KR100204849B1 - 스터링 사이클 기기용 조합형 재생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재생사이클로 운전되는 스터링 사이클 기기에 사용되는 재생기에 있어서, 상기 재생기의 내부 공간이 복수개의 영역으로 구분되며, 상기 각각의 영역에는 상호 상이한 기공률을 갖는 다공성 물질이 각각 충전되어 있어, 작동유체의 유동 손실이 감소되고 재생기의 축열 및 방열 성능이 우수하게 됨에 따라 스터링 사이클 기기의 성능도 향상되는 신규한 조합형 재생기에 관한 것이다.

Description

스터링 사이클 기기용 조합형 재생기

본 발명은 스터링 엔진, 스터링 냉동기, VM(Vuilleumier) 사이클 열펌프 등의 스터링 사이클 기기(Stirling cycle machine)에 사용되는 재생기(regenerator)에 관한 것으로, 특히 스터링 사이클 기기 내부의 작동유체가 재생기를 통해 고온 및 저온 공간을 왕복 유동할 때 발생되는 유동 손실이 감소되고 재생기의 유용도(effectiveness)가 향상된 조합형 재생기에 관한 것이다.

스터링 사이클 기기는 고온 및 저온 영역으로 구분되며, 각각의 영역 사이에 위치된 재생기에 의한 재생사이클로 구동된다. 고온 및 저온으로 유지되는 각각의 영역 내부의 작동유체는 재생기를 통해 각각의 영역을 왕복 유동함으로써, 작동유체와 재생기 사이에 열전달이 이루어지게 된다. 고온 영역의 작동유체는 재생기를 통해 저온 영역으로 이동할 때는 재생기에 축열이 되면서 온도가 낮아지고, 저온 영역의 작동유체가 고온 영역으로 이동할 때는 재생기로부터 방열되어 작동유체의 온도가 상승하게 된다.

재생기는 주로 작동유체가 통과할 수 있는 유로 면적이 상당히 작은 금망(wire mesh)을 이용하여 제작되므로, 스터링 사이클 기기 내부에서 왕복 유동하는 작동유체의 유동 손실은 대부분 재생기에서 발생한다. 따라서, 재생기에 의한 재생사이클로 구동되는 스터링 사이클 기기의 성능을 향상시키기 위해서는, 유동 손실이 작고 유용도가 양호한 재생기를 장착하는 것이 필수적이다.

재생기 형태로는 금망, 하니콤(honeycomb), 스펀지 메탈(sponge metal) 등이 있으나, 통상적으로는 60에서 300 사이의 메쉬수(mesh number)를 갖는 금망이 사용된다. 여기서, 금망의 메쉬수는 1 인치의 길이에 배치된 와이어의 개수를 나타내며, 금망의 메쉬수가 클수록 사용하는 와이어의 직경은 작아지지만 와이어 사이의 거리는 좁혀져 유로 면적이 작아지게 된다.

스터링 사이클 기기가 운전 중일 때 기기 내부의 작동유체는 재생기를 분당 300회 이상 왕복 유동한다. 이때, 메쉬수가 낮은 금망으로 구성된 재생기를 사용하는 경우에는 유동 손실이 감소하지만 재생기의 유용도는 불량하게 된다. 이와 반대로, 메쉬수가 높은 금망으로 구성된 재생기를 사용하는 경우에는 재생기의 유용도는 양호하게 되지만 유동 손실이 증가하게 된다. 따라서, 재생기에 의한 재생사이클로 구동되는 스터링 사이클 기기의 성능을 증가시키기 위해서는, 유동 손실과 유용도라는 2개의 상충되는 조건을 절충시켜 유동 손실은 작으면서 유용도가 큰 재생기를 장착하는 것이 필요하다. 여기서, 재생기의 유용도는 재생기의 축열과 방열 성능을 무차원화된 수치로 나타내는 것으로서, 예컨대 고온 영역의 작동유체가 재생기를 통해 저온 영역으로 이동할 때 재생기에 축열된 열량이 저온 영역의 작동유체가 고온 영역으로 이동할 때 재생기로부터 작동유체로 완전 방열된다면 재생기의 유용도는 1이 되며, 축열 열량의 절반만이 방열된다면 유용도는 0.5가 된다.

도1에는 스터링 사이클 기기에 장착되는 종래의 재생기(4)가 개략적으로 도시되어 있다. 도1에서, 고온측 열교환기(2)와 저온측 열교환기(9) 내부의 고온 작동유체(3) 및 저온 작동유체(8)는 각각의 열교환기 양단에 배치된 고온측 피스톤(1)과 저온측 피스톤(10)에 의해 재생기(4)를 통해 왕복 유동하며 재생기와 열전달을 하게 된다. 종래의 재생기(4)는 동종의 기공률이 같은 다공성 물질 또는 다공성 구조물로 제조된다. 이러한 종래의 재생기는 유동 특성 및 열전달 특성 중 어느 하나의 특성이 불량하게 되는 단점을 갖는다. 현재까지, 재생기에 의한 유동 손실을 줄이기 위한 방법으로 재생기의 두께를 줄이거나 기공률이 높은 다공성 물질 또는 다공성 구조물로 제작하는 방법을 사용하여 왔고, 반면에 재생기의 축열 및 방열 특성을 향상시키기 위해서 재생기의 두께를 증가시키거나 기공률이 낮은 다공성 물질 또는 다공성 구조물로 제작하는 방법을 사용하여 왔다. 즉, 이들 방법으로는 재생기에서의 유동 손실 저감과 재생기의 유용도 향상이라는 두 가지 측면을 모두 충족시키지는 못하였다.

본 발명의 목적은 동종의 다공성 물질 또는 다공성 구조물로만 구성된 종래의 재생기 대신에 여러 종류의 다공성 물질 또는 다공성 구조물을 조합한 재생기를 제공함으로써 재생기를 통한 유동 손실을 줄이고 재생기의 유용도를 향상시키기 위한 것이다.

도1은 종래의 재생기의 개략도.

도2는 본 발명에 따른 조합형 재생기의 개략도.

도3a는 작동유체의 재생기 왕복 유동 횟수에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 양단에서의 압력차를 비교 시험한 결과를 나타내는 그래프.

도3b는 작동유체의 재생기 왕복 유동 횟수에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 유용도를 비교 시험한 결과를 나타내는 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 10 : 피스톤

2, 9 : 열교환기

3, 8 : 작동유체

4 : 재생기

5 : 제1 재생기 영역

6 : 제2 재생기 영역

7 : 제3 재생기 영역

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 재생사이클로 운전되는 스터링 사이클 기기에 사용되는 재생기에 있어서, 상기 재생기는 복수개의 영역으로 구분되며, 상기 각각의 영역에는 상호 상이한 기공률을 갖는 다공성 물질이 각각 충전되어 있는 신규한 조합형 재생기를 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도2에는 여러 다공성 물질 또는 다공성 구조물들 중에서 메쉬수가 상이한 금망을 선택하여 제작된 본 발명에 따른 조합형 재생기(4)의 개략도가 도시되어 있다. 재생기(4) 내부는 설치된 금망의 메쉬수에 따라 제1 재생기 영역(5), 제2 재생기 영역(6) 및 제3 재생기 영역(7)으로 구분된다. 본 실시예에서 고온의 작동유체가 있는 쪽의 제1 재생기 영역(5)에는 메쉬수가 60인 금망(기공률이 큰 다공성 물질), 제2 재생기 영역(6)에는 메쉬수가 120인 금망, 그리고 저온의 작동유체가 있는 쪽의 제3 재생기 영역(7)에는 메쉬수가 200인 금망(기공률이 낮은 다공성 물질)이 채워져 있다. 그리고, 본 실시예에서는 작동유체로서, 고온에서 점도가 크고 저온에서 점도가 낮은 헬륨 가스가 사용된다.

작동유체가 고온측 열교환기(2)로부터 저온측 열교환기(9)로 유동할 때, 점도가 큰 고온의 작동유체는 메쉬수가 60인 성긴 제1 재생기 영역(5)을 통과하고 이어서 제2 재생기 영역(6) 및 제3 재생기 영역(7)을 통과하면서 재생기(4)와 열전달이 이루어져 작동유체의 온도가 상당히 낮아지면서 점도도 점차적으로 낮아지게 된다. 즉, 제1 재생기 영역(5)으로부터 제3 재생기 영역(7)으로 갈수록 조밀한 재생기로 채워져 있으나 작동유체의 점도가 충분히 낮아져 작동유체는 이들 영역을 용이하게 통과하게 된다. 이와 반대로, 작동유체가 저온측 열교환기(9)로부터 고온측 열교환기(2)로 유동할 때, 점도가 낮은 저온의 작동유체는 큰 유동 저항 없이 조밀한 제3 재생기 영역(7)을 통과하고 이어서 제2 재생기 영역(6) 및 제1 재생기 영역(5)을 통과하면서 재생기(4)와 열전달이 이루어져 작동유체의 온도는 상당히 증가하면서 점도도 점차적으로 높아지게 된다. 즉, 작동유체가 제3 재생기 영역(7)으로부터 제1 재생기 영역(5)으로 유동함에 따라 점도가 점차적으로 높아지지만, 제2 재생기 영역(6) 및 제1 재생기 영역(5)은 메쉬수가 작은 성긴 금망으로 되어 있으므로, 작동유체는 용이하게 재생기(4)를 통과할 수 있다. 이에 따라 재생기 전체 영역이 동일한 메쉬수로 구성된 종래의 재생기에 비해 유동 손실이 작아지게 된다.

종래의 재생기와 본 발명의 조합형 재생기의 평균 기공률이 동일하다면, 본 발명의 조합형 재생기를 구성하는 메쉬수가 큰 조밀한 금망을 사용할 수 있으므로 조합형 재생기는 종래의 재생기보다 축열 및 방열 성능이 우수하게 된다. 이는 금망의 메쉬수가 클수록 와이어의 직경이 작아져 작동유체와 열을 주고받는 열관성이 줄어들어 재생기의 유용도가 증가하기 때문이다.

도3a 및 도3b는 메쉬수가 120인 단일 종류의 금망으로 구성되고 기공률이 0.7인 종래의 재생기(A형)와, 메쉬수가 각각 60, 120 및 200인 세 종류의 금망이 조합되어 구성되고 평균 기공률이 0.7인 조합형 재생기(B형)를 비교 시험한 결과를 나타내는 그래프이다. 도3a는 작동유체가 재생기를 통해 왕복 유동하는 횟수(또는 운전 회전수)에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 양단에서의 압력차, 즉 재생기를 통한 유동 손실을 비교 시험한 결과를 나타내며, 도3b는 작동유체가 재생기를 통해 왕복 유동하는 횟수(또는 운전 회전수)에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 유용도를 비교 시험한 결과를 나타낸다.

도3a에서 알 수 있는 바와 같이, 작동유체가 재생기를 왕복 유동하는 횟수가 400 rpm이하인 구역에서는 조합형 재생기(B형)에서의 유동 손실은 종래의 재생기(A형)에서의 유동 손실과 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나, 400 rpm 이상의 구역에서는 조합형 재생기의 유동 손실이 종래의 재생기에 비해 작아짐을 알 수 있다. 스터링 사이클 기기의 운전 범위가 300 rpm ∼ 800 rpm임을 고려할 때 조합형 재생기를 스터링 사이클 기기에 적용할 경우에 스터링 사이클 기기의 성능이 향상될 수 있음은 명백하다.

재생기의 유용도를 비교한 도3b를 참조하면, 종래의 재생기(A형) 및 본 발명의 조합형 재생기(B형) 모두 작동유체가 재생기를 왕복 유동하는 횟수가 증가할수록 재생기의 유용도가 감소됨을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 통상적으로 공지된 결과로서, 스터링 사이클 기기의 운전 범위에서도 동일한 경향이 나타나므로 300 rpm 이하의 구역으로 한정하여 시험을 수행하였다. 도3b에 도시된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 조합형 재생기는 종래의 재생기보다 유용도가 높을 뿐만 아니라, 운전 회전수가 증가하여도 유용도의 감소율이 작다.

이상, 본 발명을 양호한 실시예를 들어 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 이 밖에도 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일이 없이 여러 가지로 변경 또는 변형시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 조합형 재생기를 구성하는 영역의 개수를 2개 내지 5개로 할 수 있으며, 또한 작동유체로서, 헬륨 가스 이외의, 고온에서 점도가 낮아지고 저온에서 점도가 높아지는 작동유체를 사용하고 조합형 재생기를 구성하는 영역의 순서를 본 발명의 실시예와 역순으로 구성할 수도 있다.

본 발명에 따른 조합형 재생기를 재생기에 의한 재생사이클로 구동되는 스터링 사이클 기기, 예컨대 스터링 엔진, 스터링 냉동기, VM 사이클 열펌프 등에 적용하면, 작동유체의 유동 손실이 감소되고 재생기의 축열 및 방열 성능이 우수하게 됨에 따라 스터링 사이클 기기의 성능도 향상된다.

Claims (3)

1. 재생사이클로 운전되는 스터링 사이클 기기에 사용되며 고온 영역과 저온 영역 사이에 위치하는 재생기에 있어서,

   상기 재생기의 내부 공간은 복수개의 영역으로 구분되며,

   상기 각각의 영역에는 상호 상이한 기공률을 갖는 다공성 물질이 각각 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 재생기.
2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 물질의 기공률이 상기 고온 영역 및 저온 영역 중 하나의 영역으로부터 다른 하나의 영역 쪽으로 갈수록 증가하도록 상기 다공성 물질이 배치되는 것을 특징으로 하는 재생기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공성 물질은 메쉬수가 각각 상이한 금망을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생기.

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