KR20020005627A - 구형 용적식 회전 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진, 펌프, 또는 압축기로서 사용될 수 있는 구형 용적식 회전 기계에 관한 것이다. 그 회전 기계는 서로 결합된 2개의 부분(1, 2)으로 이루어진 하우징을 구비하고, 하우징의 구형 공간 중에는 3개의 로터(4, 5, 6)가 배치되고, 중심 로터(4)는 양측에서 직경 방향 힌지에 의해 부채꼴 로터(5, 6)에 결합된다. 로터(4, 5, 6)는 4개의 챔버(9, 10, 11, 12)를 형성한다. 로터(4, 5, 6)의 반경 방향 챔버 형성 표면은 만곡된 형태로 된다. 흡입/배출 채널(15, 16, 17, 18)은 챔버에서의 사이클 교대 순간에 부채꼴 로터에 의한 폐쇄 구역에 배치되고, 채널은 노즐부를 구비하고 접선 방향으로 경사진다. 부채꼴 로터(6)의 직경 방향 힌지는 2개의 고정된 반쪽 축(21, 22)을 구비하고, 그 반쪽 축의 저널은 구형 메니스커스(25) 내로 돌출되며, 부채꼴 로터(5)의 제2 직경 방향 힌지는 분할되지 않은 원통형 축을 구비한다. 하우징 반쪽부(1, 2)는 위상 결정 각 및 기계의 정밀도를 변경시킬 수 있는 센터링 장치(3)를 구비한다. 로터 구조 군이 윤활 및 냉각은 그에 배치된 채널(25, 27, 28, 29, 30)의 망을 경유하여 이루어진다. 기계 하우징에는 슬릿형 오일 수집/배출 장치(33)가 마련된다. 하우징 반쪽부(1, 2)와 샤프트(7)와의 사이에는 기계의 조립 가능성을 보장하는 틈새가 마련된다.

Description

구형 용적식 회전 기계{Spherical positive-displacement rotary machine}

서로 결합된 2개의 부분으로 이루어지는 하우징을 구비한 구형 용적식 회전 기계가 공지되어 있다. 하우징의 구형 공간 내에는 4개의 챔버를 형성하는 3개의 로터가 배치된다. 중심 로터는 양측에서 직경 방향 힌지에 의해 일부로부터 샤프트가 뻗어 나온 구 절편의 형태로 된 각각의 부채꼴 로터에 결합된다. 부채꼴 로터의 회전축은 서로 일정한 각도로 배치되어 구형 중공 공간의 중심점에서 직경 방향 힌지의 축과 교차된다. 직경 방향 힌지의 축은 서로 수직하게 된다. 로터는 그 외주 면에 의해 기계 하우징의 구형 중공 공간에 접하는데, 기계 하우징에는 4개의 흡입/배출 채널이 마련된다(JP 47-44565, PCT/SU 89/00133).

그러한 공지의 회전 기계에는 샤프트의 구역에서의 부채꼴 로터의 두께가 얇음으로 인해 샤프트의 직경 및 기초 베어링의 치수가 제한되고, 로터의 구형 표면에 의한 하우징의 구형 중공 공간의 완전 폐쇄 구역이 불충분하게 전개되며, 그 결과 작업 챔버의 고온 구역에 인접된 밀봉 장치로 인한 복잡성 및 저 효율이 초래된다는 단점이 있다. 또한, 흡입/배출 채널이 베어링 유닛에 인접하게 배치됨으로인해 양자의 효율성이 제한된다. 샤프트 및 부채꼴 로터의 두께가 비교적 얇은 것은 그로부터의 열 반출을 곤란하게 하며, 그로 인해 샤프트 및 부채꼴 로터에서 상당한 열 응력이 발생된다. 중심 로터의 외주에 동적으로 비균형적인 큰 질량이 존재함으로써 로터의 회전 속도가 높을 때에 발생되는 상당한 내부 응력 및 변형이 중심 로터에 유발된다. 이상 열거된 단점들은 회전 기계의 출력 및 신뢰성을 제한시킨다.

또한, 직경 방향 힌지의 반쪽 축(semi-axis)이 서로 떼어질 수 있고 홈을 구비하는 한편, 부채꼴 로터가 홈에 대응하는 돌출부를 구비하고, 중심 로터가 절결부를 구비하되 패킹이 떼어질 수 있게 구성되어 그 절결부에 수납되는 회전 기계가 공지되어 있다(SU 877129).

인용된 그러한 회전 기계에는 직경 방향 힌지의 반쪽 축을 자유롭게 놓아두기 때문에 분리된 반쪽 축에 의해 기계 하우징의 구 형성 면에 가해지는 원심 부하로 인해 로터의 회전 속도가 제한된다는 단점이 있다.

본 발명은 기계 제작의 기술 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진, 펌프, 압축기, 또는 계량 배출 장치로서 사용되는 용적식 회전 기계에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 잘 이해하도록 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부 도면 중에서,

도 1은 구형 용적식 회전 기계의 단면도이고;

도 2는 로터가 90°만큼 회전된 회전 기계의 단면도이며;

도 3은 작동실 중에서의 사이클 교대 순간의 흡입/배출 채널의 축의 단면도이고;

도 4는 지리 좌표와 유사한 회전 기계의 좌표의 도면으로서, 점 "A, B"(회전기계의 극점)는 부채꼴 로터의 회전축과 중공 공간의 챔버 형성 구면과의 교차에 의해 형성된 점이고; 각도 "α"는 회전 기계의 정밀도 각(후기 라틴어 표현인 "praecessio"-전진 이동의 각)이며; 호 "ACB"(좌표계의 본초 자오선)는 회전 기계의 극점을 최단 거리로 연결하는 구면 상의 선인데, 그 선을 기준으로 하여 주 작동 사이클 시의 로터의 회전 방향이 좌표 판독의 양의 방향으로서 가정되고, 즉 각도 "λ"의 방향이고; 각도 "ψ"는 부채꼴 로터의 회전축으로부터 계산된 좌표의 폭이며; 적도는 각각의 자오선 단면에서 극점에 대해 등거리에 있는 구면 상의 선이고, 즉 점 "PC"에 의한 원이고; 선 "AMPB"는 AC = CB, AP = PB인 구의 자오선 단면인데, 여기에서 점 "M"은 각도 "ψ"의 폭과 각도 "λ"의 길이로 된 좌표를 차지한다.

제안된 좌표계는 회전 기계의 운동 역학 및 편리한 기술적 기본 원리에 잘 부합된다.

본 발명의 목적은 출력 및 작업 수명이 증대되는 개선된 구형 용적식 회전 기계를 제공하는 것이다.

그러한 목적은 본 발명에 따라 서로 결합된 2개의 부분으로 이루어진 하우징을 구비하고, 하우징의 구형 공간 중에는 4개의 챔버를 형성하는 3개의 로터가 배치되며, 중심 로터가 양측에서 직경 방향 힌지에 의해 일부로터 샤프트가 뻗어 나온 구 절편의 형태로 된 각각의 부채꼴 로터에 결합되고, 부채꼴 로터의 회전축이서로 일정한 각도로 배치되어 구형 중공 공간의 중심점에서 직경 방향 힌지의 축과 교차되며, 직경 방향 힌지의 축이 서로 수직하고, 로터가 그 외주 면에 의해 기계 하우징의 구형 중공 공간에 접하며, 기계 하우징에는 4개의 흡입/배출 채널이 마련되는 구형 용적식 회전 기계에 있어서, 부채꼴 로터의 반경 방향 챔버 형성 표면이 구의 중심점을 부채꼴 로터의 챔버 형성 표면 상의 일 지점에 연결하는 직선과 부채꼴 로터의 회전축과의 사이에서 측정되는 부채꼴 형성 각을 직경 방향 힌지로부터 외주 구면 쪽으로 확대시키는 것을 보장하는 2개 이상의 평면, 만곡 표면, 또는 평만곡 표면에 의해 형성되는 반면에, 중심 로터의 챔버 형성 표면이 그에 대응하는 부채꼴 로터의 표면의 형태를 반복적으로 취하는 것을 특징으로 하는 구형 용적식 회전 기계에 의해 달성된다.

전술된 구조의 구성은 회전 기계의 출력 및 작업 수명을 현저히 증대시킬 수 있다.

구형 용적식 회전 기계(이후의 본문에서는 "기계"로서 지칭함)는 U형 링크에 의해 서로 결합되는 2개의 부분(1, 2)으로 이루어진 하우징을 구비하는데, 하우징의 구형 공간 내에는 3개의 로터가 배치된다. 중심 로터(4)는 양측에서 직경 방향 힌지에 의해 부채꼴 로터(5, 6)에 결합된다. 부채꼴 로터는 샤프트(7, 8)가 뻗어 나온 구 절편으로 이루어지는데, 샤프트(7, 8)는 하우징 반쪽부에서 기초 베어링(13, 14)을 구비한 베어링 유닛 내로 삽입된다. 로터는 4개의 챔버, 즉 부채꼴 로터(5)에 접경된 챔버(9, 10)(도 1을 참조) 및 부채꼴 로터(6)에 접경된 챔버(11, 12)를 형성한다. 기계의 정밀도는 26°이다. 부채꼴 로터의 반경 방향 챔버 형성 표면은 챔버 형성 구의 반경과 동일한 반경으로 된 원통형으로 형성된다. 통상의 경우, 그 표면은 2개 이상의 평면, 만곡 표면, 또는 평만곡 표면에 의해 형성될 수 있다. 그러한 반경 방향 챔버 형성 표면은 구 절편의 부채꼴 형성 각이 직경 방향 힌지의 구역으로부터 외주 구면 쪽으로 확대되는 것을 보장한다. 부채꼴 형성 각이란 구의 중심점을 부채꼴 로터의 챔버 형성 표면 상의 일 지점에 연결하는 직선과 부채꼴 로터의 회전축과의 사이에서 측정되는 각도인데, 그 부채꼴 형성 각이 확대된다는 것은 부채꼴 로터의 두께가 중심점으로부터 극점 부분으로 갈수록 점차 증대되는 것과 상응한다. 중심 로터의 챔버 형성 표면은 그에 대응하는 부채꼴 로터의 표면의 형태를 반복적으로 취하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 기계에서는 부채꼴 형성 각이 직경 방향 힌지의 구역에서는 25°이고 외주 쪽으로는 36°로 증대되는데, 그에 의해 극점 부분의 완전 폐쇄 구역의 직경이 0.63D로 확대되는 것이 보장된다. 여기에서, D란 기계의 챔버 형성 구의 직경을 의미한다.

제안된 바와 같은 기계의 로터의 챔버 형성 표면의 형태는 다음과 같은 유리한 가능성을 제공한다:

- 부채꼴 로터의 구형 표면에 의한 하우징의 구형 중공 공간의 완전 폐쇄 구역의 직경이 확대될 수 있고, 그에 의해 샤프트의 직경 및 기초 베어링의 치수를 확대시켜 작동 챔버의 윤활성을 개선하고 작동 챔버의 고온 표면을 베어링 유닛으로부터 이격시키며 부채꼴 로터의 열 응력을 낮추는 것이 가능하게 된다;

- 직경 방향 힌지의 구역에서 중심 로터에 부속된 직경 방향 힌지의 대응 부품에 의해 부채꼴 로터의 축을 최대한으로 에워싸는 것이 보장될 수 있다;

- 중심 로터의 외주 부분이 축소될 수 있고, 그에 의해 중심 로터의 동적 변동 및 열 발생의 변동을 감소시켜 그 회전 속도를 증강시키는 것이 가능하게 된다.

전술된 특징은 기계의 동적 응력 및 열 부하를 낮추어 기계의 출력 및 작업 수명이 증대될 수 있도록 한다.

흡입/배출 채널(15, 16, 17, 18)은 각각의 하우징 반쪽부에서 부채꼴 로터가 부채꼴 로터의 직경 방향 힌지의 축 및 본초 자오선에 대해 측정되는 90°의 각도만큼 회전 방향으로 회전될 때에 부채꼴 로터의 구형 표면에 의해 폐쇄되는 구역에 짝을 이루어 직경 방향으로 대향된 채로 위치된다. 도 1 및 도 2에는 채널의 단면이 본초 자오선을 통과하는 기계의 단면의 평면으로 옮겨져 있다. 극점에 가장 가까이 놓인 채널 연부의 단면의 폭은 부채꼴 로터의 구형 표면에 의해 하우징의 구형 중공 공간의 극점 부분을 완전 폐쇄하는 원의 폭과 같거나 그보다 더 크다. 채널을 적도 구역으로 옮겨 놓음으로써 그것이 베어링 유닛으로부터 이격될 수 있게 되는데, 채널을 폐쇄하는 부채꼴 로터-구 절편의 구형 부분의 두께를 확대시키는 것은 채널의 관통 횡단면의 확대를 가능하게 한다. 도 1에는 채널(15)의 실제 위치가 도면 부호 "19"로 지시되어 있는데, 여기에서 실선은 채널의 가시 부분을, 그리고 점선은 부채꼴 로터에 의해 폐쇄되는 부분을 각각 나타낸다. 빗금 친 구역(20)은 채널(16)의 위치에 해당한다. 도 3은 부채꼴 로터가 80°의 각도만큼 회전된 순간인 작동 챔버에서의 사이클 교체 순간의 채널(15, 16)의 단면 Ⅱ-Ⅱ를 나타내고 있는데, 그러한 각도는 상(phase) 결정 각으로서, 기계의 동역학 및 작동매체의 특성 데이터에 따라 달라진다. 흡입/배출 채널은 불연속적인 횡단면의 노즐부를 구비할 수 있다. 채널의 축은 접선 방향으로 경사질 수 있다. 즉, 흡입 채널(16)의 경우에는 기계의 로터의 회전 방향으로, 그리고 배출 채널(15)의 경우에는 그 회전 방향의 반대쪽으로 경사지는 것이 바람직하다. 흡입 채널(16)에서의 작동 매체의 이동 방향, 작동 챔버(9)에서의 로터의 회전 방향과 일치하는 작동 매체의 이동, 및 배출 채널(15)에서의 작동 매체의 배출 흐름이 화살표로 지시되어 있는데, 그것은 기계가 증기 기관으로서의 작동할 때에 실현되는 것이다. 챔버(9)는 작동 챔버이고, 작동 사이클의 끝 부분에 배치된다. 챔버(10)는 가압되고(챔버의 체적이 최소로 되고, 작동 매체가 밀어 젖혀짐), 작동 매체를 공급받을 준비를 갖추게 된다. 가역 제어될 수 있는 완속 회전 기계(예컨대, 유압 펌프, 유압 모터 등)의 경우에는 위상 결정 각이 90°일 수 있는 한편, 패널의 접선 방향의 경사를 두지 않을 수 있다.

흡입/배출 채널을 적도 구역으로 옮겨 놓음으로써, 그리고 채널에 노즐부 및 접선 방향 경사가 존재함으로써 공급 라인의 유체 역학적 저항이 감소되고, 작동 매체의 순환이 용이해지며, 베어링 유닛의 작동 조건이 개선되는 바, 그에 의해 기계의 출력 및 수명이 전체적으로 증대될 수 있게 된다.

부채꼴 로터(6)의 직경 방향 힌지는 2개의 반쪽 축(21, 22)을 구비하는데, 그 반쪽 축(21, 22)은 부채꼴 로터의 돌출부에 장착되고 그 본체에서 고정 및 조절 장치(핀(23) 및 나사 볼트(24))에 의해 부채꼴 로터에 고정되며, 그에 의해 반쪽 축이 부채꼴 로터에 대해 이동될 수 있는 가능성이 배제된다. 각각의 반쪽 축은구의 중심점을 향한 측에 저널을 구비한다. 그러한 저널은 돌출부로서 형성되는 구형의 메니스커스(meniscus)에 마련된 구멍 내에 배치된다. 메니스커스는 챔버 형성 구에 대해 동축상으로 배치되고, 중심 로터(4)의 연장부로 된다(여기 및 이후의 본문에서는 중심 로터에 배치된 구형 메니스커스를 "메니스커스"로서 지칭하는 반면에, 그에 대응하여 힌지를 메니스커스 힌지로서 지칭함). 부채꼴 로터(6)는 구형 중공 공간을 구비하는데, 그 구형 중공 공간은 메니스커스의 형태를 반복적으로 취하고, 메니스커스 힌지의 반쪽 축이 장착되는 돌출부를 형성한다. 메니스커스 힌지의 반쪽 축의 저널은 상보적인 계단형으로 될 수 있는데, 메니스커스에 있는 구멍은 저널의 형태를 반복적으로 취한다. 부채꼴 로터(5)의 제2 직경 방향 힌지는 분할되지 않은 단일의 원통형 축을 구비한다. 그 경우, 힌지에는 메니스커스가 존재하지 않는 한편, 원통형 축은 부채꼴 로터와 별개로 구성되어 메니스커스 힌지의 반쪽 축과 유사하게 부채꼴 로터에 고정될 수 있다. 그 힌지에 메니스커스가 없음으로써 부채꼴 로터(5)의 인접 채널의 체적이 로터(6)의 인접 채널의 체적보다 더 커지게 된다.

본 발명의 기계의 바람직한 실시 양태는 양자의 직경 방향 힌지에 메니스커스 구조가 구비되는 것이데, 그 경우에는 양 챔버의 체적이 동일하게 될 수 있다.

직경 방향 힌지의 축을 고정시키기 위한 고정 및 조절 장치를 사용함으로써 로터의 회전 속도가 증대될 수 있음과 더불어 로터 구조 군의 조립 가능성이 전제 조건이 확보될 수 있게 된다. 반쪽 축의 저널은 메니스커스 힌지의 관성 및 강성을 증대시킨다. 전술된 로터 구조 군의 직경 방향 힌지의 특징은 기계의 출력이증대되고 그 수명이 연장될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 기계는 위상 결정 각의 값을 변경할 수 있도록 하는 센터링 장치를 구비한다. 하우징 반쪽부(1, 2)는 각각의 자외선 단면에서 극점에 대해 등거리에 있는 적도 평면에서 서로 결합된다. 하나의 하우징 반쪽부(1)에는 환형 홈이 마련되고, 그 환형 홈 내에는 하우징 반쪽부(2)의 돌출부가 돌출되어 센터링 장치를 형성한다. 하우징 반쪽부는 서로에 대한, 그리고 본초 자오선에 대한 각 방향 이동을 허용하는 U형 링크(3)의 형태의 장치에 의해 서로 결합된다.

하우징 반쪽부(1, 2)의 서로에 대한 각 방향 이동에 의해 위상 결정 각의 값이 변경될 수 있게 되는데, 그에 의해 로터의 다른 회전 속도의 구간에서 기계의 작동 주기를 최적화시킬 수 있는 가능성이 제공된다. 하우징 반쪽부를 각 방향으로 이동시키면, 위상 결정 각의 변경(감축)과 동시에 좋은 결과와 함께 활용될 수 있는 정밀도 각의 변경이 이루어지게 된다. 정밀도 각을 감축시킬 경우에는 작동 챔버의 체적이 감소되는 반면에, 로터의 회전 속도의 증가에 따라 과도 가압된 챔버를 떠날 기회를 얻지 못하는 소비된 작동 매체의 양이 커지는 가압 챔버의 체적이 증가된다. 회전 속도의 증가에 따라 정밀도 각을 감축시킴으로써 기계의 동역학 및 운동 역학에 기인한 로터 구조 군에서의 부하가 감소되게 된다.

전술된 센터링 장치의 특징은 로터의 다른 회전 속도의 구간에서 기계의 효율이 상승되고 로터 구조 군에서의 부하가 감소될 수 있도록 하는데, 그에 의해 기계의 출력이 증대되고 작업 수명이 연장된다.

로터 구조 군의 윤활 및 냉각을 보장하기 위해, 부채꼴 로터는 샤프트에 대해 동축상으로 연장되거나 구 절편에서 부채꼴로 2개 이상의 채널로 분기되는 관통 채널(26 또는 27)을 구비한다. 부채꼴 로터(5)에서는 채널이 분할되지 않은 직경 방향 힌지의 축의 외면으로 통하게 되는데, 그 경우에 채널과 외면은 채널(28)에 의해 서로 접속된다. 채널(28)은 부채꼴 로터의 분할되지 않은 축의 표면을 따라 생성되어 놓여진다. 메니스커스 힌지 측(부채꼴 로터(5))에서는 채널이 반쪽 축(22, 21)에 있는 구멍을 경유하여 반쪽 축과 연통되고 메니스커스 쪽으로 안내된다. 메니스커스에서는 채널이 구멍의 반경 방향 채널(29, 30)을 경유하여 중심 로터의 중심점에서 합류되어 중공 공간을 형성한다. 그와 같이 형성된 중공 공간은 로터(4, 5)의 서로에 대한 정밀 이동 시에 직경 방향 힌지의 분할되지 않은 축의 채널과 접속된다. 양자의 직경 방향 힌지에 메니스커스 구조가 구비되는 기계의 변형례가 가능하다. 그 경우, 2개의 메니스커스 힌지를 구비하는 중심 로터에서는 양자의 메니스커스 힌지로부터 안내되는 반경 방향 채널이 양자의 부채꼴 로터의 채널과 접속됨으로써 중심점에서 합류되게 된다. 메니스커스 힌지의 반쪽 축의 저널은 메니스커스에 있는 구멍으로부터 오일이 유출되는 것을 방지한다. 오일은 반쪽 축에 잇는 채널로부터 모세관 구멍(32)을 경유하여 메니스커스 힌지에 공급된다.

로터 구조 군의 냉각이 필요하지 않은 기계에서는 로터(5)의 관통 동축 채널이 중심 로터의 중공 공간에서 직경 방향 힌지의 분할되지 않은 축으로 통하고, 그 곳으로부터 메니스커스의 반경 방향 채널을 경유하여 메니스커스 힌지의 반쪽 축에 도달된다. 부채꼴 로터(6)에는 관통 채널이 없을 수 있고, 공급 채널 및 채널(28)의 횡단면이 감축될 수 있다.

운동 역학적으로 구속된 기계의 로터(5, 4, 6)는 후크의 법칙에 따른 힌지의 형태의 로터 구조 군을 형성한다.

로터 구조 군의 채널을 통해 압력 하의 오일이 공급되는데, 그 대부분은 로터를 냉각시키면서 기계의 열 교환기에서 열을 반출한다. 직경 방향 힌지의 윤활에 제공되는 오일은 압력 및 원심 과부하의 작용 하에 외주로 이동되어 그 곳에서 중심 로터와 기계 하우징의 챔버 형성 표면과의 사이에 있는 틈새에 모여진다. 로터 구조 군의 윤활 및 냉각을 활용함으로써 기계의 출력 및 작업 수명이 증대되게 된다.

중심 로터의 외주로부터 오일을 제거하기 위해, 기계 하우징은 하우징 반쪽부(1, 2)의 분할 평면에서 센터링 장치와 챔버 형성 구의 내면과의사이에 배치되는 슬릿 형태의 오일 수집/배출 장치를 구비한다. 그러한 장치는 중심 로터의 정밀 이동 시에 그 중심 로터에 의해 챔버 형성 구형 중공 공간을 완전 폐쇄하는 구역의 섹터에 배치된다. 그러한 섹터는 음영 섹터(shadow sector)로서 지칭된다. 음영 섹터는 180°자오선에 대해 대칭으로 놓여지고, 그 크기는 직경 방향 힌지의 축의 직경 및 기계의 정밀도에 따라 달라진다. 그러한 장치는 하우징 반쪽부의 연부 사이의 채널 형성 구면 상에 마련되어 부채꼴 채널(33)을 형성하는 슬릿으로 된다. 그와 같이 형성된 채널은 하나 이상의 반경 방향 배출 채널(34)을 구비한다. 통상의 경우, 오일 수집/배출 장치는 다수의 슬릿 또는 음영 섹터에 배치된 개구부 시스템에 의해 형성될 수 있다. 그 경우, 슬릿(개구부)은 하나 이상의 배출 채널을통해 연장된다. 슬릿 장치에 의해 수집된 오일 및 틈새를 빠져나온 작동 매체는 채널에 축적되어 배출 채널을 경유하여 기계의 윤활/냉각 시스템의 수납 용기로 반출된다. 슬릿 형태의 오일 수집/배출 장치의 사용에 의해 기계의 오일 손실이 감소될 수 있게 된다.

기계의 조립 가능성을 보장하기 위해, 부채꼴 로터의 구 절편에 인접된 샤프트 부분과 하우징 반쪽부의 챔버 형성 구면으로 통하는 하우징 반쪽부의 개구부와의 사이에 틈새가 마련된다. 그러한 틈새는 로터 구조 군(로터(4, 5, 6))을 기계의 하우징 반쪽부에 조립할 때에 부채꼴 로터의 샤프트가 경사지게 되도록 보장한다. 기계 하우징의 결합 후에는 밀봉 장치(35) 또는 베어링 유닛의 요소가 틈새 내에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 구형 용적식 회전 기계는 다음과 같이 작동된다.

기계의 모든 로터는 단지 회전 이동만을 하는데, 중심 로터(4)는 부채꼴 로터(5, 6)의 축과 직경 방향 힌지의 축과의 교차 중심점에 위치된 지점을 중심으로 하여 회전된다. 부채꼴 로터(5, 6)의 중심 로터에 대한 정밀 이동은 로터 구조 군의 회전 시에 발생되는 작동 챔버(9, 10, 11, 12)의 조화된 체적 변동을 일으킨다. 즉, 본 발명은 구조적으로 및 운동 역학적으로 대칭형 기계이다.

부채꼴 로터(5)에 인접된 챔버(9, 10)는 하우징 반쪽부(1)에 마련된 흡입 채널(16) 및 배출 채널(15)과 접속되어 팽창 행정 "A"를 형성한다. 부채꼴 로터(6)는 하우징 반쪽부(2)에 있는 흡입 채널(17) 및 배출 채널(18)과 접속되어 행정 "B"를 형성한다.

행정 "A"의 인접 챔버(9, 10)와 행정 "B"의 인접 챔버(11, 12)는 로터 구조 군의 회전 중에 각각 완전한 작동 사이클(압축-팽창)을 행한다. 즉, 기계의 4개의 챔버(9, 10, 11, 12) 모두가 로터 구조 군의 회전 중에 완전한 작동 사이클을 행한다. 그 경우, 인접 챔버는 180°만큼 이동된 서로 반대의 작동 사이클로 된다. 예컨대, 챔버(9)가 가압되면, 챔버(10)는 감압되어 가장 작은 체적으로 된다.

행정 "A" 및 "B"에 있는 챔버의 작동 사이클은 운동 역학적으로 90°만큼 이동된다.

기계의 작동 형식에 대한 설명을 쉽게 하기 위해, 로터(5, 6)의 2개의 직경 방향 힌지가 동일한 직경의 메니스커스를 구비한 메니스커스 구조로 된 기계를 설명의 대상으로 삼기로 한다. 그러한 기계에서는 양자의 팽창 행정 "A" 및 "B"가 동일하다.

기계의 2 행정의 대칭성을 전제로 하여 행정 "A"에서 진행되는 과정을 설명하기로 한다. 행정 "B"에서 진행되는 과정은 행정 "A"의 과정과 완전히 동일하고 90°만큼 이동된다.

이제, 본 발명에 따른 기계가 팽창 기계의 운전 상태, 구체적으로 증기 기관의 운전 상태로 작동되는 경우를 다루기로 한다.

흡입 채널(16, 17)에 작동 매치인 압력 하의 증기가 공급된다. 팽창 행정 "A"(도 3)의 부채꼴 로터(5)는 인접 챔버에서의 작동 사이클의 교대 위치에 위치되는데, 그 챔버 중에서 챔버(10)는 가압되고 챔버(9)는 감압된다. 로터 구조 군이 추가로 회전되면(도 1), 작동 매체가 소비된 챔버(9)는 배출 채널(15)과 접속된다.챔버(9)로부터 배출 채널(15)로의 배출 흐름이 이루어지는 동시에 챔버(9)의 체적이 감소된다. 그 결과, 챔버(10)에 작동 매체가 공급되어 그 작동 매체의 작용 하에 팽창이 이루어지게 된다. 중심 로터(4)의 챔버 형성 면에 가해지는 작동 매체 압력은 중심 로터(4)의 직경 방향 힌지를 경유하여 부채꼴 로터(6)에 수용되어 그 부채꼴 로터(6)에서 토크를 발생시킨다. 챔버(10)에서의 작동 사이클의 말기, 즉 전술된 과정의 시작으로부터 180°경과한 후에는 흡입 채널(16)이 부채꼴 로터(5)에 의해 폐쇄되는데, 그와 동시에 챔버(9)에서는 배출 채널(15)이 폐쇄되게 된다. 그 순간으로부터 챔버(9, 10)는 서로 바꿔지게 되는데, 그 이유는 챔버(9, 10)가 180°만큼 이동되어 서로 반대로 작동되어 그 역할 및 작동 사이클의 과정을 반복하기 때문이다.

흡입 채널(16)의 바람직한 접선 방향 경사(도 3)는 로터의 회전 방향으로 작동 매체의 흐름을 향하는 것이다. 그 경우, 메니스커스 힌지의 반쪽 축(21, 22)은 팽창된 챔버 중에서 발생되는 고온 작동 매체의 복사에 의한 직접적인 부식 작용을 받지 않는다. 흡입/배출 채널(15, 16, 17, 18)의 노즐부는 공급 채널의 횡단면을 확대시켜 유체 역학적 저항을 낮추는 것을 가능하게 한다.

로터(4, 5, 6)로 이루어진 로터 구조 군의 냉각 및 기계의 직경 방향 힌지의 축의 윤활을 위해, 부채꼴 로터(6)의 채널(27)에 윤활 및 냉각 유체(이하, 유체로 지칭함)가 공급된다. 그러한 유체는 부채꼴 로터의 부분에서 부채꼴로 갈라진 채널(27)을 통해 반쪽 축(21, 22)의 반경 방향 채널로 유입되고, 그를 경유하여 중심 로터(4)에 도달된 후에 부채꼴 로터(5)의 채널을 통해 기계로부터 배출된다. 메니스커스(25)의 구멍에 배치된 반쪽 축(21, 22)의 저널은 팽창 챔버에서 유체가 유출되는 것을 방지한다. 유체는 모세관 채널(32)을 통해 메니스커스 힌지의 마찰 면 사이의 틈새 공간에 공급된다. 유체는 원심 과부하의 작용 하에 메니스커스 힌지의 반쪽 축을 따라 중심 로터(4)의 외주로 이동되고, 그 곳에서 하우징 반쪽부(1, 2)의 챔버 형성 구형 중공 공간과 중심 로터(4)와의 사이의 틈새에 모여진다.

유체는 슬릿형 배출 장치에 의해 그 틈새로부터 배출되는데, 그것은 유체가 슬릿(33)에 도달되어 반경 방향 배출 채널(34)을 통해 기계로부터 배출되기 때문이다. 적도 평면에서 결합되는 기계의 하우징 반쪽부(1, 2)는 열 부하 및 힘 부하의 거동 하에서의 기계 구조의 대칭성 및 균일 강도를 보장해주고, 하우징 반쪽부(1, 2)가 서로 교환이 가능하게 제작됨으로 인해 기계의 규격 통일도를 높여준다.

로터 구조 군에 2개의 동일한 메니스커스 힌지를 구비하는 기계의 실시예의 경우에는 부채꼴 로터(5, 6)가 서로 교환이 가능하게 제작될 수 있기 때문에 규격 통일도가 높아진다.

각 방향 이동이 가능하게 하우징 반쪽부(1, 2)를 결합시키는 센터링 장치(3)를 사용함으로써 위상 결정 각 및 정밀도 각이 변경될 수 있게 되는데, 그것은 작동 사이클 및 기계 출력의 제어에 활용될 수 있다.

본 발명은 작동 매체가 채널(15, 16)에 공급되고 채널(16, 17)로부터 배출되는 경우에는 로터의 회전 방향이 변경되기 때문에 가역 제어가 가능한 기계이다.

본 발명은 압축기, 과급기, 펌프, 감압기 계량 배출 장치로서 사용될 수 있다.

본 발명은 2 행정 기계로 되고, 그에 의해 조합된 설비, 예컨대 화학 반응기, 심폐기, 인공 호흡 장치, 2성분 혼합기 등에도 적합하다.

본 발명은 출력이 로터의 회전 속도에 대해 선형으로 또는 대략 선형으로 변하는 종속성을 보이고, 그에 의해 예컨대 터보 과급기에서의 작동 매체 공급량의 체크 및 제어가 간단하게 될 수 있도록 한다.

Claims (9)

1. 서로 결합된 2개의 하우징 반쪽부(1; 2)로 이루어진 하우징을 구비하고, 하우징의 구형 공간 중에는 4개의 작동 챔버(9; 10; 11; 12)를 형성하는 3개의 로터(4; 5; 6)가 배치되며, 중심 로터(4)는 양측에서 직경 방향 힌지에 의해 구 절편으로서 형성된 대응 부채꼴 로터(5; 6)에 결합되는 구형 용적식 회전 기계에 있어서,

   부채꼴 로터(5; 6)의 반경 방향 챔버 형성 표면은 2개 이상의 평면, 만곡 표면, 또는 평만곡 표면에 의해 형성되는 반면에, 중심 로터(4)의 챔버 형성 표면은 그에 대응하는 부채꼴 로터(5 또는 6)의 표면의 형태를 반복적으로 취하는 것을 특징으로 하는 구형 용적식 회전 기계.
2. 제1항에 있어서, 흡입/배출 채널(15; 16; 17; 18)은 불연속적 횡단면의 노즐부를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흡입/배출 채널(15; 16; 17; 18)의 축은 접선 방향으로 경사지고, 그 경우에 바람직하게는 각각의 흡입 채널이 기계의 로터(4; 5; 6)의 회전 방향으로, 그리고 각각의 배출 채널이 그 회전 방향의 반대쪽으로 경사지는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 부채꼴 로터(6)의 직경 방향 힌지는 2개의 반쪽 축(21; 22)을 구비하고, 그 반쪽 축(21; 22)은 부채꼴 로터(6)의 돌출부에 장착되어 그에 고정되며, 반쪽 축은 구의 중심점을 향한 측에 저널을 구비하고, 그 저널은 돌출부로서 형성되는 구형의 메니스커스(25)에 마련된 구멍 내에 배치되며, 그 메니스커스(25)는 챔버 형성 구에 대해 동축상으로 배치되어 중심 로터(4)의 연장부로 되고, 부채꼴 로터(6)는 구형 중공 공간을 구비하며, 그 구형 중공 공간은 메니스커스의 형태를 반복적으로 취하고, 다른 부채꼴 힌지(5)는 바람직하게는 분할되지 않은 원통형 축이 마련된 구비한 직경 방향 힌지를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 하우징 반쪽부(1; 2)는 각각의 자오선 절편에서 기계의 극점에 대해 등거리에 있는 적도 평면에서 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 하우징 반쪽부(1; 2)는 서로 및 본초 자오선에 대한 각 방향 이동을 가능하게 하는 장치(3)를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 부채꼴 로터(5; 6)는 샤프트에 대해 동축상으로 연장되고 구 절편에서 부채꼴로 2개 이상의 채널로 분기되는 관통 채널을 구비하고, 그 채널은 부채꼴 로터(5)의 분할되지 않은 직경 방향 힌지의 축의 외면으로 통하며, 그 경우에 채널과 외면은 분할되지 않은 축의 표면을 따라 생성된 채널에 의해 서로 접속되고, 메니스커스 힌지 측에서는 채널이 반쪽 축(21; 22)의 외면에 있는 구멍을 경유하여 반쪽 축과 연통되고 메니스커스(25) 쪽으로 안내되며, 그 경우에 채널은 메니스커스(25)에 있는 구멍의 반경 방향 채널을 경유하여 중심 로터(4)의 중심점(31)에서 합류되어 로터의 서로에 대한 정밀 이동 시에 직경 방향 힌지의 분할되지 않은 축의 채널과 접속되거나, 2개의 메니스커스 힌지를 구비하는 중심 로터(4)에서는 메니스커스 힌지의 반경 방향 채널이 중심점에서 합류되고 양자의 부채꼴 로터의 채널과 접속되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 기계 하우징(1; 2)에는 오일 수집/배출 장치 또는 다수의 슬릿이나 개구부가 마련되고, 그 장치 또는 슬릿이나 개구부는 중심 로터(4)의 정밀 이동 시에 그 중심 로터(4)에 의해 챔버 형성 구형 중공 공간을 완전 폐쇄하는 구역의 적도 섹터에서 채널 형성 구형 중공 공간에 장착되어 하나 이상의 배출 채널과 접속되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
9. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 부채꼴 로터의 구 절편에 인접된 샤프트 부분과 하우징 반쪽부의 챔버 형성 구면으로 통하는 하우징 반쪽부의 개구부와의 사이에 틈새가 마련되고, 그 틈새는 로터 구조 군을 기계의 하우징 반쪽부에 조립할 때에 부채꼴 로터의 샤프트가 경사지게 되도록 보장하며, 기계 하우징(1; 2)의 결합 후에는 밀봉 장치(35) 또는 베어링 유닛의 요소가 틈새 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.