KR20030066603A - 회전 유체기계 - Google Patents

Abstract

피스톤(41)의 왕복 운동과 로터(31)의 회전 운동을 롤러(59) 및 환상 홈(60)의 걸어 맞춤에 의해서 상호 변환하는 회전 유체기계에 있어서, 환상 홈(60)에 걸어 맞추어지는 롤러(59)가 받는 피스톤(41)의 압력 하중의 정의 피크 부분의 값과 원심력 하중의 정의 피크 부분의 값이 대략 일치하고, 또한 상기 2개의 피크 부분의 위상이 편이되도록 한다. 또한 롤러(59)가 받는, 베인(42)이 아래로 누르는 하중의 부의 피크 부분의 위상과, 피스톤(41)의 압력 하중의 정의 피크 부분의 위상을 적어도 일부가 겹치도록 한다. 이에 따라서, 롤러(59)의 토털 하중의 피크 값 및 하중 변동량을 작게 억제하고, 롤러(59)의 내구성의 향상을 도모할 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 지지 링을 배치하고, 이 베인 지지 링에 반경 방향으로 접동(摺動)할 수 있게 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 의해서 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한 내측 캠 링 및 베인 지지 링 사이에서 베인에 의해서 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 접동할 수 있게 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 의해서 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소되어서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한 내측 캠 링 및 중간 실린더 사이에서 베인에 의해서 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소되어서 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.

또한 일본 특개소64-29676호공보에는 레이디얼 플런저 펌프가 기재되어 있다. 이 것은, 원형의 캠 링의 내부에 편심시켜서 배치한 로터(rotor)에 복수의 실린더를 방사상(放射狀)으로 형성하고, 이들 실린더에 접동할 수 있게 끼워 맞추는 플런저의 선단을 캠 링의 내주면에 맞닿게 해서 왕복 운동시킴으로써 펌프로서 작동시키도록 되어 있다.

그런데, 회전 유체기계의 하나의 형태로서, 로터에 방사상으로 배치한 복수의 실린더에 각각 피스톤을 접동할 수 있게 지지하고, 이들 피스톤에 설치한 롤러 (roller)를 케이싱(casing)의 내주면에 형성한 타원형의 환상(環狀) 홈에 걸어 맞추어서, 피스톤의 왕복 운동과 로터의 회전 운동을 롤러 및 환상 홈의 걸어 맞춤에 의해서 상호 변환함으로써, 실린더에 출입하는 작동 유체의 압력 에너지와 로터를 회전시키는 기계 에너지를 상호 변환하는 것을 고려할 수 있다.

이러한 회전 유체기계의 롤러는, 피스톤에 작용하는 작동 유체의 압력이나 원심력에 의해서 환상 홈에 꽉 눌려지므로, 환상 홈으로부터의 반력(反力)을 반복해서 받은 롤러의 내구성이 저하할 가능성이 있다.

본 발명은, 팽창기 혹은 압축기로서 사용 가능한 회전 유체기계에 관한 것이다.

도 1∼도 15는 본 발명의 하나의 실시예를 나타내는 것으로서,

도 1은 내연기관의 폐열 회수장치의 개략도.

도 2는 도 5의 2-2선에서 본 단면도에 상당하는 팽창기의 종단면도.

도 3은 도 2의 회전 축선 주변의 확대 단면도.

도 4는 도 2의 4-4선에서 본 단면도.

도 5는 주요부를 확대한 도 2의 5-5선에서 본 단면도.

도 6은 로터 챔버 및 로터의 단면 형상을 나타내는 설명도.

도 7은 베인 본체의 정면도.

도 8은 베인 본체의 측면도.

도 9는 도 7의 9-9선에서 본 단면도.

도 10은 밀봉 부재의 정면도.

도 11은 도 4의 회전 축선 주변의 확대도.

도 12A는 본 실시예의 케이싱의 환상 홈의 형상을 나타내는 도면이고, 도12B는 종래예의 케이싱의 환상 홈의 형상을 나타내는 도면.

도 13A는 본 실시예의 로터 챔버의 내주면의 형상 및 흡기·배기의 타이밍을 나타내는 도면이고, 도 13B는 종래예의 로터 챔버의 내주면의 형상 및 흡기·배기의 타이밍을 나타내는 도면.

도 14는 흡기개시 각도와 팽창비와의 관계를 나타내는 그래프.

도 15는 본 실시예의 롤러의 위상과 하중과의 관계를 나타내는 그래프.

도 16은 종래예의 롤러의 위상과 하중과의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 피스톤의 왕복 운동과 로터의 회전 운동을 롤러 및 환상 홈의 걸어 맞춤에 의해서 상호 변환하는 회전 유체기계에 있어서, 롤러가 받는 하중을 경감해서 내구성의 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1특징에 의하면, 로터 챔버를 갖는 케이싱과, 로터 챔버의 내부에 회전할 수 있게 수용된 로터와, 로터에 방사 방향으로 설치된 실린더와, 실린더내를 접동하는 피스톤과, 피스톤에 연동해서 이동하는 롤러와, 롤러를 안내하기 위해서 케이싱에 형성된 비원형의 환상 홈을 구비하고, 롤러 및 환상 홈의 걸어 맞춤에 의해서 피스톤의 왕복 운동과 로터의 회전 운동을 상호 변환함으로써, 실린더에 출입하는 작동 유체의 압력 에너지와 로터를 회전시키는 기계 에너지를 상호 변환 가능한 회전 유체기계로서, 롤러가 받는 피스톤의 압력 하중의 정(正)의 피크 부분의 값과, 롤러가 받는 원심력 하중의 정의 피크 부분의 값이 대략 일치하고, 또한 상기 2개의 피크 부분의 위상이 편이되도록 설정함으로써, 롤러가 받는 피스톤의 압력 하중 및 원심력 하중의 합력(合力)의 피크 값 및 변동량을 작게 억제한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계가 제안되어 있다.

상기 구성에 의하면, 피스톤의 왕복 운동과 로터의 회전 운동을 롤러 및 환상 홈의 걸어 맞춤에 의해서 상호 변환하는 회전 유체기계에 있어서, 롤러가 받는 피스톤의 압력 하중의 정의 피크 부분의 값과, 롤러가 받는 원심력 하중의 정의 피크 부분의 값이 대략 일치하고, 또한 상기 2개의 피크 부분의 위상이 편이되도록 설정했으므로, 롤러가 받는 피스톤의 압력 하중 및 원심력 하중의 합력의 피크 값 및 변동량을 작게 억제하여, 롤러의 내구성의 향상을 도모할 수 있다.

또한 본 발명의 제2특징에 의하면, 상기 제1특징에 추가하여, 롤러에 연동해서 로터로부터 방사 방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버의 내주면에 미끄러질 수 있게 접하는 베인을 구비하고, 인접하는 1쌍의 베인, 로터 챔버 및 로터에 의해서 구획되는 베인 챔버에 출입하는 작동 유체의 압력 에너지와 로터를 회전시키는 기계 에너지를 상호 변환 가능하고, 롤러가 받는, 베인이 아래로 누르는 하중의 부(負)의 피크 부분의 위상과, 롤러가 받는 피스톤의 압력 하중의 정의 피크 부분의 위상이, 적어도 일부가 겹치도록 설정한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계가 제안되어 있다.

상기 구성에 의하면, 롤러가 받는, 베인이 아래로 누르는 하중의 부의 피크 부분의 위상과, 롤러가 받는 피스톤의 압력 하중의 정의 피크 부분의 위상이, 적어도 일부가 겹치도록 설정했으므로, 정의 값의 피스톤의 압력 하중을 부의 값의 베인의 아래로 누르는 하중으로써 상쇄하여 롤러가 받는 하중의 피크 값을 낮출 수 있다.

또한, 실시예의 실린더 부재(39)는 본 발명의 실린더에 대응한다.

도 1에 있어서, 내연기관(1)의 폐열 회수장치(2)는, 내연기관(1)의 폐열, 예로서 배기 가스를 열원으로 하여, 고압 상태의 액체, 예로서 물로부터 온도상승이 실행된 고압 상태의 증기, 즉, 고온 고압 증기를 발생하는 증발기(3)와, 그 고온 고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생하는 팽창기(4)와, 그 팽창기(4)로부터 배출되는, 상기 팽창후의 온도 및 압력이 강하한 증기, 즉, 강온 강압 증기를 액화하는 응축기(5)와, 응축기(5)로부터의 액체, 예로서 물을 증발기(3)에 가압 공급하는 공급 펌프(6)를 구비하고 있다.

팽창기(4)는 특수한 구조를 갖는 것으로서, 다음과 같이 구성된다.

도 2∼도 5에 있어서, 케이싱(7)은 금속제의 제1, 제2반체(半體)(8, 9)로써 구성된다.

양쪽 반체(8, 9)는, 대략 타원형의 오목부(10)를 갖는 주체(主體)(11)와, 이들 주체(11)와 일체인 원형 플랜지(flange)(12)로 구성되고, 양쪽 원형 플랜지(12)를 금속 개스킷(gasket)(13)을 사이에 끼워서 겹쳐 맞춤으로써 대략 타원형의 로터 챔버(14)가 형성된다. 또한 제1반체(8)의 주체(11) 외면은, 셸(shell)형 부재(15)의 깊은 사발 형상을 이루는 주체(16)에 의해서 피복되어 있고, 그 주체(16)와 일체인 원형 플랜지(17)가 제1반체(8)의 원형 플랜지(12)에 개스킷(18)을 사이에 끼워서 겹쳐 맞추어지고, 3개의 원형 플랜지(12, 12, 17)는, 그것들의 원주 방향의 복수 개소에서 볼트(19)에 의해서 체결된다. 이에 따라서, 셸형 부재(15) 및 제1반체(8)의 양쪽 주체(11, 16)사이에는 중계 챔버(20)가 형성된다.

양쪽 반체(8, 9)의 주체(11)는, 그것들의 외면에 외측 방향으로 돌출된 중공(中空) 베어링 통(21, 22)을 구비하여, 이들 중공 베어링 통(21, 22)에, 로터 챔버(14)를 관통하는 중공의 출력축(出力軸)(23)의 대직경부(大直徑部)(24)가 베어링 메탈(또는 수지제 베어링)(25)을 사이에 끼워서 회전 가능하게 지지된다. 이에 따라서 출력축(23)의 축선 L은 대략 타원형을 이루는 로터 챔버(14)에 있어서의 긴 직경과 짧은 직경과의 교점을 통과한다. 또한 출력축(23)의 소직경부(小直徑部) (26)는, 제2반체(9)의 중공 베어링 통(22)에 존재하는 구멍부(27)로부터 외부에 돌출해서 전동축(28)과 스플라인 결합(29)을 통해서 연결된다. 소직경부(26) 및 구멍부(27) 사이는 2개의 밀봉 링(30)에 의해서 밀봉된다.

로터 챔버(14)내에 원형의 로터(31)가 수용되고, 그 중심의 축 부착 구멍 (32)과 출력축(23)의 대직경부(24)가 맞물리는 관계로 되어 있어서, 양자(31, 24) 사이에는 맞물림 결합부(33)가 형성되어 있다. 이에 따라서 로터(31)의 회전 축선은 출력축(23)의 축선 L과 합치하므로, 그 회전 축선의 부호로서「L」을 공용한다.

로터(31)에, 그 회전 축선 L을 중심으로 축 부착 구멍(32)으로부터 방사상으로 연장되는 복수의, 본 실시예에서는 12개의 슬롯(slot) 형상의 공간(34)이 원주상(圓周上)에 등간격으로 형성되어 있다. 각각의 공간(34)은, 원주 방향 폭이 좁고, 또한 로터(31)의 양 단면(35) 및 외주면(36)에 일련으로 개구되도록, 양 단면 (35)에 직교하는 가상 평면내에 있어서 대략 U자형을 이루고 있다.

각각의 슬롯 형상 공간(34)내에, 동일 구조의 제1∼제12베인 피스톤 유닛 Ul∼U12가, 다음과 같이 방사 방향으로 자유롭게 왕복 운동할 수 있도록 장착된다. 대략 U자형의 공간(34)에 있어서, 그 내주측을 구획하는 부분(37)에 단차(段差)가 형성된 구멍(38)이 형성되고, 그 단차가 형성된 구멍(38)에, 세라믹(또는 카본)으로 구성되는 단차가 형성된 타입의 실린더 부재(39)가 끼워 넣어진다. 실린더 부재 (39)의 소직경부 a 단면은 출력축(23)의 대직경부(24) 외주면에 맞닿고, 그 소직경 구멍 b가 대직경부(24) 외주면으로 개구되는 통과 구멍 c에 연통된다. 또한 실린더 부재(39)의 외측에, 그 부재(39)와 동축상에 위치하도록 가이드 통(40)이 배치된다. 그 가이드 통(40)의 외측 단부는, 로터(31)의 외주면(36)에 존재하는 공간(34)의 개구부에 걸리고, 또한 내측 단부는 단차가 형성된 구멍(38)의 대직경 구멍 d에 끼워 넣어져서 실린더 부재(39)에 맞닿는다. 또한 가이드 통(40)은, 그 외측 단부로부터 내측 단부 근방까지 서로 대향해서 연장되는 1쌍의 긴 홈 e를 포함하고, 양쪽의 긴 홈 e는 공간(34)에 직면하고 있다. 실린더 부재(39)의 대직경 실린더 구멍 f내에 세라믹으로 구성된 피스톤(41)이 접동할 수 있게 끼워 맞추어지고, 그 피스톤(41)의 선단부측은 항상 가이드 통(40)내에 위치한다.

도 2 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 로터(31)의 회전 축선 L을 포함하는 가상 평면 A내에 있어서의 로터 챔버(14)의 단면 B는, 직경 g를 상호 대향시킨 1쌍의 반원형 단면부 Bl과, 양쪽 반원형 단면부 Bl의 양쪽 직경 g의 한쪽의 대향 단부끼리 및 다른 쪽의 대향 단부끼리 서로 각각 연결해서 형성되는 4각형 단면부 B2로 구성되어서, 대략 경기용 트랙형을 이루고 있다. 도 6에 있어서, 실선으로 나타내는 부분이 긴 직경을 포함하는 최대 단면을 나타내는 한편, 일부를 2점쇄선(鎖線)으로 나타낸 부분이 짧은 직경을 포함하는 최소 단면을 나타낸다. 로터(31)는, 도 6에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 로터 챔버(14)의 짧은 직경을 포함하는 최소 단면보다도 약간 작은 단면 D를 갖는다.

도 2 및 도 7∼도 10에 명시하는 바와 같이, 베인(42)은 대략 U자형(말발굽형)을 이루는 베인 본체(43)와, 그 베인 본체(43)에 장착된 대략 U자형을 이루는 밀봉 부재(44)와, 베인 스프링(58)으로써 구성된다.

베인 본체(43)는, 로터 챔버(14)의 반원형 단면부 Bl에 의한 내주면(45)에 대응한 반원호상(半圓弧狀) 부분(46)과, 4각형 단면부 B2에 의한 대향 내측 단면(端面)(47)에 대응한 1쌍의 평행부(48)를 갖는다. 각각의 평행부(48)의 단부측에 コ자형의 노치(notch)(49)와, 그것들의 저면에 개구(開口)된 4각형의 블라인드 홀 (blind hole)(50)과, 각각의 노치(49)보다도, 더욱 단부측에 있고 외측 방향으로 돌출되어 있는 단축(51)이 형성된다. 또한 반원호상 부분(46) 및 양쪽 평행부(48)의 외주 부분에, 외측 방향을 향해서 개구된 U자 홈(52)이 일련으로 형성되고, 그 U자 홈(52)의 양 단부는 양쪽 노치(49)에 각각 연통된다. 또한 반원호상 부분(46)의 양쪽 평면 부분에 각각 아치형 단면의 1쌍의 돌출 스템(stem)(53)이 형성되어 있다. 양쪽 돌출 스템(53)은, 그것들에 의한 가상 원주의 축선 Ll이, 양쪽 평행부 (48)사이의 간격을 2등분하고, 또한 반원호상 부분(46)을 둘레 방향으로 2등분하는 직선에 일치하도록 배치되어 있다. 또한 양쪽 돌출 스템(53)의 내측 단부는 양쪽 평행부(48)사이의 공간에 약간 돌출되어 있다.

밀봉 부재(44)는, 예로서 PTFE로 구성된 것으로서, 로터 챔버(14)의 반원형 단면부 Bl에 의한 내주면(45)을 접동하는 반원호상 부분(55)과, 4각형 단면부 B2에 의한 대향 내측 단면(47)을 접동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는다. 또한 반원호상 부분(55)의 내주면측에 1쌍의 탄성 클로(claw)(57)가, 내측 방향으로 젖혀지도록 구성되어 있다.

베인 본체(43)의 U자 홈(52)에 밀봉 부재(44)가 장착되고, 또한 각각의 블라인드 홀(50)에 베인 스프링(58)이 끼워 넣어지고, 그리고 각각의 단축(51)에 볼 베어링 구조의 롤러(59)가 부착된다. 각각의 베인(42)은 로터(31)의 각각의 슬롯 형상 공간(34)에 접동할 수 있게 수용되어 있고, 이 경우, 베인 본체(43)의 양쪽 돌출 스템(53)은 가이드 통(40)내에, 또한 양쪽 돌출 스템(53)의 양측 부분은 가이드 통(40)의 양쪽 긴 홈 e안에 각각 위치하여, 이에 따라서 양쪽 돌출 스템(53)의 내측 단면이 피스톤(41)의 외단면과 맞닿을 수 있다. 양쪽 롤러(59)는 제1, 제2반체 (8, 9)의 대향 내측 단면(47)에 형성된 비원형의 환상 홈(60)에 각각 원활하게 전동(轉動)되도록 걸어 맞추어진다. 이들 환상 홈(60) 및 로터 챔버(14) 사이의 거리는 그것들의 전 주위에 걸쳐서 일정하다. 또한 피스톤(41)의 전진(前進) 운동을 베인(42)을 거쳐서 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 걸어 맞춤에 의해서 로터(31)의 회전 운동으로 변환한다.

이 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 협동 작용에 의해서, 도 5에 명시하는 바와 같이, 베인 본체(43)의 반원호상 부분(46)에 있어서의 반원호상 선단면(先端面) (61)은 로터 챔버(14)의 내주면(45)으로부터, 또한 양쪽 평행부(48)는 로터 챔버 (14)의 대향 내측 단면(47)으로부터 각각 항상 사이가 떨어지고, 이에 따라서 마찰 손실의 경감이 달성된다. 그리고 2조 1쌍으로 구성되어 있는 환상 홈(60)에 의해서 궤도가 규제되므로, 좌우의 궤도 오차에 따라서 롤러(59)을 거쳐서 베인(42)은 축방향으로 미소 변위각의 회전을 일으켜서, 로터 챔버(14)의 내주면(45)과의 접촉 압력을 증대시킨다. 이 때, 대략 U자형(말발굽형)을 이루는 베인 본체(43)에서는, 4각형(직사각형) 베인에 비해서 케이싱(7)과의 접촉부의 직경 방향 길이가 짧으므로, 그 변위량을 대폭으로 작게 할 수 있다. 또한 도 2에 명시하는 바와 같이, 밀봉 부재(44)에 있어서, 그 양쪽 평행부(56)는 각각의 베인 스프링(58)의 탄발력(彈發力)에 의해서 로터 챔버(14)의 대향 내측 단면(47)에 밀착하고, 특히 양쪽 평행부 (56)의 단부와 베인(42) 사이를 통한 환상 홈(60)에의 밀봉 작용을 실행한다. 또한 반원호상 부분(55)은, 양쪽 탄성 클로(57)가 베인 본체(43) 및 로터 챔버(14)내의 내주면(45) 사이에서 압압됨으로써, 그 내주면(45)에 밀착된다. 즉, 4각형(직사각형)베인에 대하여 대략 U자형의 베인(42) 쪽이 변곡점을 갖지 않으므로, 밀착이 양호하게 된다. 4각형 베인은 각(角)이 진 부분이 있어서, 밀봉성 유지는 곤란하게 된다. 이에 따라서 베인(42) 및 로터 챔버(14) 사이의 밀봉성이 양호하게 된다. 또한, 열팽창에 따라서, 베인(42)과 로터 챔버(14)는 변형된다. 이 때 4각형 베인에 대하여 대략 U자형의 베인(42)은, 더욱 균일하게 서로 닮은 형태로 변형되므로, 베인(42)과 로터 챔버(14)와의 클리어런스(clearance)의 변동이 적고, 밀봉성도 양호하게 유지 가능하게 된다.

베인 본체(43)와 로터 챔버(14)의 내주면(45)과의 사이의 밀봉 작용은, 밀봉 부재(44) 자체의 스프링 힘과, 밀봉 부재(44) 자체에 작용하는 원심력과, 고압측의 로터 챔버(14)로부터 베인 본체(43)의 U자 홈(52)에 침입한 증기가 밀봉 부재(44)을 밀어 올리는 증기압에 의해서 발생한다. 이와 같이, 상기 밀봉 작용은, 로터 (31)의 회전수에 따라서 베인 본체(43)에 작용하는 과도한 원심력의 영향을 받지 않으므로, 밀봉면 압력은 베인 본체(43)에 인가되는 원심력에 의존하지 않고, 항상 양호한 밀봉성과 낮은 마찰성을 양립시킬 수 있다.

이상과 같이, 로터(31)에 방사상으로 지지한 12매의 베인(42)과, 로터 챔버 (14)의 내주면(45)과, 로터(31)의 외주면(36)에 의해서, 로터(31)의 회전에 따라서 용적이 변화되는 12개의 베인 챔버(54)(도 4참조)가 구획된다.

도 2 및 도 3에 있어서, 출력축(23)의 대직경부(24)는 제2반체(9)의 베어링 메탈(25)에 지지된 두꺼운 살 부분(62)과, 그 두꺼운 살 부분(62)으로부터 연장되어서 제1반체(8)의 베어링 메탈(25)에 지지된 얇은 살 부분(63)을 갖는다. 그 얇은 살 부분(63)내에 세라믹(또는 금속)으로써 구성되는 중공 축(64)이, 출력축(23)과 일체로 회전할 수 있도록 끼워져서 고정된다. 그 중공 축(64)의 내측에 고정축(65)이 배치되고, 그 고정축(65)은, 로터(31)의 축선 방향 두께내에 수용되도록 중공축(64)에 끼워 맞추어진 대직경 중심부(66)와, 출력축(23)의 두꺼운 살 부분(62)에 존재하는 구멍부(67)에 2개의 밀봉 링(68)을 사이에 끼워서 맞추어진 소직경 중심부(69)와, 대직경 중심부(66)로부터 연장되어서 중공 축(64)내에 끼워 맞추어진 얇은 살의 중공부(70)로써 구성된다. 그 중공부(70)의 단부 외주면과 제1반체(8)의 중공 베어링 통(21)의 내주면과의 사이에 밀봉 링(71)이 개재된다.

셸형 부재(15)의 주체(16)에 있어서, 그 중심부 내면에, 출력축(23)과 동축상에 있는 중공 통체(72)의 단벽(端壁)(73)이 밀봉 링(74)을 사이에 끼워서 부착된다. 그 단벽(73)의 외주부로부터 내측 방향으로 연장되는 짧은 외통부(外筒部)(75)의 내단측은 제1반체(8)의 중공 베어링 통(21)에 연결통(76)을 통해서 연결된다. 단벽(73)에, 그것을 관통하도록 소직경이고, 또한 긴 내관부(內管部)(77)가 설치되고, 그 내관부(77)의 내단측은, 그 곳으로부터 돌출되는 짧은 중공 접속관(78)과 함께 고정축(65)의 대직경 중심부(66)에 존재하는 단차가 형성된 구멍 h에 끼워져서 고정된다. 내관부(77)의 외측 단부 부분은 셸형 부재(15)의 구멍부(79)로부터 외측 방향으로 돌출되어서, 그 외측 단부 부분으로부터 내관부(77)내에 통과시켜서 삽입된 제1의 고온 고압 증기용 도입관(80)의 내단측이 중공 접속관(78)내에 끼워져서 고정된다. 내관부(77)의 외측 단부 부분(10)에는 캡(cap) 부재(81)가 나사로 고정되고, 그 캡 부재(81)에 의해서, 도입관(80)을 지지하는 홀더(holder) 통(82)의 플랜지(83)가 내관부(77)의 외단면에 밀봉 링(84)을 사이에 끼워서 압착된다.

도 2∼도 4 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 고정축(65)의 대직경 중심부 (66)에, 제1∼제12베인 피스톤 유닛 Ul∼U12의 실린더 부재(39)에, 중공 축(64) 및출력축(23)에 일련으로 형성된 복수의, 본 실시예에서는 12개의 통과 구멍 c를 통해서 고온 고압 증기를 공급하고, 또한 실린더 부재(39)로부터 팽창후의 제1의 강온 강압 증기를 통과 구멍 c를 통해서 배출하는 회전 밸브 Ⅴ가 다음과 같이 설치되어 있다.

도 11에는 팽창기(4)의 각각의 실린더 부재(39)에 소정의 타이밍으로 증기를 공급·배출하는 회전 밸브 Ⅴ의 구조가 나타나 있다. 대직경 중심부(66)내에 있어서, 중공 접속관(78)에 연통하는 공간(85)으로부터 서로 반대 방향으로 연장되는 제1, 제2구멍부(86, 87)가 형성되고, 제1, 제2구멍부(86, 87)는 대직경 중심부(66)의 외주면으로 개구되는 제1, 제2오목부(88, 89)의 저면(底面)으로 개구된다. 제1, 제2오목부(88, 89)에, 공급구(90, 91)를 갖는 카본제의 제1, 제2밀봉 블록(92, 93)이 장착되고, 그것들의 외주면은 중공 축(64)의 내주면에 미끄럼 마찰된다. 제1, 제2구멍부(86, 87)내에는 동축상에 있는 짧은 제1, 제2공급관(94, 95)이 움직일 수 있게 삽입되고, 제1, 제2공급관(94, 95)의 선단측 외주면에 끼워 맞춘 제1, 제2밀봉 통(96, 97)의 테이퍼(taper) 외주면 i, j가 제1, 제2밀봉 블록(92, 93)의 공급구(90, 91)보다도 내측에 있어서 그것에 연속해 있는 테이퍼 구멍 k, m의 내주면에 끼워 맞추어진다. 또한 대직경 중심부(66)에, 제1, 제2공급관(94, 95)을 둘러싸는 제1, 제2환상 오목부 n, o와, 그것에 인접하는 제1, 제2블라인드 홀 형상 오목부 p, q가 제1, 제2밀봉 블록(92, 93)에 면하도록 형성되고, 제1, 제2환상 오목부 n, o에는 일단측을 제1, 제2밀봉 통(96, 97) 외주면에 끼워 고정시킨 제1, 제2벨로즈 (bellows) 형상 탄성체(98, 99)가, 또한 제1, 제2블라인드 홀 형상 오목부 p, q에는 제1, 제2코일 스프링(100, 101)이 각각 수용되고, 제1, 제2벨로즈 형상 탄성체 (98, 99) 및 제1, 제2코일 스프링(100, 101)의 탄발력으로써 제1, 제2밀봉 블록 (92, 93)을 중공 축(64) 내주면에 압압(押壓)한다.

또한 대직경 중심부(66)에 있어서, 제1코일 스프링(100) 및 제2벨로즈 형상 탄성체(99) 사이, 또한 제2코일 스프링(101) 및 제1벨로즈 형상 탄성체(98) 사이에, 항상 2개의 통과 구멍 c에 연통하는 제1, 제2오목 형상 배출부(102, 103)와, 이들 배출부(102, 103)로부터 도입관(80)과 평행으로 연장되어서 고정축(65)의 중공부 r내에 개구된 제1, 제2배출 구멍(104, 105)이 형성되어 있다.

이러한 제1밀봉 블록(92)과 제2밀봉 블록(93)이라고 부르는 바와 같이, 동종 부재로서, 「제1」의 문자를 붙인 것과 「제2」의 문자를 붙인 것은, 고정축(65)의 축선에 관해서 점대칭의 관계에 있다.

고정축(65)의 중공부 r내 및 중공 통체(72)의 외통부(75)내는, 제1의 강온 강압 증기의 통로 s이고, 그 통로 s는, 외통부(75)의 주변 벽을 관통하는 복수의 통과 구멍 t를 통해서 중계 챔버(20)에 연통된다.

도 2 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1반체(8)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터 챔버(14)의 짧은 직경의 양쪽 단부 근방에, 반경 방향으로 늘어서 있는 복수의 도입 구멍(106)으로써 이루어지는 제1, 제2도입 구멍군(107, 108)이 형성되어서, 중계 챔버(20)내의 제1의 강온 강압 증기가 이들 도입 구멍군(107, 108)을 통과해서 로터 챔버(14)내로 도입된다. 또한 제2반체(9)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터 챔버(14)의 긴 직경의 일단부와 제2도입 구멍군(108)과의 사이에, 반경방향 및 둘레 방향으로 늘어서 있는 복수의 도출 구멍(109)으로써 이루어지는 제1도출 구멍군(110)이 형성되고, 또한 큰 직경의 타단부와 제1도입 구멍군(107)과의 사이에, 반경 방향 및 둘레 방향으로 늘어서 있는 복수의 도출 구멍(109)으로써 이루어지는 제2도출 구멍군(111)이 형성된다. 이러한 제1, 제2도출 구멍군(110, 111)으로부터는, 서로 인접하는 양쪽 베인(42) 사이에서의 팽창에 의해서, 온도 및 압력이 더욱 강하된 제2의 강온 강압 증기가 외부로 배출된다.

출력축(23) 등은 물에 의해서 윤활되도록 되어 있고, 그 윤활 수로(水路)는 다음과 같이 구성된다. 즉, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 제2반체(9)의 중공 베어링 통(22)에 형성된 급수 구멍(112)에 급수관(113)이 접속된다. 급수 구멍 (112)은, 제2반체(9)측의 베어링 메탈(25)이 직면하는 하우징(114)에, 또한 그 하우징(114)은 출력축(23)의 두꺼운 살 부분(62)에 형성된 통수(通水) 구멍 u에, 또한 그 통수 구멍 u는 중공 축(64)의 외주면 모선(母線) 방향으로 연장되는 복수의 통수 홈 v(도 11도 참조)에, 그리고 또한 각각의 통수 홈v는 제2반체(8)측의 베어링 메탈(25)이 직면하는 하우징(115)에 각각 연통된다. 또한 출력축(23)의 두꺼운 살 부분(62)의 내측 단면에, 통수 구멍 u와, 중공 축(64) 및 고정축(65)의 대직경 중심부(66)사이의 접동(摺動) 부분을 연통하는 환상 오목부 w가 형성되어 있다.

이에 따라서, 각각의 베어링 메탈(25) 및 출력축(23)사이, 또한 중공 축(64) 및 고정축(65) 사이가 물에 의해서 윤활되고, 또한 양쪽 베어링 메탈(25) 및 출력축(23) 사이의 간극(間隙)으로부터 로터 챔버(14)내에 진입한 물에 의해서, 케이싱 (7)과, 밀봉 부재(44) 및 각각의 롤러(59)와의 사이의 윤활이 실행된다.

도 4에 있어서, 로터(31)의 회전 축선 L에 관해서 점대칭의 관계에 있는 제1 및 제7베인 피스톤 유닛 Ul, U7은 동일한 동작을 실행한다. 이것은, 점대칭의 관계에 있는 제2, 제8베인 피스톤 유닛 U2, U8등에 대해서도 동일하다.

예로서, 도 11도 참조하여, 제1공급관(94)의 축선이 로터 챔버(14)의 짧은 직경 위치 E보다도 도 4에서 반시계 방향측으로 약간 편이되어 있고, 또한 제1베인 피스톤 유닛 Ul이 상기 짧은 직경 위치 E에 있어서, 그 대직경 실린더 구멍 f에는 고온 고압 증기는 공급되고 있지 않고, 따라서 피스톤(41) 및 베인(42)은 후퇴 위치에 있는 것으로 한다.

이 상태로부터 로터(31)를 약간, 도 4의 반시계 방향으로 회전시키면, 제1밀봉 블록(92)의 공급구(90)와 통과 구멍 c가 연통되어서 도입관(80)으로부터의 고온 고압 증기가 소직경 구멍 b를 통해서 대직경 실린더 구멍 f에 도입된다. 이에 따라서 피스톤(41)이 전진하고, 그 전진 운동은 베인(42)이 로터 챔버(14)의 긴 직경 위치 F측으로 접동함으로써, 베인(42)을 거쳐서 이 베인(42)과 일체인 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 걸어 맞춤에 의해서 로터(31)의 회전 운동으로 변환된다. 통과 구멍 c가 공급구(90)로부터 벗어나면, 고온 고압 증기는 대직경 실린더 구멍 f내에서 팽창해서 피스톤(41)을 더욱 더 전진시키고, 이에 따라서 로터(31)의 회전이 속행된다. 이 고온 고압 증기의 팽창은 제1베인 피스톤 유닛 Ul이 로터 챔버(14)의 긴 직경 위치 F에 도달하면 종료된다. 그 후는, 로터(31)의 회전에 따라서 대직경 실린더 구멍 f내의 제1의 강온 강압 증기는, 베인(42)에 의해서 피스톤(41)이 후퇴됨에 따라서, 소직경 구멍 b, 통과 구멍 c, 제1오목 형상 배출부(102), 제1배출 구멍(104), 통로 s(도 3참조) 및 각각의 통과 구멍 t를 통과해서 중계 챔버(20)에 배출되고, 이어서 도 2 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1도입 구멍군(107)을 통해서 로터 챔버(14)내에 도입되어서, 서로 인접하는 양쪽 베인(42) 사이에서 더욱 팽창하여 로터(31)를 회전시키고, 그 후 제2의 강온 강압 증기가 제1도출 구멍군(110)으로부터 외부로 배출된다.

이와 같이, 고온 고압 증기의 팽창에 의해서 피스톤(41)을 작동시켜서 베인(42)을 거쳐 로터(31)를 회전시키고, 또한 고온 고압 증기의 압력 강하에 의한 강온 강압 증기의 팽창에 의해서 베인(42)을 거쳐 로터(31)를 회전시킴으로써 출력축(23)으로부터 출력을 취득한다.

도 12A에는 본 실시예의 환상 홈(60)의 형상이 도시되어 있고, 도 12B에는 종래예의 환상 홈(60)의 형상이 도시되어 있다. 종래예의 환상 홈(60)은 타원 형상인 것에 대하여, 본 실시예의 환상 홈(60)은 4개의 정점(頂点)을 둥글게 한 능형상 (菱形狀)으로 되어 있다. 그 결과, 종래예에서는 로터 챔버(14)의 내주면(45)과 로터(31)의 외주면(36)과의 클리어런스가 위상 0°의 Pl점 및 위상180°의 P2점에서 최소치로 되고, 그 전후에서 최소치로부터 점증(漸增)하고 있다. 한편, 본 실시예에서는 로터 챔버(14)의 내주면(45)과 로터(31)의 외주면(36)과의 클리어런스가 Pl점 및 P2점을 기준으로 하는 ±16°의 범위에 있어서 일정한 최소치로 유지되고, 그 전후에서 최소치로부터 점증하고 있다.

도 13A에는 본 실시예의 흡기·배기 타이밍이 도시되어 있고, 도 13B에는 종래예의 흡기·배기 타이밍이 도시되어 있다. 또한, 상기 어느 경우에도, 로터(31)에는 12매의 베인(42)이 등간격으로 지지되어 있고, 따라서 인접하는 1쌍의 베인 (42)이 이루는 중심각은 30°가 된다. 도 13B에 나타내는 종래예는, 1쌍의 베인 (42)에 의해서 구획된 베인 챔버(54)와, 제1, 제2도출 구멍군(110, 111)의 도출 구멍(109)과의 연통이 차단될 때의 베인(42)의 위상(배기종료 위상)이, Pl점 및 P2점을 기준으로 하여 -24°로 설정되고, 베인 챔버(54)가 제1, 제2도입 구멍군(107, 108)의 도입 구멍(106)과 연통 할 때의 베인(42)의 위상(흡기개시 위상)이, Pl점 및 P2점을 기준으로 하여 +4°로 설정되어 있다. 따라서, 베인 챔버(54)와 저압의 도출 구멍(109)과의 연통이 차단된 순간에, 베인 챔버(54)는 이미 고압의 도입 구멍(106)에 연통되어 있으므로 증기가 도입된다. 이 때, -24°의 배기종료 위상과 +4°의 흡기개시 위상이 비대칭이므로, 베인 챔버(54)를 구획하는 1쌍의 베인(42) 중, 회전 방향 지연측의 베인(42)의 돌출량이 회전 방향 선행측의 베인(42)의 돌출량보다도 커지고, 회전 방향 지연측의 베인(42)에 의해서 큰 증기압이 작용하여 로터(31)의 회전 방향과 역방향의 토크가 작용한다. 그 결과, 시동시에 로터(31)의 역회전 현상이 발생하거나, 운전중에 토크 변동에 의한 진동이 발생하거나 할 가능성이 있다.

또한 도 13B에 나타내는 종래예는, 배기종료 위상과 흡기개시 위상과의 위상차가 28°로서 베인간의 각도 30°보다도 작으므로, 베인 챔버(54)가 고압의 도입 구멍(106) 및 저압의 도출구(109)에 동시에 연통되는 기간이 존재하고, 이 기간에 도입 구멍(106)으로부터 도출구(109)로 증기가 약간 통과한다. 이 증기의 통과를 회피하기 위해서는 베인 챔버(54)가 고압의 도입 구멍(106) 및 저압의 도출구(109)에 동시에 연통되는 기간을 없게 하는 것이 필요하고, 이를 위해서 예로서 흡기개시 위상을 +4°로부터 +6°로 증가시키면, 베인 챔버(54)와 저압의 도출 구멍(109)과의 연통이 차단되고, 또한 베인 챔버(54)가 고압의 도입 구멍(106)에 연통되는 순간에 베인 챔버(54)의 용적이 일시적으로 감소하게 된다. 이것은 배기종료 위상과 흡기개시 위상이 전후 비대칭인 것에 기인한다. 이렇게 하여 밀폐된 베인 챔버(54)의 용적이 감소하면, 증기가 액화된 물이나 윤활용 물이 상기 베인 챔버 (54)에 갇혀 있는 경우에, 수격(水擊; water hammer) 현상이 발생해서 진동, 소음, 내구성의 저하등의 원인이 될 가능성이 있다.

이것에 대하여, 도 13A에 나타내는 본 실시예는, 배기종료 위상 및 흡기개시 위상이 각각 -15°및 +15°로 설정되어 있고, 또한 위상이 -16°∼+16°의 구간에서 로터 챔버(14) 내주면(45) 및 로터(31) 외주면(36) 사이의 클리어런스가 일정하게 설정되어 있다. 따라서, 고압의 도입 구멍(106)으로부터 베인 챔버(54)에 증기가 공급되었을 때, 베인 챔버(54)를 구획하는 1쌍의 베인(42) 중, 회전 방향 지연측의 베인(42)의 돌출량 및 회전 방향 선행측의 베인(42)의 돌출량이 함께 상기 클리어런스와 동일하게 되어서, 로터(31)의 회전 방향과 역방향의 토크가 작용하는 것을 방지하여 로터(31)의 역회전 현상이나 토크 변동의 발생을 회피할 수 있다. 더욱이 베인 챔버(54)와 저압의 도출 구멍(109)과의 연통이 차단되고, 또한 베인 챔버(54)가 고압의 도입 구멍(106)에 연통되는 순간에, 일정한 클리어런스를 갖는 베인 챔버(54)는 용적이 변화되지 않으므로, 베인 챔버(54)에 물이 갇혀져 있어도 수격 현상이 발생할 염려가 없어지고, 진동, 소음, 내구성의 저하등을 확실하게 방지할 수 있다.

그런데, 증기의 압력 에너지를 기계 에너지로 효율적으로 변환하기 위해서는, 도입 구멍(106)으로부터 베인 챔버(54)에 흡입된 증기가 도출 구멍(109)에서 배출될 때까지의 팽창비를 크게 하는 것이 필요하고, 그렇게 하기 위해서는 흡기개시 위상을 될 수 있는 한 빠르게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 실시예의 흡기개시 위상은 +15°로서 종래예의 흡기개시 위상의 +4°보다도 지연되어 있으므로, 팽창비를 크게 확보하는 면에서는 불리하다. 그래서, 본 실시예에서는 흡기 행정 초기에 있어서의 증기의 흡입 체적이 작아지도록 하는 로터 챔버(14)의 내주면(45)의 형상(즉, 환상 홈(60)의 형상)을 채용하여, 종래예와 동등한 팽창비를 확보하고 있다.

도 14로부터 명백한 바와 같이, 타원상의 환상 홈(60)을 구비한 종래예는, 흡기개시 위상이 +4°로서 팽창비는 약 20이지만, 상기한 역회전 현상이나 수격 현상을 방지하기 위해서 환상 홈(60)의 형상을 변경하지 않고 흡기개시 위상을 +4°로부터 +15°까지 지연시키면, 팽창비는 20으로부터 7까지 저하한다(파선(破線) 참조). 그러나, 본 실시예의 4개의 정점을 둥글게 한 능형상의 환상 홈(60)을 채용함으로써, 흡기개시 위상을 +15°까지 지연시켜도 20을 초과하는 팽창비를 확보할 수 있다(실선 참조).

그런데, 팽창기(4)의 운전중에 환상 홈(60)에 걸어 맞추어져서 전동(轉動)하는 12개의 롤러(59)에는 피스톤 압력 하중, 원심력 하중 및 베인이 아래로 누르는 하중의 3종류의 하중이 작용한다. 피스톤 압력 하중은, 롤러(59)에 접속된 피스톤(41)이 증기압에 의해서 반경 방향 외측으로 밀어 내어지는 하중으로서, 그 크기는 실린더 부재(39)에 공급되어서 피스톤(41)을 압압하는 증기의 압력이나 양에 의존하고, 그 방향은 정(正) 방향(반경 방향 외측 방향)이다.

원심력 하중은, 롤러(59)를 일체로 구비한 베인 피스톤 유닛 Ul∼U12가 원심력에 의해서 반경 방향 외측으로 밀어 내어지는 하중으로서, 그 크기는 베인 피스톤 유닛 Ul∼U12의 질량, 반경 방향 위치 및 각속도(角速度)에 의존하고, 그 방향은 정 방향(반경 방향 외측 방향)이다. 베인이 아래로 누르는 하중은, 롤러(59)에 접속된 베인(42)의 외주면이 베인 챔버(54)의 증기압에 의해서 되돌려 밀려지는 하중으로서, 그 크기는 베인 챔버(54)에 공급되어서 베인(42)의 외주면을 압압하는 증기의 압력이나 양에 의존하고, 그 방향은 부(負) 방향(반경 방향 내측 방향)이다. 이러한 3종류의 하중은 로터(31)의 반회전(半回轉)을 주기로 하여 시시각각 변화되고, 그 총합인 토털 하중의 반작용이 환상 홈(60)으로부터 롤러(59)에 반복해 작용하여, 롤러(59)의 내구성에 영향을 주게 된다.

도 15에는 본 실시예의 상기 각 하중 및 토털 하중의 변화가 도시되어 있고, 또한 도 16에는 종래예의 상기 각 하중 및 토털 하중의 변화가 도시되어 있다. 도 15 및 도 16의 어느 경우에도, 피스톤 압력 하중은 위상이 40°미만의 영역, 즉, 실린더 부재(39)에 증기가 공급되는 영역에서 평탄한 피크 값을 가지며, 그곳으로부터 점점 감소한다. 원심력 하중은 위상이 90°근방의 영역, 즉, 베인 피스톤 유닛 U1∼U12가 반경 방향 외측으로 가장 많이 이동하는 영역에서 피크 값을 가지며, 그 전후에서 감소한다. 베인이 아래로 누르는 하중은 위상이 0°에 가까운 영역과180°에 가까운 영역, 즉, 베인 챔버(54)가 도입구(106)에 연통되는 영역에서 부의 평탄한 피크 값을 가지며, 그 밖의 영역에서는 작은 부의 값을 갖는다.

도 15 및 도 16을 비교하면 명백한 바와 같이, 본 실시예의 토털 하중은 종래예에 비해서 변동 폭이 작고, 또한 피크 부분이 0°∼15°의 영역과, 90°근방의 영역으로 분산되어서 전체적으로 평활하게 되어 있으므로, 롤러(59)의 피로 수명을 연장해서 내구성을 높일 수 있다. 구체적으로는, 본 실시예의 피스톤 압력 하중은 0°∼40°의 영역에서 피크 부분을 가지며, 원심력 하중은 90°근방에서 피크 부분을 갖고 있어서, 양쪽 피크 부분의 위상을 완전히 편이시키고, 또한 양쪽 피크 값을 대략 동일하게 함으로써, 전체적으로 평활하고 변동 폭이 작은 하중 변화 특성을 실현한다. 또한 베인이 아래로 누르는 하중은 0°∼15°에서 부의 피크 영역이 되지만, 피스톤 압력 하중의 정의 피크 영역(0°∼40°)이, 상기 베인이 아래로 누르는 하중의 부의 피크 영역(0°∼15°)과, 원심력 하중의 최저 영역(40°근방)에 겹침으로써, 0°∼40°의 영역에 있어서의 토털 피크 값의 저감에 기여한다.

이상 설명한 실시예 이외에도, 피스톤(41)의 전진 운동을 로터(31)의 회전 운동으로 변환하는 구성으로서, 베인(42)을 개재시키지 않고, 피스톤(41)의 전진 운동을 직접 롤러(59)로써 받아서, 환상 홈(60)과의 걸어 맞춤에 의해서 회전 운동으로 변환할 수도 있다. 또한, 베인(42)도 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 협동 작용에 의해서, 상기와 같이 로터 챔버(14)의 내주면(45) 및 대향 내측 단면(47)으로부터 대략 일정 간격으로 항상 사이가 떨어져 있으면 좋고, 피스톤(41)과 롤러(59),및 베인(42)과 롤러(59)의 각각이 각각 별도로 환상 홈(60)과 협동 작용해도 좋다.

상기 팽창기(4)를 압축기로서 사용하는 경우에는, 출력축(23)으로써 로터 (31)를 도 4의 시계 방향으로 회전시켜서, 베인(42)으로써, 유체로서의 외기(外氣)를 제1, 제2도출 구멍군(110, 111)으로부터 로터 챔버(14)내로 흡입하고, 이렇게 하여 취득한 저압축 공기를 제1, 제2도입 구멍군(107, 108)으로부터 중계 챔버 (20), 각각의 통과 구멍 t, 통로 s, 제1, 제2배출 구멍(104, 105), 제1, 제2오목 형상 배출부(102, 103), 통과 구멍 c를 거쳐서 대직경 실린더 구멍 f 에 공급하고, 또한 베인(42)으로써 피스톤(41)을 작동시켜서 저압 공기를 고압 공기로 변환하여, 그 고압 공기를 통과 구멍 c, 공급구(90, 91), 및 제1, 제2공급관(94, 95)을 거쳐서 도입관(80)에 도입하는 것이다.

이상 설명한 팽창기(4)에서는, 실린더 부재(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1에너지 변환수단과, 베인(42)으로 구성되는 제2에너지 변환수단이 공통의 로터 (31)에 설치되어 있고, 직렬로 접속된 제1, 제2에너지 변환수단의 협동 작용에 의해서 고온 고압 증기의 에너지를 기계 에너지로서 출력축(23)에 출력하도록 되어 있다. 따라서, 제1에너지 변환수단이 출력하는 기계 에너지와 제2에너지 변환수단이 출력하는 기계 에너지를 로터(31)를 거쳐서 자동적으로 통합할 수 있어서, 기어 등의 동력전달수단을 갖는 특별한 에너지 통합 수단이 불필요하게 된다.

제1에너지 변환수단은 작동 유체의 밀봉이 용이하고 누출이 발생하기 어려운 실린더(39) 및 피스톤(41)의 조합으로 구성되므로, 고온 고압 증기의 밀봉성을 높여서 누출에 의한 효율 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 한편, 제2에너지 변환수단은 로터(31)에, 방사 방향으로 이동할 수 있게 지지한 베인(42)으로 구성되므로, 베인(42)에 인가되는 증기압이 직접 로터(31)의 회전 운동으로 변환되어서, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 특별한 변환기구가 불필요하게 되어서 구조가 간략화된다. 더욱이 저압에서 많은 유량의 증기를 효과적으로 기계 에너지로 변환할 수 있는 제2에너지 변환수단을 제1에너지 변환수단의 외주를 둘러싸도록 배치했으므로, 팽창기(4) 전체의 치수를 콤팩트화할 수 있다.

실린더(39) 및 피스톤(41)으로써 구성되는 제1에너지 변환수단은 고온 고압 증기를 작동 유체로 한 경우에 압력 에너지 및 기계 에너지간의 변환효율이 높고, 또한 베인(42)으로써 구성되는 제2에너지 변환수단은 비교적 저온 저압의 증기를 작동 유체로 한 경우에도 압력 에너지 및 기계 에너지간의 변환효율이 높은 특성을 가지고 있다. 따라서, 제1, 제2에너지 변환수단을 직렬로 접속하고, 우선 고온 고압 증기를 제1에너지 변환수단을 통과시켜서 기계 에너지로 변환하고, 그 결과로서 압력이 저하된 제1의 강온 강압 증기를 제2에너지 변환수단을 통과시켜서 다시 기계 에너지로 변환함으로써, 당초의 고온 고압 증기에 포함되는 에너지를 남김없이 효과적으로 기계 에너지로 변환할 수 있다.

또한, 본 실시예의 팽창기(4)를 압축기로서 사용하는 경우에도, 외부로부터의 기계 에너지로써 로터(31)를 회전시켜서 로터 챔버(14)에 흡입한 공기를, 비교적 저온 저압의 작동 유체로써도 효과적으로 작동하는 제2에너지 변환수단으로써 압축하여 승온시키고, 그 압축·승온된 공기를, 비교적 고온 고압의 작동 유체에 의해서 효과적으로 작동하는 제1에너지 변환수단으로써 추가로 압축하여 승온시킴으로써, 기계 에너지를 압축 공기의 압력 에너지(열 에너지)로 효율적으로 변환할수 있다. 그러나, 실린더(39) 및 피스톤(41)으로써 구성되는 제1에너지 변환수단과 베인(42)으로써 구성되는 제2에너지 변환수단을 조합시킴으로써, 양자의 장점을 겸비한 고성능의 회전 유체기계를 취득할 수 있다.

그리고, 로터(31)의 회전 축선 L(즉, 출력축(23)의 회전 축선 L)이 로터 챔버(14)의 중심에 일치되어 있고, 또한 도 4 및 도 5에서 로터(31)를 상하 좌우로 90°씩 4분할했을 때, 회전 축선 L에 대하여 점대칭인 우상(右上)의 4반부(半部)와 좌하(左下)의 4반부에서 압력 에너지로부터 기계 에너지로의 변환이 실행되므로, 로터(31)에 편하중(偏荷重)이 인가되는 것을 방지하여 진동의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 작동 유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환하는 부분, 또는 기계 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환하는 부분이, 로터(31)의 회전 축선 L을 중심으로 해서 180°편이된 2개소에 배치되므로, 로터(31)에 인가되는 하중이 우력(偶力)으로 되어서 원활한 회전이 가능하게 되고, 더욱이 흡기 타이밍 및 배기 타이밍의 효율화를 도모할 수 있다.

그러나, 본 실시예에서는 내연기관(1)의 배기 가스의 열 에너지로써 물을 가열해서 고온 고압 증기를 발생하는 증발기(3)와, 증발기(3)로부터 공급된 고온 고압 증기를 일정 토크의 축(軸) 출력으로 변환하는 팽창기(4)와, 팽창기(4)가 배출한 강온 강압 증기를 액화하는 응축기(5)와, 응축기(5)에 의해서 액화된 물을 증발기(3)에 공급하는 공급 펌프(6)로써 구성되는 랭킨 사이클에 있어서, 그 팽창기(4)로서 용적형의 것을 채용하고 있다. 이 용적형 팽창기(4)는, 터빈과 같은 비용적형 팽창기에 비해서, 저속으로부터 고속까지의 넓은 회전수 영역에 있어서 높은 효율로 에너지 회수를 실행하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 내연기관(1)의 회전수의 증감에 따르는 배기 가스의 열 에너지의 변화(배기 가스의 온도 변화나 유량 변화)에 대한 추종성이나 응답성에 있어서도 우수하다. 더욱이 팽창기(4)를, 실린더 부재 (39) 및 피스톤(41)으로써 구성되는 제1에너지 변환수단과, 베인(42)으로써 구성되는 제2에너지 변환수단을 직렬로 접속해서 반경 방향 내외에 배치한 2중 팽창형으로 했으므로, 팽창기(4)를 소형 경량화해서 스페이스 효율의 향상을 도모하면서 랭킨 사이클에 의한 열 에너지의 회수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예를 상세히 설명했지만, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지의 설계 변경을 실행하는 것이 가능하다.

예로서, 실시예의 팽창기(4)에서는, 우선 제1에너지 변환수단인 실린더 부재 (39) 및 피스톤(41)에 고온 고압 증기를 공급한 후에, 그것이 강온 강압된 제1의 강온 강압 증기를 제2에너지 변환수단인 베인(42)에 공급하고 있지만, 예로서, 도 2에서 나타내는 제1에너지 변환수단으로부터의 제1의 강온 강압 증기를 배출하는 통과 구멍 t와, 중계 챔버(20)를 연통 또는 비연통으로 하고, 또한 중계 챔버(20)에 셸형 부재(16)를 거쳐서, 제2에너지 변환수단에 독립적으로, 증기를 개별적으로 공급 가능하게 하는 수단을 구성함으로써, 제1, 제2에너지 변환수단에 각각 온도 및 압력이 상이한 증기를 개별적으로 공급해도 좋다. 또한, 제1, 제2에너지 변환수단의 각각 온도 및 압력이 상이한 증기를 개별적으로 공급하는 동시에, 제1에너지 변환수단을 통과해서 강온 강압된 증기를 추가로 제2에너지 변환수단에 공급해도 좋다.

본 발명에 의한 회전 유체기계는, 랭킨 사이클 장치의 팽창기로서 사용하는데에 적합하지만, 기타의 임의의 용도의 팽창기나, 기타의 임의의 용도의 압축기 로서 사용하는 것도 가능하다.

Claims (2)

1. 로터 챔버(14)를 갖는 케이싱(7)과,

   로터 챔버(14)의 내부에 회전할 수 있게 수용된 로터(31)와,

   로터(31)에 방사 방향으로 설치된 실린더(39)와,

   실린더(39)내를 접동(摺動)하는 피스톤(41)과,

   피스톤(41)에 연동해서 이동하는 롤러(59)와,

   롤러(59)를 안내하기 위해서 케이싱(7)에 형성된 비원형(非圓形)의 환상 홈(60)을 구비하고,

   롤러(59) 및 환상 홈(60)의 걸어 맞춤에 의해서 피스톤(41)의 왕복 운동과 로터(31)의 회전 운동을 상호 변환함으로써, 실린더(39)에 출입하는 작동 유체의 압력 에너지와 로터(31)를 회전시키는 기계 에너지를 상호 변환 가능한 회전 유체기계로서,

   롤러(59)가 받는 피스톤(41)의 압력 하중의 정(正)의 피크 부분의 값과, 롤러(59)가 받는 원심력 하중의 정의 피크 부분의 값이 대략 일치하고, 또한 상기 2개의 피크 부분의 위상이 편이되도록 설정함으로써, 롤러(59)가 받는 피스톤(41)의 압력 하중 및 원심력 하중의 합력(合力)의 피크 값 및 변동량을 작게 억제한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.
2. 제1항에 있어서, 롤러(59)에 연동해서 로터(31)로부터 방사 방향으로 출몰하고, 그 외주면이 로터 챔버(14)의 내주면(45)에 미끄럼 접촉되는 베인(42)을 구비하고,

   인접하는 1쌍의 베인(42), 로터 챔버(14) 및 로터(31)에 의해서 구획되는 베인 챔버(54)에 출입하는 작동 유체의 압력 에너지와 로터(31)를 회전시키는 기계 에너지를 상호 변환 가능하고,

   롤러(59)가 받는, 베인(42)이 아래로 누르는 하중의 부(負)의 피크 부분의 위상과, 롤러(59)가 받는 피스톤(41)의 압력 하중의 정의 피크 부분의 위상이, 적어도 일부가 겹치도록 설정한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.