KR102359910B1 - 로터리 스털링 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진에 의하면, 각 내주면이 에피트로코이드의 곡선을 따라서 형성되어 수열챔버와 방열챔버를 형성하고, 미들플레이트를 사이에 두고 양측에 배치되는 제1,2로터리하우징, 상기 제1,2로터리하우징 및 상기 미들플레이트의 중심부를 관통하여 회전가능하게 배치되는 회전축, 그 외주면의 설정부분이 상기 수열챔버의 내주면과 습동하면서 회전하고, 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축과 편심되어 배치되는 제1로터, 그 외주면의 설정부분이 상기 방열챔버의 내주면과 습동하면서 회전하고, 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축과 편심되어 배치되는 제2로터, 상기 제1로터가 배치된 상기 수열챔버로 열을 공급하는 수열부, 및 상기 제2로터가 배치된 상기 방열챔버의 열을 외부로 배출하는 방열부를 포함하고, 상기 수열챔버로 공급된 열에 의해서 형성된 가스의 팽창 에너지를 이용하여 상기 제1로터를 회전시키고, 상기 방열챔버에서는 상기 방열부로 열을 빼앗겨 수축되는 에너지를 이용하여 상기 제2로터를 회전시킬 수 있다.

Description

로터리 스털링 엔진{ROTARY STIRLING ENGINE}
본 발명은 로터리 엔진과 스털링 엔진을 결합하여 제작되되, 작동 효율이 높고, 결합 구조가 간단한 로터리 스털링 엔진에 관한 것이다.
일반적으로, 스털링 엔진은 밀폐 사이클을 갖는 용적형 외연기관이고, 피스톤을 갖는 실린더의 내부 공간에 소정의 작동 기체(수소, 헬륨 등)을 충진시켜 밀봉하고, 이 작동기체를 외부에서 가열 또는 냉각시킴으로써 발생하는 2 가지 등적변화를 수행하고, 이러한 등적변화에 따른 작동기체의 압축 또는 팽창의 2 가지 등온변화를 수행하고, 등적변화와 등온변화의 상호 작용을 통해 피스톤을 작동시켜 기계적 에너지를 얻도록 구성된다.
이와 같은 스털링 엔진의 구조는, 실린더의 일측에 예컨대 연소실 및 가열 코일과 같은 가열 장치가 배치되며, 실린더의 타측에는 예컨대 축열형의 재생기와 냉각 코일이 배치될 수 있다. 실린더 내부는 소정의 피스톤에 의해서 고온부와 저온부로 구분된다.
따라서, 스털링 엔진은 상기와 같은 냉각 공정을 필요로 하며, 이러한 냉각 공정을 수행하기 위해 소정의 냉각 장치 및 이러한 냉각 장치를 구동시켜 원하는 온도를 얻기 위한 에너지원을 필요로 한다.
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 기관, 우주항공용, 또는 가정용 등에 이용될 수 있는 스털링 엔진이 요구되고 있고, 이에 부합하여 다양한 구성의 스털링 엔진을 이용한 발전장치가 제시되고 있다.
한편, 로터리 기관은 타원 모양의 실린더 내부를 피스톤에 상당하는 삼각형 로터(rotor)가 편심되어 회전하면서 로터와 실린더 사이에 생기는 공간의 부피 변화에 의하여 흡입, 압축, 연소, 배기를 하도록 구성되는 것으로, 왕복운동을 하는 부재가 없어 출력의 손실이 적은 장점이 있다.
또, 피스톤의 왕복운동이 전혀 없이 두 로터의 회전만을 이용해서 구동력을 발생시키기 때문에 피스톤의 왕복운동에 따른 진동 및 소음 발생이 전혀 없으며, 진동 및 소음 방지를 위한 별도의 부품을 필요로 하지 않기 때문에 전체적인 설비의 구조를 매우 단순화시킬 수 있어 소형화가 충분히 가능하다.
본 발명의 목적은 종해의 스털링 엔진이 왕복운동으로 소음/진동 측면에서 불리하고, 소형화가 어려우며, 작동유체의 밀봉에 대한 단점이 있는데, 로터리엔진과 같이 소음진동을 줄이고 소형화를 달성할 수 있는 로터리 스털링 엔진을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진에 의하면, 각 내주면이 에피트로코이드의 곡선을 따라서 형성되어 수열챔버와 방열챔버를 형성하고, 미들플레이트를 사이에 두고 양측에 배치되는 제1,2로터리하우징, 상기 제1,2로터리하우징 및 상기 미들플레이트의 중심부를 관통하여 회전가능하게 배치되는 회전축, 그 외주면의 설정부분이 상기 수열챔버의 내주면과 습동하면서 회전하고, 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축과 편심되어 배치되는 제1로터, 그 외주면의 설정부분이 상기 방열챔버의 내주면과 습동하면서 회전하고, 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축과 편심되어 배치되는 제2로터, 상기 제1로터가 배치된 상기 수열챔버로 열을 공급하는 수열부, 및 상기 제2로터가 배치된 상기 방열챔버의 열을 외부로 배출하는 방열부를 포함하고, 상기 수열챔버로 공급된 열에 의해서 형성된 가스의 팽창 에너지를 이용하여 상기 제1로터를 회전시키고, 상기 방열챔버에서는 상기 방열부로 열을 빼앗겨 수축되는 에너지를 이용하여 상기 제2로터를 회전시킬 수 있다.
상기 제1로터리하우징의 외측면에서 상기 수열부는 상기 회전축의 일단부에 대응하여 배치될 수 있다.
상기 제2로터리하우징의 외측면에서 상기 방열부는 상기 회전축의 타단부에 대응하여 배치될 수 있다.
상기 제1로터와 상기 제2로터의 각 내주면 일측과 상기 회전축의 외주면 사이에는 각각 편심베어링이 개재되고, 상기 편심베어링은 상기 회전축과 함께 회전하고, 상기 제1,2로터의 내주면과 슬라이딩될 수 있다.
상기 제1,2로터의 각 내주면 타측에는 상기 제1,2로터와 함께 회전하는 로터기어가 고정되고, 상기 로터기어와 맞물리되, 상기 회전축을 중심으로 고정된 고정기어를 포함할 수 있다.
상기 제2로터는 상기 제1로터와 설정 회전각도 차이를 두고 배치될 수 있다.
상기 미들플레이트에는 상기 수열챔버와 상기 방열챔버를 연결하는 연결통로가 형성될 수 있다.
상기 연결통로는 상기 회전축의 중심에서부터 설정 거리 떨어진 부분에 배치될 수 있다.
상기 회전축의 회전방향으로 설정 회전각도를 두고 배열될 수 있다.
상기 연결통로를 통해서 팽창된 작동가스와 수축된 작동가스가 상기 방열챔버와 상기 수열챔버를 순환할 수 있다.
상기 제1로터에는 상기 수열챔버의 내주면과 습동하는 부분이 3곳 이상 형성되고, 이 부분에는 각 실링부재가 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진을 포함하는 차량은, 로터리 스털링 엔진, 및 상기 엔진에서 출력되는 회전력을 이용하여 회전하도록 배치되는 구동휠을 포함할 수 있다.
상기 엔진의 회전축에서 발생되는 회전속도를 가변시켜 상기 구동휠로 전달하도록 배치되는 변속기를 포함할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 로터리엔진의 구조에 스털링엔진의 기능을 결합하고, 그 구조를 개선하여 작동시 소음과 진동을 감소시킬 수 있고, 동시에 소형화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 개략적인 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 수열측 내부를 보여주는 일부 분해 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 방열측 내부를 보여주는 일부 분해 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 수열부의 팽창 상태를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 방열부의 확장 상태를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 방열부의 수축 상태를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 회전각에 따른 작동기체의 부피를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 개략적인 정면도이다.
도 1을 참조하면, 로터리 스털링 엔진(100)은 수열부(130), 회전축(120), 제1로터리하우징(105), 미들플레이트(115), 제2로터리하우징(110), 제1로터(200), 연결통로(300), 제2로터(205), 및 방열부(140)를 포함한다.
상기 방열부(140)는 상기 제1로터리하우징(105)의 내부로 열을 공급하고, 상기 방열부(140)는 상기 제2로터리하우징(110)의 내부에서 외부로 열을 방출한다.
상기 제1로터리하우징(105) 내부에 상기 제1로터(200)가 배치되고, 상기 제1로터(200)는 상기 방열부(140)에서 공급되는 열에 의해서 팽창되는 팽창에너지에 의해서 회전하여 상기 회전축(120)을 회전시킨다.
그리고, 팽창된 작동가스는 상기 연결통로(300)를 거쳐서 상기 제2로터리하우징(110)의 내부로 이동하고, 상기 제2로터리하우징(110)으로 이동한 작동가스는 상기 방열부(140)에 의해서 냉각 수축되고 상기 제2로터(205)는 작동가스의 수축에 의해서 상기 회전축(120)을 회전시킨다.
아울러, 작동가스는 다시 상기 연결통로(300)를 거쳐서 상기 제2로터리하우징(110)의 내부로 이동하여 열을 흡수하여 팽창되는 과정을 반복한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 로터리 스털링 엔진(100)은 로터리엔진의 구조를 이용하여 스털링 엔진의 기능을 수행함으로써 피스톤의 왕복 운동을 제거하여 소음과 진동을 줄일 수 있고, 로터의 한 회전당 회전축시 3회전하는 구조를 통해서 엔진의 크기와 중량을 함께 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 수열측 내부를 보여주는 일부 분해 측면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1로터리하우징(105)의 내부에는 수열챔버(250a, b, c)가 형성된다. 상기 수열챔버(250a, b, c)는 수열측 제1실링부재(230a), 수열측 제2실링부재(230b), 및 수열측 제3실링부재(230c)에 의해서 제1,2,3수열챔버(250a, b, c)로 나뉜다. 여기서, 상기 제1,2로터리하우징의 내주면은 공지된 바와 같이 에피트로코이드 곡선을 따라서 형성된다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 제1로터리하우징(105)의 내부에 상기 제1로터(200)가 배치되고, 상기 제1로터(200)는 삼각형 형태로 각 꼭지점 위치에 수열측 제1,2,3실링부재(230a, b, c)가 각각 배치된다.
상기 수열측 제1,2,3실링부재(230a, b, c)는 각각 상기 제1로터리하우징(105)의 내주면에 밀착되어 습동하는 구조를 갖는다.
상기 수열측 제1,2,3실링부재(230a, b) 사이의 상기 제1로터(200)의 외주면과 상기 제1로터리하우징(105)의 내주면에 의해서 제1수열챔버(250a)가 형성되고, 상기 수열측 제2,3실링부재(230b, c) 사이의 상기 제1로터(200)의 외주면과 상기 제1로터리하우징(105)의 내주면에 의해서 제2수열챔버(250b)가 형성되며, 수열측 제3,1실링부재(230c, a) 사이의 상기 제1로터(200)의 외주면과 상기 제1로터리하우징(105)의 내주면 사이에 제3수열챔버(250c)가 각각 형성된다.
상기 회전축(120)에는 상기 편심부재(210)가 고정되어 상기 회전축(120)과 상기 편심부재(210)가 함께 회전하는 구조를 가지며, 상기 편심부재(210)의 외주면은 상기 제1로터(200)의 내주면 일측과 습동한다.
상기 제1로터(200)의 내주면 타측에는 상기 로터기어(240)가 고정되고, 상기 로터기어(240)는 고정기어(220)와 내접한다. 아울러, 상기 고정기어(220)는 상기 회전축(120)과 별도로 고정된다. 여기서, 상기 회전축(120)은 상기 고정기어(220)를 관통하여 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 미들플레이트(115)에는 수열챔버(250a, b, c)와 방열챔버(255)를 연결하는 연결통로(300)가 형성되고, 상기 제1로터(200)는 작동가스의 팽창에 의해서 상기 편심부재(210)와 상기 회전축(120)을 회전시킨다.
아울러, 상기 제2로터(205)는 작동가스의 수축에 의해서 상기 회전축(120)을 회전시키며, 상기 연결통로(300)를 통해서 팽창 또는 수축되는 작동가스가 이동하며, 상기 제1,2로터의 측면이 상기 미들플레이트의 측면과 슬라이딩하면서 상기 연결통로를 개폐한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 연결통로(300)의 위치, 크기, 및 배치관계는 설계사양에 따라서 가변적으로 설정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 방열측 내부를 보여주는 일부 분해 측면도이고, 도 3에서는 도 2의 제1로터와 대응하는 제2로터가 제거된 상태를 보여준다. 아울러, 도 2에서 상기 고정기어와 상기 로터기어도 제거된 상태이고, 중심부에 상기 회전축(120)과 상기 편심부재(210)가 도시된다.
도 3을 참조하면, 상기 제2로터리하우징(110)의 내부에는 방열챔버(255)가 형성된다. 아울러, 상기 방열챔버(255)는 상기 제2로터의 방열측 제1,2,3실링부재(232a, 232b, 232c 도 4)에 의해서 방열측 제1,2,3방열챔버(미도시)로 나뉠 수 있고, 이들은 상기 제1,2,3수열챔버와 설정된 각도를 두고 형성된다.
상기 회전축(120)에는 상기 편심부재(210)가 고정되어 상기 회전축(120)과 상기 편심부재(210)가 함께 회전하는 구조를 가지며, 상기 편심부재(210)의 외주면은 상기 제2로터(205)의 내주면 일측과 습동한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 미들플레이트(115)에는 수열챔버(250a, b, c)와 방열챔버(255)를 연결하는 연결통로(300)가 형성되고, 상기 제2로터(205)는 작동가스의 수축에 의해서 상기 편심부재(210)와 상기 회전축(120)을 회전시킨다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 수열부의 팽창 상태를 보여주는 개략적인 구성도이다.
가로축과 세로축은 상기 제1로터(200)의 수열측 제1,2,3실링부재(230a, b, c)가 상기 제1로터리하우징(105)의 내주면과 접하는 위치를 나타내고, 상기 제2로터(205)의 방열측 제1,2,3실링부재(232a, b, c)가 상기 제2로터리하우징(110)의 내주면과 접하는 위치를 나타낸다.
도 4에서는, 상기 수열부(130)에 의해서 상기 수열챔버(250a, b, c)로 열이 공급되는 단계로, 상기 제1수열챔버(250a)가 팽창하는 상태를 보여주고, 상기 제1로터(200)가 상기 회전축(120)을 회전시킨다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 방열부의 확장 상태를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 상기 수열부(130)에 의해서 상기 수열챔버(250a, b, c)로 열이 공급되어, 상기 제1수열챔버(250a)가 최대로 팽창되고, 팽창된 가스가 상기 연결통로(300)를 통해서 상기 제1방열챔버(255a)로 이동한다. 따라서, 상기 제1방열챔버(255a)의 부피가 늘어난다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 방열부의 수축 상태를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제1방열챔버(255a)에 충진된 작동가스의 열이 상기 방열부(140)로 전달되어 상기 제1방열챔버(255a)가 수축되고, 상기 제2로터(205)가 상기 회전축(120)을 회전시킨다.
아울러, 상기 방열챔버(255)에서 수축된 가스는 상기 제2로터(205)의 회전에 의해서 상기 연결통로(300)를 통해서 다시 상기 제1로터(200)가 배치된 수열챔버(250a, b, c)로 재순환된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로터리 스털링 엔진의 회전각에 따른 작동기체의 부피를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 가로축은 상기 회전축(120)의 회전각을 나타내고, 세로축은 부피를 나타낸다.
도 7의 위 그래프를 보면, 각각 제1수열챔버(250a)의 부피와 제1방열챔버(255a)의 부피를 나타내며, 제1수열챔버(250a)와 제1방열챔버(255a)의 부피는 회전각 차이를 두고 온도변화에 따라서 팽창 및 수축되어 상승과 하강을 반복한다.
아울러, 도 7의 아래 그래프를 보면, 작동기체의 전체 부피 변화와 부피변화율, 및 열전달량을 보여준다. 상기 열전달량은 상기 수열부(130)에서 상기 수열챔버(250a, b, c)로 공급되는 열을 기준으로 연산될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 로터리 스털링 엔진에 대해서 설명하였으며, 상기 로터리 스털링 엔진을 포함하여 이동하도록 제조된 차량도 본 발명의 권리범위에 포함되어야 하는 것은 자명하고, 상기 차량은 변속기와 구동휠을 포함할 수 있다. 아울러, 변속기와 구동휠은 공지기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 로터리 스털링 엔진 105: 제1로터리하우징
110: 제2로터리하우징 115: 미들플레이트
120: 회전축 130: 수열부
140: 방열부 200: 제1로터
205: 제2로터 210: 편심부재
220: 고정기어 230a: 수열측 제1실링부재
230b: 수열측 제2실링부재 230c: 수열측 제3실링부재
232 a: 방열측 제1실링부재 232b: 방열측 제2실링부재
232c: 방열측 제3실링부재 240: 로터기어
250a: 제1수열챔버 250b: 제2수열챔버
250c: 제3수열챔버 250a, b, c: 수열챔버
255a: 제1방열챔버 255: 방열챔버
300: 연결통로

Claims (13)

  1. 각 내주면이 에피트로코이드의 곡선을 따라서 형성되어 수열챔버와 방열챔버를 형성하고, 미들플레이트를 사이에 두고 양측에 배치되는 제1,2로터리하우징;
    상기 제1,2로터리하우징 및 상기 미들플레이트의 중심부를 관통하여 회전가능하게 배치되는 회전축;
    그 외주면의 설정부분이 상기 수열챔버의 내주면과 습동하면서 회전하고, 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축과 편심되어 배치되는 제1로터;
    그 외주면의 설정부분이 상기 방열챔버의 내주면과 습동하면서 회전하고, 상기 회전축을 회전시키도록 상기 회전축과 편심되어 배치되는 제2로터;
    상기 제1로터리하우징의 외측면에서 상기 회전축의 일단부에 대응하여 배치되고, 상기 제1로터가 배치된 상기 수열챔버로 열을 공급하는 수열부; 및
    상기 제2로터리하우징의 외측면에서 상기 회전축의 타단부에 대응하여 배치되고, 상기 제2로터가 배치된 상기 방열챔버의 열을 외부로 배출하는 방열부;
    를 포함하고,
    상기 수열챔버로 공급된 열에 의해서 형성된 가스의 팽창 에너지를 이용하여 상기 제1로터를 회전시키고, 상기 방열챔버에서는 상기 방열부로 열을 빼앗겨 수축되는 에너지를 이용하여 상기 제2로터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 제1로터와 상기 제2로터의 각 내주면 일측과 상기 회전축의 외주면 사이에는 각각 편심베어링이 개재되고,
    상기 편심베어링은 상기 회전축과 함께 회전하고, 상기 제1,2로터의 내주면과 슬라이딩되는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  5. 제4항에서,
    상기 제1,2로터의 각 내주면 타측에는 상기 제1,2로터와 함께 회전하는 로터기어가 고정되고,
    상기 로터기어와 맞물리되, 상기 회전축을 중심으로 고정된 고정기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  6. 제1항에서,
    상기 제2로터는 상기 제1로터와 설정 회전각도 차이를 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  7. 제1항에서,
    상기 미들플레이트에는 상기 수열챔버와 상기 방열챔버를 연결하는 연결통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  8. 제7항에서,
    상기 연결통로는 상기 회전축의 중심에서부터 설정 거리 떨어진 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  9. 제7항에서,
    상기 연결통로는 상기 회전축의 회전방향으로 설정 회전각도를 두고 배열되는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  10. 제7항에서,
    상기 연결통로를 통해서 팽창된 작동가스와 수축된 작동가스가 상기 방열챔버와 상기 수열챔버를 순환하는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  11. 제1항에서,
    상기 제1로터에는 상기 수열챔버의 내주면과 습동하는 부분이 3곳 이상 형성되고, 이 부분에는 각 실링부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 로터리 스털링 엔진.
  12. 제1항에 따른 로터리 스털링 엔진; 및
    상기 엔진에서 출력되는 회전력을 이용하여 회전하도록 배치되는 구동휠;
    을 포함하는 로터리 스털링 엔진을 포함하는 차량.
  13. 제12항에서,
    상기 엔진의 회전축에서 발생되는 회전속도를 가변시켜 상기 구동휠로 전달하도록 배치되는 변속기; 를 포함하는 로터리 스털링 엔진을 포함하는 차량.
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