KR20230139080A - 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조 - Google Patents
이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 하나 이상의 압축기 실린더와 피스톤 구조로 이루어져 특정 가스를 압축하거나 흡입하는 것으로, 특히 이온성액체(ionic liquids)가 피스톤과 실린더에 사용되는 구조에서 이온성액체를 함유한 피스톤링을 사용하여 실린더와의 마찰을 줄여 피스톤 링의 마모를 방지하고 그 내구성을 증대시켜 사용시간을 늘이는 것을 특징으로 하는 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조를 제안한다.
Description
본 발명은 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 하나 이상의 압축기 실린더와 피스톤 구조로 이루어져 특정 가스를 압축하거나 흡입하는 것으로, 특히 이온성액체(ionic liquids)가 피스톤과 실린더에 사용되는 구조에 관한 것이다. 일반적으로 공기나 수소와 같은 특수 가스를 압축하거나 흡입하는 데에 유용하게 사용될 수 있고, 이러한 가스는 이온성액체에 용해되지 않을 뿐만 아니라 이온성액체가 윤활성 막을 형성하여 압축기의 내구성을 상당히 증가시킬 수 있다.
이온성액체를 압축기에 적용하여 수소와 같은 특정 가스를 압축하는 기술은 최근 수소경제활성화와 함께 적용되기 시작한 기술로 고압으로 수소를 압축하여 수소 자동차에 공급하거나 충진하는 기술이다, 이온성액체 자체를 액체 피스톤의 개념으로 사용하여 가스를 직접 압축하거나, 통상적으로 금속성 피스톤 상단을 덮어 금속성 피스톤이 가스와 직접 접촉하지 않고 압축을 하도록 설계된다. 이러한 이온성액체는 가스가 이온성액체에 거의 용해되지 않으며 증기압이 매우 낮고 반응성 또한 없으며, 일부 이온성액체는 윤활유 특성을 가지는 것이 가능하기 때문이다.
예를 들어, 이미다졸리움계(imidazolium based ionic liquid)의 이온성액체는 수소압축에 사용되고 있으며, 적절한 점도, 밀도, 녹는점, 부식성,낮은 수소용해도, 낮은 압축성, 화학적 안정성, 적정한 열용량, 높은 열전도 및 적절한 윤활적 특성을 만족하는 것으로 알려져 있다.
또한, 이온성액체의 종류에 따라 금속에 대한 친밀도가 높아 표면에 매우 얇게 퍼지는 퍼짐성이 좋아 윤활성이 적정하다면 윤활류로 사용할 수 있는 종류도 존재한다. 압축기에 의해 토출되는 가스와 이온성액체 혼합물은 그 분리성이 매우 좋아서 간단한 필터로도 대부분 분리가 가능하다.
윤활유를 사용하지 않는 드라이타입 압축기는 일반적인 공기압축기에 많이 사용되는 타입으로 실린더와 피스톤의 직접적인 마찰을 방지하기 위하여 PTFE (polytetrafluoroethylene) 재질의 피스톤 실을 사용한다. 이것은 내화학성이 좋고 넓은 온도범위에서 물리적 성질을 유지한다. 사용용도에 따라 다른 첨가제를 사용하여 소결하여 굳히는 방법으로 주로 제조되며, 이러한 여러 가지 성질 때문에 베어링, 개스킷 및 밸브부품등에도 적용이 되고 있다.
이러한 배경으로 드라이에어 공급용으로 주로 사용되고 있는 PTFE 피스톤 실을 사용한 압축기와 진공펌프는 근본적으로 피스톤실과 실린더와의 직접적인 마찰로 인한 마모 및 열발생으로 내구성에 한계가 있어 조립시에 피스톤링과 실린더과의 결합강도를 높일 수 없어 원천적으로 누설의 한계가 존재하며, 마모에 따른 짧은 수명으로 운전중 교환을 해 주어야 하는 단점이 존재한다. 윤활유를 사용한 압축기는 별도의 윤활유 공급과 운전중에 가스와 윤활유의 증기와 입자가 동시에 배출되어 매우 복잡하고 정교한 필터를 사용해야 한다는 단점이 존재한다. 따라서, 현재는 연속사용을 하는 경우에 피스톤실의 잦은 교체라는 불편함을 안고 일반 시장에서 사용되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 기존의 드라이타입 압축기에 사용되는 피스톤 링에 이온성액체를 함유하도록 하여 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용하여 실린더와의 마찰을 줄여 피스톤링의 마모를 방지하고 그 내구성을 증대시켜 사용시간을 늘이는 데에 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 피스톤 링과 실린더 사이의 밀착성을 이온성액체를 사용하여 높임으로써 누설량을 줄이는 데에 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 피스톤 링에 이온성액체가 지속적으로 소량 흡수되게 함으로써 그 마찰을 최소화 하는 데에 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 실린더에 홈구조의 래비린쓰 구조를 구비하고 피스톤 링과의 접촉력을 최소화하여 그 마찰을 최소화하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조는, 실린더 와 상기 실린더 안에 배치되는 피스톤, 상기 피스톤과 피스톤 결합부에 의해 피스톤에 장착되는 피스톤 링 및 구동부로부터 동력을 전달받아 상기 피스톤을 구동시키는 피스톤 로드를 포함하며, 상기 피스톤은 실린더 내부에서 종방향으로 왕복운동 가능하며, 상기 피스톤 링에 형성된 기공에 이온성액체를 주입하여 피스톤 링이 이온성액체를 함유하게 한 후 피스톤을 왕복운동 시킴으로써 실린더와의 마찰을 줄이는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에서, 상기 피스톤 링에 주입되는 이온성액체는 이미다졸리움계인 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에서, 상기 피스톤 링에 주입되는 이온성액체는 트리플루오르메탄설포닐이미드인 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에서, 상기 피스톤 링은 산으로 형상 제조용 혼합물을 녹여 이온성액체가 주입될 수 있는 기공을 확장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에 있어서, 실린더 와 상기 실린더 안에 배치되는 피스톤, 상기 피스톤과 피스톤 결합부에 의해 피스톤에 장착되는 피스톤 링 및 구동부로부터 동력을 전달받아 상기 피스톤을 구동시키는 피스톤 로드를 포함하며, 상기 피스톤은 실린더 내부에서 종방향으로 왕복운동 가능하며, 상기 실린더의 내부 표면은 래비린쓰 구조로 형성되며, 상기 피스톤 링은 탄성체로 구성되고 상단 말단부를 제외하고는 실린더와 접촉하지 않고 근접하여 운동하도록 하여 누설량을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에서, 상기 피스톤 링에 기공을 성형하고 이온성액체를 주입하여 피스톤 링이 이온성액체를 함유하게 하며; 상기 실린더 내부 표면의 래비린쓰 구조에 형성된 홈 사이에 이온성액체를 주입하고 피스톤을 왕복운동 시킴으로써 실린더와의 마찰을 줄이는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에서, 상기 피스톤의 상부에 이온성액체 저장부를 형성하여, 이온성액체를 수용하고, 왕복운동 시 피스톤 링에 이온성액체를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축기 혹은 진공펌프 구조에서, 상기 피스톤 결합부의 하부에 이온성액체 저장부를 형성하여 이온성액체를 수용하고, 왕복운동 시 피스톤 링에 이온성액체를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법은, 피스톤 링 성형 제조 기기에서 제조 조건에 따른 재료를 배합하여 피스톤 링을 성형하는 피스톤 링 성형 단계; 상기 성형 단계를 통해 형성된 피스톤 링에 산을 가하여 기공을 형성하거나 확장하는 기공 성형 단계; 상기 기공 성형 단계를 통해 기공이 형성된 상기 피스톤 링을 용기에 넣고 진공으로 유지한 상태에서 이온성액체를 주입하는 이온성액체 주입단계; 및 상기 이온성액체 주입단계 이후에 상기 용기를 일정 압력으로 질소를 주입하여 가하면 이온성액체가 피스톤 링의 기공을 통해 흡수되게 하는 이온성액체 흡수 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법은, 상기 피스톤링에 주입되는 이온성액체는 이미다졸리움계인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 기존의 드라이타입 압축기에 사용되는 피스톤 링에 이온성액체를 함유하도록 하여 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용하여 실린더와의 마찰을 줄여 피스톤링의 마모를 방지하고 그 내구성을 증대시켜 사용시간을 늘릴 수 있는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따르면 피스톤 링과 실린더 사이의 밀착성을 이온성액체를 사용하여 높임으로써 누설량을 줄일 수 있는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따르면 피스톤 링에 이온성액체가 지속적으로 소량 흡수되게 함으로써 그 마찰을 최소화 하는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따르면 실린더에 래비린쓰형 홈구조를 구비하여 피스톤 링이 상단부 부분만 낮은 결합력으로 접촉되어 그 마찰을 최소화하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링과 이온성액체 저장부가 구비된 피스톤을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링 제조방법에서 피스톤 링 성형 단계에서 성형된 피스톤 링을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 피스톤 링 제조방법에서 이온성 액체 흡수 단계에서 이온성 액체를 함유한 피스톤 링을 나타내는 도면이다
도 6은 본 발명에 따른 래버린스(labyrinth) 구조가 적용된 실린더에 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조를 나타내는 도면이다.
도 7 은 본 발명에 따른 피스톤 또는 피스톤 결합부에 이온성 액체 저장부가 형성된 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링과 이온성액체 저장부가 구비된 피스톤을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링 제조방법에서 피스톤 링 성형 단계에서 성형된 피스톤 링을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 피스톤 링 제조방법에서 이온성 액체 흡수 단계에서 이온성 액체를 함유한 피스톤 링을 나타내는 도면이다
도 6은 본 발명에 따른 래버린스(labyrinth) 구조가 적용된 실린더에 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조를 나타내는 도면이다.
도 7 은 본 발명에 따른 피스톤 또는 피스톤 결합부에 이온성 액체 저장부가 형성된 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명의 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
통상적인 드라이 타입(dry type)의 피스톤 압축기 구조는 알려진 바와 같이 실린더와 피스톤, 피스톤링 그리고 피스톤 로드로 구성되며, 기타 도시되지 않은 피스톤과 연결된 베어링, 흡배기밸브 그리고 모터로 구성된다. 실린더는 금속 SUS 계열이나 표면이 아노다이징(anodizing) 처리된 알루미늄 계열이 사용된다. 피스톤에는 피스톤 결합부를 사용하여 피스톤 링이 피스톤에 결합되어 왕복운동 시에 피스톤 링과 실린더가 밀착되어 실린더 내부의 가스를 압축하거나 진공으로 만들어 주게된다. 또한, 피스톤 결합부는 피스톤과 결합부재(미도시)를 통해 결합 될 수 있으며, 피스톤 링이 결합된 상태를 견고하게 고정할 수 있다.
이러한 피스톤 링은 윤활유를 사용하지 않는 드라이 타입의 경우에는 주로 PTFE(polytetrafluoroethylene)계열의 재료가 사용되며 직접적인 실린더와의 마찰에 의해 시간에 따라 서서히 마모되어 실린더와의 밀착성이 떨어져 누설이 발생하여 압축압력이나 진공압력이 떨어지게 된다. 또한, 초기에는 마모에 따른 분진이 발생하여 가스배출부에 분사되기도 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링과 이온성액체 저장부가 구비된 피스톤을 나타내는 도면이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압축기 혹은 진공펌프 구조는, 실린더(10)와 피스톤(20), 피스톤 로드(21), 피스톤 링(100), 피스톤 결합부(30)를 포함할 수 있다.
실린더(10)와 실린더(10) 안에 배치되는 피스톤(20), 피스톤(20)과 피스톤 결합부(30)에 의해 피스톤(20)에 장착되는 피스톤 링(100) 및 구동부(미도시)로부터 동력을 전달받아 피스톤(20)을 구동시키는 피스톤 로드(21)를 포함하며, 피스톤(20)은 실린더(10) 내부에서 종방향으로 왕복운동 가능하다.
또한, 피스톤 링(100)에 PTFE(polytetrafluoroethylene) 재질의 탄성체로 형성될 수 있으며, 산(Acid)으로 형상 제조용 혼합물을 녹여 이온성액체가 주입될 수 있는 기공을 확장하여 형성할 수 있다.
또한, 형성된 기공에 이온성액체(110)를 주입하여 피스톤 링(100)이 이온성액체(110)를 함유하게 한 후 피스톤(20)을 왕복운동 시킴으로써 실린더(10)와의 마찰을 줄이는 것을 특징으로 한다.
또한, 피스톤(20)의 상단부에는 이온성액체을 수용할 수 있는 저장부(25)를 형성할 수 있고, 피스톤의 상부에 피스톤 링(100)을 결합 할 수 있다.
이온성액체 저장부(25)에는 이온성 액체(110)가 저장되어 구비되며, 피스톤 링에 자연적으로 이온성액체가 소량 흡수되게 함으로써 피스톤 링에 이온성액체가 지속적으로 함유될 수 있도록하여 그 마찰을 최소화하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이온성액체(110)를 함유한 피스톤 링(100)은 PTFE와 같이 탄성이 존재하는 재질의 피스톤 링을 사용하여 조립하는 경우는 현실적으로 피스톤링 상단부가 실린더와 접촉이 되며 하단부로 갈수록 경사를 이루게 되어 실린더와의 간극은 점차적으로 커지게 된다.
따라서, 피스톤 링(100)은 피스톤(20)과 피스톤 결합부(30)와 결합되는 결합부(101)와 실린더와 실링(sealing)을 위한 실링부(102)를 포함할 수 있다.
여기서 실링부(102)는 실린더(10)와 직접 접촉하는 형태로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 피스톤 링 제조방법에서 피스톤 링 성형 단계에서 성형된 피스톤 링을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 피스톤 링 제조방법에서 이온성 액체 흡수 단계에서 이온성 액체를 포함한 피스톤 링을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법은, 피스톤 링 성형 제조 기기에서 제조 조건에 따른 피스톤링 성형단계(S100)와 상기 성형된 피스톤링의 기공을 확장하거나 형성하여 피스톤 링을 성형하는 피스톤 링 기공 성형 단계(S110)와 피스톤 링 기공 성형 단계(S110)를 통해 기공이 형성된 피스톤 링을 용기에 넣고 용기를 진공으로 유지한 상태에서 이온성액체를 용기에 주입하는 이온성액체 주입 단계(S120) 및 이온성액체 주입단계(S120) 이후에 용기를 일정 압력으로 질소를 주입하여 가하면 이온성액체가 피스톤 링의 기공을 통해 흡수되게 하는 이온성액체 흡수 단계(S130)를 포함하여, 이온성액체(110)가 함유된 피스톤 링(100)을 제조할 수 있다.
또한, 피스톤 링 기공 성형 단계(S110)에서, 기공을 확장하거나 거칠기를 조절하는 방법은 산으로 형상 제조용 혼합물을 녹여 이온성 액체가 주입될 수 있는 기공의 크기를 조절할 수 있다. 피스톤 링에 사용되는 주요 보강재로는 알루미늄옥사이드를 필러로 사용하는 연구가 활발하며, 현재는 유리섬유(SiO2)가 많이 사용되고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이온성 액체(110)를 포함한 피스톤 링(100)은 피스톤 링(100)에 이온성 액체(110)를 주입하고 실린더 마찰면에 이온성 액체를 표면에 발라 이온성 액체가 포함(함유)된 피스톤링을 왕복운동에 사용하여 그 마찰력을 상당 부분 줄일 수 있다.
도 4는 피스톤 링 기공 성형 단계(S110)에서 거칠기를 조절하여 형성된 피스톤링을 나타내는 도면으로, 도 4(a)는 SEM(Scanning Electron Microscope)사진을 500배 확대한 사진이고, 도 4(b)는 SEM 사진을 3500배 확대한 사진이다.
즉, PTFE(polytetrafluoroethylene)를 기반으로 만들어지는 피스톤 링은 성형 및 필요 성질을 위한 다른 필요 첨가물과 함께 혼합되어 제조되는데, 그 표면을 SEM으로 관찰하면 사이사이에 그 공간이 많이 존재하며, 성형 제조기기의 제조 조건에 따른 거칠기 조절로 기공 형성이 가능함을 알 수 있다.
이러한 기공 사이로 이온성액체(110)를 주입할 수 있다. 단순히 이온성액체에 담그는 것은 단순히 표면에만 이온성액체가 존재하게 되므로, 그 내부까지 깊숙하게 이온성액체가 들어가게 하기 위하여, 본 발명에 따른 이온성액체를 포함한 피스톤 링 제조방법에서, 이온성액체 주입단계(S120)와 이온성액체 흡수 단계(S130)를 통해 피스톤 링을 용기에 넣고 진공으로 유지한 상태에서 이온성액체를 용기에 주입하고 용기를 수 bar의 압력으로 질소를 주입하여 가하면 이온성액체(110)가 피스톤 링(100)의 기공을 통해 구석구석으로 완전히 흡수되게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이온성액체(110)를 포함(함유)하게된 피스톤 링을 나타내는 SEM사진(3500배)이다.
이러한 이온성액체(110)가 함유된 피스톤 링(100)을 사용하게 되면 마치 윤활유막이 형성된 압축기를 사용하는 것과 같은 효과를 가지게 된다. 본 발명에 따른 압축기 또는 진공펌프에 사용되는 이온성액체는 이미다졸리움계를 주로 사용하며 트리플루오르메탄설포닐이미드(1-ethyl-3-methylimidazolium Bis imide)를 사용할 수 있다.
초기에 추가로 실린더 벽에 이온성액체를 얇게 도포하고 가동하게 되면, 이온성액체의 성질이 퍼지는 전성이 매우 좋으므로 금속 실린더 내부 표면에 밀착하여 윤활막을 동시에 이루게 되고 거의 증발하지 않으므로 장시간 윤활막을 형성할 수 있다.
이미다졸리움계 이온성액체는 합성이 비교적 간단하고 경제적이며 BF4나 PF6 등의 싸고 윤활성이 좋은 습기에 강한 Bis(trifluorometh-anesulfonyl) imide(NTf2)와 Tris(perfluoroalkyl) trifluorophosphate(FAP)가 주로 사용된다. 일반 윤활유와의 차이점은 이온성액체는 증기압이 없어 증발하지 않으므로 흡입가스의 압력에 의한 제거가 거의 이루어지지 않아 장시간 별도의 추가적인 이온성액체의 공급 없이도 표면에 얇은 윤활막이 유지되는 장점이 있다.
또한, 매우 미세하게 가스와 함께 배출되는 미량의 이온성액체라도 이온성액체 성질상 가스와 분리되는 성질이 매우 우수하여 간단한 필터로도 제거할 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 발명에 따른 이온성액체(110)를 포함한 피스톤 링(100)은 이온성액체(110)를 포함(함유)하고 있으므로, 그 마모량이 이온성액체(110)가 사라질 때 까지는 거의 없으며, 마찰단에서 미량으로 줄어드는 이온성액체(110)는 피스톤 링(100) 내부에 기 포함(함유)된 이온성액체(110)가 마찰단으로 이동하여 채워지므로 피스톤 링(110)에 포함(함유)된 이온성액체의 양이 일정 농도 이하로 떨어질때 까지는 표면의 이온성액체 막은 계속 유지하게 된다. 여기서 피스톤 링의 재질은 PTFE에 제한되지 않으며 이온성액체의 흡수 기공이 형성된 마찰에 강한 어떠한 재질로 이루어진 피스톤 링도 사용이 가능하다.
본 발명에 다른 실시예로, 도 6을 참 조하면, 이온성액체(110)를 주입한 피스톤 링(100)을 사용함과 동시에 피스톤(20)과 피스톤 결합부(30) 사이에 이온성액체(110)를 수용할 수 있는 공간을 형성하여 초기에 이온성액체(110)를 주입하고 피스톤 링을 결합하는 구조로 이루어질 수 있다.
이온성액체(110)를 초기에 피스톤 링(100)에 주입하고 사용하는 경우에 그 사용기간이 일반 드라이 타입 피스톤 링에 비하여 사용환경에 따라 2 내지 4배 증대되는 것이 가능하긴 하지만 일반 윤활유타입 압축기에 비해서는 그 사용기간이 적을 수 밖에 없다. 따라서 윤활유타입 압축기에 대적하는 사용기간을 가지기 위하여는 지속적인 이온성액체의 공급이 필요하게 되는데, 통상적으로 실린더 내부에 이온성액체를 분사하는 것은 공지된 압축기 특허들에서와 같이 자명하다.
본 발명에 의한 구조에서는 피스톤 내부에 이온성액체(110)의 저장 공간인 이온성액체 저장부(25)를 형성하고 이온성액체 저장부(25)에 이온성액체(110)가 저장된 상태에서 피스톤 링(100)을 결합시킴으로써 피스톤 링(100)에 자연적으로 이온성액체가 지속적으로 소량 흡수되게 함으로써 마찰을 최소화 할 수 있다.
즉, 피스톤(20)의 상부측에 이온성액체 저장부(25)를 구비하여, 이온성액체 저장부(25)에 이온성액체(110)를 주입하고 피스톤 링 결합부(30)를 통해 피스톤 링(100)을 결합하여 피스톤(25)의 왕복운동에 따라 이온성액체 저장부(25)에서 피스톤 링(100)에 지속적으로 소량의 이온성액체(110)를 공급할 수 있도록 형성하여 피스톤 링(100)의 마찰을 최소화하여 피스톤 링(100)의 사용기간를 늘릴 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예로 이온성액체(110)를 함유한 피스톤 링을 사용하는 동시에 래비린스(labyrinth)형 실린더(50)를 적용하여 실린더의 내부 표면에 래비린스(labyrinth) 구조의 홈 구조를 추가하여 본질적으로 그 마찰면을 줄이고 초기에 홈 구조에 이온성액체(110)를 일부 더 함유하여, 작동 시에 가스의 유동에 의한 누설을 줄이는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 래비린스 형 실린더(50)를 적용 시에는 피스톤 링(100)은 피스톤(20)과 피스톤 결합부(30)와 결합되는 결합부(101)와 래비린스 실린더(50)와 실링(sealing)을 위한 실링부(103)를 포함할 수 있다.
래비린스 형 실린더(50)에 적용되는 피스톤 링(100)의 실링부(103)는 상단 말단부의 최소 접촉부분을 제외하고는 실린더와 접촉하지 않고 근접하여 운동할 때 누설량을 최소화하도록 형성되는 것을 의미할 수 있다. 래비린스 형 실린더(50)가 구비되지 않는 종래 제품이나 본 실시예에서는 누설방지를 위한 실링부(103)와의 상당한 접촉면적 및 접촉력이 필요하여 추가적인 마찰에 의한 손실이 따르게 된다. 실험에 의하면 본 실시예에 의한 실린더헤드부의 온도는 연속 가동 시 종래 시중 제품과 비교하여 그 온도가 5℃ 이상 낮은 것으로 나타났다.
PTFE와 같이 탄성이 존재하는 재질의 피스톤 링을 사용하여 조립하는 경우는 현실적으로 피스톤 링의 상단부가 실린더와 접촉이 되며, 하단부로 갈수록 약간의 경사를 이루게 되어 실린더와의 간극은 점차적으로 커지게 된다. 따라서, 본질적으로 금속 피스톤으로 이루어지고 실린더 사이에 윤활막을 형성하여 구동되는 윤활 타입(type) 압축기와는 달리 드라이 타입(type)의 압축기는 피스톤 링(100)의 상단부의 실린더와 밀착으로 시작되어 일정 간극을 가지고 실린더와 떨어져 있게 되므로 누설이 더욱 많아질 수밖에 없는 구조이다.
즉, 본 발명에 따르면 실린더의 내부표면에 래비린스(labyrinth) 구조를 형성하여 가스 역학적으로 누설을 최소화하는 효과를 가져옴과 동시에 그 내부에 이온성액체를 주입하여 함유하게 함으로써 마찰을 최소화하는 효과를 가지며, 피스톤에 이온성액체 저장부를 구비하여 피스톤 링에 이온성액체를 공급할 수 있도록 하여 피스톤 링의 사용기간을 늘릴 수 있는 효과를 가진다.
또한, 도 7을 참조하면, 이온성액체 저장부를 형성하는 위치에 따른 실시예로, 도 1의 경우에는 피스톤 상단부에 저장부(25)를 구비하여 피스톤결합부(30)와 피스톤링(100)이 피스톤(20)과 결합하여 이온성액체를 저장하는 데 비하여 도 7의 경우에는 피스톤 결합부(30)의 하부에 이온성액체 저장부(35)를 형성하여 이온성액체(110)를 수용하고, 피스톤 링에 지속적으로 이온성액체를 공급하는 것을 나타낸다. 이 경우에 제조공정 중에 피스톤결합부(30) 조립 시에 일부 이온성액체가 흘러 나와 손실될 수 있으나 소량으로 제어할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 본 발명에 따르면 기존의 드라이타입 압축기에 사용되는 피스톤 링에 이온성액체를 포함하도록 하여 이온성액체가 함유된 피스톤 링을 사용하여 실린더와의 마찰을 줄여 피스톤링의 마모를 방지하고 그 내구성을 증대시켜 사용시간을 늘릴 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따르면 피스톤 링과 실린더 사이의 밀착성을 이온성액체를 사용하여 높임으로써 누설량을 줄일 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따르면 피스톤 링에 이온성액체가 지속적으로 소량 흡수되게 함으로써 그 마찰을 최소화 하는 효과를 가진다.
지금까지 본 발명에 따른 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 실시 변형이 가능함은 자명하다. 그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술 될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 실린더
11: 가스 흡입구
12: 가스 배출구
20: 피스톤
21: 피스톤 로드
25: 이온성액체 저장부
30: 피스톤 결합부
35: 이온성액체 저장부
50: 래비린스(labyrinth) 형 실린더
100: 피스톤 링
110: 이온성액체(ionic liquids)
11: 가스 흡입구
12: 가스 배출구
20: 피스톤
21: 피스톤 로드
25: 이온성액체 저장부
30: 피스톤 결합부
35: 이온성액체 저장부
50: 래비린스(labyrinth) 형 실린더
100: 피스톤 링
110: 이온성액체(ionic liquids)
Claims (10)
- 압축기 혹은 진공펌프 구조에 있어서, 실린더 와 상기 실린더 안에 배치되는 피스톤, 상기 피스톤과 피스톤 결합부에 의해 피스톤에 장착되는 피스톤 링 및 구동부로부터 동력을 전달받아 상기 피스톤을 구동시키는 피스톤 로드를 포함하며, 상기 피스톤은 실린더 내부에서 종방향으로 왕복운동 가능하며,
상기 피스톤 링에 형성된 기공에 이온성액체를 주입하여 피스톤 링이 이온성액체를 함유하게 한 후 피스톤을 왕복운동 시킴으로써 실린더와의 마찰을 줄이는 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 청구항 1에 있어서,
상기 피스톤 링에 주입되는 이온성액체는 이미다졸리움계인 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 피스톤 링에 주입되는 이온성액체는 트리플루오르메탄설포닐이미드인 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 청구항 1에 있어서, 상기 피스톤 링은 산으로 형상 제조용 혼합물을 녹여 이온성액체가 주입될 수 있는 기공을 확장하는 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 압축기 혹은 진공펌프 구조에 있어서, 실린더 와 상기 실린더 안에 배치되는 피스톤, 상기 피스톤과 피스톤 결합부에 의해 피스톤에 장착되는 피스톤 링 및 구동부로부터 동력을 전달받아 상기 피스톤을 구동시키는 피스톤 로드를 포함하며, 상기 피스톤은 실린더 내부에서 종방향으로 왕복운동 가능하며,
상기 실린더의 내부 표면은 래비린쓰 구조로 형성되며, 상기 피스톤 링은 탄성체로 구성되고 상단 말단부를 제외하고는 실린더와 접촉하지 않고 근접하여 운동하도록 하여 누설량을 최소화하는 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 청구항 5에 있어서,
상기 피스톤 링에 기공을 성형하고 이온성액체를 주입하여 피스톤 링이 이온성액체를 함유하게 하며;
상기 실린더 내부 표면의 래비린쓰 구조에 형성된 홈 사이에 이온성액체를 주입하고 피스톤을 왕복운동 시킴으로써 실린더와의 마찰을 줄이는 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 피스톤의 상부에 이온성액체 저장부를 형성하여, 이온성액체를 수용하고, 왕복운동 시 피스톤 링에 이온성액체를 공급하는 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
상기 피스톤 결합부의 하부에 이온성액체 저장부를 형성하여 이온성액체를 수용하고, 왕복운동 시 피스톤 링에 이온성액체를 공급하는 것을 특징으로 하는 압축기 혹은 진공펌프 구조.
- 피스톤 링 제조방법에 있어서,
피스톤 링 성형 제조 기기에서 제조 조건에 따른 재료를 배합하여 피스톤 링을 성형하는 피스톤 링 성형 단계;
상기 성형 단계를 통해 형성된 피스톤 링에 산을 가하여 기공을 형성하거나 확장하는 기공 성형 단계;
상기 기공 성형 단계를 통해 기공이 형성된 상기 피스톤 링을 용기에 넣고 진공으로 유지한 상태에서 이온성액체를 주입하는 이온성액체 주입단계; 및
상기 이온성액체 주입단계 이후에 상기 용기를 일정 압력으로 질소를 주입하여 가하면 이온성액체가 피스톤 링의 기공을 통해 흡수되게 하는 이온성액체 흡수 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 피스톤링에 주입되는 이온성액체는 이미다졸리움계인 것을 특징으로 하는 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020220037247A KR102662208B1 (ko) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조 |
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| KR1020220037247A KR102662208B1 (ko) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 이온성액체가 함유된 피스톤 링 제조방법 및 이를 사용한 압축기 혹은 진공펌프 구조 |
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