KR101568640B1 - 자유 회전식 유체 기계 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자유 회전식 유체 기계는, 자유 회전식 유체 기계는, 중공의 원통형으로 마련되되, 내주면은 타원형으로 형성되는 본체; 상기 본체 내부에 마련되며 상기 본체와 동일한 회전 중심과 동일한 중심에 대해서 회전하는 회전자; 상기 본체의 내주면과 접촉하도록 상기 회전자의 일측에 구비되는 팁실; 및 서로 인접하게 마련된 팁실 사이에 마련되며 상기 팁실에 의해서 지지되는 블레이드; 를 포함하며, 상기 블레이드는 상기 본체의 내주면과 마주보는 일단면 및 상기 일단면과 대향하는 타단면을 가지며, 상기 일단면과 상기 타단면의 곡률 반경 중심은 동일한 쪽에 위치할 수 있다. 상기와 같이 보조 팁실에 의하여 본체 내주면과 회전자 및 팁실 사이의 공간이 밀폐됨으로 인하여 팁실과 본체 사이의 마찰을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 유입된 작동 유체의 누설을 방지할 수 있다.

Description

자유 회전식 유체 기계{FREELY ROTATING TYPE FLUID MACHINERY}
본 발명은 유체 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 팁실에 보조 팁실을 형성하여 회전자가 회전될 때 본체와 팁실의 성능을 향상시켜 본체와 회전자 및 팁실에 의해 형성된 공간을 밀폐시킴으로써 유입된 작동 유체의 누설을 방지할 수 있는 자유 회전식 유체 기계에 관한 것이다.
일반적으로 각종 자동차, 선박, 비행기, 트랙터, 기관차 등에 널리 사용되고 있는 내연기관은 엔진의 실린더 내부에 직선 운동을 하는 피스톤이 설치되어, 연료의 폭발력으로 피스톤을 하강시키고, 상기 피스톤과 연결된 크랭크 로드가 상기 크랭크 축과 연결되어 상기 피스톤의 직선 하강운동을 상기 크랭크축의 회전운동을 변환시켜 회전동력을 얻어내는 것이다.
이러한 종래의 일반적인 내연기관은 직선운동을 회전운동으로 바꾸어주는 크랭크축과 크랭크 로드의 기계적 변환시 피스톤으로부터 받는 충격과 마찰이 크랭크축에 불균형하게 이루어져서 소음과 진동이 심하게 발생하는 것은 물론, 기계적인 내구성을 약하게 하고, 효율이 크게 떨어지며, 특히 세라믹 등 충격에 약한 소재를 사용할 수 없었던 문제점이 있었다.
한편, 이러한 기존의 내연기관의 문제점을 해결하고자 회전자 내부에 다수개의 폭발 공간을 마련하여 형성하고, 회전자 외부에 공기 흡입구 및 가스 배출구를 형성하여 상기 폭발 공간에 연료(또는 유체)를 공급하면서 회전자의 회전력에 의해 폭발 공간이 회전하면서 가스 배출구와 만나면 연소가스가 자연 배출되고, 공기 흡입구와 만나면 공기를 자연 흡입시킬 수 있는 간단한 구조의 로터리 엔진이 개발되었다.
그러나, 이와 같은 로터리 엔진은 기존의 내연기관의 단점을 극복하지 못하였으며, 내부의 연소 가스를 완전히 배출하지 못하고, 공기를 완전히 흡입하지 못하여 구동성과 효율이 극히 떨어지며 저속 회전에서는 흡입과 배출이 부족하고, 고속에서는 과흡입, 과배출 현상이 발생하는 등의 심각한 문제점이 있었다.
또한, 이러한 로터리 엔진은 회전자가 편심축으로 회전하므로 진동과 마모가 발생되고, 로터리 엔진의 대표적인 것으로 알려져 있는 반켈형 엔진은 회전축을 중심으로 회전자가 편심 회전하므로 진동이 필연적으로 발생되며 내구성과 기밀성에 취약한 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 대한민국 등록특허공보 10-0652557호(등록일: 2006. 11. 24.)의 ‘자유 피스톤 로터리 엔진’을 제안한 바 있다. 그러나, 대한민국 등록특허공보 10-0652557호에 개시된 기술은 블레이드와 팁실 간의 접촉면적이 작아서 회전자가 회전할 때 발생하는 원심력이 블레이드에 작용하면 블레이드와 팁실의 접촉 상태가 유지되지 않고 블레이드가 원심력의 작용방향을 따라 외측으로 벗어나기 때문에 블레이드가 회전을 하지 못하여 사용할 수 없는 문제가 있고, 회전자와 팁실 사이에 미끄럼 운동으로 인한 회전자의 진동 및 마모가 여전히 발생됨으로 인하여 로터리 엔진의 내구성과 기밀성에 취약한 문제점이 있다.
뿐만 아니라 블레이드가 회전에 의한 원심력을 받게 되면 블레이드가 팁실에서 이탈하여 블레이드가 고정자와 부딪히기 때문에 회전자가 회전할 수 없는 문제가 생기고, 팁실의 접촉 상태가 변형되어 연소실 내에 누설이 생기고, 블레이드가 움직여서 충돌이 발생하거나 마모가 생기는 문제점이 있다.
한편, 대한민국 등록특허공보 10-0652557호에 개시된 기술은 가솔린, 디젤, 수소 등의 연료가 사용되는 엔진으로 적용되는 경우에 대하여 서술하고 있으며, 스팀, 에어, 가스 중에서 어느 하나를 이용하여 터빈으로도 사용할 수 있다고 기재하고 있다. 그러나, 대한민국 등록특허공보 10-0652557호에 기재된 엔진의 구조로는 실질적으로 엔진으로만 적용될 수 있을 뿐 터빈 및 압축기 등으로는 적용될 수 없는 한계점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본체의 내부에서 회전자가 회전될 때, 본체 내주면과 접촉하는 팁실이 마모되더라도 팁실과 본체 내주면의 밀착 성능을 향상시켜 본체 내주면과 블레이드와 팁실 사이의 체적 공간을 밀폐시켜 유입된 작동 유체의 누설을 방지할 수 있는 자유 회전식 유체 기계를 제공한다.
또한, 본 발명은 블레이드가 원심력을 받더라도 블레이드와 팁실의 면접촉 상태를 유지할 수 있는 자유 회전식 유체 기계를 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 자유 회전식 유체 기계는, 중공의 원통형으로 마련되되, 내주면은 타원형으로 형성되는 본체; 상기 본체 내부에 마련되며 상기 본체와 동일한 회전 중심과 동일한 중심에 대해서 회전하는 회전자; 상기 본체의 내주면과 접촉하도록 상기 회전자의 일측에 구비되는 팁실; 및 서로 인접하게 마련된 팁실 사이에 마련되며 상기 팁실에 의해서 지지되는 블레이드; 를 포함하며, 상기 블레이드는 상기 본체의 내주면과 마주보는 일단면 및 상기 일단면과 대향하는 타단면을 가지며, 상기 일단면과 상기 타단면의 곡률 반경 중심은 동일한 쪽에 위치할 수 있다.
상기 블레이드는 상기 일단면과 상기 타단면을 연결하는 팁실 접촉부를 가지며, 상기 팁실 접촉부는 상기 팁실과 동일한 곡면을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 팁실의 길이방향 일단부는 단면이 원형인 원통 형태로 형성되어 상기 본체의 내주면에 접촉되고, 타단부는 단면이 사각형인 육면체의 막대 형태로 형성되며, 상기 팁실 접촉부는 상기 일단부와 상기 타단부가 만나는 지점에서부터 상기 일단부과 면접촉 할 수 있다.
상기 팁실 접촉부와 상기 일단부가 만나는 부분은 곡면으로 형성될 수 있다.
상기 팁실의 일단부에는 상기 본체의 내주면을 향해 돌출 가능하게 형성된 보조 팁실이 구비되며, 상기 보조 팁실은 상기 본체의 내주면과 면접촉 상태를 유지하면서 상기 회전자에 의해서 회전할 수 있다.
상기 보조 팁실은, 상기 팁실로부터 인입 또는 인출되는 실링 부재; 및 상기 실링 부재를 지지하며, 상기 팁실로부터 인입 또는 인출되는 것을 가능하게 하는 탄성 지지체를 포함할 수 있다.
상기 실링 부재는 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
상기 팁실과 상기 회전자 사이에 마련되어 상기 팁실을 탄성 가압하는 가압 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 실링 부재의 폭은 상기 팁실의 일단부에 형성되어 상기 실링 부재가 삽입되는 개구부의 폭보다 작게 형성될 수 있다.
상기 본체에는, 적어도 하나 이상의 흡입구와 적어도 하나 이상의 배기구가 마련되되, 상기 흡입구 및 상기 배기구는 상기 본체의 회전 중심을 중심으로 방사형으로 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 보조 팁실에 의하여 본체 내주면과 회전자 및 팁실 사이의 공간이 밀폐됨으로 인하여 팁실과 본체 사이의 마찰을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 유입된 작동 유체의 누설을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 보조 팁실이 팁실로부터 인입되고 인출됨에 따라 서로 인접하게 마련된 팁실 사이를 지지하고 있는 블레이드의 위치가 자동적으로 이동되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 원심력이 작용하지 않아도 블레이드의 길이(또는 두께)만큼 팁실이 본체의 내주면 쪽으로 움직여서 팁실이 본체의 내주면에 밀착될 뿐만 아니라, 팁실이 어느 한계점 이상으로 마모되더라도 강제적으로 팁실을 본체의 내주면 쪽으로 밀어주기 때문에 팁실의 성능을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 팁실과 회전자 사이에 가압 부재를 마련함으로써 팁실이 회전자의 회전 중심 쪽으로 후퇴하거나 회전 중심의 반대 방향으로 전진되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 블레이드가 내면과 외면이 거의 동일한 형태를 가지기 때문에 블레이드의 회전 방향 양단 각각이 팁실의 곡면과 접촉하는 면적을 늘일 수 있고, 이로 인해 블레이드에 원심력이 작용하는 경우에도 블레이드의 양단과 팁실의 면접촉 상태를 유지하면서 블레이드와 팁실이 움직일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 팁실을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 블레이드를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계가 터빈 인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계가 압축기 인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계가 컴팬더 인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식유체 기계를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계를 나타낸 사시도, 도 2는 도 1에 도시한 팁실을 나타낸 사시도, 도 3은 도 1에 도시한 블레이드를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계가 터빈 인 경우를 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계가 압축기 인 경우를 설명하기 위한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 유체 기계가 컴팬더 인 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)는, 원통형으로 마련되되, 외주면은 원형으로 형성되고 내주면은 타원형으로 형성되는 본체(110); 단면의 모양이 대략 사각형으로 형성되되 상기 본체(110) 내부에 마련되며 상기 본체(110)의 중심과 동일한 회전 중심으로 회전하는 회전자(200); 상기 회전자(200)의 일측에 마련되는 팁실(300); 상기 팁실(300)의 일단에 형성되며, 상기 회전자(200)와 상기 팁실(300) 사이의 접촉 성능을 향상시키는 보조 팁실(310); 및 서로 인접하게 마련된 팁실(300) 사이에 마련되는 블레이드(400); 를 포함할 수 있다.
상기와 같이 보조 팁실(310)을 형성함으로써, 본체(110)와 팁실(300)의 마찰을 감소시키고, 본체(110)와 블레이드(400)와 팁실(300) 사이의 공간을 밀폐시켜 유입된 작동 유체의 누설을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)는 본체(110), 회전자(200), 팁실(300), 블레이드(400) 및 보조 팁실(310)을 포함할 수 있다.
회전자(200), 팁실(300) 및 블레이드(400)는 본체(110)의 내부에 수용될 수 있다. 본체(110)는 내부에 공간이 형성된 중공의 원통형으로 마련될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 본체(110)는 외주면이 원형의 형상으로 형성되고, 내주면은 외주면과 달리 타원형에 가까운 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 경우에 따라서 본체(110)의 내주면 뿐만 아니라 외주면도 동일한 타원형으로 형성될 수도 있다.
본체(110)의 내주면을 타원형으로 형성하는 것은 후술할 흡기구(120)(122)로부터 유입된 작동 유체가 가진 유체 에너지에서 기계적 에너지로 변환되기 위하여 압축 또는 팽창을 거치는데, 이때 작동 유체의 압축 또는 팽창을 위한 작용 공간(112)의 체적이 변할 수 있게 하기 위함이다.
상기한 바와 같이, 본체(110)에는 작동 유체가 상기 작용 공간(112)으로 유입되는 흡입구와 상기 작용 공간에서 작동 유체가 배출되는 배기구가 형성될 수 있다. 구체적으로, 본체(110)에는 적어도 하나 이상의 흡입구와 적어도 하나 이상의 배기구가 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)의 본체(110)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 두 개의 흡입구(120)(122)와 두 개의 배기구(130)(132)가 마련되는 것이 바람직하다.
이때 흡입구(120)(122) 및 배기구(130)(132)는 본체(110)의 회전중심을 중심으로 방사형으로 마련될 수 있다. 흡입구(120)(122) 및 배기구(130)(132)를 방사형으로 마련하는 것은, 작동 유체가 유입되어 발생되는 에너지의 출력 또는 압력을 향상시키기 위함이다. 또한, 경우에 따라서는 도 1에 도시된 흡입구(120)(122)의 배기구(130)(132)의 위치는 회전자(200)의 회전 방향 또는 본체(110)의 작용 공간(112)의 위치나 크기에 따라 변경될 수도 있다.
회전자(200)는 타원형으로 형성된 본체(110)의 내부에 마련될 수 있다. 회전자(200)는 대략적으로 단면이 사각형인 육면체 형태로 형성될 수 있다. 회전자(200)의 단면을 사각형으로 형성할 경우에는 회전자(200)를 가공하기 위한 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 회전자(200)의 단면이 대략 사각형이 되도록 형성하더라도 회전자(200)의 회전력은 큰 영향을 받지 않게 된다.
회전자(200)는 본체(110)의 중심과 일치하는 회전 중심인 회전축(202)을 가질 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 회전자(200)의 회전축(202)은 본체(110)의 일측에 결합되는 커버(미도시) 등에 결합될 수 있다.
회전자(200)는 본체(110)의 내부에서 회전하며, 후술하는 팁실(300)과 블레이드(400)가 장착되는 부재이다.
팁실(300)은 회전자(200)의 일측에 마련될 수 있다. 바람직하게는, 회전자(200)의 모서리 부분에 팁실(300)이 장착될 수 있다.
구체적으로, 팁실(300)의 길이방향 일단부(302)는 단면이 원형인 원통형태로 형성되고, 타단부(304)는 단면이 사각형인 육면체의 막대 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 팁실(300)의 타단부(304)가 회전자(200)의 모서리부에 형성된 홈(204)에 결합될 수 있다. 상기한 바와 같이, 회전자(200)는 단면이 사각형인 육면체 형태를 가지므로, 팁실(300)은 회전자(200)의 사각형 단면 모서리 4개소에 하나씩 마련될 수 있다.
회전자(200)가 본체(110)의 내부에서 회전하게 되면, 팁실(300)에는 원심력이 가해진다. 팁실(300)이 원심력을 받게 되면 회전자(200)의 사각 단면의 모서리에 형성된 홈(204)에서 움직이게 된다. 즉, 팁실(300)의 원통 형태의 일단부(302)가 본체(110)의 내주면 쪽으로 움직이게 된다. 이와 같이, 원심력에 의해 팁실(300)의 원통 형태 일단부(302)가 본체(110)의 내주면을 향해 움직이게 되면, 팁실(300)의 일단부(302)는 항상 본체(110)의 내주면과 접촉된 상태를 유지할 수 있고, 결과적으로 작용 공간(112)에서 작동 유체가 누설되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 회전자(200)와 팁실(300) 사이에는 가압 부재(210)가 더 마련될 수 있다.
가압 부재(210)는 회전자(200)가 회전할 때, 팁실(300)의 일단부(302)가 본체(110)의 내주면과 접촉되도록 팁실(300)을 본체(110)의 내주면 쪽으로 밀어줄 수 있다. 또한, 타원형의 형태를 가지는 본체(110)의 내주면과 접촉하면서 팁실(300)이 움직일 때, 타원의 장반경 부분의 내주면에서 단반경 부분의 내주면으로 팁실(300)이 이동되면서 팁실(300)이 회전자(200)의 회전 중심 쪽으로 후퇴하는 것을 탄성적으로 지지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가압 부재(210)는 탄성을 가지며, 팁실(300)을 본체(110)의 내주면 쪽으로 가압할 수 있는 스프링(Spring)의 형태로 형성되는 것이 바람직하며, 코일 스프링, 압축 스프링 및 판 스프링 등 필요에 따라 다양한 형태의 스프링으로 형성될 수 있다.
다만, 가압 부재(210)가 항상 필요한 것은 아니며, 블레이드(400)가 본체(110)의 내주면 쪽으로 움직임에 따라 팁실(300)이 본체(110)의 내주면과 항상 접촉된 상태를 유지하면서 회전자(200)가 회전할 수 있다면 가압 부재(210)를 생략할 수도 있다.
한편, 팁실(300)의 원통 형태의 일단부(302)에는 보조 팁실(310)이 구비될 수 있다. 이러한 보조 팁실(310)은 팁실(300)의 원통 형태로 형성된 일단부(302)에서 본체(110)의 내주면을 향해 돌출되도록 마련됨으로써 회전자(200)와 팁실(300)의 접촉 성능을 향상시키거나 접촉 면적을 늘일 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 보조 팁실(310)은 실링 부재(314) 및 실링 부재(314)를 본체(110)의 내주면으로 밀어주거나 실링 부재(314)의 후퇴시 이를 지지하는 탄성 지지체(316)를 포함할 수 있다. 실링 부재(314)는 팁실(300)의 원통 형태의 일단부(302)에 형성된 개구부(312)로부터 인입되거나 인출될 수 있다.
실링 부재(314)는 얇은 판(plate)형태로 형성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 실링 부재(314)는 세라믹(ceramic) 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나 상기와 같은 실링 부재(314)의 재질은 본체(110)의 내주면과 마찰을 증가시키거나, 손상을 입힐 가능성이 있는 재질이 아니라면 필요에 따라 변형될 수 있다.
탄성 지지체(316)는 실링 부재(314)를 탄성 지지할 수 있다.
구체적으로, 탄성 지지체(316)의 일단부는 실링 부재(314)의 하단면에 결합되어 지지하고, 타단부는 팁실(310)의 개구부(312)와 결합될 수 있다. 이에 따라, 탄성 지지체(316)는 실링 부재(314)가 개구부(312)로부터 인입되거나 인출되는 것을 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 지지체(316)는 탄성을 가지는 스프링(Spring)으로 형성되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 판 스프링, 코일 스프링 등 다양한 스프링으로 형성될 수 있다.
한편, 본체(110)의 내주면이 타원 형태인 것을 고려하여, 실링 부재(314)의 폭을 개구부(312)의 폭 보다 작게 형성함으로써 내주면의 곡률에 따라 실링 부재(314)가 회전 방향으로 다소 움직이면서 실링 부재(314)의 선단부가 본체(110)의 내주면과 항상 접촉된 상태를 유지하게 만들 수 있다.
상기의 작용 공간(112)은 본체(110)의 내주면, 팁실(300) 및 블레이드(400)에 의해서 형성되며, 크기 또는 체적이 가변되는 공간이다. 이를 위해, 블레이드(400)는 팁실(300) 사이에 마련될 수 있다.
블레이드(400)는 회전자(200)의 4개소에 각각 마련된 팁실(300)들 사이에 마련되며, 팁실(300)에 의해 블레이드(400)의 양단이 지지될 수 있다. 이때 블레이드(400)는 원통 형태로 형성된 팁실(300)의 일단부(302)와 면접촉 하도록 블레이드(400)의 양단을 곡면으로 형성함으로써 팁실(300)과 블레이드(400)의 면접촉 또는 결합을 안정적으로 유지할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 블레이드(400)는 그 단면이 사다리꼴을 뒤집어 놓은 형상으로 형성될 수 있다. 블레이드(400)의 두께방향 일단면(402)과 타단면(404), 즉 윗면과 아랫면 길이는 서로 상이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드(400)의 일단면(402)의 길이는 타단면(404)의 길이보다 더 길게 형성되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 블레이드(400)의 양단이 원통 형태로 형성된 팁실(300)의 일단부(302)와 면접촉하며 이웃하는 2개의 팁실(300) 사이에 끼워지기 때문에, 블레이드(400)의 두께방향 일단면(402)과 타단면(404) 사이의 팁실 접촉부(403)는 곡면으로 형성되어야 하며, 이때 일단면(402)과 타단면(404) 사이를 연결하는 팁실 접촉부(403)의 곡면의 곡률은 원통 형태로 형성된 팁실(300)의 일단부(302)와 동일한 곡률을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 팁실 접촉부(403)와 블레이드(400)의 일단면(402)이 만나는 부분은 팁실(300)의 원통 형태의 일단부(302)의 상단부 쪽에 위치하는데, 이 부분은 라운드 지도록, 즉 모서리진 형태를 가지는 것이 아니라 소정의 곡률 반경을 가지도록 형성할 수 있다.
이에 따라, 블레이드(400)의 팁실 접촉부(403)가 본체(110)의 내주면 내에서 회전할 때, 팁실 접촉부(403)와 블레이드(400)의 일단면(402)이 만나는 부분에 의해서 팁실(300)의 원통 형태의 일단부(302)에 블레이드(400)가 박히거나 마찰이 발생하여 블레이드(400) 또는 팁실(300)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 블레이드(400)의 일단면(402)과 팁실 접촉부(403)가 만나는 부분이 원통 형태로 형성된 팁실(300)의 일단부(302)와 꼭 맞닿는 형태로 형성될 경우, 팁실(300)에 의해서 블레이드(400)가 더욱 안정적으로 지지될 수 있다.
한편, 상기한 블레이드(400)의 길이 방향 양단 즉, 팁실 접촉부(403)는 가급적 팁실(300)의 원통 형태의 일단부(302)와 접촉하는 면적이 많게 형성하거나, 길이가 길게 형성하는 것이 바람직하다. 도 1을 참조하면, 팁실 접촉부(403)는 팁실(300)의 원통 형태 일단부(302)와 타단부(304)가 만나는 지점에서부터 팁실(300)과 접촉하고 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)의 블레이드(400)는, 팁실 접촉부(403)와 팁실(300)이 서로 맞닿는 부분의 접촉 면적을 늘이기 위해서 블레이드(400)의 일단면(402)과 타단면(404)의 곡면으로 형성하되, 각각의 곡률 반경 중심이 블레이드(400)를 기준으로 동일한 일측에 위치하도록 형성한다. 이와 같은 형태로 형성함으로써, 회전자(200)가 고속으로 회전하는 경우에 블레이드(400)가 본체(110)의 내주면 쪽으로 움직이게 되면, 블레이드(400)와 팁실(300)의 면접촉 상태를 유지하면서 블레이드(400)의 양단을 접촉 지지하는 팁실(300)도 본체(110)의 내주면을 향해서 움직이기 때문에 팁실(300)이 본체(110)의 내주면에 밀착될 수 있고 팁실(300)과 블레이드(400) 양단의 면접촉 상태가 파괴되어 누설이 발생하는 것을 방지하거나 블레이드(400)의 회전 불가 상태를 방지할 수도 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하여, 상기의 구조로 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체기계(100)의 작동을 설명한다.
여기서, 상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)는 터빈(Turbine), 압축기(Compressor), 펌프(Pump), 엔진(Engine) 및 컴팬더(Compander, 압축기와 팽창기) 등의 다양한 형태로 적용될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 만약, 본 발명에 따른 자유 회전식유체 기계(100)의 회전자(200)가 반시계방향으로 회전한다고 가정하면 도면부호 120 및 122가 흡입구가 되고, 도면부호 130 및 132가 배기구가 된다.
이때, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)가 터빈이라면, 흡기구(120)(122)는 팁실(300) 및 보조 팁실(310)이 본체(110)의 내주면과 밀접하게 접촉되는 위치에 형성되고, 배기구(130)(132)는 본체(110)의 내주면과 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)의 체적이 가장 큰 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 흡기구(120)(122) 및 배기구(130)(132)의 위치에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)가 터빈으로 작동할 때, 흡입구(120)(122)를 통해 스팀, 에어, 가스 등의 작동 유체가 유입될 수 있다. 그러면, 유입된 작동 유체는 팁실(300)과 블레이드(400)를 밀면서 회전자(200)를 회전시키게 되고, 작동 유체는 넓은 공간에서 팽창하여 작용 공간(12)의 체적을 확장시키며 배기구(130)(132)를 통해 배출될 수 있다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)가 압축기라면, 작동 유체가 흡입되는 흡기구(120)(122)는 본체(110)의 내주면과 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)의 체적이 가장 큰 위치에 형성되고, 작동 유체가 배출되는 배기구(130)(132)는 팁실(300) 및 보조 팁실(310)이 본체(110)의 내주면과 접촉되는 위치와 인접한 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 흡기구(120)(122) 및 배기구(130)(132)의 위치에 따른 자유 회전식 유체(110)가 압축기로 작동 할 때, 본체(110)와 회전자 사이에 형성된 작용 공간(112)에 작동 유체가 가득차고, 회전자(200)가 회전하면서 본체(11)와 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)의 체적이 작아지면서 작동 유체가 압축된다. 압축된 작동 유체는 배기구(130)(132)로 배출될 수 있다.
즉, 자유 회전식 유체 기계(100)가 압축기인 경우에 있어서, 흡기구(120)(122) 및 배기구(130)(132)의 위치는 터빈인 경우의 흡기구 및 배기구의 위치와 상이한 것이 바람직하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)가 컴팬더로 작동할 수도 있다. 여기서, 컴팬더란 압축기와 팽창기 동작을 모두 하는 하나의 자유 회전식 유체기계(100)를 일컫는다.
자유 회전식 유체 기계(100)가 컴팬더라면, 흡입구(120)(122)는 팁실(300) 및 보조 팁실(310)이 본체(110)의 내주면과 밀접하게 접촉되는 위치 및 본체(110)의 내주면과 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)의 체적이 가장 큰 위치에 각각 형성되고, 배기구(130)(132)는 본체(110)의 내주면과 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)의 체적이 가장 큰 위치 및 작동 유체가 배출되는 배기구(130)(132)는 팁실(300) 및 보조 팁실(310)이 본체(110)의 내주면과 접촉되는 위치와 인접한 위치에 각각 형성되는 것이 바람직하다.
상기의 흡기구(120)(122) 및 배기구(130)(132)의 위치에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)가 컴팬더로 작동할 때, 흡입구(120)로 유입된 작동 유체가 본체(110)와 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)에 가득차고, 회전자(200)가 회전되면서 본체(110)와 회전자(200) 사이에 형성된 작용 공간(112)의 체적이 작아지면서 작동 유체가 압축될 수 있다. 압축된 작동 유체는 배기구(132)로 배출되게 된다. 또한, 흡입구(122)로 유입된 작동 유체는 팁실(300)과 블레이드(400)를 밀면서 회전자(200)를 회전시키게 되고, 작동 유체는 넓은 공간에서 팽창하여 작용 공간(112)의 체적을 확장시키며 배기구(130)로 배출될 수 있다.
여기서, 팁실(300) 및 팁실(300)에 형성된 보조 팁실(310)에 의하여 본체(110)와 회전자(200) 사이에 발생할 수 있는 마찰력을 줄여 회전자(200)의 회전력을 향상시킬 수 있고, 본체(110)의 내주면과 팁실(300) 또는 보조 팁실(310) 사이의 실링 성능을 향상시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자유 회전식 유체 기계(100)는 팁실(300)에 보조 팁실(310)이 돌출되도록 형성하여, 회전자(200)가 회전될 때 본체(110)의 내주면과 팁실(300)의 접촉 성능 또는 실링 성능을 향상시킴으로써 본체(110)의 내주면과 회전자(200) 및 팁실(300) 사이의 작용 공간(112)을 밀폐시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 보조 팁실(310)에 의하여 본체(110) 내주면과 회전자(200) 및 팁실(300) 사이의 작용 공간(112)이 밀폐됨으로 인하여 팁실(300)과 본체(110) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 유입된 작동 유체의 누설을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 보조 팁실(310)이 팁실(300)로부터 인입되고 인출됨에 따라 서로 인접하게 마련된 팁실(300) 사이에서 지지되고 있는 블레이드(400)의 양단 즉, 팁실 접촉부(403)가 팁실(300)과 면접촉하는 상태를 유지하면서 팁실(300)이 움직일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 팁실(300)과 회전자(200) 사이에 가압 부재(210)를 마련함으로써 팁실(300)이 본체(110)의 내주면을 향해 가압된 상태를 유지할 수 있고, 팁실(300)이 회전자(200)의 회전축(202) 쪽으로 후퇴할 때 팁실(300)을 탄성적으로 지지할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명을 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 자유 회전식 유체 기계
110: 본체 112: 작용 공간
120, 122: 흡기구 130, 132: 배기구
200: 회전자 202: 회전축
204: 홈 210: 가압 부재
300: 팁실 302: 일단부
304: 타단부 310: 보조 팁실
314: 실링 부재 316: 탄성 지지체
400: 블레이드 402: 일단면
403: 팁실 접촉부 404: 타단면

Claims (10)

  1. 중공의 원통형으로 마련되되, 내주면은 타원형으로 형성되는 본체;
    상기 본체 내부에 마련되며 상기 본체와 동일한 회전 중심과 동일한 중심에 대해서 회전하는 회전자;
    상기 본체의 내주면과 접촉하도록 상기 회전자의 일측에 구비되고, 길이방향 일단부는 단면이 원형인 원통 형태로 형성되어 상기 본체의 내주면에 접촉되고, 길이방향 타단부는 단면이 사각형인 육면체의 막대 형태로 형성되어 상기 회전자에 삽입되는 팁실; 및
    서로 인접하게 마련된 팁실 사이에 마련되며 상기 팁실에 의해서 지지되고, 상기 본체의 내주면과 마주보는 일단면 및 상기 일단면과 대향하는 타단면을 가지며, 상기 일단면과 상기 타단면을 연결하는 팁실 접촉부를 가지는 블레이드;
    를 포함하며,
    상기 블레이드의 상기 일단면과 상기 타단면의 곡률 반경 중심이 동일한 쪽에 위치되고,
    상기 팁실 접촉부는 상기 팁실과 동일한 곡면을 가지도록 형성되며, 상기 일단부와 상기 타단부가 서로 만나는 지점에서부터 상기 일단부와 면접촉하는 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팁실 접촉부와 상기 일단부가 만나는 부분은 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팁실의 일단부에는 상기 본체의 내주면을 향해 돌출 가능하게 형성된 보조 팁실이 구비되며,
    상기 보조 팁실은 상기 본체의 내주면과 면접촉 상태를 유지하면서 상기 회전자에 의해서 회전하는 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조 팁실은,
    상기 팁실로부터 인입 또는 인출되는 실링 부재; 및
    상기 실링 부재를 지지하며, 상기 팁실로부터 인입 또는 인출되는 것을 가능하게 하는 탄성 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실링 부재는 세라믹 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 팁실과 상기 회전자 사이에 마련되어 상기 팁실을 탄성 가압하는 가압 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 실링 부재의 폭은 상기 팁실의 일단부에 형성되어 상기 실링 부재가 삽입되는 개구부의 폭보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 본체에는,
    적어도 하나 이상의 흡입구와 적어도 하나 이상의 배기구가 마련되되, 상기 흡입구 및 상기 배기구는 상기 본체의 회전 중심을 중심으로 방사형으로 마련되는 것을 특징으로 하는 자유 회전식 유체 기계.
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