KR100241460B1 - 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치에 관한 것으로, 본 발명은 실린더의 상부와 측면에 탄성력을 지닌 개폐부재를 각각 장착하고 저온열교환기와 고온열교환기의 열적 균형을 맞출수 있는 개폐부재를 장착하여 팽창공간에서 압축공간으로 작동가스가 이동할 때는 고온열교환기를 지나지 않고 재생기로 바로 유입되도록 함으로써 재생기의 외부 열전도에 따른 효율저하에 의한 열저장능력의 저하로부터 저온열교환기를 통과할 때 재생기에 축적되지 못한 열량의 일부가 외부로 빠져나가는 손실 및 압축공간의 온도상승에서 오는 손실을 감소시켜 스터링 엔진의 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치

본 발명은 스터링 엔진에 관한 것으로, 특히 저온열교환기와 고온열교환기의 열적 균형을 맞춰 연소기로부터의 동일 열량에 대하여 열손실을 최소화시킬 수 있도록 한 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 스터링 엔진은 스터링사이클을 응용하여 구현한 것이다. 도 1은 상기 스터링 엔진의 일예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 스터링 엔진은 소정의 내부 체적을 갖으며 내부에 작동가스가 채워진 실린더(1)와, 상기 실린더(1)의 내부에 삽입되어 작동가스의 압력변화에 의한 일에너지를 외부로 전달하는 파워피스톤(2)과, 상기 파워피스톤(2)의 상측에 위치하도록 상기 실린더(1)내부에 삽입되어 실린더(1)의 내부를 압축공간(A)과 팽창공간(B)으로 분리함과 더불어 작동가스를 압축공간(A)과 팽창공간(B)으로 상호이동시키는 디스플레이서(3)와, 상기 팽창공간(B)과 압축공간(A)을 연통시켜 작동가스의 흐름을 안내하는 연통수단과, 상기 연통수단의 일부를 이루며 상기 작동가스에 열을 공급하는 고온열교환기(4)와, 작동가스와 열을 주고 받는 재생기(5)와, 상기 연통수단의 일부를 이루며 작동가스로부터 열을 방출시키는 저온열교환기(6)를 포함하여 구성된다.

상기 연통수단은 보통 다수개의 연결관(P)으로 이루어지며, 상기 연결관(P)의 일측은 디스플레이서(3)의 상측 실린더(1)내부공간으로 이루어지는 팽창공간(B)과 연통되도록 실린더(1)의 상면에 결합되고, 타측은 디스플레이서(3)와 파워피스톤(2)사이의 실린더(1)내부공간으로 이루어지는 압축공간(A)과 연통되도록 실린더(1)의 측부에 결합되어 작동가스의 통로인 가스통로를 이루게 된다. 그리고 상기 가스통로인 연결관(P)의 중간에 재생기(5)가 설치되고, 상기 재생기(5)와 팽창공간(B)사이에 위치하는 연결관(P)부분은 고온열교환기(4)를 이루며, 상기 재생기(5)와 압축공간(A)사이에 위치하는 연결관(P)부분은 저온열교환기(6)를 이루게 된다. 그리고 상기 고온열교환기(4)의 측부에는 열공급원인 연소기(미도시)가 설치되고, 상기 저온열교환기(6)의 주변에는 냉각수 등의 냉각매체가 채워지게 된다.

상기한 바와 같은 스터링 엔진의 작동은 먼저 디스플레이서(3)가 상사점에 위치한 상태에서 연소기에 의해 고온열교환기(4)가 가열되면 연전달에 의해 팽창공간(B)의 작동가스가 가열되면서 팽창공간(B)내의 압력이 상승하게 된다. 상기 팽창공간(B)의 압력이 상승함에 따라 디스플레이서(3)가 하부로 이동하면서 압축공간(A)을 압축하게 되며, 이로 인하여 압축공간(A)의 작동가스가 저온열교환기(6)와 재생기(5) 및 고온열교환기(4)를 거쳐 팽창공간(B)으로 유입된다. 이때 작동가스는 재생기(5)에서 열을 흡수할 뿐만 아니라 고온열교환기(4)에서 가열되어 팽창공간(B)으로 유입됨으로 디스플레이서(3) 및 파워피스톤(2)을 더 가압하여 되어 아래로 움직이면서 파워피스톤(2)이 외부로 일을 하게 된다.

이어, 외부로 일을 함과 더불어 팽창공간(B)의 체적이 증가하게 되고 이 팽창공간(B)의 체적 증가와 함께 압력이 상대적으로 감소되어 디스플레이서(3)가 상측으로 이동하게 된다. 상기 디스플레이서(3)가 상측으로 이동하면서 팽창공간(B)을 수축시키게 되어 팽창공간(B)의 작동가스가 고온열교환기(4)와 재생기(5) 및 저온열교환기(6)를 거쳐 압축공간(A)으로 이동하게 되며, 이 과정에서 팽창공간(B)의 작동가스가 재생기(5)를 거치면서 고온열교환기(4)에서 얻은 열을 재생기(5)에 저장하고 저온열교환기(6)를 거치면서 열을 방출하여 저온의 상태로 압축공간(A)에 유입된다. 이때 디스플레이서(3)는 상사점에 위치하게 되어 처음상태로 돌아가게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 구조는 작동가스가 팽창공간(B)에서 압축공간(A)으로 이동하면서 고온열교환기(4)로부터 받은 열은 재생기(5)를 통과하면서 고온열교환기(4)로부터 받은 열이 재생기(5)에 저장될 때, 재생기(5)는 주위의 고온에 의해 재생기 케이스를 통하여 이루어지는 열전달 및 작동가스의 고온에 따른 재생기(5) 재질의 성능저하 등으로 인한 효율 저하로 고온열교환기(4)로부터 받은 열의 상당부분이 재생기(5)에 저장되지 못하고 저온열교환기(6)를 통하여 일부는 외부로 빠져나가는 열손실이 생기고 일부는 압축공간(A)의 온도상승을 가져와 스터링 엔진의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 저온열교환기와 고온열교환기의 열적 균형을 맞춰 연소기로부터의 동일 열량에 대하여 열손실을 최소화시킬 수 있도록 한 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 스터링 엔진를 개략적으로 도시한 단면도,

도 2는 본 발명의 작동가스 흐름조절장치가 장착된 스터링 엔진을 도시한 단면도,

도 3,4는 본 발명의 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치의 작동 상태를 도시한 단면도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 ; 실린더 2 ; 파워피스톤

3 ; 디스플레이서 4 ; 고온열교환기

5 ; 재생기 6 ; 저온열교환기

7 ; 제1개폐부재 8 ; 제2개폐부재

9 ; 제3개폐부재 10 ; 제1구멍

11 ; 제2구멍 A ; 압축공간

B ; 팽창공간 C ; 연결통로

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 소정의 내부 체적을 갖으며 이 내부에 작동가스가 채워진 실린더와, 상기 실린더의 내부에 삽입되어 작동가스의 압력변화에 의한 일에너지를 외부로 전달하는 파워피스톤과, 상기 파워피스톤의 상측에 위치하도록 상기 실린더내부에 삽입되어 실린더의 내부를 압축공간과 팽창공간으로 분리함과 더불어 작동가스를 압축공간과 팽창공간으로 상호이동시키는 디스플레이서와, 상기 팽창공간과 압축공간을 연통시켜 작동가스의 이동을 안내하는 연통수단과, 상기 연통수단의 일부를 이루며 상기 작동가스에 열을 공급하는 고온열교환기와, 작동가스와 열을 주고 받는 재생기와, 상기 연통수단의 일부를 이루며 작동가스로부터 열을 방출시키는 저온열교환기를 포함하여 구성된 스터링 엔진에 있어서; 상기 실린더의 일측에 상기 재생기측과 팽창공간을 연통시키는 연결통로를 형성하고, 상기 연결통로에 한방향으로 유체가 흐르도록 제어하는 제1개폐부재와, 작동가스가 팽장공간에서 압축공간으로 이동시 작동가스가 고온열교환기를 통하여 흐르는 것을 막아 상기 연결통로로 흐르도록 하고 작동가스가 압축공간에서 팽창공간으로 이동시 고온열교환기를 통해 팽창공간으로 유입되도록 고온열교환기의 통로를 개폐하는 제2개폐부재와, 작동가스가 팽창공간에서 압축공간으로 압축공간에서 팽창공간으로 이동시 작동가스가 저온열교환기를 통하는 면적의 일부를 개폐하는 제3개폐부재를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치가 제공된다.

상기 연결통로는 팽창공간측에 위치하는 제1구멍과 이 제1구멍보다 큰 직경으로 제1구멍에 연통되게 상기 재생기측으로 관통된 제2구멍으로 형성되며, 상기 두 개의 구멍이 만나는 마디에 상기 제1개폐부재가 설치됨을 특징으로 하는 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치가 제공된다.

상기 제1,2,3개폐부재는 탄성력을 지닌 재료로 형성됨을 특징으로 하는 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

먼저 스터링 엔진은, 도 2에 도시한 바와 같이, 소정의 내부 체적을 갖으며 이 내부에 작동가스가 채워진 실린더와, 상기 실린더(1)의 내부에 삽입되어 작동가스의 압력변화에 의한 일에너지를 외부로 전달하는 파워피스톤(2)과, 상기 파워피스톤(2)의 상측에 위치하도록 상기 실린더(1)내부에 삽입되어 실린더(1)의 내부를 압축공간(A)과 팽창공간(B)으로 분리함과 더불어 작동가스를 압축공간(A)과 팽창공간(B)으로 상호이동시키는 디스플레이서(3)와, 상기 팽창공간(B)과 압축공간(A)을 연통시켜 작동가스의 이동을 안내하는 연통수단과, 상기 연통수단의 일부를 이루며 상기 작동가스에 열을 공급하는 고온열교환기(4)와, 작동가스와 열을 주고 받는 재생기(5)와, 상기 연통수단의 일부를 이루며 작동가스로부터 열을 방출시키는 저온열교환기(6)를 포함하여 구성됨은 종래의 구조와 같다.

그리고 본 발명의 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치는 상기 실린더(1)의 일측부에 상기 팽창공간(B)과 재생기(5)측을 연통시키는 연결통로(C)를 형성하고, 상기 연결통로(C)에 한방향으로 유체가 흐르도록 제어하는 제1개폐부재(7)와, 작동가스가 팽창공간(B)에서 압축공간(A)으로 이동시 작동가스가 고온열교환기(4)를 통하여 흐르는 것을 막아 상기 연결통로로 흐르도록 하고 작동가스가 압축공간(A)에서 팽창공간(B)으로 이동시 고온열교환기(4)를 통해 팽창공간(B)으로 유입되도록 고온열교환기(4)의 통로를 개폐하는 제2개폐부재(8)와, 작동가스가 팽창공간(B)에서 압축공간(A)으로 압축공간(A)에서 팽창공간(B)으로 이동시 작동가스가 저온열교환기(6)를 통하는 면적의 일부를 개폐하는 제3개폐부재(9)를 포함하여 구성된다.

상기 연통수단은 보통 다수개의 연결관(P)으로 이루어지며, 상기 연결관(P)의 일측은 디스플레이서(3)의 상측 실린더(1)내부공간으로 이루어지는 팽창공간(B)과 연통되도록 실린더(1)의 상면에 결합되고, 타측은 디스플레이서(3)와 파워피스톤(2)사이의 실린더(1)내부공간으로 이루어지는 압축공간(A)과 연통되도록 실린더(1)의 측부에 결합되어 작동가스의 통로인 가스통로를 이루게 된다. 그리고 상기 가스통로인 연결관(P)의 중간에 재생기(5)가 설치되고, 상기 재생기(5)와 팽창공간(B)사이에 위치하는 연결관(P)부분은 고온열교환기(4)를 이루며, 상기 재생기(5)와 압축공간(A)사이에 위치하는 연결관(P)부분은 저온열교환기(6)를 이루게 된다. 그리고 상기 고온열교환기(4)의 측부에는 열공급원인 연소기가 설치되고, 상기 저온열교환기(6)의 주변에는 냉각수 등의 냉각매체가 채워지게 된다.

상기 연결통로(C)는 팽창공간(B)측에 위치하는 제1구멍(10)과 이 제1구멍(10)보다 큰 직경으로 제1구멍(10)에 연통되게 상기 재생기(5)측으로 관통된 제2구멍(11)으로 형성되며, 상기 두 개의 구멍이 만나는 마디에 상기 제1개폐부재(7)가 설치된다. 상기 제1개폐부재(7)는 소정의 두께를 갖으며 유연성과 탄성력을 지닌 원형판으로 상기 제1구멍(10)보다 직경이 크게 형성된다.

상기 제2개폐부재(8)는 실린더(1)의 내측 상면에 결합되도록 원형판으로 형성되며, 이 원형판은 유연성과 탄성력을 지닌 재료로 형성된다. 상기 제2개폐부재(8)는 실린더(1)의 내측 상면에 중심 부분이 고정되며 가장자리는 실린더(1)의 상부와 연통된 고온열교환기(4)측 연결관(P)의 단부를 막게 된다.

상기 제3개폐부재(9)는 상기 저온열교환기(6)측을 이루는 연결관(P)을 막을 수 있도록 소정의 두께를 갖는 원형판으로 형성되며, 이 원형판은 유연성과 탄성력을 지닌 재료로 형성된다. 상기 제3개폐부재(9)는 다수개로 구성되는 연결관(P) 중 일부를 막을 수 있도록 수개 설치되며, 이 제3개폐부재(9)의 개폐방향은 작동가스가 팽창공간(B)에서 압축공간(A)으로 이동시 연결관(P)을 막고 압축공간(A)에서 팽창공간(B)으로 이동시 막힌 연결관(P)을 열도록 설치된다. 또한 상기 제3개폐부재(9)는 재생기(5)의 측부에 위치하게 된다.

이하, 본 발명의 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 디스플레이서(3)가 상사점으로 이동하게 되면 팽창공간(B)내의 작동가스 압력에 의해 제2개폐부재(8)가 고온열교환기(4)측을 이루는 연결관(P)을 막게 됨과 더불어 제1개폐부재(7)가 열려 팽창공간(B)내의 작동가스가 연결통로(C)를 통해 이동하게 된다. 이 연결통로(C)를 통한 작동가스는 바로 재생기(5)를 거쳐 저온열교환기(6)측 연결관(P)을 통해 압축공간(A)으로 유입된다. 이과정에서 작동가스가 고온열교환기(4)를 거치지 않고 바로 재생기(5)를 거치게 됨으로 연소기로부터 공급되는 고온열교환기(4)에서의 열량을 적게 흡수하게 되고, 상기 재생기(5)를 거친 작동가스가 저온열교환기(6)의 연결관(P)을 통과할 때 제3개폐부재(9)가 저온열교환기(6)측 연결관(P)의 일부를 막게 되어 저온열교환기(6)에서의 열교환 면적을 줄여 주게 됨으로써 저온열교환기(6)를 통한 열손실을 줄일 수 있도록 균형을 맞출수 있어 재생기(5)의 성능저하에 따른 저온열교환기(6)에서의 열손실을 줄일 수 있게 된다.

그리고 상사점에 위치한 디스플레이서(3)가 하사점으로 이동하게 되면, 도 4에 도시한 바와 같이, 디스플레이서(3)가 압축공간(A)을 압축하게 되어 압축공간(A)내의 작동가스가 저온열교환기(6)측 연결관(P)와 재생기(5) 그리고 고온열교환기(4)를 거쳐 팽창공간(B)으로 유입되며, 이때 제3개폐부재(9)는 열리고 제1개폐부재(7)는 닫히며 제2개폐부재(8)가 열리게 된다. 이과정에서 저온열교환기(6)와 고온열교환기(4)의 전열 면적 균형을 맞출수 있으며, 제1,2개폐부재(7,8)에 의해 작동가스가 팽창공간(B)에서 압축공간(A)으로 이동할 때 통과시킴으로써 작동가스가 팽창공간(B)에서 압축공간(A)으로 이동할 때 축적된 열을 이용할 수 있기 때문에 팽창공간(B)의 작동가스 온도를 보다 높일 수 있어 동일한 연소기의 열량으로 부터 더욱 많은 외부일을 할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치는 실린더의 상부와 측면에 탄성력을 지닌 개폐부재를 각각 장착하고 저온열교환기와 고온열교환기의 열적 균형을 맞출수 있는 개폐부재를 장착하여 팽창공간에서 압축공간으로 작동가스가 이동할 때는 고온열교환기를 지나지 않고 재생기로 바로 유입되도록 함으로써 재생기의 외부 열전도에 따른 효율저하에 의한 열저장능력의 저하로부터 저온열교환기를 통과할 때 재생기에 축적되지 못한 열량의 일부가 외부로 빠져나가는 손실 및 압축공간의 온도상승에서 오는 손실을 감소시켜 스터링 엔진의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 소정의 내부 체적을 갖으며 이 내부에 작동가스가 채워진 실린더와, 상기 실린더의 내부에 삽입되어 작동가스의 압력변화에 의한 일에너지를 외부로 전달하는 파워피스톤과, 상기 파워피스톤의 상측에 위치하도록 상기 실린더내부에 삽입되어 실린더의 내부를 압축공간과 팽창공간으로 분리함과 더불어 작동가스를 압축공간과 팽창공간으로 상호이동시키는 디스플레이서와, 상기 작동가스에 열을 공급하는 고온열교환기와, 작동가스와 열을 주고 받는 재생기와, 작동가스로부터 열을 방출시키는 저온열교환기를 포함하여 구성된 스터링 엔진에 있어서; 상기 실린더의 일측에 상기 재생기측과 팽창공간을 연통시키는 연결통로가 형성되고, 상기 연결통로에 한방향으로 유체가 흐르도록 제어하는 제1개폐부재와, 작동가스가 팽장공간에서 압축공간으로 이동시 작동가스가 고온열교환기를 통하여 흐르는 것을 막아 상기 연결통로로 흐르도록 하고 작동가스가 압축공간에서 팽창공간으로 이동시 고온열교환기를 통해 팽창공간으로 유입되도록 고온열교환기의 통로를 개폐하는 제2개폐부재와, 작동가스가 팽창공간에서 압축공간으로 압축공간에서 팽창공간으로 이동시 작동가스가 저온열교환기를 통하는 면적의 일부를 개폐하는 제3개폐부재를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 연결통로는 팽창공간측에 위치하는 제1구멍과 이 제1구멍보다 큰 직경으로 제1구멍에 연통되게 상기 재생기측으로 관통된 제2구멍으로 형성되며, 상기 두 개의 구멍이 만나는 마디에 상기 제1개폐부재가 설치됨을 특징으로 하는 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1,2,3개폐부재는 유연성 및 탄성력을 지닌 재료로 형성됨을 특징으로 하는 스터링 엔진의 작동가스 흐름조절장치.

Images