상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 회전왕복피스톤은 실린더블럭 및 좌우 실린더헤드로 구성되는 실린더와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진 가능하게 설치된 피스톤과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브로 구성되는 변환수단과, 상기 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이 동거리를 완충시키는 동력전달수단을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 변환수단은 상기 실린더블럭의 내주면으로부터 돌출된 가이더 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선을 이루도록 연속적으로 형성되는 그루브로 구성된다. 여기서 가이더와 그루브의 모양은 서로 맞물리는 구조로 구성된다. 그리고 가이더는 다양한 방식으로 구성될 수 있는데, 대표적으로 스플라인을 이용한 방법과 베어링수단을 이용한 방법이 있다. 그루브의 기울기는 상기 피스톤의 회전각도에 따라 피스톤의 이동거리가 균일하도록 일정하게 형성함이 바람직하다. 이러한 변환수단은 상기 피스톤의 회전력에 의해 상기 피스톤을 실린더에 대해 전후진 시키는 기능을 한다.
상기 동력전달수단은 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 회전 및 왕복운동 시에 발생하는 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키면서 동력을 전달하는 기계요소이다. 이러한 동력전달수단은 다양한 방식으로 구성될 수 있는데, 대표적으로 스플라인과 링크조립체가 있다. 그리고 동력전달수단은 본 회전왕복피스톤이 이용되는 기계장치에 따라서 모터나 다른 기계요소에 연결된다.
상기 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 실린더블럭 및 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체가 설치되는 좌우 실린더헤드로 구성되는 실린더와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브로 구성되는 변환수단과, 상기 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단과, 상기 동력전달수단에 동력 을 제공하는 구동장치를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 회전왕복피스톤 및 이를 이용한 펌프의 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
회전왕복피스톤은 회전운동을 등속왕복운동으로 변환시키거나 유체의 압력 또는 순간적인 폭발력을 이용하여 왕복운동을 등속회전운동으로 변환시킬 수 있는 것으로, 그 실시 예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 회전왕복피스톤은 실린더블럭(11) 및 좌우 실린더헤드(12)로 구성되는 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭(11)의 내주면에 돌출된 가이더(21) 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)로 구성되는 변환수단(20)과, 상기 로드(15)의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)을 구비한다.
상기와 같이 구성된 회전왕복피스톤을 구성요소 별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 회전왕복피스톤에서 실린더(10)의 주요 부분은 실린더블럭(11) 및 실린더헤드(12)로 구성되는데, 본 회전왕복피스톤이 사용되는 용도에 따라서 실린더헤드에 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체(13)를 시설하거나 일부 구조를 변경할 수 있다. 로드(15)는 본 회전왕복피스톤이 사용되는 용도에 따라서 단로드 방식으로 피스톤의 일측에 시설되거나 혹은 양로드 방식으로 피스톤의 양측에 시설될 수 있다. 상기 밸브 조립체(13)는 도면에는 상세하게 도시되어 있지 않으나 판스프링을 이용한 밸브를 구비할 수 있다.
상기 변환수단(20)은 상기 실린더블럭(11)의 내주면 중간부분에 설치되는 가이더(21) 및 상기 피스톤(14)의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)로 구성된다. 가이더(21)는 다양한 방식으로 구성될 수 있는데, 도 3은 베어링수단이 가이더로 이용된 모습을 보여준다. 베어링수단의 주요 부분은 "베어링(21a), 지지축(21b), 고정수단(21c)"등으로 구성되며, 상기 베어링(21a)은 롤러베어링이나 트러스트베링 혹은 간단한 형태의 부시가 사용될 수 있다. 여기서 베어링(21a)은 지지축(21b)에 고정되고, 상기 지지축은 실린더블럭(11)의 일부에 고정된다. 상기 베어링(21a)은 지지축(21a) 상에서 회전 가능하게 설치되어 상기 그루브(22)와 맞물리면서 회전할 수 있도록 한다. 그리고 그루브(22)는 피스톤(14)의 외주면을 따라 폐곡선을 이루도록 형성되는데, 상기 피스톤의 왕복 이동을 위하여 대략 경사 방향으로 형성된다. 상세하게는 도 1에 도시된 바와 같이 그루브(22)는 피스톤의 행정거리를 고려하여 피스톤을 중심으로 180도의 위상차를 갖는 상부변곡점(P1) 및 하부변곡점(P2)을 피스톤 외주면 상에 설정하고, 이들 두 변곡점 사이에 동일한 기울기를 갖는 폐곡선으로 형성된다. 여기에서 그루브(22)의 상부변곡점(P1)에서 하부변곡점(P2)까지의 기울기를 동일하게 함으로서 피스톤(14)의 회전각도에 따라 피스톤의 왕복이동 속도는 등속이 된다. 그러나 그루브(22)의 기울기는 이에 한정되지 않으며, 그루브(22)의 기울기를 가변 시킴으로써 피스톤의 회전에 따른 이동속도를 가변 시킬 수 있다.
상기 동력전달수단(30)은 피스톤(14)의 회전왕복운동 시에 발생하는 왕복 이 동거리를 완충하는데, 대표적 동력전달수단으로 스플라인(31)이나 링크조립체(32)가 있다. 도 1 내지 도 2에서 동력전달수단(30)으로 스플라인(31)이 사용되었는데, 로드(15)의 일측에 스플라인이 결합된 모습이다. 여기서 로드(15)에 연결되는 스플라인(31)은 피스톤 및 로드의 행정거리를 충분히 흡수 할 수 있어야 한다. 그리고 도 4는 스플라인(31)을 이용한 동력전달수단의 다른 실시예로서 로드(15)와 피스톤(14)의 접촉부분에 스플라인이 시설되는 모습을 보여준다. 이 경우에 실린더(10)에 로드(15)가 회전 가능하게 지지되고, 상기 로드(15)와 피스톤(14)의 스플라인 결합부위는 충분히 기밀을 유지하는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 4의 실시 예에서 스플라인(31)은 베어링이 없는 단순한 형태로 도시되었는데, 동력전달과정에서 발생하는 마찰력을 완화하기 위해서 실제 제작과정에서는 내부에 베어링이 구비되는 볼스플라인을 사용하는 것이 바람직하다.
도 5는 동력전달수단의 다른 실시 예로 팬터그래프 형상의 링크조립체(32)가 이용된 모습을 보여준다. 링크조립체(32)는 복수개의 링크(32a-32d)가 마름모꼴을 이루도록 배열되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 회전왕복피스톤은 동력전달수단에 의해서 로드(15)가 회전할 경우에 로드와 연결된 피스톤(14)이 회전한다. 이 과정에서 상기 피스톤(14)의 외주면에 설치된 그루브(22)는 상기 가이더(21)에 의해 안내되어 피스톤이 전, 후진된다. 상기 피스톤(14)에 형성된 그루브(22)는 최상부 측과 최하부 측의 변곡점을 제외하고 그 기울기가 균일하게 형성되어 있으므로 상사점과 하사점을 이동하는 피스톤의 이동속도를 균일하게 할 수 있다. 여기서 피스톤(14)의 왕복 이동 에 따른 로드(15)의 이동 변위는 상기 로드와 결합된 동력전달수단(30)에 의해서 흡수된다. 이와 반대로 유체나 엔진의 폭발력과 같은 외력에 의해서 피스톤을 왕복 이동시킬 경우에 피스톤은 회전 및 왕복운동을 하고, 이와 함께 동력전달수단(30)에서 회전력이 발생한다.
도 6에는 상기 회전왕복피스톤을 이용한 펌프의 예로서 상기 실시 예와 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 가리키는 것으로 그 설명을 생략한다.
본 발명의 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 실린더블럭(11) 및 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체(13)가 설치된 좌우 실린더헤드(12)로 구성되는 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더(21) 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)로 구성되는 변환수단(20)과, 상기 로드(15)의 일부에 결합되어 피스톤(14)의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)과, 상기 동력전달수단(30)에 동력을 제공하는 구동장치(40)로 구성된다.
본 실시 예에서 피스톤(14)에 연결되는 로드(15)는 상기 피스톤의 좌우에 형성되는 실린더 내부의 체적을 같게 하기 위해서 양로드 방식으로 하는 것이 바람직하다. 그리고 변환수단(20)에서 피스톤(14)의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)의 기울기는 상부변곡점(P1)에서 하부변곡점(P2)에 이르기까지 균일하게 구성하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 실린더헤드(12)에 설치된 밸브조립체(13)는 유체의 출입을 통제하는데, 이러한 밸브조립체는 상용화된 공지의 기술로서 그 설 명을 생략한다.
상기와 같이 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 다양한 구동장치(40)에 의해서 구동될 수 있는데, 대표적으로 모터(41)가 있다.
회전왕복피스톤을 이용한 펌프의 작동과정은 구동장치(40)에 의해서 구동축(42)이 회전함에 따라 동력전달수단(30)을 통해서 로드(15) 및 피스톤(14)이 회전한다. 이 과정에서 피스톤(14)의 외주면에 설치된 그루브(22)는 실린더블럭(11)의 내주면에 돌출된 가이더(21)에 의해 안내되어 상기 피스톤은 실린더(10)에서 전, 후진된다. 그리고 상기 피스톤(14)의 전후진과 함께 양측에 있는 실린더헤드(12)에 설치된 밸브조립체(13)를 통해서 유체가 연속적으로 토출과 흡입을 반복한다.
이와 같이 유체를 펌핑하는 과정에서 상기 피스톤(14)의 외주면에 형성된 그루브(22)의 기울기는 최상부측과 최하부측의 변곡점을 제외하고 균일하게 형성되어 있으므로 도 7에 도시된 바와 같이 토출되는 유량의 맥동현상을 현저하게 줄일 수 있다. 도 7에서 가로축은 피스톤(14)의 회전각도를 나타내며, 세로축은 유체의 토출량을 나타낸다. 도 7에서 보이는 작은 맥동현상은 피스톤(14)에 있는 그루브(22)의 상부변곡점(P1) 및 하부변곡점(P2)이 가이더(21)와 접촉하는 부분에서 일어난다.