(9)로부터 압축기(5)의 입구(4)로 복귀된다. 압축기(5) 내의 또는 복귀 도관 내의 또는 대안으로서 도관(6)으로의 다른 입구(11)에 의해, 장치에서 누설된 유체에 대한 보충으로써 유체가 공급된다. 이러한 대체 유체는 대기로부터, 또는 내부 압력이 양호하게는 주위 대기보다 높은 저장조(12)로부터 취해진다.

도2는 도1에 따른 장치의 다른 실시예를 도시한다. 또한, 도2에 따른 장치는 제1 압축기(5)에 더하여 제2 압축기(13)를 포함한다. 시스템 즉, 장치(1)에서 누설되는 유체의 양에 대응하는 유체가 복귀 도관(10)을 통해 간접적으로 또는 직접적으로 제1 압축기에 공급되도록, 제2 압축기(13)가 작동된다. 제2 압축기(13)의 입구(14)를 거쳐, 유체가 주위 대기로부터 또는 저장조(12)로부터 흡입되어, 차후의 추가 압축을 위해 압축기(13)를 거쳐 출구(15)를 지나 제1 압축기(5)로 안내된다.

도3은 도1 및 도2의 다른 실시예를 도시한다. 도3에 따르는 장치는 주위 대기의 온도보다 높은 온도를 갖는 적어도 하나의 열교환기(16)를 포함하며, 이에 의해 주위 대기만이 가압 유체가 충전된 도관(6)을 냉각시킬 수 있었던 것과 동일한 수준으로 도관(6) 내의 유체가 가열되거나 또는 적어도 냉각되는 것이 방지된다. 또한, 장치는 주위 대기의 온도보다 온도가 낮으며 또는 주위 대기에 비해 향상된 열 전도성(conductivity)을 갖는 열교환기(17)를 포함하며, 이 열교환기에 의해 복귀 도관(10) 내의 유체가 주위 대기에 의해서만 영향을 받는 경우보다 더 신속하게 냉각된다. 제1 열교환기(16)에 공급되며 열 교환을 위해 사용되는 열은 폐열에 의 해 예를 들어 연소 기관 또는 보일러로부터의 또는 임의의 산업용 공정으로부터의 배기 가스로 구성된다. 또한, 공압 에너지 변환기로써 장치(1)를 작동시키기 위한 임의의 다른 열원으로부터 열이 공급될 수 있다.

제2 열교환기 내의 냉각 매체는 복귀 도관을 둘러싸는 대기의 공기보다 낮은 온도 그리고/또는 높은 열 용량을 갖는 예를 들어 물 등의 액체일 수 있다.

도4는 도3의 다른 실시예를 도시하는데, 도4에는 복귀 도관(10) 내의 유체로부터 도관(6) 내의 유체 쪽으로 열을 회수하기 위한 열교환기(18)가 배치되며, 이 열교환기는 압축기(5)의 출구(3)와 공구(8)의 입구(7) 사이의 도관(6)에 의해 제공된다. 열교환기(18)는 열 공급용 제1 열교환기(16)가 배치된 도관 옆의 장소의 상류 측 도관(6) 내에 배치된다.

본 발명의 양호한 특정 실시예에 따르면, 장치는 연소 기관과 관련되어 제공된다. 공구는 엔진의 실린더들의 입구 및 출구 밸브용의 하나 이상의 공압식 즉 캠축 없이 작동되는 액츄에이터를 포함한다. 제1 압축기(5)가 피스톤 압축기 또는 스크류 압축기이다. 엔진이 연소에 의해 연료와 함께 사용될 공기를 압축하기 위한 압축기를 포함한다면, 이 압축기는 양호하게는 본 발명에 따르는 제2 압축기를 형성한다. 열 교환 매체로써의 뜨거운 배기 가스를 사용하기 위해, 제1 열교환기는 배기 장치와 양호하게 연결된다.

당업자에게는 발명의 상세한 설명과 첨부된 도면에 의해 뒷받침되는 특허 청구범위에서 한정되는 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명에 따른 장치의 상기 실시예들에 대한 여러 대안들이 명백할 것으로 이해되어야 한다.

Claims (10)

1. 일반적으로 폐쇄된 가압 유체 회로(2)와, 입구(4) 및 출구(5)를 가지며 상기 회로 내 가압 유체의 압력을 높이기 위한 적어도 하나의 압축기(5)와, 상기 회로의 가압 유체에 의해 구동되는 공구(8)를 구비하며, 상기 공구에 의해 가압 유체가 상기 회로에서 압축기의 출구(3)로부터 입구(4) 쪽으로 운반되는 공압 장치(1)의 가압 유체의 유동을 제어하는 방법에 있어서,

   압력은 압축기(5)에 의해 생성되며, 주위 대기압을 초과하는 회로의 복귀압이 공구(8)의 하류측에서 얻어지도록 공구에서의 부하가 제어되는 것을 특징으로 하는 가압 유체 유동의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 회로의 가압 유체 손실을 보충하기 위해, 가압 유체원(12)으로부터의 가압 유체가 공구(8)의 하류측 회로에 제공되는 것을 특징으로 하는 가압 유체 유동의 제어 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 회로는 압축기(5)로부터 공구(8) 쪽으로 연장된 가압 유체 도관(6)을 포함하며, 도관은 가압 유체와 주위 사이의 열교환을 줄이기 위해 단열되는 것을 특징으로 하는 가압 유체 유동의 제어 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 회로는 압축기(5)로부터 공구(8) 쪽으로 연장되는 가압 유체 도관(6)을 포함하며, 상기 도관 내 가압 유체의 온도를 유지하거나 높이기 위해, 열이 외부 열원(16)으로부터 도관으로 공급되는 것을 특징으로 하는 가압 유체 유동의 제어 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 도관은 복귀 도관(10)을 포함하며, 제2 열교환기(17)가 복귀 도관 내에 존재하는 가압 유체를 냉각시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 가압 유체 유동의 제어 방법.
6. 일반적으로 폐쇄된 가압 유체 회로(2)와, 입구(4) 및 출구(3)를 가지며, 상기 회로 내 가압 유체의 압력을 높이기 위한 적어도 하나의 압축기(5)와, 상기 회로 내의 가압 유체에 의해 구동되는 공구(8)를 포함하며, 상기 공구에 의해 가압 유체가 상기 회로에서 압축기(5)의 출구(3)로부터 입구(4) 쪽으로 운반되는 공구의 공압 작동용 장치에 있어서,

   압력은 압축기(5)에 의해 생성되며, 공구(8)에 의해 적용되는 부하가 공구(8)의 하류측 가압 유체의 복귀압이 주위 대기압보다 높도록 되는 것을 특징으로 하는 공구의 공압 작동용 장치.
7. 제6항에 있어서, 가압 유체원(12)을 포함하며, 가압 유체가 상기 가압 유체원에 의해 압축기(5)의 입구로 안내되며, 가압 유체원(12) 내의 압력은 복귀 도관(10)의 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 공구의 공압 작동용 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 열교환기(16)를 포함하며, 상기 열교환기에 의해 압축기(5)의 하류측 및 공구(8)의 상류측 회로의 가압 유체와 외부 열원 사이에서 열이 교환되는 것을 특징으로 하는 공구의 공압 작동용 장치.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 복귀 도관(10)의 가압 유체를 냉각시키기 위해, 복귀 도관(10)에 배치되는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 공압 작동용 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 공구의 공압 작동용 장치는 연소 기관에 제공되며, 열원은 연소 기관에 의해 가열된 유체 또는 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구의 공압 작동용 장치.

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