KR20010022963A - 로터리 피스톤 머신 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펌프, 콤프레서 또는 모터로서 작동하는 로터리 피스톤 머신에 관한 것이다. 사이클로이드 구동 부품 및 이에 대응하여 형성된 차단 부품이 상기 머신 내에 톱니 모양으로 설치되어 있다. 양 부품간의 기어수의 차이는 1이다. 이렇게 만들어진 작동 공간의 부피는 상기 구동 부품과 차단 부품의 동기 회전으로 인해 각 회전마다 최대치와 최소치를 이루게 된다.

Description

로터리 피스톤 머신{ROTARY PISTON MACHINE}

기존의 특허(DE P 42 41 320.6, DE G 92 18 694.7, PCT/DE 92/01025)에 알려져 있는 로터리 피스톤 머신은 작동 방향에 대한 가로 방향에서 작동 방향이 회전축의 절단점을 통하여 연장되어 사이클로이드 부품과 제어 부품의 라인을 형성한다. 이로 인하여 작동 공간의 팽창 거동과 압축 거동이 제한되고, 로터리 동력 머신은 여러 가지의 작동 매체와 응용 범위에서 한계를 가지게 된다.

이에 비하여 본 발명에 따른 독립항의 특징을 가지는 머신은 작동 공간의 흡입 거동과 배출 거동이 위상 변위를 통하여 조정되어, 원하지 않는 역류 또는 흡입 및 배출 작동 매체의 혼합을 줄일 수 있다는 장점을 가지게 된다.

본 발명의 또 다른 장점은 내부 직경의 위상 변위가 적어도 360도의 외부 직경까지 생기고 그래서 최소한 작동 공간의 첫 번째 또는 두 번째 부분의 각도 위치에서 주위가 폐쇄되게 된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 사이클로이드 부분의 작동면이 형성하는 사이클로이드의 진폭이 서로 변위되어서, 작동 공간 거동의 설치에서 또 다른 자유도가 얻어지게 된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 작동 공간이 부품의 서로 반대 방향으로 놓인 기어의 측면과 기어 톱니 사이에 위치하는 폐쇄 형태(closing shape)에 의하여 구분되고, 그래서 제어 부품의 기어 톱니는 기어 수의 차이에 의하여 사이클로이드 부품의 기어 측면을 따라서 작동하게 되고 유체의 역류는 일어나지 않고 사이클로이드의 제어 부품이 구동된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 사이클로이드 부품의 작동면이 형성하는 사이클로이드와 제어 부품 사이에는 폐쇄 형태가 구성되지 않으므로, 머신은 작동 매체의 충격 및 질량에 의한 힘에서 유체 기계의 후퇴 특성을 가지게 된다는 것이다. 또한 미끄럼에 의하여 특성이 나빠지는 민감성 매체를 작동 매체로 사용할 수 있게 된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 작동 매체의 출입용 제어 채널을 외부 직경에 설치하고 작동 매체의 배출용 제어 채널을 내부 직경에 설치하여서, 터빈 또는 모터 구동에서 작동 매체의 충격 및 질량의 힘이 작동 공간의 배출 방향으로 작용하게 한다는 것이다. 또한 이로 인하여 누출 손실이 적어지고 효율이 향상된다.

본 발명의 또 다른 장점은 설치된 부품의 회전축 작동 위치를 서로 독립적으로 변화시킬 수 있다는 것이다. 본 발명에서는 또한 추가의 휠 매칭이 있게 되며, 여기에서는 적어도 부품중 하나의 뒤쪽에는 전면 기어가 설치되며, 이것은 또 다른 단순 또는 이중 기어의 회전 부품과 서로 작용하게 된다. 그 조건은 이들 각각의 회전하는 부품이 나선 방향으로 주위 하우징에 설치된다는 것이다. 구동과 피동에는 기존의 축 또는 기어를 사용할 수 있고, 이것들은 회전하는 부품과 연결되고 이들 위에 설치되며, 또 다른 구동 장치 또는 피동 장치와 서로 작용하게 된다. 회전축의 작동 위치를 변화시킴으로써 로터리 피스톤 머신의 부품에서의 부피 변화가 다른 것에 비하여 지연되거나 앞서게 되고, 그래서 작동 공간의 연결을 통하여 단계 작업이 가능해지거나 혼합 추진을 실시할 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 장점은 사이클로이드 부품과 제어 부품을 2중으로 가지게 되고 이들 2중 설치 부품 사이에서 다른 부품을 링으로서 양면의 전면 부품 및 사이클로이드식 작동면으로 설치하고, 여기에서 본 발명에 따라서 링의 양면 중의 최소한 2개가 설치 작동 공간과 서로 연결되게 된다. 이로 인하여 2중으로 작용하는 펌프와 동력 머신이 되고, 상기 머신은 2개의 절대적 동기 회전 사이클로이드 부품 사이에는 양면 기어식 제어 부품이 설치되며, 2중의 설치 부품에 비하여 하나의 기어 차이가 생기도록 한다. 상기 제어 부품은 펌프 또는 모터에 사용되는가에 따라서 구동 장치와 피동 장치가 설치된다. 피동은 2중의 설치된 사이클로이드 부품을 거쳐서 이루어질 수 있다. 하우징은 해당하는 작동 각도에서 2개의 구동 사이클로이드 부품이 설치되는 고정자(stator)로서의 역할을 한다.

본 발명의 또 다른 장점은 하우징을 비롯하여 작동 매체의 공급 및 배출용 제어 부품에는 회전하는 동안에 제어되는 채널이 설치된다는 것이다. 이로 인하여 추가의 밸브를 설치할 필요가 없고 또한 원심력 방향에서 세척이 가능해진다.

본 발명의 또 다른 장점은 부품의 나선형 표면이 구형으로 형성되고, 여기에서 상기 부품이 구형으로 형성된 하우징의 내면에 나선형으로 실링된다는 것이다. 특히 구형의 가이드는 추가적인 실링 문제없이 작동 위치를 변화시킬 수 있도록 한다. 상기 외부 또는 내부 나선형으로 실링되고 구형을 가진 작동 공간벽은 제어 부품 또는 사이클로이드 부품과 연결되고 부품들이 서로 마주보고 회전하고 중앙에 위치하게 된다.

본 발명의 또 다른 장점은 회전수와는 무관하게 제어하는 콤프레서로 사용할 수 있다는 것이고, 특히 두 개의 회전 부품의 위상 변위 변화를 작동 매체의 채널에 대하여 이루어진다는 것이다. 운동 부품의 원심력 안정성이 크고 고성능에서 크기가 작다는 것을 제외하고도 위상 변위를 통하여 압축비를 무단으로 제어, 특히 회전수와 무관하게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 그래서 상기의 콤프레서는 높은 회전수를 요구하고 아주 다양한 회전수를 나타내는 내연기관에 적합하고, 여기에서 공기 압축기의 중량, 특히 운전 회전부의 중량이 가능한 한 적어야 하고, 성능은 회전수와 무관하게 제어되어야 한다. 다수의 작동 공간을 위상 변위시키고, 밸브를 사용하지 않고 유체 흐름 방향에서 제어를 하고(유체의 역류는 없음), 작업 공간의 실링이 아주 우수하기 때문에 본 발명에 따른 콤프레서는 기존의 피스톤 머신에서만 사용할 수 있는 압력 범위에서 사용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 펌프, 모터 또는 구동 장치로서 유체 정역학 분야에 사용된다는 장점이 있다. 또한 여기에서 부피에 대하여 크기가 적합하다는 장점도 있다. 구조적으로 회전수가 고정되고 물 채널(water channel)의 단면이 아주 크다는 간단한 역학적 특성으로 인하여 상기 머신은 고회전수에 적합하다. 본 발명에 따른 머신의 내부 유체 저항은 아주 낮다. 펌프로 사용할 때 부품의 형태 강도가 높게 작용한다는 장점이 있다. 운동 부품들 사이에서 발생하는 마모도 적다. 이로서 상기 머신은 높은 작동 압력에 사용하는 머신으로도 적합하다. 유체용 모터로 사용할 때도 경량, 우수한 시동 및 높은 효율을 가지는 장점이 있다. 유체 정역학적 구동 장치로 사용할 때 크기가 작고 펌프와 유체 모터를 콤팩트하게 연결시킬 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 조향 원리에 따라서 동력 기계 및 냉각 기계로 사용할 수 있다는 것이다. 후자의 경우에는 서로 마주보게 설치된 작동 공간이 90도의 위상 변위로 작동한다. 2개의 회전 사이클로이드 부품은 회전 제어 부품과 연결되어 2개의 챔버를 형성하고, 이들은 각각 90도의 위상 변위를 가지고 서로 작동한다. 하나의 공간이 열을 받게 되고 다른 공간은 냉각되고 축열장치가 제어 부품에 설치된다. 본 발명에 따른 머신에서는 고온부와 냉각부 사이를 바꾸어 가는 부품이 없다는 장점이 있다. 냉각된 작동공간과 가열된 작동공간의 벽은 공간적으로 가까이 위치하지만 서로 단열되어 있다. 작동 공간을 형성하는 부품의 높은 형성 강도 때문에 대류면/작동공간 부피의 비율이 극히 우수하다. 회전 부품의 하나는 스티어링 모터의 선형 발전기 회전자 또는 조향 냉각기의 선형 모터 회전자로 만들 수 있다. 그래서 머신은 밀폐식으로 차단할 수 있고 높은 부하 압력에서 작동 가스의 누출 손실을 낮출 수 있다. 스티어링 모터의 성능을 결정하는 위상 변위는 상기의 구조에서 아주 간단하게 실행할 수 있다. 어떠한 경우에도 상기 형태의 냉각기에서 이송되는 열의 양을 회전수에 따라서 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 다음과 같은 실시예, 도면 및 청구항에 나타내었다.

본 발명에 따른 실시예를 다음과 같은 도면을 사용하여 도시하고, 발명의 내용을 보다 자세하게 설명하였다.

본 발명은 독립항의 특징에 따른 로터리 피스톤 머신(rotary piston machine)에 관한 것이다.

도 1은 구동 부품 또는 피동 부품 및 차단 부품에 대한 개략도이고,

도 2는 하우징에 설치된 상태의 구동 부품 또는 피동 부품 및 차단 부품에 대한 도면이고,

도 3은 4개의 사이클로이드가 있고 약 170도의 나선형 각도를 가진 사이클로이드 기어의 평면도이며,

도 4는 5개의 기어 톱니를 가진 차단 부품의 기어에 대한 평면도이다.

도 1의 우측에 구동 부품(1)과 구동축 또는 피동축(2)을 도시하였다. 여기에 도시하지 않은 하우징에 설치된 구동축 또는 피동축(2)은 구동 부품(1)의 말단부를 지지한다. 구동 부품(1)은 구면대(3)로 구성되며, 상기 구면대는 구동축 또는 피동축(2)으로 향하는 기준면(4)에 대하여 제한되고, 그 반면에 전면(5)에는 나선형 사이클로이드 기어가 설치되어 있다. 본 발명에 따른 사이클로이드(6)는 기존의 사이클로이드 구조와는 달리 궤도가 구 표면(8)과 기준면(4) 사이의 절단 라인(7)에 펼쳐지고 사이클로이드(6)가 나타내는 궤도의 점은 구 표면(8)에 위치하게 된다. 사이클로이드(6)는 기어를 제조하기 위하여 필요한 윤곽이다. 직선으로 나타난 라인이 고정점을 중심으로 구동축 또는 피동축(2)의 회전축에서 윤곽(6)을 따라서 움직일 때, 직선의 사이클로이드 기어가 나타난다. 직선으로 나타난 라인 대신에 나선형으로 나타난 라인을 사용할 때는 본 발명에 따른 구동 부품의 나선형 사이클로이드 기어가 나타난다.

도 1의 좌측에는 유사한 구조를 가진 차단 부품(10)을 도시하였다. 도시하지 않은 하우징에 설치된 축(11)은 구면대 형태의 차단 부품(10)을 지지하고, 차단 부품(10)은 축(11)을 향하여 기준면(12)에 제한되고 구 표면(13)의 외부 윤곽에 해당한다. 차단 부품(10)의 전면(14)은 나선형 기어를 형성하고 이것의 톱니 수는 구동 부품(1)의 사이클로이드(6)의 톱니 수보다 더 많다. 톱니의 윤곽은 사이클로이드(6)에서의 접선에 해당한다. 동기 회전은 구동 부품(1)과 차단 부품(10)에 의하여 이루어진다. 사이클로이드와 차단 부품(10) 톱니 사이에 특정 간격이 있는 것으로도 톱니의 윤곽을 선택할 수 있다. 그래서 배출 머신은 유체 기계에 사용된다. 이것은 작동 매체가 실링 라인(9)에서 미끄러짐에 의해서 손상되거나 작동 매체의 충격력과 중량의 힘으로 사용되어야 하는 경우에는 많은 장점이 있다. 차단 부품(10)과 구동 부품(1)의 회전축은 하나의 작동 각도(15)에 위치하게 된다. 본 발명에 따른 머신에서는 여기에서 구동 부품(1)의 전면에 도시된 것과 같이 사이클로이드 기어가 설치되든지, 해당 기어가 차단 부품(10)에 설치되든지, 또는 그 반대로 되든지와는 무관하다.

도 2는 구동 부품(1)과 차단 부품(10)이 설치된 위치를 도시한 것이다. 여기에서 접촉점의 표시로 도시한 2개의 실링 라인(9)은 구동 부품(1)과 차단 부품(10)으로부터 알 수 있다. 차단 부품(10), 구동 부품(1) 및 하우징(17)은 사이클로이드의 수에 따라서 다수의 작동 공간(16)을 형성하고 도 2에서는 2개의 작동 공간이 도시되어 있다. 2개의 화살표로 나타낸 구동 부품(1)과 차단 부품(10)의 회전 방향에서는 작동 공간(16)이 회전 운동의 도시된 단면에서 팽창한다. 작동 공간의 부피는 도시하지 않은 회전의 두 번째 절반에서 압축된다. 실링 라인(9)은 회전 방향에 따라서 외부에서 내부로 또는 그 반대로 이동하고 작동 매체의 공급과 피동축(2)의 구동에 영향을 미친다. 하우징(17)에 있는 도시하지 않은 제어 구멍은 공정의 요구에 따라서 정한다. 그래서 내부에서 외부로 공급 방향이 주어진 펌프 구동에서 하우징(17)에 있는 입구는 점에 놓이고 여기에서 실링 라인(9)은 기어의 내경으로부터 떨어지게 된다. 외부 기어는 하우징의 위치에서 작동 공간(16)이 원하는 부피를 가지게 된다. 로터리 피스톤 머신의 성능은 일정한 회전수에서 제어할 수 있으며, 차단 부품(10)은 구동 부품(1)에 따라서 움직이게 된다. 여기에서 차단 부품(10)의 회전축은 구형 각도가 작동 각도(15)에 해당하는 구면에 항상 머무르게 된다.

도 3에는 구동 부품(11)의 개략도를 도시하였다. 여기에서는 나선형으로 나타난 4개의 라인(18)을 도시하였으며, 나선형 사이클로이드 기어의 구조를 나타내고 있다. 나타난 라인(18)은 사이클로이드의 최고점에 위치한다. 나선 각도(19)는 도시한 실시예에서는 약 170도에 해당한다.

도 4에는 차단 부품(10)에 의해 나타난 라인(21)을 도시하였다. 도 3과 도4를 비교하면 톱니 수의 차이를 알 수 있고 나선형 기어의 작용도 이해하게 된다. 직선형 사이클로이드 기어에서와는 반대로 작동 공간은 그 내부 또는 외부 영역에서 동시에 팽창하고 압축될 수 있다. 이를 통하여 작동 공간의 다양한 형태와 부피 거동이 나타나게 된다. 나선형 형태로 나타난 라인에 의하여 둘러 싸여진 나선 각도(19)가 360도 이상일 때, 각각의 작동 공간(16)은 구동 부품(1)과 차단 부품(10)이 회전할 때 시간에 따라서 모든 방향으로 폐쇄된다. 작동 매체의 역류와 유출 및 유입측의 기타 역작용 또는 그 반대 현상은 일어나지 않게 된다.

본 발명의 명세서에서 청구항과 도면으로 나타낸 특징은 단독 또는 결합하여 서로 발명의 주요 핵심을 구성하고 있는 것이다.

＜도면의 부호＞

1. 구동 부품(power component)

2. 구동축 또는 피동축

3. 구면대(spherical zone)

4. 구동 부품의 기준면

5. 구동 부품의 전면

6. 사이클로이드(cycloid)

7. 구 표면과 기준면 사이의 절단 라인

8. 구 표면

9. 구동 부품과 차단 부품 사이의 실링 라인

10. 차단 부품(blocking component)

11. 축(shaft)

12. 차단 부품의 기준면

13. 구 표면

14. 차단 부품의 전면

15. 작동 각도

16. 작동 공간(working chamber)

17. 하우징

18. 구동 부품의 나타난 라인

19. 나선 각도

20. -

21. 차단 부품에 의하여 나타난 라인

Claims (16)

1. 펌프, 콤프레서, 터빈 또는 모터 등으로 작동하는 로터리 피스톤 머신(rotary piston machine)에 있어서,

   - 구면대(spherical zone) 형태로 설치된 하우징(17)의 내부 공간에 최소한 각각 하나의 입구와 출구가 설치되어 있으며,

   - 하우징(17)에는 구동장치 또는 피동 장치가 설치된 축(2)이 연결된 구동 부품(1)이 설치되고, 상기 구동 부품은 전면(5)과 기준면(4)으로 구분된 구면대(3)로 구성되며, 상기 구면대의 중심점은 구동축 또는 피동축(2)의 회전축에 놓이고 하우징(17)의 내부 공간은 이것의 직경에 해당하며, 기준면(4)은 회전축 쪽으로 수직으로 움직이고, 전면(5)은 회전축의 점과 연결되어, 직선으로 만들어진 라인의 운동은 최소한 2개의 사이클로이드로 이루어진 사이클로이드식 윤곽을 따라서 이루어지고, 여기에서 사이클로이드를 구성하기 위하여 필요한 궤도의 롤러는 기준면(4)과 구면대(3)의 타원형 절단선(7)에서 이루어지고, 사이클로이드(6)가 만드는 궤도의 점은 구면대(3)의 표면으로 움직이며,

   - 전면(14)은 구동 부품(1)과 함께 작용하는 기어로 만들어지며, 여기에서 차단 부품(10)의 기어수와 구동 부품(1)의 사이클로이드(6)의 기어수 차이가 1이 되도록 하며,

   - 구동 부품(1)의 전면(5)이 만들어 낸 라인은 구동축 또는 피동축(2)의 회전축을 통하여 진행되는 면에서 굽어진 라인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
2. 제1항에 있어서, 구동 부품(1)의 전면(5)이 만들어 낸 라인이 나선형인 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
3. 제2항에 있어서, 나선형 각도가 360도 이상인 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 작동 공간(16)이 사이클로이드(6)와 차단 부품(10) 및 구동 부품(1)의 기어 사이에 있는 폐쇄 형태(closing shape)에 의해서 구분되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 구동 부품(1)의 운동면에 만들어진 사이클로이드와 차단 부품(10) 사이에 일정한 간격을 두도록 한 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 작동 매체의 입구용 제어 채널은 내부 직경에, 작동 매체의 출구용 제어 채널은 외부 직경에 설치되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 작동 매체의 입구용 제어 채널은 외부 직경에, 작동 매체의 출구용 제어 채널은 내부 직경에 설치되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 설치된 회전 부품(1, 10)의 회전축의 작동 위치를 서로 독립적으로 변화시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 구동 부품(1) 및 차단 부품(10)은 2중으로 설치되어 있고, 상기 2중으로 설치된 부품 사이에는 다른 부품(10, 1)이 양면의 전면 기어 및 사이클로이드식 작동면이 달린 원판으로 설치되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
10. 제9항에 있어서, 원판(1, 10)의 양쪽 측면의 최소한 2개는 설치된 작동 공간(16)에서 서로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 작동 매체의 유입 또는 배출용 하우징(17) 및 차단 부품(10)에는 해당하는 채널이 설치되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
12. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 구면대(8, 13)와 구 형태로 이루어진 하우징 내면(7)이 나선형으로 실링되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 회전수에 무관하게 제어하는 콤프레서로 사용되고, 특히 작동 매체의 채널에 대하여 2개의 회전 부품의 작동 위상을 변위시키는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
14. 제13항에 있어서, 하우징에 축 방향으로 설치되어 외부에서 구동되는 2개의 구동 부품(1)과 양쪽에 기어가 설치되고, 그 사이의 차단 부품에 설치된 기어 배치가 다른 면의 반대쪽에 있는 한면으로 옮겨지거나 두면에 서로 다른 기어 수가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
15. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 펌프, 모터 또는 구동 장치로서 유체 정역학 분야에 사용되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.
16. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 동력 기계 및 냉각 기계로 사용되고, 특히 서로 병렬로 설치된 작동 공간이 90도로 위상 변위를 하는 조향 원리에 따라서 함께 작용하는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 머신.