KR101311620B1

KR101311620B1 - 스크롤 팽창기의 시험장치

Info

Publication number: KR101311620B1
Application number: KR1020110034713A
Authority: KR
Inventors: 김현진; 문제현; 문영우; 김광호
Original assignee: 주식회사 네오너지; 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2013-09-26
Also published as: KR20120117141A

Abstract

본 발명은 스크롤 팽창기의 시험장치에 관한 것으로; 시험용 유체를 강제순환시키는 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 이송되는 유체의 체적팽창분을 흡수하며 유체의 압력을 일정하게 유지하는 서지탱크와, 상기 서지탱크에서 배출되는 유체를 냉각하는 냉각용 열교환기와, 상기 냉각용 열교환기를 통해 냉각된 유체가 스크롤 팽창기를 거친 후 유입되면 가열하는 가열용 열교환기와, 상기 스크롤 팽창기에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제1 온도센서 및 압력센서와, 상기 가열용 열교환기에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제2 온도센서 및 압력센서와, 상기 순환펌프에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제3 온도센서 및 압력센서와, 상기 스크롤 팽창기로 유입되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제4 온도센서 및 압력센서로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 유체의 에너지를 축동력으로 변환하는 스크롤 팽창기의 입력측과 출력측 유체 온도 및 압력을 정밀하게 계측할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 시험장치를 이용해 스크롤 팽창기의 계측 정보를 정밀하게 측정함으로서, 스크롤 팽창기를 이용하는 발전시스템에 적합한 스크롤 팽창기를 선택적으로 적용할 수 있고, 이를 통해 전력 생산 등의 효율을 높이고 양호한 운전 조건을 얻을 수 있는 장점도 있다.

Description

스크롤 팽창기의 시험장치 {test apparatus of Scroll expander}

본 발명은 스크롤 팽창기의 시험장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 열에너지를 축동력으로 변환하는 스크롤 팽창기의 성능을 시험하는 시험장치에 관한 것이다.

기존의 전력공급에 대한 개념이 대단위 발전소에서 전력을 생산하고 배선을 통해 각 소요처로 전력을 분배하는 것이었다면 새롭게 등장하는 전력 공급에 대한 개념의 하나는 전력 소요처에서 직접 소단위 발전(on-site power generation)을 수행하는 것이다.

현재로도 비상 발전을 위해 큰 건물 등에서는 자가발전 시스템을 갖추고 있으나 이런 자가 발전 시스템의 상시화 및 일반화, 소형화가 앞으로의 발전개념으로 주목을 받기 시작하고 있다.

한편, 공장 등지에서 발생하는 폐열이나 농촌 등에서 발생하는 축산 분뇨 농업부산물이 지니는 에너지를 단지 난방만을 목적으로 재활용하는 것은 그 유용성에 있어서 많은 제한이 따른다. 따라서, 계절적인 요인 등에 제한받지 않고 더 유용한 에너지원으로 폐열을 회수하는 것은 폐 에너지로부터 전기를 생산하는 것이다.

하지만, 이와 같은 유기성 폐기물을 이용해 전기 에너지를 생산하는 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만 대부분 에너지원인 유체의 열에너지 및 압력 에너지를 직접적으로 이용하여 전기를 생산하므로 전기 생산 효율이 낮은 문제점이 있다.

이와 같은 점에 착안하여 바이오 연료의 열원을 이용해 전기를 생산하되 바이오 연료의 열원을 이용해 가열 및 압축된 에너지원인 1차 작동유체의 열교환을 통해 2차 작동유체를 순환시키는 사이클에 스크롤 팽창기를 설치하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있는 스크롤 팽창기 발전시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.

이때, 스크롤 팽창기는 발전시스템의 용량이나 사용 목적 등에 적합한 것을 사용해야 전력 생산 등의 효율을 높일 수 있지만, 발전시스템에 사용하기 위한 스크롤 팽창기의 성능을 시험할 수 있는 장치가 전무(全無)한 실정이다.

이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 스크롤 팽창기를 이용한 발전시스템에 적용가능한 스크롤 팽창기의 성능을 시험할 수 있는 스크롤 팽창기의 시험장치를 제공함에 있다.

특히, 본 발명은 발전시스템에 적용시 전력 생산 등의 효율을 높이고 양호한 운전조건을 얻을 수 있는 스크롤 팽창기를 선택할 수 있도록 그 성능을 시험하는 시험 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은;

시험용 유체를 강제순환시키는 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 이송되는 유체의 체적팽창분을 흡수하며 유체의 압력을 일정하게 유지하는 서지탱크와, 상기 서지탱크에서 배출되는 유체를 냉각하는 냉각용 열교환기와, 상기 냉각용 열교환기를 통해 냉각된 유체가 스크롤 팽창기를 거친 후 유입되면 가열하는 가열용 열교환기와, 상기 스크롤 팽창기에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제1 온도센서 및 압력센서와, 상기 가열용 열교환기에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제2 온도센서 및 압력센서와, 상기 순환펌프에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제3 온도센서 및 압력센서와, 상기 스크롤 팽창기로 유입되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제4 온도센서 및 압력센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기의 시험장치를 제공한다.

이때, 상기 순환펌프의 출력측에는 제1오일세퍼레이터가 구비되어 순환펌프에서 배출되는 유체에 섞여있는 오일 성분을 분리해 상기 순환펌프로 재투입하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 스크롤 팽창기의 출력측 배관에는 제2오일세퍼레이터가 구비되어 스크롤 팽창기에서 배출되는 유체에 섞여있는 오일 성분을 분리해 스크롤 팽창기로 재투입하는 것을 특징으로 한다.

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그리고, 상기 순환펌프, 서지탱크, 냉각용 열교환기, 스크롤 팽창기, 가열용 열교환기는 하나의 폐로를 형성하며 유체가 순환할 수 있도록 유체가 이동하는 배관으로 연결되며; 상기 배관의 일측에는 유체를 공급하기 위한 유체공급용기와, 배관 내에 존재하는 잔존 유체를 배출해내기 위한 진공펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유체는 유기 냉매인 R134a인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유체의 에너지를 축동력으로 변환하는 스크롤 팽창기의 입력측과 출력측 유체 온도 및 압력을 정밀하게 계측할 수 있다.

특히 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 시험장치를 이용해 스크롤 팽창기의 계측 정보를 정밀하게 측정함으로서, 스크롤 팽창기를 이용하는 발전시스템에 적합한 스크롤 팽창기를 선택적으로 적용할 수 있고, 이를 통해 전력 생산 등의 효율을 높이고 양호한 운전 조건을 얻을 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 시험장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시험장치를 이용해 시험한 스크롤 팽창기의 P-H 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 3은 스크롤 팽창기를 이용한 발전시스템의 구성도이다.
도 4는 스크롤 팽창기의 작동원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 스크롤 팽창기의 구조를 설명하기 위해 도시한 결합 사시도이다.
도 6은 스크롤 팽창기의 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 스크롤 팽창기의 구조를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 8은 스크롤 팽창기의 크랭크샤프트 구조를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 트로코이드펌프의 구조를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.

이하, 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 시험장치를 첨부한 도면을 참고로 설명한다.

도 1에 의하면, 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 시험장치는 시험용 유체를 강제순환시키는 순환펌프(10)와, 상기 순환펌프(10)에 의해 이송되는 유체의 체적팽창분을 흡수하며 유체의 압력을 일정하게 유지하는 서지탱크(12)와, 상기 서지탱크(12)에서 배출되는 유체를 냉각하는 냉각용 열교환기(14)와, 상기 냉각용 열교환기(14)를 통해 냉각된 유체가 스크롤 팽창기(600)를 거친 후 유입되면 가열하는 가열용 열교환기(16)와, 상기 스크롤 팽창기(600)의 출력측과 가열용 열교환기(16)의 입력측 사이에 설치되어 상기 스크롤 팽창기(600)를 통과해 가열용 열교환기(16)로 유입되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제1 온도센서 및 압력센서(18,19)와, 상기 가열용 열교환기(16)의 출력측과 순환펌프(10)의 입력측 사이에 설치되어 가열용 열교환기(16)를 통과해 순환펌프(10)로 유입되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제2 온도센서 및 압력센서(20,21)와, 상기 순환펌프(10)의 출력측과 냉각용 열교환기(14)의 입력측 사이에 설치되어 상기 순환펌프(10)에서 출력되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제3 온도센서 및 압력센서(22,23)와, 상기 냉각용 열교환기(14)의 출력측과 상기 스크롤 팽창기(600)의 입력측에 설치되어 상기 스크롤 팽창기(600)로 유입되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제4 온도센서 및 압력센서(24,25)로 구성된다.

이때, 상기 스크롤 팽창기(60)는 유체가 유입되어 축동력으로 전환된 후, 온도와 압력이 하강하게 된다.

한편, 상기 순환펌프(10), 서지탱크(12), 냉각용 열교환기(14), 스크롤 팽창기(600), 가열용 열교환기(16)는 하나의 폐로를 형성하며 유체가 순환할 수 있도록 유체가 이동하는 배관(26)으로 연결된다.

이와 같은 배관(26)의 일측에는 유체를 공급하기 위한 유체공급용기(28)와, 배관(26) 내에 존재하는 잔존 유체를 배출해내기 위한 진공펌프(30)가 구비된다.

그리고, 상기 서지탱크(12)와 냉각용 열교환기(14)의 사이에는 유량계(32)가 구비되어 유량을 계측하게 된다.

한편, 상기 냉각용 열교환기(14)와 가열용 열교환기(16)는 판형 열교환기로서 유체가 흐르면서 열교환을 하게 된다. 이때 냉각용 열교환기(14)는 냉각기(15)에서 냉각된 냉각수가 순환하면 열교환을 통해 유체를 일정압력을 유지하면서 냉각시키고, 가열용 열교환기(16)는 히터(17)에서 가열된 온열수가 순환하면 열교환을 통해 유체를 일정압력을 유지하면서 가열시킨다.

또한, 상기 순환펌프(10)의 출력측 배관에는 제1오일세퍼레이터(34)가 구비되어 순환펌프(10)에서 배출되는 유체에 섞여있는 오일 성분을 분리해 순환펌프(10)로 재투입하고, 상기 스크롤 팽창기(600)의 출력측 배관에는 제2오일세퍼레이터(36)가 구비되어 스크롤 팽창기(600)에서 배출되는 유체에 섞여있는 오일 성분을 분리해 스크롤 팽창기(600)로 재투입한다.

한편, 상기 냉각용 열교환기(14)와 스크롤 팽창기(600) 및 가열용 열교환기(16)를 연결하는 배관과는 별개로, 냉각용 열교환기(14)와 가열용 열교환기(16)를 직접 연결하는 별도의 배관에 팽창밸브(38)가 구비된다. 이와 같은 팽창밸브(38)는 냉각용 열교환기(14)에서 냉각된 유체의 압력과 온도를 낮추는 기능을 한다.

그리고, 상기 팽창밸브(38)와 스크롤 팽창기(600)의 입력측 및 출력측에는 개폐용 밸브(40,41)(42,43)가 각각 구비되어 팽창밸브(38)와 스크롤 팽창기(600)에 선택적으로 유체를 순환시킬 수 있다. 물론, 상기 순환펌프(10)의 입력 및 출력측에도 개폐용 밸브(44,45)가 구비되며, 상기 순환펌프(10)는 다수개를 일체로 구비할 수 있다.

그리고, 상기 유체는 유기 냉매인 R134a를 사용하는데, R134a는 오존층 파괴 물질을 저감시키도록 개발된 냉매로 기존냉매에 비해 온실효과의 영향력이 10분의 1로 낮아 기존 프레온 냉매의 냉전도율과 동일한 효과를 유지하면서 환경부하를 최소화하는 역할을 한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참고로 본 발명에 따른 시험장치를 이용한 스크롤 팽창기의 시험 예를 상세히 설명한다.

스크롤 팽창기(600)를 시험시에 순환펌프(10)를 구동하여 시험용 유체를 배관(26)을 통해 강제순환시키게 되는데, 이 경우 유체는 서지탱크(12), 냉각용 열교환기(14), 스크롤 팽창기(600), 가열용 열교환기(16)를 거치면서 순환하게 된다.

먼저, 스크롤 팽창기(600)의 출력측에는 제1 온도센서 및 압력센서(18,19)가 구비되어 유체의 온도와 압력을 계측하게 된다. 이 경우 스크롤 팽창기(600)가 예를 들어 3kw급의 발전전력을 얻을 수 있는 축동력을 발생하는 경우 출력측 유체는 온도가 35℃이고 압력이 8.8698 bar 임을 알 수 있다.

이와 같은 유체는 가열용 열교환기(16)를 통과하면서 열교환이 이루어지게 되는데, 가열용 열교환기(16)의 출력측에는 제2 온도센서 및 압력센서(20,21)가 구비되어 유체의 온도와 압력을 계측하게 된다. 이 경우 열교환을 통해 압력은 8.8698 bar가 그대로 유지되면서 온도는 45℃로 상승하게 됨을 알 수 있다.

그리고, 이와 같은 유체는 가열용 열교환기(16)를 통과한 유체는 순환펌프(10)로 유입되어 압력이 상승되어 배출되는데, 순환펌프(10)의 출력측에는 제3 온도센서 및 압력센서(22,23)가 구비되어 유체의 온도와 압력을 계측하게 된다. 이 경우 순환펌프(10)을 통해 압력은 8.8698 bar에서 26.332 bar로 상승하고, 온도는 45℃에서 93.487℃로 상승하게 됨을 알 수 있다.

한편, 상기 순환펌프(10)에서 배출되는 유체는 서지탱크(12)를 거쳐 냉각용 열교환기(14)로 유입되어 열교환이 이루어지는데, 냉각용 열교환기(14)의 출력측에는 제4 온도센서 및 압력센서(24,25)가 구비되어 유체의 온도와 압력을 계측하게 된다. 이 경우 열교환을 통해 압력은 26.332 bar를 유지하게 되고, 온도는 93.487℃에서 80℃로 하강하게 됨을 알 수 있다.

이와 같은 냉각용 열교환기(14)를 통과한 유체는 스크롤 팽창기(600)를 거치면서 축동력으로 변환된 후, 압력이 8.8698 bar로 하강하고 온도는 35℃로 낮아짐을 알 수 있다.

이상의 일련의 유체 순환 사이클에서의 제1 내지 제4온도센서 및 압력센서(18,20,22,24)(19,21,23,25)들을 통해 온도와 압력을 측정함으로서 스크롤 팽창기(600)의 성능을 정밀하게 측정 및 분석할 수 있다.

물론, 상기 시험 수치는 특정 시험 예를 설명한 것으로, 스크롤 팽창기(600)와 유체의 압력 및 온도변화를 일으키는 다른 장치들의 용량이나 조건 등에 따라 다양하게 변형되게 시험할 수 있음은 당연하다.

이와 같이 성능시험이 완료된 스크롤 팽창기는 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같은 스크롤 팽창기를 이용한 발전시스템에 적용될 수 있다.

스크롤 팽창기를 이용한 발전시스템은 바이오 고형연료를 연소시켜 얻은 열에너지를 1차 사이클의 열교환기(400)를 통해 2차 사이클인 유기냉매사이클(ORC; Organic Rankine cycle)에 전달하고 2차 사이클에 설치된 스크롤 팽창기(600)를 통해 작동유체 열에너지를 축동력으로 전환하여 발전하는 시스템이다.

이때, 스크롤 팽창기(600)는 에너지원인 유체(1차 작동유체)에 직접 노출되는 환경에 설치하지 않고, 1차 에너지원과의 열교환을 통해 2차 작동유체를 순환시키는 사이클에 설치하여 작동시키는 것이 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성 확보에 유리하다.

이를 위해 바이오 연료를 열원으로 하여 발전하는 시스템은 물이 순환하는 1차 사이클과, 유기 냉매인 R134a를 작동유체로 하는 2차 사이클(organic Rankine cycle)로 이루어지는 2개의 폐회로(closed cycle)로 구성된다.

이때, 바이오 연료는 옥수수, 콩, 유채 등 농업작물 및 간벌목, 볏짚, 왕겨 등 농임산물과 축산분뇨 등 유기성폐기물을 사용할 수 있다.

특히 이와 같은 바이오 연료는 수분을 제거하여 고형화(固形化)한 것을 다면 형상은 원형으로 그 직경은 30㎜이하이고 길이는 100㎜이하의 사이즈로 성형한 것을 열원으로 사용함이 바람직하다. 바이오 고형 연료는 연료화하여 비닐하우스 및 축사 난방 등 다양한 연료로서 사용 가능한 것으로, 성분은 탄소와 물로써 에너지화의 대상이 되고 황이나 유기 염소 성분이 거의 없기 때문에 연소 시 이산화황이나 염화수소, 다이옥신과 같은 유해가스 배출이 거의 없고 아울러 가축분뇨 연료의 연소재 는 칼슘, 인산과 같은 무기성 산화물로 비료의 사용이 가능하다.

이와 같은 바이오 연료의 열원을 이용한 스크롤 팽창기 발전시스템은 바이오 고형 연료(100)의 열원으로 1차 작동유체를 고온으로 가열하는 보일러(200)와, 상기 보일러(200)를 통해 가열된 1차 작동유체가 충진되는 압력탱크(300)와, 상기 압력탱크(300)의 고온 및 고압상태의 1차 작동유체가 순환하며 2차 작동유체와 열교환을 수행하는 열교환기(400)와, 상기 열교환기(400)를 거친 1차 작동유체를 보일러(200)로 강제 투입시키는 제1펌프(500)와, 상기 열교환기(400)를 통해 열교환된 2차 작동유체의 열에너지를 발전기(1)의 축(1a) 동력으로 전환하는 스크롤 팽창기(600)와, 상기 스크롤 팽창기(600)를 거친 2차 작동유체를 냉각하는 응축기(700)와, 상기 응축기(700)를 거친 냉각상태의 2차 작동유체가 충진되는 서지탱크(800)와, 상기 서지탱크(800)의 2차 작동유체를 상기 열교환기(400)로 강제 투입하는 제2펌프(900)로 구성된다.

즉, 바이오 고형 연료를 열원으로 하여 발전시키기 위해 시스템은 크게 2개의 폐회로(closed cycle)로 구성되는데, 1차 작동유체인 물이 순환하는 1차 사이클은 보일러(200), 압력탱크(300), 열교환기(400), 그리고 제1펌프(500)로 구성되며, 2차 작동유체인 유기 냉매(R134a)가 순환하는 2차 사이클(Organic Rankine cycle)은 열교환기(400), 스크롤 팽창기(600), 응축기(700), 서지탱크(800), 제2펌프(900)로 구성된다.

이하, 발전시스템의 각부 구성을 좀 더 상세히 설명하다.

먼저, 1차 사이클에서 바이오 고형 연료를 연소시켜 발생되는 열원은 보일러(200)를 가열하게 되는데, 상기 보일러(200)를 가열하면 1차 작동유체인 물은 고온으로 가열된다.

이때, 상기 보일러(200)에서 가열된 고온의 물(hot water)은 압력탱크(300)로 유입되고, 상기 압력탱크(300)의 1차 작동유체는 약 80 ~ 100℃(바람직하게는 90℃)로 가열된 상태이며, 이는 열교환기(400)로 유입된다.

상기 열교환기(400)는 판형 열교환기로서 1차 작동유체가 흐르면서 열교환을 하여 2차 작동유체를 약 70 ~ 90℃(바람직하게는 80℃)로 가열하게 된다.

한편, 상기 열교환기(400)를 거친 1차 작동유체 약 42℃로 이는 제1펌프(500)에 의해 강제 순환되어 보일러(200)로 순환 유입되는 과정이 지속적으로 이루어진다.

이때, 상기 압력탱크(300)의 1차 작동유체는 열교환기(400)를 통해 2차 작동유체와의 열교환을 수행하는 것 이외에, 별도로 건물 등의 난방을 위해 설치되는 난방용 배관(410)과 연결된다.

따라서, 필요에 따라 열교환기(400)를 통해 1차 작동유체를 순환시키고 난방용 배관(410)을 통해 잔여분의 1차 작동 유체를 순환시킴으로서 건물 등의 난방을 함께 수행할 수 있다.

이 경우 열교환기(400)와 난방용 배관(410)에 선택적으로 1차 작동유체를 순환시키기 위해 열교환기(400)의 전후단에 제1개폐용밸브(401,402)를 구비하고, 난방용 배관(410)의 전후단에 제2개폐용밸브(411,412)를 구비하여 조작반(미도시됨)의 조작 및 제어에 따라 선택적으로 개폐가 가능하다.

한편, 2차 사이클에서는 1차 작동유체인 물이 열교환기(400)를 거치면서 2차 작동유체를 약 70 ~ 90℃(바람직하게는 80℃)로 가열하게 된다.

상기 열교환기(400)를 거쳐 고온으로 가열되어 열에너지를 갖는 2차 작동유체는 스크롤 팽창기(600)로 유입되어 발전기(1) 구동을 위한 축(1a) 동력을 발생하게 된다.

통상 팽창기 종류에는 크게 터보형(터빈)과 용적형으로 구분되며, 터보형 팽창기는 주로 대용량에 적합하고, 용적형 팽창기로는 왕복동, 로타리, 스크롤 등이 있는데, 용량 1 ~ 5kW 범위에서는 스크롤 팽창기(600)가 단연 높은 성능을 나타낸다.

따라서, 2차 작동유체로 축동력을 발생하는데 성능 효율이 높은 스크롤 팽창기(600)를 사용한다.

이와 같은 스크롤 팽창기(600)의 작동 개념은 도 2에 도시된 바와 같다. 즉, 고압의 제2작동유체가 고정스크롤(620)의 중앙에 형성된 유입구로 들어와서 가스가 팽창함에 따라 선회스크롤(630)을 공전선회시키며 점점 외주부로 이동하여 결국에는 외주부 끝단이 열리며 토출구로 배출된다. 이 과정에 유발된 선회스크롤(630)의 선회운동을 크랭크샤프트(560)에서 전달받아 축 동력이 발생하게 된다.

상기 스크롤 팽창기(600)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 내측에 공간부(612)가 형성되고 후측에는 축공(614)이 형성되는 프레임(610)과, 상기 프레임(610)의 전면에 고정되되 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제1나선형날개(622)가 형성되며 중심부에는 제2작동유체가 유입되는 유입구(624)가 형성되고 외측에는 제2작동유체가 유출되는 토출구(625)가 형성되는 고정스크롤(620)과, 전면에는 상기 고정 스크롤(620)의 제1나선형날개(622)와 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제2나선형날개(632)가 형성되고 후면 중앙에는 지지홈(634)이 형성되어 고정스크롤(620)과의 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 제2작동유체를 연속적으로 압축하는 선회스크롤(630)과, 상기 프레임(610)의 공간부(612)에 설치되어 선회스크롤(630)의 자전을 방지하는 올드햄링(640)과, 상기 프레임(610)의 축공(614)에 회전이 자유롭게 축설되되 전단에는 상기 선회스크롤(630)의 지지홈(634)에 회전이 자유롭게 끼워지는 편심축부(652)가 구비되고 후단에는 회전축부(654)가 구비되는 크랭크샤프트(650)와, 상기 크랭크샤프트(650)가 회전시에 균형을 맞춰주기 위해 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)에 설치되는 밸런스웨이트(660,662)와, 상기 프레임(610)의 후단부를 마감하는 레어커버(670)로 이루어진다.

물론, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654) 후단에는 발전기(1)의 축(1a)이 연결되어 발전기(1)를 구동하게 된다.

그리고, 상기 레어커버(670)와 프레임(610) 후단 사이에는 트로코이드펌프(680)가 구비되어 크랭크샤프트(650)가 회전시에 오일탱크(682)의 오일이 유입되면서 회전축의 정속성 등을 유지해주게 된다.

이때, 상기 트로코이드펌프(680)는 프레임(610) 후단에 밀착되며 오일탱크(682)의 오일이 유입되는 유입공(684a)이 일측에 형성되고, 중앙의 관통공(684b) 방향으로 오일이 유출되는 유출공(684c)이 형성되는 전면케이스(684)와, 상기 전면케이스(684)의 후단에 구비되며 안착공(686a)이 형성되는 후단케이스(686)와, 상기 후단케이스(686)의 안착공(686a)에 회전자재하게 장착되되 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)와 일체로 회전하는 구동기어(687)와, 상기 후단케이스(686)의 안착공(686a)과 구동기어(687)의 외측에 구비되어 상기 구동기어(687)의 회전시에 편심되어 회전하는 종동기어(688)로 이루어진다.

또한, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)는 상기 전면케이스(684)가 밀착되는 관통공(684b) 부분에 상기 유출공(684c)을 통해 유출되는 오일이 모이는 단차면(654a)이 형성되고, 상기 단차면(654a)에는 인입공(654b)이 형성되고, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)에는 상기 인입공(654b)과 연통되며 상기 프레임(610)의 공간부(612)와 연통되는 오일안내공(654c)이 축방향으로 형성된다.

그리고, 상기 프레임(610)에는 상기 공간부(612)로 유입되는 오일을 오일탱크(682)로 배출하기 위한 배출공(617)이 형성된다. 따라서, 오일이 트로코이드펌프(680)의 구동을 통해 오일탱크(682)의 오일이 강제로 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)의 축방향으로 형성되는 오일안내공(654c)을 따라 프레임(610)의 공간부(612)로 유입 및 순환되면서 크랭크샤프트(650)의 회전시에 프레임(610) 등을 냉각시켜 온도가 상승되는 것을 방지하고 정속 운전이 가능해진다.

이 경우, 상기 프레임(610)와 고정스크롤(620), 프레임(610)과 트로코이드펌프(680), 트로코이드펌프(680)와 레어커버(670) 사이에는 누수방지용 오링(684,685,686)이 체결된다.

한편, 상기 선회스크롤(630)의 후면 중앙에 형성되는 지지홈(624)에는 편심축부(652)가 원활하게 회전할 수 있도록 하기 위해 허브부시(690)가 체결되고, 그 허브부시(690)에 크랭크샤프트(650)의 편심축부(652)가 끼워진다.

그리고, 상기 프레임(610)의 축공(614)에는 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)가 회전이 자유롭게 축설되도록 하기 위해 다수의 베어링(658,659)이 체결된다. 이와 같은 베어링(658,659)에 의해 회전축부(654)의 회전저항을 줄여주어 전기 생산 효율을 증대시킬 수 있다.

한편, 상기 밸런스웨이트(660,662)는 프레임(610)의 공간부(612)에 위치하고, 상기 밸런스웨이트(660,662)는 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654) 후단에 설치된다. 이때, 상기 밸런스웨이트(660,662)는 서로 반대방향으로 편향되게 설치되어 크랭크샤프트(650)가 회전시에 균형을 맞춰줌으로서, 크랭크샤프트(650)가 균형을 이루며 안정적인 회전이 이루어지도록 한다.

이상의 구조를 갖는 스크롤 팽창기(600)는 유입구(624)를 통해 제2작동유체가 유입되면 고정스크롤(620)의 제1나선형날개(622)를 따라 안내되며 배출구(625)로 배출되는데 이때, 선회스크롤(630)이 고정스크롤(620)과 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 제2작동유체를 연속적으로 압축하게 되면 선회스크롤(630)의 선회운동이 발생하게 된다.

이에 따라 선회스크롤(630)의 지지홈(624)에 위치한 크랭크샤프트(650)의 편심축부(652)가 회동하게 되고, 편심축부(652)와 일체로 연결된 회전축부(654)가 정위치에서 일방향으로 회전하게 된다. 이와 같은 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)의 회전에 따라 발전기(1)가 구동된다.

그리고 상기 스크롤 팽창기(600)를 거친 2차 작동유체는 약 35℃로 온도가 낮아닌 상태로 응축기(700)에 유입되어 냉각수(702)를 이용한 열교환을 통해 응축되어 서지탱크(800)로 모여 제2펌프(900)의 구동으로 증발기(400)로 재투입되어 약 70 ~ 90℃(바람직하게는 80℃)로 가열 및 압축된다.

이때, 제2펌프(900)의 구동으로 21bar의 일정압력을 가해 2차 작동유체를 강제순환시키게 되며, 이와 같은 2차 작동유체는 스크롤 팽창기(600)를 거치면서 약 8 ~ 9bar의 압력으로 낮아진다.

한편, 스크롤 팽창기(600)를 통해 배출되는 2차 작동유체는 약 35℃의 온도이지만, 제2펌프(900)를 구동하면 2차 작동유체의 압력이 상승하면서 약 2℃ 정도의 온도상승이 일어난다.

이상의 1차 사이클을 거치면서 순환하는 1차 작동유체의 열에너지를 열교환기(400)를 통해 열교환 하고 2차 작동유체를 이용해 발전기(1)의 회전 구동력을 얻어 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.

10: 순환펌프 12: 서지탱크
14: 냉각용 열교환기 16: 가열용 열교환기
18: 제1 온도센서 19: 제1 압력센서
20: 제2 온도센서 21: 제2 압력센서
22: 제3 온도센서 23: 제3 압력센서
24: 제4 온도센서 25: 제4 압력센서
26: 배관 28: 유체공급용기
30: 진공펌프 600: 스크롤 팽창기

Claims

시험용 유체를 강제순환시키는 순환펌프(10)와, 상기 순환펌프(10)에 의해 이송되는 유체의 체적팽창분을 흡수하며 유체의 압력을 일정하게 유지하는 서지탱크(12)와, 상기 서지탱크(12)에서 배출되는 유체를 냉각하는 냉각용 열교환기(14)와, 상기 냉각용 열교환기(14)를 통해 냉각된 유체가 스크롤 팽창기(600)를 구동한 후 유입되면 가열하는 가열용 열교환기(16)와, 상기 스크롤 팽창기(600)에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제1 온도센서 및 압력센서(18,19)와, 상기 가열용 열교환기(16)에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제2 온도센서 및 압력센서(20,21)와, 상기 순환펌프(10)에서 배출되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제3 온도센서 및 압력센서(22,23)와, 상기 스크롤 팽창기(600)로 유입되는 유체의 온도와 압력을 계측하는 제4 온도센서 및 압력센서(24,25)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기의 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 순환펌프(10)의 출력측에는 제1오일세퍼레이터(34)가 구비되어 순환펌프(10)에서 배출되는 유체에 섞여있는 오일 성분을 분리해 상기 순환펌프(10)로 재투입하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기의 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 스크롤 팽창기(600)의 출력측 배관에는 제2오일세퍼레이터(36)가 구비되어 스크롤 팽창기(600)에서 배출되는 유체에 섞여있는 오일 성분을 분리해 스크롤 팽창기(600)로 재투입하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기의 시험장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 순환펌프(10), 서지탱크(12), 냉각용 열교환기(14), 스크롤 팽창기(600), 가열용 열교환기(16)는 하나의 폐로를 형성하며 유체가 순환할 수 있도록 유체가 이동하는 배관(26)으로 연결되며,
상기 배관(26)의 일측에는 유체를 공급하기 위한 유체공급용기(28)와, 배관(26) 내에 존재하는 잔존 유체를 배출해내기 위한 진공펌프(30)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기의 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 유체는 유기 냉매인 R134a인 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기의 시험장치.