KR100350367B1 - 타원운동형 피스톤식 압축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타원운동형 피스톤을 갖는 압축장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사상으로 형성된 실린더가 회전하는 과정에서 각각의 피스톤은 타원형 가이드레일에 안내되면서 승하강하여 유체를 압축시키게 되어 압축효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 하는 타원운동형 피스톤식 압축장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 동력발생기(1a)의 구동축(1b)이 고정프레임(2a)의 중앙부 내측으로 삽입되며 동력발생기(1a) 케이싱에 고정프레임(2a)이 고정 설치되고, 상기 고정프레임(2a)의 중앙부 내측으로 삽입된 구동축(1b)에는 회전판(1c)이 설치되고, 고정프레임(2a)의 개구된 타측에는 고정프레임 커버(2b)가 설치되며, 이 고정프레임 커버(2b)의 중앙부에는 피스톤(4a)이 설치되고, 상기 실린더(3a)의 양 측면에는 피스톤 고정핀(4b)과 커넥팅로드(4c)로 피스톤(3a)과 연결되는 피스톤구동축(5a)이 관통이 되도록 형성되어 있는 직선 가이드 홈(3d)의 양 측면은 실린더의 원통중심축과 평행하게 직선 가이드 면(3e,3e-1)이 구비되어 있는 것에 있어서, 상기 실린더(3a)는 인접한 실린더가 서로 직각을 이루어 "+"자 형태로 형성되도록 4개가 일체형으로 형성되고, 상기 고정프레임 커버(2b)의 중앙부에는 실린더(3a)를 지지하는 한 쌍의 지지베어링(3f,3f-1)이 외삽되어 고정축(6a)이 내향 삽입되게 설치되며, 상기 직선 가이드 홈(3d)의 내부에는 상기 피스톤 구동축(5a)이 관통이 되고 육면체인 미끄럼메탈(5b,5b-1)이 설치되고, 상기 고정프레임(2a)과 상기 고정프레임 커버(2b)의 내부 양면에는 한 쌍의 타원형 가이드 레일(2c,2c-1)을 설치되며, 상기 방사선방향으로 배치된 실린더(3a)의 실린더헤드부(3b)에는 흡배기 겸용통로(3c)가 구비되며, 상기 고정축(6a)은 내부에 대칭으로 설치된 각각 한 쌍의 흡입통로(6b,6b-1)와 배기통로(6c,6c-1)가 각각 외측으로 트여지게 형성되고, 이 통로들은 구획벽(6f,6f-1)으로 나누어지며, 고정축(6a)의 길이방향으로는 각각의 흡입통로(6b,6b-1)및 배기통로(6c,6c-1)와 내측으로 연이어 통하는 흡입구(6d,6d-1)와 배기구(6e,6e-1)가 외측을 향하도록 각각 형성되고, 상기 원통형 실린더(3a)의 외피에 방열핀(7b)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하며, 상기 각각의 실린더(3a)의 내측에는 다수개의 피스톤실(3i)이 형성되고, 각각의 피스톤실(3i)에는 그 피스톤실(3i)에 해당하는 각각의 피스톤(4a)이 삽입 설치되며, 상기 고정축(6a)에는 피스톤실(3i)의 숫자와 위치에 대응하는 흡입통로(6b,6b-1) 및 배기통로(6c,6c-1)가 형성된 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 흡배기밸브가 불필요하며 윤활유가 원심력을 받기에 배기와 혼합되기 어려우며 종래 피스톤 압축기의 구동회전수의 8분의 1의 회전수로 동일한 용량의 운전이 가능하므로, 유체의 맥동현상에 의한 소음과 진동을 감소시키며, 내구성과 압축효율 및 원가절감을 향상시키는 효과를 갖게 하는 것이다.

Description

타원운동형 피스톤식 압축장치{A piston compressor using elliptic motion}

본 발명은 타원운동형 피스톤을 갖는 압축장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 밸브가 없이 1개의 흡배기 겸용통로를 갖는 실린더헤드 부분이 구동축의 회전중심에 가깝게 배치된 실린더가 구동부에 의해 회전되고, 이 실린더의 일정부분에 의해 내부에 위치한 피스톤이 구동부의 회전중심과 동일중심을 갖는 일정 타원의 궤도를 움직이도록 함으로서, 한 실린더가 1회전할 때마다 내부에 구비된 피스톤이 2회의 직선 왕복운동을 하여 압축효율을 대폭 향상시킬 수 있으며, 또한 회전하는 실린더헤드부에 설치된 흡배기 겸용통로가 실린더의 회전중심부에 위치한 고정축에 설치된 흡배기 연결통로로 이어지게 하고, 이 고정축과 회전실린더를 둘러싼 고정프레임과 축삽입공이 유체를 3중으로 둘러 쌓도록 하고, 4개의 실린더를 90°간격으로 배치함으로써, 유체의 흡입, 압축 및 배기의 각 과정이 연속적으로 이루어지게 하여 유체의 맥동현상을 감소시키고, 유체의 소음과 진동을 억제하도록 하며, 또한 실린더내부에 유입한 윤활유가 실린더의 회전에 의해 원심력을 받아 반경이 큰 쪽으로 이동하므로 실린더의 회전중심부에 가깝게 설치된 실린더헤드 부분의 흡배기 겸용통로로는 윤활유가 섞이지 않은 깨끗한 유체만이 배기되도록 하는 타원운동형 피스톤식 압축장치에 관한 것이다.

이런 종류의 장치에 관련되는 종래의 기술에는 하기와 같은 것들이 있다.

도 7의 (가)는 종래의 회전 컨넥팅 로드타입의 피스톤 왕복동 압축기의 장치를 도시하는 단면도이며, 도 7의 (나)는 이 장치의 작동원리를 도시한 것이다. 이 장치는 압축실(21A)을 갖는 실린더(21)와 실린더내에 위치한 피스톤(22)을 컨넥팅로드(24)와 편심축(25)을 경유하여 상하 왕복운동시키기 위해 회전하는 크랭크축(23)으로 이루어진 구동부와, 실린더(21), 피스톤(22), 실린더의 끝단인 실린더헤드(21B), 압축실(21A)과 실린더헤드(21B)에 유체를 흡입하는 밸브(21C), 배기하는 밸브(21D)로 이루어진 압축기부로 되어 있다.

상기와 같이 구성되는 종래의 회전 컨넥팅 로드타입의 피스톤 왕복동 압축기의 장치의 작동은, 크랭크축(23)이 회전중심(C)을 기준으로 회전하면 이 축에 편심되게 설치된 편심축(25)이 편심된 길이(L)를 반경으로 하는 원을 따라 움직이며, 이에 연결된 켄넥팅로드(24)를 경유하여 피스톤(22)이 실린더(21) 내를 직선 왕복운동을 하게 되며, 이로 인해 발생된 압축실(21A) 내부의 유체압력에 따라 흡입밸브(21C)와 배기밸브(21D)가 개폐되면서 유체를 흡입, 압축, 배기하는 과정을 수행하도록 되어 있다.

따라서, 크랭크축이 1회전할 때마다 피스톤이 1회의 직선 왕복운동을 하여 실린더내의 유체를 흡입, 압축 및 배기의 일련의 과정을 1회 행하도록 되어 있다.

이와같이 구성된 종래의 피스톤 왕복동 압축기는 실린더헤드에 흡입과 배기를 위한 밸브가 각각 1개씩 구비되어 있어서, 이 밸브들이 작동할 때 피스톤헤드와의 부딪힘으로 인한 기계적 소음과 밸브의 파단이 발생할 뿐만 아니라, 밸브의 개폐에 의해 유체의 흡입과 배기가 간헐적으로 일어남으로 인해 맥동현상이 발생하고, 이로 인한 소음과 진동이 문제시되어 왔다.

이를 개선하기 위하여 복잡한 구조로 되어 있는 흡입 및 배기용 소음기를 장착함에 따라 유체저항이 증가하여 압축기의 성능을 저하시켰으며, 부품수의 증가로생산성을 저하시키는 등의 문제점이 있었다.

도 8의 (가)는 대한민국 공개특허공보(특1999-0040662호)에 도시된 종래의 밀폐형 실린더 회전식 압축장치의 단면도이며, 도 8의 (나)는 이 장치의 평면도를 도시한 것이다.

도면에서 32A는 상단턱(32B)을 경유하여 실린더의 돌출편(35)에 체결하여 실린더(34)를 회전중심(C)을 중심으로 회전시키기 위한 크랭크축이며, 프레임(33)에 부착된 돌출부(33B)는 흡입통로(33D)와 흡입구(33E)로 이루어진 흡입부와 배기통로(33F)와 배기구(33G)로 이루어진 배기부로 구성되어 있으며, 이 연속된 두 구간은 구획벽(33C)으로 나누어져 있다.

일측 피스톤(37)과 타측 피스톤(37A)은 실린더(34)의 각 압축실(36,36A)의 내부에 위치하며, 고정핀(38)을 피스톤의 회전중심축(C1)으로 하여 한 쌍의 길이가 같은 피스톤 로드(39,39A)로 연결되어져 있다.

도 8의 (가)(나)에 도시된 종래의 밀폐형 실린더 회전식 압축장치의 작동은 크랭크축(32A)이 회전중심(C)을 기준으로 회전하면 이와 연결된 실린더(34)도 동일 중심(C)을 기준으로 회전운동을 하며, 상기 실린더내부의 측면으로 피스톤(37,37A)을 회전시킨다.

이 때 상기 피스톤은 상기 회전중심(C)과는 다른 고정핀(38)이 위치한 회전중심(C1)을 기점으로 하여 회전하게 되므로, 피스톤은 회전하는 실린더에 대해 상대적으로 실린더내를 직선으로 왕복운동을 하게 된다.

도 8의 (다)(라)는 크랭크축의 회전중심(C)을 기준으로 회전하는 피스톤(37)의 궤적을 반경(R)과 절대좌표의 한 축(X)을 기준으로 한 실린더의 회전각(K)으로 도시한 것으로, 피스톤은 회전각(K)이 0°에서 일측 피스톤로드의 길이(L1)와 회전중심들간의 거리(L)와의 차이인 반경(R1)에 해당하는 하사점(B)에 위치하며, 회전각이 180°에서 상기 피스톤 로드의 길이(L1)와 중심들간의 거리(L)이 더해진 반경(R2)에 해당하는 상사점(T)에 위치하게 되어, 유체의 압축과 배기과정을 행하며, 회전각이 180°에서 실린더의 1회전이 끝나는 360°까지의 회전과정에서는 반경이 R2인 상사점에서 반경이 R1인 하사점에 위치하게 되어 유체의 흡입과정을 수행한다.

상기와 같이 크랭크축이 1회전할 때마다 한 피스톤이 실린더내를 1회의 직선 왕복운동하며, 이로 인해 유체의 흡입, 압축 및 배기의 일련의 과정이 1회 행해진다.

이와같이 구성된 종래의 밀폐형 실린더 회전식 압축기는 종래의 피스톤 왕복동 압축기의 실린더헤드에 설치된 흡배기용 밸브가 불필요하여 이로 인한 기계적 소음과 밸브의 파단문제를 해소시킬 수 있는 효과와, 또한 실린더와 피스톤으로 이루어진 압축부를 대칭되게 한 쌍을 설치함으로서 유체의 흡입, 압축 및 배기의 각 과정을 연속적으로 이루어지게 하여 유체의 맥동현상의 발생을 억제시키는 효과가 있었다.

그러나, 이는 회전하는 실린더를 포함하는 원판의 외측면과 이와 상대되게 고정설치된 돌출부(33B)의 내측면 사이에는 간극(clearance)이 생기며, 이러한 간극은 실린더의 외각 반경으로 이루어진 원주상에 넓게 분포하게 되므로, 이를 통한압축된 유체의 누수(leakage flow)로 인하여 압축기의 배기효율이 저하될 뿐만 아니라 유체의 팽창에 의한 파찰음에 의한 소음이 발생하는 폐단이 있다.

또한, 상기 간극을 일정하게 유지해서 기계적 마찰이 일어나지 않도록 하기 위해서는 회전하는 상기 원판의 불평형무게(unbalance weight)를 제거하는 정밀한 밸런싱(balancing)작업이 필요하게 되어 작업공수가 증가하게 되며, 특히, 실린더내에 유입된 윤활유는 실린더와 피스톤의 원운동에 의해 발생되는 원심력에 의해 반경이 큰 쪽으로 흘러서 배기통로(33F)로 모이게 되므로, 유체와 혼합하여 배기되기 쉬운 구조로 되어 있다. 따라서, 이를 분리하기 위한 별도의 장치가 필요하게 되어 이로 인한 압력손실의 증가와 생산성을 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 압축기의 용량을 늘리기 위해서는 한 쌍의 피스톤과 실린더의 조립체로 이루어진 동일한 압축기부를 크랭크축 방향으로 중첩시켜야 하므로 시스템이 복잡해지게 되는 또 다른 문제를 지니고 있었다.그리고, 일본 특개평 7-189893호(1995.7.28공개)에 알려져 있는 로터리 실린더의 피스톤작동장치는, 로터에 방사상으로 설치된 실린더의 좌우측면에 절개부가 형성되며 저부에 흡입토출용 개구부가 형성된 실린더에 피스톤을 삽입했을 때 피스톤핀이 돌출되도록 구성한 로터에, 피스톤핀이 삽입되는 반원형의 통공이 형성된 링이 피스톤핀에 삽입되며, 상기 링은 케이싱의 좌우측면커버에 설치된 롤러에 로터와 편심되게 삽입되는 구성으로 되어 있는 것으로, 상기 피스톤 작동장치는 1회전당 1행정(압축,배기)으로 로터가 롤러, 링 및 3개의 실린더를 구동축에 의하여 구동되며, 3개의 롤러에 끼워져 있는 링이 구동축과 편심되어 있으므로 링과 로터가 함께 진원 구동을 하며 로터와 링이 편심되어 있으므로 편심작용으로 링에 고정된 피스톤된에 의하여 피스톤이 직선왕복운동을 하게 된다.그러나, 상기의 로터리 실린더의 피스톤작동장치는 기동 및 정지시 링의 홈과 피스톤핀에 의한 마찰음이 발생과 지속적인 마찰로 인하여 피스톤핀이 쉽게 파손이 될 뿐 만 아니라 1회전당 1행정(압축,배기)으로 맥동현상이 심하게 발생하며 또한, 편심구동에 따른 불평형무게(unbalance weight)가 발생하여 롤러에 과대한 하중발생으로 롤러가 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 이루어 진 것으로써, 구동축 1회전에 한 개의 피스톤이 실린더내에서 2회 직선 왕복운동을 수행하도록 하고, 4개의 실린더를 방사선방향에 90°간격으로 배치함으로써, 유체의 흡입과 압축 및 배기의 각 과정이 연속적으로 이루어지게 하여 유체의 맥동현상과 이로 인한 소음 및 진동을 감소시키며, 실린더의 회전중심부에 가깝게 설치된 실린더헤드부에 1개의 흡배기 겸용통로를 설치하고 이것이 회전할 때 고정 흡배기통로와 연통되도록 함으로서 흡배기밸브가 불필요하고 윤활유가 배기에 혼합되기 어려우며, 종래 유사 압축기의 구동회전수의 8분의 1의 회전수로 동일한 용량의 운전이 가능토록 하여 내구성과 압축성능 및 원가절감을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

도 1의 (가)는 본 발명에 따른 타원운동형 피스톤식 압축장치의 구조를 나타내는 종단면도.

도 1의 (나)는 도 1의 (가)에 도시된 본 발명의 측단면도.

도 2는 본 발명의 작동원리를 도시한 설명도.

도 3은 본 발명의 요부인 고정축의 흡배기 관련부위를 확대 도시한 상세단면도.

도 4는 본 발명의 요부인 실린더 회전에 따른 피스톤의 행정궤적을 나타내는 설명도.

도 5의 (가)(나)(다)는 본 발명의 작용 상태를 설명하는 예시도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.

도 7의 (가)(나)는 종래의 일실시예에 따른 피스톤 압축기의 단면도 및 작동 원리도.

도 8의 (가) 내지 (라)는 종래의 다른 실시예에 따른 실린더 회전식 피스톤 압축기의 구성도와 작동도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1a : 동력발생기 1b : 구동축

1c : 회전판 2a : 고정프레임

2b : 고정프레임 커버 2c, 2c-1 : 타원형 가이드 레일,

3a : 실린더 3b : 실린더 헤드부

3c : 흡배기 겸용통로 3d : 직선 가이드 홈

3e, 3e-1 : 직선 가이드면 3f, 3f-1 : 실린더 지지용 베어링

3g : 작업공간 3h : 축삽입공

3i :피스톤실 4a : 피스톤

4b : 피스톤 고정핀 4c : 피스톤 컨넥팅로드

5a : 피스톤 구동축, 5b, 5b-1 : 미끄럼 메탈

5c, 5c-1 : 가이드 베어링 6a : 고정축

6b, 6b-1 : 흡입통로 6c, 6c-1: 배기통로

6d, 6d-1 : 흡입구 6e, 6e-1 : 배기구

6f, 6f-1 : 구획벽 7a : 윤활유 7b : 방열핀

T : 피스톤의 상사점 B : 피스톤의 하사점

K : 회전각도 C : 회전중심

L : 길이 R : 피스톤의 궤적반경

R1 : 타원의 단축반경 R2 : 타원의 장축반경

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 타원운동형 피스톤식 압축장치 는, 동력발생기의 전방에는 원통형태의 고정프레임을 설치하되, 동력발생기의 구동축이 고정프레임의 중앙부 내측으로 삽입되며 동력발생기 케이싱에 고정프레임이 고정 설치되고, 상기 고정프레임의 중앙부 내측으로 삽입된 구동축에는 동력발생기의 동력을 전달받아 회전하는 회전판이 설치되고, 고정프레임의 개구된 타측에는 고정프레임 커버가 설치되며, 이 고정프레임 커버의 중앙부에는 회전하는 방사선방향으로 배치된 실린더에 의해 구동되는 피스톤이 설치되고, 상기 실린더의 양 측면에는 피스톤 고정핀과 커넥팅로드로 피스톤과 연결되는 피스톤구동축이 관통이 되도록 형성되어 있는 직선 가이드 홈의 양 측면은 실린더의 원통중심축과 평행하게 직선 가이드 면이 구비되어 상기 직선 가이드 홈의 내부에는 상기 피스톤 구동축이 관통 설치 되어 있는 것에 있어서, 상기 실린더는 인접한 실린더가 서로 직각을 이루어 "+"자 형태로 형성되도록 4개가 일체형으로 형성되고, 상기 고정프레임 커버의 중앙부에는 회전하는 실린더를 지지하는 한 쌍의 지지베어링이 외삽되어 실린더의 회전중심을 이루는 고정축이 내향 삽입되게 설치되며, 상기 직선 가이드 홈의 내부에는 상기 피스톤 구동축이 관통이 되고 육면체인 미끄럼메탈이 설치되고, 상기 고정프레임과 상기 고정프레임 커버의 내부 양면에는 회전하는 실린더에 의해 구동되는 피스톤이 타원운동을 하도록 안내하기 위한 한 쌍의 타원형 가이드 레일이 설치되며, 이 한쌍의 타원형 가이드 레일 중심이 고정축의 중심과 일치하도록 설치되고, 상기 방사선방향으로 배치된 실린더의 실린더헤드부에는 흡배기 겸용통로가 구비되며, 상기 고정축은 내부에 대칭으로 설치된 각각 한 쌍의 흡입통로와 배기통로가 각각 외측으로 트여지게 형성되고, 이 통로들은 구획벽으로 나누어지며, 고정축의 길이방향으로는 각각의 흡입통로및 배기통로와 내측으로 연이어 통하는 흡입구와 배기구가 외측을 향하도록 각각 형성되고, 상기 원통형 실린더의 외피에 방열핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하며, 상기 각각의 실린더의 내측에는 다수개의 피스톤실이 형성되고, 각각의 피스톤실에는 그 피스톤실에 해당하는 각각의 피스톤이 삽입 설치되며, 상기 고정축에는 피스톤실의 숫자와 위치에 대응하는 흡입통로 및 배기통로가 형성되어 있는 것을 특징 한다.

이하, 본 발명에 따른 타원운동형 피스톤식 압축장치의 바람직한 실시예를첨부된 도면에 따라 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1의 (가)(나)는 본 발명의 구성을 나타낸 것으로, 도 1의 (가)는 본 발명에 따른 타원운동형 피스톤식 압축장치의 구조를 나타내는 종단면도이고, 도 1의 (나)는 도 1의 (가)에 도시된 본 발명의 측단면도로서, 동력발생기(1a)의 전방에는 원통형태의 고정프레임(2a)을 설치하되, 동력발생기(1a)의 구동축(1b)이 고정프레임(2a)의 중앙부 내측으로 삽입되며 동력발생기(1a) 케이싱에 고정프레임(2a)이 고정 설치된다.

상기 고정프레임(2a)의 중앙부 내측으로 삽입된 구동축(1b)에는 동력발생기(1a)의 동력을 전달받아 회전하는 회전판(1c)이 설치되고, 고정프레임(2a)의 개구된 타측에는 중앙에 고정축(6a)이 내향 삽입 설치되는 고정프레임 커버(2b)가 설치되며, 이 고정프레임 커버(2b)의 중앙부에는 회전하는 실린더(3a)를 지지하는 한 쌍의 지지베어링(3f,3f-1)이 외삽되어 실린더의 회전중심을 이루는 고정축(6a)이 내향 삽입되게 설치된다.

또한, 상기 고정프레임(2a)과 상기 고정프레임 커버(2b)의 내부 양면에는 회전하는 실린더(3a)에 의해 구동되는 피스톤(4a)이 타원운동을 하도록 안내하기 위한 한 쌍의 타원형 가이드 레일(2c,2c-1)을 설치하되, 이 한 쌍의 타원형 가이드 레일(2c,2c-1) 중심이 고정축(6a)의 중심과 일치하도록 설치되어 있다.

그리고, 흡배기 겸용통로(3c)를 구비한 실린더헤드부(3b)가 회전중심축을 향하도록 방사선방향으로 배치된 상기 실린더(3a)는 상기 피스톤(4a)과의 사이에 밀폐된 작업공간(3g)을 이루며, 상기 실린더(3a)의 양 측면에는 피스톤 고정핀(4b)과 켄넥팅로드(4c)로 상기 피스톤(3a)과 연결되는 피스톤구동축(5a)이 관통이 되도록직선 가이드 홈(3d)이 형성되어 있다.

상기 직선 가이드 홈(3d)의 양 측면은 실린더의 원통중심축을 따라 피스톤이 직선왕복운동할 수 있도록 이 중심축과 평행하게 구성된 직선 가이드 면(3e,3e-1)이 구비되어 있으며, 직선 가이드 홈(3d)의 내부에는 상기 피스톤 구동축(5a)이 관통이 되고 육면체인 미끄럼메탈(5b,5b-1)이 구비되어 상기 직선 가이드 면상을 원활하게 미끄러지도록 되어 있다.

상기 피스톤 구동축(5a)은 그 양 끝단부에 가이드 베어링(5c,5c-1)이 각각 구비되어 있어 한 쌍의 타원형 가이드 레일(2c,2c-1)내를 각각 움직이도록 설치되어 있다.

상기 고정축(6a)은 내부에 대칭으로 설치된 각각 한 쌍의 흡입통로(6b,6b-1)와 배기통로(6c,6c-1)가 각각 외측으로 트여지게 형성되고, 이 통로들은 구획벽(6f,6f-1)으로 나뉘어져 있고, 고정축(6a)의 길이방향으로는 각각의 흡입통로(6b,6b-1)및 배기통로(6c,6c-1)와 내측으로 연이어 통하는 흡입구(6d,6d-1)와 배기구(6e,6e-1)가 외측을 향하도록 각각 형성되어 있으며, 이 고정축(6a)은 실린더(3a)의 중앙에 관통 형성된 헤드부축삽입공(3h)에 삽입되면서 외측 말단부는 상기 고정프레임 커버(2b)에 체결 설치된다.

상기 실린더(3a)와 피스톤(4a)은 조립체로서 동일 회전평면상에 No.1, No.2, No.3, No.4순으로 4개가 방사선방향으로 배치되며, 인접한 실린더의 중심선이 서로 직각을 이루고, 인접한 실린더헤드부(3b)가 서로 연결되어 상기 고정축(6a)이 삽입되도록 축삽입공(3h)을 형성한다.

상기 원통형 고정프레임(2a)의 밑부분에 고인 윤활유(7a)는 실린더(3a)의 회전에 의해 분무화되어, 기계적인 마찰부의 윤활에 이용되며, 이 부분의 열을 방출하기 위해 상기 원통형 실린더(3a)의 외피에 방열핀이 구비되어 있다.

도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의한 타원운동형 피스톤식 압축장치 는, 상기 각각의 실린더(3a)의 내측에 다수개의 피스톤실(3i)이 형성되고, 각각의 피스톤실(3i)에는 그 피스톤실(3i)에 해당하는 피스톤(4a)이 삽입 설치되며, 상기 고정축(6a)에는 피스톤실(3i)의 숫자와 위치에 대응하는 흡입통로(6b,6b-1) 및 배기통로(6c,6c-1)가 형성된 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작동과정을 첨부된 도면에 따라 설명한다.

도 2는 본 발명의 작동원리를 도시한 설명도이며, 도 3은 본 발명의 요부인 고정축의 흡배기 관련부위를 확대 도시한 상세단면도이며, 도 4는 본 발명에서 실린더의 회전에 따른 피스톤의 행정궤적을 나타내는 설명도이다.

먼저, 도 1에 도시되어 있는 바와같이 구동축(1b)이 회전함과 동시에 이와 결합되어 있는 회전판(1c)과, 회전판(1c)과 결합된 실린더(3a)가 회전한다. 이 실린더(3a)는 한 쌍의 실린더 지지용 베어링(3f,3f-1)에 의해 지지되고, 고정축(6a)을 중심으로 회전하면서 외측 양면에 파인 직선 가이드 홈(3d)의 측면인 직선 가이드면(3e,3e-1)을 통하여 가이드 홈(3d)의 내부에 위치한 미끄럼 메탈(5b,5b-1)에 원주방향의 회전토크를 전달한다.

상기 미끄럼 메탈(5b,5b-1)과 연결되어 있는 피스톤 구동축(5a)의 양단에 구비된 한 쌍의 가이드 베어링(5c,5c-1)은 상기 회전토크와 타원형 가이드 레일(2c,2c-1)에 의해 구속됨에 의해 발생되는 반경방향의 힘을 받아, 시시각각 반경이 다른 타원형 가이드 레일(2c,2c-1)내를 움직이게 된다.

따라서, 상기 가이드 베어링(5c,5c-1)이 구비된 피스톤 구동축(5a)의 중심에 피스톤 컨넥팅로드(4c)로 연결된 피스톤(4a)은 상기의 회전토크에 의해 실린더(3a)와 함께 회전하고, 동시에 반경방향의 힘에 의해 원통축방향으로 도 4에 도시되어 있는 바와같이 타원의 장축(R2)과 단축(R1)의 차에 해당하는 거리를 직선으로 왕복운동을 하게 된다. 이로 인해, 실린더(3a)내에서 피스톤(4a)에 의해 밀폐된 공간인 작업공간(3g)이 변하게 된다.

상기 작업공간(3g)이 늘어나는 과정에는 도 3에 도시되어 있는 바와같이 실린더(3a)와 일체이면서 함께 회전하는 실린더헤드부(3b)에 구비된 흡배기 겸용통로(3c)가 고정축(6a)의 내부에 대칭으로 설치된 한 쌍의 흡입통로(6b,6b-1)와 연통되는 위치에 있게되어 흡입구(6d,6d-1)를 통해 유체의 흡입이 일어나고, 반대로 상기 작업공간(3g)이 줄어드는 과정에는 상기 흡배기 겸용통로(3c)가 고정축(6a)의 내부에 대칭으로 설치된 한 쌍의 배기통로(6c,6c-1)와 연통되는 위치에 있게 되어 배기구(6e,6e-1)를 통해 배기가 이루어진다.상기 통로들 사이의 구별은 도 1에 도시되어 있는 바와같이 상기 실린더(3a)에 구비된 흡배기 겸용통로(3c)의 폭과 같은 구획벽(6f-1)과 넓은 폭의 구획벽(6f)으로 이루어진다.

상기의 자세한 과정을 도 2 및 도5에 도시되어 있는 No.1 실린더조립체의 경우를 이용하여 설명한다. 도 2에 나타낸 기호 K는 실린더들이 일정 기준축을 중심으로 시계방향으로 회전한 각도를 나타낸 것으로, No.1의 실린더조립체의 경우는 Y축이 기준이 된다.

도 4의 상부에는 타원운동중인 피스톤의 위치를 반경(R)과 회전각(K)으로 표시한 것을 나타내는 것으로, 초기에 반경(R)이 타원의 단축반경(R1)에 있던 피스톤이 실린더에 의해 90°회전되면, 타원의 장축(R2)에 해당하는 최대반경에 이르며 K=180°위치에서의 반경은 초기와 같은 단축반경(R1)에 이르고, 계속해서 K=270°위치가 되면 R이 R2가 되고, K=360°이면 R이 R1이 된다.

여기서 반경이 R1인 피스톤의 위치는 상기의 작업공간(3g)이 최소가 되는 피스톤의 상사위치(T)를 나타내며, 반경이 R2인 피스톤의 위치는 상기의 작업공간(3g)이 최대가 되는 피스톤의 하사위치(B)를 나타낸 것으로서, 실린더에 의해 피스톤이 타원상을 1회전하면 피스톤은 실린더내에서 2회의 왕복직선운동, 즉 흡입과 압축 및 배기과정을 각각 2회 수행함을 보여주고 있다.

No.2의 실린더조립체의 경우는 기준이 X축이 되며, 초기에 반경(R)이 타원의 장축반경(R2)에 있던 피스톤이 0°- 90°- 180°- 270°- 360°순으로 회전하면, 반경은 R2 - R1 - R2 - R1 - R2 순으로 움직이는 도 4의 하부 도면과 같은 운동을 수행한다.

또한, No.3과 No.4의 실린더조립체의 기준은 각각 -Y축과 -X축이나 각각 No.1과 No.2의 실린더조립체와 동일한 직선왕복운동을 한다.

여기서, 회전각(K)가 0°에서 90°까지는 No.1과 No.3은 흡입과정, No.2와 No.4는 압축과 배기과정을 수행하며, 회전각(K)가 90°에서 180°까지는 No.1과 No.3는 압축과 배기과정, No.2, No.4는 흡입과정을 수행한다.

따라서, 고정축(6a)의 원형 단면상에 Y축을 기준으로 해서 0°∼90°구간과 180°∼270°구간에 각각 흡입통로를 설치하고, 90°∼180°구간과 270°∼360°구간에 각각 배기통로를 설치하면, 모든 운전조건에 있어서 흡입통로로는 연속적인 유체의 흡입이 일어나고, 배기통로로는 연속적인 유체의 배기가 일어나게 된다. 이렇게 정해진 통로들을 흡입통로(6b), 배기통로(6c), 흡입통로(6b-1), 배기통로(6c-1)의 순서대로 도시한 것이 도 3이다.

도 3에 도시되어 있는 바와같이 Y축이 기준되는 회전각(K)으로 각 통로의 시작과 끝을 표시하면, K1은 흡입시작위치, K2는 흡입종료위치, K3는 압축시작위치, K4는 압축계속과 배기시작위치, K5는 압축과 배기종료위치, K6는 흡입준비위치, K7은 흡입시작위치로 나타내어지며, 이 위치들과 흡입과 압축 및 배기의 각 과정과의 관계를 설명하면 다음과 같다.

회전하는 흡배기 겸용통로(3c)의 일부분이 흡입시작위치(K1)의 위치와 접하게 되면, 유체는 흡입통로(6b)를 통해서 실린더내의 작업공간(3g)으로 흐르기 시작하고, 흡배기 겸용통로(3c)의 모든 부분이 흡입종료위치(K2)를 지나는 순간에 유체의 흡입이 중단된다. 이어서, 흡배기 겸용통로(3c)의 중앙부분이 압축시작위치(K3)에 위치하면 유체의 압축이 시작되어, 흡배기 겸용통로(3c)의 일부분이 압축계속과 배기시작위치(K4)에 접하게 될 때까지 계속되다가 이 위치부터 흡배기 겸용통로(3c)의 모든 부분이 압축과 배기종료위치(K5)를 지날 때까지 압축과 배기통로(6c)를 통한 배기를 계속한다.

이어서, 흡배기 겸용통로(3c)의 중앙부분이 흡입준비위치(K6)에 위치하면 유체의 흡입을 준비하고, 흡배기 겸용통로(3c)의 일부분이 흡입시작위치(K7)에 접하게 되면, 유체는 흡입통로(6b-1)를 통하여 실린더내의 작업공간(3g)으로 흐르기 시작한다. 이 흡입시작위치(K7)의 위치는 흡입시작위치(K1)와 축대칭위치에 있으므로 이 후의 전 과정은 동일하다.

여기서, 고정축의 압축계속과 배기시작위치(K4)와 흡입종료위치(K2)사이의 간격과 흡입시작위치(K7)와 압축과 배기종료위치(K5) 사이의 간격으로 이루어진 벽을 각각 구획벽(6f)과 구획벽(6f-1)이라 하며, 구획벽(6f-1)의 폭은 흡배기 겸용통로(3c)의 폭과 같게 하고, 구획벽(6f)의 폭은 흡배기 겸용통로(3c)의 폭보다 더 넓게 하여 압축초기의 재팽창에 의한 손실을 줄이게 된다.

또한, 압축시작위치(K3)와 흡입종료위치(K2)와의 간격은 흡입시작위치(K7)와 압축과 배기종료위치(K5)와의 간격의 반으로 해서, 흡배기 겸용통로(3c)가 전구간에 걸쳐 흡입통로와 연통되도록 하므로서 흡입효율이 높아지게 된다.그리고, 원통형 고정프레임(2a)의 밑부분에 고인 윤활유(7a)는 실린더(3a)의 회전에 의해 분무화되어, 기계적인 마찰부의 윤활에 이용되며, 이때에 발생되는 열은 원통형 실린더(3a)의 외피에 형성되어 있는 방열핀(7b)에 의하여 윤활유의 마찰열을 외부로 방출하게 되는 것이다.

도 5의 (가)(나)(다)에는 고정축(6a)을 중심으로 실린더 조립체가 시계방향으로 회전할 때, 각 실린더헤드부의 흡배기 겸용통로(3c)와 피스톤과의 위치 및 실린더내의 작업공간(3g)과 타원운동중인 피스톤 구동축(5a)의 중심위치의 변화를 도식화하여 나타낸 것이다.또한, 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의한 타원운동형 피스톤식 압축장치는, 상기 각각의 실린더(3a)의 내측에 다수개의 피스톤실(3i)이 형성하고, 각각의 피스톤실(3i)에는 그 피스톤실(3i)에 해당하는 피스톤(4a)이 삽입 설치하며, 상기 고정축(6a)에는 피스톤실(3i)의 숫자와 위치에 대응하는 흡입통로(6b,6b-1) 및 배기통로(6c,6c-1)가 형성하여 4개의 실린더를 방사형으로 배치하여 흡입과 압축 및 배기의 과정이 연속적으로 작동하게 하므로서 유체의 맥동현상을 감소시키며 이로인한 소음 및 진동을 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 밸브가 없이 1개의 흡배기 겸용통로를 갖는 실린더헤드부분이 구동축 회전중심에 가깝게 배치된 실린더가 구동부에 의해 회전되고, 이 실린더의 일정부분에 의해 내부에 위치한 피스톤이 구동부의 회전중심과 동일중심을 갖는 일정 타원의 궤도를 움직이도록 하여, 한 개의 실린더가 1회전할 때마다 내부에 구비된 피스톤이 2회의 흡입, 압축 및 배기의 일련의 과정을 수행하도록 구성하였으므로, 원주상에 90°간격으로 배치된 4개의 실린더조립체에 의해 8번의 흡입, 압축 및 배기의 일련의 과정을 수행함과 동시에, 흡입통로로는 연속적인 유체의 흡입이 일어나고, 배기통로로는 연속적인 유체의 압축과 배기가 일어난다. 이로 인해 유체의 소음원인 맥동현상을 감소시키고, 종래 유사 압축기를 구동하는 회전수의 8분의 1로 동일한 용량의 운전이 가능하여 마모부품의 내구성 및 이로 인한 기계적 소음의 저감을 향상시킬 수가 있다.

또한, 실린더내로 유입된 윤활유는 회전하는 실린더에 의해 원심력을 받아 반경이 큰 외각으로 이동할려는 특성이 있으므로 반경이 작은 쪽에 위치한 실린더헤드부분의 흡배기 겸용통로로는 윤활유가 섞이지 않은 유체만이 배기되도록 구성되어 있으므로 윤활유분리를 위한 부가적인 장치가 필요없어 생산성 및 작업환경을 향상시킬 수가 있다. 또한, 유체의 흡입구와 배기구를 외각의 고정프레임과 축삽입공과 고정축과의 3중구조로 구성하였으므로 유체를 흡입, 압축 및 배기할 시 발생하는 소음을 저감시킬 수가 있다.

특히, 고정축의 양단에 위치한 한 쌍의 실린더 지지용 베어링이 회전하는 실린더들을 지지하도록 구성하여, 실린더헤드부로 구성된 회전하는 축삽입공과 고정축의 구획벽과의 사이에 생기는 반경방향의 간극(radial clearance)이 최소가 되도록 계획하고 원주방향으로 일정하게 유지시킬 수가 있으므로, 기계적 마찰에 의한 손실이 없어지고 회전체의 밸런싱(balancing)작업도 간편하게 되어 압축효율 및 생산성의 향상을 기할 수 있는 효과를 갖게 된다.

상기 압축장치는 통상 대기압 상태에서의 유체를 흡입구를 통하여 흡입하여 압축하는 경우와 대기압보다 낮은 밀폐된 공간내의 유체를 흡입하여, 대기압 상태로 배기하는 경우, 모두 상기와 같은 특징을 갖게 된다.

또한, 상기 압축장치를 축방향으로 다단으로 설치하고 각단의 위치에 대응하는 내부에 삽입되는 고정축의 흡배기통로만을 새롭게 구비하도록 함으로서 용량을 증가시킬 수가 있으므로 생산성의 향상을 기할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. ( 정 정 ) 동력발생기(1a)의 전방에는 원통형태의 고정프레임(2a)을 설치하되, 동력발생기(1a)의 구동축(1b)이 고정프레임(2a)의 중앙부 내측으로 삽입되며 동력발생기(1a) 케이싱에 고정프레임(2a)이 고정 설치되고,

   상기 고정프레임(2a)의 중앙부 내측으로 삽입된 구동축(1b)에는 동력발생기(1a)의 동력을 전달받아 회전하는 회전판(1c)이 설치되고, 고정프레임(2a)의 개구된 타측에는 고정프레임 커버(2b)가 설치되며, 이 고정프레임 커버(2b)의 중앙부에는 회전하는 방사선방향으로 배치된 실린더(3a)에 의해 구동되는 피스톤(4a)이 설치되고,

   상기 실린더(3a)의 양 측면에는 피스톤 고정핀(4b)과 커넥팅로드(4c)로 피스톤(3a)과 연결되는 피스톤구동축(5a)이 관통이 되도록 형성되어 있는 직선 가이드 홈(3d)의 양 측면은 실린더의 원통중심축과 평행하게 직선 가이드 면(3e,3e-1)이 구비되어 상기 직선 가이드 홈(3d)의 내부에는 상기 피스톤 구동축(5a)이 관통 설치 되어 있는 것에 있어서,

   상기 실린더(3a)는 인접한 실린더가 서로 직각을 이루어 "+"자 형태로 형성되도록 4개가 일체형으로 형성되고,

   상기 고정프레임 커버(2b)의 중앙부에는 회전하는 실린더(3a)를 지지하는 한 쌍의 지지베어링(3f,3f-1)이 외삽되어 실린더의 회전중심을 이루는 고정축(6a)이 내향 삽입되게 설치되며, 상기 직선 가이드 홈(3d)의 내부에는 상기 피스톤 구동축(5a)이 관통이 되고 육면체인 미끄럼메탈(5b,5b-1)이 설치되고,

   상기 고정프레임(2a)과 상기 고정프레임 커버(2b)의 내부 양면에는 회전하는 실린더(3a)에 의해 구동되는 피스톤(4a)이 타원운동을 하도록 안내하기 위한 한 쌍의 타원형 가이드 레일(2c,2c-1)이 설치되며, 이 한쌍의 타원형 가이드 레일(2c,2c-1) 중심이 고정축(6a)의 중심과 일치하도록 설치되고,

   상기 방사선방향으로 배치된 실린더(3a)의 실린더헤드부(3b)에는 흡배기 겸용통로(3c)가 구비되며, 상기 고정축(6a)은 내부에 대칭으로 설치된 각각 한 쌍의 흡입통로(6b,6b-1)와 배기통로(6c,6c-1)가 각각 외측으로 트여지게 형성되고, 이 통로들은 구획벽(6f,6f-1)으로 나누어지며, 고정축(6a)의 길이방향으로는 각각의 흡입통로(6b,6b-1)및 배기통로(6c,6c-1)와 내측으로 연이어 통하는 흡입구(6d,6d-1)와 배기구(6e,6e-1)가 외측을 향하도록 각각 형성되고,

   상기 원통형 실린더(3a)의 외피에 방열핀(7b)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 타원운동형 피스톤을 갖는 압축장치.
2. ( 삭 제 )
3. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 실린더(3a)의 내측에는 다수개의 피스톤실(3i)이 형성되고, 각각의 피스톤실(3i)에는 그 피스톤실(3i)에 해당하는 각각의 피스톤(4a)이 삽입 설치되며, 상기 고정축(6a)에는 피스톤실(3i)의 숫자와 위치에 대응하는 흡입통로(6b,6b-1) 및 배기통로(6c,6c-1)가 형성된 것을 특징으로 하는 타원운동형 피스톤을 갖는 압축장치.