KR20140033390A - 열기 기관 - Google Patents

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KR20140033390A
KR20140033390A KR1020137032321A KR20137032321A KR20140033390A KR 20140033390 A KR20140033390 A KR 20140033390A KR 1020137032321 A KR1020137032321 A KR 1020137032321A KR 20137032321 A KR20137032321 A KR 20137032321A KR 20140033390 A KR20140033390 A KR 20140033390A
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글린 에반스
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글린 에반스
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Abstract

열기 기관(10)은 압축기(12), 가열 챔버(14), 회전 변위형 작업 기관(16), 및 구동 수단(22)을 포함한다. 상기 압축기(12)는 유입구(12a)와 유출구(12b)를 구비한다. 상기 가열 챔버(14)는 상기 압축기(12)의 유출구(12b)와 연통하는 유입구(14a)와, 유출구(14b)를 가진다. 상기 작업 기관(16)은 상기 가열 챔버(14)의 유출구(14b)와 연통하는 유입구(16a)와, 출력축(16b)을 구비한다. 상기 구동 수단(22)은 상기 작업 기관(16)을 상기 압축기(12)에 연결함으로써, 상기 작업 기관(16)의 동작이 상기 압축기(12)의 동작을 야기하도록 한다.

Description

열기 기관{A HOT-AIR ENGINE}
본 발명은 외연, 내연, 태양 에너지, 또는 다른 소스로부터의 열을 기계적인 작업으로 변환하기 위한 열기 기관에 관한 것이다.
본 발명은 주로 다양한 소스의 낮은 등급 내지 중간 등급의 열을 기계 에너지로 변환하는 것에 사용되기 위해 개발되었다. 태양 에너지로부터 전기를 생성하는 것이 특별히 유용한 응용 중 하나이다. 그러나, 본 발명은 이 특정 응용에 한정되지 않으며, 하이브리드 차량을 포함하는 운송 및 다른 자동차의 이용에도 적절하다는 것에 유념하여야 한다.
열기 기관이 알려져 있다. 열기 기관의 초기 예시중 하나는 1807년 조지 케일리(Sir George Cayley)에 의해 제안된 것으로, 왕복 피스톤 팽창 기관에 결합된 왕복 피스톤 압축기를 이용하였다. 알려진 열기 기관의 더욱 현대적인 버전은 열기 터빈 기관이다.
알려진 열기 기관은, 특히, 상대적으로 낮은 온도 에너지원에 의해 구동되는 경우, 낮은 기계적 효율, 낮은 열효율, 파워출력에 대해 상대적으로 큰 물리적 크기, 및 상대적으로 높은 비용을 포함하는 많은 문제점을 가진다.
본 발명의 목적은 상기 단점 중 하나 또는 그 이상을 실질적으로 극복하거나 또는 적어도 개선하는 것에 있다.
따라서, 제1 특징에서, 본 발명은 열기 기관으로서, 유입구와 유출구를 가지는 압축기; 상기 압축기의 유출구와 연통하는 유입구와, 유출구를 가지는 가열 챔버; 상기 가열 챔버의 유출구와 연통하는 유입구와, 출력축을 가지는 회전 변위 형 작업 기관(rotary displacement type working engine); 및 상기 작업 기관을 상기 압축기에 연결함으로써, 상기 작업 기관의 동작이 상기 압축기의 동작을 야기하도록 하는 구동 수단(drive means);을 포함하는 열기 기관을 제공한다.
일 형태에서, 상기 회전 변위형 작업 기관은 루츠형 송풍기 작업 기관(Roots type blower working engine)이다. 루츠형 송풍기 작업 기관은 펌프 또는 압축기로서 동작하는 경우에 사용되는 것과 반대인 방향으로 동작하는 루츠형 송풍기 펌프 또는 압축기인 것이 이해될 것이다.
다른 형태에서, 상기 회전 변위형 작업 기관은 스크류형 작업 기관(screw type working engine)이다. 상기 스크류형 작업 기관은 반대로 동작하는 스크류형 압축기 또는 펌프인 것이 이해될 것이다.
또 다른 형태에서, 상기 회전 변위형 작업 기관은 변형된 루츠형 송풍기(modified Roots type blower)(예를 들어, 이튼형(Eaton type)) 또는 스크롤형 압축기(scroll type compressor)이다. 상기 변형된 루츠형 송풍기 작업 기관 또는 스크롤형 압축기 작업 기관은 반대로 동작하는 루츠형 송풍기 스크류형 압축기 또는 펌프 또는 스크롤형 압축기인 것이 이해될 것이다.
일 형태에서, 상기 압축기는 회전형 압축기(rotary type compressor)이다. 이 형태의 일 변형예에서는, 상기 회전형 압축기는 2 로터 압축기(two rotor compressor)이다. 상기 2 로터 압축기는, 바람직하게는, 루츠형 송풍기(Roots type blower), 변형된 루츠형 송풍기(modified Roots type blower) 또는 스크류형(screw type)이다. 이 형태의 다른 변형예에서는, 상기 회전형 압축기는 단일 로터 압축기(single rotor compressor)이다. 상기 단일 로터 압축기는, 바람직하게는, 축방향 터빈(axial turbine), 방사형 터빈(radial turbine), 베인 압축기(vane compressor), 또는 스크롤형 압축기(scroll type compressor)이다.
다른 형태에서, 상기 압축기는 왕복 피스톤 압축기(reciprocating piston compressor)이다.
바람직하게는, 상기 작업 기관은 상기 압축기의 용량보다 약 20%-50% 더 큰 용량을 가진다.
일 형태에서, 상기 가열 챔버는 가열로, 바람직하게는, 내연 또는 외연에 의해 가열되는 가열로이다. 다른 형태에서, 상기 가열 챔버는 하나 또는 그 이상의 태양 에너지 수집기(solar collectors), 가령, 태양 에너지 패널(solar panels)에 의해 가열된다.
바람직하게는, 상기 작업 기관은 유출구를 포함한다. 바람직하게는, 상기 작업 기관의 유출구는 상기 압축기의 유입구와 연통한다.
바람직하게는, 상기 열기 기관은 상기 압축기의 유출구와 상기 가열 챔버의 유입구 사이에 적어도 하나의 제1 덕트를 포함한다. 바람직하게는, 상기 열기 기관은 상기 가열 챔버의 유출구와 상기 작업 기관의 유입구 사이에 적어도 하나의 제2 덕트를 포함한다.
바람직하게는, 상기 열기 기관은 상기 작업 기관의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 적어도 하나의 제3 덕트를 포함함으로써, 상기 열기 기관이 폐쇄된 사이클(closed cycle)로 동작하는 것을 허용한다.
바람직하게는, 상기 열기 기관은 상기 압축기의 유입구 상류(upstream) 측 제3 덕트 내에 잔여 열 제거 교환기(residual heat removal exchanger)를 포함한다. 대안적으로, 상기 열기 기관은 상기 작업 기관의 유출구와 대기(atmosphere) 사이에 적어도 하나의 제3 덕트를 포함한다. 바람직하게는, 상기 열기 기관은 상기 적어도 하나의 제1덕트의 일부와 상기 적어도 하나의 제3 덕트의 일부 사이에 열 교환기(heat exchanger)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 예시로서만 설명될 것이다.
도 1은 열기 기관의 제1 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 2는 열기 기관의 제2 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 3은 열기 기관의 제3 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 4는 열기 기관의 제4 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 5는 열기 기관의 제5 실시예의 개략적인 횡단면도;
도 6은 열기 기관의 제6 실시예의 개략적인 횡단면도; 그리고
도 7은 열기 기관의 제7 실시예의 개략적인 횡단면도이다.
도 1은, 루츠형 송풍기 압축기(Roots type blower compressor)(12), 가열로(furnace)(14) 형태의 가열 챔버(heating chamber), 및 루츠형 송풍기 변위 작업 기관(Roots type blower displacement working engine)(16)을 포함하는 열기 기관(hot-air engine)(10)의 제1 실시예를 개략적으로 도시한다. 루츠형 송풍기 변위 작업 기관(16)은 펌프 또는 압축기로서 동작하는 경우에 사용되는 방향과 반대 방향으로 동작하는 루츠형 송풍기 펌프 또는 압축기인 것은 관련분야의 당업자에 의해 이해될 것이다.
가열로(14)는 외연(external combustion) 과정을 이용하여 공기를 가열한다. 그러나, 내연(internal combustion) 과정 또한 이용될 수 있다. 가열로(14)는 압축기(12)에 의해 공급되는 공기의 압력과 부피를 증가시키고, 이후 작업 기관(16)에 대하여 작용한다.
작업 기관(16)의 용량은 응용에 따라 다르다. 특정 파워 출력에 대하여, 작업 기관(16)의 용량은 일반적으로 낮은 온도 응용들에 대해서는 더 크며, 높은 온도 응용들(가령 자동차 응용)에 대해서는 더 작다.
또한, 압축기 용량에 대한 작업 기관 용량의 비율은 응용, 특히, 동작 온도에 따라 다르다. 예를 들어, 최대 파워를 생성하기 위해서는, 약 300℃에서 동작하는 작업 기관(16)은 압축기(12)의 용량보다 약 30% 더 큰 용량을 가질 수 있다. 다른 예로서, 최대 파워를 생성하기 위해서는, 약 800℃ 또는 1000℃에서 동작하는 작업 기관(16)은 압축기(12)의 용량보다 약 50% 더 큰 용량을 가질 수 있다.
압축기는 유입구(12a) 및 유출구(12b)를 포함하고, 가열로는 유입구(14a) 및 유출구(14b)를 포함하며, 그리고 작업 기관(16)은 유입구(16a) 및 유출구(16b)를 포함한다. 제1 덕트(18)가 유출구(12b)를 유입구(14a)에 연결하며, 제2 덕트(20)가 유출구(14b)를 유입구(16a)에 연결한다.
작업 기관(16)은 압축기(12)에 기계적으로 결합된 구동축(22)을 포함하며, 그로 인해 작업 기관(16)의 동작은 압축기(12)의 동작을 야기한다. 작업 기관(16)은 또한, 예를 들어, 전기 생성을 위한 발전기에 연결될 수 있는 출력축(24)을 포함한다.
이하 열기 기관(10)의 동작을 설명한다. 우선, 가열로(14)가 활성화되어 그 안의 공기를 약 300℃까지 가열하고 가열로(14) 안의 압력을 증가시키도록 한다. 가열된 공기 및 가열된 연소 산물은 제2 덕트(20)를 통해 가열로(14)의 유출구(14b)에서 작업 기관(16)의 유입구(16a)로 연통(fluid communication) 되어, 작업 기관(16)에 작용하여 그것이 회전하도록 한다. 작업 기관(16)의 회전은 압축기(12)에서의 회전을 야기하며, 이것은 또한 공기가 유입구(12a)로 유입되도록 하며, 이후 제1 덕트(18)를 통해 유출구(12b)에서 유입구(14a)로 유입되기 전에 압축기(12)에서 압축된다.
열기 기관(10)의 장점은, 작업 기관(16)이 약간의 냉각으로 또는 냉각 없이 상대적으로 높은 온도에서 동작할 수 있으므로, 열효율을 개선할 수 있다는 점에 있다. 이것은 루츠형 송풍기 작업 기관(16)이 상대적으로 낮은 마찰력을 가지며, 약간의 윤활을 요구하거나 또는 윤활을 전혀 요구하지 않으며(그로 인해 오일 냉각 요구조건에서 열손실이 거의 없거나 약간 있다). 그리고 그것의 외부 표면의 냉각을 요구하지 않기 때문이다. 압축기(12)에 대한 루츠형 송풍기 압축기와, 작업 기관(16)의 이용은 또한 마찰력을 최소화함으로써 기계적인 효율성을 이롭게 개선한다. 압축기(12)에 대한 루츠형 송풍기 압축기(그리고 다른 회전형 압축기)의 이용은 또한 더 큰 기관에 대하여 용이하게 크기를 변경할 수 있으며 매우 낮은 수준의 진동을 야기한다는 점에서 장점이 있다.
도 2는 열기 기관(30)의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다. 열기 기관(10)과 관련하여 설명된 것과 동일한 특징은 같은 참조번호로 표현될 것이다. 열기 기관(30)의 구조 및 동작은, 열기 기관(30)이 작업 기관(16)의 유출구(16t)를 압축기(12)의 유입구(12a)로 연결하는 제3 덕트(32)를 포함한다는 점을 제외하고는, 열기 기관(10)의 구조 및 동작과 유사하다. 기관(30)은 또한 제1 덕트(18)의 일부와 제3 덕트(32)의 일부 사이에 열 교환기(heat exchanger)(34)를 포함한다. 기관(30)은 또한 압축기(12)의 유입구(12a)의 상류 측 제3 덕트(32) 내에 잔여 열 제거 교환기(residual heat removal exchanger)(36)를 포함한다.
열 교환기(34)는 가열로(14)로 제공되는 공기의 온도를 증가시켜 열효율을 개선한다. 열 교환기(34)의 이용은 열기 기관(30)의 이론적 열효율이 약 28%의 최대값에서 약 72%의 최대값까지, 또는 파워를 희생하여 더 높은 효율을 위해 구성된 경우, 더 높은 값까지 상승하는 것을 허용한다.
잔여 열 제거 교환기(36)는 열 교환기(34)를 통해 가열로(14)에 제공되는 공기의 온도를 가열하는데 이용될 수 없는 열을 제거함으로써, 압축기(12)의 유입구(12a)로 유입되는 공기의 온도를 주변 또는 가까운 주변 온도까지 감소시킬 수 있다.
열기 기관(30)은 폐쇄된 싸이클로 동작한다. 동작 가스가 가압 될 수 있으므로, 열기 기관(30)의 파워는 주어진 기관 크기에 대하여 유리하게 증가 될 수 있다.
도 3은 열기 기관(50)의 제3 실시예를 개략적으로 도시한다. 앞선 실시예들의 특징을 설명하는데 이용된 것과 같은 참조번호가 동일한 특징을 나타내기 위해 다시 사용된다. 열기 기관(50)에서, 가열로(14)는 하나 또는 그 이상의 솔라 패널들(미도시)과 같은 태양 에너지의 소스에 유입구(54)와 유출구(56)를 통해 연결된 열 교환기(52)로 대체된다. 태양 에너지가 이용될 수 없는 경우, 열 교환기(52)는 저장된 태양열 에너지 또는 다른 열 에너지원에 의해 가열될 수 있다.
또한, 제1 덕트(18), 제2 덕트(20), 및 제3 덕트(32)는 단열부(insulation)(58, 60, 62)에 의해 각각 싸인다. 이것은 열손실을 피할 수 있으며 효율을 개선한다.
열기 기관(50)은 하나의 단열된 하우징 내부에 열 교환기(34), 열 교환기(52) 및 작업 기관(16)을 하우징함으로써 열손실을 방지한다. 열기 기관(50)은 또한 수직 온도 기울기(vertical temperature gradient)로 열 교환기들(34, 52)을 유리하게 배열한다. 열기 기관(50)은 작업 기관(16)으로부터의 가압된 공기가 팽창될 수 있는 팽창 영역을 포함한다. 이것은 유리하게는 공기로부터의 어떠한 운동 에너지도 증가된 열에너지로 전환되는 것을 허용한다.
도 4는 도 3에 도시된 열기 기관(50)과 매우 유사한 열기 기관(70)의 제4 실시예를 개략적으로 도시한다. 같은 특징은 같은 참조번호로 표현된다. 그러나, 열 기관(70)에서, 압축기는 방사형 터빈 압축기(radial turbine compressor)(72)의 형태이다. 축방향 터빈 압축기(axial turbine compressor) 또한 사용될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 열기 기관(70)과 매우 유사한 열기 기관(90)의 제5 실시예를 개략적으로 도시한다. 같은 특징은 같은 참조번호로 표현된다. 그러나, 열기 기관(90)에서, 압축기는 베인 압축기(vane compressor)(92)의 형태이다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 열기 기관(10, 30)과 매우 유사한 열기 기관(110)의 제6 실시예를 개략적으로 도시한다. 같은 특징은 같은 참조번호로 표현된다. 그러나, 열기 기관(110)은 개방 싸이클(open cycle)로 동작하며, 잔여 열 제거 교환기(36)를 사용하지 않는다.
도 7은 도 1에 도시된 열기 기관(10)과 매우 유사한 열기 기관(130)의 제7 실시예를 개략적으로 도시한다. 같은 특징은 같은 참조번호로 표현된다. 그러나, 열기 기관(130)은 왕복 피스톤 압축기(reciprocating piston compressor)(132)를 이용한다.
위에서 설명한 열기 기관의 실시예들은 왕복 피스톤 열기 기관(reciprocating piston hot-air engines) 및 열기 터빈 기관(hot-air turbine engines) 양자에 많은 이점을 제공한다. 왕복 피스톤 팽창 기관(reciprocating piston expansion engine)에 결합된 왕복 피스톤 압축기(reciprocating piston compressor)를 이용하는 열기 기관과 비교하면, 위에서 설명된 실시예들은 개선된 효율, 낮은 유지 요구조건, 큰 내구성, 및 낮은 생산비용을 제공한다. 가스 터빈 기관 비교하면, 위에서 설명된 실시예들은 낮은 등급 내지 중간 등급의 열로 운용될 수 있으며, 고체(재생가능한) 연료로 운용될 수 있으며, 최대 출력으로 개선된 효율을 가지며, 그리고 최대 출력 미만에서는 동작하는 경우 열효율을 유지하거나 증가시킬 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 많은 다른 형태로 실시될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
예를 들어, 150℃를 초과하는 가열로 온도를 이용하는 응용에서는, 작업 기관은 자신의 베어링의 윤활유를 위한 냉각기를 이용할 수 있으며, 그리고/또는 외부 동기화 기어 또는 외부 베어링(즉, 작업 기관의 뜨거운 영역 외부에 배치된)를 가질 수 있으며, 그리고/또는 로터 사이에 단열부(insulation) 및/또는 열 배리어(thermal barriers)와, 로터에서 베어링으로의 열흡수를 방지하기 위한 베어링을 가질 수 있다. 단열부 및/또는 열 베리어는 베어링의 하우징과 작업 기관의 주요 몸체부 사이에 이용되어 하우징에서 베어링으로의 열 흡수를 방지할 수 있다. 이러한 특징들은 가열로 온도가 150℃ 이하인 경우 이용될 수 있다.
압축기의 유출구에서의 원웨이 밸브(one way valve)가 작업 기관에서 압축기로 돌아가는 역류를 중지하기 위해 이용될 수 있다.
기어박스, 예를 들어, 연속적으로 변경가능한 유형의 기어박스가, 압축기 속도를 작업 기관 속도에 상대적으로 제어하기 위해 팽창 기관(expansion engine)과 압축기 사이에 맞춤 될 수 있다.
공기보다 더 낮은 감마율(gamma ratio)을 가지는 공기 이외의 가스(예를 들어, 암모니아, 이산화탄소, 또는 부탄올)가 효율을 약 15-20%까지 높히기 위해 폐쇄 싸이클 실시예들에서 사용될 수 있다.
압축기는 반켈형 회전 압축기(Wankel type rotary compressor)일 수 있다.
10 : 열기 기관(hot-air engine)
12 : 루츠형 송풍기 압축기(Roots type blower compressor)
14 : 가열로(furnace)
16 : 루츠형 송풍기 변위 작업 기관(Roots type blower displacement working engine)
18 : 제1 덕트
20 : 제2 덕트
22 : 구동축

Claims (22)

  1. 열기 기관으로서,
    유입구와 유출구를 가지는 압축기;
    상기 압축기의 유출구와 연통하는 유입구와, 유출구를 가지는 가열 챔버;
    상기 가열 챔버의 유출구와 연통하는 유입구와, 출력축을 가지는 회전 변위 형 작업 기관; 및
    상기 작업 기관을 상기 압축기에 연결함으로써, 상기 작업 기관의 동작이 상기 압축기의 동작을 야기하도록 하는 구동 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 변위형 작업 기관은 루츠형 송풍기 작업 기관인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전 변위형 작업 기관은 스크류형 작업 기관인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전 변위형 작업 기관은 변형된 루츠형 송풍기 또는 스크롤형 압축기인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 회전형 압축기인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전형 압축기는 2 로터 압축기인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2 로터 압축기는 루츠형 송풍기, 변형된 루츠형 송풍기 또는 스크류형인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 회전형 압축기는 단일 로터 압축기인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단일 로터 압축기는 축방향 터빈, 방사형 터빈, 베인 압축기, 또는 스크롤형 압축기인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기는 왕복 피스톤 압축기인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 기관은 상기 압축기의 용량보다 약 20%-50% 더 큰 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 챔버는 가열로인 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가열로는 내연 또는 외연에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 챔버는 하나 또는 그 이상의 태양 에너지 수집기에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 기관은 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 작업 기관의 유출구는 상기 압축기의 유입구와 연통하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열기 기관은 상기 압축기의 유출구와 상기 가열 챔버의 유입구 사이에 적어도 하나의 제1 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열기 기관은 상기 가열 챔버의 유출구와 상기 작업 기관의 유입구 사이에 적어도 하나의 제2 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 열기 기관은 상기 작업 기관의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 적어도 하나의 제3 덕트를 포함함으로써, 상기 열기 기관이 폐쇄된 사이클로 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 열기 기관은 상기 압축기의 유입구 상류 측 제3 덕트 내에 잔여 열 제거 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 열기 기관은 상기 작업 기관의 유출구와 대기 사이에 적어도 하나의 제3 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
  22. 제19항, 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 열기 기관은 상기 적어도 하나의 제1덕트의 일부와 상기 적어도 하나의 제3 덕트의 일부 사이에 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열기 기관.
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