KR101168291B1 - 스털링엔진 어셈블리 - Google Patents

Abstract

일반적으로 원통형 헤드(1)를 가지는 스털링엔진을 포함하는 스털링엔진 어셈블리. 고리 모양의 연소기(4)는 상기 헤드를 둘러싸고 상기 연소기와 상기 헤드 사이에서 연소챔버를 정의한다. 상기 연소기와 상기 헤드 사이의 고리 모양의 씰(7)이 연소가스를 밀폐시킨다. 서모커플 하우징(9)이 상기 헤드와 열접촉을 하고 상기 연소챔버로부터 밀폐된다. 서모커플 하우징이 연소챔버 밖으로 연장하고, 상기 서모커플 하우징과 상기 연소챔버 사잉의 접촉면은 밀폐된다. 상기 서모커플 하우징은 상기 연소챔버 바깥에 구멍을 가진다. 상기 서모커플 하우징 내의 서모커플(18)은 상기 헤드에 인접한 위치로부터 상기 서모커플 하우징 내의 구멍 바깥으로 연장한다.

스털링엔진, 서모커플, 서모커플 하우징, 연소기, 핀

Description

스털링엔진 어셈블리 {A STIRLING ENGINE ASSEMBLY}

본 발명은 스털링엔진 어셈블리에 관한 것이다.

스털링엔진들은 열전달 핀들이 제공된 실질적으로 원통형의 히터 헤드(heater head) 주위에 스털링엔진 연소기를 가지는 것으로 알려져 있다. 어떤 경우에는, 헤드의 금속 온도가 안전 수위를 유지해서 재료의 저하가 일어나지 않는 것을 보장하기 위해서 헤드의 금속 온도를 관찰하는 것이 바람직하다. 과도한 금속 온도는 금속의 산화를 촉진하고, 납땜한 핀들을 가지는 스털링엔진의 경우에는 헤드에 핀들을 고정하는 납땜을 저하시키는 경향이 있다. 이러한 저하는 연소기 가스에서 스털링엔진으로의 열전달 효율을 감소시켜 결과적으로 엔진 효율의 감소를 가져온다. 게다가, 일반적인 작동에서, 히터 헤드의 표면 온도는 히터 헤드 내의 가스로 전달되는 열의 양에 관련되며, 이는 차례로 발생되는 출력에 관련된다. 따라서 히터 헤드 금속 온도는 엔진 제어 파라미터로 사용될 수 있다. 이를 위해 금속 온도의 정확한 측정이 가능하도록 하는 것이 필요하다.

연소기 영역 내의 열악한 환경 때문에, 저가의 온도 센서의 기대 수명이 제한된다(약 3년이 예상됨). 그러므로, 대체 없이 엔진/연소기 어셈블리의 수명(약 10년)을 다하도록 설계된 센서는 더 높은 신뢰도, 및 고가의 설계가 필요하다. 그 러한 센서는 가내 복합 열 및 전력(DCHP; Domestic Combined Heat and Power)시스템용으로 사용할 수 없을 정도로 고가이다.

스털링엔진의 가열된 헤드는 일반적으로 연관된 복열장치(recuperator)를 포함하는 연소기 어셈블리에 의해 밀폐되어 있다. 이러한 어셈블리는 누설된 유해 연소 가스가 가전기구 안으로 들어가는 것을 막기 위해 밀폐되게 유지되어야 하므로 가스가 이 영역으로 접근하는 것은 불가능하다.

스털링엔진 헤드의 온도를 측정하기 위해 서모커플(thermocouple)을 사용하는 것이 예를 들어 GB 1332767, GB 2046440, US 4,231,222 및 US 4,881,372에서처럼 당업계에 알려져 있다. 그러나, 이러한 설계들 모두는 작동유체가 이송관을 통해 지나가는 스터링엔진들에 관한 것이고, 본 발명에서처럼 고리 모양의 연소기에 의해 둘러싸인 원통형 헤드들을 구비한 스털링엔진에 관한 것은 아니다.

US 6,381,958은 헤드의 온도를 관찰하는 서모커플을 사용하는 원통형 헤드를 구비한 스털링엔진을 개시한다. 그러나, 이 경우, 연소기는 엔진 헤드 위에 위치하고 헤드 상부에서 아래를 향하여 점화한다. 따라서, 돔(dome) 주위의 원통형 벽이 헤드로부터 멀수록 빠른 속도로 현저히 냉각되는 반면에, 돔형의 엔진 헤드는 가장 뜨거운 부분이 된다. US 6,381,958에서, 서모커플의 리드(lead)들은 연소챔버의 하부 끝에 노출되어 있다. 연소챔버가 여전히 헤드 부분에서 매우 뜨겁기 때문에 이러한 설계는 고리 모양의 연소기에 의해 둘러싸인 원통형 헤드에 적합하지 않다. 게다가, US 6,381,958은 서모커플이 제거될 수 있는 가능성 및 그 방법에 대한 암시를 포함하지는 않는다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소기를 떠나는 가장 뜨거운 가스들의 직접적인 경로와 연관된 높은 온도에 견딜 수 있을 정도로 충분히 튼튼하며, 유지되는 동안 제거 및 대체가 가능한 고리 모양의 연소기에 의해 둘러싸인 일반적으로 원통형인 헤드를 구비한 스털링엔진을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 스털링엔진 어셈블리는 일반적으로 원통형 헤드를 가진 스털링엔진, 상기 헤드를 둘러싸고 상기 연소기와 헤드 사이에서 연소챔버를 정의하는 고리 모양의 연소기, 연소 가스를 밀폐시키기 위해 제공된 상기 연소기와 헤드 사이의 고리 모양의 씰(seal), 헤드와 열접촉을 하고 연소챔버로부터 밀폐되는 서모커플 하우징을 포함하며, 상기 서모커플 하우징은 상기 연소챔버로부터 연장하고, 서모커플 하우징과 연소챔버 사이의 접촉면은 밀폐되며, 상기 서모커플 하우징은 연소챔버 밖으로 구멍을 가지고, 상기 서모커플 하우징 내의 서모커플은 상기 헤드에 인접한 위치로부터 상기 서모커플 하우징 내의 구멍 밖으로 연장한다.

밀폐된 서모커플 하우징을 연소챔버에 제공하기 위해, 연소챔버의 구멍이 있는 외부는 서모커플 하우징에의 접근을 쉽게 하여 일상적인 유지 동안 서모커플의 간편한 교체를 가능하게 한다. 또한, 서모커플이 연소챔버 내의 하우징에 의해 완전히 보호되어서, 그것은 고리 모양의 연소기를 떠나는 뜨거운 가스 경로에 직접적으로 위치되어 있음에도 불구하고 작동할 수 있다.

바람직하게, 스털링엔진은 헤드 주위에 여러 줄의 핀들을 가진다. 이러한 경우, 적어도 하나의 줄에는 바람직하게는 서모커플 하우징이 그것을 통과하여 지나가도록하는 구멍이 제공된다. 바람직하게, 이 구멍은 엔진 헤드에 인접하게 위치하고 있어서, 하우징은 헤드에 인접한 적어도 하나의 핀을 통과하여 지나간다.

바람직하게, 고리 모양의 판이 연소기 아래의 헤드를 둘러싸고 밀폐되며, 연소 가스를 밀폐시키기 위해 서모커플 하우징은 판을 통과하여 연장되고 판에 납땜이 된다. 바람직하게 단열재가 또한 연소기와 판 사이에 제공된다. 서모커플 하우징이 단열재를 통과하여 연장한다. 서모커플은 예를 들어 서모커플이 통과하여 연장하고 유지되는 캡(cap)과 같은 다수의 방법으로 하우징 내에 유지될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 서모커플은 스프링 클립(clip)에 의해 하우징 내에 유지된다.

본 발명에 따른 스털링엔진 어셈블리의 예시는 이제 다음의 도면들을 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 스털링엔진 헤드 오른편의 단면도이다.

도 2는 엔진 헤드의 개략적인 사시도이다.

대부분의 경우, 스털링엔진은 예를 들어 PCT/GB03/00208과 같은 당해 기술분야에 공지되어 있다. 엔진은 헤드의 내면 주위를 둘러싸는 다수의 내부 핀들(2)을 구비한 헤드(1), 및 헤드의 외부를 둘러싸는 여러 줄의 핀들(3)을 포함한다. 이러한 핀들은 잘린 원추형상이며 헤드의 주축을 따라 배열된다. 핀들은 고리 모양의 연소기(4)에 의해 둘러싸인다. 연소기로 가는 가스가 연소 가스 입구 경로(5)를 따라 공급되고 배출 가스는 헤드(1)의 상부 주위를 지나서 배출 덕트(6)를 통하여 밖으로 빠져나간다. 핀들(3)과 연소기(4) 아래에는 연소 가스가 대기로 빠져나가는 것을 방지하도록 제공된 고리 모양의 씰 어셈블리(7)가 있다. 씰 어셈블리는 출원인의 이전 출원 WO 03/098025의 주제를 형성한다. 단열재(8) 블록은 연소챔버 내에서 씰(7)을 뜨거운 연소가스로부터 단열하기 위해서 일반적으로 연소기(4)와 씰(7) 사이에 위치한다.

스테인리스로 만들어지고 닫힌 위쪽 단부(10)를 가진 서모커플 하우징(9)은 엔진 헤드(1)에 인접한 위치로부터 핀(3)의 최상부 줄에서 나머지 줄들을 통과하여 아래로, 그리고 이어서 단열재(8)를 통과하여 엔진 밖으로 연장한다. 서모커플 하우징(9)은 단열재(8)를 통과하여 연장하고 엔진 밀폐 판(13)에 납땜 되어 있다.

제작을 쉽게 하기 위해, 스털링엔진 히터 헤드 케이스는 상부 및 하부 부분으로 구성될 수 있고, 핀 영역 아래에서 용접에 의해 결합될 수 있다. 그러한 경우, 서모커플 하우징의 두 부분 설계가 바람직하고, 상부 관은 헤드에 납땜 되어 있으며, 핀들 아래로 연장한다. 이는 하부 하우징 관이 상부 하우징으로 밀어넣어지고 밀폐 판(13) 안의 구멍을 통하여 위로 연장하기 전에, 용접 공정을 위한 접근이 상부 및 하부 헤드 부분들을 결합하도록 이루어지게 한다. 상부 및 하부 관들 사이의 결합부를 통하여 연소 가스가 하우징 안으로 들어갈 가능성 때문에, 씰(seal)이 서모커플 요소가 하우징으로 들어가는 하우징의 하부 단부에 설치될 필요가 있다. 예를 들어 나사의 나사산이나 밀폐하기 위한 개스킷(gasket)을 가진 베이어네트 피팅(bayonet fitting)을 구비한 적절한 끝 캡(cap)이 이러한 목적을 위해 제공될 것이다. 연소 가스의 누설을 방지하기 위해, 개스킷과 같은 씰이 또한 플랜지(flange)를 통해 하부 하우징이 지나가는 곳에 필요하다.

서모커플 요소(18)는 헤드와 열접촉을 하는 단부(10)로부터 서모커플 하우징(9)을 따르는 모든 길로 연장하며, 대향하는 단부에서 나타난다.

서모커플(18)은 도 1의 부분으로, 또한 전체도로서 도 1에 따로 도시된 스프링 클립(20)에 의해 제자리에 유지된다. 스프링 클립은 서모커플 하우징(9)의 열려 있는 단부 상의 고리 모양의 가장자리(22) 위에 끼워질 수 있도록 충분히 큰 제 1 구멍(21)을 가진다. 구멍(21)은 하우징의 길이방향 축에 수직 방향으로 서모커플 하우징(9)의 단부 위에 끼워진다. 자리 잡기만 하면, 다음에 클립이 비틀려져서 더 이상 가장자리(22) 위로 지나갈 수 없다. 제 1 구멍(21)에 대향하는 스프링 클립(20)의 측면 상의 제 2 구멍(23)은 서모커플(18)을 수용한다. 클립의 자연적인 스프링 작용은 위치 내에 서모커플 요소를 유지한다. 서모커플(18)을 교체하기 위해 스프링 클립을 제거하기 위하여, 클립의 두 측면은 서모커플 요소를 풀 수 있게 압축된다.

실제로, (과열 및 제어를 위한) 두 개의 독립적인 센서들이 필요하기 때문에, 헤드의 아래에서 끝나는 그러한 제 2 서모커플 하우징(9)은 제 1 하우징(도 2에 도시) 가까이에 제공될 것이다.

장치들을 조립하기 위해, 두 개의 서모커플 하우징(9)이 위치를 잡고 납땜 된다. (상부 줄을 제외한) 열전달 핀들(3)의 각각의 줄에는 서모커플 하우징(10)을 수용하는 잘려나간 부분이 제공된다. 예를 들어, 핀들은 스테인리스, 인코넬(inconel), 또는 알루미늄청동(aluminium bronze)이다. 이들은 헤드(1) 위에 위 치하고 그 위치에서 납땜 된다. 이는 납땜 혼합물(braze compound)로 핀의 내면을 "웨팅(wetting)"하거나 설치 전에 에어건(airgun)을 사용하여 슬러리(slurry)로 코팅함으로써 수행될 수 있다. 선택적으로, 납땜 혼합물의 미리 형성된 "와셔(washer)"는 핀과 가열 헤드 사이에 설치된다. 특정 납땜 혼합물에 적합한 온도로 가열되면, 일정한 납땜 이음매(joint)가 최적의 열전달 특성들을 가지고 형성된다. 잘려진 부분은 핀들이 위치를 잡고 납땜 되기 전에 형성될 수 있거나, 인접한 줄들 사이의 정렬되지 않는 문제들을 피하기 위해 납땜 된 후에 형성될 수 있다. 제자리에서 서모커플 하우징이 구비되면, 단열재의 블록들은 위치로 맞춰지고 서모커플 하우징(9)을 수용하는 적절한 수용부(recess)들을 가진다.

선택적으로, 서모커플 하우징(10)과 핀들(3)은 단일 작업공정으로 납땜 될 수 있다. 밀폐 판(13)은 또한 동시에 납땜 될 수 있다. 이러한 작업공정은 또한 내부 구리 핀들(2)을 납땜하는 것을 포함할 수 있다. 이를 위해, 구성요소들을 필요한 온도로 가열하여 모든 이음매들을 단일 공정으로 형성하기 전에 정확한 정렬을 보장하기 위하여 구성요소들은 어셈블리 지그(jig) 내에 함께 놓여져야 한다.

대안적인 설계가 도 2 및 3에 도시되어 있고, 여기서 비슷한 구성요소들이 동일한 참조 번호들로 기재되어 있다. 도 2는 도 1에서 인용된 두 개의 서모커플 하우징(9, 9A)들을 도시하지만, 설명되어 있지는 않다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

Claims (8)

1. 일반적으로 원통형 헤드를 가진 스털링엔진;

   상기 헤드를 둘러싸고 상기 헤드와의 사이에서 연소챔버를 정의하는 고리 모양의 연소기;

   연소 가스를 밀폐시키기 위해 제공된 상기 연소기와 상기 헤드 사이의 고리 모양의 씰(seal); 및

   상기 헤드와 열접촉을 하고 상기 연소챔버로부터 밀폐되는 서모커플 하우징을 포함하고,

   상기 서모커플 하우징은 연소챔버 내에 그리고 스털링엔진의 원통형 헤드 외측에 위치되며, 상기 연소챔버 밖으로 연장하고, 상기 서모커플 하우징과 상기 연소챔버 사이의 접촉면은 밀폐되며, 상기 서모커플 하우징은 상기 연소챔버 바깥으로 구멍을 가지고, 상기 서모커플 하우징 내의 서모커플은 상기 헤드에 인접한 위치로부터 상기 서모커플 하우징 내의 구멍 밖으로 연장하는 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스털링엔진은 상기 헤드를 둘러싸는 여러 줄의 핀들을 가지는 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.
3. 제 2항에 있어서,

   적어도 하나의 줄의 핀들에는 상기 서모커플 하우징이 상기 줄의 핀들을 통과하여 지나가도록 하는 구멍이 제공된 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 구멍은 상기 엔진 헤드에 인접하게 위치해서, 상기 하우징이 상기 헤드에 인접한 적어도 하나의 상기 핀을 통과하여 지나가는 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.
5. 제 1항에 있어서,

   고리 모양의 판이 상기 연소기 아래에서 상기 헤드를 둘러싸고 밀폐되며, 연소 가스를 밀폐시키기 위해 상기 서모커플 하우징이 상기 판을 통과하여 연장되고 상기 판에 납땜이 되는 것을 특징으로 하는 스털렝엔진 어셈블리.
6. 제 5항에 있어서,

   단열재가 상기 연소기와 상기 판 사이에 제공되고, 상기 서모커플 하우징이 상기 단열재를 통과하여 연장하는 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 서모커플은 스프링 클립에 의해 상기 서모커플 하우징 내에 유지되는 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 헤드와 열접촉을 하고 상기 연소챔버로부터 밀폐된 제 2 서모커플 하우징을 더 포함하고,

   상기 제 2 서모커플 하우징은 상기 제 2 연소챔버 밖으로 연장하고, 제 2 서모커플 하우징과 상기 연소챔버 사이의 접촉면은 밀폐되며, 상기 제 2 서모커플 하우징은 상기 연소챔버 바깥에 구멍을 가지고, 상기 제 2 서모커플 하우징 내의 제 2 서모커플이 상기 헤드로부터 상기 제 2 서모커플 하우징 내의 구멍 바깥으로 연장하는 것을 특징으로 하는 스털링엔진 어셈블리.

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