KR100372086B1

KR100372086B1 - 4절 링크 로타리 기관

Info

Publication number: KR100372086B1
Application number: KR10-2000-0033137A
Authority: KR
Inventors: 이종원
Original assignee: 이종원
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2003-02-14
Also published as: AU2001258898A1; WO2001096720A1; KR20010113060A

Abstract

본 발명은 장공형 하우징 내에서 4절 링크(4-bar linkage) 상태로 연결된 4개의 회전자가 작동유체의 압력을 회전축의 회전력으로 전환시켜주는 로타리 기관과 이를 응용한 펌프 및 터빈에 관한 것이다.

본 발명의 회전축(1 또는 41)이 90도씩 우회전할 때마다 장공형 하우징(27) 내벽과 4개의 회전자(5 또는 31 또는 43과 44)외벽이 이루는 4개의 공간에서는 흡입, 압축, 점화-팽창 및 배기 행정이 동시에 진행된다.

기존의 왕복기관은 크랭크 축에 의해 피스톤의 왕복운동을 회전력으로 전환시키므로 진동이 심한 반면, 본 발명은 회전자(5 또는 31 또는 43과 44)에 가해지는 작동유체의 압력으로 회전축(1 또는 41)을 직접 회전시키므로 진동을 최소화 시킬 수 있으며, 기존의 4행정 왕복기관에서 볼 수 있는 흡기 밸브, 배기 밸브 및 캠 구동장치 등이 필요 없으므로 구조가 단순하고 부품수가 적다는 장점을 갖는다.

본 발명의 내연기관용 하우징(27) 대신에 상하부에 대칭 형상으로 흡입구와 배출구를 갖는 하우징(47)을 적용하면, 본 발명을 펌프 및 압축기 그리고 외연관 및 터빈으로 활용할 수 있다.

Description

4절 링크 로타리 기관{4-Bar Linkage Rotary Machine}

본 발명의 목적은 하나의 장공형 하우징 내에서 기구학적으로 연결된 4개의회전자가 4-bar linkage를 유지한 상태로 작동유체의 팽창압력을 크랭크 축이나 편심 치차를 거치지 않고 직접 회전축의 회전력으로 전환시키는 로타리 기계장치를 구성하는 것이다.

본 발명은 흡기 밸브나 배기 밸브가 필요 없으며 왕복기관에서의 상사점과 하사점에서 발생하는 기구학적 모순이나 방켈(Wankel) 기관에서 발생하는 편심치차에 의한 진동까지 제거시킨 새로운 형태의 기계장치로써 본 발명은 내연기관 뿐 아니라 외연기관 및 터빈과 펌프 및 압축기에도 적용할 수 있다.

왕복기관은 일상생활에서 가장 광범위하게 가장 널리 사용되고 있는 내연기관이며 4행정식과 2행정식이 있다.

2행정식 왕복기관은 연료 소모율이 심하고 흡기가 배기에 의해 많이 오염되므로 여기서는 자세히 언급하지 않겠다.

대부분의 왕복기관은 1876년에 독일의 August Otto가 개발한 4행정 5사건으로 작동되는 Otto 싸이클 기관이다.

왕복기관의 기본 동력을 발생하고 축에 전달하는 기본 부품은 실린더, 피스톤, 연결 막대 및 크랭크 축이다.

4행정 왕복기관의 4행정은 흡입행정, 압축행정, 출력행정 및 배기행정이며, 이 4개의 행정이 한번 완료될 때마다 크랭크 축은 2번 회전한다.

4행정 왕복기관의 5사건은 흡입, 압축, 점화, 출력, 배기이며 출력행정을 폭발 또는 팽창행정이라고도 부른다.

기존의 왕복기관에서는 흡기밸브와 배기 밸브를 회전축의 회전과 동조시켜적절한 시기마다 열고 닫아야 하기 때문에 복잡한 캠 구동 장치가 필요하다.

또한 체적효율을 향상시키고 배기가스를 완전히 배출시킴과 동시에 실린더 냉각을 돕기 위해 배기행정 종료 무렵과 흡기행정 시작 무렵에 흡기밸브와 배기밸브를 동시에 열어두며 이를 밸브 오버랩(Overlap)이라 부른다.

이 밸브 오버랩 기간 동안에 흡입되는 혼합기는 배기로 상당량 오염될 수 밖에 없다.

이 뿐만 아니라 실린더의 숫자가 증가하면 각각의 실린더에서 미리 정해둔 순서대로 점화가 일어나도록 점화시기를 조절해주어야 한다.

이와 더불어 피스톤의 왕복운동을 연결 막대와 크랭크 축에 의해 축의 회전운동으로 전환시키므로 상사점과 하사점에서 기구학적인 문제가 발생하며, 왕복운동을 하는 피스톤의 관성력 때문에 진동이 심할 수 밖에 없다.

피스톤의 왕복운동과 연결막대의 그네운동 및 비대칭 형상인 크랭크 축의 회전 때문에 진동이 심하고,

밸브구동을 위한 캠 구동장치 및 각 실린더 마다 점화시기를 정확히 맞춰야 하므로 구조가 복잡해진다는 사실이 왕복기관의 단점이다.

왕복기관의 단점을 보완하기 위하여 다양한 형태의 로타리 기관이 제시돼 왔으며, 대부분의 로타리 기관은 펌프나 압축기에 그 기술적 뿌리를 두고 있다.

이점에 있어서는 왕복기관도 예외는 아니며, 왕복기관의 발달사를 살펴보면 펌프에서 압축기로, 압축기에서 증기기관과 같은 외연기관으로, 외연기관에서 다시 내연기관으로 발달해온 것을 알 수 있다.

도 2의 (A)는 1636년에 독일의 Pappenheim이 발명한 치차 펌프이며 왕복식 펌프를 광범위하게 대체했다. 이 치차 펌프는 지금도 다양한 기계장치의 윤활유 펌프 등에 널리 적용되고 있다.

도 2의 (B)는 James Watt가 1782년에 발명한 로타리 증기 기관이다. 이 그림에서 축에 연결된 긴 돌출물이 하우징 우하부에 달린 경첩을 눌러 닫아 미끄러지며 지나가면, 경첩은 내장된 스프링의 반력에 의해 다시 열리게 된다.

이런 구조의 기관은 저속일 경우에는 작동이 가능하나 축의 회전이 고속이 되면 실용성이 크게 떨어지는 단점이 있다.

도 2의 (C)는 1799년에 Murdock이 Pappenheim의 치차 펌프를 증기기관에 적용한 로터리 기관이다.

도 2의 (D)는 1846년에 Galloway가 제시한 로타리 기관이다.

이 기관은 하우징 내부의 곡면이 별모양의 epicycloid로 주어지는 최초의 로타리 기관이었다.

이 기관은 이론적으로는 작동이 가능하다고 해도 내부의 회전자가 구조적으로 너무 취약한 형상이라는 단점이 있다.

도 2의 (E)는 1859년에 Jones가 Pappenheim의 치차 펌프를 개조하여 치차의 이빨 개수를 두 개로 대폭 줄인 것이며, 이 아이디어는 Rootes 압축기와 펌프로 실용화 되었다.

도 2의 (F)는 1900년에 Alotham과 Franchot가 제시한 압축기이며, Cycloid인 하우징 내부 곡면에 회전축을 가로지르며 미끄러질 수 있는 회전 격판을 삽입한형상이다.

이런 형상은 작동유체의 온도와 압력이 높아지고 회전이 고속이 되면 실용화가 곤란하다는 단점이 있다.

도 2의 (G)는 1901년에 미국의 Cooley가 특허로 제출한 로타리 증기기관이며, 이 기관의 내부에서 회전하는 회전자의 외면은 Epicycloid 이다.

도 2의 (H)는 1908년에 영국의 Umpleby가 Cooley의 증기기관을 내연기관으로 개조한 것인데, 고압의 연소가스 누설방지에 어려움을 겪었다고 한다.

도 2의 (I)는 1923년에 Skoog와 Wallinder의 이름으로 등록된 스웨덴의 특허이다. 이 기관의 하우징 내부곡면은 hypocycloid이며, 회전축은 별모양의 편심 회전자 내부에 내접치차로 물려 있다.

도 2의 (J)는 1938년에 프랑스의 Sensaud and Lavaud가 특허를 청구했던 로타리 기관인데 Wallinder와 Skoog의 이름으로 등록된 스웨덴의 특허와 비슷하다.

도 2의 (K)는 1943년에 스위스의 Maillard가 영국 특허에 의거하여 제작한 공기 압축기이다. 이 영국 특허는 하우징 내부 곡면이 hypocycloid이며 회전축은 편심 회전자 내부에 내접치자로 물려 있다. 이 특허는 고압가스의 누설 문제 때문에 동력기관으로는 실용화 되지 못했다.

도 2의 (L)은 여러 가지 형상의 로타리 기관 중에 실용화에 가장 앞서 나가고 있는 Wankel 기관이다.

이 기관은 독일인 Felix Wankel이 발명한 것으로 하우징 내부 곡면이 Epitrochoid이며, 1924년에 시제품이 개발된 후, 1959년에 N.S.U사가 실용화를 위한 연구에 성공하여 로터리 기관을 장착한 Wankel 승용차를 발표하였다.

그 이후 일본의 마즈다 등의 회사에서 Wankel 기관을 탑재한 차량을 시장에 공급하고 있다.

Wankel 기관과 왕복 기관의 차이점은 축 회전력의 발생 방법이다.

왕복 기관은 연소가스의 팽창력에 밀려 실린더 내부에서 직선운동을 하는 피스톤의 힘이 연결막대를 통해 크랭크 축에 회전력을 공급하므로 진동이 심하다.

반면에 Wankel 기관에서는 삼각형의 회전자 한 면에 가해지는 연소가스의 팽창압력이 편심된 회전자의 내부에 내접치차로 물려 있는 회전축을 직접 돌려 주게 되므로 상대적으로 진동이 적다.

또한 4행정 왕복기관은 회전축이 2번 회전할 때마다 한번의 팽창이 있지만, Wankel 기관에서는 삼각형의 회전자가 한번 회전할 때마다 3번의 팽창이 일어나므로 기관을 훨씬 소형으로 만들 수 있다.

이 기관을 왕복기관과 비교했을 때 그 우열성을 한 마디로 표현하기는 힘들지만 내구성과 경제성 문제가 해결된다면 향후 시장 점유율이 점진적으로 향상될 가능성이 크다.

로타리 기관에 관련된 최근의 특허 중에서 대표적인 예는 아래와 같다.

발명자	국가	특허번호	특허등록일	특허 명칭
Klassen	미국	6,036,463	2000. 3.14	rotary positive displacement engine
Kajino	미국	6,032,636	2000. 3. 7	disc-type rotary engine
Lopez	미국	4,848,296	1989. 7.18	rotary internal combustion engine
Mendler	미국	4,666,383	1987. 5.19	rotary machine
Walker	미국	4,434,757	1984. 3. 6	rotary piston internal combustion engine
Dean	미국	4,182,302	1980. 1. 8	rotary internal combustion engine

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 장공형 하우징(27) 내부에서 4-bar linkage 상태를 유지하는 4개의 회전자(5 또는 31 또는 43과 44)가 흡입, 압축, 점화 및 팽창, 배기의 4과정을 동시에 수행하여 회전축(1 또는 41)을 회전시키도록 하며, 흡기 밸브 및 배기밸브와 밸브를 구동하기 위한 복잡한 캠 구동장치가 불필요한 새로운 형상의 내연기관의 구성이다.

본 발명은 하우징(27) 만을 도 13의 47과 같이 개조하면 펌프 및 압축기, 그리고 외연기관 및 터빈으로의 적용이 가능하다.

본 발명의 기계장치는 도 1과 같이 장공형의 하우징(27) 내부에 기구학적으로 연결된 4개의 회전자(5, 5A, 5B, 5C)가 4-bar linkage를 유지한 상태로 흡입, 압축, 점화-팽창, 배기행정을 동시에 수행하면서 회전력을 발생시킨다.

도 4에 나열된 부품 중에서, 절개형 구멍(6)의 중심부터 원통형 삽입부(7)까지의 거리가 동일한 4개의 오픈렌치형 회전자(5)를 서로 맞물리면 4-Bar Linkage가 구성된다. 이 때 각각의 오픈렌치형 회전자(5)에서 절개형 구멍(6)의 중심과 원통형 삽입부(7)의 구멍 중심은 4-Bar Linkage의 힌지점을 이룬다. 이렇게 4개의 회전자(5)로 구성된 4-Bar Linkage는 그 형상이 정사각형에서 마름모로 변화할 수 있으므로 내부곡면이 특별한 조건을 만족시키는 장공형 하우징(27) 내부에 이런 4-Bar Linkage를 집어넣고 회전시키면 작동유체를 압축하거나 팽창시킬 수 있다.

이런 원리에 따라 하우징(27) 내측 벽면과 회전자(5) 외측면으로 둘러싸인 평면상의 투영면적은 회전자가 회전함에 따라 그 면적이 계속 변화하는데, 그 면적은 배기종료-흡입시작 위치에서 최소가 되며 흡입종료-압축시작 위치에서 최대가 되고, 최대압축-점화 위치에서 다시 최소가 되었다가 팽창과정에서 다시 증가한 후 배기과정에서 감소한다.

흡기는 도 4의 하우징(27) 좌하부에 뚫린 흡기구(29)를 통해 하우징 내부로 빨려 들어오며, 배기는 하우징(27) 우하부에 뚫린 배기구(30)를 통해 밀려나가므로 밸브나 밸브 작동을 위한 캠 및 구동축이 필요 없다.

본 발명은 내부 유체의 팽창 압력이나 외부에서 공급되는 유체의 압력을 축의 회전력로 전환시켜주는 동력 기관으로 분류할 수 있으며, 역으로 본 발명의 축에 회전력을 가하면 유체를 가압할 수 있으므로 펌프및 압축기로도 분류할 수 있는 기계장치이다.

도 1 의 (A)∼(L)은 본 발명의 흡입, 압축, 점화-팽창 및 배기 과정 설명도

도 2 는 과거의 로타리 기관 예시도

도 3 은 본 발명에서 하우징 내부 압력과 축 회전력의 상관관계도

도 4 는 본 발명의 실시예 기본 부품도

도 5 는 본 발명의 실시예 조립순서도

도 6 은 본 발명의 실시예 단면도

도 7 은 본 발명의 제 1 실시예 기본 부품도

도 8 은 본 발명의 제 1 실시예 조립순서도

도 9 는 본 발명의 제 1 실시예 단면도

도 10 은 본 발명의 제 2 실시예 기본 부품도

도 11 은 본 발명의 제 2 실시예 조립순서도

도 12 는 본 발명의 제 2 실시예 단면도

도 13 은 본 발명을 펌프, 압축기 및 터빈에 적용하기 위한 하우징 형상도

도 14 는 본 발명의 회전자 중앙 부분에 추가로 씨일을 삽입한 형상도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1: 회전축 2: 일체형 연결막대 3: 핀 삽입 구멍

4: 동력전달 부품 장착공 5: 오프렌치형 회전자 6: 절개형 구멍

7: 원통형 삽입부 8: 연결막대 삽입 홈 9: 연결막대

10: 부싱 삽입 구멍 11: 와셔 12: 핀

13: 핀 14: 분할 핀 15: 저널베어링

16: 축력 베어링 17: 부싱 18: 와셔

19: 점화 플러그 20: 너트 21:와셔

22: 볼트 23: 하우징 덮개 24: 냉각 구멍

25: 저널베어링 삽입구멍 26: 볼트 삽입구멍 27: 하우징

28: 점화 플러그 삽입구멍 29: 흡기구 30: 배기구

31: 회전자 32: 측면 씨일 33: 스프링

34: 연결막대 35: 연결막대 36:로울러

37: 초생달형 씨일 38: 와셔 39: 핀

40: 분할 핀 41: 회전축 42: 연결막대

43: 회전자 44: 회전자 45: 로울러 씨일

46: 부싱 47: 하우징 48: 씨일 삽임 홈

49: 씨일

도 1은 본 발명의 실시예와 제 1 실시예 및 제 2 실시예 중에서 실시예를 구성하는 기본부품인 오픈 렌치형 회전자(5)를 적용한 예이다.

이 그림에서 보는 바와 같이 회전축(1)이 90도씩 우회전할 때마다 장공형 하우징(27)의 내측 벽과 항상 4-Bar Linkage 상태를 유지하고 있는 4개의 오픈 렌치형 회전자(5)의 외측 벽으로 둘러싸인 4개의 공간에서는 흡입, 압축, 점화-팽창 및 배기 과정이 각각의 공간에서 동시에 진행된다.

도 1에는 작동순서의 이해를 돕기 위해 화살표를 그려 넣은 회전축(1)과 4개의 오픈 렌치형 회전자(5) 그리고 하우징(27)만을 그려 넣었다.

이 상태에서뿐 아니라 회전축(1)까지 제거해도 본 발명은 작동이 가능하다.

도 1의 (A)는 하우징(27) 상부 안쪽에 수평으로 위치한 회전자(5) 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간에서 압축된 혼합기에 점화가 일어나는 순간이다.

좌측의 회전자(5A) 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간에서는 흡기과정이 마악 종료된 순간이다.

하우징(27) 하부 안쪽의 회전자(5B) 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간에서는 배기가 종료되고 흡기가 시작되려는 순간이며, 우측의 회전자(5C) 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간에서는 팽창이 종료되고 배기가 시작되는 순간이다.

도 1의 (B)는 회전축(1)이 시계방향으로 회전하여 상부에 수평으로 위치했던 회전자(5)의 절개형 구멍 중심과 하부에 수평으로 위치했던 회전자(5B)의 절개형 구멍 중심을 이어주는 가상의 선이 시계방향으로 30도 회전한 그림이다.

여기서 회전자(5)의 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간에서는 연소가 진행되면서 팽창하여 화살표를 그려 넣은 회전축에 시계방향의 회전력을 준다.

도 1의 (C)는 회전축(1)이 시계방향으로 더 회전하여 회전자(5)의 절개형 구멍 중심과 마주 보는 회전자(5B)의 절개형 구멍 중심을 이어주는 가상의 선이 시계방향으로 다시 30도 회전한 그림이다.

여기서 회전자(5)의 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간에서는 연소가 계속 진행되면서 더 팽창하여 화살표를 그려 넣은 회전축에 시계방향으로 회전력을 준다.

도 1의 (D)는 회전축(1)이 시계방향으로 더 회전하여 회전자(5)의 절개형 구멍 중심과 마주 보는 회전자(5B)의 절개형 구멍 중심을 이어주는 가상의 선이 시계방향으로 다시 30도 회전한 그림이다.

이 그림에서 모든 회전자와 축은 시계방향으로 90도 회전한 상태이며 매 90도 회전할 때마다 화살표를 그려넣은 회전축의 회전각도와 회전자의 회전각도가 정확히 일치하게 된다.

이렇게 오른 쪽으로 90도 돌아 수직이 된 회전자(5)의 외면과 하우징 내벽이 이루는 공간은 최대로 팽창한 상태이며 하우징 우하부에 뚫린 배기구로 배기가 진행되기 시작한다.

이때 상부에 도달한 회전자(5A)의 외면과 하우징 내면 사이의 공간에서 압축된 혼합기에 다시 점화를 하게된다.

도 1의 (E)(F)에서는 우측 회전자(5)의 외면과 하우징 내면 사이의 공간에서 배기가 계속 진행되면서 우측에 위치했던 회전자(5)가 아래쪽으로 회전하여 이동한다.

도 1의 (G)(H)(I) 에서는 회전자(5)의 외면과 하우징 내면 사이의 공간에서 흡기가 진행되면서 아래쪽에 위치했던 회전자(5)가 좌측으로 회전하여 이동한다.

이 과정의 시작 시점인 도 1의 (G)에서 보는 바와 같이 회전자(5B) 외면과 하우징 내벽 사이의 공간에서 점화가 일어난다.

도 1의 (J)(K)(L) 에서는 회전자(5)의 외면과 하우징 내면 사이의 공간에서 압축이 진행되면서 좌측에 위치했던 회전자(5)가 위쪽으로 회전하여 이동한다.

이 과정의 시작 시점인 도 1의 (J)에서 보는 바와 같이 회전자(5C) 외면과 하우징 내벽 사이의 공간에서 점화가 일어난다.

도 1의 (L)에서 회전자(5)의 절개형 구멍 중심과 회전자(5B)의 절개형 구멍 중심을 이어주는 가상의 선이 시계방향으로 다시 30도 회전하면 도 1의 (A)가 되어 모든 회전자와 회전축이 시계방향으로 360도 회전을 종료하게 된다.

이와 같이 본 발명의 로타리 기관에서는 회전축이 90도씩 회전할 때마다 4개의 회전자 중의 하나에서 팽창이 일어나게 되므로, 두 번 회전할 때 마다 한번의 팽창이 일어나는 4행정 왕복기관이나 편심 회전자가 120도 회전할 때마다 한 번의 팽창이 일어나는 Wankel 기관보다 작동이 부드럽고 구조가 단순하다.

본 발명은 회전자의 형상에 따라 실시예와 제 1 실시예 및 제 2 실시예로 구성돼 있으며, 본 발명에서 4-bar linkage의 구성요소에 걸리는 내부 압력과 축 회전력과의 관계는 도 3에서 보는 바와 같다.

도 3의 (A)에서 정의된 x축과 y축은 회전 축과 함께 회전하는 기준 축이며, 힌지점 사이의 길이가 동일한 4개의 Bar를 연결하여 구성한 4-Bar Linkage의 특성상 x축과 y축은 항상 직교한 상태를 유지하면서 회전하게 된다.

x축과 y축이 이루는 직교좌표의 회전각도는 회전축(1)의 회전각도보다 약간 앞서거나 뒤쳐지는 것을 반복하다가 매 90도 회전마다 회전축(1)과 회전각도가 일치하게 된다.

도 3의 (A)와 같이 하우징(27) 상부의 안쪽에 회전자(5)가 수평위치가 되어 연료와 공기의 혼합기가 최대로 압축되면 회전자(5) 우측 끝 부근의 점화 장치에서 점화를 시킨다.

이 때 뿐 아니라 전체 회전 과정 동안 모든 회전자의 절개형 구멍 외벽은 하우징 내벽과 접촉하고 있으며 모든 회전자의 측면은 하우징 덮개와 접촉하고 있다.

점화된 화염의 전파 속도는 화염이 전파하는 유체 내부에서 항상 유한하므로, 본 발명에서는 왕복기관에서의 상사점이나 하사점이 실제로는 존재하지 않지만, 설명의 편의상 화염의 전파속도가 무한히 빠르다고 가정하면 도 3의 (A)는 가상의 상사점이 된다.

그 가상의 상사점을 지나서 회전축이 임의의 각도인 θ만큼 시계방향으로 회전하면 도 3의 (B)가 된다.

이를 간단히 나타낸 것이 도 3의 (C)이다.

도 3의 (C)에서 점 C는 상부에 위치한 회전자(5)의 절개형 구멍 중심이고 점 E는 오른 쪽에 위치한 회전자(5C)의 절개형 구멍 중심이며, 그 두 점 사이의 거리는 항상 L이다.

점 D는 선분 CE의 중앙점이며, 점 D의 궤적은 힌지점 사이의 길이가 동일한 4개의 Bar를 연결하여 구성한 4-Bar Linkage의 특성상 항상 반지름이 L/2인 정원을 그리게 된다.

회전자(5와 5C)와 하우징(27) 내벽이 접촉하는 두점 사이의 거리를 선분 CE의 연장선에 투영하면 S가 되며 회전자의 절개형 구멍 중심에서 절개형 구멍 외벽 까지의 거리는 항상 R이다.

도 3의 (C)에서, 두 접촉점에서 선분 CE의 연장선 까지 수직선을 그어 만나는 점을 각각 F와 T라 하고, 원점 O에서 선분 CE에 수직선을 그어 만나는 점을 G, 그리고 선분 FT의 중심점을 H라 하면 도 3의 (D)가 된다.

이제 내부 압력을 P라 하고 점 G와 점 H 사이의 거리를 W라고 하면, 좌표 중심점인 O에 가해지는 회전력 Q는 다음 식으로 주어진다.

Q = P ×S ×W . . . 식 (1)

물론, 내부 압력에서 선분 CE와 평행으로 작용하는 좌우의 분력이 존재하며 식 (1)로 주어지는 회전력의 방향과 반대방향으로 약간의 회전력을 발생시키지만 그 값이 식(1)에 비해 아주 작으므로 여기에서는 설명의 편의상 무시하였다.

이렇게 얻어진 회전력을 실제로 축(1 또는 41)으로 전달함과 동시에 작동유체의 누설을 방지할 수 있는 대표적인 3 종류의 회전자 형상에 대한 각각의 실시예는 다음과 같다.

본 발명의 실시예를 구성하는 기본 부품은 도 4와 같으며 조립순서는 도 5와 같다.

회전축(1) 중심을 기준으로 조립상태를 자른 단면은 도 6과 같다.

설명의 편의상 모든 도면에는 점화를 위한 전기계통, 윤활계통 및 냉각계통 등이 생략돼 있다.

본 발명에서 도 3의 (A)와 같이 회전축(1)의 중심점인 점 0를 좌표 원점으로 했을 때, 회전자(5)의 절개형 구멍 중심 좌표값인 선분 OC와 회전자(5C)의 절개형 구멍 중심 좌표값인 선분 OE의 길이는 회전각도가 변화함에 따라 다음 공식으로 주어진다.

아래의 x 와 y 좌표값은 회전축(1)과 함께 회전하는 직교 좌표축을 따라서 측정한 값이다.

선분 OE x 좌표값 : 0.5 ×[ (L²+ 2KL)^0.5+ (L²- 2KL)^0.5] . . . 식 (2)

선분 OC y 좌표값 : 0.5 ×[ (L²+ 2KL)^0.5- (L²- 2KL)^0.5] . . . 식 (3)

K = 0.5 ×(K_Max+ K_Min) + 0.5 ×(K_Max- K_Min) × cos 4θ . . . 식 (4)

K_Max= L/2 , L ×(3/16)^0.5< K_Min< L/2, θ= 기준위치로부터의 회전 각도

L = 회전자(5)의 절개형 구멍(6)중심과 원통형 삽입부 중심(7) 사이의 거리

식(2)와 식(3)으로 주어지는 좌표값은 하우징(27) 내부의 곡면을 수치제어 밀링으로 가공할 때 절삭공구의 중심점이 움직이는 좌표값이 되며 절삭공구의 날끝 회전 지름은 도 3의 (C)에서 회전자(5)의 절개형 구멍의 바깥지름인 R과 동일하다.

실시예의 오픈 렌치형 회전자(5)는 그 자체가 하우징(27) 내측 벽면과 하우징 덮개(23) 안쪽 면을 전부 접촉하면서 미끄럼 마찰을 하여 내구성이 떨어지므로, 표적기용 항공기나 1회용 무인기 등에 사용하는 특수목적의 소모성 내연기관에 적합하다.

도 5에 실시예의 조립순서를 예시하였다.

도 5의 (A)부터 (D)까지 회전축(1)과 일체로 형성한 일체형 연결막대(2)를 회전자(5)에 형성된 연결막대 삽입홈(8)에 끼우고 핀 삽입구멍(3)을 일치시킨 다음 핀(12)과 분할핀(14)으로 연결한다.

이 때 회전축(1)과 회전자(5) 및 분할핀(14)이 서로 직접 접촉하지 않도록 그 사이에 와셔(11)를 끼운다.

도 5의 (E)와 같이 맞은 편의 회전자(5B)를 동일한 방법으로 연결하고 나머지 두 개의 회전자(5C, 5A)를 도 5의 (F) 와 (G)에서처럼 위에서 아래로 끼운다.

이 상태에서 도 5의 (H)부터 (J)까지와 같이 연결막대(9)를 핀(13)과 분할핀(14)으로 마주보는 두 개의 회전자(5C, 5A)에 연결한다.

이때 연결막대(9)와 회전자 및 분할핀이 직접 접촉하지 않도록 그 사이에 와셔(11)를 끼운다.

이렇게 조립된 상태의 회전축(1)과 4개의 회전자(5) 및 2개의 연결막대(9)를 뒤집어 놓은 것이 도 5의 (K)이다.

부싱(17)과 축력 베어링(16) 및 저널 베어링(15)을 도 5의 (L)부터 (N)까지 회전축의 아래와 위로부터 끼운다.

여기까지 조립된 뭉치를 도 5의 (O)와 (P) 같이 하우징(27) 내부에 넣고 하우징 덮개(23)를 아래 위에서 덮은 후 도 5의 (Q)와 같이 볼트(22), 와셔(21), 너트(20)로 하우징(27)과 하우징 덮개(23)를 체결한다.

이 상태에서 와셔(18)를 끼운 점화 플러그(19)를 하우징 우상부의 구멍(28)에 장착하면 도 5의 (R)과 같이 조립이 완료된다.

이렇게 조립된 상태에서 회전축(1)의 중심선을 기준으로 전체를 좌우로 갈라 그 단면을 본 것이 도 6의 회전축(1) 위쪽이며, 전체를 상하로 갈라 그 단면을 본 것이 도 6의 회전축(1)축 아래쪽이다.

본 발명의 제 1 실시예의 기본부품은 도 7에서 보는 바와 같고 조립순서는 도 8과 같으며, 회전축 중심(1)을 기준으로 조립상태를 자른 단면은 도 9와 같다.

본 발명의 제 1 실시예에서 회전자(31)의 양 끝에 삽입하는 초생달형 씨일(37)의 내경 원호 중심점의 궤적좌표는 본 발명의 실시예와 마찬가지로 식(2)와 식(3)으로 주어진다.

회전자(5) 자체만으로 4-bar linkage를 구성한 실시예와 달리, 제 1 실시예에서는 원호 형상의 회전자(31), 초생달형 씨일(37), 로울러(36) 및 연결막대(34, 35),

그리고 회전자 측면 홈에 스프링(33)과 함께 삽입한 씨일(32)을 추가하여 구조적 강도를 높임과 동시에 소모성 부품을 주기적으로 쉽게 교체할 수 있게 하였다.

이 경우에는, 마모된 회전자(5) 전체를 교체해야 하는 본 발명의 실시예와 달리 하우징(27) 내측 벽면과 미끄럼 마찰을 하는 초생달형 씨일(37)과 하우징 덮개(23) 안쪽 면과 미끄럼 마찰을 하는 측면 씨일(32)을 주기적으로 교체하게 된다.

도 8에 제 1 실시예의 조립순서를 예시하였다.

도 8의 (A)부터 (D)에서 보는 것처럼 회전자(31) 한 개와 두 개의 연결막대(35)를 모아 회전축(1)에 핀(13)과 분할핀(14)으로 연결한다.

이 때 회전자와 연결막대 및 회전축이 서로 직접 접촉하지 않도록 그 사이에 와셔(11)를 끼운다.

그 맞은 편의 회전자(31A) 한 개와 두 개의 연결막대(35)도 같은 방법으로 회전축(1)에 연결한다.

그런 다음 도 8의 (E)부터 (G)까지 로울러(36)와 연결막대(34)를 삽입하는데, 회전자와 로울러 및 연결막대가 서로 직접 접촉하지 않도록 사이 사이에 와셔(38)를 끼운다.

도 8의 (H)부터 (J)에서 보는 바와 같이 회전자(31B)를 연결막대(34)에 끼우고 핀(39)과 분할 핀(40)으로 고정시킨다.

이 때도 역시 부품끼리 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 와셔(11, 38)를 끼운다.

같은 방법으로 도 8의 (K)처럼 마지막 회전자(31C)를 고정하고 도 8의 (L) 처럼 연결막대(9)를 회전축(1)의 아래 위 쪽에 각 한 개씩 핀(13)과 분할핀(14)으로 회전자(31B, 31C)에 고정한다.

이 때도 역시 부품끼리 직접 접촉하는 것을 막기 위해 사이 사이에 와셔(11)를 끼운다.

이 상태에서 네 귀퉁이에 초생달형 씨일(37)을 도 8의 (M)처럼 위에서 아래로 끼운 후 도 8의 (N)과 (O)처럼 스프링(33)과 측면 씨일(32)을 회전자(31, 31A, 31B, 31C)의 측면 홈에 삽입한다.

그 이하의 조립 순서는 도 5의 (L) 이하와 동일하다.

이렇게 조립된 상태에서 회전축(1)의 중심선을 기준으로 전체를 좌우로 갈라 그 단면을 본 것이 도 9의 회전축(1) 위쪽이며, 전체를 상하로 갈라 그 단면을 본 것이 도 9의 회전축(1)축 아래쪽이다.

본 발명의 제 2 실시예의 기본부품은 도 10에서 보는 바와 같고 조립순서는 도 11과 같으며, 회전축 중심(41)을 기준으로 조립상태를 자른 단면은 도 12와 같다.

제 2 실시예에서 회전자(43, 44)의 양 끝에 삽입하는 로울러 씨일(45)의 내경 중심점의 궤적좌표는 본 발명의 실시예 및 제 1 실시예와 마찬가지로 식(2)와 식(3)으로 주어진다.

제 1 실시예에서의 연결막대(34,35)와 로울러(36) 및 초생달형 씨일(37)을 제거하고 이웃하는 회전자(43, 44) 끼리 단면이 엇갈리도록 형상을 바꿔서, 회전자 양측에 물리는 로울러 씨일(45)이 회전자(43,44)와 함께 하우징(27) 내부에서 4-bar linkage를 구성하도록 하였다.

제 2 실시예의 구조적 강도는 제 1 실시예보다 저하되지만 구조가 단순화되고 로울러 씨일(45)이 하우징(27) 내측 벽면과 굴림마찰을 하게 되는 이점이 있다.

이 경우 하우징 내측벽면과 굴림마찰을 하는 로울러 씨일(45)과 하우징 덮개(23) 안쪽 면과 미끄럼 마찰을 하는 측면 씨일(32)을 주기적으로 교체하게 된다.

도 11에 제 2 실시예의 조립순서를 예시하였다.

도 11의 (A)부터 (C)에서 보는 바와 같이 회전자(44)를 회전축에(41) 끼우고 (13)과 분할핀(14)으로 고정한다.

이 때 부품 사이사이에 와셔(11)를 넣는다.

같은 방법으로 도 11의 (D) 처럼 맞은 편 회전자(44A)를 회전축(41)에 고정하고, 도 11의 (E)와 (F) 처럼 나머지 회전자(43, 43A)를 제 위치에 밀어 넣는다.

도 11의 (G)와 같이 4개의 로울러 씨일(45)을 회전자(43, 43A, 44, 44A) 사이에 위에서 아래로 집어 넣고, 도 11의 (H)과 (I)에서 보듯이 연결막대(42) 두 개를 각각 회전축(41)의 아래와 위쪽으로부터 접근시켜 제 위치에 놓는다.

도 11의 (J)과 (K)처럼 와셔(11)와 함께 핀(13)과 분할핀(14)으로 연결막대(42)와 회전자(43, 43A)를 연결한 다음, 도 11의 (L)처럼 부싱(46)을 끼운다.

스프링(33)과 측면 씨일(32)의 조립은 도 8의 (N) 및 (O)와 동일하며 그 이후의 조립순서는 도 5의 (M) 이하와 동일하다.

이렇게 조립된 상태에서 회전축(41)의 중심선을 기준으로 전체를 좌우로 갈라 그 단면을 본 것이 도 12의 회전축(41) 위쪽이며, 전체를 상하로 갈라 그 단면을 본 것이 도 12의 회전축(41) 아래쪽이다.

도 13은 본 발명을 펌프와 압축기 또는 터빈과 외연기관에 그대로 적용할 수 있도록 형상을 개조한 하우징(47)이며, 이렇게 흡입공과 배출공을 상하대칭으로 형성하면, 회전자가 하우징 내부에서 우회전 할 때 하우징 좌하와 우상의 구멍에서는 유체가 흡입이 되고 하우징 좌상과 우하의 구멍에서는 유체가 배출되므로 본 발명을 펌프 및 압축기, 그리고 외연기관 및 터빈 등에 적용할 수 있다.

본 발명에서 도 14 처럼 회전자(5) 중앙에 추가로 씨일 삽입홈(48)을 만들고 그 홈에 씨일(49)을 삽입하여, 그 씨일이 하우징의 최상부와 최하부에서 하우징의 내벽과 접촉하게 하면 팽창과정 초기에 큰 회전력을 얻을 수 있을 뿐 아니라 흡기와 배기가 섞이는 것을 최소화시킬 수 있다.

본 발명의 기계장치에 의해 기존의 왕복기관이나 왕복압축기 및 왕복펌프에 비하여 구조가 간단하고 진동이 적으며, 편심 내접치차에 의해 회전력을 축에 전달하는 Wankel 기관 보다 진동이 감소된 내연기관과 펌프 및 압축기, 그리고 외연기관과 터빈을 실생활에 적용할 수 있다.

Claims

장공형 하우징(27)과,

상기 장공형 하우징(27)내에서 4-bar linkage 상태로 연결되고 힌지점과 하우징(27) 곡면과의 거리가 일정한 4개의 오픈렌치형 회전자(5)와,

상기 회전자(5)의 회전력을 회전축(1)에 전달하는 일체형 연결막대(2) 및 연결막대(9)와,

상기 하우징(27)에 형성된 흡기구(29)및 배기구(30)와,

상기 하우징(27)에 설치되고 하우징(27)과 회전자(5)가 이루는 공간에서 압축된 혼합기에 점화시키는 점화플러그(19)를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 로타리 내연 기관.
장공형의 하우징(47)과,

상기 하우징(47)에 상,하대칭되게 형성된 흡기구(29) 및 배기구(30)와,

상기 하우징(47)내에서 4-bar linkage 상태로 연결되고 힌지점과 하우징(47) 곡면과의 거리가 일정한 4개의 오픈렌치형 회전자(5)와,

상기 회전자(5)와 회전축(1)을 결합시키는 일체형 연결막대(2) 및 연결막대(9)로 이루어지고,회전축(1)으로 회전자(5)를 회전시켜 상,하 대칭되게 형성된 흡기구(29)와 배기구(30)에서 유체를 흡입, 송출시키는 로타리 펌프.
제 2 항에서, 하우징(47)에 형성된 흡기구(29)로 고압유체를 공급시켜 하우징(47)내에서 4개의 오픈렌치형 회전자(5) 자체만으로 회전축(1)을 회전시키는 로타리 터빈.
제 1 항 또는 제 2항 또는 제 3항에서, 하우징(27, 47)과 회전축(1) 및 연결막대(9)를 제거한 상태에서도 4개의 회전자(5)만으로 4-bar linkage를 구성할 수 있도록 회전자(5)의 한쪽 끝은 절개형 구멍(6)으로 가공하고 다른쪽 끝은 절개형 구멍(6)의 지름과 같은 외경의 원통형 삽입부(7)로 가공한 오픈렌치형 회전자(5)끼리 서로 맞물리게 하여, 회전자(5)가 직접 하우징(27, 47) 내측 벽면 및 하우징 덮개 안쪽면과 미끄럼 마찰을 하게 하는 로타리 기관
제 1 항 또는 제 2항 또는 제 3항에서, 회전자(5)의 중간부위에 씨일 삽입홈(48)을 파고 추가의 씨일(49)을 삽입하여 매 점화순간 마다 회전력을 극대화시키고 흡기와 배기의 부분적 혼합을 최소화시키도록 하는 로타리 기관
제 1 항 또는 제 2항 또는 제 3항에서, 오픈렌치형 회전자(5) 대신에 원호형의 회전자(31)를 적용하여 별도의 연결막대(34, 35)로 4-bar linkage를 구성하여 구조적 강도를 높이고, 회전자(31) 사이에 초생달형의 씨일(37)과 로울러(36)를 삽입하여 초생달형 씨일(37)이 하우징(27, 47) 내측 벽면과 미끄럼 마찰을 하게 하여 회전자(31)가 하우징(27, 47) 내측 벽면에 직접 접촉하는 것을 방지하고회전자(31)의 측면은 하우징 덮개(23) 안쪽 면과 미끄럼 마찰을 하게 하는 로타리 기관
제 1 항 또는 제 2항 또는 제 3항에서, 오픈렌치형 회전자(5) 대신에 서로 엇물리는 형상의 회전자(43과 44) 사이에 로울러 씨일(30)를 삽입하여 회전축(41)을 포함한 다른 구성요소를 전부 제거한 상태에서도 하우징(27, 47) 내부에서 4개의 회전자(2개의 43, 2개의 44)와 4개의 로울러 씨일(45) 만으로 4-bar linkage 상태를 유지할 수 있도록 하고, 로울러 씨일(45)이 하우징(27, 47)의 내측 벽면과 굴림마찰을 하도록 하며 회전자(43, 44)의 측면만 하우징 덮개(23) 안쪽 면과 미끄럼 마찰을 하게 하는 로타리 기관
제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에서, 0.5 ×[ (L²+ 2KL)^0.5+ (L²- 2KL)^0.5] 로 주어지는 x 좌표 최대치와, 0.5 ×[ (L²+ 2KL)^0.5- (L²- 2KL)^0.5]으로 주어지는 y 좌표 최소치 사이의 비율이 4:3인 하우징(27, 47) 내부곡면을 갖는 로타리 기관.

여기서,

K = 0.5 ×(K_Max+ K_Min) + 0.5 ×(K_Max- K_Min) × cos 4θ

K_Max= L/2 , L ×(3/16)^0.5< K_Min< L/2, θ= 기준위치로부터의 회전각도

L = 회전자(5)의 절개형 구멍(6)중심과 원통형 삽입부 중심(7) 사이의 거리
삭제