개선된 유체 압축기 및/또는 펌프 배열체{IMPROVED FLUID COMPRESSOR AND/OR PUMP ARRANGEMENT}
본 발명은 압축 유체를 생산 또는 유동시키기 위한 압축기 또는 펌프 유닛에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 단일의 압축기 챔버를 이용하여 유입구로부터 유체를 취출함과 동시에 압축된 유체를 저장 탱크로 직접 배출할 수 있는 기능을 가진 신규하고 특이하게 설계된 압축기에 관한 것이다.
지금부터 본 명세서 전체에 걸쳐서, 단어 "압축(compressing)"의 사용은 펌핑할 수 있는 능력과 동의어인 것으로 간주되었으며, 따라서, 본 명세서에 전반에 걸쳐 서술된 장치가 유체의 압축에 관한 것일 수 있으나, 당업자라면 규정된 장치가 유체를 펌핑할 수도 있음을 이해하여야 한다. 현재, 두 가지 기본적 유형의 압축기, 즉, 양변위 "간헐류"와 연관된 유형의 압축기와 "동적" 또는 "연속류"를 제공하도록 된 유형의 압축기를 제공하는 것이 일반적이다. 대부분, 양변위식 압축기는 대형의 밀폐된 공간으로부터 훨씬 더 소형인 챔버형 출구로 유체를 강제하기 위해 압축 구속 효과(squeezing confinement effect)로서 가장 잘 설명될 수 있는 효과를 이용한다. 한편, 동적 압축기식 배열체는 시스템으로 취출되는 유입 유체를 강제하여 압력으로 변환되는 그 속도를 증가시키기 위해 기계적인 작용을 이용한다. 대부분의 양변위 압축기는, 통상적으로, 전기 모터에 의해 구동되는 방사상 베인(vanes)을 가진 회전 용적식이다. 이 압축기들은 유입구를 통해 대기로부터 유체를 취출하여, 압축기 유닛 내부에서 미리 결정된 최소 압력에 도달하였을 때만 개방되는 최소 압력 밸브를 통해 압력 탱크로 상기 유체를 전달한다. 대안적으로, 상기 동적 압축기는, 당해 압축기의 본체를 규정하는 크랭크 케이스의 상부에 제공된 실린더 내부에 수용된 피스톤을 왕복운동시킴으로써, 외부의 유체가 필터를 통해 흡인 포트로부터 실린더로 흡인되도록 하기 위하여, 크랭크샤프트를 회전시키기 위해 대부분 구동 모터로부터 유도되는 파워가 풀리 및/또는 벨트를 통해 크랭크샤프트로 전달되도록 배열되며, 압축된 유체는 전달 포트로부터 압축 유체 저장 탱크로 전달된다. 이러한 배열체들은 모두, 압력이 상한치에 도달하였을 때, 전기 모터를 작동시키는 간헐 동작식 제어 시스템 수단을 가진 회전식으로 구성된 압축기가 정지하는 중대한 단점을 전혀 갖고 있지 않는 반면, 전력 손실을 줄일 수는 있으나, 그럼에도 불구하고, 그 후 압력이 떨어졌을 때, 정지 상태로부터 다시 모터가 시동되기 때문에, 필요할 때, 압축 유체를 신속하게 공급하는 것은 불가능하다. 대안적으로, 전술한 바와 같은 연속 작동은, 언로더(unloader)가 작동 상태일 때에도 전기 모터가 계속 작동하기 때문에, 전력 손실이 불가피하며, 이는 압축기 유닛을 운영하기 위해 추가 비용을 추가시킬 뿐만 아니라, 그러한 배열체들은 압축 유체의 소비율이 상대적으로 높은 조건에는 적합하지 않도록 만든다는 점이 중요하다.
따라서, 간헐적 또는 연속적 유동 특성으로서 규정될 수 있거나 해석될 수 있는 종래의 조립체들과 연관된 여타의 문제점들을 해소할 수 있는 신규한 형태의 기술을 제시하고자 하는 요구가 압축기 유체 유닛의 관련 분야에 명백히 존재하고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 지금까지 제공된 압축기 유닛 조립체와는 디자인이 실질적으로 상이한 구조를 제공할 뿐만 아니라, 단일 사이클에서 단일의 압축기 챔버에 대해 유체가 유입 및 배출될 수 있는 수단을 제공할 수 있는 신규한 압축기 유닛을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적과 장점들은 하기된 상세한 설명을 정독함으로써 명백해질 것이다.
따라서, 이 양태가 유일한 양태일 필요는 없으며, 실제로, 본 발명의 가장 넓은 범위의 양태이지만, 본 발명의 일 양태에서, 압축성 유체를 생산하기 위한 압축기 유닛이 제공되며, 상기 유닛은, 배플(baffles)에 의해 규정된 복수의 방사상 격실을 가진 압축 챔버를 포함한 압축부; 상기 배플을 전후 진동 운동하도록 회전시키기 위한 수단; 상기 압축 챔버로 압축될 유체를 유입시키기 위한 유입 챔버; 상기 압축 챔버로부터 압축된 유체를 배출하기 위한 유출 챔버이며, 각각의 격실이 중실 세그먼트를 그 내부에 포함하도록, 상기 압축 챔버 내부에 고정식 중실(solid) 세그먼트가 방사상으로 배치되고, 각각의 중실 세그먼트는 상기 챔버의 중심을 향하여 연장된 벽체와 치수를 가지며, 각각의 사이클 동안, 상기 중실 세그먼트로부터 배플이 멀리 움직일 때, 유체는 상기 격실의 일면으로 취입되며, 이웃한 배플이 상기 중실 세그먼트를 향하여 움직일 때, 유체는 압축되어 상기 격실의 타면으로부터 배출되는, 유출 챔버; 상기 방사상 격실의 일면과 유체 소통하는 제 1 챔버와, 상기 방사상 격실의 타면과 유체 소통하는 제 2 챔버를 포함하는 밸브 수단이며, 이에 따라, 상기 제 1 및 제 2 챔버 내부의 유체는 유입 수단으로부터 격실로 취입되거나, 상기 배플의 힘에 의해 상기 격실로부터 배출되는 압축 유체인, 밸브 수단; 및 상기 제 1 및 제 2 챔버는 상기 유입 및 유출 챔버와 유체 소통하고, 임의 의 1회의 사이클에서, 압축 유체를 수용하는 챔버는 상기 유출 챔버와 유체 소통하며, 유체가 취출되어지는 챔버는 상기 유입 챔버와 유체 소통하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 상기 압축기 유닛은 상기 압축부와 작동가능하게 소통하는 회전가능한 구동식 샤프트를 지지하는 구동부를 더 포함한다. 바람직하게, 상기 구동부는 전기 모터이다. 바람직하게, 상기 압축기 유닛은 상기 구동식 샤프트의 회전 운동을 상기 배플이 방사상 외측으로 연장되는 샤프트의 전후 진동 운동으로 변환하도록 되어 있는 캠 수단을 더 포함한다. 바람직하게, 상기 밸브 수단은 밸브 플레이트를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 챔버는 내부 및 외부 동심 링 형태이며, 상기 밸브 플레이트와 배플들 사이에 밸브 디스크가 제공되고, 상기 밸브 디스크는 상기 동심 링들과 상기 방사상 격실들 간의 유체 소통을 허용하는 개구를 포함한다. 바람직하게, 상기 유입 챔버는, 바람직하게는 상기 외부 동심 링의 일면을 중심으로 하여 환상으로 배치된 단부 개방형 도관을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 단부 개방형 도관의 각 단부는 별도의 중공 채널에 의해 동심 링들 중 하나에 연결된다. 바람직하게, 상기 유출 챔버는, 바람직하게는, 상기 유입 단부 개방형 도관에 대해 대향하는 면에 상기 외부 동심 링을 중심으로 하여 연장하는 단부 개방형 도관을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 도관의 각 개방 단부는 별도의 중공 채널에 의해 동심 링들 중 하나에 연결된다. 바람직하게, 상기 밸브 수단은 상기 캠 수단과 진동식으로 작동가능하게 소통하는 록커 컨트롤을 포함하고, 특정 사이클 또는 전/후 진동시, 각각의 유입 및 유출 수단의 각각의 단부 개방형 도관 중 단일의 단부만 개방된다. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 압축기 유닛에 있어서, 상기 배플 샤프트는 6개의 방사상 격실을 규정하는 6개의 방사상으로 배치된 배플을 포함한다. 본 발명의 다른 양태에서, 압축성 유체를 생산하기 위한 압축기 유닛이 제공되며, 상기 유닛은, 메인 하우징 블럭; 상기 메인 하우징 블럭은 당해 메인 하우징 블럭의 압축부와 작동가능하게 소통하는 회전가능한 구동식 샤프트를 지지하는 구동부를 제공하고; 상기 압축부는 그 내부에 압축기 챔버를 규정하며; 상기 메인 하우징 블럭의 압축부의 압축기 챔버 속으로 압축될 유체를 유입시키기 위해 상기 메인 하우징 블럭의 압축기 챔버 및 상기 구동식 샤프트와 소통하는 유입 수단; 상기 메인 하우징 블럭의 압축부의 압축 챔버로부터 압축된 유체를 압축 유체 저장 탱크로 배출하기 위해 상기 압축 챔버와 소통하는 유출 수단; 단일의 플레이트 또는 플랫폼 내부에 2개의 실질적으로 원형인 링 또는 슬롯이 지지되며, 상기 실질적으로 원형인 링들은 다른 하나를 중심으로 한 동심 링이고, 상기 원형 링들은 상기 플레이트 또는 플랫폼을 통해 중공의 통로를 규정하며, 이 중공의 통로의 길이를 따라 일련의 개구가 형성되고, 이에 따라, 유체는 상기 중공의 통로를 따라 동심 링으로 유입되어 동심 링의 길이를 따라 개구를 통해 유출되어 상기 압축 챔버로 유입되거나 그로부터 유출될 수 있으며; 상기 유입 수단은, 바람직하게는 상기 외부의 실질적으로 동심인 링의 일면을 중심으로 하여 환상으로 배치된 단부 개방형 도관을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 단부 개방형 도관의 각 단부는 별도의 중공 채널에 의해 동심 링들 중 하나에 연결되며; 상기 유출 수단은, 바람직하게는, 상기 유입 단부 개방형 도관에 대해 대향하는 면에 상기 단일의 플랫폼 또는 플레이트에 수용된 상기 외부 동심 링을 중심으로 하여 연장하는 단부 개방형 도관을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 도관의 각 개방 단부는 별도의 중공 채널에 의해 동심 링들 중 하나에 연결되며; 상기 동심 원형 링들의 중공의 통로에 대한 유체/압축 유체의 유입 및/또는 배출이 당해 유동 제어 밸브에 의해 제어될 수 있도록 하는, 유동 제어 밸브; 상기 압축기 챔버는 유입된 유체를 압축하는 압축기 수단을 더 규정하고, 서로에 대해 또는 함께 상대적으로 움직이도록 된 회전가능하게 지지하는 십자형 배플들과 간헐적인 삼각형 세그먼트를 포함하며; 상기 삼각형 세그먼트는 당해 삼각형 세그먼트의 깊이 속으로 적어도 부분적으로 연장하는 오리피스 또는 세장형 리세스를 포함하고, 각각의 오리피스 또는 리세스는 대응하는 동심 링에 대해 유체를 동시에 흡수 및/또는 배출하도록 삼각형 세그먼트의 대향하는 측부 에지에 위치되며; 각각의 사이클 동안, 상기 오리피스 또는 리세스를 통해 유체가 유입되거나, 대향하는 오리피스 또는 리세스로부터 유체가 배출되도록 하기 위하여, 상기 구동식 샤프트의 회전 운동을 상기 삼각형 섹션에 대한 상기 십자형 배플의 전후 진동 운동으로 변환하도록 되어 있는 캠 메커니즘;을 포함한다. 바람직하게, 상기 유동 제어 밸브는 상기 캠 메커니즘과 진동식으로 작동가능하게 소통하고, 특정 사이클 또는 전/후 진동시, 각각의 유입 및 유출 수단의 각각의 단부 개방형 도관 중 단일의 단부만 개방된다. 유리하게, 이러한 배열체는 유체가 유입된 다음 단일의 압축기 챔버로부터 연속적으로 배출될 수 있는 메커니즘을 제공한다. 각각의 사이클에서 각각의 입구와 출구를 개폐하기 위해 각각의 단부들 사이에서 진동하는 제어 밸브 및 신규한 유입 및 유출 슬롯과 아울러, 2개의 동심 링의 특이한 활용은 삼각형 섹션과 배플간의 상호작용이 벨로잉 효과(bellowing effect)를 갖는다는 것을 의미하며, 여기서, 유체는 동심 링들 중 하나로부터 흡인될 수 있는 동시에, 삼각형 세그먼트의 대향면에서 배플의 벽체와 긴밀한 접촉을 만들며 이동할 때, 한정된 공간 속으로 가압된 다음, 다른 동심 링을 통해 압축 유체로서 배출될 수 있다. 기본적으로, 십자형 배플들은 분할된 세그먼트들을 제공하며, 삼각형 세그먼트들의 치수는 상대적으로 약간 더 작은데, 이는 삼각형 섹션의 상대 운동이 2개의 배플들의 분할된 범위 내에 있고, 상기 삼각형 세그먼트가 상기 분할체 내부에서 다른 배플을 향하여 하나의 배플로부터 멀리 이동할 때, 상기 배플 분할체 내부에서의 공간이 증가하는 삼각형 세그먼트의 일면에서, 동심 링으로부터 유체를 흡수 또는 흡인할 수 있으며, 한정된 공간이 현저히 작은 삼각형 세그먼트의 타면에서, 상기 삼각형 세그먼트의 타면이 배플의 측부에 대해 밀어올려질 때, 압축된 유체가 생성되고, 이에 따라서 다른 동심 링 속으로 배출될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 압축 챔버와 입구/출구 사이에서 유입 또는 배출 수단으로서 작용하는 개구를 각각의 동심 링이 제공하도록 하는 것은 유동 제어 밸브의 중요한 작용이다. 따라서, 각각의 사이클에서, 동심 링들 중 하나는 압축 챔버 속으로 압축될 유체를 제공하는 반면, 다른 동심 링은 압축된 유체를 배출구를 통해 유체 압축기 저장 탱크로 전달하게 된다. 상기 캠 메커니즘으로 인하여, 삼각형 세그먼트와 배플들 간의 전후 진동 운동은 각각의 동심 링들이 교번함을 의미하고, 유동 제어 밸브로 인하여, 유체가 분할된 섹션들로 취입될 수 있는 수단을 제공하거나, 대안적으로, 압축된 유체가 관련 동심 링을 통해 압축 유체 저장 탱크로 배출될 수 있는 수단을 제공한다. 바람직하게, 상기 배플들은 회전가능한 샤프트 상에 지지되고, 상기 캠 메커니즘을 가진 그 구조적 배열로 인하여, 상기 샤프트는 규정된 각도 범위에서 전후로 진동하거나 요동하게 된다. 바람직하게, 상기 압축 챔버 내에서 회전가능한 메인 지지 샤프트로부터 각각 방사상으로 연장하는 6개의 배플이 존재하며, 6개의 분할된 격실을 제공한다. 이들 각각의 격실 내에는 대응하는 삼각형 섹션이 존재한다. 바람직하게, 외부 프레임의 주위에 고정되는 것은 삼각형 세그먼트이다. 모터에서 고정자 프레임과 마찬가지로, 상기 삼각형 세그먼트는 고정되어 로터를 향하여 내측으로 연장하며, 이 경우에서, 실제로, 상기 로터는 상기 샤프트 상에 지지된 배플이며, 상기 배플은 샤프트에 대해 완벽한 원운동이 아닌 제한된 진동 각도로 전후로 진동한다. 전술한 바와 같이, 바람직하게, 상기 유입 및 유출 도관들은 실제로는 최외측 동심 링 주위에서 플레이트 또는 플랫폼 내부의 대향 측부들을 환상으로 둘러싸는 슬롯 또는 통로이다. 바람직하게, 상기 오리피스 또는 리세스는 삼각형 세그먼트의 대향 엣지에서 삼각형 세그먼트의 깊이 속으로 연장하게 되며, 실질적으로 원뿔 형태이거나 원뿔형이고, 상기 원뿔형 구조의 엣지, 길이 또는 쇼울더의 일부는 가변적인 경계 치수를 가진 공간으로 항상 유체가 이동하는 유체 통로의 디자인을 제공하도록 개방되어 있다. 바람직하게, 상기 배플과 삼각형 세그먼트 간의 전후 진동 운동의 회전 각도는 20°가 된다.
본 발명에 따른 압축기는, 단일의 압축기 챔버를 이용하여 유입구로부터 유체를 취출함과 동시에 압축된 유체를 저장 탱크로 직접 배출할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 여타 목적, 특징 및 장점들은 첨부도면과 함께 하기된 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압축부와 구동부를 포함한 조립된 유체 압축기 유닛을 도시한 측면도이고,
도 2는 압축부 밀폐 섹션의 일부와 함께 구동부를 포함한 메인 하우징 블럭을 도시한 분해 사시도이며,
도 3은 압축 챔버를 구성하는 구조적 특징부들을 나타낸 분해도이고,
도 4는 캠 링, 록커 암 및 밸브 플레이트를 조립된 형태로 도시한 사시도이며,
도 5는 로커 암과 전방 밸브 플레이트를 조립된 형태로 도시한 사시도이고,
도 6은 압축 유체에 대해 유체가 유입 및 배출될 수 있도록 하는 중공의 유체 통로가 관통하는 여러 가지 입구, 출구 및 동심 링 슬롯을 제공하거나 규정하는 밸브 플레이트를 도시한 사시도이고,
도 7a는 압축 챔버의 삼각형 세그먼트와, 상기 압축 챔버 내부에서 도 6의 밸브 플레이트 상에 안착되는 밸브 디스크를 도시한 분해 사시도이며,
도 7b는 도 7a에 도시된 부품들을 통과하는 통공들의 정렬 상태를 도시한 도면이고,
도 8은 압축 챔버 내부에 존재하는 블레이드 또는 배플과 삼각형 세그먼트를 도시한 단면도이며,
도 9a 및 도 9b는 각각의 동심 내부 및 외부 링들 간의 다양한 상호관계와 유동 제어 밸브의 작동을 도시한 개략도이고,
도 10a 내지 도 10i는 바람직한 실시예에서 압축기 유닛을 구성하는 특징부의 일부를 단순화하여 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명을 상세하게 설명한다. 상세한 설명이 예시적 실시예를 포함하고 있으나, 다른 실시예들도 가능하며, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 개시된 실시예에 대한 변형이 이루어질 수 있다. 가능한 한, 도면과 상세한 설명 전반에 걸쳐서 동일하거나 유사한 부분들은 동일한 참조번호를 사용하였다. 도 1은 조립된 압축기 유닛의 부품들을 도시하고 있으며, 도 2는 상기 압축기 유닛의 메인 하우징 블럭의 분해된 내부 구조를 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 참조번호 10으로 포괄적으로 표시한 압축기 유닛은 본 실시예에서 전기 모터인 구동부(12)와 압축부(14)를 포함한다. 명료함을 위하여, 압축부의 내부 부품들 중 일부는 도 2에 보이지 않는다. 바람직한 본 실시예에서, 상기 압축기 유닛은 이후에 설명할 압축기 유닛의 메인 하우징 블럭의 압축부에 의해 이용되어지는 회전 운동을 제공하기 위해 샤프트를 구동하는 주요 공식적 수단으로서 전기 모터를 사용한다. 그럼에도 불구하고, 편심 캠(16)을 회전시키고, 록커 컨트롤 또는 암(18) 및 캠 링(20)과 상호 결합하는 상기 샤프트의 구동은 다양한 수단들에 의해 이루어질 수도 있다. 도시된 실시예에서, 상기 전기 모터와, 상기 전기 모터의 로터 또는 입력 샤프트(22)는 편심 캠(16)을 회전시키고, 상기 캠은 캠 링(20)뿐만 아니라 록커 컨트롤(18)과 결합한다. 상기 편심 캠(16), 록커 컨트롤(18), 캠 링(16) 및 관련 핀(24)들을 포함한 캠 메커니즘이 전기 모터 샤프트의 회전 운동을 후술하는 압축기 챔버 내부에서 배플들의 전후 진동 운동으로 변화시키는 정도는 상기 핀(24)들에 의해 제어될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 메인 하우징 블럭의 압축부는 외부 하우징(26)을 포함하고, 상기 외부 하우징의 내부에는 방사상 외측으로 연장하는 6개의 블레이드 또는 배플(28)들로 이루어진 성형 블레이드 구조물이 회전가능하게 지지되어 있으며, 이 배플들은 삼각형 세그먼트(30)들이 사이에 배치되는 분할가능한 섹션들을 제공한다. 상기 블레이드(28)들은 샤프트(32)로부터 외측으로 연장하며, 도시된 본 실시예에서 상기 샤프트의 내부는 제어 암 샤프트(34)를 수용하며 이와 결합되도록 구성됨으로써, 상기 샤프트(32)는 제어 암 샤프트(34)와 함께 회전가능하게 된다. 바람직한 본 실시예에서, 상기 삼각형 세그먼트들은 참조번호 26으로 표시한 하우징에 대하여 동심원적인 배열로 프레임 상에 지지될 것으로 예상된다. 각각의 삼각형 세그먼트는 당해 삼각형 세그먼트(30)의 측부 에지를 따라 대향하는 측면에 참조번호 36으로 표시한 일련의 리세스 또는 오리피스를 포함한다. 삼각형 세그먼트의 각각의 측벽은 대략 각각의 오리피스(36)의 중심에서 만나는 수렴면(converging surfaces)을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 오리피스 또는 리세스(36)들은 반으로 분할된 원뿔 형상으로서 가장 잘 구성된다. 이들은 밸브 디스크(38)에 인접하는 삼각형 세그먼트의 일단에 위치되며, 상기 밸브 디스크는 도 7a를 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명한다. 도 4 및 도 5는 상기 캠 링(20), 록커 컨트롤(18) 및 밸브 플레이트(40)가 압축기 유닛 내부에서 어떻게 배향되는지를 도시하고 있으며, 도 6은 밸브 플레이트(40) 자체를 도시하고 있다. 특히, 밸브 디스크(38)와 당접한 밸브 플레이트(40)의 전면이 도시되어 있으며, 상기 플레이트의 여러 가지 채널들에 대해서 보다 구체적으로 후술한다. 압축부를 형성하는 다양한 부품들이 정렬되는 순서는, 캠 링(20), 록커 컨트롤(18), 밸브 플레이트(40), 밸브 디스크(38), 삼각형 세그먼트(30) 및 그들 사이의 배플(28) 순임을 알 수 있다. 함께 진동할 수 있는 방식으로 연결되는 유일한 부품들은 캠 링(20)(이는 이하에 구체적으로 설명한 바와 같이 록커 컨트롤(18)의 전후 로킹을 유발한다.), 상기 캠 링(20)과 연관된 제어 암(40), 결합 샤프트(32,34) 및 그에 따른 블레이드(28)들이다. 따라서, 상기 캠 링(20)은 모터 등와 같은 구동 메커니즘으로부터 샤프트(22)의 연속 회전 운동을 캠 링(20)과 상기 캠 링(20)과 연관된 제어 암(42)을 통해 제어 암 샤프트(34)의 진동 운동으로 변환시킬 수 있다. 상기 편심 링(16)이 입력 샤프트(22)에 의해 회전할 때, 상기 캠 링(42)은 전후로 진동하게 된다. 이러한 방식으로 캠 링(20)의 전후 진동을 유발하는 것은 상기 캠의 편심 경로이다. 당업자라면 샤프트(22)의 회전 운동을 캠 링(20) 등의 진동 운동으로 변환시키는 많은 방법이 있다는 것을 알 수 있을 것이며, 따라서, 본 발명은 이를 구현하는 임의의 하나의 수단으로 한정하고자 의도하지 않는다. 상기 캠 링(20)은 하기된 바와 같이 록커 암/밸브 위치를 또한 제어하는 핀(24)을 배치함으로써 제어 암(42)에 연결된다. 그 다음, 상기 제어 암(42)은, 다른 적당한 연결 수단이 사용될 수도 있으나, 참조번호 44에서 위치결정 러그(lugs)에 의해 블레이드를 지지하는 샤프트(32)에 연결된다. 이러한 연결은, 캠 링(20)과 제어 암(42)이 전후로 진동할 때, 샤프트(32) 및 이와 연관된 블레이드(28)들이 전후로 진동하도록 보장한다. 상기 샤프트(32)는 제어 암 샤프트(34) 상의 서클립(46)에 의해 제 위치에 유지되며, 제어 암 샤프트 자체는 메인 베어링(48) 내부의 플레이트 내에 지지된다. 또한, 베어링을 통한 누설을 방지하기 위해 시일(50)이 제공된다. 도 7a 및 도 7b에 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 상기 장치는 삼각형 세그먼트(30)에 제공된 각각의 오리피스(36)가 각각의 방사상 격실의 각각의 유입/유출 개구(52,54) 위에 안착하도록 구성되며, 상기 격실들은 압축기 챔버를 구성하고, 샤프트(32)로부터 방사상 외측으로 연장하는 배플(28)들에 의해 규정되거나 제공되며, 상기 샤프트는 배치된 삼각형 세그먼트(30)들에 대한 상대 운동으로 전후로 진동하도록 되어 있다. 도 8에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 6개의 방사상으로 연장된 배플들에 의해 제공된 각각의 분할체에 배치된 삼각형 세그먼트에 의하여, 삼각형 세그먼트(30)를 향한 배플의 회전은, 문자 그대로, 공간이 소형화되는 측면에서 벨로잉 효과(bellowing effect)가 있다는 것을 의미하며, 상기 측면에는 실제로 유체를 압축하여 개구(52,54)를 통해 이하에서 곧 설명하는 밸브 플레이트(40)의 동심 링(58)들 중 하나로 배출되도록 강제하는 공간 감소 구간(56)이 존재하고, 이와 같이 분할된 배플 영역 내에서 삼각형 세그먼트(30)의 대향면에는 다른 동심 링으로부터 당해 개방된 공간으로 실제로 유체를 흡인 또는 흡수하는 공간 생성 구간(62)이 존재하며, 이는 배플이 그의 두가지 회전가능한 위치로부터 진동할 때 후속하여 진동 또는 요동한 다음, 압축면으로 회귀� �게 된다. 따라서, 당업자라면 방사상으로 연장하는 배플(28)들에 의해 압축 챔버 내부에 규정된 각각의 방사상 격실이, 바람직한 실시예에서는 6개의 격실이 효과적으로 하나의 유입 개구와 하나의 유출 개구를 갖는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 각각의 블레이드의 진동 각도는 20°일 수 있으며, 삼각형 세그먼트의 두께는 그에 대응하여 구성된다. 그러나, 다른 구조도 가능하며, 삼각형 세그먼트의 두께는, 펌프/압축기가 요구되는 응용예, 필요한 압축비와 아울러, 밀봉 요건 등과 같은 변수에 의해 결정될 수 있음을 이해하여야 한다. 다시 도 6을 참조하면, 밸브 플레이트(40)의 구조는 유입 챔버(64)와 유출 챔버(66)를 포함하도록 되어 있고, 바람직한 본 실시예에서, 이들은 전술한 동심 링(58,60)과 같이 밀폐된 내부 동심 링 또는 도관이 외부 동심 링 또는 도관을 구비한 실질적으로 동심원적 배열체로 구성되어 있다. 상기 외부 동심 링(60)은 도 9a에 도시된 바와 같이 록커 암(18)이 제 1 위치에 있을 때 유입 챔버(64)와 유체 소통하고, 도 9b에 도시된 바와 같이 록커 암(18)이 제 2 위치에 있을 때 유출 챔버(66)와 유체 소통한다. 마찬가지로, 상기 내부 동심 링(58)은 도 9a에 도시된 바와 같이 록커 암(18)이 제 1 위치에 있을 때 유출 챔버(66)와 유체 소통하고, 도 9b에 도시된 바와 같이 록커 암(18)이 제 2 위치에 있을 때 유입 챔버(64)와 유체 소통한다. 상기 록커 암(18)은 피벗 포인트(68)를 중심으로 회전가능하다. 상기 록커 암(18)은 그들의 길이를 따라 가변적인 단면 치수를 가진 원통형 부분 형태로 4개의 밸브(72,74,76,78)를 포함하며, 이들은 각각의 동심 링들 속으로 연장하는 접근 개구(80) 위로 움직임으로써 전술한 바와 같이 유입 및 유출 챔버들에 대한 유체의 유동을 제어한다. 도 5는 각각의 내부 및 외부 동심 링과 내부 및 외부 챔버를 연결하는 챔버들을 수용하기 위해 상기 플레이트로부터 외측으로 연장하는 밸브 플레이트의 방사상으로 대향하는 부분들을 명확하게 도시하고 있다. 도 6은 내부 동심 링(58) 내부의 개구(80)들 중 하나를 도시하고 있다. 따라서, 동심 링(58,60)은 록커 컨트롤(18)과 작동가능하게 소통한다. 상기 제어 암(42)으로부터 외측으로 연장하는 핀(24)들은 제어 암(42)과 함께 진동하고, 록커 암(18)과의 접촉에 의해, 이를 상기 두 가지 위치 사이에서 록킹되도록 한다. 상기 4개의 제어 밸브(72,74,76,78)들은 배플의 운동에 후속하여 록킹하거나 전후로 요동하게 되며, 따라서, 디스크(38)의 유입 개구들 중 적어도 하나를 압축기 챔버로 유체를 유입시키는 위치에 제공하거나, 대안적으로, 유출 도관 개구들 중 적어도 하나에 대해 압축기 챔버로부터 압축된 유체를 압축 유체 저장 탱크(미도시)로 배출하는 능력을 제공한다. 밸브 쌍(72와 74, 76과 78)들은 각각의 하우징부(82) 내부에서 단일의 평행축선들을 따라 이동가능하며, 각각의 밸브 쌍은 록커 컨트롤(18)과 연관된 2개의 플레이트(84)들 사이에 지지되고, 각각의 하우징부(82)의 일측부에 배치된다. 상기 밸브 부분들은 서클립(86)을 사용하여 제 위치에 유지된다. 하나의 하우징부는 내부 동심 링으로 유입 및 유출 챔버들을 연결할 필요가 있고, 다른 하우징부는 외부 동심 링으로 유입 및 유출 챔버들을 연결할 필요가 있기 때문에, 도면에서, 하나의 하우징부가 다른 하우징부 보다 더 길다는 것을 알 수 있다. 도시된 실시예에서, 각각의 하우징부는 이를 관통하여 연장된 평행한 개구(88)들을 포함하고, 상기 밸브들은 각각의 개구에 수용되는 원통형의 단면 형상을 가지며, 이에 따라, 유입 포트를 통한 유체의 접근을 억제하거나 허용하지만, 다른 구조들이 또한 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 이해를 돕기 위해 도 9a 및 도 9b를 다시 참조하라. 동심 링(68,70)과, 제 위치에 있을 때, 삼각형 세그먼트의 대응하는 리세스 또는 오리피스와 정렬되는 밸브 디스크를 관통한 개구(52,54)를 사용하는 이러한 특이한 배열체는, 효과적으로 계속하여 이 단일의 압축기 챔버가 전후로 진동하는 각각의 사이클 내에서 유체가 압력 챔버로 유입될 수 있음과 아울러 압축된 유체가 압축기 챔버로부터 배출될 수 있도록 하는 메커니즘을 제공한다. 종래의 배열체에 있어서, 예컨대, 왕복운동 피스톤을 사용하면, 압축기 저장 탱크로 압축된 유체가 연속적으로 공급될 수 있는 유일한 방법은 복수의 왕복운동 피스톤을 갖도록 하는 것이다. 예상되는 바와 같이, 유체 압축기에 포함된 많은 피스톤들은 특정한 수준으로 압축 유체를 공급 및 반환하기 위해 통상의 유체 압축기를 작동시키기 위한 동력 효율과 크기를 증대시킬 것이다. 도 10a 내지 도 10i는 압축기 유닛을 구성하는 부품들의 일부를 개략적으로 단순히 도시하고 있으며, 본 발명이 어떻게 작용하는지의 유용한 시각적 개관을 제공한다. 도 10a는 한 부분은 펌프로 여과된 유체가 유입될 수 있도록 설계된 유체 유입 통로, 슬롯 또는 도관이고, 다른 부분은 펌프로부터 체적 유체를 방출하는, 2개의 분리된 부분이 있음을 도시하고 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 유입 챔버는 각각의 제 1 링과 제 2 링에 하나씩 위치될 수 있는 2개의 개방된 단부를 가진 연장된 통로이며, 상기 제 1 링과 상기 제 2 링은 하나가 다른 하나를 중심으로 동심원적으로 배열된다. 도 10c에서, 제 1 및 제 2 동심 링에 규정된 통로 유동 또는 홀이 각각의 링챔버 상의 배출 통로와 6개의 통로 각각을 성형 펌프 구조로 분리하고, 이에 따라 효과적으로 2개의 링 챔버가 12개의 분리된 경로를 제공한다. 도 10d에서, 2개의 제어 밸브 쌍 중, 상부의 제어 밸브는 제 1 동심 링을 향하여 제 2 배출 링에 대한 배출 통로를 차단하고, 하부의 제어 밸브는 제 2 동심 링을 향하는 유체를 차단하는 반면 유체 출구로의 유체 배출은 허용한다. 도 10e는 제 1 링 챔버가 십자형 성형 플레이트 구조의 일면에 대응하는 6개의 통로를 어떻게 갖는지를 개략적으로 나타내고 있다. 그러나, 상기 제 2 동심 링의 링 챔버는 6개의 대응하는 통로를 대향면에 갖는다. 도 10f에 도시된 바와 같이, 6개의 블레이드 각각에 2개의 면을 가진 십자형 배플에 의해 성형 구조가 제공되고, 회전이 시작되었을 때, 블레이드의 일면은 챔버로 유체를 취입하는 반면, 블레이드의 타면은 챔버로부터 유체를 취출한다. 이 운동은 동심 링 배열체들 중 하나에 대해 동일한 유체 통로를 통하여 유체를 취출 및 취입하는 벨로우와 같이 작용하며, 블레이드의 대향면은 다른 면과 반대의 기능을 한다. 입력 모터가 완전 1회전할 때, 각각의 블레이드는 블레이드당 한번 유체를 취입 및 취출하며, 예컨대, 6회의 유입/유출에 더하여 6회의 유출/유입에 의해, 12회의 완전 유체 체적을 제공한다. 도 10g에 도시된 바와 같이, 6개의 십자형 블레이드는 회전 샤프트 상에서 일방향으로 진동한 다음, 동일한 양의 각도만큼 반대 방향으로 회전한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 모터에 의해 구동되는 편심 캠은 요동 운동을 유발한다. 상기 편심 캠은 배플들이 방사상 외측으로 연장된 회전가능한 샤프트에 연결된 캠 링을 움직인다. 또한, 상기 캠 링은 2개의 이중 상부 및 하부 밸브를 제어하는 2개의 핀을 갖고, 이들은 전술한 바와 같이 각각의 밸브의 개폐 타이밍과 위치를 제어한다. 도 10h는 격실면의 각 측면의 유입/유출공을 향하여 유체를 전달하도록 설계된 삼각형 세그먼트의 6개의 격실을 다시 반복하고 있으며, 이들은 서로 다른 응용예에 적합하도록, 그리고 블레이드 등을 손상시키지 않도록 이물질들을 위한 공간을 허용하도록 완전히 재설계될 수 있다. 도 10i는 밸브 조립체의 각 단부에 록커 컨트롤을 가진 2개의 이중 밸브(상부 밸브 및 하부 밸브)를 도시하고 있다. 입력 캠이 회전하여 링 캠이 그 축상에서 전후로 진동하도록 할 때, 상기 링 캠은 이중 제어 밸브를 일방향으로 움직이고, 상기 록커 컨트롤을 다른 밸브 조립체를 반대 방향으로 움직이며, 입력 모터가 완전 1회전할 때, 각각의 이중 제어 밸브는 전후로 한번 이동하게 된다. 위에서 명시적으로 설명하지 않았으나, 상기 장치(10)는 다수의 로드 또는 볼트를 사용하여 함께 고정되며, 각각의 부품들은 그러한 고정 수단을 수용하기 위해 적절하게 배치된 개구를 포함한다. 예컨대, 모든 도면에 도시하지는 않았으나, 볼트(92)를 수용하기 위해, 하우징(26)의 단부, 고정된 삼각형 세그먼트(30), 밸브 디스크(38) 및 밸브 플레이트(40)를 관통하는 개구(90)가 있다. 그러나, 대안적으로 구성된 고정 수단이 동일하게 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다. 본 발명에 대한 다른 장점과 개선들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다. 본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 것으로 간주되는 실시예들과 관련하여 도시되고 설명되었으나, 본 발명의 사상과 범위 내에서 출발하였으며, 본 명세서에 개시된 세부사항에 한정되지 않고, 임의의 모든 등가의 기구와 장치를 포함하도록 전체 청구범위에 따른다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 요약서와 하기된 모든 청구항에서, 문맥이 명확한 언어 또는 필수적인 암시를 요하는 부분을 제외하고, 단어 "포함하는(comprising)"은 "including"의 의미로 사용되었으며, 즉, 특정된 특징부는 본 발명의 다양한 실시예들에서의 다른 특징부와 연관될 수 있다.
10: 압축기 유닛
12: 구동부
14: 압축부
16: 편심 캠
18: 암
20: 캠 링 |
