KR20100037713A - 보조 흡입수단을 포함하는 용적형 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용적형 압축기에관한 것으로, 실린더 블럭의 실린더 내에서 혼합가스 또는 가스를 흡입하여 압축시킨 후 토출하는 용적형 압축기, 특히 왕복동 압축기와 같이 흡입 과정에서 작동가스의 재팽창에 따른 체적효율 손실의 개선을 위해 재팽창 과정 중에 가스를 추가적으로 흡입하도록 하는 보조 흡입장치를 적용함에 있어서 추가 흡입가스가 실린더블록(32)에 설치된 보조흡입공(51)으로 유입 시에는 작은 유체저항을 가지며, 유출 시에는 큰 유체저항을 갖도록 하는 보조 흡입수단을 적용함으로써 용적형 압축기의 성능을 향상시키는 것에 관한 것이다.

용적형 압축기, 보조 흡입수단, 왕복동 압축기

Description

보조 흡입수단을 포함하는 용적형 압축기{COMPRESSOR EQUIPPED WITH AUXILIARY PORT}

본 발명은 용적형 압축기에 관한 것으로, 혼합가스 혹은 가스를 흡입하여 압축시킨 후 토출하는 용적형 압축기, 특히 왕복동 압축기와 같이 흡입과정에서 작동가스의 재팽창에 따른 체적효율 손실의 개선을 위해 재팽창 과정 중에 가스를 추가적으로 흡입하도록 하는 보조 흡입장치를 적용함에 있어서 추가 흡입가스가 실린더블록에 설치된 보조흡입공으로 유입 시에는 작은 유체저항을 가지며, 유출 시에는 큰 유체저항을 갖도록 하는 보조 흡입수단을 적용함으로써 성능을 개선한 용적형 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 동력 발생장치로 부터 동력을 전달 받아 공기나 가스에 압축을 가하여 압력을 높여주는 기계로서 산업 전반에서 널리 사용되고 있다. 이러한 압축기는 방식에 따라 용적형과 터보형으로 나눌 수 있는데 용적형은 체적의 감소를 통해 압력을 증가 시키는 것이고 터보형은 가스의 운동에너지를 압력에너지로 변환 시켜 압축을 행한다. 그 가운데 용적형 압축기는 작동방식 및 특징에 따라 피스톤의 왕복 운동에 의해 실린더 내의 가스를 압축하는 왕복동 압축기, 스큐루를 이용하는 스크류 압축기, 로타리 압축기, 스크롤 압축기, 베인 압축기 등이 있다. 이들 압축기는 일정한 행정 체적내로 작동 유체를 흡입하여 행정체적의 축소로 가스를 압축하고 토출한 뒤 재팽창 하는 것을 그 특징으로 한다.

상기 압축기의 운전과정 중 토출행정 시에는 압축실 내의 간극 체적 및 누설의 영향으로 고압 상태의 유체가 완전히 토출되지 않고 일부가 압축실 내에 남아 있게 된다. 따라서 남아있는 유체는 흡입과정에서 재팽창하여 행정 체적을 차지하므로 다음 과정에서 이론적으로 흡입할 수 있는 양보다 적은 양의 가스를 흡입하게 되고 결국 토출 행정 시 토출유량도 적어지게 된다. 이로 인하여 상기 압축기는 이론적인 성능보다 낮은 성능으로 운전하게 되는데 특히 왕복동 압축기는 다른 용적형 압축기에 비하여 압축실내에 남아 있는 고압상태의 유체의 재팽창으로 인하여 손실이 큰 것으로 알려져 있다.

상기 왕복동 압축기는 피스톤(23)을 커넥팅로드(24)를 통하여 편심축(25)과 연결함으로써 모터를 통하여 인가된 회전동력을 크랭크축을 통하여 피스톤(23)의 왕복동 운동으로 전환하며, 상승운동을 하면서 압축, 토출의 과정을 거치고 하강운동을 하면서 재팽창, 흡입의 과정을 반복하게 된다. 여기서 상기 피스톤(23)이 왕복동 운동을 하는 행정거리는 편심축(25)의 회전 편심량에 의해 결정된다.

상기 왕복동 압축기는 상사점으로부터 피스톤(23)이 하강하여 실린더 내부(16)의 압력이 흡입실(14) 내의 가스의 압력보다 낮아지면 흡입밸브(18)가 열리고 흡입구(14a)를 통하여 가스가 흡입된다. 상기 피스톤(23)이 상승하면서 실린더 내부(16)의 압축된 고온, 고압의 가스는 토출밸브(19)가 열리는 시점에 토출 구(15a)를 통하여 토출실(15)로 토출된다.

일반적으로 왕복동압축기는 밸브설치를 위한 공간 등으로 간극체적이 형성되는데 토출행정 시 실린더 내부(16)에 고온, 고압의 가스가 완전히 토출되지 못하고 이 간극체적에 남아 흡입과정에서 재팽창하면서 체적효율의 손실을 가져온다.

이를 최소화하기 위해 재팽창 과정 중에 가스를 추가적으로 흡입하도록 하는 흡입가스 보조흡입공(33)을 실린더 블록(32)에 뚫을 수 있다. 상기 보조흡입공(33)의 위치는 실린더 내부(16)와 보조흡입실(11)이 피스톤(23)의 하사점 부근에서 연통되도록 하는 것이 가장 양호하다.

미국특허 6,318,977 B1호에는 밸브 시스템 개선책의 일환으로 가스를 추가적으로 흡입하기 위한 보조 흡입공이 실린더블록 양쪽으로 개방된 모양이 개시되어 있다. 또한 대한민국 특허출원 1997년 53219호에도 실린더 블록에 뚫린 보조흡입공이 관을 통하여 머플러로 연결된 구조를 가지고 흡입과정에서 재팽창 하면서 발생되는 체적효율의 손실을 보상할수 있게 되어 있다.

통상 피스톤(23)이 하강운동을 하면서 보조 흡입공(33)을 지나갈 때, 피스톤(23)에 가려졌던 보조 흡입공(33)이 점차적으로 열리면서 낮은 압력인 실린더 내부(16)와 흡입압력인 보조흡입실(11)과의 압력차에 의하여 가스를 실린더 내부로 흡입하게 되며 이는 흡입유량 및 토출유량을 증가시켜 압축기 성능향상의 효과가 있다. 그러나 피스톤(23)이 하사점으로부터 상승운동을 하면서 실린더 내부(16)의 가스를 점차적으로 압축할 때, 가스는 보조 흡입공(33)을 통하여 빠져나가게 되는데 이는 압축기의 성능을 떨어뜨린다.

상기 보조 흡입공(33)을 하사점 부근에 설치하면 이러한 유출을 최소화할 수 있으나 보조 흡입공(33) 추가에 의한 성능향상의 효과 또한 크게 기대하기 힘들다. 또한 하사점을 기준으로 위쪽으로 설치할수록 추가 흡입유량도 증가하지만 유출유량도 증가하는 경향을보인다.

즉, 보조 흡입공에 중간압이 아닌 흡입압의 가스를 활용할 경우 피스톤 하사점 부근에서 실린더 내부 압력이 흡입압보다 낮으므로 보조 흡입공이 열리기 시작하면 실린더 외부의 가스를 실린더 내로 유입할수 있으나 피스톤이 다시 상향운동을 시작하면 실린더 내부압력이 흡입압보다 높아져 실린더 내부 가스가 보조 흡입공을 통해 실린더 밖으로 유출될수 있으므로 순수하게 실린더내로 유입되는 효과가 매우 작다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 보조 흡입수단을 갖는 용적형 압축기를 제공하기 위한 것으로서, 통상 왕복동 압축기의 보조 흡입공을 통하여 가스를 실린더 내로 유입할 때는 작은 유체저항을 가지며, 유출할 때는 큰 유체저항을 갖도록 하는 보조 흡입수단을 제공하여 보조흡입의 효과를 증대함으로써 압축기의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 유형의 보조 흡입공을 갖는 보조 흡입수단을 포함하는 용적형 압축기를 제공하는 것이다.

이에 따라 본 발명은 실린더 블록, 피스톤, 상기 피스톤에 연결된 커넥팅로드, 흡입밸브, 토출밸브 보조흡입공으로 이루어지는 용적형 압축기에 있어서, 상기 보조 흡입공은 보조 흡입공을 통하여 가스를 행정 체적 내로 유입할 때는 작은 유체저항을 가지며, 유출할 때는 큰 유체저항을 가지며, 실린더측 유입공과 보조 흡입실측 유입공으로 이루어진 밸브 하우징 과 상기 밸브 하우징내에 관통공이 있는 보조 흡입 밸브판으로 구성된 보조 흡입수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 밸브 하우징은 보조 흡입 밸브판 없이도 구조적으로 동일한 효과를 내는 보조흡입 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 보조 흡입수단을 압축기 쉘 내부의 공간으로 연통하게 함으로서 압축기 쉘 내부의 공간을 보조흡입실로 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 보조 흡입 밸브판은 좌우로 이동가능한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 보조 흡입 밸브판은 구형의 금속 또는 비금속 소재로 된 볼로 대체될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 보조 흡입공의 효과를 극대화하여 용적형 압축기 또는 왕복동 압축기의 흡입과정에서 발생하는 재팽창 손실을 줄이고 추가적으로 가스를 흡입하여 압축기의 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 용적형 압축기의 보조 흡입수단은 압축기에 주로 사용되는 리드밸브와 같이 밸브 자체의 탄성을 이용하는 구조가 아니므로 리브밸브에 비하여 동력손실이 적고 설치 면적이 작은 이점이 있 다.

이하에서는 본 발명을 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 압축기 상태를 개략적으로 도시한 측면도이며, 도 2는 본 발명의 보조 흡입공 부분의 주요부분에 대한 상세도로서, 왕복동 압축기의 실린더 블록(32)에 보조 흡입수단이 적용된 모습을 보여주고 있는 도면이다.

먼저 도 1의 도시와 같이, 상기 보조 흡입수단은 보조 흡입실 측 유입공(41a)과 실린더 측 유입공(41b)을 가지는 밸브 하우징(41), 관통공(42a)이 있는 보조 흡입 밸브판(42)을 포함하고 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압축기의 보조 흡입수단은 밸브 하우징(41)의 상하에 설치된 두 유입공(41a,41b)사이에서 압력차 또는 스프링 탄성에 의해 좌우로 이동가능한 보조 흡입 밸브판(42)를 가지고 있다. 다양한 모양으로 제작 가능한 보조 흡입 밸브판(42)에는 가스가 통과할 수 있는 관통공(42a)이 있으며 가장 자리에는 휨 변형과 밸브판 자체의 전복을 방지하는 턱(42b)이 있는데 이는 이동시에 가이드 역할도 할 수 있다. 보조 흡입 밸브판(42)은 밸브 하우징(41) 내에서 자유롭게 좌우로 이동이 가능하며 미끄럼성이 좋은 폴리프로필렌 또는 필요에 따라 열에 강한 열경화성 수지 계열을 이용하며 별도로 정밀한 제조상의 치수관리를 할 필요가 없다. 즉 제조과정상 보조 흡입 밸브판(42)의 치수에 일정 오차가 발생하더라도 밸브 하우징(41)내에서 슬라이딩할 수 있을 정도면 사용할 수 있다. 상기 밸브 하우징(41)에 가공된 보조 흡입실 측 유입공(41a)과 실린더 측 유입 공(41b) 및 보조 흡입 밸브판(42)의 관통공(42a)은 유입에 유리하거나 유출에 불리하도록 적당한 라운딩 처리를 할 수 있다.

또한, 도 2는 화살표 도시와 같이 상기 보조 흡입실측 유입공(41a)과 관통공(42a) 및 실린더 측 유입공(41b)을 통해 유체가 통과 하는 것을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 보조 흡입수단을 도시하며, 도 4는 개폐 상태를 보여주는 도면이다.

상기 보조 흡입수단을 통하여 유체가 흡입되는 원리는 다음과 같다. 행정체적의 팽창을 통하여 흡입과정이 진행되는 용적형 압축기에서 유체는 흡입구를 통해서만 흡입된다. 그러나 본 발명에서는 보조 흡입수단을 적용하였다. 예를 들어 밀폐형 왕복동 압축기에서는 도시처럼, 보조 흡입실(11)은 흡입 압력을 형성하고 있으며 실린더 내부(16)의 압력은 피스톤(23)이 상사점으로부터 하강하면서 재팽창 과정을 거치면서 점차 낮아지게 된다. 피스톤(23)이 보조 흡입공(33)이 설치된 위치에 오면 재챙창은 완료되고 실린더 내부 압력은 흡입압보다 낮아 지게된다. 이 때, 가려졌던 보조 흡입공(33)이 열리며 보조흡입실(11)과 실린더 내부(16)의 압력차이에 의하여 보조흡입 밸브판(42)는 도시에서와 같이 보조흡입실(11)에서 실린더 내부(16) 방향, 즉 우측으로 움직이게 된다. 이 때 보조 흡입실 측 유입공(41a)은 열리게 되며 유체는 관통공(42a)와 실린더 측 유입공(41b)를 거쳐 실린더 내부(16)로 유입된다.

본 발명에서 제안하는 보조흡입실(11)의 특징은 도 3에서 도시된 것과 같이 실린더 내부(16)으로 유입되는 유체가 흡입 압으로 머무르는 곳이며 예로 설명한 밀폐형 왕복동 압축기에서는 압축기 쉘 내부의 공간이 또한 이런 것으로 볼 수 있다.

한편, 보조 흡입수단을 통하여 유체의 유출을 막는 원리는 다음과 같다.

용적형 압축기에서 행정 체적의 확장이 끝난 뒤, 수축을 통하여 압축할 때 수축된 체적으로 인하여 상승된 내부의 압력은 보조 흡입공(33)으로 유출되는 유동을 형성한다. 본 발명에서 제안하는 보조 흡입수단은 이러한 유출을 막는 구조적인 특징을 가지고 있다. 즉 예를 들어 밀폐형 왕복동 압축기에서 피스톤(23)이 하사점에 이르러 흡입행정을 마치게 되면 피스톤이 다시 상승하면서 체적이 축소하여 실린더 내의 유체를 압축하기 시작한다. 이 때, 피스톤(23)이 보조 흡입공(33)까지 상승하기 전 실린더 내부(16)의 압력이 흡입압 이상으로 압축되게 되면 실린더 내부(16)의 유체는 보조 흡입공(33)을 통하여 다시 빠져 나가기 시작한다. 이 때, 압력차이에 의하여 보조 흡입 밸브판(42)은 보조 흡입실 측으로 움직이게 된다. 밸브판(42)이 보조 흡입실 측 유입공(41a)의 면에 닿게 되면 보조 흡입실 측 유입공(41a)과 관통공(42a)은 닫히게 되는 구조를 가지며 이는 유출을 방지하기 위함이다. 또한 유입공이 완전히 닫힌 경우가 아니라도 구조적으로 유체의 유입시에는 유체저항이 작고, 유출 시에는 유체저항이 크므로 상술한 목적을 달성할 수 있도록 한 구조를 가지고 있다.

도 5 내지 도 12는 본 발명에 적용하기 위한 보조 흡입 밸브판(42) 또는 밸브 하우징(41)의 모양을 달리한 다른 실시예를 보여주는 도면이다.

도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9는 위의 도 4의 개폐 효과 설명에서와 같은 효 과를 가지는 원형의 보조 흡입 밸브판(42) 또는 밸브 하우징(41)의 실시예이다. 도 10은 보조 흡입 밸브판(42)로서 구를 이용하고 있으며 도 11, 도 12는 보조 흡입 밸브판(42) 없이 밸브 하우징(41) 만으로 본 발명의 특징으로 하고 있는 흡입시 작은 유체저항을 가지며 유출시 큰 유체저항을 가짐으로 동일한 효과를 낼 수있는 보조 흡입 수단의 실시예를 보여주고 있다.

본 발명은 용적형 압축기에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명이 설치된 상태를 개략적으로 도시한 측면도이며, 도 2는 본 발명의 보조 흡입공 부분의 주요부분에 대한 상세도 이다.

도 3은 본 발명에 따른 보조 흡입수단, 도 4는 개폐 상태를 보여주는 도면이다.

도 5 내지 도 12는 본 발명에 적용하기 위한 보조 흡입 밸브판 또는 하우징의 모양을 달리한 다른 실시예를 보여주는 도면이다

Claims (5)

1. 실린더 블록, 피스톤, 상기 피스톤에 연결된 커넥팅로드, 흡입밸브, 토출밸브 보조흡입공으로 이루어지는 용적형 압축기에 있어서,

   상기 보조 흡입공은 보조 흡입공을 통하여 가스를 행정 체적 내로 유입할 때는 작은 유체저항을 가지며, 유출할 때는 큰 유체저항을 가지며, 실링더측 유입공과 보조 흡입실측 유입공으로 이루어진 밸브 하우징 과 상기 밸브 하우징 내에 관통공이 있는 보조 흡입 밸브판으로 구성된 보조 흡입수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용적형 압축기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 밸브 하우징은 보조 흡입 밸브판 없이도 구조적으로 동일한 효과를 내는 보조흡입 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용적형 압축기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 보조 흡입수단을 압축기 쉘 내부의 공간으로 연통하게 함으로서 압축기 쉘 내부의 공간을 보조흡입실로 사용하는 것을 특징으로 하는 용적형 압축기.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 보조 흡입 밸브판은 좌우로 이동가능한 것을 특징으로 하는 용적형 압 축기.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 보조 흡입 밸브판은 구형의 금속 또는 비금속 소재로 된 볼로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 용적형 압축기.

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