KR101332461B1 - 동력 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 동력 발생 장치는, 팽창기와, 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 팽창기의 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축을 갖는다. 팽창기의 하우징은 그 격벽으로 둘러싸인 내부에 팽창기의 구동부를 수용하고 있다. 동력 전달축은, 격벽을 사이에 두고 팽창기의 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 팽창기의 회전 구동력을 하우징의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링을 구비하고 있다. 자기 커플링을 통해 취출된 회전 구동력은, 팽창기와는 별도로 설치된 구동원의 동력에 의해 회전 기계를 구동시킬 때에, 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용된다. 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력이 구동원에 전달되는 동력 전달 경로에는, 클러치 기구 및 변속기가 설치된다.

Description

동력 발생 장치{POWER GENERATION APPARATUS}

본 발명은, 열기관에서 발생한 동력을 이 열기관의 외부로 취출하여, 이 열기관과는 별도로 설치된 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 이용하는 동력 발생 장치에 관한 것이다.

열기관 중에서도 외연 기관은, 물이나, 암모니아, 펜탄, 프레온, 대체 프레온 등의 저비점 매체(물보다 비점이 낮은 매체) 등의 작동 매체(작동 유체라고도 함)를 랭킨 사이클 등의 열역학 사이클에 의해 팽창시키거나 응축시킴으로써 열을 동력으로 변환하는(열에너지를 운동 에너지로 변환하는) 구성으로 되어 있다. 이러한 열기관은 작동 매체의 증기를 팽창시키는 팽창기를 구비하고 있고, 팽창기는 외부로부터 기밀 상태로 격리된 하우징의 내부에 수용되어 있다. 이 팽창기에서 얻어진 회전 구동력은 축을 통해 팽창기가 수용되어 있는 하우징 외부로 취출되어, 컴프레서, 블로워, 펌프, 발전기 등의 회전 기계를 회전시키기 위해 사용된다.

예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2009-185772호에는, 작동 유체의 팽창에 의해 회전력을 발생시키는 팽창 기구와, 팽창 기구의 회전력에 의해 구동되는 발전기와, 팽창 기구의 회전력에 의해 구동되는 펌프 기구를 구비한 유체 기계에 있어서, 상기 펌프 기구를 용량 가변으로 구성한 것을 특징으로 하는 유체 기계가 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 출원 공개 제2005-30386호에는, 랭킨 사이클의 열에너지를 회전 동력으로 변환하는 팽창기와, 회전 동력에 의해 구동되어 랭킨 사이클의 압력을 높이는 급액 펌프와, 회전 구동력을 발생시키는 모터를 구비하고, 이들에 의해 회전축을 공유한 유체 기계가 개시되어 있다.

이들 장치(유체 기계)는, 모두 열기관의 일부인 팽창기와, 발전기나 펌프 등의 회전 기계 등을 하나의 하우징 내에 함께 수용한 것이다.

그런데, 상기 각 선행 문헌의 장치(유체 기계)에 있어서는, 작동 매체의 누설을 방지하기 위해 팽창기를 수용하는 하우징에 시일을 설치하는 것이 반드시 필요하다.

여기서 일본 특허 출원 공개 제2009-185772호나, 일본 특허 출원 공개 제2005-30386호의 도 1의 기재예와 같이, 팽창기와, 발전기나 펌프 등의 회전 기계를 하나의 하우징 내에 함께 수용하는 경우, 팽창기와 회전 기계를 연결하는 축의 축 시일을 불필요하게 할 수 있는 경우가 있다. 그러나 하우징이나 회전 기계로서 전용품이 필요해져, 범용품을 사용할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 동력 발생 장치나 이것을 사용한 발전 설비의 초기 비용 상승으로 이어지기 쉽다.

한편, 일본 특허 출원 공개 제2005-30386호의 도 19나 도 20의 기재예와 같이, 동력 전달을 위한 회전축이 하우징을 관통하여 외부로 돌출되는 경우, 특히 대기중으로 방출되는 것이 바람직하지 않은 저비점 매체를 작동 매체로 사용하는 바이너리 발전 등에 있어서는, 축의 시일은 중요하다. 이 설비에서는, 회전기[모터(9)]와 팽창기 사이에 샤프트 시일이 설치되어 있어, 작동 매체가 회전기측으로 누설되지 않는 구조를 채용하고 있다. 그러나, 이러한 샤프트 시일을 채용해도, 작동 매체의 누설을 확실하게 방지하는 것이 어렵고, 또한 번잡한 샤프트 시일의 메인터넌스가 필요하다. 또한, 동력 발생 장치나 이것을 사용한 발전 설비의 운전 비용 상승으로 이어지기 쉽다.

본 발명은, 상술한 문제에 비추어 이루어진 것이며, 하나의 하우징 내에 열기관과 회전기를 함께 수용하거나 동력을 전달하는 축에 축 시일 기구를 채용하지 않아도, 작동 매체의 누설을 방지하면서 팽창기에서 발생한 회전 구동력을 팽창기가 수용된 하우징의 외부로 효율적으로 전달할 수 있고, 회전 구동력을 열기관과는 별도로 설치된 구동원의 동력에 의해 구동하는 회전 기계로 보내, 이 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 이용하는 동력 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 동력 발생 장치는 다음의 기술적 수단을 강구하고 있다.

즉, 본 발명의 동력 발생 장치는, 팽창기와, 상기 팽창기를 수납하는 하우징과, 상기 하우징은 그 격벽으로 둘러싸인 내부에 상기 팽창기의 구동부를 수용하고 있고, 상기 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축과, 상기 동력 전달축은, 상기 격벽을 사이에 두고 상기 팽창기의 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 상기 팽창기의 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링을 구비하고 있고, 상기 팽창기와는 별도로 설치된 구동원과, 상기 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력은, 상기 구동원의 동력으로 회전 기계를 구동시킬 때에 상기 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용되고, 상기 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력이 상기 구동원에 전달되는 동력 전달 경로에 설치된, 상기 회전 구동력의 전달 상태를 제어하는 클러치 기구 및, 상기 동력 전달 경로에 설치된, 상기 동력 전달축의 회전 속도를 변속하는 동시에 전달하는 변속기로 이루어진다.

상기 동력 발생 장치에 있어서, 상기 동력 전달 경로에, 상기 회전 구동력을 사용하여 발전을 행하는 발전기가 설치되어도 된다.

상기 동력 발생 장치에 있어서, 상기 하우징의 내부에는, 상기 팽창기의 구동부를 통해 취출된 회전 구동력을 사용하여 발전을 행하는 동시에, 상기 팽창기가 발생시킨 동력을 상기 동력 전달축에 전달하는 발전기가 설치되어도 된다.

또한, 본 발명의 동력 발생 장치는, 가스를 고압으로 압축하는 압축기를 구동시키는 것이며, 열기관과, 상기 열기관은, 열원으로부터 공급된 열량에 의해 액체의 작동 매체를 기화시키는 증발기와, 상기 증발기에서 기화된 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창된 작동 유체를 응축시켜 액체의 작동 매체로 변화시키는 응축기와, 액체의 작동 매체를 증발기로 압송하는 매체 순환 펌프를 구비하고, 상기 팽창기를 수납하는 하우징과, 상기 하우징은 그 격벽으로 둘러싸인 내부에 상기 팽창기의 구동부를 수용하고 있고, 상기 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축과, 상기 동력 전달축은, 상기 격벽을 사이에 두고 상기 팽창기의 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 상기 팽창기의 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링을 구비하고 있고, 및 상기 팽창기와는 별도로 설치된 구동원으로 이루어지고, 상기 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력은, 상기 구동원의 동력에 의해 상기 압축기를 구동시킬 때에 상기 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용되고, 여기서, 상기 증발기에는, 상기 압축기에서 단열 압축된 가스가 갖는 열량이, 액체의 작동 매체를 기화시키는 열원으로서 공급된다.

상기 동력 발생 장치가, 2개 이상의 압축기를 구비한 다단 압축기를 구동하는 것이며, 상기 다단 압축기의 각 압축기로부터 토출된 고압의 가스가, 상기 열기관 내의 작동 매체를 기화시키는 열원으로서 상기 증발기에 공급되어도 된다.

본 발명의 동력 발생 장치에 따르면, 동력을 전달하는 축에 축 시일 기구를 채용하지 않아도, 작동 매체의 누설을 방지하면서 팽창기에서 발생한 회전 구동력을 팽창기가 수용된 하우징의 외부로 효율적으로 전달할 수 있어, 팽창기와는 별도로 설치된 구동원의 동력에 의해 구동되는 회전 기계에 회전 구동력을 보내, 이 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 이용할 수 있다. 하나의 하우징 내에 팽창기와 구동원을 함께 수용할 필요도 없다. 또한, 클러치 기구 및 변속기가 설치되어 있으므로, 보조 동력의 부가를 필요로 할 때에, 적절한 회전수로, 팽창기에서 발생한 회전 구동력을 보조 동력으로서 구동원에 부여할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 2는 제2 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 3은 제3 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 4는 제4 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 5는 제5 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 6은 제6 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 7은 제7 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 8은 팽창기로부터 모터에의 동력 전달의 모습을 도시하는 도면.

「제1 실시 형태」

이하, 본 발명에 관한 동력 발생 장치(1)의 제1 실시 형태를, 도면에 기초하여 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는, 작동 유체 T의 증기의 팽창에 의해 회전 구동하는 구동부(2)[본 실시 형태에 있어서는 스크류 로터(2)]를 갖는 팽창기(3)를 구비한 열기관(4)과, 이 팽창기(3)에서 발생하는 회전 구동력을 팽창기(3)가 수용된 하우징(5)의 외부로 취출하는 동력 전달축(6)을 갖는 것이다. 이 하우징(5)은 그 격벽(7)으로 둘러싸인 내부에 팽창기(3)의 구동부(2)를 수용하고 있다. 동력 전달축(6)은, 격벽(7)을 사이에 두고 하우징(5) 내에 위치하는 구동축(8)과 하우징(5) 외부에 위치하는 종동축(9)으로 분단되어 있다. 또한 분단된 동력 전달축(6), 즉, 구동축(8)과 종동축(9)에는, 팽창기(3)의 회전 구동력을 하우징(5)의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링(10)이 설치되어 있다. 이와 같이, 동력 발생 장치(1)에 있어서는, 구동축(8) 및 종동축(9)으로 이루어지는 동력 전달축(6)과 자기 커플링(10)으로 구성되어 있고, 동력 전달축(6)에 의해 회전 구동력을 하우징(5)의 외부로 전달한다. 이 외부로 전달된 회전 구동력을, 열기관(4)과는 별도로 설치된 회전 기계(11)로 보내, 이 회전 기계(11)의 보조 동력으로서 이용하는 구성으로 하고 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 열기관(4)으로서 바이너리 사이클을 예시한다. 그렇다고는 해도, 열기관(4)으로서는, 열을 동력으로 변환하는 기관이면, 어떠한 기관도 포함된다. 바이너리 사이클과 같은 랭킨 사이클을 이용한 기관 이외에도, 예를 들어 증기 기관, 증기 터빈, 스털링 사이클과 같은 외연 기관, 혹은 가스 터빈과 같은 내연 기관이 포함된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 바이너리 사이클은, 액체의 작동 유체 T를 증발시키는 증발기(13)와, 이 증발기(13)에서 증발한 작동 유체 T의 증기를 팽창시켜 구동부(2)[예를 들어, 후술하는 스크류 로터(2)]를 회전 구동시키는 팽창기(3)와, 이 팽창기(3)에서 팽창된 작동 유체 T의 증기를 응축시켜 액체의 작동 유체 T로 변화시키는 응축기(12)와, 이 응축기(12)에서 응축된 액체의 작동 유체 T를 증발기(13)로 압송함으로써 작동 유체 T를 순환시키는 매체 순환 펌프(14)를 폐루프 형상으로 접속된 순환 유로 상에 구비하고 있다.

팽창기(3)는, 팽창되기 전후의 증기의 압력차를 이용하여 회전 구동하는 스크류 로터(2)[구동부(2)]를 갖고 있다. 스크류 로터(2)는, 구동축(8)을 중심으로 회전 가능하게 되어 있고, 발생한 회전 구동력을 구동축(8)을 통해 이 구동축(8)에 접속된 자기 커플링(10)에 전달 가능하게 되어 있다.

팽창기(3)의 스크류 로터(구동부)(2)의 주위에는 하우징(5)[격벽(7)]이 설치되어 있고, 이 하우징(5)에 의해 내부와 외부를 기밀적으로 격리할 수 있도록 되어 있다. 이 기밀적으로 격리된 하우징(5)의 내부에는, 스크류 로터(2)와 함께 바이너리 사이클에서 사용되는 저비점 매체의 작동 유체 T가 수용되어 있다.

상술한 팽창기의 스크류 로터에 의해 발생한 회전 구동력을, 이 팽창기가 설치된 열기관(상술한 바이너리 사이클 등)과는 별도로 설치된 구동원의 동력에 의해 구동하는 회전 기계에 전달하여 이 회전 기계를 구동하는 보조 동력으로 사용하는 경우에는, 통상은 팽창기와 회전 기계 사이에, 팽창기에서 발생한 회전 구동력을 회전 기계에 전달 가능한 동력 전달 수단을 설치해야 한다.

종래, 이러한 동력 전달 수단으로서, 팽창기의 하우징의 내외를 관통하도록 설치된 회전축이 채용되는 경우에는, 이 회전축과 하우징 사이로부터 작동 유체가 누설되는 것을 억제하는 축 시일의 설치가 반드시 필요하게 되어 있었다. 이러한 축 시일을 설치하면, 장치의 메인터넌스가 번잡해져, 운전 비용의 상승으로 이어지거나, 수용된 작동 유체의 누출의 우려도 있으므로 바람직하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해, 종래는 하나의 하우징 내에 팽창기와 회전 기계를 함께 수용하여 작동 유체의 누출을 방지하는 것도 행해지고 있었다. 이와 같이 팽창기와 회전 기계를 하나의 하우징에 함께 수용하면, 양자간의 축 시일이 불필요해지는 경우가 있지만, 회전 기계로서 적용할 수 있는 것의 범위가 매우 한정되어 버려, 초기 비용 상승으로 이어지거나, 범용품을 사용할 수 없으므로 바람직하지 않다.

따라서, 본 발명의 동력 발생 장치(1)에는, 격벽(7)을 개재하여 팽창기(3)의 회전 구동력을 하우징(5) 외부로 전달하는 자기 커플링(10)을 갖는 것으로 하고 있다. 즉, 동력 발생 장치(1)는, 팽창기(3)와 회전 기계(11) 사이에서 회전 구동력을 전달 가능하게 하기 위해, 격벽(7)을 사이에 두고 구동축(8)과 종동축(9)으로 분단된 동력 전달축(6)과, 또한 격벽(7)을 개재하여 하우징(5)의 내외로 나뉘어져 있는 이들 양 축을 자기적으로 연결하는 자기 커플링(10)을 구비하고 있고, 이들 동력 전달축(6)과 자기 커플링(10)을 갖는 동력 전달 경로(15)를 구비하고 있다. 그리고 자기 커플링(10)을 통해 취출된 회전 구동력을 상술한 열기관(4)(바이너리 사이클)과는 별도로 설치된 구동원(16)의 동력에 의해 구동되는 회전 기계(11)로 보내, 이 회전 기계(11)를 구동시키기 위한 보조 동력으로 사용하고 있다.

또한, 자기 커플링(10)을 통해 취출된 회전 구동력이 전달되는 동력 전달 경로(15)에는, 동력 전달축(6)의 회전 속도를 변속하는 동시에 보조 동력을 하류측으로 전달하는 변속기(17)와, 회전 기계(11)에의 보조 동력의 전달 상태를 제어하는 클러치 기구(18)가 설치되어 있다.

다음에, 동력 발생 장치(1)를 구성하는 자기 커플링(10), 동력 전달축(6), 변속기(17), 클러치 기구(18) 및 이 팽창기(3)에서 발생한 보조 동력을 사용하는 회전 기계(11)에 대해 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 동력 전달축(6) 중 하나인 구동축(8)은, 팽창기(3)의 스크류 로터(2)의 회전 축심을 따라 배치된 회전축이다. 구동축(8)의 일단부(도 1의 좌측)는 팽창기(3)의 구동부(2)인 스크류 로터(2)에 연결되어 있고, 타단부(도 1의 우측)는 격벽(7)의 근방까지 신장되어 있고, 이 타단부측의 선단에는 구동측 자석이 장착된 자기 커플링(10)의 외통체(20)가 설치되어 있다.

한편, 동력 전달축(6) 중 하나인 종동축(9)은, 구동축(8)과 동축인 방향을 따라 배치된 회전 가능한 축이다. 종동축(9)의 일단부(도 1의 좌측)는 팽창기(3)측을 향해 신장되어 있고, 이 일단부에는 종동측 자석이 장착된 내삽체(22)가 설치되어 있고, 타단부(도 1의 우측)는 후술하는 회전 기계(11)에 접속되어 있다.

자기 커플링(10)은, 구동축(8)에 설치된 외통체(20)와, 종동축(9)에 설치된 내삽체(22)로 구성되어 있다. 외통체(20)는, 회전 기계(11)측[스크류 로터(2) 반대측]을 향해 개방되는 바닥이 있는 원통 형상의 부재로, 비자성체로 형성되어 있다. 외통체(20)에는 구동축(8)이 동축상으로 연결되어 있고, 또한 그 원통 형상으로 형성된 부분에는, 서로 대향하도록, 주위 방향으로 이격되어 배치된 2개의 구동측 자석이 설치되어 있다.

내삽체(22)는, 원기둥체이고, 외통체(20)와 마찬가지로 비자성체로 형성되어 있다. 내삽체(22)는, 외통체(20)의 내측에 헐겁게 삽입 가능하게 되어 있고, 내삽체(22)의 외주면[외통체(20)의 내측에 삽입되는 부분의 외주면]에는 구동측 자석에 따른 수의 종동측 자석이 장착되어 있다.

이들 구동측 자석과 종동측 자석은, 서로 다른 자극을 대면시키도록 하여 배치되어 있어, 양 자석의 사이에 격벽(7)을 투과하여 자기적인 인력이 유기되도록 되어 있고, 구동축(8)의 회전 구동력을 종동축(9)에 전달할 수 있도록 되어 있다.

또한, 구동측 자석 및 종동측 자석은, 도시예에서는 네오디뮴 자석이나 사마륨 코발트 자석과 같은 영구 자석이지만, 전자석을 사용해도 된다.

상술한 종동축(9)에는 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력이 전달되어 있고, 이 종동축(9)을 통해 변속기(17)에 회전 구동력을 전달 가능하게 되어 있다. 이 변속기(17)는, 입력측[종동축(9)]의 회전 속도를 회전 기계(11)에 최적인 회전 속도로 변속하여 출력측[종동축(9)]에 회전 구동력을 전달하는 것이다. 또한, 종동축(9)에는 회전 기계(11)의 회전축[후술하는 펌프 구동축(23)]이 접속되어 있다. 이와 같이 하여 변속기(17)에서 변속된 회전 구동력은 회전 기계(11)의 보조 동력으로서 하류측에 전달된다. 이 변속기(17)에는 기어나 벨트 등을 사용한 것을 이용할 수 있다. 또한, 변속기(17)에는, 입력측의 축의 회전수에 대해, 출력측의 축의 회전수를 감속하는 것, 증속하는 것, 등속으로 하는 것 등을 사용할 수 있다.

클러치 기구(18)는, 회전 기계(11)에의 보조 동력의 전달 상태를 제어하는 것이며, 동력 전달 경로(15) 상의 변속기(17)의 출력측[종동축(9)]에 설치되어 회전 기계(11)에 대한 회전 구동력의 전달을 차단ㆍ접속하는 것이 가능하게 되어 있다. 이 클러치 기구(18)는, 서로 대면하여 배치된 한 쌍의 클러치판(도시 생략)과, 이들 한 쌍의 클러치판을 접속, 분리 가능하게 조작하는 조작 레버(24)를 갖고 있다. 그리고, 조작 레버(24)를 사용하여 클러치판끼리를 면 상태로 접촉시키거나 이격시킴으로써, 회전 기계(11)에 대한 회전 구동력의 전달을 차단 가능하게 되어 있다. 또한, 클러치 기구(18)는, 전달 상태를 제어할 때에 임의로 미끄럼 상태를 발생시킬 수 있는 마찰 클러치를 적절하게 사용할 수 있고, 또한 레버 조작 이외의 전자기 조작이나 유체압 조작하는 것이라도 좋다.

회전 기계(11)는, 상술한 열기관(4)(바이너리 사이클)과는 별도로 설치된 구동원(16)의 동력에 의해 구동되는 것이며, 구동원(16)의 동력에 의해 장치 내부의 부재를 회전시켜 작동되는 펌프나 컴프레서 등과 같은 유체 기계, 혹은 자동차나 선박과 같이 엔진[구동원(16)]을 사용하는 기계에 있어서, 엔진[구동원(16)]의 회전 구동력을 사용하여 회전되는 부재를 들 수 있다. 또한, 이러한 회전 기계(11)에는, 예를 들어 가솔린 엔진이나 디젤 엔진을 구동원(16)으로 하여 발전을 행하는 발전기(25) 등을 사용해도 된다. 또한, 회전 기계(11)의 구동원(16)에는, 내연 기관을 이용한 가솔린 엔진이나 디젤 엔진뿐만 아니라 전동 모터 등을 사용해도 된다.

그런데, 본 발명의 동력 발생 장치(1)는, 열기관(4)의 팽창기(3)로부터 회전 기계(11)의 회전 로터까지의 동력 전달 경로(15)가 어떠한 배열로 되어 있는지, 또한 발전기(25)가 부대되는지 여부에 의해, 이후의 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 나타내는 다양한 실시 형태를 생각할 수 있다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는, 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력을 동력 전달축(6)의 종동축(9)을 통해 회전 기계(11)로 보내는 동력 전달 경로(15)를 갖고 있다. 그리고, 이 동력 전달 경로(15) 상에는, 자기 커플링(10)으로부터 변속기(17), 클러치 기구(18), 구동원(16)이 차례로 배열되어 있고, 구동원(16)을 경유한 회전 구동력이 마지막에 펌프 로터(26)에 출력되는 구성으로 되어 있다. 즉, 이 제1 실시 형태의 동력 발생 장치는, 팽창기(3)로부터 펌프 로터(26)까지의 동력 전달 경로(15) 상에 구동원(16)인 전동 모터가 존재하는 것이며, 발전기(25)를 부대하지 않는 장치의 예를 나타내는 것이다.

상술한 동력 발생 장치(1)에서는, 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력은, 자기 커플링(10)에 연결된 종동축(9)을 통해 먼저 변속기(17)로 전달된다. 그리고, 변속기(17)에서 회전 기계(11)를 구동시키는 데 최적인 회전 속도로 변속된 후, 변속 후의 회전 구동력은 클러치를 통해 회전 기계(11)의 구동원(16)에 전달(입력)된다. 본 실시 형태의 회전 기계(11)는, 구동원(16)의 동력을 펌프 구동축(23)을 통해 펌프 로터(26)에 전달하고, 이 펌프 로터(26)를 회전 구동시킴으로써 작동(흡인이나 토출)하는 펌프로 되어 있다.

그리고, 상술한 바와 같이 변속기(17)에서 변속된 후의 회전 구동력은, 구동원(16) 자체의 회전 구동력과 합쳐져 이 펌프 구동축(23)에 직접적으로 입력되어 있고, 펌프 구동축(23)에 있어서 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력과 구동원(16)에서 발생한 동력을 합친 동력이 전달됨으로써, 발생원이 다른 2개의 회전 구동력을 병용하여 펌프를 구동할 수 있도록 되어 있다.

바꾸어 말하면, 제1 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는, 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력을, 전동 모터의 동력에 의해 펌프를 구동시킬 때의 보조 동력으로 사용한 예라고 할 수도 있다. 이러한 동력 발생 장치(1)를 사용하면, 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력을 보조 동력으로서 사용할 수 있어, 구동원(16)인 전동 모터의 소비 전력의 삭감에 효과가 있다. 또한, 전동 모터 대신에 가솔린 엔진을 구동원(16)으로서 사용한 경우에는, 연비 향상에 효과가 있다.

「제2 실시 형태」

또한, 상술한 제1 실시 형태는, 동력 전달 경로(15) 상에 자기 커플링(10), 변속기(17), 클러치 기구(18), 구동원(16), 펌프 로터(26)가 차례로 배열된 것이었지만, 구동원(16)과 펌프 로터(26)의 배열을 동력 전달 경로(15) 상에서 바꾸어 배치할 수도 있다.

즉, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제2 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는, 펌프 로터(26)의 펌프 구동축(23)의 양단부에 변속기(17)와 구동원(16)인 전동 모터가 나뉘어져 접속되어 있는 것이며, 발전기(25)를 부대하지 않는 장치의 예를 나타내는 것이다.

이러한 동력 발생 장치(1)를 사용해도, 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력을 보조 동력으로서 사용할 수 있어, 구동원(16)의 소비 전력의 삭감이나 연비 향상에 효과가 있다.

「제3 실시 형태」 「제4 실시 형태」

또한, 상술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태는 발전기(25)를 부대하지 않는 동력 발생 장치(1)의 예였지만, 이후에 나타내는 제3 실시 형태 내지 제6 실시 형태는 발전기(25)를 부대한 동력 발생 장치(1)의 예이다.

즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 제3 실시 형태의 동력 발생 장치(1)에는, 변속기(17)보다도 회전 기계(11)측의 동력 전달 경로(15) 상에 발전기(25)가 설치되어 있다. 그리고 자기 커플링(10)을 통해 하우징(5)의 외부로 취출된 회전 구동력을 사용하여 우선 발전기(25)를 회전시켜 발전을 행하고, 발전에서 남은 잉여의 회전 구동력을 회전 기계(11)로 보내, 이 잉여의 회전 구동력을 구동원(16)의 동력을 보충하는 보조 동력으로 하고 있다.

이러한 동력 발생 장치(1)를 사용하면, 바이너리 사이클[열기관(4)]을 이용하여 발전을 행하는 발전 사이클에 대해, 이 발전 사이클의 발전에 사용되지 않은 회전 구동력을 회전 기계(11)의 구동원(16)의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용할 수 있어, 구동원(16)의 소비 전력의 삭감이나 연비 향상에 효과가 있다.

한편, 도 3에 도시하는 제3 실시 형태의 구동원(16)과 펌프 로터(26)의 배열을 동력 전달 경로(15) 상에서 바꾸어 배치하면, 도 4에 도시하는 제4 실시 형태의 동력 발생 장치(1)로 된다.

또한, 제4 실시 형태의 동력 발생 장치(1)에서는, 회전 기계(11)의 구동원(16)인 전동 모터와 발전기(25)를 겸용하는 발전 기능이 구비된 모터(27)가 사용되어 있다. 이러한 발전 기능이 구비된 모터(27)는, 펌프 로터(26)를 회전 구동하는 데 동력이 부족할 때에는 전동 모터로서 동작하지만, 동력이 남아 있을 때에는 발전기(25)로서 동작한다.

이러한 동력 발생 장치(1)를 사용해도, 바이너리 사이클[열기관(4)]을 이용하여 발전을 행하는 발전 사이클에 대해, 이 발전 사이클의 발전에 사용되지 않은 회전 구동력을 회전 기계(11)의 구동원(16)의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용할 수 있어, 구동원(16)의 소비 전력의 삭감이나 연비 향상에 효과를 발휘할 수 있다.

「제5 실시 형태」 「제6 실시 형태」

또한, 상술한 제3 실시 형태나 제4 실시 형태에서는, 발전기(25)는 팽창기(3)의 하우징(5) 외부에 설치되어 있었지만, 이하의 제5 실시 형태나 제6 실시 형태에 나타내는 바와 같이 발전기(25)를 팽창기(3)의 하우징(5) 내에 설치할 수도 있다.

예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 팽창기(3)의 구동부(2)[스크류 로터(2)]와 자기 커플링(10)의 외통체(20) 사이의 동력 전달 경로(15) 상[구동축(8) 상]에 발전기(25)를 설치하여 발전을 행하고, 발전에 사용되지 않은 회전 구동력을 하우징(5)의 외부로 취출하여 회전 기계(11)를 구동하는 보조 동력으로 사용할 수도 있다.

이러한 동력 발생 장치(1)를 사용해도, 발전 사이클의 발전에 사용되지 않은 회전 구동력을 회전 기계(11)의 구동원(16)의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용할 수 있어, 구동원(16)의 소비 전력의 삭감이나 연비 향상에 효과를 발휘할 수 있다.

「제7 실시 형태」

본 발명의 동력 발생 장치(1)가 구동하는 대상인 회전 기계(11)는, 대부분의 경우, 회전 작업에 수반하여 다량의 열을 발생시킨다.

예를 들어, 회전 기계(11)가 공기 등의 가스(V)를 고압으로 압축하는 가스 압축기(50)인 경우에는, 단열 압축에 의해 고온이며 매우 많은 열량을 가진 고압의 가스(V)를 생성하게 된다. 이때, 생성된 고압의 가스(V)는, 쿨러(54) 등의 냉각 장치에 의해 사용 목적에 따라서 필요한 온도까지 냉각된다. 즉, 가스 압축기(50), 즉 회전 기계(11)에서 발생한 열량은 폐열되는 경우가 보통이었다.

따라서, 본 발명에 있어서는, 회전 기계(11)에서 생성된 열을 동력 발생 장치(1)에 도입함으로써, 유효한 열의 재이용을 행하는 것으로 하였다.

본 발명의 동력 발생 장치(1)의 제7 실시 형태[회전 기계(11)의 열의 재이용]에 대해, 도면에 기초하여 설명한다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 제7 실시 형태에 관한 동력 발생 장치(1)의 구성은, 이하의 점에서 제1 실시 형태의 장치(도 1 참조)와 대략 동일하다.

즉, 제7 실시 형태의 동력 발생 장치(1), 바꾸어 말하면, 제7 실시 형태의 열기관(4)은 바이너리 사이클을 이용한 기관을 사용하고 있다.

구체적으로는, 열기관(4)은, 열원으로부터 공급된 열량에 의해 액체의 작동 유체 T(작동 매체)를 증발시키는 증발기(13)와, 이 증발기(13)에서 증발한 작동 유체 T의 증기를 팽창시켜 구동부(2)를 회전 구동시키는 팽창기(3)와, 이 팽창기(3)에서 팽창된 작동 유체 T의 증기를 응축시켜 액체의 작동 유체 T로 변화시키는 응축기(12)와, 이 응축기(12)에서 응축된 액체의 작동 유체 T를 증발기(13)로 압송함으로써 작동 유체 T를 순환시키는 매체 순환 펌프(14)를 구비하고 있다.

이들 증발기(13), 팽창기(3), 응축기(12), 매체 순환 펌프(14)는, 작동 유체 T[저비점의 유기 매체, 예를 들어 대체 프레온(R245fa) 등]를 순환시키는 폐루프 형상의 순환 배관(55)에 의해 차례로 접속되어 있다.

또한, 팽창기(3)를 구성하는 구동부(2)(스크류 로터)는 열기관(4) 내에 밀폐 상태에서 수용되어 있고, 구동부(2)가 회전하여 발생하는 회전 구동력을 열기관(4)의 외부로 취출하는 동력 전달축(6)에는 자기 커플링(10)이 설치되어 있다. 이 구성도 제1 실시 형태와 대략 동일하다. 이 자기 커플링(10)을 통해 팽창기(3)에서 발생하는 회전 구동력을 열기관(4)의 외부로 전달하는 동시에, 회전 기계(11)로 보내, 이 회전 기계(11)의 보조 동력으로서 이용하는 구성으로 하고 있는 점도 동일하다.

덧붙여, 제7 실시 형태의 팽창기(3)와 회전 기계(11)의 사이에는, 동력 전달축(6)의 회전 속도를 변속하는 동시에 보조 동력을 하류측으로 전달하는 변속기(17)와, 회전 기계(11)에의 동력의 전달 상태를 제어하는 클러치 기구(18)가 설치되어 있는 점도 동일하다.

한편, 제7 실시 형태에 관한 동력 발생 장치(1)의 구성은, 이하의 점에서 제1 실시 형태와 크게 다르다.

우선, 동력 발생 장치(1)의 대상인 회전 기계(11)로서, 공급된 가스(V)를 고압으로 압축하는 「가스 압축기」가 채용되어 있다.

가스 압축기(50)는, 외부로부터 가스(V)(예를 들어, 30℃ 정도)를 도입하고, 도입한 가스(V)를 가스 압축기(50) 내의 압축 수단(로터)(51, 52)의 회전에 의해 단열 압축하여, 고압의 가스(V)로 하는 것이다. 이때, 생성된 가스(V)는, 승온(예를 들어, 180℃ 정도)되어 다량의 열을 갖게 된다.

제7 실시 형태의 가스 압축기(50)는, 축직렬로 접속된 복수의 압축 수단[1단째의 압축 수단(51), 2단째의 압축 수단(52)]과, 이 복수의 압축 수단을 구동시키는 모터(53)를 구비하고, 또한 윤활유를 사용하지 않는 오일 프리식 다단 가스 압축기이다. 구동력을 발생시키는 모터(53)는 전동 모터이다. 그러나 모터(53)로서 유압 펌프에 의해 구동되는 유압 모터를 사용해도 된다.

이러한 가스 압축기(50)에서는, 외부로부터 도입된 가스(V)가, 1단째의 압축 수단에 의해 압축되어 고압의 가스(V)로 되고, 우선은, 보조 동력 전달 장치(1)에 구비된 제1 증발기(56)(상세한 것은 후술)의 1차측으로 유입하도록 되어 있다. 제1 증발기(56)를 유통한 가스(V)는, 2단째의 압축 수단으로 보내지고 다시 압축되어 고압의 가스(V)로 된다. 생성된 고압의 가스(V)는, 보조 동력 전달 장치(1)에 구비된 제2 증발기(57)(상세한 것은 후술)의 1차측으로 유입되고, 제2 증발기(57)를 유통한 가스(V)는, 쿨러(54) 등의 냉각 장치에 의해 사용 목적에 따라서 필요한 온도까지 냉각된다.

이상 서술한 가스 압축기(50)[회전 기계(11)]는, 모터(53)에만 의해서도 가동 가능하다. 본 실시 형태의 팽창기(3)는, 이 가스 압축기(50)에 부가적으로 장착되어, 가스 압축기(50)에 대해 동력 어시스트를 행하는 것으로 되어 있다.

한편, 제7 실시 형태의 열기관(4) 자체로서는, 이하의 점에서 제1 실시 형태와 다르다.

즉, 열기관(4)은, 병렬로 배치된 제1 증발기(56), 제2 증발기(57)를 갖고 있다. 즉, 증발기(13)가 매체 순환 펌프(14)의 하류측에 2개 이상 구비되어 있다.

제1 증발기(56), 제2 증발기(57)의 입구측에는, 매체 순환 펌프(14)의 하류측에 접속된 순환 배관(55)으로부터 병렬로 분기된 배관이 각각 연결되어 있다. 제1 증발기(56), 제2 증발기(57)의 출구측으로부터 연장되는 배관은, 팽창기(3)의 상류측의 순환 배관(55)에 각각 연결되도록 되어 있다.

제1 증발기(56)에서는, 1단째의 압축 수단에서 생성된 고압의 가스(V)의 열량을 이용하여(열교환하여), 액체의 작동 유체 T를 기화시켜, 증기의 작동 유체 T를 생성한다. 또한, 제2 증발기에서는, 제1 증발기(56)와 마찬가지로, 2단째의 압축 수단(52)에서 생성된 고압의 가스(V)의 열량을 이용하여(열교환하여), 액체의 작동 유체 T를 기화시켜, 증기의 작동 유체 T를 생성한다. 이와 같이 하여 생성된 증기의 작동 유체 T는, 제1 증발기(56) 및 제2 증발기(57)의 출구측에 접속된 순환 배관(55)을 통해 팽창기(3)로 보내진다.

팽창기(3)에서는, 제1 증발기(56) 및 제2 증발기(57)에서 생성된 작동 유체 T의 증기가 팽창되고, 팽창 전후의 작동 유체 T의 압력차를 이용하여 구동부(2)가 회전 구동한다.

팽창기(3)에서 발생한 회전 구동력은, 자기 커플링(10)을 통해 열기관(4)의 외부로 취출되어, 변속기(17)(감속기)로 전달된다. 변속기(17)에서는, 가스 압축기(50)를 구동시키는 데 최적인 회전 속도로 변속된 후, 변속 후의 회전 구동력은 클러치 기구(18)를 통해 가스 압축기(50)의 모터(53)에 전달된다.

이와 같이 함으로써, 가스 압축기(50)에서 생성된 고압 가스(V)의 열량을 버리는 일 없이 재이용할 수 있어, 팽창기(3)의 구동부(2)에서 발생한 회전 구동력을 가스 압축기(50)에 구비된 모터(53)의 보조 동력으로서 이용하는 것이 가능해져, 에너지 효율이 좋은 가스 압축기(50)를 실현할 수 있게 된다.

또한, 팽창기(3)에 있어서 팽창 후의 작동 유체 T의 거동 등은, 제1 실시 형태와 대략 동일하므로, 설명을 생략한다.

그런데, 제7 실시 형태의 설명에 있어서는, 가스 압축기(50)의 압축 수단(51, 52)을 축직렬로 접속한다고 서술하였지만, 구체적인 접속 방법에는, 도 8에 도시하는 바와 같이 다른 형태(비축직렬)를 채용할 수 있다.

예를 들어, 도 8의 (a)에 도시하는 바와 같이, 보조 동력 발생 장치의 팽창기(3)의 출력축에는, 변속기(17)와 클러치 기구(18)가 접속되어 있고, 클러치 기구(18)의 출력축에, 가스 압축기(50)의 모터(53)가 접속되는 구성을 채용해도 된다. 모터(53)의 구동축에는 불 기어(58)가 접속되어 있다. 이 불 기어(58)에는 2개의 피니언 기어(59)가 맞물려 있고, 불 기어(58)의 회전 구동력을 각 피니언 기어(59)에 전달하고 있다. 2개의 피니언 기어(59)는, 불 기어(58)를 사이에 끼우도록 배치되어 있고, 1단째의 압축 수단(51), 2단째의 압축 수단(52)의 구동축에 각각 접속되어 있다.

이에 의해, 팽창기(3)에서 발생한 회전 구동력을 모터(53)의 회전 구동력과 함께 불 기어에 전달하고, 이 불 기어(58)에 맞물리는 피니언 기어(59)를 통해, 1단째의 압축 수단(51) 및 2단째의 압축 수단(52)에 전달하고 있다.

또한, 도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 보조 동력 발생 장치의 팽창기(3)의 출력축에는 피니언 기어[제1 피니언 기어(60)]가 접속되고, 이 제1 피니언 기어(60)는 불 기어(58)에 맞물리는 구성을 채용할 수도 있다. 이 불 기어(58)는 모터(53)의 구동축에 접속되어 있다.

모터(53)의 구동축에 장착된 불 기어(58)에는, 다른 피니언 기어[제2 피니언 기어(61)]가 맞물려 있고, 이 제2 피니언 기어(61)는 1단째의 압축 수단(51)의 구동축에 접속되어 있다. 또한, 불 기어(58)에는 다른 피니언 기어[제3 피니언 기어(62)]가 맞물려 있고, 이 제3 피니언 기어(62)는 2단째의 압축 수단(52)의 구동축에 접속되어 있다.

이에 의해, 팽창기(3)에서 발생한 회전 구동력을 모터(53)로부터의 구동력이 전달되는 불 기어(58)에 전달하고, 이 불 기어(58)를 통해 맞물리는 피니언 기어(59)에 전달하고, 1단째의 압축 수단(51) 및 2단째의 압축 수단(52)에 전달할 수 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아닌 특허청구범위에 의해 나타내어지고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는 특별히 기재하고 있지 않지만, 기구 팽창기의 회전 속도를 그대로 회전 기계에 입력할 수 있는 경우에 있어서는, 팽창기로부터 회전 기계까지의 동력 전달 경로상에 변속기는 설치하지 않아도 된다. 또한, 자기 커플링의 구동측 자석 및 종동측 자석 각각의 자석의 개수도 2개에 한정되지 않고, 그 이상이어도 된다. 또한, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은, 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것은 아니며, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.

Claims (5)

1. 동력 발생 장치이며,
   팽창기와,
   상기 팽창기를 수납하는 하우징과, 상기 하우징은 그 격벽으로 둘러싸인 내부에 상기 팽창기의 구동부를 수용하고 있고,
   상기 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축과, 상기 동력 전달축은, 상기 격벽을 사이에 두고 상기 팽창기의 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 상기 팽창기의 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링을 구비하고 있고,
   상기 팽창기와는 별도로 설치된 구동원과, 상기 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력은, 상기 구동원의 동력에 의해 회전 기계를 구동시킬 때에 상기 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용되고,
   상기 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력이 상기 구동원에 전달되는 동력 전달 경로에 설치된, 상기 회전 구동력의 전달 상태를 제어하는 클러치 기구, 및
   상기 동력 전달 경로에 설치된, 상기 동력 전달축의 회전 속도를 변속하는 동시에 전달하는 변속기로 이루어지는, 동력 발생 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 동력 전달 경로에, 상기 회전 구동력을 사용하여 발전을 행하는 발전기가 설치되어 있는, 동력 발생 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 내부에는, 상기 팽창기의 구동부를 통해 취출된 회전 구동력을 사용하여 발전을 행하는 동시에, 상기 팽창기가 발생시킨 동력을 상기 동력 전달축으로 전달하는 발전기가 설치되어 있는, 동력 발생 장치.
4. 가스를 고압으로 압축하는 압축기를 구동하는 동력 발생 장치이며,
   열기관과, 상기 열기관은, 열원으로부터 공급된 열량에 의해 액체의 작동 매체를 기화시키는 증발기와, 상기 증발기에서 기화된 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창된 작동 유체를 응축시켜 액체의 작동 매체로 변화시키는 응축기와, 액체의 작동 매체를 증발기로 압송하는 매체 순환 펌프를 구비하고,
   상기 팽창기를 수납하는 하우징과, 상기 하우징은 그 격벽으로 둘러싸인 내부에 상기 팽창기의 구동부를 수용하고 있고,
   상기 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축과, 상기 동력 전달축은, 상기 격벽을 사이에 두고 상기 팽창기의 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 상기 팽창기의 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링을 구비하고 있고, 및
   상기 팽창기와는 별도로 설치된 구동원으로 이루어지고, 상기 동력 전달축에 의해 취출된 회전 구동력은, 상기 구동원의 동력에 의해 상기 압축기를 구동시킬 때에 상기 구동원의 동력을 보충하는 보조 동력으로서 사용되고,
   여기서, 상기 증발기에는, 상기 압축기에서 단열 압축된 가스가 갖는 열량이, 액체의 작동 매체를 기화시키는 열원으로서 공급되는, 동력 발생 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 동력 발생 장치는, 2개 이상의 압축기를 구비한 다단 압축기를 구동시키는 것이며,
   상기 다단 압축기의 각 압축기로부터 토출된 고압의 가스가, 상기 열기관 내의 작동 매체를 기화시키는 열원으로서 상기 증발기에 공급되는, 동력 발생 장치.

Images