KR100451301B1 - 왕복동형 발전기 - Google Patents

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KR100451301B1
KR100451301B1 KR10-2001-0012409A KR20010012409A KR100451301B1 KR 100451301 B1 KR100451301 B1 KR 100451301B1 KR 20010012409 A KR20010012409 A KR 20010012409A KR 100451301 B1 KR100451301 B1 KR 100451301B1
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이찬재
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems

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Abstract

본 발명은, 왕복동형 발전기에 관한 것으로서, 작동유체실을 형성하며 상호 대향하여 이격 배치되는 한쌍의 실린더와; 각 실린더 내의 작동유체실 내에 왕복운동 가능하게 설치되는 피스톤과; 대향된 한쌍의 실린더 내에 각각 수용된 피스톤들을 상호 연결하여 왕복운동을 하는 왕복동축과; 각 실린더의 작동유체실 내에 작동유체를 교호적으로 이송 및 배출하여 왕복동축을 왕복운동시키는 작동유체 유입출부와; 왕복동축에 마련되어 자력을 발생하는 가동자와; 가동자를 왕복운동 가능하게 수용하며 가동자와 상호 작용하여 전기를 발생하는 발전코일을 구비한 고정자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 작동유체의 에너지가 전기에너지로 전환되는 동력전환 효율을 향상시키고 발전량을 증대시킬 수 있다.

Description

왕복동형 발전기{RECIPROCATING ELECTRICAL GENERATOR}
본 발명은, 왕복동형 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 작동유체를 이용하여 발전하는 왕복동형 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 작동유체를 이용하여 발전을 하는 발전장치는, 터빈이나 수차 등을 발전기의 회전축에 회동가능하게 연결하고 터빈이나 수차의 날개에 작동유체의 힘을 가하여 터빈이나 수차를 회전시킴으로써 발전기의 회전축을 회전시켜 발전을 하게 된다.
일예로, 증기를 이용하여 발전을 하는 발전장치는, 터빈을 발전기의 회전축에 회동가능하게 연결하고, 보일러로부터 공급된 고온고압의 증기를 노즐로부터 분출, 팽창시켜 고속의 증기를 터빈의 날개에 부딪쳐서 그 충동작용에 의해 터빈을 회전시킨다. 이 때, 터빈이 회전함에 따라 발전기의 회전축이 회전을 하여 발전을 하게 된다. 그리고, 터빈의 날개와 충돌 후 배출되는 증기를 복수기로 유입하여 응축수로 변환시키고, 이 때 증기가 가지고 있던 다량의 열에너지가 외부로 방출되며, 이 응축수를 보일러로 되돌려 보내 가열한다.
그런데, 이러한 작동유체를 이용하여 발전하는 발전장치에 있어서는, 작동유체의 운동에너지가 터빈이나 수차의 운동에너지로 충분하게 전환되지 않아, 터빈이나 수차를 통과하여 배출되는 작동유체의 잔류 에너지 값이 크므로, 작동유체의 운동에너지가 전기에너지로 전환되는 동력전환 효율이 저하됨과 동시에 발전량이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 작동유체의 에너지가 전기에너지로 전환되는 동력전환 효율을 향상시키고 발전량을 증대시킬 수 있는 왕복동형 발전기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 왕복동형 발전기의 개략적인 종단면도,
도 2는 도 1의 'A'부의 발전기에 대한 요부확대단면도,
도 3은 도 1의 유체공급밸브의 개략적인 단면도,
도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f는 도 1의 작동상태도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복동형 발전기의 개략적인 종단면도,
도 6a, 6b, 6c, 6d는 도 5의 작동상태도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 발전기 12 : 가동자
14 : 고정자 30 : 왕복동축
32a,32b : 실린더 34a,34b : 피스톤
36a,36b : 실린더 헤드 38a,38b : 작동유체 유입출부
40a,40b : 유입관 42a,42b,43a,43b : 유체공급밸브
50a,50b : 배출관 52a,52b : 유체배출밸브
64a,64b : 역지밸브 70,72 : 제어부
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 왕복동형 발전기에 있어서, 작동유체실을 형성하며 상호 대향하여 이격 배치되는 한쌍의 실린더와; 상기 각 실린더 내의 작동유체실 내에 왕복운동 가능하게 설치되는 피스톤과; 대향된 상기 한쌍의 실린더 내에 각각 수용된 상기 피스톤들을 상호 연결하여 왕복운동을 하는 왕복동축과; 상기 각 실린더의 작동유체실 내에 작동유체를 교호적으로 이송 및 배출하여 상기 왕복동축을 왕복운동시키는 작동유체 유입출부와; 상기 왕복동축에 마련되어 자력을 발생하는 가동자와; 상기 가동자를 왕복운동 가능하게 수용하며 상기 가동자와 상호 작용하여 전기를 발생하는 발전코일을 구비한 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기를 제공한다.
여기서, 상기 작동유체 유입출부는, 외부로부터 공급되는 작동유체를 상기 작동유체실 내로 안내하는 유입관과; 상기 유입관에 마련되어 상기 작동유체실 내로 공급되는 작동유체를 단속하는 유체공급밸브와; 상기 실린더 내부와 연통되어 작동유체실 내의 작동유체가 배출되는 배출관과; 상기 배출관에 마련되어 상기 작동유체실 내의 작동유체의 배출을 단속하는 유체배출밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 작동유체 유입출부는 상기 실린더의 헤드영역에 마련되고; 상기 실린더의 하사점 영역에는, 상기 실린더 내부와 연통되어 상기 실린더의 하사점 영역의 작동유체를 외부로 배출하는 배출로와, 상기 배출로에 마련되어 상기 실린더 외부로 배출되는 작동유체의 배출을 단속하는 역지밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유체공급밸브는, 왕복운동하며 상기 유입관을 개폐하는 플런저와, 상기 플런저를 탄성지지하는 스프링과, 상기 플런저를 구동하는 솔레노이드부를 포함하고; 상기 피스톤이 상기 플런저를 가압함으로써 상기 유입관이 개방되어 작동유체가 상기 작동유체실 내로 공급되고, 상기 피스톤이 상기 플런저를 가압해제함으로써 상기 플런저는 상기 스프링에 의해 원래의 위치로 복귀됨과 동시에 상기 유입관이 폐쇄되고, 초기 운전시 상기 유입관이 개방되도록 상기 솔레노이드부는 상기 플런저를 구동하는 것이 바람직하다.
상기 작동유체 유입출부는, 상기 유입관에 마련되어 상기 작동유체실 내로 공급되는 작동유체의 양을 조절하는 유체조절밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 피스톤이 상기 실린더의 하사점으로부터 상사점으로 전진 이동시 상기 작동유체실 내의 작동유체를 배출하고, 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점에 도달하였을 때 상기 작동유체실 내의 작동유체의 배출을 중단함과 동시에 상기 작동유체실 내로 작동유체를 공급하도록 상기 유체공급밸브와 상기 유체배출밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 피스톤이 상기 실린더의 하사점으로부터 상사점으로 전진 이동시 상기 작동유체실 내의 작동유체를 배출하고, 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 소정의 행정구간 영역에 도달하였을 때 상기 작동유체실 내의 작동유체의 배출을 중단하고, 상기 작동유체실 내로 공급되는 작동유체의 양을 조절하도록 상기 유체조절밸브와 상기 유체배출밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수도 있다.
상기 작동유체 유입출부는, 상기 유입관에 마련되어 상기 작동유체실 내로 작동유체 공급시 상기 유입관 내의 충격을 방지하는 충격흡수탱크를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 작동유체 유입출부는, 상기 배출관에 마련되어 상기 작동유체실로부터 배출된 작동유체를 가압하여 외부로 배출하는 유체배출펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 작동유체는 임계온도이하의 물, 증기, 물, 공기, 오일 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 상기 고정자는 영구자석, 전자석 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 본 발명의 일실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 본 발명의 일실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 왕복동형 발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 작동유체실을 형성하며 상호 대향하여 이격 배치되는 한쌍의 실린더(32a,32b)와, 각 실린더(32a,32b) 내의 작동유체실 내에 왕복운동 가능하게 설치되는피스톤(34a,34b)과, 대향된 한쌍의 실린더(32a,32b) 내에 각각 수용된 피스톤(34a,34b)들을 상호 연결하여 왕복운동을 하는 왕복동축(30)과, 각 실린더(32a,32b)의 작동유체실 내에 작동유체를 교호적으로 이송 및 배출하여 왕복동축(30)을 왕복운동시키는 작동유체 유입출부(38a,38b)와, 왕복동축(30)에 마련되어 자력을 발생하는 가동자(12)와, 가동자(12)를 왕복운동 가능하게 수용하며 가동자(12)와 상호 작용하여 전기를 발생하는 발전코일을 구비한 고정자(14)를 갖는다. 여기서, 작동유체실은, 실린더 헤드(36a,36b)와 피스톤(34a,34b)의 전면이 형성하는 실린더(32a,32b) 내의 영역을 말한다.
각 실린더(32a,32b)들은 동축선상에 대향 배치되며, 각 피스톤(34a,34b)들은 왕복동축(30)에 의해 상호 연결되어 각 실린더(32a,32b)의 내벽을 따라 왕복운동을 하며 각 피스톤(34a,34b)이 각 실린더(32a,32b) 내에서 상호 교호적으로 작동한다. 왕복동축(30)의 대략 중앙영역에는 후술할 발전기(10)의 구성을 이루는 가동자(12)가 결합되어 있으며, 왕복동축(30)은 발전기(10)의 양측에 마련된 롤러(28)에 의해 지지되면서 왕복운동을 한다.
발전기(10)는, 자력을 발생하는 가동자(12)와, 가동자(12)와 상호 작용하여 전기를 발생하는 발전코일을 구비한 고정자(14)를 갖는다. 가동자(12)는 자력을 발생하는 복수의 자석을 가지며, 이 복수의 자석에는 필요한 자속을 발생시켜 발전전압을 높이도록 기자력을 제공하는 계자권선(16)이 마련되어 있으며, 이 계자권선(16)은 계자전원공급단자(18)에 연결되어 외부로부터의 전원을 공급받는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고정자(14)의 내측에는 계자권선(16)에 전원을 공급하는 동대(20)가 축선방향을 따라 마련되어 있으며, 고정자(14)와 동대(20) 사이에는 고정자(14)와 동대(20)를 절연하는 절연체(21)가 마련되어 있다. 동대(20)의 내측에는 동대(20)를 따라 슬라이딩 이동하여 계자권선(16)에 전원을 공급하는 브러쉬(22)가 마련되고, 브러쉬(22)는 가동자(12)의 일측에 마련된 홀더(24)에 결합되어 있다. 여기서, 가동자(12)는 전자석 대신에 영구자석을 사용할 수 있다.
고정자(14)는 가동자(12)가 왕복운동 가능하도록 외주방향으로 가동자(12)와 소정 이격되고, 가동자(12)를 수용할 수 있도록 축선방향으로 소정의 폭을 가진다. 그리고, 고정자(14)의 외측에는 가동자(12)와 고정자(14)의 상호 작용에 의해 발생된 전기를 외부로 공급하는 발전기 출력단자(26)가 마련되어 있다. 발전기 출력단자(26)의 후단에는, 도시되어 있지 않지만, 발전된 교류전원을 직류전원으로 바꾸는 정류기가 마련될 수 있다.
한편, 실린더 헤드(36a,36b) 영역에는, 작동유체로서 임계온도이하의 물이 각 실린더(32a,32b)의 작동유체실 내에 이송 및 배출되는 작동유체 유입출부(38a,38b)가 마련되어 있다. 작동유체 유입출부(38a,38b)는, 보일러(66a,66b)로부터 공급되는 임계온도이하의 물을 작동유체실 내로 안내하는 유입관(40a,40b)과, 유입관(40a,40b)에 마련되어 작동유체실 내로 공급되는 임계온도이하의 물을 단속하는 유체공급밸브(42a,42b)와, 작동유체실 내에 발생된 응축수를 배출하도록 실린더(32a,32b) 내부와 연통되어 보일러(66a,66b)에 연결된 배출관(50a,50b)과, 배출관(50a,50b)에 마련되어 후술할 제어부(70)의 신호에 의해 작동유체실 내의 응축수의 배출을 단속하는 유체배출밸브(52a,52b)를 갖는다. 여기서, 작동유체실 내의 응축수의 생성과정을 살펴보면, 작동유체실 내의 임계온도이하의 물의 압력에너지가 피스톤의 운동에너지로 변환되면서, 즉 임계온도이하의 물이 작동유체실 내에서 팽창하여 압력이 저하되면서 냉각되어 응축수로 변환된다.
유체공급밸브(42a,42b)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 왕복운동하며 유입관(40a,40b)을 개폐하는 플런저(44a,44b)와, 플런저(44a,44b)를 탄성지지하는 스프링(46a,46b)과, 플런저(44a,44b)를 구동하는 솔레노이드부(48a,48b)를 갖는다. 이로써, 초기 운전시에만 후술할 제어부(70)의 신호에 의해 솔레노이드부(48a,48b)를 작동시켜 유입관(40a,40b)이 개방되도록 플런저(44a,44b)를 구동시켜 작동유체실 내로 임계온도이하의 물을 공급하여 피스톤(34a,34b)을 작동시킨 후, 피스톤(34a,34b)이 플런저(44a,44b)를 가압해제하면 플런저(44a,44b)는 스프링(46a,46b)의 복원력에 의해 원래의 위치로 복귀되면서 유입관(40a,40b)이 폐쇄되어 임계온도이하의 물이 작동유체실 내로 공급되지 않게 된다. 반대로, 피스톤(34a,34b)이 플런저(44a,44b)를 가압하면, 플런저(44a,44b)가 스프링(46a,46b)을 가압하면서 유입관(40a,40b)이 개방되어 임계온도이하의 물이 작동유체실 내로 공급되게 된다.
또한, 작동유체 유입출부(38a,38b)는, 유체공급밸브(42a,42b)의 전단의 유입관(40a,40b)에 마련되어 후술할 제어부(70)의 신호에 의해 작동유체실 내로 공급되는 임계온도이하의 물의 양을 조절하는 유체조절밸브(54a,54b)와, 유체조절밸브(54a,54b)와 유체공급밸브(42a,42b) 사이의 유입관(40a,40b)에 마련되어 작동유체실 내로 임계온도이하의 물을 공급할 때 유입관(40a,40b) 내에 임계온도이하의 물의 압력변화로 인한 유입관(40a,40b) 내의 충격을 방지하는 충격흡수탱크(56a,56b)와, 유체배출밸브(52a,52b)의 후단의 배출관(50a,50b)에 마련되어 작동유체실로부터 배출된 응축수를 가압하여 보일러(66a,66b)로 배출하는 유체배출펌프(60a,60b)를 갖는다.
그리고, 실린더(32a,32b)의 하사점 영역에는, 피스톤(34a,34b)이 실린더(32a,32b)의 상사점으로부터 하사점으로 이동시 실린더(32a,32b)의 내벽면과 피스톤(34a,34b) 사이의 틈새를 통해 실린더(32a,32b)의 하사점 영역으로 유입된 소량의 임계온도이하의 물이 변환된 증기 및 공기를 외부로 배출하도록 실린더(32a,32b) 내부와 연통형성된 배출로(62a,62b)와, 배출로(62a,62b)에 마련되어 실린더(32a,32b) 외부로 배출되는 증기 및 공기의 배출을 단속하는 역지밸브(64a,64b)가 마련되어 있다.
또한, 실린더(32a,32b)의 외측면에는 단열을 위한 단열재(68a,68b)가 마련되어 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 왕복동형 발전기는, 통상적으로 마이컴으로 만들어지며 유체조절밸브(54a,54b), 유체배출밸브(52a,52b) 및 유체배출펌프(60a,60b)를 제어하는 제어부(70)를 갖는다.
제어부(70)는, 피스톤(34a,34b)이 실린더(32a,32b)의 하사점으로부터 상사점으로 전진 이동시 작동유체실 내의 응축수를 배출함과 동시에 배출된 응축수를 보일러(66a,66b)로 이송하도록 유체배출펌프(60a,60b)를 작동시키고, 피스톤(34a,34b)이 실린더(32a,32b)의 상사점으로부터 소정의 행정구간 영역에 도달하였을 때 작동유체실 내의 응축수의 배출을 중단함과 동시에 유체배출펌프(60a,60b)를 작동정지하고, 발전기(10)의 부하에 따라 작동유체실 내로 공급되는 임계온도이하의 물의 양을 조절하도록 유체조절밸브(54a,54b), 유체배출밸브(52a,52b) 및 유체배출펌프(60a,60b)를 제어한다.
여기서, 각 보일러는 각 실린더로 임계온도이하의 물을 공급하거나 각 실린더로부터 발생된 응축수를 회수하는 것으로 설명하고 있지만, 하나의 보일러를 사용하여 각 실린더로 임계온도이하의 물을 공급하거나 각 실린더로부터 발생된 응축수를 회수할 수 있음은 물론이다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명의 일실시예에 따른 왕복동형 발전기의 동작을 도 4a 내지 도 4f를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 설명의 편리상, 발전기(10)의 좌측영역에 있는 구성요소들을 제1구성요소로 하고, 발전기(10)의 우측영역에 있는 구성요소들을 제2구성요소로 하여, 각 구성요소의 명칭 앞에 제1 및 제2라는 명칭을 붙여 설명하기로 한다. 또한, 실린더의 상사점과 피스톤의 전면이 형성하는 실린더 내의 영역을 작동유체실로 하고, 피스톤의 후면과 실린더의 하사점이 형성하는 실린더 내의 영역을 부압실로 하여 설명하기로 한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 좌측의 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 상사점으로부터 소정의 행정구간 영역에 도달하면, 제1실린더(32a) 내의 제1피스톤(34a)이 제1유체공급밸브(42a)의 플런저(44a)를 가압하여 제1유입관(40a)이 개방되어 임계온도이하의 물이 제1작동유체실 내로 공급되기 시작한다. 이 때, 제1유체배출밸브(52a)는 제1배출관(50a)을 폐쇄함과 동시에 제1유체배출펌프(60a)는 작동정지하고 있다. 한편, 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 하사점으로 후진하는 중, 소량의 임계온도이하의 물이 제2부압실로 유입되어 변환된 증기 및 공기가 제2역지밸브(64b)를 통하여 제2배출로(62b)를 거쳐 외부로 배출된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 상사점에 도달하면서 제1작동유체실 내로 공급된 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제1작동유체실 내의 압력이 급상승하게 된다. 한편, 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 하부영역, 즉 제2실린더(32b)의 하사점에 도달하게 되고, 제2역지밸브(64b)는 제2배출로(62b)를 폐쇄하게 된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제1작동유체실 내로 공급된 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하게 되고, 임계온도이하의 물의 압력에너지가 피스톤의 운동에너지로 전환된다. 이 때, 제1피스톤(34a)이 제1유체공급밸브(42a)의 플런저(44a)를 가압해제하면서 제1유입관(40a)은 폐쇄된다. 또한, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하는 중, 제1실린더(32a)의 내벽면과 제1피스톤(34a) 사이의 틈새로 소량의 임계온도이하의 물이 제1부압실로 유입된다. 이 때, 부압을 유지하고 있는 제1부압실로 유입된 임계온도이하의 물은 증기 및 공기로 변환된다. 그리고, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하면서 제1부압실의 압력은 상승하게 되고, 제1부압실의 압력이 대기압 이상이 되면 제1역지밸브(64a)가 개방되면서 제1부압실 내의 증기 및 공기는 제1역지밸브(64a)를 통하여 제1배출로(62a)를 거쳐 외부로 배출되게 된다. 한편, 좌측의 제1실린더(32a) 내의 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 상사점을 향해 전진하게 되고, 제2역지밸브(64b)가 제2배출로(62b)를 폐쇄하면서 제2부압실의 압력은 대기압 보다 낮은 상태, 즉 부압이 된다. 이 때, 제어부(70)는, 임계온도이하의 물이 제2작동유체실 내에서 팽창하여 압력이 저하되면서 냉각된 응축수가 배출되도록 제2유체배출밸브(52b)에 작동신호를 보내 제2유체배출밸브(52b)를 개방하기 시작하여 제2작동유체실 내의 응축수가 배출되기 시작한다. 동시에, 제어부(70)는 제2유체배출펌프(60b)에 작동신호를 보내 제2유체배출펌프(60b)를 작동시키고, 제2유체배출펌프(60b)는 제2작동유체실로부터 배출된 응축수를 가압하여 제2보일러(66b)로 이송한다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하는 중, 제1부압실 내의 증기 및 공기가 제1역지밸브(64a)를 통하여 제1배출로(62a)를 거쳐 외부로 배출된다. 한편, 우측의 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 상사점으로부터 소정의 행정구간 영역에 도달하면, 제2실린더(32b) 내의 제2피스톤(34b)이 제2유체공급밸브(42b)의 플런저(44b)를 가압하여 제2유입관(40b)이 개방되어 임계온도이하의 물이 제2작동유체실 내로 공급되기 시작한다. 이 때, 제어부(70)는, 제2배출관(50b)을 폐쇄하도록 제2유체배출밸브(52b)에 신호를 보내 제2유체배출밸브(52b)를 폐쇄한다. 동시에, 제어부(70)는 제2유체배출펌프(60b)에 작동정지신호를 보내 제2유체배출펌프(60b)를 작동정지시킨다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 제1작동유체실 내의 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하부영역, 즉 제1실린더(32a)의 하사점에 도달하게 되고, 제1역지밸브(64a)는 제1배출로(62a)를 폐쇄하게 된다. 한편, 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 상사점에 도달하면서 제2작동유체실 내로 공급된 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제2작동유체실 내의 압력이 급상승하게 된다.
도 4f에 도시된 바와 같이, 우측의 제2실린더(32b) 내의 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 상사점을 향해 전진하게 되고, 제1역지밸브(64a)가 제1배출로(62a)를 폐쇄하면서 제1부압실의 압력은 대기압 보다 낮은 상태, 즉 부압이 된다. 이 때, 제어부(70)는, 임계온도이하의 물이 제1작동유체실 내에서 팽창하여 압력이 저하되면서 냉각된 응축수가 배출되도록 제1유체배출밸브(52a)에 작동신호를 보내어 제1유체배출밸브(52a)를 개방하기 시작하여 제1작동유체실 내의 응축수가 배출되도록 한다. 동시에, 제어부(70)는 제1유체배출펌프(60a)에 작동신호를 보내 제1유체배출펌프(60a)를 작동시키고, 제1유체배출펌프(60a)는 제1작동유체실로부터 배출된 응축수를 가압하여 제1보일러(66a)로 이송한다. 한편, 제2작동유체실 내로 공급된 임계온도이하의 물의 압력에 의해 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 하사점으로 후진하게 되고, 임계온도이하의 물의 압력에너지가 제2피스톤(34b)의 운동에너지로 전환된다. 이 때, 제2피스톤(34b)이 제2유체공급밸브(42b)의 플런저(44b)를 가압해제하면서 제2유입관(40b)은 폐쇄된다. 또한, 제2실린더(32b)의 내벽면과 제2피스톤(34b) 사이의 틈새로 소량의 임계온도이하의 물이 제2부압실로 유입된다. 이 때, 부압을 유지하고 있는 제2부압실로 유입된 임계온도이하의 물은 증기와 공기로 변환된다. 그리고, 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 하사점으로 후진하면서 제2부압실의 압력은 상승하게 되고, 제2부압실의 압력이 대기압 이상이 되면 제2역지밸브(64b)가 개방되면서 제2부압실 내의 증기 및 공기는 제2역지밸브(64b)를 통하여 제2배출로(62b)를 거쳐 외부로 배출되게 된다.
이러한 한쌍의 실린더(32a,32b) 내로 임계온도이하의 물이 교호적으로 압송 및 배출되어 각 피스톤(34a,34b)을 상호 연결하는 왕복동축(30)에 결합된 가동자(12)가 고정자(14)의 내측을 따라 선형 왕복이동하면서, 가동자(12)와 고정자(14)가 전기적으로 상호 작용을 하여 각 피스톤(34a,34b)의 운동에너지가 전기에너지로 변환되어 발전을 하게 된다.
그리고, 제어부(70)는, 발전기(10)의 부하에 따라 유체조절밸브(54a,54b)에 신호를 보내 작동유체실 내로 공급되는 임계온도이하의 물의 양을 제어한다.
이로써, 실린더 내의 피스톤의 행정구간이 길어지게 되어, 즉 작동유체실 내에서 임계온도이하의 물이 충분하게 팽창되어 압력이 저하됨으로써 피스톤이 하사점에 도달할 때 임계온도이하의 물의 압력에너지가 피스톤의 운동에너지로 전환되는 동력전환 효율이 향상되고 발전량이 증대되며, 별도의 냉각장치가 필요 없게 되어 제품의 구조를 단순화할 수 있게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복동형 발전기의 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복동형 발전기는 전술한 일실시예와 달리, 실린더 헤드(36a,36b) 영역에 마련되는 작동유체 유입출부(38a,38b)는, 작동유체로서 외부로부터 공급되는 고압의 상온수를 작동유체실 내로 안내하는 유입관(40a,40b)과, 유입관(40a,40b)에 마련되어 후술할 제어부(72)의 신호에 의해 작동유체실 내로 공급되는 고압의 물을 단속하는 유체공급밸브(43a,43b)와, 고압의물의 압력에너지가 피스톤(34a,34b)의 운동에너지로 변환되면서 저압으로 된 물을 외부로 배출하도록 실린더(32a,32b) 내부와 연통된 배출관(50a,50b)과, 배출관(50a,50b)에 마련되어 후술할 제어부(72)의 신호에 의해 작동유체실 내의 저압으로 된 물의 배출을 단속하는 유체배출밸브(52a,52b)를 갖는다.
또한, 작동유체 유입부(38a,38b)는, 유입관(40a,40b)에 마련되어 작동유체실 내로 고압의 물을 공급할 때 유입관(40a,40b) 내에 고압의 물의 압력변화로 인한 유입관 내의 충격을 방지하는 충격흡수탱크(56a,56b)와, 실린더 헤드(36a,36b) 영역의 대략 중앙부분에 마련되어 작동유체실로부터 배출되는 저압의 물을 배출관(50a,50b)을 통해 외부로 배출할 때 배출관(50a,50b) 내에 저압의 물의 압력변화로 인한 배출관(50a,50b) 내의 충격을 방지하는 배출수충격흡수탱크(58a,58b)를 갖는다.
그리고, 통상적으로 마이컴으로 만들어지며 유체공급밸브(43a,43b) 및 유체배출밸브(52a,52b)를 제어하는 제어부(72)를 갖는다.
제어부(72)는, 피스톤(34a,34b)이 실린더(32a,32b)의 하사점으로부터 상사점으로 전진 이동시 작동유체실 내의 저압의 물을 배출하고, 피스톤(34a,34b)이 실린더(32a,32b)의 상사점에 도달하였을 때 작동유체실 내의 저압의 물의 배출을 중단함과 동시에 작동유체실 내로 고압의 물을 공급하도록 유체공급밸브(43a,43b) 및 유체배출밸브(52a,52b)를 제어한다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복동형 발전기의 동작을 도 6a 내지 도 6d를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 좌측의 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 상사점에 도달하면, 제어부(72)는 외부로부터 공급되는 고압의 물이 제1작동유체실 내로 공급되도록 제1유체공급밸브(43a)에 작동신호를 보내 제1유체공급밸브(43a)를 개방하여 제1작동유체실 내로 고압의 물을 공급하기 시작한다. 이 때, 제1유체배출밸브(52a)는 제1배출관(50a)을 폐쇄하고 있다. 한편, 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 하부영역, 즉 제2실린더(32b)의 하사점에 도달한다. 이 때, 제어부(72)는, 제2작동유체실 내의 물이 배출되도록 제2유체배출밸브(52b)에 작동신호를 보내 제2유체배출밸브(52b)를 개방하여 제2작동유체실 내의 응축수를 배출하기 시작한다. 그리고, 제2유체공급밸브(43b)와 제2역지밸브(64b)는 각각 제2유입관(40b)과 제2배출로(62b)를 폐쇄하고 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 제1유체공급밸브(43a)가 개방된 상태에서 고압의 물이 제1작동유체실 내로 공급되고, 공급되는 고압의 물의 압력에 의해 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하게 되고, 고압의 물의 압력에너지가 제1피스톤(34a)의 운동에너지로 전환된다. 이 때, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하는 중, 제1실린더(32a)의 내벽면과 제1피스톤(34a) 사이의 틈새로 소량의 물이 제1부압실로 유입된다. 그리고, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하면서 제1부압실의 압력은 상승하게 되고, 제1부압실의 압력이 대기압 이상이 되면 제1역지밸브(64a)가 개방되면서 제1부압실 내의 물은 제1역지밸브(64a)를 통하여 제1배출로(62a)를 거쳐 외부로 배출되게 된다. 한편, 좌측의 제1실린더(32a) 내의 고압의 물의 압력에 의해 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 상사점을 향해 전진하게 되고, 제2역지밸브(64b)가 제2배출로(62b)를 폐쇄하면서 제2부압실의 압력은 대기압 보다 낮은 상태, 즉 부압이 된다. 이 때, 제2유체배출밸브(52b)는 제2배출관(50b)을 개방한 상태를 유지하며 제2작동유체실 내의 물을 외부로 배출한다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하사점으로 후진하는 중, 제1실린더(32a)의 하사점으로부터 소정의 행정구간 영역에 도달하면 제어부(72)는 제1작동유체실 내로 고압의 물이 공급되지 않도록 제1유체공급밸브(43a)에 제1유입관(40a)을 폐쇄하도록 신호를 보내 제1유체공급밸브(43a)를 폐쇄하기 시작한다. 그리고, 제1부압실 내의 물은 제1역지밸브(64a)를 통하여 제1배출로(62a)를 거쳐 외부로 배출된다. 한편, 좌측의 제1실린더(32a) 내의 고압의 물의 압력에 의해 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 상사점을 향해 전진하게 되고, 제2부압실의 압력은 부압이 되며, 제2유체배출밸브(52b)는 제2배출관(50b)을 개방한 상태를 유지하며 제2작동유체실 내의 물을 외부로 배출한다.
도 6d에 도시된 바와 같이, 제1작동유체실 내의 고압의 물의 압력에 의해 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 하부영역, 즉 제1실린더(32a)의 하사점에 도달하게 되면, 제1역지밸브(64a)는 제1배출로(62a)를 폐쇄하게 된다. 그리고 나서, 우측의 제2실린더(32b) 내의 고압의 물의 압력에 의해 제1피스톤(34a)이 제1실린더(32a)의 상사점을 향해 전진하게 된다. 이 때, 제어부(72)는, 제1작동유체실 내의 물이 배출되도록 제1유체배출밸브(52a)에 작동신호를 보내 제1유체배출밸브(52a)를 개방하여 제1작동유체실 내의 물이 배출되도록 한다. 한편, 제2피스톤(34b)이 제2실린더(32b)의 상사점에 도달하면서, 제어부(72)는 제2유체배출밸브(52b)를 폐쇄하도록 제2유체배출밸브(52b)에 작동신호를 보내 제2유체배출밸브(52b)를 폐쇄한다. 그리고, 제어부(72)는 외부로부터 공급되는 고압의 물이 제2작동유체실 내로 공급되도록 제2유체공급밸브(43b)에 작동신호를 보내 제2유체공급밸브(43b)를 개방하여 제2작동유체실 내로 고압의 물을 공급하기 시작한다.
이러한 한쌍의 실린더(32a,32b) 내로 고압의 물이 교호적으로 압송 및 배출되어 각 피스톤(34a,34b)을 상호 연결하는 왕복동축(30)에 결합된 가동자(12)가 고정자(14)의 내측을 따라 선형 왕복이동하면서, 가동자(12)와 고정자(14)가 전기적으로 상호 작용을 하여 각 피스톤(34a,34b)의 운동에너지가 전기에너지로 변환되어 발전을 하게 된다.
이로써, 실린더 내의 피스톤의 행정구간이 길어지게 되어, 즉 작동유체실 내에서 고압의 물의 작동거리가 길어짐으로써 고압의 물의 압력에너지가 피스톤의 운동에너지로 전환되는 동력전환 효율이 향상되고 발전량이 증대될 수 있게 된다.
이와 같이, 작동유체실을 형성하며 상호 대향하게 배치되는 한쌍의 실린더 사이에 각 실린더의 작동유체실 내에 작동유체를 교호적으로 이송 및 배출하여 작동유체력에 의해 선형 왕복운동을 하며 발전을 하는 발전기를 마련함으로써, 실린더 내의 피스톤의 행정구간이 길어지게 되어, 실린더 내로 공급되는 작동유체의 에너지가 피스톤의 운동에너지로 전환되는 동력전환 효율을 향상시키고, 즉 작동유체의 에너지가 전기에너지로 전환되는 동력전환 효율을 향상시키고, 발전량을 증대시킬 수 있게 된다.
전술한 실시예들에서는, 작동유체로서 임계온도이하의 물 및 고압의 물에 대해 설명하고 있지만, 작동유체로서 임계온도이하의 물 및 고압의 물 이외에 증기, 공기, 오일 등이 적용될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 작동유체의 에너지가 전기에너지로 전환되는 동력전환 효율을 향상시키고 발전량을 증대시킬 수 있는 왕복동형 발전기가 제공된다.

Claims (11)

  1. 왕복동형 발전기에 있어서,
    작동유체실을 형성하며 상호 대향하여 이격 배치되는 한쌍의 실린더와;
    상기 각 실린더 내의 작동유체실 내에 왕복운동 가능하게 설치되는 피스톤과;
    대향된 상기 한쌍의 실린더 내에 각각 수용된 상기 피스톤들을 상호 연결하여 왕복운동을 하는 왕복동축과;
    외부로부터 공급되는 작동유체를 상기 작동유체실 내로 안내하는 유입관과, 상기 유입관에 마련되어 상기 작동유체실 내로 공급되는 작동유체를 단속하는 유체공급밸브와, 상기 실린더 내부와 연통되어 상기 작동유체실 내의 작동유체가 배출되는 배출관과, 상기 배출관에 마련되어 상기 작동유체실 내의 작동유체의 배출을 단속하는 유체배출밸브를 가지며, 상기 각 실린더의 작동유체실 내에 작동유체를 교호적으로 이송 및 배출하여 상기 왕복동축을 왕복운동시키는 작동유체 유출입부와;
    상기 왕복동축에 마련되어 자력을 발생하는 가동자와;
    상기 가동자를 왕복운동 가능하게 수용하며 상기 가동자와 상호 작용하여 전기를 발생하는 발전코일을 구비한 고정자를 포함하며,
    상기 작동유체 유입출부는 상기 실린더의 헤드영역에 마련되고;
    상기 실린더의 하사점 영역에는, 상기 실린더 내부와 연통되어 상기 실린더의 하사점 영역의 작동유체를 외부로 배출하는 배출로와, 상기 배출로에 마련되어 상기 실린더 외부로 배출되는 작동유체의 배출을 단속하는 역지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체공급밸브는, 왕복운동하며 상기 유입관을 개폐하는 플런저와, 상기 플런저를 탄성지지하는 스프링과, 상기 플런저를 구동하는 솔레노이드부를 포함하고;
    상기 피스톤이 상기 플런저를 가압함으로써 상기 유입관이 개방되어 작동유체가 상기 작동유체실 내로 공급되고, 상기 피스톤이 상기 플런저를 가압해제함으로써 상기 플런저는 상기 스프링에 의해 원래의 위치로 복귀됨과 동시에 상기 유입관이 폐쇄되고, 초기 운전시 상기 유입관이 개방되도록 상기 솔레노이드부는 상기 플런저를 구동하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 작동유체 유입출부는,
    상기 유입관에 마련되어 상기 작동유체실 내로 공급되는 작동유체의 양을 조절하는 유체조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 실린더의 하사점으로부터 상사점으로 전진 이동시 상기 작동유체실 내의 작동유체를 배출하고, 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점에 도달하였을 때 상기 작동유체실 내의 작동유체의 배출을 중단함과 동시에 상기 작동유체실 내로 작동유체를 공급하도록 상기 유체공급밸브와 상기 유체배출밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 피스톤이 상기 실린더의 하사점으로부터 상사점으로 전진 이동시 상기 작동유체실 내의 작동유체를 배출하고, 상기 피스톤이 상기 실린더의 상사점으로부터 소정의 행정구간 영역에 도달하였을 때 상기 작동유체실 내의 작동유체의 배출을 중단하고, 상기 작동유체실 내로 공급되는 작동유체의 양을 조절하도록 상기 유체조절밸브와 상기 유체배출밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 작동유체 유입출부는,
    상기 유입관에 마련되어 상기 작동유체실 내로 작동유체 공급시 상기 유입관 내의 충격을 방지하는 충격흡수탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 작동유체 유입출부는,
    상기 배출관에 마련되어 상기 작동유체실로부터 배출된 작동유체를 가압하여 외부로 배출하는 유체배출펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 임계온도이하의 물, 증기, 물, 공기, 오일 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 영구자석, 전자석 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 왕복동형 발전기.
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