KR20230071259A - 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치 - Google Patents

스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치 Download PDF

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Abstract

스털링 엔진을 이용한 난로(100) 대류 장치가 소개된다.
이를 위해 본 발명은 열원인 난방용 난로(100); 상기 난로(100)의 상부면에 안착되고, 상부플레이트(210)와 하부플레이트(220)로 이루어지며 내부에 소정 공간이 형성되되 상기 난로(100)에 의해 공급된 열원으로 승하강될 수 있는 제1피스톤(230)과 상기 제1피스톤(230)에 연결된 동력전달로드(240)가 설치된 피스톤부(200); 상기 피스톤부(200) 상측에는 지지플레이트가 설치되고 상기 지지플레이트를 수평으로 관통하고, 상기 동력전달로드(240)와 회전 가능하게 결합된 제1커넥팅로드(320)를 매개로 회전하고 그 일지점에 캠(330)이 형성된 회전축(340)이 위치하며, 상기 회전축(340)의 일측에 회전가능하게 결합된 제2커넥팅로드(350)를 매개로 승하강하는 제2피스톤(360)과 상기 제2피스톤(360)의 승하강 운동에 의해 선택적으로 개폐될 수 있도록 그 하측 양단에 흡기구(370)와 배기구(380)가 설치된 냉각실린더(390)를 포함하는 엔진구동부(300); 및 상기 캠(330)에 연결된 베벨 드라이브 기어(331)와 치결합되는 베벨 피니언 기어(410)가 그 외주면에 감싸진 스타트손잡이(420)와 상기 스타트손잡이(420)에 결합된 팬(430)이 형성된 팬회전부(400)를 포함한다.

Description

스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치{Stove Convection Apparatus with Stirling Engine}
본 발명은 스털링 엔진을 적용하여 난로의 폐열을 회수한 공기 대류 순환 장치로, 등유 난로 또는 심지 난로에 설치되어 난방 공간의 공기 대류를 통해 열을 고르게 분산시키는 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치에 관한 것이다.
등유 난로 및 심지 난로를 이용하여 난방을 할 때, 온도에 따른 공기의 밀도 차이로 인하여 난방 공간의 상부만 고온이며 하부는 저온이 형성된다.
대류 순환을 원활히 하기 위해 전력을 공급하여 써큘레이터 또는 팬을 이용하는데, 이는 전원이 없는 공간에서는 불가능한 방법이다.
또한 난방 효율을 위해 난로 위 천장에 팬을 설치해야 하는 번거로움이 있다.
전원이 없는 공간 또는 팬 설치를 하지 못하는 경우 사용자 입장에서 난방 공간의 상부와 하부의 온도차로 인해 난방 효과가 미약하다.
이에 본 발명은 전원이 없는 공간에서도 사용이 가능하며, 난로 위에 직접 설치를 하기 때문에 별도의 장비가 없이 설치가 가능한 이점이 있으며, 난로의 폐열을 회수하는 스털링 엔진을 통해 왕복 에너지를 회전에너지로 변환하여 팬을 작동시킴으로써, 난방 공간의 상부와 하부의 공기를 강제 순환시켜 난로의 열을 난방 공간 내에 고르게 분산시키는 새로운 방식의 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치에 관한 것이다.
KR 10-2016-0136146 (2018.04.30 공개)
본 발명은 난로의 폐열을 회수하는 스털링 엔진을 통해 왕복 에너지를 회전 에너지로 변환하여 팬을 작동시킴으로써, 온도에 따른 공기의 밀도 차이로 인하여 나뉜 난방 공간의 고온 상부와 저온 하부 공기를 강제 순환시켜, 난로의 난방 효과가 미약한 전원이 없는 공간에서도 난로의 열을 난방 공간 내에 고르게 분산시키고자 함에 그 목적이 있다.
스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치가 소개된다.
이를 위해 본 발명은 열원인 난방용 난로(100); 상기 난로(100)의 상부면에 안착되고, 상부플레이트(210)와 하부플레이트(220)로 이루어지며 내부에 소정 공간이 형성되되 상기 난로(100)에 의해 공급된 열원으로 승하강될 수 있는 제1피스톤(230)과 상기 제1피스톤(230)에 연결된 동력전달로드(240)가 설치된 피스톤부(200); 상기 피스톤부(200) 상측에는 지지플레이트가 설치되고 상기 지지플레이트를 수평으로 관통하고, 상기 동력전달로드(240)와 회전 가능하게 결합된 제1커넥팅로드(320)를 매개로 회전하고 그 일지점에 캠(330)이 형성된 회전축(340)이 위치하며, 상기 회전축(340)의 일측에 회전가능하게 결합된 제2커넥팅로드(350)를 매개로 승하강하는 제2피스톤(360)과 상기 제2피스톤(360)의 승하강 운동에 의해 선택적으로 개폐될 수 있도록 그 하측 양단에 흡기구(370)와 배기구(380)가 설치된 냉각실린더(390)를 포함하는 엔진구동부(300); 및 상기 캠(330)에 연결된 베벨 드라이브 기어(331)와 치결합되는 베벨 피니언 기어(410)가 그 외주면에 감싸진 스타트손잡이(420)와 상기 스타트손잡이(420)에 결합된 팬(430)이 형성된 팬회전부(400)를 포함한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 의한다면 아래와 같은 다양한 효과가 구현된다.
첫째, 난로의 폐열을 열원으로 스털링 엔진의 피스톤을 구동하며 피스톤의 왕복 에너지를 통한 구동부를 작동하여 순환용 팬을 구동할 수 있는 작동상의 이점이 있다.
둘째, 난로 위에 설치되어 난로 상단으로 올라가는 뜨거운 공기를 팬을 이용하여 난방공간 상부의 공기를 하강시킴으로써 열을 고르게 분산하며, 난로 상단의 공기와 하단의 공기를 강제 순환시킬 수 있는 이점이 있다.
셋째, 피스톤의 왕복 운동을 원활하게 하기 위해 상부플레이트와 하부플레이트의 온도차를 크게 하고 외부의 저온 공기를 흡입함과 동시에 제1피스톤 내부 고온 공기를 배기시키고자 하였고, 상부플레이트에 설치된 방열판과 냉각 실린더를 통해 그 해결 수단이 효과적으로 구현되는 등 다양한 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 전체 구성도,
도 2는 본 발명의 일 구성요소인 피스톤부와 엔진구동부의 확대도,
도 3은 다른 측면에서 바라본 본 발명의 전체 구성도,
도 5는 평면도,
도 4 및 도 6은 내부를 보여주는 개략도,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 핵심적인 기술적 특징으로 보여주는 도면,
도 10과 도 11은 본 발명의 작동 상태를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명인 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 전체 구성도, 도 2는 본 발명의 일 구성요소인 피스톤부(200)와 엔진구동부(300)의 확대도, 도 3은 다른 측면에서 바라본 본 발명의 전체 구성도, 도 4 및 도 6은 내부를 보여주는 개략도, 도 5는 평면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 핵심적인 기술적 특징으로 보여주는 도면이고, 도 10과 도 11은 본 발명의 작동 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 구체적인 설명에 앞서 본 발명의 목적과 그 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 난로(100)의 폐열을 열원으로 스털링 엔진의 피스톤을 구동하며 피스톤의 왕복 에너지를 통한 구동부를 작동하여 순환용 팬(430)을 구동한다.
본 발명은 난로(100) 위에 설치되어 난로(100) 상단으로 올라가는 뜨거운 공기를 팬(430)을 이용하여 강제로 하강시킴으로써 열을 고르게 분산하며 난방 공간 상부의 공기와 하부의 공기를 강제 순환 시키고자 함에 그 목적이 있다.
본 발명은 제1피스톤(230)의 승하강 왕복운동이 엔진구동부(300)에 전달되고, 엔진구동부(300)를 통해 회전할 수 있는 회전력이 다시 팬회전부(400)에 전달되어 복수개의 팬(430)을 회전시키게 된다.
이하 도 7 내지 도 9를 참조로 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이 본 발명은 열원인 난방용 난로(100)와 난로(100)의 상부면에 안착되고, 상부플레이트(210)와 하부플레이트(220)로 이루어지며 내부에 소정 공간이 형성되되 난로(100)에 의해 공급된 열원으로 승하강될 수 있는 제1피스톤(230)과 제1피스톤(230)에 연결된 동력전달로드(240)가 설치된 피스톤부(200)가 개시된다.
난방용 난로(100)에 의해 열이 공급되면, 그 열은 하부플레이트(220)를 매개로 열원이 피스톤부(200)로 전달되고, 그 전달된 열원에 의해 제1피스톤(230)이 승하강된다.
난방용 난로(100)는 어떤 일정한 형상이나 구조에 한정되지 않으며, 열원이 공급될 수 있는 구조라면 본 발명에 적용이 가능하다.
이하 제1피스톤(230)의 승하강 운동에 대해 구체적으로 설명한다.
엔진구동부(300)를 설명하면 다음과 같다.
피스톤부(200) 상측에는 지지플레이트가 설치된다.
지지플레이트는 상부수평플레이트(312)와 하부수평플레이트(311) 및 수직플레이트(313)로 구성된다.
지지플레이트는 전체적으로 직사각형 형상으로 되어 있으며, 그 하측에서 이하 설명할 동력전달로드(240)가 관통되어 있고, 그 상측에도 이하 설명할 스타트손잡이(420)가 관통된 채 설치되어 있다.
또한, 회전축(340)이 수평으로 관통한 채 회전 가능하게 결합되어 있는 등 엔진구동부(300)를 이루는 구성들의 일종의 지지체 기능을 수행한다.
기 설명한 바와 같이 지지플레이트를 수평으로 관통하고, 동력전달로드(240)와 회전 가능하게 결합된 제1커넥팅로드(320)를 매개로 회전하고 그 일지점에 캠(330)이 형성된 회전축(340)이 위치한다.
제1피스톤(230)의 승하강 운동에 의해 이에 연동하여 동력전달로드(240)도 승하강되고. 동력전달로드(240)에 연결된 제1커넥팅로드(320)가 회전축(340)에 대해 회전 가능하게 결합되어 있어 제1커넥팅로드(320)의 회전시 이에 연동하여 회전축(340)도 회전하게 된다.
회전축(340)이 회전하면 회전축(340) 일 지점에 위치하고 그 외주면에 다수개의 나사산이 형성된 캠(330) 역시 회전하고, 캠(330)의 회전에 의해 캠(330)에 연결된 베벨 드라이브 기어(331)도 회전과 동시에 이하 설명할 베벨 피니언 기어(410)도 회전하고 베벨 피니언 기어(410)의 회전에 의해 스타트손잡이(420)와 함께 복수개의 팬(430)이 회전하게 된다.
한편, 회전축(340)의 일측에 회전가능하게 결합된 제2커넥팅로드(350)를 매개로 승하강하는 제2피스톤(360)과 제2피스톤(360)의 승하강 운동에 의해 선택적으로 개폐될 수 있도록 그 하측 양단에 흡기구(370)와 배기구(380)가 설치된 냉각실린더(390)가 개시된다.
제2커넥팅로드(350) 역시 회전축(340)에 대해 회전 가능하게 결합되어 있어 회전축(340)의 회전에 의해 제2커넥팅로드(350)가 회전하고, 그 회전에 의해 제2피스톤(360)이 승하강된다.
이하 설명하겠지만, 제2피스톤(360)의 승하강 운동에 의해 외기의 흡기 과정과 배기 과정이 진행되며, 그 과정과 연동되어 기 설명한 제1피스톤(230)의 왕복 승하강 운동이 이루어지지게 된다.
그 작동과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 10과 도 11은 본 발명의 작동 상태를 나타내는 도면으로 이를 참조하여 설명한다.
도 10은 제1피스톤(230)이 승강하고, 이에 연동하여 제2피스톤(360)이 승강됨과 동시에 냉각실린더(390) 하측에 위치한 흡기구(370)와 배기구(380)가 개방되어 피스톤부(200)의 내부와 연통되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 11은 제1피스톤(230)이 하강하고 이에 연동하여 제2피스톤(360) 역시 하강하되, 흡기구(370)와 배기구(380)가 밀폐된 상태를 나타내는 도면이다.
냉각실린더(390)에 형성된 흡기구(370)와 배기구(380)는 그 개방시 피스톤부(200)와 연통되는 것을 특징으로 하고, 하부플레이트(220)로 전달된 열원에 의해 제1피스톤(230)이 승강되어 제1피스톤(230) 상측 및 냉각실린더(390)에 있는 상대적 저온 공기가 제1피스톤(230) 하측에 있는 고온 공기와 혼합이 되어 제1피스톤(230) 하측의 공기 온도를 하강시킴으로써 제1피스톤(230)이 하강되도록 유도함을 특징으로 한다.
또한, 제1피스톤(230)의 하강시 냉각실린더(390)의 흡기구(370)와 배기구(380)가 개방되어 상대적 저온의 공기의 유입으로 냉각실린더(390) 내의 공기 온도가 낮아지는 것을 특징으로 하며, 제1피스톤(230)의 하측에 있는 공기는 다시 온도가 상승함으로써 제1피스톤(230)의 왕복 승하강 운동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
즉, 하부플레이트(220)에 열원이 공급되면 제1피스톤(230) 하부의 공기가 온도의 상승과 함께 팽창하여 제1피스톤(230)을 승강시키고, 제1피스톤(230)의 승강은 제1피스톤(230) 상측 및 냉각실린더(390)에 있던 저온 공기와 제1피스톤(230) 하측의 고온 공기의 혼합을 일으키고, 다시 제1피스톤(230) 하측 공기의 온도 강하를 견인해 제1피스톤(230) 하측 공기의 냉각 수축 및 제1피스톤(230) 하강을 일으킨다.
제1피스톤(230)의 하강은 냉각실린더(390)의 외기 흡입구 및 배기구(380)의 개방을 견인하고 저온 외기의 흡입으로 냉각실린더(390) 내부 공기가 냉각되며, 제1피스톤(230) 하측의 공기는 열원에 의해 다시 온도가 상승한다.
이와 같은 반복된 일련의 과정을 통해 제1피스톤(230)이 승하강되고, 제1피스톤(230)에 연결된 동력전달로드(240) 역시 승하강된다.
한편, 상부플레이트(210)의 상측에는 다수개의 방열판(500)이 더 설치된 것을 특징으로 하고, 회전축(340)의 타측에는 플라이휠(600)이 더 설치되어 회전력을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 한다.
방열판(500)은 상부플레이트(210)를 냉각시키고 냉각실린더(390)는 제1피스톤(230)의 상측에 형성된 공기를 냉각시킨다.
플라이휠(600)은 본 발명에 선택적으로 적용될 수 있은 구조이며, 회전축(340)의 일정한 회전이 일어나기 위해서는 이른바 관성력이 필요한데 해당 플라이휠(600)은 이러한 관성력을 더욱 보강하는 역할을 수행한다.
작동 조건에 따라서는 본 발명의 팬(430)이 회전하게 되면 그 후에는 해당 플라이휠(600)을 제거한 채 사용도 가능할 수도 있다.
다시 도면을 참조로 지지플레이트를 설명하면 다음과 같다.
지지플레이트는, 하부수평수평플레이트와 상부수평플레이트(312) 및 이에 각각 연결된 한 쌍의 수직플레이트(313)로 이루어지되, 한 쌍의 수직플레이트(313) 각각에는 기 설명한 바와 같이 회전축(340)이 관통하는 지점에 제1베어링부재(314)와 제2베어링부재(315)가 설치되는 것을 특징으로 하고, 동력전달로드(240)는 하부수평플레이트(311)를 관통하고, 스타트손잡이(420)도 상부수평플레이트(312)를 제3베어링부재(316)를 매개로 관통하는 것을 특징으로 한다.
베어링부재의 기능과 구조는 일반적인 것인바 여기서는 생략한다.
다시 도 7 내지 도 11을 참조로 제2피스톤(360)과 연결되어 냉각실린더(390)에 형성된 흡기구(370)와 배기구(380)를 선택적으로 개폐할 수 있는 피스톤하우징(700)이 설치된 것을 특징으로 한다.
즉, 냉각실린더(390)는 일종의 원통형으로 되어 있는데 제2피스톤(360)에 연결된 피스톤하우징(700) 역시 일종의 원통형으로 되어 있되, 냉각실린더(390)의 반경보다 더 작게 형성되어 있어 냉각실린더(390)의 내주면을 따라 승하강된다.
그 승하강에 의해 피스톤하우징(700)이 냉각실린더(390)에 형성된 흡기구(370)와 배기구(380)를 선택적으로 개폐하고, 그 개폐로 인해 공기가 피스톤부(200)에 유입되어 제1피스톤(230)의 왕복 승하강 운동을 유도하게 된다.
100 : 난로 200 : 피스톤부
300 : 엔진구동부 400 : 팬회전부
500 : 방열판 600 : 플라이휠
700 : 피스톤하우징

Claims (5)

  1. 열원인 난방용 난로;
    상기 난로의 상부면에 안착되고, 상부플레이트와 하부플레이트로 이루어지며 내부에 소정 공간이 형성되되 상기 난로에 의해 공급된 열원으로 승하강될 수 있는 제1피스톤과 상기 제1피스톤에 연결된 동력전달로드가 설치된 피스톤부;
    상기 피스톤부 상측에는 지지플레이트가 설치되고 상기 지지플레이트를 수평으로 관통하고, 상기 동력전달로드와 회전 가능하게 결합된 제1커넥팅로드를 매개로 회전하고 그 일지점에 캠이 형성된 회전축이 위치하며, 상기 회전축의 일측에 회전가능하게 결합된 제2커넥팅로드를 매개로 승하강하는 제2피스톤과 상기 제2피스톤의 승하강 운동에 의해 선택적으로 개폐될 수 있도록 그 하측 양단에 흡기구와 배기구가 설치된 냉각실린더를 포함하는 엔진구동부; 및
    상기 캠에 연결된 베벨 드라이브 기어와 치결합되는 베벨 피니언 기어가 그 외주면에 감싸진 스타트손잡이와 상기 스타트손잡이에 결합된 팬이 형성된 팬회전부를 포함하는, 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각실린더에 형성된 흡기구와 배기구는 그 개방시 상기 피스톤부와 연통되는 것을 특징으로 하고,
    상기 하부플레이트로 전달된 열원에 의해 상기 제1피스톤이 승강되어 제1피스톤 상측 및 상기 냉각실린더에 있는 상대적 저온 공기가 상기 제1피스톤 하측에 있는 상대적 고온 공기와 혼합이 되어 제1피스톤 하측의 공기 온도를 하강시킴으로써 상기 제1피스톤이 하강되도록 유도함을 특징으로 하고,
    상기 제1피스톤의 하강시 상기 냉각실린더의 흡기구와 배기구가 개방되어 상대적 저온의 공기의 유입으로 상기 냉각실린더 내의 공기 온도가 낮아지는 것을 특징으로 하며,
    상기 제1피스톤의 하측에 있는 공기는 다시 온도가 상승함으로써 상기 제1피스톤의 왕복 승하강 운동이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 상부플레이트의 상측에는 다수개의 방열판이 더 설치된 것을 특징으로 하고,
    상기 회전축의 타측에는 플라이휠이 더 설치되어 회전력을 부가시키는 것을 특징으로 하는, 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 지지플레이트는,
    하부수평플레이트와 상부수평플레이트 및 이에 각각 연결된 한 쌍의 수직플레이트로 이루어지되,
    상기 한 쌍의 수직플레이트 각각에는 상기 회전축이 관통하는 지점에 제1베어링부재와 제2베어링부재가 설치되는 것을 특징으로 하고,
    상기 동력전달로드는 상기 하부수평플레이트를 관통하고, 상기 스타트손잡이도 상기 상부수평플레이트를 제3베어링부재를 매개로 관통하는 것을 특징으로 하는, 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    제2피스톤과 연결되어 상기 냉각실린더에 형성된 흡기구와 배기구를 선택적으로 개폐할 수 있는 피스톤하우징이 설치된 것을 특징으로 하는, 스털링 엔진을 이용한 난로 대류 장치.
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