KR20120134022A - 폐열 회수 기기 및 폐열 회수 장치 - Google Patents

폐열 회수 기기 및 폐열 회수 장치 Download PDF

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마사오 이구치
후미노부 에노키지마
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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

회전 구동력을 출력하는 연소 기관에 연결된 팽창기가 로크된 경우에도 전기를 생성하는 폐열 회수 기기 및 폐열 회수 장치가 제공된다. 폐열 회수 기기는, 연소 기관에 연결되며 연소 기관에 의해 회전하도록 구동하는 회전축을 구비하는 교류발전기와, 교류발전기의 회전축에 연결된 출력축을 구비하는 팽창기를 포함한다. 출력축은 회전 구동력을 회전축에 인가하여, 회전축의 회전을 돕는다. 팽창기의 출력축과 교류발전기의 회전축 사이에 토크 리미터가 위치한다.

Description

폐열 회수 기기 및 폐열 회수 장치{WASTE HEAT RECOVERY MECHANISM AND WASTE HEAT RECOVERY APPARATUS}
본 발명은, 연소 기관(combustion engine)에 결합된 교류발전기(alternator)와, 교류발전기에 회전 구동력을 인가하는 팽창기를 포함하는, 폐열 회수 기기 및 폐열 회수 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 특허문헌 1(공보의 도 10 참조)에 폐열 회수 기기(유체 기계)가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시된 폐열 회수 기기는 벨트를 통해 엔진과 연결된 풀리, 랭킹 사이클의 팽창기 및, 교류발전기를 포함한다. 풀리, 팽창기 및, 교류발전기는 공통의 회전축을 갖는다. 이러한 구성에서, 엔진의 회전구동력은 풀리와 공통의 회전축을 통해 교류발전기로 전달된다. 또한, 팽창기는 열에너지를, 교류발전기 내부로 전달되는 회전 구동력으로 변환한다. 이에 따라, 교류발전기는 전력을 생성한다.
일본공개특허공보 제2004-340139호
그러나, 상기 설명된 폐열 회수 기기에서는 풀리, 팽창기 및, 교류발전기가 공통의 회전축으로 연결되기 때문에, 팽창기가 로크된(locked) 경우, 교류발전기는 엔진의 회전 구동력에 의해 작동할 수 없다. 이러한 경우, 교류발전기는 전력을 생성할 수 없다.
이에 따라, 본 발명의 목적은, 회전 구동력을 출력하는 연소 기관에 연결된 팽창기가 로크된 경우에도, 전력을 생성할 수 있는 폐열 회수 기기 및 폐열 회수 장치를 제공하는 것에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 교류발전기와 팽창기를 포함하는 폐열 회수 기기가 제공된다. 교류발전기는 연소 기관에 연결되어 연소기관에 의해 회전하도록 구동되는 회전축을 구비한다. 팽창기는 교류발전기의 회전축에 연결되는 출력축을 구비한다. 출력축은 회전축에 회전 구동력을 인가하여 회전축의 회전을 돕는다. 교류발전기의 회전축과 팽창기의 출력축 사이에는 토크 리미터(torque limiter)가 위치한다.
본 발명의 다른 실시형태와 장점은, 본 발명의 사상을 일 예로서 보여주는, 첨부도면을 참조로 한 하기 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
본 발명의 목적과 장점은 이하 바람직한 실시형태 및 첨부도면의 설명으로 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 폐열 회수 기기를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 폐열 회수 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 폐열 회수 기기를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 폐열 회수 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 폐열 회수 기기를 나타내는 단면도이다.
(제1 실시형태)
본 발명의 제1 실시형태를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 도시된 것처럼, 폐열 회수 장치(11)는, 차량에 탑재되는 엔진(연소 기관; 12)과, 폐열 회수 기기(34)를 포함하는 랭킹 사이클 회로(13)를 포함한다. 랭킹 사이클 회로(13)에서, 냉매는 폐열원인 엔진(12)에 의해 가열되고, 순환된다. 도 1에 도시된 것처럼, 폐열 회수 기기(34)의 하우징(35)은, 중앙 하우징 부재(36), 중앙 하우징 부재(36)의 전단(도 1의 좌단)에 고정된 전방 하우징 부재(37) 및, 중앙 하우징 부재(36)의 후단(도 1의 우단)에 고정된 후방 하우징 부재(38)를 포함한다.
중앙 하우징 부재(36)의 전단(도 1의 좌단)에는 칸막이(361)가 형성되며, 전방 하우징 부재(37)의 전단(도 1의 좌단)에 전방 단부 벽(371)이 형성된다. 칸막이(361) 및 전방 단부 벽(371)은 베어링(51, 52)을 통해 회전축(40)을 회전 지지한다. 전방 하우징 부재(37)의 중앙에 대응하는 위치에 있는 회전축(40)에는 로터(41)가 고정된다. 로터(41)를 에워싸도록, 전방 하우징 부재(37)의 내주면의 중앙에, 코일(421)을 구비하는 고정자(stator; 42)가 고정된다. 회전축(40), 고정자(42) 및, 로터(41)는 교류발전기(제너레이터; 43)를 형성한다. 회전축(40)은 교류발전기(43)의 로터축이고, 회전축(40)의 후단(도 1의 우단)에는 실린더부(44)가 형성된다.
교류발전기(43)에서는, 로터(41)가 회전할 때 고정자(42)의 코일(421)에서 전기가 생성된다. 교류발전기(43)에는 배터리(45)가 전기적으로 연결된다. 교류발전기(43)에 의해 생성된 전기는 배터리(45)에 저장된다.
회전축(40)은 전방 하우징 부재(37)의 전방 단부 벽(371)을 통해 연장하여, 전방 하우징 부재(37) 바깥쪽으로 돌출된다. 회전축(40)의 돌출부에는 풀리(56)가 고정된다. 반면에, 풀리(69)(도 2 참조)는 엔진(12)의 출력축인 크랭크축(68)(도 2 참조)에 고정된다. 풀리(56) 주위와 풀리(69) 주위로 벨트(57)가 전달된다.
중앙 하우징 부재(36)에는 지지블럭(63)이 고정된다. 지지블럭(63)은 베어링(71)을 통해 출력축(70)을 회전 지지한다. 출력축(70)은 칸막이(361)를 관통해 연장하며, 출력축(70)의 전단(도 1의 좌단)에 있는 단면(end face; 701)은 회전축(40)의 실린더부(44)의 단면(441)에 대향한다.
출력축(70)의 단면(701)에서 돌출된 소경 단부(59)는 실린더부(44)의 실린더 내부 공간(440)에 수용된다. 실린더부(44)의 내주면(inner circumferential surface; 442)과 소경 단부(59)의 외주면(outer circumferential surface; 591) 사이에 토크 리미터(58)가 위치한다. 출력축(70)은 토크 리미터(58)를 통해 회전축(40)에 동축적으로(coaxially) 연결된다. 출력축(70)이 회전할 수 없는 경우에, 토크 리미터(58)는 회전축(40)이 출력축(70)에 대하여 회전하도록 한다.
지지블럭(63)과 후방 하우징 부재(38) 사이에는 스크롤 방식의 팽창기(72)가 위치한다.
팽창기(72)의 구조를 이하 설명한다.
출력축(70)의 후단에 편심축(73)이 형성된다. 출력축(70)이 회전함에 따라, 편심축(73)은 출력축(70)의 회전축을 중심으로 선회한다. 편심축(73)은 부싱(bushing; 75)과 베어링(76)을 통해 선회 스크롤(74)을 회전 지지한다. 선회 스크롤(74)은, 베어링(76)에 의해 지지되는 선회 엔드 플레이트(741)와, 선회 엔드 플레이트(741)에서 돌출된 선회 와류벽(orbiting volute wall; 742)을 포함한다.
선회 스크롤(74)과 대향하도록, 중앙 하우징 부재(36)의 후단의 내부에 고정 스크롤(77)이 고정된다. 고정 스크롤(77)은 고정 엔드 플레이트(771)와 고정 와류벽(772)을 구비하고, 고정 와류벽(772)은 지지블럭(63) 쪽으로, 고정 엔드 플레이트(771)에서 돌출된다. 선회 스크롤(74)의 선회 와류벽(742)과 고정 스크롤(77)의 고정 와류벽(772)은 서로 맞물려서, 부피가 가변적인 팽창실(78)을 형성한다.
고정 엔드 플레이트(771)와 후방 하우징 부재(38) 사이에는 공급실(79)이 형성된다. 고정 엔드 플레이트(771)의 중앙에, 공급실(79)과 연통(communication)하는 공급포트(773)가 형성된다. 후방 하우징 부재(38)에는 유입포트(381)가 형성된다. 중앙 하우징 부재(36)와 지지블럭(63) 사이에 배출실(80)이 형성된다. 팽창실(78) 내에 있는 냉매는 배출실(80)로 배출된다. 중앙 하우징 부재(36)의 원주벽(circumferential wall)에, 배출실(80)과 연통하는 배출포트(362)가 형성된다.
폐열 회수 장치(11)내의 랭킹 사이클 회로(13)를 이하 설명한다.
도 2에 도시된 것처럼, 랭킹 사이클 회로(13)는, 폐열 회수 기기(34)를 구성하는 팽창기(72), 응축기(29), 펌프(61), 제1 보일러(20) 및, 제2 보일러(21)를 포함한다.
제1 보일러(20)는 흡열기(heat sink; 202)와 방열기(201)를 포함한다. 방열기(201)는 엔진(12)과 연결된 냉매 순환로(23)에 배치된다. 냉매 순환로(23)에는 엔진 방열기(24)가 형성된다. 차량 엔진(12)을 냉각한 후에, 냉매는 냉매 순환로(23)를 통하여 순환하고, 방열기(201)와 엔진 방열기(24)에서 방열한다.
제2 보일러(21)는 흡열기(212)와 방열기(211)를 포함한다. 제2 보일러(21)의 흡열기(212)는 연결로(25)를 통해 제1 보일러(20)의 흡열기(202)의 전달(delivery) 측에 연결된다. 방열기(211)는 엔진(12)과 연결된 배기로(26)에 배치된다. 엔진(12)에서 나온 배기가스는 머플러(27)를 통해 배출되기 전에, 방열기(211)에서 방열한다. 펌프(61)에서 전달된 가압상태의 냉매는, 방열기(201)를 통해 흐르는 엔진(12)의 냉매에 의해 가열되도록, 제1 보일러(20)의 흡열기(202)를 통과하여 지나간다. 그런 다음에, 방열기(211)를 통해 흐르는 엔진(12)의 배기가스에 의해 더 가열되도록, 냉매는 제2 보일러(21)의 흡열기(212)를 통과하여 흐른다. 즉, 제1 보일러(20)와 제2 보일러(21)에서 일어나는 열교환을 통해, 펌프(61)에서 전달된 가압상태의 냉매는 엔진(12)의 폐열에 의해 가열된다.
팽창기(72)의 유입포트(381)는, 공급로(28)를 통해 제2 보일러(21)의 흡열기(212)의 전달포트와 연결된다. 제1 보일러(20)와 제2 보일러(21)에서 가열된 고온 고압의 냉매는, 공급로(28)를 통해 팽창기(72)로 유입된다. 팽창기(72)에 근접해 있는 배출포트(362)에는 응축기(29)가 배출로(30)를 통해 연결된다. 팽창기(72)에서 팽창된 저압의 냉매는, 배출로(30)를 통해 응축기(29)로 배출된다. 펌프(61)는 제2 통로(31)를 통해 응축기(29)의 하류 쪽에 연결된다. 제1 보일러(20)는 제1 통로(22)를 통해 펌프(61)의 하류 쪽에 연결된다.
제2 통로(31), 제1 통로(22), 연결로(25), 공급로(28) 및, 배출로(30)는 랭킹 사이클 회로(13)의 냉매 순환로를 구성한다. 펌프(61)는 제1 통로(22), 제1 보일러(20), 제2 보일러(21), 팽창기(72), 응축기(29) 및, 제2 통로(31)의 순서대로 냉매가 순환하도록 한다.
제1 실시형태의 작동을 이하 설명한다.
펌프(61)에 의해 제1 통로(22)로 보내진 냉매는, 제1 보일러(20)의 흡열기(202), 연결로(25) 및, 제2 보일러(21)의 흡열기(212)를 통과하여 공급로(28)로 전달된다. 제1 보일러(20)의 흡열기(202)와 제2 보일러(21)의 흡열기(212)를 통과하여 지나간 냉매는, 엔진(12)의 폐열에 의해 가열된다.
보일러(20, 21)에서 가열된 고압의 냉매는 유입포트(381)와, 팽창기(72)의 공급실(79)을 통하여 팽창실(78)로 유입된 후 팽창된다. 냉매의 팽창을 통해, 팽창기(72)는, 차례로 출력축(70) 및 회전축(40)의 회전을 돕는 기계적 에너지(회전력)를 출력한다. 팽창을 통해 압력이 낮아진 냉매는 배출로(30)로 배출된다. 배출로(30)로 배출된 냉매는 응축기(29)를 통과하여 펌프(61)로 되돌아온다.
팽창기(72)가 로크된 경우, 즉 출력축(70)이 회전할 수 없는 경우에, 출력축(70)과, 교류발전기(43)의 회전축(40) 사이에 있는 토크 리미터(58)에 의해 회전축(40)은 회전할 수 있게 된다. 따라서, 교류발전기(43)는 엔진(12)으로부터의 회전 구동력에 의해 작동되어, 전기를 생성한다.
제1 실시형태는, 팽창기(72)가 로크된 경우에도, 토크 리미터(58)가 회전축(40)이 회전될 수 있게 한다는 장점을 제공한다. 따라서, 팽창기(72)가 로크된 경우에도, 교류발전기(43)는 전력을 안정적으로 생성하도록 작동된다.
(제2 실시형태)
제2 실시형태를 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 제1 실시형태에 대응하는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되며, 상세한 설명은 생략된다.
도 3에 도시된 것처럼, 칸막이(361)와 대향하도록, 중앙 하우징 부재(36)에 사이드 플레이트(62)가 고정되어 있다. 칸막이(361)와 사이드 플레이트(62) 사이에 펌프실(64)이 형성되며, 펌프실(64)에는 기어펌프(67)가 위치한다. 출력축(70)은 칸막이(361)와 사이드 플레이트(62)를 통하여 연장한다.
기어펌프(67)는 출력축(70)에 고정된 구동기어(65)와, 구동기어(65)에 맞물리는 피동기어(66)를 포함한다. 펌프실(64)의 흡입측(도 3의 하측)은 흡입로(46)와 연결되고, 펌프실(64)의 전달측(도 3의 상측)에 전달로(47)가 연결된다. 흡입로(46)는 제2 통로(31)의 일부를 구성하고, 전달로(47)는 제1 통로(22)의 일부를 구성한다. 펌프실(64), 전달로(47) 및, 흡입로(46)는, 칸막이(361)의 단면(end face)에 오목한 부분을 만들어서 형성된다.
전달로(47)에는 분기로(48)가 연결되며, 분기로(48)의 말단에는 제한부(49)가 형성된다. 제한부(49)는 전방 하우징 부재(37)의 내부공간(K)으로 열려있다. 내부공간(K)은 하우징(35)에서 교류발전기(43)를 수용하기 위한 영역이다.
중앙 하우징 부재(36)의 칸막이(361) 및 사이드 플레이트(62)를 통하여 연장하도록, 유출로(50)가 형성된다. 내부공간(K)은 유출로(50)를 통하여 배출실(80)과 연통한다.
기어펌프(67)의 펌프실(64)로부터 배출된 냉매의 일부는, 제1 통로(22), 제1 보일러(20), 제2 보일러(21), 팽창기(72) 및, 응축기(29)를 통과한 후에, 기어펌프(67)로 되돌아간다. 펌프실(64)로부터 배출된 냉매의 나머지는, 분기로(48)와 제한부(49)를 통과하여 내부공간(K)으로 흘러간다. 응축기(29)를 통과한 냉매는 액화되기 위해 냉각되며, 기어펌프(67)로부터 배출된다. 기어펌프(67)로부터 배출된 냉매의 온도는 낮기 때문에, 냉매가 내부공간(K)으로 유입할 때 교류발전기(43)를 냉각한다. 교류발전기(43)의 냉각은 전력 생성 효율의 향상에 기여한다.
교류발전기(43)를 냉각한 냉매는 유출로(50)를 통하여 배출실(80)로 흘러들어간다. 배출실(80)로 배출된 냉매는 배출로(30)와 응축기(29)를 통과하여 기어펌프(67)로 되돌아간다.
본 실시형태 역시, 기어펌프(67)가 로크된 경우, 즉 출력축(70)이 회전할 수 없을 경우에, 토크 리미터(58)가 회전축(40)이 회전될 수 있도록 한다. 따라서, 기어펌프(67)가 로크된 경우에도, 엔진(12)의 회전 구동력에 의해 교류발전기(43)가 작동되어, 전력이 안정적으로 생성된다.
(제3 실시형태)
제3 실시형태를 도 5를 참조하여 설명한다. 제2 실시형태에 대응하는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되며, 상세한 설명은 생략된다.
실린더부(44)의 실린더 내부공간(440) 바닥에 삽입공간(443)이 오목하게 형성된다. 삽입공간(443)은 출력축(70)의 소경 단부(59)를 받아들인다. 소경 단부(59)의 말단부 외주면과 삽입공간(443)의 내주면 사이에, 보조 베어링인 평면 베어링(60)이 위치한다. 평면 베어링(60)은 토크 리미터(58)보다 출력축(70)의 말단부에 더 가깝다.
팽창기(72) 내의 기체 냉매의 반경 방향으로의 기체 압력은 베어링(76)을 통해 출력축(70)으로 전달된다. 베어링(76)의 위치(X)는 반경 방향으로 기체 압력의 힘이 가해지는 지점이다. 평면 베어링(60)의 위치(Y)가 받침점으로서 역할을 한다고 가정하면, 출력축(70)의 메인 베어링인 베어링(71)의 위치(Z)가 작용점으로서의 역할을 한다.
출력축(70)의 축방향으로 위치(X)와 위치(Z) 사이의 거리, 출력축(70)의 축방향으로 위치(Z)와 위치(Y) 사이의 거리, 위치(X)에서 베이링(76)에 작용하는 하중 및, 위치(Z)에서 베어링(71)에 작용하는 힘을 각각 L1, L2, Fx 및, Fz로 표현하는 경우, 이하의 수식 (1)을 만족한다.
Fz × L2 = Fx × (L1 + L2) ...(1)
수식 (1)은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Fz = Fx × (L1 + L2)/2
= Fx × (L1/L2 + 1) ...(2)
수식 (2)에서 하중 Fx 및 거리 L1이 일정하다고 가정하면, 거리 L2가 증가함에 따라 힘 Fz는 감소한다. 즉, 평면 베어링(60)이 베어링(76)으로부터 더 멀어질 수록, 베어링(71)에 작용하는 힘 Fz는 더 작아진다. 베어링(71)에 작용하는 힘 Fz의 감소는, 수명의 연장 및 베어링(71)의 크기의 감소 중 적어도 하나에 기여한다. 따라서, 토크 리미터(58)에 대하여 평면 베어링(60)이 베어링(71)의 반대쪽에 위치하는 구성이 바람직하다.
본 발명은 이하의 방법으로 변형될 수도 있다.
회전축(40)은 중공축(hollow shaft)일 수도 있다.
실린더부는 출력축(70)의 단부에 형성될 수도 있으며, 소경 단부는 회전축(40)의 단면에 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 소경 단부는 실린더부내에 수용되며, 토크 리미터는 실린더부의 내주면과 소경 단부의 외주면 사이에 위치한다.
제3 실시형태에서, 평면 베어링은 니들 베어링(needle bearing)으로 대체될 수도 있다.
본 발명은 차량에 이용되지 않는 폐열 회수 장치에도 적용될 수 있다.
팽창기로서 날개 방식(vane type)의 팽창기가 이용될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 연소 기관에 연결되어, 연소 기관에 의해 회전하도록 구동된 회전축을 갖는 교류발전기와,
    상기 교류발전기의 상기 회전축에 연결되고, 상기 회전축에 회전 구동력을 인가하여 상기 회전축의 회전을 돕는 출력축을 갖는 팽창기를 구비하고,
    상기 교류발전기의 상기 회전축과 상기 팽창기의 상기 출력축 사이에 토크 리미터(torque limiter)가 위치해 있는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기의 상기 출력축이 회전할 수 없을 때, 상기 토크 리미터는 상기 교류발전기의 상기 회전축이 상기 출력축에 대하여 회전할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기에 의해 배출되는 가압된 냉매를 전달하기 위한 펌프를 더 구비하고,
    상기 펌프는 구동 및 회전되는 상기 팽창기의 상기 출력축과 연결되는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교류발전기의 상기 회전축의 단부에 실린더부가 형성되고,
    상기 실린더부내로 상기 팽창기의 상기 출력축의 단부가 삽입되고,
    상기 실린더부의 내주면과 상기 출력축의 단부의 외주면 사이에 상기 토크 리미터가 위치하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 기기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기의 상기 출력축의 단부에 실린더부가 형성되고,
    상기 실린더부내로 상기 교류발전기의 상기 회전축의 단부가 삽입되고,
    상기 실린더부의 내주면과 상기 회전축의 단부의 외주면 사이에 상기 토크 리미터가 위치하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 기기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 팽창기의 상기 출력축은 메인 베어링과 보조 베어링에 의해 회전 지지되고,
    상기 보조 베어링은, 상기 출력축의 단부의 외주면 또는 상기 회전축의 단부의 외주면과 상기 실린더부의 내주면 사이에, 그리고 상기 토크 리미터에 대하여 상기 메인 베어링의 반대쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 기기.
  7. 제1항의 폐열 회수 기기를 포함하는 랭킹 사이클 회로와, 폐열원인 연소기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 회수 장치.














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