랭킹 사이클 장치와, 이 랭킹 사이클 장치에 조입되는 복합 유체 기계

랭킹 사이클 장치와, 이 랭킹 사이클 장치에 조입되는 복합 유체 기계 {RANKINE CYCLE APPARATUS AND COMPLEX FLUID MACHINE INCORPORATED THEREIN}

본 발명은 랭킹 사이클 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는, 작동 유체를 펌핑(pumping)하는 펌프와, 폐열원으로부터 유출된 유체와 펌프로부터 유출된 작동 유체 사이에 열교환을 일으키는 열교환기와, 열교환기에서 열 교환에 노출된 작동 유체를 팽창시켜 기계적 에너지를 생산하는 팽창부를 포함하는 회로를 구비하고 있는 랭킹 사이클 장치에 관한 것이다.

랭킹 사이클 장치에 사용되는 스크롤(scroll) 방식의 팽창부는, 구동축의 회전을 통하여 궤도를 도는 가동(movable) 스크롤과, 하우징에 고정되어 있는 고정 스크롤을 포함한다. 상기 가동 스크롤의 엔드 플레이트에는 하나의 와류부가 형성되어 있고, 상기 고정 스크롤의 엔드 플레이트에는 또 다른 와류부가 배열되어있다. 상기의 와류부들 사이에는 팽창실(expansion chamber)이 형성되어있다. 작동 유체는 열교환기에서 열에너지를 얻은 후에, 팽창부의 흡입실을 통하여 팽창실로 흘러들어가서, 팽창실에서 팽창하게 된다. 이러한 팽창은 이동 스크롤의 궤도운동을 일으키며, 이로 인하여 기계적 에너지가 생성된다.(구동력)

스크롤 방식의 팽창부를 통한 기계적 에너지 생산의 효율성을 개선하기 위해서는, 작동 유체를 팽창실에서 효율적으로 팽창시키는 것이 중요하다. 따라서 팽창실에서 작동 유체의 누설을 방지하는 것 즉, 바꾸어 말하면, 팽창실의 밀봉성을 개선하는 것이 중요하다. 특허문헌 1에는, 스크롤 방식의 팽창부에서 팽창실의 밀봉성을 개선하기 위한 기술을 개시하고 있다.

이 특허문헌 1에서 개시된 기술에서, 배압실(back pressure chamber)은 가동 스크롤의 엔드 플레이트의 뒤쪽(고정 스크롤과 마주보는 면의 반대편에 있는 면)에 대응하는 쪽에 형성되어져 있다. 배압실의 압력은 가동 스크롤의 뒤쪽으로 배압을 적용하면 증가하게 된다. 상기 배압은 고정 스크롤에 대하여 가동 스크롤을 구동축의 축방향으로 가압한다. 그 결과, 가동 스크롤의 와류부 말단은 고정 스크롤의 엔드 플레이트를 향하여 가압되고, 가동 스크롤의 엔드 플레이트는 고정 스크롤의 와류부 말단을 향하여 가압된다. 이것은 팽창실의 밀봉성을 증대시킨다.

그러나 상기한 특허문헌 1의 기술에 따르면, 배압은 팽창실로부터 유출된 어떤 작동 유체를 가스통로를 통하여 배압실로 도입하는 것에 의하여 생성된다. 이에 따라, 배압실로 전달된 작동 유체의 열에너지는, 스크롤 방식의 팽창부를 이용하여 기계적 에너지를 생산하는데 이용될 수 없다. 그 결과, 비록 특허문헌 1의 기술이, 스크롤 방식의 팽창부를 채용한 랭킹 사이클 장치에서 팽창실의 밀봉성을 개선하지만, 열에너지에서 기계적 에너지로의 변환시, 손실이 발생하게 된다. 이는 기계적 에너지의 생산 효율을 감소시킨다.

따라서, 본 발명은, 가동 스크롤에 배압을 가함으로써 팽창실의 밀봉성을 개선하고, 기계적 에너지 생산 효율의 감소를 방지하는 랭킹 사이클 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 회로를 구비한 랭킹 사이클 장치가 제공된다. 상기의 회로는, 작동 유체를 펌핑하는 펌프와, 상기 펌프로부터 전달된 작동 유체와 폐열원으로부터 공급받은 유체 사이의 열 교환을 발생시키기 위한 열교환기와, 상기 열교환기에서의 열교환에 노출된 작동 유체를 팽창시켜, 상기 팽창을 통하여 기계적 에너지를 생성하는 팽창부를 구비하고 있다. 상기의 팽창부는, 고정 스크롤과, 구동축이 회전함에 따라 상기 고정 스크롤에 대하여 선회하는 가동 스크롤 및, 상기 고정 스크롤과 마주보는 면의 반대편에 있는 가동 스크롤의 이면에 대응하는 쪽에 배치되어 있는 배압실을 구비하고 있다. 또한 상기 랭킹 사이클 장치는 작동 유체를 고압 영역에서 배압실로 도입하기 위한 주입기구를 더 포함하여, 구동축의 축방향을 따라 고정 스크롤을 향하여 가동 스크롤을 가압하는 배압이 생성된다. 상기 고압 영역은 펌프의 출구 쪽에서부터 열교환기의 입구 쪽으로 연장하는(extending) 영역이다.

본 발명의 여타의 실시 형태와 장점은 본 발명의 사상을 일 예로서 보여주는 첨부도면을 참조로 한 하기의 설명으로부터 명확하게 될 것이다

도 1a는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 복합 유체 기계 및 랭킹 사이클 장치를 나타내는 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 흡입로를 나타내는 확대도이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 유출로를 나타내는 확대도이다.
도 2는 도 1a의 라인 2-2를 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 복합 유체 기계 및 랭킹 사이클 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 말명의 제3 실시형태에 따른 복합 유체 기계 및 랭킹 사이클 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 복합 유체 기계 및 랭킹 사이클 장치를 나타내는 도면이다.
도 6a는 도 5에 도시된 흡입로의 입구 근방을 나타내는 확대도이다.
도 6b는 도 5에 도시된 흡입로의 출구 근방을 나타내는 확대도이다.
도 6c는 도 5에 도시된 판 및 증발통로를 나타내는 평면도이다.
도 7a는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 복잡한 유체 기계 및 랭킹 사이클 장치를 나타내는 도면이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 흡입로의 출구 근방을 나타내는 확대도이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 흡입로의 입구 근방을 나타내는 확대도이다.

(제1 실시형태)

본 발명의 제1 실시형태를 도 1a 내지 도 1c, 및 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1a에 도시된 것처럼, 복합 유체 기계(11)의 하우징(12)은 관형 중앙 하우징 부재(13)와, 전방 하우징 부재(14)와, 후방 하우징 부재(15)를 포함한다. 중앙 하우징 부재(13)의 제1 단부(도 1a의 좌측)는 전방 하우징 부재(14)와 연결된다. 제2 단부(도 1a의 우측)은 후방 하우징 부재(15)와 연결된다. 칸막이 벽(13a)은 중앙 하우징 부재(13)의 내주면으로부터 반경 방향 내측으로 연장하여, 하우징(12)의 내부를 2개의 섹션으로 분할한다.

2개의 섹션 중, 칸막이 벽(13a)과 전방 하우징 부재(14)로 형성된 공간은 회전 전기장치 역할을 하는 모터 제너레이터(20)를 수용한다. 칸막이 벽(13a)과 후방 하우징 부재(15)로 형성된 공간은 지지 블럭(25) 및 팽창부(40)을 수용한다.

모터 제너레이터(20)는 구동축(21)과, 일체 회전 방식으로 구동축(21)에 고정되어 있는 모터 로터(20a)와, 모터 로터(20a)의 주위에 위치한 고정자(20b)를 포함한다. 구동축(21)은 3개의 베어링(16)들에 의해 지지되며, 이들은 각각 전방 하우징 부재(14), 칸막이 벽(13a) 및, 지지 블럭(25) 중 대응하는 것에 의해 지지된다. 고정자(20b)는 중앙 하우징 부재(13)의 내주면에 고정된다.

모터 제너레이터(20)는 고정자(20b)의 코일(20c)로 공급되는 전류를 통하여 모터 로터(20a)를 회전시키는 모터로서 기능할 수 있고, 모터 로터(20a)의 회전을 통하여 고정자(20b)의 코일(20c)에 전력을 발생시키는 제너레이터로서 기능할 수 있다. 배터리(23)는 인버터(22)를 통하여 모터 제너레이터(20)에 연결된다. 모터 제너레이터(20)에 의하여 생성된 전력은 인버터(22)를 통하여 배터리(23)에 저장된다.

후방 하우징 부재(15)와 마주보는 칸막이 벽(13a)의 면(도 1a의 우측면)은, 구동축(21)의 주위로 배열되는 타원의 오목부(13c)가 형성된다. 사이드 플레이트(17)는 오목부(13c)를 막기 위해 상기의 면에 고정된다. 이로 인해 칸막이 벽(13a)과 사이드 플레이트(17) 사이에 펌프실(18)이 형성된다. 도 2에 나타낸 것처럼, 펌프실(18)은 구동축(21)에 부착된 구동기어(21a)와, 피동기어(19)를 수용한다. 피동기어(19)의 축 부분(19a)은 칸막이 벽(13a) 및, 사이드 플레이트(17)에 의하여 회전 지지된다. 구동기어(21a)와 피동기어(19)는 서로 맞물린다. 펌프실(18), 피동기어(19) 및, 구동치차(21a)는 기어펌프(30)를 형성한다.

칸막이 벽(13a)은 펌프실(18)로부터 아래쪽으로 연장하는 흡입로(13d)를 갖는다. 흡입로(13d)의 제1 단부는 중앙 하우징 부재(13)의 외면(하면)에 개구부를 갖는다. 흡입로(13d)의 제2 단부는 펌프실(18)과 연결된다. 또한 칸막이 벽(13a)은 펌프실(18)로부터 위쪽으로 연장하는 배출로(13e)를 갖는다. 배출로(13e)의 제1 단부는 펌프실(18)과 연결된다. 배출로(13e)의 제2 단부는 칸막이 벽(13a) 및 사이드 플레이트(17)에 의해 형성된 공간으로서, 사이드 플레이트(17)의 주변부 가장자리 위쪽에 위치한 공간에서 개방되어 있다.

도면 1a 내지 1c를 참조하면, 지지 블럭(25)은, 전술한 것처럼, 칸막이 벽(13a)과 후방 하우징 부재(15)에 의해 형성된 공간에 고정되어 있다. 스크롤 방식의 팽창부(40)는 지지 블럭(25) 및, 후방 하우징 부재(15)에 의해 형성된 공간에 배치되어 있다. 구동축(21)은 지지 블럭(25)을 관통하여 연장한다. O 링에 의해 형성된 축봉(28)은 지지 블럭(25)의 내주면에 장착된다. 상기 축봉(28)은 구동축(21)의 원주면과 지지 블럭(25)의 내주면 사이의 틈을 밀봉한다.

편심축(41)은 지지 블럭(25)를 통해 연장하는 구동축(21)의 말단부에 형성되고, 구동축(21)의 축(L)에 대하여 편심 위치에 위치한다. 상기 편심축(41)은 구동축(21)이 회전함에 따라 축(L)을 중심으로 회전한다. 부싱(42)은 편심축(41)에 고정되어 있고, 축(L)을 중심으로 편심축(41)과 일체로 회전한다. 부싱(42)은 가동 스크롤(44)을 베어링(43)을 통하여 회전 가능하게한다. 카운터웨이트(45; counterweight)는 부싱(42)에 고정되어 있다.

가동 스크롤(44)은 베어링(43)에 의해 지지되는 디스크 모양의 엔드 플레이트(44a)와, 엔드 플레이트(44a)으로부터 돌출된 와류부(44b)를 갖는다. 고정 스크롤(46)은 후방 하우징 부재(15)에 대응하는 지지 블럭(25)의 측에 고정되고, 가동 스크롤(44)과 대향한다. 고리모양의 플레이트(49)는 지지 블럭(25) 및 고정 스크롤(46)의 대향 단면(end surface)사이에 배치되어 있다.

가동 스크롤(44)은 지지 블럭(25)과 고정 스크롤(46) 사이에 배치되어 있고, 축(L)을 따라서 볼 때(축방향으로) 플레이트(49)에 대응하는 범위 내에서 선회한다. O 링에 의해 형성된 밀봉 부재(52)는 플레이트(49)와 마주보는 가동 스크롤(44)의 외주부의 단면에 배치되어 있다. 따라서 밀봉 부재(52)는 플레이트(49)와 가동 스크롤(44) 사이의 틈을 밀봉한다.

배압실(51)은 밀봉 부재(52)의 반경 방향 내측으로의 가동 스크롤(44)의 부분과, 지지 블럭(25)의 내면에 의하여 규정된 공간에 의해 형성된다. 배압실(51)은 가동 스크롤(44)에 배치된 밀봉 부재(52)와 지지 블럭(25)에 형성된 축봉(28)에, 의하여 기밀하게 밀봉되어 있다. 고정 스크롤(46)과 마주보는 면의 반대편에 있는 가동 스크롤(44)의 면(지지 블럭(25)과 마주보는 가동 스크롤(44)의 면), 즉 배압실(51)에서 노출되는 면이 가동 스크롤(44)의 이면(44c)이다.

고정 스크롤(46)은 디스크 모양의 엔드 플레이트(46a)와, 가동 스크롤 쪽을 향하여 엔드 플래이트(46a)로부터 돌출된 와류부(46b)를 일체로 포함한다. 가동 스크롤(44)의 와류부(44b)와 고정 스크롤(46)의 와류부(46b)는 서로 맞물려 있고, 이에 따라 부피가 가변적인 팽창실(47)이 가동 스크롤(44)과 고정 스크롤(46)사이에 형성된다.

흡입구멍(46c)은 고정 스크롤(46)의 엔드 플레이트(46a)의 중앙 부분에 형성된다. 흡입실(48)은 엔트 플레이트(46a)와 후방 하우징 부재(15)에 의해 규정된 공간에 형성된다. 흡입실(48)은 팽창 전에 흡입구멍(46c)을 통하여 팽창실(47)과 연통(communication)한다. 흡입실(48)과 연통하는 흡입구(15a)는, 후방 하우징 부재(15)에 형성된다. 토출실(50)은 고정 스크롤(46)의 내주면과, 가동 스크롤(44)의 와류부(44b)의 가장 바깥쪽 외주면 사이의 공간에, 그리고 흡입실(48)의 외주부에 가까운 부분에 형성된다. 토출실(50)과 연통하는 토출구(13g)는 중앙 하우징 부재(13)에 형성된다.

복합 유체 기계(11)는 중앙 하우징 부재(13)의 내면, 사이드 플레이트(17), 및 지지 블럭(25)에 의해 형성되는 유지부(53)를 구비한다. 유지부(53)는 구동축(21) 주위에 고리 모양으로 형성된다. 유지부(53)는 칸막이 벽(13a)에 형성된 배출로(13e)를 통하여 펌프실(18)에 연결된다. 따라서, 펌프실(18)로부터 토출로(13e)로 펌핑되어진 고압의 작동 유체는 배출로(13e)를 통하여 유지부(53)로 보내진다. 이는 배압실(51)의 압력과 비교하여 유지부(53) 내의 압력을 올린다. 즉, 유지부(53)는 고압 지역이다. 유지부(53)와 연통하는 배출구멍(13h)은, 중앙 하우징 부재(13)의 상부에 형성된다. 유지부(53)에 있는 작동 유체는 배출구멍(13h)을 통하여, 이후에 기술될 랭킹 사이클 장치(60)에 있는 열교환기(62)로 도입된다.

복합 유체 기계(11)가 조입(incorporation)되는 랭킹 사이클 장치(60)를 설명한다. 도 1a에서 나타내는 것처럼, 유지부(53)와 연통하는 배출구멍(13h)은 제 1통로(60a)를 통하여 열교환기(62)의 열 흡수부(62a)와 연결된다. 열교환기(62)는 열흡수부(62a)에 더하여 열방출부(62b)를 갖는다. 열 방출부(62b)는 폐열원 역할을 하는 엔진(64)에 연결된 냉각수 순환 통로(65)에 배치된다. 라디에이터(65a)는 냉각수 순환 통로(65)에 형성된다. 배기 열원 역할을 하는, 엔진(64)으로부터 보내진 유체인 냉각수는, 냉각수 순환 통로(65)를 순환한다.

열교환기(62)의 열 흡수부(62a) 출구쪽은 제2 통로(60c)를 통해서 팽창부(40)의 흡입구(15a)와 연결되어 있다. 팽창부(40)의 배출구(13g)는 제3 통로(60d)를 통하여 컨덴서(61)와 연결되어 있다. 컨덴서(61)의 출구 쪽은 제4 통로(60e)를 통하여 기어 펌프(30)의 흡입로(13d)와 연결되어 있다.

랭킹 사이클 장치(60)에서 전력은, 모터 제너레이터(20)가 모터로서 작동되도록 배터리(23)로부터 인버터(22)를 통하여 모터 제너레이터(20)로 공급되며, 이에 따라 기어 펌프(30)가 작동한다. 상기 기어펌프(30)는 배출로(13e), 유지부(53), 및 배출구멍(13h)을 통하여 작동 유체를 보낸다. 그러면 작동 유체는 제1 통로(60a)를 통하여 열교환기(62)로 들어간다. 제1 실시형태에서, 배출로(13e), 유지부(53), 및 배출구멍(13h)은 메인 통로를 형성하며, 이를 통하여 작동 유체는 기어펌프(30)로부터 열 교환기(62)로 보내진다.

열교환기(62)는, 작동 유체가 엔진(64)으로부터의 폐열에 의해 가열되어 열에너지를 받도록, 열흡수부(62a)와 열방출부(62b)사이의 열교환을 일으킨다. 가열된 고온, 고압의 작동 유체는 제2 통로(60c)를 통하여 흐르고, 흡입구(15a)를 통하여 팽창부(40)의 팽창실(47)에 들어간다. 이에 따라, 작동 유체는 팽창되어, 팽창부(40)가 기계적 에너지(구동력)를 생산하게 한다. 상기 구동력은 가동 스크롤(44)을 선회시킨다. 모터 제너레이터(20)의 구동축(21)이 회전함에 따라, 기어펌프(30)가 작동된다.

상기 단계에서, 엔진(64)으로부터 막대한 양의 폐열이 공급되고 팽창부(40)에 의하여 막대한 양의 기계적 에너지가 발생된다면, 구동축(21)은 소정 속도를 초과하는 속도로 회전하게 된다. 이런 경우라면, 모터 제너레이터(20)는 구동축(21)의 회전속도를 감소시키는 제너레이터로서 기능한다. 과도한 회전 속도에 대응하는 기계적 에너지의 과잉은 전기 에너지로 변환되고, 인버터(22)를 통하여 배터리(23)에 충전된다.

감소된 압력과 고온하에 있는 팽창된 작동 유체는, 토출실(50)로 보내지고, 토출구(13g)를 통하여 제3 통로로 도입된다. 그러면 작동 유체는 콘덴서(61)에서 액화되고, 제4 통로(60e)를 통하여 흡입로(13d)로부터 펌프실(18)로 보내진다. 기어펌프(30)는 팽창부(40)에 의해 발생된 기계적 에너지에 의하여 작동되며, 이에 따라 펌프실(18)로부터 배출로(13e)를 통하여 유지부(53)로 작동 유체가 보내진다.

유지부(53)가 작동 유체로 가득찬 후에, 넘쳐흐르는 작동 유체는 배출구멍(13h)을 통해 제1 통로(60a)로 흘러들어가며, 제1 통로(60a)를 통하여 열교환기(62)로 보내진다. 그 뒤에, 전술한 것처럼, 작동 유체는 팽창부(40), 컨덴서(61), 기어 펌프(30)에 흘러간다. 엔진(64)이 작동되는 동안, 작동 유체는 랭킹 사이클 장치(60)를 순환하게 된다.

다음에는, 고정 스크롤(46)에 대하여 가동 스크롤(44)을 가압하기 위해 기어펌프(30)에 의해 펌핑된 작동 유체를 배압실(51)로 도입하기 위한 유입 기구를 설명한다.

도 1a 및 1b에서 나타내는 것처럼, 유입 기구의 역할을 하는 주입로(54)는 지지블럭(25)에 형성된다. 주입로(54)는 작동 유체를, 기어펌프(30)의 출구쪽과 열교환기(62)의 입구 사이의 고압지역(유지부(53))으로부터 배압실(51)로 도입한다. 주입로(54)는 작동 유체가 기어펌프(30)로부터 열교환기(62)로 보내지는 메인 통로(배출로(13e), 유지부(53) 및, 배출구멍(13h))로부터 분기된다.

필터(55)는 유지부(53)에 대응하는 쪽의 주입로(54)의 개구 단부에 고정된다. 필터(55)는 유지부(53)로부터 배압실(51)까지 보내진 작동 유체의 불순물을 제거한다. 주입로(54)에는, 필터(55)와 배압실(51) 사이의 위치에 제한 플레이트(56)가 고정되어 있다. 제한 플레이트(56)는 주입로(54)의 직경을 감소시키는(제한하는) 제한 구멍(56a)을 갖는다.

도 1c를 참조하면, 고정 스크롤(46)은 유출로(57)을 가지며, 상기 유출로(57)는 가동 스크롤(44)의 외주에 대응하는 쪽에 있는 배출실(50)의 바깥쪽 위치에 배치되어있다. 유출로(57)의 제1 단부는 플레이트(49)에 형성된 연통 구멍(49a)을 통하여 배압실(51)로 연결된다. 유출로(57)의 제2 단부는 흡입실(48)의 외주에 가까운 전술한 부분에 있는 토출실(50)에 연결된다. 토출실(50)은 팽창실(47)에서 팽창된 낮은 압력의 작동 유체를 받기 위한 영역이다. 그 결과, 토출실(50)의 압력은 배압실(51)의 압력보다 낮다. 이에 따라, 토출실(50)은 저압 영역이다.

유출로(57)에서, 밸브 시트(57a)는 플레이트(49)로부터 토출실(50)쪽으로 연장하는 방향을 따라, 유출로(57)의 직경을 늘려 형성되는 스텝에 의해 구성된다. 스프링 시트(58)는 유출로(57)에 고정되어 있고, 압축된 상태로 있는 코일 스프링(59)의 제1 단부를 지지한다. 탈출로(58a)는 스프링 시트(58)에 형성되고, 코일 스프링(59)과 마주보는 스프링 시트(58)쪽의 공간과 토출실(50)과 마주보는 스프링 시트(58)쪽의 공간 사이를 연통하게 한다. 볼 밸브(59a)는 코일 스프링(59)의 제 2단부에 고정된다. 코일 스프링(59)이 신장하거나 수축됨에 따라, 볼 밸브(59a)는 밸브 시트(57a)와 접촉되거나 분리된다.

코일 스프링(59)의 가압력(urging force)은, 배압실(51)의 압력이 소정의 값을 초과할 때 코일 스프링(59)이 수축되도록 설정된다. 코일 스프링(59)이 작동하여 볼 밸브(59a)가 밸브 시트(57a)와 선택적으로 접촉하고 분리됨에 따라, 배압실(51)과 토출실(50)의 압력차이가 소정의 적정 값으로 조정된다. 구체적으로, 배압실(51)의 압력이 소정의 값을 초과하고 배압실(51)과 토출실(50)의 압력차이가 소정의 적정 값보다 높게되면, 배압실(51)의 압력을 감소시키기 위하여 볼 밸브(59a)는 밸브 시트(57a)로부터 분리되며, 이에 따라 압력차가 줄어든다. 이 단계에서, 배압실(51)로부터 유출로(57)로 보내진 작동 유체는 탈출로(58a)를 통하여 토출실(50)로 도입된다.

대조적으로, 배압실(51)의 압력이 소정의 값보다 낮고, 이에 대응하여 배압실(51)과 토출실(50)의 압력차이가 소정의 적정 값보다 낮게되면, 볼 밸브(59a)는 배압실(51)의 압력을 상승시키기 위하여 밸브 시트(57a)상에 놓이게 되며, 이에 따라 압력차이가 증가한다. 그런 이유로, 제1 실시형태에서는, 밸브 시트(57a), 코일 스프링(59), 볼 밸브(59a) 및, 스프링 시트(58)가 출구 쪽의 압력차 조정 기구(70)를 구성한다.

복합 유체 기계(11)가 조입된 랭킹 사이클 장치(60)의 작동을 이하에서 설명한다. 랭킹 사이클 장치(60)에서 유지부(53)는 고압의 작동 유체를 보유한다. 유지부(53)는 주입로(54)를 통하여 배압실(51)과 연통한다. 주입로(54)에 있는 제한 구멍(56a)은 유지부(53)에서 배압실(51)로 작동 유체를 주입한다. 다시 말해서, 배압실(51)은, 열교환기(62)로 보내지기 전의 작동 유체를, 즉 구체적으로는 열교환기(62)로부터 열에너지를 받기 전의 작동 유체를 받는다.

고압의 작동 유체가 배압실(51)로 도입됨에 따라, 가동 스크롤(44)의 엔드 플레이트(44a)의 이면(44c)에 배압이 적용된다. 이는 축방향으로 고정 스크롤(46)을 향하여 가동 스크롤(44)을 가압하고, 이에 따라 가동 스크롤(44)의 엔트 플레이트(44a)가 고정 스크롤(46)의 와류부(46b)의 말단부를 향하여 가압되고, 가동 스크롤(44)의 와류부(44b)의 말단부가 고정 스크롤(46)의 엔드 플레이트(46a)를 향하여 가압된다. 이는 작동 유체가 팽창실(47)로부터 누설되는 것을 방지하고, 팽창실(47)에서 작동 유체가 효율적으로 팽창하는 것을 가능하게 하여, 팽창실(47)의 밀봉성을 개선한다.

작동 유체가 배압실(51)로 흘러 들어감에 따라, 이면(44c)에 작용하는 배압은 달라진다. 그러나 배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력 차이는 출구 쪽의 압력차 조정 기구(70)에 의하여 전술한 적정한 값으로 조정된다. 이로 인해 배압이 적당하게 조정되고, 이에 따라 고정 스크롤(46)을 향해 가동 스크롤(44) 가압되는 힘이 안정화된다.

제1 실시 형태는 이하에 기술하는 장점을 갖는다.

(1) 배압실(51)은 팽창부(40)에서 가동 스크롤(44)의 이면(44c)과 마주본다. 배압실(51)은 기어펌프(30)의 출구 쪽과 열교환기(62)의 입구 사이의 고압 지역으로부터 작동 유체를 받는다. 이는 이면(44c)에 작용하는 배압을 증가시키며, 이에 따라 고정 스크롤(46)을 향하여 가동 스크롤(44)이 가압되어, 팽창실(47)의 밀봉성이 개선된다. 구체적으로 작동 유체는 열에너지를 받기 위하여 열교환기(62)로 보내지기 전에, 배압을 생성하기 위하여 배압실(51)로 도입된다. 작동 유체는 열교환기(62)에서 열에너지를 받은 후에는 배압실(51)로 보내지지 않는다. 그런 이유로 열교환기(62)에서 작동 유체로 전달된 열에너지는 배압을 생성하기 위해 소비되는 것이 방지되지만 팽창부(40)에서 기계적 에너지로 변환된다. 이는 열에너지를 갖는 작동 유체가 배압을 발생시키는데 이용되는 것과 달리, 열에너지에서 기계적 에너지로의 전환시에 손실을 방지한다. 그 결과, 배압을 통하여 팽창실(47)의 밀봉성이 향상되지만, 기계적 에너지 발생 효율이 감소되는 것을 방지할 수 있다.

(2) 랭킹 사이클 장치(60)는, 하우징(12)에 수용된 기어 펌프(30) 및 팽창부(40)를 구비한 복합 유체 기계(11)가 조입된다. 주입로(54)는 하우징(12)에 형성되고, 고압의 작동 유체가 주입로(54)를 통하여 배압실(51)로 보내어진다. 예를 들면, 이는 기어 펌프(30) 및 팽창실(40)이 서로 별도로 배치되고, 작동 유체가 하우징(12) 외부의 파이프를 통하여 기어 펌프(30)로부터 배압실(51)로 도입되는 경우와 비교하여, 관(piping)의 양을 줄일 수 있다. 그 결과, 랭킹 사이클 장치(60)을 설치하기 위한 공간이 감소된다.

(3) 기어 펌프(30) 및 팽창부(40)는, 랭킹 사이클 장치(60)에 조입되는 복합한 유체기계(11)의 하우징(12)에 수용된다. 기어 펌프(30) 및 팽창부(40)는 하우징(12)내에서 평행하게 배열되고, 복합 유체 기계(11)의 축방향으로 인접하게 위치한다. 그런 이유로, 모터 제너레이터(20)는 기어 펌프(30)와 팽창부(40) 사이에 배치되지 않기 때문에, 기어 펌프(30), 모터 제너레이터(20) 및, 팽창부(40)가 복합 유체 기계(11)의 축방향으로 이 순서대로 순차적으로 배열된 경우와 비교하여, 기어 펌프(30)와 팽창부(40) 사이의 거리는 짧아진다. 이에 대응하여 주입로(54)의 길이는 감소되고, 이에 따라 작동 유체가 기어 펌프(30)로부터 배압실(51)로 급격히 흘러 갈 수 있게 된다.

(4) 배압실(51)은 유출로(57)를 통하여, 배압실(51)보다 압력이 낮은 토출실(50)과 연통하고 있다. 밸브 시트(57a), 코일 스프링(59), 볼 밸브(59a) 및, 스프링 시트(58)는 출구 쪽의 압력차 조정 기구(70)로서 유출로(57)에 배치된다. 볼 밸브(59a)와 밸브 시트(57a) 사이의 선택적인 접촉과 분리를 통하여, 배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력 차이가 적정한 값으로 조정된다. 이는 고정 스크롤(46)을 향하여 가동 스크롤(44)을 가압하는 힘을 안정시킨다.

(5) 제한 플레이트(56)는 주입로(54)에 배치되고, 더 작은 직경을 갖는 제한 구멍(56a)이 제한 플레이트(56)에 형성된다. 작동 유체는, 기어 펌프(30)의 출구 쪽과 열교환기(62)의 입구 사이의 고압 영역으로부터 배압실(51)로 주입로(54)를 통하여 도입된다. 필터(55)는 주입로(54)에 설치된다. 필터(55)는 작동 유체의 불순물을 제거하여, 불순물에 의하여 제한 구멍(56a)이 막히는 것이 방지된다.

(6) 하우징(12)은 기어 펌프(30)로 부터 펌핑된 작동 유체를 저장하는 유지부(53)를 갖는다. 유지부(53)로부터 열교환기(62)로 작동 유체가 통해가는 배출구멍(13h)은 하우징(12)에 형성된다. 유지부(53)는 작동 유체가 기어 펌프(30)로부터 열교환기(62)로 흘러가는 메인 통로의 일 부분을 형성한다. 유지부(53)(메인 통로)로부터 분기되는 주입로(54)는 유지부(53)와 마주보는 지지 블럭(25)에 형성된다. 주입로(54)는 고압의 작동 유체를 배압실(51)로 보낸다. 필터(55)는 주입로(54)에 배치된다. 구체적으로 작동 유체는 유지부(53)(메인 통로)를 통하여 흘러, 열교환기(62)에 도착한다. 즉, 작동 유체에 포함된 이물질의 대부분은 메인 통로에서의 작동 유체의 흐름에 의하여 열교환기(62)로 보내진다. 이는 실질적으로 주입로(54)에 이물질이 들어가는 것을 방지하여, 이에 따라 필터(55)가 작은 면적을 갖는 것을 가능하게 한다. 즉, 필터(55)가 크기에 있어서 감소된다.

(7) 배압실(51)의 고압의 작동 유체에 의해 생성되는 배압은 가동 스크롤(44)의 이면(44c)에 작용하고, 이에 따라 고정 스크롤(46)을 향하여 가동 스크롤(44)이 가압된다. 출구 쪽 압력차 조정 기구(70)는 배압을 적절하게 조정한다. 그런 이유로 가동 스크롤(44)의 가압력은 가압 스프링과 같은 기계 구조를 이용하는 경우와 비교하여 안정된다. 이는 가동 스크롤(44)에 의해 고정 스크롤(46)에 적용되는 불충분한 가압력으로 인한 작동 유체의 누설 손실과, 과도한 가압력으로 인한 기계적 손실을 감소시킨다.

(제2 실시형태)

본 발명의 제2 실시형태를 도 3을 참조하여 설명한다. 제1 실시형태의 대응 구성요소와 동일하거나 유사한 제2 실시형태의 구성요소에 동일하거나 유사한 참조 번호가 부여된다. 이들 구성요소들의 반복되는 설명은 여기에서는 간략하게 하거나 생락된다. 제1 실시형태와 달리 제2 실시형태는 주입 기구를 구성하는 주입로(54)를 갖지 않는다.

도 3에 나타내는 것처럼, 복합 유체 기계(71)의 하우징(72)은 관형 중앙 하우징 부재(73), 사이드 플레이트(74), 전방 하우징 부재(75) 및, 후방 하우징 부재(76)를 갖는다. 사이드 플레이트(74)는 중앙 하우징 부재(73)의 제1 단부(도 3에서 볼 때 좌측)와 연결된다. 전방 하우징 부재(75)는 사이드 플레이트(74)에 연결된다. 후방 하우징 부재(76)는 중앙 하우징 부재(73)의 제2 단부(도 3에서 볼 때 우측)와 연결된다. 지지 블럭(25)안 중앙 하우징 부재(73)에 고정된다. 팽창부(40)는 지지블럭(25)과 후방 하우징 부재(76)에 의해 형성된 공간에 수용된다. 중앙 하우징 부재(73)는 모터 제너레이터(20)를 수용한다.

구동축(21)의 주위에 배치되는 원형의 오목부(74a)는, 전방 하우징 부재(75)와 마주보는 사이드 플레이트(74)의 면에 형성된다. 전방 하우징 부재(75)는 오목부(74a)를 막기 위해 상기 면에 연결된다. 이는 사이드 플레이트(74)와 전방 하우징 부재(75) 사이에 펌프실(77)을 형성한다. 펌프실(77)은 구동축(21)에 장착되는 구동기어(80)와 피동기어(표시되지 않음)를 수용한다. 구동기어(80)와 피동기어는 서로 맞물려진다. 펌프실(77), 피동기어, 및 구동기어(80)는 기어 펌프(90)를 구성한다. 제2 실시형태의 복합 유체 기계(71)에서, 기어 펌프(90), 모터 제너레이터(20) 및, 팽창부(40)는 축방향을 따라 이 순서로 순차적으로 배열된다.

펌프실(77)로부터 아래방향으로 연장하는 흡입로(74b)는 사이드 플레이트(74)에 형성된다. 흡입로(74b)의 제1 단부(도 3에서 볼 때 하단부)는 사이드 플레이트(74)의 외주에 개구부를 갖는다. 흡입로(74b)의 제2 단부는 펌프실(77)과 연결된다. 펌프실(77)로부터 위쪽으로 연장하는 배출로(74c)는 사이드 플레이트(74)에 형성된다. 배출로(74c)의 제1 단부는 펌프실(77)과 연결되고, 배출로(74c)의 제2 단부는 사이드 플레이트(74)의 외주에 개구부를 갖는다. 흡입로(74b)는 제4 통로(60e)를 통하여 컨덴서(61)와 연통한다. 배출로(74c)는 제1 통로(60a)를 통하여 열교환기(62)의 열 흡수부(62a)와 연통한다.

제1 연통로(82)는 사이드 플레이트(74) 및 중앙 하우징 부재(73)에서 연장된다. 제1 연통로(82)는 기어 펌프(90)의 출구 쪽과 열교환기(62)의 입구 사이의 공간의 일부인 배출로(74c)에 연결된다. 제2 연통로(83)는 지지블럭(25)에 형성된다. 제1 연통로(82)는 제2 연통로(83)를 통하여 배압실(51)과 연통한다. 고압의 작동 유체는 기어 펌프(90)의 출구 인근으로부터 배압실(51)로 제1 연통로(82) 및 제2 연통로(83)를 통하여 도입된다. 그런 이유로, 제2 실시형태에서 제1 연통로(82) 및 제2 연통로(83)는, 기어 펌프(90)의 출구 쪽과 열교환기(62)의 입구 사이의 고압 영역으로부터 배압실(51)로 작동 유체를 도입하는 유입 기구를 구성한다. 도면에 나타나지 않은 필터는 제1 연통로(82) 또는 제2 연통로(83)에 배치된다.

제2 실시형태는, 제1 실시형태의 (1), (2), (4), (6), (7)의 장점에 더하여 이하의 장점을 갖는다.

(8) 기어 펌프(90) 및 팽창부(40)를 일체로 구비하는 복합 유체 기계(71)가 랭킹 사이클 장치(60)에 조입된다. 기어 펌프(90), 모터 제너레이터(20) 및, 팽창부(40)는 복합 유체 기계(71)의 축 방향을 따라 이 순서로 순차적으로 배열된다. 제1 연통로(82)는 하우징(72)의 벽에 형성되고, 제2 연통로(83)는 지지블럭(25)에서 연장된다. 기어 펌프(90)는 제1 연통로(82) 및 제2 연통로(83)를 통하여 배압실(51)에 연결된다. 그 결과, 모터 제너레이터(20)가 기어펌프(90)와 팽창실(40) 사이에 배치되지만, 기어 펌프(90)에 의해 펌핑된 작동유체는 배압실(51)로 도입된다.

(제3 실시형태)

본 발명의 제3 실시형태를 도 4를 참조하여 설명한다. 제1 실시형태의 대응구성요소와 동일하거나 유사한 제3 실시형태의 구성요소에 동일하거나 유사한 참조 번호가 부여된다. 이들 구성요소들의 반복되는 설명은 여기에서는 간략하게 하거나 생락된다. 제1 실시형태와 달리, 제3 실시형태는 주입 기구를 구성하는 주입로(54)없이 구성된다.

도 4에 나타내는 것처럼, 복합 유체 기계(91)에서는, 제1 실시형태에서의 축봉(28)이 O 링에 의해 형성된 것에 대신하여, V 패킹에 의해 형성된 축봉(93)이 지지블럭(25)의 내주면에 설치된다. 축봉(93)은, 구동축(21)의 외주면과 지지블럭(25)의 내주면 사이의 틈을 밀봉한다. O 링에 의해 형성된 밀봉 부재(94)는 구동축(21)을 둘러싸기 위하여 사이드 플레이트(17)와 지지블럭(25)의 말단부 사이의 틈에 배치된다. 밀봉 부재(94)는 지지블럭(25)과 사이드 플레이트(17) 사이의 틈을 밀봉한다. 제3 실시형태에서 배출로(13e)는 유지부(53)과 연통하지 않고 중앙 하우징 부재(13)의 외면에 개구부를 갖는다.

기어펌프(30)의 출구 쪽(배출로(13e)에 대응하는 쪽)에서, 구동축(21) 인근의 압력은, 흡입로(13d)에 대응하는 쪽의 저압과 배출로(13e)에 대응하는 쪽의 고압 사이의 중간압보다 조금 높으며, 배압실(51)의 압력보다 높다. 이는 구동축(21)의 인근에 있는 작동 유체를 기어펌프(30)에서 배압실(51)로 흐르도록 가압한다. 구체적으로, 구동축(21)에 대한 축봉(93)의 밀봉력은 구동축(21)을 따라 기어펌프(30)에서 배압실(51)로 작동 유체가 새는 것을 가능하게 위해서 적당한 값으로 설정된다. 이로 인해 구동축(21)을 따라 기어 펌프(30)에서의 구동축(21)의 인근에서부터 배압실(51)로 작동 유체가 보내진다. 작동 유체는 배압실(51)로 흘러가는 작동 유체에 의하여 생산되는 배압을 증가시킨다. 그런 이유로, 제3 실시형태에서, 구동축(21) 및 축봉(93)은 기어 펌프(30)의 출구쪽과 열교환기(62)의 입구 사이의 고압 영역으로부터 배압실(51)로 작동 유체를 도입하기 위한 유입 기구를 구성한다.

제3 실시형태는, 제1 실시형태의 (1), (2), (3), (4) 및 (7)의 장점과 동일한 장점에 더하여 이하의 장점을 갖는다.

(9) 작동 유체는 기어펌프(30)에서의 구동축(21) 인근으로부터 배압실(51)로 구동축(21)을 따라 도입된다. 이로 인해, 주입로가 하우징(12) 또는 지지블럭(25)에 형성되어 기어펌프(30)로부터 배압실(51)로 고압의 작동 유체를 보내는 경우와 비교하여 유입 기구의 구성이 단순화된다.

(제4 실시형태)

본 발명의 제4 실시형태를 도 5 및, 도 6a 내지 6c를 참조하여 설명한다. 제1 실시형태의 복합 유체 기계(11)의 대응 구성요소와 동일하거나 유사한 제4 실시형태의 대응 구성요소에는 동일하거나 유사한 참조 번호가 부여된다. 이들 구성요소들의 반복되는 설명은 여기에서는 간략하게 하거나 생락된다. 제1 실시형태와 달리, 제4 실시형태는 유입 기구를 구성하는 주입로(54)를 포함하지 않는다.

도 5 및 6a에 나타내는 것처럼, 공급로(100)는 지지블럭(25)를 통하여 지지블럭(25)의 두께방향(축 방향)으로 연장한다. 공급로(100)의 제1 단부는 유지부(53)에 대향하는 개구부를 갖는다. 공급로(100)의 제2 단부는 플레이트(49)에 개구부를 갖는다. 도 6a 및 6c를 참조하면, 플레이트(49)는, 플레이트(49) 원주의 절반을 커버하도록 플레이트(49)의 원주방향으로 형성되며, 플레이트(49)를 관통하여 플레이트(49)의 두께방향(축방향)으로 연장하는 증발로(49b)를 갖는다. 플레이트(49)는 지지 블럭(25)과 고정 스크롤(46)의 대향 단면 사이에 배치된다. 이에 따라 상기 대향면은 증발로(49b)를 봉쇄한다.

증발로(49b)의 제1 단부는 공급로(100)의 제2 단부와 연결된다. 증발로(49b)의 제2 단부는 배압실(51)과 연결된다. 이는 유지부(53)와 배압실(51) 사이를, 공급로(100) 및 증발로(49b)를 통하여 연결되게 한다. 제4 실시형태에서, 공급로(100)와 증발로(49b)는 유입기구 역할을 하는 주입로를 구성한다.

유지부(53) 내의 고압의 작동 유체(액체)는, 유지부(53)와 배압실(51) 사이의 압력차를 통하여 공급로(100)에 의하여 통제되며, 증발로(49b)에 공급된다. 증발로(49b)를 형성하는 고정 스크롤(46)은 팽창부(40)에서 팽창된 가열된 작동 유체에 의해 가열된다. 그 결과, 증발로(49b)를 흐르는 액상의 작동 유체는 증발로(49b)를 흐를때 작동 유체와 고정 스크롤(46) 사이의 열교환을 통하여 가열되고, 기화된다. 그런 이유로, 제4 실시형태에서, 고정 스크롤(46)은 팽창부(40)의 출구쪽의 작동 유체와 액화된 작동 유체 사이의 열교환을 일으키는 열교환부로서 기능한다. 이에 따라, 배압실(51)은 기화된 작동 유체를 받는다.

제4 실시형태는, 제1 실시형태의 (1) 내지 (4) 및 (7)의 장점과 동일한 장점에 더하여 이하의 장점을 갖는다.

(10) 유지부(53) 내의 액화된 작동 유체는, 지지 블럭(25)에 형성된 공급로(100)와, 플레이트(49)에 형성된 증발로(49b)를 통하여 배압실(51)로 공급된다. 플레이트(49)는 열에 의해 고정 스크롤(46)에 결합된다. 이는 작동 유체가 증발로(49b)를 흐를 때, 고정 스크롤(46)의 열을 통하여 작동 유체가 기화되는 것을 가능하게 한다. 이에 따라, 배압실(51)은 기화된 작동 유체를 받는다. 이로 인해, 배압실(51)에서 카운터웨이트(45) 및 편심축(41)이 회전할 때, 카운터웨이트(45) 및 편심축(41)에 작용하는 작동 유체로부터의 저항이, 배압실(51)이 액화된 작동 유체를 받는 경우와 비교해서 감소된다.

(11) 플레이트(49)는 플레이트(49)의 원주의 절반을 커버하도록 플레이트(49)의 원주 방향으로 연장되는 증발로(49b)를 갖는다. 증발로(49b)를 통하여 통과할 때, 작동 유체는 가동 스크롤(44)을 향하여 플레이트(49)를 가압하며, 이에 따라 가동 스크롤(44)이 고정 스크롤(46)에 대하여 가압된다. 그 결과, 플레이트(49)를 통하여 적용되는 작동 유체의 가압력이, 배압실(51)로 작동 유체가 도입됨에 따라 생성되는 배압과 조합함으로써, 가동 스크롤(44)이 고정 스크롤(46)을 향하여 더 강하게 가압된다.

(12) 증발로(49b)는 유지부(53)에 보유된 액화 작동 유체를 기화시키기 위하여 플레이트(49)에 형성된다. 구체적으로, 플레이트(49)를 이용하여, 배압을 통해 가동 스크롤(44)에 고정 스크롤(46)을 향해 가압된다. 플레이트(49)의 재료는 가동 스크롤(44)의 단면에 대한 플레이트(49)의 슬라이딩 성능을 개선할 수 있는 것으로 선택될 수 있다. 플레이트(49)는 금속 판이기 때문에, 증발로(49b)가 지지블럭(25) 또는 고정 스크롤(46)에 형성된 경우와 비교하여, 증발로(49b)가 쉽게 형성된다.

(13) 유지부(53)내의 액체 형태의 작동 유체는 고정 스크롤(46)과의 열교환을 통하여 기화된다. 고정 스크롤(46)은 엔진(64)에 의해 가열된 고온의 작동 유체를 통하여 가열된다. 그 결과, 추가적인 구성요소를 채용하지 않고, 팽창부(40)의 일부분인 고정 스크롤(46)을 이용하여 작동 유체가 기화된다.

(제5 실시형태)

본 발명의 제5 실시형태를, 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한다. 제1 실시형태의 대응 구성요소와 동일하거나 유사한 제5 실시형태의 구성요소에는 동일하거나 유사한 도면 부호가 부여된다. 이들 구성요소들의 반복되는 설명은 여기에서는 간략하게 하거나 생락된다. 제1 실시형태와 달리, 제5 실시형태는 유입기구를 구성하는 주입로(54)없이 구성된다.

도 7a 및 도 7b에 나타내는 것처럼, 지지블럭(25)은 플레이트(49)와 마주보는 디스크 모양의 제1 압입부(press-fitting portion; 25a)와, 제1 압입부(25a)보다 기어 펌프(30)에 더 가깝게 배치되고 제1 압입부(25a)보다 직경이 작은 제2 압입부(25b)를 포함한다. 팽창부(40)로부터 작동 유체가 공급되는 고리모양의 공급공간(25c)은 플레이트(49)에 대향하는 제1 압입부(25a)의 단면(기어 펌프(30)에 상응하는 쪽)에 형성된다. 공급 공간(25c)의 개구 단부에 지지면(25d)이 형성된다. 도 7c를 참조하면, 공급 공간(25c) 및 토출실(50)에 연결되는 공급로(102)가 중앙 하우징 부재(13)에 형성된다. 공급 공간(25c)은 공급로(102)를 통하여 팽창되고 가열된 작동 유체를 받는다.

도 7b 및 7c에 나타내는 것처럼, 중앙 하우징 부재(13)는 제1 압입부(25a)의 외주면과 마주보는 제1 벽부(131)를 갖는다. 팽창부(40)는 제1 벽부(131)의 반경 방향 내측에 배치된다. 중앙 하우징 부재(13)는 제1 벽부(131)보다 직경이 작으며, 제1 벽부(131)보다 기어 펌프(30)에 더 가깝게 위치한 제2 벽부(132)를 갖는다. 제1 환형 단차부(annular step; 133)는 제1 벽부(131)와 제2 벽부(132) 사이의 내경 차이를 이용하여, 중앙 하우징 부재(13)의 내주면에 형성된다. 또한, 중앙 하우징 부재(13)는 제2 벽부(132)보다 기어 펌프(30)에 더 가깝게 배치되며, 제2 벽부(132)의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 제3 벽부(134)를 포함한다. 제2 환형 단차부(135)는 제2 벽부(132)와 제3 벽부(134) 사이의 내경 차이를 이용하여 중앙 하우징 부재(13)의 내주면에 형성된다.

제1 압입부(25a)는 제1 벽부(131)에서 압입(press fitting)되고, 제2 압입부(25b)는 제3 벽부(134)에서 압입된다. 열교환부의 열교환 부재 역할을 하는 열교환 플레이트(101)의 외주부는 지지블럭(25)의 지지면(25d)과 중앙 하우징 부재(13)의 제1 환형 단차부(133) 사이에 배열된다. 열교환 플레이트(101)에는 방사상으로 골판지 모양을 가진 열교환부재핀(101a)이 형성된다.

고리모양의 주입 공간(103)은, 제2 압입부(25b)의 외주면, 제2 벽부(132)의 내주면, 제2 환형 단자부(135) 및, 열교환 플레이트(101)로 규정된 공간에 형성된다. 주입 공간(103)은 지지 블럭(25)의 지지공간(25c)의 반대편에 위치한다.

도 7c를 참조하면, 유지부(53) 및 주입공간(103)을 연결하는 제1 주입로(104)은 중앙 하우징 부재(13)에 형성된다. 도 7B에 나타내는 것처럼, 주입공간(103) 및 배압실(51)에 연결되는 제2 주입로(108)는 지지블럭(25)에 형성된다. 이에 따라, 유지부(53)는 제1 주입로(104), 주입공간(103), 및 제2 주입로(108)를 통해서 배압실(51)과 연통한다. 이러한 이유로 제5 실시형태에서는, 제1 주입로(104), 주입공간(103), 및 제2 주입로(108)가 주입 기구 역할을 하는 주입로를 구성한다.

배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력차를 조절하기 위한 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)는 제1 주입로(104)에 형성된다. 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)는 외부 제어 밸브로 구성되어 있고, 제1 주입로(104)에 설치된 제어밸브와, 제어 밸브와 신호로 연결된 컨트롤러를 포함한다. 배압실(51)의 압력과, 토출실(50) (저압 영역)의 압력은 압력센서에 의하여 각각 검지된다. 컨트롤러는 전술한 압력차이를, 압력센서에 의해 검지된 배압실(51)의 압력 및 토출실(50)의 압력에 근거하여 제어밸브의 개방 정도를 조정하여 조절한다.

이러한 방법으로, 배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력차이는 적정 값으로 조정된다. 다시 말해서, 배압실(51)의 압력이 정해진 값을 초과하고, 적절한 검지기구가 소정의 적정 값보다 더 높은 압력차이를 검지하는 경우, 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)는 제1 주입구(104)의 제한 양을 증가시키고, 이에 따라 제1 주입로(104)가 제한된다. 이로 인해, 배압실(51)의 압력을 낮추기 위하여 배압실(51)로 도입되는 작동 유체가 감소되고, 이에 따라 압력차가 감소된다.

이와 반대로, 배압실(51)의 압력이 소정의 값 아래로 떨어지고 압력 차이가 소정의 적정 값보다 더 작은 값으로 감소하는 경우, 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)는 제1 주입로(104)의 제한 양을 감소시킨다. 이로 인해, 배압실(51)의 압력을 상승시키기 위해서 배압실(51)로 배출되는 작동 유체가 증가되고, 이에 따라 압력차가 증가된다.

유지부(53) 내의 고압의 작동 유체(액체)는 제1 주입로(104)의 입구 쪽 압력차 조정 기구에 의하여 제한되며, 주입공간(103)으로 도입된다. 주입 공간(103)과 공급 공간(25c) 사이에 있는 열교환 플레이트(101)와 함께 주입공간(103)과 마주보는 공급공간(25c)은, 팽창실(40)에 의하여 팽창된 가열된 작동 유체를 받는다.

열교환 플레이트(101)는 공급 공간(25c)으로 배출되는 작동 유체에 의하여 가열된다. 이는 작동 유체와 열교환 플레이트(101) 사이의 열교환을 통하여 주입 공간(103)내의 작동 유체를 가열하고 증발시킨다. 제5 실시형태에서, 열교환 플레이트(101)는 열교환부의 열교환 부재서 기능한다. 기화된 작동유체는 배압실(51)로 안내된다.

배압실(51)로 도입된 작동 유체는 이면(44c)에 작용하는 배압을 변화시킨다. 그러나, 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)는 배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력을 적정한 값으로 조정한다. 이로 인해 배압이 적절하게 조정되며, 이에 따라 고정 스크롤(46)에 적용되는 가동 스크롤(44)의 가압력이 안정된다.

제5 실시형태는, 제1 실시형태의 (1) 내지 (3), 및 (7)의 장점과 동일한 장점에 더하여 이하의 장점을 갖는다.

(14) 유지부(53)내의 액화된 작동 유체는 중앙 하우징 부재(13)에 형성되는 제1 주입로(104), 주입공간(103), 및 제2 주입로(108)를 통하여 배압실(51)로 도입 된다. 주입 공간(103)은 공급 공간(25c)과 마주보며, 열전달 플레이트(101)가 주입공간(103)과 공급공간(25c) 사이에 배치된다. 공급공간(25c)은 팽창부(40)에 의해 팽창되어진 가열된 작동 유체를 받는다. 이에 따라 열교환 플레이트(101)는 가열된 작동 유체에 의하여 가열되어 주입공간(103) 내의 작동 유체가 기화된다. 그 다음에, 기화된 작동 유체는 배압실(51)로 흐르며, 이에 따라 액화된 작동 유체가 배압실(51)로 도입된 경우와 비교할 때, 카운터웨이트(45) 및 편심축(41)이 배압실(51)에서 회전할 때 카운터웨이트(45) 및 편심축(41)에 작용하는 작동 유체의 저항이 감소된다. 그 결과, 모터 제너레이터(20)에 의해 생성되는 전력의 손실이 감소된다.

(15) 작동 유체를 증발시키기 위하여, 열교환 플레이트(101)를 통하여 작동 유체와 팽창된 작동 유체 사이의 열교환이 발생된다. 열교환율을 향상시키는 열교환핀(101a)은 열교환 플레이트(101)에 형성된다. 열교환 플레이트(101) 및 팽창부(40)는 서로 독립적이기 때문에, 작동 유체와 팽창된 작동 유체 사이의 열교환 영역은 팽창부(40)의 디자인과 관계없이 필요에 따라 설정된다. 이는 작동 유체의 기화 효율을 보장한다.

예시된 실시 형태들은 이하 기술되는 방식에 따라 변형될 수도 있다.

제4 실시형태에서, 증발로(49b)는 플레이트(49)에 형성된다. 그러나 증발로(49b)는 지지 블럭(25) 또는 고정 스크롤(46)에 형성될 수도 있다.

제4 실시형태에서, 증발로(49b)의 폭은 필요에 따라 변화될 수도 있다. 예를 들면, 공급로(100)와 마주보는 증발로(49b)의 단부의 직경은 대향 단부의 직경과 비교하요 줄어들 수도 있으며, 이에 따라 증발로(49b)의 제한부가 형성된다.

도 3에서 이점쇄선으로 나타낸 것처럼, 분기로(95)는 열교환기(62)의 입구 인근의 제1 통로(60a)에 형성될 수도 있다. 이 경우에, 제 1통로(60a)는 분기로(95)를 통하여 제2 연통로(83)와 연통된다. 기어 펌프(90)에 의해 펌핑되었지만 아직 열교환기(62)로 공급되지 않은 고압의 작동 유체는, 제1 통로(60a), 분기로(95), 및 제2 연통로(83)를 통해 배압실(51)로 도입된다. 이러한 구성에서는, 분기로(95)와 제2 연통로(83)가 주입 기구를 구성한다. 배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력차를 조절하기 위한 입구 쪽 압력차 조정 기구는 분기로(95) 또는 제2 연통로(83)에 형성될 수도 있다.

제1 실시형태 및 제2 실시형태에서, 유출로(57)에 배치된 출구 쪽 압력차 조저정 기구(70)는 배압실(51)과 토출실(50) 사이의 압력차이를 적당한 값으로 조정한다. 그러나 압력차를 조정하기 위해서, 출구 쪽 압력차 조정 기구(70)는 제1 실시형태에서 주입로(54)에 배치된 입구 쪽 압력차 조정 기구, 또는 제2 실시형태에서 제1 연통로(82) 또는 제2 연통로(83)에 형성된 입구 쪽 압력차 조정 기구로 대체될 수도 있다.

제3 실시형태에서, 구동축(21) 및 축봉(93)은 주입장치를 구성한다. 대신에, 축봉(93)은 압력차를 이용하여 구동축(21)에 작용하는 접촉력(밀봉력)의 변화를 가능하게 하는 입구 쪽 압력차 조정 기구일 수도 있다. 이러한 경우에, 출구 쪽 압력차 조정 기구(70)는 생략된다.

제4 실시형태에서, 유출로(57)에 배치된 출구 쪽 압력차 조정 기구(70)는 배압실(51)과 토출실(50)의 압력 차이를 적절한 값으로 조정한다. 그러나 출구 쪽 압력차 조정 기구(70)는 토출실(50)과 배압실(51) 사이의 압력 차를 조절하기 위하여 공급로(100)에 형성된 입구 쪽 압력차 조정 기구로 대체될 수도 있다.

제5 실시형태에서, 제1 주입로(104)내의 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)는 배압실(51)과 토출실(50)의 압력 차이를 적절한 값으로 조정한다. 그러나, 입구 쪽 압력차 조정 기구(110)를 대신하여, 제1 실시형태에서처럼 유출로(57)에 배치된 출구 쪽 압력차 조정 기구(70)가 압력차를 조정할 수도 있다.

예시된 실시 형태에서는, 모터 제너레이터(20), 기어펌프(30, 90), 및 팽창부(40)를 일체로 포함하는 복합 유체 기계(11, 71, 91)가 랭킹 사이클 장치(60)에 조입됨으로써 회로가 구성된다. 그러나, 모터 제너레이터, 기어펌프, 및 팽창부는 회로에 서로 독립적으로 포함될 수도 있다. 다른 방법으로, 주입장치 역할의 파이프를 통하여, 기어펌프 및 팽창실에 있는 배압실이 서로 연결될 수 있다. 이러한 경우, 기어펌프에서 펌핑된 고압의 작동 유체는 파이프를 통하여 배압실로 공급된다.

예시된 각 실시 형태에서, 복합 유체기계(11, 71, 91)의 하우징은 모터 제너레이터(20), 기어 펌프(30, 90), 팽창부(40), 및 주입 기구를 수용한다. 그러나 복합 유체 기계(11, 71, 91)의 하우징은 모터 제너레이터(20), 팽창부(40) 및, 주입 기구를 수용하고, 기어 펌프(30, 90)는 하우징 외측에 배치될 수도 있다. 이런 배치로 인해, 기어 펌프(30, 90)가 하우징 내에 있는 경우와 비교하여, 복합 유체 기계(11, 71, 91)의 길이가 감소된다.

예시된 각 실시형태는 기어 펌프(30, 90)이외의 다른 적절한 방식의 펌프를 이용할 수도 있다.

예시된 실시 형태에서, 복합 유체 기계(11, 71, 91)는 랭킹 사이클 장치(60)에만 채용된다. 그러나 냉동 사이클의 제공을 위하여 압축부 및 클러치 기구가 복합 유체 기계(11, 71, 91)와 일체로 형성될 수도 있다.

폐열원으로부터 공급되는 유체는 엔진(64)에서 배출되는 배기가스일 수도 있다.

구동축(21)은 하우징(12)으로부터 외부로 돌출할 수도 있다. 이 경우, 구동축(21)의 돌출 단부는 동력 전달 기구(클러치, 도르래, 또는 벨트)를 통하여 엔진(64)에 연결된다.

모터 제너레이터(20)는 교류발전기로 대체될 수도 있다.