KR20060051601A - 피스톤 기관 - Google Patents

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KR20060051601A
KR20060051601A KR1020050088839A KR20050088839A KR20060051601A KR 20060051601 A KR20060051601 A KR 20060051601A KR 1020050088839 A KR1020050088839 A KR 1020050088839A KR 20050088839 A KR20050088839 A KR 20050088839A KR 20060051601 A KR20060051601 A KR 20060051601A
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 공기/가스 압축 실린더-피스톤 유닛 및 실린더에서 피스톤의 운동을 위해 상기 실린더 또는 실린더들의 피스톤에 연결되는 크랭크 기구를 포함하며, 크랭크 기구는 전기모터에서 로터에 구동가능하게 연결된다. 본 발명은 또한 평형추에 대한 커플링 및 단순 연결에 관한 것이다.

Description

피스톤 기관 {PISTON ENGINE}
도 1은 본 발명에 따른 압축기의 가능한 일 실시예를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 압축기를 개략적이고 간략하게 도시한 종단면도.
도 3은 본 발명에 따른 압축기의 제 2 실시예의 주요 구성요소를 간략하게 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 특수 커플링의 측면도.
도 5는 도 4에 도시된 커플링의 종단면도.
도 6은 다소 확대된, 도 4 및 도 5의 커플링의 사시도.
도 7은 도 3 실시예의 피스톤 및 관련 평형추의 사시도.
도 8은 도 7과 동일한 그룹의 구성요소지만 다른 측면에서 본 도면.
도 9는 외부 평형추로부터 돌출한 샤프트 저널의 방사형 팬이 추가된, 도 7 및 도 9의 구성요소 그룹을 나타낸 도면.
도 10은 다른 측면에서 본, 도 9의 구성요소 그룹을 나타낸 도면.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
4: 실린더 5: 피스톤
10: 평형추 11: 플라이 휠
12: 크랭크 핀 14: 로터
18: 비틀림-강성 커플링 39: 크랭크 디스크
본 발명은 하나 이상의 공기/가스 압축 실린더-피스톤 유닛 및 실린더에서 피스톤의 운동을 위해 상기 실린더 또는 실린더들의 피스톤에 연결되는 크랭크 기구를 포함하며, 크랭크 기구는 전기모터에서 로터에 구동적으로 연결된다.
일반적으로 공지되어 있는, 가스와 특히 공기를 압축하기 위한 유닛은 비교적 무겁다. 크랭크 기구를 갖춘 피스톤 기관은 피스톤의 운동 방향으로 질량평형(mass balancing)을 요구하며, 변동하는 운전의 평형을 맞추기 위한 수단, 즉 플라이 휠을 필요로 한다.
플라이 휠은 림(wheel rim)에 종종 큰 직경과 무거운 중량을 갖는 휠이다. 이러한 휠은 힘의 모멘트에 영향을 받을 경우 속도를 변경하는데 장시간을 필요로하며, 피스톤 기관, 가솔린 기관 및 디젤 기관뿐 아니라 압축기에서도 운전을 원활히 하는데 사용된다. 압축기는 가스(예를 들면 공기)를 낮은 압력수준에서 높은 압력수준으로 이동시키기 위한 장치이다.
피스톤 압축기는 하나 이상의 실린더와 조립되어 단일 또는 이중 작동을 할 수도 있다. 압축기는, 예를 들면 툴 작동부, 브레이크 시스템, 자동제어용 서보모터, 시동 내연기관 등에 압축 공기를 전달하는 것과 같이, 여러가지 용도로 사용된다. 다른 적용 영역은 화학처리를 위한 압력 또는 진공 생산, 연소 기관의 과급, 가스터빈 플랜트, 공기 수송(pneumatic transport), 냉장장치, 열펌프 플랜트 등이다.
압축기에서 실린더의 온도를 적절한 수준으로 낮추기 위해, 효율을 높이기 위한 리브를 통해 수냉각 또는 공기 냉각이 종종 사용된다.
정상적인 압축기 작동부는 피스톤 압축기의 크랭크 축에 벨트 변속기를 갖는 전기모터를 사용한다.
크랭크축과 직접 정렬하여 전기모터를 장착하는 것 또한 가능하다. 전기 모터의 로터는 하나의 유닛으로 설계되어 크랭크 축에 직접 연결될 수 있거나, 가요적인 적절한 샤프트 커플링이 사용되어 축선의 부정확성을 보완할 수 있다.
플라이 휠을 갖는, 공지되어 있는 이러한 많은 압축기들은 플라이 휠 때문에 대단히 무겁다.
본 발명의 목적은 비교적 낮은 중량과 작은 크기의 공기/가스 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 조립 유지관리가 유리한 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 피스톤 기관은 청구항 1에 기재된 바와 같이 제안된다.
방사상 및 축방향, 그리고 전기 모터의 로터와 크랭크 기구 사이의 각도에 대해 가요적이며, 비틀림에는 강성인 커플링을 사용하면 플라이 휠 구성요소처럼 로터를 이용하는 것이 가능해지며, 추가 플라이 휠에 대한 요구가 실질적으로 감 소하거나 배제되기 때문에 경량화가 가능해진다. 높은 비틀림 강성으로 인해 전기 모터에서 로터의 회전 모멘트를 이용하는 것이 또한 가능해지므로, 추가로 장착된 플라이 휠의 크기가 작아질 수 있거나, 별도의 플라이 휠이 불필요해질 수도 있다.
커플링의 방사상, 축방향 및 각도 가요성으로 인해 압축기와 구동 모터 사이 축선의 미세한 오정렬 및 각도차의 평형을 맞추는 것이 가능해진다. 이로 인해, 예를 들면 실제 압축기에 전기 모터를 플랜지로 부착하는 것과 같은 장착 과정이 용이해진다. 축방향 가요성으로 인해 온도차를 완화하는 것이 또한 가능해진다.
본 발명에 따르면, 각도, 축방향 및 방사상 방향으로 가요적인, 비틀림 강성 커플링은 청구항 2 내지 5에 기재된 바와 같이 설계되는 것이 유리할 수 있다.
표시된 바와 같이, 슬리브 벽의 형상은 바람직한 방사상 가요성을 제공하여 축선의 부정확성을 보완할 수 있게 한다.
일단에 클램프 링을 가지며 타단에 클램프 가능한 샤프트 저널을 갖는 슬리브로서 커플링을 설계하면, 구동 트레인(drive train) 또는 구동 스트링(drive string)에 신속하고 보다 용이하게 설치/분해할 수 있다. 샤프트 저널은 커플링의 본체로부터 크랭크 기구까지 원추형으로 테이퍼링 되는 것이 또한 바람직하며, 크랭크 기구의 인입되는 샤프트 저널에 상보적으로 형성된 개구 내에 장착된다. 이로 인해 크랭크 기구에 대해 커플링의 중심을 맞출 수 있다. 또한, 크랭크 기구 쪽을 향하는 커플링의 샤프트 저널은, 크랭크 기구의 인입되는 샤프트에 커플 링을 고정하는 나사 연결부를 장착하기 위한 중앙 개구를 갖는 중공형인 것이 바람직하며, 동시에 나사 연결부는, 역시 중심을 맞추도록 상보적으로 형성된 개구에 원추형 샤프트 저널이 인입될 수 있게 한다. 분해가 용이하도록, 중앙 개구에는 커플링을 지지하는 볼트보다 더 큰 직경/치수를 갖는 내부 나사산이 추가로 제공된다. 분해하는 동안 유지 볼트(retaining bolt)가 풀리고, 크랭크 기구 재료에 접촉하는 더 크고 새로운 볼트가 나사고정되어 원추형 연결부가 맞물림부로부터 가압된다.
따라서 커플링은 축방향으로 연결된 구성요소로서 구동 스트링의 일부를 형성할 것이며, 청구항 8에 기재된 (만일 있다면) 팬 휠과 함께, 청구항 6에 기재된 바와 같이, 전기 모터의 로터와 크랭크 기구를 포함한다.
특히 관리 친화형 변형예는 청구항 7에 기재된 평형추를 포함한다.
청구항 9의 동기화 수단은 팬 휠에 대해 샤프트 저널과 함께 설계되는 것이 바람직한 평형추의 조립을 용이하게 하며, 평형추는 크랭크 기구에서 크랭크 핀의 클램핑 커플링으로 인해 분해가 용이하다. 용이하고 바람직한 일 실시예에서, 동기화 수단은 두 개의 평형추 내에서 중공형이며, 구멍은 외부 평형추를 장착할 때 조정 핀 또는 정렬 볼트와 배열된다.
본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도면에서, 평형추/플라이 휠(10,11)은 대안적으로 평형추와 평형추/플라이 휠로 불리는데, 이는 이러한 구성 요소들이 필요할 경우 평형추 및 플라이 휠 모 두로서 평형을 맞추게 할 수 있기 때문이다. 하기의 명칭은 기능에 비해 중요하지 않다.
도 1은 본 발명에 따른 압축기를 도시하며, 실제 압축기 유닛이 장착되는 하우징(1)과, 압축기 유닛에 플랜지로 부착되는 전기모터(2)만을 나타내기 때문에, 도 1로부터 장착상태를 볼 수 있다.
본 발명에 따른 압축기는 대체로, 도 2에 종단면도로 간략하게 도시된 바와 같이 설계될 수 있다.
도 2에 도시된 압축기는 실린더(4)와, 실린더 내에서 전후방으로 움직일 수 있는 피스톤(5)을 갖는, 단일 실린더이다. 실린더(4) 상부에는 필요한 밸브(미도시)가 장착되는 헤드부(6)가 설치된다. 크랭크실(7)에는, 베어링(8,9)에 의해, 두 개의 플라이 휠/평형추(10,11)를 포함하는 크랭크 기구가 장착된다. 평형추(10,11)들 사이에는 피스톤(5)에 장착된 피스톤 로드(13)와 함께 작동하는 크랭크 핀(12)이 장착된다.
하우징(1)에 플랜지로 부착된 전기모터(2)(도 2에는 미도시)는 로터(14)를 갖는다. 로터(14)는 베어링(15,16)들 내에 장착되며, 로터(14) 또는, 보다 상세하게 샤프트(17)는 비틀림-강성 커플링(torsionally-rigid coupling;18)에 의해 크랭크 기구(10,11,12)에 구동가능하게 연결된다. 전술된 바와 같이, 이러한 커플링(18)은 비틀림에는 강성이지만, 그렇지 않을 경우에는 가요적이며, 따라서 크랭크축/크랭크실에 대해 전기모터의 모든 방향(방사상, 축방향 및 각도방향)에서 부정확성을 보완할 수 있다. 이로 인해 전기모터는, 다른 부정확성을 보상하기 위한 특정 얼라인먼트(alignment)에 대한 요구 없이, 본질적으로 정밀하게 장착될 수 있다.
커플링(18)의 비틀림 강성은 전기모터(2)에서 로터(14)의 회전 모멘트를 이용하는 것을 가능하게 할 것이며, 그로 인해, 여기에 평형추/플라이 휠(10)로 대표된, 플라이 휠 부분의 크기를 감소시킬 수 있다.
도 3은 두 개의 각진 실린더/피스톤을 갖는 압축기의 변형 실시예를 도시한다. 다른 동일한 구성요소들, 즉, 베어링(15,16)을 갖는 전기모터의 로터(14), 비틀림 강성 커플링(18), 플라이 휠/평형추(10), 베어링(8,9) 및 외부 플라이 휠/평형추(11)는 도 2에서와 같이 여기에서 볼 수 있다. 그러나 도 2는 평형추들 사이에 크랭크 핀을 나타내는 반면, 도 3은 평형추들 사이에 크랭크 디스크를 나타내기 때문에 두 실시예들 사이에는 차이점이 있다. 크랭크 핀과 같이, 이러한 크랭크 디스크는 크랭크 로드에 편심 운동(eccentric movement)을 제공하지만, 더 큰 직경을 가지며 평형추들 중 하나와 함께 하나의 유닛으로 설계된다.
도 3의 압축기는, 도 2에서와 같이 실린더(4)에 단 하나의 피스톤(5) 대신 크랭크 로드(21,22)를 갖는 두 개의 각진 피스톤(19,20)으로 구성된다.
도 3은 샤프트 저널(24)에 장착된 방사형 팬 휠(23)을 또한 도시한다. 미리 장착된 상태(ready-mounted state)에서, 방사형 팬 휠(23)은 하우징(1)(도 1 참조) 개구(3)의 내부 바로 가까이에 위치될 것이며, 하우징 또는 챔버(1)로 공기를 흡입한다.
도 4, 도 5 및 도 6에는 커플링(18)의 특히 유리한 실시예를 도시한다.
커플링(18)은, 슬리브 벽(25)이, 외주에 걸쳐 상호관련하여 분포되며 슬리브의 길이방향으로 줄지어 배치되는 슬리브 벽 슬롯(26,27,28,29,30,31,32,34,35) 쌍들을 구비하는 슬리브 본체로 실질적으로 설계된다.
일단에서, 보다 상세하게는 전기 모터의 로터(14)와 샤프트(17)를 향하는 단부에서, 커플링(18)의 슬리브 부(sleeve part)는 클램핑 링(36)의 형태이다. 이러한 클램핑 링으로, 슬리브, 즉, 커플링(18)은 슬리브에 삽입되는 로터 샤프트(17)에 연결될 수 있다. 이상은, 여기 도시되지는 않았지만 보어(37)를 통과하는 나사로 조여지는 클랭핑 링에 의해 공지된 방법으로 이루어진다. 커플링(18)의 타단에는 샤프트 저널(38)이 제공된다.
샤프트 저널(38)이 원추형으로 테이퍼링 된 단부(38a)를 갖는 것을 도 4에서 볼 수 있다. 샤프트 저널은 전체 또는 부분에 걸쳐 연장할 수 있다. 커플링의 샤프트 저널(38)은 커플링을 크랭크 기구와 연결하는 중심 나사 연결부를 장착하기 위한 중앙 개구(38b)를 갖는 중공형인 것을 도 5에서 또한 알 수 있다. 크랭크 기구의 개구는 원추부(38a)를 갖는 샤프트 저널(38)에 적절한 상보적 형상이며, 또한, 개구는 커플링의 중앙 개구(38b)를 통한 나사 연결을 위해 나사산을 구비한다. 또한, 전술된 바와 같이 개구(38b)는 내부 나사산을 갖는다.
도 4, 도 5 및 도 6과 같이 구성된 커플링 또는 커플링 슬리브(18)는 고도의 비틀림 강성을 가질 것이며, 그렇지 않을 경우에는 슬리브 벽의 슬롯때문에 가요적일 것이므로, 커플링(18)이 모든 방향으로의 부정확성, 각도차 및 방사상 오배치(misplacement)/오정렬(misalignment) 및 특히 온도로 인한 변화를 보완할 수 있도록 한다.
도 7,8,9 및 도 10은 크랭크축, 피스톤 및 (만일 있다면) 냉각 팬에 대하여 더욱 상세히 도시한다.
도 7 및 도 8에는 커플링(18)과 방사형 팬 휠(23)이 생략된다. 도 7 및 도 8에서 플라이 휠/평형추(10), 크랭크 디스크(39)에 조여진 외부 평형추(11), 평형추(11)에 연결된 샤프트 저널(24) 및 베어링(8,9)을 볼 수 있다. 피스톤(19,20) 및 각각의 크랭크 로드(21,22)가 또한 도시된다.
평형추/플라이 휠(10)은 베어링(8)과 작동하고 커플링(18)에 슬리브 저널(38)을 수용하기 위한 중공 샤프트 저널을 구비한다. 이러한 중공 샤프트 저널은 커플링의 샤프트 저널(38a)에 대해 상보적인 형상이고, 커플링과 플라이 휠/평형추 사이에 나사 연결을 위한 중앙 나사 개구(threaded centre opening)를 구비한다.
플라이 휠/평형추(11)는 크랭크 핀/크랭크 디스크(39)에 조여질 수 있는 구성요소의 형태로 나타내어지며, 도 8을 참조한다. 이를 위해 평형추(11)는 크랭크 핀/크랭크 디스크(39) 수용하기 위한 보어(40) 구비하며, "41"로 도시된 것처럼, 평형추(11)는 이러한 보어로부터 외부를 향해 분할된다. 평형추(11)는 볼트(42)로 조여진다. 평형추(11)는, 베어링(9)과 함께 작동하고 (만일 있다면) 팬 휠(23)을 수용하기 위해, 샤프트 저널(24)과 하나의 유닛으로 설계된다.
전술된 바와 같이, 도 9 및 도 10은 도 7 및 도 8과 동일한 세부사항을 도시하지만 커플링(18)과 방사형 팬 휠(23)이 장착된 것을 또한 도시한다.
전술된 바와 같이, 평형추(11)는 크랭크 디스크(39)에 대해 해제 가능한 본체의 형태이다. 피스톤과 평형추(10)에 대해 평형추(11)를 용이하게 조립하고 정확히 배치하기 위해, 두 개의 평형추(10,11)는 정렬된 맞춤 구멍(registration holes;43,44)(도 10 참조)을 구비한다. 두 개의 구멍에 삽입되는 정렬 핀/동기화 볼트에 의해 평형추(11)는 크랭크 디스크(39)에 대해 각 위치가 정확해질 수 있다.
따라서 본 발명은 비교적 낮은 중량과 작은 크기의 공기/가스 압축기를 제공할 수 있으며, 조립 및 유지관리가 유리한 압축기를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 하나 이상의 공기/가스 압축 실린더-피스톤 유닛 및 상기 실린더에서 피스톤의 운동을 위해 상기 실린더 또는 실린더들의 상기 피스톤에 연결되는 크랭크 기구를 포함하며, 상기 크랭크 기구는 전기모터에서 로터에 구동적으로 연결되는 피스톤 기관에 있어서,
    상기 로터(14)와 상기 크랭크 기구(10,12,11;10,39,11) 사이에 커플링(18)을 포함하고, 상기 커플링은 회전에는 강성이지만, 그렇지 않을 경우에는 가요적이어서 설정 및/또는 운동시 각도차 및/또는 축방향 및/또는 방사상 차이를 보완하는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 강성이고 가요적인 커플링(18)은,
    슬리브 본체와,
    상기 슬리브의 길이에 걸쳐 방사상 방향으로 컷-아웃을 구비하는 슬리브 벽(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 슬리브 벽(25)의 형상은 상기 슬리브 벽(25)이, 외주에 걸쳐 상호관련하여 분포되며 상기 슬리브의 길이방향으로 줄지어 배치되는 슬리브 벽 슬롯(26,27,28,29,30,31,32,34,35)인 슬롯들 중 하나 이상을 구비하며, 상기 슬롯(26,27)은 외주에 걸쳐 분포되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 슬리브의 양 단부들 중 하나는 클램핑 링(36) 또는 샤프트 저널의 형태이며, 상기 슬리브의 양 단부들 중 다른 하나는 샤프트 저널(38) 또는 클램핑 링의 형태인 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 샤프트 저널(38)은 길이의 전체 또는 부분에 걸쳐 원추형으로 테이퍼링 되며, 나사 연결을 위한 중앙 통과 개구를 갖는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터(14), 상기 커플링(18) 및 상기 크랭크 기구(10,11)는 클램핑 링 커플링에 축방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크랭크 기구의 플라이 휠/평형추(11)는 상기 크랭크 기구의 크랭크 핀(39)에 조여지는(41,42) 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 평형추(11)는 팬 휠(23)을 장착하기 위한 샤프트 저널(24)을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 조여진 평형추(11)와 제 2 평형추(12)는 공통 동기화 수단(43,44)을 갖는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 기관.
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