KR20220017894A - 연결축 및 1축 편심 나사 펌프 - Google Patents

Abstract

굽힘 강성이 낮고, 비틀림 강성이 높은 연결축의 제공을 목적으로 한다. 가요성을 갖고 제1 부재와 제2 부재를 연결하는 연결축(10)이며, 연결축(10)의 축선 방향에 직교하는 단면의 형상이 축선 방향을 향함에 따라서 연속적으로 비틀어진 형상, 혹은 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상인 비틀림 형상부(12)를 적어도 일부에 구비한다. 상기 단면 상에 있어서의 단면 2차 모멘트가, 상기 축선 방향에 직교하고 당해 단면(13)에서의 단면 2차 모멘트가 최소인 제1 방향(짧은 변 방향)과, 동일 단면(13) 상에서 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향(긴 변 방향)에서 다르게 한다.

Description

연결축 및 1축 편심 나사 펌프

본 발명은, 연결축 및 1축 편심 나사 펌프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 제1 부재와 제2 부재를 연결하고, 그 사이의 동력을 전달하는 연결축과 그것을 사용한 1축 편심 나사 펌프에 관한 것이다.

종래, 1축 편심 나사 펌프의 로터를 편심 회전 가능하게 하기 위해, 구동측 회전부와 로터 사이는, 환봉 형상의 가요성 연결축(가요성 구동축에 상당)이 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1).

또한, 슬릿을 새긴 평판 형상의 부재를 직교시킨 형상의 가요성 연결축이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2).

일본 특허 공개 제2012-154215호 일본 특허 공개 제2014-105827호

그런데, 특허문헌 1의 연결축은, 로터를 편심 회전시키기 위해, 그 양단을 변위시킬 필요가 있다. 따라서, 연결축은, 가요성을 갖고, 굽힘 강성이 낮은 것이 요구되고 있다. 이 굽힘 강성이 높은 경우, 연결축의 반력(복원력이라고도 칭함)에 의해, 스테이터 내에서 로터의 자세가 기우는 문제가 있다. 이와 같이, 로터가 기울면 스테이터의 삽입구 부근에 로터가 강하게 압박됨으로써, 스테이터 내부의 이송 공간이 변형되고, 스테이터 내부가 마모되어 있지 않음에도 불구하고, 토출 성능이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기 연결축은, 로터의 회전 기동 시 또는 정지 시에 구동원의 회전각을 정확하게 로터에 전달하기 위해, 비틀림 강성이 높은 것이 요구되고 있다. 이 비틀림 강성이 낮은 경우, 로터의 회전 기동 시 또는 정지 시에 구동원의 회전각을 로터에 정확하게 전달할 수 없어, 펌프의 토출 개시 및 정지의 응답성이 나빠지거나, 스틱 슬립 현상이 발생하고, 이음이나 토출의 맥동이 발생하거나 하는 문제가 있다.

일반적으로 굽힘 강성이 높은 소재나 형상은, 비틀림 강성이 높고, 반대로 굽힘 강성이 낮은 소재나 형상은, 비틀림 강성이 낮다고 하는 서로 상관하는 관계에 있으므로, 이상적인 연결축에 구해지는 높은 비틀림 강성과 낮은 굽힘 강성을 구비한다는 양쪽의 요청을 충족하는 소재나 형상의 연결축이 없었다.

그래서, 종래의 연결축은, 어느 정도의 비틀림 강성을 확보하면서, 약간 구부릴 수 있는 정도의 굽힘 강성을 갖고, 게다가 강도 상도 문제가 없는 티타늄 합금이나 엔지니어 플라스틱 등의 재질로 형성된 환봉이 사용되고 있다. 이 환봉을 긴 형상화함으로써, 구부리는 각도가 작아도 편심 회전의 변위분의 길이만큼 구부릴 수 있으므로, 그 반력이 저감한다. 이 때문에, 종래의 연결축을 채용한 1축 편심 나사 펌프에 있어서는, 펌프 전체의 길이가 길게 되어 대형화하는 문제가 있었다. 또한, 연결축이 길어짐으로써, 토크에 대한 축 전체의 비틀림각도 커져, 그다지 토출의 응답성이 좋아지지 않는다고 하는 문제도 남아 있었다. 또한, 이에 수반하여 상술한 연결축을 수용하는 케이싱도 대형화하고, 1축 편심 나사 펌프를 정지시켰을 때, 케이싱 내에 있어서의 유동물의 잔존량이 많아지게 된다는 문제나 설치 스페이스가 확보하기 어려워진다고 하는 문제도 있었다.

또한, 특허문헌 2에 있어서의 연결축은, 일방향에만 굽힘 강성이 낮은 평판 형상의 부재를 직교시켜서 전체 방향으로의 변위에 대응시키고 있다. 그러나, 평판 형상은 비틀림 강성도 낮은 형상이며, 회전 토크를 부여했을 때에 상기 평판 형상의 부재에 비틀림 방향의 힘이 작용하고, 당해 평판 형상의 부재가 비틀어진다는 문제가 있다.

또한, 회전 위치마다 360°의 모든 방향으로부터 변위에 의한 힘이 작용되므로, 상기 평판 형상의 부재에 대해 가장 구부러지기 쉬운 방향인 수직 방향 이외로부터의 힘이 가해지면, 1축 편심 나사 펌프의 로터 및 스테이터에의 반력이 각도마다 크게 변동한다. 이에 의해, 상기 스테이터 내에서 상기 로터의 자세가 흔들리고, 캐비티의 형상 및 용적을 변동시켜, 토출 정밀도의 악화와 맥동을 발생시키는 문제가 있다.

그래서, 상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 굽힘 방향으로의 변위를 허용하는 굽힘 강성 및 가요성을 가지면서, 비틀림 방향으로의 비틀림 강성이 높은 콤팩트한 연결축을 제공함과 함께 상기 연결축에 기인한 이음이나 토출의 맥동이 발생하지 않는 1축 편심 나사 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 제공되는 본 발명의 연결축은, 가요성을 갖고 제1 부재와 제2 부재를 연결하는 것으로서, 상기 연결축의 축선 방향에 직교하는 단면의 형상이 축선 방향을 향함에 따라서 연속적으로 비틀어진 형상, 혹은 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상인 비틀림 형상부를 적어도 일부에 구비하고, 상기 단면 상에 있어서의 단면 2차 모멘트가, 상기 축선 방향에 직교하고 당해 단면에서의 단면 2차 모멘트가 최소인 제1 방향과, 동일 단면 상에서 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서 상이한 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 연결축은, 상기 연결축의 축선 방향에 직교하는 단면의 형상이 축선 방향을 향함에 따라서 연속적으로 비틀어진 형상, 혹은 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상인 비틀림 형상부를 적어도 일부에 구비하고 있다. 즉, 연결축이 회전할 때, 비틀림 방향으로의 모멘트의 일부가 초기 상태에서 비틀어져 있는 형상에 의해 축방향의 힘 등으로 변환되므로, 실질적으로 연결축의 비틀림 강성이 향상된다. 따라서, 본 발명의 연결축을 모터 등의 구동원과 연결함으로써, 당해 구동원의 회전각을 응답성 좋고 정확하게 전달하는 것이 가능해진다.

본 발명의 연결축은, 상기 단면 상에 있어서의 단면 2차 모멘트가 최소가 되는 방향을 제1 방향으로 하고, 제1 방향으로의 길이 및 당해 제1 방향에 대하여 동일 단면 상에서 교차하는 제2 방향으로의 길이가 상이한 단면 형상을 갖고 있다. 즉, 본 발명의 연결축은, 제1 방향으로의 단면 2차 모멘트가 최소가 되므로, 당해 연결축의 각 단면 위치에 있어서 제2 방향보다도 제1 방향으로 변위하기 쉽다. 그리고, 단면의 형상이 축선 방향을 향함에 따라서 연속적으로 비틀어진 형상, 혹은 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상이므로, 편심 회전에 수반하는 360°의 어느 방향의 변위에도 대응할 수 있다. 이와 같은 특성을 가지므로, 편심 회전이 필요한 각종 장치(예를 들어, 펌프, 컴프레서, 디스펜서, 왕복 기구 등)의 편심 회전축으로서 적합하게 사용할 수 있다.

본 발명의 연결축은, 단면 2차 모멘트가 최소가 되는 제1 방향으로 변위하기 쉬워짐과 함께, 단면 2차 모멘트가 큰 제2 방향으로의 변위가 제한된다. 즉, 본 발명의 연결축은, 연결축의 선회에 수반하여, 제1 방향과 제2 방향이 원주 방향으로 순차 변화되어 가므로, 적당한 가요성을 갖고, 게다가 비틀림 강성도 높은 양쪽의 요청을 만족시키는 연결축을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 연결축은, 편심에 의한 변위를 허용 가능하다. 그 때문에, 본 발명의 연결축은, 유니버설 조인트를 사용하지 않고 접속해도, 편심에 의한 변위를 허용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연결축을 사용하면, 연결축에 미끄럼 이동하는 부분을 마련하지 않고 접속할 수 있으므로, 마모 등에 의한 이물의 혼입을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연결축은, 식품 가공용, 제약용 등, 이물의 혼입이 문제가 되는 장치의 연결축으로서 적합하게 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 연결축은, 굽힘 강성이 낮은 물성과, 비틀림 강성이 높은 물성의 양쪽을 가지므로, 회전 토크에 대한 내 비틀림 성능을 낮추는 일 없이 단척화한 설계가 가능해진다. 따라서, 본 발명의 연결축을 채용한 장치를 소형화할 수 있어, 설치 스페이스에 의존하지 않는 범용성이 높은 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 연결축은, 상기 연결축의 비틀림 축심이 상기 축선 방향의 어느 위치에 있어서 단면으로 보아도 상기 단면 형상 내에 있고, 상기 단면 형상은, 상기 비틀림 축심 위치를 통과함과 함께 상기 제1 방향을 따르는 제1축에 대하여 선 대칭인 형상, 상기 비틀림 축심 위치를 통과함과 함께 상기 제2 방향을 따르는 제2축에 대하여 선 대칭인 형상 및 상기 비틀림 축심에 대하여 점 대칭인 형상 중 적어도 어느 하나의 형상인 것이 바람직하다.

본 발명의 연결축은, 단면 형상으로 하고, 예를 들어 직사각형, 타원, 둥근 모서리, 평행사변형, 마름모형 등의 형상을 바람직하게 채용할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 연결축의 제작 가공이 용이하게 행할 수 있다.

본 발명의 연결축은, 비틀림 형상부에 있어서의 총 비틀림각이 180도의 배수 ±20도인 것이 바람직하다.

본 발명의 연결축은, 이러한 구성으로 되어 있으므로, 가장 구부러지기 쉬운 제1 방향이 회전축을 중심으로서 반회전(180°)으로 균등하게 1회전분(360°)의 굽힘 방향에 대응하고 있고, 오차분을 제외하고 여분의 각도가 없으므로 반력의 변동이 안정된다. 따라서, 연결축의 양단에 연결되는 제1 부재 또는 제2 부재의 회전 시의 자세가 안정되고, 제1 부재 또는 제2 부재가 불안정한 회전 자세에 기인하는 이음이나 진동을 저감할 수 있다.

상술한 과제를 해결하기 위해 제공되는 본 발명의 1축 편심 나사 펌프는, 구동기의 동력에 의해 회전하는 구동측 회전부와, 수나사형의 축체에 의해 구성된 로터와, 상기 로터를 삽입 관통 가능하며 내주면이 암나사형으로 형성된 스테이터와, 상기 로터가 상기 스테이터의 내측에 있어서 자전하면서, 상기 스테이터의 내주면을 따라서 공전하도록 편심 회전 가능하게 상기 구동측 회전부와 상기 로터를 접속하는 연결축을 갖고, 상기 연결축으로서, 상술한 연결축이 사용되는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 1축 편심 나사 펌프는, 상술한 본 발명의 연결축을, 1축 편심 나사 펌프의 로터 및 구동측 회전부와 접속하여 사용하고 있으므로, 구동측의 회전각을 응답의 지연없이 로터에 전할 수 있다. 또한, 본 발명의 1축 편심 나사 펌프는, 구동측의 회전각에 대한 응답 성능을 낮추는 일 없이 단척화가 가능한 본 발명의 연결축을 채용하고 있으므로, 소형화할 수 있다. 이에 의해, 연결축을 사용하는 방식의 1축 편심 나사 펌프이어도 설치 스페이스를 저감할 수 있다. 또한, 이에 의해, 1축 편심 나사 펌프의 케이싱 용적이 작아져, 케이싱 내의 유동물의 잔존량을 저감할 수 있다. 따라서, 특히 고가인 유동물의 토출이 필요한 분야(예를 들어, 전지 제조, 반도체 제조 등)에서 적합하게 이용할 수 있다.

본 발명의 1축 편심 나사 펌프는, 상기 로터의 비틀림 방향과, 상기 연결축의 비틀림 방향이 일치하고 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 상술한 연결축의 선회에 수반하여, 케이싱 내의 유동물을 스테이터측에 압입하는 것이 가능해진다. 따라서, 점성이 높은 유동물이어도, 케이싱 내의 유동물을 적합하게 스테이터측에 압입하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 스테이터의 내부 공간의 용적을 유동물로 채우기 쉬워지므로, 이송 효율이 향상된다. 또한, 펌프가 역전 흡입으로 사용되는 경우에는, 스테이터로부터 토출된 유동물의 케이싱 외로의 토출을 또한 보조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 긴 형상화하지 않고, 굽힘 강성이 낮고(가요성을 갖고), 또한 비틀림 강성이 높은 연결축을 제공할 수 있으므로, 당해 연결축을 채용함으로써 각종 장치나 기구를 소형화할 수 있다. 또한, 1축 편심 나사 펌프에 본 발명의 연결축을 채용함으로써, 범용성이 높은 소형의 펌프를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연결축의 사시도이다.
도 2의 (a) 내지 (g)는 본 발명의 연결축의 단면 형상의 변형예이다.
도 3은 연결축의 총 비틀림각과 반력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 연결축의 총 비틀림각과 반력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 연결축의 평가 방법의 설명도이다.
도 6은 연결축의 평가 결과이다.
도 7은 종래의 가요성 연결축과 본 발명의 연결축의 변형예를 비교한 설명도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 1축 편심 나사 펌프의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 1축 편심 나사 펌프의 일부 개략 사시도이다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 연결축(10)에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 발명의 연결축(10)은 각종 펌프나 컴프레서 등의 각종 장치나 기구에 있어서, 제1 부재와 제2 부재를 연결하고, 동력원의 동력을 제1 부재로부터 제2 부재에 전달하는 것에 사용된다. 그 중에서도, 본 발명의 연결축(10)은 편심 운동을 제1 부재로부터 제2 부재에 전달하는 것에 적합하게 사용된다.

도 1과 같이 본 발명의 연결축(10)은 단면(13)의 단면 형상이 직사각 형상으로 형성된 판 형상 부재(11)가 축선 방향을 향함에 따라서, 연속적으로 선회하도록 비틀어진 비틀림 형상부(12)를 구비하고 있다.

단면(13)에 있어서의 단면 형상은, 짧은 변 방향의 길이가 a이며, 긴 변 방향의 길이가 b의 직사각 형상으로 형성되고, 연결축(10)의 축방향의 길이는 L이다. 여기서, 단면 형상은, 축선 방향의 어느 위치에 있어서 단면으로 보아도, 축선 위치를 통하도록 형성되어 있다. 즉, 비틀림 형상부(12)는 단면(13)의 축심이 축선 상에 위치하도록 판 형상 부재를 축선 방향으로 비틀림으로써 형성되어 있다.

또한, 상기 단면 형상은, 단면(13)에 있어서의 단면 2차 모멘트가 최소가 되는 방향을 제1 방향으로 하고, 제1 방향으로의 길이 및 당해 제1 방향에 대하여 동일 단면 상에서 직교하는 제2 방향으로의 길이가 상이하다. 본 실시 형태에 있어서는, 단면에 있어서의 단면 2차 모멘트가 최소가 되는 제1 방향은, 짧은 변 방향이며, 제1 방향으로의 길이는 a이다. 본 실시 형태에 있어서는, 두께가 얇은 짧은 변 방향이, 단면 2차 모멘트의 최소가 되는 방향인 제1 방향에 상당한다. 또한, 이 제1 방향에 대하여 동일 단면 상에서 직교하는 제2 방향은, 긴 변 방향이며, 제2 방향으로의 길이는 b이다. 즉, 제1 방향(짧은 변 방향)으로의 길이 a와 제2 방향(긴 변 방향)으로의 길이 b는, 상이하도록 구성되어 있다.

여기서, 제1 방향(짧은 변 방향)의 단면 2차 모멘트는, 이하의 공식으로 나타내어진다.

(제1 방향의 단면 2차 모멘트)=ba3/12

또한, 제2 방향(긴 변 방향)의 단면 2차 모멘트는, 이하의 공식으로 나타내어진다.

(제2 방향의 단면 2차 모멘트)=ab3/12

상술한 바와 같이, 단면 형상에 있어서의 제1 방향으로의 길이와 제2 방향으로의 길이가 상이하도록 형성됨으로써, 단면 2차 모멘트가 최소가 되는 방향의 굽힘 강성이 낮아진다. 즉, 본 실시 형태에 있어서는, 단면(13)에 있어서의 짧은 변 방향으로의 굽힘 강성이 낮아진다. 따라서, 단면(13)에 있어서의 짧은 변 방향으로 가요성이 높아진다. 또한, 다른 쪽의 긴 변 방향은, 두께가 두껍고, 굽힘 강성이 높아진다. 따라서, 긴 변 방향으로는, 가요성이 낮아진다. 이와 같이, 단면 2차 모멘트는, 짧은 변 a와 긴 변 b의 비율(β=b/a)에 의해 특성이 바뀐다.

또한, 연결축(10)은 상술한 바와 같이 비틀림 형상부(12)를 갖고 있고, 단면 형상이 축선 방향을 향함에 따라서, 연속적으로 비틀어져 있다. 따라서, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은, 연속적으로 원호를 그리면서, 각각의 방향이 변위해 간다. 이에 의해, 굽힘 강성이 낮은 가요성이 높은 방향도 원주 방향으로 연속적으로 변위한다. 즉, 상세는 후술하지만, 예를 들어, 연결축(10)의 일단부를 1축 편심 나사 펌프(30)의 제1 부재로서의 동력원에 접속하고, 타단부를 제2 부재로서의 로터(60)에 접속하여, 연결축(10)을 회전 구동한 경우, 연결축(10)의 가요성 높은 방향과 낮은 방향이 축선 방향으로 연속적으로 선회하면서 변위해 간다. 따라서, 연결축 전체로서 적당한 가요성을 갖는 부재로서 기능한다. 또한, 연결축(10)에 사용하는 재질에 따라서, 연결축(10)의 가요성 정도는 적절히 조정할 수 있다.

연결축(10)은 상술한 바와 같이 연속적으로 비틀어져 구성되어 있고, 굽힘 강성이 높은 제2 방향(긴 변 방향)이 축선 방향으로 비틀어지면서 연속적으로 변위한다. 이에 의해, 연결축(10)은 둘레 방향으로 360°의 어느 방향에 대해서도, 단면 2차 모멘트가 작고 굽힘 강성이 낮은 방향이 존재하는 것으로 되므로, 연결축(10)이 변위한 상태에서 원래로 돌아가려고 하는 반력(복원력)도 저감한다. 또한, 연결축(10)이 회전할 때, 초기 상태에서 비틀어져 있는 형상인 비틀림 형상부(12)에 가해지는 비틀림 방향의 모멘트 일부가 비틀림의 효과에 의해 축방향의 힘에 변환되므로, 실질적으로 연결축(10)의 비틀림 강성이 높아지는 것으로 추측된다. 이에 의해, 연결축(10)은 회전 토크가 가해졌을 때에 발생하는 비틀림이 억제된다.

상술의 것으로부터, 단면 형상은, 직사각 형상으로 한정되는 것은 아니라, 제1 방향의 단면 2차 모멘트와, 제2 방향의 단면 2차 모멘트가 다른 것이면, 각종의 것을 채용할 수 있다. 예를 들어, 단면 형상은, 도 2의 (a) 내지 (g)의 변형예와 같이, 타원 형상, 평행사변 형상, 모서리부가 둥글고 모따기된 둥근 모서리 형상, 직사각형으로 일부가 모따기된 형상, 마름모형 등을 채용할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서, 도시한 바와 같이 제1 방향(짧은 변)의 길이는 a, 제2 방향(긴 변)의 길이는 b로 나타내어진다.

또한, 단면 형상을 축선 방향을 향함에 따라서 연속적, 또는 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상으로 함에 있어서, 고정밀도인 제조의 용이함의 관점에서, 상기 단면 형상은, 상기 비틀림 축심 위치를 통과함과 함께 상기 제1 방향을 따르는 제1축을 대칭축(14)으로서, 당해 대칭축(14)에 대하여 선 대칭인 형상, 상기 비틀림 축심 위치를 통과함과 함께 제2 방향을 따르는 제2축을 대칭축(16)으로서 선 대칭인 형상 및 상기 비틀림 축심을 대칭점(15)으로서, 당해 대칭점(15)에 대하여 점 대칭인 형상 중 적어도 어느 하나의 형상인 것이 바람직하다. 즉, 연결축(10)의 단면 형상은, 도 2의 (a), (c), (f)의 예와 같이 대칭축(14, 16)의 양쪽에 대하여 대칭 또한 대칭점(15)에 대하여 점 대칭인 형상의 것, 도 2의 (g)의 예와 같이 대칭축(14)에 대하여 선 대칭인 형상이지만, 대칭축(16)이나 대칭점(15)에 대하여 비대칭인 형상의 것, 도 2의 (h)와 같이 대칭축(16)에 대하여 선 대칭이지만, 대칭축(14)이나 대칭점(15)에 대하여 비대칭인 형상의 것, 도 2의 (b), (d)와 같이 대칭점(15)에 대하여 점대칭이지만, 대칭축(14, 16)에 대하여 비대칭인 것 등으로 하면 된다.

다음으로 연결축(10)의 비틀림 형상부(12)의 구성에 대해서, 이하에 상세를 설명한다.

도 1에 있어서의 실시 형태에서는, 연결축(10)에, 총 비틀림각 720°(비틀림 횟수가 2 권취, 이후 단순히 2 권취라고도 함)의 비틀림 형상부(12)가 형성되어 있다. 여기서, 본 발명자들의 예의 연구의 결과, 상기 총 비틀림각이 180°(0.5 권취)의 배수 ±20°이면 굽힘 방향으로 적당한 변위가 허용됨과 함께 상술한 반력의 변동을 저감할 수 있는 것이 판명되었다. 이것은, 상기 총 비틀림각이 180°의 배수이면, 회전축을 중심으로서 반회전(180°)으로 균등하게 1회전분(360°)의 굽힘 방향 및 비틀림 방향으로의 변위를 커버할 수 있기 때문이라고 추측된다. 따라서, 본 실시 형태의 연결축(10)은 굽힘 방향으로의 변위와 비틀림 방향으로의 변위가, 360° 균등하게 분산되면서 작용하므로, 연결축(10)은 적당한 가요성으로 비틀림 방향으로의 높은 강성의 양쪽을 갖는다. 또한, ± 20°로 하는 것에 대해서는 후술한다.

상기 총 비틀림각과 변위 방향의 변화에 대한 반력의 변화의 평가 결과를 나타낸 그래프를 도 3 및 도 4에 나타낸다.

당해 평가는, 총 비틀림각 이외의 조건이 동일한 것(즉, 재질, 단면 형상, 전체 길이가 동일한 것)을 사용하고, 연결축(10)의 일단부를 고정한 상태에서, 타단부를 X 방향으로만 변위시켰을 때의 반력을 100%로 하고, 변위 방향을 바꾼 경우의 반력 증감을 기록한 것이다. 상기 그래프는, 횡축에 변위 방향을, 종축에 반력을 기록하고 있다.

도 3과 같이, 총 비틀림각이 180°의 배수가 아닌 405°(1.125 권취), 450°(1.25 권취), 495°(1.375 권취)의 경우, 총 비틀림각 ψ가 180°의 배수인 360°(1 권취) 및 540°(1.5 권취)에 비해 반력이 증대하는 것을 알 수 있다.

마찬가지로, 도 4에 있어서도 총 비틀림각이 180°의 배수인 720°(2 권취)와 900°(2.5 권취)에서는 반력이 저감하고, 총 비틀림각이 180°의 배수가 아닌 영역에서는 반력이 증대하는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 총 비틀림각이 360°(1 권취)로부터 900°(2.5 권취)까지, 단계적으로 변화하면, 반력의 변동률이 증감한다. 또한, 총 비틀림각이 180°의 배수마다, 반력의 변동률이 저감된다. 즉, 총 비틀림각이 360°(1 권취)를 초과하면, 반력의 변동률이 증가하고, 총 비틀림각이 540°(1.5 권취)에 접근함에 따라서 동반 반력의 변동률이 감소한다. 이후, 마찬가지로 총 비틀림각이 180°의 배수마다 반력의 변동률이 저감하고, 180°의 배수로부터 이격됨에 따라서 반력의 변동률이 증대한다. 또한, 상기 그래프는 반력의 상대값을 나타낸 것이며, 총 비틀림각이 커질수록, 반력의 절댓값은 저하되는 경향이 있다.

또한, 총 비틀림각이 360°(1 권취), 540°(1.5 권취), 720°(2 권취), 900°(2.5 권취)와 180°의 배수마다 증대함에 따라서, 반력의 변동률이 저감하는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 연결축(10)은 비틀림 형상부(12)에 있어서의 총 비틀림각이 180도의 배수인 것이 바람직하다. 또한, 연결축(10)을 제조할 때의 오차나 사용할 때의 제1 부재와 제2 부재를 연결할 때의 연결부의 형상에 의한 오차를 고려하면, 그 오차분은 총 비틀림각에 있어서 ±20°인 것이 바람직하다. 또한, 총 비틀림각 180°(0.5 권취)는 가장 구부러지기 쉬운 변위 방향으로의 반력의 저감 효과는 있지만, 변위 방향이 바뀐 경우의 반력 변동이 크므로, 총 비틀림각이 360°(1 권취) 이상이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 연결축(10)에 대해서, 종래의 가요성 연결축(90)과 비교한 일 실시 형태를 예로 들어, 이하에 설명한다.

도 6은, 일반적인 1축 편심 나사 펌프의 사용 조건 상당의 전제 조건 하에서, 종래의 가요성 연결축(90)과 동등한 굽힘 강성을 갖는 본 발명의 연결축(10)을 6종류 설계하여, 길이 및 비틀림 강성을 종래의 가요성 연결축(90)과 비교한 평가 결과를 나타낸 것이다. 도 7은, 도 6의 표에 기초하여, 비교예를 포함하고 본 발명의 변형예에 관한 연결축(10a 내지 10f)을 도시한 것이다.

상술한 평가의 평가 방법에 대해서, 도 5를 참조하여 이하에 설명한다.

비교예의 가요성 연결축(90)과 본 발명의 연결축(10)의 전제 조건은 이하와 같다. 가요성 연결축(90)의 일단부를 고정하여 고정단부(90a)로 하고, 타단부에 축심 방향과 수직의 변위를 1㎜ 부여함과 함께 1Nm의 토크를 부여한다. 이때의 가요성 연결축(90)이 중심으로 되돌아가려고 하는 반력이 1N, 굽힘과 비틀림에 의한 응력(비교 응력)이 205㎫가 되도록, 환봉의 가요성 연결축(90)(비교예) 및 본 발명의 연결축(10)의 치수를 정하여, 비교 평가를 행한다. 또한, 비교예의 가요성 연결축(90)과 본 발명의 연결축(10)은 모두 종탄성 계수가 200㎬, 횡탄성 계수가 76.9㎬의 재질을 사용하는 것으로 한다.

비교예로서, 상술한 전제 조건 하에서 환봉의 가요성 연결축(90)을 설계하면, 단면이 φ3.52㎜이고, 길이가 262㎜로 되었다. 이 경우의 가요성 연결축(90)은 토크에 의한 비틀림각이 12.9°이었다.

또한, 실시예 1로서, 상술한 전제 조건 하에서, 단면(13)이 직사각 형상의 판(단면 치수:1.6㎜×16.0㎜, β=10)을 총 비틀림각이 360°(1 권취)가 되도록 설계하면 길이가 275㎜의 연결축(10a)이 얻어졌다. 연결축(10a)은 토크에 의한 비틀림각이 6.55°이었다. 따라서, 연결축(10a)은 비교예에 대해 길이가 +5%와 약간 비교예보다도 길어졌지만, 토크에 의한 비틀림각이 비교예에 대해 -50%와 대폭으로 비틀림 강성이 향상되어 있다.

또한, 상술한 연결축(10)은, 예를 들어, 판 형상 부재를 필요 횟수 비틀어서 제조하거나, 원주 형상의 부재를 절삭하여 절삭 등으로 제조하거나 할 수 있다. 연결축(10)의 제조는, 이들에 한정되지는 않고, 각종의 방법을 채용할 수 있다.

실시예 2 내지 6의 연결축은, 실시예 1과 마찬가지로 도 5의 각 실시예의 조건에서, 각각 연결축(10b 내지 10f)으로서 설계한 것이다. 각각의 실시예의 평가 결과는 도 5와 같다. 평가 결과와 같이, 비교예에 대해, 각 실시예에 있어서, 치수가 대폭으로 단축화한 후에, 굽힘 강성이 대폭으로 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 상술한 실시예는, 이해가 용이한 바와 같이 소정의 조건에서 길이와 굽힘 강성을 비교하기 위해 편의상 설계한 것이며, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 발명의 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다. 또한, 사용하는 재질도, 예를 들어 티타늄, 스테인리스 등의 금속이나 그 밖의 엔지니어 플라스틱 등의 수지 부재 등이 바람직하게 사용할 수 있지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 용도에 따라서 각종의 소재를 사용할 수 있다.

다음에 본 발명의 일 실시 형태에 따른 1축 편심 나사 펌프(30)에 대해서, 도 8 및 도 9를 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 있어서는, 상술한 연결축(10)을 1축 편심 나사 펌프(30)의 로터(60)(제1 부재)와 동력 전달 기구(70)(제2 부재)의 연결 부재로서 사용하고 있다.

1축 편심 나사 펌프(30)는 펌프 기구(31)를 주요부로서 구성되는, 소위 회전 용적형의 펌프이다. 1축 편심 나사 펌프(30)는 케이싱(40)의 내부에 스테이터(50), 로터(60) 및 동력 전달 기구(70) 등을 수용한 구성으로 되어 있다. 케이싱(40)은 금속제로 통 형상의 부재이며, 긴 변 방향 일단부측에 제1 개구부(42)가 마련되어 있다. 또한, 케이싱(40)의 외주 부분에는, 제2 개구부(44)가 마련되어 있다. 제2 개구부(44)는 케이싱(40)의 긴 쪽 방향 중간 부분에 위치하는 중간부(46)에 있어서 케이싱(40)의 내부 공간에 연통하고 있다.

제1 개구부(42) 및 제2 개구부(44)는, 각각 펌프 기구(31)의 흡입구 및 토출구로서 기능하는 부분이다. 1축 편심 나사 펌프(30)는 로터(60)를 정방향으로 회전시킴으로써, 제1 개구부(42)를 토출구, 제2 개구부(44)를 흡입구로서 기능시킬 수 있다. 또한, 로터(60)를 역방향으로 회전시킴으로써, 제1 개구부(42)를 흡입구, 제2 개구부(44)를 토출구로서 기능시킬 수 있다.

스테이터(50)는 고무 등의 탄성체, 또는 수지 등을 주성분으로 하는 재료에 의해 형성된 대략 원통형의 외관 형상을 갖는 부재이다. 스테이터(50)의 내주면(52)은 n+1조(본 실시 형태에서는 n=1)로 암나사 형상으로 된 부재이다. 또한, 스테이터(50)의 관통 구멍(54)은 스테이터(50)의 긴 쪽 방향의 어느 위치에서 단면으로 보아도, 그 단면 형상(개구 형상)이 대략 타원형이 되도록 형성되어 있다.

로터(60)는 n조(본 실시 형태에서는 n=1)의 수나사 형상으로 된 금속제의 축체이다. 로터(60)는 긴 쪽 방향의 어느 위치에서 단면으로 보아도, 그 단면 형상이 대략 원형이 되도록 형성되어 있다. 로터(60)는 상술한 스테이터(50)에 형성된 관통 구멍(54)에 삽입 관통되고, 관통 구멍(54)의 내부에 있어서 자유롭게 편심 회전 가능하게 되어 있다.

로터(60)를 스테이터(50)에 대하여 삽입 관통하면, 로터(60)의 외주면(62)과 스테이터(50)의 내주면(52)이 양자의 접선으로 밀접한 상태로 되고, 스테이터(50)의 내주면(52)과 로터(60)의 외주면 사이에 유체 반송로(56)(캐비티)가 형성된다. 유체 반송로(56)는 스테이터(50)나 로터(60)의 긴 쪽 방향을 향하여 나선상으로 신장되어 있다.

유체 반송로(56)는 로터(60)를 스테이터(50)의 관통 구멍(54) 내에 있어서 회전시키면, 스테이터(50) 내를 회전하면서 스테이터(50)의 긴 쪽 방향으로 진행한다. 그 때문에, 로터(60)를 회전시키면, 스테이터(50)의 일단부측으로부터 유체 반송로(56) 내에 유체를 흡입함과 함께, 이 유체를 유체 반송로(56) 내에 가둔 상태에서 스테이터(50)의 타단부측을 향하여 이송하고, 스테이터(50)의 타단부측에 있어서 토출시키는 것이 가능하다. 본 실시 형태의 펌프 기구(31)는 로터(60)를 정방향으로 회전시킴으로써 사용되고, 제2 개구부(44)로부터 흡입한 점성액을 압송하고, 제1 개구부(42)로부터 토출하는 것이 가능하게 되어 있다.

동력 전달 기구(70)는 구동기(80)로부터 상술한 로터(60)에 대하여 동력을 전달하기 위한 것이다. 동력 전달 기구(70)는 동력 전달부(72)와 편심 회전부(74)를 갖는다. 동력 전달부(72)는 케이싱(40)의 긴 쪽 방향의 일단부측에 마련되어 있다. 동력 전달부(72)는 구동기(80)의 동력을 받아서 회전하는 회전축(73)을 갖는다. 회전축(73)은 베어링(75)에 축지지되고, 구동기(80)의 동력을 편심 회전부(74)에 전달한다.

편심 회전부(74)는 케이싱(40)의 중간부(46)에 마련되어 있다. 편심 회전부(74)는 동력 전달부(72)와 로터(60)를 동력 전달 가능한 바와 같이 접속하는 부분이다. 편심 회전부(74)에는, 상술한 연결축(10)이 채용되어 있다. 이에 의해, 편심 회전부(74)는 구동기(80)를 작동시킴으로써 발생한 회전 동력을 로터(60)에 전달시키고, 로터(60)를 편심 회전시키는 것이 가능하다.

연결축(10)은 로터(60)가 스테이터(50)의 내측에 있어서 자전하면서, 스테이터(50)의 내주면(52)을 따라서 공전하면서 편심 회전 가능하게 동력 전달부(72)와 로터(60)를 접속한다. 연결축(10)은 축선 방향에 대하여 교차하는 방향으로의 휨을 허용하면서, 축선 둘레 방향으로의 비틀림을 억제 가능한 특성을 갖는다.

또한, 연결축(10)은 구동측 및 로터측의 각각에 접속부(76)를 갖고, 양자간에 비틀림 형상부(12)가 형성되어 있다. 이에 의해, 연결축(10)은 구동기(80)를 작동시킴으로써 발생한 회전 구동력을 로터(60)에 전달시키고, 로터(60)를 편심 회전시키는 것이 가능하다.

도 9에 도시한 바와 같이, 연결축(10)은 접속부(76)를 통해 로터(60) 및 동력 전달부(72)로서의 회전축(73)에 접속되어 있다. 접속부(76)는 로터(60) 및 회전축(73)과 접속하기 위한 짧은 원주 형상의 토대를 갖는다. 접속부(76)는 상기 토대로 비틀림 형상부(12)를 접속하는 이음매의 부분에 아르가 마련되어 있다. 이와 같이 아르를 마련함으로써, 접속부(76)에 응력이 집중하는 것을 방지할 수 있고, 접속부(76)에서의 연결축(10)의 절손을 방지할 수 있다.

접속부(76)의 로터(60)측 및 회전축(73)측은, 역 나사가 형성된 나사부(도시 생략)를 구비하고 있다. 또한, 로터(60)의 기단부 및 회전축(73)의 선단부에는, 역 나사 형상의 나사 구멍(도시 생략)이 마련되어 있다. 로터(60) 및 연결축(10)은 접속부(76)의 나사부를 나사 구멍에 나사 결합시킴으로써 접속되어 있다. 또한, 회전축(73) 및 연결축(10)은 접속부(76)의 나사부를 나사 구멍에 나사 결합시킴으로써 접속되어 있다. 또한, 연결축(10)을 로터(60)나 회전축(73)과 접속하기 위해 아르를 마련하는 경우, 상술한 총 비틀림각에 오차가 발생하는 경우가 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 총 비틀림각은, 180°의 배수에 상술한 오차나 제조 상의 오차를 포함한 180°의 배수 ±20°로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 1축 편심 나사 펌프(30)에 있어서는, 회전축(73)과 로터(60)의 접속에 연결축(10)이 채용되어 있다. 즉, 연결축(10)으로서, 축선 방향에 대하여 교차하는 방향으로의 휨을 허용하면서, 축선 둘레 방향으로의 비틀림을 억제 가능한 것이 채용되어 있다. 그 때문에, 1축 편심 나사 펌프(30)에 있어서는, 저점성의 유동물을 저속으로 압송하는 바와 같은 가혹한 사용 조건 하에서 사용했다고 해도, 스틱슬립이나 맥동이 발생하지 않고, 스테이터(50)의 내측에 있어서 로터(60)를 원활하게 회전시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 1축 편심 나사 펌프(30)는 동작 안정성의 면에서 우수하다.

또한, 본 발명의 1축 편심 나사 펌프(30)에 있어서는, 적당한 가요성과 높은 비틀림 강성을 갖는 연결축(10)이 채용되어 있으므로, 종래의 환봉 가요성 연결축(90)을 채용한 경우와 같이 회전축(73)과 로터(60)의 간격이 길어지지 않는다. 이에 의해, 1축 편심 나사 펌프(30)를 긴 쪽 방향으로 콤팩트화할 수 있다. 또한, 연결축(10)은 상기와 같은 접속부(76)의 나사부에 의해 로터(60) 및 회전축(73)과 접속되므로, 유니버설 조인트에 비해 마모에 의한 이물이 발생하지 않는다. 그 때문에, 1축 편심 나사 펌프(30)에 있어서는, 연결축(10)의 마모에 수반하는 유동물로의 이물의 혼입 문제를 최소한으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 1축 편심 나사 펌프(30)에 있어서는, 로터(60)의 비틀림 방향과, 연결축(10)의 비틀림 방향을 일치시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상술한 연결축(10)의 선회에 수반하여, 케이싱(40) 내의 유동물을 스테이터(50)측에 압입하는 것이 가능해진다. 따라서, 점성이 높은 유동물이어도, 케이싱(40) 내의 유동물을 적합하게 스테이터(50)측에 압입하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 스테이터(50)의 내부 공간의 용적을 유동물로 채우기 쉬워지므로, 이송 효율이 향상된다. 또한, 펌프가 역전 흡입으로 사용되는 경우에는, 스테이터(50)로부터 토출된 유동물의 케이싱(40) 외로의 토출을 또한 보조할 수 있다.

상술한 1축 편심 나사 펌프(30)에 있어서는, 접속부(76)를 통해 연결축(10)에 대하여 로터(60) 및 동력 전달부(72)의 회전축(73)을 접속한 예를 나타냈지만, 이 이외의 방법에 의해 접속한 것이어도 된다. 예를 들어, 로터(60)의 단부나 회전축(73)의 단부에 나사축을 마련함과 함께 연결축(10)측에 나사 구멍을 마련하고, 상기 나사 구멍에 나사축을 나사 결합시킴으로써 접속해도 된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 나사에 의해, 연결축(10)을 로터(60) 및 회전축(73)과 연결했지만, 핀이나 용접 등에 의한 연결을 배제하는 것은 아니며, 용도에 따라서, 각종의 연결 수단을 사용할 수 있다.

본 실시 형태의 연결축(10)은 상술한 1축 편심 나사 펌프(30)뿐만 아니라, 각종 장치의 편심축으로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 펌프, 컴프레서, 왕복 기구 등의 편심 회전을 이용하는 분야에 있어서 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 연결축(10)은 연결축(10)의 축선 방향에 직교하는 단면의 형상이 축선 방향을 향함에 따라서 연속적으로 비틀어진 형상으로 비틀림 형상부(12)를 형성했지만, 이에 대신하여, 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상인 비틀림 형상부를 적어도 일부에 형성하도록 해도 된다.

이상이 본 발명의 실시 형태이지만, 상술한 실시 형태는, 일 실시 형태를 나타낸 것에 지나지 않고, 본 발명이 상술한 것에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명은, 굽힘 강성이 낮고, 또한 높은 비틀림 강성을 필요로 하는 분야에서 이용이 가능하며, 가요성을 필요로 하고, 또한 높은 비틀림 강성을 필요로 하는 편심축으로 적합하게 이용이 가능하다. 또한, 1축 편심 나사 펌프로서, 점성액의 토출이 필요한 분야에서 적합하게 이용이 가능하다.

10 : 연결축
11 : 판 형상 부재
12 : 비틀림 형상부
13 : 단면
14 : 대칭축
15 : 대칭점
30 : 1축 편심 나사 펌프
31 : 펌프 기구
46 : 중간부
56 : 유체 반송로
60 : 로터
73 : 회전축(구동측 회전부)
80 : 구동기
90 : 가요성 연결축(환봉)

Claims (5)

1. 가요성을 갖고 제1 부재와 제2 부재를 연결하는 연결축이며,
   상기 연결축의 축선 방향에 직교하는 단면의 형상이 축선 방향을 향함에 따라서 연속적으로 비틀어진 형상, 혹은 단속적인 단차 형상으로 선회하도록 비틀어진 형상인 비틀림 형상부를 적어도 일부에 구비하고,
   상기 단면 상에 있어서의 단면 2차 모멘트가, 상기 축선 방향에 직교하고 당해 단면에서의 단면 2차 모멘트가 최소인 제1 방향과, 동일 단면 상에서 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서 상이한 것을 특징으로 하는 연결축.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연결축의 비틀림 축심이 상기 축선 방향의 어느 위치에 있어서 단면으로 보아도 상기 단면의 형상 내에 있고, 상기 단면의 형상은, 상기 비틀림 축심 위치를 통과함과 함께 상기 제1 방향을 따르는 제1축에 대하여 선 대칭인 형상, 상기 비틀림 축심 위치를 통과함과 함께 상기 제2 방향을 따르는 제2축에 대하여 선 대칭인 형상 및 상기 비틀림 축심에 대하여 점 대칭인 형상 중 적어도 어느 하나의 형상인 연결축.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   비틀림 형상부에 있어서의 총 비틀림각이 180도의 배수 ±20도인 것을 특징으로 하는 연결축.
4. 구동기의 동력에 의해 회전하는 구동측 회전부와,
   수나사형의 축체에 의해 구성된 로터와,
   상기 로터를 삽입 관통 가능하며 내주면이 암나사형으로 형성된 스테이터와,
   상기 로터가 상기 스테이터의 내측에 있어서 자전하면서, 상기 스테이터의 내주면을 따라서 공전하도록 편심 회전 가능하게 상기 구동측 회전부와 상기 로터를 접속하는 연결축을 갖고,
   상기 연결축으로서, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 연결축이 사용되는 것을 특징으로 하는 1축 편심 나사 펌프.
5. 제4항에 있어서,
   상기 로터의 비틀림 방향과, 상기 연결축의 비틀림 방향이 일치하고 있는 것을 특징으로 하는 1축 편심 나사 펌프.

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