KR20100075835A

KR20100075835A - 회전 제한 기구를 가진 축방향 피스톤 기계

Info

Publication number: KR20100075835A
Application number: KR1020107005255A
Authority: KR
Inventors: 노엘 스테펜 듀크; 로버트 걸리버 린
Original assignee: 듀크 엔진스 리미티드
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-07-05
Also published as: AU2008287615B2; RU2010108458A; CA2695698A1; WO2009022917A3; WO2009022917A2; EP2188494A4; JP5307813B2; US20100236400A1; JP2010535978A; CN101796265A; BRPI0814938A2; US8689674B2; AU2008287615A1; CN101796265B; EP2188494A2

Abstract

본 발명은 Z-크랭크 축방향 피스톤 기계용 왕복운동기관 제한 조립체를 개시한다. 상기 왕복운동기관 제한 조립체는 T 지점에서 교차하는 짐벌 링크 조인트에서 서로 링크된 2개의 짐벌 아암을 포함하고 있다. 상기 T 지점은 크랭크 축과 크랭크 샤프트 축이 만나는 지점을 통과하고 크랭크 각도를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되어 있는 정중면(M)에 놓여 있다. 각각의 짐벌 아암은 T 지점으로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있다. 실린더 짐벌은 실린더 클러스터로부터 피벗가능하게 장착되어 있고 왕복운동기관 짐벌은 왕복운동기관으로부터 피벗가능하게 장착되어 있다. 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 X 지점과 T 지점으로부터 동일한 거리에 있다. 2개의 짐벌 아암의 피벗 축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗 축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이므로, 결과적으로 왕복운동기관과 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

Description

회전 제한 기구를 가진 축방향 피스톤 기계{AN AXIAL PISTON MACHINE WITH ROTATION RESTRAINT MECHANISM}

본 발명은 열역학적 엔진 및 유체 펌프를 포함하는 축방향 피스톤 기계 내의 회전 제한 기구 또는 상기 축방향 피스톤 기계용 회전 제한 기구 및 회전 제한 기구를 포함하는 열역학적 엔진 및 유체 펌프에 관한 것이다.

특히, 전적으로 그런 것은 아니지만, 본 발명은 일반적으로 2행정 또는 4행정 축방향 피스톤 내연기관 및 펌프와 같은 Z-크랭크 축방향 피스톤 기계용 회전 제한 기구에 관한 것이다.

축방향 피스톤 기계는 실린더 클러스터를 포함하는 복수의 축방향으로 뻗어 있는 실린더가 크랭크 샤프트의 회전축과 일치하는 중심축에 대해 대체로 회전적으로 대칭적인 배치로 배열되어 있는 기계이다. 각각의 실린더는 왕복운동하는 피스톤을 포함하고 있고 다른 실린더의 축에 대해 평행한 축 또는 약간 경사진 축을 따라서 왕복운동할 수 있다. 축방향 피스톤 기계는 사이즈 및 무게의 감소, 단순화된 유체 포트, 그리고 동적인 관성력의 완전한 균형에 근접하도록 하는 능력을 포함하여, 다른 멀티-실린더 피스톤 기계 구성 보다 우수한 다수의 잠재적인 장점을 제공할 수 있다.

실린더 내의 피스톤의 왕복운동을 구동시키기 위해 사용될 수 있는 다수의 상이한 기구가 있고, 가장 흔한 2가지 타입은 경사판(swashplate) 구동장치 및 Z-크랭크 구동장치이다. 용어가 변경될 수 있지만, 사실상 경사판은 피스톤의 왕복 직선 운동을 일으키거나 피스톤의 왕복 직선 운동에 의해 구동되는 크랭크 샤프트에 부착되어서 크랭크 샤프트와 함께 회전하는 캠면이다. 각각의 피스톤은 경사판 캠면의 표면 위에서 미끄럼이동하거나 구름운동하는 하나의 베어링 또는 복수의 베어링을 가지고 있다. 각각의 피스톤은 또한 경사판의 경사진 표면 위에 있을 때 피스톤-구동 베어링의 작용에 의해 발생된 측방향의 힘에 대해 반작용하는 실린더 내의 피스톤의 측면과 같은 몇 가지 형태의 리니어 베어링을 가지고 있다. 피스톤-경사판 베어링은 경사판보다 최고 피스톤 속력의 대략 2배 정도 빠른 미끄럼이동 또는 구름운동 속력을 가질 수 있다. 이러한 장치는 압축기 및 유압 펌프 또는 모터와 같은 비교적 저속의 피스톤 속력을 가진 축방향 피스톤 기계에 적합한 반면에, 현대식 내연기관은 통상적으로 훨씬 더 빠른 피스톤 속력을 가지고 있다. 또한 경사판 구동 동작에서의 관성 부하(inertial load) 및 베어링 미끄럼이동(sliding) 속력 또는 구름운동(rolling) 속력은 고속 연소 기관에 대해서 높은 마찰 손실을 일으켜서 내연기관에 대해서는 표준적인 경사판 구성이 덜 바람직한 것이 되게 할 수 있다.

Z-크랭크 구동장치는 경사판(Wobbleplate), 웨블러(Wabbler), 왕복운동기관(Reciprocator) 또는 왕복운동기관 베어링 상에서 회전하는 스파이더(Spider)와 같이 다양하게 불리는 중간 보디를 이용한다. 상기 중간 보디는 왕복운동기관 베어링에 의해 크랭크 샤프트의 크랭크 섹션에 장착되어 크랭크 섹션을 중심으로 회전한다. 경사진 크랭크 섹션은 경사진 크랭크 축을 가지고 있고, 이 경사진 크랭크 축은 크랭크 샤프트의 회전축에 대해 예각(이하에서는 "경사 각도(swash angle)" 라 함)을 이루어 교차한다. 이 교차 지점을 이하에서는 "X 지점" 이라 한다.

왕복운동기관은 실린더 클러스터에 대한 회전에 대해 제한되어 있다. 크랭크 샤프트의 회전에 의한 경사진 크랭크 섹션의 회전은 왕복운동기관을 장동(nutation)하게 한다. 결과적으로, X 지점을 통과하고 크랭크 축에 대해 수직인 평면에서 왕복운동기관의 상기 중간 보디 상의 지점은 주로 크랭크 샤프트 축에 대해 평행한 축방향의 진동 운동으로 운동하고, 크랭크 샤프트 축에 수직인 평면에서의 운동은 비교적 작은 진폭을 가진다. 상기 지점들은 피스톤과 왕복운동기관 사이의 운동의 전달을 위한 커넥팅 로드를 결합시키는 바람직한 위치를 한정한다.

왕복운동기관과 피스톤 사이의 연결은 다양한 형태를 취할 수 있지만 대체로 양 단부에서 충분한 회전 자유도를 가지는 커넥팅 로드가 사용된다. 통상적으로 왕복운동기관 베어링은 대응하는 경사판 구동장치의 경사판 피스톤 베어링보다 훨씬 느린 미끄럼이동 속력으로 작동한다. 따라서 마찰 손실이 대체로 감소되고 보다 빠른 작동 속력이 가능하게 될 수 있다.

Z-크랭크 구동장치를 포함하는 축방향 피스톤 기계 설계의 중요한 요소는 왕복운동기관을 실린더 클러스터에 대해 상대적으로 회전하는 것을 제한하기 위해 사용된 방법(이하에서는 "회전 제한(rotation restraint)"의 방법이라 함)이다. 이러한 제한이 없으면, 왕복운동기관은 대체로 크랭크 샤프트의 회전을 원하는 대로 피스톤의 필요한 왕복운동으로 변환시키지 못한다. 경사 각도(swash angle)에 따라서, 회전 제한 장치는 대체로 크랭크 샤프트에 의해 부여된(펌프 또는 압축기의 경우에는 크랭크 샤프트로 부여된) 회전에 대해 크기가 비슷한 회전을 전달한다.

다수의 회전 제한 시스템이 사용되고 있다.

미국 특허 제4,491,057호는 왕복운동기관에 대해 회전 제한을 제공하기 위해 카르단 조인트(Cardan joint) 또는 후크 조인트(Hooke's joint)로도 알려진 유니버설 조인트를 이용한다. 유니버설 조인트는 등속 조인트가 아니고 크랭크 샤프트가 회전할 때 왕복운동기관은 크랭크 샤프트 회전수의 2배로 불균형의 각가속도 및 관성 회전을 만드는 짐벌 오차(gimbal error)를 받는다. 경사 각도가 증가되면 이러한 각가속도 및 관성 회전은 크게 증가하고 더욱 고속으로 된다. 짐벌 오차는 왕복운동기관에 대한 크랭크 샤프트의 180도 회전의 주기를 가지고 있다. 따라서 크랭크 축 둘레로 180도가 아닌 간격으로 연결된 커텍팅 로드(즉, 2개의 피스톤을 가진 축방향 피스톤 기계의 커넥팅 로드)에 대해서는, 상이한 피스톤이 동일한 변위, 속도 및 가속도 사이클을 공유하지 않도록 실린더 내에서의 피스톤의 왕복운동이 변한다. 이로 인해 대체로 바람직하지 않은 실린더들 사이에서의 유체 및 열역학적 프로세스의 변화가 초래될 수 있다. 따라서 카르단 조인트는 홀수개의 피스톤을 가진 기계에 사용하기가 용이하지 않다.

미국 특허 제6,003,480호 또는 미국 특허 제4,852,418호에 기술되어 있는 것과 같은 다른 시스템은 실린더 클러스터에 부착된 평면 미끄럼이동 가이드, 그루브 또는 캠면을 이용하고, 왕복운동기관에 부착된 상호보완적인(complementary) 베어링은 왕복운동기관 회전 제한을 제공하기 위해서 작용한다. 왕복운동기관에서의 상기 베어링의 운동은 실린더 클러스터에 대하여 평면으로 유지되기 때문에, 상기와 같은 미끄럼이동 회전 제한 시스템을 이용하는 Z-크랭크 기계 내의 피스톤은 유니버설 조인트 회전 제한 시스템과 같이 피스톤의 운동에서의 유사한 변화를 받을 수 있다. 또한 회전 제한 베어링 접촉 지점에서 비교적 고속의 미끄럼이동 속도로 인해 상기와 같은 미끄럼이동 회전 제한 시스템과 관련된 충분한 마찰 손실이 발생할 수도 있다.

미국 특허 제5,094,195호는 맞물리는 베벨기어를 이용하는데, 베벨기어의 원뿔형 톱니의 정점이 X 지점과 일치하는 상태로 왕복운동기관 축과 동심을 이루는 왕복운동기관에 장착된 베벨기어가 베벨기어의 원뿔형 톱니의 정점이 X 지점과 또한 일치하는 상태로 크랭크 샤프트의 축과 동심을 이루는 실린더 클러스터의 제 2의 동일한 베벨기어와 맞물린다. 상기 2개의 베벨기어는 동일한 갯수의 톱니와 180도에서 경사 각도를 뺀 동일한 원뿔각도를 가지고 있다. 상기 베벨기어 회전 제한 방법은 여러가지 단점을 가질 수 있다:

- 왕복운동기관에 장착된 베벨기어는 왕복운동기관의 질량을 크게 증가시킬 수 있고 왕복운동기관 베어링에 큰 관성 부하를 줄 수 있다.

- 상기 베벨기어들은 고속으로 맞물리므로 큰 마찰 손실을 발생시킬 수 있다.

- 내부 연소 또는 가스 압축에 의해 발생된 맥동성 회전(pulsating rotation)을 받는 베벨기어는 보다 무거운 기어를 필요로 할 수 있고 또한 백래쉬의 결과로서 큰 소음을 발생시킬 수도 있는 큰 충격 부하를 받을 수도 있다.

- 대체로 베벨기어는 마모없이 조용하고 효율적으로 작동하기 위해서 정밀한 얼라인먼트(alignment)를 필요로 하는데, 이는 왕복운동기관의 고부하의 동적인 환경 내에서 달성하기 곤란할 수 있다.

- 베벨기어는 대체로 하나의 고정된 경사 각도에서 작동하도록 제한된다.

- 공간 및 기하학적인 제한은 다른 컴포넌트의 필수적인 배치 및 회전 전달을 감안하면 충분히 튼튼한 베벨기어를 기계에 설치하는 것을 곤란하게 만들 수 있다. 적절한 베벨기어를 X 지점 근처의 필요한 위치에 배치시키는 것은 왕복운동기관의 설계를 좋지 않게 변형시킬 수도 있는데, 베벨기어의 원뿔면은 대체로 커넥팅 로드의 원형 배열의 반경방향 내측 또는 외측에 놓일 필요가 있고, 반경방향의 내측에 배치시키면 왕복운동기관 질량 및 왕복운동기관 베어링 마찰 손실을 증가시킬 수 있는 설계상의 구조적인 손상을 초래할 수 있다. 베벨기어를 왕복운동기관에서 외측의 반경방향에 배치시키면 대체로 구조적인 손상이 작아질 수 있지만, 엔진의 전체적인 직경을 크게 증가시킬 수 있다. 왕복운동기관의 외주부에 있는 큰 직경의 베벨기어는 대체로 왕복운동하는 질량을 크게 할 수 있고 결과적으로 왕복운동기관 베어링 부하를 크게 할 수 있다. 왕복운동기관 및 커넥팅 로드에 대해 주변에 있는 큰 직경의 베벨기어에 대한 고 피치-라인-맞물림 속도는 바람직하지 않은 소음, 마찰 및 마모를 일으킬 수 있다.

미국 특허 제5,450,823호는 각각의 조인트로부터의 짐벌 오차가 서로에 의해 상쇄되도록 짧은 중간 샤프트를 통하여 서로 연결된 2개의 유니버설 조인트를 포함하는 이중 유니버설 조인트의 형태로 된 등운동(homo-kinetic) 또는 등속(CV) 타입의 조인트를 이용한다. 이 회전 제한 기구의 장치 및 필요한 배치에 수반된 고도의 복잡성 및 많은 수의 베어링은 왕복운동기관 주위에 설치된 왕복운동기관에 있어서의 이상적이지 못한 부하 경로로 인해 왕복운동기관을 무겁게 만들 수도 있다.

미국 특허 제5,129,752호에 있어서의 회전 제한을 위해 제안된 다른 해결방안은 통상적으로 자동차의 전륜을 구동시키기 위해 사용되는 볼 앤드 크레비스(Ball-and-Crevice) 또는 제파(Rzeppa) 타입의 등속(CV) 조인트를 이용하는 것이다. 대부분의 등속(CV) 사용예에서 상기와 같은 조인트의 볼은 원형 경로로 선회한다. 따라서 상기 볼은 원리상으로 원심력이며 작은 마찰을 가진 상태로 둘러싸는 하우징에 의해 반작용되는 관성력을 가지지만, Z-크랭크 기계에서는 아크형 경로를 따라서 조화운동(harmonic motion)으로 상기 볼이 연속적으로 전후로 가속된다. 축방향의 피스톤 내연기관의 비교적 고속으로의 이러한 교호적인 가속 및 감속은 충격 부하 심지어는 역회전 부하와 결합하여 과도한 마찰 및 마모를 일으킬 수 있다.

미국 특허 제1,948,827호는 X 지점을 통과하는 왕복운동기관 축에 수직인 피벗축을 가진 왕복운동기관에 피벗식으로 장착된 회전 아암을 이용한다. 이 회전 아암의 끝부분(tip)은 짧은 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 샤프트의 속력의 2배로 회전하는 편심 샤프트에 연결되어 있다. 이러한 구성은 유니버설 조인트보다 이상적인 형태에 더 근접하는 회전 제한 시스템을 만든다. 이러한 메카니즘은 또한 크랭크 샤프트 속력의 2배로 크랭크 샤프트 회전에 연동되어야 하는 보조적인 샤프트로 인한 부수적인 복잡성을 가지고 있다. 이러한 회전 제한 방법은 미국 특허 제3,654,906호(특허권자: 에이라스(Airas))에 기술되어 있는 것과 같이 실린더 클러스터가 회전하는 축방향 피스톤 기계 내에 편입시키는 것이 훨씬 어려울 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 미국 특허 제4,235,116호는 2개의 제한 짐벌(60, 70)을 이용하는 회전 제한 방법을 기술하고 있다. 이 2개의 제한 짐벌은 지점 64에서 서로 연결되어 있다.

미국 특허 제4,235,116호는 2개의 짐벌(60, 70) 사이의 링크(64)가 볼 조인트 또는 유니버설 조인트로 이루어져야 하는 것을 제안하고 있다. 그러나 볼 조인트는 대체로 고부하 조건하에서 고속의 왕복운동에 적합하지 않다. 이러한 고부하 조건은 빠른 마모와 짧은 수명을 초래할 수 있다. 이러한 부작용은 큰 경사 각도 및 이로 인한 큰 범위의 볼 조인트 운동에 의해 더욱 심해질 수 있다. 지점 64에서 2개의 수직 회전 자유도를 가지고 있는 종래의 유니버설 조인트(자동 구동 열차에서 흔히 볼수 있는 것과 같은 유니버설 조인트)를 이용하면 조인트가 과도하게 제한되고 구속되는 것을 방지하기 위한 충분한 회전 자유도를 가질 수 없다. 이러한 조인트의 과도한 제한은 조인트, 나아가서는 회전 제한 기구가 원하는 대로 자유롭게 움직일 수 없다는 것을 의미할 수 있다.

미국 특허 제4,235,116호에 의해 제안된 한 가지 메카니즘의 배치는 왕복운동기관(34) 및 커넥팅 로드(41)의 외측 둘레에 설치하는 큰 링 또는 링(63, 73)의 일부분으로부터 형성된 제한 짐벌(60, 70)을 가지고 있다. 이것은 왕복운동기관을 둘러싸는 케이싱이 짐벌을 수용하기 위해 직경이 증가될 필요가 있고, 어쩌면 축방향 피스톤 기계의 전체적인 사이즈 및 무게를 증가시킬 수도 있다는 것을 의미한다. 이러한 짐벌 구조는 2개의 짐벌 힌지 베어링(38 또는 71) 및 짐벌 팁 피벗(64)을 실제로 활모양으로 굽은 빔으로 연결시키기 때문에, 이러한 짐벌은 회전 제한 및 고속으로 작동시에 받는 관성력을 감당하기에 충분한 강성을 가지기 위해서 구조적으로 보다 효율적인 직선형 빔으로 이루어진 경우보다 대체로 더 무겁게 만들어질 필요가 있을 수 있다. 이러한 더 많은 질량은 훨씬 더 큰 관성 부하를 발생시키고 베어링을 연결하는 더 무거운 짐벌 힌지 및 짐벌에 대한 요건을 필요로 할 수 있고, 왕복운동기관 베어링(32)에 대한 부하를 크게 증가시킬 수 있다. 무거운 짐벌에 의해 발생된 더 큰 베어링 부하는 마찰 손실을 증가시키고 기계의 최대 속력 및 파워를 제한할 수 있다.

짐벌의 운동에 의해 발생된 관성력들의 밸런스를 맞추기 위해서 미국 특허 제4,235,116호는 기계의 관성력의 밸런스를 맞출 수 있도록 각 질량체의 중심이 각각의 힌지 베어링(38, 71)의 축상에 위치되도록 짐벌(60, 70)이 질량체(76, 66)에 의해 밸런스가 맞추어지는 것을 개시하고 있다. 이것은 짐벌의 밸런스를 맞추는 문제에 대한 제한적인 해결방안이다. 고속의 축방향 피스톤 엔진에 있어서 짐벌의 밸런스를 맞추기 위한 이러한 해결방안을 이용하는 실현 가능성은 기구를 콤팩트하게 구성하는 것을 곤란하게 만들 수 있는 짐벌 및 다른 요소의 여분의 무게 및 부피에 의해 심하게 방해받을 수 있다. 피벗 조인트를 연결하는 짐벌로부터 힌지 축의 반대쪽에 있는 짐벌의 크기로 인해 다른 컴포넌트의 바람직한 위치와 간섭하지 않고서 다른 컴포넌트를 수용하는 것이 곤란해질 수 있다. 고속에서는 이러한 밸런스를 맞춘 짐벌의 질량 및 큰 회전 관성이 짐벌 및 왕복운동기관 베어링을 통해서 전달되는 매우 큰 관성 부하를 초래할 수 도 있다. 이러한 짐벌 관성-유도 베어링 부하는 비실용적으로 크질 수 있고, 기계의 최대 작동 속력을 제한하고, 수명을 제한하며 마찰 손실을 증가시킬 수 있다. 바람직하지 않은 회전력(gyroscopic force)이 발생될 수도 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기의 종래 기술에 대해 간략하게 설명한 단점 중의 몇가지 또는 모든 단점에 대해 여러가지 개선사항을 제공할 수 있거나 적어도 유용한 선택사항을 공중에게 제공할 수 있는 z-크랭크 축방향 피스톤 기계용 회전 제한 기구를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명의 제 1 실시형태는 열역학적 엔진, 압축기, 모터 또는 펌프로서 작용하는 축방향 피스톤 기계로서,

크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능하며 경사진 크랭크 축을 가진 크랭크 저널을 지지하는 크랭크 샤프트,

서로에 대해 견고하게 배치된 적어도 2개의 실린더를 포함하고 있고, 각각의 실린더는 실린더 클러스터 축 둘레로 다른 실린더(들)에 대해 이격되어 있고, 각각의 상기 실린더는 상기 실린더로의 또는 상기 실린더로부터의 유체 유입 및/또는 유출을 허용하는 적어도 하나의 실린더 개구를 포함하고 있는, 실린더 클러스터,

각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동 축을 따라서 왕복운동하는 각각의 실린더 내에 있는 상호보완적인 피스톤,

상기 경사진 크랭크 축을 중심으로 상기 크랭크 저널 둘레로 회전하도록 장착된 왕복운동기관, 및

크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이의 상대 운동을 제한하도록 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이에서 작동하는 회전 제한기를 포함하고 있고,

상기 경사진 크랭크 축은 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 크랭크 샤프트 상의 한 지점(X 지점)에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있고,

상기 왕복운동기관은, 실린더 클러스터에 대한 크랭크 샤프트의 회전 운동이 각각의 실린더 내에서 피스톤의 왕복운동을 구동시키거나 그 반대로 각각의 실린더 내에서 피스톤의 왕복운동이 실린더 클러스터에 대한 크랭크 샤프트의 회전 운동을 구동시키도록 하고, 또한 실린더 클러스터에 대한 크랭크 샤프트의 회전 운동이 각각의 실린더 내의 각각의 피스톤의 왕복운동 변위를 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 일정하게 제어하도록 상기 피스톤과 상기 크랭크 저널을 작동가능하게 연결하고,

상기 회전 제한기는 2개의 짐벌 아암으로 구성되어 있고, 상기 짐벌 아암은 T 지점에서 교차하는 복수의 회전 자유도를 가진 짐벌 링크 조인트에 의해 서로 연결되어 있고, T 지점은, X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면(M)에 놓여 있고, 각각의 상기 짐벌 아암은 T 지점로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 "실린더 짐벌" 이라고 칭하는 제 1 짐벌은 상기 실린더 클러스터로부터 실린더 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 아암 중에서 "왕복운동기관 짐벌" 이라고 칭하는 제 2 짐벌은 상기 왕복운동기관으로부터 왕복운동기관 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 X 지점과 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 위치되어 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이게 되고, 이로 인해 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

바람직하게는, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면에 수직이다.

바람직하게는, 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T 지점이 놓여 있는 평면에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 실린더 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트 축과 교차하거나 교차하도록 돌출한다.

바람직하게는, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축에 수직이다.

바람직하게는, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓여 있지 않다.

바람직하게는, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 크랭크 축이 놓이는 평면에 수직이다.

바람직하게는, 크랭크 축은 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T 지점이 놓여 있는 평면에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 R 지점에서 상기 크랭크 축과 교차하거나 교차하도록 돌출한다.

바람직하게는, R 지점은 크랭크 축 상에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축에 수직이다.

바람직하게는, R 지점은 크랭크 축 상에 놓여 있지 않다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 축은 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 R 지점은 C 지점과 마찬가지로 X 지점 및 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 T 지점은 항상 정중면(M)에 놓이게 되고, 이로 인해 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

바람직하게는, 짐벌 아암은 각각 2개의 단부를 가지고 있는데, 각각의 피벗축이 있는 곳 또는 그 근처에 있는 단부는 근위 단부(proximal end)이고 T 지점 또는 그 근처에 있는 단부는 원위 단부(distal end)이다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관은 상기 크랭크 저널 둘레로 왕복운동기관 베어링으로부터 이격된 상기 크랭크 저널을 따라서 2개의 축방향으로 회전하도록 장착되어 있다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터에 가장 가까운 상기 왕복운동기관 베어링은 상기 실린더 클러스터에 가장 먼 다른 왕복운동기관 베어링보다 X 지점에 더 가깝게 위치하고 있다.

바람직하게는, 상기 짐벌 링크 조인트는 상기 왕복운동기관 짐벌과 상기 실린더 짐벌을 서로 연결하고, 상기 짐벌 링크 조인트는 T 지점에서 교차하고 상기 왕복운동기관 짐벌 및 상기 실린더 짐벌을 등속 회전 제한에 대해 요구되는 방식으로 제한하지 않고 서로에 대해 회전할 수 있게 하는 2개의 회전 자유도를 가지고 있다.

바람직하게는, 상기 짐벌 링크 조인트는 미끄럼 베어링 또는 구름 베어링에 의해 상기 회전 자유도를 제공하고, 상기 짐벌 링크 조인트의 제 1 회전축은 C 지점과 T 지점 사이에서 상기 라인과 만나고, 상기 짐벌 링크 조인트의 제 2 회전축은 R 지점과 T 지점 사이에서 상기 라인과 만나고, 상기 2개의 축 사이에 형성된 각도는 상기 실린더 짐벌 피벗축이 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트의 축과 교차하도록 장착되고 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 R 지점에서 상기 경사진 크랭크 축과 교차하도록 장착될 때의 주어진 각도 A에 대해 변하지 않는다.

바람직하게는, 작동시에 각각의 상기 짐벌 링크 조인트의 2개의 회전 자유도는 동일한 범위의 운동을 통하여 회전하고, 상기 짐벌 링크 조인트의 베어링은 크고 빠른 진동 회전 및 부하를 받으면서 작은 마찰 손실을 가진 채로 작동하는 것에 적합한 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 짐벌 링크 조인트는 주 피벗(principal pivot) 및 보조 피벗(supplementary pivot)을 형성하고 있고, 상기 주 피벗 및 보조 피벗 모두는 T 지점을 통과하는 회전축을 가지고 있고, 상기 주 피벗은 작동시에 짐벌의 운동 범위의 전체에 걸쳐서 주 피벗축이 T 지점으로부터 X 지점 또는 그 근처를 통과하도록 짐벌에 대해 배향된 주 피벗 회전축을 가지고 있다.

바람직하게는, 상기 주 피벗은 2개의 짐벌 사이의 연결 조인트의 일부분을 형성하는 미끄럼 베어링 또는 구름 베어링에 의해 형성되고, 상기 주 피벗은 2개의 상기 제한 짐벌 사이의 모든 상대적인 회전 운동의 대부분을 수용하고, 상기 짐벌 링크 조인트에 편입되어 있는 상기 보조 피벗은 상대적으로 작은 범위의 진동 회전을 받고, 상기 보조 피벗의 회전축들은 서로 교차하고 또한 T 지점에서 예각으로 주 피벗축과 교차한다.

바람직하게는, 상기 짐벌 링크 조인트 보조 피벗은 서로 수직인 회전축을 가지고 있고, 이 회전축은 주 피벗축과도 수직이다.

바람직하게는, 상기 짐벌 링크 조인트 보조 피벗은 미끄럼 베어링 또는 탄성 베어링(flexure bearing), 또는 이들의 조합에 의해 제공되거나, 또는 하나의 구면 베어링(spherical bearing)에 의해 제공되고, 상기 구면 베어링은 주 피벗축 이외의 축을 중심으로 짐벌 링크 조인트에서의 작은 진폭의 회전 운동을 가능하게 한다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터는 작동시에, 포트형성 부재에 의해 형성된 입구/출구 포트에 의해 상기 실린더 클러스터의 유체 소통을 가능하게 하기 위해서 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 고정 기준계에 대해 회전하고, 크랭크 샤프트의 회전시에 포트형성 부재에 대하여 실린더 클러스터를 회전시키거나, 반대로, 포트형성 부재에 대해 실린더 클러스터의 회전시에 크랭크 샤프트를 회전시키는 인덱싱 드라이브(indexing drive)가 크랭크 샤프트와 실린더 클러스터 사이의 작동 결합에 제공되고, 상기 포트형성 부재는 고정 기준계에 대해 고정이다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관은 상기 크랭크 샤프트 및 상기 크랭크 저널 각각에 대하여 동일한 각속도로 회전한다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관은 상기 포트형성 부재에 대해 상기 크랭크 샤프트 및 상기 크랭크 저널 각각에 대하여 동일한 각속도로 회전한다.

바람직하게는, 상기 인덱싱 드라이브는 상기 크랭크 샤프트와 상기 실린더 클러스터 사이에서 작동하는 유성 기어장치이다.

바람직하게는, 상기 유성 기어장치는 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전하도록 상기 크랭크 샤프트에 장착된 태양 기어, 상기 실린더 클러스터에 작동가능하게 연결되어 있으며 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능한 환형 기어, 그리고 상기 태양 기어와 환형 기어의 중간에서 회전하고 작동하기 위해 상기 포트형성 부재에 대해 유지된 회전축 상에 장착된 적어도 하나의 유성 기어를 포함하고 있다.

바람직하게는, 상기 태양 기어, 환형 기어 및 유성 기어(들)은 모두 서로에 대해 평행한 기어 축을 가지고 있다.

바람직하게는, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 실린더 클러스터에 대한 실린더 짐벌의 유일한 피벗축이고 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 왕복운동기관에 대한 왕복운동기관 짐벌의 유일한 피벗축이다.

바람직하게는, 각각의 상기 피스톤의 상기 왕복운동축은 크랭크 샤프트 축에 평행하다.

바람직하게는, 실린더 클러스터는 3개 이상의 실린더를 포함하고 있다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터의 상기 3개 이상의 실린더는 동일하고 상기 크랭크 샤프트 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있어서 상기 크랭크 샤프트가 상기 실린더 클러스터에 대해 일정한 속력으로 회전할 때 상기 피스톤에 의해 보유된 전체 운동 에너지는 비교적 작은 양만큼 변한다.

바람직하게는, 각각의 피스톤은 각각의 상기 피스톤을 위한 커넥팅 로드에 의해 상기 왕복운동기관에 연결되어 있다.

바람직하게는, 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동을 왕복운동기관의 진동운동으로 전환하고 반대로 왕복운동기관의 진동운동을 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동으로 전환할 수 있도록 각각의 상기 커넥팅 로드는 상기 왕복운동기관과 각각의 상기 피스톤 사이에 2개 이상의 회전 자유도를 제공하고 병진자유도는 제공하지 않는다.

바람직하게는, 적어도 2 쌍의 짐벌 아암이 제공된다.

바람직하게는, 상기 한 쌍의 짐벌 아암은 각각의 커넥팅 로드 사이에 위치되어 있다.

바람직하게는, 짐벌 아암 쌍의 갯수는 상기 실린더 클러스터의 실린더의 갯수와 일치한다.

본 발명의 제 2 실시형태는 열역학적 엔진, 압축기, 모터 또는 펌프로서 작용하는 축방향 피스톤 기계로서,

서로에 대해 견고하게 배치된 적어도 2개의 실린더를 포함하고 있고, 각각의 실린더는 실린더의 단면과 일치하는 단면을 각각 가지고 있으며 각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동축을 따라서 각각 왕복운동하는 상호보완적인 피스톤을 포함하고 있고, 각각의 상기 실린더는 적어도 하나의 밸브가 형성된 입구/출구 포트와 유체 연통되어 있는, 실린더 클러스터,

상기 경사진 크랭크 축을 중심으로 상기 크랭크 저널에 대해 회전하도록 장착된 왕복운동기관, 및

크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터 보디와 상기 왕복운동기관 사이의 상대 회전을 제한하는 적어도 2개의 회전 제한기를 포함하고 있고,

상기 경사진 크랭크 축은 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 X 지점에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있고,

상기 왕복운동기관은, 상기 크랭크 샤프트가 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 각각의 실린더 내의 각각의 피스톤의 필수적인 왕복운동 변위가 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 이루어지도록 각각의 피스톤과 기계적으로 결합되고,

각각의 상기 회전 제한기는 왕복운동기관과 실린더 클러스터 사이를 연결하는 한 쌍의 짐벌 아암으로 구성되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 제 1 짐벌 아암은 상기 실린더 클러스터에 피벗가능하게 연결되어 있으며 상기 크랭크 샤프트 축에 대해 경사진(상기 크랭크 샤프트 축과 반드시 교차할 필요는 없음) 실린더 짐벌 힌지 축 중심으로만 피벗가능한 실린더 짐벌 아암이고, 상기 짐벌 아암 중에서 제 2 짐벌 아암은 상기 왕복운동기관에 피벗가능하게 연결되어 있으며 상기 경사진 크랭크 축에 대해 경사진(상기 경사진 크랭크 축과 반드시 교차할 필요는 없음) 왕복운동기관 짐벌 힌지 축 중심으로만 피벗가능한 왕복운동기관 짐벌 아암이고, 각각의 상기 한 쌍의 짐벌 아암의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암 및 상기 실린더 짐벌 아암은 T1 지점에서 교차하는 3개의 회전 자유도를 가지고 있는 짐벌 아암 팁 링크에 의해 서로 연결되어 있고, T1 지점은 각각의 짐벌 아암 힌지 축으로부터 동일한 거리에 있고, 또한 X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면에 항상 놓여 있고, 각각의 한 쌍의 짐벌 아암에 대한 힌지 축의 방향은 정중면에 대해서 상기 힌지 축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 상기 왕복운동기관의 등속 제한이 보장된다.

바람직하게는, 모든 상기 실린더 짐벌 아암은 상기 크랭크 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있고 모든 상기 왕복운동기관 짐벌 아암은 상기 크랭크 샤프트 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있다.

바람직하게는, 3개 이상의 회전 제한기가 제공된다.

바람직하게는, 회전 제한기의 갯수는 실린더 클러스터의 실린더의 갯수와 일치한다.

바람직하게는, 각각의 상기 실린더 짐벌 아암은, 실린더 짐벌 아암에 의해 발생된 전체 관성력이 대체로 상기 크랭크 샤프트 축에 대해 반경방향으로 밸런스를 이루도록 배치되어 있다.

바람직하게는, 각각의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암은, 왕복운동기관 짐벌 아암에 의해 발생된 전체 관성력이 대체로 상기 크랭크 축에 대해 반경방향으로 밸런스를 이루도록 배치되어 있다.

바람직하게는, 상기 회전 제한기는, 회전 제한기에 의해 발생된 전체 관성력 및 모멘트가 크랭크 샤프트의 회전하는 기준계에 대해 크기와 방향에 있어서 대체로 일정하고 상기 크랭크 샤프트에 적절한 균형추를 부가하는 것에 의해 대체로 밸런스를 이룰 수 있도록 배치되어 있다.

바람직하게는, 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 T1 지점이 놓여 있는 평면에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 실린더 짐벌 피벗축에 수직이고 T1 지점을 통과하는 라인은 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 돌출한다.

바람직하게는, 크랭크 축은 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T1 지점이 놓여 있는 평면에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 R 지점에서 상기 크랭크 축과 교차하도록 돌출한다.

바람직하게는, R 지점은 크랭크 축 상에 놓여 있지 않다.

바람직하게는, 상기 R 지점은 C 지점과 마찬가지로 X 지점 및 T1 지점으로부터 각각 동일한 거리에 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 T 지점은 항상 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

바람직하게는, 각각의 실린더 짐벌 아암에 대해서, 상기 실린더 짐벌 아암 힌지 축은 T1 지점 보다 크랭크 샤프트 축에 더 가깝게 위치하고 있다.

바람직하게는, 각각의 상기 실린더의 상기 왕복운동축은 크랭크 샤프트 축에 평행하고 바람직하게는 상기 실린더 클러스터가 3개 이상의 실린더를 포함하고 있다.

바람직하게는, 상기 3개 이상의 실린더는 동일하고 상기 크랭크 샤프트 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있다.

바람직하게는, 상기 피스톤에 의해 보유된 전체 운동 에너지는 상기 크랭크 샤프트가 상기 실린더 클러스터에 대하여 일정한 속력으로 회전할 때 비교적 작은 양만큼 변하도록 구성되어 있어서, 상기 축방향 피스톤 기계가 완전히 밸런스를 이루는 것이 용이하게 될 수 있다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관과 각각의 피스톤과의 기계적인 결합은 상기 왕복운동기관으로부터의 연장부 또는 상기 왕복운동기관의 일부분인 커넥팅 로드에 의해 이루어지고 바람직하게는 상기 왕복운동기관과 상기 피스톤을 연결하는 각각의 상기 커넥팅 로드는 2개 이상의 회전 자유도는 가지면서 병진자유도는 가지고 있지 않고 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동을 왕복운동기관의 진동운동으로 전환하고 반대로 왕복운동기관의 진동운동을 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동으로 전환할 수 있도록 충분한 자유도를 제공한다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관은 왕복운동기관 베어링으로부터 이격된 상기 크랭크 저널을 따라서 2개의 축방향으로 회전하도록 장착되어 있고, 상기 왕복운동기관의 보디(body)는 상기 왕복운동기관 베어링들 사이에 걸쳐있다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터에 가장 가까운 상기 왕복운동기관 베어링은 상기 실린더 클러스터에 가장 먼 왕복운동기관 베어링보다 X 지점에 더 가깝게 위치되어 있다.

바람직하게는, 각각의 상기 회전 제한기는 동일하다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관은 상기 왕복운동기관과 상기 피스톤의 중간에 뻗어 있는 커넥팅 로드를 통하여 상기 피스톤에 연결되고, 상기 회전 제한기 갯수는 상기 실린더 클러스터의 실린더의 갯수와 동일하고 상기 회전 제한기는 인접한 커넥팅 로드와 커넥팅 로드 사이의 공간에 장착된다.

바람직하게는, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축 및 상기 실린더 짐벌 아암 힌지 축은 적어도 부분적으로 축방향으로 분리된 2개의 동축 베어링에 의해 형성되고, 상기 힌지 축에 대해 반경방향의 부하 및 상기 힌지 축에 대해 축방향의 부하 양자 모두에 대해 견딜 수 있다.

바람직하게는, 각각의 짐벌 아암 쌍의 상기 짐벌 아암 팁 링크는 구면 베어링이다.

바람직하게는, 각각의 상기 짐벌 아암 팁 링크는 T1 지점에서 회전축이 교차하는 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트로 이루어진다.

바람직하게는, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 1 피벗 조인트는 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하고, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 2 피벗 조인트는 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 실린더 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하고, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 3 피벗 조인트는 상기 제 1 피벗 조인트 및 제 2 피벗 조인트와 서로 수직이다.

바람직하게는, 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 1 피벗 조인트는 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하며 2개의 축방향으로 분리된 레이디얼 베어링 및 1개의 양방향 스러스트 베어링으로 이루어져 있고, 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 2 피벗 조인트는 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 실린더 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하며 2개의 축방향으로 분리된 레이디얼 베어링 및 1개의 양방향 스러스트 베어링으로 이루어져 있고, 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 3 피벗 조인트는 상기 제 1 피벗 조인트 및 제 2 피벗 조인트와 서로 수직이며 1개 이상의 레이디얼 베어링 및 1개의 양방향 스러스트 베어링으로 이루어져 있다.

바람직하게는, 상기 단일 회전 자유도 피벗 조인트의 스러스트 베어링 및/또는 레이디얼 베어링 및/또는 상기 짐벌 아암 힌지 축 피벗 중의 하나 이상은 양자의 짐벌 아암 컴포넌트에 대해 회전하고 상기 베어링들을 서로 연결하는 중간 베어링 요소를 포함하고 있다.

바람직하게는, 상기와 같은 구성으로 인해, 상기 축방향 피스톤 기계의 작동 동안에, 플로우팅 스러스트 와셔(floating thrust washer) 또는 플로우팅 저널 베어링 요소에 대해서 상기 중간 베어링 요소와 각각의 접촉하는 짐벌 아암 컴포넌트 사이의 미끄럼이동 속도가 상기 중간 베어링 요소가 없을 때의 상기 각각의 짐벌 아암 컴포넌트들 사이의 미끄럼이동 속도보다 더 작은 것은 효과적으로 서로의 위에 베어링을 쌓아올림으로써 베어링의 개별 미끄럼이동 속도를 감소시키는 것에 포함될 수 있다.

바람직하게는, 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 피스톤의 이동에 있어서의 피스톤의 적절한 위치에 대응하여 실린더 클러스터의 실린더로 유체를 전달하거나 상기 실린더로부터 유체를 전달할 수 있게 하기 위하여, 상기 실린더 클러스터는 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 고정 기준계에 대하여 회전하도록 장착되어 있고 밸브가 형성된 입구/출구 포트의 각각의 밸브동작은 포트형성 부재에 의해 제어되고, 실린더 클러스터는 상기 포트형성 부재에 대하여 회전하여 상기 입구/출구 포트를 다른 방식으로 밸브가 형성된 입구/출구 포트 밀봉 촉진 포트형성 부재의 포트와 순차적으로 결합시킨다.

바람직하게는, 포트형성 부재에 대하여 실린더 클러스터의 회전을 연동시키기 위하여 인덱싱 드라이브가 제공되어 상기 실린더 클러스터와 상기 포트형성 부재의 중간에서 작용한다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관이 상기 크랭크 샤프트 및 크랭크 저널 각각에 대하여 그리고 상기 포트형성 부재에 대해 상대적으로 동일한 각속도로 회전하도록 상기 회전 제한기가 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이에서 작용한다.

바람직하게는, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관의 상기 크랭크 샤프트 및 크랭크 저널 각각에 대한 상대 회전을 제한하기 위하여 각각의 회전 제한기가 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이에서 작용한다.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능하며, 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 크랭크 샤프트 상의 한 지점(X 지점)에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있는 경사진 크랭크 축을 가진 크랭크 저널을 지지하는 크랭크 샤프트를 포함하고 있는 Z-크랭크 축방향 피스톤 기계의 왕복운동기관 제한 조립체 또는 상기 Z-크랭크 축방향 피스톤 기계용 왕복운동기관 제한 조립체로서, 실린더 클러스터 보디와 왕복운동기관 사이의 상대 회전을 제한하는 상기 왕복운동기관 제한 조립체에 있어서,

2개의 짐벌 아암을 포함하고 있으며, 상기 짐벌 아암은 T 지점에서 교차하는 복수의 회전 자유도를 가진 짐벌 링크 조인트에 의해 서로 연결되어 있고, T 지점은, X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면(M)에 놓여 있고, 각각의 상기 짐벌 아암은 T 지점로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 "실린더 짐벌" 이라고 칭하는 제 1 짐벌은 상기 실린더 클러스터로부터 실린더 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 아암 중에서 "왕복운동기관 짐벌" 이라고 칭하는 제 2 짐벌은 상기 왕복운동기관으로부터 왕복운동기관 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 X 지점과 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 위치되어 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

바람직하게는, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓여 있다.

바람직하게는, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 크랭크 축이 놓여 있는 평면에 수직이다.

바람직하게는, R 지점은 크랭크 축 상에 놓여 있다.

바람직하게는, R 지점은 크랭크 축 상에 놓여 있지 않다.

바람직하게는, 상기 R 지점은 C 지점과 마찬가지로 X 지점 및 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 T 지점은 항상 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

바람직하게는, 실린더 클러스터는 홀수개의 실린더를 가지고 있다.

바람직하게는, 상기 기계는 내연기관이다.

본 발명의 또 다른 실시형태는 열역학적 엔진, 압축기, 모터 또는 펌프로서 작용하는 축방향 피스톤 기계로서,

각각의 상기 회전 제한기는 왕복운동기관과 실린더 클러스터 사이를 연결하는 한 쌍의 짐벌 아암으로 구성되어 있고,

상기 짐벌 아암 중에서 제 1 짐벌 아암(이하에서 "실린더 짐벌 아암" 이라 함)은 상기 실린더 클러스터에 피벗가능하게 연결되어 있으며, 상기 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면에 수직이고 한 쪽에서 상기 크랭크 샤프트 축으로부터 일정한 거리만큼 떨어져 있는 실린더 짐벌 힌지 축을 중심으로 피벗가능하여, 상기 실린더 짐벌 아암은 상기 크랭크 샤프트로부터 멀어지게 상기 실린더 짐벌 힌지 축으로부터 돌출되어 있고,

상기 짐벌 아암 중에서 제 2 짐벌 아암(이하에서 "왕복운동기관 짐벌 아암" 이라 함)은 상기 왕복운동기관에 피벗가능하게 연결되어 있으며, 상기 크랭크 축이 놓여 있는 평면에 수직이고 한 쪽에서 상기 크랭크 축으로부터 일정한 거리만큼 떨어져 있는 왕복운동기관 짐벌 힌지 축을 중심으로 피벗가능하여, 상기 왕복운동기관 짐벌 아암은 상기 크랭크로부터 멀어지게 상기 왕복운동기관 짐벌 힌지 축으로부터 돌출되어 있고,

각각의 상기 한 쌍의 짐벌 아암의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암 및 상기 실린더 짐벌 아암은 T1 지점에서 교차하는 3개의 회전 자유도를 가지고 있는 짐벌 아암 팁 링크에 의해 서로 연결되어 있고, T1 지점은 각각의 짐벌 아암 힌지 축으로부터 동일한 거리에 있고, 또한 X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면에 항상 놓여 있고, 각각의 한 쌍의 짐벌 아암에 대한 힌지 축의 방향은 정중면에 대해서 상기 힌지 축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 상기 왕복운동기관의 등속 제한이 보장된다.

바람직하게는, 실린더 아암 힌지 축은, 서로 동축으로 놓여 있으며 Tl 지점과 상기 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면의 각 면에 위치되어 있는 2개의 이격된 실린더 아암 힌지에 의해 정해진다.

바람직하게는, 왕복운동기관 아암 힌지 축은, 서로 동축으로 놓여 있으며 Tl 지점과 상기 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면의 각 면에 위치되어 있는 2개의 이격된 실린더 아암 힌지에 의해 정해진다.

바람직하게는, 상기 인덱싱 드라이브는, 사용시에, 상기 실린더 클러스터를 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 크랭크 샤프트의 회전 속도에 연동된 회전 속도로 상기 포트형성 부재에 대하여 회전시키도록 상기 실린더 클러스터와 상기 크랭크 샤프트 사이에서 회전을 전달하고, 이에 의해 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 각각의 실린더의 상기 피스톤의 순환적인 왕복운동에 있어서의 원하는 위치에 대응하는 경우에 상기 실린더 개구를 상기 포트의 몇개 또는 상기 포트 각각에 제공하여 각각의 실린더와의 순환적인 연통을 차례로 가능하게 한다.

바람직하게는, 상기 인덱싱 드라이브는 상기 실린더 클러스터와 상기 크랭크 샤프트의 중간에서 작용하고, 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 크랭크 샤프트와 함께 회전하는 크랭크 샤프트 장착 태양 기어, 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터와 함께 회전하는 상기 실린더 클러스터에 작동가능하게 연결된 환형 기어, 그리고 상기 태양 기어과 상기 환형 기어 사이에서 작동하는 적어도 하나의 중간 유성 기어를 포함하고 있고, 상기 적어도 하나의 유성 기어는 상기 포트형성 부재에 대해 장착되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태는 Z-크랭크 축방향 피스톤 내연기관으로서,

서로에 대해 견고하게 배치된 실린더를 포함하고 있고, 각각의 상기 실린더는 적어도 하나의 작동 유체 전달 포트를 포함하고 있는 적어도 2개의 피스톤을 가진 실린더 클러스터,

상기 실린더 클러스터에 대해 회전가능하며 각이 진 크랭크를 지지하고 있는 크랭크 샤프트,

각각의 실린더의 적어도 하나의 유체 전달 포트를 밀봉시킬 수 있지만, 가끔, 점화 플러그(들) 및/또는 작동 유체 공급 및 제거 설비에 노출되는 포트형성 부재,

사용시에, 상기 실린더 클러스터를 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 포트형성 부재에 대하여 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 각각의 실린더의 피스톤의 원하는 이동 범위와 일치하게 시간조절된 회전속도로 회전시키기 위하여 상기 실린더 클러스터와 상기 크랭크 샤프트에서 회전을 전달하는 인덱싱 드라이브, 및

2개의 짐벌 아암을 포함하고 있고,

상기 각이 진 크랭크를 중심으로 피스톤과 기계적으로 연결되어 있는 왕복운동기관이 회전할 수 있고, 상기 각이 진 크랭크는 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 크랭크 샤프트 상의 한 지점(X 지점)에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있는 크랭크 축을 가지고 있고,

상기 포트형성 부재에 대해 실린더 클러스터가 회전할 수 있고,

상기 짐벌 아암은 T 지점에서 교차하는 복수의 회전 자유도를 가진 짐벌 링크 조인트에 의해 서로 연결되어 있고, T 지점은, X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면(M)에 놓여 있고, 각각의 상기 짐벌 아암은 T 지점로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 "실린더 짐벌" 이라고 칭하는 제 1 짐벌은 상기 실린더 클러스터로부터 실린더 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 아암 중에서 "왕복운동기관 짐벌" 이라고 칭하는 제 2 짐벌은 상기 왕복운동기관으로부터 왕복운동기관 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 X 지점과 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 위치되어 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장한다.

본 명세서에서 사용된 "및/또는" 이라는 표현은 "및" 인 경우와 "또는" 인 경우를 포함하는 것을 의미한다.

본 명세서에서 명사 다음에 사용된 "(들)" 이라는 표현은 그 명사가 복수형태이거나 단수형태인 경우를 포함하는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용된 "...을 포함하는" 라는 표현은 "...이 ...을 포함하는 대상의 적어도 일부분을 구성하고 있다" 라는 것을 의미한다. 상기 표현을 포함하는 본 명세서의 내용을 해석할 때에는, 각 내용에서 상기 표현에 의해 기술된 특징 모두를 나타낼 필요가 있지만 다른 특징을 나타낼 수도 있다. "...을 포함한다" 라는 표현과 "...을 포함하고 있다" 라는 표현도 이와 동일한 방식으로 해석된다.

본 명세서에는 특허 명세서, 다른 이종의 문헌, 또는 다른 정보원이 참고로 사용되어 있는데, 이는 대체로 본 발명의 특징을 설명하기 위한 전후상황을 제시하기 위한 것이다. 특별히 달리 언급되어 있지 않은 경우에는, 상기와 같은 이종의 문헌을 참고하고 있다고 해서, 상기 문헌 또는 상기 정보원이 임의의 사법권에서 종래 기술 또는 당해 기술분야에서 널리 알려진 일반적인 지식의 일부분을 형성하는 것이라고 인정된 것으로 해석되는 것은 아니다.

본 발명은 본 출원 명세서에서 명명되거나 표시된 부분, 요소 및 특징으로 개별적으로 또는 집합적으로, 그리고 상기 부분, 요소 또는 특징의 임의의 2개 이상의 임의의 조합 또는 모든 조합으로 광범위하게 이루어질 수도 있고, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 정수는 본 발명과 관련된 당해 기술분야에서 알려진 등가물을 포함하며, 이러한 등가물은 마치 따로 개시되는 것처럼 본 명세서에 포함되는 것으로 여겨진다.

이러한 구성에 의하면, 상기한 종래 기술의 단점을 개선한 축방향 피스톤 기계, Z-크랭크 축방향 피스톤 기계용 왕복운동기관 제한 조립체 및 Z-크랭크 축방향 피스톤 내연기관을 제공할 수 있다.

본 발명의 바람직한 형태를 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 설명한다.
도 3은 실린더 헤드 및 포트 배치(도시된 컴포넌트는 실제 기계에 요구될 수 있는 조립 세부사항 및 다른 특징은 생략하고 단순화된 베어링만 가진 상태의 예시적인 것임)는 생략하는 반면 주요 컴포넌트의 배치는 보여주는, 간단한 구형 팁 링크를 각각 가지고 있는 복수의 짐벌 아암 쌍으로 구성된 회전 제한 기구를 이용하는 펌프 또는 엔진과 같은 5 실린더 축방향 피스톤 기계의 단면도이고,
도 3a는 회전 제한 기구를 포함할 수 있지만 도시된 회전 제한 기구가 없는 상태로 내연기관으로서 작동할 수 있는 축방향 피스톤 기계의 보다 상세한 사항을 도시하고 있고,
도 4는 임의의 다른 기계 컴포넌트는 도시되지 않은 상태의 짐벌 피벗, 크랭크 축, 경사진 크랭크 축 및 짐벌 링크 조인트의 기하학적인 관계를 나타내는 단순화된 제한 짐벌의 등각 투영도이고,
도 4a는 짐벌 아암 팁 조인트의 보다 상세한 사항을 도시하고 있고,
도 5는 도 4a의 짐벌 링크 조인트에서의 3개 직교하는 회전축의 각각에 대한실린더 짐벌과 왕복운동기관 짐벌 사이의 상대 회전 각도의 예를 그래프로 도시하고 있고, 이 그래프의 가로 좌표는 크랭크 샤프트 회전 각도를 나타냄,
도 5a는 도 5의 그래프 라인이 도 4a의 짐벌 팁 조인트 상에 도시된 한 세트의 축을 중심으로 하는 회전에 대응하는 상태로 도 5의 그래프의 가로 좌표를 따라 놓인 3 지점에 대응하는 짐벌 기하구조의 3 위치의 등각 투영도를 나타내고 있고,
도 6은 커넥팅 로드가 왕복운동기관의 회전하지 않는 기준틀에서 결합되는 위치 또는 그 근처에서 왕복운동기관 상의 지점이 이동한 8개의 경로의 모습을 나타내고 있고,
도 7은 크랭크 샤프트 및 도 3의 엔진의 팁 링크에 대한 대체형태의 팁 링크를 각각 포함하는 복수의 짐벌 아암 쌍을 제외하고는 모든 컴포넌트가 생략되어 있는 도 3의 엔진과 유사한 5 실린더 엔진의 도면이다.

참고로 본 명세서에서는 예각 A를 "경사 각도(swash angle)" 라고도 한다. 참고로 "회전 제한(rotation constraint)"은 "회전 규제", "회전의 제한" 또는 "회전의 규제" 라고도 알려져 있다.

이러한 회전 제한은 "토크 제한"으로도 알려져 있다. 본 발명의 회전 제한 기구는 실린더 클러스터와 왕복운동기관 사이의 토크의 전달을 제공한다.

참고로 "짐벌(gimbal)"은 단독으로 또는 집합적으로 "실린더 짐벌" 또는 "왕복운동기관 짐벌"을 지칭한다.

도 3을 참고하면, 축방향 피스톤 기계의 한 가지 바람직한 형태의 단순화된 단면도가 도시되어 있다. 도 3은 실린더 헤드 또는 유체 포트의 세부사항을 생략하고 있다. 예로서, 미국 특허 제6,494,171호는 내연기관인 축방향 피스톤 기계의 작용을 위한 유틸리티(utility)를 제공하는 포트와 실린더 클러스터와 실린더와 포트 사이의 관계를 기술하고 있다. 따라서 미국 특허 제6,494,171호는 참고문헌으로서 본 명세서에 포함되어 있다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 축방향 피스톤 기계는 크랭크 샤프트 축(30)을 가지고 있는 크랭크 샤프트(28)을 포함하고 있다. 크랭크 샤프트는 그 길이를 따라서 크랭크 샤프트를 실린더 클러스터(8)에 대하여 회전할 수 있게 하는 복수의 동축 베어링 부분(26, 44)(바람직하게는 볼 베어링 또는 저널 베어링에 의해 형성된)에 의해 지지되어 있다.

바람직한 형태에서는, 크랭크 샤프트(28)는 축방향 피스톤 기계가 엔진으로서 작동하는 경우에 동력 출력 샤프트로서 작동하거나 축방향 피스톤 기계가 펌프로서 작동하는 경우에 동력 입력 샤프트로서 작동한다.

크랭크 축(32)을 가지고 있는 크랭크 저널(34)은 크랭크 샤프트(28)로부터 배치되어 있으며, 크랭크 샤프트(28)의 일체형 부분을 형성하거나 크랭크 샤프트(28)에 고정할 수 있다. 크랭크 샤프트 축(30) 및 크랭크 축(32)은 X 지점에서 교차한다. 왕복운동기관(16)은 크랭크 저널(34) 둘레의 적절한 베어링으로부터 배치되어 있으며 상기 베어링 상에서 회전가능하다. 왕복운동기관(16)의 보디는, 왕복운동기관 베어링 상의 관성력을 감소시키기 위해서 왕복운동기관의 관성 모멘트를 최소화하려는 시도를 하면서 피스톤(6) 및 커넥팅 로드(12)로부터의 관성력 및 유체력(fluid force)을 견디기에 충분히 견고한 구조를 가진 상태로 상기 왕복운동기관 베어링과 커넥팅 로드 부착 조인트(20) 사이에 걸쳐 있다. 왕복운동기관 베어링은 왕복운동기관 베어링에서의 부하 및 마찰 손실을 감소시키기 위해서 다른 제한사항 내에서 용이하게 수용될 수 있을 만큼 상기 크랭크 저널(34) 상에서 축방향으로 먼 거리로 분리되는 것이 바람직하다.

왕복운동기관(16)은 커넥팅 로드(12)에 의해 실린더 클러스터(8)의 실린더(4) 내에서의 피스톤(6)의 왕복운동을 제어한다. 커넥팅 로드(12)는 왕복운동기관(16)과 피스톤(6)을 피스톤 및 왕복운동기관 각각에 대해 복수의 회전 자유도를 가진 커넥팅 로드 부착 조인트(10, 20)를 가지고 있는 견고한 봉으로 연결한다.

포트형성 부재(676)의 유체 입구 포트 및 출구 포트에 대한 실린더의 상대 회전은 인덱싱 드라이브에 의해 영향을 받을 수 있다. 이런 식으로 상기 기계가 작동하는 경우, 실린더 개구(679)는 포트형성 부재(676)에 대해 미끄럼이동하여 밀봉될 수 있고 크랭크 샤프트 축(30)을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 포트는 각각의 실린더의 실린더 개구와 정렬되도록 순차적으로 위치되어 유체 이동을 가능하게 한다(그리고 엔진이 불꽃점화기관으로서 작동하는 경우에, 점화 플러그 노출이 가능하게 한다).

크랭크 샤프트, 실린더 그리고 포트형성 부재 사이의 상대 운동을 유발시키는 인덱싱 드라이브는 실린더 클러스터를 크랭크 샤프트에 대하여 같이 또는 반대로 회전시키고 또한 실린더 클러스터를 상기 포트에 대하여 회전시키기 위하여 크랭크 샤프트(28)와 실린더 클러스터 사이에서 작동하는 기어장치를 포함할 수 있다. 상기 기어장치에 의해 제한된 비율로 연동되는 상대 회전은 유성 기어 세트에 의해 제공될 수 있다. 이 유성 기어 세트는 크랭크 축(30)을 중심으로 회전하기 하기 위해서 크랭크 샤프트(28)와 회전하도록 결합된 것의 일부분으로서 형성된 태양 기어(600)를 포함할 수 있다. 태양 기어(600)는 크랭크 샤프트 축 둘레에 위치되어 있는 1개 이상의 유성 기어(662)와 맞물릴 수 있다. 각각의 유성 기어(662)는 포트형성 부재에 대하여 고정되어 있는 유성 기어 축(664)을 중심으로 회전가능하게 장착될 수 있다. 각각의 유성 기어(662)는 또한 하우징 또는 크레이들(18)을 통하여 실린더 클러스터(8)에 고정되어 있는 내측으로 톱니가 형성된 환형 기어(658)와 맞물릴 수 있다. 이것은 도 3a에 예로서 도시되어 있다. 또한 도 3a에는 실린더 개구(679)를 통하여 유체를 실린더(4)로 또는 실린더(4)로부터 이동시키기 위한 포트형성 부재(676)가 도시되어 있다. 또한 점화 플러그 개구 및/또는 연료 주입 개구가 제공될 수도 있다. 각각의 실린더의 입구/출구 포트는 메인 실린더 캐버티 또는 상기 메인 실린더 캐버티의 연장부에서 각각의 실린더에 직접 제공될 수 있다. 상기의 연장부는 포트형성 부재가 입구/출구 포트를 밀봉하는 곳에서 메인 실린더 캐버티와 입구/출구 포트 사이에 뻗어 있는 덕트로 될 수 있다.

도 3에는 5개의 실린더(4)로 작동하는 축방향 피스톤 기계에 대한 기하학적 구조가 도시되어 있지만, 임의의 갯수의 실린더가 사용될 수 있다. 그러나, 개선된 동적인 밸런스를 위해서는 대체로 3개 이상의 실린더가 바람직하다.

인덱싱 드라이브는 축방향 피스톤 기계의 정확한 작동을 위해 포트형성 부재(676)의 포트에 노출될 때에 상사점과 하사점 사이에서 피스톤의 정확한 위치를 잡는 동안 실린더 개구(679)가 제공되도록 크랭크 샤프트, 실린더 클러스터 그리고 포트형성 부재 사이에서 정확한 상대 회전 비율이 있도록 하는 것을 보장한다.

크랭크 샤프트(28)로부터 배치되어 있으며 크랭크 샤프트(28)의 일체형 일부분을 형성하거나 크랭크 샤프트(28)에 고정될 수 있는 동적인 균형추(24, 42)는 축방향 피스톤 기계의 피스톤(6), 커넥팅 로드(12), 왕복운동기관(16) 및 짐벌(36, 40)에 의해 발생된 관성력 및 모멘트의 동적인 밸런스를 이루는데 기여한다.

한 예로서 도 4에 도시되어 있는 짐벌 아암(102, 104)과 같은 짐벌 아암을 포함하는 왕복운동기관 회전 제한기는, 실린더 클러스터(8)가 크랭크 샤프트(28) 둘레로 회전하는 것과 같이 왕복운동기관(16)이 크랭크 저널(34) 둘레로 동일한 각속도로 회전하도록 왕복운동기관(16)과 실린더 클러스터(8)의 상대 회전을 제한하기 위해서 축방향 피스톤 기계에 사용될 수 있다. 또한 왕복운동기관 회전 제한기는 예를 들면 실린더(4) 내의 피스톤(6)에 작용하는 측방향의 부하를 통해서 다른 방식으로 반작용될 수 있는 크랭크 샤프트(28)로부터의 출력 회전 또는 크랭크 샤프트(28)로의 입력 회전에 대해 필요한 회전 반작용을 제공한다.

왕복운동기관 회전 제한기는 각각의 피스톤(6)이 피스톤(6)에 연결되어 있는 복수의 회전 자유도(예를 들면, 완전 3-축 회전 자유도)를 가진 피벗 조인트(10) 및 왕복운동기관(16)에 연결되어 있는 복수의 회전 자유도를 가진 다른 피벗 조인트(20)를 가지고 있는 커넥팅 로드(12)를 사용하는 것을 가능하도록 한다. 왕복운동기관 회전 제한기는 각각 자유롭게 피벗운동할 수 있는 커넥팅 로드(12)의 왕복운동기관 단부 부착 조인트(20) 및 피스톤 단부 부착 조인트(10)가 언제라도 서로에 대해 회전적으로 크게 앞서거나 뒤쳐지지 않도록 하는 것을 보장한다. 다시 마해서 왕복운동기관 회전 제한기는 크랭크 샤프트 축(30)을 중심으로 실린더 클러스터와 왕복운동기관의 회전을 실질적으로 동기화시키는 회전 동기화 기구이다.

도 4를 참고하면, 상기 회전 제한기는 실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104)을 포함하는 것이 바람직하다. 실린더 짐벌 아암(102)은 실린더 클러스터(8)에 장착되어 있다. 이 실린더 짐벌 아암(102)은 C 지점에서 크랭크 샤프트 축(30)을 수직으로 통과하는 회전축(46)을 가진 베어링에 의해 실린더 클러스터(8)에 피벗가능하게 장착되어 있다. 왕복운동기관 짐벌 아암(104)은 왕복운동기관(16)에 장착되어 있다. 이 왕복운동기관 짐벌 아암(104)은 R 지점에서 경사진 크랭크 축(32)을 수직으로 통과하는 회전축(48)을 가진 베어링 등에 의해 왕복운동기관(16)에 피벗가능하게 장착되어 있다.

실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104)은 짐벌 링크 조인트(691)에 의해 서로 연결되어 있고, 상기 짐벌 링크 조인트(691)는 실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104)이 공통의 T 지점을 중심으로 3개의 축으로 서로에 대해 상대적으로 회전할 수 있게 한다. T 지점은 C 지점 및 R 지점으로부터 동일한 거리에 있다. X 지점도 C 지점 및 R 지점으로부터 동일한 거리에 있다.

도 4a에 등각 투영 단면도로 보다 상세하게 도시된 짐벌 링크 조인트(691)는 복합 구면 베어링 및 미끄럼 베어링 중간 보디(38)를 포함하고 있고, 이 중간 보디(38)에서 함께 하나의 회전 베어링(이 단일 회전 베어링은 대체로 큰 진동식 회전에 더 적합함)을 포함하는 내측 플레인 저널(45) 및 스러스트 베어링(41, 43)은 제 1 회전축(39)을 가지고 있다. 이 회전축(39)은 왕복운동기관 피벗축(48)을 중심으로 하는 왕복운동기관 짐벌(36)의 회전으로 X 지점에 대해 약간 이동하지만, 이 회전축(39)은 끝부분(tip)에서 다른 축을 중심으로 하는 회전을 감소시키기 위해서 X 지점으로부터 대략 최소의 편차를 가지도록 향해있는 것이 바람직하다. 상기 하나의 회전 베어링은 짐벌 링크 조인트의 베어링들의 가장 큰 범위의 회전을 받고, 이 가장 큰 회전은 제 1 회전축(39)을 중심으로 일어난다. 상기 중간 보디(38)의 외측 구면 베어링(47)은 상기 하나의 회전 베어링에 의해 수용되지 않은 비교적 작은 나머지 회전을 받는다. 짐벌 링크 조인트(37)에서의 제 1 회전축(39) 및 2개의 다른 직교하는 회전축의 각각을 중심으로 하는 회전의 상대적인 크기는 아래에서 설명할 도 5 및 도 5a에 나타나 있다.

왕복운동기관에 고정된 기준계에서, 짐벌 링크 조인트(691)의 제 1 회전축(39)(도 4a에 단면도로 도시되어 있음)은 X 지점 주위로 약간 이동하여 X 지점 근처를 지나고 항상 X 지점을 통과하는 것은 아니다.

도 6에 도시된 숫자 8자 형상의 이동(799)은 왕복운동기관 축(32) 상에 있지 않은 순수한 등속 왕복운동기관(실린더 클러스터에 대한)의 임의의 고정 지점 F를 나타낸다. 상기 고정 지점(가상의 구 SS 상의)이 왕복운동기관 축(32)이 X 지점에서 수직으로 교차하는 평면 상에 있으면, 상기 숫자 8자는 2개의 대칭축에 대해 완전히 대칭을 이룬다.

도 4는 회전 제한 짐벌의 기본적인 기하학적 구조를 나타내고 있다. 이러한 구성의 기하학적 구조는 단 한 쌍의 짐벌 아암만이 제공되는 것을 허용한다. 바람직한 복수 쌍의 짐벌 아암은, 예를 들면, 도 7에 도시되어 있다. 도 4a에 도시되어 있는 것과 같은 팁 조인트는 실린더 클러스터 및 왕복운동기관의 힌지 축이 상기 크랭크 샤프트 축(30) 및 경사진 크랭크 축(32)과 각각 일치하지 않기 때문에 복수 쌍의 짐벌 아암에 대해 적합하지 않을 수 있다.

도 4를 참고하면, T 지점에서 2개의 짐벌 아암(102, 104) 사이의 짐벌 링크 조인트(51)는 구면 미끄럼 베어링으로 될 수 있다. 구면 미끄럼 베어링의 큰 진폭, 높은 진동수, 큰 부하의 진동성 작동과의 대체적인 상반성(incompatibility)으로 인해 이것은 바람직한 해결방안은 아니다.

경사진 크랭크 축(32)은 크랭크 샤프트 축(30)과 X 지점에서 경사 각도인 예각 A로 교차하고, 경사진 크랭크 축(32)은, 왕복운동기관 짐벌 피벗축(48)이 경사진 크랭크 축(32)과 수직으로 교차하는 R 지점이 크랭크 샤프트 축(30)을 중심으로 원형 경로 P로 선회하도록 크랭크 샤프트 축(30)을 중심으로 크랭크 샤프트(28)와 동시에 회전한다. 실린더 짐벌 피벗축(46)은 C 지점에서 크랭크 샤프트 축(30)과 수직으로 교차하고, 실린더 클러스터(8)에 대하여 고정된 채로 남아 있다. T 지점은 C 지점 및 R 지점으로부터 동일한 거리에 있고, X 지점도 C 지점 및 R 지점으로부터 동일한 거리에 있다. T 지점과 C 지점 사이의 라인은 C 지점에서 실린더 짐벌 피벗축(46)에 수직으로 뻗어 있다. T 지점과 R 지점 사이의 라인은 R 지점에서 왕복운동기관 짐벌 피벗축(48)에 수직으로 뻗어 있다. 이러한 기하학적인 제한사항으로 인해 T 지점이 항상 정중면에 놓인다. 복수의 아암 짐벌과 관련하여, 정중면(M)이 도 3에 도시되어 있으며 X 지점에서 크랭크 샤프트 축(30)과 경사진 크랭크 축(32) 사이의 우각(reflex angle)을 2등분한다. 다시 말해서, 정중면(M)은 예각 A를 2등분하는 라인이 직교하게 되며 X 지점을 통과하는 평면이다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이 회전 제한 짐벌(102, 104)은 크랭크 샤프트 축(30) 및 경사진 크랭크 축(32)을 각각 통과하고 크랭크 샤프트 축(30) 및 경사진 크랭크 축(32)에 각각 수직인 짐벌 피벗 축(46, 48)을 가지고 있을 필요가 없다. T 지점이 정중면(M)에 남아있는 한 짐벌 피벗 축(46, 48)은 정중면(M)에서 정확히 거울상이 되고 실린더 클러스터(8)에 대한 왕복운동기관(16)의 원하는 등속 회전 제한이 유지된다.

도 5는 짐벌 링크 조인트(691)의 T 지점에서 만나는 3개의 직교하는 회전축 i,j,k 각각의 둘레로의 실린더 짐벌(102)과 왕복운동기관 짐벌(104) 사이의 상대 회전 각도의 예를 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 예에서, 그래프상의 제 1 피벗축(i)(도 4a의 피벗축(39)과 동일)은 이동 범위의 전체에 걸쳐서 제 1 피벗축(i)과 X 지점 사이의 평균 거리가 대략 최소화되도록 짐벌에 대하여 배향되어 있다. 그래프상의 제 2 피벗축(j)은 실린더 짐벌 피벗축(46)에 평행하고, 비교적 작은 진폭을 가지고 있다. 도 5의 그래프의 제 3 피벗축(k)은 제 1 피벗축(i) 및 제 2 피벗축(j) 양자에 대해 수직이고 매우 작은(그러나 영(zero)은 아님) 진폭을 가지고 있다. 도 5a는 30도, 90도 및 180도의 크랭크 샤프트 회전으로 표시된 3개의 연속적인 기하학적 구성의 짐벌의 등각 투영도로서, 크랭크 샤프트 회전이 0도이면 T 지점이 X 지점에 가장 멀어지는 순간이고, 크랭크 샤프트 회전은 도 5의 가로 좌표에 대응한다.

도 3은 실린더가 엔진에 대해 대칭적으로 배열되어 있는 경우의 실린더의 갯수와 동일한 갯수의 짐벌 아암 쌍을 가진 복수의 아암의 회전 제한 기구를 도시하고 있다. 각 쌍의 짐벌 아암은 실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104)으로 구성되어 있다. 실린더 짐벌 아암(102)은 실린더 클러스터(8)의 일부분으로 형성되거나 실린더 클러스터(8)에 부착된 연장부(108)의 실린더 아암 힌지 축(Cl) 상에 피벗가능하게 장착되어 있다. 이러한 피벗식 장착은 실린더 아암 힌지 축(Cl)을 따르는 임의의 운동을 제한하면서 실린더 짐벌 아암(102)이 크랭크 샤프트 축에 수직인 축을 중심으로 실린더 클러스터(8)에 대하여 회전가능하게 한다. 왕복운동기관 짐벌 아암(104)은 왕복운동기관(16)의 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축(Rl) 상에 피벗가능하게 장착되어 있고, 이러한 피벗식 장착은 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축(Rl)을 따르는 임의의 운동을 방지하면서 왕복운동기관 아암(104)이 크랭크 축에 수직인 축을 중심으로 왕복운동기관(16)에 대하여 회전가능하게 한다.

각 쌍의 실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104)은 T1 지점에서 교차하는 3개의 회전 자유도를 가지는 유니버설 팁 조인트에 의해 서로 연결되어 있다. 비록 3 개의 교차하는 회전 자유도를 가지는 다른 팁 조인트 구성이 보다 유용할 수 있지만, 도 3의 경우에 있어서 구면 베어링은 단순성을 위해 사용된다. 팁 조인트의 T1 지점은 짐벌 아암 쌍의 피벗 힌지 축(Rl, Cl)의 각각으로부터 동일한 거리에 있고 작동시에 모든 짐벌 아암 쌍에 대한 팁 조인트 Tl의 궤적은 도 3에서 도면의 평면에 대해 수직인 방향으로 놓여있는 정중면(M)에 항상 놓인다. 이것은, 복수의 짐벌 아암 회전 제한 시스템의 등속 작동을 보장하기 위해서, 각각의 짐벌 아암 쌍의 피벗 힌지 축(Rl, Cl)이 정중면(M)에 대해 서로 정확히 거울상이 되고, 다시 말해서 실린더 짐벌 아암 힌지 축(Cl)이 크랭크 샤프트 축(30) 및 X 지점으로부터 떨어진 거리가 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축(Rl)이 크랭크 축(32) 및 X 지점 각각으로 떨어진 거리와 정확히 동일해야 한다는 것을 의미하고 또한 필요로 한다.

도 3의 제한 기구의 모든 실린더 짐벌 아암 힌지 축 및 모든 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축은 크랭크 샤프트 축(30) 및 크랭크 축(32)을 중심으로 각각 회전 대칭으로 위치되어 있고, 복수의 아암 회전 제한의 보다 콤팩트한 실시를 가능하게 하기 위해서 도면에 도시된 바와 같이 커넥팅 로드(12)가 왕복운동기관(16)에 대해 피벗하는 상기 왕복운동기관 단부 부착 조인트(20)들 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 각각의 아암이 힌지 마운트에 대해 상당한 모멘트 및 관성 부하를 가할 때 실린더 짐벌 아암 힌지 축의 베어링 및 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축의 베어링은 힌지 축에 평행한 방향 및 수직한 방향으로 가해진 상당한 부하를 수반한 작동을 견딜 수 있어야 하고, 특히 상기 모멘트는 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축들 중의 하나를 형성하는 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 베어링(106)의 예로 도시되어 있는 것과 같이 힌지 축을 형성하는 베어링들 사이에서 비교적 큰 축방향의 간격을 필요로 한다.

필요한 전체 회전 제한은 복수 쌍의 짐벌 아암 사이에서 분담하게 되므로, 개별 아암 및 베어링은 전체 부하의 일부만 부담할 필요가 있고 결과적으로 개별 아암 및 베어링이 부담하는 부하는 한 쌍의 짐벌 아암에 대한 것보다 개별적으로 더 작아질 수 있다. 실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104) 등과 같은 복수 쌍의 짐벌 아암 사이에서 전제 회전 제한을 분담하는 것을 보장하기 위하여, 힌지 축(Rl) 또는 힌지 축(Cl) 각각에 평행한 Tl 지점에 가해진 부하에 따라 실린더 짐벌 아암(102) 및 왕복운동기관 짐벌 아암(104) 자신의 약간 만곡된 형태로, 또는 대체 실시형태로서 상기 아암의 힌지 축(Rl) 또는 힌지 축(Cl) 각각의 스러스트 베어링에 있어서 작은 양의 스프링식 축방향 컴플라이언스의 형태로 또는 대체 실시형태로서 실린더 클러스터(8)의 일부분으로서 형성되거나 실린더 클러스터(8)에 부착된 연장부(108) 상에서의 실린더 아암 힌지 축(Cl)의 작은 양의 컴플라이언스의 형태로 작은 정도의 컴플라이언스(compliance)가 유용할 수 있다.

상기 아암 쌍의 회전 대칭적인 배치는 3개 이상의 아암 쌍을 가진 엔진에 대해서 상기 아암의 운동에 의해 발생된 관성력 및 모멘트가 크랭크 샤프트에 부착된 적절한 균형추에 의해 거의 완전히 밸런스를 이룰 수 있고, 이로 인해 진동이 작은 엔진이 될 수 있다는 것을 의미한다. 힌지 축(Cl, Rl)을 크랭크 샤프트 축(30) 및 크랭크 축(32) 각각으로부터 반경방향 바깥쪽으로 오프셋시킴으로써 왕복운동기관(16), 왕복운동기관의 베어링(14, 22) 및 크랭크 샤프트 전방 균형추(42)의 구조에 유용한 공간이 더 많아지게 된다.

도 7은 3개의 독립된 교차하는 회전 자유도를 가진 복합 조인트를 대신 이용하는 복수 쌍의 아암용 유니버설 팁 조인트의 대체 설계형태를 가진 도 3의 엔진과 완전히 동일한 엔진을 나타내고 있다. 크랭크 샤프트(28) 및 5개의 아암 쌍(그중의 2개는 다른 짐벌 아암 쌍의 바로 뒤에 있어서 도면상으로 완전히 보이지 않음)을 제외한 모든 컴포넌트는 명료함을 기하기 위해서 도시되어 있지 않다. 실린더 아암(112)은 상호보완적인 실린더 클러스터 마운트(108)(도시되어 있지 않음)에서 작동하는 2개의 동축 레이디얼 베어링(114) 및 스러스트 베어링(116) 상에서 실린더 아암 힌지 축(C3)을 중심으로 피벗운동한다. 실린더 아암(112)은 위치 120 및 위치 122에서 2개의 축방향으로 분리된 베어링 상에서 실린더 아암(112)에 대해 V3 축을 중심으로 회전하는 상호보완적인 실린더 아암 포크형 관절(118)을 포함하고 있고, 상기 2개의 축방향으로 분리된 베어링은 실린더 아암(112)에 대해 V3 축을 따라서 실린더 아암 포크형 관절(118)의 축방향의 운동을 제한한다. 왕복운동기관 아암(124)은 왕복운동기관(16)(도시되어 있지 않음) 내에서 작동하는 2개의 동축 레이디얼 베어링(126) 및 스러스트 베어링(128) 상에서 왕복운동기관 아암 힌지 축(R3)을 중심으로 피벗운동한다. 왕복운동기관 아암(124)은 위치 132 및 위치 134에서 2개의 축방향으로 분리된 베어링 상에서 왕복운동기관 아암(124)에 대해 U3 축을 중심으로 회전하는 상호보완적인 왕복운동기관 아암 클레비스 관절(130)을 포함하고 있고, 상기 2개의 축방향으로 분리된 베어링은 왕복운동기관 아암(124)에 대해 U3 축을 따라서 왕복운동기관 아암 클레비스 관절(130)의 축방향의 운동을 제한한다. 실린더 아암 포크형 관절(118) 및 왕복운동기관 아암 클레비스 관절(130)은 U3 축과 V3 축에 수직인 팁 힌지 축(W3)을 중심으로 서로에 대해 회전가능하게 하는 레이디얼 베어링 및 스러스트 베어링에 의해 포크 및 클레비스(fork-and-clevis) 타입의 관절 피벗으로 서로 연결되어 있다. 3개의 축 U3, V3, W3 모두는 정중면(M)(도시되어 있지 않음)에 놓여 있는 팁 조인트 지점(T3)에서 교차한다. 도 7에서 볼 수 있는 2개의 다른 짐벌 아암 쌍에 대해서, Cl, C2는 실린더 아암 힌지 축이고; Rl, R2는 왕복운동기관 아암 힌지 축이고; Wl, W2는 짐벌 아암 팁 힌지 축이고; Vl, V2는 실린더 아암 포크형 관절 회전축이고; Ul, U2는 왕복운동기관 아암 클레비스 관절 회전축이다. Tl, T2는 팁 조인트 지점이다.

아암 베어링은 구름 요소 또는 미끄럼 베어링으로 될 수 있지만, 미끄럼 베어링이 사용되는 경우, 몇 가지 경우에 있어서 베어링의 마찰 및 마모를 줄이기 위해서 플로우팅 부시 및/또는 스러스트 와셔를 사용할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시된 실시예에서 관절 피벗은 다른 짐벌 아암 베어링보다 더 큰 범위의 각운동을 받으므로 플로우팅 베어링의 사용이 상당히 유용할 수 있다.

본 발명의 축방향 피스톤 기계는 반드시 각각의 실린더(4)의 실린더 축(2)이 평행한 것으로 제한되는 것은 아니다. 실제로 실린더는 크랭크 샤프트 축(30)에 대해 비스듬한 각도의 축을 가질 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에서는 하나의 편중된 모드로 작동하는 축방향 피스톤 기계를 기술하였지만, 본 발명의 축방향 피스톤 기계는 크랭크 샤프트(28) 및 크랭크 샤프트 축(30) 상에 공통의 왕복운동기관(16)을 공유하며 실질적으로 반대 방향으로 작용하도록 배치된 2개 군의 피스톤(6) 및 실린더(4)을 가지도록 사용될 수 있다. 본 발명의 축방향 피스톤 기계는 고정된 실린더 클러스터 배치를 가질 수 있다. 도 3에 도시되어 있는 실린더 클러스터(8), 실린더 크레이들(18) 및 모든 다른 컴포넌트는 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이 유체 포트구조 요건을 용이하게 하기 위해서 베어링 내에 장착되어 크랭크 샤프트 축(30)을 중심으로 회전할 수 있다.

본 명세서에 기술된 기계 또는 엔진은 여러 장점을 제공할 수 있는 다른 특징을 포함할 수 있다. 이러한 특징은 뉴질랜드 특허공보 NZ 560586호 및 NZ 560587호의 명세서에 기술되어 있다.

본 명세서에서 "크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전" 과 같이 "...을 중심으로 회전" 이라는 표현은, 예를 들면 크랭크 샤프트 축을 중심으로 한 번의 완전한 회전 또는 복수의 회전 또는 부분적인 회전을 지칭하는 것을 의미하는 것으로 이해할 수 있다. 본 발명의 엔진 또는 기계는 3개 이상의 실린더가 바람직하기는 하지만, 임의의 갯수의 실린더로 구성될 수 있다. 상기 기계가 내연기관으로 작동하는 경우, 상기 포트를 통과하는 유체는 연료 및/또는 연료/공기 혼합물이 될 수 있다.

본 명세서에서 실린더 클러스터는 내부에 형성된 원통형 보어를 가지고 있는 실린더 블록으로 될 수 있다. 대체 실시형태로서 실린더 클러스터는 프레임등에 의해 서로 고정되어 있는 별개의 실린더로 이루어질 수 있다. 본 발명이 내연기관으로 작동하도록 제공되는 경우에 각각의 실린더는 연소실을 형성한다.

Claims

열역학적 엔진, 압축기, 모터 또는 펌프로서 작용하는 축방향 피스톤 기계로서,
크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능하며 경사진 크랭크 축을 가진 크랭크 저널을 지지하는 크랭크 샤프트,
서로에 대해 견고하게 배치된 적어도 2개의 실린더를 포함하고 있고, 각각의 실린더는 실린더 클러스터 축 둘레로 다른 실린더(들)에 대해 이격되어 있고, 각각의 상기 실린더는 상기 실린더로의 또는 상기 실린더로부터의 유체 유입 및/또는 유출을 허용하는 적어도 하나의 실린더 개구를 포함하고 있는, 실린더 클러스터,
각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동 축을 따라서 왕복운동하는 각각의 실린더 내에 있는 상호보완적인 피스톤,
상기 경사진 크랭크 축을 중심으로 상기 크랭크 저널 둘레로 회전하도록 장착된 왕복운동기관, 및
크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이의 상대 운동을 제한하도록 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이에서 작동하는 적어도 하나의 회전 제한기를 포함하고 있고,
상기 경사진 크랭크 축은 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 크랭크 샤프트 상의 한 지점(X 지점)에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있고,
상기 왕복운동기관은, 실린더 클러스터에 대한 크랭크 샤프트의 회전 운동이 각각의 실린더 내에서 피스톤의 왕복운동을 구동시키거나 그 반대로 각각의 실린더 내에서 피스톤의 왕복운동이 실린더 클러스터에 대한 크랭크 샤프트의 회전 운동을 구동시키도록 하고, 또한 실린더 클러스터에 대한 크랭크 샤프트의 회전 운동이 각각의 실린더 내의 각각의 피스톤의 왕복운동 변위를 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 일정하게 제어하도록 상기 피스톤과 상기 크랭크 저널을 작동가능하게 연결하고,
각각의 상기 회전 제한기는 2개의 짐벌 아암으로 구성되어 있고, 상기 짐벌 아암은 T 지점에서 교차하는 복수의 회전 자유도를 가진 짐벌 링크 조인트에 의해 서로 연결되어 있고, T 지점은, X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면(M)에 놓여 있고, 각각의 상기 짐벌 아암은 T 지점로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 "실린더 짐벌" 이라고 칭하는 제 1 짐벌은 상기 실린더 클러스터로부터 실린더 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 아암 중에서 "왕복운동기관 짐벌" 이라고 칭하는 제 2 짐벌은 상기 왕복운동기관으로부터 왕복운동기관 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 X 지점과 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 위치되어 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T 지점이 놓여 있는 평면에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트 축과 교차하거나 교차하도록 돌출하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 4 항에 있어서, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축에 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓이지 않는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 크랭크 축이 놓이는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 축은 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T 지점이 놓여 있는 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 R 지점에서 상기 크랭크 축과 교차하거나 교차하도록 돌출하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 5 항 또는 제 6 항을 인용하는 경우의 제 11 항에 있어서, R 지점은 크랭크 축 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 12 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축에 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 7 항 또는 제 8 항을 인용하는 경우의 제 11 항에 있어서, R 지점은 크랭크 축 상에 놓이지 않는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 14 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 축은 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 4 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 R 지점은 C 지점과 마찬가지로 X 지점 및 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 T 지점은 항상 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 짐벌 아암은 각각 2개의 단부를 가지고 있는데, 각각의 피벗축이 있는 곳 또는 그 근처에 있는 단부는 근위 단부이고 T 지점 또는 그 근처에 있는 단부는 원위 단부인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관은 상기 크랭크 저널 둘레로 왕복운동기관 베어링으로부터 이격된 상기 크랭크 저널을 따라서 2개의 축방향으로 회전하도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 18 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터에 가장 가까운 상기 왕복운동기관 베어링은 상기 실린더 클러스터에 가장 먼 다른 왕복운동기관 베어링보다 X 지점에 더 가까운 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 짐벌 링크 조인트는 상기 왕복운동기관 짐벌과 상기 실린더 짐벌을 서로 연결하고, 상기 짐벌 링크 조인트는 T 지점에서 교차하고 상기 왕복운동기관 짐벌 및 상기 실린더 짐벌을 등속 회전 제한에 대해 요구되는 방식으로 제한하지 않고 서로에 대해 회전할 수 있게 하는 2개의 회전 자유도를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 20 항에 있어서, 상기 짐벌 링크 조인트는 미끄럼 베어링 또는 구름 베어링에 의해 상기 회전 자유도를 제공하고, 상기 짐벌 링크 조인트의 제 1 회전축은 C 지점과 T 지점 사이에서 상기 라인과 만나고, 상기 짐벌 링크 조인트의 제 2 회전축은 R 지점과 T 지점 사이에서 상기 라인과 만나고, 상기 2개의 축 사이에 형성된 각도는 상기 실린더 짐벌 피벗축이 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트의 축과 교차하도록 장착되고 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 R 지점에서 상기 경사진 크랭크 축과 교차하도록 장착될 때의 주어진 각도 A에 대해 변하지 않는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터는 작동시에, 포트형성 부재에 의해 형성된 입구/출구 포트에 의해 상기 실린더 클러스터의 유체 소통을 가능하게 하기 위해서 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 고정 기준계에 대해 회전하고, 크랭크 샤프트의 회전시에 포트형성 부재에 대하여 실린더 클러스터를 회전시키거나, 반대로, 포트형성 부재에 대해 실린더 클러스터의 회전시에 크랭크 샤프트를 회전시키는 인덱싱 드라이브가 크랭크 샤프트와 실린더 클러스터 사이의 작동 결합에 제공되고, 상기 포트형성 부재는 고정 기준계에 대해 고정인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관은 상기 크랭크 샤프트 및 상기 크랭크 저널 각각에 대하여 동일한 각속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 22 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관은 상기 포트형성 부재에 대해 상기 크랭크 샤프트 및 상기 크랭크 저널 각각에 대하여 동일한 각속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덱싱 드라이브는 상기 크랭크 샤프트와 상기 실린더 클러스터 사이에서 작동하는 유성 기어장치인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 22 항 또는 제 25 항에 있어서, 상기 유성 기어장치는 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전하도록 상기 크랭크 샤프트에 장착된 태양 기어, 상기 실린더 클러스터에 작동가능하게 연결되어 있으며 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능한 환형 기어, 그리고 상기 태양 기어와 환형 기어의 중간에서 회전하고 작동하기 위해 상기 포트형성 부재에 대해 유지된 회전축 상에 장착된 적어도 하나의 유성 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 26 항에 있어서, 상기 태양 기어, 환형 기어 및 유성 기어(들)은 모두 서로에 대해 평행한 기어 축을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 실린더 클러스터에 대한 실린더 짐벌의 유일한 피벗축이고 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 왕복운동기관에 대한 왕복운동기관 짐벌의 유일한 피벗축인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 피스톤의 상기 왕복운동축은 크랭크 샤프트 축에 평행한 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 클러스터는 3개 이상의 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 30 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터의 상기 3개 이상의 실린더는 동일하고 상기 크랭크 샤프트 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있어서 상기 크랭크 샤프트가 상기 실린더 클러스터에 대해 일정한 속력으로 회전할 때 상기 피스톤에 의해 보유된 전체 운동 에너지는 비교적 작은 양만큼 변하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 피스톤은 각각의 상기 피스톤을 위한 커넥팅 로드에 의해 상기 왕복운동기관에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 32 항에 있어서, 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동을 왕복운동기관의 진동운동으로 전환하고 반대로 왕복운동기관의 진동운동을 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동으로 전환할 수 있도록 각각의 상기 커넥팅 로드는 상기 왕복운동기관과 각각의 상기 피스톤 사이에 2개 이상의 회전 자유도를 제공하고 병진자유도는 제공하지 않는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2 쌍의 짐벌 아암이 제공되는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 33 항에 있어서, 상기 한 쌍의 짐벌 아암은 각각의 커넥팅 로드 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 33 항에 있어서, 짐벌 아암 쌍의 갯수는 상기 실린더 클러스터의 실린더의 갯수와 일치하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
열역학적 엔진, 압축기, 모터 또는 펌프로서 작용하는 축방향 피스톤 기계로서,
크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능하며 경사진 크랭크 축을 가진 크랭크 저널을 지지하는 크랭크 샤프트,
서로에 대해 견고하게 배치된 적어도 2개의 실린더를 포함하고 있고, 각각의 실린더는 실린더의 단면과 일치하는 단면을 각각 가지고 있으며 각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동축을 따라서 각각 왕복운동하는 상호보완적인 피스톤을 포함하고 있고, 각각의 상기 실린더는 적어도 하나의 밸브가 형성된 입구/출구 포트와 유체 연통되어 있는, 실린더 클러스터,
각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동 축을 따라서 왕복운동하는 각각의 실린더 내에 있는 상호보완적인 피스톤,
상기 경사진 크랭크 축을 중심으로 상기 크랭크 저널에 대해 회전하도록 장착된 왕복운동기관, 및
크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터 보디와 상기 왕복운동기관 사이의 상대 회전을 제한하는 적어도 2개의 회전 제한기를 포함하고 있고,
상기 경사진 크랭크 축은 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 X 지점에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있고,
상기 왕복운동기관은, 상기 크랭크 샤프트가 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 각각의 실린더 내의 각각의 피스톤의 필수적인 왕복운동 변위가 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 이루어지도록 각각의 피스톤과 기계적으로 결합되고,
각각의 상기 회전 제한기는 왕복운동기관과 실린더 클러스터 사이를 연결하는 한 쌍의 짐벌 아암으로 구성되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 제 1 짐벌 아암은 상기 실린더 클러스터에 피벗가능하게 연결되어 있으며 상기 크랭크 샤프트 축에 대해 경사진(상기 크랭크 샤프트 축과 반드시 교차할 필요는 없음) 실린더 짐벌 힌지 축 중심으로만 피벗가능한 실린더 짐벌 아암이고, 상기 짐벌 아암 중에서 제 2 짐벌 아암은 상기 왕복운동기관에 피벗가능하게 연결되어 있으며 상기 경사진 크랭크 축에 대해 경사진(상기 경사진 크랭크 축과 반드시 교차할 필요는 없음) 왕복운동기관 짐벌 힌지 축 중심으로만 피벗가능한 왕복운동기관 짐벌 아암이고, 각각의 상기 한 쌍의 짐벌 아암의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암 및 상기 실린더 짐벌 아암은 T1 지점에서 교차하는 3개의 회전 자유도를 가지고 있는 짐벌 아암 팁 링크에 의해 서로 연결되어 있고, T1 지점은 각각의 짐벌 아암 힌지 축으로부터 동일한 거리에 있고, 또한 X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면에 항상 놓여 있고, 각각의 한 쌍의 짐벌 아암에 대한 힌지 축의 방향은 정중면에 대해서 상기 힌지 축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 상기 왕복운동기관의 등속 제한이 보장되는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항에 있어서, 모든 상기 실린더 짐벌 아암은 상기 크랭크 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있고 모든 상기 왕복운동기관 짐벌 아암은 상기 크랭크 샤프트 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 또는 제 38 항에 있어서, 3개 이상의 회전 제한기가 제공되는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 39 항에 있어서, 회전 제한기의 갯수는 실린더 클러스터의 실린더의 갯수와 일치하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 실린더 짐벌 아암은, 실린더 짐벌 아암에 의해 발생된 전체 관성력이 대체로 상기 크랭크 샤프트 축에 대해 반경방향으로 밸런스를 이루도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암은, 왕복운동기관 짐벌 아암에 의해 발생된 전체 관성력이 대체로 상기 크랭크 축에 대해 반경방향으로 밸런스를 이루도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 제한기는, 회전 제한기에 의해 발생된 전체 관성력 및 모멘트가 크랭크 샤프트의 회전하는 기준계에 대해 크기와 방향에 있어서 대체로 일정하고 상기 크랭크 샤프트에 적절한 균형추를 부가하는 것에 의해 대체로 밸런스를 이룰 수 있도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 T1 지점이 놓여 있는 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축에 수직이고 T1 지점을 통과하는 라인은 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 돌출하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓이지 않는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 크랭크 축이 놓이는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 축은 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T1 지점이 놓여 있는 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 R 지점에서 상기 크랭크 축과 교차하도록 돌출하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 51 항에 있어서, R 지점은 크랭크 축 상에 놓이지 않는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 51 항 또는 제 52 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 축은 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 46 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 R 지점은 C 지점과 마찬가지로 X 지점 및 T1 지점으로부터 각각 동일한 거리에 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 T 지점은 항상 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장하는 것을 특징으로 하는 축방향 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 55 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 실린더 짐벌 아암에 대해서, 상기 실린더 짐벌 아암 힌지 축은 T1 지점 보다 크랭크 샤프트 축에 더 가까운 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 55 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 실린더의 상기 왕복운동축은 크랭크 샤프트 축에 평행하고 바람직하게는 상기 실린더 클러스터가 3개 이상의 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3개 이상의 실린더는 동일하고 상기 크랭크 샤프트 축 둘레로 동일한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관과 각각의 피스톤과의 기계적인 결합은 상기 왕복운동기관으로부터의 연장부 또는 상기 왕복운동기관의 일부분인 커넥팅 로드에 의해 이루어지고 바람직하게는 상기 왕복운동기관과 상기 피스톤을 연결하는 각각의 상기 커넥팅 로드는 2개 이상의 회전 자유도는 가지면서 병진자유도는 가지고 있지 않고 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동을 왕복운동기관의 진동운동으로 전환하고 반대로 왕복운동기관의 진동운동을 각각의 실린더에 대한 피스톤의 직선 왕복운동으로 전환할 수 있도록 충분한 자유도를 제공하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관은 왕복운동기관 베어링으로부터 이격된 상기 크랭크 저널을 따라서 2개의 축방향으로 회전하도록 장착되어 있고, 상기 왕복운동기관의 보디는 상기 왕복운동기관 베어링들 사이에 걸쳐있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 59 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터에 가장 가까운 상기 왕복운동기관 베어링은 상기 실린더 클러스터에 가장 먼 왕복운동기관 베어링보다 X 지점에 더 가까운 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 회전 제한기는 동일한 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 61 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관은 상기 왕복운동기관과 상기 피스톤의 중간에 뻗어 있는 커넥팅 로드를 통하여 상기 피스톤에 연결되고, 상기 회전 제한기 갯수는 상기 실린더 클러스터의 실린더의 갯수와 동일하고 상기 회전 제한기는 인접한 커넥팅 로드와 커넥팅 로드 사이의 공간에 장착되는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 짐벌 아암 쌍의 상기 짐벌 아암 팁 링크는 구면 베어링인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 63 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상기 짐벌 아암 팁 링크는 T1 지점에서 회전축이 교차하는 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 64 항에 있어서, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 1 피벗 조인트는 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하고, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 2 피벗 조인트는 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 실린더 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하고, 각각의 상기 짐벌 아암 쌍의 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 3 피벗 조인트는 상기 제 1 피벗 조인트 및 제 2 피벗 조인트와 서로 수직인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 64 항에 있어서, 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 1 피벗 조인트는 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 왕복운동기관 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하며 2개의 축방향으로 분리된 레이디얼 베어링 및 1개의 양방향 스러스트 베어링으로 이루어져 있고, 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 2 피벗 조인트는 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 수직이고 실린더 짐벌 아암 힌지 축과 교차하거나 실린더 짐벌 아암 힌지 축에 가까이 접근하며 2개의 축방향으로 분리된 레이디얼 베어링 및 1개의 양방향 스러스트 베어링으로 이루어져 있고, 상기 3개의 비평행 단일 회전 자유도 피벗 조인트 중의 제 3 피벗 조인트는 상기 제 1 피벗 조인트 및 제 2 피벗 조인트와 서로 수직이며 1개 이상의 레이디얼 베어링 및 1개의 양방향 스러스트 베어링으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 66 항에 있어서, 상기 단일 회전 자유도 피벗 조인트의 스러스트 베어링 및/또는 레이디얼 베어링 및/또는 상기 짐벌 아암 힌지 축 피벗 중의 하나 이상은 양자의 짐벌 아암 컴포넌트에 대해 회전하고 상기 베어링들을 서로 연결하는 중간 베어링 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 67 항 중 어느 한 항에 있어서, 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이의 피스톤의 이동에 있어서의 피스톤의 적절한 위치에 대응하여 실린더 클러스터의 실린더로 유체를 전달하거나 상기 실린더로부터 유체를 전달할 수 있게 하기 위하여, 상기 실린더 클러스터는 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 고정 기준계에 대하여 회전하도록 장착되어 있고 밸브가 형성된 입구/출구 포트의 각각의 밸브동작은 포트형성 부재에 의해 제어되고, 실린더 클러스터는 상기 포트형성 부재에 대하여 회전하여 상기 입구/출구 포트를 다른 방식으로 밸브가 형성된 입구/출구 포트 밀봉 촉진 포트형성 부재의 포트와 순차적으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 68 항에 있어서, 포트형성 부재에 대하여 실린더 클러스터의 회전을 연동시키기 위하여 인덱싱 드라이브가 제공되어 상기 실린더 클러스터와 상기 포트형성 부재의 중간에서 작용하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 68 항 또는 제 69 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관이 상기 크랭크 샤프트 및 크랭크 저널 각각에 대하여 그리고 상기 포트형성 부재에 대해 상대적으로 동일한 각속도로 회전하도록 상기 회전 제한기가 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이에서 작용하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 37 항 내지 제 69 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 클러스터 및 상기 왕복운동기관의 상기 크랭크 샤프트 및 크랭크 저널 각각에 대한 상대 회전을 제한하기 위하여 각각의 회전 제한기가 상기 실린더 클러스터와 상기 왕복운동기관 사이에서 작용하는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능하며, 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 크랭크 샤프트 상의 한 지점(X 지점)에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있는 경사진 크랭크 축을 가진 크랭크 저널을 지지하는 크랭크 샤프트를 포함하고 있는 Z-크랭크 축방향 피스톤 기계의 왕복운동기관 제한 조립체 또는 상기 Z-크랭크 축방향 피스톤 기계용 왕복운동기관 제한 조립체로서, 실린더 클러스터 보디와 왕복운동기관 사이의 상대 회전을 제한하는 상기 왕복운동기관 제한 조립체에 있어서,
2개의 짐벌 아암을 포함하고 있으며, 상기 짐벌 아암은 T 지점에서 교차하는 복수의 회전 자유도를 가진 짐벌 링크 조인트에 의해 서로 연결되어 있고, T 지점은, X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면(M)에 놓여 있고, 각각의 상기 짐벌 아암은 T 지점로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 "실린더 짐벌" 이라고 칭하는 제 1 짐벌은 상기 실린더 클러스터로부터 실린더 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 아암 중에서 "왕복운동기관 짐벌" 이라고 칭하는 제 2 짐벌은 상기 왕복운동기관으로부터 왕복운동기관 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 X 지점과 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 위치되어 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장하는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 70 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 70 항 또는 제 71 항에 있어서, 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T 지점이 놓여 있는 평면에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 70 항 내지 제 72 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 C 지점에서 상기 크랭크 샤프트 축과 교차하거나 교차하도록 돌출하는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 73 항에 있어서, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 74 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축에 수직인 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서, C 지점은 크랭크 샤프트 축 상에 놓이지 않는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 73 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 샤프트 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 샤프트 축은 실린더 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 77 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 크랭크 축이 놓여 있는 평면에 수직인 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 78 항 중 어느 한 항에 있어서, 크랭크 축은 왕복운동기관 짐벌 피벗축이 수직으로 되고 또한 T 지점이 놓여 있는 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 79 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직이고 T 지점을 통과하는 라인은 R 지점에서 상기 크랭크 축과 교차하거나 교차하도록 돌출하는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 74 항 또는 제 75 항을 인용하는 경우의 제 80 항에 있어서, R 지점은 크랭크 축 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 81 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축에 수직인 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 75 항 또는 제 76 항을 인용하는 경우의 제 80 항에 있어서, R 지점은 크랭크 축 상에 놓이지 않는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 83 항에 있어서, 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 상기 크랭크 축으로부터 오프셋되어 있고 상기 크랭크 축은 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축에 수직인 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 73 항 또는 제 81 항에 있어서, 상기 R 지점은 C 지점과 마찬가지로 X 지점 및 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 T 지점은 항상 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장하는 것을 특징으로 하는 왕복운동기관 제한 조립체.
제 1 항 내지 제 69 항 중 어느 한 항에 있어서, 실린더 클러스터는 홀수개의 실린더를 가지는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 1 항 내지 제 69 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계는 내연기관인 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
열역학적 엔진, 압축기, 모터 또는 펌프로서 작용하는 축방향 피스톤 기계로서,
크랭크 샤프트 축을 중심으로 회전가능하며 경사진 크랭크 축을 가진 크랭크 저널을 지지하는 크랭크 샤프트,
서로에 대해 견고하게 배치된 적어도 2개의 실린더를 포함하고 있고, 각각의 실린더는 실린더의 단면과 일치하는 단면을 각각 가지고 있으며 각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동축을 따라서 각각 왕복운동하는 상호보완적인 피스톤을 포함하고 있고, 각각의 상기 실린더는 적어도 하나의 밸브가 형성된 입구/출구 포트와 유체 연통되어 있는, 실린더 클러스터,
각각의 실린더에 의해 한정된 왕복운동 축을 따라서 왕복운동하는 각각의 실린더 내에 있는 상호보완적인 피스톤,
상기 경사진 크랭크 축을 중심으로 상기 크랭크 저널에 대해 회전하도록 장착된 왕복운동기관, 및
크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터 보디와 상기 왕복운동기관 사이의 상대 회전을 제한하는 적어도 2개의 회전 제한기를 포함하고 있고,
상기 경사진 크랭크 축은 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 X 지점에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있고,
상기 왕복운동기관은, 상기 크랭크 샤프트가 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 각각의 실린더 내의 각각의 피스톤의 필수적인 왕복운동 변위가 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 이루어지도록 각각의 피스톤과 기계적으로 결합되고,
각각의 상기 회전 제한기는 왕복운동기관과 실린더 클러스터 사이를 연결하는 한 쌍의 짐벌 아암으로 구성되어 있고,
상기 짐벌 아암 중에서 제 1 짐벌 아암(이하에서 "실린더 짐벌 아암" 이라 함)은 상기 실린더 클러스터에 피벗가능하게 연결되어 있으며, 상기 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면에 수직이고 한 쪽에서 상기 크랭크 샤프트 축으로부터 일정한 거리만큼 떨어져 있는 실린더 짐벌 힌지 축을 중심으로 피벗가능하여, 상기 실린더 짐벌 아암은 상기 크랭크 샤프트로부터 멀어지게 상기 실린더 짐벌 힌지 축으로부터 돌출되어 있고,
상기 짐벌 아암 중에서 제 2 짐벌 아암(이하에서 "왕복운동기관 짐벌 아암" 이라 함)은 상기 왕복운동기관에 피벗가능하게 연결되어 있으며, 상기 크랭크 축이 놓여 있는 평면에 수직이고 한 쪽에서 상기 크랭크 축으로부터 일정한 거리만큼 떨어져 있는 왕복운동기관 짐벌 힌지 축을 중심으로 피벗가능하여, 상기 왕복운동기관 짐벌 아암은 상기 크랭크로부터 멀어지게 상기 왕복운동기관 짐벌 힌지 축으로부터 돌출되어 있고,
각각의 상기 한 쌍의 짐벌 아암의 상기 왕복운동기관 짐벌 아암 및 상기 실린더 짐벌 아암은 T1 지점에서 교차하는 3개의 회전 자유도를 가지고 있는 짐벌 아암 팁 링크에 의해 서로 연결되어 있고, T1 지점은 각각의 짐벌 아암 힌지 축으로부터 동일한 거리에 있고, 또한 X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면에 항상 놓여 있고, 각각의 한 쌍의 짐벌 아암에 대한 힌지 축의 방향은 정중면에 대해서 상기 힌지 축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대하여 회전할 때 상기 왕복운동기관의 등속 제한이 보장되는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 90 항에 있어서, 실린더 아암 힌지 축은, 서로 동축으로 놓여 있으며 Tl 지점과 상기 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면의 각 면에 위치되어 있는 2개의 이격된 실린더 아암 힌지에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
제 90 항에 있어서, 왕복운동기관 아암 힌지 축은, 서로 동축으로 놓여 있으며 Tl 지점과 상기 크랭크 샤프트 축이 놓여 있는 평면의 각 면에 위치되어 있는 2개의 이격된 실린더 아암 힌지에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 축방향 피스톤 기계.
Z-크랭크 축방향 피스톤 내연기관으로서,
서로에 대해 견고하게 배치된 실린더를 포함하고 있고, 각각의 상기 실린더는 적어도 하나의 작동 유체 전달 포트를 포함하고 있는 적어도 2개의 피스톤을 가진 실린더 클러스터,
상기 실린더 클러스터에 대해 회전가능하며 각이 진 크랭크를 지지하고 있는 크랭크 샤프트,
각각의 실린더의 적어도 하나의 유체 전달 포트를 밀봉시킬 수 있지만, 가끔, 점화 플러그(들) 및/또는 작동 유체 공급 및 제거 설비에 노출되는 포트형성 부재,
사용시에, 상기 실린더 클러스터를 상기 크랭크 샤프트 축을 중심으로 상기 포트형성 부재에 대하여 상사점(TDC)과 하사점(BDC) 사이에서 각각의 실린더의 피스톤의 원하는 이동 범위와 일치하게 시간조절된 회전속도로 회전시키기 위하여 상기 실린더 클러스터와 상기 크랭크 샤프트에서 회전을 전달하는 인덱싱 드라이브, 및
2개의 짐벌 아암을 포함하고 있고,
상기 각이 진 크랭크를 중심으로 피스톤과 기계적으로 연결되어 있는 왕복운동기관이 회전할 수 있고, 상기 각이 진 크랭크는 크랭크 샤프트 축에 대해 경사져 있지만 크랭크 샤프트 상의 한 지점(X 지점)에서 예각 A로 크랭크 샤프트 축과 교차하도록 정렬되어 있는 크랭크 축을 가지고 있고,
상기 포트형성 부재에 대해 실린더 클러스터가 회전할 수 있고,
상기 짐벌 아암은 T 지점에서 교차하는 복수의 회전 자유도를 가진 짐벌 링크 조인트에 의해 서로 연결되어 있고, T 지점은, X 지점을 통과하고 또한 예각 A를 2등분하는 라인이 수직하게 되는 평면으로 정의되는 정중면(M)에 놓여 있고, 각각의 상기 짐벌 아암은 T 지점로부터 동일한 거리(L)에서 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 중에서 "실린더 짐벌" 이라고 칭하는 제 1 짐벌은 상기 실린더 클러스터로부터 실린더 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 짐벌 아암 아암 중에서 "왕복운동기관 짐벌" 이라고 칭하는 제 2 짐벌은 상기 왕복운동기관으로부터 왕복운동기관 짐벌 피벗축을 중심으로 피벗가능하게 장착되어 있고, 상기 실린더 짐벌 피벗축과 마찬가지로 상기 왕복운동기관 짐벌 피벗축은 X 지점과 T 지점으로부터 각각 동일한 거리에 위치되어 있고, 2개의 짐벌 아암의 피벗축의 방향은 정중면(M)에 대해서 2개의 짐벌 아암의 피벗축이 서로 거울상이 되게 설정되어서 크랭크 샤프트가 실린더 클러스터에 대해 회전할 때 T 지점은 정중면(M)에 놓이게 되고, 상기 왕복운동기관과 상기 실린더 클러스터 사이의 등속 회전 제한을 보장하는 것을 특징으로 하는 Z-크랭크 축방향 피스톤 내연기관.