KR101642431B1

KR101642431B1 - 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치

Info

Publication number: KR101642431B1
Application number: KR1020150125299A
Authority: KR
Inventors: 김민수; 김동규
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2016-07-25
Also published as: KR20160067718A

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, 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. 또한, 구조가 간단하여, 소형화가 가능하면서도 효율이 향상될 수 있는 이점이 있다.

Description

로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치{Organic rankine cycle power plant using rotary engine}

본 발명은 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 간단하면서도 발전 효율을 보다 향상시킬 수 있는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유기랭킨 사이클(ORC,Organic Rankine Cycle)은 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 있다. 또한, 상기 터빈의 입구측에서 과열상태의 증기를 만들기 위해 과도한 열이 필요하기 때문에 폐열의 온도가 적어도 150도 이상이 되어야 하며, 열원의 에너지가 낮은 경우 효율적으로 일을 생성할 수 없는 문제점이 있다.

한국등록특허10-1336788

본 발명의 목적은, 구조가 간단하고 비교적 저온에서도 발전 효율이 향상될 수 있는 로터리 엔진을 이용한 유기 랭킨 발전 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치는, 외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과, 상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와, 상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과, 상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와, 상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치는, 외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과, 상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와, 상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과, 상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와, 상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징과, 상기 가열 하우징과 상기 회전축을 연결하여, 상기 가열 하우징에서 토출되는 고온의 기상 작동유체를 상기 회전축의 내부로 안내하는 고온 유로와, 상기 냉각 하우징과 상기 가열 하우징을 연결하여, 상기 냉각 하우징에서 냉각된 저온의 액상 작동유체를 상기 가열 하우징의 내부로 순환하도록 안내하는 저온 유로를 포함하고, 상기 회전축은, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 중공부와, 상기 중공부로 유입된 기상 작동유체를 상기 냉각 로터를 향해 토출하도록 형성된 블레이드를 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, 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.

또한, 구조가 간단하여, 소형화가 가능하면서도 효율이 향상될 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진이 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가열 하우징의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉각 하우징의 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 도 1에 도시된 로터리 엔진의 작동상태가 도시된 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 회전축의 사시도이다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진이 도시된 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 가열 하우징의 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 냉각 하우징의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 유기랭킨 사이클 발전 장치의 로터리 엔진은, 가열 하우징(10), 가열 로터(20), 회전축(30), 냉각 로터(40), 냉각 하우징(50), 고온 유로 및 저온 유로를 포함한다.

상기 가열 하우징(10)은, 외부 열원에 의해 가열된다. 상기 외부 열원은 연료전지의 폐열이나 기타 다른 시스템에서 버려지는 폐열을 이용할 수 있다. 상기 가열 하우징(10)은, 링 형상의 가열 아우터 하우징(10a)과, 상기 가열 아우터 하우징(10a)의 내부에서 상기 가열 아우터 하우징(10a)과 소정간격 이격되게 배치된 가열 이너 하우징(10b)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 가열 아우터 하우징(10a)과 상기 가열 이너 하우징(10b) 사이의 공간에는 외부 열원에 의해 가열된 냉매 등이 유입되어 채워짐으로써, 상기 가열 하우징(10)이 가열된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 가열 하우징(10)이 일체로 형성되고, 상기 가열 하우징(10)의 외부에 외부 열원에 의해 상기 가열 하우징(10)을 가열하는 별도의 구조물이 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 가열 이너 하우징(10b)의 내부는, 저온의 액상 작동유체가 유입된 후 가열되어, 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성한다.

상기 가열 이너 하우징(10b)의 내주면에는 복수의 가열 돌기들(11)이 형성된다. 상기 복수의 가열 돌기들(11)은 서로 소정간격 이격되게 배치된다. 상기 복수의 가열 돌기들(11)은 원호형상으로 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 복수의 가열 돌기들(11)은 3개의 제1,2,3가열 돌기(11a)(11b)(11c)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 가열 돌기들(11)의 개수는 후술하는 상기 가열 로터(20)의 가열 블레이드들의 개수에 따라 다르게 설정된다. 상기 가열 하우징(10)의 내부는 3개의 상기 가열 돌기들(11)에 의해 3개의 구역으로 구획된다.

상기 가열 하우징(10)에는 상기 냉각 하우징(50)으로부터 나온 저온의 액상 작동유체가 유입되는 가열하우징 유입포트(12)와, 상기 가열 하우징(10)내에서 상변화된 기상 작동유체가 토출되는 가열하우징 토출포트(13)가 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 가열하우징 유입포트(12)와 가열하우징 토출포트(13)는, 상기 가열 하우징(10)의 내부에서 상기 3개의 가열 돌기들(11)로 구획되는 공간마다 각각 형성되는 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 가열하우징 유입포트(12)와 가열하우징 토출포트(13)는 각각 3개씩 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 가열 로터(20)는 상기 가열 하우징(10)의 내부에 회전가능하게 구비된다. 상기 가열 로터(20)는 상기 가열 하우징(20)의 내부에서 상기 작동유체가 상변화하면서 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전한다.

상기 가열 로터(20)는 상기 회전축(30)의 외주를 감싸도록 형성된 가열로터 링부(21)와, 상기 가열로터 링부(21)의 외주면에서 접선방향으로 돌출되게 형성된 복수의 가열 블레이드들(22)이 형성된다. 상기 가열 블레이드들(22)은 상기 가열 돌기들(11)과 접촉시 상기 가열 돌기들(11)에 밀착되어 가압되었다가 복원될 수 있도록 신축성(flexibility)을 갖는 재료로 이루어진다. 본 실시예에서는, 상기 가열 블레이드들(22)은 2개의 제1,2가열 블레이드(22a)(22b)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 2개의 제1,2가열 블레이드(22a)(22b)는 상기 가열 하우징(10)의 내부를 서로 밀폐된 2개의 공간으로 밀봉한다.

상기 회전축(30)은, 상기 가열 로터(20)와 결합되어 상기 가열 로터(20)의 회전력에 의해 회전된다.

도 8을 참조하면, 상기 회전축(30)은 상기 가열로터(20)와 결합된 축부(31)와, 상기 축부(31)에서 연장되고 상기 가열 하우징(10)에서 토출된 기상 작동유체가 유입되는 중공부(33)와, 상기 중공부(33) 내에 배치되어 상기 중공부(33)로 유입된 작동유체에 의해 회전하는 볼류트 형상의 회전축 블레이드(32)를 포함한다. 상기 중공부(33)는 상기 냉각 하우징(50)에 결합된다. 상기 회전축 블레이드(32)의 일단은 상기 축부(31)에 결합되고, 타단은 상기 냉각 로터(40)를 향해 돌출되어 상기 냉각 로터(40)의 내측에 배치된다. 상기 중공부(33)에는 후술하는 고온 유로가 연결되어 작동유체가 유입되는 홀(33c)이 형성된다.

상기 냉각 로터(40)는, 상기 회전축(30)의 외주에 구비되고, 상기 회전축(30)에서 토출된 기상 작동유체에 의해 회전한다. 상기 냉각 로터(40)는 상기 회전축 블레이드(32)의 외주에 구비된다. 상기 냉각 로터(40)는 상기 회전축(30)과 별도로 회전한다. 상기 냉각 로터(40)는 상기 회전축 블레이드(32)의 외주를 감싸도록 형성된 냉각로터 링부(41)와, 상기 냉각로터 링부(41)의 외주면에서 접선방향으로 돌출되게 형성된 복수의 냉각 블레이드들(42)이 형성된다.

상기 냉각로터 링부(41)에는 상기 회전축 블레이드(32)로부터 토출된 작동유체가 통과하도록 개구부(41a)가 형성된다. 상기 개구부(41a)는 180도 간격으로 2개가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 냉각 블레이드들(42)은 후술하는 냉각 돌기들(51)과 접촉시 상기 냉각 돌기들(51)에 밀착되어 가압되었다가 복원될 수 있도록 신축성(flexibility)을 갖는 재료로 이루어진다. 본 실시예에서는, 상기 냉각 블레이드들(42)은 2개의 제1,2냉각 블레이드(42a)(42b)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 2개의 제1,2냉각 블레이드(42a)(42b)는 상기 냉각 하우징(50)의 내부를 서로 밀폐된 공간으로 밀봉한다.

상기 냉각 하우징(50)은, 외부 냉각원에 의해 냉각된다. 상기 냉각 하우징(50)은, 링 형상의 냉각 아우터 하우징(50a)과, 상기 냉각 아우터 하우징(50a)의 내부에서 상기 냉각 아우터 하우징(50a)과 소정간격 이격되게 배치된 냉각 이너 하우징(50b)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 냉각 아우터 하우징(50a)과 상기 냉각 이너 하우징(50b) 사이의 공간에는 외부 냉각원에 의해 냉각된 냉매 등이 유입되어 채워짐으로써, 상기 냉각 하우징(50)이 냉각된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 냉각 하우징(50)이 일체로 형성되고, 상기 냉각 하우징(50)의 외부에 외부 열원에 의해 상기 냉각 하우징(50)을 냉각하는 별도의 구조물이 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 냉각 이너 하우징(50b)은, 상기 냉각 로터(40)와의 사이에서 상기 기상 작동유체를 냉각시키는 공간을 형성한다. 상기 냉각 하우징(50)과 상기 가열 하우징(10)은 상기 회전축(30)의 축방향을 따라 소정간격 이격되게 배치된다.

상기 냉각 이너 하우징(50b)의 내주면에는 복수의 냉각 돌기들(51)이 형성된다. 상기 복수의 냉각 돌기들(51)은 서로 소정간격 이격되게 배치된다. 상기 복수의 냉각 돌기들(51)은 원호형상으로 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 복수의 냉각 돌기들(51)은 3개의 제1,2,3냉각 돌기들(51a)(51b)(51c)로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 따라서, 상기 냉각 하우징(50)의 내부는 상기 3개의 냉각 돌기들(51)에 의해 3개의 구역으로 구획된다.

상기 냉각 하우징(50)에는 내부에서 냉각된 작동유체를 토출하는 냉각하우징 토출포트(52)가 형성된다. 상기 냉각하우징 토출포트(52)는 상기 냉각 하우징(50)의 내부에서 상기 3개의 냉각 돌기들(51)에 의해 구획되는 3개의 구역마다 각각 형성되며, 3개가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 고온 유로는, 상기 가열 하우징(10)과 상기 회전축(30)을 연결하여, 상기 가열 하우징(10)에서 토출된 고온의 기상 작동유체를 상기 회전축(30)의 중공부(33)로 안내한다. 상기 고온 유로의 일단은 상기 가열하우징 토출포트(13)에 연결되고, 타단은 상기 회전축(30)에 연결된다. 본 실시예에서는, 상기 가열하우징 토출포트(13)가 3개가 형성된 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 고온 유로도 3개의 제1,2,3고온 유로(61)(62)(63)가 형성된다. 상기 3개의 제1,2,3고온 유로(61)(62)(63)에는 유로를 개폐하는 밸브(미도시)가 설치된다. 상기 3개의 제1,2,3고온 유로(61)(62)(63)는 서로 시간차를 두거나 상기 가열 로터(20)의 회전 각도에 따라 서로 다르게 개폐된다.

상기 저온 유로는, 상기 냉각 하우징(50)과 상기 가열 하우징(10)을 연결하여, 상기 냉각 하우징(50)에서 냉각된 저온의 작동유체를 상기 가열 하우징(10)으로 순환하도록 안내한다. 상기 저온 유로의 일단은 상기 냉각하우징 토출포트(52)에 연결되고, 타단은 상기 가열하우징 유입포트(12)로 연결된다.

본 실시예에서는, 상기 냉각하우징 토출포트(52)가 3개가 형성된 것으로 예를 들어 설명하므로, 상기 저온 유로도 3개의 제1,2,3저온 유로(71)(72)(73)가 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 3개의 제1,2,3저온 유로(71)(72)(73)에는 유로를 개폐하는 밸브(미도시)가 각각 설치된다. 상기 3개의 제1,2,3저온 유로(71)(72)(73)는 서로 시간차를 두거나 상기 냉각 로터(40)의 회전 각도에 따라 서로 다르게 개폐된다.

본 실시예에서는, 상기 가열 하우징(10)과 상기 냉각 하우징(50)이 상기 회전축(30)의 축방향을 따라 1개씩만이 배치된 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 상기 가열 하우징(10)과 상기 냉각 하우징(50)을 포함한 로터리 엔진이 복수개가 축방향을 따라 다단으로 배치되는 것도 물론 가능하다. 다단으로 배치될 경우, 전단의 냉각 하우징에서 냉각되어 응축된 작동유체는 후단의 가열 하우징으로 공급되도록 구성될 수 있다.

도 4 내지 도 7은 도 1에 도시된 로터리 엔진의 작동을 나타낸 도면이다.

도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진의 작동을 설명하면 다음과 같다.

상기 가열 하우징(10)은 폐열에 의해 가열되고, 상기 냉각 하우징(50)은 외부 냉각원에 의해 냉각된 상태이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 제1작동유체(A)는 상기 냉각 하우징(50)에서 토출되어 상기 가열 하우징(10)으로 유입되고, 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)에서 토출되어 상기 냉각 하우징(50)으로 유입된다. 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)는 동일한 유체가 사용된다.

도 4a를 참조하면, 상기 가열 하우징(10)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 제1저온 유로(71)와 상기 제2고온 유로(62)만이 개방되고, 상기 제2,3저온 유로(72)(73), 상기 제1,3고온 유로(61)(63)는 차폐된다.

상기 제1저온 유로(71)가 개방되면, 상기 가열 하우징(10)의 내부에 제1작동유체(A)가 유입된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 냉각 하우징(50)의 내부에서 냉각된 후 상기 제1저온 유로(71)를 통해 토출된 저온의 액상 작동유체이다.

상기 가열 하우징(10)의 내부는 가열되어 뜨거운 상태이다. 따라서, 상기 가열 하우징(10)의 내부로 유입된 상기 제1작동유체(A)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하며 부피 팽창을 하게 된다. 상기 제1작동유체(A)의 부피 팽창력에 의해 상기 가열 로터(20)가 회전하게 된다. 상기 부피 팽창력에 의해 상기 제1가열 블레이드(22a)가 가압되어, 상기 가열 로터(20)의 회전력이 최대화될 수 있다.

또한, 상기 제2고온 유로(62)가 개방되면, 상기 가열 하우징(10)의 내부에서 상변화한 제2작동유체(B)는 상기 제2고온 유로(62)를 통해 토출된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하여 기화된 고온의 기상 작동유체이다. 상기 제2고온 유로(62)를 통해 토출된 상기 제2작동유체(B)는 상기 냉각 하우징(50)으로 유입되며, 이에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.

이 때, 상기 제1가열 블레이드(22a)의 단부는 상기 가열 하우징(10)의 내주면에 밀착되고, 상기 제2가열 블레이드(22b)의 단부는 상기 제3가열 돌기(11c)에 밀착되어, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링(Sealing)하는 역할을 한다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

도 4b를 참조하면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 제2고온 유로(62)를 통해 토출된 상기 제2작동유체(B)는 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)에서 가열된 후 상기 제2고온 유로(62)를 통해 토출된 고온의 기상 작동유체이다. 상기 제2작동유체(B)는, 상기 제2고온 유로(62)를 통해 상기 회전축(30)의 중공부(33)로 유입된 후, 상기 회전축 블레이드(32)와 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 회전축 블레이드(32)의 회전력에 의해 회전되면서 상기 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)가 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 빠져나오면서 상기 냉각 로터(40)가 회전된다.

이 때, 상기 냉각 하우징(50)의 내부는 냉각되어 차가운 상태이다. 따라서 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된 상기 제2작동유체(B)는 상기 냉각 하우징(50)에 의해 냉각되어 응축된다.

또한, 상기 제1저온 유로(71)가 개방되면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부에서 응축된 상기 제1작동유체(A)는 상기 제1저온 유로(71)를 통해 토출된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 제1저온 유로(71)를 통해 상기 가열 하우징(10)으로 유입된다.

이 때, 상기 제1냉각 블레이드(42a)의 단부는 상기 냉각 하우징(50)의 제1냉각 돌기(51a)에 밀착되고, 상기 제2냉각 블레이드(42b)의 단부는 상기 냉각 하우징(50)의 제2냉각 돌기(51b)에 밀착되어, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링하는 역할을 한다. 따라서 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

도 5를 참조하면, 상기 가열 로터(20)와 상기 냉각 로터(40)가 각각 소정의 각도만큼 회전한 상태이다.

도 5a를 참조하면, 상기 가열 하우징(10)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 가열 로터(20)가 소정의 각도만큼 회전되고, 상기 제3저온유로(73)와 상기 제1고온 유로(61)만이 개방된다. 또한, 상기 제1,2저온 유로(71)(72)는 차폐되고, 상기 제2,3고온 유로(62)(63)는 차폐된다.

상기 제1고온 유로(61)가 개방되면, 상기 가열 하우징(10)의 내부에서 부피 팽창된 상기 제1작동유체(A)는 상기 제1고온 유로(61)를 통해 토출된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하여 기화된 고온의 기상 상태로 상기 제1고온 유로(61)를 통해 토출되어, 상기 냉각 하우징(50)으로 유입된다.

또한, 상기 제3저온 유로(73)가 개방되면, 상기 제2작동유체(B)가 상기 냉각 하우징(50)으로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 냉각 하우징(50)에서 냉각되어 응축된 저온 액상의 작동유체이다. 상기 가열 하우징(10)으로 유입된 상기 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하며 부피 팽창을 하게 된다. 상기 제2작동유체(B)의 부피 팽창력에 의해 상기 가열 로터(20)가 회전한다. 상기 부피 팽창력에 의해 상기 제2가열 블레이드(22b)가 가압되어, 상기 가열 로터(20)의 회전력이 최대화될 수 있다.

이 때, 상기 제1가열 블레이드(22a)의 단부는 상기 제2가열 돌기(11b)에 밀착되고, 상기 제2가열 블레이드(22b)의 단부는 상기 제3가열 돌기(11c)에 밀착되어, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링하는 역할을 한다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

도 5b를 참조하면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 냉각 로터(40)가 소정각도만큼 회전한 상태이고, 상기 제3저온 유로(73)만이 개방되고, 상기 제1,2저온 유로(71)(72)는 차폐된 상태이다.

상기 냉각 하우징(50)의 내부에는 상기 가열 하우징(10)에서 토출된 상기 제1작동유체(A)가 유입된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 가열 하우징(10)에서 가열된 후 상기 제1고온 유로(61)를 통해 토출된 고온의 기상 작동유체이다. 상기 제1작동유체(A)는, 상기 제1고온 유로(61)를 통해 상기 회전축(30)의 중공부(33)로 유입된 후, 상기 회전축 블레이드(32)와 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 회전축 블레이드(32)의 회전력에 의해 회전되면서 상기 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제1작동유체(A)가 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 빠져나오면서 상기 냉각 로터(40)가 회전된다.

이 때, 상기 냉각 하우징(50)의 내부는 냉각되어 차가운 상태이다. 따라서, 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된 상기 제1작동유체(A)는 상기 냉각 하우징(50)에 의해 냉각되어 응축된다.

또한, 상기 제3저온유로(73)가 개방되면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부에서 응축된 상기 제2작동유체(B)는 상기 제3저온 유로(73)를 통해 토출된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 제3저온 유로(73)를 통해 상기 가열 하우징(10)으로 유입된다.

이 때, 상기 제1냉각 블레이드(42a)의 단부는 상기 냉각 하우징(50)의 내주면에 밀착되고, 상기 제2냉각 블레이드(42b)의 단부는 상기 냉각 하우징(50)의 제3냉각 돌기(51c)에 밀착되어, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링하는 역할을 한다. 따라서 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

이후, 도 6을 참조하면, 상기 가열 로터(20)와 상기 냉각 로터(40)가 각각 소정의 각도만큼 더 회전한 상태이다.

도 6a를 참조하면, 상기 가열 하우징(10)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 가열 로터(20)가 소정의 각도만큼 더 회전되고, 상기 제2저온 유로(72)와 상기 제3고온 유로(63)가 개방된 상태이다. 또한, 상기 제1,3저온 유로(71)(73)는 차폐되고, 상기 제1,2고온 유로(61)(62)는 차폐된다.

상기 제3고온 유로(63)가 개방되면, 상기 가열 하우징(10)의 내부에서 부피 팽창된 상기 제2작동유체(B)는 상기 제3고온 유로(63)를 통해 토출된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하여 기화된 고온의 기상 상태로 토출된 후, 상기 제3고온 유로(63)를 통해 상기 냉각 하우징(50)으로 유입된다.

또한, 상기 제2저온 유로(72)가 개방되면, 상기 냉각 하우징(50)에서 냉각되어 응축된 상기 제1작동유체(A)가 상기 가열 하우징(10)의 내부로 유입된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하며 부피 팽창을 하게 된다. 상기 제1작동유체(A)의 부피 팽창력에 의해 상기 가열 로터(20)가 회전한다. 상기 부피 팽창력에 의해 상기 제1가열 블레이드(22a)가 가압되어, 상기 가열 로터(20)의 회전력이 최대화될 수 있다.

이 때, 상기 제1가열 블레이드(22a)의 단부는 상기 가열 하우징(10)의 내주면에 밀착되고, 상기 제2가열 블레이드(22b)의 단부는 상기 제1가열 돌기(11a)에 밀착되어, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링하는 역할을 한다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

도 6b를 참조하면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 냉각 로터(40)가 소정의 각도만큼 더 회전한 상태이고, 상기 제2저온 유로(72)만이 개방된 상태이다. 상기 제1,3저온 유로(71)(73)는 차폐된 상태이다.

상기 냉각 하우징(50)의 내부에는 상기 가열 하우징(10)에서 토출된 상기 제2작동유체(B)가 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)에서 가열된 후 토출되어, 상기 제3고온 유로(63)를 통해 상기 냉각 하우징(50)으로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는, 상기 제3고온 유로(63)를 통해 상기 회전축(30)의 중공부(33)로 유입된 후, 상기 회전축 블레이드(32)와 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 회전축 블레이드(32)의 회전력에 의해 회전되면서 상기 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제2작동유체(B)가 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 빠져나오면서 상기 냉각 로터(40)가 회전된다. 이 때, 상기 냉각 하우징(50)의 내부는 냉각되어 차가운 상태이다. 따라서, 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된 상기 제2작동유체(B)는 상기 냉각 하우징(50)에 의해 냉각되어 응축된다.

또한, 상기 제2저온 유로(72)가 개방되면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부에서 응축된 상기 제1작동유체(A)는 상기 제2저온 유로(72)로 토출된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 제2저온 유로(72)를 통해 상기 가열 하우징(10)으로 유입된다.

이 때, 상기 제1냉각 블레이드(42a)의 단부는 상기 제2냉각 돌기(51b)에 밀착되고, 상기 제2냉각 블레이드(42b)의 단부는 상기 냉각 하우징(50)의 내주면에 밀착된다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링하는 역할을 한다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

도 7을 참조하면, 도 6에 도시된 상기 가열 로터(20)와 상기 냉각 로터(40)가 각각 소정의 각도만큼 더 회전한 상태이다.

도 7a를 참조하면, 상기 가열 하우징(10)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 가열 로터(20)가 상기 가열 하우징(10)의 내부에서 부피 팽창력에 의해 상기 가열 로터(20)가 소정의 각도만큼 더 회전되고, 상기 제1저온 유로(71)와 상기 제2고온 유로(62)만이 개방된다. 즉, 상기 제2,3저온 유로(72)(73)는 차폐되고, 상기 제1,3고온 유로(61)(63)는 차폐된다.

상기 제1저온 유로(71)가 개방되면, 상기 가열 하우징(10)의 내부에는 상기 제2작동유체(B)가 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 제1저온 유로(71)를 통해 유입된다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 냉각 하우징(50)의 내부에서 냉각된 후 상기 제1저온 유로(71)를 통해 토출된 저온의 액상 작동유체이다. 상기 제2작동유체(B)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하며 부피 팽창을 하게 된다. 상기 제2작동유체(B)의 부피 팽창력에 의해 상기 가열 로터(20)가 회전하게 된다. 상기 부피 팽창력에 의해 상기 제1가열 블레이드(22a)가 가압되어, 상기 가열 로터(20)의 회전력이 최대화될 수 있다.

또한, 상기 제2고온 유로(62)가 개방되면, 상기 가열 하우징(10)의 내부에서 상변화한 제1작동유체(A)가 상기 제2고온 유로(62)를 통해 토출된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 가열 하우징(10)의 열에 의해 상변화를 하여 기화된 고온의 기상 작동유체이다.

도 7b를 참조하면, 상기 냉각 하우징(50)의 내부 작동상태는 다음과 같다.

상기 냉각 하우징(50)의 내부에는 상기 제1작동유체(A)가 유입된다. 상기 제1작동유체(A)는 상기 가열 하우징(10)에서 가열된 후 상기 제2고온 유로(62)를 통해 토출된 고온의 기상 작동유체이다. 상기 제1작동유체(A)는, 상기 제2고온 유로(62)를 통해 상기 회전축(30)의 중공부(33)로 유입된 후, 상기 회전축 블레이드(32)와 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 회전축(30)의 중공부(33)로 유입된 상기 제1작동유체(A)는 상기 회전축 블레이드(32)의 회전력에 의해 회전되면서 상기 개구부(41a)를 통해 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된다. 상기 제1작동유체(A)가 상기 냉각 로터(40)의 개구부(41a)를 빠져나오면서 상기 냉각 로터(40)가 회전된다. 이 때, 상기 냉각 하우징(50)의 내부는 냉각되어 차가운 상태이다. 따라서, 상기 냉각 하우징(50)의 내부로 유입된 상기 제1작동유체(A)는 상기 냉각 하우징(10)에 의해 냉각되어 응축된다.

또한, 상기 제1저온 유로(71)가 개방되면, 상기 냉각 하우징(40)의 내부에서 응축된 상기 제2작동유체(B)는 상기 제1저온 유로(71)를 통해 토출된다.

이 때, 상기 제1냉각 블레이드(42a)의 단부는 상기 냉각 하우징(10)의 내주면에 밀착되고, 상기 제2냉각 블레이드(42b)의 단부는 상기 냉각 하우징(10)의 제1냉각 돌기(51a)에 밀착된다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)가 있는 공간과 상기 제2작동유체(B)가 있는 공간을 실링하는 역할을 한다. 따라서, 상기 제1작동유체(A)와 상기 제2작동유체(B)가 서로 섞이는 것이 방지된다.

상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 로터리 엔진(10)은, 증발기와 응축기의 역할을 모두 수행할 수 있기 때문에, 증발기에서 얻은 열이 터빈으로 유입되는 과정에서 발생되는 열의 손실이 방지될 수 있고, 구조가 간단하면서도 효율이 향상될 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.

10: 가열 하우징 20: 가열 로터
30: 회전축 32: 회전축 블레이드
40: 냉각 로터 50: 냉각 하우징

Claims

외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과;
상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와;
상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과;
상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와;
상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징과;
상기 가열 하우징과 상기 냉각 하우징의 각 내주면에 형성되고 서로 소정간격 이격되게 배치된 복수의 돌기들과;
상기 가열 로터의 외주면에 형성되고, 상기 돌기들과 접촉시 가압되었다가 탄성적으로 복원되도록 형성된 복수의 가열 블레이드들을 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과;
상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와;
상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과;
상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와;
상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징과;
상기 가열 하우징과 상기 냉각 하우징의 각 내주면에 형성되고 서로 소정간격 이격되게 배치된 복수의 돌기들과;
상기 냉각 로터의 외주면에 형성되고, 상기 돌기들과 접촉시 가압되었다가 탄성적으로 복원되도록 형성된 복수의 냉각 블레이드들을 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과;
상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와;
상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과;
상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와;
상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징를 포함하고,
상기 냉각 로터는 상기 회전축을 감싸도록 형성된 링부와, 상기 링부에서 상기 회전축으로부터 토출된 기상 작동유체가 통과하도록 형성된 개구부를 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과;
상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와;
상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과;
상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와;
상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징를 포함하고,
상기 회전축은, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 중공부가 형성되고, 상기 중공부로 유입된 기상 작동유체를 상기 냉각 로터를 향해 토출하도록 볼류트 형상의 블레이드가 형성된 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 하우징과 상기 회전축을 연결하여, 상기 가열 하우징에서 토출되는 고온의 기상 작동유체를 상기 회전축의 내부로 안내하는 고온 유로를 더 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 하우징과 상기 가열 하우징을 연결하여, 상기 냉각 하우징에서 냉각된 저온의 액상 작동유체를 상기 가열 하우징의 내부로 순환하도록 안내하는 저온 유로를 더 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가열 로터의 외주면에 형성되고, 상기 돌기들과 접촉시 가압되었다가 탄성적으로 복원되도록 형성된 복수의 냉각 블레이드들을 더 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 가열 하우징과 상기 냉각 하우징의 각 내주면에 형성되고 서로 소정간격 이격되게 배치된 복수의 돌기들과,
상기 가열 로터의 외주면에 형성되고, 상기 돌기들과 접촉시 가압되었다가 탄성적으로 복원되도록 형성된 복수의 가열 블레이드들을 더 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.
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외부 열원에 의해 가열되고, 저온의 액상 작동유체가 유입되어 고온의 기상 작동유체로 상변화하는 공간을 형성하는 가열 하우징과;
상기 가열 하우징의 내부에 구비되어, 상기 상변화시 발생하는 부피 팽창력에 의해 회전하는 가열 로터와;
상기 가열 로터와 결합되고, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 회전축과;
상기 회전축의 외주에 구비되고, 상기 회전축에서 토출되는 기상 작동유체에 의해 회전하는 냉각 로터와;
상기 냉각 로터의 외주에 구비되고, 외부 냉각원에 의해 냉각되어, 상기 냉각로터와의 사이에서 상기 작동유체가 냉각되는 공간을 형성하는 냉각 하우징과;
상기 가열 하우징과 상기 회전축을 연결하여, 상기 가열 하우징에서 토출되는 고온의 기상 작동유체를 상기 회전축의 내부로 안내하는 고온 유로와;
상기 냉각 하우징과 상기 가열 하우징을 연결하여, 상기 냉각 하우징에서 냉각된 저온의 액상 작동유체를 상기 가열 하우징의 내부로 순환하도록 안내하는 저온 유로와;
상기 가열 하우징과 상기 냉각 하우징의 각 내주면에 형성되고 서로 소정간격 이격되게 배치된 복수의 돌기들과;
상기 가열 로터의 외주면에 형성되고, 상기 돌기들과 접촉시 가압되었다가 탄성적으로 복원되도록 형성된 복수의 가열 블레이드들과;
상기 냉각 로터의 외주면에 형성되고, 상기 돌기들과 접촉시 가압되었다가 탄성적으로 복원되도록 형성된 복수의 냉각 블레이드들을 포함하고,
상기 냉각 로터는 상기 회전축을 감싸도록 형성된 링부와, 상기 링부에서 상기 회전축으로부터 토출된 기상 작동유체가 통과하도록 형성된 개구부를 포함하고,
상기 회전축은, 상기 가열 하우징에서 토출된 기상 작동유체가 유입되도록 형성된 중공부와, 상기 중공부로 유입된 기상 작동유체를 상기 냉각 로터를 향해 토출하도록 형성된 블레이드를 포함하는 로터리 엔진을 이용한 유기랭킨 사이클 발전 장치.