KR102100914B1

KR102100914B1 - 유체 이송 장치

Info

Publication number: KR102100914B1
Application number: KR1020190014104A
Authority: KR
Inventors: 고용권; 권장순
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-04-17
Also published as: WO2020159033A1; US20220127997A1

Abstract

본 발명의 유체 이송 장치는, 축 방향을 따라 연장되는 자전부, 그리고 상기 축 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 제1 편심부와 제2 편심부를 구비하는 회전축; 에피트로코이드 곡면 형상의 제1 유체 압축 공간을 형성하는 제1 로터 하우징; 에피트로코이드 곡면 형상의 제2 유체 압축 공간을 형성하고, 상기 축 방향을 따라 상기 제1 로터 하우징으로부터 이격된 위치에 배치되는 제2 로터 하우징; 상기 제1 유체 압축 공간을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 상기 제1 유체 압축 공간 내에 배치되고, 상기 제1 편심부의 방사 방향에서 상기 제1 편심부를 감싸면서 상기 제1 편심부에 결합되는 제1 로터; 상기 제2 유체 압축 공간을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 상기 제2 유체 압축 공간 내에 배치되고, 상기 제2 편심부의 방사 방향에서 상기 제2 편심부를 감싸면서 상기 제2 편심부에 결합되는 제2 로터; 상기 제1 유체 압축 공간을 덮도록 형성되고, 상기 제1 로터 하우징의 일 측에 배치되는 제1 로터 하우징 커버; 상기 제1 유체 압축 공간과 상기 제2 유체 압축 공간을 덮도록 형성되며, 상기 제1 로터 하우징과 상기 제2 로터 하우징의 사이에 배치되는 제2 로터 하우징 커버; 및 상기 제2 유체 압축 공간을 덮도록 형성되고, 상기 제2 로터 하우징을 기준으로 상기 제2 로터 하우징 커버의 반대쪽에 배치되는 제3 로터 하우징 커버를 포함하고, 상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부는 상기 자전부를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치되고, 상기 제1 로터 하우징과 상기 제2 로터 하우징은 상기 자전부를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치된다.

Description

유체 이송 장치{FLUID TRANSFER DEVICE}

본 발명은 유체를 가압하여 이송하는 유체 이송 장치에 관한 것이다.

1951년 독일 Felix Wankel은 삼각로터의 회전으로 출력을 낼 수 있는 로터리 엔진의 원리를 완성하였다. 이른바 방켈이라 불리는 이 엔진은 에피트로코이드 곡선 형상의 실린더 안에서 삼각로터에 의해 구획되는 복수의 공간에서 용적 변화에 따라 흡입, 압축, 연소, 배기가 동시에 이루어지면서, 삼각로터가 편심 회전하여 회전력을 구현한 엔진이다. 이 엔진은 피스톤과 같은 왕복 운동이 없어 출력의 손실이 적어 고출력이 가능하며, 회전이 원활한 장점이 있다.

특허문헌인 대한민국 등록특허공보 제10-1655160호(2016.09.01.)에서 이러한 방켈 엔진의 원리를 이용한 로터리 피스톤 펌프가 제시된 바 있다. 상기 특허문헌에 개시된 로터리 피스톤 펌프는 에피트로코이드(epitrochoid) 형상의 내주면을 갖는 로터 하우징을 구비하고, 상기 로터 하우징의 내부 공간에서 로터가 편심 회전하면서 로터 하우징의 용적 변동 공간을 반복적으로 압축 및 팽창시킨다.

상기 특허문헌에 개시된 로터리 피스톤 펌프는 그 이전의 피스톤 펌프에 비해 상대적으로 고유량의 유체를 이송할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 구조를 가짐에도 높은 압력을 발생시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 상기 특허문헌에서 개시된 로터리 피스톤 펌프는 용적형 펌프(positive displacement pump)로서, 로터 하우징과 로터 간의 기밀성이 펌프 성능에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 요소다.

그러나, 상기 로터리 피스톤 펌프는 유체를 이송시키기 위해 필수적으로 최소 한 쌍의 유입 체크 밸브와 한 쌍의 배출 체크 밸브를 필요로 한다. 로터리 피스톤 펌프는 간단한 구조를 가지나, 두 쌍의 체크밸브로 인하여 스프링 설치 공간, 유로 연결 공간, 체크밸브 판 또는 볼의 설치 공간 등을 필요로 한다. 또한, 로터리 피스톤 펌프는 저소음의 장점을 가짐에도 불구하고 체크밸브의 반복적인 작동은 특히 고속 조건에서 소음을 발생시키는 원인이 된다. 나아가, 체크밸브를 구비하는 로터리 피스톤 펌프는 체크밸브의 특성상 한 방향으로만 유체를 이송할 수 있을 뿐 양방향으로 이송할 수는 없다.

따라서 이러한 단점을 개선할 수 있도록 체크밸브 없이도 유체를 이송할 수 있으면서도, 고유량, 흡입(진공) 및 가압 기능을 유지할 수 있는 구조의 유체 이송 장치, 그리고 체크밸브를 제외한 보다 간단한 구조를 통하여 소형화와 저소음을 실현하고, 양방향으로 유체를 이송할 수 있도록 구성된 유체 이송 장치의 개발이 필요하다.

본 발명의 일 목적은 양방향으로 유체를 이송 가능한 구조의 유체 이송 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 넓은 설치 공간 필요, 소음 발생, 유지 보수의 어려움 등 체크밸브가 갖는 단점을 개선할 수 있는 구조의 유체 이송 장치를 제시하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 제작의 용이성을 위해 모듈형의 단순한 구조를 갖는 유체 이송 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 기밀성과 내구성을 강화시킨 유체 이송 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 유체(물, 오일, 공기)를 가압하는 압축 기능뿐만 아니라 공기를 흡입하는 진공기능을 갖춘 유체 이송 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 일 목적은 유체 이송 원리를 역으로 적용하여 유압 및 공압으로 회전력을 발생시킬 수 있는 유공압 모터 기능을 갖는 유체 이송 장치를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 유체 이송 장치는, 축 방향을 따라 연장되는 자전부, 그리고 상기 축 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 제1 편심부와 제2 편심부를 구비하는 회전축; 에피트로코이드 곡면 형상의 제1 유체 압축 공간을 형성하는 제1 로터 하우징; 에피트로코이드 곡면 형상의 제2 유체 압축 공간을 형성하고, 상기 축 방향을 따라 상기 제1 로터 하우징으로부터 이격된 위치에 배치되는 제2 로터 하우징; 상기 제1 유체 압축 공간을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 상기 제1 유체 압축 공간 내에 배치되고, 상기 제1 편심부의 방사 방향에서 상기 제1 편심부를 감싸면서 상기 제1 편심부에 결합되는 제1 로터; 상기 제2 유체 압축 공간을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 상기 제2 유체 압축 공간 내에 배치되고, 상기 제2 편심부의 방사 방향에서 상기 제2 편심부를 감싸면서 상기 제2 편심부에 결합되는 제2 로터; 상기 제1 유체 압축 공간을 덮도록 형성되고, 상기 제1 로터 하우징의 일 측에 배치되는 제1 로터 하우징 커버; 상기 제1 유체 압축 공간과 상기 제2 유체 압축 공간을 덮도록 형성되며, 상기 제1 로터 하우징과 상기 제2 로터 하우징의 사이에 배치되는 제2 로터 하우징 커버; 및 상기 제2 유체 압축 공간을 덮도록 형성되고, 상기 제2 로터 하우징을 기준으로 상기 제2 로터 하우징 커버의 반대쪽에 배치되는 제3 로터 하우징 커버를 포함하고, 상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부는 상기 자전부를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치되고, 상기 제1 로터 하우징과 상기 제2 로터 하우징은 상기 자전부를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치된다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 유체 이송 장치의 일 단에서 타단으로 혹은 그 역방향으로 양 방향 유체 이송이 가능하다.

본 발명의 유체 이송 장치는 체크밸브 없이도 유체의 이송이 가능하고, 고압 및 진공을 발생시킬 수 있으며, 구조 단순화를 통해 원가 절감 효과, 소음 및 진도 저감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 유체 이송 장치는 로터, 로터 하우징, 로터 하우징 커버, 유체 출입 하우징 등 모든 구성이 모듈로 구성되므로 용이한 제작성을 갖는다.

본 발명의 유체 이송 장치는 로터에 구비되는 베인에 의해 기밀성 저하를 억제할 수 있으며, 내구성을 향상 시킬 수 있다.

또한 본 발명은, 기존의 로터리 펌프보다 빠르게 진공도에 도달할 수 있다.

또한 본 발명은, 높은 진공 성능을 통해 기존의 자흡 펌프에 비해 빠른 자흡기능을 발휘할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 유체 이송 장치는 진공, 자흡, 가압 기능을 갖춘 만능 펌프로 산업용과 개인용 펌프로서 매우 높은 활용도를 갖는다. 특히 로터리 방식으로 용적 변화가 이루어지므로 고점성 액체 이송의 활용도가 클 것이다.

그 외에 본 발명은 오일 진공 펌프, 유체 이송 자흡 펌프, 공기를 흡입하는 수봉식 펌프 대체, 공기 압축기를 구비하는 진공 청소기, 소형 공기 압축기, 분무기 등 다양한 사용 용도를 통해 큰 산업적 파급 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 유체 이송 원리를 역으로 적용하여 유체 출입구에 압력을 가하면 회전축을 회전시키게 되는 공압 또는 유압 모터, 공압 드라이브 등으로 적용될 수 도 있다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 유체 이송 장치의 외관을 보인 사시도다.
도 2는 도 1에 도시된 유체 이송 장치의 로터 하우징과 유체 출입 하우징이 투명한 재질로 형성되어 있다는 가정 하에 상기 유체 이송 장치의 내부를 도시한 개념도다.
도 3은 도 1에 도시된 유체 이송 장치의 로터 하우징과 유체 출입 하우징이 투명한 재질로 형성되어 있다는 가정 하에 상기 유체 이송 장치를 일 측에서 바라본 개념도다.
도 4는 도 1에 도시된 유체 이송 장치의 분해 사시도다.
도 5는 제1 편심부와 제2 편심부를 축 방향에서 바라본 개념도다.
도 6a는 제1 로터 하우징과 제2 로터 하우징 커버를 회전축의 일 단에서 바라본 개념도다.
도 6b는 제2 로터 하우징과 제2 로터 하우징 커버를 축 방향에서 바라본 개념도다.
도 7은 제1 로터 하우징 커버, 제2 로터 하우징 커버, 그리고 제3 로터 하우징 커버를 사분면에 투영한 개념도다.
도 8a 내지 도 8c는 로터의 세부 구조를 도시한 개념도다.
도 9a와 도 9b는 유체 이송 장치로 유입된 유체가 유체 이송 장치로부터 배출될 때까지 로터의 움직임에 따른 유로의 개폐 상태 변화, 용적 변동 공간의 용적 변화를 순차적으로 보인 개념도들이다.
도 10은 회전축의 회전 각도에 따른 용적 변동 공간의 용적 변화를 나타낸 그래프다.
도 11은 단일 로터만 구비하는 유체 이송 장치(비교예)에서 회전축의 회전 각도에 따른 유체 배출량을 나타낸 그래프다.
도 12a와 도 12b는 각각 제1 로터와 제2 로터를 구비하는 본 발명의 유체 이송 장치에서 회전축의 회전 각도에 따른 유체 배출량을 나타낸 그래프다.
도 13은 단일 로터만 구비하는 유체 이송 장치와 본 발명에서 제안하는 유체 이송 장치의 유체 배출량을 비교하기 위한 그래프다.

이하, 본 발명에 관련된 유체 이송 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 유체 이송 장치(100)의 외관을 보인 사시도다.

유체 이송 장치(100)의 외관은 회전축(110), 로터 하우징(121, 122), 로터 하우징 커버(131, 132, 133) 및 유체 출입 하우징(141, 142)에 의해 형성된다. 유체 이송 장치(100)의 외관은 도 1에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

로터 하우징(121, 122)은 복수로 구비되며, 각각 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)으로 명명된다. 로터 하우징 커버(131, 132, 133)는 복수로 구비되며, 각각 제1 로터 하우징 커버(131), 제2 로터 하우징 커버(132), 제3 로터 하우징 커버(133)로 명명된다. 유체 출입 하우징(141, 142)은 복수로 구비되며, 각각 제1 유체 출입 하우징(141), 제2 유체 출입 하우징(142)으로 명명된다.

유체 이송 장치(100)의 일 단으로부터 타 단을 향해 제1 유체 출입 하우징(141), 제1 로터 하우징 커버(131), 제1 로터 하우징(121), 제2 로터 하우징 커버(132), 제2 로터 하우징(122), 제3 로터 하우징 커버(133), 제2 유체 출입 하우징(142)이 순차적으로 배치된다. 그리고 회전축(110)의 일 단과 타 단은 유체 이송 장치(100)의 일 단과 타 단에 각각 노출된다.

제1 유체 출입 하우징(141)은 유체 이송 장치(100)의 일 단에 배치된다. 제2 유체 출입 하우징(142)은 유체 이송 장치(100)의 타 단에 배치된다. 제1 유체 출입 하우징(141)과 제2 유체 출입 하우징(142)은 유체 이송 장치(100)의 외측면을 형성한다.

제1 유체 출입 하우징(141)과 제2 유체 출입 하우징(142)에는 각각 유체 출입구(141a, 142a)가 형성된다. 유체 출입구(141a, 142a)는 유체 출입 하우징(141, 142)의 외주면에서 돌출될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 제안하는 유체 이송 장치(100)는 양 방향으로 유체를 이송 가능하다. 따라서 두 유체 출입구(141a, 142a)는 유체의 이송 방향에 따라 유체 유입구가 될 수도 있고, 유체 배출구가 될 수도 있다.

로터 하우징 커버(131, 132, 133)와 로터 하우징(121, 122)은 교번적으로 배치된다. 로터 하우징 커버(131, 132, 133)는 서로 이격되게 배치된다. 로터 하우징(121, 122)은 로터 하우징 커버(131, 132, 133)의 사이마다 배치된다. 로터 하우징 커버(131, 132, 133)와 로터 하우징(121, 122)은 유체 출입 하우징(141, 142)과 함께 유체 이송 장치(100)의 연속적인 외주면을 형성할 수 있다.

회전축(110)은 유체 이송 장치(100)를 관통한다. 회전축(110)은 모터나 발전기 등의 동력원에 연결되어 상기 동력원으로부터 회전 구동력을 전달받고, 전달받은 회전 구동력에 의해 회전하게 된다. 회전축(110)의 양 단에는 동력원으로부터 회전 구동력을 전달받거나, 유압 및 공압에 의해 유체 이송 장치(100)에서 발생된 회전력을 전달하기 위한 기어부(113a, 113b)가 형성될 수 있다.

회전축(110)의 원활한 회전과 실링을 위해 유체 이송 장치(100)는 베어링(151, 152)을 구비할 수 있다. 베어링(151, 152)은 회전축(110)을 감싸도록 환형으로 형성된다. 베어링(151, 152)의 내주면쪽은 회전축(110)에 결합된다. 베어링(151, 152)의 외주면쪽은 유체 출입 하우징(141, 142)에 형성되는 회전축 수용홀에 결합된다.

이하에서는 유체 이송 장치(100)의 내부 구조에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 유체 이송 장치(100)의 로터 하우징(121, 122)과 유체 출입 하우징(141, 142)이 투명한 재질로 형성되어 있다는 가정 하에 상기 유체 이송 장치(100)의 내부를 도시한 개념도다.

도 3은 도 1에 도시된 유체 이송 장치(100)의 로터 하우징(121, 122)과 유체 출입 하우징(141, 142)이 투명한 재질로 형성되어 있다는 가정 하에 상기 유체 이송 장치(100)를 일 측에서 바라본 개념도다.

도 4는 도 1에 도시된 유체 이송 장치(100)의 분해 사시도다.

회전축(110)은 유체 이송 장치(100)의 중심을 관통하며, 그 양 단은 유체 이송 장치(100)의 외부로 노출된다. 회전축(110)은 제자리 회전하는 자전부(111a, 111b, 111c)와 편심 회전하는 편심부(112a, 112b)를 포함한다.

자전부(111a, 111b, 111c)는 축 방향을 따라 연장된다. 축 방향이란 자전부(111a, 111b, 111c)의 일 단에서 타단을 향해 혹은 그 역방향을 향해 연장되는 방향을 가리킨다. 편심부(112a, 112b)는 자전부(111a, 111b, 111c)에 편심 결합된다. 따라서 자전부(111a, 111b, 111c)가 제자리 회전하게 되면, 편심부(112a, 112b)는 자전부(111a, 111b, 111c)를 중심으로 편심 회전하게 된다.

자전부(111a, 111b, 111c)와 편심부(112a, 112b)는 축 방향을 따라 교번적으로 형성된다. 회전축(110)의 일 단에서 타단을 향해 제1 자전부(111a), 제1 편심부(112a), 제2 자전부(111b), 제2 편심부(112b), 제3 자전부(111c)가 순차적으로 배치된다. 축 방향에서 제1 자전부(111a), 제2 자전부(111b), 및 제3 자전부(111c)는 서로 이격된 위치에 형성된다. 그리고 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)도 축 방향에서 서로 이격된 위치에 형성된다.

제1 자전부(111a)는 회전축(110)의 일 단에 형성된다. 제1 자전부(111a)는 축 방향에서 제1 편심부(112a)에 결합된다.

제1 편심부(112a)는 축 방향에서 제1 자전부(111a)와 제2 자전부(111b)의 사이에 형성된다. 제1 편심부(112a)는 축 방향에서 제1 자전부(111a)와 제2 자전부(111b)에 연결된다.

제2 자전부(111b)는 축 방향에서 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)의 사이에 형성된다. 제2 자전부(111b)는 축 방향에서 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)에 연결된다.

제2 편심부(112b)는 축 방향에서 제2 자전부(111b)와 제3 자전부(111c)의 사이에 형성된다. 제2 편심부(112b)는 축 방향에서 제2 자전부(111b)와 제3 자전부(111c)에 연결된다.

제3 자전부(111c)는 회전축(110)의 타 단에 형성된다. 제3 자전부(111c)는 축 방향에서 제2 편심부(112b)에 결합된다.

회전축(110)의 일 단에서 타 단을 바라보며 상기 회전축(110)을 평면에 투영하였을 때 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)의 상대적인 위치가 정의될 수 있다. 예컨대 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)는 자전부(111a, 111b, 111c)에 편심 결합되어 있으므로, 자전부(111a, 111b, 111c)의 중심으로부터 편심부(112a, 112b)의 외주면까지의 거리는 일정한 것이 아니다. 따라서 임의적으로 자전부(111a, 111b, 111c)의 중심으로부터 편심부(112a, 112b)의 외주면까지의 거리 중 가장 먼 거리가 형성되는 방향을 편심부(112a, 112b)의 형성 방향으로 정의할 수 있다.

이 경우 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)는 자전부(111a, 111b, 111c)를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치된다. 이러한 관계는 도 5에서 확인할 수 있다.

도 5는 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)를 축 방향에서 바라본 개념도다.

제2 편심부(112b)가 제1 편심부(112a)의 뒤에 배치되어 있으므로, 도 5는 회전축(110)의 일 단에서 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)를 바라본 그림에 해당한다.

회전축(110)의 일 단에서 타 단을 바라보며 상기 회전축(110)을 사분면에 투영하였을 때, 자전부(111)는 사분면의 원점에 배치된다. 제1 편심부(112a)는 자전부(111a)를 중심으로 y(y<0)축 방향에 형성되고, 제2 편심부(112b)는 자전부(111)를 중심으로 x(x>0)축 방향에 형성된다. 만일 시계 방향을 제1 방향이라고 한다면, 회전축(110)이 제1 방향으로 회전하는 동안 제1 편심부(112a)는 제2 편심부(112b)에 90°만큼 선행하여 편심 회전한다.

마찬가지로 회전축(110)의 타 단에서 일 단을 바라보며 상기 회전축(110)을 사분면에 투영하였을 때, 자전부(111)는 사분면의 원점에 배치된다. 제2 편심부(112b)는 자전부(111a)를 중심으로 x(x<0)축 방향에 형성되고, 제1 편심부(112a)는 자전부(111)를 중심으로 y(y<0)축 방향에 형성된다. 만일 제1 방향의 역방향을 제2 방향이라고 한다면, 회전축(110)이 제2 방향으로 회전하는 동안 제2 편심부(112b)는 제1 편심부(112a)에 90°만큼 선행하여 편심 회전한다.

다시 도 2 내지 도 4를 참조하여 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)에 대하여 설명한다.

제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)은 축 방향에서 서로 이격된 위치에 배치된다. 제1 로터 하우징(121)은 제1 편심부(112a)와 대응되는 위치에 배치되고, 제2 로터 하우징(122)은 제2 편심부(112b)와 대응되는 위치에 배치된다.

제1 로터 하우징(121)은 제1 유체 압축 공간(V1)을 형성한다. 상기 제1 유체 압축 공간(V1)은 제1 로터 하우징 커버(131)와 제2 로터 하우징 커버(132)를 향해 개구되어 있다. 제2 로터 하우징(122)은 제2 유체 압축 공간(V2)을 형성한다. 상기 제2 유체 압축 공간(V2)은 제2 로터 하우징 커버(132)와 제3 로터 하우징 커버(133)를 향해 개구되어 있다.

제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)은 속이 빈 원기둥 혹은 다각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)을 축 방향에서 바라봤을 때, 제1 로터 하우징(121)의 내주면과 제2 로터 하우징(122)의 내주면은 에피트로코이드(epitrochoid) 형상을 갖는다. 에피트로코이드 형상으로 정의되는 영역이 각각 제1 유체 압축 공간(V1)과 제2 유체 압축 공간(V2)에 해당된다.

제1 유체 압축 공간(V1)과 제2 유체 압축 공간(V2)의 형상은 도 6a와 도 6b에서 더욱 자세하게 알 수 있다. 도 6a는 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징 커버(132)를 회전축(110)의 일 단에서 바라본 개념도고, 도 6b는 제2 로터 하우징(122)과 제2 로터 하우징 커버(132)를 회전축(110)의 타 단에서 바라본 개념도다.

에피트로코이드 형상이란 제1 원과 접하면서 제1 원의 바깥쪽을 구르는 제2 원의 한 점이 그리는 곡선을 의미한다. 에피트로코이드 형상은 제1 원과 제2 원의 크기 비에 따라 달라지며, 매우 다양하게 도시될 수 있다. 도 6에 도시된 에피트로코이드 형상은, 제1 원의 반지름을 R이라고 하고, 제2 원의 반지름을 r이라고 할 때 R=2r의 관계를 만족하는 땅콩 모양이다. 여기서 계수 2는 에피트로코이드 형상에 나타나는 변곡점(뾰족점)의 수에 해당한다.

제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)의 배치 방향은 에피트로코이드 곡면이 향하는 방향을 기준으로 결정된다. 예를 들어 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)의 두 에피트로코이드 곡면이 평면도 상에서 서로 정확히 포개어진다면 상기 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)은 서로 같은 방향을 향해 배치된 것이라고 할 수 있다.

반대로 도 6a에서와 같이 제1 로터 하우징(121)의 에피트로코이드 곡면은 세로를 향해 세워져 있고, 도 6b에서와 같이 제2 로터 하우징(122)의 에피트로코이드 곡면은 가로를 향해 뉘여져 있다면, 상기 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)은 서로 다른 방향을 향해 배치된 것이다. 그리고 그 배치 방향은 자전부(111a, 111b, 111c)를 중심으로 서로 90°의 각도를 갖는다고 설명될 수 있다. 본 발명에서는 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)이 자전부(111a, 111b, 111c)를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치된다.

다만, 로터 하우징(121, 122)의 배치 방향은 상대적인 것이므로, 배치 방향을 결정하는 기준은 임의로 달라질 수 있다. 예컨대 로터 하우징(121, 122)의 배열 방향을 결정하는 기준으로 에피트로코이드 곡면의 최장거리나 최단거리를 연결하는 가상의 직선이 향하는 방향이라고 정의할 수 있다. 설령 그렇다 하더라도 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)의 배치 방향은 여전히 서로 90°의 각도를 갖는다.

제1 로터(171)와 제2 로터(172)는 삼각 기둥의 형상으로 형성된다. 로터(171, 172)의 모양은 정삼각 기둥에 가깝지만, 그 측면은 외측을 향해 볼록하게 튀어나온 형상을 갖는 곡면인 것으로 이해 될 수 있다. 이 곡면은 로터 하우징(121, 122)의 에피트로코이드 곡면에 대응된다. 제1 로터(171)와 제2 로터(172)의 방사 방향 단면과 같이 둥근 모서리를 갖는 삼각형을 뢸로 삼각형(reuleaux triangle)이라고 한다.

제1 로터(171)는 제1 로터 하우징(121)의 제1 유체 압축 공간(V1)을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 제1 유체 압축 공간(V1) 내에 배치된다. 마찬가지로 제2 로터(172)는 제2 로터 하우징(122)의 제2 유체 압축 공간(V2)을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 제2 유체 압축 공간(V2) 내에 배치된다. 용적이란 압축 대상 유체를 수용하는 공간의 체적 또는 부피와 같은 의미다. 따라서 용적 변동 공간이란 체적 또는 부피가 일정하지 않고, 로터(171, 172)의 회전에 따라 체적 또는 부피가 변하는 공간임을 의미한다.

제1 로터(171)가 제1 유체 압축 공간(V1)에 배치되고, 제2 로터(172)가 제2 유체 압축 공간(V2)에 배치됨에 따라 제1 유체 압축 공간(V1)과 제2 유체 압축 공간(V2)은 각각 세 개의 용적 변동 공간으로 구획된다. 그리고 제1 로터(171)와 제2 로터(172)가 움직임에 따라 세 개의 용적 변동 공간은 압축과 팽창을 반복하면서, 그 체적 또는 부피가 변하게 된다.

제1 편심부(112a)는 제1 로터 하우징(121)의 제1 유체 압축 공간(V1)에 배치된다. 제1 로터(171)는 제1 편심부(112a)의 방사 방향에서 제1 편심부(112a)를 감싸면서 제1 편심부(112a)에 결합된다. 마찬가지로 제2 편심부(112b)는 제2 로터 하우징(122)의 제2 유체 압축 공간(V2)에 배치된다. 제2 로터(172)는 제2 편심부(112b)의 방사 방향에서 제2 편심부(112b)를 감싸면서 제2 편심부(112b)에 결합된다.

제1 로터(171)는 제1 편심부(112a)에 결합되어 제1 편심부(112a)와 함께 움직이게 된다. 제2 로터(172)는 제2 편심부(112b)에 결합되어 제2 편심부(112b)와 함께 움직이게 된다. 회전축(110)의 자전부(111a, 111b, 111c)는 제자리 회전하지만, 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)는 자전부(111a, 111b, 111c)와 달리 편심 회전한다. 따라서 각각 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)에 결합된 제1 로터(171)와 제2 로터(172)는 각각 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)를 중심으로 자전하면서 에피트로코이드 곡면으로 정의되는 영역 내에서 움직이게 된다.

제1 로터(171)와 제2 로터(172)는 각각 바디와 베인을 포함한다. 이 구조에 대한 자세한 설명은 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 후술한다.

한편, 제1 로터 하우징 커버(131)는 제1 유체 압축 공간(V1)을 일 측에서 덮도록 형성된다. 제1 로터 하우징 커버(131)는 제1 로터 하우징(121)의 일 측에 배치된다. 여기서 제1 로터 하우징(121)의 일 측이란, 제1 유체 출입 하우징(141)과 제1 로터 하우징(121)의 사이를 가리킨다.

제2 로터 하우징 커버(132)는 제1 유체 압축 공간(V1)과 제2 유체 압축 공간(V2)을 덮도록 형성된다. 제2 로터 하우징 커버(132)는 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)의 사이에 배치된다. 제2 로터 하우징 커버(132)의 일 면은 제1 유체 압축 공간(V1)을 마주보게 되고, 타 면은 제2 유체 압축 공간(V2)을 마주보게 된다.

제3 로터 하우징 커버(133)는 제2 유체 압축 공간(V2)을 덮도록 형성된다. 제2 로터 하우징(122)의 일 측에 제2 로터 하우징 커버(132)가 배치된다면, 제3 로터 하우징 커버(133)는 제2 로터 하우징(122)의 타 측에 배치된다. 이를테면 제3 로터 하우징 커버(133)는 제2 로터 하우징(122)을 기준으로 제2 로터 하우징 커버(132)의 반대쪽에 배치된다.

제1 로터 하우징 커버(131), 제2 로터 하우징 커버(132), 그리고 제3 로터 하우징 커버(133)는 공통적으로 원형 플레이트 또는 다각 플레이트 형상으로 형성된다. 그리고 상기 원형 플레이트 또는 다각 플레이트에는 공통적으로 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)과 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)가 형성된다.

회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)은 원판 플레이트 또는 다각 플레이트의 중앙에 축 방향으로 형성된다. 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)은 회전축(110)의 자전부(111a, 111b, 111c)를 수용하는 영역이다.

제1 자전부(111a)는 제1 로터 하우징 커버(131)의 회전축 관통홀(131a)을 관통한다. 제2 자전부(111b)는 제2 로터 하우징 커버(132)의 회전축 관통홀(132a)을 관통한다. 제3 자전부(111c)는 제3 로터 하우징 커버(133)의 회전축 관통홀(133a)을 관통한다.

제1 로터 하우징 커버(131)는 제1 자전부(111a)의 외주면에 결합된다. 제2 로터 하우징 커버(132)는 제2 자전부(111b)의 외주면에 결합된다. 제3 로터 하우징 커버(133)는 제3 자전부(111c)의 외주면에 결합된다.

축 방향에서 제1 로터 하우징 커버(131)와 제2 로터 하우징 커버(132) 사이의 거리는 제1 로터(171)의 두께 해당한다. 마찬가지로, 제2 로터 하우징 커버(132)와 제3 로터 하우징 커버(133) 사이의 거리는 제2 로터(172)의 두께에 해당한다.

유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)는 원형 플레이트 또는 다각 플레이트에 축 방향으로 형성된다. 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)는 축 방향으로 유체를 통과하게 하는 구성이다.

유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)는 하나의 로터 하우징 커버(131, 132, 133)마다 복수로 형성될 수 있으며, 예를 들어 도면에 도시된 바와 같이 하나의 로터 하우징 커버(131, 132, 133)마다 두 개의 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)가 형성될 수 있다. 두 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)는 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)을 중심으로 서로 대칭인 위치에 대칭인 형상으로 형성된다.

유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)의 형상과 각 로터 하우징 커버(131, 132, 133)에 형성되는 유로의 위치에 대하여는 도 6a, 도 6b, 그리고 도 7을 참조하여 설명한다. 앞서 설명했듯이 도 6a와 도 6b는 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)을 축 방향에서 바라본 개념도다. 한편, 도 7은 제1 로터 하우징 커버(131), 제2 로터 하우징 커버(132), 그리고 제3 로터 하우징 커버(133)를 사분면에 투영한 개념도다.

각 로터 하우징 커버(131, 132, 133)에 형성되는 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)의 위치는, 회전축(110)의 일 단에서 타 단을 바라볼 때를 기준으로 각 로터 하우징 커버(131, 132, 133)를 하나의 사분면에 투영하여 설명될 수 있다. 이 경우 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)은 사분면의 중심에 위치한다.

제1 로터 하우징 커버(131)의 두 유로(131b1, 131b2) 중 어느 하나(131b1)는 2사분면에 형성되고, 다른 하나(131b2)는 4사분면에 형성된다. 제2 로터 하우징 커버(132)의 두 유로(132b1, 132b2) 중 어느 하나(132b1)는 1사분면에 형성되고, 다른 하나(132b2)는 3사분면이 형성된다. 제3 로터 하우징 커버(133)의 두 유로(133b1, 133b2) 중 어느 하나(133b1)는 4사분면에 형성되고, 다른 하나는 2사분면(133b2)이 형성된다.

제1 로터 하우징 커버(131)의 두 유로(131b1, 131b2)와 제3 로터 하우징 커버(133)의 두 유로(133b1, 133b2)는 2사분면과 4사분면에 형성되므로, 제1 로터 하우징 커버(131)의 두 유로(131b1, 131b2)와 제3 로터 하우징 커버(133)의 두 유로(133b1, 133b2)는 축 방향에서 서로 중첩되는 위치에 형성된다고 할 수 있다. 다만, 제1 로터 하우징 커버(131)의 두 유로(131b1, 131b2)와 제3 로터 하우징 커버(133)의 두 유로(133b1, 133b2)가 축 방향에서 모양까지 중첩되는 것은 아니고, y=-x에 해당하는 직선으로 기준으로 서로 대칭이다.

이러한 각 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)의 모양은 장변(L), 중간변(M), 및 단변(S)으로 정의되는 것이라고 설명될 수 있다. 장변(L), 중간변(M), 및 단변(S)은 반드시 직선을 의미하는 것은 아니고, 곡선으로 구성될 수도 있다. 장변(L), 중간변(M), 단변(S)은 상대적인 길이의 개념으로, 장변(L)이 가장 길고, 단변(S)이 가장 짧다. 중간변(M)은 장변(L)과 단변(S) 사이의 길이를 갖는다.

장변(L), 중간변(M), 단변(S)은 삼각형에 가까운 형상을 이루는 위치에 각각 위치하게 된다. 장변(L)은 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)을 향한다. 여기서 장변(L)이 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)을 향한다는 것은 장변(L)의 가상 법선이 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)을 지나가는 것을 의미한다. 장변(L)은 중간변(M)이나 단변(S)에 비해 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)에 가까운 위치에 위치한다.

중간변(M)의 일 단은 장변(L)의 일 단에 연결된다. 단변(S)의 일 단은 장변(L)의 타 단에 연결된다. 그리고 중간변(M)의 타 단과 단변(S)의 타 단은 장변(L)을 기준으로 회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)의 반대쪽에서 서로 연결된다. 장변(L), 중간변(M), 및 단변(S)은 곡선으로 서로 연결될 수 있다.

제1 로터 하우징 커버(131)의 양면에서 두 유로(131b1, 131b2)의 형상은 동일하다. 제3 로터 하우징 커버(133)의 양면에서 두 유로(133b1, 133b2)의 형상은 동일하다. 따라서 제1 로터 하우징 커버(131)의 두 유로(131b1, 131b2)와 제3 로터 하우징 커버(133)의 두 유로(133b1, 133b2)는 축 방향에서 동일한 형상을 유지하면서 원형 플레이트 또는 다각 플레이트를 관통한다고 볼 수 있다. 반면, 제2 로터 하우징 커버(132)의 양면에서 두 유로(132b1, 132b2)의 형상은 서로 다르다. 이에 대하여 설명한다.

설명의 편의를 위해 제2 로터 하우징 커버(132)의 양 면 중 제1 로터(171)를 향하는 면을 제1 면이라고 하고, 제2 로터(172)를 향하는 면을 제2 면이라고 한다. 그리고 제2 로터 하우징 커버(132)의 두 유로(132b1, 132b2) 중 어느 하나는 제1 유로(132b1)라고 하고, 다른 하나는 제2 유로(132b2)라고 한다.

이때 제2 로터 하우징 커버(132)의 양 면 중 제1 면에 노출되는 제1 유로(132b1)의 형상(132b1')과 제2 면에 노출되는 제1 유로(132b1)의 형상(132b1”)은 사분면 상에서 y=x에 해당하는 직선을 기준으로 서로 대칭이다. 마찬가지로 제2 로터 하우징 커버(132)의 양 면 중 제1 면에 노출되는 제2 유로(132b2)의 형상(132b2')과 제2 면에 노출되는 제2 유로(132b2)의 형상(132b2”)은 사분면 상에서 y=x에 해당하는 직선을 기준으로 서로 대칭이다.

따라서 제2 로터 하우징 커버(132)의 제1 유로(132b1)와 제2 유로(132b2)는 제1 면에서 제2 면으로 갈수록 점진적으로 또는 단계적으로 모양을 바꾸어 제1 면에 노출되는 형상(132b1', 132b2')으로부터 제2 면에 노출되는 형상(132b1”, 132b2”)으로 변화한다.

한편, 앞서 발명의 배경이 되는 기술특허문헌인 대한민국 등록특허공보 제10-1655160호(2016.09.01.)에 개시된 로터리 피스톤 펌프에서는 순간적으로 유로가 차단되는 경우를 제외하고, 유입구와 배출구가 상시 통한다. 따라서 체크밸브 없이는 압력을 발생시키는 유체 이송이 불가능하다.

이에 반해 본 발명의 유체 이송 장치(100)에서는 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)이 90°의 각도를 갖도록 배치되고, 각 로터 하우징(121, 122)의 위치에 대응하여 각 로터 하우징 커버(131, 132, 133)의 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)가 이상에서 설명한 바와 같이 형성되어 있다. 또한 회전축(110)의 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)는 자전부(111a, 111b, 111c)를 중심으로 90°의 각도를 유지하면서, 제1 로터(171)와 제2 로터(172)를 움직이게 한다.

이러한 구조에 의해 제1 로터 하우징(121)에 형성되는 용적 변동 공간의 부피와 제2 로터 하우징(122)에 형성되는 용적 변동 공간의 부피가 변화하면서도 제1 유체 출입구(141a)와 제2 유체 출입구(142a)가 서로 통하지 않게 된다. 따라서 본 발명에 의하면 체크밸브 없이도 유체의 이송이 가능하다.

이러한 유체 이송 장치(100)의 작동에 대하여는 도 9a 이하의 도면을 참조하여 후술한다. 그리고 이하에서는 유체 출입 하우징(141, 142)에 대하여 설명한다.

유체 출입 하우징(141, 142)은 유체 이송 장치(100)의 가장 외곽에 하나씩 배치된다. 유체 출입 하우징(141, 142)은 유체 이송 장치(100)의 외주면 중 일부를 형성하며, 유체 이송 장치(100)의 양 측면을 형성한다. 상기 양 측면이란 유체 이송 장치(100)의 설치 방향에 따라 상하면이 될 수도 있다.

제1 유체 출입 하우징(141)과 제2 유체 출입 하우징(142)은 원통의 형상을 가질 수 있다. 제1 유체 출입 하우징(141)은 제1 로터 하우징 커버(131)를 향해 개구되어 있고, 제2 유체 출입 하우징(142)은 제3 로터 하우징 커버(133)를 향해 개구되어 있다. 제1 유체 출입 하우징(141)과 제2 유체 출입 하우징(142) 각각의 개구단은 상기 원통의 밑면 중 하나가 형성되는 부분에 해당한다.

제1 유체 출입 하우징(141)과 제2 유체 출입 하우징(142) 각각은 플레이트(141b, 142b), 외벽(141c, 142c), 유체 출입구(141a, 142a), 그리고 내벽(141d, 142d)을 포함한다.

플레이트(141b, 142b)는 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다. 제1 유체 출입 하우징(141)의 플레이트(141b)는 제1 로터 하우징 커버(131)로부터 축 방향을 따라 이격된 위치에서 제1 로터 하우징 커버(131)를 마주보도록 배치된다. 제2 유체 출입 하우징(142)의 플레이트(142b)는 제3 로터 하우징 커버(133)로부터 축 방향을 따라 이격된 위치에서 제3 로터 하우징 커버(133)를 마주보도록 배치된다.

외벽(141c, 142c)은 유체 출입 공간(X1, X2)을 형성하도록 플레이트(141b, 142b)의 테두리를 따라 돌출된다. 예컨대 플레이트(141b, 142b)가 원형이라면 외벽(141c, 142c)은 플레이트(141b, 142b)의 원주를 따라 환형으로 돌출된다. 제1 유체 출입 하우징(141)의 외벽(141c)은 제1 로터 하우징 커버(131)의 테두리에 밀착된다. 제2 유체 출입 하우징(142)의 외벽(142c)은 제3 로터 하우징 커버(133)의 테두리에 밀착된다.

제1 유체 출입 하우징(141)의 외벽(141c)이 제1 로터 하우징 커버(131)에 밀착됨에 따라 제1 유체 출입 하우징(141)과 제1 로터 하우징 커버(131)의 사이에는 제1 유체 출입 공간(X1)이 형성된다. 제1 유체 출입 공간(X1)은 환형으로 형성될 수 있다. 상기 환형의 가운데에는 후술하게 될 제1 압력 전달 공간(Y1)이 형성된다.

마찬가지로 제2 유체 출입 하우징(142)의 외벽(141c, 142c)이 제3 로터 하우징 커버(133)에 밀착됨에 따라 제2 유체 출입 하우징(142)과 제3 로터 하우징 커버(133)의 사이에는 제2 유체 출입 공간(X2)이 형성된다. 제2 유체 출입 공간(X2)은 환형으로 형성될 수 있다. 상기 환형의 가운데에는 후술하게 될 제2 압력 전달 공간(Y2)이 형성된다.

유체 출입구(141a, 142a)는 외벽(141c, 142c)에 방사 방향을 향해 형성된다. 상기 유체 출입구(141a, 142a)를 통해 압축 대상 유체가 유체 이송 장치(100)로 유입되거나, 압축 완료 유체가 유체 이송 장치(100)로부터 배출될 수 있다.

내벽(141d, 142d)은 플레이트(141b, 142b)에서 외벽(141c, 142c)과 같은 방향을 향해 돌출된다. 이를테면 제1 유체 출입 하우징(141)의 내벽(141d)은 제1 로터 하우징 커버(131)를 향해 돌출된다. 그리고 제2 유체 출입 하우징(142)의 내벽(142d)은 제3 로터 하우징 커버(133)를 향해 돌출된다.

내벽(141d, 142d)은 유체 출입 공간(X1, X2)에 의해 감싸이는 영역에 상기 유체 출입 공간(X1, X2)과 구분되는 압력 전달 공간(Y1, Y2)을 형성하도록 외벽(141c, 142c)보다 작은 원주 또는 외벽(141c, 142c)보다 작은 둘레를 따라 형성된다. 압력 전달 공간(Y1, Y2)은 유체 출입 공간(X1, X2)과 구분되므로, 후술하게 될 압력 체크 밸브(181, 182)를 거치지 않는 한 유체 출입 공간(X1, X2)의 유체가 곧바로 압력 전달 공간(Y1, Y2)에 유입될 수 없다.

내벽(141d, 142d)에 의해 감싸이는 압력 전달 공간(Y1, Y2)에는 유체의 누설을 방지하기 위한 리테이너(161, 162)가 설치된다. 리테이너(161, 162)는 축 방향에서 베어링(151, 152)을 마주보는 위치에 설치된다. 베어링(151, 152)이 유체 출입 하우징(141, 142)의 외부로 노출되는 반면, 리테이너(161, 162)는 베어링(151, 152)보다 안쪽에 배치되므로 유체 출입 하우징(141, 142)의 외부로 노출되지 않는다. 리테이너(161, 162)는 회전축(110)의 자전부(111a, 111b, 111c)를 감싸도록 형성된다. 리테이너(161, 162)는 회전축 수용홀과 자전부(111a, 111b, 111c) 사이를 통해 유체가 누설되는 것을 방지한다.

압력 체크 밸브(181, 182)는 내벽(141d, 142d)에 설치된다. 압력 체크 밸브(181, 182)는 유체 출입 공간(X1, X2)과 압력 전달 공간(Y1, Y2)의 압력 차, 그리고 압력 체크 밸브(181, 182)에 구비되는 탄성 부재(181d, 182d)의 복원력에 근거하여 방향으로만 개폐되도록 형성된다.

압력 체크 밸브(181, 182)는 밸브 로드(181a, 182a), 제1 플랜지(181b, 182b), 제2 플랜지(181c, 182c) 및 탄성 부재(181d, 182d)를 포함한다.

밸브 로드(181a, 182a)는 내벽(141d, 142d)에 방사 방향으로 형성되는 압력 체크 밸브 설치 홀을 관통한다. 밸브 로드(181a, 182a)의 제1 단은 압력 전달 공간(Y1, Y2)에 노출되고, 제2 단은 유체 출입 공간(X1, X2)에 노출된다.

제1 플랜지(181b, 182b)는 밸브 로드(181a, 182a)의 제1 단에 형성된다. 제2 플렌지는 밸브 로드(181a, 182a)의 제2 단에 형성된다.

제1 플랜지(181b, 182b)는 밸브 로드(181a, 182a)보다 큰 외경을 갖는다. 제2 플랜지(181c, 182c)도 밸브 로드(181a, 182a)보다 큰 외경을 갖는다. 따라서 제1 플랜지(181b, 182b)와 제2 플랜지(181c, 182c) 중 어느 하나가 압력 체크 밸브 설치 홀에 밀착되면 압력 체크 밸브(181, 182)가 닫히는 것이고, 제1 플랜지(181b, 182b)와 제2 플랜지(181c, 182c)가 압력 체크 밸브 설치 홀로부터 이격되면 압력 체크 밸브(181, 182)가 열리는 것이다.

탄성 부재(181d, 182d)는 밸브 로드(181a, 182a)에 결합된다. 탄성 부재(181d, 182d)는 밸브 로드(181a, 182a)를 감싸는 코일 스프링으로 구성될 수 있다. 밸브 로드(181a, 182a)는 내벽(141d, 142d)의 외주면과 제2 플랜지(181c, 182c)의 사이에 배치된다.

이러한 구조에 의해 압력 체크 밸브(181, 182)는 유체 출입 공간(X1, X2)에서 압력 전달 공간(Y1, Y2)을 향해 한 방향으로만 개방된다. 예컨대 유체 출입 공간(X1, X2)에 매우 큰 압력이 형성되어 유체 출입 공간(X1, X2)과 압력 전달 공간(Y1, Y2) 간의 압력차가 탄성 부재(181d, 182d)의 복원력보다 커지면, 압력 체크 밸브(181, 182)의 밸브 로드(181a, 182a)가 탄성 부재(181d, 182d)를 밀게 되고, 밸브 로드(181a, 182a)는 압력 전달 공간(Y1, Y2)을 향해 삽입된다. 이에 따라 제1 플랜지(181b, 182b)가 내벽(141d, 142d)의 내주면으로부터 이격되게 되고, 압력 체크 밸브(181, 182)가 개방된다.

반대로 유체 출입 공간(X1, X2)과 압력 전달 공간(Y1, Y2) 간의 압력차가 탄성 부재(181d, 182d)의 복원력보다 작아지면, 밸브 로드(181a, 182a)는 초기 위치로 복원된다. 이에 따라 제1 플랜지(181b, 182b)가 내벽(141d, 142d)의 내주면에 밀착되어 압력 체크 밸브 설치 홀을 막게 되고, 압력 체크 밸브(181, 182)는 닫힌다.

유체가 제1 유체 출입 하우징(141)에 형성되는 유체 출입구(141a)를 통해 유입되는 경우, 회전축(110)은 시계 방향인 제1 방향으로 회전한다. 회전축(110)이 제1 방향으로 회전할 때 제1 유체 출입 하우징(141)의 유체 출입구(141a)를 통해 유입된 유체는 제1 유체 압축 공간(V1)과 제2 유체 압축 공간(V2)에서 순차적으로 압축된 후 제2 유체 출입 하우징(142)의 유체 출입구(142a)를 통해 배출된다.

제1 유체 압축 공간(V1)과 제2 유체 압축 공간(V2)에서 순차적으로 압축된 유체에 의해 제2 유체 출입 하우징(142)의 유체 출입 공간(X2)에는 고압이 형성된다. 이 압력에 의해 제2 유체 출입 하우징(142)의 내벽(142d)에 설치되는 압력 체크 밸브(182)는 개방된다. 그리고 이 압력은 후술하게 될 회전축(110)의 세부 구조를 통해 제1 유체 출입 하우징(141)의 압력 전달 공간(Y1)으로 전달된다. 이에 따라 제1 유체 출입 하우징(141)의 유체 출입 공간(X1)의 압력보다 압력 전달 공간(Y1)의 압력이 높게 되어 압력 체크 밸브(181)가 닫히게 된다.

반대로 유체가 제2 유체 출입 하우징(142)에 형성되는 유체 출입구(142a)를 통해 유입되는 경우, 회전축(110)은 제1 방향의 역방향인 제2 방향으로 회전한다. 회전축(110)이 제2 방향으로 회전할 때 제2 유체 출입 하우징(142)의 유체 출입구(142a)를 통해 유입된 유체는 제2 유체 압축 공간(V2)과 제1 유체 압축 공간(V1)에서 순차적으로 압축된 후 제1 유체 출입 하우징(141)의 유체 출입구(141a)를 통해 배출된다.

제2 유체 압축 공간(V2)과 제1 유체 압축 공간(V1)에서 순차적으로 압축된 유체에 의해 제1 유체 출입 하우징(141)의 유체 출입 공간(X1)에는 고압이 형성된다. 이 압력에 의해 제1 유체 출입 하우징(141)의 내벽(141d)에 설치되는 압력 체크 밸브(181)는 개방된다. 그리고 이 압력은 후술하게 될 회전축(110)의 세부 구조를 통해 제2 유체 출입 하우징(142)의 압력 전달 공간(Y2)으로 전달된다. 이에 따라 제2 유체 출입 하우징(142)의 유체 출입 공간(X2) 의 압력보다 압력 전달 공간(Y2)의 압력이 높게 되어 압력 체크 밸브(182)가 닫히게 된다.

이와 같이 제1 유체 출입 하우징(141)에 설치되는 제1 압력 체크 밸브(181)와 제2 유체 출입 하우징(142)에 설치되는 제2 압력 체크 밸브(182)는 선택적으로 개폐되고, 동시에 개폐되지 않는다. 선택적으로 개폐된다는 것은, 제1 압력 체크 밸브(181)가 개방될 때 제2 압력 체크 밸브(182)는 닫히고, 제2 압력 체크 밸브(182)가 개방될 때 제1 압력 체크 밸브(181)는 닫히는 것을 의미한다.

본 발명의 압력 체크 밸브(181, 182)는 대한민국 등록특허공보 제10-1655160호(2016.09.01.)의 체크밸브와 구분되어야 한다. 대한민국 등록특허공보 제10-1655160호(2016.09.01.)의 체크밸브는 유체의 이송을 위해 반복적으로 개폐되어야 하므로 소음과 진동을 유발하는 반면, 본 발명의 압력 체크 밸브(181, 182)는 한 방향으로 유체의 이송이 결정되면 유체의 이송 방향이 역 방향으로 전환되기 전까지 열림 또는 닫힘 상태를 유지하므로 소음과 진동을 유발하지 않는다.

다음으로는 도 4, 도 5 그리고 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 회전축(110)의 미설명된 구조와 로터(171, 172)의 세부 구조에 대해 설명한다. 도 8a 내지 도 8c는 제1 로터(171)의 세부 구조를 도시한 개념도다. 도 8a 내지 도 8c에서 제1 로터(171)에 대한 설명은 제2 로터(172)에도 동일하게 적용된다.

로터(171, 172)가 로터 하우징(121, 122) 내에서 지속적으로 움직이게 되면, 로터(171, 172)와 로터 하우징(121, 122) 간의 마찰과 마모로 인해 기밀 성능 저하를 유발하게 된다. 이하에서 설명하는 회전축(110)과 로터(171, 172)의 구조는 유체 이송 장치(100)가 장시간 작동하더라도 기밀 성능 저하가 발생하지 않도록 하는 것이다.

회전축(110)에는 여러 홀과 홈이 형성된다.

먼저 축 방향 홀(114a, 114b)은 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b) 중 적어도 하나를 축 방향으로 관통한다. 압력의 전달을 위해서는 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b) 모두에 축 방향 홀(114a, 114b)이 형성되는 것이 바람직하다. 축 방향 홀(114a, 114b)은 복수로 형성될 수 있으며, 도 5에서는 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b)에 각각 세 개씩의 축 방향 홀(114a, 114b)이 형성된 구조를 보이고 있다.

회전축 관통홀(131a, 132a, 133a)의 내경은 자전부(111a, 111b, 111c)의 외경보다 크므로, 축 방향 홀(114a, 114b)은 압력 전달 공간(Y1, Y2)과 통한다. 따라서 압력 전달 공간(Y1, Y2)의 압력은 축 방향 홀(114a, 114b)을 통해 축 방향으로 전달될 수 있다.

방사 방향 홀(115a, 115b)은 제1 편심부(112a)의 외주면과 상기 제1 편심부(112a)에 형성되는 축 방향 홀(114a, 114b)의 내주면을 서로 통하게 하거나, 제2 편심부(112b)의 외주면과 상기 제2 편심부(112b)에 형성되는 축 방향 홀(114a, 114b)의 내주면을 서로 통하게 하도록 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b) 중 적어도 하나에 형성된다. 방사 방향 홀(115a, 115b)은 축 방향 홀(114a, 114b)과 1:1 대응되는 수만큼 형성될 수 있다.

원주 방향 홈(116a, 116b)은 축 방향에서 방사 방향 홀(115a, 115b)과 대응되도록 제1 편심부(112a)와 제2 편심부(112b) 중 적어도 하나에 형성된다. 원주 방향 홈(116a, 116b)이 형성됨에 따라 방사 방향 홀(115a, 115b)을 통해 전달되는 압력은 제1 편심부(112a)나 제2 편심부(112b)의 둘레에 균일하게 전달된다.

회전축(110)이 제1 방향으로 회전하는 동안, 제1 로터(171)는 제1 유체 압축 공간(V1)으로 유입되는 유체를 1차 압축하도록 형성되고, 상기 제2 로터(172)는 상기 제1 유체 압축 공간(V1)에서 상기 제2 유체 압축 공간(V2)으로 유입되는 유체를 2차 압축하도록 형성된다.

반대로 회전축(110)이 제1 방향의 역방향인 제2 방향으로 회전하는 동안, 제2 로터(172)는 제2 유체 압축 공간(V2)으로 유입되는 유체를 1차 압축하도록 형성되고, 제1 로터(171)는 제2 유체 압축 공간(V2)에서 상기 제1 유체 압축 공간(V1)으로 유입되는 유체를 2차 압축하도록 형성된다.

도 8a 내지 도 8를 참조하면, 제1 로터(171)는 바디(171a)와 베인(171b)을 포함한다. 제2 로터(172)도 마찬가지다.

바디(171a)에는 수용부(171a1), 베인 슬롯(171a2) 및 베인 슬롯 홀(171a3)이 형성된다.

수용부(171a1)는 제1 편심부(112a)를 수용하도록 둥근 모서리를 갖는 삼각 기둥의 중심을 축 방향으로 관통한다. 수용부(171a1)의 내경은 제1 편심부(112a)의 외경과 일치할 수 있다.

베인 슬롯(171a2)은 둥근 모서리를 갖는 삼각 기둥의 각 꼭지점마다 방사 방향을 향해 형성된다. 베인 슬롯(171a2)은 베인(171b)을 수용하도록 뢸로 삼각형의 꼭지점에서 뢸로 삼각형의 중심을 향해 리세스 된 형상의 구성이다.

베인 슬롯 홀(171a3)은 베인 슬롯(171a2)의 외주면과 수용부(171a1)의 내주면을 서로 통하게 하도록 제1 편심부(112a)의 원주 방향 홈(116a)과 축 방향에서 대응되는 위치에 방사 방향으로 형성된다.

베인(171b)은 바디(171a)와 함께 움직이도록 베인 슬롯(171a2)에 삽입된다. 베인(171b)은 제1 로터 하우징(121)의 내주면과 축 방향에서 선접촉을 유지할 수 있도록 형성된다.

앞서 압력 체크 밸브(181, 182)의 개방 원리에 대해 설명했듯이, 유체 출입 공간(X1, X2)에 고압이 형성되면, 압력 전달 공간(Y1, Y2)을 통해 제1 편심부(112a)의 축 방향 홀(114a), 제2 편심부(112b)의 축 방향 홀(114b)로 압력이 전달된다. 제1 편심부(112a)의 축 방향 홀(114a)은 방사 방향 홀(115a)에 의해 원주 방향 홈(116a)과 통하고, 제2 편심부(112b)의 축 방향 홀(114b)은 방사 방향 홀(115b)에 의해 원주 방향 홀과 통한다.

편심부(112a, 112b)의 원주 방향 홈(116a, 116b)과 대응되는 위치에는 바디(171)의 베인 슬롯 홀(171a3)이 형성되므로, 압력은 다시 원주 방향 홈(116a, 116b)과 베인 슬롯 홀(171a3)을 향해 베인 슬롯(171a2)에 삽입되어 있는 베인(171b)에 전달된다. 압력은 베인(171b)을 방사 방향으로 밀어내도록 작동한다.

이에 따라 베인(171b)은 설령 마모되더라도 제1 로터 하우징(121)의 내주면 또는 제2 로터 하우징(122)의 내주면에 밀착된 상태로, 제1 로터 하우징(121)의 내주면 또는 제2 로터 하우징(122)의 내주면과 축 방향에서 선접촉을 유지하면서 움직이게 된다. 이 구조에 의하면 기밀 성능이 계속하여 유지될 수 있다.

베인(171b)은 다른 방향과 달리 축 방향에서 자유 상태이며, 로터 하우징 커버(131, 132, 133)에는 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)가 형성되므로, 로터(171, 172)가 회전하다 보면 베인(171b)이 유로를 따라 베인 슬롯(171a2)으로부터 이탈될 우려가 있다. 따라서 베인(171b)을 축 방향에서 고정할 필요가 있다. 베인(171b)의 축 방향 고정에는 베인 로드(191)가 이용된다.

베인(171b)에는 제1 로터(171) 또는 제2 로터(172)의 방사 방향에서 베인 슬롯 홀(171a3)을 마주보는 위치에 로드 결합 홀(171b1)이 형성된다. 베인 로드(191)는 베인(171b)의 로드 결합 홀(171b1)과 베인 슬롯(171a2)의 베인 슬롯 홀(171a3)에 삽입되며, 이에 따라 베인(171b)이 축 방향에서 고정될 수 있다. 베인(171b)이 축 방향에서 고정되면, 로터 하우징 커버(131, 132, 133)의 유로(131b1, 131b2, 132b1, 132b2, 133b1, 133b2)로 이탈되는 현상이 방지될 수 있다.

이하에서는 유체 이송 장치(100)의 동작에 대하여 설명한다.

도 9a와 도 9b는 유체 이송 장치(100)로 유입된 유체가 유체 이송 장치(100)로부터 배출될 때까지 로터(171, 172)의 움직임에 따른 유로의 개폐 상태 변화, 용적 변동 공간의 용적 변화를 순차적으로 보인 개념도들이다.

도 9a와 도 9b에는 회전축(110)이 시계 방향인 제1 방향으로 45° 회전할 때마다 나타나는 유체 이송 장치(100)의 작동이 위에서부터 아래로 순차적으로 도시되어 있다. 도 9의 왼쪽 그림은 회전축(110)의 일 단에서 타 단을 바라보는 방향을 기준으로, 제1 로터 하우징 커버(131), 제1 로터(171), 제1 로터 하우징(121), 제2 로터 하우징 커버(132)를 투영한 것에 해당한다. 그리고 도 9의 오른쪽 그림은 회전축(110)의 일 단에서 타 단을 바라보는 방향을 기준으로, 제2 로터 하우징 커버(132), 제2 로터(172), 제2 로터 하우징(122), 제3 로터 하우징 커버(133)를 투영한 것에 해당한다.

회전축(110)은 시계 방향인 제1 방향으로 회전하는 경우 유체는 도 9a 내지 도 9b에 도시된 순서에 따라 압축된다. 유체는 제1 유체 압축 공간(V1)에서 먼저 압축되고, 이어서 제2 유체 압축 공간(V2)에서 압축된다. 유체 이송 장치(100)가 지속적으로 작동하게 되면, 도 9a 내지 도 9b의 과정이 계속 반복된다. A1, B1, C1은 각각 제1 로터(171)의 A, B, C 변이 제1 로터 하우징(121)과 함께 형성하는 용적 변동 공간을 의미한다. 마찬가지로 A2, B2, C2는 각각 제2 로터(172)의 A, B, C 변이 제2 로터 하우징(122)과 함께 형성하는 용적 변동 공간을 의미한다.

먼저 그림 (1)은 유체 이송 장치(100)가 작동하기 전의 초기 조건이다.

그림 (1)에서 (2)를 거쳐 (3)으로 회전축(110)이 90°회전하게 되면, 제1 로터 하우징(121) 내의 공간 A1의 용적은 감소하고, 제2 로터 하우징(122) 내의 공간 A2의 용적은 증가한다.

이와 동시에 공간 B1의 용적은 감소하고, 공간 B2의 용적도 감소한다. 공간 B1의 유입구인 유로 131b1과 공간 B2의 유입구인 유로 132b2가 각각 제1 로터(171)와 제2로터(172)에 의해 차단되어 있으므로, 공간 B1의 유체는 유로 131b2를 거쳐 공간 B2의 유체와 유로 133b2를 통해 함께 배출된다.

이 때 공간 C2의 용적이 감소하면서 공간 C2에 있던 유체는 유로 133b1을 통해 배출된다.

제1 편심부(112a)가 편심 회전함에 따라 제1 로터(171)가 제1 유체 압축 공간(V1)에서 움직이거나, 제2 편심부(112b)가 편심 회전함에 따라 제2 로터(172)가 제2 유체 압축 공간(V2)에서 움직일 때, 상기 제1 로터(171) 또는 제2 로터(172)를 형성하는 세 개의 둥근 모서리 중 어느 하나는 유로의 중간변(M)을, 그리고 다른 어느 하나는 유로의 단변(S)을 서로 동시에 만나게 된다. 이에 따라 그림 (3)에서 제1 로터(171)가 움직이는 동안 순간적으로 제1 로터(171)에 의해 유로 131b1과 유로 132b2가 닫히게 되고, 이와 동시에 제 2로터(172)에 의해 유로 132b2와 유로 133b1은 닫히게 된다.

다음으로 그림 (3)에서 (4)를 거쳐 (5)로 진행되는 동안, 공간 A2의 용적이 증가하지만 유로 132b1을 통해 연결되는 공간 A1의 용적은 감소한다. 공간 A1의 용적 감소량과 공간 A2의 용적 증가량의 차이만큼 공간 A2의 유체는 유로 133b1을 통해 배출된다.

공간 B2의 용적은 감소하여 유체는 유로 133b2를 통해 배출된다. 그림 (3)의 상태에서 공간 C2는 최소값의 용적을 형성하며, C2의 용적이 증가함에 따라 유로 132b2를 통해 공간 C1의 유체가 C2로 유입된다. 공간 C1의 용적도 증가함에 따라 유로 131b2를 통해 유체가 유입된다.

다음으로 그림 (5), (6), (7)과 같이 회전축(110)이 계속하여 회전하는 동안 공간 A1의 유체는 유로 132b1을 통해 공간 A2로 유입되고, 공간 A2의 유체는 유로 133b1을 통해 배출된다. 공간 B2의 유체는 유로 133b2를 통해 배출된다. 공간 C2의 용적이 계속 증가됨에 따라 유로 132b2를 통해 공간 C1의 유체가 유입된다. 이때 공간 C1의 용적은 감소함에 따라 공간 C2의 용적증가량과 공간 C1의 용적 감소량의 차이만큼 유로 131b2를 통해 유입된다.

그림 (7)에서 제1 로터(171)에 의해 순간적으로 유로 131b2와 132b1은 닫히게 되고, 이와 동시에 제2 로터(172)에 의해 유로 132b1과 133b2는 닫히게 된다. 그림 (7)에서 (8)로 회전축(110)의 회전이 계속 되는 동안 유체의 이동은 앞서와 마찬가지로 설명될 수 있다.

그림 (7)과 (8) 이후에는 전술한 바와 같이 그림 (1)과 같은 제1 로터(171)와 제2 로터(172)의 위치로 복귀하게 된다. 단 A 변의 위치만 B로 대체된다. 그리고 앞서와 같은 과정을 반복하게 된다.

그림 (1)에서 (8)을 거쳐 다시 그림 (1)의 위치로 진행되는 과정에서 회전축(110)은 360° 회전하게 된다. 회전축(110)이 회전하는 동안 각각의 용적 변동 공간은 용적의 증가와 감소를 반복하면서 유체를 이송하게 되고, 이 과정 동안 제1 유체 출입구(141a)와 제2 유체 출입구(142a)는 항상 서로 차단된 상태를 유지한다.

따라서 본 발명의 유체 이송 장치(100)는 제1 유체 출입구(141a)와 제2 유체 출입구(142a)가 직접 통하지 않는 상태에서 연속적으로 유체를 제1 유체 출입구(141a)에서 제2 유체 출입구(142a)로 혹은 그 역으로 이송할 수 있으므로, 체크 밸브를 필요로 하지 않으면서도 우수한 진공 및 가압 성능을 갖게 된다.

유체 이송 장치(100)의 작동 초기 조건에 해당하는 그림 (1)에서 회전축(110)의 각도를 기준 각도인 0°라고 할 때, 0°에서 공간 A1은 최대 용적은 가지며, 그림 (7)에 해당하는 270°에서 공간 A1은 최소 용적을 갖는다. 그림 (1)에서 그림 (7)까지 진행되는 동안 공간 A1의 용적은 계속하여 감소한다. 그리고 그림 (8)에서는 다시 공간 A1의 용적이 증가하기 시작한다.

이와 같이 회전축(110)이 회전함에 따라 용적 변동 공간의 용적은 증가와 감소를 반복하며, 용적 변동 공간의 용적 변화는 도 10에 도시된 바와 같이 사인 곡선을 따른다.

도 10은 회전축의 회전 각도에 따른 용적 변동 공간의 용적 변화를 나타낸 그래프다.

공간 B1과 공간 C1의 용적 변화도 공간 A1의 용적 변화와 마찬가지로 사인 곡선을 따른다. 그리고 A1, B1, C1의 용적 변화는 회전축(110)의 회전 각도를 기준으로 180°의 위상차를 갖는다. 유체 이송 장치(100)에서 배출되는 유체의 양은 각 용적 변화 공간의 용적 변화만큼 발생한다.

또한 유체의 유입은 각 용적 변동 공간의 용적이 최소에서 최대로 진행될 경우 이루어지고, 유체의 배출은 각 용적 변동 공간의 용적이 최대에서 최소로 진행될 때 나타난다. 이와 같이 용적 변화는 사인 곡선을 따르기 공간 A1의 경우 회전축의 회전 각도에 따른 용적 변화량(volume variation)은 최대 용적과 최소 용적을 갖는 회전 각도(예컨대, 0°, 270°, 540°, 810°, 1080° 등)에서 가장 작으며, 공간 A1의 경우 회전축의 회전 각도에 따름 용적 변화량(volume variation)은 최대 용적과 최소용적을 갖는 회전 각도에서 중간각도 (135°, 405°, 675°, 945° 등)에서 가장 크다.

각각의 용적 변동 공간이 최대 용적에서 최소 용적으로 진행될 때만 유체가 배출되고, 최소 용적에서 최대 용적으로 진행될 때는 유체가 배출되지 않으므로 회전축의 회전 각도에 따른 유체의 배출량 변화를 나타내면 도 11과 같다. 단 도 11은 단일 로터만 구비하는 유체 이송 장치에 해당하는 경우다.

도 11은 단일 로터만 구비하는 유체 이송 장치(비교예)에서 회전축의 회전 각도에 따른 유체 배출량을 나타낸 그래프다.

도 11은 하나의 로터와 하나의 로터 하우징에 의한 유체의 배출 변화량을 나타낸 것으로, 비교예에 해당한다. 비교예는 본 발명과 같이 두 개의 로터(171, 172) 두 개의 로터 하우징(121, 122)을 구비하는 유체 이송 장치(100)와는 다른 양상을 나타낸다. 이를테면 두 개의 로터(171, 172)와 두 개의 로터 하우징(121, 122)을 구비하는 본 발명의 유체 이송 장치(100)에서는 제1 로터 하우징(121)과 제2 로터 하우징(122)에서 동시에 유체의 배출이 이루어지는 경우가 존재한다.

예컨대 도 9a 내지 도 9b의 그림 (1)에서 그림 (3)으로 회전축이 회전하는 과정에서 공간 B2의 유체가 유로 133b2로 배출됨과 동시에 공간 B1의 유체도 유로 132b2를 거쳐 유로 133b2로 배출된다. 또한 그림 (3)에서 (5)로 진행되는 동안 공간 A2의 용적은 증가하지만, 공간 A2는 유로 132b1과 연결되어 있으므로 공간 A1의 용적이 감소하게 된다. 이로 인해 공간 A1과 공간 A2의 용적 증감은 서로 상쇄된다. 결국 공간 A1와 공간 A2의 용적 변화량 차이에 해당하는 양의 유체가 유로 133b1을 통해 배출된다. 그림 (5)에서 (7)로 진행될 때에는 공간 A1과 공간 A2의 용적 변화량의 합에 해당하는 양의 유체가 유로 133b1을 통해 배출된다.

이와 같이 두 개의 로터(171, 172)와 두 개의 로터 하우징(1121, 122)을 구비하는 유체 이송 장치(100)의 유체 배출량 변화는 도 12a와 12b로 나타낼 수 있다.

도 12a와 도 12b는 각각 제1 로터(171)와 제2 로터(172)를 구비하는 본 발명의 유체 이송 장치(100)에서 회전축(110)의 회전 각도에 따른 유체 배출량을 나타낸 그래프다.

도 12a는 도 9a와 도 9b의 과정에 의해 유체 이송 장치(100)가 작동할 경우 제1 로터(171)와 제1 로터 하우징(121)에 의해 발생되는 유체의 배출량 변화를 나타낸 것이다. 공간 A1, B1, C1의 유체 배출량 변화는 회전축의 회전 각도를 기준으로 180°의 위상차를 갖는다. 그리고 도 12b는 도 9a와 도 9b의 과정에 의해 유체 이송 장치(100)가 작동할 경우 제2 로터(172)와 제2 로터 하우징(122)에 의해 발생되는 유체의 배출량 변화를 나타낸 것이다. 회전축(110)이 회전하는 동안 공간 A2, B2, C2의 용적 증감이 상쇄되는 경우를 반영하여 유체의 배출량 변화는 음의값을 나타내는 경우도 있다.

마지막으로 도 12a와 도 12b의 유체 배출량 변화에 대한 합을 나타내면 도 13의 합 2(sum 2)와 같다. 도 13은 단일 로터만 구비하는 유체 이송 장치(합 1, sum 1)와 본 발명에서 제안하는 유체 이송 장치(합 2, sum 2)의 유체 배출량을 비교하기 위한 그래프다.

도 13의 비교를 통해, 대한민국 등록특허공보 제10-1655160호(2016.09.01.)에 개시된 구조 대비 본 발명의 유체 배출량은 회전축(110)의 회전 당 50% 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한 대한민국 등록특허공보 제10-1655160호(2016.09.01.)와 달리 본 발명에서는 유체의 이송을 위한 체크밸브를 필요로 하지 않기 때문에, 구조의 단순화, 유체 이송 장치의 소형화를 구현하면서도 오히려 1.5배의 높은 유량을 구현하는 장점을 갖는다.

이상에서 설명된 유체 이송 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

축 방향을 따라 연장되는 자전부, 그리고 상기 축 방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 제1 편심부와 제2 편심부를 구비하는 회전축;
에피트로코이드 곡면 형상의 제1 유체 압축 공간을 형성하는 제1 로터 하우징;
에피트로코이드 곡면 형상의 제2 유체 압축 공간을 형성하고, 상기 축 방향을 따라 상기 제1 로터 하우징으로부터 이격된 위치에 배치되는 제2 로터 하우징;
상기 제1 유체 압축 공간을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 상기 제1 유체 압축 공간 내에 배치되고, 상기 제1 편심부의 방사 방향에서 상기 제1 편심부를 감싸면서 상기 제1 편심부에 결합되는 제1 로터;
상기 제2 유체 압축 공간을 복수의 용적 변동 공간으로 구획하도록 상기 제2 유체 압축 공간 내에 배치되고, 상기 제2 편심부의 방사 방향에서 상기 제2 편심부를 감싸면서 상기 제2 편심부에 결합되는 제2 로터;
상기 제1 유체 압축 공간을 덮도록 형성되고, 상기 제1 로터 하우징의 일 측에 배치되는 제1 로터 하우징 커버;
상기 제1 유체 압축 공간과 상기 제2 유체 압축 공간을 덮도록 형성되며, 상기 제1 로터 하우징과 상기 제2 로터 하우징의 사이에 배치되는 제2 로터 하우징 커버; 및
상기 제2 유체 압축 공간을 덮도록 형성되고, 상기 제2 로터 하우징을 기준으로 상기 제2 로터 하우징 커버의 반대쪽에 배치되는 제3 로터 하우징 커버를 포함하고,
상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부는 상기 자전부를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치되고,
상기 제1 로터 하우징과 상기 제2 로터 하우징은 상기 자전부를 중심으로 90°의 각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 로터 하우징 커버, 상기 제2 로터 하우징 커버 및 상기 제3 로터 하우징 커버 각각은,
상기 제1 로터 하우징 커버, 상기 제2 로터 하우징 커버 또는 상기 제3 로터 하우징 커버를 형성하는 플레이트의 중앙에 상기 축 방향으로 형성되며, 상기 자전부를 수용하는 회전축 관통홀; 및
상기 회전축 관통홀을 중심으로 서로 대칭적으로 형성되며, 상기 축 방향으로 유체를 통과하게 하는 두 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제2항에 있어서,
상기 두 유로 각각의 형상은 직선이나 곡선으로 구성되는 장변, 중간변, 및 단변에 의해 정의되고,
상기 장변은 상기 회전축 관통홀을 향하고,
상기 중간변의 일 단은 상기 장변의 일 단에 연결되고,
상기 단변의 일 단은 상기 장변의 타 단에 연결되며,
상기 중간변의 타 단과 상기 단변의 타 단은 상기 장변을 기준으로 상기 회전축 관통홀의 반대쪽에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 로터와 상기 제2 로터 중 적어도 하나는 세 개의 둥근 모서리를 갖는 삼각 기둥 형상으로 형성되고,
상기 제1 편심부가 편심 회전함에 따라 상기 제1 로터가 상기 제1 유체 압축 공간에서 움직이거나, 상기 제2 편심부가 편심 회전함에 따라 상기 제2 로터가 상기 제2 유체 압축 공간에서 움직일 때, 상기 세 개의 둥근 모서리 중 어느 하나는 상기 중간변을 다른 어느 하나는 상기 단변을 서로 동시에 만나는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제2항에 있어서,
상기 회전축의 일 단에서 타 단을 바라볼 때를 기준으로 상기 회전축 관통홀이 형성되는 위치를 사분면의 중심이라 하면,
상기 제1 로터 하우징 커버의 두 유로 중 어느 하나는 2사분면에 형성되고, 다른 하나는 4사분면이 형성되며,
상기 제2 로터 하우징 커버의 두 유로 중 어느 하나는 1사분면에 형성되고, 다른 하나는 3사분면이 형성되며,
상기 제3 로터 하우징 커버의 두 유로 중 어느 하나는 4사분면에 형성되고, 다른 하나는 2사분면이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 로터 하우징 커버는 상기 제1 로터를 향하는 제1 면과 상기 제2 로터를 향하는 제2 면을 구비하고,
상기 제2 로터 하우징 커버의 두 유로 중 어느 하나는 제1 유로에 해당하고, 다른 하나는 제2 유로에 해당하며,
상기 제1 면에 노출되는 상기 제1 유로의 형상과 상기 제2 면에 노출되는 상기 제1 유로의 형상은 상기 사분면 상에서 y=x에 해당하는 직선을 기준으로 서로 대칭이며,
상기 제1 면에 노출되는 상기 제2 유로의 형상과 상기 제2 면에 노출되는 상기 제2 유로의 형상은 상기 사분면 상에서 y=x에 해당하는 직선을 기준으로 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제1항에 있어서,
상기 회전축이 제1 방향으로 회전하는 동안, 상기 제1 로터는 상기 제1 유체 압축 공간으로 유입되는 유체를 1차 압축하도록 형성되고, 상기 제2 로터는 상기 제1 유체 압축 공간에서 상기 제2 유체 압축 공간으로 유입되는 유체를 2차 압축하도록 형성되고,
상기 회전축이 제1 방향의 역방향인 제2 방향으로 회전하는 동안, 상기 제2 로터는 상기 제2 유체 압축 공간으로 유입되는 유체를 1차 압축하도록 형성되고, 상기 제1 로터는 상기 제2 유체 압축 공간에서 상기 제1 유체 압축 공간으로 유입되는 유체를 2차 압축하도록 형성되며,
상기 회전축이 상기 제1 방향으로 회전하는 동안 상기 제1 편심부는 상기 제2 편심부에 90°만큼 선행하여 편심 회전하고,
상기 회전축이 상기 제2 방향으로 회전하는 동안 상기 제2 편심부는 상기 제1 편심부에 90°만큼 선행하여 편심 회전하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제1항에 있어서,
상기 자전부는,
상기 회전축의 일 단에 형성되고, 상기 제1 편심부와 연결되는 제1 자전부;
상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부의 사이를 연결하는 제2 자전부; 및
상기 회전축의 타 단에 형성되고, 상기 제2 편심부와 연결되는 제3 자전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제1항에 있어서,
상기 회전축은,
상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부 중 적어도 하나를 축 방향으로 관통하는 축 방향 홀;
상기 제1 편심부의 외주면과 상기 축 방향 홀의 내주면을 서로 통하게 하거나 상기 제2 편심부의 외주면과 상기 축 방향 홀의 내주면을 서로 통하게 하도록 상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부 중 적어도 하나에 형성되는 방사 방향 홀; 및
상기 방사 방향 홀과 대응되도록 상기 제1 편심부와 상기 제2 편심부 중 적어도 하나에 형성되는 원주 방향 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 로터와 상기 제2 로터 중 적어도 하나는 세 개의 둥근 모서리를 갖는 삼각 기둥 형상으로 형성되고,
상기 제1 로터와 상기 제2 로터 중 적어도 하나는 바디와 베인을 포함하고,
상기 바디는,
상기 제1 편심부 또는 상기 제2 편심부를 수용하도록 상기 둥근 모서리를 갖는 삼각 기둥의 중심을 상기 축 방향으로 관통하는 수용부;
상기 둥근 모서리를 갖는 삼각 기둥의 꼭지점마다 방사 방향을 향해 형성되는 베인 슬롯; 및
상기 베인 슬롯의 외주면과 상기 수용부의 내주면을 서로 통하게 하도록 상기 원주 방향 홈과 대응되는 위치에 방사 방향으로 형성되는 베인 슬롯 홀을 구비하고,
상기 베인은 상기 베인 슬롯에 삽입되며, 상기 베인 슬롯 홀을 통해 인가되는 압력에 의해 상기 제1 로터 하우징의 내주면이나 상기 제2 로터 하우징의 내주면에 밀착된 상태로 상기 바디와 함께 이동하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제10항에 있어서,
상기 베인에는 상기 제1 로터 또는 상기 제2 로터의 방사 방향에서 상기 베인 슬롯 홀을 마주보는 위치에 로드 결합 홀이 형성되고,
상기 베인은 상기 로드 결합 홀과 상기 베인 슬롯 홀에 삽입되는 베인 로드에 의해 축 방향에서 고정되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제1항에 있어서,
상기 유체 이송 장치는 상기 제1 로터 하우징 커버를 덮는 제1 유체 출입 하우징과 상기 제3 로터 하우징 커버를 덮는 제2 유체 출입 하우징을 더 포함하고,
상기 제1 유체 출입 하우징과 상기 제2 유체 출입 하우징 각각은,
상기 제1 로터 하우징 커버 또는 상기 제3 로터 하우징 커버로부터 상기 축 방향을 따라 이격된 위치에서 상기 제1 로터 하우징 커버 또는 상기 제3 로터 하우징 커버를 마주보는 플레이트;
유체 출입 공간을 형성하도록 상기 플레이트의 테두리를 따라 돌출되어 상기 제1 로터 하우징 커버의 테두리 또는 상기 제3 로터 하우징 커버의 테두리에 밀착되는 외벽;
상기 외벽에 방사 방향을 향해 형성되는 유체 출입구; 및
상기 플레이트에서 상기 외벽과 같은 방향을 향해 돌출되고, 상기 유체 출입 공간에 의해 감싸이는 영역에 상기 유체 출입 공간과 구분되는 압력 전달 공간을 형성하도록 상기 외벽보다 작은 원주 또는 상기 외벽보다 작은 둘레를 따라 형성되는 내벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제12항에 있어서,
상기 내벽에는 상기 유체 출입 공간과 상기 압력 전달 공간의 압력 차에 의해 개폐되도록 형성되는 압력 체크 밸브가 설치되며,
상기 압력 체크 밸브는 상기 유체 출입 공간에서 상기 압력 전달 공간을 향해 한 방향으로만 개방되는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제13항에 있어서,
상기 내벽에는 방사 방향으로 밸브 설치 홀이 형성되고,
상기 압력 체크 밸브는,
상기 밸브 설치 홀을 관통하며, 상기 압력 전달 공간에 노출되는 제1 단과 상기 유체 출입 공간에 노출되는 제2 단을 구비하는 밸브 로드;
상기 밸브 로드보다 큰 외경을 가지며, 상기 밸브 로드의 제1 단에 형성되는 제1 플랜지;
상기 밸브 로드보다 큰 외경을 가지며, 상기 밸브 로드의 제2 단에 형성되는 제2 플랜지; 및
상기 밸브 로드에 결합되며, 상기 내벽의 외주면과 상기 제2 플랜지의 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.
제13항에 있어서,
상기 회전축이 제1 방향으로 회전할 때, 상기 제1 유체 출입 하우징의 유체 출입구를 통해 유입된 유체는 상기 제1 유체 압축 공간과 상기 제2 유체 압축 공간에서 순차적으로 압축된 후 상기 제2 유체 출입 하우징의 유체 출입구를 통해 배출되며, 이 과정에서 상기 제1 유체 출입 하우징의 내벽에 설치되는 압력 체크 밸브는 닫히고, 상기 제2 유체 출입 하우징의 내벽에 설치되는 압력 체크 밸브는 열리며,
상기 회전축이 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향으로 회전할 때, 상기 제2 유체 출입 하우징을 통해 유입된 유체는 상기 제2 유체 압축 공간과 상기 제1 유체 압축 공간에서 순차적으로 압축된 후 상기 제1 유체 출입 하우징의 유체 출입구를 통해 배출되며, 이 과정에서 상기 제1 유체 출입 하우징의 내벽에 설치되는 압력 체크 밸브는 열리고, 상기 제2 유체 출입 하우징의 내벽에 설치되는 압력 체크 밸브는 닫히는 것을 특징으로 하는 유체 이송 장치.