KR101244108B1 - 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기 - Google Patents

일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피드 펌프 스크롤 팽창기, 특히 유체의 열에너지 또는 압력 에너지와 같은 유체에너지를 축 동력과 같은 기계적 에너지로 전환 시켜주는 동력발생장치를 이용하고, 낮은 스팀 열원으로부터 폐열을 회수하여 축 동력으로 바꾸어 효율을 높이고 손실되는 에너지를 유용한 에너지로 환원하여 에너지를 절약할 수 있을 뿐 아니라, 피드 펌프를 팽창기와 일체화 함으로서, 피드 펌프의 축과 팽창기 축을 공용화하여 전기 에너지와 모터의 손실을 줄이고 사이클 전체 구성의 소형화, 경량화하여 에너지 절감효과와 더불어 컴팩트한 효과도 얻을 수 있는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기에 관한 것이다.

Description

일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기{COMBINED FEED PUMP SCROLL EXPANDER}
본 발명은 피드 펌프 스크롤 팽창기, 특히 유체의 열에너지 또는 압력 에너지와 같은 유체에너지를 축 동력과 같은 기계적 에너지로 전환 시켜주는 동력발생장치를 이용하고, 낮은 스팀 열원으로부터 폐열을 회수하여 축 동력으로 바꾸어 효율을 높이고 손실되는 에너지를 유용한 에너지로 환원하여 에너지를 절약할 수 있을 뿐 아니라, 이산화 탄소 사이클의 효율을 높여 환경 보존에도 도움을 줄 수 있는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기에 관한 것이다.
일반적으로 유체의 열에너지나 압력 에너지를 축 동력으로 전환 시켜주는 핵심 장치인 팽창기는 자동차 배기 가스 폐열 회수나 냉각 시스템 방열 회수 분산 발전의 개념인 가정용 유기 랭킨 사이클 시스템, 냉 난방용 히트 펌프 시스템 분야에서 연구 개발이 이루어지고 있다. 상기 유기 랭킨 사이클이란 저급의 열에너지를 고급의 유용한 축 동력으로 전환하기 위한 사이클인데, 작동 유체가 유기 냉매이므로 유기 랭킨 사이클이라 불린다. 상기 팽창기는 적용 분야에 따라 용량 및 운전 조건의 차이가 있지만, 일반적으로 동력 전환을 위해 열 에너지의 용량이 큰 경우에는 터빈이 적당하고, 용량이 중소형인 경우는 용적형 팽창기가 적당한 것으로 알려져 있다. 일반적으로 상기 터빈 또는 팽창기는 폐열을 지니고 방출되는 배기 가스의 열에너지를 회수하기 위해 저급의 열에너지를 고급의 유용한 축 동력으로 전환하기 위한 사이클인 유기 랭킨 사이클을 구성하여 발생 된 열을 사이클 내로 흡수하고 회수한 열에너지를 팽창 장치를 사용하여 유용한 동력으로 전환한다.
상기 유기 랭킨 사이클은 낮은 증발 압력을 갖는 작동 유체를 사용함으로써 비교적 낮은 온도의 바이오 매스, 태양열, 지열, 폐열 등과 엔진 냉각수 또는 배기 가스 열 등과 같은 열원을 을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.
상기에서 상술한 바와 같이 용량이 작은 경우에 사용되는 스크롤 팽창기는 종래의 스팀 터빈에 비해서 열원의 선택 범위가 넓고 효율이 높기 때문에 스팀 터빈을 대체하는 분야뿐만 아니라, 지금까지는 동력원으로 사용할 수 없었던, 저온의 공정 폐열 소각로 등의 저온 열원으로부터 용이하게 일 에너지를 얻어낼 수 있다. 특히 스크롤 팽창기는 작동 유체의 청정성을 요구하지 않기 때문에 순수(pure water) 열원이 아닌 스팀도 가능하므로 폐열을 가진 유체로부터 직접 에너지를 얻어낼 수 있다.
상기 스크롤 팽창기는 향후 스크롤 압축기와 연소기로 구성된 스크롤 엔진의 구성 요소로 활용될 수 있는데 스크롤 엔진은 복합 화력 원동기 가스 터빈과 스팀 터빈의 복합 사이클로 구성된 원동기보다도 높은 효율을 실현할 수 있다. 상기 스크롤 팽창기는 냉동 사이클에서도 팽창 변에 대체하여 사용됨으로써 교축시에 유실되는 에너지를 회수할 수 있으며, 상온의 열로부터 에너지를 얻어내는 장치인 히트펌프 시스템에서도 얻어진 열을 일 에너지로 바꾸는 장치로 활용될 수 있다.
결론적으로 상기 스크롤 팽창기는 현재 전량 수입되고 있는 스팀 터빈을 대체할 수 있으며, 증기의 잠열 활용도가 높아져 복수기의 크기를 감소할 수 있으므로 효율이 높고 컴팩트한 폐열 회수 장치를 제공하고, 상기 복수기 감소에 따른 냉각수 양을 줄일 수 있으므로 냉각수를 통해 버려지는 에너지를 절약할 수도 있어 환경 파괴를 줄일 수 있다.
그럼에도, 종래의 유기 랭킨 사이클에서는 액 냉매 펌핑을 위한 피드 펌프와 팽창기가 별도의 구성요소로 되어 있고, 상기 펌프 구동을 위해 전기 모터를 사용함으로써 전기 에너지를 펌프의 축 동력으로 전환해 줄 때 모터를 구동하기 위해 전기 에너지가 공급되어야하고 상기 전기 에너지로 인한 모터 손실이 개입되어 효율도 떨어진다는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 피드 펌프를 팽창기와 일체화 함으로서, 사이클 전체 구성의 소형화, 경량화, 고효율화가 가능한데, 고 효율화 피드 펌프를 별개의 구성요소로 하는 일체형 팽창기를 제공하여 에너지 절감효과와 더불어 컴팩트한 효과도 얻을 수 있는 것이다.
본 발명의 경우에는 팽창기와 피드 펌프의 일체화를 통해 피드 펌프의 축과 팽창기 축을 공용화함으로써 피드 펌프의 구동에 개입되었던 전기 에너지와 모터의 손실을 근원적으로 배제할 수도 있는 것이다.
따라서 본 발명의 일체형 피드 펌프 팽창기는 고정 스크롤과, 상기 고정 스크롤에 연결된 프레임과, 선회 스크롤 중앙에 설치된 선회 스크롤 허브에 연결되어 운동을 연동하여 동력을 전달하는 그랭크 축과, 상기 선회 스크롤과 맞물려 상기 선회 스크롤의 자전 운동을 방지하는 올담 링과, 상기 크랭크 축을 중심으로 오일 펌프, 피드 펌프가 일체 된 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기에 있어서, 상기 오일 펌프와 피드 펌프 사이에는 분리 판이 설치되며, 상기 오일 펌프, 피드 펌프 각각은 내부 로터, 외부 로터, 로터 하우징 및 토출실, 흡입실을 가진 펌프 하우징으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 오일 펌프는 스크롤 팽창기 자체 윤활을 위해 설치되고, 피드 펌프는 유기 랭킨 사이클의 액 냉매 펌핑을 위해 일체 된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 크랭크 축의 반경 방향으로 오일 공급 공이 형성되어 있고, 상기 오일 공급 공은 축 내부의 오일 공급 통로와 연결되어 오일을 선회 스크롤 허브 부위까지 이송하여 허브 내경 면을 윤활하며, 또한 축 내부 오일 공급통로 중도에 또 다른 반경 방향 오일 공급 공을 설치하여 축을 지지하는 베어링을 윤활하도록 오일을 송출하고 축지지 베어링 윤활 후에는 베어링 틈새를 통해 배압실로 유입되어 배압실 내부의 올담 링 키 등을 윤활하도록 하는 윤활 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 팽창기의 축과 오일펌프의 내부 로터를 고정핀을 이용하여 고정시켜 함께 회전하도록 하고, 또한 상기 팽창기 축과 피드 펌프의 내부 로터를 고정핀을 이용하여 고정시켜 함께 회전하도록 하는 것을 특징으로 한다.
통상 열에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 열기관인 팽창기에 있어서 생산성은 사용되는 에너지원의 단가와 장치의 효율에 의해 결정되는데 열에너지의 경우 그 열원의 온도가 높을 수 록 값이 비싸며, 온도가 낮을 수 록 싼값에 동일한 양의 에너지를 획득할 수 있다. 동일한 일 에너지를 얻을 수 있다면 저온 열원을 사용하는 열기관이 생산성이 높은데, 본원의 스크롤 팽창기는 종래의 스팀 터빈에 비해 낮은 열원으로부터 용이하게 열 에너지를 얻을 수 있을 뿐 아니라 증기의 응축 에너지까지 축 동력으로 바뀌기 때문에 높은 생산성을 실현할 수 있고, 따라서 생산 원가가 낮아지고, 효율이 높기 때문에, 결국 동력을 값싸게 제공할 수 있으므로 자동화를 통한 인력 절감이 가능한 효과가 있다.
도 1은 유기 랭킨 사이클의 온도(T) 대 엔트로피(s) 선도이다.
도 2는 종래의 유기 랭킨 사이클의 구성도이다.
도 3은 일체형 피드 펌프 팽창기를 사용한 유기 랭킨 사이클 구성도이다.
도 4는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기의 횡단면도이다.
도 5는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기의 오일 펌프 및 피드 펌프의 전개도이다.
본 발명의 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기는 스크롤 팽창기 축 하단에 용적형 오일 펌프와 용적형 피드 펌프를 일체로 설치한다. 여기서 상기 오일 펌프는 스크롤 팽창기 자체의 윤활을 위한 윤활유 공급을 위해 설치하는 것이며, 상기 피드 펌프는 유기 랭킨 사이클의 액 냉매 펌핑을 위해 설치하는 펌프이다.
이하 도면을 참조로 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 유기 랭킨 사이클의 온도(T) 대 엔트로피(s) 선도로서, 작동 유체인 유기 냉매의 랭킨 사이클 내에서 상태 변화를 보여 준다. 도 1에서 상태 2 → 3은 열교환기(증발기 또는 보일러(30))에서 외부의 열에너지를 받아들여 유기 냉매가 고압 저온의 상태에서 열교환기를 통과하면서 고온 고압의 상태로 바뀌게 되는 것을 표시하는 상태 선도이다.
이어지는 상태 3 → 4는 열교환기를 통과한 상기 고온 고압의 상태인 유기 냉매가 팽창기(20)를 통과하면서 상기 고온 고압의 유기 냉매의 열에너지 및 압력 에너지가 팽창기의 축 동력으로 전환되고 팽창기 입구에서 고온 고압이었던 유기 냉매의 상태는 저온 저압의 유기 냉매 상태로 되는 것을 표시한다. 이때 상기 축 동력을 이용하기 위해 축에 발전기를 설치하여 전기에너지를 얻을 수도 있다.
다음에 상태 4 → 1에서는 팽창기(20)를 통과한 저온 저압의 유기 냉매가 콘덴서, 즉 응축기(10)를 통과하면서 저온 저압의 유기 냉매를 액상으로 변화시키는 상태를 표시한다.
다음에 상태 1 → 2에서는 상기 액상의 유기 냉매가 모터(도시하지 않음)에 의해 피드 펌프(40)를 동작시켜 상기 피드 펌프(40)를 통과하면서 다시 압력을 올려, 고압 저온의 상태로 만들어주는 것을 표시한다.
도 2는 종래 일반적인 유기 랭킨 사이클의 구성도로서, 도 1에서 설명한 바와 같이 상태 2 → 3은 열교환기(30)(증발기 또는 보일러)에서 외부의 열에너지를 받아들여 유기 냉매가 고압 저온의 상태에서 고온 고압의 상태로 바뀌게 된다. 다음에 상태 3 → 4는 상기 고온 고압의 유기 냉매가 팽창기(20)를 통과하면서 유기 냉매의 열 에너지 및 압력 에너지가 팽창기의 축 동력으로 전환되고 팽창기 입구에서 고온 고압이었던 유기 냉매의 상태가 저온 저압의 상태로 된다. 다음 4 → 1에서는 저온 저압의 유기 냉매가 응축기(10)를 통과하면서 상기 저온 저압의 유기 냉매를 액상으로 변화시킨다. 마지막으로 1 → 2에서는 상기 액상의 유기 냉매가 피드 펌프(40)를 통과하면서 다시 압력이 올라가 고압 저온의 상태로 만들어주는 것이다.
다시 말하면 종래의 유기 랭킨 사이클에서는 피드 펌프(40)를 동작하기 위해 외부로부터 전기를 공급받아 모터를 작동하여 상기 피드 펌프를 작동하는데 이때에는 전기 에너지를 100% 전부를 이용하지 못하므로 통상 효율도 떨어지고 따라서 전기적 로스를 포함한 손실이 발생할 수밖에 없다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 피드 펌프 팽창기를 사용한 유기 랭킨 사이클 구성도로서, 상기에서 상술한 바와 같이 피드 펌프(40)를 팽창기(20)와 일체화하고 피드 펌프의 축과 팽창기 축을 공용화하여 피드 펌프의 구동에 개입되었던 모터 손실을 배제할 수 있는 것이다. 즉, 상기 피드 펌프(40)를 동작하는데 필요한 모터 자체가 필요 없기 때문에 전기를 공급할 필요가 없어, 모터 가동으로 인한 전력 손실이 발생하지 않고 일체화로 인해 전체적인 시스템의 소형화와 에너지 절감이 가능한 것이다.
도 4는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기의 횡단면도로서 그 동작을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 스크롤 팽창기 작동에 대해서 설명하면, 상기 스크롤 팽창기의 고정 스크롤(34) 중앙부 유기 냉매 흡입관(341)을 통해 고온 고압의 작동 유체(유기냉매)가 주입되면, 주입된 고온 고압의 작동 유체의 팽창 작용으로 인해 고정 스크롤(34)과 프레임(21)에 연결된 선회 스크롤(22) 내부에 형성된 여러 쌍의 밀폐 포켓 즉 팽창실(342)의 체적이 증가하는 방향으로 선회 스크롤(22)이 선회 운동을 하게 된다. 이러한 선회 스크롤(22)의 선회 운동은 선회 스크롤의 허브(24)에 체결된 크랭크 핀(281)을 통해 크랭크 축(28)의 회전 운동으로 변환되어 축 동력을 발생시킨다. 한편, 팽창이 완료된 저온 저압 상태의 작동 유체는 고정 스크롤(34) 외주부 측에 설치된 유기 냉매 토출관(343)을 통해 응축기(10) 쪽으로 토출된다. 즉 위에서 상술한 바와 같이 3 → 4 상태로서 고온 고압이었던 작동 유체가 팽창기를 통과하면서 저온 저압의 상태로 되고 상기 팽창기 통과 전의 고온고압의 유기 냉매의 유체 에너지가 축 동력으로 전환되는 것인데, 이때 상기 축 하단에 발전기를 연결하면 전기 에너지를 얻을 수 있다.
상기 오일 펌프 작동은 스크롤 팽창기 윤활을 위해 오일 공급용 용적형 오일 펌프가 (예를 들어 트로코이드 펌프) 설치된다. 이때 오일 펌프의 구동은 스크롤 팽창기의 크랭크 축 동력을 활용하는 것이다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 내부 로터(51)가 동일 크랭크 축으로 끼워지도록 키로 체결하여 다음에 내부 로터(51)가 크랭크 축과 함께 회전하게 되면 상기 내부 로터와 조합된 외부 로터(52)가 함께 회전하게 되고, 그 결과 오일 탱크(32)에서 오일 흡입관(31)을 통해 오일을 빨아 들여, 압력을 높인 후, 이를 토출실(55)로 밀어낸다. 여기서 크랭크 축(28) 내부에는 축과 동심을 이루는 오일통로(oil gallery)(26)가 설치되어 있고, 상기 오일통로 (26)와 오일 펌프(50)의 토출실(55)과의 연결통로가 되는 오일 공급 공(radial oil feed hole)(29)이 크랭크 축(28)에 반경 방향으로 뚫려 있다. 즉, 오일은 오일 탱크(32) -> 오일 흡입관(31) -> 오일 펌프 흡입실(54) -> 내부 로터(51)와 외부 로터(52)의 사이의 공간 -> 오일 펌프의 토출실(55) -> 오일 공급공(29) -> 축 내부 오일통로(26)를 거쳐 크랭크 핀(281) 헤드 면까지 이송된 후 선회 스크롤 허브(24) 내경 면과 크랭크 핀(281) 외경 면 사이의 틈새를 통해 배압실(35)로 공급된다.
상기 배압실(35)로 공급된 오일은 올담링(23) 등의 마찰부위를 윤활하고 배압실 하면에 모여서 오일 회수관(33)을 통해 다시 오일탱크(32)로 돌아간다. 이때 오일 통로(oil gallery) 중간부에 다시 또 다른 반경 방향의 오일 공급 공(282)이 뚫려 있어서 축(28)을 지지해 주는 베어링들의 윤활을 수행한 후, 베어링 내륜과 외륜 사이 틈새를 통해 결국 배압실(35)로 이송된다.
이후 피드 펌프는 용적형 피드 펌프 (예를 들어 트로코이드 펌프)가 상기 오일 펌프와 같은 원리로 구동되는데, 상기 피드 펌프의 내부 로터(41)가 키를 통해 스크롤 팽창기의 크랭크 축에 의해 구동된다. 상기 피드 펌프의 흡입구(441)에는 응축기 출구에서 나온 액상의 냉매가 주입되며, 상기 피드 펌프의 송출구(442)에서 나온 고압의 액 냉매는 증발기(또는 보일러)의 입구로 들어간다. 이때 유량 조절은 피드 펌프의 출구에 바이패스 라인(70)을 설치하여 유량이 과다할 경우 바이패스 라인을 통해 피드 펌프 입구 쪽으로 재순환 시키는 것이다.
도 5는 본원의 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기의 오일 펌프(50) 및 피드 펌프(40)의 전개도로서, 도시된 바와 같이 좌측의 스크롤 팽창기를 기준으로 크랭크 축을 달아 오일 펌프(50), 분리판(60), 피드 펌프(40)를 설치하는데 오일 펌프는 내부 로터(51), 외부 로터(52), 하우징(53), 토출실(55), 흡입실(54)을 포함하는 구성을 하고 있고, 또한, 피드 펌프도 이와 유사하게 내부 로터(41), 외부 로터(42), 하우징(43), 토출실(45), 흡입실(44)을 포함하는 구성을 하고 있다.
축 회전을 이용하는 자동차 배기 가스 폐열, 선박용 기관 엔진 등의 냉각수 폐열, 중소규모의 소각로 폐열, 각종 화학 공정 등에서 배출되는 폐열 등을 회수하여 고급 에너지인 축 동력이나 전기 에너지로 전환시켜 주는 폐열 회수를 통한 중소형 규모 발전장치의 산업에 이용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 고정 스크롤(34)과,
    상기 고정 스크롤(34)에 연결된 프레임(21)과
    선회 스크롤(22) 중앙에 설치된 선회 스크롤(22) 허브(24)에 연결되어 운동을 연동하여 동력을 전달하는 크랭크 축(28)과,
    상기 선회 스크롤(22)과 맞물려 상기 선회 스크롤(22)의 자전 운동을 방지하는 올담 링(23)과,
    상기 크랭크 축(28)을 중심으로 오일 펌프(50), 피드 펌프(40)가 일체 된 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기에 있어서,
    상기 오일 펌프(50)와 피드 펌프(40) 사이에는 분리 판(60)이 설치되며, 상기 오일 펌프(50), 피드 펌프(40) 각각은 내부 로터(51), 외부 로터(52), 로터 하우징(53) 및 토출실(55), 흡입 실(54)을 가진 펌프 하우징으로 구성되는 것을 특징으로 하는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오일 펌프(50)는 스크롤 팽창기 자체 윤활을 위해 설치되고, 피드 펌프(40)는 유기 랭킨 사이클의 액 냉매 펌핑을 위해 일체 된 것을 특징으로 하는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크 축(28)의 반경 방향으로 오일 공급 공(282)이 형성되어 있고, 상기 오일 공급 공은 축 내부의 오일 공급 통로와 연결되어 오일을 선회 스크롤(22)의 허브(24) 부위까지 이송하여 허브 내경 면을 윤활하며, 또한 축 내부 오일 공급통로 중도에 또 다른 반경 방향 오일 공급 공(282)을 설치하여 축을 지지하는 베어링을 윤활하도록 오일을 송출하고 축지지 베어링 윤활 후에는 베어링 틈새를 통해 배압실(35)로 유입되어 배압실 내부의 올담 링 키를 윤활하도록 하는 윤활 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 팽창기의 축과 오일펌프(50)의 내부 로터(51)를 고정핀을 이용하여 고정시켜 함께 회전하도록 하고, 또한 상기 팽창기 축과 피드 펌프(40)의 내부 로터(51)를 고정핀을 이용하여 고정시켜 함께 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 일체형 피드 펌프 스크롤 팽창기.
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