KR101061450B1 - 베인-셀 장치 및 베인-셀 장치를 이용한 폐열 활용 방법 - Google Patents

베인-셀 장치 및 베인-셀 장치를 이용한 폐열 활용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베인-셀 장치(100)에 관한 것으로, 베인-셀(102-113)을 수용하기 위한 대체로 원통형의 공간 및, 상기 원통형 공간 내에 흡입포트(114)와 배출포트(115)를 가지는 하우징(101)과, 상기 하우징에 편심 상태로 배열된 샤프트(116)와, 상기 샤프트 상에 기본적으로 서로 나란하게 배열된 제1 및 제2 안내판(117)과, 상기 안내판에 의해 안내되고, 하우징(101)의 내벽(118) 방향으로 샤프트(116)에 대하여 근본적으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드(119-129)를 구비하고, 상기 베인-셀(102-113)은 2개의 인접한 슬라이드들(119,120; 120,121; …) 및 상기 하우징의 내벽(118)의 인접 부분에 의해 각각 형성되며, 상기 흡입포트(114) 부분에서의 베인-셀의 체적은 상기 배출포트(115) 부분에서의 베인-셀의 체적과 다른 것을 특징으로 한다. 샤프트(116)의 속도와 사용된 매질의 온도를 증가시키기 위해, 그리고 그로부터 효율을 증대시키기 위해서는, 상기 슬라이드들(119-129)에 압력 오일을 바람직하게 주유하고, 상기 슬라이드들(119-129)이 안내 트랙(130)에 의해 방사상으로 및 축방향으로 안내되며, 상기 안내 트랙은 상기 하우징(101)에 대하여 고정되고 마찬가지로 압력오일이 바람직하게 주유될 것이 제안된다.
베인-셀, 편심 배열, 안내판, 효율, 압력 오일, 안내 트랙, 방사상, 주유

Description

베인-셀 장치 및 베인-셀 장치를 이용한 폐열 활용 방법{Vane-type machine and method of utilizing waste heat while using Vane-type machines}
본 발명은 공기, 내연기관에서 배출된 배기가스, 증기상태의 매질 또는 이들의 혼합물과 같은 기체 상태의 매질을 팽창시키거나 압축하기 위한 베인-셀 장치(vane-cell machine)에 관한 것이며, 또한 바람직하게는 적어도 하나의 베인-셀 장치를 이용하여 폐열을 활용하기 위한 방법에 관한 것이다.
베인-셀 장치는 독일 실용신안공보 DE 201 17 224 U1으로부터 공지되어 있다. 팽창 프로파일이 열적 요구조건에 잘 맞춰질 수 있고 베인-셀 장치가 저가에 생산될 수만 있다면, 베인-셀 유니트(vane-cell units)를 구비한 베인-셀 장치는 회전방향으로 증가 및 감소하는 셀 체적을 갖도록 제안된다.
본 발명의 목적은 신뢰성 있고 효율적인 베인-셀 장치 및 이를 통해 폐열을 활용하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적은 각각의 독립된 청구항의 특징들에 의해 달성된다. 바람직한 개선점들은 종속항들의 주된 내용이다.
본 발명에 따른 베인-셀 장치는, 특히 공기, 내연기관에서 배출된 섭씨 500도에 이르는 배기가스, 증기 상태의 매질 또는 이들의 혼합물과 같은 기체 상태의 매질을 팽창 또는 압축시키기 위해 제공한다. 베인-셀 장치는, 베인-셀 장치의 베인-셀들(vane-cells)을 수용하기 위한 대체로 원통형의 공간 또는 일정하지 않은 반경 공간을 가지며, 또한 상기 공간 내에 흡입포트(inlet port)와 배출포트(outlet port)를 갖는 하우징을 구비한다. 하우징에는 샤프트가 편심 상태로 배열된다. 샤프트에는 기본적으로 서로 나란하게 배열된 제1 및 제2 안내판이 제공된다. 상기 안내판은 샤프트에 대하여 기본적으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드를 하우징의 내벽 방향으로 안내한다. 베인-셀은 2개의 인접한 슬라이드와 하우징의 내벽의 인접한 부위에 의해 각각 형성된다. 흡입포트 구역에서의 베인-셀의 체적은 배출포트 구역에서의 베인-셀의 체적과 다르다. 본 발명에 따르면, 하우징의 내벽 방향으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드들은 바람직하게는 압력 오일이 주유되고 안내 트랙에 의해 방사상으로 및 축방향으로 안내된다. 안내 트랙은 하우징에 대하여 고정된 위치에 형성되고, 또한 바람직하게는 압력 오일이 주유된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 연속 안내 트랙이 제공된다. 이 안내 트랙 또는 이들 안내 트랙들은, 하우징의 내벽과 면한 슬라이드 또는 슬라이드의 측면, 즉 슬라이드의 단부면이 상기 슬라이드의 전체 이동통로를 따라서 하우징의 내벽을 지나 각각 기본적으로 비접촉식으로 이동하는 방법의 경우, 상기 하우징의 내벽 방향으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드들의 운동을 제한한다.
본 발명에 따른 베인-셀 장치는, 특히 공기, 내연기관에서 배출된 섭씨 500도에 이르는 배기가스, 증기 상태의 매질 또는 이들의 혼합물과 같은 기체 상태의 매질을 팽창 또는 압축시키기 위해 제공한다. 베일 셀 장치는, 상기 베인-셀 장치의 베인-셀을 수용하기 위한 대체로 원통형의 공간 또는 일정하지 않은 반경 공간을 가지며, 또한 상기 공간 내에 흡입포트와 배출포트를 갖는 하우징을 구비한다. 하우징 내에는 기본적으로 샤프트가 배열된다. 샤프트에는 기본적으로 서로 평행하게 배열된 제1 및 제2 안내판이 제공된다. 상기 안내판은 샤프트에 대하여 기본적으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드를 하우징의 내벽 방향으로 안내한다. 베인-셀은 2개의 인접한 슬라이드와 하우징의 내벽의 인접한 부위에 의해 각각 형성된다. 흡입포트 구역에서의 베인-셀의 체적은 배출포트 구역에서의 베인-셀의 체적과 다르다. 본 발명에 따르면, 하우징의 내벽 방향으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드들은 바람직하게는 압력 오일이 주유되고, 안내 트랙에 의해 방사상으로 및 축방향으로 안내된다. 안내 트랙은 하우징에 대하여 고정된 위치에 형성되고, 또한 바람직하게는 압력 오일이 주유된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 연속 안내 트랙이 제공된다. 이 안내 트랙 또는 이들 안내 트랙들은, 슬라이드 또는 상기 하우징의 내벽과 면한 슬라이드의 측면, 즉 슬라이드의 단부면이 상기 슬라이드의 전체 이동 통로를 따라서 하우징의 내벽을 지나 각각 기본적으로 비접촉식으로 이동하는 방법의 경우, 상기 하우징의 내벽 방향으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드의 이동을 제한한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 이러한 비접촉 이동은 비원통형 하우징과 원형의 안내 트랙에 의해, 또는 원통형 하우징과 비원형 안내 트랙에 의해, 또는 하우징과 안내 트랙의 특별한 형상에 의해 실현된다.
비원통형 하우징과 원형 안내 트랙의 경우, 다음 방정식은 본 발명의 바람직한 실시예에 도달하기 위해 R에 따라 숫자를 대입하여 풀어진다:
Figure 112008041711118-pct00001
바람직한 설계를 위해 상기 2개의 방정식 중 높은 값이 이용된다.
이 경우, 다음의 약분을 적용한다.
x: 샤프트의 회전축에서 하우징의 벽까지의 거리
t: 단부면 상의 슬라이드들의 폭
b: 슬라이드들(140-151)의 안내핀의 중심점에서 슬라이드들의 단부면까지의 거리
a: 샤프트의 회전축과 원형 안내 트랙의 중심점 사이의 거리
φ: x선과 로터의 중심점 및 샤프트와 하우징 사이의 최단거리 지점을 통한 직선 사이의 각도
r: 안내 트랙의 반경
원통형 하우징과 비원형 안내 트랙의 경우, 본 발명의 추가의 바람직한 실시예로서 다음의 관계식을 적용한다.
Figure 112008041711118-pct00002
Figure 112008041711118-pct00003
,
Figure 112008041711118-pct00004
Figure 112008041711118-pct00005
상기 약분에 대한 설명은 다음과 같다.
y: 샤프트의 회전축에서 안내 트랙의 중심까지의 거리
R: 원통형 하우징의 반경
e: 샤프트의 회전축과 원통형 하우징의 중심점 사이의 거리
t: 단부면 상의 슬라이드들의 폭
φ: y선과 로터의 중심점 및 샤프트와 하우징 사이의 최단거리 지점을 통한 직선 사이의 각도
b: 슬라이드들의 안내핀의 중심점에서 슬라이드들의 단부면까지의 거리
본 발명의 실시예는, 특히 바람직하게는 원통형 하우징 및 비원형 안내 트랙을 구비한다.
본 발명에 따른 수단들 덕택에 기계적 접촉이 없어 각각의 슬라이드의 단부면과 하우징의 내벽 사이에는 실질적으로 마찰이 발생하지 않는다. 그로 인해, 유효 수명과 효율이 마찰 베인-셀 장치에 비해 현저하게 증가된다. 기계적 접촉이 없기 때문에, 본 발명에 따른 베인-셀 장치의 베인 휠 또는 베인-셀은 입구와 출구 사이의 차압이 현저히 낮은 경우에도 회전한다. 그 결과, 본 발명에 따른 베인-셀 장치는 본래 종래의 베인-셀 장치에 사용할 수 없었던 주변압력과 비교해 낮은 압력 차이를 갖는 에너지원을 이용할 수 있도록 만들어진다. 각각의 슬라이드의 단부면과 하우징의 내벽 사이의 작은 틈을 통한 베인-셀 장치의 셀들 사이의 압력 평준화는 실질적으로는 관계가 없다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 안내 트랙을 구비한 제1 안내 트랙판이 제공되며, 상기 제1 안내 트랙판은 샤프트와 함께 회전하는 제1 안내판과 대체로 평행하다. 제1 안내 트랙판은 하우징을 중심으로 회전하도록 고정하여 배열된다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 있어서, 제2 안내 트랙이 구비된 제2 안내 트랙판이 제공되고, 상기 제2 안내 트랙판은 샤프트와 함께 회전하는 제2 안내판과 대체로 평행하다. 제2 안내 트랙판은 하우징을 중심으로 회전하도록 고정하여 배열된다.
본 발명에 따른 이들 수단들 덕분에 베인-셀 장치의 소규모 시공과 베인-셀 장치의 슬라이드들의 보다 정확한 안내 및 하우징의 내벽에 대한 비접촉이 이루어질 수 있다. 2개의 안내 트랙판들은 서로 연결된 상태로 정확히 조정될 수 있다. 그 결과로 슬라이드들의 무경사의 방사상 이동이 발생한다. 만일 적합하다면, 제1 및 제2 안내 트랙은 바람직하게는, 하우징의 내벽으로부터 방사방향으로 이동 가능한 슬라이드들의 단부면까지의 거리를 베인-셀 장치의 작동 중 대체로 일정하게 유지시키는 방법으로 각각의 안내 트랙판에 제공된다. 만일 적합하다면, 마찬가지로 제1 및 제2 안내 트랙은 하우징의 내벽으로부터 슬라이드들의 단부면까지의 거리를 베인-셀들의 회전운동 도중에 감소시키고, 그로부터 수반되는 증가하는 압력, 즉 증가 압력을 이용하여 인접한 베인-셀들을 서로 보다 효율적으로 분리 또는 밀폐시키는 방법으로 상기 하우징 내의 샤프트의 편심 배열에 맞춰질 수도 있다. 이것은 베인-셀 장치의 효율에 있어서 바람직한 효과를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 안내 트랙판이 하우징에 나사결합되도록 제공된다. 또한, 제1 및/또는 제2 안내 트랙판이 하우징의 제1 및/또는 제2 단부면을 형성하도록 제공될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 각각 샤프트에 대하여 방사방향으로 연장하고 제1 및/또는 제2 안내판에 제공되는 세로 방향의 홈을 통해서 각각 유도되는 제1 및/또는 제2 안내핀을 각각 구비한 슬라이드들이 제공된다. 그로 인해, 슬라이드들의 대체로 무경사 방사상 이동이 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 안내핀 상에 종축에 대하여 회전하며 이동할 수 있고 안내 트랙에 의해 안내되는 초승달 형상의 안내 트랙 시클(sickle)이 제공된다. 안내 트랙은 바람직하게는 압력오일이 주입 및/또는 주유된다. 슬라이드들이 방사상으로 배치된 동안 안내 트랙 상에서 발생하는 힘들은 안내 트랙 시클에 의해 안내 트랙 및/또는, 만일 적합하다면 오일 막의 넓은 영역에 분포될 수 있으며, 그 결과 특히 마찰손실과 그로부터 발생가능한 마모를 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따라 수행된 압력오일 주유 및/또는 주입에 의해, 베인-셀의 샤프트의 회전속도는 롤링 마운팅(rolling mounting)에 비해 현저하게 증대될 수 있으며, 매우 고온의 매질까지도 장애가 없이 사용될 수 있다. 또한, 발생하는 축방향 힘은 안내 트랙 시클의 압력오일 주유로 인해 롤링 마운팅과는 대조적으로 흡수될 수 있다. 이것은 본 발명에 따른 베인-셀 장치의 효율, 전체 크기, 유효수명 및 신뢰성 면에서 긍정적인 효과를 갖는다.
본 발명의 추가의 실시예에 있어서, 제1 및/또는 제2 안내 트랙판의 내면에 바람직하게 밀링된 연속 안내 트랙 홈으로 형성되는 제1 및/또는 제2 안내 트랙이 제공된다. 그에 따라, 슬라이드들의 비용효율적이고 정확하고 신뢰성있는 방사방향 및 축방향으로의 유도가 이루어진다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 베인-셀 장치는 안내핀 및/또는 안내 트랙 시클에, 및/또는 제1 및/또는 제2 안내판에서 방사상으로 연장된 슬라이드의 작동홈에 각각 윤활유를 운반 및 공급하는 덕트를 구비한다. 윤활유의 공급은 바람직하게는 샤프트에서 윤활유를 운반하는 적어도 하나의 덕트를 통해 이루어지고, 및/또는 윤활유의 배출은 바람직하게는 제1 및/또는 제2 안내판에서 윤활유를 배출하는 적어도 하나의 덕트를 통해 이루어진다. 그 결과, 본 발명에 따른 베인-셀 장치에서 사용된 매질의 회전속도 및 온도의 가능한 증가 덕택에 신뢰성 및 효율성은 현저하게 개선된다.
폐열 활용을 위한 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 본 발명에 따른 적어도 하나의 베인-셀 장치를 이용하여 달성된다. 고정 또는 이동 연소장치로부터 배출된 배기가스는 제1 열전달 수단 및/또는 배기가스 터보과급기로 공급된다. 제1 베인-셀 장치는 주변 압력하의 공기를 압축하고, 압축된 공기는 열전달 수단으로 공급된다. 이때, 배기가스에 포함된 열에너지가 압축 공기에 공급된다. 제2 베인-셀 장치는 압축 및 가열된 공기를 연소장치로부터 배출된 배기가스의 압력보다 낮은, 만일 적합하다면 터보과급기의 출구에서의 배기가스의 압력보다 낮은 압력으로 팽창 또는 감압시킨다. 열전달 수단, 또는 만일 적합하다면 배기가스 터보과급기를 벗어나는 감압된 공기 및 배기가스는 제3 베인-셀 장치로 공급된다. 제3 베인-셀 장치는 배기가스와 공기의 혼합물을 주변 압력으로 팽창시키고, 동시에 유용한 작업을 수행한다.
본 발명에 따른 방법은 고효율로 구분되며, 특히 본 발명에 따른 베인-셀 장치가 이용될 경우 바람직하지 않은 방향의 환경 속으로 단순히 배출되는, 사용되지 않은 에너지원을 편리하게 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주변 압력 또는 대기압 하의 공기를 연소장치의 배기 매니폴더에서의 배기가스의 배출 압력의 대략 2배 압력으로, 만일 적합하다면 터보과급기의 배기가스 하류의 배출 압력의 대략 2배 압력으로 압축하기 위해 본 발명에 따른 제1 베인-셀 장치가 제공된다. 그에 따라, 본 발명의 효율은 더 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 있어서, 제1 베인-셀 장치에 의해 압축된 압축 주변 공기가 공급되도록 연소장치가 제공된다. 그 결과, 적합한 연소장치의 경우에는 마찬가지로 그 효율이 증대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 연소장치의 냉각회로로부터 발생된 열에너지와 제3 베인-셀 장치의 배기가스/공기 혼합물의 잔여 열이 공급되는 제2 열전달 수단이 제공된다. 제2 열전달 수단에 의해 배출된 기체 상태의 매질은 제4 베인-셀 장치에 의해 팽창되며, 동시에 유용한 작업을 수행한다. 또한, 본 발명에 따른 이 수단에 의해 내연기관의 냉각회로의 폐열이 바람직하게 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 있어서, 액체 저장조로부터 증류되어 펌프에 의해 가압된 상태로 작용하는 액체, 특히 물, 이산화질소(nitrogen dioxide) 또는 시클로실록산(cyclosiloxanes)이 공급되는, 증발기인 제2 열전달 수단이 제공된다. 그에 따라, 본 발명에 따른 방법에 의해 이미 달성이 가능한 폐열의 활용에 있어서의 효율은 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 있어서, 기체 상태의 매질을 액화하고 동시에 열을 배출하는 응축수단에 공급되도록 제4 베인-셀 장치에 의해 팽창된 기체상태의 매질이 제공되며, 액체는 액체 저장조에 공급된다. 이러한 수단에 의해, 배기가스/공기 혼합물의 잔여 열 및 연소장치의 냉각회로에서 발생된 폐열을 활용하기 위한 바람직한 폐쇄 회로가 이루어진다.
본 발명에 따른 베인-셀 장치 및 폐열 활용을 위한 본 발명에 따른 방법은 예시적인 실시예들에 의해 실제 크기와는 다른 도면을 이용하여 아래에서 보다 상세히 설명된다. 동일하거나 동일하게 작동하는 요소들은 동일한 참조 부호로 표시한다. 도면에 있어서,
도 1은 본 발명에 따른 베인-셀 장치를 나타내는 것으로서, 본 발명에 따른 작동원리를 설명하는 단면도이다.
도 2는 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 제1 시스템을 나타내는 것으로서, 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 방법에 대해 설명한다.
도 3은 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 제2 시스템을 나타내는 것으로서, 제1 시스템에 비하여 더 개량된 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 베인-셀 장치 101 : 하우징
102 내지 113 : 베인-셀 114 : 흡입포트
115 : 배출포트 116 : 구동축(shaft)
117 : 안내판 118 : 내벽
119 내지 129 : 슬라이드 130 : 안내 트랙
131 : 말단면 140 내지 151 : 안내핀
160 내지 171 : 세로 방향의 홈 180 : 시계방향 회전
181 : 반시계방향 회전 182 : 하우징의 부분 영역
200 : 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 제1 시스템
201 : 연소장치 202 : 대기압하의 공기
203 : 배기가스 204 : 열전달 장치
205 : 배기가스 터보과급기 206 : 제1 베인-셀 장치
207 : 대기압 하의 공기 208 : 배기가스에 포함된 열 에너지
209 : 압축공기 210 : 연결라인
211 : 제2 베인-셀 장치 212 : 배기가스 터보과급기의 출구
213 : 공기와 배기가스의 혼합물 214 : 제3 베인-셀 장치
215 : 공기와 배기가스의 팽창된 혼합물
300 : 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 제2 시스템
301 : 제2 열전달 장치 302 : 냉각 회로
303 : 기체 상태의 매질 304 : 제4 베인-셀 장치
305 : 액체 저장조 306 : 펌프
307 : 액체 308 : 액체
309 : 응축 수단
도 1은 개략적인 단면도를 통해 공기, 내연기관으로부터의 배기가스, 증기상태의 매질 또는 이들의 혼합물과 같은 기체 상태의 매질을 팽창 또는 압축하기 위한 본 발명에 따른 베인-셀 장치(100)의 작동 원리를 나타낸다. 베인셀 장치(100)의 하우징(101)은 대체로 부분 원형의 단면을 가지며, 대체로 원통형인 내부 공간 안에 베인 셀들(102 내지 113)이 구비되고 외면에는 흡입포트(114) 및 배출포트(115)가 구비된다. 구동축(shaft;116)은 하우징(101)에 편심되어 배치된다. 구 동축(116)에 제1 안내판(117) 및 제2 안내판(미도시)이 설치된다. 안내판들은, 슬라이드들이 하우징(101)의 내벽(118) 방향으로 구동축(116)에 대하여 근본적으로 방사상으로 이동할 수 있도록 슬라이드(119 내지 129)들을 안내한다.
구동축(116)이 기계적으로 구동되면, 구동축은 하우징 내에서 안내판들과 함께 회전한다. 원심력에 의해, 슬라이드(119 내지 129)들은 회전하는 동안 외측을 향해 방사상으로 이동한다. 이 경우, 슬라이드들은 구동축(116)과 함께, 안내판들에 고정되고 상기 구동축에 대하여 베인-셀(102 내지 113)들을 폐쇄(미도시)하는 2개의 안내벽들 사이에서 각각 안내된다(미도시). 따라서, 베인-셀이 하우징(101)의 내벽(118) 영역에 위치되어 있지 않는 한, 각각의 베인-셀은 방사상 방향으로 단지 외측을 향해서만 개방된다. 각 슬라이드(119 내지 126)의 말단면(131)은 하우징(101)의 내벽(118)으로부터 약간 떨어져서 내벽을 지나 이동한다. 다시 말해, 슬라이드(119 내지 126)들과 그 다음의 슬라이드(127 내지 129)들 역시 바람직하게는 거의 또는 완전히 접촉되지 않은 상태로 하우징(101)의 내벽(118)을 지나 이동한다. 이러한 대표적인 실시예에서, 대기압 하의 공기는 흡입포트(114)의 영역에 위치된다. 예를 들어 전동기 또는 내연기관에 의해서 구동축(116)이 기계적으로 시계방향(180)으로 회전하면, 결과적으로 공기는 흡입포트(114)를 통해 거의 폐쇄된 베인-셀(106)로 들어간다. 흡입포트(114)로부터 배출포트(115)로 가는 통로에서, 공기는 베인-셀의 감소된 체적으로 인해 압축된다. 압축된 공기는 배출포트(115)를 통해 베인-셀 장치로부터 배출된다. 압축된 공기 중 일부는 베인-셀 내에 남아있고, 본 발명에 따르면 이 공기는 배출포트(115)로부터 흡입포트(114)로 가는 통로에서 대기압으로 팽창된다.
이와 대조적으로, 흡입포트(114)에 비해서 증가된 압력이 배출포트(115)의 영역에 보급되고, 구동축(116)이 매우 자유롭게 회전 가능하면, 배출포트(115)는 흡입포트가 되고 흡입포트(114)는 베인-셀 장치(100)의 배출포트가 된다. 이 경우, 반대의 과정이 일어나고, 베인-셀 장치는 진입하는 가스 상태의 매질을 감압시킨다. 이 경우, 예를 들어 전동기(미도시)를 구동하는 것과 같이, 구동축(116)은 반시계방향(181)으로 회전한다. 다시 말해, 베인-셀 장치 또는 이의 구동축(116)은 작업을 수행한다.
본 발명에 따르면, 부분 영역(182)에 배출포트(115)로부터 흡입포트(114)로 증가되는 반경을 갖도록 하는 거의 원형의 단면이 하우징(101)에 구비된다. 그 결과, 공기는 베인-셀(113)로 진입하고(구동축(116)의 이동이 반시계방향(181)인 경우), 예를 들면 0.95 기압과 같이, 낮은 압력으로 팽창된 대기압 하에 놓인다. 이러한 압력차이는 구동축의 회전을 돕고, 결과적으로 베인-셀 장치(100)의 효율을 증가시킨다.
하우징(101)의 내벽을 지나는 각 슬라이드의 말단면(131)이 거의 접촉되지 않고 슬라이딩되도록 하기 위해, 본 발명에 따르면 최소 하나의 안내 트랙(130)이 제공된다. 개략적으로 도시된 안내 트랙(130)은 각 슬라이드(119 내지 129)들의 방사상 위치를 결정한다. 바람직하게는, 연속적인 안내 트랙은 안내 트랙판(미도시)의 후방측에 위치되고, 구동축(116)과 함께 회전하는 안내판(117)과 거의 평행한 안내 홈 또는 안내 덕트(미도시)이다. 안내판(117)과는 다르게, 안내 트랙판 (미도시)은 하우징(101)에 대한 회전에 관하여 고정되어 배치된다. 바람직하게는, 안내 트랙판은 하우징에 나사 체결되고, 하우징을 위쪽으로 폐쇄시킨다. 각 슬라이드(119 내지 129)의 안내 핀(140 내지 151)은 안내 트랙(130)에서 적합한 형태로 이동한다. 구동축이 회전하는 동안, 각 슬라이드에 구비된 안내 핀은 안내 트랙 및 안내 핀에 적합한 형태를 통해 소정의 위치로 안내되고, 그 결과 각각의 베인-셀은 하우징의 내벽에 대해 거의 밀폐되면서, 각 슬라이드의 말단부가 하우징 또는 하우징 벽과 거의 접촉하지 않는다. 이것에 의해, 인접한 베인-셀들 사이에 존재하는 틈에 의한 상당한 압력 손실을 유발하지 않으면서, 본질적으로 마찰이 없는 베인-셀들의 회전이 이루어진다. 결국, 본 발명에 따른 베인-셀 장치(100)의 효율은 종래의 마찰이 있는 베인-셀 장치보다 현저하게 향상된다.
베인-셀들은 마찰로부터의 본질적인 자유로움으로 인해 회전이 가능하고 작업을 수행할 수 있기 때문에, 종래의 큰 마찰을 갖는 베인-셀 장치와는 다르게, 이는 특히 흡입포트 및 배출포트 사이의 압력차이가 작은 경우에도 적용된다. 또한 낮은 압력차이가 이용될 수도 있기 때문에, 본 발명에 따른 베인-셀 장치 또는 그 베인-셀들은 더 큰 치수들로 설계될 수 있다. 반면, 종래의 마찰이 있는 베인-셀 장치들의 치수의 증가는 또한 극복해야 할 마찰력을 증가시키고, 따라서 종래의 베인-셀 장치들에 있어서 이 치수는 어떠한 개량도 할 수 없었다.
본 발명의 바람직한 실시예에서(미도시), 하우징의 아래쪽에는 또한 하우징과 나사 체결된 안내 트랙판 및 역시 슬라이드에 부착되는 하부 안내핀들(미도시)을 위한 안내 트랙이 구비된다.
이중(double)의 안내로 인해, 슬라이드들은 거의 흔들리지 않고 방사상으로 안내될 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 핀들에 대해 회전될 수 있고, 안내 트랙에 의해 안내되는 안내 트랙 시클(sickle)이 핀들에 각각 구비될 수 있다. 핀과 비교하여, 안내 트랙 시클은 안내 트랙과의 더 큰 접촉 표면을 갖고, 바람직하게는 압력 오일로 윤활되며, 그 결과 표면 압력이 떨어지고 마찰이 더 감소되며, 신뢰성 또는 사용 수명이 증가된다.
바람직하게는, 슬라이드들 및 안내핀들 또는 안내 트랙 시클들은 윤활 오일을 구비한 적당한 덕트들(미도시)을 통해 그의 가이드들에 윤활 및/또는 장착된다. 예를 들면, 회전 장착시에 매질의 더 높은 회전 속도와 더 높은 온도가 사용되기 때문에, 바람직한 압력-오일 주입 또는 압력-오일 주유가 실시될 수 있으며, 그 결과 효율이 향상되고 구조적인 치수들을 줄일 수 있고, 결과적으로 비용을 절감할 수 있다.
도 2는 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 제1 시스템을 나타내는 것으로서, 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 시스템은 연소 장치(201), 입구 및 출구를 구비한 제1 열전달 장치(204), 배기가스 터보과급기(205), 제1 베인-셀 장치(206), 연결라인(210), 제2 베인-셀 장치(211) 및 제3 베인-셀 장치(214)를 포함한다.
연소 장치(201)는 주변 압력 또는 대기압 하의 공기(202)를 흡입하고 뜨거운 배기가스(203)를 배출한다. 뜨거운 배기가스는 입구를 통해 제1 열전달 장치(204)로 공급된다. 대기압 하의 공기(207)는 제1 베인-셀 장치(206)를 통해 흡입되고, 연소 장치의 배출 메니폴드(manifold)에서 배기 가스의 배출 압력의 대략 두 배로 압축된다. 반면, 도시된 것처럼 연소 장치가 배기 가스 터보과급기를 구비한 경우, 공기는 제1 베인-셀 장치에 의해 배기 가스 터보과급기의 배기 가스 하류의 배출 압력의 대략 두 배로 압축된다. 압축되는 동안, 연소 장치를 위한 탭 공기(tap air)는 제1 베인-셀 장치로부터 추출될 수 있다(미도시). 압축된 공기(209)는 제1 베인-셀 장치(206)의 출구와 제2 베인-셀 장치(211)의 입구를 연결하는 연결라인(210) 안으로 안내된다. 연결라인(210)은, 배기가스에 포함된 열 에너지(208)의 많은 부분을 연결라인(210)을 통해 안내된 압축된 공기에 전달하기 위하여, 열전달 장치(204)에 히트 코일(heat coil) 형태로 배치된다(미도시). 열전달 장치에서, 압축된 공기는 역류 구조에서 대략 배기가스의 온도로 가열되고, 배기가스는 대략 압축된 공기의 온도로 냉각된다. 가열된 압축 공기는 제2 베인-셀 장치(211)로 진입하고, 감압된 공기는 제2 베인-셀 장치를 떠난다. 제2 베인-셀 장치(211)로부터 나온 공기는 연소 장치로부터 나온 배기가스의 압력보다 낮은 압력을 갖고, 또는 도시된 것처럼 배기가스 터보과급기가 있는 경우에는 배기가스 터보과급기로부터 나온 배기가스의 압력보다 낮은 압력을 갖는다.
또 다른 연결라인은 열전달 장치(204)의 출구와 배기가스 터보과급기(205)의 입구를 연결하고, 연소 장치로부터 냉각된 배기가스를 공급한다. 배기가스 터보과급기(205)에 의해 압축되고 터보과급기를 떠난 배기가스는 출구(212)에서 제2 베인-셀 장치(211)로부터 토출된 압축 공기와 결합된다. 압축된 공기 및 압축된 배기 가스의 혼합물(213)은 제3 베인-셀 장치(214)의 입구에 공급되고, 제3 베인-셀 장 치(214)는 압축된 혼합물을 대기압을 갖는 혼합물(215)로 팽창시킨다. 제3 베인-셀 장치(214)에서 감압이 되는 동안, 예를 들면 제3 베인-셀 장치의 구동축에 플랜지처럼 부착된 전기발전기(electric generator)를 통해 후자는 작업을 수행한다.
도 3은 폐열을 이용하기 위한 본 발명에 따른 제2 시스템을 나타내는 것으로서, 도 2에 도시된 제1 시스템(200)에 비해 더 개량된 것이다. 제1 시스템에 더하여, 제2 시스템(300)은 제2 열전달 장치(301), 연소 장치(201)의 냉각 회로(302), 제4 베인-셀 장치(304), 액체 저장조(305), 펌프(306) 및 응축 수단(309)을 포함한다.
제3 베인-셀 장치로부터 나온 공기와 배기 가스의 혼합물(215) 및 제2 열전달 장치(301)를 가열하는 냉각 회로(302)는 제2 열전달 장치에 열 에너지를 공급한다. 액체 저장조(305)에 있는 증발하기 쉬운 액체(307)는 펌프(306)를 통해 제2 열전달 장치로 투입된다. 제2 열전달 장치(301)에서, 액체는 냉각 회로(302) 및 팽창된 공기와 팽창된 배기 가스의 혼합물(215)을 통해 공급된 열 에너지로 인해 증발된다. 이 증기는 액체 저장조(305)의 액체 압력보다 높은 압력을 갖는다. 증기는 제4 베인-셀 장치(304)의 입구로 공급되고, 증기가 팽창 또는 감압된 후에 상기 제4 베인-셀 장치(304)의 출구를 통해 응축 수단(309)에 공급된다. 응축 수단(309)에서 발생된 액체(308)는 액체 저장조(305)로 재순환된다.
증기가 팽창되는 동안, 예를 들면 제4 베인-셀 장치(304)의 구동축에 플랜지처럼 부착된 전기 발전기를 통해 제4 베인-셀 장치(304)는 유용한 작업을 수행한다.
본 발명의 바람직한 실시예와 같이, 도 2 및 도 3에 도시된 시스템에 본 발명에 따른 베인-셀 장치들이 설치되면, 특히, 현저하게 높은 효율에 의해 이 시스템들이 특징 지어진다. 또한, 작업을 수행하거나 전류를 생성하기 위해 낮은 차이의 압력들도 사용될 수 있다.

Claims (29)

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  11. 공기, 내연기관에서 배출된 배기가스, 증기상태의 매질 또는 이들의 혼합물과 같은 기체 상태의 매질을 팽창 또는 압축하기 위한 복수의 베인-셀 장치들을 이용하여 폐열을 활용하는 방법으로서,
    고정 또는 이동 연소장치(201)로부터 배출된 배기가스(203)가 제1 열전달 수단(204) 또는 배기가스 터보과급기(205)로 공급되고,
    제1 베인-셀 장치(206)가 주변 압력하의 공기(202,207)를 압축하고 그 압축된 공기를 열전달 수단(204)으로 공급하며, 배기가스에 포함된 열에너지(208)를 압축된 공기(209,210)로 공급하고,
    제2 베인-셀 장치(211)가 상기 압축 및 가열된 공기를 연소장치(201)에서 배출된 배기가스(203)의 압력보다 낮은, 만일 적합하다면 배기가스 터보과급기(205)의 출구(212)에서의 배기가스의 압력보다 낮은 압력으로 팽창 또는 감압하고,
    열전달 수단(204) 또는, 만일 적합하다면 배기가스 터보과급기(205)를 떠나는 감압된 공기 및 배기가스(213)가 제3 베인-셀 장치(214)로 공급되고,
    제3 베인-셀 장치(214)는 배기가스와 공기의 혼합물(213)을 주변 압력(215)으로 팽창시키고, 동시에 유용한 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 베인-셀 장치(206)는 주변 압력 또는 대기압(207) 하의 공기를 연소장치(201)의 배기 매니폴더에서의 배기가스(203)의 배출 압력의 2배 압력으로, 만일 적합하다면 터보과급기(205)의 하류로의 배기가스(212)의 배출 압력의 2배 압력으로 압축하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 연소장치는 제1 베인-셀 장치에 의해 압축된 압축 주변 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    연소장치(201)의 냉각회로(302)로부터 발생된 열 에너지 및 제3 베인-셀 장치(214)의 배기가스/공기 혼합물(215)의 잔여 열이 공급되는 제2 열전달 수단(301)이 제공되고,
    상기 제2 열전달 수단(301)에 의해 배출된 기체상태의 매질(303)은 제4 베인-셀 장치(304)에 의해 팽창되며, 그와 동시에 제4 베인-셀 장치가 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 열전달 수단(301)은 액체 저장조(305)로부터 증류되어 펌프(306)에 의해 가압된 상태로 작용하는 물, 이산화질소 또는 시클로실록산을 포함하는 액체(307)가 공급되는 증발기인 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제4 베인-셀 장치(304)에 의해 팽창된 기체상태의 매질은, 상기 기체 상태의 매질이 액화하고 동시에 열을 배출하는 응축 수단(309)에 공급되며, 상기 응축 수단(309)에서 발생된 액체(308)는 액체 저장조(305)에 공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  17. 제11항 또는 제14항에 있어서,
    상기 복수의 베인-셀 장치들 중 하나 이상은,
    상기 베인-셀 장치의 베인-셀(102-113)을 수용하기 위한 원통형의 공간 및, 상기 원통형 공간 내에 흡입포트(114)와 배출포트(115)를 가지는 하우징(101)과,
    상기 하우징에 편심 상태로 배열된 샤프트(116)와,
    상기 샤프트 상에 기본적으로 서로 나란하게 배열된 제1 및 제2 안내판(117)과,
    상기 안내판에 의해 안내되고, 상기 하우징(101)의 내벽(118) 방향으로 샤프트(116)에 대하여 기본적으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드(119-129)를 구비하고,
    상기 베인-셀(102-113)은 2개의 인접한 슬라이드들(119,120; 120,121; …) 및 상기 하우징의 내벽(118)의 인접 부분에 의해 각각 형성되고,
    상기 흡입포트(114) 부분에서의 베인-셀의 체적은 상기 배출포트(115) 부분에서의 베인-셀의 체적과 다르며,
    상기 하우징(101)의 내벽(118) 방향으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드들(119-129)은 안내 트랙(130)에 의해 안내되고,
    상기 안내 트랙은 상기 하우징(101)에 대하여 고정된 위치에 있는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    슬라이드 또는 상기 하우징의 내벽과 면한 슬라이드의 측면, 즉 상기 슬라이드의 단부면(131)이 상기 슬라이드의 전체 이동 통로를 따라서 상기 하우징의 내벽을 지나 각각 기본적으로 접촉하지 않고 이동하는 방식의 경우, 제1 연속 안내 트랙(130) 또는 제2 연속 안내 트랙이 상기 하우징의 내벽(118) 방향으로 방사상으로 이동가능한 슬라이드(119-129)의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    제1 안내 트랙(130)을 구비하는 제1 안내 트랙판이 상기 하우징(101)을 중심으로 회전하도록 고정 배치되며, 상기 제1 안내 트랙판은 상기 샤프트(116)와 함께 회전하는 제1 안내판(117)과 평행한 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    제2 안내 트랙을 구비하는 제2 안내 트랙판이 상기 하우징을 중심으로 회전하도록 고정 배치되며, 상기 제2 안내 트랙판은 상기 샤프트와 함께 회전하는 제2 안내판과 평행한 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 안내 트랙판은 상기 하우징에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제2 안내 트랙판은 상기 하우징에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 안내 트랙판은 상기 하우징의 제1 또는 제2 단부면을 형성하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 제2 안내 트랙판은 상기 하우징의 제1 또는 제2 단부면을 형성하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 슬라이드(119-129)들은 각각 샤프트(116)에 대하여 방사상으로 연장하고 제1 안내판(117) 또는 제2 안내판에 제공되는 세로 방향의 홈(160-171)을 통해 각각 안내되는 제1 안내핀 또는 제2 안내핀을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 안내핀은 종축에 대하여 회전 상태로 이동할 수 있고 상기 안내 트랙에 의해 안내되는 초승달 형상의 안내 트랙 시클을 구비하는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 제1 안내 트랙은 제1 안내 트랙판의 내면에 밀링된 연속 안내 트랙 홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 제2 안내 트랙은 제2 안내 트랙판의 내면에 밀링된 연속 안내 트랙 홈으로 형성되는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 복수의 베인-셀 장치들 중 하나 이상은 상기 안내핀 또는 상기 안내 트랙 시클에, 또는 상기 제1 또는 제2 안내판에서의 슬라이드의 방사상 연장 홈에 윤활유를 운반 및 공급하는 덕트를 구비하고, 윤활유의 급유는 샤프트에서 윤활유를 운반하는 하나 이상의 덕트를 통해 이루어지고, 또는 윤활유의 배출은 제1 또는 제2 안내판에서 윤활유를 배출하는 하나 이상의 덕트를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐열 활용 방법.
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