KR20030069034A - 가열구조를 갖는 스크롤 팽창기와 이를 이용한 증기 사이클 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정 스크롤과 선회 스크롤을 한 쌍으로 구비하여 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있는 팽창기와 이를 이용한 증기 사이클에 관한 것이다.

본 발명에 따른 스크롤 팽창기는, 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과; 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤과; 상기 하우징 외측 둘레에 설치되어 상기 선회 스크롤이 선회하면서 작동유체를 팽창시킬 때 열을 공급할 수 있는 가열실; 및 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축을 포함하는 스크롤 팽창기를 포함한다.

본 발명에 따른 증기사이클은 상기와 같이 구성되는 스크롤 팽창기와 열 교환기, 응축기, 저장탱크, 및 펌프를 포함하여 사이클을 구성한다.

Description

가열구조를 갖는 스크롤 팽창기와 이를 이용한 증기 사이클{SCROLL-TYPE EXPANDER HAVING A HEATING STRUCTURE AND VAPOR CYCLE EMPLOYING THE EXPANDER}

본 발명은 스크롤 기구를 적용한 팽창기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정 스크롤과 선회 스크롤을 한 쌍으로 구비하여 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있는 팽창기와 이 팽창기를 이용한 증기 사이클에 관한 것이다.

증기 사이클은 2개의 단열변화와 2개의 등압변화로 구성되는 사이클 중, 작동유체가 증기와 액체의 상변화(相變化)를 수반하는 것을 말하며, 랭킨 사이클(Rankine cycle)이 그 표준이다.

도 1에 도시된 바와 같은 증기 사이클(100)은 급수펌프(103)(단열압축), 보일러(105) 및 재열기(107)(등압가열), 터빈(109, 112)(단열팽창), 및 복수기(101)(등압방열)의 각 요소에 의해 실현되고 있다.

지금까지 외연기관으로서 널리 쓰이고 있는 증기사이클의 경우 동력 출력장치는 증기터빈이 가장 널리 사용되고 있다. 증기터빈은 열 에너지를 운동 에너지로 변화시켜 고속의 증기가 터빈과 충돌하면서 터빈의 회전력을 얻는 충돌형 기기이다.

증기사이클에서 효율을 향상시키는 방법으로, 도 1에 도시된 바와 같이 재열기(107)를 구비하여 팽창과정에 있는 증기를 습증기 구역에 들어가기 전에 전량을 터빈(109) 밖으로 추출하여 재열기(107)로 가열한 다음 과열증기로 만들고, 이를 다시 터빈(112)으로 보내서 출구압력까지 팽창시키는 재열사이클이 사용되고 있다. 이 때, 재열단수를 증가시킬수록 열효율이 향상되지만 대량의 증기를 보일러(105)와 터빈(109, 112) 사이에서 순환시켜야 하기 때문에 이를 위해서는 장치가 대규모가 되고 설비비가 높아지며 운전제어가 복잡해지는 문제점이 있다. 따라서, 통상 재열단수는 1~2단이 적용되고, 증기사이클의 효율 향상에는 한계가 있다.

한편, 증기 터빈(109, 112)을 대신하여 외연기관으로 사용되고 있는 기존의 용적형 팽창기인 왕복동 또는 벤켈 로터리 기기는 용량이 증가할수록 체적에 비해 실린더벽면을 통한 전열 면적이 작아지기 때문에 대형화될수록 효율이 감소하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비함으로써 중심부 흡기구로 공급되는 작동유체가 연속적으로 팽창 및 재열이 이루어지도록 할 수 있는 가열구조를 갖는 스크롤 팽창기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 가열구조를 갖는 스크롤 팽창기를 포함함으로써 고효율, 저소음, 저진동, 소형 및 경량 특성을 얻을 수 있는 증기사이클을 제공하는 것이다.

도 1은 통상의 재열사이클을 가진 랭킨 시스템을 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스크롤 팽창기를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스크롤 팽창기를 구비한 증기 사이클을 도시한 구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 스크롤 팽창기12: 하우징

13: 고정 스크롤15: 선회 스크롤

17: 가열실19: 가열핀

23: 배출구25: 예열관

27: 흡기구29: 구동축

32: 동력 전달축34: 베어링

36: 축 밀봉재38: 단열재

40: 열 교환기41: 응축기

43: 저장탱크45: 펌프

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과; 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과; 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤과; 상기 하우징 외측 둘레에 설치되어 상기 선회 스크롤이 선회하면서 작동유체를 팽창시킬 때 열을 공급할 수 있는 가열실; 및 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축을 포함하는 스크롤 팽창기를 제공한다.

본 발명에 따른 스크롤 팽창기는 상기 하우징 중심부의 작동유체 입구로부터 연장되어 상기 가열실 내를 가로질러 지나가면서 작동유체가 열을 흡수할 수 있도록 설치되는 예열관을 더 포함할 수 있으며, 가열실 내의 하우징 외측 가열면에 다수 개의 가열핀을 더 포함할 수 있다.

상기 구동축에는 외측으로 동력 전달축이 연결되어 외부로 동력을 전달할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기와 같이 구성되는 스크롤 팽창기와; 상기 스크롤 팽창기로부터 팽창되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 열 교환기와; 상기 열 교환기를 지나온 작동유체를 응축시키는 응축기와; 상기 응축기를 지나온 작동유체가 저장되는 저장탱크; 및 상기 저장탱크를 지나온 작동유체를 가압하는 펌프를 포함하고, 상기 펌프에서 가압된 작동유체는 다시 상기 열 교환기를 지나면서 상기 고온의 작동유체로부터 열을 전달받아 가열된 다음 상기 스크롤 팽창기로 재공급되면서 순환하는 증기 사이클을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스크롤 팽창기(10)는 하우징(12)의 내부에 고정 스크롤(13)과 선회 스크롤(15)을 포함하여 유입되는 작동유체를 팽창시켜 하우징(12)의 외부로 토출시키게 된다.

하우징(12)은 외부에 가열면을 가지고 중심부에 상하로 작동유체의 입구인 두 개의 흡기구(27)를 가지며, 외주부에 작동유체의 출구인 하나의 배출구(23)를 가진다. 하우징(12)은 상기 흡기구(27)와 배출구(23)를 제외한 부분에서는 외부로부터 밀폐된다.

고정 스크롤(13)은 하우징(12)의 내측면에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 바, 한 쌍이 서로 마주보도록 형성된다. 이 고정 스크롤(13)의 중심부는 하우징(12)의 흡기구(27)와 대응되게 위치한다.

선회 스크롤(15)은 하우징(12)의 내부에서 고정 스크롤(13)과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루면서 외주부로 연장되며, 하우징(12)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회한다. 한 쌍의 선회 스크롤(15)은 상기 마주보는 한 쌍의 고정 스크롤(13)의 사이에 배치되며, 각각의 고정 스크롤(13)에 맞물리게 된다.

하우징(12)의 외측 둘레에는 가열실(17)이 설치되어 선회 스크롤(15)이 선회하면서 작동유체를 팽창시킬 때 하우징(12) 내부로 열을 공급할 수 있다.

가열실(17)의 내부에는 하우징(12) 중심부의 흡기구(27)로부터 연장되는 예열관(25)이 설치된다. 이러한 예열관(25)은 유입되는 작동유체가 열을 흡수할 수 있도록 가열실(17) 내를 가로질러 지나가게 된다.

가열실(17) 내의 하우징(12) 외측 가열면에는 다수 개의 가열핀(19)이 형성되어 하우징(12) 내부로의 열공급 효율을 높일 수 있다.

선회 스크롤(15)에는 이를 구동시키기 위한 구동축(29)이 연결된다. 구동축(29)은 선회 스크롤(15)의 양쪽 끝단에 두 개가 연결되어 구동되며, 이러한 구동축(29)에는 외측으로 동력 전달축(32)이 연결되어 외부로 동력을 전달할 수 있다. 구동축(29)이 체결되어 회전하는 부분에는 베어링(34)이 각각 설치된다.

한편, 하우징(12)의 구동축(29) 각각의 체결 부분에는 축 밀봉재(36)가 부착되어 윤활유가 이를 통해 외부로 새는 것을 막아주게 되며, 또한 구동축(29)의 상기 하우징(12)과의 체결부분에는 베어링(34)의 과열을 방지하고 베어링(34)과 하우징(12) 사이의 단열을 위해 단열재(38)가 부착된다.

상기 예열관(25)을 통하여 유입되는 작동유체는 이 예열관(25)을 지나면서 1차 가열이 되고, 흡기구(27)를 통하여 하우징(12)의 내부로 유입되어 선회하는 선회 스크롤(15)과 고정 스크롤(13)의 사이를 지나면서 점점 팽창한다. 이 때, 하우징(12)의 넓은 가열면과 스크롤 랩(scroll wrap)을 통하여 효과적인 열 공급에 의한 재열이 이루어지므로 등온팽창에 가까운 고효율의 팽창이 일어난다. 이렇게 팽창된 작동유체는 배출구(23)를 통해 하우징(12) 외부로 토출된다.

본 발명의 일실시예에 따른 스크롤 팽창기(10)는 스크롤 팽창기(10)의 온도가 공급되는 작동유체의 온도보다 낮을 때는 외부동력을 입력받아 온도가 낮은 스크롤 팽창기(10)에서 열을 흡수하는 냉동기의 팽창기로서도 활용이 가능하다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스크롤 팽창기를 구비한 증기사이클은 스크롤 팽창기(10) 이외에 열 교환기(40), 응축기(41), 저장탱크(43) 및 펌프(45)를 더 포함하여 구성된다.

스크롤 팽창기(10)의 배출구(23)는 열 교환기(40)와 연결되어 스크롤 팽창기(10)로부터 팽창되어 토출된 고온의 작동유체는 열 교환기(40)를 지나게 된다. 이러한 열 교환기(40)는 다시 응축기(41)와 연결된다.

열 교환기(40)를 지나온 작동유체는 응축기(41)로 유입되어 응축되게 된다. 이러한 응축기(40)는 다시 저장탱크(43)와 연결된다.

저장탱크(43)에는 응축기(40)를 지나온 작동유체가 임시 저장된다. 이러한 저장탱크(43)는 기액분리기로서 펌프(45)와 연결되어 펌프(45)의 압축효율을 높이면서 작동유체를 보충하는 역할을 한다.

펌프(45)는 저장탱크(43)를 지나온 작동유체를 가압하는 역할을 한다. 이러한 펌프(45)는 다시 열 교환기(40)와 연결된다.

펌프(45)에서 가압된 작동유체는 열 교환기(40)를 지나면서 스크롤 팽창기(10)로부터 토출되는 고온의 작동유체로부터 열을 전달받아 가열된다. 이렇게 가열된 작동유체는 예열관(25)을 통하여 스크롤 팽창기(10)로 재공급됨으로써 순환하게 된다.

상기와 같이 구성되는 스크롤 팽창기를 갖는 증기사이클은 재생사이클과 무한단수의 재열사이클을 갖는 증기터빈 랭킨사이클과 유사한 작용을 한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스크롤 팽창기에 의하면, 팽창기 자체에서 가열, 팽창, 재열이 이루어지기 때문에 매우 컴팩트하면서도 무한단수의 재열사이클에 가까운 등온팽창이 가능해지는 효과가 있다.

또한, 기계적인 구조가 간단하면서도 스크롤 랩(scroll wrap)에 의한 전열 면적이 현저하게 넓기 때문에 외연기관으로 훨씬 효율적이고 대형화가 가능하다.

본 발명에 따른 스크롤 팽창기를 이용한 증기사이클에 의하면, 재생사이클과 재열사이클을 가짐으로써 매우 효율이 높은 사이클을 구성할 수 있으며, 대형차량용 엔진, 마이크로 열병합 발전이나 냉동기 구동의 원동기로서 활용될 수도 있다.

Claims (9)

1. 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징;

   상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤;

   상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물리도록 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤;

   상기 하우징 외측 둘레에 설치되어 상기 선회 스크롤이 선회하면서 작동유체를 팽창시킬 때 열을 공급할 수 있는 가열실; 및

   상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축

   을 포함하는 스크롤 팽창기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징 중심부의 작동유체 입구로부터 연장되어 상기 가열실 내를 가로질러 지나가면서 작동유체가 열을 흡수할 수 있도록 설치되는 예열관을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열실 내의 상기 하우징 외측 가열면에 다수 개의 가열핀을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동축에 외측으로 연결되어 외부로 동력을 전달할 수 있는 동력 전달축을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 선회 스크롤은 적어도 두 개의 구동축에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징의 내측면에 서로 마주보는 한 쌍의 고정 스크롤이 형성되고, 상기 고정 스크롤과 각각 맞물리도록 배치되는 한 쌍의 선회 스크롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 하우징의 상기 구동축 각각의 체결 부분에 윤활유의 밀봉을 위해 축 밀봉재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동축의 상기 하우징과의 체결 부분에 베어링부가 장착되고, 상기 베어링부의 과열을 방지하며 상기 하우징 내부의 열이 외부로 유출되지 않도록 상기 구동축의 상기 하우징과의 체결 부분에 단열재가 부착되는 것을 특징으로 하는 스크롤 팽창기.
9. 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤과, 상기 하우징 외측 둘레에 설치되어 상기 선회 스크롤이 선회하면서 작동유체를 팽창시킬 때 열을 공급할 수 있는 가열실, 및 상기 선회 스크롤과 연결되어 이를 구동시키는 구동축을 포함하는 스크롤 팽창기;

   상기 스크롤 팽창기로부터 팽창되어 토출된 고온의 작동유체가 지나는 열 교환기;

   상기 열 교환기를 지나온 작동유체를 응축시키는 응축기;

   상기 응축기를 지나온 작동유체가 저장되는 저장탱크; 및

   상기 저장탱크를 지나온 작동유체를 가압하는 펌프를 포함하고,

   상기 펌프에서 가압된 작동유체는 다시 상기 열 교환기를 지나면서 상기 고온의 작동유체로부터 열을 전달받아 가열된 다음 상기 스크롤 팽창기로 재공급되면서 순환하는 증기 사이클.