KR100546244B1 - 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와 이를 이용한 토오크발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와 이를 이용한 토오크발생장치에 관한 것이다. 상기 콤팬더는 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되며 상호 치합하는 제 1,2,3로터와, 상기 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1배출포트를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 콤팬더는, 트로코이달 로터를 3중으로 구성함으로써 작동유체의 2단 압축 및 팽창이 가능하여 작동유체를 고압으로 송출할 수 있음은 물론 작동유체의 흡입량과 배출량이 증대되어 고속 고압 압축 성능을 제공할 수 있다. 또한 이를 이용한 토오크발생장치는, 별도로 압축공기를 열교환 시킬 필요가 없고, 흡입 및 배출포트의 위치를 조절하여 압축비와 팽창비의 제어가 가능하고 구조가 견고하며 소음 및 진동이 매우 적다.

Description

3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와 이를 이용한 토오크발생장치{Compander having triple trochoidal rotor and torque generating device using thereof}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더의 기본 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 상기 도 1에 도시한 콤팬더의 측면도이다.

도 3a 및 도 3b는 상기 콤팬더의 두 가지 작동모드를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 4는 상기 도 3a에 도시한 작동 모드시의 트로코이달로터의 동작 메카니즘을 나타내 보인 도면이다.

도 5는 상기 도 3b에 도시한 작동 모드시의 트로코이달로터의 동작을 메카니즘을 나타내 보인 도면이다.

도 6은 상기한 콤팬더를 이용한 토오크발생장치의 일 예를 나타내 보인 구성도이다.

도 7은 상기한 콤팬더를 이용한 토오크발생장치의 다른 예를 도시한 구성도이다.

도 8은 상기한 콤팬더를 이용한 토오크발생장치의 또 다른 예를 도시한 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,:콤팬더(Compressor-Expander)

10a:콤프레샤 10b:액스펜터

11:케이싱 13:트로코이달로터조립체

14:샤프트 15:제 1로터

17:제 2로터 19:제 3로터

21:제 1흡입포트 23:제 2흡입포트

25:제 1팽창배출포트 27:제 2배출포트

29:연결파이프 51:압축공기탱크

53:연소기 55:연소기챔버

57:점화플러그 59:가압펌프

71:냉각기 81:열교환기

83:회수라인 85:벨트

본 발명은 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와 이를 이용한 토오크발생장치에 관한 것이다.

콤팬더는 공지의 컴프레셔(compressor)와 익스펜더(expander)로 겸용할 수 있는 유체기계의 하나이다. 이는 상호 치합한 상태로 회전하고 그 사이로 유체를 통과시키는 두 개의 트로코이달(trochoidal) 로터(rotor)와, 상기 트로코이달로터를 밀폐 수용하는 케이싱을 포함하여 구성된다. 트로코이달 로터라 함은 그 내외주면에 트로코이달 기어가 형성되어 있는 로터이다.

이러한 종래의 콤팬더는 그 외주면에 트로코이달 기어이(teeth)가 형성되어 있는 제 1로터와, 상기 제 1로터를 자신의 회전중심축에 대해 편심된 위치에 수용하며 그 내주면에는 상기 제 1로터의 기어이에 치합하고 제 1로터에 대해 선접촉하는 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와, 상기 제 1,2로터를 밀폐 수용하는 케이싱을 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 콤팬더는 제 1로터와 제 2로터 사이의 체적을 변화시켜 그에 따라 유체를 흡입 압축 팽창 및 배출하는 기본 메카니즘을 갖는다. 이는 그 구조가 비교적 간단하고 소형화할 수 있기 때문에 수십년간 유체펌프로 많이 사용되었다.

하지만 상기 종래의 콤팬더는 두 개의 로터만 사용하므로 그 압축비에 한계가 있었다. 즉, 제 1로터의 회전토오크를 최대한 증가시킨다 하더라도 작동유체는 제 1로터가 한바퀴 회전할 때마다 배출되므로 배출되는 작동유체의 압력이 어느 이상 높지 않은 것이다. 따라서 높은 양정이 요구되는 장소에서의 사용이 제한되었으며 배출 속도도 한계가 있어서 고속 펌핑의 성능은 제공하지 못하였다.

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 트로코이달 로터를 3중 구조로 함으로써 작동유체의 2단 압축이 가능하여 작동유체를 고압으로 송출할 수 있음은 물론 작동유체의 흡입량과 배출량이 증대되어 고속 고압으로 압축 팽창함으로 동력을 절감하며 그에 따라 향상된 성능을 제공하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더를 제공함과, 또한 상기 콤팬더를 이용하여 별도로 압축공기를 열교환시킬 필요가 없고 흡입 및 배출포트의 위치를 조절하여 압축비와 팽창비의 제어 가능하며 구조가 견고하고 소음 및 진동이 매우 적은 토오크발생장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콤팬더는, 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와; 상기 제 1로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며, 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와; 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되, 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3로터와; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1팽창배출포트로부터 배출된 작동유체가열교환기에서 냉각된 후 제 2흡입포트로 유동하여 제 1로터와 제 2로터 사이에서 2차 압축되도록 제 1팽창배출포트와 제 2흡입포트는 연결파이프로 냉각기를 거쳐 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토오크발생장치는, 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와; 상기 제 1로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며, 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와; 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되, 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3로터와; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와; 상기 콤팬더의 제 2배출포트와 연결되며 콤팬더로부터 배출된 작동유체를 받아들이는 압축공기탱크와; 상기 압축공기탱크와 연결되며 압축공기탱크의 압축공기와 외부의 연소용 가스를 공급받아 점화 폭발시키며 폭발력을 상기 제 1흡입포트로 전달함으로써 제 1,2,3트로코이달로터가 회전하게 한후제1팽창배출기로 외부로 연소가스를 배출되며 14번샤프트회전 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이는 개방형 사이클에 관한것이다.

아울러, 상기 연소기에 가스를 소정 압력으로 공급하기 위한 것으로 상기 제 1트로코이달로터로부터 회전력을 전달받아 외부 가스탱크의 가스를 연소기측으로 압송하는 가압펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 토오크발생장치는, 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와; 상기 제 1로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며, 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와; 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되, 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3로터와; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와; 상기 콤팬더의 제 2배출포트와 연결되며 콤팬더로부터 배출된 작동유체를 받아들이는 압축공기탱크와; 상기 압축공기탱크와 연결되며 압축공기탱크의 압축공기를 통과시키며 가열하고 가열된 공기를 제 1흡입포트로 전달함으로써 제 1,2,3트로코이달로터가 회전하게 하는 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이는 밀폐형 사이클에 관한 것이다.

또한, 상기 콤팬더에 연결되며 제 1,2,3트로코이달로터의 회전에 의해 제 1팽창배출포트를 통해 배출되는 작동유체를 냉각시킨 후 상기 제 2흡입포트로 유도하는 냉각기가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와; 상기 제 1로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며, 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와; 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되, 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3로터와; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와; 공급라인을 통해 상기 일측 콤팬더의 제 1팽창배출포트와 연결되며 제 1팽창배출포트로부터 공급된 팽창공기를냉각기로 냉각시킨후 제 2흡입포트로 공급하여공기가압축되며 타측 콤팬더의 제 1,2,3로터가 공기의 팽창력에 의해 회전및압축하도록 하여 샤프트를 축회전시키는 공기와; 상기 타측 콤팬더의 제 2배출포트에 연결되며 상기 제 1,2,3로터를 회전시킨 후 빠져나온 공기를 소정 경로로 유도하는 회수라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이며, 이는 밀폐형 사이클에 관한 것이다.

또한, 압축공기를 가열하도록 하는 열교환기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 것이며, 이는 밀폐형 사이클에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기한 바와같이 콤팬더라 함은 콤프레서와 익스펜더를 의미하며 본 발명의 콤팬더는 한 대의 유체기계로 콤프레서와 익스펜더의 기능을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 트로코이달 로터를 갖는 콤팬더의 기본 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 3중 트로코이달 로터를 갖는 콤팬더(10)는, 세 개의 트로코이달로터(15,17,19)가 상호 치합된 상태로 구성되는 트로코이달로터조립체(13)와, 상기 조립체(13)를 그 내부에 밀폐 수용하는 케이싱(11)을 포함하여 구성된다. 상기 케이싱(11)은 소정 직경을 갖는 원통 형태로 제작할 수 있다.

상기 트로코이달로터조립체(13)는, 제 1로터(15)와, 상기 제 1로터(15)를 그 내부 편심된 위치에 수용하는 제 2로터(17)와, 상기 제 2로터(17)를 그 내부 편심된 위치에 수용하는 제 3로터(19)를 포함하여 구성된다. 상기 제 1로터(15)와 제 2로터(17)는 통상적인 트로코이달 기어펌프에서와 동일한 원리로 서로에 대해 선접촉하고, 제 2로터(17)에 대해 제 3로터(19)도 선접촉한다.

상기 제 1로터(15)의 회전 중심축에는 샤프트(14)가 관통 고정되어 있다. 상기 샤프트(14)는 상기 제 1로터(15)를 완전히 관통한 후 길이방향으로 연장되어 도 2에 도시한 바와 같이 양단부가 케이싱(도 2의 11)의 외부로 소정길이 돌출되어 있다.

상기 샤프트(14)는 외부의 동력원으로부터 동력을 인가받아 화살표 a방향으로 축회전함으로써 제 1,2,3로터(15,17,19)를 회전시켜 후술할 제 1,2흡입포트(21,23)로 작동유체가 흡입되도록 함과 동시에 제 1,2배출포트(25,27)를 통해 압축된 작동유체가 팽창 배출되도록 하거나, 또는 상기 제 1,2흡입포트(21,23)에 고압 고속의 작동유체가 압입되어 제 1,2,3로터(15,17,19)가 작동유체의 팽창력에 의해 밀리며 회전할 때에 화살표 a방향으로 회전하며 외부로 회전토오크를 제공한다.

즉 상기 샤프트(14)는 외부로부터 회전토오크를 제공받거나 외부로 회전력을 제공하는 축이다.

상기 구동샤프트(14)의 양단부는 케이싱(11)을 관통하며 그 외주면이 케이싱에 지지되므로 제 1로터(15)의 회전중심은 항상 일정하게 유지된다.

상기 제 1로터(15)의 외주면에는 공지의 트로코이달 기어이(teeth)가 형성되어 있다. 본 실시예에서 상기 기어이는 여섯 개가 형성되어 있고 각 기어이의 사이인 이뿌리는 만곡된 형태를 취한다.

또한 상기 제 2로터(17)는 속이 빈 원통의 형태를 취하며 그 내주면 및 외주면에 트로코이달 기어이가 형성되어 있다. 상기 제 2로터(17)의 내주면에 형성되어 있는 기어이는 상기 제 1로터(15)에 형성되어 있는 기어이에 치합하는 것으로서 그 갯수는 상기 제 1로터보다 한 개가 많은 일곱 개다. 상기 제 1로터(15)와 제 2로터(17)는 공지의 트로코이달 기어와 같은 치합구조 및 동작 메카니즘을 갖는다.

상기 제 2로터(17)의 외주면에 형성되어 있는 기어이는 내주면에 형성되어 있는 기어이에 대응하며 동일한 개수를 가지고 통상의 트로코이달 기어 형태를 취한다.

상기 제 3로터(19)는 케이싱(11)에 대해 상대 운동 가능하며 내주면에 기어이가 형성되어 있는 로터이다. 상기 제 3로터(19)에 형성되어 있는 기어이는 제 2로터의 외측에 형성되어 있는 기어이와 통상적인 트로코이달 기어방식의 치합상태를 유지한다. 아울러 제 3로터(19)에 형성되어 있는 기어이의 개수는 제 2로터(17) 보다 한 개가 더 많은 8개이다.

한편, 상기 케이싱(11)에 있어서 샤프트(14)의 일측부에는 제 1,2흡입포트(21,23)가 마련되어 있고 타측부에는 제 1,2배출포트(25,27)가 구비되어 있다.

상기 각 포트는 케이싱(11)의 내부와 외부를 연결하는 연결통로로서 제 1,2흡입포트(21,23)는 외부의 작동유체를 케이싱(11) 내부로 안내하는 통로이고, 제 1,2배출포트(25,27)는 케이싱(11)의 내부에서 압축된 작동유체를 케이싱(11) 외부로 배출하는 통로이다.

상기 제 1,2흡입포트(21,23)는 샤프트(14)가 화살표 a방향으로 회전시 제 1로터(15)와 제 2로터(17)와 제 3로터(19)의 사이가 서로에 대해 벌어지기 시작하여 그 내부 압력이 낮아지는 부위에 위치한다. 따라서 예컨대 샤프트(14)가 화살표 a방향으로 회전할 경우 작동유체는 제 2흡입포트(23)를 통해 제 1로터(15)와 제 2로터(17) 사이로 유입되고, 제 1흡입포트(21)를 통해 제 2로터(17)와 제 3로터(19) 사이로 유입될 수 있는 것이다.

또한 상기 제 2배출포트(27)는 제 1로터(15)와 제 2로터(17)의 사이가 상호 좁아져 내부 압력이 상승하는 부위에 위치하고, 제 1팽창배출포트(25)는 제 2로터(17)와 제 3로터(19) 사이의 체적이 최대로 확장 된 후 축소되기 시작하는 순간의 위치에 위치한다. 로터가 고속으로 회전할 경우 상기 제 1팽창배출포트(25)를 보다 상류측에 위치시킬 수 도 있다.

상기 제 1,2흡입포트(21,23)로 유입된 작동유체는 샤프트(14)의 계속되는 회전에 따라 압축되며 제 1로터(15)와 제 2로터(17) 사이의 작동유체는 제 2배출포트(27)를 통해 배출되고, 제 2로터(17)와 제 3로터(19) 사이의 작동유체는 제 1배출포트(25)를 통해 팽창 배출된다.

상기 흡입포트 및 배출포트의 위치 및 유동 단면적은 각 기어의 형상 및 크기에 따라 달라지며 특히 위치 및 유동 단면적을 조절할 경우 콤팬더의 출력을 조절을 할 수 있다.

도 2는 상기 도 1에 도시한 콤팬더의의 측면도이다.

도면을 참조하면, 샤프트(14)가 케이싱(11)을 관통하여 케이싱(11)의 양면으로부터 돌출되어 있다. 샤프트(14)가 케이싱(11)의 외부로 연장되어 있으므로 샤프트(14)에 모터나 엔진 등의 구동원을 연결할 수 도 있고 차축이나 기타 동력이 필 요한 부하를 연결할 수 도 있다.

아울러 상기 샤프트(14)의 양측부에 제 1,2흡입포트(21,23) 및 제 1,2배출포트(25,27)가 위치하고 있음을 알 수 있다. 상기 흡입포트(21,23) 및 배출포트(25,27)에는 별도의 파이프를 연결하여 사용함은 물론이다.

도 3a 및 도 3b는 상기 콤팬더의 두 가지 동작 메카니즘을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

첫 번째 동작 메카니즘은, 작동유체를 두 개의 흡입포트로 동시에 흡입하고 두 개의 배출포트로 동시에 배출 하는 것이다.

두 번째 동작 메카니즘은, 작동유체를 먼저 제 1흡입포트(21)로 흡입하여 1차 압축한 후 제 1배출포트(25)와 제 2흡입포트(23)를 차례로 통과시켜 케이싱(11) 내에서 2차 압축한 후 최종 제 2배출포트(27)로 배출하는 것이다.

도 3a는 상기한 첫 번째 동작 메카니즘을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.

도면을 참조하면, 작동유체가 상기 제 1,2흡입포트(21,23)내부로 화살표 p방향을 따라 동시에 흡입됨을 알 수 있다. 이와 같이 제 1,2흡입포트(21,23)를 통해 동시에 흡입된 작동유체는 케이싱(11)의 내부를 돌며 압축된 후 제 1,2배출포트(25,27)를 통해 화살표 q방향으로 배출된다(배출포트25,27번은 위치에 따라 팽창압축 된다).

도 3b는 상기한 두 번째 동작 메카니즘을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도시한 바와같이, 제 1배출포트(25)와 제 2흡입포트(23)가 연결파이프(29)를 통해 연결되어 있다. 따라서 화살표 p방향을 따라 제 1흡입포트(21)를 통해 케이싱(11) 내부로 공급된 작동유체는 케이싱(11) 내에서 1차로 팽창된 후 제 1팽창배출포트(25)를 통해 화살표 q방향으로 배출되고 연결파이프(29)를 따라냉각기를거친후 제 2흡입포트(23)로 이동한다. 제 2흡입포트(23)로 이동한 작동유체는 케이싱(11) 내에 다시 들어가 압축된 후 제 2배출포트(27)를 통해 외부로 압축 배출된다.

이러므로팽창과압축이동시에연속적으로이루어진다

도 4a,4b,4c는 상기 도 3a에 도시한 작동모드시의 트로이코달로터조립체의 동작을 설명하기 위하여 순차적으로 나타내 보인 도면이다.

상기한 바와같이, 샤프트(14)가 회전하면 그에 따라 조립체(13)가 전체적으로 회전하며, 그동안 제 1,2흡입포트(21,23)가 위치한 부위의 제 1로터(15)와 제 2로터(17)의 사이공간 및 제 2로터(17)와 제 3로터(19)의 사이공간이 벌어진다.

따라서, 제 1,2,3로터(15,17,19) 사이의 압력이 낮아져 도 4a에 도시한 바와같이 외부의 작동유체가 제 1,2흡입포트(21,23)를 통해 케이싱(11)내부로 유입한다.

상기 상태에서 샤프트(14)를 계속 회전시키면 작동유체는 도 4b에 도시한 바와같이 제 1,2,3로터(15,17,19)의 사이에 갇힌 상태로 회전하여 제 1,2배출포트(25,27)측으로 점차 근접한다.

이어서 도 4c에 도시한 바와같이 로터(15,17,19) 사이에 갇힌 상태로 이동하던 작동유체가 마침내 제 1,2배출포트(25,27)에 도달하면 작동유체는 양 배출포트(25,27)를 통해 동시에팽창 배출된다(25번은 팽창되며, 27번은 압축토출 된다).

도 5a 내지 도 5f는 상기 도 3b에 도시한 작동모드시의 트로코이달로터조립체의 동작을 설명하기 위하여 순차적으로 나타내 보인 도면이다.

도 5a에 도시한 바와같이, 구동샤프트(14)를 회전시키면 외부의 작동유체가 제 1흡입포트(21)를 통해 케이싱(11) 내부로 이동한다. 상기 제 1흡입포트(21)를 통해 케이싱(11) 내부로 이동한 작동유체는 제 2로터(17)와 제 3로터(19)의 사이에 갇힌 상태로 제 1팽창배출포트(25)측으로 이동하며 팽창된다(도 5b참조).

이어서 도 5c에 도시한 바와같이, 제 1팽창배출포트(25)에 도달한 작동유체는 제 1팽창배출포트(25)를 통해 케이싱(11) 외부로 팽창되어 빠져나가고 상기한 연결파이프(도 3b의 29)를 통해 냉각기를 통과한 후 공기의 온도를 낮춘 후 제 2흡입포트(23)로 이동한다.

상기와 같이 제 2흡입포트(23)로 이동한 작동유체는 도 5d에 도시한 바와 같이 제 1로터(15)와 제 2로터(17)의 사이로 흡입되고 그 후 도 5e에 도시한 상태로 제 1로터(15)와 제 2로터(17)의 사이에서 압축된 상태로 제 2배출포트(27)로 이동하여 냉각기로 배출된 후 압축탱크로 배출된다(도 5f 참조).

상기와 같이 본 실시예에 따른 콤팬더는, 작동유체의 팽창으로 샤프트의 속도를 빠르게 하거나 내부로 압축을 하며 팽창과압축을하며압축공기를직접연소실에서가스와혼합하여 연소팽창압력을 21번에 유입한 후 25번으로 팽창하여 외기로 배기되며 14번샤프트를 회전시키며, 23번으로는 외기를 흡입하여 27번으로압축토출된 후압력탱크를거쳐연소실로공급하는 개방형사이클과 압축공기가 연소공기와 혼합되지 않는 밀폐형사이클로 2가지 특징을 가져 다양한 토오크발생장치에 적용할 수 있다.

도 6은 상기한 콤팬더를 이용한 토오크발생장치의 일예를 나타내 보인 구성도이다. 상기한 토오크가 발생하는 축은 콤팬더의 샤프트(14)임은 물론이다.

도시한 바와같이, 콤팬더(10)의 제 2배출포트(27)가 압축공기탱크(51)에 연결되어 있다. 상기 압축공기탱크(51)는 일반적인 고압 공기탱크로서 콤팬더의 제 2배출포트(27)로부터 배출된 압축공기를 임시 저장한다.

또한 상기 압축공기탱크(51)는 다수의 밸브를 통해 연소기(53)에 연결된다. 상기 연소기(53)는 마치 왕복식 엔진 실린더의 연소실과 같이 그 내부에서 연소가 이루어지는 장소이다. 상기 연소기(53)는 상기 압축공기탱크(51)로부터 이동해온 압축공기와 가압펌프(59)에 의해 공급된 외부의 가스를 수용하는 연소기챔버(55)와, 상기 연소기챔버(55)의 내부에 스파크를 일으켜 점화하는 점화플러그(57)를 포함하여 구성되며, 개방형 사이클에 관한 것이다.

상기 연소기(53)내에서 발생한 고속 고압의 연소가스는 콤팬더(10)의 제 1흡입포트(21)를 통해 콤팬더(10) 내부로 이동한다. 이와 같이 콤팬더(10)의 내부로 이동하는 연소가스는 도 5a에 도시한 바와 같이 제 2로터(17)와 제 3로터(19)의 사이에서 제 1팽창배출포트(25)로 이동하며 제 2로터(17)와 제 1로터(15)를 도 5a의 반시계 방향으로 회전시키고 제 1배출포트(25)를 통해 외부로 팽창 배기된다. 상기와 같이 제 1로터(15)가 회전하면 샤프트(14)도 회전하는 것이므로 결국 샤프트(14)를 통해 외부로 토오크를 전달할 수 있게 된다.

한편, 상기와 같이 연소가스가 콤팬더(10)를 통과해 빠져나가며 제 1,2로터(15,17)를 회전시킴에 의해 외부의 새로운 공기가 제 2흡입포트(23)를 통해 케이싱(11) 내부로 들어가 압축된다. 상기 제 2흡입포트(23)로 흡입된 공기는 제 1,2로터(15,17)의 사이에서 압축된 상태로 제 2배출포트(27)를 통해 압축공기탱크(51)로 이동하여 연소실(53)로 가기 위해 대기한다.

도 7은 상기한 콤팬더를 이용한 토오크발생장치의 다른 예를 도시한 구성도이다.

상기한 도면부호와 동일한 도면부호는 동일한 기능의 동일한 부재를 가리키며 이에 관한 반복된 설명은 생략하기로 한다.

도 7을 통해 설명하는 토오크발생장치에서의 콤팬더(10)는 상기한 도 5의 동작 메카니즘을 갖는다.

도면을 참조하면, 콤팬더(10)의 제 1팽창배출포트(25)와 제 2흡입포트(23)가 냉각기(71)에 연결되어 있음을 알 수 있으며, 밀폐형 사이클에 관한 것이다. 상기 냉각기(71)는 공지의 일반적인 냉각기로서 제 1팽창배출포트(25)로 배출된 가스를 냉각시켜 제 2흡입포트(23)로 공급한다.

또한 상기 제 2배출포트(27)는 압축공기탱크(51)에 연결되며 압축공기탱크(51)는 연소기(53)에 연결된다. 상기 압축공기탱크(51) 내의 압축공기는 연소기를 통과하면서 가열되고 제 1흡입포트(21)로 이동하여 제 1,2로터(15,17)를 회전시키며 샤프트(14)를 통해 외부로 토오크를 발생한다. 상기 제 1,2로터(15,17)를 회전시킨 연소가스는 대기로 방출되지 않고 제 1팽창배출포트(25)를 통해 상기 냉각기(71)로 이동한다.

상기 연소기(53)는 외부의 공기와 가스를 그 내부에 수용한 상태로 점화하여 압축공기가 이동하는 파이프를 가열하는 것이다.

여하튼 상기 냉각기(71)로 이동한 팽창공기는 냉각기(71)를 통과한 후 도 5d에 도시한 바와 같이 제 2흡입포트(23)를 통해 케이스(11)의 내부로 다시 한번 유입되며 제 1로터(15)와 제 2로터(17)의 사이에서 압축되고 도 5f와 같이 제 2배출포트(27)를 통해 압축공기탱크(51)로 이동하여 대기한다.

도 8은 상기한 콤팬더를 이용한 토오크발생장치의 또 다른 예를 도시한 구성도이다. 기본적으로 도 8에 도시한 토오크발생장치는 콤프레샤와 액스펜더를 사용하여 한 쪽 액스펜더의 샤프트에 토오크를 발생하는 장치이다.

도 8을 참조하면, 토오크발생장치는 압축기와 액스펜더(10a,10b)와, 상기 두 개의 (10a,10b) 사이에 위치하는 연소기(53) 및 열교환기(81)를 포함하여 구성된다. 상기 압축기와 액스펜더(10a,10b)는 상호 동일한 구성을 가지며, 일측(10a)은 콤프레셔(compressor)의 역할을 하고 타측 (10b)은 익스펜더(expander)의 역할을 한다.

콤프레셔 기능을 하는 일측(10a)의 제 1배출포트(25)는 공급라인(82)을 통해 타측 액스펜더(10b)의 제 2흡입포트(23)에 연결된다. 아울러 상기 공급라인(82)에는 연소기(53)가 구비된다.

상기 연소기(53)는 공급라인(82)을 통해 일측 압축기(10a)로부터 공급된 압 축공기에 가스를 더하여 연소시키며 연소에 따른 폭발력이 제 2흡입포트(23)를 통해 타측 액스펜더(10b)에 전달되도록 한다. 연소가스가 제 2흡입포트(23)를 통해 타측 액스펜더(10b)로 압입되면 제 1,2,3로터(15,17,19)는 가스의 폭발력에 의해 밀리며 회전하고 샤프트(14)가 축회전한다.

상기 액스펜더(10b)의 내부를 돌아 제 2배출포트(27)로 배출된 연소가스는 회수라인(83)을 통해 소정 경로를 따라 이동하며 그동안 공급라인(82)을 통해 연소기(53)를 향하는 저온의 압축공기와 열교환 된 후 대기로 배기된다. 상기 연소기를 향하는 압축공기는 회수라인(83) 내의 고온의 연소가스와 열교환을 통해 예열된다.

한편, 상기 동작이 계속되는 동안 타측 액스펜더(10b)의 제 1흡입포트(21)로는 압축 공기가 계속적으로 흡입되고, 흡입된 공기는 액스펜더(10b)의 내부에서 팽창된 상태로 제 1배출포트(27)를 통해 배출된다. 상기 제 1배출포트(25)를 통해 배출된 팽창공기를 열교환 후 외부에 버린다. 여기서 콤프레샤에서 압축된 공기는 압축공기탱크(51)에 저장할 수 도 있음은 물론이다.

도면부호 85는 양측 콤프레샤와 액스펜더의 샤프트(14)를 상호 연결하는 벨트이다.

결국 도 8에 도시한 토오크발생장치는 일측 콤푸레샤(10a)에 의해 공급된 압축공기를 연소시켜 그 폭발력으로 타측 액스펜더의 샤프트(14)를 축회전시키는 메카니즘을 갖는다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지 식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 트로코이달 로터를 3중으로 구성함으로 콤프레샤와 액스펜더를 1개의기기(콤펜더)로써 작동유체의 압축 및 팽창이 가능하여 작동유체를 고압으로 송출할 수 있음은 물론 작동유체의 흡입량과 배출량이 증대되어 고속 고압 압축 성능을 제공할 수 있다. 또한 상호 열교환과 기계적 효율을 증대하며 이를 이용한 토오크발생장치는, 별도로 압축공기를 열교환(내부에서 연소가스나 가열 팽창된 공기와 압축열이 합하여짐) 시킬 필요가 없고, 흡입 및 배출포트의 위치를 조절하여 압축비와 팽창비의 제어 가능하고 구조가 견고하며 소음 및 진동이 없으며 고속회전이 가능하다. 또한 한축에 몇 개의 콤팬더를 부착하여 고출력 및 기기의 고장시에도 장치의 정지나 이상이 없다는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트로 고정되어 있는 제 1로터와: 상기 제 1로터를 그내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2 로터와: 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2 로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 제 2 로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3 로터와 ; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1.2.3.로터를 밀폐 수용하는 케이싱과: 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로 제 1.2.3.로터의 회전시 제 1 로터의 기어와 제 2 로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2 흡입포트 및 상기 제 2 로터의 외측 기어와 제 3 로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입 포트와; 제 1,2,3,로터의 회전시 상기 제 1 로터의 기어와 제 2 로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2 배출포트 및 상기 제 2 로터의 외측 기어와 제 3 로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1 팽창 배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와 상기 제 1팽창배출포트로 부터 배출된 작동유체가 제 2 흡입포트로 유동하여 제 1 로터와 제 2 로터 사이에서 압축되도록 제 1 팽창 배출포트와 제 2 흡입포트는 냉각기에서 연결 파이프로 연결된 것을 특징으로 하는 3중 트로코이달 로터를 갖는 콤팬더
3. 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와; 상기 제 1로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며, 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와; 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되, 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3로터와; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와;

   상기 콤팬더의 제 2배출포트와 연결되며 콤팬더로부터 배출된 작동유체를 받아들이는 압축공기탱크와;

   상기 압축공기탱크와 연결되며 압축공기탱크의 압축공기와 외부의 연소용 가스를 공급받아 점화 폭발시키며 폭발력을 상기 제 1흡입포트로 전달함으로써 제 1,2,3트로코이달로터가 회전하게 하는 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 토오크발생장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 연소기에 가스를 소정 압력으로 공급하기 위한 것으로 상기 제 1트로코이달로터로부터 회전력을 전달받아 외부 가스탱크의 가스를 연소기측으로 압송하는 가압펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 토오크발생장치.
5. 삭제
6. 외주면에 다수의 트리코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와: 상기 제 1로터를 그내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와 ; 상기 제 2로터를 그내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달기어가 형성되되 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제3로터와 :상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3,로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기샤프트측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로 제 1,2,3,로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2 로터의 내측기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3,로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2 배출포트 및 상기 제 2로터의 외측기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와: 상기 콤팬더의 제 2배출포트와 연결되며 콤팬더로부터 배출된 작동유체를 받아들이는 압축공기탱크와; 상기 압축공기탱크와 연결되며 압축공기탱크의 압축공기를 통과시키며 가열하고 가열된 공기를 제1흡입포트로 전달하므로써 제1,2,3트로코이달 로터가 회전하게 하는 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 토오크 발생장치 로써 상기 콤팬더에 연결되며 제1,2,3트로코이달 로터의 회전에 의해 제 1팽창배출포트를 통해 배출되는 작동유체를 냉각시킨후 상기 제2흡입포트로 유도하는 냉각기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 토오크 발생장치
7. 외주면에 다수의 트로코이달(trochoidal) 기어가 형성되어 있고 그 회전중심에는 샤프트가 고정되어 있는 제 1로터와; 상기 제 1로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 1로터의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되 상기 트로코이달 기어는 상기 제 1로터의 기어이(teeth)의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지며, 외주면에도 내주면과 동일한 개수의 트로코이달 기어이가 형성되어 있는 제 2로터와; 상기 제 2로터를 그 내부에 편심되게 수용하며 내주면에는 제 2로터 외주면의 기어에 대해 치합하며 선접촉하는 트로코이달 기어가 형성되되, 상기 트로코이달기어는 제 2로터의 기어이의 개수보다 하나 더 많은 기어이를 가지는 제 3로터와; 상기 샤프트를 외부로 연장 돌출시킨 상태로 회전 가능하게 지지하고 제 1,2,3로터를 밀폐 수용하는 케이싱과; 상기 샤프트 측부에 형성되어 케이싱의 내부와 외부를 연결하는 것으로, 제 1,2,3로터의 회전시 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 2흡입포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 벌어지는 부위에 위치하는 제 1흡입포트와; 제 1,2,3로터의 회전시 상기 제 1로터의 기어와 제 2로터의 내측 기어가 좁아지는 부위에 마련된 제 2배출포트 및 상기 제 2로터의 외측 기어와 제 3로터의 기어가 최대로 벌어졌다 좁아지는 부위에 위치되는 제 1팽창배출포트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3중트로코이달 로터를 갖는 콤팬더와;

   공급라인을 통해 상기 일측 콤팬더의 제 1팽창배출포트와 연결되며 제 1팽창배출포트로부터 공급된 팽창공기에 가스를 더하여 연소시키고 연소에 따른 연소가스를 타측 콤팬더의 제 2흡입포트로 공급하여 타측 콤팬더의 제 1,2,3로터가 연소가스의 팽창력에 의해 회전하도록 하여 샤프트를 축회전시키는 연소기와;

   상기 타측 콤팬더의 제 2배출포트에 연결되며 상기 제 1,2,3로터를 회전시킨 후 빠져나온 연소가스를 소정 경로로 유도하는 회수라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 토오크 발생장치.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 회수라인과 공급라인의 사이에는 회수라인을 통과하는 연소가스의 열을 공급라인 내의 압축공기에 공급하여 압축공기를 예열하도록 하는 열교환기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 토오크 발생장치.

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