KR20080112362A - 작동 매체의 내부 플래시 기화를 포함하는 피스톤 증기 엔진 - Google Patents

작동 매체의 내부 플래시 기화를 포함하는 피스톤 증기 엔진 Download PDF

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KR20080112362A
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Abstract

플래시-기화(flash vapourisation)를 이용한 피스톤 증기 엔진이 제안된다. 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진은 간단하게 구성되고, 매우 양호한 엑서지 효율을 가지며, 다양한 작동 매체들을 서로 다른 온도에서 작동시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진에 있어서, 달성 가능한 출력 밀도는 매우 높다.
플래시 기화, 피스톤, 증기, 밸브, 작동 매체

Description

작동 매체의 내부 플래시 기화를 포함하는 피스톤 증기 엔진{PISTON STEAM ENGINE HAVING INTERNAL FLASH VAPOURISATION OF A WORKING MEDIUM}
본 발명은 피스톤 증기 엔진에 관한 것으로, 특히, 작동 매체의 내부 플래시 기화를 포함하는 피스톤 증기 엔진에 관한 것이다.
현재 사용되는 피스톤 증기 엔진은 증기 발생기에 의해 준비되는 증기를 이용하여 작동한다. 증기는 유입 밸브 및 배출 밸브에 의해 안내되어, 고압으로 실린더 공간에 도달하고, 상기 실린더 공간에서 피스톤을 이동시키는데, 상기 증기는 팽창(expand)되고, 이어서 피스톤에 의해 실린더 공간으로부터 배출된다.
피스톤 증기 엔진을 위해 필요한 증기 발생기는 대부분 열 교환기(heat exchanger)로 구성되는데, 상기 열 교환기내에서 예컨대 물과 같은 작동 매체(work medium)는 기화되기 위한 소기의 작동 압력(work pressure)을 받는다. 이때, 기화 공정을 위해 필요한 열은 예컨대 스모크 가스(smoke gas)와 같은 열 전달 매체(heat transfer medium)에 의해 준비된다. 반면, 증기 생성기 내에서 열 전달 매체는 작동 매체의 기화 온도 범위의 온도로 냉각된다.
다른 접근 방법으로는, 나사형 기계에서 소위 플래시 기화(flash vapourisation)를 구현하는 것도 시도되었다. 여기서, 도르트문트(Dortmund) 대학 의 카우더(Kauder) 교수의 논문들이 언급될 수 있다. 물론, 나사형 기계의 기본적인 단점들을 간과할 수 없다:
나사형 기계에서, 압축- 내지 팽창 비율은 약 4부터 최대 8까지이다. 상기 비율은 이하에서 수사인 부피비로도 언급된다. 반면, 피스톤 증기 엔진에서는 부피비가 100보다 크게 달성될 수 있다.
작동 매체와 나사형 기계의 벽부 사이의 대류성 열 교환은 매우 높은데, 그 이유는 완전히 형성된 2-상유동(two-phase flow)이 존재할 뿐만 아니라, 열 교환면이 매우 크기 때문이다.
나사형 기계의 체적 효율이 구성 방식에 따라 비교적 불량하고, 따라서, 피스톤 증기 엔진의 경우처럼 실링- 또는 피스톤링에 의해 누출(leakage) 손실을 줄일 수가 없다.
예컨대 종래의 피스톤 증기 엔진들, 유기-랜킨-사이클(organic-rankine-cycle)로 작동하는 ORC-기관들, 랜킨-기관들 또는 증기 터빈(steam turbine)과 같이 이미 공지되어 시장에서 통용되는 열 기관들에서도, 기존의 열 소스(heat source)로부터 기계적 동력(mechanical power)을 얻어내되, 특히 상기 열 소스가 예컨대 200℃와 같이 비교적 낮은 온도일 때 비교적 낮은 기계적 동력만을 얻는다.
열 전달 매체의 열에 포함되는 엑서지(exergy)를 최대한 활용하기 위해, 열 소스의 열 전달 매체는 가능한한 가역성(reversible) 공정에서 주변 온도(ambient temperatur)까지 냉각되어야 한다.
그러나, 일반적으로, 증기 발생기에서 공지된 열 기관에서, 열 소스의 열 전 달 매체는 기화- 내지 응축 온도에 가까운 온도에 이르기까지 냉각된다. 이때, 열 전달 매체는 예컨대 200℃에서 140℃로만 냉각되고, 주변 온도까지 냉각되지는 않는다. 특히, 열이 비교적 낮은 온도 레벨로만 준비되고, 상기 열의 작은 일부만 곧바로 기계적 에너지로 변환될 수 있는 경우, 열 소스의 열 전달 매체의 비교적 높은 마지막 온도 및 그에 동반되는 작은 엑서지 효율(exergetic efficiency)은 열 기관의 성능 및 경제성에 매우 부적합하게 작용한다.
또한, 상기에 언급된 많은 열 기관들에서는 부분적으로 유독성 또는 유해성 작동 수단이 사용된다.
본 발명의 과제는, 종래 기술에 개시된 열 기관들에 대해 상기 언급된 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 열 기관을 마련하는 것에 있다. 그 밖에도, 본 발명에 따른 열 기관을 이용하면 제공되는 열의 가능한한 많은 몫(share)이 기계적 일로 변환될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 특허 청구 범위 1항의 전제부에 따른 피스톤 증기 엔진에서 해결되는데, 피스톤이 상사점(top dead conter)(OT)의 영역에 있을 때, 작동 매체는 유체의 상태로 적어도 간접적으로 피스톤 증기 엔진의 작동 공간에 유입된다. 따라서, 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진에서는 작동 매체의 유체 상(fluid phase)과 증기 상태의 상이 분리될 수 있어서, 유체 상은 피스톤 증기 엔진의 벽부와 약간만 접촉하게 된다. 실험 배치에서, 예컨대 작업 공간 표면의 2%만이 작동 매체의 유체 상에 의해 습윤되었다. 이를 통해, 열 손실이 현저히 감소된다.
본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진에서, 압력을 받는 뜨거운 작동 매체는 유체 상태로 작동 공간에 직접적으로 또는 간접적으로 유입된다. 작동 매체가 피스톤 증기 엔진에 유입되면, 피스톤 증기 엔진에서 지배적인 압력 및 온도에 의해, 작동 매체가 기화되기 시작한다. 이 때 발생하는 증기압이 피스톤을 구동시킨다.
피스톤의 운동의 진행 시, 실린더 부피가 팽창하여, 다른 작동 매체도 기화될 수 있다. 기화 시, 작동 매체의 유체 부분은 냉각된다. 압력이 감소되면, 작동 매체에서 증기 상태 부분도 냉각된다. 이러한 과정에 의해, 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 효율, 특히 엑서지 효율 및 동력은 다른 열 기관들에 비해 현저히 증가된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 전 챔버(pre-chamber)가 구비되고, 상기 챔버는 작동 공간과 결합되며, 이 때 바람직하게는 작동 매체는 상기 전 챔버에 유입되고, 더욱 바람직하게는 원형에 가까운 경로를 따라 상기 전 챔버에 유입된다. 유체 상의 상기 원형에 가까운 경로는 원심력을 발생시키는데, 상기 경로는 높은 밀도로 인해 상기 유체 상을 바깥쪽으로 큰 방사형 방향으로 가속화한다. 작동 매체의 플래시 기화(flash vaporizing) 시 발생하는 증기는 유체 상보다 현저히 낮은 밀도를 가지고, 실린더 공간으로 유동할 수 있는데, 그 이유는 전 챔버와 작동 공간 사이의 연결부가 전 챔버의 중앙에서 상기 챔버에 연결되기 때문이다. 상기 방사형 가속화에 의해, 유체 상은 전 챔버로부터 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 매우 간단하면서 그와 동시에 효율적인 상 분리가 달성된다. 전 챔버의 부피는 가능한한 작아야 한다.
본 발명의 다른 형성예에서, 다수 개의 전 챔버들 및/또는 다수 개의 인젝터들(injectors)이 각 실린더에 구비되고, 이들은 모두 작동 공간과 결합되어 있다. 따라서, 작동 매체는, 작동 사이클 동안 작업 공간에서 지배적인 압력 및/또는 작동 공간에서 지배적인 온도 및/또는 피스톤의 위치에 따라 서로 다른 온도로 차례로 전 챔버 및/또는 작동 공간으로 유입될 수 있다. 이를 통해, 서로 다른 온도를 가진 작동 매체들은 혼합 공정에 의한 엑서지 손실없이 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진으로 연결될 수 있다.
다수 개의 주입 밸브들이 전 챔버 또는 작동 공간으로 차례로 주입하는 경우, 이미 사이클론(cyclone)에 존재하는 작동 매체는 주입 공정에 의해 기화되지 않거나, 분출된다는 점에 주의하여야 한다.
또한 대안적으로, 작동 매체는 완전히 또는 부분적으로 작동 공간에 직접적으로 유입될 수도 있다. 여기서, 유체 작동 매체는 주입 공정 시 분무되어, 작은 물방울의 형태로 작동 공간 내부 및 경우에 따라서 전 챔버 내부에도 분포될 수 있다. 상기 물방울과 작동 매체의 가스 상태의 상 사이에 마찰이 일어나, 물방울과 피스톤 증기 엔진의 표면들이 직접 접촉하는 것이 방지된다. 이를 통해, 물방울과 피스톤 증기 엔진의 표면들 사이에서 예기치 않은 열 교환은 현저히 줄어든다.
인젝터들로는, 종래의 오토(Otto)- 또는 디젤 내연 기관의 연료 분사 시스템에 사용되는 것과 같은 인젝터들이 사용될 수 있다. 물론, 이러한 통상적인 인젝터들을 특정한 사용 조건, 특히 부분적으로 매우 높은 온도 및 부식성 작동 매체와 같은 사용 조건에 맞추는 일은 필요할 수 있다.
열 전달 매체가 약 200℃ 내지 350℃의 온도를 가지면, 물이 매우 적합한 것으로 확인되었다.
열 또는 손실열(heat loss)이 약 150℃ 내지 200℃의 온도로 제공된다면, 메탄올이 매우 적합한 것으로 확인되었다.
열 또는 손실열이 약 100℃ 내지 150℃의 온도로 제공된다면, 펜탄이 매우 적합한 것을 확인되었다.
열 또는 손실열이 약 100℃의 온도로 제공된다면, R134a가 매우 적합한 것으로 확인되었다.
또한, 유체 작동 매체와 접촉하는 피스톤 증기 엔진의 면들은 내부 및/또는 외부의 단열부를 구비하는 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
내부 단열부는, 냉각되는 유체 작동 매체가 사이클론 벽 또는 피스톤 증기 엔진의 다른 면들로부터 대류성 열을 수용하는 것을 방지하기 위해, 매우 중요하다. 작동 공간 내지 사이클론-내벽에 배치되는 이러한 단열성 코팅은 예컨대 테플론, 에나멜 또는 세라믹 소재일 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 작동 매체와 접촉하는 피스톤 증기 엔진의 면들은, 작동 매체가 상기 면들에서 응축되는 것을 효과적으로 방지하기 위해, 습율될 수 있다. 플래시 공정에 의해 가스 상태의 상이 발생하는 경우, 상기 가스 상태의 상에 연결되는 기계 부품들은 소정의 온도를 가지되, 그 시점의 기압에서 작동 매체의 응축 온도보다 높은 온도를 가진다. 부품들의 표면들이 더 차갑다면, 생성되는 가스 상태의 상의 일부는 상기 표면들에서 갑작스럽게 응축될 것이고, 상기 응축된 상은 더이상 피스톤의 구동을 위해 준비되지 않아, 기계의 동력 및 효율이 떨어질 것이다.
본 발명의 다른 장점들 및 바람직한 형성예들은 도면, 그에 대한 기재 및 특허 청구 범위들에서 확인할 수 있다. 본 발명에 있어서, 모든 명백한 특징들은 개별적으로 및 상호간에 조합될 수 있다는 점이 중요하다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 실시예들을 도시하되, 사이클론(cyclone)을 포함하여 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 전 챔버를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 일 실시예를 도시하되, 작동 공간에 주입되는 인젝터를 포함하여 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 일 실시예의 구조를 예시적으로 도시하며, 상기 피스톤 증기 엔진은 전 챔버(13), 피스톤(3), 실린더(5), 피스톤 로드(piston rod)(7) 및 크랭크 축(crank shaft)(9)을 포함하며, 도시되지 않은 생성기와 결합되어 있을 수 있다.
피스톤(3) 및 실린더(5)는 작동 공간(11)을 한정한다. 전 챔버(13)는 작동 공간(11)과 결합된다. 전 챔버(13)에는 작동 매체를 위한 유입부(15) 및 배출부(17)가 연결된다. 작동 매체를 위한 배출부(17)는 작동 공간(11)에 직접 연결될 수 있다(미도시).
유체 작동 매체를 위한 유입부(15)에는 스위칭이 가능한(switschable) 유입 밸브(19)가 배치된다. 상기 유입 밸브는 인젝터로도 형성될 수 있는데, 이러한 유입 밸브를 이용하여 유체 작동 매체는 전 챔버(13)에 주입될 수 있다. 상기 주입은, 바람직하게는, 피스톤(3)이 상사점(OT)의 영역에 있는 경우 이루어진다.
주입 시점에서 전 챔버(13)내의 압력이 유입부(15)에서의 작동 매체의 압력 보다 낮으므로, 작동 매체가 주입된 직후 소위 플래시-기화가 상기 전 챔버(13)에서 시작된다. 이어서, 전 챔버(13) 및 상기 전 챔버(13)와 결합된 작동 공간(11)에서의 압력이 상승하여, 피스톤(3)은 하사점(UT)의 방향으로 이동하고, 이 때 크랭크 축이 작동하기 시작한다.
피스톤(3)이 하사점(UT)의 영역에 있을 때, 작동 매체를 위해 배출부(17)에 구비되는 스위칭 가능한 배출 밸브(21)가 개방되고, 피스톤(3)은 그의 다음 동작 시 상사점(OT)의 방향으로 잔여 유체 상 및 증기 상태로 된 작동 매체를 밀어내어, 작동 공간(11)으로부터 밀어낸다.
특히, 배출부(17)는 전 챔버(13)에 남아있는 유체 상을 배출하는 역할을 한다. 배출부(17)에 의해, 증기 상태가 된 작동 매체도 배출될 수 있다. 또한 대안적으로, 작동 공간(11)에 추가적인 증기 밸브(22)가 구비되고, 상기 밸브가 증기 상태로 된 작동 매체를 배출하는 역할을 할 수도 있다. 증기 밸브(22)는 포핏 밸브(poppet valve)로서 형성될 수 있고, 캠축(cam shaft)(미도시)에 의해 내연 기관의 가스 교환 밸브와 유사하게 형성되어 작동할 수 있다.
작동 매체가 폐쇄형 회로에서 안내된다면, 작동 매체를 위한 배출부(17.1)는 콘덴서(23)에 연결된다. 증기 밸브(22)에 의해 배출된 작동 매체는 배출부(17.3)를 통과하여 콘덴서(23)로 안내될 수 있다. 이 지점에서, 작동 매체는 다시 액화되고, 이어서 펌프(25)에 의해 열 교환기(27)로 이송된다. 이 지점으로부터, 작동 매체는 유입부(15)를 지나 다시 전 챔버(13)에 도달한다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 구조를 도시하는데, 상기 피스톤 증기 엔진은 두 개의 전 챔버들(13.1, 13.2) 및 작동 매체를 위한 두 개의 유입부들(15.1, 15.2)을 포함한다. 유입부들(15.1, 15.2)에는 두 개의 스위칭 가능한 유입 밸브들(19.1, 19.2)이 배치된다.
피스톤 증기 엔진의 나머지 부품들 및 그 주변부는, 여기서 참조로서 인용하는 도 1에 따른 일 실시예에서와 같이 형성될 수 있다.
제1 유입부(15.1)에 존재하는 작동 매체는 제2 유입부(15.2)에 존재하는 작동 매체보다 더 높은 온도를 가진다. 먼저, 제1 유입부(15.1)에 존재하는 작동 매체의 소정의 양이 제1 전 챔버(13.1)에 유입된다. 이 지점에서, 상기 작동 매체는 기화되고, 피스톤(3)이 작동하기 시작한다. 이 때 작동 공간(11) 및 전 챔버들(13.1, 13.2)에 있는 작동 매체의 압력 및 온도가 감소된다. 작동 공간(11) 및 전 챔버들(13.1, 13.2)에 있는 작동 매체의 온도가 제2 유입부(15.2)에 있는 작동 매체의 온도에 가까워지면, 여전히 피스톤(3)의 동일한 작동 허브에서 작동 매체는 제2 유입부(15.2)로부터 상기 제2 유입 밸브(19.2)의 단시간 개방에 의해 제2 전 챔버(13.2)에 유입된다. 이러한 작동 매체도 전 챔버(15.2)에 유입된 직후 기화되 어 피스톤(3)이 작동하기 시작한다.
본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 상기 실시예를 이용하여, 제2 온도 레벨로 마련되는 열이 효율적으로 사용될 수 있다. 따라서, 예컨대 내연 기관의 손실열은 이상적으로 활용될 수 있는데, 그 이유는 내연 기관일 경우 200℃보다 높은 온도에서는 배기 가스가 발생하고, 반면 냉각제 열 및 오일은 약 120℃의 온도를 가지기 때문이다. 작동 매체를 두 개의 서로 다른 온도 레벨로 하기 위해서는, 배기 가스의 손실열로 구동되는 제1 열교환기(미도시) 및 냉각수와 오일의 손실열로 가열되는 제2 열교환기(미도시)가 필요하다.
우선, 200℃의 온도의 따듯한 작동 매체를 주입시킨다. 상기 작동 매체가 120℃로 냉각되면, 약 120℃의 온도의 뜨거운 작동 매체가 주입된다. 연소 열과 관련하는 연소 모터의 효율은 상기 제공된 피스톤 증기 엔진을 이용하여 약 10%만큼 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 증기 엔진은 2사이클-원리에 따라 작동된다. 즉 흡입 사이클 및 압축 사이클이다: 피스톤의 상사점(OT)의 영역에서 단일 또는 다수 개의 배출 밸브(21)가 닫히고, 따라서 작동 매체는 유입 밸브(19)를 통과하여 주입된다. 상기에 기재된 바와 같이, 작동 매체의 일부는, 피스톤(3)이 상사점(OT)으로부터 하사점(UT)으로 가는 도중에 기화된다. 하사점(UT)의 영역에서 배출 밸브(21)가 개방된다. 피스톤(3)이 하사점(UT)으로부터 상사점(OT)으로 가는 도중에 잔여의 유체 상 및 발생된 가스 상태의 상은 배출 밸브(21)에 의해 배출된다. 이 때 유체 및 가스 상태의 상은 동일한 배출 밸브(21)를 통과하거나, 별도의 밸브들이 구비될 수 있 다.
본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진에서 뜨거운 유체 상태의 작동 매체는 압력에 의해 피스톤 증기 엔진의 전 챔버로 주입된다. 작동 매체는 무해한 물일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진을 위한 전 챔버(13)의 구조를 도시한다. 전 챔버(13)는 사이클론 분리기(cyclone separator)와 유사하게 구성된다. 유입부(15), 배출부(17) 및 밸브들(19, 21)이 도시된다.
유체 작동 수단은 실질적으로 접선으로(tangential) 전 챔버(13)에 유입되고, 방사형으로 외부에 위치한 원형 경로(circular path)를 따라 이동한다. 플래시-기화 시 발생하는 증기는 상기 증기의 작은 밀도에 의해 전 챔버(13)의 중앙으로 밀려들어와서, 유체 및 증기 상태의 작동 매체가 전 챔버(13)내에서 분리되기 시작한다. 전 챔버(13)의 중앙에는 작동 공간(11)에 연결되는 연결부(29)가 배치된다. 상기 연결부(29)에 의해, 증기 상태의 작동 매체는 전 챔버로부터 작동 공간(11)으로 도달한다.
전 챔버(13)가 연결부(29) 및 도 3에 도시되지 않은 작동 공간(11)의 하부에 배치된다면, 유체 및 증기 상태의 상의 분리가 중력에 의해 추가적으로 지지될 수 있다.
발생하는 증기가 작동 공간의 표면들에 응축되지 않도록 하기 위해, 피스톤(3), 실린더(5) 및 전 챔버(13)에서 그와 관련되는 표면들이 가열되고 및/또는 단열성으로 형성되어야 한다. 가열된 면들의 열이 작동 매체의 유체 상에 전달되지 않도록 하기 위해, 두 개의 대안적인 처리들이 적합할 수 있다.
전 챔버(13)는, 주입되는 작동 매체의 유체 상이 원형 경로를 따라 안정적으로 이동할 수 있도록 기하학적으로 형성된다. 이러한 경우, 전 챔버(13)는 사이클론으로서 표시된다. 원형 경로를 따라 발생하는 원심력에 의해, 발생하는 증기가 피스톤 증기 엔진의 실린더 공간으로 새나갈 수 있고, 유체 열 전달 매체는 상기 원형 경로에 잔류한다. 상기 증기에는 작은 밀도로 인해 작은 원심력이 작용하고, 상기 열 전달 매체에는 큰 밀도로 인해 큰 원심력이 작용한다. 실험들에서, 기화 공정 시 이러한 방식으로 상 분리가 달성된다는 것이 확인되었다.
산출물에서 확인된 것은, 유체 작동 매체의 회전 속도는 전 챔버(13)의 벽에서 발생하는 상기 유체의 마찰에도 불구하고 상 분리되기에 충분한 레벨로 유지되며, 사이클론 벽과 유체 작동 매체의 열 교환은, 기계를 적합하게 치수 결정하고 전 챔버 벽부를 적합하게 코팅하면, 현저한 공정의 저하를 야기하지 않는다는 것이다.
또한, 실험들에서, 상 분리에 의해, 플래시 기화 시 유체 상은 사이클론에 잔류하는 반면 증기 상태의 상은 실린더 공간으로 새나간다는 점이, 증명될 수 있다.
그 밖에도, 전 챔버(13)의 벽에서의 유체 상의 대류는 중요하지 않다는 것이 증명될 수 있었다. 실험에서, 플래시 공정 이후 실질적으로 산출된 양은 유체 상으로 존재한다. 대류는 실질적으로 추가적인 기화를 유도하지 않는다.
결국, 실험에서, 플래시 공정은 전 챔버(13) 내지 작동 공간(11)에서 매우 높은 속도로 진행되며, 이러한 점은 기계의 가동성에 매우 중요하다는 점이 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 전 챔버(13)는 생략되고, 유체 작동 매체는 작동 공간(11)에 직접 주입된다. 이러한 점은, 종래 기술에 개시된 인젝터를 이용하여 이루어질 수 있다.
주입 공정 시, 작동 매체는 작은 물방울로 분무되는데, 이는 내연 기관의 연소 공간에서 디젤-연료가 주입될 때와 유사하다. 상기 물방울들은 마찰에 의해 가스 상태로 부유한다. 이러한 방식으로, 상기 물방울들은 뜨거운 표면들을 근소한 범위로만 접촉할 수 있고, 유체 상과 뜨거운 표면 사이의 열 교환은 낮게 유지된다.
본 발명에 따른 피스톤 증기 엔진을 이용하면, 기존의 열 소스를 사용할 때, ORC 또는 칼리나(kalina) 공정이 구현되는 종래의 기계들에 비해 약 두 배의 기계적인 동력을 얻을 수 있다. 또한, ORC-공정 및 칼리나 공정에 비해, 예컨대 물과 같은 무해한 작동 수단이 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 실린더(5)와, 작동 공간(11)과, 적어도 하나의 유입 밸브(19)와, 그리고 적어도 하나의 배출 밸브(21)를 포함하고, 이때, 상기 적어도 하나의 실린더(5)에는 피스톤(3)이 왕복하고, 상기 작동 공간(11)은 상기 실린더(5) 및 상기 피스톤(3)에 의해 한정되고, 상기 적어도 하나의 유입 밸브(19)에 의해 작동 매체가 상기 작동 공간(11)으로 안내될 수 있고, 상기 적어도 하나의 배출 밸브(21)에 의해 상기 작동 매체가 상기 작동 공간(11)으로부터 안내될 수 있는 피스톤 증기 엔진에 있어서, 상기 피스톤 증기 엔진에 있어서,
    상기 피스톤(3)이 상사점(OT)의 영역 또는 작동 사이클에 존재할 때, 상기 작동 매체는 유체 상태로 적어도 간접적으로 상기 작동 공간(11)에 유입되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 전 챔버(pre-chamber)(13)가 구비되고, 상기 작동 공간(11) 및 상기 전 챔버(13)는 상호 간에 연결(29)되어 있으며, 상기 작동 매체는 유체 상태로 상기 전 챔버(13)에 유입되어, 상기 작동 매체의 유체 상이 대부분 상기 전 챔버(13)에 남아있는 반면, 상기 작동 매체의 증기 상태의 상은 상기 작동 공간(11)으로 유동하는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 작동 매체는 상기 전 챔버(13)에 실질적으로 접선으로(tangential) 유입되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 작동 공간(11)과 상기 전 챔버(13) 사이의 연결부(29)는 상기 전 챔버(13)의 중앙에서 상기 전 챔버에 연결되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    다수 개의 전 챔버들(13.1, 13.2)은 실린더(5)내에 배치되고, 상기 전 챔버들(13.1, 13.2)은 상기 작동 공간(11)과 결합되며, 상기 작동 매체는 상기 작동 공간(11)에 지배적인 압력 및/또는 상기 작동 공간(11)에 지배적인 온도에 의존하여 서로 다른 온도로 상기 전 챔버들(13.1 또는 13.2) 또는 상기 작동 공간(11)에 차례로 유입되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    다수 개의 유입 밸브들(19.1, 19.2)은 각 실린더(5)에 구비되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 다른 상기 유입 밸브들 또는 인젝터들(injectors)(19.1, 19.2)로부터 주입된 유체 작동 매체는 서로 다른 온도를 가지고, 서로 다른 인젝터들(19)로부터 주입된 유체 작동 매체는 가장 따듯한 작동 매체로부터 가장 차가운 작동 매체의 순서로 주입되며, 이미 상기 전 챔버(13) 또는 상기 작동 공간(11)에 존재하는 작동 매체가 두번째로 차가운 작동 매체의 온도에 도달하면, 각각 그 다음 차례의 작동 매체가 주입되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 작동 매체는 인젝터(19)를 이용하여 상기 작동 공간(11) 또는 상기 적어도 하나의 전 챔버(13)로 주입되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 작동 매체는 주입 공정 시 작은 유체 방울로 분무되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 매체로는, 물, 메탄올, 펜탄 및/또는 R134a가 사용되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더(5), 상기 피스톤(3) 및/또는 상기 적어도 하나의 전 챔버(13)는 내부 및/또는 외부가 단열되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  12. 청구항 11에 있어서,
    바람직하게는, 상기 내부 단열은 테플론, 에나멜 및/또는 세라믹 소재인 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더(5), 상기 피스톤(3) 및/또는 상기 적어도 하나의 전 챔버(13)는 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    증기 밸브(22)가 구비되고, 상기 증기 밸브(22)를 이용하여 증기 상태의 작동 매체는 상기 작동 공간으로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 또는 다수 개의 상기 배출 밸브(21) 및 상기 증기 밸브(22)는 상사점(OT)의 영역에서 닫히고, 이어서, 유체 작동 매체가 상기 전 챔버(13) 또는 상기 작동 공간(11)으로 유입되고, 단일 또는 다수 개의 상기 배출 밸브(21)는 하사점(UT)의 영역에서 개방되는 것을 특징으로 하는 피스톤 증기 엔진.
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