KR101738871B1

KR101738871B1 - 열효율 향상을 위한 tme 모듈

Info

Publication number: KR101738871B1
Application number: KR1020160124133A
Authority: KR
Inventors: 천원기; 쿤첸; 김남진; 김영민; 김원식; 정해준
Original assignee: 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2017-05-23

Abstract

본 발명은 열효율 향상을 위한 TME 모듈에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 스털링 엔진의 열원으로서 저온 폐열의 열 매체가 흐르는 열 공급 전열관(또는 열전달 배관, 전열판이라 함)이 구비되도록 하되, 상기 전열관은 상하 양쪽 면을 열 공급원으로 모두 사용할 수 있도록 함으로써 열 손실을 최소화하면서 열 효율은 증대되도록 형성되고, 특히 사각면체 형태의 전열관은 바둑판 형태 또는 타일 연결 형태와 같이 여러 개를 조립식 패널 형태로 연결(연계)하여 모듈화할 수 있도록 하는 바, 이는 열 전달 면적이 최대한 확대되어 열 효율을 크게 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

열효율 향상을 위한 TME 모듈{Thermal to mechanical engine module}

본 발명은 스털링 엔진의 열원으로서 저온 폐열의 열 매체가 흐르는 열 공급 전열관(또는 열전달 배관, 전열판이라 함)이 구비되도록 하되, 상기 전열관은 상하 양쪽 면을 열 공급원으로 모두 사용할 수 있도록 함으로써 열 손실을 최소화하면서 열 효율은 증대되도록 형성되고, 특히 사각면체 형태의 전열관은 바둑판 형태 또는 타일 연결 형태와 같이 여러 개를 조립식 패널 형태로 연결(연계)하여 모듈화할 수 있도록 하는 바, 이는 열 전달 면적이 최대한 확대되어 열 효율을 크게 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 열효율 향상을 위한 TME 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 스털링 엔진은 피스톤을 갖는 실린더의 내부 공간에 소정의 작동 기체(수소, 헬륨 등)을 충진시켜 밀봉하고, 이러한 작동기체를 외부에서 가열 또는 냉각시킴으로써 발생하는 2가지 등적변화와, 이에 따른 작동기체의 압축 또는 팽창의 2가지 등온변화의 상호 작용을 통해 피스톤을 작동시켜 기계적 에너지를 얻도록 구성되는 밀폐 사이클을 갖는 용적형 외연기관이다.

이와 같은 스털링 엔진의 구조는 실린더의 일측에 연소실 및 가열 코일과 같은 가열 장치가 배치되며, 실린더의 외주에는 예컨대 축열형의 재생기와 냉각 코일이 배치될 수 있다.

또한, 실린더 내부는 소정의 피스톤에 의해서 고온부와 저온부로 구분된다.

이러한 스털링 엔진은 열에너지를 운동에너지로 변환하는 장치 중 열효율이 매우 높은 장치로 알려져 있을 뿐만 아니라, 외연기관이므로 연료를 자유롭게 선택할 수 있고, 배기가스가 깨끗하며 배기음도 매우 적다.

이러한 특징으로 인해 공해가 없는 자동차 엔진, 선박의 주기관 또는 보조기관, 유전지대의 다연료기관이나 우주항공용, 가정용 등에 이용될 수 있는 스털링 엔진을 이용한 발전장치가 요구되었고, 이에 부합하여 다양한 구성의 스털링 엔진을 이용한 발전장치가 제시되고 있다.

그러나, 종래의 스털링 엔진은 저온 열매체로부터 열원을 공급받을 경우 전열관의 어느 일면으로부터만 열원을 공급받아 사용되었는 바, 이는 전열관의 열원이 크게 손실되는 문제가 발생되었다.

또한, 종래의 스털링 엔진은 통상 원판으로 형성된 디스플레이서 실린더를 사용해 왔는 바, 이는 다수의 디스플레이서 실린더를 평면 상에서 연계하여 사용하고자 할 경우 호형으로 이루어진 접면에 의해 빈 공간(Dead space)이 발생되어 이 또한 효율이 낮은 문제가 야기된다.

1. 대한민국 등록특허공보 제10-1317367호(2013.10.04.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 스털링 엔진의 열원으로서 저온 폐열의 열 매체가 흐르는 열 공급 전열관(또는 열전달 배관, 전열판이라 함)이 구비되도록 하되, 상기 전열관은 상하 양쪽 면을 열 공급원으로 모두 사용할 수 있도록 함으로써 열 손실을 최소화하면서 열 효율은 증대되도록 형성되고, 특히 사각면체 형태의 전열관은 바둑판 형태 또는 타일 연결 형태와 같이 여러 개를 조립식 패널 형태로 연결(연계)하여 모듈화할 수 있도록 하는 바, 이는 열 전달 면적이 최대한 확대되어 열 효율을 크게 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 열효율 향상을 위한 TME 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 각종 산업용 또는 가정용 설비로부터 버려지는 폐열을 즉답(직착) 형태로 연결한 후 발생된 열적 변화(등온변화 및 등적변화)에 따라 디스플레이서 실린더와 피스톤 및 크랭크 샤프트가 연동하도록 함으로써, 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는데 용이하도록 함은 물론 재생에너지를 신속하게 창출하도록 형성되며, 크랭크 샤프트의 일측에는 복수의 휠 바퀴가 연동하도록 하되 상기 휠 바퀴는 회전시 발생되는 원심력이 피스톤의 직선운동을 보다 강력하게 추진하도록 더블 구조 형태로 형성되며, 특히 전열관은 열 손실 없이 열 발생 면적을 모두 활용할 수 있도록 형성되어 확장된 열전달 면적에 의해 열효율이 크게 개선되어 저온식 폐열 설비에도 적용이 우수한 것을 특징으로 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 저온 폐열을 이용하여 열원을 공급하도록 열 공급 전열관(10)이 형성되도록 하되, 상기 저온 폐열이 유입되는 전열관(10)은 사각면체로서, 두께 측 단부 4면에 개폐밸브(V)를 갖는 암수 너트체(11)와 볼트체(12)가 각각 선택적으로 형성되어 하나 이상을 상하좌우 방향으로 연결하면서 조립식 다면적 구조의 모듈식 패널을 이룰 수 있도록 형성되고, 상기 전열관(10)의 상면과 하면에는 스털링 엔진(20)이 상하 대칭되면서 각각 직착 결합되도록 하되, 상기 스털링 엔진(20)은 전열관(10)의 상면 또는 하면과 대응되는 형상으로 맞닿도록 사각 함체 형태의 실린더 블럭(21)이 형성되며, 상기 실린더 블럭(21)은 내부 공간부에 디스플레이서 실린더(22)가 형성되고, 상기 디스플레이서 실린더(22)는 실린더 블럭(21)의 외측을 향한 면상에 피스톤(23)이 형성되어 공기의 발열과 감열 또는 가열과 냉각 작용시 발생되는 압축, 팽창 현상으로부터 등적변화와 등온변화가 일어나면 상기 피스톤(23)을 승하강 반복시키도록 형성되고, 상기 디스플레이서 실린더(22)는 전열관(10)을 기준으로 가열된 공기가 상향 또는 하향 발생되면 실린더 블럭(21)의 내경과 디스플레이서 실린더(22) 외경 사이에 형성된 간격 이송로 사이를 경유하면서 이송되도록 형성되고, 이송된 가열 공기는 실린더 블럭(21)의 외측 면상을 통해 방열되면서 감열된 공기가 디스플레이서 실린더(22)를 밀어내면서 업다운 동작을 반복하도록 형성되고, 상기 피스톤(23)은 길이 방향 선상에 크랭크 사프트(24)의 일단과 연결되도록 형성되고, 상기 크랭크 샤프트(24)는 실린더 블럭(21)의 외주 면상에 형성된 지지축(25)을 기준으로 직교되도록 형성되면서 휠 바퀴(26)를 회전시키도록 하되, 상기 크랭크 샤프트(24)의 타단에는 열에너지원을 기계적 에너지원으로 재생산하도록 형성된다.

이에, 상기 휠 바퀴(26)는 하나 이상 복수개로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전열관(10)과 실린더 블럭(21)은 일체의 단열재(30)에 의해 케이싱되도록 하되, 실린더 블럭 중 전열관(10)과 대향되는 외측 면상에는 냉각 유체 채널(28)이 더 형성되어 방열 또는 감열 성능을 배가시키도록 형성된다.

이와 같이, 본 발명은 스털링 엔진의 열원으로서 저온 폐열의 열 매체가 흐르는 열 공급 전열관(또는 열전달 배관, 전열판이라 함)이 구비되도록 하되, 상기 전열관은 상하 양쪽 면을 열 공급원으로 모두 사용할 수 있도록 함으로써 열 손실을 최소화하면서 열 효율은 증대되도록 형성되고, 특히 사각면체 형태의 전열관은 바둑판 형태 또는 타일 연결 형태와 같이 여러 개를 조립식 패널 형태로 연결(연계)하여 모듈화할 수 있도록 하는 바, 이는 열 전달 면적이 최대한 확대되어 열 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 각종 산업용 또는 가정용 설비로부터 버려지는 폐열을 즉답(직착) 형태로 연결한 후 발생된 열적 변화(등온변화 및 등적변화)에 따라 디스플레이서 실린더와 피스톤 및 크랭크 샤프트가 연동하도록 함으로써, 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는데 용이하도록 함은 물론 재생에너지를 신속하게 창출하도록 형성되며, 크랭크 샤프트의 일측에는 복수의 휠 바퀴가 연동하도록 하되 상기 휠 바퀴는 회전시 발생되는 원심력이 피스톤의 직선운동을 보다 강력하게 추진하도록 더블 구조 형태로 형성되며, 특히 전열관은 열 손실 없이 열 발생 면적을 모두 활용할 수 있도록 형성되어 확장된 열전달 면적에 의해 열효율이 크게 개선되어 저온식 폐열 설비에도 적용이 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 TME 모듈의 일 예시도,
도 2는 도 1에 따른 전열관의 평면 예시도,
도 3은 도 2에 따른 전열관의 연계 조립 예시도,
도 3 내지 도 4는 도 1에 따른 디스플레이서 실린더의 연계 예시도,
도 5는 본 발명의 개략적 사용 상태를 나타낸 예시도이다.

다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.

먼저, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 열 공급 전열관(10)과 스털링 엔진(20)으로 크게 구성된다.

이에, 상기 전열관(10)은 저온 폐열을 이용하여 열원을 공급하도록 하는 것으로 통상 납작한 전열판 또는 열전달 배관으로도 일컬어 진다.

이때, 저온 폐열이 유입되는 전열관(10)은 사각면체로서, 두께 측 단부 4면에 개폐밸브(V)를 갖는 암수 너트체(11)와 볼트체(12)가 각각 선택적으로 형성되어 하나 이상을 상하좌우 방향으로 연결하면서 조립식 다면적 구조의 모듈식 패널을 이룰 수 있도록 형성된다.

이때, 상기 너트체는 사각형의 "「" 방향에 놓여지게 되고, 상기 볼트체는 "」" 방향에 배치되도록 형성되어 바닥 판넬처럼 일방향 및 타방향 연계 조립이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 개폐밸브는 너트체나 볼트체의 중심축을 관통하는 것으로 필요에 따라 개폐가 가능하도록 하여 열원으로서의 기체나 유체가 일방향 너트체 또는 볼트체로 유입되면 나머지 3군데로 분산이 고르게 확산되어 열전달 면적이 균일하도록 형성된다.

이에, 상기 전열관(10)의 상면과 하면에는 스털링 엔진(20)이 상하 대칭되면서 각각 직착 결합되도록 형성된다.

이때, 상기 스털링 엔진(20)은 전열관(10)의 상면 또는 하면과 대응되는 형상으로 맞닿도록 사각 함체 형태의 실린더 블럭(21)이 형성된다.

이에, 상기 실린더 블럭(21)은 내부 공간부에 디스플레이서 실린더(22)가 형성되고, 상기 디스플레이서 실린더(22)는 실린더 블럭(21)의 외측을 향한 면상에 피스톤(23)이 형성되어 공기의 발열과 감열 또는 가열과 냉각 작용시 발생되는 압축, 팽창 현상으로부터 등적변화와 등온변화가 일어나면 상기 피스톤(23)을 승하강 반복시키도록 형성된다.

이때, 상기 디스플레이서 실린더(22)는 전열관(10)을 기준으로 가열된 공기가 상향 또는 하향 발생되면 실린더 블럭(21)의 내경과 디스플레이서 실린더(22) 외경 사이에 형성된 간격 이송로 사이를 경유하면서 이송되도록 형성된다.

이때, 상기 이송된 가열 공기는 실린더 블럭(21)의 외측 면상을 통해 방열되면서 감열된 공기가 디스플레이서 실린더(22)를 밀어내면서 업다운 동작을 반복하도록 형성된다.

이에, 상기 피스톤(23)은 길이 방향 선상에 크랭크 사프트(24)의 일단과 연결되도록 형성되고, 상기 크랭크 샤프트(24)는 실린더 블럭(21)의 외주 면상에 형성된 지지축(25)을 기준으로 직교되도록 형성되면서 휠 바퀴(26)를 회전시키도록 하되, 상기 크랭크 샤프트(24)의 타단에는 열에너지원을 기계적 에너지원으로 재생산하도록 형성된다.

즉, 상기 디스플레이서 실린더는 전열관과 실린더 블럭의 외측판을 기준으로 그 사이 공간에 놓여지게 되고, 상기 전열관 및 실린더 블럭의 외측판의 열적 변화에 따라 상향 또는 하향 반복 이송되도록 형성되며, 이와 결합된 중앙 피스톤이 디스플레이서 실린더의 업다운에 따라 상하향 직선 왕복 운동하도록 형성된다.

이에, 상기 휠 바퀴(26)는 하나 이상 복수개로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 더블식 구조로 형성되어 회전력이 배가되면서 피스톤의 상하 업다운을 보다 강력하게 조장하도록 형성된다.

즉, 상기 냉각 유체 채널은 일종의 방열 보강함으로서 내부에 냉각 유체를 흐르게 하여 방열 또는 감열이 보다 빠르게 이루어지도록 형성된다.

또한, 상기 실린더 블럭(21)의 외주면과 전열관의 외주면에는 단열재(30)를 추가로 부설하여 외벽으로부터 열손실이 발생하는 것을 차단하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10 ... 전열관 11 ... 너트체
12 ... 볼트체
20 ... 스털링 엔진 21 ... 실린더 블럭
22 ... 디스플레이서 실린더 23 ... 피스톤
24 ... 크랭크 샤프트 25 ... 지지축
26 ... 휠 바퀴 27 ... 로드 디바이스
28 ... 냉각 유체 채널
30 ... 단열재

Claims

저온 폐열을 이용하여 열원을 공급하도록 열 공급 전열관(10)이 형성되도록 하되, 상기 저온 폐열이 유입되는 전열관(10)은 사각면체로서, 두께 측 단부 4면에 개폐밸브(V)를 갖는 암수 너트체(11)와 볼트체(12)가 각각 선택적으로 형성되어 하나 이상을 상하좌우 방향으로 연결하면서 조립식 다면적 구조의 모듈식 패널을 이룰 수 있도록 형성되고, 상기 전열관(10)의 상면과 하면에는 스털링 엔진(20)이 상하 대칭되면서 각각 직착 결합되도록 하되, 상기 스털링 엔진(20)은 전열관(10)의 상면 또는 하면과 대응되는 형상으로 맞닿도록 사각 함체 형태의 실린더 블럭(21)이 형성되며, 상기 실린더 블럭(21)은 내부 공간부에 디스플레이서 실린더(22)가 형성되고, 상기 디스플레이서 실린더(22)는 실린더 블럭(21)의 외측을 향한 면상에 피스톤(23)이 형성되어 공기의 발열과 감열 또는 가열과 냉각 작용시 발생되는 압축, 팽창 현상으로부터 등적변화와 등온변화가 일어나면 상기 피스톤(23)을 승하강 반복시키도록 형성되고, 상기 디스플레이서 실린더(22)는 전열관(10)을 기준으로 가열된 공기가 상향 또는 하향 발생되면 실린더 블럭(21)의 내경과 디스플레이서 실린더(22) 외경 사이에 형성된 간격 이송로 사이를 경유하면서 이송되도록 형성되며, 이송된 가열 공기는 실린더 블럭(21)의 외측 면상을 통해 방열되면서 감열된 공기가 디스플레이서 실린더(22)를 밀어내면서 업다운 동작을 반복하도록 형성되고, 상기 피스톤(23)은 길이 방향 선상에 크랭크 사프트(24)의 일단과 연결되도록 형성되며, 상기 크랭크 샤프트(24)는 실린더 블럭(21)의 외주 면상에 형성된 지지축(25)을 기준으로 직교되도록 형성되면서 휠 바퀴(26)를 회전시키도록 하되, 상기 크랭크 샤프트(24)의 타단에는 열에너지원을 기계적 에너지원으로 재생산하도록 하는 연동식 로드 디바이스(27)가 형성되는 TME 모듈에 있어서,
상기 휠 바퀴(26)는 하나 이상 복수개로 형성되고, 상기 전열관(10)과 실린더 블럭(21)은 일체의 단열재(30)에 의해 케이싱되도록 하되, 실린더 블럭 중 전열관(10)과 대향되는 외측 면상에는 냉각 유체 채널(28)이 더 형성되어 방열 또는 감열 성능을 배가시키도록 형성되며, 상기 개폐밸브(V)는 너트체(11)나 볼트체(12)의 중심축을 관통하는 것으로 개폐가 가능하도록 형성되어 열원으로서의 기체나 유체가 일방향 너트체 또는 볼트체로 유입되면 나머지 3군데로 분산이 고르게 확산되어 열전달 면적이 균일하게 확장될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 열효율 향상을 위한 TME 모듈.
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