KR101573662B1

KR101573662B1 - 회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템

Info

Publication number: KR101573662B1
Application number: KR1020150092808A
Authority: KR
Inventors: 김고비; 김유비
Original assignee: 김고비
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2015-12-01
Also published as: WO2017003207A1

Abstract

본 발명에 따른 회전식 유체 기계는, 내주면에 복수개의 기어이가 마련되는 아우터 로터; 내주면과 외주면에 상기 아우터 로터의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되고, 상기 외주면에 마련된 기어이와 상기 아우터 로터가 치합되어 회전하는 미들 로터; 외주면에 상기 미들 로터의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되고, 상기 외주면에 마련된 기어이와 상기 미들 로터의 내주면에 형성된 기어이가 치합되어 회전하는 이너 로터; 상기 아우터 로터의 회전을 지지하며, 상기 아우터 로터, 상기 미들 로터 및 상기 이너 로터를 내부에 수용하는 케이싱; 및 상기 케이싱과 결합되며, 상기 이너 로터의 회전을 지지하고 상기 아우터 로터, 미들 로터 및 이너 로터로 유입되는 작동 유체의 흐름을 단속하거나 제어하는 밸브 플레이트; 를 포함할 수 있다. 상기와 같이 밸브 플레이트를 이용함으로써 아우터 로터와 미들 로터 사이, 미들 로터와 이너 로터 사이의 유로가 자동적으로 분리 또는 연결됨으로써 하나의 유체 기계로 저출력 및 고출력, 고압 또는 저압 환경에 모두 적용할 수 있다.

Description

회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템{ROTATING TYPE FLUID MACHINERY AND SYSTEM HAVINE THE SAME}

본 발명은 회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제로터를 사용하는 유체 기계가 사용되는 환경 또는 용도에 따라 유입되거나 유출되는 작동 유체의 유동 방향 또는 유량을 제어할 수 있는 회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 내접 기어형 펌프는 오일을 유입하기 위하여 사용되며, 맞물려 회전하는 기어들로 구성되는 펌프이다. 이러한 내접 기어형 펌프는 구조가 간단하고 소음이 작은 장점이 있어 유체 펌프, 감속기, 유체 모터 등에 많이 적용되고 있으며, 내접 기어의 치형이 매우 다양하다.

특히, 제로터(Gerotor)오일 펌프는 구조가 간단하고 같은 크기의 다른 펌프에 비해 1회전당 토출 유량이 많기 때문에 자동차의 엔진 윤활유 유입원 및 동력전달장치와 자동변속기의 유압원으로 널리 사용되고 있을 뿐 아니라 가공기술의 발달로 선박용 유압시스템 등 그 응용범위가 확대되고 있는 추세이다.

종래 제로터 오일 펌프는 원호 형상의 치형을 가지고 있는 아우터 로터에 트로코이드(Trochoid) 치형을 가지고 있는 이너 로터가 흡입 포트 및 토출 포트를 각각 대향되게 구비한 하우징의 내주면을 내접하여 회전한다.

그러나, 상기와 같은 제로터 펌프는 두 개의 로터만을 사용하므로 토출 유량에 한계가 있었다. 따라서, 높은 토출량이 요구되는 장소에서의 사용이 제한되는 문제점이 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 공개특허공보 10-2013-0111159호(공개일 2013. 10. 10. )의 '2단 압축기 유니트 및 이를 갖는 압축기 시스템' 을 제안한 바 있다. 그러나, 대한민국 공개특허공보 10-2013-0111159호에 개시된 기술은 제1 로터와 제3 로터, 즉 아우터 로터와 이너 로터 사이에 배치되는 제2 로터가 회전 중심이 고정되지 않으므로 제1 로터와 제3 로터 사이에서 자유 회전된다.

가장 외측의 제3 로터는 케이싱에 회전 가능하게 형성된 회전 샤프트를 중심으로 회전하고, 가장 내측의 제1 로터는 케이싱에 결합하는 커버에 회전 가능하게 형성된 회전 샤프트를 중심으로 회전하기 때문에 제3 로터와 제1 로터는 항상 일정한 회전 중심을 가지면서 회전하게 된다. 반면에 제1 로터와 제3 로터 사이에 마련되는 제2 로터는 제1 로터와 제3 로터의 회전에 의해서 피동적으로 회전하며 별도의 회전 중심 없이 제1 로터와 제3 로터에 끼인 상태로 회전하게 된다.

이와 같이, 제2 로터가 제1 로터와 제3 로터 사이에서 자유 회전함에 따라 제2 로터가 제3 로터와 부딪히면서 제2 로터의 기어이의 마모가 발생하고, 제2 로터의 마모로 인하여 제1 로터와 제2 로터 사이 또는, 제2 로터와 제3 로터 사이가 완전히 밀폐되지 못할 수도 있으므로 작동 유체의 흡입량과 토출량을 증대시켜 고속 고압 압축 성능을 제공하는 것이 매우 어려운 문제점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 10-2013-0111159호에 개시된 기술은 2단 압축기에 적용되는 경우만 상정하고 있으나, 경우에 따라서 다단(2단)압축 보다는 동시에 많은 유량을 압축해야 할 필요성이 있으며, 다른 경우에 따라서는 압축기가 아닌 터빈 등에도 적용될 필요성이 있다.

그러나, 종래의 제로터 펌프는 압축기 또는 펌프에만 적용될 수 있을 뿐 터빈 등에는 적용될 수 없는 한계점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 저압을 가지는 아우터 로터와 미들 로터 사이, 아우터 로터와 미들 로터 사이에 비해 상대적으로 고압을 가지는 미들 로터와 이너 로터 사이에 형성되는 작동 유체의 유로를 자동적으로 분리 또는 연결함으로써 운전 중 가해지는 부하 또는 실내 온도, 또한 요구 운전 조건 등에 따라 제1 로터, 제2 로터 및 제3 로터에 형성되는 작동 유체의 유로가 직렬로 연결되거나 병렬로 연결되어 회전되는 회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 아우터 로터와 이너 로터 사이에서 자유 회전하는 미들 로터의 회전 중심을 고정시킴으로써 미들 로터의 기어이의 마모를 방지할 수 있는 회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템을 제공한다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전식 유체 기계는, 내주면에 복수개의 기어이가 마련되는 아우터 로터; 내주면과 외주면에 상기 아우터 로터의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되고, 상기 외주면에 마련된 기어이와 상기 아우터 로터가 치합되어 회전하는 미들 로터; 외주면에 상기 미들 로터의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되고, 상기 외주면에 마련된 기어이와 상기 미들 로터의 내주면에 형성된 기어이가 치합되어 회전하는 이너 로터; 상기 아우터 로터의 회전을 지지하며, 상기 아우터 로터, 상기 미들 로터 및 상기 이너 로터를 내부에 수용하는 케이싱; 및 상기 케이싱과 결합되며, 상기 이너 로터의 회전을 지지하고 상기 아우터 로터, 미들 로터 및 이너 로터로 유입되는 작동 유체의 흐름을 단속하거나 제어하는 밸브 플레이트; 를 포함할 수 있다.

상기 밸브 플레이트에는 상기 아우터 로터와 상기 미들 로터 사이에 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 하는 제1 포트 및 제4 포트와, 상기 미들 로터와 상기 이너 로터 사이에 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 하는 제2 포트 및 제3 포트와, 상기 제1 내지 제4 포트 중 어느 2개의 포트와 연통되는 복수개의 유로가 형성될 수 있다.

상기 제1 포트는 상기 아우터 로터와 상기 미들 로터 사이에 형성되는 공간 중 가장 작은 공간과 연통되며, 상기 제4 포트는 가장 큰 공간과 연통되고, 상기 제2 포트는 상기 미들 로터와 상기 이너 로터 사이에 형성되는 공간 중 가장 작은 공간과 연통되며, 상기 제3 포트는 가장 큰 공간과 연통될 수 있다.

상기 복수개의 유로는 상기 제1 포트와 상기 제2 포트 사이를 연결하는 제1 유로와, 상기 제1 포트와 상기 제3 포트 사이를 연결하는 제2 유로와, 상기 제3 포트와 상기 제4 포트 사이를 연결하는 제3 유로 일 수 있다.

상기 밸브 플레이트에는 상기 제1 유로를 흐르는 작동 유체를 단속하거나 제어하는 제1 밸브와, 상기 제2 유로를 흐르는 작동 유체를 단속하거나 제어하는 제2 밸브와, 상기 제3 유로를 흐르는 작동 유체를 단속하거나 제어하는 제3 밸브가 형성될 수 있다.

상기 제1 밸브 및 상기 제3 밸브가 폐쇄되고 상기 제2 밸브가 개방되면, 작동 유체는 상기 제4 포트, 상기 제1 포트, 상기 제3 포트 및 상기 제2 포트를 차례대로 통과하거나 또는 역순으로 통과하는 것일 수 있다.

상기 제2 밸브가 폐쇄되고 상기 제1 밸브 및 상기 제3 밸브가 개방되면, 작동 유체는 상기 제1 포트와 상기 제4 포트를 차례대로 통과하거나 역순으로 통과하고 또는 상기 제2 포트와 상기 제3 포트를 차례대로 통과하거나 역순으로 통과하는 것일 수 있다.

상기 제1 포트와 상기 제4 포트 사이에서의 작동 유체 흐름은 상기 제2 포트와 상기 제3 포트 사이에서의 작동 유체의 흐름에 영향을 주거나 받지 않는 것일 수 있다.

상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 작동 유체가 상기 제1 포트, 상기 제2 포트, 상기 제3 포트 및 상기 제4 포트를 직렬로 흐르거나 또는 병렬로 흐르도록 상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 제3 유로를 개폐하는 것일 수 있다.

상기 밸브 플레이트에는 상기 미들 로터가 회전될 때 상기 미들 로터가 유동되는 것을 방지하거나 상기 미들 로터의 회전 중심을 유지시키는 로터 유동 방지부재가 형성될 수 있다.

상기 로터 유동 방지부재는 상기 미들 로터의 상면에 형성된 지지홈에 결합될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 의하면, 제10항에 따른 회전식 유체 기계; 상기 유체 기계의 로터들을 회전 구동시키는 구동부; 상기 구동부에 동력을 제공하는 동력 전달부; 상기 로터에 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 하는 유체 전달부; 및 상기 유체 전달부에 유입 또는 유출되는 작동 유체를 제어하는 유체 제어부; 를 포함하고, 회전식 유체 기계를 구비한 유체 시스템을 제공한다.

상기 유체 제어부는, 상기 아우터 로터와 상기 미들 로터 사이 및 상기 미들 로터와 상기 이너 로터 사이에 유입 또는 유출되는 작동 유체를 제어하고, 상기 밸브 플레이트에 형성된 복수의 밸브에 신호를 전달하며 상기 복수의 밸브를 제어하는 제어수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 회전식 유체 기계가 사용되는 환경에 따라 아우터 로터와 미들 로터 사이, 미들 로터와 이너 로터 사이의 유로가 자동적으로 분리 또는 연결되기 때문에, 하나의 유체 기계로 저출력 및 고출력, 고압 또는 저압 환경에 모두 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 미들 로터의 회전 중심을 고정시킴으로써 미들 로터의 마모를 방지할 수 있고, 그에 따라 아우터 로터 및 이너 로터의 마모도 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 미들 로터의 회전 중심이 고정됨에 따라 유체 기계가 회전할 때 발생되는 소음도 저감할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 제로터를 이용한 유체 기계를 압축기, 펌프, 터빈 등 다양한 용도로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시한 밸브 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1에 따른 회전식 유체 기계의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 구비한 유체 시스템의 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계 및 이를 구비한 유체 시스템을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 나타낸 사시도, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시한 밸브 플레이트를 나타낸 사시도, 도 4는 도 1에 따른 회전식 유체 기계의 분해 사시도 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 구비한 유체 시스템의 블록도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전식 유체 기계(100)는, 내주면에 복수개의 기어이가 마련되는 아우터 로터(10); 내주면과 외주면에 아우터 로터(10)의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 구비되고 상기 외주면에 마련된 기어이가 아우터 로터(10)의 기어이와 치합되어 회전하는 미들 로터(20); 외주면에 미들 로터(20)의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 구비되고 미들 로터(20)의 내주면에 마련된 기어이와 치합되어 회전하는 이너 로터(30); 아우터 로터(10)의 회전을 지지하며 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)를 내부에 수용하는 케이싱(40); 및 케이싱(40)과 결합되며 미들 로터(20)의 회전을 지지하고, 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)로 유입되는 작동 유체의 유로를 단속하거나 제어하는 밸브 플레이트(50); 를 포함할 수 있다.

상기와 같은 밸브 플레이트를 이용함으로써, 아우터 로터와 미들 로터 사이, 미들 로터와 이너 로터 사이에 유입 또는 유출되는 작동 유체의 유로가 자동적으로 분리 또는 연결될 수 있기 때문에 하나의 유체 기계만으로도 저출력 또는 고출력, 고압 또는 저압이 필요한 환경에 모두 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 밸브 플레이트에 로터 유동 방지부재를 형성함으로써 미들 로터의 회전 중심을 고정시킬 수 있고, 미들 로터가 아우터 로터 또는 이너 로터와의 마찰에 의해 발생하는 마모를 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)는 다단 제로터(Multi-stage gerotor)를 이용한 유체 기계로써, 아우터 로터(10), 미들 로터(20), 이너 로터(30), 케이싱(40) 및 밸브 플레이트(50)를 포함할 수 있다.

아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)는 케이싱(40)의 내부에 수용될 수 있다. 케이싱(40)은 내부에 로터 수용 공간이 형성된 중공형의 원통형 부재로써, 일단은 밸브 플레이트(50) 도는 커버(미도시)가 결합될 수 있도록 개구되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)는 밸브 플레이트(50)가 커버의 기능을 가질 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 밸브 프레이트(50)와 별개로 커버가 더 마련될 수도 있다.

이하에서 언급되는 "밸브 플레이트"라는 표현은 "커버"의 개념도 포함하는 것으로 이해된다.

아우터 로터(10)의 내주면에는 복수의 기어이가 마련될 수 있다. 또한 아우터 로터(10)의 외주면은 케이싱(40)에 회전 가능하게 장착되거나, 아우터 로터(10)의 일면이 케이싱(40)의 내면에 회전 가능하게 장착될 수도 있다. 다만, 경우에 따라서는 케이싱(40)에 대해서 회전할 수 없는 상태로 아우터 로터(10)가 고정될 수도 있다.

한편, 도면에는 도시하지 않았지만 아우터 로터(10)는 고정되어 있는 것이 아니라 케이싱(40)에 마련된 회전 샤프트(미도시)의 구동에 의하여 회전될 수 있다. 아우터 로터(10)의 회전 중심 즉, 회전 샤프트는 케이싱(40)의 중심에 마련되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 아우터 로터(10)의 외주면이 원형이고 케이싱(40)의 외주면도 원형이라고 한다면, 아우터 로터(10)의 중심과 케이싱(40)의 중심은 일치해야 하고 그 일치된 중심에 아우터 로터(10)의 회전 샤프트가 마련될 수 있다.

아우터 로터(10)와 달리, 미들 로터(20)는 내주면과 외주면 모두에 기어이가 마련될 수 있다. 이때 미들 로터(20)의 기어이의 개수는 아우터 로터(10)의 내주면에 마련된 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되는 것이 바람직하다. 미들 로터(20)에 마련된 기어이의 개수가 아우터 로터(10)의 내주면에 형성된 기어이의 개수보다 하나 적게 마련되어야만 아우터 로터(10)와 미들 로터(20)의 내주면에 마련된 기어이가 원활하게 치합되어 회전될 수 있고, 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에 작동 유체가 흡입 또는 토출될 수 있는 공간이 형성될 수 있다.

이너 로터(30)는 외주면에 기어이가 마련될 수 있다. 이때, 이너 로터(30)의 기어이의 개수는 미들 로터(20)의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되는 것이 바람직하다. 이너 로터(30)에 마련된 기어이의 개수가 미들 로터(20)에 형성된 기어이의 개수보다 하나 적게 마련되어야만 미들 로터(20)의 내주면에 마련된 기어이와 이너 로터(30)의 외주면에 마련된 기어이가 원활하게 치합되어 회전될 수 있고, 이너 로터(30)와 미들 로터(20) 사이에 작동 유체가 흡입 또는 토출될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 이때 도면에는 도시하지 않았지만 이너 로터(30)의 회전을 위한 회전 중심 또는 회전 샤프트(미도시)는 밸브 플레이트(50)의 하단면(내면)에 마련될 수 있다.

상이에서 언급한 바와 같이, 케이싱(40)은 아우터 로터(10), 미들 로터(20), 이너 로터(30)를 내부에 수용할 수 있다. 이에 따라 케이싱(40)은 내부가 중공(中空)이며, 소정의 직경을 가지는 원통 형태로 마련되는 것이 바람직하다. 이때 케이싱(40)의 직경은 내부에 위치되는 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)의 직경에 따라 달라질 수 있다. 케이싱(40)의 내부 직경은 아우터 로터(10)의 외경보다 다소 크게 형성되는 것이 바람직하다.

밸브 플레이트(50)의 일단은 케이싱(40)과 결합될 수 있다. 또한, 밸브 플레이트(50)는 이너 로터(30)의 회전을 지지할 수 있다. 구체적으로, 도면에는 도시하지 않았지만, 이너 로터(30)의 회전 샤프트(미도시)는 밸브 플레이트(50)에 마련될 수 있다.

여기서, 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)의 회전 중심을 도시하지는 않았지만, 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)는 각기 다른 회전 중심을 가지며, 서로 편심된 회전 중심을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)에 있어서, 아우터 로터(10)의 회전 샤프트는 케이싱(40)에 마련되고, 이너 로터(30)의 회전 샤프트는 밸브 플레이트(50)에 마련될 수 있다.

이때 미들 로터(20)는 회전 중심이 되는 별도의 회전 샤프트가 없이 아우터 로터(10)와 이너 로터(30) 사이에서 아우터 로터(10)와 이너 로터(30)의 회전에 의하여 회전될 수 있다. 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이, 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에는 작동 유체가 유입되는데, 유입되는 작동 유체의 압력 및 토출량은 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이, 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이의 체적 변화에 의해 달라지기 때문에, 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)가 동일한 회전 중심을 가지도록 마련된다면 각 로터들의 사이의 체적을 변화시켜 작동 유체의 압력을 높이거나 토출량을 증가시키는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서, 아우터 로터(10), 미들 로터(20) 및 이너 로터(30)는 각각 어느 정도 편심이 된 회전 중심을 가지도록 마련되는 것이 바람직하다.

밸브 플레이트(50)에는 다단의 제로터(10)(20)(30) 사이에 유입되거나 유출되는 작동 유체를 위한 복수의 포트와 복수의 유로가 마련될 수 있다.

구체적으로, 밸브 플레이트(50)에는 제1 포트(51), 제2 포트(52), 제3 포트(53) 및 제4 포트(54)가 마련될 수 있다.

제1 포트(51)와 제4 포트(54)는 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에 형성되고, 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이로 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 할 수 있다. 여기서, 제1 포트(51)는 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에 형성되는 공간 중 가장 작은 공간과 연통되며, 제4 포트(54)는 가장 큰 공간과 연통되는 것이 바람직하다.

한편, 제2 포트(52)와 제3 포트(53)는 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에 형성되며, 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이로 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 할 수 있다. 여기서, 제2 포트(52)는 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에 형성되는 공간 중 가장 작은 공간과 연통되며, 제3 포트(53)는 가장 큰 공간과 연통되는 것이 바람직하다.

이때, 제1 포트(51), 제2 포트(52), 제3 포트(53) 및 제4 포트(54)는 서로 상이한 직경 또는 크기를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 포트(51), 제2 포트(52), 제3 포트(53) 및 제4 포트(54) 순서로 직경 또는 크기가 커지도록 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 밸브 플레이트(50)에는 제1 유로(55), 제2 유로(56) 및 제3 유로(57)가 형성될 수 있다.

제1 유로(55)는 제1 포트(51)와 제2 포트(52) 사이를 연결하도록 마련되고, 제2 유로(56)는 제1 포트(51)와 제3 포트(53) 사이를 연결하도록 마련되며, 제3 유로(57)는 제3 포트(53)와 제4 포트(54) 사이를 연결하도록 마련될 수 있다.

이때, 제1 유로(55), 제2 유로(56) 및 제3 유로(57)에 유입되는 작동 유체의 흐름을 단속하거나 제어할 수 있도록 제1 유로(55), 제2 유로(56) 및 제3 유로(57) 상에 각각 제1 밸브(61), 제2 밸브(62) 및 제3 밸브(63)가 마련될 수 있다.

여기서, 제1 유로(55), 제2 유로(56) 및 제3 유로(57)는 밸브 플레이트(50)의 내부를 관통하도록 형성될 수 있다. 이를 위해서, 제1 유로(55), 제2 유로(56) 및 제3 유로(57)의 형성을 위해서 밸브 플레이트(50)는 상부 및 하부 플레이트(미도시)로 분할 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 포트(51), 제2 포트(52), 제3 포트(53) 및 제4 포트(54)는 유로와 연통될 뿐만 아니라 밸브 플레이트(50)의 두께 방향으로 완전히 관통되도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)는 터빈(turbine), 압축기(compressor), 펌프(pump), 컴팬더(compaender, 압축기와 팽창기) 등에 적용될 수 있으며, 다양한 냉매 또는 유체 시스템에 적용될 수 있다.

이하에서는 밸브 플레이트(50)의 기능을 설명하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)에 터빈 또는 압축기로 적용되는 경우에 대해 예시적으로 설명한다.

우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)가 터빈으로 작동하는 경우라면, 제1 포트(51)와 제2 포트(52)가 작동 유체가 유입되는 유입 포트이고, 제3 포트(53)와 제4 포트(54)가 유입된 작동 유체가 팽창되어 유출되는 유출포트가 되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)가 터빈으로 작동하는 경우에는 압축된 작동 유체가 유입되고 회전식 유체 기계(100)를 거리면서 팽창된 후 유출된다. 즉, 압축된 작동 유체가 팽창되는 과정에서 작동 유체의 팽창력에 의해서 다단 제로터(10, 20, 30)가 회전하게 되고, 이러한 회전력에 의해서 동력을 얻을 수 있다. 따라서, 회전식 유체 기계(100)가 터빈으로 작동하기 위해서는 부피가 상대적으로 작은 포트로 작동 유체가 유입된 후 부피가 상대적으로 큰 포트를 통해서 유출되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)가 터빈으로 작동 할 때, 제1 밸브(61), 제2 밸브(62) 및 제3 밸브(63)의 개폐 여부에 따라 유체 기계(100)가 2단(二段, two-stage) 터빈으로 작동하거나 단단(單段, single-stage) 터빈으로 작동할 수 있다. 고출력이 필요한 경우에는 2단 터빈으로 작동하고, 저출력이면서 작동 유체의 토출량을 많게 할 경우에는 단단 터빈으로 작동할 수 있다.

이때, 저출력 또는 다량의 토출량이 필요할 경우에는 제1 밸브(61)와 제3 밸브(63)는 개방(open 상태)가 되고, 제2 밸브(62)가 폐쇄(close 상태)가 되면, 작동 유체는 제1 유로(55)와 제3 유로(57)를 통과할 수 있지만 제2 유로(56)는 통과할 수 없게 된다. 즉, 제3 포트(53)에서 유출된 팽창 작동 유체가 제1 포트(51)로 유입될 수 없기 때문에 작동 유체가 다단 팽창될 수 없다. 그 대신, 작동 유체가 제1 포트(51)와 제2 포트(52)를 통해 유입되고 제4 포트(54)와 제3 포트(53)를 통해서 유출되기 때문에 토출되는 유량이 증가한다. 따라서, 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에서의 작동 유체와 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에서의 작동 유체는 각각 독립적으로 병렬 유동을 할 수 있다.

반면에, 고출력이 필요할 경우에는 제2 밸브(62)가 개방(open 상태)가 되고, 제1 밸브(61)와 제3 밸브(63)는 폐쇄(close 상태)가 된다. 이렇게 되면, 작동 유체는 제1 유로(55) 및 제3 유로(57)는 통과할 수 없지만, 제2 유로(56)는 통과할 수 있게 된다. 작동 유체의 유동 순서를 살펴 보면, 우선 제2 포트(52)는 통해서 압축된 작동 유체가 유입되면 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에서 작동 유체가 팽창되면서 미들 로터(20)와 이너 로터(30)를 회전시키고 제3 포트(53)를 통해 유출된다. 제3 포트(53)를 통해 유출된 1단 팽창 작동 유체는 제2 유로(56)를 통해서 제1 포트(51)로 유입된다. 제1 포트(51)로 유입된 작동 유체는 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에서 2단 팽창되면서 아우터 로터(10)와 미들 로터(20)를 회전시키고 제4 포트(54)를 통해서 유출된다. 따라서, 작동 유체는 제2 포트(52) 및 제3 포트(53) 사이에서 1단 팽창하고, 제1 포트(51)와 제4 포트(54) 사이에서 2단 팽창하며, 제2 포트(52), 제3 포트(53), 제1 포트(51) 및 제4 포트(54)의 순으로 직렬 유동할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)가 압축기(compressor)로 작동하는 경우라면, 제3 포트(53)와 제4 포트(54)가 작동 유체가 유입되는 유입 포트이고, 제1 포트(51)와 제2 포트(52)가 유입된 작동 유체가 압축되어 유출되는 유출 포트가 되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)가 압축기로 작동하는 경우에는 온도가 낮은 팽창 작동 유체가 유입되고 회전식 유체 기계(100)를 거치면서 압축된 후 유출된다. 즉, 팽창 작동 유체가 압축되는 과정에서 다단 제로터(10, 20, 30)의 회전에 의해서 작동 유체가 압축될 수 있다. 따라서, 회전식 유체 기계(100)가 압축기로 작동하기 위해서는 부피가 상대적으로 큰 포트로 작동 유체가 유입된 후 부피가 상대적으로 작은 포트를 통해서 압축된 후 유출되어야 한다.

이때, 터빈과 달리 압축기의 경우에는 외부 동력에 의해서 다단 제로터(10, 20, 30)을 회전시켜야 작동 유체를 압축시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)가 압축기로 작동할 때, 제1 밸브(61), 제2 밸브(62) 및 제3 밸브(63)의 개폐 여부에 따라 유체 기계(100)가 2단(二段, two stage) 압축기로 작동하거나 단단(單段, single stage) 압축기로 작동할 수 있다. 고압출력이 필요한 경우에는 2단 압축기로 작동하고, 저압출력이면서 작동 유체의 토출량을 많게 할 경우에는 단단 압축기로 작동할 수 있다.

이때, 저압 또는 많은 토출량이 필요할 경우에는 제1 밸브(61)와 제3 밸브(63)는 개방(open 상태)되고, 제2 밸브(62)가 폐쇄(close 상태)된다. 이렇게 되면, 작동 유체는 제1 유로(55)와 제3 유로(57)를 통과할 수 있지만 제2 유로(56)는 통과할 수 없게 된다. 즉, 제1 포트(51)에서 유출된 압축 작동 유체가 제3 포트(53)로 유입될 수 없기 때문에 작동 유체가 다단 압축될 수 없다. 그 대신, 작동 유체가 제4 포트(54)와 제3 포트(53)를 통해 유입되고 제1 포트(51)와 제2 포트(52)를 통해서 압축된 상태로 유출되기 때문에 토출되는 양이 증가한다. 따라서, 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에서의 작동 유체와 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에서의 작동 유체는 각각 독립적으로 병렬 유동을 하게 된다.

반면에, 고압의 출력이 필요할 경우에는 제2 밸브(62)가 개방(open 상태)가 되고, 제1 밸브(61) 및 제3 밸브(63)가 폐쇄(close 상태)가 된다. 이렇게 되면, 작동 유체는 제1 유로(55) 및 제3 유로(57)는 통과할 수 없지만 제2 유로(56)는 통과할 수 있게 된다. 이때 작동 유체의 유동 순서를 살펴 보면, 우선 제4 포트(54)를 통해서 팽창 작동 유체가 유입되면 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이에서 작동 유체가 압축되면서 제1 포트(51)를 통해 유출된다. 제1 포트(51)를 통해 유출된 1단 압축 작동 유체는 제2 유로(56)를 통해서 제3 포트(53)로 유입된다. 제3 포트(53)로 유입된 1단 압축 작동 유체는 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에서 2단 압축되면서 제2 포트(52)를 통해서 유출된다. 따라서, 작동 유체는 제4 포트(54) 및 제1 포트(51) 사이에서 1단 압축되고, 제3 포트(53)와 제2 포트(52) 사이에서 2단 압축하며, 제4 포트(54), 제1 포트(51), 제3 포트(53) 및 제2 포트(52)의 순으로 직렬 유동하게 된다.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체기계(100)에서 밸브 플레이트(50)는 커버의 기능을 포함하는 개념으로서 경우에 따라서는 커버라고 칭할 수도 있다.

또한, 밸브 플레이트(50) 내지 커버에 형성된 제1 포트 내지 제4 포트(51,52,53,54)에 작동유체를 공급 또는 배출시키는 유체배관(미도시)을 연결하고 상기 유체배관에 전자식 밸브(미도시)를 설치하여 작동유체의 유동을 제어함으로써 회전식 유체기계(100)가 터빈 또는 압축기 등으로 작동하고, 단단 또는 2단 이상으로 작동할 수도 있다. 이 경우에는 제1 내지 제3 밸브(61,62,63)는 생략되거나 제1 내지 제3 유로(55,56,57)가 생략될 수도 있다.

한편, 도 4에 도시한 바와 같이, 밸브 플레이트(50)에는 미들 로터(20)의 회전 중심 유지를 위한 로터 유동 방지부재(64)가 형성될 수 있다.

로터 유동 방지부재(64)는 미들 로터(20)에 형성되는 지지홈(21)과 결합될 수 있다. 로터 유동 방지부재(64)가 지지홈(21)과 결합됨에 따라, 미들 로터(20)가 아우터 로터(10)와 이너 로터(30) 사이에서 회전될 때, 좌우 또는 상하 방향으로 유동되는 것을 방지할 수 있다.

미들 로터(20)의 지지홈(21)에 로터 유동 방지부재(64)가 삽입된 상태로 미들 로터(20)가 회전하게 되면, 로터 유동 방지부재(64)의 중심이 미들 로터(20)의 회전 중심과 일치하고 항상 동일하게 유지되기 때문에 아우터 로터(10)와 이너 로터(30) 사이에서 미들 로터(20)가 좌우 또는 상하 방향으로 유동하거나 움직이는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 로터 유동 방지부재(64)는 슬리브(sleeve) 또는 얇은 원통형 부재로 형성되는 것이 바람직하며, 밸브 플레이트(50)의 내측면에 결합될 수 있다. 다만, 로터 유동 방지부재(64)는 밸브 플레이트(50)에 형성된 유로들을 차단하지 않는 형태를 가져야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터 유동 방지부재(64)는 분할 형성된 다수개의 곡면 플레이트 또는 다수개의 핀 등 다양한 형상 내지 형태로 마련될 수 있다. 다수개의 곡면 플레이트 또는 핀 등으로 형성되는 경우에도 그 하단은 모두 미들 로터(20)의 지지홈(21)에 삽입될 수 있어야 한다. 즉, 다수개의 곡면 플레이트 또는 다수개의 핀은 지지홈(21)과 동일한 원형으로 배치되어야 한다.

또한, 로터 유동 방지부재(64)가 밸브 플레이트(50)에 형성되고 지지홈(21)이 미들 로터(20)에 형성되는 대신, 그 반대로 형성될 수도 있다. 즉, 로터 유동 방지부재(64)가 미들 로터(20)에 형성되거나 고정되고, 로터 유동 방지부재(64)가 결합되는 지지홈(21) 등이 밸브 플레이트(50) 또는 커버에 형성될 수도 있다.

한편, 로터 유동 방지부재(64)는 로터(10,20,30)에서 유입되거나 배출되는 작동유체가 외부로 누설되는 것을 방지할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계(100)를 포함하는 유체 시스템(200)을 설명한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 구비한 유체 시스템(200)은 회전식 유체 기계(100), 구동부(210), 동력 전달부(220), 유체 전달부(230) 및 유체 제어부(240)를 포함할 수 있다.

회전식 유체 기계(100)는 상술한 바와 같이 동일한 구성을 가진다.

구동부(210)는 회전식 유체 기계(100)의 로터들을 회전 구동시킨다.

동력 전달부(220)는 구동부(210)가 회전식 유체 기계(100)의 로터들을 회전 구동시키기 위한 동력을 제공한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 동력 전달부(220)는 모터 등의 회전력을 발생시키는 장치일 수 있다.

유체 전달부(230)는 로터에 작동 유체가 유입되거나 유출되도록 할 수 있다. 유체 전달부(230)는 관(pipe) 또는 호스(hose) 등의 유체를 이송시키기 위한 장치로 구성되는 바람직하다.

유체 제어부(240)는 유체 전달부(230)에 유입 또는 유출되는 작동 유체를 제어할 수 있다. 유체 제어부(240)는 아우터 로터(10)와 미들 로터(20) 사이 및 미들 로터(20)와 이너 로터(30) 사이에 유입 또는 유출되는 작동 유체를 제어하고, 회전식 유체 기계(100)에 포함된 밸브 플레이트(50)에 형성되는 복수의 밸브(61)(62)(63)에 신호를 전달하며, 복수의 밸브(61)(62)(63)를 개방 또는 개폐시키는 제어수단일 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 제로터를 이용한 회전식 유체 기계 및 유체 시스템은 회전식 유체 기계를 사용하고자 하는 환경에 따라 아우터 로터와 미들 로터 사이, 미들 로터와 이너 로터 사이의 유로가 자동적으로 분리 또는 연결함으로써 하나의 유체 기계를 이용하여 작동 유체가 직렬 또는 병렬로 흐르게 할 수 있고, 유체 기계를 저출력 또는 고출력, 고압 또는 저압 환경에 모두 적용할 수 있다.

또한, 미들 로터의 회전 중심을 고정시킴으로써 미들 로터의 마모를 방지할 수 있고, 그에 따라 아우터 로터 및 이너 로터의 마모도 방지할 수 있다.

더불어, 미들 로터의 회전 중심이 고정됨에 따라 유체 기계가 작동될 때 발생되는 소음도 저감할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명을 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 아우터 로터 20: 미들 로터
21: 지지홈 30: 이너 로터
40: 케이싱 50: 밸브 플레이트
51: 제1 포트 52: 제2 포트
53: 제3 포트 54: 제4 포트
55: 제1 유로 56: 제2 유로
57: 제3 유로
61: 제1 밸브 62: 제2 밸브
63: 제3 밸브 64: 로터 유동 방지부재
100: 회전식 유체 기계
200: 회전식 유체 시스템
210: 구동부 220: 동력 전달부
230: 유체 전달부 240: 유체 제어부

Claims

내주면에 복수개의 기어이가 마련되는 아우터 로터;
내주면과 외주면에 상기 아우터 로터의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되고, 상기 외주면에 마련된 기어이와 상기 아우터 로터가 치합되어 회전하는 미들 로터;
외주면에 상기 미들 로터의 기어이의 개수보다 하나 적은 기어이가 마련되고, 상기 외주면에 마련된 기어이와 상기 미들 로터의 내주면에 형성된 기어이가 치합되어 회전하는 이너 로터;
상기 아우터 로터의 회전을 지지하며, 상기 아우터 로터, 상기 미들 로터 및 상기 이너 로터를 내부에 수용하는 케이싱; 및
상기 케이싱과 결합되며, 상기 이너 로터의 회전을 지지하고 상기 아우터 로터, 미들 로터 및 이너 로터로 유입되는 작동 유체의 흐름을 단속하거나 제어하는 밸브 플레이트;
를 포함하고,
상기 밸브 플레이트에는 상기 미들 로터가 회전될 때 상기 미들 로터가 유동되는 것을 방지하거나 상기 미들 로터의 회전 중심을 유지시키는 로터 유동 방지부재가 형성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제1항에 있어서,
상기 밸브 플레이트에는,
상기 아우터 로터와 상기 미들 로터 사이에 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 하는 제1 포트 및 제4 포트와,
상기 미들 로터와 상기 이너 로터 사이에 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 하는 제2 포트 및 제3 포트와,
상기 제1 내지 제4 포트중 어느 2개의 포트와 연통되는 복수개의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제2항에 있어서,
상기 제1 포트는 상기 아우터 로터와 상기 미들 로터 사이에 형성되는 공간 중 가장 작은 공간과 연통되며, 상기 제4 포트는 가장 큰 공간과 연통되고,
상기 제2 포트는 상기 미들 로터와 상기 이너 로터 사이에 형성되는 공간 중 가장 작은 공간과 연통되며, 상기 제3 포트는 가장 큰 공간과 연통되는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제3항에 있어서,
상기 복수개의 유로는,
상기 제1 포트와 상기 제2 포트 사이를 연결하는 제1 유로와,
상기 제1 포트와 상기 제3 포트 사이를 연결하는 제2 유로와,
상기 제3 포트와 상기 제4 포트 사이를 연결하는 제3 유로인 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제4항에 있어서,
상기 밸브 플레이트에는,
상기 제1 유로를 흐르는 작동 유체를 단속하거나 제어하는 제1 밸브와,
상기 제2 유로를 흐르는 작동 유체를 단속하거나 제어하는 제2 밸브와,
상기 제3 유로를 흐르는 작동 유체를 단속하거나 제어하는 제3 밸브가 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제5항에 있어서,
상기 제1 밸브 및 상기 제3 밸브가 폐쇄되고 상기 제2 밸브가 개방되면, 작동 유체는 상기 제4 포트, 상기 제1 포트, 상기 제3 포트 및 상기 제2 포트를 차례대로 통과하거나 또는 역순으로 통과하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제5항에 있어서,
상기 제2 밸브가 폐쇄되고 상기 제1 밸브 및 상기 제3 밸브가 개방되면, 작동 유체는 상기 제1 포트와 상기 제4 포트를 차례대로 통과하거나 역순으로 통과하고 또는 상기 제2 포트와 상기 제3 포트를 차례대로 통과하거나 역순으로 통과하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제7항에 있어서,
상기 제1 포트와 상기 제4 포트 사이에서의 작동 유체 흐름은 상기 제2 포트와 상기 제3 포트 사이에서의 작동 유체의 흐름에 영향을 주거나 받지 않는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제5항에 있어서,
상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브는 작동 유체가 상기 제1 포트, 상기 제2 포트, 상기 제3 포트 및 상기 제4 포트를 직렬로 흐르거나 또는 병렬로 흐르도록 상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 제3 유로를 개폐하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 로터 유동 방지부재는 상기 미들 로터의 상면에 형성된 지지홈에 결합되는 것을 특징으로 하는 회전식 유체 기계.
제1항에 따른 회전식 유체 기계;
상기 유체 기계의 로터들을 회전 구동시키는 구동부;
상기 구동부에 동력을 제공하는 동력 전달부;
상기 로터에 작동 유체가 유입 또는 유출되도록 하는 유체 전달부; 및
상기 유체 전달부에 유입 또는 유출되는 작동 유체를 제어하는 유체 제어부;
를 포함하는 회전식 유체 시스템.
제12항에 있어서,
상기 유체 제어부는,
상기 아우터 로터와 상기 미들 로터 사이 및 상기 미들 로터와 상기 이너 로터 사이에 유입 또는 유출되는 작동 유체를 제어하고, 상기 밸브 플레이트에 형성된 복수의 밸브에 신호를 전달하며 상기 복수의 밸브를 제어하는 제어수단을 포함하는 회전식 유체 시스템.