KR100618204B1 - 이중 벨로즈를 이용한 축압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압에 잘 견디도록 1차 및 2차의 이중 금속 벨로즈를 이용한 축압기로써, 작동 사이클 회수가 짧은 유압기기의 축압기에 적용되어 벨로즈의 피로를 최소화하고, 내구성을 증대하여 장기간 사용함에 적당하게 창안된 이중 벨로즈를 이용한 축압기에 관한것이다.

상기 목적은 내부에 수용공간이 형성되고, 하부에 유체포트를 형성하되 수용공간 내부로 돌출된 실시트를 구비한 몸체;

상기 수용공간을 충진가스 챔버와 유체유입 챔버로 나누도록 피스톤의 저면 둘레로 부터 몸체 내저부면에 이르도록 용접부착된 제 1 금속박판 벨로즈; 및 상기 피스톤의 중앙에 형성시킨 구멍 둘레 피스톤 저면으로 부터 일정 길이로 용접고정되어 하향된 저면에 실플레이트를 용접 고정한 제 2 금속박판 벨로즈로 구성된을 특징으로 한다.

상기에서 바람직하게 유체 포트를 형성한 몸체는 충진가스 및 유입유체의 누출이 없도록 일체의 밀폐형 구조인 것을 특징으로 한다.

축압기, 벨로즈

Description

이중 벨로즈를 이용한 축압기{Pressure Accumulating device using dual bellows}

도 1은 종래 피스톤 형식의 축압기 단면도,

도 2는 종래 블레더 형식의 축압기 단면도,

도 3은 종래 공명기 형식의 축압기 단면도,

도 4는 종래 벨로즈 형식의 축압기 단면도,

도 5a는 본 발명의 축압기에 기체가 충진 상태의 단면도,

도 5b는 유압기기가 작동하여 유체 압력에 의해 피스톤이 상승되며 평형을 유지하는 작동 상태 단면도,

도 6a 및 도 6b는 유압기기가 오프되어 피스톤이 하강되다가 완충되는 상태를 보인 작동 상태 단면도.

본 발명은 유압회로의 주요 기기중 하나로, 압축성이 극히 작은 유압에 대하여, 압축성이 있는 기체(공기, 질소가스 등)등을 사용하여, 압력을 축적하거나 충 격을 완화시키는 등 기름의 특성을 보완해 주는 유압기기인 축압기에 관한 것으로, 특히 고압에 잘 견디도록 1차 및 2차의 2중 금속 벨로즈를 이용한 축압기로써, 작동 사이클 회수가 짧은 유압기기의 축압기에 적용되어 벨로즈의 피로를 최소화하고, 내구성을 증대하여 장기간 사용함에 적당하게 창안된 이중 벨로즈를 이용한 축압기에 관한것이다.

지난 수세기에 걸쳐서 유ㆍ공압 분야는 꾸준한 발전을 거듭하여 왔으며, 지난 몇 년간 급격한 진보와 성장을 이루었다. 특히 1940년대에 축압기가 개발된 이래 이러한 상황속에서 축압기는 매우 중요한 위치를 차지하게 되었다.

오늘날 대부분의 유압장치에 있어서 축압기의 적용은 가장 필수적이고 중요한 부분이 되었다. 자동차산업, 항공우주산업, 유전개발 및 석유산업, 건설기계, 압출성형기계, 유압프레스, 전용기계, 로봇산업, 자동화설비 등의 유압장치에는 축압기가 필수적으로 사용되는 분야이다.

축압기의 응용범위는 대단히 많으나, 가장 기본적인 적용은 아래의 열거와 같다.

보조 동력원(Auxiliary Power Source, Energy Storage), 비상동력원(Emergency Power Supply), 맥동 완화기구(Pump Pulsation Dampener), 유압 충격흡수(Hydraulic Shock Dampener, Anti-Water Hammer), 온도 보상기구(Thermal Expansion Compensator), 누유 보상기구(Leakage Compensator), 이송 장벽기구(Transfer Barrier), 평형 유지기구(Counter Balance), 윤활유 공급기구(Lubricant Dispenser), 유압 유지기구(Holding Device), 충격 흡수기구(Shock Absorber), 급속귀환 회로의 유압원(Power Source in Pressure Circuits), 실린더 동조기구(Hydraulic Cylinder Synchronizing),

도 1 내지 도 3은 종래의 축압기 구조를 도시한 것으로서, 도 1은 피스톤 형식의 축압기를 도시한 단면도이고, 도 2는 블레더 형식의 축압기를 도시한 단면도, 도 3은 공명기 형식의 축압기를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 피스톤 형식의 축압기는 본체(100) 내부가 피스톤(110)에 의해 축압기체 챔버(120)와 유압 작동유체 챔버(130)로 분리되며, 유압 작동 유체의 유압이 축압기에 의해 탄성적으로 저항되는 피스톤의 왕복운동에 의해 상쇄되는 구조를 취한 것이다. 그런데, 이는 피스톤(110)의 오링과 본체(100) 내벽 사이의 간극을 통해 오링의 잔시간 사용에 따른 고무의 시효변형에 의해 누설이 발생할 수 있어서 주기적인 충진이 필요하며, 이로 인한 수명의 제한이 생긴다.

도 2에 도시된 블레더 형식의 축압기는 본체(200) 내부가 고무와 같은 탄성 재질의 격막(210)에 의해 축압기체 챔버(220)와 유압 작동 유체 챔버(230)로 분리되며, 유압 작동 유체의 축압이 맥동 감쇠 기체에 의해 탄성적으로 저항되는 격막(210)의 탄성운동에 의해 상쇄되는 구조를 취한 것이다. 이는 유압 작동 유체와 축압 감쇠 기체의 상호 혼합 우려가 없다는 점에서 유리하나, 격막(210)이 탄성 재질에 의해 형성되어야 한다는 한계를 가지므로, 금속과 같이 내구성이 강한 재질로 형성할 수 없어, 그 내구성 측면에서 문제로 지적되어 왔다.

즉 상기 두가지 방식은 사용온도가 고무에 의해 좌우되므로써 섭씨 260도 정도로 제약을 받아 고온에 적용이 어려우며, 사용 유체도 고무에 작합한 유체로 제 약을 받아 강산 계열의 유체는 사용이 불가한 단점이 있다.

또한 고무 재질로 인한 누설로 내부의 충진 가스가 유체로 흘러들어가 유체에 충진가스가 섞이면서 문제가 발생될 수도 있다.

또한 항상 누설에 대비하여 분해 충진 등의 유지보수를 하여야 함을 설치 분해가 용이한 부분에 설치하여야하는 설계상의 제약을 받는다.

도 3에 도시된 공명기 형식의 축압기는 본체(300) 내부에 별도의 분리 구조를 가지지 않으며, 헬름홀츠 효과(helmholtz attenuation effect)에 의해 특정 주파수의 맥압을 감쇠하는 구조를 취한다. 이는 간단한 구조를 취한다는 측면에서 유리하나, 특정 주파수의 맥압에 대하여만 감쇠 효과를 가지므로, 광역폭의 주파수 영역에 대하여는 효과를 가지지 않는다는 문제점을 갖는다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 모두 해소할 수 있는 새로운 구조의 축압기에 관한 개발이 절실히 요청되고 있다.

이에 따라 최근에는 도 4에서와 같이 내부에 수용공간이 형성되고, 상부에 맥동 감쇠 기체의 출입구가 형성되며, 하부에 유압 작동 유체의 출입구(410)가 형성된 몸체(400)와; 상기 몸체 내부에 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 장착되어, 상기 몸체의 내부를 축압 감쇠 기체 챔버와 유압 작동 유체 챔버로 분리하는 분리판(420)과;

상기 축압 감쇠 기체와 유압 작동 유체를 격리하도록, 상기 몸체의 내면과 상기 분리판 사이에 설치된 벨로즈(430)와; 상기 분리판의 외주부에 장착된 슬라이딩 씰(421)을 더 포함하고 있으며,

상기 분리판의 하면에 돌출된 지지봉(422)과; 상기 지지봉의 상하방향 구동을 안내하도록 상기 몸체의 내면에 설치된 지지봉 가이드(423)를; 구비한 분리판 수평 유지수단을 더 포함하는 벨로즈형 축압기가 출원된 바 있다.(2002년 특허 출원 제0023475호)

그러나 상기와 같은 벨로즈형 축압기에도 다음과 같은 문제점이 있다.

유체 압력이 가스압력보다 클 때 피스톤이 낮은압력(충진가스) 방향으로 이동을 하면서 압력차이를 줄이며 정상 작동을 이룬다. 이때 피스톤의 정지시의 가스압력은 유체의 압력과 같게 되어 벨로즈 양단의 압력차이는 0이다. 벨로즈는 차입이 아닌 이동거리에서 발생하는 응력만 받는다.

그러나 작동 시스템이 중단된 이후의 작용에는 상당한 문제점이 있다.

즉 유체의 압력이 낮아지면서 유체 포트방향으로 피스톤이 이동을 하다가 고정 지지대에 의해 정지하며 유체는 모두 빠져나간다. 이때 벨로즈의 양단 압력차이는 충진 가스압력으로 보통 130bar 정도의 압력에서 발생되는 충격을 받게 됨에 따라서, 아무리 견고한 재질의 벨로즈라 하더라도 그 충격으로 인한 소음발생 및 내구성의 문제점이 있다. 물론 미사일 등과 같이 한번 사용하고 그 본분을 다하는 축압기 경우에는 문제가 없으나 항공기, 탱크 등의 유압장치에 적용되는 경우에는 축압기가 망실되는 내구성의 문제로 이를 자주 교체해야 하는 문제점이 있는 것이다.

따라서 본 고안은 이상과 같이 일반 벨로즈 축압기는 벨로즈의 양단 압력차이는 충진압력값으로 벨로즈가 충진압력과 대기압력과의 차이압력을 모두 받으면서 견딜 수 있어야 하므로 작동 사이를 횟수가 짧고 압력차에 의한 응력이 커서 장시간 보관 수명이 짧고 타격 소음 및 내구성에 영향을 미치는 문제점을 해소하기 위해 창안 것이다.

본 발명은 제 1 목적은 작동 시스템의 작동간은 물론 작동 정지간에도 압력차이에 의한 충격량을 완화하여 내구성이 양호한 이중 금속박판 벨로즈를 이용한 축압기를 제공함에 있다.

본 발명의 제 2목적은 가스의 누설을 대비하여 충진등의 유지 보수의 필요성이 없도록 금속재질의 완전 밀폐형 구조를 갖는 이중 금속박판 벨로즈를 이용한 축압기를 제공함에 있다.

상기 목적은 내부에 수용공간이 형성되고, 하부에 유체포트를 형성하되 수용공간 내부로 돌출된 실시트를 구비한 몸체;

상기 수용공간을 충진가스 챔버와 유체유입 챔버로 나누도록 피스톤의 저면 둘레로 부터 몸체 내저부면에 이르도록 용접부착된 제 1 금속박판 벨로즈; 및 상기 피스톤의 중앙에 형성시킨 구멍 둘레 피스톤 저면으로 부터 일정 길이로 용접고정되어 하향된 저면에 실플레이트를 용접 고정한 제 2 금속박판 벨로즈로 구성된 축압기에 의해 달성된다.

상기에서 바람직하게 유체 포트를 형성한 몸체는 충진가스 및 유입유체의 누출이 없도록 일체의 밀폐형 구조인 것에 의해 달성된다.

이하에서 본 발명을 바람직한 실시 예의 첨부 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

내부에 수용공간이 형성되고, 하부에 유체포트(11)를 형성하되 수용공간 내부로 돌출시켜 실시트(12)를 구비한 몸체(10);

상기 수용공간을 충진가스 챔버(A)과 유체유입 챔버(B)로 나누도록 피스톤(21)의 저면 둘레로 부터 상기 몸체(10) 내저부면에 이르도록 용접 부착된 제 1 금속박판 벨로즈(20); 및

상기 피스톤(21)의 중앙에 형성시킨 구멍(31)의 둘레 피스톤 저면으로 부터 일정 길이로 용접 고정되어 하향된 저면에 실플레이트(32)를 용접 고정한 제 2 금속박판 벨로즈(30)로 구성된다.

이때 바람직하게 유체 포트(11) 및 실시트(12)를 형성한 몸체(10)는 충진가스 및 유입유체의 누출이 없도록 일체의 밀폐형 구조로 형성 한다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 작용을 도면에 따라 단계별로 살펴보면 다음과 같다.

먼저 1 단계로 도 5a의 도시는 축압기의 충진가스 챔버(A)에 가스 충진한 후의 상태를 나타낸 것이다.

이는 제 1 금속박판 벨로즈(20)가 축압기의 몸체(10) 및 피스톤(21)에 용접으로 연결되어 있는 것으로, 제 2 금속박판 벨로즈(30)도 피스톤(21)에 용접되어 연결되어 있는 것으로, 이 벨로즈(20,30)와 피스톤(21)을 경계로 하여 상단에 가스가 충진되어 있다.

이때 충진 가스의 압력과 면적의 곱에 의해 발생된 힘에 의해 유체 포트(11) 측으로 피스톤(21)이 밀려 내려간 상태이다.

그리고 2단계로써 도 5b는 축압기의 작용간의 작동 상태를 설명하기 위한 도면으로써, 유체의 압력이 증가(Pg < Pf)하면서 충진가스 압력보다 더 높은 압력이 되면 축압기의 내부는 피스톤(21)을 경계로 하여, 압력이 평형이 되는 방향으로 피스톤(21)이 움직이면서 가스와 유체의 압력을 같게 작용한다.

이때 피스톤(21)이 위로 움직이면서(충진가스의 압력이 유체의 압력과 같아 질때까지 위로 움직임)유체가 축압기 내부로 유입되게 되며 피스톤(21)이 멈추게 된다.(Pg=Pf)

한편 3단계로써 도 6a 및 도 6b는 축압기의 오프시 작용을 설명하기 위한 도면으로써, 유체의 압력이 충진가스 압력보다 낮아질 경우(Pg < Pf)역으로 유체가 빠져나가게 되면서 피스톤(21)이 내려오게 된다. 피스톤(21)이 유체 포트(11)의 돌출 시트(12)면에 닿을때 멈추게 되며, 이때 내부에 있던 유체중의 일부가 제 1 및 제 2 금속박판 벨로즈(20,30) 사이에 갇히게 되고, 이 갇힌 유체를 충진가스의 압력으로 압축을 하게 되어 갇힌 유체의 압력과 충진가스 압력이 같을때까지 압축이 된다. (Pg = Pt > Pf)

이후 유압기기를 다시 시스템 작동되어 유체 압력이 높아지면 위의 사이클을 거치면서 축압기의 기능을 수행하게 된다.

즉 본 발명의 주요한 작용은 이 단계로써 보다 상세히 설명하면 유압기기의 오프 작용시에는 가스압력에 의해 유체가 유체 포트(11)로 배출되면서 벨로즈 씰플레이트(32)가 씰시트(12)에 접촉을 할 때까지 유체와 기체가 평형을 유지하며 하강 이동되다가 실플레이트(32)가 실시트(12)에 접촉하여 막는 상태에선 소량의 유체가 제 1 금속박판 벨로즈(20) 내경측과 제 2 금속박판 벨로즈(30) 외경 측 사이에 가두어지고 빠져나가지 못한 유체는 가스의 압력에 의해 충진가스의 압력과 유체의 압력이 같아 질 때까지 가압이 되면서 급격한 충격을 방지하며 댐핑 작용을 이루게된다. 따라서 유압기기의 작동 해제시 충격음 및 충격에 따른 내구성을 향상 시킬 수 있는 것이다.

이때 제 1 및 제 2 금속박판 벨로즈(20,30)의 양단 압력차이는 0이다.

피스톤(21)은 이렇게 갇힌 유체가 세어 나갈 경우 빠져나간 압력만큼 더눌리면서 압축이 된다. 유체의 온도변화에 의한 체적변화에 맞춰 갇힌 유체의 체적도 변화하면서 씰링을 유지한다.

유체 압력이 가스압력보다 클때 피스톤이 낮은압력(충진가스)방향으로 이동을 하면서 압력차이를 줄이고, 피스톤이 정지시의 가스압력은 유체의 압력과 같게 된다. 이때 제 1 및 제 2 금속박판 벨로즈(20,30)는 차압이 아닌 이동거리에서 발생하는 응력만을 받는 것이다.

한편 본 발명에서는 몸체(10) 및 실시트(12)를 포함한 유체 포트(11)가 일체로 형성되어 밀폐성을 유지함으로써, 종래 누설을 대비하여 충진등의 유지 보수의 필요성을 해소시킨다.

이상과 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 누설이 없는 금속 재질의 고압 고온 축압기를 제작하여 제품의 수명을 늘릴수 있고, 벨로즈에 피로를 최소화한 구조 로서 수명을 늘리고 고압 안정성을 확보함으로써 신뢰도 높은 축압기를 만들 수 있으며, 완전 금속 밀폐구조로서 헬륨을 충진가스로 사용할 수가 있어 종래 축압기에 비해 무게를 줄일 수 있고, 가스체적 대비 사용유량의 비율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 내부에 수용공간이 형성되고, 하부에 유체포트(11)를 형성하되 수용공간 내부로 돌출시켜 실시트(12)를 구비한 몸체(10);

   상기 수용공간을 충진가스 챔버(A)과 유체유입 챔버(B)로 나누도록 피스톤(21)의 저면 둘레로 부터 상기 몸체(10) 내저부면에 이르도록 용접 부착된 제 1 금속박판 벨로즈(20); 및

   상기 피스톤(21)의 중앙에 형성시킨 구멍(31)의 둘레 피스톤 저면으로 부터 일정 길이로 용접 고정되어 하향된 저면에 실플레이트(32)를 용접 고정한 제 2 금속박판 벨로즈(30)로 구성된 것을 특징으로 한 이중 벨로즈를 이용한 축압기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유체 포트(11) 및 실시트(12)를 형성한 몸체(10)는 충진가스 및 유입유체의 누출이 없도록 일체의 밀폐형 구조로 형성 한 것을 특징으로 한 이중 벨로즈를 이용한 축압기.

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