KR100999018B1 - 공기 실린더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 실린더에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 내부에 제1 및 제2 챔버가 구비되는 실린더; 상기 제1 및 제2 챔버 내에 왕복이동 가능하게 장착되며, 서로 결합되는 제1 및 제2 피스톤 로드; 상기 제1 및 제2 피스톤 로드에 각각 장착되며, 유체가 통과하는 유로가 두께 방향으로 관통되게 형성되는 제1 및 제2 피스톤 헤드; 상기 제1 및 제2 피스톤 헤드에 각각 장착되되, 상기 피스톤 헤드의 표면과 접하여 상기 유로를 폐쇄하거나 상기 피스톤 헤드의 표면으로부터 분리되어 상기 유로를 개방하는 제1 및 제2 피스톤 밸브; 및 상기 피스톤 밸브의 단부에 설치되는 볼 베어링 및 상기 제1 및 제2 피스톤 로드 각각에 한 쌍씩 형성되는 밸브고정홈으로 이루어지는 피스톤 밸브 고정구;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버의 양단부에 각각 유체 유입구 및 배출구가 형성되되, 상기 제1 챔버의 배출구와 상기 제2 챔버의 유입구는 서로 연통되고, 상기 제1 챔버의 유입구와 상기 제2 챔버의 배출구는 상기 실린더의 양단부에 형성되며, 상기 제1 및 제2 피스톤 밸브를 서로 반대방향으로 상기 제1 및 제2 피스톤 헤드에 장착되는 것을 특징으로 하는 실린더가 제공된다.

압축공기. 증기, 실린더, 엔진.

Description

공기 실린더{air cylinder}

본 발명은 공기 실린더에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압축 공기나 증기와 같은 고압의 유체가 갖는 에너지를 이용하여 피스톤이 왕복운동할 수 있도록 한 실린더에 관한 것이다.

피스톤과 실린더는 회전 동력을 얻기 위한 동력발생 장치의 대표적인 예로서, 가솔린이나 디젤과 같은 가연성 연료를 실린더 내부에 분사한 후 점화시켜 폭발이 일어나도록 하고, 그로 인해 발생되는 에너지를 이용하여 피스톤이 왕복운동하도록 한 것이다.
다만, 이러한 구조의 피스톤과 실린더의 경우에 화석 연료를 연소시켜야 하므로 그로 인해 소음 및 대기 오염물질이 배출되는 문제가 있다. 이러한 문제에 더하여, 화석 연료는 그 매장량에 한계가 있어 자원이 고갈되기 전에 이를 대체할 에너지를 찾아야 하는 과제가 있다.
한편, 이러한 화석 연료를 사용하지 않고 압축된 공기나 증기와 같은 고압의 유체를 실린더 내부에 주입하여 피스톤이 왕복이동할 수 있도록 한 형태의 실린더도 제안되고 있다. 이러한 소위 '공기 실린더'는 작동 과정에서 연료의 연소가 불필요하므로 깨끗하고 소음도 적게 발생할 뿐만 아니라 냉각장치가 불필요하게 되어 전체적인 구조가 연소식 실린더에 비해서 단순한 장점을 갖는다.
다만, 연속적인 동작을 위해서는 주기적으로 공기가 주입되고 배출될 필요가 있어, 이를 위한 밸브 장치의 구성이 복잡해지는 문제가 있다. 아울러, 현재 사용되고 있는 공기 실린더는 실린더 외부에 설치된 밸브의 동작을 위해 마이컴 등에 의해 제어되거나 수동으로 전진 및 후진이 이루어지게 되어 구조가 복잡해지거나 사용이 불편한 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 별도의 제어 장치가 없으면서도 간단한 구조를 갖는 공기 실린더를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 내부에 제1 및 제2 챔버가 구비되는 실린더; 상기 제1 및 제2 챔버 내에 왕복이동 가능하게 장착되며, 서로 결합되는 제1 및 제2 피스톤 로드; 상기 제1 및 제2 피스톤 로드에 각각 장착되며, 유체가 통과하는 유로가 두께 방향으로 관통되게 형성되는 제1 및 제2 피스톤 헤드; 상기 제1 및 제2 피스톤 헤드에 각각 장착되되, 상기 피스톤 헤드의 표면과 접하여 상기 유로를 폐쇄하거나 상기 피스톤 헤드의 표면으로부터 분리되어 상기 유로를 개방하는 제1 및 제2 피스톤 밸브; 및 상기 제1 및 제2 피스톤 밸브 각각의 단부에 설치되는 볼 베어링; 및 상기 제1 및 제2 피스톤 로드 각각에 한 쌍씩 형성되는 밸브고정홈;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 챔버의 양단부에 각각 유체 유입구 및 배출구가 형성되되, 상기 제1 챔버의 배출구와 상기 제2 챔버의 유입구는 서로 연통되고, 상기 제1 챔버의 유입구와 상기 제2 챔버의 배출구는 상기 실린더의 양단부에 형성되며, 상기 제1 및 제2 피스톤 밸브가 서로 반대방향으로 상기 제1 및 제2 피스톤 헤드에 장착되는 것을 특징으로 하는 실린더가 제공된다.
여기서, 상기 제1 및 제2 챔버의 단부 중 상기 제1 및 제2 피스톤 밸브가 마주하는 단부에 각각 돌출부가 형성될 수 있다.
본 발명은 압축공기 실린더 피스톤에 피스톤 밸브를 조립하고 실린더 챔버 중앙을 막아 실린더 내부를 제1 및 제2 챔버로 나누고 챔버마다 피스톤 밸브가 장착된 피스톤을 설치한다. 피스톤 밸브를 서로 반대 방향으로 상반되게 조립하여 피스톤 전진 및 후진 시 피스톤 밸브가 열리고 닫힘이 서로 반대되는 동작에 의해 피스톤 로드가 왕복운동을 하게 하여 전진 시 발생하는 출력과 후진 시 발생하는 출력을 함께 얻게 한 것이다.
본 발명은 실린더 챔버의 중앙을 막아 실린더 챔버를 2개로 나누고 실린더 챔버마다 터치밸브가 조립된 피스톤을 서로 반대방향으로 조립한다. 제1 챔버 피스톤에 관통된 공기통로는 피스톤이 상사점에 도착하면 피스톤 밸브가 닫히고 피스톤이 하사점에 도착하면 피스톤 밸브가 열리게 되고, 제2 챔버 피스톤에 관통된 공기통로는 상사점에 도착하면 열리고 하사점에 도착하면 닫히게 되므로 제1 챔버와 제2 챔버의 피스톤 밸브가 서로 반대로 동작되게 된다. 하나의 로드에 연결된 제1 피스톤과 제2 피스톤이 압축 유체의 공급을 통해 전진 및 후진이 이루어지게 되므로 외부의 밸브가 없이도 왕복운동을 하게 되는 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 별도의 외부 제어장치나 복잡한 밸브 구조가 없이도 연속적으로 왕복이동을 할 수 있게 되므로, 제조 단가 및 중량을 종래에 비해서 현저하게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 신뢰성 및 사용 편의성도 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 공기 실린더의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 실린더의 일 실시예의 외형을 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예(100)는 내부에 제1 챔버가 형성되는 제1 실린더 몸체(102) 및 내부에 제2 챔버가 형성되는 제2 실린더 몸체(104)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 실린더 몸체(104)의 양단부에는 판상의 상부 헤더(110) 및 하부 헤더(112)가 각각 배치되고, 제1 및 제2 실린더 몸체(104)의 사이에 구획판(114)이 배치된다.
아울러, 상기 상부 헤더(110)와 하부 헤더(112)의 사이를 가로지르도록 연장되는 고정 볼트(120) 및 상기 고정 볼트(120)의 일단부에 체결되는 고정 너트(122)에 의해서 상기 제1 및 제2 실린더 몸체 및 상부 헤더와 하부 헤더, 그리고 상기 구획판이 결합되어 하나의 공기 실린더를 형성하게 된다. 아울러, 상기 구획판(114)과 상기 하부 헤더(112)의 사이에는 상기 제1 챔버로부터 배출된 압축 공기가 상기 제2 챔버로 유입되도록 하기 위한 연결관(124)이 배치된다. 상기 연결관(124)에 대해서는 후술한다.
도 2a 내지 2b는 상기 실린더의 내부 구조를 도시한 단면도이다. 도 2a를 참조하면, 상기 상부 헤더(110)와 인접하여 제1 챔버(A)가 배치되고, 하부 헤더(112)와 인접하여 제2 챔버(B)가 배치되어 있음을 알 수 있다. 그리고, 상기 상부 헤더(110)의 내측면에는 돌출부(110a)가 형성되어 있으며, 상기 하부 헤더(112)의 내측면에도 돌출부(112a)가 형성되어 있다. 이들 돌출부(110a, 112a)들은 후술할 피스톤 밸브와 접하여 피스톤 밸브가 닫히도록 한다.
한편, 상기 상부 헤더(110)의 일측에는 압축 공기가 공급되는 유입구(110b)가 형성되며, 상기 유입구(110b)는 상기 제1 챔버의 내부와 연통된다. 그리고, 상기 구획판(114)의 제1 챔버측에는 제1 챔버(A)의 내부와 연통되며 내부의 공기가 배출되는 배출구(114a)가 형성되어 있다. 상기 배출구(114a)는 상술한 연결관(124)과 연결되어 있으며, 상기 하후 헤더(112)에 형성되는 유입구(112b)와 상기 연결관(124)에 의해 연결되어 있다. 따라서, 상기 제1 챔버로 유입된 압축 공기는 상기 연결관(124)을 통해서 상기 제2 챔버(B)의 내부로 재유입된다.
그리고, 상기 구획판(114)의 외주면에는 상기 제2 챔버(B)와 연통되는 배출구(114b)가 형성되며, 상기 배출구(114b)를 통해서 제2 챔버(B) 내의 공기가 실린더 외부로 배출될 수 있다.
상기 제1 챔버(A)와 제2 챔버(B)의 내부에는 각각 제1 및 제2 피스톤(150, 160)이 각각의 챔버 내에서 슬라이드 가능하게 설치된다. 상기 제1 피스톤(150)은 상기 외주면이 상기 제1 챔버(A)의 내벽면과 접하는 제1 피스톤 헤드(152) 및 상기 제1 피스톤 헤드(152)와 결합되는 제1 피스톤 로드(154)를 포함한다. 상기 제1 피스톤 로드(154)는 상기 구획판(114)의 중앙부를 관통하여 이동할 수 있도록 설치된다.
유사하게, 상기 제2 피스톤(160)은 상기 외주면이 상기 제2 챔버(B)의 내벽면과 접하는 제2 피스톤 헤드(162) 및 상기 제2 피스톤 헤드(162)와 결합되는 제2 피스톤 로드(164)를 포함한다. 상기 제2 피스톤 로드(164)의 일측 단부에는 상기 제1 피스톤 로드(154)의 단부가 결합되고, 제2 피스톤 로드(164)의 타측 단부는 상기 실린더(110)의 하부 헤더(112)를 관통하여 외부로 연장되고, 이는 상기 실린더의 출력축으로서 기능하게 된다.
도 3은 상기 제1 및 제2 피스톤을 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 상기 제1 및 제2 피스톤을 확대하여 도시한 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 피스톤 헤드(152)에는 두 종류의 관통공이 형성되는데, 참조번호 152a는 압축 공기가 통과하는 유로로서 기능하는 것이고, 참조번호 152b는 후술할 피스톤 밸브 고정핀(172)이 관통하기 위한 것이다. 상기 제1 피스톤 헤드(152)의 일측에는 원판 형태의 제1 피스톤 밸브(170)가 배치되고, 상기 제1 피스톤 밸브(170)에 상기 피스톤 밸브 고정핀(172)이 고정된다. 한편, 상기 피스톤 밸브 고정핀(172)은 베어링 하우징(180)의 상부면에 고정되되, 그 길이가 상기 제1 피스톤 밸브(170)의 두께보다 크게 형성되어 있다. 따라서, 상기 제1 피스톤 밸브(170)와 상기 베어링 하우징(180)이 결합되어 상기 제1 피스톤 헤드(152)에 대해서 축 방향으로 이동할 수 있게 된다.
한편, 상기 베어링 하우징(180)의 하부(182)에는 베어링 삽입공(182)이 형성되고, 상기 베어링 삽입공(182)에 볼 베어링(190)이 삽입되고, 그의 외부에 베어링 고정링(190)이 장착되어 볼 베어링(190)의 이탈을 방지하게 된다. 여기서, 상기 볼 베어링(190)은 상기 제1 피스톤 로드(154)에 형성되는 두 개의 밸브고정홈(154a, 154b)에 삽입되어 상기 제1 피스톤 밸브(170)의 위치를 제한하는 역할을 겸함과 동시에, 두 개의 밸브고정홈 사이에서 베어링 하우징(180)이 보다 원활하게 이동할 수 있도록 한다.
미설명 부호 164a 및 164b는 제2 피스톤 헤드(162)에 결합되는 제2 피스톤 밸브(200)과 베어링 하우징(210)의 위치를 결정하기 위한 밸브고정홈이고, 162a 및 162b는 상기 제2 피스톤 헤드(162)에 형성되는 관통공이며, 202는 피스톤 밸브 고정핀이다. 또한, 212는 상기 베어링 하우징(210)의 하부를 지칭하는 것이고, 214는 상기 하부에 형성되는 삽입공을 지칭한다. 마지막으로 220은 상기 베어링 하우징(210)에 삽입되는 볼 베어링을 지칭하며, 222는 상기 볼 베어링(220)의 이탈을 방지하기 위한 베어링 고정링을 지칭하는 것이다.
도 4에서 (a)는 상기 제1 피스톤 헤드(152) 측에 배치되는 제1 피스톤 밸브(170)에 의해 상기 유로 역할을 하는 관통공(152a)이 폐쇄된 반면에, 상기 제2 피스톤 헤드(162) 측에 배치되는 제2 피스톤 밸브(200)가 제2 피스톤 헤드(162)의 표면으로부터 분리되어 상기 관통공(162a)이 개방된 상태를 도시한 것이고, (b)는 그 반대의 상태를 도시한 것이다.
이제 도 2a 내지 2b를 참조하여, 상기 실시예의 작동에 대해서 설명한다.
도 2a는 제1 피스톤(150)이 상기 상부 헤더(110)와 접한 상태, 즉 상사점에 있는 상태를 도시한 것이다. 이 상태에서 상기 제1 피스톤 밸브(170)는 상기 제1 피스톤 헤드(152)와 접하여 관통공(152a)은 막혀 있게 된다. 반면에, 상기 제2 피스톤 헤드(162) 측에서는 상기 베어링 하우징(210)의 하부가 상기 구획판(114)과 접하여 제2 피스톤 밸브(200)가 제1 피스톤 헤드(162)의 표면으로부터 분리되어 관통공(162a)은 개방되어 있다.
이 상태에서, 상기 유입구(110b) 측으로 압축 공기를 주입하면, 도 2b에 도시된 바와 같이 압축 공기가 상기 제1 피스톤 밸브(170)를 밀면서 제1 및 제2 피스톤이 도 2b를 기준으로 하여 우측으로 이동하게 된다.
압축 공기가 지속적으로 유입되면, 도 2c와 같은 상태에 도달하게 되는데, 이 상태에서는 제1 피스톤 헤드(152) 측의 제1 피스톤 밸브(170)가 분리되면서 관통공(152a)이 개방되고, 그로 인해 압축 공기는 제1 피스톤 헤드(152)와 제1 피스톤 밸브(170) 사이의 공간 및 상기 관통공(152a)을 통과하여 상기 배출구(114a)로 유입되고, 연결관(124)을 거쳐 제2 챔버(B)로 유입된다. 이때, 제2 피스톤 헤드(162) 측의 제2 피스톤 밸브(200)는 상기 돌출부(112a)에 의해 눌려서 제2 피스톤 헤드(162)와 접하게 되고, 이로 인해 상기 관통공(162a)은 폐쇄되게 된다.
따라서, 유입된 공기는 상기 제2 피스톤 헤드(162)를 밀게 되고, 이에 따라 도 2d에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 피스톤은 도 2d를 기준으로 좌측으로 이동하게 된다. 압축 공기를 지속적으로 공급하면, 다시 도 2a의 상태로 복귀하게 되고, 이로 인해서 상기 제1 및 제2 피스톤은 상술한 도 2a 내지 도 2d의 과정을 반복하면서 왕복이동을 하게 된다. 이 과정에서 별도의 제어 장치를 사용할 필요가 없다.

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도 1은 본 발명에 따른 엔진에 사용되는 실린더의 외형을 도시한 사시도이다.
도 2a 내지 2d는 도 1에 도시된 실린더의 내부 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 실린더에 장착되는 피스톤을 도시한 분해사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 실린더에 장착되는 피스톤을 도시한 단면도이다.

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Claims (2)

1. 내부에 제1 및 제2 챔버가 구비되는 실린더;

   상기 제1 및 제2 챔버 내에 왕복이동 가능하게 장착되며, 서로 결합되는 제1 및 제2 피스톤 로드;

   상기 제1 및 제2 피스톤 로드에 각각 장착되며, 유체가 통과하는 유로가 두께 방향으로 관통되게 형성되는 제1 및 제2 피스톤 헤드;

   상기 제1 및 제2 피스톤 헤드에 각각 장착되되, 상기 피스톤 헤드의 표면과 접하여 상기 유로를 폐쇄하거나 상기 피스톤 헤드의 표면으로부터 분리되어 상기 유로를 개방하는 제1 및 제2 피스톤 밸브;

   상기 제1 및 제2 피스톤 밸브 각각의 단부에 설치되는 볼 베어링; 및

   상기 제1 및 제2 피스톤 로드 각각에 한 쌍씩 형성되는 밸브고정홈;을 포함하며,

   상기 제1 및 제2 챔버의 양단부에 각각 유체 유입구 및 배출구가 형성되되, 상기 제1 챔버의 배출구와 상기 제2 챔버의 유입구는 서로 연통되고, 상기 제1 챔버의 유입구와 상기 제2 챔버의 배출구는 상기 실린더의 양단부에 형성되며,

   상기 제1 및 제2 피스톤 밸브가 서로 반대방향으로 상기 제1 및 제2 피스톤 헤드에 장착되는 것을 특징으로 하는 실린더.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 챔버의 단부 중 상기 제1 및 제2 피스톤 밸브가 마주하는 단부에 각각 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더.

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