KR20120053084A - 로터리식 실린더 장치 - Google Patents

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KR20120053084A
KR20120053084A KR1020127009699A KR20127009699A KR20120053084A KR 20120053084 A KR20120053084 A KR 20120053084A KR 1020127009699 A KR1020127009699 A KR 1020127009699A KR 20127009699 A KR20127009699 A KR 20127009699A KR 20120053084 A KR20120053084 A KR 20120053084A
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후미토 코마츠
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유겐카이샤 케이. 알 앤드 디
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Abstract

샤프트를 중심으로 등속 회전운동이 가능한 회전부품이 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립되고, 복수 크랭크축 주위의 회전운동을 합성하여 피스톤 조의 직선 왕복 운동을 실현하고, 또한 회전부품 사이의 질량 밸런스를 취하여 회전에 의한 진동을 억제하여 정음화를 실현한 소형의 로터리식 실린더 장치를 제공한다. 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 중심으로 한 제 1의 회전 밸런스, 피스톤 복합체(P)의 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하는 제 2의 회전 밸런스 및 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 1 크랭크축(5) 및 피스톤 복합체(P)의 제 3의 회전 밸런스가 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의해 밸런스 취하여진 채로, 샤프트(4)를 중심으로 제 1 크랭크축(5)이 회전하고, 당해 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 피스톤 복합체(P)가 회전함으로써, 제 2 통체(6b)에 조립된 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 샤프트(4)를 중심으로 하는 반경 2r의 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)의 구름원(23)의 지름 방향에 따라 직선 왕복 운동을 행한다.

Description

로터리식 실린더 장치{ROTARY CYLINDER DEVICE}
본 발명은, 샤프트의 회전 동작과 실린더 내의 피스톤 조(unit)의 왕복 동작을 상호 변환 가능한 로터리식 실린더 장치, 보다 구체적으로는 내연 기관, 압축기, 진공 펌프, 유체 회전기 등 다양한 장치에 적용 가능한 로터리식 실린더 장치에 관한 것이다.
내연 기관, 압축기, 진공 펌프, 유체 회전기 등의 원동기에서는, 크랭크축에 연계하는 피스톤 조의 왕복 운동으로 유체의 흡입과 송출을 반복하는 레시프로(reciprocal) 구동 방식, 고정 스크롤에 대해 선회 스크롤을 회전시켜서 유체의 흡입과 송출을 반복하는 스크롤 구동 방식, 롤러의 회전운동으로 유체의 흡입과 송출을 반복하는 로터리 구동 방식(특허 문헌 1 참조), 기타 스크루 방식, 베인 방식 등 용도에 응한 각종 구동 방식이 채용되어 있다.
그 중에서도, 중속 회전(회전수 10000rpm) 이하에서 높은 기밀성을 필요로 하는 내연 기관, 압축기, 진공 펌프 등을 포함하는 원동기 등에서는, 레시프로 구동 방식이 주류로 되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2004-190613호 공보
상술한 레시프로 구동 방식에서는, 실린더 내의 피스톤 조의 왕복 운동에 의한 에너지 손실이 발생하여 에너지 변환 효율이 저하되기 쉽다. 또한, 피스톤 조의 왕복 운동에 수반하는 기계 진동에 의한 소음이 발생하는 등의 과제가 있다. 또한, 실린더 내를 왕복 운동하는 피스톤 조를 지지하는 커넥팅 로드, 커넥팅 로드에 접속하는 크랭크 샤프트, 크랭크 샤프트에 연결하는 크랭크 암이 필요하고, 피스톤 조의 왕복 운동을 회전운동으로 변환하기 위한 에너지 변환 장치가 대형으로 되기 쉽다. 또한, 피스톤 조가 왕복 운동할 때에 회전부품의 질량 밸런스의 치우침(중심의 치우침)에 의해 발생하는 진동을, 댐퍼 등을 마련하여 흡수할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 샤프트를 중심으로 등속 회전운동이 가능한 회전부품이 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립되고, 복수 크랭크축 주위의 회전운동을 합성하여 피스톤 조의 직선 왕복 운동을 실현하고, 또한 피스톤 조의 직선 왕복 운동에 의해 발생하는 편중심량을 포함한 회전부품 사이의 질량 밸런스를 취함에 의해 회전에 의한 진동을 억제하여 정음화를 실현한 소형의 로터리식 실린더 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다음의 구성을 갖는다.
실린더 내를 왕복 운동하는 피스톤과 샤프트의 회전운동을 상호 변환 가능한 로터리식 실린더 장치로서, 상기 샤프트의 축심에 대해 편심하여 조립되고, 당해 샤프트를 중심으로 반경 r의 제 1 가상 크랭크 암을 통하여 회전 가능하게 조립된 제 1 크랭크축과,
상기 제 1 크랭크축에 동심형상으로 감입된 제 1 통체와 그 제 1 통체의 축심에 대해 편심한 복수의 제 2 가상 크랭크축을 축심으로 하는 제 2 통체가 축방향 양측에 연속하여 형성된 편심통체를 구비하고, 한쪽의 제 2 통체에 제 1 피스톤 조가 다른쪽의 제 2 통체에 제 2 피스톤 조가 서로 교차한채로 제 1 크랭크축을 중심으로 반경 r의 제 2 가상 크랭크 암을 통하여 회전 가능하게 감입된 피스톤 복합체와,
상기 피스톤 복합체가 감입된 상기 제 1 크랭크축의 양단부에 각각 조립되고, 상기 샤프트를 중심으로 하여 등속 회전운동 가능한 회전부품 사이의 회전 밸런스를 취하는 제 1, 제 2 밸런스 웨이트와,
상기 샤프트를 회전 가능하게 축지지하고, 당해 샤프트를 중심으로 회전하는 상기 제 1 크랭크축 및 상기 제 1, 제 2 밸런스 웨이트, 상기 제 1 크랭크축을 중심으로 회전하는 상기 피스톤 복합체를 회전 가능하게 수용하는 본체 케이스를 구비하고,
상기 제 1, 제 2 피스톤 조의 상기 제 2 가상 크랭크축을 중심으로 하는 제 1의 회전 밸런스, 상기 피스톤 복합체의 제 1 크랭크축을 중심으로 하는 제 2의 회전 밸런스 및 상기 제 1 크랭크축 및 피스톤 복합체의 상기 샤프트를 중심으로 하는 제 3의 회전 밸런스가 상기 제 1 크랭크축의 양단부에 삽입 조립된 제 1, 제 2 밸런스 웨이트만에 의해 각각의 질량 밸런스가 균등하게 밸런스 취하여진 채로, 상기 샤프트를 중심으로 상기 제 1 크랭크축이 회전하고, 당해 제 1 크랭크축을 중심으로 상기 피스톤 복합체가 회전함으로써, 상기 제 2 통체에 조립된 상기 제 1, 제 2 피스톤 조가 상기 샤프트를 중심으로 하여 상대적으로 회전하면서 상기 제 2 가상 크랭크축의 반경 2r의 구름원의 지름 방향에 따라 직선 왕복 운동을 행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 크랭크축의 양 축단부에는 축방향과 교차하는 방향으로 핀구멍이 형성되어 있고, 상기 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 축부에는 축구멍과 축방향과 교차하는 방향으로 핀구멍이 각각 형성되어 있고, 상기 제 1 크랭크축의 양 축단부가 상기 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 축구멍에 핀구멍끼리가 연통하도록 각각 감입되어, 그 연통하는 핀구멍에 핀이 빠짐 방지되어 감입됨에 의해, 상기 제 1 크랭크축과 제 1, 제 2 밸런스 웨이트가 일체로 조립되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1, 제 2의 밸런스 웨이트의 적어도 한쪽에 상기 샤프트가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 각 제 2 통체의 내외주부에는 축받이 지지부가 각각 요설(凹設)되고 각 축받이 지지부에는 내측 축받이 및 외측 축받이가 각각 지지되어 있고, 상기 제 1 크랭크축은 내측 축받이에 회전 가능하게 지지되고, 상기 제 1, 제 2 피스톤 조는 외측 축받이에 회전 가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 로터리식 실린더 장치를 이용하면, 샤프트를 회전시키면, 당해 샤프트를 중심으로 제 1 크랭크축이 회전하고, 당해 제 1 크랭크축을 중심으로 피스톤 복합체가 회전함으로써, 제 2 통체에 조립된 제 1, 제 2 피스톤 조가 샤프트를 중심으로 하는 제 2 가상 크랭크축의 반경 2r의 구름원의 지름 방향으로 직선 왕복 운동을 행한다.
이 때, 제 1, 제 2 피스톤 조의 제 2 가상 크랭크축을 중심으로 한 제 1의 회전 밸런스, 피스톤 복합체의 제 1 크랭크축을 중심으로 하는 제 2의 회전 밸런스 및 제 1 크랭크축 및 피스톤 복합체의 샤프트를 중심으로 하는 제 3의 회전 밸런스가 제 1, 제 2 밸런스 웨이트에 의해 밸런스 취해진 채로 회전운동하기 때문에, 제 1, 제 2 피스톤 조의 직선 왕복 운동에 의해 발생하는 편중심량을 포함한 밸런스 취함에 의해 회전에 의한 진동을 억제하여 정음화를 실현한 소형의 로터리식 실린더 장치를 제공할 수 있다.
또한, 샤프트를 중심으로 한 회전에 의한 진동을 저감함으로써 기계적인 손실이 적고 에너지 변환 효율을 높일 수 있고, 게다가 댐퍼 등의 방진 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 통상의 크랭크 기구를 구성하는 크랭크축이나 크랭크 암 등의 기구 부품을 생략하여 부품 갯수가 적고 기구적으로 간략화된 크랭크 기구를 실현할 수 있다.
제 1 크랭크축과 제 1, 제 2 밸런스 웨이트가 핀구멍끼리가 연통하도록 각각 감입되고, 그 연통하는 핀구멍에 핀이 빠짐 방지되어 감입됨에 의해, 제 1 크랭크축의 양 축단부에 연결하는 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 축 직각 방향의 조립 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 적어도 한쪽에 샤프트가 일체로 형성되어 있으면 부품 갯수가 적은 데다가, 샤프트와 제 1 크랭크축을 연결하는 제 1 가상 크랭크 암의 길이를 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 회전 반경에 의해 조정하여, 샤프트를 중심으로 하여 제 1 크랭크축을 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있다.
또한, 각 제 2 통체의 내외주부에는 축받이 지지부가 각각 요설되고 각 축받이 지지부에는 내측 축받이 및 외측 축받이가 각각 지지되어 있고, 제 1 크랭크축은 내측 축받이에 회전 가능하게 지지되고, 제 1, 제 2 피스톤 조는 외측 축받이에 회전 가능하게 지지되어 있으면, 제 1 크랭크축과 제 2 가상 크랭크축을 연결하는 제 2 가상 크랭크 암의 길이를 제 2 원통체의 회전 반경에 의해 조정하여, 제 1 크랭크축을 중심으로 하여 편심통체를 포함하는 피스톤 복합체를 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있다.
도 1은 로터리식 실린더 장치의 사시도.
도 2는 도 1의 로터리식 실린더 장치의 제 1 본체 케이스를 떼어낸 사시도.
도 3은 도 1의 로터리식 실린더 장치의 축방향 단면 사시도.
도 4는 로터리식 실린더 장치의 분해 사시도.
도 5A 내지 L은, 샤프트를 중심으로 하는 제 1 크랭크축, 제 2 가상 크랭크축의 회전운동과 복수의 크랭크 암의 왕복 운동의 관계를 도시하는 모식 원리도.
도 6A 내지 C는, 압축기에 응용한 제 1 본체 케이스를 떼어낸 평면도, 압축기의 Z축방향 단면도, 교차하는 피스톤 조를 포함하는 Z축방향 단면도.
도 7은 제 1 크랭크축의 정면도.
도 8A 내지 C는, 제 1 밸런스 웨이트의 정면도, 상시도 및 하시도.
도 9A 내지 C는, 제 2 밸런스 웨이트의 정면도, 상시도 및 하시도.
도 10A 및 도 10B는, 편심통체의 평면도 및 X축방향 단면도.
도 11A 및 도 11B는, 제 1 본체 케이스의 평면도 및 X축방향 단면도.
도 12A 및 도 12B는, 제 2 본체 케이스의 평면도 및 X축방향 단면도.
도 13A 내지 D는, 제 1 피스톤 본체의 일부 파단 평면도, Z축방향 반단면도, 우측면도 및 저면도.
도 14A 및 도 14B는, 내연 기관용 피스톤 링을 장착한 피스톤 조의 평면도 및 본체 케이스에 수납된 상태의 부분 단면도.
도 15A 및 도 15B는, 실린더의 평면도 및 X축방향 단면도.
도 16A 및 도 16B는, 실린더실 컵의 평면도 및 X축방향 반단면도.
도 17A 및 도 17B는, 실 누르개의 평면도 및 X축방향 단면도.
도 18은 진공 펌프용의 실린더실 컵의 조립을 도시하는 부분 단면도.
도 19는 제 1 본체 케이스를 떼어낸 상태의 샤프트 회전 위치와 피스톤 조의
평면으로 본 상태의 동작 설명도.
도 20은 제 1 본체 케이스를 떼어낸 상태의 샤프트 회전 위치와 피스톤 조를 평면으로 본 상태의 동작 설명도.
도 21은 제 1 본체 케이스를 떼어낸 상태의 샤프트 회전 위치와 피스톤 조를 평면으로 본 상태의 동작 설명도.
도 22는 제 1 본체 케이스를 떼어낸 상태의 샤프트 회전 위치와 피스톤 조를 평면으로 본 상태의 동작 설명도.
도 23은 도 23A 및 도 23B는, 피스톤 조 및 실린더의 부분 단면도.
이하, 발명을 실시하기 위한 한 실시 형태에 관해 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 우선, 도 1 내지 도 23을 참조하여 한 예로서 압축기에 이용되는 로터리식 실린더 장치를 중심으로 하여 설명한다. 로터리식 실린더 장치는, 실린더에 대한 피스톤 조의 왕복 운동과 샤프트의 회전운동이 상호 변환되어 출력되는 장치를 상정하고 있다.
도 1에서, 제 1 본체 케이스(1)와 제 2 본체 케이스(2)로 구성된 본체 케이스(3)에 샤프트(4)(입출력축)가 회전 가능하게 축지지되어 있다. 제 1 본체 케이스(1)와 제 2 본체 케이스(2)는, 볼트(3a)에 의해 네모퉁이를 나사 감합(嵌合)시켜서 일체로 조립되어 있다. 이 본체 케이스(3) 내에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 회전 가능한 편심통체(6)와 그 편심통체(6)에 축받이를 통하여 조립된 제 1 피스톤 조(7) 및 제 2 피스톤 조(8)(이하, 이들을 「피스톤 복합체(P)」라고 한다 ; 도 2 참조)가 회전 가능하게 수용되어 있다. 이하, 구체적으로 설명한다.
도 3에서, 제 1 크랭크축(5)은, 샤프트(4)의 축심에 대해 편심하여 연결된다. 본 실시 형태로는, 샤프트(4)는, 제 1 밸런스 웨이트(9)와 일체로 형성되어 있다. 또한, 제 2 밸런스 웨이트(10)측에도 샤프트가 형성되어 있어도 좋다. 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)는 제 1 크랭크축(5)의 양 축단부에 각각 감입된다. 도 7에서, 제 1 크랭크축(5)의 양 축단부에는 축방향으로 슬릿(5a)이 각각 형성되어 있다. 각 슬릿(5a)에는, 제 1 크랭크축(5)과 직교하는 방향으로 핀구멍(5b)이 마련되어 있다. 핀구멍(5b)의 구멍지름은 슬릿(5a)의 폭보다 크고, 핀구멍(5b)은 슬릿(5a)의 일부에 겹치도록 형성되어 있다. 또한, 제 1 크랭크축(5)의 양단 외주부에는, D컷트부(5c)가 형성되어 있다. 제 1 크랭크축(5)의 양단부에 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)가 핀구멍(9b, 10b)(도 8A, 도 9A 참조)과 핀구멍(5b)을 위치 맞춤하여 감입되어 있다.
도 8 및 도 9에서, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)의 축부에는 볼트 구멍(9a, 10a) 및 핀구멍(9b, 10b)이 각각 마련되어 있다. 이 핀구멍(9b, 10b)과 제 1 크랭크축(5)의 핀구멍(5b)(도 7 참조)을 연통하도록 위치 맞춤하여 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)가 제 1 크랭크축(5)에 감입되어, 핀(11a)(도 3 참조)을 서로 연통하는 핀구멍(9b, 5b)에, 핀(11b)(도 3 참조)을 연통하는 핀구멍(10b, 5b)에 각각 감입한다. 그리고, 볼트 구멍(9a, 10a)에 볼트(12a, 12b)를 각각 감입하여 슬릿(5a) 및 핀구멍(5b)의 폭을 좁힘으로써, 핀(11a, 11b)이 빠짐 방지되어 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)가 제 1 크랭크축(5)의 양단부에 일체로 조립된다(도 4 참조). 이에 의해, 제 1 크랭크축(5)의 양 축단부에 연결하는 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)의 축 직각 방향의 조립 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 3에서, 제 1 밸런스 웨이트(9)에 일체 형성된 샤프트(4)는 제 1 축받이(13a)에 의해 회전 가능하게 축지지되어 있고, 제 2 밸런스 웨이트(10)에 형성된 샤프트(4)와 동축상에 형성된 축부(10c)는 제 2 축받이(13b)에 의해 회전 가능하게 축지지되어 있다. 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)는, 예를 들면 부채형 등의 블록 형상을 하고 있고(도 8B, C, 도 9B, C 참조), 후술하는 바와 같이 샤프트(4)를 중심으로 하여 조립된 제 1 크랭크축(5) 및 피스톤 복합체(P)를 포함하는 회전부품 사이의 회전 밸런스를 취하기 위해 마련되어 있다.
이와 같이, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)의 적어도 한쪽에 샤프트(4)가 일체로 형성되어 있으면 부품 갯수가 적은 데다가, 샤프트(4)와 제 1 크랭크축(5)을 연결하는 제 1 가상 크랭크 암의 길이를 예를 들면 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)의 회전 반경 r에 의해 조정하여, 샤프트(4)를 중심으로 하여 제 1 크랭크축(5)을 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있다.
또한, 도 10B에 도시하는 바와 같이, 편심통체(6)는, 제 1 크랭크축(5)의 축심에 대해 편심한 복수의 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 갖는다. 본 실시 형태에서는, 교차하여 조립된 피스톤 조가 2조이기 때문에, 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)은 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하여 180도 위상이 어긋난 위치에 형성되어 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 서로 교차하여 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 회전하는 편심통체(6)에 조립되어 있다. 구체적으로는, 도 10B에서, 편심통체(6)는, 회전 중심이 되는 제 1 크랭크축(5)이 삽통하는 제 1 통체(6a)와, 그 제 1 통체(6a)의 축심 방향 양측에 제 2 통체(6b)가 각각 연속하여 형성되어 있다. 제 1 통체(6a)에는 제 1 크랭크축(5)이 동심형상으로 감입되어 있고, 편심통체(6)의 회전 중심으로 되어 있다. 또한, 제 2 통체(6b)의 축심은, 제 1 크랭크축(5)(제 1 통체(6a))의 축심에 대해 편심한 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)과 일치하도록 되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 제 2 통체(6b)에는, 외측 축받이(16a, 16b)를 통하여 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 서로 교차하여 회전 가능하게 감입되어 있다.
도 10A, B에서, 제 2 통체(6b)의 내주부 및 외주부에는, 축받이 지지부(6c, 6d)가 각각 요설되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 내주측의 축받이 지지부(6c)에는 내측 축받이(15a, 15b)가 지지되어 있고, 외주측의 축받이 지지부(6d)에는 외측 축받이(16a, 16b)가 각각 지지되어 있다. 내측 축받이(15a, 15b)는 제 1의 크랭크축(5)을 회전 가능하게 지지하고 있다. 또한, 도 3에 도시하는 바와 같이 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)는 외측 축받이(16a, 16b)를 통하여 제 2 원통부(6b)에 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)과 축 직각 방향으로 교차하여 감입된 채로 회전 가능하게 지지되어 있다.
이에 의해, 제 1 크랭크축(5)과 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 연결하는 제 2 가상 크랭크 암의 길이를 제 2 원통체(6b)의 회전 반경 r에 의해 조정하여, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하여 편심통체(6)를 포함하는 피스톤 복합체(P)를 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있다.
또한, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가, 편심 원통(6)의 제 2 통체(6b)에 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)과 축 직각 방향으로 교차(직교)하여 겹쳐져서, 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)끼리가 동일 평면상에서 왕복 운동 가능하게 조립되어 있다. 따라서, 피스톤 복합체(P)(도 2 참조)를 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있고, 스페이스 절약으로 소형 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 도 2에서, 제 1, 제 2 피스톤 본체(7A, 8A)의 길이 방향 양단부에는, 제 1 피스톤 헤드부(7c), 제 2 피스톤 헤드부(8c)가 형성되어 있다. 제 1 피스톤 헤드부(7c), 제 2 피스톤 헤드부(8c)에는, 링형상의 실 컵(17a, 17b)(도 16A, B 참조), 실 컵 누름부재(18a, 18b)(도 17A, B 참조)가 각각 볼트(19)에 의해 조립되어 있다. 실 컵(17a, 17b)은, 오일 프리의 실재(예를 들면 PEEK(폴리에테르에테르케톤) 수지재 등)가 이용된다. 실 컵(17a, 17b)의 외주연부에는 피스톤 활주 방향에 따라 기립부(17c)가 기립 형성되어 있다(도 16A, B 참조). 압축기나 유체 회전기 등에서는, 기립부(17c)는 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)의 활주 방향 외측을 향하여 조립된다(도 23A 참조).
또한, 도 2 및 도 3에서, 본체 케이스(3)(제 1 본체 케이스(1) 및 제 2 본체 케이스 2)의 측면부(4면)에 마련된 개구부(20)에는, 실린더(21)가 볼트(22)에 의해 조립되어 있다. 도 2에서, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)는, 실 컵(17a, 17b)(기립부(17c))에 의해, 실린더(21)의 내벽면(21f)(도 15B 참조)과의 실(seal)성을 유지하면서 활주하도록 되어 있다. 또한, 실 컵(17a, 17b)은, 다른 회전부품에 비하여 회전 질량이 무시할 수 있을만큼 경량이기 때문에, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의한 제 1 내지 제 3의 밸런스 취함에 영향을 주지 않는다.
도 13A 내지 D는, 실 컵 및 실 컵 누름부재를 제외한 제 1 피스톤 본체(7A)의 일부 파단 평면도, Z축방향 반단면도, 우측면도 및 저면도이다. 제 1, 제 2 피스톤 본체(7A, 8A)는 같은 형상을 하고 있기 때문에, 제 1 피스톤 본체(7A)만을 이용하여 설명한다. 제 1 피스톤 본체(7A)에 존재하는 구성은 제 2 피스톤(8A)(도 2 참조)에도 존재하는 것으로 한다.
제 1 피스톤 본체(7A)의 중앙부에는, 샤프트(4)의 축부(9c)(도 8A 참조)와의 간섭을 막는 도피구멍(7a)이 마련되어 있다(도 13A 참조). 도피구멍(7a)의 중심은 제 2 가상 크랭크축(14a)에 상당한다. 도피구멍(7a)보다 외주측에는, 외측 축받이(16a)를 지지하는 축받이 지지부(7b)가 마련되어 있다(도 13B, D 참조).
또한, 제 1 피스톤 본체(7A)의 길이 방향 양단에는 원판형상의 제 1 피스톤 헤드부(7c)가 각각 마련되어 있다. 이 제 1 피스톤 헤드부(7c)에는, 볼트 구멍(7e)을 갖는 대좌(7d)가 각각 마련되어 있다(도 13C 참조). 도 13A에 도시하는 바와 같이, 제 1 피스톤 헤드부(7c)의 양단면에 대좌(7d)가 마련되어 외주측에 형성되는 단차부(7f)에 도 4에 도시하는 실 컵(17a)을 겹쳐서, 그 실 컵(17a)에 실 컵 누름부재(18a)를, 볼트 구멍(18c)이 볼트 구멍(7e)(도 13C 참조)과 위치 맞춤하여 겹친다. 그리고, 볼트(19)를 볼트 구멍(18c), 볼트 구멍(7e)에 감입함으로써 실 컵(17a)이 실 컵 누름부재(18a)와 제 1 피스톤 헤드부(7c)에 끼워 넣어져서 일체로 조립된다. 제 2 피스톤 조(8)의 제 2 피스톤 헤드부(8c)에 대해서도 마찬가지로 하여 실 컵(17b)이 실 컵 누름부재(18b)와 제 2 피스톤 헤드부(8c)에 끼워 넣어져서 일체로 조립된다.
도 14A, B는, 내연 기관에 이용된 경우의 제 1 피스톤 조(7)의 구성예를 도시한다. 제 1 피스톤 헤드부(7c)의 외주면에는, 복수의 둘레홈부(7g)가 형성되어 있다. 각 둘레홈부(7g)에는, 피스톤 링(실 재)(7h)이 감입되어 있다. 제 1 피스톤 조(7)가 본체 케이스(3)의 개구부(20)에 조립된 실린더(21)의 내벽면(21f)에 따라, 실 재(7h)가 활주하도록 되어 있다. 이에 의해, 실린더(21)에 도시하지 않는 실린더 헤드가 장착되고 형성된 실린더실의 기밀성이 유지되도록 되어 있다.
도 18은, 진공 펌프에 이용되는 흡인용의 제 1 피스톤 조(7)의 구성예를 도시한다. 제 1 피스톤 헤드부(7c)의 단면에 형성된 단차부(7f)에, 실 컵(17a)을 기립부(17c)가 제 1 피스톤 헤드부(7c)의 활주 방향 내측을 향하여 겹친다. 실 컵(17a)에 실 컵 누름부재(18a)를 겹쳐서, 볼트(19)를 감입함에 의해 실 컵(17a)이 실 컵 누름부재(18a)와 제 1 피스톤 헤드부(7c)에 끼워 넣어져서 일체로 조립되어 있다(도 4 참조).
도 15A, B에 도시하는 바와 같이, 실린더(21)는 개구부(21a)의 주위에 플랜지부(21b)가 형성되어 있고, 그 플랜지부(21b)에서 원통형상의 실린더 몸통부(21c)가 형성되어 있다. 제 1 피스톤 조(7)의 제 1 피스톤 헤드부(7c), 제 2 피스톤 조(8)의 제 2 피스톤 헤드부(8c)는, 실린더 몸통부(21c) 및 플랜지부(21b)의 내벽면(21f)에 따라 활주하도록 조립된다(도 1, 도 2 참조).
플랜지부(21b)에는, 관통구멍(21d)이 2개소에 마련되어 있다. 본체 케이스(3)의 개구부(20)(도 3 참조)에 실린더 몸통부(21c)를 삽입하여 플랜지부(21b)를 측면부에 겹친다. 이 때, 관통구멍(21d)은, 제 1 본체 케이스(1)의 볼트 구멍(1d) 및 제 2 본체 케이스(2)의 볼트 구멍(2d)과 각각 위치맞춤되고, 볼트(22)를, 관통구멍(21d) 및 볼트 구멍(1d) 또는 볼트 구멍(2d)과 감합함에 의해 일체로 조립된다(도 4 참조).
또한, 도 15A, B에서, 플랜지부(21b)에는, 복수 개소에 볼트 구멍(21e)이 마련되어 있다. 이것은, 후술하는 바와 같이, 실린더(21)에 겹쳐서 실린더 헤드를 조립할 때에, 볼트 접합용의 볼트 구멍이 필요해지기 때문이다.
도 11A, B에서, 몸체 위의 제 1 본체 케이스(1)의 측면부(4면)에는, 제 1 개구부(20a)가 각각 마련되어 있다. 제 1 본체 케이스(1)의 축방향 단면부에는, 축받이 지지부(1a)가 마련되어 있다. 축받이 지지부(1a)에는 제 1 축받이(13a)가 감입된다(도 3 참조). 축받이 지지부(1a)의 중앙부에는, 개구부(1b)가 형성되어 있다. 제 1 밸런스 웨이트(9)에 일체 형성된 샤프트(4)는, 축받이 지지부(1a)에 지지되는 제 1 축받이(13a)를 삽통시켜, 개구부(1b)에서 본체 케이스(3)의 외측으로 연출(延出)하여 조립된다(도 3 참조). 또한, 제 1 본체 케이스(1)의 네모퉁이에는 볼트(3a)(도 1 참조)가 각각 감입되는 볼트 구멍(1c)이 마련되어 있다. 또한, 제 1 본체 케이스(1)의 측면부(4면)에는, 실린더(21)를 고정한 볼트(22)(도 1 참조)의 볼트 구멍(1d)이 마련되어 있다.
도 12A, B에서, 제 2 본체 케이스(2)의 측면부(4면)에는, 제 2 개구부(20b)가 마련되어 있고, 제 2 본체 케이스(2)의 축방향 단면부에는, 축받이 지지부(2a)가 마련되어 있다. 축받이 지지부(2a)에는, 제 2 축받이(13b)가 감입된다(도 3 참조). 축받이 지지부(2a)에는, 개구부(2b)가 형성되어 있다. 제 2 밸런스 웨이트(10)에 일체 형성된 축부(10c)는, 축받이 지지부(2a)에서 지지된 제 2 축받이(13b)에 감입되어 있다(도 3 참조). 또한, 제 2 본체 케이스(2)의 네모퉁이에는, 제 1 본체 케이스(1)의 볼트 구멍(1c)과 위치 맞춤하여 볼트(3a)(도 1 참조)가 감입되는 볼트 구멍(2c)이 마련되어 있다. 또한, 제 2 본체 케이스(2)의 측면부(4면)에는, 실린더(21)를 조립한 볼트(22)(도 1 참조)의 볼트 구멍(2d)이 마련되어 있다.
다음에 로터리식 실린더 장치의 조립 구성의 한 예에 관해 도 4를 참조하여 설명한다.
편심통체(6)의 축받이 지지부(6c)에 내측 축받이(15a, 15b)를 조립한다. 또한, 내측 축받이(15a, 15b)가 조립된 제 1 원통체(6a)의 중심 구멍에 제 1 크랭크축(5)을 감입한다(도 3 참조). 또한, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)를 제 2 원통부(6b)에 외측 축받이(16a, 16b)를 통하여 교차하도록 감입한다.
또한, 제 1 크랭크축(5)의 양단부에 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)를 감입하고, 핀(11a, 11b)을 핀구멍(5b)에 감입하고, 볼트(12a, 12b)를 체결하여 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)를 제 1 크랭크축(5)에 일체로 조립한다. 또한, 제 1 본체 케이스(1)의 축받이 지지부(1a)에 제 1 축받이(13a), 제 2 본체 케이스(2)의 축받이 지지부(2a)에 제 2 축받이(13b)를 감입한다. 그리고, 제 1 축받이(13a)에 샤프트(4)를 감입하고, 제 2 축받이(13b)에 제 2 밸런스 웨이트(10)의 축부(10c)를 감입하도록 하여, 제 1 본체 케이스(1)와 제 2 본체 케이스(2)를 조합시킨다. 이에 의해, 제 1 크랭크축(5), 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10), 및 피스톤 복합체(P)(도 2 참조)를 본체 케이스(3)(도 1 참조) 내에 수용한다. 그리고, 볼트 구멍(1c)과 볼트 구멍(2c)을 위치 맞춤하여 겹친 상태에서, 볼트(3a)를 감입하여 본체 케이스(3)(도 1 참조)가 조립된다. 최후로, 본체 케이스(3)의 측면(4면)에 형성된 개구부(20)(도 2, 도 3 참조)에 실린더(21)를 감입하고, 제 1 피스톤 헤드부(7c), 제 2 피스톤 헤드부(8c)가 실린더(21)의 개구부(21a)(도 15A, B 참조) 내에 각각 활주 가능하게 감입되어(도 2 참조), 로터리식 실린더 장치가 조립된다.
상술한 바와 같이 조립된 로터리식 실린더 장치는, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 중심으로 한 제 1의 회전 밸런스, 피스톤 복합체(P)의 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하는 제 2의 회전 밸런스 및 제 1 크랭크축(5) 및 피스톤 복합체(P)의 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 3의 회전 밸런스가 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의해 밸런스 취해져서 조립되어 있다.
이에 의해, 후술하는 바와 같이 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 1 크랭크축(5)의 회전운동과, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하는 피스톤 복합체(P)의 회전운동에 의해, 제 2 통체(6b)에 조립된 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)의 반경 2r의 구름원(23)(도 5A 참조)의 지름 방향에 따라 직선 왕복 운동을 행하여도, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 직선 왕복 운동에 의해 발생하는 편중심량을 포함한 밸런스 취함을 함에 의해 회전에 의한 진동을 억제하여 정음화를 도모할 수 있다. 또한, 회전에 의한 진동을 저감함으로써, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)는 종래의 레시프로 타입에 비하여 피스톤 헤드의 왕복 운동에 의한 기계적인 손실을 막아 에너지 변환 효율을 높일 수 있고, 게다가 댐퍼 등의 방진 구조를 간략화할 수 있다.
여기서, 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 1 크랭크축(5), 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)의 회전운동과 복수의 피스톤 조의 직선 왕복 운동의 관계를 도 5A 내지 L에 도시하는 모식 구조 원리도를 참조하여 설명한다. 도 5A 내지 L에서, 구름원(23)의 중심(O)은 샤프트(4)의 축심과 일치한다. 또한, 중심(O)보다 편심한 위치에 제 1 크랭크축(5)이 존재하고, 제 1 크랭크축(5)의 회전에 수반하여 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)이 미끄러지지 않고서 회전하는 것으로 한다. 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)의 수는, 피스톤 조의 수에 대응하고 있다.
샤프트(4)(중심(O))와 제 1 크랭크축(5)과의 축심 사이 거리(r)를 제 1 가상 크랭크 암 및 제 2 가상 크랭크 암의 암 길이(회전 반경)라고 한다. 또한, 샤프트(4)의 축심(중심(O))주위에 제 1 가상 크랭크 암의 암 길이(r)를 회전 반경으로 하는 회전 궤도(30)상을 제 1 크랭크축(5)이 회전한다. 나아가서는, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하는 제 2 가상 크랭크 암의 암 길이(r)를 회전 반경으로 하는 회전 궤도(가상원(24))상을 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)이 겉보기상 회전한다. 이에 의해, 중심(O)의 주위에 가상원(24)의 직경 R(2r)을 반경으로 하는 구름원(23)의 지름 방향에 따라 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 각각 왕복 운동하도록 되어 있다.
본 실시예에서는, 서로 직교하는 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 연계하는 제 2 통체(6b)의 제 2 가상 크랭크축을 14a, 14b로서 예시하는 것으로 한다. 도 5A에서, 제 2 가상 크랭크축 14a, 14b는, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 반경 r의 가상원(24)의 원주상에 180°위상이 다른 위치에 배치되어 있다. 제 2 가상 크랭크축(14a)은 구름원(23)과 직경 R1의 교점(하단 위치)에 있고, 제 2 가상 크랭크축(14b)은, 구름원(23)의 중심(O)(샤프트(4)의 축심 위치)에 있다. 제 1 크랭크축(5)은 구름원(23)의 중심(O)으로부터 반경 r의 위치에 있는 것으로 한다.
제 1 크랭크축(5)이 구름원(23)의 중심(O)의 주위에 반시계 회전 방향으로 1회전하는 경우에 관해 설명한다. 가상원(24)은 시계 회전 방향으로 구름원(23)의 내주에 따라 미끄러지지 않고서 회전하는 것으로 한다. 도 5A 내지 L은 제 1 크랭크축(5)이 30도씩 변위한 상태를 나타내고 있다.
제 1 크랭크축(5)이 도 5A의 위치로부터 반시계 회전 방향으로 90도 회전하면 도 5D의 위치가 된다. 이 때, 제 2 가상 크랭크축(14a)은 구름원(23)의 직경 R1상을 중심(O)으로 이동하고, 제 2 가상 크랭크축(14b)은 직경 R1과 직교하는 직경 R2와 구름원(23)과의 교점(우단 위치)까지 이동한다.
제 1 크랭크축(5)이 도 5D의 위치로부터 반시계 회전 방향으로 더욱 90도 회전하면 도 5G의 위치가 된다. 이 때, 제 2 가상 크랭크축(14a)은 구름원(23)과 직경 R1과의 교점(상단 위치)으로 이동하고, 제 2 가상 크랭크축(14b)은 구름원(23)의 중심(O)으로 이동한다.
제 1 크랭크축(5)이 도 5G의 위치로부터 반시계 회전 방향으로 더욱 90도 회전하면 도 5J의 위치가 된다. 이 때, 제 2 가상 크랭크축(14a)은 구름원(23)의 중심(O)으로 이동하고, 제 2 가상 크랭크축(14b)은 구름원(23)과 직경 R2와의 교점(좌단 위치)으로 이동한다.
제 1 크랭크축(5)이 도 5J의 위치로부터 반시계 회전 방향으로 더욱 90도 회전하면 도 5A의 위치가 된다. 이 때, 제 2 가상 크랭크축(14a)은 구름원(23)과 직경 R1과의 교점(하단 위치)으로 이동하고, 제 2 가상 크랭크축(14b)은 구름원(23)의 중심(O)으로 이동한다.
이상과 같이, 제 1 크랭크축(5)이 중심(O)(샤프트(4))의 주위로 회전하면, 제 2 가상 크랭크축(14a)은 가상원(24)의 회전 궤적인 구름원(23)의 직경 R1상을 왕복 이동하고, 제 2 가상 크랭크축(14b)은 구름원(23)의 직경 R2상을 왕복 이동한다.
즉, 샤프트(4)의 축심(중심(O))을 중심으로 하는 반경 r의 회전 궤도(30)에 따른 제 1 크랭크축(5)의 회전운동 및 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하는 반경 r의 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)의 회전운동에 수반하여, 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 축심에 갖는 제 2 원통부(6b)에 연계하는 제 1 피스톤 조(7)가 반경 2r의 구름원(23)(샤프트(4)의 축심을 중심(O)으로 하는 동심원)의 직경 R1상에서 왕복 운동을 복하고, 제 2 피스톤 조(8)가 반경 2r의 구름원(23)(샤프트(4)의 축심을 중심(O)반으로 하는 동심원)의 직경 R2상에서 왕복 운동을 반복하게 된다.
예를 들면, 도 6A 내지 C에 도시하는 바와 같이, 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)를 수납하는 실린더(21)에, 제 1, 제 2 실린더 헤드(25, 26)를 볼트 구멍(21e)(도 15A, B 참조)을 이용하여 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)에 대향하여 조립함으로써, 실린더실(室)(27a, 27b, 27c, 27d)이 형성되고, 각 실린더실(27a 내지 27d)에 각각 연통하는 유체의 송출구(28)와 흡입구(29)가 각각 형성된다.
따라서, 샤프트(4)를 예를 들면 전동기 등에 의해 회전 구동하면, 제 1 크랭크축(5) 및 편심통체(6)가 회전하고, 그 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 편심 원통(6)이 회전하기 때문에, 제 1 피스톤 조(7)와 제 2 피스톤 조(8)가 샤프트(4)를 중심으로 하는 반경 2r의 동심원(구름원(23) ; 도 5A 참조)의 지름 방향에 따라 각각 직선 왕복 운동한다. 이 때, 각 실린더실(27a, 27b, 27c, 27d)에어서 흡입구(29)에서 유체를 흡입하고, 송출구(28)에서 압축된 유체를 송출하는 동작이 행하여져서 유체 압축기나 유체 펌프 장치를 형성할 수 있다.
도 19 내지 도 22는, 샤프트(4)의 회전 위치와 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)의 직선 왕복 운동 위치와의 관계를 예시한 동작 설명도이다.
도 19는 원점 위치, 도 20은 원점 위치보다 90도 회전한 위치, 도 21은 원점 위치보다 180도 회전한 위치, 도 22는 원점 위치보다 270도 회전한 위치를 나타낸다. 도 19부터 도 20에서, 제 1 피스톤 조(7)는 평면으로 보아 상방향으로 이동하고 있고, 제 2 피스톤 조(8)는 평면으로 보아 우방향으로 이동하고 있다. 실린더실(27a, 27c)에서는 유체의 흡입이 행하여지고, 실린더실(27b, 27d)에서는 유체의 송출이 행하여진다. 도 20부터 도 21에서, 제 1 피스톤 조(7)가 평면으로 보아 상방향으로 이동하고 있고, 제 2 피스톤 조(8)가 평면으로 보아 좌방향으로 이동하기 시작하고 있기 때문에, 실린더실(27b, 27c)에서는 유체의 송출이 행하여지고, 실린더실(27a, 27d)에서는 유체의 흡입이 행하여진다. 도 21부터 도 22에서, 제 1 피스톤 조(7)가 평면으로 보아 하방향으로 이동하기 시작하고, 제 2 피스톤 조(8)가 평면으로 보아 좌방향으로 이동하고 있기 때문에, 실린더실(27a, 27c)에서는 유체의 송출이 행하여지고, 실린더실(27b, 27d)에서는 유체의 흡입이 행하여진다.
또한, 제 1 피스톤 헤드부(7c), 제 2 피스톤 헤드부(8c)의 형상은 진원일 필요는 없고, 예를 들면 각형이라도 좋다. 또한, 압축기에 구비한 일부의 피스톤 조를 진공 펌프로서 사용하는 하이브리드형의 펌프로 하는 것도 가능하다.
이 경우, 압축기로서 사용하는 피스톤 헤드부에는, 실 컵(17a, 17b)의 기립부(17c)를 활주 방향 외측을 향하게 하여 장착하고, 진공 흡인을 행하는 피스톤 헤드부에는 실 컵(17a, 17b)의 기립부(17c)를 활주 방향 내측을 향하게 하여 장착하는 것이 바람직하다(도 18 참조). 또한, 유체가 물이나 기름 등의 액체인 경우에는, 실 컵(17a, 17b)은 생략할 수도 있다.
또한, 피스톤 조를 2조 구비한 로터리 실린더 장치에 관해 설명하였지만, 3조 이상의 피스톤 조를 구비하고 있어도 좋다. 예를 들면 피스톤 조를 3조 마련하는 경우에는, 도 5A의 가상원(24)에 있어서, 제 1 크랭크축(5)을 회전 중심으로 하여 120도씩 위상을 다르게 하여 제 2 가상 크랭크축이 배치되도록 조립하는 것도 가능하다.
또한, 2조의 피스톤 조중 한쪽의 피스톤 헤드부를 생략하는 것도 가능하다. 이 경우, 1피스톤 조의 제 2 가상 크랭크축이 샤프트(4)의 축심과 겹치면 회전 사점이 생길 우려가 있다. 그렇지만, 피스톤 헤드부를 생략된 피스톤 조의 존재에 의해, 1피스톤 조의 회전 사점을 회피하여 계속 회전할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)가 동일 평면상(X-Y 평면상)에서 왕복 운동 가능하게 편심통체(6)에 조립되어 있지만, 편심통체를 복수에 분할할 필요는 있지만, 복수의 피스톤 조를 높이 방향(Z축방향)으로 다른 위치에 교차하도록 배치하는 것도 가능하다.
또한, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)는 서로 직교하도록 배치하였지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하여 예를 들면 위상차가 60도 등으로 배치하는 것도 가능하다.
또한, 도 14A, B에 도시하는 바와 같이, 제 1, 제 2 피스톤 헤드부에 피스톤 링(7h)을 마련함으로써, 내연 기관에 응용하는 것도 가능하다.
구체적으로는, 실린더(21)에 실린더 헤드를 장착하여 형성되는 실린더실에는 급기 밸브, 배기 밸브, 인젝터, 점화 플러그 등을 구비함에 의해, 엔진에 응용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 실린더실 내의 연료의 연소 폭발에 의해 생기는 피스톤 조(제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8))가 왕복 운동함으로써, 편심 원통(6) 및 제 1 크랭크축(5)(피스톤 복합체(P))의 샤프트(4)를 중심으로 하는 회전운동으로 변환하여 출력할 수 있다.
도 23A는 압축기나 유체 회전기 등에 이용된 제 1 피스톤 조(7)의 실린더(21) 내의 부분 단면도, 도 23B는 내연 기관 등에 이용되는 제 1 피스톤 조(7)의 실린더(21) 내의 부분 단면도이다(제 2 피스톤 조(8)도 마찬가지이기 때문에 구조는 생략한다).
도 23A에서, 실린더(21)의 내벽면(21f)과 피스톤 헤드(7c) 및 실 컵 누름부재(18a)의 외주면(7j, 18d)과의 간극(G)은 가공 오차나 온도 변화에 의한 치수 변화 등을 고려하여 기계적인 간섭이 생기지 않도록 설정된다. 이러한 간극(G)은 최소가 되도록 설정되기 때문에, 실 컵(17a)의 기립부(17c)가 제 1 피스톤 조(7)의 왕복 운동에 의해 실린더(21)의 내벽면(21f)과의 사이에 물려들어가지 않고 실(seal)성을 유지한채로 활주할 수 있다.
도 23B에서, 피스톤 헤드(7c)의 둘레홈부(7g)에 피스톤 링(실 재)(7h)을 마련하는 경우에는, 둘레홈부(7g)와 피스톤 링(7h)과의 사이에 간극(G)이 마련된다. 이 경우, 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 1 크랭크축(5) 및 피스톤 복합체(P)의 제 3의 회전 밸런스를 취하고 나서, 피스톤 링(7h)은 실린더(21) 내에서 지름 방향이 구속되기 때문에, 완전한 밸런스 취함은 할 수 없는데 3% 이내의 오차가 되는 밸런스 설계로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 6A에 도시하는 바와 같이 2피스톤 4헤드의 로터리식 실린더 장치에서는, 실린더 헤드가 4개소에 마련되기 때문에, 일부를 정압 발생부에 사용하고, 기타의 실린더 헤드를 부압 발생부에 사용하는 것도 가능하다.
또한, 4개소의 실린더 헤드를 이용하여 기체를 다단(多段) 압축하는 것도 가능하다. 이 경우, 피스톤 조의 스트로크는 변화되지 않기 때문에, 피스톤 지름과 실린더 지름을 하나의 피스톤 조라도 변경할 필요가 있다. 이와 같은 경우라도, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의해, 제 1의 회전 밸런스 내지 제 3의 회전 밸런스의 밸런스 취함이 이루어지고 있는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 샤프트(4)를 회전시키면, 당해 샤프트(4)를 중심으로 제 1 크랭크축(5)이 회전하고, 당해 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 편심통체(6)가 회전함으로써, 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)의 회전 궤적(내(內)사이클로이드)에 따라 제 2 통체(6b)에 조립된 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 샤프트(4)를 중심으로 하는 반경 2r의 동심원(구름원(23) ; 도 5A 참조)의 지름 방향으로 직선 왕복 운동을 행한다.
이 때, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)(도 10B 참조)을 중심으로 하는 제 1의 회전 밸런스, 피스톤 복합체(P)의 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하는 제 2의 회전 밸런스 및 제 1 크랭크축(5) 및 피스톤 복합체(P)의 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 3의 회전 밸런스가 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의해 밸런스 취하여져 있기 때문에, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 직선 왕복 운동에 의해 발생하는 편중심량을 포함한 밸런스 취함을 함에 의해 회전에 의한 진동을 억제하여 정음화를 실현한 소형의 로터리식 실린더 장치를 제공할 수 있다.
또한, 샤프트(4)를 중심으로 하는 회전에 의한 진동을 저감함으로써 기계적인 손실이 적고 에너지 변환 효율을 높일 수 있고, 게다가 댐퍼 등의 방진 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 통상의 크랭크 기구를 구성하는 크랭크축이나 크랭크 암 등의 기구 부품을 생략하여 부품 갯수가 적고 기구적으로 간략화된 크랭크 기구를 실현할 수 있다.
또한, 제 1의 회전 밸런스에 오차가 생기면, 제 2의 회전 밸런스나 제 3의 회전 밸런스에도 오차가 발생한다. 내 사이클로이드 방식의 로터리식 실린더 장치에서는, 회전부품의 밸런스 취함에 관해 언급한 선행 기술로서, 일본 특공소63-24158호 공보(제 6란 제 31행 내지 제 34행)가 존재하는 것이 알려져 있다. 그러나, 상기 공보에 개시된 밸런스 취함은 샤프트와 크랭크축에 관해서만 밸런스 취하는 것으로서, 크랭크축에 연계하는 슬라이더나 슬라이더에 연계하는 피스톤 조를 포함하는 회전부품 사이의 회전 밸런스를 고려한 기술 사상까지 개시되어 있지 않는다. 종래는, 피스톤 조의 직선 왕복 운동에 의해 발생하는 편중심량을 밸런스 취한다느 발상이 없었기 때문에, 이러한 편중심량에 의해 생기는 진동은, 댐퍼 등의 진동 흡수 기구에 의해 흡수하는 것이 일반적인 사고방식이다.
이것에 대해, 본원 발명에 관한 로터리식 실린더 장치는, 샤프트(4), 제 1 크랭크축(5), 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 중심으로 한 각 회전부품은 각각의 회전 중심에 대해 등속 회전운동 가능하게 조립되고, 이들의 사이에는 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의해 상술한 제 1 내지 제 3의 밸런스 취함, 즉 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 직선 왕복 운동에 의해 발생하는 편중심량을 포함한 밸런스 취함이 이루어지고 있다. 따라서, 샤프트(4)를 중심으로 한 회전운동의 결과, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)가 직선 왕복 운동하여도 회전에 의한 진동을 억제한 내사이클로이드 방식의 로터리식 실린더 장치를 제공할 수 있다.
덧붙여서 배기량 46cc의 압축기에 관해 밸런스 취한 결과를 종래 구조와 비교하면 이하와 같다. 샤프트(4)를 중심으로 하는 제 1 크랭크축(5)의 샤프트(4) 주위의 편심 중량은 10g이다. 제 1 크랭크축(5)에 조립된 피스톤 복합체(P)의 편심 중량은 210g(제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8), 편심통체(6), 내측 축받이(15a, 15b), 외측 축받이(16a, 16b)를 포함한다)이다.
본원 발명의 경우, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)에 의해 제 1 내지 제 3의 회전 밸런스를 취함에 의해, 샤프트(4)를 중심으로 회전하는 220g의 편심 중량의 회전 밸런스를 취하여 회전운동을 행하고 있기 때문에, 회전에 의한 진동이 적고 기계적인 손실도 적기 때문에 에너지 변환 효율이 높고 게다가 정음화할 수 있다. 이에 대해, 일본 특공소63-24158호 공보에 개시된 샤프트를 중심으로 하는 크랭크축에 관해서만 밸런스 취함을 행하여도, 샤프트를 중심으로 한 제 1 크랭크축(10g)의 밸런스 배취함(5% 정도)에 그치기 때문에, 회전에 의한 진동이 크고 기계적인 손실도 크기 때문에 에너지 변환 효율이 저하되고, 소음이 심하기 때문에 댐퍼 등으로 진동을 흡수할 필요가 있다.
또한, 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)의 적어도 한쪽에 샤프트(4)가 일체로 형성되어 있으면 부품 갯수가 적은 데다가, 샤프트(4)와 제 1 크랭크축(5)을 연결하는 제 1 가상 크랭크 암의 길이를 제 1, 제 2 밸런스 웨이트(9, 10)의 회전 반경에 의해 조정하여, 샤프트(4)를 중심으로 하여 제 1 크랭크축(5)을 축방향 및 지름 방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있다.
또한, 제 2 통체(16b)의 내외주부에는 축받이 지지부(6c, 6d)가 각각 요설되어 각 축받이 지지부(6c, 6d)에는 내측 축받이(15a, 15b) 및 외측 축받이(16a, 16b)가 각각 지지되어 있고, 제 1 크랭크축(5)은 내측 축받이(15a, 15b)에 회전 가능하게 지지되고, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)는 외측 축받이(16a, 16b)에 회전 가능하게 지지되어 있으면, 제 1 크랭크축(5)과 제 2 가상 크랭크축(14a, 14b)을 연결하는 제 2 가상 크랭크 암의 길이를 제 2 원통체(6b)의 회전 반경에 의해 조정하여, 제 1 크랭크축(5)을 중심으로 하여 편심통체(6)를 포함하는 피스톤 복합체(P)를 축방향으로 컴팩트하게 조립할 수 있다.
또한, 제 1, 제 2 피스톤 조(7, 8)의 선단에는 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c) 및 제 1, 제 2 피스톤 헤드부(7c, 8c)에 대향하여 실린더실(27a 내지 27d)을 형성하는 제 1, 제 2 실린더 헤드(25, 26)가 본체 케이스(3)에 조립되어 있으면, 폐지된 실린더실(27a 내지 27d)을 2개의 피스톤 조가 왕복 운동하는 동작을 이용하여, 유체 회전기, 진공 흡인 장치, 내연 기관 등 다양한 구동 장치에의 이용이 예상된다.

Claims (4)

  1. 실린더 내를 왕복 운동하는 피스톤과 샤프트의 회전운동을 상호 변환 가능한 로터리식 실린더 장치로서,
    상기 샤프트의 축심에 대해 편심하여 조립되고, 당해 샤프트를 중심으로 반경 r의 제 1 가상 크랭크 암을 통하여 회전 가능하게 조립된 제 1 크랭크축과,
    상기 제 1 크랭크축에 동심형상으로 감입된 제 1 통체와 그 제 1 통체의 축심에 대해 편심한 복수의 제 2 가상 크랭크축을 축심으로 하는 제 2 통체가 축방향 양측에 연속하여 형성된 편심통체를 구비하고, 한쪽의 제 2 통체에 제 1 피스톤 조가 다른쪽의 제 2 통체에 제 2 피스톤 조가 서로 교차한채로 제 1 크랭크축을 중심으로 반경 r의 제 2 가상 크랭크 암을 통하여 회전 가능하게 감입된 피스톤 복합체와,
    상기 피스톤 복합체가 감입된 상기 제 1 크랭크축의 양단부에 각각 조립되고, 상기 샤프트를 중심으로 하여 등속 회전운동이 가능한 회전부품 사이의 회전 밸런스를 취하는 제 1, 제 2 밸런스 웨이트와,
    상기 샤프트를 회전 가능하게 축지지하고, 당해 샤프트를 중심으로 회전하는 상기 제 1 크랭크축 및 상기 제 1, 제 2 밸런스 웨이트, 상기 제 1 크랭크축을 중심으로 회전하는 상기 피스톤 복합체를 회전 가능하게 수용하는 본체 케이스를 구비하고,
    상기 제 1, 제 2 피스톤 조의 상기 제 2 가상 크랭크축을 중심으로 하는 제 1의 회전 밸런스, 상기 피스톤 복합체의 제 1 크랭크축을 중심으로 하는 제 2의 회전 밸런스 및 상기 제 1 크랭크축 및 피스톤 복합체의 상기 샤프트를 중심으로 하는 제 3의 회전 밸런스가, 상기 제 1 크랭크축의 양단부에 삽입 조립된 제 1, 제 2 밸런스 웨이트만에 의해 각각의 질량 밸런스가 균등하게 밸런스 취하여진 채로, 상기 샤프트를 중심으로 상기 제 1 크랭크축이 회전하고, 당해 제 1 크랭크축을 중심으로 상기 피스톤 복합체가 회전함으로써, 상기 제 2 통체에 조립된 상기 제 1, 제 2 피스톤 조가 상기 샤프트를 중심으로 하여 상대적으로 회전하면서 상기 제 2 가상 크랭크축의 반경 2r의 구름원의 지름 방향에 따라 직선 왕복 운동을 행하는 것을 특징으로 하는 로터리식 실린더 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 크랭크축의 양 축단부에는 축방향과 교차하는 방향으로 핀구멍이 형성되어 있고, 상기 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 축부에는 축구멍과 축방향과 교차하는 방향으로 핀구멍이 각각 형성되어 있고, 상기 제 1 크랭크축의 양 축단부가 상기 제 1, 제 2 밸런스 웨이트의 축구멍에 핀구멍끼리가 연통하도록 각각 감입되어, 그 연통하는 핀구멍에 핀이 빠짐 방지되어 감입됨에 의해, 상기 제 1 크랭크축과 제 1, 제 2 밸런스 웨이트가 일체로 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리식 실린더 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2의 밸런스 웨이트의 적어도 한쪽에 상기 샤프트가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리식 실린더 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    각 제 2 통체의 내외주부에는 축받이 지지부가 각각 요설되고 각 축받이 지지부에는 내측 축받이 및 외측 축받이가 각각 지지되어 있고, 상기 제 1 크랭크축은 내측 축받이에 회전 가능하게 지지되고, 상기 제 1, 제 2 피스톤 조는 외측 축받이에 회전 가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 로터리식 실린더 장치.
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