KR101389650B1 - 발전 장치 - Google Patents

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KR101389650B1
KR101389650B1 KR1020120110669A KR20120110669A KR101389650B1 KR 101389650 B1 KR101389650 B1 KR 101389650B1 KR 1020120110669 A KR1020120110669 A KR 1020120110669A KR 20120110669 A KR20120110669 A KR 20120110669A KR 101389650 B1 KR101389650 B1 KR 101389650B1
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노보루 쯔보이
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명의 목적은 발전기를 냉각할 수 있는 발전 효율이 높은 발전 장치를 제공하는 것이다. 이 발전 장치는, 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 오일에 의해 윤활되고, 증발기에서 증발한 작동 매체의 팽창력을 회전력으로 변환하고, 팽창한 작동 매체를 배기 유로를 통해서 배출하는 팽창기와, 팽창기로부터 배출된 작동 매체로부터 오일을 분리하는 오일 분리기와, 오일 분리기에 의해 오일을 분리한 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 응축기에 의해 응축한 작동 매체를 가압해서 증발기에 환류시키는 순환 펌프와, 팽창기에 의해 구동되는 회전자 및 고정자를 수용한 발전기실을 구비하는 발전기와, 오일 분리기가 분리한 오일을 가압해서 팽창기에 환류시키는 오일 펌프를 갖고, 오일 펌프가 가압한 오일의 일부를, 발전기실에 공급하고, 회전자 및 고정자를 냉각하여, 배기 유로로 배출한다.

Description

발전 장치 {POWER GENERATOR}
본 발명은, 랭킨 사이클을 사용한 발전 장치에 관한 것이다.
증발기, 팽창기, 응축기 및 순환 펌프를 개재 설치한 유로에 봉입한 작동 매체를 순환시킴으로써, 증발기에서 수취한 열에너지를 팽창기에서 회전력으로 변환하는 랭킨 사이클을 사용한 발전 장치가 공지되어 있다.
일반적으로, 발전기에서 권선 온도가 과도하게 상승하면, 발전 효율이 저하된다. 그로 인해, 랭킨 사이클을 사용한 발전 장치에서도, 발전기의 냉각을 행하는 것이 바람직하다. 발전기를 냉각하는 방법으로서는, 발전기의 하우징에 수냉 재킷을 설치하고, 냉각수를 주입 통과시킴으로써 하우징을 통해서 내부의 권선을 냉각하는 방법을 생각할 수 있다.
그러나, 일본 특허 공개 평5-98902호에 기재되어 있는 바와 같이, 발전기의 고정자와 회전자 사이에 캔을 삽입한 경우, 수냉 재킷에 의한 냉각만으로는, 회전자의 온도 상승을 충분히 억제할 수 없다.
일본 특허 공개 제2004-353571호에는, 순환 펌프로 가압한 작동 매체의 일부를 발전기의 재킷에 주입 통과시키는 발명이 기재되어 있다. 이 구성에서는, 발전기를 냉각한 작동 매체를 응축기에 환류시킬 필요가 있으므로 배관이 복잡해지고 또한 순환 펌프나 응축기의 부하가 커지므로 발전 효율이 저하된다고 하는 문제가 있다.
상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 발전기를 냉각할 수 있는 발전 효율이 높은 발전 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의한 발전 장치는, 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 오일에 의해 윤활되고, 상기 증발기에서 증발한 상기 작동 매체의 팽창력을 회전력으로 변환하는 팽창기와, 상기 팽창기가 팽창시킨 상기 작동 매체를 상기 팽창기로부터 배출하는 배기 유로와, 상기 배기 유로를 지나서 배출된 상기 작동 매체로부터 오일을 분리하는 오일 분리기와, 상기 오일 분리기에 의해 오일을 분리한 상기 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에 의해 응축한 상기 작동 매체를 가압해서 상기 증발기에 환류시키는 순환 펌프와, 상기 팽창기에 의해 구동되는 회전자 및 고정자를 구비하는 발전기와, 상기 회전자 및 상기 고정자를 수용한 발전기실과, 상기 오일 분리기가 분리한 상기 오일을 가압해서 상기 팽창기에 환류시키는 오일 펌프와, 상기 오일 펌프가 가압한 오일의 일부를 상기 발전기실에 공급하기 위한 냉각유 유로와, 상기 발전기실에 공급된 오일을 상기 배기 유로로 배출하는 오일 배출구를 갖고, 상기 발전기실에 공급된 오일이 상기 회전자 및 고정자를 냉각하는 것이 가능하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 오일에 의해 발전기의 회전자 및 고정자를 직접 냉각하므로, 냉각 효율이 높다. 또한, 발전기의 냉각에 작동 매체를 사용하지 않으므로, 랭킨 사이클의 열 효율을 악화시키지 않고, 냉매 배관도 복잡화되지 않는다.
또한, 본 발명의 발전 장치는, 상기 냉각유 유로에 설치한 오일 제어 밸브와, 상기 고정자의 온도를 검출하는 온도 센서를 구비하고, 상기 온도 센서의 검출값이 소정 온도보다 높은 경우에는, 상기 오일 제어 밸브를 개방하도록 해도 좋다.
이 구성에 의하면, 고정자의 온도가 높을 때에만, 발전기실에 오일을 공급해서 냉각하므로, 효율적으로 고정자의 온도를 소정 온도 이하로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 발전 장치에서, 상기 오일 배출구는, 상기 발전기실의, 상기 회전자의 회전축 방향의 일단부측의 저부에서, 상기 배기 유로에 연통하도록 형성되고, 상기 냉각유 유로는, 상기 발전기실의, 상기 회전자의 회전축 방향의 타단부측에 형성된 오일 공급구에 접속되도록 해도 좋다.
이 구성에 의하면, 압력차에 의해, 오일이 회전자와 고정자 사이를 통과하므로, 냉각 효율이 높다.
또한, 본 발명의 발전 장치에서, 상기 발전기는, 냉각수를 주입 통과시키는 재킷을 구비해도 좋다.
이 구성에 의하면, 재킷을 사용한 수냉도 병용하므로, 냉각 능력이 높다.
또한, 본 발명의 발전 장치에서, 상기 발전기실을 획정하는 발전기 하우징의 외형이 대략 직육면체 형상이며, 상기 발전기 하우징에는, 상기 회전자의 회전축과 대략 평행한 4개의 면을 따라서 연신해서 양단부에 개구를 형성하는 복수의 관통 구멍으로 이루어지는 냉각 수로가 설치되고, 상기 개구 중 몇 개를 냉각수를 급배수하기 위한 냉각수 입구 및 냉각수 출구로 하고, 다른 상기 개구를 밀봉해도 된다.
이 구성에 의하면, 냉각 수로의 가공이 매우 용이하다. 또한, 발전기 하우징의 외부에 위치하는, 냉각수의 관로 등의 설계 상의 자유도가 높다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면, 발전기의 회전자 및 고정자를 오일에 의해 직접 냉각하므로, 냉각 효율이 높고, 장치의 구성도 복잡해지지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 발전 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태의 발전 장치의 구성도.
도 3은 도 2의 발전기 하우징의 냉각수 입구에서의 축 직각 단면도.
도 4는 도 2의 발전기 하우징의 냉각수 출구에서의 축 직각 단면도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 발전 장치는, 증발기(1)와 스크류 팽창기(2)와, 오일 분리기(3)와, 응축기(4)와, 순환 펌프(5)를 개재 설치해서 이루어지며, 작동 매체(예를 들어 R245fa)가 봉입된 순환 유로(6)를 갖는다. 스크류 팽창기(2)는, 발전기(7)를 구동하도록 되어 있다.
스크류 팽창기(2)는, 팽창기 하우징(8) 중에 암수 한 쌍의 스크류 로터(9)를 수용하고, 급기 유로(10)로부터 증발기(1)에 의해 열원과 열교환해서 증발시켜진 작동 매체가 공급되고, 작동 매체의 팽창력을 스크류 로터(9)의 회전력으로 변환하고, 팽창해서 압력이 저하된 작동 매체를 배기 유로(11)로부터 배출한다.
또한, 스크류 팽창기(2)는, 윤활유에 의해 윤활 및 시일을 행하는 오일 윤활식 스크류 팽창기이며, 급기 유로(10)나 스크류 로터(9)의 베어링 등에 윤활유가 공급되도록 되어 있다. 따라서, 배기 유로(11)로부터 배출되는 작동 매체에는 윤활유가 포함되어 있으며, 오일 분리기(3)는, 작동 매체로부터 윤활유를 분리하기 위해서 설치되어 있다. 그리고, 오일 분리기(3)에 의해 분리한 윤활유는, 오일 펌프(12)에 의해 가압되어서 오일 공급 유로(13)를 통해서, 스크류 팽창기(2)에 재 공급되도록 되어 있다.
오일 분리기(3)에 의해 윤활유가 분리 제거된 작동 매체는, 응축기(4)에서 냉각원에 의해 냉각됨으로써 응축된다. 응축된 작동 매체는, 순환 펌프(5)에 의해 가압되어서 증발기(1)에 재공급된다.
발전기(7)는, 스크류 팽창기(2)의 팽창기 하우징(8)에 일체로 접속된 발전기 하우징(14)을 갖고, 발전기 하우징(14)에 의해 획정되어, 팽창기 하우징(8)에 의해 일단부가 밀봉된 발전기실(15) 중에, 고정자(16) 및 회전자(17)를 수용하고 있다. 회전자(17)의 축은, 스크류 로터(9)의 한쪽의 축과 일체이다. 또한, 발전기 하우징(14)의 외측에는, 냉각수가 주입 통과되는 냉각 재킷(18)이 설치되어 있다.
발전기실(15)을 회전자(17)의 회전축 방향의 일단부측에서 밀봉하는 팽창기 하우징(8)에는, 발전기실(15)의 저부와 배기 유로(11)를 연통시키는 오일 배출구(19)가 설치되어 있다. 또한, 발전기 하우징(14)에는, 회전자(17)의 회전축 방향의 타단부측의 상부에서 발전기실(15)에 개구되는 오일 공급구(20)가 설치되어 있다.
오일 공급구(20)에는, 오일 공급 유로(13)로부터 분기한 냉각유 유로(22)를 통해서, 윤활유가 공급되도록 되어 있다. 냉각유 유로(22)에는 오일 제어 밸브(21)가 개재 설치되어 있다. 온도 센서(23)가 고정자(16)의 온도를 검출하도록 배치되어 있다. 오일 제어 밸브(21)는, 온도 센서(23)의 검출값이 설정 온도 이상의 경우에 개방된다.
발전기(7)의 고정자(16) 및 회전자(17)는, 우선은 냉각 재킷을 통과하는 냉각수에 의해 발전기 하우징(14)을 통해서 간접적으로 냉각된다. 그리고, 고정자(16)의 온도가 높아지면, 오일 공급구(20)로부터 윤활유가 공급되므로, 고정자(16) 및 회전자(17)는, 윤활유에 직접 접촉해서 더 냉각된다. 이로 인해, 고정자(16)의 새로운 온도 상승이 방지되므로, 온도 센서(23)의 검출값은, 그 설정 온도 이하로 대략 유지된다.
발전기실(15)에 공급된 윤활유는, 고정자(16)와 회전자(17) 사이를 지나서, 발전기실(15) 내를 횡단하고, 오일 배출구(19)로부터 배기 유로(11)로 유출된다. 그리고, 발전기실(15)로부터 유출된 윤활유는, 작동 매체에 의해, 스크류 팽창기(2)에 공급된 윤활유와 함께, 오일 분리기(3)로 운반되어서 작동 매체로부터 분리된다. 따라서, 본 발명에서는, 윤활유를 발전기실(15)로부터 오일 펌프(12)로 환류시키기 위해서 전용의 유로를 설치할 필요가 없다.
본 발명에서는, 발전기(7)의 냉각을 위해서 작동 매체를 사용하지 않으므로, 작동 매체의 랭킨 사이클의 열 효율에 영향을 주지 않는다. 또한, 응축기(4)나 순환 펌프(5) 등의 구성 요소에, 랭킨 사이클의 부하 이상으로 큰 용량이 요구되는 일도 없고, 장치가 고비용이 되지 않는다.
본 실시 형태에서는, 발전기(7)의 냉각을 위해서, 냉각 재킷(18)에 주입 통과시키는 수냉도 병용하는데, 냉각 재킷(18)을 생략하고, 윤활유 만으로 발전기(7)를 냉각해도 좋다. 또한, 고정자(16)과 회전자(17) 사이에 캔을 삽입하는 경우에는, 오일 배출구(19) 및 오일 공급구(20)를 캔의 내측의 공간에 개구하도록 설치하고, 고정자(16)를 주로 냉각 재킷에 의해 냉각하고, 회전자(17)를 주로 윤활유에 의해 냉각하도록 해도 된다.
계속해서, 도 2 내지 4에, 본 발명의 제2 실시 형태의 발전 장치를 도시한다. 또한, 본 실시 형태에서, 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 도 3 및 4는, 도 2의 발전 장치의 발전기 하우징(14)의 축 직각 방향의 단면도이다.
상기 제1 실시 형태에서는, 발전기 하우징(14)의 외측에 냉각수가 주입 통과되는 냉각 재킷(18)이 설치되어 있었지만, 본 실시 형태에서는, 발전기 하우징(14)의 외형이 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 그 발전기 하우징(14)에, 냉각 재킷(18)을 설치하는 대신에, 냉각수가 주입 통과되는 복수의 원기둥 형상의 구멍으로 이루어지는 냉각 수로(24)가 형성되어 있다. 냉각 수로(24)는, 냉각수 입구(25) 및 냉각수 출구(26)를 갖고 있으며, 도 3 및 도 4는, 냉각수 입구 및 냉각수 출구에 있어서의 단면을 나타낸다.
도 3 및 4에 도시하는 바와 같이, 냉각 수로(24)는, 대략 직육면체 형상으로 형성된 발전기 하우징(14)의 면 중, 발전기(7)의 회전자(17)의 회전축과 대략 평행한 직경 방향에 위치하는 4개의 면이 서로 교차하는 각을 따라서 연신하는 4개의 접속 유로(24a)와, 각 면을 따라서 회전축과 직각인 방향으로 연신하고, 서로 교차 함과 함께 접속 유로(24a)와 교차하는 주회 유로(24b)로 이루어진다. 주회 유로(24b)는, 발전기 하우징(14)을 관통하고, 양단부가 개구를 형성하도록 형성되어 있다. 주회 유로(24b)의 양단부의 개구는, 냉각수 입구(25) 및 냉각수 출구(26)가 되는 것을 남기고, 플러그(27)에 의해 밀봉되어 있다. 냉각수 입구(25)와 냉각수 출구(26)는, 대각선 상에 위치하도록 선택하는 것이 바람직하다.
도 3 및 4에 화살표로 나타내는 바와 같이, 냉각수는, 냉각수 입구(25)로부터 발전기 하우징(14)에 도입된다. 계속해서, 냉각수는, 접속 유로(24a)를 통해서 10개의 주회 유로(24b)에 분배되고, 발전기 하우징(14)의 직경 방향의 4개의 면을 통과하여, 다른 접속 유로(24a)에 합류한다. 냉각수는, 냉각수 출구(26)로부터 발전기 하우징(14)의 외부로 도출된다.
본 발명의 제1 실시 형태에서는, 발전기 하우징(14)의 외측에 냉각 재킷(18)이 설치되어 있었다. 이 냉각 재킷(18)에 의해 높은 냉각의 효과를 바랄 수 있지만, 냉각 재킷(18)의 가공에는 어려움이 있다. 이에 반에, 전술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 발전기 하우징(14)이 대략 직육면체로 형성되고, 그 발전기 하우징(14)에, 냉각 재킷(18) 대신에, 냉각수가 주입 통과되는 냉각 수로(24)가 형성되어 있다. 본 실시 형태와 같은 구멍 형상의 냉각 수로(24)는, 가공이 매우 용이하다. 또한, 플러그(27)의 설치 방법에 따라서, 냉각수 입구(25) 및 냉각수 출구(26)의 위치를 자유롭게 변경할 수 있고, 또한 냉각수 입구(25)를 복수 설치하거나, 냉각수 출구(26)를 복수 설치하거나 할 수도 있으므로, 발전기 하우징(14)의 외부에 위치하는, 냉각수의 관로 등의 설계상의 자유도가 높다.
또한, 본 실시 형태에서는 발전기 하우징(14)이 대략 직육면체로 형성되어 있다. 그로 인해, 본 발명의 제1 실시 형태이며, 또한 발전기 하우징(14)이 대략 원통형으로 형성되어 있는 것에 비하여, 본 실시 형태의 것은, 발전기 하우징(14)의 두께를 일부 크게 하지 않을 수 없다. 이에 의해, 냉각의 효과의 저감이나, 발전기 하우징(14)의 중량의 증가가 예상되지만, 그들을 억제·해소하기 위해서, 발전기 하우징(14)을, 알루미늄 등의 경량이면서 열전도율이 높은 소재로 형성하는 것이 바람직하다.

Claims (5)

  1. 작동 매체를 증발시키는 증발기와,
    오일에 의해 윤활되고, 상기 증발기에서 증발한 상기 작동 매체의 팽창력을 회전력으로 변환하는 팽창기와,
    상기 팽창기가 팽창시킨 상기 작동 매체를 상기 팽창기로부터 배출하는 배기 유로와,
    상기 배기 유로를 지나서 배출된 상기 작동 매체로부터 오일을 분리하는 오일 분리기와,
    상기 오일 분리기에 의해 오일을 분리한 상기 작동 매체를 응축시키는 응축기와,
    상기 응축기에 의해 응축한 상기 작동 매체를 가압해서 상기 증발기에 환류시키는 순환 펌프와,
    상기 팽창기에 의해 구동되는 회전자 및 고정자를 구비하는 발전기와,
    상기 회전자 및 상기 고정자를 수용한 발전기실과,
    상기 오일 분리기가 분리한 상기 오일을 가압해서 상기 팽창기에 환류시키는 오일 펌프와,
    상기 오일 펌프가 가압한 오일의 일부를 상기 발전기실에 공급하기 위한 냉각유 유로와,
    상기 발전기실에 공급된 오일을 상기 배기 유로로 배출하는 오일 배출구를 갖고,
    상기 발전기실에 공급된 오일이 상기 회전자 및 고정자를 냉각하는 것이 가능하도록 구성되어 있고,
    상기 오일 배출구는, 상기 발전기실의, 상기 회전자의 회전축 방향의 일단부측의 저부에서, 상기 배기 유로에 연통하도록 형성되고,
    상기 냉각유 유로는, 상기 발전기실의, 상기 회전자의 회전축 방향의 타단부측에 형성된 오일 공급구에 접속되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각유 유로에 설치한 오일 제어 밸브와,
    상기 고정자의 온도를 검출하는 온도 센서를 구비하고,
    상기 온도 센서의 검출값이 소정 온도보다 높은 경우에는, 상기 오일 제어 밸브를 개방하는, 발전 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발전기는, 냉각수가 주입 통과되는 재킷을 구비하는, 발전 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발전기실을 획정하는 발전기 하우징의 외형이 대략 직육면체 형상이며,
    상기 발전기 하우징에는, 상기 회전자의 회전축과 대략 평행한 4개의 면을 따라서 연신해서 양단부에 개구를 형성하는 복수의 관통 구멍으로 이루어지는 냉각 수로가 설치되고,
    상기 개구 중 몇 개를 냉각수를 급배수하기 위한 냉각수 입구 및 냉각수 출구로 하고, 다른 상기 개구를 밀봉하고 있는, 발전 장치.
KR1020120110669A 2011-10-06 2012-10-05 발전 장치 KR101389650B1 (ko)

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JP2011222032A JP5492170B2 (ja) 2011-10-06 2011-10-06 発電装置

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