KR20020089536A - 과팽창 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐사이클의 외연 열기관을 구성함에 있어서, 펌프(10)에서 펌핑한 동작유체를 열교환부(20)의 가열열교환기(23)에서 외부연소기(25)의 연소열이나 주변의 공기나 물의 현열과 잠열로 열교환을 통해 가열하여 초임계상태의 과열증기를 만들고, 펌프(10)에서 펌핑된 액체의 동작유체로 냉각열교환기(60)에서 과열증기를 냉각하여 초임계압력이며 임계온도의 과팽창(저온 팽창) 조건을 만들어 과열증기로 터빈(30)을 돌려 동력을 발생시키며 팽창하고, 이 팽창과정에서 동작유체는 과팽창하여 응축부(50)에서 액체로 되며, 응축부(50)의 동착유체는 펌프(10)로 다시 펌핑되어 열교환부(20)로 보내져 가열되는 일련의 사이클을 수행하는 과팽창(저온팽창) 엔진을 제공한다.

Description

과팽창 엔진 {excessive expansion engine}

본 발명은 과팽창(저온팽창) 엔진에 관한 것이다.

현재 사용하는 열기관의 열효율은 내·외연기관을 막론하고 대략 50%미만으로 그 나머지의 열에너지는 낭비되고 있다. 열기관에서 낮은 열효율은 자원의 조기고갈·연료비용의 과다지출·필요 이상의 연료사용은 대량의 CO₂발생으로 지구온난화 유발·나머지 열에너지의 배출에 따른 열공해나 환경파괴와 같은 부작용을 유발하고 있다. 특히, 가솔린엔진의 경우 열에너지의 이용율인 열효율이 25%내외로 연료가 가지고 있는 이용가능한 3／4의 열에너지가 사장되고 주변에 부작용으로 작용하고 있다.

이와 같이 열기관의 낮은 열효율은 연료가 연소될 때 발생되는 열에너지를 전부 일에너지로 전환할 수 없으며 발생된 열에너지의 일부를 주위에 버려야 한다는 열기관의 특징이 되는 열역학적 이론에 기인하며, 그와 같은 이론에 따라 열기관이 만들어졌기 때문이다.

상기와 같이 지금까지의 열기관은 항상 발생된 열에너지의 일부를 배기가스와 함께 배기시키거나 주변의 공기나 물로 냉각해야 한다는 것을 의미하며, 열효율의 제고노력 또한 이같은 범주내에서 이루려 하고 있다.

열기관의 낮은 열에너지 이용률은 장치의 불완전성 등으로 설명하려 노력했을 뿐 열기관의 본질적인 파악에 신중하지 않았기 때문에 아직까지 낮은 열효율의 장치로 귀중한 에너지를 낭비하며 환경에 부작용을 발생시켰다.

본 발명은 지금까지 열기관을 이해하고 설명하는 기존의 열역학적이론 범주내에서 내연기관이나 외연기관의 사이클을 수정하거나 기계적인 장치를 발명하는 차원이 아닌 새로운 관점에서 열기관들을 이해하며, 열역학적인 열효율의 개념을 설명하고, 그와 같은 새로운 열기관의 이해를 바탕으로 열기관을 구성하여 열에너지의 효율적인 이용을 도모하고 낭비가 없으며 주변환경에 주는 부작용을 저감하는 기관을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 과팽창(저온 팽창)엔진의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 저온과팽창(저온 팽창)엔진의 개략적인 구성도,

도 3은 본 발명에 의한 과팽창(저온 팽창)엔진이 열기관기능과 냉동사이클기능을 동시에 수행하는 것을 도시한 실시예이다.

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 ： 펌프 15 ：유체관

20 ： 열교환부 23 ： 가열열교환기

25 ： 외부연소기 30 ： 터빈(모터)

50 ： 응축부 60 ： 냉각열교환기

70 ：냉동사이클 80 ： 저온열교환기

V : 밸브

현재 사용하고 있는 엔진은 열기관이라고도 불리우며 연료를 태울 때 발생하는 열에너지나, 핵 분열을 유도함으로써 핵 분열시 발생되는 많은 양의 열에너지를 이용하여 유용한 동력을 얻는 장치다.

일정한 체적의 시스템내에서 열에너지를 이용하여 동작유체를 가열하여 압력을 증가시키고, 압력이 증가된 동작유체가 터빈을 돌리거나 실린더 내부의 피스톤을 밀어 크랭크장치를 이용함으로써 회전력으로 바꾸어 희망하는 일의 원천으로 사용한다.

열기관에서 열에너지의 기능은 시스템 내의 동작유체를 가열하여 부피를 증가시키는데 쓰여지며, 이런 가열과정에서의 부피증가는 일정한 체적을 갖는 시스템의 경계내에서 이루어지므로 압력의 증가를 유발한다.

이런 가열과정의 결과 압력이 증가된 기체상태인 동작유체의 압력으로 터빈이나 모터를 회전시켜 유용한 회전력을 얻는다. 이 결과 얻어지는 결론은 열에너지는 형태나 모양을 갖지 않고 물질의 물리적 성질을 변화시키며, 최종적인 일은 열에너지가 하는 것이 아니라 압력이 증가되어 변화된 물질의 압력이 터빈 등을 돌리는 일을 하는 것이다.

그러므로, 열기관에서 열에너지의 사용은 동작유체의 압력증가에 목적이 있는 것이지, 단순히 열에너지를 투입하여 동작유체를 가열하여 온도를 높이는데 목적이 있는 것이 아니기 때문에 압력은 가능한 크게 하고 열에너지의 투입은 가능한 줄여야 한다. 그러나 현재의 열기관에서 압력과 온도를 분리하여 선택적으로 열에너지를 사용하지 못하고 동작유체를 가열하여 온도의 상승에 기인한 압력증가만을 열기관 효율에 적용하였기 때문에 열효율이 매우 낮게 유지되어 왔다.

본 발명에서는 온도와 압력을 분리하여 열에너지를 투입하여 요망하는 상태인 낮은 온도에서 높은 압력을 얻기 위한 이론적인 바탕을 마련하기 위해 다음과 같이 세가지의 압축된 가스의 팽창유형을 정의한다.

a) 저팽창 (고온 팽창) -low expansion

계(system boundary)의 외부인 주위(surroundings)보다 높은 압력으로 압축된 계 내부의 가스가 주위와 동일한 압력으로 팽창(expansion)할 경우에 있어서, 팽창된 가스의 온도가 주위의 온도보다 높은 상태의 팽창.

배기가스의 온도가 주위의 온도보다 높은 상태로, 열기관에 공급된 열에너지가 모두 일로 변환되지 못하고 열에너지의 일부를 주위에 버리는 열기관에서 이루어지는 팽창.

실제의 예)

1. 왕복엔진이나 가스터빈엔진의 배기가스온도가 주위를 이루는 공기의 온도보다 뜨거운 경우.

2. 랭킨사이클의 스팀터빈엔진에서 저압터빈출구의 동작물질온도가 물로 바뀌는 온도보다 높아 주변의 공기나 물로 냉각하는 경우.

b) 정팽창 (완전 팽창) -integral, or perfect expansion

계의 외부인 주위보다 높은 압력으로 압축된 계 내부의 가스가 주위와 동일한 압력으로 팽창할 경우에 있어서, 팽창된 가스의 온도가 주위의 온도와 정확하게 같은 온도가 되는 팽창.

열기관의 배기가스와 주위를 이루는 물질과 열평형상태의 팽창으로, 동작물질에 공급된 열에너지가 모두 유용한 일로 변환되는 이상적인 열기관에서 이루어지는 팽창.

실제의 예)

1. 완전한 단열을 가정하여 주위는 물론이고 계를 이루는 기계장치로의 열전달이 없을 경우에 있어서, 실린더와 피스톤으로 이루어진 압축기가 주위의 공기를 흡입하여 상사점으로 압축할 때 내부공기의 온도는 상승한다. 이런 주위보다 높은 온도의 압축공기는 피스톤이 하사점에 내려왔을 때 주위공기와 온도가 같게 되는 팽창의 경우.

c) 과팽창(저온 팽창) - excessive expansion

계의 외부인 주위보다 높은 압력으로 압축된 계 내부의 가스가 주위와 같은 압력으로 팽창할 경우에 있어서, 팽창된 가스의 온도가 주위의 온도보다 낮은 상태로 팽창하여 주위를 이루는 물질에서 열에너지를 공급받을 수 있는 낮은 온도로 이루어지는 팽창.

배기가스의 온도가 주위보다 낮아 주위의 열에너지를 흡수하여 요망하는 효과를 얻고자 연소한 연료의 열에너지 이상으로 일을 생산하는 열기관에서의 팽창.

실제의 예)

1. 주위의 공기를 흡입하여 압축기로 압축하면 압축공기의 온도가 상승한다.이 온도가 주위보다 높은 압축공기를 장시간 방치하거나 주위와 동일한 온도로 냉각한 후, 이 압축공기를 에어렌지나 에어스프레이등으로 팽창시키면 주위의 온도보다 낮은 상태로 된다.

2. 냉동 사이클의 동작유체가 압축기에서 압축된 후, 응축기에서 주위공기로 냉각시킨 다음 교축밸브를 통과하면서 팽창할 경우 주위의 온도보다 팽창된 동작유체의 온도가 낮게 되어 주위의 열을 흡수하는 팽창.

예외의 개념)

본 발명의 과팽창(저온 팽창)과 구별되는 상이한 개념으로서 자유팽창(free expansion)은 갑자기 주위를 이루는 공간의 확대로 팽창하는 물체가 외부에 일(work)을 하지 않으므로 물체가 가지고 있는 에너지의 변화가 안되며 온도 역시거의 변하지 않으나, 과팽창의 경우 외부에 대하여 일을 하므로 온도와 에너지가 감소하므로 서로 상이하다.

상기의 정의에서 주위온도(surroundings temperature)의 개념을 시스템 외부에 동작유체(working substance, or working fluid)를 배기하는 개방사이클(open cycle)의 경우는 주변의 공기온도가 주위온도라고 정의하며, 동작유체가 계속 사이클과정을 순환하는 밀폐사이클(closed cycle)의 경우는 기체상태의 동작유체가 액화되는 온도를 주위온도라고 정의한다.

또한, 엔진에서 상기에서 정의한 과팽창(저온 팽창)이 가능한 낮은 온도, 높은 압력의 가스가 갖는 온도와 압력의 상태를 과팽창(저온 팽창)조건이라 정의한다.

상기에 기술한 팽창의 세가지 정의는 본 발명의 과팽창엔진의 설명을 용이하게 하기 위함이며, 본 발명 엔진의 열에너지 이용을 이해하는데 용이하게 하기 위하여 연료의 개념을 정의한다.

동작유체를 가열하여 압력을 증가시키려는 목적으로 열에너지를 열기관에 공급하는데, 이에 사용하는 열에너지는 일반적으로 연소열을 이용하는 화석연료와 핵분열시 발생하는 핵반응열을 얻을 수 있는 핵연료등과 같이 희망하는 효과를 얻기위해 상응한 비용을 지불해야 얻을 수 있고 대량의 고온의 열에너지를 발생하는 연료를 고품위연료라 정의한다.

고품위연료와 구별하여 일상적으로 주변의 강,호수,바다의 물이나 공기에 내재한 현열과 잠열은 별도의 비용을 지불하지 않아도 쉽게 얻을 수 있으나 의도하는온도와 의도하는 양을 쉽게 얻지 못하는 정도의 밀도를 갖기 때문에, 밀도를 높이거나 유체의 유동을 위하여 기계장치의 제작등에 간접적으로 비용을 지불해야 하므로, 주변의 자연에서 구할 수 있는 열에너지원을 저품위연료라 정의한다.

《과팽창 (저온 팽창)엔진의 구성》

도 1은 본 발명의 과팽창엔진을 개략적으로 도시한 구성도로서, 펌프(10)와 열교환부(20)를 유체관(15)으로 연결하며, 열교환부(20)내부에 위치한 냉각열교환기(60)와 터빈(30)을 유체관(15)으로 연결하고, 터빈(30)과 펌프(10)사이는 응축부(50)로 연결되도록 하며, 시스템 외부에 위치한 외부연소기(25)를 갖는 외연의 밀폐사이클(Closed cycle) 열기관을 구성한다.

상기 터빈(30)은 주위보다 높은 압력으로 압축된 가스의 압력으로 회전력을 발생하여 유용한 일을 하는 것으로, 이 외에도 베인모터(vane motor)나 왕복피스톤기구 등 다양한 동력발생장치들로 대체가능하다.

액체상태의 동작유체를 펌프(10)에서 펌핑하여 유체관(15)을 통하여 열교환부(20)로 보내고, 시스템 외부에 위치한 외부연소기(25)에서 이루어지는 연료의 연소열로 가열열교환기(23)를 통해 시스템내부의 동작유체를 가열한다.

상기의 과정으로 가열되는 액체상태인 동작유체는 기체상태로 기화 (evaporation)하여 시스템 내부의 압력을 증가시키며, 임계온도와 임계압 (critical state)을 넘는 초임계온도와 압력(super critical state)에 이를 때까지 계속 가열하여 초임계의 과열증기(superheated vapor)를 만든다.

이와 같이 압력과 온도가 초임계인 과열증기를 펌프(10)에서 펌핑된 낮은 온도의 동작유체로 열교환부(20)내부에 위치한 냉각열교환기(60)를 이용하여 냉각함으로써, 압력은 초임계압력이고 온도는 임계온도의 과열증기로 과팽창(저온 팽창)조건을 만든다.

이와 같이 임계온도에서 초임계압력을 갖는 기체상태의 동작유체를 터빈(30)으로 보내 터빈(30)을 회전시키며 팽창(expansion)케 한다.

팽창과정 중 초임계압력의 기체상태의 동작유체는 터빈(30)을 돌려 희망하는 유용한 동력을 발생시킨다.

상기의 팽창과정은 본 발명의 과팽창(저온 팽창)과정으로, 팽창한 후의 동작유체는 지나치게 큰 부피로 팽창하였으므로, 기체가 액체로 변하는 응축온도(액화온도)이하로 온도가 내려가 단열처리한 응축부(50)내의 동작유체는 응축 (condensation)되어 액체로 변하게 된다.

낮은 온도에서 응축되어 액체로 된 동작유체는 다시 펌프(10)의 일에 의해 펌핑되어 열교환부(20)내의 냉각열교환기(60)로 보내져 초임계온도와 압력을 갖는 과열증기를 냉각하여 과팽창(저온 팽창)조건을 만들어 계속적으로 엔진의 사이클이 가능하도록 한다.

위에서 본 발명에 의한 과팽창(저온 팽창)엔진의 사이클을 설명하였는데, 이와 같은 과팽창과정이 이루어질 수 있는 이유는 엔진의 사이클과정중 펌프(10)의 출구에서부터 터빈(30)의 입구까지 시스템내부의 압력이 항상 근사적으로 동일하게 유지되기 때문이다.

그러나, 펌프(10)의 출구에서 터빈(30)의 입구까지 시스템 내부 동작유체의 온도는 장소에 따라 상이할 수 있으므로 터빈(30)으로 보낼 과열증기를 냉각하여 온도가 감소되더라도 압력의 감소로 이어지지 않기 때문에 과열증기의 냉각이 가능한 것이다.

그러므로, 펌프(10)에서 펌핑된 저온의 동작유체를 이용하여 과열증기를 냉각하여 열교환부(20)내의 동작유체 온도를 임의로 조정할 수 있으나 압력은 동일하므로, 과열증기의 냉각이 압력은 동일하게 유지되며 온도는 감소시켜 과팽창(저온 팽창)조건을 만들 수 있는 것이다.

또한, 펌프(10)에서 펌핑된 낮은 온도의 동작유체로 과열증기를 냉각하는 과정은 열교환부(20)에 동작유체가 보내지는 목적인 가열과정에 위배되지 않으며, 과열증기의 냉각과정은 저온의 동작유체 가열과정이 된다.

본 발명에 의한 과팽창(저온 팽창)엔진의 사이클이 계속되면, 과팽창(저온 팽창)의 결과로 응축부(50)의 온도가 더욱 내려가므로 액화가 더욱 잘 이루어지며, 응축부(50)는 단열을 통해 시스템 외부의 열이 흡수되지 않게 하여 동작유체의 액화(응축)온도 이하로 온도를 유지하여 액화를 가능케 하며, 펌프(10)로 펌핑된 동작유체가 열교환부(20)로 보내져 과열증기의 압력과 온도의 차이를 더욱 크게하여 더 큰 과팽창(저온 팽창)조건을 제공한다.

이와 같이 과팽창(저온 팽창)은 응축부(50)의 온도를 낮추어 액화온도 이하로 온도를 계속 감소시키며, 열교환부(20)내의 냉각열교환기(60)로 보내진 더 낮은 온도의 동작유체는 과열증기의 상태를 더 큰 과팽창(저온 팽창)조건을 만드는 연쇄과정을 유도하게 된다.

상기의 연쇄과정으로 온도가 매우 낮아진 동작유체는 펌프(10)에서 펌핑된 후 시스템 외부인 주변 온도보다 낮은 온도가 될 경우, 주변의 열에너지를 흡수하게 되어 상기에서 정의한 화석연료등의 고품위연료의 열에너지와 더불어 저품위연료의 열에너지를 흡수, 이용하여 유용한 동력을 발생하는 열기관이 된다.

주변의 열을 흡수하여 열기관의 터빈(30)에서 일로 변환하는 긍정적인 효과와 더불어 주변의 열을 흡수하는 기능을 별도의 장치로 연결할 경우, 냉동사이클이 추가되는 열기관으로서, 주변의 열에너지를 동력발생의 열원으로 이용하며 냉동사이클의 역할을 동시에 수행하는 복합기능의 장치가 된다.

현재 사용하는 왕복엔진 등 열기관에서 이룰 수 있는 열효율은, 고품위연료의 연소시 발생하는 총 열에너지중에서 배기가스중에 배출하는 열에너지량과 엔진냉각으로 주변으로 나가는 열에너지량을 제외한 열에너지량이 열효율이 되므로 매우 낮다.

하지만, 본 발명 과팽창(저온 팽창)엔진의 운전은 낮은 온도에서 사이클이 이루어지므로, 열효율을 높일 수 있으며, 기계장치의 냉각이 불필요하고, 배기가스가 없으며, 엔진의 일부가 주변의 온도보다 낮아 주변으로부터 열을 흡수하여 유용한 일을 하는데 사용하기 때문에 엔진의 열효율은 고품위연료의 총 발생 열에너지를 초과하게 된다.

본 발명의 과팽창(저온 팽창)열기관은 고체·액체·기체의 상태가 명확하며, 엔진을 만들 때 고온과 저온 그리고 높은 압력에서 견딜 수 있는 공학기술의 범주내에서 상기의 사이클과정이 가능하도록 거동하는 물질이면 모두 동작유체로 가능하다.

또한, 고체상태와 기체상태 사이의 액체상태 온도영역이 충분히 커서 과팽창(저온 팽창)의 가능 범위가 큰 물질이면 본 발명의 과팽창(저온 팽창)엔진의 열효율을 크게 할 수 있는 우수한 조건의 동작물질이 된다.

임계온도(critical temperature)가 상온 이하인 동작물질을 이용하는 과팽창엔진의 경우에 있어서, 상기에서 정의한 고품위연료의 사용을 최소한으로 하고 저품위연료의 열에너지를 흡수하여 유용한 동력을 얻을 수 있다.

《저온 과팽창(저온 팽창)엔진의 구성》

여기서 설명하려 하는 저온 과팽창(저온 팽창)엔진은 상기에서 기술한 본 발명의 과팽창(저온 팽창)엔진의 범주에 속하며 구조와 기능은 유사하나, 사용하는 동작유체의 임계점이 상온 이하이며, 엔진에서 사용하는 주된 열에너지원이 고품위연료가 아닌 저품위연료로써 주변의 공기나 물의 현열과 잠열 및, 태양열을 이용하므로 과팽창(저온 팽창)엔진과 별도로 기술한다.

저온에서 운용되는 과팽창(저온 팽창)엔진은 동작유체를 채택함에 있어서, 상온(25℃내외)이하의 임계온도(critical temperature)를 갖는 물질을 동작유체로 이용하므로, 엔진이 주로 사이클과정을 수행하는 온도가 상온 이하이므로 저온 과팽창(저온 팽창)엔진으로 칭하였다.

상기의 일반적인 과팽창(저온 팽창)엔진의 구조와 기능 그리고 사이클과정은저온 과팽창(저온 팽창)엔진과 유사하나 저온 과팽창엔진은 저품위연료인 주변의 공기나 물의 현열과 잠열 및 태양열등이 본 엔진의 주된 연료가 되므로, 낮은 밀도의 열에너지를 흡수할 수 있는 구조를 갖는다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 저온 과팽창(저온 팽창)엔진의 개략적인 구성도로서, 동작유체는 상온이하의 임계온도를 갖는 물질을 이용한다.

펌프(10)에서 액체의 동작유체를 펌핑한 후 열교환부(20)로 보내서 열교환과정으로 액체의 동작유체는 가열되고 기화되어 임계상태(critical state)이상의 압력과 온도를 갖는 과열증기로 만든다.

상기의 초임계상태(super critical state)에 이른 동작유체의 과열증기를 열교환부(20)내의 냉각열교환기(60)에서 펌프(10)에서 펌핑한 낮은 온도의 액체 동작유체로 냉각하여 초임계압력과 임계온도의 과열증기로 냉각하여 과팽창조건을 만들어 터빈(30)으로 보낸다.

상기의 과열증기는 터빈(30)을 회전시켜 유용한 회전력을 발생시키며 팽창하는데, 상기에서 정의한 과팽창(저온 팽창)하여 터빈(30)출구의 팽창된 동작유체의 온도가 응축온도이하로 되며 응축부(50)에서 액화되고, 단열된 응축부(50)내의 액체 동작유체는 다시 펌프(10)로 펌핑되어 과열증기를 냉각하며 계속적인 사이클이 이루어진다.

본 실시예의 저온 과팽창(저온 팽창)엔진에 있어서, 열교환부(20)내의 동작유체를 가열하여 압력을 증가시킬 열에너지원은 주변의 저품위연료로 가열하게 되는데, 이 엔진의 동작유체의 기화온도 및 액화온도가 상온보다 매우 낮으므로 상온의 주변 저품위연료의 온도가 동작유체를 가열하는데 충분한 온도이기 때문이다.

도 2에서는 주변의 열에너지를 흡수하기에 충분히 낮은 온도의 열교환부(20)로 펌핑된 동작유체를 이용하고, 냉각열교환기(60)에 직렬로 저온열교환기(80)를 구비함으로써 본 실시예의 저온 과팽창(저온 팽창)엔진은 저품위연료인 주변의 공기나 물이 가지고 있는 현열과 잠열 및 태양열이 저온열교환기(80)에 작용하여 동작유체를 가열함으로써 엔진의 운전에 주된 열에너지로 이용하여 동력을 발생시키고, 외부연소기(25)에서 사용되는 고품위연료인 화석연료의 열에너지는 엔진의 최고온도와 압력을 높이거나, 주변에서 저품위연료의 조달이 어렵거나, 엔진장치를 작게 할 목적으로 사용하여 엔진의 연료비용을 크게 절감할 수 있도록 한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 과팽창(저온 팽창)엔진이 열기관기능과 냉동사이클기능을 동시에 수행하는 것을 개략적으로 도시한 실시예로서, 저온열교환기(80)가 설치된 구성은 도 2의 실시예와 같으며, 펌프(10)에서 펌핑된 저온의 동작유체가 밸브(V)의 조작에 의해 냉동사이클(70)을 경유하여 열교환부(20)로 공급되도록 함으로써 열기관과 냉동장치의 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합기능의 장치를 구성할 수 있도록 한 것이다.

이와 같은 저온 과팽창(저온 팽창)엔진은 저품위연료인 주변의 공기나 물이 가지고 있는 현열과 잠열 및 태양열이 엔진의 운전에 주된 열에너지로 이용하여 동력을 발생시키고, 고품위연료인 화석연료의 열에너지는 엔진의 최고온도와 압력을 높이거나, 주변에서 저품위연료의 조달이 어렵거나, 엔진장치를 작게 할 목적으로 사용하여 엔진의 연료비용을 크게 절감하는 엔진이다.

엔진의 부피가 커도 되는 경우는 낮은 온도에서 사이클이 가능한 동작유체의 선택으로 주변의 저품위연료만으로 엔진의 운전이 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 저온 과팽창(저온 팽창)엔진의 동작유체의 임계온도는 상온 이하이므로, 동작유체를 에틸렌(Ethylene)으로 채택하여 고찰함에 있어서, 동작유체의 거동에 한한 실시의 예로 에틸렌이 갖는 연소의 위험성이나 화학적 특성을 무시하고 온도와 압력만을 설명하기 위하여 이상기체(Ideal Gas)로 가정하여 예를 들어 설명한다.

에틸렌(C₂H₄)은 녹는점 -162.9℃·끊는점-103,7℃·임계온도 9,25℃·임계압력 5,12MPa(Mega Pascal)이며, 열교환과정을 수행하는 열교환기가 이상적이라고 가정하고 연료는 저품위연료를 주로 사용하고 화석연료등의 고품위연료는 유체의 최고온도를 높이기 위하여 약간만 사용하는 기관을 가정한다.

-103,7℃이하의 액체 에틸렌을 펌프(10)에서 펌핑하여 열교환부(20)로 보내어 상온의 주변 공기나 물, 그리고 태양의 열에너지로 열교환을 하며, 사이클의 최고온도에 도달하기 위하여 필요하면 약간의 고품위연료의 연소열을 추가시켜 가열하여 과열증기를 만들면, 대략 온도 100℃의 압력 약7∼9MPa의 과열증기를 얻을 수 있다.

이 과열 증기를 펌프(10)에서 펌핑된 -103,7℃이하의 액체 에틸렌으로 열교환부(20)내부의 과열증기를 냉각열교환기(60)에서 냉각하면, 대략 온도 10℃· 압력 7∼9 MPa의 과열증기로 만들 수 있다.

이 에틸렌 과열증기는 임계온도 이상이므로 아무리 압력을 높여도 액화되지 않으며, 압력 7∼9MPa의 상태는 임계온도와 초임계압상태로 과팽창(저온 팽창)의 조건이 된다.

이와 같이 냉각된 과열증기를 터빈(30)으로 보내 터빈(30)을 구동케하고 팽창시키면, 과팽창과정을 거치므로 응축온도 -103.7℃이하로 액화되고, 응축기부 (50)는 단열처리 하였으므로 펌프(10)는 다시 -103.7이하의 액체 에틸렌을 펌핑하여 열교환부(20)로 보내게 되므로 사이클이 계속 이루어진다.

과열증기의 압력을 더욱 높게 하고 온도는 임계온도에서 유지시키면, 더 큰 과팽창(저온 팽창)조건이 되어 응축한 후의 액체 에틸렌의 온도가 더욱 낮아져 주변의 열에너지를 흡수할 수 있는 좋은 조건이 되며, 동작유체압력의 증가는 더 큰 출력을 발생한다.

아울러, 펌프(10)에서 펌핑된 후의 동작유체의 낮은 온도는 주변의 열에너지를 흡수하기에 충분히 낮은 온도로 냉동사이클로 이용이 가능하여 동력발생역할의 열기관과 냉동사이클의 역할을 동시에 수행하는 복합기능의 장치로 이용가능하다.

상기의 실시예는, 저온 과팽창(저온 팽창)엔진의 과팽창과정과 고품위연료의 열효율등을 설명하기 위한 대략적인 온도와 압력을 표현 하였으나 실제 엔진에서의 경우에 있어서, 기체가 팽창하며 온도가 낮아져 액체로 응축될 때 존재하는 응축잠열등의 고려해야 되는데, 본 실시예는 대략적인 온도로 설명하였으나 실제와 큰 오차는 없을 것이다.

지금까지 본 발명 과팽창(저온 팽창)엔진을 설명하였는데, 현재 사용하는 스팀터빈엔진과 왕복엔진등의 열기관은 엔진에서 열에너지의 역할을 정확하게 고찰하지 않아 온도와 압력의 기능을 분리하지 못하고 열에너지만으로 열기관을 설명하였다.

그 결과 열기관의 설명은 항상 고온열원과 저온열원 두 열원사이에서만 사이클이 가능하고, 항상 저온열원이 필요하며, 열효율은 1 (100%)이 안됨을 증명하였으며, 그와 같은 설명 즉, 열역학적이론의 범주내에서 열효율향상을 노력하였다.

본 발명의 과팽창(저온 팽창)엔진은 고온열원만 존재해도 사이클이 가능하며, 냉각기능의 저온열원이 필요없으며, 고품위연료의 열효율이 1 (100%) 이상이 가능하며, 주위의 열에너지를 흡수하는 냉동사이클과 더불어 열기관으로서 유용한 일을 하는 동력발생장치로 사용이 가능한 장치이다.

본 발명의 과팽창(저온 팽창)엔진은 화석연료등의 고품위연료에 한하여 열에너지투입의 열효율을 측정할 경우에는 1 (100%)이상의 열효율을 갖으므로 열역학적인 이론에 위배되는 것으로 보이나, 저품위연료인 주변의 공기나 물의 흡수된 열에너지를 추가하여 열효율을 측정할 경우에는 정확하게 열역학적인 범주내에서 설명되는 열기관이 된다.

이상과 같이 본 발명의 과팽창(저온팽창)엔진은 기존의 열기관과 달리 고온열원만으로 사이클이 가능하며 저온으로 운전되며 투입하는 연료의 연소열뿐만 아니라, 주변의 열에너지를 흡수하여 유용한 동력을 생산하는 열기관과 사이클과정중 일부를 이용하면 냉동장치로 이용가능한 복합장치이다.

엔진에서 발생된 연료의 연소열을 이상의 열에너지를 일로 변환시키므로 연료의 사용량을 크게 줄일 수 있기 때문에 기존의 열기관에서 보다 적은 CO₂를 배출하며, 공해물질의 발생도 줄이고, 아울러 연료비용을 대폭적으로 줄일 수 있는 열기관이다.

사용하는 동작유체의 다양한 선택을 통해서 다양한 온도에서 운전할 수 있으며, 다양한 크기와 용도에 부합하는 열기관과 냉동사이클이 복합된 장치를 구성함으로써, 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 엔진을 자동차엔진으로 운용하면 경제적, 환경적인 에너지 문제를 상당부분 해결하는 대안의 엔진으로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.

열기관은 항상 공급된 열원의 일부를 주변에 버려야 한다는 열역학적인 기존의 이론에서 탈피하여 열기관을 이해하며, 본 발명의 과팽창(저온 팽창)엔진은 열기관의 새롭고 확장된 개념을 제공하여 열기관제작에 새로운 모델이 되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 밀폐사이클의 외연 열기관을 구성함에 있어서,

   펌프(10)로 액체의 동작유체를 펌핑하여 유체관(15)을 통해 열교환부(20)로 보낸 후, 시스템 외부에 위치한 외부연소기(25)에서 연료를 태울 때 발생하는 연소열로 열교환부(20)의 열교환기(23)로 동작유체를 가열하여 임계상태를 초과하는 초임계상태의 과열증기를 만들고, 이 초임계상태의 과열증기를 펌프(10)에서 펌핑된 액체의 동작유체로 열교환부(20)내부의 냉각열교환기(60)에서 임계온도이며 초임계압력의 과팽창(저온 팽창)조건이 되도록 냉각한 후, 과열증기를 터빈(30)으로 보내 터빈(30)을 돌려 유용한 동력을 발생시키며 팽창하고, 팽창과정에서 과팽창되어 액체가 된 응축부(50)내의 동작유체를 다시 펌프(10)로 펌핑하는 일련의 사이클과정을 이루는 것을 특징으로 하는 과팽창 엔진.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 엔진은 주변의 열에너지를 흡수하기에 충분히 낮은 온도의 동작유체를 이용하고, 상기 냉각열교환기(60)에 직렬로 저온열교환기(80)를 설치하여 저품위연료인 주변의 공기나 물이 가지고 있는 현열과 잠열 및 태양열이 상기 저온열교환기 (80)에 작용하여 동작유체를 가열함으로써 엔진의 운전에 주된 열에너지로 이용하여 동력을 발생시키고, 상기 외부연소기(25)에서 사용되는 고품위연료는 엔진의 최고온도와 압력을 높이거나, 주변에서 저품위연료의 조달이 어렵거나, 엔진장치를작게 할 때 사용함을 특징으로 하는 과팽창 엔진.
3. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 펌프(10)에서 펌핑된 저온의 동작유체는 냉동사이클(70)을 경유하여 열교환부(20)로 공급되도록 함으로써 열기관과 냉동장치의 기능을 동시에 수행할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 과팽창 엔진.