KR100374653B1 - 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용외연기관 - Google Patents

개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용외연기관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관에 관한 것이다. 보다 자세하게 설명하면 공기 또는 작동유체를 제어하기 위한 밸브와 열교환 장치를 이용하여 기계적인 구조를 단순화하여 초소형으로 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관에 관한 것이다.
이상적인 스터링 사이클은 등온압축-정적가열-등온팽창-정적냉각 과정을 반복하며 이를 구현하기 위한 스터링 엔진은 보통 디스플레이서(33)와 재생기(36)라는 기계장치를 포함하고 있어서 실제적으로 기계적인 구조가 복잡하다.
또한 이상적인 스터링 사이클은 정적과정과 등온과정을 효과적이고 신속하게 수행할 수 있는 엔진을 설계하는 것이 어렵기 때문에 실제로 적용하는 데 어려움이 많았다.
밀폐형 스터링 외연기관은 실제적이고 기술적인 문제가 많다. 먼저 밀폐형 엔진에서는 보통 공기 대신에 수소 또는 헬륨을 작동유체로 사용한다. 이것은 수소나 헬륨이 출력밀도가 높고 열효율이 높기 때문이다. 그러나 100기압 이상의 수소나 헬륨을 작동유체로 사용하게 되면 치명적인 문제들이 발생할 수 있다. 예를 들면 고압의 수소가스를 사용하는 경우 폭발에 대한 안전성 문제가 발생한다. 또한 이러한 고압에서는 작동유체가 외부로 빠져나가지 못하게 하기 위해 사용되는 씰이나 링 등을 선택하는 데에도 제한이 따르게 된다.
기존의 스터링 엔진은 등온과정에서 작동유체의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 벽면을 통한 열교환이 필요하다. 이를 위해서는 일반적으로 벽면의 표면적이 커야 하므로 무게와 비용이 증가하고 효율이 감소한다.
또한 기존의 밀폐형 스터링 엔진의 단점을 개선하기 위한 미국 특허 5,050,570과 같은 개방형 스터링 엔진은 흡배기 밸브와 디스플레이서, 재생기 등을 구비하고 있기 때문에 구조가 복잡하며 내연 기관과 같이 연료/공기 혼합가스의 폭발력을 이용하기 때문에 소음과 진동이 심한 문제가 있다.
동력기관을 초소형화하기 위해서는 구성수단들이 구조적으로 단순하여야 하지만 기존의 밀폐형 스터링 엔진과 개방형 스터링 엔진은 디스플레이서(33), 재생기(36), 밸브 시스템이 복잡하게 구성되어 있기 때문에 엔진을 초소형화하는 데 큰 어려움이 있다. 본 발명에서는 기존의 밀폐형 스터링 엔진과 개방형 스터링 엔진에서 필수적으로 사용되는 디스플레이서(33)와 재생기(36)를 사용하지 않고 밸브 구동 시스템을 사용하지 않음으로써 엔진의 구조를 간단하게 하여 스터링 엔진을 초소형화하는 데 목적이 있으며 본 발명에 따른 외연기관은 초소형 운반체의 동력원으로 사용될 수 있다. 여기에서 초소형 운반체라는 것은 최대 크기가 30cm 이하, 무게가 200g 이하인 비행체 및 지상 운용 수단을 의미하며 카메라, 센서, 항법장치, 제어시스템, 송수신 장치를 구비하고 있다. 초소형 운반체는 군사적인 목적으로 정찰, 감시, 핵 또는 화학물질 감지 등에 사용되며 교통통제, 교통모니터링, 산불감시, 영화 촬영, 동굴 탐사 등 여러 분야에 응용될 수 있을 정도로 그 활용범위가 크다. 초소형 운반체는 상기와 같은 제한조건을 만족하기 위하여 모든 탑재장비들이 초소형화되어야 하며 그 중 동력장치는 소음이 적고 출력이 높아야 한다.
따라서 본 발명에 따른 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관은 초소형화가 가능하고 소음과 진동이 없기 때문에 최대 길이 30cm 이하, 무게 200g 이하의 초소형 운반체의 동력장치로 사용될 수 있다.

Description

개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관 {Open-cycle external combustion Stirling engine for micro vehicles}
본 발명은 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관에 관한 것이다. 보다 자세하게 설명하면 공기 또는 작동유체를 제어하기 위한 밸브와 열교환 장치를 이용하여 기계적인 구조를 단순화하여 초소형으로 제작이 가능한 것을 특징으로 하는 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관에 관한 것이다.
스터링 엔진은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 형태의 엔진으로서 오토(Otto) 사이클이나 디젤 사이클로 작동하는 엔진에 비해 여러 가지 장점들이 있기 때문에 오랫동안 연구되어 왔다.
스터링 엔진은 스터링 열역학 사이클을 구현하도록 설계된 엔진이다. 스터링 사이클은 이론적으로 정적과정과 등온과정으로 이루어져 있기 때문에 오토 사이클이나 디젤 사이클보다 훨씬 높은 효율을 가지며 이상적인 경우 열기관에서 얻을 수 있는 최고 효율을 갖는 카르노(Carnot) 사이클과 같은 효율을 갖는다.
도6~9는 기존 밀폐형 스터링 엔진의 구성과 작동을 예로 나타낸 그림이며 도10은 이상적인 스터링 사이클의 압력-부피 선도와 온도-엔트로피 선도이다. 이 도면들을 바탕으로 기존 밀폐형 스터링 엔진의 작동 예를 설명하고자 한다.
도6에서 피스톤(30)은 작동유체에 의해 발생하는 동력을 크랭크축(도면에 없음)으로 전달하는 역할을 하며 디스플레이서(33)는 저온부(31)와 고온부(34)의 작동유체를 재생기(36)로 통과시키면서 이동시키는 역할을 수행한다. 재생기(36)는 고온부(34)의 작동유체가 포함하고 있는 열을 흡수하고 이 열을 저온부(31)의 공기가 재생기(36)를 통과할 때 전달하는 역할을 하며 다공성 매질로 구성되어 있다. 가열장치(35)는 고온부(34)로부터 재생기(36)를 거친 작동유체가 저온부(31)에서 팽창하면서 온도가 감소할 때 온도가 감소하지 않도록 열을 제공하여 작동유체가 등온팽창하도록 하는 역할을 하며, 냉각장치(37)는 저온부(31)에서 작동유체가 압축될 때 온도가 증가하지 않도록 냉각하여 등온압축되도록 하는 역할을 한다. 가열장치(35)는 보통 외부 연소실에 해당되며 냉각장치(37)는 보통 공기, 물 등을 이용하여 냉각하는 시스템에 해당된다. 이 두 장치는 이상적인 스터링 사이클에서 등온과정이 이루어지도록 하는 역할을 한다.
도6은 도10의 이상적인 스터링 사이클에서 상태 1에 해당된다. 이 순간에 피스톤(30)은 최저 높이에, 디스플레이서(33)는 최고 높이에 위치해 있다. 피스톤(30)이 상승운동을 하면서 저온부(31)의 작동유체를 압축하는 과정이 도10의 1-2 과정이며 상태2가 된 순간을 나타낸 것이 도7이다. 도10에서 보듯이 1-2 과정에 의해서 저온부(31)의 작동유체의 체적이 감소하면서 압력은 증가한다. 또한 작동유체가 압축되면서 온도가 상승하는데 이 때 냉각장치(37)에 의해 작동유체의 온도가 상승하지 않도록 한다. 이로써 도10의 1-2 과정은 등온압축과정이 된다.
도10에서 2-3 과정은 1-2 과정에 의해 압축된 저온부(31)의 작동유체는 고온부(34)의 작동유체보다 압력이 높기 때문에 저온부(31)의 작동유체는 재생기(36)를 통과하여 고온부(34)로 들어간다. 저온부(31)의 작동유체가 재생기(36)를 통과할 때 재생기(36)는 가지고 있던 열을 저온부(31)로부터의 작동유체에게 전달하여 재생기(36)를 통과한 저온부(31)의 작동유체의 온도는 고온부(34)의 작동유체와 비슷한 온도가 된다. 이 과정을 통해 저온부(31)와 고온부(34)를 합한 작동유체의 부피는 변함이 없으면서 재생기(36)를 통한 열전달로 인해 작동유체의 온도는 상승하며 온도상승에 따라 압력도 증가한다. 압력 증가로 인해 디스플레이서는 도8과 같이 고온부(34)와 저온부(31)의 작동유체의 압력이 일치하는 높이까지 하강운동을 하면서 저온부에 있던 작동유체의 대부분이 재생기(35)를 거쳐서 고온부(34)로 이동하도록 한다. 따라서 도10의 2-3 과정은 재생기에 의해 작동유체로 열이 전달되는 정적가열과정이며 이 때 작동유체의 압력은 최고가 된다.
도10에서 3-4 과정은 2-3 과정에서 고온부(34)의 작동유체가 압력이 증가하게 되며 이 압력증가로 인해 피스톤(30)이 하강운동을 하면서 이 운동에너지를 크랭크축(도면에 없음)에 전달하게 되며 도9와 같은 상태가 되는 과정이다. 이 때 저온부(31)의 작동유체는 팽창하기 때문에 압력이 감소하며 팽창에 따른 온도감소는 가열장치(35)의 열에 의해 보상된다. 따라서 도10의 3-4 과정은 등온팽창과정이 된다.
도10에서 4-1 과정은 3-4 과정에서 저온부(31)의 작동유체의 압력은 팽창과정에 의해 감소하게 된다. 따라서 저온부(31)보다 압력이 높은 고온부(34)의 작동유체가 저온부로 들어오게 된다. 이 때 고온부(34)의 작동유체는 재생기(36)를 통과하게 되며 고온부(34)의 작동유체는 재생기(36)에게 열을 전달하고 재생기(36)를 통과한 후에는 저온부(31)의 작동유체와 비슷한 온도가 된다. 디스플레이서(33)는 저온부(31)와 고온부(34)의 작동유체의 압력이 평형을 이루는 위치까지 이동하면서 다시 도6과 같은 상태가 된다. 이 때 작동유체의 부피는 변함이 없으므로 도10의 4-1 과정은 재생기가 작동유체의 열을 빼앗는 정적냉각과정이 된다.
이와 같이 이상적인 스터링 사이클은 등온압축-정적가열-등온팽창-정적냉각 과정을 반복하며 이를 구현하기 위한 스터링 엔진은 보통 디스플레이서(33)와 재생기(36)라는 기계장치를 포함하고 있어서 실제적으로 기계적인 구조가 복잡하다.
또한 이상적인 스터링 사이클은 정적 과정과 등온과정을 효과적이고 신속하게 수행할 수 있는 엔진을 설계하는 것이 어렵기 때문에 실제로 적용하는 데 어려움이 많았다.
대부분의 스터링 엔진은 앞서 상술한 바와 같이 밀폐형 외연기관의 형태를 채용한다. 외연기관이라는 것은 작동유체와 분리되어 있는 외부에서 일어난 연소에 의해 발생한 열이 작동유체로 전달되는 엔진을 말한다. 이것은 작동유체가 연료와 혼합되어 연소되는 내연기관과는 확연히 차이가 난다.
밀폐형 스터링 외연기관은 실제적이고 기술적인 문제가 많다. 먼저 밀폐형 엔진에서는 보통 공기 대신에 수소 또는 헬륨을 작동유체로 사용한다. 이것은 수소나 헬륨이 출력밀도가 높고 열효율이 높기 때문이다. 그러나 100기압 이상의 수소나 헬륨을 작동유체로 사용하게 되면 치명적인 문제들이 발생할 수 있다. 예를 들면 고압의 수소가스를 사용하는 경우 폭발에 대한 안전성 문제가 발생한다. 또한 이러한 고압에서는 작동유체가 외부로 빠져나가지 못하게 하기 위해 사용되는 씰이나 링 등을 선택하는 데에도 제한이 따르게 된다.
기존의 밀폐형 스터링 엔진은 등온과정에서 작동유체의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 벽면을 통한 열교환이 필요하다. 이를 위해서는 일반적으로 벽면의 표면적이 커야 하므로 무게와 비용이 증가하고 효율이 감소한다.
또한 기존의 밀폐형 스터링 엔진의 단점을 개선하기 위한 미국 특허 5,050,570과 같은 개방형 스터링 엔진은 흡배기 밸브와 디스플레이서, 재생기 등을 구비하고 있기 때문에 구조가 복잡하며 내연 기관과 같이 연료/공기 혼합가스의 폭발력을 이용하기 때문에 소음과 진동이 심한 문제가 있다.
동력기관을 초소형화하기 위해서는 구성수단들이 구조적으로 단순하여야 하지만 기존의 밀폐형 스터링 엔진과 개방형 스터링 엔진은 디스플레이서(33), 재생기(36), 밸브 시스템이 복잡하게 구성되어 있기 때문에 엔진을 초소형화하는 데 큰 어려움이 있다. 본 발명에서는 기존의 밀폐형 스터링 엔진과 개방형 스터링 엔진에서 필수적으로 사용되는 디스플레이서(33)와 재생기(36)를 사용하지 않고 밸브 구동 시스템을 사용하지 않음으로써 엔진의 구조를 간단하게 하여 스터링 엔진을 초소형화하는 데 목적이 있으며 본 발명에 따른 외연기관은 초소형 운반체의 동력원으로 사용될 수 있다.
여기에서 초소형 운반체는 최대길이 30cm 이하의 운용 수단으로서 도11과 같이 현재 미국에서 활발한 연구가 진행되고 있는 초소형 비행체(Micro Air Vehicles ; MAV)를 대표적인 예로 들 수 있다. 초소형 비행체는 글자 그대로 해석되어 기존의 일반 항공기를 단지 축소한 것으로 오해되기 쉽다. 그러나 실제로 초소형 비행체는 가격이 저렴하면서도 완벽한 기능을 발휘해야 하고 군사적으로도 이용가능해야 한다. MAV는 유용한 장비를 싣고 멀리 떨어져 있거나 위험한 장소에서 여러 가지 임무를 수행하는 비행 로봇이라는 것이 적절한 표현이다. 초소형 비행체를 정의하면 대략적으로 최대길이 30cm 이하, 무게 200g 이하, 비행시간 20분~2시간, 작동반경 1~10km, 양산 시 대당 가격 1,000 달러 이하 등이다.
1990년대에 들어서서 초소형 전자기계시스템 (Micro Electromechanical Systems : MEMS) 설계 및 제작기술의 발달로 인해 초소형 비행체에 대한 관심이 고조되고 있다. 미국을 비롯한 선진국에서는 최근 10여년 동안 활발한 연구개발을 통해 다양한 성과를 올리고 있지만 아직까지도 성공적인 초소형 비행체는 개발되어 있지 않다. 따라서 초소형 비행체는 반도체 제조 기반기술을 보유한 국내의 기술 측면에서 상대적으로 기술 경쟁력이 높은 분야이며, 국가적인 차원에서 반드시 개발 능력을 갖추어야 되는 분야로 판단된다. 초소형 비행체는 21세기에 상업적으로나 군사적으로도 활용범위가 클 것으로 예상되며 항공역학 및 비행제어, 인공지능 자동 항법 기술, 고출력 동력기관, 초정밀 카메라, 통신 등 요소기술이 함께 개발되어야 하고 초소형 부품 제작을 위한 마이크로 머시닝(Micro Machining) 기술도 많은 발전을 이룰 수 있기 때문에 MAV 시스템 개발에 따른 파급효과가 크며, 타 산업으로의 시너지 효과 또한 무궁무진하다. 초소형 운반체는 군사적인 목적으로 정찰, 감시, 핵 또는 화학물질 감지 등에 사용되며 교통통제, 교통모니터링, 산불감시, 영화 촬영, 동굴 탐사 등 여러 분야에 응용될 수 있을 정도로 그 활용범위가 크다.
초소형 운반체는 상기와 같은 제한조건을 만족하기 위하여 모든 탑재장비들이 초소형화되어야 하고 그 중 동력원은 소음이 적고 출력이 높아야 한다. 현재 초기단계에서 MAV에 적용되고 있는 동력원은 니켈카드뮴(NiCad) 또는 리튬(LiMnO2) 배터리이다. 배터리는 소음이 적고 신뢰성이 높고 진동이 작다. 또한 배터리팩의 교환이 용이하다. 그러나 치명적인 약점은 출력밀도가 낮아서 MAV의 비행시간이나 성능을 제한한다는 것이다. 현재 배터리를 사용한 MAV의 비행시간은 20분 이하이다.
배터리의 대안으로 제시되는 동력원은 화학반응을 통해 전기를 생산해 내는 연료전지이다. MAV의 동력원으로 유망하지만 아직 개발 초기단계이다.
디젤이나 가솔린 엔진과 같은 내연기관은 이미 모형 항공기에 널리 사용되고 있다. 그러나 MAV에 적용될 정도로 초소형화하는 것이 어렵고 조작이 어려우며 외부온도나 습도에 매우 민감하다. 또한 소음이 크고 진동이 심해서 감시임무 수행 시 저해요인이 된다.
가스터빈엔진은 출력밀도가 높기 때문에 도12와 같이 현재 미국의 MIT와 M-DOT 등에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 M-DOT에서 개발 중인 가스터빈 엔진의 무게는 630g에 달하여 무게와 크기를 줄여야 하는 과제를 안고 있고. MIT에서 개발 중인 가스터빈 엔진은 지름이 약 6mm로 재질이 실리콘이고 2차원적인 구조로 설계하기 때문에 반도체 공정으로 제작이 가능할 수 있지만 아직 개발성공을 장담하기 어렵기 때문에 MAV에 적용되기 위해서는 상당기간의 연구가 필요하다. 또한 가스터빈 엔진은 날씨에 민감하여 습도에 따라 시동 및 재시동 문제가 발생하는 단점이 있다.
스터링 엔진은 구조가 복잡하고 다른 내연기관에 비해 출력밀도가 낮지만 연소 시 폭발행정이 없기 때문에 소음이 없다는 탁월한 장점을 갖고 있다. 또한 스터링 엔진의 작동사이클은 매우 효율적인 사이클이다. 이론적인 효율의 한계인 카르노 사이클과 매우 유사하기 때문에 디젤, 가솔린, 터보 엔진보다 효율이 높다.
따라서 본 발명에 따른 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관은 스터링 엔진의 구조를 단순화하여 엔진을 초소형화하는 데 목적이 있다.
도1은 본 발명에 따른 외연기관에서 압축실(10)의 작동유체가 압축되기 직전의 상태를 나타낸다.
* 도1의 부호에 대한 설명
1 : 실린더 1a : 실린더 헤드
2 : 고온연소가스(22)의 열을 흡수하는 열흡수 수단
2a : 열흡수 수단(2)에서 고온연소가스(22)가 열전달을 하는 공간
3 : 열흡수 수단(2)에서 흡수한 열을 압축실(10)에 있는 작동유체에게
방출하는 열방출 수단
3a : 열방출 수단(3)에서 압축실(10) 내의 작동유체가 열을 흡수하는
공간
4 : 크랭크실(6)의 작동유체가 압축실(10)로 들어가는 흡기관
5 : 대기(19)에서 작동유체가 크랭크실(6)로 들어가는 흡기구
6 : 크랭크실(crank chamber) 7 : 피스톤 씰 (piston seal)
8 : 외부 연소실
9 : 외부 연소실(8)의 고온연소가스(22)가 열흡수 수단(2)을 지나고
대기(18)로 방출되는 유로
10 : 압축실 11 : 피스톤 헤드(piston head)
11a : 피스톤 헤드(11)의 아래부분 11b : 피스톤 헤드(11)의 위 부분
12 : 피스톤 핀 (piston pin) 13 : 커넥팅 로드 (connecting rod) 14 : 커넥팅 로드(13) 연결 핀 (intermediate pin)
15 : 크랭크 암 (crank arm) 16 : 크랭크 축 (crank shaft)
17 : 배기구 18, 19, 27 : 대기
20 : 전후방 압력차에 의해 작동하는 리드밸브 (reed valve)
21 : 리드밸브(20)를 통해서 대기(19)로부터 크랭크실(6)로 들어오는
작동유체
22 : 외부 연소실(8)에서 배출되는 고온연소가스
25 : 피스톤 아래부분(11a)에서 피스톤헤드(11)를 냉각하는 작동유체
26 : 피스톤
도2는 본 발명에 따른 외연기관에서 피스톤(26)이 최고높이에 도달한 상태를 나타낸다.
* 도2의 부호에 대한 설명 : 도1과 동일
도3은 본 발명에 따른 외연기관에서 압축실(10)의 작동유체가 대기(27)로 배출되는 상태를 나타낸다.
* 도3의 부호에 대한 설명
24 : 배기구(17)를 통해 압축실(10)에서 대기(27)로 배출되는 작동유체
기타 부호는 도1과 동일
도4는 본 발명에 따른 외연기관에서 크랭크실(6)의 작동유체가 흡기관(4)을 통해 압축실(10)로 들어가는 상태를 나타낸다.
* 도4의 부호에 대한 설명
23 : 흡기관(4)을 통해 크랭크실(6)에서 압축실(10)로 들어오는 작동유체
기타 부호는 도3과 동일
도5는 본 발명에 따른 외연기관에서 피스톤(26)이 최저 높이에 도달한 상태를 나타낸다.
* 도5의 부호에 대한 설명 : 도4와 동일
도6은 기존 밀폐형 스터링 엔진에서 피스톤(30)이 상승운동을 시작하여 실린더(32) 내부의 작동유체를 압축하기 직전의 상태를 나타낸다.
* 도6의 부호에 대한 설명
30 : 피스톤 31 : 저온부 32 : 실린더
33 : 디스플레이서 (displacer) 34 : 고온부
35 : 가열장치 36 : 재생기 (regenerator) 37 : 냉각장치
38 : 디스플레이서 로드 (displacer rod)
39 : 피스톤 로드 (piston rod)
도7은 기존 밀폐형 스터링 엔진에서 피스톤(30)이 최고 높이에 도달한 상태를 나타낸다.
* 도7의 부호에 대한 설명 : 도6과 동일
도8은 기존 밀폐형 스터링 엔진에서 피스톤(30)이 최고 높이에 위치하고 디스플레이서(33)가 최저 높이에 도달한 상태를 나타낸다.
* 도8의 부호에 대한 설명 : 도6과 동일
도9는 기존 밀폐형 스터링 엔진에서 디스플레이서(33)가 최저 높이에 위치하고 피스톤(30)이 최저 높이에 도달한 상태를 나타낸다.
* 도9의 부호에 대한 설명 : 도6과 동일
도10은 기존 밀폐형 스터링 엔진에서 이상적인 스터링 사이클의 압력-부피 선도와 온도-엔트로피 선도를 나타낸다.
도11은 초소형 운반체의 일종인 초소형 비행체의 예로서 미국 AeroVironment사의 Black Widow와 미국 Georgia Tech.의 Entomoptor를 나타낸다.
도12는 초소형 동력원의 일종인 미국 M-DOT와 미국 MIT의 초소형 가스터빈 엔진을 나타낸다.
도1을 보면 외부 연소실(8)에서 배출된 고온연소가스(22)는 관로(9)를 통해 실린더헤드(1a) 외부에 설치된 열흡수 수단(2)으로 이동한다. 여기에서 외부 연소실(8)은 연료와 산화제(예를 들면 외부 공기)를 연소시켜 본 발명에 따른 외연기관에 전달되는 열을 발생시키는 수단으로서 초소형으로 제작된다. 열흡수 수단(2)은고온연소가스(22)가 내포하고 있는 열을 흡수하여 실린더헤드(1a) 내부에 설치된 열방출 수단(3)으로 전달한다. 열흡수 수단(2)과 열방출 수단(3)은 실린더헤드(1a)에 다수의 전열핀을 부착한 시스템을 예로 들 수 있다. 이 때 실린더 헤드(1a),열흡수 수단(2), 열방출 수단(3)은 열전도도가 매우 높은 재료를 사용한다. 열흡수 수단의 내부 공간(2a)에서 고온연소가스(22)는 내포하고 있는 열을 열흡수 수단(2)으로 전달하고 이 열은 실린더헤드(1a)를 거쳐 열방출 수단(3)으로 전달된다. 실린더 헤드(1a),열흡수 수단(2), 열방출 수단(3)은 열전도도가 매우 높은 재료를 사용하기 때문에 실린더 헤드(1a),열흡수 수단(2), 열방출 수단(3)의 온도는 고온연소가스(22)의 온도와 비슷한 고온이 된다.
열방출 수단의 내부 공간(3a)에서는 고온연소가스(22)의 열이 압축실(10)의 작동유체로 전달된다. 이 열에 의해 압축실(10)의 작동유체는 압력이 상승하여 결국 팽창과정을 통해 피스톤(26)이 왕복운동을 하게 만들고 이 운동에너지가 크랭크축(16)으로 전달되어 동력이 발생하게 된다.
본 발명에 따른 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 외연기관의 작동을 자세하게 설명하면 다음과 같다. 도1에서 피스톤(26)이 배기구(17)를 막는 순간 압축실(10)의 작동유체는 압축되기 시작한다. 피스톤(26)의 상승운동으로 인해 크랭크실(6)의 부피가 증가하여 크랭크실(6) 내부의 압력은 대기(19)보다 낮아진다. 따라서 이러한 압력차로 인해 리드밸브(20)가 열리고 흡기구(5)를 통해 대기(19)의 작동유체(21)가 크랭크실(6)로 들어온다. 이 작동유체(21)는 피스톤(26)이 상승운동을 하면서 발생하는 크랭크실(6) 내부의 공간을 채우면서 피스톤 헤드아래부분(11a)에서 피스톤 헤드(11)를 냉각하는 흐름(25)을 발생시킨다. 따라서 압축실(10)의 작동유체가 피스톤(26)에 의해 압축될 때 이 작동유체(25)는 열전도도가 높은 재료로 만들어진 피스톤 헤드(11)를 통해 압축실(10)의 작동유체를 냉각시킴으로써 압축실(10)의 작동유체의 온도가 상승하는 것을 방지한다. 즉, 피스톤(26)에 의한 압축실(10)의 작동유체가 압축되는 과정을 등온압축과정으로 만들어 준다. 이 과정은 도10의 스터링 사이클에서 1-2 과정에 해당된다.
도1에서 피스톤(26)이 상승운동을 시작하면 압축실(10) 내의 작동유체는 열방출 수단의 내부공간(3a)으로 들어가게 된다. 따라서 압축초기에는 열방출 수단(3)에서 압축실(10)의 작동유체로 전달되는 열량이 미미하지만 압축과정이 진행되고 열방출 수단의 내부공간(3a)으로 들어가는 작동유체의 양이 증가하면 전달열은 증가하게 된다. 따라서 도2와 같이 피스톤(26)이 최고 높이에 도달해서 대부분의 작동유체가 열방출 수단의 내부공간(3a)을 채우게 되면 열전달량이 최고가 된다. 이로 인해 도2에서 압축실(10)의 부피는 최소가 되는 반면 작동유체의 온도는 최고가 되어 작동유체의 압력도 최고가 된다. 따라서 피스톤(26)이 최고높이에 도달했을 때 대부분의 열이 압축실(10)의 작동유체로 전달되므로 도2는 정적가열과정을 나타낸다. 이 과정은 도10의 스터링 사이클에서 2-3 과정에 해당된다.
도2에서 압축실(10)의 작동유체의 압력이 최고가 되기 때문에 피스톤(26)은 압축실(10)의 작동유체의 팽창력에 의해 하강운동을 하게 되며 피스톤(26)의 운동에너지가 크랭크축(16)으로 전달되면서 동력을 얻게 된다. 크랭크축으로 전달된 동력은 초소형 지상운반체의 바퀴를 구동시키거나 초소형 비행체의 프로펠러 등을 회전시켜 추진력을 발생시키는 데 사용되며 발전기 시스템과 연결되어 초소형 운반체의 탑재장비를 구동시키는 전기로 변환된다. 피스톤(26)이 하강운동을 하는 동안 실린더 헤드(1a)의 열방출 수단(3)에서는 계속적으로 열을 공급하여 작동유체가 팽창하면서 온도가 감소하는 것을 막는다. 또한 피스톤이 하강운동을 시작하면 크랭크실(6)의 내부 공기압력이 대기(19)보다 높아지기 때문에 리드밸브(20)는 닫히게 되고 따라서 피스톤 아래부분(11a)의 냉각유동(25)이 사라지게 된다. 따라서 이 과정은 등온팽창과정이 되며 이 과정은 도3과 같이 피스톤헤드 위 부분(11b)이 배기구(17)에 도달하면서 작동유체가 대기(27)로 빠져 나오는 순간 끝이 난다. 이와 같은 등온팽창과정은 도10의 스터링 사이클에서 3-4 과정에 해당된다.
개방형 스터링 사이클은 도10과 같은 밀폐형 스터링 사이클과 달리 도10의 4-1 과정에 해당하는 정적냉각과정이 없다. 대신 작동유체를 배출하고 흡입하는 과정이 있다. 도3의 상태에서 작동유체(24)가 대기(27)로 빠져나가기 시작하고 다시 피스톤(26)이 하강운동을 시작하여 도4와 같이 피스톤 헤드의 위 부분(11b)이 흡기관(23) 출구에 도달하면 크랭크실(6)의 작동유체(23)가 압축실(10)로 들어온다. 크랭크실(6)의 작동유체는 피스톤(26)이 최고 높이에서 하강운동을 시작한 후 리드밸브(20)가 닫히면서 크랭크실(6)의 부피가 줄어들었기 때문에 대기(19)의 압력보다 높으며, 압축실(10)의 작동유체는 배기구(17)를 통해 작동유체(24)가 배출되는 과정에 있기 때문에 대기(27)의 압력과 비슷하다. 따라서 피스톤 헤드의 위 부분(11b)이 흡기관(23) 출구에 도달하면 크랭크실(6)의 작동유체(23)가 압축실(10)로 들어오게 되는 것이다. 흡기관(23)을 통해 들어온 작동유체(23)는 팽창과정을 마친 압축실(10)의 작동유체를 배기구(17)로 빠져나가도록 하면서 압축실(10)을 채운다. 도5에서 피스톤(26)이 최저 높이에 도달하면 흡기관(23)을 통해 압축실(10)로 들어오는 작동유체(23)의 양은 최대가 된다. 이 후 피스톤(26)은 다시 상승운동을 하고 도1과 같은 상태가 되면서 개방형 사이클을 반복한다.
본 발명에 따른 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관은 기존의 밀폐형 스터링 엔진에서 작동 유체로 사용하는 고압의 수소 또는 헬륨 대신에 저압의 공기를 사용하기 때문에 밀봉이나 저장에 따른 작동유체의 누출로 인한 안전성 문제가 없다. 또한 본 발명에서는 기존 밀폐형 스터링 엔진과 개방형 스터링 엔진에서 필수적으로 사용되는 디스플레이서(33), 재생기(36), 밸브 시스템을 사용하지 않기 때문에 구조를 단순화하여 스터링 엔진의 초소형화가 가능하다.
또한 기존의 개방형 스터링 엔진(미국 특허 5,050,570)에서 적용되는 내연기관의 점화시스템이 없기 때문에 연료/공기 혼합가스의 폭발에 따른 소음과 진동이 없다.
따라서 본 발명에 따른 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 초소형 운반체용 외연기관은 초소형화가 가능하고 소음과 진동이 없기 때문에 최대 길이 30cm 이하, 무게 200g 이하의 초소형 운반체의 동력장치로 사용될 수 있다.
본 발명은 연소기관 분야, 특히 스터링 외연엔진 분야에서 효과적으로 널리사용될 수 있으며 상기 실시 예로 한정하지 않고 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형예가 실시될 수 있음을 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명확하다.

Claims (5)

  1. 피스톤(26), 실린더(1), 외부 연소실(8), 피스톤(26)의 상하운동에 의해 회전운동으로 변환되는 크랭크축(16) 수단을 포함하는 스터링 사이클로 작동하는 외연기관에 있어서, 피스톤(26)의 상승운동으로 압축실(10)의 작동유체를 압축함과 동시에 흡입구(5)를 통해 크랭크실(6)로 흡입된 예비 작동유체를 이용하여 상기 압축 중인 작동유체를 냉각시키는 피스톤 헤드(11)와; 피스톤(26)이 실린더 헤드(1a)에 근접한 위치에 도달할 때 외부 연소실(8)의 고온연소가스(22)의 열이 압축실(10)의 작동유체에 전달되도록 할 뿐만 아니라 압축실(10)의 고온고압의 작동유체가 팽창하면서 피스톤(26)이 하강운동할 때 팽창 중인 작동유체를 가열시키는 역할을 하는 실린더 헤드(1a)의 열전달 수단(2,3)과; 팽창된 압축실(10)의 작동유체를 배출시키는 실린더(1) 일측의 배출구(17)와; 작동유체의 배출과 동시에 크랭크실(6)로부터 상기 저온의 예비 작동유체를 압축실(10)로 흡입하도록 하는 실린더(1) 일측의 별도의 공급구(4);를 구비함으로써 개방형 스터링 사이클 방식으로 작동하는 것을 특징으로 하는 외연기관
  2. 제1항에 있어서, 상기 작동유체는 공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 외연기관
  3. 제1항에 있어서, 상기 열전달 수단(2,3)은 실린더헤드(1a)에 접합되어 외부로 돌출된 열흡수 수단(2)과 실린더 헤드(1a)에 접합되어 내측으로 돌출된 열방출 수단(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외연기관
  4. 제3항에 있어서, 상기 열흡수 수단(2) 및 열방출 수단(3)은 다수의 전열핀 배열형태로 구성됨을 특징으로 하는 외연기관
  5. 제1항에 있어서, 상기 외연기관은 최대 길이 30cm 이하, 무게 200g 이하인 초소형 운반체의 동력원으로 적용되는 것을 특징으로 하는 외연기관
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