KR100417677B1 - 회전식 유체기계, 베인식 유체기계, 및 내연기관의 폐열회수장치 - Google Patents

회전식 유체기계, 베인식 유체기계, 및 내연기관의 폐열회수장치 Download PDF

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KR100417677B1
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

회전식 유체기계는, 케이싱(7)과, 로터(31)와, 로터(31)에 방사상으로 배치된 복수의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)을 구비한다. 각각의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)은, 로터 챔버(14)내를 미끄럼 운동하는 베인(42)과, 베인(42)의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤(41)으로 이루어진다. 팽창기(4)로서 기능할 때는, 고압 가스의 팽창에 의해 피스톤(41)을 작동시켜서 베인(42)을 개재하여 로터(31)를 회전시킴과 동시에 고압 가스의 압력 강하에 의한 저압 가스의 팽창에 의해 베인(42)을 개재하여 로터(31)를 회전시킨다. 한편, 압축기로서 기능할 때는, 로터(31)의 회전에 의해 베인(42)을 개재하여 저압축 공기를 피스톤(41)측에 공급하고, 또한 베인(42)에 의해 피스톤(41)을 작동시켜서 저압축 공기를 고압축 공기로 변환시킨다. 그래서, 피스톤식의 것이 갖는 이점과 베인식의 것이 갖는 이점을 겸비한, 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계를 제공할 수 있다.

Description

회전식 유체기계, 베인식 유체기계, 및 내연기관의 폐열 회수장치{ROTARY FLUID MACHINERY, VANE FLUID MACHINERY, AND WASTE HEAT RECOVERY DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
일본국 특개평 6-88523호 공보에는 내연기관의 배기 가스의 열 에너지에 의해 고온고압의 증기를 발생시켜서, 이 고온고압의 증기를 터빈식의 팽창기에 공급하여 기계 에너지를 발생시키는 내연기관의 폐열 회수장치가 기재되어 있다.
또한, 일본국 특개소 59-41602호 공보에는 2중 멀티 베인형(muliti-vane type) 회전기계가 기재되어 있다. 이것은, 타원형의 외측 캠링(cam ring)과, 타원형의 내측 캠링과의 사이에 원형의 베인 지지링을 배치하고, 이 베인 지지링에 반경방향으로 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 복수의 베인의 외단(外端) 및 내단(內端)을, 각각 외측의 캠링의 내주면(內周面) 및 내측의 캠링의 외주면(外周面)에 맞닿게 한 것이다. 따라서, 외측 캠링 및 내측 캠링에 대하여 베인 지지링이 상대 회전하면, 외측 캠링 및 베인 지지링 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 작동실의 용적이 확대ㆍ축소하여 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한, 내측 캠링 및 베인 지지링 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 작동실의 용적이 확대ㆍ축소하여 팽창기 혹은 압축기로서 기능하도록 되어 있다.
이 2중 멀티 베인형 회전기계에서는, 외측 및 내측의 회전기계를 각각 독립된 팽창기로서 사용하기도 하고, 외측 및 내측의 회전기계를 각각 독립된 압축기로서 사용하기도 하며, 외측 및 내측의 회전기계의 한쪽 및 다른쪽을 각각 팽창기 및 압축기로서 사용할 수도 있다.
또한, 일본국 특개소 60-206990호 공보에는 팽창기 혹은 압축기로서 사용 가능한 베인형 회전기계가 기재되어 있다. 이것은, 동심(同心)으로 배치된 원형의 외측 캠링과 원형의 내측 캠링과의 사이에 원형의 중간 실린더를 편심시켜서 배치하고, 이 중간 실린더에 반경방향으로 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 복수의 베인의 외측 끝 및 내측 끝을, 각각 외측의 캠링의 내주면 및 내측의 캠링의 외주면에 맞닿게 한 것이다. 따라서, 외측 캠링 및 내측 캠링에 대하여 중간 실린더가 상대 회전하면, 외측 캠링 및 베인 지지링 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 작동실의 용적이 확대ㆍ축소하여 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한, 내측 캠링 및 베인 지지링 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 작동실의 용적이 확대ㆍ축소하여 팽창기 혹은 압축기로서 기능하도록 되어 있다.
이 베인형 회전기계에서는, 외측 및 내측의 회전기계를 각각 독립된 팽창기로서 사용하기도 하고, 외측 및 내측의 회전기계를 각각 독립된 압축기로서 사용할 수도 있는 것 외에, 외측 및 내측의 회전기계의 한쪽을 통과한 작동유체를 다른쪽을 통과시킴으로써, 외측 및 내측의 회전기계를 직렬로 접속하여 2단 팽창기 혹은 2단 압축기로서 작동시킬 수 있다.
또한, 일본국 특개소 57-16293호 공보에는 베인형 회전식 압축기가 기재되어 있다. 이것은, 비(非)원형의 캠링 내부에 원형의 로터(rotor)를 회전이 자유롭게 배치하고, 이 로터에 방사상으로 지지된 복수의 베인의 선단(先端)이 캠링의 내주면을 따라 이동하도록, 각각의 베인의 중간에 설치한 롤러(roller)를 케이싱(casing)에 설치한 롤러 궤도에 걸어 맞추어서 안내하도록 되어 있다.
또한, 일본국 특개소 64-29676호 공보에는 레이디얼 플런저 펌프(radial plunger pump)가 기재되어 있다. 이것은, 원형의 캠링 내부에 편심시켜 배치한 로터에 복수의 실린더를 방사상으로 형성하고, 이들 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 선단(先端)을 캠링 내주면에 맞닿게 하여 왕복운동시킴으로써 펌프로서 작동하도록 되어 있다.
또한, 일본국 특개소 58-48706호 공보에는 베인형의 팽창기를 구비한 랭킨 사이클(Rankine cycle) 장치가 기재되어 있다. 이것은, 가스 버너를 열원으로 하는 증발기에서 발생된 고온고압 증기의 에너지를 베인형 팽창기를 개재(介在)하여 기계 에너지로 변환하고, 그 결과로서 발생된 강온강압(降溫降壓) 증기를 응축기에서 복수(復水)시킨 후에 공급펌프에 의해 다시 증발기에 복귀시키도록 되어 있다.
또한, 본 출원인은, 내연기관의 폐열을 회수하기 위해, 폐열을 열원으로 하여 고온고압 증기를 발생시키는 증발기와, 이 고온고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기와, 이 팽창기로부터 배출된 강온강압 증기를 액화시키는 응축기를 구비한 내연기관의 폐열 회수장치를 제안하고 있다.
본 출원인에 의해 제안된 상기 팽창기와, 로터에 방사상으로 형성된 실린더에 피스톤을 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어, 로터의 중심에 배치한 고정축으로부터 각각의 실린더에 순차로 고온고압 증기를 공급하여 피스톤을 구동시킴으로써 로터를 회전시키도록 되어 있다. 중공(中空)의 고정축의 내부로부터 소정의 타이밍으로 각각의 실린더에 고온고압 증기를 공급하기 위한 회전밸브는, 실린더에 연통하는 통공(通孔)이 형성된 중공축의 내주면에 고온고압 증기를 도입시키는 카본(carbon)제의 시일 블록(seal block)을 탄력적으로 미끄럼 접합시킨 것으로서, 그 탄성 반발력은 스프링 및 고온고압 증기에 의해 작동하는 벨로우즈(bellows)에 의해 발생한다.
그런데 상기 일본국 특개평 6-88523호 공보에 개시된 팽창기는 비(非)용적형의 터빈식 팽창기이나, 용적형의 팽창기로서는 피스톤식 팽창기 및 베인식 팽창기가 공지되어 있다.
또한, 상기 일본국 특개소 59-41602호 공보, 일본국 특개소 60-206990호 공보에 개시된 것은 반경방향의 내외에 배치된 복수의 베인형 회전기계를 구비하고 있으나, 베인형 회전기계는 압력 에너지 및 기계 에너지의 변환기구의 구조가 간단하고, 컴팩트(compact)한 구조이면서, 대유량의 작동유체를 처리할 수 있는 반면, 베인의 미끄럼 운동부로부터의 작동유체의 누출량이 크기 때문에 고효율화가 어렵다고 하는 문제가 있다.
또한, 상기 일본국 특개소 64-29676호 공보에 개시된 레이디얼 플런저 펌프는, 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어진 피스톤에서 작동유체의 압축을 실행하기 때문에, 작동유체의 밀봉성이 높고, 고압의 작동유체를 사용하여도 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있는 반면, 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크 기구 및 경사판 기구가 필요하게 되어 구조가 복잡화한다는 문제가 있다.
따라서, 회전식 유체기계, 베인식 유체기계 혹은 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서, 피스톤식의 것이 갖는 이점과 베인식의 것이 갖는 이점(利點)을 함께 갖는 것이 바람직하다. 또한, 베인식 유체기계 혹은 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서, 베인의 미끄럼 운동부로부터의 작동유체의 누출량을 최소한으로 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 본 출원인에 의해 제안된 상기 팽창기에서는, 그 온도가 충분히 올라가지 않은 시동시에 로터의 실린더내의 고온고압 증기가 응축하여 액화되는 경우가 있고, 게다가 윤활 매체로서 사용하고 있는 물이 실린더내로 침입하는 가능성도 있다. 이렇게, 실린더에 물이 가두어진 상태에서 해당 실린더내에 피스톤이 이동하면, 실린더 및 피스톤의 정상적인 작동이 방해될 가능성이 있기 때문에, 실린더내에 가두어진 물을 속히 외부로 배출시킬 필요가 있다.
또한, 본 출원인에 의해 제안된 상기 팽창기는, 카본제의 시일 블록을 필요로 할 뿐만 아니라, 그것을 중공축의 내주면에 눌러 붙이기 위한 스프링 및 벨로우즈를 필요로 하기 때문에, 구조가 복잡화되어 부품 점수가 증가하는 문제가 있었다. 또한, 고온시에 카본제의 시일 블록 및 SUS계 금속의 중공축의 열팽창률의 차이에 의해 직경방향의 뒤틀림이 발생하고, 고온고압 증기의 일부가 로터의 구동에 기여하지 않고 누출될 가능성이 있었다.
본 발명은 팽창기 및/또는 압축기로서도 사용할 수 있는 회전식 유체기계 및 베인식 유체기계와, 내연기관의 폐열을 이용하여 기계 에너지를 취출(取出)하는 내연기관의 폐열 회수장치에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예의 내연기관의 폐열 회수장치의 개략도.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예의 팽창기의 종단면도(도 5의 2-2 선 단면도).
도 3은, 도 2의 회전축선 주위의 확대 단면도.
도 4는, 도 2의 4-4 선 단면도.
도 5는, 본 발명의 제1 실시예의 주요부를 확대한 도 2의 5-5 선 단면도.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예의 로터 챔버 및 로터의 단면 형상을 나타내는 설명도.
도 7은, 본 발명의 제1 실시예의 베인 본체의 정면도.
도 8은, 본 발명의 제1 실시예의 베인 본체의 측면도.
도 9는, 도 7의 9-9 선 단면도.
도 10은, 본 발명의 제1 실시예의 시일 부재의 정면도.
도 11은, 도 4의 회전축선 주위의 확대도.
도 12a 및 도 12b는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 실린더의 물빼기의 작용 설명도.
도 13a 및 도 13b는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 실린더의 물빼기의 작용 설명도.
도 14는, 도 13b의 14-14 선 단면도.
도 15a 및 도 15b는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 실린더의 물빼기의 작용 설명도.
도 16은, 상기 제2 내지 제4 실시예의 물빼기의 타이밍 설명도.
도 17은, 본 발명의 제5 실시예에서 상기 도 3에 대응하는 회전축선 주위의 확대 단면도.
도 18은, 본 발명의 제5 실시예에서 상기 도 11에 대응하는 회전축선 주위의 확대도.
도 19는, 도 17의 19부 확대도.
도 20은, 도 19의 20-20 선 확대 단면도.
도 21은, 도 19의 21-21 선 확대 단면도.
도 22는, 본 발명의 제6 실시예에서 상기 도 11에 대응하는 회전축선 주위의 확대도.
도 23은, 도 22의 23-23 선 화살 표시도.
도 24는, 본 발명의 제6 실시예에서 상기 도 3의 주요부에 대응하는 확대도.
도 25는, 도 24의 고정축을 파단(破斷)하지 않은 상태를 나타내는 도면.
본 발명은, 회전식 유체기계, 베인식 유체기계 혹은 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서, 피스톤식의 것이 갖는 이점과 베인식의 것이 갖는 이점을 함께 갖는 것을 제1의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 베인식 유체기계 혹은 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서, 로터 챔버(rotor chamber) 혹은 베인 간의 밀봉성을 크게 높이는 것을 제2의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 회전식 유체기계에 있어서, 시동시 등의 저온시에 실린더 내부에서 응축된 물이나, 윤활 매체로서 공급된 물이 실린더내에 가두어지는 것을 방지하는 것을 제3의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 부품 점수가 적은 간단한 구조로서 회전식 유체기계의 회전밸브로부터의 고압 유체의 누출을 확실히 방지할 수 있도록 하는 것을 제4의 목적으로 한다.
상기 제1의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1의 특징에 의하면, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 그 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 베인 피스톤 유닛(vane piston unit)을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛은, 상기 로터 챔버내를 미끄럼 운동하는 베인과, 그 베인의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤으로 이루어지고, 팽창기로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해서 상기 베인을 개재하여 상기 로터를 회전시키는, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터의 회전에 의해 상기 베인을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤측에 공급하고, 또한, 상기 베인에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는 것을 특징으로 하는 팽창기능 및 압축기능을 갖는 회전식 유체기계를 제안한다.
상기 제1의 특징에 의하면, 고압측의 일을 피스톤에 담당시키도록 하여, 누출 손실의 억제에 의한 효율 향상을 도모하고, 한편, 저압측의 일을 베인에 담당시키도록 하여, 대유량의 처리를 능률이 좋게 실행하도록 한, 팽창기능 및 압축기능을 갖는 회전식 유체기계를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제2의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제2의 특징에 의하면, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 그 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인을 구비하고, 상기 로터의 회전축선을 포함하는 가상 평면에 있어서의 상기 로터 챔버의 단면은, 직경을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부와, 두 직경의 한쪽의 대향단(對向端) 상호(相互) 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부로 이루어지고, 각각의 베인은 베인 본체와, 이 베인 본체에 장착되어 상기 로터 챔버에 스프링 힘으로써 압압(押壓)되는 시일 부재로서 이루어지며, 이 시일 부재는, 상기 로터 챔버의 상기 반원형 단면부에 따른 내주면을 미끄럼 운동하는 반원호(半圓弧) 형상부와, 상기 4각형 단면부에 따른 대향 내단면(內端面)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부를 갖는 것을 특징으로 하는 베인식 유체기계를 제안한다.
상기 제2의 특징에 의하면, 로터 챔버 및 베인 간의 밀봉성을 크게 높인 베인식 유체기계를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제1의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제3의 특징에 의하면, 내연기관의 폐열을 열원으로 하여 고압 증기를 발생시키는 증발기와, 상기 고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기와, 이 팽창기로부터 배출된 저압 증기를 액화시키는 응축기를 갖는 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서, 상기 팽창기는, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 이 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛은, 상기 로터 챔버내를 미끄럼 운동하는 베인과, 이 베인의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤으로 이루어지고, 상기 고압 증기의 팽창에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 상기 베인을 개재하여 상기 로터를 회전시킴과 동시에 상기 고압 가스의 압력 강하에 의한 저압 가스의 팽창에 의해서 상기 베인을 개재하여 상기 로터를 회전시키도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치를 제공한다.
상기 제3의 특징에 의하면, 팽창기에 있어서, 상기와 같이 고압측의 일을 피스톤에 담당시키면, 누출 손실을 억제하여 효율을 높일 수 있고, 한편, 저압측의 일을 베인에 담당시키면, 대유량의 처리를 능률이 좋게 실행할 수 있음으로써 내연기관의 폐열로부터 높은 출력을 취출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 제2의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제4의 특징에 의하면, 내연기관의 폐열을 열원으로 하여 고압 증기를 발생시키는 증발기와, 상기 고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기와, 이 팽창기로부터 배출된 저압 증기를 액화시키는 응축기를 갖는 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서, 상기 팽창기는, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 이 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인을 구비하고, 상기 로터의 회전축선을 포함하는 가상 평면에 있어서의 상기 로터 챔버의 단면은, 직경을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부와, 두 직경의 한쪽의 대향단(對向端) 상호(相互) 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부로 이루어지고, 각각의 베인은 베인 본체와, 이 베인 본체에 장착되어 상기 로터 챔버에 스프링 힘으로써 압압되는 시일 부재로서 이루어지며, 이 시일 부재는, 상기 로터 챔버의 상기 반원형 단면부에 따른 내주면을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부와, 상기 4각형 단면부에 따른 대향 내단면(內端面)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치를 제안한다.
상기 제4의 특징에 의하면, 베인식 팽창기에 있어서, 로터 챔버 및 베인 간의 밀봉성을 충분히 제고하여, 고압하에서의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제3의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제5의 특징에 의하면, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 이 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛은, 상기 로터 챔버내를 미끄럼 운동하는 베인과, 이 베인의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤으로 이루어지고, 팽창기로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해서 상기 베인을 개재하여 상기 로터를 회전시키는, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터의 회전에 의해 상기 베인을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤측에 공급하고, 또한, 상기 베인에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는 팽창기능 및 압축기능을 갖는 회전식 유체기계에 있어서, 상기 로터에 형성된 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤의 스트로크(stroke)중에 해당 피스톤 및 실린더의 기밀을 유지하고, 또한, 피스톤의 스트로크 엔드(stroke end)에서 실린더내에 잔류된 유체를 실린더의 외부로 배출하는 유체 배출수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계를 제안한다.
상기 제5의 특징에 의하면, 윤활매체로서 사용되는 물이 실린더내에 침입하는 경우나, 팽창기로서 기능하는 회전식 유체기계의 저온 시동시 등에 로터의 실린더내의 고온고압 증기가 응축하여 액화되는 경우에 있어서도, 실린더내에 가두어진 물을 피스톤의 스트로크 엔드에서 유체 배출수단에 의해 신속히 외부로 배출하여, 실린더내에서의 피스톤의 정상적인 작동이 방해받는 것을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 상기 제4의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제6의 특징에 의하면, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 이 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛은, 상기 로터 챔버내를 미끄럼 운동하는 베인과, 이 베인의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤으로 이루어지고, 팽창기로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해서 상기 베인을 개재하여 상기 로터를 회전시키는, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터의 회전에 의해 상기 베인을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤측에 공급하고, 또한, 상기 베인에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는 팽창기능 및 압축기능을 갖는 회전식 유체기계에 있어서, 상기 로터에 형성된 실린더에 고압 유체를 공급ㆍ배출하는 제1통로와, 해당 실린더로부터 로터 챔버에 저압 유체를 공급ㆍ배출하는 제2통로를 고정축내에 형성하고, 로터와 일체로 회전하여 상기 제1통로 혹은 상기 제2통로를 실린더에 선택적으로 접속시키는 절환기구를 상기 고정축에 상대회전 가능하며 또한, 밀봉 상태로 끼워 맞추는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계를 제안한다.
상기 제6의 특징에 의하면, 로터와 일체로 회전하여 제1통로 혹은 제2통로를 실린더에 선택적으로 연통(蓮通)시키는 절환기구가 고정축에 상대회전 가능하며, 또한, 밀봉 상태로 끼워 맞추었기 때문에, 고정축 및 절환기구 간의 공차를 관리하는 것만으로써, 스프링이나 벨로우즈와 같은 특별한 가세(加勢) 수단을 필요로 하지 않아, 부품 점수가 적은 간단한 구조로서 고압 유체의 누출을 확실히 방지할 수 있다.
또한, 상기 제4의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제7의 특징에 의하면, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 이 로터 챔버내에 수용된 로터와, 상기 로터에, 그 회전축선 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛은, 상기 로터 챔버내를 미끄럼 운동하는 베인과, 이 베인의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤으로 이루어지고, 팽창기로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해서 상기 베인을 개재하여 상기 로터를 회전시키는, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터의 회전에 의해 상기 베인을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤측에 공급하고, 또한, 상기 베인에 의해 상기 피스톤을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는 팽창기능 및 압축기능을 갖는 회전식 유체기계에 있어서, 상기 로터에 형성된 실린더에 고압 유체를 공급ㆍ배출하는 제1통로와, 해당 실린더로부터 로터 챔버에 저압 유체를 공급ㆍ배출하는 제2통로를 고정축내에 형성하고, 로터와 일체로 회전하여 상기 제1통로 혹은 상기 제2통로를 실린더에 선택적으로 연통시키는 절환기구를 상기 고정축에 상대회전 가능하며 또한, 밀봉 상태로 끼워 맞추어, 고정축 및 절환기구의 미끄럼 운동면에 상기 제1통로의 외주를 포위하는 포트(port) 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계를 제안한다.
상기 제7의 특징에 의하면, 로터와 일체로 회전하여 제1통로 혹은 제2통로를 실린더에 선택적으로 연통시키는 절환기구가 고정축에 상대회전 가능하고 또한, 밀봉 상태로 끼워 맞추어 있고, 또한, 고정축 및 절환기구의 미끄럼 운동면에 제1통로의 외주를 포위하는 포트 홈을 형성하였기 때문에, 제1통로로부터 공급된 고압 유체가 절환기구를 경유하여 실린더에 유입되지 않고 누출되는 경우, 혹은 피스톤에서 압축된 고압 유체가 제1통로에 공급되지 않고 누출되는 경우에도, 이 고압 유체를 상기 포트 홈에서 포착하여 외부로의 누출을 최소한으로 억제할 수 있음으로써, 회전식 유체기계를 팽창기로서 사용하는 경우에는 출력 성능의 향상을 도모하고, 회전식 유체기계를 압축기로서 사용하는 경우에는 압축 성능의 향상을 도모할 수 있다.
우선, 도 1 내지 도 11을 근거하여, 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.
도 1에 있어서, 내연기관(1)의 페열 회수장치(2)는, 내연기관(1)의 페열, 예를 들어 배기 가스를 열원으로 하여, 고압 상태의 액체, 예를 들면 물로부터 온도 상승을 도모한 고압상태의 증기, 요컨대 고온고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 이 고온고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기(4)와, 이 팽창기(4)로부터 배출되는, 상기 팽창후의, 온도 및 압력이 강하(降下)된 증기, 요컨대 강온강압(降溫降壓) 증기를 액화시키는 응축기(5)와, 응축기(5)로부터의 액체, 예를 들어 물을 증발기(3)에 가압(加壓) 공급하는 공급펌프(6)를 갖춘다.
팽창기(4)는 특수한 구조를 갖는 것으로서, 다음과 같이 구성된다.
도 2 내지 도 5에 있어서, 케이싱(7)은 금속제의 제1 및 제2 반체(半體)(8, 9)로서 구성된다. 두개의 반체(8, 9)는, 대략 타원형의 오목부를 갖는 주체(主體)(11)와, 이들 주체(11)와 일체의 원형 플랜지(flange)(12)로서 이루어지고, 두개의 원형 플랜지(12)를 금속 개스킷(gasket)(13)을 개재하여 포갬으로써 대략 타원형의 로터 챔버(14)가 형성된다. 또한, 제1 반체(8)의 주체(11) 외면(外面)은, 셸(shell)형 부재(15)의 깊은 사발 형을 이루는 주체(16)에 의해 감싸져 있고, 이 주체(16)와 일체의 원형 플랜지(17)가 제1 반체(8)의 원형 플랜지(12)에 개스킷(18)을 개재하여 포개지며, 3개의 원형 플랜지(12, 12, 17)는, 그들의 원주방향 복수 개소에서 볼트(19)에 의해 체결된다. 이로써, 셸형 부재(15) 및 제1 반체(8)의 두 주체(11, 16) 간에는 중계 챔버(20)가 형성된다.
두 반체(8, 9)의 주체(11)는, 그들의 외면에 바깥으로 돌출하는 중공(中共) 축받침 원통(21, 22)을 갖추고, 이들 중공 축받침 원통(21, 22)에, 로터 챔버(14)를 관통하는 중공의 출력축(23)의 대직경부(大直徑部)(24)가 축받침 메탈(metal)(또는 수지제 축받침)(25)을 개재하여 회전 가능하게 지지된다. 이로써 출력축(23)의 축선(L)은 대략 타원형을 이루는 로터 챔버(14)에 있어서 긴 직경과 짧은 직경의 교점을 통과한다. 또한, 출력축(23)의 소직경부(26)는, 제2 반체(9)의 중공 축받침 원통(22)에 존재하는 구멍부(27)로부터 외부로 돌출하여 전동축(28)과 스플라인(spline) 결합부(29)를 개재하여 연결된다. 소직경부(26) 및 구멍부(27) 사이는 2개의 시일링(seal ring)(30)에 의해 밀봉된다.
로터 챔버(14)내에 원형의 로터(31)가 수용되고, 그 중심의 축부착 구멍(32)과 출력축(23)의 대직경부(24)가 끼워 맞춤 관계로 있으며, 양자(31, 24) 간에는 톱니가 맞물리는 결합부(33)가 설치되어 있다. 이로써 로터(31)의 회전축선은 출력축(23)의 축선(L)과 합치되어서, 그 회전축선의 부호로서 「L」을 공용한다.
로터(31)에, 그 회전축선(L)을 중심으로 축부착 구멍(32)으로부터 방사상으로 연장하는 복수(예컨대, 본 실시예에서는 12개)의 슬롯(slot) 형상 공간(34)이 원 형상에 등간격으로 형성되어 있다. 각각의 공간(34)은, 원주방향 폭이 좁고, 또한, 로터(31)의 두 단면(端面)(35) 및 외주면(36)에 일련(一連)으로 개구되도록, 두 단면(35)에 직교하는 가상 평면내에서 대략 U자형을 이룬다.
각각의 슬롯 형상 공간(34)내에, 동일 구조의 제1 내지 제12 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)이, 다음과 같이 방사방향으로 왕복운동이 자유롭게 장착된다. 대략 U자형의 공간(34)에 있어서, 그 내원주측을 구획하는 부분(37)에 단부공(段付孔) (38)이 형성되고, 이 단부공(38)에, 세라믹(또는 카본)으로 이루어진 단부형 실린더 부재(39)가 끼워 맞추어진다. 실린더 부재(39)의 소직경부(a) 단면(端面)은 출력축(23)의 대직경부(24) 외주면에 맞닿고, 그 소직경 구멍(b)이 대직경부(24) 외주면에 개구하는 통공(c)에 연통한다. 또한, 실린더 부재(39)의 외측에, 그 부재(39)와 동축상에 위치하도록 안내통(40)이 배치된다. 이 안내통(40)의 외단부(外端部)는, 로터(31) 외주면에 존재하는 공간(34)의 개구부에 걸리며, 또한, 내단부는 단부공(38)의 대직경 구멍(d)에 끼워 맞추어져 실린더 부재(39)에 맞닿는다. 또한, 안내통(40)은, 그 외단부로부터 내단부 근방까지 서로 대향하여 연장하는 1쌍의 긴 홈(e)을 갖추고, 두개의 긴 홈(e)은 공간(34)에 대면한다. 실린더 부재(39)의 대직경 실린더 구멍(f)내에 세라믹으로 이루어진 피스톤(41)이 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지고, 이 피스톤(41)의 선단부측은 항상 안내통(40)내에 위치한다.
도 2 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 로터(31)의 회전축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)내에 있어서의 로터 챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)에 상호 대향하는 1쌍의 반원형 단면부(B1)와, 두 반원형 단면부(B1)의 두 직경(g)의 한쪽 대향단 상호 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부(B2)로 이루어져, 대략 경기용 트랙 형상이 된다. 도 6에 있어서, 실선으로 나타낸 부분이 긴 직경을 포함하는 최대 단면을 나타내고, 한편, 일부를 2점 쇄선으로 나타낸 부분이 짧은 직경을 포함하는 최소 단면을 나타낸다. 로터(31)는, 도 6에 점선으로 나타낸 바와 같이, 로터 챔버(14)의 짧은 직경을 포함하는 최소 단면보다도 약간 작은 단면(D)을 갖는다.
도 2 및 도 7 내지 도 10에서 명확히 나타내는 바와 같이, 베인(42)은 대략 U자 판형(말굽형)을 이루는 베인 본체(43)와, 이 베인 본체(43)에 장착된 대략 U자 판형을 이루는 시일 부재(44)와, 베인 스프링(58)으로 구성된다.
베인 본체(43)는, 로터 챔버(14)의 반원형 단면부(B1)에 의한 내주면(45)에 대응한 반원호 형상부(46)와, 4각형 단면부(B2)에 의한 대향 내단면(47)에 대응한 1쌍의 평행부(48)를 갖는다. 각각의 평행부(48)의 단부측에 コ자형의 노치(notch)(49)와, 이들의 저면에 개구하는 4각형의 막힌 구멍(50)과, 각각의 노치(49)보다도, 더욱 단부측에 있어서 바깥으로 돌출하는 단축(短軸)(51)이 설치된다. 또한, 반원호 형상부(46) 및 두 평행부(48)의 외주 부분에, 바깥으로 향해 개구하는 U자 홈(52)이 일련으로 형성되고, 이 U자 홈(52)의 두 단부(端部)는 두개의 노치(49)에 각각 연통한다. 또한, 반원호 형상부(46)의 두 평면 부분에 각각 1쌍의 일부 원형 단면의 돌출 줄기(53)가 형성되어 있다. 두개의 돌출 줄기(53)는 이들에 의한 가상 원주의 축선(L1)이 두 평행부(48) 간의 간격을 2등분하고, 또한, 반원호 형상부(46)를 원주방향으로 2등분하는 직선에 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 두개의 돌출 줄기(53)의 내단부는 두 평행부(48) 간의 공간에 약간 돌출되어 있다.
시일 부재(44)는 예를 들어 PTFE로서 구성된 것으로서, 로터 챔버(14)의 반원형 단면부(B1)에 의한 내주면(45)을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 4각형 단면부(B2)에 의한 대향 내단면(47)을 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는다. 또한, 반원호 형상부(55)의 내주면측에 1쌍의 탄성 원호(57)가 안쪽에 반발하도록 설치되어 있다.
베인 본체(43)의 U자 홈(52)에 시일 부재(44)가 장착되고, 또한, 각각의 막힌 구멍(50)에 베인 스프링(58)이 끼워 맞추어지며, 또한, 각각의 단축(短軸)(51)에 볼베어링 구조의 롤러(59)가 취부된다. 각각의 베인(42)은 로터(31)의 각각의 슬롯 형상 공간(34)에 미끄럼 운동이 자유롭게 수용되어 있으며, 이 때, 베인 본체(43)의 두개의 돌출 줄기(53)는 안내통(40)내에, 또한, 두 돌출 줄기(53)의 양측 부분은 안내통(40)의 2개의 긴 홈(e)내에 각각 위치하고, 이것에 의해 두 돌출 줄기(53)의 내단면이 피스톤(41)의 외단면과 맞닿을 수 있다. 두 롤러(59)는 제1, 제2 반체(8, 9)의 대향 내단면(47)에 형성된 대략 타원형의 환상 홈(60)에 회전운동이 자유롭게 각각 걸어 맞추어지게 된다. 이들 환상 홈(60) 및 로터 챔버(14) 사이의 거리는 이들의 전(全) 원주에 걸쳐 일정하다. 또한, 피스톤(41)의 전진운동을 베인(42)을 개재하여 롤러(59)와 환상 홈(60)의 걸림에 의해 로터(31)의 회전운동으로 변환시킨다.
이 롤러(59)와 환상 홈(60)의 협동으로, 도 5에 명시한 바와 같이, 베인 본체(43)의 반원호 형상부(46)에 있어서 반원호 형상 선단면(61)은 로터 챔버(14)의 내주면(45)으로부터, 또한, 두 평행부(48)는 로터 챔버(14)의 대향 내단면(47)으로부터 각각 항상 떨어져 간격을 이룸으로써 마찰 손실의 경감을 도모하고 있다. 그리고, 2조 1쌍으로서 구성되어 있는 환상 홈(60)에 의해 궤도가 규제되기 때문에, 좌우의 궤도 오차에 의해 롤러(59)를 개재하여 베인(42)은 축방향으로 미소한 변위각의 회전을 이루고, 로터 챔버(14)의 내주면(45)과의 접촉 압력을 증대시킨다. 이 때, 대략 U자 판형(말굽형)을 이루는 베인 본체(43)에서는, 4각형(장방형) 베인에 비해서 케이싱(7)과의 접촉부의 직경방향 길이가 짧아서, 그 변위량을 대폭 작게 할 수 있다. 또한, 도 2에 명시한 바와 같이, 시일 부재(44)에 있어서, 그것의 두 평행부(56)는 각각 베인 스프링(58)의 탄성 반발력에 의해 로터 챔버(14)의 대향 내단면(47)에 밀착되며, 특히 두 평행부(56)의 단부와 베인(42) 사이를 통해서 환상 홈(60)으로의 밀봉작용을 행한다. 또한, 반원호 형상부(55)는, 두 탄성 원호(57)가 베인 본체(43) 및 로터 챔버(14)내의 내주면(45) 사이에서 눌려 압착됨으로써, 그 내주면(45)에 밀착된다. 즉, 4각형(장방형) 베인에 대해서 대략 U자 판형의 베인(42)의 쪽이 변곡점을 갖지 않음으로써, 밀착이 양호하게 된다. 4각형 베인은 각부(角部)가 있으며, 밀봉성 유지가 곤란하다. 따라서, 베인(42) 및 로터 챔버(14) 간의 밀봉성이 양호하게 된다. 또한, 열팽창에 수반하여, 베인(42)과 로터 챔버(14)는 변형한다. 이 때, 4각형 베인에 대해 대략 U자형의 베인(42)은 보다 균일하게 상사형(相似形)을 갖고 변형하기 때문에, 베인(42)과 로터 챔버(14)와의 공차의 벗어남이 작게 되고, 밀봉성도 양호하게 유지 가능하다.
도 2 및 도 3에 있어서, 출력축(23)의 대직경부(24)는 제2 반체(9)의 축받침 메탈(25)에 지지된 두께가 두꺼운 부분(62)과, 이 두께가 두꺼운 부분(62)으로부터 연장하여 제1 반체(8)의 축받침 메탈(25)에 지지된 두께가 얇은 부분(63)을 갖는다. 이 두께가 얇은 부분(63)내에 세라믹(또는 금속)으로 이루어진 중공축(中空軸) (64)이 출력축(23)과 일체로 회전하도록 끼워 붙여진다. 이 중공축(64)의 내측에 고정축(65)이 배치되고, 이 고정축(65)은 로터(31)의 축선방향 두께내에 수용되도록 중공축(64)에 끼워 맞추어진 대직경 중실부(中實部)(66)와, 출력축(23)의 두께가 두꺼운 부분(62)에 존재하는 구멍부(67)에 2개의 시일링(68)을 개재하여 끼워 맞추어진 소직경 중실부(69)와, 대직경 중실부(66)로부터 연장하여 중공축(64)내에 끼워 맞추어진 두께가 얇은 중공부(70)로 이루어진다. 이 중공부(70)의 단부 외주면과 제1 반체(8)의 중공 축받침통(21) 내주면과의 사이에 시일링(71)이 개재한다.
셸형 부재(15)의 주체(16)에 있어서, 그 중심부 내면에, 출력축(23)과 동축상에 존재하는 중공 통체(筒體)(72)의 단벽(端壁)(73)이 시일링(74)을 개재하여 부착된다. 이 단벽(73)의 외주부로부터 내측방향으로 연장하는 짧은 외부 통부(筒部)(75)의 내단측(內端側)은 제1 반체(8)의 중공 축받침통(21)에 연결통(76)을 개재하여 연결된다. 단벽(73)에 그것을 관통하도록 소직경으로서, 또한, 긴 내관부(內管部)(77)가 설치되며, 이 내관부(77)의 내단측은 거기서부터 돌출하는 짧은 중공 접속관(78)과 함께 고정축(65)의 대직경 중실부(66)에 존재하는 단부공(h)에 끼워 붙여진다. 내관부(77)의 외단(外端) 부분은 셸형 부재(15)의 구멍부(79)로부터 외측방향으로 돌출하고, 이 외단 부분으로부터 내관부(77)내로 끼워 통하는 제1의 고온고압 증기용 도입관(80)의 내단측이 중공 접속관(78)내에 끼워 붙여진다. 내관부(77)의 외단 부분에는 캡(cap) 부재(81)가 나사로 장착되고, 이 캡 부재(81)에 의해서, 도입관(80)을 유지하는 홀더(holder) 통(82)의 플랜지(83)가 내관부(77)의 외단면에 시일링(84)을 개재하여 압착된다.
도 2 내지 도 4 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 고정축(65)의 대직경 중실부(中實部)(66)에, 제1 내지 제12 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)의 실린더 부재(39)에, 중공축(64) 및 출력축(23)에 일련으로 형성된 복수(예컨대, 이 실시예에서는 12개)의 통공(c)을 개재하여 고온고압 증기를 공급하고, 또한, 실린더 부재(39)로부터 팽창후의 제1의 강온강압 증기를 통공(c)을 개재하여 배출하는 회전밸브(V)가 다음과 같이 설치되어 있다.
도 11에는 팽창기(4)의 각각의 실린더 부재(39)에 소정의 타이밍으로서 증기를 공급ㆍ배출하는 회전밸브(V)의 구조가 나타나 있다. 대직경 중실부(66)내에 있어서, 중공 접속관(78)에 연통하는 공간(85)으로부터 상호 반대방향으로 연장하는 제1, 제2 구멍부(86, 87)가 형성되고, 제1, 제2 구멍부(86, 87)는 대직경 중실부(66)의 외주면에 개구하는 제1, 제2 오목부(88, 89)의 저면에 개구한다. 제1, 제2 오목부(88, 89)에, 공급구(90, 91)를 갖는 카본제의 제1, 제2 시일 블록(92, 93)이 장착되며, 이들의 외주면은 중공축(64) 내주면에 미끄럼 마찰된다. 제1, 제2 구멍부(86, 87)내에는 동축상에 있는 짧은 제1, 제2 공급관(94, 95)이 여유를 두고 삽입되며, 제1, 제2 공급관(94, 95)의 선단측 외주면에 끼워 맞춘 제1, 제2시일통(96, 97)의 테이퍼 외주면(i, j)이 제1, 제2 시일 블록(92, 93)의 공급구(90, 91)보다도 내측에서 그것에 연하는 테이퍼 구멍(k, m) 내주면에 끼워 맞추어진다. 또한, 대직경 중실부(66)에, 제1, 제2 공급관(94, 95)을 둘러싸는 제1, 제2 환상 오목부(n, o)와, 그것에 인접하는 제1, 제2 막힌 구멍 형상 오목부(p, q)가 제1, 제2 시일 블록(92, 93)에 대면하도록 형성되고, 제1, 제2 환상 오목부(n, o)는 일단측(一端側)을 제1, 제2 시일통(96, 97) 외주면에 끼워 붙인 제1, 제2 벨로우즈 형상 탄성체(98, 99)가, 또한, 제1, 제2 막힌 구멍 형상 오목부(p, q)에는 제1, 제2 코일 스프링(100, 101)이 각각 수용되며, 제1, 제2 벨로우즈 형상 탄성체(98, 99) 및 제1, 제2 코일 스프링(100, 101)의 탄성 반발력으로써 제1, 제2 시일 블록(92, 93)을 중공축(64) 내주면에 압압한다.
또한, 대직경 중실부(66)에 있어서, 제1 코일 스프링(100) 및 제2 벨로우즈 형상 탄성체(99) 사이, 및 제2 코일 스프링(101) 및 제1 벨로우즈 형상 탄성체(98) 사이에, 항상 2개의 통공(c)에 연통하는 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103)와, 이들 배출부(102, 103)로부터 도입관(80)과 평행으로 연장하여 고정축(65)의 중공부(r)내에 개구하는 제1, 제2 배출공(104, 105)이 형성되어 있다.
상기 제1 시일 블록(92) 및 제2 시일 블록(93)과 같이, 동종 부재에서, 「제1」과 「제2」의 의미는, 고정축(65)의 축선에 관하여 점대칭의 관계에 있는 것을 말한다.
고정축(65)의 중공부(r)내 및 중공통체(72)의 외부 통부(75)내는 제1의 강온강압 증기의 통로(s)이고, 이 통로(s)는, 외부 통부(75)의 원주벽을 관통하는 복수의 통공(t)을 개재하여 중계 챔버(20)에 연통된다.
이상과 같이 회전밸브(V)를 팽창기(4)의 중심에 배치하고, 회전밸브(V)의 중심에 배치한 고정축(65)의 내부를 통해서 공급한 고온고압 증기를 로터(31)의 회전에 수반하여 각각의 실린더 부재(39)에 배분하고 있기 때문에, 통상적인 피스톤 기구에 사용되는 흡배기 밸브가 불필요하게 되어 구조가 간략화 된다. 또한, 회전밸브(V)는 고정축(65)과 중공축(64)이 원주 속도가 작은 소직경부에서 상호 미끄럼 운동하기 때문에, 밀봉성 및 내마모성을 양립시킬 수 있다.
도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 반체(8)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터 챔버(14)의 단경(短徑)의 양 단부 근방에, 반경방향으로 나란한 복수의 도입 구멍(106)으로 이루어진 제1, 제2 도입공 군(群)(107, 108)이 형성되고, 중계 챔버(20)내의 제1의 강온강압 증기가 이들 도입공 군(107, 108)을 경유하여 로터 챔버(14)내로 도입된다. 또한, 제2 반체(9)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터 챔버(14)의 장경(長徑)의 일단부와 제2 도입공 군(108)과의 사이에, 반경방향 및 원주방향으로 나란한 복수의 도출 구멍(109)으로 이루어진 제1 도출공 군(110)이 형성되며, 또한, 장경의 타단부와 제1 도입공 군(107)과의 사이에, 반경방향 및 원주방향으로 나란한 복수의 도출 구멍(109)으로 이루어진 제2 도출공 군(111)이 형성된다. 이들 제1, 제2 도출공 군(110, 111)으로부터는, 서로 인접하는 양 베인(42) 간에서의 팽창에 의해, 더욱 온도 및 압력이 강하한 제2의 강온강압 증기가 외부로 배출된다.
출력축(23) 등은 물에 의해 윤활되도록 되어 있고, 그 윤활 수로(水路)는 다음과 같이 구성된다. 즉, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 제2 반체(9)의 중공 축받침통(22)에 형성된 급수 구멍(112)에 급수관(113)이 접속된다. 급수 구멍(112)은, 제2 반체(9)측의 축받침 메탈(25)이 대면하는 하우징(housing)(114)에, 또한, 이 하우징(114)은 출력축(23)의 두께가 두꺼운 부분(62)에 형성된 통수(通水) 구멍(u)에, 또한, 이 통수 구멍(u)은 중공축(64)의 외주면 모선(母線)방향으로 연장하는 복수의 통수 홈(v)(도 11도 참조)에, 또한, 각각의 통수 홈(v)은 제2 반체(8)측의 축받침 메탈(25)이 대면하는 하우징(115)에 각각 연통한다. 또한, 출력축(23)의 두께가 두꺼운 부분(62) 내단면(內端面)에, 통수 구멍(u)과, 중공축(64) 및 고정축(65)의 대직경 중실부(66) 간의 미끄럼 운동 부분을 연통하는 환상 오목부(w)가 설치되어 있다.
이것에 의해, 각각의 축받침 메탈(25) 및 출력축(23) 사이, 및 중공축(64) 및 고정축(65) 사이가 물에 의해 윤활되며, 또한, 두 축받침 메탈(25) 및 출력축(23) 간의 간극(間隙)으로부터, 로터 챔버(14)내에 진입된 물에 의해서, 케이싱(7)과, 시일 부재(44) 및 각각의 롤러(59)와의 사이의 윤활이 행하여진다.
도 4에 있어서, 로터(31)의 회전축선(L)에 관하여 점대칭의 관계에 있는 제1 및 제7 베인 피스톤 유닛(U1, U7)은 마찬가지의 동작을 행한다. 이것은, 점대칭의 관계에 있는 제2, 제8 베인 피스톤 유닛(U2, U8)등에 관하여도 동일하다.
예를 들면, 도 11도 참조하여, 제1 공급관(94)의 축선이 로터 챔버(14)의 단경 위치(E)보다도 도 4에 있어서 반시계방향측에 약간 벗어나 있고, 또한, 제1 베인 피스톤 유닛(U1)이 상기 단경 위치(E)에 있어서, 그 대직경 실린더 구멍(f)에는 고온고압 증기는 공급되지 않고, 따라서 피스톤(41) 및 베인(42)은 후퇴 위치에 있게 된다.
이 상태로부터 로터(31)를 약간, 도 4의 반시계방향으로 회전시키면, 제1 시일 블록(92)의 공급구(90)와 통공(c)이 연통하여 도입관(80)으로부터의 고온고압 증기가 소직경 구멍(b)을 통해서 대직경 실린더 구멍(f)에 도입된다. 이것에 의해 피스톤(41)이 전진하고, 이 전진운동은 베인(42)이 로터 챔버(14)의 장경 위치(F)측에 미끄럼 운동함으로써, 베인(42)을 개재하여 해당 베인(42)과 일체의 롤러(59)를 환상 홈(60)과의 걸림에 의해 로터(31)의 회전운동으로 변환시킨다. 통공(c)이 공급구(90)로부터 벗어나면, 고온고압 증기는 대직경 실린더 구멍(f)내에서 팽창하여 피스톤(41)을 계속해서 전진시킴으로써 로터(31)의 회전이 계속 행하여진다. 이 고온고압 증기의 팽창은 제1 베인 피스톤 유닛(U1)이 로터 챔버(14)의 장경(長徑) 위치(F)에 도달하면 종료된다. 그 후는, 로터(31)의 회전에 수반하여 대직경 실린더 구멍(f)내의 제1의 강온강압 증기는, 베인(42)에 의해 피스톤(41)이 후퇴함으로써, 소직경 구멍(b), 통공(c), 제1 오목 형상 배출부(102), 제1 배출공(104), 통로(s)(도 3 참조) 및 각각의 통공(t)을 경유하여 중계 챔버(20)에 배출되며, 이어서 도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 도입공 군(107)을 통해서 로터 챔버(14)내에 도입되어, 서로 인접하는 베인(42) 사이에서 더욱 팽창하여 로터(31)를 회전시키고, 그 후 제2의 강온강압 증기가 제1 도출공 군(110)에서 외부로 배출된다.
이와 같이, 고온고압 증기의 팽창에 의해 피스톤(41)을 작동시켜서 베인(42)을 개재하여 로터(31)를 회전시키며, 또한, 고온고압 증기의 압력 강하에 의한 강온강압 증기의 팽창에 의해 베인(42)을 개재하여 로터(31)를 회전시킴으로써 출력축(23)에서 출력이 얻어진다.
또한, 실시예 이외에서도, 피스톤(41)의 전진운동을 로터(31)의 회전운동으로 변환시키는 구성으로서, 베인(42)을 개재하지 않고, 피스톤(41)의 전진운동을 직접 롤러(59)에서 받아서, 환상 홈(60)과의 걸림으로써 회전운동으로 변환시킬 수도 있다. 또한, 베인(42)도 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 협동에 의해, 전술한 바와 같이 로터 챔버(14)의 내주면(45) 및 대향 내단면(47)으로부터 대략 일정 간격에서 항상 이격되어 있으면 좋고, 피스톤(41)과 롤러(59), 및 베인(42)과 롤러(59) 각각이 각별히 환상 홈(60)과 협동하여도 된다.
상기 팽창기(4)를 압축기로서 사용하는 경우에는, 출력축(23)에 의해 로터(31)를 도 4에서 시계방향으로 회전시켜서, 베인(42)에 의해, 유체로서의 외기를 제1, 제2 도출공 군(110, 111)으로부터 로터 챔버(14)내로 흡입하고, 이렇게 하여 얻어진 저압축 공기를 제1, 제2 도입공 군(107, 108)으로부터 중계 챔버(20), 각각의 통공(t), 통로(s), 제1, 제2 배출공(104, 105), 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103), 통공(c)을 경유하여 대직경 실린더 구멍(f)에 공급하고, 또한, 베인(42)에 의해 피스톤(41)을 작동시켜서 저압 공기를 고압 공기로 변환시키고, 이 고압 공기를 통공(c), 공급구(90, 91), 및 제1, 제2 공급관(94, 95)을 경유하여 도입관(80)에 도입하는 것이다.
상기 각종 구성 요소를 이용하여, 도 5로부터 명백해지는 바와 같이, 베인식 유체기계, 예를 들면 베인 펌프, 베인 모터, 송풍기, 베인 압축기 등을 구성하는 것이 가능하다. 즉, 베인식 유체기계는, 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어서 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인(42)을 구비하고, 로터(31)의 회전축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)에 있어서의 로터 챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부(B1)와, 두 직경(g)의 한쪽의 대향단(對向端) 상호(相互) 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부(B2)로 이루어지고, 각각의 베인(42)은 베인 본체(43)와, 이 베인 본체(43)에 장착되어 로터 챔버(14)에 스프링 힘, 원심력 및 증기력을 가지고 압압되는 시일 부재(44)로서 이루어지며, 이 시일 부재(44)는, 로터 챔버(14)의 반원형 단면부(B1)에 의해 내주면(45)을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 4각형 단면부(B2)에 의해 대향 내단면(內端面)(47)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는다. 이 경우, 각각의 베인 본체(43)는, 시일 부재(44)의 두 평행부(56)에 대응하는 1쌍의 평행부(48)를 가지며, 각각의 베인 본체(43)의 선단면을 로터 챔버(14)의 내주면(45)으로부터 항상 이격시키도록, 두 평행부(48)에 설치된 롤러(59)를 케이싱(7)의 대향 내단면(47)에 형성된 두개의 환상 홈(60)에 각각 회전운동이 자유롭게 걸어 맞춘다.
따라서, 베인 본체(43)와 로터 챔버(14)의 내주면과의 사이의 밀봉 작용은, 시일 부재(44) 자체의 스프링 힘과, 시일 부재(44) 자체에 작용하는 원심력과, 고압측의 로터 챔버(14)로부터 베인 본체(43)의 U자 홈(52)에 침입한 증기가 시일 부재(44)를 눌러 올리는 증기압에 의해 발생한다. 이와 같이, 상기 밀봉 작용은, 로터(31)의 회전수에 대응해서 베인 본체(43)에 작용하는 과도한 원심력의 영향을 받지 않게 되어, 밀봉면 압력은 베인 본체(43)에 가해지는 원심력에 의존하지 않고, 항상 양호한 밀봉성과 저 마찰성을 양립시킬 수 있다.
그런데, 상기 일본국 특개소 59-41602호 공보, 일본국 특개소 60-206990호 공보에 개시된 것은 반경방향의 내외에 배치된 복수의 베인형 회전기계를 구비하고 있으나, 베인형 회전기계는 압력 에너지 및 기계 에너지의 변환기구의 구조가 간단하고, 컴팩트한 구조이면서 대유량의 작동유체를 처리할 수 있는 반면, 베인의 미끄럼 운동부로부터의 작동유체의 누출량이 크기 때문에 고효율화가 어렵다고 하는 문제가 있다.
또한, 상기 일본국 특개소 64-29676호 공보에 개시된 레이디얼 플런저 펌프는, 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어진 피스톤에서 작동유체의 압축을 실행하기 때문에, 작동유체의 밀봉성이 높고, 고압의 작동유체를 사용하여도 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있는 반면, 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 크랭크 기구 및 경사판 기구가 필요하게 되어 구조가 복잡화한다는 문제가 있다.
따라서, 회전식 유체기계에 있어서, 피스톤식의 것이 갖는 이점과 베인식의 것이 갖는 이점을 함께 갖는 것이 바람직하다.
그래서, 이상 설명한 팽창기(4)에서는, 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1 에너지 변환수단과, 베인(42)으로 구성되는 제2 에너지 변환수단이 공통의 로터(31)에 설치되어 있고, 직렬로 접속된 제1, 제2 에너지 변환수단의 협동에 의해서 고온고압 증기의 에너지를 기계 에너지로서 출력축(23)에 취출하도록 되어 있다. 따라서, 제1 에너지 변환수단이 출력하는 기계 에너지와 제2 에너지 변환수단이 출력하는 기계 에너지를 로터(31)를 개재하여 자동적으로 통합할 수 있고, 기어 등의 동력 전달수단을 갖는 특별한 에너지 통합수단이 불필요하게 된다.
제1 에너지 변환수단은 작동유체의 밀봉이 용이하여 누출이 발생하기 어려운 실린더(39) 및 피스톤(41)의 조합으로 이루어지기 때문에, 고온고압 증기의 밀봉성을 높여서 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 한편, 제2 에너지 변환수단은 로터(31)에 방사방향으로 이동이 자유롭게 지지된 베인(42)으로 이루어지기 때문에, 베인(42)에 가해지는 증기압이 직접 로터(31)의 회전운동으로 변환되며, 왕복운동을 회전운동으로 변환시키기 위한 특별한 변환기구가 불필요하게 되어 구조가 간략화 된다. 게다가 저압에서 대유량의 증기를 효과적으로 기계 에너지로 변환하는 제2 에너지 변환수단을 제1 에너지 변환수단의 외주를 감싸도록 배치했으므로, 팽창기(4) 전체의 치수를 컴팩트화 할 수 있다.
실린더(39) 및 피스톤(41)으로 이루어지는 제1 에너지 변환수단은 고온고압 증기를 작동유체로 한 경우에 압력 에너지 및 기계 에너지 간의 변환 효율이 높고, 또한, 베인(42)으로 이루어지는 제2 에너지 변환수단은 비교적 저온저압의 증기를 작동유체로 한 경우에서도 압력 에너지 및 기계 에너지 간의 변환 효율이 높다고 하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 제1, 제2 에너지 변환수단을 직렬로 접속하고, 우선 고온고압 증기를 제1 에너지 변환수단을 통과시켜서 기계 에너지로 변환시켜, 그 결과로서 압력이 저하된 제1의 강온강압 증기를 제2 에너지 변환수단을 통과시켜 재차 기계 에너지로 변환시킴으로써, 당초의 고온고압 증기에 포함된 에너지를 남기는 일 없이 유효하게 기계 에너지로 변환시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 팽창기(4)를 압축기로서 사용하는 경우에서도, 외부로부터의 기계 에너지로써 로터(31)를 회전시켜서 로터 챔버(14)에 흡입된 공기를, 비교적 저온저압의 작동유체에서도 유효하게 작동하는 제2 에너지 변환수단으로써 압축 승온시켜, 이 압축ㆍ승온된 공기를, 비교적 고온고압의 작동유체에 보다 유효하게 작동하는 제1 에너지 변환수단으로써 다시 압축하여 승온시킴으로써, 기계 에너지를 압축 공기의 압력 에너지(열 에너지)로 효율적으로 변환시킬 수 있다. 그리고, 실린더(39) 및 피스톤(41)으로 이루어지는 제1 에너지 변환수단과 베인(42)으로 이루어지는 제2 에너지 변환수단을 조합시킴으로써, 양자의 특장(特長)을 겸비한 고성능의 회전식 유체기계를 얻을 수 있다.
또한, 로터(31)의 회전축선(L)(즉, 출력축(23)의 회전축선(L))이 로터 챔버(14)의 중심에 일치되어 있고, 또한, 도 4 및 도 5에서 로터(31)를 상하 좌우로 90°씩 4분할 할 때, 회전축선(L)에 대하여 점대칭인 우측 상향의 4반부와 좌측 하향의 4반부에서 압력 에너지로부터 기계 에너지로의 변환이 행하여지기 때문에, 로터(31)에 편향 하중이 가해지는 것을 방지하여 진동의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 작동유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환하는 부분, 혹은 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환하는 부분이, 로터(31)의 회전축선(L)을 중심으로 하여 180°벗어난 2개소에 배치되기 때문에, 로터(31)에 가해지는 하중이 우력(偶力)으로 되어 유연한 회전이 가능하게 되고, 게다가 흡기 타이밍 및 배기 타이밍의 효율화를 도모할 수 있다.
즉, 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한, 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성되도록 한다.
상기 제1 구성에 의하면, 제1 에너지 변환수단을, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성하여서, 고압의 작동유체의 밀봉성을 높여 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 제2 에너지 변환수단을, 로터에 방사방향으로 이동이 자유롭게 지지되어 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성했으므로, 압력 에너지 및 기계 에너지의 변환기구의 구조가 간단하고, 컴팩트한 구조이면서 대유량의 작동유체를 처리할 수 있다. 이와 같이, 피스톤 및 실린더를 갖는 제1 에너지 변환수단과 베인을 갖는 제2 에너지 변환수단을 조합시킴으로써, 양자의 특장을 겸비한 고성능의 회전식 유체기계를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제1 구성에 추가하여, 상기 제1 에너지 변환수단은, 피스톤의 왕복운동과 회전축의 회전운동을 상호 변환시킴과 동시에, 상기 제2 에너지 변환수단은, 베인의 원주방향 이동과 상기 회전축의 회전운동을 상호 변환하도록 한다.
상기 제2 구성에 의하면, 제1 에너지 변환수단은 피스톤의 왕복운동과 회전축의 회전운동을 상호 변환시키고, 제2 에너지 변환수단은 베인의 원주방향 이동과 상기 회전축의 회전운동을 상호 변환함으로써, 회전축으로부터의 외력(外力)의 입력에 의해 제1, 제2 에너지 변환수단으로써 유체를 압축하고, 또한, 고압 유체의 공급에 의해 제1, 제2 에너지 변환수단으로써 회전축을 구동할 수 있다. 따라서 제1, 제2 에너지 변환수단으로써 기계 에너지를 통합하여 출력하고, 혹은 제1, 제2 에너지 변환수단으로써 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력할 수 있다.
또한 상기 제2의 구성에 추가해서, 상기 회전축은 로터를 지지하도록 한다.
상기 제3의 구성에 의하면, 회전축에 로터를 지지함으로써, 로터에 설치된 피스톤 및 실린더, 혹은 베인에 의해 발생한 기계 에너지를 효율적으로 회전축에 출력할 수 있고, 또한 회전축에 기계 에너지를 입력하는 것만으로, 해당 회전축에 지지된 로터에 설치된 피스톤 및 실린더, 혹은 베인에 의해 작동유체를 효율적으로 압축할 수 있다.
또한 상기 제1의 구성에 추가해서, 팽창기로서 기능할 때는 상기 제1 에너지 변환수단을 통과한 작동유체의 전량이 상기 제2 에너지 변환수단을 통과하고, 압축기로서 기능할 때는 상기 제2 에너지 변환수단을 통과한 작동유체의 전량이 상기 제1 에너지 변환수단을 통과하도록 한다.
상기 제4의 구성에 의하면, 제1, 제2 에너지 변환수단을 직렬로 접속하고, 팽창기로서 기능할 때는, 우선 고압의 작동유체를 제1 에너지 변환수단을 통과시켜 압력 에너지의 일부를 기계 에너지로 변환하고, 그 결과로서 압력이 저하된 작동유체를 다시 제2 에너지 변환수단을 통과시켜서 압력 에너지의 나머지 부분을 기계 에너지로 변환시킴으로써, 작동유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 효율적으로 변환시킬 수 있다. 역으로, 압축기로서 기능할 때는, 기계 에너지로써 회전축을 회전시켜서 작동유체를 제2 에너지 변환수단으로써 압축하고, 그 압축된 작동유체를 제1 에너지 변환수단으로 다시 압축함으로써, 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 효율적으로 변환시킬 수 있다.
또한 상기 제1의 구성에 추가해서, 팽창기로서 기능할 때는 로터의 위상이 180° 벗어난 2개소에서 작동유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 압축기로서 기능할 때는 로터의 위상이 180° 벗어난 2개소에서 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환하도록 한다.
상기 제5의 구성에 의하면, 작동유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환하는 부분, 혹은 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환하는 부분이 로터의 위상이 180° 벗어난 2개소에 배치되기 때문에, 로터에 가해지는 하중이 우력(偶力)으로 되어 해당 로터의 유연한 회전이 가능하게 되고, 또한 흡기 타이밍 및 배기 타이밍의 효율화를 도모할 수 있다.
또한 상기 일본국 특개소 59-41602호 공보, 일본국 특개소 60-206990호 공보에 개시된 것은 고압 유체의 압력으로 베인을 원주방향으로 눌러 압압하여서 로터를 회전 구동시키고, 혹은 로터를 외력으로서 회전 구동하여 베인으로써 유체를 압축하도록 되어 있으나, 베인 이외에 로터에 방사상으로 설치된 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어진 피스톤을 구비하고, 베인과 연동하여 실린더내를 왕복운동하는 피스톤으로써 기계 에너지와 작동유체의 압력 에너지와의 변환을 행하는 것에서는, 피스톤의 왕복운동을 로터의 회전운동으로 변환하는 기구(예를 들면, 크랭크 기구나 경사판 기구)가 필요하게 되고, 장치 전체의 구조가 복잡하게 되어 대형화나 대중량화의 원인으로 되는 문제가 있다.
또한 상기 일본국 특개소 57-16293호 공보에 개시된 것은 각각의 베인의 중간에 설치된 롤러를 케이싱에 설치한 롤러 궤도에 걸어 맞추어서 안내하도록 되어 있으나, 상기 베인은 원주방향의 하중을 발생하는 것만으로서 반경방향의 하중을 발생하는 것은 아니기 때문에, 롤러 및 롤러 궤도의 걸어 맞춤은 기계 에너지와 작동유체의 압력 에너지와의 변환에는 기여하고 있지 않다.
또한 상기 일본국 특개소 64-29676호 공보에 개시된 것은 레이디얼 플런저 펌프이고, 원형의 캠링의 내부에 편심되어 로터가 배치되어 있기 때문에, 회전축에 편향 하중이 가해져서 진동이 발생하는 요인으로 되는 문제가 있다.
따라서, 로터에 설치되어 일체로 이동하는 피스톤 및 베인을 구비한 회전식 유체기계에 있어서, 기계 에너지와 작동유체의 압력 에너지와의 변환을 간단한 구조로서 유연하게 실행함과 동시에, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면의 간극(間隙)을 적절하고 정확하게 관리하는 것이 바람직하다.
그래서, 이상 설명한 팽창기(4)에서는, 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1 에너지 변환수단과, 베인(42)으로 구성되는 제2 에너지 변환수단이 공통의 로터(31)에 설치되어 있고, 제1, 제2 에너지 변환수단의 협동에 의해 고온고압 증기의 에너지를 기계 에너지로서 출력축(23)에서 취출하도록 되어 있다. 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1 에너지 변환수단은, 피스톤(41)에 의해 방사방향으로 왕복운동하는 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)에 설치된 롤러(59)가, 제1, 제2 반체(8, 9)에 설치된 대략 타원형의 환상 홈(60)에 회전운동이 가능하게 걸려 맞추어져 있다. 따라서, 피스톤(41)의 왕복운동, 즉 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)의 왕복운동은 롤러(59) 및 환상 홈(60)을 개재하여 로터(31)의 회전운동으로 변환된다. 이와 같이 롤러(59) 및 환상 홈(60)을 이용함으로써, 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 복잡한 대형의 크랭크 기구나 경사판 기구가 불필요하게 되어, 팽창기(4)의 구조를 간략화하여 컴팩트화를 도모함과 동시에, 마찰에 의한 에너지 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한 베인(42)으로 구성되는 제2 에너지 변환수단은, 제1 에너지 변환수단에서 강온강압된 제1의 강온강압 증기의 압력을 받아서 로터(31)를 회전시키는 극히 간단한 구조로 되어 있으면서, 대유량의 증기를 효율적으로 처리할 수 있다. 그리고 고온고압 증기로써 작동하는 제1 에너지 변환수단이 출력하는 기계 에너지와, 제1의 강온강압 증기로써 작동하는 제2 에너지 변환수단이 출력하는 기계 에너지를 통합하여 출력함으로써, 당초의 고온고압 증기의 에너지를 남기는 일 없이 이용하여 팽창기(4)의 에너지 변환 효율을 높일 수 있다.
또한 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)이 로터(31)에 대하여 방사방향으로 왕복운동하는 때에, 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)에 설치된 롤러(59)를 환상 홈(60)에서 안내함으로써, 베인(42)의 외주면과 로터 챔버(14)의 내주면과의 사이의 간극을 일정하게 확보하는 것이 가능하게 된다. 게다가 베인 본체(43)와 로터 챔버(14)의 내주면과의 사이의 밀봉 작용은, 시일 부재(44) 자체의 스프링 힘과, 시일 부재(44) 자체에 작용하는 원심력과, 고압측의 로터 챔버(14)로부터 베인 본체(43)의 U자 홈(52)에 침입한 증기가 시일 부재(44)를 눌러 올리는 증기압에 의해 발생함으로써, 상기 밀봉 작용은 로터(31)의 회전수에 대응하여 베인 본체(43)에 작용하는 과도의 원심력 영향을 받지 않고, 항상 양호한 밀봉성과 저마찰성을 양립할 수 있고, 베인(42) 및 로터 챔버(14) 사이의 베인 본체(43)의 원심력에 의한 과잉 표면 압력에 의한 이상 마모의 발생이나 마찰 손실의 발생을 방지함과 동시에, 베인(42) 및 로터 실(室)(14)의 간극으로부터의 증기의 누출 발생을 최소한으로 억제할 수 있다.
또한 로터(31)의 회전축선(L)(요컨대 출력축(23)의 회전축선(L))이 로터 챔버(14)의 중심에 일치되어 있고, 또한 도 4 및 도 5에서 로터(31)를 상하 좌우로 90°씩 4분할 할 때, 회전축선(L)에 대하여 점대칭인 우측 상향의 4반부와 좌측 하향의 4반부에서 압력 에너지로부터 기계 에너지로의 변환이 행하여 지기 때문에, 로터(31)에 편향 하중이 가해지는 것을 방지하여 진동의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계로서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성된 회전식 유체기계에 있어서, 적어도 피스톤에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞춤으로써, 피스톤의 왕복운동과 회전운동을 상호 변환시키도록 한다.
상기 제6의 구성에 의하면, 로터 챔버의 내부에서 회전하는 적어도 로터에 대하여 방사방향으로 이동하는 피스톤에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞춰짐으로써, 롤러 및 환상 홈으로 이루어진 간단한 구조로서, 팽창기로서 기능하는 경우에는 피스톤의 왕복운동을 로터의 회전운동으로 변환시킬 수 있고, 압축기로서 기능하는 경우에는, 로터의 회전운동을 피스톤의 왕복운동으로 변환시킬 수 있다.
또한 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계로서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성된 회전식 유체기계에 있어서, 적어도 베인에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞춤으로써, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면과의 간극을 규제하도록 한다.
상기 제7의 구성에 의하면, 로터 챔버의 내부에서 회전하는 적어도 로터에 대하여 방사방향으로 이동하는 베인에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞추기 때문에, 롤러의 이동 궤적을 환상 홈에서 안내함으로써, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면과의 간극을 규제하여 이상 마모의 발생이나 누출의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계로서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성된 회전식 유체기계에 있어서, 베인 및 피스톤에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞춤으로써, 피스톤의 왕복운동과 로터의 회전운동을 상호 변환시킴과 동시에, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면과의 간극을 규제하도록 한다.
상기 제8의 구성에 의하면, 로터 챔버의 내부에서 회전하는 적어도 로터에 대하여 방사방향으로 이동하는 베인 및 피스톤에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞추기 때문에, 롤러 및 환상 홈으로 이루어진 간단한 구조로서, 팽창기로서 기능하는 경우에는 피스톤의 왕복운동을 로터의 회전운동으로 변환시킬 수 있고, 압축기로서 기능하는 경우에는 로터의 회전운동을 피스톤의 왕복운동으로 변환시킬 수 있다. 또한, 롤러의 이동 궤적을 환상 홈에서 안내함으로써, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면과의 간극을 규제하여 이상 마모의 발생이나 누출의 발생을 방지할 수 있다.
또한 상기 제6 내지 제8의 어느 것의 구성에 추가해서, 로터의 회전축을 로터 챔버의 중심에 일치시킨다.
상기 제9의 구성에 의하면, 로터의 회전축이 로터 챔버의 중심에 일치되어 있기 때문에, 로터에 편향 하중이 가해지는 것을 방지하여 로터의 회전에 수반하는 진동을 방지할 수 있다.
그런데, 팽창기로서 기능하는 베인형 회전기계에 공급된 고온고압 증기는, 그 압력 에너지(열 에너지)가 베인에서 기계 에너지로 변환되는 것에 수반하여 온도 및 압력이 저하한다. 한편, 압축기로서 기능하는 베인형 회전기계에서는, 기계 에너지로써 구동되는 베인에서 압축된 작동유체의 온도 및 압력이 점점 증가한다.
따라서, 복수의 회전기계를 반경방향 내외로 배치한 경우에, 내측의 회전기계에 저압의 작동유체가 공급되고, 외측의 회전기계에 고압의 작동유체가 공급되면, 고압의 작동유체가 케이싱의 외부로 누출하기 쉽기 때문에 작동유체의 압력이 헛되이 소비되고 만다는 문제가 있다. 또한 복수의 회전기계를 반경방향 내외로 배치한 경우에, 내측의 회전기계에 저온의 작동유체가 공급되고, 외측의 회전기계에 고온의 작동유체가 공급되면, 작동유체의 열이 케이싱의 외부로 누설하기 쉽기 때문에 열효율이 저하하고 만다는 문제가 있다.
따라서, 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 반경방향 내외로 배치한 회전식 유체기계에 있어서, 작동 유체의 열 및 압력의 누설을 최소한으로 억제하여 회전식 유체기계의 효율을 높이는 것이 바람직하다.
그래서, 이상 설명한 팽창기(4)에서는, 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1 에너지 변환수단이 로터 챔버(14)의 중심측에 배치되어 있고, 베인(42)으로 구성되는 제2 에너지 변환수단이 상기 제1 에너지 변환수단을 감싸도록 반경방향 외측으로 배치되어 있다. 따라서, 고온고압 증기가 우선 중심측의 제1 에너지 변환수단(실린더 부재(39) 및 피스톤(41))에 공급되며, 거기에서 기계 에너지로 변환된 후의 제1의 강온강압 증기가 외주측의 제2 에너지 변환수단(베인(42))에 공급되는 것으로 된다. 이와 같이, 제1, 제2 에너지 변환수단을 반경방향 내외로 배치한 경우에, 내측의 제1 에너지 변환수단에 고온고압 증기를 공급하고, 외측의 제2 에너지 변환수단에 강온강압 증기를 공급함으로써, 내측의 제1 에너지 변환수단으로부터 누출된 고온고압 증기의 압력이나 열을 외측의 제2 에너지 변환수단에서 포착 회수하여, 누출된 고온고압 증기를 헛되지 않게 이용하여 팽창기(4) 전체의 효율을 높일 수 있다. 또한, 로터 챔버(14)의 외주측에 비교적 저압이며 또한 저온의 제1의 강온강압 증기가 공급되는 제2 에너지 변환수단을 배치했으므로, 로터 챔버(14)로부터 외부로의 작동유체의 누출을 방지하기 위한 밀봉이 용이하게 될 뿐만아니라, 로터 챔버(14)로부터 외부로의 열의 누출을 방지하기 위한 단열도 용이하게 된다.
또한, 본 발명의 회전식 유체기계를 압축기로서 사용하는 경우에는, 외측의 제2 에너지 변환수단인 베인(42)에 의해 제1단의 압축을 받아서 압축된 압축 공기는 압력 및 온도가 상승하고, 이 압축 공기는 내측의 제1 에너지 변환수단인 실린더수단(39) 및 피스톤(41)에서 제2단의 압축을 받아서 압력 및 온도가 더욱 상승한다. 따라서, 회전식 유체기계를 압축기로서 사용하는 경우에도, 내측의 제1 에너지 변환수단으로부터 누출된 고온고압의 압축 공기의 압력이나 열을 외측의 제2 에너지 변환수단에서 포착 회수하여 압축기 전체의 효율을 높일 수 있을 뿐만아니라,로터 챔버(14)로부터 외부로의 압축 공기의 누출을 방지하기 위한 밀봉이 용이하게 되고, 게다가 로터 챔버(14)로부터 외부로의 열의 누출을 방지하기 위한 단열도 용이하게 된다.
즉, 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단을 구비한 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측에 고압의 작동유체를 배치하고, 상기 로터 챔버의 외주측에 저압의 작동유체를 배치하도록 한다.
상기 제10의 구성에 의하면, 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측 및 외주측에 각각 고압의 작동유체 및 저압의 작동유체를 배치하기 때문에, 로터 챔버의 중심측으로부터 누출된 고압의 작동유체를 로터 챔버의 외주측의 저압의 작동유체에서 포착 회수하여, 누출된 상기 고압의 작동유체를 헛되지 않게 이용하여 회전식 유체기계 전체의 효율을 높일 수 있고, 또한 로터 챔버로부터 외부로의 작동유체의 누출을 방지하기 위한 밀봉이 용이하게 된다.
또한 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여, 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서, 상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측에 고온의 작동유체를 배치하고, 상기 로터 챔버의 외주측에 저온의 작동유체를 배치하도록 한다.
상기 제11의 구성에 의하면, 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측 및 외주측에 각각 고온의 작동유체 및 저온의 작동유체를 배치했으므로, 로터 챔버의 중심측으로부터 누출된 고온의 작동유체를 로터 챔버의 외주측의 저온의 작동유체에서 포착 회수하여, 누출된 상기 고온의 작동유체를 헛되지 않게 이용하여 회전식 유체기계 전체의 효율을 높일 수 있고, 또한 로터 챔버로부터 외부로의 열의 누출을 방지하기 위한 단열이 용이하게 된다.
또한 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하고, 또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서, 상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측에 고압, 고온의 작동유체를 배치하고, 상기 로터 챔버의 외주측에 저압, 저온의 작동유체를 배치하도록 한다.
상기 제12의 구성에 의하면, 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측 및 외주측에 각각 고압, 고온의 작동유체 및 저압, 저온의 작동유체를 배치했기 때문에, 로터 챔버의 중심측으로부터 누출된 고압, 고온의 작동유체를 로터 챔버의 외주측의 저압, 저온의 작동유체에서 포착 회수하여, 누출된 상기 고압, 고온의 작동유체를 헛되지 않게 이용하여 회전식 유체기계 전체의 효율을 높일 수 있다. 또한 로터 챔버의 외주측에 저압, 저온의 작동유체를 배치했기 때문에, 로터 챔버로부터 외부로의 작동유체의 누출을 방지하기 위한 밀봉이 용이하게 됨과 동시에, 로터 챔버로부터 외부로의 열의 누출을 방지하기 위한 단열이 용이하게 된다.
또한 상기 제10 내지 제12의 어느 것의 구성에 추가해서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성되도록 한다.
상기 제13의 구성에 의하면, 제1 에너지 변환수단을, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성했기 때문에, 고압의 작동유체의 밀봉성을 높여서 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있고, 또한 제2 에너지 변환수단을, 로터로부터 방사방향으로 이동이 자유롭게 지지되어 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성했기 때문에, 압력 에너지 및 기계 에너지의 변환기구의 구조가 간단하고, 컴팩트한 구조이면서 대유량의 작동유체를 처리할 수 있다. 이와 같이, 피스톤 및 실린더를 갖는 제1 에너지 변환수단과 베인을 갖는 제2 에너지 변환수단을 조합시킴으로써, 양자의 특장을 겸비한 고성능의 회전식 유체기계를 얻을 수 있다.
그런데, 상기 특개소 58-48076호 공보에 개시된 것은, 팽창기로서 단순한 베인 모터를 이용하고 있기 때문에, 증발기에서 발생된 고온고압 증기의 에너지를 팽창기에서 효율이 양호하게 기계 에너지로 변환하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다.
따라서, 랭킨 사이클 장치의 팽창기의 효율을 높이고, 고온고압 증기의 에너지를 효율적으로 기계 에너지로 변환하는 것이 바람직하다.
그래서, 이상 설명한 본 실시예에서는, 내연기관(1)의 배기 가스의 열 에너지로서 물을 가열하여 고온고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 증발기(3)로부터 공급되는 고온고압 증기를 일정한 토크(torque)의 축출력으로 변환시키는 팽창기(4)와, 팽창기(4)로부터 배출된 강온강압 증기를 액화시키는 응축기(5)와, 응축기(5)에서 액화된 물을 증발기(3)에 공급하는 공급펌프(6)로 구성되는 랭킨 사이클에 있어서, 그 팽창기(4)로서 용적형의 것을 채용하고 있다. 이 용적형의 팽창기(4)는, 터빈과 같은 비(非)용적형의 팽창기에 비해서, 저속으로부터 고속까지의 넓은 회전수 영역에 있어서 고효율로서 에너지 회수를 실행하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 내연기관(1)의 회전수의 증감에 수반하는 배기 가스의 열 에너지의 변화(배기 가스의 온도 변화 및 유량 변화)에 대한 추종성 및 응답성에서도 우수하다. 게다가 팽창기(4)를, 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1 에너지 변환수단과, 베인(42)으로 구성되는 제2 에너지 변환수단을 직렬로 접속하여 반경방향 내외로 배치한 2중 팽창형으로 하였기 때문에, 팽창기(4)를 소형 경량화하여 공간 효율의 향상을 도모하면서 랭킨 사이클에 의한 회수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
즉, 원동기의 폐열로 물을 가열하여 발생한 고온고압 증기의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키고, 그 결과 발생된 강온강압 증기를 복수(復水)하여 재차 상기 폐열로 가열하는 랭킨 사이클 장치에 설치되어, 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 용적형의 팽창기로서 되는 회전식 유체기계에 있어서, 상기 팽창기는 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하도록 한다.
상기 제14의 구성에 의하면, 원동기의 폐열로써 물을 가열하여 발생된 고온고압 증기의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키고, 그 결과 발생된 강온강압 증기를 액화시켜 재차 상기 폐열로써 가열하는 랭킨 사이클 장치에 설치되어, 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 팽창기를 용적형의 것으로 구성하였기 때문에,터빈과 같은 비(非)용적형의 팽창기에 비하여, 저속으로부터 고속까지의 넓은 회전 영역에 있어서 고효율로 에너지 회수를 실행하고, 랭킨 사이클에 의한 열 에너지의 회수 효율을 더욱 향상시키는 것이 가능하게 되고, 또한 원동기 회전수의 증감에 수반하는 폐열 에너지의 변화에 대한 추종성 및 응답성에서도 우수하다. 또한 상기 용적형의 팽창기는 제1 에너지 변환수단의 출력 및 제2 에너지 변환수단의 출력을 통합하여 출력하기 때문에, 고온고압 증기의 압력 에너지를 헛됨없이 기계 에너지로 변환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 팽창기를 소형 경량화하여 공간 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 제14의 구성에 추가해서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수납된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사상으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성되도록 한다.
상기 제15의 구성에 의하면, 제1 에너지 변환수단을, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성했기 때문에, 고압 증기의 밀봉성을 높여서 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한 제2 에너지 변환수단을, 로터에 방사방향으로 이동이 자유롭게 지지되어 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성했으므로, 압력 에너지 및 기계 에너지의 변환기구의 구조가 간단하고, 컴팩트한 구조이면서 대유량의 증기를 처리할 수 있다. 이와 같이, 피스톤 및 실린더를 갖는 제1 에너지 변환수단과 베인을 갖는 제2 에너지 변환수단을 조합시킴으로써, 양자의 특장을 겸비한 고성능의 회전식 유체기계를 얻을 수 있다.
또한 상기 제15의 구성에 추가해서, 베인 및 피스톤에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞춤으로써, 피스톤의 왕복운동과 로터의 회전운동을 상호 변환시킴과 동시에, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면과의 간극을 규제하도록 한다.
상기 제16의 구성에 의하면, 로터 챔버의 내부에서 회전하는 적어도 로터에 대하여 방사방향으로 이동하는 베인 및 피스톤에 연동하는 롤러를 설치하고, 이 롤러를 로터 챔버를 구획하는 케이싱에 형성한 비(非)원형의 환상 홈에 걸어 맞췄기 때문에, 롤러 및 환상 홈으로 이루어진 간단한 구조로서, 피스톤의 왕복운동을 로터의 회전운동으로 변환시킬 수 있고, 또한 롤러의 이동 궤적을 환상 홈에서 안내함으로써, 베인의 외주면과 로터 챔버의 내주면과의 간극을 규제하여 이상 마모의 발생이나 누출의 발생을 방지할 수 있다.
또한 상기 제14의 구성에 추가해서, 상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측에 고온고압 증기를 배치하고, 상기 로터 챔버의 외주측에 강온강압 증기를 배치하도록 한다.
상기 제17의 구성에 의하면, 로터를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버의 중심측 및 외주측에 각각 고온고압 증기 및 강온강압 증기를 배치하였기 때문에, 로터 챔버의 중심측으로부터 누출된 고온고압 증기를 로터 챔버의 외주측의 강온강압 증기로써 포착 회수하여, 누출된 상기 고온고압 증기를 헛되지 않게 이용하여 회전식 유체기계 전체의 효율을 높일 수 있다. 또한 로터 챔버의 외주측에 강온강압 증기를 배치하였기 때문에, 로터 챔버로부터 외부로의 증기의 누출을 방지하기 위한 밀봉이 용이하게 됨과 동시에, 로터 챔버로부터 외부로의 열의 누출을 방지하기 위한 단열이 용이하게 된다.
또한 상기 제17의 구성에 추가해서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수납된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터로부터 방사상으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성되도록 한다.
상기 제18의 구성에 의하면, 제1 에너지 변환수단을, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터에 방사상으로 형성된 실린더와, 이 실린더내를 미끄럼 운동하는 피스톤으로 구성하였기 때문에, 고압 증기의 밀봉성을 높여서 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한 제2 에너지 변환수단을, 로터에 방사방향으로 이동이 자유롭게 지지시켜 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인으로 구성하였기 때문에, 압력 에너지 및 기계 에너지의 변환기구의 구조가 간단하고, 컴팩트한 구조이면서 대유량의 증기를 처리할 수 있다. 이와 같이, 피스톤 및 실린더를 갖는 제1 에너지 변환수단과 베인을 갖는 제2 에너지 변환수단을 조합시킴으로써, 양자의 특장을 겸비한 고성능의 회전식 유체기계를 얻을 수 있다.
이어서, 도 12a 및 도 12b에 근거하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.
로터(31)에 방사상으로 매설된 12개의 실린더 부재(39)의 대직경 실린더 구멍(f)의 반경방향 외단부 내주(內周)에는, 환상(環狀)을 이루는 1개의 물빼기 홈(121)이 형성된다. 통상, 이 물빼기 홈(121)은 대직경 실린더 구멍(f)에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 피스톤(41)에 의해서 막혀 있다. 단, 팽창 스트로크의 말기에 피스톤(41)이 도 12a에 나타내는 상사점(上死點)에 도달하면, 물빼기 홈(121)의 반경방향 내측의 일부가 피스톤(41)에 의해 개방되며, 대직경 실린더 구멍(f)에 잔류된 물이 물빼기 홈(121)에 도입된다. 또한 배출 스트로크의 말기에 피스톤(41)이 도 12b에 나타낸 하사점(下死點)에 도달하면, 물빼기 홈(121)의 반경방향 외측의 일부가 피스톤(41)에 의해 개방되며, 물빼기 홈(121)에 잔류된 물이 각각의 슬롯(slot) 형상 공간(34)으로 배출된다. 이와 같이, 대직경 실린더 구멍(f)의 내면에 환상의 물빼기 홈(121)을 형성하는 것만의 간단한 가공을 실행하는 것만으로, 대직경 실린더 구멍(f)내에 잔류된 물이 피스톤(41)에 의해서 강제적으로 압축되는 수격작용(water hammer) 현상의 발생을 미연에 방지할 수 있고, 또한 물빼기 홈(121)의 깊이를 변화시키는 것만으로써 배수량을 임의로 조정할 수 있다. 또한 대직경 실린더 구멍(f)의 내부 공간이 물빼기 홈(121)을 개재하여 각각의 슬롯 형상 공간(34)에 직접 연통하는 일이 없기 때문에, 고온고압 증기의 압력 누설이 발생하는 염려도 없다.
이어서, 도 13a 내지 도 14에 기초로 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
제3 실시예의 것은, 상기 제2 실시예의 구성인 실린더 부재(39)의 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)에 추가해서, 피스톤(41)의 반경방향 외단부의 외주면에 축방향으로 연장하는 다수의 물빼기 홈(122)을 형성한 것이다(도 14 참조). 본 제3 실시예에 의하면, 피스톤(41)이 하사점에 있어서, 대직경 실린더 구멍(f)의 내부에 완전히 후퇴하여 몰입되지 않아도, 피스톤(41)의 물빼기 홈(122)을 통해서 각 슬롯 형상 공간(34)으로 물을 배출할 수 있기 때문에, 피스톤(41) 길이의 설계 자유도를 높이는 것이 가능하게 된다.
이어서, 도 15a 및 도 15b에 의하여 본 발명의 제4 실시예를 설명한다.
제4 실시예의 것은, 상기 제2, 제3 실시예의 구성인 실린더 부재(39)의 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)에 추가해서, 피스톤(41)의 길이방향 중간부에 원주방향으로 배치된 복수개(실시예에서는 4개)의 오목부(123)가 형성된다. 피스톤(41)이 도 15a에 나타내는 상사점 위치에 있을 때, 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)은 피스톤(41)에 의해서 개방됨과 동시에, 피스톤(41)의 오목부(123)는 각각의 슬롯 형상 공간(34)에 연통한다. 또한 도 15b에 나타낸 바와 같이, 피스톤(41)이 하사점 위치에 있을 때, 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)과 피스톤(41)의 오목부(123)와의 연통이 해제된다. 따라서, 도 15a 및 도 15b의 중간 위치(나타내지 않음)에 있어서 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)과 피스톤(41)의 오목부(123)가 연통한다.
그리고, 피스톤(41)이 상사점에 있을 때에 해당 피스톤(41)의 오목부(123)에 보관 유지된 물이 각각의 슬롯 형상 공간(34)으로 배출되며, 그 후에 피스톤(41)이 하사점을 향해서 하강하는 사이에 피스톤(41)의 오목부(123)에 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)으로부터 일부의 물이 수수되고, 계속해서 피스톤(41)이상사점을 향해서 상승하는 사이에 피스톤(41)의 오목부(123)에 대직경 실린더 구멍(f)의 물빼기 홈(121)으로부터 다시 물이 수수되어, 전술한 바와 같이, 피스톤(41)이 상사점에 도달한 때에 피스톤(41)의 오목부(123)에 보관 유지된 물이 각각의 슬롯 형상 공간(34)으로 배출된다.
상기 제2 내지 제4 실시예의 작용을 도 16의 그래프에 의하여 정리하면 이하와 같다.
횡축은 로터(31)의 회전각의 위상을 나타내는 것으로서, 위상 0° 및 위상 180°는 피스톤(41)이 하사점에 있는 상태(도 12b, 도 13b, 도 15b 참조)이고, 위상 90°는 피스톤(41)이 상사점에 있는 상태(도 12a, 도 13a, 도 15a 참조)이다. 제2 실시예 및 제3 실시예에서는, 피스톤(41)이 하사점에 있을 때에 대직경 실린더 구멍(f)으로부터 각각의 슬롯 형상 공간(34)으로 물의 배출이 실행되고 있다. 피스톤(41)이 하사점에 있을 때, 대직경 실린더 구멍(f)의 내압과 각각의 슬롯 형상 공간(34)의 내압은 공히 23 × 106Pa이기 때문에, 물의 배출은 지장없이 실행된다. 또한 제2 실시예 및 제3 실시예에서는, 대직경 실린더 구멍(f)의 내부 공간으로부터 물빼기 홈(121)으로의 물의 보급은 피스톤(41)이 상사점 근방에 있을 때에 실행된다. 특히 제4 실시예에서는, 피스톤(41)이 상사점 근방에 있을 때에 오목부(123)내의 물을 각각의 슬롯 형상 공간(34)에 배출하지만, 이 때, 각각의 슬롯 형상 공간(34)의 압력은 대략 대기압까지 저하되어 있기 때문에 물의 배출이 원할하게 된다.
또한 제4 실시예에서는, 로터(31)의 회전각의 위상이 90°의 근방에서 피스톤(41)의 오목부(123)에 보관 유지된 물이 각각의 슬롯 형상 공간(34)으로 배출된다. 제2, 제3 실시예의 물빼기 홈(121)의 위치는 대직경 실린더 구멍(f)의 개구단 근방에 설치될 필요가 있지만, 제4 실시예의 홈(121)의 위치는 대직경 실린더 구멍(f)의 개구단으로부터 떨어진 위치에 설치하는 것이 가능하기 때문에, 피스톤(41) 및 대직경 실린더 구멍(f)의 미끄럼 운동면의 밀봉 길이를 충분히 길게 확보하여 증기의 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한 오목부(123) 위치의 설정에 의해, 피스톤(41) 길이의 제약을 완화할 수 있다.
이와 같이, 상기 제2 내지 제4 실시예에 의하면, 저온 시동시 등에 실린더 부재(39)의 내부에서 응축된 물이나, 윤활 매체로서 공급된 물이 실린더 부재(39)내에 가두어져서 피스톤(41)의 원할한 이동을 저해하는 것을 확실히 방지할 수 있다.
이어서, 도 17 내지 도 21을 참조하여 본 발명의 제5 실시예를 설명한다.
제5 실시예는 고정축(65) 및 회전밸브(V)의 구조에 특징을 갖는 것으로서, 고정축(65)의 우반부(右半部)에는, 직경이 1단 가늘어진 지지축부(131)가 형성되어 있고, 이 지지축부(131)의 외주에 복수의 부재가 끼워 맞추어지도록 축방향으로 적층되어서 고정된다. 즉, 고정축(65)의 좌반부에는, 내부에 내관부(內管部)(77) 및 고온고압 증기용 도입관(80)이 삽입된 중공부(70)가 형성되어 있고, 그 우측면으로부터 돌출하는 지지축부(131)의 외주에 통로 형성 부재(132)와, 카본 밸브(carbon valve)(133)와, 밀봉용 스프링(134)과, 엔드(end) 부재(135)가 끼워 맞추어진다. 그리고 엔드 부재(135)의 우단(右端)으로부터 삽입된 볼트(136)를 고정축(65)의 지지축부(131)의 우단에 체결함으로써, 통로 형성 부재(132), 카본 밸브(133), 밀봉용 스프링(134)과, 엔드 부재(135)가 지지축부(131)의 외주면을 포위하도록 일체화된다.
고정축(65) 및 통로 형성 부재(132) 간에는 메탈 시일(137)이 끼워 지지되고, 통로 형성 부재(132) 및 카본 밸브(133) 간에는 메탈 시일(138)이 끼워 지지되며, 카본 밸브(133) 및 밀봉용 스프링(134) 간에는 메탈 시일(139)이 끼워 지지되고, 밀봉용 스프링(134) 및 엔드 부재(135) 간에는 메탈 시일(140)이 끼워 지지되며, 메탈 시일(140) 및 볼트(136) 간에는 메탈 시일(141)이 끼워 지지된다. 카본 밸브(133)는 카본제로 되지만, 고정축(65) 및 해당 고정축(65)에 조립 부착되는 카본 밸브(133) 이외의 부품에는 열팽창률이 작은 세라믹 계열의 재료, 예를 들면 Inco 909가 채용된다. 또한, 통로 형성 부재(132)는 가공상의 문제 때문에 고정축(65)에 대하여 별도 부재로서 구성된 것이고, 조립 후에 고정축(65)에 대하여 납땜으로써 고정된다.
카본 밸브(133)의 외주면에는 위상이 180°벗어난 2개의 제1, 제2 증기 공급구(142, 143)가 개구됨과 동시에, 이들 2개의 증기 공급구(142, 143)에 대하여 위상이 벗어난 2개의 제1, 제2 오목 형상 배출부(144, 145)가 형성된다. 제1, 제2 증기 공급구(142, 143)는 카본 밸브(133), 통로 형성 부재(132) 및 고정축(65)의 내부에 형성된 고온고압 증기통로(146)를 개재하여 고온고압 증기용 도입관(80)에 연통한다. 한편, 제1, 제2 오목 형상 배출부(144, 145)에는 각각 제1, 제2 증기 배출구(147, 148)가 형성되어 있고, 이들 제1, 제2 증기 배출구(147, 148)는 중공부(r), 통로(s) 및 각각의 통공(t)을 경유해서 팽창 챔버(20)에 연통한다(도 17 참조).
고정축(65)과, 그 지지축부(131)의 외주에 적층된 통로 형성 부재(132), 카본 밸브(133), 밀봉용 스프링(134) 및 엔드 부재(135)는 축방향으로 열팽창 및 열수축하지만, 밀봉용 스프링(134)의 탄성 반발력에 의해서 고정축(65) 및 통로 형성 부재(132) 간의 밀착과, 통로 형성 부재(132) 및 카본 밸브(133) 간의 밀착이 확보되며, 카본 밸브(133), 통로 형성 부재(132) 및 고정축(65)을 통과하는 고온고압 증기통로(146), 제1, 제2 증기 공급구(142, 143) 및 제1, 제2 증기 배출구(147, 148)의 밀봉성이 확보된다.
도 20으로부터 명백한 바와 같이, 밀봉용 스프링(134)은 고정축(65)의 지지축부(131)의 외주에 끼워 맞추어지는 원형의 개구(149)로부터 8개의 슬릿(slit)(150)이 방사상으로 연장되어 있고, 인접하는 슬릿(150) 사이에 끼인 8개의 스프링부(151)가 스프링 기능을 발휘한다.
밀봉용 스프링(134)의 좌측면에 대향하는 카본 밸브(133)의 우측면에 오목부(152)가 형성되어 있고, 이 오목부(152)에 예를 들어 5매의 접시 스프링(153)이 적층 상태로 수납된다. 이들 5매의 접시 스프링(153)은 밀봉용 스프링(134)의 기능을 보조하도록 작용하며, 양자의 협동에 의해서 고온고압 증기통로(146), 제1, 제2 증기 공급구(142, 143) 및 제1, 제2 증기 배출구(147, 148)의 밀봉성이 한층 확실히 확보된다.
도 21로부터 명백한 바와 같이, 접시 스프링(153)은 고정축(65)의 지지축부(131)의 외주에 끼워 맞추어지는 원형의 개구(154)로부터 8개의 슬릿(155)이 방사상으로 연장되어 있고, 인접하는 슬릿(155)의 사이에 끼인 8개의 스프링부(156)가 스프링 기능을 발휘한다.
도 17 및 도 18에 나타낸 바와 같이, 고정축(65)에 설치된 카본 밸브(133)에, 제1 내지 제12 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)의 실린더 부재(39)에, 중공축(64) 및 출력축(23)에 일련으로 형성된 복수(본 실시예에서는 12개)의 통공(c)을 개재하여 고온고압 증기를 공급하고, 또한 실린더 부재(39)로부터 팽창후의 제1의 강온강압 증기를 통공(c)을 개재하여 배출하는 회전밸브(V)가 다음과 같이 설치되어 있다.
회전밸브(V)의 구조는 극히 간단하며, 고정축(65)에 설치된 카본 밸브(133)의 외주에 개구하는 제1, 제2 증기 공급구(142, 143)와, 상기 카본 밸브(133)의 외주에 제1, 제2 오목 형상 배출부(144, 145)를 개재하여 개구하는 제1, 제2 증기 배출구(147, 148)와, 로터(31)와 일체로 회전하는 중공축(64)에 소정의 간격으로 형성된 12개의 통공(c)으로 형성된다. 따라서, 고정축(65)(요컨대 카본 밸브(133))에 대하여 로터(31)(요컨대 중공축(64))가 상대 회전하면, 카본 밸브(133)의 외주에 개구하는 제1, 제2 증기 공급구(142, 143)가 중공축(64)의 12개의 통공(c)을 개재하여 12개의 실린더 부재(39)에 순차로 연통하고, 또한 피스톤(41)이 일을 마친 12개의 실린더 부재(39)가 카본 밸브(133)의 외주에 개구하는 제1, 제2 오목 형상 배출부(144, 145)에 순차로 연통한다.
그리고, 도 18도 참조하여, 제1 공급관(94)의 축선이 로터 챔버(14)의 단경(短徑) 위치(E)보다도 도 4에 있어서 반시계방향측으로 약간 벗어나 있고, 또한 제1베인 피스톤 유닛(U1)이 상기 단경 위치(E)에 있어, 그 대직경 실린더 구멍(f)에는 고온고압 증기는 공급되지 않고, 따라서 피스톤(41) 및 베인(42)은 후퇴 위치에 있게 된다.
이 상태로부터 로터(31)를 약간, 도 4의 반시계방향으로 회전시키면, 카본 밸브(133)의 제1 증기 공급구(142)와 통공(c)이 연통하여 도입관(80)으로부터의 고온고압 증기가 소직경 구멍(b)을 통해서 대직경 실린더 구멍(f)에 도입된다. 이것에 의해 피스톤(41)이 전진하고, 이 전진운동은 베인(42)이 로터 챔버(14)의 장경(長徑) 위치(F)측으로 미끄럼 운동하는 것에 의해서, 베인(42)을 개재하여 베인(42)과 일체의 롤러(59)와 환상 홈(60)의 걸어 맞춤에 의해 로터(31)의 회전운동으로 변환된다. 통공(c)이 제1 증기 공급구(142)로부터 벗어나면, 고온고압 증기는 대직경 실린더 구멍(f)내에서 팽창하여 피스톤(41)을 계속해서 전진시키며, 이것에 의해 로터(31)의 회전이 계속 실행된다. 이 고온고압 증기의 팽창은 제1 베인 피스톤 유닛(U1)이 로터 챔버(14)의 장경 위치(F)에 도달하면 종료한다. 그 후는, 로터(31)의 회전에 수반하여 대직경 실린더 구멍(f)내의 제1의 강온강압 증기는 베인(42)에 의해 피스톤(41)이 후퇴됨으로써, 소직경 구멍(b), 통공(c), 제1 오목 형상 배출부(144), 제1 증기 배출공(147), 통로(s)(도 17 참조) 및 각각의 통공(t)을 경유하여 중계 챔버(20)에 배출되며, 이어서, 도 2 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 도입공 군(107)을 통해서 로터 챔버(14)내에 도입되어, 서로 인접하는 두 베인(42) 사이에서 더욱 팽창하여 로터(31)를 회전시키고, 그 후 제2의 강온강압 증기가 제1 도출공 군(110)으로부터 외부로 배출된다.
이상과 같이 제5 실시예에 의하면, 실린더 부재(39)에 고온고압 증기를 공급하고, 일을 마친 강온강압 증기를 실린더(39)로부터 배출하는 회전밸브(V)를, 고정축(65)의 외주에 설치한 카본 밸브(133)와, 로터(41)의 내주에 설치한 중공축(64)과 상대회전 가능하고 또한 밀봉 상태로 끼워 맞추어 구성하였기 때문에, 카본 밸브(133) 및 중공축(64) 간의 공차를 관리하는 것만으로 증기의 누출을 확실히 방지할 수 있고, 또한 밀봉을 위하여 스프링이나 벨로우즈와 같은 특별한 가세(加勢)수단이 필요하지 않게 되어 부품 점수의 삭감에 기여할 수 있다. 카본 밸브(133)의 내주와 중공축(64)의 외주의 미끄럼 운동면의 공차는 예를 들면 5㎛ 정도이고, 이 값에 의해 밀봉성과 내구성을 양립시킬 수 있다.
이어서, 도 22 내지 도 25에 의하여 본 발명의 제6 실시예를 설명한다.
제6 실시예에서는, 고정축(65)의 내부에 수납된 제1, 제2 밀봉 블록(92, 93)의 주위에 제1, 제2 포트 홈(124, 125)이 조각하여 설치된다. 고정축(65)의 외주면에 조각하여 설치된 상기 제1, 제2 포트 홈(124, 125)은 개략 타원형으로서, 각각 제1, 제2 밀봉 블록(92, 93)의 외주를 감싸도록 배치됨과 동시에, 그 장축(長軸)측의 두개의 단(端)이 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103)에 연통되어 있다.
따라서, 제1, 제2 밀봉 블록(92, 93)의 제1, 제2 공급관(94, 95)으로부터 공급된 고온고압 증기의 일부가 중공축(64)의 통공(c)을 통과하지 않고 중공축(64)의 내주면을 따라서 누출된 경우에 있어서도, 그 누출된 증기는 해당 증기보다도 저압의 제1, 제2 포트 홈(124, 125)에서 포착되어 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103)에 공급되며, 거기서부터 제1, 제2 배출구(104, 105)를 경유하여 로터 챔버(14)에 공급되어 베인(42)의 구동에 제공된다. 즉, 중공축(64)의 통공(c)을 통과하지 않아 피스톤(41)의 구동에 직접 사용되지 않은 고온고압 증기도, 제1, 제2 포트 홈(124, 125)에 포착됨으로써 베인(42)의 구동에 사용되기 때문에, 팽창기(4) 전체로서의 에너지 효율의 향상에 기여할 수 있다.
또한 고정축(65) 및 중공축(64)의 미끄럼 운동면에 공급되는 윤활수의 압력(도 24 및 도 25의 화살표(W) 참조)은, 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103)로부터 중공축(64)의 내주면을 따라서 누출하려고 하는 강온강압 증기의 압력보다도 높게 설정되어 있기 때문에, 상기 강온강압 증기가 중공축(64)의 내주면을 따라서 누출되지 않고, 제1, 제2 배출공(104, 105)에 도입되어서 베인(42)의 구동에 유효하게 이용된다.
또한, 상기 실시예에서는 회전식 유체기계를 팽창기(4)로서 사용하는 경우에관하여 설명하였으나, 회전식 유체기계를 압축기로서 사용하는 경우에도 상기 제1, 제2 포트 홈(124, 125)은 유효하게 기능한다. 즉, 출력축(23)에 의해 로터(31)를 회전시켜서 베인(42)에 의해 외기를 제1, 제2 도출공 군(110, 111)으로부터 로터 챔버(14)내로 흡입하여 압축하고, 이렇게 하여 얻어진 압축 공기를 제1, 제2 도입공 군(107, 108)으로부터 중계 챔버(20), 각각의 통공(t), 통로(s), 제1, 제2 배출공(104, 105), 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103), 통공(c)을 경유하여 대직경 실린더 구멍(f)에 공급하여 피스톤(41)에서 더욱 압축하고, 이 압축 공기를 고압 증기용 도입관(80)을 개재하여 취출할 수 있다.
이 때, 중공축(64)의 통공(c)으로부터 해당 중공축(64)의 내주면을 따라서 누출된 압축 공기는 제1, 제2 포트 홈(124, 125)에 포착되어 제1, 제2 오목 형상 배출부(102, 103)로 복귀되기 때문에, 그 압축 공기를 통공(c)으로부터 대직경 실린더 구멍(f)에 공급하여 피스톤(41)에서 재차 압축하여 압축기로서의 압축 효율의 저하를 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 상술하였으나, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종의 설계 변경을 행하는 것이 가능하다.
예를 들면, 실시예에서는 회전식 유체기계로서 팽창기(4)를 예시하였으나, 본 발명은 압축기로서도 적용할 수 있다.
또한 실시예의 팽창기(4)에서는, 우선 제1 에너지 변환수단인 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)에 고온고압 증기를 공급한 후에, 그것이 강온강압된 제1의 강온강압 증기를 제2 에너지 변환수단인 베인(42)에 공급하고 있으나, 예를 들면, 도 2에서 나타낸 제1 에너지 변환수단으로부터의 제1의 강온강압 증기를 배출하는 통공(t)과, 중계 챔버(20)를 연통 또는 비(非)연통하고, 또한 중계 챔버(20)에 셸형 부재(16)를 개재하여 제2 에너지 변환수단에 독립하여 증기를 개별적으로 공급 가능하게 하는 수단을 구성함으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단에 각각 온도 및 압력이 다른 증기를 개별적으로 공급하여도 된다. 또한, 제1, 제2 에너지 변환수단에 각각 온도 및 압력이 다른 증기를 개별적으로 공급함과 동시에, 제1 에너지 변환수단을 통과하여 강온강압된 증기를 다시 제2 에너지 변환수단에 공급하여도 된다.
또한 실시예는 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)의 베인 본체(43)에 롤러(59)를 설치하고 있으나, 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)의 기타 부분, 예를 들면 피스톤(41)에 롤러(59)를 설치하여도 된다.
이상과 같이, 본 발명에 관련된 회전식 유체기계, 베인식 유체기계 및 내연기관의 폐열 회수장치는, 압력 에너지로부터 기계 에너지로의 변환, 혹은 기계 에너지로부터 압력 에너지로의 변환을 실행하는 경우에 유용하고, 특히 랭킨 사이클 장치의 팽창기로서 사용하는 것에 적합하다.

Claims (36)

  1. 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어서 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)은, 상기 로터 챔버(14)내를 미끄럼 운동하는 베인(42)과, 이 베인(42)의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤(41)으로 이루어지며, 팽창기(4)로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터(31)를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 상기 로터(31)를 회전시키며, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터(31)의 회전에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤(41)측에 공급하고, 또한 상기 베인(42)에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는 것을 특징으로 하는 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 로터(31)의 회전축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)에 서의 상기 로터 챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부(B1)와, 두 직경(g)의 한쪽의 대향단(對向端) 상호(相互) 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부(B2)로 이루어지고, 각각의 베인(42)은 베인 본체(43)와, 이 베인 본체(43)에 장착되어 상기 로터 챔버(14)에 스프링 힘으로써 압압(押壓)되는 시일(seal) 부재(44)로 이루어지며, 이 시일 부재(44)는, 상기 로터 챔버(14)의 상기 반원형 단면부(B1)에 따른 내주면(45)을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 상기 4각형 단면부(B2)에 의한 대향 내단면(內端面)(47)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는 것을 특징으로 하는 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 베인 본체(43)는, 상기 시일 부재(44)의 두 평행부(56)에 대응하는 1쌍의 평행부(48)를 가지며, 각각의 베인 본체(43)의 선단면을 상기 로터 챔버(14)의 상기 내주면(45)으로부터 항상 이격시키도록, 두 평행부(48)에 설치된 롤러(59)를, 상기 케이싱(7)의 상기 대향 내단면(47)에 형성된 두 환상 홈(60)에 각각 회전운동이 자유롭게 걸어 맞춘 것을 특징으로 하는 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계.
  4. 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어서 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인(42)을 구비하고, 상기 로터(31)의 회전축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)에서의 상기 로터 챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부(B1)와, 두 직경(g)의 한쪽의 대향단 상호 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부(B2)로 이루어지고, 각각의 베인(42)은 베인 본체(43)와, 이 베인 본체(43)에 장착되어 상기 로터 챔버(14)에 스프링 힘으로써 압압되는 시일 부재(44)로 이루어지며, 이 시일 부재(44)는, 상기 로터 챔버(14)의 상기 반원형 단면부(B1)에 따른 내주면(45)을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 상기 4각형 단면부(B2)에 따른 대향 내단면(47)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는 것을 특징으로 하는 베인식 유체기계.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 베인 본체(43)는, 상기 시일 부재(44)의 두 평행부(56)에 대응하는 1쌍의 평행부(48)를 가지며, 각각의 베인 본체(43)의 선단면을 상기 로터 챔버(14)의 상기 내주면(45)으로부터 항상 이격시키도록, 두 평행부(48)에 설치된 롤러(59)를, 상기 케이싱(7)의 상기 대향 내단면(47)에 형성된 두 환상 홈(60)에 각각 회전운동이 자유롭게 걸어 맞춘 것을 특징으로 하는 베인식 유체기계.
  6. 내연기관(1)의 폐열을 열원으로 하여 고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 상기 고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기(4)와, 이 팽창기(4)로부터 배출된 저압 증기를 액화시키는 응축기(5)를 갖는 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서,
    상기 팽창기(4)는, 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)은, 상기 로터 챔버(14)내를 미끄럼 운동하는 베인(42)과, 이 베인(42)의 비 미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤(41)으로 이루어지고, 상기 고압 증기의 팽창에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 상기 베인(42)을 개재하여 상기 로터(31)를 회전시킴과 동시에 상기 고압 가스의 압력 강하에 의한 저압 가스의 팽창에 의해서 상기 베인(42)을 개재하여 상기 로터(31)를 회전시키도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 로터(31)의 회전축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)에 서의 상기 로터 챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부(B1)와, 두 직경(g)의 한쪽의 대향단 상호 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부(B2)로 이루어지고, 각각의 베인(42)은 베인 본체(43)와, 이 베인 본체(43)에 장착되어 상기 로터 챔버(14)에 스프링 힘으로써 압압되는 시일 부재(44)로 이루어지며, 이 시일 부재(44)는, 상기 로터 챔버(14)의 상기 반원형 단면부(B1)에 따른 내주면(45)을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 상기 4각형 단면부(B2)에 따른 대향 내단면(47)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 베인 본체(43)는, 상기 시일 부재(44)의 두 평행부(56)에 대응하는 1쌍의 평행부(48)를 가지며, 각각의 베인 본체(43)의 선단면을 상기 로터 챔버(14)의 상기 내주면(45)으로부터 항상 이격시키도록, 두 평행부(48)에 설치된 롤러(59)를, 상기 케이싱(7)의 상기 대향 내단면(47)에 형성된 두 환상 홈(60)에 각각 회전운동이 자유롭게 걸어 맞춘 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치.
  9. 내연기관(1)의 폐열을 열원으로 하여 고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 상기 고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기(4)와, 이 팽창기(4)로부터 배출된 저압 증기를 액화시키는 응축기(5)를 갖는 내연기관의 폐열 회수장치에 있어서,
    상기 팽창기(4)는, 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인(42)을 구비하고, 상기 로터(31)의 회전축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)에서의 상기 로터 챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)을 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부(B1)와, 두 직경(g)의 한쪽의 대향단 상호 및 다른쪽의 대향단 상호를 각각 연결하여 형성되는 4각형 단면부(B2)로 이루어지고, 각각의 베인(42)은 베인 본체(43)와, 이 베인 본체(43)에 장착되어 상기 로터 챔버(14)에 스프링 힘으로써 압압되는 시일 부재(44)로 이루어지며, 이 시일 부재(44)는, 상기 로터 챔버(14)의 상기 반원형 단면부(B1)에 따른 내주면(45)을 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 상기 4각형 단면부(B2)에 따른 대향 내단면(47)을 각각 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치.
  10. 제9항에 있어서, 각각의 베인 본체(43)는, 상기 시일 부재(44)의 두 평행부(56)에 대응하는 1쌍의 평행부(48)를 가지며, 각각의 베인 본체(43)의 선단면을 상기 로터 챔버(14)의 상기 내주면(45)으로부터 항상 이격시키도록, 두 평행부(48)에 설치된 롤러(59)를, 상기 케이싱(7)의 상기 대향 내단면(47)에 형성된 두 환상 홈(60)에 각각 회전운동이 자유롭게 걸어 맞춘 것을 특징으로 하는 내연기관의 폐열 회수장치.
  11. 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)은, 상기 로터 챔버(14)내를 미끄럼 운동하는 베인(42)과, 이 베인(42)의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤(41)으로 이루어지며, 팽창기(4)로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터(31)를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 상기 로터(31)를 회전시키며, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터(31)의 회전에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤(41)측에 공급하고, 또한 상기 베인(42)에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 로터(31)에 형성된 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)의 스트로크 중에 해당 피스톤(41) 및 실린더(39)의 기밀을 유지하고, 또한 피스톤(41)의 스트로크 엔드에 있어서 실린더(39)내에 잔류한 유체를 실린더(39)의 외부로 배출하는 유체 배출수단(121, 122, 123)을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  12. 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)은, 상기 로터 챔버(14)내를 미끄럼 운동하는 베인(42)과, 이 베인(42)의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤(41)으로 이루어지며, 팽창기(4)로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터(31)를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 상기 로터(31)를 회전시키며, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터(31)의 회전에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤(41)측에 공급하고, 또한 상기 베인(42)에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는, 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 로터(31)에 형성된 실린더(39)에 고압 유체를 공급ㆍ배출하는 제1 통로(142, 143)와 해당 실린더(39)로부터 로터 챔버(14)에 저압 유체를 공급ㆍ배출하는 제2 통로(144, 145)를 고정축(65)내에 형성하고,
    로터(31)와 일체로 회전하여 상기 제1 통로(142, 143) 혹은 상기 제2 통로(144, 145)를 실린더(39)에 선택적으로 접속시키는 절환기구(64)를 상기 고정축(65)에 상대 회전이 가능하며 또한 밀봉 상태로 끼워 맞춘 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  13. 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과, 이 로터 챔버(14)내에 수용된 로터(31)와, 상기 로터(31)에, 그 회전축선(L) 주위에 방사상으로 배치되어 방사방향으로 왕복운동이 자유로운 복수의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)을 구비하고, 각각의 베인 피스톤 유닛(U1∼U12)은, 상기 로터 챔버(14)내를 미끄럼 운동하는 베인(42)과, 이 베인(42)의 비(非)미끄럼 운동측에 맞닿는 피스톤(41)으로 이루어지며, 팽창기(4)로서 기능할 때는, 고압 유체의 팽창에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 동력 변환장치를 개재하여 상기 로터(31)를 회전시킴과 동시에 상기 고압 유체의 압력 강하에 의한 저압 유체의 팽창에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 상기 로터(31)를 회전시키며, 한편, 압축기로서 기능할 때는, 상기 로터(31)의 회전에 의해 상기 베인(42)을 개재하여 저압축 유체를 상기 피스톤(41)측에 공급하고, 또한 상기 베인(42)에 의해 상기 피스톤(41)을 작동시켜서 상기 저압축 유체를 고압축 유체로 변환시키는, 팽창 기능 및 압축 기능을 갖는 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 로터(31)에 형성된 실린더(39)에 고압 유체를 공급ㆍ배출하는 제1 통로(94, 95)와 해당 실린더(39)로부터 로터 챔버(14)에 저압 유체를 공급ㆍ배출하는 제2 통로(102, 103)를 고정축(65)내에 형성하고,
    로터(31)와 일체로 회전하여, 상기 제1 통로(94, 95) 혹은 상기 제2 통로(102, 103)를 실린더(39)에 선택적으로 연통시키는 절환기구(64)를 상기 고정축(65)에 상대 회전이 가능하며 또한 밀봉 상태로 끼워 맞추며,
    고정축(65) 및 절환기구(64)의 미끄럼 운동면에 상기 제1 통로(94, 95)의 외주를 감싸는 포트 홈(124, 125)을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 포트 홈(124, 125)을 상기 제2 통로(102, 103)와 연통시키는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  15. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에어지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수다은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 피스톤(41)의 왕복운동과 회전축(23)의 회전운동을 상호 변환시킴과 동시에 상기 제2 에너지 변환수단은, 베인(42)의 원주방향 이동과 상기 회전축(23)의 회전운동을 상호 변환하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  17. 제16항에 있어서, 상기 회전축(23)은 로터(31)를 지지하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  18. 제15항에 있어서, 팽창기(4)로서 기능할 때는 상기 제1 에너지 변환수단을 통과한 작동유체의 전량이 상기 제2 에너지 변환수단을 통과하고, 압축기로서 기능할 때는 상기 제2 에너지 변환수단을 통과한 작동유체의 전량이 상기 제1 에너지 변환수단을 통과하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  19. 제15항에 있어서, 팽창기(4)로서 기능할 때는 로터(31)의 위상이 180°벗어난 2개소에서 작동유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 압축기로서 기능할 때는 로터(31)의 위상이 180°벗어난 2개소에서 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  20. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계로서,
    상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 회전식 유체기계에 있어서,
    적어도 피스톤(41)에 연동하는 롤러(59)를 설치하고, 이 롤러(59)를 로터 챔버(14)를 구획하는 케이싱(7)에 형성한 비원형의 환상 홈(60)에 걸어 맞춤으로써, 피스톤(41)의 왕복운동과 로터(31)의 회전운동을 상호 변환하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  21. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계로서,
    상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 회전식 유체기계에 있어서,
    적어도 피스톤(41)에 연동하는 롤러(59)를 설치하고, 이 롤러(59)를 로터 챔버(14)를 구획하는 케이싱(7)에 형성한 비원형의 환상 홈(60)에 걸어 맞춤으로써, 베인(42)의 외주면과 로터 챔버(14)의 내주면과의 간극을 규제하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  22. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계로서,
    상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 회전식 유체기계에 있어서,
    베인(42) 및 피스톤(41)에 운동하는 롤러(59)를 설치하고, 이 롤러(59)를 로터 챔버(14)를 구획하는 케이싱(7)에 형성한 비원형의 환상 홈(60)에 걸어 맞춤으로써, 피스톤(41)의 왕복운동과 로터(31)의 회전운동을 상호 변환시킴과 동시에, 베인(42)의 외주면과 로터 챔버(14)의 내주면과의 간극을 규제하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  23. 제20항에 있어서, 로터(31)의 회전축을 로터 챔버(14)의 중심에 일치시킨 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  24. 제21항에 있어서, 로터(31)의 회전축을 로터 챔버(14)의 중심에 일치시킨 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  25. 제22항에 있어서, 로터(31)의 회전축을 로터 챔버(14)의 중심에 일치시킨 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  26. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터(31)를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버(14)의 중심측에 고압의 작동유체를 배치하고, 상기 로터 챔버(14)의 외주측에 저압의 작동유체를 배치한 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  27. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터(31)를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버(14)의 중심측에 고압의 작동유체를 배치하고, 상기 로터 챔버(14)의 외주측에 저온의 작동유체를 배치한 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  28. 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고,
    압력 에너지를 갖는 작동유체를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 압력 에너지를 기계 에어지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 상기 기계 에너지를 작동유체의 압력 에너지로 변환시킴으로써 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 작동유체의 압력 에너지를 통합하여 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터(31)를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버(14)의 중심측에 고압, 고온의 작동유체를 배치하고, 상기 로터 챔버(14)의 중심측에 저압, 저온의 작동유체를 배치한 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  29. 제26항에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  30. 제27항에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  31. 제28항에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)으로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  32. 원동기의 폐열로 물을 가열해서 발생한 고온고압 증기의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키고, 그 결과 발생한 강온강압 증기를 복수(復水)해서 재차 상기 폐열로 가열하는 랭킨 사이클 장치에 설치되어, 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 용적형의 팽창기(4)로 되는 회전식 유체기계에 있어서,
    상기 팽창기(4)는 적어도 제1 에너지 변환수단 및 제2 에너지 변환수단을 구비하고, 압력 에너지를 제1, 제2 에너지 변환수단에 입력하여 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2 에너지 변환수단이 각각 발생시킨 기계 에너지를 통합하여 출력하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은, 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수납된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사상으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  34. 제33항에 있어서, 베인(42) 및 피스톤(41)에 연동하는 롤러(59)를 설치하고, 이 롤러(59)를 로터 챔버(14)를 구획하는 케이싱(7)에 형성한 비원형의 환상 홈(60)에 걸어 맞춤으로써, 피스톤(41)의 왕복운동과 로터(31)의 회전운동을 상호 변환시킴과 동시에, 베인(42)의 외주면과 로터 챔버(14)의 내주면과의 간극을 규제하는 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  35. 제32항에 있어서, 상기 제1, 제2 에너지 변환수단을 구비한 로터(31)를 회전이 자유롭게 수납하는 로터 챔버(14)의 중심측에 고온고압 증기를 배치하고, 상기 로터 챔버(14)의 외주측에 강온강압 증기를 배치한 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제1 에너지 변환수단은 로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수납된 로터(31)에 방사상으로 형성된 실린더(39)와, 이 실린더(39)내를 미끄럼 운동하는 피스톤(41)로 구성되며, 상기 제2 에너지 변환수단은, 로터(31)로부터 방사상으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인(42)으로 구성된 것을 특징으로 하는 회전식 유체기계.
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