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KR101076362B1 - 고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인 - Google Patents

고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인 Download PDF

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KR101076362B1
KR101076362B1 KR1020087023483A KR20087023483A KR101076362B1 KR 101076362 B1 KR101076362 B1 KR 101076362B1 KR 1020087023483 A KR1020087023483 A KR 1020087023483A KR 20087023483 A KR20087023483 A KR 20087023483A KR 101076362 B1 KR101076362 B1 KR 101076362B1
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Abstract

고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인은 작동유체로서 압축성 또는 비압축성 매체를 이용하는 구동기계 또는 작업기계로서 사용하기 위한 것이다. 베인머시인의 기본실시예는 고정형 실린더부(A), 회전형 실린더부(B), 로터(C), 커버(D), 및 홈(F)을 갖는 베인을 포함한다.
고정형 실린더부는 슈라우드(1)를 갖는데, 이 슈라우드 속에서 베인을 갖는 로터가 회전한다. 슈라우드에는 작동매체가 유입 및 유출할 수 있게 하는 반경방향 사각형 개구부(5, 6)이 마련되며, 이 개구부는 다른 형상도 될 수 있다.
롤러 또는 슬라이딩 베어링의 내측링(8)은 베인에 의해 구동되어 회전한다. 상기 로터는 상기 슈라우드 축선에 대하여 편심상태로 위치한다. 로터에는 로터와 함께 회전하는 측판(14)이 견고히 결합된다. 베인머시인의 작동실은 슈라우드, 내측링, 베인 및 측판에 의해 정해진다.
전술한 베인머시인은 작동매체로 양호하게 장입 및 방출되며, 그 체적효율이 향상되며, 그 시일링 성능이 보다 효과적이다. 접촉상태에 있는 표면 사이의 마찰로 생기는 손실이 감소되므로 베인머시인의 기계적 효율이 향상된다.
베인머시인, 작동매체, 고정형 실린더부, 회전형 실린더부, 슈라우드, 내측 링, 베인, 측판

Description

고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인{Vane machine with stationary and rotating cylinder parts}
본 발명은 실린더의 일부가 고정상태이고 실린더의 다른 부분이 회전하는 베인머시인에 관한 것이다.
베인머시인은 유체에너지를 기계적인 힘으로 연속적으로 변환시키기 위한 작업기계(엔진), 또는 작동매체로서 압축성 또는 비압축성 유체를 이용하여 용적 회전기계 그룹으로부터 기계적인 힘이나 그 외의 수단으로 유체를 연속적으로 들어올리고, 가압하고, 압축하거나 배출하기 위한 구동기계(펌프)가 될 수 있다.
국제특허분류상으로, 이는 필드 F - 기계공학; 클라스 F01 - 일반적인 기계 또는 엔진; 서브클라스 F01C - 회전 피스톤기계 또는 엔진; 그룹 13/00 - 특별한 용도의 기계 또는 엔진의 개작, 이에 의해 구동되는 엔진 및 장치의 조합; 서브그룹 13/02 - 휴대용 공구 등의 구동용; 및 13/04 - 구동펌프 또는 컴프레서용으로 분류된다.
기술적 문제점
용적 머시인, 특히 용적형 베인머시인에서 존재하는 가장 큰 문제점은 용적 및 기계적 손실이다. 용적 손실은 작동매체가 머시인의 작동실에 출입할 수 있게 하는 큰 개구부가 충분하지 않기 때문에 생기는 것이다. 용적 손실은 또한 작동실의 고압 공간으로부터 작동실의 저압 공간으로 유체가 누출함에 의해 나타난다. 기계적 손실은 작동실의 부분을 구성하는 머시인의 상호 접촉하는 회전부 및 고정부 사이의 마찰에 의해 생긴다. 높은 용적 손실 및 기계적 손실의 결과, 머시인의 용적 및 기계적 효과가 낮아져서, 결국 전체효과가 낮아진다.
본 발명에 의해 해결되는 기계적 문제점은 작동실의 작동매체 장입 및 방출성이 향상되는 것, 실린더의 축방향 및 반경방향 표면과 접촉하는 베인표면의 마모의 감소, 및 실린더의 축방향 및 반경방향 표면에 대한 베인의 시일성능 향상이다.
최신 기술
베인머시인에 있어서, 베인들은 원심력에 의해, 그리고 어떤 실시예에서는 추가적으로 스프링에 의하거나 베인 내측 반경방향면에 작동매체압을 제공함에 의해 작동실 내의 실린더벽에 대하여 가압된다.
고정형 실린더 베인머시인의 마모는 작동실 내의 실린더표면에 대하여 베인을 가압하는 총 힘과 마찰계수에 비례한다. 여러 문제 중에서 마찰문제는 베인 및 실린더의 재료를 선택함으로써 해결된다. 베인은 축방향으로 움직일 수 있으므로 이들은 작동실의 고정상태의 측면에 대하여 기대고 있다. 베인의 측면과 작동실의 측면 사이의 높은 상대속도 때문에, 접촉하고 있는 양측 표면에 마모가 존재하며, 결국 머시인의 기계적 효율이 저하한다. 본 실시예에서, 작동실은 반경방향으로 장입 및 방출될 수 있는데, 이는 용적 효율면에서 유리한 것이다.
다른 베인머시인의 실시예에서, 실린더가 회전하므로 작동실 내에서 회전하 는 실린더 표면과 베인 사이의 접촉부에서의 상대속도가 감소하여, 결국 이는 마모의 감소로 이어지는데, 이는 기계적 효율 면에서 유리한 것이다. 본 실시예의 부작용은 작동실의 장입 및 방출에 불리하게 작용하여 용적 효율을 악화시키는 작동매체의 축방향 취입 및 배출이다.
제 1 실시예와 마찬가지로, 베인이 축방향으로 움직일 수 있으므로, 이들 베인은 작동실의 고정 측면에 대하여 기대어있다. 베인의 측면과 작동실의 측면 사이의 상대적으로 큰 속도 때문에, 접촉하고 있는 양측 표면에 마모가 존재한다.
최신기술은 공지의 기술적 문제점을 부분적으로만 해결하는 두 가지 특허문서에 의해 정의된다.
JP 08 18987A - 실린더부의 마모의 문제점을 해결한다.
US 3437079A - 실린더와 작동실 측면에서의 기계적 손실 및 실린더에서의 누출에 의한 손실을 해결한다. 베인본체의 상측면에 축방향 홈을 구비하는 베인을 갖는다.
본 발명의 핵심은 고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 머시인이다.
고정형 실린더부에는 작동매체가 통과하여 실린더의 작동실에 출입할 수 있게 하는 반경방향 개구부가 마련된다.
회전형 실린더부는 고정형 실린더부에 견고하게 삽입되는 롤러 또는 슬라이딩 베어링이다. 베어링 내측링이나, 또는 베어링의 내측링에 견고하게 삽입되는 추가의 링은 베인에 의해 회전하도록 작동된다.
실린더의 작동실을 폐쇄하는 측판은 로터 위로 견고하게 연장되어 로터와 함께 회전한다.
축방향 및 반경방향 홈을 갖는 베인은 로터에 삽입되어 접촉상태의 베인과 다른 부분 사이의 작동매체의 시일성을 향상시킨다. 시일링은 래버린스 타입의 시일링이다.
도 1은 폐쇄상태의 베인머시인의 정면도를 보여준다.
도 2는 폐쇄상태의 베인머시인의 측면도를 보여준다.
도 3은 폐쇄상태의 베인머시인의 배면도를 보여준다.
도 4는 도 1에서 선 X-X에 따른 베인머시인의 단면도를 보여준다.
도 5는 도 2에서 선 Y-Y에 따른 추가링이 없는 베인머시인의 단면도를 보여준다.
도 6은 도 1에서 선 Z-Z에 따른 추가링이 없는 베인머시인의 단면도를 보여준다.
도 7은 추가링이 없는 회전형 실린더부(B)의 종단면도를 보여준다.
도 8은 추가링이 있는 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 9는 추가링이 있는 베인머시인의 횡단면도를 보여준다.
도 10은 추가링이 있는 회전형 실린더부(B)의 종단면도를 보여준다.
도 11은 고정형 실린더부(A)의 정면도를 보여준다.
도 12는 고정형 실린더부(A)의 측면도를 보여준다.
도 13은 고정형 실린더부(A)의 배면도를 보여준다.
도 14는 도 13에서 선 R-R에 따른 고정형 실린더부(A)의 종단면도를 보여준다.
도 15는 실린더 커버(D)의 정면도를 보여준다.
도 16은 실린더 커버(D)의 좌측면도를 보여준다.
도 17은 실린더 커버(D)의 우측면도를 보여준다.
도 18은 도 17에서 선 N-N에 따른 실린더 커버(D)의 단면도를 보여준다.
도 19는 로터(C)의 정면도를 보여준다.
도 20은 로터(C)의 측면도를 보여준다.
도 21은 도 20에서 선 P-P에 따른 는 로터(C)의 단면도를 보여준다.
도 22는 홈을 갖는 로터본체의 횡단면도를 보여준다.
도 23은 홈(E)을 갖는 베인의 확대사시도를 보여준다.
도 24는 압축성 작동매체를 갖는 구동 베인머시인의 작동사이클의 p-v 도표를 보여준다.
도 25는 두 개의 고정형 실린더부 사이에 하나의 회전형 실린더부가 있고, 넓은 추가링이 있고, 측판이 커버의 편심개구부 속에 있고 측판과 베어링 사이에 링이 있는 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 26은 두 개의 고정형 실린더부 사이에 두 개의 회전형 실린더부와 양측 회전형 실린더부에 대하여 하나의 추가링을 가지며, 커버의 편심개구부 속에 측판이 있고 측판과 베어링 사이에 링이 있는 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 27은 두 개의 고정형 실린더부 사이에 두 개의 회전형 실린더부를 가지며, 양측 회전형 실린더부에 대하여 하나의 추가링을 가지며, 측판이 고정형 실린더부에 마련되며, 커버에 편심개구부를 가지며 측판과 베어링 사이에 링을 갖는 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 28은 두 개의 회전형 실린더부 사이에 하나의 편심상태의 고정형 실린더부를 가지며, 넓은 추가링을 가지고, 측판이 커버의 중앙개구부에 마련되고 측판과 베어링 사이에 링이 마련되는 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 29는 두 개의 회전형 실린더부 사이에 하나의 고정형 실린더부를 가지며, 양측 회전형 실린더부에 대하여 넓은 추가링을 가지며, 측판이 커버의 편심개구부 속에 마련되며, 측판과 베어링 사이에 베어링이 마련되는 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 30은 두 개의 고정형 실린더부 사이에 3개의 회전형 실린더부를 가지며, 회전형 실린더부에 추가링은 없고, 커버의 편심개구부에 측판이 마련된 베인머시인의 종단면도를 보여준다.
도 31은 작동유체가 작동실에서 유입 및 유출될 수 있게 하는 개구부를 갖는 도 29의 고정형 실린더부의 정면도 a) 및 단면도 b)를 보여준다.
도 32는 작동유체가 작동실에서 유입 및 유출될 수 있게 하는 작동매체의 위치를 보여주는 정면도 a) 및 단면도 b)를 보여준다.
도 33은 추가링을 갖는 회전형 실린더부의 단면도를 보여준다.
도 34는 회전형 실린더부의 위치에 맞추어 조정된 본체의 상측면의 축방향 홈을 갖는 베인을 보여준다( a)는 두 개의 회전형 실린더, b)는 3개의 회전형 실린더).
본 발명의 최량의 일 실시예의 상세한 설명 및 그 작용
본 발명의 설명은 베인머시인의 기본형에 관한 것으로서, 그 실린더는 하나의 고정부와 두 개의 회전부로 구성된다.
베인머시인의 보다 복잡한 형태는 몇 개의 고정형 및 회전형 실린더부로 구성될 수 있는데, 여기서 원하는 기술적 특성에 때라서 모든 배치 및 사이즈의 조합이 가능하다.
도 1 내지 도 23에 도시한 바와 같이, 기본형의 베인머시인 실시예는 고정형 실린더부(A), 회전형 실린더부(B), 로터(C), 커버(D) 및 베인(F)을 포함한다.
고정형 실린더부(A)
고정형 실린더부(A)는 정면, 측면, 후면 및 단면선 R-R에서 본 것이 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14에 도시되어있다. 고정형 실린더부(A)는 중공 롤러의 형상으로 형성되는데, 그 중공부의 중심에는 작용면(2) 및 측면(3)을 갖는 내측 슈라우드(1)가 마련된다. 슈라우드 내에는 로터(C)가 회전한다.
흡입 및 배출 시에, 고정형 실린더부는 커버(D)에 대한 개구부(4)를 갖는다.
슈라우드(1) 내에는 작동매체가 통과하여 실린더 작동실에 유입할 수 있게 하는 개구부(5)와 작동매체가 통과하여 실린더 작동실로부터 유출할 수 있게 하는 개구부(6)가 있다. 개구부(5, 6)는 실린더에 대하여 사각형이며 실린더에 대하여 방사형이다. 개구부(5, 6)는 또한 다른 형상도 될 수 있다.
회전형 실린더부(B)
회전형 실린더부(B)는 다음의 두 가지 변형예 중의 하나로 설계될 수 있다.
변형예 1 - 추가링이 없음;
변형예 2 - 추가링이 있음.
도 7은 추가링이 없는 회전형 실린더부의 변형예 1을 보여주는데, 이 회전형 실린더부는 실제로는 작용면(9)을 갖는 내측링(8)과 외측링(7)을 갖는 베어링이다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 베어링은 슈라우드(1)의 측면(3)에 기대어있는 고정형 실린더부(A)의 개구부(4)에 견고히 삽입된다. 내측 링(8)은 베인(F)에 의해 작동되어 회전한다.
도 10은 추가링을 갖는 회전형 실린더부의 변형예 2를 보여주는데, 이 회전형 실린더부는 실제로는 외측링(7) 및 내측링(8)을 갖는 베어링으로서, 작용면(9)을 갖는 추가링(10)에 견고히 삽입된다. 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 베어링은 슈라우드(1)의 측면(3)에 기대어있는 고정형 실린더부(A)의 개구부(4)에 견고히 삽입된다. 내측링(10)은 베인(F)에 의해 작동되어 회전한다. 변형예 1 및 2에서 회전형 실린더부(B)는 롤러 또는 슬라이드 베어링이 될 수 있다.
로터(C)
도 19, 도 20 및 도 21에 도시한 바와 같이, 로터(C)는 샤프트(11), 종방향 슬롯(13)을 갖는 본체(12) 및 측판(14)을 갖는다. 측판(14)은 샤프트 위로 견고하게 연장되어서 로터본체에 기대어 실린더 작동실을 그 측면으로부터 폐쇄시키도록 되어있다. 로터 본체 내에는 90도의 간격으로 절삭되어 베인(F)을 수용하는 4개의 종방향 슬롯(13)이 있으므로, 베인표면과 로터의 반경방향 사이의 각도는 0이다. 로터는 측판 및 베인과 함께 실린더 작동실(16) 내에서 회전한다. 로터는 롤러 또는 슬라이딩 베어링이 될 수 있는 베어링(15) 내에서 회전한다. 베어링은 커버(D)의 개구부(17)에 견고히 삽입된다.
로터는 하나 또는 수 개의 베인을 가질 수 있다.
로터 본체의 슬롯은 또한 베인이 표면에 의해 형성되는 각도로 로터의 반경방향으로 움직일 수 있도록 설계될 수도 있다.
도 22에 도시한 바와 같이, 로터본체의 외측면에는 래버린스 시일링을 만드는 종방향 홈(15)이 절삭될 수 있다.
커버(D)
도 15, 도 16, 도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이, 커버(D)는 로터가 내부에서 회전하는 베어링(15)를 수용하도록 개구부(17)를 갖는다. 이 커버는 도 14에서 고정형 실린더부의 개구부(4)에 견고히 삽입되므로, 도 5 및 도 8의 회전형 실린더부(B)의 외측링(7)에 대하여 기대어있게 된다. 개구부(17)는 커버의 축선(19)에 대하여 편심상태로 만들어진다.
베인(F)
베인은 홈이 있거나 없게 만들어질 수 있다. 본 발명의 설명은 로터에 홈을 갖는 베인을 갖는 베인머시인에 관한 것이다(래버린스 시일링).
도 23에서 베인(F)은 본체(22)를 갖는데, 상측면의 중심부에 그리고 두 개의 평면부(23) 사이에는 축방향 홈(24)이 절삭되는 한편 양측의 좁은 면의 전장에 걸쳐 반경방향 홈(25)이 절삭되어있다. 베인은 로터 본체의 슬롯(13)에 삽입된다. 베인의 평면부(23)의 길이는 회전형 실린더부의 내측링(8) 또는 추가링(10)의 폭과 각각 일치한다. 축방향 홈(24)의 길이는 고정형 실린더부의 슈라우드(1)의 폭과 일치한다.
로터가 회전함에 따라서, 베인의 평면부(23)가 회전형 실린더부의 내측링(8) 또는 내측링(10)을 각각 작동시킨다.
본 발명의 작용
폐쇄되어 조립된 베인머시인의 도면들이 도 1 - 정면도, 도 2 - 측면도, 도 3 - 배면도, 및 도 4 - 선 X-X에 대한 단면도에 도시되어 있다. 베인머시인의 작동실(16)은 도 5, 도 6, 도 8 및 도 9에서 고정형 실린더부(A)의 슈라우드(1), 회전형 실린더부(B)의 내측링(8) 또는 추가링(10), 로터(C)의 측판(14) 및 본체(12), 및 베인(F)의 베인 평면부(23) 및 축방향 홈(24)에 의해 정해진다. 베인의 개수에 있어서, 작동실은 두 개 이상의 부분으로 분할될 수 있다. 베인머시인은 로터 베인에서의 압력차이로부터 생기는 접선력(tangential force)의 발생원리에 의해 작용한다. 로터 샤프트에서의 접선력은 베인머시인의 작동 회전수 외에도 엔진출력을 발생시키는 토크운동량으로서 나타난다. 구동기계(엔진)와 마찬가지로, 베인머시인의 출력은 가용 기계적 일로 변환되는 반면, 작동기계(펌프)처럼 가용 출력은 소정의 유량으로 작동유체압을 변화시키는데 사용된다.
고정형 실린더부 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인은 작동매체를 개구 부(5)를 통해 실린더 작동실(16) 속에 유입시킴으로써 구동된다. 본 공정에서, 작동매체는 압력차이 때문에 로터가 회전하게 만든다. 두 개의 베인 사이의 공간내의 작동매체는 실린더의 반대측에 있는 매체 배출구를 통해 실린더 작동실(6)을 떠나고, 이 사이클은 반복된다.
로터가 회전하면 원심력이 생겨서 베인(F)을 슬롯(13)으로부터 밀어내고, 이에 따라서 베어링 내측링(8) 또는 추가링(10)의 베인 평면부(23)와 작용면(9) 사이에 마찰력 발생시켜서 이들(내측링(8) 또는 추가링(10))을 동작하게 한다.
베인의 접촉면과 이들 베인에 견고히 삽입된 베어링 내측링 또는 추가링의 슬라이딩 속도는 내측링이 회전하기 때문에 베인의 외측 가장자리의 순간원주속도와 순간원주속력 사이에 차이를 만든다. 본 베인머시인에서, 상기 속도들은 베인의 개수에 따라서 달라진다. 로터에 베인이 하나뿐인 경우는 상대속도가 0인 반면, 몇 개의 베인을 갖는 경우는 최대 슬라이딩 속도가 현재의 베어링 내측링 회전속도에 대한 최대 및 최소 원주속도의 베인속도의 차이로 생기는 평균속도와 같다. 베어링 링을 갖는 회전형 실린더부의 역할은 슬라이딩 속도를 감소시켜서 마찰, 소음 및 마모속도를 감소시키고 이들 요인에 의해 베인머시인의 기계적 효율을 증대시키는 것이다.
베인은 축방향으로 움직여서 로터(C)의 측판(14)에 기대게 된다. 측판은 로터에 견고하게 연결되므로 로터와 함께 회전한다. 이렇게 베인 측방가장자리와 측판 사이의 상대 슬라이딩 속도가 최소가 되어 결국 마찰 마모속도가 감소하고 기계적 효율이 증대된다. 베인의 측방가장자리와 작동실 측판 사이의 상대속도는 베인 의 반경방향 동작으로 생긴다. 베인과 고정형 실린더부, 또는 슈라우드(1)의 작용면(2) 사이에는 틈새가 존재하므로 상호 접촉이 없어서 이 부위에서의 마찰을 피할 수 있게 된다.
이런 베인머시인의 실시예는 작동매체 취입구(5)와 배출구(6)가 반경방향으로 위치할 수 있게 하며, 따라서 그 사이즈, 형상 및 위치 때문에 작동실의 보다 양호한 장입 및 방출이 이루어지는데(체적 효율), 이는 현재 알려져 있는 베인머시인 실시예의 주요한 부작용 중의 하나이다.
회전 내측링 또는 베어링의 추가링과 베인 사이의 상대속도가 상당히 감소하므로, 베인의 마찰마모가 감소된다.
회전 내측링, 또는 베어링 추가링에 대한 베인의 압력으로 인해 이 부위에 시일링이 형성된다. 이 압력은 필요에 따라서 베인 슬롯 속에 놓여진 스프링에 의해 또는 베인 내측방사면에 고압의 작동매체를 제공함에 의해 추가로 증대되어 반경방향 힘이 부가될 수 있다. 로터의 회전에 의해 작동실의 주기적인 장입 및 방출에 필요한 조건이 형성되므로, 베인머시인의 목적에 따라서 취입으로부터 배출까지 작동실 압력이 증가하거나 감소된다.
고정형 실린더부 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인은 베인머시인 작동실 내의 실린더 축방향 및 반경방향 벽과 접촉하고 있는 베인 접촉면의 마모를 감소시키고, 작동실에 대한 작동매체의 장입 및 방출을 향상시키며, 베인과 실린더 내측고정부와 로터 측판 사이의 시일링의 문제점을 해결한다. 이에 따라서 베인머시인의 체적효율이 향상되고 접촉면 사이의 마찰로 생기는 손실이 감소되므로, 베 인머시인의 기계적 효율이 증대된다.
도 24는 압축성 작동매체의 경우에 고정부 및 회전부를 갖는 실린더를 구비하는 구동 베인머시인의 작업사이클의 p-v 도표를 나타낸다.
고정형 실린더부 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인의 일은 로터 1회전에 대하여 장입, 팽창 및 방출의 일들의 대수합이 된다. 이 과정은 압축성 작동매체에서의 폐쇄작업사이클로 간단히 설명될 수 있다. 작동실의 장입은 a에서 b까지 상태가 등압상태에서 변화된다. 팽창과정은 b에서 c까지 작동실 용적이 변화된다. 작동매체의 방출은 3단계로 구성된다. 제 1 단계는 배출관이 열리기 시작할 때 c에서 c'까지 갑자기 팽창하는 것이다. c'에서 d까지의 배출의 제 2 단계는 작동용적의 감소에 의해 생기는 방출이다. d에서 a'까지의 제 3 단계는 배출관의 폐쇄후에 작동실에 남아있는 작동매체의 압축이다. 이 사이클의 최종단계는 작동실에 새로운 작동매체를 장입하여 a'에서 a까지 일정 용적상태에서 압력이 갑자기 상승하게 하는 것이다.
다음의 식은 에너지 평형의 과정 및 결과를 보여준다.
EdQ + dZM = dU + dL + dZV
여기서,
EdQ는 G 질량의 작동매체로 생기는 에너지
dU는 내부에너지 변화
dL은 환경과 주고받은 일
dZM은 손실의 결과로서 작동실에 들어가는 에너지량
dZV는 작동실에서 사용되지 않았지만 작동매체로 환경에 들어간 에너지량
마지막 두 개의 에너지량은 다음의 식으로 결정할 수 있다.
dZM = PMdGM 및 dZV = PVdGV
여기서,
PM은 사이클에 들어가는 작동매체의 비에너지
PV는 사이클을 떠나는 작동매체의 비에너지
dGM은 환경으로부터 단일 사이클의 작동실에 들어가는 새로운 작동매체의 질량
dGV는 단일 사이클의 작동매체를 떠나서 환경으로 가는 새로운 작동매체의 질량
본 베인머시인의 총효율의 주요한 문제점은 작동매체를 작동실에 장입하고 방출함에 의한 체적효율이다(p-v 도표에서 a'-a 및 c-c'-d-a'의 과정들). 이 체적효율의 문제점은 작동매체 반경방향 취입 및 배출관에 대한 작동실 원통벽의 고정부를 최대로 이용할 수 있음에 의해 본 발명에서 해결된다. 이 구조적 설계는 베인이 취입 및 배출관과 접촉하지 않기 때문에 작동매체 취입 및 배출관의 단면을 추가로 증대시킬 수 있으므로, 취입 및 배출관이 사각형 개구부로서 설계될 수 있으며, 이 설계는 최대 가능면적에 이를 수 있어서 베인머시인 작동실의 장입 및 방 출의 조건을 향상시킨다.
본 발명에 의해 해결되는 다른 중요한 문제점은 베인, 회전베어링의 내측 또는 부가 링, 및 회전 로터 플레이트의 마모이다. 내측링이 적절한 슬라이딩 특성을 갖는 견고하게 삽입된 추가링이 될 수 있으며 베인이 기대고 있는 롤러 또는 슬라이딩 베어링을 도입함으로써 슬라이딩 접촉점에서의 상대 슬라이드속도가 감소되어 마모도 역시 감소한다.
베인은 축방향으로 움직일 수 있으므로, 베인은 로터 측판에 기대고 있다. 현재의 베인머시인 실시예에서, 실린더 작동실의 측판은 고정상태이므로 그 결과 베인의 측방가장자리와 측판 사이의 높은 속도로 인해 접촉하고 있는 두 면이 마모된다. 작동실을 폐쇄시키는 회전 측방을 로터에 도입함으로써 베인에 대한 상대속도가 감소되고, 따라서 베인과 측판의 마찰에 의해 야기되는 측면 마모가 감소된다. 베인의 측방가장자리와 작동실의 판 사이의 상대속도는 베인만의 반경방향 동작으로 생긴다. 마찰손실이 감소하면 베인머시인의 기계적 효율이 향상된다.
몇 개의 고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인의 제시
이 고정형 실린더부 및 회전형 실린더부는 전술한 기본적인 베인머시인 형태 이외에 베인머시인의 주어진 기술특성에 따라서 몇 가지 다른 방식으로 분포될 수 있다. 도 25 내지 도 30은 고정형 실린더부 및 회전형 실린더부가 다양한 개수, 형태 및 상호간의 위치를 갖는 베인머시인의 몇 가지 복잡한 실시예를 보여준다.
제시한 실시예에서, 커버(D)의 편심 개구부에는 로터(C)와 함께 회전하는 측판(14)이 놓여지는 한편, 로터가 내부에서 회전하게 되는 측판(14)과 베어링(15)의 사이에는 링(15')이 삽입된다.
몇 개의 고정형 실린더부를 갖는 베인머시인에 있어서, 각각에는 작동유체가 실린더의 작동실(16)에 유입되고(5) 유출되게(16) 하는 사각형 개구부가 형성되거나(도 31a) 및 도 31b)), 베인머시인 케이싱을 통해 작동유체가 취입 및 배출되게 만들어진다(도 32a) 및 도 32b)). 작동유체 배출용 반경방향 개구부는 배출개시시에 소음을 감소시키려는 목적으로 표면 단면이 좁아지고 표면 단면이 점차 증가하도록 되어있다.
회전형 실린더부(B) 상의 추가링(10)은 내측링(8)보다 넓게 형성될 수 있다(도 33). 베인(F) 상의 축방향 홈(24)의 위치도 회전형 실린더부(B)의 분포에 맞추어 조정된다(도 33 및 도 34).
보다 복잡한 베인머시인 형태에서의 고정형 및 회전형 실린더부의 분포는 이런 베인머시인의 케이싱에 놓여진 다른 부품들의 형상 및 분포가 달라질 수 있다.
전술한 복잡한 베인머시인 형태는 고정형 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인의 기본형태에서 제시한 것 같은 본 발명의 정신을 변경시키지 않는다.
본 발명의 고정형 실린더부 및 회전형 실린더부를 갖는 베인머시인은 구동기계 또는 작업기계로서 산업적으로 응용할 수 있다. 작업기계로서 사용되는 경우, 주어진 유량에 의한 기계적 일이 압축성 또는 비압축성 작동유체의 압력변화로 바뀌며, 구동기계로서 사용되는 경우는 압축성 또는 비압축성 작동유체의 가용 주압력을 기계적 일로 변환시킨다.
압축성 유체를 갖는 작업기계나 구동기계로서는, 다양한 기술공정을 기계화한 공기압 동력공구로서, 그리고 대형 디젤엔진 시동기, 컴프레서, 진공펌프, 내연기관으로서 사용된다.
비압축성 유체를 갖는 작업기계 또는 구동기계로서는, 건축기계, 유압크레인, 선박 유압시스템, 기계 하이드로-드라이브(machine hydro-drive)에서의 힘, 움직임 및 운동량 변환에 사용되며, 그리고 작업공정의 자동화를 목적으로 한 유압시스템에서의 제어, 조정 또는 보호에 사용된다.
펌프 또는 하이드로 엔진으로서는, 작동유체의 관점에서 두 가지 적용분야를 갖는다. 작동유체가 광물성 오일인 경우에는 자체윤활로 마찰이 감소되며, 따라서 베인머시인의 최대 부작용을 야기하는 베인 및 케이싱의 마모를 감소시킨다. 이 것은 건축기계, 유압크레인, 선박 유압시스템, 기계 하이드로-드라이브에서의 힘, 움직임 및 운동량 전달 시스템에 적용되며, 그리고 작업공정의 자동화를 목적으로 하는 유압시스템에서의 제어, 조절 또는 보호에 적용된다. 유압 베인머시인은 넓은 범위의 회전속도를 갖는다. 회전형 실린더부의 작은 관성력으로 인해 베인머시인의 시동 및 정지가 쉬어진다. 비윤활성 작동매체를 적용하는 경우, 베인 및 케이싱 마모의 문제점이 베인머시인 또는 펌프에서 큰 장애를 남긴다.
본 발명의 설명에서 사용된 문자 및 숫자는 다음의 의미를 갖는다:
A - 고정형 실린더부
1 - 슈라우드
2 - 슈라우드 작용면
3- 슈라우드 측면
4 - 고정형 실린더부의 측방개구부
5 - 작동유체 취입구
6 - 작동유체 배출구
B - 회전형 실린더부
7 - 회전형 실린더부의 외측링
8 - 회전형 실린더부의 내측링
9 - 내측링 작용면
10 - 추가링
C - 로터
11 - 로터 샤프트
12 - 로터 본체
13 - 베인 슬롯
14 - 로터 측판
15 - 로터 베어링
16 - 실린더 작동실
D - 커버
17 - 로터 베어링용 커버 편심개구부
18 - 로터 측판용 커버 개구부
19 - 커버 축선
20 - 편심개구부 축선
21 - 개구부 축선
F - 홈을 갖는 베인
22 - 베인 본체
23 - 홈이 없는 베인 평면부
24 - 축방향 홈
25 - 반경방향 홈

Claims (10)

  1. 고정부 및 회전부를 가지며 용적형 회전기계 군에 속하는 베인머시인으로서, 작동유체로서 압축성 또는 비압축성 유체를 이용하는 구동기계 또는 작업기계로서 사용되며, 그 실린더는 베인을 구비한 편심상태로 위치한 로터를 회전시키며 고정형 실린더부 및 회전형 실린더부를 가지며, 그 고정형 실린더부는 작동유체가 실린더 작동실에 유입 및 유출할 수 있도록 하는 반경방향 개구부를 가지며, 회전형 실린더부는 상기 고정형 실린더부의 개구부 또는 케이싱에 견고하게 결합된 롤링 베어링이며, 베인을 구비한 로터를 가지며, 고정형 실린더부 또는 케이싱의 개구부의 개구에 편심상태로 배치된 커버(D)를 가지며, 상기 커버는 편심상태의 개구부를 갖는데, 이 개구부에는 로터(C)가 내부에서 회전하는 베어링이 견고하게 결합되는 베인머시인에 있어서, 상기 베인머시인은 로터(C) 위로 견고히 연장되는 측판(14)을 가지며, 이 측판들은 로터와 함께 동일 축선을 중심으로 동일한 각속도로 회전하며; 하나 이상의 고정형 실린더부(A)를 가지며; 실린더 축선을 중심으로 자유롭게 회전하는 롤링 또는 슬라이딩 베어링인 하나 이상의 회전형 실린더부(B)를 가지며; 베인(F)은 그 상측면(23)에 종방향 및 축방향 홈(24)를 가지며, 원심력의 영향을 받는 평면(23)은 로터의 회전중에 내측링(8) 또는 추가링(10)의 작용면(9)과 접촉하여 이들을 회전시키며, 베인 본체(22)의 측면에는 회전중에 측판(14)과 접촉하는 종방향 및 반경방향 홈(25)이 마련되며; 상기 측판(14)은 상기 커버(D)의 편심개구부 속에서 회전하는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 고정형 실린더부는 작동실(16)로부터 반경방향 작동유체 취입구(5) 및 반경방향 작동유체 배출구(6)를 가지며; 배출 개시시에 상기 반경방향 작동유체 배출구는 소음을 감소시키기 위한 목적으로 표면 단면이 작고 점차 그 표면 단면이 증대되는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 측판(14)은 상기 로터(C)와 함께 회전하며, 상기 측판은 견고하게 연결시키면서도 로터에서 분리 가능하게 하는 공지의 방식 중의 한 방식으로 상기 로터에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 회전형 실린더부(B)는 상기 베어링 폭보다 큰 폭을 갖는 추가링(10)으로 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 베인(F) 상의 상기 종방향 및 축방향 홈(24)의 위치는 고정형 실린더부(A) 및 회전형 실린더부(B)의 분포에 따라서 조정되는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 베인머시인은 두 개의 고정형 실린더부(A) 사이에 하나의 회전형 실린더부(B)를 가지는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 베인머시인은 두 개의 고정형 실린더부(A) 사이에 두 개의 회전형 실린더부(B)를 가지는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 베인머시인은 두 개의 고정형 실린더부(A) 사이에 두 개의 회전형 실린더부(B)를 가지며, 상기 측판(14)은 상기 고정형 실린더부(A)의 편심개구부 속에서 회전하는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 베인머시인은 두 개의 회전형 실린더부(B) 사이에 하나의 고정형 실린더부(A)를 가지며, 상기 고정형 실린더부는 베인(F)를 구비한 로터(C)가 내부에서 회전하는 편심개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 베인머시인은 세 개의 회전형 실린더부(B) 사이에 두 개의 고정형 실린더부(A)를 가지며, 상기 회전형 실린더부는 상기 실린더 단부에 놓이는 것을 특징으로 하는 베인머시인.
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