압축공기모터{Compressed air motor}
압축공기로 작동되는 베인모터에 대해서는 종래부터 다양한 형식이 알려져 있다. 유럽특허 EP-B1-394651에는 로터와 원심력으로 움직이는 베인을 포함하는 디자인이 공개되어 있는데, 이 로터는 하우징의 안내공 내부에 설치되는 회전 슬리이브에 배열되어 있다. 이 회전 슬리이브는 베인이 하우징 내측면을 전단하지 않도록 하는 기능을 갖는다. 작동중에, 로터와 회전 슬리이브는 같이 회전한다. 이런 공지의 디자인에서, 하우징의 안내공은 원통형이 아니고 한쪽이 포켓으로 변형되어 있다. 이는, 회전 슬리이브와 실린더 외벽 사이의 틈새로 압축공기를 공급해야 하기 때문이다. 다른 이유로는, 로터와 회전 슬리이브 사이의 틈새를 따라 흐르는 압축공기의 압력 때문에 회전 슬리이브가 옆으로 움직이는 경향이 있고,이런 측방 이동을 요홈부에서 보상해야 하기 때문에, 실린더 외부 일측을 변형시키는 디자인이 필요하다. 하우징의 안내공을 이처럼 비대칭으로 형성하면 제작비가 상승될 뿐만 아니라 작동중에 공기손실이 생기므로, 효율이 아주 낮아진다. 미국특허 US-A-4197061에는, 하우징 안내공에 편심 요홈을 형성하지 않고 하우징 내측면에 별도의 압축공기 공급채널을 형성하여 회전 슬리이브와 하우징 사이의 틈새를 압축공기로 채우는 압축공기모터가 공개되어 있다. 그러나, 이런 별도의 채널은 제작하기가 아주 복잡하고 하우징의 안내공의 원통형 형성을 방해하여, 마찬가지로 성능을 저하시킬 수 있다. 미국특허 US-A-4648819에는 회전 슬리이브를 갖는 펌프가 공개되어 있다. 이 회전 슬리이브의 외측면에는 펌핑할 매질을 운반하기 위한 다양한 형태의 홈이 형성되어 있다. 회전 슬리이브의 원주면에 부분적으로 돌출하는 홈을 형성하는 것은 슬리이브 자체가 비교적 얇은 벽으로 이루어져 있기 때문에 상대적으로 복잡한 방식이다. 이런 기존의 디자인은 압축공기모터의 제작에는 아무 도움도 되지 않는다. 미국특허 US4616985에는 로터에서 방사상으로 움직일 수 있는 베인과 이들 베인을 둘러싼 오리피스가 형성된 슬리이브를 갖는 압축공기 컴프레서가 공개되어 있다. 이 슬리이브는 경량 합금으로 이루어진다. 압축공기 컴프레서는 비교적 저속이므로, 마모에 관해서는 문제가 별로 없다. 회전 슬리이브를 갖는 종래의 이와 같은 압축공기모터에서는 베인과 하우징 사이에서 생기는 마찰을 감소시켜야만 하고 무급유 동작을 할 수 있어야 한다. 특히, 수술 분야에 사용할 장치의 경우에는, 오일 윤활을 하지 않는 압축공기모터를 제공하는 것이 아주 중요한데, 이는 윤활유가 결코 인체에 들어가서는 안되기 때문이다. 수술에 사용되는 압축공기모터는 자체의 고속(약 80,000 rpm 이하) 때문에 공기누설을 방지하기가 어렵고, 이에 따라 압축공기모터에서 오일누설이 발생하곤 한다.
본 발명은 안내공에 회전 로터가 설치된 하우징을 포함하는 압축공기모터에 관한 것으로, 로터의 외측면에는 슬롯이 형성되어 있고, 이 슬롯에는 원심력에 의해 판형 베인이 방사상으로 움직이게 설치되어 있으며, 베인의 외부를 둘러싸는 원통형 자유회전 슬리이브는 로터와 하우징의 안내공 사이로 베인 구역에 배치되어 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 압축공기모터의 종단면도; 도 2는 도 1의 II-II선 단면도; 도 3은 도 2와 비슷하지만 다른 실시예의 단면도.
따라서, 본 발명의 목적은 무급유 동작이 가능하면서도 효율이 개선되고 제작도 특별히 복잡하지 않은 압축공기모터를 제공하는데 있다. 이런 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다. 다공식 회전 슬리이브나, 벽면에 구멍이 뚫린 회전 슬리이브를 이용하면, 정력학적 관점과 로터 베인은 물론 하우징 내측면에 대한 낮은 마찰의 관점에서 슬리이브의 장착 효과가 놀라울 정도이다. 원통형 안내공은 제작이 쉽다. 본 발명에 따르면 공기의 흡배기를 위한 연결부가 특별히 불필요하고, 유량효율을 개선하기 위해 샌드블라스트를 하는 것이 바람직하다. 로터에는 반경방향으로 베인이 설치되지만, 이들 베인은 방사상 슬롯에 배열되고 적극적으로 조절되지 않는다. 베인 및/또는 회전 슬리이브로 바람직한 재료는 플라스틱, 특히 페놀수지/극미세 면직물이다. 회전 슬리이브에 형성된 구멍들은 규칙적으로 배열되어 있지만, 회전 슬리이브의 길이와 요건에 따라서는 다르게 배열될 수도 있다. 따라서, 회전 슬리이브의 소음 관점에서, 상기 구멍들은 통계학적으로 또는랜덤하게 분산되어, 회전 슬리이브의 원주방향으로의 구멍들 사이의 간격에 아무 규칙성이 없을 수도 있다. 이렇게 하면 공기중에서 고속 작동할 때의 소음의 생성이 방지된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, (귀에 들리지 않는 소음인) "화이트 노이즈(white noise)"를 생성하는 보상음을 내도록 구멍들을 분산시킬 수도 있다. 이런 형태의 소음개선효과는 베인을 로터 주변에 비대칭으로 배치해도 얻을 수 있다. 이런 구멍(가능하면 슬롯형)의 형성에 관해서는 전술한 미국특허 US-A-4648819의 펌프를 참조하면 되는데, 본 발명에서도 이를 위해 홈을 연속적으로 형성할 수 있다. 또, 베인용의 종방향 슬롯들을 접면에 평행하게 서로 어긋나게 배열하는 것도 효과적이다. 이렇게 하면 베인을 방사상으로 배열한 경우보다 압축공기를 공급하는 면적이 더 넓어진다. 본 발명에서는 4개의 베인이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 직경이나 재료에 따라서 베인을 더 많이나 적게 배치할 수도 있다.
도 1, 2에 도시된 압축공기모터는 다단하우징(1)을 포함한다. 하우징(1) 내부에 로터(2)가 베어링(3,4)에 의해 회전 가능하게 설치되어 있다. 하우징(1)의 중간부위에는 원통형 안내공(5)이 있다. 로터(2)의 전단부에는 공구수납부(6)가 있다. 로터(2)에는 반경방향으로 길이를 따라 슬롯(7)이 4개 형성되어 있다. 베인(8)은 방사상으로 움직이도록 슬롯(7)에 설치된다. 베인(8)의 외측 단부면을 둘러싸는 회전 슬리이브(9)는 하우징(1)의 안내공(5)에 자유 회전하도록 장착된다. 회전슬리이브(9)는 하우징(1)에서 로터(2)와 같이 회전하고, 로터(2)와 회전슬리이브(9) 사이의 회전구동은 베인(8)과 회전슬리이브(9) 사이의 마찰에 의해서만 영향을 받는다. 회전 슬리이브(9)에 의해 베인(8)은 안내공(5)과 접촉하지 않게 되므로, 베인(8)과 안내공(5)에 관련된 마모도 방지된다. 압축공기는 로터(2)의 후단부에서 안내공(5)에 연결되는 공급채널(12)을 통해 공급된다. 배기공(13)은 공급채널(12) 정반대쪽에 위치한다. 회전 슬리이브(9)에는 오리피스(10,11)가 형성되어 있다. 이들 오리피스(10,11)는 베인(8), 로터(2) 외측면 및 회전 슬리이브(9) 내측면 사이에 형성된 챔버(14)로부터 압축공기가 나가는 통로 역할을 한다. 압축공기의 일부가 나가면서, 회전 슬리이브(9) 외측면에 에어쿠션이 생긴다. 이렇게 되면, 내부압력 때문에 회전 슬리이브(9)가 한쪽으로 치우쳐 하우징의 안내공을 누르지 않게 되고, 그 결과 회전 슬리이브(9)와 하우징(1) 사이에 마모가 방지된다. 상기 오리피스(10,11)는 구멍형태이거나 슬롯 형태일 수 있다. 이들 오리피스(10,11)는 축선 방향으로 서로어긋나거나 반경방향으로 서로 상대적으로 위치하는 것이 바람직하다. 실제로는 이렇게 오리피스가 어긋나 있으면 이런 장치에 일반적인 고속(약 80,000 rpm 이하)에서 생기는 음파에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 베인(8) 및/또는 회전 슬리이브(9)는 플라스틱, 특히 페놀수지/극미세 면직물로 제작하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 경량화로 인해 원심력이 작아져, 압축공기모터를 아주 다이내믹하게, 즉 상당한 속도 변화가 가능하게 작동시킬 수 있다. 도 3은 본 발명에 따른 압축공기모터의 다른 예로서, 하우징(21)과 로터(22)가 보인다. 하우징(21)에는 안내공(25)이 있다. 로터(22)에는 길이방향의 슬롯(27)이 형성되어 있지만, 도 2의 실시예와는 달리, 이들 슬롯은 방사상이 아니라 접면에 평행한 평면상에 어긋나게 배열된다. 베인(28)은 종방향 슬롯(27)에 움직일 수 있도록 장착된다. 회전 슬리이브(29)는 베인(28)을 둘러싸고 하우징(1)의 안내공(25)에 설치된다. 회전 슬리이브(29)에는 오리피스(30)가 하나 이상 형성되어 있다. 압축공기는 오리피스(30)를 통해 하우징(1)과 회전 슬리이브(29) 사이의 환형 간극으로 들어간다. 이렇게 되면, 하우징(21)의 안내공(25)에 대해 회전 슬리이브(29)를 부유시키는 일종의 에어쿠션이 형성되어, 마모가 방지된다. 오리피스(30)는 회전 슬리이브(29)의 서로 다른 지점에 축선방향이나 반경방향으로 배열될 수 있다. 회전 슬리이브의 원주면을 따라 여러개의 오리피스를 형성할 수도 있고, 오리피스의 형상을 구멍이나 슬롯 형태로 할 수도 있다. 회전 슬리이브(29)와 베인(28) 둘다 플라스틱, 예컨대 페놀수지/극미세 면직물로 구성하는 것이 좋다. 도면부호 1: 하우징 2: 로터 3,4: 베어링 5: 안내공 6: 공구수납부 7: 종방향 슬롯 8: 베인 9: 회전 슬리이브 10,11: 오리피스 12: 공급채널 13: 배기공 21: 하우징 22: 로터 25: 안내공 27: 종방향 슬롯 28: 베인 29: 회전 슬리이브 30: 오리피스 |
