KR20050020962A - 스터링 엔진 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 뜨거운 헤드(3)와 차가운 영역(4)을 갖는 스터링 엔진 어셈블리에 관한 것이다. 환형 버너(9)가 헤드를 둘러싸고 열을 상기 헤드에 제공하도록 배열된다. 스터링 엔진과 버너 사이에 주름진 씰(2)은 헤드에서 나온 연소가스가 주변 환경으로 흐르지 못하게 한다. 스터링 엔진은 씰을 통해 적어도 부분적으로 장착 프레임(23)에 의해 지지된다.

Description

스터링 엔진 어셈블리{A Stirling Engine Assembly}

본 발명은 스터링 엔진 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열병합 발전(combined heat and power, CHP) 유니트에 사용하는데 적합한 어셈블리에 관한 것이다.

CHP 유니트와 같은 기기가 가정환경에 설치되는 경우, 상당한 불편함을 유발할 수 있는 소음 및 진동이 매우 낮은 수준으로 유지되는 것이 매우 중요하다. 상기 기기가 교류발전기(alternator)와 결합된 스터링 엔진을 포함하는 경우, 받아들일 수 있는 소음 및 진동 수준보다 더 높은 소음 및 진동 수준을 야기한다. 따라서, 열병합 발전 유니트의 케이싱(casing) 및 지지 프레임을 통해, 가정환경으로의 소음 및 진동의 전달을 최소화하는 것이 필수적이다.

스터링 엔진 버너가 엔진의 상단에 있는 히터 헤드(heater head) 주위에 위치된다. 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 케이싱 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. 씰 설계는 가스기기 적합성 평가에 의해 정의되는 바와 같이 매우 튼튼하고, 고온에서 동작하며, 모든 동작 조건하에서 충분한 밀봉을 유지할 수 있어야 할 필요가 있다. 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.

이러한 씰의 과도한 마모, 피로 또는 열화(degradation)로 인해, 연소가스가 유니트 구내에 누출을 야기하여, 위험을 초래하고 소음수준을 증가시킬 수 있다.

미국특허 제5,918,463호는 버너 케이싱과 스터링 엔진 사이에 와셔 형태의 가요성, 반 경질의, 또는 경질의 섬유 세라믹 단열재 피스를 갖는 스터링 엔진을 개시하고 있다.

통상적인 실시는 스프링 상단에 엔진을 장착함으로써 엔진을 지지하는 것이며, 이는 통상적인 엔진 동작간 발생된 대부분의 진동을 단절시킨다. 이와 같은 배열을 갖는 스터링 엔진의 예가 미국특허 제4,400,941호이다. 단절의 정도를 최대화시키기 위해, 낮은 강성의 장착 시스템이 요구된다. 압축 스프링을 갖는 이러한 실행은, 특히 관련된 힘들이 본래 측면진동 뿐만 아니라 수직진동인 경우, 불안정을 유발할 수 있다. 따라서, 다른 지지장치가 필요하다. 이전 특허출원 PCT/GB02/05111은 이 문제에 대한 해결방안을 상세히 다루고 있으며, 상기 문헌에서는 스프링이 스터링 엔진의 외부면 주위로 배열되어 있어, 장착 플랜지로부터 엔진을 매달아 둔다.

본 발명에 따른 스터링 엔진 어셈블리의 예가 첨부도면을 참조로 설명된다.

도 1은 제 1 실시예의 개략적인 단면도이다;

도 1a는 도 1의 한 부분을 더 상세히 도시한 것이다;

도 2는 도 1과 유사한 제 2 실시예를 도시한 도면이다;

도 3a 및 도 3b는 다른 벨로우즈의 횡단면도이다;

도 4는 본 발명을 따르지 않는 다른 씰 구성을 도시한 스터링 엔진의 부분을 관통하는 횡단면도이다;

도 5는 도 4와 유사한 다른 벨로우즈 배열을 도시한 도면이다;

도 6은 도 2와 유사한 제 3 실시예를 도시한 도면이다;

도 7은 도 2와 유사한 본 발명을 따르지 않는 예를 도시한 도면이다; 그리고

도 8은 도 7의 선 Ⅷ-Ⅷ을 관통하는 횡단면이다.

본 발명에 따르면, 뜨거운 헤드와 차가운 영역을 갖는 스터링 엔진, 상기 헤드를 둘러싸고 열을 상기 헤드로 공급하도록 배열된 환형 버너, 및 상기 헤드에서 나온 연소가스가 주변 환경으로 흐르지 못하도록 상기 스터링 엔진과 상기 버너 사이에 주름진 씰을 구비하고, 상기 스터링 엔진은 상기 씰을 통해 적어도 부분적으로 장착 프레임에 의해 지지되는 스터링 엔진 어셈블리가 제공된다.

따라서, 상기 씰 설계는 엔진과 버너 사이의 상대운동(본래의 수직, 수평 및 회전)을 대처할 정도로 충분히 가요성있게 만들어 질 수 있다. 또한, 버너 가스와 관련하여 고온에서 잘 견딜수 있고 관계된 가스에 의해 부식되지 않는 씰용의 적절한 재료들이 이용가능하다.

씰을 통해 적어도 부분적으로 장착 프레임에 의해 스터링 엔진을 지지함으로써, 대부분의 진동을 단절시키는 엔진을 지지하는 한편, 동시에, 연소가스가 CHP 유니트 케이싱의 본체에서 새어나가는 것을 방지하는 매우 효과적인 씰을 제공하는 배열이 제공된다.

스터링 엔진의 무게 중 일부분이 씰에 의해 지지됨에 따라, 현가장치는 더 가벼운 무게를 지지함에 따라 더 가벼워질 수 있거나, 명확한 비용 이점을 함께 가지며 심지어 제거될 수 있다.

바람직하기로, 버너에서 발생한 뜨거운 연소가스가 벨로우즈를 향하여 통과하는 것을 상당히 감소시키기 위해 씰과 엔진 사이에 단열재가 제공된다.

예를 들어, 씰은 벨로우즈일 수 있다.

벨로우즈는 버너에 인접한 위치로부터 스터링 엔진의 길이의 상당한 부분을 따라 확장되도록 배열될 수 있다. 이 경우, 엔진 냉각장치 전후로 냉각제의 흐름을 제공하기 위해 상기 벨로우즈를 관통하여 냉매가 통과하는 수단들이 제공된다. 이는 바람직하기로는 상기 벨로우즈를 관통해 확장되고, 가요성 씰에 의해 밀봉되는 냉각제 유입관 및 냉각제 배출관을 포함한다. 바람직하기로, 상기 벨로우즈는 상기 엔진 냉각장치 영역에서 원통형이다. 이러한 신장된 벨로우즈 설계는 엔진 본체 주위로 밀봉된 가스 쿠션을 제공함으로써 스터링 엔진에서 발생한 전달된 소음수준을 감소시킨다. 그러나, 동일한 방식으로, 이 가스 쿠션은 엔진을 단열시키고 케이싱으로부터의 열손실을 감소시킬 수 있다. 특히, 교류발전기는 동작레벨의 자석 온도를 유지하기 위한 하부 엔진/흡수장치 케이싱 주위의 냉각공기에 의존하므로, 이는 불리할 수 있다. 이를 극복하기 위해, 냉각 핀을 노출된 엔진의 하단부에 추가하여 열손실을 보조함으로써, 벨로우즈의 온난화(warming effect)를 보상할 수 있다.

엔진의 상당한 길이를 따라 확장되는 벨로우즈에 대한 대안으로서, 벨로우즈는 엔진 냉각장치 위에서 종결될 수 있다. 이 경우, 냉각제가 벨로우즈를 지날 필요가 없다.

벨로우즈가 수직으로 확장되도록 배열되는 경우, 스터링 엔진의 무게는 벨로우즈의 길이를 따라 떠받쳐진다. 그러나, 벨로우즈는 비스듬히 배열될 수 있다.

스터링 엔진의 무게는 전체적으로 벨로우즈에 의해 떠받쳐질 수 있다. 대안으로, 스터링 엔진의 무게는 부분적으로는 상기 벨로우즈에 의해 그리고 부분적으로는 엔진이 매달려지는 스프링과 같은 하나 이상의 추가적인 탄성부재에 의해 떠받쳐진다.

스터링 엔진 어셈블리는 케이싱(2)내에 수용된 스터링 엔진(1)을 구비한다. 스터링 엔진(1)의 설계는 해당기술분야에 공지되어 있다. 엔진은 대략 히트 헤더(3), 냉각장치(4) 및 교류발전기(5)의 3부분으로 나누어진다. 엔진은 디스플레이서(displacer)와 구동 피스톤을 갖는데, 모두는 수직방향으로 왕복하도록 배열된다. 이는 스터링 엔진 자체의 알짜(net) 수직진동을 야기한다. 이 수직진동을 감소시키기 위해, 환형 흡수장치들(annular absorber mass)(6)가 아래 위로 다수의 압축 스프링(7)에 의해 지지된다.

열을 히트 헤더(3)로 전달하기 위해, 가스/공기 혼합물이 유입관(8)을 따라 점화되는 버너부품(9)에 제공된다. 발생된 열은 복수의 환형 핀(fins)(10)을 통해 히트 헤더(3)로 전달된다. 연소 가스는 히트 헤더의 상단 주위의 핀(10)을 통해 위로 흘러 유입 가스/공기 혼합물을 예열시키고 순차적으로 가정내 사용을 위해 물을 데우는 환열기(recuperator)로 흐른다. 세라믹 섬유 단열재(12)는 하방으로의 가스 흐름을 막아 하방으로의 가스 흐름이 거의 발생하지 않게 한다.

연소 가스는 스터링 엔진(1)을 둘러싸고 있는 벨로우즈(bellow)(20) 형태의 환형 씰이 있음으로 인해 외부 환경으로 나가지 못한다. 스터링 엔진의 상단에, 벨로우즈는 버너/환열기 어셈블리(22)의 하부면에 볼트로 고정된 환형 플랜지(21)를 갖는다. 이 플랜지(21)는 유니트 프레임(23)상에 있다. 이 프레임(23)은 주택의 벽에 부착된 경질의 박스 프레임(box frame)이다. 스터링 엔진의 하단에, 벨로우즈(20)는 교류발전기(5) 부근의 스터링 엔진(1)의 케이싱 하단부 주위로 용접된 장착 링(mounting ring)(25)에 클램핑 링(clamping ring)을 사용하여 볼트로 고정되거나 연결된 하단 환형 플랜지(24)에 종결된다. 이런 식으로, 진동 흡수장치(6) 및 이에 결합된 장착부재와 함께 핀(10)을 포함하는 스터링 엔진(1)의 무게는 벨로우즈(20)를 통해 유니트 프레임(23)상에 모두 지지된다.

냉각장치(4) 주위로 냉각 액체를 순환시키기 위해, 냉각장치(4) 전후로 냉각제의 흐름을 제공하는 것이 필수적이다. 환형 냉각도관(30)이 냉각장치(4) 부근의 케이싱을 둘러싼다. 이 환형도관은 유입관(31)에서 나온 냉각 액체로 채워지는 반면에, 상기 도관(30)으로부터의 배출은 배출관(32)을 통해서이다. 유입관(31) 및 배출관(32)은 도 1a에 더 상세히 도시된 바와 같이 벨로우즈(20)의 벽을 관통하여 뻗어있다. 이 위치에서, 벨로우즈(20)의 벽은 원통형이고, 상기 벨로우즈 벽에는 한쌍의 원형 개구(33)가 제공된다. 상기 환형도관(30)에 나사로 고정된 경질의 파이프 연장부(34)가 개구(33)를 지난다. 유입관(31)/배출관(32)은 클램핑 링(35)이 달린 쥬블리 클립(jubilee clip)을 사용하여 경질의 파이프 연장부(34)에 고정된다. 각 개구(33)에는, 가요성 고무 그로밋 씰(rubber grommet seal)(36)을 사용하여 씰이 이루어진다. 이 밀봉은 경질의 파이프 연장부(34)에 대하여 압박한다. 이 배열은 관(31/32)이 손상없이 진동하게 한다. 그로밋 씰(36)이 냉각관에 접촉해있으므로, 이 영역에서의 온도가 충분히 낮아져 상용의 고무씰을 사용하게 하며, 이 지역에서의 구성부품들에 대한 낮은 마모율을 제공한다.

스터링 엔진은 현장에서 수리되어야 하도록 의도하고 있지 않기 때문에, 벨로우즈(20) 내부에 밀봉되어지는 구성부품들에 대해 접근할 필요가 없다. 엔진고장이 발생하면, 엔진은 (벨로우즈를 포함하는) 단일 모듈로서 제거되고 수선되며 교체된다. 그러나, 경질의 파이프 연장부(34)와 그로밋 씰(33)은 서비스 기간에 교체될 수 있다.

본 발명에 따른 스터링 엔진의 제 2 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시된 예와 대부분 동일하며, 동일한 참조번호는 동일한 구성부품을 나타내도록 사용된다. 여기서 이들 공통 부품들의 설명을 더 반복하지는 않는다.

제 2 실시예는 벨로우즈(20')가 냉각장치(4) 위에서 종결되는 점에서 제 1 실시예와 다르다. 이 경우, 상단 장착부재는 제 1 실시예와 동일하나, 하단 장착부재는 장착 플레이트(24')를 통해 냉각장치(4) 위의 케이싱(2) 주위로 용접된다. 이 경우, 환형 흡수장치들(6)도 환형 냉각도관(30)도 밸로우 내에 있지 않다. 따라서, 냉각 유입관(31)/배출관(32)과 벨로우즈 사이에 인터페이스를 제공할 필요가 없다.

이 배열로, 진동 흡수장치(6)와 함께 핀을 포함하는 스터링 엔진(1)은 벨로우즈(20')를 통해 유니트(23)로부터 매달려진다.

벨로우즈(20)는 환형의 주름진 회선(convolutions)을 갖는 가요성 스테인레스 스틸(AISI 32 또는 AISI 316Ti)튜브로 구성된다. 벨로우즈의 가장 비용효과적인 횡단면 형태는 도 1 및 도 2와 도 3a에 더 상세히 도시된 바와 같은 만곡된 단부(rounded-end section)이다. 이들은 유압형성 공정으로 제조된다. 대안으로, 횡단면은 각각 용접된 날카로운 에지(40)를 가질 수 있다. 만곡부 벨로우즈는 또한 양단 사이에 비교적 측면 이동을 허용하는 점에서 더 이점적인 성질을 갖는다. 이는 스터링 엔진에 의해 야기된 진동력이 수평일 뿐만 아니라 수직일 수 있다는 점에서 중요하고 시스템 내부에서 힘의 전달을 감소시킨다.

일반적으로, 스터링 엔진(1)과 흡수장치들(6)의 무게는 20kg 내지 100kg이다. 벨로우즈의 강성(stiffness)은 엔진무게와 또한 허용가능한 신장을 위해 이용할 수 있는 공간과 결부하여 조절된다.

일반적으로, 도 1의 엔진에 대해, 냉각장치(4) 위로 3 내지 4개의 회선과 냉각장치(4) 아래로 12 내지 18개의 회선이 있다. 도 2의 짧은 벨로우즈에서는, 3 내지 4개의 회선이 있다. 회선 당 강성은 60kg 엔진에 대해서 380N/㎜ 내지 50N/㎜이다. 회선 당 강성은 벨로우즈의 외부직경을 변경함으로써 가변되지만, 내부직경은 일정하게 유지된다. 더 낮은 강성은 진동수준을 감소시키는 이점을 가지나, 추가적인 무게 및 엔지 주위의 여분의 공간에 대하여 균형을 이루는 것이 필요하다.

벨로우즈를 수직으로 확장시키는 것에 대한 대안이 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 이들 예는, 모든 다른 방식에서, 도 2와 유사하다.

도 4는 디스크면에 수직 방향으로 회선되는 동심 환형 회선을 갖는 환형 디스크(20")를 도시한 것이다. 이 경우, 장착 플레이트(24")는 상방으로 확장한 환형 플랜지(50)를 가지는 반면에, 하방 환형 플렌지(51)는 버너의 케이싱에서 늘어져 있다. 씰(20")은 2개의 플랜지 사이에 장착되고 환형 클립(52)으로 적소에 유지된다. 그러나, 이러한 배열은 엔진의 무게 중 어떠한 것도 지지할 수 없으며, 따라서 본 발명의 일부분이 아니다.

유사한 배열이 도 5에 도시되어 있으나, 이 경우 씰은 수평면에 대해 약 45°기울어져있는 벨로우즈(20'")이다.

지금까지 설명한 예에서, 스터링 엔진(1)과 흡수장치들(6)의 모든 무게가 씰(20)을 통해 매달려진다. 대안으로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 씰은 스터링 엔진(1)과 흡수장치들(6)의 무게 중 일부를 떠받치는 한편, 스터링 엔진(1)과 흡수장치 들(6)용의 몇몇 추가적인 현가장치가 제공된다. 이는 엔진 주위로 배열되고 유니트 프레임(23)과 하부 플렌지(24) 사이에 부착되는 복수의 스프링(60)의 형태일 수 있다. 이는 벨로우즈의 크기와 이에 따른 무게 및 비용을 줄이게 한다. 이 경우, 스프링 고장은 벨로우즈 현가장치의 고장과 같이 심각하지 않으므로, 이 배열은 값비싼 CHP 고장시간의 위험을 감소시킨다. 그러나, 씰의 무게 및 비용절감은 관련된 추가적인 무게 및 비용이 드는 배열을 필요로 하는 추가적인 부품에 대하여 균형을 이루어야만 한다. 도 6은 도 2의 벨로우즈와 유사한 벨로우즈로 도시된 한편, 도 1 및 도 3 내지 도 5의 임의의 다른 구성도 또한 사용할 수 있다.

도 7은 스터링 엔진이 수평으로 장착되는 스터링 엔진 어셈블리를 도시한 것이다. 스터링 엔진 어셈블리의 대부분의 태양은 도 2에 도시된 태양과 유사하므로 여기서 더 상세히 설명하지 않겠다. 따라서, 이 예는 본 발명의 일부를 형성하지 않는다. 도 4의 환형 디스크(20")는 특히 이러한 수평 장착 타입에 적합하다.

대신에, 어셈블리의 무게는 지지체(70)에 의해 지지된다. 이는 냉각장치(4)와 교류발전기(5)의 말단에 각각 인접한 엔진(1)에 부착되는 2개의 활모양의 브라켓(71,72)을 포함한다. 브라켓(71,72) 내부의 냉각통로(73)는 공기가 흐르게 하고 교류발전기에 인접한 케이싱의 온도가 수용할 수 없는 수준으로 올라가는 것을 방지한다. 레그(74)는 각각의 활모양의 브라켓으로부터 베이스(75)로 확장되며, 상기 베이스에서 레그들은 베이스(75)로의 진동 전달을 감소시키기 위해 고무시트(76)로 유지된다.

Claims (13)

1. 뜨거운 헤드와 차가운 영역을 갖는 스터링 엔진, 상기 헤드를 둘러싸고 열을 상기 헤드로 공급하도록 배열된 환형 버너, 및 상기 헤드에서 나온 연소가스가 주변 환경으로 흐르지 못하도록 상기 스터링 엔진과 상기 버너 사이에 주름진 씰을 구비하고, 상기 스터링 엔진은 상기 씰을 통해 적어도 부분적으로 장착 프레임에 의해 지지되는 스터링 엔진 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 버너에서 발생한 뜨거운 연소가스가 씰을 향해 통과하는 것을 상당히 감소시키기 위해 벨로우즈(bellows)와 엔진 사이에 단열재가 제공되는 스터링 엔진 어셈블리.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 씰은 벨로우즈인 스터링 엔진 어셈블리.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 벨로우즈는 버너에 인접한 위치로부터 상기 스터링 엔진의 길이의 상당 부분을 따라 확장되는 스터링 엔진 어셈블리.
5. 제 4 항에 있어서,

   엔진 냉각장치 전후로 냉각제의 흐름을 제공하기 위해 상기 벨로우즈를 관통하여 냉매가 통과하는 수단이 제공되는 스터링 엔진 어셈블리.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 벨로우즈를 관통하여 확장되고, 가요성 씰에 의해 밀봉되는 냉각제 유입관 및 냉각제 배출관을 더 포함하는 스터링 엔진 어셈블리.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 벨로우즈는 상기 엔진 냉각장치 영역에서 원통형인 스터링 엔진 어셈블리.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 벨로우즈는 상기 엔진 냉각장치 위에서 종결되는 스터링 엔진 어셈블리.
9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 벨로우즈는 수직으로 확장하도록 배열되어 상기 스터링 엔진의 무게가 상기 벨로우즈의 길이를 따라 떠받쳐지는 스터링 엔진 어셈블리.
10. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 벨로우즈는 비스듬하게 배열되는 스터링 엔진 어셈블리.
11. 제 3 항에 있어서,

    상기 엔진의 무게는 벨로우즈에 의해 전체적으로 떠받쳐지는 스터링 엔진 어셈블리.
12. 제 3 항에 있어서,

    상기 스터링 엔진의 무게는 부분적으로는 상기 벨로우즈에 의해 그리고 부분적으로는 하나 이상의 추가적인 탄성부재에 의해 떠받쳐지는 스터링 엔진 어셈블리.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 추가적인 탄성부재는 엔진이 매달려있는 스프링인 스터링 엔진 어셈블리.