KR100958452B1 - 압축기, 모터, 펌프 및 내연기관으로서 작동하도록 구성된장치 - Google Patents

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KR100958452B1
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Abstract

콤프레서, 펌프, 모터, 계량장치 또는 내연기관으로서 작동하도록 구성된 로터리 장치로서, 2개의 동일한 베인, 2개의 중공 원통형 슬리이브, 중공 원통형 라이너, 복수의 캠 및 관련된 링크, 커플링, 샤프트, 클러치 및 브레이크 장치를 포함하고; 상기 복수의 베인은 각 슬리이브의 곡면에 하나의 베인이 설치되고, 이에 의해 상기 복수의 베인은 슬리이브의 곡면 및 각 슬리이브의 양단부 중의 하나에서 방사상을 형성하고, 상기 베인의 표면의 하프는 슬리이브의 단부를 초과하여 돌출하고; 상기 베인이 장착된 양단부는 상호 인접배치되고, 상기 베인들은 그 베인들이 항상 소정의 각도만큼 상호 이격 배치되도록 각도 변위되어 있고; 상기 슬리이브들은 그 축선이 그 단부 표면의 중심을 관통하는 일직선을 이루도록 배치되어 있고; 상기 복수의 베인이 슬리이브 상에 부착되는 위치의 상기 곡면은 인접하는 베인 및 슬리이브가 상기 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되어 있고; 하나의 라이너가 구비되고; 상기 라이너는 상기 슬리이브의 표면과 함께 하나의 케이스를 형성하고; 상기 라이너의 내면은 상기 축선을 중심으로 회전하는 중에 상기 베인의 단부가 이동하는 경로를 따라 형성되어 있고; 상기 복수의 베인은 상기 라이너 내측에 형성된 케이스를 2개의 시일된 쳄버로 분할하고, 상기 케이스는 그 외측의 공간으로부터 시일되어 있고; 상기 2개의 슬리이브는 캠에 의해 작동되는 커플링을 이용하여 샤프트에 연결 및 연결해제되고; 상기 복수의 캠은 상기 슬리이브에 설치되고 그리고/또는 상기 슬리이브에 의해 구동되고; 상기 복수의 캠은 상기 브레이 크 장치를 작동시키고, 이에 의해 각 베인은 소정의 위치에 교대로 정지되고, 상기 복수의 베인은 교대로 소정의 각도로 회전이 가능하고; 상기 복수의 캠은 양 베인을 재설정된 각도만큼 동시에 회전시킴과 동시에 상기 베인들의 분리, 동시 회전 또는 독립 회전되는 각도를 결정한다.
로터리 장치, 내연기관, 콤프레서, 펌프

Description

압축기, 모터, 펌프 및 내연기관으로서 작동하도록 구성된 장치{APPARATUS ADAPTED TO PERFORM AS COMPRESSOR, MOTOR, PUMP AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 콤프레서, 펌프, 모터 계량장치 또는 내연기관으로서 작동하도록 구성된 로터리 장치, 특히 각 베인이 상호 독립적이고, 각 베인 사이의 상대운동이 열역학적 가스 사이클을 달성하는데 이용하도록 된 복수의 베인이 끼워진 2개의 슬리이브를 특징으로 하는 레이디얼 베인 형식의 유체 처리용 로터리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 후술하는 부품을 이용하는 종래의 내연기관, 콤프레서 등에서 전형적인 가스 사이클을 달성하도록 하는 것이다. 본 발명의 장치 내에서 상기 부품 및 그 배치는 일련의 캠 종동자, 타이밍 장치를 운동시킴에 의해 작동 중에 서로 다른 가스 사이클을 달성할 수 있는 상태로 구성된다.
콤프레서, 펌프, 모터, 계량장치 또는 내연기관으로서 작동하도록 구성된 로터리 장치로서, 2개의 동일한 베인, 2개의 중공 원통형 슬리이브, 중공 원통형 라이너, 복수의 캠 및 관련된 링크, 커플링, 샤프트, 클러치 및 브레이크 장치를 포함하고; 상기 복수의 베인은 각 슬리이브의 곡면에 하나의 베인이 설치되고, 이에 의해 상기 복수의 베인은 슬리이브의 곡면 및 각 슬리이브의 양단부 중의 하나에서 방사상을 형성하고, 상기 베인의 표면의 하프는 슬리이브의 단부를 초과하여 돌출하고; 상기 베인이 장착된 양단부는 상호 인접배치되고, 상기 베인들은 그 베인들이 항상 소정의 각도만큼 상호 이격 배치되도록 각도 변위되어 있고; 상기 슬리이브들은 그 축선이 그 단부 표면의 중심을 관통하는 일직선을 이루도록 배치되어 있고; 상기 복수의 베인이 슬리이브 상에 부착되는 위치의 상기 곡면은 인접하는 베인 및 슬리이브가 상기 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되어 있고; 하나의 라이너가 구비되고; 상기 라이너는 상기 슬리이브의 표면과 함께 하나의 케이스를 형성하고; 상기 라이너의 내면은 상기 축선을 중심으로 회전하는 중에 상기 베인의 단부가 이동하는 경로를 따라 형성되어 있고; 상기 복수의 베인은 상기 라이너 내측에 형성된 케이스를 2개의 시일된 쳄버로 분할하고, 상기 케이스는 그 외측의 공간으로부터 시일되어 있고; 상기 2개의 슬리이브는 캠에 의해 작동되는 커플링을 이용하여 샤프트에 연결 및 연결해제되고; 상기 복수의 캠은 상기 슬리이브에 설치되고 그리고/또는 상기 슬리이브에 의해 구동되고; 상기 복수의 캠은 상기 브레이크 장치를 작동시키고, 이에 의해 각 베인은 소정의 위치에 교대로 정지되고, 상기 복수의 베인은 교대로 소정의 각도로 회전이 가능하고; 상기 복수의 캠은 양 베인을 재설정된 각도만큼 동시에 회전시킴과 동시에 상기 베인들의 분리, 동시 회전 또는 독립 회전되는 각도를 결정한다.
도 1은 슬리이브의 입면도 및 측면도를 나타낸 간략도이다.
도 2는 라이너의 입면도 및 측면도를 나타낸 간략도이다.
도 3은 베인의 입면도 및 측면도를 나타낸 간략도이다.
도 4는 베인 및 슬리이브 결합부를 나타낸 간략도이다.
도 5는 라이너, 베인 및 슬리이브 조립체를 나타낸 간략도이다.
도 6은 라이너, 베인 및 슬리이브의 선도(line diagram)를 나타낸 간략도이다.
도 7은 2개의 α각이 개재된 초기위치에서의 vl 및 v2를 나타낸 간략도이다.
도 8은 v1의 초기이동의 선도를 나타낸 간략도이다.
도 9는 위치 z에서 v1을 가지는 선도를 나타낸 간략도이다.
도 10은 각각 위치 Y 및 위치 X에서의 v1 및 v2를 가지는 선도를 나타낸 간략도이다.
도 11은 각각 위치 Y 및 위치 Z로부터 동시에 이동하는 v1 및 v2를 나타낸 간략도이다.
도 12는 각각 초기위치인 위치 Y 및 위치 X에서 v2 및 v1을 나타낸 간략도이다.
도 13은 슬리이브의 중공의 환형공간 내에 배치된 샤프트를 나타낸 간략도이다.
도 13a는 슬리이브 상에 끼워진 캠의 간략도이다. a) FL1은 캠 C1의 종동자이고, b) FL2-캠 C2의 종동자이다.
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도 13b는 전형적인 베인 위치조정 캠의 선도이다.
도 14는 슬라이딩 마찰 클러치를 도시한 것이다. a) SL는 스플라인이고, b) Fp는 마찰 패드이다.
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도 17 내지 도 23은 1행정 내연기관으로서 작동하는 장치의 각 단계를 도시한 것이다. a) ExV는 배기밸브이고, b) SuV는 흡기밸브이다.
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도 24 내지 도 31은 2행정 내연기관으로서 작동하는 장치의 각 단계를 도시한 것이다. a) E1, E2는 배기밸브이고, b) Su1, Su2는 흡기밸브이다.
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도 32a는 1행정 내연기관의 캠 작동식 흡기밸브 및 배기밸브의 다른 도면이다. a) Pr는 프로파일(Profile)이고, b) Bc는 기부 원(Base circle)이다.
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도 32b는 슬리이브 상에 끼워진, 밸브 작동용 캠 및 베인 위치조정을 위한 캠의 외형도이다.
도 33은 2행정 내연기관의 밸브를 동작시키기 위한 캠의 다른 도면이다. a) PrS는 흡기밸브의 프로파일이고, b) PrE는 흡기밸브의 프로파일이다.
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도 34는 요부(depression)가 형성되지 않은 슬리이브를 나타낸다. a) CSF는 곡면이다.
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도 35는 요부가 형성된 슬리이브를 나타낸다. b) st는 슬리이브 상의 단차이고, c) Flo는 냉각 유체 배출공, d) Rcf는 슬라이딩 마찰 클러치의 수납용 콘(receiving cone)이며, e) Fli는 냉각 유체 유입 라인이고, f) DPr는 요부(depression)이다.
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도 36은 베인을 나타낸다. a) stvs는 슬리이브 상에 베인을 끼우기 위한 스트립(strip)이고, b) Pis는 피스톤, c) Grps는 피스톤 링을 끼우기 위한 홈부이다.
도 37은 라이너를 나타낸다. a) SOH는 아우터 하프(outer half) 상의 스플릿(split)이고, b) PKV는 밸브용 포켓, c) OH 캐피털(capital)은 아우터 하프, d) SIH-이너 하프 상의 스플릿이다.
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먼저, 이해를 돕기 위해 간단한 기하학적 도형을 이용하여 복수의 부품들, 그 배열 및 기 대해 설명하고, 다음에 기계에 대해 상세히 설명한다.
기본 부품은 다음과 같다.
1. 슬리이브 2. 라이너 3. 베인 4. 캠 5. 커플링
1) 슬리이브
2개의 슬리이브가 있다. 외경이 'd'이고, 길이가 'I'이고, 두께가 't'인 중공 원통이 상기한 슬리이브이다. 이하, 2개의 슬리이브를 S1 및 S2로 표시한다. 이들 슬리이브는 도 1에 도시되어 있다.
2) 라이너
라이너는 내경이 "D"이고, 길이가 "L"이고, 두께가 "T"이고, 그 양단부 상에 원형의 커버 플레이트를 구비하는 중공 원통으로서 표시된다. 상기 커버 플레이트에는 직경이 "d"인 홀이 있다(상기 홀의 직경은 슬리이브의 외경과 동일하다). 상기 라이너는 도 2에 도시되어 있다.
3) 베인
2개의 베인이 있다. 상기 베인은 길이가 "L"이고, 폭이 "r"이고, r = (D- d/2)가 되는 장방형 평면으로서 표시된다. 이하, 상기 2개의 베인은 도 3에 도시된 바와 같이 V1 및 V2로 표시한다. V1 및 V2의 일변의 길이 'L'의 1/2은 다음과 같이 되게, 각각, S1 및 S2에 강고하게 고정된다.
a) V1 및 V2의 평면은 S1 및 S2에 대해 반경방향이 되게 한다.
b) V1 및 V2는 S1 및 S2의 양단부 중의 하나에 끼워진다.
c) 고정된 단부의 길이의 1/2은 슬리이브의 단부로부터 외측으로 돌출한다.
상기 V1 및 Sl의 결합(fitting)은 VS1으로 표시하고, 상기 V2 및 S2의 결합은 VS2로 표시한다. 베인 및 슬리이브의 결합은 도 4에 도시되어 있다.
VS1 및 VS2는 다음과 같이 되게, 라이너 내에서 결합된다.
a) V1 및 V2는 라이너의 내측에 위치한다.
b) 양 베인의 3개의 단부(슬리이브에 강고하게 결합된 일단부를 제외함)는 라이너의 내면에 접촉한다.
c) 베인의 단부의 1/2 길이(슬리이브의 단부로부터 외측으로 돌출한 부분)은 대면하는 슬리이브의 외부의 곡면에 접촉한다.
d) 슬리이브 단부 표면에 의해 라이너의 내측이 상호 접촉한다.
e) 양 슬리이브의 (1 - L/2)의 길이는 라이너의 단부 커버 플레이트의 홀로부터 외측으로 돌출한다.
f) 라이너, S1, 및 S2의 원형단부들의 중심을 관통하는 축선은 동일선이다. 이하, 상기 축선을 중심축선이라 한다.
라이너, 베인 및 슬리이브 결합부의 등각선도가 도 5에 도시되어 있다.
VS1 및 VS2는 라이너의 내부 공간을 2부분으로 나눈다. 다음의 내용을 전제로 한다.
a) 상기 2개의 공간은 서로 격리되어 있고, 이들 공간은 슬리이브의 환형 공간을 격리한다. 즉, 베인 측으로부터 유체의 누설이 발생하지 않고 슬리이브의 단부 표면들을 통해서 누설되지 않고, 라이너의 내면에서 상호 접촉한다.
b) 라이너의 내부 공간은 라이너 밖의 공간으로부터 격리되어 있다.
이하, 베인의 우측 공간(시계방향 측)은 베인의 전방 공간이라 부르고, 베인의 좌측 공간(반시계방향 측)은 베인의 후방 공간이라 부른다.
라이너, VS1 및 VS2 결합(베인은 반경선으로 표시됨)의 간략화된 측면선도가 도 6에 도시되어 있다.
이하, 도 6의 베인을 구비하는 라이너의 간략화된 측면선도를 이용하여 장치의 다양한 구성요소의 기능에 대해 설명한다.
초기위치
최초에 V1 및 V2는 다음과 같이 되게, 2α의 각도만큼 이격되어 배치된다.
a) V1 및 V2는 수직면의 양측에 놓인다.
b) 수직면은 V1 및 V2의 사이각을 2분한다.
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이하, V1의 이 초기위치는 '위치 X'로 표시하고, V2의 이 초기위치는 '위치 Y'로 표시한다. 이는 도 7에 도시되어 있다.
이 때, VS1는 그 중심축선을 중심으로 시계방향으로 회전된다.
그 결과 V1의 전방 공간의 체적은 감소되고, V1의 후방 공간의 체적은 증가된다. 따라서, 이들 공간 내에 존재하는 기체 상태의 유체는 각각 압축 및 팽창된다. 이와 같은 압축 및 팽창은 열역학적 가스 사이클의 일부를 형성한다. 이와 같은 내용은 도 8에 도시되어 있다.
VS1가 (360 - 4α)의 각도로 회전하면, 이하 "위치 Z"라 언급되는 위치에 도달한다. 이 위치에서 VS1 및 VS2 둘다가 회전된다. 이와 같은 내용은 도 9에 도시되어 있다.
VS1 및 VS2가 각각 위치 Y 및 위치 X에 도달하면, VS1은 정지하고, VS2는 계속 회전한다.
이와 같은 내용은 도 10에 도시되어 있다.
VS1과 마찬가지로, VS2가 위치 Z에 도달하면 VS1 및 VS2 둘 다는 각각 위치 X 및 위치 Y에 도달할 때까지 회전한다.
이와 같은 내용은 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
이 때 VS1은 회전을 개시하고, 완전한 사이클이 반복된다.
이러한 방식으로 베인을 연속적으로 회전시키면, 2개의 베인은 두 베인들 중 어느 하나의 360도 회전마다 1회씩 동시에 위치 X, 위치 Y 및 위치 X에 번갈아 위치한다. 베인들이 매 회전마다 1회씩 초기위치에 도달하므로 인젝터, 밸브/포트 등과 같은 부속품을 라이너의 특정 위치에 용이하게 놓여지게 할 수 있다.
위치 X 및 위치 Y에 위치하는 베인들의 사이에 포획된 압축 가스에 열이 가해진다.
V1 및 V2 사이의 각도 2α는 항시 베인들 사이의 최소의 분리각으로서 특히 중요하다(즉, 양 베인 사이의 각도는 항상 2α 이상을 유지한다).
이 분리각은 압축비(compression ratio)를 정의한다. 이 분리각을 변경함에 의해, 압축비를 변화시킬 수 있다(라이너의 내부 용적 및 슬리이브의 외경을 일정하게 유지한 상태에서). 라이너 상의 적절한 위치에 통상의 흡입(흡기), 토출(배기)/밸브, 포트/연료 인젝터, (스파크 플러그)를 배치함으로써 본 장치는 콤프레서 또는 내연기관 또는 모터로서 작용한다.
전술한 베인 운동 패턴 및 연속적인 회전 출력은 하기의 부품들을 이용하여 달성된다.
6) 샤프트
7) 캠 및 관련된 링크
8) 슬라이딩 마찰 클러치
9) 브레이크 밴드
샤프트
샤프트는 길이 'A' 및 직경 'B'이고, 'A'>2×'I' 및 'B'<{'d'-'t'}이다.
('I', 'd', 't'는 슬리이브의 치수이다)
샤프트는 슬리이브 내의 중공 환형 공간을 관통하여 그 단부들로부터 외부로 돌출한다. 이것은 도 13에 도시되어 있다.
캠
각각 슬리이브 상에 결합된 2개의 캠이 이용된다.
캠들은 슬리이브와 동심을 이루고, 그 외부에 프로파일(profile)을 구비하고, 이 프로파일의 양단부는 중심에 대해 4α의 각도를 이룬다. S1 및 S2 상에 결합된 캠은 각각 C1 및 C2로 표시한다. C1의 프로파일을 이분하는 면은 베인 V1의 면과 평행을 이룬다. 이와 마찬가지로 C2의 프로파일을 이분하는 면은 베인 V2의 면과 평행을 이룬다. 이것은 도 13a에 도시되어 있다.
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캠의 종동자(followers)는 슬리이브와 샤프트를 연결 및 연결 해제시키도록 링크를 작동시킴과 동시에 슬리이브를 정지 및 해방시키기 위해 브레이크 밴드를 작동시킨다.
이하, 캠의 작동에 대해 설명한다. V1이 위치 X에 위치하면, C1의 종동자는 캠의 프로파일에서 이탈한다. 이에 의해 S2는 샤프트와의 연결이 해제됨과 동시에 브레이크 밴드와 연결됨으로써 S2는 정지상태가 된다. V1이 위치 Z에 도달하면, C1의 종동자는 캠의 프로파일에 위치된다. 이에 의해 S2의 브레이크 밴드는 해방됨과 동시에 샤프트와 연결을 이룬다. 이에 의해 두 슬리이브는 회전한다. V2를 브레이크 밴드가 홀드하여 정지시킨다. 이 위치에서 C1의 종동자는 캠 프로파일의 중심, 즉 캠 프로파일을 이분하는 선 상에 위치한다. 이 과정이 반복되고, 전술한 바와 같은 원하는 VS1 및 VS2의 운동이 달성된다.
캠 프로파일의 각도는 2α도이다. 즉 베인들의 최소 분리각도는 캠 프로파일의 시작부분과 끝부분이 캠의 중심에 대해 이루는 각도와 동일하다. 이 캠 프로파일의 각도가 증대되면 압축비가 감소하고, 캠 프로파일의 각도가 감소되면 압축비가 증대된다. 상기 캠의 형상은 캠 프로파일의 각도가 점차적으로 증가되어 캠 종동자가 중심축선을 따라 이동함에 의해 압축비가 변할 수 있게 한 형상이다.
상기 캠은 도 13b에 도시되어 있다.
슬라이딩 마찰 클러치
2개의 슬라이딩 마찰 클러치가 구비된다. 이들 마찰 클러치는 샤프트의 양 단부에 각각 끼워진다. 마찰 클러치의 내경부 상에는 슬롯이 구비되어 있고, 이 마찰 클러치는 샤프트의 스플라인 상에 슬라이딩 결합한다. 슬라이딩 마찰 클러치의 형상 및 특징은 도 14에 도시되어 있다. 슬리이브 단부 표면은 슬라이딩 마찰 클러치의 원추면을 수용하도록 원추형상으로 형성되어 있다. 즉, 슬리이브 상의 오목 원추형부와 슬라이딩 마찰 클러치 상의 볼록 원추형부의 각도는 동일하다. 클러치가 링크들에 의해 가압되면 슬리이브에 대해 캠에 의해 작동되어 슬리이브 및 클러치 표면 사이의 마찰에 의해 상기 샤프트와 슬리이브가 연결된다.
브레이크 밴드
슬리이브가 정지 상태에 있을 때, 이 슬리이브를 정지 상태로 유지시키기 위해 브레이크 밴드 또는 종래의 래칫 장치를 이용하는 포지티브 로킹 수단을 이용한다.
브레이크 밴드는 내면 상에 마찰 패드 라이닝을 구비하는 스트립으로 구성되고, 슬리이브의 표면에 작은 작업 공간을 갖는다. 이 공간은 스프링력에 대항하는 레버에 의해 유지한다.
밸브
사용된 밸브는 종래의 왕복식 내연기관에 사용되는 것과 동일한 것이다. 라이너의 커버 플레이트 상의 단부 상에 원들은 밸브/포트를 나타낸다.
이 내연기관의 부품들은 1행정 또는 2행정 내연기관을 형성할 수 있도록 구성될 수 있다.
a) 1행정 (Single stroke)
라이너 상에는 흡기밸브 및 배기밸브의 2개의 밸브가 설치되어 있다. 밸브들은 β의 각도를 이루고 배치되어 있다. 배기밸브는 베인의 후방 공간의 위치 X 및 베인의 전방 공간의 위치 Y에 위치한다. 밸브들은 라이너의 내부의 공간과 그 외부의 공간을 연통하도록 개폐된다. 캠 및 그 종동자에 의해 작동되는 링크는 밸브를 개방한다.
단계-1) 초기에 V1 및 V2는 위치 X 및 위치 Y에 위치한다. 도 17을 참조하기 바란다. 도 17은 라이너 상에 장착된 배기밸브 및 흡기밸브도 도시하고 있다. 흡기밸브 및 배기밸브는 폐쇄된 상태이다.
이 때 V1은 회전된다. V1의 전방의 가스는 압축된다.
단계-2) V1이 위치 Z에 대해 θ의 각도를 이루는 위치에 도달할 때 배기밸브 및 흡기밸브가 개방된다. 이하, 베인의 이 위치를 위치 Z1이라 한다. 각도 θ는 베인이 흡기밸브를 경과하여 회전되어 회전하는 베인의 전방 공간이 흡기밸브로부터 시일되는 각도이다. 도 18을 참조하기 바란다.
단계-3) V1이 위치 Z에 도달하면, 상기 흡기밸브 및 배기밸브는 폐쇄된다. 도 19를 참조하기 바란다.
단계-4) 이제 양 베인이 회전되고, V1 및 V2는 각각 위치 Y 및 위치 X에 도달한다. 도 20을 참조하기 바란다.
이 지점에서 압축된 가스(통상의 내연기관과 마찬가지로)에 열이 더해진다.
위치 X 및 위치 Y 사이에 라이너 상에 인젝터/스파크 플러그가 놓여진다.
이제 V2가 회전한다. V2의 후방의 가스는 팽창하고 V2의 전방의 기체는 압축된다. 팽창하는 가스는 V2를 밀어낸다. 이것이 V2의 폭발행정(power stroke)이 된다.
단계-5) V2가 위치 Zl에 도달하면, 배기밸브 및 흡기밸브는 개방된다. V2의 후방 공간의 배기는 배출되고, 새로운 흡기가 도입된다. 도 21을 참조하기 바란다.
단계-6) 이 단계는 도 22에 도시된 바와 같이 V2가 위치 Z에 도달하고 배기밸브 및 흡기밸브가 폐쇄될 때까지 진행된다.
단계-7) 이제 V2 및 V1 둘 다가 회전하여 각각 위치 Y 및 위치 X에 도달한다.
이것은 초기의 위치이다. V2는 이 때 정지된다. 이 때 V2의 전방 공간의 압축된 가스에 대한 열 공급이 발생한다. 도 23을 참조하기 바란다.
이 때 V1의 폭발행정이 시작된다.
이 때 단계-1로부터 단계-7까지가 연속적으로 반복된다.
수직면에 대한 상기 밸브들의 위치, 베인의 초기 위치, 각도 α 및 θ, 및 라이너 내부의 공간의 용적은 압축된 가스 또는 연소가 가능한 가스(압축 및 팽창이 단열과정이라고 가정함)가 자기 점화에 의해서 또는 통상의 내연기관에서처럼 스파크에 의해서 자연발화(spontaneous ignition)될 수 있는 구성으로 한다.
b) 2행정
라이너 상에 장착된 흡기밸브 및 배기밸브로서 2개의 밸브가 사용된다. 이들 밸브는 각도 γ만큼 상호 이격배치되어 있다.
흡기밸브는 베인이 위치 X에 위치해 있을 때 베인의 후방 공간 내에 위치한다. 캠들 및 이의 종동자들에 의해 작동되는 링크들은 상기 밸브들을 개방한다.
이와 관련된 메커니즘을 이해하기 위해, 2개의 흡기밸브 및 배기밸브가 도면에 도시되어 있다. 이들은 Sul, Su2, El, E2로 부른다.
단계-1) 초기에 V1 및 V2는 각각 위치 X 및 위치 Y에 위치한다. 도 24를 참조하기 바란다.
이 때, V1의 회전이 시작되고, 동시에 Sul이 개방된다. 나머지 밸브들은 이 지점에서 모두 폐쇄 상태에 있다. V1의 회전에 의해 이의 후방 공간에 생성된 진공은 흡기를 유발한다.
V1의 전방 공간의 가스는 압축된다.
단계-2) V1이 위치 Z에 도달하면, SU1은 도 25에 도시된 바와 같이 폐쇄된다.
단계-3) V1 및 V2 양자는 이 때 회전하여 각각 위치 Y 및 위치 X에 도달한다. 이 때 라이너 내부의 압축된 가스에 열이 가해진다. (압축 가스의 점화). 이 때 V1은 정지되고, V2는 회전한다. 이것은 도 26에 도시된 바와 같이 V2의 폭발행정이 된다.
단계-4) V2가 회전함에 따라, V2의 전방 공간의 가스는 압축된다. V2는 도 27에 도시된 바와 같이 위치 Z에 도달한다.
단계-5) 이 때 V2 및 V1는 회전하여 각각 위치 Y 및 위치 X에 도달한다.
이 때 V2 전방의 압축된 가스에 열이 가해진다. (압축된 가스의 점화). E2는 도 28에 도시된 바와 같이 개방된다.
이 때 V1은 회전되고, V2는 정지한다. V1의 후방의 가스는 팽창(V1의 폭발행정)하고, V1의 전방의 가스는 배출된다(열의 배출이 발생한다).
단계-6) V1이 위치 Z에 도달하면, 도 29에 도시된 바와 같이 E2는 폐쇄된다.
단계-7) V1 및 V2의 양자는 회전하여 각각 위치 Y 및 위치 X에 도달한다. 이 지점에서 E1 및 Su2는 개방된다. 이때 V1은 정지하고 V2는 회전한다.
이 때 V2는 그 전방의 배기를 배출하고 도 30에 도시된 바와 같이 그 후방의 새로운 흡기를 흡입한다.
단계-8) V2가 위치 Z에 도달하면, 도 31에 도시된 바와 같이 E1 및 Su2는 폐쇄된다.
단계-9) V1 및 V2의 양자는 회전하여 각각 X 및 위치 V, 즉 초기 위치에 도달한다. 이 때 단계 1 내지 단계 9가 반복된다.
라이너 내부의 용적, 최소 분리각도가 변경되면 결국 압축비가 변화된다.
전술한 2가지 형식의 내연기관에 있어서, 밸브들은 캠들에 의해 작동되는 링크들에 의해 개폐된다. 밸브의 기능이 베인의 위치에 의존하므로, 각 베인의 개개의 캠들은 각자의 슬리이브 상에 체결되거나 별도의 샤프트 상에 체결되어, 각자의 슬리이브에 의해 구동된다.
1행정 형식의 내연기관의 흡기밸브 및 배기밸브를 작동시키기 위한 캠은 도 32a에 도시되어 있다. 2행정 형식의 내연기관의 흡기밸브 및 배기밸브를 작동시키기 위한 캠은 도 33에 도시되어 있다. 밸브 작동용 캠 및 포지션 캠의 개략은 도 32B에 도시되어 있다.
1행정 내연기관용 캠
2개의 캠, 즉 각각 S1 및 S2에 배치된 'Ca 1' 및 'Ca 2'가 있다. Ca 1은 V1이 회전할 때 흡기밸브 및 배기밸브를 개폐하는 링크를 작동시킨다. Ca 2는 V2가 회전할 때 흡기밸브 및 배기밸브를 개폐하는 링크를 작동시킨다. 각 캠 상에는 2개의 프로파일이 축방향으로 배치되어, 한 프로파일이 지나는 경로는 1회전 중에 다른 프로파일이 지나는 경로에 방해되지 않게 되어 있다.
삭제
상기 양 프로파일은 캠의 중심에 대해 θ의 각도를 이루고 있다.
캠들의 종동자들은 베인이 위치 Z1에 도달했을 때 베인이 프로파일의 위에 위치하여 밸브를 작동할 수 있도록 배치되어 있다. 연료 펌프를 작동시키기 위한 2개의 유사한 밸브가 구비된다.
2행정 내연기관용 캠
2개의 캠, 즉 Cfl 및 Cf2가 있다.
이들 캠은 2개의 샤프트 상에 상호 독립적으로 강고하게 고정되어 있다. Cfl을 고정하고 있는 샤프트는 S에 의해 구동되고, Cf2를 고정하고 있는 샤프트는 S2에 의해 구동된다. 각 밸브는 샤프트의 720도 회전마다 1회씩 작동하므로 샤프트는 슬리이브의 1/2의 속도로 구동된다. 2개의 캠의 각각에는 2개의 프로파일이 있다. 각 캠 상에는 2개의 프로파일이 있는데, 이들은 1회전 중에 한 프로파일이 지나는 경로는 다른 프로파일이 지나는 경로에 방해되지 않게 축방향으로 배치되어 있다.
이러한 밸브의 프로파일은 캠의 중심에 대해 (180-2α)의 각도를 이루고 있다. 베인이 수직 위치(즉, 위치 X로부터 α의 각도의 위치)에 있을 때 종동자는 프로파일의 개시부(beginning)로부터 α의 반 각도만큼 이격배치된다.
상기 배기밸브가 베인이 폭발행정을 실행한 이후 및 위치 V에 도달한 이후에만 개방되고, 베인이 그 위치에 있을 때까지 개방상태를 유지하므로, 프로파일은 흡기밸브용 프로파일의 단부로부터 (180+α)의 각도에 위치한다.
샤프트 상에는 연료 펌프를 작동시키기 위한 2개의 유사한 캠 Cfl 및 Cf2가 구비된다.
이하, 부품들에 대해 상세히 설명한다.
상기 부품들, 체결구조도 및 분해도는 도 34 내지 도 51에 도시되어 있다.
슬리이브
슬리이브는 전술한 바와 같이 중공 원통이고, 그 양단부에는 대직경의 단차가 구비되어 있다. 대직경의 단부면은 원형의 중공 링의 1/4을 형성하도록 곡면을 이루고 있다. 타단부면은 슬라이딩 마찰 클러치의 것과 동일하게 원추형을 이루고 있다. 대직경 단부의 곡면에는 2개의 요부(depression)가 구비되어 있다. 요부를 구비하지 않은 슬리이브는 도 34에 도시되어 있다. 요부를 구비한 슬리이브는 도 35에 도시되어 있다.
베인
전술한 바와 같이 각 슬리이브 상에 강고하게 고정됨과 동시에 라이너의 내부에서 슬리이브와 함께 회전되도록 된 2개의 베인이 구비된다. 전술한 바와 같이 베인은 회전중에 라이너의 내부의 체적을 스윕(sweep)해야 한다.
베인은 'h' 이하의 직경을 가지는 원형의 플레이트로 구성된다. 베인은 스트립에 부착되어 있고 스트립은 라이너에 의해 피복되지 않은 슬리이브의 곡면 상에 강고하게 고정되어 있다. 베인 플레이트의 대향측 상의 베인에는 복수의 홈부를 구비하는 2개의 피스톤이 설치된다. 통상의 내연기관에 사용되는 것과 동일한 피스톤 링은 홈부에 끼워진다. 피스톤 링은 도 36에 도시된 바와 같이 라이너 내면에 가압된다.
라이너
라이너는 중공의 원형링(원형단면의 파이프는 굴곡되고, 양단부는 중공의 원형링을 형성하도록 연결되어 있다)의 형상으로 이루어져 있다. 라이너의 중공부의 내경(파이프의 직경)은 'h'이다.
라이너는 결합 및 분해를 용이하게 할 수 있도록 아우터 하프(outer half) 및 이너 하프(inner half)로 분할되어 있다. 이너 하프는 2개의 1/4분할부로 분할되어 있다. 아우터 하프 및 이너 하프의 1/4분할부는 더욱 분할되어 있다.
아우터 하프 및 이너 하프에는 양단부에 내면이 중첩되도록 복수의 단차가 구비되어 있다. 작동 중에 상호 마찰을 일으키는 복수의 경계면에는 연마된 얇은 스트립이 설치되어 있다. 이들 스트립의 면간 접촉에 의해 라이너의 내측 공간과 외측 공간은 시일을 형성한다.
양단부는 중첩되게 단차를 구비한다. 양단부에는 열팽창을 보상하기 위한 간극이 구비되어 있다. 양단부는 지그재그 형상으로 이루어져 있다. 이에 의해 라이너의 내면 상에 가압되는 피스톤 링은 베인의 회전 중에 양단부를 원활하게 통과할 수 있게 된다. 라이너는 도 37에 도시되어 있다.
라이너의 일부가 도 38에 도시되어 있다.
분할된 단부의 일부가 도 39에 도시되어 있다.
라이너의 1/4부분은 슬리이브 상에 결합되고, 라이너의 외면은 슬리이브의 단부면의 곡면과 동일평면을 이룬다. 슬리이브 상에 결합된 라이너의 1/4부분은 베인이 결합될 작은 스트립부를 제외하고 슬리이브의 전체 곡면을 커버한다. 라이너와 베인은 슬리이브의 곡면 상에 결합되고, 요부(depression)는 라이너에 의해 완전히 커버된다. 이때 요부는 냉각유체를 위한 포켓을 형성한다. 포켓은 슬리이브 내의 홀을 통해 공급라인과 복귀라인에 연통한다.
슬리이브 및 라이너의 이너 1/4부분의 결합부의 등각투영 분해도가 도 40에 도시되어 있다.
슬리이브, 베인 및 라이너의 이너 1/4부분의 결합부의 등각투영 분해도가 도 41에 도시되어 있다.
복수의 베인이 정위치에 결합된, 2개의 슬리이브 및 라이너의 이너 1/4부분의 결합부의 등각투영 분해도가 도 42에 도시되어 있다.
슬리이브, 베인 및 라이너의 이너 1/4부분의 결합부의 등각투영도가 도 43에 도시되어 있다.
베인의 홈부의 반경방향 면과 면 사이의 각변위(angular displacement)는 홈부에 결합된 복수의 링이, 베인이 결합된 슬리이브 상에 결합된 라이너의 이너 1/4부분에 가압될 수 있는 각변위가 되도록 구성된다. 즉, 슬리이브 상에 결합된 베인의 홈부들 사이의 거리는 슬리이브 상에 결합된 라이너 이너 1/4부분에 의해 커버되지 않고 남아 있는 스트립의 폭 이상이다.
라이너의 아우터 하프 및 이너 1/4부분은 분할선을 따라 플랜지를 구비하고 있다. 이너 1/4부분의 플랜지는 슬리이브의 대응 표면에 가압되어 있다. 슬리이브 표면 상에 설치된 도웰 핀(Dowel pins)은 작동중 라이너 이너 1/4부분의 슬립을 방지한다. 이들 핀은 일단부에만 설치되어 작동 중 타단부는 확장이 가능하게 한다.
라이너의 아우터 하프는 이너 하프의 상측에 설치됨과 동시에 케이싱 내에 수용되어 있다.
케이싱은 이의 플랜지에 패스너에 의해 결합상태를 유지한다.
아우터 하프의 플랜지는 더욱 연장하여 슬리이브 상의 단차에 평행한 플랜지를 형성한다.
이들 플랜지는 슬리이브 상의 단차에 대해 슬라이딩 링을 가압시키기 위해 볼트를 이용하여 결합된다.
따라서, 상기 2개의 슬리이브는 상호 가압된다. (상기 슬라이딩 링과 슬리이브 계면에 마찰을 감소시키기 위해 롤러를 설치할 수 있다).
슬리이브 상의 라이너 아우터 하프 및 슬라이딩 링과, 베인 및 라이너 이너 하프 결합부의 등각투영 분해도가 도 44에 도시되어 있다.
전술한 도면의 부품들 및 케이싱의 등각투영 분해도는 도 45에 도시되어 있다.
도 46은 슬리이브 상에 장착된 캠 및 밸브 작동 캠의 등각투영도이다.
도 47은 복수의 밸브 작동 캠 및 연료 펌프 작동 캠을 구비하는 슬리이브 상에 결합된 완성된 베인 조립체의 등각투영도이다.
도 48은 도 47에 도시된 결합부 상의 라이너 아우터 하프의 2개의 부품을 구비하는 장치의 평면도이다.
도 49는 샤프트와 슬라이딩 마찰 클러치와 함께 전술한 도면 상의 부품의 배치의 정면도이다.
도 50은 소정의 위치에 설치된 케이싱을 구비한 장치의 등각투영도이다.
도 51은 2행정 내연기관으로서 구성된 샤프트를 구비하는 장치의 측면도이다.
장점
로터리 내연기관은 많은 장점을 가진다.
1. 복수의 캠의 종동자의 슬라이딩에 의해 작동 중에 압축비를 변경할 수 있다.
2. 역관성력(reversal of inertia forces)이 존재하지 않는다.
3. 엔진의 역전 즉 캠 종동자를 구비하는 캠 프로파일의 각도변위가 용이하므로 기어장치를 제거할 수 있다.
4. 샤프트의 길이가 길어서 샤프트 중량 자체가 플라이휠의 역할을 할 수 있다.
5. 내연기관의 사이즈가 종래의 동일한 출력의 내연기관에 비해 매우 소형이다.
6. 대형의 윤활 오일 슬럼프를 유지할 필요가 없다.
7. 복수의 베인이 슬리이브 상에 강고하게 고정되므로 종래의 내연기관의 라이너 상의 피스톤에서 발생하는 충격음이 발생하지 않는다. 이에 의해 소음 및 진동 수준이 낮아지게 된다.

Claims (8)

  1. 콤프레서, 펌프, 모터, 계측장치 또는 내연기관으로서 작용하도록 구성된 로터리 장치로서, 2개의 동일한 베인, 2개의 중공 슬리이브, 중공 라이너, 2개의 캠들, 캠종동자, 커플링 장치, 클러치, 샤프트, 브레이크를 구비하며;
    상기 캠들은 작동순서의 개시시에 상기 베인들간에 가변 초기 각 변위(2α)를 정하는 것으로서, 작동순서에 있어서는, 상기 베인들 중 하나는 고정되어 있고 다른 한 베인은 회전하는 것부터 시작하여, 상기 두 베인들은 360도에서 상기 초기 각 변위의 2배를 감한 각도(360도 - 4α)에 도달하였을 때 상기 두 베인들 모두 상기 초기 각 변위만큼 함께 회전하고, 상기 2개의 베인들은 개개의 베인들의 위치가 서로 바뀐 초기 위치에 도달하며, 이어서, 이전에 고정되었던 베인은 회전하고 이전에 회전하던 베인은 고정된 상태로 유지하는 것을, 상기 회전하는 베인이 360도에서 상기 고정 베인으로부터 상기 초기 각 변위의 2배를 감한 각도에 도달할 때까지 행하는 것인, 이러한 작동순서를 계속하여 진행하며;
    상기 베인들이 슬리이브의 표면에 대해 반경방향으로 있고 각각의 슬리이브의 양단부들에 있도록, 한 슬리이브에 한 베인씩, 상기 베인들이 상기 중공 슬리이브에 결합되고;
    상기 베인들은 베인 표면의 일부분이 상기 슬리이브의 단부로부터 돌출하게 결합되며;
    상기 베인들이 결합된 슬리이브의 단부들이 인접하여 놓여지게 상기 슬리이브들이 배치되고, 베인들은 캠 및 캠종동자에 의해 제어되어 변동되는 최소각만큼 각변위되며,
    상기 슬리이브는, 그 단부 표면의 중심을 통과하는 축이 동축상에 오도록 배치되며,
    상기 베인들이 상기 슬리이브들 상에 부착되는 부분을 슬리이브 결합부라 할 때, 상기 인접한 베인들 및 슬리이브 결합부는 슬리이브의 동축선을 중심으로 회전하며;
    상기 베인들은 라이너의 내측에 설치되고;
    상기 라이너는 슬리이브의 표면과 함께 케이스를 형성하고;
    내면을 갖는 상기 라이너는 상기 축선을 중심으로 회전할 때 상기 베인들의 단부가 지나는 경로를 따르는 윤곽을 가져, 베인들이 상기 축선을 중심으로 회전가능하게 하고;
    상기 베인들은 상기 라이너의 내측에 형성된 상기 케이스를 2개의 챔버로 구획하는 것인, 로터리 장치에 있어서,
    상기 2개의 슬리이브는 캠에 의해 작동되는 상기 커플링 장치에 의해 샤프트에 연결 및 연결해제되고,
    상기 2개의 캠은 슬라이브 상에 각각 배치되고, 슬리이브에 의해 구동되며,
    상기 시동시부터 상기 다른 베인이 시동시의 위치에 대해서, 360도에서 초기 각변위의 2배를 감한 각도에 도달할 때까지, 상기 캠종동자에 의해 작동되는 상기 커플링 장치는 상기 하나의 베인이 부착된 슬리이브를 샤프트로부터 해방함과 함께, 상기 캠종동자에 의해 작동되는 상기 브레이크는 상기 하나의 베인이 부착된 슬리이브를 유지하고;
    상기 하나의 베인이 시동시의 상기 다른 베인의 위치에 도달해서부터 상기 다른 베인의 시동시의 위치에 대해서 360도에서 초기 각변위의 2배를 감한 각도에 도달할 때까지, 상기 커플링 장치는 상기 다른 베인이 부착된 슬리이브를 샤프트로부터 해방함과 함께, 상기 브레이크는 상기 다른 베인이 부착된 슬리이브를 유지하고,
    상기 캠은 베인이 정지상태로 유지되고, 분리되고, 동시에 독립적으로 회전되는 각도를 정의하며,
    상기 캠은 2개의 베인을 상기 최소각도에서 동시에 회전시키고,
    상기 최소각도를 변경함으로써 압축비를 변화시킬 수 있으며,
    상기 캠이 그 캠의 외주의 일부를 절단한 프로파일을 가지며;
    프로파일의 개시부와 단부를 이분하는 표면은, 이 프로파일을 가지는 캠이 부착된 슬리이브에 부착된 베인의 표면과 평행하며;
    상기 캠종동자가 프로파일에 닿고 있을 때, 상기 커플링 장치는 이 프로파일을 가지는 캠이 슬리이브의 다른 슬리이브를 샤프트와 걸어맞춤과 동시에, 상기 브레이크가 상기 다른 슬리이브를 해방하며;
    상기 캠종동자가 상기 캠의 프로파일 외의 외주에 닿고 있을 때, 상기 커플링 장치는, 이 프로파일을 가지는 캠이 부착된 슬리이브의 다른 슬리이브를 샤프트로부터 해방함과 함께, 상기 브레이크는 상기 다른 슬리이브를 유지하며,
    프로파일의 개시부와 캠의 중심을 연결하는 직선 및 프로파일의 단부와 캠의 중심을 연결하는 직선의 두 개의 직선이 이루는 각도가 작동 중의 베인 사이의 최소 분리각도를 정의함과 함께, 상기 두 개의 직선이 이루는 각도는 상기 최소각도의 2배이며, 상기 최소 분리각도가 압축비를 정의하고,
    상기 두 개의 직선이 이루는 각도는 캠의 폭방향을 따라 서서히 변화하고, 상기 폭방향을 따라 캠종동자를 이동시킴으로써, 작동중의 베인 사이의 상기 최소 분리각도를 변화 가능하게 하며, 이에 의해 압축비가 변화되는 것
    을 특징으로 하는 로터리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상호 인접하는 상기 슬리이브 단부 표면들은 상기 단부 표면의 주위에서 유체 누설을 차단하는 연속적인 시일을 형성하는 시일부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베인들은 상기 베인의 단부를 가로질러 유체 누설을 차단하는 시일을 형성하는 시일부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 누설을 차단하기 위해 시일구조가 라이너 및 슬리이브 계면에 배치되는 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 포트 또는 밸브와 같은 연통장치 또는 유량조절 장치는 상기 케이스가 그 케이스의 외측의 공간과 연통하거나 외측의 공간으로부터 시일되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 밸브와 같은 연통장치 또는 유량조절 장치는 상기 로터리 장치가 콤프레서, 모터, 펌프 또는 계량장치로서 이용되도록 설치, 작동 및 타이밍 조절되는 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 연통장치 또는 에너지를 가하거나 제거하는 수단은 상기 로터리 장치가 다양한 압축비를 구비하는 내연기관과 같은 원동기로서 이용되도록 설치, 작동 및 타이밍 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 로터리 장치.
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