KR20070072918A - 열기관 - Google Patents

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KR20070072918A
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가부시키가이샤 사쿠숀 가스기칸 세이사쿠쇼
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Abstract

고온 공간(45) 및 저온 공간(47)을 각각 구획하는 고온측 파워 피스톤(37) 및 저온측 파워 피스톤(39)은, 고온 공간(45) 및 저온 공간(47) 각각에 대해 작동 가스의 용적 변화를 발생하며, 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 파워 피스톤을 구성한다. 디스플레이서 실린더(201) 내에 이동 가능하게 수용하는 디스플레이서(203)는, 작동 가스를, 고온 공간(45) 및 저온 공간(47)의 상호간에 대하여 압력 차를 발생시키지 않고 이동시킨다.
용적, 공간, 파워 피스톤, 디스플레이서, 재생기, 작동 가스, 동력, 실린더

Description

열기관{HEAT ENGINE}
본 발명은, 서로 상이한 온도 구역을 가지는 작동 가스가 유지된 공간에, 상기 온도 구역의 경계로서의 재생기를 설치하고, 상기 재생기의 양쪽의 고온 공간 및 저온 공간의 용적 변화와 작동 가스의 이동을 이용하여 열과 동력의 변환을 행하는 열기관, 예를 들면 스털링 사이클(stirling cycle)에 관한 것이다.
스털링 사이클은, 연소 열원뿐만 아니라, 폐열이나 태양열 등의 다양한 온도차의 열원을 이용할 수 있는 것을 특징으로 하고 있지만, 상이한 온도 구역의 열원에서 각각 최대의 출력을 얻기 위해서는, 작동 가스의 용적 변화량과 재생기 통과 가스 유량의 밸런스를 온도차에 맞추어 최적화할 필요가 있다.
폐열이나 태양열 등의 저온도차 열원에 있어서는 용적 변화량에 비해, 재생기 통과 가스 유량의 비율을 크게 할 필요가 있다. 왜냐하면, 스털링 사이클의 출력의 원천은, 재생기를 통과할 때의 가스의 압력 상승이며, 온도차가 작으면 가스의 통과 유량에 대한 압력 상승이 적어지기 때문이다. 따라서, 저온도차 열원으로부터 최대 출력을 내려면, 고온도차 열원을 이용하는 경우와 비교해 용적 변화량에 대한 재생기 통과 가스 유량을 증가시킬 필요가 있다.
종래에는 스털링 사이클을 실현하는 구조를 크게 나누어 알파형, 베타형 그 리고 감마형의 3 종류가 존재한다. 알파형은, 고온 공간, 저온 공간에 각각 1개의 파워 피스톤(power piston)을 가져, 2 피스톤형이라 한다. 이 방식은, 2개의 피스톤의 각각의 공간에서 완전하게 소기(掃氣)하기 때문에, 사공간(死空間)이 매우 작은 것이 특징이다.
또, 2개의 피스톤의 변위의 위상차에 의해 상기 비율을 바꿀 수가 있고, 저온도차 열원의 경우, 그 위상차가, 500℃ 이상의 고온도차에서는 90℃, 100℃ 정도의 저온도차에서는 150℃ 정도까지, 온도차에 따라 넓혀 감으로써 최적화가 가능하다(특허 문헌: 일본 특허 제3134115호 참조).
그러나, 상기 알파형에 있어서, 위상차를 넓히는 것은, 2개의 피스톤의 상대 변위를 작게 하는 것으로, 소정의 용적 변화량을 얻기 위해서는 피스톤 직경을 크게 할 필요가 있고, 따라서 피스톤 힘이 과대하게 되고, 나아가서는 내구성의 저하나 기계 손실이 증가된다는 과제가 있다.
베타형은, 저온 측에 1개의 파워 피스톤을 가지며, 디스플레이서(displacer)가 파워 피스톤과 동일한 실린더에 수용되어, 서로 오버랩(overlap)하면서 운동하고, 완전 소기 가능한 것을 특징으로 한다. 이 경우, 디스플레이서 및 파워 피스톤의 보어(bore) 직경이 동일하게 고정되므로, 상기 비율을 바꾸기 위해서는, 디스플레이서의 스트로크를 크게 하든지, 파워 피스톤의 스트로크를 작게 하여, 각각 피스톤 스피드 및 피스톤 힘으로부터, 재생기 통과 가스 유량에는 한계가 있다.
감마형은, 저온 측에 1개의 파워 피스톤을 가지며, 디스플레이서는 다른 실린더에 수용되기 때문에, 그 직경을 크게 해 재생기 통과 가스량을 늘려, 상기 비 율을 온도차에 따라 최적화할 수 있다. 그러나, 디스플레이서의 직경을 크게 하면, 열교환기 및 파워 피스톤에의 연락관의 유로의 확대 축소가 커지고, 압력 손실이 증대되고, 그것을 피하기 위해 유로를 넓히면, 사공간이 증대된다는 문제가 있어, 최적화에 한계가 있다.
또한, 컴팩트화, 경량화 그리고 비용 저감을 실행시키기 위해서는, 고회전화를 도모하는 필요가 있다. 이를 위해서는, 상기 문제를 극복하고, 재생기 통과 가스량을 많게 하고, 피스톤 힘은 작게 하고, 사공간도 작게 된다는 요건을 만족할 필요가 있다.
본 발명은, 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 재생기를 통과하는 가스량을 많게 하고, 피스톤 힘은 작게 하고, 사공간도 작게 된다는 요건을 충족하는 열기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 측면은, 서로 상이한 온도 구역을 가지는 작동 가스가 유지된 고온 공간부 및 저온 공간부와, 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에 설치된 재생기와, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부 각각에 대하여 상기 작동 가스의 용적 변화를 발생하며, 상기 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 2개의 파워 피스톤과, 상기 작동 가스를 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에서 이동시키는 디스플레이서를 구비하고, 상기 재생기의 양쪽의 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 용적 변화와 상기 작동 가스의 이동을 이용하여 열과 동력의 변환을 행하는 열기관인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제1 측면에 의하면, 고온 공간 및 저온 공간 각각에 대해 작동 가스의 용적 변화를 행하게 하는 동시에, 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 파워 피스톤을 구비한 알파형에, 독립된 디스플레이서를 설치함으로써, 완전 소기는 아니 되지만, 알파형의 요소를 가지기 때문에 감마형에 비해 사공간은 적어지고, 온도차에 따른 필요한 재생기 통과 가스 유량을 확보할 수 있고, 피스톤 힘은, 2개의 파워 피스톤의 상대 운동으로 용적 변화를 행하여, 2개의 피스톤으로 분산되어 받으므로, 전체적으로 작게 억제될 수 있다.
또, 상기 2개의 파워 피스톤는, 상기 재생기에 대향하는 수압면을 가져도 된다.
상기 구성에 의하면, 상기 제1 측면과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부에 인접하여 설치되고, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 각각에 연통하는 동시에, 상기 디스플레이서를 왕복 운동 가능하게 수용하는 디스플레이서 수용부를 추가로 구비하여도 된다.
상기 구성에 의하면, 상기 제1 측면과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 디스플레이서는, 서로 180°의 위상차로 운동하는 2개의 피스톤을 포함하고, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 각각에 한개씩 배치되어도 된다.
상기 구성에 의하면, 상기 제1 측면과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 2개의 파워 피스톤 중 어느 한쪽과, 상기 2개의 디스플레이서 중 어느 한쪽을 서로 일체화시켜도 된다.
상기 구성에 의하면, 실질적으로는 피스톤을 1개 줄일 수 있어서, 구조가 간소화되고, 작동 가스의 누설 손실이나 기계 손실도 줄일 수 있다.
또, 상기 2개의 파워 피스톤 중 어느 하나 다른 쪽과, 상기 2개의 디스플레이서 중 어느 하나 다른 쪽을, 상호간을 밀봉하면서 상대 이동 가능하게 설치해도 된다.
상기 구성에 의하면, 파워 피스톤과 디스플레이서를, 상호간을 밀봉하면서 상대 이동 가능하게 구성하고 있으므로, 밀봉부에서의 슬라이드 이동 거리가 짧아져, 밀봉의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또, 상기 디스플레이서 및 상기 파워 피스톤을 각각 구비한 하나의 열기관 유닛을, 그 배열 방향으로 복수개 적층하고, 인접하는 상기 열기관 유닛 상호간에, 상기 열기관 유닛 상호간에 공용하는 하나의 디스플레이서 또는 파워 피스톤을 배치하여도 된다.
상기 구성에 의하면, 인접하는 열기관 유닛 상호가 피스톤을 공용하여, 구조의 간소화를 도모하면서, 이 열기관을 엔진 사이클로서 사용하는 경우에는, 표준화 된 모듈을 적당히 적층함으로써, 필요로 하는 출력을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 히트 펌프 사이클이나 냉동 사이클을 적절히 조합함으로써, 다양한 열원 및 출력 온도에 대응한 복합 사이클을 실현할 수 있다.
또, 상기 파워 피스톤과 상기 디스플레이서 중 적어도 한쪽에, 컴프레서(compressor)를 연결해도 된다.
상기 구성에 의하면, 열기관과 컴프레서를 일체 구조화 함으로써, 양자를 별개로 한 경우와 비교해 적은 부품수로 컴프레서를 구동할 수 있고, 기계 손실을 최소한으로 억제한 시스템을 얻을 수 있다.
또, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부 중 적어도 한쪽은, 상하로 신축 가능한 벨로우즈(bellows)를 포함해도 된다.
상기 구성에 의하면, 고온 공간부 및 저온 공간부 중 적어도 한쪽과 디스플레이서는, 상하로 신축 가능한 벨로우즈로 연결되어 있으므로, 디스플레이서의 슬라이드 이동부가 불필요해지므로, 밀봉성을 고려할 필요도 없고, 보다 간소화한 구조로 완성된다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제2 측면은, 서로 상이한 온도 구역을 가지는 작동 가스가 유지된 고온 공간부 및 저온 공간부와, 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에 설치된 재생기와, 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부의 어느 하나에 대해서, 상기 작동 가스의 용적 변화를 발생하며, 상기 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 1개의 파워 피스톤과, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 각각에 한개씩 배치되고, 상기 작동 가스를 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에서 이동시키고, 상기 파워 피스톤보다 수압 면적이 큰 디스플레이서와, 상기 디스플레이서에 설치되고, 서로 180°의 위상차로 연동하는 2개의 피스톤을 구비하고, 상기 재생기의 양쪽의 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 용적 변화와 상기 작동 가스의 이동을 이용하여 열과 동력의 변환을 행하는 열기관인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기 제1 측면에서의 효과에 더하여, 2개의 디스플레이서를 대향 배치함으로써, 180° 위상에 대해서는, 서로 피스톤으로 연결함으로써 달성할 수 있다. 또, 대면적의 디스플레이서를 사용해도 작동 가스의 압력 변화를 축계(軸系)에 전달하지 않고 피스톤으로 흡수할 수 있고, 파워 피스톤의 피스톤 힘을 작게 유지할 수 있다. 따라서, 기계 손실을 최소로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4의 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관한 스털링 사이클를 상세하게 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 부여하고 있다. 하기 실시예의 설명에 있어서, 앞선 실시예의 설명에 이미 설명이 되어 있는 동일한 부호를 가지는 부분에 있어서 설명을 생략한 부분도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 나타낸 열기관으로서의 스털링 사이클의 단 면도이다. 하우징 본체(21)의 상부 개구에는 커버(23)가, 상기 하우징 본체(21)의 하부 개구에는 크랭크 케이스(25)가 각각 장착되어 하우징(27)을 구성하고 있다. 하우징 본체(21)의 도면에서 상하 방향 중앙의 열교환기 하우징부(21a)에는, 열교환기 유닛(29)이 수용 고정되어 있다. 열교환기 유닛(29)은, 중앙에 서로 상이한 온도 구역의 경제로서의 재생기(31)가, 상기 재생기(31)의 상하 양측에 흡열기(33) 및 방열기(35)가 각각 마련되어 있다.
흡열기(33)는, 도면에서 지면에 직교하는 방향으로 연장되는 전열관(33a)을 구비하고, 상기 전열관(33a) 내에는, 고온의 전열 유체가 흐르고, 그 주위에는 복수개의 핀이 장착되어 있다. 방열기(35)도 마찬가지로, 도면에서 지면에 직교하는 방향으로 연장되는 전열관(35a)를 구비하고, 상기 전열관(35a) 내에는, 저온의 전열 유체가 흐르고, 그 주위에는 복수개의 핀이 고정되어 있다. 한편, 재생기(31)는, 금속망(metal mesh) 등을 적층하여 구성되어 있다.
흡열기(33)의 상부 측의 하우징 본체(21)의 고온측 실린더부(21b) 내에는, 고온측 파워 피스톤(37)이, 도면에서 상하 방향으로 이동 가능하게 수용되어 있고, 방열기(35)의 하부 측의 하우징 본체(21)의 저온측 실린더부(21c) 내에는 저온측 파워 피스톤(39)이, 도면에서 상하 방향으로 이동 가능하게 수용되어 있다.
고온측 파워 피스톤(37)은, 열교환기 유닛 (29) 및 저온측 파워 피스톤(39)에 대해서 상대 이동 가능하게 관통되는 복수개의 피스톤 로드(41)를 통하여 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53a)에 연결되어 있다. 한편, 저온측 피스톤(39)은, 1개의 피스톤 로드(57)를 통하여 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53b)에 연결되어 있다.
이와 같은 고온측 파워 피스톤(37)과 저온측 파워 피스톤(39)은, 서로 위상차 90°로 상대 이동 가능하도록 크랭크축(53)에 연결되어 있다.
고온측 파워 피스톤(37) 및 저온측 파워 피스톤(39)은, 후술하는 고온 공간(45) 및 저온 공간(47) 각각에 대해 작동 가스의 용적 변화를 발생하며, 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 파워 피스톤을 구성하고 있다.
하우징 본체(21) 및 각 파워 피스톤(37, 39)에 둘러싸인 영역이, 헬륨 등의 작동 가스가 밀폐 상태에서 밀봉되고 작동 가스 공간으로 된다.
흡열기(33)와 고온측 파워 피스톤(37) 사이에는, 흡열기(33)에서 가열된 작동 가스가 팽창하는 고온 공간(45)이 형성되어 있고, 방열기(35)와 저온측 파워 피스톤(39) 사이에는, 방열기(35)에서 방열된 작동 가스가 압축되는 저온 공간(47)이 형성되어 있다. 상기 고온 공간(45)과 저온 공간(47) 사이에서, 서로 작동 가스를 이동시켜 작동 가스의 팽창·압축을 반복함으로써, 열과 동력의 변환을 행한다.
하우징 본체(21)에 인접하여 디스플레이서 실린더(201)를 설치한다. 디스플레이서 실린더(201) 내에는, 디스플레이서(203)를 이동 가능하게 수용한다. 디스플레이서(203)의 상하 양쪽의 공간(205, 207)은, 고온 공간(45), 저온 공간(47)에, 연통관(209, 211)을 통하여 각각 연통되어 있다.
디스플레이서(203)는, 커닉팅 로드(213)를 통하여 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53c)에 연결되어 있다. 이와 같은 디스플레이서(203)는, 작동 가스를, 고온 공간(45) 및 저온 공간(47) 상호간에서 압력 차를 발생시키지 않고 이동시킨다.
작동 가스의 압력 변화에 따라 각 파워 피스톤(37, 39)의 왕복 운동을 크랭 크축(53)이 회전 운동으로서 외부에 인출함으로써, 본 스털링 사이클은 엔진으로 되고, 역으로 크랭크축(53)에 외부로부터 모터 등의 구동 수단에 의해 회전되어 파워 피스톤(37, 39)을 왕복 이동시킴으로써, 흡열기(33) 및 방열기(35)를 관통하는 전열관(33a 및 35a) 내를 흐르는 전열 유체를 통하여 외부에 온열이나 냉열을 공급하는 히트 펌프(heat pump)나 냉동기로 된다.
제1 실시예에 관한 스털링 사이클에서는, 고온 공간 및 저온 공간 각각에 대해 작동 가스의 용적 변화를 행하게 하는 동시에, 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 고온측 파워 피스톤(37) 및 저온측 파워 피스톤(39)을 구비한 알파형에, 독립된 디스플레이서(203)를 설치하고 있다. 이에 따라, 완전 소기는 되지 않지만, 알파형의 요소를 가지기 때문에 감마형에 비해 사공간은 적어지고, 온도차에 따른 필요한 열교환량을 얻기 위해 충분한 가스 이동 유량을 확보할 수 있다. 또, 피스톤 힘은, 고온측 파워 피스톤(37)과 저온측 파워 피스톤(39)의 상대 운동으로 용적 변화를 행하여, 이들 각 파워 피스톤(37, 39)으로 분산되어 받으므로, 전체로서 작게 억제될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 열기관으로서의 스털링 사이클의 단면도이다. 제2 실시예는, 도 1에 나타낸 하우징 본체(21) 및 커버(23)와 일체의 제2 하우징 본체(210) 및 제2 커버(230)를 설치하고 있다. 제2 하우징 본체(210)의 도면에서 상하 방향 대략 중앙의 열교환기 하우징부(210a)에는, 상기한 열교환기 하우징부(21a) 사이에 걸쳐서 배치되는 열교환기 유닛(290)이 수용 고정되어 있다. 열교환기 유닛(290)은, 중앙에 재생기(310)가 설치되어 있고, 상기 재생기(310)의 상하 양측에 흡열기(330) 및 방열기(350)가 설치되어 있다.
흡열기(330)은, 도면에서 지면에 직교하는 방향으로 연장되는 전열관(330a)을 구비하고, 상기 전열관(330a) 내에는, 고온의 전열 유체가 흐르고, 그 주위에는 복수개의 핀이 장착되어 있다. 방열기(350)도 마찬가지로, 도면에서 지면에 직교하는 방향으로 연장되는 전열관(350a)을 구비하고, 상기 전열관(350a) 내에는, 저온의 전열 유체가 흐르고, 그 주위에는 복수개의 핀이 장착되어 있다. 한편, 재생기(310)은, 금속망 등을 적층하여 구성되어 있다.
제2 하우징 본체(210) 내에서의 고온측 실린더부(210b) 내에는 제1 디스플레이서(2150가 도면에서 상하 방향으로 이동 가능하게 수용되어 있고, 저온측 실린더부(210c) 내에는 제2 디스플레이서(217)가 도면에서 상하 방향으로 이동 가능하게 수용되어 있다.
하우징 본체(21) 및 제2 하우징 본체(210) 등을 구비하는 하우징(270)은, 고온측 실린더부(21b, 210b), 저온측 실린더부(21c, 210c)가, 모두 원통형상이며, 열교환기 하우징부(21a, 210a)가, 양 하우징부(21a, 210a)에 걸쳐서 열교환기 유닛(290)을 수용하기 위해, 평면에서 볼 때 4각형 모양을 나타내고 있다.
제1 및 제2 디스플레이서(215, 217) 상호는, 열교환기 유닛(290)에 대해서 이동 가능하게 관통되는 복수개의 로드(219)에 의해 연결되고, 양자가 일체로 되어 왕복 이동한다. 따라서, 제1 및 제2 디스플레이서(215, 217)는, 서로 위상차가 180°로 운동하는 2개의 피스톤으로 구성되게 된다.
제1 디스플레이서(215)와 열교환기 유닛(290) 사이의 공간(221)은, 연통 로(223)에 의해 고온 공간(45)에 연통되고, 제2 디스플레이서(217)와 열교환기 유닛(290)의 사이 공간(225)은, 연통로(227)에 의해 저온 공간(47)과 연통된다. 따라서, 각 공간(221, 225)은, 각각 고온 공간(45), 저온 공간(47)의 일부이며, 그러므로, 제1 및 제2 디스플레이서(215, 217)는, 고온 공간(45), 저온 공간(47)에 각각 배치한 것으로 된다.
제2 디스플레이서(217)는, 복수개의 로드(228)를 통하여 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53d)에 연결되어 있다.
상기 제2 실시예에 관한 스털링 사이클에서는, 제1 실시예에 있어서의 효과에 더하여, 제1 및 제2 디스플레이서(215, 217)가 서로 180°의 위상차로 운동하는 2개의 피스톤으로 구성되어, 고온 공간(45) 측, 저온 공간(47) 측에 각각 배치되므로,사용적을 보다 작게 할 수 있는 동시에, 압력 손실도 작게 할 수 있다.
또, 2개의 제1 및 제2 디스플레이서(215, 217)를 대향 배치함으로써, 180° 위상에 대해서는, 서로 로드(219)로 연결함으로써 달성할 수 있고, 대면적의 디스플레이서를 사용해도 작동 가스의 압력 변화를 축계(크랭크 축(53))에 전달하지 않고 로드(219)로 흡수할 수 있고, 피스톤 힘을 작게 유지할 수 있다. 따라서, 기계 손실을 최소로 억제할 수 있다.
그리고, 제2 실시예에 있어서, 제1 및 제2 디스플레이서(215, 217) 중 어느 한쪽, 예를 들면 제1 디스플레이서(215)와 고온측, 저온측 파워 피스톤(37, 39) 중 어느 한쪽, 예를 들면 고온측 파워 피스톤(37)을, 서로 일체화시켜도 된다. 이 경우의 하우징(270)은, 서로 일체화하는 제1 디스플레이서(215) 및 고온측 파워 피스 톤(37)을 수용하는 고온측 실린더부(21b, 210b)와, 열교환기 하우징부(21a, 210a)를 연속하는 하나의 원통형상으로 한다.
이로써, 도 2의 구성에 대해, 실질적으로는 피스톤을 1개 줄일 수 있어, 구조가 간소화되고, 작동 가스의 누설 손실이나 기계 손실도 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 관한 열기관으로서의 스털링 사이클의 단면도이다. 제3 실시예는, 도 1에 나타낸 제1 실시예와 마찬가지로, 하우징 본체(21)의 상부 개구에는 커버(23)가 장착되고, 상기 하우징 본체(21)의 하부 개구에는 크랭크 케이스(25)가 장착되어 하우징(27)을 구성하고 있다. 하우징 본체(21)의 도면에서 상하 방향 대략 중앙의 열교환기 하우징부(21a)에는, 열교환기 유닛(29)이 수용 고정되어 있다. 열교환기 유닛(29)은, 중앙에 재생기(31)가 설치되어 있고, 그 상하 양측에 흡열기(33) 및 방열기(35)가 각각 설치되어 있다.
흡열기(33)는, 도면에서 지면에 직교하는 방향으로 연장되는 전열관(33a)을 구비하고, 상기 전열관(33a) 내에는, 고온의 전열 유체가 흐르고, 그 주위에는 복수개의 핀이 장착되어 있다. 방열기(35)도 마찬가지로, 도면에서 지면에 직교하는 방향으로 연장되는 전열관(35a)을 구비하고, 상기 전열관(35a) 내에는, 저온의 전열 유체가 흐르고, 그 주위에는 복수개의 핀이 장착되어 있다. 한편, 재생기(31)는, 금속망 등을 적층하여 구성되어 있다.
흡열기(33)의 상부 측의 하우징 본체(21)의 고온측 실린더부(21b) 내에는, 제1 디스플레이서(370)가 도면에서 상하 방향으로 이동 가능하게 수용되어 있고, 방열기(35)의 하부 측의 하우징 본체(21)의 저온측 실린더부(21c) 내에는 제2 디스 플레이서(390)가 도면에서 상하 방향으로 이동 가능하게 수용되어 있다. 제1 디스플레이서(370)와 제2 디스플레이서(390)는, 열교환기 유닛(29)을 관통하는 복수개의 피스톤 로드(41)에 의해 연결되고, 양자가 일체로 되어 왕복 이동된다. 따라서, 제1 및 제2 디스플레이서(370, 390)는, 서로 180°의 위상차로 운동하는 2개의 피스톤으로 구성되게 된다.
하우징 본체(21) 및 각 디스플레이서(370, 390)에 둘러싸인 영역이, 헬륨 등의 작동 가스가 밀폐 상태에서 밀봉되는 작동 가스 공간으로 된다.
흡열기(33)와 제1 디스플레이서(370) 사이에는, 흡열기(33)에서 가열된 작동 가스가 팽창되는 고온 공간(45)이 형성되어 있고, 방열기(35)와 제2 디스플레이서(390) 사이에는, 방열기(35)에서 방열된 작동 가스가 압축되는 저온 공간(47)이 형성되어 있다. 상기 고온 공간(45)과 저온 공간(47)의 사이에서, 서로 작동 가스를 이동시켜 작동 가스의 팽창·압축을 반복함으로써, 열과 동력의 변환을 행한다.
제2 디스플레이서(390)는, 크랭크 케이스(25) 내에 회전 가능하게 지지되는 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53e)에, 복수개의 피스톤 로드(55)를 통하여 연결되어 있다.
또, 저온 공간(47)에 연통로(58)를 통하여 외부에 연통되는 실린더부(60)를 설치하고, 상기 실린더부(60) 내에 파워 피스톤(51)을 수용하고 있다. 파워 피스톤(51)은, 커넥팅 로드(56)를 통하여 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53f)에 연결되어 있다. 여기서의 파워 피스톤(51)은, 제2 디스플레이서(390)에 대해서 위상차 90°로 상대 이동 가능하도록 크랭크축(53)에 연결되어 있다. 또, 제1 및 제2 디스플 레이서(370, 390)는, 파워 피스톤(51)보다 수압 면적을 크게 하고 있다.
그리고, 크랭크 케이스(25)는, 파워 피스톤(51)의 뒤쪽 및 제2 디스플레이서(390)의 뒤쪽을 덮듯이 형성되어 버퍼 공간(buffer space)(66)을 형성하고 있다. 버퍼 공간(66)은, 작동 가스 공간을 대기압보다 높게 하기 위해 형성한 것이며, 작동 가스 공간 내의 압력과 버퍼 공간(66) 내의 압력의 차압이 파워 피스톤(51)에 작용하고, 이로써 파워 피스톤(51)이 받는 부하가 감소된다.
제3 실시예에 관한 스털링 사이클에서는, 제1 디스플레이서(370) 및 제2 디스플레이서(390)가 180°의 위상차로 왕복 이동할 때에, 파워 피스톤(51)이 왕복 이동하여 작동 가스 공간의 용적 변화를 가져옴으로써, 제1 디스플레이서(370) 및 제2 디스플레이서(390)는, 실질적으로 180° 이외의 위상차로 작동하는 것으로 등가로 된다. 작동 가스 공간의 용적 변화에 의한 작동 가스의 팽창·압축에 의해, 열과 동력의 변환이 행해지고, 이 때 작동 가스는, 흡열기(33), 재생기(31) 및 방열기(35)를 차례로 왕복하여 흘러 통과할 때에, 흡열기(33) 및 방열기(35)에서 열교환을 행하는 동시에, 재생기(31)를 통과하는 작동 가스의 이동이 행해진다.
이와 같이, 제1 디스플레이서(370)와 제2 디스플레이서(390)를, 실질적으로 180° 이외의, 예를 들면, 150° 전후의 위상차로 작동시킬 때에는, 파워 피스톤(51)의 행정 용적이 각 디스플레이서(370, 390)의 용적보다 작으므로, 고온 공간과 저온 공간의 용적 변화의 위상차는, 실질적으로 크게 할 수 있다. 이로써, 파워 피스톤(51)은, 제1 디스플레이서(370)에 대해서 90°의 위상차로 상대 이동 가능하도록 크랭크축(53)에 연결하면 되므로, 크랭크축(53)의 설정은 용이하며, 저온 도차 형의 스털링 사이클이어도 고온도차 형과 같은 제작 용이한 크랭크 축으로 할 수 있다.
또, 이 경우, 열교환기 유닛(29)을 박형화하여 표면적을 크게 컴팩트화를 도모해도, 제1 디스플레이서(370)와 제2 디스플레이서(390)의 위상차가 180°, 즉, 각각의 디스플레이서(370, 390) 상호가 일체 이동하는 구성이기 때문에, 고온 공간(45)과 저온 공간(47) 사이의 작동 가스의 이동이 확실하게 되고, 또 유로 저항 및 압력 손실도 저감되므로, 고속 회전이 용이해진다. 고회전화 및 컴팩트화가 달성됨으로써, 특히, 지열 등의 자연 에너지나 산업 폐기열을 유효하게 이용가능한 저온도차 형의 스털링 엔진에 최적인 것으로 된다.
또, 열교환기 유닛(29)의 박형화에 따라 각 디스플레이서(370, 390)의 표면적이 크게 되어도, 제1 디스플레이서(370)와 제2 디스플레이서(390)는 복수개의 피스톤 로드(41)로 연결되고, 또한 제2 디스플레이서(390)가 크랭크축(53)에 연결되어 있으므로, 크랭크축(53)에 걸리는 하중은 작아져, 이로써 크랭크축(53)은 필요한 강도가 작아지고, 기계 손실도 작게 억제될 수 있다.
제3 실시예에 관한 스털링 사이클에서는, 제1 실시예에 있어서의 효과에 더하여, 2개의 제1 및 제2 디스플레이서(370, 390)를 대향 배치함으로써, 180° 위상에 대해서는, 서로 피스톤 로드(41)로 연결함으로써 달성할 수 있고, 대면적의 디스플레이서를 사용해도 작동 가스의 압력 변화를 축계(크랭크축(53))에 전달하지 않고 피스톤 로드(41)로 흡수할 수 있고, 파워 피스톤(51)의 피스톤 힘을 작게 유지할 수 있다. 따라서, 기계 손실을 최소로 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4의 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다. 제4의 실시예는, 제2 디스플레이서(390)의 중앙부에, 저온 공간(47)에 연통되는 실린더부(49)를 형성하고, 실린더부(49) 내에, 도 3에 나타낸 제3 실시예의 파워 피스톤(51)을 상하 이동 가능하게 수용하고 있다.
즉, 제4 실시예에서는, 파워 피스톤(51)과 제2 디스플레이서(390)를, 상호간을 밀봉하면서 상대 이동 가능하게 구성하고 있다.
한편, 크랭크 케이스 (25) 내에 지지되는 크랭크축(53)의 크랭크 핀(53a)에는, 복수개의 피스톤 로드(55)를 통하여 제2 디스플레이서(390)가 연결되어 있다. 또, 피스톤 로드(57)를 통하여 파워 피스톤(51)이 크랭크 핀(53b)에 연결되어 있다. 여기에서의 파워 피스톤(51)은, 제2 디스플레이서(390)에 대해서 위상차 90°로 상대 이동 가능하도록 크랭크축(53)에 연결되어 있다.
제4 실시예에서는, 제3 실시예의 효과에 더하여, 파워 피스톤(51)과 제2 디스플레이서(390)를, 상호간을 밀봉하면서 상대 이동 가능하게 구성하고 있으므로, 밀봉부에서의 슬라이드 이동 거리가 짧아지고, 밀봉의 내구성이 향상된다.
또, 실린더부(49)를 제2 디스플레이서(390) 내에 형성함으로써, 스페이스의 효과적인 이용이 도모되고, 장치 전체의 컴팩트화가 가능해진다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 관한 스털링 사이클의 간략화한 단면도이다. 제5 실시예는, 도면에서 상부에서의 제1 디스플레이서(370), 열교환기 유닛(29), 제2 디스플레이서(390)를 순차로 배열한 도 4와 동일한 구성에 대해, 제2 디스플레이서(390)의 하부에, 제2 열교환기 유닛(59), 제3 피스톤(61), 제3 열교환기 유 닛(63), 제4 피스톤(65)을 차례로 배치한 것이다.
제1 디스플레이서(370)와 제2 디스플레이서(390)는, 도 4의 것과 마찬가지로, 복수개의 피스톤 로드(41)에 의해 연결된다. 또한 제2 디스플레이서(390)와 제3 피스톤(61)은, 제2 열교환기 유닛(59)을 관통하는 복수개의 로드(42)에 의해 연결되는 동시에, 제3 피스톤(61)과 제4 피스톤(65)은, 제3 열교환기 유닛(63)을 관통하는 복수개의 로드(44)에 의해 연결되어 있다. 또, 제4 피스톤(65)는 피스톤 로드(55)를 통하여 크랭크축(53)에 연결되어 있다. 따라서, 제1 디스플레이서(370), 제2 디스플레이서(390), 제3 피스톤(61), 제4 피스톤(65)는, 서로 위상차가 180°로 일체적으로 작동하게 된다.
또, 제2 디스플레이서(390)에 설치한 파워 피스톤(51)과, 제4 피스톤(65)에 설치한 파워 피스톤(51)은, 제2 열교환기 유닛(59), 제3 피스톤 (61)및 제3 열교환기 유닛(63)을 관통하는 로드(52)를 통하여 연결되고, 제4 피스톤(65)에 설치한 파워 피스톤(51)은, 피스톤 로드(57)를 통하여 크랭크축(53)에 연결되어 있다. 각 파워 피스톤(51)은, 제1 디스플레이서(370), 제2 디스플레이서(390), 제3 피스톤(61), 제4 피스톤(65)에 대해서 90°의 위상차로 작동된다.
이 경우, 제1 디스플레이서(370), 열교환기 유닛(29) 및 제2 디스플레이서(390)를 하나의 사이클 유닛(S1)으로 하면, 이것에 인접하는 사이클 유닛(S2)은, 제2 디스플레이서(390), 제2 열교환기 유닛(59) 및 제3 피스톤(61)으로 구성되며, 사이클 유닛(S1)과 사이클 유닛(S2)은 제2 디스플레이서(390)를 공용하게 된다. 또, 사이클 유닛(S2)에 인접하는 사이클 유닛(S3)은, 제3 피스톤(61), 제3 열교환 기 유닛(63) 및 제4 피스톤(65)으로 구성되며, 사이클 유닛(S2)과 사이클 유닛(S3)은 제3 피스톤(61)을 공용하게 된다.
사이클 유닛(S1, S2, S3)은, 열기관 유닛을 구성하고 있다.
이와 같이 인접하는 사이클 유닛 상호가 피스톤을 공용하여, 구조의 간소화를 도모하면서, 이 사이클을 엔진 사이클로서 사용하는 경우에는, 표준화된 모듈(modules)을 적당히 적층함으로써, 필요로 하는 출력을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 히트 펌프 사이클이나 냉동 사이클을 적당히 조합함으로써, 다양한 열원 및 출력 온도에 대응한 복합 사이클을 실현할 수 있다.
그리고, 도 5의 예에 있어서는, 사이클 유닛을 S1~S3의 3개로 하였으나, 이것을 또한 4-5개로 증가시켜도 된다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다. 제6 실시예는, 재생기(31), 흡열기(33) 및 방열기(35)로 이루어지는 열교환기 유닛(29)을, 열교환기 보디(67)에 수용하고 있다. 또, 열교환기 보디(67)의 상부의 개구부 주위둘레에 벨로우즈(69)의 하단 개구부 주위둘레를 장착하고, 열교환기 보디(67)의 하부의 개구부에 벨로우즈(71)의 상단 개구부를 장착하고 있다.
그리고, 벨로우즈(69)의 상부의 개구부 주위둘레는 제1 디스플레이서(370)의 외주 에지부에 장착되고, 벨로우즈(71)의 하부의 개구부 주위둘레는 제2 디스플레이서(390)의 외주 에지부에 장착되어 있다. 또, 제2 디스플레이서(390)의 하부에는 버퍼 공간(72)을 형성하는 하부 커버(undercover)(73)가 장착되어 있다. 하부 커버(73)에 대해, 피스톤 로드(55 및 57)가 밀봉을 유지하면서 관통되어 있다.
또한, 열교환기 보디(67)의 외주에는, 원통형의 지지 하우징(74)의 상단 내주부가 고정되고, 지지 하우징(74)의 하단에는 크랭크축(53)이 회전 가능하게 지지되어 있다.
이 예에서도, 제1 디스플레이서(370)와 제2 디스플레이서(390)는, 피스톤 로드(41)에 의해 서로 연결되어 있다. 따라서, 각 디스플레이서(370, 390)가 서로 일체로 되어 180°의 위상차로 왕복 이동된다. 또, 파워 피스톤(51)이 제2 디스플레이서(390)에 대해 90°의 위상차로 상대 이동하여 작동 가스 공간의 용적 변화를 발생하고, 이로써 각 디스플레이서(370, 390)는 실질적으로 180° 이외의 위상차로 왕복 이동하게 된다.
그리고, 이 경우, 열교환기 보디(67)와 각 디스플레이서(370, 390)는, 상하로 신축 가능한 벨로우즈(69, 71)로 연결되어 있으므로, 각 디스플레이서(370, 390)의 슬라이드 이동부가 불필요해지므로, 밀봉성을 고려할 필요도 없고, 보다 간소화된 구조로 된다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 관한 스털링 사이클의 단면도이다. 제7 실시예는, 제1 디스플레이서(75)에 설치된 실린더부(77)에 파워 피스톤(51)을 설정한 것이다. 파워 피스톤(51)에 일단이 연결되는 커넥팅 로드(79)는, 타단이 열교환기 유닛(29) 및 제2 디스플레이서(81)를 관통하여 크랭크축(53)에 연결되어 있다. 또, 제1 디스플레이서(75)에는, 버퍼 공간(82)을 형성하는 상부 커버(83)가 밀폐되어 장착되어 있다.
이 예에서도, 제1 디스플레이서(75)와 제2 디스플레이서(81)는, 피스톤 로 드(41)에 의해 서로 연결되어 있다. 따라서, 각 디스플레이서(75, 81)이 서로 일체로 되어 180°의 위상차로 왕복 이동된다. 또, 파워 피스톤(51)이 제1 디스플레이서(75)에 대해 90°의 위상차로 상대 이동하여 작동 가스 공간의 용적 변화를 발생하고, 이로써 고온 공간(45)과 저온 공간(47)은 실질적으로 180° 이외의 위상차로 용적 변화하게 된다.
그리고, 도 4에 나타낸 제4 실시예에 있어서도, 도 7의 예와 같이, 파워 피스톤(51)을 제1 디스플레이서(370)에 설치해도 된다. 또, 도 4에 나타낸 제4 실시예, 도 6에 나타낸 제6 실시예, 도 7에 나타낸 제7 실시예의 어느 것에 있어서도, 파워 피스톤(51)은, 제1 디스플레이서(370, 75)와 제2 디스플레이서(390, 81)의 양쪽에 설치해도 된다. 이 경우에는, 열교환 유닛(29)을 관통하는 연결 로드에 의해, 2개의 파워 피스톤(51) 상호를 연결하는 구성으로 한다. 즉, 2개의 파워 피스톤(51)은 동기하여 왕복 이동된다.
또한, 도 3에 나타낸 제3 실시예에 있어서는, 저온 공간(47) 측에 파워 피스톤(51)을 설치하는 대신에, 고온 공간(45)에 연통로를 통하여 실린더부를 설치하고, 상기 실린더부에 파워 피스톤(51)을 수용해도 되고, 저온 공간(47) 측과 고온 공간(45) 측의 양쪽에 파워 피스톤(51)을 설치하도록 해도 된다.
또, 도 5에 나타낸 제5 실시예에 있어서는, 파워 피스톤(51)을, 제2 디스플레이서(390)와 제4 피스톤(65)에 각각 설치하는 대신에, 제1 디스플레이서(370)와 제3 피스톤(61)에 각각 설치해도 되고, 또한 디스플레이서(370, 390), 피스톤(61, 65)의 모두에 파워 피스톤(51)을 설치해도 된다.
도 8은 제8 실시예를 나타낸다. 제8 실시예는, 도 4에 나타낸 제4 실시예에 대해, 제1 디스플레이서(370)에 컴프레서(229)를 연결하고 있다. 즉, 제1 디스플레이서(370)에, 피스톤 로드(231)를 통하여 피스톤(233)을 연결하고, 피스톤(233)을 컴프레서용 실린더부 (235) 내에 이동 가능하게 수용한다. 컴프레서용 실린더부(235)는 커버(23)에 고정되어 있다. 컴프레서용 실린더부(235)의 도 8중 상부에는, 밸브 기구(237)를 설치하고, 제1 디스플레이서(370)의 이동에 따른 피스톤(233)의 왕복 운동에 의해 컴프레서로서 기능한다.
이와 같이, 도 8에 나타낸 제8 실시예에서는, 열기관인 스털링 사이클과 컴프레서(229)를 일체 구조화하고 있다. 이로써, 양자를 별개로 한 경우와 비교해 적은 부품수로 컴프레서를 구동할 수 있고, 기계 손실을 최소한으로 억제한 시스템을 얻을 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은 실시예에 따라서 기재하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 각 부의 구성은, 마찬가지의 기능을 가지는 임의의 구성의 것으로 치환하는 것이 가능하다.
본 발명은 재생기를 통과하는 가스량을 많게 하고, 피스톤 힘을 작게 하고, 사공간도 작게 된다는 요건을 만족하는 열기관을 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 서로 상이한 온도 구역을 가지는 작동 가스가 유지된 고온 공간부 및 저온 공간부;
    상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에 설치된 재생기;
    상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부 각각에 대하여 상기 작동 가스의 용적 변화를 발생하며, 상기 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 2개의 파워 피스톤(power pistons); 및
    상기 작동 가스를 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에서 이동시키는 디스플레이서(displacer);
    를 구비하고,
    상기 재생기의 양쪽의 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 용적 변화와 상기 작동 가스의 이동을 이용하여 열과 동력의 변환을 행하는 것을 특징으로 하는 열기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 파워 피스톤은, 상기 재생기에 대향하는 수압면을 가지는 것을 특징으로 하는 열기관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부에 인접하여 설치되고, 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 각각에 연통되며, 상기 디스플레이서를 왕복운동 가능하게 수용하는 디스플레이서 수용부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 열기관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이서는, 서로 180°의 위상차로 운동하는 2개의 피스톤을 포함하고,
    상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 각각에 한개씩 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열기관.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2개의 파워 피스톤 중 어느 한쪽과, 상기 2개의 디스플레이서 중 어느 한쪽을 서로 일체화한 것을 특징으로 하는 열기관.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 파워 피스톤 중 어느 하나 다른 쪽과, 상기 2개의 디스플레이서 중 어느 하나 다른 쪽을, 상호간을 밀봉하면서 상대 이동 가능하게 설치한 것을 특징으로 하는 열기관.
  7. 서로 상이한 온도 구역을 가지는 작동 가스가 유지된 고온 공간부 및 저온 공간부;
    상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에 설치된 재생기;
    상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부의 어느 하나에 대해, 상기 작동 가스의 용적 변화를 발생하며, 상기 작동 가스의 압력 변화를 받아 동력을 전달하는 1개의 파워 피스톤;
    상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 각각에 한개씩 배치되고, 상기 작동 가스를 상기 고온 공간부와 상기 저온 공간부 사이에서 이동시키며, 상기 파워 피스톤보다 수압 면적이 큰 디스플레이서; 및
    상기 디스플레이서에 설치되고, 서로 180°의 위상차로 운동하는 2개의 피스톤;
    을 구비하고,
    상기 재생기의 양쪽의 상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부의 용적 변화와 상기 작동 가스의 이동을 이용하여 열과 동력의 변환을 행하는 것을 특징으로 하는 열기관.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이서 및 상기 파워 피스톤을 각각 구비한 하나의 열기관 유닛을, 그 배열 방향으로 복수개 적층하고, 인접하는 상기 열기관 유닛 상호간에, 각각의 상기 열기관 유닛 상호간에 공용하는 하나의 디스플레이서 또는 파워 피스톤 을 배치한 것을 특징으로 하는 열기관.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 디스플레이서 및 상기 파워 피스톤을 각각 구비한 하나의 열기관 유닛을, 그 배열 방향으로 복수개 적층하고, 인접하는 상기 열기관 유닛 상호간에, 각각의 상기 열기관 유닛 상호간에 공용하는 하나의 디스플레이서 또는 파워 피스톤을 배치한 것을 특징으로 하는 열기관.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 파워 피스톤과 상기 디스플레이서 중 적어도 한쪽에, 컴프레서(compressor)를 연결한 것을 특징으로 하는 열기관.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 파워 피스톤과 상기 디스플레이서 중 적어도 한쪽에, 컴프레서를 연결한 것을 특징으로 하는 열기관.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부 중 적어도 한쪽은, 상하로 신축 가능한 벨로우즈(bellows)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 고온 공간부 및 상기 저온 공간부 중 적어도 한쪽은, 상하로 신축 가능한 벨로우즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기관.
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