[스털링 엔진] 자작 스털링 엔진 만들기; 개요

연휴를 맞아 스털링 엔진을 자작해보기로 했다.

스털링 엔진의 원리

스털링 엔진은 기체의 열팽창을 이용한 엔진으로써 원리는 아래의 동영상을 참조하자. 

원리를 간단하게 정리하면

- 기체가 뜨거우면 팽창한다.

- 기체가 차가우면 수축한다.

- 기체가 팽창하고, 수축하는 힘을 이용하여 휠을 돌리는 힘을 만들고, 돌아가는 힘을 이용하여 뜨거운 부분과 차가운 부분의 영역 비율을 조정한다. 

물론 최근에는 기술이 발전하면서 다른 구조를 가진(e.g. 프리피스톤, thermo-acoustic, 링봄 등등)엔진들도 나왔지만, 기본 원리는 같다 할 수 있다. (나사의 프리 피스톤 스털링 엔진이 있으니 이부분에 대한 자료도 한번 찾아보자.)

스털링 엔진의 종류

스털링 엔진은 크게 알파, 베타, 감마, 링봄, 프리피스톤으로 나뉘며, 낮은 가격과 쉬운 난이도로 만들기 위해서는 감마형 엔진이 적합하다.

(https://namu.wiki/w/%EC%8A%A4%ED%84%B8%EB%A7%81%20%EA%B8%B0%EA%B4%80)

(http://blog.naver.com/soclsrnwlsl)

감마형 스털링 엔진의 구성

감마형 스털링 엔진은 크게 다음과 같은 구성으로 나눌 수 있다. 

- 실린더 + 디스플레이서 (리제너레이터)

- 뜨거운 쪽 판, 차가운 쪽 판

- 파워실린더 + 파워피스톤

- 플라이휠

실린더 안에 디스플레이서가 들어가 위-아래 두 부분으로 기체를 분리하여 주며, 실린더 위-아래 부분으로 두 판이 붙는다. 디스플레이서가 차가운 판 쪽으로 갔을 때는 뜨거운 쪽에 공기가 많기 때문에 부피가 증가하며, 반대의 경우에는 차가운 쪽의 공기가 많기 때문에 부피가 감소한다. 

실린더에는 작은 구멍이 뚤려있고, 이 구멍을 통하여 파워 실린더로 연결된다. 파워 실린더는 실린더에서 일어나는 부피변화(에 따른 압력변화)를 이용하여 파워 실린더를 움직이게 되며, 파워 실린더는 플라이 휠을 돌리는 동력을 생산한다. 그리고 플라이 휠을 디스플레이서를 움직여 동력을 만들어낼 준비를 한다. 

스털링 엔진 프로젝트 및 질문 참조

먼저 만들어져 있는 프로젝트들을 참고하면 스털링 엔진을 만들기 위한 대략적인 치수에 대하여 예상할 수 있고,

먼저 만들어진 프로젝트들을 참조하므로써 실제 조립할 대에 어떠한 점을 주의해야 하는지 알 수 있다. 

http://www.plans-for-everything.com/hen_stirling_engine_plans.html

> 여러 플랜들이 나와있으며 치수를 통하여 설계 비율을 가늠할 수 있다. 

http://www.stirlingengineforum.com/viewtopic.php?t=48

> 실린더에 비한 디스플레이서 크기에 대한 질문

https://www.thingiverse.com/thing:34709

> 3d print 스털링 엔진(많은 부분이... 금속이다.)

http://www.solarheatengines.com/2012/02/09/power-piston-sizing-for-stirling-engines/

> 온도비에 대한 파워실린더의 크기에 대한 차트

http://ridders.nu/Webpaginas/pagina_ervaringen_tips_stirlings/ervaringenstirlings_frametekst_engels.htm

http://www.stirlingengines.org.uk/modeng/note.html

> 여러 자작 스털링 엔진에 대한 설계를 읽을 수 있다. 요청하면 도면도 받을 수 있는 듯 

http://ridders.nu/tekening_overzicht/tekeningen_overzicht.htm

각 파트에 대하여 조립을 할 때마다 테스트 해야하며 체크해야 할 유의해야 하는 점이 몇가지 있다. 

1. 디스플레이서가 실린더 안에서 유연하게 움직여야 한다.(위에서 놓았을 때 자기 무게에 의하여 내려가야 함. 

2. 실린더, 파워 실린더 및 피스톤의 기밀성 --> 어디서 공기가 새는지 확인해야 하며, 최대한 밀봉해야 한다.

3. 의도하지 않은 부피 변화가 적어야 함. (e.g. 실린더가 휜다던지)

스털링 엔진 용량 계산

스털링 엔진이 동작할 때 대략적으로 변하는 부피와 압력의 양은 이상기체 방정식을 통하여 계산 할 수 있다.