JP6239293B2 - スターリング冷凍機用整流ユニット - Google Patents

Description

本発明は、スターリング冷凍機用整流ユニットに関し、より詳しくは、スターリング冷凍機において圧縮部と膨張部に適用されるピストンの往復移動によって等温圧縮または等温膨張した作動流体の流れを円滑にするスターリング冷凍機用整流ユニットに関する。

一般に、自動車のエアコンシステムは、外部の温度変化に関係なく、自動車室内の温度を適当な温度に維持して、快適な室内環境を維持するようにする。

このようなエアコンシステムは、冷媒を圧縮する圧縮器と、前記圧縮器で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮機と、前記凝縮機で凝縮されて液化した冷媒を急速に膨張させる膨張バルブと、前記膨張バルブで膨張した冷媒を蒸発させ、冷媒の蒸発潜熱を利用して前記エアコンシステムが設けられた室内に送風される空気を冷却する蒸発器とを含む。

しかし、従来のエアコンシステムは、循環する作動流体である冷媒として、ＣＦＣ／ＨＣＦＣ系化合物を用いている。これらは、化学的に非常に安定的なもので、大気中に露出したとき分解されずに、成層圏に到達して、成層圏で陽光の紫外線に反応して塩素原子が分離されるが、この塩素原子はオゾンと反応して一酸化塩素を生成させることで、次第にオゾン層を破壊するという短所がある。

このような冷媒による環境汚染を防止するために、最近は冷媒の代わりに、内部に充填された作動流体としてヘリウムガスや窒素ガスを用いており、このような作動流体を用いるスターリング冷凍機に対する開発が行われている。前記スターリング冷凍機によれば、作動流体の等温圧縮、等積過程、等温膨張、及び等積過程を反復して行って、等温膨張のときに発生する吸熱反応によって作動流体を超低温状態に冷却して車両の冷房に利用する。

しかし、このようなスターリング冷凍機において、作動流体の等温圧縮及び等温膨張時、圧縮部と膨張部の間で移動する作動流体が圧縮部と膨張部の間の再生部を通過するとき、作動流体の移動経路上で圧力の不均衡によって円滑な流れが行われないことにより、スターリング冷凍機の効率が低下するという問題点がある。

そこで、本発明の実施例は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、スターリング冷凍機において圧縮部と膨張部に適用されるピストンの往復移動によって等温圧縮または等温膨張した作動流体の流れを円滑にすることにより、作動流体の流動時に圧力平衡をなすようにし、スターリング冷凍機の全体的な効率を向上させるようにする、スターリング冷凍機用整流ユニットを提供することにある。

このような目的を達成するための本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットは、ハウジングの内部に充填された作動流体をピストンの往復運動によって圧縮する圧縮部と、前記圧縮部で圧縮された作動流体をピストンの往復運動によって膨張させる膨張部と、前記圧縮部と前記膨張部を流体的に連通させる再生部とを含み、前記作動流体の等温圧縮、等積過程、及び等温膨張の反復を通じて前記圧縮部で発熱し、膨張部で吸熱するスターリング冷凍機用整流ユニットに取り付けられて、前記圧縮部と膨張部の間を流動する作動流体の流れを均一にするように形成されている。

前記整流ユニットは、前記ハウジングの内部で前記圧縮部または膨張部に具備された熱交換部の端部に配置され、圧縮部または膨張部から排出されて前記熱交換部を通過する作動流体を整流する整流部材と、前記整流部材を前記熱交換部の端部に固定させる固定プレートとを含むことができる。
前記整流部材は、ワイヤーを不規則的に固めて形成することができる。

前記固定プレートは、前記整流部材が挿入される挿入溝を備えることができる。
前記固定プレートは、前記挿入溝を貫いて前記作動流体が流動するように複数個の貫通孔を形成することができる。

前記固定プレートの外周面と前記ハウジングの内周面の間にはシーリングを介することができる。
前記熱交換部の前記固定プレートと接触する一面と前記固定プレートの間にはシーリングを介することができる。

前記ハウジングは、前記整流部材を通過した作動流体の排出時、排出圧力を均一にするように、作動流体が流入または排出される流動孔を中心に前記熱交換部に向かって傾いた傾斜面を備えることができる。

前記傾斜面は、前記流動孔を中心に前記流動孔から前記整流部材側に向かって次第にその直径が広くなるように傾いて形成することができる。
前記固定プレートは、前記ハウジングの内部に形成されたリング溝に装着されるスナップリングによって前記熱交換部の端部にそれぞれ固定することができる。

本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニット１０を適用すれば、スターリング冷凍機１００において圧縮部１１０と膨張部１２０に備わるピストン１０７の往復移動により、等温圧縮または等温膨張した作動流体が熱交換部１５０を通過しながら、圧力が均一に分布するようになり、これによって圧縮部１１０、膨張部１２０、及び再生部１３０の間で流動する作動流体の流れを円滑にすることができる。

また、作動流体の円滑な流れは、直径の小さい連結配管１４０を通過する作動流体の流動経路上で圧力平衡をなすようになるので、圧縮部１１０と膨張部１２０で作動流体の圧縮率と膨脹率をさらに向上させることができ、スターリング冷凍機１００の全体的な効率を向上させることが可能である。

本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットが適用されるスターリング冷凍機の構成図である。 本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットが適用されたスターリング冷凍機の部分切開斜視図である。 本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットが適用されたスターリング冷凍機の部分断面図である。 本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットと熱交換部の分解斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面を参照して詳細に説明する。
これに先立ち、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物と変形例がありうることを理解しなければならない。

図１は、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットが適用されるスターリング冷凍機の構成図であり、図２は、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットが適用されたスターリング冷凍機の部分切開斜視図であり、図３は、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットが適用されたスターリング冷凍機の部分断面図であり、図４は、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニットと熱交換部の分解斜視図である。

図１を参照すれば、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニット１０が適用される前記スターリング冷凍機１００は、回転シャフト１０３を通じて作動する。前記回転シャフト１０３は、車両のエンジン（図示せず）からプーリ１０１により駆動力の伝達を受けて回転する。前記スターリング冷凍機１００は、ハウジング１０９の内部に充填された作動流体をピストン１０７の往復運動によって圧縮する圧縮部１１０と、前記圧縮部１１０で圧縮された作動流体をピストン１０７の往復運動によって膨張させる膨張部１２０と、前記圧縮部１１０と前記膨張部１２０を流体的に連通させる再生部１３０とを含んで構成される。

このようなスターリング冷凍機１００は、作動流体の等温圧縮、等積過程、及び等温膨張の反復を通じて圧縮部１１０で発熱して作動流体の温度が上昇し、温度が上昇した作動流体を連結配管１４０によって連結された再生部１３０で再生させた後、前記膨張部１２０で吸熱を通じて作動流体の温度を超低温状態に下げるようになる。

ここで、前記膨張部１２０で温度が低くなった作動流体は、車両に具備された内部の熱交換機を循環する他の作動流体との熱交換が行われ、熱交換を通じて冷却された他の作動流体が、車両の室内に流入する外気を冷却させることにより、車両の冷房が行われる。

前記圧縮部１１０で作動流体が圧縮されれば、前記膨張部１２０で膨張が行われるように、前記圧縮部１１０と膨張部１２０を貫いて設けられた前記回転シャフト１０３上に前記ピストン１０７が装着される。前記ピストン１０７は、互いに設定された位相を有し、圧縮部１１０と膨張部１２０にそれぞれ備わる一対の傾斜板１０５によって前記回転シャフト１０３上に装着される。

そして、前記圧縮部１１０と膨張部１２０は、ピストン１０７が往復移動しながら作動流体を圧縮または膨張させるための圧縮室１１１と膨脹室１２１がそれぞれ設けられる。

また、前記圧縮部１１０と膨張部１２０には、前記ハウジング１０９にそれぞれ設けられる熱交換部１５０をさらに含んで構成される。

このような構成を有するスターリング冷凍機１００において、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニット１０は、圧縮部１１０と膨張部１２０に適用されるピストン１０７の往復移動によって等温圧縮または等温膨張した作動流体の流れを円滑にすることにより、作動流体の流動時に圧力平衡をなすようにして、スターリング冷凍機１００の全体的な効率を向上させることができるように形成されている。

そのために、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニット１０は、図２乃至図４に示したように、整流部材１１と固定プレート１３を含んで構成される。
まず、前記整流部材１１は、前記熱交換部１５０の両端部にそれぞれ配置され、圧縮部１１０または膨張部１２０から排出されて前記熱交換部１５０を通過する作動流体を整流するようになる。

ここで、前記整流部材１１は、前記圧縮部１１０または膨張部１２０を循環する作動流体が圧縮部１１０または膨張部１２０から排出されるとき、作動流体の流動圧力が均一に分布するように、細いワイヤーが不規則的に固まって形成されてもよい。
そして、前記固定プレート１３は、前記各整流部材１１を前記熱交換部１５０の両端にそれぞれ固定させるようになる。

前記固定プレート１３の一面には、前記熱交換部１５０の両端に配置された前記整流部材１１が挿入される挿入溝１５が形成され、前記挿入溝１５に対応して作動流体が流動するように複数個の貫通孔１７が形成されている。前記熱交換部１５０は、前記貫通孔１７を通じて前記圧縮部１１０または膨張部１２０と連通してもよい。

そのために、前記固定プレート１３は、貫通孔１７を通じて前記熱交換部１５０に整流部材１１を通過した作動流体を流入させ、整流部材１１を通過しながら流動圧力が均一に分布された作動流体を円滑に流動させるようになる。

このような固定プレート１３の外周面と前記ハウジング１０９の内周面の間には、シーリング１９が介されてもよい。
また、前記熱交換部１５０の前記固定プレート１３と接触する一面と前記固定プレート１３の間には、シーリング１９が介されてもよい。

前記シーリング１９は、前記固定プレート１３の外周面とハウジング１０９の内周面の間と、前記固定プレート１３と熱交換部１５０の一面の間から作動流体が漏れ出ることを防止する機能をするようになる。

前記固定プレート１３は、前記ハウジング１０９の内部に形成されたリング溝２１に装着されるスナップリング２３を通じて前記熱交換部１５０の両端部に装着され、前記ハウジング１０９の内部で固定されてもよい。

本実施例において、前記スナップリング２３は、前記整流部材１１と固定プレート１３を熱交換部１５０の両端部にそれぞれ固定させる機能と共に、前記熱交換部１５０を前記圧縮部１１０または膨張部１２０で固定させる機能も行う。

一方、本実施例において、前記ハウジング１０９の一面は、前記整流部材１１を通過した作動流体の排出時、排出圧力を均一にするように、作動流体が流入または排出される流動孔２５を中心に前記熱交換部１５０に向かって傾いた傾斜面２７に形成されてもよい。
ここで、前記傾斜面２７は、前記流動孔２５を中心に前記流動孔２５から前記整流部材１１側に向かって次第にその直径が広くなるように傾いて形成されてもよい。

そのために、前記熱交換部１５０を通過した作動流体は、前記整流部材１１を通過しながら圧力が均一に分布されて排出され、前記流動孔２５を通じて排出するときには、前記傾斜面２７に沿って前記流動孔２５から均一な圧力が発生するように誘導される。

つまり、整流部材１１を通過した作動流体が直径が狭くなる連結配管１４０を通過するとき、前記傾斜面２７は、作動流体が均一な圧力で連結配管１４０を通過するように誘導する。したがって、前記傾斜面２７は、前記整流部材１１と共に作動流体の圧力分布を均一にして、流動の流れを円滑にする機能を行うようになる。

したがって、本発明の実施例によるスターリング冷凍機用整流ユニット１０を適用すれば、スターリング冷凍機１００において圧縮部１１０と膨張部１２０に備わるピストン１０７の往復移動により、等温圧縮または等温膨張した作動流体が熱交換部１５０を通過しながら、圧力が均一に分布するようになり、これによって圧縮部１１０、膨張部１２０、及び再生部１３０の間で流動する作動流体の流れを円滑にすることができる。

また、作動流体の円滑な流れは、直径の小さい連結配管１４０を通過する作動流体の流動経路上で圧力平衡をなすようになるので、圧縮部１１０と膨張部１２０で作動流体の圧縮率と膨脹率をさらに向上させることができ、スターリング冷凍機１００の全体的な効率を向上させることが可能である。

以上、本発明は、たとえ限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明はこれらによって限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることはもちろんである。

１０ 整流ユニット
１１ 整流部材
１３ 固定プレート
１５ 挿入溝
１７ 貫通孔
１９ シーリング
２１ リング溝
２３ スナップリング
２５ 流動孔
２７ 傾斜面

Claims (9)

1. ハウジングの内部に充填された作動流体をピストンの往復運動によって圧縮する圧縮部と、前記圧縮部で圧縮された作動流体をピストンの往復運動によって膨張させる膨張部と、前記圧縮部と前記膨張部を流体的に連通させる再生部とを含み、前記作動流体の等温圧縮、等積過程、及び等温膨張の反復を通じて前記圧縮部で発熱し、膨張部で吸熱するスターリング冷凍機に用いられる整流ユニット付き熱交換器において、
   前記熱交換器は、一対の整流ユニットと、
   前記一対の整流ユニットを連通させる複数のパイプと、を備え、
   前記一対の整流ユニットは、前記圧縮部と膨張部の間を流動する作動流体の流れを均一にするように形成され、
   前記一対の整流ユニットは、前記ハウジングの内部で前記圧縮部または膨張部に具備された熱交換部の両端部に配置され、圧縮部または膨張部から排出されて前記熱交換部を通過する作動流体を整流する整流部材、及び
   前記整流部材を前記熱交換部の両端部に固定させる固定プレート
   を含むことを特徴とする、整流ユニット付き熱交換器。
2. 前記整流部材は、ワイヤーが不規則的に固まって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の整流ユニット付き熱交換器。
3. 前記固定プレートは、前記整流部材が挿入される挿入溝が備わることを特徴とする、請求項１に記載の整流ユニット付き熱交換器。
4. 前記固定プレートは、前記挿入溝を貫いて前記作動流体が流動するように複数個の貫通孔が形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の整流ユニット付き熱交換器。
5. 前記固定プレートの外周面と前記ハウジングの内周面の間にはシーリングが介されることを特徴とする、請求項１に記載の整流ユニット付き熱交換器。
6. 前記熱交換部の前記固定プレートと接触する一面と前記固定プレートの間にはシーリングが介されることを特徴とする、請求項１に記載の整流ユニット付き熱交換器。
7. 前記ハウジングは、前記整流部材を通過した作動流体の排出時、排出圧力を均一にするように、作動流体が流入または排出される流動孔を中心に前記熱交換部に向かって傾いた傾斜面が備わることを特徴とする、請求項１に記載の整流ユニット付き熱交換器。
8. 前記傾斜面は、前記流動孔を中心に前記流動孔から前記整流部材側に向かって次第にその直径が広くなるように傾いて形成されることを特徴とする、請求項７に記載の整流ユニット付き熱交換器。
9. 前記固定プレートは、前記ハウジングの内部に形成されたリング溝に装着されるスナップリングによって前記熱交換部の両端部にそれぞれ固定されることを特徴とする、請求項１に記載の整流ユニット付き熱交換器。