KR20070012305A - 외연엔진에 사용되는 레큐퍼레이터 및 연소기, 및 이것을사용한 동력발생 시스템 - Google Patents

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로베르토 오. 펠리짜리
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티악스 엘엘씨
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Abstract

스털링 엔진 등의 외연엔진에 사용되는 연소기/리큐퍼레이터 어셈블리로서, 이 어셈블리는 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재가 간격을 두고 일축 내포식으로 위치되어 있고, 이 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키도록 이루어져 있다.

Description

외연엔진에 사용되는 레큐퍼레이터 및 연소기, 및 이것을 사용한 동력발생 시스템{RECUPERATOR AND COMBUSTOR FOR USE IN EXTERNAL COMBUSTION ENGINES AND SYSTEM FOR GENERATING POWER EMPLOYING SAME}
본 발명은 외연엔진에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 개선된 열전달성을 갖도록 구성된 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리 디자인의 스털링 사이클 엔진 등의 외연엔진에 관한 것이다.
스털링 사이클 엔진은 19세기 초반 스털링 로버트(STIRLING, Robert)에 의해 최초로 착안되었다. 19세기 중반에, 이 고온가스엔진의 상용품이 회전력을 제작기에 공급하도록 개발되었다. 그 후, 20세기 중반까지 이 스털링 엔진은 내연엔진의 성공과 인기 때문에 주목받지 못하였다. 엔진 및 냉동기를 포함하는 스털링 사이클 기기가 본 출원서에 참조하여 원용한 Walker의 "Stirling Engines", Oxford University 출판(1980)에 상세하게 설명되어 있다.
스털링 사이클 엔진의 기본원리는 스털링 열역학 사이클: 1) 실린더내 가스의 등적 가열, 2) 가스의 등온 팽창(피스톤을 구동시켜 작업을 행하는 시), 3) 등적 냉각 및 4) 등온 압축의 기계적 구현이다. 스털링 사이클 기기의 특성에 대한 추가적 배경지식 및 그 개선점이 본 출원서에 참조하여 원용한 Hargreaves의 "The Phillips Stirling Engine"(엘세비어사 발간, 암스테르담, 1991)에 논의되어 있다.
최근, 이 스털링 엔진의 높은 이론효율이 많은 관심을 받고 있다. 이 스털링 엔진에, 연소 배출의 제어 용이성, 안전한 이용가능성, 경제성 및 더욱 용이한 연료 이용과 조용한 운전 조작성의 부가적 이점들을 부여하고, 이 모두를 조합하여 스털링 엔진을 다용도의 내연엔진의 매우 바람직한 대체품으로 하려고 하고 있다.
이러한 이점에도 불구하고, 스털링 엔진의 발전은 예상했던 것보다 매우 느린 속도로 진행되어 왔다. 더욱 심각한 문제들 중 일부로는 고압에서 작업공간 내로 작용가스를 밀봉해야 할 필요가 있고, 열원으로부터 작용가스로 고온에서 히터해드를 통해서 고온에서 열전달할 필요가 있고, 또한 간단하고, 신뢰성이 있이며 저렴한, 부하 변동에 따라 동력을 제어하는 수단이 필요하다는 문제가 있다.
다양한 용도에 매우 적합한 한 디자인으로는 자유 피스톤 스털링 엔진이 있다. 자유 피스톤 스털링 엔진은 출력부재가 기계적으로 독립되어 있는 디스플레이서를 사용한다. 출력부재에 대한 그 동작 및 페이징은 기계적 연결보다는 스프링 질량의 균형 다이나믹 시스템의 상태에 의해 달성된다.
스털링 엔진에 대해서 폭넓은 범위로의 적용이 제안되어 왔다. 예컨대, 자동차 용도, 냉방장치 및 우주공간으로의 용도가 열거된다. 이들 용도에는 고동력 및 고에너지밀도 모두를 제공하는 동력이 요구되는 동시에, 또한 소경량화, 저배출 및 저비용이 요구됨에 따라, 원거리 필스 서비스에 있어서 휴대용 전자기기, 통신장치, 의료기기 및 그외의 기기에 동력을 공급할 필요성이 또 다른 기회로서 존재한다.
지금까지, 전지는 휴대용 동력원을 공급하는 주요 수단이었다. 그러나, 전지를 재충전하는 데에 시간이 요구되어 연속사용 용도로는 적절치 못한 것이 판명되었다. 더욱이, 휴대용 전지의 출력량은 일반적으로 수 밀리와트~수 와트의 범위 내로 한정되어 있기 때문에, 이동성, 경량, 출력량을 상당한 수준으로 하는 요구에 대해서는 대처할 수 없었다.
가솔린 또는 디젤 내연엔진에 의해 동력되는 소형 제너레이터도 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 제너레이터의 소음 및 배출 특성에 의해, 광범위의 이동식 동력 시스템에 대해서는 전혀 적합하지 않으며, 옥내 사용시 안전하지 않다. 고에너지 밀도 액체연료에 의해 동력되는 종래의 열엔진은 크기에 대해서는 이점이 있지만, 열역학적 스케일링 및 비용의 관점에서는 대형 발전장치에 사용하는 것이 용이한 경향이 있다.
이러한 관점에서, 크기범위 약 5.1~51kg-m/sec(50~500와트)의 동력 시스템에 대해서는 부족함이 존재한다. 더욱이, 고에너지밀도 액체연료의 이점을 취하기 위해서는, 원료보급속도를 늦출 수 있는 연료 준비 및 공급 시스템이 필요로 된다. 또한, 이러한 시스템은 최소 배출로 고효율의 연소가 가능해야만 한다.
엔진효율을 최대화시키기 위한 움직임에 의해서 자극되어, 스털링 엔진을 폭넓은 용도범위에 대해 더욱 적합하게 하기 위해서 수개의 변형이 소개되어 왔다. 기본적 스털링 엔진은 상당량의 에너지가 대기로 방출되는 배기가스를 통해 낭비될 수 있는 연속 연소 시스템을 채용한다. 스털링 엔진을 일정한 용도로 사용하기 위해서, 고중량 강철제의 열교환기가 배기 열에너지의 일부를 도입공기로 되돌려 연 소를 용이하게 하도록 고안되었다. 자동차 용도에 있어서는, 고중량 강철제 열교환기가 일찍이 가스터빈엔진 용도로서 유용하다고 알려진 회전식 세라믹 예열기형으로 대체되었다. 회전식 예열기는 초승달형상의 개구를 통해 고온가스를 회전 세라믹휠에 노출시키고, 독립된 초승달형상의 개구에서 그 가열된 휠에 도입공기를 개별적으로 노출시킨다. 고유의 크기제한에 의해 이용가능한 선택범위가 한정되기 때문에, 소형의 자유 피스톤 스털링 엔진은 엔진효율의 개선이라는 독특한 과제를 갖고 있다.
이러한 관점에서, 본 기술분야의 진보에도 불구하고, 열효율특성이 개선된 소형의 자유 피스톤 스털링 엔진의 요구가 계속되고 있다.
복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재가 간격을 두고 일축 내포식으로 위치되어 있고, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키도록 이루어진 외연엔진에 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리에 있어서,
상기 제2 챔버는 인입 충전공기를 가열하기에 효과적이도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 외연엔진에 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리를 제공한다.
한 형태에 있어서, 상기 어셈블리의 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는
(a) 외표면 및 내표면을 갖는 흡기돔;
(b) 외표면 및 내표면을 갖는 레큐퍼레이터돔;
(c) 외표면 및 내표면을 갖는 배기돔; 및
(d) 외표면 및 내표면을 갖는 내부돔을 포함하고,
상기 레큐퍼레이터돔은 상기 흡기돔의 내표면과 상기 배기돔의 외표면 사이에 위치되어 있고, 상기 내부돔의 외표면은 상기 배기돔의 내표면에 인접하여 있다.
또한, (a) 간격을 두고 일축 내포식으로 배치된 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재를 포함하고, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키는, 히터헤드를 구비한 외연엔진에 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리;
(b) 하나 이상의 모세관 유로를 포함하고, 상기 하나 이상의 모세관 유로는 입사단부 및 출구단부를 갖고, 상기 입사단부는 유체중에서 액체 원료원과 연통하도록 이루어진 연료기화장치; 및 상기 하나 이상의 모세관 유로를 따라 배치되어 있고, 상기 하나이상의 모세관 유로 내의 액체 원료의 적어도 일부가 액체 상태에서 기체 상태로 변화되기에 충분한 수준까지 가열을 행하여, 상기 하나 이상의 모세관 유로의 출구단부로부터 실질적으로 기화된 연료류를 공급할 수 있는 열원; 및
(c) 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리의 내표면 및 외연엔진의 히터헤드의 외표면에 의해 구획되고, 실질적으로 기화된 연료류 및 공기류를 연소시키는 점화장치를 구비하고, 상기 하나 이상의 모세관 유로의 출구단부와 연통하는 연소챔버로 이루어진 히터헤드를 구비한 외연엔진용 버너에 있어서,
상기 연소기/레큐퍼레이터의 상기 제2 챔버는 인입 충전공기를 가열하기에 효과적이도록 위치되어 있는 히터헤드를 구비한 외연엔진용 버너를 제공한다.
또한, (a) 흡기를 통해 공기류를 도입하는 단계;
(b) 액체 연료를 하나 이상의 모세관 유로에 공급하는 단계;
(c) 하나 이상의 모세관 유로 내의 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료류를 하나 이상의 모세관 유로에 통과시키는 단계;
(d) 연소챔버 중의 공기 및 기화된 연료를 연소시키는 단계;
(e) 연소가스류를 배기를 통해 배기하는 단계;
(f) 레큐퍼레이터를 통해 단계(e)에서 배기된 연소가스류로부터 스텝(a)에서 도입된 공기류로 열교환하는 단계;
(g) 외연엔진을 사용하여 연소챔버 내의 기화된 연료를 연소시킴으로써 생성된 열을 기계력 및/또는 전력으로 변환하는 단계를 포함하는 동력발생 방법에 있어서,
상기 레큐퍼레이터는 간격을 두고 일축 내포식으로 배치된 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재를 포함하고, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키고, 상기 제2 챔버는 인입 충전공기를 가열하기에 효과적이도록 위치되어 있는 동력발생방법을 제공한다.
본 발명에 대해서 본 발명의 바람직한 형태를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 연료기화장치, 연소챔버 및 배기열 레큐퍼레이터의 계략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리의 단면 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리의 단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연소기/레큐퍼레이터의 어셈블리의 확대 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 연소기/레큐퍼레이터의 다른 실시형태의 단면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 동력발생장치의 계략도로서, 본 발명의 한 실시형태에 따라 외연엔진을 전기 발전에 사용한다.
도 1~6을 참조하여 실시형태를 설명하고, 여기서 동일한 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
본 발명은 외연엔진, 특히 스털링 엔진에 적합하게 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 디자인을 제공한다. 이 디자인은, 외연엔진 히터헤드와 같이 적재물에 양질 의 열을 최대한 전달가능하고, 연소용 공기를 예열하기 위해 저질의 열을 레큐퍼레이터로 효율적으로 전달가능한 저질량의 단열재와 아울러, 연소용 공기의 유로 및 배기 유로의 배열을 제공한다. 이것에 의해서, 컴팩트하고 경량이며 비용효율적인 디자인에 있어서 적재물로의 열전달 효율성을 최대로 할 수 있다.
잘 알려져 있듯이, 스털링 엔진은 가열을 위해 연속 외연시스템을 사용하는 외연엔진이다. 일반적으로, 이 연속연소 시스템은 흡기시스템, 배기장치 및 연소챔버로 구성되어 있다. 전체 시스템의 효율을 향상시키기 위해서는, 흡기된 공기류를 예열하는 수단을 채용하는 것이 유리하다.
열을 히터헤드로 공급하기 위해서 연료를 연소시키는 데에는 많은 점에서 규제된다. 예컨대, 약 500~750℃ 이내의 열을 공급해야한다. 히터헤드 상의 유효 표면영역에는 연소열원으로부터 초고온 열유속을 발생시키거나 또/또는 확장된 히터표면의 제공이 요구된다. 또한, 열전달 및 열온도는 가능한 한 균일해야 하고, 연소 시에는, 예컨대 NOx, CO 및 비연소 탄화수소 등의 공해물질의 발생을 최소한으로 해야 한다.
상기 시스템의 변환효율을 최대화하기 위해서는, 고온으로 예열된 연소용 공기를 사용해야한다. 이것을 이루기 위해서는, 공기를 레큐퍼레이터에서 예열해야한다. 그러나, 고온의 연소용 공기 온도에서는 연소기로부터 NOx을 배출할 가능성이 현저하게 증가한다. 배출 손실을 최소화하고, 시스템 효율을 최대로 하기 위해서, 연소기는 과잉 공기의 수준이 가능한 한 낮은 수준에서 조작되어야 한다. 최대 연 소기 효율을 위해서는, 양질의 열, 즉 연소로부터 직접적으로 조달될 수 있는 열은 엔진 히터헤드로 직접적으로 전달되어야 하고, 저질의 열, 즉 배기류의 열은 레큐퍼레이터 중의 연소용 공기를 예열하는데 사용되어야 한다.
도 1에 있어서, 스털링 엔진 연소기/레큐퍼레이터 부분(10)의 계략도를 나타낸다. 연료 및 공기가 주위온도인 실온 T0에서 연소챔버(12)로 투입된다. 연소 생성물이 일정한 실온, T4에서 남겨진다.
연소 생성물을 팽창 교환기(14)의 외표면과 최종적으로 접촉하는 온도는 명목상 원료원도, TE를 초과해야만 한다. 이것으로 알 수 있듯이, 이 온도에서 연소 생성물을 배기하는 것은 전체적 효율을 높이는 어떤 가능성도 없앨 수 있으므로, 연소 시스템은 배기가스로 열교환하여 공기를 예열해야 한다. 도 1에 있어서, 공기는 T0에서 레큐퍼레이터(20)의 예열로(18)의 입구(16)로 투입되고, 레큐퍼레이터(20)를 통해 배기가스로부터 열을 얻은 후 출구(24)에서 온도 Tb로 된다.
연료는 온도 T0에서 연료공급장치(28)의 출구(26)에 도입된다. 필요에 따라서, 고압 공기원(30)과 동반하여 속도 m'ap로 주입해도 좋다. 알 수 있듯이, 이러한 시스템의 순 공기/연료비는 양 공기류의 합계, m'a=(m'ap+m'as)에 기초한다. 적당히 예열함으로써, 연료와 공기를 예혼합하여도 좋다. 본 발명의 실용에 사용되는 특히 바람직한 세관식 연료기화장치가 미국 특허공개 US-2003-0177768-A1에 개시되어 있다.
그 후, 연소챔버(12) 내에서 연소를 행하여 온도 T2를 얻는다. 이 실시형태에서의 연소는 생성물이 팽창 교환기(14)를 지나가 버리기 전, 즉 온도 T3으로 나가버리기 전에 종료된다. 이것은 생성물이 레큐퍼레이터(20)의 배기로(22)의 배기입구(32)로 투입될 때의 온도이다. 배기 생성물은 인입공기와 열교환한 후 T4로 남는다.
도 2~4에 있어서, 본 발명은, 컴팩트하고 경량이며 비용효율적인 디자인에 있어서 효율성을 최대로 하여, 스털링 엔진의 히터헤드로 열을 효율적으로 전달하고자 하는 것이다. 도면과 같이, 연소기 하우징/레큐퍼레이터 어셈블리는 4개의 실질적인 반구형 돔의 내포식 세트로 이루어져 있다. 4개의 돔은 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강 또는 공지된 초합금 중 어느 하나로 제작되어 있어도 좋은 흡기돔(150), 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있어도 좋은 레큐퍼레이터돔(152), 벽두께 약 1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있어도 좋은 배기돔(154), 및 벽두께 약 1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있어도 좋은 내부돔(156)을 포함한다. 내열재료(160)를 내부돔(156)에 부착하여 흡기돔(150), 레큐퍼레이터돔(152) 및 배기돔(154)을 연소열로부터 더 단열하여, 스털링 엔진 히터헤드(170)의 외표면으로 최고량의 열을 전달하는 열전달력을 개선한다(도 3 참조). 열전달을 더 보조하기 위해서, 스테인레스 강으로 이루어져 있어도 좋은 히터헤드(170)를 구리층으로 더 피복할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 스테인레스 강제 네포식 돔은 간격을 두고 위치되어 있어 후술하는 통로를 형성한다. 세라믹셸에 동일 위치 에 용접되어진 완전구 또는 반관형의 스테인레스 강제 돔은 용접 또는 납땜에 의해 접합되어 있어도 좋다.
도 2 및 도 4에 있어서, 연소용 공기가 입구(180)에 도입되어 상층 매니폴드(182)에 도입되며, 이것은 복수의 매니폴드 러너(184)를 통하여 흡기돔(150)과 레큐퍼레이터돔(152)의 조합에 의해 형성된 외부셸 통로(186)를 통해 흘러 내려간다. 그 다음, 연소용 공기는 배기돔(154)과 내부돔(156)의 조합에 의해 형성된 배기셸 통로(190)를 통해 흘러 나온 연소 생성물로부터 대류 열전달에 의해 열을 흡수한다. 이 공기는 둘레에 배치된 복수의 슬롯(194)을 통과하고, 레큐퍼레이터돔(152)와 배기돔(154)의 조합에 의해 형성된 내각셸 통로(192)를 통해 상방을 향해 방향을 바꾸어 더 가열되어, 최종적으로 상층 매내폴드(182)를 거쳐 중앙 연소구역(200)으로 들어가서 연료와 혼합되어 발화된다. 연소기는 매니폴드(182)를 통해 중심축을 따라 연료를 도입하는 확산화염방식, 또는 레큐퍼레이터 통로 또는 매니폴드(182)로 연료를 도입하는 예혼합방식 중 어느 하나로 조작될 수 있다. 연소구역은 대류와 방사를 혼합하여 스털링 엔진 히터헤드(170)를 가열한다. 연소 생성물은 히터헤드의 저부로 빠져나와 배기돔(154)과 내부돔(156)의 조합에 의해 형성되어 있는, 경량의 내화단열재(160) 후부에 위치한 배기셸 통로(190)를 통해 흘러 올로간다.
내열재료로는 바람직하게는 약 1260℃(2300℉) 이상의 사용정격, 더욱 바람직하게는 약 1427~1538℃(2600~2800℉) 이상의 사용정격을 갖는 경량, 고순도의 알루미나-실리카 섬유가 열거된다. 이러한 재료는 열전도율이 낮고, 비열이 낮으며, 열충격 내성이 높고, 내구성이 우수한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 적합하게 사용되는 내열재료의 평균온도 538℃(1000℉)에서의 대략의 열전도율(ASTM C-201)값은 약 1.2J/(sec)(㎠)(℃/cm)(0.8BTUin/hr/ft2) 이상이다. 이러한 재료의 원료가 미국 오하이오 세브링 소재의 Refractory Specialties Incorporated 제품의 상품명 GemcoliteTM로 시판되어 있다.
당업자에 의해 알 수 있듯이, 단열재는 화염구역에 인접하여 위치하고 있어서 양질의 열이 인입공기와 외부환경에 대한 저온의 레큐퍼레이터 벽을 통해 전달되는 것이 억제됨으로써 효율성이 증가한다.
연소기는 기체연료원을 원료를 사용하여 연료를 공급해도 좋고, 또는 기화된 고에너지밀도 액체연료를 연소에 공급할 수 있는 연료 시스템을 구비하고 있어도 좋다. 표준온도 및 압력(주위조건)에서 기체로 존재하는 적당한 연료로는 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄 등의 탄화수소 연료가 열거된다.
또는, 본 발명에 적당하게 사용되는 연료기화기를 도 3에 계략적으로 나타낸다. 도 3에 있어서, 본 발명의 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리는 연료공급기(도시하지 않음)에 연결되는 하나 이상의 모세관 크기의 유로(300)를 포함하고 있어도 좋은 연료기화기를 구비하고 있어도 좋다. 미국특허공개번호 US-2003-0177768-A1에 개시되어 있듯이, 열원은 유로(300)를 따라 배치되어 유로 내의 액체 연료를 충분히 가열하여, 기화된 연료류를 유로의 출구로부터 연소구역(200)으로 공급하고, 그 기화된 연료는 연소된다. 유로(300)는 저항 히터에 의해 가열되는 모세관일 수 있 으며, 그 관의 일부는 전류가 통과함으로써 가열된다. 특히 바람직하게는, 모세관 유로(300)는 연료를 기화시키는 소망 온도로 급격히, 예컨대 2.0초 이내, 바람직하게는 0.5초 이내, 더욱 바람직하게는 0.1초 이내에 승온될 수 있도록, 모세관 유로는 낮은 열관성을 가져야 한다. 모세관 크기의 유로는 단일 또는 다층금속, 세라믹 또는 유리 보디 등의 모세관 보디로 이루어진 것이 바람직하다. 통로가 모세관 보디의 외측으로 개구되어 있어도 좋고 또는 동일 보디 또는 다른 보디 내의 다른 통로에 연결되어 있어도 좋은 입구 또는 출구가 개구된 밀봉체를 갖는다. 히터는 스테인레스 강제 관부 등의 보디의 일부로 구성될 수 있고, 또는 히터는 모세관 보디에 또는 모세관 보디 상에 합체된 별개의 층 또는 와이어일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 형태에 따른 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리의 다른 실시형태의 단면도를 나타낸다. 연소기 하우징/레큐퍼레이터 어셈블리는 외부 3개의 돔이 도시하였듯이 매니폴드를 조절하도록 외부로 플레어되어 있지만, 4개의 실질적인 반구형 돔의 내포식 세트로 이루어져 있다. 4개의 돔은 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강 또는 공지된 초합금 중 어느 하나로 제작되어 있어도 좋은 흡기돔(550), 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있어도 좋은 레큐퍼레이터돔(552), 벽두께 약 1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있어도 좋은 배기돔(554), 및 벽두께 약 1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있어도 좋은 내부돔(556)을 포함한다. 내열재료(560)를 내부돔(556)에 부착하여 흡기돔(550), 레큐퍼레이터돔(552) 및 배기돔(554)을 연소열로부터 더 단열하여, 스털링 엔진 히터헤드(도시하지 않음)의 외표면으로 최고량의 열을 전달하는 열전달력을 개선한다. 도시한 바 와 같이, 스테인레스 강제 네포식 돔은 간격을 두고 위치되어 있어, 흡기통로 및 배기통로를 형성한다. 스테인레스 강제 돔은 용접 또는 납땜에 의해 접합되어 있어도 좋다.
유리하게는, 어셈블리의 가열시 및 배기돔(554)의 열성장시 유연성을 제공하기 위해, 내부돔(560)은 배기돔(554)에 확고하게 고정되어 있기 보다는 탑재된 스프링이어도 좋다. 또한, 이것은, 스털링 엔진의 진동에 의한 장기간에 걸친 내부돔(560)의 마모를 방지한다. 다른 바람직한 배열로는 당업자에게 알려져 있는 가스터빈엔진에 사용되는 형태의 세라믹/금속 펠트를 사용하는 것이 열거된다.
조작 시, 연소용 공기가 입구(580)에 도입되고, 이것은 흡기돔(550)과 레큐퍼레이터돔(552)의 조합에 의해 형성된 외부셸 통로(586)를 통해 흘러 내려간다. 그 다음, 연소용 공기는 배기돔(554)과 내부돔(556)의 조합에 의해 형성된 배기셸 통로(590)를 통해 흘러 나온 연소 생성물로부터 대류 열전달에 의해 열을 흡수한다. 이 공기는 둘레에 배치된 복수의 슬롯(594)을 통과하고, 레큐퍼레이터돔(552)와 배기돔(554)의 조합에 의해 형성된 내각셸 통로(592)를 통해 상방을 향해 방향을 바꾸어 더 가열되고, 최종적으로 상층 매내폴드(582)를 거쳐 복수의 출구슬롯(588)을 통해 중앙 연소구역(600)으로 들어가서 연료와 혼합되어 발화된다. 알 수 있듯이, 복수의 출구슬롯(588)을 통과하는 연소용 공기는 그 연소용 공기에 회전운동을 부여하는 데에 소용된다. 회전공기는 연소되는 공기와 연료 혼합물을 더욱 균질하게 하여 더욱 안정된 화염을 얻는 데에 소용된다. 연소구역은 대류와 방사를 혼합하여 스털링 엔진 히터헤드(도시하지 않음)을 가열한다. 연소 생성물은 히터헤 드의 저부로 빠져나와 배기돔(554)과 내부돔(556)의 조합에 의해 형성되어 있고, 경량의 내화단열재(560) 후부에 위치한 배기셸 통로(590)를 통해 흘러 올라간다.
내열재료로는 바람직하게는 약 1260℃(2300℉) 이상의 사용정격, 더욱 바람직하게는 약 1427~1538℃(2600~2800℉) 이상의 사용정격을 갖는 경량, 고순도의 알루미나-실리카 섬유가 열거된다. 본 발명에 적합하게 사용되는 내열재료의 평균온도 538℃(1000℉)에서의 대략의 열전도율(ASTM C-201)값은 약 1.2J/(sec)(㎠)(℃/cm)(0.8BTUin/hr/ft2) 이상이다. 이러한 재료의 원료가 미국 오하이오 세브링 소재의 Refractory Specialties Incorporated 제품의 상품명 GemcoliteTM로 시판되어 있다.
도 2~4의 실시형태로부터 알 수 있듯이, 단열재가 화염구역에 인접하여 위치하고 있어, 양질의 열이 인입공기와 외부환경에 대한 저온의 레큐퍼레이터 벽을 통해 전달되는 것이 억제됨으로써 효율성이 증가한다.
도 6은 본 발명의 다른 형태에 따른 동력 시스템(400)의 계략도이다. 동력 시스템(400)은 운동학적 스털링 엔진 또는 자유 피스톤 스털링 엔진 등의 외연엔진(430), 교류기(432)를 구동하여 전력을 생산하는 왕복피스톤에 의해 550~750℃의 열을 기계력으로 변환하는 연소챔버(434)를 포함한다. 또한, 어셈블리는 모세관 유로/히터 어셈블리(436), 제어장치(438), 정류장치/조정장치(440), 전지(442), 연료공급장치(444), 상기 도 2~4에 상술한 형태의 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리(446), 연소 송풍기(448), 쿨러(450) 및 쿨러/송풍기(452)를 포함한다. 조작 시, 제어장치 (438)는 모세관(436)으로의 연료공급을 제어하고, 챔버(434) 내의 연료의 연소를 제어하도록 조작되어, 연소열이 스털링 엔진(430)의 피스톤을 구동하여 엔진이 교류기(432)로부터 전기를 발전한다. 필요에 따라서, 스털링 엔진(430)/교류기(432)를 기계력을 생산하는 운동학적 스털링 엔진(도시하지 않음)으로 대체할 수도 있다.
연소를 개시하기 위해서, 공기-연료 혼합물을 발화구역으로 제한하고, 이 혼합물을 스파크 발생기 등의 점화장치로 발화시킨다. 점화장치는 기계적 스파크 발생기, 전기적 스파크 발생기, 저항 가열식 점화와이어 등의 연료를 발화시킬 수 있는 장치이면 어느 것이라도 좋다. 전기적 스파크 발생기에는 소형 전기 등의 적당한 동력원에 의해 동력이 공급될 수 있다. 그러나, 그 전지는 작동시 전류를 발생하는 수동조작 압전변환기로 대체될 수 있다. 이러한 배치에 의해서, 변환기의 압축으로 인하여 전류가 전기-기계적으로 생성될 수 있다. 예컨대, 기폭장치가 가압되면 소정력으로 변환기를 스트라크하도록 스크라이커를 배치할 수 있다. 변환기에 의해 발전된 전기는 적당한 회로에 의해 스파크발생기구에 공급될 수 있다. 이러한 배치는 연료-공기 혼합물을 발화시키는데 사용될 수 있다.
발전된 전력의 일부는 전지 또는 캐패시터 등의 적당한 저장장치에 저장되어, 점화장치에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 수동조작 스위치를 사용하여, 전류를 저항 가열체에 공급하거나 또는 유로내의 연료를 기화시키는 금속관의 일부를 통하여 직접적으로 공급할 수 있고, 또/또는 전류를 연소챔버에 공급된 연료-공기 혼합물의 연소를 발화하는 점화기에 공급할 수 있다.
필요에 따라서, 동력 시스템의 출력을 기계력 또는 전력에 의존하는 임의의 형태의 장치를 조작하는데 사용할 수 있다. 예컨대, 발전된 전기는 전화통신장치(예컨대, 무선전화), 휴대용 컴퓨터, 동력공구, 전기제품, 캠핑장비, 군장비품, 모페드, 전동 휠체어 및 선박용 추진장치 등의 운송설비, 전자감지장치, 전자감시장치, 충전기, 조명기구, 난방설비 등의 휴대용 전자기기에 사용될 수 있다. 또한, 동력 시스템은 비휴대용 장치 또는 전력망에 어세스할 수 없거나 곤란하거나 불안정한 위치에 동력을 공급하는 데에도 사용될 수 있다. 이러한 위치 및/또는 비휴대용 장치로는 원거리 주거 및 군용야전, 자판기, 선박용 기기가 열거된다.
본 발명에 대해서 그 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 내용을 벗어나지 않는 범위에서 당업자에 의해 다양한 변형이 행해질 수 있다.

Claims (20)

  1. 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재가 간격을 두고 일축 내포식으로 위치되어 있고, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키도록 이루어진, 히터헤드를 구비한 외연엔진에 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리에 있어서,
    상기 제2 챔버는 인입 충전공기를 가열하기에 효과적이도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 히터헤드를 구비한 외연엔진에 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는
    (a) 외표면 및 내표면을 갖는 흡기돔;
    (b) 외표면 및 내표면을 갖는 레큐퍼레이터돔;
    (c) 외표면 및 내표면을 갖는 배기돔; 및
    (d) 외표면 및 내표면을 갖는 내부돔을 포함하고,
    상기 레큐퍼레이터돔은 상기 흡기돔의 내표면과 상기 배기돔의 외표면 사이에 위치되어 있고, 상기 내부돔의 외표면은 상기 배기돔의 내표면에 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내부돔의 내표면에 내열재료를 부착하여, 상기 흡기돔, 레큐퍼레이터돔 및 배기돔을 연소에 의해 발생된 열로부터 단열함으로써, 상기 내열재료에 의해 외연엔진 히터헤드의 외표면으로 열이 전달하는 열전달력이 개선되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 내열재료는 약 1260℃(2300℉) 이상의 사용정격을 갖는, 경량이고 고순도의 알루미나-실리카 섬유인 것을 특징을 하는 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외연엔진의 히터헤드는 히터헤드로의 열전달을 더 향상시키기 위해 구리층으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡기돔은 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레큐퍼레이터돔은 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기돔은 벽두께 약 1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  9. (a) 간격을 두고 일축 내포식으로 배치된 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재를 포함하고, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키는, 히터헤드를 구비한 외연엔진에 사용되는 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리;
    (b) 하나 이상의 모세관 유로를 포함하고, 상기 하나 이상의 모세관 유로는 입사단부 및 출구단부를 갖고, 상기 입사단부는 유체중에서 액체 원료원과 연통하도록 이루어진 연료기화장치; 및 상기 하나 이상의 모세관 유로를 따라 배치되어 있고, 상기 하나 이상의 모세관 유로 내의 액체원료의 적어도 일부가 액체 상태에서 기체 상태로 변화되기에 충분한 수준까지 가열을 행하여, 상기 하나 이상의 모세관 유로의 출구단부로부터 실질적으로 기화된 연료류를 공급할 수 있는 열원; 및
    (c) 연소기/레큐퍼레이터 어셈블리의 내표면 및 외연엔진의 히터헤드의 외표면에 의해 구획되고, 실질적으로 기화된 연료류 및 공기류를 연소시키는 점화장치를 구비하고, 상기 하나 이상의 모세관 유로의 출구단부와 연통하는 연소챔버로 이루어진, 히터헤드를 구비한 외연엔진용 버너를 포함하는 히터헤드를 구비한 외연엔진용 버너에 있어서,
    상기 연소기/레큐퍼레이터의 상기 제2 챔버는 인입 충전공기를 가열하기에 효과적이도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 히터헤드를 구비한 외연엔진용 버너.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는
    (a) 외표면 및 내표면을 갖는 흡기돔;
    (b) 외표면 및 내표면을 갖는 레큐퍼레이터돔;
    (c) 외표면 및 내표면을 갖는 배기돔; 및
    (d) 외표면 및 내표면을 갖는 내부돔을 포함하고,
    상기 레큐퍼레이터돔은 상기 흡기돔의 내표면과 상기 배기돔의 외표면 사이에 위치되어 있고, 상기 내부돔의 외표면은 상기 배기돔의 내표면에 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 버너.
  11. 제10항에 있어서, 상기 내부돔의 내표면에 내열재료를 더 부착하여, 상기 흡기돔, 레큐퍼레이터돔 및 배기돔을 연소에 의해 발생된 열로부터 단열함으로써, 상기 내열재료에 의해 외연엔진 히터헤드의 외표면으로의 열전달력이 개선되는 것을 특징으로 하는 버너.
  12. 제11항에 있어서, 상기 내열재료는 약 1260℃(2300℉) 이상의 사용정격을 갖는 경량이고 고순도의 알루미나-실리카 섬유인 것을 특징을 하는 버너.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외연엔진의 히터헤드는 히터헤드로의 열전달을 더 향상시키기 위해 구리층으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 버너.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡기돔은 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 버너.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레큐퍼레이터돔은 벽두께 약 0.5~1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 버너.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기돔은 벽두께 약 1mm의 스테인레스 강으로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 버너.
  17. (a) 흡기를 통해 공기류를 도입하는 단계;
    (b) 액체 연료를 하나 이상의 모세관 유로에 공급하는 단계;
    (c) 하나 이상의 모세관 유로 내의 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료류를 하나 이상의 모세관 유로에 통과시키는 단계;
    (d) 연소챔버 중의 공기 및 기화된 연료를 연소시키는 단계;
    (e) 연소가스류를 배기를 통해 배기하는 단계;
    (f) 레큐퍼레이터를 통해 단계(e)에서 배기된 연소가스류로부터 스텝(a)에서 도입된 공기류로 열교환하는 단계;
    (g) 외연엔진을 사용하여 연소챔버 내의 기화된 연료를 연소시킴으로써 생성 된 열을 기계력 및/또는 전력으로 변환하는 단계를 포함하는 동력발생방법에 있어서,
    상기 레큐퍼레이터는 간격을 두고 일축 내포식으로 배치된 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재를 포함하고, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는 적어도 제1 플로우 챔버 및 제2 플로우 챔버로 이루어지고, 상기 제1 플로우 챔버는 인입 충전공기를 통과시키고, 상기 제2 플로우 챔버는 인출 충전 연소배기가스를 통과시키고, 상기 제2 챔버는 인입 충전공기를 가열하기에 효과적이도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 동력발생방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 복수의 실질적인 반구형 돔형상 부재는
    (a) 외표면 및 내표면을 갖는 흡기돔;
    (b) 외표면 및 내표면을 갖는 레큐퍼레이터돔;
    (c) 외표면 및 내표면을 갖는 배기돔; 및
    (d) 외표면 및 내표면을 갖는 내부돔을 포함하고,
    상기 레큐퍼레이터돔은 상기 흡기돔의 내표면과 상기 배기돔의 외표면 사이에 위치되어 있고, 상기 내부돔의 외표면은 상기 배기돔의 내표면에 인접하여 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 내부돔의 내표면에 내열재료를 더 부착하여, 상기 흡기돔, 레큐퍼레이터돔 및 배기돔을 연소에 의해 발생된 열로부터 단열함으로써, 상 기 내열재료에 의해 외연엔진 히터헤드의 외표면으로의 열전달력이 개선되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 내열재료는 약 1260℃(2300℉) 이상의 사용정격을 갖는 경량이고 고순도의 알루미나-실리카 섬유인 것을 특징을 하는 방법.
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