KR20080110179A - 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치는, 회전력을 제공하는 원동축(10); 상기 원동축(10)에 연결되어 회전하는 원동차(11); 상기 원동차(11)와 일체로 결합되며 그 안에 작동유체로서 물(W)을 담고 있는 하우징(3); 상기 하우징(3) 안에 설치되며 상기 원동차(11)와 상기 하우징(3) 안의 물의 유동력에 의해 회전하는 피동차(21); 상기 피동차(21)와 연결되어 회전하는 피동축(20); 상기 원동차(11)와 상기 하우징(3)의 외부를 둘러싸며 상기 원동축(10) 및 피동축(20)을 지지하는 외부 하우징(2); 상기 하우징(3) 안으로 물을 공급하는 물 공급관(35); 상기 하우징(3) 안의 물을 외부로 배출하는 스쿱튜브(scoop tube, 30); 및 상기 스쿱튜브(30)와 연결된 조작레버(33);를 포함하며, 상기 스쿱튜브(30)는 상기 하우징(3) 안에서 상기 하우징의 반경 방향으로 연장된 곡선부(31) 및 상기 곡선부(31)와 연결되고 상기 외부 하우징(2)의 바깥까지 연장된 직선부(32)를 포함하고, 상기 직선부(32)가 상기 조작레버(33)에 의해 회전가능하며, 상기 직선부(32)의 회전에 의해 상기 곡선부(31)가 상기 하우징(3) 안에서 회동가능하다.

가변속, 구동장치, 유체 커플링, 동력전달, 원동축, 피동축, 원동차, 피동차, 회전차, 펌프, 송풍기, 속도, 회전

Description

물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치{Variable speed driving apparatus using water as working fluid}

도1은 종래 기술에 의한 윤활유를 사용하는 가변속 구동장치(1')의 단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치(1)의 단면 개략도이다.

도3 및 도4는 도2에 도시된 스쿱튜브(30)의 작동 구조를 설명하는 일부 파단도들이다.

도5는 본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치(1)의 제어계통도이다.

도6은 도2에 도시된 가변속 구동장치(1)의 하우징(3) 표면에 배수구(36)가 형성된 것을 도시한다.

*도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명*

1': 종래의 가변속 구동장치 1: 본 발명의 가변속 구동장치

2, 71: 외부 하우징 3, 72: 하우징

10, 50: 원동축 11, 51: 원동차

20, 60: 피동축 21, 61: 피동차

30: 스쿱튜브(scoop tube) 30a: 물 배출구

31: 스쿱튜브 곡선부 32: 스쿱튜브 직선부

33: 조작레버 35: 물 공급관

35a: 물 흡입구 36: 배수구

38: 받침보울(bowl) 38a: 연결호스

50b: 원동축 지지 베어링 51a: 원동차 지지 베어링

53: 윤활유 펌프 53a: 윤활유 펌프 기어

54: 윤활유 저장조 55: 윤활유 냉각기

55a: 윤활유 공급관 55b: 윤활유 배출관

62a, 62b: 피동축 지지 베어링 75: 스쿱튜브

76: 스쿱튜브 지지관 100: 제어부

200: 펌프, 송풍기 200a: 흡입라인

200b: 배출헤드 210: 압력센서

220: 전동모터 230: 여과기

240: 전자 밸브 260: 역지변(check valve)

270: 액츄에이터 L: 윤활유

W: 물

본 발명은 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치에 관한 것으로서, 특히 원동축에 의해 회전되는 피동축의 회전속도를 변환시키기 위해 사용되는 종래의 유체커플링에 있어서 물을 동력 전달 매체로 사용하도록 개량함으로써 설비를 간단하게 하고 설비비를 줄이며 고장발생요인을 줄일 수 있도록 한 가변속 구동장치에 관한 것이다.

종래부터 산업설비에 많이 사용되는 교류 유도전동기는 사용이 편리한 반면 특별한 장치를 추가로 설치하지 않으면 회전수를 변화시킬 수는 없는데, 실제로 교류 전동기가 동력원으로 사용되는 현장에서는 전동기의 부하가 동력 시스템의 수요에 따라 달라지므로, 시스템에서 요구하는 동력의 크기에 따라 전동기의 회전수를 적절히 변화시킬 필요가 있었다.

전동기의 회전수를 변화시키지 못함으로 인해 발생하는 문제를 살펴보면, 우선 전동기에 의해 구동되는 원심 펌프를 예로 들 수 있다. 원심펌프의 경우 전동기의 회전수가 일정하므로, 일정 유량에서는 펌프의 출구압력이 항상 일정하게 된다. 그러나 시스템에서 원심펌프의 압력과 유량이 작을 것을 요구할 때에는, 펌프의 출구에 교축밸브(throttle valve)를 설치하여 압력과 유량을 낮춰 주어야 하는데, 이 과정에서 펌프의 동력 손실이 발생하고 교축밸브에 무리가 간다.

또한, 송풍기의 경우도 마찬가지의 문제가 발생한다. 즉, 전동기의 회전수를 그대로 둘 경우 시스템에서 소요되는 유량이 작을 때에는 송풍기 흡입측의 안내날개를 닫거나 출구의 댐퍼(damper)를 닫아서 유량을 줄여주어야 하나, 이 과정에서 송풍기의 효율이 저하하여 동력 손실이 발생하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종래 전동기의 회전수를 조절하기 위한 여러 장치들이 개발되었는데, 그 작동원리에 따라 전기적인 방법에 의한 것과 기계적인 방법에 의한 것으로 나눌 수 있다.

이 중, 전기적으로 전동기의 회전수를 변환시키는 대표적인 장치가 주파수 변환장치(통칭하여 인버터(inverter)라 함)로서, 전동기에 공급되는 전력의 주파수와 전압을 조절하여 전동기의 회전수를 조절해 준다. 그러나, 주파수 변환장치는 설비의 가격이 비싸고 많은 설치 공간을 필요로 하며 고조파 발생과 같이 아직도 해결되지 않은 문제가 많은 등 설비의 신뢰도가 낮아 널리 쓰이고 있지 못하다.

한편, 기계적으로 전동기의 회전수를 변환시키는 장치로는 유체 커플링의 원리를 이용하여 원동축에서 오는 회전수를 변화시켜 피동축의 회전속도를 조절하는 장치가 가장 많이 쓰이고 있다.

유체 커플링의 원리를 이용하는 가변속 구동장치는 설비비가 싸고 고장이 작으며 제어가 확실하지만, 가변속 구동의 매체로 윤활유를 사용하고 있어서 장치가 복잡하고 동력 전달량이 작은 문제점이 있었다.

도1은 종래 기술에 의한 윤활유를 사용하는 가변속 구동장치(1')의 단면도이다. 도1을 참고하면, 종래의 윤활유를 사용하는 가변속 구동장치(1')는 원동소의 동력이 원동축(50)에 전달되어 원동축(50)을 회전시키면 상기 원동축(50)에 연결된 원동차(51)가 회전하면서 작동유체(working fluid)를 유동시키고, 작동유체의 유동에 의해 피동차(61)가 회전하게 되면서 피동축(60)으로 동력이 전달된다. 도1에는 도시되지 않았지만 상기 원동차(51)는 그 내부에 다수의 회전날개들(blades)을 가 지고 있어서 원동차(51)가 회전함에 의해 그 원동차의 회전날개들이 작동유체(즉, 윤활유(L))를 회전 유동시킨다. 상기 원동차(51)는 하우징(72)과 일체로 결합되어 있으며, 원동차(51)와 하우징(72)에 의해 구성된 내부 공간에는 작동유체로서의 윤활유가 담겨진다.

그리고 상기 원동차(51) 및 하우징(72)의 바깥쪽에는 이들을 둘러싸는 외부 하우징(71)이 설치되어 있다. 상기 외부 하우징(71)은 상기 원동축(50) 및 피동축(60)을 지지하는 역할을 함과 동시에 그 하부에는 윤활유 저장조(54)와 윤활유 펌프(53)가 형성되어 있다.

도1에서 미설명부호 50a는 원동축(50)에 형성된 원동축기어이며, 53a는 윤활유 펌프(53)의 축에 연결된 윤활유 펌프 기어로서 상기 원동축기어((50a)와 맞물려 회전한다. 미설명부호 55a는 윤활유 냉각기(55)로부터 원동차(51)까지 이어진 윤활유 공급관이며, 55b는 윤활유 펌프(53)로부터 상기 윤활유 냉각기(55)까지 이어진 윤활유 배출관이다. 그리고 미설명부호 50b는 원동축 지지 베어링이고, 62a 및 62b는 피동축 지지 베어링들이며, 51a는 원동차 지지 베어링이다.

도1에서 회전날개들을 가진 원동차(51)는 펌프의 역할을 하며, 상기 원동차(51)와 마주보고 설치된 피동차(61)는 터빈의 역할을 한다. 도1에 도시되지는 않았지만, 상기 피동차(61) 역시 다수의 회전날개들을 가지고 있으므로, 상기 원동차(51) 및 하우징(72)이 회전하면서 발생시킨 윤활유(L)의 유동력에 의해 회전하게 된다. 즉, 도1에서 펌프 역할과 터빈 역할을 하는 한 쌍의 회전차들(즉, 펌프역할을 하는 원동차(51)와 터빈 역할을 하는 피동차(61))의 사이에 윤활유(L)를 공급하 면서 원동축(50)을 돌려주면, 윤활유(L)가 피동축(60)에 동력을 전달하여 피동축(60)을 돌려주게 된다.

이때에 상기 원동차(51)와 피동차(61)의 사이에 채워지는 윤활유(L)의 양을 조절해 주면 원동차(51)의 속도는 일정하더라도 피동차(61)의 속도를 증감시킬 수 있다. 즉, 상기 원동차(51)와 피동차(61)의 사이에 윤활유가 많으면 동력전달이 잘 이루어져 피동차(61)의 속도가 원동차(51)의 속도에 근접하게 되고, 그 사이에 윤활유가 적으면 동력전달이 잘 안 이루어져 피동차(61)의 속도가 감소하게 된다. 또한 원동차(51)와 피동차(61) 사이의 윤활유(L) 양이 작으면 원동차(51)도 힘이 작게 소요되므로, 결국 윤활유(L)의 양으로 원동차(51)의 동력과 피동차(61)의 회전수를 가감할 수 있도록 되어 있다.

위와 같은 원리를 정리하면, 전동기의 원동축(50)에 연결된 원동차(51)가 회전하면 윤활유 펌프(53)에 의해 윤활유 저장조(54)의 윤활유(L)가 윤활유 냉각기(55)를 거쳐 원동차(51)와 하우징(72)의 내부 공간으로 공급되고, 원동차(51)의 회전에 의해 원심력을 받아 회전 유동하는 윤활유(L)가 터빈 역할을 하는 피동차(61)를 움직임으로써 동력이 전달되어 피동차(61)도 같은 방향으로 회전하게 된다.

이때 끝단에 구멍이 뚫어진 스쿱튜브(scoop tube, 75)를 상기 하우징(72)의 아래 방향으로 내려주면 상기 원동차(51)와 피동차(61) 사이에서 동력을 전달해 주는 윤활유(L)를 빼내어 윤활유 저장조(54)로 되돌려 주게 되게 된다. 스쿱튜브(75)에서 빼내는 윤활유(L)의 유량이 윤활유 펌프(55)에서 하우징(72)으로 공급하는 윤 활유 유량보다 많게 되면, 원동차(51)와 피동차(61) 사이에서 동력을 전달하는 윤활유(L)의 양이 작아지게 되므로, 피동차(61)는 원동차(51)보다 느리게 회전한다.

이러한 원리에 의해, 스쿱튜브(75)의 위치가 동력 전달량이 되고 동시에 피동차(61)의 속도조정 도구가 되므로, 스쿱튜브(75)에 자동 조정 장치를 부착하여 시스템의 수요에 따라 속도를 자동으로 조절하도록 되어 있다.

도1에서 미설명부호 76은 상기 외부하우징(71)의 일측에 설치되어 상기 스쿱튜브(75)가 삽입되도록 하는 스쿱튜브 지지관이다.

도1에 의해 설명된 종래의 윤활유를 이용한 가변속 구동장치(1')를 사용하면 전동기의 동력이 줄어들고 시스템의 수요에 따라 회전수가 변화하여 원활한 제어가 가능하다.

그러나, 상술한 종래의 기술은 윤활유를 작동 매체로 사용하기 때문에 가변속 구동장치의 하부(즉, 외부하우징(71)의 하부)에 윤활유 저장조(54)를 가지고 있어야 하고, 윤활유를 가변속 구동장치에 공급해 주는 윤활유 펌프(53)도 있어야 하며, 윤활유의 온도가 올라가면 이를 냉각시켜 주는 윤활유 냉각기(55)도 있어야 하는 등 설비가 복잡해지는 문제가 있었다. 또한, 종래의 윤활유를 이용한 가변속 구동장치(1')는 윤활유를 사용함으로 인해 윤활유가 안개 상태로 밖으로 누출될 수 있으므로 식품공업과 같이 위생을 관리해야 하는 경우 사용할 수 없는 문제점도 있었다.

본 발명은, 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 종래의 유체 커플링 장치에서 사용하던 윤활유 대신 어느 설비에서나 사용하고 있는 물을 동력 전달 매체로 사용하도록 함으로써 설비를 간단하게 하고 설비비를 줄이며 고장발생 요인을 원천적으로 줄인 가변속 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 윤활유 대신 물을 작동매체로 사용함으로써, 종래 윤활유의 비산으로 인한 오염문제 때문에 식품산업에서 사용하지 못하였던 유체커플링 방식의 가변속 구동장치를 모든 산업분야에서 널리 사용할 수 있도록 하는 새로운 타입의 가변속 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치는, 회전력을 제공하는 원동축(10); 상기 원동축(10)에 연결되어 회전하는 원동차(11); 상기 원동차(11)와 일체로 결합되며 그 안에 작동유체로서 물(W)을 담고 있는 하우징(3); 상기 하우징(3) 안에 설치되며 상기 원동차(11)와 상기 하우징(3) 안의 물의 유동력에 의해 회전하는 피동차(21); 상기 피동차(21)와 연결되어 회전하는 피동축(20); 상기 원동차(11)와 상기 하우징(3)의 외부를 둘러싸며 상기 원동축(10) 및 피동축(20)을 지지하는 외부 하우징(2); 상기 하우징(3) 안으로 물을 공급하는 물 공급관(35); 상기 하우징(3) 안의 물을 외부로 배출하는 스쿱튜브(scoop tube, 30); 및 상기 스쿱튜브(30)와 연결된 조작레버(33);를 포함하며, 상기 스쿱튜브(30)는 상기 하우징(3) 안에서 상기 하우징의 반경 방향으로 연장된 곡선부(31) 및 상기 곡선부(31)와 연결되고 상기 외부 하우징(2)의 바깥까지 연장된 직선부(32)를 포함하고, 상기 직선부(32)가 상기 조작레 버(33)에 의해 회전가능하며, 상기 직선부(32)의 회전에 의해 상기 곡선부(31)가 상기 하우징(3) 안에서 회동가능한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치의 구성 및 작용효과를 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치(1)의 단면 개략도이다. 도2를 참고하면, 본 발명의 가변속 구동장치(1)는 원동축(10)과 피동축(20)이 외부 하우징(2)에 지지된 상태에서 유체커플링됨으로써 원동축(10)의 회전력이 피동축(20)으로 전달된다. 원동축(10)의 선단에 결합된 원동차(11)는 원동축(10)의 회전에 의해 회전되며, 상기 원동차(11)에는 하우징(3)이 일체로 결합되어 그 안에 작동매체(즉, 물(W))를 담고 있다. 상기 원동차(11)는 도면에는 도시되지 않았지만 다수의 회전날개들을 가지고 있어서 원동차(11)의 회전에 의해 하우징(3)안에 있는 물이 회전유동하게 된다.

상기 원동차(11)와 하우징(3)이 결합하여 만든 공간 안에는 피동차(21)가 상기 원동차(11)와 마주보면서 인접하여 설치되며, 피동차 역시 도2에는 도시되지 않았지만 다수의 회전날개들을 가지고 있어서 원동차(11)가 일으킨 물의 유동력을 전달받아 같은 방향으로 회전하게 된다.

본 발명의 가변속 구동장치(1)에는 상기 하우징(3)안으로 물을 공급하는 물 공급관(35)이 형성되고, 상기 하우징(3)안의 물을 밖으로 빼내는 스쿱튜브(30)가 형성된다. 상기 스쿱튜브(30)는 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 곡선부(31)가 하우징(3)의 반경방향을 향하여 배치되며, 상기 곡선부(31)는 직선부(32)로 연결되어 상기 하우징(3)과 외부하우징(2)을 지나 밖으로 연장된다. 상기 스쿱튜브(30)의 직선부(32)에는 조작레버(33)가 결합되며, 이 조작레버(33)를 움직이면, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 상기 스쿱튜브(30)의 위치가 가변될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 스쿱튜브(30)가 하우징(3)안에서 회동함으로써 스쿱튜브(30)의 곡선부(31)의 끝 부분(즉, 스쿱튜브(30)안으로 물이 들어오기 시작하는 입구 부분)의 위치가 하우징(3)의 원주 부분에 인접할 수도 있고(도3의 상태), 하우징(3)의 원주 부분으로부터 멀어져 중심 쪽에 가깝게 놓여질 수도 있다(도4의 상태).

원동축(10)에 연결된 전동기가 작동하여 원동축(10)이 회전하면, 물 공급관(35)을 통하여 물(W)이 하우징(2)안으로 들어가 원동차(11)와 피동차(21)의 사이에 충만하게 된다. 이어 원동차(11)와 피동차(21) 사이에 채워진 물(W)은 원심력에 의해 원동차(11) 및 하우징(3)으로 구성된 회전 공간의 원주 방향 바깥쪽으로 쏠리게 되면서 피동차(21)에 회전동력을 전달하여 피동차(21)가 회전하도록 한다.

이때 스쿱튜브(30)로 원동차(11)와 하우징(3)안의 물을 빼내면 원동차(11)와 피동차(21) 사이에 있는 물의 양도 그만큼 줄어들어 동력 전달량이 줄어들게 되므로 피동차(21)의 회전속도가 감소한다.

원동차(11)와 하우징(3)의 내부공간에 존재하는 물(W)은 회전하는 원동차(11)와 피동차(21) 사이에서 회전 운동을 받고 있으므로, 스쿱튜브(30)를 통과할 때에는 압력으로 바뀌어, 물 배출구(30a) 및 그에 연결된 호스(미도시)를 통과해 나갈 수 있는 만큼의 충분한 순환력을 갖는다.

본 발명에서는 윤활유 대신 일반 물을 동력전달을 위한 매체로 사용하는데, 이 물은 유량이 많지 않고 비열이 윤활유의 2배 이상이므로 동일한 열량을 냉각하는 데에도 온도상승이 절반 이하에 불과하다. 따라서, 본 발명에서는 가변속 구동장치(1)에 별도로 냉각기가 설치되어 있으면 냉각기에 의해 물을 냉각해 재사용하고, 만약 냉각기가 없으면 대기에 노출시켜 간단히 냉각한 후에 그대로 재사용할 수도 있다.

본 발명의 가변속 구동장치(1)는 위와 같이 동력 전달 매체로 물을 사용함으로써 종래의 공개된 기술인 윤활유를 사용하던 설비에 비하여 윤활유 펌프와 윤활유 저장조, 윤활유 냉각기가 필요하지 않아 설비를 간단히 할 수 있고 설비제조비용을 절약할 수 있으며 설비의 복잡화로 인한 고장발생원인을 근본적으로 제거하는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 가변속 구동장치(1)에서 작동매체로 사용하는 물은 기존의 장치에서 사용하던 윤활유에 비하여 비중이 크므로, 비중 차이에 상응하는 만큼 동력 전달 장치의 체적이 줄어들거나 혹은 동력 전달량을 크게 할 수 있으며, 그 결과 윤활유 저장조와 펌프가 필요없어 동력 전달 장치의 체적을 더욱 줄일 수 있는 장점이 있다. 그리고 본 발명에서는 종래의 직선 운동을 하던 스쿱튜브(30)를 회전운동을 하도록 개량함으로써 동력 전달용 물의 순환력 감소를 줄임과 동시에 구동장치의 체적을 줄일 수 있도록 하였다.

도2에서 미설명부호 35a는 물 공급관(35)과 연결된 물 흡입구이며, 바람직하게는 호스 등에 의해 외부의 물 공급장치와 연결된다.

도3 및 도4는 도2에 도시된 스쿱튜브(30)의 작동 구조를 설명하는 일부 파단 도들이다. 도3 및 도4를 참고하여 본 발명의 개량된 스쿱튜브(30)의 구조 및 원리를 설명하면, 스쿱튜브(30)는 하우징(3) 내부에 반경방향을 따라 놓인 곡선부(31)와 상기 곡선부(31)에 연결된 직선부(32)로 구성된다. 상기 직선부(32)의 끝은 조절레버(33)와 연결되어 있으므로, 외부의 작동수단(액츄에이터)에 의해 조절레버(33)를 회동시키면 하우징(3)안에 있는 스쿱튜브의 곡선부(31)가 회전할 수 있게 된다.

도3에서 스쿱튜브(30)의 곡선부(31)는 그 구부러진 방향이 물(W)의 회전방향과 마주보도록(즉, 원동차(11)의 회전방향과 반대되도록) 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여야 하우징(3)안에서 회전하는 물(W)이 스쿱튜브(30)의 곡선부(31) 입구로 쉽게 들어올 수 있으며, 이 과정에서 스쿱튜브(30)에 의한 압력손실이 최소화될 수 있다.

도3은 스쿱튜브(30)가 하우징(3)안에서 반경 방향의 바깥쪽(즉, 원주부분)에 위치하여 물(W)이 밖으로 많이 빠져나오도록 되어 있다. 따라서, 도3의 경우에는 원동차(11)와 피동차(21) 사이의 물의 양이 줄어 피동차(21)의 회전속도가 줄어들게 된다. 반면, 도4는 스쿱튜브(30)가 하우징(3)안에서 반경 방향 안쪽(즉, 원동차 및 피동차의 중심부분)에 위치하여 물(W)이 하우징(3)의 외부로 나오지 않고 반면 물 공급관(35)을 통해 계속적으로 물(W)이 하우징(3) 안으로 공급되므로, 원동차(11)와 피동차(21) 사이의 물의 양이 불어나 피동차(21)의 회전속도가 증가하게 된다.

본 발명은 이와 같이 스쿱튜브(30)를 곡선형으로 형성하고 곡선부(31)가 하 우징(3)안에서 회전할 수 있도록 함으로써 스쿱튜브(30)의 위치조절을 위한 필요공간을 획기적으로 줄일 수 있다. 그 결과 본 발명은 가변속 구동장치(1)의 공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 물(W)이 스쿱튜브(30)안으로 유입될 때 운동 에너지의 손실이 작아져 압력 손실이 줄어드는 효과를 거둘 수 있다.

도5는 본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치(1)의 제어계통도이다. 도5를 참고하면, 본 발명의 가변속 구동장치(1)의 제어계통은, 가변속 구동장치(1)에 의해 펌프 또는 송풍기(200)의 회전속도가 변화하면 그 배출헤드(200b)에서의 압력을 압력센서(210)가 측정하여 제어부(100)로 측정신호를 보낸다. 상기 제어부(100)에는 미리 설정된 값이 입력되므로, 제어부(100)는 배출헤드(200b)에서 실제로 측정된 값과 설정값을 비교하여 소정의 제어연산을 통해 그때 그때의 제어값을 산출한다. 제어부(100)에서 산출된 제어값에 의해 액츄에이터(270)에 구동신호가 인가되면, 상기 액츄에이터(270)는 도2 내지 도4의 조절레버(33)를 회전시켜 스쿱튜브(30)의 위치를 가변시킨다. 상기 스쿱튜브(30)의 위치가 변화되면 그에 따라 전동기(M)에서 발생된 동력에너지가 펌프 또는 송풍기(200)로 전달되는 비율이 변화하게 된다. 제어부(100)에서 수행하는 제어연산의 방법으로는 유체기계의 제어에 많이 사용되는 비례-적분-미분(PID) 제어를 사용하는 것이 바람직하다.

도5에서 가변속 구동장치(1)에 유입되는 물은 이물질을 제거하기 위해 여과기(230)를 거친 다음 전자밸브(240)를 통과하게 된다. 그리고 상기 가변속 구동장치(1)로부터 스쿱튜브(30)를 통해 배출된 물은 냉각 등을 위해 외부로 전달되는데, 이 경로 상에 역지변(check valve, 260)을 설치하여 일단 외부로 배출된 물은 전동기가 정지된 상태에서도 가변속 구동장치(1)로 다시 역류해 들어오지 못하도록 한다.

도5에서 미설명부호 200a는 펌프 또는 송풍기(200)의 흡입라인을 의미한다.

도5에서 상기 전자밸브(240)는 전동기(M)가 기동되면 전동기(M)의 기동 전류를 줄여주기 위해 전동기가 규정 속도에 도달할 때까지 약간의 시간 지연을 거쳐 개방되도록 되어 있다. 따라서 상기 전자밸브(240)는 전동기(M)의 기동 후 일정시간이 지난 뒤에야 가변속 구동장치(1)안으로 물(W)을 공급한다. 그리고 전동기(M)가 정지하면 전자밸브(240)는 폐쇄되어 물의 공급을 차단한다.

또한, 도5에서는 본 발명을 일반적인 펌프나 송풍기(200)에 적용하는 것으로 하여, 펌프나 송풍기(200)를 기동할 때에는 스쿱튜브(30)가 동력 전달량이 최소가 되는 지점(즉, 원동차(11) 및 피동차(21)의 중심축에 가까운 지점)에 위치하도록 하여 전동기(M) 기동 전류를 최소화하고 전동기를 보호하도록 되어 있다.

그리고 펌프나 송풍기(200)는 일반적으로 압력을 제어 목표로 하므로 펌프나 송풍기(200)의 출구 압력을 검출하여 전자 신호로 바꾼 후 제어부(100)로 보내면 제어부(100)는 미리 설정된 프로그램에 의해 제어 값을 스쿱튜브의 조작장치(액츄에이터(270))로 보내어 스쿱튜브(30)를 움직여 줌으로써 피동축(21)의 속도를 최적값으로 맞춰 준다.

도6은 도2에 도시된 가변속 구동장치(1)의 하우징(3) 표면에 배수구(36)가 형성된 것을 도시한다.

본 발명에서 작동 매체로 물을 사용함에 따라 종래의 윤활유를 사용하는 장치에 비해 여러 가지로 유리한 점이 많지만, 혹시라도 가변속 구동장치(1)로 공급되는 물에 이물질이 들어 있다면 설비를 연속 운전할 경우 이물질이 회전차(즉, 원동차(11) 및 하우징(3)) 내부에서 농축될 가능성이 있다. 이물질의 축적이 회전차 내부에 축적되면 구동장치의 성능이 저하될 뿐만 아니라 수명이 단축되므로, 구동장치(1)에 공급되는 물은 여과장치를 통해 거른 다음 공급되도록 한다(도5 참조).

그러나 본 발명의 가변속 구동장치(1)를 설치한 설비가 장기간 연속 운전할 경우에는 비록 공급수 여과 장치(도5의 230)를 설치하였더라도 원동차(11)와 하우징(3)회전차의 바깥쪽에 이물질이 농축될 가능성이 있으므로, 원동차(11)와 하우징(3)의 원주 부분에 적어도 하나 이상의 작은 배수구(36)를 뚫어두면 원동차(11) 및 하우징(3)의 회전시에 미소량의 물이 계속적으로 누설됨으로써 이물질의 농축으로 인한 장애를 미리 예방할 수 있다.

도6에서 본 발명의 가변속 구동장치(1)의 하우징(3) 또는 원동차(11)의 원주부분 표면에는 배수구(36)가 한 개 이상 천공되어 있으며, 이 배수구(36)를 통해 배출된 물은 받침보울(38)에 의해 수집된 다음 연결호스(38a)를 통해 외부로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 종래의 윤활유를 동력전달매체로 사용하던 가변속 구동장치의 문제점을 개선하기 위해 윤활유 대신 물을 동력전달매체로 사용한 점에 가장 큰 특징이 있으며, 본 발명은 일반적으로 일정 이상 규모의 공장에서는 모두 가지고 있는 냉각수를 가변속 구동 장치의 동력 전달 매체로 사용함으로써 매체의 재사용이 필 요없고, 별도의 자체 저장조가 필요하지 않으며, 물을 순환시키기 위한 별도의 펌프도 필요하지 않으며, 냉각 장치도 필요하지 않게 되는 등 설비를 아주 간단히 구성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치는 기존에 동력전달매체로 사용되던 윤활유 대신 일반적으로 쉽게 구하고 취급할 수 있는 물을 동력전달매체로 사용함으로써 설비를 간단히 하고 설비비를 저렴하게 할 수 있으며, 윤활유의 비산으로 인한 건강상의 위해 요소를 원천적으로 제거하여 식품공장 등에서도 가변속 구동장치를 널리 사용할 수 있도록 하는 장점이 있다.

종래 기술의 경우 가변속 구동장치에 윤활유를 사용하면 주기적으로 윤활유를 교체하거나 정제해 주어야 하지만, 본 발명은 물을 사용함으로써 이러한 설비가 필요하지 않게 되어 설비비가 저렴해지고, 설비가 간단해진 부대 효과로 고장의 요소가 줄어들어 가변속 구동장치의 사용이 많아질 수 있으며, 기존의 설비에도 간단하게 개조하여 적용이 가능한 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치는 동력전달의 효율성을 높여 산업에서 소요되는 동력이 절감되도록 하며, 제어가 간편해지므로 산업을 활성화하는데도 기여하게 되는 효과를 거둘 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 가변속 구동장치는 종래 기술에 비하여 장치의 체적을 줄이므로, 이미 설치되어 운용 중인 기존의 설비에도 쉽게 부가하여 설치함으로써 동력 절감에 크게 기여할 수 있다.

Claims (4)

1. 회전력을 제공하는 원동축(10);

   상기 원동축(10)에 연결되어 회전하는 원동차(11);

   상기 원동차(11)와 일체로 결합되며 그 안에 작동유체로서 물(W)을 담고 있는 하우징(3);

   상기 하우징(3) 안에 설치되며 상기 원동차(11)와 상기 하우징(3) 안의 물의 유동력에 의해 회전하는 피동차(21);

   상기 피동차(21)와 연결되어 회전하는 피동축(20);

   상기 원동차(11)와 상기 하우징(3)의 외부를 둘러싸며 상기 원동축(10) 및 피동축(20)을 지지하는 외부 하우징(2);

   상기 하우징(3) 안으로 물을 공급하는 물 공급관(35);

   상기 하우징(3) 안의 물을 외부로 배출하는 스쿱튜브(scoop tube, 30); 및

   상기 스쿱튜브(30)와 연결된 조작레버(33);를 포함하며,

   상기 스쿱튜브(30)는 상기 하우징(3) 안에서 상기 하우징의 반경 방향으로 연장된 곡선부(31) 및 상기 곡선부(31)와 연결되고 상기 외부 하우징(2)의 바깥까지 연장된 직선부(32)를 포함하고, 상기 직선부(32)가 상기 조작레버(33)에 의해 회전가능하며, 상기 직선부(32)의 회전에 의해 상기 곡선부(31)가 상기 하우징(3) 안에서 회동가능한 것을 특징으로 하는, 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스쿱튜브(30)의 곡선부(31)는 그 입구가 상기 하우징(3) 내에서의 물의 회전방향과 마주보도록 배치된 것을 특징으로 하는, 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 하우징(3) 또는 상기 원동차(11)의 원주방향 표면에는 적어도 하나의 배수구가 형성된 것을 특징으로 하는, 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 조작레버(33)를 작동시키는 액츄에이터(270);

   상기 피동축(20)의 회전속도 또는 그 회전속도에 대응되는 물리량을 검출하는 센서(210); 및

   상기 센서(210)의 출력과 미리 설정된 값을 비교하여 상기 액츄에이터(270)에 상기 스쿱튜브(30)의 위치를 조절하기 위한 구동신호를 인가하는 제어부(100);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 물을 작동매체로 사용하는 가변속 구동장치.

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