KR102073090B1 - Stirling engine and engine system including the same - Google Patents

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KR102073090B1
KR102073090B1 KR1020180110943A KR20180110943A KR102073090B1 KR 102073090 B1 KR102073090 B1 KR 102073090B1 KR 1020180110943 A KR1020180110943 A KR 1020180110943A KR 20180110943 A KR20180110943 A KR 20180110943A KR 102073090 B1 KR102073090 B1 KR 102073090B1
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임중현
배영훈
정원희
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두산중공업 주식회사
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Abstract

The present invention relates to a Stirling engine and an engine system including the same. The Stirling engine includes: a heating unit having a first space heated by a heat source; a cooling unit having a second space cooled by a heat sink; a connection pipe placing the first space in communication with the second space; and a crankshaft rotating according to a volume change of the first space and the second space, wherein the heating unit and the cooling heat are formed at sides opposite to each other from the crankshaft, thereby preventing thermal energy of the heat source from being transferred to the cooling unit to enhance performance and efficiency. In addition, the engine system includes a plurality of Stirling engines, wherein the plurality of Stirling engines are formed of modules attachable to and detachable from each other, thereby satisfying a required output even without substitution of the Stirling engines.

Description

스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템{STIRLING ENGINE AND ENGINE SYSTEM INCLUDING THE SAME}Stirling engines and engine systems comprising them {STIRLING ENGINE AND ENGINE SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명은, 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 작동유체에 열을 가하여 반복적으로 압축하고 팽창시키면서 기계적인 일을 할 수 있도록 한 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a Stirling engine and an engine system including the same, and more particularly, to a Stirling engine and an engine system including the same, by applying heat to a working fluid to perform mechanical work while repeatedly compressing and expanding. It is about.

일반적으로, 스털링 엔진은 히트 소스(heat source)의 열에너지로 작동유체의 상태를 변화시켜 기계적인 일을 하게 하는 외연기관의 한 종류로서, 내연기관에 비해 효율이 높고 소음 및 진동이 작은 장점이 있다. In general, the Stirling engine is an external combustion engine that performs mechanical work by changing the state of the working fluid by the heat energy of a heat source, and has advantages of high efficiency and low noise and vibration compared to an internal combustion engine. .

이러한 스털링 엔진에는, 2개의 실린더와 2개의 피스톤을 포함하는 알파 타입, 디스프레서와 피스톤이 동일 실린더에 배치되는 베타 타입, 디스프레서와 피스톤이 다른 실린더에 배치된 감마 타입 등이 있고, 이 중 알파 타입 스털링 엔진은 압축비를 높여 출력을 향상시키기 용이하다는 장점이 있다. Such Stirling engines include an alpha type including two cylinders and two pistons, a beta type in which the dispenser and the piston are arranged in the same cylinder, and a gamma type in which the dispenser and the piston are arranged in different cylinders. The medium alpha type sterling engine has the advantage that it is easy to improve the output by increasing the compression ratio.

도 1은 종래의 알파 타입 스털링 엔진을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a conventional alpha type sterling engine.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 알파 타입 스털링 엔진(이하, 스털링 엔진)은, 히트 소스(100)에 의해 가열되는 제1 공간(S1)을 갖는 가열부(200), 히트 싱크(heat sink)(300)에 의해 냉각되는 제2 공간(S2)을 갖는 냉각부(400), 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)을 연통시키는 연결관(500) 및 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트(700)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a conventional alpha type sterling engine (hereinafter referred to as a sterling engine) includes a heating unit 200 and a heat sink having a first space S1 heated by the heat source 100. Cooling unit 400 having a second space (S2) to be cooled by the (300), the connecting pipe 500 and the first space communicating the first space (S1) and the second space (S2) And a crank shaft 700 rotated according to the volume change of the second space S2 and S1.

상기 가열부(200)는, 제1 실린더(210), 상기 제1 실린더(210)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제1 실린더(210)와 함께 상기 제1 공간(S1)을 형성하는 제1 피스톤(220) 및 상기 제1 피스톤(220)과 상기 크랭크 샤프트(700)를 연결하는 제1 커넥팅 로드(230)를 포함한다. The heating unit 200 is provided in the first cylinder 210, the inside of the first cylinder 210 so as to reciprocate and to form the first space (S1) with the first cylinder (210). And a first connecting rod 230 connecting the first piston 220 and the first piston 220 and the crankshaft 700.

상기 냉각부(400)는, 제2 실린더(410), 상기 제2 실린더(410)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제2 실린더(410)와 함께 상기 제2 공간(S2)을 형성하는 제2 피스톤(420) 및 상기 제2 피스톤(420)과 상기 크랭크 샤프트(700)를 연결하는 제2 커넥팅 로드(430)를 포함한다. The cooling unit 400 is provided in the second cylinder 410 and the second cylinder 410 to be capable of reciprocating, and together with the second cylinder 410 to form the second space (S2) And a second connecting rod 430 connecting the second piston 420 and the second piston 420 to the crankshaft 700.

여기서, 상기 가열부(200)와 상기 냉각부(400)는 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 90도로 배치된다. 즉, 상기 제1 피스톤(220)의 왕복 운동 방향과 상기 제2 피스톤(420)의 왕복 운동 방향이 90도를 이루도록 배치된다. Here, the heating part 200 and the cooling part 400 are disposed at 90 degrees with respect to the crankshaft 700. That is, the reciprocating direction of the first piston 220 and the reciprocating direction of the second piston 420 are disposed to form 90 degrees.

이러한 구성에 따른 종래의 스털링 엔진은, 상기 연결관(500)을 통해 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2) 사이를 유동하는 작동유체(예를 들어, 수소, 헬륨)(F)의 상태를 변화시켜 기계적인 일을 한다. In the conventional Stirling engine according to this configuration, a working fluid (eg, hydrogen, helium) flowing between the first space S1 and the second space S2 through the connection pipe 500 (F) Change the state of) to do mechanical work.

구체적으로, 먼저, 제1 행정(등온팽창 과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상기 히트 소스(100)의 열에너지를 받아 팽창되는 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)에 의해 하사점에 도달된다. 그리고, 상기 제1 피스톤(220)보다 90도 늦는 위상차를 갖는 상기 제2 피스톤(420)이 하사점 측으로 이동되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)를 팽창시킨다. Specifically, first, in the first stroke (isothermal expansion process), by the working fluid (F) of the first space (S1) in which the first piston 220 is expanded by receiving the heat energy of the heat source (100). The bottom dead center is reached. In addition, the second piston 420 having a phase difference of 90 degrees later than the first piston 220 is moved toward the bottom dead center and expands the working fluid F of the second space S2.

다음으로, 제2 행정(열을 빼앗기는 등적 과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상사점 측으로 이동되며 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)를 상기 연결관(500)으로 밀어 낸다. 그리고, 상기 제2 피스톤(420)이 하사점에 도달되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)를 더 팽창시킨다. 그리고, 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)가 상기 연결관(500)을 통해 상기 제2 공간(S2)으로 이동된다. 여기서, 상기 연결관(500)에는 열교환기(600)가 구비되어 있고, 상기 제1 공간(S1)으로부터 상기 제2 공간(S2)으로 이동되는 작동유체(F)는 상기 열교환기(600)에 열을 빼앗기고 냉각된다. Next, in the second stroke (equivalent process of losing heat), the first piston 220 is moved to the top dead center side and pushes the working fluid F of the first space S1 to the connecting pipe 500. Serve In addition, the second piston 420 reaches the bottom dead center and further expands the working fluid F of the second space S2. In addition, the working fluid F of the first space S1 is moved to the second space S2 through the connection pipe 500. Here, the connection pipe 500 is provided with a heat exchanger 600, the working fluid (F) which is moved from the first space (S1) to the second space (S2) to the heat exchanger (600). It loses heat and cools down.

그리고, 제3 행정(등온압축 과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상사점에 도달되며 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)의 대부분을 상기 연결관(500)으로 밀어 낸다. 그리고, 상기 제2 피스톤(420)이 상사점 측으로 이동되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)를 압축한다. 여기서, 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)는 상기 히트 싱크(300)로 열을 방출하여 낮은 온도를 유지하면서 압축된다. In the third stroke (isothermal compression process), the first piston 220 reaches a top dead center and pushes most of the working fluid F of the first space S1 to the connecting pipe 500. . Then, the second piston 420 is moved to the top dead center side to compress the working fluid (F) of the second space (S2). Here, the working fluid F of the second space (S2) is compressed while maintaining a low temperature by dissipating heat to the heat sink (300).

그리고, 제4 행정(열을 공급받는 등적과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상기 히트 소스(100)의 열에너지를 받아 팽창되는 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)에 의해 하사점 측으로 이동된다. 그리고, 상기 제2 피스톤(420)이 하사점에 도달되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)의 대부분을 상기 연결관(500)으로 밀어 낸다. 그리고, 작동유체(F)의 대부분은 상기 연결관(500)의 내부에서 압축되며 상기 열교환기(600)로부터 열을 공급받는다. In addition, in the fourth stroke (equivalent process of receiving heat), the first piston 220 is operated by the working fluid F of the first space S1 expanded by receiving the heat energy of the heat source 100. Move to bottom dead center. Then, the second piston 420 reaches the bottom dead center and pushes most of the working fluid (F) of the second space (S2) to the connecting pipe (500). In addition, most of the working fluid (F) is compressed in the connection pipe 500 and receives heat from the heat exchanger (600).

이 과정에서, 상기 크랭크 샤프트(700)는 상기 제1 커넥팅 로드(230)를 통해 상기 제1 피스톤(220)으로부터 구동력을 전달받고 상기 제2 커넥팅 로드(430)를 통해 구동력을 전달받아 회전되며 기계적인 일을 한다. In this process, the crankshaft 700 receives the driving force from the first piston 220 through the first connecting rod 230 and rotates by receiving the driving force through the second connecting rod 430. Do the normal work.

그러나, 이러한 종래의 스털링 엔진에 있어서는, 가열부(200)와 냉각부(400)가 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 90도로 배치됨에 따라, 냉각부(400)가 히트 소스(100)에 인접하게 되고, 히트 소스(100)의 열에너지 중 일부가 냉각부(400)로 전달되어, 가열부(200)와 냉각부(400) 사이 온도 차이가 감소됨에 따라, 성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있었다. However, in such a conventional Stirling engine, as the heating part 200 and the cooling part 400 are disposed at 90 degrees with respect to the crankshaft 700, the cooling part 400 is adjacent to the heat source 100. Then, some of the heat energy of the heat source 100 is transferred to the cooling unit 400, the temperature difference between the heating unit 200 and the cooling unit 400 is reduced, there was a problem that the performance and efficiency is lowered.

또한, 종래의 스털링 엔진을 포함하는 엔진 시스템의 경우, 요구되는 출력에 따라, 스털링 엔진을 교체해야 하는 문제점이 있었다. In addition, in the case of an engine system including a conventional Stirling engine, there is a problem in that the Stirling engine needs to be replaced according to a required output.

대한민국 등록특허 10-1239846호Republic of Korea Patent Registration 10-1239846

따라서, 본 발명은, 히트 소스의 열에너지가 냉각부로 전달되는 것을 방지하여 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a Stirling engine and an engine system including the same, which can prevent heat energy of a heat source from being transferred to a cooling unit and improve performance and efficiency.

또한, 본 발명은, 스털링 엔진을 교체하지 않고도 요구되는 출력을 충족시킬 수 있는 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템을 을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a Stirling engine and an engine system including the same that can satisfy a required output without replacing the Stirling engine.

본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 히트 소스에 의해 가열되는 제1 공간을 갖는 가열부; 히트 싱크에 의해 냉각되는 제2 공간을 갖는 냉각부; 상기 제1 공간과 상기 제2 공간을 연통시키는 연결관; 및 상기 제1 공간과 상기 제2 공간의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트;를 포함하고, 상기 가열부와 상기 냉각부는 상기 크랭크 샤프트를 기준으로 서로 반대측에 형성되는 스털링 엔진을 제공한다. The present invention, the heating unit having a first space is heated by a heat source to achieve the above object; A cooling unit having a second space cooled by a heat sink; A connecting pipe communicating the first space with the second space; And a crank shaft rotated according to a volume change of the first space and the second space, wherein the heating part and the cooling part are provided on opposite sides with respect to the crank shaft.

상기 가열부는, 제1 실린더; 및 상기 제1 실린더의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제1 실린더와 함께 상기 제1 공간을 형성하는 제1 피스톤;을 포함하고, 상기 냉각부는, 제2 실린더; 및 상기 제2 실린더의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제2 실린더와 함께 상기 제2 공간을 형성하는 제2 피스톤;을 포함하고, 상기 제2 실린더와 상기 제2 피스톤은 상기 크랭크 샤프트를 기준으로 상기 제1 실린더와 상기 제1 피스톤의 반대측에 형성될 수 있다. The heating unit, the first cylinder; And a first piston provided in the first cylinder to reciprocate and forming the first space together with the first cylinder, wherein the cooling unit comprises: a second cylinder; And a second piston provided reciprocally in the second cylinder and forming the second space together with the second cylinder, wherein the second cylinder and the second piston are based on the crankshaft. As a result it may be formed on the opposite side of the first cylinder and the first piston.

상기 크랭크 샤프트를 수용하면서 상기 제1 실린더 및 상기 제2 실린더와 연통되는 크랭크실;을 더 포함하고, 상기 제1 실린더는 상기 크랭크실을 기준으로 중력 반대 방향 측에 형성되고, 상기 제2 실린더는 상기 크랭크실을 기준으로 중력 방향 측에 형성될 수 있다. And a crank chamber configured to receive the crank shaft and communicate with the first cylinder and the second cylinder, wherein the first cylinder is formed on a side opposite to gravity based on the crank chamber, and the second cylinder It may be formed on the side of the gravity direction based on the crank chamber.

상기 연결관을 통해 상기 제1 공간과 상기 제2 공간 사이를 유동하는 작동유체는 윤활유를 포함할 수 있다. The working fluid flowing between the first space and the second space through the connecting pipe may include a lubricant.

상기 크랭크실은 단열재 또는 열전달율이 낮은 재질로 형성될 수 있다. The crank chamber may be formed of a heat insulating material or a material having a low heat transfer rate.

상기 연결관을 통과하는 작동유체와 열교환되는 열교환기를 더 포함하고, 상기 연결관은, 상기 제1 공간과 연통되는 제1 관; 상기 제2 공간과 연통되는 제2 관; 및 상기 제1 관 및 상기 제2 관에 연통되고 상기 열교환기가 수용되는 열교환관;을 포함하고, 상기 열교환관은 상기 크랭크실에 수용될 수 있다. Further comprising a heat exchanger that exchanges heat with the working fluid passing through the connecting pipe, the connecting pipe, the first pipe in communication with the first space; A second tube communicating with the second space; And a heat exchange tube communicating with the first tube and the second tube and accommodating the heat exchanger, wherein the heat exchange tube may be accommodated in the crank chamber.

상기 크랭크 샤프트는, 회전축; 상기 회전축으로부터 회전 반경 방향으로 연장되는 제1 크랭크 암; 및 상기 회전축으로부터 회전 반경 방향으로 연장되되 상기 제1 크랭크 암과 다른 방향으로 연장되는 제2 크랭크 암;을 포함하고, 상기 가열부는, 상기 제1 피스톤과 상기 제1 크랭크 암을 연결하는 제1 커넥팅 로드;를 더 포함하고, 상기 냉각부는, 상기 제2 피스톤과 상기 제2 크랭크 암을 연결하는 제2 커넥팅 로드;를 더 포함할 수 있다. The crankshaft, the rotating shaft; A first crank arm extending in a rotational radial direction from the rotation axis; And a second crank arm extending in a rotational radial direction from the rotation axis and extending in a direction different from that of the first crank arm, wherein the heating unit comprises: a first connecting connecting the first piston and the first crank arm; A rod further includes; The cooling unit may further include a second connecting rod connecting the second piston and the second crank arm.

상기 크랭크 샤프트는, 상기 크랭크 샤프트의 회전력을 저장 및 방출하는 플라이 휠;을 더 포함할 수 있다. The crankshaft may further include a flywheel that stores and releases rotational force of the crankshaft.

또한, 본 발명은, 상기 스털링 엔진을 복수 개 포함하는 엔진 시스템을 제공한다. The present invention also provides an engine system including a plurality of the Stirling engines.

상기 복수 개의 스털링 엔진 중 임의의 스털링 엔진을 제n 스털링 엔진이라 하고, 상기 제n 스털링 엔진에 인접하는 스털링 엔진을 제n+1 스털링 엔진이라 하면, 상기 제n 스털링 엔진은 상기 제n+1 스털링 엔진에 탈착 가능한 모듈로 형성될 수 있다. If any one of the plurality of Stirling engines is called an n-th Stirling engine, and the Stirling engine adjacent to the n-th Stirling engine is an n + 1 Stirling engine, the n-th Stirling engine is the n + 1 Stirling engine. It may be formed as a module detachable to the engine.

상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트는 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트와 연결 및 분리 가능하게 형성될 수 있다. The crankshaft of the nth Stirling engine may be formed to be connectable to and detachable from the crankshaft of the n + 1 stirling engine.

상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트가 연결될 때, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트를 포함하는 가상의 평면을 기준면이라 하면, 상기 제n 스털링 엔진의 가열부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부는 상기 기준면의 일측에 형성되고, 상기 제n 스털링 엔진의 냉각부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부는 상기 기준면의 타측에 형성될 수 있다. When the crankshaft of the n-th Stirling engine and the crankshaft of the n-th Stirling engine are connected, the virtual plane including the crankshaft of the n-th Stirling engine and the crankshaft of the n-th Stirling engine For example, the heating unit of the n-th Stirling engine and the heating unit of the n-th Stirling engine are formed on one side of the reference plane, and the cooling unit of the n-th Stirling engine and the cooling unit of the n + 1 stirling engine It may be formed on the other side of the reference plane.

상기 제n 스털링 엔진의 가열부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부는 보일러 측에 형성되고, 상기 제n 스털링 엔진의 냉각부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부는 지면 측에 형성될 수 있다. The heating part of the n-th Stirling engine and the heating part of the n-th Stirling engine may be formed at a boiler side, and the cooling part of the n-th Stirling engine and the cooling part of the n-th Stirling engine may be formed at the ground side. have.

상기 제n 스털링 엔진의 가열부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부는 전기 자동차의 전기 모터 측에 형성되고, 상기 제n 스털링 엔진의 냉각부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부는 외기 측에 형성될 수 있다. The heating part of the nth Stirling engine and the heating part of the n + 1 Stirling engine are formed on the electric motor side of the electric vehicle, and the cooling part of the nth Stirling engine and the cooling part of the n + 1 stirling engine Can be formed on.

상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트는 발전기에 연결될 수 있다. The crankshaft of the nth Stirling engine and the crankshaft of the n + 1 stirling engine may be connected to a generator.

본 발명에 의한 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템은, 히트 소스에 의해 가열되는 제1 공간을 갖는 가열부; 히트 싱크에 의해 냉각되는 제2 공간을 갖는 냉각부; 상기 제1 공간과 상기 제2 공간을 연통시키는 연결관; 및 상기 제1 공간과 상기 제2 공간의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트;를 포함하고, 상기 가열부와 상기 냉각부는 상기 크랭크 샤프트를 기준으로 서로 반대측에 형성됨에 따라, 가열부를 가열하는 히트 소스의 열에너지가 냉각부로 전달되는 것을 방지함으로써, 냉각부의 온도가 상승되는 것을 방지하고, 가열부와 냉각부 사이 온도 차이가 감소되는 것을 방지하여, 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. A Stirling engine and an engine system including the same according to the present invention include a heating unit having a first space heated by a heat source; A cooling unit having a second space cooled by a heat sink; A connecting pipe communicating the first space with the second space; And a crank shaft rotated according to a volume change of the first space and the second space, wherein the heating part and the cooling part are formed on opposite sides with respect to the crank shaft. By preventing heat energy from being transferred to the cooling unit, it is possible to prevent the temperature of the cooling unit from being raised and to prevent the temperature difference between the heating unit and the cooling unit from being reduced, thereby improving performance and efficiency.

또한, 상기 스털링 엔진을 복수 개 포함하고, 상기 복수 개의 스털링 엔진이 탈착 가능한 모듈로 형성됨에 따라, 요구되는 출력에 따라 무한히 확장 가능한 엔진 시스템을 구성할 수 있다. 이에 의하여, 스털링 엔진을 교체하지 않고도 요구되는 출력을 충족시킬 수 있다. In addition, since the plurality of Stirling engines are included, and the plurality of Stirling engines are formed as a detachable module, an infinitely expandable engine system may be configured according to a required output. This makes it possible to meet the required power without replacing the Stirling engine.

도 1은 종래의 스털링 엔진을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템을 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제1 행정 상태를 도시한 단면도,
도 4는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제2 행정 상태를 도시한 단면도,
도 5는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제3 행정 상태를 도시한 단면도,
도 6은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제4 행정 상태를 도시한 단면도,
도 7은 도 2의 엔진 시스템이 적용된 사례를 도시한 계통도,
도 8은 도 2의 엔진 시스템이 적용된 다른 사례를 도시한 계통도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional Stirling engine,
2 is a perspective view illustrating a Stirling engine and an engine system including the same according to an embodiment of the present invention;
3 is a sectional view taken along the line I-I of FIG. 2, showing a first stroke;
4 is a sectional view taken along the line II of FIG. 2 and showing a second stroke state;
5 is a cross-sectional view illustrating a third stroke state as a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 2;
6 is a cross-sectional view showing a fourth stroke state as a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 2;
7 is a schematic diagram illustrating an example in which the engine system of FIG. 2 is applied;
8 is a schematic diagram illustrating another example in which the engine system of FIG. 2 is applied.

이하, 본 발명에 의한 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a Stirling engine and an engine system including the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스털링 엔진 및 이를 포함하는 엔진 시스템을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제1 행정 상태를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제2 행정 상태를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제3 행정 상태를 도시한 단면도이며, 도 6은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 제4 행정 상태를 도시한 단면도이다. FIG. 2 is a perspective view illustrating a Stirling engine and an engine system including the same according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a first stroke as a cross-sectional view taken along line I-I of FIG. It is sectional drawing which showed the 2nd stroke state as the sectional view of the II line of FIG. 2, FIG. 5 is sectional drawing which shows the 3rd stroke state as the sectional view of the line I-I of FIG. 2, and FIG. It is sectional drawing which shows 4th stroke state as line sectional drawing.

첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스털링 엔진은, 히트 소스(100)에 의해 가열되는 제1 공간(S1)을 갖는 가열부(200), 히트 싱크(300)에 의해 냉각되는 제2 공간(S2)을 갖는 냉각부(400), 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)을 연통시키는 연결관(500), 상기 연결관(500)을 통과하는 작동유체(F)와 열교환되는 열교환기(600) 및 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트(700)를 포함하고, 상기 제1 공간(S1), 상기 연결관(500) 및 상기 제2 공간(S2)에는 작동유체(F)가 충진될 수 있다. 2 to 6, the Stirling engine according to an embodiment of the present invention includes a heating unit 200 and a heat sink 300 having a first space S1 heated by the heat source 100. Cooling unit 400 having a second space (S2) to be cooled by), the connecting pipe 500 for communicating the first space (S1) and the second space (S2), the connecting pipe (500) And a crankshaft 700 that is rotated according to a volume change of the first space S1 and the second space S2, and a heat exchanger 600 that exchanges heat with the working fluid F passing therethrough. A working fluid F may be filled in the space S1, the connection pipe 500, and the second space S2.

상기 가열부(200)는, 제1 실린더(210), 상기 제1 실린더(210)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제1 실린더(210)와 함께 상기 제1 공간(S1)을 형성하는 제1 피스톤(220) 및 상기 제1 피스톤(220)과 상기 크랭크 샤프트(700)를 연결하는 제1 커넥팅 로드(230)를 포함할 수 있다. The heating unit 200 is provided in the first cylinder 210, the inside of the first cylinder 210 so as to reciprocate and to form the first space (S1) with the first cylinder (210). It may include a first piston 220 and a first connecting rod 230 for connecting the first piston 220 and the crankshaft 700.

상기 냉각부(400)는, 제2 실린더(410), 상기 제2 실린더(410)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제2 실린더(410)와 함께 상기 제2 공간(S2)을 형성하는 제2 피스톤(420) 및 상기 제2 피스톤(420)과 상기 크랭크 샤프트(700)를 연결하는 제2 커넥팅 로드(430)를 포함할 수 있다. The cooling unit 400 is provided in the second cylinder 410, the second cylinder 410 so as to be reciprocated and to form the second space (S2) with the second cylinder 410. It may include a second piston 420 and a second connecting rod 430 connecting the second piston 420 and the crankshaft 700.

상기 연결관(500)은, 상기 제1 공간(S1)과 연통되는 제1 관(510), 상기 제2 공간(S2)과 연통되는 제2 관(520) 및 상기 제1 관(510) 및 상기 제2 관(520)에 연통되고 상기 열교환기(600)가 수용되는 열교환관(530)을 포함할 수 있다. The connecting pipe 500 may include a first pipe 510 communicating with the first space S1, a second pipe 520 and the first pipe 510 communicating with the second space S2, and It may include a heat exchange tube 530 communicated with the second tube 520 and the heat exchanger 600 is accommodated.

상기 열교환기(600)는 금속망을 포함할 수 있다. The heat exchanger 600 may include a metal mesh.

상기 크랭크 샤프트(700)는, 회전축(710), 상기 회전축(710)으로부터 회전 반경 방향으로 연장되고 상기 제1 커넥팅 로드(230)와 힌지 결합되는 제1 크랭크 암(720), 상기 회전축(710)으로부터 회전 반경 방향으로 연장되되 상기 제1 크랭크 암(720)과 다른 방향으로 연장되고 상기 제2 커넥팅 로드(430)와 힌지 결합되는 제2 크랭크 암(730) 및 상기 크랭크 샤프트(700)의 회전력을 저장 및 방출하는 플라이 휠(740)을 포함할 수 있다. The crankshaft 700 includes a rotation shaft 710, a first crank arm 720 extending in a rotational radial direction from the rotation shaft 710 and hinged to the first connecting rod 230, and the rotation shaft 710. Rotation force of the second crank arm 730 and the crank shaft 700 extending in the radial direction from the rotation direction extending in a direction different from the first crank arm 720 and hinged to the second connecting rod 430 It may include a flywheel 740 that stores and releases.

그리고, 상기 크랭크 샤프트(700)는, 상기 제1 실린더(210) 및 상기 제2 실린더(410)와 연통되는 크랭크실(800)의 내부에 수용될 수 있다. The crankshaft 700 may be accommodated in the crank chamber 800 that communicates with the first cylinder 210 and the second cylinder 410.

여기서, 상기 냉각부(400)는 상기 히트 소스(100)와 단열되게 형성될 수 있다. Here, the cooling unit 400 may be formed to be insulated from the heat source 100.

구체적으로, 상기 가열부(200)와 상기 냉각부(400)는 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 서로 반대측에 형성될 수 있다. In detail, the heating unit 200 and the cooling unit 400 may be formed on opposite sides of the crankshaft 700.

즉, 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220)은, 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)이 상기 크랭크실(800)(더욱 정확히는, 크랭크 샤프트(700))를 기준으로 서로 반대 측에 위치되도록, 상기 크랭크실(800)을 기준으로 상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420)의 반대측에 형성될 수 있다. That is, the first cylinder 210 and the first piston 220, the first space (S1) and the second space (S2) is the crank chamber 800 (more precisely, the crank shaft 700) It may be formed on the opposite side of the second cylinder 410 and the second piston 420 with respect to the crank chamber 800 to be located on the opposite side with respect to).

바람직하게는, 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220)은 상기 크랭크실(800)을 기준으로 중력 반대 방향 측에 형성되고, 상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420)은 상기 크랭크실(800)을 기준으로 중력 방향 측에 형성될 수 있다. Preferably, the first cylinder 210 and the first piston 220 are formed on the side opposite to gravity based on the crank chamber 800, and the second cylinder 410 and the second piston ( The 420 may be formed at the side of the gravity direction based on the crank chamber 800.

그리고, 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220)은 상기 제1 피스톤(220)이 상기 크랭크 샤프트(700)에 가까워지고 멀어지는 방향으로 왕복 운동되게 형성되고, 상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420)은 상기 제2 피스톤(420)이 상기 크랭크 샤프트(700)에 가까워지고 멀어지는 방향으로 왕복 운동되되 상기 제2 피스톤(420)의 왕복 운동 방향이 상기 제1 피스톤(220)의 왕복 운동 방향과 평행하도록 형성될 수 있다. In addition, the first cylinder 210 and the first piston 220 are formed such that the first piston 220 is reciprocated in a direction closer to and away from the crankshaft 700, the second cylinder 410 ) And the second piston 420 are reciprocated in a direction in which the second piston 420 is close to and away from the crankshaft 700, but the reciprocating direction of the second piston 420 is the first piston ( It may be formed to be parallel to the reciprocating direction of 220.

이러한 본 실시예에 따른 스털링 엔진은, 상기 연결관(500)을 통해 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2) 사이를 왕복하는 작동유체(F)의 상태를 변화시켜 기계적인 일을 할 수 있다. The Stirling engine according to the present embodiment is a mechanical work by changing the state of the working fluid (F) reciprocating between the first space (S1) and the second space (S2) through the connecting pipe (500). can do.

구체적으로, 먼저, 제1 행정(등온팽창 과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상기 히트 소스(100)의 열에너지를 받아 팽창되는 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)에 의해 하사점에 도달될 수 있다. 그리고, 상기 제1 피스톤(220)보다 90도 늦는 위상차를 갖는 상기 제2 피스톤(420)이 하사점 측으로 이동되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)를 팽창시킬 수 있다. Specifically, first, in the first stroke (isothermal expansion process), by the working fluid (F) of the first space (S1) in which the first piston 220 is expanded by receiving the heat energy of the heat source (100). Bottom dead center can be reached. In addition, the second piston 420 having a phase difference that is 90 degrees later than the first piston 220 may be moved to the bottom dead center and expand the working fluid F of the second space S2.

다음으로, 제2 행정(열을 빼앗기는 등적 과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상사점 측으로 이동되며 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)를 상기 연결관(500)으로 밀어 낼 수 있다. 그리고, 상기 제2 피스톤(420)이 하사점에 도달되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)를 더 팽창시킬 수 있다. 그리고, 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)가 상기 연결관(500)을 통해 상기 제2 공간(S2)으로 이동될 수 있다. 여기서, 상기 제1 공간(S1)으로부터 상기 제2 공간(S2)으로 이동되는 작동유체(F)는 상기 열교환기(600)에 열을 빼앗기고 냉각될 수 있다. Next, in the second stroke (equivalent process of losing heat), the first piston 220 is moved to the top dead center side and pushes the working fluid F of the first space S1 to the connecting pipe 500. I can make it. In addition, the second piston 420 reaches the bottom dead center and may further expand the working fluid F of the second space S2. In addition, the working fluid F of the first space S1 may be moved to the second space S2 through the connection pipe 500. Here, the working fluid (F) moved from the first space (S1) to the second space (S2) can be cooled by taking heat away from the heat exchanger (600).

그리고, 제3 행정(등온압축 과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상사점에 도달되며 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)의 대부분을 상기 연결관(500)으로 밀어 낼 수 있다. 그리고, 상기 제2 피스톤(420)이 상사점 측으로 이동되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)를 압축할 수 있다. 여기서, 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)는 상기 히트 싱크(300)로 열을 방출하여 낮은 온도를 유지하면서 압축될 수 있다. In the third stroke (isothermal compression process), the first piston 220 reaches the top dead center and pushes most of the working fluid F of the first space S1 to the connecting pipe 500. Can be. In addition, the second piston 420 is moved to the top dead center side to compress the working fluid (F) of the second space (S2). Here, the working fluid F of the second space S2 may be compressed while maintaining a low temperature by dissipating heat to the heat sink 300.

그리고, 제4 행정(열을 공급받는 등적과정)에서는, 상기 제1 피스톤(220)이 상기 히트 소스(100)의 열에너지를 받아 팽창되는 상기 제1 공간(S1)의 작동유체(F)에 의해 하사점 측으로 이동될 수 있다. 그리고, 상기 제2 피스톤(420)이 하사점에 도달되며 상기 제2 공간(S2)의 작동유체(F)의 대부분을 상기 연결관(500)으로 밀어 낼 수 있다. 그리고, 작동유체(F)의 대부분은 상기 연결관(500)의 내부에서 압축되며 상기 열교환기(600)로부터 열을 공급받을 수 있다. In addition, in the fourth stroke (equivalent process of receiving heat), the first piston 220 is operated by the working fluid F of the first space S1 expanded by receiving the heat energy of the heat source 100. It can be moved to the bottom dead center. In addition, the second piston 420 reaches the bottom dead center and can push most of the working fluid F of the second space S2 into the connecting pipe 500. And, most of the working fluid (F) is compressed in the connection pipe 500 can be supplied with heat from the heat exchanger (600).

이 과정에서, 상기 크랭크 샤프트(700)는 상기 제1 커넥팅 로드(230)를 통해 상기 제1 피스톤(220)으로부터 구동력을 전달받고 상기 제2 커넥팅 로드(430)를 통해 구동력을 전달받아 회전되며 기계적인 일을 할 수 있다. In this process, the crankshaft 700 receives the driving force from the first piston 220 through the first connecting rod 230 and rotates by receiving the driving force through the second connecting rod 430. Can do something

여기서, 본 실시예에 따른 스털링 엔진은, 상기 냉각부(400)가 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 상기 가열부(200)의 반대측에 형성됨에 따라, 상기 가열부(200)를 가열하는 상기 히트 소스(100)의 열에너지가 상기 냉각부(400)로 전달되는 것이 방지될 수 있다. 이에 의하여, 상기 냉각부(400)의 온도가 상승되는 것이 방지되고, 상기 가열부(200)와 상기 냉각부(400) 사이 온도 차이가 감소되는 것이 방지되어, 성능 및 효율이 향상될 수 있다. Here, in the Stirling engine according to the present embodiment, as the cooling unit 400 is formed on the opposite side of the heating unit 200 based on the crankshaft 700, the heating unit 200 is heated. Heat energy of the heat source 100 may be prevented from being transferred to the cooling unit 400. As a result, the temperature of the cooling unit 400 is prevented from being raised, and the temperature difference between the heating unit 200 and the cooling unit 400 is prevented from being reduced, thereby improving performance and efficiency.

그리고, 상기 크랭크실(800)이 단열재 또는 열전달율이 낮은 재질로 형성될 경우, 상기 가열부(200)의 열에너지가 상기 냉각부(400)로 전달되는 것이 감소되어, 성능 및 효율이 더욱 향상될 수 있다. In addition, when the crank chamber 800 is formed of a heat insulating material or a material having a low heat transfer rate, the heat energy of the heating part 200 is transmitted to the cooling part 400 to be reduced, thereby further improving performance and efficiency. have.

그리고, 상기 크랭크실(800)이 단열재 또는 열전달율이 낮은 재질로 형성되고, 상기 열교환기(600)가 상기 크랭크실(800)에 수용될 경우, 상기 열교환기(600)가 작동유체(F)로부터 빼앗은 열에너지가 외부로 발산되는 것이 방지되어, 성능 및 효율이 더욱 향상될 수 있다. In addition, when the crank chamber 800 is formed of a heat insulating material or a material having a low heat transfer rate, and the heat exchanger 600 is accommodated in the crank chamber 800, the heat exchanger 600 is operated from the working fluid F. The captured thermal energy is prevented from being dissipated to the outside, so that performance and efficiency can be further improved.

그리고, 작동유체(F)는 각종 습동부를 윤활하기 위한 윤활유를 포함할 수 있는데, 상기 가열부(200)가 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 중력 반대 방향 측에 형성되고, 상기 냉각부(400)가 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 중력 방향 측에 형성됨에 따라, 윤활유가 상기 스털링 엔진의 내부를 원활히 순환하며 각종 습동부를 윤활시킬 수 있다. 구체적으로, 윤활유는 중력에 의해 상기 제2 공간(S2)의 저부에 저유될 수 있다. 상기 제2 공간(S2)에 저유된 윤활유는 상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420) 사이 습동부를 윤활할 수 있다. 그리고, 상기 제2 공간(S2)의 윤활유는 작동유체(F)와 함께 상기 연결관(500)을 통해 상기 제1 공간(S1)으로 이동되어 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220) 사이 습동부를 윤활할 수 있다. 그리고, 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220) 사이 습동부를 윤활한 윤활유 중 일부는 작동유체(F)와 함께 상기 연결관(500)을 통해 상기 제2 공간(S2)으로 복귀될 수 있다. 그리고, 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220) 사이 습동부를 윤활한 윤활유 중 일부는 상기 크랭크실(800) 측으로 유입될 수 있다. 그리고, 상기 크랭크실(800)로 유입된 윤활유는 상기 제1 피스톤(220)과 상기 제1 커넥팅 로드(230) 사이 습동부를 윤활할 수 있다. 그리고, 상기 크랭크실(800)로 유입된 윤활유는 중력에 의해 상기 제2 실린더(410) 측으로 이동되며 상기 제1 커넥팅 로드(230)와 상기 크랭크 샤프트(700) 사이 습동부 및 상기 제2 커넥팅 로드(430)와 상기 크랭크 샤프트(700) 사이 습동부를 윤활할 수 있다. 그리고, 상기 크랭크실(800)을 통해 상기 제2 실린더(410)로 유입된 윤활유는 상기 제2 커넥팅 로드(430)와 상기 제2 피스톤(420) 사이 습동부 및 상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420) 사이를 윤활한 후 상기 제2 공간(S2)에 유입될 수 있다. In addition, the working fluid F may include a lubricating oil for lubricating various sliding parts, wherein the heating part 200 is formed on the side opposite to gravity based on the crankshaft 700, and the cooling part ( As the 400 is formed on the crankshaft 700 on the side of the gravity direction, the lubricating oil can smoothly circulate inside the Stirling engine and lubricate various sliding parts. Specifically, the lubricating oil may be stored in the bottom of the second space S2 by gravity. The lubricant oil stored in the second space S2 may lubricate the sliding part between the second cylinder 410 and the second piston 420. In addition, the lubricating oil of the second space S2 is moved to the first space S1 through the connecting pipe 500 together with the working fluid F, so that the first cylinder 210 and the first piston ( 220) the sliding part can be lubricated. In addition, some of the lubricating oil lubricating the sliding portion between the first cylinder 210 and the first piston 220 is transferred to the second space S2 through the connecting pipe 500 together with the working fluid F. Can be returned. In addition, some of the lubricating oil lubricating the sliding portion between the first cylinder 210 and the first piston 220 may flow into the crank chamber 800 side. In addition, the lubricating oil introduced into the crank chamber 800 may lubricate the sliding part between the first piston 220 and the first connecting rod 230. In addition, the lubricating oil introduced into the crank chamber 800 is moved toward the second cylinder 410 by gravity, and the sliding part and the second connecting rod between the first connecting rod 230 and the crank shaft 700 are moved. The sliding part 430 may be lubricated between the crankshaft 700. In addition, the lubricating oil introduced into the second cylinder 410 through the crank chamber 800 may include a sliding part between the second connecting rod 430 and the second piston 420, and the second cylinder 410. After lubricating between the second piston 420 may be introduced into the second space (S2).

그리고, 상기 크랭크 샤프트(700)는 상기 플라이 휠(740)을 포함하고, 상기 플라이 휠(740)이 일정의 트리거(trigger) 역할을 수행함에 따라, 상기 스털링 엔진이 연속적으로 구동될 수 있다. In addition, the crankshaft 700 includes the flywheel 740, and as the flywheel 740 performs a predetermined trigger, the Stirling engine may be continuously driven.

한편, 본 실시예의 경우, 요구되는 출력 수준이 하나의 스털링 엔진이 낼 수 있는 출력 수준을 상회하더라도 이를 충족시키기 위해, 상기 스털링 엔진은 복수 개 구비되어 엔진 시스템을 구성할 수 있다. On the other hand, in the present embodiment, even if the required output level exceeds the output level that can be produced by one Stirling engine, a plurality of Stirling engines may be provided to constitute the engine system.

그리고, 상기 스털링 엔진은 요구되는 출력에 따라 무한히 확장 가능한 엔진 시스템을 구성하도록 탈착 가능한 모듈로 형성될 수 있다. In addition, the Stirling engine may be formed of a detachable module to form an engine system that is infinitely expandable according to a required output.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 상기 스털링 엔진이 복수 개 구비되고, 상기 복수 개의 스털링 엔진 중 임의의 스털링 엔진을 제n 스털링 엔진이라 하고, 상기 제n 스털링 엔진에 인접하는 스털링 엔진을 제n+1 스털링 엔진이라 하면, 상기 제n 스털링 엔진이 상기 제n+1 스털링 엔진에 탈착 가능하게 형성될 수 있다. That is, as shown in FIG. 2, the engine system according to the present embodiment includes a plurality of Stirling engines, and any of the Stirling engines among the plurality of Stirling engines is referred to as an n-th Stirling engine, and the n-th Stirling engine. When the Stirling engine adjacent to the engine is called an n + 1 Stirling engine, the nth Stirling engine may be detachably formed to the n + 1 Stirling engine.

즉, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)는 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 직접 또는 간접적으로 연결 및 분리 가능하게 형성될 수 있다. That is, the crankshaft 700 of the n-th Stirling engine may be formed to be directly or indirectly connected to or detached from the crankshaft 700 of the n + 1 Stirling engine.

구체적으로, 상기 크랭크 샤프트(700)의 일단부와 타단부는 각각 상기 크랭크실(800)을 관통하여 상기 스털링 엔진의 외부에 노출 가능하게 형성될 수 있다. Specifically, one end and the other end of the crankshaft 700 may be formed to penetrate the crank chamber 800 so as to be exposed to the outside of the Stirling engine.

그리고, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)는, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 일단부가 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 타단부와 직접적으로 연결 및 분리될 수 있다. 여기서, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 일단부와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 타단부는 예를 들어 스플라인 결합될 수 있다. 즉, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 일단부에는 스플라인 돌기가 형성되고, 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 타단부에는 상기 스플라인 돌기와 치합되는 스플라인 홈이 형성될 수 있다. The crankshaft 700 of the n-th Stirling engine and the crankshaft 700 of the n-th Stirling engine have one end of the crankshaft 700 of the n-th Stirling engine the n + 1 Stirling engine. It can be directly connected to and disconnected from the other end of the crankshaft 700 of. Here, one end of the crank shaft 700 of the n-th Stirling engine and the other end of the crank shaft 700 of the n-th Stirling engine may be splined, for example. That is, a spline protrusion is formed at one end of the crank shaft 700 of the n-th Stirling engine, and a spline groove that is engaged with the spline protrusion is formed at the other end of the crank shaft 700 of the n + 1 Stirling engine. Can be.

그리고, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)는, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 일단부가 예를 들어 벨트, 체인 등의 링크장치에 의해 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)의 일단부와 간접적으로 연결 및 분리될 수 있다. The crankshaft 700 of the n-th Stirling engine and the crankshaft 700 of the n-th Stirling engine include one end of the crankshaft 700 of the n-th Stirling engine, for example, a belt or a chain. It can be indirectly connected to and disconnected from one end of the crankshaft 700 of the n + 1 Stirling engine by the link device of the.

여기서, 본 실시예에 따른 엔진 시스템은, 상기 히트 소스(100)의 열에너지가 상기 냉각부(400)로 전달되는 것이 방지되도록, 엔진 시스템 전체의 냉각부(400)가 엔진 시스템 전체의 가열부(200)의 반대측에 배치되도록 형성될 수 있다. Here, in the engine system according to the present embodiment, the cooling unit 400 of the entire engine system includes the heating unit (the whole of the engine system) so that heat energy of the heat source 100 is prevented from being transferred to the cooling unit 400. It may be formed to be disposed on the opposite side of the 200).

즉, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)가 연결될 때, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)를 포함하는 가상의 평면을 기준면이라 하면, 상기 제n 스털링 엔진의 가열부(200)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부(200)는 상기 기준면의 일측에 형성되고, 상기 제n 스털링 엔진의 냉각부(400)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부(400)는 상기 기준면의 타측에 형성될 수 있다. That is, when the crankshaft 700 of the nth Stirling engine and the crankshaft 700 of the n + 1 Stirling engine are connected, the crankshaft 700 and the n + 1 Stirling engine of the nth Stirling engine When the imaginary plane including the crankshaft 700 of the reference plane, the heating unit 200 of the n-th Stirling engine and the heating unit 200 of the n-th + 1 Stirling engine is formed on one side of the reference surface The cooling unit 400 of the n-th Stirling engine and the cooling unit 400 of the n + 1 stirling engine may be formed on the other side of the reference plane.

이에 의하여, 엔진 시스템 전체의 가열부(200)와 냉각부(400) 사이 온도 차이가 감소되는 것이 방지되어, 엔진 시스템 전체의 성능 및 효율이 향상될 수 있다. As a result, the temperature difference between the heating part 200 and the cooling part 400 of the entire engine system can be prevented from being reduced, thereby improving the performance and efficiency of the entire engine system.

그리고, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 온도 차이가 발생되는 환경에 적용되어, 히트 소스(100) 및 히트 싱크(300)의 작동에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. And, as shown in Figure 7 and 8, it is applied to the environment where the temperature difference occurs, it is possible to reduce the energy required for the operation of the heat source 100 and the heat sink 300.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 엔진 시스템이 보일러(B)에 적용되되, 엔진 시스템 전체의 가열부(200)가 보일러(B) 측에 형성되어 보일러(B)에서 발산되는 열에너지를 히트 소스(100)로 사용하고, 엔진 시스템 전체의 냉각부(400)가 지면(E) 측에 형성되어 지면(E)을 히트 싱크(300)로 사용하여, 크랭크 샤프트(700)에 연결되는 발전기(G)를 통한 발전에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. That is, as shown in Figure 7, the engine system according to the present embodiment is applied to the boiler (B), the heating unit 200 of the entire engine system is formed on the boiler (B) side is emitted from the boiler (B) The heat energy to be used as the heat source 100, the cooling unit 400 of the entire engine system is formed on the ground (E) side, using the ground (E) as the heat sink 300, to the crank shaft 700 It is possible to reduce the energy required for power generation through the connected generator (G).

또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 엔진 시스템이 전기 자동차에 적용되되, 엔진 시스템 전체의 가열부(200)가 전기 모터(M) 측에 형성되어 전기 모터(M)에서 발산되는 열에너지를 히트 소스(100)로 사용하고, 엔진 시스템 전체의 냉각부(400)가 외기(A) 측에 형성되어 외기(A)를 히트 싱크(300)로 사용하여, 크랭크 샤프트(700)에 연결되는 발전기(G)를 통한 발전에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. Alternatively, as shown in FIG. 8, the engine system according to the present embodiment is applied to an electric vehicle, and the heating part 200 of the entire engine system is formed on the electric motor M side and radiates from the electric motor M. FIG. The heat energy to be used as the heat source 100, the cooling unit 400 of the entire engine system is formed on the outside air (A) side, using the outside air (A) as the heat sink 300, to the crankshaft 700 It is possible to reduce the energy required for power generation through the connected generator (G).

100: 히트 소스 200: 가열부
210: 제1 실린더 220: 제1 피스톤
230: 제1 커넥팅 로드 300: 히트 싱크
400: 냉각부 410: 제2 실린더
420: 제2 피스톤 430: 제2 커넥팅 로드
500: 연결관 510: 제1 관
520: 제2 관 530: 열교환관
600: 열교환기 700: 크랭크 샤프트
710: 회전축 720: 제1 크랭크 암
730: 제2 크랭크 암 740: 플라이 휠
800: 크랭크실 A: 외기
B: 보일러(B) E: 지면
G: 발전기 M: 전기 모터
S1: 제1 공간 S2: 제2 공간100: heat source 200: heating part
210: first cylinder 220: first piston
230: first connecting rod 300: heat sink
400: cooling unit 410: second cylinder
420: second piston 430: second connecting rod
500: connector 510: first tube
520: second tube 530: heat exchanger tube
600: heat exchanger 700: crankshaft
710: axis of rotation 720: first crank arm
730: second crank arm 740: fly wheel
800: crankcase A: outside air
B: Boiler (B) E: Ground
G: generator M: electric motor
S1: first space S2: second space

Claims (15)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 히트 소스(100)에 의해 가열되는 제1 공간(S1)을 갖는 가열부(200);
히트 싱크(300)에 의해 냉각되는 제2 공간(S2)을 갖는 냉각부(400);
상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)을 연통시키는 연결관(500); 및
상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트(700);를 포함하고,
상기 가열부(200)와 상기 냉각부(400)는 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 서로 반대측에 형성되고,
상기 가열부(200)는, 제1 실린더(210); 및 상기 제1 실린더(210)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제1 실린더(210)와 함께 상기 제1 공간(S1)을 형성하는 제1 피스톤(220);을 포함하고,
상기 냉각부(400)는, 제2 실린더(410); 및 상기 제2 실린더(410)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제2 실린더(410)와 함께 상기 제2 공간(S2)을 형성하는 제2 피스톤(420);을 포함하고,
상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420)은 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220)의 반대측에 형성되고,
상기 크랭크 샤프트(700)를 수용하면서 상기 제1 실린더(210) 및 상기 제2 실린더(410)와 연통되는 크랭크실(800);을 더 포함하고,
상기 제1 실린더(210)는 상기 크랭크실(800)을 기준으로 중력 반대 방향 측에 형성되고,
상기 제2 실린더(410)는 상기 크랭크실(800)을 기준으로 중력 방향 측에 형성되고,
상기 연결관(500)을 통해 상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2) 사이를 유동하는 작동유체(F)는 윤활유를 포함하는 스털링 엔진. A heating unit 200 having a first space S1 heated by the heat source 100;
A cooling unit 400 having a second space S2 cooled by the heat sink 300;
A connection pipe 500 for communicating the first space S1 and the second space S2; And
And a crank shaft 700 rotated according to a volume change of the first space S1 and the second space S2.
The heating unit 200 and the cooling unit 400 are formed on the opposite side with respect to the crankshaft 700,
The heating unit 200, the first cylinder 210; And a first piston 220 provided in the first cylinder 210 so as to be reciprocated and forming the first space S1 together with the first cylinder 210.
The cooling unit 400, the second cylinder (410); And a second piston 420 provided in the second cylinder 410 so as to be reciprocated and forming the second space S2 together with the second cylinder 410.
The second cylinder 410 and the second piston 420 are formed on the opposite side of the first cylinder 210 and the first piston 220 on the basis of the crankshaft 700,
And a crank chamber 800 which receives the crank shaft 700 and communicates with the first cylinder 210 and the second cylinder 410.
The first cylinder 210 is formed on the side opposite to gravity on the basis of the crank chamber 800,
The second cylinder 410 is formed on the side of the gravity direction based on the crank chamber 800,
Stirling engine, the working fluid (F) flowing between the first space (S1) and the second space (S2) through the connecting pipe (500). 히트 소스(100)에 의해 가열되는 제1 공간(S1)을 갖는 가열부(200);
히트 싱크(300)에 의해 냉각되는 제2 공간(S2)을 갖는 냉각부(400);
상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)을 연통시키는 연결관(500); 및
상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트(700);를 포함하고,
상기 가열부(200)와 상기 냉각부(400)는 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 서로 반대측에 형성되고,
상기 가열부(200)는, 제1 실린더(210); 및 상기 제1 실린더(210)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제1 실린더(210)와 함께 상기 제1 공간(S1)을 형성하는 제1 피스톤(220);을 포함하고,
상기 냉각부(400)는, 제2 실린더(410); 및 상기 제2 실린더(410)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제2 실린더(410)와 함께 상기 제2 공간(S2)을 형성하는 제2 피스톤(420);을 포함하고,
상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420)은 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220)의 반대측에 형성되고,
상기 크랭크 샤프트(700)를 수용하면서 상기 제1 실린더(210) 및 상기 제2 실린더(410)와 연통되는 크랭크실(800);을 더 포함하고,
상기 제1 실린더(210)는 상기 크랭크실(800)을 기준으로 중력 반대 방향 측에 형성되고,
상기 제2 실린더(410)는 상기 크랭크실(800)을 기준으로 중력 방향 측에 형성되고,
상기 크랭크실(800)은 단열재 또는 열전달율이 낮은 재질로 형성되는 스털링 엔진. A heating unit 200 having a first space S1 heated by the heat source 100;
A cooling unit 400 having a second space S2 cooled by the heat sink 300;
A connection pipe 500 for communicating the first space S1 and the second space S2; And
And a crank shaft 700 rotated according to a volume change of the first space S1 and the second space S2.
The heating unit 200 and the cooling unit 400 are formed on the opposite side with respect to the crankshaft 700,
The heating unit 200, the first cylinder 210; And a first piston 220 provided in the first cylinder 210 so as to be reciprocated and forming the first space S1 together with the first cylinder 210.
The cooling unit 400, the second cylinder (410); And a second piston 420 provided in the second cylinder 410 so as to be reciprocated and forming the second space S2 together with the second cylinder 410.
The second cylinder 410 and the second piston 420 are formed on the opposite side of the first cylinder 210 and the first piston 220 on the basis of the crankshaft 700,
And a crank chamber 800 which receives the crank shaft 700 and communicates with the first cylinder 210 and the second cylinder 410.
The first cylinder 210 is formed on the side opposite to gravity on the basis of the crank chamber 800,
The second cylinder 410 is formed on the side of the gravity direction based on the crank chamber 800,
The crank chamber 800 is a Stirling engine formed of a heat insulating material or a low heat transfer material. 제5항에 있어서,
상기 연결관(500)을 통과하는 작동유체(F)와 열교환되는 열교환기(600)를 더 포함하고,
상기 연결관(500)은,
상기 제1 공간(S1)과 연통되는 제1 관(510);
상기 제2 공간(S2)과 연통되는 제2 관(520); 및
상기 제1 관(510) 및 상기 제2 관(520)에 연통되고 상기 열교환기(600)가 수용되는 열교환관(530);을 포함하고,
상기 열교환관(530)은 상기 크랭크실(800)에 수용되는 스털링 엔진. The method of claim 5,
Further comprising a heat exchanger 600 for heat exchange with the working fluid (F) passing through the connecting pipe 500,
The connector 500 is,
A first pipe 510 communicating with the first space S1;
A second pipe 520 communicating with the second space S2; And
And a heat exchange tube 530 communicating with the first tube 510 and the second tube 520 and accommodating the heat exchanger 600.
The heat exchange tube (530) is a Stirling engine accommodated in the crank chamber (800). 히트 소스(100)에 의해 가열되는 제1 공간(S1)을 갖는 가열부(200);
히트 싱크(300)에 의해 냉각되는 제2 공간(S2)을 갖는 냉각부(400);
상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)을 연통시키는 연결관(500); 및
상기 제1 공간(S1)과 상기 제2 공간(S2)의 체적 변화에 따라 회전되는 크랭크 샤프트(700);를 포함하고,
상기 가열부(200)와 상기 냉각부(400)는 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 서로 반대측에 형성되고,
상기 가열부(200)는, 제1 실린더(210); 및 상기 제1 실린더(210)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제1 실린더(210)와 함께 상기 제1 공간(S1)을 형성하는 제1 피스톤(220);을 포함하고,
상기 냉각부(400)는, 제2 실린더(410); 및 상기 제2 실린더(410)의 내부에 왕복 운동 가능하게 구비되고 상기 제2 실린더(410)와 함께 상기 제2 공간(S2)을 형성하는 제2 피스톤(420);을 포함하고,
상기 제2 실린더(410)와 상기 제2 피스톤(420)은 상기 크랭크 샤프트(700)를 기준으로 상기 제1 실린더(210)와 상기 제1 피스톤(220)의 반대측에 형성되고,
상기 크랭크 샤프트(700)는, 회전축(710); 상기 회전축(710)으로부터 회전 반경 방향으로 연장되는 제1 크랭크 암(720); 및 상기 회전축(710)으로부터 회전 반경 방향으로 연장되되 상기 제1 크랭크 암(720)과 다른 방향으로 연장되는 제2 크랭크 암(730);을 포함하고,
상기 가열부(200)는, 상기 제1 피스톤(220)과 상기 제1 크랭크 암(720)을 연결하는 제1 커넥팅 로드(230);를 더 포함하고,
상기 냉각부(400)는, 상기 제2 피스톤(420)과 상기 제2 크랭크 암(730)을 연결하는 제2 커넥팅 로드(430);를 더 포함하는 스털링 엔진. A heating unit 200 having a first space S1 heated by the heat source 100;
A cooling unit 400 having a second space S2 cooled by the heat sink 300;
A connection pipe 500 for communicating the first space S1 and the second space S2; And
And a crank shaft 700 rotated according to a volume change of the first space S1 and the second space S2.
The heating unit 200 and the cooling unit 400 are formed on the opposite side with respect to the crankshaft 700,
The heating unit 200, the first cylinder 210; And a first piston 220 provided in the first cylinder 210 so as to be reciprocated and forming the first space S1 together with the first cylinder 210.
The cooling unit 400, the second cylinder (410); And a second piston 420 provided in the second cylinder 410 so as to be reciprocated and forming the second space S2 together with the second cylinder 410.
The second cylinder 410 and the second piston 420 are formed on the opposite side of the first cylinder 210 and the first piston 220 on the basis of the crankshaft 700,
The crankshaft 700, the rotation shaft 710; A first crank arm 720 extending from the rotation shaft 710 in a rotational radial direction; And a second crank arm 730 extending in a rotational radial direction from the rotation shaft 710 and extending in a direction different from the first crank arm 720.
The heating unit 200 further includes a first connecting rod 230 connecting the first piston 220 and the first crank arm 720.
The cooling unit 400, the Stirling engine further comprises; a second connecting rod (430) for connecting the second piston (420) and the second crank arm (730). 제7항에 있어서,
상기 크랭크 샤프트(700)는, 상기 크랭크 샤프트(700)의 회전력을 저장 및 방출하는 플라이 휠(740);을 더 포함하는 스털링 엔진. The method of claim 7, wherein
The crankshaft 700 further includes a flywheel (740) for storing and discharging the rotational force of the crankshaft (700). 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 스털링 엔진을 복수 개 포함하는 엔진 시스템. An engine system comprising a plurality of Stirling engines according to any one of claims 4 to 8. 제9항에 있어서,
상기 복수 개의 스털링 엔진 중 임의의 스털링 엔진을 제n 스털링 엔진이라 하고, 상기 제n 스털링 엔진에 인접하는 스털링 엔진을 제n+1 스털링 엔진이라 하면,
상기 제n 스털링 엔진은 상기 제n+1 스털링 엔진에 탈착 가능한 모듈로 형성되는 엔진 시스템. The method of claim 9,
If any one of the plurality of Stirling engines is called an n-th Stirling engine, and the Stirling engine adjacent to the n-th Stirling engine is an n + 1 Stirling engine,
The n-th Stirling engine is an engine system formed of a removable module to the n + 1 stirling engine. 제10항에 있어서,
상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)는 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 연결 및 분리 가능하게 형성되는 엔진 시스템. The method of claim 10,
And a crank shaft (700) of the n-th Stirling engine is formed to be connectable to and detachable from the crank shaft (700) of the n + 1 stirling engine. 제11항에 있어서,
상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)가 연결될 때, 상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)를 포함하는 가상의 평면을 기준면이라 하면,
상기 제n 스털링 엔진의 가열부(200)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부(200)는 상기 기준면의 일측에 형성되고,
상기 제n 스털링 엔진의 냉각부(400)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부(400)는 상기 기준면의 타측에 형성되는 엔진 시스템.The method of claim 11,
When the crankshaft 700 of the nth Stirling engine and the crankshaft 700 of the n + 1 Stirling engine are connected, the crankshaft 700 of the nth Stirling engine and the crank of the n + 1 Stirling engine If the imaginary plane including the shaft 700 is a reference plane,
The heating part 200 of the n-th Stirling engine and the heating part 200 of the n + 1 stirling engine are formed at one side of the reference plane,
The cooling unit (400) of the n-th Stirling engine and the cooling unit (400) of the n + 1 stirling engine are formed on the other side of the reference plane. 제12항에 있어서,
상기 제n 스털링 엔진의 가열부(200)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부(200)는 보일러(B) 측에 형성되고,
상기 제n 스털링 엔진의 냉각부(400)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부(400)는 지면(E) 측에 형성되는 엔진 시스템. The method of claim 12,
The heating unit 200 of the n-th Stirling engine and the heating unit 200 of the n + 1 stirling engine are formed at a boiler B side,
The cooling unit (400) of the n-th Stirling engine and the cooling unit (400) of the n-th +1 Stirling engine are formed on the ground (E) side. 제12항에 있어서,
상기 제n 스털링 엔진의 가열부(200)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 가열부(200)는 전기 자동차의 전기 모터(M) 측에 형성되고,
상기 제n 스털링 엔진의 냉각부(400)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 냉각부(400)는 외기(A) 측에 형성되는 엔진 시스템. The method of claim 12,
The heating part 200 of the nth Stirling engine and the heating part 200 of the n + 1 stirling engine are formed on the electric motor M side of the electric vehicle,
The cooling unit (400) of the n-th Stirling engine and the cooling unit (400) of the n + 1 stirling engine are formed on the outside air (A) side. 제12항에 있어서,
상기 제n 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)와 상기 제n+1 스털링 엔진의 크랭크 샤프트(700)는 발전기(G)에 연결되는 엔진 시스템. The method of claim 12,
An crankshaft of the nth Stirling engine and a crankshaft of the n + 1 Stirling engine connected to a generator.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH07247902A (en) * 1994-03-10 1995-09-26 Naoji Isshiki Stirling cycle apparatus
JP2008223484A (en) * 2007-03-08 2008-09-25 Toyo Seikan Kaisha Ltd Thermo-dynamic engine
JP2012197756A (en) * 2011-03-23 2012-10-18 Tokyo Electric Power Co Inc:The Stirling engine and stirling engine equipment
KR101239846B1 (en) 2011-05-24 2013-03-06 한국과학기술연구원 Stirling engine of which the heat-exchange parts are improved

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