KR101387194B1

KR101387194B1 - 동력 발생 장치

Info

Publication number: KR101387194B1
Application number: KR1020120094725A
Authority: KR
Inventors: 시게또 아다찌; 마사요시 마쯔무라; 유따까 나루까와; 가즈오 다까하시
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-04-21
Also published as: US8836191B2; JP2013051769A; CN102966378B; EP2565375A2; EP2565375A3; US20130049367A1; KR20130024826A; CN102966378A

Abstract

동력 발생 장치에 있어서, 작동 매체의 누설을 방지하면서 팽창기에서 발생한 회전 구동력을 팽창기가 수용된 하우징의 외부로 효율적으로 취출하기 위해, 본 발명의 동력 발생 장치는, 격벽으로 둘러싸인 내부에 팽창기의 구동부를 수용하고 있는 하우징과, 그 격벽을 사이에 두고 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에 팽창기의 회전 구동력을 하우징의 외부로 전달하기 위한 자기 커플링을 구비하고 있다.

Description

동력 발생 장치{POWER GENERATING APPARATUS}

본 발명은 열기관에서 발생한 동력을 당해 열기관의 외부로 취출하는 동력 발생 장치에 관한 것이다.

열기관 중에서도 외연 기관은, 물이나, 암모니아, 펜탄, 플론 등의 저비점 매체(물보다 비점이 낮은 매체) 등의 작동 매체(작동 유체라고도 함)를 런킨 사이클 등의 열역학 사이클에 의해 팽창시키거나 응축시킴으로써 열을 동력으로 변환하는(열 에너지를 운동 에너지로 변환함) 구성으로 되어 있다. 이와 같은 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, 블로어, 펌프, 발전기 등의 회전 기계를 회전시키기 위해 사용된다.

예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2009-185772호에는 작동 유체의 팽창에 의해 회전력을 발생하는 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, 미국 특허 제7249459호에는 런킨 사이클의 열 에너지를 회전 동력으로 변환하는 팽창기와, 회전 동력에 의해 구동되어 런킨 사이클의 압력을 올리는 급액 펌프와, 회전 구동력을 발생하는 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 1개의 하우징 내에 함께 수용한 것이다.

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

여기서 일본 특허 출원 공개 제2009-185772호나, 미국 특허 제7249459호의 도 1에 기재한 바와 같이, 팽창기와, 발전기나 펌프 등의 회전 기계를 1개의 하우징 내에 함께 수용하는 경우, 팽창기와 회전 기계를 연결하는 축의 축 시일을 불필요로 하는 경우가 있다. 그러나, 하우징이나 회전 기계로서 전용품이 필요해져, 범용품을 사용할 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 동력 발생 장치나 이것을 사용한 발전 설비의 이니셜 코스트 상승으로 연결되기 쉽다.

한편, 미국 특허 제7249459호의 도 19나 도 20에 기재한 바와 같이, 동력 전달을 위한 회전축이 하우징을 관통하여 외부로 돌출되는 경우, 특히 대기 중에 방출되는 것이 바람직하지 않은 저비점 매체를 작동 매체로 사용하는 바이너리 발전 등에 있어서는, 축의 시일은 중요하다. 그 도 19나 도 20의 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 러닝 코스트 상승으로 연결되기 쉽다.

본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 1개의 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 있는 동력 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 동력 발생 장치는 다음의 기술적 수단을 강구하고 있다. 즉, 본 발명은 동력 발생 장치이며, 다음의 것으로 이루어진다:팽창기를 구비한 열기관;상기 팽창기를 수용하는 하우징;및 상기 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 상기 팽창기의 구동부가 수용된 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축, 여기서, 상기 하우징은 격벽을 갖고, 상기 팽창기는 상기 격벽으로 둘러싸인 내부에 수용되고, 상기 동력 전달축은 상기 격벽을 사이에 두고 상기 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 상기 팽창기의 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 전달하기 위한 자기 커플링을 구비하고 있다.

상기 하우징 외부의 동력 전달축에는 상기 하우징 외부로 전달된 회전 구동력을 사용하여 발전을 행하는 발전기가 접속되어 있어도 된다.

바람직하게는, 상기 자기 커플링은 상기 팽창기의 회전 구동력이 전달되어 상기 하우징의 내부에서 회전하는 구동측 자석과, 상기 하우징의 외부에 배치되어 상기 구동측 자석의 회전에 맞추어 종동 회전하는 종동측 자석을 구비하고 있고, 상기 구동측 자석과 종동측 자석은 상기 격벽을 두고 서로 다른 자극을 대면시키도록 배치되어 있으면 된다.

상기 팽창기의 구동부로부터 상기 구동측 자석까지 동력 전달 경로 상에, 상기 구동부에서 출력된 회전을 감속하여 자기 커플링으로 전달하는 감속기가 설치되어 있어도 된다.

상기 구동측 자석은 종동측 자석의 외주를 둘러싸도록 거리를 두고 배치되어 있고, 상기 구동측 자석 및 종동측 자석은 각각 2개 이상 설치되어 있어도 된다.

2개 이상의 상기 구동측 자석을 자기적으로 연결하는 제1 자로 형성 부재가 설치되어 있고, 상기 제1 자로 형성 부재는 상기 구동측 자석에 대해 자기 커플링의 직경 외측에서 접하도록 배치되어 있어도 된다.

2개 이상의 상기 종동측 자석을 자기적으로 연결하는 제2 자로 형성 부재가 설치되어 있고, 상기 제2 자로 형성 부재는 종동측 자석에 대해 자기 커플링의 직경 내측에서 접하도록 배치되어 있어도 된다.

상기 격벽은 적어도 상기 하우징의 내외로 분단된 동력 전달축 사이에 설치되고 상기 자기 커플링을 당해 하우징의 내외로 구획하는 부분이 비자성체여도 된다.

상기 열기관은 액체의 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에서 증발한 작동 매체의 증기를 팽창시켜 구동부를 회전시키는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창한 작동 매체의 증기를 응축시켜 액체의 작동 매체로 변화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축한 액체의 작동 매체를 증발기로 압송함으로써 작동 매체를 순환시키는 순환 펌프를 폐쇄 루프 형상으로 접속된 순환 유로 상에 구비한 것이어도 된다.

본 발명의 동력 발생 장치에 따르면, 일체형의 하우징이나 축 시일 기구를 사용하지 않아도 하우징 외부로의 작동 유체의 누설을 방지하면서, 팽창기에서 발생한 회전 구동력을 팽창기의 구동부가 수용된 하우징의 외부로 취출할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 2는 제1 실시 형태의 동력 발전 장치에 설치된 자기 커플링의 사시도.
도 3의 (a)는 제1 실시 형태에 있어서의 자기 커플링의 단면도이고, (b)는 상기 자기 커플링에서의 자력선의 발생 상태를 도시하는 도면.
도 4는 제2 실시 형태의 동력 발생 장치를 도시하는 도면.
도 5의 (a)는 제3 실시 형태에 있어서의 자기 커플링의 단면도이고, (b)는 상기 자기 커플링에서의 자력선의 발생 상태를 도시하는 도면.
도 6의 (a)는 제4 실시 형태에 있어서의 자기 커플링의 단면도이고, (b)는 상기 자기 커플링에서의 자력선의 발생 상태를 도시하는 도면.
도 7의 (a)는 제5 실시 형태에 있어서의 자기 커플링의 단면도이고, (b)는 상기 자기 커플링에서의 자력선의 발생 상태를 도시하는 도면.
도 8의 (a)는 제6 실시 형태에 있어서의 자기 커플링의 단면도이고, (b)는 상기 자기 커플링에서의 자력선의 발생 상태를 도시하는 도면.
도 9의 (a)는 제7 실시 형태에 있어서의 자기 커플링의 단면도이고, (b)는 상기 자기 커플링에서의 자력선의 발생 상태를 나타내는 도면.
도 10은 제8 실시 형태의 동력 발생 장치의 주요부를 도시하는 도면.

「제1 실시 형태」

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

도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는 작동 유체의 증기의 팽창에 의해 회전 구동하는 구동부[본 실시 형태에 있어서는 스크류 로터(10)]를 갖는 팽창기(2)를 구비한 열기관(3)과, 이 팽창기(2)에서 발생하는 회전 구동력을 팽창기(2)의 구동부(10)가 수용된 하우징(4)의 외부로 취출하는 동력 전달축을 갖는 것이다. 이 하우징(4)은 그 격벽(5)으로 둘러싸인 내부에 팽창기(2)의 구동부(10)를 수용하고 있다. 동력 전달축은 격벽(5)을 사이에 두고 하우징 내에 위치하는 구동축(11)과 하우징 밖에 위치하는 종동축(13)으로 분단되어 있다. 또한 분단된 동력 전달축, 즉 구동축(11)과 종동축(13)에는 팽창기(2)의 회전 구동력을 하우징(4)의 외부로 전달하기 위해 자기 커플링(6)이 설치되어 있다. 이와 같이, 동력 발생 장치(1)는 구동축(11) 및 종동축(13)으로 이루어지는 동력 전달축과 자기 커플링(6)으로 구성된 동력 전달 장치를 구비하고 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는 열기관(3)으로서 바이너리 사이클을 예시한다. 그러나, 열기관(3)으로서는, 열을 동력으로 변환하는 기관이면, 어떤 기관이든 포함된다. 바이너리 사이클과 같은 런킨 사이클을 이용한 기관 이외에도, 예를 들어 증기 기관, 증기 터빈, 스털링 사이클과 같은 외연 기관, 혹은 가스 터빈과 같은 내연 기관이 포함된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 바이너리 사이클은 액체의 작동 매체 T를 증발시키는 증발기(7)와, 이 증발기(7)에서 증발한 작동 매체 T의 증기를 팽창시켜 구동부를 회전 구동시키는 팽창기(2)와, 이 팽창기(2)에서 팽창한 작동 매체 T의 증기를 응축시켜 액체의 작동 매체 T로 변화시키는 응축기(8)와, 이 응축기(8)에서 응축한 액체의 작동 매체 T를 증발기(7)로 압송함으로써 작동 매체 T를 순환시키는 매체 순환 펌프(9)를 폐쇄 루프 형상으로 접속된 순환 유로 상에 구비하고 있다.

팽창기(2)는 팽창되는 전후의 증기의 압력차를 이용하여 회전 구동하는 스크류 로터(10)(구동부)를 갖고 있다. 스크류 로터(10)는 구동축(11)을 중심으로 회전 가능하게 되어 있고, 발생한 회전 구동력을 구동축(11)을 통해 전달 가능하게 되어 있다.

팽창기(2)의 스크류 로터(10)(구동부)의 주위에는 하우징(4)[격벽(5)]이 설치되어 있고, 이 하우징(4)에 의해 내부와 외부를 기밀적으로 격리할 수 있도록 되어 있다. 이 기밀적으로 격리된 하우징(4)의 내부에는 스크류 로터(10)와 함께 바이너리 사이클에서 사용되는 저비점 매체의 작동 매체 T가 수용되어 있다.

상술한 팽창기(2)의 스크류 로터(10)에서 생기한 회전 구동력을 회전 기계(12)(컴프레서나 블로어 등)로 전달하는 경우에는, 통상은 팽창기(2)와 회전 기계(12) 사이에 회전 구동력을 전달 가능한 동력 전달 수단을 설치해야만 한다.

종래, 이와 같은 동력 전달 수단으로서, 팽창기의 하우징의 내외를 관통하도록 설치된 회전축이 채용되는 경우에는, 이 회전축과 하우징 사이로부터 작동 매체가 누설되는 것을 억제하는 축 시일이 필요 불가결로 되어 있었다. 이와 같은 축 시일을 설치하면, 장치의 메인터넌스가 번잡해져, 러닝 코스트의 상승으로 연결되거나, 수용된 작동 매체 T의 누출의 우려도 있으므로 바람직하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해, 종래에는 하나의 하우징 내에 팽창기와 회전 기계를 함께 수용하여 작동 매체 T의 누출을 방지하는 것도 행해지고 있었다. 이와 같은 팽창기와 회전 기계를 일체형의 하우징에 수용하면, 양자 사이의 축 시일이 불필요해지는 경우가 있지만, 회전 기계로서 전용품이 필요해져, 이니셜 코스트의 상승으로 연결되고, 범용품을 사용할 수 없으므로 바람직하지 않다.

따라서, 본 발명의 동력 발생 장치(1)에는 격벽(5)을 개재하여 팽창기(2)의 회전 구동력을 하우징(4)의 외부로 전달하는 자기 커플링(6)을 갖는 것으로 하고 있다. 즉, 동력 발생 장치(1)는 팽창기(2)와 회전 기계(12) 사이에서 회전 구동력을 전달 가능하게 하기 위해, 격벽을 사이에 두고 구동축(11)과 종동축(13)으로 분단된 동력 전달축과, 또한 격벽을 개재하여 하우징의 내외로 나뉘어져 있는 이들 양 축을 자기적으로 연결하는 자기 커플링(6)으로 구성되는 동력 전달 장치를 구비하고 있다.

이하, 동력 전달 장치의 상세에 대해 서술한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 구동축(11)은 팽창기(2)의 스크류 로터(10)의 회전 축심을 따라서 배치된 회전축이다. 구동축(11)의 일단부(도 1의 좌측)는 팽창기(2)의 구동부인 스크류 로터(10)에 연결되어 있고, 타단부(도 1의 우측)는 격벽(5)의 근방까지 신장되어 있고, 이 타단부측의 선단에는 구동측 자석(14)이 장착된 자기 커플링(6)의 외통체(15)가 설치되어 있다.

외통체(15)는 회전 기계(12)측[반스크류 로터(10)측]을 향해 개방되는 바닥이 있는 원통 형상의 부재이고, 비자성체로 형성되어 있다. 외통체(15)에는 구동축(11)이 동축 형상으로 연결되어 있고, 또한 그 원통 형상으로 형성된 부분에는, 서로 대향하도록, 둘레 방향으로 이격되어 배치된 2개의 구동측 자석(14)이 설치되어 있다.

한편, 종동축(13)은 구동축(11)과 동축의 방향을 따라서 배치된 회전 가능한 축이다. 종동축(13)의 일단부(도 1의 좌측)는 팽창기(2)측을 향해 신장되어 있고, 이 일단부에는 종동측 자석(16)을 설치하는 내삽체(17)가 설치되어 있고, 타단부(도 1의 우측)는 회전 기계(12)에 연결되어 있다.

내삽체(17)는 원기둥체이고, 외통체(15)와 마찬가지로 비자성체로 형성되어 있다. 내삽체(17)는 외통체(15)의 내측에 헐겁게 삽입 가능하게 되어 있고, 내삽체(17)의 외주면[외통체(15)의 내측에 삽입되는 부분의 외주면]에는 종동측 자석(16)이 설치되어 있다.

이들 외통체(15)와 내삽체(17) 사이, 바꿔 말하면, 구동측 자석(14)과 종동측 자석(16) 사이에는 격벽(5)이 존재한다.

하우징(4)에는 내삽체(17)가 설치되는 종동축(13)의 일단부에 대응하는 위치에, 외부를 향해 개방되고 팽창기(2) 내측을 향해 함몰하는 오목부(18)가 형성되어 있고, 이 오목부(18)가 전술한 격벽(5)으로 되어 있다.

즉, 이 오목 형상의 격벽(5)[오목부(18)] 안에 외부로부터 내삽체(17)가 회전 가능하게 끼워 넣어지도록 되어 있다. 또한, 오목 형상의 격벽(5)은 하우징(4)의 내부로부터 보면, 내부를 향해 돌출되는 원기둥 형상의 볼록부로 되어 있고, 이 원기둥 형상의 볼록부에 외통체(15)가 끼워 넣어지도록 되어 있다. 외통체(15)의 내경은 원기둥 형상의 볼록부인 격벽(5)의 외경보다 크게 되어 있으므로, 외통체(15)는 격벽(5)에 닿는 일 없이 회전 가능하게 되어 있다.

또한, 구동측 자석(14) 및 종동측 자석(16)은, 도면예에서는 네오듐 자석이나 사마륨 코발트 자석과 같은 영구 자석이지만, 전자석을 사용해도 된다.

또한, 외통체(15) 및 내삽체(17)의 축심을 사이에 두고 각각 둘레 방향으로 2개 설치되어 있는 구동측 자석(14) 및 종동측 자석(16)은 직경 외측 또는 직경 내측을 향해 자력선이 방출되도록, 외통체(15)의 회전 축심을 기준으로 하여 직경 외측의 표면과 직경 내측의 표면이 N극 또는 S극으로 되도록 설치되어 있다. 구동측 자석(14)과 종동측 자석(16)은 서로 다른 자극을 대면시키도록 하여 배치되어 있고, 양 자석 사이에 격벽(5)을 투과하여 자기적인 인력이 유기되도록 되어 있다.

보다 구체적으로는, 어떤 자석이든 도 2의 상측에 위치하는 자극이 S극으로 되어 있고, 또한 도 2의 하측에 위치하는 자극이 N극으로 되어 있고, 자력선은 자석 내를 상부로부터 하부로 빠져나간 후, 가장 하측의 자석의 N극[도면예의 경우에는 구동측 자석(14)의 N극]으로부터 직경 외측으로 방출되어 자석의 외측을 통과하여 상방을 향하고, 가장 상측의 자석의 S극[도면예의 경우에는 구동측 자석(14)의 S극]에 직경 외측으로부터 모이도록 되어 있다.

이 둘레 방향으로 이격되어 배치된 2개의 구동측 자석(14)의 외주측에는 자석의 외측을 지나는 자력선을 상방을 향해 빠짐없이 안내하는 제1 자로 형성 부재(19)가 설치되어 있다.

도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 구동측 자석(14)끼리를 자기적으로 연결하는 제1 자로 형성 부재(19)는 외통체(15)를 외주측으로부터 전체 둘레에 걸쳐서 덮을 수 있는 전자기 연철판으로 단척(短尺) 원통 형상으로 형성된 요크이다. 제1 자로 형성 부재(이하, 외측 요크라고 함)(19)는 상술한 2개의 구동측 자석(14)의 외주면(자극)에 면 상태로 접촉하고 있다. 이들 2개의 구동측 자석(14)은 한쪽의 외주면이 N극이고, 다른 쪽의 외주면이 S극이다. 그리고, 외측 요크(19)는 2개의 구동측 자석(14) 중 한쪽의 구동측 자석(14)의 N극으로부터 투입된 자력선을 다른 한쪽의 구동측 자석(14)의 S극으로 안내함으로써, 자력선의 누설을 가능한 한 억제하여 구동측 자석(14)의 자력을 높이고, 나아가서는 구동측 자석(14)으로부터 종동측 자석(16)으로 전달되는 토크를 높이는 작용을 구비하고 있다.

상술한 바와 같은 동력 전달 장치[동력 전달축 및 자기 커플링(6)]를 사용하면, 구동측 자석(14)과 종동측 자석(16) 사이에 격벽(5)을 존재시킨 상태에서 회전 구동력(동력)의 전달이 가능해진다. 그로 인해, 종래의 장치에서 채용되어 있던 다양한 과제를 갖는 수단, 즉 하나의 하우징 내에 팽창기뿐만 아니라, 그 팽창기에 의해 회전되는 회전 기계도 함께 수용하는 등의 수단이나, 하우징의 내외를 관통하도록 동력 전달용 축을 설치해 두고, 이 축에 축 시일을 설치하는 등의 수단 등을 채용할 필요가 없다.

그로 인해, 상기와 같은 수단을 채용하지 않아도, 작동 매체의 누설을 방지하면서 팽창기(2)에서 발생한 회전 구동력을 팽창기(2)의 구동부가 수용된 하우징(4)의 외부로 효율적으로 취출할(전달할) 수 있다. 또한, 상기와 같은 수단을 채용하지 않으면, 장치의 메인터넌스를 번잡화하는 일이 없고, 또한 비용을 낮게 억제할 수도 있다.

또한, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 외측 요크(19)를 설치함으로써, 한쪽의 구동측 자석(14)으로부터 방출된 자력선은 외측 요크(19)의 내부를 통과하여 다른 쪽의 구동측 자석(14)으로 안내된다. 즉, 자력선을 자로 형성 부재[예를 들어, 외측 요크(19)]와 같은 자성체에 투입하면, 자성체인 자로 형성 부재의 단부에 집약되는 성질을 자력선은 갖고 있다. 따라서, 이 자력선의 성질을 이용하면, 자로 형성 부재를 사용하여, 자력선의 누설을 가능한 한 억제하여 구동측 자석(14)의 자력을 높이고, 구동측 자석(14)과 종동측 자석(16) 사이의 자기적인 인력을 증대시킬 수 있고, 나아가서는 구동측 자석(14)으로부터 종동측 자석(16)으로 전달되는 토크를 높여 회전 구동력을 효율적으로 전달하는 것도 가능해진다.

또한, 이와 같이 제1 자로 형성 부재[외측 요크(19)]를 사용하여 구동측 자석(14)이나 종동측 자석(16)의 수를 늘려 자력을 높게 하면, 격벽(5)[하우징(4)]이 금속제인 경우에는 격벽(5)에서 큰 와전류 손실이 발생해 버린다. 그러나, 상술한 바와 같이 구동측 자석(14)이나 종동측 자석(16)의 설치수를 각각 2개로 한정하면, 와전류 손실을 자기 커플링(6)에 사용되는 자석수에 따라서 감소시킬 수 있으므로, 와전류 손실을 작게 억제하는 것도 가능해진다.

「제2 실시 형태」

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태의 동력 발생 장치(1)를 설명한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는 발전을 행하는 바이너리 사이클(바이너리 발전 시스템)에 사용되고 있다. 즉, 동력 발생 장치(1)는 하우징 내외에서 분단된 구동 전달축[구동축(11) 및 종동축(13)]과 자기 커플링(6)을 구비한 동력 전달 장치에 의해, 팽창기(2)의 하우징(4) 외부로 회전 구동력을 전달하고, 그 회전 구동력을 사용하여 발전기(20)를 회전시켜, 발전을 행하도록 하고 있다.

제1 실시 형태에서는, 동력 전달률을 고려하여 회전 기계에 대해 회전 구동력을 직접 전달하는 방법을 개시하였지만, 설비 레이아웃에 따라서는 팽창기(2)의 근방에 펌프 등의 회전 기계를 배치하는 스페이스를 확보하기 어려운 경우가 있고, 이와 같은 경우에는 제2 실시 형태에 도시한 바와 같이 하우징(4) 밖으로 전달된 회전 구동력을 사용하여 발전기(20)에서 발전을 행하고, 일단 발전기(20)에서 회전 구동력을 전력으로 변환한 후 전력으로 회전 기계(12)를 구동시키는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 있어서도, 종래의 동력 전달 수단에서 채용되어 있던 시일 기구 등이 불필요해져, 작동 매체의 누출을 방지하면서 팽창기(2)에서 발생한 회전 동력을 팽창기(2)가 수용된 하우징(4)의 외부로 효율적으로 취출하는 것이 가능해진다. 또한, 장치의 메인터넌스를 번잡화하는 일이 없고, 또한 러닝 코스트를 낮게 억제하는 것도 가능해진다.

「제3 실시 형태」

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태의 동력 발생 장치(1)를 설명한다.

제1 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는 동력 전달 장치에 있어서의 자기 커플링에, 전자기 연철판으로 형성된 단척 원통 형상의 부재(외측 요크)를 제1 자로 형성 부재(19)로서 사용한 예였다. 한편, 제3 실시 형태에서는 제1 자로 형성 부재(19)를 「복수의 판 자석(21)(길이 방향의 양단부가 각각 N극 또는 S극으로 된 판형상의 자석)을 자기적으로 접속되도록 외통체(15)의 외주를 따라서 원호 형상으로 배열한 구성」으로 하고 있다.

구체적으로는, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 제3 실시 형태의 제1 자로 형성 부재(19)는 복수(도면예에서는 16매)의 판 자석(21)을 외통체(15)의 외주면을 따라서 둘레 방향으로 배열한 것이다. 이 판 자석(21)은 외통체(15)의 외주면을 따라서 원호 형상으로 만곡되어 있다. 2개의 구동측 자석(14) 중, 도 5의 (a), (b)에 있어서의 상측의 구동측 자석(14)의 S극에 대해서는, 이 S극의 표면에 접하도록 좌우에 2개의 판 자석(21)이 배치되어 있다. 이들 판 자석(21)은 서로 N극끼리를 마주 보게 하여 배치되어 있고, 서로 접촉하는 일이 없도록 둘레 방향으로 거리를 두고 배치되어 있다.

한편, 도 5의 (a), (b)에 있어서의 하측의 구동측 자석(14)의 N극에 대해서도, 이 N극의 표면에 접하도록 좌우에 2개의 판 자석(21)이 배치되어 있다. 이들 판 자석(21)은 서로 S극끼리를 마주 보게 하고 또한 서로 거리를 두고 배치되어 있다. 그리고, 상측의 구동측 자석(14)에 접하도록 배치된 2개의 판 자석(21)과, 하측의 구동측 자석(14)에 접하도록 배치된 2개의 판 자석(21) 사이를 각각 보간(interpolation)하도록, 상술한 판 자석(21)을 좌측에 8매, 우측에 8매 배치하고 있다. 인접하는 판 자석(21)은 서로 다른 자극끼리가 마주 보도록 각각 배치하고 있다.

도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 전자기 연철판으로 이루어지는 외측 요크 대신에, 복수의 판 자석(21)을 조합한 자로 형성 부재(19)를 사용해도, 복수의 판 자석(21)이 자력선의 경로(자기 회로)를 형성할 수 있고, 그 내부를 순서대로 통과하여 자력선이 전달되므로, 구동측 자석(14)의 자력을 높이는 것이 가능해지고, 나아가서는 구동 회전축으로부터 종동 회전축으로 전달되는 토크를 높여 회전 구동력을 효율적으로 전달하는 것도 가능해진다.

「제4 실시 형태」

다음에, 본 발명의 제4 실시 형태의 동력 발생 장치(1)를 설명한다.

도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 제4 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는 동력 전달 장치에 있어서의 자기 커플링에, 상술한 제1 실시 형태의 제1 자로 형성 부재(외측 요크)(19)와 구동측 자석(14)이 일체로 된 것을 사용하고 있다. 바꿔 말하면 구동측 자석(14)과 제1 자로 형성 부재(19)의 기능을 겸비한 자석[이후, 일체 자석(22)이라고 함]을 구비하고 있다.

일체 자석(22)은 외통체(15)의 외주면을 전체 둘레에 걸쳐서 덮는 원통 형상이고, 제3 실시 형태에서의 구동측 자석(14)에 상당하는 직경 내측을 향해 돌출되는 돌기부(23)를 설치하고, 한쪽[도 6의 (a)에 있어서의 하측]의 돌기부(23)의 단부를 N극, 다른 한쪽[도 6의 (a)에 있어서의 상측]의 돌기부(23)의 단부를 S극으로 한 것이다.

도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 자로 형성 부재(19)와 구동측 자석(14)의 기능을 겸비한 일체 자석(22)을 사용해도, 일체 자석(22)의 내부를 통해 자력선이 N극으로부터 S극으로 전달되므로, 구동측 자석(14)의 자력을 높이는 것이 가능해지고, 나아가서는 구동 회전축으로부터 종동 회전축으로 전달되는 토크를 높여 회전 구동력을 효율적으로 전달하는 것도 가능해진다.

「제5 실시 형태」

다음에, 본 발명의 제5 실시 형태의 동력 발생 장치(1)에 대해 설명한다.

본 실시 형태는 동력 전달 장치의 내삽체(17)[종동축(13)의 선단]에, 전자기 연철판, 복수의 판 자석(21), 또는 일체 자석(22)으로 이루어지는 제2 자로 형성 부재(24)를 설치하여, 종동측 자석(16)끼리를 연결하는 구성을 갖는 것이고, 다른 구성은 상술한 실시 형태와 대략 마찬가지이다.

상세하게는, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 제5 실시 형태의 동력 전달 장치는 2개 이상의 종동측 자석(16)끼리를 자기적으로 연결하는 제2 자로 형성 부재(24)가 설치된 것이다. 이 제2 자로 형성 부재(24)는 내삽체(17)[종동축(13)]를 축방향으로 교차하여 관통하도록 형성된 구멍 내지는 홈에 배치되어 있다.

구체적으로는, 내삽체(17)의 외주면에는 내삽체(17)의 회전 축심을 사이에 두고 도 7의 (a), (b)에 있어서의 상측과 하측의 2개소에 종동측 자석(16)이 설치되어 있다. 그리고, 이들 상하 2개의 종동측 자석(16) 사이에, 2개의 종동측 자석(16)을 자기적으로 연결하는 제2 자로 형성 부재(24)가 배치되어 있다. 이 제2 자로 형성 부재(24)는 제1 자로 형성 부재(19)인 요크와 마찬가지로 전자기 연철판으로 형성되어 있는 요크이다. 제2 자로 형성 부재(24)는 내삽체(17)를 상하(축 수직 방향)로 관통하는 관통 구멍(25)에 수용되어 있고, 그 상면은 상측의 종동측 자석(16)의 N극에 접하고 있고, 하면은 하측의 종동측 자석(16)의 S극에 접하고 있다.

그로 인해, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 자로 형성 부재(24)의 내부를 통과하여 상측의 종동측 자석(16)의 N극으로부터 하측의 종동측 자석(16)의 S극으로 자력선이 형성되어, 외부로 누설되는 자력선이 감소하므로, 종동측 자석(16)의 자력을 높이는 것이 가능해지고, 나아가서는 구동측 자석(14)으로부터 종동측 자석(16)으로 전달되는 토크를 높여 회전 구동력을 효율적으로 전달하는 것도 가능해진다.

「제6 실시 형태」「제7 실시 형태」

또한, 구동측 자석(14)의 자력을 높이기 위해 사용한 상술한 다른 실시 형태에 있어서의 제1 자로 형성 부재(19)의 경우와 마찬가지로, 제2 자로 형성 부재(24)를 복수의 판 자석(26)을 조합한 것으로 하거나, 종동측 자석(16)과 제2 자로 형성 부재(24)가 일체화된 일체 자석(27)으로 할 수도 있다.

예를 들어, 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제6 실시 형태의 동력 전달 장치는 제2 자로 형성 부재(24)로서 전자기 연철판 대신에, 복수의 판 자석(26)을 적층한 것이다. 이 도 8의 (a)의 제2 자로 형성 부재(24)를 사용해도, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이 복수의 판 자석(26)[제2 자로 형성 부재(24)]의 내부를 통해 종동측 자석(16)의 자력을 높이는 것이 가능해진다.

또한, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제7 실시 형태의 동력 전달 장치는 제2 자로 형성 부재(24)와 상하 2개의 종동측 자석(16)이 일체로 된 일체 자석(27)을 사용한 것이다. 이 도 9의 (a)의 일체 자석(27)[제2 자로 형성 부재(24)]을 사용해도, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이 일체 자석(27)[제2 자로 형성 부재(24)]의 내부를 통과하여 종동측 자석(16)의 자력을 높이는 것이 가능해져, 구동측 자석(14)으로부터 종동측 자석(16)으로 전달되는 토크를 높여 회전 구동력을 효율적으로 전달할 수 있다.

또한 도시는 하지 않지만, 이상 서술한 제5 실시 형태로부터 제7 실시 형태의 제2 자로 형성 부재(24)의 구성은 제1 실시 형태에서 서술한 제1 자로 형성 부재(19)에 대해서만 설치되는 것은 아니다. 제5 실시 형태로부터 제7 실시 형태의 제2 자로 형성 부재(24)의 구성을, 제2 실시 형태로부터 제4 실시 형태 중 어느 하나의 제1 자로 형성 부재(19)와 조합해도 전혀 문제는 없다.

「제8 실시 형태」

다음에, 본 발명의 제8 실시 형태의 동력 발생 장치(1)에 대해 설명한다.

도 10에 도시한 바와 같이, 제8 실시 형태의 동력 발생 장치(1)는 팽창기(2)로부터 구동측 자석(14)까지 동력 전달 경로 상에, 팽창기(2)의 회전 구동력을 감속하여 자기 커플링(6)으로 전달하는 감속기(28)가 설치된 것이다.

이 감속기(28)는 하우징(4)의 내부에 설치된 구동축(11)이며, 팽창기(2)의 구동부와 외통체(15)[구동측 자석(14)] 사이에 설치되어 있다. 감속기(28)는 팽창기(2)에서 발생한 회전 속도를 감속하여 자기 커플링(6)측으로 전달하는 것을 가능하게 하고 있고, 이에 의해 구동축(11)의 회전수를, 예를 들어 펌프나 컴프레서 등의 회전 기계(12)의 사용 영역에 맞춘 회전수로 미리 조정할 수 있도록 되어 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 특히, 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 아니고, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.

또한, 상술한 제1 실시 형태로부터 제8 실시 형태에서는, 구동축(11)에 설치된 외통체(15)의 내측에, 종동축(13)에 설치된 내삽체(17)가 삽입되는 구조의 자기 커플링(6)을 예로 들었지만, 외통체(15)나 내삽체(17) 중 어떤 쪽을 구동측(종동측)으로 할지는 임의로 선택할 수 있다. 예를 들어, 구동축(11)에 설치된 내삽체(17)를 종동축(13)에 설치된 외통체(15)의 내측에 삽입하는 구조의 자기 커플링(6)을 사용해도 된다.

또한, 상술한 제1 실시 형태로부터 제8 실시 형태에서는, 와전류 손실을 작게 하기 위해, 구동측 자석(14) 및 종동측 자석(16)이 2개씩 설치된 예를 들었지만, 자석의 수는 2개로 한정되지 않는다. 예를 들어, 구동측 자석(14) 및 종동측 자석(16)이 4개 내지 8개씩 설치된 것을 사용해도 된다.

또한, 하우징(4)의 격벽(5)의 재질로서는, 세라믹스, 글래스, 글래스 파이버, 탄소 섬유 등의 비자성체를 사용할 수 있다. 이 경우에는, 와전류 손실을 고려할 필요가 없으므로, 구동측 자석(14) 및 종동측 자석(16)의 설치 개수는 각각 2개 이상으로 하고 있어도 되지만, 격벽의 두께를 두껍게 하는 경우(구동측 자석(14)과 종동측 자석(16)의 거리가 조금 벌어진 경우)에는 각각 2개로 하는 것이 바람직하다.

Claims

팽창기를 구비한 열기관과,
상기 팽창기를 수용하는 하우징과,
상기 팽창기에서 발생하는 회전 구동력을 상기 팽창기의 구동부가 수용된 하우징의 외부로 취출하는 동력 전달축으로 이루어지는 동력 발생 장치이며,
여기서,
상기 하우징은 격벽을 갖고,
상기 팽창기는 상기 격벽으로 둘러싸인 내부에 수용되고,
상기 동력 전달축은 상기 격벽을 사이에 두고 상기 하우징의 내외로 분단되어 있는 동시에, 상기 팽창기의 회전 구동력을 상기 하우징의 외부로 전달하기 위한 자기 커플링을 구비하고 있고,
상기 자기 커플링은 상기 팽창기의 회전 구동력이 전달되어 상기 하우징의 내부에서 회전하는 구동측 자석과, 상기 하우징의 외부에 배치되어 상기 구동측 자석의 회전에 맞추어 종동 회전하는 종동측 자석을 구비하고 있고,
상기 구동측 자석과 종동측 자석은 상기 격벽을 사이에 두고 서로 다른 자극을 대면시키도록 배치되어 있고,
상기 구동측 자석은 종동측 자석의 외주를 둘러싸도록 거리를 두고 배치되어 있고,
상기 구동측 자석 및 종동측 자석은 각각 2개 이상 설치되어 있고,
2개 이상의 상기 구동측 자석을 자기적으로 연결하는 제1 자로 형성 부재가 설치되어 있고, 상기 제1 자로 형성 부재는 상기 구동측 자석에 대해 자기 커플링의 직경 외측에서 접하도록 배치되어 있고,
2개 이상의 상기 종동측 자석을 자기적으로 연결하는 제2 자로 형성 부재가 설치되어 있고, 상기 제2 자로 형성 부재는 상기 종동측 자석에 대해 자기 커플링의 직경 내측에서 접하도록 배치되어 있는, 동력 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 하우징 외부의 동력 전달축에는 상기 하우징의 외부로 전달된 회전 구동력을 사용하여 발전을 행하는 발전기가 접속되어 있는, 동력 발생 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 팽창기의 구동부로부터 상기 구동측 자석까지의 동력 전달 경로 상에, 상기 구동부에서 출력된 회전을 감속하여 자기 커플링으로 전달하는 감속기가 설치되어 있는, 동력 발생 장치.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 격벽은 적어도 상기 하우징의 내외로 분단된 동력 전달축 사이에 설치되고 상기 자기 커플링을 상기 하우징의 내외로 구획하는 부분이 비자성체인, 동력 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 열기관은 액체의 작동 유체를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에서 증발한 작동 유체의 증기를 팽창시켜 구동부를 회전시키는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창한 작동 유체의 증기를 응축시켜 액체의 작동 유체로 변화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축한 액체의 작동 유체를 증발기로 압송함으로써 작동 유체를 순환시키는 순환 펌프를 폐쇄 루프 형상으로 접속된 순환 유로 상에 구비한, 동력 발생 장치.