KR20160069454A - 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스털링 엔진의 가열실린더(10)에 탑재되는 디스플레이서에 있어서: 상기 가열실린더(10)의 내부에 왕복운동 가능하게 수용되고, 고온공기와 저온공기의 통과를 위한 통기다공(32)을 지니는 피스톤(30); 및 상기 피스톤(30)을 감싸도록 설치되어 왕복운동력을 작용하는 서포트프레임(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 스털링 엔진의 디스플레이서를 구성하는 피스톤에 대한 열교환 성능을 높이는 생산기술을 기반으로 하여 시스템 작동의 전반적인 효율향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조{Displacer Piston Structure for Sterling Engine}

본 발명은 스털링 엔진에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스털링 엔진의 디스플레이서를 구성하는 피스톤에 대한 열교환 성능을 높이는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조에 관한 것이다.

스털링엔진의 원리는 1816년 영국의 목사 스털링이 고안한 것으로 알려져 있다. 그러나 증기기관과 내연기관의 급속한 발전으로 빛을 받지 못하다가 근래에 와서 관련기술, 특히 내열재료(내열재료)와 실(seal) 기술의 발전, 그리고 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 다시 개발되기 시작했다. 고효율성이라는 특징을 살린 소형발전기, 연료의 다양성이라는 특징을 활용한 바이오매스 또는 폐열을 이용하는 시스템을 실현할 수 있는 엔진으로 기대를 모으고 있다.

최근에는 수십도의 낮은 온도에서도 상대적으로 고효율의 작동이 가능한 스털링 엔진도 개발이 되어 나오고 있으나, 속도 토오크와 관련한 문제점 또한 있어 지속적인 연구가 진행되고 있다.

어느 형식의 스털링 엔진에 있어서나 열교환 효율을 높이면서 실제 양산에 적용 가능한 생산기술의 접목을 필요로 한다. 이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2007-0035063호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0749207호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1에 의하면 금속제의 통 형상 또는 바닥이 있는 통 형상의 외부 쉘 바디와, 상기 외부 쉘 바디 주위면에 장착되는 금속제의 열교환 부재와, 상기 외부 쉘 바디의 주위면과 상기 열교환 부재의 주위면의 적어도 한쪽에 형성된 피복층을 구비하고, 상기 외부 쉘 바디에 상기 열교환 부재를 압접하며, 이러한 열교환기는 스털링 기관의 흡열부나 방열부에 설치할 수 있다.

선행문헌 2는 작동 가스가 봉입된 압력 용기와, 압력 용기 내부에 고정된 실린더와, 실린더 내부에 배치된 파워 피스톤과, 실린더 내부에 파워 피스톤과 동축 상에 배치된 디스플레이서를 갖고, 디스플레이서는 실린더 내부를 미끄럼 이동하는 디스플레이서 피스톤과, 디스플레이서 피스톤에 연결 고정되고, 파워 피스톤의 중심부에 마련된 미끄럼 이동 구멍을 관통하는 로드를 갖고 있고, 로드가 중공의 파이프 형상으로 형성된다.

그러나, 선행문헌 1은 냉동기용 스털링 기관의 열교환기 쉘을 요지로 하고 선행문헌 2는 디스플레이서의 전체적 경량화를 요지로 하므로 디스플레이서의 열교환 측면에서 효율을 높이기에 한계성을 보인다.

1. 한국 공개특허공보 제2007-0035063호 "스털링 엔진 조립체" (공개일자 : 2007.03.29.) 2. 한국 등록특허공보 제0749207호 "스털링 기관" (공개일자 : 2005. 09.29.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 스털링 엔진의 디스플레이서를 구성하는 피스톤에 대한 열교환 성능을 높이는 생산기술을 기반으로 하여 시스템 작동의 전반적인 효율향상을 도모할 수 있는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 스털링 엔진의 가열실린더에 탑재되는 디스플레이서에 있어서: 상기 가열실린더의 내부에 왕복운동 가능하게 수용되고, 고온공기와 저온공기의 통과를 위한 통기다공을 지니는 피스톤; 및 상기 피스톤을 감싸도록 설치되어 왕복운동력을 작용하는 서포트프레임;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 피스톤은 통기다공을 형성하는 적어도 부분적인 영역에 철솜을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 피스톤의 통기다공은 내부에 형성되는 중공채널과 연통되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 피스톤은 통기다공과 중공채널에 연통되는 다공판을 상면과 하면에 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 서포트프레임은 다수의 환형부와 직선부 중 적어도 일부가 교차부에서 분리 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 스털링 엔진의 디스플레이서를 구성하는 피스톤에 대한 열교환 성능을 높이는 생산기술을 기반으로 하여 시스템 작동의 전반적인 효율향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명을 적용하기 위한 스털링 엔진을 예시하는 구성도
도 2는 도 1의 스털링 엔진의 주요부를 분리하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명의 다양한 변형예에 따른 피스톤을 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 작동 상태를 모식적으로 나타내는 예시도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 스털링 엔진의 가열실린더(10)에 탑재되는 디스플레이서에 관하여 제안한다. 선박용 소형 발전기, 추진용 엔진, 소형원동기, 자동차용엔진 등은 물론 기타 연료원(열원)을 적용한 스털링 엔진으로서 넓은 활용성을 목표로 하지만 반드시 이러한 엔진 용도에만 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 적용을 위한 스털링 엔진에서 디스플레이서는 열교환기로서 고온 기체를 압축시켜 저온 팽창부로 이동하게 함으로써 엔진의 행정 운동을 유발한다.

본 발명에 따르면 일단에 연소기(11)를 지니는 가열실린더(10)가 디스플레이서(15)를 수용하는 구조이다. 이외에 상기 가열실린더(10)의 일측으로 연통되는 냉각실린더(20)가 파워피스톤(25)을 수용한다. 가열실린더(10)의 디스플레이서(15)는 일측 커넥팅로드(27)를 통하여 플라이휠(28)에 연결되고, 냉각실린더(20)의 파워피스톤(25)는 타측 커넥팅로드(27)를 통하여 플라이휠(28)에 연결된다. 가열실린더(10)는 일측의 연소기(11)와 타측의 냉각기(12)를 일체로 지니며, 냉각실린더(20)는 일측으로 냉각기(22)를 지닌다. 가열실린더(10)과 냉각실린더(20)는 각각의 냉각기(12)(22)를 거치도록 형성되는 유체이동로를 개재하여 연통된다.

한편, 본 발명에서 디스플레이서(15)는 냉각실린더(20)와 별도로 가열실린더(10)에 설치되는 감마형식 스털링 엔진에 예시되는 것으로 광의적으로 가열실린더(10)를 포함하고 협의적으로 후술하는 피스톤(30)과 동일한 개념으로 정의한다. 감마형 스털링 엔진은 규모의 대형화가 되기 쉽고 압축비를 높일 수 없기 때문에 고출력화가 어려운 단점이 있는 반면, 열교환기 형식을 자유롭게 변형할 수 있고 대량의 입열량을 요구하지 않는 저온도차 구동원으로 적절하다.

또, 본 발명에 따르면 고온공기와 저온공기의 통과를 위한 통기다공(32)을 지니는 피스톤(30)이 상기 가열실린더(10)의 내부에 왕복운동 가능하게 수용되는 구조이다. 외연기관의 출력을 유지하기 위해서는 연소기(11)에서 기체의 열은 높은 상태에서 유지되어야 하고 디스플레이서 피스톤(30)을 통과한 열은 빠른 시간 안에 냉각하여 압축되어야 한다. 기체(공기)에서 피스톤(30)으로 전도되는 열에너지(온도)가 미량이므로 경량화와 강도의 측면에서 두랄루민 합금이 적절하다. 도 2를 기준으로 통기다공(32)은 피스톤(30)의 상면에서 하면에 이르기까지 공기의 유동경로를 형성해야 한다. 피스톤(30)의 상면은 주로 연소기(11)에 의한 고온공기가 하면은 주로 냉각기(12)에 의한 저온공기가 접촉되는 부분이다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 피스톤(30)은 통기다공(32)을 형성하는 적어도 부분적인 영역에 철솜을 구비하는 것을 특징으로 한다. 통기다공(32)은 피스톤(30)의 강도를 저해하지 않는 범위 내에서 수백㎛~수㎜, 예를 들어 100㎛~3㎜의 크기로 형성된다. 통기다공(32)을 형성하기 위한 가장 경제적인 방법은 철솜을 이용하는 것인 반면, 철솜의 압축/인장강도가 높지 않으므로 적어도 부분적인 영역에 국한하여 적용한다. 피스톤(30)의 소재는 텅스텐 합금과 같은 금속성 외에 세라믹, 극세사와 같은 비금속성을 사용하거나 양자를 병용할 수도 있다.

본 발명의 변형예로서, 상기 피스톤(30)의 통기다공(32)은 내부에 형성되는 중공채널(35)과 연통되는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 중공채널(35)은 중앙의 직경이 큰 것과 주변의 직경이 작은 것으로 예시된다. 통기다공(32)을 중공채널(35)과 연통시키면 피스톤(30)의 상면으로 유입되는 고온공기와 하면으로 유입되는 저온공기의 유동성이 향상된다. 물론 중공채널(35)은 피스톤(30)의 설정된 압축/인장강도를 유지하는 범위 내에서 형성되어야 한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 피스톤(30)은 통기다공(32)과 중공채널(35)에 연통되는 다공판(38)을 상면과 하면에 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 다공판(38)은 피스톤(30)의 상면과 하면에 결합되어 왕복운동의 압축/인장강도를 높인다. 상하의 다공판(38)은 상호 다른 소재를 적용할 수도 있으며 상측의 것은 상대적으로 내열성이 요구되고 하측의 것은 상대적으로 강도가 요구된다. 어느 경우에나 다공판(38)은 피스톤(30)에 비하여 크기가 큰 통기다공(32)을 구비하는 것이 좋다.

또, 본 발명에 따르면 서포트프레임(40)이 상기 피스톤(30)을 감싸도록 설치되어 왕복운동력을 작용하는 구조를 지닌다. 서포트프레임(40)은 피스톤(30)을 커넥팅로드(27)와 연결하여 왕복운동의 기계력을 전달한다. 도 2에서 서포트프레임(40)은 3개의 환형부(41), 3개의 직선부(43), 9개의 교차부(45)로 구성됨을 예시한다. 상단과 하단의 환형부(41)는 전술한 다공판(38)으로 대체할 수도 있다. 교차부(45)는 환형부(41)와 직선부(43)의 교차위치를 긴밀하게 유지한다. 서포트프레임(40)의 하단에는 커넥팅로드(27)와 플라이휠(28)이 연결된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 서포트프레임(40)은 다수의 환형부(41)와 직선부(43) 중 적어도 일부가 교차부(45)에서 분리 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다. 교차부(45)는 환형부(41)와 직선부(43)를 연결함에 유동에 의한 변형과 작동소음을 유발하므로 그 설치수량을 최소로 하는 것이 좋다. 교차부(45)가 로크/언로크 가능한 구조로 형성되면 피스톤(30)과 서포트프레임(40)의 부분적인 교체가 용이하다. 만일 피스톤(30)과 서포트프레임(40)의 분리가 불필요하다면 교차부(45)를 일체의 구조로 형성할 수도 있다.

도 4에서, 본 발명의 디스플레이서(15)와 피스톤(30)은 스털링 엔진의 열교환기와 같은 역할을 한다. 도 4(a)와 같은 피스톤(30)의 하강행정시 고온공기가 하측으로 이동하고, 도 4(b)와 같은 피스톤(30)의 상승행정시 저온공기가 상측으로 이동한다. 이때, 고온공기와 저온공기의 이동경로는 전술한 통기다공(32)와 중공채널(35)에 의하여 형성되고 유지된다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 가열실린더 11: 연소기
12, 22: 냉각기 15: 디스플레이서
20: 냉각실런더 25: 파워피스톤
27: 커넥팅로드 28: 플라이휠
30: 피스톤 32: 통기다공
35: 중공채널 38: 다공판
40: 서포트프레임 41: 환형부
43: 직선부 45: 교차부

Claims (5)

1. 스털링 엔진의 가열실린더(10)에 탑재되는 디스플레이서에 있어서:
   상기 가열실린더(10)의 내부에 왕복운동 가능하게 수용되고, 고온공기와 저온공기의 통과를 위한 통기다공(32)을 지니는 피스톤(30); 및
   상기 피스톤(30)을 감싸도록 설치되어 왕복운동력을 작용하는 서포트프레임(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 피스톤(30)은 통기다공(32)을 형성하는 적어도 부분적인 영역에 철솜을 구비하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 피스톤(30)의 통기다공(32)은 내부에 형성되는 중공채널(35)과 연통되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 피스톤(30)은 통기다공(32)과 중공채널(35)에 연통되는 다공판(38)을 상면과 하면에 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 서포트프레임(40)은 다수의 환형부(41)와 직선부(43) 중 적어도 일부가 교차부(45)에서 분리 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조.

Images