KR20020073603A - 스터링 기관 열시스템의 개선 - Google Patents

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구르스키토마스큐.
랑겐펠드크리스토퍼씨.
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노리스마이클
오웬스킹스톤
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Abstract

본 발명은 히터 헤드를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 갖는 열 사이클 기관에 관한 것이다. 열 교환기는 각각이 팽창 실린더의 원통형 벽으로부터 멀게 향한 축을 갖고, 또는 선택적으로 팽창 실린더의 축과 대체로 정렬된 휜 세트를 가진다. 열 전달 핀의 높이와 밀도는 유동로의 방향으로 간격이 변화할 수도 있고, 핀 구조는 히터 헤드와 접합하여 천공 링을 적층시킴으로써 제작될 수도 있다. 링 버너는 배기 가스의 부가적인 연소를 유발하도록 추가 연료를 공급하기 위한 주요 연소기를 구비한다. 열 사이클 기관용 축열기는 특정 체적을 충전시키도록 형성된 섬유들의 랜덤 네트워크와 섬유 네트워크 사이의 밀접한 접촉 지점에서 섬유를 교차 결합하기 위학 재료를 가진다.

Description

스터링 기관 열시스템의 개선{STIRLING ENGINE THERMAL SYSTEM IMPROVEMENTS}
기관과 냉각기를 구비한 스터링 사이클 기계는 본원에서 참조로 사용되는 옥스퍼드 유니버시티 출판사(1980, Oxford University Press)에서 스터링 기관이라는 제목으로 워커(Walker)에 의해 상세히 기술된 기술적 유산을 가진다. 스터링 사이클 기관에 내재된 원리는 스터링 열동력 사이클: 실린더 내의 가스의 정적 가열, (피스톤을 구동시킴으로써 수행되는 작업 중의) 가스의 등온 팽창, 정적 냉각, 및 등온 압축의 기계적인 구현에 있다.
스터링 사이클 기계 및 이에 대한 개선의 태양에 관한 추가적인 배경은 본원에서 참조로 사용되는 필립스 스터링 기관(엘세비어, 암스테르담(Elsevier, 1991)이라는 제목으로 하그레이브스에 의해 언급된다.
스터링 기관의 작동 원리는 도1a 내지 도1e를 참조하여 이미 기술되었고, 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 부분을 구별하기 위해 사용된다. 스터링 사이클 기계의 다수의 기계적인 레이아웃은 당업계에 공지된 바이며, 도면부호(10)에 의해 통상 지시된 특정 스터링 기관은 단지 설명을 목적으로 도시된다. 도1a 내지 도1d에 있어서, 피스톤(12)과 디스플레이서(displacer; 14)는 스터링 기관의 소정의 실시예에서 단일 실린더일 수도 있는 실린더(16) 내에서 동일한 위상으로 왕복운동한다. 실린더(16) 내에 내장된 작동 유체는 시일에 의해 피스톤(12)과 디스플레이서(14) 주위를 벗어나도록 강제된다. 작동 유체는 열역학적 특성으로 선택되며, 명세서에서 이후에 기술되는 바와 같이, 다수의 대기 압력에서 통상 헬륨이다. 디스플레이서(14)의 위치는 열이 작동 유체에 공급되고 이로부터 추출되는 인터페이스에 대응한 작동 유체가 고온 인터페이스(18) 또는 저온 인터페이스(20)와 각각 접촉하는 것을 조절한다. 열의 공급 및 추출은 이후에 상세히 기술된다. 피스톤(12)의 위치에 의한 작동 유체의 체적은 압축 공간(22)으로 불린다.
기관 사이클의 제1 위상 중에, 도1a에 묘사되는 초기 상태에서 피스톤(12)은 압축 공간(22)에서 유체를 압축한다. 열이 유체로부터 외기로 추출되기 때문에 압축은 대체로 일정한 온도에서 일어난다. 압축 후의 기관(10)의 상태는 도1b에 묘사된다. 사이클의 제2 위상 중에, 디스플레이서(14)는 작동 유체가 저온 인터페이스(20)의 영역으로부터 고온 인터페이스(18)의 영역으로 변위된 상태로 저온 인터페이스(20)의 방향으로 이동한다. 이 위상은 전달 위상으로 불릴 수도 있다. 전달 위상의 종결부에서, 작동 유체가 일정한 체적에서 가열되었기 때문에 유체는 보다 고압이다. 증가된 압력은 압력 게이지(24)의 판독에 의해 도1c에서 상징적으로 묘사된다.
기관의 제3 위상(팽창 행정) 중에, 압축 공간(22)의 체적은 열이 외부 기관(10)으로부터 견인됨에 따라 증가하고, 이로써 열을 일로 변환시킨다. 실제로, 열은 이후에 명세서에서 상세히 기술되는 (도2에 도시된) 히터 헤드(100)에 의해 유체에 제공된다. 팽창 위상의 종결부에서, 압축 공간(22)은 도1d에 묘사되는 바와 같이 저온 유체로 채워진다. 기관 사이클의 제4 위상 중에, 유체는 대향된 방식으로 디스플레이서(14)의 이동에 의해 고온 인터페이스(18)의 영역으로부터 저온 인터페이스(20)의 영역으로 전달된다. 이 제2 전달 위상의 종결부에서, 유체는 도1a에 도시된 바와 압축 공간(22)과 저온 인터페이스(20)를 충전하고, 압축 위상의 반복을 위한 준비를 한다. 스터링 사이클은 도1e에 도시된 바와 같이 P-V(압력-체적) 선도에 묘사된다.
또한, 고온 인터페이스(18)의 영역으로부터 저온 인터페이스(20)의 영역으로 통과하면, 유체는 (도2에 도시된) 축열기(134)를 통과할 수도 있다. 축열기(134)는 열이 고온 인터페이스(18)의 영역으로부터 진입할 때는 유체로부터 열을 흡수하도록 기능하고 저온 인터페이스(20)의 영역으로부터 지나갈 때에는 유체를 가열하는 기능을 하는 정도로 체적에 대한 표면 영역의 비율이 큰 재료의 매트릭스(matrix)이다.
스터링 사이클 기관은 통상 그 개선에 대한 다수의 위협적인 기술공학적 도전으로 인해 실제 적용예에서 사용되지 않았다. 이는 효율성, 수명, 및 비용과 같은 실제적인 고려와 연관된다. 본 발명은 이들 고려 사항을 해결한다.
본 발명은 스터링 사이클(stirling cycle) 열기관의 열적 성분의 개선에 관한 것으로, 특히 히터 헤드와 연소 챔버 조립체 및 축열기(regenerator)에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 함께 이후의 설명을 참조하여 더 이해될 것이다.
도1a 내지 도1e는 종래의 스터링 사이클 기계의 작동의 원리를 도시한다.
도2는 본 발명의 양호한 실시예에 의한 열기관의 히터 헤드와 연소 챔버의 단면을 측면에서 도시한다.
도3은 발명의 대안 실시예에 따라 내부 대면 및 외부 대면 열적 핀이 분명히 나타난 방향을 따라 도2의 히터 헤드와 연소 챔버의 단면을 추가로 도시하고, 히터 헤드의 상부의 내면 및 외면에 정렬된 열 전달 핀을 구비한다.
도4는 본 발명의 실시예에 따라 히터 헤드로의 조립을 위해 분리 주조된 열 전달 핀의 사시도이다.
도5a는 도4에 도시된 바와 같은 열 전달 핀 어레이의 주조 세그먼트를 장착하기 위한 히터 헤드의 상부 사시도를 도시한다.
도5b는 핀 지지부가 열 전달 핀을 도시하도록 제거된 상태로, 열 전달 핀 어레이의 장착된 주조 세그먼트를 갖는 히터 헤드의 상부 사시도를 도시한다.
도5c는 본 발명의 실시예에 따라 히터 헤드 온도 센서와 배치 가스 사이의세라믹 절연체의 배치를 도시한 도3의 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도6a는 본 발명의 실시예에 따라 작동 유체가 스터링 사이클 기관의 축열기로 구동됨에 따라 전형적인 온도 구배를 도시하는 (다수의 열 전달 핀이 정확성을 위해 개략적으로 도시된 상태의) 도3의 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도6b는 명료함을 위해 가스 유동 채널 커버가 제거되었으며, 추가의 열 전달 핀들을 가진 도6a과 동일한 단면도를 도시한다.
도7a 내지 도7d는 본 발명의 실시예에 따라 히터 헤드와 유체 사이의 열 전달을 제공하도록 열 전달 핀 링의 적용을 묘사한다.
도8은 본 발명의 실시예에 따라 피브릴로즈(fibrilose) 초기 재료의 전기 도금에 의한 축열기의 제조를 묘사한다.
도8b는 본 발명의 따른 스터링 사이클 기관의 축열기 챔버의 단면도이다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 열 회수 조립체와 버너의 단면의 측면도이다.
도10a는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 스터링 사이클 기관을 위한 연료 흡기 매니폴드의 측부로부터의 단면도를 도시한다.
도10b는 절결부 BB을 따라 취한 도10a의 연료 흡기 매니폴드의 상부로부터의 단면도를 도시한다.
도10c는 연료 제트 노즐을 도시한 AA를 따라 취해진 도10a의 연료 흡기 매니폴드의 상부로부터의 단면도를 도시한다.
도11은 본 발명의 대안 실시예에 따라 제2 연소 지역을 갖는 (다수의 열 전달 핀이 정확성을 위해 개략적으로 도시된 상태의) 도3의 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도12a 및 도12b는 본 발명의 대안 실시예에 따라 열 사이클 기관을 위한 열 회수 조립체와 버너의 단면의 측면도이다.
도13a 내지 도13c는 히터 헤드와 배기 또는 작동 유체 사이에 열을 전달하기 위한 절첩 핀의 대안 형상을 도시한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 히터 헤드를 통해 전해진 외부 공급원으로부터의 열에 의해 가열된 작동 유체를 내장한 팽창 실린더 내에서 왕복 선형 운동을 하는 피스톤을 갖는 형태의 열 사이클 기관이 제공된다. 열 사이클 기관은 히터를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 가지고, 열 교환기는 열 전달 핀 세트를 포함하고, 각 열 전달 핀은 팽창 실린더의 원통형 벽으로부터 멀리 향한 축을 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 각 열 전달 핀의 축은 팽창 실린더의 원통형 벽에 대체로 수직일 수도 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열 교환기는 팽창 실린더의 축과 대체로 정렬된 휜 세트를 포함한다. 열 사이클 기관은 열 전달 핀 세트를 열 전달 핀의 부세트로 부분적으로 분리하기 위한 복수의 분할 구조를 추가로 구비하고, 열 전달 핀의 각 부세트의 열 전달 핀은 대체로 상호 평행한 축을 가질 수도 있다.
발명의 다른 실시예에 따르면, 열 전달 핀의 세트의 부세트는 그 전체적으로 히터 헤드로부터 외부 유체로 연장하는 열 전달 핀을 구비한다. 핀 지지부는 열 전달 핀의 세트를 지나서 가열된 외부 유체를 안내하기 위해 제공될 수도 있다. 히터 헤드에 수직인 핀 지지부의 치수는 유동로의 방향으로 감소할 수도 있고, 열 전달 핀의 표면적은 유동로의 방향으로 증가할 수도 있다. 열 전달 핀은 유동로의 방향으로 증가하는 배치 밀도를 가질 수도 있고, 열 전달 핀의 높이와 밀도는 유동로의 방향으로 간격이 변화할 수도 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 히터 헤드를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 일체로 주조된 열 전달 핀의 적어도 하나의 어레이를 패널 상에 주조하는 단계와, 열 전달 핀의 어레이를 히터 헤드에 접합시키는 단계를 가진다. 접합 단계는 패널을 히터 헤드에 기계적으로 부착하는 단계를 구비할 수도 있고, 열 전달 핀의 어레이의 패널을 히터 헤드에 납땜하는 단계를 또한 구비할 수도 있다.
발명의 다른 실시예에 다른 열 교환기를 제조하기 위한 방법은 복수의 천공 링을 제작하는 단계와, 천공 링을 히터 헤드와 접촉하게 적층시키는 단계와, 천공 링을 히터 헤드에 접합시키는 단계를 제공한다. 제작 단계는 시트 금속으로 링을 스탬핑 가공하는 단계를 구비할 수도 있다.
발명의 다른 태양에 따르면, 열 센서가 히터 헤드의 최대 온도 지점에서 열 사이클 기관의 히터 헤드의 온도를 측정하기 위해 제공된다. 열 센서는 열전대일 수도 있고, 연료 조절기는 최대 온도 지점에서 적어도 히터 헤드의 온도에 기초하여 연료 공급부를 조절할 수도 있다.
발명의 다른 실시예에 따르면, 열 사이클 기관은 배기 가스의 추가적인 연소를 유발하도록 추가적인 연소를 공급하기 위해 주 연소기를 보충하는 제2 링 버너를 가질 수도 있다.
발명의 다른 실시예에 따르면, 열 사이클 기관용 축열기는 특정 체적을 충전하도록 형성되는 섬유들의 랜덤 네트워크와, 네트워크의 섬유들 사이의 밀접한 접촉점에서 섬유를 교차 결합시키기 위한 재료를 가지도록 제공된다. 섬유는 스틸 울을 구비한 금속일 수도 있고, 섬유를 교차 결합하기 위한 재료는 니켈일 수도 있다. 섬유는 실리카 글래스일 수도 있고 섬유를 교차 결합하기 위한 재료는 테트라에틸오르쏘실리케이트일 수도 있다.
발명의 대안 실시예에 따르면, 열 사이클 기관용 축열기는 대체로 중심이 같은 내부 슬리브와 외부 슬리브, 및 내부 및 외부 슬리브에 대해 대체로 각각 수직인 2개의 평면에 의해 한정된 체적을 가질 수도 있다. 섬유들의 랜덤 네트워크는 체적 내에 내장되고 내부 및 외부 슬리브에 결합된 2개의 평행한 스크린은 체적 내에 섬유들의 랜덤 네트워크를 내장한다.
발명의 다른 실시예에 따르면, 열 사이클 기관용 축열기를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 전기 전도성 섬유의 랜덤 네트워크로 형상을 충전하는 단계와, 형상을 전기 도금 용액에 침지시키는 단계와, 섬유들 사이의 밀접한 접촉점에 전기 전도성 섬유를 교차 결합시키기 위한 재료를 증착시키는 방식으로 섬유들의 랜덤 네트워크와 용액 사이에 전류를 인가하는 단계를 가진다. 선택적으로, 형상은 섬유들의 랜덤 네트워크로 충전될 수도 있고, 섬유들의 랜덤 네트워크는 섬유들 사이의 밀접한 접촉 지점에서 섬유를 교차 결합시키는 방식으로 소결될 수도 있다.
망상 발포체를 특성 형상으로 형성하는 단계와, 세라믹 슬러리를 망상 발포체 상에 증착시키는 단계와, 발포체를 연소시키는 방식으로 슬러리를 열처리하는 단계와, 세라믹을 소결하는 단계를 갖는 열 사이클 기관용 축열기를 제조하는 방법이 제공된다.
외부 연소기를 갖는 열 사이클 기관의 히터 헤드의 일부의 측정 온도를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 외부 연소기로의 연료 유동을 조절하는 단계를 포함한다. 그리고, 열 사이클 기관의 히터 헤드 주연 둘레에 열을 분포시키기 위한 방법이 제공되고, 히터 헤드는 내면을 가지고, 상기 방법은 히터 헤드의 내면 및 외부중 적어도 하나에 높은 열 전도성 금속의 층을 인가하는 단계를 포함한다.
이제 도2에 의하면, 단면도는 도면부호(96)에 의해 통상 지시된 스터링 사이클 기관으로 설명할 목적으로 도시된 열 사이클 기관의 팽창 체적(98)과 대응 열 제어 구조가 도시된다. 히터 헤드(100)는 대체로 (한편, 실린더 헤드로 불리는) 하나의 폐쇄 단부(120)와 개방 단부(118)를 갖는 실린더이다. 폐쇄 단부(120)는 내부 연소기 구조(110)에 의한 한정된 연소 챔버(122)에 배치된다. 연소 챔버(122) 내의 고온의 연소 가스는 히터 헤드(100)와 직접 열 접촉되고, 열 에너지는 전도에 의해 연소 가스로부터 히터 헤드로, 히터 헤드로부터 열 기관의 작동 유체, 통상 헬륨으로 전달된다. 질소와 같은 기타 가스는, 예컨대 양호한 작동 유체가 큰 열 전도성과 작은 점도를 갖는 상태로 본 발명의 범위 내에서 사용될 수도 있다. 불연성 가스가 또한 바람직하다. 연소 가스가 폐쇄 단부(120)의 외부면을 따라 가스 유동 채널(113) 내에서 유동함에 따라 열은 연소 가스로부터 히터 헤드로 전달된다.
팽창 체적(98)은 히터 헤드(100) 내부에 차례로 배치된 팽창 실린더라이너(115)에 의해 그 측부가 둘러싸이고, 통상 히터 헤드에 의해 지지된다. 팽창 피스톤(121)은 팽창 실린더 라이너(115)의 내부를 따라 진행한다. 팽창 피스톤이 히터 헤드(100)의 폐쇄 단부(120)를 향해 진행함에 따라, 히터 헤드 내의 작동 유체는 변위되어 팽창 실린더 라이너(115)의 외면과 히터 헤드(100)의 내면에 의해 한정된 유동 채널을 통해 유동하게 된다.
열기관의 전체 효율은 기관의 작동 유체와 연소 가스 사이의 열 전도 효율에 부분적으로 따른다. 연소 챔버(122)의 연소 가스로부터 팽창 체적(98)의 작동 유체로 열을 효율적으로 전달하기 위해 당업계에 공지된 하나의 방법은 히터 헤드를 지나 연소 챔버 내로 연장하는 (도2에 도시된 특정 실시예의 일부를 형성하지 않기 때문에 도2에 도시되지 않은) 복수의 가열 루프를 요구한다. 작동 유체는 가열 루프를 따라 운송되어 연소 가스에 의해 가열 루프를 통한 전도를 통해 가열된다. 열 전달을 증가시키기 위해서, 가열 루프는 통상 얇은 벽을 가진다. 또한, 가열 루프는 통상 연소 챔버에 끼워지도록 예리한 모서리를 가진다. 예리한 모서리와 얇은 벽의 조합은 작동 유체 체적의 틈 영역이려는 높은 응력의 국소 영역을 생성하여, 기관 결함을 유발한다.
선택적으로는, 휜(fin) 또는 핀은 열을 기관의 작동 유체로 차례로 전달하도록 고온 유체 연소 생성물과 고체 히터 헤드 사이의 계면 구역을 증가시키는 데에 사용될 수도 있다. 히터 헤드(100)는 히터 헤드와 팽창 실린더 라이너(115) 사이의 공간에서 히터 헤드(100)의 내면 상에 도시된 열 전달 핀(124)을 가질 수도 있다. 또한, 도2와는 다른 직경의 팽창 체적(98)을 따라 취한 스터링 사이클기관(96)의 단면으로 도3에 도시된 바와 같이, 열 전달 핀(130)은 열 전달 핀을 지나서 연소기(122)로부터 유동하는 연소 가스로부터 히터 헤드(100)에, 그로부터 작동 유체로의 전도에 의한 열의 전달을 위해 큰 표면적을 제공하도록 히터 헤드(100)의 외면 상에 또한 배치될 수도 있다. 점선(131)은 팽창 실린더의 종방향 축을 나타낸다. 도3은 본 발명의 대안 실시예에 따라 히터 헤드(100)의 상부의 내면과 외면에 정렬된 열 전달 핀(133)을 또한 도시한다. 내부 대면 열 전달 핀(124)은 전도에 의한 히터 헤드(100)로부터 팽창 피스톤에 의해 팽창 체적으로부터 변위되고 축열기 챔버(132)를 통해 구동되는 작동 유체로의 열의 전달을 위한 큰 표면적이 제공되도록 기능한다.
히터 헤드(100)의 크기에 따라, 수백 또는 수천의 내부 열 전달 핀(124)과 외부 열 전달 핀(130)이 바람직할 수도 있다.
열 전달 핀(124, 130)을 갖는 히터 헤드(100)를 제조하기 위한 일방법은 일체형 유닛으로 히터 헤드와 핀을 주조하는 단계를 구비한다. 핀 어레이 조립체 또는 기계 가공보다 통상 저렴하게 달성되지만, 주조 핀 어레이는 부수적인 어려움과 상당한 비용을 여전히 내재하고 있다. 또한, 주조 공정은 핀으로 배치된 것보다 덜 조밀한 히터 헤드를 유발하여, 히터 헤드 표면과 충돌하지 않는 가스의 부분을 증가시키고 열 전달 효율을 감소시키게 된다.
히터 헤드(100)의 표면을 열 전달 핀으로 배치시키기 위한 방법은 본 발명의 실시예에 따라 분리 주조 공정에서 열 전달 핀의 어레이와 히터(100)의 제조를 수반한다. 패널(154)로 주조된 열 전달 핀(152)의 어레이는 도4에 도시된다. 핀 어레이(150)는 주조 후에 고온의 땜납에 의해 히터 헤드의 내면 및 외면에 장착된다. 따라서, 핀을 지나는 가스의 결과적으로 낮은 누설율로 보다 조밀하게 배치된 헤드가달성되는 것이 유리할 수도 있다.
다른 실시예에 있어서, 패널(154)은 다양한 기계적 수단에 의해 히터 헤드에 고정될 수도 있다. 슬롯은 헤드에 대항하여 패널을 제 위치에 유지하기 위한 (다음 문단에 설명된) 디바이더(506)에 제공될 수도 있다. 선택적으로, 패널(154)은 히터 헤드로 소결될 수도 있다.
발명의 임의의 실시예에 따라, 각각이 이와 관련된 패널 세그먼트(154)를 갖는 개별 어레이(150)는 히터 헤드 주위에 주연 간격의 아치형 파편을 포함한다. 이는 도5a에서 사시도로 도시된 헤드 히터 조립체의 상부도에서 명백하다. 실린더 헤드(120)는 히터 헤드의 외면(502)과 같이 도시된다. 열 전달 핀 어레이를 지지하는 지지부 세그먼트는 도시되지 않지만 히터 헤드의 외면(502)을 둘러싸는 공간(502)에 조립 중에 삽입된다. 연속적인 열 전달 핀 어레이 세그먼트는 열 전달 핀 후방을 제외한 임의의 경로를 통한 하향 방향으로의 배기 가스의 유동을 차단하는 것을 방해하는 사다리형 디바이더(506)이다. (도2에 또한 도시된) 고온 가스 유동로(113)는 가스 유동 채널 커버(140)에 의해 외부에서 한정된다. 배기 가스가 디바이더(506)를 통해 유동하지 않기 때문에, (도2 및 도5c에 도시된) 열전대(138)와 같은 온도 센서는 열 접촉하는 히터 헤드(100)의 온도를 모니터하도록 디바이더(506)에 배치되는 것이 유리하다. 핀 어레이(150)와 디바이더 내에 장착된 온도 센서(138)의 위치는 핀 지지부가 제거된 도5b의 도면에서 보다 명료하게도시된다.
온도 감지 장치(138)는 도5b에 묘사된 바와 같이 디바이더(506) 내에 배치되는 것이 바람직하다. 보다 특별하게는, 온도 센서(138)의 온도 감지 선단부(139)는 이 구역이 통상 히터 헤드의 최고온도 부분인 실린더 헤드(120)에 가능한 밀접하게 디바이더(506)에 대응하는 슬롯에 위치되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 온도 센서(138)는 실린더 헤드(120)에 직접 장착될 수도 있지만, 기술되는 바와 같은 슬롯에서의 센서의 위치는 바람직하다. 동력 및 효율 면에서 기관 성능은 가능한 최고 온도에서 가능 높지만, 최대 온도는 야금 특성에 의해 통상 제한된다. 따라서, 센서(138)는 최고 온도를 측정하도록 배치되므로, 히터 헤드의 일부를 제한한다. 또한, 온도 센서(138)는 도5c에 도시된 바와 같이 세라믹 절연체(142)에 의해 디바이더(506)의 벽과 연소 가스로부터 차단되어야 한다. 또한, 세라믹은 온도 센서를 제 위치에 보유하도록 디바이더의 벽과 점착성 접합을 형성할 수 있다. 온도 센서(138)의 전기 리드(144)는 전기적으로 또한 절연되어야 한다.
버너가 원주 대칭성을 가지도록 설계되지만, 고온 스폿(spot)은 히터 헤드 상에 나타난다. 문제점에 더해, 히터 헤드의 제작을 위해 통상 채용된 합금은 그 높은 용융점을 이유로, 상대적으로 불량한 열 전도성을 가진다. 고온 스폿이 형성되면, (도5a에 도시된) 디바이더(506)가 임의의 원주 방향 유동을 방해하기 때문에 헤드 외부의 가스 유동이 원주 방향이라기 보다는 축방향이므로 고온 스폿은 지속되기 쉽다. 또한, 가열 작업은 국소적인 가스 점도를 증가시켜서, 보다 많은 유동을 다른 채널로 다시 향하게 한다. 히터 헤드 상의 온도 분배를 균등하게 하기 위해서, 두께가 0.0003m(0.001인치) 이상이고, 바람직하게는 약 0.00013m(0.005인치)인 구리와 같이 열 전도성이 높은 금속층은 증착 또는 도금, 또는 기타 적용 방법에 의해 히터 헤드(120)의 내면(148)에 도포된다. 선택적으로, 유사한 코팅은 발명의 다른 실시예에 따라 외면에 도포될 수도 있다.
스터링 사이클 기관의 크기를 작게 유지하기 위해서, 연소 가스로부터 히터 헤드를 통한 열 플럭스를 최대화시키는 것이 중요하다. 종래 기술은 작동 유체로의 열 전달이 이루어지는 파이프의 루프를 채용하였지만, 루프는 복잡한 루프 형상과 여분의 재료로 인해 (루프가 기계적으로 취약하기 때문에) 신뢰성이 낮고 비용이 많이 든다. 본 발명의 실시예에 따른 열 플럭스의 제한자는 가압된 헤드의 구조적 완결성을 유지하면서 연소 챔버의 고온을 견딜 수 있어야 하는 히터 헤드 재료의 열 기계 특성이다. 최대 설계 온도는 통상 벽의 상부에 있는 히터 헤드 상의 최고온 지점에 의해 결정된다. 이상적으로, 전체 히터 벽 고온 섹션은 예컨대 연료 유동을 제어함으로서 제어될 수도 있는 바와 같이 이 최고 온도일 것이다.
연소 가스가 (도2에 도시된) 가스 유동 채널(113)의 히터 헤드를 지나 진행함에 따라, 가스 온도는 열이 가스로부터 히터 헤드로 전달됨에 따라 감소한다. 그 결과, 가스 유동 채널의 상부에서의 최대 허용 히터 헤드 온도는 히터 헤드에 사용되는 재료에 의해 설정되어야 한다. 재료는 (경화 전의 최대 온도(Tmax) 가 800℃인) 인코넬 600, 인코넬 625(Tmax=900℃), 인코넬 754(Tmax=1080℃) 또는 헤스텔로이 GMR 235(Tmax=935℃)와 같은 슈퍼 합금으로 통상 공지된 고니켈 합금 집합체로부터 선택된 것이 바람직하다. 가스 채널(113)의 가스는 운반 중에 채널을 통해 350℃ 만큼 냉각될 수도 있고, 고온 존의 하부의 가열 부족(underheating)으로 귀결된다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 히터 벽의 온도 프로파일은 이제 설명되는 바와 같이 열 전달의 기하학적 형태에 의해 제어된다. 기하학적 형태를 제어하기 위한 일방법은 (도2 및 도6a에 도시된) 가변 단면 가스 유동 패널(113)을 제공하는 것이다. (히터 헤드의 벽에 수직인) 반경방향 치수, 및 이에 따른 패널의 단면은 히터 벽의 상부에서 크고, 이로써 다량의 가스가 벽의 상부에서 핀 어레이를 우회하는 것을 허용하게 된다. 우회는 고온 가스가 벽의 하부에서 핀 어레이에 도달하는 것을 허용하여 하부 핀 어레이가 그 최대 온도에 밀접하게 작동하게 한다. 히터의 상부로부터 [도2에 도시된 축열기 체적(132) 전의] 고온 섹션의 하부로의 온도 구배는 가변 단면 가스 유동 채널을 사용하여 350 내지 100℃로 감소된다.
기하학적 형태를 제어하기 위한 제2 방법은 가스 유동 채널을 따른 위치의 함수로서 핀 어레이의 기하학적 형태와 배치 밀도를 변화시키는 것이다. 핀의 기하학적 형태는 핀의 높이/직경(H/D) 비율을 변화시킴으로써 조절될 수도 있다. 주조 공정이 핀 어레이를 형성하도록 사용된다면, H/D 어레이의 범위는 공정에 의해 제한될 수도 있다. 핀 링이 사용된다면, H/D 비율의 범위는 확장될 수도 있다.
도6a에 의하면, 화살표(702)는 히터 헤드(100)를 지나는 가열된 배기 가스의 경로를 가리킨다. 외부 열 전달 핀(130)은 가열된 배기 가스를 차단하여 히터 헤드(100)와 내부 열 전달 핀(124)을 경유하여 경로(704)를 따라 팽창 실린더(115)로부터 구동되는 작동 유체로 열을 전달한다[명료함을 위해, 열 전달 핀(130, 124)은 도6a에 개략적으로 도시된다. 추가의 열 전달 핀(130, 124)은 도6b에서 축적되지 않은 상태로 묘사된다]. 연속적인 열 전달 핀(706, 708, 710)은 예컨대 경로(702)를 따라 배기 가스의 유동에 대해 점진적으로 커지는 단면을 나타낸다. 따라서, 배기 가스가 하부 핀의 도착 전에 열의 소정 일부를 전달하면서, 열은 큰 전도율로 추출되어, 이로써 팽창 체적(98)과 축열기 체적(132) 사이의 작동 유체의 경로의 상부(712)와 하부(714) 사이에서 온도 구배를 감소시킨다. 팽창 실린더(115)의 표면의 전형적인 온도는 실린더의 상부에서 850℃, 실린더의 중앙에서 750℃, 및 축열기 체적에 밀접한 실린더의 단부에서 600℃로 도6a에서 지시된다.
배기 가스로부터 히터 헤드로의 보다 균일한 분배를 달성하기 위한 다른 방법은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도6a에 도시되는 바와 같이 테이퍼진 동심 핀 지지부(146)에 의해 히터 헤드의 외경 상에 테이퍼진 디바이더를 생성하는 것이다. 도6a의 단면은 가장 온도가 높은 배기 가스의 부분으로 히터 헤드의 상부 주위에서 핀을 우회하도록 테이퍼진 핀 지지부(146)가 허용하는 방법을 도시한다. 핀 지지부(146)는 보다 많은 배기 가스를 핀 열 교환기 내로 점진적으로 강제하는 핀의 외부에 협소한 환형 간격을 생성한다.
전술된 바와 같이 히터 헤드(100)와 같은 고체와 연소 가스와 같은 유체 사이의 인터페이스의 표면적을 증가시키는 다른 방법은 도7a 내지 도7d를 참조하여 이제 설명된다. 주조 등에 의해 열 전달 핀을 제작하는 효과와 유사한 효과는 도7a에서 상부도로, 도7b에서 측면도로 도시된 얇은 환형 링(162) 내로의 천공 구멍(160)에 의해 달성될 수도 있다. '열 전달 핀'으로 불릴 수도 있는 링(162)의 두께는 전술된 열 전달 핀의 두께와 비교가능하고, 고온의 연소 가스 횡단 구멍(160)에서 열 전도성 재료의 강도에 의해 조절된다. 각 링 내의 구멍(160)의 형상 및 배치는 특정 적용예에 대한 설계에 관한 문제로, 실제 본 발명의 범위 내에 있으며 구멍(160)이 고체 재료에 의해 둘러싸이지 않는 임의의 첨부된 특허 청구 범위내에 있다. 링(162)의 재료는 인코넬 625 또는 헤스텔로이 GMR 235와 같은 내산화성 금속이 바람직하지만, 기타 열 전도성 재료가 사용될 수도 있다. 링(162)은 금속 스탬핑 공정에 의해 저렴하게 제공될 수도 있다. 그런 후, 링(162)은 도7c에서 외부 핀 링(164)에 대해, 그리고 도7d에서 내부 핀 링(166)에 대해 도시된 바와 같이 외면 히터 헤드(100)에 장착 및 납땜되고, 또는 다르게 접합된다. 추가적인 링은 핀들 사이의 수직 이격을 제어하도록 핀 링 사이에 산재될 수도 있다. 팽창 실린더 라이너(115)는 내부 핀 링(166)의 내부에 도시된다.
실린더 축(168)에 수직으로 취한 열 전달 핀의 전체 단면적은 일정할 필요가 없고, 실제로 도6을 참조하여 상기에서 상세히 설명한 바와 같이 변하는 것이 유리하다.
도13a 내지 도13c에 의하면, 내부 또는 외부 열 교환기 표면은 다양한 절첩 휜 구조(1200, 1202, 1204)로 또한 형성될 수도 있다. 절첩 휜 구조는 히터 헤드 압력 돔의 재료 또는 개선된 휜 효율을 제공할 수도 있는 구리와 같이 전도성이 큰 재료와 유사한 재료로 제조될 수도 있다. (도2에 도시된) 히터 헤드(100)의 재료와 같이 용융점이 높은 재료로 제작된 휜은 히터 헤드의 상부로부터 하부로 연속적일 수도 있다. 절첩 휜은 시트 금속으로 제조될 수도 있고 히터 헤드의 내면에 납땜될 수도 있다. 3개의 절첩 휜 형상은, 일예로 물결 휜(1200), 랜스형 휜(lanced fin; 1202), 및 오프셋 휜(1204)으로 도시된다. 각 경우에 있어서, 가스 유동 방향은 도면부호(1206)에 의해 지시된 화살표에 의해 지시된다.
히터 헤드(100)의 재료와 유사하지 않게 형성된 휜은 발명의 대안 실시예에 따라 차등적인 열적 팽창이 휜과 헤드 사이의 납땜된 이음부를 파손시키는 것을 회피하도록 축방향 세그먼트에 부착된다. 도13c의 오프셋 휜 형상은 유리하게는 평평한 핀에 대해 월등한 열 전달 계수를 제공한다.
절첩 휜을 위해 열 전도성이 큰 금속의 사용하는 것은 유리하게는 휜이 길게 제조되는 것을 허용할 수도 있고, 이로써 열 전달을 향상시키고 가스의 유동에 대한 저항을 감소시키고 기관 효율을 향상시킨다.
도2에 의하면, 작동 유체가 팽창 피스톤에 의해 팽창 실린더(115)로부터 변위됨에 따라, 작동 유체는 내부 핀 어레이(124)에 걸친 통로에서 추가로 가열되어 축열기 챔버(132)를 통하도록 구동된다. 축열기(134)는 전술된 바와 같이 스터링 사이클의 다양한 위상 중에 작동 유체로부터 열을 부가 및 제거하도록 스터링 사이클 기계에서 사용된다. 스터링 사이클 기계에서 사용되는 축열기는 통상 높은 열 전달 구역과 작동 유체에 대한 낮은 유동 저항을 통상 도출하도록 높은 전달율이 가능해야 한다. 작은 유동 저항은 작동 유체를 펌핑하는 데에 요구되는 에너지를 감소시킴으로써 기관의 전체 효율에 또한 도움을 준다. 또한, 축열기(134)는 파편이 작동 유체에 혼입되어 압축 또는 팽창 실린더로 운송되어 되어 피스톤 시일에손상을 유발하기 때문에 파편 또는 스폴링(spalling)에 영향을 받지 않는 방식으로 제조된다.
하나의 축열기 설계는 수백 개의 적층된 금속 스크린을 사용한다. 높은 열 전달면, 낮은 유동 저항 및 낮은 스폴링을 나타내면서, 금속 스크린은 그 절단 및 취급이 축열기의 조립전에 제거되어야 하는 작은 금속 파편을 생성할 수도 있다는 단점을 겪을 수도 있다.
발명의 실시예에 따르면, 스테인레스 스틸 울 또는 세라믹 섬유와 같은 3차원의 섬유들의 랜덤 네트워크는, 예컨대 도8a를 참조하여 이제 설명되는 바와 같이 축열기로서 사용될 수도 있다. 스테인레스 스틸 울 축열기(200)는 유리하게는 체적에 대한 표면적의 큰 비율을 제공하여, 이로써 밀집 형태에서 낮은 유동 마찰로 양호한 열 전달율을 제공하게 된다. 또한, 다수의 스크린을 절단, 세척 및 조립하는 성가신 제조 단계는 제거되는 것이 유리하다. 스틸 울의 작은 기계적 강도와 스틸 울의 스폴링 경향은 이제 설명되는 바와 같이 극복될 수도 있다. 발명의 실시예에 따르면, 개별적인 스틸 와이어(202, 204)는 단일의 3D 와이어 매트릭스로 "교차 결합"된다.
축열기를 위한 초기 재료는 피브릴로즈(fibrilose)일 수도 있고, 스틸 울과 같은 랜덤 섬유 형태일 수도 있다. 섬유의 조성은 유리 또는 세라믹 또는 스틸, 구리, 또는 고온 재료와 같은 금속일 수도 있다. 섬유의 직경은 축열기의 크기와 금속 특성에 따라 10 마이크로미터 내지 1 밀리미터의 범위인 것이 바람직하다. 초기 재료는 도8b에서 단면으로 묘사된 축열기의 최종 형상에 대응하는 형상으로위치된다. 내부 캐니스터 원통형 벽(220), 외부 캐니스터 원통형 벽(222), 및 축열기 네트워크(200)가 도시된다. 축열기의 밀도는 형상으로 배치된 초기 재료의 양에 의해 제어된다. 형상은 유체가 형상을 통과하는 것을 허용하도록 다공성일 수도 있다.
발명의 대안 실시예에 있어서, 비소결 스틸 울은 축열기 네트워크(200)로 채용된다. 그런 후, 축열기 네트워크(200)는 스틸 울 파편을 유리하게 포획할 수도 있는 축열기 보유 스크린(224)에 의해 축열기 캐니스터 내에 보유된다.
발명의 일실시예에 있어서, 전기 전도되는 초기 재료에 적용가능하게, 초기 재료는 다공성 형상에 위치되고 전해조에 위치된다. 초기 재료는, 예컨대 스테인레스 스틸과 같은 금속일 수도 있다. 전기 접속은 초기 재료로 이루어지고, 이로써 전극을 형성한다. 초기 재료에서 개별 섬유의 교차 결합은 초기 재료 상으로의 제2 재료(206)의 전기적 증착에 의해 달성된다. 초기 재료의 선택은 전기 화학 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이 선택된 특정 증착 기술 및 제1 및 제2 재료의 화학적 호환성과 같은 요인에 따를 것이다. 증착중에, 제2 재료는 초기 재료 상에 형성되어 개별 섬유가 상호 근접한 위치에서 초기 재료의 개별 섬유들 사이에 다리부(208)를 형성할 것이다. 증착은 다리부가 2개의 개별 섬유를 견고하게 제 위치에 보유할 정도의 충분한 크기로 성장할 때까지 계속된다.
증착 지속 기간은 특정 용착 공정에 따르며, 당업자에 의해 용이하게 결정된다. 증착이 완료된 후에, 축열기는 욕조 및 형상으로부터 제거되어 세척된다.
발명의 다른 실시예에 있어서, 초기 재료는 다공성일 수도 있고 아닐 수도있는 형상으로 위치된다. 초기 재료를 내장한 형상은 노에 위치되어 단일편으로 부분 소결된다. 소결 온도와 소결 시간의 선택은 소결 분야의 당업자에 의해 용이하게 결정된다.
발명의 다른 실시예에 있어서, 초기 재료는 다공성 형상으로 위치된다. 초기 재료를 내장한 형상은 화학 욕조에 위치되고, 니켈과 같은 제2 재료는 개별 섬유들 사이에 다리부를 형성하도록 화학 증착된다.
발명의 다른 실시예에 있어서, 초기 재료는 다공성 형상으로 위치되는 실리카 글래스 섬유이다. 유리 섬유와 형상은 섬유가 용액에 의해 완전히 젖도록 테트라에틸오르쏘실리케이트(tetraethylorthosilicate; TEOS)와 에탄올 용액에 담긴다. 섬유와 형상은 용액으로부터 제거되어 습한 대기에 배수되는 것이 허용된다. 용액은 상호 밀접하게 섬유들을 연결하는 초승달 형태를 형성할 것이다. 대기 습도는 TEOS를 2개의 섬유들 사이에 교차 결합을 형성하는 실리카로 변환시키는 가수분해 축합 반응을 시작한다. 섬유와 형상은 반응 생성물을 제거하고 섬유들 사이에 실리카 다리부를 형성하도록 1000℃ 이하, 가장 바람직하게는 600℃ 이하에서 열처리될 수도 있다.
발명의 다른 실시예에 있어서, 세라믹 슬러리(slurry)는 축열기의 형태를 갖는 망상 발포체 상에 증착된다. 슬러리는 망상 발포체 상에서 건조되어 발포체를 연소시키고 세라믹을 소결하도록 열처리된다. 세라믹은 근청석, 알루미나, 또는 지르코니아와 같은 산소 세라믹으로 구성될 수도 있다. 열 처리 프로파일과 세라믹 슬러리의 혼합은 세라믹 프로세싱 분야의 당업자에 의해 용이하게 상술된다.
도2에 묘사된 발명의 실시예에 있어서, 배기 연소 가스는 예열기와 히터 헤드 조립체의 측면도와 단면도를 도시하는 도9를 참조하여 이제 설명되는 사전 연소 공기 예열기 입구로 향하는 포트(114)를 통해 가스 유동 채널을 나간다.
스터링 기관은 열효율이 높고 오염 물질을 적게 방출할 수 있지만, 이들 목적은 열 효율성의 요구 사항을, 특히 스터링 기관의 히터 헤드(110)를 가열하도록 채용되는 버너에 부가한다. 이러한 열 효율성의 성분은 연소를 제공하도록 버너(122)를 통한 (통상 공기로, 본원 및 임의 첨부된 특허청구 범위에서 서술된) 산화제의 효율적인 펌핑 작업과 히터 헤드를 떠나는 배기에 함유된 열 에너지의 회수를 구비한다. 다수의 적용예에 있어서, 공기(또는 기타 산화제)는 열 효율성의 상기 목적을 달성하도록 연소 이전에 히터 헤드의 온도에 근접하게 예열된다.
소량의 방출을 제공하기 위해, 연료와 공기는 일산화탄소(CO)의 방출을 제한하도록 충분한 량의 산소와 잘 혼합되어야 하고, 또한 질소 산화물(NOx)의 형성을 제한하기에 충분히 낮은 불꽃 온도로 연소되어야 한다. 높은 열 효율성을 달성하기에 바람직한 고온의 예열된 공기는 연료와 공기를 미리 혼합하는 것이 어렵게 하고 불꽃 온도를 제한하기 위해 다량의 초과 공기를 요구함으로써 소량 방출 목표를 달성하는 것을 복잡하게 한다.
본원 및 임의의 첨부된 특허청구범위에 사용된 바와 같이, "자동 점화 온도"라는 용어는 연료가 공기 및 연료 압력의 현조건하에서 온도 하강 촉매없이 점화될 온도로 정의된다. 전형적인 예열된 공기 온도는 잠재적으로 연료-공기 혼합물을 연소 챔버 내로의 진입 전에 연소하게 하는 대부분의 연료의 자동 점화 온도를 초과한다. 이 문제점에 대한 하나의 해결책은 사전에 혼합되지 않은 확산 불꽃을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 확산 불꽃은 잘 혼합되지 않기 때문에, 일산화탄소와 질소 산화물의 양호한 방출을 초과하게 된다. 불꽃 역학의 상세할 기술은 본원에서 참조되는 턴스에 의한 연소의 소개: 개념 및 적용(맥그로우-힐, 1996)이 제공된다. 불꽃 온도를 제한하도록 제공된 임의의 증가된 공기 유동은 통상 공기 펌프 또는 송풍기에 의해 소모된 동력을 증가시키고, 이로써 전체 기관 효율을 저하시킨다.
소량의 방출과 높은 효율성은 연소의 자동 점화 온도를 초과하여 가열된 공기의 존재에서도 사전 혼합된 불꽃을 제공하고, 또한 공기 입구와 불꽃 영역 사이의 압력 강하를 최소화함으로써 제공될 수도 있고, 이로써 본원에서 우선권 주장하는 계류중인 미국 출원에서 기술된 바와 같이 송풍기 동력 소모를 최소화한다.
"불꽃 속도"라는 용어는 불꽃 전방이 특정 연료-공기 혼합물을 통해 전파될 속도로 정의된다. 명세서 및 이후의 특허청구범위 내에서, "연소축"이라는 용어는 유체의 연소중에 현저한 유체 유동의 방향을 의미할 것이다.
버너와 예열기 조립체의 전형적인 부품은 본 발명의 실시예에 따라 도9를 참조하여 기술된다. 연소 가스를 위한 목표 범위는 1427 내지 2027℃(1700 내지 2300K)이고, 바람직하게는 1627 내지 1677℃(1900 내지 1950K)이다. 작동 온도는 통상의 다수의 대기의 작동 압력에서 작동 유체를 내장해야하는 히터 헤드(110)의 강도에 의해 제한된다. 금속의 강도와 산화제에 대한 내성은 통상 고온에서 감소되기 때문에, 높은 연소 온도로부터 금속 부품을 차단하는 것이 중요하다. 그 이유로, 버너(122)는 세라믹 연소 챔버(904)에 의해 둘러싸이고, 금속 연소 챔버 라이너(906)에 수용되고, 예열 경로(예컨대 1102, 도12에 도시됨)로부터 공기를 진입시키거나 배기 가스(910)에 의해 냉각된다. 또한, 히터 헤드(110)는 히터 헤드 불꽃 캡(902)에 의해 가열되는 직화로부터 차단된다. 세라믹 연소 챔버(904)는 세라믹 주조 공정을 사용하여 제작되는 것이 바람직하다. 연소 공정의 배기 생성물은 전술된 바와 같이 열 전달 핀 또는 다른 열 전달 수단을 사용하여 경로(908)를 따라 히터 헤드(110)를 지나 히터 헤드 및 히터 헤드 내에 포함된 작동 가스로의 효율적인 열 전달을 위해 제공되는 채널로 통한다.
그런 후, 배기 가스는 챔버 라이너(906)와 내부 절연체(912) 사이에서 경로(910)를 따라 보내지고, 이로써 챔버 라이너(906)로부터 추가적인 열을 흡수하여 챔버 라이너가 가열되는 것을 방지하는 추가 장점을 가진다. 그런 후, 배기 가스는 예열기(914)를 통해 하향으로 복귀되고 916으로 지시된 화살표에 의해 도시된 바와 같이 히터 헤드(110)의 주연부 둘레로 배기된다. 예열기(914)는 통상 공기 펌프 또는 송풍기에 의해 배기 가스로부터 외부에서 취한 공기로의 열 교환을 허용한다. 예열기는 주름진 절첩 휜, 통상 인코넬로 제작될 수도 있다. 그러나, 배기로부터 입력 공기로의 열 교환을 위한 임의의 수단은 본 발명의 범위 내에 있다. 0.23m2(2.5ft2)면적을 갖는 예열기를 사용하여, 히터 헤드를 넘어 배기 가스에 의해 운반되는 열의 80% 이상을 회수하는 것이 가능하다. 다른 면적 범위의 예열기는 기술되고 청구된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있다.
이제 도10a 내지 도10c에 의하면, 흡기 매니폴드(599)는 본 발명의 실시예에 따라 스터링 사이클 기관 또는 다른 연소 적용예로의 적용을 위해 도시된다. 발명의 양호한 실시예에 따라서, 연료는 연료의 자동 점화 온도를 초과하여 가열될 수도 있는 공기와 미리 혼합되고, 연료와 공기가 잘 혼합될 때까지 불꽃이 형성되는 것이 방지된다. 도10a는 흡기 매니폴드(599)와 연소 챔버(610)를 구비한 장치의 양호한 실시에를 도시한다. 흡기 매니폴드(599)는 공기(600)를 수용하기 위한 입구(603)를 갖는 비대칭 도관(601)을 가진다. 공기(600)는 연료의 자동 점화 온도 이상일 수도 있는 온도, 통상 627℃(900K)를 이상의 온도로 예열된다. 도관(601)은 연소축(620)에 대해 반경방향 내향으로 유동하는 공기(600)를 도관(601) 내에 배치된 스월러(602)로 운반한다.
도10b는 발명의 실시예에 따른 스월러(602)를 구비한 도관(601)의 단면도를 도시한다. 도10b의 실시예에 있어서, 스월러(602)는 공기(600)의 유동을 반경방향 내향으로 향하게 하고 회전 성분을 공기에 가하기 위한 다수의 나선형 베인(802)을 가진다. 도관의 스월러 섹션의 직경은 스월러 섹션 도관(601)의 길이에 의해 한정되는 바와 같이 스월러(602)의 입구(804)로부터 출구(806)로 감소한다. 스월러 베인(802)의 직경의 감소는 직경에 대해 대체로 반비례로 공기(600)의 유동율을 증가시킨다. 유동율은 연료의 불꽃 속도를 초과하도록 증가된다. 스월러(602)의 출구(806)에서, 양호한 실시예에서 프로판인 연료(606)는 내향으로 유동하는 공기 내로 주입된다.
양호한 실시예에 있어서, 연료(606)는 도10c에 도시된 바와 같이 일련의 노즐(800)을 통해 연료 주입기(604)에 의해 주입된다. 특히, 도10c는 도관(601)의 단면도를 도시하고 연료 제트 노즐(800)을 구비한다. 노즐(800)의 각각은 스월러 베인(802)의 출구에 위치되고 2개의 인접 베인 사이에서 중심설정된다. 노즐(800)은 공기와 연료를 혼합하는 효율을 증가시키기 위한 방식으로 위치된다. 노즐(800)은 공기 유동(600)을 가로질러 연료(606)를 동시에 주입한다. 공기 유동은 불꽃 속도보다 빠르기 때문에, 불꽃은 공기와 연료의 혼합물이 연료의 자동 점화 온도를 초과하는 지점에서도 형성되지 않을 것이다. 양호한 실시예에 있어서, 프로판이 사용되는 경우에, 히터 헤드의 온도에 의해 조절되는 바와 같은 예열 온도는 대략 627℃(900K)이다.
다시 도10a에 의하면, 이후로 "공기-연료 혼합물(609)"로 불릴 이제 혼합된 공기와 연료는 윤곽진 유선형부(622)를 가지고 도관(601)의 출구(607)에 부착된 목부(608)를 통한 방향으로 통과한다. 연료(606)는 연료 조절기(624)를 통해 공급된다.
목부(608)는 내부 반경(614)과 외부 직경(616)을 가진다. 공기-연료 혼합물은 대체로 횡단하고 연소축(620)에 대해 반경방향 내향인 방향으로부터 연소축에 대체로 평행한 방향으로 통과한다. 목부(608)의 유선형부(622)의 외형은 연소축에 대한 목부(608)의 단면적이 목부의 입구(611)로부터 목부의 출구(612)까지 일정하게 유지되도록 역전된 종의 형상을 가진다. 외형은 단차없이 원활하고 임의의 표면을 따른 결과적인 재순환과 분리를 회피하도록 스월러의 출구로부터 목부(608)의 출구까지 유동 속도를 유지한다. 일정한 단면적은 공기와 연료가 유동 속도를 감소시키지 않고 압력 강하를 유발하지 않고 계속 혼합되는 것을 허용한다. 원활하고 일정한 단면은 효율적인 스월러를 제공하고, 여기서 스월러 효율은 동적 압력을 스월식으로 유동시키도록 개조된 스월러에 걸친 정적 압력 강하의 부분을 가리킨다. 80% 보다 양호한 스월 효율은 발명의 수행에 의해 통상 달성될 수도 있다. 따라서, 연소 공기 팬의 와류 동력 드레인은 최소화될 수도 있다.
목부의 출구(612)는 공기-연료 혼합물(609)이 공기-연료 혼합물(609)의 속도를 저하시키는 챔버 내로 분사되는 것을 허용하도록 외향으로 깔대기 형상으로 벌어지고, 이로써 불꽃을 국소화시키고 내장하여 환상의 불꽃을 형성하게 한다. 스월러(602)에 의해 생성되는 회전 운동량은 당업계에 공지된 바와 같이 불꽃 안정화 링 소용돌이를 야기한다.
도11에 의하면, 이전 도면에서 참조되어 상술된 바와 같이 배기 가스 유동로(113)와 연소기(112)가 단면으로 도시된다. 본 발명의 대안 실시예에 따르면, 연소 배기 가스가 연소기(122)의 영역을 넘어서 연료의 연소 온도를 초과한 상태로 있고 연료/공기 혼합물이 통상 매우 적기 때문에 적절한 산화제가 배기 가스의 재연소를 위해 잔류한다는 것을 알 것이다.
도11은 외부 핀 어레이(130)의 상부에서 히터 헤드(120)의 온도를 모니터하여 히터 헤드가 현저하게 강도를 상실하는 온도 이하로 센서(1002)의 온도를 유지하도록 연료 유동을 제어하기 위해 온도 센서(1002), 통상 열전대의 사용을 추가로 도시한다. 센서(1002)의 온도는 히터 헤드 재료의 용용 온도에서 대략 50℃ 이하로 유지되는 것이 바람직하다.
도11에 도시된 구성에 있어서, 가변 단면 가스 유동 우회 채널(1004)의 사용이 전술된 바와 같이 도시된다. 우회 채널의 테이퍼는 묘사의 정확성을 위해 매우 과장된 것이다. 우회 채널이 채용되는 경우에도, 히터 헤드의 상부로부터의 간격의 함수로서의 온도 프로파일은 바람직하게는 평탄하지 않다. 2개의 온도 센서(1006, 1008)는 외부 핀 어레이(130)의 중간 및 하부에 각각 도시되어, 배기 가스의 온도가 모니터될 수도 있다.
발명의 대안 실시예에 따르면, 추가적인 연료는 후버너 연료 라인(1012)을 통해 노즐(1010)에서 배기 가스로 추가된다. 노즐(1010)은 온도 센서(1002, 1006)에 의해 도11에 지시된 위치 사이에서 히터 헤드(120)를 주연방향으로 둘러싸고 외부 핀 어레이(130)와 대면한 링 버너일 수도 있다. 후버너 연료 라인(1012)을 통한 연료 유동은 온도 센서(1008)에 의해 측정된 배기 가스 온도에 기초하여 제어될 수도 있다. 온도(1008)의 정확한 위치는 바람직하게는 후버너 노즐(1010)로부터 방출하는 연료의 연소에 의해 생성되는 외부 핀 어레이의 최대 온도를 측정하는 위치이다.
도12a에 의하면, 측면도는 본 발명의 대안 실시예에 따른 열 사이클 기관을 위한 도면부호(1100)에 의해 통상 지시된 버너와 열 회수 시스템의 단면으로 도시된다. 도시된 실시예에 있어서, 열은 연소기(122)에 의해 가열된 고온 배기 가스와 열 헤드 조립체의 외부인 열 교환기(1106)에서 공기 입구(1104)에 견인된 공기 사이에서 교환된다. 연소기에서 점화를 초기화하는 데에 사용되는 연료 입구(1108)와 점화기(1110)가 또한 도시된다. 배기 스트림(112)은 열교환기(1106)로 전달되기 전에 열 전달 핀(103)을 횡단한다. 구리 또는 용용 온도가 높은 기타 금속의 시일 링(114)은 열 전달 핀(130)의 하부 열 바로 아래에서 히터 헤드 플랜지(1116) 상에 로드형 시일을 형성한다. 구리 링(1114)은 래비린쓰 시일을 제공하는 히터 헤드 플랜지(1116) 상에 긴밀하게 끼워진다. 시일의 영역을 도시하는 도12a의 단면의 우측 부분이 도12b에서 확대되어 도시된다. 구리 시일 링(1114)은 히터 헤드(100) 상에 긴밀하게 끼워지고 버너 커버(1120)의 하면 상에서 환형 홈(1118) 내에 밀접하게 끼워진다. 홈(1118) 내의 링(1114)의 구조는 시일 링(1114)의 배면 둘레에서 나선형 경로로 진행하도록 배기 플레넘(exhaust plenum; 1122)에서 배기 가스를 유발하는 래비린쓰 시일을 제공한다. 헤드(100) 상으로의 링(1114)의 긴밀 끼워맞춤은 버너의 축방향 외부로 배기 가스가 누설되는 것을 제한한다.
본원에서 기술된 장치 및 방법은 본 발명에서 기술된 스터링 기관 이외의 다른 적용예에서 적용될 수도 있다. 발명의 기술된 실시예는 단지 예시적인 것이며, 다수의 변경 및 변화가 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 모든 변경 및 변화는 첨부된 특허청구범위에서 한정된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (31)

  1. 원통형 벽을 갖고 외부 열원으로부터의 열의 히터 헤드를 통한 전도에 의해 가열된 작동 유체를 내장한 팽창 실린더 내에서 왕복 선형 운동을 하는 피스톤을 갖는 형태의 열 사이클 기관이며,
    상기 히터 헤드를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 포함하고,
    상기 열 교환기는 각각이 팽창 실린더의 원통형 벽으로부터 멀리 배향된 축을 갖는 열 전달 핀의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 열 전달 핀의 축은 상기 팽창 실린더의 원통형 벽에 대체로 수직인 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 핀 세트를 열 전달 핀 부세트로 공간적으로 분리하기 위한 복수의 분할 구조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 핀의 각 부세트의 열 전달 핀은 서로에 대해 대체로 평행한 축을 가지는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 핀의 세트의 부세트는 그 전체적으로 열 전달 핀을 구비하고, 각 열 전달 핀은 높이와 직경에 의해 특징지워지고, 상기 열 전달 핀은 히터 헤드로부터 외부 유체로 연장하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 핀의 세트를 지나는 방향에 의해 특징이 지워지는 유동로에서 가열된 외부 유체를 안내하기 위한 핀 지지부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  7. 제6항에 있어서, 상기 히터 헤드에 수직인 핀 지지부의 치수는 상기 유동로의 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  8. 제6항에 있어서, 상기 열 전달 핀은 상기 유동로의 방향으로 증가하는 유동로를 횡단하는 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  9. 제6항에 있어서, 상기 열 전달 핀은 상기 유동로의 방향으로 증가하는 배치 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  10. 제6항에 있어서, 상기 열 전달 핀의 높이와 밀도는 유동로의 방향으로의 거리에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  11. 히터 헤드를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 제조하기 위한 방법이며,
    a. 일체로 주조된 열 전달 핀의 적어도 하나의 어레이를 패널 상에 주조하는 단계와, b. 상기 열 전달 핀의 어레이를 히터 헤드에 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 접합 단계는 패널을 히터 헤드에 기계적으로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 접합 단계는 열 전달 핀의 어레이의 패널을 히터 헤드에 납땜하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 히터 헤드를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 제조하기 위한 방법이며,
    a. 복수의 천공 링을 제작하는 단계와, b. 천공 링을 히터 헤드와 접촉하여 적층하는 단계와, c. 천공 링을 히터 헤드에 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제작 단계는 시트 금속으로 링을 스탬핑 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 연료 공급부를 갖는 외부 연소기의 배기 가스로부터의 히터 헤드를 통한 열 전도에 의해 가열된 작동 유체를 내장하고 원통형 벽을 갖는 팽창 실린더 내에서 왕복 선형 운동을 하는 피스톤을 갖는 형태의 열 사이클 기관에 있어서,
    a. 히터 헤드의 최대 온도 지점에 히터 헤드의 온도를 측정하기 위한 열 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  17. 제16항에 있어서, 열 센서는 열전대인 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  18. 제16항에 있어서, 최대 온도 지점에서 적어도 히터 헤드의 온도에 기초하여 연료 공급부를 조절하기 위한 연료 조절기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  19. 연료 공급부를 갖는 외부 연소기의 배기 가스로부터의 히터 헤드를 통한 열 전도에 의해 가열된 작동 유체를 내장하고 원통형 벽을 갖는 팽창 실린더 내에서 왕복 선형 운동을 하는 피스톤을 갖는 형태의 열 사이클 기관에 있어서,
    a. 배기 가스의 추가적인 연소를 유발하도록 추가적인 연료를 공급하기 위한 제2 링 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
  20. 열 사이클 기관용 축열기이며,
    a. 특정 체적을 충전하도록 형성되는 섬유의 랜덤 네트워크와, b. 네트워크의 섬유들 사이의 밀접한 접촉점에서 섬유들을 교차 결합시키기 위한 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열기.
  21. 제20항에 있어서, 섬유는 금속인 것을 특징으로 하는 축열기.
  22. 제20항에 있어서, 섬유는 스틸 울인 것을 특징으로 하는 축열기.
  23. 제20항에 있어서, 섬유를 교차 결합하기 위한 재료는 니켈인 것을 특징으로 하는 축열기.
  24. 제20항에 있어서, 섬유는 실리카 글래스이고 섬유를 교차 결합하기 위한 재료는 테트라에틸오르쏘실리케이트인 것을 특징으로 하는 축열기.
  25. 열 사이클 기관용 축열기이며,
    a. 대체로 동심인 내부 슬리브 및 외부 슬리브와 각각 내부 및 외부 슬리브에 대해 대체로 수직인 2개의 평면에 의해 형성된 체적과, b. 체적 내에 내장된 섬유들의 랜덤 네트워크와, c. 체적 내에 섬유들의 랜덤 네트워크를 내장하도록 내부 및 외부 슬리브에 결합되고 평행 평면중 하나에 놓인 제1 및 제2 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 축열기.
  26. 제25항에 있어서, 섬유는 스틸 울인 것을 특징으로 하는 축열기.
  27. 열 사이클 기관용 축열기를 제조하는 방법이며,
    a. 전기 전도성 섬유의 랜덤 네트워크로 형상을 충전하는 단계와, b. 형상을 전기 도금 용액에 침지시키는 단계와, c. 섬유들 사이의 밀접한 접촉점에 전기 전도성 섬유를 교차 결합시키기 위한 재료를 증착시키는 방식으로 섬유들의 랜덤 네트워크와 용액 사이에 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 열 사이클 기관용 축열기를 제조하는 방법이며,
    a. 섬유들의 랜덤 네트워크로 형상을 충전하는 단계와, b. 섬유들 사이의 밀접한 접촉점에서 섬유를 교차 결합시키는 방식으로 섬유들의 랜덤 네트워크를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 열 사이클 기관용 축열기를 제조하는 방법이며,
    a. 망상 발포체를 특성 형상으로 형성하는 단계와, b. 세라믹 슬러리를 망상 발포체 상에 적층시키는 단계와, c. 발포체를 연소시키것과 같은 방식으로 슬러리를 열처리하는 단계와, d. 세라믹을 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 외부 연소기를 갖는 열 사이클 기관의 히터 헤드의 부분의 측정 온도를 제어하기 위한 방법이며,
    외부 연소기로의 연료 유동을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 원통형 벽을 갖고 외부 열원으로부터의 열의 히터 헤드를 통한 전도에 의해 가열된 작동 유체를 내장하고 종방향 축을 갖는 팽창 실린더 내에서 왕복 선형 운동을 하는 피스톤을 갖는 형태의 열 사이클 기관이며,
    각각이 팽창 실린더의 축과 평행한 방향으로 대체로 정렬된 절첩된 핀들의 세트를 포함하고, 히터 헤드를 가로질러 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 기관.
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