KR101330768B1

KR101330768B1 - 실린더 블록의 냉각 구조 및 이를 갖는 사판형 액압 장치

Info

Publication number: KR101330768B1
Application number: KR1020127005007A
Authority: KR
Inventors: 타케시 오노; 마코토 아즈마
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2013-11-18
Also published as: KR20120083876A; JP5444462B2; WO2012066593A1; JPWO2012066593A1; EP2642123A4; CN102630279A; EP2642123A1; US20130000481A1

Abstract

슬라이딩면의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 실린더 블록(12)의 냉각 구조를 제공한다. 실린더 블록(12)은, 복수의 실린더(20)를 가지며, 이 실린더(20)에는, 개구에서 피스톤(13)이 삽입되어 있다. 피스톤(13)은, 실린더(20)를 규정하는 슬라이딩면(12b) 위를 왕복 슬라이딩하도록 이루어져 있다. 또한, 실린더 블록(12)의 외주면(12a)에는, 복수의 냉각용 홈(31)이 형성되어 있다. 냉각용 홈(31)은, 인접하는 2개의 실린더(20) 사이에 있는 격벽(32)에 전방측 단면에서 연장되고, 또한 슬라이딩면(12b)과 외주면(12a) 사이의 두께(t)를 감소시키도록 격벽(32)을 두께 감소시켜서 형성된다.

Description

실린더 블록의 냉각 구조 및 이를 갖는 사판형 액압 장치 {COOLING STRUCTURE OF CYLINDER BLOCK AND SWASH PLATE TYPE LIQUID-PRESSURE APPARATUS INCLUDING SAME}

본 발명은, 피스톤(piston) 삽입측 단면에 있는 개구에서 피스톤을 각각 삽입 가능한 복수의 실린더(cylinder)가 형성되어, 회전시키면 삽입되어 있는 상기 피스톤이 상기 실린더를 왕복 슬라이딩(sliding)하도록 이루어져 있는 실린더 블록(cylinder block), 예를 들면 사판(斜板)형 액압 장치의 실린더 블록의 냉각 구조에 관한 것이다.

건설 기계를 포함하는 산업 기계에 있어서, 다양한 유압 모터(motor)나 유압 펌프(pump)가 이용되고 있고, 이 유압 모터나 유압 펌프로서, 예를 들면 특허문헌1과 같은 사판형 유압 모터·펌프(이하, 「사판형 유압 장치」라고도 한다)가 알려져 있다. 특허문헌1의 사판형 유압 장치는 회전축을 구비하고 있고, 회전축에는 실린더 블록이 일체로 결합되어 있다. 실린더 블록의 단면에는 둘레 방향으로 등간격으로 실린더가 형성되고, 각 실린더에는 피스톤이 삽입되어 있다. 이 실린더에서 돌출되어 있는 단부에는 슈(shoe)가 결합되어 있고, 이 슈는 기울어져 배치된 사판의 지지면 상에 배치되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 사판형 유압 장치는 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동시킴으로써 실린더 블록이 회전하도록 이루어져 있고, 실린더에 고압의 작동유를 공급하여 피스톤을 왕복 운동시킴으로써 실린더 블록이 회전하여 이것이 일체로 설치된 회전축을 회전시킬 수 있도록 이루어져 있다. 즉, 사판형 유압 장치는 유압 모터로서 작동한다. 또한, 사판형 유압 장치는 실린더 블록을 회전시킴으로써 피스톤이 실린더 내를 왕복 운동하도록 이루어져 있고, 회전축에 의해 실린더 블록을 회전시킴으로써 저압의 작동유를 흡입하여 고압의 작동유를 토출할 수 있도록 이루어져 있다. 즉, 사판형 유압 장치를 유압 펌프로서도 작동시킬 수 있다.

일본 특개2010-174690호 공보

특허문헌1과 같은 구성을 갖는 사판형 유압 장치는, 주로 저속도, 중속도의 회전에서 사용되고 있지만, 건설 기계나 산업 기계의 구동 장치에서의 고회전화에 대응하기 위해 사판형 유압 장치를 고속 회전에서도 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그러나 사판형 유압 장치를 고속 회전으로 실린더 블록을 회전시키면, 피스톤 및 슈에 작용하는 원심력의 영향이 커져서 저회전 때와 달리 원심력의 영향을 무시할 수 없게 된다.

예를 들면, 실린더로 피스톤이 왕복 운동할 때, 피스톤이 슬라이딩하는 실린더 블록의 슬라이딩면에서는 슬라이딩하는 것에 의해 열이 발생하고, 여기에서의 발열량은 실린더 블록과 피스톤의 접촉 압력에 의존하고 있다. 종래와 같은 원심력이 상당히 작은 저회전 사양에서는 접촉 압력이 주로 공급되거나 토출되는 작동유의 압력과 대응하기 때문에, 슬라이딩면에서 발생하는 열은 비교적 작다. 따라서, 슬라이딩면과 피스톤과의 사이에 작동유를 보내기 위한 클리어런스(clearance)를 형성하여, 여기에서 누출되는 작동유만으로 슬라이딩면을 충분히 냉각할 수 있다.

그러나 실린더 블록을 고속 회전시키는 경우, 유압에 의한 영향보다도 원심력측이 접촉 압력에 영향을 미치게 되어 회전 속도가 높아질수록 접촉 압력이 증가하고, 슬라이딩면에서 발생하는 발열량도 커진다. 이에 따라, 슬라이딩면의 온도가 상승하여, 특히 클리어런스에서 누출되는 작동유에 의한 냉각을 하기 어려워지기 때문에, 실린더의 개구 부근의 온도 상승이 현저해진다. 또한, 원심력이 증가하여 피스톤이 외측으로 밀림으로써, 실린더 블록의 반경 방향 내측에 비하여 그 외측의 클리어런스 폭이 좁아진다. 이렇게 되면, 좁아진 외측의 클리어런스에 있는 작동유가 흐르기 어렵게 되고, 따라서 작동유가 가열된다. 작동유가 계속 가열되어 작동유의 전이 온도를 초과하면, 작동유의 윤활 성능이 저하된다. 이에 따라, 슬라이딩면에서의 발열량이 더욱 증가하여, 실린더와 피스톤이 눌어 붙을 수 있다. 클리어런스 폭을 크게 하여 작동유의 윤활 성능의 저하나 눌어 붙음을 방지하는 것도 가능하지만, 클리어런스 폭을 크게 하면 작동유의 누출량이 큰 폭으로 증가하기 때문에, 펌프 또는 모터로서의 성능이 저하되고, 또한 유압 장치의 고압화에 한계가 발생한다.

따라서, 본 발명은 슬라이딩면의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 실린더 블록의 냉각 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실린더 블록의 냉각 구조는, 피스톤 삽입측 단면에 개구를 갖는 복수의 실린더가 형성되고, 회전시키면 상기 실린더에 각각 삽입된 상기 피스톤이 왕복 슬라이딩하도록 이루어져 있는 실린더 블록과, 상기 실린더 블록의 외주면에 형성되는 복수의 냉각용 홈을 가지며, 상기 냉각용 홈은, 인접하는 2개의 상기 실린더 사이에 있는 격벽에 상기 피스톤 삽입측 단면에서 연장되고, 또한 피스톤이 슬라이딩하는 슬라이딩면과 상기 실린더 블록의 외주면 사이의 두께를 감소시키도록 상기 격벽을 두께 감소(減肉)시킴으로써 형성되어 있다.

본 발명에 따르면, 슬라이딩면과 외주면 사이의 두께가 작아진다. 고속 회전하에서의 원심력에 의해 발열하는 외주 부근 슬라이딩면은, 그 주변의 케이스(case) 내 드레인 오일(drain oil)의 온도보다 높기 때문에, 슬라이딩면에서 발생한 열을 신속히 외주면으로 전달시켜 상기 외주면에서 방산(放散)할 수 있다. 이에 따라, 슬라이딩면의 냉각 성능을 향상시켜, 슬라이딩면의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 실린더의 개구가 있는 피스톤 삽입측 단면에서 냉각용 홈이 연장되어 있기 때문에, 온도 상승이 가장 현저한 슬라이딩면의 피스톤 삽입측 단면 근방에 있어서, 그 표면 온도의 상승을 특히 억제할 수 있다. 그러므로 슬라이딩면의 눌어 붙음의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 예를 들면, 본 발명이 유압 펌프나 유압 모터 등의 액압 장치에 이용되는 경우, 슬라이딩면과 피스톤의 외주면 사이에 클리어런스가 마련되고, 이 클리어런스에서 누출되는 작동유를 윤활유로서 이용한다. 슬라이딩면의 온도 상승을 억제함으로써 이 윤활유의 온도 상승을 억제하여 윤활유가 전이하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 윤활유의 윤활 성능 저하를 막을 수 있기 때문에, 피스톤을 원활히 작동하는 것을 유지할 수 있고, 슬라이딩면에서의 발열량을 저감할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 피스톤은, 실린더의 상사점(上死點)에서부터 하사점(下死點)의 사이에서 왕복 슬라이딩하고, 상기 냉각용 홈은, 상기 피스톤 삽입측 단면에서 실린더와 평행하게 연장되고, 그 선단이 하사점에 위치하는 상기 피스톤의 실린더 내에 있는 단면 부근보다 상기 피스톤 삽입측 단면측에 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 피스톤이 하사점에 위치할 때에 고압으로 되는 부분의 강성을 유지하면서, 표면 온도가 높아지는 영역의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 실린더 블록에 공급되는 작동액의 사용 한계압을 낮추지 않고, 실린더와 피스톤의 눌어 붙음에 의한 파손을 방지할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 냉각용 홈은, 상기 실린더 블록의 외주면과 상기 슬라이딩면 사이의 최소 두께(tmin)가 상기 실린더의 내경(D)에 대하여 0.02D≤tmin≤0.3D로 되도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 냉각 효과를 향상시키면서 슬라이딩면의 외주면측의 영역에서의 강성을 확보할 수 있다. 이에 따라, 실린더 블록의 눌어 붙음 및 개구측에서의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 사판형 액압 장치는, 저압의 작동액이 흐르는 저압측 통로와 고압의 작동액이 흐르는 고압측 통로에 접속되어 있고, 상기 작동액이 상기 고압측 통로에서 상기 실린더로 공급되어 상기 실린더에서 상기 저압측 통로로 배출됨으로써 실린더 블록을 회전시키거나 상기 실린더 블록을 회전시킴으로써 상기 저압측 통로에서 상기 실린더로 작동액을 흡입하여 더욱 압축하고 나서 고압측 통로로 토출하는 것으로서, 전술한 어느 하나의 상기 실린더 블록의 냉각 구조를 갖는 것이다.

사판형 액압 장치에서는, 슬라이딩면과 피스톤의 외주면 사이에 클리어런스가 마련되고, 이 클리어런스에서 누출되는 작동유를 윤활유로서 이용한다. 상기 구성에 따르면, 슬라이딩면의 온도 상승을 억제함으로써 클리어런스에서 누출되는 윤활유의 오일 온도의 상승을 억제하여 윤활유가 전이하는 것을 막을 수 있다. 이에 따라, 윤활유의 윤활 성능의 저하를 방지하여 피스톤을 원활히 작동하는 것을 유지할 수 있고, 슬라이딩면에서의 발열량을 저감할 수 있다.

상기 발명에 있어서, 상기 실린더 블록을 수용하는 케이싱(casing)을 가지고, 상기 케이싱 내는 연통로를 통하여 상기 저압측 통로와 연결되며, 케이싱 내에는 상기 저압측 통로의 저압 작동유가 유도되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 실린더 블록의 외주면을, 케이싱 내에 유도되는 저압 및 저온 작동유에 적실 수 있기 때문에, 작동액에 의해 상기 외주면을 냉각할 수 있다. 이에 따라, 더욱 많은 열을 상기 외주면에서 방산할 수 있으므로, 슬라이딩면의 표면 온도의 상승을 더욱 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 슬라이딩면의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사판형 액압 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 사판형 액압 장치에 구비되는 실린더 블록을 전방에서 본 정면도이다.
도 3은 실린더 블록을 도 2에 도시한 절단선 A-A로 절단하여 본 단면도이다.
도 4는 상기 사판형 액압 장치 주변의 유압 회로도의 일 예이다.
도 5의 (a)는 하사점에 있는 피스톤을 도시한 도면이고, (b)는 (a)상태에서의 실린더 블록의 슬라이딩면의 각 위치의 표면 온도를 나타낸 그래프이며, (c)는 (a)상태에서의 실린더 블록의 슬라이딩면의 유압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 다른 실시예의 실린더 블록의 냉각 구조를 도시한 정면도이다.

이하에서는, 전술한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 사판형 액압 장치(1)에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 사판형 액압 장치(1)는 본 발명의 일 실시예에 지나지 않으며, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 추가, 삭제 및 변경이 가능하다.

[사판형 액압 장치]

유압 쇼벨(shovel), 크레인(crane) 및 불도저(bulldozer) 등의 건설 기계나, 유압 유닛(unit), 프레스(press)기, 제철 기계 및 사출 성형기 등의 육지용 장치 등의 산업 기계나 선박에는, 이에 구비되는 기기나 액추에이터(actuator)를 구동하기 위해 사판형 액압 장치(1)가 설치되어 있다. 사판형 액압 장치(1)는 이른바 사판형 모터·펌프이고, 산업 기계나 선박에 구비되는 회전 대상물을 회전시키는 액압 모터의 기능 또는 산업 기계나 선박에 구비되는 액추에이터에 압액을 공급하여 당해 액추에이터를 작동시키는 액압 펌프의 기능을 가지고 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 설명의 편의상 취급하는 유체를 작동유로 하고, 사판형 액압 장치(1)를 유압 모터로서 설명한다.

사판형 액압 장치(1)인 유압 모터(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이 회전축(11)을 구비하고, 고속 회전수로 회전축(11)을 회전할 수 있는 고속 회전형 유압 모터이다. 이 유압 모터(1)는, 회전축(11) 외에 실린더 블록(12), 복수의 피스톤(13), 복수의 슈(14), 사판(15) 및 밸브 플레이트(16)도 구비하고 있고, 이들 부품이 케이싱(17)에 수용되어 있다. 회전축(11)은, 케이싱(17)을 관통하도록 전후 방향으로 연장되어 있고, 케이싱(17)의 전단부 및 후단부로 베어링(18, 19)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전축(11)의 중간 부분에는 그 후단측에 실린더 블록(12)이 끼워져 있다.

실린더 블록(12)은, 대략적으로 원통형으로 형성되고, 그 축선이 회전축(11)의 축선(L1)에 일치하도록 위치하고 있다. 실린더 블록(12)은, 회전축(11)과 스플라인 결합에 의해 일체로 결합되어, 회전축(11)에 대하여 상대 회전할 수 없게 이루어져 있다. 이 실린더 블록(12)의 외주면(12a)의 전방측 단부는 둘레 방향 전체 둘레에 걸쳐 반경 방향 내측으로 두께가 감소되고, 냉각 구조(30)가 더 형성되어 있다. 이 냉각 구조(30)의 상세한 설명은 후술한다. 또한, 실린더 블록(12)에는 복수의 실린더(12)가 형성되어 있다. 실린더(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 둘레 방향으로 등간격으로 배치되고, 또한 도 3에 도시된 바와 같이 상기 축선(L1)에 평행하게 연장되어 있다. 실린더(20)는, 단면 원형의 슬라이딩면과 저면에 의해 규정되는 구멍이고, 실린더 블록(12)의 전방측 단면(피스톤 삽입측 단면)에 개구를 가지고 있다. 각 실린더(20)에는, 그 개구에서 피스톤(13)이 삽입되어 끼워져 들어가 있다.

피스톤(13)은, 대락 원기둥형으로 이루어져 있고, 실린더(20)를 규정하는 슬라이딩면(12b) 위를 슬라이딩하면서 전후 방향으로 왕복 슬라이딩하도록 되어 있다. 또한, 실린더(20)에는 동(銅) 부시(bush) 등의 원통형 슬리브(미도시)가 끼워 맞춰지는 경우가 있다. 이 경우, 피스톤(13)이 슬리브의 내주면 위를 슬라이딩하도록 되어 있고, 피스톤(13)이 슬라이딩하는 슬라이딩면은 이 슬리브의 내주면을 의미한다. 이하에서는, 슬리브가 끼워져 있지 않은 경우에 대하여 설명하지만, 슬리브가 끼워져 있는 경우도 마찬가지이다.

피스톤(13)의 외경은, 실린더(20)의 내경보다 약간 소경으로 형성되어 있고, 피스톤(13)의 주위에는 이것과 슬라이딩면(12b) 사이에 클리어런스가 형성되어 있다. 게다가, 피스톤(13)은, 그 전단부에 구면(球面) 유지부(13a)를 가지며, 구면 유지부(13a)는 피스톤(13)의 위치에 관계없이 실린더(20)에서 돌출되어 있다. 구면 유지부(13a)의 외표면은 대략 구면(球面) 상에 형성되어 있고, 이에 슈(14)가 결합되어 있다.

슈(14)는, 대략 바닥을 갖는 원통형으로 이루어지고, 그 내표면이 구면 유지부(13a)에 대응되어 부분 구면형으로 이루어져 있다. 이 슈(14) 내에 피스톤(13)의 구면 유지부(13a)가 끼워져 들어가 있고, 피스톤(13)은 구면 유지부(13a)의 중심을 중심점으로 하여 회동 가능하게 이루어져 있다. 또한, 슈(14)는, 그 저부에 반경 방향 외측으로 돌출되는 플랜지(14a)를 가지며, 그 저부를 사판(15)에 접하게 하여 그 위에 배치되어 있다.

사판(15)은 대략 원판형으로 형성되어 있다. 사판(15)은, 그 상측을 후방으로 기울인 상태로 케이싱(17) 내에 설치되어 있고, 그 중심 부근을 회전축(11)이 관통하고 있다. 사판(15)은 실린더 블록(12)보다 전방에 배치되고, 실린더 블록(12) 측에 지지판(21)을 갖는다. 지지판(21)은, 원고리형으로 이루어지고, 여기에는 복수의 슈(14)가 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 복수의 슈(14)에는, 이들을 지지판(21)에 눌러 밀착하도록 누름판(22)이 설치되어 있다.

누름판(22)은, 대략 원고리형으로 이루어지고, 그 중심을 회전축(11)이 상대 회전 가능하게 삽입 통과된다. 누름판(22)에는 슈(14)와 동일한 수의 결합공(22a)이 형성되고, 결합공(22a)은 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 누름판(22)은 결합공(22a)에 슈(14)의 개구측을 삽입 통과시켜 플랜지(14a)에 접하게 이루어져 있고, 지지판(21)과 협동하여 플랜지(14a)를 사이에 끼우게 이루어져 있다. 또한, 누름판(22)은 그 내측 구멍에 구면 부시(23)가 삽입 통과된다. 구면 부시(23)는 대략 원통형으로 이루어지고, 회전축(11) 및 실린더 블록(12)에 외장(外裝)되어 있다. 구면 부시(23)는, 실린더 블록(12)에 설치되어 있는 복수의 가압 스프링(40)에 의해 지지판(21)을 향하여 힘이 가해져 있고, 누름판(22)은 이 구면 부시(23)에 의해 지지판(21)에 눌려 밀착되어 있다.

이와 같이 복수의 슈(14)가 배치된 사판(15)은, 그 상부가 케이싱(17)의 상부에 설치된 레귤레이터(24)에 연결되어 있다. 레귤레이터(24)는, 전후 방향으로 가동하는 플런저(plunger)(25)를 가지며, 이 플런저(25)에 사판(15)이 연결되어 있다. 그러므로 플런저(25)를 전후 방향으로 작동시킴으로써 사판의 경사각을 변경하여 피스톤(13)의 스트로크를 조정할 수 있고, 실린더(20)의 유실(20a) 용량을 변경할 수 있다. 유실(20a)은, 실린더(20)에 있어서 피스톤(13)의 후단면보다 후방측인 공간이다.

이 유실(20a)에 연결되는 실린더 포트(26)가 실린더 블록(12)에 형성되어 있다. 실린더 포트(26)는, 1개의 실린더에 1개씩 마련되고, 실린더와 일대일로 대응한다. 또한, 실린더 포트(26)는, 실린더 블록(12)의 후방측 단면에서 개구되고, 이 후방측 단면에는 밸브 플레이트(16)가 설치되어 있다.

밸브 플레이트(16)는, 원고리형의 판형 부재이고, 실린더 블록(12)과 케이싱(17)의 후단부 사이에 위치하고 있다. 밸브 플레이트(16)는 도시하지 않은 핀(pin) 부재에 의해 케이싱(17)에 상대 회전할 수 없게 고정되어 있다. 밸브 플레이트(16)의 내측 구멍에는 회전축(11)이 삽입 통과되고, 회전축(11)과 밸브 플레이트(16)는 서로 상대 회전 가능하게 구성되어 있다. 이와 같이 위치하는 밸브 플레이트(16)에는 흡입 포트(16a) 및 토출 포트(16b)가 형성되어 있다.

흡입 포트(16a) 및 토출 포트(16b)는, 대략 원호형으로 이루어지고, 서로 둘레 방향으로 간격을 두고 위치하고 있다. 이들 흡입 포트(16a) 및 토출 포트(16b)는, 밸브 플레이트(16)를 그 두께 방향으로 관통하고, 실린더 블록(12)측의 개구가 몇 개의 실린더 포트(26)에 접속되고, 실린더 블록(12)을 회전시킴으로써 실린더 포트(26)의 접속선(接續先)이 흡입 포트(16a)와 토출 포트(16b)에서 교대로 전환되도록 이루어져 있다. 또한, 흡입 포트(16a)의 타방측 개구는 도 4에 도시한 고압측 통로(27)에 접속되고, 토출 포트(16b)의 개구는 도 4에 도시한 저압측 통로(28)에 접속되어 있다. 즉, 실린더 블록(12)을 회전시킴으로써, 실린더(20)가 고압측 통로(27)와 저압측 통로(28)에 교대로 접속되도록 이루어져 있다. 또한, 도 1에서는 설명의 편의상 실제의 것에 대하여 흡입 포트(16a)와 토출 포트(16b)의 위치를 둘레 방향으로 비켜 놓고서 기재하고 있다. 그리고 도 4에 도시한 회로 구성은, 냉각 효과를 보다 높이기 위한 일 예이고, 이 구성이 없어도 케이스 내의 오일에 의해 냉각 효과는 얻을 수 있다.

또한, 케이싱(17)에는, 도 4에 도시한 연통로(29)가 형성되고, 이 연통로(29)에 의해 케이싱(17) 내부와 저압측 통로(28)가 연결되어 있다. 이에 따라, 저압측 통로(28)를 흐르는 작동유의 일정량이 연통로(29)를 통하여 케이싱(17) 내에 유도되어 냉각액으로서 이용할 수 있고, 저압 및 저온 작동유에 의해 회전축(11), 실린더 블록(12) 및 피스톤(13) 등을 냉각할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 유압 모터(1)에서는, 피스톤(13)이 실린더(20)에 가장 압축 후퇴하는 상사점으로부터 피스톤(13)이 실린더(20)에서 가장 돌출하는 하사점으로 이동할 때까지의 사이에, 고압측 통로(27)를 흐르는 작동유가 흡입 포트(16a)를 통하여 유실(20a)로 흡입된다. 이에 따라, 피스톤(13)이 작동유에 의해 전방으로 압박되고, 그 결과 슈(14)가 사판(15)에 눌려 밀착된다. 사판(15)이 기울어져 있으므로 눌려 밀착되는 슈(14)는, 사판(15) 위를 하측으로 미끄러지도록 윤활 이동하여, 축선(L1)을 중심으로 둘레 방향 일측으로 공전(公轉)한다. 이에 따라, 실린더 블록(12)에 축선(L1) 주위의 회전력이 가해져, 실린더 블록(12) 및 회전축(11)이 축선(L1) 주위로 회전한다.

한편, 피스톤(13)이 하사점에서부터 상사점의 사이에 위치할 때, 유실(20a)은 토출 포트(16b)를 통하여 저압측 통로(28)에 접속된다. 실린더 블록(12)이 회전함으로써 슈(14)가 상측으로 올라가도록 사판(15) 위를 윤활 이동하고, 역시 축선(L1)을 중심으로 둘레 방향 일측으로 공전한다. 슈(14)가 상측으로 올라감으로써 피스톤(13)이 후방으로 눌려 복귀하고, 이에 따라 유실(20a)의 작동유가 토출 포트(16b)를 통하여 저압측 통로(28)로 배출된다. 이와 같이 유압 모터(1)는 작동유를 흡입 및 토출함으로써 피스톤(13)을 전후 방향으로 왕복 슬라이딩시켜, 실린더 블록(12) 및 회전축(11)을 축선(L1) 주위로 회전시킨다.

이와 같이, 작동유의 흡입 배출을 반복하는 유압 모터(1)에서는, 전술한 바와 같이 급배출 시에 피스톤(13)이 슬라이딩면(12b) 위를 슬라이딩하여 전후방향으로 왕복 슬라이딩한다. 이 때문에, 슬라이딩 때에 슬라이딩면(12b)에서 마찰열이 발생하여 슬라이딩면(12b), 특히 개구측의 영역의 표면온도가 상승한다. 피스톤(13)의 외표면과 슬라이딩면(12b) 사이에는 클리어런스가 마련되고, 이 클리어런스에서 누출되는 작동유를 윤활유로서 이용하여 피스톤(13)을 윤활하여 슬라이딩면(12b)에서 발생하는 마찰열을 저감시킴과 동시에, 상기 윤활유에 의해 슬라이딩면(12b)을 냉각한다. 이와 같이, 유압 모터(1)는, 클리어런스를 마련하여 슬라이딩면(12b)에서의 표면온도의 상승을 억제하지만, 상기 표면온도의 상승을 더욱 억제하도록 실린더 블록(12)의 냉각 구조(30)를 더 가지고 있다.

<실린더 블록의 냉각 구조>

실린더 블록(12)의 냉각 구조(30)는 냉각용 홈(31)을 가지고 있다. 냉각용 홈(31)은, 도 2에 도시된 바와 같이 인접하는 2개의 실린더(20) 사이에 있는 격벽(32)에 각각 형성되고, 실린더 블록(12)의 전방측 단면에서 후방측 단면을 향하여 축선(L1)에 평행하게 연장된다. 본 실시예에 있어서, 냉각용 홈(31)의 선단은, 하사점에 위치하는 피스톤(13)의 후단면 부근보다 실린더 블록(12)의 전방측 단면측, 즉 하사점에 위치하는 피스톤(13)의 후단면 부근보다 전방측에 위치하고 있다(도 3 참조). 또한, 격벽(32)은, 실린더 블록(12)의 중심에서부터 인접하는 2개의 실린더(20) 중심을 통하여 외주면(12a)까지 각각 연장하는 직선(L2, L3) 사이에 있는 벽 전체를 의미한다(도 2에 있어서 마름모꼴의 망으로 나타내고 있는 영역).

도 5의 (b) 및 (c)는, 피스톤(13)이 하사점에 위치하고 있을 때(도 5의 (a) 참조)의 슬라이딩면(12b)의 각 위치에서의 표면온도 및 유압을 나타내는 그래프이다. 도 5의 (b)에 있어서, 종축은 슬라이딩면(12b)의 표면온도(T), 횡축은 실린더 블록(12)의 전방측 단면으로부터의 거리(d)를 나타내고, 도 5의 (c)에서는, 종축은 슬라이딩면(12b)에 작용하는 유압(P), 횡축이 실린더 블록(12)의 전방측 단면으로부터의 거리(d)를 나타내고 있다. 도 5의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이, 슬라이딩면(12b)의 표면온도에 관해서는, 피스톤(13)의 후단면보다 후방측(즉, 거리(d1)에서 거리(d2)의 사이)이 유실(20a)의 작동유에 의해 냉각되기 때문에, 대략 일정 온도로 유지된다. 한편, 피스톤(13)의 후단면에서 실린더(20)의 개구측(즉, 거리(0)에서 거리(d1)의 사이)은, 클리어런스에 들어간 작동유에 의한 냉각 효과가 작기 때문에, 개구측으로 나아감에 따라 표면온도가 상승하여, 개구 근처, 즉 실린더 블록(12)의 전방측 단면에서 가장 높아진다.

또한, 도 5의 (c)에서 알 수 있는 바와 같이, 슬라이딩면(12b)에 작용하는 유압에 관해서는, 슬라이딩면(12b)의 피스톤(13)의 후단면보다 후방측인 영역이 유실(20a)을 형성하므로, 그 영역에 작용하는 유압이 흡입 포트(16a)에서 흡입하는 작동유의 압력과 대략 같은 압력으로 된다. 한편, 슬라이딩면(12b)의 피스톤(13)의 후단면보다 전방측인 영역에 작용하는 압력은, 클리어런스의 전방측이 케이싱(17) 내에 연결되어 있기 때문에 개구측으로 나아감에 따라 하강하며, 개구측에서는 케이싱(17) 내의 압력, 즉 드레인 압력까지 하강한다.

이와 같이, 하사점에 위치하는 피스톤(13)의 후단면을 경계로 하여, 슬라이딩면(12b)의 표면온도 및 이에 작용하는 유압이 변화한다. 또한, 피스톤(13)이 하사점에 위치할 때가 가장 넓은 범위에 걸쳐 슬라이딩면(12b)에 고압이 작용한다. 본 실시예와 같이, 냉각용 홈(31)의 선단을 피스톤(13)의 후단면보다 실린더 블록(12)의 전방측 단면측에 위치시킴으로써, 슬라이딩면(12b)에 작용하는 유압이 높아지는 영역의 강성(剛性)을 높게 하면서, 표면온도가 높아지는 영역의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 작동유의 사용 한계압을 낮추지 않고, 실린더(12)와 피스톤(13)의 눌어 붙음으로 인한 파손을 방지할 수 있다.

이와 같이 연장되는 냉각용 홈(31)은 도 2와 같이 전방에서 보면 반경 방향 내측을 향하여 돌출되도록 만곡되고, 격벽(32)의 슬라이딩면(12b)과 외주면(12a) 사이의 영역이 두께 감소한다. 이와 같이 격벽(32)을 두께 감소하여 슬라이딩면(12b)과 외주면(12a) 사이의 두께(t)를 작게 함으로써 슬라이딩면(12b)에서 발생하는 열을, 저온 작동유에 적셔져 있는 외주면(12a)에 빠르게 전달하여 저온 작동유에 방산할 수 있고, 슬라이딩면(12b)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이에 따라, 실린더 블록(12)이 고속화되어도 슬라이딩면(12b)과 피스톤(13) 사이의 클리어런스에 개재된 작동유(윤활유)가 고온으로 되어 전이온도를 초과하는 것을 방지할 수 있고, 상기 작동유의 윤활 성능 저하로 인한 슬라이딩면(12b)의 눌어 붙음을 방지할 수 있다. 또한, 슬라이딩면(12b)과 피스톤(13) 사이의 클리어런스를 증가시키거나 슬라이딩면(12b)에 오일 홈을 가공하지 않고 슬라이딩면(12b)의 표면 온도를 저감할 수 있으므로 냉각 성능을 향상시키면서 모터의 성능을 떨어뜨리는 경우가 없다.

이하에서는, 냉각용 홈(31)의 형상에 관하여 더 설명한다. 냉각용 홈(31)은, 상기 슬라이딩면(12b)과 외주면(12a) 사이의 최소 두께(tmin)가 실린더(20)의 내경(D)에 대하여 0.02D≤tmin≤0.3D로 되도록 형성되어 있다. 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 슬라이딩면(12b) 중 반경 방향 외측의 영역(12c)(슬라이딩면(12b)의 외주면(12a)측의 영역에 해당)과 외주면(12a) 사이의 두께(t)가 실린더(20)의 내경(D)에 대하여 0.02D≤t≤0.3D로 되도록 형성되어 있다. 상기 반경 방향 외측의 영역(12c)은, 직선(L2)과 슬라이딩면(12b)이 교차하는 2점 중 반경 방향 외측의 교점(A1) 및 이로부터 둘레 방향 양측으로 연장하는 영역이다. 여기서는, 실린더 블록(12)이 고속 회전한 때에 원심력에 의해 눌려 밀착된 피스톤(13)이 접하고, 큰 원심력을 받아서 접하고 있는 상태에서 피스톤(13)이 슬라이딩면(12b) 위를 슬라이딩하므로 높은 마찰열이 발생한다. 상기 영역(12c)은, 예를 들면 교점(A1)을 중심으로 둘레 방향 양측으로 중심각(α) 범위의 영역이고, 중심각(α)은, 30≤α≤180도이다. 또한, 실린더 블록(12)의 회전 속도 및 회전 방향이나 진동 등의 외적 요인으로 인하여 피스톤(13)이 접하는 위치가 상기 중심각(α)에서 벗어나는 경우를 생각할 수 있으므로 상기 중심각(α)보다 광범위하게 걸쳐 슬라이딩면(12b)의 주위 두께(t)가 0.02D≤t≤0.3D를 만족하도록 형성되어도 좋다(예를 들면, 후술하는 도 6 참조).

이와 같이 두께(t)를 0.3D 이하로 함으로써 슬라이딩면(12b), 특히 개구측의 영역에서의 냉각 성능을 향상시킬 수 있고, 상기 슬라이딩면(12b)의 표면 온도의 상승을 억제할 수 있다. 이에 따라 슬라이딩면(12b)과 피스톤(13) 사이의 클리어런스를 흐르는 작동유(윤활유)의 온도 상승을 억제할 수 있고, 상기 작동유가 고온으로 되어 전이온도를 초과하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로 작동유의 윤활 성능의 저하로 인한 슬라이딩면(12b)의 눌어 붙음을 방지할 수 있다.

또한, 슬라이딩면(12b)과 피스톤(13) 사이의 클리어런스를 증가시키거나 슬라이딩면(12b)에 오일 홈을 가공하거나 하지 않고 슬라이딩면(12b)의 표면 온도를 저감할 수 있으므로 냉각 성능을 향상시키면서 모터의 성능을 떨어뜨리는 경우가 없다. 게다가 두께(t)를 0.02D 이상으로 함으로써 슬라이딩면(12b)의 반경 방향 외주측의 영역(12c)의 개구측 부근의 강성을 확보할 수 있고, 작동 때에 피스톤(13)이 고속으로 왕복 슬라이딩하여도 상기 개구측 부근이 손상되는 경우를 방지할 수 있다.

<그 외의 실시예>

본 실시예에서는, 냉각용 홈(31)의 저면이 아치(arch)형으로 만곡하고 있지만, 반드시 아치형일 필요는 없다. 예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이 냉각 구조(30A)의 냉각용 홈(31A)을 슬라이딩면(12b)을 따라 선예형(先銳形)으로 형성하고, 슬라이딩면(12b)의 반경 방향 외측의 반원 전체의 두께(t)가 균일해지도록 하여도 좋다. 또한, 냉각용 홈(31)의 형상도 만곡시킬 필요는 없고, 저면이 평탄하고 또한 요철을 만들어 핀(fin)과 같이 하여도 좋다. 게다가 냉각용 홈(31)의 저면의 선단 부근이 선단으로 감에 따라 반경 방향 외측에 위치하도록 만곡하여 있지만, 만곡할 필요는 없고 선단까지 평탄하게 이루어져 있어도 좋다(예를 들면, 도 3의 2점쇄선의 부호(41) 참조). 게다가 본 실시예에서는, 도 3에 도시한 바와 같이 냉각용 홈(31)의 선단이 실린더 블록(12)의 전방측 단면과, 하사점에 위치하는 피스톤(13)의 후단면 사이에 위치하고 있지만, 상기 후단면 부근까지 연장하여도 좋다.

본 실시예에서는, 사판형 액압 장치(1)가 유압 모터인 경우에 관하여 설명하였지만, 전술하는 바와 같이 유압 펌프이어도 좋다. 이 경우, 전기 모터나 엔진 등에 의해 회전축(11)을 회전 구동하여 실린더 블록(12)을 회전시킨다. 실린더 블록(12)이 회전함으로써 피스톤(13)이 왕복 슬라이딩한다. 유압 펌프에서는, 토출 포트(16b)가 고압측 통로(27)에 접속되고, 흡입 포트(16a)가 저압측 통로(28)에 접속되어 있고, 상사점에서 하사점으로 이동할 때까지의 사이에 흡입 포트(16a)를 통하여 유실(20a)에 작동유를 흡입하고, 하사점에서 상사점으로 이동할 때까지의 사이에 흡입한 작동유를 압축하여 토출 포트(16b)를 통하여 고압측 통로(27)로 토출하도록 이루어져 있다.

이와 같이 유압 펌프의 경우이어도 피스톤은 실린더(20)를 왕복 슬라이딩하고, 슬라이딩면(12b) 위를 슬라이딩한다. 이 때문에, 유압 모터(1)의 경우와 마찬가지로 슬라이딩면(12b)에서 발열한다. 그러므로 사판형 액압 장치(1)를 유압 펌프로서 사용하는 경우에도 실린더 블록(12)의 냉각 구조(30)가 있으면 유압 모터(1)의 경우와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

나아가 본 실시예에서는, 사판형 액압 장치(1)에 관하여 설명하였지만, 실린더 블록(12)의 냉각 구조(30)는, 사축형 액압 장치에 적용하여도 좋다. 그러나 사축형 액압 장치의 경우, 고속화를 도모하여도 슬라이딩면(12b)의 표면 온도가 사판형 액압 장치(1)와 같이 상승하지 않으므로 얻을 수 있는 작용 효과는 사판형 액압 장치의 경우가 더 높다. 또한, 작용액으로서 오일이 사용되어 있지만, 물 등의 다른 액체를 작동액으로서 사용하여도 좋다.

1: 유압 모터
12: 실린더 블록
12a: 외주면
12b: 슬라이딩면
12c: 영역
13: 피스톤
17: 케이싱
20: 실린더
27: 고압측 통로
28: 저압측 통로
29: 연통로
30: 냉각 구조
31: 냉각용 홈
32: 격벽

Claims

피스톤 삽입측 단면에 개구를 갖는 복수의 실린더가 형성되고, 회전시키면 상기 실린더에 각각 삽입된 상기 피스톤이 왕복 슬라이딩하도록 되어 있는 실린더 블록으로서,
상기 실린더 블록의 외주면에 형성되는 복수의 냉각용 홈을 가지며,
상기 냉각용 홈은, 인접하는 2개의 상기 실린더 사이에 있는 격벽에서 상기 피스톤 삽입측 단면으로부터 연장되고, 또한 피스톤이 슬라이딩하는 슬라이딩면과 상기 실린더 블록의 외주면 사이의 두께를 감소시키도록 상기 격벽을 두께 감소시켜서 형성되고,
상기 피스톤은 실린더의 상사점(上死點)에서부터 하사점(下死點)의 사이에서 실린더 내부를 왕복 슬라이딩하고,
상기 냉각용 홈은, 상기 피스톤 삽입측 단면으로부터 실린더와 평행하게 연장되고, 그 선단이 하사점에 위치하는 상기 피스톤의 실린더 내에 있는 단면 부근보다 상기 피스톤 삽입측 단면측에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더 블록의 냉각 구조.
피스톤 삽입측 단면에 개구를 갖는 복수의 실린더가 형성되고, 회전시키면 상기 실린더에 각각 삽입된 상기 피스톤이 왕복 슬라이딩하도록 되어 있는 실린더 블록으로서,
상기 실린더 블록의 외주면에 형성되는 복수의 냉각용 홈을 가지며,
상기 냉각용 홈은, 인접하는 2개의 상기 실린더 사이에 있는 격벽에서 상기 피스톤 삽입측 단면으로부터 연장되고, 또한 피스톤이 슬라이딩하는 슬라이딩면과 상기 실린더 블록의 외주면 사이의 두께를 감소시키도록 상기 격벽을 두께 감소시켜서 형성되고,
상기 냉각용 홈은, 상기 실린더 블록의 외주면과 상기 슬라이딩면 사이의 최소 두께(tmin)가 상기 실린더의 내경(D)에 대하여 0.02D≤tmin≤0.3D로 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더 블록의 냉각 구조.
저압의 작동액이 흐르는 저압측 통로와 고압의 작동액이 흐르는 고압측 통로에 접속되어 있고, 상기 작동액이 상기 고압측 통로에서 상기 실린더로 공급되어 상기 실린더에서 상기 저압측 통로로 배출됨으로써 실린더 블록을 회전시키거나 상기 실린더 블록을 회전시킴으로써 상기 저압측 통로에서 상기 실린더로 작동액을 흡입하여 더욱 압축하고 나서 고압측 통로로 토출하는 사판형 액압 장치로,
청구항 제1항 또는 제2항에 기재된 상기 실린더 블록의 냉각 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 사판형 액압 장치.
제3항에 있어서, 상기 실린더 블록을 수용하는 케이싱을 가지며,
상기 케이싱 내부는, 연통로를 통하여 상기 저압측 통로와 연결되어 있고, 케이싱 내부에는 상기 저압측 통로의 저압 작동유가 유도되어 있는 것을 특징으로 하는 사판형 액압 장치.
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