KR200296399Y1 - 로터리 유체 이송 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 기체를 압축하는 컴프레서, 압력을 지닌 가스, 스팀 또는 유체로부터 동력을 발생시키는 동력 발생장치(엔진) 및 유체를 수송하는 펌프에 관한 것이다.

본 고안은 도넛 모양의 로우터(1)가 회전하면서 가스의 흡입/압축 과정을 연속적으로 수행하도록 구성한 것이다. 이 로우터는 그 가로 단면이 반달 모양의 원호로 되고 스크류 형태의 격리판(2)들이 안쪽에 고착되어 있다. 이러한 로우터(1)는 회전하지 않는 고정 평판 덮개(6)로 덮여진다. 따라서 로우터에는 이 덮개와 상기 격리판(2)으로 앞뒤가 막힌 워킹챔버(7)가 형성된다. 상기 고정판 덮개(6)에는 회전 원판 피스톤(4)이 일반 피스톤과는 달리 상하로는 움직이지 않고 제자리에서 (로우터와 1:1로) 회전하도록 장치되는데, 원판 부가 고정판 덮개 아래로 돌출하여 상기 워킹챔버를 가로막고 있다. 이 피스톤(4)에는 상기 스크류 형태의 격리판(2)의 두께와 같은 폭의 홈(12)이 형성되어 있다. 따라서 로우터가 회전하여도 격리판(2)은 홈을 통하여 피스톤과 충돌하지 않고 피스톤을 통과하게 되어 있다. 따라서 워킹챔버의 작업유체는 상기 피스톤에 의하여 압축되기도 하고 팽창하기도 한다. 작업유체 출구(8)와 입구(9)는 상기 피스톤 앞뒤로 고정판 덮개(6)에 서로 나란히 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 고안은 그 구조가 피스톤/실린더의 형태로 되어 있어 밀봉장치가 용이하고, 또 진동하는 밸브가 없는 완전한 로터리 타입으로 고속운전이 가능하다. 본 고안에서는, 로우터(1)가 회전함에 따라, 가스가 실린더에 해당하는 워킹챔버(7)에 연속적으로 가스 입구(9)로부터 흡입되고, 압축되어 그 출구(8)로 배출된다. 만약 본 고안의 가스 출구에 압력을 지닌 가스를 역으로 입력하면 가스가 팽창하면서 동력이 발생하게 된다. 즉, 본 고안은 가스 압축기로도 사용할 수 있고 가스 팽창기로도 사용할 수 있다. 또 본 고안은 유체를 압송하는 펌프 또는 가스 블로우어로 작동한다. 또 본 고안은 수력발전에 사용되는 수차(Water Turbine)로도 사용될 수 있다. 즉, 본 고안에 수두(Head)가 있는 물을 입력하면 이 수두가 바로 동력으로 변환된다. 본 고안은 어떠한 수차보다도 그 효율이 높다.

본 고안은 기본 구조가 도넛과 같은 형태로 하나의 로우터 축(5)에 크기가 다른 다수의 기본 장치를 결합시킬 수 있다. 따라서 본 고안은 고압을 얻을 수 있는 다단 압축기로도 사용할 수 있고 터빈과 같이 다단 팽창기로도 사용할 수 있다. 또 본 고안은 하나의 축에 압축기와 팽창기를 모두 구비할 수도 있다. 이러한 구조의 본 고안은 디젤 엔진에서 주로 사용되는 배기터빈 과급기를 대신하는 과급기로도 사용될 수 있으며, 여기에 연소기를 구비하면 가스터빈과 같은 로터리 엔진이 된다. 그러나 본 고안은 동력을 피스톤 엔진에서와 같이 가스의 팽창에 의하여 생산하고, 가스터빈보다도 더 고온에서 운전될 수 있다. 즉, 열효율이 더 높다는 의미이다. 또 본 고안은 가스터빈보다도 구조가 더 간단하게, 가볍게 제작될 수 있고 가스터빈과 같이 고속운전이 가능하여 고출력을 낼 수 있다. 본 고안은 기존 엔진의 배기구에 장착하여 머플러를 대신한 소음기로도 사용할 수 있다. 소음은 압력을 지닌 가스가 열린 공간에서 급속히 팽창할 때 발생한다. 본 고안은 가스를 밀폐공간에서 점진적으로 대기압까지 팽창시킬 수 있음으로 배기소음은 자동적으로 제거된다.

Description

로터리 유체 이송 장치 {Rotary Fluid Movers}

본 고안은 기체를 압축하는 컴프레서 (진공펌프 포함), 압력을 지닌 가스 또는 스팀으로부터 동력을 발생시키는 동력 발생장치(엔진), 및 유체를 압송하는 펌프에 관한 것이다.

가스 압축기로서 피스톤 타입 압축기, 스크류 타입 로터리 압축기, 원심 압축기 및 항공기에서 주로 사용되고 있는, 터빈과 유사하나 그 회전방향이 반대인, 축류 압축기가 주로 사용되고 있다. 이러한 압축기들은 그 구조상 다음과 같은 문제점들을 지니고 있다. 피스톤 타입 압축기는 가스의 밀봉은 용이하나 피스톤이 왕복운동을 해야 함으로 고속운전이 불가능하고, 스크류 타입 압축기는 가스의 밀봉이 어렵고, 원심 및 축류 압축기는 고속으로 운전되어야만 하고, 따라서 가스의 엔트로피가 증가하여 그 효율이 낮은 결함을 지니고 있다.

일반적으로 액체 및 기체를 수송하는 데에는 각각 원심 펌프 및 가스 블로우어가 사용된다. 이들은 모두 유체의 원심력을 이용한 구조로 되어있어, 고속으로 운전되어야만 하는 결함을 지니고 있다.

수력발전은 수두(Head)가 있는 물이 수차(Water Turbine)를 통과하면서 동력을 생산하도록 되어 있다. 수차의 로우터에는 다수의 버켓(bucket) 또는 프로펠러 (Propeller)가 형성되어 있어, 물이 고속으로 버켓에 충돌하거나 프로펠러에 저속 충돌함에 따라 로우터가 회전하여 동력이 생산된다. 따라서 기존의 수차는 물의 수두가 낮으면 물이 프로펠러 사이로 빠져나감으로 효율이 낮은 결함을 지니고 있다.

한편, 종래의 피스톤 엔진에서는, 냉각손실과 배기손실이 주어진 에너지의 약 28%/32% 정도나 된다. 더군다나, 피스톤 엔진에서는 배기소음을 제거하는 것이 쉽지가 않다.

본 고안은 완전한 로터리 타입으로 이러한 문제점을 모두 해결한 것이다. 본 고안은 도넛 모양의 로우터가 회전하면서 가스의 흡입 압축 배출 과정을 밸브 없이 연속적으로 수행하도록 구성한 것이다. 이 로우터의 가로 단면은 반달 (반원이 채 못 되는) 모양이고, 이 로우터는 회전하지 않는 고정판 덮개로 덮여 진다. 즉, 타이어의 튜브를 원 둘레방향으로 반이 채 못 되게 자르고 자른 부위를 원판 덮개로 덮는 도넛 모양이다. 따라서 로우터에는 역시 가로 단면이 반달 모양인 도넛 모양의 챔버가 형성되고, 이 챔버는 스크류 형태로 된 격리판들로 분리되어 있으며, 이 격리판은 로우터에 고착되어 있다. 따라서 분리된 이 챔버는 (이하 워킹챔버라 칭함) 로우터가 회전할 때 따라 회전한다. 상기 고정판 덮개에는 회전 원판이 (이하 피스톤이라 칭함) 상기 워킹챔버를 가로막도록 장치되어 있다. 이 피스톤은 일반 피스톤과는 달리 상하로는 움직이지 않고 제자리에서 로우터와 1:1로 ( 2:1, 1:2도 가능) 회전한다. 즉, 실린더(워킹챔버)가 피스톤 대신 움직이고 있는 모양이다. 이 피스톤에는 상기 스크류 타입 격리판의 두께와 같은 폭의 홈(격리판 통로)이 형성되어 있다. 따라서 이 홈이 있는 피스톤이 제자리에서 회전함에 따라 워킹챔버의 벽면인 (스크류 형태) 격리판은 로우터가 회전하여도 암수나사의 원리로 피스톤과 충돌하지 않고 상기 홈을 통하여 피스톤을 통과할 수 있다. 따라서 로우터가 회전할 때 워킹챔버의 작업유체는 압축/팽창 이송이 가능하게 된다. 상기 고정판에는 피스톤의 앞뒤에 유체 출구 및 입구가 형성되어 있다. 상기 로우터는 그 가로 단면이 반달 모양이 아닌 초승달 (C-자) 모양으로 구성될 수도 있다. 이 때는 고정판 덮개의 단면이 평판이 아닌 U-자 모양으로 된다.

이와 같이 구성된 본 고안에서는, 로우터가 회전할 때 연속적으로 작업유체가 입구로부터 흡입되고, 워킹챔버에 실려 출구 쪽으로 이송되어 배출된다. 본 고안은 기체 압축/팽창기로 작동될 수 있고, 가스 터빈과 같은 로터리 엔진, 유체를 수송하는 펌프, 또 수력발전기의 수차(Water Turbine)로도 사용할 수 있는 것인 바, 그 자세한 설명은 다음과 같다.

만약 본 고안에 압력을 지닌 가스가 입력되면 열역학에서 가역과정으로 입력된 가스가 팽창하면서 동력이 발생하게 된다. 따라서 본 고안은 압력을 지닌 가스 또는 스팀으로 동력을 생산하는 동력 발생기로도 이용이 가능하다. 본 고안은, 터빈 시스템에서 크기가 작은 HP 터빈과 크기가 큰 LP 터빈이 같은 회전축에 연결되듯이, 하나의 축에 2개 이상의 로우터를 직렬로 장착할 수 있다. 따라서 다단 압축기로도 사용될 수 있으며, 또 터빈에서와 같이 다단 동력 발생기로도 사용될 수 있다.

피스톤 엔진에서는 배기손실이 주어진 연료 에너지의 약 32%에 달하고 냉각 손실은 약 28% 정도이다. 만약 압축과정과 팽창과정이 같은 실린더가 아닌 각각 다른 공간에서 일어난다면 압축공기로 엔진을 냉각하면서 예열시킬 수 있고 또, 팽창과정에서 연소가스를 좀더 많이 팽창시킬 수 있음으로 그 손실을 크게 줄일 수 있을 것이다. 그러나 피스톤 엔진에서는 그 구조상 이와 같이 에너지 손실을 줄이는 것은 불가능하다. 그러나 본 고안은 이것을 실현할 수 있다. 본 고안은, 하나의 축에 압축기용 로우터(들)와 크기가 좀더 큰 팽창기용 로우터(들)를 모두 장착할 수 있다. 이러한 구조는 디젤 엔진에서 주로 사용되는 배기터빈 과급기를 대신하는 과급기로도 사용될 수 있으며, 여기에 연소기를 구비하면 본 고안은 상기 피스톤 엔진에서 불가능한 바를 실현할 수 있는 로터리 엔진으로 된다. 그 작동 원리는 가스터빈 사이클과 같다. 그러나 본 고안에서는 동력이 피스톤 엔진에서와 같이 가스의 팽창에 의하여 발생한다. 가스터빈에서는, 고온 고속의 연소가스가 끈임 없이 충돌하는 엷은 날개로 된 터빈 블레이드를 냉각하는 것이 어려워 연소실의 온도가 어떤 값 이하로 한정된다. 따라서 엔진의 열효율은 낮은 값으로 한정된다; 열역학적으로 엔진의 열효율은 연소온도와 비례하기 때문이다. 그러나 본 고안에서는 연소가스의 온도를 크게 높일 수 있다. 또, 본 고안에서는, 상기 압축용 로우터에서 압축된 공기가 연소실 외벽을 경유하여 연소실에 공급되도록 함에 의하여 압축공기는 연소기를 냉각하면서 예열될 수 있다. 본 고안 로터리 엔진에서, 연소실에 가스터빈 엔진에서와 같이 연료가 연속적으로 노즐을 통하여 분사되면 압축공기가 예열되어 있어 연료는 즉시 연소된다. 다음, 연소 가스는 상기 팽창용 로우터의 워킹챔버로 진입하고, 이어 팽창하면서 로우터를 회전시키는 동력을 생산하게 된다. 피스톤엔진에서는 피스톤이 크랭크축에 따라 일정한 행정거리로 왕복운동을 해야 함으로 피스톤이 다 후진하여도 연소가스에는 2-3kgf/cm2 압력이 남는다. 이 압력이 소음을 만든다. 그러나 본 고안에서는 가스의 압축 및 팽창이 일어나는 상기 워킹챔버의 크기가 서로 다르고 또 피스톤의 행정거리에 해당하는 워킹챔버의 반경도 팽창용의 것을 더 크게 할 수 있다. 그러므로 본 고안에서는 연소가스를 대기압으로, 대기압 이하의 압력으로도, 또는 소정의 압력으로 충분히 팽창시킬 수 있다. 예를 들어, 입력된 가스를 언제나 대기압으로 팽창시켜야 할 경우, 입력되는 가스의 압력이 소정의 압력보다 낮으면 가스는 대기압 이하의 압력으로 팽창된다. 그러나 이 경우는 워킹챔버 덮개에 체크밸브를 두거나 솔레노이드 밸브를 장치하여 입력된 가스의 압력에 따라 때를 맞추어 전기적으로 이 솔레노이드 밸브가 열리도록 하면, 이 밸브를 통하여 공기가 워킹챔버에 흡입될 수 있음으로, 가스가 대기압 이하의 압력으로 과팽창되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같은 수단으로 본 고안에서는 가스를 언제나 소정의 압력으로 팽창시키는 것이 가능하다. 따라서 본 고안에서는 피스톤 엔진에서의 냉각손실과 배기손실에 해당하는 에너지 손실은 일어나지 않는다. 바꾸어 말하면 본 고안은 배기소음이 자동적으로 사라지고 피스톤 엔진보다 더 높은 열효율로 작동할 수 있는 것이다. 이와 같이 본 고안은 로터리 엔진으로도 사용될 수도 있다. 본 고안은 진동하는 부분이 없어 10,000 RPM 이상의 고속운전이 가능하다. 즉, 본 고안은 작고 가볍고, 구조가 간단한 엔진으로 높은 출력을 낼 수 있는 로터리 엔진으로 될 수 있다.

본 고안은 기존 엔진의 배기구(Manifold)에 연결하여 머플러를 대신한 소음기로도 사용할 수 있다. 소음은 압력을 지닌 가스가 열린 공간에서 급속히 팽창할 때 발생한다. 본 고안은 가스를 밀폐공간에서 점진적으로 대기압까지 팽창시킬 수 있음으로 배기소음은 자동적으로 제거된다. 소음기로서 본 고안은 팽창시켜야 할 압력이 낮음으로 느슨한 밀봉 장치만으로 충분히 작동될 수 있다. 따라서 본 고안은 기계적 마찰저항이 최소로 되게 줄일 수 있으며, 로우터는 엷은 강철판의 프레스 가공으로도 제작될 수 있는 장점을 지니고 있다. 소음기로서 본 고안은 기존 피스톤 엔진의 촉매 컨버터(Catalytic Converter) 다음에 장착된다. 본 고안의 로우터가 엔진의 크랭크축과 같은 회전 속도로 회전하고 있고, 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 압력은 2kgf/cm2로 가정한다. 엔진으로부터 배출되는 가스는 팽창하지 아니한 상태로 본 고안의 작업유체 입구를 경유하여 워킹챔버에 진입하게 된다. 이어서, 배기가스는 워킹챔버에서 팽창하면서 격리판을 밀어 로우터를 회전시키는 동력을 발생시킨다. 만약 20m 높이의 물기둥(Water Column)이 내려 누르는 힘을 지닌 2kgf/cm2 가스 압력으로 발생한 동력이 로우터를 겨우 회전시키고 있다면 얻어지는 동력은 없고 소음만 제거된다. 그러나 발생한 동력이 로우터를 회전시키는 동력보다 적으면 로우터의 회전속도는 점차로 느려지고 배기압력은 높아짐으로 소음은 제거되지만 결과적으로 엔진의 출력이 저하된다. 그러나 본 고안은 기계적 마찰저항이 그 구조상 매우 적다. 따라서 앞의 두 경우는 기대되지 않는다. 생산된 동력이 보다 클 경우, 로우터는 이 동력을 달리 사용할 곳이 없음으로 스스로 더 빨리 회전하게 된다. 로우터가 더 빨리 회전하면 회전할수록 회전에 따른 마찰 저항은 증가하고 워킹챔버에 진입한 배기가스의 압력은 감소한다. 배기가스의 압력이 감소하면 감소할수록 생산된 동력은 작아지고, 따라서 로우터는 점차로 그 회전속도가 느려진다. 따라서 결국, 로우터는 발생한 동력이 줄어들어 마찰저항과 균형을 이룰 때까지 빨리 회전하게 된다. 바꾸어 말하면 엔진의 피스톤이, 배기압력이 낮아짐으로서, 연소가스를 배출시키며 사용한 동력이 줄어들게 된 것이다. 즉, 엔진의 출력이 증가하게 된 것이다. 열역학적으로, 2kgf/cm2 압력 에너지에서 마찰저항 손실을 뺀 나머지는 크랭크축의 기계적 동력으로 출력될 수 있다. 대기로 배출되는 배기가스는 본 고안에서 다 팽창하여 압력이 없음으로 소음을 만들지 못한다. 이와 같이 본 고안은 기존 엔진의 소음기로도 사용될 수 있다.

본 고안은 펌프로서 저속 운전에서도 유체(액체)를 고압으로 수송할 수 있다. 또 본 고안은 수력발전에 사용되는 수차(Water Turbine)로도 사용할 수 있다. 수두(Head)가 있는 물을 본 고안에 입력하면 수두에 의하여 로우터가 회전함으로 이 수두가 바로 동력으로 변환된다. 따라서 본 고안은 기존의 어느 수차보다도 그 효율이 높다.

본 고안은 그 구조가 피스톤/실린더의 형태로 되어 있어 밀봉장치가 용이하다. 본 고안에서, 각 요소의 밀봉장치는 Labyrinth 방법 (McGraw-Hill 출판사 발행, FLUID MOVERS Pumps, Compressors, Fans, and Blowers, 7 Page 참조), Wankel Rotary Engine에서 사용되고 있는 방법 등 통상의 기술로 해결될 수 있다.

도 1 은 본 고안의 개요를 보인 정면도와 단면도,

도 2 는 본 고안의 로우터 형상을 알기 쉽게 보인 로우터 구성도,

도 3 은 본 고안에 사용된 2개의 피스톤의 형상을 보인 정면도,

도 4 는 피스톤이 장착되어 있는 상태를 간단히 보인 피스톤 부위 단면도,

도 5/6은 본 고안의 작동을 보인 예시도,

도 7-10은 2개의 피스톤으로 구성된 본 고안의 개요도 및 작동 예시도,

도 11/12는 본 고안의 작동을 보인 예시도,

도 13은 2개의 반달 모양 로우터로 구성된 본 고안의 정면도와 단면도,

도 14는 C-자 모양 로우터로 구성된 본 고안의 정면도와 단면도,

도 15는 다단 압축/팽창기로 작동하도록 구성된 본 고안의 단면도,

도 16은 4개의 격리판으로 구성된 본 고안의 평면도,

도 17은 본 고안이 팽창기로 작동하는 것을 보인 예시도,

도 18은 피스톤의 밀봉 장치를 보인 상세도,

도 19는 피스톤의 슬롯 코너 씰 (Slot Corner Seal) 구성도,

도 20은 로우터 원주 씰 (Circumference Seal) 장치 개략도 이다.

*** 도면에 사용된 부호의 간단한 설명 ***

1: 링 타입 로우터

2: 워킹챔버 (스크류 타입) 격리판2up: 위쪽 워킹챔버 격리판

3: 회전원판 앞-피스톤

4: 회전원판 (뒤) 피스톤

5: 로우터 회전축 (Main Shaft)

6: 고정판 덮개 (Cover/Stator)

7: 로우터와 덮개에 의하여 형성된 워킹챔버

8: 유체 출구

8A: 유체 출구 바닥 부분

9: 유체 입구

9A: 유체 입구 바닥 부분

10: 앞-피스톤의 격리판 통로

11: 앞-피스톤의 압축가스 통로

12: (뒤) 피스톤의 격리판 통로

13: 앞-피스톤의 회전축 (Axis)

14: (뒤) 피스톤의 회전축 (Axis)

15: 피스톤의 회전축을 로우터 축과 연결하는 연결축

17: 피스톤이 압력으로 뒤로 밀리는 것을 방지하기 위한 스러스트 베어링

18: 스러스트(Thrust) 베어링 칼라(Collar)

19: 피스톤 회전축 베어링

20: 피스톤 덮개

21: 오일 공급 통로

22: 피스톤 슬롯 측면 씰 (Slot Side Seal)

23: 피스톤 슬롯 측면 씰 스프링

24: 피스톤 원주 씰-블레이드 (Seal-Blade)

25: 피스톤 슬롯 코너 씰 (Graphite)

26: 로우터 원주 씰-블레이드

27: 로우터 원주 씰-커버 (Seal-Cover)

도 1은 본 고안의 개요를 보인 요약도 이다. 도 2는 본 고안 로우터의 형상을 알기 쉽게 설명하기 위하여 보인 로우터의 구성도 이다. 껌과 같은 재질로 된 길고 엷은 판을 가정하자. 이 판을 도 2에 보인 바와 같이 비틀어서 스크류 (오른 나사) 형태(Screw)로 만들고, 이것을 같은 길이의 (껌 재질로 된) 관(Pipe)에 넣었다 하자. 다음 이 관을 구부려 도넛 형태로 만들고, 도 2에 보인 바와 같이, 잘라내면 그 단면은 도면에 보인 바와 된다. 잘려진 이 도넛 모양이 본 고안 로우터(1)의 형태이다. 이러한 도넛 모양의 로우터에 덮개가 덮여지면 양단이 스크류로 막혀 있는 워킹챔버(7)가 형성된다. 본 고안은 이러한 로우터(1)에 고정판 덮개(6)가 덮여지고, 이 고정판 덮개에, 도 3에 보인, 피스톤(4)이 장치된 것이 기본 구조이다. 워킹챔버(7)를 형성하고 있는 스크류 형태의 격리판(2)은 로우터에 고착되어 있어 로우터가 회전할 때 워킹챔버도 따라 회전한다. 상기 피스톤은 고정판 덮개(6) 아래로 돌출 되어 상기 워킹챔버(7)를 가로막고 있으며, 일반 피스톤과는 달리 앞뒤로 움직이지 않고 제자리에서 로우터의 회전에 따라 회전하도록 되어있다. 이 피스톤은, 도면으로 도시하지는 않았으나, 로우터의 회전축(5)에 기어 및 연결축(15)으로 연결되어, 피스톤 축(14)이 로우터 회전축(5)과 같은 회전속도로 (1:2 또는 2:1로도 가능) 회전하도록 되어있다. 도 4는 이러한 피스톤이 고정판 덮개(6)에 장착되어 있는 상태를 간단히 보인 단면도이다. 본 고안에서는, 직감적으로 보면, 로우터가 회전할 때 상기 격리판(2)이 워킹챔버(7)를 가로막고 있는 피스톤과 충돌하는 것처럼 보인다. 그러나 격리판은 스크류로 되어 있고 피스톤에는 격리판 두께와 같은 폭의 홈(12: 격리판 통로)이 형성되어 있으며, 또 피스톤이 로우터와 같은 비율로 회전함에 따라, 상기 격리판(2)은 암수나사의 원리로 로우터가 회전하여도 피스톤과 충돌하지 않고 이 격리판 통로(12)를 통하여 피스톤을 통과하게 된다. 따라서 워킹챔버의 작업유체는 로우터의 회전에 따라 피스톤 앞 측에서 뒤로 이송되면서 압축/팽창이 가능하다. 작업유체 입구(9)와 출구(8)는 상기 피스톤(4) 앞과 뒤 고정판 덮개(6)에 각각 형성되어 있다. 이 작업유체 입구(9)의 바닥 부분(9A) 고정판 덮개 안쪽에는 작업유체가 워킹챔버 원주 바깥쪽에서 안쪽으로 (또 안쪽에서 바깥쪽으로) 자유롭게 이동할 수 있도록, 도 4에 보인 바와 같이, 요(凹)부가 형성되어 있다. 그러나 작업유체 출구(8) 바닥 부분(8A) 고정판 덮개 안쪽에는 이러한 요부가 본 고안이 액체를 수송하는 펌프일 경우에만 형성된다.

이와 같이 구성된 본 고안에서는, 로우터(1)가 회전함에 따라 워킹챔버(7)도 회전하게 되는데, 이 워킹챔버는 피스톤이 가로막고 있음으로 작업유체가 입구(9)로부터 흡입되어 워킹챔버로 들어오고, 워킹챔버를 따라 작업유체 출구(8) 쪽으로 이송되어 출구로 배출된다. 기존 원심펌프에서는 유체의 원심력을 이용함으로 펌프의 로우터(임펠러)가 고속으로 회전해야 유체가 수송된다. 그러나 본 고안은 실린더/피스톤의 작동 원리로 유체가 이송됨으로 저속 운전에서도 유체가 이송된다. 도 5 및 6은 로우터(1)에 4개의 격리판(2)이 배열된 공기 압축기의 작동을 보인 예시도 이다. 로우터(1)의 회전에 따라 격리판(2)의 머리 부분이 피스톤(4)을 통과하면서 워킹챔버(7)의 체적은 점점 커지고, 따라서 이 워킹챔버에 공기가 입구(9)로부터 흡입된다. 이 입구(9)의 (도 5/6에 가상 선으로 표시한) 바닥 부분(9A)에는, 도 4에 보인 바와 같이, 고정판 덮개(6) 안쪽에 요(凹)부가 형성되어 있어 공기는 작업유체 입구(9)로부터 (이 요부를 통하여) 격리판을 넘어 부피가 커지고 있는 워킹챔버(7)에 진입하게 된다. 워킹챔버에 흡입된 공기는 로우터가 회전함에 따라 출구(8) 쪽으로 이송되어 압축된다. 도 5는 워킹챔버(7A)의 공기가 출구 쪽에서 거의 압축된 상태를 보인 것이다. 작업유체 출구(8)의 바닥 부분(8A)에는 앞서 기술한 요(凹)부가 없다. 따라서 출구 쪽 워킹챔버(7A)의 압축 공기는 격리판(2)을 넘어 출구로 나갈 수 없다. 로우터가 좀더 회전하여 도 6에 보인 바와 같이 되면 상기 워킹챔버(7A)가 출구(8)로 통하게 됨으로 압축된 공기는 출구로 배출된다. 이와 동시에 뒤따라온 워킹챔버(7B)의 공기가 또 압축되고, 다음 이 워킹챔버(7B)는 앞서 기술한 바와 같이 출구로 열리게 되어 압축 공기는 출구로 배출된다. 이와 같은 과정은 계속 반복된다. 도 5/6에 보인 구조의 본 고안은 압축비를 높일 수 없는 문제점이 있다. 그러나 이러한 문제점은 출구(8) 바닥 부분(8A)에 로터리 밸브를 장치하고, 이 밸브가 적기에 열리고 닫히도록 피스톤 회전축(14)과 기어로 연결하여 해결될 수 있다. 예를 들어, 입구(9)로 흡입된 공기가 소정의 압력으로 압축될 때까지 상기 로터리 밸브가 닫혀 있도록 하여 이미 압축되어 배출된 공기가 작업중인 워킹챔버(7)로 역류되는 것을 방지하고, 다음 이 로터리 밸브가 열리게 하여 압축공기가 이 밸브를 통하여 출구(8)로 배출되도록 하며, 다음 압축공기가 다 배출되면 이 밸브가 다시 닫히도록 구성하여 압축비를 높일 수 있다. 본 고안이 저속용으로 사용될 경우에는 상기 로터리 밸브 대신에 첵크밸브가 사용될 수도 있다. 도 7은 도 1에 보인 본 고안에서 앞서 기술한 피스톤(4)의 앞에 또 하나의 피스톤(3)이 추가된 공기 압축기의 구성을 보인 것이다. 이 앞-피스톤(3)의 홈(11)은 L-자 모양으로 되어있다. 도 8, 9 및 10은 2개의 피스톤이 장착된 본 고안이 공기 압축기로 작동하는 것을 보인 예시도 이다. 로우터가 회전함에 따라 입구(9)를 통하여 워킹챔버(7)에 흡입된 공기는 워킹챔버를 따라 출구(8) 쪽으로 이송되어 가로막고 있는 앞-피스톤(3)에 의하여 압축된다. 다음, 도 8에 보인 바와 같이 로우터가 좀더 회전하여 앞-피스톤의 L-자형 홈(11)이 워킹챔버(7A)에 진입하면 압축공기는 이 통로(11)를 통하여 출구(8)로 배출되기 시작한다. 이와 동시에 뒤따라온 워킹챔버(7B)의 공기가 압축된다. 로우터(1)가 좀더 회전하면 도 10에 보인 바와 같이 격리판(2)의 꼬리 부분이 뒤 피스톤(4)을 빠져나가면서 워킹챔버(7A)의 압축공기는 다 배출된다. 로우터가 회전함에 따라 이와 같은 과정은 계속 반복된다. 피스톤이 2개인 이러한 압축기는 피스톤이 1개인 구조보다 압축비가 더 높다.

앞서 기술한 피스톤이 1개인 압축기에서 입구(9) 및 출구(8)의 위치를 서로 바꾸고 로우터(1)를 반대로 회전시켜도 그 작동 효과는 같다. 도 11 및 12는 이러한 압축기를 거꾸로 뒤집어 보인, 압축과정의 예시도 이다. 이러한 압축기에서는 작업유체 출구(8)가 워킹챔버(7)의 원주 안쪽에 위치하도록 고정판 덮개(6)에 형성된다. 격리판이 왼 나사 (Left Screwed) 모양으로 보이나 앞서 기술한 압축기와 같은 오른 나사 형태이다. 이러한 구조의 것은, 도 13에 보인 바와 같이, 하나의 로우터 축(5)과 피스톤을 공유하면서 도 1에 보인 기본 구조의 것과 결합될 수 있다. 본 고안이 이와 같이 구성되면 그 작업용량이 2배로 증대된다. 또 본 고안은 로우터(1)가 도 2에 보인 도넛의 원통 가로 단면이 (반달 모양이 아닌) 초승달(C-자) 형태가 되도록 잘라낸 모양이 되게 구성할 수도 있다. 도 14는 로우터(1)가 초승달 형태로 된 본 고안의 구성을 보인 것이다. 본 고안이 이와 같이 구성되면 그 작업용량이 2배 이상으로 늘어난다. 도 13에 보인 로우터의 단면이 반발 모양인 구조에서는 피스톤의 회전축(14)이 간단히 로우터 축(5)과 기어 및 연결축(15)으로 연결될 수 있으나, 도 14에 보인 로우터의 단면이 초승달 모양인 구조에서는 피스톤 회전축이 로우터 축에 바로 연결될 수 없고 고정판 덮개(6) 외곽으로 뽑아 연결되어야 한다. 그러나 본 고안이 오일펌프용일 경우는 피스톤 회전축(14)을 로우터 축(5)에 연결할 필요가 없다. 이는 격리판(2)과 피스톤(4)이 기계 장치의 웜 기어처럼 작용하고 있기 때문이다. 본 고안은 도 15에 보인 바와 같이 하나의 로우터 축에 크기가 점차로 더 큰 로우터로 된 다수의 기본(Unit) 장치들을 결합시킬 수도 있다. 이러한 본 고안은 다단 압축/팽창기로 작동한다. 도 14에 보인 구조에서 로우터에 2개의 격리판을 더 배열하면 본 고안은 도 16에 보인 바와 같이 된다. 이러한 구조의 압축기는 워킹챔버의 길이가 더 길어짐으로 그 압축비가 도 5/6의 것보다 더 높다.

본 고안의 출구(8)에 압력을 지닌 가스를 입력하면 열역학에서의 가역과정에 따라 그 압력 에너지가 기계적 동력으로 변환된다; 즉, 가스가 격리판을 밀어내면서 팽창함으로 로우터를 회전시키는 동력이 생산된다. 따라서 본 고안은 가스터빈 또는 스팀 터빈을 대신하는 로터리 엔진으로도 사용할 수 있다. 본 고안의 압축기를 가스 팽창기로 사용하면 로우터가 압축기로 작동할 때와는 반대로 회전한다. 도 17은 본 고안의 팽창기 로우터가 압축기의 로우터와 같은 방향으로 회전하면서 입력된 가스가 팽창되는 과정을 보인 예시도 이다. 도 2에 보인 스크류(Screw)는 오른 나사 형태로 되어 있다. 도 5/6에 보인 압축기에서 격리판(2)의 스크류 모양을 왼 나사 형태로 형성하고, 또 유체 입구(9)와 출구(8)의 위치를 서로 바꾸면 도 17에 보인 (로우터가 압축기와 같은 방향으로 회전하는) 팽창기로 된다. 이 팽창기에서 압축가스가 입구(9)에 입력되면 (도 17 위 그림 참조) 가스는 워킹챔버(7A)의 격리판(2)을 밀어 로우터를 회전시킨다. 로우터가 회전함에 따라 이 워킹챔버(7A)의 아래쪽 격리판이 작업유체 입구의 바닥 부분(9A)을 지나치면 이 워킹챔버에는 가스의 공급이 중단된다. 그러나 이 워킹챔버(7A)는 도시한 바와 같이 다 성장하지 않는 상태다. 따라서 이 워킹챔버(7A)는 더 성장할 수 있음으로 다 성장할 때까지 워킹챔버의 가스는 위쪽 (앞) 격리판을 밀면서 팽창하게 된다. 로우터가 회전함에 따라 팽창을 다한 가스는 워킹챔버에 실려 출구(8) 쪽으로 이송되어 출구로 배출된다. 작업유체 출구의 (가상 선으로 표시한) 바닥 부분(8A)에는 고정판 덮개(6)에 요(凹)부가 형성되어 있다. 따라서 다 팽창한 가스는 워킹챔버의 안쪽에서 이 요부를 따라 격리판(2)을 넘어 작업유체 출구 쪽으로 (도 17 아래 그림 참조) 이동하여 출구로 배출된다. 이와 같이 가스가 팽창하는 과정은 단면이 초승달 모양의 로우터로 구성된 팽창기에서도 같다. 따라서 본 고안은 하나의 로우터 축에 압축기와 팽창기를 모두 장치할 수 있다. 본 고안이 하나의 로우터 축에 압축기(들)와 팽창기(들)가 구성되고 연료의 연소장치가 구비되면, 본 고안은 작고 가벼우면서도 단순하고 고출력을 내는 로터리 엔진으로 작동한다. 이러한 본 고안은 가스터빈 사이클로 작동한다. 그러나 동력은 피스톤 엔진에서와 같이 가스의 점진적인 팽창에 의하여 발생된다. 가스터빈은 터빈 블레이드를 냉각하는 것이 어려워 연소실의 온도를 높일 수 없는 단점을 지니고 있다. 그러나 본 고안에서는, 냉각시켜야 할 이러한 블레이드가 없고, 로우터를 냉각하는 것이 용이하며, 보온재로 연소가스의 열이 차단되도록 피스톤을 보온할 수도 있다. 따라서 본 고안은 연소실 (즉, 워킹챔버)의 온도를 크게 높일 수 있다. 열역학적으로 엔진의 열효율은 연소가스의 온도에 비례한다. 즉, 연소가스의 온도가 높으면 높을수록 그 열효율은 높아진다. 따라서 본 고안은 높은 열효율로 작동되는, 또한 작고 가볍고 구조가 단순한, 고출력을 낼 수 있는 로터리 엔진이기도 하다.

압축기와 팽창기를 모두 구비한 본 고안은 기존 디젤 엔진에서 주로 사용되고 있는 (Turbo) 배기터빈 과급기를 대신하는 과급기로도 사용될 수 있다. 또, 팽창기로만 작동하도록 소형으로 제작하여 기존 피스톤 엔진의 머플러(Muffler)를 대신하는 소음기로도 활용될 수 있다. 이 경우에는 팽창시켜야 할 기체의 압력이 높지 않음으로 소음기로서 본 고안은 로우터에 격리판(2)이 4개 배열되어 팽창비가 낮은 형태가 더 좋다. 본 고안이 배기가스를 이용한 과급기로 사용되든 머플러를 대신한 소음기로 사용되든 작동원리는 같다. 피스톤 엔진에서 배출되는 배기가스는 본 고안의 입구(9)를 통하여 워킹챔버(7)에 진입하고, 아직 팽창하지 않는 상태로 격리판(2)을 밀면서 로우터를 회전시키는 동력을 발생시킨다. 이 동력은 엔진의 피스톤이 연소가스를 실린더에서 배기 시키며 사용한 동력보다는 (기계적 마찰손실 및 배기가스 유동 손실 때문에) 작아 출력 가능한 동력은 되지 못한다. 그러나 로우터가 좀더 회전함에 따라 상기 워킹챔버가 입구(9)와 격리된 후에도 이 워킹챔버에 진입한 가스는 팽창하면서 동력을 계속 생산함으로 이 동력은 출력 가능한 동력이 된다. 다 팽창한 가스는 출구(8)를 통하여 대기로 배출되고, 이러한 과정은 계속 반복된다. 본 고안에서는 동력이 터빈과는 달리 피스톤 엔진에서와 같이 가스의 팽창으로부터 바로 생산됨으로 그 열효율이 기존의 배기터빈 과급기에서보다 더 높다. 본 고안이 배기터빈 과급기로 사용될 경우, 생산된 동력은 같은 축(5)에 장치된 압축기를 구동하고, 이 압축기에서 생산된 압축공기는 엔진에 입력된다. 본 고안이 소음기로 사용될 경우, 생산된 동력은 소비될 곳이 없음으로 로우터가 스스로 더 빨리 회전하게 된다. 따라서 엔진의 배기압력이 낮아짐으로 엔진의 피스톤이 연소가스를 배출시키면서 사용한 동력이 줄어들어, 결국 엔진의 출력이 증가한다. 어느 경우이든, 본 고안에 의하여 배기소음은 제거된다. 왜냐하면, 대기로 배출되는 배기가스가 워킹챔버(7)에서 다 팽창하게 되어 압력이 없기 때문이다. 압력이 없는 가스는 소음을 만들 수 없다.

본 고안은 피스톤(4)이 1개인 구조로 수력발전에 사용되는 수차(Water Turbine)로 이용할 수 있다. 즉, 수두(Head)가 있는 물을 입구(9)에 입력하면 수두에 의하여 로우터(2)가 회전하게 됨으로 수두가 바로 동력으로 변환된다. 기존의 수차는 보통 그 효율이 65% 정도로 낮다. 왜냐 하면 물의 수두가 (수두가 높을 경우) 고속의 Water Jet로 변환된 후 이 Water Jet이 터빈 날개에 충돌하여 로우터를 회전시키는 동력을 생산하거나, 또는 (수두가 낮으면) 물 흐름이 스크류에 충돌하여 로우터를 회전시키는 동력을 생산하기 때문이다. 그러나 본 고안에서는 물의 수두가 격리판(2)을 밀면서 바로 로우터(1)를 회전시키는 동력을 생산함으로 그 효율이 기존의 수차보다도 더 높다.

도 18 및 19는 본 고안에서 피스톤에 대한 밀봉장치를 보인 상세도이다. 앞-피스톤(3)의 가스 통로(11)는 도 18에 보인 바와 같이 격리판 통로(10)와는 독립된 삼각(△)형으로 될 수도 있다. 격리판(2)이 피스톤의 홈(Slot)을 통과할 때 슬롯 측면 씰(Slot Side Seal,22)이 스프링(23)의 힘으로 격리판에 밀착됨으로 가스가 격리판의 측면으로 새나가는 것이 방지된다. 격리판의 상면에는 피스톤 덮개(20)가 밀착되어 있어 가스가 격리판(2)의 상면으로는 빠져나가지 못하나 격리판의 모서리가 피스톤 면과 만나는 코너(Corner)로는 빠져나갈 수 있다. 이를 방지하기 위하여 도 19에 보인 바와 같이 U-자 형으로 된 슬롯 코너 씰(25)이 피스톤의 격리판 통로에 삽입된다. 이 슬롯 코너 씰은 회전기계에서 유체의 씰을 위한 패킹 재질로 사용되는, 흑연(Graphite)을 함유한, 신축성이 있고 고온에도 견디는 재질로 제작된다. 이 피스톤 슬롯 코너 씰(25)은 피스톤의 회전에 따라 원심력으로 항상 격리판(2)의 상면을 내려 누르게 되고, 또 피스톤의 회전축 및 피스톤에 형성된 오일 공급 통로(21)를 통하여 실-오일이 공급됨으로 가스가 격리판의 상면 코너로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 피스톤의 열팽창을 고려하여 피스톤의 원주 면과 워킹챔버(7)의 벽면 사이에는 얼마간의 틈새가 있어야 한다. 따라서 이 틈새로 가스가 새나갈 수 있다. 이를 방지하기 위한 수단으로서 피스톤 엔진에서 사용되는 것과 같은 피스톤 링이 본 고안의 피스톤에 장치될 수도 있고, 또 도 18에 보인 바와 같이, 피스톤의 원주에 씰-블레이드(24)를 형성하여 가스가 피스톤 원주면 틈새로 새나가는 것을 방지할 수도 있다; 피스톤이 회전할 때 이 씰-블레이드가 새나가는 가스의 방향을 역으로 바꾸어 줌으로 가스는 새나가지 못한다. 도 20은 로우터의 원주 부분의 유체 밀봉 장치를 보인 개략도이다. 도시한 바와 같이, 로우터(1)의 원주에 다수의 씰-블레이드(26)를 형성하고 씰-커버(Seal Cover,27)로 덮으면 로우터의 회전에 따라 유체의 원심력에 의하여 워킹챔버의 유체가 밀봉될 수도 있다.

본 고안은 로터리 타입으로 밸브작동 없이 가스를 압축할 수 있을 뿐만이 아니라 압력을 지닌 가스 또는 스팀으로부터 동력을 생산하는 동력발생기로도 이용할 수 있어 효율 높은 로터리 엔진으로 활용할 수 있다.

Claims (9)

1. 도넛을 원주 방향에서 잘라낸 모양의 링 타입 로우터(1)가 고정판 덮개(6)로 덮여 가로 단면이 반달 모양이면서 도넛 형태를 이룬 챔버가 형성되고, 이 챔버에 스크류 형태로 된 격리판들(2)이 상기 로우터에 고착되어 있고, 따라서 상기 챔버는 앞뒤가 이 격리판(2)으로 막힌 워킹챔버(7)로 분리되고, 따라서 이 워킹챔버는 로우터가 회전할 때 격리판을 따라 함께 회전하도록 되어있고, 이 워킹챔버를 덮고 있는 상기 고정판 덮개(6)에는 (상하로는 움직이지 않는) 원판형의 피스톤(4)이 제자리에서 상기 로우터(1)와 같은 회전속도로 (1:2, 2:1도 가능) 회전하도록 로우터 축(5)과 기어 장치로 연결 장치되고, 이 회전원판 피스톤(4)이 상기 고정판 덮개(6) 아래로 (워킹챔버 쪽으로) 돌출하여 이 돌출 부분이 상기 워킹챔버(7)를 가로막고 있어, 로우터의 회전에 따라 워킹챔버가 회전할 때 워킹챔버의 작업유체가 상기 피스톤(4)을 통과하지 못하게 되어있으며, 이 피스톤(4)에는 상기 격리판(2)의 두께와 같은 폭의 홈(Slot)으로 된 격리판 통로(12)가 형성되어 있고, 로우터(1)와 피스톤이 소정의 회전속도로 회전함에 따라 암수나사의 원리로 상기 격리판(2)은 워킹챔버를 가로막고 있는 피스톤(4)과 충돌하지 않고 통과하도록 되어 있으며, 이 피스톤(4)의 앞뒤로 상기 고정판 덮개에 워킹챔버(7)와 통하는 유체의 입구(9) 및 출구(8)가 구비되어 있고, 유체의 입구 바닥 부분(9A)의 상기 고정판 덮개(6) 안쪽에 (워킹챔버 쪽) 요(凹)부가 형성되어 있어,

   로우터가 회전함에 따라 기체가 입구(9)로부터 흡입되어 압축되면서 출구(8)로 이송되어 배출되도록 구성된 것이 특징인 (또 역으로 압력을 지닌 기체가 입력되어 팽창하면서 동력을 생산하고 배출되기도 하는) 로터리 유체 이송 장치.
2. 청구항 1에서 작업유체 출구 바닥 부분(8A)의 고정판 덮개(6) 안쪽에 요(凹)부가 형성되어 있어 작업유체(액체)가 바로 출구(8)로 배출되도록 구성된 로터리 유체 이송 장치.
3. 청구항 1에서, 로우터 축(5)에 같은 형태의 격리판(2)을 갖는 로우터(1)와 같은 형태의 고정판 덮개(6)가 청구항 1의 피스톤(4)을 공유하며 서로 마주 보며 대칭적으로 결합되어 있어 그 작업용량이 2배로 증대된 로터리 유체 이송 장치.
4. 청구항 1에서, 로우터(1)와 고정판 덮개(6)가 형성한 워킹챔버(7)의 가로 단면 모양이 반달 모양이 아닌, 로우터의 단면 모양은 초승달(C-자) 형태이고 고정판 덮개(6)의 단면 모양은 U-자 형태로 (도 14에서와 같이) 로우터 및 고정판이 형성되어 밀폐된 워킹챔버를 이루고, 로우터(1)에 고착된 격리판들(2)은 스크류 모양으로 고정판 덮개(6)의 U-자 외곽 면에 접하도록 길게 형성되어 있어 그 작업 용량이 2배 이상으로 증대된 로터리 유체 이송 장치.
5. 청구항 1에서, 유체 출구의 바닥 부분(8A)에 배관 계통에서 주로 사용되는 첵크밸브가 장치되어 이미 출구(8)로 배출된 기체가 역류하지 못하도록 구성된 로터리 유체 이송 장치.
6. 청구항 1에서, 유체 출구의 바닥 부분(8A)에 소형의 (종래 기술의) 로터리 밸브가 기어장치로 피스톤 축(14)과 같은 회전 속도로 회전하도록 장치되고 이 로터리 밸브는 주기적으로 로우터의 회전에 따라 열리고 닫히도록 되어있어 (기체가 소정의 압력으로 압축되는 시기에 열리고 워킹챔버(7)의 기체가 다 배출되는 시기에 닫히도록 되어 있어) 이미 출구(8)로 배출된 기체가 역류하지 못하도록 구성된 로터리 유체 이송 장치.
7. 청구항 1에서, 또 하나의 회전원판 피스톤(3)이 작업유체 출구(8) 바로 앞에 추가로 장치되고, 이 앞-피스톤(3)에는 격리판 통로(11)가 L-자형으로 형성되어 이 통로를 통하여 격리판(2) 뿐만이 아니라 워킹챔버(7)의 작업유체(기체)도 상기 앞-피스톤(3)을 통과하도록 되어있어, 압축비가 보다 더 높아지도록 구성된 로터리 유체 이송 장치.
8. 청구항 3 또는 4에서, 로우터 축(5)을 제외한 모든 장치들(로우터, 피스톤 및 그 부속 장치를 포함한 고정판 덮개 등)이 상기 로우터 축에 두벌 이상 다수 장치되어 있고, 이 장치들은 그 크기가 순차적으로 더 크게 되어 있어, 다단 기체 압축기로 작동하도록 구성된 로터리 유체 이송 장치.
9. 청구항 3 또는 4에서, 로우터 축(5)을 제외한 모든 장치들(로우터, 피스톤 및 그 부속 장치를 포함한 고정판 덮개 등)이, 한벌 또는 두벌 이상 (다수로) 로우터 축(5)에 장치되어 있고, 이 장치들은 그 크기가 순차적으로 크게 되어있으며 (이하 이 장치는 압축기라 칭함), 역시 같은 축(5)에 또 한벌 또는 두벌 이상 더 장치되는 바, 이(들)의 로우터(1) 격리판(2)의 모양은 왼 나사 (Left Screwed) 형태로 형성되어 있고, 작업유체 출구(8)와 입구(9)가 서로 바뀌어 있으며, 이(들)도 역시 그 크기가 순차적으로 크게 되어있어 (이하 이 장치는 팽창기라 칭함), 로우터 축(5)이 회전할 때, 마치 가스터빈 엔진에서와 같이, 상기 압축기에서는 공기가 압축되고 동시에 이 팽창기에서는 가스가 팽창하도록 구성된 것이 특징인, 가스터빈 엔진의 압축기와 터빈으로 활용할 수 있는, 로터리 유체 이송 장치.