KR100337751B1 - 가열및냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기밀한 하우징(1)에서 선형으로 이동 가능한 2개의 피스톤(8, 9)을 구비한 축열성 가스 순환 공정에 따라 작동하는 가열 및 냉각 장치에 관한 것으로, 가열 및 냉각 장치는 함께 고온 작동 볼륨(Vw)을 형성하며, 그중 하나는 열이 가해지는 고온 작동 볼륨(Vh)을 한정하고 다른 하나는 냉각 작동 볼륨(Vk)을 한정하는 한편 3개의 작동 볼륨(Vh, Vw, Vk)은 축열기(Rh, Rk)와 열 교환기(Ww, Wk)를 통해 상호 연결된다. 외부 크기를 작게하고 압력 저항을 충분히 하여 양호한 열 유입을 획득하기 위하여, 고온 작동 볼륨(Vh)은 기밀한 하우징(1)부를 형성하는 오목한 격벽(6)을 통해 열이 공급되며, 만곡부는 회전시 대칭되고 하우징(1)에 대해 처지게 된다.

Description

가열 및 냉각 장치{HEAT AND COLD MACHINE}

본 발명은 축열식 가스 순환 방식에 따라 작동하는 가열 및 냉각 장치(hot and cold machine)에 관한 것으로, 상기 장치는 기밀식 하우징 내에서 직선 운동할 수 있는 2개의 피스톤을 구비하고, 상기 피스톤이 공동으로 중온(中溫) 작동 용적(working volume)을 한정하되 이들 중 하나의 피스톤은 하우징에서 열을 공급받는 고온 작동 용적을, 그리고 다른 피스톤은 저온 작동 용적을 각각 한정하며, 이때 이 3개의 작동 용적은 축열실과 열교환기의 중간 접속을 통해 서로 결합되어 있고, 이에 의해 피스톤을 위한 구동 장치 및/또는 제어 장치가 제공된다.

이와 같은 종류의, 예를 들어 스털링 사이클 또는 부일레우미어(Vuileumier) 사이클에 따라 작동하는 가열 및 냉각 장치는 이전에, 영국특허출원공고 제136 195호에 공지되어 있다. 그러나, 이와 같은 가열 및 냉각 장치는, 축열식 가스 순환 방식이라는 명백한 장점에도 불구하고, 주로 이와 같은 장치의 이론적인 장점의 실현을 실제로 지금까지 가로막았던 구조적인 어려움 때문에 현실적으로 이용하지 못했다. 최근의 공보 간행물, 예를 들어 EP 0 238 707 A2호는 이와 같은 가열 및 냉각 장치의 실질적인 설계보다는 역시 이론적인 고찰을 더 다루고 있다.

일상적인 운전에서 이용가능한 이와 같은 가열 및 냉각 장치의, 프로토타입(prototype)을 능가하는 공업적인 제조를 가능하게 하기 위해, 이런 장치의 개별 부품을 최적화하는 것이 필요하다. 본 발명의 목적은, 서두에 언급한 형태의 가열 및 냉각 장치를 형성하여, 가능한 한 벽 두께를 작게 해야 하는 구성 부품의 외부 치수가 작고 내압성(resistance to pressure)이 큰 경우, 고온 작동 용적으로 열의 양호한 유입이 이루어지도록 열전달을 개선하는 데 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 기밀식 하우징의 일부를 형성하고 내측으로 또는 외측으로 만곡된 격벽을 통해 고온 작동 용적으로 열이 공급되며, 이 격벽은 회전 대칭인 아치형으로 형성되고 상기 하우징과 단열적으로 결합됨으로써 달성된다.

기밀식 하우징의 일부이고 내측으로 또는 외측으로 만곡된 격벽으로 인해, 한편으로는 열전달면의 고압 기밀성을 제공하면서도 소정의 외부 치수에서 큰 표면적이 생기고, 다른 한편으로는 열의 유입을 증가시키기 위해 작은 벽 두께를 선택할 수 있다. 이 아치 형상의 격벽을 하우징에 대해서 단열시킴으로써, 효율을 저하시키는, 격벽으로부터 하우징 안으로 그리고 그에 따라 주위로의 열 소산이 방지된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 격벽에는 그 외측 및/또는 내측에서 표면적을 확대시키는 핀이 구비될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 격벽의 외측의 주위 부분으로 방열하는 유체의 유속을 증가시키는 유료를, 예를 들어 핀 또는 배플판(baffle plate)의 형상으로 구비하는 것이 가능하다.

본 발명의 양호한 실시예에서는, 유입되는 열이 복사율이 큰 열 발생기를 통해 발생되므로, 이것에 의해 본 발명에 따른 가열 및 냉각 장치의 크기가 작게 될 수 있다. 본 발명에 따르면, 열 발생기로서 가스 버너, 특히 격벽의 윤곽에 합치된적열하는 표면을 가진 가스 버너가 이용될 수 있다.

열의 유입을 위해 격벽과 고온 피스톤 사이의 무용 공간을 최소화하고, 고온 작동 용적 내에 있는 격벽으로부터 작동 유체로의 열전달을 개선하기 위해 이 고온 피스톤이 본 발명에 따라 아치형 격벽의 윤곽에 합치된 피스톤 저부를 가지며, 피스톤 저부의 아치화를 통해 강도를 동일하게 유지하면서도 두께가 감소될 수 있으므로, 고온 피스톤의 무게가 감소될 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 격벽 내측의 주변 부분에 유속을 증가시키는 유로, 예를 들어 핀 또는 배플판을 마련하고, 그것에 의해서 고온 작동 용적 내에 있는 격벽으로부터 작동 유체로의 방열을 개선할 수 있도록 제안된다.

열 발생기에 의해 발생된 열을 고온 작동 용적 내에 있는 작동 유체로 유입하는 범위에서 가열 및 냉각 장치를 본 발명에 따라 개선함으로써, 실제적으로 적합한 구조가 제공되며, 이 구조는 한편으로는 가열 및 냉각 장치의 효율은 향상시키며 다른 한편으로는 이와 같은 장치의 공업적인 제조를 가능하게 한다.

본 발명에 따른 가열 및 냉각 장치의 실시예가 도면에 도시되어 있다.

제1도는 양 피스톤 및 기밀식 하우징을 포함하는 장치의 부분 종단면도이다.

제2도는 격벽의 다른 실시 형태의 확대 단면도이다.

제1도에 종단면도로 도시된 장치는 원통형으로 형성된 한 개의 기밀식 하우징(1)을 포함하며, 이 하우징에는 그 한 쪽 단부에 플랜지(1a)가 구비되어 있고, 여기에서 그에 상응하는 플랜지(2a)를 갖는 모터 하우징(2)이 나사로 결합된다. 이 모터 하우징(2)은 단지 부분적으로 도시되어 있다. 플랜지(1a와 2a) 사이에하우징(1)의 한쪽 단부를 막고 있는 내압성 저부(3)가 설치되어 있다.

다른 쪽 단부에서는 이 기밀식 하우징(1)에 하우징 덮개(4)가 구비되며, 이 덮개는 본 실시예에서 원통형의 하우징(1)과 나사부를 통해 결합되며 그 하우징 덮개 내에는 가스 버너(5)의 형태인 열 발생기가 배치된다. 이 가스 버너는 가스 연료를 위한 원통형의 공급관(5a)을 포함하며, 이 공급관은 출구측에서 조량용(調量用) 반구(5b)를 구비한다. 반응 표면으로서 작용하는 버너 표면(5c)이 스테인레스강 메시(mesh)로 이루어져 상기 조량용 반구(5b)에 동심으로 배열되어 있다. 이 스테인레스강 메시는 가스 공급실을 제한하며 가스 버너의 운전시 적열하므로, 이 가스 버너(5)는 발생된 열의 상당 부분을 복사를 통해 방열한다. 발생하는 연소 가스는 반구 형상의 버너 표면(5c)을 에워싸는 연소실(5d)로부터 가스 버너(5)의 공급관(5a)을 동심으로 에워싸고 있는 배기관(5e)을 통해 배출된다.

가스 버너(5)에 의해 발생된 열은 복사 및 대류를 통해 격벽(6)으로 방열되며, 이 격벽은 회전 대칭 형상의 원추 곡선으로서, 본 실시예에서는 반구로서 제조되어 있고 하우징(1)의 내부를 향해 아치(arch) 형상으로 만곡되어 있다. 이 실시예에서 반구 형상의 아치는 가스 버너(5)의 반구 형상의 버너 표면(5c)과 균일한 간격을 갖고 있다.

기밀식 하우징(1)의 일부로서 제조된 격벽(6)은 지지링(6a)에 고정되어 있고, 이 지지링은 다이어프램 타입의 연장부(6b)를 통해 원통형의 하우징(1)의 단부에 결합되어 있다. 본 실시예에서 양쪽의 결합은 용접에 의해 이루어진다. 다이어프램 타입의 연장부(6b)의 한쪽에서, 한편으로는 하우징 덮개(4)를 향해, 그리고다른 한편으로는 하우징(1)을 향해 각각 배치되는 단열링(7a와 7b)을 이용하여 가스 버너(5)에 의해 가열된 격벽(6)으로부터 하우징(1) 및 그 하우징 덮개(4) 그리고 그것에 의해 주위로의 열 소산이 현저히 저감된다.

가스 버너(5)에 의해 발생되고 격벽(6)에 의해 흡수된 열은 격벽(6)의 내측으로부터 고온 작동 용적(Vh) 내에 있는 작동 유체로, 바람직하게는 헬륨으로 방열된다. 상기 고온 작동 용적(Vh)은, 한편으로는 격벽(6)에 의해, 다른 한편으로는 하우징(1) 내에서 직선 운동을 할 수 있도록 배열되어 있는 피스톤(8)의 피스톤 저부(8a)에 의해 한정되어 있다. 이 피스톤(8)은 피스톤 로드(8b)를 통해 모터 하우징(2)에 설치된, 도면에는 도시하지 않은 모터 및 제어 장치와 결합되어 있다.

피스톤(8)은 다른 피스톤(9)과 함께 중온 작동 용적(Vw)을 한정하고 있다. 동일하게 직선 운동할 수 있도록 하우징(1) 내에 안내되는 피스톤(9)은 이 하우징 내측에서 최종적으로 저온 작동 용적(Vk)을 한정하고 있다. 이 3개의 용적은 축열실(Rh, Rk) 및 열 교환기(Ww, Wk)의 중간 접속하에 상호 결합된다. 하우징(1)의 고온부에 배열된 축열실(Rh)은 축열식 가스 순환 동안 고온 작동 용적(Vh)으로 배출된 열의 일부를 축열한다. 하우징(1)의 저온부에 설치된 축열식(Rk)은 저온 작동 용적(Vk)과 관련하여 그에 상응하는 기능을 발휘한다.

본 실시예에서 냉각 피스톤(9) 내에서 저부(3)상에 설치된 열교환기(Wk)에는 저부(3)에 설치된 배관(3a)을 통해 그 주위에서 취출된 유체가 연속적으로 공급되며, 상기 유체는 그 함열량의 일부가 제거된 후 배관(3b)을 통해 그 주위로 다시 돌아간다. 이 열교환기(Ww)에는 접속 파이프(10a, 10b)를 통해 열반송 유체가 공급되고, 이 유체의 가열은 본 발명의 장치를 가열 장치로서 사용할 때 에너지 발생에 이용된다.

격벽(6)을 기밀식 하우징(1)의 내부를 향해 만곡시킴으로써, 기하학적 형상에 의해 향상하고, 기밀식 하우징(1)에 속하는 격벽(6)의 두께를 줄일 수 있게 하는 내압성이 증가될 뿐만 아니라 가스 버너(5)와 고온 작동 용적(Vh) 사이의 열전달면의 확대가 이루어진다. 이 때, 이 격벽(6)의 작은 두께는 가스 버너(5)로부터 고온 작동 용적(Vh)내에 있는 작동 유체로의 열전달을 개선한다. 본 실시예에서 단열링(7a와 7b) 및 다이어프램 타입의 연장부(6b)에 의해 형성된, 격벽(6)과 하우징(1) 사이의 단열은 격벽(6)으로부터 하우징(1)으로 그리고 그것에 의해 주위로의 열 소산을 저감시키므로 효율이 더욱 개선된다.

제1도에서 알 수 있는 것처럼, 고온 피스톤(8)의 피스톤 저부(8a)의 형상은 아치형 격벽(6)의 만곡 형상에 합치되어 있다. 이것에 의해, 고온 피스톤(8)이 격벽(6)에 인접한 종단 위치에 있을 때, 격벽(6)과 고온 피스톤(8) 사이의 무용 공간을 최소한으로 감소시킴과 동시에, 사이클 진행시에 작동 유체가 작아지는 고온 작동 용적(Vh)으로부터 축열실(Rh)과 열교환기(Ww)를 통해 중온 작동 용적(Vw)을 위한 공간으로 유입될 때, 높은 유속 및 양호한 열전달이 달성될 수 있다. 이 중온 작동 용적은 양 피스톤(8과 9) 사이에서 형성되어 있다.

격격(6)에 적합하게 피스톤 저부(8a)를 만곡시킴으로써, 이에 의해 생긴 상승된 형상 안정성으로 인해 피스톤 저부(8a)의 두께가 저감될 수 있기 때문에, 또한 고온 피스톤(8)을 통해 고온 작동 용적(Vh)으로부터 열 소산에 의한 손실이 저감된다.

한편으로는 흡열에 그리고 다른 한편으로는 방열에 이용되는 격벽(6)의 표면적을 확대하기 위해, 이 격벽의 외측 및/또는 내측에서 표면적을 확대시키는 핀을 구비할 수 있다. 제1도에 따른 실시예는 격벽(6)의 내벽으로부터 고온 작동 용적(Vh)내에 있는 작동 유체로의 열전달을 개선하기 위해 격벽(6)의 주변 부분에 설치된 배플판(11)이 형상으로 대안 및 추가의 가능성을 보이고 있다. 이 배플판(11)은 격벽(6)의 주변 부분에서 흐름 횡단면이 작은 유로를 형성하고 있으므로, 고온 작동 용적(Vh)을 떠난 작동 유체는 축열실(Rh)로 들어가기 전에 큰 유속으로 격벽(6)의 주변 부분을 통해 안내된다. 이런 방법으로 효율 개선이 이루어진다.

이와 같은 배플판(11)의 설치는 제2도에 도시된 두번째 실시예에 따른 격벽(6)의 확대도로부터 알 수 있다. 또한 이 대안적인 실시예는 아치 형상의 격벽(6)의 외측에 설치된 배플판(12)도 보이고 있다. 연소실(5d)에서 배출된 연소 가스는 이 배플판에 의해 큰 유속으로 격벽(6)의 외표면의 대부분을 거쳐 흐르도록 강제되므로, 방열을 행하는 연소 가스로부터 흡열을 행하는 격벽(6)으로의 열전달이 양호해 진다.

Claims (7)

1. 축열식 가스 사이클 공정의 원리에 따라 작동 매체로 작동하는 가열 및 냉각 장치에 있어서,

   기밀식 하우징과,

   상기 하우징에 연결된 열원과,

   상기 하우징의 내측에 배치되어 중온 작동 용적을 함께 한정하고 제어 유닛에 의해 구동될 수 있는 직선 운동이 가능한 2개의 피스톤으로서, 피스톤 중 제1 피스톤은 상기 열원으로부터의 열 에너지가 함유된 고온 작동 용적을 상기 하우징과 함께 한정하고 피스톤 중 제2 피스톤은 저온 작동 용적을 상기 하우징과 함께 한정하는 것인 피스톤과,

   상기 하우징내에 배치된 축열기와,

   상기 하우징내에 배치된 증온 열전달 요소 및 저온 열전달 요소와,

   상기 열원에 의해 발생된 열을 상기 고온 작동 용적으로 전달하며, 상기 하우징에 대해 단열되도록 하우징에 연결되고, 반경 방향으로 대칭된 반구 형상을 갖는 격벽

   을 구비하며, 상기 고온 작동 용적, 중온 작동 용적 및 저온 작동 용적은 상기 축열기, 중온 열전달 요소 및 저온 열전달 요소를 통해 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서, 격벽(6)의 외측 및 내측 중 일측 이상에는 표면적을 확대시키는 핀이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 격벽(6)의 외측 주변 부분에는 방열(放熱) 매체의 유속을 증가시키는, 핀 또는 배플판(12)에 의해 형성된 유로가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유입되는 열은 복사율이 큰 열 발생기에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 장치.
5. 제4항에 있어서, 유입되는 열은 격벽(6)의 윤곽에 적합하게 된 적열(赤熱) 버너 표면(5c)을 갖는 가스 버너(5)에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고온 피스톤(8)은 아치 형상의 격벽(6)의 윤곽에 합치된 피스톤 저부(8a)에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 장치.
7. 제6항에 있어서, 격벽(6)의 내측의 주변 부분에는 유속을 증가시키는, 핀 또는 배플판(11)에 의해 형성된 유로가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 가열 및냉각 장치.