KR20040016888A - 스털링 엔진 열 시스템 개선 - Google Patents

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Abstract

가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 히터 헤드를 가로질러 열에너지를 전달하는 열 교환기를 갖는 열 사이클 엔진이 개시된다. 열 교환기는 각각이 팽창 실린더의 원통형 벽부로부터 멀리 지향된 축을 갖는 열 전달 핀 세트를 갖는다. 열 전달 핀의 높이 및 밀집도는 유동 경로 방향으로의 거리에 따라 변할 수 있고, 핀 구조물은 히터 헤드와 접촉하는 천공된 링을 적층함으로써 제조될 수 있다. 후프 강도와 열 전달을 향상시키도록 히터 헤드의 내부에 리브가 제공된다.

Description

스털링 엔진 열 시스템 개선 {STIRLING ENGINE THERMAL SYSTEM IMPROVEMENTS}
엔진 및 냉동기를 포함하는 스털링 사이클 장치는 본원에 참조로 되는, 옥스퍼드 대학 출판사(1980)에서 간행된 워커(Walker)의 "스털링 엔진"에 상세히 설명된 바와 같이, 오래된 기술적 유래를 갖는다. 스털링 사이클 엔진의 기초 원리는, 실린더 내에서 가스의 등적(isovolumetric) 가열, 가스의 등온 팽창(이 기간 동안 피스톤을 구동시킴으로써 일이 행해짐), 등적 냉각, 및 등온 압축인 스털링 열역학 사이클의 기계적 구현이다.
스털링 사이클 장치의 특성 및 이에 대한 개선과 관련된 다른 배경기술은 하그리브스(Hargreaves)의 "필립스 스털링 엔진(엘스비어, 암스테르담, 1991)" 및 공동 계류중인, 1998년 7월 14일 출원된 미국 특허 출원 제09/115,383호 및 1998년 7월 14일 출원된 미국 특허 출원 제09/115,381호에서 논의되며, 상기 참조문헌 및 두 개의 출원은 본원에 참조된다.
스털링 엔진의 작동 원리는 도1a 내지 도1e를 참조로 용이하게 설명되며, 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사한 부품을 지시하도록 사용된다. 스털링 장치 장치의 많은 기계적 구조가 업계에 공지되어 있고, 전체적으로 도면 부호 10으로 지시되는 특정 스털링 엔진은 단지 예시적으로 도시되어 있다. 도1a 내지 도1d에서, 피스톤(12) 및 디스플레이서(14)는 실린더(16)내에서 단계(phase) 왕복 운동식으로 이동되고, 상기 실린더(16)는 스털링 엔진의 몇몇 실시예에서 단일 실린더일 수 있다. 실린더(16)내에 포함된 작동 유체는 시일에 의해 피스톤(12) 및 디스플레이서(14) 주위로 배출되는 것이 방지된다. 작동 유체는, 이하의 설명에서 논의되는 바와 같이, 그 열역학적 특성에 대해 선택되며, 일반적으로 수 대기압에서 헬륨이다. 디스플레이서(14)의 위치는 작동 유체가 고온 경계면(18) 또는 저온 경계면(20)과 접촉되는지를 제어하며, 상기 고온 경계면(18) 및 저온 경계면(20)은 각각 작동 유체에 열이 공급된 인터페이스 및 작동 유체로부터 열이 추출된 인터페이스에 대응된다. 열의 공급 및 추출은 이하에서 더욱 상세히 논의된다. 피스톤(12)의 위치에 의해 제어되는 작동 유체의 체적은 압축 공간(22)이라 한다.
그 개시 조건이 도1a에 도시된, 엔진 사이클의 제1 단계에서, 피스톤(12)은 압축 공간(22)에서 유체를 압축한다. 압축은 대략 일정한 온도에서 이루어지는데, 이는 열이 유체로부터 주위로 추출되기 때문이다. 압축 후 엔진(10)의 상태가 도1b에 도시된다. 사이클의 제2 단계 중, 디스플레이서(14)는 저온 경계면(20) 방향으로 이동되고, 작동 유체는 저온 경계면(20) 영역으로부터 고온 경계면(18) 영역으로 변위된다. 이 단계는 전달 단계라 할 수 있다. 전달 단계의 종료시에, 유체는 보다 높은 압력으로 존재하는데, 이는 작동 유체가 일정한 체적에서 가열되었기 때문이다. 증가된 압력은 압력 게이지(24)의 판독에 의해 도1c에서 기호로 도시된다.
엔진 사이클의 제3 단계(팽창 행정) 중, 압축 공간(22)의 체적은 열이 엔진(10) 외부로부터 흡입됨에 따라 증가되어, 열이 일로 전환된다. 실제로, 열은 이하의 설명에서 보다 상세히 논의되는 (도2에 도시되는) 히터 헤드(100)에 의해 유체로 제공된다. 팽창 단계의 종료시에, 압축 공간(22)은, 도1d에 도시되는 바와 같이, 냉각 유체로 채워진다. 엔진 사이클의 제4 단계 중, 유체는 디스플레이서(14)의 반대 방향으로의 이동에 의해 고온 경계면(18)의 영역으로부터 저온 경계면(20)의 영역으로 이동된다. 이 제2 전달 단계의 종료시에, 유체는, 도1a에 도시된 바와 같이, 압축 공간(22) 및 저온 경계면(20)을 충전하여, 압축 단계를 반복할 준비를 한다. 스털링 사이클은 도1e에 도시된 바와 같이 P-V(압력-체적) 선도로 도시된다.
또한, 고온 경계면(18)의 영역으로부터 저온 경계면(20)의 영역으로 통과되면, 유체는 (도2에 도시된) 재생기(134)를 통과할 수 있다. 재생기(134)는 큰 표면적 대 체적 비를 갖는 재료의 매트릭스이고, 이는 유체가 고온 경계면(18)의 영역으로부터 유입되면 유체로부터 열을 흡수하고 유체가 저온 경계면(20)의 영역으로부터 통과되면 유체를 가열하도록 작용한다.
스털링 사이클 엔진은 본 발명에 의해 제기되는 효율, 수명 및 비용과 같은 실제적인 고려로 인해 실제 응용 시 일반적으로 사용되지 않았다.
본 발명은 스털링 사이클 열 엔진의 열 부품, 보다 구체적으로, 히터 헤드와 같은 열 전달 표면에 대한 개선에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면에 따라 취해진, 이하의 상세한 설명을 참조하여 더욱 쉽게 이해된다.
도1a 내지 도1e는 종래 기술의 스털링 사이클 기계의 작동 원리를 도시하고 있다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 열 엔진의 히터 헤드와 연소 챔버의 단면에서의 측면도이다.
도3은 내향 및 외향 열 핀이 분명히 나타난 방향을 따라 도2의 히터 헤드와 연소 챔버의 다른 단면을 도시하는 도면으로서, 도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터 헤드의 상부의 내부 표면과 외부 표면을 따라 정렬된 열 전달 핀을 포함하고 있다.
도4a는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 히터 헤드의 중심축을 향해 본 평행 핀들의 그룹의 반경 방향 도면이다.
도4b 및 도4c는 히터 헤드 실린더의 중심축에 대해 각각 평행하게 그리고 횡방향으로 취해진 도4a의 히터 헤드의 단면도이다.
도4d는 본 발명의 실시예에 따른 히터 헤드의 조립을 위해 별도로 주조된 열 전달 핀 어레이의 사시도이다.
도5a는 도4a 내지 도4d에 도시된 바와 같은 열 전달 핀 어레이의 주조 세그먼트를 장착하기 위한 히터 헤드의 사시 평면도이다.
도5b는 열 전달 핀을 도시하도록 제거된 핀 지지체를 갖는, 열 전달 핀 어레이의 장착된 주조 세그먼트를 갖는 히터 헤드의 사시 평면도이다.
도5c는 본 발명의 실시예에 따른 히터 헤드 온도 센서와 배출 가스 사이에 세라믹 단열재의 배치를 도시하는 도3의 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도6a는 히터 헤드 실린더의 벽부와 평행한 핀 지지체와 외부 열 전달 핀 휜(fin)을 구비하는 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도6b 내지 도6d는 도6a의 열 교환기의 상부로부터 거리의 함수로서 각각 열 전달율, 열 전달 계수 및 가스 온도를 도시하는 도면이다.
도6e는 히터 헤드 실린더의 벽부와 평행한 핀 지지체와 외부 열 전달 핀 휜을 구비하는 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도6f 내지 도6h는 도6e의 열 교환기의 상부로부터 거리의 함수로서 각각 열 전달율, 열 전달 계수 및 가스 온도를 도시하는 도면이다.
도6i는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 사이클 엔진의 재생기 내로 작동 유체가 주입됨에 따라, 온도의 일반적인 변화를 도시하는 (명확화를 위해 계략적으로 도시된 몇 개의 열 전달 핀을 구비하는) 도3의 히터 헤드 조립체의 측단면도이다.
도7a 내지 도7d는 본 발명의 실시예에 따른 유체와 히터 헤드 사이의 열 전달을 제공하도록 열 전달 핀 링의 적용을 도시하는 도면이다.
도8a는 일반적인 니켈 합금에서 온도의 함수로서 강도 곡선(좌측 세로좌표)과 연신율(우측 세로좌표)을 도시하는 도면이다.
도8b는 816℃(1500℉)과 927℃(1700℉) 사이의 세 온도에서 일반적인 니켈 합금의 크리프율 대 응력을 도시하고 있다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 내부 리브를 갖는 히터 헤드의 단면도이다.
도10은 도9에 도시된 바와 같은, 내부 리브를 갖는 히터 헤드의 부분 단면도로서, 본 발명의 실시예에 따른 유동 전환기를 구비하는 팽창 실린더 핫 슬리브를 더 도시하고 있다.
도11a 및 도11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 벽부와 평행한 차단되지 않은 튜브를 갖는 열 사이클 엔진 히터 헤드의 단면도이다.
도12a 및 도12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 벽부와 평행한 차단된 튜브를 갖는 열 엔진용 히터 헤드의 단면도이다.
도13a 및 도13b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부 벽부의 내부를 따라 나선형인 휜을 갖는 열 엔진용 히터 헤드의 단면도이다.
도14a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리브가 있는 돔과 외부 벽부의 내부를 따라 나선형인 휜을 갖는 열 엔진용 히터 헤드를 주조하기 위한 코어 조립체의 측면도이다.
도14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터 헤드를 주조하기 위한 도14a에 도시된 코어 조립체의 리브가 있는 돔의 중심축에 대해 하향 횡방향에서 본 단면도이다.
도15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리브가 있는 돔과 외부 벽부의 내부를 따라 나선형인 휜을 갖는 열 엔진용 히터 헤드를 주조하기 위한 도14a의 코어 조립체의 사시도이다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 열 사이클 엔진의 히터 헤드 또는 냉각기와 같은, 열 전달 돌기부를 제조하는 방법이 제공되며, 열 전달 돌기부는 외부 유체와 작동 가스 사이에서 원통형 벽부를 통해 열을 전도하고, 작동 가스는 벽부의 내부에 존재한다. 상기 방법은 원통형 벽부와 열 전달 돌기부를 단일 작업으로 주조하는 주조 단계를 포함한다. 상기 주조 단계는 인베스트먼트 주조, 샌드 주조 또는 다이 주조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 각각이 제조된 부분의 열 전달 돌기부에 대응하는 대체로 평행한 구멍들의 그룹인 복수개의 네가티브 몰드를 제조하는 단계를 포함한다. 복수개의 네가티브 몰드는 원통형 벽부와 열 전달 돌기부를 주조하기 위한 네가티브 폼을 형성하도록 조립된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외부 열원으로부터 원통형 벽부를 통해 열을 전도하는 열 전달 핀을 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 적어도 하나의 배면 패널과 배면 패널에 수직인 축을 갖는 열 전달 핀을 일체로 제조하는 단계와, 그 다음 상기 적어도 하나의 배면 패널을 원통형 벽부와 열 접촉하는 구조물에 접착시키는 접착 단계를 포함한다. 적어도 하나의 배면 패널을 일체로 제조하는 단계는 배면 패널을 주조하는 단계 또는 배면 패널을 사출 성형하는 단계를 포함할 수 있다. 접착 단계는 패널을 히터 헤드에 기계적으로 부착하는 단계, 열 전달 핀의 어레이의 패널을 히터 헤드에 납땜하는 단계, 또는 열 전달 핀의 어레이의 패널을 히터 헤드에 천이 액상 접착하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 내부 표면을 갖는 히터 헤드를 통한 열 사이클 엔진 내의 작동 가스로의 열 전달 효율을 향상시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 열 전도율이 높은 금속층을 히터 헤드의 내부 및 외부 표면 중 적어도 하나에 도포하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 대체로 원통형 벽부 섹션을 갖는 열 사이클 열 엔진용 히터 헤드에 대한 개선을 제공한다. 이러한 개선책은 향상된 후프 강도를 제공하기 위해 벽부 내에 복수의 리브를 갖는다. 본 발명에 따른 히터 헤드에 대한 다른 개선책은 원통형 벽부 섹션 내의 대체로 나선형인 채널과 중심 종방향 축에 대해 평행하게 연장되는, 벽부 내의 복수의 통로를 포함한다. 다른 개선은 향상된 돔 강도를 제공하기 위해 돔 내부에 복수의 리브를 갖는다. 또한, 원통형 벽부 섹션의 내부에 동심으로 배치된 핫 슬리브로부터 횡방향으로 연장되는 복수의 유동 전환기가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 가열된 외부 유체로부터 원통형 벽부를 가로질러 열에너지를 전달하기 위해 열 교환기가 제공된다. 열 교환기는 각각이 원통형 벽부로부터 대체로 멀리 지향된 축을 갖는 엇갈려 배치된 열 전달 돌기부 세트와, 유체가 상기 엇갈려 배치된 열 전달 돌기부를 통해 유동하게 하도록 원통형 벽부의 길이를 따라 대체로 배치된 복수개의 분할기를 갖는다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 가열된 외부 유체로부터 원통형 벽부를 가로질러 열 에너지를 전달하는 열 교환기가 제공되는데, 열 교환기는 원통형 벽부로부터 대체로 멀리 지향된 축을 갖는 열 전달 돌기부 세트와, 가열된 외부 유체를 대체로 원통형 벽부의 길이를 따른 방향에 특징이 있는 유동 경로 내에서 열 전달 돌기부 세트를 지나서 안내하기 위한 지지체를 갖는다. 지지체와 원통형 벽부 사이의 간극은 외부 유체의 유동 경로의 방향으로 감소될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 열 전달 돌기부는 유동 경로의 방향으로 증가하는 유동 경로를 횡단하는 표면적을 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에서, 열 전달 핀은 유동 경로의 방향으로 증가하는 밀집도를 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 열 전달 핀의 높이와 밀도 중 적어도 하나는 유동 경로의 방향으로의 거리가 변화될 수 있다.
도2를 참조하여, 단면도는 설명하기 위하여, 일반적으로 도면 부호 96으로 표시된 스털링 사이클 엔진으로 도시된 열 사이클 엔진의 팽창 체적(98) 및 대응하는 열 제어 구조물 도시한다. 히터 헤드(100)는 대체로 하나의 폐쇄 단부(120; 또는 실린더 헤드라 한다) 및 개방 단부(118)를 갖는 실린더이다. 폐쇄 단부(120)는 내부 연소기 구조물(110)에 의해 형성된 연소 챔버(122) 내에 배치된다. 연소 챔버(122) 내의 고온 연소 가스는 히터 헤드(100)와 직접적으로 열 접촉되고, 열에너지는 전도에 의해 연소 가스에서 히터 헤드로, 그리고 히터 헤드에서 통상 헬륨인 열 엔진의 작동 유체로 전달된다. 예컨대, 질소 또는 혼합 가스와 같은 다른 가스가 본 발명의 범위 내에서 높은 열 전도율 및 낮은 점성을 갖는 양호한 작동 유체로 사용될 수 있다. 비연소성 가스도 바람직하다. 연소 가스가 가스 유동 채널(113) 내의 폐쇄 단부(120)의 외부 표면을 따라 유동할 때, 열은 연소 가스에서 히터 헤드로 전달된다.
팽창 체적(98)은 팽창 실린더 라이너(115)에 의해 그 측면 상에서 둘러싸이고, 차례로 히터 헤드(100) 내부에 배치되어, 통상 히터 헤드에 의해 지지된다. 팽창 피스톤(121)은 팽창 실린더 라이너(115)의 내부를 따라 이동한다. 팽창 피스톤이 히터 헤드(100)의 폐쇄 단부(120)를 향해 이동할 때, 히터 헤드 내의 작동 유체는 변위되어 팽창 실린더 라이너(115)의 외부 표면과 히터 헤드(100)의 내부 표면에 의해 형성된 유동 채널을 통하여 유동하게 된다.
열 엔진의 전체 효율은 연소 가스와 엔진의 작동 유체 사이의 열전달 효율에 부분적으로 의존한다. 연소 챔버(122) 내의 연소 가스로부터 팽창 체적(98) 내의 작동 유체로 열을 효율적으로 전달하는, 당해 분야에 공지된 하나의 방법은 히터 헤드를 넘어 연소 챔버 내로 연장하는 복수개의 가열 루프(도2에 도시된 특정 실시예의 부분을 형성하지 않기 때문에 도2에 도시되지 않았다)를 필요로 한다.
본 발명의 실시예에 따라, 휜 또는 핀과 같은 돌기부는 엔진의 작동 유체로 열을 전달하기 위해 뜨거운 유체 연소 산물과 고체 히터 헤드 사이의 계면 영역을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 히터 헤드(100)는 본 명세서에서 히터 헤드(100)의 내부 표면 상의 히터 헤드와 팽창 실린더 라이너(115) 사이의 공간에 도시된 열전달 핀(124)을 가질 수 있다. 또한, 도2의 단면도와는 상이한 팽창 체적(98)의 직경을 따라 취해진 스털링 사이클 엔진(96)의 단면으로 도3에 도시된 바와 같이, 열전달 핀(130)은 전도에 의해 히터 헤드(100)로, 그곳에서 연소기(122)로부터 유동하는 연소 가스로부터 열전달 핀을 지나 작동 유체로 열을 전달하는 넓은 표면적을 제공하기 위해 히터 헤드(100)의 외부 표면 상에 배치될 수도 있다. 파선(131)은 팽창 실린더의 종축을 나타낸다. 도3은 또한 본 발명의 다른 실시예에 따라, 히터 헤드(100) 상부의 내부 표면 및 외부 표면을 라이닝 하는 열전달 핀(133)을 도시한다. 내향 열전달 핀(124)은 전도에 의해 히터 헤드(100)로부터 팽창 피스톤에 의한 팽창 체적(98)으로부터 변위되어 재생기 챔버(132)를 통해 구동되는 작동 유체로 열을 전달하는 넓은 표면적을 제공하는 역할을 한다. 히터 헤드(100)의 크기에 따라, 수백 또는 수천의 내부 열전달 핀(124) 및 외부 열전달 핀(130)이 바람직할 수 있다.
열전달 핀(124, 130)을 구비한 히터 헤드(100)를 제조하는 하나의 방법은 히터 헤드 및 핀(또는 다른 돌기부)을 일체 유닛으로 주조하는 단계를 포함한다. 히터 헤드 및 핀을 일체의 유닛으로 제조하는 주조 방법은, 예컨대 인베스트먼트 주조, 샌드 주조 또는 다이 주조를 포함한다.
핀 휜을 사용하는 것이 표면과 유체 사이의 열전달을 개선시키는 것으로 공지되었지만, 히터 헤드 및 그 열 교환 표면을 단일 단계에서 주조하는 것이 히터 헤드를 제조하는 가장 비용 효과적인 방법임에도 불구하고 스털링 엔진의 원통형 히터 헤드 상의 반경방향 핀 휜의 일체식 주조는 당해 분야에서 실행되거나 제안된 적이 없다. 반경방향 핀 휜의 일체식 주조에서의 어려움은 이하에 설명된다. 원통형 벽부의 부분으로 주조될 수 있는 핀 휜은 스털링 엔진에 매우 효과적인 히터 헤드 및/또는 냉각기를 매우 저렴하게 제조할 수 있게 한다.
주조는 소정 부분의 네가티브 폼을 생성하여 이루어진다. 생산 주조의 모든 형태(샌드, 인베스트먼트 및 사출)는 재료를 몰드 내로 주입한 후에 소정의 네가티브 또는 포지티브 폼을 남기며 몰드를 재료로부터 제거함으로써 연장 표면 및 상세부를 형성하는 단계를 포함한다. 몰드를 재료로부터 제거하는 단계는 모든 연장된 표면이 적어도 평행할 것을 요구한다. 사실, 우수한 설계 방법은 이들이 깨끗하게해제되도록 이러한 연장된 표면 상에 작은 통풍구를 필요로 한다. 실린더의 외부 또는 내부 상에 반경방향 핀을 형성하기 위해서는 상이한 방향으로 분리되는 수 십 또는 수백의 부분을 포함하도록 성형되어야 한다. 그러한 몰드는 비용이 많이 든다.
본 발명에 따르면, 핀 또는 휜은 생산 샌드, 인베스트먼트 또는 금속 사출 성형 방법을 사용하여 스털링 열 교환기의 내부 표면 및 외부 표면 상에 주조될 수 있다. 도4a 내지 도4d를 참조하고, 우선 도4a를 참조하면, 핀(2002)은 도4b에서 중심축에 평행한 단면으로, 그리고 도4c에서 중심축에 대해 횡방향 단면으로 도시된 히터 헤드(100)의 원통형 벽부(2010) 주위의 여러 그룹(2008)의 평행 핀(2002) 내에 배열된다. 본 명세서에서 설명된 기술은 다른 열 교환기 용도에 더욱 일반적으로 유리하게 적용될 수 있다. 각각의 그룹(2008) 내의 모든 핀(2002)은 서로 평행하다. 그룹의 중심에 있는 핀(2002) 만이 정확한 반경방향이다. 도4c의 도면 부호 2004로 표시된 것과 같은 그룹의 외측면 상의 핀은 그룹의 중심을 향하는 반경방향 라인(2012)에 대체로 평행한 국소 반경으로부터 내부로 각도를 이룬다. 또한, 그룹의 외측면 상의 핀은 바람직하게는 그룹의 중심에 인접한 핀 보다 통상 약간 더 길다. 그러나, 열전달은 다섯 개의 평행한 핀의 그룹(2008)이 대략 실린더(2010) 주위의 반경방향 핀 휜을 제공하는 도4a 내지 도4c에 도시된 실시예에서 그룹의 중심으로부터 외측면으로 약간 변화시킬 뿐이다.
본 발명의 양호한 실시예에 따른 주조 공정에서, 평행한 핀의 각각의 그룹의 포지티브 또는 네가티브 몰드는 단일체로 형성된다. 그 후에, 여러 개의 몰드편이샌드 주조를 위해 네가티브 폼을 형성하도록 조립된다. 인베스트먼트 몰드 주조에서, 왁스 포지티브는 상이한 방향으로 분리되는 소수의 개별 부품만으로 사출 성형하여 형성될 수 있다. 얻어진 몰드는 적절한 가격으로 형성되어 경제적인 핀 휜 히터 헤드 제조가 되게 한다.
원통형 벽부를 사용하여 부품의 내부 및 외부로 연장하는 핀과 같은 돌기부를 갖는 히터의 주조는 본 발명의 실시예에 따라 샌드 주조, 다이 주조 또는 다른 주조 공정은 물론 인베스트먼트 주조 또는 로스트 왁스 주조에 의해 달성될 수 있다. 내부 또는 외부 돌기부, 또는 그 둘 모두가 본 발명의 교시에 따라 헤드의 일부로서 일체로 주조될 수 있다.
주조 핀 어레이는 통상 핀 어레이의 가공 또는 조립보다 용이하게 달성될 수 있는 반면에, 부수적인 어려움과 상당한 비용이 여전히 있을 수 있다. 또한, 주조 공정은 핀이 매우 조밀하게 배치되는 것보다 덜 조밀한 히터 헤드를 초래하여, 히터 헤드 표면과 가스의 충돌 실패를 증가시켜 열전달의 효율을 감소시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 히터 헤드의 표면에 열 전달 핀을 배치하기 위한 다른 방법은 개별 제조 공정에서 열 전달 핀의 어레이 및 히터(100)의 제조를 수반한다. 열 전달 핀(152)의 어레이(150)는 패널(154)로 사출 성형 또는 주조될 수 있어, 도4d에 도시된 일체식 배면 패널 구조를 초래한다. 주조 또는 성형 후, 핀 어레이(150)는 고온 납땜에 의해 히터 헤드의 내부 및 외부 표면에 장착된다. 따라서, 핀을 통과하는 낮은 가스 누설률을 갖는 더욱 조밀하게 배치된 헤드가 유리하게 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 패널(154)은 히터 헤드에 다양한 기계적 수단에 의해 고정될 수 있다.
헤드의 제작에 통상 사용되는 니켈계 초합금이 종래의 공정으로 용접되기 어렵고 고응력 및 고온의 환경에서 작동되기 때문에, 예컨대, 우주 항공 구조 금속 핸드북(1999), 코드(Code) 4218, 6 페이지에 설명된 천이 액상(TLP) 접착이 헤드에 패널을 납땜하는데 특히 유리하다. 이 출원의 TLP 접착의 장점은 TLP에 의해 보강된 부분이 모재를 사용하여 효과적으로 용접되고 일체식 주조 부분과 거의 동일한 인장 강도 특성을 갖는다는 것이다. TLP 접착은 상승된 온도에서 재용융 되지 않는데 반해, 일반적인 납땜은 납땜 온도에서 재용융된다. 이것은 본원과 같이 온도 진폭이 발생될 수 있는 상승된 온도에서의 연속적인 작업의 경우에 특히 중요하다.
핀의 패널(154)은 다른 수단에 의해 히터 헤드 또는 냉각기의 내부 또는 외부에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 패널은 측면 에지의 슬롯에 기계적으로 부착될 수 있다. 슬롯은 (이하에서 설명되는) 분할기(506)에 제공된다. 다른 실시예에서는, 패널이 납땜에 의해 히터 헤드 또는 냉각기에 부착된다. 또 다른 실시예에서는, 패널이 히터 헤드 또는 냉각기의 원통형 벽부에 패널을 소결시켜 히터 헤드 또는 냉각기에 부착된다.
도4c, 도5a 및 도5b에 도시된 분할기(506)는 핀 휜 패널의 열 전달율을 개선할 수 있다. 또한, 분할기는 온도 센서를 위치시키기에 편리한 위치를 제공할 수 있다. 마지막으로, 분할기는 일 예로, 핀의 패널을 히터 헤드에 부착하기에 용이한 구조와, 다른 실시예에 따르는 주조 작업을 위한 분할선을 유리하게 제공할 수 있다.
분할기(506)는 이하의 방식으로 핀 휜 어레이의 열 효율을 개선시키도록 사용될 수 있다. 도4a를 다시 참조하면, 엇갈려 배치된 핀 휜을 통한 유체 유동에 대한 열 전달율은 정렬된 핀 휜을 통한 유체 유동에 대한 열 전달율보다 훨씬 높다. 엇갈려 배치된 핀 어레이(2008)에 접근하는 유체는 실린더의 길이를 따르는 축 경로에 대해 45도 각도로 이동될 수 있으며, 경사 방향은 2014에 의해 나타내어진다. 향상된 열전달을 제공하기 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 2012에 의해 나타내어진 경로를 따라 핀 휜의 엇갈려 배치된 어레이를 통해 유체 유동을 강제하도록 분할기(506)가 제공된다. 축방향으로 이동하기 위해 유동을 강제하는 것에 추가로, 분할기는 상술된 주조 몰드를 위한 편리한 경계면 및 이음면을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 각각이 관련 패널 세그먼트(154)를 갖는 개별 어레이(150)는 히터 헤드 주위에 주연 거리의 궁형 부분을 포함한다. 도5a에 사시적으로 도시된 히터 헤드 조립체의 평면도에서 명확하게 알 수 있다. 히터 헤드의 외부 표면(502)인 실린더 헤드(120)가 도시된다. 열전달 핀의 지지체 세그먼트 지지 어레이는 도시되지 않았지만 조립중 히터 헤드의 외부 표면(502)을 둘러싸는 공간(504)에 삽입된다. 열전달 핀을 통과하지 않는 다른 경로를 통해 하향으로 배출 가스의 유동을 차단하기 위해 격리된 사다리꼴 분할기(506)는 연속적인 열전달 핀 어레이 세그먼트 사이에 존재한다.
다른 실시예에서, 유동 분할기(506)는 조립 중 또는 납땜 전에 패널 세그먼트(154)를 기계적으로 보유하거나 또는 히터 헤드(502)에 대해 패널(154)을 기계적으로 간단하게 보유하기 위한 구조를 포함한다.
최대 엔진 출력을 위해, 히터 헤드의 가장 고온인 부분은 야금적 크리프 및 인장 강도, 응력 및 적절한 안전 인자를 고려하여 허용된 최고 온도인 것이 양호하다. 히터 헤드의 가장 고온인 부분을 최고 온도로 유지하는 것은 히터 헤드의 가장 고온인 부분의 온도를 측정을 요구한다. 분할기는 핀 휜 어레이를 따르는 임의의 축방향 위치에 대해 히터 헤드 상의 온도 센서를 위한 편리한 위치 결정과 루트 결정을 제공한다. (도2에도 도시된) 고온 가스 유동 경로(113)는 가스 유동 채널 커버(140)에 의해 외부에 형성된다. 배출 가스가 분할기(506)를 통해 유동하지 않기 때문에, (도2 및 도5c에 도시된) 열전대(138)와 같은 온도 센서는 온도 센서가 열 접촉하는 히터 헤드(100)의 온도를 모니터링 하기 위해 분할기(506)에 유리하게 배치된다. 분할기(506) 내에 장착된 온도 센서(138)와 핀 어레이(150)의 위치는 핀 지지체가 제거된 도5b에서 더욱 명확하게 도시된다.
온도 센싱 장치(138)는 도5b에 도시된 바와 같이 분할기(506) 내에 배치되는 것이 바람직하다. 특히, 온도 센서(138)의 온도 센싱 팁(139)은 위치되는 영역이 통상 히터 헤드의 가장 고온인 부분이라는 점에서 실린더 헤드(120)에 가능한 근접한 분할기(506)에 대응하는 슬롯에 위치되는 것이 바람직하다. 다르게는, 온도 센서(138)는 실린더 헤드(120)에 직접 장착될 수도 있지만, 상술된 바와 같이 슬롯 내의 센서의 위치가 바람직하다. 출력과 효율 모두에 대한 엔진 성능이 가능한 최고 온도에서 최고이지만, 최대 온도는 야금적 특성에 의해 통상 제한된다. 따라서, 센서(138)는 가장 고온인 온도를 측정하기 위한 곳에 배치되어야만 하므로, 그위치는 히터 헤드의 부분으로 제한된다. 또한, 온도 센서(138)는 연소 가스와 분할기(506) 벽부로부터 격리되어야만 한다. 일 실시예는 5c에 도시된 바와 같이 온도 센서와 연소 가스 및 분할기 벽부 사이의 세라믹 격리부142)를 제공한다. 세라믹은 제 위치에 온도 센서를 유지하도록 분할기의 벽부와 접착을 형성할 수도 있다. 온도 센서의 전기 리드(144)는 전기적으로 절연되어야만 한다.
엔진의 출력은 다양한 요소 중 히터 헤드의 열 효율에 의해 제한된다. 이 열 효율은 핀 휜의 효율에 따라 결정된다. 매우 높은 작동 온도에서의 높은 크리프 강도와 내산화성의 요구는 높은 니켈 합금의 사용을 바람직하게 한다. 내부 휜의 효율은 0.0254 mm(0.001 inch), 양호하게는 약 0.127 mm(0.005 inch) 보다 큰 두께로 니켈 또는 구리와 같은 열도전율이 높은 금속층을 증착 또는 도금, 또는 다른 도포 방법에 의해 히터 헤드(120)의 내부 표면(148)에 도포하여 유리하게 증가될 수 있다. 다르게는, 유사한 코팅이 본 발명의 다른 실시예에 따라 외부 표면에 도포될 수 있다.
스털링 사이클 엔진의 치수를 작게 유지하기 위해, 히터 헤드를 통한 연소 가스로부터의 열 유속은 양호하게 최대로 된다. 이제 도6a를 참조하면, 스털링 히터 헤드 내로의 열 전달 및 이에 의한 스털링 엔진 출력은 전술된 바와 같이 히터 헤드의 최대 온도에 의해 제한된다. 출력을 최대화하기 위해, 히터 헤드는 연화전에 최대 온도 Tmax= 800 ℃를 갖는 Iconel 600, Iconel 625(Tmax= 900 ℃), Iconel 754(Tmax= 10800 ℃) 또는 Hastelloy GMR 235(Tmax= 935 ℃)와 같은 초합금으로서통상적으로 공지된 고니켈 합금류로부터 양호하게 제조된다. 원통형 벽부(2010) 상에 위치된 열 교환 표면을 갖는 히터 헤드 돔(2216)은 열 교환 영역(2218)의 상부(2200)에서 온도에 의해 제한된다. 가스 온도는 내부의 작동 가스로부터의 냉각 및 외부의 고온 연소로부터의 열 전달율 및 화염의 온도(2220)에 의해 제어됨에 따라 (통상적으로 1500℃ 이상으로) 최고이다. 도6b에서 열 교환기의 상부(2200)로부터의 거리의 함수로서 도시된 열 전달율은 버너 파워와 공기 유동의 함수이다. 버너 파워 및 그에 의한 엔진 출력은 연소 가스 및 히터 헤드 사이의 열 전달이 가스가 최고온인 곳에서 감소되는 경우에 증가될 수 있다.
열 교환 표면의 상부(2200)가 너무 고온으로 되는 동시에, 열 교환기(2218)의 하부(2210)에서의 열 전달량은 매우 작다. 열 교환기의 상부로부터의 거리의 함수로서 도6d에 도시된 바와 같이, 가스는 히터 헤드에 열 에너지를 제공함에 따라 급속하게 냉각하여서, 가스가 열 교환기를 나가는 시기까지 가스 온도(2202)는 헤드 온도(2214)와 비슷하며, 열 전달율(2206)은 0에 근접한다.
가장 효율적인 열 교환기가 그의 전체 표면에 걸쳐 높은 열 교환을 할 수 있다. 이는 주어진 최대 헤드 온도를 위해 헤드에 전달되는 열의 양을 최소화한다. 문제는 열 교환기의 상부로부터의 거리의 함수로서 도6c에 도시된 열 전달 계수(2204)가 매우 일정한 반면, 가스 온도(2204)는 급속히 내려간다는 것이다.
본 발명의 양호한 실시예에 따른 해결책은 가스가 냉각함에 따라 연소 가스 온도의 변화를 보상하기 위해 열 교환 계수를 변경하는 것이다. 따라서, 도6f에 도시된 열 교환 계수(2304)는 히터 헤드 열 교환기의 상부에서 낮은 것으로부터 하부에서 최대인 것으로 양호하게 증가한다. 이는 이제 설명되는 바와 같이 본 발명의 실시예에 의해 포함되는 여러 방식으로 달성될 수 있다.
이제 도6h를 참조하면, 핀 휜(2320) 또는 제1 실시예의 다른 열 전달 표면은 열 교환기(2318)의 상부(2300)로부터 하부(2310)로 일정하다. "휜 지지체"(2316)는 연소 가스(2308)의 일부가 열 교환기의 상부(2300)를 우회하게 할 수 있는 히터 헤드 열 교환기의 외부 상에 형성된다. 그 후, 이러한 냉각되지 않은 연소 가스는 그의 길이를 따라 열 교환기(2318)로 점차 들어간다. 연소 가스의 일부가 열 교환기의 상단부(2300)를 우회할 수 있게 하여 후속 핀 휜을 지나 연소 가스의 유동에 점차 부가되는 것은 적어도 2가지 이유 때문에 도6e에 도시된 바와 같이 헤드의 열 전달(2306)을 균등하게 한다. 첫째, 더 많은 가스는 열 교환기의 하부 부분을 통해 가압되어서 이에 의해 하부(2310)를 향해 유량을 증가시키고, 따라서, 도6f에 도시된 바와 같이 열 전달 계수(2304)를 증가시킨다. 둘째, 새로운 고온 가스는 열 교환기에 연속적으로 부가되며, 따라서, 도6g에 도시된 바와 같이 연소 가스 온도(2302)를 헤드 온도(2314)에 대해 높은 평균 온도에서 유지한다.
다른 실시예에서, 핀 지지체는 일정한 내경을 갖고, 핀 휜 기하학 형상은 열 교환기의 길이를 따라 변경될 수 있다. 열 교환 계수는 열 교환기의 상부에서 낮은 것으로부터 하부에서 최대인 것으로 변할 것이다. 이는 다수의 방식으로 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 일정한 치수의 핀 휜의 밀집도는 열 교환기의 상부에서 낮은 것으로부터 하부에서 최대인 것으로 증가한다. 다른 실시예에서, 핀 높이는 열 교환기의 상부로부터 하부로 증가한다. 다른 실시예에서, 핀들 사이의 간격은 상부로부터 하부로 감소한다. 핀 높이, 직경 및 간격의 이상적인 치수는 특정 적용예에 좌우된다. 본 발명은 목적이 히터 헤드를 따라 더욱 일정한 열 교환율이면서, 열 교환 계수가 연소 가스 온도를 감소시키기 위해 보상하도록 히터 헤드 열 교환기의 상부로부터 하부로 증가되는 것을 교시한다.
또한, 전술된 바와 같이, 가변 단면 가스 유동 채널(113)의 기계적 실현은 도6i에 도시된다. 도6i의 단면도는 테이퍼진 핀 지지체(146)가 최고온 배기 가스의 일부가 히터 헤드의 상부 근처에 핀을 우회할 수 있게 하는 방법을 도시한다. 핀 지지체(146)는 핀 열 교환기 내부로 배기 가스를 더욱 더 점진적으로 가압하는 핀의 외부 상에 협소한 환형 갭을 형성한다. 히터의 상부로부터 [도2에 도시된 재생기 체적(132) 앞의] 고온 섹션의 하부로의 온도 기울기는 가변 단면 가스 유동 채널을 사용하여 350℃정도로부터 100℃로 감소되었다.
히터 헤드(100)와 같은 고체와 전술한 바와 같은 연소 가스와 같은 유체 사이의 경계부의 표면적을 증가시키는 다른 방법은 도7a 내지 도7d를 참조하여 이제 설명된다. 주조하거나 다른 방법으로 열 전달 핀을 제조하는 것과 유사한 효과는 도7a의 평면도 및 도7b의 측면도에 도시된 얇은 환형 링(162) 내로 구멍(160)을 펀칭함으로써 얻어질 수 있다. '열 전달 핀 링'이라 할 수 있는 링(162)의 두께는 상기 전술된 열 전달 핀의 두께와 비교되며, 연소 가스 횡단 구멍(160)의 높은 온도에서 열 전도성 재료의 강도에 의해 제어된다. 각각의 링 내의 구멍(160)의 형상 및 배치는 특정 적용예를 위한 설계의 문제이며, 실제로, 구멍(160)이 고체 재료에 의해 둘러싸이지 않는 임의의 청구의 범위 및 본 발명의 범위 내에 있다.링(162)의 재료는 다른 열 전도성 재료가 이용될 수 있지만, 양호하게 Inconel 625 또는 Hastelloy GMR 235와 같은 내산화성 금속이다. 링(162)은 금속 스탬핑 헤드(100)에 의해 저렴하게 생산될 수 있다. 그 후, 링(162)은 도7c에의 외부 핀 링(164)에 대해 그리고 도7d의 내부 핀 링(166)에 대해 도시된 바와 같이, 외부 표면 히터 헤드(100)에 장착되고 납땜되거나, 또는 접착된다. 부가 링은 핀들 사이의 수직 간격을 제어하도록 핀 링들 사이에 산재될 수 있다. 팽창 실린더 라이너(115)는 내부 핀 링(166)의 내부에 도시된다.
열 전달 링(162)은 히터 헤드의 내부뿐만 아니라 열 사이클 엔진의 냉각기의 외부 및 내부 모두에 이롭게 적용될 수 있다. 이들 적용예에서, 링은 내산화성일 필요는 없다. 구리 및 니켈을 포함하는 재료는 히터 헤드의 내부 상에 양호하게 이용되는 한편, 냉각기를 위한 링은 알루미늄, 구리, 아연 등을 포함하는 다양한 높은 열 전도성 재료 중 하나로 양호하게 제조된다.
실린더 축(168)에 수직인 슬라이스에 취해진 열 전달 핀의 전체 단면적은 일정할 필요가 없으며, 실제로, 도6을 참조하여 상기 상세히 설명된 바와 같이 이롭게 변경된다.
히터 헤드의 벽부는 작동 가스의 상승된 압력에 저항하기 위해 작동 온도에서 충분히 강해야 한다. 가능한 한 높은 작동 가스 압력에서 스털링 사이클 엔진을 작동시키는 것이 바람직하며, 따라서, 헤드가 높은 압력에 저항하게 하는 것이 매우 이롭다. 히터 헤드 설계시, 주어진 작동 온도에서 압력을 증가시키는 것은 히터 헤드 벽부 두께를 정비례하여 증가시키는 것을 통상 요구한다는 것을 명심해야 한다. 한편, 히터 헤드 벽부를 두껍게 하는 것은 외부 열원과 작동 가스 사이의 긴 열 전도 경로를 가져온다.
또한, 열 전도는 열 교환기 표면적에 따라 증가하고, 이로써 열 효율은 히터 헤더의 직경을 증가시킴으로써 증가된다. 그러나 벽 내의 응력은 헤드의 직경에 대체로 비례하고, 따라서 소정 온도 및 내부 가스 압력에서 헤드 직경을 증가시키는 것은 정비례하여 벽 두께를 증가시킬 것을 요구한다.
강도에 대해 고려할 사항은 일반적인 스털링 엔진 헤드 온도에서와 동일하고, 설명된 바와 같이 효율은 온도에 따라 증가하므로, 대체로 최대 작동 온도로 구동된다. 재료의 최대 인장 강도 및 크리프 모두는 특정 상승 온도에 이를 때 급속하게 하강하는 경향이 있다. 도8a를 참조하면, 0.2 % 오프셋에서의 항복 강도와 최대 인장 강도가 니켈 합금의 정량 거동의 일반적인 예로서 GMR 235 니켈 합금에 대해 도시된다. 유사하게 도8b에서, 시간당 0.01 %의 크리프율을 갖는 GMR 235의 강도는 온도가 816 ℃(1500 ℉)로부터 927 ℃(1700 ℉)까지 상승할 때 40 ksi로부터 그 반까지 하강한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도9에 단면도로 도시된 바와 같이, 히터 헤드(100)의 구조적인 지지를 향상시키는 내부 립(또는 후프, 200)을 제공한다. 립(200)은 내부 보어(202)에 특징이 있다. 따라서 히터 헤드(100)의 크리프 강도 및 파열 강도는 히터 헤드의 유효 두께(204) 및 내부 보어 직경(202)에 의해 주로 결정된다. 히터 헤드를 통한 열 전도는 헤드의 개재 세그먼트(206)가 더욱 협소하며 향상된 열 전도성을 제공하므로 두께(204)에 의해 제한 받지 않는다.리브(200)는 헤드(100)의 외부벽(208) 상에 후프 응력을 제거할 뿐만 아니라 히터 헤드 내부에 보충적인 표면 영역을 부가적으로 제공하고 따라서 작동 유체로의 열 전달을 향상시키는 이점을 갖는다.
또한 리브(200)를 히터 헤드 내부에 제공하는 것에 대한 이점은 고온 최후 작업 온도에서의 작동을 허용할 뿐만 아니라 소정 열 전달율에 대해 헤드 벽(208)을 가로질러 온도 기울기를 감소시키는 것을 포함한다. 부가적으로, 외부벽 상에 응력 요구 조건을 감소시킴으로써, 니켈계 초합금에 대해 대안적인 재료가, 감소된 비용으로 뛰어난 전도성을 제공하는 이점을 갖고 사용될 수도 있다.
또한 리브(200)를 갖는 히터 헤드(100)의 단면은 도10에 도시된다. 파선(210)은 팽창 실린더의 중심 종축을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면, 팽창 실린더 핫 슬리브(212)는 작동 유체로의 열 전달을 향상시키기 위해 원주방향 리브(200) 주위로 회전하는 것(216)을 나타내는 작동 가스의 유동을 배향하기 위해 횡방향 유동 전환기를 가질 수도 있다. 열 전달이 외부 히터 헤드 벽(208)의 보다 좁은 두께(t)에 의해 주로 지배받는 데 반해, 리브(200)의 부가적인 폭(h)은 히터 헤드의 후프 강도에 기여한다. 일반적인 스털링 엔진 적용예에서, 히터 헤드 외부는 982 ℃(1800 ℉) 정도의 고온으로 운행될 수도 있는 반면, 리브(200)는 일반적으로 704 ℃(1300 ℉)보다 더 낮은 온도로 운행된다.
도9를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 향상된 열 전도율과 함께 수반되는 향상된 후프 강도의 이점은 여러 가지 대안적인 실시예에 따라 부가적으로 얻어질 수도 있다. 도11a 및 11b를 참조하면, 히터 헤드(230)의 단면이 도시되고, 튜브형 개구(232)는 히터 헤드 벽(208)에 평행하다. AA선을 따라 취해진 도11b의 단면에 도시된 바와 같이, 튜브(232)는 작동 가스를 벽 아래로 통과하게 하고, 헤드의 외부로부터 작동 가스로 열 전달을 향상시킨다. 부가적으로 벽(208)은 동일한 열 전달율에 대해 두꺼울 수도 있고, 따라서 부가적인 강도를 제공한다. 또한, 통로(232) 내부에 두꺼운 벽 섹션(210)은 다른 경우보다 저온으로 남아 있고, 또한 부가적인 강도를 제공한다. 히터 헤드(230)는 단면이 둥글거나 다른 형태를 가질 수도 있는 튜브형 통로(232)를 갖는 주물인 것이 바람직하다.
도12a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추가의 히터 헤드(240)를 도시하고, 튜브형 개구(232)는 히터 헤드 벽(208)에 평행하고 히터 헤드 벽의 얇은 섹션(242)에서 외부로 나오는 개구에 의해 가로막힌다. AA선을 따라 취해진 도12b에 단면도로 도시된 바와 같이, 튜브(232)는 작동 가스를 벽 아래로 통과시키고, 도11a 및 도11b에 도시된 직선 튜브 설계를 거쳐 대체로 어느 정도 향상된 헤드의 외부로부터 작동 가스로 열 전달을 향상시킨다. 부가적으로, 개구(244)는 그러한 길고 얇은 구멍을 생성하도록 주조 공정에 사용되는 세라믹 코어의 제거를 위해 부가 영역을 제공한다. 구멍에 증가된 접근성은 제조 공정 중에 코어의 빠른 화학적 여과를 가능하게 한다.
도13b는 다른 히터 헤드(250)를 도시하고, 리브(252)는 히터 헤드 벽(208) 내부에 나선형으로 배치되고, 이로써, 원주 및 축방향 모두에서 향상된 강성을 갖는 벽을 제공한다. 작동 가스는 확장 피스톤과 히터 헤드 사이의 경로 상에 나선부(254)를 통해 유동한다. 도13b는 AA선을 따라 취해진 도13a의 히터 헤드의 횡단면을 도시한다. 강화 또는 열 전달의 상당한 이점을 얻도록 선형 또는 다르게는 거의 나선부(252)를 사용하는 것 또한 본 발명의 범위 내에 있다.
도13a 및 도13b의 히터 헤드(250)는 주조에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 주조 공정 내에서 사용되기 위한 코어 조립체(260)의 측면도는 도14a에 도시된다. 히터 헤드의 돔의 내부 지지를 위한 리브를 제공하고 돔 상에 부가적인 열 교환을 제공함으로써 돔의 내부 표면을 냉각하는 것은 부가적인 이점을 갖는다. 도14b에서 상부로부터 도시된 바와 같이 돔의 보충적인 코어 구조는 도14b에서 단면도로 도시된다. 코어 조립체(260)의 사시도는 도15에 도시된다.
본원에서 설명된 장치 및 방법은 본 발명이 설명된 관점에서 스털링 엔진뿐만 아니라 다른 장치에서 적용될 수도 있다. 본 발명의 설명된 실시예는 단지 예시만을 위한 것이며 본 기술 분야에 숙련된 자는 다양한 변경 및 변형을 용이하게 할 수 있을 것이다. 그러한 모든 변경 및 변경은 첨부된 청구항에 한정된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.

Claims (27)

  1. 원통형 벽부 외부의 유체와 원통형 벽부 내부의 작동 가스 사이에서 원통형 벽부를 통해 열을 전도하기 위한 열 전달 돌기부를 제조하는 방법이며,
    상기 원통형 벽부와 열 전달 돌기부를 단일 작업으로 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 원통형 벽부와 열 전달 돌기부를 주조하는 단계는 인베스트먼트 주조, 샌드 주조 및 다이 주조 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, a. 각각이 대체로 평행한 구멍들의 그룹인 복수개의 네가티브 몰드를 제조하는 단계와, b. 원통형 벽부와 열 전달 돌기부를 주조하기 위한 네가티브 폼을 형성하도록 복수개의 네가티브 몰드를 조립하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 복수개의 그룹의 대체로 평행한 열 전달 돌기부를 갖는, 인베스트먼트 주조용 단일 포지티브 폼을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, a. 적어도 하나가 대체로 평행한 열 전달 돌기부 그룹의 네가티브 몰드를 갖는 복수개의 섹션을 구비한 네가티브 몰드를 다이 주조 또는 금속 사출에 의해 제조하는 단계와, b. 주조부를 배출하기 위해 상기 복수개의 섹션을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 대체로 평행한 열 전달 돌기부 그룹들 사이에 종방향 분할 구조물을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 벽부 외부의 유체와 원통형 벽부 내부의 작동 가스 사이에서 원통형 벽부를 통해 열을 전도하기 위한 열 전달 돌기부를 제조하는 방법이며,
    a. 실린더 세그먼트를 포함하는 적어도 하나의 배면 패널과 실린더 축에 수직인 축을 갖는 대체로 평행한 열 전달 돌기부 그룹을 일체로 제조하는 단계와,
    b. 상기 적어도 하나의 배면 패널을 원통형 벽부와 열 접촉하는 구조물에 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 배면 패널을 일체로 제조하는 단계는 배면 패널을 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 적어도 하나의 배면 패널을 일체로 제조하는 단계는 배면 패널을 사출 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 접착하는 단계는 패널을 히터 헤드에 기계적으로 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 접착하는 단계는 열 전달 핀의 어레이의 패널을 히터 헤드에 납땜하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항에 있어서, 접착하는 단계는 열 전달 핀의 어레이의 패널을 히터 헤드에 천이 액상 접착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제7항에 있어서, 대체로 평행한 열 전달 돌기부 그룹들 사이에 종방향 분할 구조물을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 내부 표면을 갖는 히터 헤드를 통한 열 사이클 엔진 내의 작동 가스로의 열 전달 효율을 향상시키는 방법이며,
    하나 이상의 열 전도율이 높은 금속층을 히터 헤드의 내부 및 외부 표면 중 적어도 하나에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 대체로 원통형 벽부 섹션을 갖는, 열 사이클 열 엔진용 히터 헤드에 있어서,
    향상된 후프 강도를 제공하기 위해 대체로 원통형 벽부 섹션의 내부에 복수개의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 헤드.
  16. 대체로 원통형 벽부 섹션과 중심 종축을 갖는, 열 사이클 열 엔진용 히터 헤드에 있어서,
    상기 중심 종축에 평행하게 연장하는 대체로 원통형 벽부 섹션 내에 복수개의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 헤드.
  17. 대체로 원통형 벽부 섹션과 중심 종축을 갖는, 열 사이클 열 엔진용 히터 헤드에 있어서,
    향상된 후프 강도를 제공하기 위해 대체로 원통형 벽부 섹션의 내부에 복수개의 리브와, 상기 리브를 통과하고 상기 중심 종축에 대체로 평행한 복수개의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 헤드.
  18. 대체로 원통형 벽부 섹션을 갖는, 열 사이클 열 엔진용 히터 헤드에 있어서,
    대체로 원통형 벽부 섹션 내에 대체로 나선형인 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 헤드.
  19. 돔을 갖는, 열 사이클 열 엔진용 히터 헤드에 있어서,
    향상된 돔 강도를 제공하기 위해 돔의 내부에 복수개의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 헤드.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 원통형 벽부 섹션의 내부에 동심으로 배치된 핫 슬리브로부터 횡방향으로 연장하는 복수개의 유동 전환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 헤드.
  21. 팽창 실린더 내에서 왕복 직선 운동을 하는 피스톤을 갖는 형식의 열 사이클 엔진으로서, 상기 팽창 실린더는 외부 열원으로부터 히터 헤드를 통한 열 전도에 의해 가열된 작동 유체를 포함하고 원통형 벽부를 가지며, 상기 전도는 열 전달 계수에 특징이 있는 열 사이클 엔진에 있어서,
    a. 각각이 팽창 실린더의 원통형 벽부로부터 대체로 멀리 지향된 축을 갖는 열 전달 돌기부 세트를 포함하며, 가열된 외부 유체로부터 작동 유체로 히터 헤드를 가로질러 열 에너지를 전달하는 열 교환기와,
    b. 가열된 외부 유체의 유동 방향으로 열 전달 계수를 증가시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클 엔진.
  22. 가열된 외부 유체로부터 원통형 벽부를 가로질러 열 에너지를 전달하는 열 교환기로서, 상기 원통형 벽부는 그 중심축에 평행한 길이 방향에 특징이 있는 열 교환기이며,
    a. 각각이 원통형 벽부로부터 대체로 멀리 지향된 축을 갖는 엇갈려 배치된 열 전달 돌기부 세트와,
    b. 유체가 상기 엇갈려 배치된 열 전달 돌기부를 통해 유동하게 하도록, 원통형 벽부의 길이를 따라 대체로 배치된 복수개의 분할기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  23. 가열된 외부 유체로부터 축 방향에 특징이 있는 원통형 벽부를 가로질러 열 에너지를 전달하는 열 교환기이며,
    a. 각각이 원통형 벽부로부터 대체로 멀리 지향된 축을 갖는 열 전달 돌기부 세트와,
    b. 가열된 외부 유체를 유동 경로 내에서 대체로 원통형 벽부의 축 방향을 따라 열 전달 돌기부 세트를 지나서 안내하기 위한 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  24. 제18항에 있어서, 지지체와 원통형 벽부 사이의 간극은 축 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  25. 제18항에 있어서, 열 전달 돌기부는 축 방향으로 증가하는 유동 경로를 횡단하는 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  26. 제18항에 있어서, 열 전달 핀은 축 방향으로 증가하는 밀집도를 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  27. 제18항에 있어서, 열 전달 핀의 높이 및 밀집도 중 적어도 하나는 축 방향으로의 거리에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
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