KR20030078955A

KR20030078955A - 팽창기

Info

Publication number: KR20030078955A
Application number: KR10-2003-7011374A
Authority: KR
Inventors: 우다마코토; 마키노히로유키; 오소노고헤이
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-10-08
Also published as: DE60214685D1; EP1367218B1; EP1367218A1; DE60214685T8; EP1367218A4; US7406911B2; US20040144088A1; CN1494632A; DE60214685T2; CA2439600A1; BR0207848A; WO2002077415A1

Abstract

증기를 작동매체로 하는 팽창기(M)는, 출력축(28)의 축선(L)을 둘러싸도록 로터(27)에 환상으로 배치한 반경방향 내측의 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)과, 그 외측을 둘러싸도록 환상으로 배치한 반경방향 외측의 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 구비하고 있으며, 제1, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)은 공통의 경사판(39)으로 구동되고, 또한 제1, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)은 원주방향으로 피치를 조금 옮겨서 배치된다.

고온 고압증기는 우선 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)을 작동시킨 후에, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 작동시켜, 양자의 출력은 통합되어서 출력축(28)을 구동한다. 이것에 의해, 액시얼형의 팽창기(M)의 더욱 소형 고(高)출력화를 도모할 수 있다.

Description

팽창기{EXPANSION MACHINE}

일본 특허 제2874300호 공보 및 일본 실개소48-54702호 공보에는, 반경방향 내측 및 반경방향 외측에 배치된 두개의 액시얼 피스톤 실린더군을 구비한 피스톤 펌프 혹은 피스톤 모터가 기재되어 있다. 이것들은 모두 오일과 같은 비압축성 유체를 작동매체로 하는 것이므로, 반경방향 내측 및 반경방향 외측의 액시얼 피스톤 실린더군은 원주방향으로 위상을 조금 옮겨서 배치되어 있으며, 또한 전자(前者)는 반경방향 내측의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤 지름이, 반경방향 외측의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤 지름 보다도 작게 되어 있다.

또한, 일본 특개(特開) 제2000-320453호 공보에는, 로터의 반경방향 내측 및 반경방향 외측에 각각 액시얼 피스톤 실린더군 및 베인(vane)군을 배치하고, 고온고압의 증기를 액시얼 피스톤 실린더군을 지나서 베인군에 공급하는 것으로서 압력에너지를 기계에너지로 변환하는 팽창기가 기재되어 있다.

그런데, 고온 고압의 증기를 작동매체로 하는 팽창기에는, 베인을 슬립(slip)이 자유롭게 지지하는 로터를 캠링의 내부에 배치한 베인형의 것과, 복수의 실린더 및 피스톤을 축선에 대하여 방사상으로 배치한 레이디얼형의 것과, 복수의 실린더 및 피스톤을 축선에 대하여 평행으로 배치한 액시얼형의 것 등이 있다.

베인형의 팽창기는 증기의 팽창비를 크게 얻어진다고 하는 이점이 있지만, 베인의 선단과 캠링의 내주면과의 용적당의 밀봉(seal) 길이가 길어져, 밀봉이 어려워지기 때문에 증기의 리크(leak)량이 많아지는 문제가 있다.

또한, 레이디얼형의 팽창기는 실린더 및 피스톤이 축선에 대하여 방사상으로 배치되기 때문에, 인접하는 실린더 사이에 형성되는 부채형의 데드 스페이스(dead space)에 의해 치수가 대형화 할 뿐 아니라, 증기를 실린더에 배분하는 로터리 밸브의 슬립면(slip面)을 원통면으로 하고, 슬립이 자유롭게 틈새를 설치했을 경우, 평탄한 슬립면을 가지는 로터리 밸브에 비해서 증기의 리크량이 증가하는 문제가 있다.

그것에 대하여, 액시얼형의 팽창기는 실린더 및 피스톤을 축방향으로 배치하는 것으로서, 실린더간의 데드 스페이스를 보다 작게 해서 반경방향의 단면 배치를 작게 할 수 있으므로, 데드 스페이스가 커지는 레이디얼형의 팽창기에 비해서 소형화가 가능하다. 또한, 실린더 및 피스톤 사이의 증기의 리크량은 베인 및 캠링 사이의 증기의 리크량에 비해서 작고, 게다가 평탄한 슬립면을 갖는 증기의 리크량이 작은 로터리 밸브를 채용할 수 있으므로, 베인형 혹은 레이디얼형의 팽창기에 비해서 고(高)출력화가 가능하다.

본 발명은 케이싱과, 구동력을 출력하는 출력축과, 이 출력축과 일체가 되어서 케이싱에 회전이 자유롭게 지지된 로터와, 출력축의 축선을 둘러싸도록 로터에 환상(環狀)으로 또 반경방향 내외로 배치된 복수의 액시얼 피스톤 실린더군(axial piston cylinder群)과, 케이싱에 고정되어서 복수의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤을 상기 축선방향으로 안내하는 공통의 경사판을 구비한 팽창기(膨脹機)에 관한 것이다.

도 1∼도 18은 본 발명의 제1실시예를 나타내는 것으로,

도 1은 팽창기의 세로 단면도,

도 2는 도 1의 2-2선 단면도,

도 3은 도 1의 3부분 확대도,

도 4는 도 1의 4부분 확대 단면도(도 8의 4-4선 단면도),

도 5는 도 4의 5-5선의 화살표방향 사시도,

도 6은 도 4의 6-6선의 화살표방향 사시도,

도 7은 도 4의 7-7선의 단면도,

도 8은 도 4의 8-8선의 단면도,

도 9는 도 4의 9-9선의 단면도,

도 10은 도 1의 10-10선의 화살표방향 사시도,

도 11은 도1의 11-11선의 화살표방향 사시도,

도 12는 도 10의 12-12선의 단면도,

도 13은 도 11의 13-13선의 단면도,

도 14는 도 10의 14-14선의 단면도,

도 15는 출력축의 토크 변동을 나타내는 그래프,

도 16은 고압단계의 흡입계를 나타내는 작용 설명도,

도 17은 고압단계의 배출계 및 저압단계의 흡입계를 나타내는 작용 설명도,

도 18은 저압단계의 배출계를 나타내는 작용 설명도.

도 19는 본 발명의 제2실시예를 나타내며, 상기 도 6에 대응하는 도.

도20은 본 발명의 제3실시예를 나타내며, 상기도6에 대응하는 도.

본 발명은 상술한 사정을 감안하여서 된 것으로, 액시얼형의 팽창기는 말할것도 없이 소형 고출력화를 도모하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1의 특징에 따르면, 케이싱과, 구동력을 출력하는 출력축과, 이 출력축과 일체가 되어서 케이싱에 회전이 자유롭게 지지된 로터와, 출력축 축선을 둘러싸도록 로터에 환상으로 또 반경방향 내외로 배치된 복수의 액시얼 피스톤 실린더군과, 케이싱에 고정되어서 복수의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤을 상기 축선방향으로 안내하는 공통의 경사판을 구비한 팽창기로서, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤을 반경방향 외측으로 위치하는 것일수록 긴 지름으로 하는 동시에, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군을 직렬로 접속하고, 고온 고압의 작동매체를 반경방향 내측의 액시얼 피스톤 실린더군으로부터 반경방향 외측의 액시얼 피스톤 실린더군을 향해서 순차 공급하는 것을 특징으로 하는 팽창기가 제안된다.

상기 구성에 따르면, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군을 출력축에 관해서 반경방향 내외에 배치하고, 각각의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤을 공통의 경사판에 안내시켜서 복수단계 연속해서 기능(機能)시키므로, 베인형의 팽창기에 비해서 작동매체의 리크량이 감소하는 것은 물론, 베인형의 팽창기나 레이디얼형의 팽창기에 비해서 본래적으로 스페이스 효율이 높은 액시얼형의 팽창기의 스페이스 효율을 또한 높이고, 소형으로 고출력한 팽창기를 얻을 수 있다.

또한, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군의 피스톤을 반경방향 외측에 위치하는 것일수록 긴 지름으로 하고, 또한 고온 고압의 작동매체를 직렬로 접속한 복수의 액시얼 피스톤 실린더군의 반경방향 내측의 것으로부터 반경방향 외측의 것으로 순차 공급하므로서, 데드 스페이스의 발생을 최소한으로 억제하여 팽창기를 소형화 할 수 있을 뿐 아니라, 반경방향 내측의 짧은 지름의 액시얼 피스톤 실린더군에 체적이 작은 고압의 작동매체가 작용하고, 반경방향 외측의 긴 지름의 액시얼 피스톤 실린더군에 체적이 큰 저압의 작동매체가 작용하게 되고, 작동매체의 압력에너지를 남김없이 기계에너지로 변환할 수 있다. 게다가 고압의 작동매체가 작용하는 것으로 리크가 발생하기 쉬운 반경방향 내측의 액시얼 피스톤 실린더군의 슬립부의 면적을 최소한으로 억제하고, 작동매체의 리크를 한층 저감할 수 있다.

또한, 반경방향 내측의 액시얼 피스톤 실린더군에 팽창전의 고온의 작동매체가 작용하고, 반경방향 외측의 액시얼 피스톤 실린더군에 팽창후의 저온의 작동매체가 작용하도록 하기 위해, 고온의 작동매체가 작용하는 반경방향 내측의 액시얼 피스톤 실린더군으로부터 방산하는 열을, 저온의 작동매체가 작용하는 반경방향 외측의 액시얼 피스톤 실린더군으로 회수하고, 열에너지의 손실을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제2의 특징에 따르면, 상기 제1의 특징에 더해서, 반경방향 내외에 인접하는 액시얼 피스톤 실린더군의 배열 피치를 원주방향으로 비켜 놓은 것을 특징으로 하는 팽창기가 제안된다.

상기 구성에 따르면, 반경방향 내외에 인접하는 액시얼 피스톤 실린더군의 배열 피치가 원주방향에 어긋나 있으므로, 반경방향 외측의 실린더에 끼워져 있었던 공간에 반경방향 내측의 실린더를 배치해서 팽창기의 바깥 지름의 치수를 한층 소형화 할 수 있을 뿐 아니라, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군의 출력토크의 변동을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제3의 특징에 따르면, 상기 제1 또는 제2의 특징에 더해서, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군에 작동매체를 공급ㆍ배출하는 흡(吸)ㆍ배기(排氣)밸브로 이루어지는 작동매체 공급ㆍ배출부와, 로터로 이루어지는 동력변환부와, 출력축 및 경사판으로 이루어지는 출력부를 상기 축선의 일단측에서 타단측으로 순차 배치한 것을 특징으로 하는 팽창기가 제안된다.

상기 구성에 따르면, 작동매체 공급ㆍ배출부와 출력부가 동력변환부를 끼워서 떨어진 위치에 배치되므로, 출력부의 슬립부를 윤활하는 오일이, 고온의 작동 매체가 통과하는 작동매체 공급ㆍ배출부에 의해 가열되어서 변질되는 것을 방지하고, 출력부의 윤활성능을 확보할 수 있다.

한편, 실시예의 로터리 밸브(61)는 본 발명의 흡ㆍ배기 밸브에 대응한다.

이하, 본 발명의 제1실시예를 도 1∼도18에 의거하여 설명한다.

도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 팽창기(M)는 예를들면 랭킨사이클(rankine cycle)장치에 사용되는 것으로서, 작동매체로서의 고온 고압증기의 열에너지 및 압력에너지를 기계에너지로 변환해서 출력한다. 팽창기(M)의 케이싱(11)은, 케이싱 본체(12)와, 케이싱 본체(12)의 전면 개구부에 밀봉부재(13)를 통해서 끼워 맞춰서 복수개의 볼트(14…)로 결합되는 앞부분 커버(15)와, 케이싱 본체(12)의 후면 개구부에 밀봉부재(16)를 통해서 끼워 맞춰서 복수개의 볼트(17…)로 결합되는 뒷부분 커버(18)로 구성된다. 케이싱 본체(12)의 하면 개구부에 오일 팬(oil pan)(19)이 밀봉부재(20)를 통해서 맞닿고, 복수개의 볼트(21…)로 결합된다. 또한, 케이싱 본체(12)의 표면에 밀봉부재(22)(도 12 참조)를 통해서 브리더실(breather室) 격벽(23)이 서로 중첩되며, 또한 그 표면에 밀봉부재(24)(도 12 참조)를 통해서 브리더실 커버(25)가 서로 중첩되고, 복수개의 볼트(26…)로 함께 체결된다.

케이싱(11)의 중앙을 전후방향으로 연장하는 축선(L) 둘레에 회전 가능한 로터(27)와 출력축(28)이 용접으로 일체화되어 있고, 로터(27)의 뒷부분이 앵귤러(angular) 볼 베어링(29) 및 밀봉부재(30)를 통해서 케이싱 본체(12)에 회전이 자유롭게 지지되는 동시에, 출력축(28)의 앞부분이 앵귤러 볼 베어링(31) 및 밀봉부재(32)를 통해서 앞부분 커버(15)에 회전이 자유롭게 지지된다. 앞부분 커버(15)의 후면에 2개의 밀봉부재(33, 34) 및 노크핀(35)을 통해서 끼워 맞춰진 경사판 홀더(36)가 복수개의 볼트(37…)로 고정되어 있고, 이 경사판 홀더(36)에 앵귤러 볼 베어링(38)을 통해서 경사판(39)이 회전이 자유롭게 지지된다. 경사판(39)의 회전 축선은 상기 로터(27) 및 출력축(28)의 축선(L)에 대하여 경사져 있고, 그 경사각은 고정된다.

로터(27)와 별개의 부재로 구성된 7개의 슬리브(41…)가, 로터(27)의 내부에 축선(L)을 둘러싸도록 원주방향 등간격으로 배치된다. 로터(27)의 슬리브 지지구멍(27a…)에 지지된 슬리브(41…)의 내주에 형성된 고압 실린더(42…)에 고압 피스톤(43…)이 슬립이 자유롭게 끼워 맞춰져 있어, 고압 실린더(42…) 전단(前端) 개구부로부터 전방으로 돌출하는 고압 피스톤(43…)의 반(半)구형부가, 경사판(39)의 후면에 오목하게 설치된 7개의 딤플(39a…)에 각각 부딪쳐서 누른다. 슬리브(41…)의 후단(後端)과 로터(27)의 슬리브 지지구멍(27a…)과의 사이에는 내열 금속성의 밀봉부재(44…)가 장착(裝着)되어, 이 상태에서 슬리브(41…) 전단을 제압하는 단일의 세트 플레이트(45)가 복수개의 볼트(46…)로 로터(27)의 전면에 고정된다. 슬리브 지지구멍(27a…)의 앞부분 근방은 약간 긴 지름으로 되어 있고, 슬리브(41…)의 외주면과의 사이에 틈(α)(도 3 참조)이 형성된다.

고압 피스톤(43…)은 고압 실린더(42…)와의 슬립면을 밀봉하는 압력(壓力) 링(47…) 및 오일 링(48…)을 구비하고 있어, 압력 링(47…)의 슬립 범위와 오일 링(48…)의 슬립 범위와는 서로 오버랩 하지 않도록 설정되어 있다. 고압 피스톤(43…)을 고압 실린더(42…)에 삽입할 때, 압력 링(47…) 및 오일 링(48…)을 고압 실린더(42…)에 스무스하게 맞물리게 할 뿐만 아니라 세트 플레이트(45)의 전면측이 확장되도록 테이퍼된 개구부(45a…)가 형성된다.

이상과 같이, 압력 링(47…)의 슬립 범위와 오일 링(48…)의 슬립 범위가 서로 오버랩 하지 않도록 설정하였으므로, 오일 링(48…)이 슬립하는 고압 실린더(42…)의 내벽에 부착된 오일이, 압력 링(47…)의 슬립에 의해 고압 작동실(82…)에 들어 오지 않도록 하여, 증기에 오일이 혼입(混入)하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.

특히, 고압 피스톤(43…)은 압력 링(47…) 및 오일 링(48…)에 끼워진 부분이 약간 짧은 지름으로 되어 있기 때문에(도 3 참조), 오일 링(48…)의 슬립면에 부착된 오일이 압력 링(47…)의 슬립면에 이동하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 7개의 슬리브(41…)를 로터(27)의 슬리브 지지구멍(27a…)에 장착하여서 고압 실린더(42…)를 구성하였으므로, 슬리브(41…)에 열전도성, 내열성, 내마모성, 강도 등에 우수한 재질을 선택할 수 있다. 이것에 의하여 성능 및 신뢰성의 향상이 가능하게 될 뿐만 아니라, 로터(27)에 직접 고압 실린더(42…)를 가공할 경우에 비해서 가공이 용이하여, 가공 정밀도도 향상한다. 게다가, 어느 하나의 슬리브(41)가 마모ㆍ손상하였을 경우에, 로터(27) 전체를 교환하지 않고, 이상(異常)이 있는 슬리브(41)만을 교환하므로 경제적이다.

또한, 슬리브 지지구멍(27a…)의 저부 근방을 약간 긴 지름으로 하여, 슬리브(41…)의 외주면과 로터(27)와의 사이에 틈(α)을 형성하였으므로, 고압 작동실(82…)에 공급된 고온 고압증기에 의해 로터(27)가 열변형해도, 그 영향이 슬리브(41…)에 미치기 어렵게 하여 고압 실린더(42…)의 변형을 방지할 수 있다.

상기 7개의 고압 실린더(42…)와, 거기에 끼워 맞춰지는 7개의 고압 피스톤(43…)은, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)을 구성한다.

로터(27)의 외주부에 7개의 저압 실린더(50…)가 축선(L) 및 고압 실린더(42…)의 반경방향 외측을 둘러싸도록 원주방향 등간격으로 배치된다. 이것들 저압 실린더(50…)는 고압 실린더(42…) 보다도 긴 지름을 가지고 있으며, 또한 저압 실린더(50…)의 원주방향 배열 피치는 고압 실린더(42…)의 원주방향 배열 피치에 대하여 반 피치부분 어긋나 있다. 이것에 의해, 인접하는 저압 실린더(50…) 사이에 형성되는 공간에 고압 실린더(42…)를 배치하는 것이 가능하게 되고, 스페이스를 유효하게 이용해서 로터(27) 지름의 소형화에 기여할 수 있다.

7개의 저압 실린더(50…)에는 각각 저압 피스톤(51…)이 슬립이 자유롭게 끼워 맞춰져 있고, 이것들 저압 피스톤(51…)은 링크(52…)를 통해서 경사판(39)에 접속된다. 즉, 링크(52…) 전단(前端)의 구형부(球形部)(52a)는 경사판(39)에 너트(53…)로 고정된 구면(球面) 베어링(54…)에 요동(搖動)이 자유롭게 지지되었으며, 링크(52…)의 후단의 구형부(52b)는 저압 피스톤(51…)에 클립(55…)으로 고정된 구면 베어링(56…)에 요동이 자유롭게 지지된다. 저압 피스톤(51…)의 정상면 근방의 외주면에는, 압력 링(78…) 및 오일 링(79…)이 인접해서 장착된다. 압력 링(78…) 및 오일 링(79…)의 슬립 범위는 서로 오버랩 하므로, 압력 링(78…)의 슬립면으로 기름막을 형성하여 밀봉성 및 윤활성을 향상시킬 수 있다.

상기 7개의 저압 실린더(50…)와, 거기에 끼워 맞춰진 7개의 저압 피스톤(41…)은, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 구성한다.

이상과 같이, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 고압 피스톤(43…)의 전단(前端)을 반구형(半球形)으로 형성하고, 그 전단을 경사판(39)에 형성한딤플(39a…)에 맞닿게 하였으므로, 고압 피스톤(43…)을 경사판(39)에 기계적으로 연결할 필요가 없어지고, 부품점수의 삭감과 맞붙임성의 향상이 가능하게 된다. 한편, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 저압 피스톤(51…)은 링크(52…) 및 전후의 구면 베어링(54…, 56…)을 통해서 경사판(39)에 연결되어 있으므로, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 공급되는 중온(中溫) 중압증기의 온도 및 압력이 부족되어서 저압 작동실(84…)이 부압되어도, 저압 피스톤(51…)과 경사판(39)이 거리가 떨어져서 부딪치는 소리나 손상이 발생할 우려가 없다.

또한, 경사판(39)은 앞부분 커버(15)에 볼트(37…)로 체결되지만, 그 때의 경사판(39)의 축선(L) 주변의 체결 위상을 변화시키는 것이므로, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49) 및 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 대한 증기의 공급ㆍ배출 타이밍을 비켜 놓아서 팽창기(M)의 출력 특성을 변경할 수 있다

또한, 일체화된 로터(27) 및 출력축(28)은, 각각 케이싱 본체(12)에 설치한 앵귤러 볼 베어링(29) 및 앞부분 커버(15)에 설치한 앵귤러 볼 베어링(31)에 지지되지만, 케이싱 본체(12) 및 앵귤러 볼 베어링(29) 사이에 장치하는 심(58)의 두께와, 앞부분 커버(15) 및 앵귤러 볼 베어링(31) 사이에 장치하는 심(59)의 두께를 조정하는 것에 의해, 축선(L)에 따른 로터(27)의 위치를 전후방향으로 조정할 수 있다. 이 로터(27)의 축선(L)방향 위치의 조정에 의해, 경사판(39)에 안내되는 고압ㆍ저압 피스톤(43…,51…)과 로터(27)에 설치된 고압ㆍ저압 실린더(42…, 50…)의 축선(L)방향의 상대적인 위치관계가 변화되고, 고압ㆍ저압 작동실(82…, 84…)에 있어서의 증기의 팽창비를 조정할 수 있다.

만일, 경사판(39)을 지지하는 경사판 홀더(36)가 앞부분 커버(15)에 대하여 일체로 형성되어 있으면, 앞부분 커버(15)에 앵귤러 볼 베어링(31)이나 심(59)을 붙이고 떼기 위한 스페이스를 확보하는 것이 곤란해지지만, 경사판 홀더(36)를 앞부분 커버(15)에 대하여 붙이고 떼기 가능하게 한 것으로, 상기 문제가 해소된다. 또한, 만일 경사판 홀더(36)가 앞부분 커버(15)와 일체이면, 팽창기(M)의 분해ㆍ조립시에 미리 앞부분 커버(15)측에 붙인 경사판(39)에, 케이싱(11)내의 좁은 공간에서 7개의 링크(52…)를 연결ㆍ분리하는 번거로운 작업이 필요하게 되지만, 경사판 홀더(36)를 앞부분 커버(15)에 대하여 붙이고 떼기를 가능하게 한 것이므로, 미리 로터(27)측에 경사판(39) 및 경사판 홀더(36)를 맞붙여서 서브 액셈블리(sub-assembly)를 구성하는 것이 가능해지고, 맞붙임성이 대폭 향상된다.

이어서, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49) 및 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 대한 증기의 공급ㆍ배출 계통을, 도 4∼도 9에 의거하여 설명한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 로터(27)의 후단면에 개구하는 원형 단면의 오목부(27b) 및 뒷부분 커버(18)의 전면에 개구하는 원형 단면의 오목부(18a)에, 로터리 밸브(61)가 수납(收納)된다. 축선(L)에 따르도록 배치된 로터리 밸브(61)는, 로터리 밸브 본체(62)와, 고정측(固定側) 밸브 플레이트(63)와, 가동측 밸브 플레이트(64)를 구비한다. 가동측 밸브 플레이트(64)는 로터(27)의 오목부(27b)의 저면에 개스킷(65)을 통해서 끼워 맞춰진 상태에서, 노크핀(66) 및 볼트(67)로서 로터(27)에 고정된다. 가동측 밸브 플레이트(64)에 평탄한 슬립면(68)을 통해서 맞닿는 고정측 밸브 플레이트(63)는 노크핀(69)을 통해서 로터리 밸브 본체(62)에 상대회전이 불능(不能)하게 결합된다. 따라서, 로터(27)가 회전하면, 가동측 밸브 플레이트(64) 및 고정측 밸브 플레이트(63)는 슬립면(68)에 있어서 서로 밀착하면서 상대회전한다. 고정측 밸브 플레이트(63) 및 가동측 밸브 플레이트(64)는, 초(超)경합금이나 세라믹스 등의 내구성이 우수한 재질로서 구성되어 있으며, 그 슬립면(68)에 내열성, 윤활성, 내식성, 내마모성을 가지는 부재를 개재(介在)시키거나 코오팅하는 것이 가능하다.

로터리 밸브 본체(62)는 긴 지름부(62a), 중간 지름부(62b) 및 짧은 지름부(62c)를 구비한 턱을 갖는 원주형의 부재이며, 그 긴 지름부(62a)의 외주에 끼워 맞춰지는 환상의 슬립부재(70)가, 로터(27)의 오목부(27b)에 원통형 슬립면(71)을 통해서 슬립이 자유롭게 끼워 맞춰지는 동시에, 그 중간 지름부(62b) 및 짧은 지름부(62c)가 뒷부분 커버(18)의 오목부(18a)에 밀봉부재(72, 73)를 통해서 끼워 맞춰진다. 슬립부재(70)는, 경합금(硬合金)이나 세라믹스등의 내구성이 우수한 재질로서 구성된다. 로터리 밸브 본체(62)의 외주에 설치된 노크핀(74)이, 뒷부분 커버(18)의 오목부(18a)에 축선(L)방향으로 형성된 긴 구멍(18b)에 맞물리어 있으며, 따라서 로터리 밸브 본체(62)는 뒷부분 커버(18)에 대하여 상대회전이 불능(不能), 또 축선(L)방향으로 이동 가능하게 지지된다.

뒷부분 커버(18)에 축선(L)을 둘러싸도록 복수개(예를 들면, 7개)의 프리 로드 스프링(75…)이 지지되어 있으며, 이것들 프리 로드 스프링(75…)에 중간 지름부(62b) 및 짧은 지름부(62c) 사이의 단계부(62d)를 압압(押壓)한 로터리 밸브 본체(62)는, 고정측 밸브 플레이트(63) 및 가동측 밸브 플레이트(64)의 슬립면(68)을밀착시키기 위해 전방을 향해서 힘이 가해진다. 뒷부분 커버(18)의 오목부(18a)의 저면과 로터리 밸브 본체(62)의 짧은 지름부(62c)의 후단면(後端面)과의 사이에 압력실(76)이 구획되어 있고, 뒷부분 커버(18)를 관통하도록 접속된 증기공급 파이프(77)가 상기 압력실(76)에 연통한다. 따라서, 로터리 밸브 본체(62)는 상기프리 로드 스프링(75…)의 탄발력(彈發力)에 더해서, 압력실(76)에 작용하는 증기압에 의해서도 전방으로 힘이 가해진다.

제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)에 고온 고압증기를 공급하는 고압단계의 증기흡입 경로가, 도 16에 망상(網狀)으로 나타냈다. 도 16과 도 5∼도 9를 겸해서 참조하면 명확한 바와 같이, 증기공급 파이프(77)로부터 고온 고압증기가 공급되는 압력실(76)에 상류단이 연통하는 제1증기 통로(Pl)가, 로터리 밸브 본체(62)를 관통해서 고정측 밸브 플레이트(63)와의 맞춤면에 개구하고, 고정측 밸브 플레이트(63)를 관통하는 제2증기 통로(P2)에 연통한다. 로터리 밸브 본체(62) 및 고정측 밸브 플레이트(63)의 맞춤면에서의 증기의 리크를 방지하기 위해, 그 맞춤면에 장착된 밀봉부재(81)(도 7 및 도 16 참조)에 의해 제1, 제2증기 통로(Pl, P2)의 접속부의 외주가 밀봉된다.

가동측 밸브 플레이트(64) 및 로터(27)에는 각각 7개의 제3증기 통로(P3…)(도 5 참조) 및 제4증기 통로(P4…)가 원주방향 등간격으로 형성되어 있고, 제4증기 통로(P4…)의 하류단(下流端)은 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 고압 실린더(42…) 및 고압 피스톤(43) 사이에 구획된 7개의 고압 작동실(82…)에 연통한다. 도 6으로부터 명확한 바와 같이, 고정측 밸브 플레이트(63)에 형성된 제2증기 통로(P2)의 개구(開口)는, 고압 피스톤(43)의 상사점(上死點)(TDC)의 전후에 균등하게 개구하지 않고, 화살표(R)로 나타내는 로터(27)의 회전방향 진행측으로 약간 어긋나게 개구되어 있다. 이것에 의해, 될 수 있는 한 긴 팽창 기간, 즉 충분한 팽창비를 확보할 수 있으며, 또한 상사점(TDC)의 전후로 균등하게 개구를 설정하였을 경우에 생기는 부(負)의 일을 극력 적게 하고, 또한 고압 작동실(82…)내에 잔류하는 팽창 증기를 감소해서 충분한 출력(효율)을 얻을 수 있다.

제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)으로부터 중온(中溫) 중압증기를 배출해서 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 공급하는 고압단계의 증기 배출경로 및 저압단계의 증기 흡입경로가, 도 17에 망(網)형상으로 나타낸다. 도 17과 도 5∼도 8을 겸해서 참조하면 명확한 바와 같이, 고정측 밸브 플레이트(63)의 전면에는 원호형의 제5증기통로(P5)(도 6 참조)가 개구되어 있으며, 이 제5증기 통로(P5)는 고정측 밸브 플레이트(63)의 후면에 개구하는 원형의 제6증기 통로(P6)(도 7 참조)에 연통한다. 제5증기 통로(P5)는, 고압 피스톤(43)의 하사점(BDC)에 대하여 화살표(R)로 나타내는 로터(27)의 회전방향 진행측에 약간 어긋난 위치로부터, 상사점(TDC)에 대하여 회전방향 지연측에 약간 어긋난 위치에 걸쳐서 개구되어 있다. 이것에 의해, 가동측 밸브 플레이트(64)의 제3증기 통로(P3…)는 하사점(BDC)으로부터 제2증기 통로(P2)와 중복하지 않는 {바람직하게는 제2증기 통로(P2)와 중복하는 직전의} 각도범위에 걸쳐서 고정측 밸브 플레이트(63)의 제5증기 통로(P5)에 연통 할 수 있고, 그 동안에 제3증기 통로(P3…)로부터 제5증기 통로(P5)에의 증기의 배출이 실행된다.

로터리 밸브 본체(62)에는, 축선(L)방향으로 연장하는 제7증기 통로(P7)와, 대략 반경방향으로 연장되는 제8증기 통로(P8)가 형성되어 있고, 제7증기 통로(P7)의 상류단은 상기 제6증기 통로(P6)의 하류단에 연통하는 동시에, 제7증기 통로(P7)의 하류단은 로터리 밸브 본체(62) 및 슬립부재(70)에 걸쳐서 배치된 이음부재(83)의 내부의 제9증기 통로(P9)를 지나서, 슬립부재(70)를 반경방향으로 관통하는 제10증기 통로(PlO)에 연통한다. 그리고, 제10증기 통로(PlO)는, 로터(27)에 방사형으로 형성한 7개의 제11증기 통로(Pll…)를 통해서, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 저압 실린더(50…) 및 저압 피스톤(41…) 사이에 구획된 7개의 저압 슬립실(84…)에 연통한다.

로터리 밸브 본체(62)와 고정측 밸브 플레이트(63)와의 맞춤면에서의 증기의 리크를 방지하기 위해, 그 맞춤면에 장착된 밀봉부재(85)(도 7 및 도 17 참조)에 의해 제6, 제7증기 통로(P6, P7)의 접속부의 외주(外周)가 밀봉된다. 슬립부재(70)의 내주면과 로터리 밸브 본체(62)의 사이는 2개의 밀봉부재(86, 87)에서 밀봉되고, 이음부재(83)의 외주면과 슬립부재(70)와의 사이는 밀봉부재(88)에서 밀봉된다.

로터(27) 및 출력축(28)의 내부를 요형(凹形)으로 마련하여서 조압실(調壓室)(89)을 구획하였으며, 이 조압실(89)과 제8증기 통로(P8)는, 로터리 밸브 본체(62)에 형성한 제12증기 통로(P12) 및 제13증기 통로(P13)와, 고정측 밸브 플레이트(63)에 형성한 제14증기 통로(P14)와, 볼트(67)의 내부를 관통하는 제15증기 통로(P15)를 통해서 연통한다. 7개의 제3증기 통로(P3…)로부터 제5증기 통로(P5)에 배출되는 중온 중압증기의 압력은 로터(27)의 1회전에 대해서 압력이 7회 맥동하지만, 그 중온 중압증기를 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 공급하는 도중의 제8증기 통로(P8)를 조압실(89)에 연통시킨 것이므로, 상기 압력의 맥동을 완충해서 1정압(定壓)의 증기를 제2의 액시얼 피스톤 실린던군(57)에 공급하여, 저압 작동실(84…)에의 증기의 충전 효율을 높일 수 있다.

또한, 조압실(89)은 로터(27) 및 출력축(28)의 중심의 데드 스페이스를 이용해서 형성되어 있으므로 팽창기(M)의 대형화를 초래(招來)하는 일이 없고, 요형으로 마련하였으므로 경량화의 효과도 가지며, 게다가 조압실(89)의 외주는 고온 고압증기로 작동하는 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)으로 둘러싸이므로, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 공급되는 중온 증압증기의 열손실이 생길 일도 없다. 또한, 제1의 액시얼 피스톤 실린던군(49)에 둘러싸인 로터(27)의 중심부가 온도 상승하였을 경우에는, 조압실(89)의 중온 중압증기로서 로터(27)의 냉각을 도모할 수 있으며, 그 결과로서 가열된 중온 중압증기로서 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 출력 향상을 도모할 수 있다.

제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에서 저온 저압증기를 배출하는 증기 배출경로가, 도 18에 망상으로 나타냈다. 도 18, 도 8 및 도 9를 겸해서 참조하면 명확한 바와 같이, 슬립부재(70)의 슬립면(71)에, 로터(27)에 형성한 7개의 제11증기 통로(Pll…)에 연통 가능한 원호형의 제16증기 통로(P16)가 노치(notch)형으로 되어 있으며, 이 제16증기 통로(P16)는 로터리 밸브 본체(62)의 외주에 원호형으로 노치된 제17증기 통로(P17)에 연통한다. 제16증기 통로(P16)는, 저압 피스톤(51)하사점(BDC)에 대하여 화살표(R)로 나타내는 로터(27)의 회전방향 진행측에 약간 어긋난 위치로부터, 상사점(TDC)에 대하여 회전방향 지연측에 약간 어긋난 위치에 걸쳐서 개구되어 있다. 이것에 의해, 로터(27)의 제11증기 통로(Pll…)는 하사점(BDC)으로부터 제10증기 통로(PlO)와 중복하지 않는 {바람직하게는 제10증기 통로(PlO)와 중복하는 직전의) 각도범위에 걸쳐서 슬립부재(70)의 제16증기 통로(P16)에 연통 할 수 있고, 그 동안에 제11증기 통로(Pll…)로부터 제16증기 통로(P16)에의 증기의 배출이 실행된다.

또한, 제17증기 통로(P17)는, 로터리 밸브 본체(62)의 내부에 형성된 제18증기 통로(P18)∼제20증기 통로(P20) 및 뒷부분 커버(18)의 노치(notch)(18d)를 통하여, 로터리 밸브 본체(62) 및 뒷부분 커버(18) 사이에 형성된 증기배출실(90)에 연통하고, 이 증기배출실(90)은 뒷부분 커버(18)에 형성한 증기 배출구멍(18c)에 연통한다.

이상과 같이, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)에의 증기의 공급ㆍ배출과 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에의 증기의 공급ㆍ배출을 공통인 로터리 밸브(61)에서 제어하므로, 각각 별개의 로터리 밸브를 이용할 경우에 비해서 팽창기(M)를 소형화 할 수 있다. 게다가 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)에 고온 고압증기를 공급하는 밸브를, 로터리 밸브 본체(62)와 일체의 고정측 밸브 플레이트(63)의 전단의 평탄한 슬립면(68)에 형성하였으므로, 고온 고압증기의 리크를 효과적으로 방지할 수 있다. 왜냐하면, 평탄한 슬립면(68)은 고정밀도의 가공이 용이하기 때문에, 원통형의 슬립면에 비해서 클리어런스의 관리가 용이하기 때문이다.

특히, 복수개의 프리 로드 스프링(75…)으로서 로터리 밸브 본체(62)에 프리셋 하중을 부여해서 축선(L)방향 전방으로 힘을 가하고, 또한 증기공급 파이프(77)로부터 압력실(76)에 공급한 고온 고압증기로 로터리 밸브 본체(62)를 축선(L)방향 전방으로 힘을 가하는 것에 의해, 고정측 밸브 플레이트(63) 및 가동측 밸브 플레이트(64)의 슬립면(68)에 고온 고압증기의 압력에 따라서 면압을 발생시켜, 그 슬립면(68)으로부터의 증기의 리크를 한층 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 중온 중압증기를 공급하는 밸브는 로터리 밸브 본체(62)의 외주의 원통형의 슬립면(71)에 형성되어 있지만, 거기를 통과하는 중온 중압증기는 상기 고온 고압증기에 비해서 압력이 저하되어 있기 때문에, 슬립면(71)에 대한 면압(面壓)을 발생시키지 않더라도, 소정의 클리어런스 관리를 설비하면 증기의 리크는 실용상 문제 없다.

또한, 로터리 밸브 본체(62) 내부에, 고온 고압증기가 흐르는 제1증기 통로(P1)와, 중온 중압증기가 흐르는 제7증기 통로(P7) 및 제8증기 통로(P8)와, 저온 저압증기가 흐르는 제17증기 통로(P17)∼제20증기 통로(P20)를 집약(集約)해서 형성하였으므로, 증기온도의 저하를 방지 할 수 있을 뿐 아니라, 고온 고압증기의 밀봉부{예를 들면, 밀봉부재(81)}를 저온 저압증기로 냉각해서 내구성을 높일 수 있다.

또한, 뒷부분 커버(18)를 케이싱 본체(12)로부터 떼어내는 것 만으로, 케이싱 본체(12)에 대하여 로터리 밸브(61)를 붙이고 뗄 수 있으므로, 수리, 청소, 교환 등의 메인터넌스 작업성이 대폭 향상된다. 또한, 고온 고압증기가 통과하는 로터리 밸브(61)는 고온이 되지만, 오일에 의한 윤활이 필요한 경사판(39)이나 출력축(28)이 로터(27)를 사이에 끼워서 로터리 밸브(61)의 반대측에 배치되므로, 고온이 되는 로터리 밸브(61)의 열로서 오일이 가열되어서 경사판(39)이나 출력축(28)의 윤활성능이 저하하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 오일은 로터리 밸브(61)를 냉각해서 과열을 방지하는 기능도 발휘한다.

이어서, 도 10∼도 14를 참조해서 브리더(breather)의 구조를 설명한다.

케이싱 본체(12) 상벽(上壁)(12a)과 브리더실 격벽(23)과의 사이에 구획된 하부 브리더실(101)은 케이싱 본체(12)의 상벽(12a)에 형성된 연통구멍(12b)을 통해서 케이싱(11)내의 윤활실(102)에 연통한다. 윤활실(102)의 저부에 설치한 오일 팬(19)에는 오일을 모아두고 있어, 그 기름면은 로터(27)의 하단 보다도 약간 높아져 있다 (도 1 참조). 하부 브리더실(101)의 내부에는 상단이 브리더실 격벽(23)의 하면에 접촉하는 3개의 격벽(12c∼12e)이 상향(上向)으로 돌출되게 설치되어 있으며, 이것들 격벽(12c∼12e)에 의해 구성된 미로(迷路)의 일단에 상기 연통구멍(12b)이 개구하는 동시에, 미로의 타단을 향하는 경로(經路)의 도중에 상기 상벽(12a)을 관통하는 4개의 오일 되돌림 구멍(12f…)이 형성된다. 오일 되돌림 구멍(12f…)은 하부 브리더실(101)의 가장 낮은 위치에 형성되어 있고(도 14 참조), 따라서 하부 브리더실(101)내에서 응축한 오일을 윤활실(102)에 확실하게 되돌릴 수 있다.

브리더실 격벽(23)과 브리더실 커버(25)의 사이에 상부 브리더실(103)이 구획되어 있고, 이 상부 브리더실(103)과 하부 브리더실(101)이, 브리더실 격벽(23)을 관통해서 상부 브리더실(103)내에 굴뚝형으로 돌출하는 4개의 연통구멍(23a…, 23b)에 의해 연통된다. 브리더실 격벽(23)을 관통하는 응축수 되돌림 구멍(23c)의 아래쪽으로 위치하는 케이싱 본체(12)의 상벽(12a)에 오목부(12g)가 형성되어 있고, 이 오목부(12g)의 주위가 밀봉부재(104)로 밀봉된다.

브리더실 격벽(23)에 형성된 제1브리더 통로(Bl)의 일단이 상부 브리더실(103)의 높이방향 중간부에 개구된다. 제1브리더 통로(Bl)의 타단은, 케이싱 본체(12)에 형성한 제2브리더 통로(B2) 및 뒷부분 커버(18)에 형성한 제3브리더 통로(B3)를 통해서 증기 배출실(90)에 연통한다. 또한, 상벽(12a)에 형성한 오목부(12g)는 케이싱 본체(12)에 형성한 제4브리더 통로(B4) 및 상기 제3브리더 통로(B3)를 통해서 증기 배출실(90)에 연통한다. 제1브리더 통로(Bl) 및 제2브리더 통로(B2)의 연통부의 외주는 밀봉부재(105)에 의해 밀봉된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 하부 브리더실(101)에 연통하는 이음매(106)와 오일 팬(19)에 연통하는 이음매(107)가 투명한 오일 레벨 게이지(108)로서 접속되어 있으며, 이 오일 레벨 게이지(108)내의 오일의 기름면에 의해 윤활실(102)내의 오일의 기름면을 외부에서 알 수 있다. 즉, 윤활실(102)은 밀폐구조가 되어 있고, 외부에서 오일 레벨 게이지를 삽입하는 것은 밀봉성의 유지가 어렵고, 구조가 복잡화하는 것을 피할 수 없다. 그러나, 이 오일 레벨 게이지(108)에 의해, 윤활실(102)의 밀폐상태를 유지하면서 외부에서 오일의 기름면을 용이하게 알 수 있다.

이어서, 상기 구성을 구비한 본 실시예의 팽창기(M)의 작용을 설명한다.

도 16에 나타내는 바와 같이, 증발기로 물을 가열해서 발생한 고온 고압증기는 증기공급 파이프(77)를 통해서 팽창기(M)의 압력실(76)에 공급되며, 거기에서 로터리 밸브(61)의 로터리 밸브 본체(62)에 형성한 제1증기 통로(Pl)와, 이 로터리 밸브 본체(62)와 일체로 고정측 밸브 플레이트(63)에 형성한 제2증기 통로(P2)를 경과하고, 가동측 밸브 플레이트(64)의 슬립면(68)에 도달한다. 그리고, 슬립면(68)에 개구하는 제2증기 통로(P2)는 로터(27)와 일체로 회전하는 가동측 밸브 플레이트(64)에 형성한 제3증기 통로(P3)에 순간적으로 연통하고, 고온 고압증기는 제3증기 통로(P3)로부터 로터(27)에 형성한 제4증기 통로(P4)를 경과하고, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 7개의 고압 작동실(82…)의 내의 상사점에 있는 고압 작동실(82)에 공급된다.

로터(27)의 회전에 따라 제2증기 통로(P2) 및 제3증기 통로(P3)의 연통이 끊어진 후에도 고압 작동실(82)내에서 고온 고압증기가 팽창하는 것이므로, 슬리브(41)의 고압 실린더(42)에 끼워 맞춰지는 고압 피스톤(43)이 상사점으로부터 하사점을 향해서 전방으로 밀어내어져, 그 전단(前端)이 경사판(39)의 딤플(39a)을 압압한다. 그 결과, 고압 피스톤(43)이 경사판(39)으로부터 받는 반력(反力)으로 로터(27)에 회전 토크가 주어진다. 그리고, 로터(27)가 7분의 1회전할 때마다, 새로운 고압 작동실(82)내에 고온 고압증기가 공급되어서 로터(27)가 연속적으로 회전 구동된다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 로터(27)의 회전에 따라 하사점에 도달한 고압피스톤(43)이 상사점을 향해서 후퇴하는 사이에, 고압 작동실(82)로부터 밀어내어진 중온 중압증기는, 로터(27)의 제4증기 통로(P4)와, 가동측 밸브 플레이트(64)의 제3증기 통로(P3)와, 슬립면(68)과, 고정측 밸브 플레이트(63)의 제5증기 통로(P5) 및 제6증기 통로(P6)와, 로터리 밸브 본체(62)의 제7증기 통로(P7)∼제10증기 통로(PlO)와, 슬립면(71)을 지나고, 로터(27)의 회전에 따라 상사점에 도달한 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 저압 작동실(84)에 연결되어 있는 제11증기 통로(Pll)에 공급된다. 저압 작동실(84)에 공급된 중온 중압증기는 제10증기 통로(PlO)와 제11증기 통로(Pll)와의 연통이 끊어진 후에도 저압 작동실(84)내에서 팽창하는 것이므로, 저압 실린더(50)에 끼워 맞춰진 저압 피스톤(51)이 상사점으로부터 하사점을 향해서 전방으로 밀어내어져 저압 피스톤(51)에 접속된 링크(52)가 경사판(39)을 압압한다. 그 결과, 저압 피스톤(51)의 압압력(押壓力)이 링크(52)를 통해서 경사판(39)의 회전력으로 변환되고, 이 회전력은 경사판(39)의 딤플(39a)을 통해서 고압 피스톤(43)으로부터 로터(27)에 회전 토크를 전해준다. 즉, 경사판(39)과 동기 회전하는 로터(27)에 회전 토크가 전달되게 된다. 한편, 링크(52)는 팽창 행정에서의 부압 발생시에 저압 피스톤(51)이 경사판(39)으로 이탈하는 것을 방지하기 위해, 저압 피스톤(51)과 경사판(39)과의 결합을 유지하는 기능을 달성하는 것이므로, 팽창 작용에 의한 회전 토크는, 상기한 바와 같이 경사판(39)의 딤플(39a)을 통해서 고압 피스톤(43)으로부터 경사판(39)과 동기 회전하는 로터(27)에 전달되는 구성으로 되어 있다. 그리고, 로터(27)가 7분의 1회전할 때마다, 새로운 저압 작동실(84)내에 중온 중압증기가 공급되어서 로터(27)가 연속적으로 회전 구동된다.

이 때, 상술한 바와 같이, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 고압 작동실(82…)로부터 배출되는 중온 중압증기의 압력은 로터(27)의 1회전에 대해서 압력이 7회 맥동하지만, 그 맥동을 조압실(89)에서 완충하는 것에 의해, 일정압의 증기를 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)에 공급해서 저압 작동실(84…)에의 증기의 충전효율을 향상시킬 수 있다.

도 18에 나타내는 바와 같이, 로터(27)의 회전에 따라서 하사점에 도달한 저압 피스톤(51)이 상사점을 향해서 후퇴하는 사이에, 저압 작동실(84)로부터 밀어내어진 저온 저압증기는, 로터(27)의 제11증기 통로(Pll)와, 슬립면(71)과, 슬립부재(70)의 제16증기 통로(P16_)와, 로터리 밸브 본체(62)의 제17증기 통로(P17)∼제20증기 통로(P20)를 지나서 증기 배출실(90)에 배출되어, 거기에서 증기 배출구멍(18c)을 지나서 응축기에 공급된다.

상술한 바와 같이 해서 팽창기(M)가 작동할 때, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 7개의 고압 피스톤(43…)과, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 7개의 저압 피스톤(51…)이 공통인 경사판(39)에 접속되므로, 제1, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)의 출력을 합성해서 출력축(28)을 구동할 수 있고, 팽창기(M)를 소형화하면서 고(高)출력을 얻을 수 있다. 이 때, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 7개의 고압 피스톤(43)과, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 7개의 고압 피스톤(51…)이 원주방향으로 반피치 어긋나게 배치되어 있기 때문에, 도 15에 나타내는 바와 같이, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 출력 토크의 맥동과, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 출력 토크의 맥동이 서로 취소되어, 출력축(28)의 출력 토크가 플랫(flat)해진다.

또한, 액시얼형의 팽창기는 레이디얼형의 팽창기에 비해서 스페이스 효율이 높다고 하는 특징이 있지만, 그것을 반경방향으로 2단계로 배치한 것이므로 스페이스 효율을 또한 향상시킬 수 있다. 특히, 체적이 작은 고압의 증기로 작동하기 위해 짧은 지름으로 끝나는 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)을 반경방향 내측에 배치하고, 체적이 큰 저압의 증기로 작동하기 위해 긴 지름으로 된 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 반경방향 외측에 배치하였으므로, 공간을 유효하게 이용해서 팽창기(M)를 한층 소형화가 가능해진다. 게다가 원형단면을 갖는 것이므로 가공 정밀도를 높게 할 수 있는 실린더(42…, 50…) 및 피스톤(43…, 51…)을 이용한 것에 의해, 베인을 이용했을 경우에 비해서 증기의 리크량이 적어지고, 또한 고출력을 바랄 수 있다.

또한, 고온의 증기로 작동하는 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)을 반경방향 내측에 배치하고, 저온의 증기로 작동하는 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 반경방향 외측에 배치하였으므로, 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)과 케이싱(11)의 외부와의 온도차를 최소한으로 억제하여, 케이싱(11)의 외부로 열이 빠져 나가는 것을 최소한으로 억제해서 팽창기(M)의 효율을 높일 수 있다. 또한, 반경방향 내측의 고온의 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)으로부터 빠져 나온 열을, 반경방향 외측의 저온의 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)으로 회수할 수 있으므로, 팽창기(M)의 효율을 또한 높일 수 있다.

또한, 축선(L)에 대하여 직각방향으로 보았을 때, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)의 후단은 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)의 후단 보다도 전방에 위치하고 있으므로, 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49)으로부터 축선(L)방향 후방으로 도망친 열을 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)으로 회수하고, 팽창기(M)의 효율을 또한 높일 수 있다. 또한, 고압측의 슬립면(68)이 저압측의 슬립면(71)보다도 로터(27)의 오목부(27b)의 안쪽에 있으므로, 케이싱(11)의 외부의 압력과 저압측의 슬립면(71)과의 차압(差押)을 최소한으로 억제해서 저압측의 슬립면(71)에서의 증기의 리크량을 감소시킬 수 있고, 게다가 고압측의 슬립면(68)으로부터 누설된 증기압을 저압측의 슬립면(71)에서 회수하여 유효하게 이용할 수 있다.

그런데, 팽창기(M)의 운전중에 케이싱(11)의 윤활실(102)내에서 회전하는 로터(27)에 의해 오일 팬(19)에 모아둔 오일이 교반(攪拌)되어 세게 튕겨서 고압 실린더(42…)와 고압 피스톤(43…)과의 슬립부, 저압 실린더(50…)와 저압 피스톤(51…)과의 슬립부, 출력축(28)을 지지하는 앵귤러 볼 베어링(31), 로터(27)를 지지하는 앵귤러 볼 베어링(29), 경사판(39)을 지지하는 앵귤러 볼 베어링(38), 고압 피스톤(43…)과 경사판(39)과의 슬립부, 링크(52…)의 양단의 구면(球面) 베어링(54…, 56…) 등을 윤활한다.

윤활실(102)의 내부에는, 오일의 교반에 의해 비산한 오일 미스트와, 로터(27)의 고온부에 가열되어서 증발된 오일의 증기가 충만(充滿)하고 있으며, 이것에 고압 작동실(82…) 및 저압 작동실(84…)로부터 윤활실(102)에 누출한 증기가 혼합한다. 증기의 누출에 의해 윤활실(102)의 압력이 증기 배출실(90)의 압력 보다도 높아지면, 상기 오일부분 및 증기의 혼합물은 케이싱 본체(12)의 상벽(12a)에 형성한 연통구멍(12b)으로부터 하부 브리더실(101)에 유입한다. 하부 브리더실(101)의 내부는 격벽(12c∼12e)에 의해 미로(迷路)구조로 되어 있어, 거기를 통과하는 사이에 응축한 오일은, 케이싱 본체(12)의 상벽(12a)에 형성한 4개의 오일 되돌림 구멍(12f…)으로부터 낙하해서 윤활실(102)에 되돌아간다.

오일부분을 제거한 증기는 브리더실 격벽(23)의 4개의 연통구멍(23a…, 23b)을 지나서 상부 브리더실(103)에 유입하고, 그 상벽을 구획하는 브리더실 커버(25)를 통해서 외부의 공기에 열을 빼앗겨서 응축된다. 상부 브리더실(103)내에서 응축한 물은, 상부 브리더실(103)내에 굴뚝형으로 돌출하는 4개의 연통구멍(23a…, 23b)에 유입하는 일 없이, 브리더실 격벽(23)에 형성한 응축수 되돌림 구멍(23c)을 통과해서 오목부(12g)에 낙하하고, 거기서부터 제4브리더 통로(B4) 및 제3브리더 통로(B3)를 지나서 증기 배출실(90)에 배출된다. 이 때, 증기 배출실(90)에 되돌아오는 응축수의 양은, 고압 작동실(82…) 및 저압 작동실(84…)로부터 윤활실(102)에 누출한 증기의 양에 걸맞은 양이 된다. 또한, 증기 배출실(90)과 상부 브리더실(103)은 압력 평형 통로로서 기능하는 제1증기 통로(Bl)∼제3증기 통로(B3)로 상시 연통하고 있으므로, 증기 배출실(90)과 윤활실(102)과의 압력 평형을 확보할 수 있다.

아이들링 완료전의 과도기에 있어서, 윤활실(102)의 압력이 증기 배출실(90)의 압력 보다도 낮아졌을 경우에는, 증기 배출실(90)의 증기가 제3브리더 통로(B3), 제2브리더 통로(B2) 및 제1브리더 통로(Bl), 상부 브리더실(103) 및 하부 브리더실(101)을 지나서 윤활실(102)에 유입하는 것이 생각되지만, 아이들링 완료후에는 윤활실(102)에의 증기의 누출에 의해 윤활실(102)의 압력이 증기 배출실(90)의 압력 보다도 높아지기 때문에, 상술한 오일 및 증기의 분리 작용이 개시된다.

작동 매체인 증기(혹은 물)가 증발기, 팽창기, 응축기 및 순환 펌프로 이루어지는 폐회로를 순환하는 랭킨 사이클(rankine cycle) 시스템에서 작동매체에 오일이 혼입해서 시스템이 오손되는 것을 극력 회피하는 것이 필요하지만, 오일(20)을 분리하는 하부 브리더실(101) 및 응축수를 분리하는 상부 브리더실(103)에 의해, 증기(혹은 물)에의 오일의 혼입을 최소한으로 억제하고, 오일을 분리하는 필터의 부담을 경감해서 소형화 및 코스트 다운을 도모할 수 있고, 또한 오일의 더러움이나 열화(劣化)를 방지할 수 있다.

이어서, 도 19에 의거하여 본 발명의 제2실시예를 설명한다.

도 19는 고정측 밸브 플레이트(63)의 슬립면(68)을 나타내는 것으로, 제1실시예를 나타내는 도 6에 대응하고 있다. 프리셋 스프링(75…)의 탄발력(彈發力)과 압력실(76)에 작용하는 고온 고압증기의 압력에 의해 슬립면(68)에 밀봉 면압(面壓)을 부여하고 있지만, 슬립면(68)의 전역(全域)에 걸쳐서 균일한 밀봉 면압을 확보하는 것은 곤란하다. 왜냐하면, 슬립면(68)을 통과하는 제2증기 통로(P2) 및 제3증기 통로(P3…)에는 고온 고압증기가 공급되기 위해, 그 고온 고압증기가 고정측 밸브 플레이트(63) 및 가동측 밸브 플레이트(64)를 떼어 놓아서 밀봉 면압을 저하시키도록 작용하기 때문이다. 한편, 슬립면(68)을 통과하는 제5증기 통로(P5) 및제3증기 통로(P3…)에는 중온 중압증기가 공급되지만, 그 압력은 상기 고온 고압증기에 비해서 낮기 때문에, 슬립면(68)을 떼어 놓아서 밀봉 면압을 저하시키는 작용도 작아진다. 그 결과, 상기 제2증기 통로(P2), 제3증기 통로(P3…) 및 제5증기 통로(P5)의 증기압에 의해 슬립면(68)에 언밸런스하게 하중이 가해져, 이것이 슬립면(68)의 밀봉 성능을 저하시키는 요인이 된다.

거기에서 본 제2실시예에서는, 고정측 밸브 플레이트(63)의 슬립면(68)에, 축선(L)을 지나가는 제14증기 통로(P14)의 외주를 둘러싸는 환상(環狀)의 제1압력홈(Gl)을 단면 요형(凹形)으로 마련하여, 이 제1압력홈(Gl)을 중온 중압증기가 통과하는 제5증기 통로(P5)에 연통시킴과 동시에, 제1압력홈(Gl)의 외주를 둘러싸는 부분 원호형의 제2압력홈(G2)을 단면 요형으로 마련하여, 이 제2압력홈(G2)을 고온 고압증기가 통과하는 제2증기 통로(P2)에 연통시키고 있다. 상기 제1, 제2압력홈(Gl, G2)의 작용에 의해, 슬립면(68)의 밀봉 면압이 불균일하게 되는 것을 완화(緩和)하고, 슬립면(68)의 치우침에 의한 밀봉성의 저하나 마모의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 고압의 제2압력홈(G2)으로부터 누설한 증기가 저압의 제1압력홈(Gl)에 유입할 때에, 마모분말을 제1압력홈(Gl)에 배출해서 고압 작동실(82…)로의 유입을 저지하는 효과도 발휘한다. 또한, 오일에 의한 윤활이 바랄 수 없는 슬립면(68)에 증기를 균일하게 분포되게 하여, 윤활 성능의 향상을 도모할 수 있다.

이어서, 도 20에 의거하여 본 발명의 제3실시예를 설명한다.

제3실시예는 제2실시예의 변형이며, 고온 고압증기가 지나는 제2증기통로(P2)에 연통하는 제2압력홈(G2)을 생략하고, 중온 중압증기가 지나는 제5증기 통로(P5)에 연통하는 제1압력홈(Gl)만을 설치한 것이다. 본 제3실시예에 따르면, 제2실시예에 비해서 구조가 간단할 뿐만아니라, 마모분말의 회수 효과도 높일 수 있고, 게다가 증기의 리크량도 제2실시예에 비해서 감소한다.

이상, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 가지가지인 설계 변경을 실행하는 것이 가능하다.

예를 들면, 실시예에서는 제1의 액시얼 피스톤 실린더군(49) 및 제2의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 설치하고 있지만, 3세트이상의 액시얼 피스톤 실린더군을 설치해도 좋다.

이상과 같이, 본 발명에 관계되는 팽창기는 랭킨 사이클장치용으로서 적절하게 실시 가능하지만, 랭킨 사이클장치 이외의 임의인 용도에 대해서도 적용할 수 있다.

Claims

케이싱(11)과, 구동력을 출력하는 출력축(28)과, 출력축(28)과 일체가 되어서 케이싱(11)에 회전이 자유롭게 지지된 로터(27)와, 출력축(28)의 축선(L)을 둘러싸도록 로터(27)에 환상(環狀)으로 또 반경방향 내외로 배치된 복수의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)과, 케이싱(11)에 고정되어서 복수의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)의 피스톤(43, 51)을 상기 축선(L)방향으로 안내하는 공통의 경사판(39)을 구비한 팽창기로서,

복수의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)의 피스톤(43, 51)을 반경방향 외측에 위치하는 것일수록 긴 지름으로 하는 동시에, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)을 직렬로 접속하고, 고온 고압의 작동매체를 반경방향 내측의 액시얼 피스톤 실린더군(49)으로부터 반경방향 외측의 액시얼 피스톤 실린더군(57)을 향해서 순차 공급하는 것을 특징으로 하는 팽창기.
제1항에 있어서, 반경방향 내외에 인접하는 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)의 배열 피치를 원주방향으로 비켜 놓은 것을 특징으로 하는 팽창기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 액시얼 피스톤 실린더군(49, 57)에 작동매체를 공급ㆍ배출하는 흡(吸)ㆍ배기 밸브(61)로 이루어지는 작동 매체 공급ㆍ배출부와, 로터(27)로 이루어지는 동력변환부와, 출력축(28) 및 경사판(39)으로 이루어지는 출력부를 상기 축선(L)의 일단측에서 타단측으로 순차 배치한 것을 특징으로 하는 팽창기.