KR20110085587A - 진공엔진 - Google Patents

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KR20110085587A
KR20110085587A KR1020100005454A KR20100005454A KR20110085587A KR 20110085587 A KR20110085587 A KR 20110085587A KR 1020100005454 A KR1020100005454 A KR 1020100005454A KR 20100005454 A KR20100005454 A KR 20100005454A KR 20110085587 A KR20110085587 A KR 20110085587A
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KR1020100005454A
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신우재
신홍섭
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신우재
신홍섭
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    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
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Abstract

본 발명은 진공엔진에 관한 것으로서, 내부가 진공상태이며, 하측에 작동유체가 수용되는 진공용기와, 상기 진공용기의 상하부를 각각 저온부와 고온부로 만드는 열펌핑부, 및 상기 진공용기의 내부에 설치되는 터빈러너를 포함하여, 상기 작동유체가 고온부의 열에너지에 의해 증발 상승하면서 상기 터빈러너를 회전시킨 후 저온부에서 응축되어 고온부로 순환되는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 진공과 성적계수가 큰 열펌핑 원리를 이용함으로써 효율을 대폭 개선할 수 있음과 함께, 취급상의 높은 안정성, 설비규모의 소형화, 운전관리의 편리성을 담보할 수 있어 매우 경제적이며, 또한 화석연료를 사용하지 않음과 함께 대기중의 열에너지, 지열, 태양열 등 다양한 열원을 이용할 수 있어 매우 친환경적인 효과가 있다.

Description

진공엔진 {Vacuum Engine}
본 발명은 진공엔진에 관한 것으로서, 진공과 열펌핑을 이용하여 성능이 매우 우수하면서 친환경적인 진공엔진에 관한 것이다.
일반적으로 동력발생장치의 종류로는 물의 낙차를 이용하여 발전을 하는 수력터빈과 열을 이용하여 발전을 하는 화력 증기터빈 등이 있다.
이 중 화력 증기터빈은 석유, 석탄, 가스 등과 같은 연료의 연소에 의한 열에너지를 운동에너지로 바꾸고, 다시 발전기를 회전시켜 전기에너지로 변환시키는 일을 하는 장치로서, 그 종류가 다양한데, 특히 보일러와 증기터빈을 사용하는 발전을 기력발전(汽力發電)이라 한다.
상기 기력발전(汽力發電)은 연료를 연소하여 얻어지는 열에너지를 보일러에서 물에 전하여 고온 고압의 증기로 바꾸고, 이 증기는 발전기의 증기터빈으로 유도되어 그 내부에서 팽창하면서 터빈의 러너(회전날개)에 회전력을 주어, 열에너지를 기계적 운동에너지로 변환시켜 회수한다.
기존 보일러 시스템을 간단히 설명하면, 증기는 팽창 후 저온열원인 냉각수가 순환하는 냉각장치에 의해서 저온 저압이 되어 터빈을 나와서 복수기속에서 물로 응축되는데, 이 응축된 물을 복수라 하고 복수는 다시 압축기로 가압되어 고압상태로 보일러로 보내지게 되는 것으로서, 물은 보일러와 증기터빈 사이를 순환하여 열의 흡수와 방출을 하는 열사이클을 구성하게 되는 것이며, 이같이 가열- 팽창 - 응축 - 승압을 하는 열사이클을 랭킨사이클이라 한다.
동력을 발생시키는 또 다른 종래 기술의 간단한 예를 든다면 자동차나 선박에 사용되는 엔진을 예로 들 수 있는데 대표적 사이클로서 흡입 - 압축 - 폭발 - 배기의 행정을 가지며 폭발은 연료의 연소에 의해 발생되는 고압을 동력으로 사용하는 기술이다.
상기 예로 들은 종래기술들은 모두 고압을 이용하는 것으로서 열효율이 40 ～ 50 % 정도밖에 되지 않아 그 효율이 낮으며, 모두 화석연료를 사용함으로써 환경적, 경제적 손실과 함께 화석연료의 고갈로 인한 심각한 문제점을 가지고 있는 공통점이 있다.
이에, 효율을 증대시키기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있는 바, 화력발전소에서 사용되는 터빈엔진을 예로 들면, 화력발전소에 사용되는 터빈엔진의 효율을 증대시키기 위해서는 증기의 압력과 온도가 높을수록 유리한데 이를 기술적인 측면에서 보면, 증기의 운동속도를 높이기 위함으로 운동에너지는 유체질량과 속도의 제곱에 비례하는바, 통상적으로 대한민국을 비롯한 선진 각 나라들은 고압, 고온을 통해 유체의 운동속도를 높이기 위한 노력을 기울이고 있는 실정이다.
참고로 대한민국 당진화력발전소 5, 6호기 터빈엔진에 사용되는 증기 압력과 온도는 초임계압 246Kg/㎠, 593℃(임계압, 임계온도 225Kg/㎠, 374℃)이다.
이렇게 현재까지의 동력발생장치는 주로 대기압 대비 높은 압력을 이용하는 기술만을 채택해 왔는 바, 이로 인하여 동력발생을 위한 설비규모가 대형화되고, 운전관리가 복잡하며 안전성의 문제 등이 또한 발생하고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 진공과 열펌핑을 이용함으로써 매우 경제적임과 함께 친환경적인 진공엔진을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 과제해결수단으로서,
내부가 진공상태이며, 하측에 작동유체가 수용되는 진공용기와, 상기 진공용기의 상하부를 각각 저온부와 고온부로 만드는 열펌핑부, 및 상기 진공용기의 내부에 설치되는 터빈러너를 포함하여, 상기 작동유체가 고온부의 열에너지에 의해 증발 상승하면서 상기 터빈러너를 회전시킨 후 저온부에서 응축되어 고온부로 순환되는 것을 특징으로 하는 진공엔진이 개시된다.
여기서, 상기 열펌핑부는, 냉매가 순환되는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기로 이루어진 냉동사이클로 구성되되, 상기 증발기는 상기 진공용기의 상측에 위치되어 열에너지를 흡수함으로써 진공용기의 상부를 저온부로 만듦과 함께 상기 응축기는 상기 진공용기의 하측에 위치되어 상기 열에너지를 방출함으로써 진공용기의 하부를 고온부로 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열펌핑부는, 상기 증발기와 병렬로 연결되면서 외부의 소정 열에너지를 흡수하는 외부증발기를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 진공용기의 내부 터빈러너의 하측에는 증발 상승하는 작동유체를 상기 터빈러너에 고속으로 안내하는 가이드노즐이 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 진공용기의 내벽면에는 저온부에서 응축된 작동유체가 고온부로 원활하게 하향 순환되게 하는 모세관 구조의 윅(WICK)이 더 설치될 수 있다.
또한, 상부의 저온부를 제외한 진공용기의 외벽면에는 보온단열재가 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 고온부와 저온부는 알루미늄 재질이고, 상기 고온부와 저온부를 제외한 진공용기의 나머지 부분은 스테인레스 재질로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 터빈러너의 회전동력을 진공용기의 외부로 전달하는 동력전달부를 더 포함할 수 있으며, 이러한 동력전달부는 상기 진공용기의 내부에 설치되어 터빈러너의 회전에 따라 함께 회전되는 구동 마그네틱휠과, 상기 진공용기의 외부에 설치되며, 상기 내부 마그네틱 휠의 회전에 따른 자력변화에 의해 비접촉 회전되는 피동 마그네틱휠, 및 상기 피동 마그네틱 휠에 연동 회전하는 동력전달축을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 진공엔진은,
진공과 성적계수가 큰 열펌핑 원리를 이용함으로써 효율을 대폭 개선할 수 있으며, 취급상의 높은 안정성, 설비규모의 소형화, 운전관리의 편리성을 담보할 수 있어 매우 경제적인 효과가 있다.
또한, 화석연료를 사용하지 않기 때문에 매우 친환경적인 효과가 있다.
또한, 대기중의 열에너지, 지열, 태양열 등 다양한 열원을 이용할 수 있어 경제적임과 함께 친환경적인 효과가 있다.
아울러, 상기한 바와 같이 구체적으로 명시한 효과 이외에 본 발명의 특징적인 구성으로부터 용이하게 도출되고 기대될 수 있는 특유한 효과 또한 본 발명의 효과에 포함될 수 있음을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진공엔진의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력전달부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예를 설명하는 데 있어서, 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진공엔진을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 동력전달부의 일 예를 나타낸 도면으로서, 상기한 도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진공엔진은 진공용기(100)와, 열펌핑부(200)와, 터빈러너(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 진공용기(100)는 내부가 밀폐된 중공의 용기로서, 다양한 형상을 가질 수 있는데, 가능하면 원통형의 형상을 가짐이 바람직하며, 그 상단과 하단은 압력차에 의한 응력집중을 방지할 수 있도록 도 1에 도시된 것처럼 모두 각이 진 부분이 없는 라운드 형상을 가짐이 바람직하다.
상기 진공용기(100)는 그 상부와 하부에 온도차가 발생하는데, 구체적으로 그 하부는 온도가 높은 고온부(110)가 되고 상부는 온도가 낮은 저온부(120)로 된다. 이러한 진공용기(100)의 상하부 온도차는 후술할 열펌핑부(200)의 열에너지 흡수-방출 사이클을 통해 이루어지게 된다.
또한, 상기 진공용기(100)의 내부는 진공상태를 유지하며, 그 내부 하측에는 작동유체(130)가 수용된다.
여기서, 상기 진공용기(100)의 내부를 진공상태로 유지하기 위하여 진공유지수단(140)이 구비될 수 있다.
이러한 진공유지수단(140)은 일 예로서, 상기 진공용기(100)의 일측에 공기배출구(141)를 형성시키고, 상기 공기배출구(141)와 진공펌프(142)를 연결시키며, 공기배출구(141)와 진공펌프(142) 사이에 개폐를 위한 작동밸브(143) 및 진공도를 감지하는 진공센서(144)를 설치하여 구성할 수 있으며, 상기 진공펌프(142)의 구동이나 작동밸브(143)의 개폐 작동은 상기 진공센서(144)의 감지신호에 의해 자동으로 이루어지도록 할 수 있다.
상기 작동유체(130)는 상기 진공용기(100)의 고온부(110)에서 열에너지를 흡수하여 증발하고 저온부(120)에서 열에너지를 방출하면서 응축하는 과정을 반복하면서 후술할 터빈러너(300)에 기계적 에너지를 전달하는 것으로서, 이러한 작동유체(130)로는 열에너지의 흡수와 방출을 통해 쉽게 증발-응축이 되도록 분자질량이 큰 액체가 사용될 수 있는데, 예를 들면, 통상적인 히트-파이프에 주로 사용되는 물(water), 메탄올(methanol), 암모니아(ammonia) 등이 될 수 있다.
그리고, 상기 진공용기(100)의 내벽면에는 상기 저온부(120)에서 응축된 작동유체(130)가 하측의 고온부(110)로 원활하게 하향 순환되게 하는 모세관 구조의 윅(WICK, 150)이 설치될 수 있다.
여기서, 상기 윅(150)은 액체의 표면 장력에 의한 모세관 현상을 이용하여 응축부에서 증발부로 액체 상태의 작동유체를 되돌려 보내는 모세관 구조물로서, 보통 메쉬(mesh) 또는 그루브(groove)의 형상을 갖는 히트-파이프의 핵심 구성부분인 바, 당해기술분야에서 주지된 것이므로 이에 대한 보다 상세한 구조 및 작용에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 진공용기(100)의 고온부(110)와 저온부(120)는 직접적으로 열에너지가 전달되므로 열전달율이 매우 높은 알루미늄(Aluminium)과 같은 재질로 이루어짐과 함께 진공용기(100)의 나머지 부분은 상기 작동유체(130)와 반응시 화학적 부식이 일어나지 않도록 스테인레스(Stainless)와 같은 재질로 이루어짐이 바람직하며, 그 내부 표면은 응축되는 작동유체(130)의 고착을 방지하고 흐름성이 좋도록 메탈코딩처리 등의 방법을 통해 고도의 표면 고르기(매끄러운 정도)를 갖도록 함이 바람직하다.
그리고 상기 진공용기(100)의 외벽면에는 상부의 저온부(120)를 제외한 나머지 부분에 보온단열재(160)가 더 설치되어 열에너지가 불필요하게 소모되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 미 설명부호 170은 후술할 증발기(240)의 열에너지 흡수를 도와주는 와류팬이다.
상기 열펌핑부(200)는 열에너지의 흡수-방출을 통해 상기 진공용기(100)에 온도차를 생성시켜 상기 작동유체(130)의 증발-응축이 이루어질 수 있도록 하는 부분으로서, 구체적으로 상기 열펌핑부(200)는 상기 진공용기(100)의 상부에서 열에너지를 흡수하고 하부에서 열에너지를 방출하여 진공용기(100)의 상부를 저온부(120)로, 진공용기(100)의 하부를 고온부(110)로 만들어주게 된다.
이러한 기능을 하는 상기 열펌핑부(200)는 통상적인 냉동사이클과 같이 냉매가 순환되는 압축기(210), 응축기(220), 팽창밸브(230), 증발기(240)로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 응축기(220)는 상기 진공용기(100)의 하측에 위치되어 열에너지를 방출함으로써 진공용기(100)의 하부를 고온부(110)로 만들어주며, 상기 증발기(240)는 상기 진공용기(100)의 상측에 위치되어 열에너지를 흡수함으로써 상기 진공용기(100)의 상부를 저온부(120)로 만들어주게 된다.
또한, 상기 열펌핑부(200)는 상기 진공용기(100)의 상측에 설치되어 열에너지를 흡수하는 상기 증발기(240) 외에 상기 증발기(240)와 병렬로 연결되면서 외부의 소정 열에너지를 흡수하는 외부증발기(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 외부증발기(250)는 제한없이 열원이 있는 다양한 곳에 설치될 수 있으며, 대기중의 열에너지, 지열, 태양열, 폐열 등 다양한 열원으로부터 열에너지를 흡수하여 본 발명에 따른 진공엔진에 열에너지를 공급하게 되는 것이다.
상기 터빈러너(300)는 회전동력을 생성하는 부분으로서, 상기 진공용기(100)의 내부에 설치된다.
상기 터번러너(300)는 마찰손실을 줄일 수 있는 마그네틱 저어널베어링(330)에 의해 회전 가능하게 지지된 회전축(320)과, 상기 회전축(320)을 중심으로 방사상으로 구비된 다수의 회전날개(310)로 이루어질 수 있다.
이러한 터빈러너(300)는 상기 고온부(110)의 열에 의해 증발하여 상승 운동하는 상기 작동유체(130)에 의해 회전되면서 작동유체(130)의 운동에너지를 기계적인 회전동력으로 변환시키게 되는데, 증발된 작동유체(130)의 운동에너지가 상기 터빈러너(300)에서 회전동력으로 보다 유효하게 변환되도록 상기 터빈러너(300)의 하측에는 가이드노즐(340)이 설치될 수 있다.
상기 가이드노즐(340)은 상기 터빈러너(300)의 회전날개(310) 끝단부와 대응하는 위치에 형성된 좁은 노즐구(341)를 가짐으로써 증발된 작동유체(130)를 터빈러너(300)의 회전날개(310)에 보다 고속으로 안내하게 되며, 그에 따라 작동유체(130)의 운동에너지가 보다 큰 회전동력으로 변환될 수 있도록 작용을 하게 된다.
한편, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 진공엔진은 동력전달부(400)를 더 포함하여 이루어질 수 있는데, 상기 동력전달부(400)는 상기 터빈러너(300)의 회전동력을 진공용기(100)의 외부로 전달하기 위한 구성부분이다.
이러한 동력전달부(400)는 동력을 전달하는 기능을 수행하는 바, 당해기술분야에서 주지, 공지된 동력전달을 위한 다양한 구성들이 채택될 수 있는데, 그 중 바람직한 일 실시예로서 진공용기(100)의 밀폐성을 고려하여 자력에 의해 비접촉으로 동력을 전달할 수 있는 방식을 채택할 수 있다.
이에, 상기 동력전달부(400)는 구동 마그네틱휠(410)과, 피동 마그네틱휠(420), 및 동력전달축(430)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 구동 마그네틱휠(410)은 상기 터빈러너(300)의 회전축(320)과 결합되어 상기 회전축(320)의 회전에 연동 회전이 되도록 상기 진공용기(100)의 내부에 설치되며, 원주를 따라 S극과 N극의 극성이 서로 교대로 위치되도록 형성이 된다.
상기 피동 마그네틱휠(420)은 상기 진공용기(100)의 외부에 설치되며, 상기 구동 마그네틱휠(410)의 회전에 따른 자력변화에 의해 비접촉 회전이 되도록 원주를 따라 S극과 N극의 극성이 서로 교대로 위치되도록 형성이 된다.
상기 동력전달축(430)은 상기 피동 마그네틱휠(420)의 중심에 결합 설치되어 피동 마그네틱휠(420)에 연동이 된다.
이러한 동력전달부(400)의 구동 마그네틱휠(410)과 피동 마그네틱휠(420)은 도 2에 도시된 것과 같이 각각 S극과 N극의 극성이 서로 교대로 위치되도록 형성됨과 함께 구동 마그네틱휠(410)의 S극 부분과 피동 마그네틱휠(420)의 N극 부분이 대응되도록 교차되어 위치됨으로써 상호간에 다른 극성을 당기려는 자력이 발생하게 되며, 그에 따라 구동 마그네틱휠(410)이 회전되면 피동 마그네틱휠(420)이 회전되는 것으로서, 이렇게 상호간에 작용하는 자력을 통해 동력전달부(400)에서 비접촉으로 동력전달이 이루어지게 되는 것이다.
이와 같이 자력을 이용하여 동력을 전달하는 구조는 이미 당해기술분야에서 공지된 것으로서, 자력을 이용한 동력전달과 관련된 종래의 다양한 예들이 대한민국 특허공보 제0428741호, 대한민국 실용신안등록공보 제0272464호 등에 자세하게 개시되어 있는 바, 이에 대한 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 진공엔진의 작동에 대하여 설명하기로 하는데, 그에 앞서 본 발명의 원리와 관련하여 먼저 설명하고자 한다.
본 발명은 열에너지의 측면에서 볼 때 투입된 동력 대비 열에너지의 비율(소위, 성적계수)이 큰 히트펌프(Heat Pump)의 열펌핑 원리와, 진공속에서는 유체가 작은 온도차에 의한 열에너지에 의해서도 보다 활발한 증발현상을 나타냄으로써 열에너지를 보다 쉽게 유체의 운동에너지로 변환시킬 수 있는 진공에서의 유체의 분자운동 원리를 이용하고 있다.
이를 보다 구체적으로 살펴보고자 한다.
먼저, 히트펌프의 원리를 살펴보면 구조상으로 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브 등으로 이루어져 있는데, 그 작동원리는 난방용의 경우, 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 외부로 내보내는 사이클을 반복하도록 되어있으며, 냉방시에는 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 외부공기와 열교환 됨으로써 냉방을 하고자 하는 공간을 차갑게 만드는 원리이다.
이러한 히트펌프의 열효율(성적계수라고 함)을 살펴보면, 전기 1㎾는 1시간에 860㎉의 열을 발생하지만 1㎾의 전기를 가지고 히트펌프를 가동시키면 약3000㎉의 열량을 이동시킬 수 있게 된다. 이는 투입열량에 비해 3∼4배가 되는 것으로, 즉 투입한 에너지보다 얻은 에너지가 크기 때문에 통상적으로 효율이라는 용어를 사용하지 않고 성적계수라는 단위가 사용되는데, 보통 성적계수는 3∼4가 된다.
또한, 진공속에서의 유체 운동에 대해 살펴보면, 진공속에서는 유체의 분자간 구속력이 약화되므로 대기압이나 고압에 비해 보다 적은 열에너지를 흡수하더라도 쉽게 증발현상을 나타내게 되며, 증발된 기체분자 또한 진공에서는 분자간 평균자유거리가 길어지므로, 즉, 기체간 서로 충돌하는 일이 적어지므로 유체가 아닌 개별적인 입자의 특성을 보이게 되는 바, 이때 기체의 운동에너지를 기계적 운동에너지로 유도시키게 되면 기체분자간 충돌 간섭이 없으므로 자유롭고 고유한 분자운동에너지를 최대한으로 이용할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 진공에서의 유체의 증발 및 운동원리를 이용한 대표적인 기술로서 히트파이프를 예로 들 수 있는데, 히트파이프는 의미 그대로 “열관(熱管)”이라 할 수 있는 것으로서, 파이프 모양의 한쪽 단에서 다른 끝단 측으로 열에너지를 이동시키면서 관 내부가 진공으로 형성되어 있고 별다른 외부의 동력장치가 없이 매우 간단한 모양을 가지면서도 열에너지를 멀리 떨어진 곳으로 이동시킬 수 있는 장치이다.
히트파이프내의 열에너지 이동원리 및 현상을 살펴보면, 열에너지를 이동시키는 대표적 물리현상은 잠열(潛熱)에너지로 잠열에는 증발잠열과 응축잠열이 있는데 증발잠열은 작동유체가 액체상태에서 기체상태로 변화시 외부로부터 흡수하는 열에너지이고 응축잠열은 반대로 기체상태에서 액체상태로 상태변화시 내부로부터 외부에 열에너지를 방출하게 되는 현상으로 이러한 증발과 응축현상을 순환 반복함으로서 히트파이프 내부에서 열에너지가 이동하게 되는 것으로서, 히프파이프에서의 증발현상이 진공에서 이루어지는 특징이 있는 것이다.
이러한 원리를 기초로 본 발명의 동력발생 원리를 설명하면 다음과 같다.
작동유체로서 물(water)을 예로 들면, 물은 3가지의 상태 즉, 액체, 고체, 기체의 상태를 가지고 있는데 물의 액체, 기체간 압력과 온도에 따른 상변화곡선에서 물은 1기압 100℃에서 증발하지만 압력이 낮아지면 그 이하의 압력에서도 증발됨을 알 수 있으며, 증발의 발생은 압력이 점차 낮아질수록 즉, 진공도가 높을수록 더 낮은 온도에서도 이루어지게 된다.
본 발명에서는 열펌핑부(200)를 통해 진공용기(100)에 고온부(110)와 저온부(120)간 온도차를 만들어주고 이를 통해 압력구배를 생성하여 유체의 흐름을 유발시키는 것으로 히트파이프의 열이동 현상과 동일한 현상이 진공용기(100) 내에서 이루어지는 것이다.
본 발명에서 발생되는 동력의 크기는 진공용기(100)내 진공도가 클수록, 고온부(110)와 저온부(120)의 온도차가 크면 클수록 유속의 증가가 이루어져 발생되는 동력의 크기가 커지게 된다.
증발된 작동유체(130)가 터빈러너(300)에 동력을 전달하고 나머지 저온부(120)에서 응축되면서 전달되는 잔여 응축잠열은 증발기(240)로 전달되어 회수 순환 되므로 열에너지가 외부로 배출되지 않도록 되어 있음과 함께 외부증발기(250)에 의해 외부로부터 흡수된 열에너지는 모두 본 발명에 따른 진공엔진에 의해 동력화되도록 되어 있으므로 본 발명은 에너지효율 측면에서 매우 큰 장점을 갖게 되는 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 진공엔진의 작동에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저, 동력발생을 위한 작동 전에 진공유지수단(140)을 통해 진공용기(100) 내부를 진공상태로 만들어준다. 즉, 작동밸브(143)를 개방시키고 진공펌프(142)를 작동시켜 진공용기(100) 내부를 진공상태로 만들어 주며, 진공용기(100) 내부가 도달진공압에 이르게 되면 진공센서(144)를 통해 작동밸브(143)를 폐쇄시키고 진공펌프(142)의 작동을 정지시킴으로써 진공용기(100) 내부를 진공상태로 유지시키는 것이다.
이렇게 진공용기(100) 내부가 진공상태에 이르면, 열펌핑부(200)를 작동시켜 상기 진공용기(100)의 상하부에 온도차가 발생하도록 한다.
즉, 열펌핑부(200)의 압축기(210)를 가동시키게 되면, 상기 압축기(210)에 의해 액화된 액상의 냉매가 팽창밸브(230)를 통과하면서 감압이 되고, 감압된 액상의 냉매는 증발기(240)와 외부증발기(250)에서 증발하면서 진공용기(100) 상부와 외부 열원으로부터 열에너지를 흡수하게 되고, 이에 따라 진공용기(100) 상부는 저온부(120)가 된다.
그리고, 이렇게 열에너지를 흡수한 기화된 냉매는 응축기(220)에서 응축되면서 진공용기(100) 하부에 흡수한 열에너지를 방출하여 전달하게 되고, 그에 따라 진공용기(100) 하부는 고온부(120)가 되어 상기 진공용기(100)의 상하부에 온도차가 발생하게 되는 것이다.
이렇게, 열펌핑부(200)의 작동에 의해 진공용기(100)의 하부에 열에너지가 전달되면(즉, 진공용기(100) 하부가 고온부(110)가 되면), 전달된 열에너지에 의해 진공용기(100)에 수용된 작동유체(130)는 전달된 열에너지를 흡수하면서 증발하여 기화된다. 이 때, 상기 진공용기(100) 내부가 진공상태이므로 상기 작동유체(130)의 증발현상은 급격하게 이루어지게 되며, 이렇게 기화된 작동유체(130)는 1800배의 부피팽창을 하면서 상부의 저온부(120) 측과의 압력구배를 만들게 되고, 그러한 압력차에 따른 운동에너지를 가지면서 상승을 하게 된다.
상기와 같이 기화되어 상승하는 작동유체(130)는 가이드노즐(340)을 통과하면서 더욱 속도가 가속되어 큰 운동에너지를 가지면서 터빈러너(300)의 회전날개(310)를 회전시킴으로써 터빈러너(300)에 회전동력을 생성한 후, 진공용기(100) 상부의 저온부(120)에 이르러 응축되면서 액화가 된다.
이렇게 저온부(120)에서 응축된 작동유체(130)는 진공용기(100) 내벽면에 설치된 모세관 구조의 윅(150)을 따라 다시 하측의 고온부(110)로 다시 회수가 된다.
물론, 터빈러너(300)의 회전날개(310) 표면에서도 작동유체(130) 일부의 응축이 발생하게 되는데, 이렇게 회전날개(310) 표면에서 응축된 일부 작동유체(130)는 원심력에 의해 비산되면서 역시 하측의 고온부(110)로 회수가 된다.
상기와 같이 열에너지를 흡수하여 증발된 작동유체(130)에 의해 터빈러너(300)에서 생성된 회전동력은 동력전달부(400)를 통해 진공용기(100)의 외부로 인출이 되어 동력을 필요로 하는 각종 원동기, 발전기 등 다양한 설비에 전달이 되는 것이다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공엔진에 대하여 상세하게 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예 및 도면들에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것이라 할 것이다.
첨부된 도면들의 주요 부위에 대한 부호를 설명하면 다음과 같다.
100: 진공용기 110: 고온부
120: 저온부 130: 작동유체
140: 진공유지수단 150: 윅(WICK)
160: 보온단열재 200: 열펌핑부
210: 압축기 220: 응축기
230: 팽창밸브 240: 증발기
250: 외부증발기 300; 터빈러너
310: 회전날개 320: 회전축
340: 가이드노즐 400: 동력전달부
410: 구동 마그네틱휠 420; 피동 마그네틱휠
430: 동력전달축

Claims (9)

  1. 내부가 진공상태이며, 하측에 작동유체가 수용되는 진공용기;
    상기 진공용기의 상하부를 각각 저온부와 고온부로 만드는 열펌핑부; 및
    상기 진공용기의 내부에 설치되는 터빈러너;를 포함하여,
    상기 작동유체가 고온부의 열에너지에 의해 증발 상승하면서 상기 터빈러너를 회전시킨 후 저온부에서 응축되어 고온부로 순환되는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열펌핑부는,
    냉매가 순환되는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기로 이루어진 냉동사이클로 구성되되,
    상기 증발기는 상기 진공용기의 상측에 위치되어 열에너지를 흡수함으로써 진공용기의 상부를 저온부로 만들고, 상기 응축기는 상기 진공용기의 하측에 위치되어 상기 열에너지를 방출함으로써 진공용기의 하부를 고온부로 만드는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열펌핑부는,
    상기 증발기와 병렬로 연결되면서 외부의 소정 열에너지를 흡수하는 외부증발기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 진공용기의 내부 터빈러너의 하측에는 증발 상승하는 작동유체를 상기 터빈러너에 고속으로 안내하는 가이드노즐이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 진공용기의 내벽면에는 저온부에서 응축된 작동유체가 고온부로 원활하게 하향 순환되게 하는 모세관 구조의 윅(WICK)이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  6. 제 1항에 있어서,
    상부의 저온부를 제외한 진공용기의 외벽면에는 보온단열재가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고온부와 저온부는 알루미늄 재질이고, 상기 고온부와 저온부를 제외한 진공용기의 나머지 부분은 스테인레스 재질인 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈러너의 회전동력을 진공용기의 외부로 전달하는 동력전달부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공엔진.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 동력전달부는,
    상기 진공용기의 내부에 설치되어 터빈러너의 회전에 따라 함께 회전되는 구동 마그네틱휠; 및
    상기 진공용기의 외부에 설치되며, 상기 내부 마그네틱 휠의 회전에 따른 자력변화에 의해 비접촉 회전되는 피동 마그네틱휠; 및
    상기 피동 마그네틱 휠에 연동 회전하는 동력전달축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공엔진.






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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113357169A (zh) * 2020-03-04 2021-09-07 核工业理化工程研究院 低真空高温载气循环泵及其高温载气驱动方法和应用

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