KR20010013687A

KR20010013687A - 회전식 정-변위 유압장치

Info

Publication number: KR20010013687A
Application number: KR1019997011699A
Authority: KR
Inventors: 드라이버로날드월리엄; 데이비슨데이빗피터
Original assignee: 데이비슨 데이빗 피터; 드라이버 테크놀로지 리미티드
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2001-02-26
Also published as: CA2293699A1; JP2002503305A; US6296462B1; EP1012444A1; AU8027798A; CN1260859A; WO1998057039A1

Abstract

본 발명은 축(30)을 중심으로 회전하도록 케이싱(14, 15)내에 편심상태로 장착된 로터(12)를 포함하되, 이 로터는 베인(21)을 각각 수용하는 수용부(33)를 지니며, 상기 베인(21)은 로터가 회전함에 따라 수용부 내에서 왕복 운동하는 회전식 정-변위 유압장치에 관한 것이다. 여기에서, 각 베인(21)은 케이싱(14, 15)내에서 자체 조립공차를 갖고 팁의 외부단 안쪽에 위치되는 베인축(35)에 대해서 왕복 운동하도록 크랭크(27)를 개재하여 아암(28)과 연결되어 있다. 각 베인의 팁은 베인축(35)에 대해서 적절하게 만곡되어 있다. 이 유압장치는 내연기관의 크랭크축과 연결될 수도 있고 외기와 엔진 흡기 매니폴드 간의 압력차에 의해서 구동될 수도 있다. 어느 것이나 이 유압장치는 히트 펌프로서 작동될 수 있다.

Description

회전식 정-변위 유압장치{ROTARY POSITIVE-DISPLACEMENT FLUID MACHINES}

본 발명은 회전식 정-변위 유압장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 정-변위 유압장치는 축을 중심으로 회전하도록 케이싱 내에 편심상태로 장착된 로터를 포함하되, 이 로터는 그의 회전에 따라 수용부 내에서 왕복 운동하는 베인을 각각 수용하는 수용부를 지니며, 각 베인은 베인축에 대해 왕복 운동하도록 크랭크를 개재하여 아암과 연결되어 있으며, 아암은 로터축으로부터 편심된 축에 대해 왕복운동할 수 있고, 베인축은 케이싱의 반경방향 내부면의 반경방향 안쪽에 있으며, 상기 각 베인의 팁은 베인축에 대해서 적절하게 만곡되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 정-변위 유압장치는 케이싱 내에 편심상태로 장착된 로터 조립체를 포함하되, 이 로터 조립체는 이동 가능한 베인을 갖는 로터 사이의 엔드부재들과, 하나의 엔드부재를 통해 연장되고 다른 엔드부재와 연결되어 상기 로터 조립체를 지지하는 구동축을 구비한다.

베인은 반경방향으로 미끄럼 이동할 수 있다. 이 베인은 엔드부재에 의해서 왕복운동하도록 로터 내의 수용부에 장착될 수도 있다.

상기 케이싱은 다른 케이싱의 엔드부재쪽으로 연장되며 구동축 상에 지지되는 엔드부재를 구비할 수 있다.

상기 베인은 크랭크에 의해서, 다른 케이싱의 엔드부재에 지지되고 회전 가능한 구동축에 의해 지지된 요소에 의해서 제공된 회전축으로부터 편심된 축상의 베인에 대해서 왕복운동할 수 있는 아암에 연결될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전식 정-변위 유압장치는 케이싱 내의 회전 가능한 로터 조립체를 포함하되, 이 로터 조립체는 크랭크에 의해서, 로터 조립체 축으로부터 편심된 축과 크랭크에 대해서 왕복운동할 수 있는 아암에 연결된 베인을 수용하기 위한 수용부가 구비된 로터를 포함하며, 상기 로터는 시일 및 베어링과 각 베인 축을 갖는 축방향 내부 및 외부요소를 구비하는 엔드부재 사이에 위치한다.

각각의 발명은 다른 것들과 함께 사용할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관은 크랭크축에 연결되고, 외기와 엔진 흡기 매니폴드 간의 압력차에 의해서 구동되며, 엔진으로부터 배출된 배기가스는 회전장치의 유입구로 공급되는 정-변위 회전장치를 구비한다.

본 발명은 다양한 형태로 실시할 수 있으며 이하에서는 변형 가능한 일 실시예를 예시의 목적으로 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 회전장치의 일부 절결 사시도,

도 2는 이 회전장치의 개략적인 단면도,

도 3은 로터의 개략적인 측면도,

도 4는 디스크부의 분해 사시도,

도 5는 디스크의 사시도,

도 6은 디스크의 측면도,

도 7은 변형예를 보인 사시도,

도 8은 다른 변형예를 보인 단면도,

도 9는 히트펌프의 구성도,

도 10은 엔진을 보인 사시도,

도 11은 제어판을 보인 도면,

도 12는 흐름도,

도 13은 변형된 로터 베인의 요소를 보인 확대도.

회전식 정-변위 유압장치(10)는 내부에 편심 장착형 로터 조립체(12)가 회전 가능하게 설치되는 외부 스테이터 조립체(11)를 구비한다. 이 스테이터 조립체(11)는 제 1엔드 플레이트(13), 2-파트 반경방향 계단식 케이싱부(14, 15) 및 제 2엔드 플레이트(16)를 구비하며, 이 조립체는 적절한 유압-밀봉시일을 개재하여 볼트(17)에 의해 서로 고정됨으로써, 팽창/압축챔버(70)를 제공한다.

로터 조립체(12)는 각각의 베인(21)을 수용하도록 소정의 각도로 이격된 주변 수용부(33)를 갖는 로터(20)를 포함한다. 각 베인(21)은 볼트(26; 한개만 도시)에 의해서 로터(20)에 고정된 제 1로터 디스크(24)와 제 2로터 디스크(25)내의 베어링(24a, 25a)상에서 축(32)을 중심으로 회전(왕복운동)하도록 각각 장착된 엔드 축(22, 23)와 일체로 이루어져 있다. 엔드 축(23)은 각 일체형 크랭크 아암(27)에 의해서 피봇적으로 연결되어 있어, 제 2엔드 플레이트(16)에 고정된 공통축(29)상에서 (축(30)을 중심으로) 왕복운동할 수 있는 아암 또는 스포크(28)를 왕복운동시킨다.

아암(28)은 로터와 함께 회전하며, 공통축(29)상에서 왕복운동한다. 아암(27)은 축(35)에 대해서 왕복운동한다.

축(41)과 함께 구동축(40)은 볼트(26)에 의해서 로터 조립체에 고정된 축(30)으로부터 편심되어 있다.

이러한 배열에 있어서, 베인(21)은 수용부(33)내의 축(32)에 대해서 왕복운동함으로써, 케이싱(14)의 내부면(46)에 대해 극미한 공차를 갖고 배치된 베인(21)의 외부면(45)과 함께 압축영역(43) 및 팽창영역(44)을 만든다.

베인면(45)은 최대 공차로 기계가공되어 있으며, 이 베인면은 표면(46)과 함께 매우 작은 운전공차를 갖는다.

필요에 따라서 적절한 베이링(50)이 제공된다.

본 실시예에서, 로터 조립체(12)는 구동축(40)상에 지지되어 있다.

엔드 벽체(13)는 그의 중심영역 지점(51)에서 베어링(52, 53)을 개재하여 엔드 벽체(16)를 향해 축방향으로 연장되어 있다. 그러므로, 로터 조립체 상의 압력하중은 베어링(52, 53)에 많이 가해짐으로써, 구동축의 일단부에서 외팔보식로 지지되기 보다는 축방향으로 분산된다.

밸런스 개선을 위해서 구동축(40)은 지점(42)에서 축(29)에 수용되므로, 축(29)의 양단은 외팔보식로 지지되는 축 보다 적은 굽힘하중을 갖고 지지되어 있으며, 보다 소형이며 무게가 감소된다. 축(29)은 엔드 벽체(16)와 일체로 만들 수 있다. 축(29, 40)은 상대적인 축방향 운동에 의해 조립될 수 있다.

이러한 구조적인 특징은 로터의 반경방향 내측 및 외측으로 미끄럼 이동하는 베인을 구비한 유압장치에 사용할 수 있는 점이다.

본 실시예에서 아암(27과 28)간의 상대적인 각운동 축(35)은 케이싱면(46)의 반경방향 내부 및 베인 팁(45)의 외부면에 있으며, 이 베인은 축(35;부분-원형)에 대해서 또는 그의 둘레로 만곡되어 있다.

축(35)이 표면(46)과 일치하는 배열과 비교하여 볼 때, 표면(45)은 베인(21)이 케이싱 내에서 회전함에 따라 피봇되는 에지(edge)인 것이 효과적이며, 이 배열은 롤이 축(35)에 대해 왕복운동함에 따라 베인팁에 대한 곡면을 제공하여 팁의 마모를 줄인다. 만곡형 베인팁은 가공이 더 쉽고 더욱 강하며, 팁 공차의 유지보수가 개선된다. 아암(27, 28)의 길이도 작으며, 무게가 감소되어 전체의 직경이 더 작은 장치를 제공하게 된다.

제조 및 조립을 용이하게 하기 위해, 로터 디스크(25)는 2개의 파트(도 4의 54, 55)로 형성하였으며, 상대적인 축방향 이동에 의해 조립된다. 이 중에서 파트(54)는 파트(55)의 축방향 수용부(57)내에 수용되는 요홈단을 지닌 축방향부(56)를 구비함으로써, 축(23)용 구멍(58)을 형성하며, 일면에는 돌출부(60)간의 슬롯(62)에 수용된 리브(61)와 함께 파트(55)의 돌출부(60)를 수용하는 수용부(59)가 구비되고, 중앙에는 로터부(20a)용 구멍(63)이 제공되어 있다. 축(23)은 파트(54)가 축방향을 따라 제위치로 이동하기 전에 파트(55)의 구멍(58)내에 위치된다. 이 경우에, 로터 표면(도 2의 20b)은 디스크(25)의 축방향 확장부로 연장될 수 있다. 로터가 플랜지(64)를 제공하기 위해 절결되면 파트(55)는 축(40)상의 플랜지(64)를 수용하기 위한 엔드 수용부를 갖는다.

로터 디스크(24)는 축(22)을 수용하기 위해 디스크(24)의 구멍을 통과하는 원형 분열선에 의해 형성된 2개의 부분으로 제조될 수 있으며, 상대적인 축방향 이동에 의해 조립된다.

수용부(33)의 일측 벽면(65; 견인면)은 각 베인(21)의 표면(66)과 대체로 일치되며, 곡면(45)은 베인이 점유되지 않는 작은 체적(도 3의 67)에 존재하는 경우에 베인(21)의 왕복운동에 대한 하나의 제한요소로서 작용하도록 설계되었다. 도 7에 도시한 바와 같이, 이것은 지점(69)에서 거의 로터부(68)모양을 취하는 것에 의해서 감소될 수 있다. 이것은 압축손실을 줄인다.

도 8에 도시한 바와 같이, 유입 윤활유에 대한 팽창/압축챔버(70)의 밀봉 방법 중의 하나로서 디스크(24, 25)를 2개의 축방향 공간부(71, 72)로 나눈 구조를 예시하였다. 이 공간부(71, 72)는 그들의 외곽단이 서로 볼트 결합되어 있으며, 축(40)상의 링(75)과 결합하는 파트(71)용 시일(74)과 파트(72)용 베어링(73)이 제공되어 있다. 이 경우에, 파트(71, 72)는 각각 구멍(58)을 통과하는 원형면에 의해 연결된 2개의 파트 상에 존재할 수 있으며, 도 6의 배치를 필요로 하지는 않는다.

폐쇄 슬리브(도 2의 77)는 파트(16)와 디스크(25)사이의 축(29)상에 위치될 수 있으며, 아암(28)은 개재된 베어링(78)과 함께 슬리브(77)상에서 왕복운동할 수 있다. 이것은 슬리브(그들이 회전함에 따라 변화되는 아암(28)상의 반경방향 하중)를 따라 반경방향 하중을 분산시킨다. 슬리브(77)는 로터속도와 아암(28)의 왕복운동 속도 사이의 속도로 회전한다.

도 9에 도시한 일 실시예에서는 히트펌프로 사용되는 장치를 예시하였다. 소정의 각도로 이격된 유입포트(90, 91) 및 배출포트(92, 93)는 케이싱의 내부(70)와 연통되어 있다. 라디에이터(94 및 94a)는 절환(44b)에 의해 포트(90, 93)와 선택적으로 연결될 수 있으며; 라디에이터(95 및 95a)는 절환(45b)에 의해 포트(91, 92)와 선택적으로 연결될 수 있다. 유체는 폐쇄회로 내를 순환하게 된다. 라디에이터(94a 및 95a)는 하우스 안에, 그리고 라디에이터(94 및 95)는 하우스 밖에 있다.

여름에는 라디에이터(94a, 95)가 사용되지 않는다. 포트(93)를 빠져나온 고온의 유체는 외부공기에 의해 라디에이터(94)내에서 냉각되며, 포트(92)를 빠져나온 냉각유체는 라디에이터(95a)를 냉각시킨다.

여름에는 라디에이터(94 및 95a)가 사용되지 않으며; 포트(92)를 빠져나온 찬공기는 (덜 차가운)외부의 주변공기에 의해서 라디에이터(95)내에서 가열되며, 포트(93)에서 나온 가열유체는 라디에이터(94a)를 경유하여 하우스를 가열시킨다.

만일, 이 장치가 가령, 내연기관(도 10의 131)의 트로틀 손실보상 터빈으로 사용된다면, 장치(100)는 공기 유입관(101)과 흡기 매니폴드(102)사이의 버터플라이 밸브를 대신하게 되어, 대기보다 낮은 압력인 외기와 흡기 매니폴드 간의 압력차에 의해 구동됨으로써 구동벨트(103)와 크랭크축 풀리(104)는 크랭크축에 에너지를 전달한다.

이 경우에, 로터의 속도가 증가됨에 따라, 유체 질량유동이 증대된다. 가령, 도 3과 도 11에 도시한 바와 같이, 소정의 각도로 연장되는 공기 유입포트는 케이싱(14)에 형성되어 있고, 소정의 각도로 케이싱 내에 미끄럼이동 가능하게 배치되어 유입포트의 각도를 확장 및 감소시키는 플레이트(123)는 공회전 속도에서 도 11에 전체라인으로 도시한 그 위치로부터 최대회전속도(완전 가속시)에서 점선으로 도시한 위치(123a)까지 이동할 수 있다. 공회전 속도에서 공기 유입포트(120)는 도 3과 11의 A로부터 B까지 연장되는 반면에, 플레이트(123)는 완전 가속시에 위치(123a)까지 이동함으로써 공기 입구는 위치(D)까지 연장된다. 지점(G)에 도시한 엔진 흡기 매니폴드로의 유동은 2개의 위치(E와 A)간의 개구인 포트를 경유하여 이루어진다. 챔버(70)의 확장을 규정하는 연속 또는 인접 베인(21)간의 거리는 도 3에 B 내지 C 및 D 내지 E에 의해 모식적으로 도시되어 있다. 플레이트(123)의 이동은 엔진 가속페달(도 10의 125)의 작동과 연동되는 기구(124; 가령 케이블)에 의해 제어될 수 있다.

도 12에 도시한 실시예에서는 내연기관(131)으로부터 배기파이프(130)를 통해 배출되는 배기가스의 일부를 회전식 장치(100)의 흡기구(120)로 보내 엔진 흡기구로 피드백시킴으로써 대기로 방출되는 배기가스 중의 산화질소 함량을 감소시킨다. 이 배기가스의 압력은 통상 대기압보다 작거나 같다.

도 13에 도시한 다른 배치구조는 고속으로 사용하기 위해 고안하였다. 점(X)은 베인이 닫혔을 때(연소실 면적 최소)케이싱에 가장 근접된 팁의 위치를 나타내고; 점(Z)은 베인이 완전 개방(연소실 면적 최대)되었을 때 케이싱에 가장 근접한 팁의 위치를 나타내며; 점(Y)은 2개의 점(X와 Z) 사이에 있다.

선(200, 201, 202)들은 점(X, Y, Z)들에 각기 대향으로 케이싱 면에 대한 접선이다.

작동 중에 베인 팁이 피봇운동 함으로써, 케이싱의 내면에 가장 근접한 베인팁 부분은 점(X)로부터 점(Y)까지 이동한다. 2개의 점(Y와 Z)간의 기계적인 응력은 최대로 되며, 평균 팁 허용공차(점(X)에서 계산)는 줄어든다. 베인의 왕복운동을 가능케하는 베인과 구동축 간의 링크기구는 연신 및/또는 비틀리며(베어링, 크랭크 아암 포함), 팁 허용공차는 감소된다. 만일 감소량이 이용 가능한 공차보다도 큰 경우에는 팁-마찰을 발생시킨다.

가령, 6000rpm과 같은 고속에서는 2개의 점(X와 Z)간에 상대적으로 큰 팁 이동이 존재한다. 팁 상의 심한 마찰을 막기 위해, 팁 형상은 파단선(203)으로 나타낸 바와 같이 더욱 평탄한 형상으로 변형하게 된다. 이것은 모든 증분에서 케이싱의 곡률이 될 수 있으며, 또 실용적인 목적을 위해, 선(203)은 점(Y와 Z)에서 반경(206, 207)과 직각으로 팁 상에 기계가공된 2개의 평면(204, 205)일 수도 있다.

Claims

축을 중심으로 회전하도록 케이싱 내에 편심상태로 장착된 로터를 포함하되, 이 로터는 그의 회전에 따라 수용부 내에서 왕복 운동하는 베인을 각각 수용하는 수용부를 지니며, 각 베인은 베인축에 대해 왕복 운동하도록 크랭크를 개재하여 아암과 연결되어 있으며, 아암은 로터축으로부터 편심된 축에 대해 왕복운동할 수 있고, 베인축은 케이싱의 반경방향 내부면의 반경방향 안쪽에 위치되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 1항에 있어서,

베인팁은 상기 베인축 둘레로 만곡된 회전식 정-변위 유압장치.
제 1항 또는 2항에 있어서,

케이싱은 하나가 다른 하나 쪽으로 연장되는 구동축 상에서 지지되며 축방향으로 이격되어 있는 엔드부재를 구비하는 회전식 정-변위 유압장치.
제 3항에 있어서,

로터축은 상기 다른 케이싱의 엔드부재에 지지된 요소를 구비하되, 이 요소는 구동축에 의해 지지되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 1∼4항 중 어느 한 항에 있어서,

로터는 그들 사이의 베어링 및 각각의 베인 축를 갖는 축방향 내부 및 외부파트를 구비하는 로터 엔드부재들 사이에 배치되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 3항에 있어서,

케이싱은 구동축 상에 지지된 베어링에 의해 장착되며 2개의 케이싱 엔드부재 간에 위치되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 2항 또는 3항에 있어서,

각 베인은 로터 상에 각각 반경방향으로 배치된 수용부에 내에 장착되며, 일부 만곡된 각 수용부를 규정하는 적어도 하나의 벽은 각 베인의 만곡형 팁이 됨으로써, 베인의 왕복운동에 대한 하나의 제한요소로서 케이싱의 만곡형 팁과 인접 반경방향 내부면 사이의 공간의 면적을 감소시키는 회전식 정-변위 유압장치.
케이싱 내에 편심상태로 장착된 로터 조립체를 포함하되, 이 로터 조립체는 이동 가능한 베인을 갖는 로터 사이의 엔드부재들과, 하나의 엔드부재를 통해 연장되고 다른 엔드부재와 연결되어 상기 로터 조립체를 지지하는 구동축을 구비하는 회전식 정-변위 유압장치.
제 8항에 있어서,

베인은 케이싱의 반경방향 내부면의 반경방향 안쪽에 위치되며 베인팁은 상기 베인축에 대해 만곡된 회전식 정-변위 유압장치.
제 8항에 있어서,

베인은 엔드부재에 대해서 왕복운동하도록 로터의 수용부 내에 반경방향으로 미끄럼 이동 가능하게 장착되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 5항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 로터 엔드부재 중 하나는 상대적인 축방향 이동에 의해 조립되도록 적용된 2개의 파트로 이루어져 있는 회전식 정-변위 유압장치.
제 1∼11항 중 어느 한 항에 있어서,

내연기관의 크랭크축에 연결되고 외기와 엔진 흡기매니폴드 간의 압력차에 의해서 구동되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 12항에 있어서,

엔진으로부터의 배기가스는 회전식 정-변위 유압기의 유입구로 공급되는 회전식 정-변위 유압장치.
제 1∼13항 중 어느 한 항에 있어서,

케이싱의 내부와 연통되는 것으로 소정의 각도로 이격된 유입포트 및 배출포트를 구비하는 히트 펌프로서 사용될 때에, 유체는 폐쇄회로 내를 회전하는 회전식 정-변위 유압장치.
제 1∼14항 중 어느 한 항에 있어서,

케이싱 내에 유체 흡입포트 및 유체 배출포트와, 교대로 반복하여 압축 및 팽창챔버가 되는 인접 베인 간의 챔버를 포함하는 회전식 정-변위 유압장치.
제 15항에 있어서,

상기 유입포트는 크기 조절이 가능한 회전식 정-변위 유압장치.
제 16항에 있어서,

상기 유입포트는 유체 질량유동의 변화에 따라 자동 조절이 가능한 회전식 정-변위 유압장치.
제 2항에 있어서,

각 베인의 만곡형 팁의 형상은 로터의 고속 회전에서 케이싱으로부터 허용공차를 확보할 수 있도록 더욱 평탄한 형상으로 변형된 회전식 정-변위 유압장치.
제 18항에 있어서,

상기 변형 형상은 하나 또는 그 이상의 평면을 포함하는 회전식 정-변위 유압장치.
내연기관의 크랭크축에 연결되고, 외기와 엔진 흡기 매니폴드 간의 압력차에 의해서 구동되며, 엔진에서 배출된 배기가스는 회전장치의 유입구로 공급되는 배기가스에 의해서 구동되는 회전식 정-변위 유압장치.