KR100849506B1

KR100849506B1 - 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진

Info

Publication number: KR100849506B1
Application number: KR1020070051666A
Authority: KR
Inventors: 김영민; 신동길; 이장희
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2007-05-28
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2008-07-31

Abstract

본 발명은 하나의 압축포켓과 팽창포켓만을 갖는 스크롤기구를 이용하여 압축기와 팽창기를 구성함으로서 실링 및 온도구배 효과가 향상되었으며, 이러한 압축기와 팽창기를 상호 연동되게 구성하여 압축과 팽창이 연속적으로 이루어지게 하여 작동유체가 압축기에서 팽창기, 팽창기에서 압축기로 순환하면서 이동하여 열교환 효율을 높인 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진은 하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤과, 상기 고정스크롤과 맞물려 하나의 팽창포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시키는 회전스크롤을 구비한 스크롤팽창기와 ; 하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤과, 상기 고정스크롤과 맞물려 하나의 압축포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축시키는 회전스크롤을 구비한 스크롤압축기와 ; 상기 스크롤팽창기의 출구와 스크롤압축기의 입구 사이에 연결된 제1순환관과 ; 상기 스크롤팽창기의 입구와 스크롤압축기의 출구 사이에 연결된 제2순환관을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

스크롤, 압축기, 팽창기, 재생기, 단일 포켓, 히터, 쿨러

Description

스크롤 방식 스털링 사이클 엔진{scroll-type stirling cycle engine}

도 1은 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진의 일예를 도시한 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진의 작동 순서를 도시한 것이고,

도 3은 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 있어서 압축과정을 도시한 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 있어서 팽창과정을 도시한 것이고,

도 5는 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 있어서 스크롤기구의 부피 변화를 도시한 그래프이고,

도 6은 이상적인 스털링 엔진의 사이클을 도시한 개념도이고,

도 7은 이상적인 스털링 엔진 사이클에 대한 P-V 선도이고,

도 8은 실제 스털링 엔진의 사이클을 도시한 그래프이고,

도 9는 실제 스털링 엔진의 사이클에 대한 P-V 선도이고,

도 10은 종래의 스털링 엔진에 구비된 스크롤기구의 일예를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

1 : 스크롤 팽창기

11 : 고정스크롤

12 : 회전스크롤

1a : 팽창포켓

2 : 스크롤 압축기

21 : 고정스크롤

22 : 회전스크롤

2a : 압축포켓

3 : 제1순환관

4 : 제2순환관

5 : 재생기

6 : 히터

7 : 쿨러

본 발명은 엔진 또는 냉동기로 사용될 수 있는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 관한 것으로 상세하게는 각각 하나의 압축포켓과 팽창포켓만을 갖는 스크롤기구를 이용하여 압축기와 팽창기를 구성함으로서 실링 효과가 향상되었으며, 이러 한 압축기와 팽창기를 상호 연동되게 구성하여 압축과 팽창이 연속적으로 이루어지게 하여 작동유체가 압축기에서 팽창기, 팽창기에서 압축기로 순환하면서 이동하여 열교환 효율을 높인 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 관한 것이다.

스털링 엔진은 밀폐된 공간 내에 작동가스를 저장한 상태에서 주기적으로 가열과 냉각을 반복함으로서 발생되는 압력 변화를 이용하여 동력이 발생되는 외연기관이다. 이러한 스털링 엔진은 외연기관이기 때문에 액체연료, 가스연료, 고체연료, 산업 폐열, 태양열과 LNG 냉열 등 다종의 열원을 활용할 수 있으며, 히터와 쿨러 사이에 설치되는 재생기의 작용으로 원리적으로 가장 높은 효율을 가진다. 또한, 밸브가 없고 압력변화가 매끄럽기 때문에 내연기관에 비해 소음과 진동이 적고, 연속연소이기 때문에 연소제어가 용이하며, 배기가스를 깨끗하게 할 수 있기 때문에 차세대 열기관으로 주목받고 있다.

이러한 스털링 엔진의 가장 이상적인 사이클은 도 6에 도시한 바와 같으며, 이러한 사이클에 따른 압력-체적(P-V) 선도는 도 7에 도시한 바와 같다.

즉, 스털링 엔진은 도 6에 도시한 바와 같이, 두개의 대향 피스톤(111, 112)과 중앙에 통기성이 있는 축열재를 충전시킨 재생기(113)로 구성되고, 압축공간(114)은 저온(T_L)으로 유지되고 팽창공간(115)은 고온(T_H)으로 유지된다.

이렇게 구성된 스털링 사이클의 작동과정은 다음과 같다.

즉, 도 7에 도시한 P-V선도에서 Ⅰ에서 Ⅱ로 진행되는 과정은 등온 압축 과정으로서 이 과정에서는 우측피스톤(112)에 의해 압축이 되면서 압축공간(114)의 작동유체가 등온적으로 압축이 이루어지고, Ⅱ에서 Ⅲ의 과정은 정적 가열(정적 재생) 과정으로서 두 피스톤(111, 112)이 동시에 같은 비율로 좌측으로 이동하여 일정한 체적하에서 재생기(113)로부터 열을 받으면서 저온(T_L)의 압축공간(114)의 작동유체가 고온(T_H)의 팽창공간(115)로 이동하면서 실린더 내부의 온도와 압력이 상승한다.

Ⅲ에서 Ⅳ의 과정은 등온 팽창 과정으로서 좌측피스톤(111)의 가압에 의해 압력이 압축공간(114)측의 이동하면서 고온(T_H)으로부터 열량 q_in을 공급받으며 작동유체는 등온적으로 팽창을 하며, Ⅳ에서 Ⅰ의 과정은 정적 방열(정적 재생)과정으로 두 피스톤(111, 112)이 동시에 같은 비율로 우측으로 이동하여 일정한 체적하에서 재생기(113)로 열을 방출하면서 작동유체는 고온(T_H)의 팽창공간(115)으로부터 저온(T_L)의 압축공간(114)으로 이동하며 온도와 압력이 강하한다.

실제 왕복동 스털링 엔진은 90ㅀ정도의 위상차를 유지하면서 연동하는 팽창피스톤과 압축피스톤를 설치하고 팽창공간(고온)과 압축공간(저온)을 재생기로서 접속하는 구조로 구성되어 있으며, 이렇게 구성된 왕복동 스털링 엔진은 전열면적이 작은 실린더내부 벽면을 통하여 빠른 시간내에 작동가스를 가열ㆍ냉각하는 것은 힘들기 때문에 일반적으로 재생기 앞뒤로 별도의 히터와 쿨러가 설치되어 있다.

스털링 엔진은 이상적으로 카르노 사이클과 같은 효율

을 가지나 실제적으로는 이론적 효율의 절반정도의 효율을 가지며, 이상적 사이클과 실제 사이클간에 차이가 발생하는 요인과 이상적 사이클 구현의 어려움이 있다.

이러한 실제 스털링 엔진은 압축피스톤과 팽창피스톤이 연동되어 연속적으로 움직이므로 도 8에 도시한 바와 같이, 저온측의 피스톤에 의해 압축이 이루어질 때 고온측의 피스톤에 의해서도 약간의 압축이 발생하고, 고온측의 피스톤에 의한 팽창 과정시 저온측의 피스톤에 의해서도 약간의 팽창이 발생되기 때문에 도 9에 도시한 바와 같은 P-V 선도를 그리게 되어 근사적으로 이상적인 스털링 사이클과는 다소 차이를 보이게 된다.

또한, 실제 왕복동 스털링 엔진에서 빠른 열전달을 위해 실린더외부에 전열핀을 충분히 설치하고 있으나, 이렇게 전열핀을 설치한다하더라도 작동유체와 접하는 실린더 내부 벽면의 면적이 작기 때문에 압축과 팽창과정이 등온으로 이루어지지 않게 된다. 더욱이, 엔진이 고속화/대형화 될수록 열전달은 더욱 어렵게 되며 운전속도가 약 1000(rev/min) 정도에서도 등온과정보다는 단열과정에 가깝게 된다.

따라서 일반적으로 작동유체의 효과적인 가열과 냉각을 위해서는 재생기 앞뒤에 별도의 히터와 쿨러를 설치하게 되며, 이 리터와 쿨러에 의해 대부분의 열전달이 이루어지게 된다. 이러한 히터와 쿨러의 이용은 작동유체의 효과적인 가열과 냉각을 가능하게 하여 비출력을 증가시키는 긍정적인 측면도 있으나, 압축/팽창공간이 아닌 히터, 재생기, 쿨러 등으로 이루어지는 사체적(dead volume)이 증가하고 이러한 사체적의 증가는 출력을 감소시키는 요인으로 작용하게 된다.

또한 히터에서 가열된 작동유체가 실린더에서 팽창 후 재생기에서 열을 저장하기 전에 히터를 지나면서 불필요하게 재가열되고, 쿨러를 지난 작동유체는 실린 더에서 압축 후 재생기에서 열을 되찾기 전에 쿨러를 지나면서 불필요하게 재냉각되는 과정으로 인하여 사이클의 결함이 발생되어 유동저항이 증가하고 열효율이 감소하게 되며 구성부품의 열피로(thermal stress)를 증가시키게 되어 구성부품의 재질선택과 제작에도 상당한 제약요인이 될 수 있다.

이러한 왕복식으로 이루어진 스털링 엔진에서 히터와 쿨러에 의한 불필요한 가열과 냉각에 의한 손실을 제거하기 위하여 일방향으로 작동유체가 흐르는 스털링 엔진을 개발하였으나, 이는 기계적으로 상당히 복잡해지기 때문에 현실적으로는 어려움이 있다고 할 수 있다.

이와 같이 종래의 왕복동 스털링 엔진의 단점을 개량하여 개발된 것이 현재 압축기로 널리 사용되고 있는 스크롤기구를 적용하여 압축기와 팽창기를 구성한 것으로 본 출원인에 의해 출원하여 특허 제0454814호로 등록되었다.

이 스크롤 기구를 적용한 스털링 엔진은 고효율, 저소음 및 저진동, 소형 및 경량의 특징을 가지며 압축과 팽창이 연속적이어서 작동유체가 압축기에서 팽창기로 흐름과 동시에 팽창기에서 압축기로 흐르기 때문에 열교환기를 통한 열교환으로 재생효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 작동유체의 유동방향이 바뀌지 않기 때문에 유동방향에 맞게 열교환기를 설치하게 되면 기존 스털링 엔진에서 작동유체가 재생기를 왕복함으로서 발생되는 압력손실을 줄일 수 있어 수소와 헬륨과 같은 경분자량의 작동유체가 아닌 공기를 사용한 엔진의 고출력화와 고속화가 가능하다.

또한, 이러한 스크롤 방식 스털링 엔진에서는 일방향 유동(One-way flow)이기 때문에 종래의 피스톤 방식 스털링 엔진에서와 같이 작동유체가 팽창 후 재가열 되고, 압축 후 재냉각될 때 발생되는 사이클 결함이 발생하지 않아 효율이 향상되며 재생기, 히터, 쿨러내에서의 열피로(thermal stress)가 줄어드는 장점이 있다.

이러한 종래의 스크롤 기구를 이용한 스털링 엔진의 경우 도 10에 도시한 바와 같은 스크롤 기구를 사용하고 있다. 이러한 종래의 스털링 엔진은 도시한 바와 같이 다수의 압축포켓을 구비하고 있으며, 이렇게 다수의 압축포켓은 모두 효과적으로 실링이 되어야 충분한 동력을 얻을 수 있다.

즉, 축방향 실링을 위해서는 고정스크롤(110)과 회전스크롤(120)의 높이가 일정해야 하고 반경방향 실링을 위해서는 각 밀폐공간을 형성하는 스크롤(110, 120)들 사이의 간격이 모두 일정해야 하며, 이 간격이 선회 스크롤(120)의 회전직경과 일치해야 한다.

그러나 고온 고압의 작동유체로 운전 중일 경우 스크롤 팽창기내에서는 작동유체의 연속적인 팽창에 의해 스크롤 팽창기의 중심부의 온도가 높고 주변부의 온도가 낮은 온도구배를 이루고 있으며, 이러한 온도구배에 의해 중심부와 주변부의 열변형의 차이가 발생되며, 이에 의해 스크롤들 간격(반경방향)과 스크롤랩 높이(축방향)가 달라져 마찰, 진동, 누설이 증가하여 급격하게 효율이 감소하는 문제가 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 발명된 것으로, 스크롤들의 열변형에 의한 영향을 줄일 수 있도록 하나의 압축포켓을 갖는 스크롤로 구성한 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진은 하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤과, 상기 고정스크롤과 맞물려 하나의 팽창포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시키는 회전스크롤을 구비한 스크롤팽창기와 ; 하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤과, 상기 고정스크롤과 맞물려 하나의 압축포켓을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축시키는 회전스크롤을 구비한 스크롤압축기와 ; 상기 스크롤팽창기의 출구와 스크롤압축기의 입구 사이에 연결된 제1순환관과 ; 상기 스크롤팽창기의 입구와 스크롤압축기의 출구 사이에 연결된 제2순환관을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진의 일예를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진의 작동 순서를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 있어서 압축과정을 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 있어서 팽창과정을 도시한 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진에 있어서 회전에 따른 힘 변화를 도시한 그래프이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진은 하나의 압축포켓(1a)갖는 스크롤압축기(2)와 하나의 팽창포켓(2a)을 갖는 스크롤팽창기(1)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 따른 엔진은 도 1에 도시한 바와 같이 본 출원인에 의해 출원하여 등록된 등록특허 제10-0454814호의 엔진과 동일한 구조를 갖으며, 스크롤들(1, 2)의 구성이 이 종래의 스크롤들을 단순화하여 하나의 압축 및 팽창포켓(1a, 2a)을 갖으며, 이러한 전체 구성은 이미 알려진 기술이나 다시 설명하면 아래와 같다.

즉, 본 발명에 따른 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진은 하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤(11)과, 상기 고정스크롤(11)과 맞물려 하나의 팽창포켓(1a)을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시키는 회전스크롤(12)을 구비한 스크롤팽창기(1)와 ; 하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤(21)과, 상기 고정스크롤(21)과 맞물려 하나의 압축포켓(2a)을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축시키는 회전스크롤(22)을 구비한 스크롤압축기(2)와 ; 상기 스크롤팽창기(1)의 출구와 스크롤압축기(2)의 입구 사이에 연결된 제1순환관(3)과 ; 상기 스크롤팽창기(1)의 입구와 스크롤압축기(2)의 출구 사이에 연결된 제2순환관(4)을 포함하여 구성된다.

상기 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2)는 도시한 바와 같이 동일한 구조를 갖는 것으로 하우징(미설명)의 내부에 고정된 고정스크롤(11, 21)과 하우징의 내부 에서 회전하는 회전스크롤(12, 22)을 구비하고 있으며, 상기 회전스크롤(12, 22)은 구동수단(미도시 및 미설명)에 의해 회전하게 된다.

또한, 상기 스크롤압축기(2)의 하우징의 외면에는 다수 개의 냉각핀(미도시)들이 형성되고, 스크롤팽창기(1)의 하우징의 외면에는 다수 개의 가열핀(미도시)들이 형성되어 냉각 또는 가열이 더욱 원활하게 이루어지도록 한다.

물론, 상세하게 도시하지는 않았으나 하우징은 하나의 밀폐된 공간을 형성하고 있으며, 입구와 출구가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2)의 스크롤들(11, 21, 12, 22)들은 도시한 바와 같이 감긴 횟수가 1.5바퀴 정도만 감겨져 있으며, 이렇게 구성함으로서 고정스크롤(11, 21)과 회전스크롤(12, 22)들이 서로 만나 형성되는 압축포켓(1a)과 팽창포켓(2a)은 하나만이 형성되어 포켓(1a, 2a)의 내부 온도는 일정하게 유지된다. 즉, 본 출원인에 의해 기 출원된 엔진에 구성된 스크롤들의 경우 다수의 포켓을 구비하고 있으며, 이러한 다수의 포켓들이 서로 다른 온도를 유지함에 따라 열팽창율이 달라지고 이렇게 열팽창율이 달라짐에 의해 포켓이 충분히 가압되지 못하는 문제를 해소할 수 있는 것이다.

상기 각 순환관(3, 4)들은 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2) 사이를 연결하여 작동유체가 둘 사이를 순환할 수 있게 하기 위한 것으로 도시한 바와 같이 작동유체는 두 순환관을 통해 하나의 사이클을 이루고 순환하게 된다.

상기 제1순환관(3)의 중단에는 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2) 사이에 순환하는 작동유체 간의 열 교환이 이루어지게 하는 재생기(5)가 더 설치되어 있고, 상기 제2순환관(4)의 스크롤팽창기(1)의 입구에는 히터(6)가 더 설치되며, 상기 제1 순환관(3)의 스크롤압축기(2)의 입구에는 쿨러(7)가 더 설치되어 있다.

상기 재생기(5)는 상기한 바와 같이 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2)에 의한 냉기나 열기를 열교환하기 위한 수단으로 사용되는 것으로 종래의 재생기와 동일 유사한 구조를 갖을 뿐만 아니라 동일 유사한 작용을 한다.

또한 상기 제2순환관(4)의 중단은 상기 재생기(5)를 통과하도록 설치됨으로서 그 내부에 흐르는 작동유체와 열교환이 이루어지게 하였다.

상기 히터(6)는 스크롤팽창기(1)에 공급되는 작동유체를 예열하기 위한 수단이고, 상기 쿨러(7)는 스크롤압축기(2)에 공급되는 작동유체를 예냉시키기 위한 수단이다.

위와 같이 구성된 열교환장치는 작동유체가 흐르는 방향에 따라 엔진 또는 냉동기로 사용될 수 있다. 즉, 스크롤팽창기(1)에 상기 스크롤압축기(2)보다 더 높은 온도의 열이 공급되고 상기 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2)의 회전스크롤(12, 22)에 출력축을 연결하여 구동시키면 엔진의 기능을 하게 되고, 반대로 상기 스크롤팽창기(21)와 스크롤압축기(2)의 회전스크롤(12, 22)에 구동수단의 동력을 입력시키면 상기 스크롤팽창기(1)에서 상기 스크롤압축기(2)보다 더 낮은 온도의 열이 흡수되어 냉동기로 사용할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 열교환장치는 상기한 바와 같이, 상기 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2)를 구성하는 각 스크롤이 감긴 횟수가 한바퀴 반 정도로 형성하여 하나의 압축 및 팽창포켓(1a, 2a)을 갖으며, 스크롤압축기(2)에서 압축이 시작됨과 동시에 출구로 작동유체가 토출되고, 이는 스크롤팽창기(1)측으로 공급되며, 스크롤팽창기(1)에서의 팽창포겟(1a)은 팽창 시작부터 종료시점(토출시점)까지 입구를 통해 스크롤 압축기의 압축포켓과 통해 있어 스크롤압축기(2)의 압축포켓(2a)와 스크롤팽창기(1)의 팽창포켓(1a)이 하나의 유압공간을 이루게 된다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이 스크롤압축기(2)와 스크롤팽창기(1)의 연동운동에 따라 스크롤압축기(2)의 압축포켓(2a)과 스크롤팽창기(1)의 팽창포켓(1a)으로 이루어진 하나의 밀폐 공간내의 작동유체를 주기적으로 가열, 냉각함으로서 발생되는 압력변화를 이용하여 동력을 발생한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 동일한 회전각에 대해 스크롤압축기(2)의 경우에는 압축 시작시에는 바깥쪽에서 중심부로 압축공간의 부피(Vc)가 급격하게 감소하는 데 반해, 스크롤팽창기(1)의 경우에는 팽창 시작시에 중심부에서 바깥쪽으로 팽창공간의 부피(Ve)가 상대적으로 작게 증가함으로서 스크롤압축기(2)와 스크롤팽창기(1)로 이루어진 밀폐 공간(Vc+Ve)의 부피는 감소하여 압축이 발생한다(등온압축).

그 다음에는 서서히 압축공간의 부피(Vc) 감소율와 팽창공간의 부피(Vc) 증가율이 같아지면서 압축공간 내의 작동유체가 재생기(5)에 의해 가열되고, 히터(6)에 의해 더욱 가열되어 팽창공간 내로 이동하면서 압력이 상승한다(등적가열).

그 다음에는 도 4에 도시한 바와 같이 스크롤압축기(2) 내의 압축공간의 부피(Vc)는 상대적으로 중심부에서 서서히 감소하는 데 반해, 스크롤팽창기(1) 내의 팽창공간의 부피(Ve)는 바깥쪽에서 급격하게 증가함으로서 스크롤압축기(2)와 스크 롤팽창기(2)로 이루어진 밀폐공간(Vc+Ve)의 부피는 증가하여 팽창이 발생한다(등온팽창). 마지막으로는 스크롤 팽창기내의 팽창공간이 토출구에 연결되어 고온의 작동유체는 재생기(5)에서 냉각되어 스크롤팽창기(1) 내의 압축공간으로 유입됨으로서 사이클을 구성하게 된다.

스크롤압축기(2)와 스크롤팽창기(1)의 회전에 따른 토크 변화는 도 5에 도시한 바와 같으며, 압축시보다 팽창시에 작동유체의 온도상승에 따라 압력이 증가하므로 압축시 구동토크에 의한 압축일보다 팽창시 발생토크에 의한 팽창일이 증가하여 동력을 발생하게 된다.

이와 같이 스크롤 방식 스털링 엔진은 스크롤압축기(2)와 스크롤팽창기(1)의 연동운동에 의해 근사적으로 피스톤 방식 스털링 엔진과 유사한 사이클을 구성하게 되지만 피스톤 방식 스털링 엔진에서와 같이 작동유체가 압축기, 쿨러, 재생열교환기, 히터, 팽창기를 고속으로 왕복하는 왕복동 유동이 아닌 일방향으로 유동(One-way flow)하는 스털링 엔진을 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 후술하는 청구범위에 의해 제시되는 본 발명의 범주와 기술적 사상을 벗어남이 없이 많은 수정 및 변형이 가능하다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명은 고효율, 저소음 및 저진동, 소형 및 경량의 특징을 가지며 압축과 팽창이 연속적이어서 작동유체가 압축기에서 팽창기로 흐름과 동시에 팽창기에서 압축기로 흐르기 때문에 열교환기를 통한 열교 환으로 재생효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 작동유체의 유동방향이 바뀌지 않기 때문에 유동방향에 맞게 열교환기를 설치하게 되면 기존 스털링기기에서 재생기를 왕복함으로서 발생되는 압력손실을 줄일 수 있어 수소와 헬륨과 같은 경분자량의 작동유체가 아닌 공기를 사용한 엔진의 고출력화와 고속화가 가능하여 가스시일 문제를 해결할 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 일방향 유동(One-way flow)이기 때문에 종래의 피스톤 방식 스털링 엔진에서와 같이 작동유체가 팽창 후 재가열되고 압축 후 재냉각되는 사이클 결함이 발생하지 않아 효율이 향상되며 재생기, 히터, 쿨러내에서의 열피로(thermal stress)가 줄어드는 효과가 있다.

또한 기존 열기관용 스크롤 팽창기에서는 스크롤 랩의 감긴 회수가 많아 스크롤 팽창기내에 복수개의 밀폐공간이 생기고 중심부의 온도가 높고 주변부의 온도가 낮은 온도구배가 심하게 발생되기 때문에 중심부와 주변부의 열변형의 차이로 인해 스크롤랩 간격(반경방향)과 스크롤랩 높이(축방향)가 달라져 마찰, 진동, 누설이 증가하여 급격하게 효율이 감소하게 되지만, 본 발명에 사용되는 스크롤압축기 및 팽창기는 단일의 압축 및 팽창포켓을 갖음으로서 온도구배가 작아 기존 스크롤 팽창기의 열변형의 차이에 의한 효율이 낮아지는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 문언에 의해서만 제한 해석될 수 있다.

Claims

하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤(11)과, 상기 고정스크롤(11)과 맞물려 하나의 팽창포켓(1a)을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시키는 선회스크롤(12)을 구비한 스크롤팽창기(1)와 ;

하우징의 내부에 고정되고 나선형으로 형성된 고정스크롤(21)과, 상기 고정스크롤(21)과 맞물려 하나의 압축포켓(2a)을 형성하도록 나선형으로 형성되고 구동수단에 의해 회전하여 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축시키는 선회스크롤(22)을 구비한 스크롤압축기(2)와 ;

상기 스크롤팽창기(1)의 출구와 스크롤압축기(2)의 입구 사이에 연결된 제1순환관(3)과 ;

상기 스크롤팽창기(1)의 입구와 스크롤압축기(2)의 출구 사이에 연결된 제2순환관(4)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.
제 1 항에 있어서,

상기 제1순환관의 중단에는 스크롤팽창기(1)와 스크롤압축기(2) 사이에 순환하는 작동유체 간의 열 교환이 이루어지게 하는 재생기(5)를 더 설치하여 구성됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제2순환관(4)의 스크롤팽창기(1)의 입구에는 히터(6)가 더 설치됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.
제 3 항에 있어서,

상기 제1 순환관(3)의 스크롤압축기(2)의 입구에는 쿨러(7)가 더 설치됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.
제 4 항에 있어서,

상기 제2순환관(4)의 중단은 상기 재생기(5)를 통과하도록 설치됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.
제 5 항에 있어서,

상기 스크롤 팽창기(1)의 하우징의 외부에 가열핀이 더 설치됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.
제 6 항에 있어서,

상기 스크롤 압축기(2)의 하우징의 외부에 냉각핀이 더 설치됨을 특징으로 하는 스크롤 방식 스털링 사이클 엔진.