KR100473091B1 - 왕복동 기관 - Google Patents

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페터센아네크위스트고드
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Abstract

본 발명은 실린더(1) 내에 배열되며 피스톤 링들이 에워싸는 적어도 한 개의 피스톤(2)을 구비하는 왕복동 기관, 특히 2행정 대형 디젤 모터에 관한 것이다. 여기서 상기 피스톤은 바람직하게는 플랜지(4)를 갖는 피스톤 로드(3) 상에 수용되며 라이저(riser; 15)와 연결되는 냉각 보링(12)을 구비한다. 냉매를 공급받을 수 있는 상기 라이저는 피스톤 로드(3) 내에 제공된다. 외주를 둘러싸는 피스톤 스커트(piston skirt; 8) 영역에 제공되며 축과 평행하는 상기 냉각 보링(12)은, 방사상 배출 처리관(disposal channel; 17)에 의해 상기 피스톤 로드(3) 내에 제공된 회수관(18)과 연결된다. 이때, 축과 평행하는 상기 냉각 보링(12)에, 회수관(18)으로 안내되는 적어도 한 개의 배출 처리관(17)이 대응되며, 적어도 냉각 보링 쪽에 있는 상기 배출 처리관(17)의 단부 영역은 피스톤 축에 대해 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하도록 기울어져 있음으로써, 냉각 효과가 개선될 수 있다.

Description

왕복동 기관{RECIPROCATING MACHINE}
본 발명은, 실린더 내에 배열되며 피스톤 링들이 에워싸는 적어도 한 개의 피스톤을 구비하는 왕복동 기관, 특히 2행정 대형 디젤 모터에 관한 것이다. 상기 피스톤은 바람직하게는 플랜지를 갖는 피스톤 로드 상에 수용되며, 라이저(riser)와 연결되는 냉각 보링을 구비한다. 여기서 라이저는 냉매를 공급받을 수 있으며, 피스톤 로드 내에 제공된다. 외주를 둘러싸는 피스톤 스커트(piston skirt) 영역에 제공되며 축과 평행하는 냉각 보링은, 방사상 배출 처리관(disposal channel)에 의해 상기 피스톤 로드 내에 제공된 회수관과 연결된다.
이와 같은 유형의 장치는 덴마크 특허 DK 16 14 05 B에 개시되어 이다. 상기 장치의 경우, 회수관으로 안내되는 배출 처리관은 피스톤 축에 대해 대체로 직각으로 연장된다. 이때 상기 피스톤 축과 평행하게 향하는 관성력은 냉매―여기서 냉매는 피스톤 축에 대해 직각으로 연장되는 배출 처리관 내에 위치함―를 가속화시키는데 있어서 사용될 수가 없기 때문에, 위로 향해 작용하는 관성력― 여기서 위로 향해 작용하는 상기 관성력은 상사점(dead point)에 앞서서 피스톤이 지연되는 경우에 발생함―을 가지고, 배출 처리관 내에 있는 냉매를 냉각 보링 내로 유입시킬 수 없다. 이로 인해 상기 장치의 경우, 외주에 걸쳐 냉각이 불균일하게 이루어지는데, 그 이유는 모든 냉각 보링이 한 개의 배출 처리관에 대응되지 않기 때문이다.
본 발명의 목적은, 앞서 기술된 유형의 장치를 간단하고 경제적인 수단으로 개선하여, 냉매의 열 수용력을 양호하게 이용할 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적은 다음과 같이, 즉 축과 평행하는 각 냉각 보링이 회수관으로 안내되는 적어도 한 개의 배출 처리관에 대응되고, 적어도 상기 배출 처리관의 냉각 보링쪽 단부 영역이 피스톤 축에 대해 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하도록 기울어짐으로써, 달성될 수 있다.
이와 같은 해결 방안에 의해, 상기 목적이 아주 간단하고 경제적인 방법으로 달성될 수 있다. 적어도 상기 배출 처리관의 냉각 보링쪽 단부 영역이 기울어져 있어서, 위로 향한 관성력이 발생할 경우―여기서 위로 향한 상기 관성력은 상사점에 앞서서 피스톤이 지연되는 경우임―에, 상기 배출 처리관 내에 있는 냉매 및 회수관 내에 위로 압착된 냉매가 냉각 보링 내로 주입됨으로써, 그 곳에서 강한 와류 및 양호한 열 전달이 이루어진다. 상기 냉각 보링 내로 주입된 냉매는, 각 대응되는 냉각 보링의 벽 영역―여기서 벽 영역은 축 방향으로 개구부 영역의 맞은 편에 위치함―에 도달하게 되며, 냉각 보링의 벽 영역에서 피스톤 크라운(piston crown) 영역 내에 있는 보링 상단까지 상승하게 된다. 상기 냉매는 보링 상단을 스쳐 지나감으로써, 상기 보링 상단은 냉각 보링의 벽과 마찬가지로 냉각된다. 이로 인해, 특히 양호한 냉각 효과가 달성될 수 있으며, 그 이유는 주입된 냉매가 과중한 열적 부하를 받은 피스톤 영역까지 도달하기 때문이다. 각 냉각 보링에 한 개의 배출 처리관이 대응되기 때문에, 바람직하게는 피스톤 외주에 걸쳐 냉각이 균일하게 이루어지며, 이로 인해 피스톤 내부에 열 응력(thermal stress)이 반응하게 된다.
상기 해결 방안의 바람직한 실시 형태 및 변경 형태들은 종속항에 기재되어 있다. 그 결과, 상기 냉각 보링들의 하단은 그 외주를 둘러싸는 환형 채널에 의해 상호 연결되는 것이 바람직하며, 상기 환형 채널로부터 회수관으로 안내되는 배출 처리관이 분기하며, 이때 환형 채널 쪽에 있는 배출 처리관의 단부는 환형 채널의 바닥 보다 높게 배치된다. 이로 인해, 바람직하게는 피스톤의 하부쪽 영역 내에 위치한 냉매 저장소가 만들어진다. 이때 상기 냉매 저장소로부터 냉매가 배출될 수 없다. 상기 냉매 저장소가 저온의 피스톤의 하부쪽 영역 내에 위치하기 때문에, 냉매 또한 냉각된다. 위로 향하는 관성력이 발생하는 경우, 환형 채널에 의해 형성된 냉매 저장소 내에 있는 냉매가 냉각 보링 내로 위로 향해 이동되며, 마찬가지로 피스톤 크라운에 대응되는 냉각 보링의 상단 영역까지 도달하게 된다. 이때 배출 처리관에 의해 주입된 냉매는, 환형 채널에 의해 형성된 냉매 저장소로부터 위로 향해 이동된 냉매와 교차하게 되며, 이로 인해 강한 와류 및 난류가 만들어진다. 이는 열 전달에 있어서 아주 유리하게 작용한다.
적어도 냉각 보링 쪽에 있는 상기 배출 처리관의 단부 영역이 갖는 축, 및 각 대응되는 냉각 보링이 갖는 축이 동일한 수평선 상에 배열되는 것이 바람직하다. 상기 해결 방안에 의해, 냉각 보링 내로 주입된 오일이 냉각 보링의 상단 영역까지 양호하게 상승할 수 있다.
상기 해결 방안의 또 다른 바람직한 실시 형태에서, 적어도 냉각 보링 쪽에 있는 상기 배출 처리관의 단부 영역의 축은, 마주보고 있는 냉각 보링의 내벽 영역을 피스톤 패키지의 상부쪽 영역 높이 상에서 접하게 된다. 상기 영역은 강한 열적 부하를 받고 있으며, 이는 주입된 냉매에 의해 제거될 수 있다. 동시에 상기 냉매는 상기 영역으로부터 냉각 보링의 상단 영역까지에도 확실하게 도달할 수 있다.
적어도 냉각 보링 쪽에 있는 배출 처리관의 단부 영역이 노즐 보링으로 형성되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 바람직한 분사 효과가 달성되며, 냉매의 매우 양호한 와류 및 강한 난류가 만들어진다. 이는 열 전달에 있어서 유리하게 작용한다.
상기 해결 방안의 또 다른 바람직한 실시 형태 및 유리한 변경 형태들은 종속항에 기재되어 있으며, 도면에 의해 하기 실시예에서 보다 구체적으로 설명된다.
본 발명의 주 적용 범위는, 예들 들면 2행정 대형 모터와 같은 대형 크로스헤드 모터로, 이때 피스톤은 피스톤 로드에 의해 크로스헤드와 연결된다. 도 1에 는 이와 같은 유형의 모터가 갖는 피스톤(2)이 실린더(1) 내에 배열되어 있는 상태로 도시되어 있다. 상기 피스톤(2)은 피스톤 로드(3)에 의해 더 이상 구체적으로 도시되지 않은 크로스헤드와 연결되어 있다. 대형 크로스헤드 모터의 기본 구조는 이미 공지되어 있어서, 이와 관련하여 보다 구체적인 설명이 요구되지 않는다.
상기 피스톤 로드(3)의 상단은 플랜지(4)에 의해 한정되는 마개(5)를 구비한다. 상기 마개는 피스톤(2)의 중앙 리세스(6) 내로 맞물린다. 상기 리세스는 상부 쪽으로는 피스톤 바닥(7)에 의해, 그리고 그 주변 쪽으로는 외주를 둘러싸는 피스톤 스커트(8)에 의해 한정된다. 여기서 상기 피스톤 스커트의 하부쪽 가장자리가 갖는 방사상 내부 영역은 상기 피스톤 로드(3)의 플랜지(4) 상에 놓여진다. 상기 피스톤 스커트(8)는, 그 외주를 둘러싸며 하나의 피스톤 링 패키지(9)를 형성하는 피스톤 링들을 구비한다. 상기 피스톤 스커트는 플랜지(4)의 방사상 외부 쪽에, 배치된 피스톤 셔츠(piston shirt)에 의해 연장된다. 상기 피스톤 셔츠의 방사상 내부 칼라(11)는 피스톤 로드(3)의 플랜지(4)와 접한다.
상기 피스톤 스커트(8)가 피스톤 로드(3)의 플랜지(4) 상에 놓여진 영역의 외부 쪽에, 상기 피스톤 스커트는, 피스톤의 상부 영역까지 달하며 축과 평행하는 냉각 보링(12)을 구비한다. 커플링 모양을 갖는 냉각 보링(12)의 상단은 가장자리 쪽에 있는 피스톤 크라운(13)의 하단과 아주 근접해 있다. 상기 냉각 보링(12)은, 도 2에서 가장 잘 도시되는 바와 같이, 그 외주에 균일하게 분포되어 있으며, 상호 가깝게 나란히 배열됨으로써, 상기 피스톤(2)은 사실상 전체 외주에 걸쳐 냉각될 수 있다.
축과 평행하는 냉각 보링(12)의 상단은, 각각의 공급 채널(14)에 의해 중앙 리세스(6)와 연결되어 있다. 여기서 상기 공급 채널은 외주를 둘러싸는 피스톤 스커트(8)와 인접한 영역을 횡단한다. 상기 리세스는, 피스톤 로드(3) 내에 제공된, 중앙의 라이저(15)에 의해 냉매를 공급받을 수 있다. 상기 냉매는 통상적으로 크로스헤드를 관통하는 보링 시스템에 의해 라이저(15)로 안내된다. 이때 상기 피스톤(2)의 중앙 리세스(6)는 분배실(distributor chamber)로 작용하며, 흐름을 나타내는 화살표에 의해 도시되는 바와 같이, 상기 분배실로부터 냉매는 공급 채널(14)에 의해 냉각 보링(12)으로 유도된다.
여기서 상기 냉각 보링(12)들의 하단은 외주를 둘러싸는 환형 채널(16)에 의해 상호 연결되어 있으며, 상기 환형 채널은 상기 피스톤 스커트(8) 및 피스톤 셔츠(10) 내로 각각 부분적으로 삽입되어 있으며, 피스톤 스커트(8)의 하부에 있는 상기 환형 채널의 방사상 내부 영역은 피스톤 로드(3)의 플랜지(4)의 외주면을 통해 한정된다.
상기 환형 채널(16)로부터 피스톤 로드(3)의 플랜지(4)를 횡단하는 배출 처리관(17)이 분기한다. 상기 배출 처리관은, 상기 피스톤 로드(3) 내에 제공되며 중앙 라이저(15)를 환형으로 둘러싸는 회수관(18)으로 안내된다. 여기서 배출 처리관(17)은 플랜지(4)를 횡단하는 구멍으로 형성되며, 상기 구멍들은 피스톤 축에 대해 다음과 같이, 즉 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하는 유로가 형성되도록, 기울어져 있다. 이로 인해, 배출 처리관(17)을 형성하는 보링 및 플랜지(4) 상에 장착되는 피스톤 스커트(8)의 장착면 사이에 비교적 큰 중간 간격이 형성될 수 있다. 이는 도 1에 a로 도시된다.
상기 냉각 보링(12)에 각각의 배출 처리관(17)이 대응된다. 각 냉각 보링(12)의 축 및 해당 배출 처리관(17)을 형성하는 보링의 축은, 도 2에 도시되는 바와 같이 동일한 수평선 상에 있다. 피스톤 로드(3)의 플랜지(4)를 횡단하는 보링으로 형성된 배출 처리관(17)은, 도 1에서 도시되는 바와 같이, 환형 채널(16)로부터 분기한다. 배출 처리관(17)을 형성하는 상기 보링의 환형 채널쪽 단부는, 칼라(11)에 의해 형성된 환형 채널(16)의 바닥의 상부 쪽에 간격(h)만큼 이격되어 있다. 상기 간격은 피스톤 직경의 1/15 내지 1/10인 것이 적절하며, 피스톤 직경의 1/12인 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 배출 처리관(17)은 방수로(diversion channel)를 형성한다. 상기 방수로에 의해, 도 1에서 수면(19)에 의해 표시되는 환형실(6)의 액위(liquid level)가 가능해진다.
상기 라이저(15)에 의해 피스톤(2)의 중앙 리세스(6) 내로 유도되는 냉매는, 공급 채널(14)에 의해 냉각관(12) 내에 도달하게 되며, 배출 처리관(17)에 의해 회수관(18)으로 회수된다. 여기서 상기 회수관은 모터에 대응되는 냉각 시스템의 회수 라인과 연결되어 있다. 상기 배출 처리관(17)의 환형 채널쪽 입구가 환형 채널(16)의 바닥에 대해 간격(h) 만큼 높이 배치되기 때문에, 상기 환형 채널(16) 내에, 배출 처리관(17)을 통해 배수될 수 없는 냉매가 잔류된다. 그 결과, 수면(19)에 의해 표시되는 냉매 저장소가 형성된다.
상기 피스톤(2) 및 피스톤 로드(3) 내의 냉매 상에 위로 향한 관성력이 작용할 경우―여기서 상기 경우는 상사점에 도달하기 이전에 피스톤이 지연되는 경우임―상기 냉매 저장소(19)를 형성하는 냉매는, 환형 채널(16)로부터 분기하며 이에 따라 환형 채널(16)에 대해 개방된 냉각 보링(12) 내로 위로 향해 이동된다. 이때 냉매는 냉각 보링(12)의 상부쪽 커플링형 단부 영역 또한 스쳐 지나감으로써, 피스톤 크라운(13)은 추가적으로 냉각된다. 동시에, 위로 향한 관성력으로 인해, 배출 처리관(17) 내에 있는 냉매, 및 회수관(18) 내에 하부 쪽으로부터 위로 향해 가압되며 배출 처리관(17) 상에 분포되어 있는 냉매가 통상적인 폐기물 처리 방향에 대항하여 피스톤(2)으로 안내된다.
일종의 분사 효과를 형성하기 위해, 상기 배출 처리관(17)을 형성하는 보링의 직경은 작다. 이에 따라, 상기 피스톤 내로 반환될 냉매는 노즐 방식으로 주입됨으로써, 양호한 와류 및 강한 난류가 만들어지며, 이로 인해 양호한 열 전달이 보장된다. 상기 배출 처리관(17)의 입구가 환형 채널(16)의 상부 영역 내에 위치하고, 배출 처리관(17)을 형성하는 보링들이 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하기 때문에, 냉매는 냉각 보링(12) 내로 주입되며, 상기 냉매는 그 내부에서 계속 상승하게 된다. 각 냉각 보링(12)에, 도 2에서 도시되는 바와 같이, 배출 처리관(17)이 대응되기 때문에, 각 냉각 보링(12)은 적절한 양의 냉매를 공급받음으로써, 전체 피스톤 외주에 걸쳐 균일한 냉각 효과가 보장된다.
배출 처리관(17)을 형성하는 상기 보링이 피스톤 축에 대해 갖는 경사 각도는 다음과 같이 측정된다. 즉, 상기 배출 처리관(17)으로부터 이에 대응되는 냉각 보링(12) 내로 주입된 냉매가, 환형 패키지(9)의 상부 영역 내에 각 대응되는 냉각 보링(12)의 벽 영역―여기서 상기 벽 영역은 배출 처리관(17)의 환형 채널쪽 단부의 맞은 편에 위치함― 상에 도달하도록 한다. 이에 의해 높은 열적 부하를 받은 영역이 양호하게 냉각되는 것이 보장된다. 각 냉각 보링(12)의 축 및 각 대응되는 배출 처리관(17)을 형성하는 보링의 축이 동일한 수평선 상에 놓여지기 때문에, 주입된 냉매는 해당 냉각 보링(12)의 내벽에서도 쉽게 상승할 수 있다. 상승하는 상기 냉매는 냉각 보링(12)의 상단 영역 또한 스쳐 지나가기 때문에, 마찬가지로 높은 열적 부하를 받은 피스톤 크라운(13)이 추가적으로 냉각될 수 있다. 동시에 상기 주입된 냉매 분사 줄기는 강한 와류 및 난류를 야기함으로써, 양호한 열 전달이 보장된다.
상기 라이저(15)의 내경의 단면적은 회수관(18)의 것과 대략적으로 대응한다. 상기 회수관의 내경의 단면적은 또한, 공급 채널(14) 또는 배출 처리관(17)이 갖는 총 단면적에 대응된다. 각 냉각 보링(12)에 배출 처리관(17)이 대응되기 때문에, 도 2에서 도시되는 바와 같이, 자동적으로 보링 직경이 비교적 작게 형성됨으로써 바람직한 분사 효과가 만들어진다.
앞서서 본 발명의 바람직한 실시예에 관해 기술되었으나, 이를 가지고 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 오히려 당업자에게 있어, 본 발명에 따른 해결 방안의 일반적인 사상을 개별적인 경우에 적용시킬 수 있는 여러 가지 가능성들이 임의로 제공된다. 따라서, 예를 들면 각 냉각 보링(12)에 한 개 이상의 배출 처리관(17)을 대응시킬 수 있다. 마찬가지로 간단한 경우에 냉각 보링(12)의 하단에 제공된 환형 채널이 생략될 수 있다. 냉매 저장소를 형성하기 위해, 간단하게는 상기 냉각 보링(16)이 충분히 깊은 형태로 제조될 수 있다. 즉, 냉각 보링(16)의 하단은 배출 처리관의 입구 아래 쪽에 간격(h)만큼 이격되도록 배치된다.
본 발명에 따라, 축과 평행하는 냉각 보링이 회수관으로 안내되는 적어도 한 개의 배출 처리관에 대응되고, 상기 배출 처리관의 냉각 보링쪽 단부 영역이 피스톤 축에 대해 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하도록 기울어짐으로써, 전체적으로 냉각 효과가 개선된다.
도 1은 2행정 대형 디젤 모터가 갖는 실린더-피스톤 장치의 부분적 단면도.
도 2는 도 1에 따른 피스톤의 저면도.

Claims (11)

  1. 실린더(1) 내에 배열되며 피스톤 링들이 에워싸는 적어도 한 개의 피스톤(2)을 구비하는 왕복동 기관, 특히 2행정 대형 디젤 기관에 있어서,
    상기 피스톤은 바람직하게는 플랜지(4)를 갖는 피스톤 로드(3) 상에 수용되며 라이저(riser; 15)와 연결되는 냉각 보링(12)을 구비하며, 냉매를 공급받을 수 있는 상기 라이저는 피스톤 로드(3) 내에 제공되며, 외주를 둘러싸는 피스톤 스커트(piston skirt; 8) 영역에 제공되며 축과 평행하는 상기 냉각 보링(12)은, 방사상 배출 처리관(disposal channel; 17)에 의해 상기 피스톤 로드(3) 내에 제공된 회수관(18)과 연결되며, 축과 평행하는 상기 냉각 보링(12)에, 회수관(18)으로 안내되는 적어도 한 개의 배출 처리관(17)이 대응되며, 적어도 냉각 보링 쪽에 있는 상기 배출 처리관(17)의 단부 영역은 피스톤 축에 대해 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하도록 기울어져 있으며,
    상기 냉각 보링(12)들의 하단은 그 외주를 둘러싸는 환형 채널(16)에 의해 상호 연결되어 있으며, 상기 환형 채널로부터 배출 처리관(17)이 분기하며, 환형 채널 쪽에 있는 상기 배출 처리관의 단부가 환형 채널의 바닥 보다 높게 배치되는
    것을 특징으로 하는 왕복동 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 보링(12)의 하단에 냉매 저장소(19)가 제공되는 왕복동 기관.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    환형 채널 쪽에 있는 상기 배출 처리관(17)의 단부 및 환형 채널(16) 사이의 간격이 갖는 범위는, 피스톤 직경의 1/15 내지 1/10이며, 바람직하게는 피스톤 직경의 1/12인 왕복동 기관.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    환형 채널 쪽에 있는 상기 배출 처리관(17)의 단부 및 환형 채널(16) 사이의 간격은, 피스톤(2)의 직경의 1/15 내지 1/10이며, 바람직하게는 피스톤(2)의 직경의 1/12인 왕복동 기관.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 배출 처리관(17)의 상단 영역이 갖는 축이, 각 대응되는 냉각 보링(12)의 축과 동일한 수평선 상에 놓여지는 왕복동 기관.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 배출 처리관(17)의 상단 영역이 갖는 축이, 마주보고 있는 냉각 보링의 벽 영역을 피스톤 패키지(9)의 상부쪽 영역 높이 상에서 접하게 되는 왕복동 기관.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 배출 처리관(17)의 상단 영역이 노즐 보링으로 형성되어 있는 왕복동 기관.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출 처리관(17)은 그 전체 길이에 걸쳐 방사상 외부 쪽으로 향해 상승하도록 기울어져 있는 왕복동 기관.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출 처리관(17)이 피스톤 로드(3)의 플랜지(4)를 관통하는 직선형 보링으로 형성되어 있는 왕복동 기관.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출 처리관(17)이 갖는 총 내경의 단면적은, 라이저(15) 또는 회수관(18)이 갖는 내경의 단면적에 대응되는 왕복동 기관.
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