KR101079131B1 - 유체펌프가 연결되는 스터링엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유체펌프가 연결되는 스터링엔진에 관한 것이다.

이는 특히, 유체의 유입과 배출이 가능토록 구분되는 고온유체유입구와 저온유체배출구가 구분설치되면서 일측에 공간구획수단을 갖는 회전체장착공간을 구비하는 고정자;

상기 회전체장착공간의 중심에서 회전될 때 구획수단에 외접토록 설치되면서 회전체장착공간에서 고온고압의 공기에 의해 이동되는 복수의 제1피스톤이 원주방향에 균일간격으로 배치되는 회전자; 및,

상기 회전자의 중심에 연결되는 회전판을 통하여 회전자와 동시에 회전토록 하면서 회전판의 둘레에 구비되는 복수의 제2피스톤이 일측에 열전달챔버를 갖는 실린더 내측에 균일간격으로 배치되는 엔진을 포함하는 구성으로 이루어 진다.

이에 따라서, 원주방향에 복수의 피스톤이 설치되는 구성으로 진동을 최소화 하면서도 균일한 회전수의 전달이 가능한 엔진을 구현할 수 있도록 하는 것이다.

고정자, 회전자, 실린더, 회전판

Description

유체펌프가 연결되는 스터링엔진{A stirling engine with hydrostatics pump}

본 발명은 스터링엔진이 원주상에 배치되는 펌프와 그 일측에 연결되는 엔진의 조합으로 이루어지면서 공급되는 열원을 펌프로서 가압한 후 이에 연결되는 엔진에 회전력을 발생시키도록 하는 구성으로 스터링 엔진을 컴팩트하게 제작할 수 있도록 하면서 진동을 최소화 하는 엔진을 구현하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진에 관한 것이다.

일반적으로 스터링 엔진은, 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.

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.

이와같은 문제점들을 개선하기 위하여 등록특허 제829957호에 로터리 스터링 엔진이 개시되어 있으며 그 구성은 도1에서와 같이, 압축기(1), 재생기(4) 그리고 팽창기(6)를 포함한다.

그리고, 상기 압축기(1), 재생기(4) 및 팽창기(6)는 한 개의 로터 축(3) 상에 축 결합될 때 기 설정된 간격을 두고 순차적으로 배치되며, 상기 로터 축(3)이 회전할 때 작동유체(16)에 대한 등온압축, 등적가열, 등온팽창의 과정이 연속적으로 이루어질 수 있다.

더하여, 상기 로터 축(3)에는 압축기 로터(2), 재생기 로터(5) 및 팽창기 로터(7)가 축 결합되고, 상기 압축기(1) 내부에서 압축기 로터(2)가 압축기(1) 내면과 편심으로 설치되며, 상기 압축기 로터(2)에는 베인 슬롯(8)을 복수 개 가공하여 그 내부에 베인(9)이 삽입된다.

계속하여, 상기 압축기(1)의 일측에는 흡입구(10)가 타측에는 배출구가 결합되어 저온저압의 작동유체(16)가 압축기 로터(2)의 회전 운동에 의하여 압축기(1)의 흡입구(10)에서 흡입되어 압축된 다음 냉각기(11)측으로 유출되어 냉각됨으로써 등온압축이 이루어진다.

그리고, 상기 재생기(4)는 일측에 흡입구와 타측에 배출구를 갖고 압축기(1)와 팽창기(6) 사이에 배치되어 재생기 로터(5)의 회전운동에 의하여 재생기(4)의 배출구에 연결되는 가열기(13) 측으로 압축된 작동유체를 이송한다.

또한, 상기 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 구동되고, 상기 로터 축(3)에는 압축기 로터(2), 재생기 로터(5) 및 팽창기 로터(7)가 설치되어 있어 동일한 방향으로 회전하면서 각각의 기능을 하는 구성으로 이루어 진다.

그러나, 상기와 같은 스터링 엔진은, 압축과 재생 및 팽창의 기능을 수행하는 각각의 로터를 분리설치하는 구성으로 그 부피가 증가함은 물론 무게가 증가하여 엔진의 효율을 저하시키게 되는 문제점이 있는 것이다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 원주방향에 복수의 피스톤이 설치되는 구성으로 진동을 최소화 하면서도 균일한 회전수의 전달이 가능한 엔진을 구현할 수 있도록 하고, 펌프와 엔진을 원주상에 배치하여 스터링 엔진을 컴팩트하게 제작할 수 있도록 하며, 열원을 다시한번 가압하여 공급하는 구성으로 출력을 높일 수 있도록 하고, 압축기등을 연결하여 사용할 수 있도록 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위하여, 유체의 유입과 배출이 가능토록 구분되는 고온유체유입구와 저온유체배출구가 구분설치되면서 그 내측에 공간구획수단을 갖는 회전체장착공간을 구비하는 고정자;

상기 회전체장착공간의 중심에서 회전될 때 구획수단에 외접토록 설치되면서 회전체장착공간에 밀착하면서 이동되는 복수의 제1피스톤이 원주방향에 균일간격으로 배치되는 회전자; 및,

상기 회전자의 중심에 연결되는 회전판을 통하여 회전자와 동시에 회전토록 하면서 회전판의 둘레에 구비되는 복수의 제2피스톤이 일측에 열전달챔버를 갖는 실린더 내측에 균일간격으로 배치되는 엔진을 포함하는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

한편, 본 발명의 회전자는, 방사상으로 제1피스톤이 지지되면서 유체가 유동 되는 유동공이 형성되고, 상기 유동공을 통하여 유동되는 유체의 흐름을 제어토록 회전체장착공간의 중앙부에 유동공과 대응되는 요부를 갖는 회전축이 구비되는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

또한, 본 발명의 실린더는, 고정자의 외경측에 일체로 연결되는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

다른 한편, 본 발명의 실린더는, 고정자와 분리설치되어 회전자와 회전판이 동일축으로 연결되는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

그리고, 본 발명의 제1피스톤은, 회전자의 원주방향에서 이격되어 각각 구분설치되는 구성으로 유입되는 유체의 압력에 의해 슬라이딩되어 회전자와 고정자 사이의 회전체장착공간을 폐쇄토록 설치되는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

더하여, 본 발명의 제1피스톤은, 회전자의 중심에서 대향되는 위치의 원주방향에 한쌍이 연결되어 상호 교차설치되는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

계속하여, 본 발명의 실린더와 고정자는 제1,2배관을 통하여 상호 연결되는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 원주방향에 복수의 피스톤이 설치되는 구성으로 진동을 최소화 하면서도 균일한 회전수의 전달이 가능한 엔진을 구현하고, 펌 프와 엔진을 원주상에 배치하여 스터링 엔진을 컴팩트하게 제작하며, 열원을 다시한번 가압하여 공급하는 구성으로 출력을 높이고, 압축기등을 대체 연결하여 사용하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도2 및 도3은 각각 본 발명에 따른 스터링엔진을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스터링엔진을 도시한 정면도이며, 도5 및 도6은 본 발명의 스터링엔진에 적용되는 펌프를 도시한 결합상태도이다.

본 발명은, 고정자(100)와 회전자(200) 및 엔진(300)이 일체로 연결되는 구성으로 이루어 진다.

상기 고정자(100)는, 유체의 유입과 배출이 가능토록 함몰되는 원형의 회전체장착공간(110)이 구비되면서 그 내측에 구분되어 고온유체유입구(133)와 저온유체배출구(135)가 설치된다.

또한, 상기 고정자(100)는, 그 일측에 회전체장착공간보다 적은원주를 갖으면서 하기의 회전자가 한점에서 외접토록 하는 공간구획수단(150)이 구비된다.

이때, 상기 공간구획수단(150)은, 회전체장착공간과 다른 원주율을 갖도록 하여 회전자에 외접하도록 형성되는 호가 회전체장착공간의 일측과 접하도록 설치된다.

더하여, 상기 회전체장착공간(110)은, 원주방향 둘레의 일측면에 돌출되는 형상으로 하기의 회전자에 형성되는 유동공간을 개폐토록 하는 회전축(173)이 중앙부에 일체로 형성된다.

상기 회전자(200)는, 상기 회전체장착공간(110)의 중심에서 회전될 때 공간 구획수단(150)에 외접하거나 회전자측으로 삽입토록 하는 복수의 제1피스톤(210)이 균일간격으로 이격 설치된다.

이때, 상기 제1피스톤(210)은, 회전자와 회전체장착공간 사이에 밀착하면서 이동토록 설치되는 구성으로 고온유체유입구(133)로서 유입되는 고온고압의 유체에 의해 회전자를 회전시키도록 설치된다.

더하여, 상기 회전자(200)는, 제1피스톤(210)이 각각 지지되면서 유체가 유동되는 유동공(230)이 방사상으로 배치되고, 상기 유동공(230)과 연결되도록 중앙부에 회전축(173)이 삽입되는 고정홈(270)이 형성된다.

또한, 상기 제1피스톤(210)은, 회전자의 둘레에 각각 구분설치되어 유입되는 유체의 압력에 의해 슬라이딩되어 회전자와 고정자 사이의 회전체장착공간을 폐쇄하거나 개방하도록 설치된다.

한편, 상기 제1피스톤은, 회전자의 중심에서 대향되는 위치에 한쌍이 연결되면서 각 쌍이 교차되는 구성으로 이루어 진다.

즉, 대향되는 하나의 제1피스톤이 완전 노출될 때 다른 하나의 제1피스톤은 유동공측으로 삽입토록 설치된다.

상기 엔진(300)은, 상기 회전자(200)의 중심에 연결되는 회전판(310)의 둘레에 복수의 제2피스톤(330)이 동일간격으로 배치된다.

이때, 상기 엔진(300)은, 상기 회전판(310)에 연결되는 제2피스톤(330)이 실린더(350)의 내측에 배치되어 찬 공기를 하기의 열전달챔버(370)측으로 유동시키도록 설치된다.

그리고, 상기 실린더(350)는, 그 일측에 열전달챔버(370)가 구비되어 외측에서 열전달이 이루어지도록 설치된다.

이때, 상기 열전달챔버(370)는, 그 외측에서 화석연료뿐 아니라 천연가스를 비롯하여 목질계 연료, 공장 폐열, 태양열 등 모든 열원을 이용할 수 있다.

또한, 상기 실린더(350)는, 고정자(100)의 외경측에 일체로 연결된다.

다른 한편, 상기 실린더(350)는, 고정자(100)와 분리설치되어 회전자(200)와 회전판(310)이 동일축으로 연결되는 구성으로 이루어 진다.

계속하여, 상기 실린더(350)와 고정자(100)는 제1,2배관(385)(387)을 통하여 상호 연결되는 구성으로 이루어 진다.

상기와 같은 구성으로 이루어 진 본 발명의 동작을 설명한다.

도2 내지 도6에서 도시한 바와같이 본 발명은, 실린더(350)의 내측에 구비되는 열전달챔버(370)에 열원이 공급되면 그 내측의 고온고압의 유체는 고온유체유입구(133)를 통하여 회전체장착공간(110)에 유입된다.

이때, 상기 회전체장착공간(110)에 장착되는 회전자(200)중 회전체장착공간(110)과 회전자 사이를 밀착시키는 하나 이상의 제1피스톤(210) 동작에 의해 회전자를 회전시키게 된다.

그리고, 상기 회전자(200)의 회전시 차가원진 공기는 제1피스톤을 따라 이동하면서 저온유체배출구(135)를 통하여 배출되어 이에 연결되는 엔진(300)의 실린더 내측에 공급되고, 상기 회전자의 회전시 이에 연결되는 제2피스톤의 동작을 통하여 열전달챔버(370)에 공급됨으로써 밀폐계내에서 공기의 유동을 통한 회전자의 회전 이 가능토록 된다.

이때, 상기 회전자(200) 및 엔진(300)의 회전판(310)에 연결되는 축상에는 발전등이 연결될 수 있다.

본 발명의 더욱 구체적으로 살펴보면, 실린더(350)의 열전달챔버(370)가 외부에서 공급되는 열원에 의해 가열되어 고온고압의 상태가 될 때 상기 실린더(350)의 열전달챔버(370) 내측에 구비되는 유체는 제1배관(385)을 통하여 고정자(100)의 고온유체유입구(133)를 통하여 유입된다.

그리고, 상기 고정자(100)에 유입된 고온고압의 유체는 그 일측에 위치결정되어 회전토록 설치되는 회전자(200)에 관통 형성되는 복수의 유동공(230)을 통하여 유입되어 상기 회전자(200)의 둘레에 다수개 설치되는 제1피스톤(210)에 압력이 작용토록 한다.

이때, 상기 고정자(100)에는 회전자(200)와 한 점에서 외접토록 되는 공간구획수단(150)이 구비되어 고온유체유입구(133)를 통하여 공급되는 고온고압의 유체가 일방향으로만 회전토록 된다.

상기와 같은 구성을 통하여 고온고압의 유체가 엔진(300)의 회전판(310)에 연결되는 회전자(200)를 회전시키게 하여 제2피스톤(330)을 회전시킴으로써 차가워진 유체를 상기 열전달챔버(370)측으로 공급하게 된다.

즉, 상기 회전자(200)의 제1피스톤(210)을 회전시키면서 회전체장착공간의 내측에서 냉각되는 유체는 고정자(100)에 구비되는 저온유체배출구(135)를 통하여 배출된 후 이에 연결되는 제2배관(387)을 통하여 실린더(350)의 저온측에 공급토록 되고, 상기 실린더 내의 냉각유체는 제2피스톤(330)을 통하여 열전달챔버(370)측으로 공급된다.

그리고, 상기 고정자(100)에 형성되는 요부(173)는 회전자(200)의 중심에서 위치결정하면서 제1배관(385)을 통하여 공급되는 고온고압의 유체를 상기 회전자(200)에 관통형성되는 유동홀(230)에 공급및 차단토록 함으로써 반복적인 회전동작이 가능토록 된다.

즉, 상기 제1피스톤(210)이 회전자(200)의 일측으로 돌출될 때 고온고압의 유체에 의해 회전자(200)에 회전력을 발생시키도록 하고, 상기와 같이 돌출되는 상태의 제1피스톤(210)에 대향되는 위치의 다른 제1피스톤은 회전자에 삽입되는 형상으로 가압이 방지되어 용이한 회전이 가능토록 되거나 고정자 둘레에서 간섭되는 현상을 방지하게 된다.

이때, 상기 제1피스톤(210)은, 회전자의 둘레에 각각 구분설치되어 유입되는 유체의 압력에 의해 슬라이딩되어 회전자와 고정자 사이의 회전체장착공간을 폐쇄토록 설치되거나 회전자의 중심에서 대향되는 위치에 한쌍이 연결되면서 각 쌍이 교차되는 구성으로 이루어져 고온고압의 유체가 공급될 때 회전자와 회전체장착공간 사이에서 밀착되어 압력이 작용되는 공간을 형성하게 된다.

이때, 상기 공간구획수단(150)은, 회전체장착공간과 다른 원주율을 갖도록 하여 회전자에 외접하는 호가 회전체장착공간의 일측에 접하도록 설치되어 고온고압의 유체가 반대방향으로 흐르게 되는 현상을 방지하게 된다.

또한, 상기 실린더(350)는, 고정자(100)의 외경측에 일체로 연결되는 구성으 로 두께방향의 크기가 최소화 되어 컴팩트한 엔진의 구성이 가능하여 설치면적을 최소화 할 수 있게 된다.

그리고, 상기 실린더(350)를 고정자(100)와 분리설치할 경우 회전자(200)와 회전판(310)이 동일축으로 연결되는 구성으로 이 역시 최소의 원주에서 설치가 가능하여 설치면적을 최소화 할 수 있게 되는 것이다.

도1은 종래의 스터링엔진을 도시한 사시도이다.

도2 및 도3은 각각 본 발명에 따른 스터링엔진을 도시한 정면도 및 측면도이다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스터링엔진을 도시한 정면도이다.

도5 및 도6은 본 발명의 스터링엔진에 적용되는 펌프를 도시한 결합상태도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100...고정자 110...회전체장착공간

133...고온유체유입구 170...회전축

200...회전자 270...고정홈

300...엔진 310...회전판

350...실린더

Claims (7)

1. 유체의 유입과 배출이 가능토록 고온유체유입구와 저온유체배출구가 구분설치되면서 공간구획수단을 갖는 회전체장착공간이 구비되는 고정자;

   상기 회전체장착공간의 중심에서 회전될 때 공간구획수단에 외접토록 설치되면서 회전체장착공간에 밀착 또는 분리되어 이동되는 복수의 제1피스톤이 원주방향에 균일간격으로 배치되는 회전자; 및,

   상기 회전자의 연결되는 회전판의 둘레에 복수의 제2피스톤이 구비되어 일측에 열전달챔버를 갖는 실린더 내측에 균일간격으로 배치되고, 고온유체유입구와 저온유체배출구에 제1,2배관으로서 연결되는 엔진을 포함하는 구성으로 이루어 진 유체펌프가 연결되는 스터링엔진
2. 제1항에 있어서, 상기 회전자에는 중앙부에 고정홈이 형성되면서 이에 연결되어 제1피스톤이 지지되면서 유체가 유동되는 복수의 유동홀이 형성되고, 이에 대응되는 고정자에는 유동홀에 선택적으로 유체를 공급토록 회전축이 구비되는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진
3. 제1항에 있어서, 상기 실린더는 고정자의 외경측에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진
4. 제1항에 있어서, 상기 실린더는 고정자와 분리설치되어 회전자와 회전판이 동일축으로 연결되는 구성으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진
5. 제1항에 있어서, 상기 제1피스톤은, 회전자에서 구분설치되어 유입되는 유체의 압력에 의해 슬라이딩되어 회전자와 고정자 사이의 회전체장착공간을 폐쇄토록 설치되는 것을 특징으로 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진
6. 제1항에 있어서, 상기 제1피스톤은, 회전자의 중심에서 대향되는 위치에 한쌍이 연결되는 구성으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진
7. 제1항에 있어서, 상기 공간구획수단은, 회전체장착공간과 다른 원주율을 갖도록 하여 회전자에 외접하는 호가 회전체장착공간의 일측에 접하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 유체펌프가 연결되는 스터링엔진

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