KR20120131007A - 열교환부가 개량된 스터링 엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 스터링 엔진은, 고온기체의 부피변화에 따라 피스톤이 왕복운동하는 팽창실린더(110)와, 저온기체의 부피변화에 따라 피스톤이 왕복운동하는 압축실린더(120)를 포함하되, 팽창실린더(110)의 고온기체를 가열하기 위하여 팽창실린더(110)에 고온의 액체를 순환시키도록 설치되는 고온액체순환수단(210); 및 고온액체순환수단(210)에서 순환되는 고온의 액체를 가열하기 위하여 고온기체를 고온액체순환수단(210)에 제공하도록 설치되는 액체가열수단(230); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 고온기체는 팽창실린더(110)의 피스톤 헤드(111) 윗공간에 존재하며, 팽창실린더(110)와 압축실린더(120) 사이에는 상기 고온기체와 저온기체가 상호 소통할 수 있도록 연결관(141)이 설치되며, 고온액체순환수단(210)은 상기 고온의 액체를 팽창실린더(110)의 피스톤 헤드(111) 윗공간에 제공하면서 순환시키도록 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 피스톤의 행정에 사용되는 기체는 실질적으로 피스톤 헤드(111)의 윗공간 즉, 실린더(110)의 내부에만 존재하고 외부에는 존재하지 않는다. 따라서 종래에 비해 데드볼륨(dead volume)이 최소화되어 엔진의 효율이 좋아진다.

Description

열교환부가 개량된 스터링 엔진{Stirling engine of which the heat-exchange parts are improved}
본 발명은 스터링 엔진(stirling engine)에 관한 것으로서, 특히 열교환부를 개량하여 실질적인 피스톤 왕복운동구간이 아닌 열교환부 내부를 차지하고 있는 기체의 부피, 즉 엔진의 구동에 도움이 되지 않는 데드볼륨(dead volume)의 크기를 최소화함으로써 그 효율을 증가시킨 스터링 엔진에 관한 것이다.
스터링 엔진(stirling engine)이란 가열부와 냉각부의 체적변화로 피스톤의 왕복을 이루는 엔진으로써 500℃ 이하의 저급의 폐열원을 이용하여 구동될 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 500℃ 이하의 낮은 폐열원을 이용하여 구동하고자 할 때에는 커다란 열전달 면적이 필요하다.
도 1은 종래의 스터링 엔진을 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 히터(18)에 의해 고온관(17) 내의 기체가 가열되고, 냉각수가 돌아가는 쿨러(cooler, 28)에 의해 저온관(27) 내의 기체가 식혀진다. 그러면 고온팽창부(15)의 부피가 저온압축부(25)의 부피에 대해 상대적으로 커지므로 팽창실린더(10)의 피스톤(11)은 하강하고 압축실린더(20)의 피스톤(21)은 상승하게 되어 플라이휠(flywheel, 30)이 회전하게 된다.
리제너레이터(regenerator, 40)는 금속망으로 이루어지며, 고온관(17)에서 저온관(27)으로 기체가 넘어갈 때에는 고온기체에 의해 가열되고, 저온관(27)에서 고온관(17)으로 기체가 되넘어갈 때에는 이미 가열되어 있는 금속망으로부터 저온기체가 열을 제공받으면서 넘어가 빠르게 기체의 온도가 다시 상승되게 함으로써 효율을 증대시키는 역할을 한다.
상술한 종래의 스터링 엔진에서 고온관(17) 및 저온관(27)에 채워져 있는 기체의 부피는 피스톤(11, 21)의 구동에는 실질적으로 관여하지 않는 데드볼륨(dead volume)으로서 작용한다.
도 2 및 도 3은 스터링 엔진의 데드볼륨(dead volume)을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 고온기체의 기여가 더 많아 전체압력(P)이 상승하는 경우에 팽창실린더(10)의 피스톤(11)은 하강하고 압축실린더(20)의 피스톤(21)은 상승하게 되는 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 고온관(17)에 의해 생기는 고온부의 데드볼륨을 VH라 하고, 저온관(27)에 의해 생기는 저온부의 데드볼륨을 VL라 할 때, 전체압력(P)이 상승하면, 고온팽창부(15)의 부피(Ve)는 증가하고, 저온압축부(25)의 부피(Vc)는 감소하게 되어, (Ve+VH)/(Ve+Vc) > (Vc+VL)/(Ve+Vc) 의 관계가 성립하게 된다.
도 3은 저온기체의 기여가 더 많아 전체압력(P)이 하강하는 경우에 팽창실린더(10)의 피스톤(11)은 상승하고 압축실린더(20)의 피스톤(21)은 하강하게 되는 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 전체압력(P)이 하강하면 고온팽창부(15)의 부피(Ve)는 감소하고, 저온압축부(25)의 부피(Vc)는 증가하게 되어, (Ve+VH)/(Ve+Vc) < (Vc+VL)/(Ve+Vc) 의 관계가 성립하게 된다.
여기서, 전체 데드볼륨(VH + VL)과 전체 스윕볼륨(Ve + Vc)은 전체압력(P)에 상관없이 일정할 것이다. 그런데, 스윕볼륨(Ve + Vc)에 비하여 데드볼륨(VH + VL)이 너무 크면 고온팽창부(15)의 부피(Ve)의 변화량 및 저온압축부(25)의 부피(Vc)의 변화량이 데드볼륨(VH + VL)에 비하여 상대적으로 작아지기 때문에 그 효율이 떨어지게 된다. 따라서 데드볼륨(VH + VL)의 크기를 줄이는 것이 매우 중요하다.
그러나 스터링 엔진은 상술한 바와 같이 500℃이하의 낮은 폐열원을 사용하기 때문에 구동시 기체량이 많아야 열전달이 제대로 이루어질 것이므로, 커다란 열전달 면적이 필요한 바, 데드볼륨(VH + VL)의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있다. 즉, 스터링 엔진에서의 데드볼륨(VH + VL)은 열전달을 위해서는 필연적으로 존재할 수 밖에 없는 것이지만 엔진의 성능향상을 위해서는 최소화되어야 한다는 것이다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 열교환부를 개량하여 데드볼륨의 크기를 최소화하면서도 많은 양의 열교환이 제대로 이루어지도록 함으로써 그 효율을 증가시킨 스터링 엔진을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스터링 엔진은, 고온기체의 부피변화에 따라 피스톤이 왕복운동하는 팽창실린더와, 저온기체의 부피변화에 따라 피스톤이 왕복운동하는 압축실린더를 포함하되,
상기 팽창실린더의 고온기체를 가열하기 위하여 상기 팽창실린더에 고온의 액체를 순환시키도록 설치되는 고온액체순환수단; 및
상기 고온액체순환수단에서 순환되는 고온의 액체를 가열하기 위하여 고온기체를 상기 고온액체순환수단에 제공하도록 설치되는 액체가열수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 압축실린더의 저온기체를 냉각시키기 위하여 상기 압축실린더에 저온의 액체를 순환시키도록 설치되는 저온액체순환수단; 및
상기 저온액체순환수단에서 순환되는 저온의 액체를 냉각시키기 위하여 저온기체를 상기 저온액체순환수단에 제공하도록 설치되는 액체냉각수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 고온기체는 상기 팽창실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 존재하며, 상기 팽창실린더와 압축실린더 사이에는 상기 고온기체와 저온기체가 상호 소통할 수 있도록 연결관이 설치되며, 상기 고온액체순환수단은 상기 고온의 액체를 상기 팽창실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 제공하면서 순환시키도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 고온액체순환수단은 상기 고온의 액체를 상기 팽창실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 분무 형태로 분사하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 저온기체는 상기 압축실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 존재하며 상기 팽창실린더와 압축실린더 사이에는 상기 고온기체와 저온기체가 상호 소통할 수 있도록 연결관이 설치되며, 상기 저온액체순환수단은 상기 저온의 액체를 상기 압축실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 제공하면서 순환시키도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 저온액체순환수단은 상기 저온의 액체를 상기 압축실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 분무 형태로 분사하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 연결관에 상기 고온기체 및 저온기체가 소통하면서 접촉에 의하여 열교환이 일어날 수 있도록 금속망으로 이루어지는 리제너레이터가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 리제너레이터와 상기 팽창실린더 사이에 기체는 통과시키면서 상기 기체에 포함되어 있는 액적(mist) 또는 분진(dust)을 분리 포집하도록 디마이스터(demeister)가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 피스톤의 행정에 사용되는 기체는 실질적으로 피스톤 헤드의 윗공간 즉, 실린더의 내부에만 존재하고 외부에는 존재하지 않는다. 따라서 종래에 비해 데드볼륨(dead volume)이 최소화되어 엔진의 효율이 좋아진다.
도 1은 종래의 스터링 엔진을 설명하기 위한 도면;
도 2 및 도 3은 스터링 엔진의 데드볼륨(dead voulme)을 설명하기 위한 도면들;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 스터링 엔진을 설명하기 위한 도면들이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 스터링 엔진을 설명하기 위한 도면들이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 스터링 엔진은 팽창실린더(110)와 압축실린더(120)를 포함하여 이루어지며, 팽창실린더(110)의 피스톤 헤드(111) 윗공간에는 고온기체가 존재하며, 압축실린더(120)의 피스톤 헤드(121) 윗공간에는 저온기체가 존재한다. 팽창실린더(110)와 압축실린더(120) 사이에는 피스톤 헤드(111, 121)의 윗공간을 연결하는 연결관(141)이 설치되며, 연결관(141)에는 리제너레이터(regenerator, 140)가 설치된다.
팽창실린더(110)의 피스톤 헤드(111) 윗공간에 있는 고온기체는 고온액체순환수단(210)에 의해 가열된다. 고온액체순환수단(210)에는 고온의 액체가 순환되며 이러한 순환을 위해서 순환펌프(211)가 설치된다. 고온액체순환수단(210)에서 순환되는 고온의 액체는 고온기체(231)에 의한 히터(235)를 통해서 가열된다. 고온기체(231)는 가솔린 엔진(230) 등에서 나오는 폐열원을 통하여 가열되어 제공된다.
압축실린더(120)의 피스톤 헤드(121) 윗공간에 있는 저온기체는 저온액체순환수단(310)에 의해 식혀진다. 저온액체순환수단(310)에는 저온의 액체가 순환되며 이러한 순환을 위해서 순환펌프(311)가 설치된다. 저온액체순환수단(310)에서 순환되는 저온의 액체는 저온기체(331)에 의한 쿨러(335)를 통해서 냉각된다. 저온기체(331)는 팬(fan, 330)의 송풍 등을 통하여 제공된다.
고온액체순환수단(210)은 팽창실린더(110)의 피스톤 헤드(111) 윗공간에 고온의 액체가 제공되면서 순환하도록 설치된다. 이 때 피스톤 헤드(111) 윗공간에 있는 기체와의 열교환 표면적을 넓히기 위하여 고온의 액체는 분무형태로 분사되도록 하는 것이 바람직하다. 저온액체순환수단(310)도 마찬가지로 압축실린더(120)의 피스톤 헤드(121) 윗공간에 저온의 액체가 분무되면서 제공되어 순환하도록 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 이와 같은 열을 받는 매체(액체)와 작동매체(피스톤 헤드 윗공간에 있는 기체)를 공간적으로 분리하고, 열을 받는 매체(액체)에 열이 제공되는 시점과 그 매체(액체)가 작동매체(피스톤 헤드 윗공간에 있는 기체)에 열을 내보내는 시점을 시간적으로 분리하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 피스톤 헤드(111, 121)의 윗공간에만 동작을 위한 고온기체 및 저온기체가 존재하게 되고 그 바깥부분에는 단지 연결관(121)에만 동작을 기체가 존재할 뿐이다. 이것이 종래와의 가장 큰 차이점이라고 볼 수 있다.
한편, 팽창실린더(110)의 피스톤 헤드(111) 윗공간에 분사되는 액체가 연결관(141)을 통해서 압축실린더(120) 쪽으로 넘어가 버릴 수 있는데, 이 경우 고온기체를 가열하기 위한 열매체(액체)가 고갈되는 문제가 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 리제너레이터(140)와 팽창실린더(110) 사이에 다마이스터(demeister, 240)가 설치된다. 디마이스터(240)는 기체에 포함되어 있는 액적(mist) 또는 분진(dust)을 분리 포집하도록 하는 구성요소를 말하며 이미 공지된 바 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 피스톤의 행정에 사용되는 기체는 실질적으로 피스톤 헤드(111, 121)의 윗공간 즉, 실린더(110, 120)의 내부에만 존재하고 외부에는 존재하지 않는다. 따라서 종래에 비해 데드볼륨(dead volume)이 최소화되어 엔진의 효율이 좋아진다.
110: 팽창실린더
111, 121: 피스톤 헤드
120: 압축실린더
140: 리제너레이터
141: 연결된
210: 고온액체순환수단
211: 순환펌프
230: 가솔린 엔진
231: 고온기체
235: 히터
240: 디마이스터
310: 저온액체순환수단
311: 순환펌프
331: 저온기체
335: 쿨러

Claims (8)

  1. 고온기체의 부피변화에 따라 피스톤이 왕복운동하는 팽창실린더와, 저온기체의 부피변화에 따라 피스톤이 왕복운동하는 압축실린더를 포함하되,
    상기 팽창실린더의 고온기체를 가열하기 위하여 상기 팽창실린더에 고온의 액체를 순환시키도록 설치되는 고온액체순환수단; 및
    상기 고온액체순환수단에서 순환되는 고온의 액체를 가열하기 위하여 고온기체를 상기 고온액체순환수단에 제공하도록 설치되는 액체가열수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축실린더의 저온기체를 냉각시키기 위하여 상기 압축실린더에 저온의 액체를 순환시키도록 설치되는 저온액체순환수단; 및
    상기 저온액체순환수단에서 순환되는 저온의 액체를 냉각시키기 위하여 저온기체를 상기 저온액체순환수단에 제공하도록 설치되는 액체냉각수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고온기체는 상기 팽창실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 존재하며, 상기 팽창실린더와 압축실린더 사이에는 상기 고온기체와 저온기체가 상호 소통할 수 있도록 연결관이 설치되며, 상기 고온액체순환수단은 상기 고온의 액체를 상기 팽창실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 제공하면서 순환시키도록 설치되는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고온액체순환수단은 상기 고온의 액체를 상기 팽창실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 분무 형태로 분사하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  5. 제2항에 있어서, 상기 저온기체는 상기 압축실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 존재하며 상기 팽창실린더와 압축실린더 사이에는 상기 고온기체와 저온기체가 상호 소통할 수 있도록 연결관이 설치되며, 상기 저온액체순환수단은 상기 저온의 액체를 상기 압축실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 제공하면서 순환시키도록 설치되는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  6. 제5항에 있어서, 상기 저온액체순환수단은 상기 저온의 액체를 상기 압축실린더의 피스톤 헤드 윗공간에 분무 형태로 분사하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  7. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 연결관에 상기 고온기체 및 저온기체가 소통하면서 접촉에 의하여 열교환이 일어날 수 있도록 금속망으로 이루어지는 리제너레이터가 설치되는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
  8. 제7항에 있어서, 상기 리제너레이터와 상기 팽창실린더 사이에 기체는 통과시키면서 상기 기체에 포함되어 있는 액적(mist) 또는 분진(dust)을 분리 포집하도록 디마이스터(demeister)가 설치되는 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
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