KR20150020877A - 추력 평형장치가 구비된 공기압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심형 공기압축기에 관한 것으로서, 다단 압축이 가능하도록 다수의 임펠러 스테이지가 설치된 원심형 공기압축기에 있어서, 상기 임펠러 스테이지가 일측부에만 설치되는 피니언 샤프트의 타측부에 추력 평형장치를 구비하되, 상기 추력 평형장치는 상기 피니언 샤프트에 결합되는 추력 평형디스크와, 상기 추력 평형디스크의 전면에 설치되는 중공형 메인하우징, 및 상기 임펠러 스테이지의 압축공기를 이용하여 상기 추력 평형디스크에 압력을 부가하는 공기주입관을 구비하고, 또한 상기 메인하우징 내에 유입된 공기를 외부로 배출시키는 배출부를 구비함으로써, 상기 추력 평형디스크가 상기 임펠러 스테이지에 의한 추력을 상쇄시킬 수 있게 하여 기어의 변형이나 물림 불량 방지는 물론 내구성을 증대시킬 수 있게 하고, 또한 대용량 추력베어링을 제거할 수 있도록 하여 제조단가를 절감할 수 있는 추력 평형장치가 구비된 공기압축기에 관한 것이다.

Description

추력 평형장치가 구비된 공기압축기{Air compressor with thrust balance device}

본 발명은 원심형 공기압축기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다단 압축이 가능하도록 다수의 임펠러 스테이지가 설치된 원심형 공기압축기에 있어서, 상기 임펠러 스테이지가 일측부에만 설치되는 피니언 샤프트의 타측부에 추력 평형장치를 설치하여 상기 임펠러 스테이지에 의해 피니언 샤프트에 가해지는 추력을 상쇄시켜 기어의 변형이나 물림 불량을 방지하고, 또한 대용량 추력베어링을 제거할 수 있게 한 추력 평형장치가 구비된 공기압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기(compressor)는 공기와 같은 기체를 압축하여 압력을 높이는 기계장치의 하나로서, 압축비(흡입 압력에 대한 토출 압력비)가 일정 값 이상을 나타내는 고압 기체 압축장치를 말하는 것이다.

이러한 압축기는 전기 모터나 터빈 등의 동력 발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 가스를 압축하여 고압으로 공급하는 역할을 하게 되며, 에어 콤프레서(air compressor)나 공기조화기 등 산업 전반에 다양하게 활용되고 있다.

압축기는 사용환경이나 조건 또는 기체의 종류에 따라 피스톤의 왕복 운동에 의한 왕복식, 특수한 형상의 회전체에 의한 회전식, 날개의 원심력을 이용한 원심식, 날개의 축 방향으로의 추력을 이용한 축류식 등이 있다.

이하 종래의 원심형 공기압축기(Gear Integrated air compressor)를 도 1 및 도 2를 참조하여 간략히 설명한다.

여기서 도 1은 종래의 원심형 공기압축기의 개략적인 구성도를 나타낸 것이고, 도 2는 종래의 원심형 공기압축기에서의 추력 전달 경로를 나타낸 부분 구성도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 원심형 공기압축기는 공기를 높은 압축비로 압축시키기 위하여 다단의 제1,2,3임펠러 스테이지(100,110,120)가 기어 결합되도록 설치되어 있다.

도 1의 예는 3개의 임펠러 스테이지(100,110,120)가 구비된 3단 압축기를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 제1임펠러 스테이지(100)와 제2임펠러 스테이지(110)가 피니언 샤프트(150)의 양단에 각각 설치되고, 제3임펠러 스테이지(120)는 일단에 카운터 매스(counter mass)(밸런스 웨이트, balance weight)(130)가 설치된 또 하나의 피니언 샤프트(160)의 타단에 설치된다.

따라서 구동모터는 불기어(bull gear)(200)를 통해 각 피니언기어(155,165)와 피니언 샤프트(150,160)를 동시에 회전시키게 되며, 피니언 샤프트(150,160)에 연결된 임펠러(102,112,122)가 회전하여 공기를 다단 압축하게 되는 것이다.

즉, 제1임펠러 스테이지(100)에서 압축된 압축공기는 제2임펠러 스테이지(110)와 제3임펠러 스테이지(120)를 순차적으로 경유하여 다단 압축된 후, 최종적으로 배출되는 것이다.

이때 임펠러(102,112,122)의 회전에 의한 추력이 피니언 샤프트(150,160)의 길이 방향으로 발생하게 되는 데, 제1,2임펠러 스테이지(100,110)에서 발생하는 추력은 서로 반대 방향으로 작용하여 상쇄되고, 제3임펠러 스테이지(120)에 의해 발생되는 추력은 도 2에 도시된 바와 같이, 추력 전달경로(점선)를 따라 불샤프트(250)에 전달되는 것이다.

이 추력은 불샤프트(250)에 설치된 추력베어링(300)에 의해 지지된다.

그러나 상기와 같은 종래의 원심형 압축기는 다음과 같은 문제점들이 있었다.

첫째, 피니언 샤프트의 일측에만 설치된 제3임펠러 스테이지에 의해 발생되는 추력은 상쇄되지 못하고, 구동모터에 연결되는 불샤프트에 전달되기 때문에 이를 지지하기 위하여 대용량의 추력 베어링을 불샤프트에 설치해야 함으로써, 제작 비용이 증가하는 문제점이 있었고, 둘째, 이러한 추력으로 인해 기어의 변형이나 불기어와 피니언기어의 물림 불량이 발생되어 압축기의 효율 저하는 물론 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 임펠러 스테이지가 일측부에만 설치되는 피니언 샤프트의 타측부에 추력 평형장치를 구비하되, 상기 추력 평형장치는 공기유입공이 설치되는 중공형 메인하우징에 추력 평형디스크를 내설하고, 상기 추력 평형디스크의 전면에 임펠러 스테이지의 압축공기 일부가 송출되도록 함으로써, 이 압축공기에 의한 압력이 추력을 상쇄시킬 수 있게 한 추력 평형장치가 구비된 압축기를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다단 압축이 가능하도록 다수의 임펠러 스테이지가 설치된 원심형 공기압축기에 있어서,

상기 임펠러 스테이지가 일측부에만 설치되는 피니언 샤프트의 타측부에 추력 평형장치를 구비하되, 상기 추력 평형장치는 상기 피니언 샤프트의 선단부에 결합되는 추력 평형디스크와, 상기 추력 평형디스크가 내설되며 상기 추력 평형디스크의 전면에 추력을 부가할 수 있도록 공기유입공이 설치되는 중공형 메인하우징과, 상기 임펠러 스테이지의 압축공기 일부를 상기 메인하우징의 공기유입공에 송출하는 공기주입관, 및 상기 메인하우징 내에 유입된 공기를 외부로 배출시키는 배출부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 추력 평형디스크는 일정 두께와 직경을 가지는 원판, 및 상기 원판의 중앙부로부터 돌출되어 상기 피니언 샤프트에 결합되는 체결부로 구성될 수 있다.

또한 상기 배출부는 상기 메인하우징 전면에 결합하되, 상기 메인하우징의 내부와 연통되는 간극부가 내측에 형성되도록 설치되는 보조하우징과, 상기 간극부와 연통되도록 상기 보조하우징에 관통 설치되는 배출공, 및 상기 배출공에 일단부가 결합되며, 상기 간극부에 유입되는 공기를 외부로 배출시키는 배출관으로 구성된다.

또 상기 공기주입관과 배출관은 복수로 설치되는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 추력 평형장치가 임펠러 스테이지에 의한 추력을 신속하게 상쇄시키게 됨으로써, 이러한 추력에 의한 기어의 변형이나 기어 물림 불량을 차단할 수 있게 되어 압축기의 효율성 증대는 물론 내구성이 증대될 수 있는 효과가 있고, 또한 추력을 지지하기 위한 별도의 대용량 추력 배어링을 설치할 필요가 없어 제작 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 원심형 공기압축기의 개략적인 구성도,
도 2는 종래의 원심형 공기압축기에서의 추력 전달 경로를 나타낸 부분 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 추력 평형장치가 구비된 공기압축기의 구성도,
도 4는 본 발명에 구비된 추력 평형장치의 단면도,
도 5는 본 발명에 구비된 추력 평형장치의 또 다른 단면도,
도 6은 본 발명에 구비된 추력 평형장치의 사시도이다.

이하 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

여기서 도 3은 본 발명에 따른 추력 평형장치가 구비된 공기압축기의 구성도를 나타낸 것이고, 도 4와 도 5는 본 발명에 구비된 추력 평형장치의 단면도를 각각 나타낸 것이며, 도 6은 본 발명에 구비된 추력 평형장치의 사시도를 나타낸 것이다.

여기서 도 4와 도 5는 설명의 편의를 위하여 추력 평형장치의 부분 단면도로 나타낸 것이다.

도 3의 실시예는 3개의 임펠러 스테이지가 설치된 3단 압축기의 예를 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 5단 등 홀수의 다단 압축기에 적용할 수 있을 것이다.

먼저 도 3을 참조하여 다단 원심형 공기압축기를 간략히 설명한다.

다단 원심형 공기압축기는 공기를 여러 단으로 압축하여 높은 압축비를 얻을 수 있도록 한 장치로서, 도시된 바와 같이, 3단 압축기는 제1임펠러 스테이지(10)와 제2임펠러 스테이지(20) 및 제3임펠러 스테이지(30)를 구비하고 있다.

이때 제1임펠러 스테이지(10)와 제2임펠러 스테이지(20)는 제1피니언 샤프트(40)의 양단에 대칭되게 각각 설치되고, 제3임펠러 스테이지(30)는 제2피니언 샤프트(50)의 일단부에 설치된다.

여기서 구동모터(도시하지 않음)는 불샤프트(250)에 결합되고, 불샤프트(250)에 구비된 불기어(200)가 제1피니언 샤프트(40)와 제2피니언 샤프트(50)에 설치된 각 피니언기어(45,55)에 기어 결합되도록 설치되는 것이다.

따라서 구동모터가 회전하게 되면, 불기어(250)의 회전에 의해 각 피니언기어(45,55)가 동시에 회전하게 되고, 이때 각 피니언 샤프트(40,50)가 동시에 회전하면서 제1,2,3임펠러 스테이지(10,20,30)에 내설된 임펠러(12,22,32)를 회전시켜 공기를 압축하게 되는 것이다.

여기서 공기는 제1,2,3임펠러 스테이지(10,20,30)를 순차적으로 경유하면서 다단으로 압축된 후, 제3임펠러 스테이지(30)의 토출구를 통해 배출되는 것이다.

이때 임펠러(12,22,32)는 전.후단의 압력차로 인하여 제1,2피니언 샤프트(40,50)의 길이 방향으로 추력을 발생시키게 되는 데, 이때 제1임펠러 스테이지(10)와 제2임펠러 스테이지(20)는 서로 반대 방향의 추력을 발생시키게 되어 상쇄되는 것이다.

한편 제3임펠러 스테이지(30)에 의해 발생되는 추력은 제2피니언 샤프트(50)에 부가되기 때문에, 본 발명은 이를 상쇄시키기 위하여 제2피니언 샤프트(50)의 타단에 추력 평형장치(80)를 설치하는 것이다.

여기서 본 발명의 추력 평형장치(80)는 종래의 카운터 매스(130)를 대체하여 설치한 것으로서, 밸런스 웨이트(ballance weight) 기능과 함께 추력 상쇄 역할을 동시에 하게 되는 것이다.

본 발명의 추력 평형장치(80)는 추력 평형디스크(60), 메인하우징(70), 공기주입관(75), 및 배출부(90)로 이루어진다.

여기서 추력 평형디스크(60)는 일정 두께와 직경을 가지는 원판(61) 및 체결부(65)로 구성될 수 있다.

이때 체결부(65)는 제2피니언 샤프트(50)의 단부에 결합되어 원판(61)이 제2피니언 샤프트(50)와 일체로 회전 되도록 하는 것으로서, 원판(61)의 중앙부로부터 전방으로 일정 길이 돌출되도록 구비된다.

체결부(65)는 제2피니언 샤프트(50)와 일체로 회전 가능하도록 축결합되며, 용접이나 나사 결합 또는 플랜지 결합 등 일반적인 축 커플링 구조로 체결되도록 할 수 있을 것이다.

한편 메인하우징(70)은 추력 평형디스크(60)가 내설되어 회전될 수 있도록 중공형으로 구비되며, 압축기의 메인프레임에 결합된다.

이때 메인하우징(70)의 내측면과 추력 평형디스크(70)의 전,후면은 일정 거리 이격되어 소정의 공간이 형성되도록 구비되며, 메인하우징(70)의 전면에는 압축공기가 내부로 유입될 수 있도록 복수의 공기유입공(72)이 관통 형성된다.

여기서 추력 평형디스크(60)와 메인하우징(70)의 회전 접촉부에는 실링부재(63)가 설치되는 것이 바람직하다.

한편 공기주입관(75)은 메인하우징(70)의 내부에 압축공기가 주입될 수 있도록 하는 것으로서, 일단은 메인하우징(70)의 공기유입공(72)에 연결되고, 타단은 제3임펠러 스테이지(30)에 연결되는 것이다.

따라서 공기주입관(75)은 제3임펠러 스테이지(30)에서 발생되는 압축공기의 일부를 메인하우징(70) 내부로 송출하여 추력 평형디스크(60)의 전면에 공기압을 부가시키는 역할을 하는 것이다.

한편 메인하우징(70)의 전면에는 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 연결공(78)이 설치된다.

연결공(78)은 메인하우징(70)의 내부 공간과 하기에서 설명하는 간극부(76)를 연통시키는 역할을 하는 것이다.

여기서 메인하우징(70)에 설치되는 공기유입공(72)과 연결공(78)은 복수로 구비되는 것이 바람직하다.

한편 배출부(90)는 메인하우징(70) 내부로 유입된 압축공기를 다시 외부로 배출시키는 역할을 하는 것으로서, 보조하우징(91)과 배출공(92) 및 배출관(95)으로 구성된다.

보조하우징(91)은 메인하우징(70)의 전면에 결합하되, 메인하우징(70)의 전면과 일정 거리 이격되는 간극부(76)가 형성되도록 결합되는 것이다.

이때 보조하우징(91)은 메인하우징(70)에 용접 결합되거나 또는 볼팅 체결될 수 있으며, 간극부(76)는 메인하우징(70)에 설치된 연결공(78)에 의해 메인하우징(70)의 내부 공간과 연통되는 것이다.

여기서 배출공(92)은 메인하우징(70)의 공기유입공(71)과 마찬가지로 복수로 구비되는 것이 바람직하다.

메인하우징(70)과 보조하우징(91)이 추력 평형디스크(60)의 체결부(65)의 외주면과 접촉되는 부분에는 실링부재(62)가 설치되는 것이 바람직하다.

한편 배출관(95)은 일단이 보조하우징(91)의 배출공(92)에 연결되어 간극부(76)의 공기가 외부로 배출되도록 하는 것으로서, 제3임펠러 스테이지(30)에 설치되는 토출구에 연결되도록 할 수 있을 것이다.

이하 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 작동 과정을 상세히 설명한다.

먼저 구동모터의 회전에 의해 불기어(200)가 회전하게 되면, 제1,2피니언샤프트(40,50)가 동시에 회전되고, 이로 인해 제1,2,3임펠러 스테이지(10,20,30)의 각 임펠러(12,22,32)가 동시에 회전하여 공기를 압축하게 된다.

이때 제1,2임펠러 스테이지(10,20)에서 발생하는 추력은 도 3에 도시된 화살표와 같이, 서로 반대 방향으로 작용하기 때문에 서로 상쇄되어 제거될 수 있다.

한편 제3임펠러 스테이지(30)에 구비된 임펠러(32)는 도 3에 도시된 화살표와 같이, 추력을 발생시키게 된다.

이때 제3임펠러 스테이지(30)에서 압축된 압축공기 일부는 공기주입관(75)을 통해 메인하우징(70)의 내부로 송출되고, 이때 메인하우징(70)의 공기유입공(72)을 통해 내부로 진입한 압축공기는 회전하는 추력 평형디스크(60)의 전면에 공기압을 부가하게 됨으로써, 도 3에 도시된 화살표와 같이 제3임펠러 스테이지(30)에 의한 추력과 반대 방향으로 추력 평형디스크(60)를 가압하게 되어 추력을 상쇄시키게 되는 것이다.

상기와 같이 압축공기는 추력 평형디스크(60)에 공기압을 가하여 추력을 발생시킨 후, 메인하우징(70)의 연결공(78)을 통해 간극부(76)로 이동하게 되고, 이후 보조하우징(91)의 배출공(92)과 배출관(95)을 순차적으로 경유하여 배출됨으로써, 제3임펠러 스테이지(30)에 의한 추력을 상쇄시키게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 제3임펠러 스테이지(30)가 결합된 제2피니언 샤프트(50)의 반대편에 설치된 추력 평형장치(80)가 임펠러(32)에 의해 발생되는 추력과 반대 방향으로 추력을 발생시켜 상쇄시키게 됨으로써, 기어의 변형이나 물림 불량이 발생되는 것을 차단하게 될 뿐 아니라, 내부 부품의 내구성을 증대시킬 수 있게 되고, 또한 대용량 추력베어링을 설치할 필요가 없게 되어 제조단가 또한 절감할 수 있게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10,100 : 제1임펠러 스테이지
20,110 : 제2임펠러 스테이지
30,120 : 제3임펠러 스테이지
12,22,32,102,112,122 : 임펠러
40 : 제1피니언 샤프트 50 : 제2피니언 샤프트
45,55,155,165 : 피니언기어
60 : 추력 평형디스크 61 : 원판
62,63 : 실링부재 65 : 체결부
70: 메인하우징 72 : 공기유입공
75 : 공기주입관 76 : 간극부
78 : 연결공 80 : 추력 평형장치
90 : 배출부 91 : 보조하우징
92 : 배출공 95 : 배출관
150,160 : 피니언 샤프트
130 : 카운터 매스 200 : 불기어
250 : 불샤프트 300 : 추력베어링

Claims (4)

1. 다단 압축이 가능하도록 다수의 임펠러 스테이지가 설치된 원심형 공기압축기에 있어서,
   상기 임펠러 스테이지가 일측부에만 설치되는 피니언 샤프트의 타측부에 추력 평형장치를 구비하되,
   상기 추력 평형장치는,
   상기 피니언 샤프트의 선단부에 결합되는 추력 평형디스크;
   상기 추력 평형디스크가 내설되며, 상기 추력 평형디스크의 전면에 추력을 부가할 수 있도록 공기유입공이 설치되는 중공형 메인하우징;
   상기 임펠러 스테이지의 압축공기 일부를 상기 메인하우징의 공기유입공에 송출하는 공기주입관; 및
   상기 메인하우징 내에 유입된 공기를 외부로 배출시키는 배출부;
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 추력 평형장치가 구비된 공기압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 추력 평형디스크는,
   일정 두께와 직경을 가지는 원판; 및
   상기 원판의 중앙부로부터 돌출되어 상기 피니언 샤프트에 결합되는 체결부;
   로 구성되는 것을 특징으로 되는 추력 평형장치가 구비된 공기압축기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 배출부는,
   상기 메인하우징 전면에 결합하되, 상기 메인하우징의 내부와 연통되는 간극부가 내측에 형성되도록 설치되는 보조하우징;
   상기 간극부와 연통되도록 상기 보조하우징에 관통 설치되는 배출공; 및
   상기 배출공에 일단부가 결합되며, 상기 간극부에 유입되는 공기를 외부로 배출시키는 배출관;
   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 추력 평형장치가 구비된 공기압축기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 공기주입관과 배출관은 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 추력 평형장치가 구비된 공기압축기.

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