KR101098470B1

KR101098470B1 - 선형 열기관 발전장치

Info

Publication number: KR101098470B1
Application number: KR1020090027279A
Authority: KR
Inventors: 채수조
Original assignee: 채수조
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2011-12-26
Also published as: KR20100108942A

Abstract

이상적인 열기관 사이클인 카르노 엔진(Carnot engine)과 외연 기관으로 작동하는 스터링 엔진(Stirling engine)의 중간 형태의 열사이클을 따르면서 높은 효율을 갖는 선형 열기관 발전장치가 개시된다. 선형 열기관 발전장치는, 대칭 구조를 통해 실린더 내에서 피스톤의 지속적인 왕복 진동이 가능하고, 외부의 고온 가열부 및 저온 냉각부와 직접적인 접촉에 따른 가열 및 냉각에 의해 형성되는 열적 사이클, 보다 상세하게는 카르노 엔진과 스터링 엔진의 중간 형태의 열사이클을 따름으로써, 외연 엔진 고유의 높은 효율을 기대할 수 있다. 또한, 종래의 복잡한 스터링 엔진과 달리 구조가 간단하여 제작비용이 적게 들고 유지보수가 쉽다.

선형 열기관, 열엔진, 실린더, 피스톤, 카르노(Carnot), 스터링(Stirling), 선형 발전기

Description

선형 열기관 발전장치{LINEAR HEAT ENGINE POWER-GENERATING APPARATUS}

본 발명은 선형 열기관을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이상적인 열기관 사이클인 카르노 엔진(Carnot engine)과 외연 기관으로 작동하는 스터링 엔진(Stirling engine)의 중간 형태의 열사이클을 따르면서 높은 효율을 갖는 선형 열기관 발전장치에 관한 것이다.

외연기관의 일종인 카르노 엔진(Carnot engine)은 이상 엔진(ideal engine)으로서, 실제적인 모든 엔진은 카르노 엔진의 열효율을 넘을 수 없다. 일반적인 내연기관과 비교해 볼 때 외연기관은 열효율이 높고, 진동 및 소음이 적으며, 연료의 연소과정에서도 공해 물질의 배출이 적은 친환경 엔진이다. 또한, 외부 열원(heat source)과 냉각에 의한 필요한 찬 매질(heat sink)만 있으면, 즉 온도차가 있는 매질만으로 작동이 가능하여 태양열 등의 모든 열에너지원에 의해 작동이 가능하다.

이러한 외연기관 중에서 상용화된 엔진은 스터링 엔진(Stirling engine)과 베이톤 사이클(Bayton cycle)을 따르는 터빈 엔진이 있다. 그 중에서도 스터링 엔진은 실린더와 피스톤으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등 작동기체를 밀봉하고, 작동기체를 열교환을 통해 외부에서 가열 및 냉각시킴으로써 피스톤을 상하로 움직여 기계에너지를 얻는 외연기관의 일종으로, 상기 카르노 사이클과 유사한 높은 열효율을 가진다.

그러나, 상기와 같은 스터링 엔진은 전체적인 장치가 크고 구조가 복잡하여 제작비용이 많이 들고 높은 기술 수준이 요구되며, 유지보수의 어려움으로 인해 극히 제한된 분야에서만 사용되는 문제가 있다.

또한, 대부분의 엔진은 실린더 내부의 기체의 열팽창에 따른 직선 운동을 크랭크를 이용한 회전운동으로 변환하는데 이 과정에서 마찰에 의한 많은 동력 손실이 발생하여 자유 피스톤으로 구성된 선형 발전기를 구동하는 선형 열엔진을 개발 중이지만 효율이 낮고 소음 및 진동 제어에 문제가 많아 아직 개발 단계에 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이상적인 열기관 사이클인 카르노 엔진과 외연 기관으로 작동하는 스터링 엔진의 중간 형태의 열사이클을 따르면서 높은 효율을 갖는 선형 열기관 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 복잡한 스터링 엔진과 달리 구조가 간단하여 제작비용이 적게 들고 유지보수가 쉬운 선형 열기관 발전장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치는, 양단의 내부에 각각 작동기체를 수용하는 실린더, 상기 실린더의 양쪽 전단부를 가열하여 상기 각 작동기체를 열팽창시키는 한 쌍의 고온 가열부, 상기 실린더의 양쪽 중앙 후단부를 냉각시켜 상기 각 작동기체를 수축시키는 한 쌍의 저온 냉각부, 양단이 상기 각 작동기체와 접하여 상기 각 작동기체의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 상기 실린더의 내부에 수납되고, 양쪽 전단부에 각각 상기 실린더의 양단을 향해 개방된 중공부가 형성되며, 양쪽 전단부의 외주면에 각각 상기 각 작동기체가 상기 각 고온 가열부 또는 상기 각 저온 냉각부에 직접 접하도록 열개구부가 형성된 피스톤, 및 상기 피스톤의 직선 왕복 운동에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 선형 발전부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 실린더는 상기 고온 가열부와 상기 저온 냉각부의 사이에 열을 차폐하기 위한 한 쌍의 실린더 단열부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 실린더 단열부는 상기 열개구부와 동일한 길이로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 고온 가열부, 상기 저온 냉각부, 상기 실린더 단열부 및 상기 열개구부가 동일한 길이로 형성될 수 있다.

또한, 상기 실린더는 상기 실린더의 양단 개방면을 각각 밀폐하도록 결합되는 한 쌍의 실린더 헤드부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 실린더 헤드부는 상기 실린더의 내경과 이격된 공간을 제공하여 상기 피스톤의 전단부가 삽입되는 가이드홈을 형성하도록 상기 피스톤과 대향되는 일면에 헤드돌출부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 고온 가열부는 연소, 용융염 축열재 또는 태양광을 열원으로 제공하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고온 가열부는, 상기 실린더의 일단으로부터 중앙방향으로 이격되게 위치하며 상기 실린더 일단의 내부에 수용되는 제 1 작동기체를 가열하여 열팽창시키는 제 1 고온 가열부, 및 상기 실린더의 타단으로부터 중앙방향으로 이격되어 상기 제 1 고온 가열부와 대칭되게 위치하며 상기 실린더의 타단의 내부에 수용되는 제 2 작동기체를 가열하여 열팽창시키는 제 2 고온 가열부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 저온 냉각부는, 상기 제 1 고온 가열부로부터 중앙방향으로 이격 되게 위치하며 상기 제 1 고온 가열부에 의해 열팽창된 상기 제 1 작동기체를 냉각시켜 수축시키는 제 1 저온 냉각부, 및 상기 제 2 고온 가열부로부터 중앙방향으로 이격되어 상기 제 1 저온 냉각부와 대칭되게 위치하며 상기 제 2 고온 가열부에 의해 열팽창된 상기 제 2 작동기체를 냉각시켜 수축시키는 제 2 저온 냉각부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 고온 가열부 및 상기 저온 냉각부는 상기 실린더의 외주연에 링형태로 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피스톤은, 상기 제 1 작동기체와 접하여 상기 제 1 작동기체의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 상기 실린더의 일측 내부에 수납되는 제 1 피스톤, 및 상기 제 1 피스톤과 결합되며 상기 제 2 작동기체와 접하여 상기 제 2 작동기체의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 상기 실린더의 타측 내부에 수납되는 제 2 피스톤을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1 피스톤은 상기 제 1 작동기체가 상기 제 1 고온 가열부 또는 상기 제 1 저온 냉각부에 열사이클에 따라 직접 접하도록 제 1 열개구부를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 열개구부는 상기 제 1 피스톤의 후단부 전방에 외경을 따라 다수 개 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1 피스톤은 상기 제 1 열개구부의 후방부위에 단열부재로 구성되는 제 1 피스톤 단열부를 구비할 수 있다.

또한, 상기 제 2 피스톤은 상기 제 2 작동기체가 상기 제 2 고온 가열부 또는 상기 제 2 저온 냉각부에 열사이클에 따라 직접 접하도록 제 2 열개구부를 구비 할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 열개구부는 상기 제 2 피스톤의 후단부 전방에 외경을 따라 다수 개 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 2 피스톤은 상기 제 2 열개구부의 후방부위에 단열부재로 구성되는 제 2 피스톤 단열부를 구비할 수 있다.

또한, 상기 실린더와 상기 피스톤 사이가 밀봉되도록 상기 피스톤의 외경에 피스톤링이 적어도 하나 구비될 수 있다.

또한, 상기 선형 발전부는, 상기 피스톤의 외경에 길이방향을 따라 구비되는 마그넷을 포함하는 진동자, 및 상기 실린더의 외경에 길이방향을 따라 권선되며 상기 피스톤의 직선 왕복 운동에 따라 상기 마그넷과의 작용으로 유도기전력을 발생시키는 코일을 포함하는 고정자(stator)로 구성될 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 선형 열기관 발전장치에 따르면, 외부의 고온 가열부 및 저온 냉각부와 직접적인 접촉에 따른 가열 및 냉각에 의해 형성되는 새로운 열적 사이클, 보다 상세하게는 카르노 엔진과 스터링 엔진의 중간 형태의 열사이클을 따름으로써, 외연 엔진 고유의 높은 효율을 기대할 수 있는 효과가 있다.

또한, 복잡한 밸브가 필요없이 외부의 열원을 공급하는 고온 가열부와 이를 냉각시킬 수 있는 저온 냉각부만 있으면 필요한 동력을 얻을 수 있다. 즉, 피스톤의 왕복 운동에 의해 작동기체가 피스톤의 열개구부에서 고온과 저온이 교대로 접 해 열사이클이 완성되므로, 작동기체가 고온부와 저온부로 이동해야 하는 종래의 스터링 엔진과는 달리 훨씬 간단한 구조로 제작이 용이하다.

또한, 자유 피스톤에 의한 선형 발전기로서 회전형 발전기에 비해 마찰에 의한 동력손실을 최소화할 수 있다.

또한, 밀폐된 실린더 내에서 자유 피스톤이 진동하는 에어 타이트한 구조로 고압의 기체로 가동하는 것이 용이하여 체적당 높은 출력 밀도를 얻을 수 있다.

또한, 외부의 열원을 이용하는 외연기관이므로 실린더 내의 윤활유가 변질되는 내연기관과 달리 윤활유는 거의 영구적이다. 게다가 윤활 영역은 저온부 안쪽이므로 다양한 윤활유가 사용될 수 있다.

또한, 기체의 열팽창과 수축에 따른 직선 운동만 하므로 회전형 열기관에 비해 실린더와 피스톤 사이에 마찰을 크게 줄일 수 있다.

또한, 자유 피스톤의 무게, 작동기체의 압력, 고온/저온부의 온도 등의 조절로 진동폭과 주기를 조절할 수 있다.

또한, 자유 피스톤 중앙부에 즉, 저온 영역에 선형 발전부가 위치하므로 피스톤에 구비되는 마그넷(영구 자석)이 열적으로 변형되는 위험성이 없다.

또한, 상대적인 저온 열원에 대해서도 온도차에 의한 발전이 가능하므로 다양한 열원에 의한 발전이 가능하다.

또한, 전술한 내용과 같이 내연기관에 비해 효율이 높고 진동 및 소음이 적으면서 배기가스의 공해물질의 발생량도 줄일 수 있어 전기 자동차의 축전지의 충전용으로 가장 이상적인 발전기에 적용할 수 있다.

또한, 대칭 구조를 통해 실린더 내에서 피스톤의 지속적인 왕복 진동이 가능하다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면도이고, 도 3은 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 실린더의 분해 사시도이고, 도 4는 실린더의 구성을 도시한 단 면도이고, 도 5는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 피스톤의 분해 사시도이며, 도 6은 피스톤의 구성을 도시한 단면도이다.

도 1 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치(10)는 실린더(100), 피스톤(200), 고온 가열부(300), 저온 냉각부(400) 및 선형 발전부(500) 등을 포함할 수 있다.

실린더(100)는 원통형으로 형성되며, 양단의 내부에 소정의 작동기체를 수용한다. 예를 들어, 작동기체는 실린더(100)의 일단과 후술할 제 1 피스톤(210) 사이의 공간에 밀봉되는 제 1 작동기체(g1)와, 실린더(100)의 타단과 후술할 제 2 피스톤(220) 사이의 공간에 밀봉되는 제 2 작동기체(g2)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 작동기체(g1, g2)는 수소나 헬륨 등을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 작동기체(g1, g2)에는 미립자 형태의 흑체 분말, 예컨대 카본 블록이 혼합되어 후술할 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)로부터 전달되는 열에너지의 흡수력을 높여 제 1 및 제 2 작동기체(g1, g2)에 대한 열전달 효과를 상승시킬 수 있다.

실린더(100)는 피스톤(200)이 내부로 삽입될 수 있도록 실린더 몸체(110)의 양쪽 전단부(111, 112)에 개방면(111a, 112a)이 형성되고, 실린더 몸체(110)의 양쪽 개방면(111a, 112a)을 밀폐하도록 체결수단, 예컨대 볼트(1), 리벳, 용접 등에 의해 결합되는 한 쌍의 실린더 헤드부(120, 130)를 구비한다. 여기서, 실린더 몸체(110)의 양쪽 전단부(111, 112)에는 볼트(1)를 체결 고정하기 위한 볼트구멍(3)이 다수 개 형성된다. 또한, 실린더 몸체(110)의 양쪽 전단부(111, 112)에는 후술할 씰링부재(125, 135)가 삽입되어 안착되도록 원형의 씰링홈(5)이 형성될 수 있 다.

실린더 헤드부(120, 130)는 헤드커버(121, 131) 및 헤드돌출부(123, 133)를 포함할 수 있다.

헤드커버(121, 131)는 소정 두께를 갖는 원판으로 형성되어 실린더 몸체(110)의 전단부(111, 112)의 직경과 동일하거나 큰 직경을 가지며 실린더 몸체(110)의 전단부(111, 112)의 볼트구멍(3)과 대응되게 가장자리를 따라 볼트구멍(2)이 다수 개 형성되어 볼트(1) 등으로 실린더 몸체(110)의 전단부(111, 112)에 결합된다. 이때, 헤드커버(121, 131)와 실린더 몸체(110)의 전단부(111, 112) 사이에는 원형의 씰링부재(125, 135), 예컨대 O-Ring 형태의 실리콘패킹이 구비되어 실린더(100) 내부의 작동기체(g1, g2)가 외부로 누출되지 않도록 밀폐성을 향상시킬 수 있다. 씰링부재(125, 135)는 중앙에 실린더 헤드부(120, 130)의 헤드돌출부(123, 133)가 삽입될 수 있도록 원형의 중공부(125a, 135a)가 형성될 수 있다.

헤드돌출부(123, 133)는 헤드커버(121, 131)의 일면에 피스톤(200)과 대향되게 원기둥 형상으로 돌출되어 실린더 몸체(110)의 전단부(111, 112)의 개방면(111a, 112a)에 삽입된다. 헤드돌출부(123, 133)는 실린더 몸체(110)의 전단부(111, 112)의 내경과 이격된 공간, 바람직하게는 피스톤(200)의 전단부(211, 221) 벽 두께에 대응하는 이격 공간(G)을 제공하여 피스톤(200)의 전단부(211, 221)가 삽입되는 가이드홈(123a, 133a)을 형성한다. 이때, 헤드돌출부(123, 133)의 길이, 즉 가이드홈(123a, 133a)의 길이는 작동기체(g1, g2)의 최소 체적 시, 즉 최대 진동에 의한 압축 시 피스톤(200)의 열개구부(212, 222)가 고온 가열부(310, 320)에 위치하도록 피스톤(200)의 선단부위에서 열개구부(212, 222)의 선단부위까지의 길이와 거의 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.

실린더(100)는 후술할 제 1 고온 가열부(310)와 제 1 저온 냉각부(410)의 사이, 그리고 제 2 고온 가열부(320)와 제 2 저온 냉각부(420)의 사이에 열을 차폐하기 위해 한 쌍의 실린더 단열부(141, 142)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 실린더 몸체(110)는 전체적으로 스테인레스 스틸(stainless steel) 재질로 이루어지고, 고온 가열부(300)와 저온 냉각부(400) 사이의 실린더 단열부(141, 142)는 세라믹(ceramic), 실리카(silica) 등의 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 실린더 단열부(141, 142)는 후술할 피스톤(200)의 열개구부(212, 222)와 동일한 길이로 형성되는 것이 바람직하다.

피스톤(200)은 양단이 실린더(100)와 피스톤(200) 사이에 밀봉되는 작동기체(g1, g2)의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 실린더 몸체(110)의 내부에 수납된다. 본 실시예에서는 자유 피스톤(200)을 적용하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 피스톤을 포함할 수 있다.

피스톤(200)은 실린더(100)의 일단 내부에 수용되는 제 1 작동기체(g1)와 접하여 제 1 작동기체(g1)의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 실린더(100)의 일측 내부에 수납되는 제 1 피스톤(210)과, 제 1 피스톤(210)과 결합되며 실린더(100)의 타단 내부에 수용되는 제 2 작동기체(g2)와 접하여 제 2 작동기체(g2)의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 실린더(100)의 타측 내부에 수납되는 제 2 피스톤(220)을 포함할 수 있다.

피스톤(200)은 제 1 피스톤(210)과 제 2 피스톤(220) 사이에 후술할 피스톤링(219, 229) 및 마그넷(510)을 설치하기 위하여 제 1 피스톤(210)의 후단부(213)에 돌출 형성되는 제 1 피스톤 로드(215)과 제 2 피스톤(220)의 후단부(223)에 돌출 형성되는 제 2 피스톤 로드(225)를 나사 결합하여 일체형으로 조립하는 것이 바람직하다.

제 1 및 제 2 피스톤(210, 220)은 실린더 몸체(110)의 내경에 대응하는 직경을 갖는 원통형으로 형성되며, 제 1 및 제 2 피스톤(210, 220)의 전단부(211, 221)는 열전도율이 낮은 금속 또는 세라믹 등과 같은 단열재질로 형성되는 것이 바람직하다.

제 1 및 제 2 피스톤(210, 220)의 전단부(211, 221)에는 실린더 헤드부(120, 130)의 헤드돌출부(123, 133)가 삽입되도록 개방면(211a, 221a)이 형성되고, 후술할 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)의 후방부위부터 내부가 밀폐되는 형상을 갖는다. 또한, 제 1 및 제 2 피스톤(210, 220)은 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)의 후방부위에 단열부재로 구성되는 제 1 및 제 2 피스톤 단열부(217, 227)를 구비하는 것이 바람직하다.

피스톤(200)은 작동기체(g1, g2)가 고온 가열부(300) 또는 저온 냉각부(400)에 직접 접하도록 양단에 열개구부(212, 222)가 형성된다. 보다 상세하게는, 제 1 피스톤(210)은 제 1 작동기체(g1)가 제 1 고온 가열부(310) 또는 제 1 저온 냉각부(410)에 열사이클에 따라 직접 접하도록 제 1 열개구부(212)를 구비할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 열개구부(212)는 제 1 피스톤(210)의 후단부(213) 전방에 외경 을 따라 다수 개 형성될 수 있고, 원형, 사각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 피스톤(220)은 제 2 작동기체(g2)가 제 2 고온 가열부(320) 또는 제 2 저온 냉각부(420)에 열사이클에 따라 직접 접하도록 제 2 열개구부(222)를 구비할 수 있다. 바람직하게는, 제 2 열개구부(222)는 제 2 피스톤(220)의 후단부(223) 전방에 외경을 따라 다수 개 형성될 수 있고, 원형, 사각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

피스톤(200)의 양쪽 전단부(211, 221)는 실린더(100)의 내벽과 실린더 헤드부(120, 130)의 헤드돌출부(123, 133) 사이에 형성되는 가이드 홈(123a, 133a)의 간격(G)에 대응되는 두께(t)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 피스톤(200)의 전단부(211, 221)는 작동기체(g1, g2)의 최대 팽창 시, 즉 피스톤(200)의 진동 폭이 최대가 될 때 고온 가열부(300)에 작동기체(g1, g2)가 접하는 것을 차단하는 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에서는 고온 가열부(310, 320), 실린더 단열부(141, 142), 저온 냉각부(410, 420) 세 영역의 길이가 동일하다고 할 때 이를 충분히 커버할 수 있는 길이로서 피스톤(200)의 전단부(111, 112)의 길이는 실린더 헤드부(120, 130)의 헤드돌출부(123, 133) 길이, 즉 가이드 홈(123a, 133a)의 길이와 거의 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.

피스톤(200)은 실린더(100)의 내벽과 접하는 부위가 밀봉되도록 피스톤(200)의 외경에 피스톤링이 적어도 하나 구비될 수 있다. 예를 들어, 제 1 피스톤(210)의 후단부(213)의 외벽에 제 1 피스톤링(219)을 안착하여 고정할 수 있도록 제 1 피스톤링 안착홈(219a)을 형성하고, 제 2 피스톤(220)의 후단부(223)의 외벽에 제 2 피스톤링(229)을 안착하여 고정할 수 있도록 제 2 피스톤링 안착홈(229a)을 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 피스톤링(219, 229)은 제 1 및 제 2 피스톤(210, 220)의 직선 왕복 운동 시 실린더(100)의 제 1 저온 냉각부(410)와 제 2 저온 냉각부(420)의 안쪽에 위치하므로 O-Ring형태의 테프론링과 같은 저온 영역에서 작동되는 재질도 사용 가능하다. 본 실시예에서는 피스톤링(219, 229)을 적용하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 피스톤링(219, 229) 대신에 실린더 몸체(110)의 내벽에 고정링을 수직 베어링 형태로 배치할 수도 있다.

고온 가열부(300)는 실린더(100)의 양쪽 전단부(111, 112)를 가열하여 실린더(100)의 양단의 내부에 수용되는 작동기체(g1, g2)를 열팽창시키기 위해 한 쌍으로 구성된다. 보다 상세하게는, 고온 가열부(300)는 실린더(100)의 일단으로부터 중앙방향으로 일정길이, 예컨대 실린더 헤드부(120)의 헤드돌출부(123) 길이만큼 이격되게 위치하며 실린더(100)의 일단의 내부에 수용되는 제 1 작동기체(g1)를 가열하여 열팽창시키는 제 1 고온 가열부(310)와, 실린더(100)의 타단으로부터 중앙방향으로 일정길이, 예컨대 실린더 헤드부(130)의 헤드돌출부(133) 길이만큼 이격되어 제 1 고온 가열부(310)와 대칭되게 위치하며 실린더(100)의 타단의 내부에 수용되는 제 2 작동기체(g2)를 가열하여 열팽창시키는 제 2 고온 가열부(320)를 포함할 수 있다.

이러한 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)는 열전달이 잘되는 금속재질로 이루어지고, 실린더(100)의 외주면에 링형태로 구비될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다양한 실시형태로 선택 가능하다.

제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)의 길이는 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)의 길이와 동일하거나 약간 길게 형성할 수 있다. 바람직하게는 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)의 길이를 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222), 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420) 및 실린더 단열부(141, 142)의 길이와 동일하게 형성한다.

도 7a 내지 7c를 참조하여 본 발명의 선형 열기관 발전장치(10) 중 고온 가열부(300)의 다양한 실시예들을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7a 내지 7c는 실린더(100) 일측의 제 1 고온 가열부(310)를 예시한 사시도로 타측의 제 2 고온 가열부(320)도 동일하게 구성될 수 있다.

제 1 고온 가열부(310)는 연소, 용융염 또는 태양광에 의한 열에너지를 이용하여 실린더(100)의 일단 내부의 제 1 작동기체(g1)를 가열할 수 있다.

예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 제 1 고온 가열부(310)는 연소에 의한 열에너지를 이용하여 실린더(100)의 전단부(111)를 가열할 수 있다. 이를 위해, 제 1 고온 가열부(310)는 실린더(100)의 전단부(111) 외경에 링형태로 배치되는 연소실(311)과, 연소실(311)에 연료배관(313)을 통해 연료를 공급하는 연료공급부(312) 등을 구비할 수 있다. 또한, 연소실(311)의 내부에는 버너(311a)가 다수 개 배치되며, 연소실(311)에 공기를 주입하기 위한 공기배관(315)과, 연소 가스를 배출하기 위한 배기관(317)이 구비될 수 있다.

또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 제 1 고온 가열부(310)는 용융염(molten salt)을 축열재로 이용하여 실린더(100)의 전단부(111)를 가열할 수 있다. 이를 위해 제 1 고온 가열부(310)는 실린더(100)의 전단부(111) 외경에 링형태로 형성되고 내부에 축열재로 사용되는 융융염(321a)을 수용하는 축열실(321)을 구비할 수 있다. 여기서, 용융염(321a), 예컨대 NaAlCl₄는 고체 상태에서 융해하여 액체 상태가 되면서 발열하는 염류로서, 그 사용 분야가 다양하다. 예를 들면, 용융염(321a)은 열저장소(축열실)에서 열에너지 저장 매질로서 사용되거나, 가열욕에서 열전단재로서 사용되거나, 용융 금속을 블랭켓팅(blanketing)하고 정제하기 위해 사용되거나, 고온 용융 물질의 전기코팅에 사용되거나, 1차 배터리에서 용융 전해질로서 사용되거나, 재충전 가능한 나트륨 배터리 등으로 사용될 수 있다. 축열실(321a)은 태양광 집광모듈(331)로부터 전달되는 열에너지의 흡수력을 높일 수 있도록 흑체(black body)로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 도 7c에 도시된 바와 같이, 제 1 고온 가열부(310)는 고밀도로 집광된 태양광에 의한 열에너지를 이용하여 실린더(100)의 전단부(111)를 가열할 수 있다. 이를 위해, 제 1 고온 가열부(310)는 태양광을 집광하는 태양광 집광모듈(331)과, 태양광 집광모듈(331)에서 집광된 태양광이 작동기체를 향해 직접 조사되도록 실린더(100)의 전단부(111)에 형성되는 광투과창(332)을 구비할 수 있다. 태양광 집광모듈(331)은 돋보기와 같은 렌즈를 이용해 태양광을 굴절시켜 일점으로 집광하는 굴절형 집광과, 곡면의 거울을 이용해 반사시켜 태양광을 일점으로 집광하는 반사형 집광이 있으며, 굴절형 집광방법에 비하여 도 7c에 도시된 바와 같은 반사형 집광방법이 보다 고밀도의 태양광을 집광할 수 있다. 여기서 반사형 집광방법은 반사의 횟수나 형태에 따라 다양하게 구성할 수 있다.

본 실시예에서는 연소, 용융염 축열재 또는 태양광을 열원으로 제공하는 형태의 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)를 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 실시예의 선택이 가능하다. 즉, 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)는 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420)를 포함하여 주변 보다 높은 온도를 유지할 수 있는 모든 종류의 열원을 포함할 수 있다.

저온 냉각부(400)는 실린더(100)의 양쪽 중앙 후단부(113, 114)를 냉각시켜 고온 가열부(300)에 의해 열팽창된 작동기체(g1, g2)를 수축시키기 위해 한 쌍으로 구성된다. 보다 상세하게는, 저온 냉각부(400)는 제 1 고온 가열부(310)로부터 중앙방향으로 일정거리, 예컨대 실린더 단열부(141)의 길이만큼 이격되게 위치하며 제 1 고온 가열부(310)에 의해 열팽창된 제 1 작동기체(g1)를 냉각시키는 제 1 저온 냉각부(410)와, 제 2 고온 가열부(320)로부터 중앙방향으로 일정거리, 예컨대 실린더 단열부(142)의 길이만큼 이격되게 위치하며 제 2 고온 가열부(320)에 의해 열팽창된 제 2 작동기체(g2)를 냉각시키는 제 2 저온 냉각부(420)를 포함할 수 있다.

이러한 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420)는 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)의 사이에 실린더(100)의 외주면에 링형태로 구비될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다양한 실시형태로 선택 가능하다.

제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420)의 길이는 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)의 길이와 동일하거나 약간 길게 형성할 수 있다. 바람직하게는 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420)의 길이를 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222), 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320) 및 실린더 단열부(141, 142)의 길이와 동일하게 형성한다.

도 8a 및 8b를 참조하여 본 발명의 선형 열기관 발전장치(10) 중 저온 냉각부(400)의 다양한 실시예들을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 8a 및 8b는 실린더(100) 일측의 제 1 저온 냉각부(410)를 예시한 사시도로 타측의 제 2 저온 냉각부(420)도 동일하게 구성될 수 있다.

예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, 제 1 저온 냉각부(410)는 실린더(100)의 중앙 후단부(113) 외경에 형성되는 냉각핀(411)과, 냉각핀(411)에 공기를 공급하여 냉각시키는 냉각팬(412) 등을 포함하여 공랭식 냉각 형태로 구성할 수 있다. 여기서, 냉각핀(411)은 대기하에서 보다 냉각이 신속히 이루어질 수 있도록 대기와 접촉하는 면적을 증가시키기 위해 요철형태로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제 1 저온 냉각부(410)는 실린더(100)의 중앙 후단부(113) 외경에 링형태로 배치되고 내부에 냉각튜브(421a)가 다수 권선되는 냉각실(421)과, 냉각튜브(421a)에 냉각수를 공급하는 냉각펌프(422) 등을 포함하여 수냉식 냉각 형태로 구성할 수 있다.

선형 발전부(500)는 피스톤(200)의 직선 왕복 운동에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 역할을 하는 구성요소로서, 마그넷(510) 및 코일(520) 등을 구비할 수 있다.

마그넷(510)은 피스톤(200)에 구비되는 영구 자석 형태의 진동자로서, 바람직하게는 제 1 피스톤(210)과 제 2 피스톤(220) 사이의 피스톤 로드(215, 225)의 외경에 길이방향을 따라 원통형상으로 다수 개 구비될 수 있다.

코일(520)은 피스톤(200)의 마그넷(510)과 대응되게 실린더(100)에 구비되는 고정자로서, 바람직하게는 제 1 저온 냉각부(410)와 제 2 저온 냉각부(420) 사이의 실린더(100)의 외경에 길이방향을 따라 권선되며, 피스톤(200)의 직선 왕복 운동에 따라 마그넷(510)과의 작용으로 유도기전력을 발생시킨다.

선형 발전부(500)는 피스톤(200)의 직선 왕복 운동에 따라 마그넷(510)이 진동하여 코일(520)로부터 전기를 발생시킨다. 즉, 선형 발전부(500)는 선형 열기관의 실린더(100) 및 피스톤(200)에 일체화시켜 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환한다. 마그넷(510)의 진동에 의해 코일(520)로부터 발생되는 전기는 유도기전력으로서, 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생기는 것처럼 코일(520) 주위에 마그넷(510)에 의한 자기장이 발생되면 전자의 움직임이 발생하게 되는 전자유도현상이 일어나게 된다. 코일(520)로부터 발생되는 유도기전력을 LC공진회로로 구성된 트랜스포머(미도시)의 1차측에 연결하고, 트랜스포머의 2차측으로부터 AC전기를 발생시킬 수 있다.

본 실시예에서는 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320), 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420), 실린더 단열부(141, 142) 및 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)의 길이를 모두 동일하게 형성함으로써, 도 10b와 같은 열사이클을 따르면서 외부에서 직접 가열 및 냉각 시 작동기체(g1, g2)가 효율적으로 열팽창 또는 수축되어 피스톤(200)을 직선 왕복 운동시킨다. 여기서, 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320) 및 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420)의 길이는 실린더 단열부(141, 142) 및 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)의 길이와 동일하거나 약간 크게 형성할 수도 있다.

또한, 고온 가열부(300) 및 저온 냉각부(400)를 제외한 실린더(100)와 피스톤(200)의 내부를 세라믹 코팅(ceramic coating)함으로써, 단열 효과를 더욱 높을 수 있다.

도면에는 도시된 바 없지만, 본 발명의 선형 열기관 발전장치(10)는 선형 열기관을 한 쌍으로 대칭되게 배치하고 한 쌍의 선형 열기관 내의 자유 피스톤을 랙과 피니언으로 체결하는 형태로 구성함으로써, 자유 피스톤의 직선 왕복 운동에 따른 기계적 진동 및 토크가 발전장치에 미치는 악영향을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 피니언과 연결된 기동 장치로 선형 열기관의 사이클을 기동할 수 있다.

이하, 도 9 및 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치의 작동을 구체적으로 설명한다.

도 9a 내지 9d는 본 발명에 따른 선형 열기관 발전장치의 동작을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이며, 도 10a 및 10b는 본 발명에 따른 선형 열기관 발전장치의 열역학적 사이클을 보여주는 그래프이다.

먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 초기 상태에서 선형 발전부(500)의 코일(520)에 전류를 인가하면 마그넷(510)의 자력선 변화에 따라 플래밍 왼손법칙에 의해 피스톤은 기동하기 시작한다. 피스톤(200)이 좌측방향으로 이동하여 제 1 피스톤(210)의 전단부(211)가 실린더(100)의 일단의 내벽과 실린더 헤드부(120) 사이에 형성된 가이드홈(123a)에 삽입될 때, 즉 실린더(100)와 제 1 피스톤(210) 사이의 공간에 밀봉되는 제 1 작동기체(g1)가 최소 체적 상태가 될 때까지 피스톤(200) 이 이동하면 제 1 피스톤(210)의 제 1 열개구부(212)가 실린더(100)의 제 1 고온 가열부(310)에 위치하게 된다. 이때, 제 1 작동기체(g1)는 제 1 열개구부(212)를 통해 제 1 고온 가열부(310)와 직접 접촉하면서 제 1 고온 가열부(310)로부터 열에너지(Q4)를 흡수하면서 고온 열압축 상태가 된다(도 10a의 ④ -> ① 고온 열압축 과정). 또한, 제 1 피스톤(210)과 대칭되는 제 2 피스톤(220)이 제 2 작동기체(g2)가 최대 체적이 될 때까지 좌측방향으로 이동하여 제 2 피스톤(220)의 제 2 열개구부(222)가 실린더의 제 2 저온 냉각부(420)에 위치하게 되고, 제 2 작동기체(g2)는 제 2 열개구부(222)를 통해 제 2 저온 냉각부(420)와 직접 접촉하여 냉각 팽창하면서 압력이 급격히 떨어진다. 이때, 제 2 작동기체(g2)의 온도가 아직도 제 2 저온 냉각부(420)보다 높으므로 내부의 열에너지(Q2)의 일부가 밖으로 배출된다(도 10a의 ②` -> ③ 저온 냉각팽창 과정). 이 과정은 카르노 및 스터링 엔진의 열사이클과 동일하지 않지만 거의 근접한다. 고온 가열부(300)와 저온 냉각부(400)의 사이에 구비되는 실린더 단열부(141, 142)에 의해 고온 가열부(300)와 저온 냉각부(400)간 열전달이 차폐된다.

다음으로, 도 9b에 도시된 바와 같이, 제 1 고온 가열부(310)로부터 실린더(100) 내부의 제 1 작동기체(g1)에 열에너지(Q1)가 계속 흡수되면서, 제 1 작동기체(g1)의 분자는 분자운동이 활발해지고 그 운동속도가 증가하게 된다. 제 1 작동기체(g1)의 분자가 실린더(100)의 내벽에 충돌하는 횟수는 분자운동에 대응하여 증가되며, 그에 따라 용적고정의 경우는 그 용적내 압력까지 증가하게 된다. 이 압력이 실린더(100) 내부에 설치된 제 1 피스톤(210)을 우측방향으로 밀어 고온 열팽 창한다(도 10a의 ① -> ② 고온 열팽창 과정). 또한, 최대 체적이 될 때까지 팽창한 제 2 작동기체(g2)는 제 2 고온 가열부(320)가 차단되고 제 2 저온 냉각부(420)만 접촉하면서 냉각 수축되어 제 2 피스톤(220)이 우측방향으로 이동하게 된다. 이때에도 제 2 작동기체(g2) 내부의 열에너지(Q3)가 밖으로 배출된다(도 10a의 ③ -> ④` 저온 냉각수축 팽창 과정). 이 과정은 카르노 및 스터링 엔진의 열사이클과 동일하다.

다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 제 1 피스톤(210)이 우측방향으로 이동하여 제 1 작동기체(g1)가 최대 체적이 될 때 제 1 피스톤(210)의 제 1 열개구부(212)가 제 1 저온 냉각부(410)에 위치하게 되고, 제 1 작동기체(g1)는 제 1 열개구부(212)를 통해 제 1 저온 냉각부(410)와 직접 접촉하여 냉각 팽창하면서 압력이 급격히 떨어진다. 이때, 제 1 작동기체(g1)의 온도가 아직도 제 1 저온 냉각부(410)보다 높으므로 내부의 열에너지(Q2)의 일부가 밖으로 배출된다(도 10a의 ②` -> ③ 저온 냉각팽창 과정). 또한, 제 2 피스톤(220)이 우측방향으로 이동하여 제 2 피스톤(220)의 전단부(221)가 실린더(100)의 타단의 내벽과 실린더 헤드부(130) 사이에 형성된 가이드홈(133a)에 삽입될 때, 즉 실린더(100)와 제 2 피스톤(220) 사이의 공간에 밀봉되는 제 2 작동기체(g2)가 최소 체적 상태가 될 때까지 피스톤(200)이 이동하여 제 2 피스톤(220)의 제 2 열개구부(222)가 제 2 고온 가열부(320)에 위치하게 된다. 이때, 제 2 작동기체(g2)는 제 2 열개구부(222)를 통해 제 2 고온 가열부(320)와 직접 접촉하면서 제 2 고온 가열부(320)로부터 열에너지(Q4)를 흡수하면서 고온 열압축 상태가 된다(도 10a의 ④ -> ① 고온 열압축 과 정). 이 과정은 카르노 및 스터링 엔진의 열사이클과 동일하지 않지만 거의 근접한다.

다음으로, 도 9d에 도시된 바와 같이, 최대 체적이 될 때까지 팽창한 제 1 작동기체(g1)는 제 1 고온 가열부(310)가 차단되고 제 1 저온 냉각부(410)만 접촉하면서 냉각 수축되어 제 1 피스톤(210)이 좌측으로 이동하게 된다. 이때에도 제 1 작동기체(g1) 내부의 열에너지(Q3)가 밖으로 배출된다(도 10a의 ③ -> ④` 저온 냉각수축 팽창 과정). 또한, 제 2 고온 가열부(320)로부터 실린더(100) 내부의 제 2 작동기체(g2)에 열에너지(Q1)가 계속 흡수되면서, 제 2 작동기체(g2)의 분자는 분자운동이 활발해지고 그 운동속도가 증가하게 된다. 제 2 작동기체(g2)의 분자가 실린더(100)의 내벽에 충돌하는 횟수는 분자운동에 대응하여 증가되며, 그에 따라 용적고정의 경우는 그 용적내 압력까지 증가하게 된다. 이 압력이 실린더(100) 내부에 설치된 제 2 피스톤(220)을 좌측방향으로 밀어 고온 열팽창한다(도 10a의 ① -> ② 고온 열팽창 과정). 이 과정은 카르노 및 스터링 엔진의 열사이클과 동일하다.

본 실시예에서, 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)와 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420) 사이의 실린더 단열부(141, 142)를 포함하는 실린더(100)의 축 방향 길이가 피스톤(200)의 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222) 길이보다 길면 순간적으로 단열(adiabatic) 구간(도 10a의 ② -> ②`, ④` -> ④과정)이 존재하여 전체적인 열사이클은 도 10a의 ① -> ② -> ②` -> ③ -> ④` -> ④ -> ① 의 과정의 사이클이 완성된다. 또한, 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)와 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420) 사이의 실린더 단열부(141, 142)를 포함하는 실린더(100)의 축 방향 길이가 피스톤(200)의 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222) 길이와 같으면 단열구간이 없는(② = ②`, ④ = ④`) 도10b와 같은 이상적인 열사이클을 따른다. 또한, 제 1 및 제 2 고온가열부(310, 320)와 제 1 및 제 2 저온냉각부(410, 420) 사이의 실린더 단열부(141, 142)를 포함하는 실린더의 축 방향 길이가 피스톤의 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222) 길이보다 짧으면 제 1 및 제 2 열개구부(212, 222)가 제 1 및 제 2 고온 가열부(310, 320)와 제 1 및 제 2 저온 냉각부(410, 420)를 동시에 접하므로 작동기체의 가열과 냉각이 동시에 일어나 단열 효과와 비슷한 효과를 가져와 이 때의 열사이클은 도 10a의 ① -> ② -> ②` -> ③ -> ④` -> ④ -> ① 의 과정과 유사한 사이클이 완성된다(미도시).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선형 열기관 발전장치(10)는 실린더(100)와 피스톤(200)으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등 작동기체를 밀봉하고, 이를 외부에서 가열 및 냉각시킴으로써 도 9a 내지 9d와 같은 과정을 반복하면서 작동기체가 열팽창 또는 수축되어 피스톤(200)을 직선 왕복 운동시킨다.

또한, 피스톤(200)의 직선 왕복 운동에 의한 기계적 에너지를 마그넷(510) 및 코일(520) 등으로 구성되는 선형 발전부(500)의 유도기전력에 의한 전기적 에너지를 생산한다. 이를 바탕으로 본 발명에 따른 선형 열기관 발전장치의 열효율은 아래의 수학식1과 같다.

수학식 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 선형 열기관 발전장치는 외연기관으로서, 이상적인 열사이클 카르노 엔진과 스터링 엔진의 중간 형태에 거의 유사하므로 높은 효율을 기대할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 A-A선에 따른 단면도이다.

도 3은 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 실린더의 분해 사시도이다.

도 4는 실린더의 구성을 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 피스톤의 분해 사시도이다.

도 6은 피스톤의 구성을 도시한 단면도이다.

도 7a는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 고온 가열부의 제 1 실시예를 도시한 요부 사시도이다.

도 7b는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 고온 가열부의 제 2 실시예를 도시한 요부 사시도이다.

도 7c는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 고온 가열부의 제 3 실시예를 도시한 요부 사시도이다.

도 8a는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 저온 냉각부의 제 1 실시예를 도시한 요부 사시도이다.

도 8b는 본 발명의 선형 열기관 발전장치 중 저온 냉각부의 제 2 실시예를 도시한 요부 사시도이다.

도 9a 내지 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치의 동작을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이다.

도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 열기관 발전장치의 열역학적 사이클을 보여주는 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 선형 열기관 발전장치 100 : 실린더

110 : 실린더 몸체 120,130 : 실린더 헤드부

121,131 : 헤드커버 123,133 : 헤드돌출부

141, 142 : 실린더 단열부 200 : 피스톤

210 : 제 1 피스톤 212 : 제 1 열개구부

217 : 제 1 피스톤 단열부 220 : 제 2 피스톤

222 : 제 2 열개구부 227 : 제 2 피스톤 단열부

300 : 고온 가열부 310 : 제 1 고온 가열부

320 : 제 2 고온 가열부 400 : 저온 냉각부

410 : 제 1 저온 냉각부 420 : 제 2 저온 냉각부

500 : 선형 발전부 510 : 마그넷(진동자)

520 : 코일(고정자)

Claims

양단의 내부에 각각 작동기체를 수용하는 실린더;

상기 실린더의 양쪽 전단부를 가열하여 상기 각 작동기체를 열팽창시키는 한 쌍의 고온 가열부;

상기 실린더의 양쪽 중앙 후단부를 냉각시켜 상기 각 작동기체를 수축시키는 한 쌍의 저온 냉각부;

양단이 상기 각 작동기체와 접하여 상기 각 작동기체의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 상기 실린더의 내부에 수납되고, 양쪽 전단부에 각각 상기 실린더의 양단을 향해 개방된 중공부가 형성되며, 양쪽 전단부의 외주면에 각각 상기 각 작동기체가 상기 각 고온 가열부 또는 상기 각 저온 냉각부와 직접 접하도록 열개구부가 형성된 피스톤; 및

상기 피스톤의 직선 왕복 운동에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 선형 발전부를 포함하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더는 상기 고온 가열부와 상기 저온 냉각부의 사이에 열을 차폐하기 위한 한 쌍의 실린더 단열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 2 항에 있어서, 상기 실린더 단열부는 상기 열개구부와 동일한 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 2 항에 있어서, 상기 고온 가열부, 상기 저온 냉각부, 상기 실린더 단열부 및 상기 열개구부는 동일한 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 실린더는 상기 실린더의 양단 개방면을 각각 밀폐하도록 결합되는 한 쌍의 실린더 헤드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 5 항에 있어서, 상기 실린더 헤드부는 상기 실린더의 내경과 이격된 공간을 제공하여 상기 피스톤의 전단부가 삽입되는 가이드홈을 형성하도록 상기 피스톤과 대향되는 일면에 헤드돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고온 가열부는 연소, 용융염 축열재 또는 태양광을 열원으로 제공하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고온 가열부는,

상기 실린더의 일단으로부터 중앙방향으로 이격되게 위치하며, 상기 실린더 일단의 내부에 수용되는 제 1 작동기체를 가열하여 열팽창시키는 제 1 고온 가열부; 및

상기 실린더의 타단으로부터 중앙방향으로 이격되어 상기 제 1 고온 가열부와 대칭되게 위치하며, 상기 실린더의 타단의 내부에 수용되는 제 2 작동기체를 가열하여 열팽창시키는 제 2 고온 가열부를 포함하는 선형 열기관 발전장치.
제 8 항에 있어서, 상기 저온 냉각부는,

상기 제 1 고온 가열부로부터 중앙방향으로 이격되게 위치하며, 상기 제 1 고온 가열부에 의해 열팽창된 상기 제 1 작동기체를 냉각시켜 수축시키는 제 1 저온 냉각부; 및

상기 제 2 고온 가열부로부터 중앙방향으로 이격되어 상기 제 1 저온 냉각부와 대칭되게 위치하며, 상기 제 2 고온 가열부에 의해 열팽창된 상기 제 2 작동기체를 냉각시켜 수축시키는 제 2 저온 냉각부를 포함하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고온 가열부 및 상기 저온 냉각부는 상기 실린더의 외주연에 링형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 9 항에 있어서, 상기 피스톤은,

상기 제 1 작동기체와 접하여 상기 제 1 작동기체의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 상기 실린더의 일측 내부에 수납되는 제 1 피스톤; 및

상기 제 1 피스톤과 결합되며, 상기 제 2 작동기체와 접하여 상기 제 2 작동 기체의 열팽창 및 수축에 의해 직선 왕복 운동하도록 상기 실린더의 타측 내부에 수납되는 제 2 피스톤을 포함하는 선형 열기관 발전장치.
제 11 항에 있어서, 상기 제 1 피스톤은 상기 제 1 작동기체가 상기 제 1 고온 가열부 또는 상기 제 1 저온 냉각부에 열사이클에 따라 직접 접하도록 제 1 열개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 열개구부는 상기 제 1 피스톤의 후단부 전방에 외경을 따라 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 12 항에 있어서, 상기 제 1 피스톤은 상기 제 1 열개구부의 후방부위에 단열부재로 구성되는 제 1 피스톤 단열부를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 11 항에 있어서, 상기 제 2 피스톤은 상기 제 2 작동기체가 상기 제 2 고온 가열부 또는 상기 제 2 저온 냉각부에 열사이클에 따라 직접 접하도록 제 2 열개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 15 항에 있어서, 상기 제 2 열개구부는 상기 제 2 피스톤의 후단부 전방에 외경을 따라 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 15 항에 있어서, 상기 제 2 피스톤은 상기 제 2 열개구부의 후방부위에 단열부재로 구성되는 제 2 피스톤 단열부를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 15 항에 있어서, 상기 제 1 열개구부가 상기 제 1 고온 가열부와 접하고 상기 제 2 열개구부가 상기 제 2 저온 냉각부와 접하는 상태가 되도록 상기 피스톤이 열사이클에 따라 이동하면 상기 제 1 작동기체는 최대 압축 상태가 되고 상기 제 2 작동기체는 최대 팽창 상태가 되며, 상기 제 1 열개구부가 상기 제 1 저온 냉각부와 접하고 상기 제 2 열개구부가 상기 제 2 고온 가열부와 접하는 상태가 되도록 상기 피스톤이 열사이클에 따라 이동하면 상기 제 1 작동기체는 최대 팽창 상태가 되고 상기 제 2 작동기체는 최대 압축 상태가 되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 실린더와 상기 피스톤 사이가 밀봉되도록 상기 피스톤의 외경에 피스톤링이 적어도 하나 구비되는 것을 특징으로 하는 선형 열기관 발전장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 선형 발전부는,

상기 피스톤에 설치되는 마그넷을 구비하는 진동자; 및

상기 실린더에 상기 피스톤의 직선 왕복 운동에 따라 상기 마그넷과의 작용으로 유도기전력을 발생시키는 코일을 구비하는 고정자를 포함하는 선형 열기관 발전장치.