KR20050012245A - 스터링 엔진 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 헤드(2), 상기 헤드를 둘러싸고 상기 엔진 헤드에 열을 제공하는 버너(7), 상기 엔진과 상기 버너 사이의 인터페이스를 밀봉하는 가요성 씰(20), 상기 버너로부터 상기 씰까지의 열전달을 감소시키기 위해 상기 버너와 상기 씰 사이에 위치된 제 1 액체 냉각제 서킷을 갖는 스터링 엔진을 구비하는 스터링 엔진 어셈블리에 관한 것이다.

Description

스터링 엔진 어셈블리{A Stirling Engine Assembly}
스터링 엔진은 상기 엔진의 상단에 있는 히터 헤드(heater head) 주위에 위치된 버너를 갖는다. 스터링 엔진계열의 CHP 시스템에 대한 문제는 연소 가스가, 잠정적으로 유독가스의 누적을 야기하며, 밀폐된 룸 유니트 구내(room-sealed unit enclosure)로 흐르지 않게 하는 것을 보장해야 하는 것이 필요하다. 따라서, 스터링 엔진과 버너 사이에 씰(seal)의 몇가지 형태가 요구된다.
동작시, 스터링 엔진은 왕복동작하는 구성부품들로 인해 진동한다. 여러가지 감쇄(damping) 및 흡수 구성부품들을 포함하는 진동 감소 시스템은 잔류 진동 수준을 낮은 수준으로 내릴 수 있으나, 진동하는 엔진과 고정 버너 케이싱 사이에 위치된 임의의 씰에 문제를 야기하기에는 여전히 충분하다. 몇몇 종래의 씰 설계는 일반적으로 엔진 현가장치보다 상당히 더 강직되고, 응용에 사용되는 경우, 진동하는 엔진과 고정 버너 부품들 사이에 허용할 수 없는 힘의 전달을 초래할 수 있다. 이와 같은 씰 설계는 가스기기 적합성 평가에 의해 정의되는 바와 같이 매우 튼튼하고, 고온에서 동작하며, 모든 동작 조건하에서 충분한 밀봉을 유지할 수 있어야 할 필요가 있다.
이러한 씰의 과도한 마모, 피로 또는 열화(degradation)로 인해, 연소가스가 유니트 구내에 누출을 야기하여, 위험을 초래하고 소음수준을 증가시킬 수 있다. 따라서, 씰 설계는 엔진과 버너 사이의 상대운동(본래의 수직, 수평 및 회전)을 대처할 정도로 충분히 가요성있게 만들어 질 수 있다. 또한, 이러한 씰은 버너 가스와 관련하여 고온에서 잘 견딜수 있어야만 하고 관계된 가스에 의해 부식되지 않아야 한다.
1979년 GE에 제안된 종래기술의 설계(GE Semi Annual Report 80SD54215)는 PTFE 실을 사용한다. 이러한 씰은 PTFE에서 발생하는 기지의 독성 방출로 인해 관련된 온도에서 잠정적인 위험을 야기하므로 가정 환경에 적합하지 않다.
미국특허 제5,918,463호는 세라믹 씰의 사용을 제안한다. 그러나, 세라믹은 진동으로 인한 피로에 쉽게 영향을 받는 재료이다.
본 발명은 스터링 엔진 어셈블리에 관한 것으로, 특히, 가정 환경에서 주로 사용하기 위한 열병합 발전(combined heat and power, CHP) 시스템에 사용하기 위한 스터링 엔진 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스터링 엔진 어셈블리의 예가 첨부도면을 참조로 설명된다.
도 1은 제 1 스터링 엔진 어셈블리의 개략도이다;
도 2는 스터링 엔진 헤드와 제 1 엔진의 연소 씰의 일부분을 도시한 횡단면도이다;
도 3은 도 2의 액체통로 서킷의 사시도이다; 그리고
도 4는 도 3의 액체 냉각제 통로를 관통하는 횡단면도이다.
본 발명에 따른 스터링 엔진 어셈블리는 헤드를 갖는 스터링 엔진, 상기 엔진 헤드에 열을 제공하는 버너, 상기 엔진과 상기 버너 사이의 가요성 씰, 상기 버너로부터 상기 씰까지의 열전달을 감소시키기 위해 상기 버너와 상기 씰 사이에 위치된 제 1 액체 냉각제 서킷(liquid coolant circuit)을 구비한다.
냉각제 서킷을 제공함으로써, 씰이 견뎌야만 하는 온도가 충분히 감소될 수 있어 종래 씰 재료가 사용될 수 있다.
제 1 냉각제 서킷용 액체는 임의의 적절한 소스로부터 제공될 수 있다. 그러나, 스터링 엔진은 제 2 액체 냉각제 서킷을 갖는 냉각장치를 구비한다. 따라서, 제 1 및 제 2 액체 냉각제 서킷들에 공통 액체를 공급하는 것이 편리하다.
이러한 배열로 인해, 제 1 및 제 2 액체 냉각제 서킷들은 나란히 배열될 수 있다. 이 경우, 제 1 액체 냉각제 서킷으로의 액체의 흐름은 일반적으로 액체의 주 흐름으로부터 제 2 액체 냉각제 서킷으로의 블리드 흐름(bleed flow)일 수 있다. 대안으로, 제 1 및 제 2 액체 냉각제 서킷들로의 흐름은 연속으로 배열될 수 있다. 이 경우, 가능한 한 저온으로 상기 냉각장치를 유지하기 위해 상기 액체가 제 1 냉각제 서킷 이전에 제 2 냉각제 서킷 주위로 흐르게 하는 것이 바람직하다.
제 1 액체 냉각제 서킷이 씰의 반경방향 내부에 위치되는 경우, 이는 버너와 씰 사이의 거리를 증가시킬 수 있고 주변 공기에 의해 더 용이하게 냉각되는 영역에 씰이 위치되게 할 수 있다.
상기 제 1 액체 냉각제 서킷 뿐만 아니라, 상기 버너로부터 상기 씰까지의 열전달을 감소시키는 추가적인 수단을 제공하는 것이 이점적일 수 있다. 예를 들어, 가스가 버너로부터 씰까지 흐르는 구불구불한 경로가 제공될 수 있다. 대안으로 또는 추가적으로, 단열재가 상기 버너로부터 상기 씰까지의 열전달을 감소시키기 위해 제공될 수 있다. 이러한 목적들 모두는 버너 하우징과 상기 스터링 엔진 헤드 사이의 버너 아래 공간을 섬유 단열재로 채움으로써 달성될 수 있다.
가요성 씰은 작업에 적합한 임의의 재료일 수 있다. 그러나, 본 발명은 실리콘 고무 씰링 재료와 같이, 최대 350℃ 미만의 온도에서 견딜 수 있는 종래의, 상용의 씰링 재료들을 사용하게 한다.
가능한 한 저온에서 씰을 유지하게 하는 다른 방식은 가요성 씰을 제 1 액체 냉각제 서킷으로 확장시키는 것이다. 이는 냉각제를 가요성 실과 직접 접촉하게 한다. 바람직하기로, 상기 엔진 주위를 흐르는 상기 제 1 액체 냉각제 서킷은 개방 환형 채널부와 상기 개방 환형 채널부를 가로지르는 환형 플레이트를 가지며, 상기 씰이 상기 채널부와 플레이트 사이에 끼워진다. 이는 상기 언급한 바와 같이 냉각제를 직접 씰과 접촉하게 하며, 또한 씰을 냉각제 서킷에 부착시키는 방식을 제공하고, 뿐만 아니라 상기 냉각제 서킷을 씰링함으로써 다른 씰링 요소에 대한 필요성을 제거하는 방식을 제공한다.
도 1에 도시된 대부분의 스터링 엔진 태양들은 해당기술분야에 공지되어 있고, 본 명세서에서는 단지 간략히 설명될 것이다.
스터링 엔진(1)은 선형 자유 피스톤 스터링 엔진이고 엔진헤드(2)를 포함하며 상기 엔진헤드 아래에 냉각장치(3)와 교류발전기(5)가 있다. 스터링 엔진(1)은 복수의 스프링(5)(미도시)에 의해 케이싱으로부터 매달려있다.
연소가스에 의해 예열되고 가연성 연료와 혼합되는 주변 공기가 송풍관(flue)(6)을 통해 들어간 후, 버너(7)에서 엔진 헤드(2)를 가열시키기 위해 점화된다. 복수의 핀(8)은 헤드로의 열전달을 증가시킨다. 연소가스는 들어오는 공기/연료 혼합물을 예열시키고 그런 후 열 교환기(9)에 공급되어 가정용 중앙난방 서킷(10)의 물을 데운다. 온수에 대한 수요가 스터링 엔진(1) 단독으로만 제공될 수 있는 수요를 초과하면 추가적인 열을 가정용 난방 서킷(10)에 공급하도록 보조 버너(11)가 제공된다. 팬(12)은 2개의 버너(7,11)에 공기를 공급하고, 스플리터(splitter) 밸브(13)는 버너(7)와 보조 버너(11) 사이에서 공기의 분할을 제어한다. 이는, 팬 속도의 제어와 함께, 각 버너로 공급되는 공기량을 제어한다.
그런 후, 가정용 중앙난방 서킷(10)의 온수는 가정용 라디에이터를 통해 열을 방출하거나 가정용 온수 요건을 충족시키는데 사용되는 가정용 중앙난방 시스템 주위를 순회한다. 그리고 나서, 냉각된 액체는 라인(10A)을 따라 스터링 엔진 어셈블리로 복귀한다. 이 물은 약간 온도가 상승한 엔진 냉각장치(3)를 냉각시키는데 사용되는 것으로 알려져 있으며, 그런 후, 중앙난방 시스템에 의해 요구되는 충분한 온도로 가열되도록 라인(14)을 따라 열 교환기(9)로 복귀된다. 본 발명은 이런 방식으로 작동한다. 그러나, 하기에 더 상세히 설명된 바와 같이, 라인(10A)에 들어오는 차가운 물에 대한 추가적인 사용을 하게 한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 버너 케이싱(21)과 스터링 엔진(1)의헤드(2)에 용접된 환형 플랜지(22) 사이의 공간을 밀봉하기 위한 씰(20)이 제공된다. 역(逆) U자 횡단면을 갖는 주조 알루미늄 채널요소(25)에 의한 냉각제 채널이 제공된다. 씰(20)은 이러한 채널요소의 기저 전체 폭을 가로질러 확장되고 채널요소의 기저와 복수의 볼트(27)에 의해 적소에 고정된 환형 플레이트(26) 사이에 끼워진다. 채널은 유입구(28)와 배출구(29)를 갖는다. 씰과 채널의 이러한 배열은 많은 기능을 수행한다. 씰을 버너 케이싱에 대해 부착시키는 방식을 제공하고, 대부분의 씰요소가 채널(25)에 순환하는 물과 직접 접촉함에 따라 씰을 효율적으로 냉각시키는 방식을 제공하며, 각각의 씰링 요소를 필요로 함이 없이 채널을 씰링하는 방식을 제공한다. 씰(20)은 씰 유지 클립(33)에 의해 환형 그루브(30)에 고정된다.
채널(25) 주위로 냉각 유체의 순환 뿐만 아니라, 도 2로부터 명백한 바와 같이, 씰의 온도를 감소시키도록 취해진 많은 다른 수단들이 있다. 2개의 반원형 피스로 만들어진 세라믹 단열재 링(24)이 버너(7)와 냉각 채널(25) 사이의 대부분의 공간을 채운다. 상기 링은 또한 버너에서 씰(20)까지 구불구불한 경로이도록 두어진다. 또한, 유의해야 할 것은 씰(20)의 노출부는 채널(25)의 반경방향 외부에 위치되고, 주변 공기에도 노출된다. 이는 주변 공기에 의해 씰을 냉각시키고, 또한 상기 언급한 구불구불한 경로의 효과를 증가시킨다.
엔진 어셈블리를 조립하기 위해, 엔진은 버너 모듈과 엔진 모듈로서 제공된다. 엔진 모듈은 엔진(1), 환형 플랜지(22), 씰(20), 씰 유지 클립(33), 냉각채널(25), 환형 플레이트(26), 볼트(27) 및 환형 엔진 지지 브라켓(40)을 포함한다. 유의해야 할 것은, 엔진 지지 브라켓(40)이 도 2에 도시된 범위를 넘어서 확장되고개별적으로 지지되며, 채널(25)의 무게가 씰(20)을 통해서가 아니라 엔진 지지 브라켓(40)을 통해 지지된다는 것이다. 버너 모듈은 버너(7)를 포함하고, 원주상으로 배열된 볼트(43)를 통해 환형 스페이서(41)와 환형 지지 브라켓(42)이 버너 모듈에 부착된다. 적소에 있는 버너 모듈로 인해, 엔진 지지 브라켓(40)이 메인 지지 브라켓(42)에 맞닿을 때까지 엔진 모듈이 버너 모듈에 삽입된다. 이들 사이에 인터페이스가 가스켓(44)에 의해 밀봉된다.
이 예에서, 환형 물 재킷(25) 주위로의 흐름은 냉각장치(3) 주위로의 흐름과 연속한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 라인(10A)에서 냉각 액체가 공지된 방식으로 냉각장치(3) 주위를 순회한 후, 라인(26)을 따라 환형 물 재킷(25)으로 흐른다. 그리고 나서, 환형 물 재킷(25)을 떠난 물은 라인(14)을 따라 열 교환기(9)로 이동한다.
물이 스터링 엔진 냉각장치(3)로부터 환형 물 재킷(25)으로 흐른다. 따라서, 통상적인 동작하에서, 물의 온도는 재킷에 들어갈 때 약 50℃이다. 열은 버너 하우징(21)으로부터 제거되어, 씰 재료를 수용가능한 온도로 유지시킨다. 이는 더 효과적인 씰링 재료들을 사용하게 하며, 상기 씰링 재료들은 냉각없이 대할 수 있는 온도에서 (잠정적으로 350℃를 초과한 하우징 온도에서) 열화될 수 있다. 이러한 씰링 재료는, 예를 들어, 실리콘 고무이거나, 바이톤(Viton) 또는 PTFE와 같은 플루오르엘라스토머(fluoroelastomer)일 수 있다.
주택이 열을 필요로 하지 않는 일부 상황에서는, 스터링 엔진이 전력을 발전하도록 동작된다. 이러한 상황에서, 물은 스터링 엔진 냉각장치(3)를 통해, 씰 주위로, 그리고 열 교환기(9)로 흐르나, 우회로(bypass)를 통해 수송되고 가정용 온수 시스템 주위로 이동하지 않고 엔진 냉각장치로 다시 흐르게 된다. 어떠한 추가적인 열도 추가되지 않음에 따라, 열 교환기(9)는 물을 냉각시키도록 동작하게 된다. 보조버너(11)와 스터링 엔진 버너(7)가 개개의 팬들을 사용하는 경우, 보조 버너팬은 특허출원 GB 0130378.3에서와 같이 이러한 열제거를 돕도록 동작될 수 있다. 그러나, 냉각 시스템 내부의 물 온도는, 어떠한 열도 주택으로 방출되지 않음에 따라 대개 80℃까지 더 높아지게 된다. 심지어 이 온도수준에서도 씰 영역은 충분히 냉각되어지며, 더이상의 과도한 재료 열화가 발생하지 않게된다.
액체 냉각된 씰 설계의 추가적인 이점은 냉각수에 추가한 열의 재생이다. 이 영역에 전달된 열은 통상적으로 CHP 유니트 구내에 공기의 온도를 증가시킬 수 있다. 공기가 보조 버너(11)의 공기 흡입으로 끌려들어감에 따라 강제 통기에 의해 구내 주위로 순환된다. 내부 구성부품들에 대한 수용가능한 온도를 유지시키 위해 스터링 엔진과 교류발전기(4)의 외부표면에 대한 냉각이 요구되며, 주변 공기가 씰 영역 주위에서 가열되는 경우, 이는 순환하는 공기의 냉각 효과를 감소시킨다. 물 시스템에서 이러한 열을 제거함으로써, 공기 냉각 엔진/교류발전기는 온도가 더 낮아지고 이에 따라 더 효과적인 냉각 범위를 제공한다. 이는 교류발전기 자석과 같은 온도민감성 부품들의 수명을 연장시키고, 잠정적으로는 또한 교류발전기의 발전효율을 증가시킨다.
엔진이 예시된 예에서 도시되어 있지만, 수평 엔진과 같은 비수직 엔진에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 도시된 구성과는 역(逆) 구성으로 장착된 엔진에도 동일하게 적용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 헤드를 갖는 스터링 엔진, 상기 엔진 헤드에 열을 제공하는 버너, 상기 엔진과 상기 버너 사이의 가요성 씰, 상기 버너로부터 상기 씰까지의 열전달을 감소시키기 위해 상기 버너와 상기 씰 사이에 위치된 제 1 액체 냉각제 서킷(liquid coolant circuit)을 구비하는 스터링 엔진 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스터링 엔진은 상기 제 1 액체 냉각제 서킷에 공통인 액체로 이송되는 제 2 액체 냉각제 서킷을 갖는 냉각장치를 더 포함하는 스터링 엔진 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액체 냉각제 서킷들이 나란히 배열되는 스터링 엔진 어셈블리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액체 냉각제 서킷들이 연속으로 배열되는 스터링 엔진 어셈블리.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 액체 냉각제 서킷은 상기 씰의 반경방향 내부에 위치되는 스터링 엔진 어셈블리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너로부터 상기 씰까지 흐르는 가스에 구불구불한 경로가 제공되는 스터링 엔진 어셈블리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너로부터 상기 씰까지 열전달을 감소시키기 위해 단열재가 제공되는 스터링 엔진 어셈블리.
  8. 제 6 또는 제 7 항에 있어서,
    버너 하우징과 상기 스터링 엔진 헤드 사이의 버너 아래 공간에 섬유 단열재가 채워지는 스터링 엔진 어셈블리.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씰은 실리콘 고무 씰링 재료인 스터링 엔진 어셈블리.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씰은 플루오르엘라스토머 씰링 재료인 스터링 엔진 어셈블리.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씰은 최대 350℃ 미만의 온도에서 견딜 수 있는 스터링 엔진 어셈블리.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가요성 씰은 상기 제 1 액체 냉각제 서킷으로 확장되는 스터링 엔진 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 엔진 주위를 흐르는 상기 제 1 액체 냉각제 서킷은 개방 환형 채널부와 상기 개방 환형 채널부를 가로지르는 환형 플레이트를 가지며, 상기 씰은 상기 채널부와 플레이트 사이에 끼워지는 스터링 엔진 어셈블리.
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