스털링 기관
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
스털링 기관은 작동 유체의 가열, 냉각, 팽창, 수축 과정을 통해 열에너지를 운동 에너지로 변환하는 열기관이다. 이 기관은 공기, 수소, 헬륨 등 작동 유체의 고정된 질량을 사용하여 열을 일로 변환하도록 설계되었으며, 내부 재생 열교환기를 통해 열효율을 높인다. 스털링 기관은 피스톤-실린더 배치 및 구동 방식에 따라 알파형, 베타형, 감마형, 델타형, 더블 액팅 스털링 엔진 등으로 분류되며, 운동학적 구동 기구, 자유 방식, 회전식, 액체 피스톤 등 다양한 방식으로 작동한다. 스털링 기관은 다양한 열원을 사용할 수 있고, 이론상 높은 열효율을 가지며, 소음이 적고 환경 친화적이라는 장점이 있으나, 자본 비용이 높고 크기가 크며 부하 추종성이 떨어진다는 단점도 있다. 스털링 기관은 난방, 냉방, 수중 동력 시스템, 열병합 발전, 태양열 발전, 극저온 냉각기 등 다양한 분야에 응용되며, 특히 잠수함, 선박, 태양열 발전 시스템 등에 활용된다.
더 읽어볼만한 페이지
- 열펌프 - 흡수 냉동기
흡수 냉동기는 열에너지를 이용하여 냉각 효과를 내는 장치로, 냉매와 흡수제를 사용하며 전력 소비가 적고 폐열 활용이 가능하다는 장점 때문에 환경 규제 강화와 에너지 효율에 대한 관심 증가로 다시 주목받고 있다. - 열펌프 - 지열 히트 펌프
지열 히트 펌프는 지열 에너지를 활용하여 건물 냉난방을 제공하는 시스템으로, 냉매 순환을 통해 땅속 열을 흡수 또는 방출하며 에너지 효율이 높고 환경 친화적인 장점 덕분에 대한민국에서도 신재생에너지 정책에 따라 기술 개발 및 보급이 확대되고 있다. - 왕복 기관 - 성형 엔진
성형 엔진은 실린더가 크랭크축을 중심으로 방사형으로 배치된 내연 기관으로, 4행정 사이클 기반 작동, 짧은 크랭크축, 공랭식 냉각, 다기통화 등의 특징을 가지며, 과거 항공기 및 전차 엔진으로 널리 사용되었다. - 왕복 기관 - 압축비
압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다.
| 스털링 기관 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 열기관, 외연기관 |
| 발명가 | 로버트 스털링 |
| 발명일 | 1816년 |
| 작동 방식 | 밀폐된 공간 내의 기체를 가열 및 냉각하여 작동 |
| 특징 | 높은 이론적 효율 다양한 연료 사용 가능 소음이 적음 낮은 배기가스 배출량 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 기체의 가열 및 냉각에 따른 압력 변화 이용 밀폐된 실린더 내의 기체를 주기적으로 가열 및 냉각 피스톤의 왕복 운동을 통해 동력 발생 |
| 주요 구성 요소 | 실린더 (가열 및 냉각) 피스톤 (왕복 운동) 디스플레이서 (기체 이동) 재생기 (열 에너지 저장) |
| 사이클 | |
| 작동 과정 | 가열: 기체가 가열되어 팽창, 피스톤을 밀어냄. 팽창: 팽창된 기체가 냉각부로 이동. 냉각: 기체가 냉각되어 수축. 압축: 수축된 기체가 다시 가열부로 이동. |
| 효율 | |
| 이론적 효율 | 카르노 효율에 근접 가능 |
| 실제 효율 | 기관 설계 및 작동 조건에 따라 달라짐. 일반적으로 30~40% 수준. |
| 장단점 | |
| 장점 | 다양한 열원 사용 가능 (태양열, 지열, 바이오매스 등) 낮은 소음과 진동 낮은 배출가스 높은 내구성 및 긴 수명 |
| 단점 | 높은 초기 비용 큰 부피 느린 응답 속도 작동 유체의 종류에 따라 성능 및 내구성 변화 |
| 종류 | |
| 알파형 스털링 기관 | 두 개의 피스톤을 사용하며, 구조가 간단하지만 부피가 크다. |
| 베타형 스털링 기관 | 하나의 피스톤과 디스플레이서 피스톤을 사용하며, 알파형보다 효율이 높다. |
| 감마형 스털링 기관 | 베타형의 변형으로, 디스플레이서 피스톤의 움직임을 개선하여 효율을 높였다. |
| 적용 분야 | |
| 발전 | 태양열 발전, 지열 발전, 폐열 회수 발전 등 |
| 냉난방 | 스털링 냉동기, 히트 펌프 |
| 우주 개발 | 심우주 탐사선의 전원 |
| 기타 | 잠수함, 무인 항공기 |
2. 원리
스털링 엔진은 밀폐된 공간 안의 작동 유체(주로 공기, 수소, 헬륨 등)를 엔진 외부에서 가열하고 냉각시키는 과정을 반복하여 열에너지를 운동 에너지로 변환하는 외연기관이다. 엔진의 한쪽 끝을 뜨겁게, 다른 쪽 끝을 차갑게 유지하면, 작동 유체가 온도 차이에 의해 팽창하고 수축하면서 피스톤을 움직여 동력을 얻는다.
이론적으로 스털링 엔진은 현존하는 열기관 중 가장 높은 열효율을 낼 수 있는 카르노 사이클에 근접한 효율을 달성할 수 있는 잠재력을 가진다. 열효율은 엔진의 고온부와 저온부 사이의 온도 차이가 클수록 높아진다. 하지만 실제 장치에서는 열 손실이나 작동 유체의 비이상적인 거동 등으로 인해 이론적인 최대 효율에 도달하기는 어려우며, 높은 효율을 구현하기 위해서는 복잡한 설계가 필요하다.
스털링 엔진은 내연기관과 비교했을 때 체적당 출력이 낮은 경향이 있어, 동일한 출력을 내기 위해서는 엔진의 크기가 커지는 단점이 있다. 엔진이 대형화되면 내부의 작동 유체를 이동시키는 데 더 많은 에너지가 소모되어 효율 손실이 발생할 수도 있다.
2. 1. 작동 방식
운동학적 구동 기구인 롬빅 기구를 갖춘 베타형 스털링 엔진의 경우를 예로 들면 다음과 같다.- 디스플레이서가 엔진의 저온부(위쪽)로 이동하면, 시스템 내부의 작동 유체(주로 공기나 순수 기체인 수소, 헬륨 등이 사용됨)는 고온부(아래쪽)로 밀려난다.
- 고온부로 이동한 작동 유체는 가열되어 팽창하고, 이로 인해 엔진 내부의 전체 압력이 높아진다. 높아진 압력은 동력 피스톤을 밀어 올려 일을 하여 동력을 발생시키고, 이 에너지는 크랭크 축의 회전 운동으로 저장된다.
- 다음으로, 크랭크 축의 회전에 따라 디스플레이서가 다시 고온부 쪽으로 이동하면, 작동 유체는 저온부 쪽으로 밀려난다.
- 저온부로 이동한 작동 유체는 냉각되면서 수축하고, 엔진 내부의 압력은 낮아진다. 낮아진 압력 덕분에 동력 피스톤이 다시 아래로 내려올 수 있으며, 이때 피스톤을 움직이는 데 필요한 에너지는 앞서 크랭크 축에 저장되었던 에너지의 일부를 사용한다. 이 과정에서 작동 유체는 압축되어 다음 사이클을 준비하게 된다.
이 사이클이 지속되기 위한 필요 충분 조건은 작동 유체의 팽창 과정에서 크랭크 축에 저장된 에너지가 디스플레이서를 이동시키고 피스톤으로 작동 유체를 압축하는 데 필요한 에너지보다 커야 한다는 것이다. 만약 저장된 에너지가 필요 에너지보다 같거나 작으면 엔진은 정지하고 외부로 동력을 전달할 수 없지만, 저장된 에너지가 더 크다면 엔진은 지속적으로 작동하며 외부로 동력을 생산하여 보낼 수 있다.
2. 2. 이상적인 스털링 사이클
이상적인 스털링 사이클이 작동 유체에서 작용하는 4가지 열역학적 과정을 구성한다.
# 등온 팽창. 확장 공간 및 열교환기는 일정하게 높은 온도로 유지하고, 기체는 열원으로부터 열을 흡수하는 등온 팽창을 겪게 된다.
# 기체는 재생기를 통과한다. 그것은 냉각되고, 다음 사이클에서 사용하기 위해 재생기로 열을 전달한다.
3. 종류
스털링 기관은 피스톤-실린더 배치 구조와 구동 메커니즘 등 여러 기준에 따라 다양하게 분류할 수 있다.[16][17]
주요 분류 기준으로는 다음과 같은 것들이 있다.
- 피스톤-실린더 배치 구조: 디스플레이서 유무, 피스톤과 실린더의 개수 및 연결 방식에 따라 알파(α), 베타(β), 감마(γ), 델타(δ), 더블 액팅(Double-acting) 등으로 나뉜다.
- 구동 메커니즘: 피스톤의 움직임을 제어하는 방식에 따라 기계적 연결 장치를 사용하는 운동학적 구동 방식과 스프링 등을 이용해 크랭크축 없이 작동하는 자유(Free) 피스톤 방식으로 구분된다. 이 외에도 다양한 변형 방식이 존재한다.
3. 1. 피스톤-실린더 배치에 따른 분류
- '''알파(α) 스털링 기관''': 디스플레이서 없이 두 개의 동력(파워 피스톤)으로 스털링 사이클을 구성한다. 두 피스톤의 동작 시간 차이인 위상각을 이용하여 압축, 팽창, 작동 유체의 이동을 만든다. 하나의 피스톤은 고온부 실린더에, 다른 하나는 저온부 실린더에 위치하며, 일반적으로 2개의 실린더에 2개의 피스톤이 존재한다.
- '''베타(β) 스털링 기관''': 팽창과 수축을 담당하는 동력 피스톤과 작동 유체의 이동을 담당하는 디스플레이서, 그리고 하나의 실린더로 구성된다. 두 피스톤의 움직임은 구동 장치에 의해 일정한 위상각을 가지고 조절된다. 대부분의 경우, 동력 피스톤을 통과하는 디스플레이서 피스톤의 로드가 존재한다. 구조적으로 동력 피스톤과 디스플레이서 피스톤 사이에 구분벽이 없어 두 피스톤 사이에 겹치는 공간이 있을 수 있으며, 이 공간이 클수록 효율이 좋아지는 경향이 있다.
- '''감마(γ) 스털링 기관''': 두 개의 실린더에 디스플레이서 피스톤과 동력 피스톤이 각각 들어간다. 배치 방식에 따라 하나의 실린더처럼 보일 수 있지만, 격벽으로 구분된다. 베타형에 비해 동력 전달 구조가 간단하여 제작이 쉽지만, 구조적으로 효율성은 감소하는 특징이 있다.
- '''델타(δ)형 스털링 기관''': 하나의 디스플레이서와 두 개의 동력 피스톤이 각각 3개의 실린더에 존재한다. 동력 피스톤은 각각 고온부와 저온부에 위치하며, 디스플레이서 실린더 역시 고온부와 저온부가 존재한다. Tom Peat가 주장하였으나, 학계에서는 거의 인정받지 못하는 이론이다.
- '''더블 액팅 스털링 엔진''': 최소 3개 이상의 실린더와 3개 이상의 동력 피스톤으로 구성된다. 각 실린더에는 1개의 동력 피스톤이 있으며, 이 피스톤은 실린더 내의 고온부와 저온부를 구분한다. 하나의 피스톤이 디스플레이서와 동력 피스톤의 역할을 동시에 수행하기 때문에 '더블 액팅'이라는 이름이 붙었다. 하나의 피스톤과 실린더 상부가 다른 피스톤과 그 실린더 하부와 함께 하나의 스털링 사이클을 구성하는 동작 공간이 된다. 즉, 3개의 실린더는 3개의 스털링 엔진을 구성하는 셈이며, 이 때문에 동력 연결 장치가 복잡한 특징을 가진다.
스털링 엔진은 위와 같이 피스톤-실린더 배치 구조에 따라 구분할 수 있지만, 피스톤들 간의 동작 관계를 구성하는 메커니즘에 따라 구분하기도 한다.
- '''운동학적 구동기구''': 기계적인 크랭크축이나 피스톤 로드 등을 이용하여 피스톤의 움직임을 제어하는 방식이다.
- '''자유(Free) 방식''': 스프링 등의 고유 진동수를 이용하여 크랭크축과 같은 운동학적 연결 없이 피스톤이 움직이는 방식이다.
각 피스톤 종류에 따라 주로 사용되는 구동 방식이 다르다.
- 알파형: 주로 운동학적 연결 방식 사용.
- 베타형: 일반적인 운동학적 방식, 롬빅 구동 방식, 자유 방식 등이 대표적이다.
- 감마형: 일반적인 운동학적 방식, 로스 요크 방식, 자유 방식 등이 대표적이다.
따라서 자유 방식인 프리피스톤 형식에도 알파형(더블액팅 프리피스톤 방식), 베타형(프리피스톤 베타형), 감마형(프리피스톤 감마형)이 존재한다. 이 외에도 디스플레이서나 동력 피스톤을 연결하는 방식에 따라 마티니 방식(자유 동력 피스톤과 운동학적 디스플레이서)과 링봄 방식(자유 디스플레이서와 운동학적 동력 피스톤) 등이 있다.
또한, 음향적인 특징을 이용하여 디스플레이서를 생략하고 동력 피스톤만 사용하는 열음향 엔진, 물 등을 피스톤으로 이용하는 플루다인 스털링 엔진, 사이클 과정을 연속적으로 구성하는 로터리 베인이나 스크롤 구조의 스털링 엔진 등 다양한 형태가 존재한다.
3. 2. 구동 방식에 따른 분류
스털링 기관은 피스톤과 실린더의 배치 구조, 그리고 피스톤 간의 동작 관계를 구성하는 메커니즘에 따라 다양하게 분류할 수 있다.'''피스톤 및 실린더 배치 구조에 따른 분류'''
- '''알파(α) 스털링 기관''': 디스플레이서 없이 두 개의 동력 피스톤으로 스털링 사이클을 구성한다. 한 피스톤은 고온부 실린더에, 다른 피스톤은 저온부 실린더에 위치하며, 일반적으로 2개의 실린더에 2개의 피스톤이 존재한다. 두 피스톤 동작의 차이인 위상각을 이용하여 압축, 팽창, 작동 유체의 이동을 제어한다.
- '''베타(β) 스털링 기관''': 하나의 실린더 안에 팽창과 수축을 담당하는 동력 피스톤과 작동 유체의 이동을 담당하는 디스플레이서가 함께 들어 있다. 두 피스톤은 구동 장치에 의해 일정한 위상각을 가지고 움직인다. 대부분 동력 피스톤을 통과하는 디스플레이서 피스톤 로드가 존재하며, 두 피스톤 사이에 중첩되는 간섭 공간이 있는 구조적 특징이 있다. 이 중첩 공간이 클수록 효율이 좋아지는 경향이 있다.
- '''감마(γ) 스털링 기관''': 두 개의 분리된 실린더에 디스플레이서 피스톤과 동력 피스톤이 각각 들어간다. 배치 방식에 따라 하나의 실린더처럼 보일 수 있으나, 격벽으로 구분된다. 베타형에 비해 동력 전달 구조가 간단하여 제작이 쉽지만, 구조적으로 효율성은 다소 감소하는 특징이 있다.
- '''델타(δ) 스털링 기관''': 톰 피트(Tom Peat)가 주장한 방식으로, 학계에서는 거의 인정받지 못하는 이론이다. 하나의 디스플레이서와 두 개의 동력 피스톤이 각각 3개의 실린더에 존재한다. 동력 피스톤은 각각 고온부와 저온부에 위치하며, 디스플레이서 실린더 역시 고온부와 저온부가 존재한다.
- '''더블 액팅(Double-acting) 스털링 기관''': 최소 3개 이상의 실린더와 3개 이상의 동력 피스톤으로 구성된다. 각 실린더에는 1개의 동력 피스톤이 있으며, 이 피스톤이 실린더 내의 고온부와 저온부를 나눈다. 하나의 피스톤이 디스플레이서와 동력 피스톤 역할을 겸하기 때문에 '더블 액팅'이라는 이름이 붙었다. 한 실린더의 상부와 다른 실린더의 하부가 연결되어 하나의 스털링 사이클을 구성하는 동작 공간이 된다. 즉, 3개의 실린더는 3개의 스털링 엔진을 구성하며, 이로 인해 동력 연결 장치가 복잡해지는 특징이 있다.
'''구동 메커니즘에 따른 분류'''
스털링 엔진은 피스톤 간의 동작 관계를 구성하는 메커니즘에 따라서도 구분된다.
- '''운동학적 구동 방식''': 기계적인 크랭크 축, 피스톤 로드 등을 이용하여 피스톤의 움직임을 제어하는 방식이다.
- 알파형: 주로 운동학적 연결 방식을 사용한다.
- 베타형: 일반적인 운동학적 방식 외에 롬빅(Rhombic) 구동 방식 등이 있다.
- 감마형: 일반적인 운동학적 방식 외에 로스 요크(Ross Yoke) 방식 등이 있다.
- 링봄(Ringbom) 방식: 디스플레이서는 자유롭게 움직이고(프리 디스플레이서), 동력 피스톤은 운동학적으로 연결되는 방식이다.
- 마티니(Martini) 방식: 동력 피스톤은 자유롭게 움직이고(프리 동력 피스톤), 디스플레이서는 운동학적으로 연결되는 방식이다.
- '''자유(Free) 피스톤 방식''': 크랭크 축과 같은 운동학적 연결 장치 없이, 스프링 등의 고유진동수를 이용하여 피스톤이 자유롭게 움직이는 방식이다. 프리 피스톤 형식은 알파형(더블 액팅 프리 피스톤), 베타형(프리 피스톤 베타형), 감마형(프리 피스톤 감마형) 모두 존재한다.
'''기타 특수 방식'''
- '''열음향 엔진''': 음향학적 원리를 이용하여 디스플레이서를 생략하고 동력 피스톤만으로 작동하는 엔진이다. (예: 라미나 플로우 엔진 등)
- '''플루다인(Fluidyne) 스털링 엔진''': 물과 같은 액체를 피스톤처럼 이용하는 방식이다.
- '''회전형 스털링 엔진''': 로터리 베인(Rotary vane)이나 스크롤(Scroll) 구조를 이용하여 사이클 과정을 연속적으로 구성하는 방식이다.
4. 이론
이상적인 스털링 사이클은 작동 유체에 작용하는 4가지 열역학적 과정으로 구성된다.
# 등온 팽창: 확장 공간 및 열교환기는 일정한 고온으로 유지되며, 기체는 열원으로부터 열을 흡수하여 등온 팽창을 겪는다.
# 정적 방열: 기체는 재생기를 통과하며 냉각되고, 다음 사이클에서 사용하기 위해 열을 재생기에 전달한다.
스털링 엔진은 이상적으로 카르노 사이클을 구현하는 열기관으로, 이론상 가장 높은 효율로 열에너지를 일(역학적 에너지)로 변환할 가능성을 지닌다. 열에너지를 일로 변환하는 열효율은 카르노 사이클의 효율을 넘을 수 없으며, 현실적으로 카르노 사이클과 동일한 열효율 달성은 불가능하지만, 스털링 엔진의 변환 효율은 카르노 사이클에 가장 가깝다고 평가받는다. 그러나 실제 장치에서는 연소열의 상당 부분이 작동 가스 외 다른 부분으로 손실되며, 이론 효율에 근접하기 위해서는 복잡한 구조가 요구된다.
스털링 엔진의 열효율은 고온부와 저온부의 온도 차이가 클수록 높아진다. 하지만 내부에 봉입된 가스의 열용량이 출력 상한을 결정하므로 체적당 출력이 작다는 단점이 있다. 충분한 출력을 얻으려면 장치가 커져야 하고, 이는 내부 기체 이동에 더 많은 에너지가 소모되어 손실이 커지는 문제로 이어진다.
이러한 이유로, 크기 제약이 덜한 발전소 등 고정 설비에서도 높은 열효율의 장점보다 설비 투자 비용 증가라는 단점이 더 커서, 종합적인 비용 대비 효과 면에서 디젤 엔진이나 증기 터빈에 비해 경쟁력이 떨어진다. 따라서 실제 사용 사례는 매우 제한적이다. 또한, 출력 변화에 대한 응답성이 낮아 자동차나 오토바이 같은 탈것의 동력원으로는 부적합하다. 다만, 잠수함의 보조 동력(AIP)처럼 효율보다 정숙성이 중시되는 특수한 경우에 한해 운용 실적이 있다.
잠수함 등에 적용될 때는 기관 내부에 고압의 헬륨 가스를 사용하기도 한다. 헬륨은 비열 용량이 커서 고압으로 밀도를 높이면 체적당 출력을 향상시켜 엔진 소형화에 유리하다. 그러나 기체 상태의 헬륨은 미세한 틈으로도 누설되기 쉬워 제작에 고도의 밀봉 기술이 필요하며[93], 이는 비용 상승의 요인이 된다. 정숙성이 높다 해도 가동부가 존재하고 용도가 제한적이어서, 기존 납축전지보다 성능이 우수한 리튬 이온 이차 전지가 실용화되면서 AIP 시스템을 탑재하지 않는 잠수함도 등장하고 있다[94].
5. 역사
스털링 기관은 1816년 스코틀랜드의 목사이자 발명가인 로버트 스털링에 의해 처음 고안되었다.[80] 그 이전에도 기욤 아몽통[21]이나 조지 케일리 경[23] 등이 열기 엔진 개발을 시도했지만, 스털링의 발명은 특히 작동 유체(주로 공기)가 외부로 배출되지 않고 밀폐된 공간 내에서 순환하는 폐쇄 회로 방식과, 열효율을 높이는 재생기(regenerator)(스털링은 '이코노마이저'라 불렀다[64]) 개념을 도입했다는 점에서 중요한 진전을 이루었다.[29]
로버트 스털링은 엔지니어였던 동생 제임스 스털링과 협력하여 엔진을 개량했으며, 1843년에는 던디에 있는 제임스의 주조 공장에 상당한 출력을 내는 엔진을 설치하여 공장 기계를 구동하는 데 성공했다.[78] 스털링 형제는 당시 빈번한 보일러 폭발 사고로 안전성 문제가 제기되었던 증기 기관을 대체할 더 안전한 동력원을 만들고자 했으나[77][54][7], 높은 효율을 위해 고온에서 작동해야 했던 스털링 기관은 당시 재료 기술의 한계로 잦은 고장을 일으켰고 결국 증기 기관으로 대체되었다.[15]
19세기 후반, 증기 기관의 기술 발전과 함께 스털링 기관은 주류 동력원에서 밀려났지만, 펌프나 파이프 오르간 송풍기와 같이 큰 출력이 필요하지 않은 특정 분야에서 명맥을 유지했다.[100] 20세기 초에는 석유 램프 등을 열원으로 사용하는 가정용 선풍기 등으로 활용되기도 했으나, 전기의 보급과 내연 기관의 발달로 점차 잊혀 갔다.
1930년대 말, 네덜란드의 필립스 사가 전기가 없는 곳에서 사용할 수 있는 라디오용 소형 발전기를 개발하면서 스털링 기관 기술은 다시 주목받게 되었다. 필립스는 현대적인 재료와 기술을 적용하여 스털링 기관의 성능을 크게 개선시키려 노력했고, 비록 상업적인 성공은 제한적이었지만 이 과정에서 축적된 기술과 특허는 이후 스털링 기관 연구 개발의 중요한 토대가 되었다.[102]
이후 오일 쇼크와 환경 문제에 대한 관심 증대로 스털링 기관은 다시금 주목받으며 자동차 엔진, 잠수함의 공기 불요 추진 장치(AIP), 열병합 발전, 태양열 발전 등 다양한 분야에서 연구 개발이 진행되고 있다.[104]
5. 1. 초기 열기 엔진
로버트 스털링은 1699년 최초의 작동하는 열기 엔진을 만든 기욤 아몽통[21]이나 조지 케일리 경[23] 등 초기 혁신가들과 더불어 열기 엔진의 선구자 중 한 명으로 여겨진다.[1] 케일리의 엔진(1807년)은 불 위로 공기를 통과시켜 가열, 팽창시킨 후 피스톤을 움직이는 방식이었으나, 연소 생성물과 작동 공기가 섞이는 개방 회로 방식이었다.스코틀랜드의 목사이자 발명가였던 로버트 스털링은 1816년에 최초의 실용적인 공기 엔진을 발명하고 특허를 받았다.[28][80] 스털링 엔진의 원리는 케일리 경의 엔진과 달리 공기가 외부로 배출되지 않고 폐쇄 회로 내에서 순환하며 작동한다는 점이 특징이다. 1818년, 스털링이 제작한 2마력 엔진은 에어셔 채석장에서 물을 퍼 올리는 데 실제로 사용되었는데, 이는 열기 엔진이 실용적으로 사용된 최초의 사례로 여겨진다.[12] 하지만 이 엔진은 관리자의 부주의로 히터가 과열되어 고장났고, 스털링은 낮은 작동 압력으로는 당시 수요가 많았던 고출력을 내기 어렵다는 것을 깨달았다.
1816년 스털링 특허(#4081)[29]의 핵심 내용은 오늘날 재생기(regenerator)의 전신인 "이코노마이저(economiser)"라는 열교환기였다.[64] 스털링은 이 장치가 다양한 열기관의 연료 효율을 높일 수 있다고 설명했으며, 자신의 폐쇄 회로 공기 엔진 설계에도 이를 적용했다.
이후 스털링은 엔지니어였던 동생 제임스 스털링과 함께 연구를 계속하여 1827년[30]과 1840년[33]에 추가로 열기 엔진 특허를 받았다. 1827년 특허에서는 엔진 설계를 변경하고 압축 공기 펌프를 추가하여 내부 공기 압력을 약 20 atm까지 높일 수 있게 했다. 이 시기에는 파킨슨 & 크로슬리(Parkinson & Crossley, 1828년)와 아노트(Arnott, 1829년)[22] 등 다른 발명가들도 열기 엔진 개발에 뛰어들었다. 이들 중 파킨슨과 크로슬리는 대기압보다 높은 압력의 공기를 사용하여 엔진 출력을 높이는 방식을 도입했는데, 제임스 스털링 역시 이 아이디어를 채택하여 이후 던디 엔진을 제작했다.[31] 에릭슨[24]을 포함한 이들 선구자들은 증기 기관에 비해 열기 엔진이 가진 잠재적 이점을 보여주었지만, 로버트 스털링은 특히 재생기를 발명함으로써 기술 발전에 크게 기여했다.
1840년 특허는 1827년 특허를 기반으로 약간의 개선을 거친 것으로, 이는 유명한 던디 엔진[32] 개발로 이어졌다. 제임스 스털링은 1843년까지 던디에 있는 자신의 주조 공장(Dundee Foundry Company)에 이 엔진을 설치하여 공장 기계 전체를 구동할 만큼 충분한 출력을 얻는 데 성공했다.[78]
제임스 스털링은 1845년 영국 토목 학회(Institution of Civil Engineers)에서 자신의 엔진을 발표했다.[34] 발표 내용에 따르면, 던디 공장에 처음 설치된 엔진은 실린더 직경 약 30.48cm, 스트로크 약 0.61m로 분당 40회전(rpm)하며 약 21마력의 출력을 냈다. 이 엔진은 약 8~10개월간 공장 기계를 가동했다. 이후 출력이 부족하다고 판단되어 더 큰 두 번째 엔진이 제작되었는데, 이 엔진은 직경 약 40.64cm, 스트로크 약 1.22m, 분당 28회전하며 약 45마력의 출력을 낼 수 있었다. 이 두 번째 엔진은 2년 이상 만족스럽게 작동했다.
제임스 스털링은 1845년 발표에서 엔진 개발 목표가 단순히 연료 절약뿐만 아니라, 당시 빈번한 보일러 폭발로 많은 사상자를 냈던 증기 기관보다 더 안전한 동력원을 만드는 것이었다고 밝혔다.[77][54][7] (다만 이 동기에 대해서는 다른 견해도 존재한다.[60]) 그러나 스털링 엔진은 높은 효율을 얻기 위해 고온에서 작동해야 했고, 이는 당시 재료 기술의 한계를 드러냈다. 초기에 제작된 엔진들은 증기 기관처럼 치명적인 폭발 위험은 적었지만, 잦은 고장을 일으켰다.[79] 실제로 던디 주조 공장의 엔진은 4년 동안 뜨거운 실린더가 세 번이나 고장 나 결국 증기 기관으로 교체되었다.[15]
'스털링 엔진'이라는 명칭이 보편화된 것은 비교적 후대의 일이다. 1884년 플레밍 젠킨(Fleeming Jenkin)이 이러한 유형의 엔진을 통칭하여 스털링 엔진이라 부르자고 제안했지만 당시에는 널리 받아들여지지 않았다. 이후 1940년대에 필립스(Philips) 사가 자신들이 개발한 엔진의 이름을 찾던 중 1945년에 '스털링 엔진'이라는 명칭을 채택하면서 점차 일반화되었다.[36] 그럼에도 불구하고 '열기 엔진'과 '스털링 엔진'이라는 용어는 여전히 혼용되는 경우가 많다.[87][83]
5. 2. 19세기 후반
1843년 로버트 스털링과 그의 형제 제임스가 던디의 공장에 설치했던 가압식 스털링 엔진은 잦은 고장으로 인해 4년 만에 증기 기관으로 교체되었다[98][30]. 던디 공장에서의 실패 이후, 스털링 형제가 스털링 엔진을 추가로 개발했다는 기록은 찾아볼 수 없다.이 시기에는 기술 발전에 힘입어 증기 기관의 보일러 안전성이 향상되고 효율도 높아지면서[99] 증기 기관이 동력 기관의 주류로 자리 잡았다. 그러나 1860년경부터 스털링 엔진은 물을 퍼 올리는 펌프나 교회의 파이프 오르간에 공기를 공급하는 등 큰 출력을 요구하지 않는 특정 분야에서 명맥을 유지했다[100].
당시 사용된 스털링 엔진들은 비교적 저렴한 재료로 제작되어 고온 운전이 어려웠고, 이로 인해 효율은 낮았다. 하지만 증기 기관에 비해 특별한 기술 없이 불을 다룰 줄 아는 사람이라면 누구나 쉽게 조작할 수 있다는 장점이 있었다[101]. 20세기 초까지 일부 모델이 계속 생산되기는 했으나, 사소한 개량을 제외하면 19세기 후반 동안 스털링 엔진 기술은 거의 발전하지 못하고 정체 상태에 머물렀다[64].
5. 3. 20세기 부활
20세기 초, 스털링 기관은 가정용 동력 장치로 사용되었으며, 특히 미국에서는 석유 램프나 스토브의 열을 이용해 작동하는 선풍기(열기 엔진 팬)나 온풍 순환기가 널리 쓰였다. 그러나 전기 선풍기의 등장과 전력망의 보급으로 이러한 기기들은 점차 사라졌고, 동력 장치로서의 역할도 전동기와 소형 내연 기관에 의해 대체되었다. 결국 1930년대 말에는 스털링 기관은 거의 잊힌 기술이 되어, 장난감이나 소형 환기 팬 용도로만 간신히 명맥을 유지했다.
이 무렵, 네덜란드의 전자 회사 필립스는 전력 공급이 원활하지 않은 지역에서도 사용할 수 있는 라디오용 소형 발전기 개발을 모색하면서 스털링 기관에 주목했다. 필립스는 스털링 기관이 소음이 적고 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 오랫동안 기술 개발이 정체되어 있었기에 현대 기술을 적용하면 성능을 크게 개선할 수 있을 것으로 판단했다[102]. 필립스는 제2차 세계 대전 중에도 연구를 지속하여 발전기 세트(MP1002CA)를 개발했지만, 가격 경쟁력과 트랜지스터 라디오의 등장으로 상업적인 성공은 거두지 못했다. 그럼에도 필립스는 1970년대 말까지 개발을 계속하며 다수의 특허와 기술 노하우를 축적했고, 이를 다른 회사에 라이선스로 제공하여 이후 스털링 기관 기술 발전의 중요한 토대를 마련했다.
그 후, 1970년대 오일 쇼크와 자동차 배기가스 규제 강화 시기에 스털링 기관은 다시 주목받아 자동차 엔진 등으로 개발이 시도되었으나, 높은 생산 비용과 느린 출력 반응 속도 등의 기술적 문제로 인해 실용화에는 이르지 못했다. 20세기 말까지 몇몇 기업이 시제품을 개발하고 일부 판매하기도 했지만, 널리 보급되지는 않았다. 21세기에 들어서는 환경 문제에 대한 관심이 높아지면서 열병합 발전 시스템 등에 스털링 기관을 활용하려는 검토가 이루어지고 있다[104]. 또한, 교육용 키트나 소형 모델 등 저출력 스털링 엔진은 꾸준히 생산 및 판매되고 있다.
5. 3. 1. 필립스 MP1002CA
1930년대 말 스털링 기관이 거의 잊힐 무렵, 필립스는 라디오 판매 확대를 위해 전력망이 부족하고 배터리도 구하기 어려운 지역에서 사용할 수 있는 라디오 개발을 구상했다. 필립스 경영진은 휴대 가능한 소형 발전기 개발을 결정하고, 아인트호벤 연구소에 실용화 검토를 지시했다.여러 동력원을 비교 검토한 결과, 스털링 기관은 소음이 적고(전파 노이즈를 유발하는 스파크 플러그가 없음) 램프용 기름처럼 저렴하고 구하기 쉬운 다양한 열원을 사용할 수 있다는 장점이 있어 최종적으로 선택되었다. 또한, 필립스 연구진은 스털링 기관이 오랫동안 기술적 개선이 이루어지지 않았기 때문에 최신 소재와 노하우를 적용하면 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대했다[102].
초기 실험용 엔진은 구경 30mm, 스트로크 25mm 크기로 16W의 출력을 내는 데 성공했다[103]. 이에 고무된 필립스는 개발을 계속 진행하여 제2차 세계 대전 중에도 연구를 이어갔다. 1940년대 말, Type 10 엔진이 필립스의 자회사인 Johan de Witt로 넘겨져 발전기와 결합되었다. 이렇게 탄생한 것이 구경 55mm, 스트로크 27mm, 출력 200W의 MP1002CA 발전기 세트이다. 필립스는 초기 제품 설명서에서 이 발전기를 '공기 기관'이라고 칭했다.
1951년 MP1002CA의 생산이 시작되었지만, 비슷한 성능의 다른 발전기들과 가격 경쟁에서 밀렸고, 주요 목표였던 라디오 역시 트랜지스터의 등장으로 소비 전력이 크게 줄어 배터리만으로도 충분히 작동 가능하게 되었다. 결국 약 150대만 생산되었으며, 이 중 일부는 세계 여러 대학에 보내져 학생들에게 스털링 기관을 가르치는 교재로 활용되었다.
필립스는 1970년대 말까지 다양한 용도의 스털링 기관 개발을 계속했지만, 상업적으로 성공을 거둔 것은 "역 스털링 기관" 원리를 이용한 저온 냉각기뿐이었다. 그러나 이 과정에서 다수의 특허를 획득하고 풍부한 기술 지식을 축적했으며, 이를 다른 회사에 라이선스로 제공하여 이후 스털링 기관 기술 발전의 기반을 마련했다.
5. 3. 2. 잠수함 사용
스털링 기관은 외부 연소 기관의 특성상 고온부의 온도를 높이는 데 한계가 있으며, 열효율이 저온부의 온도에 크게 좌우된다. 이러한 이유로 저온부의 냉각원으로 무한한 해수를 활용할 수 있는 선박용 기관으로 개발이 이루어졌다.잠수함에서는 1995년, 스웨덴의 고틀란드급 잠수함에 최초로 탑재되었다. 일본의 경우, 하루시오형 연습함인 '아사시오'에서 시험 운용을 통해 실용성을 확인한 후, 소류급 잠수함에 정식으로 채택하여 2009년 3월부터 해상자위대에서 운용하고 있다.
5. 4. 21세기 개발
6. 장점 및 단점
스털링 기관은 이론적으로 카르노 사이클에 가까운 높은 열효율을 낼 수 있고[70][72], 태양열, 지열, 폐열 등 다양한 열원을 사용할 수 있으며[86], 내연 기관에 비해 작동이 조용하다는[59][82] 장점을 가진다. 하지만 실제 구현에서는 열 교환기 설계의 어려움, 고온부 재료의 내구성 문제, 작동 가스 밀봉의 어려움[93] 등 기술적 과제가 존재한다. 또한, 내연 기관에 비해 초기 제작 비용이 높고[35], 출력 대 중량비가 낮아[51] 크기가 크고 무거워지는 경향이 있다. 이러한 장단점으로 인해 스털링 기관은 마이크로 열병합 발전(CHP)[59][82], 잠수함의 AIP 시스템[3] 등 특정 용도에 주로 사용된다.
6. 1. 장점
스털링 기관은 내연 기관과 비교하여 여러 장점을 가진다.- 다양한 열원 활용: 연소뿐만 아니라 태양열, 지열, 생물학적 열, 핵에너지 또는 산업 공정에서 발생하는 폐열 등 사용 가능한 모든 열원을 직접 이용하여 작동할 수 있다.[86] 고온뿐 아니라 저온까지, 온도 차이만 존재하면 작동 가능하여 화석 연료 외 다양한 에너지원을 활용할 수 있다.
- 환경 친화성: 열 공급을 위해 연소를 사용하는 경우, 연속 연소 과정을 통해 내연 기관의 간헐적 연소 시 발생하는 배출가스를 줄일 수 있다. 폐쇄 사이클로 작동하여 작동 유체가 외부로 유출되지 않고, 일반 내연기관과 구성 재료가 유사하여 재활용 시 오염 발생이 적다.
- 높은 이론적 효율: 이론적으로 카르노 사이클에 가까운 가장 높은 열효율을 달성할 수 있으며, 개발 가능성이 높다.[86] 실제 효율은 이론보다 낮아 소형 엔진의 경우 15~30% 정도이지만[86], 특정 조건에서는 대부분의 내연 기관보다 효율적일 수 있다.[48]
- 저소음 및 저진동: 내연 기관과 같은 폭발 과정이 없어 작동이 매우 조용하며, 디젤이나 가솔린 기관에 비해 소음이 적다. 잠수함의 공기 불요 추진 장치 등 소음이 민감한 분야에 적용될 수 있다.
- 간단한 구조 및 유지보수: 밸브가 필요 없고 버너 시스템도 비교적 간단하여 구조적으로 다른 왕복 엔진 유형보다 단순하다.[49] 베어링과 실(seal)은 엔진의 차가운 부분에 위치하여 윤활유 관리가 용이하고 부품 수명이 길다.[49] 간단한 스털링 기관은 일반 가정용 재료로도 제작할 수 있다.[49] 초기에는 배관에 내열·내압 구조가 필요 없어 제작 및 보수가 용이했으나, 효율 향상을 위한 고압화로 이 장점은 약화되었다.
- 안전성: 설계 압력에 가까운 내부 압력을 유지하는 단상 작동 유체를 사용하므로, 적절히 설계된 시스템은 증기 기관과 같은 폭발 위험이 낮다. 초기에는 저압 작동이 가능해 경량 실린더를 사용할 수 있었으나, 효율 향상을 위한 고압화 추세로 이 장점도 약화되었다.
- 우수한 저온 성능: 예열 시간이 필요하지만, 추운 날씨에 더 효율적으로 작동하는 경향이 있어 저온 환경에 유리하다. 이는 따뜻한 날씨에 빠르게 시동되지만 추운 날씨에는 시동이 어렵거나 효율이 떨어지는 내연 기관과 대조적이다.
- 유연한 적용: 워터 펌프로 사용될 경우, 펌핑하는 물을 압축 공간 냉각에 활용하여 효율을 높일 수 있다. 또한, 겨울에는 CHP(열병합 발전)으로, 여름에는 냉각기로 사용하는 등 계절에 따라 유연하게 활용 가능하다. 폐열 회수가 용이하여 이중 출력 열 및 전력 시스템에 유용하다.
- 입증된 성능: 1986년 NASA는 스털링 자동차 엔진(Mod II)을 제작하여 시보레 셀러브리티에 설치했는데, 기존 내연 기관 대비 연비가 45% 향상되었고 배출가스도 크게 감소했다. 가속 성능도 표준 내연 기관과 동등하여, 스털링 기관이 무겁고, 비싸며, 신뢰성과 성능이 낮다는 기존의 인식을 반박했다.[52] 또한 촉매 변환기, 소음기 및 잦은 오일 교환이 필요 없다는 장점도 확인되었다.[52]
이러한 장점들 덕분에 스털링 기관은 마이크로 CHP, 워터 펌프, 우주 공학 및 태양 에너지, 바이오매스(농업 폐기물, 쓰레기 등)와 같이 내연 기관과 호환되지 않는 에너지원을 이용한 발전 등 특정 응용 분야에서 선호된다.[86] 특히 단위 에너지 생산 비용이 단위 전력당 자본 비용보다 중요하게 고려될 때, 약 100kW 출력까지 비용 경쟁력을 가질 수 있다.[86]
6. 2. 단점
스털링 기관은 여러 장점에도 불구하고 다음과 같은 단점들로 인해 널리 사용되지 못하고 있다.- 기술 개발 및 상용화의 어려움: 전반적으로 개발이 부족하며 장기적인 연구 개발이 필요하다. 엔진의 한쪽은 고온, 다른 쪽은 저온 상태를 유지해야 하므로 시스템 내 온도 변화가 크다. 효율을 높이기 위해 헬륨이나 수소 같이 가볍고 누설되기 쉬운 기체를 고압으로 사용해야 하는데, 이는 밀봉(sealing) 기술을 매우 어렵게 만든다.[93] 또한 고온부에는 높은 내열성과 내구성을 가진 특수 재료가 필요하며, 이는 재료비 상승으로 이어져 상용화를 제약하는 주요 요인이 된다. 열 교환기의 재료 및 제작 비용이 전체 엔진 비용의 약 40%를 차지할 정도이다.[35] 더불어 연료전지, 수소엔진, 초임계 CO2 발전 등 새로운 대체 기술과의 경쟁 심화 및 정부 지원 부족도 개발을 더디게 하는 요인이다.
- 낮은 실제 효율 및 성능 한계: 이론적으로는 카르노 사이클과 동일한 높은 열효율을 달성할 수 있지만, 실제 엔진에서는 여러 요인으로 인해 효율이 크게 떨어진다.[70][72] 특히 내연 기관이 연소를 통해 순간적으로 매우 높은 온도(약 1500°C~1600°C)를 달성하는 것과 달리, 스털링 기관은 외부에서 열 교환기를 통해 열을 전달받기 때문에 동일한 수준의 고온을 만들기 어렵다. 이는 실제 작동 효율이 내연 기관보다 낮아지는 원인이 된다. 또한 대류 열전달의 한계, 작동 유체의 점성 흐름(마찰)에 의한 손실, 이상적인 등온 과정과 실제 단열 과정 사이의 차이[69][11] 등도 효율을 저하시키는 요인이다. 주변 온도가 낮을수록 효율이 높아지는 특성 때문에, 따뜻한 기후에서는 성능이 상대적으로 떨어진다.
- 출력 및 응답성 문제: 출력 대 중량비가 낮고[51] 기관의 부피당 낼 수 있는 출력이 작아, 같은 출력을 내는 내연 기관에 비해 크고 무거워지는 경향이 있다.[48] 엔진이 커지면 내부 기체를 이동시키는 데 필요한 에너지 손실도 증가한다. 또한, 내연 기관처럼 연료 분사량을 조절하여 출력을 빠르게 변경하기 어려워 부하 변동에 대한 응답성(부하 추종성)이 떨어진다. 이 때문에 자동차와 같이 빠르고 빈번한 출력 조절이 필요한 분야에는 적용하기 어렵다.
- 설계 및 운용상의 문제점: 효율을 높이기 위해 냉각 온도를 최대한 낮게 유지해야 하므로, 폐열을 효과적으로 방출하기 위한 큰 방열기가 필요하다. 이는 엔진 시스템 전체의 부피를 증가시키고 설치 공간의 제약을 초래할 수 있다.[3] 고효율을 위해 작동 가스를 고압으로 사용하게 되면서, 초기 스털링 기관의 장점이었던 저압 운전과 낮은 폭발 위험성이 줄어들고, 오히려 고압 밀봉의 어려움과 유지보수의 번거로움이 커졌다.[93] 특정 설계(알파형)에서는 고온부 피스톤의 내열성과 씰의 내구성이 기술적 과제로 남아있다.[44]
이러한 단점들로 인해 스털링 기관은 높은 이론적 효율에도 불구하고 실제로는 잠수함의 AIP(공기 불요 추진) 시스템이나 마이크로 열병합 발전(CHP) 등 일부 특수한 분야에서 제한적으로 사용되고 있다.
7. 구성 요소
스털링 기관은 기본적으로 외부 열원에서 열을 받아 작동하며, 내부의 작동 가스를 이용하여 동력을 생산한다. 주요 구성 요소는 다음과 같다.
- 열원: 엔진에 열 에너지를 공급하는 부분이다. 외부 연소 기관이므로 다양한 종류의 열원을 사용할 수 있다.
- 열교환기: 작동 가스를 가열하고 냉각시키는 역할을 한다. 뜨거운 부분(가열기)과 차가운 부분(냉각기)으로 나뉜다.
- 재생기: 뜨거운 부분과 차가운 부분 사이에 위치하여 작동 가스가 이동할 때 열을 저장하거나 방출함으로써 엔진 효율을 높이는 내부 열교환기이다.
- 방열기: 엔진의 차가운 부분에서 열을 외부로 방출하여 작동 가스를 냉각시키는 역할을 한다.
- 작동 가스: 엔진 내부에서 팽창과 수축을 반복하며 열에너지를 기계적인 일로 변환하는 매체이다. 공기, 헬륨, 수소 등이 사용될 수 있다.
- 피스톤:
- 동력 피스톤: 작동 가스의 압력 변화를 이용하여 실제 일을 수행하고 동력을 출력하는 피스톤이다.
- 디스플레이서: 베타형 및 감마형 엔진에 사용되며, 작동 가스를 가열부와 냉각부 사이로 이동시키는 역할을 하는 피스톤이다. 동력 생산에는 직접 관여하지 않는다.[45]
- 플라이휠: 엔진의 회전력을 저장하여 작동을 원활하게 하고, 압축 행정에 필요한 에너지를 공급한다.
초기 스털링 엔진은 증기 기관에 비해 고압부가 없어 폭발 위험이 낮고 배관 구조가 단순하여 제작 및 보수가 용이하다는 장점이 있었다. 그러나 효율 향상을 위해 내부 작동 가스를 고압화하게 되면서 이러한 초기 장점은 다소 줄어들었으며, 오히려 내압 밀봉이나 유지보수의 어려움이 발생하기도 한다.
7. 1. 열원
스털링 엔진은 외부 연소 기관이므로 사용하는 열원의 종류에 크게 제약을 받지 않는다는 장점이 있다. 이론적으로 연소 가능한 모든 연료를 사용할 수 있으며, 그 외에도 다양한 열원을 활용하는 것이 가능하다.[93] 구체적인 예시로는 태양열, 지열, 방사성 동위원소의 방사성 붕괴 시 발생하는 열, 내연 기관 등에서 발생하는 폐열 등이 있다. 심지어 체온과 같은 매우 낮은 온도 차이로도 작동할 수 있다.7. 2. 열교환기
(내용 없음 - 주어진 원본 소스에는 해당 섹션 내용을 작성할 정보가 포함되어 있지 않습니다.)7. 3. 재생기
스털링 기관에서 재생기는 내부 열교환기 역할을 하는 동시에 임시적인 열 저장소 기능을 수행한다. 재생기는 엔진의 뜨거운 부분과 차가운 부분 사이에 위치하며, 작동 유체가 이 사이를 이동할 때 열을 흡수하거나 방출하여 엔진의 효율을 높이는 데 기여한다. 이상적인 재생기는 작동 유체와의 접촉 면적이 넓고(높은 표면적), 많은 열을 저장할 수 있으며(높은 열용량), 재생기를 통한 열의 직접적인 전달은 적고(낮은 전도율), 작동 유체가 흐를 때 저항이 작아야(낮은 유동 마찰) 한다. 구조적으로는 금속 메쉬나 폼과 같이 비교적 간단한 형태로 제작될 수 있다. 예를 들어, 평판형 스털링 엔진 설계에서는 고온부(A 체적)와 저온부(B 체적)에 각각 재생기 질량이 배치되는 것을 볼 수 있다.[89]7. 4. 방열기
스털링 엔진의 열효율은 고온부와 저온부의 온도 차이가 클수록 높아지며, 특히 저온부의 온도가 낮을수록 효율이 향상된다. 따라서 엔진 작동 중 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방출하여 저온부를 가능한 한 차갑게 유지하는 것이 중요하다. 이 역할을 수행하는 것이 방열기이다. 방열기는 엔진 내부의 열을 주변 환경으로 전달하여 냉각시킨다. 일반적으로는 주변 공기를 이용하지만, 저온 측의 냉각원으로 해수를 사용할 수 있는 선박용 엔진의 경우 개발이 진행되었다.[93] 이는 풍부하고 온도가 낮은 냉각원을 쉽게 확보할 수 있는 환경에서 효율을 높이는 데 유리하기 때문이다.7. 5. 디스플레이서
디스플레이서(displacer)는 베타형 및 감마형 스털링 기관에서 사용되는 특수한 피스톤으로, 작동 가스를 뜨거운 열교환기와 차가운 열교환기 사이로 왕복 운동시킨다. 실린더에 밀봉될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
특히 베타형 스털링 엔진에서는 단일 동력 피스톤과 함께 디스플레이서 피스톤이 같은 실린더 내 동일한 축 위에 배치된다. 디스플레이서 피스톤은 헐겁게 장착되어 있으며, 팽창하는 가스로부터 직접 동력을 얻지 않고 오직 작동 가스를 뜨거운 부분과 차가운 부분 사이로 이동시키는 역할만 수행한다. 작동 가스가 실린더의 뜨거운 끝으로 밀려나면 팽창하여 동력 피스톤을 밀어내고, 가스가 실린더의 차가운 끝으로 밀려나면 수축한다. 이때, 일반적으로 플라이휠에 의해 강화된 기계의 운동량이 동력 피스톤을 반대 방향으로 밀어 가스를 압축한다.
이러한 구조 덕분에 베타형 엔진은 동력 피스톤이 뜨거운 가스와 직접 접촉하지 않아, 알파형 엔진에서 문제가 될 수 있는 고온에서의 밀봉(seal) 관련 기술적 어려움을 피할 수 있다.[45]
베타형 엔진의 구체적인 작동 순서에서 디스플레이서의 움직임은 다음과 같다.
# 동력 피스톤(진한 회색)이 가스를 압축하고, 디스플레이서 피스톤(밝은 회색)이 움직여 대부분의 가스가 뜨거운 열교환기 쪽에 위치하게 한다.
# 가열된 가스의 압력이 높아져 동력 피스톤을 가장 먼 지점까지 밀어낸다 (동력 행정).
# 디스플레이서 피스톤이 다시 움직여 가스를 실린더의 차가운 끝으로 보낸다.
# 냉각된 가스는 플라이휠의 운동 에너지에 의해 압축된다. 가스가 냉각되어 압력이 낮아졌기 때문에 압축에 필요한 에너지가 줄어든다.
8. 작동 시 고려 사항
스털링 엔진을 실제로 작동시키고 설계할 때는 여러 기술적 요소를 신중하게 고려해야 한다. 주요 고려 사항으로는 엔진의 크기, 작동 온도 범위, 사용할 작동 가스의 종류, 내부 가압 정도, 그리고 윤활 및 마찰 문제 등이 있으며, 이는 엔진의 성능과 효율, 제작 비용, 유지보수 등에 직접적인 영향을 미친다.
스털링 엔진은 이론적으로 카르노 사이클에 가까운 높은 열효율을 달성할 잠재력이 있으며, 냉동 사이클로 활용될 경우 높은 성능 계수를 기대할 수 있다. 또한, 연소 과정이 엔진 외부에서 이루어지므로 다양한 종류의 열원을 사용할 수 있다는 유연성을 가진다. 내연 기관과 달리 폭발 과정이 없어 작동 시 소음이 매우 적다는 장점도 있다.
그러나 몇 가지 기술적 과제도 안고 있다. 내연 기관처럼 사이클 당 연료 분사량을 조절하여 출력을 즉각적으로 바꾸기 어렵기 때문에, 부하 변동에 대한 대응성은 상대적으로 떨어진다. 엔진의 체적당 출력이 낮은 편이어서, 동일한 출력을 내는 내연 기관에 비해 크기가 크고 무거워지는 경향이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 작동 가스로 비열용량이 큰 가스를 사용하거나 내부 압력을 높이는 방법 등이 시도된다.
초기 스털링 엔진은 증기 기관에 비해 고압부가 없어 폭발 위험이 낮고 구조가 단순하여 제작 및 보수가 용이하다는 평가를 받았으나, 현대에 와서 효율을 높이기 위해 작동 가스를 고압으로 사용하게 되면서 이러한 장점은 다소 퇴색되었다. 오히려 고압 가스의 실링 문제나 유지보수의 복잡성이 새로운 과제로 부각되기도 한다.
8. 1. 크기 및 온도
매우 낮은 출력의 스털링 엔진은 0.5 K 정도의 작은 온도차에서도 작동하도록 제작될 수 있다.[76] 특히 ''저온차(LTD)'' 스털링 엔진의 경우, 사람의 손과 주변 공기 사이의 온도차만으로도 엔진을 작동시킬 수 있다.[71]
그러나 스털링 엔진, 특히 작은 온도차로 작동하는 엔진은 생산하는 전력량에 비해 상당히 크기가 크다는 특징, 즉 비출력이 낮다는 단점이 있다. 이는 주로 기체 대류의 열 전달 계수가 낮아 열교환기의 열유속이 제한되기 때문이다. 일반적인 냉각 열교환기에서는 약 500 W/(m2·K), 가열 열교환기에서는 약 500–5000 W/(m2·K) 정도이다.[58] 이는 내연 기관과 비교했을 때, 엔진 설계자가 작동 기체로 열을 전달하고 외부로 방출하는 데 더 어려움을 겪게 만드는 요인이다. 열효율 때문에 필요한 열 전달량은 온도차가 낮을수록 증가하며, 동일 출력(예: 1 kW)을 내기 위한 열교환기 표면적(및 비용)은 온도차(ΔT)의 제곱에 반비례하여 증가한다. 따라서 매우 낮은 온도차로 작동하는 엔진의 특정 비용은 매우 높아진다. 반대로 온도차나 압력을 증가시키면, 열교환기가 증가된 열 부하를 감당하고 필요한 대류 열유속을 제공할 수 있다는 전제 하에 스털링 엔진은 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 하지만 충분한 출력을 얻기 위해 장치를 대형화하면 내부 기체를 이동시키는 데 필요한 에너지가 커져 손실이 늘어나는 문제도 있다.
스털링 엔진은 즉시 시동할 수 없으며, 작동 전에 반드시 예열이 필요하다. 이는 모든 외연기관의 공통점이지만, 스털링 엔진의 예열 시간은 증기 기관 등 다른 유형의 엔진보다 더 길 수 있다. 또한, 스털링 엔진은 일정한 속도로 작동할 때 가장 효율적이므로, 정속 운전이 필요한 용도에 가장 적합하다.
스털링 엔진의 출력은 일정하게 유지되는 경향이 있어, 출력을 조절하기 위해서는 신중한 설계와 추가적인 메커니즘이 필요할 수 있다. 일반적으로 출력 변경은 엔진의 변위(기체의 부피 변화 폭)를 조절하거나(종종 스와시 플레이트 크랭크축 배열 사용), 작동 유체의 양을 변경하거나, 피스톤과 변위기의 위상각을 바꾸거나, 단순히 엔진 부하를 변경하는 방식으로 이루어진다. 이러한 특성은 일정한 출력이 오히려 바람직한 하이브리드 전기 추진이나 기저 부하 발전에서는 단점이 덜하다.
이론적으로 스털링 엔진은 이상적인 열기관인 카르노 사이클에 가장 가까운 효율을 낼 수 있는 잠재력을 가진다. 즉, 열에너지를 일(역학적 에너지)로 변환하는 열효율이 매우 높을 수 있다. 열효율은 고온부와 저온부의 온도차가 클수록 높아진다. 하지만 실제 장치에서는 연소열의 상당 부분이 작동 가스 외의 부분으로 손실되어 이론적인 효율에 도달하기는 어려우며, 이를 개선하기 위해서는 복잡한 구조가 필요하다.
8. 2. 가스 선택
사용되는 가스는 낮은 열용량을 가져야 하는데, 이는 주어진 양의 전달된 열로 압력을 크게 높일 수 있게 하기 때문이다.- 헬륨 (He): 열용량이 매우 낮아 스털링 기관에 가장 이상적인 가스 중 하나로 꼽힌다. 불활성 기체이므로 가연성이 없고, 수소에 버금가는 효율과 전력 밀도를 보이면서도 재료 유지 문제가 적다. 이 때문에 미국 정부 연구소 등에서 개발한 기술적으로 진보된 스털링 엔진 대부분은 헬륨을 작동 가스로 사용한다. 다만, 헬륨은 상대적으로 가격이 비싸고 병에 담긴 형태로 공급받아야 한다는 단점이 있다. 한 실험(GPU-3 엔진)에서는 수소가 헬륨보다 절대 효율 기준으로 5% 더 높은 효율을 보였다.[84]
- 수소 (H₂): 낮은 점성과 높은 열전도율 덕분에 가장 강력한 성능을 내는 작동 가스이다. 엔진이 다른 가스를 사용할 때보다 더 빠르게 작동할 수 있게 해준다. 그러나 낮은 분자량과 높은 확산 속도 때문에, 특히 고온에서 히터의 고체 금속(탄소강 등)을 통해 쉽게 누출되는 심각한 문제가 있다. 알루미늄이나 스테인리스강, 특정 세라믹 재질은 누출을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 가스 누출을 막으려면 성능 좋은 기밀 씰이 필수적이며, 고온 차동(HTD) 엔진은 내부 압력 유지를 위해 가스 저장 병이나 가스 발생기 같은 보조 시스템이 필요할 수 있다. 또한 수소는 일부 금속을 약하게 만드는 수소 취성을 유발할 수 있으며, 가연성이 매우 높아 누출 시 화재나 폭발의 위험이 따른다. 수소는 물을 전기 분해하거나, 고온의 탄소 기반 연료에 증기를 반응시키거나, 탄화수소 연료를 가스화하거나, 금속과 산을 반응시켜 얻을 수 있다.
- 공기 및 질소 (N₂): 공기는 가장 쉽게 구할 수 있는 작동 유체이다.[61] 하지만 헬륨이나 수소에 비해 전력 밀도가 훨씬 낮아 같은 출력을 내려면 엔진이 더 커져야 하므로 비용이 증가할 수 있다. 특히 압축 공기를 사용할 경우, 공기 중의 높은 분압을 가진 산소가 엔진 내부의 윤활유와 접촉하면 폭발할 수 있는 심각한 위험이 있다.[35] 실제로 이러한 사고 이후 필립스(Philips)사는 폭발 위험을 피하기 위해 다른 가스를 사용하는 연구를 진행했다. 폭발 위험을 줄이기 위해 공기 중의 산소를 미리 제거하거나, 아예 산소가 없는 비활성 기체인 병입 질소를 사용하는 방법이 있다. 질소는 거의 불활성이며 매우 안전하다. 공기나 질소를 사용하면 가스를 구하기 쉽고 유지 및 공급 문제가 적어 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 연구원 앨런 오건(Allan Organ)은 잘 설계된 공기 엔진이 이론상 헬륨이나 수소 엔진만큼 '효율적'일 수 있지만, 단위 부피당 출력, 즉 '강력함' 면에서는 헬륨 및 수소 엔진이 몇 배 더 우수하다고 증명했다.
- 기타 가스: 메탄 (CH₄)이나 암모니아 (NH₃) 등 다른 가스들도 작동 유체로 사용될 가능성이 있다.
8. 3. 가압
대부분의 고출력 스털링 기관에서는 작동 유체의 최소 압력과 평균 압력을 대기압보다 높게 유지한다. 이렇게 기관 내부를 초기에 가압하는 방법에는 여러 가지가 있다. 펌프를 사용하거나, 압축 가스 탱크에서 기관으로 작동 유체를 채우거나, 기관의 평균 작동 온도보다 낮은 온도에서 기관을 밀봉하는 방법으로 실현될 수 있다. 어떤 방법을 사용하든 이는 열역학적 사이클 내에서 작동하는 유체의 질량을 증가시키는 효과를 가져온다.
가압을 하면 기관의 출력을 높일 수 있다. 이를 위해서는 모든 열교환기가 필요한 열 전달률을 공급할 수 있도록 크기가 적절하게 설계되어야 한다. 만약 열교환기가 잘 설계되어 대류 열 전달에 필요한 열 플럭스를 충분히 공급할 수 있다면, 기관의 출력은 1차 근사적으로 웨스트 수와 빌 수가 예측하는 대로 평균 압력에 비례하여 증가한다.
하지만 가압에는 몇 가지 어려움과 제약이 따른다. 실제 기관에서는 작동 가능한 최대 압력이 압력 용기의 안전 압력으로 제한된다. 또한, 출력을 높이기 위해 가압을 하면, 증가된 출력에 비례하여 더 많은 열을 공급해야 한다. 그런데 압력이 높아지면 기관 벽의 두께도 안전을 위해 더 두꺼워져야 하고, 이는 열이 전달되는 것을 더 어렵게 만드는 요인이 된다. 따라서 단순히 압력을 높이는 것만으로는 효율을 계속 높이기 어렵다.
결론적으로 스털링 기관 설계의 많은 측면과 마찬가지로, 가압 역시 최적화 과정이 다변량적이며, 종종 서로 상충되는 요구 사항들을 고려해야 한다.[58]
8. 4. 윤활제 및 마찰
높은 온도와 압력에서 공기 가압 크랭크케이스나 열풍 엔진의 작동 가스에 포함된 산소는 엔진 윤활유와 결합하여 폭발할 위험이 있다. 이러한 폭발로 사망 사고가 발생한 사례도 있다.[35] 또한 윤활제는 열교환기, 특히 재생기를 막히게 할 수도 있다.이러한 문제 때문에 설계자들은 미끄럼 밀봉과 같이 움직이는 부품에 낮은 수직 항력과 낮은 마찰 계수를 가진 비윤활 재료(예: 룰론, 흑연)를 선호한다. 일부 설계에서는 밀봉된 피스톤에 다이어프램을 사용하여 마찰이 발생하는 표면 자체를 없애기도 한다.
이러한 점들 덕분에 스털링 엔진은 내연 기관보다 유지 보수 필요성이 적고 수명이 더 길다는 장점을 가진다.
9. 응용 분야
스털링 기관은 조용한 작동이 가능하며 연료 연소 외에도 태양열, 지열, 방사성 동위원소의 방사성 붕괴열, 내연 기관 등의 폐열 등 거의 모든 열원을 사용할 수 있다는 장점이 있다. 심지어 체온 정도의 낮은 온도 차이에서도 작동 가능하다. 이러한 특징 덕분에 다양한 분야에서 응용 가능성이 탐색되고 있다.
주요 응용 분야는 다음과 같다.
- 마이크로 열병합 발전 (CHP): 가정이나 건물에서 전기와 열을 동시에 생산하는 시스템이다. 스털링 기관은 기존 증기 기관보다 효율적이고 안전하여 CHP 장치의 핵심 부품으로 주목받고 있다.[59][82]
- 태양열 발전: 태양열을 집열하여 스털링 기관을 구동시켜 전기를 생산한다. 접시형 스털링 시스템(Dish Stirling System) 등이 개발되었다.
- 수중 동력 시스템 (잠수함 AIP): 스털링 기관은 외부 공기 없이 작동 가능하고 소음이 적어 잠수함의 비대기 의존 추진 (AIP) 시스템에 사용된다. 효율보다는 정숙성이 중요하게 요구되는 특수한 경우이다.
- 고압의 헬륨을 작동 기체로 사용하여 밀도를 높이고 출력을 향상시켜 엔진 소형화를 꾀한다. 헬륨은 비열 용량이 크다는 장점이 있지만, 기체 특성상 미세한 틈새로도 누설되기 쉬워 고도의 밀봉 기술이 필요하며 이는 비용 상승의 요인이 되고 있다.[93]
- 최근 고성능 리튬 이온 이차 전지가 개발되면서 일부 국가에서는 AIP 시스템을 탑재하지 않는 잠수함도 등장하고 있다.[94]
- 잠수함 탑재 사례: