KR20030066604A - 회전 유체기계 - Google Patents

Abstract

로터(31)에 방사상으로 배치한 복수의 실린더(39)에 피스톤(41)을 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추는 동시에, 피스톤(41)과 협동하는 복수의 베인(42)을 방사상으로 배치하고, 인접하는 1쌍의 베인(42) 사이에 베인 챔버(54)를 구획한다. 실린더(39) 및 베인 챔버(54)로부터 기상 작동 매체를 배출하는 배기 행정의 종료 시로부터, 기상 작동 매체의 공급을 시작하는 흡기 행정의 시작 시까지의 기간, 실린더 (39) 및 베인 챔버(54)의 용적이 변화되지 않도록 피스톤(41) 및 베인(42)의 반경 방향의 이동을 정지시켜, 이것에 의해 실린더(39) 및 베인 챔버(54)에 가두어진 액상 작동 매체에 의한 수격 작용 현상의 발생을 방지한다.

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 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 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 독립된 팽창기로서 사용하거나, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립된 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 의해서 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하고, 또한 내측 캠 링 및 중간 실린더 사이에서 베인에 의해서 구획된 복수의 베인 챔버의 용적이 확대·축소해서 팽창기 혹은 압축기로서 기능하게 되어 있다.

이 베인식 회전 유체기계에서는, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립된 팽창기로서 사용하거나, 외측 및 내측의 회전 유체기계를 각각 독립된 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 일본국 특개2000-320543호 공보에 개시된 회전 유체기계는 베인 및 피스톤을 복합시킨 베인 피스톤 유닛을 구비하고 있으며, 로터(rotor)에 반경 방향으로 설치된 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 피스톤이, 환상(環狀) 홈과 롤러(roller)로서 구성된 동력 변환 장치를 통해서 기상(氣相) 작동 매체의 압력 에너지와 로터의 회전 에너지를 상호 변환시키고, 또한 로터에 반경 방향 미끄럼 운동이 자유롭게 지지된 베인이 기상 작동 매체의 압력 에너지와 로터의 회전 에너지를 상호 변환시키도록 되어 있다.

이러한 베인식 유체기계에 있어서, 인접하는 1쌍의 베인 사이에 구획되는 베인 챔버(室)의 용적은 배기 행정에 있어서 감소하고, 흡기 행정에 있어서 증가하지만, 배기 포트(port) 및 흡기 포트 간의 작동 매체의 통과를 방지하기 위해서는, 베인 챔버가 배기 포트 및 흡기 포트에 동시에 연통되는 기간을 없애는 것이 바람직하다. 이 경우, 베인 챔버 및 배기 포트 사이가 비연통 상태로 되는 배기 행정의 종료 시(時)로부터, 베인 챔버 및 흡기 포트 사이가 연통 상태로 되는 흡기 행정의 시작 시까지의 기간에, 그 베인 챔버의 용적이 증감되면 다음과 같은 문제가 발생한다.

즉, 상기 기간에 베인 챔버의 용적이 변화되면, 비압축성 유체인 윤활용의 물이나 오일이 베인 챔버에 가두어진 경우에, 소위 수격 작용(water hammer) 현상이 일어나서 진동이나 소음이 발생하거나, 큰 하중이 작용해서 내구성이 저하하거나 할 가능성이 있다. 또한 팽창기에서는 고압 포트인 흡기 포트가 베인 챔버에 연통된 순간에, 그 베인 챔버를 구획하는 1쌍의 베인 중 배기 포트 측의 베인의 돌출량이 크다면, 배기 포트 측의 베인에 흡기 포트로부터 흡입된 고압의 작동 매체의 압력이 작용하게 되어, 로터가 역회전하거나, 로터를 역회전시키는 토크(torque)가 발생하거나 할 가능성이 있다.

또한 피스톤을 구비한 회전 유체기계의 냉간(冷間) 시동 시에, 실린더에 공급된 기상 작동 매체가 냉각되어서 액화될 경우가 있다. 이 상태에서, 실린더에 기상 작동 매체를 공급·배출하는 회전 밸브의 기상 작동 매체 배출구가 폐쇄되고 나서 기상 작동 매체 공급구가 개방될 때까지의 기간에 피스톤이 실린더 내를 이동하면, 실린더 내에 가두어진 액상(液相) 작동 매체가 비압축성 유체이기 때문에, 소위 수격 작용 현상이 발생해서 진동이나 소음의 원인이 될 가능성이 있다.

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

도 1∼도 15는 본 발명의 제1실시예를 나타내는 것으로서,

도 1은 내연기관의 폐열 회수장치의 개략도.

도 2는 도 5의 2-2선 단면도에 상당하는 팽창기의 종단면도.

도 3은 도 2의 회전 축선 주변의 확대 단면도.

도 4는 도 2의 4-4선 단면도.

도 5는 주요부를 확대한 도 2의 5-5선 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 9-9선 단면도.

도 10은 밀봉 부재의 정면도.

도 11은 도 4의 회전 축선 주변의 확대도.

도 12A 및 도 12B는 케이싱의 환상 홈의 형상을 나타내는 도면.

도 13A 및 도 13B는 로터 챔버의 내주면의 형상 및 흡기·배기의 타이밍을 나타내는 도면.

도 14는 흡기 개시 각도와 팽창비와의 관계를 나타내는 그래프.

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

도 16∼도 20은 본 발명의 제2실시예를 나타내는 것으로서,

도 16은 상기 도 4에 대응하는 로터의 종단면도.

도 17은 도 16의 17-17선 단면도.

도 18은 도 16의 18-18선 단면도.

도 19는 도 18의 19-19선 단면도.

도 20은 로터의 윤활수 분배부의 분해 사시도.

도 21은 종래 기술의 롤러의 위상과 하중과의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 회전 유체기계의 작동실 내에 가두어진 액상 작동 매체에 의한 수격 작용 현상의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1특징에 의하면, 로터 챔버와, 로터 챔버의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터와, 로터에 반경 방향으로 이동이 자유롭게 지지된 작동 부재와, 로터의 회전에 수반(隨伴)하는 작동 부재의 이동에 의해 용적이 변화되는 작동실을 구비하고, 로터의 회전에 따라서 작동실에 공급·배출되는 기상 작동 매체의 압력 에너지 및 로터의 회전 에너지 간의 에너지 변환을 실행하는 회전 유체기계에 있어서, 작동실로부터 기상 작동 매체를 배출하는 배기 행정의 종료 시로부터, 작동실에 기상 작동 매체를 공급하는 흡기 행정의 시작 시까지의 기간, 작동실의 용적이 대략 일정값이 되도록 작동 부재의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계를 제안한다.

상기 구성에 의하면, 작동실로부터 기상 작동 매체를 배출하는 배기 행정의 종료 시로부터, 작동실에 기상 작동 매체를 공급하는 흡기 행정의 시작 시까지의기간, 작동실의 용적이 대략 일정값이 되도록 작동 부재의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키므로, 밀폐된 작동실에 비압축성의 액상 작동 매체가 가두어져도 수격 작용 현상의 발생이 방지되어, 회전 유체기계의 진동, 소음, 내구성 저하를 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 제2특징에 의하면, 상기 제1특징에 추가해서, 상기 작동 부재가 로터에 방사 방향으로 출몰(出沒)이 자유롭게 지지되어서 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 복수의 베인이고, 상기 작동실이, 인접하는 2개의 베인, 로터의 외주면 및 로터 챔버의 내주면에 의해서 구획되는 복수의 베인 챔버이며, 베인 챔버 및 배기 포트 사이가 비연통 상태로 되는 배기 행정 종료 시로부터, 베인 챔버 및 흡기 포트 사이가 연통 상태로 되는 흡기 행정 시작 시까지의 기간, 베인 챔버의 용적이 대략 일정값이 되도록 로터 챔버의 형상을 설정한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계를 제안한다.

상기 구성에 의하면, 로터 챔버의 형상의 설정에 의해 배기 행정 종료 시로부터 흡기 행정 시작 시까지의 기간에 베인 챔버의 용적이 대략 일정값이 되기 때문에, 배기 포트 및 흡기 포트 사이의 베인 챔버에 비압축성의 액상 작동 매체가 가두어져도 수격 작용 현상의 발생이 방지되어, 베인식 회전 유체기계의 진동, 소음, 내구성 저하를 방지할 수 있다. 게다가 베인식 회전 유체기계가 팽창기로서 기능할 경우에는, 고압 포트인 흡기 포트가 베인 챔버에 연통된 순간에, 그 압력이 상기 베인 챔버를 구획하는 1쌍의 베인에 균등하게 작용하므로, 로터가 역회전하거나, 로터를 역회전시키는 토크가 발생하거나 하는 것을 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 제3특징에 의하면, 상기 제1특징에 추가해서, 상기 작동실이 로터에 반경 방향으로 설치한 복수의 실린더이고, 상기 작동 부재가 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 복수의 피스톤이며, 로터의 회전에 수반해서 실린더에 기상 작동 매체를 공급·배출하는 공급구 및 배출구를 구비하고, 배출구가 폐쇄되고 나서 공급구가 개방될 때까지의 기간에 피스톤의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계를 제안한다.

상기 구성에 의하면, 회전 유체기계의 냉간 시동 시에 실린더 내에 공급된 기상 작동 매체가 냉각되어서 액화되었을 경우에, 기상 작동 매체 배출구가 폐쇄되고 나서 기상 작동 매체 공급구가 개방될 때까지의 기간, 즉 실린더 내에 액화된 액상 작동 매체가 가두어지는 기간에 피스톤의 이동이 거의 정지되므로, 수격 작용 현상의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 제4특징에 의하면, 상기 제1특징에 추가해서, 상기 작동 부재가 로터에 방사 방향으로 출몰이 자유롭게 지지되어서 로터 챔버의 내주면에 미끄럼 접촉하는 복수의 베인을 포함하고, 상기 작동실이, 인접하는 2개의 베인, 로터의 외주면 및 로터 챔버의 내주면에 의해서 구획되는 복수의 베인 챔버를 포함하고, 베인 챔버 및 배기 포트 사이가 비연통 상태로 되는 배기 행정 종료 시로부터, 베인 챔버 및 흡기 포트 사이가 연통 상태로 되는 흡기 행정 시작 시까지의 기간, 베인 챔버의 용적이 대략 일정값이 되도록 로터 챔버의 형상을 설정하고, 또한 상기 작동실이 로터에 반경 방향으로 설치한 복수의 실린더를 포함하고, 상기 작동 부재가 실린더에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 복수의 피스톤을 포함하고, 로터의 회전에 따라 실린더에 기상 작동 매체를 공급·배출하는 공급구 및 배출구를 구비하여, 배출구가 폐쇄되고 나서 공급구가 개방될 때까지의 기간에 피스톤의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계를 제안한다.

상기 구성에 의하면, 로터 챔버의 형상의 설정에 의해 배기 행정 종료 시로부터 흡기 행정 시작 시까지의 기간에 베인 챔버의 용적이 대략 일정값이 되기 때문에, 배기 포트 및 흡기 포트 사이의 베인 챔버에 비압축성의 액상 작동 매체가 가두어져도 수격 작용 현상의 발생이 방지되어, 베인식 회전 유체기계의 진동, 소음, 내구성 저하를 방지할 수 있다. 게다가 베인식 회전 유체기계가 팽창기로서 기능하는 경우에는, 고압 포트인 흡기 포트가 베인 챔버에 연통된 순간에, 그 압력이 상기 베인 챔버를 구획하는 1쌍의 베인에 균등하게 작용하므로, 로터가 역회전하거나, 로터를 역회전시키는 토크가 발생하거나 하는 것을 방지할 수 있다. 또한 회전 유체기계의 냉간 시동 시에 실린더 내에 공급된 기상 작동 매체가 냉각되어서 액화되었을 경우에, 기상 작동 매체 배출구가 폐쇄되고 나서 기상 작동 매체 공급구가 개방될 때까지의 기간, 즉 실린더 내에 액화된 액상 작동 매체가 가두어지는 기간에 피스톤의 이동이 거의 정지되므로, 수격 작용 현상의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 제5특징에 의하면, 상기 제3 또는 제4특징에 추가해서, 로터 및 베인의 접동면(摺動面)을 액상 작동 매체로써 윤활시키는 동시에, 로터 및 베인의 접동면을 윤활시키는 액상 작동 매체의 일부를 실린더 및 피스톤의 접동면에 공급해서 밀봉을 실행하는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계를 제안한다.

상기 구성에 의하면, 실린더 및 피스톤의 접동면에 액상 작동 매체를 공급하므로, 액상 작동 매체의 점성에 의한 저항으로써 상기 접동면을 효과적으로 밀봉해서 기상 작동 매체의 통과를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 액상 작동 매체가 기상 작동 매체에 혼입되어도, 오일이 혼입된 경우와 같은 문제가 발생할 염려가 없다. 또한 로터 및 베인의 접동면을 윤활시키는 액상 작동 매체의 일부를 겸용해서 바이패스 시킴으로써 밀봉용으로 이용하므로, 밀봉용의 액상 작동 매체를 공급하는 경로를 별도로 특별히 설치할 필요가 없어져서 구조의 간소화에 기여할 수 있다.

또한, 실시예의 피스톤(41) 및 베인(42)은 본 발명의 작동 부재에 대응하고, 실시예의 실린더(39) 및 베인 챔버(54)는 본 발명의 작동실에 대응하며, 실시예의 제1, 제2도입 구멍 군(群)(107, 108)은 본 발명의 흡기 포트에 대응하고, 실시예의 제1, 제2도출 구멍 군(110, 111)은 본 발명의 배기 포트에 대응하며, 실시예의 물 및 증기는 각각 본 발명의 액상 작동 매체 및 기상 작동 매체에 대응한다.

우선, 도 1∼도 15에 근거해서 본 발명의 제1실시예를 설명한다.

도 1에 있어서, 내연기관(1)의 폐열 회수장치(2)는, 내연기관(1)의 폐열, 예로서 배기 가스를 열원(熱源)으로 하여, 고압 상태의 액체, 예로서 물로부터 온도 상승이 실행된 고압 상태의 증기, 즉, 고온 고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 그 고온 고압 증기의 팽창에 의해서 출력을 발생시키는 팽창기(4)와, 그 팽창기(4)로부터 배출되는, 상기 팽창 후의 온도 및 압력이 강하된 증기, 즉, 강온(降溫) 강압(降壓) 증기를 액화시키는 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)로서 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)로서 구성되고, 양쪽 원형 플랜지(12)를 금속 개스킷(gasket)(13)을 사이에 끼워 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 덮혀 있으며, 그 주체(16)와 일체인 원형 플랜지(17)가 제1반체(8)의 원형 플랜지(12)에 개스킷(18)을 사이에 끼워 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, 로터챔버(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 직경(長徑)과 짧은 직경(短徑)과의 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 외부로 돌출해서 전동축(傳動軸)(28)과 스플라인(spline) 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. 이것에 의해 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) 형상 공간(34)이 원주 상에 등간격(等間隔)으로 형성되어 있다. 각각의 공간(34)은, 원주 방향 폭이 좁고, 또한 로터 (31)의 양(兩) 단면(端面)(35) 및 외주면(36)에 일련으로 개구되도록, 양 단면(35)에 직교하는 가상 평면 내에 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 내주측(內周側)을 구획하는 부분(37)에 단차(段差)가 있는 구멍(38)이 형성되고, 그 단차 형성 구멍(38)에, 세라믹(또는 카본)으로서 구성되는 단차 형성 실린더(39)가 끼워 넣어진다. 실린더(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(39)의 외측(外側)에, 그 부재(39)와 동축(同軸) 상에 위치하도록 가이드(guide) 통(40)이 배치된다. 이 가이드 통(40)의 외측 단부(端部)는, 로터(31)의 외주면(36)에 존재하는 공간 (34)의 개구부에 걸리고, 또한 내측 단부는 단차 형성 구멍(38)의 대직경 구멍 d에 끼워 넣어져서 실린더(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 면하고 있다. 실린더(39)의 대직경 실린더 구멍 f 내에 세라믹으로서 구성된 피스톤(41)이 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지고, 이 피스톤 (41)의 선단부(先端部) 측은 항상 가이드 통(40) 내에 위치한다.

도 2 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 로터(31)의 회전 축선 L을 포함하는 가상 평면 A 내에 있어서의 로터 챔버(14)의 단면 B는, 직경 g를 상호 대향시킨 1쌍의 반원형(半圓形) 단면부 Bl과, 양쪽 반원형 단면부 Bl의 양쪽 직경 g의 한쪽의 대향단(對向端) 상호(相互) 및 다른 쪽의 대향단 상호를 각각 연결해서 형성되는 4각형 단면부 B2로 구성되어서, 대략 경기용 트랙(track)형을 이루고 있다. 도 6에 있어서, 실선으로 나타내는 부분이 긴 직경을 포함하는 최대 단면을 나타내는 한편, 일부를 2점 쇄선(鎖線)으로써 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 단면 보다도 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)으로서 구성된다.

베인 본체(43)는, 로터 챔버(14)의 반원형 단면부 Bl에 의한 내주면(45)에 대응한 반원호(半圓弧) 형상부(46)와, 4각형 단면부 B2에 의한 대향 내측 단면(端面) (47)에 대응한 1쌍의 평행부(48)를 갖는다. 각각의 평행부(48)의 단부 측에 コ자형의 노치(notch)(49)와, 그것들의 저면(底面)에 개구된 4각형의 블라인드 홀(blind hole)(50)과, 각각의 노치(49) 보다도, 더욱 단부 측에 있으며 외측 방향으로 돌출되어 있는 단축(短軸)(51)이 형성된다. 또한 반원호 형상부(46) 및 양쪽 평행부 (48)의 외주 부분에, 외측 방향을 향해서 개구된 U자 홈(52)이 일련으로 형성되고, 이 U자 홈(52)의 양 단부는 양쪽 노치(49)에 각각 연통된다. 또한 반원호 형상부 (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 반원호 형상부(46)를 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 미끄럼 운동하는 반원호 형상부(55)와, 4각형 단면부 B2에 의한 대향 내측 단면(47)을 미끄럼 운동하는 1쌍의 평행부(56)를 갖는다. 또한 반원호 형상부(55)의 내주면 측에 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 넣어지며, 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 미끄럼 운동이 자유롭게 수용되어 있으며, 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 e 안에 각각 위치하여, 이것에 의해 양쪽 돌출 스템 (53)의 내측 단면이 피스톤(41)의 외측 단면과 맞닿을 수 있다. 양쪽 롤러(59)는 제1, 제2반체(8, 9)의 대향 내측 단면(47)에 형성된 비(非) 원형의 환상 홈(60)에 각각 원활하게 전동(轉動)되도록 걸어 맞추어진다. 이들 환상 홈(60) 및 로터 챔버(14) 사이의 거리는 그것들의 전체 주위에 걸쳐서 일정하다. 또한 피스톤(41)의 전진(前進) 운동을 베인(42)을 사이에 끼워 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 걸어 맞춤에 의해서 로터(31)의 회전 운동으로 변환시킨다.

이 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 협동 작용에 의해서, 도 5에 명시하는 바와 같이, 베인 본체(43)의 반원호 형상부(46)에 있어서의 반원호 형상 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 도모되고 있다. 그리고, 2조 1쌍으로 구성되어 있는 환상 홈(60)에 의해서 궤도가 규제되기 때문에, 좌우의 궤도 오차에 의해 롤러(59)를 사이에 끼워 베인(42)은 축방향으로 미소(微小) 변위각(變位角)의 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 대폭적으로 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 밀착되고, 특히 양쪽 평행부(56)의 단부와 베인(42) 사이를 통해서 환상 홈(60)에의 밀봉 작용을 실행한다. 또한 반원호 형상부(55)는, 양쪽 탄성 클로(57)가 베인 본체 (43) 및 로터 챔버(14) 내의 내주면(45) 사이에서 압압(押壓)됨으로써, 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. 이것에 의해 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 유지할 수 있게 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)를 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 가해지는 원심력에 의존하지 않고, 항상 양호한 밀봉성과 낮은 마찰성을 양립시킬 수 있다.

이상과 같이, 로터(31)에 방사상으로 지지된 12매(枚)의 베인(42)과, 로터 챔버(14)의 내주면(45)과, 로터(31)의 외주면(36)에 의해서, 로터(31)의 회전에 따라 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 회전될 수 있도록 끼워져서 고정된다. 그 중공 축(64)의 내측에 고정축(65)이 배치되며, 이 고정축(65)은, 로터(31)의 축선 방향 두께 내에 수용되도록 중공 축 (64)에 끼워 맞추어진 대직경 중실부(中實部)(66)와, 출력축(23)의 두꺼운 살 부분 (62)에 존재하는 구멍부(67)에 2개의 밀봉 링(68)을 사이에 끼워서 맞추어진 소직경 중실부(69)와, 대직경 중실부(66)로부터 연장되어서 중공 축(64) 내에 끼워 맞추어진 얇은 살의 중공부(中空部)(70)로서 구성된다. 그 중공부(70)의 단부 외주면과 제1반체(8)의 중공 베어링 통(21)의 내주면과의 사이에 밀봉 링(71)이 개재(介在)된다.

셸형 부재(15)의 주체(16)에 있어서, 그 중심부 내면에, 출력축(23)과 동축 상에 있는 중공 통체(筒體)(72)의 단벽(端壁)(73)이 밀봉 링(74)을 사이에 끼워서부착된다. 그 단벽(73)의 외주부로부터 내측 방향으로 연장되는 짧은 외통부(外筒部)(75)의 내단측(內端側)은 제1반체(8)의 중공 베어링 통(21)에 연결통(76)을 통해서 연결된다. 단벽(73)에, 그것을 관통하도록 소직경이며, 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 중실부(66)에 존재하는 단차가 형성된 구멍 h에 끼워져서 고정된다. 내관부(77)의 외측 단부 부분은 셸형 부재(15)의 구멍부 (79)로부터 외측 방향으로 돌출되어, 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 외단면(外端面)에 밀봉 링(84)을 사이에 끼워서 압착된다.

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

도 11에는 팽창기(4)의 각각의 실린더(39)에 소정의 타이밍으로써 증기를 공급·배출하는 회전 밸브 Ⅴ의 구조가 나타나 있다. 대직경 중실부(66) 내에 있어서, 중공 접속관(78)에 연통하는 공간(85)으로부터 서로 반대 방향으로 연장되는제1, 제2구멍부(86, 87)가 형성되고, 제1, 제2구멍부(86, 87)는 대직경 중실부(66)의 외주면으로 개구되는 제1, 제2오목부(88, 89)의 저면(底面)에 개구된다. 제1, 제2오목부(88, 89)에, 공급구(90, 91)를 갖는 카본(carbon)제의 제1, 제2밀봉 블록 (92, 93)이 장착되고, 그것들의 외주면은 중공 축(64)의 내주면에 미끄럼 마찰된다. 제1, 제2구멍부(86, 87) 내에는 동축 상에 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 존재해서 그것에 연속해 있는 테이퍼 구멍 k, m의 내주면에 끼워 맞추어진다. 또한 대직경 중실부(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 일단측(一端側)을 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 중실부(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, 제2 배출구(102, 103)와, 이들 배출구(102, 103)로부터 도입관(80)과 평행으로 연장되어서 고정축(65)의 중공부 r내에개구되는 제1, 제2배출 구멍(104, 105)이 형성되어 있다.

이들 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 r 내 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 양 단부 근방에, 반경 방향으로 늘어서 있는 복수의 도입 구멍(106)으로서 이루어지는 제1, 제2도입 구멍 군(107, 108)이 형성되어서, 중계 챔버(20) 내의 제1의 강온 강압 증기가 이들 도입 구멍 군(107, 108)을 경유해서 로터 챔버(14) 내로 도입된다. 또한 제2반체(9)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터 챔버(14)의 긴 직경의 일단부와 제2도입 구멍 군(108)과의 사이에, 반경 방향 및 둘레 방향으로 늘어서 있는 복수의 도출 구멍(109)으로서 이루어지는 제1도출 구멍 군(110)이 형성되며, 또한 긴 직경의 타단부와 제1도입 구멍 군(107)과의 사이에, 반경 방향 및 둘레 방향으로 늘어서 있는 복수의 도출 구멍(109)으로서 이루어지는 제2도출 구멍 군(111)이 형성된다. 이들 제1, 제2도출 구멍 군(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 있으며, 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 면하는 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 홈 v는 제2반체(8) 측의 베어링 메탈(25)이 면하는 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 중실부 (66) 사이의 접동(摺動) 부분을 연통하는 환상 오목부 w가 형성되어 있다.

이것에 의해서, 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, U8 등에 대해서도 동일하다.

예로서, 도 11도 참조하여, 제1공급관(94)의 축선이 로터 챔버(14)의 짧은 직경 위치 E 보다도 도 4에서 반시계 방향 측으로 약간 편이되어 있고, 또한 제1베인 피스톤 유닛 Ul이 상기 짧은 직경 위치 E에 있어서, 그 대직경 실린더 구멍 f에는 고온 고압 증기는 공급되어 있지 않으며, 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 미끄럼 운동함으로써, 베인(42)을 사이에 끼워서 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 f 내에서 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 f 내의 제1의 강온 강압 증기는, 베인(42)에 의해서 피스톤 (41)이 후퇴됨에 따라, 소직경 구멍 b, 통과 구멍 c, 제1배출구(102), 제1배출 구멍 (104), 통로 s(도 3참조) 및 각각의 통과 구멍 t를 경유해서 중계 챔버(20)에 배출되고, 이어서 도 2 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1도입 구멍 군(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 구멍 군(110)으로부터 외부로 배출된다.

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

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. 즉, 상기±16°의 범위에 있어서 로터 챔버(14)의 내주면(45) 및 환상 홈(60)은 축선 L을 중심으로 하는 부분 원호를 구성하고 있다.

회전 밸브 Ⅴ는, 위상 0°의 Pl점 및 위상 180°의 P2점을 기준으로 하는 -16°의 위치에서 관통 구멍 c 및 제1, 제2 배출구(102, 103)의 연통이 차단되어서 증기의 배출이 종료되고, 위상 0°의 Pl점 및 위상 180°의 P2점을 기준으로 하는 +16°의 위치에서 공급구(90, 91) 및 관통 구멍 c가 연통되어서 증기의 공급이 개시된다. 따라서, Pl점 및 P2점을 기준으로 하는 ±16°의 범위에 있어서 실린더(39)의 내부 공간이 밀폐되게 된다. 실린더(39)의 내부 공간이 밀폐된 상태에서 피스톤 (41)이 이동했을 경우, 실린더(39) 내에 압축성의 증기가 존재하고 있으면 문제가 없지만, 비압축성의 물이 존재하고 있으면 수격 작용 현상이 발생하게 된다. 실린더 (39)에 공급되는 것은 고온 고압 증기이지만, 팽창기(4)의 냉간 시동 시에 실린더 (39)에 공급된 고온 고압 증기가 냉각되어서 액화되면, 실린더(39) 내에 물이 체류해서 수격 작용 현상을 일으킬 가능성이 있다.

그러나 본 실시예에서는, 실린더(39)의 내부 공간이 밀폐되는 영역, 즉 Pl점 및 P2점을 기준으로 하는 ±16°의 범위에서 환상 홈(60)은 축선 L을 중심으로 하는 부분 원호를 이루고 있기 때문에, 피스톤(41)이 실린더(39)에 대하여 이동하지 않도록 해서 수격 작용 현상의 발생을 확실하게 방지할 수 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 있으며, 따라서 인접하는 1쌍의 베인 (42)이 이루는 중심각은 30°가 된다. 도 13B에 나타내는 종래예는, 1쌍의 베인 (42)에 의해 구획된 베인 챔버(54)와, 제1, 제2도출 구멍 군(110, 111)의 도출 구멍 (109)과의 연통이 차단될 때의 베인(42)의 위상(배기 종료 위상)이, Pl점 및 P2점을 기준으로 해서 -24°로 설정되고, 베인 챔버(54)가 제1, 제2도입 구멍 군(107, 108)의 도입 구멍(106)과 연통 할 때의 베인(42)의 위상(흡기 개시 위상)이, Pl점 및 P2점을 기준으로 해서 +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 흡기 개시 위상이 비대칭이기 때문에, 베인 챔버(54)를 구획하는 1쌍의 베인 (42) 중, 회전 방향 지연 측의 베인(42)의 돌출량이 회전 방향 진행 측의 베인(42)의 돌출량 보다도 커지고, 회전 방향 지연 측의 베인(42)에 의해 큰 증기압이 작용하여 로터(31)의 회전 방향과 역방향의 토크가 작용한다. 그 결과, 시동 시에 로터 (31)의 역회전 현상이 발생하거나, 운전 중에 토크 변동에 의한 진동이 발생하거나 할 가능성이 있다.

또한 도 13B에 나타내는 종래예는, 배기 종료 위상과 흡기 개시 위상과의 위상차가 28°로서 베인 간의 각도 30°보다도 작기 때문에, 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 증기의 통과가 약간 발생한다. 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 흡기 개시 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 배기 종료 위상과 흡기 개시 위상이 전후 비대칭인 것에 기인한다. 이렇게 하여 밀폐된 베인 챔버(54)의 용적이 감소되면, 증기가 액화된 물이나 윤활용 물이 상기 베인 챔버 (54)에 갇혀 있는 경우에, 수격 작용 현상이 발생해서 진동, 소음, 내구성의 저하 등의 원인이 될 가능성이 있다.

이것에 대하여, 도 13A에 나타내는 본 실시예는, 배기 종료 위상 및 흡기 개시 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 지연 측의 베인(42)의 돌출량 및 회전 방향 진행 측의 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 않기 때문에, 베인 챔버(54)에 물이 갇혀져 있어도 수격 작용 현상이 발생할 염려가 없어지고, 진동, 소음, 내구성의 저하 등을 확실하게 방지할 수 있다.

그런데, 증기의 압력 에너지를 기계 에너지로 효율적으로 변환시키기 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 흡기 개시 위상을 될 수 있는 한 빠르게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 실시예의 흡기 개시 위상은 +15°로서 종래예의 흡기 개시 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, 타원 형상의 환상 홈(60)을 구비한 종래예는, 흡기 개시 위상이 +4°로서 팽창비는 약 20이지만, 상기한 역회전 현상이나 수격 작용 현상을 방지하기 위해서 환상 홈(60)의 형상을 변경하지 않고 흡기 개시 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, 흡기 개시 위상을 +15°까지 지연시켜도 20을 초과하는 팽창비를 확보할 수 있다(실선 참조).

그런데, 팽창기(4)의 운전 중에 환상 홈(60)에 걸어 맞추어져서 전동(轉動)되는 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 하중이며, 그 크기는 실린더(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 하중이며, 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(total) 하중의 반작용이 환상 홈(60)으로부터 롤러(59)에 반복해 작용하여, 롤러(59)의 내구성에 영향을 주게 된다.

도 15에는 본 실시예의 상기 각각의 하중 및 토털 하중의 변화가 도시되어 있고, 또한 도 21에는 종래예의 상기 각각의 하중 및 토털 하중의 변화가 도시되어 있다. 도 15 및 도 21의 어느 경우에도, 피스톤 압력 하중은 위상이 40°미만의 영역, 즉, 실린더(39)에 증기가 공급되는 영역에서 평탄한 피크(peak) 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 영역과 180°에 가까운 영역, 즉, 베인 챔버(54)가 도입구(106)에 연통되는 영역에서 부(負)의 평탄한 피크 값을 가지며, 그 밖의 영역에서는 작은 부의 값을 갖는다.

도 15 및 도 21을 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(疲勞) 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 양쪽피크 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 정(正)의 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.

이어서, 도 16∼도 20을 참조해서 본 발명의 제2실시예를 설명한다. 제2실시예의 팽창기(4)는, 제1실시예의 팽창기(4)에 물에 의한 베인(42)의 윤활 기능과 실린더(39)의 밀봉 기능을 부가한 것으로서, 그 밖의 구조는 기본적으로 동일하다. 또한, 제2실시예의 부재에서 제1실시예의 부재에 대응하는 것에는, 제1실시예와 동일한 부호가 첨부되어 있다.

로터(31)는 출력축(23)의 외주에 일체로 형성된 로터 코어(rotor core)(142)와, 로터 코어(142)의 주위를 덮도록 고정되어서 로터(31)의 외곽을 구성하는 12개의 로터 세그먼트(rotor segment)(143…)로서 구성된다. 로터 코어(142)에 세라믹(또는 카본)제의 12개의 실린더(39…)가 30°간격으로 방사상으로 장착되어서 클립 (clip)(145…)으로써 걸려 정지된다.

각각의 로터 세그먼트(143)는 30°의 중심각을 갖는 중공의 쐐기 형상 부재로서, 로터 챔버(14)에 대향하는 면에는 축선 L을 중심으로 해서 원호 형상으로 연장되는 2개의 홈(143a, 143b)이 형성되어 있으며, 이 홈(143a, 143b)의 중앙에 윤활수 분출구(143c, 143d)가 개구되어 있다. 또한 로터 세그먼트(143)의단면(端面), 즉 베인(42)에 대향하는 면에는 4개의 윤활수 분출구(143e, 143e; 143f, 143f)가 개구되어 있다.

로터 세그먼트(143) 및 로터 코어(142)를 관통하는 관통 구멍(153)이 2개의 녹 핀)(knock pin) 구멍(151, 151)의 사이에 형성되어 있으며, 이 관통 구멍(153)의 양단(兩端)에 각각 오목부(154, 154)가 형성된다. 관통 구멍(153)의 내부에는 2개의 파이프 부재(155, 156)가 밀봉 부재(157∼160)를 사이에 넣어서 끼워지는 동시에, 각각의 오목부(154) 내에 오리피스(orifice) 형성 플레이트(161) 및 윤활수 분배 부 재(162)가 끼워 맞추어져서 너트(163)로써 고정된다. 오리피스 형성 플레이트(161) 및 윤활수 분배 부재(162)는, 오리피스 형성 플레이트(161)의 녹 핀 구멍(161a, 161a)을 관통해서 윤활수 분배 부재(162)의 녹 핀 구멍(162a, 162a)에 끼워 맞추어지는 2개의 녹 핀(164, 164)에 의해서 로터 세그먼트(143)에 대하여 회전 정지되고, 또한 윤활수 분배 부재(162) 및 너트(163) 사이는 0-링(165)에 의해 밀봉 된다.

한쪽의 파이프 부재(155)의 외측 단부에 형성된 소직경부(155a)는 관통 구멍(155b)을 통해서 파이프 부재(155)의 내부의 제6물통로(W6)에 연통되고, 또한 소직경부(155a)는 윤활수 분배 부재(162)의 1측면에 형성된 방사상의 분배 홈 (162b)에 연통된다. 윤활수 분배 부재(162)의 분배 홈(162b)은 6개의 방향으로 연장되어 있으며, 그 선단이 오리피스 형성 플레이트(161)의 6개의 오리피스(161b, 161b; 161c, 161c; 161d, 161d)에 연통된다. 다른 쪽의 파이프 부재(156)의 외측 단부에 마련된 오리피스 형성 플레이트(161), 윤활수 분배 부재(162) 및 너트(163)의 구조는, 전술한 오리피스 형성 플레이트(161), 윤활수 분배 부재(162) 및 너트 (163)의 구조와 동일하다.

그리고 오리피스 형성 플레이트(161)의 2개의 오리피스(161b, 161b)의 하류측은, 로터 세그먼트(143)의 내부에 형성된 제7물통로(W7, W7)를 통하고, 베인(42)에 대향하도록 개구되는 상기 2개의 윤활수 분출구(143e, 143e)에 연통되고, 다른 2개의 오리피스(161c, 161c)의 하류측은, 로터 세그먼트(143)의 내부에 형성된 제8물통로(W8, W8)를 통해서, 베인(42)에 대향하도록 개구되는 상기 2개의 윤활수 분출구 (143f, 143f)에 연통되고, 또한 다른 2개의 오리피스(161d, 161d)의 하류측은, 로터 세그먼트(143)의 내부에 형성된 제9물통로(W9, W9)를 통해서, 로터 챔버(14)에 대향하도록 개구되는 상기 2개의 윤활수 분출구(143c, 143d)에 연통된다.

실린더(39)의 외주에 1쌍의 0-링(166, 166)으로써 구획된 환상 홈(167)이 형성되어 있으며, 한쪽의 파이프 부재(155)의 내부에 형성된 제6물통로(W6)는, 그 파이프 부재(155)를 관통하는 4개의 관통 구멍(155c…) 및 로터 코어(142)의 내부에 형성된 제10물통로(WlO)를 통해서 상기 환상 홈(167)에 연통된다. 그리고 환상 홈(167)은 오리피스(39a)을 통해서 실린더(39) 및 피스톤(41)의 접동면(摺動面)에 연통된다. 실린더(39)의 오리피스(39a)의 위치는, 피스톤(41)이 상사점 및 하사점 간을 이동할 때에, 그 피스톤(41)의 접동면에서 제외되지 않는 위치, 즉 피스톤 (41)이 실린더(39)에 항상 접동 상태로 대향하는 위치에 설정되어 있다.

도시하지 않는 제1∼제3물통로(Wl∼W3)는, 출력축(23)에 형성한 제4물통로(W4), 로터 코어(142) 및 로터 세그먼트(143)를 가로 지르는 파이프 부재(169) 및 로터 세그먼트(143)의 반경 방향 내측의 녹 핀(152)을 우회하도록 형성된 제5물통로 (W5, W5)를 통해서, 상기 한쪽의 파이프 부재(155)의 소직경부(155a)에 연통된다.

로터(31)의 인접하는 로터 세그먼트(143…) 사이에 방사 방향으로 연장되는 12개의 베인 홈(149…)이 형성되어 있으며, 이들 베인 홈(149…)에 판(板) 형상의 베인(42…)이 각각 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어진다. 베인(42)의 양 측면에는 각각 2개의 홈(42a, 42a)이 형성되어 있으며, 이들 홈(42a, 42a)은, 로터 세그먼트(143)의 단면에 개구되는 반경 방향 내측의 2개의 윤활수 분출구(143e, 143e)에 대향한다. 베인(42)의 노치(42b)의 중앙에 반경 방향 내향으로 돌출하여 설치된 피스톤 받이 부재(173)가, 피스톤(41)의 반경 방향 외단(外端)에 맞닿는다.

이어서, 상기 구성을 구비한 제2실시예의 작용에 대해서 설명한다.

윤활용의 물의 공급은 응축기(5)로부터의 물을 증발기(3)에 가압 공급하는 공급 펌프(6)(도 1 참조)를 이용해서 실행되는 것으로, 공급 펌프(6)가 토출하는 물의 일부가 윤활용으로서 공급된다. 이렇게 공급 펌프(6)를 팽창기(4)의 각각의 부분의 정압(靜壓) 축받이에의 물의 공급에 이용함으로써, 특별한 펌프가 불필요해져서 부품 점수(点數)가 삭감된다.

공급 펌프로부터 제1∼제3물통로(Wl∼W3)(도시하지 않음), 출력축(23)의 제4물통로(W4), 파이프 부재(169) 및 로터 세그먼트(143)에 형성된 제5물통로(W5, W5)를 경유해서 한쪽의 파이프 부재(155)의 소직경부(155a)에 유입되고, 또한 상기 소직경부(155a)에 유입된 물은 한쪽의 파이프 부재(155)의 관통 구멍(155b), 양쪽 파이프 부재(155, 156)에 형성된 제6물통로(W6) 및 다른 쪽의 파이프 부재(156)에 형성된 관통 구멍(156b)을 경유해서, 그 다른 쪽의 파이프 부재(156)의 소직경부 (156a)에 유입된다.

각각의 파이프 부재(155, 156)의 소직경부(155a, 156a)로부터 각각의 윤활수 분배 부재(162)의 분배 홈(162b)을 거쳐서 오리피스 형성 플레이트(161)의 6개의 오리피스(161b, 161b; 161c, 161c; 161d, 161d)를 통과한 물의 일부는, 로터 세그먼트 (143)의 단면에 개구되는 4개의 윤활수 분출구(143e, 143e; 143f, 143f)로부터 분출되고, 다른 일부는 로터 세그먼트(143)의 측면에 형성된 원호 형상의 홈(143a, 143b) 내의 윤활수 분출구(143c, 143d)로부터 분출된다.

그리하여, 각각의 로터 세그먼트(143)의 단면의 윤활수 분출구(143e, 143e; 143f, 143f)로부터 베인 홈(149) 내에 분출된 물은, 베인 홈(149)에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 베인(42)과의 사이에 정압 축받이를 구성해서 그 베인 (42)을 부동(浮動) 상태로 지지하고, 로터 세그먼트(143)의 단면과 베인(42)과의 고체 접촉을 방지해서 늘어붙음 및 마모의 발생을 방지한다. 이렇게, 베인(42)의 접동면을 윤활시키는 물을 로터(31)의 내부에 방사상으로 설치한 물통로를 통해서 공급함으로써, 물을 원심력으로써 가압시킬 수 있을 뿐만 아니라, 로터(31) 주변의 온도를 안정시켜서 열팽창에 의한 영향을 적게 하고, 설정한 클리어런스를 유지해서 증기의 누출을 최소한으로 억제할 수 있다.

또한 베인(42)의 양면에 각각 2개씩 형성된 홈(42a, 42a)에 물이 유지되기 때문에, 이 홈(42a, 42a)에 압력이 잔류되어서 물의 누출에 의한 압력 저하를 억제한다. 그 결과, 1쌍의 로터 세그먼트(143, 143)의 단면에 끼워진 베인(42)이 물에 의해 부동 상태가 되어, 접동 저항을 전무(全無)에 가까운 상태까지 저감하는 것이 가능하게 된다. 또한 베인(42)이 왕복 운동하면 로터(31)에 대한 베인(42)의 반경 방향의 상대 위치가 변화되지만, 상기 홈(42a, 42a)은 로터 세그먼트(143) 측이 아니고 베인(42) 측에 설치되어 있으며, 또한 베인(42)에 가장 많이 하중이 걸리는 롤러(59, 59)의 근방에 설치되어 있기 때문에, 왕복 운동하는 베인(42)을 항상 부동 상태로 유지해서 접동 저항을 효과적으로 저감하는 것이 가능해 진다.

또한, 로터 세그먼트(143)에 대한 베인(42)의 접동면을 윤활시킨 물은 원심력으로써 반경 방향 외측으로 이동하여, 베인(42)에 설치한 밀봉 부재(44)와 로터 챔버(14)와의 접동부(摺動部)를 윤활시킨다. 그리고 윤활을 종료한 물은, 로터 챔버 (14)로부터 제1, 제2도출구 군(110…, 111…)을 통해서 배출된다.

로터 세그먼트(143)의 홈(143a, 143b)의 내부에 형성된 윤활수 분출구(143c, 143d)로부터 물을 분출해서 로터 챔버(14)와의 접동면에 정압 축받이를 구성함으로써, 로터(31)의 측면을 밀봉할 수 있으며, 그 결과 로터 챔버(14) 내의 증기가 로터(31)와의 간극을 통해서 누출되는 것을 방지할 수 있다. 이 때, 로터 챔버(14)와 로터(31)는 윤활수 분출구(143c, 143d)로부터 공급된 수막(水膜)으로 격리되어져서 고체 접촉하지 않게 되고, 마찰력을 최소한으로 억제하면서 안정된 밀봉 성능을 확보할 수 있다.

또한, 로터 챔버(14)와 로터(31)와의 접동부를 윤활시킨 물은, 원심력으로써 로터 챔버(14)에 공급되어, 거기에서 제1, 제2도출구 군(110…, 111…)을 경유해서케이싱(7)의 외부로 배출된다.

파이프 부재(155)의 내부의 제6물통로(W6)로부터 로터 세그먼트(143)의 내부의 제10물통로(WlO), 실린더(39)의 외주의 환상 홈(167) 및 오리피스(39a)를 경유해서 실린더(39) 및 피스톤(41)의 접동면에 공급된 물은, 그 접동면에 형성되는 수막의 점성에 의해 밀봉 기능을 발휘하여, 실린더(39)에 공급된 고온 고압 증기가 피스톤(41)과의 접동면을 통해서 누출되는 것을 효과적으로 방지한다. 이 때, 고온 상태에 있는 팽창기(4)의 내부를 통해서 실린더(39) 및 피스톤(41)의 접동면에 공급된 물은 가온(加溫)되어 있기 때문에, 그 물에 의해 실린더(39)에 공급된 고온 고압 증기가 냉각되어서 팽창기(4)의 출력이 저하되는 것을 최소한으로 억제할 수 있다.

게다가 밀봉용의 매체로서 증기와 동일 물질인 물을 이용함으로써, 증기에 물이 혼입해도 하등의 문제는 없다. 만일, 실린더(39) 및 피스톤(41)의 접동면을 오일로써 밀봉했을 경우에는, 물 혹은 증기에 오일이 혼입되는 것을 피할 수 없기 때문에, 오일을 분리하는 특별한 필터 장치가 필요하게 된다. 또한 베인(42) 및 베인 홈(149)의 접동면을 윤활시키는 물의 일부를 겸용해서 바이패스 시킴으로써 실린더 (39) 및 피스톤(41)의 접동면을 밀봉하므로, 그 물을 상기 접동면에 도입하는 물통로의 구조를 간소화시킬 수 있다.

이상 설명한 실시예 이외에도, 피스톤(41)의 전진 운동을 로터(31)의 회전 운동으로 변환시키는 구성으로서, 베인(42)을 사이에 끼우지 않고, 피스톤(41)의 전진 운동을 직접 롤러(59)에서 받아, 환상 홈(60)과의 걸어 맞춤으로써 회전 운동으로 변환시킬 수도 있다. 또한, 베인(42)도 롤러(59)와 환상 홈(60)과의 협동에 의해, 전술한 바와 같이 로터 챔버(14)의 내주면(45) 및 대향 내측 단면(47)으로부터 거의 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 협동해도 좋다.

상기 팽창기(4)를 압축기로서 사용할 경우에는, 출력축(23)에 의해 로터(31)를 도 4의 시계 방향으로 회전시켜서, 베인(42)에 의해, 유체로서의 외기(外氣)를 제1, 제2도출 구멍 군(110, 111)으로부터 로터 챔버(14) 내에 흡입하고, 이렇게 하여 얻어진 저압축 공기를 제1, 제2도입 구멍 군(107, 108)으로부터 중계 챔버(20), 각각의 관통 구멍 t, 통로 s, 제1, 제2배출 구멍(104, 105), 제1, 제2배출구(102, 103), 관통 구멍 c를 경유해서 대직경 실린더 구멍 f에 공급하고, 또한 베인(42)에 의해 피스톤(41)을 작동시켜서 저압 공기를 고압 공기로 변환시키고, 이 고압 공기를 관통 구멍 c, 공급구(90, 91), 및 제1, 제2공급관(94, 95)을 경유해서 도입관 (80)에 도입하는 것이다.

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

제1에너지 변환 수단은 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 변환 수단은 로터(31)에, 방사 방향으로 이동할 수 있게 지지된 베인(42)으로 구성되므로, 베인(42)에 가해지는 증기압이 직접 로터(31)의 회전 운동으로 변환되고, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키기 위한 특별한 변환 기구가 불필요하게 되어서 구조가 간략화된다. 더욱이 저압에서 많은 유량의 증기를 효과적으로 기계 에너지로 변환시킬 수 있는 제2에너지 변환 수단을 제1에너지 변환 수단의 외주를 둘러싸도록 배치했으므로, 팽창기(4) 전체의 치수를 콤팩트(compact)화시킬 수 있다.

실린더(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1에너지 변환 수단은 고온 고압 증기를 작동 유체로 한 경우에 압력 에너지 및 기계 에너지 간의 변환 효율이 높고, 또한 베인(42)으로 구성되는 제2에너지 변환 수단은 비교적 저온 저압의 증기를 작동 유체로 한 경우에도 압력 에너지 및 기계 에너지 간의 변환 효율이 높은 특성을 가지고 있다. 따라서, 제1, 제2에너지 변환 수단을 직렬로 접속하고, 우선 고온 고압 증기를 제1에너지 변환 수단을 통과시켜서 기계 에너지로 변환시키고, 그 결과로 압력이 저하된 제1의 강온 강압 증기를 제2에너지 변환 수단을 통과시켜서 다시 기계 에너지로 변환시킴으로써, 당초의 고온 고압 증기에 포함되는 에너지를 남김없이 효과적으로 기계 에너지로 변환시킬 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 유체로도 효과적으로 작동되는 제2에너지 변환 수단에서 압축하여 승온시키고, 그 압축·승온된 공기를, 비교적 고온 고압의 작동 유체에 의해서 효과적으로 작동되는 제1에너지 변환 수단에서 더욱 압축해서 승온시킴으로써, 기계 에너지를 압축 공기의 압력 에너지(열 에너지)로 효율적으로 변환시킬 수 있다. 그리하여, 실린더(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1에너지 변환 수단과 베인(42)으로 구성되는 제2에너지 변환 수단을 조합시킴으로써, 양자의 장점을 겸비한 고성능의 회전 유체기계를 얻을 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 가해지는 것을 방지해서 진동의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 작동 유체의 압력 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 부분, 또는 기계 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환시키는 부분이, 로터(31)의 회전 축선 L을 중심으로 해서 180°편이된 2개소에 배치되므로, 로터(31)에 가해지는 하중이 우력(偶力)으로 되어서 원활한 회전이 가능하게 되고, 더욱이 흡기 타이밍 및 배기 타이밍의 효율화를 도모할 수 있다.

그리하여, 본 실시예에서는 내연기관(1)의 배기 가스의 열 에너지로써 물을 가열해서 고온 고압 증기를 발생시키는 증발기(3)와, 증발기(3)로부터 공급된 고온 고압 증기를 일정한 토크의 축(軸) 출력으로 변환시키는 팽창기(4)와, 팽창기(4)가배출한 강온 강압 증기를 액화시키는 응축기(5)와, 응축기(5)에 의해서 액화된 물을 증발기(3)에 공급하는 공급 펌프(6)로 구성되는 랭킨 사이클(Rankine cycle)에 있어서, 그 팽창기(4)로서 용적형의 것을 채용하고 있다. 이 용적형의 팽창기(4)는, 터빈과 같은 비용적형의 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(39) 및 피스톤(41)으로 구성되는 제1에너지 변환 수단과, 베인 (42)으로 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 상세히 설명했지만, 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지의 설계 변경을 실행하는 것이 가능하다.

예를 들면, 실시예에서는 회전 유체기계로서 팽창기(4)를 예시했지만, 본 발명은 압축기로서도 적용할 수 있다.

또한 실시예에서는 기상 작동 매체 및 액상 작동 매체로서 증기 및 물을 이용하고 있지만, 다른 적당한 작동 매체를 이용할 수 있다.

또한 실시예의 팽창기(4)에서는, 우선 제1에너지 변환 수단인 실린더(39) 및 피스톤(41)에 고온 고압 증기를 공급한 후에, 그것이 강온 강압된 제1의 강온 강압증기를 제2에너지 변환 수단인 베인(42)에 공급하고 있지만, 예로서, 도 2에서 나타내는 제1에너지 변환 수단으로부터의 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 변환 수단에 독립적으로, 증기를 개별적으로 공급 가능하게 하는 수단을 구성함으로써, 제1, 제2에너지 변환 수단에 각각 온도 및 압력이 상이한 증기를 개별적으로 공급해도 좋다. 또한, 제1, 제2에너지 변환 수단의 각각 온도 및 압력이 상이한 증기를 개별적으로 공급하는 동시에, 제1에너지 변환 수단을 통과해서 강온 강압된 증기를 추가로 제2에너지 변환 수단에 공급해도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 회전 유체기계는 랭킨 사이클 장치의 팽창기로서 사용하는 데에 적합하지만, 기타의 임의의 용도의 팽창기나 압축기로서 사용할 수 있다.

Claims (5)

1. 로터 챔버(rotor chamber)(14)와,

   로터 챔버(14)의 내부에 회전이 자유롭게 수용된 로터(31)와,

   로터(31)에 반경 방향으로 이동이 자유롭게 지지된 작동 부재(41, 42)와,

   로터(31)의 회전에 수반하는 작동 부재(41, 42)의 이동에 의해 용적이 변화되는 작동실(39, 54)을 구비하여,

   로터(31)의 회전에 따라서 작동실(39, 54)에 공급·배출되는 기상(氣相) 작동 매체의 압력 에너지 및 로터(31)의 회전 에너지 간의 에너지 변환을 실행하는 회전 유체기계에 있어서,

   작동실(39, 54)로부터 기상 작동 매체를 배출하는 배기 행정의 종료 시로부터, 작동실(39, 54)에 기상 작동 매체를 공급하는 흡기 행정의 시작 시까지의 기간, 작동실(39, 54)의 용적이 대략 일정값이 되도록 작동 부재(41, 42)의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.
2. 제1항에 있어서, 상기 작동 부재가 로터(31)에 방사 방향으로 출몰(出沒)이 자유롭게 지지되어서 로터 챔버(14)의 내주면(內周面)에 미끄럼 접촉하는 복수의 베인(vane)(42)이고,

   상기 작동실이, 인접하는 2개의 베인(42), 로터(31)의 외주면(外周面)(36) 및 로터 챔버(14)의 내주면(45)에 의해서 구획되는 복수의 베인 챔버(54)이며,

   베인 챔버(54) 및 배기 포트(port)(110, 111) 사이가 비연통 상태로 되는 배기 행정 종료 시로부터, 베인 챔버(54) 및 흡기 포트(107, 108) 사이가 연통 상태로 되는 흡기 행정 시작 시까지의 기간, 베인 챔버(54)의 용적이 대략 일정값이 되도록 로터 챔버(14)의 형상을 설정한 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.
3. 제1항에 있어서, 상기 작동실이 로터(31)에 반경 방향으로 설치한 복수의 실린더(39)이고,

   상기 작동 부재가 실린더(39)에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 복수의 피스톤(41)이며,

   로터(31)의 회전에 수반해서 실린더(39)에 기상 작동 매체를 공급·배출하는 공급구(90, 91) 및 배출구(102, 103)를 구비하여,

   배출구(102, 103)가 폐쇄되고 나서 공급구(90, 91)가 개방될 때까지의 기간에 피스톤(41)의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.
4. 제1항에 있어서, 상기 작동 부재가 로터(31)에 방사 방향으로 출몰이 자유롭게 지지되어서 로터 챔버(14)의 내주면에 미끄럼 접촉하는 복수의 베인(42)을 포함하고,

   상기 작동실이, 인접하는 2개의 베인(42), 로터(31)의 외주면(36) 및 로터 챔버(14)의 내주면(45)에 의해서 구획되는 복수의 베인 챔버(54)를 포함하고,

   베인 챔버(54) 및 배기 포트(110, 111) 사이가 비연통 상태로 되는 배기 행정 종료 시로부터, 베인 챔버(54) 및 흡기 포트(107, 108) 사이가 연통 상태로 되는 흡기 행정 시작 시까지의 기간, 베인 챔버(54)의 용적이 대략 일정값이 되도록 로터 챔버(14)의 형상을 설정하고,

   또한 상기 작동실이 로터(31)에 반경 방향으로 설치한 복수의 실린더(39)를 포함하고,

   상기 작동 부재가 실린더(39)에 미끄럼 운동이 자유롭게 끼워 맞추어지는 복수의 피스톤(41)을 포함하고,

   로터(31)의 회전에 수반하여 실린더(39)에 기상 작동 매체를 공급·배출하는 공급구(90, 91) 및 배출구(102, 103)를 구비하여,

   배출구(102, 103)가 폐쇄되고 나서 공급구(90, 91)가 개방될 때까지의 기간에 피스톤(41)의 반경 방향의 이동을 거의 정지시키는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 로터(41) 및 베인(42)의 접동면(摺動面)을 액상(液相) 작동 매체로써 윤활시키는 동시에, 로터(41) 및 베인(42)의 접동면을 윤활시키는 액상 작동 매체의 일부를 실린더(39) 및 피스톤(41)의 접동면에 공급해서 밀봉을 실행하는 것을 특징으로 하는 회전 유체기계.