KR101012946B1

KR101012946B1 - 다단계 가스 압축 장치

Info

Publication number: KR101012946B1
Application number: KR1020080045040A
Authority: KR
Inventors: 히로시 이노우에
Original assignee: 아네스토 이와타 가부시키가이샤
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2011-02-08
Anticipated expiration: 2028-05-15
Also published as: KR20080101735A; CN101307754A; JP2008286067A; US20090047159A1

Abstract

제1 가스 압축기에 의해 압축된 압축 가스는 제2 가스 압축기에 의해 더 압축된다. 상기 제1 가스 압축기로부터의 압축 가스는 상기 제2 가스 압축기의 크랭크케이스로 보내져 더 압축된다. 상기 가스는 상기 제2 가스 압축기의 실린더로 보내지고 실린더에 있는 피스톤에 의해 압축된다.

가스 압축기, 실린더, 피스톤, 크랭크케이스, 크랭크샤프트

Description

다단계 가스 압축 장치{MULTI-STAGE GAS COMPRESSING APPARATUS}

본 발명은 다단계 가스 압축 장치, 특히 압축 가스가 다수 개의 가스 압축기에 의해 점점 압축되는 다단계 가스 압축 장치에 관한 것이다.

일본 특허 제JP2003-97466A호는 오일리스 (oiless) 가스 압축기를 공개하는데, 여기서 입구 (inlet)로부터 실린더에 유입 (introduced)된 압축 가스는 크랭크케이스 (crankcase)에 있는 커넥팅 로드 (connecting rod)를 통해 크랭크샤프트 (crankshaft)의 회전에 따라 왕복운동하는 피스톤에 의해 압축되고, 출구 (outlet)로부터 저장 탱크로 배출된다.

현재, 2 MPa 이상의 높은 배출 압력 (discharge pressure)을 제공하는 오일리스 압축기를 사용하는 것이 필요하다.

고압 (high pressure) 하에서 사용된 오일리스 압축기는 비싸고 내구성이 낮다. 상기 오일리스 압축기는 오일이 없는 것이다. 그리스-함유 베어링 (grease-containing bearing) 및 에어 실 (air seal)은 수명이 짧다. 따라서, 수명을 지속 시키기 위해 많은 부품들이 사용되어야 하고, 저압 (low pressure) 하에서 사용된 부품들은 사용될 수 없다.

일본 특허 제JP2000-34980A호에 공개된 부스터 압축기 (booster compressor)에서, 압축 가스가 압축기 몸체의 실린더에 유입되어 저장 탱크에 저장된다. 상기 저장 탱크에 있는 압축 가스는 우회 도관 (bypass conduit)을 통해 다시 상기 압축기 몸체에 유입된다. 이러한 압축을 반복하여, 상기 저장 탱크에 있는 압축 가스가 점점 압축된다.

상기 부스터 압축기에서, 상기 저장 탱크에 있는 압축 가스는 상기 압축기 몸체의 실린더에 직접 유입된다. 따라서, 피스톤을 작동시키기 위한 크랭크케이스의 내부는 항상 대기압 (atmospheric pressure)으로 유지된다.

상기 압축 단계가 고압이 됨에 따라, 상기 실린더와 크랭크케이스 사이의 압력차는 증가한다. 특히, 상기 피스톤은 더 빠르게 왕복운동 단계로 되돌아간다. 또한, 상기 크랭크샤프트용 베어링과 같은 부품들은 더 부하되어, 수명이 줄어든다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 고압 하에서 작동될 수 있으며, 저압 하에서 상기 장치에 유사한 부품들이 사용되며, 부품들의 수명이 연장될 수 있는 다단계 가스 압축 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,

제1 구동축, 제1 크랭크케이스, 압축 가스를 상기 제1 크랭크케이스로 유입시키는 제1 유입 도관, 상기 제1 크랭크케이스를 관통해 확장하는 제1 구동축, 상기 제1 구동축에 결합되어 상기 제1 구동축과 함께 회전하는 제1 크랭크샤프트, 상기 제1 크랭크샤프트에 일단이 회전가능하게 장착된 제1 커넥팅 로드, 상기 제1 크랭크케이스 위의 제1 실린더, 상기 제1 실린더에 있는 제1 커넥팅 로드에 타단이 결합되어 상기 제1 크랭크샤프트의 회전에 따라 상하 움직이는 제1 피스톤, 상기 제1 실린더와 교류하는 제1 흡입 챔버, 상기 제1 흡입 챔버에 상기 제1 크랭크케이스를 연결하는 제1 연결 도관, 상기 제1 크랭크케이스로부터 상기 제1 연결 도관을 통해 상기 제1 흡입 챔버로 유입되어, 상기 제1 흡입 챔버와 교류하는 상기 제1 실린더에 있는 제1 피스톤에 의해 압축되는 압축 가스, 및 상기 제1 실린더와 교류하여 압축 가스가 제1 배출 챔버를 통해 상기 실린더로부터 배출되게 하는 제1 배출 챔버를 포함하는 제1 가스 압축기; 및

제2 구동축, 제2 크랭크케이스, 압축 가스를 상기 제1 가스 압축기의 제1 배출 챔버로부터 상기 제2 크랭크케이스로 유입시키는 제2 유입 도관, 상기 제2 크랭크케이스를 관통해 확장하는 제2 구동축, 상기 제2 구동축에 결합되어 상기 제2 구동축과 함께 회전하는 제2 크랭크샤프트, 상기 제2 크랭크샤프트에 일단이 회전가능하게 장착된 제2 커넥팅 로드, 상기 제2 크랭크케이스 위의 제2 실린더, 상기 제2 실린더에 있는 제2 커넥팅 로드에 타단이 결합되어 상기 제2 크랭크샤프트의 회 전에 따라 상하 움직이는 제2 피스톤, 상기 제2 실린더와 교류하는 제2 흡입 챔버, 상기 제2 흡입 챔버에 상기 제2 크랭크케이스를 연결하는 제2 연결 도관, 상기 제2 크랭크케이스로부터 상기 제2 연결 도관을 통해 상기 제2 흡입 챔버로 유입되어, 상기 제2 흡입 챔버와 교류하는 상기 제2 실린더에 있는 제2 피스톤에 의해 더 압축되는 압축 가스, 및 상기 제2 실린더와 교류하여 압축 가스가 제2 배출 챔버를 통해 상기 제2 실린더로부터 배출되게 하는 제2 배출 챔버를 포함하는 제2 가스 압축기를 포함하는 다단계 가스 압축 장치를 제공한다.

다수 개의 가스 압축기를 통해, 여러 압축 단계에서 압축 가스의 배출 압력에 대한 저항이 증가되어, 고압 하에서 작동이 가능하고, 부품에 적용된 부하가 각각의 압축 단계에서 감소되어, 그들의 수명이 증가하며 저압 하에서도 사용가능하다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 대로, 실시예들에 따라 다음의 상세한 설명에서 더욱 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다단계 가스 압축 장치의 일 실시예에 사용된 부스터 압축기이다.

도 1에서, 본 발명의 부스터 압축기 (1)는 단단히 밀폐된 (tightly sealed) 크랭크케이스 (2); 상기 크랭크케이스 (2) 위의 실린더 (3); 입구 (4)를 갖는 흡입 챔버 (sucking chamber)(5); 및 상기 흡입 챔버 (5)로부터 벽 (8)으로 분획된 출구 (6)를 갖는 배출 챔버 (7)를 포함한다.

상기 흡입 챔버 (5) 및 배출 챔버 (7)는 각각 흡입구 (sucking port)(9) 및 배출구 (discharge port)(10)를 통해 실린더 (3)와 교류한다. 상기 흡입구 (9) 및 배출구 (10)는 각각 체크 밸브 (11) 및 (12)를 갖는다.

상기 크랭크케이스 (2)에서, 동력에 의해 구동된 크랭크샤프트 (13)와 일체로 연결된 구동축 (driving shaft)(14)은 베어링 (15)(15) 및 실 (seal)(16)로 회전가능하게 지지된다.

커넥팅 로드 (18)는 베어링 (17)으로 크랭크샤프트 (13)에 의해 일단 (one end)(18a)이 피벗 (pivotally) 지지된다.

상기 커넥팅 로드 (18)의 타단 (other end)(18b)은 상기 실린더 (3)에서 왕복운동하는 피스톤 (19)에 장착된다.

상기 크랭크케이스 (2)에, 압축 가스의 유입 도관 (introducing conduit)(20) 및 연결 도관 (connecting conduit)(21)이 연결된다.

압축 가스 (A)는 상기 유입 도관 (20)을 통해 상기 크랭크케이스 (2)에 유입되고, 상기 입구(4)로부터 상기 흡입 챔버 (5)로 보내진다.

상기 압축 가스 (A)는 설비 (plant) 압력 도관 시스템 또는 오일리스 압축기로부터 유입 도관 (20)을 통해 상기 크랭크케이스 (2)에 유입되고, 상기 크랭크케이스 (2)를 거쳐 상기 연결 도관 (21)을 통해 상기 흡입 챔버 (5)로 보내진다.

상기 크랭크케이스 (2)에 있는 압축 가스는 상기 실린더 (3)에서 왕복운동하는 피스톤 (19)에 의해 압축되고, 상기 흡입 챔버(5)로 유입된다.

상기 흡입 챔버(5) 내에 있는 압축 가스 (A)는, 상기 피스톤 (19)의 왕복운동으로 상기 체크 밸브 (11)를 열어 상기 흡입구 (9)를 통해 상기 실린더 (3)에 유입된다. 상기 피스톤 (19)의 왕복운동으로 상기 체크 밸브 (11)를 닫음으로써, 가스가 압축된다.

상기 압축 가스 (A)는 배출구 (10)에 있는 체크 밸브 (12)를 열어, 상기 배출 챔버 (7)를 통해 상기 출구 (6)로부터 배출된다. 상기 가스 (A)는 애프터쿨러 (aftercooler)(22)에 의해 냉각된 후, 또 다른 부스터 압축기의 크랭크케이스 입구 또는 저장 탱크로 보내진다.

상기 실시예에서, 압축 가스 (A)는 상기 설비 압력 도관 시스템 또는 오일리스 압축기로부터 상기 크랭크케이스 (2)를 통해 상기 흡입 챔버 (5)로 유입된다. 적어도 일부의 상기 압축 가스 (A)가 상기 부스터 압축기 (1)의 크랭크케이스 (2)로 유입될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 장치에 사용된 체크 밸브(11 및 12)는 일반적으로 사용하는, 유체가 한 방향으로만 유동하도록 하는 체크 밸브이며, 따라서 체크 밸브에 대한 구체적인 구성 및 기능에 대해서는 설명하지 않는다.

도 2는 다단계 압축 과정의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

이 실시예에서, 저압의 오일리스 압축기 (23) 및 두 개의 부스터 압축기 (24), (25)가 제공되는데, 이 압축기들은 각각의 압축 단계에서 압축 가스의 배출 압력을 유지하는 구조를 지닌다.

상기 오일리스 압축기 (23)의 출구는 수분 (moisture) 제거용 드라이어 (drier)(26)를 통해 제1 부스터 압축기 (24)의 크랭크케이스 입구에 연결된다. 상기 제1 부스터 압축기 (24)의 출구는 압축 가스 냉각용 애프터쿨러 (27)를 통해 제2 부스터 압축기 (25)의 크랭크케이스 입구에 연속해서 연결된다.

압축 가스는 상기 오일리스 압축기 (23)에 의해 1.4 MPa의 배출 압력으로 압축되고, 상기 드라이어 (26)을 통해 상기 제1 부스터 압축기 (24)의 크랭크케이스로 유입된다.

상기 드라이어 (26)에 의해 냉각된 후 압축 가스는 1.4 MPa의 배출 압력으로 배출된다.

상기 오일리스 압축기 (23)에 의해 압축된 압축 가스는 1.5 내지 2.8 MPa의 배출 압력으로 상기 제1 부스터 압축기 (24)에 의해 압축되고, 상기 애프터쿨러 (27)를 통해 상기 제2 부스터 압축기 (25)의 크랭크케이스로 유입된다.

상기 애프터쿨러 (27)에 의해 냉각된 압축 가스는 1.5 내지 2.8 MPa의 배출 압력으로 배출된다.

상기 제1 부스터 압축기 (24)에 의해 압축된 압축 가스는 2.9 내지 3.8 MPa의 배출 압력으로 상기 제2 부스터 압축기 (25)에 의해 압축되고, 배출된다.

1.4 MPa의 배출 압력으로 상기 오일리스 압축기 (23)에 의해 압축된 압축 가스는 상기 제1 및 제2 부스터 압축기 (24),(25)의 크랭크케이스를 통해 실린더에 유입된다. 상기 배출 압력은 상기 제1 부스터 압축기 (24)에 의해 2.8 MPa로 증가하고, 상기 제2 부스터 압축기 (25)에 의해 3.8 MPa로 증가한다.

따라서, 상기 부스터 압축기 (24),(25)의 크랭크케이스와 실린더 사이의 압력차가 줄어들 수 있다. 종래의 단일 가스 압축기에 의한 압축과 비교했을 때, 각각의 압축 단계에서 압축 가스의 배출 압력에 대한 저항이 증가되어, 고압 하에서의 작동이 가능할 수 있다.

이를 통해, 상기 크랭크샤프트용 베어링과 같은 부품에 적용된 부하가 각각의 압축 단계에서 감소될 수 있다. 따라서, 그들의 수명이 증가한다. 저압 하에서 사용된 부품들 또한 사용될 수 있다.

이상은 단지 본 발명의 실시예들에 관한 것이다. 본 발명의 청구 범위를 벗어남 없이 당업자에 의한 다양한 변형 및 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 다단계 가스 압축 장치의 일 실시에에 사용된 부스터 압축기의 수직 단면도이다.

도 2는 다단계 압축 과정의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

Claims

제1 구동축, 제1 크랭크케이스, 압축 가스를 상기 제1 크랭크케이스로 유입시키는 제1 유입 도관, 상기 제1 크랭크케이스를 관통해 확장하는 제1 구동축, 상기 제1 구동축에 결합되어 상기 제1 구동축과 함께 회전하는 제1 크랭크샤프트, 상기 제1 크랭크샤프트에 일단이 회전가능하게 장착된 제1 커넥팅 로드, 상기 제1 크랭크케이스 위의 제1 실린더, 상기 제1 실린더에 있는 제1 커넥팅 로드에 타단이 결합되어 상기 제1 크랭크샤프트의 회전에 따라 상하 움직이는 제1 피스톤, 상기 제1 실린더와 교류하는 제1 흡입 챔버, 상기 제1 흡입 챔버에 상기 제1 크랭크케이스를 연결하는 제1 연결 도관, 상기 제1 크랭크케이스로부터 상기 제1 연결 도관을 통해 상기 제1 흡입 챔버로 유입되어, 상기 제1 흡입 챔버와 교류하는 상기 제1 실린더에 있는 제1 피스톤에 의해 압축되는 압축 가스, 및 상기 제1 실린더와 교류하여 압축 가스가 제1 배출 챔버를 통해 상기 실린더로부터 배출되게 하는 제1 배출 챔버를 포함하는 제1 가스 압축기; 및

제2 구동축, 제2 크랭크케이스, 압축 가스를 상기 제1 가스 압축기의 제1 배출 챔버로부터 상기 제2 크랭크케이스로 유입시키는 제2 유입 도관, 상기 제2 크랭크케이스를 관통해 확장하는 제2 구동축, 상기 제2 구동축에 결합되어 상기 제2 구동축과 함께 회전하는 제2 크랭크샤프트, 상기 제2 크랭크샤프트에 일단이 회전가능하게 장착된 제2 커넥팅 로드, 상기 제2 크랭크케이스 위의 제2 실린더, 상기 제2 실린더에 있는 제2 커넥팅 로드에 타단이 결합되어 상기 제2 크랭크샤프트의 회 전에 따라 상하 움직이는 제2 피스톤, 상기 제2 실린더와 교류하는 제2 흡입 챔버, 상기 제2 흡입 챔버에 상기 제2 크랭크케이스를 연결하는 제2 연결 도관, 상기 제2 크랭크케이스로부터 상기 제2 연결 도관을 통해 상기 제2 흡입 챔버로 유입되어, 상기 제2 흡입 챔버와 교류하는 상기 제2 실린더에 있는 제2 피스톤에 의해 더 압축되는 압축 가스, 및 상기 제2 실린더와 교류하여 압축 가스가 제2 배출 챔버를 통해 상기 제2 실린더로부터 배출되게 하는 제2 배출 챔버를 포함하는 제2 가스 압축기를 포함하는 다단계 가스 압축 장치.
제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 압축기가 부스터 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 가스 압축 장치.
제 1항에 있어서, 압축 가스를 상기 제1 가스 압축기로 보내기 위한 오일리스 가스 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 가스 압축 장치.
제 3항에 있어서, 상기 제1 압축기와 제2 압축기 사이에 애프터쿨러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 가스 압축 장치.
제 4항에 있어서, 상기 오일리스 가스 압축기와 제1 부스터 압축기 사이에 드라이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단계 가스 압축 장치.
제 5항에 있어서, 압축 가스가 상기 드라이어로부터 배출되고, 상기 애프터쿨러로부터 배출되고, 상기 제2 가스 압축기로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 다단계 가스 압축 장치.
제 6항에 있어서, 1.4 MPa 이하의 압축 가스가 상기 드라이어로부터 배출되고, 1.5 내지 2.8 MPa의 압축 가스가 상기 애프터쿨러로부터 배출되고, 2.9 내지 3.8 MPa의 압축 가스가 상기 제2 가스 압축기로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 다단계 가스 압축 장치.