KR101198032B1 - 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압의 유체를 감압하는 과정에서 발생되는 팽창력을 이용하여 엔진을 구동시키고 이 구동되는 엔진에 의해 발전장치를 작동시켜 전기에너지를 생산할 수 있는 유체의 감압을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템은 유체의 투입시기를 제어하는 로터리 밸브와; 상기 로터리 밸브에서 배출되는 유체의 감압에 의해 팽창력을 회전에너지로 전환하는 회전체 엔진과; 상기 회전체 엔진으로부터 회전력은 인가받아 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 발전장치;로 이루어지는 것이 특징이다.
본 발명의 발전 시스템으로 고압의 유체는 로터리 밸브에 의해서 적절한 양이 엔진으로 공급되고 이를 엔진을 통해 회전에너지로 전환되며 이 회전에너지를 발전장치에 인가함으로써 전기에너지를 생산할 수 있으므로, 자연 방출되는 에너지를 회수할 수 있으며, 밸브의 제어에 의해 엔진 2차측의 유체 압력을 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

유체의 팽창을 이용한 발전 시스템{ELECTRIC POWER GENERATING SYSTEM USING EXPANSION OF FLUID}
본 발명은 유체의 팽창에너지를 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압의 유체를 감압하는 과정에서 발생되는 팽창력을 이용하여 엔진을 구동시키고 이 구동되는 엔진에 의해 발전장치를 작동시켜 전기에너지를 생산할 수 있는 유체의 감압을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
기체의 압력을 감압시키기 위한 장치로서 일반적으로 감압장치가 이용되는데, 이 감압장치는 단순히 유체의 부피를 증가시켜서 이루어지는 구조로 되어 있으며, 고압의 유체가 감압되는 과정에서 소음이 발생된다.
이에 더하여 감압시 고압의 유체를 중압 또는 저압으로 감압되는 과정에서 그 압력의 차이에 해당되는 에너지가 아무런 일도 하지 않은 채 그냥 소모되어 버리는 문제점이 있다.
이에, 고압의 유체가 저압으로 변화하면서 자연 방기(放棄)되어 무의미하게 소모되는 에너지를 회수하고자하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있으나 이러한 시스템에서 사용되는 대부분의 엔진은 직선운동을 회전운동으로 전환하는 피스톤식 엔진이 사용되고 있는데, 이 피스톤식 엔진은 직선 왕복운동에 따른 진동, 직선 왕복운동이 회전운동 에너지로 변환되는 과정에서의 손실 및 피스톤과 로커 암의 무게에 의한 손실 등에 따라 엔진 효율이 저하되며 고압의 유체를 정밀하게 흡입/배출 제어해야 하는 어려움 등이 있음은 물론이고, 유체의 압력이 상당히 높아야 하며, 엔진 2차측의 압력을 임의로 조절할 수 없는 문제점이 있다.
이와 같이 유체의 감압시 팽창에너지를 회수하여 동력을 구동하거나 전기에너지를 생산하고자 하는 노력이 지속되고 있으나 아직은 미비한 실정이며, 이에 엔진 효율을 증대시킬 수 있는 장치 및 방법 등이 요구된다.
본 발명은 상기와 같이 자연 방출되는 에너지를 회수하고자 하는 개발의 일환으로 고압 유체의 양을 적절히 공급하는 밸브와 이 공급되는 고압의 유체를 감압시키되 이때 발생되는 유체의 팽창력을 이용하여 구동되는 엔진과 이 엔진으로부터 회전력을 이용한 발전장치를 구비함으로써 자연 방출되는 에너지를 회수할 수 있는 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적에 따른 본 발명의 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템은 유체의 투입시기를 제어하는 로터리 밸브와; 상기 로터리 밸브에서 배출되는 유체의 감압에 의해 팽창력을 회전에너지로 전환하는 회전체 엔진과; 상기 회전체 엔진으로부터 회전력은 인가받아 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 발전장치;로 이루어지되 상기 회전체 엔진은, 그 내부에 원통형의 작동실이 형성되며 외부를 실링하는 엔진 하우징과; 상기 작동실 중심축에서 이격되어 편심 설치되는 엔진로터와; 상기 엔진로터의 중심축에 설치되어 상기 엔진로터의 회전력을 외부로 전달하는 샤프트축과; 상기 엔진로터의 축직각방향으로 복수 개 설치되며 일측은 상기 작동실의 내주면에 접하고 타측은 상기 엔진로터의 내측부로 슬라이딩 가능하도록 구비되는 회전날개와; 상기 작동실의 일측면으로 상기 로터리 밸브에서 배출되는 유체가 유입되는 유입구 및 상기 유입구와 마주하게 설치되며 팽창으로 감압된 유체가 배출되는 배출부;를 구비하는 것에 의해 달성된다.
본 발명의 발전 시스템으로 고압의 유체가 배출되는 과정에서 고압의 유체는 로터리 밸브에 의해서 적절한 양이 엔진으로 공급되고 이를 엔진을 통해 회전에너지로 전환되며 이 회전에너지를 발전장치에 인가함으로써 전기에너지를 생산할 수 있으므로, 자연 방출되는 에너지를 회수할 수 있으며, 밸브의 제어에 의해 엔진 2차측의 유체 압력을 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템의 사시도,
도 2는 본 발명에서 로터리 밸브와 회전체 엔진의 구성을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 로터리 밸브의 분해 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 로터리 밸브의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 회전체 엔진의 분해 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 회전체 엔진의 단면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 로터리 밸브 및 엔진을 구비한 동작 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템을 첨부한 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 고압의 유체를 감압하는 과정에서 발생되는 팽창력을 이용하여 엔진을 구동시키고 이 구동되는 엔진에 의해 발전장치를 작동시켜 전기에너지를 생산할 수 있는 유체의 감압을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 도 1은 본 발명에 따른 유체의 감압을 이용한 발전 시스템을 도시한 것이며, 그 구성은 크게, 로터리 밸브, 회전체 엔진, 증속기 및 발전기로 이루어진다.
도 2는 본 발명에서 로터리 밸브와 회전체 엔진의 구성을 도시한 단면도를 나타낸 것으로, 우선, 로터리 밸브(100)에 대해서 설명한다.
로터리 밸브(100)는 고압의 유체를 회전체 엔진(200)에 투입하되 투입되는 시기를 제어하도록 하는 것으로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유체가 유입되는 유입구(111)와 유체가 배출되는 배출구(112)로 구성되는 바디(110)와; 상기 바디(110)의 내부에 구비되며, 관통공(121)이 마련되고 회전의 의해 상기 관통공(121)의 회전변위에 따라 상기 유입구(111)와 상기 배출구(112)를 개방 및 폐쇄시키는 밸브로터(120)와; 상기 밸브로터(120)의 상하부에 각각 연장되어 설치되는 샤프트(130)와; 상기 바디(110)의 상하부에 각각 결합설치되어 상기 샤프트(130)를 지지하면서 상기 밸브로터(120)가 상기 바디(110) 내부에서 회동가능하도록 지지하는 캡(140)과; 상기 캡(140)의 내주연과 밸브로터(120)의 외주연 사이에 구비되는 베어링(150) 및 상기 밸브로터(120)의 외주연과 상기 바디(110)의 내주연 사이에 설치되어 유체를 밀폐시키는 부싱(160);으로 구성된다.
또한, 상기 캡(140)에는 상기 샤프트(130)를 더욱 견고히 지지하며 유체를 더욱 밀폐시키기 위해 보넷(170)이 나사결합될 수 있으며, 이 보넷(170)의 내부에는 탄성스프링(171), 와샤(172) 및 패킹부재(173)가 순차적으로 내설된다.
상기 로터리 밸브(100)의 구성에 대해서 상세히 설명한다.
바디(110)는 원통형으로 이루어지되 그 내부는 중공되고, 유체가 유입되는 유입구(111)와 이 유입구(111)에 대응되어 유체가 배출되는 배출구(112)가 구성된다. 이 바디(110)의 내부 중공부에는 밸브로터(120)가 설치된다.
밸브로터(120)는 바디(110)의 내부에 구비되는 것으로, 이 밸브로터(120)에는 관통공(121)이 마련되며, 밸브로터(120)의 회전의 의해 상기 관통공(121)이 회전변위되면서 상기 유입구(111)와 상기 배출구(112)를 개방시키거나 폐쇄시킨다.
즉, 밸브로터(120)의 회전으로 관통공(121)이 유입구(111) 또는 배출구(112)의 범위에 위치하면 유입구(111)와 배출구(112)는 연통되고, 밸브로터(120)의 회전으로 관통공(121)이 유입구(111) 또는 배출구(112)의 범위에서 벗어나면 유입구(111)와 배출구(112)는 패쇄된다.
상기 밸브로터(120)의 상하부에는 각각 밸브로터(120)에 연장되는 샤프트(130)가 구비된다.
부싱(160)의 내주연은 밸브로터(120)의 외주연과 접하는 것으로, 밸브로터(120)의 회전에 의해 발생된 열을 흡수하고, 흡수된 열이 쉽게 방출될 수 있는 재질로 이루어질 수 있다. 그리고 바디(110)의 내부에서 서로 접하는 밸브로터(120), 부싱(160), 캡(140) 및 베어링(150)의 경계면에는 유체의 유출을 방지하는 가스켓(151)이 설치된다.
상기 로터리 밸브(100)를 구동시키는 동력원은 하기에서 설명될 회전체 엔진(200)의 회전력을 인가받아 구동되거나 발전기(400)에 의해서 발생된 전기에너지에 의해 구동되는 제어모터(도면에 미표시)에 의해서 이루어질 수도 있다.
다음으로, 회전체 엔진에 대해서 설명한다.
첨부된 도면의 도 5 및 도 6은 각각 본 발명에 따른 회전체 엔진의 분해 사시도와 회전체 엔진의 단면도를 나타낸 것이며, 본 발명의 회전체 엔진(200)은 로터리 밸브(100)의 제어에 의해 배출되는 고압의 유체를 유입하여 그 내부에서 감압되는데 이때 감압시 고압의 유체가 팽창되는 팽창력을 회전에너지로 전환하는 장치로서, 엔진 하우징(210), 엔진로터(220), 샤프트축(230), 회전날개(240), 커버(250)을 포함하여 이루어진다.
엔진 하우징(210)은 그 내부에 원통형의 작동실(213)이 형성되며 외부를 실링한다. 엔진 하우징(210)의 작동실(213)에는 그 중심축에 이격되어 편심 설치되는 엔진로터(220)가 구비되고, 이 엔진로터(220)의 중심축에는 엔진로터(220)의 회전력을 외부로 전달하는 샤프트축(230)이 설치된다.
회전날개(240)는 엔진로터(220)의 축직각방향으로 복수 개 설치되며 일측은 상기 작동실의 내주면에 접하고 타측은 엔진로터(220)의 내측부로 슬라이딩 가능하도록 구비되는 데 이때, 엔진로터(220)의 내측부로 슬라이딩 가능하도록 하는 구성은 상기 회전날개(240)를 탄성지지하는 푸쉬로드(241)에 의해서 이루어진다.
엔진 하우징(210)의 일측면에는 상기 작동실(213)과 연통되어 로터리 밸브(100)에서 배출되는 유체가 유입되는 유입포트(211)가 마련되고, 이 유입포트(211)와 마주하게 배출포트(212)가 설치되어 이 배출포트(212)를 통해 팽창된 유체가 배출된다.
이 엔진 하우징(210)의 외측면에는 엔진로터(220)의 회동에 의해 회전날개(240)와 작동실(213)의 벽과의 마찰에 의해 발생된 열을 외부로 방열시키기 위한 방열핀(214)이 설치된다.
상기 엔진 하우징(210)의 좌우측에는 커버(250)가 설치되는데, 상기 커버(250)에는 샤프트축(230)이 축 연장되어 관통된다.
여기서 커버(250)와 엔진 하우징(210) 사이에는 샤프트축(230)의 회전을 원활하게 하는 베어링(252)과 유체를 밀폐하는 오링(251)이 구비되고, 커버(250)의 외측부에는 상기 샤프트축(230)의 회전에 의해 유체를 밀폐하는 실링부재(253)와 상기 실링부재(253)를 고정하는 실커버(254)가 구비된다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 로터리 밸브(100)와 회전체 엔진(200)의 동작을 설명한다.
도 2와 도 6에 도시된 바와 같이 로터리 밸브(100)는 고압의 유체가 회전체 엔진(200)으로의 투입을 제어한다. 즉, 밸브로터(120)의 회전으로 밸브로터(120)의 관통공(121)이 유입구(111)의 범위에 있는 경우에는 고압의 유체가 회전체 엔진(200)의 유입포트(211)로 안내된다.
유입포트(211)로 안내된 유체는 작동실(213)의 벽과 회전날개(240)에 의해서 형성되는 공간중의 하나로 유입되고 고압 유체의 압력에 의해 회전날개(240)를 밀어내면서 팽창된다. 즉, 작동실(213)의 축 중심에 편심되도록 엔진로터(220)가 설치되어 작동실(213)의 벽과 회전날개(240)에 의해서 형성되는 공간은 서로 다른 크기가 되고 작은 공간에 유입된 고압의 유체는 그 유체 내부에 존재하는 팽창에너지에 의해 회전날개(240)를 밀어내면서 결국 엔진로터(220)를 회전시킨다.
즉, 엔진로터(220)를 구동하는데 있어서, 고압의 유체가 작동실(213)의 내부에서 팽창에너지에 의해 회전날개(240)를 밀어내게 되어 피스톤식 엔진에 비해 진동이 현저히 줄어들고 직선 운동을 회전 운동으로 변환할 때 발생되는 기계적 손실이 최소화되어 에너지발생 효율이 증대된다.
고압의 유체가 순차적으로 유입되면서 팽창되며, 이 팽창에 따라 회전날개(240)를 밀어내면, 엔진로터(220)가 회전된다. 이때 팽창된 유체는 배출포트(212)를 통해 배출된다. 이 과정이 연속적을 진행되면서 엔진로터(220)를 회전시키는데, 이에 엔진로터(220)에 구비된 샤프트축(230)이 회전된다.
이 과정에서 로터리 밸브(100)의 회전을 제어하여 적절한 고압의 유체량을 회전체 엔진(200)으로 공급할 수 있으며, 회전체 엔진(200)은 고압의 유체의 유입만으로 회전에너지를 발생할 수 있다. 또한 로터리 밸브(100)의 제어만으로도 회전체 엔진(200)의 배출 유체의 압력을 조절할 수 있는 것으로, 고압의 유체를 일정 압력이 감소된 저압의 유체로 변환하는데 용이하여 2차측의 유체 압력을 조절할 수 있는 효과가 있다.
회전체 엔진(200)에서 발생된 회전에너지는 발전장치(400)으로 인가되어 전기에너지로 전환된다.
발전장치(400)는 교류발전기 또는 직류발전기 중에서 선택되어 구성될 수 있으며, 발전장치(400)로 충분한 회전력을 전달하기 위해 회전체 엔진(200)과 발전장치(400) 사이에는 회전체 엔진(200)의 샤프트축(230)의 회전력을 인가받아 이를 증속하는 증속기(300)가 더 구비될 수 있다.
상기 구성에서 회전력을 이용하여 전기에너지를 발생하는 이러한 발전장치(400) 및 회전속도를 증속하는 증속기(300)는 공지된 기술로써 상세한 설명은 생략한다.
한편, 하나의 로터리 밸브(100)에 의해서 구동되는 회전체 엔진(200)은 로터리 밸브(100)의 열고 담힘이 교차만으로 회전수(rpm)를 높일 수 있는 장점이 있으나 로터리 밸브(100)의 열고 담힘이 교차되는 시점에서 일시적인 회전력이 감소될 수 있다. 이에 더하여 이 회전체 엔진(200)에 부하(load)를 가지는 증속기(300) 및 발전장치(400)를 연결하여 이를 구동시키려면 큰 토크를 가져야 한다.
첨부된 도면의 도 7은 큰 토크를 발생시키기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 로터리 밸브 및 엔진을 구비한 동작 단면도이다.
로터리 밸브(100)와 회전체 엔진(200)이 한 쌍을 이루는 제1엔진부(11)가 고압의 유체가 유입되는 유입로(20)에 연결되고 상기 제1엔진부(11)와 병렬로 제2엔진부(12), 제3엔진부(13) 및 제4엔진부(14)가 구성된다.
이때 제1엔진부(11)와 제2엔진부(12)는 45°의 위상차를 가지도록 하여 로터리 밸브(100)의 열고 담힘이 교차되는 시점에서 일시적인 회전력을 상호 보완하도록 구성된다. 또한 제1엔진부(11)와 제3엔진부(13)는 동일한 위상을 가지도록 하며, 제2엔진부(12)와 제4엔진부(14)도 위상을 가지도록 구성된다.
상기의 구성에서 제1엔진부(11)와 제2엔진부(12)는 45°의 위상차를 가지도록 구성되었으나 이는 회전체 엔진(200)의 엔진로터(220)에 구성된 회전날개(240)가 서로 90°의 위상차이를 가지도록 한데 따른 것으로, 회전날개(240)의 수가 달라지면 제1엔진부(11)와 제2엔진부(12)의 위상차도 달라질 수 있다.
즉, 엔진로터(220)에 구성된 회전날개(240)가 120°의 위상을 가지도록 그 개수가 3개로 구성된다면 제1엔진부(11)와 제2엔진부(12)는 60°의 위상차이를 가지도록 구성될 수 있다.
또한, 첨부된 도면의 도 7에서 제1엔진부(11)와 제2엔진부(12)는 22.5°의 위상차를 가지도록 구성될 수 있으며, 이 경우에는 제1엔진부(11)와 제3엔진부(13)의 위상차는 45°, 제1엔진부(11)와 제4엔진부(14)는 67.5°의 위상차를 가지도록 하여 각각의 엔진부가 서로 다른 위상을 가지되 동일한 위상차를 이루도록 하여 회전력을 상호 보완할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 발전 시스템으로 고압의 유체는 로터리 밸브에 의해서 적절한 양이 엔진으로 공급되고 이를 엔진을 통해 회전에너지로 전환되며 이 회전에너지를 발전장치에 인가함으로써 전기에너지를 생산할 수 있으므로, 자연 방출되는 에너지를 회수할 수 있으며, 밸브의 제어에 의해 엔진 2차측의 유체 압력을 조절할 수 있는 효과가 있다.
11 : 제1엔진부 12 : 제2엔진부
13 : 제3엔진부 14 : 제4엔진부
20 : 유입로
100 : 로터리 밸브
110 : 바디 111 : 유입구
112 : 배출구 120 : 밸브로터
121 : 관통공 130 : 샤프트
140 : 캡 150 : 베어링
151 : 가스켓 160 : 부싱
170 : 보넷 171 : 스프링
172 : 와셔 173 : 패킹
200 : 회전체 엔진
210 : 엔진 하우징 211 : 흡입포트
212 : 배출포트 213 : 작동실
214 : 방열핀 220 : 엔진로터
230 : 샤프트축 240 : 회전날개
241 : 푸쉬로드 250 : 커버
251 : 오링 252 : 베어링
253 : 실링부재 254 : 실커버
300 : 증속기
400 : 발전장치

Claims (5)

  1. 유체의 투입시기를 제어하는 로터리 밸브(100)와;
    상기 로터리 밸브(100)에서 배출되는 유체의 감압에 의해 팽창력을 회전에너지로 전환하는 회전체 엔진(200)과;
    상기 회전체 엔진(200)으로부터 회전력은 인가받아 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 발전장치(400);로 이루어지되
    상기 회전체 엔진(200)은
    그 내부에 원통형의 작동실(213)이 형성되며 외부를 실링하는 엔진 하우징(210)과;
    상기 작동실(213) 중심축에서 이격되어 편심 설치되는 엔진로터(220)와;
    상기 엔진로터(220)의 중심축에 설치되어 상기 엔진로터(220)의 회전력을 외부로 전달하는 샤프트축(230)과;
    상기 엔진로터(220)의 축직각방향으로 복수 개 설치되며 일측은 상기 작동실(213)의 내주면에 접하고 타측은 상기 엔진로터의 내측부로 슬라이딩 가능하도록 구비되는 회전날개(240)와;
    상기 작동실(213)의 일측면으로 상기 로터리 밸브(100)에서 배출되는 유체가 유입되는 유입포트(211) 및
    상기 유입포트(211)와 마주하게 설치되며 팽창으로 감압된 유체가 배출되는 배출부(212);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터리 밸브(100)는
    유체가 유입되는 유입구(111)와 유체가 배출되는 배출구(112)로 구성되는 바디(110)와;
    상기 바디(110)의 내부에 구비되며, 관통공(121)이 마련되고 회전의 의해 상기 관통공(121)의 회전변위에 따라 상기 유입구(111)와 상기 배출구(112)를 개방 및 폐쇄시키는 밸브로터(120)와;
    상기 밸브로터(120)의 상하부에 각각 연장되어 설치되는 샤프트(130)와;
    상기 바디(110)의 상하부에 각각 결합설치되며 상기 밸브로터(120)가 상기 바디(110) 내부에서 회동가능하도록 지지하는 캡(140)과;
    상기 캡(140)의 내주연과 로터(120)의 외주연 사이에 구비되는 베어링(150) 및
    상기 밸브로터(120)의 외주연과 상기 바디(110)의 내주연 사이에 설치되는 부싱(160);으로 이루어짐을 특징으로 하는 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전체 엔진(200)과 상기 발전장치(400) 사이에는 상기 샤프트축(230)의 회전력을 증속하는 증속기(300)가 더 구비됨을 특징으로 하는 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진 하우징(210)의 외접면에는 방열핀(214)이 구비됨을 특징으로 하는 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터리 밸브(100)와 회전체 엔진(200)은 하나의 쌍으로 하는 엔진부가 병렬로 복수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 유체의 팽창을 이용한 발전 시스템.
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JPS6161997A (ja) 1984-08-31 1986-03-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 回転式圧縮機

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