KR101540259B1

KR101540259B1 - 로터리 엔진을 이용한 발전 장치

Info

Publication number: KR101540259B1
Application number: KR1020140018291A
Authority: KR
Inventors: 김민수; 김동규
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2015-07-29

Abstract

본 발명은, 증발기와 터빈의 기능을 수행하는 로터리 엔진을 포함함으로써, 증발기와 터빈을 별도로 설치할 필요가 없으므로 구성이 간단한 이점이 있을 뿐만 아니라, 증발기에서 얻은 열이 터빈으로 이동하는 과정에서 발생되는 열 손실이 방지되므로 발전 효율이 향상될 수 있다. 또한, 로터리 엔진의 내부에서 작동유체의 상변화시 발생되는 부피 팽창력을 이용하여 로터를 회전시킴으로써, 기존의 터빈 사용시 과열 상태의 증기를 만들기 위한 과도한 열이 필요하지 않으면서도 충분한 회전력을 얻을 수 있으므로, 효율이 향상될 수 있다. 또한, 저온의 폐열을 이용하여 작동 유체의 증발 및 팽창시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있으므로, 보다 다양한 분야에 적용 가능한 이점이 있다.

Description

로터리 엔진을 이용한 발전 장치{Power generation system using rotary engine}

본 발명은 로터리 엔진을 이용한 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 폐열을 이용하여 유기랭킨 사이클을 통해 발전시키는 로터리 엔진을 이용한 발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유기랭킨 사이클(ORC,Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨 사이클로서, 저온의 폐열을 이용하여 작동매체를 고온 고압으로 비등시킨 후, 터빈을 통해 팽창시켜 토크를 얻어 발전기를 통해 전력을 생산한다. 상기 유기랭킨 사이클은, 증발기, 터빈, 응축기, 펌프를 기본 구성으로 한다.

종래의 유기랭킨 사이클은, 증발기와 터빈이 각각 따로 설치되어 증발기에서 얻은 열을 터빈으로 이동하는 과정에서 손실이 발생되는 문제점이 있으며, 이로 인해 상기 터빈의 입구측에서 과열상태의 증기를 만들기 위해 과도한 열이 필요하게 되므로, 효율이 저하되는 문제점이 있다.

한국등록특허10-1336788

본 발명의 목적은, 구조가 간단하면서도 열 손실을 최소화하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.

본 발명에 따른 로터리 엔진을 이용한 발전 장치는, 외부 열원이 공급되어 가열되는 아우터 하우징과, 상기 아우터 하우징의 내부에 구비되고, 저온 고압의 액상 작동유체가 유입되어 상기 아우터 하우징의 열원에 의해 고온 고압의 기상 작동유체로 기화된 후 토출되는 이너 하우징과, 상기 이너 하우징의 내부에 회전가능하게 결합되고, 상기 저온 고압의 액상 작동유체가 상기 고온 고압의 기상 작동유체로 상변화하면서 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 로터를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 로터리 엔진을 이용한 발전 장치는, 외부 열원이 공급되어 가열되는 아우터 하우징과, 상기 아우터 하우징의 내부에 구비되고, 저온 고압의 액상 작동유체가 유입되어 상기 아우터 하우징의 열원에 의해 고온 고압의 기상 작동유체로 기화된 후 토출되는 이너 하우징과, 상기 이너 하우징의 내부에 편심축으로 회전가능하게 결합되고, 상기 저온 고압의 액상 작동유체가 상기 고온 고압의 기상 작동유체로 상변화하면서 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 로터와, 상기 이너 하우징에서 토출된 기상 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 액상 작동유체를 펌핑하여 상기 이너 하우징으로 공급하는 펌프와, 일단은 상기 펌프에 연결되고, 타단은 상기 아우터 하우징을 관통하여 상기 이너 하우징에 연결되어, 상기 펌프에서 나온 액상 작동유체를 상기 이너 하우징으로 흡입하는 흡입 유로와, 일단은 상기 이너 하우징에 연결되고, 타단은 아우터 하우징을 관통하여 상기 응축기에 연결되어, 상기 이너 하우징에서 상변화된 기상 작동유체를 상기 응축기로 토출하는 토출 유로와, 상기 로터의 외둘레면에 형성되어 상기 부피 팽창력에 의해 회전방향으로 가압되는 복수의 가압홈들과, 상기 이너 하우징의 내둘레면에 형성되어 상기 로터와의 사이에서 상기 작동유체가 상변화되는 기화실을 형성하는 복수의 하우징홈들을 포함한다.

본 발명은, 증발기와 터빈의 기능을 수행하는 로터리 엔진을 포함함으로써, 증발기와 터빈을 별도로 설치할 필요가 없으므로 구성이 간단한 이점이 있을 뿐만 아니라, 증발기에서 얻은 열이 터빈으로 이동하는 과정에서 발생되는 열 손실이 방지되므로 발전 효율이 향상될 수 있다.

또한, 로터리 엔진의 내부에서 작동유체의 상변화시 발생되는 부피 팽창력을 이용하여 로터를 회전시킴으로써, 기존의 터빈 사용시 과열 상태의 증기를 만들기 위한 과도한 열이 필요하지 않으면서도 충분한 회전력을 얻을 수 있으므로, 효율이 향상될 수 있다.

또한, 저온의 폐열을 이용하여 작동 유체의 증발 및 팽창시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있으므로, 보다 다양한 분야에 적용 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진을 이용한 발전장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 로터리 엔진의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 로터의 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 아우터 하우징과 이너 하우징의 절개 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 로터리 엔진의 작동상태가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터리 엔진이 도시된 절개 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 엔진을 이용한 발전장치(1)의 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 로터리 엔진의 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 로터의 사시도이다. 도 4는 도 2에 도시된 아우터 하우징과 이너 하우징의 절개 사시도이다.

도 1을 참조하면, 상기 발전장치(1)는, 외부 열원(2), 로터리 엔진(10), 발전기(20), 응축기(4) 및 펌프(6)를 포함한다.

상기 외부 열원(2)은, 연료전지(30)의 폐열을 이용하는 것으로 예를 들어 설명하나, 일정 온도 이상의 열을 제공할 수 있는 것이라면 물론 가능하다. 상기 연료전지(30)와 상기 로터리 엔진(10)은 열원 공급유로(32)로 연결되어, 상기 연료전지(30)의 폐열을 회수한 유체는 상기 로터리 엔진(10)으로 공급되어 상기 로터리 엔진(10)을 가열하게 된다. 상기 연료전지(30)의 폐열은 약 70도 안팎으로, 본 실시예에서는 비교적 저온인 폐열을 이용하여 발전할 수 있는 발전장치를 제공한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 로터리 엔진(10)은, 아우터 하우징(11), 이너 하우징(12) 및 로터(14)를 포함한다.

상기 아우터 하우징(11)은, 상기 외부 열원(2)이 공급되어 내부에 채워지도록 공간(S1)을 형성한다. 상기 아우터 하우징(11)은 후술하는 상기 로터(14)의 둥근 형상에 대응되도록 형성된 원호부(11a)와 상기 원호부(11a)에서 연장되어 상기 원호부(11a)를 지지하는 지지부(11b)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 아우터 하우징(11)은 상기 열원 공급유로(32)와 연결되어, 상기 열원 공급유로(32)로부터 상기 연료전지(30)의 폐열을 회수한 고온의 유체가 유입된 후 토출된다. 상기 아우터 하우징(11)에는 상기 열원 공급유로(32)와 연결되는 아우터 흡입포트(미도시)와 아우터 토출포트(미도시)가 각각 구비된다.

상기 이너 하우징(12)은, 상기 아우터 하우징(11)의 내부에 구비되고, 상기 펌프(6)에서 펌핑된 저온 고압의 액상 작동 유체가 유입된 후 상기 아우터 하우징(11)의 열에 의해 고온 고압의 기상 작동 유체로 기화되는 공간을 형성한다. 상기 작동유체는 유기 냉매인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 이너 하우징(12)은 원형 또는 타원형 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 이너 하우징(12)의 내둘레면은 상기 로터(14)와의 사이에서 상기 작동유체가 상변화되는 기화실들(S2)을 형성하도록 복수의 하우징 홈들(12a)이 형성된다. 상기 하우징 홈들(12a)은 단면이 원호 형상으로 오목하게 이루어진다. 상기 하우징 홈들(12a)은 4개가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 하우징 홈들(12a)의 개수는 후술하는 로터(14)의 외둘레면(14a)의 개수보다 작게 형성된다. 상기 이너 하우징(12)의 중앙에는 후술하는 회전축(16)이 결합되도록 하우징 축 결합홀(12b)이 형성된다. 상기 하우징 축 결합홀(12b)과 상기 회전축(16)사이에는 실링부재가 구비된다.

상기 이너 하우징(12)에는 상기 펌프(6)로부터 상기 저온 고압의 액상 작동 유체가 유입되는 이너 흡입포트(21)와, 상기 이너 하우징(12)의 내부에서 상변화된 기상 작동유체를 배출하기 위한 이너 토출포트(22)가 구비된다. 상기 이너 흡입포트(21)는 복수개가 상기 로터(14)의 회전방향을 따라 소정각도 이격된 위치에 구비될 수 있다. 또한, 상기 이너 토출포트(22)도 복수개가 상기 로터(14)의 회전방향을 따라 소정각도 이격된 위치에 구비될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 이너 흡입포트(21)가 2개가 형성된 것으로 예를 들어 설명하며, 2개의 이너 흡입포트들은 상기 회전축(16)을 중심으로 대각선 방향에 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에서는, 상기 이너 하우징(12)의 상부 좌측에 형성된 제1이너 흡입포트(21a)와, 상기 이너 하우징(12)의 하부 우측에 형성된 제2이너 흡입포트(21b)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 또한, 상기 이너 토출포트(22)도 상기 이너 흡입포트(21)의 개수에 대응되게 형성된다. 상기 이너 토출포트(22)는, 상기 제1이너 흡입포트(21a)로 유입된 작동 유체가 상변화한 후 토출되는 제1이너 토출포트(22a)와, 상기 제2이너 흡입포트(21b)로 유입된 작동 유체가 상변화한 후 토출되는 제2이너 토출포트(22b)를 포함한다. 상기 제 1이너 토출포트(22a)는 상기 제1이너 흡입포트(21a)로부터 상기 로터(14)의 회전방향으로 소정 각도 이격된 위치에 구비되어야 한다. 상기 제1이너 토출포트(22a)는 상기 이너 하우징(12)의 하부 우측에서 위치되되, 상기 제2이너 흡입포트(21b) 이전에 위치되어야 한다. 상기 제2이너 토출포트(22b)는 상기 이너 하우징(12)의 상부 좌측에 위치되되, 상기 제1이너 흡입포트(21a) 이전에 위치되어야 한다.

상기 로터(14)는, 상기 이너 하우징(12)의 내부에 회전가능하게 상기 회전축(16)으로 결합된다. 상기 로터(14)는, 상기 저온 고압의 액상 작동 유체가 상기 고온 고압의 기상 작동유체로 상변화하면서 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전한다. 상기 로터(14)의 단면은 다각형 형상으로 이루어진다. 본 실시예에서는, 상기 로터(14)의 단면은 오각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 로터(14)에서 상기 이너 하우징(12)에 대향되는 외둘레면들(14a)은 5개로 이루어진다. 또한, 상기 외둘레면들(14a)은 소정의 곡률로 라운드진 곡면 형상인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 외둘레면들(14a)에는 상기 부피 팽창력에 의해 회전방향으로 가압되도록 복수의 가압홈들(14b)이 형성된다. 상기 로터(14)의 단면이 오각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 외둘레면들(14a)과 상기 가압홈들(14b)은 각각 5개가 형성된다. 상기 가압홈(14b)은 회전방향으로 갈수록 깊이가 점점 깊게 형성된다. 또한, 상기 가압홈(14b)의 바닥면은 라운드지게 형성된다. 상기 로터(14)의 중앙에는 상기 회전축(16)이 결합되도록 로터 축 결합홀(14c)이 형성된다. 상기 로터(14)는 상기 회전축(16)과 편심되게 결합된다. 상기 로터(14)가 상기 회전축(14)과 편심을 이루고 있으므로, 상기 로터(14)의 회전에 따라 상기 로터(14)와 상기 이너 하우징(12)이 이루는 기화실(S2)의 부피가 증가했다가 감소될 수 있다.

상기 응축기(4)는, 상기 이너 하우징(12)에서 토출된 기상 작동유체를 응축시킨다. 상기 응축기(4)는, 상기 이너 하우징(12)의 상기 이너 토출포트(22)와 토출 유로(23)로 연결된다. 상기 토출 유로(23)는, 일단은 상기 제1,2이너 토출포트들(22a)(22b)에 연결되고, 타단은 상기 아우터 하우징(11)을 관통하여 상기 응축기(4)에 연결된다.

상기 펌프(6)는, 상기 응축기(4)에서 응축된 저온 저압의 액상 작동유체를 펌핑하여 상기 이너 하우징(12)으로 공급한다. 상기 펌프(6)와 상기 이너 하우징(12)의 상기 이너 흡입포트(21)는 흡입 유로(24)로 연결된다. 상기 흡입 유로(24)의 일단은 상기 펌프(6)에 연결되고, 타단은 상기 아우터 하우징(11)을 관통하여 상기 제1,2이너 흡입포트들(21a)(21b)로 연결된다.

도 5는 도 2에 도시된 로터리 엔진의 작동상태가 도시된 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진의 작동상태를 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 상기 연료전지(30)의 폐열을 흡수한 유체가 상기 아우터 하우징(11)으로 유입되어 채워지면, 상기 아우터 하우징(11)의 내부가 가열된다. 상기 아우터 하우징(11)의 내부가 가열되면, 상기 이너 하우징(12)의 내부도 가열된다.

이후, 도 5a를 참조하면, 상기 제1,2이너 흡입포트(21a)(21b)를 통해 저온 고압의 액상 작동유체가 상기 이너 하우징(12)의 내부로 유입된다.

도 5b를 참조하면, 상기 이너 하우징(12)의 내부로 유입되는 저온 고압의 액상 작동유체의 관성력에 의해 상기 로터(14)가 회전하기 시작한다. 이 때, 상기 아우터 하우징(11)의 내부가 가열되어 뜨거운 상태이므로, 상기 이너 하우징(12)의 내부로 유입된 저온 고압의 액상 작동유체는 상기 아우터 하우징(11)의 열에 의해 증발한다. 즉, 상기 저온 고압의 액상 작동유체는 고온 고압의 기상 작동유체로 상변화한다. 상기 저온 고압의 액상 작동유체가 상변화를 하면서 부피 팽창을 하게 되고, 이로 인해 발생된 부피 팽창력에 의해 상기 로터(14)가 회전하게 된다. 상기 로터(14)에 상기 복수의 가압홈들(14b)이 형성됨으로써, 상기 부피 팽창력에 의한 상기 로터(14)의 회전력이 최대화될 수 있다. 상기 로터(14)가 회전함에 따라 상기 이너 하우징(12)과 상기 로터(14)가 이루는 상기 기화실(S2)의 부피가 증가하게 되고, 상기 액상 작동유체는 계속해서 상변화를 통한 부피 팽창을 한다.

도 5c 및 도 5d를 참조하면, 상기 로터(14)가 계속해서 회전하여 상기 기화실(S2)의 부피가 작아지게 되면, 상기 제1,2이너 배기포트들(22a)(22b)을 통해 기화된 기상 작동유체를 배출한다. 또한, 상기 제1,2이너 흡입포트들(21a)(21b)을 통해 새로운 저온 고압의 액상 작동유체를 흡입한다.

상기 기화된 기상 작동유체는 상기 응축기(4)를 통해 응축된 후, 상기 펌프(6)를 통해 상기 로터리 엔진(10)으로 다시 유입될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진(10)은, 증발기와 터빈의 기능을 모두 수행할 수 있기 때문에, 증발기에서 얻은 열이 터빈으로 유입되는 과정에서 발생되는 열의 손실이 방지될 수 있다. 따라서, 발전 효율이 향상될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터리 엔진이 도시된 절개 사시도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터리 엔진은, 회전축(101)의 축방향을 따라 복수개가 다단으로 배치된 것이 상기 일 실시예와 상이하며, 상이한 점을 중심으로 설명한다.

상기 로터리 엔진은 2개의 제1,2로터리 엔진(110)(120)이 상기 축방향을 따라 다단으로 배치된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2로터리 엔진(110)(120)의 내부 각 구성은 상기 일 실시예의 구성과 유사하므로 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이, 상기 작동유체의 유량에 따라 상기 복수의 로터리 엔진들을 축방향으로 배치하여, 발전량을 증대시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

4: 응축기 6: 펌프
10: 로터리 엔진 11: 아우터 하우징
12: 이너 하우징 14: 로터
14b: 가압홈 30: 연료전지

Claims

외부 열원이 공급되어 가열되는 아우터 하우징과;
상기 아우터 하우징의 내부에 구비되고, 저온 고압의 액상 작동유체가 유입되어 상기 아우터 하우징의 열원에 의해 고온 고압의 기상 작동유체로 기화된 후 토출되는 이너 하우징과;
상기 이너 하우징의 내부에 회전가능하게 결합되고, 상기 저온 고압의 액상 작동유체가 상기 고온 고압의 기상 작동유체로 상변화하면서 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 로터를 포함하는 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 로터의 외둘레면에는, 상기 부피 팽창력에 의해 회전방향으로 가압되도록 복수의 가압홈들이 형성된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 로터의 단면은 다각형 형상으로 이루어지고, 상기 로터에서 상기 이너 하우징을 향한 외둘레면들에는 상기 부피 팽창력에 의해 회전방향으로 가압되도록 복수의 가압홈들이 형성된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 복수의 가압홈들은 각각 회전방향으로 갈수록 깊이가 깊게 형성된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 이너 하우징의 내둘레면은 상기 로터와의 사이에서 상기 작동유체가 상변화되는 기화실들을 형성하도록 복수의 하우징 홈들이 형성된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 이너 하우징에는 외부로부터 상기 액상 작동 유체가 유입되는 흡입포트와, 상기 이너 하우징의 내부에서 상변화된 상기 기상 작동유체를 외부로 배출하는 토출포트가 구비된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 흡입포트와 상기 토출포트는 각각 복수개가 상기 로터의 회전방향을 따라 소정각도 이격된 위치에 구비된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 로터는, 상기 이너 하우징에 편심축으로 결합된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 아우터 하우징은, 연료전지의 폐열을 회수한 유체가 흡입된 후 토출되는 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 로터리 엔진은 축방향을 따라 다단으로 배치된 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 이너 하우징에서 토출된 기상 작동유체를 응축시키는 응축기와,
상기 응축기에서 응축된 액상 작동유체를 펌핑하여 상기 이너 하우징으로 공급하는 펌프를 더 포함하는 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.
외부 열원이 공급되어 가열되는 아우터 하우징과;
상기 아우터 하우징의 내부에 구비되고, 저온 고압의 액상 작동유체가 유입되어 상기 아우터 하우징의 열원에 의해 고온 고압의 기상 작동유체로 기화된 후 토출되는 이너 하우징과;
상기 이너 하우징의 내부에 편심축으로 회전가능하게 결합되고, 상기 저온 고압의 액상 작동유체가 상기 고온 고압의 기상 작동유체로 상변화하면서 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 로터와;
상기 이너 하우징에서 토출된 기상 작동유체를 응축시키는 응축기와;
상기 응축기에서 응축된 액상 작동유체를 펌핑하여 상기 이너 하우징으로 공급하는 펌프와;
일단은 상기 펌프에 연결되고, 타단은 상기 아우터 하우징을 관통하여 상기 이너 하우징에 연결되어, 상기 펌프에서 나온 액상 작동유체를 상기 이너 하우징으로 흡입하는 흡입 유로와;
일단은 상기 이너 하우징에 연결되고, 타단은 아우터 하우징을 관통하여 상기 응축기에 연결되어, 상기 이너 하우징에서 상변화된 기상 작동유체를 상기 응축기로 토출하는 토출 유로와;
상기 로터의 외둘레면에 형성되어 상기 부피 팽창력에 의해 회전방향으로 가압되는 복수의 가압홈들과;
상기 이너 하우징의 내둘레면에 형성되어 상기 로터와의 사이에서 상기 작동유체가 상변화되는 기화실을 형성하는 복수의 하우징 홈들을 포함하는 로터리 엔진을 이용한 발전 장치.