KR20120077939A - 다기통 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전동기부와 압축기부를 포함하여 이루어지며, 상기 전동기부로부터 동력을 전달받아 회전하는 크랭크축과; 상기 크랭크축의 중심축과 직교되게 배치되며, 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 실린더 내에서 왕복운동하게 장착되는 피스톤과; 일단은 상기 크랭크축의 크랭크암과 핀으로 결합되고, 타단은 상기 피스톤에 핀으로 결합되는 커넥팅 로드를 포함하여 이루어지는 압축기로서, 상기 실린더는 상기 크랭크축의 중심축과 나란하게 일렬로 복수 개가 배치되고, 상기 실린더의 각각에 대응하는 피스톤이 복수 개 장착되며, 상기 크랭크축은 상기 피스톤의 갯수에 따라 크랭크암의 방향이 서로 일정 각도만큼 어긋나게 구성되는 것을 특징으로 하는 다기통 압축기를 제공한다.
본 발명에 의한 다기통 압축기에 의하면, 압축기를 다기통화 함으로써 흡입과 토출가스의 압력 맥동에 의한 흡입과 토출손실을 감소시키고, 연속적인 압축가스 토출로 유동율을 증가시키며, 부하 변동을 최소화하여 압축기의 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

다기통 압축기{Multi Cylinder type Compressor}

본 발명은 다기통 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압축기를 다기통화 함으로써 흡입과 토출가스의 압력 맥동에 의한 흡입과 토출손실을 감소시키고, 연속적인 압축가스 토출로 유동율을 증가시키며, 부하 변동을 최소화하여 압축기의 효율을 증대시킬 수 있는 다기통 압축기에 관한 것이다.

압축기는 공기나 냉매 가스 등을 고압으로 압축하는데 사용되는 장치이다. 압축기는 구조에 따라 왕복동식과 회전식으로 분류되고, 왕복동식은 크랭크식, 사관식, 워블플레이트식으로 구분되며, 회전식으로는 베인로터리식 및 스크롤식이 있고, 기타 용적을 변화시킬수 있는 가변용량형이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 단기통 왕복동식 압축기의 작동원리가 도시된 개략도이다. 종래기술에 따른 단기통 왕복동식 압축기는 모터의 동력을 전달받은 크랭크축이 회전되면 상기 크랭크축의 회전에 따라 커넥팅 로드가 회전되면서 왕복운동되어 피스톤을 왕복운동시키고, 이러한 피스톤의 왕복운동에 의해서 실린더 내부의 기체가 흡입 및 압축되는 구조이다.

피스톤이 상승하게 되면 피스톤 상부의 실린더 용적이 감소하게 되고, 상기 실린더 용적 내의 공기가 압축되게 된다. 피스톤이 상승할수록 상기 실린더 용적 내의 공기는 더욱 압축되고, 그 압축력에 의해 피스톤을 누르는 힘도 더욱 커지게 된다. 이에 따라 상기 모터는 이러한 피스톤 상면의 부하를 이기면서 상기 크랭크축을 회전시키게 된다. 피스톤이 상사점(Top Dead Center)에 도달하면 상기 실린더 용적 내의 공기압은 최대가 되고, 압축된 공기가 피스톤 상면을 누르는 힘도 최대가 된다. 따라서, 상기 크랭크축을 회전시키기 위해 상기 모터로부터 전달되어야 할 토크의 크기도 피스톤의 위치에 따라 변화하게 된다. 결국, 상기 크랭크축을 1회전 시킬때 필요한 평균적인 토크의 크기는 최대 필요 토크보다 작은 것이 명백하다.

그러나, 평탄한 토크 곡선을 갖는 일반적인 모터를 사용하려면 작동 회전수에서 상기 크랭크축에 상기 최대 필요 토크만큼의 토크를 전달시킬 수 있는 모터를 사용해야 하고, 결과적으로 필요한 평균적인 토크보다 큰 토크를 발생시키는 모터를 사용해야만 하는 것이다. 그런데, 모터의 효율은 부하율이 떨어지면 급격히 저하되는 특성을 갖는바, 필요한 평균 부하보다 큰 정격출력을 갖는 모터를 사용해야 함으로써 압축기 전체의 효율이 떨어지게 된다. 이는 모터 내부의 권선에는 인덕턴스가 존재하여 부하가 변동하여도 급격한 전류의 감소가 일어나지 않으며, 무부하에서도 여자전류(magnetizing current)만 흐르고 부하전류(load current)는 0 에 가깝기 때문이다. 이와 함께 종래기술에 따른 단기통 왕복동식 압축기에서는 흡입과 토출이 단속적으로 이루어지기 때문에 흡입과 토출가스의 압력 맥동에 의해 흡입과 토출손실이 증가하는 결함이 있다.

왕복동식 다기통 압축기로 국내의 또 다른 기술인 국내등록특허 10-653622호 '밀폐형 왕복동식 다기통 압축기'에 따르면, 크랭크축과 함께 회전되는 중앙의 편심축을 중심으로 동일형상의 실린더를 일정간격의 방사상으로 복수개 구비하여, 1회의 편심축 회전에 의하여 복수회의 압축이 이루어지게 하여 압축효율을 높이고자 하는 기술이 있으나, 위와 같이 하나의 편심축에 방사상으로 복수개의 실린더를 구축하고자 하는 경우에는 실린더수 만큼 회전링이 하나의 편심축 상하로 일정간격 이격구비되는 것으로, 2기통까지는 무리가 없다 하겠으나, 복수개의 실린더를 편심축에 다단 구축하는 경우에는 편심축의 길이가 각 회전링에 대응하는 높이로 연장되어 전동기부에 무리가 가서 내구성이 저하되며 진동 및 소음의 원인이 되는 것으로 파악된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 압축기를 다기통화 함으로써 흡입과 토출가스의 압력 맥동에 의한 흡입과 토출손실을 감소시키고, 연속적인 압축가스 토출로 유동율을 증가시키며, 부하 변동을 최소화하여 압축기의 효율을 증대시킬 수 있는 다기통 압축기를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전동기부와 압축기부를 포함하여 이루어지며,

상기 전동기부로부터 동력을 전달받아 회전하는 크랭크축과;

상기 크랭크축의 중심축과 직교되게 배치되며, 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 실린더 내에서 왕복운동하게 장착되는 피스톤과;

일단은 상기 크랭크축의 크랭크암과 핀으로 결합되고, 타단은 상기 피스톤에 핀으로 결합되는 커넥팅 로드를 포함하여 이루어지는 압축기로서,

상기 실린더는 상기 크랭크축의 중심축과 나란하게 일렬로 복수 개가 배치되고, 상기 실린더의 각각에 대응하는 피스톤이 복수 개 장착되며, 상기 크랭크축은 상기 피스톤의 갯수에 따라 크랭크암의 방향이 서로 일정 각도만큼 어긋나게 구성되는 것을 특징으로 하는 다기통 압축기를 제공한다. 이때, 상기 실린더 및 피스톤의 갯수는 2개 내지 8개로 구성될 수 있다.

또한, 상기 실린더는 상기 크랭크축의 중심축과 나란하게 배치되나, 상기 실린더들의 일부가 배치되는 방향과 나머지 실린더들이 배치되는 방향이 크랭크축의 중심축을 기준으로 소정의 각도만큼 어긋나게 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 실린더 및 피스톤의 갯수는 2개 내지 16개로 구성될 수 있다.

본 발명에 의한 다기통 압축기에 의하면, 압축기를 다기통화 함으로써 흡입과 토출가스의 압력 맥동에 의한 흡입과 토출손실을 감소시키고, 연속적인 압축가스 토출로 유동율을 증가시키며, 부하 변동을 최소화하여 압축기의 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 단기통 왕복동식 압축기의 작동원리가 도시된 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기통 압축기의 측면 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 구성 및 작용효과를 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

왕복동식 압축기의 효율을 증가시키기 위하여 다기통화 할 때, 이론적으로는 기통수가 많을수록 부하의 변동이 적어져서 유리해지게 되나, 실제로 제작시에는 기통수가 많을수록 부품의 갯수가 많아지고, 조립 공정이 복잡해지며, 크랭크축의 강도를 유지하기가 어려워지고, 제작 비용의 증가에 비한 효율의 상승폭이 작아지게 되는바, 대형 압축기인 경우라도 최대 기통수에는 현실적인 한계가 존재한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기통 압축기의 측면 개략도이다.

이는 가장 범용성이 높다고 볼 수 있는 직렬 4기통 압축기를 구성한 예에 관한 것이다. 크랭크축(210)은 크랭크실 내에 회전이 가능하도록 메인 베어링으로 지지되어 장착되고, 상기 크랭크축(210)의 중심축과 직교되도록 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 동일형상의 실린더(240)들이 일렬로 배치된다. 이때, 크랭크축(210)의 메인 베어링 저널과 크랭크핀을 연결하는 크랭크암들 중의 2개와 나머지 2개의 각도가 180도로 형성되는 일반적인 4행정 4기통 엔진의 크랭크축(210)과는 달리, 4개의 크랭크암들은 각각 90도의 각도로 어긋나게 구성된다. 이는, 일반적인 4행정 엔진의 피스톤이 흡입, 압축, 연소, 배기의 4가지 행정을 크랭크축의 2회전 동안에 1회 반복하는 것임에 반하여, 압축기의 피스톤(230)은 흡입 및 압축 행정을 크랭크축(210)의 1회전 동안에 1회 반복하는 것이기 때문이다. 만일 기통 수가 n개로 구성되는 직렬 다기통 압축기라면, 각 크랭크암들은 360/n 도 만큼씩 어긋나게 구성되게 된다.

상기 크랭크암들을 연결하는 크랭크 핀 부위에는 상기 커넥팅 로드(220)의 큰 끝(big end)이 분할되어 커넥팅 로드 캡에 의해 연결된다. 커넥팅 로드는 운전중 압축력, 인장력, 휨 등의 하중을 반복하여 받기 때문에 이것을 충분히 견딜 수 있는 강도와 강성이 필요하고, 무게를 가볍게 하기 위해 I자형 단면으로 되어있다. 재질은 니켈 크롬강, 크롬 몰리브덴강, 탄소강 등을 사용하여 형타 단조(drop forging)하여 만든다.

상기 커넥팅 로드(220)의 작은 끝(small end)은 피스톤 핀의 중앙에 결합되고, 상기 피스톤 핀의 양쪽은 피스톤 보스에 의해 지지된다. 이와 같은 구성에 의하여, 모터의 동력을 전달받은 크랭크축(210)이 회전됨에 따라 상기 커넥팅 로드(220)가 회전되면서 왕복운동되어서 상기 피스톤(230)을 왕복운동시키게 된다.

도 2를 참조하면 제 1 실린더(A)는 압축 행정의 종료시점인 동시에 흡입 행정의 시작시점인 행정상태이고, 제 2 실린더(B)는 압축 행정의 중간시점인 행정상태이며, 제 3 실린더(C)는 흡입 행정의 종료시점인 동시에 압축 행정의 시작시점인 행정상태이고, 제 4 실린더(D)는 흡입 행정의 중간시점인 행정상태이다. 이와 같이 4기통화 하면, 피스톤(230)이 최대 필요 토크를 요하는 상사점(Top Dead Center)에 도달하는 시점이 크랭크축의 1회전당 4회 발생하게 되어 최대 필요 토크와 크랭크축을 1회전 시킬때 필요한 평균적인 토크의 크기의 차이가 작아지게 되는바, 필요한 평균 부하에 가까운 정격출력을 갖는 모터를 사용할 수 있고, 흡입과 토출의 간격을 줄여서 압력 맥동의 발생을 억제할 수 있게 되어, 압축기의 효율이 상승하게 된다. 또한, 진동 및 소음이 저감되는 이점도 있다.

이 경우, 4개의 기통에서 개별적으로 압축을 진행하도록 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 크랭크암의 각도가 180도를 이루는 다른 실린더 2개를 묶어서, 하나의 실린더에서 압축된 기체를 다시 다른 실린더 내로 흡입시킨 후 재압축 시키는 2단 압축 방식을 채택할 수도 있다. 이러한 방식은 흡입압력과 토출압력의 차이를 크게 할 수 있는 이점이 있으며, 1차적으로 압축된 기체를 2차적으로 압축시키기 전에 중간냉각기를 사용하여 냉각시킬 경우 충전 효율이 높아지고 압축일이 줄어들게 되어 더욱 높은 압축기 효율을 얻을 수 있게 된다. 이는 짝수 개의 기통수를 갖는 다기통 압축기에는 공통적으로 적용가능한 것이며, 6기통 압축기인 경우는 3단 압축 방식도 구현 가능하게 된다. 기통의 수는 2 내지 8기통이 현실적으로 경제성 있게 구현할 수 있는 범위이다.

본 발명의 다른 실시예로는 실린더들의 일부가 배치되는 방향과 나머지 실린더들이 배치되는 방향이 크랭크축의 중심축을 기준으로 소정의 각도만큼 어긋나게 구성되는 V형 다기통 압축기를 구성할 수 있다. 이러한 구성은 피스톤들의 간격을 직렬형으로 구성할 때보다 더 좁게 배치할 수 있어서, 다기통화 할 때 압축기의 전체적인 길이가 길어지는 단점을 보완할 수 있고, 길이의 감소에 따라 크랭크축의 강성을 확보하기 쉬워지는 이점이 있다. 기통의 수는 2 내지 16기통이 현실적으로 구현할 수 있는 범위이다. 실린더 간의 각도가 90도를 이루는 경우는 크랭크암에 형성된 밸런스 웨이트와의 균형에 의해 진동이 크게 상쇄되는 이점이 있다.

이 경우에도, 각 기통에서 개별적으로 압축을 진행하도록 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 실린더 2개를 묶어서, 하나의 실린더에서 압축된 기체를 다시 다른 실린더 내로 흡입시킨 후 재압축 시키는 2단 압축 방식을 채택할 수도 있다.

이렇게 압축기를 다기통화 함에 의하여, 흡입과 토출가스의 압력 맥동에 의한 흡입과 토출손실을 감소시키고, 연속적인 압축가스 토출로 유동율을 증가시키며, 부하 변동을 최소화하여 압축기의 효율을 증대시킬 수 있다.

100 : 모터부 200 : 압축기부
210 : 크랭크축 220 : 커넥팅 로드
230 : 피스톤 240 : 실린더
A : 제 1 실린더 B : 제 2 실린더
C : 제 3 실린더 D : 제 4 실린더

Claims (4)

1. 전동기부와 압축기부를 포함하여 이루어지며,
   상기 전동기부로부터 동력을 전달받아 회전하는 크랭크축과;
   상기 크랭크축의 중심축과 직교되게 배치되며, 흡기 밸브와 배기 밸브가 구비된 실린더 내에서 왕복운동하게 장착되는 피스톤과;
   일단은 상기 크랭크축의 크랭크암과 핀으로 결합되고, 타단은 상기 피스톤에 핀으로 결합되는 커넥팅 로드를 포함하여 이루어지는 압축기로서,
   상기 실린더는 상기 크랭크축의 중심축과 나란하게 일렬로 복수 개가 배치되고, 상기 실린더의 각각에 대응하는 피스톤이 복수 개 장착되며, 상기 크랭크축은 상기 피스톤의 갯수에 따라 크랭크암의 방향이 서로 일정 각도만큼 어긋나게 구성되는 것을 특징으로 하는 다기통 압축기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 실린더 및 피스톤의 갯수는 2개 내지 8개인 것을 특징으로 하는 다기통 압축기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 실린더는 상기 크랭크축의 중심축과 나란하게 배치되나, 상기 실린더들의 일부가 배치되는 방향과 나머지 실린더들이 배치되는 방향이 크랭크축의 중심축을 기준으로 소정의 각도만큼 어긋나게 구성되는 것을 특징으로 하는 다기통 압축기.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 실린더 및 피스톤의 갯수는 2개 내지 16개인 것을 특징으로 하는 다기통 압축기.

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