KR20140020291A - 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치 - Google Patents

공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기 터빈(20)에 의해 구동된 공압식 전동 공구의 공전 속도 및 작동 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치에 관한 것으로서, 상기 속도 조절 장치는 압력(P1)에서 압력 공기를 공급하기 위한 입구 통로(16), 공급된 압력 공기를 공기 터빈(20)의 터빈 휠(22)에 안내하기 위한 하나 또는 그 이상의 노즐(25), 압력 공기 유입 통로(16)로부터 노즐(25)로 공급되는 압력 공기 흐름을 조절하도록 배열되고 조절 압력(P3)에 대응하여 터빈 속도에 의해 편향되는 이동식 밸브 요소(43)를 가진 속도 조정기(21)를 포함하며, 압력 공기 공급 압력(P1)에 의해 조절되는 압력 조절기(60)가 압력 공기 공급 압력(P1)의 실제 수준에 대응하여 대기와 소통하는 배출 통로(66)의 크기를 조절함으로써 조절 압력(P3)을 조절하도록 배열되고, 압력 공기 공급 압력(P1)이 감소하면 배출 통로(66)의 면적이 감소되며, 증가된 조절 압력 흐름이 줄어들어 터빈 노즐(25)에 유입되는 압력 공기 흐름이 증가하고 압력 공기 공급 압력(P1)에서의 변동이 발생하는 동안 상쇄된다.

Description

공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치{SPEED CONTROL DEVICE FOR GOVERNING THE SPEED OF A PNEUMATIC POWER TOOL}
본 발명은 공압식 전동 공구 특히 공기 터빈을 포함하는 공압식 전동 공구의 공전 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치에 관한 것이다.
주로 그라인딩 분야(grinding applications) 용도로 사용되는 위에서 기술된 타입의 전동 공구(power tool)에서, 사람과 장비에 심각한 손상이 끼치는 것을 방지하기 위하여 회전 속도를 미리 정해진 안전 수준 이하로 유지하는 것이 매우 중요하다. 특히, 그라인딩 분야에서, 회전 속도가 그라인딩 휠(griding wheel)의 재료가 원심력을 견뎌낼 수 없는 수준에 도달하는 경우, 그라인딩 휠이 폭발할 위험이 상당히 크다.
US 5,134,299호에 기술된 종래 기술의 터빈 그라인더(turbine grinder)에서, 공전 작동 노즐을 통해 얻어진 조절 압력에 의해 작동되고 압력 공기 유입 통로 내에 위치된 밸브 요소를 포함하는 속도 조정기(speed governor)가 사용된다. 상기 조절 압력은 공전 작동 노즐의 맞은편에 위치된 압력 감지 개구를 통해 얻어지고 압력 공기 유입 통로 내의 압력과 조절 압력 사이에서 속도 조정기 밸브 요소의 균형을 얻기 위해 속도 조정기 밸브 요소에 소통되며, 터빈의 회전 속도가 낮을 때에는 밸브 요소가 열림 방향으로 이동되고, 그 반대로, 회전 속도가 증가될 때에는 밸브가 닫힘 위치로 이동된다. 이것은 터빈 휠에서 압력 감지 개구로부터 발생된 조절 압력이 회전 속도가 증가될 때 감소하는 사실 때문이다.
이렇게 공지인 속도 조정기에 관한 문제점은 압력 공기 공급 압력에 따른 것으로서, 공기 공급 압력이 높으면 높을수록 터빈의 공전 속도가 높아지고 공기 공급 압력이 낮으면 낮을수록 공전 속도가 낮아지게 된다. 안전상의 이유로, 처음에는, 조정기는 터빈이 정상적인 공기 공급 압력에서, 가령, 예컨대, 7 bar에서 특정 안전 공전 속도 수준에서 작동되게 하도록 조절될 것이다. 그라인딩 효율 뿐만 아니라 그라인더에 결부된(attached) 그라인딩 휠의 기계적 마모 상태에 있어서, 정상 작동 동안에서의 작동 속도와 실질적으로 동일한 이러한 특정 공전 속도가 바람직하다. 감소된 공기 압력과 그 뒤에 이어지는 낮은 공전 속도 및 작동 속도는 그라인딩 휠이 폭발하는 위험을 발생시키지 않지만, 작동 동안에는 그라인더 휠이 초과 마모(excessive wear)에 노출된다는 점에 있어서 바람직하지 못하다. 또한, 공구의 낮은 공전 속도 및 작동 속도는 바람직하지 못하게도 그라인딩 효율이 낮아지게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 공기 터빈(air turbine)을 포함하며 터빈 공전 속도가 압력 공기 공급 압력(pressure air supply pressure)에서 발생되는 변동(variation)에 좌우되는 것을 방지하기 위한 수단이 제공되는 공압식 공구의 공전 속도(idle speed)를 조절하기 위한 속도 조절 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기 터빈을 포함하고 터빈 휠에 근접한 압력 감지 개구 내에서 생성된 속도 관련 조절 압력과 압력 공기의 공급 압력 간에 균형이 맞은 밸브 요소를 가진 속도 조정기를 포함하며 터빈 공전 속도가 압력 공기 공급 압력에서 발생되는 변동에 좌우되는 것을 방지하기 위한 수단이 제공되는 공압식 전동 공구의 공전 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 그 외의 다른 목적들과 이점들은 하기 본 발명의 상세한 설명과 청구항들로부터 명확해질 것이다.
이제, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 밑에 기술된다.
도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 속도 조절 장치를 포함하는 공기 터빈 구동 전동 공구의 일부분을 도시한 측면 단면도이다.
도 2는 조정기 밸브와 터빈 노즐을 통과하는 압력 공기 흐름 경로를 예시한 본 발명에 따른 속도 조절 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 속도 조절 장치를 도시한 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 조절 압력 조절기의 한 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 압력 공기 공급 압력에 따른 공전 속도를 예시한 다이어그램이다.
도 1에서, 2개의 핸들(11, 12), 그라인딩 휠(13)을 가진 출력 샤프트(도시되지 않음), 및 그라인딩 휠 안전 가드(14)가 제공된 하우징(10)을 포함하는 공압식 앵글 그라인더가 도시된다.
상기 핸들 중 한 핸들(11)은 압력 공기 유입 통로(16), 레버(17)에 의해 조절되는 스로틀 밸브(15), 및 압력 공기 공급 도관을 위한 도관 연결부(18)를 포함한다.
그라인더는 터빈 휠(22), 속도 조정기 밸브 유닛(21), 및 터빈 휠(22)을 출력 샤프트에 결합하는 감속 기어링(도시되지 않음)을 가진 작동 타입의 공기 터빈(20) 형태의 모터를 추가로 포함한다.
터빈 휠(22)은 샤프트(23) 위에 장착되고 블레이드(24)의 주변 열(peripheral row)을 포함하며 터빈 휠(22)을 축(26) 주위로 회전시키기 위해 터빈 휠 블레이드(24) 위에 압력 공기를 안내하기 위하여 하우징(10) 내에 다수의 노즐(25)이 제공된다. 공기 공급 통로(27)가 속도 조정기 밸브 유닛(21)과 노즐(25) 사이에서 연장되며, 개별적인 공전 구동 노즐(28)이 통로(29)를 통해 속도 조정기 밸브 유닛(21)의 상류에서 유입 통로(16)와 직접 소통된다(communicate). 도 2를 참조하라. 배출 공기 통로(30)가 터빈 휠(22)로부터 다수의 구멍(32)을 통해 대기(atmosphere)와 소통되는 출구 및 흡음 챔버(31)로 연장된다.
공전 구동 노즐(28)의 맞은편과 터빈 휠(22)의 하류에, 조절 압력 통로(35)를 통해 속도 조정기 밸브 유닛(21)과 소통되는 압력 감지 개구(34)가 위치된다.
속도 조정기 밸브 유닛(21)은 하우징(20) 내에 장착된 케이싱(36), 및 유입구(38)가 제공된 단부 커버(37), 및 와이어 네트 스크린(39)을 포함한다. 상기 케이싱(36)은 상이한 직경을 가진 2개의 보어(41 및 42)로 형성되는데, 상기 보어(41 및 42)는 각각 밸브 요소(43)와 작동 피스톤(44)을 안내하도록 지지한다(guidingly support). 밸브 요소(43)는 밸브 요소(43)의 개방 위치에서 밸브 케이싱(36)에 있는 배출구(52)와 일치하고 공기 공급 통로(27)와 입구 통로(16) 사이에서 소통을 개방하는(open up a communication) 가로방향 개구(51)가 있는 슬리브 형태의 후방 부분(50)을 갖는다. 밸브 요소(43)는 한 면에 있는 압축 스프링(45)의 하중(load)과 입구 압력(P1) 및 다른 면에 있는 통로(35)에서의 조절 압력 사이에서 균형이 맞는다(balanced).
그라인더는 압력 공기 유입 통로(16) 내의 실제 압력에 대응하여 통로(35) 내의 조절 압력을 조절하기 위해 압력 조절기(60)(도 1과 2에서는 예시되지 않음)을 추가로 포함한다. 압력 조절기(60)는 밑에서 추가로 상세하게 기술된다. 압력 조절기(60)와 조절 압력 통로(35) 사이에 소통을 제공하기 위해 통로(47)가 배열된다.
도 3에 개략적으로 도시된 것과 같이, 입구 통로(16) 내에 있는 공기 압력은 P1으로 표시되고 통로(29)를 통해 공전 작동 노즐(28)에 직접 소통된다. 이것은, 스로틀 밸브(15)가 개방되어 있는 한, 공전 작동 노즐(28)은 저전력에서 공전 속도로 터빈을 구동시키는데 활성적(active)이다는 것을 의미한다. 터빈 휠(22)의 하류 쪽에서, 압력 감지 개구(34)는 터빈 휠(22)의 하류에 있는 공전 작동 노즐(28)로부터 나온 출구 흐름에 의해 부딪혀서 조절 압력(P2)을 발생시킬 것이다. 상기 조절 압력(P2)은 터빈 휠(22)의 실제 회전 속도에 따라 상기 출구 흐름의 흐름 방향에 좌우되는데, 그 이유는 미리 정해진 특정 속도 수준에서 출구 흐름이 압력 감지 개구(34)에 정확하게 부딪히기 때문이다. 이는 압력 감지 개구(34)가 원하는 공전 속도 수준에서 가장 높은 조절 압력을 제공할 수 있도록 위치된다는 사실로 구현된다. 이에 따라, 터빈의 시작 부분에서 조절 압력은 낮고 속도 조정기 밸브 요소(43)는 닫힌다. 공전 속도가 원하는 수준에 도달할 때, 조절 압력(P2)은 밸브 요소(43)가 개방 위치에 가도록 하기에 충분히 높으며, 가로방향 개구(51)는 공기 흐름이 메인 노즐(25)로 유입되도록 하기 위해 출구 개구(52)와 일치한다. 이 지점에서, 터빈은 최고 파워(full power)가 되지만, 미리 정해진 공전 속도 이상으로 속도가 증가하면 터빈 휠의 하류에 있는 공전 노즐(28)로부터 나온 출구 흐름이 압력 감지 개구(34)와 부딪히게 하지 않으며, 이는 통로(35) 내의 조절 압력(P2)이 실질적으로 감소되는 것을 의미한다. 작동 피스톤(44)에 가해지는 상기 감소된 조절 압력으로 인해, 스프링(45)의 하중과 입구 압력(P1)이 밸브 요소(43)를 닫힌 위치로 이동시켜 이에 따라 공전 속도를 원하는 수준으로 제한시킬 수 있게 한다.
그라인딩 휠(13)에 작동 하중(work load)이 제공될 때, 터빈(21)의 회전 속도는 원하는 공전 속도로부터 감소하려 하는데, 이는 조절 압력(P2)이 다소 감소되고 밸브 요소(43)와 작동 피스톤(44)에 작용하는 조절 압력 힘도 감소되는 것을 의미한다. 이에 따라 스프링(45)의 하중과 입구 압력(P1)이 작용함으로써 밸브 요소(43)가 열림 방향으로 이동하여 노즐(25)로 유입되는 공기 흐름이 증가되고 회전 속도를 원하는 수준으로 유지된다.
터빈(21)의 공전 속도에 가해지는 입구 압력(P1)에서 발생하는 변동 영향을 방지하기 위하여, 작동 피스톤(44)에 작용하는 조절 압력을 조절하기 위해 압력 조절기(60)가 사용된다. 압력 조절기(60)는 통로(59)를 통해 소통되는 것과 같이 압력 공기 공급 압력(P1)의 실제 수준에 대해 조절 압력 통로(35)로부터 특정량의 공기를 대기로 선택적으로 배출되도록 배열된다. 도 3을 참조하라. 이를 위하여, 압력 조절기(60)에는 대기와 연속적으로 소통되는 출구 개구(70)가 제공된다. 그에 대한 경향에 따르면, 입구 통로(16)에서 압력 공기 공급 압력(P1)이 높으면 높을수록 공전 속도가 점점더 높아질 것이며, 그 반대로, 공급 압력(P1)이 감소되면 원치 않게도 공전 속도가 낮아지게 된다. 이는 도 5에 도시되는데, 이 도면에서, 곡선 A는 임의의 조절 압력 조절 없이 종래 기술의 터빈 그라인더에서 상이한 압력 공기 공급 압력(P1)에서 공전 속도 변동을 예시하며, 곡선 B는 본 발명에 따른 조절 압력 조절기를 사용할 때 공전 속도 변동을 예시한다. 조절 압력 조절기가 사용되면, 곡선 B에 의해, 터빈의 공전 속도가 실제 압력 공기 공급 압력에 좌우되는 것을 방지하는 것을 명확히 예시된다.
도 4에 도시된 것과 같이, 조절 압력 조절기(60)는 밸브 실린더(61), 및 원뿔형의 단부 부분(63)을 가지며 상기 실린더(61) 내에서 이동가능하게 안내되는 밸브 스핀들(62)을 포함한다. 밸브 스핀들(62)은 밸브 실린더(61) 내에서 숄더(71)와 밸브 스핀들(62) 사이에 작용하는 스프링(69)과 입구 압력(P1) 사이에서 균형이 맞는다. 밸브 스핀들(62)의 원뿔형 단부 부분(63)은 밸브 슬리브(64) 내로 연장되고 밸브 슬리브(64)의 환형 숄더(65)와 협력하도록 배열되어 감압(depressurizing) 공기 흐름이 대기로 통과할 수 있는 조절식 환형 공기 배출 통로(66)를 형성한다.
밸브 실린더(61)는 통로(47)를 통해 조절 압력 통로(35)와 소통하는 가로방향 개구(68)와 밸브 슬리브(64) 위에 있는 구멍(67)을 가진다. 이에 따라, 조절 압력(P2)은 구멍(67)과 개구(68)를 통해 밸브 슬리브(64)의 내측면에 도달할 수 있으며, 밸브 슬리브(64) 내의 숄더(65)와 밸브 스핀들(62)의 원뿔형 단부 부분(63) 사이에 형성된 배출 통로(66)를 통해 공기의 조절가능한 출구 흐름이 구현될 수 있다. 밸브 실린더(61)와 밸브 슬리브(64) 사이의 공간은 출구 개구(70)를 통해 대기에 지속적으로 연결된다.
본 발명에 따른 압력 조절기 장치를 포함하는 속도 조절 장치의 작동 순서는 다음과 같다:
처음에, 밸브 실린더(61)에 대해 밸브 슬리브(64)의 축방향 위치를 조절함으로써, 허용오차(tolerance)를 형성하기 위해 상쇄되는(compensated) 압력 조절기(60)의 기본적인 설정 단계가 구현된다. 이는 로크 너트(75)를 느슨하게 하고 밸브 슬리브(64)를 회전시킴으로써 구현되는데, 여기서 밸브 슬리브(64)의 스레드구성 후방 단부 부분(74)은 밸브 실린더(61) 내의 스레드와 협력한다. 정상적인 압력 공기 공급 압력에서 터빈의 원하는 공전 속도에 상응하는 밸브 슬리브(64)의 만족스러운 축방향 위치가 발견되었을 때 로크 너트(75)는 조여진다(tightened). 밸브 슬리브(64)의 축방향 위치는 밸브 스핀들 단부 부분(63)과 밸브 슬리브(64) 내의 숄더(65) 사이에 구현된 공기 배출 틈(66)을 결정한다.
터빈이 작동되기 시작할 때 스로틀 밸브(15)는 개방되고 입구 압력(P1)에서의 압력 공기는 입구 통로(16)를 통해 공급된다. 입구 압력(P1)은 속도 조정기 밸브 유닛(21)에 전달될 뿐만 아니라 공전 작동 노즐(28)에 직접 전달되어 터빈(20)을 회전시키고 압력 조절기(60)를 조절한다. 입구 압력이 공전 작동 노즐에 직접 전달되는 경우, 입구 압력(P1)은 입구 압력(P1)의 실제 수준에 따라 대기로 배출되는 배출 흐름을 개방시키는 밸브 스핀들(62)의 후방 단부에 작용한다. 밸브 스핀들(62)의 원뿔형 단부 부분(63)의 형태로 인해, 압력 공기 공급 압력(P1)이 높아지면 밸브 스핀들(62)이 스프링(69)의 힘에 대해 밸브 슬리브(64) 내부로 더 많이 이동하여, 이에 따라 배출 틈(66)이 개방된다. 조절 압력 통로(35)로부터 나온 공기 흐름이 통로(47), 개구(68) 및 구멍(67)을 통해 밸브 실린더(61)로 유입되며 배출 틈(66)과 출구 개구(70)를 통해 대기로 배출된다. 이는 통로(35) 내의 조절 압력(P2)이 P3로 감소되어 조정기 유닛(21)의 작동 피스톤(44)에 작용하는 것을 의미한다. 이에 따라 조정기 밸브(43)는 닫힌 위치를 향해 다소 이동하려 하며, 따라서, 감소된 공기 흐름을 통해 노즐(25)로 이동되어 터빈(20)의 공전 속도 및 작동 속도를 낮게 유지시킨다.
그 반대로, 공기 공급 압력(P1)이 낮으면 밸브 스핀들(62)이 밸브 슬리브(64) 내부로 들어갈 수 있게 충분히 기다랗지 않아서 매우 작은 배출 틈보다 더 많이 개방되지는 않거나 어떠한 배출 틈도 없을 것이다. 이는 조절 압력(P2)이 압력 감지 개구(34)로부터 속도 조정기 밸브 유닛(21)의 작동 피스톤(44)까지 실질적으로 유지되는 것을 의미하며, 이에 따라 P2가 P3와 실질적으로 동일하다는 것을 의미한다. 상기와 같이 유지된 조절 압력(P2)과 압력 조절기 밸브 스핀들(62)의 상기 위치에서, 조정기 밸브 요소(43)는 더 큰 압력 공기 흐름이 노즐(25)로 통과하게 하여 터빈(20)의 작동 속도를 증가시킬 것이다.
최종 결과에 따르면, 압력 공기 공급 압력(P1)의 실제 수준이 얼마이든지 간에 터빈(20)이 실질적으로 동일한 공전 속도와 작동 속도에서 작동될 것이다. 본 발명에 따른 압력 조절기 장치에 의해 얻어지는 이점을 예시하기 위하여, 도 5의 다이어그램은 2개의 곡선을 보여주는데, 여기서 곡선 A는 임의의 조절 압력 조절 없이도 터빈 구동 전동 공구에서 상이한 공기 공급 압력 수준에서 공전 속도 및 작동 속도에서의 변동을 예시한다. 이에 비해, 곡선 B는 본 발명에 따른 조절 압력 조절기 장치를 사용할 때 압력 공기 공급 압력(P1)에서의 변동이 발생함에도 불구하고, 터빈(20)의 공전 속도 및 작동 속도가 어떤 방식으로 거의 일정한 상태로 유지되는지를 보여준다.
이에 따라, 감소된 압력 공기 공급 압력(P1)은 터빈(20)의 공전 속도 또는 작동 속도가 감소되게 하지 않아서, 그라인딩 휠이 바람직하지 않게 기계적으로 많이 마모되고 작동 효율이 저하되게 하지 않는다.
본 발명은 본 명세서에 도시되고 기술된 실시예에만 제한되는 것이 아니라 하기 청구범위 내에서 변경될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치로서, 상기 속도 조절 장치는 압력 공기 입구 통로(16)가 있는 하우징(10), 출력 스핀들에 구동가능 하도록 결합된 터빈 휠(22)을 가진 공기 터빈(20), 및 압력 공기 흐름을 터빈 휠(22)로 안내하기 위해 하우징(10) 내에 배열된 하나 또는 그 이상의 공기 노즐(25), 조절 압력 통로(35)를 통해 속도 조정기(21)에 공급된 조절 압력(P3)에 대응하는 터빈 속도와 공기 입구 통로(16) 내의 공기 압력(P1) 간에 균형이 맞는 밸브 요소(43)를 포함하는 압력 작동식 속도 조정기(21)를 포함하는 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치에 있어서,
    한 면에서는 조절 압력 통로(35)와 소통하고 다른 면에서는 속도 조정기(21)의 상류에 있는 공기 입구 통로(16)와 소통하기 위해 조절 압력 조절기(60)가 배열되며, 조절 압력 조절기(60)는 공기 입구 통로(16) 내의 압력의 실제 수준에 대응하여 조절 압력(P3)을 조절하도록 배열되는 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    조절 압력 조절기(60)는 조절 압력 통로(35)를 대기(atmosphere)에 선택적으로 연결하고 조절 압력(P3)을 조절하기 위해 조절식 배출 통로(66)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    조절 압력 조절기(60)는 스프링(69)과 공기 입구 통로(16) 내의 압력(P1) 간에 균형을 맞추는 이동식 밸브 스핀들(62)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    조절 압력 조절기(60)는 환형 숄더(65)가 있는 밸브 슬리브(64)를 포함하며, 이동식 밸브 스핀들(62)은 조절식 배출 통로(66)를 형성하기 위해 환형 숄더(65)와 협력하도록 배열된 원뿔형의 단부 부분(63)을 가지는 것을 특징으로 하는 공압식 전동 공구의 속도를 조절하기 위한 속도 조절 장치.
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