KR20160019429A - 폐열 또는 지열 열을 이용하기 위한 방법 및 그 열 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압력 하에 실린더(1; 10)의 실린더 챔버(11, 12; 101, 102, 103) 내에 위치되어 외부로부터 열 공급을 통해 열이 인가되는 고온 가스를 통해 피스톤(2, 20)을 구동하는 것을 통해 전류 또는 기계적 출력을 생성하기 위한 방법 및 그 열 엔진에 관한 것이며, 고온 가스의 열 인가는 고온이면서 특히 액상이거나, 또는 응축될 수 있는 열 전달 매체가 각각의 실린더 챔버 내로 분사되거나 분무되는 것을 통해 수행되며, 그리고 사용된 열 전달 매체는 실린더 챔버의 바닥 영역에서 수집되어 수집 챔버 내로 배출된다.

Description

폐열 또는 지열 열을 이용하기 위한 방법 및 그 열 엔진{METHOD AND HEAT ENGINE FOR UTILISING WASTE HEAT OR GEOTHERMAL HEAT}

본 발명은, 특히 전류를 생성하기 위해, 폐열, 또는 지열 열, 또는 일반적으로 말하면 상대적으로 낮은 온도 레벨, 특히 대략 물의 비등점에까지 도달하는 온도 범위의 열을 이용하기 위한 방법과 수정된 고온 가스 열 엔진(modified hot-gas heat engine)에 관한 것이다. 상기 범주의 열은 지금까지 전류의 생성을 위해, 또는 일반적으로는 일량(amount of work)의 생성을 위해 이용될 수 없었는데, 그 이유는 전기 발전기를 구동하기 위한 종래의 엔진은 상기 열로는 작동되지 않았기 때문이다.

고온 가스 열 엔진은 통상적인 피스톤 엔진 또는 가스 또는 증기 터빈과 달리 엔진의 내부에 잔존하면서 교환되지 않는 가스로 작동한다.

고온 가스 엔진은 스털링 엔진(Stirling engine)의 형태로 공지되었다. 항상 2개의 피스톤을 필요로 하는 스털링 엔진의 경우, 지속적으로 가열되는 실린더 영역과 지속적으로 냉각되는 실린더 영역이 제공되어 있으며, 이들 실린더 영역 사이에서 작용 가스가 왕복 이동된다. 가열된 실린더 챔버 내에서 작용 가스는 팽창되어 작업을 수행하며, 그리고 냉각된 실린더 챔버 내에서 다시 수축된다.

공지된 스털링 엔진의 경우 단점은, 고온의 실린더 챔버를 가열하기 위해 공급되는 열이 두꺼운 실린더 벽부를 통해 공급되어야 한다는 점에 있으며, 이는 비록 실린더 벽부 쪽으로 공급될 수 있는 모든 임의의 유형의 열의 이용을 가능하게 하지만, 그러나 스털링 엔진에 상당한 관성을 강요한다. 또한, 작용 가스가 매 주기마다 고온의 실린더 챔버와 저온의 실린더 챔버 사이에서 상대적으로 좁은 채널을 통해 변위되어야만 하는 상황도 상기 관성에 기여한다. 그 밖에도, 스털링 엔진의 경우 고온 영역과 저온 영역은 교환될 수 없다. 그러므로 상대적으로 더 많은 에너지량은 스털링 엔진으로는 실현될 수 없다.

그러므로 본 발명의 과제는, 현저한 출력이 실현될 수 있게 하며, 그리고 특히 전류 생성을 위해 이용되는 기계적 작업을 수행할 수 있는 훨씬 더 집중적인 입열(heat input)을 가능하게 하는 방법과 수정된 고온 가스 열 엔진을 제공하는 것에 있다.

이와 동시에 특히 본 발명은, 여타의 경우, 가열 목적을 위한 것을 제외하고는, 더 이상 거의 이용될 수 없게 되는 상대적으로 낮은 온도 레벨의 열 또는 폐열을 효과적으로 이용할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 과제는 본 발명에 따라서 청구항 제1항에 명시된 방법과 청구항 제4항에 명시된 열 엔진을 통해 해결된다. 본 발명의 바람직한 개선예 및 구현예는 종속 청구항의 대상이다.

실린더 챔버 내로 열 전달 매체, 바람직하게는 고온수를 분사하는 것에 근거하여, 본 발명에 따르는 고온 가스 열 엔진의 실린더 챔버 내로의 입열은 직접 분자에서 분자로, 그리고 지연 없이 수행된다. 유입되는 열량은 실린더 챔버 표면의 크기에 따라 결정되는 것이 아니라, 분사되는 열 전달 매체의 양을 통해 제어될 수 있다. 그 결과, 실린더 챔버가 그에 상응하게 큰 경우, 실린더 벽부를 통과하는 열 전도 통로(heat conduction passage)만이 있을 때 가능할 수 있는 경우보다 시간 단위당 훨씬 더 많은 열이 실린더 챔버 내로 유입될 수 있다.

액상 열 전달 매체, 바람직하게 물은 바람직하게는 폐열의 흡수를 통해 가열될 수 있다. 폐열은 예컨대 발전 설비의 냉각 타워에서 유래할 수 있으며, 이 경우 냉각 타워를 통해 저속으로 관류할 때 냉각수에 의해 흡수되는 열이 고온 가스 열 엔진에서 유효 열로서 이용된다. 그 결과, 이전에는 더 이상 이용할 수 없었던 폐열이 유효 열로 변환되고 이와 동시에 환경에 대한 부하는 더 적어진다. 동일한 방식으로, 산업 공정에서 발생하는 또 다른 유형의 폐열도 유용한 에너지로 변환될 수 있다.

본 발명에 따르는 수정된 고온 가스 열 엔진은, 입열이 실린더 벽부를 통과하는 열 전도를 통해 수행되는 것이 아니라, 실린더 챔버 내로 액상 열 전달 매체를 직접 분사하는 것을 통해 수행된다는 점에서, 공지된 스털링 엔진의 원리와 완전히 실질적으로 구별된다. 분사는 액적군(droplet cloud)의 형상으로 수행되며, 그럼으로써 액상 열 전달 매체는 최대한 신속하고 집중적으로 실린더 챔버 내의 가스와 접촉하게 되고, 열 전달 매체와 가스 사이의 열 교환은 신속하고 집중적으로 개시된다. 그런 다음, 중력으로 인해 가열된 가스로부터 액적의 분리가 개시되며, 그리고 열 교환을 통해 냉각된 열 전달 액체는 실린더 챔버의 바닥 영역에서 수집되어 그 바닥 영역에서 개구부를 통해 액체 수집 챔버 내로 유입된다. 실린더 내에 위치하는 가압된 가스는 분사되는 액상 열 전달 매체로부터의 열 흡수를 통해 계속하여 팽창되며, 그리고 피스톤이 왕복 운동하는 경우에는 실린더를 따라서, 또는 로터리 피스톤의 경우라면 피스톤의 원형 경로를 따라서 피스톤을 구동한다. 열 전달 액체를 통한 입열을 통해 가열된 가스는 일량을 통해서뿐만 아니라 냉각된 실린더 벽부 상에서 다시 냉각되고 입열이 재개될 때 다시 가열될 수 있다.

열 전달 매체는 실린더 내에 위치하는 가압된 가스로부터 중력을 통해 분리되도록 하기 위해 액상이어야 한다. 그럼에도, 습윤 증기(wet vapor)가 실린더 챔버 내에 위치하는 가스로 열을 방출하는 중에 응축되면서 응축수가 되게 하는 온도 범위에서는 습윤 증기 역시도 이용할 수 있다.

사용한 열 전달 매체를 위한 수집 팬(collection pan)은 자명한 사실로서 밀폐되어 있고 실린더 챔버의 압력 상태로 존재한다. 액체는, 필요에 따라 수집 챔버 내의 액위에 상응하게 수집 챔버로부터 밸브를 통해 제어되면서 배출될 수 있다. 제어는 예컨대 플로트 밸브를 통해 수행될 수 있으며, 또한 이런 플로트 밸브는 충분히 얼음 결정이 해당 플랩 상에 쌓였다면, 그 플랩, 즉 중력 플랩을 통해서도 개방된다.

본 발명에 따르는 열 엔진이 왕복 운동하는 피스톤을 구비하여 형성되는 경우, 실린더는 수평으로 배치되며, 그리고 실린더 내에서 피스톤의 양측에는 각각 하나의 실린더 챔버가 형성된다. 고온의 열 전달 매체는 일측 및 타측 실린더 챔버 내로 교호적으로 분사되어, 각각의 실린더 챔버 내에 위치하는 가스를 가열하며, 그럼으로써 피스톤은 각각 바로 가열된 실린더 챔버에서 타측의 실린더 챔버로 향하는 방향으로 변위되게 된다.

열 엔진이 로터리 피스톤을 구비하여 형성되는 경우에는, 로터리 엔진의 경우에서처럼 형성되고 횡단면은 대략 삼각형인 피스톤이 피스톤 자신과 로터리 피스톤을 포함한 하우징(3)의 내부 벽부 사이에 회전하면서 이와 동시에 체적이 변동되는 챔버를 형성한다. 이 경우, 고온의 열 전달 매체는 항상 동일한 위치에서 분사된다. 해당하는 챔버가 피스톤의 회전과 더불어 계속하여 이동되는 동안, 중력 분리를 통해 가스로부터 분리된 냉각된 열 전달 매체는 수집 챔버 내로 이어지는 배출 개구부에 도달하며, 그리고 원주방향으로 후속하는 하우징 벽부의 영역은 가스가 냉각될 수 있도록 하기 위해 냉각되며, 그에 반해 해당하는 챔버는 피스톤의 회전과 더불어 고온의 열 전달 매체의 분사가 재개되는 위치로까지 계속하여 이동된다.

실린더 또는 작동 챔버 내의 가스는 바람직하게는 공기이지만, 그러나 각각 또 다른 가스일 수도 있다. 액상 열 전달 매체의 반복되는 공급으로 인해, 가스는 상기 열 전달 매체 내에 용해될 수 있고 사용된 열 전달 매체와 함께 엔진에서 외부로 배출될 수 있기 때문에, 실린더 또는 하우징에는 가스 흡입 밸브가 구비되며, 이 가스 흡입 밸브를 통해 작동압력 상태에 있는 가스는, 실린더 챔버 또는 작동 챔버 내에서 가스 압력을 유지하기 위해, 압축 가스원에서 실린더 챔버 또는 작동 챔버 내로 유입될 수 있다.

실린더 또는 하우징 벽부의 냉각은 실린더 또는 하우징 벽부 내에서 냉각 채널을 통해 순환하는 냉각 매체에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 냉각 매체로서는, 가스의 냉각을 촉진하고 열 전달 매체를 분사하는 시점에 고온의 액상 열 전달 매체와 가스 사이에 최대한 큰 온도 강하를 생성하기 위해, 실린더 또는 하우징 벽부를 주변 온도보다 훨씬 더 그 미만으로 냉각하는 냉매도 적용될 수 있다. 이런 경우에, 실린더 또는 하우징 벽부는, 열이 주변에서 실린더 또는 하우징 벽부 내로 유입될 수 없도록 하기 위해, 절연부를 통해 외부 공기 또는 주변에 대해 절연된다.

그 밖에도, 상기 재냉각 효과는, 스테링(Sterling) 냉동기로부터 공지된 열역학적 효과를 통해서도 생성될 수 있는데, 이런 효과의 경우 밀폐된 공기량은 등온선으로 압축되고 등체적으로 냉각되며 등온선으로 감압되고 다시 등체적으로 가열된다. 이는 피스톤 바닥부에 제공되어 에너지 임시 저장 및 반대 측으로의 관류를 위한 회수열 교환기(recuperator)를 통해 수행된다.

로터리 피스톤을 포함하는 열 엔진의 실시예의 경우, 반전(reversing)은 당연히 필요하지 않은데, 그 이유는 로터리 피스톤이 연속해서 회전 운동되기 때문이다. 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 실시예의 경우에서는, 주기적인 반전이 필요하며, 그럼으로써 일측 또는 타측 실린더 챔버 내로 고온의 열 전달 매체의 유입이 제어된다. 이는, 일측 또는 타측 실린더 챔버 내로 고온의 열 전달 매체의 공급을 제어하고 그 사이에서 경우에 따라 단시간 차단하기 위해, 예컨대 회전형 밸브의 형상인 제어되는 밸브에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 밸브 제어는, 피스톤의 각각 제공되는 최종 위치에 도달하는 점을 검출하기 위해 실린더 챔버에 할당되어 있거나, 또는 피스톤 외주부 상에서 상대 부재에 반응하기 위해 실린더의 중앙 영역에 배치될 수 있는 기계식 또는 또 다른 센서를 통해 검출될 수 있는 피스톤 위치에 따라서 수행될 수 있다. 재냉각을 위해, 회수열 교환기는 배기관과 유입구 사이에 연결된다.

피스톤은 바람직하게는 플런저 피스톤(plunger piston)으로서 형성되며, 이런 플런저 피스톤은 자신의 피스톤 바디로 상대적으로 큰 축 방향 치수를 갖지만, 그러나 자신의 중앙 영역에서는 각각 실린더 챔버의 체적을 확대하는 큰 함몰부를 구비하고 있다. 피스톤 바디의 축 방향 길이가 긴 경우, 피스톤 바디와 실린더 벽부 사이의 간극은, 피스톤이 어느 정도로 가스 필름 상에서, 또는 테프론 레일(teflon rail) 상에서도 활주하도록 치수 설계될 수 있으며, 그리고 매우 우수한 밀봉은 얇은 간극의 길이에 근거하여 보장되는데, 이는 재차 그들 내부에서 압력이 라비린스 효과를 통해 소멸되는 실린더 벽부 내의 톱니형 홈(222)(dentate groove)을 통해 보조된다. 실린더는 수평으로 배치되어 있기 때문에, 그 밖에 피스톤은 자신의 하부 영역에 마찰 손실을 방지하기 위해 롤러 역시도 구비할 수 있다.

열 엔진의 출력은 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 실시예의 경우 통상적으로 실린더 챔버 중 어느 하나의 실린더 챔버의 단부 벽부를 통과하여 안내되는 피스톤 로드에 의해 수행될 수 있거나, 또는 피스톤은 자유 피스톤으로서 형성될 수 있으며, 그리고 피스톤 바디는 실린더의 중앙 영역에서 유럽 특허 EP 2 013 965 B1에서 공지된 것과 같은 압전소자 발전기와 상호 작용할 수 있고, 이 압전소자 발전기의 스텝 압전소자 패키지는 피스톤 바디와 상호작용하면서 피스톤 바디의 선형 운동을 곧바로 전류로 변환한다.

그러나 종래의 선형 발전기도 이용될 수 있다. 이를 위해, 피스톤은 하나 또는 복수의 링 자석을 구비할 수 있고, 이런 링 자석(들)은 피스톤 변위에 의해 상응하는 길이에 걸쳐 축 방향으로 연장되어 있는 스테이터의 내부에서 이동되며, 링 자석 및 스테이터는 선형 전기 발전기를 형성한다.

로터리 피스톤을 포함하는 실시예의 경우, 출력은 당연히 피스톤 샤프트를 통해 수행된다. 그러나 여기서도 상기 유럽 특허 EP 2 013 965 B1에 기재되어 있는 것과 같은 압전소자 발전기가 로터리 피스톤 샤프트에 의해 구동되는 디스크 또는 드럼과 직접 상호 작용하면서 전류를 생성할 수 있다.

유체의 공급은 선형 발전기의 경우 피스톤 로드를 통해 수행될 수 있으며, 그리고 조절은 오프셋 된 통로를 구비하여 서로에 대하여 회전될 수 있는 2개의 피스톤을 통해 실현될 수 있고, 이들 피스톤 중 일측 피스톤은 고정되어 있고 타측 피스톤은 서보 모터를 통해 회전될 수 있다. 가스 또는 공기는 분사 전에 연결된 피스톤을 통해 사전 압축될 수 있다.

실린더 단부 벽부 상에 뿐만 아니라, 삼각형 피스톤 바닥부의 양쪽 벽부 상에는 대면적의 환기 밸브가 위치되며, 이 환기 밸브는 피스톤 행정과 더불어 푸시 로드를 통해 강제 제어된다. 중간 위치에서 회수열 교환기는 관류될 수 있으며, 그럼으로써 저온 효과가 발생할 수 있게 된다.

실린더 단부 벽부 상에 위치하는 밸브 플랩은 토글 레버를 통해 바깥쪽을 향해 개방되며, 그리고 스프링이 작동된다. 밸브 플랩은, 동일한 유형의 개구부에 상대적으로 오프셋 되어 해당하는 벽부 내에 배치되어 있는 큰 환기 개구부를 포함하며, 그럼으로써 작은 개방 경로만으로도 충분히 큰 체적을 통과시킬 수 있게 된다.

압축 피스톤의 실린더 벽부는, 양쪽 방향으로 작용하는, 요컨대 한번은 흡입을 위해 작용하고 초과 압력 상태에서는 그 반대 방향으로 개방하기 위해서도 작용하는 초과압 밸브를 구비한다.

온수의 최대한 많은 에너지 범위를 이용할 수 있도록 하기 위해, 분무된 물은 부동액을 함유할 수 있으며, 예컨대 -50℃까지, 그리고 회로 내에서 안내되는 방식으로 자동차 내에서 통상적인 공기 냉각기를 통해 대기에 의해 가열될 수 있으며, 그럼으로써 공기 열 구동장치를 장착한 자동차가 가능해진다.

본 발명은 하기에서 첨부한 도면에 따르는 실시예에 따라서 더욱 상세하게 기재된다.

본 발명은, 특히 전류를 생성하기 위해, 폐열, 또는 지열 열, 또는 일반적으로 말하면 상대적으로 낮은 온도 레벨, 특히 대략 물의 비등점에까지 도달하는 온도 범위의 열을 이용하기 위한 방법과 수정된 고온 가스 열 엔진을 제공한다.

도 1은 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 본 발명에 따르는 열 엔진을 도시한 축 방향 단면도이다.
도 2는 도 1에 따르는 열 엔진의 일부분을 도시한 확대도이다.
도 3은 재냉각을 위한 회수열 교환기와 함께, 로터리 피스톤을 포함하는 본 발명에 따르는 열 엔진을 개략적으로 도시한 수직 횡단면도이다.
도 4는 피스톤 로드를 구비한 피스톤 압축기 및 회수열 교환기와 함께, 왕복 운동하는 피스톤을 포함하는 박판 구조의 본 발명에 따르는 열 엔진을 도시한 축 방향 단면도이다.
도 5는 피스톤 로드를 통한 조절식 분사를 위한 이중 피스톤을 포함하는 도 4의 한 절개 부분을 도시한 개략도이다.

도 1 및 도 2에는, 왕복 운동하는 피스톤과 수평으로 배치되는 실린더를 포함하는 본 발명에 따르는 열 엔진이 각각 축 방향 단면도로 도시되어 있다.

실린더(1)는 그 내부에서 왕복 변위 가능한 피스톤(2)의 양측에 2개의 실린더 챔버(11 및 12)를 포함하고, 이들 실린더 챔버는 가압된 가스, 바람직하게는 공기로 채워져 있다.

자유 피스톤으로서 형성되어 실린더(1) 내에서 변위 가능한 피스톤(2)은 현저한 축 방향 치수를 갖는 피스톤 바디(21)를 구비하고 양쪽 면에는 각각의 실린더 챔버의 체적을 확대하는 큰 함몰부(22)를 포함한다. 피스톤(2)과 실린더 벽부(13) 사이에는 얇은 실링 간극이 형성되며, 이런 실링 간극은 라비린스 실링처럼 작용하지만, 그러나 피스톤(2)을 실질적으로 가스 쿠션 상에서 활주하게 한다. 추가로 피스톤은, 실린더(1) 내에서 저마찰형 피스톤 변위를 가능하게 하기 위해, 하부에 위치하는 자신의 영역에 롤러(23)를 포함한다.

실린더 벽부(13) 내에는, 일측 또는 타측 실린더 챔버(11, 13) 내로 고온의 열 전달 매체, 특히 고온수를 공급하기 위한 라인(3, 4)이 제공되며, 이 라인은 상부 영역에서, 그리고 바람직하게는 각각의 실린더 챔버(11, 12)의 단부 벽부 영역에서도 각각 분사 노즐(31, 41)을 통해 개방되어 있다. 도 1에 예컨대 회전형 밸브로서 도시되어 있는 제어 밸브(5)는 열 전달 매체원에서 일측 또는 타측 실린더 챔버(11, 12) 쪽으로 고온의 열 전달 매체의 공급뿐만 아니라 경우에 따라서는 그 사이에서 발생하는 단시간 차단을 제어한다.

또한, 실린더 벽부(13)는 단열부(14)를 구비하여 형성되며, 이런 단열부는 실린더의 외부로부터 열의 유입을 방지하기 위해 이용된다. 단열부(14)의 내부에서 실린더 벽부는 냉각 채널(15)을 구비하며, 이 냉각 채널은, 실린더 챔버 내의 가스가 냉각되도록 하기 위해 실린더 벽부를 냉각하기 위해 냉각제에 의해 관류된다. 냉각제는 본 실시예의 경우 냉각제 펌프(6)에 의해 냉각 채널(15)을 통해 순환된다. 그 결과, 실린더 벽부는 지속적으로 냉각된다.

도 1 및 도 2에서, 피스톤(2)은 실린더(1) 내에서 우측 최종 위치에 위치되어 있다. 좌측 실린더 챔버(12) 내의 가스는 상대적으로 감압되어 있고 상대적으로 냉각되어 있으며, 그리고 우측 실린더 챔버(11) 내의 가스는 압축되어 있다.

상기 피스톤 위치에서, 이제 고온의 열 전달 매체, 특히 고온수는 도면에 도시된 것처럼 우측 실린더 챔버(11) 내로 분사된다. 그 결과, 실린더 챔버(12) 내의 가스는 강하게 가열되고 팽창되어 피스톤(2)을 좌측 방향으로 구동한다. 분사된 고온의 액상 열 전달 매체는 중력에 근거하여 저속으로 실린더 챔버(11)를 관류하여 실린더 챔버의 바닥 영역에서 수집되며, 이 바닥 영역에서 열 전달 매체는 개구부를 통해 수집 챔버(6) 내로 배출된다. 수집 챔버(6)로부터는, 수집되고 냉각된 액상 열 전달 매체의 액위에 따라서, 상기 열 전달 매체가 제어되는 밸브를 통해 배출된다. 제어되는 밸브는 플로트 밸브일 수 있다.

실린더(1) 내에서 피스톤(2)의 좌측 최종 위치에 도달한 후에, 과정은 반전된다. 이를 위해 제어 밸브(5)는 반전하여 타측 실린더 챔버, 다시 말하면 이제부터는 좌측 실린더 챔버(12) 내로 액상 열 전달 매체의 공급을 실행한다. 우측 실린더 챔버(11) 내의 가스는 이미 일량을 통해 약간 냉각되었으며, 냉각된 실린더 벽부를 통해 계속하여 냉각된다.

실린더 벽부는 지속적으로 냉각될 수 있는데, 그 이유는 분사되는 고온의 열 전달 매체를 통한 강하고 신속한 입열이 가스 상으로 직접적인 열 전달을 실현하고 그런 다음 가스는 작업을 수행하고 그에 후속하여 비로소 실린더 벽부 상에서 다시 냉각되기 때문이다.

피스톤(2)의 반전을 위해, 피스톤(2)을 통해 각각의 최종 위치에 도달하는 점을 검출하여 제어 밸브(5)를 통한 반전을 유발하는 기계적 센서, 또는 또 다른, 예컨대 전자식 센서(7)가 제공될 수 있다.

출력은, 본 실시예의 경우, 실린더(1)의 중앙 영역에서 화관의 유형으로 전체 실린더 외주의 둘레에 배치될 수 있고, 최초에 이미 언급한 것처럼 유럽 특허 EP 2 013 965 B1에 기재된 개념에 상응할 수 있는 압전소자 발전기(8)를 통해 수행된다. 이런 압전소자 발전기(8)의 스텝 압전소자 패키지는 피스톤 바디(21)와 직접 상호 작용하며, 이 피스톤 바디는 피스톤의 왕복 운동 시 고정된 압전소자 발전기(8)에 상대적으로 축 방향으로 이동된다.

그 대안으로, 마찬가지로 최초에 기재한 것처럼, 피스톤 운동을 전기 에너지로 직접 변환하기 위해, 또 다른 종래의 선형 전기 발전기도 이용될 수 있다.

도 2에는, 세부사항을 더욱 잘 식별할 수 있도록 하기 위해, 도 1의 일부분이 확대도로 도시되어 있다.

또한, 도 1의 좌측 부분에는, 열 엔진에서 이용되는 액상 열 전달 매체, 특히 물을 가열하기 위해 폐열을 이용하기 위한 배치구조가 개략적으로 도시되어 있다. 챔버(16)는 유입구(17) 및 유출구(18)를 통해 공정, 예컨대 연소에서 발생하는 고온의 폐가스에 의해 관류되고, 이와 동시에 폐가스는 자신의 열을 분사 노즐(19)을 통해 저온수로서 챔버(16) 내로 분사되는 물로 방출하고, 이 물은 상기 챔버를 저속으로 관류하면서 이와 동시에 고온의 공정 폐가스로부터 열을 흡수하며, 그리고 마지막으로 챔버(16)의 하부 영역에서 고온수로서 수집되며, 그런 다음 고온수는 상기 하부 영역에서 배출되어 열 전달 매체로서 열 엔진으로 공급될 수 있다.

또한, 실린더(1)의 우측 단부 영역에는 압축 가스 재충전 밸브(51)가 제공되며, 이 재충전 밸브를 통해서는, 액상의 사용된 열 전달 매체 내에 용해된 가스가 사용된 열 전달 매체와 함께 배출되는 것으로 인해 실린더 챔버(11, 12) 내의 가스 압력이 가스 손실을 통해 강하된다고 할 때, 압축 가스가 상응하는 실린더 챔버(11) 내로 재충전될 수 있다.

도 3에는, 로터리 피스톤을 포함하는 본 발명에 따르는 열 엔진의 한 실시예가 축 방향의 수직 횡단면도로 도시되어 있다. 실린더(10) 및 로터리 피스톤(20)은 로터리 엔진으로부터 공지된 형태를 보유한다. 로터리 피스톤은 횡단면도에서 대략 삼각형으로 원형의 측면 및 3개의 실링 에지(201)를 구비하며, 이들 실링 에지는 각각 실린더(10)의 내부 벽부를 따라서 활주한다. 로터리 피스톤(20)의 3개의 실링 에지는 실린더(10)의 내부 벽부와 함께 3개의 챔버(101, 102 및 103)를 형성하며, 이들 챔버는 로터리 피스톤과 더불어 화살표 방향으로 회전하고 이와 동시에 자신의 체적을 변경한다.

여기에 도시되지 않은 제어 밸브에 의해, 유입구(110)를 통해 각각 상기 유입구의 영역에 위치하는 실린더 챔버 내로 고온의 열 전달 매체가 유입된다. 유입 위치에서, 회전 동안 실린더 내에서 가변하는 해당하는 실린더 챔버의 체적은 작고 그로 인해 가스는 압축된다. 분사되는 열 전달 매체를 통해 가스는 가열되고 팽창되면서 로터리 피스톤(20)을 구동한다. 해당하는 챔버가 계속하여 회전하는 동안, 그 해당하는 챔버는 사용된 열 전달 매체를 위한 수집 챔버(130) 내로 이어지는 배출 개구부(120)의 영역에 도달하게 된다. 사용된 열 전달 매체는, 앞서 이미 기재한 것처럼, 액위에 따라서 수집 챔버(130)로부터 예컨대 아이스 플랩(219)(ice flap)을 구비한 플로트 밸브(218)로서 형성되어 제어되는 밸브를 통해 배출될 수 있다. 추가로 회전할 때 챔버 체적은 챔버(103)를 통해 도시된 것처럼 확대되며, 그럼으로써 가스는 감압되어 냉각 촉진된다. 고온의 열 전달 매체의 분사가 수행되는 실린더 벽부 영역의 외부에서 실린더 벽부의 냉각은 바람직한 것이며, 그리고 도 1 및 도 2와 관련하여 기재한 실시예의 경우에서와 유사하게 수행될 수 있다.

회수열 교환기(206, 207) 내에는 예컨대 Cu 울(wool)이 위치되며, 이런 Cu 울은 저온 영역에서 압축을 통해 생성된 열을 흡수하여 임시 저장하고, 그런 다음 전류 출력을 통해 그 사이에 저온이 되고 감압된 이전의 압축 챔버(208) 내로 유입되게 하며, 그에 따라 그 해당 위치에서 실린더 챔버(11, 12, 103) 내의 작용 공기의 의도하는 공기 재냉각 효과를 실현한다.

피스톤 로드(209) 상에는 이른바 충격 노즐(214)이 위치되며, 이 충격 노즐을 통해서는, 서보 모터(212)를 통해 제어되면서, 이 서보 모터가 로터리 피스톤(211)을 회전시키고 고정형 피스톤(210)에 대해 상응하는 통로를 개방함으로써, 따뜻한 공기 또는 온수가 분사된다.

물 유입구(213)는 내부 튜브(211)를 통해 충격 노즐(214)로 물을 공급한다.

압축 피스톤(215)은 피스톤 로드(209)를 통해 함께 구동되면서 흡입 밸브(216)를 통해 습윤 증기 또는 따뜻한 공기를 흡입하여 압축하고 계속 전달한다. 초과압 밸브(217)는 초과 압력 상태에서 개방된다.

플로트 밸브(218, 219, 217)는 얼음 결정의 중력을 통해 그 얼음 결정이 그에 상응하게 충분히 쌓인 경우 얼음 결정을 제거하기 위해 플로트 밸브(218)를 개방하는 아이스 플랩(219)을 포함한다.

Claims (18)

1. 압력 하에 열 엔진의 실린더(1, 10)의 실린더 챔버(11, 12; 101, 102, 103) 내에 위치되어 외부로부터 열 공급을 통해 열이 인가되는 고온 가스를 통해 피스톤(2, 20)이 구동됨으로써 전류 또는 기계적 출력의 생성을 위한 열 엔진을 작동시키기 위한 방법으로서,
   상기 실린더 챔버 내의 고온 가스의 열 인가는 상기 실린더 챔버 내로 액상 또는 습윤 증기 상태의 고온의 열 전달 매체를 분사하거나 분무하는 것을 통해 수행되며, 그리고 사용된 열 전달 매체는 액체로서, 또는 얼음 결정의 형상으로 상기 실린더 챔버의 바닥 영역에서 수집되어 수집 챔버 내로 배출되는 것을 특징으로 하는 열 엔진의 작동 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열 전달 매체는 수평으로 배치된 실린더(1) 내에서 왕복 변위 가능한 피스톤(2)의 양측에 위치하는 2개의 실린더 챔버(11, 12) 중 일측 실린더 챔버(11) 및 타측 실린더 챔버(12) 내로 교호적으로 분사되거나 분무되는 것을 특징으로 하는 열 엔진의 작동 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열 전달 매체는 각각 상기 실린더(10)의 특정한 외주 영역에서 실린더 벽부와 그 내에서 회전하는 로터리 피스톤(20) 사이에 형성된 실린더 챔버(101, 102, 103) 내로 분사되거나 분무되는 것을 특징으로 하는 열 엔진의 작동 방법.
4. 실린더(1)와, 이 실린더 내에서 이동 가능하고 고온 가스에 의해 구동되는 피스톤(2, 20)을 포함하는 고온 가스 열 엔진으로서, 각각의 실린더 챔버(11, 12; 101, 102, 103) 내에서 상기 고온 가스는 외부에서 공급되는 열을 통해 가열되는, 상기 고온 가스 열 엔진에 있어서,
   각각의 실린더 챔버 내로 액상 또는 습윤 증기 상태의 고온의 열 전달 매체를 분사하거나 분무하기 위한 수단(31, 41; 110), 및 각각의 실린더 챔버의 바닥 영역에서 액상 상태의 사용된 열 전달 매체를 수집하고 배출하기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
5. 제 4항에 있어서,
   왕복 운동하는 피스톤(2)을 포함하고, 상기 실린더(1)는 수평으로 배치되고, 고온의 열 전달 매체를 분사하거나 분무하기 위한 수단은, 각각 피스톤 위치에 상응하게 제어되면서, 실린더(1) 내에서 왕복 운동 가능한 피스톤(2)의 양측에 축 방향으로 배치되는 2개의 실린더 챔버(11, 12) 중 일측 실린더 챔버(11) 및 타측 실린더 챔버(12) 내로 상기 열 전달 매체를 교호적으로 분사하거나 분무하는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
6. 제5항에 있어서,
   실린더 벽부(13)는 지속적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
7. 제4항에 있어서,
   상기 피스톤(2)은 로터리 엔진의 원리에 따르는 로터리 피스톤(20)이고, 이 로터리 피스톤은 자신과 실린더 벽부(110) 사이에 상기 로터리 피스톤과 더불어 회전하는 실린더 챔버(101, 102, 103)를 형성하고, 이 실린더 챔버는 자신의 회전 동안 체적을 변경하며, 열 전달 매체를 분사하거나 분무하기 위한 수단은 실린더 외주의 특정 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
8. 제7항에 있어서,
   상기 실린더 벽부(110)는 외주를 따라서 열 전달 매체의 분사 또는 분무 위치로부터 이격된 영역에서 지속적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 실린더 벽부(13, 110)의 냉각을 위해 상기 실린더 벽부 내에 냉각 채널이 제공되며, 이 냉각 채널은 냉각제 또는 냉매에 의해 관류되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 가스 손실을 보상하기 위해 압축 가스 충전 밸브(51)가 상기 실린더 벽부(13, 110) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용된 열 전달 매체를 위한 상기 또는 각각의 수집 챔버(6, 130)에는 액위를 통해 제어되는 배출 밸브(218)가 할당되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
12. 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤(2; 20)은, 스텝 압전소자 패키지로 상기 피스톤(2) 또는 이 피스톤에 의해 이동되는 피동 부재와 직접적으로 상호 작용하는 압전 전기 발전기(8) 상에 직접 또는 간접적으로 작용하는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
13. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 왕복 운동하는 피스톤은 자신의 피스톤 바디(21)로 상기 피스톤의 외주의 둘레에 배치되는 상기 압전 전기 발전기(8)의 스텝 압전소자 패키지와 직접적으로 상호 작용하거나, 또는 상기 피스톤(2)은, 이 피스톤 상에 배치되는 자석 링으로, 상기 피스톤을 에워싸는 전기 스테이터와 함께 선형 전기 발전기를 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
14. 제5항에 있어서,
    상기 피스톤(2)은 자신의 하부 영역에 실린더 벽부(13)의 하부에 위치하는 영역과 상호 작용하는 롤러(23)를 구비하는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
15. 제1항에 있어서,
    작용 공기 재냉각을 위해 바람직하게는 상기 피스톤(207)의 바닥부에, 또는 실린더 하우징(10) 내에 회수열 교환기(206)가 제공되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
16. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤 로드(209)에는 압축 피스톤(215)이 할당되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
17. 제1항에 있어서,
    아이스 플랩(219)이 제공되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.
18. 제1항에 있어서,
    분사 조절은 서로에 대하여 서보 모터(212)를 통해 위치 조정될 수 있는 2개의 피스톤(210, 211)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 고온 가스 열 엔진.

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