KR20020065541A - 진동식 회전피스톤을 이용하는 장치 - Google Patents

Abstract

회전축을 갖는 실린더(4,5)와 단부면을 포함하면서 압축실(24,25)과 팽창실(26,27)을 구성하는 진동식 회전피스톤(2,3)으로 모터, 팽창기 또는 유압장치를 구성한다. 압축실(24,25)과 팽창실(26,27)은 축선방향 실링부재(15)에 의해 분리되고, 피스톤 단부면은 시일부재(20)에 의해 밀봉된다. 피스톤의 진동시마다 밸브(10,13)에 의해 압축실이 밀폐되고 팽창실이 개방된다. 피스톤의 압축행정 끝에서 실린더의 회전을 반전시키는 수단이 제공된다. 축선 표면을 따라 다른 피스톤과 접촉하는 하나 이상의 피스톤을 제공하여 마찰엔지 손실을 줄이는 구름접촉을 갖는 축선방향 밀봉면을 형성한다.

Description

진동식 회전피스톤을 이용하는 장치{APPARATUS USING OSCILLATING ROTATING PISTONS}

전세계적으로 내연기관이 널리 이용되고 있다. 1세기 이상 동안, 내연 개솔린/디젤 기관, 터빈, 및 스터링 엔진들이 사용되었다. 최근에는 반켈(Wankel) 엔진이 개발되었다.

터빈이나 스터링 엔진의 응답시간은 자동차에 사용하기에는 너무 늦어, 반켈엔진이 애용된다. 개솔린이나 디젤모터들은 저효율에도 불구하고 자동차 산업에서 애용되었다. 이들 모터들의 연소온도를 고려하면, 이론적 효율(카르노 효율)이 70% 이상 되어야 한다. 통상 최근의 자동차 모터의 효율은 25%이다. 저효율의 주요 원인중 하나는 피스톤과 실린더벽 사이의 미끄럼마찰로 인한 높은 에너지 손실이다. 이런 손실은 열로 변하여 엔진블록 주변의 냉각수로 전달된다.

피스톤엔진은 일찍부터 증기동력장치로 사용되었다. 표준 내연기관들은 어디에도 있다. 내연기관의 변형례가 반켈모터이고, 미국특허 3,741,694와 5,813,372에 기재된 로터리 피스톤엔진은 피스톤이 실린더벽과 접촉하지 않아 내부마찰이 감소된 로터리 피스톤엔진으로서, 피스톤링만 실린더벽에 접촉한다. 이들 실린더와 피스톤은 축선을 중심으로 회전하고 미끄럼 밸브기구를 움직여 흡입구와 배기구를 개방한다. 이 장치의 문제점은, 밸브공에서의 헤드의 미끄럼면적이 커서 마찰이 크다는데 있다.

미국특허 5,803,041에는 선형 피스톤운동이 실린더의 회전운동으로 바뀌는 로터리엔진이 기재되어 있다.

미국특허 5,138,944에는 사각형 피스톤이 환형 공동에서 회전하는 로터리 피스톤엔진이 기재되어 있다. 피스톤이 일방향으로 계속 회전하면서, 피스톤이 1회전할 때마다 환형공동을 차폐하는 게이트가 한번씩 개방되어 피스톤이 통과한다. 이 피스톤은 환형공동의 내부 실린더벽에 침투하는 디스크를 통해 중앙축에 연결된다. 이 장치의 문제점은, 로터리 피스톤이 실린더벽에 마찰되기 때문에 피스톤 둘레의 모든 곳에서 큰 미끄럼마찰이 생긴다는데 있다. 디스크가 실린더벽에 침투하는 곳에서 추가 마찰이 발생한다.

미국특허 4,938,668에는, 2세트의 피스톤들이 공통축 둘레를 회전함에 따라 체적이 변하는 공동을 형성하도록 2세트의 회전피스톤들이 서로 접근 및 이격하도록 진동하는 회전피스톤이 기재되어 있다. 축을 구동시키는 트러스트는 캠 시스템에 의해 제공된다. 흡배기공들에 위치한 엔드플레이트에 대해 피스톤이 미끄럼운동한다. 이 장치 역시 흡배기공이 위치한 엔드플레이트와 외측 실린더에 대해 회전피스톤들이 마찰하기 때문에 미끄럼마찰이 크다.

미국특허 4,002,033에는 메인 로터리피스톤에 대해 회전하는 로터리-맞물림 실링 로터를 구비한 로터리 운동기구가 기재되어 있다. 그러나, 표면 속도가 서로 다르기 때문에 실링 로터와 로터리 피스톤 사이에 약간의 공간이 생긴다. 이들 로터와 피스톤이 동일한 각속도로 회전하지만, 그 직경이 서로 다르기 때문에 맞물림면의 속도가 서로 다르다. 로터리피스톤은 실린더벽에 닿지 않아 미끄럼마찰이 생기지 않는다. 이로 인해 블로바이(blow-by)가 지나치게 된다. 블로바이를 줄이기 위해, 개스류에 난류를 발생시키는 홈을 피스톤벽에 형성한다. 그래도, 블로바이는 여전히 문제가 된다.

미국특허 4,099,448에는 회전날개들을 동기상태로 유지하고 축선을 중심으로 회전하는 기어들을 구비한 회전날개가 기재되어 있다. 이 설계에서도 회전날개의 외측팁들이 실린더벽을 미끄러지기 때문에 미끄럼마찰이 크다.

미국특허 3,282,513에는 회전날개의 단부에 미끄럼 시일이 구비된 회전날개를 갖는 엔진이 기재되어 있는데, 회전날개는 실린더벽을 미끄럼운동한다. 중앙 회전축으로부터 시일에는 윤활유를 공급해야만 한다. 이 장치는 본인들의 싱글 실린더엔진과 동일한 몇가지 특징을 갖기는 하지만, 본 발명에서는 회전피스톤이 아닌 실린더벽에 시일이 장착되어 있고, 축과 피스톤이 아닌 실린더 외부로부터 윤활유를 공급할 수 있다는 점에서 차이가 있다.

미국특허 2,359,819에는 실린더벽에 미끄럼 시일을 갖는 펌프가 기재되어 있다. 마찬가지로, 미국특허 5,228,414, 3,315,648, 3,181,513, 2,989,040, 2,786,455, 1,010,583, 526,127에는 실린더벽에서 미끄럼운동하는 시일들을 갖는 회전부재를 갖는 디자인이 기재되어 있다.

본 출원은 1999년 12월 1일 출원한 미국 가특허출원 60/168,479호의 "진동식 회전피스톤을 이용하는 장치"의 출원의 이익을 주장하고, 그 명세서를 본 출원에 병합하였다.

본 발명은 일반적으로 피스톤 구동장치에 관한 것으로, 구체적으로는 실린더가 회전하는 모터, 팽창기, 압축기 및 유압장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 4행정기관의 단면도;

도 2는 진동동작을 연속 회전동작으로 변환하기 위한 크랭크를 보여주는 본 발명의 일 실시예의 종단면도;

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2행정 기관의 단면도;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창기의 단면도;

도 5는 도 4에 도시된 팽창기의 배기밸브의 확대도;

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압축기의 단면도;

도 7은 본 발명의 다양한 응용례에 사용하기 위한 싱글 회전피스톤의 단면도;

도 8은 본 발명의 4-피스톤 구성을 위한 크랭크 설계를 보여주는 단면도;

도 9는 본 발명의 4-피스톤 구성의 단면도.

오일은 고갈될 것이고 대기는 온실개스로 오염되고 있으므로, 머지않아 현재의 개솔린기관은 더 효율적인 동력원으로 교체될 것이다. 모터, 팽창기, 압축기, 유압장치의 두문자를 나타내는 본 발명의 MECH에 따르면, 적당한 변경으로 내연기관, (터빈과 비슷한) 팽창기, 압축기, 유압모터, 유압펌프로 기능할 수 있는 새로운 유체운동장치가 제공된다. MECH는 미끄럼마찰이 아닌 구름마찰을 이용한다.

이하, 본 발명의 기타 목적, 장점 및 새로운 특징들에 대해 당업자라면 알 수 있고 실행할 수 있도록 설명한다. 첨부된 특허청구범위에 지적된 방법이나 그 조합에 의해 본 발명의 목적과 장점들을 달성할 수 있을 것이다.

이상의 제목적들을 달성하기 위해, 그리고 이상 설명된 본 발명의 목적에 따라 본 발명은 부분 원통형 피스톤들을 포함한 진동 회전피스톤을 갖는 모터, 팽창기, 압축기, 유압장치인바, 상기 피스톤들은 회전축과 단부면을 갖고 진동압축공간과 진동팽창공간을 형성한다. 축선 밀봉부재에 의해 압축공간과 팽창공간이 분리되고, 레이디얼 밀봉부재에 의해 피스톤의 단부면이 밀봉된다. 피스톤이 진동할 때마다 밸브에 의해 압축실이 밀폐되고 팽창실이 개방된다. 피스톤의 각 행정의 끝에서 피스톤의 회전을 반전시키는 수단이 제공된다. 개랑된 실시예의 경우, 축선 표면을 따라 다른 피스톤들과 접촉하는 하나 이상의 피스톤들이 제공되어 구름접촉되는 축선방향 밀봉면을 형성한다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 "MECH"란 2행정이나 4행정 디젤엔진을 포함한 모터, 팽창기, 유압장치 등을 의미한다. 본 발명은 표준형 엔진보다 내부 마찰손실이 작다. 따라서, 작동효율과 연료경제성이 상당히 좋다.

동일한 체적의 엔진에 대해, 본 발명의 MECH는 일반적인 개솔린 모터의 배기량보다 4배의 배기량을 갖고, 따라서 4배의 출력을 전달한다. 그러면서도 MECH는 마찰손실이 작기때문에, MECH 엔진은 동일한 크기의 개솔린 모터의 출력보다 5배의 출력을 낸다고 할 수 있다. 반대로 말하면, MECH는 동일 출력의 개솔린엔진에 비해 그 중량이 1/5이라고 할 수 있다.

MECH 엔진은 승용차나 트럭의 동력원으로 사용될 수 있거나, 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용될 수 있다. MECH 엔진은 또한 잔디깎는 기계, 모터사이클, 전기발전기용으로도 제작될 수 있다. 이것은 경량이기 때문에 체인톱이나 기타 휴대용 동력장치용으로도 아주 매력적이다. 대형 MECH 디젤이나 개솔린 엔진은 발전소에 사용될 수 있다. 소형 MECH 엔진을 이용하면 가정용이나 사업용 자가발전장치를 구성할 수 있다.

구름마찰은 일반적으로 미끄럼마찰보다 훨씬 작다고 알려져 있다. 실린더에서 미끄럼운동하는 피스톤은 마찰손실이 높다. 본 발명에서는, 두개의 회전피스톤들이 종축선을 따라 미끄럼운동하지 않고 서로 구름운동할 때 구름마찰이 발생한다. 일반적으로 실린더내에서 축선으로 미끄럼운동하는 원통형 물체를 피스톤이라고 한다. 본 명세서에서, "회전 피스톤"은 축선을 중심으로 회전 진동하는 부분 원통형을 갖는 것으로 정의된다. 회전피스톤은 축선방향으로 병진운동하지 않는다. 이것은 외부축선을 중심으로 피스톤과 실린더가 회전하는 종래기술에서의 "로터리 피스톤"과는 달리 실린더내에서 실제 회전한다.

도 1은 MECH 4행정 내연기관의 개념도이다. 엔진블록(1)에서, 회전피스톤들(2,3)은 실린더(4,5)의 축(6,7)을 중심으로 진동 회전하고접촉점(15)(실제로는 접촉선임)에서 서로 구름운동한다. 이런 구름접촉점은 축선방향의 구름 밀봉부를 형성하여, 하부 챔버(26,27)와 상부 챔버(24,25) 사이로 개스가 지나가는 것을 방지한다. 이런 구름밀봉은 미끄럼밀봉에 비해 마찰이 훨씬 적다. 상부 챔버(24)의 압력은 상부 챔버(25)의 압력과 동일하고, 하부 챔버(26)의 압력도 하부 챔버(27)의 압력과 동일하므로, 기체가 공극(22)을 통과할 가능성은 거의 없다고 할 수 있다. 따라서, 축(6,7)이 실린더의 축선과 동축으로 되고, 피스톤은 이들 축과 동축인 회전축선을 중심으로 편심으로 피봇함을 알 수 있다.

본 명세서와 특허청구범위에서, "편심"이란 회전축을 갖는 피스톤, 특히 이 경우에는 무게중심에서 벗어나 왕복운동을 일으킬 수 있는 피봇축을 갖는 피스톤에 대해 적용된다. 일반적으로 본 발명에서는, 피스톤의 피봇축이 그 무게중심을 통과하는 피스톤의 종축선과 평행하면서 벗어나 있다. 따라서, 피스톤이 편심으로 피봇함에 따라, 피스톤 질량 대부분은 항상 피봇축으로부터 벗어나 있고, 피스톤의 무게중심은 피봇축을 중심으로 한 원호를 따라 왕복운동한다.

도 1에 도시된 회전실린더들은 반원통형이다. 즉, 한쪽면에서 다른쪽 면까지의 각도가 180°이다. 이 각도는 상황에 따라 변할 수 있고, 어떤 경우에는 180°가 바람직하지만, 도면에 도시된 형상은 단지 예를 든 것일 뿐이고 이에 한정되는 것은 아니다. 쐐기(8,9)도 경우에 따라 각도가 변할 수 있다. 회전피스톤(2,3)과 실린더벽 사이의 공극(22)은 회전피스톤이 실린더벽을 마모시키지 않을 정도로 충분히 커야만 한다. 이 공극(22)은 탄화수소를 발생시키는 연소 억제를 방지할 정도로 충분히 커야만 한다.

도 1에는 도시되지 않은 엔드플레이트가 회전피스톤(2,3)의 단부를 덮고 엔진블록(1)에 고정된다. 회전피스톤의 단부와 엔드플레이트 사이에 미끄럼마찰이 일어나지만, 이 마찰은 회전피스톤(2,3)이 직경에 비해 아주 길기때문에 비교적 작다. 예컨대, 실린더 직경이 4인치이고 그 길이는 12피트나 13피트이다. 엔드플레이트의 홈에 레이디얼 엔드시일(20)을 설치하면 피스톤을 엔드플레이트에 밀착시킬 필요가 없기 때문에 미끄럼마찰이 더 감소될 수 있다. 이들 시일(20)은 일반적인 모터의 피스톤링과 비슷하다. 엔드시일(20)은 그 하단부가 축(6,7)에 맞닿고 양단부가 축(6,7)에 압착되는 U형이다. 엔드시일들 사이로 오일을 주입할 수 있다. 엔드플레이트의 홈에 설치된 스프링(도시 안됨)에 의해 회전피스톤의 단부쪽으로 시일(22)이 밀린다.

동작시, 회전피스톤(3)이 시계방향으로 회전하면, 피스톤(2)은 반시계 방향으로 회전하여, 상부 챔버(24,25)내의 연료-공기 혼합물이 압축된다. 압축이 끝나면, 스파크플러그(도시 안됨)가 점화되어 연료-공기 혼합물을 발화시킨다. 팽창압력에 의해 회전피스톤(2,3)의 회전방향이 반전된다. 서로 반대로 회전하는 피스톤들에 의해 하부 챔버(26,27)내의 연료-공기 혼합물이 압축된다. 이어서, 챔버(26,27)내의 점화에 의해 회전피스톤(2,3)의 회전방향이 또 반전된다. 캠(도시 안됨)에 의해 동작하는 밸브로드(11)에 의해 상부밸브(10)가 개방되고 배기가스가 상부챔버(24,25)에서 상부채널(12)과 상부밸브(10)를 통해 배출된다. 본 명세서에서 상부나 하부는 도면을 기준으로 한 것이고, 실제 장치의 상부와 하부를 의미하는 것은 아니다. 피스톤이 매우 길면, 흡배기 밸브와 스파크플러그가 하나 이상 있는 것이 좋다. 내연기관으로 기능하는 본 발명의 모든 실시예에서는 각각의 챔버에 하나 이상의 스파크플러그, 하나 이상의 흡기밸브, 하나 이상의 배기밸브를 구비한 것을 특징으로 할 수도 있다.

다음 사이클에서, 로드(14)에 의해 하부밸브(13)가 개방되어 배기가스가 하부챔버(26,27)로부터 하부채널(12')을 통해 빠져나가고, 새로운 연료-공기 혼합물이 흡기밸브를 통해 상부 챔버(24,25)로 유입된다. 이들 흡기밸브는 배기밸브(10) 바로 뒤에 위치하므로 도시하지 않았다. 비슷한 흡기밸브들이 하부밸브(13) 뒤에 위치한다. 이런 사이클이 반복된다.

도 2에는 엔드플레이트(50)와 엔드플레이트상에 위치한 메커니즘에 도시되어 있다. 엔드플레이트는 엔진블록(1)의 단부에 부착되고 회전피스톤(2,3)의 단부와 맞닿는다. 도 1의 축(6,7)은 엔드플레이트(50)를 관통해 기어(60,61)에 연결된다. 이들 기어의 원주변에는 서로 맞물리는 톱니가 있다. 기어결합의 목적은 회전피스톤들(2,3)이 서로 구름운동할 때 미끄러지지 않도록 하는데 있다. 톱니에 의해 기어(60,61)의 에너지가 크랭크로드(51)에 전달되고 크랭크로드는 축(52)을 통해 기어(61)에 피봇 연결된다. 크랭크로드(51)에 의해 축(53)이 피봇하여 플라이휠(54)을 구동시킨다. 축(53)과 크랭크로드(51) 단부의 파단선은 이들 부분이 관찰자 입장에서 플라이휠(54) 밑에 위치함을 의미한다. 크랭크축(55)이 플라이휠(54)에 연결되어 엔진의 동력을 외부로 전달한다. 크랭크축(55)은 도 2의 관찰자측에 위치한 엔진 하우징(도시 안됨)을 관통한다.

오일펌프는 곡면 로드인 플런저(75)와 곡면챔버(76)로 구성된다. 플런저(75)는 기어들중 하나에 연결된다. 기어가 진동하면, 플런저(75)가 챔버(76) 안으로 들어가 체크밸브(78)를 통해 오일을 보낸다. 체크밸브는 기어가 설치된 하우징 내에 있다. 오일은 필요한 곳으로 펌핑될 수 있다.

엔진블록(1)의 타단부의 엔드플레이트도 비슷한 기어기구를 가질 수 있지만 필수적인 것은 아니다. 이 엔드플레이트는 축(6,7)과 엔드시일(20)에 대한 지지판 역할을 한다. 엔진에는 개솔린이나 디젤엔진에 공통적인 스타터, 흡배기 매니폴드, 점화배선, 타이밍벨트, 밸브캠 및 기타 다른 부품들이 필요하다. 편의상, 이들 부품들을 모두 도면에 도시하지는 않았다. 엔진블록(1)내의 채널을 흐르는 냉각수에 의해 엔진이 냉각된다. 이들 채널은 도시되지 않았다. 당업자라면 이들 채널을 추가할 수 있을 것이다.

MECH 엔진의 중요한 장점들중 하나는, 실린더벽과 회전피스톤들이 매우 고온일 수 있다는데 있는바, 이는 회전 피스톤들이 실린더벽에 접촉하지 않고 윤활이 불필요하기 때문이다. 표면들이 아주 고온이면, 연소기체로부터 표면으로의 열손실이 줄어들 것이다. 이렇게 되면 연료 경제성이 향상된다. 일반적인 내연기관에서, 연료에너지의 상당 부분이 실린더벽에서 손실되고 냉각수에 의해 라디에이터로 전달된다. MECH에서는 엔드플레이트를 냉각할 필요가 있는데, 이는 이곳에 윤활유가 있기 때문이다. 실린더벽들의 내부공극에 의해 고온 실린더벽과 엔드플레이트 사이가 단열될 수 있다. 기체로부터의 열은 엔드플레이트에서 손실되겠지만, 실린더의 길이가 그 직경에 비해 길면 이런 열손실이 비교적 감축된다.

도 3에는 2사이클 엔진이 도시되어 있는바, 회전피스톤(102)이 반시계방향으로, 회전피스톤(103)이 시계방향으로 회전하면서 엔진블록(100)의 튜브(106,116)를 통해 연료-공기 혼합물이 유입되고 리드밸브(117)(또는 다른 형태의 체크밸브)를 통해 하부챔버(126,127)로 들어간다. 상부챔버(124,125)의 연료-공기 혼합물이 압축된다. 압축이 끝나면, 스파크플러그(도시 안됨)가 점화되고, 폭발에 의해 회전피스톤(102,103)이 반대방향으로 회전한다. 리드밸브(117)가 닫히고, 하부챔버(126,127) 내부의 개스가 압축된다.

회전피스톤들이 사이클 끝에 이르면, 지점(122)에서 축(111)의 단부와 접촉하고, 이 지점은 피스톤의 정면이 파여져 있다. 이로인해, 밸브(110)가 개방되어 상부챔버(124,125)로부터 기체가 튜브(115)를 통해 빠져나간다. 상부챔버(124,125)내의 압력이 줄어들면 하부챔버(126,127)내의 압축개스가 내부채널(120)과 리드밸브(121)(또는 다른 형태의 체크밸브)를 통해 상부챔버(124,125)로 들어간다. 엔진블록(100)으로 제한된 실린더 단부에 밸브(121)가 있고 그 타단부에 배기밸브(110)가 있어서, 밸브(121)를 통해 흐르는 개스가 배기개스를 밀어내고 새로운 연료-공기 혼합물로 상부챔버(124,125)가 채워진다. 따라서, 채널(120)과 밸브(121)는 실린더 부근의 쐐기(108)(도면에서 배기밸브(110) 뒷쪽)에 위치하지만, 설명의 편의상 채널(120)과 밸브(121)가 실린더의 동일한 단부에 있는 것처럼 쐐기(108)의 좁은 부분에 도시되어 있다.

회전피스톤들(102,103)이 다시 역회전하면, 스프링들(112)로 인해 밸브(110)가 닫혀, 상부챔버(124,125)에 갇힌 개스들이 다시 압축되기 시작한다. 이 사이클이 반복된다.

2행정 MECH 엔진은 4행정 MECH 엔진과 다른 측면에서는 비슷하다. 즉, 한쪽 엔드플레이트에는 도 2와 비슷한 메커니즘이 있고 도 1과 마찬가지로 엔드시일(20)이 있지만, 편의상 도 3에서는 이를 생략한다. 구름접촉점(15)으로 인해 고압챔버에서 저압챔버로 기체가 흐르는 것을 방지하는 시일이 형성된다.

(스팀, 공기, 냉매증기 등의) 고압기체를 이용할 때, 팽창기로 인해 기체 팽창중에 저압으로 에너지가 추출될 수 있다. 증기발전소의 팽창기로는 통상 터빈을 고려할 수 있다. 적당한 구조를 갖는 MECH 장치를 팽창기로 사용할 수도 있다.

회전날개, 제로터(geroter), 기어모터 나사 팽창기 등 여러 경우를 공업적으로 사용할 수 있다. 이들 장치는 통상 내부마찰이 높고 블로바이(blow-by)가 지나치다. 이로 인해 체적효율이 낮다. MECH 팽창기들은 내부마찰이 낮고 블로바이도 훨씬 낮다.

MECH 팽창기라면 터빈을 구성하는데 비용이 훨씬 덜 들고 증기, 압축공기, 비등점이 낮은 유체 등에 이용할 수 있을 것이다. 비슷한 구성을 유압모터에도 사용할 수 있다. 관개펌프나 기타 펌프를 구동하는 경우에도, 펌프를 구동하기 위한 발전기와 전기모터를 구비할 필요 없이 MECH 팽창기를 MECH 펌프에 직결할 수 있다. 팽창기로 발전기를 구동하여 모터를 구동하고 펌프를 구동하면, 이들 일련의 장치의 비효율성이 서로 배가된다.

도 4는 MECH 팽창기를 보여준다. 밸브(214)가 개방되면, 증기, 공기, 기타 고압기체가 흡입튜브(216)로 들어가 밸브조립체(220)를 통해 하부챔버(226,227)로 들어가고 회전피스톤(202,203)이 축(206,207)을 중심으로 서로 반대방향으로 회전한다. 이들 피스톤(202,203)에 행정의 끝에 이르면, 밸브시프터(222)가 밸브(213)를 쳐 밸브(214)를 닫고 밸브(213)를 연다. 이어서, 고압기체가 흡입튜브(116)를 통해 상부챔버(224,225)로 들어가고 회전피스톤(202,203)을 역회전시킨다. 하부챔버(226)에서 상부챔버(224,225)를 분리시키는 쐐기(209) 내부에 밸브조립체(220)가 위치한다. 고압기체로 인해, 회전피스톤(202,203)이 밸브(211)를 다른 위치로 이동시키는 위치로 밸브(211)가 고정된다.

도 5는 도 4의 밸브조립체(220) 뒤에 위치한 배기밸브 조립체(230)를 보여준다. 고압기체가 하부챔버(227)로 들어가면, 상부챔버(225)의 기체가 밸브(233), 배기밸브조립체(230)를 통해 배기튜브(236)로 들어간다. 밸브시프터(222)가 각 행정의 끝에서 배기밸브(231)를 쳐서 밸브(233,234)를 로드(231)에 의해 교대로 개폐한다(도 4 참조).

MECH 팽창기는 도 2와 비슷한 단부조립체를 구비하고 MECH 내연기관과 비슷하다.

도 4의 MECH 팽창기는 유압모터로서도 작용할 수 있다. 이와 같은 팽창기 엔진용으로, 고압기체공급원이 차단될 때 피스톤이나 밸브를 이 위치에서 중단시켜 압력이 복귀될 때까지는 엔진을 가동시키지 않도록 할 수 있다. 스타터가 필요할 수도 있다.

팽창기용의 다른 밸브시스템은 스프링작동식 밸브를 개방하는 크랭크축-피동 캠이 있다. 이 방법에 의하면, 피스톤이 행정 끝에 도달하기 전에 효율 향상을 위해 기체의 단열팽창이 가능하도록 흡기밸브를 닫을 수 있다.

중국, 인도, 기타 개발도상국 국민들은 에어컨 사용추세가 계속 증가중이다. 공장에서는 그 필요성이 없을 수 있다. 이들 국가에서는 전송망과 발전소 문제로 새로운 에어컨들 전체에 필요한 전력을 제공할 가능성이 없다는 것이 큰 문제이다. 미국에서도 캘리포니아나 뉴욕에서는 더운날 절전이 필요할 정도이다. 효율이 더 좋은 에어컨이라면 이런 문제를 극복할 수 있을 것이다.

냉장장치와 에어컨에서는 냉매 압축기에서 대부분의 에너지를 소모한다. 피스톤 압축기는 내부마찰이 높다. 스크롤, 회전날개, 스크루 압축기들도 마찰이 높고 블로바이가 지나치다. 본 발명의 MECH 압축기라면 이들 문제를 해결할 수 있을 것이다. 소형의 MECH 압축기들을 냉장고에 설치할 수 있고, 대형 에어컨용으로 대형 장치를 제작할 수도 있다.

도 6은 MECH 압축기의 개략도이다. 회전피스톤들이 약 90도 정도 면접촉하는 각도로 실린더의 1/4 정도에 도시되어 있다. 앞의 도면에서처럼 면접촉 각도를 180도로 할 수도 있지만, MECH 형상의 설계인자들의 유연성을 보여주기 위해 도 6에는 이를 90도로 표시하였다.

블록(300)에서, 회전피스톤(302)은 챔버(324,326)내의 개스를 교대로 압축하고, 회전피스톤(303)은 챔버(325,327)내의 기체를 교대로 압축한다. 특정 피스톤면이 후퇴하면, 리드밸브(310)(또는 다른 형태의 체크밸브)와 튜브(313)를 통해 해당 챔버에 기체가 유입된다. 기체가 압축되면, 밸브(310)가 닫히고, 기체가 리드밸브(311)와 튜브(312)를 통과한다.

엔드플레이트의 기어 메커니즘은 도 2와 비슷하지만, 회전피스톤(302,303)이실린더의 1/4이고 크랭크축의 행정길이가 더 짧으면 기어(60,61)가 반원형일 수도 있다. 이 경우, 크랭크축에 동력이 전달되어 회전피스톤들이 구동되면서 기체를 압축한다.

이 디자인이 액체펌프로 작용할 수도 있다. 액체의 경우, 피스톤 운동에 대한 저항이 크지 않도록 공극(322)을 지나치게 작지 않게 한다. 흡배기 튜브들은 커도 된다.

압축기나 액체펌프의 경우, MECH 모터나 팽창기를 이용해 MECH 압축기나 펌프를 직접 구동할 수 있다. 예컨대, 팽창기가 구동되면, 도 4의 축(206,207)이 압축기 안으로 뻗고 도 6의 축(306,307)으로 된다. 크랭크로드와 크랭크축은 불필요하다.

도 7은 모터, 팽창기 또는 압축기에 유용한 MECH의 싱글피스톤을 보여준다. 서로 구름운동하는 2개의 피스톤 대신, 블록(400)내의 하나의 회전피스톤(403)은 한쪽 챔버(460)에서 다른쪽 챔버(462)로 기체가 흐르지 못하게 하는 시일(433)을 제공한다. 이들 시일은 자동차엔진의 피스톤링과 비슷하지만, 직선형이다. 시일들(433)은 슬롯(434)내에서 자유롭게 미끄러지고 S형 스트립 스프링(435)에 의해 회전피스톤쪽을 향해 반경방향으로 밀린다. 윤활을 위해 두개의 시일들 사이로 오일을 주입할 수 있다. 이들 시일들(433)의 단부는 엔드플레이트(도시 안됨)의 슬롯 안에 있는 시일들(44)의 단부와 인접 위치한다. 이런 설계로 인해 구름마찰의 장점을 구현하면서도 출력밀도가 높은 컴팩트한 엔진을 구현할 수 있다.

쐐기(409)의 슬롯(431)내의 비슷한 시일(430)로 인해 축(407)을 통한 블로바이가 방지된다. S형 스프링(432)에 의해 시일이 축에 압착된다. 이 설계가 MECH의 다른 구성에 적용될 수 있기 때문에 밸브는 도시하지 않았다. 이 설계는 단일 블록내의 다중 회전피스톤들에 적용될 수 있지만, 각각의 회전피스톤과 그 실린더가 서로 분리될 수도 있다.

도 2의 기어(60,61)에 무게추를 부착하여 회전피스톤의 운동으로 인한 엔진의 진동을 축소할 수도 있다. 피스톤을 가볍게 하려면 중공 형태로 구성한다. 각각의 피스톤 세트가 180도마다 위상이 변하는 회전을 하는 4행정 기관(2행정 기관을 복사하여 나란히 설치하여 구성됨)이면, 진동이 상쇄되고 무게추가 불필요할 것이다. 이것은, 도 8에 도시된 바와 같이 4개의 회전피스톤 모두를 이용해 하나의 플라이휠을 구동하면 이루어질 수 있다. 이 경우, 상부 피스톤들은 하부피스톤들과 함께 1 위상에 대해 정확히 180도 회전하지 못할 수도 있지만, 180도에 가깝게 된다. 플라이휠과 크랭크축이 두개인 다른 방법도 있는바, 두개의 플라이휠들은 그 원주변에 서로 맞물리는 기어톱니가 있다. 이렇게 하면 매우 원활한 주행모터가 형성된다.

진동을 상쇄하는 다른 형상이 도 9에 도시되어 있는바, 이 도면은 회전피스톤과 엔진블록의 단면도이다. 엔진블록(500)에 4개의 회전피스톤(501,502,503,504)을 장착한다. 이 디자인의 엔드플레이트에는 모두 4개의 기어(도시안됨)가 맞물려 회전피스톤들을 거의 정렬상태로 유지한다. 하부피스톤들의 질량중심이 상승하면서 상부피스톤들의 질량중심은 하강한다.

좌우 피스톤들은 접촉점(515)에서 구름운동한다. 사이클 도중에, 상하 피스톤들은 접촉점(516)에서 서로 구름접촉한다. 엔진의 적절한 기능을 위해 이들 피스톤들이 접촉점(516)에서 접촉할 필요는 없지만, 4개의 기어가 모두 맞물려야 하기 때문에 피스톤들이 이곳에서 접촉한다. 피스톤들 사이의 공간에 미사용 개스가 차는 것을 방지하기 위해 몸체(520)를 이 공간에 설치한다. 이 몸체는 엔드플레이트에 부착되어 정위치된다. 냉각수용 채널을 형성할 수 있다. 진동을 줄이는 이들 방법을 MECH의 모든 버젼에 응용한다.

본 발명의 이상의 설명은 단지 예시적인 것일 뿐이고, 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 이상의 설명으로부터 여러가지 변형과 변경이 가능할 것이다. 상기 실시예들은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 당업자라면 본 발명을 다양한 경우와 다양한 변형에 적용할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 제한되어야 할 것이다.

Claims (23)

1. 적어도 하나의 축선방향 실린더를 구비한 블록;

   상기 실린더 각각의 내부에 피봇 가능하게 배치되어, 실린더 축선을 중심으로 주기적으로 편심 회전하는 피스톤;

   상기 실린더와 피스톤에 의해 형성되는 진동압축공간과 진동팽창공간; 및

   상기 피스톤의 각각의 반주기 회전에 의해 상기 압축공간을 교대로 개폐하고 상기 팽창공간을 교대로 개폐하는 밸브;를 포함하고,

   각각의 반주기 회전마다 상기 피스톤의 축선을 중심으로 한 회전방향이 바뀌는 것을 특징으로 하는 에너지 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 하나의 실린더와 하나의 피스톤을 포함하고, 상기 팽창공간과 압축공간을 분리하는 적어도 하나의 축선방향 밀봉부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 피스톤상에 배치된 기어; 및

   진동회전운동과 연속적인 회전 사이의 변환을 위해 상기 기어에 연결된 크랭크;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항에 있어서,

   서로 평행하고 반경방향으로 교차하여 각각의 길이들 사이로 통로를 형성하는 제1 및 제2 실린더; 및

   서로 평행하고, 공통의 축선방향 구름접촉선을 따라 서로 접촉하는 제1 및 제2 피스톤;을 더 포함하고,

   상기 피스톤들은 서로 반대방향으로 회전하고, 상기 공통 접촉선은 상기 압축공간을 팽창공간에서 물리적으로 격리하는 구름 시일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 피스톤에서 이어진 제1 축에 부착된 제1 기어와 상기 제2 피스톤에서 이어진 제2 축에 부착된 기어를 더 포함하고, 이들 제1, 제2 기어는 상기 피스톤들을 동작관계로 유지하기 위한 서로 맞물리는 기어톱니를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 기어와 연결되어 챔버로부터 플런저가 오일을 몰아내도록 하는 윤활용 오일펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제2항, 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 피스톤과 실린더들이 4행정 내연기관을 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제2항, 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 피스톤과 실린더들이 2행정 내연기관을 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제2항, 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 피스톤, 실린더 및 밸브들이 고압흡입부와 저압출력부를 갖는 팽창장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 피스톤, 실린더 및 밸브들이 고압 유체를 위한 고압 흡입구와 저압 배출구를 갖는 유압모터를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제2항, 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 피스톤, 실린더 및 밸브들이 저압흡입부와 고압출력부를 갖는 압축장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 피스톤, 실린더 및 밸브들이 저압유체를 위한 저압 흡입구와 고압 배출구를 갖는 유압펌프를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제5항에 있어서, 진동회전운동과 연속회전운동 사이의 변환을 위해 상기 기어들중 하나에 연결된 크랭크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 각각의 길이를 따라 그 사이로 통로를 형성하도록 반경방향으로 교차하는 제1 실린더와 제2 실린더로 이루어지는 적어도 한쌍의 평행 실린더들을 내장하고있는 블록;

    각각 대응 피스톤의 축선을 중심으로 주기적으로 편심 회전하고 공통의 구름접촉 축선을 따라 서로 접촉하는 적어도 한쌍의 피스톤들로서, 제1 피스톤은 제1 실린더 내부에 피봇 가능하게 배치되고 제2 피스톤은 제2 실린더 내부에 피봇 가능하게 배치되어 있는 적어도 한쌍의 피스톤;

    상기 제1 실린더와 제1 피스톤으로 이루어지는 제1 진동압축공간과 제1 진동팽창공간;

    상기 제2 실린더와 제2 피스톤으로 이루어지는 제2 진동압축공간과 제2 진동팽창공간; 및

    상기 피스톤들의 각각의 반주기 회전의 결과로 상기 압축공간을 교대로 개폐하고 상기 팽창공간을 교대로 개폐하기 위한 밸브;를 포함하고,

    각각의 반주기 회전마다 상기 피스톤들의 축선을 중심으로 한 회전방향이 바뀌며;

    상기 피스톤들이 평행 축선들을 중심으로 서로 반대방향으로 회전하고, 상기 피스톤들 사이의 공통 접촉선이 팽창공간에서 압축공간을 물리적으로 격리하는 구름시일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 유체 연소, 압축 또는 팽창장치.
15. 제14항에 있어서,

    적어도 하나는 상기 피스톤과 연결되고, 각각의 원주변에 서로 맞물리는 기어이가 형성되어 있는 기어들;

    상기 기어들중 하나에 피봇 가능하게 연결되는 크랭크로드; 및

    상기 크랭크로드에 의해 피봇축을 통해 구동되는 플라이휠;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 제1 피스톤에서 이어진 제1 축선축에 연결되는 제1 기어와, 상기 제2 피스톤에서 이어진 제2 축선축에 연결된 제2 기어를 더 포함하고, 이들 제1, 제2 기어들에는 상기 피스톤들을 동작 가능하게 유지하도록 서로 맞물리는 톱니가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 기어와 동작가능하게 연결되어 플런저에 의해 챔버로부터 오일을 배출시키기 위한 윤활용 오일펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제14항에 있어서, 여러쌍의 실린더들과 여러쌍의 피스톤들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제14항에 있어서, 유압펌프를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제14항에 있어서, 압축기를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제14항에 있어서, 유압모터를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제14항에 있어서, 팽창기를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제14항에 있어서,

    상기 피스톤의 단부들을 덮는 엔드플레이트들; 및

    상기 피스톤들과 엔드플레이트들 사이의 레이디얼 엔드시일들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.