KR20030076974A - 랭킹 사이클 장치 - Google Patents

Abstract

직렬로 배치된 전단(前段)의 실린더실과 후단의 베인실을 구비한 팽창기(4)가 흡입하는 압력(Pevp) 및 온도(Tevp)의 임의의 관계에 대하여 팽창기(4)가 흡입ㆍ배출하는 증기의 팽창비를 상기 임의의 관계에 따라서 소정의 팽창비(ε)로 설정하므로써, 팽창기(4)가 배출하는 증기의 압력(Pexp2) 및 온도(Texp2)를 목표값과 일치시켜서 팽창기(4) 및 응축기(5)의 성능을 최대한으로 발휘시킨다. 전단의 실린더실내의 증기는 과열증기영역에서 물을 포함하지 않으므로, 실린더실에 수격현상이 발생하는 일이 없다. 또 베인실의 출구의 증기는 포화증기영역에서 물을 포함하므로, 그 물로서 베인실의 윤활 및 밀봉을 도모할 수 있다.

Description

랭킹 사이클 장치{RANKINE CYCLE DEVICE}

일본 특개평4-47104호 공보에는, 증발기에서 발생한 증기로 팽창기를 작동시켜, 팽창기가 배출한 증기를 응축기로 액화하여 증발기에 되돌아가는 랭킹 사이클 장치에 있어서, 증발기에서 발생한 증기 에네지의 크기에 따라서 팽창기의 입구에 설치한 밸브를 개폐하여, 팽창기에 증기를 공급하는 타이밍을 제어하므로써 최대한의 출력토크를 확보하는 것이 기재되어 있다.

또, 일본 특개소58-48706호 공보에는, 증발기에서 발생한 증기로 팽창기를 작동시키고, 이 팽창기가 배출한 증기를 응축기에서 액화하여 증발기에 되돌아가는 랭킹 사이클 장치에 있어서, 응축기에의 증기도입압력이 팽창기에서의 증기배출압력 보다도 높을 때에, 응축기의 입구쪽과 팽창기의 팽창완료 직전 위치를 접속하는 바이패스 통로를 개방하여, 팽창기의 과(過)팽창 손실의 저감을 도모하는 것이 기재되어 있다.

또, 일본 특개소61-87990호 공보에는, 베인형 압축기에 있어서, 베인을 지지하는 로터의 회전축에 베인실에 대한 흡기 및 배기를 제어하는 회전밸브를 설치하고, 이 회전밸브의 흡기타이밍을 가변으로 한 것이 기재되어 있다.

예컨대, 내연기관의 배기가스와의 사이에서 열교환을 행하는 증발기에서 물(水)을 가열하여 증기를 발생시키고, 이 증기로 용적형(容積型)의 팽창기를 작동시켜서 축(軸)출력을 끄집어내고, 팽창기로부터 배출된 증기를 응축기에서 물로 변화하여서 재차 증발기에 공급하는 랭킹 사이클 장치에 있어서, 증발기로부터 팽창기에 공급되는 증기의 압력 및 온도는 팽창기의 성능에 따라서 정격값(定格値)으로서 미리 설정되어 있으며, 또 팽창기로부터 응축기에 배출되는 증기의 온도는 응축기의 성능에 따라서 정격값으로서 미리 설정되어 있다. 그렇지만, 증발기에 있어서 발생하는 증기의 압력 및 온도는 증발기의 과도(過渡)상태, 내연기관의 운전상태, 증발기에 공급되는 수량등에 따라서 변동되고, 또 응축기가 최대의 성능을 발휘할 수 있는 증기의 압력 및 온도는, 응축기의 과도상태, 응축기의 냉각상태(외기온도, 냉각팬의 회전수, 주행풍의 강도)등에 따라서 변동한다.

도 21A에 있어서, 종축(從軸) 및 횡축은 각각 증기의 압력(p) 및 용적(v)을 표시하고 있으며, 팽창기의 입구에서 정격값의 압력(p1)인 증기는 팽창기의 내부에서 미리 설정한 설정팽창비(ε)만이 팽창하고, 팽창기의 출구 압력이 상기 p1에서 정격값의 p2에로 변화될 때 팽창기 및 응축기는 최대한의 성능을 발휘할 수 있다. 그렇지만, 상술한 바와 같이 팽창기의 입구 압력은 여러가지 요인으로 변동하고, 또한 팽창기 및 응축기가 최대한의 성능을 발휘할 수 있는 팽창기의 출구 압력도여러가지의 요인으로 변동한다. 따라서, 팽창기의 출구 압력이 그 때 팽창기 및 응축기가 최대한의 성능을 발휘할 수 있는 압력과 일치하지 않게 되고, 팽창기 및 응축기가 충분한 성능을 발휘할 수 없게 될 가능성이 있다.

즉, 도 21B에 표시한 바와 같이, 팽창비가 설정팽창비(ε)와 일치하지 아니해도 팽창기의 입구 압력이 정격값 p1 보다도 과대한 p1'인 경우에는, 팽창기의 출구 압력이 정격값 p2 보다도 높게 되고, 아직 팽창기를 구동할 수 있는 에너지를 남겨 두고 있는 증기를 쓸데없이 버리는 것이 되어, 팽창기의 성능을 충분히 발휘할 수 없게 되며, 더구나 응축기의 부하가 증가하여 응축 성능이 저하해 버리는 문제가 있다. 한편, 도 21C에 표시한 바와 같이, 팽창비가 설정팽창비(ε)와 일치해 있어도 팽창기의 입구 압력이 정격값 p1'인 경우에는, 팽창기의 출구 압력이 정격값 p2 보다도 낮게 되기 때문에, 증기가 팽창기의 내부에서 부(負)의 일을 하여 출력이 저하해 버리는 문제가 있다.

이러한 불편은 팽창기의 입구 온도가 정격값 보다도 높은 경우나 낮은 경우, 팽창기 내부에 증기의 누설량이 많은 경우나 적은 경우, 또는 팽창기 및 응축기가 최대한의 성능을 발휘할 수 있는 팽창기의 출구 압력이 여러가지의 요인으로 정격값 p2로부터 변동된 경우에도 동일하게 발생한다.

본 발명은 액체를 가열하여 증기를 발생하는 증발기와, 증발기에서 공급된 증기를 팽창시킨 일정한 축토크(軸torque)를 출력하는 팽창기와, 팽창기가 배출한 증기를 냉각하여 액체로 변화시키는 응축기를 구비한 랭킹 사이클 장치에 관한 것이다.

도 1∼도 19는 본 발명의 제1실시예를 표시한 것으로서, 도 1은 내연기관의 폐열 회수 장치의 개략도, 도 2는 도 5의 2-2선 단면도에 상당하는 팽창기의 종단면도, 도 3은 도 2의 회전 축선 둘레의 확대 단면도, 도 4는 도 2의 4-4선 단면도, 도 5는 요부를 확대한 도 2의 5-5선 단면도, 도 6은 도 5의 6-6선 확대 단면도, 도 7은 도 5의 요부 확대도, 도 8은 도 2의 회전 축선 둘레의 확대도, 도 9는 베인본체의 정면도, 도 10은 베인본체의 측면도, 도 11은 도 9의 11-11선 단면도, 도 12는 시일부재의 정면도, 도 13은 도 4의 회전 축선 둘레의 확대도, 도 14는 팽창기의 제어계통의 구성을 표시한 도, 도 15는 제1, 제2의 팽창실의 압력 변화 및 팽창비를 표시하는 그래프, 도 16은 팽창기 입구의 온도 및 압력의 최적관계를 표시하는 그래프, 도 17은 랭킹 사이클 장치의 TS선도, 도 18은 랭킹 사이클 장치의 HS선도, 도 19는 팽창기 출구 온도 및 건조도의 관계를 표시하는 그래프이다.

도 20은 본 발명의 제2실시예를 표시하는 도이다. 도 21A∼도 21C는 팽창기에서의 증기 및 비용적의 변화를 표시하는 그래프이다.

[발명의 개시]

본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 랭킹 사이클 장치의 팽창기 및 응축기의 성능을 최대한으로 발휘하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 의하면, 액체를 가열하여 증기를 발생하는 증발기와, 증발기에서 공급되는 증기를 팽창시켜서 축토크를 출력하는 팽창기와, 팽창기가 배출한 증기를 냉각하여 액체로 변화시키는 응축기를 구비한 랭킹 사이클 장치에 있어서, 팽창기가 흡입하는 증기의 압력 및 온도의 임의의 관계에 대하여, 팽창기가 흡입ㆍ배출하는 증기의 팽창비를 상기 임의의 관계에 따라 소정의 팽창비로 설정하므로써, 팽창기가 배출하는 증기의 압력 및 온도를 목표값과 일치시키는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 팽창기가 흡입하는 증기의 압력 및 온도가 임의의 관계에 있더라도, 팽창기가 흡입ㆍ배출하는 증기의 팽창비를 상기 임의의 관계에 따라서 소정의 팽창비로 설정하므로서, 팽창기가 배출하는 증기의 압력 및 온도를 제어할 수 있다. 따라서, 팽창기 및 응축기가 최대의 성능을 발휘할 수 있는 압력 및 온도를 목표값으로 팽창비를 설정하면, 팽창기가 배출하는 증기의 압력 및 온도를 상기 목표값과 일치시켜서 팽창기 및 응축기의 성능을 최대한으로 발휘시킬 수 있다.

또 본 발명의 제2특징에 의하면, 상기 제1특징에 더하여, 팽창기가 흡입하는 증기의 압력 및 온도는 과열 증기 영역에 있고, 팽창기가 배출하는 증기의 압력 및 온도는 포화 증기 영역에 있는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 팽창기가 흡입하는 증기가 액체를 포함하는 과열 증기 영역에 있고, 팽창기가 배출하는 증기가 액체를 포함하는 포화 증기 영역에 있으므로, 액체가 팽창기의 작동에 부여하는 영향을 최소한으로 억제하면서, 증기를 액체로 변화시키는 응축기의 부하를 경감할 수 있다.

또 본 발명의 제3특징에 의하면, 상기 제1특징에 더하여, 팽창기는 직렬로 접속된 복수의 팽창실을 구비하고, 각각의 팽창실에서의 증기의 팽창비의 곱(積)을 상기 설정팽창비로 한 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 복수의 팽창실을 직렬로 접속하여 각 팽창기가 발생하는 축토크를 통합하여 출력하면서, 각각의 팽창실에서의 증기의 팽창비의 곱을 설정팽차비로서 응축기의 응축효율을 최대한으로 높일 수 있다.

또 본 발명의 제4특징에 의하면, 상기 제3특징에 더하여, 팽창기의 복수의 팽창실중, 적어도 최상류쪽의 팽창실의 증기는 과열 증기 영역에 있고, 적어도 최하류쪽의 팽창실의 증기는 포화 증기 영역에 있는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 복수의 팽창실중 적어도 최상류쪽의 팽창실의 증기는 액체를 포함하는 과열 증기 영역에 있고, 복수의 팽창실중 적어도 최상류쪽의 팽창실의 증기는 액체를 포함하는 포화 증기 영역에 있으므로, 액체가 팽창기의 작동에 부여하는 영향을 최소한으로 억제하면서, 증기를 액체로 변화시키는 응축기의 부하를 경감할 수 있다.

또, 본 발명의 제5특징에 의하면, 상기 제4특징에 더하여, 배출위치에서의 증기가 과열 증기 영역에 있는 팽창실은 실린더실로 구성되는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 실린더실로 구성된 팽창실의 배출위치에 있어서 증기가과열 증기 영역에 있으므로, 증기에 액체가 혼합되는 것을 방지하고, 실린더실내에 액체가 체류하므로서 발생하는 불편을 미연에 회피할 수 있다.

또 본 발명의 제6특징에 의하면, 상기 제4특징에 더하여, 배출위치에서의 증기가 포화 증기 영역에 있는 팽창실은 베인실로 구성되는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 베인실로 구성된 팽창실의 배출위치에서의 증기가 포화 증기 영역에 있으므로, 증기에 액체를 혼합시켜서 액체에 의한 베인의 윤활성 향상 및 밀봉성(seal性) 향상을 도모할 수 있다.

또 본 발명의 제7특징에 의하면, 상기 제3특징에 더하여, 팽창기의 복수의 팽창실중, 적어도 최상류쪽의 팽창실의 흡입위치를 가변(可變)으로 한 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 복수의 팽창실중 적어도 최상류쪽의 팽창실의 흡입위치를 가변으로 하므로써, 팽창기의 흡입하는 증기의 압력을 변화시켜서 팽창기 전체의 팽창비를 설정팽창비로부터 변화시킬 수 있다. 이것에 의하여, 팽창기가 흡입하는 증기의 압력 및 온도가 상기 소정의 관계에서 벗어나도 팽창기가 흡입ㆍ배출하는 증기의 팽창비를 상기 설정팽창비로부터 변화시키므로서, 팽창기가 배출하는 증기의 압력 및 온도를 상기 목표값과 일치시킬 수 있다.

또 본 발명의 제8특징에 의하면, 상기 제3특징에 더하여, 팽창기의 복수의 팽창실중, 적어도 최하류쪽의 팽창실의 배출위치를 가변으로 한 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치가 제안된다.

상기 구성에 의하면, 복수의 팽창실중 적어도 최하류쪽의 팽창실의 배출위치를 가변으로 하므로써, 팽창기가 배출하는 증기의 압력을 변화시켜서 팽창기 전체의 팽창비를 설정팽창비로부터 변화시킬 수 있다. 이것에 의하여 팽창기가 흡입하는 증기의 압력 및 온도가 상기 소정의 관계에서 벗어나도, 팽창기가 흡입ㆍ배출하는 증기의 팽창비를 상기 설정팽창비로부터 변화시키므로서, 팽창기가 배출하는 증기의 압력 및 온도를 상기 목표값과 일치시킬 수 있다.

또한, 실시예의 실린더부재(39)는 본 발명의 팽창실 및 실린더실을 구성하고, 실시예의 베인실(54)은 본 발명의 팽창실을 구성한다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

도 1에 있어서, 내연기관(1)의 폐열 회수 장치(2)는 내연기관(1)의 폐열, 예컨대 배기가스를 열원(熱源)으로 하여, 고압상태의 액화, 예컨대 물에서 온도상승을 도모한 고압상태의 증기, 즉 고압증기를 발생하는 증발기(3)와, 그 고온고압증기의 팽창에 따라서 출력을 발생하는 팽창기(4)와, 그 팽창기(4)에서 배출되고, 상기 팽창후의 온도 및 압력이 강하한 증기, 즉 강온강압증기를 액화하는 응축기(5)와, 응축기(5)에서의 액체, 예컨대, 물을 증발기(3)에 가압공급하는 공급펌프(6)를 가진다.

팽창기(4)는 특수한 구조를 가진 것으로서, 다음과 같이 구성된다.

도 2∼도 7에 있어서, 케이싱(7)은 금속제 제1, 제2반체(半體)(8, 9)로 구성된다. 양 반체(8, 9)는 대략 타원형의 요부(凹部)(10)를 가진 주체(11)와, 이것들 주체(11)와 일체의 원형 플랜지(12)로 이루어지며, 양 원형 플랜지(12)를 금속 가스킷(13)을 개재하여 중첩함으로써, 대략 타원형의 로터챔버(14)가 형성된다. 또 제1반체(8)의 주체(11) 외면은, 셀형 부재(15)의 깊은 주발형으로 이루어진 주체(16)에 따라서 씌워져 있으며, 그 주체(16)와 일체의 원형 플랜지(17)가 제1반체(8)의 원형 플랜지(12)에 가스킷(18)을 개재하여 중첩되고, 3개의 원형 플랜지(12, 12, 17)는 이것들의 원주방향 복수 개소에서 볼트(19)로 체결된다. 이것에 따라서 셀형 부재(15) 및 제1반체(8)의 양 주체(11, 16) 사이에는 중계챔버(20)가 형성된다.

양 반체(8, 9)의 주체(11)는 이것들의 외면에 바깥쪽으로 돌출하는 중공 베어링통(21, 22)을 가지며, 이것들 중공 베어링통(21, 22)에 로터챔버(14)를 관통하는 중공의 출력축(23)의 큰 직경부(24)가 베어링 메탈(또는 수지제 베어링)(25)을 개재하여 회전 가능하게 지지된다. 이것에 따라서 출력축(23)의 축선(L)은 대략 타원형으로 이루어진 로터챔버(14)에서의 긴 직경과 짧은 직경의 교점을 통한다. 또 출력축(23)의 작은 직경부(26)는 제2반체(9)의 중공 베어링통(22)에 존재하는 구멍부(27)에서 외부로 돌출하여 전동축(28)과 스프링결합(29)을 개재하여 연결된다. 작은 직경부(26) 및 구멍부(27) 사이는 2개의 실링(sealing)(30)에 의하여 밀봉된다.

로터챔버(14)내에 원형의 로터(31)가 수용되고, 그 중심의 축 부착구멍(32)과 출력축(23)의 큰 직경부(24)가 끼워 맞추어진 관계로, 양자(兩者)(31, 24) 사이에는 맞물림 결합부(33)가 설치되어 있다. 이것에 따라서 로터(31)의 회전 축선은 출력축(23)의 축선(L)과 합치되므로, 그 회전 축선의 부호로서 「L」을 공용한다.

로터(31)에, 그 회전 축선(L)을 중심에 축 부착구멍(32)으로부터 방사상으로 뻗은 복수, 본 실시예에서는 12개의 슬롯형상 공간(34)이 원주형상 등간격으로 형성되어 있다. 각 공간(34)은 원주방향 폭이 좁고, 또한 로터(31)의 양 단면(35) 및 외주면(36)에 일련으로 개구(開口)하도록, 양 단면(35)에 직교하는 가상 평면내에 있어서 대략 U자형으로 이루어진다.

각 슬롯형상 공간(34)내에 동일 구조의 제1∼제12베인 피스톤유닛(U1∼U12)이, 다음과 같이 방사방향으로 왕복운동이 자유롭게 장착된다. 대략 U자형의 공간(34)에 있어서, 그 내주쪽을 구획하는 부분(37)에 단(段) 부착구멍((38)이 형성되고, 그 단 부착구멍(38)에 세라믹(또는 카본)에 의하여 형성된 단 부착형 실린더부재(39)가 끼워진다. 실린더부재(39)의 작은 직경부(a) 단면은 출력축(23)의 큰 직경부(24) 외주면에 당접하고, 그 작은 직경구멍(b)이 큰 직경부(24) 외주면에 개구하는 통공(c)에 연통된다. 또 실린더부재(39)의 바깥쪽에, 그 부재(39)와 동축상으로 위치하도록 안내통(40)이 배치된다. 이 안내통(40)의 외단부는, 로터(31)의 외주면(36)에 존재하는 공간(34)의 개구부에 결합되고, 또 내단부는 단 부착구멍(38)의 큰 직경구멍(d)에 끼워져서 실린더부재(39)에 당접한다. 또 안내통(40)은 그 외단면으로부터 내단부 근방까지 서로 대향하여 뻗은 한쌍의 긴 홈(e)을 가지고, 양 긴 홈(e)은 공간(34)에 대면한다. 실린더부재(39)의 큰 직경 실린더구멍(f)내에 세락믹으로 이루어진 피스톤(41)이 슬립이 자유롭게 끼워 맞추어지고, 그 피스톤(41)의 선단부쪽은 항상 안내통(40)내에 위치한다.

도 2 및 도 8에 표시한 바와 같이, 로터(31)의 회전 축선(L)을 포함하는 가상 평면(A)내에서의 로터챔버(14)의 단면(B)은, 직경(g)을 서로 대향시킨 한쌍의 반원형 단면부(B1)와, 양 반원형 단면부(B1)의 양 직경(g)의 한쪽 대향끝의 서로 및 다른쪽 대향끝의 서로를 각각 묶어서 형성된 사각형 단면부(B2)에 따라서 이루어지며, 대략 경기용 트랙형을 형성한다. 도 8에 있어서, 실선표시의 부분이 긴 직경을 포함하는 최대 단면을 표시하고, 한편, 일부를 2점 쇄선으로 표시한 부분이짧은 직경을 포함하는 최소 단면을 표시한다. 로터(31)는, 도 8에 점선으로 표시한 바와 같이, 로터챔버(14)의 짧은 직경을 포함하는 최소 단면 보다도 약간 작은 단면(D)을 가진다.

도 2 및 도 9∼도 12에 명시한 바와 같이, 베인(42)은 대략 U자판형(말굽형)으로 이루어진 베인본체(43)와, 이 베인본체(43)에 장착된 대략 U자판형으로 이루어진 시일부재(44)와, 베인스프링(58)으로 구성된다.

베인본체(43)는 로터챔버(14)의 반원형 단면도(B1)에 의한 내주면(45)에 대응한 반원호 형상부(46)와, 사각형 단면부(B2)에 의한 대향 내단면(47)에 대응한 한쌍의 평행부(48)를 가진다. 각 평행부(48)의 단부쪽에 역 ㄷ자형의 노치(notch)(49)와, 이것들의 저면에 개구되는 사각형의 막힌구멍(50)과, 각 노치(49) 보다도, 더욱 단부쪽에 존재해서 바깥쪽으로 돌출하는 짧은 축(51)이 설치된다. 또 반원호 형상부(46) 및 양 평행부(48)의 외주부분에, 바깥쪽으로 향하여 개구하는 U자 홈(52)이 일련으로 형성되어, 그 U자 홈(52)의 양 단부는 양 노치(49)에 각각 연통한다. 더욱이 반원호 형상부(46)의 양 평면부분에 각각 절결 원형 단면의 한쌍의 돌조(53)가 설치되어 있다. 양 돌조(53)는 이것들에 의한 가상 원주(圓柱)의 축선(L1)이 양 평행부(48) 사이의 간격을 2등분하고, 또한 반원호 형상부(46)를 둘레방향으로 2등분하는 직선과 일치하도록 배치되어 있다. 또한 양 돌조(53)의 내단부는 양 평행부(48) 사이의 공간에 약간 돌출되어 있다.

시일부재(44)는, 예컨대 PTF로 구성된 것으로서, 로터챔버(14)의 반원형 단면부(B1)에 의한 내주면(45)을 슬라이딩하는 반원호 형상부(55)와, 사각형단면부(B2)에 의한 대향 내단면(47)을 슬라이딩하는 한쌍의 평행부(56)를 가진다. 또 반원호 형상부(55)의 내주면쪽에 한쌍의 탄성클로(claw)(57)가 안쪽으로 휘어지도록 설치되어 있다.

베인본체(43)의 U자 홈(52)에 시일부재(44)가 장착되고, 또 각 막힌구멍(50)에 베인스프링(58)이 끼워지고, 더욱이 각 짧은 축(51)에 볼베어링 구조의 롤러(59)가 부착된다. 각 베인(42)은 로터(31)의 각 슬롯형상 공간(34)에 슬라이딩이 자유롭게 수용되어 있으며, 그 때, 베인본체(43)의 양 돌조(53)는 안내통(40)내에, 또 양 돌조(53)의 양쪽부분은 안내통(40)의 양 긴 홈(e)내에 각각 위치하고, 이것에 의하여 양 돌조(53)의 내단면이 피스톤(41)의 외단면과 당접할 수 있다. 양 롤러(59)는 제1, 제2반체(8, 9)의 대향 내단면(47)에 형성된 비(非)원형의 환(環)형상 홈(60) 및 로터챔버(14) 사이의 거리는 이것들의 전 둘레에 걸쳐서 일정하다. 또 피스톤(41)의 전진운동을 베인(42)을 개재하여 롤러(59)와 환형상 홈(60)의 맞물림에 의하여 로터(31)의 회전운동으로 변환한다.

이 롤러(59)와 환형상 홈(60)의 협동으로, 도 5에 명시한 바와 같이, 베인본체(43)의 반원호 형상부(46)에서의 반원호 형상 선단면(61)은 로터챔버(14)의 내주면(45)으로부터 각각 항상 떨어져 있고, 이것에 의하여 마찰손실의 경감을 도모할 수 있다. 그리고, 2조(條) 한쌍으로 구성되어 있는 환형상 홈(60)에 따라서 괴도를 규제하기 위해, 좌우 괴도의 오차에 의하여 롤러(59)를 개재하여 베인(42)은 축방향으로 미소 변위각의 회전을 발생하고, 로터챔버(14)의 내주면(45)의 접촉 압력을 증대시킨다. 이 때, 대략 U자판형(마굽형)으로 이루어진 베인본체(43)에서는 사각형(직사각형) 베인에 비해서 케이싱(7)의 접촉부의 직경방향 길이가 짧아서, 그 변위량을 대폭적으로 작게 할 수 있다. 또 도 2에 명시한 바와 같이, 시일부재(44)에 있어서, 그 양 평행부(56)는 각 베인스프링(58)의 탄발력에 따라서 로터챔버(14)의 대향 내단면(47)에 밀착하고, 특히 양 평행부(56)의 단부와 베인(42) 사이를 통해서 환형상 홈(60)에의 시일작용을 한다. 또 반원호 형상부(55)는 양 탄성클로(57)가 베인본체(43) 및 로터챔버(14)내의 내주면(45) 사이에서 가압하게 되므로서, 그 내주면(45)에 밀착한다. 즉, 사각형(직사각형) 베인에 대하여 대략 U자판형의 베인(42)쪽이 변곡점(變曲點)을 가지지 않으므로, 밀착이 양호하게 된다. 사각형 베인은 각부(角部)가 있으므로, 밀봉성 유지는 곤란하게 된다. 이것에 따라서 베인(42) 및 로터챔버(14) 사이의 밀봉성이 양호하게 된다. 더욱이 열팽창에 따라서 베인(42)과 로터챔버(14)는 변형한다. 이때 사각형 베인에 대하여 대략 U자형의 베인(42)은, 보다 균일하게 상사형(相似形)을 가지고 변형하기 때문에, 베인(42)과 로터챔버(14)의 틈새의 오차가 적고, 밀봉성도 양호하게 유지 가능하게 된다.

베인본체(43)와 로터챔버(14)의 내주면(45) 사이의 시일작용은 시일부재(44) 자체의 스프링력(力)과, 시일부재(44) 자체에 작용하는 원심력과, 고압쪽의 로터챔버(14)에서 베인본체(43)의 U자 홈(52)에 침입한 증기가 시일부재(44)를 밀어 올리는 증기압에 의하여 발생한다. 이와 같이 상기 시일작용은 로터(31)의 회전수에 따라서 베인본체(43)에 작용하는 과도의 원심력의 영향을 받지 않으므로, 시일면압(面壓)은 베인본체(43)에 가해지는 원심력에 의존하지 않고, 항상 양호한 밀봉성과 저마찰성을 양립할 수 있다.

이상과 같이 로터(31)에 방사상으로 지지한 12장의 베인(42)과, 로터챔버(14)의 내주면(45)과, 로터(31)의 외주면(36)에 따라서 로터(31)의 회전에 수반해서 용적이 변화하는 12개의 베인실(54)(도 4 참조)이 구획된다.

도 2 및 도 3에 있어서, 출력축(23)의 큰 직경부(24)는 제2반체(9)의 베어링메탈(25)에 지지된 두터운부분(62)과, 그 두터운부분(62)으로부터 뻗은 제1반체(8)의 베어링메탈(25)에 지지된 엷은부분(63)을 가진다. 그 엷은부분(63)내에 세라믹(또는 금속)에 의하여 중공축(中空軸)(64)이 출력축(23)과 일체로 회전할 수 있도록 끼워서 부착되어 있다. 이 중공축(64)의 안쪽에 고정축(65)이 배치되고, 그 고정축(65)은 로터(31)의 축선방향 두께내에 들어가도록 중공축(64)에 끼워 맞추어진 큰 직경 중실부(中實部)(66)와, 출력축(23)의 두터운부분(62)에 존재하는 구멍부(67)에 2개의 시일링(68)을 개재하여 끼워 맞추어진 작은 직경 중실부(69)와, 큰 직경 중실부(66)로부터 뻗은 중공축(64)내에 끼워 맞추어진 엷은 중공부(70)에 의하여 이루어진다. 그 중공부(70)의 단부 외주면과 제1반체(8)의 중공 베어링통(21) 내주면 사이에 시일링(71)이 개재된다.

고정축(65)의 좌측에 중공통체(72)가 시일링(73)을 개재하여 나사 결합되어 있으며, 그 중공통체(72)의 좌측에 돌출하는 축부(75)는 셀형부재(15)의 중심에 설치한 베어링부재(76)를 관통하여 외부로 뻗었으며, 중공통체(72)와 셀형부재(15)의 슬라이딩부가 시일링(74)에 의하여 밀봉된다. 중공통체(72)로부터 우(右)방향으로 뻗은 내관부(內管部)(77)의 선단은, 그 곳으로부터 돌출하는 짧은 중공접속관(78)과 동시에 고정축(65)의 큰직경 중실부(66)에 존재하는 단부착구멍(h)에 끼워서 부착된다. 중공통체(72)의 좌측에 돌출하는 축부(75)에 압입(壓入)된 내관부(77)내를 우방향으로 뻗은 고온고압증기용 도입관(80)은, 그 우단(右端)이 중공접속관(78)내의 끼워서 부착된다. 중공통체(72)의 축부(75) 외주에 종동(從動)기어(79)가 형성되어 있으며, 모터(82)의 회전축에 설치된 구동기어(83)가 상기 종동기어(79)에 맞물린다. 따라서, 모터(82)를 구동하면 구동기어(83), 종동기어(79) 및 중공통체(72)를 개재하여 고정축(65)이 회전하고, 출력축(23)의 사이에 위상차를 발생시킬 수 있다.

도 2∼도 4 및 도 13에 표시한 바와 같이, 고정축(65)의 큰 직경 중실부(66)에, 제1∼제12베인 피스톤유닛(U1∼U12)에 실린더부재(39)에, 중공축(64) 및 출력축(23)에 일련으로 형성된 복수, 이 실시예에서는 12개의 통공(c)을 개재하여 고온고압증기를 공급하고, 또 실린더부재(39)로부터 팽창후의 제1강온강압증기를 통공(c)을 개재하여 배출되는 회전밸브(V)가 다음과 같이 설치되어 있다.

도 13에는 팽창기(4)의 각 실린더부재(39)에 소정의 타이밍으로 증기를 공급ㆍ배출하는 회전밸브(V)의 구조가 표시된다. 큰 직경 중실부(66)내에 있어서, 중공 접속관(78)에 연통되는 공간(85)으로부터 서로 반대방향으로 뻗은 제1, 제2구멍부(86, 87)가 형성되고, 제1, 제2구멍부(86, 87)는 큰 직경 중실부(66)의 외주면에 개구되는 제1, 제2요부(88, 89)의 저면에 개구된다. 제1, 제2요부(88, 89)에 공급구(90, 91)를 가진 카본제 제1, 제2시일블록(92, 93)이 장착되어, 이것들의 외주면은 중공축(64) 내주면에 미끄럼마찰을 한다. 제1, 제2구멍부(86, 87)내에는 동축상에 존재하는 짧은 제1, 제2공급관(94, 95)이 헐겁게 삽입되고, 제1,제2공급관(94, 95)의 선단쪽 외주면에 끼워 맞춘 제1, 제2시일통(96, 97)의 테이퍼 외주면(i, j)이 제1, 제2시일블록(92, 93)의 공급구(90, 91) 보다도 내측에 존재하여 그것에 이어진 테이퍼 구멍(k, m) 내주면에 끼워 맞춘다. 또 큰 직경 중실부(66)에 제1, 제2공급관(94, 95)을 둘러싸는 제1, 제2환형상 요부(n, o)와, 그것에 인접하는 제1, 제2막힌구멍형상 요부(p, q)가 제1, 제2시일블록(92, 93)에 면하도록 형성되고, 제1, 제2환형상 요부(n, o)에는 한쪽끝을 제1, 제2시일통(96, 97) 외주면에 끼워서 부착한 제1, 제2벨로스형상 탄성체(98, 99)가, 또 제1, 제2막힌구멍형상 요부(p, q)에는 제1, 제2코일스프링(100, 101)이 각각 들어가고, 제1, 제2벨로스형상 탄성체(98, 99) 및 제1, 제2시일블록(92, 93)을 중공축(64) 내주면에 가압한다.

또 큰 직경 중실부(66)에 있어서, 제1코일스프링(100) 및 제2벨로스형상 탄성체(99) 사이에 늘어선 제2코일스프링(101) 및 제1벨로스형상 탄성체(98) 사이에, 항상 2개의 통공(c)에 연통하는 제1, 제2요형상(凹形狀) 배출부(102, 103)와, 이것들 배출부(102, 103)로부터 도입관(80)과 평행으로 뻗어서 고정축(65)의 중공부(r)내에 개구하는 제1, 제2배출구멍(104, 105)이 형성되어 있다.

이것들 제1시일블록(92)과 제2시일블록(93)에 표시한 바와 같이, 같은 종류의 부재이므로, 「제1」의 문자를 부착한 것과, 「제2」의 문자를 부착한 것은, 고정축(65)의 축선에 관해서 점 대칭의 관계가 있다.

고정축(65)의 중공부(r)내 및 중공통체(72)내는 제1강온강압증기의 통로(s)이고, 그 통로(s)는 중공통체(72)의 주벽을 관통하는 복수의 통공(t)을 개재하여중계챔버(20)에 연통한다.

도 2, 도 5, 도 6 및 도 7에 표시한 바와 같이, 제1반체(8)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터챔버(14)가 짧은 직경의 양단부 근방에 반경방향으로 늘어선 복수의 도입구멍(106)으로 이루어진 제1, 제2도입구멍열(107, 108)이 형성되고, 중계챔버(20)내의 제1강온강압증기가 이것들 도입구멍열(107, 108)을 지나서 로터챔버(14)내에 도입된다. 또 제2반체(9)의 주체(11) 외주부에 있어서, 로터챔버(14)의 제2도입구멍열(108) 보다도 상류쪽에 반경방향으로 늘어선 복수의 도출구멍(109)으로 이루어진 9열의 제1도출구멍열(110a∼110i)이 형성되고, 또 제1도입구멍열(107) 보다도 상류쪽에, 반경방향으로 늘어선 복수의 도출구멍(109)으로 이루어진 9열의 제2도출구멍열(111a∼111i)이 형성된다. 각 9열의 제1도출구멍열(110a∼110i) 및 제2도출구멍열(111a∼111i)은 소정의 위상차를 가지고 원주방향으로 정렬해 있고, 각 열의 5개의 도출구멍(109)이 연통로(116)로 연통된다.

하류쪽의 5열의 제1도출구멍열(110e∼110i)을 제외한 상류쪽의 4열의 제1도출구멍열(110a∼110d)의 4개의 연통구멍(116)에는, 이것들 연통구멍(116)을 개별로 개폐할 수 있는 4개의 제1전자밸브(117a∼117d)가 각각 설치되고, 또 하류쪽의 5열의 제2도출구멍열(111e∼111i)을 제외한 상류쪽의 4열의 제2도출구멍열(111a∼111d)의 4개의 연통구멍(116)에는, 이것들 연통구멍(116)을 개별로 개폐할 수 있는 4개의 제2전자밸브(118a∼118d)가 각각 설치된다. 그리고 제1도출구멍열(110a∼110d) 및 제2도출구멍열(111a∼111d)의 합계 8개의연통로(116)에 각각 압력센서(119)가 설치된다.

출력축(23)등은 물에 의하여 윤활하도록 되어 있으며, 그 윤활수로(水路)는 다음과 같이 구성된다. 즉, 도 2 및 도 3에 표시한 바와 같이 제2반체(9)의 중공베어링통(22)에 형성된 급수구멍(112)에 급수관(113)이 접속된다. 급수구멍(112)은, 제2반체(9)쪽의 베어링메탈(25)이 면한 하우징(114)에, 또 그 하우징(114)은 출력축(23)의 두터운부분(62)에 형성된 통수(通水)구멍(u)에, 더욱이 그 통수구멍((u)은 중공축(64)의 외주면 모선(母線)방향으로 뻗은 복수의 통수홈(v)(도 13 참조)에, 또 각 통수홈(v)은 제1반체(8)쪽의 베어링메탈(25)이 면한 하우징(115)에 각각 연통한다. 또 출력축(23)의 두터운부분(62) 내단면에, 통수구멍(u)과, 중공축(64) 및 고정축(65)의 큰 직경 중실부(66) 사이의 슬립부분을 연통하는 환형상 요부(w)가 설치되어 있다.

이것에 의하여, 각 베어링메탈(25) 및 출력축(23) 사이에 늘어선 중공축(64) 및 고정축(65) 사이가 물에 의하여 윤활되고, 또 양 베어링메탈(25) 및 출력축(23) 사이의 간격으로부터 모터챔버(14)내에 진입한 물에 따라서, 케이싱(7)과, 시일부재(44) 및 각 롤러(59) 사이의 윤활이 행하여진다.

도 4에 있어서, 로터(31)의 회전 축선(L)에 대하여 점 대칭의 관계에 있는 제1 및 제7베인 피스톤유닛(U1, U7)은 같은 동작을 행한다. 이것은, 점 대칭의 관계가 있는 제2, 제8베인 피스톤유닛(U2, U8)등에 대해서도 동일하다.

예컨대, 도 13을 참조하여, 제1공급관(94)의 축선이 로터챔버(14)의 짧은 직경위치(E) 보다도 도 4에 있어서 반시계방향쪽으로 약간의 오차가 있고, 또 제1베인 피스톤유닛(U1)이 상기 짧은 직경위치(E)에 존재하고, 그 큰 직경 실린더구멍(f)에는 고온고압증기는 공급되어 있지 않으며, 따라서 피스톤(41) 및 베인(42)은 후퇴위치에 존재한다.

이 상태에서 로터(31)를 약간 도 4의 반시계방향으로 회전하면, 제1시일블록(92)의 공급구(90)와 통공(c)이 연통하여 도입관(80)에서의 고온고압증기가 작은 직경구멍(b)을 통해서 큰 직경 실린더구멍(f)에 도입된다. 이것에 따라서 피스톤(41)이 전진하여, 그 전진운동은 베인(42)이 로터챔버(14)의 긴 직경위치(F)쪽으로 슬립하므로써, 베인(42)을 개재하여 이 베인(42)과 일체의 롤러(59)와 환형상 홈(60)의 맞물림에 의하여 로터(31)의 회전운동으로 변환된다. 통공(c)이 공급구(90)에서 어긋나면, 고온고압증기는 큰 직경 실린더구멍(f)내에서 팽창하여 피스톤(41)을 계속해서 전진시키고, 이것에 따라서 로터(31)의 회전이 속행된다. 이 고온고압증기의 팽창은 제1베인 피스톤유닛(U1)이 로터챔버(14)의 긴 직경위치(F)에 도달하면 종료한다. 그 후에는 로터(31)의 회전에 수반하여 큰 직경 실린더구멍(f)내의 제1강온강압증기는, 베인(42)에 의하여 피스톤(41)이 후퇴하게 되므로써, 작은 직경구멍(b), 통공(c), 제1요형상 배출부(102), 제1배출구멍(104), 통로(s)(도 3 참조) 및 각 통공(t)을 지나서 중계챔버(20)에 배출되고, 다음에 도 2 및 도 5에 표시한 바와 같이, 제1도입구멍열(107)을 통해서 로터챔버(14)내에 도입되고, 서로 인접하는 양 베인(42) 사이에서 더욱 팽창하여 로터(31)를 회전시키고, 그 후 제2강온강압증기가 제1도출구멍열(110a∼110f)로부터 외부에 배출된다.

이와 같이, 고온고압증기의 팽창에 의하여 피스톤(41)을 작동시켜서베인(42)을 개재하여 로터(31)를 회전시키고, 또 고온고압증기의 압력 강하에 의한 강온강압증기의 팽창에 따라서 베인(42)을 개재하여 로터(31)를 회전시키므로서, 출력축(23)에 의하여 출력이 얻어진다.

도 14 및 도 15에 표시한 바와 같이, 용적형으로서 축토크가 일정한 팽창기(4)는 실린더부재(39)의 실린더실로 이루어진 제1팽창실과, 베인실(54)로서 이루어진 제2팽창실을 구비한다. 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 및 온도를 각각 Pevp, Tevp로 하고, 제2팽창실에 공급되는 증기의 압력 및 온도를 각각 Pexp1, Texp1로 하고, 제2팽창실에서 배출되는 증기의 압력 및 온도를 각각 Pexp2, Texp2로 하였을 때, Pevp 및 Pexp1에 따라서 결정되는 제1팽창실의 팽창비(ε1)와, Pexp1 및 Pexp2에 따라서 결정되는 제2팽창실의 팽창비(ε2)와의 곱(ε1 ×ε2)으로서 주어지는 팽창기(4)의 총 팽창비가 미리 설정된 설정팽창비 ε(본 실시예에서는 132)에 일치한다. 도 15의 그래프의 종축(縱軸)은 증기의 압력(P)이고, 횡축(橫軸)은 로터(31)의 위상(θ)이다. 압력(P)을 Pevp로 조정한 증기가 제1팽창실에 공급되고, 거기서 팽창하여 압력(P)이 Pexp1로 저하된 때, Pevp 및 Pexp1에 따라서 결정되는 팽창비는 상기 ε1이 된다. 압력(P)을 Pevp1로 조정한 증기가 제2팽창실에 공급되고, 거기서 팽창하여 압력(P)이 Pexp2로 저하된 때, Pexp1 및 Pexp2에 따라서 결정되는 팽창비는 상기 ε2가 된다.

증발기(3)가 발생하는 증기, 즉 제1팽창실에 공급되는 증기는, 그 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 도 16에 실선으로 표시한 소정의 관계를 지니도록 제어된다. 즉, 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp는 증발기(3)의 과도상태, 내연기관(1)의 운전상태, 증발기(3)에 공급되는 수량등에 따라서 변동하지만, 증기의 압력 Pevp는 팽창기(4)의 회전수(축토크)에 따라서 제어가능하고, 증기의 온도 Tevp는 증발기(3)에 공급되는 수량에 따라서 제어가능하며, 본 실시예에 있어서의 정격값은 도 16의 실선상의 a점 (압력 Pevp=16MPa, 온도 Tevp=620℃)에 설정된다. 이와 같이 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 결정되면, 그것에 따라서 팽창기(4)의 축토크도 결정된다. 도 16에 파선으로 표시한 바와 같이, 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 높을수록 열효율이 높아지지만, 온도 Tevp가 높아지면 내구성등에 영향이 미치기 때문에, 본 실시예에서는 정격값을 상기 620℃로 설정하고 있다. 한편 제2팽창실이 배출하는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2에도, 팽창기(4) 및 응축기(5)가 최대의 성능을 발휘할 수 있는 정격값이 설정되어 있으며, 본 실시예에서의 정격값은 압력 Pexp2가 0.05MPa, 온도 Texp2가 80℃이다. 따라서, 최적의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2는 응축기(5)의 과도상태, 응축기(5)의 냉각상태(외기온도, 냉각팬의 회전수, 주행풍의 강도)등에 의하여 변화하고, 상기 정격값과 반드시 일치하지 않는다.

제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp를 정격값(Pevp=16MPa, Tevp=620℃)에 설정하고, 팽창기(4)의 팽창비를 설정팽창비 ε로 설정하면, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2는 정격값(본 실시예에서는 Pexp2=0.05MPa, Texp2=80℃)에 일치하고, 팽창기(4) 및 응축기(5)는 최대의 성능을 발휘할 수 있다. 또 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 정격값에서 벗어나도, 도 16의 실선상의 어느 하나의 위치에 있고, 또 팽창비가 설정팽창비(ε=132)와 일치해 있으면, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pwxp2 및 온도 Texp2는 정격값과 일치한다. 따라서, 내연기관(1)이 난방기 운전중으로서 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 정격값 보다도 낮은 경우(예컨대, 도 16의 실선상의 b점)에서도, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2는 정격값과 일치한다. 이것에 의하여, 내연기관(1)의 시동으로 랭킹 사이클 장치가 작동가능하게 될 때 까지 걸리는 시간을 단축할 수 있다.

이상과 같이. 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 소정의 관계(도 16의 실선의 관계)를 갖도록 설정하고, 또 팽창기(4)의 팽창비를 설정비 ε에 설정하면, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2는 항상 정격값(본 실시예에서는 Pexp2=0.05MPa, Texp2=80℃)과 일치하기 때문에, 팽창기(4) 및 응축기(5)는 최대의 성능을 발휘할 수 있다.

그런데, 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp 및 온도 Tevp가 여러가지 요인에 따라서 도 16의 실선의 관계로부터 쇄선의 관계를 벗어난 경우, 팽창기(4)의 팽창비가 설정팽창비 ε의 그대로이면, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2가 정격값으로부터 벗어나서, 팽창기(4) 및 응축기(5)가 충분한 성능을 발휘할 수 없게 될 가능성이 있다. 또 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2 의 최적값이 여러가지 변동요인에 따라서 정격값에서 벗어난 경우, 팽창기(4)의 팽창비가 설정팽창비 ε의 그대로이면, 제2팽창실에서 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2가 정격값으로 되어서 최적값에서 벗어나서, 팽창기(4) 및 응축기(5)가 충분한 성능을 발휘할 수 없게 될 가능성이 있다.

이와 같은 경우, 팽창기(4)의 팽창비를 설정팽창비 ε로 변화시키므로서, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2 및 온도 Texp2를 최적값으로 일치시킬 수 있다. 팽창기(4)의 팽창비는 제1팽창실에의 흡입타이밍을 변동시키므로서, 또는 제2팽창실에서의 배출타이밍을 변경시키므로써, 변화시킬 수 있다.

구체적으로, 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp가 과대(過大)한 경우에는(도 21B 참조), 제1팽창실에 증기를 공급하는 타이밍을 늦게 하여 팽창비 ε1을 감소시키면 좋고, 또 제1팽창실에 공급되는 증기의 압력 Pevp가 과소(過小)한 경우에는(도 21C 참조), 제2팽창실로부터 증기를 배출하는 타이밍을 빨리하여 팽창비 ε2를 감소시키면 좋다.

제1팽창실에서의 증기의 팽창비 ε1은 회전밸브(V)로 증기의 흡입타이밍을 변경하므로써 가변한다. 즉, 모터(82)로 회전축을 회전시키고, 그 공급구(90, 91)의 위상을 도 13의 지연각쪽으로 변화시켜서 증발기(3)로부터 팽창기(4)의 실린더부재(39)에 증기가 공급되는 타이밍을 빨리하면, 증기가 도입되는 순간에 피스톤(41)이 반경방향 안쪽에서 실린더부재(39)의 용적이 감소되어 있기 때문에, 실린더부재(39)에 공급되는 증기량이 감소하여 팽창기(4)의 제1팽창실(실린더부재(39))에 의한 팽창비 ε1이 증가한다. 반대로, 모터(82)로 고정축(65)을 회전시키고, 그 공급구(90, 91)의 위상을 도 13의 지연각쪽으로 변화시켜서 증발기(3)로부터 팽창기(4)의 실린더부재(39)에 증기가 공급되는 타이밍을 늦게 하면, 증기가 도입되는 순간에 피스톤(41)이 반경방향 바깥쪽으로부터 실린더부재(39)의 용적이 증가하고, 실린더부재(39)에 공급되는 증기량이 증가하여,팽창기(4)의 제1팽창실(실린더부재(39))에 의한 팽창비 ε1이 감소한다. 이와 같이, 제1팽창실에 증기를 도입하는 타이밍을 변화시키므로써, 그 팽창비 ε1을 변화시킬 수 있다.

제1팽창실로부터 배출된 증기는 중계챔버(20)를 지나서 제2팽창실 (베인실(54))에 공급되기 때문에, 제1팽창실에서의 증기배출량은 제2팽창실에의 증기공급량에 일치한다. 제2팽창실로부터 응축기(5)에 증기가 배출되는 타이밍은 8개의 전자밸브(117a∼117d, 118a∼118d)를 선택적으로 개폐하므로써 제어된다. 예컨대, 도 7에 있어서 베인실(54)이 최대의 용적을 갖는 위치의 약간 자기앞 위치에서, 상기 베인실(54)을 구성하는 한쌍의 베인(42)의 회전방향 진행쪽의 베인(42)이 3열째의 제1도출구멍열(110c)을 넘어서 있고, 그 위치가 기준타이밍이 된다. 즉, 정격시에는 상류쪽의 2열째의 제1도출구멍열(110a, 110b)의 전자밸브(117a, 117b)가 닫히고, 하류쪽의 2열째의 제1도출구멍열(110c, 110d)의 전자밸브(117c, 117d)가 열려 있으며, 따라서 회전방향 진행하는쪽의 베인(42)이 3열째의 제1도출구멍열(110c)을 넘는 순간에, 그 제1도출구멍열(110c)로부터 증기의 배출이 개시된다.

상기 기준타이밍에 대하여 배출타이밍을 빨리하려면, 상류쪽의 2열째의 제1도출구멍열(110b)의 전자밸브(117b)를 열면 좋고, 또 배출타이밍을 빨리하려면, 상기 2열째의 제1도출구멍열(110b)의 전자밸브(117b)에 더하여 상류쪽의 1열째의 제1도출구멍열(110a)의 전자밸브(117a)를 열면 좋다. 반대로, 상기 기준타이밍에 대하여 배출타이밍을 늦게 하려면, 상기 3열째의 제1도출구멍열(110c)의전자밸브(117c)를 닫으면 좋고, 또 배출타이밍을 늦게 하려면, 상기 3열째의 제1도출구멍열(110c)의 전자밸브(117c)에 더하여 하류쪽의 4열째의 제1도출구멍열(110d)의 전자밸브(117d)를 닫으면 좋다.

이와 같이 하여 개폐하는 전자밸브(117a∼117d)의 수를 상류쪽으로부터 순차 증가시켜 나아감으로서, 제2팽창실로부터 증기가 배출된 타이밍을 단계적으로 늦게 할 수 있고, 이것에 의하여 제2팽창실에 의한 팽창비 ε2를 증가시킬 수 있다. 반대로 개폐하는 전자밸브(117a∼117e)의 수를 하류쪽으로부터 순차 증가시켜서 나아감으로서, 제2팽창실로부터 응축기(5)에 증기가 배출되는 타이밍을 단계적으로 빨리 할 수 있고, 이것에 의하여 제2팽창실에 의한 팽창비 ε2를 감소시킬 수 있다.

또한, 제2도출구멍열(111a∼111d)의 제2전자밸브(118a∼118d)의 제어는, 상술한 제1도출구멍열(110a∼110d)의 전자밸브(117a∼117d)의 제어와 동일하다. 또 상기 전자밸브(117a∼117d, 118a∼118d)의 제어는, 8열의 도출구멍열(110a∼110d, 111a∼111d)에 각각 대응하여 설치된 8개의 압력센서(119)의 출력에 의거하여, 제2팽창실로부터 배출되는 증기의 압력 Pexp2가 팽창기(4) 및 응축기(5)가 최대의 성능을 발휘할 수 있는 최적값과 일치하도록 행하여진다.

그래서, 압력, 용적 및 온도에 따라서 결정되는 증기의 상태에는, 물 및 증기가 혼재(混在)하는 포화증기영역과, 물이 존재하지 않고 증기만이 존재하는 과열증기영역이 있다. 제1팽창실의 입구로부터 출구까지의 영역은 과열증기영역으로서, 증기에 물이 혼재하는 일은 없다. 따라서, 제1팽창실을 구성하는 실린더부재(39)의 내부에 체류한 물이 피스톤(41)에 따라서 압축되어 수격현상(水擊現象)이 발생하는일이 확실하게 방지된다. 또 제2팽창실의 입구로부터 출구까지의 영역내 적어도 최하류부분은 포화영역으로서, 증기에 물이 혼재한다. 따라서, 제2팽창실을 구성하는 베인실(54)의 내부에 약간의 물이 체류하고, 베인(42) 및 로터챔버(14) 사이의 윤활성능 및 밀봉성능이 향상된다.

도 17∼도 19 에 있어서, 제1팽창실에 공급되는 증기의 온도 Tevp를 450℃로부터 650℃의 범위로 변화시켰을 때, 온도 Tevp가 높을수록 팽창기(4)의 내부의 과열증기영역이 넓게 되어서 과열증기영역으로부터 포화증기영역으로 이행하는 타이밍이 늦게 되고(도 17 참조), 엔탈피의 감소량이 증가하여 팽창기(4)의 출력이 증가하고(도 18 참조), 또 제2팽창실의 출구의 건조도가 증가하여 물의 발생량이 감소한다(도 19 참조). 반대로, 온도 Tevp가 낮을수록 팽창기(4)의 내부의 과열증기영역이 좁게 되어서 과열증기영역으로부터 포화증기영역으로 이행하는 타이밍이 빨라서, 엔탈피의 감소량이 감소하고, 또 제2팽창실의 출구의 건조도가 감소하여 물의 발생량이 증가한다. 제1팽창실과 제2팽창실의 경계는 과열증기영역에 있고, 따라서 실린더부재(39)로 이루어진 제1팽창실에 물이 체류하는 것을 제어하고, 또 베인실(54)로 이루어진 제2팽창실에 물이 체류하는 것을 확실하게 보증할 수 있다.

또 검출한 제1팽창실의 입구의 온도 Tevp가 정격값보다도 높은 경우에는, 제2팽창실의 출구의 압력 Pexp2가 정격값보다도 높아지기 때문에, 제1팽창실의 입구의 흡입타이밍을 늦게 하여서 팽창비 ε1을 감소시키던가, 또는 제1팽창실의 출구의 배출타이밍을 늦게 하여서 팽창비 ε2를 증가시키면 좋다. 반대로, 검출한 제1팽창실의 입구의 온도 Tevp가 정격값보다도 낮을 경우에는, 제2팽창실의 출구의압력 Pexp2가 정격값보다도 낮아지기 때문에, 제1팽창실의 입구의 흡입타이밍을 빨리 팽창비 ε1을 증가시키던가, 또는 제2팽창실의 출구의 배출타이밍을 늦게 하여서 팽창비 ε2를 감소시키면 좋다.

또 팽창기(4)의 내부의 누설량이 클 때(저속회전시)에는, 상술한 제1팽창실의 입구의 온도 Tevp가 정격값보다도 높은 경우와 같은 가변팽창비 제어를 행하면 좋다. 또 반대로 팽창기(4)의 내부의 누설량이 적을 때(고속회전시)에는 상술한 제1팽창실의 입구의 온도 Tevp가 정격값보다도 낮은 경우에도 같은 가변팽창비 제어를 행하면 좋다.

다음에, 도 20에 의거하여 본 발명의 제2실시예를 설명한다.

제1실시예의 팽창기(4)에서는, 먼저 제1팽창실인 실린더부재(39)에 고온고압증기를 공급한 후에, 그것이 강온강압된 제1강온강압증기를 제2팽창실인 베인실(54)에 공급하고 있다. 그것에 대하여, 도 20에 표시한 제2실시예는, 제1팽창실에서의 제1강온강압증기를 중계챔버(20)에 배출하는 통공(t)을 전자밸브(122)로 폐쇄할 수 있게 하고, 또 절환밸브(120)로 제1팽창실에의 고온고압증기의 공급을 차단하여 중계챔버(20)의 증기도입구(121)에 고온고압증기를 직접 공급할 수 있게 하므로서, 제1팽창실을 작동하지 않게 하여 제2팽창실만을 독립하여 작동시킬 수 있다. 이 경우, 베인실(54)로 구성되는 팽창실에서의 증기의 팽창비는, 베인실(54)에서의 배기타이밍을 전자밸브(117a∼117d, 118a∼118d)로 변화시키므로써 제어된다.

이상, 본 발명의 실시예를 상술하였지만, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않은 범위에서 여러가지 설계변경을 행하는 것이 가능하다.

예컨대, 실시예에서는 제1팽창실 및 제2팽창실을 직렬로 접속하고 있지만, 3단 이상의 팽창실을 직렬로 접속할 수 있다. 이 경우, 가장 상류의 팽창실에 공급되는 증기는 과열증기영역에 있고, 가장 하류의 팽창실로부터 배출되는 증기는 포화증기영역에 있는 것이 필요하다.

이상과 같이, 본 발명에 관계되는 랭킹 사이클 장치는 내연기관의 배기가스를 열원으로 하는 것에 호적하게 적용할 수 있지만, 그 열원은 내연기관의 배기가스에 한정되는 것은 아니다.

Claims (8)

1. 액체를 가열하여 증기를 발생하는 증발기(3)와, 증발기(3)로부터 공급된 증기를 팽창시켜서 축토크를 출력하는 팽창기(4)와, 팽창기(4)가 배출한 증기를 냉각하여 액체로 변화시키는 응축기를 구비한 랭킹 사이클 장치에 있어서,

   팽창기(4)가 흡입하는 증기의 압력(Pevp) 및 온도(Tevp)의 임의의 관계에 대하여, 팽창기(4)가 흡입ㆍ배출하는 증기의 팽창비(ε1, ε2)를 상기 임의의 관계에 따라서 소정의 팽창비(ε)에 설정하므로서, 팽창기(4)가 배출하는 증기의 압력(Pexp2) 및 온도(Texp2)를 목표값과 일치시키는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
2. 제1항에 있어서, 팽창기(4)가 흡입하는 증기의 압력(Pevp) 및 온도(Tevp)는 과열증기영역에 있고, 팽창기(4)가 배출하는 증기의 압력(Pexp2) 및 온도(Texp2)는 포화증기영역에 있는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
3. 제1항에 있어서, 팽창기(4)는 직렬로 접속된 복수의 팽창실(39, 54)을 구비하고, 각각의 팽창실(39, 54)에서의 증기의 팽창비(ε1, ε2)의 곱(積)을 상기 설정팽창비(ε)로 한 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
4. 제3항에 있어서, 팽창기(4)의 복수의 팽창실(39, 54)중 적어도 최상류쪽의팽창실(39)의 증기는 과열증기영역에 있고, 적어고 최하류쪽의 팽창실(54)의 증기는 포화증기영역에 있는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
5. 제4항에 있어서, 배출위치에서의 증기가 과열증기영역에 있는 팽창실(39)은 실린더실로 구성되는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
6. 제4항에 있어서, 배출위치에서의 증기가 포화증기영역에 있는 팽창실(54)은 베인실로 구성되는 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
7. 제3항에 있어서, 팽창기(4)의 복수의 팽창실(39, 54)중 적어도 최상류쪽의 팽창실(39)의 흡입위치를 가변(可變)으로 한 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.
8. 제3항에 있어서, 팽창기(4)의 복수의 팽창실(39, 54)중, 적어도 최하류쪽의 팽창실(54)의 배출위치를 가변으로 한 것을 특징으로 하는 랭킹 사이클 장치.