KR20080033397A - 비용적식 압축기 - Google Patents

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로베르트 아틀러
게오르크 지베르트
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린데 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 내부에 작동유(15), 특히 이온 유체가 배치되어 있고, 매체용 흡입구(10) 및 공급구(11)와 연결될 수 있는 1개 이상의 배기 실린더(displacement cylinder)(S)를 포함하는 압축기(1)에 관한 것으로, 상기 작동유(15)는 액시얼 피스톤 펌프(axial piston pump)(17)로서 설계된 구동 펌프와 상호 작용 관계에 있다. 본 발명에 따라 조립이 더욱 간편하고 사용 수명이 긴 압축기가 제공되며, 상기 압축기(1)의 흡입구(10)에는 예비 압축기(30)가 할당된다.

Description

비용적식 압축기{NON-POSITIVE COMPRESSOR}
본 발명은 내부에 작동유, 특히 이온 유체가 배치되어 있고, 매체용 흡입구 및 공급구와 연결될 수 있는 1개 이상의 배기 실린더(displacement cylinder)를 포함하는 압축기에 관한 것으로, 상기 작동유는 액시얼 피스톤 펌프(axial piston pump)로서 설계된 구동 펌프와 상호 작용 관계에 있다.
그러한 압축기는 가스상 매체의 압축에 사용된다. 이 경우, 매체는 배기 실린더 내에 존재하는 작동유에 의해 배출되기 때문에 상기 압축기를 비용적식 압축기라고 부른다. 작동유로는 이온 유체가 사용될 수 있다. 또는, 댐핑 압력이 낮은 유체 또는 가스 용해도가 낮은 유체도 사용될 수 있다. 이러한 유체들의 공통점은, 매체 내에서 용해되지 않고 매체로부터 잔류물 없이 분리될 수 있기 때문에 압축된 매체가 높은 순도를 갖는 데 있다.
이 경우, 작동유는 액시얼 피스톤 펌프로 설계된 구동 펌프에 의해 배기 실린더 내로 이송되고, 흡입구로부터 공급구로 이송되어 압력을 받도록 하기 위해 상기 배기 실린더로부터 흡입된다. 액시얼 피스톤 펌프가 구동 펌프로서 사용되는 경우 압축기의 안전한 구동을 위해, 배기 실린더로부터 작동유의 흡입이 실시되는 액시얼 피스톤 펌프의 흡입 행정시 통상 유체 정역학적 하중 경감 기능을 가진 액시얼 피스톤 기계의 피스톤들이 액시얼 피스톤 펌프의 활주면(slide way)에 접촉된 상태로 유지되어야 한다.
이와 관련하여, 피스톤을 활주면에 접촉된 상태로 유지시키는 메커니컬 리턴 장치를 액시얼 피스톤 펌프에 제공하는 방법이 공지되어 있다. 그러나 그러한 기계식 리턴 장치는 조립 복잡도가 높다.
범용형 비용적식 압축기는 배기 실린더들 내에 메커니컬 씰(mechanical seal) 및 피스톤을 갖지 않기 때문에 사용 수명이 길다. 메커니컬 리턴 장치를 구비한 액시얼 피스톤 펌프를 비용적식 압축기의 긴 사용 수명에 매칭시키려면 높은 조립 복잡성이 추가로 요구된다.
본 발명의 과제는 조립 복잡성이 적고 사용 수명이 긴, 도입부에 언급한 범용형 압축기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 압축기의 흡입구에 예비 압축기가 할당됨으로써 해결된다. 압축기의 전방에 연결된 예비 압축기에 의해 간단한 방식으로 압축기의 흡입구에서 이송될 매체의 최소 1차 압력(primary pressure)이 발생할 수 있다. 예비 압축기에 의해 발생한 상기 1차 압력은 이송될 매체와 직접 접촉되는 작동유에 의해 액시얼 피스톤 펌프에 인가되어, 흡입 행정시 상기 액시얼 피스톤 펌프의 피스톤을 활주면 방향으로 가압한다. 따라서 본 발명에 따른 예비 압축기를 사용하면, 메커니컬 리턴 장치가 없는 액시얼 피스톤 펌프에서도 또는 리턴 장치를 개조하지 않아도 피스톤이 활주면에 접촉된 상태로 유지될 수 있다. 그로 인해, 리턴 장치를 현격하게 개조하지 않고도 간단한 방식으로 액시얼 피스톤 펌프의 수명을 비용적식 압축기의 긴 수명에 매칭시킬 수 있으며, 그 결과 표준화된 액시얼 피스톤 펌프의 사용하여 많은 노력을 들이지 않고도 압축기의 긴 사용 수명을 달성할 수 있다.
예비 압축기로는 다양한 형상의 압축기 또는 펌프가 사용될 수 있다. 본 발명의 한 바람직한 구현형에 따라 예비 압축기가 스크루 압축기(screw compressor)로 형성되는 것이 특히 바람직하다. 비용적식 압축기의 긴 사용 수명으로 인해, 예비 압축기가 사용 수명 사슬(service life chain)에서 최악의 요소가 되는 것을 막기 위해, 그에 상응하는 긴 사용 수명을 가진 예비 압축기를 선택해야 한다. 스크루 압축기는 밀폐력이 높은 구동 씰을 필요로 하지 않으므로, 표준화된 스크루 압축기는 긴 사용 수명을 갖는다. 또한, 스크루 압축기는 맥동이 적기 때문에 적은 소음 방출 및 흡입측에서의 압축기 하중 경감이 달성될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에 따르면, 매우 바람직하게 압축기가 작동유에 의해 윤활될 수 있다. 예비 압축기가 작동유에 의해 윤활되면, 예비 압축기의 사용으로 인한 이송될 매체의 오염 발생이 방지된다. 스크루 압축기는 작동유를 이용한 윤활을 통해 프로세스 중에 이미 존재하는 작동유만 방출하며, 이 경우 압축기 기능의 손상은 발생하지 않는다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에 따르면, 공급된 매체 내에 존재하는 작동유의 분리를 위한 분리 장치가 압축기의 공급구에 할당된다. 압축기로부터 공급된 매체 내로 방출된 작동유가 상기 매체로부터 분리될 수 있도록 하는 그러한 분리 장치를 이용하여, 마찬가지로 작동유에 의해 윤활된 예비 압축기로부터 매체 내로 방출된 작동유가 분리될 수 있다. 따라서 압축기의 흡입측에는, 작동유에 의해 윤활된 스크루 압축기에 의해 공급될 유체 내로 방출될 수 있는 작동유를 제거하기 위해 추가의 분리 장치를 설치하지 않아도 된다.
본 발명의 한 바람직한 구현형에 따르면, 액시얼 피스톤 펌프가 실린더 드럼을 포함하고, 상기 실린더 드럼 내에는 배기 실린더와 연결된 1개 이상의 실린더 챔버가 형성되며, 상기 실린더 챔버 내에는 활주면, 특히 조종 가능한 경사판(swash plate)에 지지되어 있는 피스톤이 세로 방향으로 이동 가능하게 배치된다. 그로 인해, 구동 펌프의 흡입 행정시 피스톤이 예비 압축기에 의해 발생한 1차 압력에 의해 상기 경사판으로 형성된 활주면에 안전하게 접촉될 수 있도록 하기 위한, 배기 실린더와 실린더 챔버 및 피스톤의 연결이 간단하게 달성될 수 있다.
배기 실린더가 실린더 블록 내에 반경 방향으로 배치되는 것이 특히 바람직하다. 회전하는 실린더 블록 내에 배기 실린더가 반경 방향으로 배치됨으로써, 배기 실린더 내에 존재하는 작동유에 압축기의 회전 속도를 높일 수 있는 원심력이 작용할 수 있다. 그 결과, 압축기 설치 공간에 대한 요구는 낮으면서도 높은 이송 출력이 달성될 수 있다. 또한, 작동유 필요량도 매우 적어서 압축기 제조 비용 및 구동 비용도 낮아진다.
실린더 블록과 실린더 드럼은 본 발명의 한 바람직한 구현형에 따라 회전 동기식으로(rotationally synchronous) 결합되거나, 일체로 형성된다.
압축기에 의해 흡입구에 5 내지 15바아, 특히 8 내지 10바아의 압력이 발생할 수 있다면, 작동유용 구동 펌프로서 표준화된 액시얼 피스톤 펌프를 사용하는 경우 압축기의 구동시 경사판으로 형성된 활주면에 피스톤이 안전하게 접촉되는 것이 보장될 수 있다.
압축기는 유체를 공급할 수 있도록 설계될 수 있다.
압축기가 가스상 매체, 특히 수소를 압축하도록 설계되는 것이 특히 바람직하다. 작동유로 윤활되는 표준화된 예비 압축기에 의해 흡입측에 가스상 매체의 1차 압력이 발생할 수 있는 본 발명에 따른 비용적식 압축기를 사용하면, 작동유용 구동 펌프로서 표준화된 액시얼 피스톤 기계가 사용될 수 있고, 그 결과 표준화된 부품의 사용 하에 비용적식 압축기의 긴 수명과 동시에 제조 비용의 절감이 달성될 수 있다.
개략도에 도시된 실시예를 참고로 본 발명의 또 다른 장점들 및 세부 사항을 더 상세히 설명한다.
도면은 본 발명에 따른 압축기(1)의 종단면도이다.
하우징(2) 내부에 구동 샤프트(3)가 회전축(4)을 중심으로 회전할 수 있도록 장착되어 있다. 상기 구동 샤프트(3)와 실린더 드럼(5)이 회전 동기식으로 결합되고, 상기 실린더 드럼 내에는 다수의 배기 실린더(6)가 형성되어 있다. 이때, 상기 배기 실린더들(6)은 실린더 드럼(5) 내에 배치된 레이디얼 보어(14)로서 형성되고, 회전축(4)을 중심으로 별 형태로 배치되며, 상기 배기 실린더들(6)의 세로축(7)은 구동 샤프트(3) 및 실린더 드럼(5)의 회전축(4)에 대해 수직으로 배치된다.
상기 배기 실린더들(6)은 반경 방향 내부 영역 내에서 각각의 연결 채널(8)과 연결되고, 상기 연결 채널은 플레이트형 제어 미러(9)와 상호 작용하며, 상기 제어 미러(9)에 의해 실린더 드럼(5)의 회전시 배기 실린더(6)와 흡입구(10) 및 공급구(11)의 연결이 제어될 수 있다. 이때, 상기 실린더 드럼(5)은 하우징(2)에 고정된 하우징 커버(12)에 배치된 제어 미러(9)에 축 방향으로 지지된다.
배기 실린더(6) 내에는 작동유(15), 특히 이온 유체가 배치된다.
각각의 배기 실린더(6)는 연결 채널(13)에 의해 경사판 구조의 액시얼 피스톤 펌프(17)로서 설계된 유압 구동 펌프의 실린더 챔버(16)와 연결된다. 액시얼 피스톤 펌프(17)로서 설계된 상기 구동 펌프는, 실린더 드럼(5)에 동축으로 배치되어 상기 실린더 드럼(5) 또는 구동 샤프트(3)와 회전 불가능하게 연결된 실린더 블록(18)을 포함한다. 상기 실린더 블록(18)과 실린더 드럼(5)을 공동의, 즉 일체형의 실린더 드럼으로 설계하는 것도 가능하다.
액시얼 피스톤 펌프(17)의 실린더 챔버들(16)은 실린더 블록(18) 내에 동심 으로 배치된 세로 보어들(20)로 형성되고, 상기 보어들 내부에는 각각 1개의 피스톤(21)이 세로 방향으로 움직일 수 있게 배치된다. 상기 피스톤(21)은 각각 1개의 슬라이드 슈(slide shoe)(22)를 이용하여 경사판에 형성된 활주면(23)에 지지된다. 피스톤(21)과 슬라이드 슈(22) 사이에는 구형(spherical) 슬라이드 슈 링크가 형성된다.
액시얼 피스톤 기계(17)는 배기 장치 용적이 조정 가능한 액시얼 피스톤 펌프로서 설계되는데, 이때 활주면(23)을 구비한 경사판이 하우징(2)에 선회 가능하게 장착되어 (상세히 도시되지 않은) 조정 장치에 의해 회전축(4)을 기준으로 기울어질 수 있다. 또는, 액시얼 피스톤 기계가 고정된 배기 장치 용적을 갖도록 설계되는 것도 가능하며, 이 경우 경사판은 하우징(2)에 직접 형성될 수 있다.
실린더 드럼(5) 및 구동 펌프(17)는 공통의 하우징 내에 배치된다.
본 발명에 따르면, 압축기(1)의 흡입구(10)에 예비 압축기(30)가 할당된다. 상기 예비 압축기(30)는 스크루 압축기로서 형성되어 작동유(15)에 의해 윤활된다.
상기 예비 압축기(30)는 흡입구(10) 에서 매체의 약 8 내지 10바아의 1차 압력을 발생시킨다. 매체의 1차 압력은 배기 실린더(6), 연결 채널(13) 및 실린더 보어(16) 내에 존재하며 매체와 직접 접촉되어 있는 작동유(15)를 통해 피스톤(21)을 경사판에 형성된 활주면(23)의 방향으로 가압한다. 그 결과, 액시얼 피스톤 펌프(17)의 흡입 행정시 활주면(23)에 피스톤(21)이 안전하게 접촉될 수 있다.
공급구(11)에는 분리 장치(31)가 할당되며, 상기 분리 장치에 의해 공급구(11) 내에서 방출된 작동유(15)가 공급된 매체로부터 최대한 분리될 수 있다. 그 결과, 공급된 매체의 높은 순도가 달성된다.
본 발명에 따른 압축기(1)의 구동시, 구동 샤프트(3)를 통해 실린더 드럼(5) 및 실린더 블록(18)이 구동된다. 액시얼 피스톤 펌프는 실린더 챔버들(16)로부터 작동유를 배기 실린더(6)로 이송하고, 그로 인해 흡입구(10)를 통해 배기 실린더(6)로 유입되는 매체가 상기 유체(15)에 의해 압축되어 공급구(11)로 이송된다. 이 경우, 예비 압축기(30)에 의해 흡입구(10)에서 발생한 매체의 1차 압력에 의해 액시얼 피스톤 펌프(17)로서 설계된 구동 펌프의 피스톤(21)이 활주면(23)에 안전하게 접촉될 수 있다. 압축기(1)의 구동시 배기 실린더(6)의 반경 방향 배치로 인해 실린더 드럼(5)의 회전이 작동유(15)에 원심력을 가하고, 상기 원심력이 작동유를 가속화함으로써 배기 실린더들(6) 내에서 작동유(15)의 액주(liquid column)가 높은 속도로 움직일 수 있고, 그럼으로써 압축기(1)가 높은 회전 속도 및 높은 사이클 속도로 구동될 수 있다. 그 결과, 압축기(1)의 적은 설치 공간 및 소량의 작동유(15)가 제공되는 조건에서도 높은 이송 출력이 달성된다. 예비 압축기(30)에 의해 매체의 1차 압력이 발생함에 따라, 메커니컬 리턴 장치의 현격한 개조 없이 비용적식 압축기(1)의 긴 수명에 매칭된 표준화된 액시얼 피스톤 펌프(17)가 사용될 수 있다. 예비 압축기(30)가 작동유(15)로 윤활되는 표준화된 스크루 압축기로 설계됨으로써, 비용적식 압축기의 긴 수명에 표준화된 예비 압축기(30)의 수명을 간단하게 매칭시킬 수 있다. 예비 압축기(30)에 의해 공급될 매체 내로 방출된 작동유(15)는 공급구(11)에 할당된 분리 장치(31)에 의해 간단하게 상기 공급된 매체로부터 분리될 수 있다. 따라서 총체적으로 저렴한 제조 비용, 간단한 조립 및 낮 은 구동 비용을 토대로 한 비용적식 압축기(1)가 획득될 수 있다.

Claims (9)

  1. 내부에 작동유, 특히 이온 유체가 배치되어 있고, 매체용 흡입구 및 공급구와 연결될 수 있는 1개 이상의 배기 실린더(displacement cylinder)를 포함하는 압축기(1)로서,
    상기 작동유는 액시얼 피스톤 펌프(axial piston pump)로서 설계된 구동 펌프와 상호 작용 관계에 있으며,
    상기 압축기(1)의 흡입구(10)에 예비 압축기(30)가 할당되는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 예비 압축기(30)가 스크루 압축기로서 설계된 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 예비 압축기(30)가 작동유(15)에 의해 윤활될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(1)의 공급구(11)에는 상기 공급된 매체 내에 존재하는 작동유(15)를 분리하기 위한 분리 장치(31)가 할당되는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액시얼 피스톤 펌프(17)는 실린더 드럼(18)을 포함하고, 상기 실린더 드럼 내에는 배기 실린더(6)와 연결된 1개 이상의 실린더 챔버(16)가 형성되며, 상기 실린더 챔버(16) 내에는 특히 조정 가능한 경사판(swash plate)의 활주면(slide way)(23)에 지지된 피스톤(21)이 세로 방향으로 움직일 수 있게 배치되는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 실린더(6)는 실린더 블록(5) 내에 반경 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 실린더 블록(5)과 실린더 드럼(17)은 회전 동기식으로(rotationally synchronous) 결합되거나, 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 압축기(30)에 의해 흡입구에 5 내지 15바아, 특히 8 내지 10바아의 압력이 발생할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    압축기.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 압축기(30)는 가스상 매체, 특히 수소를 압축하도록 설계된 것을 특징으로 하는,
    압축기.
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