KR101136795B1 - 열효율이 개선된 스크롤 팽창기 - Google Patents

열효율이 개선된 스크롤 팽창기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스크롤 방식으로 구동되는 스터링 엔진의 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하우징의 내부에 고정설치되는 고정스크롤과 하우징 사이에 단열부재를 추가로 구비하여 열손실을 방지함으로써 출력성능을 높일 수 있는 열효율이 개선된 스크롤 팽창기에 관한 것이다.
본 발명은 스크롤 방식으로 구동되는 스터링 엔진의 스크롤 팽창기에 있어서, 외측면에 냉각수가 순환되는 냉각유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형으로 형성되어 외주부로 연장되는 고정스크롤; 상기 고정스크롤과 맞물려 적어도 하나의 팽창포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 팽창시킬 수 있도록 구비되는 선회스크롤; 및 상기 선회스크롤의 양측에 스크롤홀더를 매개로 연결되어 상기 선회스크롤을 구동시키는 구동축;을 포함하고, 상기 고정스크롤과 하우징 사이에 단열부재가 구비되어 상기 냉각수에 의한 열손실이 방지되는 특징으로 한다.

Description

열효율이 개선된 스크롤 팽창기{Scroll-type expander improved thermal efficiency}
본 발명은 스크롤 방식으로 구동되는 스터링 엔진의 스크롤 팽창기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하우징의 내부에 고정설치되는 고정스크롤과 하우징 사이에 단열부재를 추가로 구비하여 열손실을 방지함으로써 출력성능을 높일 수 있는 열효율이 개선된 스크롤 팽창기에 관한 것이다.
스터링 엔진은 밀페된 공간 내에 작동가스를 저장한 상태에서 주기적으로 가열과 냉각을 반복함으로써 발생되는 압력 변화를 이용하여 동력이 발생되는 외연기관이다.
이러한 스터링 엔진은 약체연료, 가스연료, 고체연료, 산업 폐열, 태양열 등 다양한 열원을 활용할 수 있으며, 히터와 쿨러 사이에 설치되는 재생기의 작용으로 원리적으로 가장 높은 효율을 가진다.
또한, 밸브가 없고 압력변화가 매끄럽기 때문에 내연기관에 비해 소음과 진동이 적고, 연속적인 연소과정으로 연소제어가 용이하며, 배기가스를 깨끗하게 할 수 있어 차세대 열기관으로 주목받고 있다.
상기와 같은 스터링 엔진은 히터와 쿨러에 의한 가열과 냉각 방식으로 이루어지는 왕복식에서 저소음 및 저진동, 소형 및 경량의 특징을 가지는 스크롤 방식의 스터링 엔진이 제안되었다.
이러한 스크롤 방식의 스터링 엔진은 일방향 유동이기 때문에 종래의 왕복식 스터링 엔진에서와 같이 작동유체가 팽창 후 재가열되고, 압축 후 재냉각될 때 발생되는 사이클 결함이 발생되지 않아 효율이 향상되며 재생기, 히터 및 쿨러내에서의 열피로가 줄어드는 장점이 있다.
그러나 종래의 스크롤 방식의 스터링 엔진은 스크롤 내부로 유입된 고온 고압의 작동유체로 운전 중일 경우 하우징 외벽방향으로 고온의 열을 방출하게 된다.
이를 방지하기 위하여 하우징의 외측면에는 냉각수가 순환될 수 있는 냉각유로가 함몰형성되어 냉각수공급장치(미도시)로부터 냉각수를 순환시켜 하우징으로 전달되는 열을 냉각시켜줌으로써 하우징의 과도한 열팽창을 방지하거나 하우징으로부터 방출되는 과도한 열에 의해 주변장치가 열화되는 현상을 방지하였다.
하지만, 하우징의 외측면에 냉각수에 의한 냉각 과정에서 냉각유로와 인접하여 하우징의 내부에 고정되는 고정스크롤 역시 냉각되어 스크롤 팽창기의 출력성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하우징의 내부에 고정되는 고정스크롤과 하우징 사이에 단열부재를 구비함으로써 냉각수에 의한 하우징의 냉각시 고정스크롤의 과도한 냉각을 방지하여 줌으로써 스터링 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 열효율이 개선된 스크롤 팽창기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 선회스크롤과 구동축을 연결하는 스크롤홀더에 단열부재를 추가로 구비함으로써 스크롤홀더를 통해 구동축으로 방출될 수 있는 열을 차단함으로써 스터링 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 열효율이 개선된 팽창기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스크롤 방식으로 구동되는 스터링 엔진의 스크롤 팽창기에 있어서, 외측면에 냉각수가 순환되는 냉각유로가 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형으로 형성되어 외주부로 연장되는 고정스크롤; 상기 고정스크롤과 맞물려 적어도 하나의 팽창포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 팽창시킬 수 있도록 구비되는 선회스크롤; 및 상기 선회스크롤의 양측에 스크롤홀더를 매개로 연결되어 상기 선회스크롤을 구동시키는 구동축;을 포함하고, 상기 고정스크롤과 하우징 사이에 단열부재가 구비되어 상기 냉각수에 의한 열손실이 방지되는 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 선회스크롤과 상기 스크롤홀더 사이에는 단열부재가 추가로 구비되어 상기 선회스크롤에서 상기 구동축으로의 열전달을 차단할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 하우징과 고정스크롤 사이에 단열부재를 추가로 구비하여 냉각수에 의한 열손실을 방지하여 줌으로써 스터링 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 스크롤홀더와 고정스크롤의 연결 부위에 단열부재를 추가로 구비하여 고정스크롤에서 구동축으로의 열전달을 차단함으로써 스터링 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열효율이 개선된 스크롤 팽창기를 도시한 분리사시도.
도 2는 본 발명에 따른 하우징의 평면도.
도 3은 선회스크롤과 고정스크롤의 결합 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열효율이 개선된 스크롤 팽창기(100)는 작동시 고정스크롤(120)과 선회스크롤(130)의 연계작용으로 발생된 열이 냉각수에 의해 방출되는 것을 방지할 수 있도록 단열부재(160,170)가 구비되는 것으로, 하우징(110a,110b), 고정스크롤(120), 선회스크롤(130) 및 구동축(140)을 포함한다.
본 발명의 열효율이 개선된 스크롤 팽창기(100)는 스크롤 방식으로 작동되는 스터링 엔진의 스크롤 팽창기로서, 도 1에 도시된 바와 같이 외측면에 작동유체가 유,출입되는 흡기구(114)와 토출구(116)가 구비되고 고정스크롤(120)이 안착될 수 잇도록 내부공간(112)을 갖는 한 쌍의 하우징(110a,110b)이 구비된다.
그리고 상기 하우징(110a,110b)의 외측면에는 냉각수공급장치(미도시)로부터 공급되는 냉각수가 유입되어 스크롤 팽창기의 작동시 발생되는 열에 의해 승온된 하우징(110a,110b)을 냉각시킬 수 있도록 일정깊이를 갖는 냉각유로(118)가 구비되며 상기 냉각유로(118)의 개구된 상부는 하우징(110a,110b)의 외측면에 결합되는 하우징커버(105)에 의해 밀폐된다.
상기 고정스크롤(120)은 상기 하우징의 내부공간(112)에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 바, 한 쌍이 각각 상기 하우징(110a,110b)의 내측면에 고정설치되어 서로 마주보도록 구비된다. 이때, 상기 고정스크롤(120)의 중심부는 하우징(110a,110b)에 형성되는 흡기구(114)와 대응되도록 위치된다.
상기 선회스크롤(130)은 하우징(110a,110b)의 내부에서 고정스크롤(120)과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루면서 외주부로 연장되며, 상기 흡기구(114)를 통해 하우징의 내부로 유입된 작동유체가 연속적으로 팽창될 수 있도록 구동축(140)에 의해 소정의 선회반경을 가지며 선회한다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 한 쌍의 고정스크롤(120)과 한 쌍의 고정스크롤(120) 사이에 배치되는 선회스크롤(130)은 각각 중심부로부터 나선형으로 형성되고 서로 대응되도록 구비됨으로써 서로 조합되어 적어도 하나의 팽창실(P)을 형성하게 된다.
그리고, 상기 선회스크롤(130)의 좌,우 양측에는 각각 스크롤홀더(150)를 매개로 구동축(140)과 연결되어 상기 구동축(140)의 회전에 의해 선회스크롤(130)이 선회운동됨으로써 스크롤 팽창기(100)가 작동하게 된다.
이처럼, 구동축(140)의 회전시 선회스크롤(130)이 고정스크롤(120)과 서로 맞물려 고정스크롤(120) 주위를 선회운동 함으로써 하우징 내부로 유입된 작동유체가 팽창되어 하우징(110a,110b), 선회스크롤(130) 및 고정스크롤(120)은 고온으로 상승하게 된다.
상기와 같이 구동축(140)에 의해 선회스크롤(130)이 고정스크롤(120)을 선회운동을 통하여 팽창실(P)에서 발생되는 고온의 열을 전달받아 하우징(110a,110b)도 고온의 열을 받게 된다.
이와 같이 상기 팽창실(P)에서 전달되는 열에 의해 승온된 하우징(110a,110b)의 온도를 낮추기 위하여 냉각수공급장치로부터 냉각수를 공급받아 냉각수가 상기 냉각유로(118)를 순환되도록 함으로써 상기 하우징(110a,110b)이 과도하게 열변형되는 것을 방지한다.
그러나, 이러한 하우징(110a,110b)의 냉각과정에서 하우징의 내부공간(112)에 고정설치되는 고정스크롤(120) 역시 하우징의 외측면에 형성된 냉각유로(118)와 인접하여 있기 때문에 냉각유로(118)를 따라 순환되는 냉각수에 의해 냉각됨으로써 팽창실(P)에서 팽창된 유체가스 역시 열손실을 받게 된다.
본 발명의 스크롤 팽창기(100)는 상기와 같이 하우징을 냉각시키는 과정에서 냉각수에 의해 고정스크롤(120) 역시 냉각됨으로써 팽창실(P)에서 팽창된 유체가스가 열손실이 발생하는 것을 방지하기 위하여 상기 고정스크롤(120)과 하우징(110a,110b) 사이에 단열부재(160)가 추가로 구비되는 것이다.
즉, 상기 하우징의 내부공간(112)에 접하는 고정스크롤(120)의 일면에 단열부재(160)를 추가로 구비하여 고정스크롤(120)이 하우징의 내부공간(112)에 고정되도록 함으로써 하우징(110a,110b)의 냉각수에 의한 냉각시 발생할 수 있는 열손실을 방지하는 것이다.
이와 같이 본 발명의 스크롤 팽창기(100)는 고정스크롤(120)이 단열부재(160)를 매개로 하우징(110a,110b)에 고정되도록 함으로써 냉각수에 의한 고정스크롤(120)의 열손실을 방지하여 스터링 엔진의 전체적인 출력 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.
일예로, 스크롤 팽창기(100)의 입구 온도가 700℃일 때 이론적인 단열팽창에 의한 출구온도는 대략 500℃정도가 된다. 그런데 팽창과정에서 열손실에 의해 출구온도가 400℃가 되는 상황에서 상기 단열부재(160)에 의해 출구온도는 대략 450℃정도를 보이게 된다. 이로 인해 상기 스크롤 팽창기(100)의 입구 온도를 700℃까지 올리기 위해서는 종래에 비해 약 50℃에 해당되는 열량이 약 17%정도 줄어들게 된다. 이로 인해 전체적인 효율이 약 17% 향상하게 되는 것이다.
한편, 스크롤 팽창기의 작동시 팽창실(P)에서 발생되는 열이 스크롤홀더(150)를 통해 상기 구동축(140)으로 방출되어 출력성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 스크롤홀더(150)와 선회스크롤(130)이 결합되는 부분에도 단열부재(170)를 추가로 구비할 수도 있다.
이때, 상기 스크롤홀더(150)와 선회스크롤(130) 사이에 구비되는 단열부재(170)는 스크롤홀더(150) 및 선회스크롤(130)과 착탈가능하게 연결되어, 교체가 필요한 경우 간단하게 분리하여 교체할 수 있도록 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 하우징과 고정스크롤 사이에 단열부재를 추가로 구비하여 냉각수에 의한 열손실을 방지하고, 스크롤홀더와 고정스크롤의 연결 부위에 단열부재를 추가로 구비하여 고정스크롤에서 구동축으로의 열전달을 차단함으로써 스터링 엔진의 출력성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 다양하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이와 같은 단순한 설계변형 또는 수정사항들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.
100 : 스크롤팽창기
105 : 하우징커버 110a,110b : 하우징
112 : 내부공간 114 : 흡기구
116 : 토출구 118 : 냉각유로
120 : 고정스크롤 130 : 선회스크롤
P : 팽창실 140 : 구동축
150 : 스크롤홀더 160,170 : 단열부재

Claims (2)

  1. 삭제
  2. 스크롤 방식으로 구동되는 스터링 엔진의 스크롤 팽창기에 있어서,
    외측면에 냉각수가 순환되는 냉각유로가 형성되는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형으로 형성되어 외주부로 연장되는 고정스크롤;
    상기 고정스크롤과 맞물려 적어도 하나의 팽창포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 팽창시킬 수 있도록 구비되는 선회스크롤; 및
    상기 선회스크롤의 양측에 스크롤홀더를 매개로 연결되어 상기 선회스크롤을 구동시키는 구동축;을 포함하고,
    상기 고정스크롤과 하우징 사이에 단열부재가 구비되어 상기 냉각수에 의한 열손실을 방지하고, 상기 선회스크롤과 상기 스크롤홀더 사이에는 단열부재가 구비되어 상기 선회스크롤에서 상기 구동축으로의 열전달을 차단하는 것을 특징으로 하는 열효율이 개선된 스크롤 팽창기.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR950025265A (ko) * 1994-02-03 1995-09-15 이헌조 스크롤 압축기의 과열방지구조
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