KR101019869B1

KR101019869B1 - 폐열에 의해 구동되는 엔진 및 이를 이용한 발전방법

Info

Publication number: KR101019869B1
Application number: KR1020100075407A
Authority: KR
Inventors: 박승수; 고중식
Original assignee: 고중식; 박승수
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2011-03-04

Abstract

본 발명은 폐열에 의해 구동되는 엔진과 이를 이용한 발전방법에 있어서, 엔진(100)은 내부에 다수의 실린더(11)가 구비된 실린더블록(10)과; 상기 실린더(11) 내에 구비되며 상면에 2개의 조작핀(21)이 구비된 피스톤(20)과; 상기 실린더블록(10) 내에 설치되며 피스톤(20)과 연결되어 피스톤(20)을 승강시키는 크랭크축(30)과; 상기 실린더블록(10)의 상부에 구비되어 피스톤(20)의 조작핀(21)에 의해 가스의 급,배기를 조절하는 매니폴드(40)와; 상기 크랭크축(30)의 일측에 구비되는 마그네트(50)로 구성되되; 상기 피스톤(20)은 상사점과 하사점의 위치에 있는 2개의 피스톤(20A, 20B)이 한 쌍으로 작동하며; 상기 매니폴드(40)는 상사점에 위치된 피스톤(20A)에 의해 상사점에 있는 피스톤(20A)의 급기밸브와, 하사점에 있는 피스톤(20B)의 배기밸브가 동시에 개방되는 것을 기술적 특징으로 한다.
이에 의해 폐열 및/또는 온수를 이용하여 구동력 및/또는 전기를 생산할 수 있어 친환경적이고, 또한 밸브를 기계적인 방법으로 개폐 제어함으로써 오작동 없이 항상 정확하게 개폐 제어할 수 있다.

Description

폐열에 의해 구동되는 엔진 및 이를 이용한 발전방법{AN ENGINE USING WASTE HEAT AND POWER GENERATING METHOD THEREWITH}

본 발명은 폐열에 의해 구동되는 엔진과 이 엔진을 이용한 발전방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 폐열을 이용하여 가열된 온수에 의해 가열 팽창되어 순환되는 고압가스에 의해 구동되는 엔진에 있어서, 고압가스를 정확하게 분배 제어할 수 있는 매니폴드가 구비된 엔진 및 이를 이용하여 전기를 생산하는 발전방법에 관한 것이다.

근래에는 환경문제와 더불어 주 에너지원인 화석에너지의 매장량이 급격히 감소되면서 에너지의 효율적 사용이 중요시되고 있으며, 이에 따라 에너지의 사용효율을 향상시키기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다.

이러한 에너지 사용 효율을 증대시키는 방안으로서 자연 에너지인 태양열을 이용하거나 폐열을 이용하여 온수나 전기를 발생시키는 방법 등이 채택되고 있다.

태양열을 이용하는 방법은 태양의 열에너지를 집열판으로 축적하여 이를 이용해 물을 데우고, 데워진 온수를 실내로 순환시켜 난방을 하거나 온수를 사용하는 것으로, 태양열이 집열되는 정도는 집열판의 설치 개수와 면적 및 기후변화 등에 따라 난방효율이 다르게 된다.

한편, 폐열을 이용하는 방법으로서 예를 들면 일본 공개특허 제2006- 283620호(폐열, 자연열을 이용한 스털링 엔진발전장치)가 제안되어 있다.

이 문헌에 제안된 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 폐열, 자연열을 이용한 열원장치(2)와, 이 열원장치(2)에 의해 발생되는 열가스와 열교환시켜 고온 증기를 발생하는 고온증기 발생장치(3)와, 이 고온증기를 스털링 엔진(Stirling engine) 수열부(5)에 공급하는 고온증기 덕트수단(6)으로 이루어진다.

상기와 같이 하여 스털링 엔진 수열부(5)에 공급된 고온증기가 엔진을 구동시킴으로써 전기를 발생시키는데, 이때 1개의 실린더와 피스톤으로 이루어진 엔진을 사용하게 되면 고온증기를 분배할 필요는 없으나, 피스톤의 왕복행정이 어려우며, 이에 따라 크랭크축의 회전이 원활하지 못하기 때문에 발전 효율이 낮은 문제가 있다.

이러한 이유로 복수개의 실린더와 피스톤으로 이루어진 엔진을 사용하는 것이 일반적인데, 이 경우에는 발생한 고온증기를 각각의 실린더 내부로 순차적으로 공급하여 이에 의해 피스톤을 승하강시킬 필요가 있다.

위와 같은 구조의 엔진 발전시스템에서는 이를 위해 엔진과 연결된 증기유로 사이에 다수의 전자적 신호에 의해 동작되는 자동제어밸브를 설치하여 이에 의해 각각의 실린더 내부로 고온증기가 순차적으로 공급되도록 하고 있다.

그러나 이러한 엔진에 있어서 증기유로를 통해 정확한 시간에 실린더 내부 증기를 공급하는 것이 극히 중요한데, 이에 따라 밸브 개폐 타이밍을 정확하게 맞춰야 하며, 이를 위해 전자적인 신호를 시간에 정확히 맞추어 발생되도록 제어하여야 하지만 전자적 신호의 특성과 신호 발생기의 구조상 그렇게 용이하지 않으며, 이에 더하여 노이즈, 전자회로의 단락 등으로 인해 오작동이 발생될 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 폐열을 이용하여 구동되는 엔진과 이 엔진을 이용한 발전방법에 있어서, 자동밸브(전자밸브)를 사용하지 않고도 기계적으로 동작하는 밸브를 사용하여 엔진을 구동하는 고압가스의 공급 및 액화가스의 배출을 쉽고 정확하게 제어할 수 있도록 한 엔진과 이 엔진을 이용한 발전방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적에 따른 본 발명의 엔진은, 내부에 다수의 실린더가 구비된 실린더블록과; 상기 실린더 내에 구비되며 상면에 2개의 조작핀이 구비된 피스톤과; 상기 실린더블록 내에 설치되며 피스톤과 연결되어 피스톤을 승강시키는 크랭크축과; 상기 실린더블록의 상부에 구비되어 피스톤의 조작핀에 의해 가스의 급,배기를 조절하는 매니폴드와; 상기 크랭크축의 일측에 구비되는 마그네트로 구성되되; 상기 피스톤은 상사점과 하사점의 위치에 있는 2개의 피스톤이 한 쌍으로 작동하며; 상기 매니폴드는 상사점에 위치된 피스톤에 의해 상사점에 있는 피스톤의 급기밸브와, 하사점에 있는 피스톤의 배기밸브가 동시에 개방되는 것에 의해 달성된다.

발전 방법은 밀폐된 유로 내에 충전된 가스를 냉각하여 액화가스로 응축하는 가스 응축 단계와; 상기 가스 응축 단계를 통해 응축된 액화가스가 엔진의 응축수펌프를 통해 순환시키는 가스 순환 단계와; 상기 가스 순환 단계를 통해 공급되는 액화가스를 폐열 및/또는 온수를 이용해 가열하여 고압의 가스로 만드는 가스 팽창 단계와; 상기 가스 팽창 단계를 통해 생성된 고압가스를 매니폴드를 이용해 엔진의 실린더 블록 내로 공급하는 엔진 구동 단계와; 상기 엔진 구동 단계를 통해 회전되는 크랭크축의 동력을 이용하여 발전시키는 발전 단계로 이루어진 것에 의해 달성된다.

본 발명의 사용으로 크랭크축과 연동되어 회전되는 피스톤에 의해 개폐조절되는 매니폴드를 통해 급,배기밸브가 기계적으로 작동되므로 밸브의 개폐동작에 오차 없이 정확하게 개폐 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 엔진과 태양열을 이용한 난방시스템과 연동되면, 태양열을 이용해 생성된 온수 또는 난방용수로 사용되고 남은 온수를 이용해 엔진을 구동시킬 수 있고, 이렇게 구동되는 엔진은 발전기와 연동되어 전기를 생성할 수 있으므로, 친환경적으로 필요 에너지를 생산할 수 있다.

또한 공장의 각종 설비에서 발생되는 폐열을 이용해 전기에너지나 동력을 발생할 수 있어, 버려지는 열에너지를 재사용하여 필요 전기에너지를 만들 수 있다.

도 1은 종래의 자가 발전 및 온수 제조 시스템의 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 폐열에 의해 구동되는 엔진을 보인 사시도,
도 3은 도 2의 분리된 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 실린더블록과 매니폴드의 조립된 사시도,
도 5는 도 4의 측면도,
도 6은 본 발명에 따른 로드, 조작판, 노즐, 고정판, 영구자석의 구성을 보인 사시도,
도 7(a, b)는 본 발명에 따른 매니폴드의 급,배기의 작동 예를 보인 사용상태도,
도 8은 본 발명에 따른 폐열에 의해 구동되는 엔진을 이용한 발전방법의 예를 보인 순서도,
도 9는 본 발명에 따른 폐열에 의해 구동되는 엔진을 이용한 발전방법의 예를 보인 구성도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 도시한 첨부도면을 통해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 폐열을 이용해 구동하는 엔진과, 이 엔진을 이용하여 전기를 생산하는 방법에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은 도 2와 도 3에서와 같이, 내부에 다수의 실린더(11)가 구비된 실린더블록(10)과; 상기 실린더(11) 내에 구비되며 상면에 2개의 조작핀(21)이 구비된 피스톤(20)과; 상기 실린더블록(10) 내에 설치되며 피스톤(20)과 연결되어 피스톤(20)을 승강시키는 크랭크축(30)과; 상기 실린더블록(10)의 상부에 구비되어 피스톤(20)의 조작핀(21)에 의해 가스의 급,배기를 조절하는 매니폴드(40)와; 상기 크랭크축(30)의 일측에 구비되는 마그네트(50)를 포함한다.

이때 상기 피스톤(20)은 상사점과 하사점의 위치에 있는 2개의 피스톤(20A, 20B)이 한 쌍으로 작동하며; 상기 매니폴드(40)는 상사점에 위치된 피스톤(20A)에 의해 상사점에 있는 피스톤(20A)의 급기밸브와, 하사점에 있는 피스톤(20B)의 배기밸브가 동시에 개방된다.

실린더블록(10)은 후술하는 피스톤(20)이 행정운동을 할 수 있도록 내부에 다수의 실린더(11)가 형성된 것으로, 이는 도 3에서와 같이 실린더(11)의 하부에는 크랭크축(30)이 설치될 수 있는 공간이 마련되고, 이에 더해 후술하는 응축수펌프(60)가 설치될 수 있는 실린더(61)와 마그네트(50)가 설치되는 수납공간 및 실린더블록(10) 내에 잔류하는 가스를 유로로 취출하기 위한 가스취출관(12)이 함께 마련된다.

상기 가스취출관(12)은 후술하는 매니폴드(40)로 인해 실린더(11) 내로 고압가스가 공급된 후, 배출될 때에 완전히 배출되지 못하고 실린더블록(10) 내에 잔류하여 피스톤(20)의 행정운동을 저해하는 압력으로 작용할 소지가 있고, 이렇게 잔류하는 가스의 양이 증가하면 피스톤(20)을 승강시키는 고압가스의 생성 효율에도 영향이 있기 때문에 본 발명은 실린더블록(10)에 불필요하게 잔류하는 가스를 다시 유로로 환수시킬 필요가 있으며, 이를 위해 상기 가스취출관(12)은 후술하는 응축부(200)로 액화가스가 공급되는 유로와 연결된다.

피스톤(20)은 실린더(11) 내에 각각 설치되어 고압가스에 의해 승강을 반복하면서 크랭크축(30)을 회전시키는 구성으로, 본 발명의 피스톤(20)에는 상부면에 2개의 조작핀(21)이 구비되어 있고, 이 조작핀(21)은 피스톤(20)이 상사점에 위치될 때에 후술하는 매니폴드(40) 내의 조작판(46)을 수평으로 슬라이딩 조작하는 역할을 한다.

이때 본 발명의 피스톤(20)은 2개의 피스톤(20)이 한 쌍을 이루도록 하여 2쌍이 설치되는데, 한 쌍의 2개의 피스톤(20)은 하나의 피스톤(20)이 상사점에 위치될 때에 다른 피스톤(20)이 하사점에 놓이도록 서로 180°의 회전간격으로 쌍을 이루고 있고, 또 다른 쌍의 피스톤(20)과 90°의 회전간격을 갖도록 하여, 결과적으로는 피스톤(20)은 크랭크축(30)에 90°, 270°, 0°, 180°의 각도로 설치된다.

따라서 어느 하나의 피스톤(20)이 상사점에 위치되었다가 하사점으로 이동할 때에 반드시 하나의 피스톤(20)은 상사점으로 이동하는 구조로 이루어져 있고, 이에 따라 최소 2 쌍의 피스톤(20)이 설치되면 하나의 피스톤(20)이 상사점에서 고압가스에 의해 하사점으로 회전운동하게 되어 다른 쌍의 피스톤(20) 하나를 상사점에 위치시키게 되며, 이러한 동작을 각각 번갈아 작동하면서 후술하는 매니폴드(40)에 구비되는 8개의 입,출구(42, 43) 동작을 기계적으로 개폐 제어한다.

크랭크축(30)은 실린더블록(10) 내에 설치되어 캠에 의해 피스톤(20)을 승강시키는 구성으로, 이러한 크랭크축(30)의 일단에는 후술하는 마그네트(50)가 설치되어 있어, 이에 의해 크랭크축(30)의 회전력을 이용하여 전기를 생산할 수 있도록 구성된다.

매니폴드(40)는 실린더블록(10) 내에 설치된 피스톤(20)을 승강시키기 위해 고압가스를 공급하고, 사용된 가스를 배출하도록 급,배기 동작을 제어하는 구성으로, 본 발명은 도 4와 도 5에서와 같이 실린더블록(10)의 상부에 설치되며, 전면과 후면에 각각 중공부(41)가 형성되어 급,배기하우징(40A, 40B)을 이루고, 이 중공부(41)와 연결되는 입,출구(42, 43) 및 실린더블록(10)의 실린더(11)와 연통하는 연결관(44)이 각각 구비된다.

이때 중공부(41)는 한 쌍의 피스톤(20)을 기준으로 그 공간이 구획되어 있고, 하나의 중공부(41)에는 양단으로 입,출구(42, 43)가 형성되어 총 4개의 독립된 중공부(41)에 2개씩의 입,출구(42, 43)가 각각 형성된다.

상기 매니폴드(40)는 급,배기하우징(40A, 40B)이 일체로 형성된 것으로 도시되고 명시되었으나, 이는 당업자가 용이하게 실시하기 위해 서로 독립된 구성으로 각각 설치될 수 있다.

이와 같은 중공부(41)에는 각각의 입구(42) 또는 출구(43)를 개폐하는 개폐수단이 구비되는데, 이는 도 6에서와 같이 중공부(41)에 설치되어 슬라이딩되는 로드(45)와, 상기 로드(45)의 양단에 각각 구비되는 밸브(48)와, 상기 로드(45)의 가운데에 구비되는 영구자석(M) 및 상기 영구자석(M)과 밸브(48) 사이에 구비되는 조작판(46)으로 구성된다.

이때 양측 조작판(46)과 영구자석(M) 사이에는 영구자석(M)의 자력에 의해 부착되는 고정판(49)이 양측에 각각 구비될 수 있고, 이 고정판(49)은 로드(45)가 슬라이딩될 때에 좌우 한 쪽만이 영구자석(M)과 부착되도록 영구자석(M)과 적정 간격을 두고 설치된다.

또한 상기 밸브(48)의 양측면에는 탄성 스프링(S)이 설치되어 로드(45)가 탄성력에 의해 중공부(41)의 가운데에 위치되도록 하는데, 이 탄성력은 영구자석(M)이 고정판(49)을 부착 고정하는 자력의 힘보다 작게 하여, 탄성력에 의해 영구자석(M)과 부착된 고정판(49)이 떨어지지 않게 한다.

상기 고정판(49)은 피스톤(20)의 승강에 의해 로드(45)가 일측으로 슬라이딩 이동하여 일측 입구(42) 또는 출구(43)가 개방되면, 다른 피스톤(20)이 다시 로드(45)를 조작할 때 까지 그 상태를 유지할 수 있도록 고정하는 역할을 한다.

이로 인해 일측 피스톤(20)의 상사점과 하사점을 왕복하여, 조작핀(21)에 영향을 받지 않는 구간에서는 영구자석(M)이 로드(45)를 고정하고 있어 피스톤(20)에 의해 개방 또는 개폐된 입,출구(42, 43)의 상태가 그대로 유지된다.

또한 영구자석(M)은 로드(45)의 이동에 의해 개폐된 밸브(48)를 통해 고압 내지 저압 가스가 중공부(41) 내로 유입될 때에 이 가스가 반대쪽으로 흘러들어가지 않도록 기밀을 유지하는 실링부재의 역할을 겸하고 있는데, 로드(45)와 영구자석(M) 간에도 실링부재가 설치될 수 있으나, 수평 이동하는 로드(45)와 정지된 영구자석(M) 간에 기밀을 유지하기란 쉽지 않고, 이에 따라 본 발명은 영구자석(M)에 고정판(49)이 부착되는 간단한 구조를 통해 가스가 누출될 수 있는 미세한 공간도 완전히 폐쇄할 수 있도록 구성된다.

한편, 피스톤(20)의 조작핀(21)과 맞닿아 로드(45)를 슬라이딩시키는 조작판(46)은 조작핀(21)이 수직 상승할수록 로드(45)가 수평 방향으로 이동할 수 있도록 경사면(46A)을 갖는데, 본 발명은 이러한 경사면(46A)이 급,배기하우징(40A, 40B)이 서로 반대로 형성되어 있다.

이에 따라 하나의 피스톤(20)이 상승하여 2개의 조작핀(21)이 매니폴드(40) 내로 삽입되면, 서로 반대로 있는 조작판(46)의 경사면(46A)을 따라 조작핀(21)이 상승하여 급,배기하우징(40A, 40B) 내에 있는 2개의 로드(45)는 서로 반대의 방향으로 슬라이딩되고, 이에 의해 급,배기하우징(40A, 40B)의 입,출구(42, 43)가 개폐된다.

또한 밸브(48)는 고압가스가 잘 통과할 수 있도록 다수의 요홈(48A)이 형성되는데, 본 발명은 이 밸브(48)가 로드(45)의 슬라이딩에 의해 좌우로 함께 이동하면서 한 방향의 입구(42) 또는 출구(43)가 개방된다.

따라서 상기 밸브(48)를 이용해 유로를 폐쇄할 구성이 필요한데, 이를 위해 본 발명은 각각의 중공부(41)에 격판(47)을 형성하여 내부 공간을 구획하며, 이 격판(47)의 중심에 개구홀(47A)을 형성하여 로드(45)가 관통되고, 이에 따라 각각의 로드(45)는 중공부(41) 양 끝에 구비된 2개의 격판(47)을 관통하며, 이 로드(45)의 끝단에 각각 밸브(48)가 구비되어 로드(45)의 슬라이딩에 의해 일측 밸브(48)가 격판(47)의 개구홀(47A)을 차단하여 유로가 폐쇄된다.

따라서 일측 개구홀(47A)에 밸브(48)가 맞닿아 가스의 유로가 폐쇄되면 로드(45)의 반대의 밸브(48)는 개구홀(47A)과 떨어져 유로가 개방된다.

즉, 매니폴드(40)에 구비된 4개의 중공부(41)에 각각 로드(45)가 설치되어, 하나의 피스톤(20)에 구비된 조작핀(21)에 의해 급,배기 방향의 로드(45)가 동시에 서로 반대 방향으로 슬라이딩 이동하면서, 한 쌍의 피스톤(20)의 입,출구(42, 43)가 동시에 개폐된다.

따라서 한 쌍의 피스톤(20)을 기준으로 보면, 도 7에서와 같이 한 쌍의 피스톤(20)에서 하나의 피스톤(20)이 상사점에 위치되면, 하사점에 있는 다른 피스톤(20)의 배기측 출구(43)가 개방되고, 이와 동시에 상사점에 있는 피스톤(20)의 입구(42)가 개방되면서, 한 쌍의 피스톤(20)이 승강될 수 있도록 가스의 급기와 배기가 동시에 이루어진다.

이렇게 매니폴드(40)의 급,배기하우징(40A, 40B) 내의 로드(45)가 피스톤(20)에 의해 조작되면서 가스의 급,배기가 이루어지고, 그 결과 피스톤(20)의 승강작용에 의해 크랭크축(30)이 회전되어 회전동력을 발생할 수 있으며, 이렇게 생성된 회전동력을 이용해 마그네트(50)를 통한 전기 생산 또는 회전동력을 그대로 활용할 수 있다.

마그네트(50)는 실린더블록(10) 내의 한쪽에 마련된 공간에 설치되어 크랭크축(30)의 회전동력을 이용해 전기를 생산하는 구성으로, 이렇게 실린더블록(10)의 한편에 일체로 형성하거나, 크랭크축(30)의 동력을 전달하여 별도의 발전기를 구동시키도록 구성될 수 있다.

응축수펌프(60)는 도 3과 내지 5에서와 같이 실린더블록(10)의 한 쪽에 크랭크축(30)에 의해 승강되는 피스톤(61)을 더 구비하고, 입,출구(62, 63)를 통해 액화가스가 순환하는 유로가 연결되어 액화가스를 응축하는 구성이다.

따라서 본 발명은 유로에 별도의 펌프를 장착하여 사용하는 것이 아니라, 고압가스에 의해 회전되는 크랭크축(30)을 동력을 이용하여 피스톤(61)이 승강됨으로써, 액화가스를 순환시킬 별도의 동력이 필요 없다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 엔진(100)을 통해 전기를 생산하는 발전방법에 대해 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 엔진(100)은 사용되고 버려지는 폐열을 재활용하여 엔진(100)을 구동하고, 이렇게 구동된 엔진의 회전동력을 활용하여 전기를 생산하는 것으로, 이는 도 8에서와 같이 밀폐된 유로 내에 충전된 가스를 냉각하여 액화가스로 응축하는 가스 응축 단계(S100)와; 상기 가스 응축 단계(S100)를 통해 응축된 액화가스가 엔진(100)의 응축수펌프(60)를 통해 순환시키는 가스 순환 단계(S200)와; 상기 가스 순환 단계(S200)를 통해 공급되는 액화가스를 폐열을 이용해 가열하여 고압의 가스로 만드는 가스 팽창 단계(S300)와; 상기 가스 팽창 단계(S300)를 통해 생성된 고압가스를 매니폴드(40)를 이용해 엔진(100)의 실린더 블록(10) 내로 공급하는 엔진 구동 단계(S400)와; 상기 엔진 구동 단계(S400)를 통해 회전되는 크랭크축(30)의 동력을 이용하여 발전시키는 발전 단계(S500)로 이루어진다.

① 가스 응축 단계(S100)

가스 응축 단계(S100)는 가스를 냉각 응축시키는 단계로써, 엔진(100)과 연결된 유로가 응축부(200)를 통과하도록 유로가 형성되는데, 이 응축부(200) 내에서는 유로가 사행상으로 형성되어 응축부(200) 내에 충전된 냉매와 유로 내의 가스가 서로 열교환을 이루므로 액화가스가 냉각되어 응축된다.

② 가스 순환 단계(S200)

가스 순환 단계(S200)는 응축부(200)에서 냉각 응축된 액화가스를 유로 내에서 순환시키기 위해 펌프를 통해 순환시키는 단계로써, 이를 위해 통상 유로 상에 별도의 펌프장착하고 있으나, 본 발명은 엔진(100)의 크랭크축(30)과 연결된 응축수펌프(60)로 유로의 입,출구(62, 63)을 연결하여 응축부(200)를 통과한 액화가스가 응축수펌프(60)로 유입되도록 하고, 응축수펌프(60) 내의 피스톤(61)이 왕복으로 승강되면서 액화가스가 순환되어 팽창부(300)에 공급된다.

③ 가스 팽창 단계(S300)

가스 팽창 단계(S300)는 응축수펌프(60)를 거쳐 공급되는 액화가스를 가열하여 팽창시킴으로써 고압가스로 만드는 단계로, 응축부(200)와 동일하게 내부에 사행상의 유로가 형성된 팽창부(300)가 마련되되, 이 팽창부(300)에 충전되는 열매체는 사용되고 난 폐열이나 난방용 온수 등과 같이 한번 사용되고 버려지는 열원을 이용한다.

따라서 액화가스는 팽창부(300) 내에서 폐열이나 온수를 통해 가열 팽창되어 고압가스가 되고, 이 고압가스를 엔진(100) 내로 공급함으로써 동력을 발생하게 된다.

이때 본 발명은 팽창부(300)에 온수를 공급하기 위해 태양열 집열기를 통해 가열된 온수를 사용할 수 있는데, 이렇게 태양열 집열 시스템과 연동하여 사용하면, 화연연료의 사용 없이 친환경적으로 필요 에너지를 생산할 수 있다.

④ 엔진 구동 단계(S400)

엔진 구동 단계(S400)는 가스 팽창 단계(S300)를 통해 생성된 고압가스를 매니폴드(40)를 통해 엔진(100)의 실린더블록(10) 내로 교대로 공급함으로써, 크랭크축(30)과 연결된 피스톤(20)을 승강시켜 동력을 발생하는 단계이다.

이렇게 엔진(100) 내에서 피스톤(20)을 승강시킨 가스는 다시 매니폴드(40)의 제어에 의해 응축부(200)로 재공급되면서 상기 과정을 순환 반복한다.

⑤ 발전 단계(S500)

이 단계는 엔진 구동 단계(S400)에서 얻어진 회전 동력을 이용하여 발전하는 단계로서, 크랭크축(30)의 일단에 연결된 마그네트(50)를 이용하거나 별도의 발전기와 연결되어 전기를 생산하게 된다.

이때 회전 동력을 이용해 발전하는 방법은 일반적인 발전기와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명은 액화가스를 응축 및 팽창시키는 순환과정을 이용해 고압가스를 만들고, 이 고압가스를 실린더블록(10) 내로 공급하여 피스톤(20)을 승강시켜 동력을 발생하게 되는데, 이렇게 피스톤(20)을 승강시키는 동력원이 되는 고압가스가 실린더블록(10) 내에 잔류하게 되어 액화가스의 응축률과 팽창율이 저하되면서 성능이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 이에 따라 본 발명은 실린더블록(10) 내에 잔류하는 가스를 다시 유로상으로 환수하는 잔류가스 취출단계(S600)를 더 포함하여 실시될 수 있다.

이상과 같이 구성되는 본 발명을 통해 폐열이나 냉난방용 온수 등과 같이 사용되고 버려지는 열을 이용하여 밀폐된 유로 내의 가스를 가열 팽창시켜 고압가스를 만들고, 이렇게 만들어진 고압가스를 이용해 엔진(100)을 구동시킴으로써, 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있어, 에너지의 사용효율이 향상되고, 더욱이 가열부(300)에 공급되는 열원을 태양열 집열시스템과 연동함으로써 친환경적으로 에너지를 생산할 수 있다.

10: 실린더블록 11: 실린더
12: 가스취출관 20: 피스톤
20A: 상사점 피스톤 20B: 하사점 피스톤
21: 조작핀 30: 크랭크축
40: 매니폴드 40A, 급기하우징
40B: 배기하우징 41: 중공부
42: 입구 43: 출구
44: 연결관 45: 로드
46: 조작판 46A: 경사면
47: 격판 47A: 개구홀
48: 노즐 48A: 요홈
49: 고정판 50: 마그네트
60: 응축수펌프 61: 피스톤
62: 입구 63: 출구
100: 엔진 200: 응축부
300: 팽창부 S: 탄성 스프링
M: 영구자석

Claims

내부에 다수의 실린더(11)가 구비된 실린더블록(10)과;
상기 실린더(11) 내에 구비되며 상면에 2개의 조작핀(21)이 구비된 피스톤(20)과;
상기 실린더블록(10) 내에 설치되며 피스톤(20)과 연결되어 피스톤(20)을 승강시키는 크랭크축(30)과;
상기 실린더블록(10)의 상부에 구비되어 피스톤(20)의 조작핀(21)에 의해 가스의 급,배기를 조절하는 매니폴드(40)와;
상기 크랭크축(30)의 일측에 구비되는 마그네트(50)로 구성되되;
상기 피스톤(20)은 상사점과 하사점의 위치에 있는 2개의 피스톤(20A, 20B)이 한 쌍으로 작동하며;
상기 매니폴드(40)는 상사점에 위치된 피스톤(20A)에 의해 상사점에 있는 피스톤(20A)의 급기밸브와, 하사점에 있는 피스톤(20B)의 배기밸브가 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더블록(10) 내의 크랭크축(30)과 연결되는 응축수펌프(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 매니폴드(40)는 그 내부에 전후좌우로 4개의 독립된 공간이 형성되는 중공부(41)를 가지며, 상기 각각의 중공부(41)의 양단으로 입,출구(42, 43)가 형성되고, 중공부(41)의 하부로는 실린더블록(10)의 실린더(11) 내부로 각각 연통되도록 연결관(44)이 구비된 급,배기 하우징(40A, 40B)와;
상기 중공부(41)의 각각에 구비되어 수평으로 슬라이딩되는 로드(45)와;
상기 로드(45)의 양측에 구비되며 피스톤(20)의 조작핀(21)과 접촉되는 경사면(46A)을 갖는 조작판(46)과;
상기 조작판(46)과 로드(45)의 양끝단 사이에 각각 구비되어 중공부(41)의 공간을 구획하며, 중심에는 로드(45)가 관통되는 개구홀(47A)이 구비된 격판(47)과;
상기 로드(45)의 양단에 각각 구비되어 격판(47)의 개구홀(47A)을 개폐하는 노즐(48)과;
상기 각각의 노즐(48) 측면에 구비되는 탄성 스프링(S)과;
상기 로드(45)의 가운데에 위치되어 공간을 구획하는 실링부재를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진.
청구항 3에 있어서,
상기 실링부재는 영구자석(M)이고,
상기 영구자석(M)의 양측에 각각 구비되어 자력에 의해 서로 교대로 영구자석(M)에 부착되는 고정판(49)이 상기 로드(45)에 더 구비된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진.
청구항 3에 있어서,
상기 조작판(46)의 경사면(46A)은 급기측과 배기측이 서로 반대로 형성된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진
청구항 3에 있어서,
상기 노즐(48)은 격판(47)과 마주하는 측면이 원뿔형으로 형성되고, 양측으로 연통하는 다수의 요홈(48A)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더블록(10)은 내부에 누적되는 가스를 외부로 취출하기 위한 가스취출관(12)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진.
폐열에 의해 구동되는 엔진을 이용한 발전방법에 있어서,
밀폐된 유로 내에 충전된 가스를 냉각하여 액화가스로 응축하는 가스 응축 단계(S100)와;
상기 가스 응축 단계(S100)를 통해 응축된 액화가스가 엔진(100)의 응축수펌프(60)를 통해 순환시키는 가스 순환 단계(S200)와;
상기 가스 순환 단계(S200)를 통해 공급되는 액화가스를 폐열을 이용해 가열하여 고압의 가스로 만드는 가스 팽창 단계(S300)와;
상기 가스 팽창 단계(S300)를 통해 생성된 고압가스를 매니폴드(40)를 이용해 엔진(100)의 실린더 블록(10) 내로 공급하는 엔진 구동 단계(S400)와;
상기 엔진 구동 단계(S400)를 통해 회전되는 크랭크축(30)의 동력을 이용하여 발전시키는 발전 단계(S500)로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진을 이용한 발전방법.
청구항 8에 있어서,
상기 엔진(100) 내에 누적되는 저압가스를 밀폐된 유로 내로 환급하여 재응축하는 잔류가스 취출단계(S600)를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 폐열에 의해 구동되는 엔진을 이용한 발전방법.