KR20180037885A - 재생식 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 회전자로서 형성된 열 저장기 및 회전자를 그의 외부 둘레에서 둘러싸는 고정자를 구비하며, 회전자가 중앙 회전 축을 중심으로 하는 회전을 위해 재생식 열 교환기의 코어 영역에서 베어링 장치에 지지되어 있으며, 회전 축의 주변을 둘러싸는 코어 밀봉 장치가 존재하고, 이 코어 밀봉 장치를 통해 재생식 열 교환기의 코어 영역에서 공기 섹터와 연도 가스 섹터 사이에서 누출 흐름이 줄어든다.

Description

재생식 열 교환기{REGENERATIVE HEAT EXCHANGER}

본 발명은, 재생식 열 교환기에 관한 것이다.

종래의 재생식 열 교환기는, 열을 방출하는 하나 이상의 가스 용적 흐름, 예를 들어 연도 가스(이하에서는 배출 공기로서도 지칭됨)로부터 열을 흡수하는 가스 용적 흐름, 예를 들어 연소 공기(이하에서는 유입 공기로서도 지칭됨)로 열을 전달하기 위해서 이용된다. 이 경우, 재생식 열 교환기의 주요 요소는, 회전 축을 중심으로 회전하고, 2개 이상의 가스 용적 흐름으로 교대로 회전되는 동시에 가열되고 재차 냉각됨으로써, 열 에너지가 일 가스 용적 흐름으로부터 다른 가스 용적 흠으로 전달되는, 회전자 형상의 열 저장기이다. 이로 인해, 연소 설비의 가스 용적 흐름들 중 하나, 예를 들어 유입 공기 혹은 연소 공기는 가열될 수 있고, 연소 설비의 다른 가스 용적 흐름, 예를 들어 배출 공기 혹은 배기 가스는 냉각될 수 있다. 예를 들어 실질적으로 디스크 형태로 형성된 회전자는 2개의 전면 및 실질적으로 원통형의 하나의 외부 재킷(external jacket)을 구비한다. 복수의 열 교환기 영역을 구비하기 위하여, 회전자는 세그먼트화 형태로 형성될 수 있다. 또한, 회전자가 추가의 열 교환기 요소를 구비하거나, 열 전달이 다만 회전자의 벽 요소의 가열 및 냉각에 의해서만 이루어지는 것도 제안될 수 있다. 전형적으로, 회전자는 중앙 회전 축을 중심으로 회전할 수 있게 지지되어 있으며, 이 경우 이 회전 축은 일반적으로 수직으로 정렬되어 있다. 회전자는, 유체 공급부 및 유체 방출부와 별개로, 하우징으로써 회전자를 둘러싸는 고정자에 지지되어 있다.

재생식 열 교환기를 통해서 안내되는 가스 용적 흐름들을 상호 간에 그리고 외부 주변에 대하여 밀봉시키기 위하여, 통상적으로 상이한 밀봉 시스템이 제공되어 있으며, 이들 밀봉 시스템은 다양한 밀봉 목적을 위해서 이용되고, 재생식 열 교환기 내부에 있는 사용 장소에 따라 특별한 요구 조건들에 봉착할 수밖에 없다. 예를 들어, 회전자와 이 회전자의 외부 둘레 영역에서 회전자를 둘러싸는 위치 고정된 고정자 사이의 간극을 밀봉시키는 둘레 밀봉부는, 회전자 내에 있는 열 저장기 요소를 스쳐가는 바이패스-흐름이 전혀 생성되지 않도록 그리고 두 가지 가스/유체 상호 간에 가스 혼합이 전혀 발생하지 않도록 보증해준다. 또한, 회전자의 전면 위에 그리고 아래에 있는 밀봉 플레이트도 공지되어 있으며, 이 밀봉 플레이트에 의해서도 마찬가지로 2개 가스 용적 흐름 사이에서의 가스 교환이 방지되어야만 한다. 이와 같은 종래의 재생식 열 교환기는 예를 들어 동일 출원인의 EP 2 258 999 B1호에 기술되어 있다.

밀봉을 위한 한 가지 특별한 도전은, 재생식 열 교환기를 위한 소위 코어 영역이다. 이 코어 영역은, 회전자의 방사 방향 팽창을 기준으로 내부에 놓여 있는 회전자의 영역, 다시 말해 통상적으로 회전하는 샤프트를 구비하는, 구체적으로는 베어링 샤프트 또는 구동 샤프트를 구비하는 베어링 장치 및/또는 구동 장치에서 회전자가 지지되어 있는 장소를 지칭한다. 이로써, 재생식 열 교환기의 코어 영역에서는 회전자가 상기 베어링 장치를 통해서 회전 축을 중심으로 회전할 수 있도록 지지되어 있다. 이 목적을 위해, 베어링 장치의 회전하는 부분, 특히 샤프트는 회전자 내에서 중앙에 배치된 회전자 코어와 일체로 회전하도록 고정 연결되어 있다. 이때, 베어링 장치의 회전하는 부분은 베어링 장치의 위치 고정된 강성 부분을 중심으로 회전하고, 이 위치 고정된 강성 부분은 재차 고정자, 특히 하우징부와 연결되어 있다. 고정자의 상기 하우징부는 회전자 위에서 그리고/또는 아래에서 간극을 형성하면서 끝난다. 코어 영역 내 하우징부와 회전자 사이에 있는 상기 간극을 통해서는, 유입 공기 및/또는 배출 공기가 누출될 수 있고, 회전자에 있는 내부 영역에서 열 저장기를 우회하여 상기 열 저장기를 스쳐서 각각 다른 유체의 영역 내부로 흘러갈 수 있다. 이와 같이 두 가지 유체가 원치 않게 서로 혼합되는 현상은 열 교환기의 효율을 감소시킨다. 이와 같은 누출 효과를 저지하기 위하여, 상기와 같은 열 교환기에서는 소위 코어 밀봉 장치가 제공된다. 따라서, 이 코어 밀봉 장치는 주로 내부 영역에 있는 회전자를 중앙 쪽으로 밀봉시키기 위해서 이용되고, 회전자를 관류하는 두 가지 유체의 혼합을 유발시키는 상황을 방지해야만 한다. 본 발명은, 이와 같은 유형의 밀봉과 관련이 있다.

전체 장치의 코어 영역 내에는 또한 소위 샤프트 밀봉부가 제공되어 있는 경우도 많다. 이 샤프트 밀봉부는, 전체적으로 샤프트의 영역에서 유입 공기와 배출 공기의 교환 공간을 외부 둘레 쪽으로 밀봉시킨다. 본 발명은 이와 같은 샤프트 밀봉부와는 관련이 없고, 오히려 유입 공기와 배출 공기의 상호 밀봉, 또는 회전자의 중앙 내부에 대하여 혹은 코어 영역에서, 즉 회전자의 회전 축을 지향하는 회전자의 내부 영역에서 열 저장기를 관류하는 유체를 밀봉시키는 것과 관련이 있다.

열 교환기의 고정자에 대한 회전자의 이동에 추가하여 코어 영역 내에서의 밀봉은 특히, 밀봉시에는 회전 축에 대해 평행하게 진행하는 방향을 따라서 발생하는 회전자 코어의 무시할 수 없는 열적 팽창뿐만 아니라, 가스 용적 흐름들 사이에서의 온도 강하에 의해 야기되는, 회전 축에 대해 수직으로 이루어지는 회전자 코어에 대한 하우징부의 이동까지도 고려되어야만 하고, 코어 밀봉에 의해서 가급적 최적으로 보상되어야만 한다는 사실로 인해 어려워진다. 하지만, 이에 대한 지금까지의 문제 해결 접근 방법들은 특히 발생하는 잔류 누출과 관련해서는 만족스럽지 않다.

본 발명의 과제는, 특히 재생식 열 교환기의 개별 부품들이 온도차에 의해서 서로에 대해 상이한 방향으로 이동함에도, 유입 공기와 배출 공기 사이에서의 가스 교환을 피하기 위해 코어 영역 내에서 효과적인 밀봉이 가능해지도록, 종래의 재생식 열 교환기를 개선하는 것이다.

상기 과제의 해결은, 독립 청구항에 따른 재생식 열 교환기에 의해서 성공한다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.

본 발명의 중요한 기본 사상은, 열에 의해서 야기되는 회전자 변형 공정으로 인해 회전자의 회전 축에 대해 방사 방향으로뿐만 아니라 축 방향으로도 발생하는 코어 영역 내 밀봉 간극에서의 변동을 보상할 수 있는, 이동 가능한 추가 밀봉 요소를 코어 밀봉부에 제공하는 데 있다. 이 목적을 위해, 밀봉 요소는 이하에서 더 상세하게 기술된 방식으로 총 2개의 밀봉면을 포함하며, 이들 밀봉면은 서로에 대해 각을 형성한 상태로, 특히 수직으로 진행하고, 이로써 발생하는 변형의 최적의 보상 및 이와 더불어 코어 영역 내 밀봉 간극의 변동을 가능하게 한다. 구체적으로는, 회전 축 둘레를 특히 완전히 둘러싸는 그리고 회전 축에 대해 방사 방향으로 연장되는 제1 밀봉면이 회전자에 존재하는 것이 제안되었다. 본 경우에, 일 밀봉면은 실질적으로, 밀봉 요소가 밀봉의 목적으로 특히 적어도 한 가지 공간 방향으로 이동할 수 있게 접하는 접지면을 지칭한다. 또한, 본 발명에 따라서는, 고정자에 대해 위치 고정된, 마찬가지로 회전 축 둘레를 특히 완전히 둘러싸는 그리고 회전 축의 축 방향으로 연장되는 제2 밀봉면이 고정자에 존재하는 것도 제안되었다. 이로써, 회전자에 있는 제1 밀봉면 및 고정자에 있는 제2 밀봉면은 서로에 대해 각을 형성한 상태로, 특히 서로에 대해 수직으로 진행하고, 서로 직접 접하지 않는다. 코어 영역 내 밀봉 간극의 밀봉은 본 발명에 따라, 제1 및 제2 밀봉면에 동시에 접하도록 형성되어 있는 밀봉 요소를 통해서 이루어진다. 따라서, 본 발명은, 예를 들어 회전자의 열적인 변형으로 인해 방사 방향으로 발생하는 그리고 축 방향으로 발생하는 밀봉 간극의 변동들을 서로 별개로, 하지만 하나의 동일한 밀봉 요소를 이용해서 보상하는 것을 가능하게 하며, 이로 인해 본 발명에 따른 코어 밀봉 장치의 밀봉 성능이 현저하게 증가할 수 있다. 이 목적을 위해, 밀봉 요소는 본 발명에 따라, 밀봉 효과를 유지하면서 보상 범위 안에서 축 방향으로는 고정자에 대해 상대적으로 그리고 방사 방향으로는 회전자에 대해 상대적으로 이동할 수 있도록 코어 밀봉 장치 내에 지지되어 있다. 이로써, 밀봉 요소는 본 발명에 따른 코어 밀봉 장치에 2개의 운동 자유도를, 이상적으로는 서로에 대해 수직으로 방향 설정된 운동 자유도를 제공해주며, 이들 운동 자유도를 통해서는 코어 영역 내 회전자와 고정자 사이에서 발생하는 밀봉 간극의 변동들이, 밀봉 기능을 유지하면서 공차 범위 안에서, 특히 코어 밀봉 장치에 의해 자동으로 축 방향으로뿐만 아니라 방사 방향으로도 보상될 수 있다. 따라서, 회전자에서 그리고 고정자에서 또는 밀봉 요소에서 밀봉면을 형성하는 것은, 제1 및 제2 밀봉면에 접하는 밀봉 요소에 의해 밀봉 효과를 유지하면서, 고정자 및/또는 회전자에 대한 밀봉 요소의 상대 위치의 조정을 가능하게 한다. 여기서, 본 발명에 따른 코어 밀봉 장치에 의한 방사 방향으로의 보상 및 축 방향으로의 보상이 어느 정도까지 이루어질 수 있는지에 대한 크기는 실질적으로, 방사 방향으로는 제1 밀봉면의 치수 설계에 의존하고, 축 방향으로는 제2 밀봉면의 치수 설계 또는 밀봉 요소에 있는 상응하는 대응면의 치수 설계에 의존한다. 이 경우에 주목해야 할 사실은, 제1 및/또는 제2 밀봉면이 거의 선 형태로 형성되어 있고, 밀봉 요소에 있는 상응하는 접지 면이 원하는 폭을 갖는 스트립 형상으로 형성되어 있거나 그 반대로 형성되어 있는 실시예들도 본 발명에 포함되어 있다는 것이다. 하지만, 특히 바람직한 경우는, 제1 및 제2 밀봉면뿐만 아니라 밀봉 요소에 있는 상응하는 접지 대응면까지도 적어도 수 센티미터의 폭을 갖는 경우, 특히 이 폭이 10 mm 내지 200 mm의 범위 안에, 특히 80 mm 내지 100 mm의 범위 안에 있는 경우이다.

원칙적으로는, 제1 밀봉면이 회전자 자체에 의해서, 예를 들어 내부에 놓여 있는 중앙부에 의해서 형성되는 것이 가능하다. 하지만, 제1 밀봉면이 밀봉 요소의 작동 중에 위로 슬라이딩 되기 때문에, 이 경우에는 증가된 마모가 발생할 수 있다. 그렇기 때문에, 이상적인 경우는, 제1 밀봉면이 회전자에 지지된 그리고 특히 교환 가능한 슬라이딩 플레이트에 의해서 형성되는 경우이다. 이로써, 슬라이딩 플레이트는 회전자의 코어 영역에서 디스크 형태로 형성된 회전자에 설치된 부품을 지칭하게 되며, 이 부품은 밀봉 요소의 접지를 위해 제공되어 있다. 이때, 제1 밀봉면은 상응하게 회전자의 상기 슬라이딩 플레이트에 의해서 형성된다.

슬라이딩 플레이트와 밀봉 요소가 작업 작동 중에 상호 슬라이딩 되기 때문에, 이 지점에서는 부분적으로 사소하지 않은 마찰 현상이 발생한다. 마찰력을 저지하기 위해서는, 슬라이딩 플레이트가 적어도 부분적으로, 특히 제1 밀봉면의 영역에서 캐스팅 재료 또는 플라스틱, 특히 PTFE(폴리테트라플루오르에틸렌)로 이루어지는 경우가 바람직하다. 이와 동일한 내용이 밀봉 요소에 대하여 상응하게 적용된다.

이상적으로, 슬라이딩 플레이트는 슬라이딩 링으로서 형성되어 있다. 이로써, 전체적으로 볼 때 실질적으로 중공 실린더 형상인 슬라이딩 플레이트는 내부 직경, 외부 직경 및 높이를 갖는다. 실질적인 사용에서, 슬라이딩 링의 높이는 바람직하게 5 mm 내지 50 mm의 범위 안에, 특히 10 mm 내지 30 mm의 범위 안에 놓여 있다. 이와 같은 수치는 마모 및 제작과 관련해서, 특히 중량과 관련해서 최적의 크기이다. 따라서, 슬라이딩 플레이트는 특히 중공 실린더, 특히 전술된 치수를 갖는 중공 실린더일 수 있다. 이때, 슬라이딩 플레이트는 일체형으로, 특히 또한 재료 통일적으로도 형성될 수 있다. 조립 과정 및/또는 교환 과정을 용이하게 하기 위해서는, 슬라이딩 플레이트가 특히 구조적으로 서로 동일한 개별 세그먼트의 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

제2 밀봉면의 구체적인 형성을 위해서도, 원칙적으로는 여러 가지 진동이 이용될 수 있다. 특히 바람직한 일 실시예에서는, 제2 밀봉면이 고정자로부터 회전자 쪽으로 돌출하는, 특히 회전 축을 아주 특별하게 완전히 둘러싸는 접지 시트 혹은 밀봉 시트에 의해서 형성된다. 이로써, 접지 시트는 바람직하게 전체적으로 마찬가지로, 적어도 제2 접지면의 영역에서는 중공 실린더를 형성하고, 고정자와 위치 고정적으로 연결되어 있다. 이때, 아주 특히 바람직한 경우는, 상기와 같은 밀봉 요소의 조정 동작이 특히 방사 방향으로 보상되거나 이와 같은 조정 동작을 적어도 제한된 범위 안에서 따를 수 있기 위하여, 접지 시트를 형성할 때 접지 시트에 소정의 탄성이 제공되는 경우이다. 접지 시트를 형성하기 위한 특히 바람직한 재료는 예를 들어 구조 강, 특히 날씨에 안정적인 구조 강 또는 특수 강(각각 특히 DIN EN 10025-5 및 DIN EN 10020에 따름)이다.

밀봉 요소의 구체적인 형성을 위해서 중요한 것은, 특히 전술된 바와 같이, 제1 및 제2 밀봉면에 동시에 접하기에 적합한 밀봉 요소의 적합성이다. 바람직하고 구체적인 일 구현은, 밀봉 요소가, 회전 축에 대하여 방사 방향으로 연장되고 제1 밀봉면에 접하기 위한 제1 접지면, 및 축 방향으로 연장되고 제2 밀봉면에 접하기 위한 제2 접지면을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이로써, 밀봉 요소의 접지면은 바람직하게 회전자 및 고정자에 있는 개별 대응면(밀봉면)에 대해 평행하게 진행하고, 이로 인해 특히 효율적인 밀봉에 도달하게 되는데, 그 이유는 회전자에 대한 그리고/또는 고정자에 대한 밀봉 요소의 다양한 상대 위치에서도 각각 밀봉을 위한 평탄한 접지면이 얻어지기 때문이다. 보완적으로 또는 대안적으로 또 다른 이상적인 경우는, 방사 방향으로 회전 축으로부터 관찰했을 때 밀봉 요소의 외부 면이 고정자의 제2 밀봉면에 접하도록, 밀봉 요소가 치수 설계되고 형성된 경우이다. 다른 말로 표현하자면, 고정자의 제2 밀봉면은 방사 방향으로 볼 때 외부에서 밀봉 요소 둘레로 진행하고, 이로써 제2 밀봉면을 둘러싼다. 이와 같은 상황은 열적 변형시에 밀봉 요소의 특히 신뢰할만한 지지 상태 및 최상의 보상 결과를 가능하게 한다.

회전자에서 그리고 밀봉 요소에서 상호 인접하는 밀봉면들은 또한 바람직하게 평탄한 면으로서 형성되어 있다. 그와 달리, 고정자에서 그리고 밀봉 요소에서 상호 인접하는 밀봉면들은 바람직하게 주변을 둘러싸는 원통형 면으로서 형성되어 있다.

밀봉 요소는 바람직하게 2개의 레그를 구비한 형상으로 형성되어 있으며, 이 경우 제1 및 제2 접지면은 각각 특히 서로에 대해 수직으로 서있는 레그들 중 각각 하나의 레그에 의해서 형성된다. 이로써, 횡단면 상으로 볼 때, 밀봉 요소는 각 요소(angle element)의 형상으로 형성되어 있으며, 이 경우 제1 접지면 및 이와 더불어 제1 레그는 실질적으로 방사 방향으로 연장되고, 제2 접지면 및 이와 더불어 제2 레그는 실질적으로 축 방향으로 회전 축에 대해 평행하게 연장된다. 이때, 제2 레그는 아주 특히 바람직하게 방사 방향으로 연장되는 제1 레그의 방사 방향으로 외부에 놓여 있는 영역에 설치된다.

따라서, 구체적으로 말하자면, 밀봉 요소는 특히 바람직하게 외부 재킷 면에 놓여 있는 제2 밀봉면을 갖는 밀봉 링, 및 특히 밀봉 링으로부터 떨어져서 마주하는 디스크 측에 놓여 있는 제1 접지면을 갖는 밀봉 디스크로 이루어진다. 이때, 밀봉 링 및 밀봉 디스크는 바람직하게 직접 상호 인접하고, 아주 특히 바람직하게는 재료 통일적으로 형성되어 있다.

밀봉 요소의 형성을 위해서도, 원칙적으로는 이 밀봉 요소를 일체형으로 형성하는 것이 가능하다. 하지만, 예를 들어 마모로 인한 밀봉 요소의 교환과 관련해서는, 밀봉 요소가 특히 구조적으로 서로 동일한 그리고 전체적으로 밀봉 요소를 형성하는 복수의 개별 세그먼트로 이루어지는 경우가 바람직하다.

밀봉 요소가 축 방향으로는 제1 밀봉면에 접하고 방사 방향으로는 제2 밀봉면에 접하여 밀봉 요소의 상대 위치가 규정됨으로써, 재생식 열 교환기가 수직으로 뻗는 회전 축을 구비하는 일 실시예를 위해서는, 수직 방향으로 볼 때 회전자 위에 위치된 밀봉 요소가 회전자 및 고정자에 대하여 부동식으로(floating) 지지되어 있는 경우가 바람직하다. 이로써, 이와 같은 실시예에서는, 밀봉 요소를 원하는 위치에 고정시키는 추가의 베어링 장치가 필요치 않을 수 있는데, 그 이유는 밀봉 요소가 오로지 자신의 고유한 중력에 의해서만 회전자에 접한 상태를 유지하기 때문이다.

하지만, 밀봉 요소의 전술된 부동식 지지는, 예를 들어 수평 회전 축을 구비하는 재생식 열 교환기의 위치를 결정하는 경우 또는 수직 방향으로 회전자 아래에 배치된 밀봉 요소에 대하여 수직인 회전 축의 경우에, 밀봉 요소의 전체적인 위치 결정을 위해서는 가능하지 않다. 그렇기 때문에, 더욱 바람직한 일 실시예에서는, 바람직하게 스프링 요소를 포함하는 밀봉 요소용 베어링 장치가 제공되어 있으며, 이 스프링 요소에 의해서는 특히 회전자에서의 밀봉 요소의 접지 압력이 조정될 수 있다. 이때, 스프링 요소는 예를 들어 회전자의 방향으로 압착 압력을 가할 수 있다. 하지만, 이와 같은 베어링 장치가 수직 방향으로 볼 때 회전자 위에 배치된 밀봉 요소용으로 제공되어 있다면, 스프링 요소를 인장된 상태로 형성함으로써, 결과적으로 회전자의 제1 밀봉면에서 중력에 의해 야기되는 밀봉 요소의 접지 압력이 베어링 장치를 통해 줄어드는 것도 유용할 수 있다. 따라서, 회전자에 대한 밀봉 요소의 규정된 상대 위치를 보증해주는 베어링 장치의 기능 외에, 베어링 장치에 의해서는 또한 특히 제1 밀봉면에서의 밀봉 요소의 접지 압력도 최적으로 될 수 있다. 전형적인 스프링 요소는 예를 들어 인장 스프링 또는 압축 스프링일 수 있다.

상기와 같은 관계에서는, 또 다른 개선예들도 생각할 수 있고, 이들 개선예는 본 발명에 의해서 함께 포함되어 있다. 따라서, 예를 들어 조절 시스템이 제공될 수 있으며, 이 조절 시스템은 다른 무엇보다 밀봉 요소와 회전자 간의 마찰 현상으로부터 유래하는 회전자의 회전 저항에 따라서 압착 압력을 조절한다.

베어링 장치의 구체적인 형상은 변할 수 있다. 하지만, 베어링 장치는 바람직하게 고정자에 고정되어 있으며, 회전 축의 방향으로 돌출하고 밀봉 요소와 연결되어 있는 지지 암을 포함한다. 밀봉 요소의 조정 영역을 축 방향으로 가능하게 하기 위하여, 지지 암은 이상적으로 회전 축의 방향으로 자체 길이를 조정할 수 있는데, 예를 들면 전술된 스프링 요소 또는 그와 대등한 장치를 통해서 자체 길이를 조정할 수 있다. 밀봉 요소의 안정적인 위치 결정을 가능하게 하기 위하여, 바람직하게는 총 3개 이상의, 특히 바람직하게는 4개 이상의 상기와 같은 지지 암이 베어링 장치에 의해 둘러싸여 있는데, 특히 밀봉 요소의 균일하게 분포된 지지 상태를 가능하게 하기 위해 원주 방향으로 회전 축에 대해 동일한 각 거리(angular distance)를 두고 둘러싸여 있다.

앞에서 이미 언급된 바와 같이, 본 발명은, 재생식 열 교환기 내에 코어 밀봉부를 구비하는 본 발명에 따른 코어 밀봉 장치의 제공과 관련이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 재생식 열 교환기의 바람직한 실시예들은 본 발명에 따른 코어 밀봉 장치에 대해 보완적으로 샤프트 밀봉부 및/또는 축 방향 밀봉부 및/또는 방사 방향 밀봉부 및/또는 원주 밀봉부를 포함하며, 이 경우 샤프트 밀봉부를 통해서는 회전하는 베어링 샤프트 및/또는 구동 샤프트의 영역에서 열 교환기를 관류하는 유체가 외부 주변에 대해 밀봉되고, 축 방향 밀봉부를 통해서는 회전자의 외부 둘레에서 열 교환기를 관류하는 유체의 혼합을 방지하는 밀봉이 이루어지며, 방사 방향 밀봉부에 의해서는 회전자의 각각 하나의 전면에서 열 교환기를 관류하는 유체의 혼합이 이루어지고, 원주 밀봉부는 회전자의 외부 둘레 영역에서 회전자와 회전자를 둘러싸는 위치 고정된 고정자 사이의 간극을 밀봉시키며, 회전자 내에 있는 열 저장기 요소를 스쳐가는 바이패스 흐름이 전혀 발생하지 않도록 그리고 2개 가스의 상호 가스 혼합이 전혀 일어지지 않도록 보증해주어야만 한다.

이하에서는, 본 발명이 각각의 도면에 개략적으로 도시된 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 여기서:
도 1은 재생식 열 교환기의 개략적인 측면도를 도시하며;
도 2a는 재생식 열 교환기를 위한 방사 방향 장치의 밀봉 플레이트를 도시하고;
도 2b는 재생식 열 교환기의 평면도를 도시하며;
도 3은 재생식 열 교환기의 코어 영역의 일 부분을 도시하고;
도 4는 재생식 열 교환기의 코어 영역의 상세도를 도시하며;
도 5는 재생식 열 교환기의 또 다른 평면도를 도시한다.

각각의 도면에서, 동일한 요소들에는 동일한 참조 부호가 제공되어 있다. 반복되는 요소들은 부분적으로 각각의 도면에 별도로 지시되어 있지 않다.

도 1은, 재생식 열 교환기(1)의 개략적인 측면도를 보여준다. 이와 같은 재생식 열 교환기(1)는 예를 들어 경질탄 증기 발전소와 같은 연소 설비 내에서 사용되며, 가열된 배출 공기 흐름(3), 특히 배기 가스 흐름으로부터 가열될 유입 공기 흐름(4), 특히 연소 공기로 열을 전달해야만 한다. 재생식 열 교환기(1)의 주요 특징부는, 회전자(10)로서 형성되어 있고, 회전자(10)를 통과하는 하나 이상의 가스 용적 흐름, 바람직하게는 배출 공기(3)로부터 회전자(10)를 통과하는 또 다른 가스 용적 흐름, 바람직하게는 유입 공기(4)로 열을 전달하는 열 교환기이다. 이 목적을 위해, 재생식 열 교환기(1)의 제1 부분 영역에서는 배출 공기(3)가 회전자(10)를 관류하고, 제2 부분 영역에서는 유입 공기(4)가 회전자(10)를 관류한다. 도 1에서, 배출 공기(3)는 위를 지향하는 가스 용적 흐름으로서 도시되어 있고, 유입 공기(4)는 아래를 지향하는 또 다른 가스 용적 흐름으로서 도시되어 있다. 회전자(10)의 회전 축(R)은 수직 방향으로 뻗는다. 유입 공기(4) 및 배출 공기(3)를 안내하기 위해 각각 채널(2)이 제공되어 있으며, 이들 채널은 유입 공기(4) 및 배출 공기(3)를 각각 재생식 열 교환기(1)의 제1 부분 영역 또는 제2 부분 영역에 공급하고, 통과 후에는 회전자(10)로부터 재차 방출한다. 재생식 열 교환기(1)를 위한 열 전달을 위해, 회전자(10)가 제1 부분 영역(배출 공기의 냉각을 위한 연도 가스 섹터)에서 가열되고, 그 후에 상기 가열된 회전자 영역이 중앙 회전 축(R)을 중심으로 하는 회전에 의해 제2 부분 영역(유입 공기의 가열을 위한 공기 섹터)으로 옮겨진다. 이렇게 함으로써, 유입 공기(4)의 가열된 회전자 영역이 열원으로서 이용되고, 그에 상응하게 열을 유입 공기(4)로 전달한다. 효율 상승을 위해, 예를 들어 세라믹으로 이루어진 열전 소자 또는 공기 흐름을 따라 정렬된 채널 시스템이 회전자(10) 내에 제공되어 있다. 효율을 더욱 상승시키기 위해서는, 유입 공기(4) 및 배출 공기(3)가 자신들의 측에서 가급적 완전하게 회전자(10)를 통과하는 것 그리고 또한 외부 주변으로의 누출이 피해지는 것도 바람직하다. 유입 공기(4) 또는 배출 공기(3)가 회전자(10)를 통과하지 않고 회전자(10)와 회전자(10)를 둘러싸는 고정자(20) 사이에서 방사 방향으로 연장되는 간극(15)을 통과하는 것을 피하기 위하여, 예를 들어 축 방향 밀봉부, 방사 방향 밀봉부 및 샤프트 밀봉부(도 1에는 도시되지 않음)가 공지된 방식으로 회전자(10)와 회전자(10)를 둘러싸는 고정자(20) 및 회전자(10)의 회전하는 샤프트(베어링 샤프트 또는 구동 샤프트) 사이에 제공되어 있다.

재생식 열 교환기(1)를 위한 한 가지 특별한 도전은, 내부 영역에서도 배출 공기(3) 및 유입 공기(4)가 회전자(10)의 열 저장기를 통과해서 가급적 완전하게 안내될 수 있도록 하는 동시에 2개 가스 흐름의 상호 혼합을 저지하는 데 있다. 상기 코어 영역은 도 1에서 참조 부호 (16)으로 지시되어 있다. 본 발명은, 일 유체가 상기 코어 영역 내에 있는 다른 유체의 영역으로 넘어가는 것(overflowing)을 방지하기 위하여, 상기 영역을 밀봉하는 것과 관련이 있다.

코어 영역(16)을 목적으로 하지 않는 또 다른 밀봉 장치의 일 예는 도 2a에 더 상세하게 도시되어 있다. 도 2a에 도시된 방사 방향 밀봉부는 방사 방향으로 연장되는 복수의 밀봉 플레이트(7)를 포함하고, 이들 밀봉 플레이트는 회전 축에 대해 평행하게 진행하는 방향을 따라서 회전자(10) 아래에 그리고 위에, 특히 회전자(10)의 전면 위에 그리고 아래에 배치되어 있다. 하지만, 이들 밀봉 플레이트는 코어 영역(16) 내에서는 작용하지 않는다.

유체가 회전자(10)의 열 저장기를 우회해서 코어 영역 내부를 통과하는 것을 피하는 것은, 회전자(10)가 재생식 열 교환기(1) 내에서 시스템에 의해 야기되는 온도 변동으로 인해 회전 축(R)에 대해 평행하게 진행하는 방향을 따라서 팽창되고, 추가로 배출 공기(3)와 유입 공기(4) 간에 존재하는 온도차가 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이 코어 영역(16) 내에 배치된 하우징부(12)의 이동을 야기하며, 이와 같은 이동이 상기 영역에서의 효율적인 밀봉을 위한 추가의 도전이 되기 때문에 더욱 어려워진다.

코어 영역(16)은 도 1에 따라, 회전자(10)의 회전을 위해 제공된 베어링 장치(6) 외에 고정자(20)의 위치 고정된 하우징부(12)를 포함하며, 이 경우 베어링 장치(6)는 적어도 부분적으로 하우징부(12) 내부에 배치되어 있다. 코어 영역(16) 내에서는, 한 편으로는 가스 용적 흐름뿐만 아니라 추가 가스 용적 흐름도 하우징부(12)에 의해 둘러싸인 내부 공간을 통해서 외부로, 즉 재생식 열 교환기(1)를 둘러싸는 외부 대기(5)로 빠져나가지 않는다는 사실에 주목해야만 하며, 다른 한 편으로는 가스 용적 흐름과 추가 가스 용적 흐름 사이에서 가스 교환이 전혀 이루어지지 않는다는 사실에 주목해야만 하다. 대기(5)로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여, 코어 영역(16)은 통상적으로 샤프트 밀봉부(14)(도 3에 더 상세하게 도시되어 있음)를 포함하며, 이 샤프트 밀봉부는 베어링 장치(6)에, 바람직하게는 하우징부(12) 내부에 배치되어 있다. 특히, 샤프트 밀봉부(16)는 하우징부(12)의 내부 공간으로 연장되는 돌출부(13)에서 고정자 측에 배치되어 있고, 베어링 장치(6)의 샤프트(11)에 밀봉 방식으로 접한다. 그러나 상기 샤프트 밀봉부(14)는 본 발명의 핵심이 되는 코어 밀봉부가 될 수 없는데, 그 이유는 샤프트 밀봉부의 위치뿐만 아니라 샤프트 밀봉부의 기능적인 설계도 코어 밀봉을 위해 적합하지 않기 때문이다. 본 발명에 따른 코어 밀봉 장치(8)는 도 3에서 화살표(a 및 b)로 지시된 바이패스 유동, 즉 유체가 코어 영역 내에서 그러나 회전자(10)의 열 저장기 공간(10')의 외부에서 회전자(10)를 통과하는 바이패스 유동을 저지한다.

도 3은, 도 1에 도시된 재생식 열 교환기(1)의 코어 영역(16)의 직선 방향으로 상부를 상세하게 단면도(도 1의 단면 A)로 보여준다. 부분 영역(B)의 확대 단면도는 도 4에 재현되어 있고, 부분 영역(C)의 확대 단면도는 도 5에 재현되어 있다. 이하에서는, 본 실시예에 도시된 코어 밀봉 장치(8)의 본 발명에 따른 형성을 더욱 상세하게 설명하기 위해, 도 3 내지 도 5가 함께 참조될 것이다.

고정자(20)의 하우징부(12)는 회전 축(R)을 중심으로 동심으로 연장되고, 지지 플레이트(17)를 통해서 베어링 장치(6)의 위치 고정부와 연결되어 있다. 이하의 설명은, 회전 축(R)의 방향으로 볼 때 회전자(10) 위에 배치되어 있는 하우징부(12)에 대해서뿐만 아니라, 회전 축(R)의 방향으로 볼 때 회전자(10) 아래에 배치되어 있는 하우징부에 대해서도 적용된다. 도면에 대한 개관을 명확하게 할 목적으로, 이하에서는 다만 코어 영역(16) 그리고 회전자(10) 위에서의 코어 밀봉 장치(8)의 형상만이 기술될 것이다. 명시적으로 언급되지 않는 한, 특히 코어 밀봉 장치(8)의 형상과 관련된 모든 양상들은 또한 회전자(10) 아래에 있는 코어 영역(16) 및 특히 그곳에 제공된 또 다른 코어 밀봉부(8)에도 적용될 수 있다(구체적인 실시예에서는, 회전 축에 대해 수직으로 뻗는 평면 둘레에 반영됨).

본 발명에 따라, 코어 밀봉 장치(8)는 제1 밀봉면(21), 제2 밀봉면(22) 및 밀봉 요소(23)를 포함한다.

제1 밀봉면(21)은 특히 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 회전자(10)에 위치 고정적으로 배치되어 있다. 구체적인 실시예에서, 제1 밀봉면(21)은 링 형상으로 형성된 슬라이딩 플레이트(18)를 형성하며, 이 슬라이딩 플레이트는 일 전면에서는 회전자(10)의 지지 구조물과 연결되어 있고, 마주 놓여 있는 전면에서는 평탄하게 형성된 제1 밀봉면(21)을 구비한다. 이때, 제1 밀봉면(21)은, 회전 축(R)을 기준으로 하는 밀봉면(21)의 방사 방향 연장을 지시하는 방사 방향 폭(B1)을 갖는다. 슬라이딩 플레이트(18)는 교환 가능한 마모 요소로서 구성되어 있고, 예를 들어 캐스팅 재료 또는 PTFE로부터 제조되었다. 특별한 재료 선택에 의해 마모 현상이 줄어들 수 있음으로써, 결과적으로 슬라이딩 플레이트(18)의 사용 기간이 현저하게 연장될 수 있다.

제2 밀봉면(22)은 고정자에 위치 고정되어 있고, 본 실시예에서는 회전 축(R)의 축 방향으로 회전자의 방향으로 돌출하는 밀봉 시트(9) 또는 실 시트(seal sheet)에 의해서 형성되어 있다. 구체적으로, 고정자(20)에 있는 밀봉 시트(9)의 고정 측에 마주 놓여 있는 단부 측의 영역에 놓여 있고 이로써 회전 축(R)의 방향으로 연장되는 내부 면은 이하에서 더 상세하게 기술될 밀봉 요소(23)를 위한 접지면으로서 이용된다. 밀봉면(22)의 현재 축 방향 연장은 B2로 표기되어 있지만, 본 실시예에서는 또한 고정자(20)의 방향으로도 연장된다.

밀봉 요소(20)는 제1 접지면 혹은 밀봉면(24) 및 동시에 제2 접지면 혹은 밀봉면(25)을 구비한다. 제1 밀봉면(24) 및 제2 밀봉면(25)은 서로에 대해 수직의 각을 형성하면서 뻗는다. 제1 밀봉면(24)은 회전 축(R)에 대해 방사 방향으로 연장되고, 제2 밀봉면(25)은 회전 축(R)의 축 방향으로 연장된다. 따라서, 총 2개의 레그를 구비하여 형성된 밀봉 요소(23)는, 본 실시예에서 서로 단단히 연결되어 있는, 특히 재료 통일적으로 연결되어 있는 밀봉 디스크(26) 및 밀봉 슬리브(27)로 이루어진다.

밀봉 요소(23)에 의해서 달성되는 밀봉 효과는, 밀봉 요소의 제1 밀봉면(24)이 회전자(10)의 제1 밀봉면(21)에 직접 접하고, 밀봉 요소의 제2 밀봉면(25)이 고정자(20)의 제2 밀봉면(22)에 직접 접하며, 이때 특히 회전 축(R)의 축 방향으로의 그리고 회전자(10)의 회전 축(R)의 방사 방향으로의 회전자(10)의 변형 또는 회전자(10) 및 고정자(20)의 밀봉면(21 및 22)의 길이 변경이 보상될 수 있음으로써 달성된다. 밀봉 요소(23)의 보상 기능이 어느 정도까지 유지되는지에 대한 수치는, 폭(B1 및 B2)의 설계 및/또는 제1 밀봉면(24)의 방사 방향 연장의 설계 및 밀봉 요소(23)의 제2 밀봉면(25)의 축 방향 연장의 설계에 결정적으로 의존한다. 여기서, 구체적인 크기는 본원에 기술된 보상 원칙을 유지하면서 실제 사용례에 따라 변할 수 있다.

코어 밀봉 장치(8)의 또 다른 중요한 요소는, 고정자(20)에서 밀봉 요소(23)의 지지를 가능하게 하는 베어링 장치(28)이다. 이 목적을 위하여, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 코어 밀봉 장치(8)의 형성을 위해서는 원칙적으로 밀봉 요소(23)의 부동식 지지가 가능하다는 사실이 유지될 수 있는데, 그 이유는 이 밀봉 요소가 (제2 밀봉면(25)을 통해) 고정자(20)에 접함으로써 그리고 (제1 밀봉면(21)을 통해) 회전자(10)에 중력에 의해서 지지됨으로써 제 위치에 고정되기 때문이다. 하지만, 그럼에도 본 발명에 따른 베어링 장치(28)는, 한 편으로는 밀봉 요소(23)의 위치 결정을 더 우수하게 규정할 수 있기 위해서 사용되고, 다른 한 편으로는 밀봉 요소(23)의 위치 결정도 수직 방향으로 볼 때 회전자(10) 아래에서 (또는 밀봉 요소(23)가 측면에 배치된 상태에서 회전자(10)의 회전 축(R)이 수평으로 정렬된 경우에) 가능하게 하기 위해서 사용된다. 베어링 장치(28)의 주요 요소는 고정자에 고정된 지지 암(29)으로서, 이 지지 암은 상응하는 고정 너트(31)를 갖는 고정 볼트(30), 간격 유지 슬리브(32) 그리고 단부 측에서 밀봉 요소(23) 쪽으로 배치된 스프링 요소(33), 본 예에서는 압축 스프링을 포함하며, 이 압축 스프링은 스프링 슬리브(34)를 통해 밀봉 요소(23)와 더불어 제2 밀봉면(25)에 마주 놓여 있는 측에서 밀봉 링(26)에 배치되어 있다.

이로써, 본원에 기술된 배열 상태에 의해서는, 밀봉 요소(23)가 회전자(10)의 슬라이딩 플레이트(18)에 가하는 압착 압력이 밀봉 요소(23)의 고유 중량에 의해서 야기되는 압착 압력에 비해 줄어들 수 있다. 이와 같은 방식으로, 슬라이딩 플레이트(18)와 밀봉 요소(23)의 제1 밀봉면(24) 사이에서 발생하는 마찰이 줄어들 수 있다.

예를 들어 본 실시예에 도시되지 않은 회전자(10)의 하부 면에서 코어 밀봉 장치(8)를 형성하기 위해서는, 본원에서 소개된 배열 상태 대신에, 밀봉 요소(23)가 회전 축(R)의 축 방향으로 볼 때 회전자(10)의 하부 면에서 슬라이딩 링(18)에 압착하도록 압축 스프링이 위치 결정될 수 있다.

또한, 예를 들어 베어링 장치(28)의 부분으로서의 전동식 및/또는 유압식 조정 설비를 통해서, 예를 들어 회전자(10)의 회전 운동을 위해 필요한 구동 출력에 따라 압착 압력을 조절하는 조절 장치를 제공하는 것도 가능하다.

Claims (13)

1. 회전자(10)로서 형성된 열 저장기 및 회전자(10)를 그의 외부 둘레에서 둘러싸는 고정자(20)를 구비하며, 상기 회전자(10)가 중앙 회전 축(R)을 중심으로 하는 회전을 위해 재생식 열 교환기(1)의 코어 영역(16)에서 베어링 장치(6)에 지지되어 있으며, 상기 회전 축(R)의 주변을 둘러싸는 코어 밀봉 장치(8)가 존재하고, 상기 코어 밀봉 장치를 통해 재생식 열 교환기(1)의 코어 영역(16)에서 공기 섹터와 연도 가스 섹터 사이에서 누출 흐름이 줄어드는, 재생식 열 교환기(1)에 있어서,
   상기 코어 밀봉 장치(8)가
   - 회전자(10)에서는, 상기 회전 축(R)의 주변을 둘러싸는 그리고 회전 축(R)에 대해 방사 방향으로 연장되는 제1 밀봉면(21)을 구비하고,
   - 고정자(20)에서는, 상기 고정자(20)에 대해 위치 고정된, 상기 회전 축(R)의 주변을 둘러싸는 그리고 상기 회전 축(R)의 축 방향으로 연장되는 제2 밀봉면(22)을 구비하며, 그리고
   - 상기 제1 밀봉면(21) 및 상기 제2 밀봉면(22)에 동시에 접하도록 형성되어 있는 밀봉 요소(23)를 포함하며,
   상기 밀봉 요소(23)는, 보상 영역 내부에서 자신의 밀봉 효과를 유지하면서 축 방향으로는 고정자(20)에 대해 상대적으로 그리고 방사 방향으로는 회전자(10)에 대해 방사 방향으로 이동할 수 있도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 밀봉면(21)이 회전자(10)에 지지된 그리고 특히 교환 가능한 슬라이딩 플레이트(18)에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
3. 제2항에 있어서,
   상기 슬라이딩 플레이트(18)가 적어도 부분적으로, 특히 제1 밀봉면(21)의 영역에서는 캐스팅 재료 또는 플라스틱, 특히 PTFE로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 슬라이딩 플레이트(18)가 특히 소수의 세그먼트를 포함하는 슬라이딩 링인 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 밀봉면(22)이 고정자(20)로부터 회전자(10) 쪽으로 돌출하는, 회전 축(R)의 주변을 둘러싸는 밀봉 시트(9)에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밀봉 요소(23)가 회전 축(R)에 대해 방사 방향으로 연장되는, 제1 밀봉면(21)에 접하기 위한 제1 접지면(24) 및 회전 축(R)에 대해 축 방향으로 연장되는, 제2 밀봉면(22)에 접하기 위한 제1 접지면(25)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
7. 제6항에 있어서,
   상기 밀봉 요소(23)가 2개의 레그를 구비한 형상으로 형성되어 있으며, 상기 제1 및 제2 접지면이 각각 특히 서로에 대해 수직으로 서있는 레그들 중 각각 하나의 레그에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밀봉 요소(23)가 상호 연결되어 있는 밀봉 링(26) 및 밀봉 슬리브(27)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밀봉 요소(23)가 특히 서로 구조적으로 동일한 복수의 개별 세그먼트로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉 요소(23)가 회전자(10) 상에 부동식으로 지지되어 있는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프링 요소(33)를 갖는 밀봉 요소(23)용 베어링 장치(28)가 존재하며, 상기 베어링 장치에 의해서는 특히 회전자에서 상기 밀봉 요소(23)의 접지 압력이 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
12. 제11항에 있어서,
    상기 베어링 장치(28)가 고정자(20)에 고정되어 있고, 적어도 회전 축(R)의 방향으로 길이를 조정할 수 있는 지지 암(29)을 구비하며, 상기 지지 암이 밀봉 요소(23)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재생식 열 교환기(1)가 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 코어 밀봉 장치에 대해 보완적으로
    - 하나 이상의 샤프트 밀봉부(14)를 구비하고, 상기 샤프트 밀봉부를 통해서는 열 교환기를 관류하는 유체의 외부 주변 쪽으로의 밀봉이 이루어지며, 그리고/또는
    - 하나 이상의 축 방향 밀봉부를 구비하고, 상기 축 방향 밀봉부를 통해서는 회전자(10)의 외부 둘레에서 열 교환기를 관류하는 유체의 혼합을 방지하는 밀봉이 이루어지며, 그리고/또는
    - 하나 이상의 방사 방향 밀봉부를 구비하고, 방사 방향 밀봉부에 의해서는 회전자(10)의 상부면 및 하부면에서 열 교환기를 관류하는 유체의 혼합이 이루어지며, 그리고/또는
    - 및/또는 하나 이상의 원주 밀봉부를 구비하고, 상기 원주 밀봉부는 회전자의 외부 둘레 영역에서 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 위치 고정된 고정자 사이의 간극을 밀봉시키는 것을 특징으로 하는, 재생식 열 교환기(1).

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