KR20030031991A - 회전 유체기계 - Google Patents

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KR20030031991A
KR20030031991A KR10-2003-7002727A KR20037002727A KR20030031991A KR 20030031991 A KR20030031991 A KR 20030031991A KR 20037002727 A KR20037002727 A KR 20037002727A KR 20030031991 A KR20030031991 A KR 20030031991A
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다카하시쓰토무
혼마겐스케
이토나오키
엔도쓰네오
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

로터(27)에 설치한 실린더(33)에 끼워 맞추어져 왕복 운동하는 피스톤(37)과, 로터(27)에 설치한 베인 홈(43)에 끼워 맞추어져 왕복 운동하는 베인(44)을 구비한 회전 유체기계에 있어서, 로터(27)는 회전축(21)에 지지되어서 실린더(33)를 수납하는 로터 코어(31)와, 원주 방향으로 분할되어서 로터 코어(31)의 외주를 둘러싸도록 고정된 12개의 로터 세그먼트(32)로서 구성되어, 인접하는 로터 세그먼트 (32) 사이에 베인 홈(43)이 형성된다. 이것에 의해, 특별히 정밀한 가공을 필요로 하는 일 없이 베인 홈(43)의 치수 정밀도를 높일 수 있고, 게다가 비교적으로 고온의 로터 코어(31)로부터 비교적으로 저온의 로터 세그먼트(32)에의 열전도를 차단하여, 로터(27) 외부에의 열의 방산을 억제해서 열효율을 높이는 것이 가능하게 될 뿐만 아니라, 로터(27) 각각의 부분의 열변형을 완화할 수 있다.

Description

회전 유체기계{ROTARY FLUID MACHINERY}
일본국 특개소59-41602호 공보에는 2중 멀티 베인(multi-vane)식 회전 유체기계가 기재되어 있다. 이것은, 타원형의 외측 캠 링(cam ring)과 타원형의 내측 캠 링과의 사이에 원형의 베인(vane) 지지 링을 배치하고, 이 베인 지지 링에 반경 방향으로 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 복수의 베인의 외측 단부 및 내측 단부를, 각각 외측의 캠 링의 내주면(內周面) 및 내측의 캠 링의 외주면(外周面)에 맞닿게 한 것이다. 따라서, 외측 캠 링 및 내측 캠 링에 대하여 베인 지지 링이 상대 회전하면, 외측 캠 링 및 베인 지지 링 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한 내측 캠 링 및 베인 지지 링 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하게 되어 있다.
이 2중 멀티 베인식 회전 유체기계에서는, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립한 팽창기로서 사용하거나, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립한 압축기로서 사용하거나, 외측 및 내측의 회전 유체기계의 한쪽 및 다른 쪽을 각각팽창기 및 압축기로서 사용하거나 할 수 있다.
또한 일본국 특개소60-206990호 공보에는 팽창기 혹은 압축기로서 사용 가능한 베인식 회전 유체기계가 기재되어 있다. 이것은, 동심(同心)으로 배치한 원형의 외측 캠 링과 원형의 내측 캠 링과의 사이에 원형의 중간 실린더를 편심시켜서 배치하고, 이 중간 실린더에 반경 방향으로 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 복수의 베인의 외측 단부 및 내측 단부를, 각각 외측의 캠 링의 내주면 및 내측의 캠 링의 외주면에 맞닿게 한 것이다. 따라서, 외측 캠 링 및 내측 캠 링에 대하여 중간 실린더가 상대 회전하면, 외측 캠 링 및 중간 실린더 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한 내측 캠 링 및 중간 실린더 사이에서 베인에 의해 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하게 되어 있다.
이 베인식 회전 유체기계에서는, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립한 팽창기로서 사용하거나, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립한 압축기로서 사용하거나 할 수 있는 것 이외에, 외측 및 내측의 회전 유체기계의 한쪽을 통과한 작동 유체를 다른 쪽을 통과시킴으로써, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 직렬로 접속해서 2단 팽창기 혹은 2단 압축기로서 작동시킬 수 있다.
그런데, 종래의 베인식 회전 유체기계는, 실린더 및 베인을 지지하는 로터 (rotor)가 하나의 부재로서 구성되어 있기 때문에 베인 홈의 가공 정밀도를 높이는 것이 곤란하고, 베인 홈 및 베인 간의 클리어런스(clearance)가 불균일하게 되어 내마모성이 저하하거나 밀봉성이 저하하거나 할 가능성이 있었다. 또한 실린더를수납하는 로터의 중심부는 고온으로 되지만, 로터가 하나의 부재로서 구성되어 있으므로 중심부의 열(熱)이 베인을 수납하는 외주부에 전달되기 쉽게 되고, 열변형에 의해서 상기 문제가 한층 증장(增長)될 뿐만 아니라, 로터의 중심부의 열이 외부로 빠져나가기 쉬워져서 열효율이 저하한다고 하는 문제가 있었다. 게다가 로터가 하나의 부재로서 구성되어 있으므로, 그 일부에 문제가 있을 경우라도 로터 전체를 교환할 필요가 있고, 비용의 면에서 불리했다.
본 발명은, 팽창기 혹은 압축기로서 사용 가능한 회전 유체기계에 관한 것이다.
도 1∼도 12는 본 발명의 하나의 실시예를 나타내는 것으로,
도 1은 내연 기관의 폐열 회수 장치의 개략도.
도 2는 도 4의 2-2선 단면도에 상당하는 팽창기의 종단면도.
도 3은 도 2의 회전 축선 주위의 확대 단면도.
도 4는 도 2의 4-4선 단면도.
도 5는 도 2의 5-5선 단면도.
도 6은 도 4의 일부 확대도.
도 7은 도 3의 7-7선 확대 단면도.
도 8은 로터 챔버 및 로터의 단면 형상을 나타내는 모식도(模式圖).
도 9는 로터의 분해 사시도.
도 10은 로터 세그먼트의 분해 사시도.
도 11은 베인의 분해 사시도.
도 12는 회전 밸브의 분해 사시도.
본 발명은 상기의 사정을 감안해서 이루어진 것으로, 실린더 및 베인을 지지하는 로터를 구비한 회전 유체기계에 있어서, 로터의 정밀도의 향상, 내구성의 향상, 열효율의 향상 및 비용의 삭감을 도모하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 특징에 의하면, 적어도 제1에너지 변환 수단 및 제2에너지 변환 수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동 유체를 제1, 제2에너지 변환 수단에 입력해서 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2에너지 변환 수단이 각각 발생한 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기로서 기능하는 것이 가능하며, 또한 기계 에너지를 제1, 제2에너지 변환 수단에 입력해서 상기 기계 에너지를 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2에너지 변환 수단이 각각 발생한 작동 유체의 압력 에너지를 통합해서 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전 유체기계로서, 상기 제1에너지 변환 수단은 로터 챔버 내에 회전이 자유롭게 수납된 로터에 방사상으로 지지된 실린더와, 이 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 피스톤을 구비하고, 상기 제2에너지 변환 수단은 로터에 방사상으로 형성된 베인 홈과, 이 베인 홈에 미끄럼 운동이 자유롭게 지지되어서 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄러지게 접촉하는 베인을 구비한 것에 있어서, 상기 로터는 회전축에 지지되어서 실린더를 수납하는 로터 코어(rotor core)와, 원주 방향으로 분할되어서 로터 코어의 외주를 둘러싸도록 고정된 로터 세그먼트 (rotor segment)로서 구성되어, 인접하는 로터 세그먼트 사이에 베인을 미끄럼 운동이 자유롭게 지지하는 베인 홈을 형성한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계를 제안한다.
상기 구성에 의하면, 회전 유체기계의 로터를, 회전축에 지지되어서 실린더를 수납하는 로터 코어와, 원주 방향으로 분할되어서 로터 코어의 외주를 둘러싸도록 고정된 로터 세그먼트로서 구성했으므로, 최후에 붙이는 로터 세그먼트의 치수 조정에 의해서 다른 모든 로터 세그먼트의 붙이기에 의한 집적(集積) 오차를 보상할 수 있고, 특별히 정밀한 가공을 필요로 하지 않고, 인접하는 로터 세그먼트 간에 형성되는 베인 홈의 치수 정밀도를 높힐 수 있다.
또한 반경 방향 내측에 위치하는 로터 코어와 반경 방향 외측에 위치하는 로터 세그먼트를 별개의 부재로서 구성했으므로, 비교적 고온의 로터 코어로부터 비교적 저온의 로터 세그먼트에의 열전도를 차단하고, 로터 외부에의 열의 방산(放散)을 억제해서 열효율을 높이는 것이 가능해 질 뿐만 아니라, 로터 각각의 부분의 열변형을 완화할 수 있다.
또한 로터 코어 및 로터 세그먼트의 각각의 기능에 알맞는 재질이나 가공 방법을 선택할 수 있으므로 설계 자유도나 가공 방법의 자유도가 증가하고, 각각의부분의 미끄럼 운동면의 마찰 경감, 내구성의 향상, 밀봉성의 향상을 도모할 수 있다.
또한 로터의 일부에 문제가 생긴 경우라도, 로터 전체를 교환 혹은 폐기할 일 없이, 그 일부를 교환하는 것만으로 보수할 수 있으므로 비용의 삭감에 기여할 수 있다.
도 1에 있어서, 내연 기관(1)의 폐열 회수 장치(2)는, 내연 기관(1)의 폐열(예를 들면 배기 가스)을 열원(熱源)으로 해서, 고압 상태의 액체(예를 들면 물)를 기화시킨 고온 고압 상태의 증기를 발생하는 증발기(3)와, 그 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생하는 팽창기(4)와, 그 팽창기(4)에 있어서 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시켜서 온도 및 압력이 강하된 증기를 액화하는 응축기(5)와, 응축기(5)로부터의 액체(예를 들면 물)를 가압해서 다시 증발기(3)에 공급하는 공급 펌프(6)를 갖춘다.
우선, 팽창기(4)의 전체적인 구조를 도 2∼도 6에 근거해서 설명한다.
팽창기(4)의 케이싱(casing)(11)은 금속제의 제1, 제2케이싱 반체(半體)(12, 13)로서 구성된다. 제1, 제2케이싱 반체(12, 13)는, 협동해서 로터 챔버(14)를 구성하는 본체부(12a, 13a)와, 그것들 본체부(12a, 13a)의 외주(外周)에 일체로 연결되는 원형 플랜지(flange)(12b, 13b)로서 이루어지고, 양쪽 원형 플랜지(12b, 13b)가 금속 개스킷(gasket)(15)을 사이에 끼워서 결합된다. 제1케이싱 반체(半體)(12)의 외면(外面)은 깊은 사발형을 이루는 중계 챔버 외벽(16)에 의해 덮혀 있으며, 그 외주에 일체로 연결되는 원형 플랜지(16a)가 제1케이싱 반체(12)의 원형 플랜지(12b) 좌측면에 겹쳐 맞추어진다. 제2케이싱 반체(13)의 외면은, 팽창기(4)의 출력을 외부에 전달하는 마그넷 커플링(도시하지 않음)을 수납하는 배기 챔버 외벽(17)에 의해 덮혀 있으며, 그 외주에 일체로 연결되는 원형 플랜지(17a)가 제2케이싱 반체(13)의 원형 플랜지(13b)의 우측면에 겹쳐 맞추어진다. 그리고 상기 4개의 원형 플랜지 (12a, 13a, 16a, 17a)는, 원주 방향으로 배치된 복수 개의볼트(18…)로써 함께 체결된다. 중계 챔버 외벽(16) 및 제1케이싱 반체(12) 사이에 중계 챔버(19)가 구획되고, 배기 챔버 외벽(17) 및 제2케이싱 반체(13) 사이에 배기 챔버(20)가 구획된다. 배기 챔버 외벽(17)에는, 팽창기(4)에서 일을 마친 강온(降溫) 강압(降壓) 증기를 응축기(5)에 도입하는 배출구(17b)가 설치된다.
양쪽 케이싱 반체(12, 13)의 본체부(12a, 13a)는 바깥쪽으로 돌출하는 중공(中空) 베어링통(12c, 13c)을 가지고 있으며, 이들 중공 베어링통(12c, 13c)에, 중공부(21a)를 갖는 회전축(21)이 1쌍의 베어링 부재(22, 23)를 사이에 끼워서 회전 가능하게 지지된다. 이것에 의해, 회전축(21)의 축선 L은 대략 타원형을 이루는 로터 챔버(14)에 있어서의 긴 직경과 짧은 직경의 교점을 지나간다. 또한 회전축(21)의 우측 단부의 소직경부(小直徑部)(21b)는, 제2케이싱 반체(13)의 중공 베어링통 (13c)을 관통해서 배기 챔버(20)의 내부로 연장되고, 거기에 마그넷 커플링의 로터 보스(rotor boss)(24)가 스플라인(spline) 결합된다. 회전축(21)의 우측 단부의 소직경부(21b)의 외주와 제2케이싱 반체(13)의 중공 베어링통(13c)의 내주와의 사이는 밀봉 부재(25)로써 밀봉되어 있으며, 그 밀봉 부재(25)는 중공 베어링통(13c) 내주에 나사 결합하는 너트(26)에 의해 고정된다.
도 4 및 도 8로부터 명확한 바와 같이, 유사 타원 형상을 이루는 로터 챔버(14)의 내부에, 원형을 이루는 로터(27)가 회전이 자유롭게 수납된다. 로터 (27)는 회전축(21)의 외주에 끼워 맞추어져 핀(pin)(28)으로써 일체로 결합되어 있으며, 회전축(21)의 축선 L에 대하여 로터(27)의 축선 및 로터 챔버(14)의 축선은 일치하고 있다. 축선 L 방향으로 본 로터 챔버(14)의 형상은 4개의 정점을 둥글게한 능형(菱形)에 유사한 유사 타원 형상이며, 그 긴 직경 DL과 짧은 직경 DS를 구비한다. 축선 L방향으로 본 로터(27)의 형상은 진원(眞圓)이며, 로터 챔버(14)의 짧은 직경 DS 보다도 근소하게 작은 직경 DR을 구비한다.
축선 L과 직교하는 방향으로 본 로터 챔버(14) 및 로터(27)의 단면 형상은 모두 육상 경기의 트랙 형상을 이루고 있다. 즉, 로터 챔버(14)의 단면 형상은, 거리 d를 두고 평행하게 연장되는 1쌍의 평탄면(14a, 14a)과, 이들 평탄면(14a, 14a)의 외주를 매끄럽게 접속하는 중심각 180°의 원호면(14b)으로서 구성되고, 마찬가지로 로터(27)의 단면 형상은, 거리 d를 두고 평행하게 연장되는 1쌍의 평탄면(27a, 27a)과, 이들 평탄면(27a, 27a)의 외주를 매끄럽게 접속하는 중심각 180°의 원호면 (27b)으로서 구성된다. 따라서, 로터 챔버(14)의 평탄면(14a, 14a)과 로터(27)의 평탄면(27a, 27a)은 서로 접촉하고, 로터 챔버(14) 내주면과 로터(27) 외주면과의 사이에는 초승달 모양을 이루는 1쌍의 공간(도 4참조)이 형성된다.
이어서, 도 3, 도 6, 도 9 및 도 10을 참조해서 로터(27)의 구조를 상세히 설명한다.
로터(27)는 회전축(21)의 외주에 고정되는 로터 코어(31)와, 로터 코어(31)의 주위를 덮도록 고정되어서 로터(27)의 외곽을 구성하는 12개의 로터 세그먼트 (segment)(32…)로서 구성된다. 로터 코어(31)는 원판 형상의 본체부(31a)와, 본체부(31a)의 중심부에서 축방향 양측으로 돌출하는 기어 형상의 보스(boss)부(31b, 31b)를 구비한다. 본체부(31a)에 세라믹(또는 카본)제의 12개의 실린더(33…)가 30° 간격으로 방사상으로 장착되어서 캡(cap)(34…) 및 키(key)(35…)로써 빠짐이 방지된다. 각각의 실린더(33)의 내측 단부에는 소직경부(33a)가 돌출되게 설치되어 있으며, 소직경부(33a)의 기초 단부는 0-링(36)을 사이에 끼워서 로터 코어(31)의 본체부(31a)와의 사이가 밀봉된다. 소직경부(33a)의 선단은 중공의 회전축(21)의 외주면에 끼워져 있으며, 실린더 보어(bore)(33b)는 소직경부(33a) 및 회전축(21)을 관통하는 12개의 제3증기통로(S3...)를 통해서 그 회전축(21)의 중공부(21a)에 연통된다. 각각의 실린더(33)의 내부에는 세라믹제의 피스톤(37)이 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워진다. 피스톤(37)이 가장 반경 방향 내측으로 이동하면 실린더 보어(33b)의 내부에 완전히 후퇴해 들어가고, 가장 반경 방향 외측으로 이동하면 전장(全長)의 약 반이 실린더 보어(33b)의 외부에 돌출한다.
각각의 로터 세그먼트(32)는 5개의 부품을 결합해서 구성된다. 5개의 부품은, 중공부(38a, 38a)를 갖는 1쌍의 블록 부재(38, 38)와, U자 형상의 판체(板體)로서 이루어지는 1쌍의 측판(側板)(39, 39)과, 직사각형 형상의 판체로서 이루어지는 저판(底板)(40)이며, 이것들은 납땜에 의해 일체화된다.
각각의 블록 부재(38)의 외주면, 즉 로터 챔버(14)의 1쌍의 평탄면(14a, 14a)에 대향하는 면에는 축선 L을 중심으로 해서 원호 형상으로 연장되는 2개의 홈(38b, 38c)이 형성되어 있고, 이 홈(38b, 38c)의 중앙에 윤활수 분출구(38d, 38e)가 개구한다. 또한 블록 부재(38)의 측판(39)과의 결합면에는, 제20물통로 (W20) 및 제21물통로(W21)가 오목하게 설치된다.
저판(40)의 중앙에는 12개의 오리피스(orifice)를 갖는 오리피스 형성 부재(41)가 끼워 맞추어져 있으며, 오리피스 형성 부재(41)를 둘러싸도록 저판(40)에 장착된 0-링(42)은, 로터 코어(31)의 본체부(31a)의 외주면과의 사이를 밀봉한다. 블록 부재(38)에 결합되는 저판(40)의 표면에는, 오리피스 형성 부재(41)로부터 방사 방향으로 연장되는 각각 2개의 제14∼제19물통로(W14∼W19)가 오목하게 설치되어 있으며, 이들 제14∼제19물통로(W14∼W19)는 측판(39)과의 결합면을 향해서 연장되어 있다.
각각의 측판(39)의 블록 부재(38, 38) 및 저판(40)에의 결합면에는 제22∼ 제27물통로(W22∼W27)가 오목하게 설치된다. 저판(40) 외측의 제14물통로(W14), 제15물통로(W15), 제18물통로(W18) 및 제19물통로(W19)는, 측판(39)의 제22물통로 (W22), 제23물통로(W23), 제26물통로(W26) 및 제27물통로(W27)에 연통되고, 저판 (40) 내측의 제16물통로(W16) 및 제17물통로(W17)는, 블록 부재(38)의 제20물통로 (W20) 및 제21물통로(W21)를 통해서 측판(39)의 제24물통로(W24) 및 제25물통로 (W25)에 연통된다. 측판(39)의 제22물통로(W22), 제25물통로(W25), 제26물통로 (W26) 및 제27물통로(W27)의 외측 단부는 측판(39)의 외면에 4개의 윤활수 분출구 (39a…)로써 개구한다. 또한 측판(39)의 제23물통로(W23) 및 제24물통로(W24)의 외측 단부는, 블록 부재(38, 38)의 내부에 형성된 제28물통로(W28) 및 제29물통로 (W29)를 통해서 홈(38b, 38c) 내의 윤활수 분출구(38d, 38e)에 각각 연통된다. 반경 방향 외측으로 이동한 피스톤(37)과의 간섭을 회피하기 위해, 측판(39)의 외면에는 부분 원호 형상의 단면을 갖는 노치(notch)(39b)가 형성된다. 한편, 제20물통로 (W20) 및 제21물통로(W21)를 측판(39)이 아니고 블록 부재(38)에 형성한 이유는, 상기 노치(39b)에 의해서 측판(39)이 얇은 두께로 되어, 제20물통로(W20) 및 제21물통로(W21)를 형성하는 두꺼운 두께를 확보할 수 없기 때문이다.
도 2, 도 5, 도 9 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 로터(27)의 인접하는 로터 세그먼트(32…) 사이에 방사 방향으로 연장되는 12개의 베인 홈(43…)이 형성되어 있으며, 이들 베인 홈(43…)에 판 형상의 베인(44…)이 각각 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어진다. 각각의 베인(44)은 로터 챔버(14)의 평행면(14a, 14a)을 따르는 평행면(44a, 44a)과, 로터 챔버(14)의 원호면(14b)을 따르는 원호면(44b)과, 양쪽 평행면(44a, 44a) 사이에 위치하는 노치(44c)를 구비해서 개략 U자 형상으로 형성되어 있으며, 양쪽 평행면(44a, 44a)으로부터 돌출하는 1쌍의 지축(支軸)(44d, 44d)에 롤러 베어링 구조의 롤러(45, 45)가 회전이 자유롭게 지지된다.
베인(44)의 원호면(44b)에는 U자 형상으로 형성된 합성 수지제의 밀봉 부재 (46)가 유지되어 있고, 이 밀봉 부재(46)의 선단(先端)은 베인(44)의 원호면(44b)으로부터 근소하게 돌출해서 로터 챔버(14)의 원호면(14b)에 미끄럼 접촉한다. 베인 (44)의 평행부(44a, 44a)에는 합성 수지제의 접동(摺動) 부재(47, 47)가 고정되어 있으며, 이들 접동 부재(47, 47)는 로터 챔버(14)의 평행면(14a, 14a)에 미끄럼 접촉한다. 또한 베인(44)의 노치(44c)의 양측에는 합성 수지제의 접동 부재(48, 48)가 고정되어 있으며, 이들 접동 부재(48, 48)는 로터 코어(31)의 본체부(31a)에 미끄럼 접촉한다. 베인(44)의 양측면에는 각각 2개의 홈(44e, 44e)이 형성되어 있으며, 이들 홈(44e, 44e)은, 로터 세그먼트(32)의 각각의 측판(39, 39)의 외면에개구하는 4개의 윤활수 분출구(39a…)의 반경 방향 내측의 2개에 대향한다. 베인(44)의 노치 (44c)의 중앙에 반경 방향 내향으로 돌출 설치된 돌기(44f)가, 피스톤(37)의 반경 방향 외측 단부에 맞닿는다. 베인(44)의 내부에는 반경 방향으로 연장되는 물 배출 통로(44g)가 형성되어 있으며, 그 반경 방향 내측 단부는 상기 돌기(44f)의 선단에 개구하고, 그 반경 방향 외측 단부는 베인(44)의 한쪽의 측면에 개구한다. 물 배출 통로(44g)가 베인(44)의 한쪽의 측면에 개구하는 위치는, 베인(44)이 가장 반경 방향 외측으로 돌출했을 때에, 로터(27)의 원호면(27b) 보다도 반경 방향 외측에 면하고 있다.
제1, 제2케이싱 반체(12, 13)에 의해 구획되는 로터 챔버(14)의 평탄면(14a, 14a)에는, 4개의 정점을 둥글게 한 능형에 유사한 유사 타원 형상의 환상(環狀)홈(49, 49)이 오목하게 설치되어 있으며, 양쪽 환상홈(49, 49)에 각각의 베인(44)의 1쌍의 롤러(45, 45)가 전동(轉動)이 자유롭게 걸린다. 이들 환상홈(49, 49) 및 로터 챔버(14)의 원호면(14b) 사이의 거리는 전주(全周)에 걸쳐 일정하다. 따라서, 로터(27)가 회전하면 롤러(45, 45)를 환상홈(49, 49)에 안내시킨 베인(44)이 베인 홈(43) 내를 반경 방향으로 왕복 운동하고, 베인(44)의 원호면(44b)에 장착한 밀봉 부재(46)가 일정량 만큼 압축된 상태에서 로터 챔버(14)의 원호면(14b)을 따라 미끄럼 운동한다. 이것에 의해, 로터 챔버(14) 및 베인(44…)이 직접 고체 접촉하는 것을 방지하고, 미끄럼 운동 저항의 증가나 마모의 발생을 방지하면서, 인접하는 베인(44…) 간에 구획되는 베인 챔버(50…)를 확실하게 밀봉할 수 있다.
로터 챔버(14)의 평탄면(14a, 14a)에는, 상기 환상홈(49, 49)의 외측을 둘러싸도록 1쌍의 원형 밀봉 홈(51, 51)이 형성된다. 각각의 원형 밀봉 홈(51)에는 2개의 O-링(52, 53)을 구비한 1쌍의 링 밀봉(54)이 미끄럼 운동이 자유롭게 각각 끼워 맞추어져 있으며, 그 밀봉면은 각각의 로터 세그먼트(32)에 형성된 홈(38b, 38c)에 대향하고 있다. 1쌍의 O-링 밀봉(54, 54)은, 각각 녹 핀(knock pin)(55, 55)으로써 제1, 제2케이싱 반체(12, 13)에 대하여 회전이 방지된다.
로터(27)의 조립은 다음과 같이 해서 실행된다. 도 9에 있어서, 미리 실린더 (33…), 캡(34…) 및 키(35…)를 붙인 로터 코어(31)의 외주에 12개의 로터 세그먼트(32…)를 끼워 맞추고, 인접하는 로터 세그먼트(32…) 사이에 형성된 12개의 베인 홈(43…)에 베인(44…)을 끼워 맞춘다. 이 때, 베인(44…) 및 로터 세그먼트(32…)의 측판(39…) 사이에 소정의 클리어런스를 형성하기 위해, 베인(44…)의 양면에 소정 두께의 심(shim)을 개재(介在)시켜 둔다. 이 상태에서, 치구(治具)를 이용해서 로터 세그먼트(32…) 및 베인(44…)을 로터 코어(31)를 향해서 반경 방향 내향으로 체결하고, 로터 코어(31)에 대하여 로터 세그먼트(32…)를 정밀하게 위치 결정한 후, 각각의 로터 세그먼트(32…)를 임시 멈춤 볼트(58…)(도 2참조)로써 로터 코어(31)에 임시 정지시킨다. 계속해서 로터(27)를 치구로부터 떼어내고, 각각의 로터 세그먼트(32)에 로터 코어(31)를 관통하는 핀 구멍(56, 56)을 함께 가공하고, 이들 핀 구멍(56, 56)에 녹 핀(57, 57)을 압입해서 로터 코어(31)에 로터 세그먼트 (32…)를 결합한다.
도 3, 도 7 및 도 12로부터 명확한 바와 같이, 회전축(21)의 외주면을 지지하는 1쌍의 베어링 부재(22, 23)는 로터(27) 측을 향해서 확경(擴徑)하도록 테이퍼된 내주면을 구비하고 있으며, 그 축방향 외측 단부가 제1, 제2케이싱 반체(12, 13)의 중공 베어링통(12c, 13c)에 요철(凹凸)로 걸려서 회전이 방지된다. 한편, 회전축 (21)에 대한 로터(27)의 부착을 가능하게 하기 위해, 좌측의 중공 베어링통(12c)에 지지되는 회전축(21)의 좌단(左端) 외주부는 별개의 부재(21c)로서 구성되어 있다.
중계 챔버 외벽(16)의 중심에 개구(16b)가 형성되어 있으며, 축선 L 상에 배치된 밸브 하우징(61)의 보스부(61a)가 상기 개구(16b)의 내면에 복수의 볼트(62…)로써 고정되고, 또한 너트(63)로써 제1케이싱 반체(12)에 고정된다. 회전축(21)의 중공부(21a)에는 원통 형상의 제1고정축(64)이 상대 회전이 자유롭게 끼워 맞추어져 있으며, 이 제1고정축(64)의 우측 단부 내주에 제2고정축(65)이 동축(同軸)으로 끼워 맞추어진다. 제1고정축(64)으로부터 돌출하는 제2고정축(65)의 우측 단부 외주부와 회전축(21)의 중공부(21a)와의 사이가 0-링(66)에 의해 밀봉된다. 제1고정축(64)의 내부에 연장되는 밸브 하우징(61)은 플랜지(61b)를 구비하고 있으며, 이 플랜지(61b)의 우측에 0-링(67), 제1고정축(64)의 두께부(64a), 0-링(68), 와셔 (washer)(69), 너트(70) 및 상기 제2고정축(65)이 순차적으로 끼워 맞추어진다. 밸브 하우징(61)에 대하여 너트(70) 및 제2고정축(65)은 나사 결합되어 있으며, 따라서 제1고정축(64)의 두께부(64a)는 밸브 하우징(61)의 플랜지(61b)와 와셔(69)와의 사이에 1쌍의 0-링(66, 67)을 사이에 끼워서 위치 결정된다.
제1케이싱 반체(12)의 중공 베어링통(12c)의 내주에 0-링(71)을 사이에 끼워서 지지된 제1고정축(64)의 좌측 단부는, 링 형상의 올덤 커플링(Oldham coupling)(72)에 의해서 밸브 하우징(61)의 보스부(61a)에 연결되어 있으며, 이 올덤 커플링 (72)으로써 제1고정축(64)의 반경 방향의 진동을 허용함으로써, 제1고정축(64)의 외주에 회전축(21)을 통해서 지지한 로터(27)의 진동을 허용할 수 있다. 또한 제1고정축(64)의 좌측 단부에 느슨하게 끼워지는 회전 정지 부재(73)의 완부(腕部)(73a, 73a)를 볼트(74, 74)로써 제1케이싱 반체(12)에 고정함으로써, 제1고정축(64)이 케이싱(11)에 대하여 회전이 방지된다.
축선 L 상에 배치된 밸브 하우징(61)의 내부에 증기 공급 파이프(75)가 끼워 맞추어져 너트(76)로써 밸브 하우징(61)에 고정되어 있으며, 이 증기 공급 파이프 (75)의 우측 단부는 밸브 하우징(61)의 내부에 압입된 노즐 부재(77)에 접속된다. 밸브 하우징(61)과 노즐 부재(77)의 선단부를 가로 질러서 1쌍의 오목부(81, 81)(도 7 참조)가 180°의 위상차를 가지고 형성되어 있으며, 거기에 환상의 조인트 (joint) 부재(78, 78)가 끼워 맞추어져 유지된다. 노즐 부재(77)의 중심에는 증기 공급 파이프(75)에 연결되는 제1증기통로(Sl)가 축방향으로 형성되고, 또한 제1고정축(64)의 두께부(64a)에는 1쌍의 제2증기통로(S2, S2)가 180°의 위상차를 가지고 반경 방향으로 관통된다. 그리고 제1증기통로(Sl)의 말단부와 제2증기통로(S2, S2)의 반경 방향 내측 단부가 상기 조인트 부재(78, 78)를 통해서 항상 연통된다. 전술한 바와 같이, 회전축(21)에 고정된 로터(27)에 30° 간격으로 유지된 12개의 실린더(33…)의 소직경부(33a) 및 회전축(21)을 12개의 제3증기통로(S3…)가 관통하고 있으며, 이들 제3증기통로(S3…)의 반경 방향 내측 단부는, 상기 제2증기통로(S2, S2)의 반경 방향 외측 단부에 연통 가능하게 대향하고 있다.
제1고정축(64)의 두께부(64a)의 외주면에는 1쌍의 노치(64b, 64b)가 180°의 위상차를 가지고 형성되어 있으며, 이들 노치(64b, 64b)는 상기 제3증기통로(S3…)에 연통 가능하다. 노치(64b, 64b)와 중계 챔버(19)는, 제1고정축(64)에 비스듬히 형성된 1쌍의 제4증기통로(S4, S4)와, 제1고정축(64)에 축방향으로 형성된 제5증기통로(S5)와, 밸브 하우징(61)의 보스부(61a)에 형성된 제6증기통로(S6)와, 밸브 하우징(61)의 보스부(61a)의 외주에 개구하고 있는 통과 구멍(61c…)을 통해서 서로 연통된다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 제1케이싱 반체(12)에는, 로터 챔버(14)의 짧은 직경 방향을 기준으로 해서 로터(27)의 회전 방향 진행측 15°의 위치에, 방사 방향으로 정렬한 복수의 흡기 포트(port)(79…)가 형성된다. 이 흡기 포트(79…)에 의해, 로터 챔버(14)의 내부 공간이 중계 챔버(19)에 연통된다. 또한 제2케이싱 반체 (13)에는, 로터 챔버(14)의 짧은 직경 방향을 기준으로 해서 로터(27)의 회전 방향지연측 15°∼75°의 위치에, 방사 방향에 복수의 열(列)로 정렬한 다수의 배기 포트(80…)가 형성된다. 이 배기 포트(80…)에 의해, 로터 챔버(14)의 내부 공간이 배기 챔버(20)에 연통된다.
제2증기통로(S2, S2) 및 제3증기통로(S3…), 및 제1고정축(64)의 노치(64b, 64b) 및 제3증기통로(S3…)는, 제1고정축(64) 및 회전축(21)의 상대 회전에 의해 주기적으로 연통하는 회전 밸브(Ⅴ)를 구성한다.
도 2 및 도 3으로부터 명확한 바와 같이, 제1, 제2케이싱 반체(12, 13)의 원형 밀봉 홈(51, 51)에 끼워 맞추어지는 링 밀봉(54, 54)의 배면에 압력실(86, 86)이 형성되어 있으며, 제1, 제2케이싱 반체(12, 13)에 형성된 제1물통로(Wl)는, 파이프로서 이루어지는 제2물통로(W2) 및 제3물통로(W3)를 통해서 양쪽 압력실(86, 86)에 연통된다. 제2케이싱 반체(13)의 중공 베어링통(13c)의 반경 방향 외측에, 2개의 0-링(87, 88)을 구비한 커버(89)로써 개폐되는 필터 실(室)(13d)이 형성되어 있으며, 그 내부에 환상의 필터(90)가 수납된다. 제2케이싱 반체(13)의 제1물통로(Wl)는, 파이프로서 이루어지는 제4물통로(W4)를 통해서 필터(90)의 외주면에 연통하고, 필터(90)의 내주면은 제2케이싱 반체(13)에 형성된 제5물통로(W5)를 통하고, 제2케이싱 반체(13) 및 회전축(21) 사이에 형성된 환상의 제6물통로(W6)에 연통된다. 그리고 제6물통로(W6)는 회전축(21)의 내부를 축방향으로 연장하는 12개의 제7물통로(W7…), 회전축(21)의 외주에 형성된 환상홈(21d) 및 로터 코어(31)의 내부를 반경 방향으로 연장하는 12개의 제8물통로(W8…)를 통해서 12개의 오리피스 형성 부재(41…)에 각각 연통된다.
또한 회전축(21)의 외주에 형성된 환상홈(21d)은 축방향으로 연장되는 12개의 제9물통로(W9…)(도 7참조)를 통해서 회전축(21)의 외주에 형성된 환상홈(21e)에 연통되고, 환상홈(21e)은 회전축(21)의 내부를 축방향으로 연장하는 12개의 제10물통로(WlO…)를 통해서 회전축(21)의 좌측 단부 및 제1하우징(12) 사이에 형성된 환상의 제11물통로(Wll)에 연통된다. 환상의 제6물통로(W6) 및 제11물통로(Wll)는, 베어링 부재(22, 23)에 나사 결합한 오리피스 형성 볼트(91…)의 외주의 오리피스를 통과하고, 또한 베어링 부재(22, 23) 내에 형성된 제12물통로(W12…)를 경유해서, 베어링 부재(22, 23) 내주 및 회전축(21)의 외주 간의 접동면에 연통된다. 그리고 베어링 부재(22, 23)의 내주 및 회전축(21)의 외주 간의 접동부 면은 드레인(drain)용의 제13물통로(W13…)를 경유해서 베인 홈(43…)에 연통된다.
환상의 제6물통로(W6)는, 회전축(21)에 축방향으로 뚫어 설치한 2개의 제30물통로(W30, 30)를 경유해서, 회전축(21)의 중공부(21a) 내주면과 제1고정축(64)의 우측 단부 외주면과의 접동부에 연통된다. 제1고정축(64)의 두께부(64a)의 우측에 형성된 밀봉 홈(64c)은 제1고정축(64)의 내부에 비스듬히 뚫어 설치한 제31물통로 (W31, 31)를 통해서 제5증기통로(S5)에 연통된다. 환상의 제11물통로(Wll)는 회전축 (21)의 중공부(21a) 내주면과 제1고정축(64)의 좌측 단부 외주면과의 접동부에 연통되어 있으며, 제1고정축(64)의 두께부(64a)의 좌측에 형성된 밀봉 홈(64d)은, 제1고정축(64)을 반경 방향으로 관통하는 제32물통로(W32, 32) 및 상기 제31물통로(W31, 31)를 통해서 제5증기통로(S5)에 연통된다.
이어서, 상기 구성을 구비한 본 실시예의 작용에 대해서 설명한다.
우선, 팽창기(4)의 작동에 대해서 설명한다. 도 3에 있어서, 증발기(3)로부터의 고온 고압 증기는 증기 공급 파이프(75)와, 노즐 부재(77)에 축방향으로 형성한 제1증기통로(Sl)와, 노즐 부재(77), 조인트 부재(78, 78) 및 제1고정축(64)의 두께부(64a)를 반경 방향으로 관통하는 1쌍의 제2증기통로(S2, S2)에 공급된다. 도 6 및 도 7에 있어서, 로터(27)와 일체로 회전하는 회전축(21)이 소정의 위상에 도달하면, 로터 챔버(14)의 짧은 직경 위치로부터 화살표 R로써 나타내는 로터(27)의 회전 방향 진행 측에 있는 1쌍의 제3증기통로(S3, S3)가 1쌍의 제2증기통로(S2,S2)에 연통하고, 제2증기통로(S2, S2)의 고온 고압 증기가 상기 제3증기통로(S3, S3)를 경유해서 1쌍의 실린더(33, 33)의 내부에 공급되어, 피스톤(37, 37)을 반경 방향 외측으로 압압(押壓)한다. 이들 피스톤(37, 37)에 압압된 베인(44, 44)이 반경 방향 외측으로 이동하면, 베인(44, 44)에 설치한 1쌍의 롤러(45, 45)와 환상홈(49, 49)과의 걸림에 의해, 피스톤(37, 37)의 전진 운동이 로터(27)의 회전 운동으로 변환된다.
로터(27)의 화살표 R방향의 회전에 따라 제2증기통로(S2, S2)와 상기 제3증기통로(S3, S3)와의 연통이 차단된 후도, 실린더(33, 33) 내의 고온 고압 증기가 더욱 팽창을 계속함으로써 피스톤(37, 37)을 더욱더 전진시켜, 이것에 의해 로터(27)의 회전이 속행된다. 베인(44, 44)이 로터 챔버(14)의 긴 직경 위치에 도달하면, 대응하는 실린더(33, 33)에 연결되는 제3증기통로(S3, S3)가 제1고정축(64)의 노치 (64b, 64b)에 연통되고, 롤러(45, 45)를 환상홈(49, 49)에 안내한 베인(44, 44)에 압압된 피스톤(37, 37)이 반경 방향 내측으로 이동함으로써, 실린더(33, 33) 내의 증기는 제3증기통로(S3, S3), 노치(64b, 64b), 제4증기통로(S4, S4), 제5증기통로 (S5), 제6증기통로(S6) 및 통과 구멍(61c…)을 통과해서, 제1의 강온 강압 증기로 되어 중계 챔버(19)에 공급된다. 제1의 강온 강압 증기는, 증기 공급 파이프(75)로부터 공급된 고온 고압 증기가 피스톤(37, 37)을 구동하는 일을 종료하고 온도 및 압력이 저하된 것이다. 제1의 강온 강압 증기가 갖는 열 에너지 및 압력 에너지는 고온 고압 증기에 비교해서 저하되어 있지만, 여전히 베인(44…)을 구동하는 데에 충분한 열 에너지 및 압력 에너지를 가지고 있다.
중계 챔버(19) 내의 제1의 강온 강압 증기는 제1케이싱 반체(12)의 흡기 포트(79…)로부터 로터 챔버(14) 내의 베인 챔버(50), 즉 로터 챔버(14), 로터(27) 및 인접하는 1쌍의 베인(44, 44)에 의해 구획된 공간에 공급되어, 거기에서 더욱 팽창함으로써 로터(27)를 회전시킨다. 그리고 일을 종료해서 더욱 온도 및 압력이 저하된 제2의 강온 강압 증기는, 제2케이싱 반체(13)의 배기 포트(80…)로부터 배기 챔버(20)로 배출되고, 거기에서 배출구(17b)를 경유해서 응축기(5)로 공급된다.
이렇게, 고온 고압 증기의 팽창에 의해 12개의 피스톤(37…)을 잇달아 작동시켜서 롤러(45, 45) 및 환상홈(49, 49)을 통해 로터(27)를 회전시키고, 또한 고온 고압 증기가 강온 강압된 제1의 강온 강압 증기의 팽창에 의해 베인(44…)을 통해 로터(27)를 회전시킴으로써, 회전축(21)에서 출력을 얻을 수 있다.
이어서, 상기 팽창기(4)의 각각의 접동부의 물에 의한 윤활에 대해서 설명한다.
윤활용 물의 공급은 응축기(5)로부터의 물을 증발기(3)에 가압 공급하는 공급 펌프(6)(도 1참조)를 이용해서 실행되는 것으로, 공급 펌프(6)가 토출하는 물의 일부가 윤활용으로서 케이싱(11)의 제1물통로(Wl)에 공급된다. 이렇게 공급 펌프(6)를 팽창기(4)의 각각의 부분의 정압(靜壓) 축받이에의 물의 공급에 이용함으로써, 특별한 펌프가 불필요하게 되어서 부품 점수(点數)가 삭감된다.
제1물통로(Wl)에 공급된 물은 파이프로서 이루어지는 제2물통로(W2) 및 제3물통로(W3)를 경유해서 제1케이싱 반체(12) 및 제2케이싱 반체(13)의 원형 밀봉 홈 (51, 51)의 저부(底部)의 압력실(86, 86)에 공급되어, 링 밀봉(54, 54)을 로터(27)의 측면을 향해서 힘을 가한다. 또한 제1물통로(Wl)로부터 파이프로서 이루어지는 제4물통로(W4)에 공급된 물은 필터(90)로써 이물질을 여과시킨 후에, 제2케이싱 반체(13)에 형성된 제5물통로(W5), 제2케이싱 반체(13) 및 회전축(21) 사이에 형성된 제6물통로(W6), 회전축(21) 내에 형성된 제7물통로(W7…), 회전축(21)의 환상홈 (21d) 및 로터 코어(31)에 형성된 제8물통로(W8…)에 공급되고, 거기에서 로터(27)의 회전에 따르는 원심력으로써 더욱 가압되어서 로터 세그먼트(32…)의 오리피스 형성 부재(41…)에 공급된다.
각각의 로터 세그먼트(32)에 있어서, 오리피스 형성 부재(41)를 통과해서 저판(40)의 제14물통로(W14)에 유출된 물은, 측판(39)의 제22물통로(W22)를 통과해서 윤활수 분출구(39a…)로부터 분출되고, 오리피스 형성 부재(41)를 통과해서 저판 (40)의 제17물통로(W17)에 유출된 물은, 블록 부재(38)의 제21물통로(W21) 및 측판 (39)의 제25물통로(W25)를 통과해서 윤활수 분출구(39a…)로부터 분출하며, 오리피스 형성 부재(41)를 통과해서 저판(40)의 제18물통로(W18)에 유출된 물은, 측판 (39)의 제26물통로(W26)를 통과해서 윤활수 분출구(39a…)로부터 분출하고, 오리피스 형성 부재(41)를 통과해서 저판(40)의 제19물통로(W19)에 유출된 물은, 측판 (39)의 제27물통로(W27)를 통과해서 윤활수 분출구(39a…)로부터 분출된다. 측판 (39)의 표면에 개구하는 상기 4개의 윤활수 분출구(39a…) 중, 하측의 2개는 베인 (44)의 홈(44e, 44e) 내에 연통된다.
오리피스 형성 부재(41)를 통과해서 저판(40)의 제15물통로(W15)에 유출된 물은, 측판(39)의 제23물통로(W23) 및 블록 부재(38)의 제29물통로(W29)를 통과해서 홈(38c) 내의 윤활수 분출구(38e)로부터 분출되고, 오리피스 형성 부재(41)를 통과해서 저판(40)의 제16물통로(W16)에 유출된 물은, 블록 부재(38)의 제20물통로 (W20), 측판(39)의 제24물통로(W24) 및 블록 부재(38)의 제28물통로(W28)를 통과해서 홈(38b) 내의 윤활수 분출구(38d)로부터 분출된다.
그러나, 각각의 로터 세그먼트(32)의 측판(39)의 윤활수 분출구(39a…)로부터 베인 홈(43) 내에 분출된 물은, 베인 홈(43)에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 베인(44)과의 사이에 정압 축받이를 구성해서 그 베인(44)을 부동(浮動) 상태로 지지하고, 로터 세그먼트(32)의 측판(39)과 베인(44)과의 고체 접촉을 방지해서 늘어붙음 및 마모의 발생을 방지한다. 이렇게, 베인(44)의 접동면을 윤활하는 물을 로터(27)의 내부에 방사상으로 설치한 제8물통로(W8)를 통해서 공급함으로써, 물을 원심력으로써 가압할 수 있을 뿐만 아니라, 로터(27) 주변의 온도를 안정시켜서 열팽창에 의한 영향을 적게 하고, 설정된 클리어런스를 유지해서 증기의 누출을 최소한으로 억제할 수 있다.
그런데, 각각의 베인(44)에 가해지는 원주 방향의 하중(판 형상의 베인(44)에 대하여 직교하는 방향의 하중)에는, 로터 챔버(14) 내의 베인(44)의 전후면에 가해지는 증기압의 차압(差壓)에 의한 하중과, 베인(44)에 설치된 롤러(45, 45)가 환상홈(49, 49)으로부터 받는 반력(反力)의 상기 원주 방향의 성분과의 합력(合力)이 되지만, 그것들의 하중은 로터(27)의 위상에 따라서 주기적으로 변화된다. 따라서, 이 편중 하중을 받은 베인(44)은 베인 홈(43) 내에서 기우는 것 같은 거동(擧動)을 주기적으로 나타내게 된다.
이렇게 하여 상기 편중 하중으로 베인(44)이 기울면, 양측의 로터 세그먼트 (32)의 측판(39, 39)에 개구하는 각각 4개의 윤활수 토출 구멍(39a…)과 베인(44)과의 간극(間隙)이 변화되기 때문에, 간극이 확장된 부분의 수막(水膜)이 유실되어 버리고, 또한 간극이 협소해진 부분에 물이 공급되기 어려워지기 때문에 접동부에 압력이 올라가지 않게 되어, 베인(44)이 측판(39, 39)의 접동면에 직접 접촉해서 마모가 발생할 가능성이 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면, 로터 세그먼트(32)에 설치한 오리피스 형성 부재(41)에 의해 윤활수 토출 구멍(39a…)에 오리피스를 통해서 물이 공급되기 때문에, 상기 문제가 해소된다.
즉, 윤활수 토출 구멍(39a…)과 베인(44)과의 간극이 확장된 경우, 물의 공급 압력이 일정하므로, 정상 상태에서 오리피스 전후에 발생하는 일정한 차압에 대하여, 상기 간극으로부터의 유출량의 증대에 의해 물의 유량이 증대함으로써, 오리피스 효과로써 오리피스 전후의 차압이 증대해서 상기 간극의 압력이 감소하는 것으로 되고, 그 결과, 확장된 간극을 좁혀서 원래 상태로 되돌리는 힘이 발생한다. 또한 윤활수 토출 구멍(39a…)과 베인(44)과의 간극이 좁혀진 경우, 상기 간극으로부터의 유출량이 감소해서 오리피스 전후의 차압이 감소하기 때문에, 그 결과, 상기 간극의 압력이 증대해서 좁아진 간극을 벌려서 원래 상태로 되돌리는 힘이 발생한다.
이렇게, 베인(44)에 가해지는 하중으로써 윤활수 토출 구멍(39a…)과 베인 (44)과의 간극이 변화되어도, 그 간극의 크기의 변화에 따라서 그 간극에 공급되는 물의 압력을 오리피스가 자동적으로 조정하므로, 베인(44) 및 양측의 로터 세그먼트 (32)의 측판(39, 39) 사이의 클리어런스를 원하는 크기로 안정되게 유지할 수 있다. 이것에 의해, 베인(44) 및 측판(39, 39) 사이에 항상 수막을 유지해서 베인 (44)을 부동 상태로 지지하고, 베인(44)이 측판(39, 39)의 접동면에 고체 접촉해서 마모가 발생하는 것을 확실하게 회피할 수 있다.
또한 베인(44)의 양면에 각각 2개씩 형성된 홈(44e, 44e)에 물이 유지되기 때문에, 이 홈(44e, 44e)이 압력의 잔류로 되어서 물의 누출에 의한 압력 저하를 억제한다. 그 결과, 1쌍의 측판(39, 39)의 접동면에 끼워진 베인(44)이 물에 의해 부동 상태로 되어, 미끄럼 운동 저항을 전무에 가까운 상태까지 저감하는 것이 가능하게 된다. 또한 베인(44)이 왕복 운동하면 로터(27)에 대한 베인(44)의 반경 방향의 상대 위치가 변화되지만, 상기 홈(44e, 44e)은 측판(39, 39) 측이 아니고 베인(44) 측에 설치되어 있고, 또한 베인(44)에 하중이 가장 많이 걸리는 롤러(45, 45)의 근방에 설치되어 있기 때문에, 왕복 운동하는 베인(44)을 항상 부동 상태로 유지해서 미끄럼 운동 저항을 효과적으로 저감하는 것이 가능하게 된다.
한편, 측판(39, 39)에 대한 베인(44)의 접동면을 윤활시킨 물은 원심력으로 반경 방향 외측으로 이동하여, 베인(44)의 원호면(44b)에 설치한 밀봉 부재(46)와 로터 챔버(14)의 원호면(14b)과의 접동부를 윤활시킨다. 그리고 윤활을 종료한 물은, 로터 챔버(14)로부터 배기 포트(80…)를 통해서 배출된다.
전술한 바와 같이, 제1케이싱 반체(12) 및 제2케이싱 반체(13)의 원형 밀봉 홈(51, 51)의 저부의 압력실(86, 86)에 물을 공급해서 링 밀봉(54, 54)을 로터(27)의 측면을 향해서 힘을 가하고, 또한 각각의 로터 세그먼트(32)의 홈(38b, 38c)의내부에 형성한 윤활수 분출구(38d, 38e)로부터 물을 분출해서 로터 챔버(14)의 평탄면(14a, 14a)과의 접동면에 정압 축받이를 구성함으로써, 원형 밀봉 홈(51, 51)의 내부에서 부동 상태로 있는 링 밀봉(54, 54)으로써 로터(27)의 평탄면(27a, 27a)을 밀봉할 수 있고, 그 결과 로터 챔버(14) 내의 증기가 로터(27)와의 간극을 통해서 누출하는 것을 방지할 수 있다. 이 때, 링 밀봉(54, 54)과 로터(27)는 윤활수 분출구(38d, 38e)로부터 공급된 수막으로써 격리되어져서 고체 접촉하는 일이 없고, 또한 로터(27)가 기울어도, 거기에 추종해서 원형 밀봉 홈(51, 51) 내의 링 밀봉(54, 54)이 기울게 되어, 마찰력을 최소한으로 억제하면서 안정된 밀봉 성능을 확보할 수 있다.
또한, 링 밀봉(54, 54)과 로터(27)와의 접동부를 윤활시킨 물은, 원심력으로써 로터 챔버(14)에 공급되고, 거기에서 배기 포트(80…)를 경유해서 케이싱의 외부로 배출된다.
한편, 제6물통로(W6)로부터 공급된 물은, 베어링 부재(23)의 오리피스 형성 볼트(91…)의 외주에 형성된 오리피스 및 제12물통로(W12…)를 경유해서, 베어링 부재(23) 내주 및 회전축(21) 외주의 접동면에 수막을 형성하고, 그 수막에 의해 회전축(21)의 우반부(右半部)의 외주를 부동 상태로 지지함으로써, 회전축(21)과 베어링 부재(23)와의 고체 접촉을 방지해서 늘어붙음이나 마모가 발생하지 않도록 윤활시킨다. 제6물통로(W6)로부터 회전축(21)에 형성된 제7물통로(W7…), 제9물통로(W9…), 제10물통로(WlO…) 및 제11물통로(Wll)에 공급된 물은, 베어링 부재(22)의 오리피스 형성 볼트(91…)의 외주에 형성된 오리피스 및 제12물통로(W12…)를경유하고, 베어링 부재(22) 내주 및 회전축(21) 외주의 접동면에 수막을 형성하여, 그 수막에 의해 회전축(21)의 좌반부(左半部)의 외주를 부동 상태로 지지함으로써, 회전축(21)과 베어링 부재(22)와의 고체 접촉을 방지해서 늘어붙음이나 마모가 발생하지 않도록 윤활시킨다. 양쪽 베어링 부재(22, 23)의 접동면을 윤활시킨 물은, 그 내부에 형성된 제13물통로(W13…)를 경유해서 베인 홈(43…)에 배출된다.
또한, 베인 홈(43…)에 잔류한 물은 베인(44…)의 저부와 베인(44…)의 일측면을 접속하는 물 배출 통로(44g…)에 유입되지만, 이 물 배출 통로(44g…)는 베인 (44…)이 로터(27)로부터 가장 돌출하는 소정의 각도 범위에서 로터 챔버(14)에 개구하기 때문에, 베인 홈(43…)과 로터 챔버(14)와의 압력차에 의해 베인 홈(43…) 내의 물은 물 배출 통로(44g…)를 경유해서 로터 챔버(14)에 배출된다.
또한 제6물통로(W6)로부터 회전축(21)에 형성된 제30물통로(W30…)를 경유해서 공급된 물은, 제1고정축(64) 외주 및 회전축(21) 내주의 접동면의 우반부를 윤활시키고, 제1고정축(64)의 밀봉 홈(64c)으로부터 제31물통로(W31, W31)를 경유해서 제5증기통로(S5)에 배출된다. 또한, 상기 제11물통로(Wll)로부터의 물은, 제1고정축 (64) 외주 및 회전축(21) 내주의 접동면의 좌반부를 윤활시키고, 제1고정축(64)의 밀봉 홈(64d)으로부터 제31물통로(W31)를 경유해서 제5증기통로(S5)에 배출된다.
이상과 같이, 팽창기(4)의 로터(27)를 로터 코어(31)와 복수의 로터 세그먼트 (32…)로 분할해서 구성했으므로, 로터(27)의 베인 홈(43…)의 치수 정밀도를 용이하게 높일 수 있다. 즉, 단체(單體)의 로터(27)에 있어서 베인 홈(43…)의 홈폭을 정밀도 좋게 가공해서 접동면의 면 조도(粗度)를 높이는 것은 매우 곤란하지만, 미리 제작한 복수의 로터 세그먼트(32…)를 로터 코어(31)에 붙힘으로써 상기 문제를 해결할 수 있다. 게다가 복수의 로터 세그먼트(32…)의 붙임에 의해 오차가 집적되어도, 최후의 1개의 로터 세그먼트(32)의 치수를 조정함으로써 상기 오차의 집적을 흡수해서 전체로서 고정밀도의 로터(27)를 얻을 수 있다.
또한 고온 고압 증기가 공급되는 내측의 로터 코어(31)와, 비교적으로 저온인 외측의 로터 세그먼트(32…)를 별개의 부재로 구성했으므로, 고온의 로터 코어(31)로부터 로터 세그먼트(32…)에의 열전도를 억제할 수 있고, 로터(27) 외부에의 열의 방산을 방지해서 열효율을 높이는 것이 가능하게 될 뿐만 아니라, 로터(27)의 열변형을 완화해서 정밀도를 높일 수 있다. 게다가 로터 코어(31) 및 로터 세그먼트 (32…)의 각각의 기능에 알맞는 재질이나 가공 방법을 선택할 수 있으므로 설계 자유도나 가공 방법의 자유도가 증가하고, 로터 세그먼트(32…) 및 베인(44…)의 접동면의 마모 경감, 내구성의 향상, 밀봉성의 향상을 도모할 수 있다. 또한 로터(27)의 일부에 문제가 생겼을 경우라도, 그 일부를 교환하는 것만으로 보수할 수 있으므로, 로터(27) 전체를 교환 혹은 폐기하는 경우에 비교해서 비용의 삭감에 기여할 수 있다.
이상 설명한 실시예 이외에도, 피스톤(37…)의 전진 운동을 로터(27)의 회전 운동으로 변환시키는 구성으로서, 베인(44…)을 사이에 끼우지 않고, 피스톤(37…)의 전진 운동을 직접 롤러(45…)에서 받아, 환상홈(49, 49)과의 걸어 맞춤으로써 회전 운동으로 변환시킬 수도 있다. 또한 베인(44…)도 롤러(45…)와 환상홈(49,49)과의 협동에 의해, 상기와 같이 로터 챔버(14)의 내주면에서 대략 일정한 간격으로서 항상 떨어져 있다면 좋고, 피스톤(37…) 및 롤러(45…)가, 또한 베인(44…) 및 롤러 (45…)가, 각각 독립해서 환상홈(49, 49)과 협동해도 좋다.
상기 팽창기(4)를 압축기로서 사용할 경우에는, 회전축(21)에 의해 로터(27)를 도 4의 화살표 R방향 반대로 회전시켜서, 유체로서의 외기를 베인(44…)에 의해 배기 포트(80…)로부터 로터 챔버(14) 내에 흡입해서 압축하고, 이렇게 해서 얻어진 저압축 공기를 흡기 포트(79…)로부터 중계 챔버(19), 통과 구멍(61c…), 제6증기통로(S6), 제5증기통로(S5, S5), 제4증기통로(S4, S4), 제1고정축(64)의 노치(64b, 64b) 및 제3증기통로(S3…)를 경유해서 실린더(33…) 내로 흡입하고, 거기에서 피스톤(37…)에 의해 압축해서 고압축 공기로 한다. 이렇게 해서 얻어진 고압축 공기는, 실린더(33…)로부터 제3증기통로(S3…), 제2증기통로(S2, S2), 제1증기통로 (Sl) 및 증기 공급 파이프(75)를 경유해서 배출된다. 또한, 팽창기(4)를 압축기로서 사용하는 경우에는, 상기 증기통로(Sl∼S5) 및 증기 공급 파이프(75)는, 각각 공기통로(Sl∼S5) 및 공기 공급 파이프(75)로 변경하여 읽는 것으로 한다.
이상 설명한 팽창기(4)에서는, 실린더(33…) 및 피스톤(37…)으로서 구성되는 제1에너지 변환 수단과, 베인(44…)으로서 구성되는 제2에너지 변환 수단이 공통의 로터(27)에 설치되어 있으며, 직렬로 접속된 제1, 제2에너지 변환 수단의 협동에 의해 고온 고압 증기의 에너지를 기계 에너지로서 회전축(21)에 취출하도록 되어 있다. 따라서, 제1에너지 변환 수단이 출력하는 기계 에너지와 제2에너지 변환 수단이 출력하는 기계 에너지를 로터(27)를 통해서 자동적으로 통합할 수 있고,기어 등의 동력 전달 수단을 갖는 특별한 에너지 통합 수단이 불필요하게 된다.
제1에너지 변환 수단은 작동 유체의 밀봉이 용이하고 누출이 발생하기 어려운 실린더(33…) 및 피스톤(37…)의 조합으로서 이루어지기 때문에, 고온 고압 증기의 밀봉성을 높여서 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 한편, 제2에너지 변환 수단은 로터(27)에 방사 방향 이동이 자유롭게 지지된 베인(44…)으로서 이루어지기 때문에, 베인(44…)에 가해지는 증기압이 직접 로터(27)의 회전 운동으로 변환되어, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키기 위한 특별한 변환 기구가 불필요하게 되어서 구조가 간략화된다. 게다가 저압에서 대 유량의 증기를 효과적으로 기계 에너지로 변환시킬 수 있는 제2에너지 변환 수단을 제1에너지 변환 수단의 외주를 둘러싸도록 배치하였으므로, 팽창기(4) 전체의 치수를 콤팩트(compact)화할 수 있다.
실린더(33…) 및 피스톤(37…)으로서 이루어지는 제1에너지 변환 수단은 고온 고압 증기를 작동 유체로 했을 경우에 압력 에너지 및 기계 에너지 간의 변환 효율이 높고, 또한 베인(44…)으로서 이루어지는 제2에너지 변환 수단은 비교적으로 저온 저압의 증기를 작동 유체로 했을 경우에서도 압력 에너지 및 기계 에너지 간의 변환 효율이 높다고 하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 제1, 제2에너지 변환 수단을 직렬로 접속하고, 우선 고온 고압 증기를 제1에너지 변환 수단을 통과시켜서 기계 에너지로 변환시키고, 그 결과로서 압력이 저하된 제1의 강온 강압 증기를 제2에너지 변환 수단을 통과시켜서 다시 기계 에너지로 변환시킴으로써, 당초의 고온 고압 증기에 포함되는 에너지를 남기는 일 없이 효과적으로 기계 에너지로 변환시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 팽창기(4)를 압축기로서 사용하는 경우에서도, 외부로부터의 기계 에너지로써 로터(27)를 회전시켜서 로터 챔버(14)에 흡입한 공기를, 비교적으로 저온 저압의 작동 유체로도 효과적으로 작동하는 제2에너지 변환 수단으로써 압축하여 승온시켜, 그 압축·승온된 공기를, 비교적으로 고온 고압의 작동 유체에 의해 효과적으로 작동하는 제1에너지 변환 수단으로써 더욱 압축해서 승온시킴으로써, 기계 에너지를 압축 공기의 압력 에너지(열 에너지)로 효율적으로 변환시킬 수 있다. 그리하여, 실린더(33…) 및 피스톤(37…)으로서 이루어지는 제1에너지 변환 수단과 베인(44…)으로서 이루어지는 제2에너지 변환 수단을 조합함으로써, 양자의 특징을 겸비한 고성능의 회전 유체기계를 얻을 수 있다.
또한 로터(27)의 축선 L(즉 회전축(21)의 축선 L)이 로터 챔버(14)의 중심에 일치하고 있으며, 또한 도 4 및 도 5에서 로터(27)를 상하 좌우로 90° 씩 4분할했을 때, 회전 축선 L에 대하여 점대칭인 오른쪽 위의 4반부(半部)와 왼쪽 아래의 4반부에서 압력 에너지로부터 기계 에너지에의 변환이 실행되기 때문에, 로터(27)에 편중 하중이 가해지는 것을 방지해서 진동의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 작동 유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 부분, 혹은 기계 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환시키는 부분이, 로터(27)의 축선 L을 중심으로 해서 180° 어긋난 2개소에 배치되므로, 로터(27)에 가해지는 하중이 우력(偶力)으로 되어서 원활한 회전이 가능하게 되고, 게다가 흡기 타이밍 및 배기 타이밍의 효율화를 도모할 수 있다.
그리하여, 본 실시예에서는 내연 기관(1)의 배기 가스의 열 에너지로써 물을 가열해서 고온 고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 증발기(3)로부터 공급된 고온 고압 증기를 일정 토크(torque)의 축 출력으로 변환시키는 팽창기(4)와, 팽창기(4)가 배출한 강온 강압 증기를 액화시키는 응축기(5)와, 응축기(5)에서 액화된 물을 증발기(3)에 공급하는 공급 펌프(6)로서 구성되는 랭킨 사이클(Rankine cycle)에 있어서, 그 팽창기(4)로서 용적형의 것을 채용하고 있다. 이 용적형의 팽창기(4)는, 터빈과 같은 비용적형의 팽창기에 비교해서, 저속으로부터 고속까지의 넓은 회전수 영역에 있어서 높은 효율로 에너지 회수를 실행하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 내연 기관(1)의 회전수의 증감에 따르는 배기 가스의 열 에너지의 변화(배기 가스의 온도 변화나 유량 변화)에 대한 추종성이나 응답성에도 우수하다. 게다가 팽창기(4)를, 실린더(33…) 및 피스톤(37…)으로서 구성되는 제1에너지 변환 수단과, 베인(44…)으로서 구성되는 제2에너지 변환 수단을 직렬로 접속해서 반경 방향 내외에 배치한 2중 팽창형으로 했으므로, 팽창기(4)를 소형 경량화해서 공간 효율의 향상을 도모하면서 랭킨 사이클에 의한 열 에너지의 회수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 상술했지만, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 설계 변경을 실행하는 것이 가능하다.
예를 들면, 실시예의 팽창기(4)에서는, 우선 제1에너지 변환 수단인 실린더 (33…) 및 피스톤(37…)에 고온 고압 증기를 공급한 후에, 그것이 강온 강압된 제1의 강온 강압 증기를 제2에너지 변환 수단인 베인(44…)에 공급하고 있지만, 예를들면, 도 3에서 나타내는 제1에너지 변환 수단으로부터의 제1의 강온 강압 증기를 배출하는 제6증기통로(S6)와, 중계 챔버(19)를 연통 또는 비연통으로 하고, 또한 중계 챔버(19)에 중계 챔버 외벽(16)을 통해서 제2에너지 변환 수단에 독립해서 증기를 개별로 공급 가능하게 하는 수단을 구성함으로써, 제1, 제2에너지 변환 수단에 각각 온도 및 압력이 상이한 증기를 개별로 공급해도 좋다. 또한, 제1, 제2에너지 변환 수단의 각각 온도 및 압력이 상이한 증기를 개별로 공급하는 동시에, 제1에너지 변환 수단을 통과해서 강온 강압된 증기를 또한 제2에너지 변환 수단에 공급해도 좋다.
본 발명에 관련되는 회전 유체기계는, 랭킨 사이클 장치의 팽창기로서 사용하는데에 적합하지만, 다른 임의의 용도의 팽창기나, 다른 임의의 용도의 압축기로서 이용하는 것도 가능하다.

Claims (1)

  1. 적어도 제1에너지 변환 수단 및 제2에너지 변환 수단을 구비하고, 압력 에너지를 갖는 작동 유체를 제1, 제2에너지 변환 수단에 입력해서 상기 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2에너지 변환 수단이 각각 발생한 기계 에너지를 통합해서 출력하는 팽창기(4)로서 기능하는 것이 가능하고,
    또한 기계 에너지를 제1, 제2에너지 변환 수단에 입력해서 상기 기계 에너지를 압력 에너지로 변환시킴으로써, 제1, 제2에너지 변환 수단이 각각 발생한 작동 유체의 압력 에너지를 통합해서 출력하는 압축기로서 기능하는 것이 가능한 회전 유체기계로서,
    상기 제1에너지 변환 수단은 로터 챔버(rotor chamber)(14) 내에 회전이 자유롭게 수납된 로터(27)에 방사상으로 지지된 실린더(33)와, 이 실린더(33)에 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 피스톤(37)을 구비하고, 상기 제2에너지 변환 수단은 로터(27)에 방사상으로 형성된 베인 홈(43)과, 이 베인 홈(43)에 미끄럼 운동이 자유롭게 지지되어서 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 베인 (vane)(44)을 구비한 것에 있어서,
    상기 로터(27)는 회전축(21)에 지지되어서 실린더(33)를 수납하는 로터 코어(rotor core)(31)와, 원주 방향으로 분할되어서 로터 코어(31)의 외주를 둘러싸도록 고정된 로터 세그먼트(rotor segment)(32)로서 구성되어, 인접하는 로터 세그먼트(32) 사이에 베인(44)을 미끄럼 운동이 자유롭게 지지하는 베인 홈(43)을 형성한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.
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