KR100393347B1 - 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더실내에서 회전하는 로터와 베인에 의해 형성되는 기밀하게 밀폐된 공간을 이용하여 유체를 압축하거나 고압의 유체가 팽창하는 압력으로 로터를 회전시켜 동력을 출력하도록 한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명은, 베인의 위치에 따라 흡입공간 및 배출공간으로 구분되는 실린더실과; 편심된 축에 따라 회전하여 외주면의 일부가 실린더의 내주면과 접하는 로터와; 양 날개의 선단이 실린더의 내주면과 접하도록 상기 로터의 축심상에서 운동하는 한 쌍의 베인으로 구성되는 것으로, 베인과 실린더실간의 높은 기밀성을 유지하도록 함으로써 유체의 종류와 회전속도의 변화가 있는 경우에도 압축 및 동력전환의 효율이 높고 저속/고압/유압 등의 환경에도 적응가능한 특징이 있는 것이다.

Description

두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치 {Apparatus for utilization of vane having two wings in fluid compression and power transformation}

본 발명은 유체압축 및 동력전환장치에 관한 것으로, 특히 실린더실(Cylinder)내에서 회전하는 로터(Rotor)와 베인(Vane)에 의해 형성되는 기밀하게 밀폐된 공간을 이용하여 유체를 압축하거나 고압의 유체가 팽창하는 압력으로 로터를 회전시켜 동력을 출력하도록 함으로써, 고효율의 유체압축 또는 동력전환이 가능하고 진동 및 소음발생이 적은 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치에 관한 것이다.

이하, 본 발명이 속한 분야의 종래기술을 설명한다.

먼저, 도1은 종래의 압축기내 실린더실의 횡단면도이다.

일반적으로 피스톤 왕복식 압축기의 진동소음과 큰 동력손실을 극복하기 위하여 베인식 압축기를 널리 사용한다.

베인식 압축기는 편심로터와 함께 회전하는 다수의 베인을 구비하는 것으로, 로터의 회전력과 스프링의 복원력으로 다수의 베인을 실린더실의 내주면 방향으로 밀어 실린더실과 베인 날개간의 기밀을 유지하게 된다. 이러한 유체압축기를 동력전환용으로 사용하는 경우에는 고압유체의 팽창압력으로 로터를 회전시키게 된다.

그런데 스프링의 복원력과 로터의 회전력으로 베인을 실린더의 내주면 방향으로 밀게 되면, 베인과 실린더실간의 접촉이 기밀하지 못한 한계가 있다. 그래서 종래기술은 베인을 복수개 사용함으로써 상기 기밀유지를 보완하게 된다.

즉, 도1에 도시된 바와 같이 종래의 압축기에 구비되는 실린더실의 경우에는 유체흡입구간(6A 또는 6B)과 유체압축구간(6C)과 유체배출구간(6D) 및 기타 구간으로 이루어진다. 이때 유체흡입구간(6A 또는 6B)과 유체배출구간(6D)의 특정부에는 유체의 출입을 위한 개구부가 구비되며, 상기 실린더실내에서 편심회전하는 로터(4)의 원주상에는 일정한 간격으로 다수의 베인홈(4A~4R)이 배치되고, 상기 각 베인홈(4A~4R)마다 베인(5A~5R)이 구비된다.

상기에서 각 베인(4A~4R)은 탄성력을 보유한 스프링의 탄발력 및 고속회전시 유발되는 원심력의 작용에 의하여 로터(4)의 축심으로부터 실린더의 내주면 방향으로 밀리게 됨으로써, 유체의 흡입 및 압축에 필요한 기밀성을 유지하게 된다.

한편, 유체흡입구간이 6A와 같이 짧은 상태에서는 로터(4)가 반시계 방향으로 회전하여 유체를 압축하는 경우, 각 베인의 선단과 실린더실 내주면의 공간사이에 얼마간의 틈새(A)가 발생한다. 이때 압축된 유체는 상기 틈새(A)를 통해 베인을 로터(4)의 축심 방향으로 밀어들이는 작용을 하게 된다. 따라서 로터(4)의 회전력과 스프링의 탄성력에 의해 유지되던 베인과 실린더 내주면간의 기밀상태는 유체압축구간에서 불량해지게 됨으로써, 유체가 베인의 후면으로 유탈되는 현상이 발생하게 된다.

이러한 문제점으로 인해 틈새(A)가 큰 구간에서는 유체를 압축할 수 없으므로, 흡입구간을 베인의 상대적인 위치가 5A에서 5G가 되는 구간(6B)으로 하여야 한다. 또한, 상기 설명한 구조에서 소수의 베인을 사용하면 내주면과 베인간의 실링이 그만큼 불완전하게 되므로 가급적 다수의 베인을 사용하는 것이 일반적이다.

그런데 상기와 같이 일부 문제점을 극복한 실린더실에서 유체를 압축하는 경우, 유체흡입구간(6B)의 전구간 및 유체배출구간(6D)의 전구간에서 유체의 흡입 및 배출이 이루어져야 하므로, 상기 구간에 대해서는 유체의 출입이 허용된 상태로 있게 된다. 그래서 로터가 회전하게 되면 유체흡입구간(6B)에서 유체가 흡입된 후 유체압축구간(6C)에서 압축하게 되며, 통상적으로 베인의 상대적인 위치가 '5H'에서부터 '5K'에 이를 때까지를 압축구간으로 사용하고 '5L'부터는 유체배출구간(6C)으로 사용하게 된다.

따라서 실린더실내 유체의 압축은 유체압축구간(6C)에서만 이루어져 로터의 1회전주기 중에서 유체를 실제 압축하는 위상각은 90도 미만으로 되므로써, 압축의 효율이 낮아 내연기관과 같이 고효율의 압축이 필요한 장치에는 적용할 수 없는 한계가 있다. 또한, 경우에 따라 압축효율을 향상시키기 위하여 유체압축구간(6C)을 '5L' 또는 '5M'까지 연장하면, 유체배출구간(6D)이 좁아져 고속회전시에는 압축된 유체를 배출하는데 필요한 절대적인 시간을 충분히 확보할 수 없는 등의 문제점이 있다.

그리고 종래의 압축기는 베인(5A~5R)의 절대적인 길이가 로터(4)의 반지름에 비해 상당히 작기 때문에 실린더실내에서 로터(4)에 의해 점유되는 공간이 많아 실린더실의 단위 부피당 압축용량이 작은 문제점도 있었다.

이처럼 저속회전용 압축기에는 베인식을 적용하기 어렵기 때문에 왕복 피스톤식을 이용하여야만 하는데, 이 경우 왕복 피스톤식 압축기 자체의 문제점을 개선하려던 목적을 달성할 수 없게 된다.

상기 설명한 베인식 압축기의 문제점을 정리하면, 효율이 낮기 때문에 기계장치의 부피나 무게가 기존의 피스톤식과 거의 동일하게 되고, 저회전 및 고속회전용으로 적용할 수 없으며, 효율을 증대시키기 위하여 다수의 베인을 사용하는 경우에는 진동 및 소음의 개선효과가 감소되는 문제점과, 효율이 낮아 전력소모가 심하고, 베인의 기밀성이 높지 못하므로 고압의 유체압축이 불가능한 단점 등이 있었던 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 실린더실(Cylinder)내에서 회전하는 로터와 베인에 의해 형성되는 기밀하게 밀폐된 공간을 이용하여 유체를 압축하거나 고압의 유체가 팽창하는 압력으로 로터를 회전시켜 동력을 출력하도록 함으로써, 고효율의 유체압축 또는 동력전환이 가능하고 진동 및 소음발생이 적은 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치는, 베인의 위치에 따라 흡입공간 및 배출공간으로 구분되는 실린더실과; 편심된 축에 따라 회전하여 외주면의 일부가 실린더의 내주면과 접하는 로터와; 양날개의 선단이 실린더의 내주면과 접하도록 상기 로터의 축심상에서 회전하는 베인으로 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

도1은 종래기술에 의한 압축기의 실린더실 횡단면도이고,

도2는 본 발명의 일실시예에 의한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치의 절단면도이고,

도3은 도2에서 실린더실의 상세구성도이고,

도4는 도2에서 베인의 상세구성도이며,

도5는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치의 실린더실 상세도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 흡입구 12 : 배출구 13 : 실린더실

13A : 흡입실 13B : 배출실 14 : 로터

14A : 로터홈 15 : 실링 16 : 베인

16A, 16B : 날개 16C : 베인스프링 16D : 계단형 돌출부

16E : 전개접촉부 16F : 선행간격 16G : 윤활제 공급부

16H : 접촉구

이하, 상기와 같은 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치의 기술적 사상에 따른 일실시예에 의거 본 발명의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 도2는 본 발명의 일실시예에 의한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치의 절단면도이고, 도3은 도2에서 실린더실의 상세구성도이고, 도4는 도2에서 베인의 상세구성도이며, 도5는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치의 실린더실 상세도이다.

상기 도2에 도시된 바와 같이 본 발명의 적절한 실시예는, 베인의 위치에 따라 흡입공간 및 배출공간으로 구분되는 실린더실(13)과; 편심된 축에 따라 회전하여 외주면의 일부가 실린더의 내주면과 접하는 로터(14)와; 양 날개의 선단이 실린더의 내주면과 접하도록 상기 로터(14)의 축심상에서 운동하는 베인(16)으로 구성된다.

그리고 도3에 도시된 바와 같이 상기 베인(16)은, 로터(14)의 축심상에서 일직선상에 상호 대향되어 배치되는 복수개의 날개(16A, 16B)와; 상기 복수개의 날개(16A, 16B)를 탄성력이 보유된 상태로 접속되도록 하여 각 날개의 선단을 실린더실의 내주면에 기밀하게 접촉시키는 베인스프링(16C)으로 구성된다.

이와 같이 구성되는 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 장치는 유체의 압축 또는 고압유체의 팽창에 의한 동력전환을 위하여 사용될 수 있는 것으로써, 실린더실내에 고도의 기밀성을 갖는 압축공간을 형성하여 저속회전시에도 고효율의 유체압축이 가능하도록 한다.

우선, 도2에 도시된 장치는 유체의 압축을 위한 본 발명의 구성을 보인 것으로, 실린더실(13)은 압축대상 유체를 공급받기 위한 흡입구(11)와 압축된 유체를 외부로 배출하기 위한 배출구(12)를 적절한 위치에 구비한다.

상기와 같은 기능의 흡입구(11) 및 배출구(12)를 구비하는 실린더실(13)의 형상은 그 외주면을 완전한 원형으로 성형할 수도 있고, 실린더실(13)과 로터(14)간의 접촉면을 넓혀 기밀성이 높도록 하기 위하여 일부면을 로터(14)의 축심을 중심으로 하는 원형으로 만곡시킬 수도 있다. 이하에서는 실린더실(13)의 내주면 일부가 만곡된 형상을 갖는 경우를 중심으로 설명한다.

그리고 로터(14)는 실린더실(13) 내주면의 만곡부에 접하면서 편심회전할 수 있도록 한다. 이때 상기 로터(21)의 외주면은 적절한 간격으로 배치된 복수개의 실링(15)을 구비하여 실린더 내주면과의 접촉면을 기밀하게 유지하게 되는데, 상기 복수개의 실링(15)은 로터(14)의 회전시 회전관성에 의한 이탈을 방지하여야 한다.

특히, 실린더실(13) 내주면의 만곡부와 로터(14)의 외주면상에 구비된 실링(15)이 넓은 범위에 걸쳐 접촉됨으로써, 실린더실(13)내에서 압축되는 유체의 역류방지 성능이 향상된다.

또한, 편심된 로터(14)에 지름방향으로 배치되어 회전하는 베인(16)은 서로 대향되어 있는 양 날개의 선단이 실린더 내주면과 기밀하게 접촉하는 구조를 갖는다. 베인(16)은 로터(14)의 회전시 양 날개의 선단간 길이를 가변적으로 변화시키기 위하여 양 날개의 사이에 베인스프링(16C)을 구비하게 된다.

이때 베인스프링(16C)은 탄성력을 보유하게 되므로, 실린더실내에서 베인의 한쪽 날개가 로터의 축심방향으로 밀리는 경우에는 맞은 쪽 날개를 실린더의 내주면 쪽으로 밀게 된다.

본 발명에 의한 베인의 구조가 도4에 보다 상세히 도시되어 있다.

베인의 각 날개(16A, 16B)는 일측의 선단이 계단형의 돌출부(16D)로 성형되고, 다른 일측의 선단이 전개접촉부(16E)로 성형된다. 그래서 두 개의 날개(16A, 16B)가 로터(14)의 축심상에 결합되는 경우에 상기 계단형 돌출부(16D)는 서로 요철이 맞물리게 되며, 결합되는 두 날개(16A, 16B) 사이에는 베인스프링(16C)이 구비된다.

도4에 도시된 베인날개(16A, 16B)는 베인을 심각하여 형성된 베인스프링용 홈을 구비하고 있다. 이때 베인의 양 날개(16A, 16B)가 서로 결합된 상태의 길이는 베인(16)이 로터(14)에 결합되어 실린더실(13)의 내주면을 주행시 최소현의 길이와 같거나 짧아야 한다.

그리고 베인스프링(16C)은 베인의 양 날개(16A, 16B)간 거리가 최대길이가 되는 경우에도 탄성력을 보유하고 있어야 베인날개와 실린더 내주면간의 기밀성을 유지할 수 있다.

그래서 베인의 한쪽 날개(예를 들어 16A)가 로터(14)의 축심방향으로 밀리면 베인스프링(16C)의 탄성에너지는 맞은편의 베인 날개(상기 예시의 경우 16B)를 실린더의 내주면 쪽으로 밀게 된다.

따라서 로터(14)가 1회전하는 동안에 베인(16)의 양 날개 선단간의 길이는 연속적으로 변화되지만 베인스프링(16C)이 보유하는 탄성에너지는 큰 편차가 없게 되어 베인(16)과 실린더실(13) 내주면간의 기밀성이 안정적으로 확보된다.

이때 베인(16)의 양 날개(16A, 16B)는 로터(14)의 축심으로부터 최대거리만큼 이격되는 경우에 압축유체의 압력과 실린더 내주면과의 마찰에 의해 로터의 회전방향과 반대방향으로 작용하는 힘을 최대로 받게 된다. 상기의 작용력에 의해 베인(16)이 변형되거나 수명이 짧아지는 현상이 발생할 수 있다. 그래서 본 발명에서는 각 베인날개(16A, 16B)의 후단을 계단형 돌출부(16D)의 형상으로 설계한다.

상기 계단형 돌출부(16D)는 베인(16)에서 상대적으로 취약한 부분을 보강하는 역할을 하게 된다. 상기 보강의 효과로 베인의 길이를 더욱 길게 하여 실린더실(13)내에서 로터(14)와 베인(16)에 의해 점유되는 공간을 감소시킴으로써, 높은 효율로 유체압축이 가능하게 된다.

이러한 베인(16)의 동작은 종래의 압축기 등에서 로터의 회전속도에 의해 베인이 실린더의 내주면에 밀착되도록 함으로써, 저속회전시 베인과 실린더실의 내주면간의 기밀성이 충분하지 못하였던 점과는 다른 것이다.

즉, 회전속도의 고저차에 무관하게 실린더실(13)내에 기밀성이 유지되는 공간을 형성함으로써, 유체의 압축배출 또는 고압유체의 팽창압력을 동력으로 전환하는 효율이 향상될 수 있다.

로터(14)의 외주면과 실린더실(13)의 내주면 및 베인(16)에 의해 기밀하게 밀폐된 공간을 형성하여 기체상 또는 액체상의 유체를 보유할 수 있게 된다. 상기에서 로터(14)의 회전으로 형성되는 실린더실(13)내 공간에 대하여 흡입구(11)를 포함하는 공간은 흡입실(13A)로 칭하고, 배출구(12)를 포함하는 공간은 압축실(13B)로 칭하기로 한다.

상기 흡입실(13A)과 압축실(13B)은 베인(16)의 회전에 의해 실린더실(13)내에서 상호 전환되는데, 로터(14)의 1회전에 2번의 압축실(13B)이 형성된다.

한편, 동력전환용으로 사용하는 경우에는 압축실(13B)에서 고압유체가 팽창되고, 흡입실(13A)를 통해 유체가 배출되도록 하면 된다.

도3에는 실린더실(13)내 구조가 보다 상세히 도시되어 있다.

상기 도3에서 실린더실(13)의 내주면에 접하는 각 베인날개(16A, 16B)의 전개접촉부(16E)는 압축실(13B)의 압력이 흡입실(13A)쪽으로 유탈되는 것을 방지하게 된다. 그래서 전개접촉부(16E)는 각 베인날개(16A, 16B)의 전면부보다 일정간격만큼 선행하여 실린더실(13)의 내주면에 접하게 된다. 이러한 선행간격은 도면기호 16F로 표기되어 있다.

상기 선행간격(16F)을 갖는 전개접촉부(16E)를 구비함으로써, 유체를 압축해가는 베인날개(16A)는 압축된 유체가 전개접촉부(16E)에 가하는 압력에 의해 실린더실(13)의 내주면과 기밀하게 접촉할 수 있게 된다.

즉, 압축실(13B)의 압력은 베인(16A)의 전면부에 압력을 가하는 것과 동시에 전개접촉부(16E)에도 압력을 가함으로써, 베인날개(16A)를 실린더실(13)의 내주면 쪽으로 밀착시키는 것이다.

이처럼 전개접촉부(16E)에 가해지는 유체의 압력과 로터의 회전에 의한 탄력및 베인스프링(16C)의 탄성력이 복합적으로 작용함으로써, 베인날개(16A)의 선단과 실린더실(13)의 내주면간에는 높은 기밀성이 확보될 수 있다.

이때 로터(14)는 각 베인날개(16A, 16B)의 선단이 축심쪽으로 밀려들어오는 경우에 전개접촉부(16E)를 수용하기 위한 로터홈을 구비한다. 상기 로터홈은 도면상에 14A로 표시되어 있다.

그리고 도5에는 베인(16)과 전개접촉부(16E)를 보다 개선한 실시예가 도시되어 있다.

상기 도5에 도시된 베인(16)의 구조는 고속회전용에 적합하도록 한 것이다. 즉, 전개접촉부(16E)에 일면이 절취면으로 형성된 원형 단면의 접촉구(16H)를 구비하여 로터(14)의 회전시 실린더실(13)의 내주면과 베인(16)간의 접촉면을 크게 함으로써, 고속회전시 압축되는 유체가 접촉면을 통해 유탈되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 로터(14)의 회전시 접촉구(16H)는 베인(16)의 선단에서 일정각도 범위를 자유로이 회전하게 되며, 상기 접촉구(16H)를 윤활하기 위한 윤활제 공급부(16G)를 더 구비하여 고속회전에 적합하도록 한다.

이처럼 자유로이 회전할 수 있는 접촉구(16H)를 베인의 선단에 구비함으로써, 실린더실(13)과 베인(16)의 접촉면에서의 기계적인 마찰에 의한 마모를 줄일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치는, 유압모터를 필요로 할 때나 고압용 압축기 또는 압축기를 저속회전시켜야 하는 경우에 피스톤식 압축기 또는 피스톤식 모터를 사용해야만 했던 종래기술의 문제점을 극복할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 의한 장치는 유체의 종류와 회전속도의 변화가 있는 경우에도 압축 및 동력전환의 효율이 변화되지 않으므로, 상기와 같은 저속/고압/유압 등의 환경에도 적응가능하게 되어 범용성이 증대되는 장점이 있다.

뿐만 아니라 실린더실내에서 로터와 베인이 점유하는 공간이 적고 높은 기밀성이 확보되므로, 일정한 용도에 적용하기 위한 압축장치 또는 동력전환장치의 체적이 최소화됨으로써 소형 경량화가 필요한 환경에도 적용가능한 효과가 있다.

본 발명에 의한 장치는, 절전효과가 있고 체적이 매우 작아지며 진동 및 소음을 최소화할 수 있다. 또한, 고압의 유체를 이용하는 경우에도 적용가능하고 저회전 및 고속회전 환경에도 적응할 수 있다. 더불어 기체를 대상으로 하는 경우에는 높은 기밀성이 유지되므로 고진공 상태가 필요한 환경에도 적용할 수 있다.

이러한 본 발명에 의한 장치를 적용할 수 있는 분야를 예로 들면, 자동차나 냉장고 등과 같은 소형 경량화가 요구되는 이동용 냉매 압축기, 좁은 공간에 큰 용량의 압축기가 필요한 환경, 유압모터, 공압모터, 수차, 증기모터와 같이 고열의유체를 사용하는 환경, 각종 압력을 교환하여 동력으로 전환하는 장치 및 공기압을 이용하는 에어 그라인더나 에어 렌치 등과 같은 각종 수공구의 모터 등에 적용할 수 있다.

상기 예시된 바와 같은 각 기구의 유체압축 또는 동력전환을 위한 실린더실내에 본 발명에 의한 베인을 설치적용함으로써, 기존의 장치에 비해 장치 부피당 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 실린더실내에서 편심회전하는 로터와 이 로터에 설치되는 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치에 있어서,

   베인의 위치에 따라 흡입공간 및 배출공간으로 구분되는 실린더실(13)과; 편심된 축에 따라 회전하여 외주면의 일부가 실린더의 내주면과 접하는 로터(14)와; 상기 로터(14)의 축심상에서 운동하며, 양 날개의 선단이 실린더의 내주면에 접하는 베인(16)을 포함하여 구성되고, 상기 베인(16)은 로터(14)의 축심상에 상호 대향되어 배치되는 2개의 날개(16A, 16B)와; 상기 2개의 날개(16A, 16B)사이에 탄성력이 보유된 상태로 설치되어 그 탄발력에 의해 각 날개(16A, 16B)의 선단과 실린더실(13)의 내주면이 서로 접촉하도록 하는 베인스프링(16C)으로 구성되어 있고, 상기 베인 날개(16A, 16B)는 실린더실(13)내에서 회전하는 베인(16)의 선단간 길이가 최단길이로부터 최장길이로 되는 범위내에서 서로 맞물리는 계단형 돌출부(16D)와; 실린더실(13) 내주면과의 접촉부를 베인날개(16A, 16B)의 전면부보다 일정간격(16F)만큼 선행하도록 하는 전개접촉부(16E)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 전개접촉부(16E)에는 일부면이 실린더실(13)의 내주면에 대해 넓은 면적으로 접촉하는 절취면으로 형성되어 있고 베인날개(16A, 16B)의 선단에서 자유로이 회전하도록 한 원형 단면의 접촉구(16H)가 설치되어 있는 구성을 특징으로 하는 두 날개의 베인을 이용한 유체압축 및 동력전환장치.
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