KR100700861B1 - 왕복 운동하는 피스톤 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공통의 압축기 케이싱(compressor casing, 3) 내에 다수의 평행한 실린더-피스톤 구성장치(cylinder-piston units, 7, 8)를 가지며, 피스톤(piston, 8)이 미끄럼 패드(sliding pads, 12)를 둘러싸는 커플링 브래킷(coupling bracket, 9)에 의한 회전할 수 있는 워블플레이트(rotary wobble plate, 11)에 의해 움직이는 왕복 운동을 하는 피스톤 압축기(reciprocating piston compressor)에 관한 것이다. 압축기 케이싱 내의 조절된 압력의 결과로서 워블플레이트 경사를 수정하기 위하여, 상기 워블플레이트는 드라이브 샤프트(drive shaft, 4)의 리세스(recess, 29) 상에 2개의 관절식 브래킷(articulated brackets, 23, 24)에 의하여 회전할 수 있도록 고정된다. 워블플레이트(11)로의 쌍방 연결 지점 사이의 간격 및 리세스(29)와 함께, 상기 관절식 브래킷(23, 24)은 4개-바 링크장치(four-bar linkage)를 형성하고, 그것의 기하구조는 기능적으로 정확한 회전 움직임을 보증한다. 4개-바 링크장치의 4개 조인트들(25 내지 25)은 하나의 축을 가지는 회전 조인트들에 의해 형성되고, 그것의 낮은 마찰 저항은 압축기의 전달율을 제어할 때 개선된 제어 거동(control behavior)을 달성하게 한다.

Description

왕복 운동하는 피스톤 압축기{RECIPROCATING PISTON COMPRESSOR}
본 발명의 유익한 실시예는 청구항의 요지를 형성하며, 첨부된 도면에 대한 다음의 설명으로부터 알 수 있을 것이다.
도 1 은 드라이브 샤프트에 대하여 기울어진 방식으로 회전되는 워블플레이트(wobble plate)를 가지는 본 발명에 따른 압축기(compressor)의 부분적인 축방향 측면 단면도.
도 2 는 중립위치에 있는 워블플레이트를 가지는 도 1 에 대응하는 그림.
도 3 은 압축기 케이싱(casing)을 제거했을 때, 도 1 에 따른 압축기의 기구의 사시도.
도 4 는 다른 시야각에서 본 도 3 에 따른 장치의 사시도.
도 5 는 4 개의 바-링크장치에 인접한 압축기 기어의 측면 부분도.
도 6 은 도 5 의 Ⅵ-Ⅵ 라인에 따른 조인트(joint)의 단면도.
도 7 및 8 은 상기 조인트의 다른 실시예에 대한 단면도.
도 9 는 구형 작용면(spherical action plane)의 기계 가공(machining) 동안 툴 안내장치(tool guidance)를 도시하는, 피스톤에 대한 확대 단면도.
도 10 은 도 9의 작용면을 마주하는 면을 기계로 가공할 때 도 9에 대응하는 연습.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 압축기 2. 감마 베어링
3. 압축 케이싱 4. 드라이브 샤프트
6. 내측 케이싱 부분 8. 피스톤
9. 커플링 브래킷 11. 워블플레이트
12. 세그먼트 미끄럼 패드 14. 구형 표면
본 발명은 공통의 압축기 케이싱(common compressor casing) 내에 위치되고, 드라이브 샤프트(drive shaft) 및 서로 평행한 다수의 실린더-피스톤 구성장치(cylinder-piston units)를 가지는 왕복 운동하는 피스톤 압축기(piston compressor)에 관한 것이며, 상기 드라이브 샤프트는 상기 드라이브 샤프트에 회전할 수 있도록 결합된 워블플레이트(wobble plate)에 의해 받아들여지고(embraced), 상기 피스톤들은 관절식 미끄러짐 커플링(articulated sliding coupling)에 의해 상기 워블플레이트에 연결된다.
이와 같은 유형의 압축기는 독일 특허 DE 4139186에 의해서 알려져 있다. 상기 DE 4139186에서 워블플레이트는 드라이브 샤프트에 의해 지지되어지는 구형 동체(spherical body) 상에 회전하도록 안내되어지고, 도그(dog)에 의해 상기 구형 동체로부터 방사상으로 간격을 두는 방식(radially spaced manner)으로 상기 드라이브 샤프트에 연결된다. 피스톤 스트로크 길이(stroke length)를 변화시키기 위해 필요한 회전 움직임(swivelling movement)을 달성할 수 있기 위하여, 도그의 연결은 상기 도그의 늘어난 구멍(elongated hole) 내에서 안내되는 연결 볼트에 의해 일어난다.
워블플레이트 경사(wobble plate inclination)가 피스톤에 작용하는 조절된 압력 차이를 기반으로 하여 세팅되어지기 때문에, 회전 움직임이 제한된 마찰 저항(limited frictional resistance)에 의해 구현되는 것은 제어의 반응 민감도(response sensibility)를 위해 특히 중요하다. 상기 발명의 문제점은 회전 움직임을 구현할 때 낮은 마찰 저항의 결과로서 개선된 제어 거동(control behavior)을 가지고, 작은 치수(compact dimension)에 있어서 높은 전달율(delivery rate)이 가능하게 하기 위하여 상대적으로 큰 피스톤의 최대 스트로크 길이를 가지며, 상대적으로 간단하고 따라서 제조하는데 비싸지 않은 왕복운동을 하는 피스톤 압축기(reciprocating piston compressor)를 제공하는 것이다.
전술한 유형의 압축기에 있어서, 본 발명은 워블플레이트(wobble plate)가 회전할 수 있는 관절식 브래킷(swivellable articulated bracket)을 가지는 단일 또는 이중 4개-바 링크장치(four-bar linkage)에 의해 드라이브 샤프트에 결합되어지고, 각각의 경우에 있어서 하나의 축으로 구현된 4개의 조인트(joints) 중 하나는 상기 워블플레이트 상에 쌍방으로 제공되어지며, 반면에 2개의 다른 조인트는 드라이브 샤프트 상에 축방향으로 간격을 두는 방식으로 제공되어지도록 함으로써 상기와 같은 문제점을 해결한다.
차량의 에어 컨디션닝 시스템(air conditioning system)을 위해 제공되는 압축기(compressor, 1)는 압축기 케이싱(compressor casing, 3) 내의 감마 베어링(antifriction bearing, 2)에 의해 중심에 장착된 드라이브 샤프트(drive shaft, 4)를 가지며, 차량 엔진과의 구동 연결(drive connection)을 만들기 위하여 압축기 외측 단부에 벨트 풀리(belt pulley, 5)를 가진다. 상기 케이싱(3)은 내측 케이싱 부분(inner casing part, 6)을 둘러싸고, 상기 내측 케이싱(6) 내에는 7개의 실린더 구멍(cylinder bores, 7)이 주위에서 분배되는 방식(circumferentially distributed manner)으로 제공되어지며, 감마 베어링(2)이 상기 내측 케이싱(6) 내에 유지되어진다.
실린더 구멍 내로 안내되는 피스톤(pistons, 8)은 커플링 브래킷(coupling bracket, 9)을 가지는 관절식 미끄러짐 커플링(articulated sliding coupling)이 피스톤들의 드라이브 사이드(drive-side) 단부에 제공되며, 상기 커플링 브래킷(9)은 워블플레이트(wobble plate, 11)의 외측 주위 영역(outer circumferential area, 10)과 맞물리고, 구형 세그먼트 미끄럼 패드(spherical segmental sliding pads, 12, 13)에 의해서 피스톤(8)과 구동 연결 상태에 있게 된다. 커플링 브래킷(9) 내에 미끄럼 패드(12, 13)의 회전할 수 있는 장착을 위해 필요한 쌍방의 구형 표면(bilateral spherical surfaces, 14, 15)은 전술한 종래기술과 일치하며, 커플링 브래킷 내에 삽입되어지는 추가적인 중간 부재 내에서 가공되어진다.
도 9 및 10 에 따른 본 발명의 유익한 발전에서, 상기 구형 표면(14, 15)은 회전 구동되는, 절삭 도구(cutting tools, 16, 17)에 의해 생산될 수 있고, 커플링 브래킷(9)의 하나 이상의 축방향 측면 경계 벽(lateral boundary wall, 18)은 커플링 브래킷(9) 내로 도구(16, 17)의 절단 헤드(19, 20)의 도입을 가능하게 하는 개구부(opening, 21)를 갖는다. 맞은편 구형 표면(15)과 마주보며 상기 개구부(21)를 둘러싸는 구형 표면(14)이 피스톤(8)의 흡입 움직임(suction movement) 동안, 그에 대응하여 압축 스트로크(compression stroke) 동안 발생하는 것보다 더 작은 힘에 의하여 단지 로드(load) 되기 때문에, 상기 개구부(21)는 피스톤(8)으로부터 이격된 커플링 브래킷(9)의 경계 벽(18) 내에 위치되어지는 것이 유리하다.
피스톤(8)은 디프 드로잉(deep drawing)에 의해 슬리브와 유사한(sleeve- like) 방식으로 분리된 부분으로서 생산되어질 수 있고, 그 다음에 커플링 브래킷(9)에 고정되어진다. 이와는 반대로 상기 커플링 브래킷(9)은 돌출된 프로파일(extruded profile)의 부분으로서 쉽게 미리 형성될 수 있다.
피스톤 스트로크 길이(piston stroke length)를 제어하기 위해 필요한 워블플레이트(11)의 회전할 수 있는 안내(swivellable guidance) 및 로터리 드라이브(rotary drive)를 위해 필요한 드라이브 샤프트(4)에의 커플링(coupling)은, 본 발명에 따라서, 드라이브 샤프트(4) 상에 회전할 수 있도록 장착된 2개의 관절식 브래킷(23, 24)에 의해 형성되는 4개-바 링크장치(four-bar linkage, 22), 샤프트-측부 조인트들(shaft-side joints, 25, 26) 사이의 간격(spacing) 및 4개-바 링크장치(22)의 워블플레이트-측부 조인트들(27, 28) 사이의 간격을 통해서 발생한다.
상대적으로 작은 직경의 워블플레이트(11)의 경우에 피스톤(8) 스트로크 길이의 큰 조절 범위 및 결과적인 높은 전달율을 위하여, 상기 샤프트-측부 조인트들(25, 26)은 드라이브 샤프트(4)의 직각 리세스(right-angle recess, 29) 상의 다른 조인트들(27, 28) 맞은편에 있는 샤프트 축(30)의 측부 상에서 제공되어져서, 상기 리세스(29)는 워블플레이트(11) 내에서 편심적으로 제공되는 개구부(33)를 통하여 연장된다. 워블플레이트(11)의 피스톤(8)에의 결합에 대하여 기술된 구조(construction)의 결과로서, 상기 워블플레이트는 전체 방사 확장에 걸쳐서 상대적으로 얇게 만들어질 수 있으며, 이는 최대 전달율을 가지는 압축기 구조에 추가로 기여한다.
샤프트-측부 조인트들(25, 26)의 간격보다 더 작은 사다리꼴 4개-바 링크장치(22)를 구성하는 조인트들(27, 28)의 간격은, 워블플레이트(11)로부터 쌍방으로 돌출되는 볼과 유사한 조인트 지지구조(cheek-like joint supports, 31, 32)의 높이에 의해서 결정되어진다.
선호적으로 4개-바 링크장치(22)는 리세스(29)의 쌍방에 제공되는데, 즉 이중이 되어지며, 상기 리세스 또는 벤드(bend, 29)는 평행한 표면(34. 35)에 의해 측면에서 구속(bound)되어져서, 상기 평행한 표면(34, 35)은 또한 평평한 관절식 브래킷(23, 24)을 측면적으로 안내할 수도 있다. 쌍방의 관절식 브래킷(23, 24)은 크로스 바(cross bar, 36)에 의해 강성적으로 연결되어지는 선호되며, 이는 관절식 브래킷(23, 24) 및 그로인한 워블플레이트(11)의 최대 회전 움직임을 위해 드라이브 샤프트(4) 상에 스톱(stop)을 또한 형성할 수 있다.
만약 4개-바 링크장치가 이중 형태 대신에 단일 형태로 제공된다면, 워블플레이트(11) 상에 제공되는 조인트 지지구조(joint support, 31, 32) 및 직각 샤프트 벤드는, 도시되지 않은 평평한 관절식 브래킷의 쌍방 안내(bilateral guidance)를 위한 도시되지 않은, 중심 안내 슬롯(central guide slot)을 가질 수 있다.
도 6 내지 8 은 이중 4개-바 링크장치(22)의 조인트(25 내지 28)를 위한 3개의 실시예를 도시한다.
도 6에 따르면, 힌지 핀(hinge pin, 37)은 관절식 브래킷(23)에 제공되는 구멍(bore, 38, 39) 내에 프레스 끼워맞춤(press fit)에 의해 안전하게 결속되어져서 , 그것이 조인트 지지구조(31)의 동축 구멍(equiaxial bore, 40) 내의 미끄럼 베어링(plain bearing)을 가지도록 하거나 또는 관절식 브래킷(23)의 구멍(38, 39)이 미끄럼 베어링을 형성하여서 상기 힌지 핀(37)은 조인트 지지구조(31) 내에 프레스 끼워맞춤에 의해 고정된다.
도 7 에 따르면, 헤드(41, 42)가 제공되는 힌지 핀(43, 44)은 어느 하나의 측부 상에 못과 유사한 방식(nail-like manner)으로 압축되어진다. 도 8에 따른 실시예에서, 관통 힌지 핀(through hinge pin, 45)이 사용되어지며, 상기 관통힌지 핀(45)은 한편으로는 핀 헤드(pin head, 46)에 의해 그리고 다른 한편으로는 리테이닝 링(retaining ring, 47)에 의해 축방향으로 안전하게 결속되어진다.
4개-바 링크장치(22)의 기술된 조인트들(25 내지 28)이 결과적으로 회전하는 조인트들로서 구현되기 때문에, 움직임 조정 동안 마찰 저항(frictional resistance)은 지금까지의 통상적인 미끄럼 조인트에 비하여 상당히 감소되어져서 개선된 제어 거동(control behavior)에 대한 상술된 소정의 문제점이 이와 같은 방식으로 해결되어진다.

Claims (11)

  1. 공통의 압축기 케이싱(common compressor casing, 3) 내의 드라이브 샤프트(drive shaft, 4) 및 서로 평행하게 위치된 다수의 실린더-피스톤 구성장치(cylinder-piston units, 7, 8)를 가지며, 상기 드라이브 샤프트(4)는 상기 드라이브 샤프트(4)에 회전할 수 있도록 결합된 워블플레이트(wobble plate, 11)에 의해서 받아들여지고(embraced), 피스톤(piston, 8)이 관절식 미끄럼 커플링(articulated sliding coupling, 12, 13)에 의해 상기 워블플레이트(11)에 연결되는 왕복 운동하는 피스톤 압축기(piston compressor)에 있어서,
    상기 워블플레이트(11)는 회전할 수 있는 관절식 브래킷(23, 24)을 가지는 단일 또는 이중 4개-바 링크장치(four-bar linkage, 22)에 의해 드라이브 샤프트(4)에 연결되어지고, 상기 관절식 브래킷(23, 24)은 4개의 조인트들(25 내지 28)을 포함하며, 상기 4개의 조인트들중 2개의 조인트(27, 28)는 워블플레이트(11) 상에 쌍방으로 제공되어지고, 2개의 다른 조인트들(25, 26)은 드라이브 샤프트(4) 상에 축방향으로 간격을 두는 방식으로 제공되어지는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서, 드라이브 샤프트(4) 상에 상호 축 이격(mutual axial spacing)이 제공되는 조인트들(25, 26)은 드라이브 샤프트(4)의 리세스(recess, 29) 상의 워블플레이트-측부 조인트들(wobble plate-side joints, 27, 28)의 맞은 편 샤프트 축(shaft axis, 30)의 측부상에 제공되어져서, 드라이브 샤프트(4)에 대해서 회전할 수 있는 관절식 브래킷(23, 24)은 드라이브 샤프트 축(drive shaft axis, 30)을 가로질러 진행하고, 리세스(29)는 워블플레이트(11)의 편심 개구부(opening, 33)를 통해 연장되어지는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서, 볼과 비슷한(cheek-like), 측면으로 돌출되는 조인트 지지구조(joint supports, 31, 32)는 워블플레이트(11) 상에 쌍방으로(bilaterally) 제공되어지며, 각각의 자유 단부(free ends) 상에는 단일 또는 이중 4개-바 링크장치(22)의 조인트들(27, 28)이 위치되어지는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  4. 제 2 항에 있어서, 볼과 비슷한, 측면으로 돌출되는 조인트 지지구조(31, 32)는 워블플레이트(11) 상에 쌍방으로 제공되어지고, 자유 단부(free ends) 각각에는 단일 또는 이중 4개-바 링크장치(22)의 조인트(27, 28)가 위치되는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  5. 제 3 항에 있어서, 드라이브 샤프트(4)의 리세스(29) 및 조인트 지지구조(31, 32)는 측면이 편평하고, 각각의 상기 리세스(29)를 통하여 이중 4개-바 링크장치(22)에 대한 편평한 관절식 브래킷(23, 24)의 로터리 장착(rotary mounting)을 위하여 힌지 핀(37;43,44;45)이 연장되는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  6. 제 4 항에 있어서, 4개-바 링크장치(22)의 조인트들(25 내지 28)은 하나의 축을 가진 회전하는 조인트들(uniaxial swivel joints, 도 6 내지 8)인 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  7. 제 1 항에 있어서, 각각의 경우에서 연결 바(connecting bar, 36)를 통한 이중 4개-바 링크장치(22)의 하나의 관절식 브래킷 쌍(23 또는 24)은 강성 구성장치(rigid unit)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  8. 제 1 항에 있어서, 워블플레이트(11) 및 피스톤(8) 사이의 관절식 미끄럼 커플링(articulated sliding coupling)은 상기 워블플레이트(11)와 쌍방으로 맞물리는 구형 세그먼트 미끄럼 패드(spherical segmental sliding pads, 12, 13)를 가지며, 상기 구형 세그먼트 미끄럼 패드(12, 13)는 피스톤(8)에 연결되는 커플링 브래킷(9)의 측면 경계 벽(lateral boundary walls, 18) 내로 가공된(worked) 구형 베어링 표면(spherical bearing surfaces, 14, 15)내에서 유지되어지는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  9. 제 8 항에 있어서, 하나 이상의 구형 베어링 표면(14)은 커플링 브래킷(9)의 인접한, 측면 경계 벽(18) 내의 개구부(21)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  10. 제 9 항에 있어서, 개구부(21)가 피스톤(8)으로부터 멀리 떨어진 측면 경계 벽(18) 내에 제공되어지며, 상기 개구부를 통하여 커플링 브래킷(9) 내의 베어링 표면(14)의 로터리 가공(rotary working)을 위한 도구(tool, 16, 17)가 도입될 수 있는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
  11. 제 8 항에 있어서, 피스톤(8)은 디프 드로잉 슬리브(deep-drawn sleeve)를 포함하고, 돌출된 프로파일(extruded profile)의 부분을 포함하는 커플링 브래킷(9)에 고정되어지는 것을 특징으로 하는, 왕복운동을 하는 피스톤 압축기.
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