KR20100058219A - 회전압축식 펌프유닛을 이용한 다단펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 또는 액체인 유체를 가압하는 장치에 관한 것으로서, 압축기, 펌프, 진공펌프 등으로 사용될 수 있는 펌프유닛에 관한 것이다.

본 발명에 사용되는 펌프유닛은 유체의 압축이 일어나는 원통형 공간을 형성하는 하우징(1), 상기 하우징(1)의 내부에 장착되는 것으로서 원판의 일면에 방사상으로 압축판이 다수매가 부착되고 회전암1이 부착된 중공축을 가진 압축원판1(2), 상기 압축원판 1과 유사한 형상의 것으로서 하우징(1)의 내부에 장착되고 회전암2가 부착된 축이 상기 압축원판 1의 중공축의 내부를 통과하여 설치되는 압축원판2(3), 상기 압축원판 1과 압축원판 2를 구동하는 크랭크(4), 상기 크랭크(4)와 상기 압축원판1의 회전암1과 압축원판2의 회전암2를 각각 연결하는 커넥팅로드1(51)과 크넥팅로드2(52)로 구성된다.

상기 펌프유닛의 내부에 형성된 다수개의 압축공간들을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하여, 아주 간단한 구성으로 아주 높은 압축비 또는 큰 유량을 가진 펌프를 구현할 수 있고, 하나의 펌프로 압축비가 서로 다른 압축유체를 생산할 수도 있다.

펌프, 압축비, 유량, 회전압축, 크랭크, 고압호스, 직렬연결, 병렬연결

Description

회전압축식 펌프유닛을 이용한 다단펌프{Multistage Pump Using Rotating Compression Type Pump Unit}

본 발명은 기체 또는 액체인 유체를 가압하는 장치에 관한 것으로서, 압축기, 펌프, 진공펌프 등으로 사용될 수 있는 다단펌프에 관한 것이다.

기체 또는 액체인 유체를 파이프라인을 통하여 다른 곳으로 이동을 시키거나 유체가 흐르는 속도를 빠르게 하기 위하여 유체에 일정한 압력을 가할 수 있는 압축장치를 사용한다. 이러한 유체의 압축장치는 취급하는 유체가 액체인 경우 펌프라고 하고, 취급하는 유체가 기체인 경우 압축정도에 따라 컴프레셔, 블로워, 펜 등으로 불린다. 펌프 중에는 진공펌프와 같이 일정 공간에서 공기를 뽑아내는 용도로 사용되는 것도 있다.

상기와 같은 각종 유체의 압축장치중에서 압축하는 정도가 낮은 것으로는 흡입되는 유체에 운동에너지를 가하는 베인이 다수개가 구비된 로터(Rator)를 이용하여 압축을 하는 터보펌프(Turbo-pump)가 사용되고, 압축하는 정도가 큰 것은 유체 에 체적의 변화를 유발하는 기구를 사용하는 체적식 펌프(Volumetric Pump)가 사용된다. 체적식 펌프에는 압축하는 방식에 따라 피스톤을 사용하여 압축하는 피스톤 펌프, 스크루를 사용하는 스크루 펌프, 기어를 사용하는 기어펌프, 두개의 땅콩 형상의 단면을 갖는 회전체를 회전시켜 압축을 하는 루트펌프 등이 있다.

통상적으로 펌프는 그 형식에 따라 압력이 상승하는 정도인 압축비(액체의 경우 "양정")와 압축이 되는 유체의 량인 유량이 정해지는데, 유량이 크면 압축비가 낮고, 압축비가 크면 유량이 작다. 통상적으로 아주 높은 압축비를 요하는 펌프의 경우, 대표적인 체적변화식 펌프인 피스톤식 펌프를 사용하는데, 이와 같은 피스톤식 펌프는 상대적으로 부피가 크고 가격이 고가인 문제점이 있다.

상기와 같은 통상적인 펌프를 이용하여 유량을 크게 하려면 다수대의 펌프를 병렬로 연결하여 사용하고, 압축비를 높게 하려면 다수대의 펌프를 직렬로 연결하여 사용하여야 하는게, 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 설치공간을 많이 차지하여 문제가 된다.

상기한 바와 같이 지금까지 개발된 고압 펌프를 사용하여 아주 높은 압축비를 얻으려면 다수대의 펌프를 직렬로 연결하여 사용하여야 하는데, 설치공간을 많이 차지하고, 비용이 아주 많이 소요되는 문제점이 있다.

따라서 하나의 펌프로 압축비를 아주 높게 할 수 있는 새로운 형태의 펌프가 필요하다.

본 발명의 다단펌프는 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 새로운 형태의 펌프유닛을 사용하였다. 이 펌프유닛은 내부에 원통형 공간이 형성된 하우징에 각각 중심에서 원주방향으로 방사형으로 부착된 압축판을 가진 두개의 방사형 압축원판을 구비하고, 이 두개의 압축원판들이 일정 각도 범위에서 시계방향과 반시계방향으로 서로 어긋나게 반복하여 회전하고, 하우징의 외벽에는 흐름 방향이 서로 반대인 다수 쌍의 체크밸브가 구비되어 있다.

상기 두 압축원판들은 각각의 축으로 연결 되는데, 하나의 축은 중공축으로서, 중공축의 중공 내부로 다른 압축원판의 축이 지나간다. 상기 두개의 압축원판의 축에는 각각 회전암이 서로 반대방향으로 결합되어 있고, 이 회전암들은 크랭크 축에 커넥팅로드로 연결되어 있다. 압축원판에 결합된 회전암이 크랭크 축의 크랭크 반경보다 길 경우, 크랭크축이 회전할 동안 회전암의 끝단이 상하로 왕복운동을 반복하게 되는데, 이에 따라 압축원판들은 일정 각도범위에서 시계방향과 반시계방향으로 회전과 역회전을 반복하게 된다. 상기와 같이 회전암이 서로 반대방향으로 부착된 경우, 하나의 압축원판이 시계방향으로 회전할 때 다른 하나의 압축원판은 반 시계방향으로 회전을 하는 방식으로 회전 방향이 서로 반대가 된다. 이와 같이 두개의 압축원판이 일정 각도범위에서 서로 반대방향으로 회전하는 것을 반복하면, 하우징과 두 압축원판에 각각 부착된 압축판으로 형성되는 다수개의 압축공간이 좁아졌다 넓어졌다를 반복하면서 그 내부에 충진된 유체를 압축하게 된다.

본 발명의 다단펌프는 상기와 같은 회전압축식 펌프유닛의 각 압축공간을 직렬 또는 병렬로 연결하여 유량과 압축비를 임의로 조절하는 방식을 취하였다.

본 발명에 사용되는 회전압축식 펌프유닛은 그 구조가 아주 단순하여 제작이 용이하고, 제작원가가 저렴하다. 그리고 본 발명의 펌프유닛은 회전암의 길이를 조절하여 압축원판의 회전각도 범위를 쉽게 조절할 수 있는데, 이와 같은 방법으로 펌프의 압축비를 아주 간단한 방법으로 조절할 수 있고, 압축원판의 직경과 압축판의 높이를 크게하는 방법으로 큰 유량의 펌프를 구현할 수 있다. 이와 같은 방법으로 유량이 많고 압축비가 아주 큰 펌프를 용이하게 구성할 수 있다.

본 발명인 다단펌프는 하나의 펌프유닛을 사용하여 다수대의 펌프를 직렬 또는 병렬로 연결하는 것과 동일한 효과를 가지므로, 아주 간단한 구성으로 아주 높은 압축비 또는 큰 유량을 가진 펌프를 구현할 수 있다.

또한 본 발명인 다단펌프는 각각의 압축공간들을 직렬연결이 되는 공간의 수를 서로 달리할 경우, 하나의 펌프로 압축비가 서로 다른 압축유체를 생산할 수도 있다.

본 발명에 사용되는 회전압축식 펌프유닛은 도 1에 도시한 바와 같이, 유체의 압축이 일어나는 원통형 공간을 형성하는 하우징(1), 상기 하우징(1)의 내부에 장착되는 것으로서 원판의 일면에 방사상으로 압축판이 다수매가 부착되고 회전암1이 부착된 중공축을 가진 압축원판1(2), 상기 압축원판 1과 유사한 형상의 것으로서 하우징(1)의 내부에 장착되고 회전암2가 부착된 축이 상기 압축원판 1의 중공축의 내부를 통과하여 설치되는 압축원판2(3), 상기 압축원판 1과 압축원판 2를 구동하는 크랭크(4), 상기 크랭크(4)와 상기 압축원판1의 회전암1과 압축원판2의 회전암2를 각각 연결하는 커넥팅로드1(51)과 크넥팅로드2(52)로 구성된다.

하우징(1)은 내부에 원통형 공간이 형성되어 있는 몸체로서, 한쪽 측면에는 압축원판1의 중공축이 통과하는 축구멍(11)이 형성되어 있고, 원주면에는 각각 흡입과 토출시 역류를 방지하는 체크밸브쌍(12)이 다수개가 결합되어 있다.

압축원판1(2)은 도 2에 도시한 바와 같이, 원판(21)에 방사상으로 등간격으로 2매 이상 다수매의 압축판(22)이 일측으로 돌출되게 부착되어 있고, 원판에는 중공축(23)이 부착되어 있으며, 상기 중공축(23)의 끝단에는 회전암1(24)이 부착되어 있다. 이 압축원판 1은 압축판(22)이 부착된 원판(21)이 상기 하우징(1)의 내부 에 장착되고, 중공축(23)이 하우징(1)의 측벽에 형성된 축구멍(11)을 통하여 하우징의 외부로 돌출된다.

압축원판2(3)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 압축원판1(2)과 유사한 형상으로 제작되는데, 원판(31)에 방사상으로 등간격으로 상기 압축원판1(2)의 압축판(22)의 매수와 같은 매수의 압축판(32)이 일측으로 돌출되게 부착되어 있고, 원판(31)에는 축(33)이 부착되어 있으며, 상기 축(33)의 끝단에는 회전암2(34)가 부착되어 있다. 이 압축원판2(3)는 그 축(33)이 상기 압축원판1(2)의 중공축(23)의 중공에 삽입되어 결합되는데, 압축원판1의 압축판(22)과 압축원판2의 압축판(32)이 상기 하우징(1)의 원통형 공간을 같은 크기로 분할하도록 결합되고, 회전암2(34)는 상기 회전암1(24)와 서로 대칭을 이룬다.

크랭크(4)는 크랭크축(41)에 2개의 커넥팅로드가 각각 결합되는 두개의 크랭크암(42, 43)을 가진다. 크랭크(4)는 다양한 방법으로 제작할 수 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크암(42, 43)의 전후와 사이에 원판(44)을 부착하고, 외부 원판에 크랭크축(41)을 부착하고, 원판의 적정 위치에 크랭크축(41)과 편심되게 크랭크암(42, 43)을 부착하는 방법으로 제작하는 것이 크랭크암의 위치를 임의로 조절할 수 있고 크랭크의 편심질량에 의한 진동을 방지할 수 있어서 좋다.

하우징(1)을 제외한 본 발명의 작동부위의 조립상태는 도 5에 도시한 바와 같은데, 크랭크(4)의 크랭크암(42, 43)에는 각각 상기 압축원판들의 중공축(23)과 축(33)에 부착된 회전암1(24)과 회전암2(34)를 연결하는 커낵팅로드1(51)과 커낵팅로드2(52)가 결합된다. 이들 커낵팅 도드의 양단은 모두 크랭크암 및 회전암과 회 전할 수 있다.

본 발명에 사용되는 펌프유닛의 작동개념도는 도 6에 도시한 바와 같은데, 상기 압축원판들(2, 3)에 결합된 회전암(24, 34)들이 크랭크의 크랭크암(42, 43)의 회전반경보다 상당히 길 경우, 크랭크축(41)이 회전할 동안 회전암(24, 34)들의 끝단은 상하로 왕복운동을 반복하게 된다. 그리고 회전암1(24)과 회전암2(34)가 서로 반대방향으로 부착되고 크랭크암(42, 43)이 서로 같은 방향에 부착된 경우, 회전암1(24)에 부착된 압축원판1(2)과 회전암2(34)에 부착된 압축원판2(3)이 하나가 시계방향으로 회전할 때 다른 하나는 반 시계방향으로 회전을 하는 방식으로 두 압축원판(2, 3)의 회전 방향이 서로 반대가 된다. 이에 따라 압축원판들(2, 3)은 일정 각도범위에서 각각 시계방향과 반시계방향으로 서로 반대방향으로 회전과 역회전을 반복하게 된다.

본 펌프유닛(압축원판(2, 3)들의 압축판(22, 32)들이 각각 2매씩인 경우)의 작동은 도 7에 도시한 바와 같은데, 최초에 크랭크(4)의 크랭크암(42, 43)이 수평위치에 있을 때는 (a)와 같이 하우징 내부에 4개의 압축공간(1, 2, 3, 4)이 같은 크기로 형성되어 있다.

크랭크축(41)이 회전을 하여 크랭크암(42, 43)이 아래쪽으로 내려가면, 커낵팅로드(51, 52)들이 각각 압축원판1(2)의 회전암1(24)과 압축원판2(3)의 회전암2(34)를 각각 반대방향에서 아래도 당겨 압축원판1은 반시계방향으로, 압축원판2는 시계방향으로 회전시킨다. 이에 따라 (b)와 같이 하우징(1)의 내부공간 중 1과 3은 체적이 축소되어 내부의 유체가 압축되어 압축된 유체가 토출체크밸브를 통하여 외 부로 토출되고, 내부공간 2와 4는 체적이 확대되면서 흡입체크밸브를 통하여 외부의 유체가 내부로 흡입된다.

크랭크축(41)이 계속 회전을 하여 회전암(24, 34)의 끝단이 하사점을 지나 상사점을 향하여 이동을 하면 압축원판1은 시계방향으로 압축원판2는 반시계방향으로 회전하게 된다. 이에 따라 (c)와 같이, 내부공간 1과 3은 체적이 점점 확대되면서 흡입체크밸브를 통하여 외부의 유체를 내부로 흡입을 하고, 내부공간 2와 4는 점점 축소되면서 내부의 유체가 압축되어 압축된 유체가 토출체크밸브를 통하여 외부로 토출된다.

본 펌프유닛은 크랭크(4)가 회전함에 따라 상기와 같은 작동을 반복하면서 각 내부공간들은 하우징 외부의 유체를 흡입하여 압축을 하여 외부로 토출을 하는 하나의 펌프와 같이 작동하고, 내부공간의 수만큼의 다수대의 펌프가 동시에 작동하는 효과가 있다.

본 펌프 유닛에서 하우징(1)의 내측면과 압축원판(2, 3)의 원판(21, 31)과의 접촉부위, 압축원판(2, 3)의 압축판(22, 32) 상호간의 접촉부위 등에는 기밀이 유지되도록 하는데, 접촉부위에 홈을 형성하고 이 홈에 오링, 불소수지판 등의 밀봉재를 삽입하는 방법으로 기밀을 유지할 수 있다. 이와 같은 기밀방법을 고압펌프 또는 컴프레셔의 제조분야에서 이미 잘 알려져 있다.

본 펌프유닛은 상기와 같이 압축원판(2, 3)에 각각 2매씩의 압축판(22, 32)을 부착하여 구성할 수 있으나, 도 8에 도시한 바와 같이 각각 4매씩의 압축판(22, 32)을 구성할 수 도 있고, 동일한 방법으로 압축판(22, 32)을 각각 3매, 5매 등 다 수매를 원판(21, 31)에 등간격으로 부착하여 구성할 수도 있다.

본 펌프유닛을 사용하여 다단펌프를 구성하는 방법은 다음과 같다.

도 9에 도시한 바와 같이, 공간 1의 토출측과 공간 2의 흡입측, 공간 2의 토출측과 공간 3의 흡입측, 그리고 공간 3의 토출측과 공간 4의 흡입측을 각각 순차적으로 고압호스로 연결을 하면 4대의 펌프가 직렬로 연결된 것과 같은 효과를 가진다. 즉, 공간 1의 체적이 감소하면서 그 내부의 유체가 압축될 동안 이와 인접한 공간 2는 체적이 증가하면서 공간 1에서 1차로 가압되어 토출되는 유체를 흡입하여 공간 2에는 1차가압된 유체가 충진된다. 크랭크가 계속 회전을 하여 공간 2의 체적이 감소하고 공간 3의 체적이 증가하면 공간 2에 충진된 1차 가압된 유체가 다시 한번 더 가압되어 2차 가압된 유체가 공간 3으로 토출된다. 크랭크가 계속 회전을 하여 공간 3의 체적이 감소하고 공간 4의 체적이 증가하면 공간 3에 충진된 2차 가압된 유체가 다시 한번 더 가압되어 3차 가압된 유체가 공간 4으로 토출된다. 크랭크가 계속 회전을 하여 공간 4의 체적이 감소하면 3차로 가압된 유체가 한번 더 가입이 되어 4차로 가압된 유체가 외부로 토출된다.

즉 최초로 공간 1의 흡입측으로 흡입된 유체는 각 압축공간에서 순차적으로 가압되어 최후의 압축공간인 공간 4의 토출측을 통하여 외부로 토출이 된다. 따라서 이와 같은 경우는 펌프 4대를 직렬로 연결한 것과 같은 구성이 되어 유체의 압축비를 아주 높게 할 수 있다.

도 10에 도시한 바와 같이, 공간 1의 토출측과 공간 2의 흡입측을 고압호스로 연결하고 공간 3의 토출측과 공간 4의 흡입측을 고압호스로 연결하면, 공간 1과 공간 3의 흡입측으로 흡입된 유체가 각각 2차 가압되어 공간 2의 토출측과 공간 4의 토출측으로 토출된다. 이 경우, 각각 2대씩 직렬로 연결된 펌프 2세트가 병렬로 연결된 것과 같은 구성이 된다. 이 경우 상기 4개의 공간이 모두 직렬로 연결된 경우에 비하여 압축비는 1/2이 되고, 유량은 2배가 된다.

도 11에 도시한 바와 같이, 흡입측를 공통으로 하여 공간 1, 3, 4에 병렬로 연결을 하고, 공간 1, 3, 4의 토출측을 공통으로 하여 공간 2의 흡입측에 연결을 하면 공간 1, 3, 4에서 압축된 유체가 공간 2에서 한번 더 압축이 되어 공간 2의 토출측으로 유출된다. 이 때 공간 4와 공간 2가 한꺼번에 압축이 되고, 공간 2의 압력이 공간 4보다 유체의 압력이 높지만, 공간 2의 흡입측에는 체크밸브가 구비되어 있으므로 공간 2의 압축유체는 토출측으로만 유출되고, 공간 2의 압력이 충분히 낮아진 후에 공간 4에서 압축된 유체가 공간 2로 유입된다. 이와 같은 연결은 3개의 펌프를 병렬로 연결한 다음 이를 다시 하나의 펌프와 직렬로 연결한 것과 같은 효과를 가진다.

만약 펌프유닛으로 도 8에 도시한 것과 같은 압축원판(2, 3)에 각각 3매 이상의 압축판(22, 32)을 구비한 것을 사용하면, 각 공간들을 다양하게 직렬 또는 병렬로 연결을 하여 다양한 압축비와 유량을 가진 펌프를 구현할 수 있다. 이와 같이 많은 압축공간을 가진 펌프 유닛을 사용하고, 직렬연결이 되는 공간의 수를 서로 달리할 경우, 하나의 펌프유닛으로 각각 압축비가 서로 다른 압축유체를 생산할 수도 있다.

본 발명인 펌프유닛은 액체를 가압하거나 흡입하는 펌프로 이용할 수 있고, 공기를 가압하는 컴프레셔 또는 불로워로 사용할 수 있다.

또한 본 발명인 펌프유닛은 일정 공간에서 공기를 포함한 기체를 흡입해 내는 진공펌프로도 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명인 펌프유닛의 전체 구성도이다.

도 2는 압축원판1의 구성도이다.

도 3은 압축원판2의 구성도이다.

도 4는 크랭크의 구성도이다.

도 5는 펌프유닛의 작동부위 결합도이다.

도 6은 펌프유닛의 작동설명도이다.

도 7은 펌프유닛의 작동원리 설명도이다.

도 8은 압축판이 각각 4매인 압축원판을 구비한 경우의 펌프유닛이다.

도 9는 압축공간 4개가 모두 직렬로 연결된 다단 펌프이다.

도 10은 압축공간이 2개씩 직렬로 연결된 다단 펌프이다.

도 11은 압축공간 3개가 병렬로 연결되고, 이것이 다시 하나와 직렬로 연결된 다단펌프이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 하우징, 2 : 압축원판1, 3 : 압축원판2, 4 : 크랭크,

51, 52 : 커넥팅로드

Claims (1)

1. 유체의 압축이 일어나는 원통형의 내부 공간을 형성하는 것으로서, 한쪽 측면에는 하기 압축원판1의 중공축(24)이 통과하는 축구멍(11)이 형성되어 있고, 원주면에는 각각 흡입과 토출시 역류를 방지하는 체크밸브쌍(12)이 다수개가 결합되어 있는, 하우징(1);

   상기 하우징(1)의 내부에 장착되는 것으로서 원판의 일면에 방사상으로 압축판(22)이 2매이상 다수매가 부착되고 회전암1(24)이 부착된 중공축(23)을 가진 압축원판1(2);

   상기 압축원판1(2) 함께 하우징(1)의 내부에 장착되고, 회전암2(34)가 부착된 축(33)이 상기 압축원판 1의 중공축의 내부를 통과하여 설치되는 것으로서, 압축판(32)이 2매이상 다수 부착된 압축원판2(3);

   상기 압축원판1(2)과 압축원판2(3)를 구동하는 크랭크(4);

   그리고 상기 크랭크(4)의 크랭크암(42)와 상기 압축원판1(2)의 회전암1(24)을 연결하는 커넥팅로드1(51)과, 상기 압축원판2(3)의 회전암1(34)을 연결하는 커넥팅로드2(52);

   를 포함하여 구성되는 회전압축식 펌프유닛을 사용하고:

   상기 회전압축식 펌프유닛의 내부에 형성된 각각의 압축공간들을 고압호스를 이용하여 서로 직렬 또는 병렬로 연결하여:

   다양한 압축비와 유량을 갖는 압축유체를 생산하는 것을 특징으로 하는, 다 단 펌프.

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