KR100638327B1 - 진공엔진과 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

개시된 진공엔진은 내부에 러너가 회전가능하게 설치된 터빈케이스와, 이 터빈케이스 내를 진공으로 유지하는 진공유지수단과, 터빈케이스 내에 작동유체를 공급하여 단열팽창되게 함으로써 러너를 회전시키는 러너구동수단과, 진공유지수단을 거친 작동유체를 응축시키는 응축기와, 러너의 회전축과 연결되어 회전속도를 일정하게 조절하는 조속기와, 조속기의 출력축에 연결되어 동력을 발생시키는 발전기를 포함한다. 이와 같은 구성의 진공엔진은 화석연료를 사용하지 않기 때문에 공해를 줄이는 효과를 제공할 수 있다.

진공, 엔진

Description

진공엔진과 그 구동방법{A vacuum engine and method of driving the same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진공엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10... 작동유체 100... 러너

110, 130... 회전축 120... 조속기

140... 발전기 150... 터빈케이스

150a... 터빈케이스 내부표면 151... 이중구조 내부

152... 금속가스켓 160... 진공압센서

161... 진공압센서 릴레이 200... 진공펌프

210... 배출관로 211... 모터

300... 응축기 310... 회수관로

400... 저장탱크 410... 공급관로

420... 조절부 500... 전자식 디퓨저

510... 디퓨저작동 릴레이 520... 노즐

530... 차단밸브

본 발명은 진공엔진과 그 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 고압, 과열증기를 이용한 증기터빈엔진이나 자동차, 선박과 같이 실린더내에 연소폭발을 이용한 피스톤식 엔진, 항공기에 사용되는 터보엔진, 제트엔진 등이 있으며, 이 엔진들은 모두 고온고압의 기체를 이용하고 있다.

이러한 종래의 고압, 과열증기, 연소에 의한 폭발현상 즉 단열팽창을 이용하는 엔진은 외부의 열에너지 공급이 없는 상태에서 급격한 팽창을 유도하는 방식이다. 이러한 단열팽창으로의 운동에너지를 만드는 방법은 단지 유동 매체가 가진 고유한 분자운동에너지를 이용하는 것이 아니라 유체의 화학적 변화에 의한 팽창이나 유체에 열에너지를 이용하여 고압이 되도록하여 이를 대기중에 방출시키므로서 발생되는 유체의 속도에너지를 이용하는 것이다.

그런데, 이러한 종래의 엔진들은 화석연료를 사용하여 유체의 에너지를 얻기 때문에, 환경공해를 유발하는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 공해를 발생하지 않도록 개선된 진공엔진과 그 구동방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 진공엔진은 내부에 러너가 회전가능하게 설치된 터빈케이스와; 상기 터빈케이스 내를 진공으로 유지하는 진공유지수단과; 상기 터 빈케이스 내에 작동유체를 공급하여 단열팽창되게 함으로써, 상기 러너를 회전시키는 러너구동수단과; 상기 진공유지수단을 거친 작동유체를 응축시키는 응축기와; 상기 러너의 회전축과 연결되어 회전속도를 일정하게 조절하는 조속기와; 상기 조속기와 연결되어 동력을 발생시키는 발전기를 구비한다.

여기서, 상기 진공유지수단은 상기 터빈케이스에 설치되어 이 터빈케이스내의 도달진공압을 측정할 수 있는 진공압센서를 구비하고, 모터의 동력을 전달받아 상기 터빈케이스 내부를 진공으로 조절하는 진공펌프를 구비할 수 있다.

또한, 상기 러너구동수단은 벤츄리형상이나 노즐형상으로 형성되어 상기 작동유체를 분사시켜 상기 러너를 회전시키는 전자식 디퓨저를 구비할 수 있다.

또한, 상기 터빈케이스 내부와 상기 러너의 외부를 메탈코팅처리하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 터빈케이스와 상기 진공펌프의 외부를 이중으로 처리하여 이 속을 진공으로 처리하고 냉매를 투입시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, (a) 내부에 러너가 회전가능하게 설치된 터빈케이스와, 상기 터빈케이스 내를 진공으로 유지하는 진공펌프와, 상기 터빈케이스 내에 작동유체를 공급하여 단열팽창되게 함으로써 상기 러너를 회전시키는 전자식디퓨저와, 상기 진공펌프를 거친 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 러너의 회전축과 연결되어 회전속도를 일정하게 조절하는 조속기와, 상기 조속기와 연결되어 동력을 발생시키는 발전기를 준비하는 단계와; (b) 상기 진공펌프를 구동하여 상기 터빈케이스 내를 진공으로 만드는 단계와; (c) 상기 전자식디퓨저로 진공인 상기 터빈케이스 내에 상기 작동유체를 분사하여 상기 러너를 회전시키는 단계와; (d) 상기 러너의 회전을 통해 상기 발전기로 동력을 얻는 단계와; (e) 상기 터빈케이스내의 작동유체를 상기 응축기를 통해 응축시키는 단계와; (f) 상기 응축기를 통해 응축된 상기 작동유체를 상기 전자식디퓨저로 공급하는 단계;를 포함하는 진공엔진 구동방법이 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진공엔진의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 터빈케이스(150)는 내부에 러너(100)가 장착되어 있으며, 내부를 진공으로 만드는 진공펌프(200)와 작동유체(10)를 분사시키는 전자식 디퓨저(500)와 연결되어 있다.

상기 러너(100)는 작동유체(10)의 유체에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치로서, 상기 터빈케이스(150)내에서 회전축(110)을 중심으로 회전운동을 한다.

그리고, 상기 러너(100)의 외면은 기체분자의 부착을 방지하기 위하여 메탈코팅처리를 하였다.

이러한 러너(100)의 회전축에는 회전축(110)의 회전속도를 조절하기 위하여 조속기(120)가 연결되어 있으며, 이 조속기(120)의 출력축에는 유효한 동력을 얻기 위하여 발전기(140)가 연결되어 있다.

상기 터빈케이스(150) 내부는 진공펌프(200)를 통해 고진공상태를 유지하며, 이러한 고진공상태를 유지하기 위하여 이중구조이며, 접합부에는 외부로 부터 대기상 기체가 스며들지 않도록 금속카스켓(152)을 사용했다.

또한, 상기 터빈케이스(150) 내부표면(150a)은 작동유체(10)가 터빈케이스(150)내에서의 증발시 발생하는 응결에 의한 기체분자의 부착이 최소화 되도록 유리거울 처럼 매끄럽게 메탈코팅처리 하였다.

상기 진공펌프(200)는 상기 터빈케이스(150) 내부를 진공으로 만들고, 이 진공펌프(200)는 모터(211)에 의해 동력을 공급받아 작동을 한다.

덧붙여, 상기 진공펌프(200)외부는 과열을 방지하기 위하여 상기 터빈케이스(150)와 함께 이중구조를 가지며, 이 이중구조의 내부(151)는 냉각효과와 진공펌프(200)에서 발생되는 열과 터빈케이스(150)에서 흡수되는 열의 상호 열교환이 이루어지도록 하기 위하여 냉매를 투입한다.

여기서, 터빈케이스(150)와 진공펌프(200)의 이중구조는 외부와 거의 완벽한 단열구조를 가질 수 있는 히트파이프의 원리를 이용하였다.

상기 전자식 디퓨저(500)는 고압의 작동유체(10)를 러너(100)에 분사시킬때 분사속도를 높이고, 작동유체(10)가 노즐을 통과한 후 생기는 와류를 방지하기 위하여 도시한바와 같이 벤츄리형상이나 노즐형상으로 형성될 수 있으며, 상기 전자식 디퓨저(500)의 노즐(520)에는 작동유체(10)의 공급을 조절할 수 있는 차단밸브(530)가 구비되어 있다.

여기서, 상기 차단밸브(530)는 평상시는 스프링 장력에 의해 닫혀 있으나 전자식 진공압센서(160)로 부터 신호를 받은 후 디퓨저작동 릴레이(510)가 작동되면 전자석에 의해 작동유체(10)의 공급을 조절한다.

상기 전자식 진공압센서(160)는 상기 터빈케이스(150)에 설치되어 터빈케이스(150)내의 진공도를 측정하고, 진공압센서 릴레이(161)와 연결되어 있다.

전자식 진공압센서(160)는 터빈케이스(150)내의 도달진공압(10^-3mmHg ∼ 10^-7mmHg )에 의해 작동되며, 이를 전기적 신호로 변환하여 진공압센서 릴레이(161)에 전기신호를 넣어주고, 이 진공압센서 릴레이(161)의 작동에 따라 디퓨저작동 릴레이(510)가 작동하게 된다.

그리고, 상기 진공펌프(200)를 통과한 액체와 기체상태의 작동유체(10)는 배출관로(210)를 지나 응축기(300)를 거쳐 완전히 액상이 된다.

상기 응축기(300)를 통과한 액상 작동유체(10)는 회수관로(310)를 통과하여 저장탱크(400)에서 저장되며, 이 저장탱크(400)에서 저장된 작동유체(10)는 공급관로(410)를 통과하여 전자식디퓨저(500)로 흐른다.

여기서, 상기 저장탱크(400)는 내부의 적정압력을 유지하고, 진공펌프(200)에 과부하가 걸리지 않도록 조절부(420)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 진공엔진의 작용은 다음과 같다.

일반적인 엔진 즉 축동력은 고온 고압의 수증기나 연소가스의 분자운동속도를 높여서 이를 터빈이나 피스톤에 단열팽창시켜서 동력을 얻어내는 것이고, 그렇게 하기 위해서는 화석연료를 그 에너지원으로 하고 있다.

그러나 본 발명은 높은 진공속에서는 유체가 스스로 단열팽창이 이루어지며 이때 분자가 가지고 있는 분자고유의 운동속도(초당 약 1,000m/sec)를 만들어 낼 수가 있는데 이를 축동력으로 이끌어내는 것에 핵심이 있다.

구체적으로, 자연에 존재하는 물체는 하나 이상의 원자와 전자들로 이루어진 분자구조를 이루고 있으며 이러한 분자들은 그 상태가 고체, 액체, 기체상태를 갖는다 하더라도 끊임없이 움직이는 고유한 분자운동을 하고 있는데 기체상태에서 그 운직임이 더욱 활발하며 고압보다는 대가압이, 대기압보다는 진공속에서 더욱 활발하다.

대기압에 대해 살펴보면 대기중의 기체분자들은 상온에서 소리속도(음속은 340m/sec)보다 더 빠르게(평균속도 467m/sec, 기체분자가 충돌없이 이동하는 거리는 평균 6.7nm에 불과) 사방팔방으로 돌아다니면서 분자끼리 또는 물체의 표면과 충돌한다. 이때 기체분자는 서로간의 충돌에 의해 모든 방향에서 압력을 갖게 되는데, 예를 들어 대기 1기압은 1cm²당 약 1kg의 무게가 누르는 상황이다.

1cm²당 약 1kg의 무게가 누르는 상황하의 대기압에서는 그만큼 자유롭고 고유한 분자운동에 제약을 받는다는 것을 알 수 있다.

대기압이상 고압으로 갈수록 분자운동은 더욱 제약을 받을 수 밖에 없으므로 일반적인 현재의 엔진들은 효율이 낮아진다.

그러나, 고진공 영역에서 부터는 기체분자의 평균자유거리가 길어진다. 즉, 기체간 서로 충돌하는 일이 거의 없어지므로 유체가 아닌 개별적인 입자의 특성을 보이게 되는데 이때 분자운동에너지를 기계적 운동에너지로 유도시키게 되면 기체 분자간 충돌 간섭이 없으므로 자유롭고 고유한 분자운동에너지를 최대한으로이용할 수 있게 된다.

히트파이프의 원리를 살펴보면 길이가 긴 100m 정도라 할지라도 진공내에서는 열전달 속도가 매우 빠르게 전달되게 하는데, 이는 높은 진공일수록 기체분자속도가 자유롭고 고유한 속도를 유지하기 때문이기도 하다.

현재 대기압하에서 이루어지는 냉방 혹은 난방에 사용하는 히트펌프의 성능 즉, 효율은 투입동력에 대해 얻어지는 열에너지의 비율을 성적계수로 나타내는데 증발 팽창을 이용하는 히트펌프의 효율을 보면 성적계수가 통상 4정도로 알려지고 있으나 바닷물의 담수화에 사용되는 펌프는 성적계수가 20이상인것도 실현되고 있다. 다시 말하자면 동력 1마력의 에너지를 투입하면 20마력까지의 에너지를 얻어낼 수 있다는 해석이다. 이것은 열에너지 측면에서만 본 관점으로 이러한 얻어지는 열에너지를 모두 동력으로 전환시키느냐가 본 발명의 원리이다.

고진공하에서 고온의 액체가 분사되면 급격히 증발 팽창을 하는데 이때 증발잠열을 외부에서 별도의 에너지를 공급하지 않더라도 스스로 획득하게 되는데 물의 기화시 잠열은 540kcal/kg로서 팽창하는 기체는 기화잠열 만큼의 일을 할 수 있는 포텐셜에너지를 가지게 된다.

고진공하에서는 대기압하에서와는 달리 스스로 기화잠열을 가지고 외부로부터 습득하고 다른 기체분자와의 간섭충돌이 이루어지지 않기 때문에 포텐셜에너지의 일부를 유효하게 동력으로 전가시킬 수가 있게 된다.

본 발명에서는 진공펌프를 사용하고 있는데 진공펌프의 원리를 보면 한쪽에 서는 진공압이 이루어지고 다른 한쪽에선 압축이 이루어지므로 진공측에서는 터빈을 돌려서 동력을 만들어내고 한쪽에서는 다시 고온 고압의 액화가 가능해 순환 재사용이 가능해 진다.

또한, 고진공측에서는 고온 고압의 액체가 매우 빠른 속도를 가지고 분출되므로 이를 동력으로 전환하여 사용이 가능해진다.

외부와 열을 차단시킨 상태에서 진공으로 액체를 강제증발시키면 액체가 보유했던 잠열 즉 분자간 결합에너지는 운동에너지로 변환된다.

일반적으로 물의 잠열을 보면 540kca/kg로 나타나는데 물분자 1kg의 분자 결합력을 끊는데 소요되는 에너지가 540kcal가 소요된다는 뜻이다.

작동유체로는 물, 냉매가 사용되는데 여기서, 물을 예로들자면 대기압 대기온도중의 물에 열을 서서히 가하면 100℃의 물을 넣고 압력을 서서히 내려도 같은 현상이 발생된다.

외부와 열이 차단된 밀폐용기에 진공도가 높은 고진공하에서는 100℃이하 상온에서도 증발이 발생되게 되며 이때의 증발은 급격한 팽창이 수반된다.

서두에 물의 잠열을 보면 540kcal라고 했는데, 외부와 열이 차단되어 있어 밖에서 열을 흡수하지 못하므로 기체분자 고유의 분자속도를 가지고 외부에 일(540kcal/kg)을 하게 된다.

열에너지와 역학적 에너지(일, 기계적 에너지)의 상호변환의 대표적인 과정은 '단열변화'(단열팽창 및 단열압축)인데 거의 대부분의 열기관이 이러한 과정을 통하여 열원으로부터 일을 얻는다.

즉, 저장탱크에서 저장된 물 또는 냉매인 작동유체가 전자식 디퓨저를 통해 고진공상태인 터빈케이스내의 러너에 분사되면, 이 작동유체는 순간적으로 기화 팽창하게 되면서 러너를 돌리게 된다. 이때, 러너의 회전에 따라 러너 회전축이 회전하게 되는데, 이 회전축의 회전속도를 조속기에서 조절한 후, 조속기의 출력축과 연결된 발전기를 통해 동력을 얻는다.

상술한 바와 같이 본 발명은 진공엔진과 그 구동방법에 관한 것으로서, 화석연료를 사용하지 않기 때문에, 공해를 줄일 수 있는 친환경적인 진공엔진을 제공한다.

본 발명은 상기에 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며 다음에 기재되는 특허의 청구 범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.

Claims (6)

1. 내부에 러너가 회전가능하게 설치된 터빈케이스와;

   상기 터빈케이스 내를 진공으로 유지하는 진공유지수단과;

   상기 터빈케이스 내에 작동유체를 공급하여 단열팽창되게 함으로써, 상기 러너를 회전시키는 러너구동수단과;

   상기 진공유지수단을 거친 작동유체를 응축시키는 응축기와;

   상기 러너의 회전축과 연결되어 회전속도를 일정하게 조절하는 조속기와;

   상기 조속기와 연결되어 동력을 발생시키는 발전기;를 포함하는 진공엔진.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 진공유지수단은 상기 터빈케이스에 설치되어 이 터빈케이스내의 도달진공압을 측정할 수 있는 진공압센서를 구비하고, 모터의 동력을 전달받아 상기 터빈케이스 내부를 진공으로 조절하는 진공펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 러너구동수단은 벤츄리형상이나 노즐형상으로 형성되어 상기 작동유체를 분사시켜 상기 러너를 회전시키는 전자식 디퓨저를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 터빈케이스 내부와 상기 러너의 외부를 메탈코팅처리한 것을 특징으로 하는 진공엔진.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 터빈케이스와 상기 진공펌프의 외부를 이중으로 처리하여 이 속을 진공으로 처리하고 냉매를 투입시킨 것을 특징으로 하는 진공엔진.
6. (a) 내부에 러너가 회전가능하게 설치된 터빈케이스와, 상기 터빈케이스 내를 진공으로 유지하는 진공펌프와, 상기 터빈케이스 내에 작동유체를 공급하여 단열팽창되게 함으로써 상기 러너를 회전시키는 전자식디퓨저와, 상기 진공펌프를 거친 작동유체를 응축시키는 응축기와, 상기 러너의 회전축과 연결되어 회전속도를 일정하게 조절하는 조속기와, 상기 조속기와 연결되어 동력을 발생시키는 발전기를 준비하는 단계와;

   (b) 상기 진공펌프를 구동하여 상기 터빈케이스 내를 진공으로 만드는 단계와;

   (c) 상기 전자식디퓨저로 진공인 상기 터빈케이스 내에 상기 작동유체를 분사하여 상기 러너를 회전시키는 단계와;

   (d) 상기 러너의 회전을 통해 상기 발전기로 동력을 얻는 단계와;

   (e) 상기 터빈케이스내의 작동유체를 상기 응축기를 통해 응축시키는 단계와;

   (f) 상기 응축기를 통해 응축된 상기 작동유체를 상기 전자식디퓨저로 공급하는 단계;를 포함하는 진공엔진의 구동방법.

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