KR20170108375A

KR20170108375A - 영전자석을 이용한 공기 압축기

Info

Publication number: KR20170108375A
Application number: KR1020160032161A
Authority: KR
Inventors: 임주생
Original assignee: 임주생
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-27

Abstract

본 발명은 영전자석을 이용한 공기 압축기에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 내부에 직선의 중심축선(X)을 따라 연장되는 압축 공간을 제공하는 실린더(110); 상기 압축 공간에서 상기 중심축선(X)을 따라서 왕복이동하는 적어도 하나의 피스톤 영구자석(126, 127)을 구비하는 피스톤(120); 상기 압축 공간의 상기 중심축선(X) 방향 양단에 각각 위치하는 두 영전자석부(130, 140); 및 상기 두 영전자석부를 제어하는 제어부(150)를 포함하는 영전자석을 이용한 공기 압축기가 제공된다.

Description

영전자석을 이용한 공기 압축기 {AIR COMPRESSOR USING PERMANENT-ELECTRO MAGNET}

본 발명은 공기를 압축하여 고압의 압축공기를 생산하는 공기 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 영전자석을 이용한 공기 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 압축기는 소정의 냉매를 압축하여 고온 및 고압의 상태를 형성하는 냉매 압축기와, 대기중의 공기를 압축하여 압축공기를 형성하는 공기 압축기로 구분된다.

이 중 공기 압축기는 생성한 압축공기를 높은 공압으로 저장하였다가 필요에 따라서 해당 액추에이터에 공급해주는 시스템의 압축기 본체로서 구성되며, 상기 시스템은 압축공기를 생성하는 압축기 본체와 생성한 압축공기를 저장해두는 공기탱크를 포함하여 구성되고, 에어 시스템을 적용하고 있는 공장이나 차량 등의 여러 분야에 사용된다.

알려진 바와 같이, 공기 압축기는 다양한 종류가 있으며, 대표적으로 로터리 타입과 피스톤 타입이 있다.

로터리 타입의 공기 압축기는 공기의 흡입 및 송출을 위한 밸브 없이 회전자의 회전에 의해 공기를 운송할 수 있게 구성되며, 적은 유량과 고압의 양정을 요구하는 경우에 사용하기 적당하고, 구조가 간단하며 취급이 용이하다.

그리고, 피스톤 타입의 공기 압축기는 피스톤의 왕복운동으로 공기를 흡입 및 배출할 수 있게 구성되고, 흡입, 압축, 배기 순으로 압축공기를 생성하며, 다른 공기 압축기 대비 비교적 성능이 우수하다.

이러한 종래의 로터리 타입 및 피스톤 타입의 공기 압축기는 기계식 마찰을 막고 기밀성능을 높이기 위해 오일을 사용하는데, 이 오일로 인해 배출되는 압축공기에 오일분진이 섞여 공기 청정도를 저하시키는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 친환경적이고 효율이 높으며 발열 문제에서 비교적 자유로운 공기 압축기를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

내부에 직선의 중심축선(X)을 따라 연장되는 압축 공간을 제공하는 실린더(110); 상기 압축 공간에서 상기 중심축선(X)을 따라서 왕복이동하는 적어도 하나의 피스톤 영구자석(126, 127)을 구비하는 피스톤(120); 상기 압축 공간의 상기 중심축선(X) 방향 양단에 각각 위치하는 두 영전자석부(130, 140); 및 상기 두 영전자석부를 제어하는 제어부(150)를 포함하는 영전자석을 이용한 공기 압축기가 제공된다.

상기 영전자석부는 자성체로 이루어진 하우징(131, 141)과, 상기 하우징에 수용되고 양면에 서로 다른 극성이 형성되는 영구자석(135, 145)과, 상기 하우징에 수용되는 전자석(137, 147)을 구비하며, 상기 하우징은 상기 피스톤과 대향하도록 배치되는 기초부(133, 143)와, 상기 기초부로부터 상기 피스톤 쪽으로 연장되는 둘레벽부(134, 144)을 구비하며, 상기 영구자석은 한 극성이 상기 기초부와 접하도록 설치되며, 상기 전자석은 일단이 상기 영구자석의 타 극성과 접하여 상기 중심축선(X)과 평행하게 연장되는 막대형상의 철심(138, 148)과, 상기 철심을 감싸는 코일(139, 149)을 구비할 수 있다.

상기 영전자석부는 상기 하우징의 내부를 채우는 수지 충전부(132, 142)를 더 구비할 수 있다.

상기 제어부는 교류 전원을 제어하여 상기 두 영전자석부로 공급하는 인버터를 구비하며, 상기 인버터는 교류의 주파수를 조절하여 상기 피스톤의 이동 속도를 제어할 수 있다.

상기 제어부는 직류 전원의 극성을 주기적으로 바꿔서 상기 두 영전자석부로 제공할 수 있다.

상기 피스톤은 상기 피스톤 영구자석이 결합되는 피스톤 몸체와, 상기 피스톤 몸체의 외주면에 고정되고 상기 실린더의 외주면과 밀착하는 다수의 피스톤 오링(128)을 더 구비할 수 있다.

본 발명에 의하면 영전자석을 이용하여 피스톤을 이동시키기 때문에, 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 종래의 공기 압축기에서 기계식 마찰을 방지하기 위해 사용한 윤활유를 사용하지 않기 때문에 공기 청정도가 개선되고 이에 별도의 필터링 시스템이 필요하지 않다.

또한, 영전자석은 전자석이 단지 스위치 역할을 하기 때문에, 전자석만을 이용하는 경우에 비해 적은 전류가 사용되어서 상대적으로 효율이 높으며, 큰 전류 사용에 따른 발열 문제가 해소되어서 별도의 냉각 수단이 필요하지 않다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영전자석을 이용한 공기 압축기를 도시한 도면으로서, 내부가 보이도록 외부 실린더와, 두 영전자석부의 하우징을 절단하여 도시한 도면이다.
도 2와 도 3은 도 1에 도시된 영전자석을 이용한 공기 압축기의 작동 상태를 각각 도시한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 영전자석을 이용한 압축기(100)는 실린더(110)와, 실린더(110) 내에서 직선으로 연장되는 중심축선(X)을 따라서 왕복 이동하는 피스톤(120)과, 실린더(110)의 중심축선(X) 방향 양단에 각각 결합되는 두 영전자석부(130, 140)와, 두 영전자석부(130, 140)를 제어하는 제어부(150)를 포함한다.

실린더(110)는 중심축선(X)을 따라서 연장되고 피스톤(120)이 수용되는 원통형의 압축 공간(111)을 제공한다. 실린더(110)의 개방된 양단 각각은 두 영전자석부(130, 140)에 의해 폐쇄된다. 실린더(110)에는 압축 공간(111)으로 외부 공기가 유입되는 제1, 제2 유입구(114, 115)와, 압축 공간(111)에서 압축된 공기가 외부로 배출되는 제1, 제2 배출구(118, 119)가 마련된다. 두 유입구(114, 115)에는 압축 공간(111)으로의 공기 유입만을 허용하는 배기 방지 체크 밸브(112)가 각각 연결되고, 두 배출구(118, 119)에는 압축 공간(111)으로부터 공기의 배출만을 허용하는 흡기 방지 체크 밸브(113)가 각각 연결된다.

피스톤(120)은 실린더(110) 내에 형성된 압축 공간(111)에서 중심축선(X)을 따라서 직선 왕복이동하면서, 압축 공간(111)으로 외부 공기를 두 유입구(114, 115)를 통해 흡입하고, 압축 공간(111) 내의 공기를 압축하여 두 배출구(118, 119)를 통해 배출하여 공기 탱크(미도시)로 보낸다. 피스톤(120)은 피스톤 몸체(121)와, 피스톤 몸체(121)에 결합된 두 피스톤 영구자석(126, 127)과, 피스톤 몸체(121)에 결합된 3개의 피스톤 오링(128)을 구비한다.

피스톤 몸체(121)는 중심축선(X)과 대체로 직각을 이루도록 배치되는 중심벽부(122)와, 중심벽부(122)의 외주에 형성된 외주벽부(123)를 구비한다.

중심벽부(122)는 중심축선(X)과 대체로 직각을 이루도록 배치되며, 중심벽부(122)에서 서로 반대편을 향하는 제1 면(122a)과 제2 면(122b) 각각은 두 영구자석부(130, 140)와 각각 대향한다.

외주벽부(123)는 중심벽부(122)의 외주를 에워싸도록 형성된다. 외주벽부(123)는 중심벽부(122)를 사이에 두고 양쪽으로 두 영전자석부(130, 140)를 향해 각각 돌출된다. 그에 따라, 피스톤 몸체(121)에는 중심벽부(122)의 제1 면(122a)과 외주벽부(123)의 내주면으로 형성되는 제1 수용 공간(121a)과, 중심벽부(122)의 제2 면(122b)과 외주벽부(123)의 내주면으로 형성되는 제2 수용 공간(121b)이 마련된다. 외주벽부(123)의 외주면에는 3개의 고리형 홈(124)이 마련된다. 3개의 고리형 홈(124)은 중심축선(X)을 따라서 차례대로 배치된다. 3개의 고리형 홈(124) 각각에 피스톤 오링(128)이 끼워져서 고정된다.

두 피스톤 영구자석(126, 127)은 피스톤 몸체(121)의 제1 수용 공간(121a)에 수용되도록 중심벽부(122)의 제1 면(122a)에 부착되어 결합되어서 제1 영전자석부(130)와 대향하는 제1 피스톤 영구자석(126)과, 피스톤 몸체(121)의 제2 수용 공간(121b)에 수용되도록 중심벽부(122)의 제2 면(122b)에 부착되어 결합되어서 제2 영전자석부(140)와 대향하는 제2 피스톤 영구자석(127)을 구비한다. 두 피스톤 영구자석(126, 127)은 양면이 서로 다른 극성을 갖는 대체로 판상의 형태로서, 본 실시예에서 제1 피스톤 영구자석(126)은 제1 영전자석부(130) 측을 향하는 면이 S극이고, 제2 피스톤 영구자석(127)은 제2 영전자석부(140) 측을 향하는 면이 N극이 되도록 배치된다. 두 피스톤 영구자석(126, 127)은 내구성 향상을 위해 각각이 수용되는 수용 공간(121a, 121b)으로부터 외부로 돌출되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.

3개의 피스톤 오링(128)은 피스톤 몸체(121)에 형성된 3개의 고리형 홈(124)에 각각 끼워져서 고정되며, 실린더(110)의 내주면과 접촉한다. 3개의 피스톤 오링(128)은 중심축선(X)을 따라서 이격되어서 배치된다. 3개의 피스톤 오링(128)에 의해 피스톤(120)과 실린더(110) 사이의 기밀 성능이 향상된다. 또한, 3개의 피스톤 오링(128)이 중심축선(X)을 따라서 이격되어서 배치됨으로써, 피스톤(120)의 이동이 원활하게 가이드된다.

두 영전자석부(130, 140)는 실린더(110)의 중심축선(X) 양단에 각각 결합되는 제1 영전자석부(130)와 제2 영전자석부(140)를 구비한다.

제1 영전자석부(130)는 하우징(131)과, 영구자석(135)과, 전자석(137)과, 수지 충전부(132)를 구비한다. 제1 영전자석부(130)는 피스톤(120)과 상호작용하도록 제어부(150)에 의해 제어된다.

하우징(131)은 자성체로 이루어져서, 영구자석(135)과 전자석(137)의 영향을 받아서 자화된다. 하우징(131)은 중심축선(X)과 대체로 직각을 이루며 피스톤(120)의 제1 면(121)과 대향하는 판상의 기초부(133)와, 기초부(133)의 가장자리로부터 피스톤(120) 쪽으로 연장되어서 그 끝단이 실린더(110)의 끝단과 결합되는 둘레벽부(134)를 구비한다. 하우징(131)의 내부에 영구자석(135)과 전자석(137)이 수용되고, 수지 충전부(132)가 형성된다.

영구자석(135)은 양면이 서로 다른 극성을 갖는 대체로 판상의 형태로서, 하우징(131)의 내부에서 기초부(133)에 접하도록 설치된다. 본 실시예에서는 영구자석(135)에서 기초부(133)와 접하는 면이 S극인 것으로 설명한다.

전자석(137)은 하우징(131)의 내부에 설치되며, 제어부(150)에 의해 그 작동이 제어된다. 전자석(137)은 영구자석(135)보다 피스톤(120) 쪽에 가깝게 위치한다. 전자석(137)은 중심축선(X)을 따라서 연장되는 막대 형상의 철심(138)과, 철심(138)을 둘러싸는 코일(139)을 구비한다. 철심(138)의 영구자석(135) 쪽 단부는 영구자석(135)과 접한다. 본 실시예에서 철심은 알니코(Al-Ni-Co) 합금이 사용되는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 알니코 합금을 철심으로 사용하는 경우, 전기를 인가하면 전자석으로 변화하고, 역전기를 인가하면 극성이 변화하며, 보자력이 낮아 극성 변경시 잔류 자속에 의한 자속밀도 저하 문제가 없다. 코일(139)에 가해지는 전류는 제어부(150)에 의해 제어된다.

수지 충전부(132)는 하우징(131)의 내부 공간을 채운다.

제2 영전자석부(140)는 제1 영전자석부(130)와 대체로 동일한 구성으로서, 피스톤(120)을 사이에 두고 제1 영전자석부(130)와 대칭 구조로 설치된다. 제2 영전자석부(140)는 하우징(141)과, 영구자석(145)과, 전자석(147)을 구비한다. 제2 영전자석부(140)는 피스톤(120)과 상호작용하도록 제어부(150)에 의해 제어된다.

하우징(141)은 자성체로 이루어져서, 영구자석(145)과 전자석(147)의 영향을 받아서 자화된다. 하우징(141)은 중심축선(X)과 대체로 직각을 이루며 피스톤(120)의 제2 면(122)과 대향하는 판상의 기초부(143)와, 기초부(143)의 가장자리로부터 피스톤(120) 쪽으로 연장되어서 그 끝단이 실린더(110)의 끝단과 결합되는 둘레벽부(144)를 구비한다. 하우징(141)의 내부에 영구자석(145)과 전자석(147)이 수용되고, 수지 충전부(142)가 형성된다.

영구자석(145)은 양면이 서로 다른 극성을 갖는 대체로 판상의 형태로서, 하우징(141)의 내부에서 기초부(143)에 접하도록 설치된다. 영구자석(145)에서 기초부(143)와 접하는 면은 제1 영전자석부(130)에서 대응하는 극성의 반대인 N극이다.

전자석(147)은 하우징(141)의 내부에 설치되며, 제어부(150)에 의해 그 작동이 제어된다. 전자석(147)은 영구자석(145)보다 피스톤(120) 쪽에 가깝게 위치한다. 전자석(147)은 중심축선(X)을 따라서 연장되는 막대 형상의 철심(148)과, 철심(148)을 둘러싸는 코일(149)을 구비한다. 코일(149)에 가해지는 전류는 제어부(150)에 의해 제어된다.

수지 충전부(142)는 하우징(141)의 내부 공간을 채운다.

제어부(150)는 두 영전자석(130, 140)으로 공급되는 전류를 제어하여 피스톤(120)의 왕복 이동 및 그 속도를 제어한다. 도 2와 도 3에는 제어부(150)에 의해 피스톤(120)이 왕복 이동하는 상태가 도시되어 있다. 여기서는 전원으로 교류가 공급되는 경우를 먼저 설명한다. 이 경우 제어부(150)는 두 영전자석(130, 140)으로 각각 공급되는 교류를 제어하는 인버터를 구비하게 된다.

도 2에는 피스톤(120)이 제1 영전자석부(130)와는 가까워지고 제2 영전자석부(140)와는 멀어지도록 도면 상 좌측으로 이동하는 상태가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 제1 영전자석부(130)의 코일(139)에는 전자석(137)이 영구자석(135)의 자속을 강화하는 자력선을 생성시키는 방향으로의 전류가 제어부(150)에 의해 공급되며, 제2 영전자석부(140)의 코일(149)에는 전자석(147)이 영구자석(145)의 자속을 상쇄하거나 반대방향으로 이를 능가하는 자력선을 생성시키는 방향으로의 전류가 제어부(150)에 의해 공급된다. 그에 따라, 피스톤(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 좌측으로 이동하게 된다. 도 2와 같이 피스톤(120)이 좌측으로 이동하는 상태에서는 피스톤(120)과 제1 영전자석부(130)의 사이에 형성된 공간의 공기는 압축되어서 제1 배출구(118)를 통해 배출되고, 피스톤(120)과 제2 영전자석부(140)의 사이에 형성된 공간으로는 제2 유입구(115)를 통해 외부 공기가 유입된다.

도 3에는 도 2와는 반대로 피스톤(120)이 제2 영전자석부(140)와는 가까워지고 제1 영전자석부(130)와는 멀어지도록 도면 상 우측으로 이동하는 상태가 도시되어 있다. 이는 전원으로 사용되는 교류에 의해 공급되는 전류의 방향이 바뀌어서 이루어지는 것으로서, 도 3을 참조하면, 제2 영전자석부(140)의 코일(149)에는 전자석(147)이 영구자석(145)의 자속을 강화하는 자력선을 생성시키는 방향으로의 전류가 제어부(150)에 의해 공급되며, 제1 영전자석부(130)의 코일(139)에는 전자석(137)이 영구자석(135)의 자속을 상쇄하거나 반대방향으로 이를 능가하는 자력선을 생성시키는 방향으로의 전류가 제어부(150)에 의해 공급된다. 그에 따라, 피스톤(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 우측으로 이동하게 된다. 도 3과 같이 피스톤(120)이 우측으로 이동하는 상태에서는 피스톤(120)과 제2 영전자석부(140)의 사이에 형성된 공간의 공기는 압축되어서 제2 배출구(119)를 통해 배출되고, 피스톤(120)과 제1 영전자석부(120)의 사이에 형성된 공간으로는 제1 유입구(114)를 통해 외부 공기가 유입된다. 도 2와 도 3의 작동 상태가 반복되면서, 피스톤(120)이 왕복운동하여 압축 공기를 생산하게 된다. 피스톤(120)의 왕복 속도는 인버터로 교류의 주파수를 조절으로써 제어될 수 있다.

전원으로서 직류를 사용하는 경우에는 제어부(150)가 직류를 제1 영전자석부(130)와 제2 영전자석부(140) 각각으로 주기적으로 극성을 바꿔서 공급함으로써, 피스톤(120)의 왕복운동이 이루어지며, 그 주기를 조절함으로써 피스톤(120)의 왕복 속도가 제어될 수 있다. 이때, 제1 영전자석부(130)와 제2 영전자석부(140)로 공급되는 직류의 극성은 서로 반대이다.

본 발명에서 사용되는 영전자석부는 위에서 설명된 구성의 것으로 제한되는 것은 아니다. 영구자석과 전자석을 구비하면서, 전자석의 작동에 의해 자속을 변화시켜서 흡착과 탈착이 제어되는 모든 형태의 영전자석이 본 발명의 영전자석부로서 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명에 속하는 것이다.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 공기 압축기
110 : 실린더
120 : 피스톤
130: 제1 영전자석부
140 : 제2 영전자석부
135, 145 : 영구자석
137, 147 : 전자석
150 : 제어부

Claims

내부에 직선의 중심축선(X)을 따라 연장되는 압축 공간을 제공하는 실린더(110);
상기 압축 공간에서 상기 중심축선(X)을 따라서 왕복이동하는 적어도 하나의 피스톤 영구자석(126, 127)을 구비하는 피스톤(120);
상기 압축 공간의 상기 중심축선(X) 방향 양단에 각각 위치하는 두 영전자석부(130, 140); 및
상기 두 영전자석부를 제어하는 제어부(150)를 포함하는 영전자석을 이용한 공기 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 영전자석부는 자성체로 이루어진 하우징(131, 141)과, 상기 하우징에 수용되고 양면에 서로 다른 극성이 형성되는 영구자석(135, 145)과, 상기 하우징에 수용되는 전자석(137, 147)을 구비하며,
상기 하우징은 상기 피스톤과 대향하도록 배치되는 기초부(133, 143)와, 상기 기초부로부터 상기 피스톤 쪽으로 연장되는 둘레벽부(134, 144)을 구비하며,
상기 영구자석은 한 극성이 상기 기초부와 접하도록 설치되며,
상기 전자석은 일단이 상기 영구자석의 타 극성과 접하여 상기 중심축선(X)과 평행하게 연장되는 막대형상의 철심(138, 148)과, 상기 철심을 감싸는 코일(139, 149)을 구비하는 것을 특징으로 하는 영전자석을 이용한 공기 압축기.
청구항 2에 있어서,
상기 영전자석부는 상기 하우징의 내부를 채우는 수지 충전부(132, 142)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 영전자석을 이용한 공기 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 교류 전원을 제어하여 상기 두 영전자석부로 공급하는 인버터를 구비하며,
상기 인버터는 교류의 주파수를 조절하여 상기 피스톤의 이동 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 영전자석을 이용한 공기 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 직류 전원의 극성을 주기적으로 바꿔서 상기 두 영전자석부로 제공하는 것을 특징으로 하는 영전자석을 이용한 공기 압축기.
청구항 1에 있어서,
상기 피스톤은 상기 피스톤 영구자석이 결합되는 피스톤 몸체와, 상기 피스톤 몸체의 외주면에 고정되고 상기 실린더의 외주면과 밀착하는 다수의 피스톤 오링(128)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 영전자석을 이용한 공기 압축기.