KR20160028695A - 공기 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기 구조를 개선함으로써 실린더블록을 단순화하고 실린더블록의 사이즈를 줄일 수 있도록 한 공기 압축기에 관한 것이다. 본 발명은 외부 공기를 가압하여 공급하는 외부공기 공급부와, 외부공기 공급부에서 공급받은 저압 공기를 압축하여 고압 공기를 형성하는 압축부를 구비하는 공기 압축기에 있어서, 크랭크케이스의 크랭크실과 실린더의 압축실을 연결하는 흡기공을 개폐하는 공기조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기 압축기{Air Compressor}
본 발명은 공기 압축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 크랭크실과 압축실을 연결하는 흡기공을 개폐하는 공기조절밸브를 피스톤에 설치하여 고압의 압축 공기를 형성할 수 있도록 압축기 구조를 개선함으로써 실린더블록을 단순화하고 실린더블록의 사이즈를 줄일 수 있도록 한 공기 압축기에 관한 것이다.
일반적으로 공기 압축기는 동력을 전달받아 공기를 압축하는 기계이며, 회전 압축기, 터보 압축기, 왕복동 압축기 등이 있다.
왕복동 압축기를 적용한 기술로서는, 발명의 명칭이 "저소음형 왕복동식 공기압축기의 흡배기밸브의 소음저감장치"인 한국등록특허 제10-0548196호(문헌1), 발명의 명칭이 "2단 압력 제어 공기 압축기"인 한국등록특허 제10-0910731호(문헌2), 발명의 명칭이 "공기 압축기"인 한국등록특허 제10-0397301호(문헌3) 등 다수의 문헌에 관련 기술이 개시된 바 있다.
상기 선행문헌들에 개시된 공기 압축기는 실린더블록의 상부에 결합된 실린더헤드에 흡기밸브와 배기밸브를 설치하고, 실린더 내에서 피스톤이 하강하면서 흡기밸브가 열려 공기를 흡입하고, 피스톤이 상승하면서 실린더 내의 공기를 압축시키면 압력 상승으로 배기밸브가 열려 압축된 공기가 토출되는 구조로 되어있다. 이러한 공기 압축기는 실린더블록의 상부에 위치하는 실린더헤드에 흡입, 배기 통로를 개폐하는 밸브기구가 밀집되어 복잡한 구조를 형성하고 있기 때문에 실린더블록의 제작 난이도가 가중되어 제조원가를 상승하는 요인이 된다. 또한 고압 공기를 형성하려면 실린더를 왕복하는 피스톤의 이동 거리가 길어질 수밖에 없어 실린더블록의 사이즈가 커지는 단점이 있다.
(문헌1) 한국등록특허 제10-0548196호(2006.02.02.공고) (문헌2) 한국등록특허 제10-0910731호(2009.08.05.공고) (문헌3) 한국등록특허 제10-0397301호(2003.09.13.공고)
없음
본 발명의 일 측면은 크랭크실과 압축실을 연결하는 흡기공을 개폐하는 공기조절밸브를 피스톤에 설치하여 고압의 압축 공기를 형성할 수 있도록 압축기 구조를 개선한 공기 압축기를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 실시 예에 따른 공기 압축기는, 외부 공기를 가압하여 공급하는 외부공기 공급부와, 상기 외부공기 공급부에서 공급받은 저압 공기를 압축하여 고압 공기를 형성하는 압축부를 구비하는 공기 압축기에 있어서, 상기 압축부는 압축실이 형성된 실린더, 상기 실린더와 일체화되어 밀폐 공간을 형성하는 크랭크케이스, 상기 실린더에서 왕복 운동하는 피스톤, 상기 피스톤을 구동시키는 피스톤 구동부를 포함하고, 상기 크랭크케이스의 크랭크실과 상기 실린더의 압축실을 연결하여 압력 평형을 이루기 위한 흡기공을 개폐하는 공기조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 크랭크케이스와 상기 외부공기 공급부 사이에 연결관을 연결하고, 상기 외부공기 공급부의 가압 공기는 상기 연결관을 통하여 상기 크랭크케이스의 크랭크실 내부에 흡입되는 것을 특징으로 한다.
상기 공기조절밸브는 상기 피스톤의 선단에 착탈가능하게 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 압축부는 상기 압축실의 고압 공기가 체류하는 토출실과, 상기 압축실과 토출실 사이에 설치된 배기밸브를 포함하고, 상기 토출실에 연결된 배출관을 통하여 공급되는 고압 공기를 저장하는 고압탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 크랭크실의 압력이 상기 압축실의 압력보다 높으면 상기 공기조절밸브가 개방되고, 상기 크랭크실의 압력이 상기 압축실의 압력보다 높지 않으면 상기 공기조절밸브가 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
상기 공기조절밸브는 원판 형상의 덮개와, 상기 덮개의 제1체결홈에 결합된 체결구와, 상기 덮개를 상기 크랭크실 쪽으로 당기도록 상기 체결구에 삽입된 제1스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기조절밸브는 상기 체결구 몸체 내부를 관통하여 삽입되어 상기 제1체결홈 내측에 형성된 제2체결홈에 결합된 보조 체결구와, 상기 덮개를 상기 압축실 쪽으로 당기도록 상기 체결구에 삽입된 제2스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1스프링의 탄성력은 상기 제2스프링의 탄성력보다 크게 설정한 것을 특징으로 한다.
상기 피스톤은 몸체의 길이 방향으로 관통 형성되어 상기 체결구의 이동 통로를 제공하는 제1 및 제2설치홈을 형성하고, 상기 제1설치홈은 상기 제1스프링을 지지하고, 상기 제2설치홈은 상기 제2스프링을 지지하는 것을 특징으로 한다.
상기 피스톤 상단에 상기 덮개와 결합되는 요홈을 형성하고, 상기 덮개가 상기 요홈에 결합시 발생하는 충격을 완화하기 위하여 상기 요홈에 일체 결합된 완충부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공기 압축기는 고압의 압축 공기를 형성하기 위한 실린더블록의 구조를 단순화하고, 피스톤에 형성한 흡기공을 개폐하여 압축실 용적을 극대화할 수 있어 실린더블록의 사이즈를 줄일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 공기 압축기는 피스톤에 분해 조립이 쉽도록 착탈구조의 공기조절밸브를 적용하므로 부품 교체 및 고장 수리가 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공기 압축기를 설명하는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공기 압축기의 압축부에 설치된 피스톤의 분해사시도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 피스톤의 구조를 설명하는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 공기 압축기의 피스톤에 설치된 공기조절밸브가 열린 상태를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 공기 압축기의 피스톤에 설치된 공기조절밸브가 닫힌 상태를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 압축기(1)는 가압된 외부 공기를 공급하는 외부공기 공급부(10)와, 연결관(11)을 매개로 외부공기 공급부(10)에 연결되어 고압의 압축 공기를 형성하는 압축부(P)를 포함한다.
실시 예에서는 외부공기 공급부(10)와 압축부(P) 사이를 연결하는 연결관(11)의 중도에 흡입 공기를 여과하는 흡입필터(20)를 설치하여 정화된 공기를 공급하도록 하였으나, 흡입필터(20)를 제거하여 연결관(11)을 통하여 외부공기 공급부(10)와 압축부(P)를 직접 연결할 수도 있다.
본 발명은 배출관(29)을 이용하여 압축부(P)에서 압축된 고압 공기를 고압탱크(50)에 저장할 수 있다. 고압탱크(50)는 압축공기를 채우는 용기로서, 그 사용처 중에는 소방관들이 화재진압시 착용하는 고압압력용기에 주입하기 위한 공기공급원이 될 수 있다.
외부공기 공급부(10)는 상압 보다 상대적으로 높은 압력으로 가압된 공기를 공급하는 것으로, 도시하지 않은 별도의 저압 압축기에 의해 압축된 저압 공기를 저장하는 압력탱크가 될 수 있고, 또는 저압 압축기를 내장하여 자체적으로 형성한 저압 공기를 공급하는 구성을 적용할 수도 있다.
본 발명에 따른 압축부(P)는 압축실(26)이 형성된 실린더(25), 실린더(25)와 일체화되어 밀폐 공간을 형성하는 크랭크케이스(20), 실린더(25)에서 왕복 운동하는 피스톤(30), 피스톤을 구동시키는 피스톤 구동부를 포함한다.
압축실(26) 상부에 토출실(27)을 형성하고, 압축 공기를 토출실(27) 안으로 유입시키는 배기밸브(28)가 설치된다.
피스톤 구동부가 크랭크케이스(20) 내부에 형성된 크랭크실(21)에 설치되고, 크랭크실(21) 일측에 연결관(11)이 연결된다.
피스톤 구동부는 도시하지 않은 전동 모터에 의해 회전하는 크랭크축(22)과, 이 크랭크축(22)과 피스톤(30)에 연결된 커넥팅로드(24) 사이를 연결하는 크랭크암(23)을 포함한다. 이러한 피스톤 구동부에 의하여 피스톤(30)이 상하로 이동하면서 실린더(25)의 압축실(26) 내부로 유입된 저압 공기를 압축할 수 있다.
압축부(P)의 피스톤(30)에는 크랭크케이스(20)의 크랭크실(21)과 실린더(25)의 압축실(26) 사이에 압력 평형이 이루어지게 하는 공기조절밸브(40)를 설치한다.
공기조절밸브(40)는 크랭크실(21)의 압력이 압축실(26)의 압력보다 높으면 상승하고, 크랭크실(21)의 압력이 압축실(26)의 압력보다 높지 않으면 하강한다.
이와 같이 본 발명에 따른 압축부(P)는 피스톤(30) 선단에 착탈 가능하게 설치한 공기조절밸브(40)를 통하여 크랭크실(21)에 흡입된 가압 공기를 압축실(26)에 유입한 후 피스톤(30)을 상승 이동하면서 압축 행정을 실시할 수 있어 압축실(26) 용적을 극대화하여 압축할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참고하여, 공기조절밸브(40)는 피스톤(30) 선단에 착탈 가능하게 설치한다. 이처럼 공기조절밸브(40)는 착탈 가능한 구조를 적용하므로 부품 교체 및 고장 수리가 용이하게 이루어질 수 있다.
공기조절밸브(40)는 피스톤(30) 상면(30a)과 하면(30b)을 관통하는 적어도 하나의 흡기공(31)을 개폐하기 위한 원판 형상의 덮개(41)와, 피스톤(30)으로부터 분리되지 않도록 덮개(41)를 지지하며 덮개(41) 하면에 체결하는 체결부재(61)를 포함한다.
실시 예에서 체결부재(61)는 체결구(62)와 보조 체결구(63)로 구성하였으나, 체결구(62)를 단독 사용할 수도 있다.
피스톤(30) 상단에 요홈(34)을 형성하고, 이 요홈(34)에 덮개(41)가 안착된다.
피스톤(30)은 몸체의 길이 방향으로 관통 형성되어 체결구(62)의 이동 통로를 제공하는 제1 및 제2설치홈(32)(33)을 형성한다. 여기서, 제1설치홈(32)은 제1스프링(64)을 지지하고, 제2설치홈(33)은 제2스프링(65)을 지지한다.
체결구(62)는 제1설치홈(32)에 삽입된 상태에서 일단이 덮개(41)의 제1체결홈(42)에 나사 결합되어 고정된다. 체결구(62)는 볼트로 구현할 수 있다. 체결구(62)가 제1설치홈(32) 내에 위치하여 상하이동이 가능하도록 체결구(62) 몸체에 제1스프링(64)이 삽입된다. 제1스프링(64) 일측은 제1설치홈(32)에 지지되고 타측은 체결구(62) 머리에 지지되는데, 덮개(41)를 크랭크실(21) 쪽으로 당기도록 탄성력이 작용한다.
흡기공(31)에 연통된 크랭크실(21) 압력이 제1스프링(64)의 탄성력이상으로 높으면 덮개(41) 하면(41b)에 작용하는 힘이 커져 덮개(41)가 상승한다. 이와 달리 압축실(26) 압력이 높아지면 덮개(41) 상면(41a)에 작용하는 힘이 커져 덮개(41)는 하강한다.
이처럼 덮개(41)는 크랭크실(21) 압력과 압축실(26) 압력의 변화에 따라 상승 또는 하강하여 흡기공(31)을 개폐할 수 있다.
덮개(41) 하강시 요홈(34)에 충돌이 발생할 수 있는 점을 고려하여, 덮개(41)를 압축실(26) 쪽으로 당기도록 체결구(62)에 삽입된 제2스프링(65)을 더 포함할 수 있다. 여기서 제1스프링(64)의 탄성력은 제2스프링(65)의 탄성력보다 크게 설정하여, 덮개(41)의 하강을 과도하게 제한하지 않도록 한다.
또한, 덮개(41)의 빈번한 이동으로 덮개(41)에 체결된 체결구(62)가 분리될 수 있는 점을 고려하여, 체결구(62) 몸체 내부를 관통하여 삽입되어 제1체결홈(42) 내측에 형성된 제2체결홈(43)에 나사 결합된 보조 체결구(63)를 더 포함할 수 있다. 여기서 보조 체결구(63)가 제2체결홈(43)에 나사 결합되는 방향은 체결구(62)가 제1체결홈(42)에 나사 결합되는 방향과 반대가 되도록 한다. 즉 체결구(62)가 오른쪽 방향으로 돌려 결합된 경우 보조 체결구(63)는 왼쪽 방향으로 돌려 결합할 수 있다.
또한, 덮개(41)가 요홈(34)에 결합시 발생하는 충격을 완화하기 위하여 요홈(34)에 완충부재(70)를 더 설치할 수 있다. 이 완충부재(70)는 내구성이 우수한 엔지니어링 플라스틱으로 제작하여 요홈(34)에 일체 결합된다.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이, 크랭크실(21) 압력이 압력실(26) 압력보다 높으면 덮개(41)가 상승되어 공기조절밸브(40)가 열린 상태가 된다. 덮개(41) 상승으로 열린 흡기공(31)을 통하여 크랭크실(21)에 흡입된 공기가 압축실(26)로 유입된다. 이에 따라 크랭크실(21)과 압축실(26) 사이에 압력 평형이 이루어진다. 이렇게 압력 평형이 이루어진 상태에서 압축 행정이 시작되면 피스톤(30)이 상승하고 압축실(26) 용적이 줄어들면서 공기 압축이 이루어져 압축실(26) 압력이 증가한다.
크랭크실(26) 압력이 압축실(26) 압력보다 높지 않으면, 도 5에 도시한 바와 같이, 덮개(41)가 하강하여 공기조절밸브(40)는 닫힌 상태가 된다. 이처럼 공기조절밸브(40)가 닫히면 덮개(41) 상면과 피스톤(30) 상면(30a)이 매끄러운 평면을 형성하여 피스톤(30)이 상승 이동함에 따라 공기 압축이 가속화될 수 있다. 피스톤(30)이 상사점에 위치하면 압축실(26) 내부는 설정 압력에 도달하고 이에 따라 배기밸브(28)가 열려 압축된 고압 공기가 토출실(27)로 유입되고, 배출관(29)을 통해 고압탱크(50)에 저장된다.
압축된 고압 공기가 토출실(27)로 유입된 후 피스톤(30)이 상사점에서 하사점으로 이동시, 압축실(26) 압력이 급속히 저하됨에 따라 크랭크실(21) 압력보다 낮아진다. 이처럼 크랭크실(21) 압력이 압축실(26) 압력보다 높으면 도 4에 도시한 바와 같이 공기조절밸브(40)가 열려 압력 평형이 이루어지게 되어 피스톤(30) 이동에 따라 상술한 동작을 반복 수행하게 된다.
1 : 공기 압축기 10 : 외부공기 공급부
11 : 연결관 12 : 흡입필터
20 : 크랭크케이스 21 : 크랭크실
22 : 구동축 23 : 크랭크암
24 : 커넥팅로드 25 : 실린더
26 : 압축실 27 : 토출실
28 : 배기밸브 29 : 배출관
30 : 피스톤 31 : 흡기공
32 : 제1설치홈 33 : 제2설치홈
34 : 요홈 40 : 공기조절밸브
41 : 덮개 42 : 제1체결홈
43 : 제2체결홈 61 : 체결부재
62 : 체결구 63 : 보조 체결구
64 : 제1스프링 65 : 제2스프링
70 : 완충부재

Claims (10)

  1. 외부 공기를 가압하여 공급하는 외부공기 공급부와, 상기 외부공기 공급부에서 공급받은 저압 공기를 압축하여 고압 공기를 형성하는 압축부를 구비하는 공기 압축기에 있어서,
    상기 압축부는 압축실이 형성된 실린더, 상기 실린더와 일체화되어 밀폐 공간을 형성하는 크랭크케이스, 상기 실린더에서 왕복 운동하는 피스톤, 상기 피스톤을 구동시키는 피스톤 구동부를 포함하고,
    상기 크랭크케이스의 크랭크실과 상기 실린더의 압축실을 연결하여 압력 평형을 이루기 위한 흡기공을 개폐하는 공기조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크케이스와 상기 외부공기 공급부 사이에 연결관을 연결하고,
    상기 외부공기 공급부의 가압 공기는 상기 연결관을 통하여 상기 크랭크케이스의 크랭크실 내부에 흡입되는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기조절밸브는 상기 피스톤의 선단에 착탈가능하게 설치한 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축부는 상기 압축실의 고압 공기가 체류하는 토출실과, 상기 압축실과 토출실 사이에 설치된 배기밸브를 포함하고,
    상기 토출실에 연결된 배출관을 통하여 공급되는 고압 공기를 저장하는 고압탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크실의 압력이 상기 압축실의 압력보다 높으면 상기 공기조절밸브가 개방되고, 상기 크랭크실의 압력이 상기 압축실의 압력보다 높지 않으면 상기 공기조절밸브가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공기조절밸브는 원판 형상의 덮개와, 상기 덮개의 제1체결홈에 결합된 체결구와, 상기 덮개를 상기 크랭크실 쪽으로 당기도록 상기 체결구에 삽입된 제1스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공기조절밸브는 상기 체결구 몸체 내부를 관통하여 삽입되어 상기 제1체결홈 내측에 형성된 제2체결홈에 결합된 보조 체결구와, 상기 덮개를 상기 압축실 쪽으로 당기도록 상기 체결구에 삽입된 제2스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1스프링의 탄성력은 상기 제2스프링의 탄성력보다 크게 설정한 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 피스톤은 몸체의 길이 방향으로 관통 형성되어 상기 체결구의 이동 통로를 제공하는 제1 및 제2설치홈을 형성하고,
    상기 제1설치홈은 상기 제1스프링을 지지하고, 상기 제2설치홈은 상기 제2스프링을 지지하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 피스톤 상단에 상기 덮개와 결합되는 요홈을 형성하고,
    상기 덮개가 상기 요홈에 결합시 발생하는 충격을 완화하기 위하여 상기 요홈에 일체 결합된 완충부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 압축기.
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