스털링 기관

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Stirling Engine

알파(α) 스털링 엔진	베타(β) 스털링 엔진

스털링 기관단총과는 아무 상관이 없다.
이 사람이나 이놈과도 상관없다.

1 개요

1816년 스코틀랜드의 목사 로버트 스털링(Robert Stirling, 1790 스코틀랜드 퍼스~1878. 6. 6 에어셔 갤스턴)이 원리를 발명하고 특허를 얻었다.

외연기관. 밀폐된 실린더 안에 기체를 단단히 가둬넣은 구조이며, 작동 원리는 4행정으로 이루어져 있다. 가열-팽창 행정에서는 실린더를 가열하면 기체가 팽창하여 실린더를 밀어올린다. 냉각-수축 행정에서는 실린더의 가열을 멈추고 기체가 수축하여 실린더가 원위치로 돌아오게 한다.

한 실린더로 가열-팽창 행정과 냉각-수축 행정을 함께 하는 것은 곤란하므로, 짝수개의 실린더가 교대로 행정을 반복하도록 하여 연속으로 움직이게 만든다. -단 이것은 알파형 엔진에 한해서다. 베타형, 감마형들은 한개의 파워 피스톤과 공기의 체적 이동을 위한 디스플레이서가 있다. 이것의 형태는 피스톤과 비슷하나 직접적인 힘 형성에는 영향을 주지 않는다. -

기체는 초기에는 공기를 사용했으나, 현재는 수소나 헬륨을 사용하여 효율을 높히고 있다.

이론적으로는 매우 높은 열효율을 낼 수 있으며, 내연기관에 비해 조용하고 진동이 적다는 이점이 있다. 또한 외연기관이므로 연료의 종류에 구애받지 않는다는 것도 장점이다. 일부 형식의 저온 스털링 기관의 경우, 심지어 뜨거운 커피잔의 열이나 체온으로도 동작한다. 어느 정도의 온도차만 있으면 동작하게 되어 있기 때문에 얼음 위에 올려놔도 상온의 공기와 얼음의 온도차로 움직일 수 있다.(…) 다만 그냥 무작정 열만 가한다고 알아서 작동하는 건 아니고 초반에 힘을 가해 기관을 동작시켜줘야 한다. 물론 강하게 힘을 주는 것도 아니고 살짝 돌려주기만 하면 그 다음부터 지가 알아서 돌아간다.
하지만 초기에는 기술이 미흡해 증기기관에 비해서 효율이 떨어졌고, 급격하게 발전하는 내연기관에 뒤쳐져 실용기관으로써는 밀렸다. 스털링엔진은 60년대부터 80년대까지 필립스를 중심으로 대규모 연구가 있었다.

현재에 와서는 이러한 미니어처 차원에서의 다양한 마개조연구들이 쌓이고 기술들이 발전하여 여러가지 개량이 가해져 열효율이 30~40%까지 올라가 실용동력기관으로써 이용할 수 있는 수준에 이르렀다.다만 증기터빈엔진이나 디젤엔진 같은 내연기관과의 열효율과 비교하면 유지 및 보수하는데 들어가는 비용에 비해 그다지...

거기다 그야말로 열만으로 기동하기에 반사경이나 렌즈를 통해 집적시킨 태양열을 이용한 솔라엔진, 잉여 배출열을 이용한 보조 동력, 심지어는 컴퓨터 CPU의 열로 기동하는 쿨러 동력으로 이용되기도 한다. 초저냉각을 필요로 하는 학계연구에 쓰이는 냉각 장치 동력으로도 사용된다. 이런 용도로는 스털링 엔진에 열을 가하는 것이 아닌 동력을 가해주면 내부 기체가 거꾸로 이동하면서 열을 방출&압축되기 때문이다. 2차세계대전중엔 휴대용 무전기 전력용으로 400W짜리 소형 발전기 기관을 필립스사에서 개발하기도 했고, 1910년도에 독일에서 Jost Hot Air Fan 이라는 화로에 촛불을 켜면 작동하는 선풍기의 동력으로 제작되어 영국, 미국, 독일, 인도 등에서 잔뜩 판매되기도 했고, 1970년대에 미국 Solar-One 태양열발전소에서 대량 탑재하기도 했다.

또한 피스톤 내부에서 연료를 연소시킬 필요가 없기 때문에 소음의 감소를 절대적으로 추구해야만 하는 무기체계인 잠수함의 AIP 중 하나로 주목받았으며, 결국 고틀란트급에 탑재됨으로써 세계 최초로 실용화된 AIP 기관이 되었다. 일본 해상자위대의 차기 잠수함인 소류급에도 스털링 기관 AIP를 탑재하였다. 소형 원자로가 실린 인공위성, 우주 탐사선에서도 냉각기, 발전기로 쓰고 있다.

유튜브에서 영어로 검색해 보면 완구 수준부터 꽤 고출력을 내는 것까지 많은 시험/상용 엔진이 나온다.

2 종류

• 알파

An excellent animation of the V-type Alpha engine developed by Richard Wheeler (Zephyris) of Wikipedia

두개의 파워피스톤으로 구성된다.
가장 기초적이다.

• 베타

• 감마

• 링봄
• 프리피스톤

가장 높은 효율을 가지는 스털링 형식이다. 다른 기계식 스털링 엔진이 이론적으로 55%를 낸다면 프리피스톤 방식은 65%를 낸다. 현재 가장 상업화 되어있다. 방식상 냉장고 컴프레서처럼 기체를 밀봉하고 용접으로 일체화 시키면 되기에 유지관리 또한 기존 오토엔진에 비해 비교할 수 없을 정도로 쉽다. 현제 위 스타일은 잘 쓰이지 않는다. 중공축 형식으로 마찰에 의해서 효율이 낮아지기 때문

요즘 많이 사용되는 방식

프리피스톤은 기계적으로 단순하고 접촉면이 적어서 마찰이 작아 효율이 좋지만 디스플레이서와 파워피스톤이 독립되어있어 동작이 불완전 해지기 쉽다. 이것을 안정적으로 제어하는 것이 중요하고 이것을 제어하는 좋은 방법들이 기술독점이 되어 후발국가들이 접근하기 힘들다.

• 플루다인
• 더블액팅

수축부와 팽창부가 일체되어있다. 그러나 단 하나의 피스톤으로는 스털링 사이클을 구성할 수 없으므로 두개 이상의 피스톤이 저온부와 수축부가 교차 연결되어있다.

3 원리

스털링엔진의 원리는, 증기기관이나 가솔린 엔진을 시작으로 하는 내연기관과는 차별화된 특징이 있는데, 증기기관, 내연기관이 피스톤을 움직임에 사용한 가스를 밸브로 배출해야만 하는것과는 달리 한번 충전한 기체를 빼내지 않아도 된다!!

원리를 보면

1. 외부에서 가해진 열이 밀봉된 스털링기관 내부의 가열부에 있는 기체를 팽창시키면, 팽창된 기체가 피스톤을 밀어내고 냉각부로 이동하게 된다.

2. 냉각부에서 냉각된 기체는 수축하게 되며, 이 수축되는 힘으로 인해 피스톤을 당기고, 냉각된 기체가 당긴 피스톤이 기체 자신을 다시 가열부로 보내버린다.

3. 이렇게 밀려나거나 당겨진 피스톤은 회전체에 연결되어 힘을 주게 되며, 서로 상호작용하면서 한 방향으로 운동하게 된다.

즉, 정리하자면 스털링 기관은 밀폐된 기관 내에서 기체가 이동하며 가열과 냉각을 반복하는 기관이다. 피스톤 운동을 하게 만드는 모든 힘은 기체의 열팽창과 열수축으로 발생하며, 피스톤을 다 밀고도 남는 힘 혹은 피스톤이 움직이는 관성으로 인해서 기체가 이동한다.

여기에서 효율을 높이기 위해 서스펜서라는 것을 기체들이 지나가는 통로에 설치하는데, 쉽게 이야기하자면 기체의 이동을 방해하는 장애물이다. 그냥 관에 사이즈 적당한 구슬 하나만 넣어도 된다. 작동하는 것을 지켜보면 구슬이 왕복운동을 하는데, 이 구슬이 기체의 순환을 적당히 방해하면서 피스톤에 가는 힘을 늘린다.

4 장점

• 배기소음이 작다.

내연기관은 폭발행정으로 힘을 얻기 때문에 소음이 크지만 스털링 엔진은 온도차만 있으면 되기 때문에 소음을 줄일 수 있다.

• 고효율

스털링 기관은 열역학적으로 가장 고효율의 엔진이다.

• 친환경적

내연기관은 연료를 폭발시켜 작동하기 때문에 여러가지 공해물질을 배출한다. 그러나 스털링 기관은 외부에서 연소되는 열원을 사용하거나, 태양열, 지열 등을 사용하기 때문에 공해물질 배출이 적다.

• 다양한 열원을 이용할 수 있다.

외연기관의 특성으로 다양한 연료를 사용할 수 있다. 예를 들어 반사판을 이용하여 태양을 활용, 내연기관에서 사용하기 힘든 석탄이나 목탄, 품질에 편차가 큰 바이오연료

• 매우 쉬운 출력 조절

내연기관은 사실상 출력조절이 만만치가 않은게, 흡입 행정에 들어가는 가스나 기름의 양을 조절해야 한다. 한마디로 어렵다. 하지만 스털링 엔진은 내부 기체의 압력만 조절하면 출력이 바로바로 변경된다.

5 단점

• 크기 대 출력비가 낮다.

스털링 기관은 기체의 열팽창과 열수축을 이용하기 때문에 높은 출력을 내기 위해서는 많은 양의 기체가 필요하다. 따라서 크기가 커져버린다.

• 기체 밀폐의 어려움.

현재는 기관의 크기를 줄이기 위해서 공기 대신 헬륨이나 수소 등의 더 가벼운 기체를 고압(10~100기압 정도)으로 담아 사용한다. 하지만 이들 기체는 분자가 작아 외부로 유출되기 쉽다. 따라서 고도의 밀폐기술이 필요하다. 다만 프리피스톤 방식이라던지 실링기술의 발달등으로 거의 극복되어 가는 단점이기도 해서 현재는 큰 의미는 없는편.

6 관련 외부 문서

(네이버 지식백과 - 두산백과)스털링엔진 - stirling engine

7 관련 문서

• 냉각기
• 재래식 잠수함