KR101022456B1 - 스터링 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스터링 엔진의 팽창 피스톤의 실린더 외측에 응축액 자켓을 장착하여 동력 손실을 극소화하고, 저온도의 열원에서도 효율적으로 구동이 가능한 히트 파이프 타입의 스터링 엔진에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 팽창 피스톤 및 압축 피스톤을 구비하는 스터링 엔진에 있어서, 팽창 피스톤의 실린더 외측에는 스터링 엔진을 구동하는 열매체 증기의 응축액이 이동되는 응축액 자켓을 제공한다. 이에 따라 동력 손실을 극소화하고, 저온도의 열원에서도 효율적으로 구동이 가능하다.

스터링 엔진, 응축액, 자켓, 실린더

Description

스터링 엔진{STIRLING ENGINE}

본 발명은 스터링 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스터링 엔진의 팽창 피스톤의 실린더 외측에 응축액 자켓을 장착하여 동력 손실을 극소화하고, 저온도의 열원에서도 효율적으로 구동이 가능한 스터링 엔진에 관한 것이다.

일반적으로 스터링 엔진은 엔진 내부에서 가압된 기체가 외부의 가열원과 냉각원에 의하여 팽창과 수축을 반복하는 과정에서 발생하는 압력 변동을 축동력으로 전환하는 일종의 외연기관을 말한다.

이러한 스터링 엔진은 외연기관이기 때문에 액체연료, 가스연료, 고체연료, 산업폐열, 태양열, 지열 또는 LNG 내열 등의 다양한 열원으로 구동될 수 있다. 또한 히터와 쿨러 사이에 설치되는 재생기의 작용으로 원리적으로 가장 높은 효율을 갖는다. 아울러 밸브가 없고 압력 변화가 매끄럽기 때문에 내연기관에 비해 소음과 진동이 적고 연속 연소이기 때문에 연소제어가 용이하다. 이러한 스터링 엔진은 화석 연료를 대체할 수 있는 장점이 있기 때문에 최근에는 지구 온난화 가스 발생 저감을 위한 대용 엔진으로 부각되고 있다.

스터링 엔진은 공장 폐열, 지열 또는 태양열 등과 같은 저온도 레벨의 열원 으로 구동하기 위해서는 가열기의 전열면적을 증대하여 가열원과 내부 작동 유체 간의 온도저하를 최소화할 필요가 있다. 따라서, 튜브 타입의 가열기가 내장된 스터링 엔진이 제안된다.

그러나, 튜브 타입의 가열기를 내장한 스터링 엔진은 엔진의 구조적인 특징으로 인하여 팽창 피스톤의 실린더 외벽을 통한 열의 손실이 발생한다. 따라서, 튜브 타입의 스터링 엔진은 이상적인 등온 팽창 과정에 비하여 동력 손실이 발생되는 문제점이 있다.

팽창 피스톤의 실린더 외벽을 통한 열의 손실을 방지하고 작동유체가 팽창하는 과정에서 지속적인 열의 공급이 이루어지도록 하여 동력 손실을 최소화하는 스터링 엔진을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스터링 엔진은, 팽창 피스톤 및 압축 피스톤을 구비하는 스터링 엔진에 있어서, 팽창 피스톤의 실린더 외측에는 스터링 엔진을 구동하는 열매체 증기의 응축액이 이동되는 응축액 자켓이 장착된다.

스터링 엔진은 열매체 증기가 유입되어 응축 작용이 이루어지는 가열기 튜브를 포함하고, 응축액 자켓은 상기 가열기 튜브와 연통되어 상기 열매체 증기의 응축액이 유입되며 상기 팽창 피스톤의 실린더 외측에 접하도록 장착될 수 있다.

응축액 자켓은, 가열기 튜브에 연통되며 팽창 피스톤의 실린더의 외측을 환형으로 감싸도록 연장될 수 있다.

응축액 자켓은, 가열기 튜브와 연결되는 제1 자켓과, 제1 자켓과 연결되며 팽창 피스톤의 실린더와 접하는 제2 자켓을 포함할 수 있다.

응축액 자켓은 열매체 증기의 응축액이 배출되는 드레인부를 포함할 수 있다. 드레인부는 제2 자켓에 연결될 수 있다. 제2 자켓은, 열매체 증기의 응축액이 폐열 보일러로 환수되도록 하는 드레인 배관을 포함할 수 있다.

스터링 엔진의 팽창 피스톤의 실린더 외측에 열매체 증기의 응축액이 이동되는 응축액 자켓을 장착하여, 팽창 피스톤의 작동시에 열의 손실을 방지하여 낮은 열원의 온도 조건에서도 스터링 엔진의 효율적인 구동이 가능하다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 스터링 엔진을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스터링 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스터링 엔진(100)은, 팽창 피스톤(11)과 압축 피스톤(13)의 상대적인 동작에 의해 스터링 사이클이 실현되도록 구성된다.

이러한 스터링 엔진(100)은 가열기 튜브(15) 및 냉각기 튜브(17)를 내장한다. 이는 스터링 엔진을 구동하는 작동유체의 가열과 냉각을 위함이다. 가열기 튜브(15) 및 냉각기 튜브(17)의 가열 및 냉각을 이용하여 스터링 엔진의 전열을 위한 표면적의 증대가 가능하게 된다. 그리고 가열기 튜브(15)와 냉각기 튜브(17)의 사이에는 작동 유체가 통과하면서 열회수를 가능하게 하는 재생기(19)가 배치된다. 가열기 튜브(15) 및 냉각기 튜브(17)를 이용하여 스터링 엔진의 전열을 위한 표면 적의 증대 작용은 공지된 것으로서 이에 대해서는 그 구체적인 작용의 설명은 생략한다.

본 실시예의 스터링 엔진은 히트 파이프 방식을 예시한다. 히트 파이프 방식의 스터링 엔진은 가열기 튜브(15)에 열매체 증기가 유입된다. 가열기 튜브(15)에 유입된 열매체 증기는 작동유체와 열교환을 통해 응축된다. 가열기 튜브(15)에 의해 작동유체는 잠열을 방출함으로써 전열관의 전체 길이에 대해 균일한 온도 분포를 유지할 수 있어 효율적인 가열이 이루어진다.

가열기 튜브(15)는 응축액 자켓(10)과 연통된다. 이러한 응축액 자켓(10)은 가열기 튜브(15)를 통하여 열매체 증기의 응축액(12)이 유입된다.

응축액 자켓(10)은 전술한 바와 같이, 가열기 튜브(15)의 열매체 증기 응축액(12)을 전달받을 수 있도록 가열기 튜브(15)에 연통된다.

보다 구체적으로 설명하면, 응축액 자켓(10)은 일단은 가열기 튜브(15)에 연통되고, 타단은 팽창 피스톤의 실린더(20)의 외측에 접하도록 연장된다. 여기서 응축액 자켓(10)은 팽창 피스톤의 실린더(20)의 외측에 환형으로 장착될 수 있다. 응축액 자켓(10)의 단면은 원형 또는 반원형으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 응축액 자켓(10)의 단면은 모서리를 갖는 다각형으로 형성됨도 가능하다.

응축액 자켓(10)은 가열기 튜브(15)에서 이동된 열매체 증기 응축액(12)이 그 자중에 의해 이동가능하게 장착될 수 있다.

도 2는 도 1의 응축액 자켓이 팽창 피스톤 실린더의 외측에 장착됨을 개략적 올 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 응축액 자켓의 단면을 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 응축액 자켓(10)은 가열기 튜브(15)와 연결되는 제1 자켓(14) 및 제1 자켓(14)과 연결되며 팽창 피스톤의 실린더(20)와 접하는 제2 자켓(16)을 포함할 수 있다. 이때 제1 자켓(14)은 가열기 튜브(15)와 제2 자켓(16)의 사이를 연결하도록 절곡될 수 있다. 그리고 제2 자켓(16)은 팽창 피스톤 실린더(20)의 외측에 접하도록 환형으로 형성됨이 가능하다.

전술한 응축액 자켓(10)의 장착에 의해 팽창 피스톤의 실린더(20)에서 열손실을 최소화한다.

이하에서는 응축액 자켓을 이용하여 팽창 피스톤의 실린더에서 열손실을 최소화하는 작용을 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 팽창 피스톤(11)이 실린더(20)의 상측으로 이동하는 경우를 살펴보면, 응축액 자켓(10)의 보온 작용으로 팽창 피스톤 실린더(20)의 외측으로 열의 손실을 방지한다.

그리고, 팽창 피스톤(11)이 실린더(20)의 하방향으로 이동하는 경우를 살펴보면, 팽창 피스톤(11)의 하향 이동시에 작동 유체는 팽창하게 된다. 이때, 응축액 자켓(10)에서 작동유체에 대하여 열을 공급한다. 따라서 열매체 응축액의 현열에 의해 팽창 피스톤의 실린더(20) 가열이 이루어짐에 따라 낮은 열원의 온도 조건에서도 스터링 엔진의 구동이 가능하게 된다.

한편, 응축액 자켓(10) 내부의 응축액(12)은 드레인부(30)를 통해서 배출된다.

드레인부(30)는 제2 자켓(16)과 연결되는 드레인 배관을 포함할 수 있다. 드레인 배관은 일단은 제2 자켓(16)과 연결되고 타단은 폐열 보일러(미도시)로 연결 가능하다. 이에 따라, 응축액 자켓(10)의 응축액은 폐열 보일러로 환수된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스터링 엔진의 응축액 자켓의 장착을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 응축액 자켓의 단면을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3과 동일 참조번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서, 도 1 내지 도 3과 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 스터링 엔진의 응축액 자켓(110)은 팽창 피스톤 실린더(20)의 외측에 나선형으로 장착된다. 따라서, 응축액(12)은 팽창 피스톤의 실린더(20) 외측을 감싸면서 자중에 의해 흐른다.

응축액 자켓(110)의 단면은 반원형을 이룰 수 있다. 즉, 응축액 자켓의 단면의 직선 부분이 팽창 피스톤의 실린더에 접하고 라운드 부분이 실린더의 측면으로 돌출하게 장착될 수 있다.

여기서, 응축액 자켓(110)의 단면이 반원형으로 형성됨을 예시하였지만, 다각형의 단면으로 형성됨도 가능함은 물론이다.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능 하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스터링 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 응축액 자켓이 팽창 피스톤 실린더의 외측에 장착됨을 개략적올 도시한 도면이다.

도 3은 도 2의 응축액 자켓의 단면을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스터링 엔진의 응축액 자켓의 장착을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5는 도 4의 응축액 자켓의 단면을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...응축액 자켓 11...팽창 피스톤

12...응축액 13...압축 피스톤

15...가열기 튜브 19...재생기

20...팽창 피스톤 실린더 30...드레인부

Claims (7)

1. 팽창 피스톤 및 압축 피스톤을 구비하는 스터링 엔진에 있어서,

   상기 팽창 피스톤의 실린더 외측에는 상기 스터링 엔진을 구동하는 열매체 증기의 응축액이 이동되는 응축액 자켓이 장착되는 스터링 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스터링 엔진은 상기 열매체 증기가 유입되어 응축 작용이 이루어지는 가열기 튜브를 포함하고,

   상기 응축액 자켓은 상기 가열기 튜브와 연통되어 상기 열매체 증기의 응축액이 유입되며 상기 팽창 피스톤의 실린더 외측에 접하도록 장착되는 스터링 엔진.
3. 제2항에 있어서,

   상기 응축액 자켓은,

   상기 가열기 튜브에 연통되며 상기 팽창 피스톤의 실린더의 외측을 환형으로 감싸도록 연장되는 스터링 엔진.
4. 제3항에 있어서,

   상기 응축액 자켓은,

   상기 가열기 튜브와 연결되는 제1 자켓; 및

   상기 제1 자켓과 연결되며 상기 팽창 피스톤의 실린더와 접하는 제2 자켓;을 포함하는 스터링 엔진.
5. 제4항에 있어서,

   상기 응축액 자켓은 상기 열매체 증기의 응축액이 배출되는 드레인부를 포함하는 스터링 엔진.
6. 제5항에 있어서,

   상기 드레인부는 상기 제2 자켓에 연결되는 스터링 엔진.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제2 자켓은,

   상기 열매체 증기의 응축액이 폐열 보일러로 환수되도록 하는 드레인 배관을 포함하는 스터링 엔진.

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