KR100743954B1 - 스털링 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 동작 피스톤(52)과 적어도 하나의 변위 피스톤(4)을 구비하는 스털링 엔진(10, 50, 72)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 레버(5)는 조절 가능한 피벗 지점(7)을 구비하고 입력 및 출력부(2, 8)에 피벗식으로 연결되며, 입력부(2)의 직선운동을 출력부(8)의 직선운동으로 전환하여 동력을 제어한다. 운동을 전달하는 동안 레버(5)의 짖점은 피벗 지점(7)의 특정한 곡선을 따라 이동한다.

Description

스털링 엔진{STIRLING ENGINE}

본 발명은 적어도 하나의 동작 피스톤과 적어도 하나의 변위 피스톤을 구비하는 스털링 엔진에 관한 것이다.

회전식 구동을 위해 어떠한 유형의 구동 유닛이 제공되는 가에 따라 회전식 구동의 동력을 제어할 수 있는 방법이 다수 존재한다. 내연기관에 있어서, 동력은 연료 공급에 의해 적절히 제어될 수 있으나, 예컨대 스털링 엔진에서 효율의 손실 없이 동력을 제어하는 것은 상당히 오랫동안 커다란 문제로 남아있다. 스털링 엔진의 동력을 제어하기 위한 것으로서 한편으로는 틈새용적을 변경하는 것과 다른 한편으로는 동작 가스의 압력을 변경하는 것이 알려져 있지만, 양쪽의 동력제어 방식에서 효율의 손실 또는 비교적 긴 환원시간이 발생한다.

미국특허 제3,886,744A호에는 현재의 차압에 따라 입구를 개폐하는 환상 제어 요소에 의해 고온 공기의 입구 압력을 제어하는 예컨대 스털링 엔진용 동력제어시스템이 개시되는데, 이 시스템은 구성이 매우 복잡하고 스털링 엔진의 효율이 압력 제어의 영향을 받아 감소하는 것이 단점이다.

미국특허 제2,873,611A호로부터 알려진 내연기관에 의하면 피스톤의 행정이 둥근 호형 레버 암에 의해 변경됨으로써 피동측 크랭크의 동력이 조절될 수 있다. 이를 위해, 레버 암은 연결 헤드가 활주 가능하게 장착되는 연결 링크 가이드를 갖는다. 하지만 내연기관에는 효율적인 동력 제어를 위해 다수의 다른 유리한 가능성을 이용할 수 있으므로, 그와 같은 구성의 장치는 내연기관에 적절하지 않다.

본 발명은 효율을 저하시키지 않으면서 동력제어가 신속하게 이루어질 수 있는 처음에 규정되는 유형의 스털링 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 처음에 규정되는 유형의 스털링 엔진은 구동부의 직선운동을 피동부의 직선운동으로 전달하는 동력제어를 위해 구동부와 피동부에 관절식으로 연결되는 레버를 구비하며, 상기 레버는 해당 가변 피벗 지점을 가지며, 레버의 지지점은 운동의 전달 중에 곡선을 따라 피벗 지점 상에서 이동하는 것을 특징으로 한다. 이 곡선은 운동 전달의 요구사항과 각개 스털링 엔진의 유형에 따라 요구되는 형태를 가질 수 있다.

등온 팽창 및 압축을 고려할 때 스털링 엔진의 동력은 이론상

으로 표현되고,

여기서, P는 동력,

τ는 압축공간과 팽창공간 사이의 온도비,

n은 회전수(U/min),

V_E,max은 팽창공간의 최대 용적,

V_C,max은 압축공간의 최대 용적,

P_m은 유효 평균 압력,

δ는 엔진의 압력비이고,

Θ는

로 표현되고, 여기서 φ는 동작 피스톤과 변위 피스톤 사이의 위상각이고,

는 압축과 팽창의 최대 용적비이고,

는 압축용적과 팽창용적 사이의 온도비이며,

동력제어는 청구항 1의 특징부에 따른 레버 장치에 의해 효율의 손실 없이 이루어 질 수 있으며, 바람직하게는 최대 압축용적(V_c,max)과 그에 따라 엔진의 압력비(δ)는 매우 적절하게 제어될 수 있다.

레버 또는 그 지지점이 운동 전달 중에 각각 이동하는 피벗 지점을 조절하면, 스털링 엔진의 동력을 제어할 수 있도록 피동부의 속도와 가속 및 그에 따른 압축공간의 최대 용적을 매우 간단하게 얻을 수 있다.

간단한 구성으로 운동 전달 중에 레버의 지지점을 변경하기 위해서는, 레버 에는 주어진 곡선을 형성하는 연결 링크가 있고, 상기 연결 링크는 운동 전달 중에 예컨대 이러한 피벗 지점을 형성하는 롤러에 의해 피벗 지점 위로 활주하면 유리하다.

스털링 엔진의 적절하게 규정되는 동력 제어를 위해서는 곡선 또는 연결 링크가 둥근 호의 형태이면 특히 유리하다고 입증되어 있다. 물론, 두 개의 접하여 연결된 둥근 호 세그먼트 또는 타원 형태와 같은 다른 곡선 형태도 역시 특정한 사용 목적을 위해 착상할 수 있다.

피벗 지점의 간단한 조절을 가능하게 하기 위해서는 피벗 지점이 피벗 암 상에 배치되면 유리하다.

피벗 지점을 변경하는 것은 피벗 암이 조절장치에 연결되면 구조적으로 매우 간단하게 달성될 수 있다.

적어도 두 개의 실린더가 사용되는 경우에 두 개의 레버의 회전 지점을 각각 동일하게 조절하기 위해서는 조절장치가 하나의 링키지에 의해 피벗 암에 연결되고 적어도 두 개의 레버 사이에 대칭으로 제공되면 유리하다.

구조의 관점에서 조절장치의 간단한 형상을 위해서는 조절장치로서 스핀들 구동부가 제공되면 적절하다.

링키지의 단부가 피벗 암 반대편에 배치되는 연결 링크 가이드가 변위 가능하고 고정 가능하게 수용되는 제공되면, 피벗 암의 위치는 간단하고 신속하게 변경되어 스털링 엔진의 동력이 조절될 수 있다.

동작 피스톤의 운동이 사인 형태로 발생하는 복동식 실린더를 갖는 스털링 엔진에서는 변위 피스톤이 동력 제어를 위한 레버와 결합되면 유리하며, 따라서 변위 피스톤의 동적 행정 변경과 불연속 운동이 발생하게 된다.

종래 유형의 스털링 엔진보다 높은 기계적 효율을 얻는 베타-스털링 엔진에서는 변위 피스톤과 동작 피스톤이 공통 실린더에 위치되며, 따라서 전체 가스 덩어리는 이론상 팽창단계 중에 고온 공간에 위치하고 압축단계 중에 저온 공간에 위치할 수 있다. 효율 중립적인 동력제어를 위해서는 동작 피스톤이 가변 피벗 지점을 갖는 레버와 결합되고 변위 레버가 불변 피벗 지점을 갖는 레버와 결합되면 유리하다.

스털링 엔진의 간단한 구성을 위해 동작 피스톤과 변위 피스톤이 하나의 유닛을 형성하는 복동식 엔진에서, 상기 유닛은 유리한 동력 제어를 위해 레버와 결합된다.

변위 피스톤과 동작 피스톤 각각의 신뢰성 있는 운동을 위해서는 구동부가 선형 가이드 내에서 직선으로 안내되는 피스톤에 관절식으로 연결되고 변위 피스톤 또는 동작 피스톤에 연결되면 적절하다.

가열기 표면과 냉각기 표면 사이에서의 동작 가스의 필요한 열교환을 위해서는 변위 피스톤이 양측에 그리고 동작 피스톤이 일측에 인접한 가열기 또는 냉각기 표면과 맞물릴 수 있는 파형부를 가지면 적절하다. 이러한 방식에 따라, 평탄한 표면과 비교할 때 실질적으로 더 넓은 표면들이 동작 가스와 접촉할 수 있다. 변위 피스톤이 높은 강도를 갖는 점을 고려할 때, 변위 피스톤의 판상의 파형부가 서로 90°의 방향으로 배치되면 적절하다. 또한 높은 강도를 위해서는 동작 피스톤 또는 가열기 헤드의 좁은 벽이 있는 판상의 파형부가 각각 버너측과 냉각제측에서 보강 리브에 의해 지지되면 유리하다. 히터-, 축열기- 및 냉각기-표면을 동작 공간 안으로 직접 통합하면 스털링 엔진의 효율과 장해공간의 최소화라는 관점에서 특히 유리하다.

피동측에서 종래의 크랭크샤프트와 협동하는 대신, 피동부의 직선운동이 크랭크 역할을 하는 연결 링크에 의해 회전운동으로 전환되면 운동학이 이상적인 순환 공정에 최대한 접근한다는 점에서 유리할 수 있다.

이하 본 발명은 도면에 도시된 바람직한 예시적인 실시예를 통해 더욱 상세하게 기재되지만 이에 한정되는 것은 아니다.

첨부된 도면에서,

도 1은 직선운동을 제어식으로 전환하기 위한 배치의 개략도로서, 곡선을 따라 피벗 지점 상에서 이동하는 지지점을 갖는 레버에 의해 직선운동이 전환되는 구동부가 하단에 위치하고,

도 2는 상기 구동부가 각각 중간 위치 또는 영점에 있는 도 1에 따른 배치를 나타내고,

도 3은 상기 구동부가 상단에 위치하는 도 1 및 2에 따른 배치를 나타내고,

도 4는 변위 피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한 두 개의 변위 유닛과 하나의 장치를 구비하는 스털링 엔진을 나타내고,

도 5는 도 4의 화살표(V)에 따라 바라 본 측면도이고,

도 6은 도 5의 VI-VI 선을 따라 취한 단면도이고,

도 7은 도 4 내지 6에 따른 스털링 엔진의 사시도이고,

도 8은 각각 파형부가 잇는 냉각기 표면 및 가열기 표면을 구비하는 스털링 엔진의 변위 유닛의 분해도이고,

도 9는 도 8에 따른 변위 유닛에서의 왕복운동을 위한 변위 피스톤의 사시도이고,

도 10은 도 9에 따른 변위 피스톤의 분해도이고,

도 11a 내지 11d는 도 4 내지 7에 도시된 스털링 엔진에 관한 상이한 그래프로, 각각의 그래프는 구동부의 왕복운동을 제어하기 위한 레버의 피벗 지점의 상이한 위치를 나타내고,

도 12는 동작 피스톤의 운동과 행정운동을 시간에 따라 제어하기 위한 두 개의 변위 유닛과 하나의 장치를 구비하는 2기통 베타-스털링 엔진을 나타내고,

도 13은 도 12에 따른 베타-엔진의 부분 절개된 측면 단면도이고,

도 14는 피벗 지점이 최대 동력 위치에 있고 동작 피스톤이 최대 행정에 도달하는 도 13의 XIV-XIV 선을 따라 취한 단면도이고,

도 15는 피벗 지점이 중간 위치에 있는 도 14에 따른 베타-엔진의 측면도이고,

도 16은 피벗 지점이 동력 최소화 위치에 있는 도 14 및 15에 따른 베타-엔진을 나타내고,

도 17은 도 14 내지 16에 따라 취한 단면의 사시도이고,

도 18은 도 12 내지 17에 따른 베타-엔진의 분해도이고,

도 19a 내지 19d는 도 12 내지 18에 도시된 베타-엔진에 관한 상이한 그래프로, 각각의 그래프는 구동 샤프트의 왕복운동을 제어하기 위한 레버의 피벗 지점의 상이한 위치를 나타내고,

도 20은 직선운동을 제어식으로 전환하기 위한 장치를 구비하는 복동식 서털링 엔진을 나타내며,

도 21은 도 20의 XXI-XXI 선을 따라 취한 단면도이다.

도 1 내지 3에는 직선운동을 제어식으로 전환하기 위한 장치(1)가 도시된다. 구동부로서 동작하는 커넥팅 로드(2)가 스털링 엔진(도 6 참조)의 변위 피스톤(4)의 피스톤 로드(3)에 관절식으로 연결되어 있다. 또한 상기 커넥팅 로드(2)는 축(2')에 의해 레버(5)에 관절식 연결되어 있으며, 레버(5)는 연결 링크(6) 형태의 정해진 제어 곡선을 가지며, 연결 링크(6)에는 축(7')을 중심으로 자유 회전 가능하고 레버(5)를 위한 피벗 지점이 되(며 따라서 "롤-레버"라고도 불리)는 롤러(7)가 제공된다. 실질적으로 90°로 각이진 레버(5)의 타단은 변위 피스톤(3)의 직선운동이 전달되는 피동 로드(8)에 축(8')을 중심으로 관절식 연결된다. 이어 피동 로드(8)는 변위 피스톤 로드(3)의 직선운동에 대해 90°의 방향을 두고 선형 장착된다.

도 1 내지 3에서 볼 수 있는 것처럼, 레버(5)의 지지점은 변위 피스톤 로드(3) 또는 커넥팅 로드(2)의 위치에 따라 연결 링크(6)에 의해 형성되는 곡선(6')을 따라 이동한다.

변위 피스톤(3)과 피동 로드(8) 사이의 운동 전달을 결정하기 위한 필수적인 매개변수 중의 하나는 레버(5)와 피동 로드(8) 사이의 회전축(8')과 롤러(7)가 회전 가능하게 장착되는 회전 축(7') 사이의 거리(LR)(도 2 참조)이다. 이 거리(LR)는 아래와 같이 표현될 수 있으며,

,

여기서 x는 회전축(8')의 수평위치{ 따라서 피동 로드(8)의 변위}이고, y₁은 회전축(8', 7')들 사이의 수직 거리이며, z₁은 두 개의 회전축(8', 7') 사이의 수평 거리이다.

또한, 회전축(7', 8') 사이의 가상 연결선에 의해 수직선에 대해 형성되는 각도(α)는 운동의 전달을 위해 중요하며, 이 각도(α)는 아래와 같이 표현될 수 있으며,

,

여기서 차이(Δα)는

이며,

레버(5)의 한쪽 다리가 수평이고 레버(5)의 다른 쪽 다리가 수직으로 놓인 도 2에 도시된 중간 위치 또는 영점은 기준이 된다.

회전축(7', 8') 사이의 연결선과 회전축(7', 2') 사이의 연결선 사이의 각도(β)는 운동의 전달을 위해 중요하고, 아래와 같이 표현될 수 있으며,

, 또는

이며,

Δβ = β(x) - β(0)에서, R은 롤러(7)의 조절 가능한 회전반경이며, a는 회전반경의 가상 중심과 피동 로드(8)의 중간선 사이의 수직 거리이다. 또한, 구동 로드와 피동 로드의 각각의 위치에 의존하는 회전축(2')의 위치는 중요하며, 아래와 같이 표현될 수 있으며,

x'(x) = -LR'*cosφ(x)+x,

y'(x) = LR'*sinφ(x),

여기서 각도(φ)는 각도 차이(Δα, Δβ)를 사용해 φ(x) = φ(0) - Δα - Δβ로 표현될 수 있고, 중간 위치에서

이며, b는 중간 위치에서 가상의 회전 궤도 중심(R)과 축(2') 사이의 수평 거리이다. LR'은 회전축(8', 2') 사이의 거리이므로

로 표현될 수 있다.

변위 피스톤 로드(3)와 커넥팅 로드(2) 사이의 회전축(3')에 의해, 변위 피스톤 로드(3)의 위치는 아래와 같이 표현될 수 있으며,

여기서 도 2에 도시된 위치에서 회전축은 다음 위치 즉

에 존재하며, l 은 커넥팅 로드(2)의 길이를 나타내고 c는 변위 피스톤 로드(3)의 중간축으로부터 기준 위치에서의 축(8')의 수평 거리를 나타낸다.

도 3에서, 변위 피스톤 로드(3)는 최상단 위치에 도시되며, 롤러(7)는 상기 끝과 도 1에 도시된 끝이 아닌 위치에서 연결 링크(6)의 림에 안착되는 것을 알 수 있다.

도 4에는 각각의 변위 피스톤 로드(3)로부터 해당 피동 로드(8)로의 직선운동을 제어식으로 전달하기 위한 장치(1)를 구비하는 스털링 엔진(10)이 도시된다. 스털링 엔진(10)은 두 개의 변위 유닛(11)을 구비하며, 각각의 변위 유닛에서는 하나의 변위 피스톤(4)이 왕복운동한다. 각각의 레버(5)에 의해 이루어지는 운동은 피벗 암(12)에 의해 조절될 수 있는 롤러(7)의 위치를 조절하면 변경될 수 있다. 피벗 암(12)의 위치를 조절하기 위해 링키지(13)가 제공되며, 상기 링키지(13)는 조절 휠(15)을 매개로 공통 스핀들 구동부(14)에 의해 조절될 수 있다. 조절 휠(15)의 상향 회전에 의해, 롤러(7)의 위치는 도 11a 내지 11d에서 알 수 있는 동력 변경이 일어날 수 있도록 바뀔 수 있다.

스털링 엔진(10)의 측면도인 도 5에는 공급용 덕트(17)가 연결된 동작 실린더(16)가 도시된다. 덕트(19)와 열교환기(20)를 통해, 덕트(21)를 거쳐 공급되는 폐기가스의 열에 의해 가열되는 신선한 공기가 변위 유닛(11)의 연소실(18)(도 6 참조) 안으로 유입되어 연소되며, 신선한 공기는 열교환기(20)를 통과한 후 덕트(22)를 거쳐 외계로 나갈 수 있다.

도 6에는 도 5의 VI-VI 선을 따라 취한 스털링 엔진(10)의 단면이 도시되며, 냉각기 표면(24)과 가열기 표면(25)의 각각의 파형부(23)를 볼 수 있다. 상기 열교환기 표면(24, 25)은 세라믹 등으로 제조될 수 있다. 가열기 표면(25)은 연소실(18) 위에 있으며, 덕트(19)를 거쳐 유입되는 이미 예열된 신선한 공기를 가열 또는 연소시키기 위한 버너(26)가 각각 제공된다. 변위 피스톤(4)은 고온 챔버(27)와 저온 챔버(28) 사이에서 동작 가스를 이동시키며, 변위 피스톤(4)의 중간부(37)는 축열기 또는 재생기(도 5 참조)를 포함한다.

또한, 커넥팅 로드(2)는 변위 피스톤 로드(3)를 안내하도록 직선 가이드(30) 내에서 안내되는 힌지(3')에 의해 연결된다. 피동 로드(8)로부터 크랭크축(31)(도 5 참조)으로 운동을 전달하기 위해 소정 유형의 크랭크 구동부(32)(도 6)가 제공된다.

도 7은 변위 유닛(11)과 결합되고 커넥팅 로드(3)의 직선운동을 제어식으로 전달하기 위한 장치(1)를 구비하는 스털링 엔진(10)의 사시도이다. 또한 로드(13)에 의해 롤러(7)를 조절하는 조절 기구가 도시되며, 상기 조절 기구는 조절 휠(15)을 회전시켜 롤러(7)의 위치를 조절할 수 있으며, 그에 따라 변위 피스톤(4)의 변경되는 왕복운동에 의해 스털링 엔진(10)의 동력 제어가 달성된다.

도 8은 변위 유닛(11)의 분해도이다. 냉각기 덮개 영역에는 변위 피스톤 로드(3)와 커넥팅 로드(2) 사이의 관절식 연결을 수용하기 위한 실질적으로 직선인 가이드(30)가 도시되며, 상기 직선 가이드는 냉각기측 덮개(33)에 나사 결합된다. 냉각을 위해 제공되는 열교환기 표면(24)은 몇 개의 스크루(34)에 의해 냉각기측 덮개(33)에 연결된다. 또한 실린더(35)에는 동작 실린더(16)와의 공간적인 연결을 위해 덕트(17)가 설치된다. 저온 열교환기 표면(24)과 유사하게, 고온 열교환기 표면(25)은 안정성을 위해 일측에 파형 표면부가 있으며, 이 파형부는 가능한 큰 표면을 갖도록 90°로 회전되며, 고온 및 저온 표면과 변위 챔버 사이의 열교환을 강화한다.

도 9 및 10에는 변위 피스톤 로드(3)의 커넥팅 로드측 단부에 제공되는 롤러(36)가 도시되며, 상기 롤러(36) 직선 가이드(30) 내에서 활주함으로써 변위 피스톤(4)이 확실히 직선으로 안내된다. 변위 피스톤(10)은 세 개의 별개 부분으로 이루어지며, 각각의 절반부(38)는 축열기 디스크(37)에 나사 결합되고, 열교환기 표면(24, 25)의 파형부와 서로 맞물리기 위한 전술한 파형부를 갖는다. 세라믹 등으로 제조될 수 있는 축열기 디스크(37)는 슬롯 형태의 공동(37')을 가지며, 상 기 공동(37')에는 대략 60 내지 70%의 기공률을 갖는 소결 스틸울(sintered steel wool) 등의 축열재가 충진된다.

도 11a 내지 11d는 롤 레버(5)를 지지하는 롤러(7)의 네 가지의 상이한 위치 조절의 경우를 각각 네 개의 그래프로 나타낸다. 도 11a 내지 11d는 각각 p-V 다이어그램(I), 동작 피스톤과 변위 피스톤의 완전 왕복운동 중의 용적의 변경 그래프(II), 완전 사이클에 걸친 동작 피스톤과 변위 피스톤의 피스톤 위치의 그래프(III) 및 롤러(7)의 조절에 따라 달성될 수 있는 끝 위치에 대한 동작 및 변위 피스톤의 피스톤 위치의 표준화된 보기 또는 그래프(IV)를 포함한다.

도 11a에 의하면, 롤러(7)의 위치가 수직으로 매우 많이 피벗하면 동력이 증가될 수 있음을 알 수 있으며, 동작 피스톤의 경로(40)와 변위 피스톤의 경로(41) 사이의 위상 어긋남은 90°에서 대략 85°{보기(III) 참조}로 감소되며, 이에 따라 정규 사인 곡선(42)과 비교해 동일한 최대 압력(45){다이어그램(I) 참조}이 달성되고 도 11a에 도시된 예에서의 동력은 변위 피스톤(42)의 종래의 사인 곡선을 갖는 97.6kW{컴퓨터 시뮬레이션된 p-V 경로(43) 참조}와 비교해 102.6kW{롤-레버 제어로 컴퓨터 시뮬레이션된 p-V 경로(44) 참조}로 증가될 수 있다.

도 11a에 도시된 조절된 위치에서 동작 및 변위 피스톤의 전체 용적이 활용되는 것을 그래프(II)에서의 동작 용적(46)과 변위 용적(47)의 경로로부터 알 수 있다. 또한 도 11a 내지 11d의 표준화된 그래프(IV)에는 동작 피스톤의 상대적인 피스톤 경로(48) 및 변위 피스톤의 상대적인 피스톤 경로(49)가 도시된다.

도 11b 내지 11d에서 볼 수 있는 것처럼 롤러(7)가 수직 위치를 향해 변위되 게 하는 조절 휠(15)의 상향 회전에서, 롤러(7)의 위치에 따라 변위 피스톤(4)의 최대 행정이 감소되며{도 11b 내지 11c의 그래프(III) 참조}, 그에 따라 변위 피스톤(4)의 유효 용적이 감소{그래프(II) 참조}되어 스털링 엔진(10)의 효율 중립적인 동력제어가 달성된다.

도 11d에 도시된 그래프(III)에서, 변위 피스톤의 행정이 부정적인 범위{경로(41)}까지 이동되어 변위 용적{도 11d의 그래프(II) 참조}을 추가적으로 감소시키고 그에 따라 동력을 추가로 감소시키며 11d에 따른 조절은 동력을 6.7kW로 감소시킴을 알 수 있다. 도 11d의 p-V 다이어그램(I)을 참조한다.

도 12는 직선운동을 제어식으로 전환하기 위한 장치(1)를 구비하는 베타(β)-스털링 엔진(50)을 도시하며, 신선한 공기가 덕트(19)를 매개로 두 개의 송풍기(51)에 의해 연소실(18) 안으로 유입되며, 이와 같은 신선한 공기는 덕트(21)에 의해 공급되는 폐기가스의 열로 열교환기(20)에 의해 가열된다. 열교환기(20)에 공급되는 폐기가스는 그 후에 베타-스털링 엔진(50)으로부터 덕트(22)를 거쳐 외계로 빠져나간다.

도 13은 베타-스털링 엔진(50)의 부분 절개 측면 단면도로, 변위 피스톤(4)과 동작 피스톤(52)을 나타낸다. 베타-엔진(50)에 의해 발생되는 동력은 크랭크샤프트(53)에서 수용된다.

도 14는 변위 피스톤(4)과 동작 피스톤(52)이 공유 실린더(54)에 마련된 베타-엔진(50)을 도시하며, 이론상 거의 전체의 가스 덩어리가 확장단계 중에 고온 공간(55)에 존재하고 압축단계 중에 저온 공간(56)에 존재할 수 있다. 공히, 변위 피스톤 로드(3)와 동작 피스톤 로드(3')는 롤 레버(5)에 연결되고, 변위 피스톤 로드(3)와 결합되는 롤 레버(5')의 롤러(7')는 고정 배치된다. 한편, 동작 피스톤(52)과 결합되는 롤러(7)는 연결 링크 가이드(57)에 의해 변위 가능하게 배치된다. 이를 위해, 두 개의 나선형 오목부(58)를 포함하는 디스크(59)가 제공되며, 이들 오목부(58) 내에는 롤러(7) 반대편에 위치되는 링키지(13)의 단부(13')가 수용된다. 이에 따라, 롤 레버(5) 내의 롤러(7)의 위치는 단부(13')를 수용하는 플레이트(60)가 회전되면 변경될 수 있다. 롤 레버(5, 5')에 의해, 변위 피스톤(4)과 동작 피스톤(52)의 불연속 운동이 달성되고, 그에 따라 열순환 공정이 사인형 피스톤 운동에 비해 보다 이상적인 방식으로 진행될 수 있다. 따라서, 달성 가능한 기계적 효율은 실질적으로 증가된다. 레버의 롤러(7)의 위치를 조절하기 위한 링크 가이드(57)에 의해, 동적 행정 변경을 위한 간단한 구조의 실시예가 달성되어 특히 거의 효율 중립적이고 신속한 동력 규제를 할 수 있다.

파형 표면부(23)에 있어서 가능한 커다란 열교환기 표면이 달성된다. (이 점에 있어서는 도 6의 기재를 참조한다.) 동작 피스톤(52)의 파형 표면부를 냉각시키기 위해 냉매용 공급 및 배출 덕트(도시 생략)가 양쪽의 동작 피스톤 로드(3')에 제공되며, 냉매는 양쪽 동작 피스톤 로드(3')를 통해 흐른다. 그렇지 않으면, 동작 피스톤(52)은 도 9 및 10에 따른 변위 피스톤(4)과 유사하게 구성되므로 추가로 기재될 필요가 없다.

도 15에는 도 14에 따른 베타-스털링 엔진(50)이 도시되며, 롤 레버(5) 내의 롤러(7)의 위치가 연결 링크 수단(57)에 의해 변경되었다. 이와 같은 방식으로, 베타-엔진(50)의 실질적으로 효율 중립적이고 신속한 동력 규제가 이루어질 수 있다. (이에 관해서는 도 19a 내지 19d의 그래프를 참조한다.)

도 16에 도시된 베타-스털링 엔진(50)에 있어서, 롤 레버(5)의 롤러(7)는 안쪽 끝에 위치하므로 롤러(7)는 동력을 최소화하는 위치에 있게 된다. 이를 위해, 단부(13')가 디스크(59)의 나선형 연결 링크(58)의 안쪽 끝까지 삽입된다. 이러한 동력 최소화는 도 19d의 그래프에서 볼 수 있다.

도 17은 도 12 내지 16에 따른 베타-스털링 엔진의 일부 분해 사시도이며, 특히 롤 레버(5)와 열교환기(20)의 컴팩트한 배치를 볼 수 있다. 장치(1)의 피동 로드(8)에 의해 유도되는 직선운동은 선형 크랭크(61)에 의해 크랭크샤프트(53)의 회전운동으로 전환된다.

도 18의 분해도에서 볼 수 있는 바와 같이, 단지 하나의 중앙 배치된 변위 피스톤 로드(3)가 변위 피스톤(4)을 위해 제공되지만, 동작 피스톤(52)은 커넥팅 로드(2)(도 15 참조)를 매개로 두 개의 측면 배치된 동작 피스톤 로드(3')에 의해 롤 레버(5)에 연결된다.

도 19a 내지 19d는 도 12 내지 18에 도시된 베타-스털링 엔진(50)에 따른 롤 레버(5)를 지지하는 롤러(7)의 네 가지의 상이한 위치 조절의 경우를 각각 네 개의 그래프로 나타낸다. 도 19a 내지 도 19d는 각기 p-V 다이어그램(I), 동작 피스톤(52)과 변위 피스톤(4)의 완전 왕복운동 중의 용적 변경 그래프(II), 완전 사이클에 걸친 동작 피스톤(52)과 변위 피스톤(4)의 피스톤 위치의 그래프(III) 및 단기통 베타-스털링 엔진, 도 12 내지 18에 따른 2기통 베타-스털링 엔진 및 4기통 베타-스털링 엔진의 토크 경로 그래프(IV)를 포함한다.

도 19a에 의하면, 매우 높은 열효율이 도 14에 따른 레버(5) 내의 롤러(7)의 위치에서 일어남을 알 수 있으며, 도 12 내지 18에 따른 2기통 베타-엔진에서 컴퓨터 시뮬레이션된 p-V 경로를 따라 대략 159kW의 동력이 생길 것이다.

그래프(II)에 의하면, 도 14에 도시된 조절된 위치에서 동작 피스톤(52)과 변위 피스톤(66)의 전체 용적이 활용되는 것을 변위 피스톤(VK)의 경로(64)와 동작 피스톤(AK)의 경로로부터 알 수 있다. 또한, 과도한 압력 피크가 생기 않음으로써 유리하게도 과도한 수요가 생기지 않는 것을 압력 경로(66)를 통해 알 수 있다.

그래프(II)에 따른 동작 피스톤 용적과 변위 피스톤 용적을 완전히 이용함으로써 변위 피스톤의 위치의 경로(67)와 동작 피스톤의 위치의 경로(68)에 의해 양쪽 피스톤이 최대 행정을 실행하는 것을 그래프(III)에서 알 수 있다.

베타-스털링 엔진의 실린더의 수를 두 배로 하면 더욱 고른 토크 경로를 달성할 수 있음을 그래프(IV)로부터 알 수 있다. 따라서, 단기통 베타-엔진의 토크 경로(69)는 최고 진폭을 갖고, 도 12 내지 18에 도시된 2기통 베타-스털링 엔진(50)은 보다 고른 토크 경로(68)를 가지며, 4기통 베타-스털링 엔진에 의해 비교적 균일한 토크 경로가 달성될 수 있다.

도 19b 및 19c에는 롤 레버(5)의 롤러(7)의 중간 위치에 관한 그래프들이 도시되며, 이들 위치는 연결 링크 가이드에 의해 간단하게 조절될 수 있다. 롤러(7)의 위치에 따라, 베타-스털링 엔진(50)의 동력이 감소되며, 이는 동작 피스톤 행정(68)의 감소와 그에 따른 동작 피스톤 용적(65)의 감소에 따라 도 19b 및 19c 의 그래프(II, III)에서 알 수 있다. 도 19b의 컴퓨터 시뮬레이션된 p-V 경로(63)에 따르면 동력이 대략 78kW가 되고, 도 19c에 따르면 대략 21kW가 된다.

도 19d는 도 16에 도시된 롤러(7)의 동력 최소화 조절에 관련된 해당 그래프(I, II, III, IV)를 도시한다. 이 위치에서는 대략 4kW의 동력만을 얻을 것이다. 그래프(II)에는 동작 피스톤 용적(65)이 도 19a에 도시된 최대 동력 위치에 비해 크게 감소하는 것이 도시되는데, 이는 도 19d에서 알 수 있는 바와 같이 동작 피스톤(52)의 최대 행정(69)이 크게 감소하기 때문이다. 물론 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 토크는 단기통, 2기통 및 4기통 베타-엔진에서 감소될 것이다.

도 20 및 21은 직선운동의 제어식 전환을 위한 장치(1)를 구비하는 복동식 4기통 스털링 엔진(72)을 도시한다. 또한 동력 조절용 피벗 지점으로는 조절 가능한 롤러(7)가 있는 롤 레버(5)가 도시되며, 동작 및 변위 피스톤은 특히 간단한 구조의 이와 같은 스털링 엔진(72) 내의 단일 유닛(73)에 결합된다. 이와 같은 간단한 구조에 기인하여, 베타-엔진에 비해 기계적 효율이 낮으며 동력 규제에 따라 효율이 추가로 감소될 것이다. 이러한 경우의 운동 전달은 종래의 크랭크(74)에 의해 구동 로드(8)를 경유해 이루어진다.

물론 장치(1)는 다른 스털링 엔진의 동력을 제어하는 데에도 역시 사용될 수 있다.

Claims (16)

1. 적어도 하나의 동작 피스톤(52)과 적어도 하나의 변위 피스톤(4)을 구비하는 스털링 엔진(10, 50, 72)에 있어서,

   구동부(2)의 직선운동을 피동부(8)의 직선운동으로 전달하는 동력 제어를 하기 위해 구동부(2)와 피동부(8)에 관절식으로 연결되는 레버(5)를 구비하며, 상기 레버는 해당 가변 피벗 지점(7)을 가지며, 레버(5)의 지지점이 운동의 전달 중에 곡선에 따라 피벗 지점(7) 상에서 이동하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
2. 제1항에 있어서, 상기 레버(5)는 상기 곡선을 형성하는 연결 링크(6)를 구비하며, 상기 연결 링크는 운동의 전달 중에 예컨대 상기 피벗 지점(7)을 형성하는 롤러에 의해 피벗 지점(7) 위로 활주하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
3. 제2항에 있어서, 상기 곡선 또는 연결 링크(6)는 둥그런 호의 형태인 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 피벗 지점(7)은 피벗 암(12) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
5. 제4항에 있어서, 상기 피벗 암(12)은 조절장치(14, 57)에 연결되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
6. 제5항에 있어서, 상기 조절장치(14, 57)는 링키지(13)에 의해 피벗 암(12)과 연결되고 적어도 두 개의 레버(5) 사이에 대칭으로 제공되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
7. 제6항에 있어서, 상기 조절장치는 스핀들 장치(14)인 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
8. 제6항에 있어서, 상기 조절장치는 연결 링크 가이드(57)인 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
9. 제1항에 있어서, 상기 변위 피스톤(4)은 동력 제어를 위해 상기 레버(5)와 결합되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
10. 제1항에 있어서, 상기 동작 피스톤(52)은 동력 제어를 위해 상기 레버(5)와 결합되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
11. 제10항에 있어서, 상기 변위 피스톤(4)은 불변 피벗 지점을 갖는 레버(5')와 결합되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
12. 제1항에 있어서, 상기 동작 피스톤(52)과 변위 피스톤(4)은 상기 레버(5)와 결합되는 유닛(73)을 형성하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
13. 제9항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 구동부(2)는 직선 가이드(30) 내에서 직선으로 안내되는 피스톤 로드(3, 3')에 관절식으로 연결되고, 변위 피스톤(4)과 동작 피스톤(52)에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔 진.
14. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 변위 피스톤(4)은 양측에 그리고 동작 피스톤(52)은 일측에 인접 가열기 표면(24)과 냉각기 표면(25)에 위치하는 판상의 파형부(23)를 구비하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
15. 제14항에 있어서, 상기 변위 피스톤(4)의 판상의 파형부(23)들은 서로에 대해 90°의 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.
16. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 피동부(8)의 직선운동은 크랭크 역할을 하는 연결 링크(32)에 의해 회전운동으로 전환되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진.

Images