KR19990032271A - 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조에 관한 것으로, 종래에는 연소튜브의 상단부에 점화장치가 설치되어 상부에서 하부방향으로 주입되는 연료가 연소됨에도 불구하고 연소튜브가 동일직경으로 균일하게 형성되어 상기 히터용기로의 연전달이 균일하지 못하게 되고, 이는 히터용기의 상하부간에 온도차를 발생시켜 결국 흡열관이 골고루 가열되지 못하게 되며, 궁극적으로는 스터링사이클기기의 엔진효율이 크게 저하되는 것은 물론 국부가열에 의해 박판의 히터용기 자체가 파손될 우려도 있었던 바, 본 발명에서는 상기 연소튜브의 연료노즐과 공기주입구 및 점화장치가 설치된 일측단부에서 중간부위까지의 직경보다 그 중간부위에서 타단부까지의 직경을 크게 확장함으로써, 상기 연소튜브 및 히터용기가 전체적으로 최대한 균일하게 가열되도록하여 흡열관 및 그 흡열관의 내부로 흐르는 작동가스가 골고루 가열되게하여 엔진효율의 향상은 물론 히터용기의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조

본 발명은 스터링사이클기기의 연소기에 관한 것으로, 특히 연소튜브의 상하단 직경비를 다르게하여 상단에서는 복사에 의한 전열효과를 극대화하는 반면에 하단에서는 대류에 의한 전열효과를 극대화하도록 한 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조에 관한 것이다.

일반적인 스터링사이클기기는 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드(1)의 상측에는 별도의 연소기(도 2a에 도시)에 의해 발생된 열을 흡입하는 흡열관(2)이 연통되고, 그 흡열관(2)의 타측단은 다공질 재질인 재생기(3)와 연통되며, 그 재생기(3)는 외부로 열을 방출시키는 방열기(4)와 연통되어 있다.

또한, 상기 실린더 헤드(1)의 내부에는 실린더(5)가 압입되며, 그 실린더(5)의 내주연 상측에는 소정의 팽창공간(S₁)을 두고 디스플레이서(6)가 배치되고, 그 디스플레이서(6)의 하측에는 소정의 압축공간(S₂)을 두고 피스톤(7)이 배치되며, 그 피스톤(7)의 하측에는 소정의 반동공간(S₃)을 두고 크로스 헤드(8)가 배치되고, 상기 실린더 헤드(1)의 하측에는 크랭크 케이스(9)가 결합되어 있다.

상기 크랭크 케이스(9)의 일측에는 중간부가 소정각도로 절곡,편심된 크랭크축(10)이 회동가능하게 관통 결합되고, 그 크랭크축(10)은 상기 디스플레이서(6)에 의해 직선왕복 및 각회전운동을 하는 디스플레이서 컨넥팅 로드(11)와 결합되는 한편 상기 피스톤(7)과 결합되어 직선왕복 및 각회전운동을 하는 피스톤 컨넥팅 로드(12,12')와 결합되어 있다.

이러한, 일반적인 스터링사이클기기는 별도의 동력에 의해 크랭크축(10)이 한번 시회전하게 되면, 그 크랭크축(10)과 결합된 상기 디스플레이서(6)와 피스톤(7)이 자체의 관성력과 상기 팽창공간(S₁) 및 압축공간(S₂)을 순회하는 작동가스에 의해 지속적으로 상하간 직선운동을 하면서 크랭크축(10)을 연속 회전시키게 되는 것이었다.

여기서, 상기 작동가스가 팽창공간(S₁)과 압축공간(S₂)을 순회할 때에는 반드시 흡열관(2)을 거치면서 외부로부터 열을 흡입하게 되는데, 이 흡열관(2)에 열을 공급하기 위한 종래의 연소기는 도 2에 도시된 바와 같다.

즉, 상기 흡열관(2)을 가열시키기 위한 'U'자형 히터용기(20)의 내부에 소정간격을 두고 상기 히터용기(20)와 동심(同心)이 되도록 상하간 동일직경으로 균일하게 형성된 연소튜브(21)가 길이방향으로 얹혀지고, 그 연소튜브(21)의 상단에는 연료노즐(22) 및 공기주입구(23) 그리고 소정의 점화장치(24)가 설치되는 반면에 하단은 개구되어 상기 연소튜브(21) 내부에서의 연소시 발생되는 연소가스가 배출되도록 구성되어 있다.

도면중 미설명 부호인 25는 히터슬릿이다.

상기와 같이 구성된 종래의 연소기에 있어서, 먼저 연료노즐(22) 및 공기주입구(23)를 통해 소정량의 연료 및 공기가 연소튜브(21)의 내부로 주입됨과 동시에 그 연소튜브(21)의 상단에 설치된 점화장치(24)에서 불꽃이 튀면서 연료에 옮겨붙어 주입된 연료가 연소되기 시작하여 연소튜브(21) 및 히터용기(20)를 가열시키게 되는 것이었다.

이때, 연소중에 발생되는 열은 크게 물체를 직접 가열하여 열을 전달시키는 복사열유동(Radiation Heat Flux; 이하 복사열로 약칭함) 및 연소가스의 배출과정에서 열을 전달시키는 대류열유동(Convective Heat Flux; 이하 대류열로 약칭함)으로 구분할 수 있는데, 상기와 같은 종래의 연소기에서는 연소되면서 발생되는 제1 복사열(R₁) 및 연소가스가 연소튜브(21)의 상단에서 하단쪽으로 이동하면서 발생되는 제1 대류열(C₁)이 먼저 연소튜브(21)의 벽면을 가열시킨 이후에, 상기 제1 복사열(R₁)에 의해 가열된 연소튜브(21)의 벽면 자체가 다시 제2 복사열(R₂)을 발생시킴과 아울러 상기 연소튜브(21)의 하단을 통해 히터용기(20)와의 사이로 이동하는 연소가스가 제2 대류열(C₂)을 발생시키면서 히터용기(20)의 벽면을 가열시키게 되고, 결국 이러한 과정에서 상기 흡열관(2)이 히터용기로부터 열을 흡수하게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 연소기에 있어서는, 연소튜브(21)의 상단부에 점화장치(24)가 설치되어 상부에서 하부방향으로 주입되는 연료가 연소됨에도 불구하고 연소튜브(21)가 동일직경으로 균일하게 형성되어 상기 히터용기(20)로의 연전달이 균일하지 못하게 되고, 이는 히터용기(20)의 상하부간에 온도차를 발생시켜 결국 흡열관(2)이 골고루 가열되지 못하게 되며, 궁극적으로는 스터링사이클기기의 엔진효율이 크게 저하되는 것은 물론 국부가열에 의해 박판의 히터용기(20) 자체가 파손될 우려도 있었다.

즉, 화염이 발생되는 곳은 기다란 연소튜브(21)의 상부이고, 이 곳에서는 화염으로부터의 직접적인 제1 복사열(R₁)과 제1 대류열(C₁)에 의해 높은온도로 가열되는 반면에 상기 연소튜브(21)의 하부에서는 제1 복사열(R₁)에 의한 가열이 미비한 대신 제1 대류열(C₁)에 의해서만 주로 가열되므로 하부가 상부에 비해 상대적으로 낮은온도로 가열되고, 이로 인해 히터용기(20) 역시 상부에 비해 하부가 낮은 온도로 가열되는 것이었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 스터링사이클기기의 연소기가 가지는 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 연소튜브 및 히터용기가 전체적으로 최대한 균일하게 가열되도록하여 흡열관 및 그 흡열관의 내부로 흐르는 작동가스가 골고루 가열되게하여 엔진효율의 향상은 물론 히터용기의 파손을 방지할 수 있는 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 스터링사이클기기의 구성을 보인 종단면도.

도 2는 종래 스터링사이클기기에 있어서, 연소기를 개략적으로 보인 종단면도.

도 3은 본 발명에 의한 스터링사이클기기에 있어서, 연소부를 개략적으로 보인 종단면도.

도 4는 본 발명에 의한 연소튜브의 적용시, 히터용기의 내경에 대한 연소튜브의 각 외경에 따른 복사 및 대류 열전달 효과를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 히터용기 30 : 연소튜브

D₁: 연소튜브의 상부외경 D₂: 연소튜브의 하부외경

D₃: 히터용기의 내경

이와 같은 본 발명의 목적은, 연소튜브의 하부직경을 상부직경보다 소정량만큼 확대하여 연소튜브 상부에서는 복사열에 의한 전열효과를 극대화하는 반면에 하부에서는 대류열에 의한 전열효과를 극대화함으로써 달성될 수 있다.

즉, 흡열관의 열원이 되는 히터용기의 내부에 그 히터용기와 동심이 되도록 연소튜브가 얹혀지고, 그 연소튜브의 일측단부에 연료노즐과 공기주입구 및 점화장치가 설치되어 연료의 연소시 발생되는 연소가스가 연소튜브의 타측단부를 통해 히터용기와의 사이로 배출되는 스터링사이클기기의 연소실에 있어서, 상기 연소튜브의 연료노즐과 공기주입구 및 점화장치가 설치된 일측단부에서 중간부위까지의 직경보다 그 중간부위에서 타단부까지의 직경을 크게 확장한 것을 특징으로 하는 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 연소튜브의 일례를 보인 스터링사이클기기의 연소실에 대한 종단면도로서, 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 연소튜브(30)는 중간부위가 단턱지게 형서되는 것으로, 원통형으로 형성되어 흡열관(도 1에 도시)(2)의 열원이 되는 히터용기(20)의 내부에 그 히터용기(20)와 동심이 되도록 얹혀지고, 상기 연소튜브(30)의 일측단부에 연료노즐(31)과 공기주입구(32) 및 점화장치(33)가 설치되며, 그 연료노즐(31)과 공기주입구(32) 및 점화장치(33)가 설치된 일측단부에서 중간부위까지의 직경(D₁)이 그 중간부위에서 상기 연료노즐(31)과 공기주입구(32) 및 점화장치(33)가 설치되지 않은 타측단부까지의 직경(D₂)보다 작게 형성된다.

여기서, 상기 연소튜브(30)의 상부외경(D₁)은 히터용기(20)의 내경(D₃)에 대해 약 94% 이하인 반면에 상기 연소튜브(30)의 하부외경(D₂)은 히터용기(20)의 내경(D₃)에 비해 약 94% 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 25는 히터슬릿이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 연소튜브가 구비된 스터링사이클기기의 연소기는, 연료노즐(31) 및 공기주입구(32)를 통해 소정량의 연료 및 공기가 연소튜브(30)의 내부로 주입됨과 동시에 그 연소튜브(30)의 상단에 설치된 점화장치(33)에서 불꽃이 튀면서 주입된 연료가 연소되어 연소튜브(30) 및 히터용기(20)를 가열시키게 된다.

이때, 상기 연소튜브(30)는 상부직경(D₁)이 하부직경(D₂)에 비해 작게 형성되므로, 연소중에 발생되는 제1 복사열(R₁)의 대부분은 연소튜브(30)의 상부벽면으로 전달되는 반면에 배출가스에 포함된 제1 대류열(C₁)은 급격하게 하부로 이동하면서 연소튜브(30)의 하부벽면으로 전달되는 것이다.

다음, 제1 복사열(R₁) 및 제1 대류열(C₁)에 의해 가열된 연소튜브(30)는 히터용기(20)에 대해 제2 복사열(R₂)을 발생시키게 되는데, 이 제2 복사열(R₂)은 상기 연소튜브(30)와 히터용기(20) 사이가 하부에 비해 상부가 넓기 때문에 하부에서는 히터용기(20)로 빠르게 전달되는 반면에 상부에서는 느리게 전달된다. 더욱이, 상기 연소튜브(30)의 하단을 통해 흘러들어오는 배출가스가 대부분의 제2 대류열(C₂)을 하부에서 히터용기(20)로 전달하는 반면에 미량의 제2 대류열(C₂)만을 히터용기(20)의 상부에 전달하게 되어 결국 히터용기(20)가 균일하게 가열되는 것이다.

도 4는 히터용기의 내경에 대한 연소튜브의 각 외경에 따른 복사 및 대류 열전달효과를 도시한 것으로, 이에 도시된 바와 같이 제1 복사열(R₁) 및 제1 대류열(C₁)은 연소튜브(30)의 각 외경변화에 대하여 크게 달라지지는 않지만, 제2 복사열(R₂) 및 제2 대류열(C₂)은 연소튜브(30)의 외경(D₁,D₂)이 히터용기(20)의 내경(D₃)에 대해 약 94% 정도일 때 가장 균일한 열전달효과를 나타내고 있음을 보여주고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조는, 상기 연소튜브의 연료노즐과 공기주입구 및 점화장치가 설치된 일측단부에서 중간부위까지의 직경보다 그 중간부위에서 타단부까지의 직경을 크게 확장함으로써, 상기 연소튜브 및 히터용기가 전체적으로 최대한 균일하게 가열되도록하여 흡열관 및 그 흡열관의 내부로 흐르는 작동가스가 골고루 가열되게하여 엔진효율의 향상은 물론 히터용기의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 흡열관의 열원이 되는 히터용기의 내부에 그 히터용기와 동심이 되도록 연소튜브가 얹혀지고, 그 연소튜브의 일측단부에 연료노즐과 공기주입구 및 점화장치가 설치되어 연료의 연소시 발생되는 연소가스가 연소튜브의 타측단부를 통해 히터용기와의 사이로 배출되는 스터링사이클기기의 연소실에 있어서, 상기 연소튜브의 연료노즐과 공기주입구 및 점화장치가 설치된 일측단부에서 중간부위까지의 직경보다 그 중간부위에서 타단부까지의 직경을 크게 확장한 것을 특징으로 하는 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 연소튜브의 상부외경은 히터용기의 내경에 대해 94% 이하인 반면에 상기 연소튜브의 하부외경은 히터용기의 내경에 비해 94% 이상인 것을 특징으로 하는 스터링사이클기기용 연소튜브의 균일가열구조.