KR20140073788A - 스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템 - Google Patents

스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템에 관한 것으로, 제1고정스크롤(111)과, 이 제1고정스크롤(111)에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제1선회스크롤(112)이 마련되어 흡입 기체를 압축하여 배기하는 스크롤 압축기(110)와; 제2고정스크롤(121)과, 이 제2고정스크롤(121)에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제2선회스크롤(122)이 마련되어 흡입 기체에 의해 상기 제2선회스크롤(122)의 회전 구동이 이루어지는 스크롤 팽창기(120)와; 상기 스크롤 압축기(110)에서 배기된 기체를 고온으로 가열하여 상기 스크롤 팽창기(120)의 흡입 기체로 공급하는 증온부(130)와; 상기 제2선회스크롤(121)의 회전 구동력을 상기 제1선회스크롤(112)로 전달하여 상기 제1선회스크롤(112)을 회전 구동하기 위한 동력전달부(141)(142)를 포함하여, 발전기와 연결되어 전기 에너지를 발생하거나 다양한 형태로 기계적 부하와 조합되어 동력원으로 활용이 가능하며, 또한 구성이 매우 간단하여 다양한 형태로 응용이 가능하면서도 강한 축동력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템{Scroll turbine system utilizing a scroll compressor/expander}
본 발명은 스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템에 관한 것으로 특히 구조가 간단하면서 구동방식이 단순하여 저진동, 고효율의 동력기기로 활용이 가능한 스크롤 터빈시스템에 관한 것이다.
스크롤 압축기와 팽창기는 고효율, 저진동, 저소음 등의 강점을 바탕으로 냉동 사이클, 연료전지 BOP 등 각종 산업분야에서 활용되고 있다. 두 기기의 원리는 기본적으로 동일하며, 팽창기를 바탕으로 설명하면 유입되는 유체가 팽창기의 선회스크롤과 고정스크롤 사이에서 팽창하면서 선회스크롤이 회전하게 된다.
회전하는 선회스크롤에 의해 발생한 스크롤 디스크의 원운동은 편심축에 의해 원하는 방향으로의 원운동으로 변환할 수 있다. 스크롤 압축기는 정 반대의 원리에 의해 작동되는 것으로써, 주어진 동력에 의해 축 방향 원운동이 발생하면 편심축을 거쳐 선회스크롤이 움직이게 되고, 선회스크롤과 고정스크롤 사이의 공기가 압축되면서 중심부로 이동하는 원리이다.
스크롤 회전기는 일반적인 압축기 및 터빈의 형태와 달리 두 개의 디스크에 나선형태의 유로가 모두 가공되고, 선회스크롤의 평행 움직임에 의해 압축 및 팽창과정이 실현되므로 구조가 매우 간단하며 제작이 쉽다.
예를 들어, 등록특허공보 제10-0842301호(등록일자: 2008.06.24)에는 스크롤 팽창기에서 얻은 축 동력을 팽창기의 선회스크롤과 동력전달수단에 의해 직결된 스크롤 압축기의 선회스크롤에 전달하여 가스를 압축하도록 함으로써 팽창기에서 얻은 기계적 에너지를 발전기를 통한 전기 에너지로 변환하는 과정을 배제하여 스크롤 압축기와 팽창기의 장점을 결합시켜서 에너지 전달 효율을 높이고 구조를 간단화한 일체형 팽창기-압축기를 제안하고 있다.
도 1은 상기 등록특허의 일체형 팽창기-압축기의 단면 구조를 보여주는 도면으로써, 하우징(90)과, 하우징(90) 일측에 설치되는 팽창기(10)와, 팽창기(10)의 반대편에 위치하여 하우징(90)에 설치되는 압축기(30)와, 팽창기(10)의 선회스크롤(21)과 압축기(30)의 선회스크롤(41)의 운동을 연동시키는 동력전달수단(60)과, 팽창기(10)의 선회스크롤 경판(22)과 압축기(30)의 선회스크롤 경판(42) 사이에 위치하여 하우징(90) 내에 고정된 분리판(50)을 포함한다.
이러한 구조를 갖는 일체형 팽창기-압축기는 팽창기(10)의 동력을 압축기(30)로 직접 전달하며, 팽창기(10)와 압축기(30)의 두 선회스크롤(21)(41)의 무게 중심이 선회 중심을 기준으로 하여 항상 서로 180ㅀ 반대편에 위치하여 두 선회스크롤(21)(41)에서 발생하는 원심력이 서로 상쇄도록 하며, 동력전달수단이 적어도 3개 이상 설치되어 선회스크롤(21)(41)의 자전을 방지하는 수단이 마련된다.
한편 상기 등록특허는 팽창기(10)에서 발생하는 동력을 회전축을 통해 압축기(30)로 전달하여 추가적 동력소모 없이 유입된 공기를 보조적으로 가압하는 형태이다. 또한 스크롤 압축기로 유입된 공기는 일차 압축과정을 거친 후 주 압축기로 이동하고, 주 압축기에서 용도에 적합한 압력으로 가압한 후 활용되며, 활용되고 난 공기는 스크롤 팽창기를 거치면서 보조 스크롤 압축기 구동에 필요한 동력을 발생시킨 후 기기 밖으로 배출된다.
이러한 과정에서 주 압축기의 압축에 필요한 동력 일부가 보조 스크롤 압축기로 인해 절약되므로 시스템 전체의 효율이 상승하는 효과를 유발한다. 아울러서 상기 등록특허는 일체형으로 제작된 스크롤 압축/팽창기이기 때문에, 여타 에너지 회수기기에 비해 성능 신뢰도가 높고 소형 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이와 같은 일체형 스크롤 압축기/팽창기는 유출되는 공기의 에너지를 회수하여 유입되는 공기의 압축과정에 활용하는 방식이며, 압축기/팽창기의 선회스크롤을 축에 의해 결합시키면 팽창기의 선회스크롤과 압축기의 선회스크롤이 함께 돌면서 원하는 시스템을 구성할 수 있다.
그러나 이러한 시스템에서는 반드시 주 압축기 또는 열교환기 등을 이용하여 스크롤 압축기로부터 배출되는 공기에 에너지를 가해야만 구동이 가능한 시스템이다.
즉, 동력을 발생시키는 기기가 아닌 에너지를 회수하는 기기로서 활용가치를 가지고 있으며, 동력을 발생시키기 위해서는 추가적인 에너지 공급원이 시스템 안에 구성되어야만 한다.
또한, 본 기기에서 팽창기에 유입되는 공기는 일반적으로 압축기로 유입되는 공기보다 온도가 높다. 따라서 상기 등록특허에서와 같이 팽창기와 압축기가 서로 대향하여 배치된 구조로써 그 간격이 좁은 경우에, 팽창기의 열이 압축기로 전달되면서 압축기의 공기를 가열시키게 되고, 주 압축기로 유입되는 공기의 온도도 상승하게 된다. 이러한 유입공기의 온도상승은 압축기 효율을 저하시키기 때문에, 고온의 공기가 일체형 스크롤 압축/팽창기의 팽창기로 유입되는 경우 전체 시스템의 효율이 저하될 수 있다.
본 발명은 이러한 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기를 이용하여 구조가 간단하면서 구동방식이 단순하여 저진동, 고효율의 소형 동력기기로 활용이 가능한 스크롤 터빈시스템을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스크롤 터빈시스템은, 제1고정스크롤과, 이 제1고정스크롤에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제1선회스크롤이 마련되어 흡입 기체를 압축하여 배기하는 스크롤 압축기와; 제2고정스크롤과, 이 제2고정스크롤에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제2선회스크롤이 마련되어 흡입 기체에 의해 상기 제2선회스크롤의 회전 구동이 이루어지는 스크롤 팽창기와; 상기 스크롤 압축기에서 배기된 기체를 고온으로 가열하여 상기 스크롤 팽창기의 흡입 기체로 공급하는 증온부와; 상기 제2선회스크롤의 회전 구동력을 상기 제1선회스크롤로 전달하여 상기 제1선회스크롤을 회전 구동하기 위한 동력전달부에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 증온부는 연소기 또는 고온 열원과 열교환이 이루어지는 열교환기인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 동력전달부는 체인 또는 벨트 또는 치결합되는 기어군에 의해 상기 제2선회스크롤의 회전 구동력이 전달되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제2선회스크롤은 발전기가 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스크롤 터빈시스템은, 흡입 공기를 압축하여 배출하는 스크롤 압축기와, 이 스크롤 압축기에서 토출된 고압의 공기를 고온으로 가열하기 위한 증온부와, 증온부로부터 공급된 고온/고압의 공기를 이용하여 축동력을 발생시키는 스크롤 팽창기와, 이 스크롤 팽창기에서 발생된 축동력 일부를 스크롤 압축기로 전달하기 위한 동력전달부로 구성되어, 발전기와 연결되어 전기 에너지를 발생하거나 다양한 형태로 기계적 부하와 조합되어 동력원으로 활용이 가능하며, 특히 구성이 매우 간단하여 다양한 형태로 응용이 가능하다.
또한 본 발명의 스크롤 터빈시스템은, 고속의 회전이 아닌 고온/고압의 공기를 회전운동으로 변환하기 때문에 강한 축동력을 얻을 수 있으며, 구성품의 크기에 따라서 매우 소형화된 동력원으로 활용이 가능하다.
도 1은 종래기술에 따른 일체형 스크롤 압축기-팽창기의 단면 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 스크롤 터빈시스템의 단면 구성도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참고하면, 본 발명은 외부에서 흡입된 공기를 압축하여 배기하는 스크롤 압축기(110), 흡입 공기에 의해 선회스크롤의 회전 구동이 이루어지는 스크롤 팽창기(120), 스크롤 압축기(110)에서 배기된 공기를 고온으로 증온(增溫)하기 위한 증온부(130), 스크롤 팽창기(120)에서 발생된 회전 구동력을 스크롤 압축기(110)로 전달하는 동력전달부를 포함한다.
스크롤 압축기(110)는 제1고정스크롤(111)과, 이 제1고정스크롤(111)에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제1선회스크롤(112)을 가지며, 제1선회스크롤(112)에는 제1편심축(112a)에 의해 회전이 이루어지는 제1기어(112b)가 부설된다.
제1고정스크롤(111)의 바깥 측으로 흡입구(111a)가 형성되어 외기가 유입되며, 중앙에는 토출구(111b)가 형성되어 스크롤 압축기(110)에서 압축된 압축공기가 배기된다.
제1선회스크롤(112)은 제1고정스크롤(111)과 편심 회전 구동이 가능하도록 조립되며, 흡입구(111a)로 흡입된 공기는 제1선회스크롤(112)의 회전에 따라서 제1고정스크롤(111)과 제1선회스크롤(112)이 맞물려 돌아가면서 양 스크롤에 의해 형성된 압축공간 내에서 압축이 이루어져 토출구(111b)를 통해 배기된다.
스크롤 팽창기(120)는 제2고정스크롤(121)과, 이 제2고정스크롤(121)에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제2선회스크롤(122)을 가지며, 제2선회스크롤(122)은 제2편심축(122a)에 의해 회전이 이루어지는 제2기어(122b)가 마련된다.
제2고정스크롤(121)의 중심으로 흡입구(121a)가 형성되어 공기가 유입되며, 바깥 측으로 팽창된 공기가 배출되는 토출구(121b)가 형성된다.
따라서, 흡입구(121a)로 유입된 공기(고온/고압)는 팽창이 이루어지면서 제2선회스크롤(122)의 회전 구동이 이루어지며 토출구(121b)를 통하여 바깥으로 배출된다.
한편, 제2선회스크롤(122)에서 발생된 회전 구동력은 다양한 기계적 부하와 연결되어 동력원으로 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 제2선회스크롤(122)에 발전기(150)가 연결되어 발전이 이루어질 수 있음을 예시하고 있다.
증온부(130)는 스크롤 압축기(110)에서 배기된 기체를 고온으로 가열하여 스크롤 팽창기(120)로 공급하는 것으로써, 이러한 증온부(130)는 연소과정을 통하여 공기를 고온을 가열하기 위한 연소기 또는 고온 열원과 열교환이 이루어져 승온이 이루어지는 열교환기에 의해 제공될 수 있다.
동력전달부는 스크롤 팽창기(120)에서 발생된 회전 구동력을 스크롤 압축기(110)로 전달하기 위한 것으로써, 본 실시예에서는 제2선회스크롤(122)의 제2기어(122b)와 제1선회스크롤(112)의 제1기어(112b)를 치결합하는 베벨기어(141)(142)에 의해 회전 구동력이 전달됨을 보여주고 있다.
한편, 본 발명에서 동력전달부는 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 예를 들어 제1선회스크롤과 제2스크롤은 체인, 벨트 또는 치결합되는 다양한 기어군에 의해 제공될 수 있을 것이며, 사용자의 편의 또는 설계상황, 터빈시스템의 용도에 따라서 다양한 형태로 구현이 가능할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 스크롤 터빈시스템의 작동예를 설명하면 다음과 같다.
외부에서 공기가 스트롤 압축기(110)의 흡입구(111a)로 유입되면, 제1고정스크롤(111)과 제1선회스크롤(112) 사이의 편심 회전운동에 의해 흡입 공기는 압축되어 스크롤 압축기(110)의 토출구(111b)를 통하여 배기되며, 이 고압의 공기는 증온부(130)에서 고온으로 가열되어 고온/고압의 공기로 스크롤 팽창기(120)의 흡입구(121a)로 공급된다.
고온/고압의 공기가 지닌 고 엔탈피로 인하여 스크롤 팽창기(120) 내에 유입된 공기는 제2선회스크롤(122)을 회전 구동시키고 팽창되어 토출구(121b)를 통하여 외부로 배기된다.
한편, 스크롤 팽창기(120)에 의해 발생된 축동력은 편심축(122a)을 통하여 제2기어(122b)의 중심축과 연결된 발전기(150)를 가동시켜 전기를 생산하게 된다. 이때, 발전기(150)는 필요에 따라서는 다른 기계적 부하로 교체되어 동력원으로 사용이 가능하다.
다른 한편으로, 제2기어(122b)의 회전 구동력 일부는 베벨기어(141)(142)를 통하여 제1기어(112b)를 회전 구동하게 되며, 제1기어(112b)의 회전 구동력에 의해 스크롤 압축기(110)의 제1선회스크롤(112)이 회전하여 스크롤 압축기(110)의 흡입구(111a)로 유입되는 흡입 공기를 고압으로 압축하게 된다.
본 발명의 터빈시스템에서 최초 운전 시에 제1선회스크롤(112)은 정지 상태인 제2선회스크롤(122)과 동력전달부에 의해 결합되어 초기 기동에 불리할 수 있으며, 따라서 스크롤 압축기(110)의 흡입구(111a)를 통해 유입되는 공기에 대한 충분한 압축이 이루어지지 않을 수 있다. 그러나, 이러한 초기 효율 저하는 증온부(130)에서 발생되는 고온의 공기에 의해 스크롤 팽창기(120)에서 일단 축동력이 발생되면 해소될 수 있는 것이다. 한편, 터빈시스템의 최초 운전 시에 제1선회스크롤(112)의 초기 기동을 위하여 제1기어(112b)에는 선택적으로 초기 기동력을 제공하기 위한 시동모터(미도시)가 추가될 수 있으며, 시동모터는 초기 기동력만을 제1선회스크롤(112)에 제공하고 정상 운전이 이루어진 후에는 터빈시스템에서 분리될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 터빈시스템은 다양한 형태로 기계적 부하와 조합되어 동력원으로 활용이 가능하며, 특히 구성이 매우 간단하여 다양한 형태로 용이하게 적용이 가능하며, 고속의 회전이 아닌 공기의 고압을 회전운동으로 변환하기 때문에 강한 축동력을 얻을 수 있으며, 구성품의 크기에 따라서 매우 소형화된 동력원으로 이용이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 스크롤 압축기 111 : 제1고정스크롤
112 : 제2선회스크롤 120 : 스크롤 팽창기
121 : 제2고정스크롤 122 : 제2선회스크롤
130 : 증온부 141, 142 : 베벨기어
150 : 발전기

Claims (4)

  1. 제1고정스크롤과, 이 제1고정스크롤에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제1선회스크롤이 마련되어 흡입 기체를 압축하여 배기하는 스크롤 압축기와;
    제2고정스크롤과, 이 제2고정스크롤에 대해 편심 회전 구동이 이루어지는 제2선회스크롤이 마련되어 흡입 기체에 의해 상기 제2선회스크롤의 회전 구동이 이루어지는 스크롤 팽창기와;
    상기 스크롤 압축기에서 배기된 기체를 고온으로 가열하여 상기 스크롤 팽창기의 흡입 기체로 공급하는 증온부와;
    상기 제2선회스크롤의 회전 구동력을 상기 제1선회스크롤로 전달하여 상기 제1선회스크롤을 회전 구동하기 위한 동력전달부를 포함하는 스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증온부는 연소기 또는 고온 열원과 열교환이 이루어지는 열교환기인 것을 특징으로 하는 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 동력전달부는 체인 또는 벨트 또는 치결합되는 기어군에 의해 상기 제2선회스크롤의 회전 구동력이 전달되는 것을 특징으로 하는 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2선회스크롤은 발전기가 연결된 것을 특징으로 하는 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템.
KR1020120141641A 2012-12-07 2012-12-07 스크롤 압축기/팽창기를 이용한 스크롤 터빈시스템 KR101434909B1 (ko)

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