WO2018230890A1 - 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프 - Google Patents

롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프 Download PDF

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WO2018230890A1
WO2018230890A1 PCT/KR2018/006554 KR2018006554W WO2018230890A1 WO 2018230890 A1 WO2018230890 A1 WO 2018230890A1 KR 2018006554 W KR2018006554 W KR 2018006554W WO 2018230890 A1 WO2018230890 A1 WO 2018230890A1
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rotor
roller
rollers
groove
rotary pump
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PCT/KR2018/006554
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최병철
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최병철
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/22—Rotary-piston machines or pumps of internal-axis type with equidirectional movement of co-operating members at the points of engagement, or with one of the co-operating members being stationary, the inner member having more teeth or tooth-equivalents than the outer member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C14/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/18—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber
    • F04C14/22—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber by changing the eccentricity between cooperating members

Definitions

  • the present invention relates to a triangular rotary pump, and more particularly, to a triangular rotary pump in which a substantially triangular rotor is pumped while rotating in a housing having a specific trajectory by using the principle of the Bunker engine.
  • rotary pumps are used for various purposes, such as industrial wastewater for the transport of high viscosity solids, drainage in rural areas, treatment of sewage and wastewater containing various sludges, spraying orchard pesticides, and drainage of boilers.
  • Rotary pumps used for industrial or general purpose such as most have a structure that allows the pumping from the operation of gears, vanes, screws and the like.
  • the pumps as described above are clogged discharge or intake port from the sludge or foreign matter contained in the water according to the use time, causing inconvenience in maintenance, especially applied to the industrial field for transporting high viscosity solids In this case, the pumping force is greatly reduced as the outlet or inlet of the pump is blocked by the solid material.
  • the conventional pump has a considerable weight and a complicated structure, which not only increases the pulsation rate from the pumping operation of the pump, but also brings considerable difficulty in movement as well as repair.
  • Rotary pumps using the principle of the Wankel engine have a inner space (epicycleoid curve) shaped like a cocoon, and a rotor with a round triangle in the rotor housing where a fluid inlet and an outlet are formed on the outside and a rotor with an internal gear inside.
  • the external gear that is external to the internal gear rotates by the drive shaft, whereby the rotor is eccentrically rotated to suck and discharge fluid.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a high-pressure displacement pump using the principle of the Wankel engine.
  • the second rotary body 60 having an external gear portion 60a on the outer surface so as to form a single body, and the eccentric rotation is made along the internal gear portion during the rotation of the first rotary body while the diameter of the first rotary body is designed small
  • the pump casing has an optimal circumferential surface from a double overlapping circle, and the flow of fluid through which the suction and discharge are performed through the suction port 50a and the discharge port 50b is not resistance.
  • a bypass tube 50c for passing the sieve protruding the rotation fixing pin 30b in the central portion of the first rotating body so that the external gear portion is not separated from the internal gear portion, and centering the second rotating body.
  • the disclosed prior art configures a pump having a structure including a casing and a rotor optimally designed through an epicycloid curve to prevent clogging caused by foreign substances, solids, and sludge while increasing the volume change, while simplifying the structure while providing a high output pumping operation.
  • This enables high pressure volumetric pumps that are easier to design and easier to manufacture, while enabling powerful suction and discharge without pulsation.
  • a pump of high pressure and high power is proposed by designing a casing and a rotor of the pump under optimum conditions through a known epicycloid curve.
  • Rotor housing 100 is formed in each of the accommodating portion 110 therein; respectively installed on the lower surface of the rotor housing 100 is opened only at negative pressure
  • a first inlet check valve 210 and a second inlet check valve 230 which are in a state; are respectively installed on the upper surface of the rotor housing 100 and are opened only at a positive pressure and are in communication with the ground connection pipe 50.
  • Rotary piston pump 1000 is characterized in that it is known.
  • pumping is performed by eccentrically coupling the rotating shaft to the rotor, rather than the conventional gear method, but the structure is simple and efficient, but the triangular rotor vertices continuously generate friction with the inner surface of the housing and wear on the rotor and the housing. Due to this there is a big problem that the leakage of the pumping fluid occurs.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a centrifugal roller pump.
  • roller has the advantage of preventing rolling because of rolling movement along the inside of the case.
  • the roller since the roller is not fixed to the groove but simply inserted, there is a problem in that uneven wear occurs because the roller swings in the groove when the pump is driven as shown. In other words, the surface of the roller may not be uniformly worn, but a problem may occur that intensive wear occurs at a specific site.
  • This uneven wear can be extended not only to the problem of shortening the life of the roller, but also to larger problems such as pressure loss of the pump, leakage of fluid, and jamming of the roller.
  • an object of the present invention is to attach a roller at three vertices of a triangular rotary pump using a triangular rotor, to minimize wear of the inner surface of the rotor housing, the pump for a long time
  • a triangular rotary pump using a stable pumping and excellent roller durability
  • Triangular rotary pump using a roller for achieving the above object, the rotor housing to form a pumping space consisting of epicycloid locus inside, a rounded triangular shape and three vertices inscribed in the pumping space
  • a triangular rotary pump comprising a rotor eccentrically rotated and a linear drive shaft eccentrically coupled to the rotor rotatably or a crankshaft eccentric drive shaft rotatably coupled to the center of the rotor.
  • An arcuate groove is formed at a vertex, the groove is provided with at least one hinge guide that can support the support pin while dividing the groove into a plurality of spaces, and the rollers are rotatably seated in each of the partitioned grooves, The support pin penetrates the center of the rollers to the hinge guide.
  • the interference fit characterized in that the coupling.
  • two hinge guides may be provided to partition the grooves into three, and each of the three rollers may be seated in each of the grooves.
  • the roller may be made of steel or rubber.
  • the gap between the roller and the groove may be 0.005D to 0.02D.
  • the rollers are mounted at three vertices of the triangular rotor, the rollers move in a state of rolling in close contact with the inner circumferential surface of the rotor housing during pumping, so there is almost no pressure leakage or fluid leakage, and the rotor and the rotor The wear of the housing is also greatly reduced and the rotor does not jam.
  • the pumping can be made stable by minimizing the leakage of the fluid while pumping with little wear.
  • the roller is supported by the support pin can be designed to minimize the area of the roller in contact with the groove compared with the prior art has the advantage that the wear of the roller itself is significantly reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a high pressure displacement pump using the principle of the Wankel engine
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing another kind of rotary piston pump
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a centrifugal roller pump.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a triangular rotary pump using a roller according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view showing the shape of the drive shaft shown in FIG.
  • Figure 6 is a perspective view showing a rotor equipped with a roller in the present invention shown in FIG.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the rotor shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the AA of the present invention shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a triangular rotary pump using a roller according to an embodiment of the present invention.
  • the rotor housing 100 has a pumping space p for accommodating the rotor 200 therein.
  • the pumping space p has an epicycloid curve e in cross section. That is, it is designed to have a trajectory of a substantially cocoon shape or two circles formed in the casing of a conventional hackell engine with a partially overlapped shape. Therefore, a sharp inflection portion (i) generated by overlapping two circles may be formed.
  • the epicycloid curve shows the trajectory of an arbitrary point on the circumference of the rotating circle when the circle is rotated in the xy Cartesian coordinate with the center of origin and the circle of radius K circumscribed. it means.
  • K value various forms of epicycloid curves are formed.
  • a curve as shown in FIG. 2 may be formed.
  • an inlet 110 through which fluid is sucked and an outlet 120 through which the fluid is sucked may be formed at one outer side of the rotor housing 100.
  • the suction port may be formed at one side and the discharge port may be formed at the other side.
  • the suction port and the discharge port may be formed on one side, and the discharge port and the suction port may be formed on the other side.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the shape of the drive shaft shown in FIG.
  • the rotor 200 has a substantially round triangular shape. Specifically, each side of the equilateral triangle may form a bulging outward.
  • the rotor is accommodated in the pumping space p in the rotor housing 100 and rotates, and the three vertices are rotated in close contact and inscribed without being separated from the inner surface of the pumping space p. That is, the three vertices of the rotor 200 move along the epicycloidal track e, respectively, so that the rotor 200 naturally rotates eccentrically.
  • the rotor 200 may be coupled to the drive shaft 300 to induce eccentric rotation
  • the drive shaft 300 may be a linear drive shaft 310 or may be an eccentric drive shaft 320.
  • the linear drive shaft 310 is eccentrically penetrated to one side from the center of the rotor 200. , Can be combined.
  • the eccentric drive shaft 320 is coupled through the center of the rotor 200.
  • the eccentric driving shaft 320 is inserted into the first eccentric shaft 321 and the rotor 200 which are driven and connected to the motor, and the second eccentric shaft 321 is deviated from the first eccentric shaft 321. It consists of an eccentric shaft 322 has a shape substantially like the crankshaft to form an eccentric mutual.
  • the driving shaft 300 and the rotor 200 receive friction from each other during rotation, friction is generated, and thus the bearing b is interposed between the driving shaft 300 and the rotor 200.
  • a sealing member (not shown) may be further interposed between the rotor 200 and the driving shaft 300 for sealing.
  • FIGS. 6, 7, and 8 Figure 6 is a perspective view showing a rotor equipped with a roller in the present invention shown in Figure 4
  • Figure 7 is an exploded perspective view of the rotor shown in Figure 6
  • Figure 8 is a cross-sectional view cut AA of the present invention shown in Figure 4 Indicates.
  • the recess 410 is a space formed inwardly at each vertex of the rotor 200.
  • the groove 410 may be continuously formed in the width (thickness) direction of the rotor 200, and the cross section may have an arc shape so that the roller 430 may be seated as shown.
  • the groove 410 may be formed by cutting to form each of the vertices of the rotor 200 inwardly or may be manufactured by casting the rotor itself.
  • the groove 410 is formed so that the circumferential angle is larger than the semicircle so that the roller 430 is not separated, that is, the circumferential angle is 180 ° or more, but in the present invention, the roller 430 is constrained to the support pin 440. Therefore, the circumferential angle of the groove 410 need not be more than 180 degrees. That is, it may be a circular arc shape having a circumferential angle of 180 degrees or less.
  • the range of the circumference may be approximately 60 ° ⁇ 240 °.
  • the curvature of the groove 410 is preferably formed the same as the curvature of the roller 430.
  • the hinge guide 420 may have a flat plate shape and has a configuration such as a partition wall that divides the groove 410 into various spaces.
  • One or more hinge guides 420 may be provided, and a plurality of hinge guides 420 may be spaced apart from each other along the recess 410. If the hinge guide 420 is one, it is provided in the middle along the length of the groove 410 to divide the groove 410 into two spaces, and if the hinge guide 420 is two, the groove 410 may be divided into three spaces. Preferably, two or more hinge guides 420 are provided to partition the groove 410 into three or more spaces.
  • the hinge guide 420 This is to allow the hinge guide 420 to support the support pin 440 to prevent the roller 430 from swinging. That is, conventionally, in order to solve the problem of uneven wear on the roller because there is no configuration capable of supporting the shaft like the hinge guide 420 of the present invention, in the present invention, the hinge guide 420 horizontally supports the support pin 440. Since the rollers 430 are rotated to maintain a fixed state, uneven wear does not occur.
  • a fitting hole 420a to which the support pin 440 is inserted and coupled is formed at the center of each hinge guide 420.
  • the hinge guide 420 is approximately the lower portion is coupled to the groove 410 is an arc shape, the upper portion is a triangular shape, such as a part of the vertex of the rotor 200, the support pin 440 may be inserted in the center
  • the fitting hole 420a may be formed.
  • the vertex of the triangular shape of the upper portion of the hinge guide 420 maintains a state (almost no gap) in contact with the inner surface of the pumping space (p).
  • roller 430 is rotatably seated in each groove 410 partitioned by the hinge guide 420.
  • hinge guides 420 are provided in two, three rollers 430 may be provided.
  • a through hole 430a may be formed at the center of the roller 430 to allow the support pin 440 to be idled.
  • the material of the roller 430 may be an elastic material such as steel or rubber that can be in close contact with the inner surface of the rotor housing to ensure wear resistance.
  • the support pin 440 inserted into the roller 430 passes through the through hole 430a of the roller 430 and is coupled to the fitting hole 420a of the hinge guide 420 in an interference fit manner. That is, the support pin 440 is fixed to the hinge guide 420 and does not rotate, and the shaft 430 supports the shaft so as to be rotatable.
  • the gap c between the roller 430 and the recess 410 may be in a range of 0.005D to 0.02D.
  • the gap c may be about 1/50 to 1/200 of the diameter D. If the gap is shorter than 1/200 of the diameter (D) of the roller 430, the leakage of the fluid may be almost blocked, but the roller may be worn due to the friction between the roller 430 and the groove 410. If longer than 1/50, abrasion can be completely prevented, but leakage due to backflow of the fluid during pumping can be severe.
  • the diameter of the roller when the diameter of the roller is 10mm, it may be 0.05mm ⁇ c ⁇ 0.2mm. In addition, when the diameter of the roller is 100mm, it can be designed within 0.5mm ⁇ c ⁇ 2mm.
  • the rollers are rotated because they roll along the inner surface of the rotor housing, and at the same time, they move along the trajectory of the pumping space so that they rotate. In other words, the roller performs pumping while rotating and rotating at the same time.
  • rollers are moved in a state in which the rollers are in close contact with the inner surface of the rotor housing, there is almost no jamming, pressure loss, or leakage of fluid, and the rollers rotate while maintaining the state supported by the support pins. It can prevent uneven wear.
  • a gap is formed between the roller and the groove to minimize the loss of fluid and at the same time minimize the wear of the roller.

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Abstract

본 발명은 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프에 관한 것으로서, 내부에 에피사이클로이드 궤적으로 이루어지는 펌핑공간을 형성하는 로터하우징과, 둥근 삼각형 형상을 가지며 상기 펌핑공간 내에서 세 꼭지점이 내접한 상태로 편심 회전하는 로터와, 상기 로터에 편심을 가지고 회전 가능하게 결합되는 직선구동축 또는 상기 로터의 중심에 회전 가능하게 결합되는 크랭크축 형상의 편심구동축을 포함하는 삼각 로터리 펌프에 있어서, 상기 로터의 세 꼭지점에는 원호 형상의 요홈이 형성되고, 상기 요홈에는 상기 요홈을 복수의 공간으로 구획하면서 지지핀를 지지할 수 있는 힌지가이드가 하나 이상 구비되며, 구획된 상기 각 요홈에는 롤러가 회전 가능하게 안착되고, 상기 지지핀는 상기 롤러들의 중심을 관통하되 상기 힌지가이드에는 억지 끼움되어 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프
본 발명은 삼각 로터리 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방켈엔진의 원리를 역이용하여 대략 삼각형 형상의 로터가 특정한 궤적를 가지는 하우징 내에서 회전하면서 펌핑이 이루어지는 삼각 로터리 펌프에 관한 것이다.
일반적으로 로터리 펌프는 점도가 높은 고형물의 이송을 위한 산업용, 농촌에서의 배수는 물론 각종 슬러지가 포함된 오물 및 오폐수의 처리, 과수원 농약 살포용 및 보일러의 급배수용 등 다양한 용도로 이용되고 있으며, 상기와 같이 산업용이나 일반용으로 사용되는 로터리 펌프는 대부분이 기어, 베인, 나사 등의 작동으로부터 그 펌핑이 가능하도록 하는 구조를 가진다.
그러나 종래 로터리 펌프의 겨우 그 토출 압력이 제한적인 관계로 펌프를 장시간 사용하거나 또는 그 펌핑 압력을 높일 때 내부에 형성되어 있는 로터의 마모가 발생하면서 펌핑 효율이 크게 저하되는 단점을 갖고 있다.
더불어 상기와 같은 펌프들은 그 사용시간에 따라 물에 포함된 슬러지나 이물질 등으로부터 토출구나 흡입구의 막힘현상이 발생하므로 유지보수의 불편함이 발생했으며, 특히 점도가 높은 고형물을 이송시키는 산업분야에 적용할 경우에는 고형물로 인해 펌프의 토출구 또는 유입구가 막히면서 펌핑력이 크게 저하되는 단점을 갖고 있다.
또한, 종래의 펌프는 그 무게가 상당하고 구조가 복잡하게 이루어져 있어, 펌프의 펌핑 동작으로부터 맥동률이 커질 뿐 아니라 이동은 물론 수리에 상당한 어려움이 따랐다.
이러한 점을 해결하고자 최근 자동차에 적용되는 방켈엔진(Wankel Engine)의 원리를 역이용한 로터리 펌프가 공개되었다.
방켈엔진을 원리를 이용한 로터리 펌프는 누에고치와 같이 생긴 내부 공간(에피사이클로이드 곡선)을 가지고 외부에 유체입구와 출구가 형성된 로터하우징 내에 둥근 삼각형 모양을 가지면서 내부에 내접기어가 형성된 로터가 장착되고 상기 내접기어에 외접하는 외접기어가 구동축에 의해 회전함으로써, 로터가 편심 회전하게 되어 유체를 흡입하고 배출시키는 구조이다.
도 1은 방켈엔진 원리를 역이용한 고압용적식 펌프를 나타내는 사시도이다.
대한민국 등록특허 제10-0381801호(2003.4.14)에는 "에피사이클로이드 곡선을 통해 최적으로 설계된 펌프케이싱(50) 내에 로터(80)를 결합함은 물론, 상기 로터 회전용 모터(10)의 구동축(10a)과 더불어 커플링(1)에 회전축(20)의 일측 단부를 체결 고정하고, 그 회전축의 타측단부에는 내측 둘레면으로 내접기어부(30a)를 갖는 소정 직경의 제1회전체(30)를 일체로 형성하며, 제1회전체에는 직경이 작게 설계되면서 제1회전체의 회전시 내접기어부를 따라 편심 회전이 이루어지도록 외면에 외접기어부(60a)를 갖는 제2회전체(60)를 결합시킨 통상의 회전 펌프 구조에 있어서, 상기 펌프케이싱에는 이중으로 중첩된 원으로부터 최적의 원주면을 갖으면서 흡입구(50a)와 토출구(50b)를 통해 흡입과 토출이 이루어지는 유체의 흐름이 저항없이 용이하게 이루어지도록 소정의 유체를 통과시키는 바이패스관(50c)을 형성하고, 상기 제1회전체의 중심부에는 내접기어부로 부터 외접기어부가 이탈되지 않도록 회전고정핀(30b)을 돌출시키며, 상기 제2회전체의 중심면에는 회전고정핀의 외주면을 따라 자체적인 공전이 이루어지는 회전축핀을 베어링(3)을 통해 체결하고, 상기 로터의 각 삼각꼭지면에는 로터의 편심 회전으로부터 유입되는 이물질이 걸릴 때 삼각꼭지면과 펌프케이싱 내측 원주면의 긴밀한 접촉상태를 유지하면서 로터의 파손을 예방할 수 있도록 텐션 작용하는 텐션구멍(80a)을 각각 형성하는 고압 용적식 펌프."가 개시되어 있다.
개시된 종래 기술은 에피사이클로이드 곡선을 통해 최적으로 설계된 케이싱과 로터를 포함하는 구조의 펌프를 구성함으로써 체적 변화를 크게 하면서 이물질 및 고형물과 슬러지에 의한 막힘 현상을 방지하고 더불어 구조를 간단히 하면서도 고출력의 펌핑 동작을 통해 맥동 없이 강력한 흡입과 토출 구현이 가능하도록 하면서 소형의 펌프 제작을 보다 쉽게 설계하는 한편 수리가 용이한 고압 용적식 펌프를 제공한다. 즉 자동차에 적용되는 방켈엔진(Wankel Engine)의 원리를 역이용한 펌프로서, 공지화된 에피사이클로이드 곡선을 통해 펌프의 케이싱과 로터를 최적의 조건으로 설계함으로써 고압 및 고출력의 펌프를 제시하고 있다.
도 2는 다른 종류의 로터리 피스톤 펌프를 나타낸다.
대한민국 등록특허 제10-1655160호(2016.9.1)에 따르면, "내부에 수납부(110)가 각각 형성되는 로터하우징(100); 상기 로터하우징(100)의 하면에 각각 설치되며 부압시에만 열린 상태가 되는 제1유입체크밸브(210) 및 제2유입체크밸브(230); 상기 로터하우징(100)의 상면에 각각 설치되며 정압시에만 열린 상태가 되며 지상연결관(50)과 연통되는 제1배출체크밸브(220) 및 제2배출체크밸브(240); 상기 수납부(110)에 설치되어 상기 수납부(110)를 다수의 용적변동공간으로 구획하는 로터(300); 및 상기 로터(300)와 편심되게 결합되는 구동축(410)을 포함하는 모터(400);를 포함하며, 상기 로터(300)의 회전에 의해 상기 다수의 용적변동공간이 팽창 또는 압축되어 상기 제1유입체크밸브(210) 및 제2유입체크밸브(230)가 시추공에 위치하는 지하수를 상기 수납부(110)로 유입하는 열린 상태 또는 닫힌 상태가 되며 상기 제1배출체크밸브(220) 및 제2배출체크밸브(240)가 닫힌 상태 또는 상기 수납부(110)에 위치하는 지하수를 상기 지상연결관(50)으로 배출하는 열린 상태가 되는 것을 특징으로 하는 로터리 피스톤 펌프(1000)가 공지되었다.
이 경우 종래 기어방식이 아니라 로터에 회전축을 편심 결합시켜 펌핑을 수행하는 구조인데, 구조가 간단하고 효율적인 장점이 있으나 삼각형 형상의 로터 꼭지점이 하우징 내부면과 마찰이 지속적으로 발생해 로터 및 하우징의 마모로 인해 펌핑 유체의 누설이 발생하는 큰 문제가 있다.
이를 해결하기 위해 로터에 롤러를 장착하는 시도들이 있어다.
도 3은 원심형 롤러펌프를 나타내는 단면도이다.
대한민국 공개특허 제10-2000-0002878호(2000.1.15)에 "흡입구(20)와 토출구(10)가 형성된 펌프 케이스(1)와, 펌프 케이스를 덮는 캡(2)과, 홈이 형성된 로터(30)와, 상기 로터의 홈(4)에 삽입되는 롤러(5)와, 로터축(15)에 장착되는 베어링(6)과, 로터축(15)과 캡(2)사이에 삽설되며 누스를 방지하는 실링(7)과, 케이스(1)와 캡(2)사이에 장착되는 가스켓(8)로 구성한 것을 특징으로 하는 원심형 롤러 펌프"가 공지되었다.
롤러를 사용하면, 케이스 내부를 따라 구름 이동하므로 마모를 방지할 수 있는 장점은 있다. 그러나 롤러가 홈에 고정된 것이 아니라 단순히 삽입된 상태이므로 도시된 바와 같이 펌프 구동시 홈 내에서 롤러가 요동하기 때문에 편마모가 생기는 문제가 있다. 다시 말해서, 롤러의 표면이 균일하게 마모가 생기는 것이 아니라 특정 부위에 집중적인 마모가 발생하는 문제가 생길 수 있다.
이러한 편마모는 롤러의 수명을 단축시키는 문제뿐 아니라 펌프의 압력손실이나 유체의 누설, 롤러의 걸림이 발생하는 더 큰 문제로 확대될 수 있다.
그리고 종래 롤러는 회전하는 로터의 홈에 삽입된 상태로 구르게 되기 때문에 롤러가 이탈하지 못하게 하기 위해 어쩔 수 없이 홈의 내면과 롤러가 접촉하는 면적이 클 수밖에 없는 구조이다. 이러한 구조는 마찰면적이 커지기 때문에 당연히 롤러의 마모가 빠르게 진행되는 문제가 있는 것이다.
이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 삼각형 형상의 로터를 사용하는 삼각로터리 펌프의 세 꼭지점에 롤러를 부착하여, 로터 하우징의 내면의 마모를 최소화하고, 펌프를 장시간 구동시 롤러의 편마모를 방지함으로써, 안정적인 펌핑이 이루어지고 내구성이 우수한 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프를 제공하는 것이다.
상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프는, 내부에 에피사이클로이드 궤적으로 이루어지는 펌핑공간을 형성하는 로터하우징과, 둥근 삼각형 형상을 가지며 상기 펌핑공간 내에서 세 꼭지점이 내접한 상태로 편심 회전하는 로터와, 상기 로터에 편심을 가지고 회전 가능하게 결합되는 직선구동축 또는 상기 로터의 중심에 회전 가능하게 결합되는 크랭크축 형상의 편심구동축을 포함하는 삼각 로터리 펌프에 있어서, 상기 로터의 세 꼭지점에는 원호 형상의 요홈이 형성되고, 상기 요홈에는 상기 요홈을 복수의 공간으로 구획하면서 지지핀를 지지할 수 있는 힌지가이드가 하나 이상 구비되며, 구획된 상기 각 요홈에는 롤러가 회전 가능하게 안착되고, 상기 지지핀은 상기 롤러들의 중심을 관통하되 상기 힌지가이드에는 억지 끼움되어 결합되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 힌지가이드는 2개가 구비되어 상기 요홈을 3개로 구획하고, 상기 각 요홈에 상기 롤러 3개가 각각 안착될 수 있다.
그리고 상기 롤러는 스틸재질 또는 고무일 수 있다.
또 상기 롤러의 직경을 D라 할 때 상기 롤러와 요홈 사이의 간극은 0.005D ~ 0.02D 일 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따르면, 삼각형 로터의 세 꼭지점에 롤러가 장착되어 있으므로 펌핑시 롤러가 로터하우징 내주면에 밀착된 상태로 구름 이동하기 때문에 압력누설이나 유체의 누설이 거의 없고 로터 및 로터하우징의 마모도 크게 줄어들며, 로터의 걸림이 발생하지 않는다.
그리고 롤러가 힌지가이드에 고정된 지지핀에 의해 중심을 잡고 지지되므로 회전시 요동하지 않아 편마모를 방지할 수 있다. 따라서 내구성이 향상된다.
또 롤러와 요홈 사이의 미세한 간극으로 인해 마모가 거의 없으면서도 펌핑시 유체의 누설을 최소화하여 안정적인 펌핑이 이루어질 수 있다.
또한, 지지핀에 의해 롤러가 지지되므로 종래에 비해 요홈과 접촉하는 롤러의 면적이 최소화되도록 설계할 수 있어 롤러 자체의 마모도 현저하게 줄어드는 장점이 있다.
도 1은 방켈엔진 원리를 역이용한 고압용적식 펌프를 나타내는 사시도
도 2는 다른 종류의 로터리 피스톤 펌프를 나타내는 분해사시도
도 3은 원심형 롤러펌프를 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시 예를 따른 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프를 나타내는 단면도
도 5는 도 4에 도시된 구동축의 형상을 나타내는 사시도
도 6은 도 4에 도시된 본 발명에서 롤러가 장착된 로터를 나타내는 사시도
도 7은 도 6에 도시된 로터의 분해사시도
도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 AA를 절단한 단면도
이하, 본 발명에 따른 일 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
참고로, 도면을 참조한 설명은 본 발명을 더 쉽게 이해하기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예를 따른 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프를 나타내는 단면도이다.
도시된 바를 참조하면, 본 발명은 크게 로터하우징(100)과 로터(200)와 구동축(300) 및 상기 로터(200)의 세 꼭지점에 구비되는 요홈(410), 힌지가이드(420), 롤러(430), 지지핀(440)를 포함해서 구성될 수 있다.
먼저, 상기 로터하우징(100)은 내부에 로터(200)를 수용할 수 있는 펌핑공간(p)이 형성되는데, 이 펌핑공간(p)은 단면이 에피사이클로이드 곡선(e)으로 이루어진다. 즉 종래 방켈엔진의 케이싱 내부에 형성된 대략 누에고치 형상 또는 두 개의 원이 일부 중첩된 형상의 궤적을 가지도록 설계된다. 따라서, 두 원이 중첩되면서 생기는 뾰족한 변곡부(i)가 형성될 수 있다.
참고로 에피사이클로이드(epicycloid) 곡선은 x-y 직교좌표에서 중심이 원점이고 반지름이 K인 원에 반지름이 1인 원이 외접한 상태로 회전할 경우, 회전하는 원의 원주 상에 임의의 점이 남기는 궤적을 의미한다. K값에 따라 다양한 형태의 에피사이클로이드 곡선이 형성되는데, 본 발명에서는 K가 2일 경우에 도시된 바와 같은 곡선이 형성될 수 있다.
그리고 상기 로터하우징(100)의 외부 일측에는 유체가 흡입되는 흡입구(110)와 토출되는 토출구(120)가 형성될 수 있다. 또는 일측에 흡입구가 형성되고 타측에 토출구가 형성될 수도 있다. 다르게는 일측에 흡입구와 토출구가 형성되고, 타측에는 토출구와 흡입구가 형성되는 형태일 수도 있다.
다음으로 도 5를 함께 참조하여 상기 로터 및 구동축에 대해 설명한다. 도 5는 도 4에 도시된 구동축의 형상을 나타내는 사시도이다.
상기 로터(200)는 대략 둥근 삼각형 형상을 가진다. 구체적으로, 정삼각형의 각 변이 외측으로 불룩한 형상을 이룰 수 있다.
그리고 상기 로터하우징(100) 내 펌핑공간(p)에 수용되어 회전하되, 세 꼭지점이 각각 상기 펌핑공간(p) 내면으로부터 이탈되지 않고 밀착되어 내접한 상태로 회전한다. 즉, 상기 로터(200)의 세 꼭지점이 각각 에피사이클로이드 궤적(e)을 따라서 이동함으로써 상기 로터(200)는 자연스럽게 편심 회전한다.
또 상기 로터(200)에는 편심 회전을 유도하는 구동축(300)이 결합될 수 있는데, 상기 구동축(300)은 직선구동축(310)일 수 있거나 편심구동축(320)일 수 있다.
우선, 도 5(a)와 같이 직선구동축(310)일 경우에 상기 로터(200)의 편심 회전을 유도하기 위해서는 상기 직선구동축(310)이 상기 로터(200)의 중심으로부터 일측으로 치우쳐 편심되게 관통, 결합될 수 있다.
상기 직선구동축(310)이 모터(미도시)에 의해 회전하면 상기 로터(200)와 편심을 이루기 때문에 상기 로터(200)는 외측으로 힘을 받게 되는 동시에 세 꼭지점은 펌핑공간(p) 내에 구속된 상태이므로, 상기 로터(200)에 회전력이 발생해서 편심 회전하게 된다.
한편, 도 5(b)와 같이 상기 구동축(300)이 편심구동축(320)일 경우에 상기 편심구동축(320)은 상기 로터(200)의 중심을 관통, 결합된다.
다만, 상기 편심구동축(320)은 직선구동축과는 달리 모터에 연결되어 구동되는 제1편심축(321)과 상기 로터(200)에 삽입되고 상기 제1편심축(321)과 축심이 어긋나는 제2편심축(322)으로 이루어져 대략 크랭크축과 같은 형상을 가져 상호 편심을 이룬다.
따라서, 상기 제1편심축(321)이 회전하면 상기 제2편심축(322)이 상기 제1편심축(321)을 중심으로 공전하면서 상기 로터(200)를 외측으로 밀기 때문에 상기 로터(200)는 펌핑공간(p) 내에 세 꼭지점이 구속된 상태로 편심 회전하게 된다.
상기 구동축(300)과 로터(200)는 회전시 서로 힘을 받아 마찰이 발생하게 되므로, 상기 구동축(300)과 로터(200) 사이에 베어링(b)을 개재한다. 그리고 실링을 위해 상기 로터(200)와 구동축(300) 사이에 씰링부재(미도시)를 더 개재할 수 있다.
다음으로 도 6, 7, 8을 참조하여 본 발명의 기술적 특징에 해당하는 요홈, 롤러, 힌지가이드, 지지핀에 대해 설명하고자 한다. 도 6은 도 4에 도시된 본 발명에서 롤러가 장착된 로터를 나타내는 사시도, 도 7은 도 6에 도시된 로터의 분해사시도, 도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 AA를 절단한 단면도를 나타낸다.
상기 요홈(410)은 상기 로터(200)의 각 꼭지점에 내측으로 오목하게 형성된 공간이다.
상세하게는 상기 요홈(410)은 상기 로터(200)의 폭(두께) 방향으로 연속적으로 형성될 수 있으며, 단면은 도시된 바와 같이 상기 롤러(430)가 안착될 수 있도록 원호 형상일 수 있다.
이때, 상기 요홈(410)은 상기 로터(200)의 각 꼭지점을 내측으로 요입되도록 절삭 가공하여 형성시킬 수 있거나 로터 자체를 주조하는 방식으로 제조할 수 있다.
종래에 상기 요홈(410)은 상기 롤러(430)가 이탈되지 않도록 반원보다 원주각이 크도록 다시 말해, 원주각이 180°이상이 되도록 형성시켰지만 본 발명에서 지지핀(440)에 롤러(430)가 구속되므로 상기 요홈(410)의 원주각은 180°이상일 필요는 없다. 즉, 180°이하의 원주각을 가지는 원호 형상이어도 무관하다.
따라서, 원주각의 범위는 대략 60°~ 240°일 수 있다.
그리고 상기 요홈(410)의 곡률은 상기 롤러(430)의 곡률과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 힌지가이드(420)는 평판 형상일 수 있고, 상기 요홈(410)을 여러 공간으로 구획하는 격벽과 같은 구성이다.
상기 힌지가이드(420)는 하나 이상 구비될 수 있으며, 상기 요홈(410)을 따라 복수개가 이격되어 형성될 수 있다. 만일, 상기 힌지가이드(420)가 1개이면 상기 요홈(410)의 길이를 따라 중간에 구비되어 상기 요홈(410)을 2개의 공간으로 구획하고, 상기 힌지가이드(420)가 2개이면 상기 요홈(410)을 3개의 공간으로 구획할 수 있다. 바람직한 것은 상기 힌지가이드(420)가 2개 이상 구비되어 상기 요홈(410)을 3개 이상의 공간으로 구획하는 것이 적절하다.
이것은 상기 롤러(430)가 요동하는 것을 방지하기 위해 상기 힌지가이드(420)가 지지핀(440)을 다점 지지하도록 하기 위함이다. 즉, 종래에는 본 발명의 힌지가이드(420)와 같이 축지지할 수 있는 구성이 없어서 롤러에 편마모가 생기는 문제를 해결하고자, 본 발명에서 상기 힌지가이드(420)가 상기 지지핀(440)을 수평으로 고정된 상태를 유지시켜 주도록 하기 때문에 회전하는 롤러(430)들에 편마모가 생기지 않는다.
그리고 상기 각 힌지가이드(420)의 중앙에는 상기 지지핀(440)이 삽입되어 결합될 수 있는 끼움홀(420a)이 형성된다.
대략 상기 힌지가이드(420)는 상기 요홈(410)에 결합되는 하부가 원호 형상이고, 상부는 상기 로터(200)의 꼭지점의 일부와 같은 삼각산 형상이며, 중앙에 지지핀(440)이 삽입될 수 있는 끼움홀(420a)이 형성된 형상일 수 있다.
이때, 상기 힌지가이드(420) 상부의 삼각산 형상의 꼭지점은 상기 펌핑공간(p)의 내부면에 거의 접촉한 상태(유격이 거의 없는 상태)를 유지한다.
한편, 상기 힌지가이드(420)로 구획된 각 요홈(410)에는 상기 롤러(430)가 회전 가능하게 안착된다. 참고로 상기 힌지가이드(420)가 2개로 구비되면 상기 롤러(430)는 3개가 구비될 수 있다.
그리고 상기 롤러(430)의 중심에는 상기 지지핀(440)이 관통하여 아이들링(idling)이 가능한 관통홀(430a)이 형성될 수 있다. 또 상기 롤러(430)의 재질은 내마모성이 보장되는 스틸 또는 로터하우징의 내면에 잘 밀착될 수 있는 고무와 같은 탄성 재질일 수 있다.
상기 롤러(430)에 삽입되는 지지핀(440)은 상기 롤러(430)의 관통홀(430a)를 관통하면서 상기 힌지가이드(420)의 끼움홀(420a)에는 억지 끼움 방식으로 결합된다. 즉, 상기 지지핀(440)은 상기 힌지가이드(420)에 고정되어 회전하지 않고, 상기 롤러(430)가 회전 가능하도록 축지지한다.
여기서, 상기 롤러(430)와 요홈(410) 사이의 간극(clearance)은 최소화된다.
즉, 완전히 서로 밀착되면 상기 롤러(430)의 회전으로 인해 상기 요홈(410)과 롤러(430) 사이에 마찰이 발생하여 마모가 발생하는 문제가 있다. 그리고 서로 너무 이격되면 그 틈을 통해 펌핑하는 유체가 누설되기 때문에, 마찰을 없애면서 유체의 누설을 최소화할 수 있는 간극의 범위가 요구된다.
이를 만족하기 위해, 상기 롤러(430)와 요홈(410) 사이의 간극(c)은 0.005D ~ 0.02D 이내의 범위 일 수 있다.
즉, 상기 롤러(430)의 직경을 D라고 할 때, 간극(c)는 직경(D)의 1/200에서 1/50 정도가 될 수 있다. 간극이 상기 롤러(430) 직경(D)의 1/200 보다 짧으면 유체의 누설을 거의 차단할 수 있지만, 롤러(430)와 요홈(410) 간의 마찰로 인해 롤러가 마모되는 문제가 생길 수 있다. 만일, 1/50 보다 길면 마모는 완전히 방지할 수 있으나 펌핑시 유체의 역류로 인한 누설이 심해질 수 있다.
예를 들어, 상기 롤러의 직경이 10mm인 경우, 0.05mm < c < 0.2mm 일 수 있다. 또 상기 롤러의 직경이 100mm인 경우에는, 0.5mm < c < 2mm 이내로 설계할 수 있다.
정리하면, 상기 로터가 편심 회전하는 경우, 상기 롤러들은 로터하우징 내면을 따라 구르기 때문에 자전하게 되고, 동시에 펌핑공간의 궤적을 따라 이동하므로 공전을 하게 된다. 즉 롤러는 자전과 공전이 동시에 이루어지면서 펌핑을 수행한다.
결국, 상기 롤러들이 로터하우징의 내면에 밀착한 상태로 구름이동을 하게 되므로 로터의 걸림이나 압력손실, 유체의 누설이 거의 없게 되며, 롤러가 지지핀에 의해 지지된 상태를 유지하면서 회전하여 요동이 없기 때문에 편마모도 방지할 수 있다. 더불어, 롤러와 요홈 사이에도 간극이 형성되어 있어 유체의 손실을 최소화하면서 동시에 롤러의 편마모를 최소화할 수 있는 것이다.
이상에서 도면을 참조하여 본 발명의 대표적인 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

  1. 내부에 에피사이클로이드 궤적으로 이루어지는 펌핑공간을 형성하는 로터하우징과, 둥근 삼각형 형상을 가지며 상기 펌핑공간 내에서 세 꼭지점이 내접한 상태로 편심 회전하는 로터와, 상기 로터에 편심을 가지고 회전 가능하게 결합되는 직선구동축 또는 상기 로터의 중심에 회전 가능하게 결합되는 크랭크축 형상의 편심구동축을 포함하는 삼각 로터리 펌프에 있어서,
    상기 로터의 세 꼭지점에는 원호 형상의 요홈이 형성되고,
    상기 요홈에는 상기 요홈을 복수의 공간으로 구획하면서 지지핀를 지지할 수 있는 힌지가이드가 하나 이상 구비되며,
    구획된 상기 각 요홈에는 롤러가 회전 가능하게 안착되고,
    상기 지지핀은 상기 롤러들의 중심을 관통하되 상기 힌지가이드에는 억지 끼움되어 결합되는 것을 특징으로 하는 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 힌지가이드는 2개가 구비되어 상기 요홈을 3개로 구획하고, 상기 각 요홈에 상기 롤러 3개가 각각 안착되는 것을 특징으로 하는 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤러는 스틸재질 또는 고무인 것을 특징으로 하는 롤러를 이용한 삼각 로터리 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 롤러의 직경을 D라 할 때 상기 롤러와 요홈 사이의 간극은,
    0.005D ~ 0.02D인 것을 특징으로 하는 롤러를 이용한 삼각로터리 펌프.
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