KR19990077967A

KR19990077967A - 용적형유체기계

Info

Publication number: KR19990077967A
Application number: KR1019990008952A
Authority: KR
Inventors: 고우소카베히로카츠; 다케바야시마사히로; 미츠야순이치; 하타히로아키; 오시마야스히로; 도죠겐지
Original assignee: 가나이 쓰도무; 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 1999-10-25
Also published as: EP0943806B1; US20010010800A1; JPH11264383A; DE69928979T2; KR100318157B1; DE69928979D1; US6213743B1; EP0943806A1; TW409165B; ES2255740T3; US6406279B2

Abstract

펌프, 압축기, 팽창기 등의 용적형 유체기계에 관한 것으로써, 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고 디스플레이서 및 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서 작동유체의 내부누설을 저감하면서 구동축으로의 부담을 경감한 선회형 유체기계를 제공하기 위해, 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고 디스플레이서 및 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 디스플레이서 외벽면 사이의 간격이 위치에 따라 다른 간격으로 하는 구성으로 하였다.

이와 같이 구성하는 것에 의해, 성능과 신뢰성을 만족시키는 디스플레이서 슬라이딩부의 직경방향 간극 설정이 가능하게 되어 작동유체의 내부누설을 저감하고 고성능의 선회형 유체기계를 얻을 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

용적형 유체기계{DISPLACEMENT TYPE FLUID MACHINE}

본 발명은 예를 들면 펌프, 압축기, 팽창기 등의 용적형 유체기계에 관한 것이다.

이와 같은 종류의 선회운동식 용적형 유체기계(이후, 선회형 유체기계라고 한다)에 관해서는 일본국 특허공개공보 소화55-23353호(문헌 1), 미국특허2112890호(문헌 2), 일본국 특허공개공보 평성5-202869호(문헌 3) 및 일본국 특허공개공보 평성6-280758호(문헌 4)에 제안된 것이 있다.

상기 문헌 1∼4에 개시된 선회형 유체기계는 다기통식으로 회전축계를 완전히 균형을 취할 수 있으므로 압력맥동이나 진동이 작고, 디스플레이서(displacer)와 실린더 사이의 상대 슬라이딩 속도가 작으므로 마찰손실을 비교적 적게 할 수있는 용적형 유체기계로서 본질적으로 유리한 특징을 구비하고 있다.

그러나, 디스플레이서를 구성하는 여러개의 베인과 실린더에 의해 형성되는 개개의 작동실의 흡입종료에서 토출종료까지의 행정이 축회전각θ로 약 180。로 짧으므로(회전식의 약 1/2로서 왕복식(리시플로식)과 동일 정도), 토출행정의 유속이 빨라지고 압력손실이 증가하여 성능이 저하한다는 문제가 있었다. 또, 이러한 형식의 유체기계에서는 압축된 작동유체로부터의 반력으로서 디스플레이서에 디스플레이서 자신을 회전시키고자 하는 자전 모멘트가 작용하여 실린더와 디스플레이서의 접촉에 의해 이 모멘트를 받도록 되어 있지만, 문헌 1∼4에 개시된 구조에서는 흡입종료에서 토출종료까지의 작동실이 구동축의 한쪽에 집중하고 있으므로, 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트가 과대하게 되어 베인의 마찰이나 마모라는 성능, 신뢰성상의 문제가 쉽게 일어난다는 결점이 있었다. 이들 결점을 해결한 선회형 유체기계로서 일본국 특허공개공보 평성9-268987호(문헌 5)에 개시된 용적형 유체기계가 제안되어 있다.

그런데, 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 디스프레서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 디스플레이서 및 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 의해 고효율을 달성하기 위해서는 유체손실 및 기계마찰 손실을 저감시킴과 동시에 작동공간(작동실)을 구성하는 디스플레이서와 실린더간의 슬라이딩부의 간극(직경방향 간극)를 통해 발생하는 작동유체의 내부누설을 극력 저감시키는 것이 필요하다.

그러나, 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상으로서, 양자의 중심을 일치시켰을 때 실린더와 디스플레이서 사이에 일정폭(선회반경)의 간극(틈)이 형성되도록 구성된 종래의 윤곽형상에서는 디스플레이서를 운동시키는 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 의해 직경방향 간극이 확대되고 작동유체의 내부누설이 증가하여 기계의 성능이 저하한다는 문제가 있었다.

또, 이 직경방향 간극을 축소하기 위해 구동축의 편심량을 늘려 디스플레이서의 선회반경을 크게 한 경우에는 디스플레이서의 윤곽형상의 외주부에서 실린더와 접촉하게 되고, 접촉각이 작기 때문에 매우 과대한 하중(접촉부의 반력)이 구동축에 작용하여 축의 소결 등의 신뢰성 저하의 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 디스플레이서 및 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서, 작동유체의 내부누설을 저감하면서 구동축으로의 부담을 경감한 선회형 유체기계를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 1실시예에 관한 용적형 유체기계를 압축기에 적용한 밀폐형 압축기의 횡단면도(도 2의 Ⅱ-II 단면에 상당),

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ에 따른 종단면도,

도 3은 본 발명에 관한 용적형 유체기계의 작동원리 설명도,

도 4는 용적형 유체기계의 축구동계의 클리어런스를 설명하는 실린더와 디스플레이서의 평면도,

도 5는 용적형 유체기계의 축구동계의 클리어런스에 의한 직경방향 간극의 설명도,

도 6은 용적형 유체기계의 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 의한 직경방향 간극의 설명도,

도 7은 본 발명의 1실시예에 관한 용적형 유체기계의 실린더와 디스플레이서의 평면도,

도 8은 도 7의 주요부(A부, B부) 확대도,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 관한 도 7의 주요부(A부, B부) 확대도,

도 10은 본 발명의 1실시예에 관한 실린더의 주요부 가공 설명도.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 관한 실린더의 주요부 확대 단면도,

도 12는 본 발명의 또 다른 1실시예에 관한 선회형 유체기계의 실린더와 디스플레이서의 평면도,

도 13은 도 12의 주요부(C부, D부) 확대도.

상기 목적은 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서, 상기 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 간격이 위치에 따라 다른 간격으로 하는 것에 의해 달성된다.

또, 상기 목적은 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서, 상기 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 간격이 교대로 광협(廣狹)으로 되도록 하는 것에 의해 달성된다.

상기 목적은 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서, 상기 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 간격을 상기 디스플레이서의 외벽곡선의 곡률이 작은 개소에서 좁게 하는 것에 의해 달성된다.

또, 상기 목적은 끝판 사이에 디스플레이서와 실린더를 배치하고, 회전축의 회전중심에 상기 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 상기 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면에 의해 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형유체기계에 있어서, 상기 디스플레이서에 일정방향의 회전 모멘트가 작용하여 상기실린더와 특정구간에서 접촉 슬라이딩하고 회전축의 회전중심에 상기 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 이 접촉 슬라이딩구간에 있어서의 상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 거리가 그 이외의 구간보다 작아지도록 상기 실린더와 상기 디스플레이서의 윤곽형상을 구성하는 것에 의해 달성된다.

이것에 의해 실린더와 디스플레이서가 맞물린 상태에서의 디스플레이서 자신의 회전방향의 여유가 작아지기 때문에, 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 따라 직경방향 간극이 확대되는 문제는 해소됨과 동시에, 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트를 받아 접촉 슬라이딩하는 구간 이외는 비접촉으로 되기 때문에 과대한 하중이 구동축에 작용하여 신뢰성을 저하시키는 문제도 없어지고, 실린더와 디스플레이서 사이의 직경 방향 간극을 최적으로 유지하여 성능과 신뢰성의 향상을 도모할 수 있는 선회형 유체기계를 제공할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 구성을 도면에 도시하는 실시예에 따라 상세히 설명한다. 압축원리 등은 앞서 도시한 문헌 5에 기재된 용적형 유체기계와 마찬가지다. 도 1은 본 발명의 1실시예에 관한 용적형 유체기계를 압축기로서 사용한 밀폐형 압축기의 횡단면도, 도 2는 도 1의 I-I선을 따른 종단면도, 도 3은 본 발명의 용적형 유체기계를 압축기로서 사용한 경우의 작동원리를 도시하는 평면도, 도 4∼도 6은 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 의한 실린더와 디스플레이서 사이의 직경방향 간극 확대의 설명도, 도 7은 본 발명에 관한 디스플레이서와 실린더의 윤곽형상을 설명하는 평면도, 도 8은 도 7의 A부 확대도〔도 8의 (a)〕와 B부 확대도〔도 8의 (b)〕이다.

도 2에 있어서, (1)은 본 발명에 관한 용적형 압축요소, (2)는 이것을 구동하는 전동요소, (3)은 용적형 압축요소(1)과 전동요소(2)를 수납한 밀폐용기이다. 도 1에 있어서, 용적형 압축요소(1)은 내주벽(4a)에서 안쪽을 향해 돌출된 여러개의 돌출부(4b)(베인이라고도 한다) 및 이 돌출부(4b)의 고정구멍(19)를 갖는 실린더(4), 이 실린더(4)의 내측에 배치되고 실린더(4)의 내주벽(4a) 및 돌출부(4b)와 맞물리는 디스플레이서(선회 피스톤이라고도 한다)(5), 상기 디스플레이서(5)의 중심부의 베어링(축받이)(5a)에 크랭크부(6a)가 끼워맞춰져 디스플레이서(5)를 구동하는 구동축(6), 도 2에 있어서, 상기 실린더(4)의 하단 개구부를 폐색하는 끝판과 구동축(6)을 축지지하는 축받이를 겸한 주베어링(7), 상기 실린더(4)의 상단 개구부를 폐색하는 끝판인 실린더 헤드(8), 상기 주베어링(7)의 끝판에 형성된 토출구(9), 이 토출구(9)를 개폐하는 리드밸브 형식의 토출밸브(10) 및 스토퍼(밸브누르개)(10a), 상기 실린더 헤드(8)에 형성된 흡입구(11)로 구성되어 있다.

도 1에 있어서, (5b)는 디스플레이서(5)의 양끝면에 형성된 오일홈으로서, 중심부의 축받이(5a)에서 외주끝 부근까지 만곡되어 연장하는 여러개의 얕은 홈(홈깊이 0.5㎜ 정도)로 이루어지고, (5c)는 디스플레이서(5)의 양끝면을 연통하는 관통구멍이다. 도 2에 있어서, (12)는 실린더 헤드(8)에 부착된 흡입커버로서, 실린더 헤드(8)에 일체적으로 흡입실(8a)를 형성하여 밀폐용기(3) 내의 압력(토출압력)과 구획하고 있다. (13)은 주베어링(7)에 일체적으로 토출실(7a)를 형성하기 위한 토출커버이다. 전동요소(2)는 고정자(2a)와 회전자(2b)로 이루어지고, 회전자(2b)는 구동축(6)의 한쪽끝에 압입 또는 수축끼워맞춤 등으로 고정되어 있다. (14)는 밀폐용기(3)의 바닥부에 저장된 윤활유로서, 그 안에 구동축(6)의 하단부가 침수되어 있다. (6b)는 윤활유(14)를 구동축(6)의 회전에 의한 원심펌프 작용에 의해 베어링 등의 각 슬라이딩부에 공급하는 급유구멍으로써 구동축(6)의 축의 끝부에는 급유 파이프(6c)가 부착되어 있다. (15)는 흡입파이프, (16)은 토출파이프이다. 도 3에 있어서, (17)은 실린더(4)의 내주벽(4a) 및 돌출부(4b)와 디스플레이서(5)의 맞물림에 의해 형성되는 작동실이다. 또, 도 2에 있어서, (18)은 압축요소의 조립볼트, (19)는 실린더(4)의 돌출부(4b)의 압력변형 등을 방지하는 고정볼트이다.

작동가스의 흐름을 도 2에 의해 설명한다. 도면 중에 화살표로 표시하는 바와 같이, 흡입파이프(15)를 통해 실린더헤드(8)에 형성된 흡입실(8a) 내에 유입된 작동가스는 흡입구(11)을 통해 용적형 압축요소(1)로 들어가고, 여기서 구동축(6)의 회전에 의해 디스플레이서(5)가 선회운동을 실행하여 작동실의 용적이 축소하는 것에 의해 압축된다(상세한 것은 후술한다). 압축된 작동가스는 주베어링(7)의 끝판에 형성된 토출구(9)를 통해 토출밸브(10)을 밀어올려 토출실(7a)내로 유입되고, 토출커버(13)에서 밀폐용기(3)내를 거쳐 토출파이프(16)에서 외부로 유출된다(소위 고압챔버를 형성하고 있다).

다음에, 용적형 압축요소(1)의 작동원리를 도 3에 의해 설명한다. "o"는 디스플레이서(5)의 중심을, "o′"는 실린더(4)(또는 구동축(6))의 중심을 각각 나타낸다. a, b, c, d, e, f는 실린더(4)의 내주벽(4a) 및 돌출부 베인(4b)와 디스플레이서(5)의 맞물림 접점(밀봉(seal)점)을 나타낸다. 여기서, 실린더(4)의 내주 윤곽 형상을 보면, 동일 곡선의 조합이 3개소 연속되어 완만하게 접속되어 있다. 이 중 1개소에 착안하면 내주벽(4a), 돌출부 베인(4b)를 형성하는 곡선은 안쪽으로 볼록하게 된 실질적인 감기각이 대략 360°인 소용돌이 곡선과 안쪽으로 오목하게 된 실질적인 감기각이 대략 360°인 소용돌이 곡선의 2개의 곡선으로 이루어지고, 이들 곡선을 o′를 중심으로 하는 원주상에 대략 등피치로 배치하고 인접하는 볼록곡선과 오목곡선은 원호 등의 완만한 곡선으로 접속되어 내주 윤곽 형상을 구성하고 있다. 디스플레이서(5)의 외주 윤곽 형상도 상기 실린더(4)와 마찬가지 원리로 구성하고 있다. 압축작용은 구동축(6)을 시계방향으로 회전시키는 것에 의해, 디스플레이서(5)가 고정측인 실린더(4)의 중심o′의 주위를 자전하는 일 없이 선회반경ε(=oo′)으로 공전운동하고, 디스플레이서(5)의 중심 o 주위에 여러개의 작동실(17)이 형성된다(본 실시예에서는 상시 3개의 작동실). 접점a와 접점b로 둘러싸여 빗금쳐진 1개의 작동실(흡입종료시점에서는 2개로 나누어져 있지만, 압축행정이 개시되면 즉시 이 2개의 작동실은 연결되어 1개로 된다)에 착안하면 도 3의 (a)가 흡입구(11)에서 이 작동실로의 작동가스의 흡입이 종료한 상태이고, 이 상태에서 구동축(6)(크랭크부(6a))이 시계방향으로 90°회전한 상태가 도 3의 (b)이고, 또 회전이 진행하여 최초에서 180°회전한 상태가 도 3의 (c)이다. 도 3의 (c)에서 또 90°회전하면 최초의 도 3의 (a) 상태로 되돌아간다.

이것에 의해, 구동축(6)의 회전이 진행함에 따라 작동실(17)은 그 용적을 축소하고, 토출구(9)는 토출밸브(10)에 의해 닫혀져 있기 때문에 작동유체의 압축작용이 실행되게 된다. 그리고, 작동실(17) 내의 압력이 외부의 토출압력보다 높아지면 압력차로 인해 토출밸브(10)이 자동적으로 열리고, 압축된 작동가스는 토출구(9)를 통해 토출된다. 흡입종료(압축개시)에서 토출종료 까지의 축회전각은 360°로서, 압축, 토출의 각 행정이 실시되고 있는 동안에 다음의 흡입행정이 준비되어 있고, 토출종료시가 다음 압축개시로 된다. 이와 같이 연속적인 압축동작을 실행하는 작동실이 디스플레이서(5)의 중심부에 위치하는 구동 베어링(5a)의 주위에 대략 등피치로 분산되어 배치되고, 각 작동실은 각각 위상이 어긋나 압축이 실행되기 때문에 축토오크의 변동 및 토출가스의 압력맥동이 매우 작아지게 되어 이것에 기인하는 진동, 소음을 저감할 수 있다. 지금까지의 기술은 문헌 5에 기재된 용적형 유체기계와 거의 동일하다.

다음에, 본 발명을 설명하기 전에 도 4∼도 6에 의해 선회형 유체기계에 있어서의 실린더와 디스플레이서 사이의 직경방향 간극의 확대로 인한 문제에 대해 설명한다. 여기서, 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상으로서, 양자의 중심을 일치시켰을 때 실린더와 디스플레이서 사이에 일정폭의 간극ε가 형성되도록 구성되어 있고, 구동축의 편심량도 상기 간극과 동일한 ε로 한 경우를 고려한다.

도 4는 축구동계의 클리어런스 설명도, 도 5는 축구동계의 클리어런스에 의한 직경방향 간극의 설명도, 도 6은 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 의한 직경방향 간극의 설명도이다.

도 4에 있어서, C1은 크랭크부(6a)의 베어링 반경 클리어런스, C2는 구동축(6)의 주베어링(7)에 있어서의 베어링 반경 클리어런스이다. 이와 같이 회전운동을 실행하는 축구동계에는 반드시 클리어런스가 존재하고 있다. 도면은 슬라이드 베어링의 경우를 도시하고 있지만 볼베어링이라도 마찬가지이다. 도 4는 이와 같은 축구동계의 클리어런스가 존재한 상태에서 구동축(6)이 각각의 축받이내에서 편심이 없으며 동심에서 조립된 이상(理想)상태를 도시하고 있다. 이 때, 디스플레이서(5)의 선회반경ε(=oo′) 과 구동축(6)의 크랭크부(6a)의 편심량은 일치한다. 또, 각 작동실(17)의 밀봉점 a, b, c, d, e, f에 있어서의 직경방향 간극은 0으로 된다. 실제의 유체기계에서는 작동실내의 압력에 의한 유체력이 디스플레이서에 작용하여 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 직경방향 간극이 변화한다.

도 5는 디스플레이서 자신의 회전변위는 고려하지 않고 축구동계의 클리어런스에 의한 직경방향 간극을 도시한 도면이다. 각 작동실(17)의 내압에 의한 합력F(회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 디스플레이서 및 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계(다조(多條)랩)에서는 각 작동실의 압력의 합력F는 반드시 편심방향과 반대측으로부터의 힘으로 되고, 이 결과 선회 반경을 작게 하도록 작용한다)가 디스플레이서(5)에 작용하면 구동축(6)은 각각의 베어링 내에서 편심하고 디스플레이서(5)의 선회반경은ε' (<ε)로 작아진다.

이 결과, 각 작동실(17)의 밀봉점 a, b, c, d, e, f에 있어서의 직경방향 간극은 선회반경이 작아진 분 만큼 넓어지고, δa=δb=δc=δd=δe=δf=(ε-ε′)로 된다.

한편, 도 5는 디스플레이서 자신의 회전변위를 고려하고 있지 않은 경우였지만, 합력F에 의해 디스플레이서(5)에는 디스플레이서 자신을 회전시키고자 하는 자전 모멘트M도 고려하면 도 6에 도시한 바와 같이 직경방향 간극이 변화한다. 즉, 자전 모멘트M은 합력F에 의해 선회방향(시계방향)과는 반대로 디스플레이서(5)를 회전변위(반시계방향)시킨다. 이 자전 모멘트를 받는 밀봉점 b, e에 있어서의 직경방향 간극 δb=δe=0으로 되지만, 크랭크부(6a)의 편심방향에서 어긋난 밀봉 점 c, d, f에 있어서의 직경방향 간극 δc, δd, δf는 편심방향의 밀봉점 a의 간극(6a)에 비해 약 2배로 확대되고, 작동유체의 고압측에서 저압측으로의 내부누설이 증가하여 성능이 저하한다는 문제가 있다.

이 내부누설을 저감하기 위해서는 직경방향 간극 δc, δd, δf를 축소할 필요가 있다. 이 직경방향 간극을 축소하기 위해 구동축의 편심량을 늘려 디스플레이서의 선회반경을 크게 한다. 이 경우, 도 6으로부터도 명확한 바와 같이, 직경방향 간극이 작은 디스플레이서의 윤곽형상의 외주부의 밀봉점 a에서 실린더와 접촉하게 되고, 이 부분은 접촉각이 작기 때문에 매우 과대한 하중(접촉부의 반력)이 구동축에 작용하여 축의 소결 등의 신뢰성 저하의 문제가 발생한다. 이 디스플레이서의 접점 a부와 같은 곡률반경이 큰 곳에서 자전모멘트 M을 받으면 쐐기와 같은 효과로 가령 자전 모멘트가 작더라도 구동축과 실린더의 간격을 확대하려는 힘이 작용하여 구동축에 과대한 하중이 부가되어 버린다.

상기와 같은 문제에 대해, 본 실시예에서는 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상을 고안하여 최적의 직경방향 간극의 설정을 가능하게 하였다. 도 7은 본 발명의 1실시예에 관한 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상을 도시한 평면도, 도 8은 도 7의 A부 확대도〔도 8의 (a)〕와 B부 확대도〔도 8의 (b)〕이다. 도 7은 실린더(4)의 중심 o′와 디스플레이서(5)의 중심o를 중첩시켜 도시한 것이다. 본 발명에서는 실린더(4)와 디스플레이서(5) 사이의 간극(실린더와 디스플레이서의 양 윤곽 곡선간의 법선거리)는 일정하지 않고, 교대로 넓어지거나 좁아지도록 하고 있다. 디스플레이서의 윤곽형상 중 곡률반경이 작은 개소는 큰 개소에 비해 자전 모멘트에 의한 구동축으로의 하중이 작으므로 본 실시예에서는 이 곡률반경이 작은 개소에서 자전 모멘트를 받도록 하였다. 디스플레이서의 자전 모멘트를 받아 접촉 슬라이딩하는 구간(각도α와 각도β로 도시한 구간)에 있어서의 실린더 내벽면과 디스플레이서 외벽면 사이의 거리ε'를 그 이외의 구간ε보다 작아지는 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상으로 하였다. 여기에 거리ε'는 상술한 축구동계의 클리어런스를 고려하여 ε를 축편심량으로 하였을 때 예를 들면,

ε>ε' ≥(ε- (C1+C2))

를 만족시키도록 구성된다. 또, 접촉 슬라이딩 구간의 각도α, β의 크기는 구동축이 어떠한 회전각 위치에 있더라도 원활한 접촉을 실현할 수 있도록 각 작동실의 압축행정의 위상차 이상의 각도(도면에서는 3개의 작동실이 구성되기 때문에 120°이상)가 취해진다. 거리ε'의 접촉 슬라이딩 구간과 거리ε의 비접촉 슬라이딩 구간의 접속은 도 8의 확대도에 도시한 바와 같이 반경 r의 원호로 연결되어 있다. 여기서는 윤곽형상의 수정(수정량δ=ε-ε′)은 실린더(4)측에서만 실시하고 있다.

이와 같은 윤곽형상을 채용하는 것에 의해 실린더(4)와 디스플레이서(5)가 맞물린 상태에서의 디스플레이서 자신의 회전방향의 여유가 작아지기 때문에 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 의해 직경방향 간극이 확대되지 않고 또한 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트를 받아 접촉 슬라이딩하는 구간 이외는 비접촉으로 되기 때문에 과대한 하중이 구동축에 작용하여 신뢰성을 저하시키는 문제도 없어지고, 실린더와 디스플레이서 사이의 직경방향 간극을 최적으로 유지하고, 성능과 신뢰성의 향상이 도모되는 선회형 유체기계를 제공할 수 있다. 또, 여기서는 윤곽형상의 수정량(δ)을 일정값으로 하였지만, 베어링 특성을 고려하여 접촉 슬라이딩 구간의 장소에 따라 수정량(δ)을 가변으로 하는 것도 가능하다. 또, 도 8에서는 윤곽형상의 수정을 실린더(4)측에서만 실행하였지만, 도 9의 확대도(a), (b)에 도시한 바와 같이, 실린더(4)(수정량(δs))과 디스플레이서(5)(수정량(δp))의 양쪽에 실시하는 것도 가능하다. 이 때의 윤곽형상의 수정량은 예를 들면 δs=δp=δ/2로 된다.

이상 기술한 실시예에서는 실린더와 디스플레이서의 접촉 슬라이딩 구간이 윤곽형상의 일부분에 한정되어 그 밖의 부분은 비접촉으로 되므로 윤곽형상의 기계 마무리 가공도 이 접촉 슬라이딩 구간에 한정하여 실시할 수 있어 제조비용의 대폭적인 저감이 가능하게 된다. 도 10은 이와 같은 기계가공의 실시예를 도시한 도면이다. 도 10의 (a)는 소형재(素形材)(실린더)의 부분형상을 도시하고 있다. 소형재는 예를 들면 철계의 소결금속재료 등으로 형성되고, 그 형상은 접촉 슬라이딩 구간(각도α)로 마무리 부분 △를 남긴 상태에서 정밀성형되어 있다. 따라서, 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이 연삭공구(20) 등에 의한 기계 마무리 가공도 이 접촉 슬라이딩 구간만으로 좋으므로, 윤곽형상 전체둘레를 기계가공하는 경우에 비해 가공시간이 대폭 단축되어 비용저감을 도모할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 관한 실린더의 주요부 확대 단면도이다. 지금까지 기술한 실시예에서는 실린더 및 디스플레이서는 단일재료로 구성되어 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라 2종류 이상의 복합재료로 구성하는 것도 가능하다. 도면에 있어서, (21)은 실린더(4)의 접촉 슬라이딩 구간(각도α)에 끼워넣어진 내마모재료로써, δs의 윤곽형상의 수정이 실시되고 있다. 도면은 실린더측이지만 디스플레이서측도 마찬가지로 구성할 수 있다. 이와 같은 복합구조로 하는 것에 의해, 실린더와 디스플레이서의 마모에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 마찬가지의 효과는 단일재료에 의해 실린더 및 디스플레이서의 접촉 슬라이딩 구간의 재료표면 경도를 그 이외의 구간보다 높이는 것에 의해서도 달성되지만, 이것도 본 발명에 포함된다.

도 12는 본 발명의 또 다른 1실시예에 관한 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상을 도시한 평면도, 도 13은 도 12의 C부 확대도〔도 13의 (a)〕와 D부 확대도〔도 l3의 (b)〕이다. 도 12는 도 7과 마찬가지로 실린더(4)의 중심 o′와 디스플레이서(5)의 중심 o를 중첩시켜 도시한 것이다. 상술한 도 6에서도 설명한 바와 같이, 축구동계의 클리어런스와 디스플레이서에 작용하는 자전 모멘트에 의한 직경방향 간극(δc, δd, δf)의 확대를 축소하는 또 하나의 방법으로서, 구동축의 편심량을 ε에서 ε" 로 늘려 디스플레이서의 선회반경을 크게 하는 것이 고려된다. 이 경우, 단순히 구동축의 편심량을 크게 하는 것만으로는 디스츨레이서의 외주방향의 윤곽형상(밀봉점)에 있어서 실린더와 접촉하고, 매우 과대한 하중(접촉부의 반력)이 구동축에 작용하여 축의 소결 등의 신뢰성 저하의 문제가 발생하기 쉽지만, 도 12에 도시한 바와 같이 이 접촉문제가 일어나기 쉬운 둘레방향 윤곽형상(각도γo와 각도γi로 도시한 구간, 또, 도면에서는 하나의 작동실만 대표로 도시하고 있고, 다른 두개의 작동실에 대해서도 마찬가지이다)에 있어서의 실린더(4)와 디스플레이서(5) 사이의 법선거리를 축편심량에 일치시켜 ε"로 하고, 그 이외의 구간ε보다 커지도록 실린더와 디스플레이서의 윤곽형상을 구성하는 것에 의해, 신뢰성 저하의 문제를 해결하여 직경방향 간극을 축소할 수 있다. 여기에 거리ε"와 ε의 관계는 상술한 축구동계의 클리어런스를 고려하여 ε"를 축편심량으로 하였을 때, 예를 들면,

ε˝>ε≥(ε˝-(C1+C2))

를 만족시키도록 구성된다. 또, 윤곽형상 수정구간의 각도γo와 각도γi는 윤곽형상이 단일원호인 경우는 그 원호의 정각(頂角), 다원호인 경우는 각 원호의 정각의 합으로 나타내는 값이다. 법선거리ε"의 구간과 법선거리ε의 구간의 접속은 도 13의 확대도에 도시한 바와 같이 반경 r의 원호에 의해 연결되어 있다. 여기서는 윤곽형상의 수정(수정량δ=ε"-ε)은 후가공을 상정하여 각도γo의 구간은 디스플레이서(5)측만을, 각도γi의 구간은 실린더(4)측만을 실시하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 윤곽형상을 채용하는 것에 의해 실린더(4)와 디스플레이서(5)의 둘레방향 윤곽형상에 있어서의 접촉문제가 해소되기 때문에 신뢰성이 향상되고 또한 직경방향 간극도 축소할 수 있기 때문에 성능향상이 도모되는 선회형 유체기계를 제공할 수 있다.

이상, 고압형태의 압축기를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 밀폐용기내의 압력이 흡입압으로 되는 저압형태의 압축기에도 마찬가지로 적용되어 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 실린더(4)와 디스플레이서(5)의 윤곽형상으로서 작동실이 3개인 경우를 예로 들어 설명했지만, 작동실의 수가 3이상 N개의 경우로 확장할 수 있다(N의 값의 상한은 실용상 8∼10으로 된다). 또, 압축요소의 윤곽형상도 실시예에 한정되는 것이 아니고, 단면형상이 연속된 곡선으로 구성되는 내벽을 갖는 실린더와 이 실린더의 내벽에 대향하도록 마련된 외벽을 갖고, 선회운동하였을 때 상기 내벽과 이 외벽에 의해 여러개의 공간을 형성하는 디스플레이서에 의해 작동유체를 반송하는 일반적인 선회형 유체기계에도 적용된다.

또, 본 발명에 관한 용적형 유체기계는 냉난방이 가능한 히트펌프 사이클을 이용한 공기조화 시스템용 압축기에 적용할 수 있다. 용적형 압축기(30)은 도 3의 작동원리도에 도시한 바와 같이 동작하고, 압축기를 기동하는 것에 의해 케이싱(4)와 디스플레이서(5) 사이에서 작동유체(예를 들면, 프론HCFC22나 R407C, R410A 등)의 압축작용이 실행된다.

냉방운전의 경우, 압축된 고온, 고압의 작동가스는 토출파이프(16)에서 4방 밸브를 통하여 실외 열교환기에 유입되고, 실외팬의 송풍작용에 의해 방열, 액화하고, 팽창밸브에 의해 조여지고 단열팽창하여 저온, 저압으로 되고, 실내 열교환기에 의해 실내의 열을 흡열하여 가스화 된 후, 흡입파이프(15)를 거쳐 용적형 압축기(30)에 흡입된다.

한편, 난방운전의 경우는 4방 밸브를 전환하는 것에 의해 냉매는 냉방운전과는 반대로 흐르고, 압축된 고온, 고압의 작동가스는 토출파이프(16)에서 4방 밸브를 통해 실내 열교환기에 의해 유입되고, 실내팬의 송풍작용에 의해 실내에 방열되고 액화하고, 팽창밸브에 의해 조여지고, 단열팽창하여 저온, 저압으로 되어 실외 열교환기에 의해 외기에서 열을 흡열하여 가스화 된 후, 흡입파이프(15)를 거쳐 선회형 압축기(30)에 흡입된다.

또, 본 발명의 용적형 압축기는 냉동(냉방)전용의 사이클에도 적용가능하다. 용적형 압축기(30)을 기동하는 것에 의해 실린더(4)와 선회 피스톤(5) 사이에서 작동유체의 압축작용이 실행되어 압축된 고온, 고압의 작동가스는 토출파이프(16)에서 응축기로 유입되고 팬의 송풍작용에 의해 방열, 액화하고, 팽창밸브에 의해 조여지고, 단열팽창하여 저온, 저압으로 되고 증발기에 의해 흡열가스화 된 후, 흡입 파이프(15)를 거쳐 선회형 압축기(30)에 흡입된다.

이와 함께 본 발명에 관한 용적형 압축기를 탑재하고 있기 때문에 에너지 효율이 우수하고, 저진동, 저소음이고 또한 신뢰성이 높은 냉동 공기조화 시스템을 얻을 수 있다. 또, 여기서는 용적형 압축기(30)으로서 고압형태를 예로 들어 설명하였지만, 저압형태라도 마찬가지로 기능하고 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

지금까지 기술한 실시예에서는 선회형 유체기계로서 압축기를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이외에 펌프, 팽창기, 동력기계 등에도 응용할 수 있다. 또, 본 발명에서는 운동형태로서 한쪽(실린더측)이 고정되고 또 다른 한쪽(디스플레이서)이 대략 일정한 선회반경으로 자전하지 않고 공전운동을 실행하는 형식으로 하였지만, 상대적으로 상기 운동과 등가인 운동형태로 되는 양회전식의 선회형 유체기계에도 적용할 수 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 실린더의 윤곽곡선을 디스플레이서의 윤곽곡선의 오프셋 곡선에 의해 구성하고, 오프셋량을 장소에 따라 변화시키는 것에 의해 성능과 신뢰성을 만족시키는 디스플레이서 슬라이딩부의 직경방향 간극 설정이 가능하게 되어, 작동유체의 내부누설을 저감하고 고성능의 선회형 유체기계를 얻을 수 있다.

Claims

회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서,

상기 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 간격이 위치에 따라 다른 간격으로 한 용적형 유체기계.
회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서,

상기 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 간격이 교대로 광협으로 되도록 한 용적형 유체기계.
회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면으로 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서,

상기 회전축의 회전중심에 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 간격을 상기 디스플레이서의 외벽곡선의 곡률이 작은 개소에서 좁게 한 용적형 유체기계.
끝판사이에 디스플레이서와 실린더를 배치하고, 회전축의 회전중심에 상기 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 상기 실린더 내벽면 및 상기 디스플레이서 외벽면에 의해 1개의 공간이 형성되고, 상기 디스플레이서 및 상기 실린더의 위치관계를 선회위치에 두었을 때는 여러개의 작동공간이 형성되는 용적형 유체기계에 있어서,

상기 디스플레이서에 일정방향의 회전 모멘트가 작용하여 상기 실린더와 특정구간에서 접촉 슬라이딩하고, 회전축의 회전중심에 상기 디스플레이서 중심을 일치시켰을 때 이 접촉 슬라이딩구간에 있어서의 상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면 사이의 거리가 그 이외의 구간보다 작아지도록 상기 실린더와 상기 디스플레이서의 윤곽형상을 구성한 용적형 유체기계.
제1항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 가공에 있어서, 양자의 접촉 슬라이딩구간에만 상기 실린더 및 상기 디스플레이서의 기계 마무리 가공을 실시한 용적형 유체기계.
제2항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 가공에 있어서, 양자의 접촉 슬라이딩구간에만 상기 실린더 및 상기 디스플레이서의 기계 마무리 가공을 실시한 용적형 유체기계.
제3항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 가공에 있어서, 양자의 접촉 슬라이딩구간에만 상기 실린더 및 상기 디스플레이서의 기계 마무리 가공을 실시한 용적형 유체기계.
제4항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 가공에 있어서, 양자의 접촉 슬라이딩구간에만 상기 실린더 및 상기 디스플레이서의 기계 마무리 가공을 실시한 용적형 유체기계.
제1항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간의 재료표면 경도를 그 이외의 구간보다 높게 한 용적형 유체기계.
제2항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간의 재료표면 경도를 그 이외의 구간보다 높게 한 용적형 유체기계.
제3항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간의 재료표면 경도를 그 이외의 구간보다 높게 한 용적형 유체기계.
제4항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간의 재료표면 경도를 그 이외의 구간보다 높게 한 용적형 유체기계.
제1항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간을 그 이외의 구간과는 다른 재료로 형성한 용적형 유체기계.
제2항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩 구간을 그 이외의 구간과는 다른 재료로 형성한 용적형 유체기계.
제3항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간을 그 이외의 구간과는 다른 재료로 형성한 용적형 유체기계.
제4항에 있어서,

상기 실린더 내벽면과 상기 디스플레이서 외벽면의 접촉 슬라이딩구간을 그 이외의 구간과는 다른 재료로 형성한 용적형 유체기계.