KR101419811B1

KR101419811B1 - 왕복 펌프의 가압 부재

Info

Publication number: KR101419811B1
Application number: KR1020130079039A
Authority: KR
Inventors: 조용주
Original assignee: 주식회사 트리보테크
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2014-07-15

Abstract

왕복 펌프의 실린더 내에 삽입되어 왕복 운동하면서 실린더 내의 유체를 가압하는 가압 부재가 개시된다. 개시된 가압 부재의 외주면에는 가압 부재의 상단 가까이에 그루브가 형성되며, 상기 그루브는 가압 부재가 왕복 운동 중 기울어지는 방향에 대해 반경 방향으로 반대쪽에 형성된다. 상기 그루브는, 그루브가 형성된 부분에서 가압 부재의 외주면과 실린더 사이의 유막 압력을 감소시킴으로써, 그루브 반대쪽의 최소유막두께를 증가시켜 가압 부재와 실린더 사이의 직접적인 접촉 가능성을 줄인다.

Description

왕복 펌프의 가압 부재{Pressurizing member for reciprocating pump}

본 발명은 왕복 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실린더 내에서 왕복 운동하며 유체를 가압하는 플런저 또는 피스톤과 같은 왕복 펌프의 가압 부재에 관한 것이다.

왕복 펌프는 플런저 또는 피스톤을 왕복 운동시켜 실린더 내의 유체를 가압 송출하는 장치이다. 이러한 왕복 펌프로는, 실린더 내에서 왕복 운동하며 유체를 가압하는 가압 부재로서 피스톤을 사용하는 왕복 피스톤 펌프와, 가압 부재로서 플런저를 사용하는 왕복 플런저 펌프가 있다. 이 중에서 왕복 플런저 펌프는 비교적 소량의 유체를 고압으로 가압하여 송출하는데 적합하므로, 연료분사펌프 등에 많이 이용된다.

종래의 왕복 플런저 펌프, 일반적으로 원통 형상의 실린더 내에 원기둥 형상의 플런저가 삽입된 구조를 갖고 있으며, 캠 등의 구동 기구에 의해 플런저를 왕복 운동시킴으로써 실린더 내의 유체, 예컨대 연료를 가압하여 송출하는 작용을 하게 된다. 한편, 왕복 플런저 펌프에서는 '실린더'라는 명칭 대신에 '배럴'이라는 명칭을 사용하기도 하지만, 본 명세서에서는 '실린더'와 '배럴'을 통칭하여 '실린더'라고 한다.

종래의 왕복 피스톤 펌프에 대해서는 도 1과 도 2를 참조하면서 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 왕복 피스톤 펌프의 일 예를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서 기울어지는 현상을 도시한 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 종래의 왕복 피스톤 펌프(10)는, 일반적으로 원통 형상의 실린더(20) 내에 원기둥 형상의 피스톤(30)이 삽입된 구조를 갖고 있으며, 크랭크 축(42)과 커넥팅 로드(44)와 같은 구동 기구에 의해 피스톤(30)을 왕복 운동시킴으로써 실린더(20) 내의 유체를 가압하여 송출하는 작용을 하게 된다.

상기 실린더(20)의 상부에는 유체를 흡입하는 흡입구(22)와 유체를 배출하는 배출구(24)가 형성되어 있으며, 상기 흡입구(22)와 배출구(24)에는 각각 흡입밸브(26)와 배출밸브(28)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 피스톤(30)의 외주면(31) 상단부에는 피스톤 링(미도시)이 삽입되는 피스톤 링 삽입홈(32)이 형성되기도 한다.

상기 피스톤(30)이 하사점을 향해 하강하는 과정에서 흡입밸브(26)가 열려 흡입구(22)를 통해 유체가 실린더(20) 내부로 흡입된다. 상기 피스톤(30)이 하사점으로부터 상승하는 과정에서는 흡입밸브(26)는 닫히게 됨으로써 실린더(20) 내의 유체는 가압되며, 일정 시점에서 배출밸브(28)가 열리게 됨으로써 실린더(20) 내의 가압된 유체는 배출구(24)를 통해 배출된다.

일반적으로, 피스톤(30)의 외주면(31)과 실린더(20)의 내주면(21) 사이에는 피스톤(30)과 실린더(20)의 직접적인 접촉을 피하고 피스톤(30)의 왕복 운동을 원활하게 하기 위해 얇은 유막이 형성된다. 이러한 유막의 두께는, 예를 들어, 대략 10㎛ ~ 20㎛ 정도일 수 있으나, 피스톤(30)의 직경, 길이 및 왕복 운동 속도 등에 따라 달라질 수 있으며, 이를 위해 피스톤(30)의 외경은 실린더(20)의 내경보다 약간 작게 형성된다.

그런데, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 피스톤(30)이 실린더(20) 내에서 왕복 운동하는 과정에서 기울어질 수 있으며, 이는 왕복 피스톤 펌프(10)의 구조, 피스톤(30)의 형상, 피스톤(30)의 구동 메커니즘 등의 요인들에 기인한다.

이와 같이 피스톤(30)이 기울어지게 되면, 피스톤(30)과 실린더(20) 사이의 유막이 부분적으로 얇아지거나 파손될 수 있다. 이 경우, 피스톤(30)과 실린더(20)의 직접적인 접촉으로 인해 피스톤(30)의 외주면(31)과 실린더(20)의 내주면(21)이 마찰로 인해 마모되거나 손상될 수 있으며, 이에 따라 왕복 피스톤 펌프(10)의 성능이 저하되고 수명이 단축되는 문제점이 발생하게 된다.

상기한 문제점은 가압 부재로서 플런저를 사용하는 왕복 플런저 펌프에서도 동일하게 발생하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 가압 부재의 외주면에 비대칭적으로 그루브를 형성하여 가압 부재의 기울어짐으로 인한 가압 부재와 실린더의 직접적인 접촉 가능성을 줄임으로써 가압 부재와 실린더의 마모 및 손상을 억제할 수 있는 왕복 펌프의 가압 부재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면,

왕복 펌프의 실린더 내에 삽입되어 왕복 운동하면서 상기 실린더 내의 유체를 가압하는 가압 부재에 있어서,

상기 가압 부재의 외주면에는 상기 가압 부재의 상단 가까이에 그루브가 형성되며, 상기 그루브는 상기 가압 부재가 왕복 운동 중 기울어지는 방향에 대해 반경 방향으로 반대쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재가 제공된다.

여기서, 상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주방향으로 일정 크기를 가진 중심각의 범위 내에 형성될 수 있다.

또한, 상기 중심각은 90°내지 180°인 것이 바람직하다.

또한, 상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주 방향으로 수평 연장되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주 방향에 대해 경사지게 연장되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 그루브는 상기 가압 부재의 길이 방향으로 간격을 두고 다수개가 나란하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주 방향으로 간격을 두고 다수개가 형성될 수 있다.

또한, 상기 가압 부재의 외주면에는 상기 그루브에 연결되어 상기 가압 부재의 길이 방향으로 상기 가압 부재의 하단까지 연장된 축방향 그루브가 더 형성될 수 있다.

또한, 상기 그루브의 깊이는 상기 가압 부재의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 평균 간격과 동일하거나 상기 평균 간격보다 클 수 있다.

또한, 상기 가압 부재는, 그 상면 중심과 하면 중심이 상기 실린더의 중심축으로부터 서로 반대쪽으로 편심된 형태로 기울어지고, 상기 가압 부재의 외주면에는 상기 가압 부재의 하단 가까이에 보조그루브가 더 형성되며, 상기 보조그루브는 상기 그루브에 대해 반경 방향으로 반대쪽에 형성될 수 있다.

또한, 상기 보조그루브는 상기 그루브와 동일한 패턴으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 왕복 펌프의 가압 부재에 의하면, 피스톤이나 플런저와 같은 가압 부재가 기울어질 경우 가압 부재의 외주면에 형성된 그루브에 의해 그 부분의 유막 압력이 낮아짐으로써 가압 부재의 기울어지는 정도가 완화되므로, 가압 부재와 실린더 사이의 최소유막두께가 두꺼워져 가압 부재와 실린더 사이의 직접적인 접촉 가능성이 줄어들게 된다.

따라서, 가압 부재와 실린더의 접촉으로 인한 마모 및 손상이 억제될 수 있으므로, 왕복 펌프의 성능이 저하되고 수명이 단축되는 종래의 문제점을 해소할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 왕복 피스톤 펌프의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 피스톤이 왕복 운동하는 과정에서 기울어지는 현상을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복 펌프의 가압 부재를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 가압 부재의 그루브를 도시한 사시도이다.
도 5 내지 도 9는 도 4에 도시된 그루브의 변형예들을 도시한 도면들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복 펌프의 가압 부재를 도시한 도면이다.
도 11은 왕복 펌프의 실린더 내의 피스톤에 작용하는 측력을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 가압 부재의 우측에 작용하는 쐐기효과에 의한 유막 압력을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 11에 도시된 가압 부재의 좌측에 작용하는 스퀴즈효과에 의한 유막 압력을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 가압 부재에 형성된 그루브의 작용 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 가압 부재에 형성된 그루브에 의한 최소유막두께의 증가를 보여주는 그래프이다.
도 16은 왕복 피스톤 펌프의 피스톤을 도시한 도면이다.
도 17과 도 18은 크랭크 축과 커넥팅 로드에 의해 구동되는 피스톤의 다양한 틸팅 모션을 해석한 결과를 보여주는 도면들이다.
도 19는 사판식 왕복 피스톤 펌프의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 20은 도 19에 도시된 사판식 왕복 피스톤 펌프에서의 피스톤이 기울어지는 방향을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 왕복 펌프의 가압 부재에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 왕복 펌프의 가압 부재를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 가압 부재의 그루브를 도시한 사시도이다.

도 2와 도 3을 함께 참조하면, 왕복 펌프(100)는, 원통 형상의 실린더(110)와, 상기 실린더(110) 내에 삽입되어 왕복 운동하면서 상기 실린더(110) 내의 유체를 가압하는 가압 부재(120)를 구비한다. 상기 왕복 펌프(100)는 왕복 피스톤 펌프일 수 있으며, 이 경우 상기 가압 부재(120)는 피스톤일 수 있다. 또한, 상기 왕복 펌프(100)는 왕복 플런저 펌프일 수 있으며, 이 경우 상기 가압 부재(120)는 플런저일 수도 있다.

상기 왕복 펌프(100)의 가압 부재(120)는 원기둥 형상을 갖고 있으며, 그 하단부가 캠이나 크랭크 축과 커넥팅 로드와 같은 구동 기구에 연결되어 상기 실린더(110) 내에서 왕복 운동하게 된다.

전술한 바와 같이, 상기 가압 부재(120)는 실린더(110) 내에서 왕복 운동하는 과정에서 기울어질 수 있으며, 이는 왕복 펌프(100)의 구조, 가압 부재(120)의 형상, 가압 부재(120)의 구동 메커니즘 등의 여러 가지 요인들에 기인한다. 그리고, 상기 가압 부재(120)가 기울어지는 방향, 즉 가압 부재(120)의 틸팅 모션은 상기 요인들에 따라 소정의 방향성을 가지게 되므로, 상기 요인들을 분석하면 가압 부재(120)가 기울어지는 방향을 예측할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 도 16 내지 도 20을 참조하면서 상세하게 설명하기로 한다.

도 3에는 상기 가압 부재(120)의 상단부가 좌측으로 기울어진 예가 도시되어 있다. 이 경우, 상기 가압 부재(120)의 상면 중심(C1)은 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 좌측으로 편심된다. 그리고, 상기 가압 부재(120)의 하면 중심(C2)은 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 거의 편심되지 않을 수 있다. 예를 들어, 왕복 플런저 펌프의 경우에 가압 부재인 플런저의 하단부가 구동 기구에 거의 흔들리지 않도록 결합된 경우에는 플런저의 상단부만 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 좌측 또는 우측으로 기울어질 수 있는 것이다. 한편, 상기 가압 부재(120)는, 그 상면 중심(C1)이 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 일측으로 편심되고, 그 하면 중심(C2)은 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 반대측으로 편심되는 형태로 기울어질 수도 있으며, 이에 대해서는 뒤에서 도 10에 도시된 다른 실시예와 관련하여 설명하기로 한다.

상기한 바와 같이, 가압 부재(120)가 기울어지게 되면, 가압 부재(120)와 실린더(110) 사이의 유막이 부분적으로 얇아지거나 파손될 수 있다. 이 경우, 가압 부재(120)의 외주면(121)과 실린더(110)의 내주면(111)이 상호간의 직접적인 접촉으로 인해 마모되거나 손상될 수 있다.

이를 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가압 부재(120)의 외주면(121)에는 소정 깊이의 그루브(124)가 형성된다. 구체적으로, 상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)의 외주면(121)에 형성되되, 상기 가압 부재(120)의 상단 가까이에 형성된다. 그리고, 상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)가 왕복 이동하는 과정에서 그 상단부가 기울어지는 방향에 대해 반경 방향으로 반대쪽의 외주면(121)에 형성된다. 더욱 구체적으로, 상기 가압 부재(120)가 기울어짐으로써 상기 실린더(110)의 내주면(111)과 가장 가까워지는 지점, 즉 도 3에 'A'로 표시된 유막의 두께가 가장 작아지는 지점(이하, '최소유막지점'이라 한다.)에 대해 가압 부재(120)의 반경 방향으로 반대쪽 부분의 외주면(121)에 상기 그루브(124)가 형성된다.

그리고, 상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)의 원주방향으로 소정의 중심각(θ)의 범위 내에 형성된다. 여기서, 상기 중심각(θ)은 대략 90°내지 180°인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)의 외주면(121)에 상기 중심각(θ)의 범위 내에서 가압 부재(120)의 원주 방향으로 수평으로 길게 연장된 형상으로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 바와 같이, 상기 그루브(124)는 다양한 형상 및 패턴으로 형성될 수 있다.

상기 그루브(124)는 소정의 깊이(D)를 가지도록 형성된다. 상기 그루브(124)의 깊이(D)는 가압 부재(120)의 외주면(121)과 실린더(110)의 내주면(111) 사이의 평균 간격, 즉 설계시 설정된 평균 유막 두께와 동일하거나 이 보다 깊도록 형성될 수 있다.

한편, 도면들에서 상기 실린더(110)의 내주면(111)과 가압 부재(120)의 외주면(121) 사이에는 상당히 큰 간격이 있고, 이러한 간격은 상기 그루브(124)의 깊이(D)보다 큰 것으로 도시되어 있으나, 이러한 간격은 본 발명을 명확하게 보여주기 위해 확대하여 도시한 것일 뿐, 상기 그루브(124)의 깊이(D)보다 크다는 것을 의미하지는 않는다. 실제로, 실린더(110)의 내주면(111)과 가압 부재(120)의 외주면(121) 사이의 평균 간격은 매우 얇은 유막이 형성될 수 있는 정도에 불과하다. 예를 들어, 상기 유막의 두께는 가압 부재(120)의 직경, 길이 및 왕복 운동 속도 등의 여러가지 요인에 따라 달라질 수 있으나, 대략 10㎛ ~ 20㎛ 정도일 수 있다. 이 경우, 상기 그루브(124)는 대략 10㎛ ~ 20㎛ 정도 또는 그 이상의 깊이(D)로 형성된다. 후술하는 바와 같이, 유막 압력 감소의 효과를 충분히 얻기 위해서, 상기 그루브(124)는 실린더(110)의 내주면(111)과 가압 부재(120)의 외주면(121) 사이의 평균 간격보다 상당히 큰 깊이(D)를 가지도록 형성될 수도 있다.

상기한 바와 같이 형성된 그루브(124)는 그 부분의 유막 압력을 감소시키게 되고, 가압 부재(120)의 기울어지는 정도가 완화된다. 이에 따라, 가압 부재(120)의 최소유막지점(A)에서의 최소유막두께가 두꺼워지는 효과가 있다. 이러한 작용 및 효과에 대해서는 뒤에서 도 11 내지 도 15를 참조하면서 상세하게 설명하기로 한다.

도 5 내지 도 9는 도 4에 도시된 그루브의 변형예들을 도시한 도면들이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)의 길이 방향으로 간격을 두고 다수개가 나란하게 형성될 수도 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 그루브(124)는 수평이 아니라 상기 가압 부재(120)의 원주 방향에 대해 경사지게 연장되도록 형성될 수도 있으며, 이 경우에도 가압 부재(120)의 길이 방향으로 간격을 두고 다수개가 나란하게 형성될 수도 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)의 원주 방향으로 간격을 두고 다수개가 형성될 수도 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가압 부재(120)의 외주면(121)에는 상기 그루브(124)에 연결되는 축방향 그루브(128)가 더 형성될 수 있다. 상기 축방향 그루브(128)는 상기 그루브(124)로부터 상기 가압 부재(120)의 길이 방향, 즉 축방향으로 가압 부재(120)의 하단까지 연장되도록 형성된다. 상기 축방향 그루브(128)는 상기 그루브(124)의 양단에 각각 연결되도록 두 개가 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 상기 축방향 그루브(128)는 상기 그루브(124)의 일단에만 연결되거나 중간부에 연결되도록 형성될 수도 있다.

또한, 상기 축방향 그루브(128)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 그루브(124)가 형성된 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 축방향 그루브(128)는 다수의 그루브(128) 모두에 연결되도록 형성될 수 있다.

도 8과 도 9에 도시된 축방향 그루브(128)는 가압 부재(120)의 하단까지 연장되므로 실린더(110) 외부의 주변 압력과 연결된다. 이때, 주변 압력은 주로 대기압이 될 것이다. 따라서, 상기 축방향 그루브(128)와 연결된 상기 그루브(124) 내의 압력은 주변 압력까지 낮아질 수 있으며, 이로 인해 상기 그루브(124)가 형성된 부분의 유막 압력도 더욱 낮아질 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복 펌프의 가압 부재에 대해 설명하기로 한다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복 펌프의 가압 부재를 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 상기 가압 부재(120)는 일측, 예컨대 좌측으로 기울어질 수 있다. 이때, 상기 가압 부재(120)는, 그 상면 중심(C1)이 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 좌측으로 편심되고, 그 하면 중심(C2)은 실린더(110)의 중심축(Ca)으로부터 우측으로 편심된 형태로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 뒤에서 설명되는 도 17과 도 18에 도시된 바와 같이, 왕복 피스톤 펌프의 가압 부재인 피스톤이 커넥팅 로드에 연결된 경우에, 피스톤의 상단부와 하단부가 비교적 자유로운 상태여서 피스톤의 상면 중심과 하면 중심이 실린더의 중심축으로부터 서로 반대쪽으로 편심된 형태로 기울어질 수 있다. 또한, 뒤에서 설명되는 도 19와 도 20에 도시된 바와 같이, 사판식 왕복 피스톤 펌프의 경우에도 그 피스톤의 상면 중심과 하면 중심이 실린더의 중심축으로부터 서로 반대쪽으로 편심된 형태로 기울어질 수 있다.

상기한 바와 같은 경우에, 상기 가압 부재(120)의 외주면(121)의 상단 가까이에는 소정 깊이의 그루브(124)가 형성되고, 외주면(121)의 하단 가까이에도 보조그루브(126)가 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 그루브(124)는 상기 가압 부재(120)가 왕복 이동하는 과정에서 그 상단부가 기울어지는 방향에 대해 반경 방향으로 반대쪽의 외주면(121)에 형성된다. 더욱 구체적으로, 상기 가압 부재(120)의 상단부가 기울어짐으로써 상기 실린더(110)의 내주면(111)과 가장 가까워지는 지점, 즉 도 10에 'A'로 표시된 상단부 최소유막지점에 대해 가압 부재(120)의 반경 방향으로 반대쪽 부분의 외주면(121)에 상기 그루브(124)가 형성된다. 상기 그루브(124)는 도 3과 도 4에 도시된 그루브(124)와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 그루브(124)도 도 5 내지 도 9에 도시된 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.

상기 보조그루브(126)는 상기 가압 부재(120)의 하단부와 실린더(110)의 내주면(111)이 가장 가까워지는 지점, 즉 도 10에 'B'로 표시된 하단부 최소유막지점에 대해 가압 부재(120)의 반경 방향으로 반대쪽 부분의 외주면(121)에 형성된다. 결과적으로, 상기 보조그루브(126)는 상기 그루브(124)에 대해 가압 부재(120)의 반경 방향으로 반대쪽에 형성되되, 외주면(121)의 하단 가까이에 형성된다. 그리고, 상기 보조그루브(126)도 상기 그루브(124)와 형성 위치의 차이를 제외하고는 구체적 구성이 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 보조그루브(126)는 상기 그루브(124)와 동일한 패턴으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 보조그루브(126)도 도 5 내지 도 9에 도시된 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같이 형성된 그루브(124)와 보조그루브(126)는 그 부분의 유막 압력을 감소시킴으로써 가압 부재(120)의 기울어지는 정도를 완화시킨다. 이에 따라, 가압 부재(120)의 상단부 최소유막지점(A)과 하단부 최소유막지점(B)에서의 최소유막두께가 두꺼워지는 효과가 있다.

이하에서는, 도 11 내지 도 15를 참조하면서, 본 발명에 따른 피스톤의 외주면에 형성된 그루브의 작용 및 효과를 설명하기로 한다.

도 11은 왕복 펌프의 실린더 내의 피스톤에 작용하는 측력을 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 12는 도 11에 도시된 가압 부재의 우측에 작용하는 쐐기효과에 의한 유막 압력을 설명하기 위한 도면이며, 도 13은 도 11에 도시된 가압 부재의 좌측에 작용하는 스퀴즈효과에 의한 유막 압력을 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 가압 부재에 형성된 그루브의 작용 효과를 설명하기 위한 도면이며, 도 15는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 가압 부재에 형성된 그루브에 의한 최소유막두께의 증가를 보여주는 그래프이다.

먼저, 도 11을 참조하면, 실린더 내에서 피스톤이 상승 운동할 경우, 이는 피스톤과 실린더 사이의 유체는 피스톤에 대해 아래쪽으로 흐르는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 피스톤이 좌측으로 기울어지면, 피스톤의 우측에서는 피스톤과 실린더 사이의 간격이 유체의 흐름 방향을 따라 점차 좁아지게 되고, 피스톤의 좌측에서는 피스톤과 실린더 사이의 간격이 유체의 흐름 방향을 따라 점차 넓어지게 된다.

상기한 경우에, 피스톤의 우측 간격 내에서는 유체의 흐름 방향으로 간격이 점차 좁아지므로 아래에서 설명되는 쐐기효과에 의한 유막 압력(F1)이 형성되어 이 피스톤에 대한 측력으로 작용하게 되고, 피스톤의 좌측 간격 내에서는 아래에서 설명되는 스퀴즈효과에 의한 유막 압력(F2)이 형성되어 피스톤에 대한 측력으로 작용하게 된다. 이러한 쐐기효과에 의한 유막 압력(F1)과 스퀴즈효과에 의한 유막 압력(F2)의 균형에 의해 피스톤의 최소유막지점의 최소유막두께가 결정되는 것이다.

도 12를 참조하면, 수평으로 설치된 하판 위에 간격을 두고 상판을 경사지게 설치하고, 하판과 상판 사이에 유체를 채운 다음, 하판을 상판과의 간격이 좁은 좌측으로 이동시키면, 하판과 상판 사이의 유막 압력이 하판과 상판 사이의 간격이 좁아질수록 증가하는 것을 알 수 있다. 한편, 도 12에 표시된 화살표는 유체의 이동 속도를 나타낸다.

이와 같이, 유체가 흐르는 방향으로 두 면 사이의 간격이 좁아지면 유막 압력(도 11의 F1)이 형성되어 면을 지지할 수 있는 능력이 생기는데, 이를 쐐기효과라고 한다.

도 13을 참조하면, 하판과 상판을 일정한 간격을 두고 평행하게 설치하고, 하판과 상판 사이에 유체를 채운 다음, 상판을 아래쪽으로 누르면, 하판과 상판 사이의 유막 압력이 증가하되 중간부에서 최대가 된다는 것을 알 수 있다. 한편, 도 13에 표시된 화살표는 하판과 상판 사이를 벗어나는 유체의 이동 속도를 나타낸다.

이와 같이, 두 면이 서로 누르려고 할 때 유막 압력(도 11의 F2)이 형성되며, 이러한 유막 압력은 두 면 사이의 쿠션 역할을 하게 되는데, 이를 스퀴즈효과라고 한다.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가압 부재(120), 예컨대 피스톤의 외주면(121)에 그루브(124)가 형성되면, 그루브(124)가 형성된 부분에서의 간격이 크게 증가하게 되고, 이에 따라 그 부분의 유막 압력(F1)이 감소하게 된다. 이러한 유막 압력(F1)의 감소는 위에서 설명된 쐐기효과의 감소에 의해 이루어지게 며, 이에 반해 최소유막지점(A)에서의 스퀴즈효과에 의한 유막 압력(F2)은 그대로 유지된다. 따라서, 상기 가압 부재(120)는 유막 압력(F1, F2)의 균형을 이루기 위해 쐐기효과에 의해 유막 압력(F1)이 낮아진 쪽으로 밀리게 되므로, 이점쇄선으로 도시된 바와 같이 가압 부재(120)가 세워지게 되며, 최소유막지점(A)의 최소유막두께는 두꺼워지게 되는 것이다.

도 15의 그래프는, 도 3에 도시된 본 발명에 따른 가압 부재의 외주면에 중심각 180°로 그루브가 형성된 경우와, 가압 부재의 외주면에 360°로 그루브가 형성된 경우와, 그루브가 형성되지 않은 종래의 가압 부재의 경우에 있어서 각각의 최소유막두께를 보여주는 그래프이다.

도 15의 그래프에서, 가압 부재는 캠에 의해 구동되는 플런저이며, 캠 각(cam angle)이 0°일 때에는 가압 부재가 상사점에 위치할 때이고, 캠 각 280° 부근에서 가압 부재는 하사점에 위치하며, 캠 각 360°일 때 가압 부재는 다시 상사점으로 돌아와 한 주기를 형성한다.

도 15의 그래프를 보면, 본 발명과 같이 가압 부재의 외주면에 중심각 180°로 그루브가 형성된 경우의 최소유막두께가 가장 두꺼운 것을 알 수 있으며, 특히 가압 부재가 상승하는 과정에서 다른 경우들에 비해 많이 두껍다는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 최소유막두께가 두꺼워진다는 것은 실린더와 가압 부재 사이의 접촉 가능성이 줄어든다는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 그루브가 형성된 가압 부재에 의하면, 가압 부재와 실린더의 접촉으로 인한 마모 및 손상이 억제될 수 있으므로, 왕복 펌프의 성능이 저하되고 수명이 단축되는 종래의 문제점을 해소할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는, 실린더 내의 가압 부재의 틸팅 모션을 설명하기로 한다.

도 16은 왕복 피스톤 펌프의 피스톤을 도시한 도면이고, 도 17과 도 18은 크랭크 축과 커넥팅 로드에 의해 구동되는 피스톤의 틸팅 모션을 해석한 결과를 보여주는 도면들이다.

먼저, 도 16을 참조하면, 피스톤에는 피스톤 핀을 통해 커넥팅 로드가 연결되는데, 피스톤의 상단으로부터 피스톤 핀까지의 수직 거리를 'a'라 하고, 피스톤의 중심축으로부터 피스톤 핀까지의 수평 간격을 'Cp', 피스톤의 무게 중심으로부터 피스톤 핀까지의 수평 간격을 'Cg'라 할 때, 아래에서 설명하는 바와 같이 피스톤 핀의 위치에 따라 피스톤의 틸팅 모션이 달라질 수 있다.

도 17에는, 상기 a가 17.3mm이고, Cp와 Cg가 모두 0일 때, 피스톤이 한 주기 동안 왕복 운동하는 과정에서 피스톤의 상단과 하단의 편심율(Eccentricity Ratio)이 도시되어 있다. 도 17과 도 18에서 가로축은 편심율을 나타내고, 세로축은 크랭크 앵글(crank angle)을 라디안(radian)으로 나타낸 것이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 피스톤이 한 주기동안 왕복 운동하는 과정에서 피스톤의 상단과 하단의 편심율은 일정하지 않고 계속 변하게 된다. 그러나, 한 주기의 피스톤의 틸팅 모션 중 피스톤의 상단이 실린더 좌측으로 편심되고 피스톤의 하단이 실린더 우측으로 편심된 상태가 가장 길게 지속되고 그 편심율도 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 도 17의 해석 결과로부터, 피스톤은 한 주기의 대부분에서 실린더의 좌측으로 기울어짐을 알 수 있다.

도 18에는, 상기 a가 17.3mm이고, Cp가 실린더 좌측으로 1.52mm이며, Cg는 0일 때, 피스톤이 한 주기 동안 왕복 운동하는 과정에서 피스톤의 상단과 하단의 편심율이 도시되어 있다.

도 18을 보면, 한 주기의 피스톤의 틸팅 모션 중 피스톤의 하단은 실린더 좌측으로 편심되고 피스톤의 상단은 실린더 우측으로 편심된 상태가 가장 길게 지속되고 그 편심율도 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 도 18의 해석 결과로부터, 피스톤은 한 주기에서 대부분 실린더의 우측으로 기울어짐을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 피스톤의 형상 정보 및 운전 조건에 따라 해석을 통해 틸팅 모션을 예측할 수 있으며, 이를 통해 한 주기의 틸팅 모션 중 지배적인 틸팅 모션을 알 수 있으며, 이로부터 피스톤의 기울어지는 방향을 판단할 수 있다. 그리고, 이러한 판단에 의해 피스톤 등의 가압 부재의 최소유막지점을 알 수 있으며, 이에 따라 그루브가 형성될 위치도 결정될 수 있는 것이다.

도 19는 사판식 왕복 피스톤 펌프의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 20은 도 19에 도시된 사판식 왕복 피스톤 펌프에서의 피스톤이 기울어지는 방향을 설명하기 위한 도면이다.

도 19를 참조하면, 사판식 왕복 피스톤 펌프는, 경사지게 설치된 원판 형상의 사판(swash plate)과, 상기 사판의 상부에 사판의 원주를 따라 배열된 다수의 피스톤과, 상기 다수의 피스톤이 삽입되는 다수의 실린더가 배치된 실린더 블록을 포함한다.

이러한 사판식 왕복 피스톤 펌프에서는, 회전하는 사판에 의해 다수의 피스톤이 왕복 운동을 하게 되므로, 사판은 회전 운동을 왕복 운동을 전환시키는 캠 역할을 하게 된다.

도 20에 도시된 바와 같이, 피스톤의 하단은 사판의 회전방향(R)으로 마찰력을 받게 되므로, 피스톤은 상기 회전방향(R)의 반대쪽으로 기울어지게 된다.

이와 같이, 사판식 왕복 피스톤 펌프에 있어서는, 피스톤이 기울어지는 방향을 용이하게 예측할 수 있으므로, 그루브가 형성될 위치도 쉽게 결정될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100...왕복 펌프 110...실린더
111...실린더 내주면 120...가압 부재
121...가압 부재 내주면 124...그루브
126...보조그루브 128...축방향 그루브

Claims

왕복 펌프의 실린더 내에 삽입되어 왕복 운동하면서 상기 실린더 내의 유체를 가압하는 가압 부재에 있어서,
상기 가압 부재의 외주면에는 상기 가압 부재의 상단 가까이에 그루브가 형성되며,
상기 그루브는 상기 가압 부재가 왕복 운동 중 기울어지는 방향에 대해 반경 방향으로 반대쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 1항에 있어서,
상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주방향으로 일정 크기를 가진 중심각의 범위 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 2항에 있어서,
상기 중심각은 90°내지 180°인 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 2항에 있어서,
상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주 방향으로 수평 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 2항에 있어서,
상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주 방향에 대해 경사지게 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 그루브는 상기 가압 부재의 길이 방향으로 간격을 두고 다수개가 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 2항에 있어서,
상기 그루브는 상기 가압 부재의 원주 방향으로 간격을 두고 다수개가 형성된 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 1항에 있어서,
상기 가압 부재의 외주면에는 상기 그루브에 연결되어 상기 가압 부재의 길이 방향으로 상기 가압 부재의 하단까지 연장된 축방향 그루브가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 1항에 있어서,
상기 그루브의 깊이는 상기 가압 부재의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 평균 간격과 동일하거나 상기 평균 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 1항에 있어서,
상기 가압 부재는, 그 상면 중심과 하면 중심이 상기 실린더의 중심축으로부터 서로 반대쪽으로 편심된 형태로 기울어지고,
상기 가압 부재의 외주면에는 상기 가압 부재의 하단 가까이에 보조그루브가 더 형성되며, 상기 보조그루브는 상기 그루브에 대해 반경 방향으로 반대쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.
제 10항에 있어서,
상기 보조그루브는 상기 그루브와 동일한 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 왕복 펌프의 가압 부재.