KR100829957B1 - 로터리 스터링 엔진 - Google Patents

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박흥수
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

로터리 스터링 엔진으로써 등온압축-등적방열-등온팽창-등적흡열의 과정을 베인이 부착된 편심 로터와 동심 로터의 연속적인 회전에 의하여 이루어지도록 한다. 로터리 스터링 엔진은 하나의 로터 축에 압축기 로터, 재생기 로터 및 팽창기 로터가 결합되도록 하며, 압축기 로터는 압축기 내면에 편심되도록 배치되며, 압축기의 양측에는 흡입구와 배출구를 설치한다. 팽창기의 내면은 팽창기 로터와 편심 배치되며, 양측에 흡입구와 배출구가 설치된다. 재생기의 내면은 재생기 로터와 동축으로 배치되도록 하며 양측에 흡입구와 배출구를 설치하여 재생기 로터가 회전하는 동안 압축기의 배출구에서 공급된 작동유체가 등적상태에서 가열되어 팽창기의 흡입구 측으로 이송되도록 한다. 압축기의 배출구와 재생기의 흡입구 사이에는 냉각기를 설치하여 작동유체가 압축되는 과정에서 열을 흡수하여 등온압축이 실현되도록 하며, 재생기의 배출구와 팽창기의 흡입구 사이에는 가열기를 설치하여 작동유체가 팽창기에서 팽창하는 동안 등온팽창이 실현되도록 한다. 압축기 로터와 재생기 로터 및 팽창기 로터에 각각 형성되는 복수개의 베인 슬롯 내부에 베인의 일단이 각각 삽입되며, 베인은 압축기 로터와 재생기 로터 및 팽창기 로터의 회전시 압축기와 재생기 및 팽창기의 내면에 타단이 각각 밀착된다. 압축기 로터가 압축기 내에서 회전할 때 내부 작동유체가 가압되면서 냉각기에 의하여 냉각되어 등온압축되며, 작동유체가 재생기를 통과하는 과정에서 등적가열이 이루어지고, 가열기에서 가열된 후 팽창기에서 등온팽창으로 동력을 발생하고 압축기 로터와 재생기 로터가 구동되도록 한다.
Figure R1020070070252
압축기, 재생기, 팽창기, 로터, 엔진

Description

로터리 스터링 엔진{ROTARY STIRLING ENGINE}
본 발명은 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로터리 스터링 엔진에 관한 것이다.
스터링 엔진(Stirling Engine)은 실린더와 피스톤으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등의 작동가스를 밀봉하고, 이를 외부에서 가열 냉각시킴으로서 피스톤을 상하로 움직여 기계적 에너지를 얻는 외연기관(External Combustion Engine)을 말한다.
스터링 엔진은, 실제로는 실린더내의 작동가스를 가열기, 재생기, 냉각기로 구성된 열교환기를 통해 가열 또는 냉각시킴으로서 그 팽창과 수축에 따라 피스톤이 상하운동을 하게 하여 동력을 얻는다. 이것은 가솔린 엔진 등 내연기관에 비해 열효율이 더 높고, 소음과 진동이 적다. 연료로는 석유류 외에 천연가스와 석탄, 신탄 등의 고체연료, 또 공장 폐열과 태양열등도 다양하게 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
스터링 엔진의 역사는 매우 오래 되었고 그 원리는 1816년 영국의 목사 스터링이 발명한 것으로 알려져 있다. 그러나 이것은 한 동안 증기기관과 내연기관의 빠른 발전 때문에 거의 자취를 잃어 버렸다. 그러다가 근래에 와서 관련기술, 특히 내열재료(내열재료)와 씰(Seal)기술의 발전, 그리고 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 이 엔진의 개발이 다시 시작되었다.
그런데, 선형 운동을 하는 디스플레이서와 피스톤으로 구성된 종래의 왕복동식 스터링 엔진은 피스톤의 관성 모멘트에 의하여 작동 시 진동이 발생하며 피스톤 접촉부에서의 마찰 및 누설, 복잡한 구동기구에 의한 제작비 상승 등 기계적/경제적인 문제점이 있다. 특히, 에너지 밀도가 낮은 저온도의 열원에서 작동되는 스터링 엔진에 있어서는 마찰 손실의 최소화와 고속회전이 중요한 데, 왕복동 형태의 엔진을 채택할 경우에는 상기의 기계적 특성이 중요한 장애요인이 된다.
여러 가지 형태의 로터리 스터링 엔진을 개선하여 등온압축-등적방열-등온팽창-등적흡열의 과정을 베인이 부착된 편심 로터 및 동심 로터의 연속적인 회전에 의하여 이루어지도록 함으로써, 마찰손실을 최소화하고 고속회전이 가능하게 하여 저온의 열원에서도 작동이 가능하다.
로터 축, 로터 축에 축 결합되는 압축기 로터, 재생기 로터 및 팽창기 로터, 압축기 로터가 내면에 편심되도록 배치되며, 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖는 압축기, 팽창기 로터가 내면에 편심되도록 배치되며, 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖는 팽창기, 재생기 로터가 내면에서 동심을 유지하여 등적체적이 되도 록 배치되며, 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖고 압축기와 팽창기 사이에 배치되는 재생기, 압축기의 배출구와 재생기의 흡입구 사이에 배치되어 압축기와 재생기를 연결하는 냉각기, 재생기의 배출구와 팽창기의 흡입구 사이에 배치되어 재생기와 팽창기를 연결하는 가열기, 압축기 로터와 재생기 로터 및 팽창기 로터에 각각 형성되는 복수개의 베인 슬롯, 베인 슬롯 내부에 일단이 각각 삽입되며, 압축기 로터와 재생기 로터 및 팽창기 로터의 회전시 압축기와 재생기 및 팽창기의 내면에 타단이 각각 밀착되는 베인, 압축기 로터가 압축기 내에서 회전할 때 내부 작동유체가 가압되면서 냉각기에 의하여 냉각되어 등온압축되며, 작동유체가 재생기를 통과하는 과정에서 등적가열이 이루어지고, 가열기에서 가열된 후 팽창기에서 등온팽창으로 동력을 발생하고 압축기 로터와 재생기 로터가 구동되도록 한다.
압축기, 재생기 및 팽창기는 기 설정된 간격을 두고 순차적으로 배치되며, 로터 축이 회전할 때 작동유체에 대한 등온압축, 등적가열, 등온팽창의 과정이 연속적으로 이루어질 수 있다.
팽창기와 압축기를 연결하며 열을 회수하는 폐열 회수기를 더 포함할 수 있다. 폐열 회수기는 재생기와 연결되어 순환수 통로를 형성할 수 있다.
재생기의 외부에 장착되어 재생기 내부로 유입된 작동유체를 가열하는 순환수의 통로를 형성하는 재생기 케이싱부재를 더 포함할 수 있다.
저온의 열원 조건하에서 동력을 얻기 위해서는 스터링 엔진의 내부 작동유체 순환량이 많아야 하고 이를 위해서는 고속회전이 요구된다. 본 발명에 의하면 한 개의 로터 축의 회전에 의하며 스터링 엔진으로서의 작동이 가능하므로 상기 조건에 매우 적합한 기계적 특성을 갖는다. 더욱이 로터 축을 지지하는 베어링부 이외에는 작동유체의 외부 누설 경로가 없으므로 작동유체의 압력을 고압으로 할 수 있다. 이러한 이유로 보다 고효율의 스터링 엔진 실현이 가능하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스터링 엔진의 구성과 작동을 설명한다.
로터리 스터링 엔진은 압축기(1), 재생기(4) 그리고 팽창기(6)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스터링 엔진은 등온압축-등적방열-등온팽창-등적흡열의 과정을 베인이 부착된 편심 로터와 동심 로터의 연속적인 회전에 의하여 이루어지도록 함으로써 기존 왕복동식 엔진의 피스톤과 디스플레이서 그리고 구동기구가 필요 없도록 한 것이다. 따라서, 마찰손실을 최소화하고 고속회전이 가능하게 하여 저온의 열원에서도 작동이 가능하다.
상기한 압축기(1), 재생기(4) 및 팽창기(6)는 한 개의 로터 축(3) 상에 축 결합되며, 서로 적절한 간격을 두고 배치된다. 압축기(1), 재생기(4) 및 팽창기(6) 는 기 설정된 간격을 두고 순차적으로 배치되며, 로터 축(3)이 회전할 때 작동유체(16)에 대한 등온압축, 등적가열, 등온팽창의 과정이 연속적으로 이루어질 수 있다. 실질적으로, 로터 축(3)에는 압축기 로터(2), 재생기 로터(5) 및 팽창기 로터(7)가 축 결합된다.
압축기(1) 내부에서 압축기 로터(2)가 압축기(1) 내면과 편심으로 설치되며, 압축기 로터(2)에는 베인 슬롯(8)을 복수 개 가공하여 그 내부에 베인(9)이 삽입된다. 베인(9)은 압축기 로터(2)가 회전할 때 원심력에 의하여 그 일단이 압축기(1) 내 벽면에 밀착됨으로써 내부 작동유체가 압축되도록 하는 기능을 가진다. 상기한 베인 슬롯(8)은 압축기 로터(2) 뿐만 아니라, 재생기 로터(5)와 팽창기 로터(7)에도 각각 형성된다. 그리고 각각의 베인(9)은 전술한 각 베인 슬롯(8) 내부에 일단이 각각 삽입되며, 압축기 로터(2)와 재생기 로터(5) 및 팽창기 로터(7)의 회전시 압축기(1)와 재생기(4) 및 팽창기(6)의 각 내면에 타단이 각각 밀착된다.
압축기(1)의 일측에는 흡입구(10)가 결합되며, 타측에는 배출구가 결합된다. 저온, 저압의 스터링 엔진 작동유체(16)는 압축기 로터(2)의 회전 운동에 의하여 압축기(1)의 흡입구(10)에서 흡입되어 압축된 다음 냉각기(11) 측으로 유출되어 냉각됨으로써 등온압축이 이루어진다. 냉각기(11)는 압축기(1)의 배출구와 재생기(4)의 흡입구 사이에 배치되어 압축기(1)와 재생기(4)를 연결하는데, 냉각기(11)의 출구는 재생기(4)의 내 벽면과 재생기 로터(5) 사이에 형성된 환상형의 공간과 연결되어 있다. 압축기(1)를 통해 작동유체(16)가 압축되는 과정에서 작동유체(16)가 냉각기(11)로 유입되면 작동유체(16)의 열은 냉각기(11)에 흡수되어 등온압축이 실 현될 수 있다.
재생기(4)는 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖고 압축기(1)와 팽창기(6) 사이에 배치된다. 재생기 로터(5)는 재생기(4) 내 벽면과 같이 로터 축(3)에 동심으로 배치되어 재생기 로터(5)가 회전하는 동안 작동유체(16)의 체적은 변화하지 않도록 한다. 즉, 재생기 로터(5)가 재생기(4)의 내면에서 로터 축(3)과 동심을 유지하여 등적체적이 되도록 배치된다. 이와 같은 구성에 의하여 재생기(4)의 내면과 동심으로 배치되는 재생기 로터(5)가 회전하는 동안 압축기(1)의 배출구에서 공급된 작동유체(16)가 등적상태에서 가열된다. 이어서, 압축된 작동유체(16)는 재생기 로터(5)의 회전운동에 의하여 재생기(4)의 배출구에 연결되는 가열기(13) 측으로 이송된다. 그리고 작동유체(16)는 가열기(13)를 통해 팽창기(6)의 흡입구 측으로 이송된다.
이러한 과정에서, 내부 작동유체(16)는 재생기 케이싱부재(12) 내부를 흐르는 순환수에 의하여 가열되어 온도가 상승한다. 재생기(4) 내면과 재생기 로터(5) 사이의 공간은 재생기 로터(5)가 회전하더라도 일정한 간격이 유지되도록 함으로써 작동유체(16)의 체적이 일정한 등적상태에서 가열이 이루어진다.
가열기(13)는 재생기(4)의 배출구와 팽창기(6)의 흡입구 사이에 배치되어 재생기(4)와 팽창기(6)를 연결한다. 가열기(13)는 작동유체(16)가 팽창기(6)에서 팽창하는 동안 열에너지를 공급함으로써 등온팽창이 이루어지도록 하는 기능을 한다. 팽창기(6)의 내부에는 압축기(1)와 같이 팽창기 로터(7)와 베인(9)이 설치되어 작동유체(16)가 팽창하면서 발생하는 동력에 의하여 로터 축(3)이 구동된다. 로터 축(3)에는 상기의 압축기 로터(2), 재생기 로터(5) 및 팽창기 로터(7)가 설치되어 있어 동일한 방향으로 회전하면서 각각의 기능을 한다.
팽창기(6)의 일측에는 배출구(14)가 결합된다. 팽창기(6)의 배출구(14)를 통과한 작동유체(16)는 폐열 회수기(15)에서 여분의 열이 제거된 후 보다 저온, 저압의 상태로 된 다음 다시 압축기(1)로 공급된다.
폐열 회수기(15)는 팽창기(6)와 압축기(1)를 연결하며 열을 회수하는 기능을 한다. 폐열 회수기(15)는 재생기(4)와도 연결되어 순환수 통로를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 재생기(4)의 외부에 장착되어 재생기(4) 내부로 유입된 작동유체(16)를 가열하는 순환수(17)의 통로를 형성하는 재생기 케이싱부재(12)를 더 포함할 수 있다. 한편, 폐열 회수기(15)에서 회수된 열은 순환수(17)에 의하여 재생기 케이싱부재(12) 내부로 공급되어 작동유체(16)를 가열하는 열원으로 사용된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스터링 엔진은 하나의 로터 축(3)에 압축기 로터(2), 재생기 로터(5) 및 팽창기 로터(7)를 설치한다. 그리고 압축기 로터(2)와 팽창기 로터(7)는 각각 압축기(1) 내면 및 팽창기(6) 내면과 편심이 되도록 배치한다. 재생기(4)는 재생기 (4) 내면과 재생기 로터(5)가 동심이 되도록 배치한다. 이러한 구성으로, 압축기 로터(2)가 압축기(1) 내에서 회전할 때 내부 작동유체(16)가 가압되면서 냉각기(11)에 의하여 냉각되어 등온압축되며, 작동유체(16)가 재생기(4)를 통과하는 과정에서 등적가열이 이루어진다. 그리고 가열기(13)에서 가열된 후 팽창기(6)에서 등온팽창으로 동력을 발생하고 압축기 로터(2)와 재생기 로터(5)가 구동되도록 한다. 즉, 로터 축(3)이 회전할 때 베인(9) 이 부착된 편심 로터와 동심 로터의 연속적인 회전에 의하여 작동유체(16)에 대한 등온압축-등적가열-등온팽창의 과정이 연속적으로 이루어 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 스터링 엔진의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 ; 압축기 2 ; 압축기 로터
3 ; 로터 축 4 ; 재생기
5 ; 재생기 로터 6 ; 팽창기
7 ; 팽창기 로터 8 ; 베인 슬롯
9 ; 베인 10 ; 흡입구
11 ; 냉각기 12 ; 재생기 케이싱부재
13 ; 가열기 14 ; 배출구
15 ; 폐열 회수기 16 ; 작동유체
17 ; 순환수

Claims (5)

  1. 로터 축;
    상기 로터 축에 축 결합되는 압축기 로터, 재생기 로터 및 팽창기 로터;
    상기 압축기 로터가 내면에 편심되도록 배치되며, 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖는 압축기;
    상기 팽창기 로터가 내면에 편심되도록 배치되며, 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖는 팽창기;
    상기 재생기 로터가 내면에서 동심을 유지하여 등적체적이 되도록 배치되며, 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖고 상기 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되는 재생기;
    상기 압축기의 배출구와 상기 재생기의 흡입구 사이에 배치되어 상기 압축기와 상기 재생기를 연결하는 냉각기;
    상기 재생기의 배출구와 상기 팽창기의 흡입구 사이에 배치되어 상기 재생기와 상기 팽창기를 연결하는 가열기;
    상기 압축기 로터와 상기 재생기 로터 및 상기 팽창기 로터에 각각 형성되는 복수개의 베인 슬롯, 및
    상기 베인 슬롯 내부에 일단이 각각 삽입되며, 상기 압축기 로터와 상기 재생기 로터 및 상기 팽창기 로터의 회전시 상기 압축기와 상기 재생기 및 상기 팽창기의 내면에 타단이 각각 밀착되는 베인
    을 포함하며,
    상기 압축기 로터가 상기 압축기 내에서 회전할 때 내부 작동유체가 가압되면서 상기 냉각기에 의하여 냉각되어 등온압축되며, 상기 작동유체가 상기 재생기를 통과하는 과정에서 등적가열이 이루어지고, 상기 가열기에서 가열된 후 상기 팽창기에서 등온팽창으로 동력을 발생하고 상기 압축기 로터와 상기 재생기 로터가 구동되도록 하는 로터리 스터링 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축기, 재생기 및 팽창기는 기 설정된 간격을 두고 순차적으로 배치되며, 상기 로터 축이 회전할 때 상기 작동유체에 대한 등온압축, 등적가열, 등온팽창의 과정이 연속적으로 이루어지는 로터리 스터링 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기와 상기 압축기를 연결하며 열을 회수하는 폐열 회수기를 더 포함하는 로터리 스터링 엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐열 회수기는 상기 재생기와 연결되어 순환수 통로를 형성하는 로터리 스터링 엔진.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재생기의 외부에 장착되어 상기 재생기 내부로 유입된 작동유체를 가열하는 순환수의 통로를 형성하는 재생기 케이싱부재를 더 포함하는 로터리 스터링 엔진.
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