KR20060119724A

KR20060119724A - 회전왕복 피스톤 및 이를 이용한 펌프

Info

Publication number: KR20060119724A
Application number: KR1020060001485A
Authority: KR
Inventors: 이광섭
Original assignee: 이광섭
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2006-11-24
Also published as: KR100760701B1

Abstract

본 발명은 실린더블럭(11) 및 좌우 실린더헤드(12)로 구성되는 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭(11)의 내주면에 돌출된 가이더(21) 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되어 상기 가이더를 가이드 하는 그루브(22)로 이루어진 변환수단(20)과, 상기 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤 및 이를 이용한 펌프를 제공한다.

피스톤, 회전운동, 직선운동, 왕복직선운동, 회전왕복운동, 회전왕복피스톤, 맥동, 펌프

Description

회전왕복 피스톤 및 이를 이용한 펌프{Rotary Reciprocating Piston And Pump with The Same}

도 1은 본 발명에 따른 회전왕복피스톤의 분리 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 회전왕복피스톤의 단면도,

도 3은 도 2에서 피스톤에 형성된 가이더와 그루브가 결합된 상태를 발췌하여 도시한 일부절제 사시도,

도 4는 스플라인을 이용한 동력전달수단의 다른 실시 예를 나타내 보인 단면도,

도 5는 로드와 결합된 동력 전달수단의 일 실시 예를 나타내 보인 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 펌프의 일 실시 예를 나타내 보인 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 펌프에 있어서, 피스톤 회전각도와 유체 토출량의 관계를 나타내 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

P1 : 상부변곡점 P2 : 하부변곡점

10 : 실린더 11 : 실린더블럭 12 : 실린더헤드

13 : 밸브조립체 14 : 피스톤 15 : 로드

20 : 변환수단 21 : 가이더 21a : 베어링

21b : 지지축 23c : 고정수단 22 : 그루브

30 : 동력전달수단 31 : 스플라인 32 : 링크조립체

32a-32d : 링크 40 : 구동장치 41 : 모터

42 : 구동축

본 발명은 회전운동과 직선왕복운동을 서로 변환하는 회전왕복피스톤에 대한 것으로, 상세하게는 회전운동과 직선왕복운동 상호간에 이루어지는 변환에서 정속, 이동속도 또는 회전속도 변환이 가능한 회전 왕복 피스톤 및 이를 이용한 펌프에 관한 것이다.

일반적으로 운동변환장치는 모터와 같은 구동장치에 연결되는 입력축과, 턴테이블 혹은 콘베이어 등의 피구동체에 연결되는 출력축을 구비하고, 입력축의 연속 회전운동을 전동(傳動) 캠 장치에 의하여 소정 형식의 운동으로 변환하고, 이 변환된 운동을 출력축을 거쳐 피구동체에 전달하는 구성을 가진다.

그러나 상기와 같이 입력축의 연속적 회전운동을 출력축의 소정 형식의 운동으로 변환하는 운동변환장치에 있어서는, 그 작동시에 출력축에 작용하는 토오크가 항상 변동함과 동시에, 그 토오크의 반력이 변동 토오크로서 입력축에 작용한다. 상기한 입력축에 작용하는 변동토오크는 고속 작동시에 특히 커져, 입력축의 균일한 회전을 방해하며, 작동시의 진동 및 그에 수반하는 작동 오차를 발생시키는 원인이 된다. 이 변동 토오크를 보상하기 위하여 큰 동력을 발생하는 구동장치나 상대적으로 큰 전동 캠 장치가 필요하다.

일본 특허 공개 소 60-32058호 공보에는 상기 문제점을 해결하는 운동변환장치가 개시되어 있다. 이 운동변환장치는 전동 캠 장치와는 별개의 토오크 보상 캠 장치를 입력축에 설치하고, 이 토오크 보상 캠 장치에 의하여 관성 질량체를 회전시키도록 한 구성을 가진다. 즉 입력축에 작용하는 상기 변동 토오크를 토오크 보상 캠 장치에 의하여 관성 질량체를 회전시킬 때에 입력축에 가해지는 변동 토오크에 의하여 상쇄하는 구성이다. 그러나, 이 운동 변환 장치에는 입력축에 큰 변동 토오크가 작용 할 때에는 이것에 대하여 관성 질량체를 큰 것으로 하지 않으면 안 되어 장치가 대형화되어 버린다는 문제점이 있다.

한편, 크랭크 기구는 크랭크 축의 회전운동이 크랭크 로드의 직선왕복운동으로 변환되거나, 반대로 크랭크 로드의 직선왕복운동이 크랭크 축의 회전운동으로 변환된다. 그렇지만 크랭크 기구는 크랭크 로드와 크랭크 축이 서로 어긋나게 배열되기 때문에 크랭크 로드의 직선 왕복운동 속도가 일정하지 않게 되는 단점이 있다.

한편, 유압장치는 동력을 발생시키는 펌프와, 실제로 작업을 수행하는 실린더나 모터 등의 액츄에이터, 그리고 이 액츄에이터를 제어하는 제어밸브 및 보조적 역할을 하는 부속기기 등을 갖추고 있다. 이러한 유압장치에서 초고압의 발생을 가 능케 하는 피스톤 펌프에는 다양한 방식의 사판식 피스톤 펌프 및 레이디얼 방식 피스톤 펌프가 있다. 이러한 피스톤 펌프들은 구조가 복잡하고, 제작비가 비싸며, 구조적 특성상 맥동현상이 수반된다. 상기한 맥동현상은 액츄에이터가 불규칙하게 동작되는 원인이 되므로 자동화 시스템 등에서는 근본적으로 제거해 주어야 한다. 일반적으로 유압기기에서 맥동현상을 해결하는 방법으로서 종래에는 축압기(Accumulator)나 그 밖의 다른 메카니즘에 의존하고 있다.

그러나 상기한 방법은 유압장치의 구조를 복잡하게 하는 요인이 되며 부가설비를 제어하기 위한 별도의 수단이 필요하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전운동을 직선왕복운동으로 또는 직선왕복운동을 회전운동으로 전환시킬 수 있으며, 구조가 상대적으로 간단하여 소형화가 가능한 회전왕복피스톤을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 실린더 내의 피스톤을 등속으로 왕복 이동시킴으로써 펌핑되는 유체의 맥동현상을 근본적으로 줄일 수 있는 펌프를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 회전왕복피스톤은 실린더블럭 및 좌우 실린더헤드로 구성되는 실린더와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진 가능하게 설치된 피스톤과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브로 구성되는 변환수단과, 상기 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이 동거리를 완충시키는 동력전달수단을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 변환수단은 상기 실린더블럭의 내주면으로부터 돌출된 가이더 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선을 이루도록 연속적으로 형성되는 그루브로 구성된다. 여기서 가이더와 그루브의 모양은 서로 맞물리는 구조로 구성된다. 그리고 가이더는 다양한 방식으로 구성될 수 있는데, 대표적으로 스플라인을 이용한 방법과 베어링수단을 이용한 방법이 있다. 그루브의 기울기는 상기 피스톤의 회전각도에 따라 피스톤의 이동거리가 균일하도록 일정하게 형성함이 바람직하다. 이러한 변환수단은 상기 피스톤의 회전력에 의해 상기 피스톤을 실린더에 대해 전후진 시키는 기능을 한다.

상기 동력전달수단은 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 회전 및 왕복운동 시에 발생하는 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키면서 동력을 전달하는 기계요소이다. 이러한 동력전달수단은 다양한 방식으로 구성될 수 있는데, 대표적으로 스플라인과 링크조립체가 있다. 그리고 동력전달수단은 본 회전왕복피스톤이 이용되는 기계장치에 따라서 모터나 다른 기계요소에 연결된다.

상기 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 실린더블럭 및 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체가 설치되는 좌우 실린더헤드로 구성되는 실린더와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브로 구성되는 변환수단과, 상기 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단과, 상기 동력전달수단에 동력 을 제공하는 구동장치를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 회전왕복피스톤 및 이를 이용한 펌프의 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

회전왕복피스톤은 회전운동을 등속왕복운동으로 변환시키거나 유체의 압력 또는 순간적인 폭발력을 이용하여 왕복운동을 등속회전운동으로 변환시킬 수 있는 것으로, 그 실시 예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 회전왕복피스톤은 실린더블럭(11) 및 좌우 실린더헤드(12)로 구성되는 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭(11)의 내주면에 돌출된 가이더(21) 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)로 구성되는 변환수단(20)과, 상기 로드(15)의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)을 구비한다.

상기와 같이 구성된 회전왕복피스톤을 구성요소 별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 회전왕복피스톤에서 실린더(10)의 주요 부분은 실린더블럭(11) 및 실린더헤드(12)로 구성되는데, 본 회전왕복피스톤이 사용되는 용도에 따라서 실린더헤드에 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체(13)를 시설하거나 일부 구조를 변경할 수 있다. 로드(15)는 본 회전왕복피스톤이 사용되는 용도에 따라서 단로드 방식으로 피스톤의 일측에 시설되거나 혹은 양로드 방식으로 피스톤의 양측에 시설될 수 있다. 상기 밸브 조립체(13)는 도면에는 상세하게 도시되어 있지 않으나 판스프링을 이용한 밸브를 구비할 수 있다.

상기 변환수단(20)은 상기 실린더블럭(11)의 내주면 중간부분에 설치되는 가이더(21) 및 상기 피스톤(14)의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)로 구성된다. 가이더(21)는 다양한 방식으로 구성될 수 있는데, 도 3은 베어링수단이 가이더로 이용된 모습을 보여준다. 베어링수단의 주요 부분은 "베어링(21a), 지지축(21b), 고정수단(21c)"등으로 구성되며, 상기 베어링(21a)은 롤러베어링이나 트러스트베링 혹은 간단한 형태의 부시가 사용될 수 있다. 여기서 베어링(21a)은 지지축(21b)에 고정되고, 상기 지지축은 실린더블럭(11)의 일부에 고정된다. 상기 베어링(21a)은 지지축(21a) 상에서 회전 가능하게 설치되어 상기 그루브(22)와 맞물리면서 회전할 수 있도록 한다. 그리고 그루브(22)는 피스톤(14)의 외주면을 따라 폐곡선을 이루도록 형성되는데, 상기 피스톤의 왕복 이동을 위하여 대략 경사 방향으로 형성된다. 상세하게는 도 1에 도시된 바와 같이 그루브(22)는 피스톤의 행정거리를 고려하여 피스톤을 중심으로 180도의 위상차를 갖는 상부변곡점(P1) 및 하부변곡점(P2)을 피스톤 외주면 상에 설정하고, 이들 두 변곡점 사이에 동일한 기울기를 갖는 폐곡선으로 형성된다. 여기에서 그루브(22)의 상부변곡점(P1)에서 하부변곡점(P2)까지의 기울기를 동일하게 함으로서 피스톤(14)의 회전각도에 따라 피스톤의 왕복이동 속도는 등속이 된다. 그러나 그루브(22)의 기울기는 이에 한정되지 않으며, 그루브(22)의 기울기를 가변 시킴으로써 피스톤의 회전에 따른 이동속도를 가변 시킬 수 있다.

상기 동력전달수단(30)은 피스톤(14)의 회전왕복운동 시에 발생하는 왕복 이 동거리를 완충하는데, 대표적 동력전달수단으로 스플라인(31)이나 링크조립체(32)가 있다. 도 1 내지 도 2에서 동력전달수단(30)으로 스플라인(31)이 사용되었는데, 로드(15)의 일측에 스플라인이 결합된 모습이다. 여기서 로드(15)에 연결되는 스플라인(31)은 피스톤 및 로드의 행정거리를 충분히 흡수 할 수 있어야 한다. 그리고 도 4는 스플라인(31)을 이용한 동력전달수단의 다른 실시예로서 로드(15)와 피스톤(14)의 접촉부분에 스플라인이 시설되는 모습을 보여준다. 이 경우에 실린더(10)에 로드(15)가 회전 가능하게 지지되고, 상기 로드(15)와 피스톤(14)의 스플라인 결합부위는 충분히 기밀을 유지하는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 4의 실시 예에서 스플라인(31)은 베어링이 없는 단순한 형태로 도시되었는데, 동력전달과정에서 발생하는 마찰력을 완화하기 위해서 실제 제작과정에서는 내부에 베어링이 구비되는 볼스플라인을 사용하는 것이 바람직하다.

도 5는 동력전달수단의 다른 실시 예로 팬터그래프 형상의 링크조립체(32)가 이용된 모습을 보여준다. 링크조립체(32)는 복수개의 링크(32a-32d)가 마름모꼴을 이루도록 배열되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 구성된 회전왕복피스톤은 동력전달수단에 의해서 로드(15)가 회전할 경우에 로드와 연결된 피스톤(14)이 회전한다. 이 과정에서 상기 피스톤(14)의 외주면에 설치된 그루브(22)는 상기 가이더(21)에 의해 안내되어 피스톤이 전, 후진된다. 상기 피스톤(14)에 형성된 그루브(22)는 최상부 측과 최하부 측의 변곡점을 제외하고 그 기울기가 균일하게 형성되어 있으므로 상사점과 하사점을 이동하는 피스톤의 이동속도를 균일하게 할 수 있다. 여기서 피스톤(14)의 왕복 이동 에 따른 로드(15)의 이동 변위는 상기 로드와 결합된 동력전달수단(30)에 의해서 흡수된다. 이와 반대로 유체나 엔진의 폭발력과 같은 외력에 의해서 피스톤을 왕복 이동시킬 경우에 피스톤은 회전 및 왕복운동을 하고, 이와 함께 동력전달수단(30)에서 회전력이 발생한다.

도 6에는 상기 회전왕복피스톤을 이용한 펌프의 예로서 상기 실시 예와 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 가리키는 것으로 그 설명을 생략한다.

본 발명의 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 실린더블럭(11) 및 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체(13)가 설치된 좌우 실린더헤드(12)로 구성되는 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더(21) 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)로 구성되는 변환수단(20)과, 상기 로드(15)의 일부에 결합되어 피스톤(14)의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)과, 상기 동력전달수단(30)에 동력을 제공하는 구동장치(40)로 구성된다.

본 실시 예에서 피스톤(14)에 연결되는 로드(15)는 상기 피스톤의 좌우에 형성되는 실린더 내부의 체적을 같게 하기 위해서 양로드 방식으로 하는 것이 바람직하다. 그리고 변환수단(20)에서 피스톤(14)의 외주면에 폐곡선으로 형성되는 그루브(22)의 기울기는 상부변곡점(P1)에서 하부변곡점(P2)에 이르기까지 균일하게 구성하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 실린더헤드(12)에 설치된 밸브조립체(13)는 유체의 출입을 통제하는데, 이러한 밸브조립체는 상용화된 공지의 기술로서 그 설 명을 생략한다.

상기와 같이 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 다양한 구동장치(40)에 의해서 구동될 수 있는데, 대표적으로 모터(41)가 있다.

회전왕복피스톤을 이용한 펌프의 작동과정은 구동장치(40)에 의해서 구동축(42)이 회전함에 따라 동력전달수단(30)을 통해서 로드(15) 및 피스톤(14)이 회전한다. 이 과정에서 피스톤(14)의 외주면에 설치된 그루브(22)는 실린더블럭(11)의 내주면에 돌출된 가이더(21)에 의해 안내되어 상기 피스톤은 실린더(10)에서 전, 후진된다. 그리고 상기 피스톤(14)의 전후진과 함께 양측에 있는 실린더헤드(12)에 설치된 밸브조립체(13)를 통해서 유체가 연속적으로 토출과 흡입을 반복한다.

이와 같이 유체를 펌핑하는 과정에서 상기 피스톤(14)의 외주면에 형성된 그루브(22)의 기울기는 최상부측과 최하부측의 변곡점을 제외하고 균일하게 형성되어 있으므로 도 7에 도시된 바와 같이 토출되는 유량의 맥동현상을 현저하게 줄일 수 있다. 도 7에서 가로축은 피스톤(14)의 회전각도를 나타내며, 세로축은 유체의 토출량을 나타낸다. 도 7에서 보이는 작은 맥동현상은 피스톤(14)에 있는 그루브(22)의 상부변곡점(P1) 및 하부변곡점(P2)이 가이더(21)와 접촉하는 부분에서 일어난다.

본 발명의 회전왕복피스톤은 회전운동을 등속왕복운동으로 또는 직선운동을 등속회전운동으로 전환시킬 수 있으며, 사용되는 용도에 따라서 회전운동 혹은 왕복운동의 속도를 조절할 수 있다. 그리고 본 발명의 회전왕복피스톤은 동력전달장 치에서 발생하는 불안정한 운동속도를 균일하게 조절할 수 있다. 그리고 본 발명의 회전왕복피스톤은 구조가 상대적으로 간단하여 대량생산 및 소형화에 유리하다. 그리고 상기 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 피스톤을 등속으로 왕복 이동시킴으로서 펌핑에 따른 맥동현상을 근본적으로 줄일 수 있다. 다른 한편으로 상기 회전왕복피스톤을 이용한 펌프는 피스톤의 양측에서 유체를 교호적으로 공급함으로써 피스톤의 왕복 이동력을 회전력으로 변환시킬 수 있으므로 유압모터로 이용할 수도 있다. 그 외에도 회전왕복피스톤은 직선왕복운동을 회전운동으로 변환하는 엔진이나 회전운동을 직선왕복운동으로 변환하는 기계장치에 활용 될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

실린더블럭(11)과 이 실린더 블록(11)과 결합되는 좌우 실린더헤드(12)를 구비한 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진 가능하게 설치되는 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭(11)의 내주면에 돌출된 가이더(21)와 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되어 상기 가이더(21)와 결합되는 그루브(22)를 가진 변환수단(20)과, 상기 로드의 일부에 결합되어 피스톤의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤
제 1항에 있어서,

상기 가이더(21)는 상기 그루부와 결합되는 베어링(21a)과, 상기 베어링(21a)을 지지하며 실린더블럭(11)에 고정된 지지축(21b)과, 상기 지지축을 실린더 블록에 고정하는 고정수단(21c)을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 회전왕복 피스톤
제 1항에 있어서,

상기 피스톤(14)의 회전각도에 따라 피스톤의 이동거리가 균일하도록 상기 그루브(22)의 상부변곡점(P1)에서 하부변곡점(P2)까지의 기울기가 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤
제 1항에 있어서,

상기 동력전달수단(30)으로 로드(15)의 일측에 스플라인(31)이 구성되는 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤
제 1항에 있어서,

상기 동력전달수단(30)으로 피스톤(14)과 상기 피스톤을 관통하는 로드(15)의 접촉부분에 스플라인(31)이 구성되는 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤
제 1항에 있어서,

상기 동력전달수단(30)으로 로드(15)의 일측에 링크조립체(32)가 구성되는 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤
실린더블럭(11) 및 유체의 출입을 통제하는 밸브조립체(13)가 설치된 좌우 실린더헤드(12)로 구성되는 실린더(10)와, 상기 실린더에 설치되어 회전 및 전후진이 가능한 피스톤(14)과, 상기 피스톤의 적어도 일측에 설치되는 로드(15)와, 상기 실린더블럭의 내주면에 돌출된 가이더(21) 및 상기 피스톤의 외주면에 폐곡선으로 형성되어 상기 가이더가 가이드되는 그루브(22)를 구비한 변환수단(20)과, 상기 로드(15)의 일부에 결합되어 피스톤(14)의 왕복 이동거리를 완충시키는 동력전달수단(30)과, 상기 동력전달수단(30)에 동력을 제공하는 구동장치(40)를 구비하여 된 것 을 특징으로 하는 펌프
제 7항에 있어서,

상기 피스톤(14)의 회전각도에 따라 피스톤의 이동거리가 균일하도록 상기 그루브(22)의 상부변곡점(P1)에서 하부변곡점(P2)까지의 기울기가 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 회전왕복피스톤