KR20050087380A - 로터리 방식 스털링 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스털링 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전하는 로터리 디스플레서와 상기 디스플레서의 회전축과 연동하여 왕복운동하는 피스톤을 구비한 스텔링 엔진에 관한 것이다.

본 발명에 따른 로터리 방식의 스털링 엔진은, 내부에 압축성 작동유체가 밀폐 수용된 중공의 실린더형상이고, 상기 수용된 작동유체와 접촉하여 작동유체를 가열하기 위한 고온의 가열부와 작동유체를 냉각시키기 위한 저온의 냉각부를 구비한 하우징과, 상기 하우징의 내부에 회전가능하게 지지된 회전축과, 일단이 상기 회전축에 고정되고 회전시 상기 가열부으로부터 상기 작동유체로의 열전달이나 작동유체로부터의 상기 냉각부으로의 열전달을 차단하기 위하여 상기 가열부 또는 냉각부를 향하여 인접하게 배치된 단열면을 구비한 디스플레서와, 상기 작동유체가 통하도록 상기 하우징과 연통되고, 작동유체의 압력의 변화에 따라서 체적이 변하는 체적가변수단과, 상기 디스플레서가 회전할 때 상기 작동유체의 압력 변화에 따라서 반복적으로 발생하는 체척가변수단의 팽창과 수축에 의한 동력을 상기 디스플레서의 회전축에 전달하기 위한 동력전달수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

로터리 방식 스털링 엔진{ROTARY TYPE STERLING ENGINE}

본 발명은 스털링 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전하는 로터리 디스플레서와 상기 디스플레서의 회전축과 연동하여 왕복운동하는 피스톤을 구비한 스텔링 엔진에 관한 것이다.

도 8에는 공기표준 스털링 사이클 선도가 도시되어 있다. 일반적으로 스털링 엔진은 도 8에 도시된 선도와 같이 밀폐된 공간 내의 수용된 압축성 작동유체로 정적과정 2-3과 등온팽창과정 3-4 중에 외부의 열이 전달되고, 정적과정 4-1과 등온압축과정 1-2 중에 외부로 열을 방출하는 기관이다. 스털링 엔진은 상기와 같은 과정을 반복하면서, 외부로 부터 전달된 열에너지를 회전운동과 같은 기계적인 에너지로 변환하거나, 외부로 부터 공급된 기계적인 에너지를 열에너지로 변환할 수 있다. 이상적인 스털링 엔진은 카르노 기관에 근사한 효율로 에너지를 변환할 수 있어서 열효율이 높다는 장점이 있다.

도 9에는 열에너지를 기계적인 에너지로 변환하기 위한 종래의 간단한 스털링 엔진의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 9에 도시된 종래의 스털링 엔진은 밀폐용기 내에서 왕복운동하는 디스플레서(40)와 파워피스톤(80)을 구비한 방식의 스털링 엔진이다. 상기 디스플레서(40)는 디스크 형상으로, 압축성 유체가 수용된 원통형 밀폐용기(30)의 내부에 상하로 이동이 가능하도록 설치되어 있고, 상기 파워피스톤(80)은 상기 용기의 외부에 연통된 실린더(70) 내부에 상하로 이동이 가능하도록 설치되어 있다. 또한, 밀폐용기(30)의 상부측면판(20)은 저온을 유지하도록 되어 있어서 작동유체를 냉각시키고, 하부측면판(10)은 고온을 유지하도록 되어 있어서 작동유체를 가열시킨다. 상기 디스플레서(40)는 상기 상부 및 하부 측면판 사이의 열전달을 차단하기 위하여 단열재로 제작된다. 디스플레서(40)는 상부에 위치할 경우에는 상부측면판(20)에 의한 냉각을 차단하여 하부측면판(10)이 밀폐용기(30) 내부의 작동유체를 가열토록하고, 하부에 위치할 경우에는 하부측면판(10)에 의한 가열을 차단하여 상부측면판(20)이 밀폐용기(30) 내부의 작동유체를 냉각토록 한다. 디스플레서(40)와 파워피스톤(80)은 각각 커넥팅 로드(50, 51)로 크랭트사프트(60)에 연결되어 있다. 크랭크샤프트(60)의 회전운동을 원활하게 하기 위하여 크랭트사프트(60)의 일단에는 플라이휠(90)이 설치되어 있다. 상기와 같은 구성을 갖는 스털링 엔진은 90도의 위상차를 가지고 크랭크샤프트(60)에 연결된 디스플레서(40)와 파워피스톤(80)의 왕복운동에 따라서 압축냉각 및 팽창가열을 반복적으로 수행하게 되어 고온부의 열에너지를 기계적에너지로 변환하게 된다.

그러나, 종래와 같은 구조의 스털링 엔진은, 디스플레서와 파워피스톤이 90 도의 위상차를 갖도록 하기 위하여 크랭크샤프크의 구조가 복잡하고, 왕복운동하는 디스플레서가 상사점과 하사점에서 가감속을 하여야 하므로 관성에너지의 손실로 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

또한 디스플레서가 왕복운동을 하도록 되어 있어서, 디스플레서 및 커넥팅 로드가 밀폐용기와 접촉하여 슬라이딩하면서 상대운동을 하도록 되어 있어서, 슬라이딩시 마찰에 의한 에너지의 손실로 효율이 낮아지는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 왕복운동하는 디스플레서를 회전운동을 하도록 하여 디스플레서의 왕복운동에 따른 관성에너지 및 마찰 에너지 손실을 저감시켜서 효율을 높일 수 있는 새로운 방식의 로터리 방식의 스털링엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 디스플레서가 회전운동하는 원통형 밀폐공간을 복수의 가열공간과 냉각공간으로 구분하고, 상기 가열공간 또는 냉각공간의 수 만큼 압축과 팽창을 반복할 수 있도록 파워피스톤을 연결하여 열에너지를 연속적으로 기계적 에너지로 변환할 수 있는 로터리 방식의 스털링 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로터리 방식의 스털링 엔진은, 내부에 압축성 작동유체가 밀봉 수용된 중공의 실린더형상이고 상기 수용된 작동유체를 가열하기 위한 고온의 가열부와 작동유체를 냉각시키기 위한 저온의 냉각부를 구비한 하우징과, 일부가 상기 하우징의 내부에 수용되고, 상기 하우징에 회전가능하게 지지된 회전축과, 상기 회전축의 하우징 내부에 수용된 부분에 고정되어 회전시 상기 가열부로부터 상기 작동유체로의 열전달이나 작동유체로부터 상기 냉각부로의 열전달을 차단하기 위한 디스플레서와, 상기 작동유체가 통하도록 상기 하우징과 연통되고, 상기 작동유체의 압력의 변화에 따라서 체적이 변하는 체적가변수단과, 상기 디스플레서가 회전할 때 상기 작동유체의 압력 변화에 따라서 반복적으로 발생하는 체척가변수단의 팽창과 수축에 의한 동력을 상기 회전축에 전달하기 위한 동력전달수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 회전축에 고정된 디스플레서는 회전축의 회전에 따라서, 하우징의 가열부로부터 작동유체로의 열전달과 작동유체로부터 냉각부로의 열전달을 차단한다. 단열재로 된 디스플레서가 냉각부에 근접하여 작동유체로부터 냉각부로의 열전달을 차단할 때, 가열부는 작동유체를 가열하여 체적가변수단을 팽창시킨다. 또한, 디스플레서가 가열부에 근접하여 가열부로부터 작동유체로의 열전달을 차단할 때, 냉각부는 하우징 내부의 작동유체를 냉각시켜 체적가변수단이 수축된다. 회전축이 연속적으로 회전하면 상기와 같은 체적가변수단의 팽창과 수축이 반복되고, 상기 동력전달 수단은 체적가변수단이 반복적으로 팽창과 수축되어 발생하는 기계적 에너지를 상기 디스플레서의 회전축에 전달한다. 따라서 회전축으로부터 열에너지가 변환된 회전 동력을 연속적으로 얻을 수 있게 된다. 특히, 본 발명에 따른 스털링 엔진은 상기 디스플레서가 회전운동을 하도록 되어 있으므로 종래의 왕복운동을 하는 디스플레서에 비하여 마찰손실이 적어서 효율이 좋다.

또한 본 발명의 로터리 방식의 스털링 엔진은, 상기 하우징의 가열부와 냉각부 그리고 디스플레서가 각각 복수이며 동일한 갯수가 되도록 할 수도 있다. 이 경우 각각의 가열부와 냉각부는 하우징의 원주방향을 따라서 교대로 배치되도록 하여, 상기 회전축에 고정된 디스플레서가 회전하면서 상기 가열부 및 냉각부를 순차로 차단하여 가열부로부터 작동유체로의 열전달과 작동유체로부터 냉각부로의 열전달이 반복적으로 이루어 지도록 한다. 바람직하게는, 상기 회전축은 상기 하우징의 중심에 회전가능하도록 지지하고, 상기 복수의 가열부와 냉각부는 각각 상기 회전축의 중심선 상의 한 점에 대하여 대칭이 되도록 등간격으로 배치하고, 상기 복수의 디스플레서는 각각 상기 회전축의 중심선 상의 한 점에 대하여 대칭이 되도록 등간격으로 배치하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 상기 복수의 가열부를 하우징의 일측면에 일정한 간격으로 배치하고, 상기 복수의 냉각부를 상기 하우징의 대향측면에 상기 각각의 가열부와 마주보지 않도록 어긋나서 일정한 간격으로 배치하는 것이 좋다. 가열부와 냉각부를 상대적으로 멀리 위치하도록 하여야 가열부와 냉각부 사이의 열전달을 차단하기에 유리하다. 또한, 가열부와 냉각부를 양측면에 배치하지 않고, 하우징의 원통면에 배치하거나, 양측면과 원통면 모두에 배치할 수 있음은 물론이다.

또한 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진에 있어서, 상기 체적가변수단은, 상기 하우징에 연통된 중공의 실린더와, 상기 실린더의 내부에 왕복운동이 가능하도록 설치된 파워피스톤을 포함하고, 상기 동력전달수단은 상기 파워피스톤의 왕복운동을 상기 디스플레서의 회전축에 회전운동으로 변환하여 전달하기 위한 크랭크 기구를 구비하도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 작동유체가 밀폐수용된 하우징이 원주방향으로 배치된 복수의 가열부와 냉각부를 구비한 경우에는 디스플레서가 회전함에 따라서 작동유체가 가열부 또는 냉각부의 수많큼 압축과 팽창을 반복하도록 되어 있다. 따라서, 파워피스톤은 상기 회전축이 1회전 할 경우 상기 가열판의 수만큼 왕복운동하게 되고, 상기 동력전달수단은 파워피스톤의 왕복운동에 의한 동력을 상기 회전축에 전달하도록 되어 있다. 상기와 같은 동력전달수단은, 상기 회전축에 고정된 제1기어와, 상기 제1기어와 연동되어 회전가능하게 고정된 제2기어와, 일단이 상기 제2기어의 중심으로부터 편심된 위치에 회동가능하게 고정되고 타단이 상기 파워피스톤에 회동가능하게 고정된 커넥팅로드로 구성할 수 있다. 이 때, 상기 제1기어와 제2기어의 회전비는, 제1기어가 1회전할 때 제2기어가 상기 가열판의 수많큼 회전하도록 되어 있다.

본 발명에 의하면, 하우징 내부를 원주방향으로 분할하여 복수의 가열공간과 냉각공간이 교대로 위치하도록 되어, 디스플레서가 회전함에 따라서 작동유체의 가열과 냉각이 분할된 가열공간과 냉각공간의 수만큼 반복된다. 작동유체의 반복적인 가열과 냉각에 따른 파워실린더의 왕복운동은 동력전달수단에 의해서 연속적으로 회전운동으로 변환되어 회전축에 전달된다. 특히 본 발명에 따른 스털링 엔진은, 원주방향으로 배치된 가열부와 냉각부의 수를 증가시키면, 마치 복수개의 스털링 엔진에서 변환된 기계적 에너지를 하나의 동력전달수단으로 간단하게 동기화하여 회전축에 연속적으로 전달하는 것과 같은 효과가 얻게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 일 실시예의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 스털링 엔진의 A-A 선에서 바라본 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 스털링 엔진의 분해사시도이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 실시예의 스털링 엔진(100)은 내부가 밀폐되어 작동유체가 수용된 중공의 실린더 형상의 하우징(110)과, 상기 하우징을 관통하여 상기 하우징에 회전가능하도록 지지된 회전축(130)을 포함한다. 또한, 상기 작동유체가 통하도록 상기 하우징(110)과 연통되고 작동유체의 압력의 변화에 따라서 체적이 변하는 체적가변수단(120)과, 체척가변수단(120)의 팽창과 수축에 의한 동력을 상기 회전축(130)에 전달하기 위한 동력전달수단(140)을 포함한다. 또한, 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 하우징(110) 내부의 회전축(130)에는 디스플레서(150)가 회전축(130)과 일체로 하우징 내부에서 회전하도록 고정되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 상기 하우징(110)은 원형의 상측판(111) 및 하측판(113)과 상기 상측판(111)과 하측판(113)의 가장자리와 결합되어 내부에 밀폐공간을 형성하는 원통부(112)로 구성된다. 본 실시예에 있어서, 상기 하우징(110)의 내부는 가열공간과 냉각공간이 교대로 이웃하여 배치되도록 상기 상측판(111), 하측판(113), 그리고 원통부(112)가 4등분되어 각각 가열부와 냉각부로 구분되고, 하우징의 내부는 한쌍의 가열공간과 한쌍의 냉각공간으로 분할된다. 특히 본 실시예에 있어서, 상기 상측판(111), 원통부(112), 하측판(113)은 각각 중심축에 대하여 90도 간격을 갖도록 원주방향으로 4등분 되어 있다. 하우징(110) 내부의 제1가열공간(181)은 상부판 111a, 원통부 112a, 하부판 113a 부분으로 구성되고, 제2가열공간(183)은 상부판 111c, 원통부 112c, 하부판 113c 부분으로 구성된다. 또한, 하우징(110) 내부의 제1냉각공간(182)은 상부판 111b, 원통부 112b, 하부판 113b 부분으로 구성되고, 제2냉각공간(184)은 상부판 111d, 원통부 112d, 하부판 113d 부분으로 구성된다. 가열공간을 한정하는 하부판 113a, 113c 부분은 외부의 고온부와 접촉되어 있거나, 열원을 포함하고 있어서 가열부가 된다. 또한, 냉각공간을 한정하는 상부판 111b, 111d, 부분은 외부의 저온부와 접촉되어 있거나, 냉원을 포함하고 있어서 냉각부가 된다. 또한, 하우징(110)은 가열부(113a, 113c)와 냉각부(111b, 111d) 사이의 열전달을 차단하기 위하여 분할된 각각의 하우징(110) 부분에 배치된 단열부(160)를 구비하고 있거나, 가열공간의 가열부(113a, 113c)를 제외한 나머지 부분(111a, 111c, 112a, 112c)과 냉각공간의 냉각부(111b, 111d)를 제외한 나머지 부분(112b, 112d, 113b, 113d)은 단열재를 사용한다.

도 2를 참조하면, 상기 회전축(130)은 한쌍의 베어링(131, 132)에 의하여 하우징(110)의 상부판(111)의 관통구멍(111e)과 하부판(113)의 관통구멍(113e)에 회전가능하도록 지지되어 있다. 본 실시예에서는 회전축(130)의 일단이 하우징(110)을 관통하여 하부판(113)에 베어링에 의하여 지지되도록 되어 있으나, 회전축(130)의 일부가 하우징의 내부에 수용되어 디스플레서(150)를 고정하여 회전시킬 수 있도록하여 회전축(130)을 상부판(111)의 관통구멍(111e)에서만 회전가능하도록 지지할 수도 있다. 또한, 상기 회전축(130)에는 회전축의 회전의 안전성을 확보하기 위한 플라이휘일(170)이 고정되어 있다. 본 실시예에서는 플라이 휘일(170)이 하우징(110)의 외부에서 회전축(130)에 고정되어 있으나, 필요에 따라서는 하우징(110)의 내부에 수용된 회전축(130)의 적당한 위치에 고정할 수도 있다.

본 실시예의 디스플레서(151, 152)는 본 실시예의 스털링 엔진(100)이 두개의 가열영역(가열부)과 두개의 냉각영역(냉각부)를 구비하고 있으므로, 회전시 각각의 가열부 및 냉각부와 작동유체간의 열전달을 차단할 수 있도록 2개로 구성된다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 디스플레서(151, 152)는 사등분된 디스크의 형상(부채꼴)을 하고 있으며, 부채꼴의 꼭지점 측 단부가 상기 회전축에 고정되어 있다. 디스플레서(151, 152)는 가열부와 냉각부로의 열전달을 차단하기 위하여 전체를 단열재로 구성할 수도 있으나, 회전시 가열부(113a, 113c) 및 냉각부(111b, 111d)를 향하여 근접하는 단열면에만 단열재를 부착할 수도 있다. 또한 디스플레서는 도시된 것과 같이, 내부가 모두 채워져 있을 필요는 없으며, 가열부와 냉각부를 향하는 단열면을 구비하고 있으면 디스크 내부에 작동유체가 수용되도록 할 수도 있다.

한편, 스털링 엔진의 가열공간과 냉각공간은, 도 7에 도시된 것과 같이 가열공간(H)과 냉각공간(C)의 수를 동수로 하고 교대로 배치하여 임의로 할 수 있다. 본 실시예에 있어서는 하우징(110)의 가열공간과 냉각공간을 각각 2개씩 분할 하였으나, 분할된 가열공간의 수를 n이라 할 때, 필요에 따라서 n 값을 임의로 정할 수 있다. 가열공간의 수 n = 1 로 할경우 가열공간과 냉각공간은 반원으로 배치되고, 가열공간의 수를 n = 3으로 할 경우 하우징은 3개의 가열공간과 3개의 냉각공간이 도시된 것처럼 교대로 배치된다. 이경우 디스플레서의 숫자도 각각 가열공간의 숫자와 동일한 숫자가 된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 상기 체적가변수단(120)은 상기 작동유체가 통하도록 상기 하우징과 연통된 실린더(121)와 상기 실린더(121)의 내부에 왕복운동이 가능하도록 배치된 파워피스톤(122)을 포함한다. 상기 실린더(121)의 일측은 하우징(110)의 상부판에 형성된 관통구멍(111f)과 연통되어 있다.

상기 동력전달수단(140)은 상기 회전축(130)에 고정된 제1기어(141)와, 상기 제1기어에 맞물리고 회전가능하게 고정된 제2기어(142)와, 일단이 상기 제2기어(142)에 회동가능하게 고정되고 타단이 상기 파워피스톤(121)에 회동가능하게 고정된 커넥팅로드(144)를 포함한다. 상기 커넥팅로드(144)의 일단은 상기 제2기어의 중심으로부터 일정거리 편심된 위치에 회동가능하게 연결핀(143)으로 고정되어 있다. 또한, 상기 제2기어(142)는 상기 제1기어(141)가 1회전할 때 2회전 하도록 회전비가 설정되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 하우징에 방열핀이 배치된 다른 실시예의 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 스털링 엔진의 분해사시도이다.

본 실시예의 스털링 엔진이 도 2 및 도 3에 도시된 스털링 엔진과 차이점은 상기 가열부(113a, 113c)와 냉각부(113b, 113d)가 하부판에 교대로 배치되어 있고, 가열부(113a, 113c)와 냉각부(113b, 113d)의 열전달 효율을 좋게 하기 위하여 복수의 방열핀(114)이 상부로 연장되어 각각 고정되어 있다는 점이다. 상기 방열핀(114)은 하우징의 중심에 대하여 동심원을 이루도록 배치되어 있다. 또한, 상기 디스플레서(150)에는 상기 방열핀(114)을 수용하여, 방열핀에 의한 열전달을 차단하기 위한 수용홈(153)이 형성되어 있다. 상기 수용홈(153)은 회전시 상기 방열핀(114)에 간섭되지 않도록 방열핀과 동일한 간격으로 동심원을 이루도록 상기 디스플레서(150)배치되어 있다. 가열부와 냉각부가 상부판과 하부판에 분리되어 있는 경우에는 각각의 방열핀도 가열부와 냉각부의 위치에 따라 서로 분리하여 배치할 수 있다.

이하에서는 도 6을 참조하여 본 실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 6(a)에 도시된 것과 같이, 디스플레서(150)가 가열공간과 냉각공간의 중앙에 위치하는 경우 파워피스톤은 하사점(B)에 위치하고 있다. 그러나, 디스플레서가 화살표 방향으로 약간 회전하면 가열부의 면적이 냉각부의 면적보다 커져서 작동유체가 가열 된다. 가열된 작동유체는 평형을 유지하기 위하여 압력이 상승되고, 파워피스톤(122)을 가압하여 상승시킨다. 파워피스톤(122)의 상승은 동력전달수단(140)을 통하여 회전력으로 변환되어 회전축(130)에 전달된다.

디스플레서(150)가 계속 회전하여 도 6(b)에 도시된 것과 같이 냉각공간에 위치하는 경우, 디스플레서(150)가 냉각부를 모두 차단하게 되어 가열부에 의한 가열이 최대로 된다. 작동유체는 계속 팽창하여 파워피스톤(122)을 계속 상승시키게 된다. 따라서 계속적으로 동력전달수단(140)을 통하여 회전축에 회전동력이 전달된다. 도 6(a) 상태부터 도 6(b) 상태 까지가 가열과정이 된다.

디스플레서(150)가 화살표 방향으로 계속 회전하여 도 6(b)에 도시된 상태에서 도 6(c)에 도시된 상태로 이동할 때, 가열부의 면적이 냉각부의 면적보다 크기는 하나 계속 감소하게 된다. 따라서 작동유체는 계속 가열되어 팽창하고, 파워피스톤(122)은 상사점(U)에 도달한다. 도 6(b) 상태부터 도 6(c) 상태 까지가 팽창과정이 된다.

디스플레서(150)가 도 6(c)에 도시된 상태에 위치하면, 냉각부의 면적과 가열부의 면적이 동일하게 된다. 도 6(c)에 도시된 상태에서 화살표 방향으로 계속회전하여 도 6(d)에 도시된 상태로 될 때까지 디스플레서(150)는 가열부를 차단하고 냉각부를 개방하므로 작동유체는 냉각된다. 냉각된 작동유체는 평형을 유지하기 위하여 압력이 하강하고, 파워피스톤(122)은 압력 하강에 따라서 상사점에서 하강하게 된다. 도 6(c) 상태부터 도 6(d) 상태까지가 냉각과정이 된다.

도 6(d) 상태에서 작동유체는 가열부가 완전히 차단되어 냉각되고 수축된다. 디스플레서(150)가 계속 회전하여 가열부와 냉각부의 면적이 동일하게 될 때까지 작동유체는 계속 수축되고, 파워피스톤은 하사점에 도달한다. 도 6(d) 상태에서 도 6(a)에 도시된 상태(디스플레서(150)의 위치가 180 도 회전되어 있다는 점에서는 차이가 있다)에 도달할 때까지가 압축과정이 된다.

앞에서 설명한 것과 같이, 본 실시예의 스털링 엔진은 회전축(130)에 고정된 디스플레서(150)가 1회전 하는 동안에 가열 - 팽창- 냉각 - 압축 과정이 2번 반복되도록 되어 있다. 따라서 파워피스톤(122)은 실린더(121) 내에서 2번 왕복운동을 하게 된다. 그리고 파워피스톤(122)의 왕복운동은 회전축에 고정된 제1기어(141)와, 상기 제1기어와 연동하여 회전가능하게 설치된 제2기어(142)와, 일단이 상기 제2기어(142)에 회동가능하게 고정되고 타단이 상기 파워피스톤(121)에 회동가능하게 고정된 커넥팅로드(144)를 포함하는 크랭크기구를 통하여 회전축(130)에 회전운동으로 전달된다. 특히, 파워피스톤(122)의 2회의 왕복운동은 상기 제2기어가 2회전할 때 1회전하도록 설정된 제1 및 제2 기어의 회전비에 의하여 회전축을 정확이 1회전 하도록 회전동력으로 변환되어 전달된다.

본 발명에 의하면, 회전운동하는 디스플레서를 구비한 로터리 방식의 스털링 엔진을 제공하여, 종래의 왕복운동 방식의 스털링 엔진에 비하여 디스플레서의 관성 및 마찰에 의한 에너지 손실을 저감시켜서 낮은 온도차이에서도 높은 출력을 낼 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 하우징 내부를 원주방향으로 분할된 복수의 가열공간과 냉각공간을 구비한 로터리 방식의 스털링 엔진을 제공하여, 디스플레서가 1회전할 때 분할된 가열공간의 수만큼 작동유체의 반복적인 가열과 냉각에 따른 동력을 연속적으로 회전운동으로 변환되어 회전축에 전달할 수 있는 동력전달수단을 구비한 스털링 엔진을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 스털링 엔진은 마치 복수개의 스털링 엔진에서 변환된 기계적 에너지를 하나의 동력전달수단으로 간단하게 동기화하여 하나의 회전축에 연속적으로 전달하는 것과 같은 효과를 얻게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 일 실시예의 사시도

도 2는 도 1에 도시된 스털링 엔진의 A-A 선에서 바라본 단면도

도 3은 도 2에 도시된 스털링 엔진의 분해사시도

도 4는 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 하우징에 방열핀이 배치된 다른 실시예의 단면도

도 5는 도 4에 도시된 스털링 엔진의 분해사시도

도 6은 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 작동을 설명하는 개략도

도 7은 본 발명에 따른 로터리 방식 스털링 엔진의 분할 방식을 도시하는 설명도

도 8은 일반적인 스털링 엔진의 사이클 설명도

도 9는 종래의 스털링 엔진의 개략도

<도면 부호의 간단한 설명>

110 하우징 111a, 111c 냉각부

113b, 113d 가열부 120 회전축

130 운동변환수단 140 체적가변수단

150 단열부

Claims (8)

1. 내부에 압축성 작동유체가 밀봉 수용된 중공의 실린더형상이고, 상기 수용된 작동유체를 가열하기 위한 고온의 가열부와 작동유체를 냉각시키기 위한 저온의 냉각부를 구비한 하우징과,

   일부가 상기 하우징의 내부에 수용되고, 상기 하우징에 회전가능하게 지지된 회전축과,

   상기 회전축의 하우징 내부에 수용된 부분에 고정되고, 회전시 상기 가열부로부터 상기 작동유체로의 열전달이나 작동유체로부터 상기 냉각부로의 열전달을 차단하기 위한 디스플레서와,

   상기 작동유체가 통하도록 상기 하우징과 연통되고, 상기 작동유체의 압력의 변화에 따라서 체적이 변하는 체적가변수단과,

   상기 디스플레서가 회전할 때 상기 작동유체의 압력 변화에 따라서 반복적으로 발생하는 체적가변수단의 팽창과 수축에 의한 동력을 상기 회전축에 전달하기 위한 동력전달수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하우징의 가열부와 냉각부는 각각 복수이고 동수이며, 하우징의 원주방향을 따라서 교대로 배치되어 있으며,

   상기 디스플레서는 상기 가열부와 동수이고, 상기 복수의 가열부에 대응되는 간격으로 상기 회전축의 원주방향을 따라서 고정된 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.
3. 제2항에 있어서,

   상기 회전축은 상기 하우징의 중심에 회전가능하도록 지지되고,

   상기 복수의 가열부와 냉각부는 각각 상기 회전축의 중심선 상의 한 점에 대하여 대칭이 되도록 등간격으로 배치되고,

   상기 복수의 디스플레서는 각각 상기 회전축의 중심선 상의 한 점에 대하여 대칭이 되도록 등간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.
4. 제3항에 있어서,

   상기 복수의 가열부는 하우징의 일측면에 일정한 간격으로 배치되고, 상기 복수의 냉각부는 상기 하우징의 대향측면에 상기 각각의 가열부와 마주보지 않도록 어긋나서 일정한 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.
5. 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 체적가변수단은, 상기 하우징에 연통된 중공의 실린더와, 상기 실린더의 내부에 왕복운동이 가능하도록 설치된 파워피스톤을 포함하고,

   상기 동력전달수단은 상기 파워피스톤의 왕복운동을 상기 디스플레서의 회전축에 회전운동으로 변환하여 전달하기 위한 크랭크 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.
6. 제5항에 있어서,

   상기 동력전달수단은 상기 가열부와 냉각부가 복수인 경우, 상기 회전축이 1회전 할 때 상기 파워피스톤은 가열부의 수만큼 왕복운동하여 상기 회전축에 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 로터리 방식의 스털링 엔진.
7. 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 체적가변수단은, 상기 하우징에 연통된 중공의 실린더와, 상기 실린더의 내부에 왕복운동이 가능하도록 설치된 파워피스톤을 포함하고,

   상기 동력전달수단은, 상기 회전축에 고정된 제1기어와, 상기 제1기어와 연동되어 회전가능하게 고정된 제2기어와, 일단이 상기 제2기어의 중심으로부터 일정거리 편심된 위치에 회동가능하게 고정되고 타단이 상기 파워피스톤에 회동가능하게 고정된 커넥팅로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1기어와 제2기어는, 상기 가열부와 냉각부가 복수인 경우, 제1기어가 1회전할 때 제2기어가 상기 가열판의 수많큼 회전하도록 회전비가 정해진 것을 특징으로 하는 로터리 방식 스털링 엔진.