KR100391948B1 - 스터링기기의 열교환기 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스터링기기의 열교환기 구조에 관한 것으로, 종래에는 재생기 양측면에 마련된 고온공간부와 저온공간부의 내주면에, 별도 제작된 열교환기 핀을 솔더링 또는 접착제로 고정시킴으로써 작업성과 열교환 효율이 저하되고, 저온공간부와 고온공간부가 과다하게 형성됨으로 팽창공간과 압축공간의 무효공간이 증가되어 스터링기기의 효율이 저하되는 등의 문제점이 있었던 바. 본 발명에서는 팽창공간에 위치한 저온 내부열교환기의 열교환기 핀과, 압축공간에 위치한 고온 내부열교환기의 열교환기 핀이 각각 일체로 구성되게 저온 내부열교환기 및 고온 내부열교환기의 내주면에 직접 성형시킴으로써 팽창공간 및 압축공간의 무효공간을 최소화 하고, 열교환 효율을 크게 향상시키게 된다.

또한, 저온 내부열교환기 및 고온 열교환기 케이스의 외주면에 구배가 형성된 구배부를 각각 마련함으로써 저온 외부열교환기 및 고온 외부열교환기와 결합을 용이하게 하는 한편 결합면의 면 접촉율을 높게하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

스터링기기의 열교환기 구조{STIRLING MACHINERY}

본 발명은 스터링기기의 열교환기 구조에 관한 것으로, 본 발명의 스터링기기의 열교환기 구조는 저온 내부열교환기의 내측 원주면에 직접 열교환기 핀을 성형시키고, 고온 내부열교환기의 내측 원주면에 직접 열교환기 핀을 성형시켜 팽창공간과 압축공간의 열교환 효율이 향상되도록 열교환기가 구성된 스터링기기에 관한 것이다.

일반적으로 스터링기기는 수소가스 또는 헬륨가스등의 작동유체가 압축될 때 온도가 상승되고, 팽창될 때 온도가 떨어지는 원리를 이용하여 저온 또는 고온으로 온도를 변화시키는 장치이다.

종래 스터링기기는 도 1a에 도시한 바와 같이 수소가스 또는 헬륨가스 등의 작동유체가 충진되는 케이스(1)내부를 충진공간(8)과 압축공간(8a)및 팽창공간(8b)으로 구획되도록 실린더(7) 내부에 디스플레이서(4)와 피스톤(6)이 설치되며, 팽창공간(8b)과 압축공간(8a) 사이에는 재생기(3)가 설치된다.

또한, 피스톤(6)은 케이스(1)내부에 설치된 리니어모터(2)의 가동자(2a)에 결합되어 왕복운동을 하게 되고, 디스플레이서(4)는 피스톤(6)의 중심부를 관통하여 연장되게 연결로드(4a)가 마련되며, 상기 연결로드(4a)의 단부가 공진스프링(5)과 연결되어 상기 피스톤(6)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지면서 왕복운동을 하게 된다.

이상과 같이 구성된 종래의 스터링기기는 리니어모터(2) 가동자(2a)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)이 실린더(7)내부에서 왕복운동을 하고, 상기 피스톤(6)을 관통하여 공진스프링(5)과 연결된 디스플레이서(4)가 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지고 실린더(7)내부를 왕복운동 하게 된다.

이에 따라 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)은 그 체적이 가변되고, 이의 체적가변에 의해 충진된 작동유체는 등온압축 및 등온팽창 된다. 계속하여 압축공간(8a)의 작동유체는 고온공간부(3a)를 지나 재생기(3)에 열이 충진되며, 여기에 충진된 열은 고온 내부열교환기(9a)을 통해 열 교환을 하게 된다. 그리고 팽창공간(8b)의 작동유체는 저온공간부(3b)를 지나 재생기(3)에 열이 흡수되고, 흡수된 열은 저온 내부열교환기(9)을 통해 열매체(미도시)를 냉각 시킨다.

상기 저온 내부열교환기(9) 및 고온 내부열교환기(9a)는 실린더(7)의 외주면과 케이스(1)의 내주면 사이에 설치되고, 얇은 금속판재가 케이스(1)의 내주면에 소정회 반복하여 번갈아 절곡된 주름관이 설치되어 구성된다. 이때 주름관은 작동유체가 원활하게 유동되도록 소정의 공간이 형성되게 구성되어 있다. 또한 상기와 같이 절곡되어 형성된 저온 내부열교환기(9) 및 고온 내부열교환기(9a)는 케이스(1)의 내주면에 브레이징 또는 접착제로 접착 등의 방법으로 결합되어 있다.

그러나 종래 스터링기기의 열교환기 구조에서는 얇은 금속판재가 절곡되어 주름관으로 형성된 저온 내부열교환기(9)와 고온 내부열교환기(9a)가 케이스(1)의 내주면에 브레이징 또는 접착 등의 방법으로 결합되어 있기 때문에 이들의 결합부위에서 열전달효율이 떨어지는 등의 문제점이 있다.

그리고 저온 내부열교환기(9)의 일측에 마련된 저온공간부(3b)와 고온 내부열교환기(9a)의 일측에 마련된 고온공간부(3a)가 과다하게 형성되어 있으므로 작동유체의 무효공간이 증가되어 스터링기기의 효율이 저하되는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 작동유체와 열교환되는 열교환기 구조에 관한 것으로서, 저온 내부열교환기 및 고온 내부열교환기의 내측 원주면에 직접 열교환기 핀을 각각 성형시켜 팽창공간 및 저온공간부의 압력손실과 압축공간 및 고온공간부의 압력손실을 최소화 하고, 저온공간부와 고온공간부의 열교환 효율을 향상시킨 스터링기기의 열교환기를 제공하는 것이다.

도 1a는 종래 스터링기기를 개략적으로 도시한 단면도.

도 1b는 종래 스터링기기의 열교환기 구조를 도시한 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 스터링기기를 도시한 단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 내부열교환기의 구조를 도시한 도면.

도 3b는 도 3a의 A부를 발취하여 확대도시한 사시도.

도 3c는 다른 실시 예에 따른 도 3a의 A부를 발취하여 확대도시한 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 저온 및 고온 내부열교환기를 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 내부열교환기를 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...저온 내부열교환기 10i,15c...구배부

12...고온 내부열교환기 15...고온열교한기 케이스

20...케이스 21...팽창공간

22...압축공간 23...충진공간

25...재생기 30...디스플레이서

31...디스플레이서실린더 40...피스톤

42...블럭 70a...열교환기 핀

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 작동유체가 충진되는 케이스, 상기 케이스 내부에 피스톤실린더와 모터설치부가 마련된 블럭, 상기 블럭에 마련된 모터설치부에 피스톤공진스프링(미도시)과 연결되어 왕복운동하는 리니어모터, 상기 블럭의 피스톤실런더 내부에 설치되고 리니어모터의 모터가동자와 연결되어 직선 왕복운동되는 피스톤, 압축공간과 팽창공간으로 구획되도록 피스톤실린더와 동일한 축선상에 일정간격 이격되게 설치된 디스플레이서실린더, 피스톤의 왕복운동에 따라 디스플레이서 내부에서 디스플레이서공진스프링(미도시)과 연결되어 피스톤과 소정의 위상차를 가지고 왕복운전 되는 디스플레이서, 상기 디스플레이서실린더의 외주면에 설치되어 압축공간과 팽창공간을 연통시키고 열에너지를 흡수 및재생하는 재생기, 팽창공간에 형성된 저온공간부의 열에너지를 열교환시키는 저온 내부열교환기, 압축공간에 형성된 고온공간부의 열에너지를 열교환시키는 고온 내부열교환기등을 구비한 스터링기기에 있어서,

상기 저온 공간부의 열교환 효율을 향상시키기 위해 열교환기 내측 원주면에 열교환기 핀이 직접 성형되고, 이의 외주면에 구배부를 형성하여 저온 외부열교환기와 조립과 열전달이 용이하도록 이루워진 저온 내부열교환기, 그리고 고온 공간부의 열교환 효율향상을 위해 고온열교환기 케이스의 내측에 설치되고 내측 원주면에 열교환기 핀이 직접 성형된 고온 내부열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 스터링기기의 전적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3a은 본 발명에 따른 저온 및 고온 내부열교환기에 적용된 내부열교환기의 구조를 도시한 도면이며, 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 A부를 발취하여 확대도시한 사시도 및 본 발명의 다른 실시 예에 따른 사시도이다. 그리고 도 4는 본 발명에 따른 도 3a의 열교환기 핀을 적용한 저온 내부열교환기와 고온 내부열교환기를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 저온 및 고온 내부열교환기의 구조를 도시한 단면도이다.

본 발명의 스터링기기는 도 2에 도시된 바와 같이 작동유체가 충진되도록 내부 공간이 마련된 케이스(20) 내부에 피스톤실린더(42b)와 모터 설치부(42a)가 마련되고 경질아노다이징 또는 테프론코팅 등과 같은 표면처리가 된 블럭(42)이 설치되고, 상기 블럭(42)에 마련된 모터 설치부(42a)에 리니어모터(60)가 설치되며, 계속해서 상기 블럭(42)에 마련된 피스톤실린더(42b)에는 리니어모터(60)의 모터가동자(60a)와 피스톤 공진스프링(미도시)과 연결된 피스톤(40)이 설치되어 왕복운동을 하게 된다. 상기 피스톤(40)은 피스톤실린더(42b) 내주면과의 마찰을 최소화하기 위해 외주면에 경질아노다이징 또는 테프론코팅 등과 같은 표면처리를 하기도 한다.

폴리카보네이트(PC)와 같은 열전도가 낮은 플라스틱으로 구성된 디스플레이서실린더(31)는 피스톤실린더(42)와 소정의 간격을 두고 양단부가 개방되게 직열로 설치되고, 디스플레이서실린더(31) 내부에는 디스플레이서(30)가 설치되고, 상기 디스플레이서(30)는 디스플레이서공진스프링(미도시)과 연결되어 피스톤(40)에 의해 압축공간(22)의 체적이 가변됨에 따라 디스플레이서(30)가 소정의 위상차를 가지며 디스플레이서실린더(31) 내부에서 왕복운동을 하게 된다.

그리고, 피스톤(40)과 디스플레이서(30) 사이에 압축공간(22)이 마련되고, 디스플레이서(30)와 저온 내부열교환기(11)의 헤드부(11b) 사이에 팽창공간(21)이 마련되며, 리니어모터(60)가 설치된 케이스(20) 내부에 충진공간(23)이 마련된다.

또한, 디스플레이서 실린더(31)의 외주면과 재생기케이스(25)와의 사이에 소정의 폭을 갖은 공간에 재생기(26)가 설치되어 압축공간(22)과 팽창공간(21)을 연통시키고 열에너지를 흡수 및 재생시켜 스터링기기 역할을 하게 된다.

팽창공간(21)과 재생기(26)사이에 형성된 저온공간부(50)의 열에너지를 열교환시키기 위해 설치된 저온 내부열교환기(11)는 저온공간부(50)의 열에너지를 열교환시키고 열교환 효율을 높이기 위해 내측 원주면에 일정한 간격으로 소정의 폭을 갖은 핀공간(70z)이 형성되게 소정의 두께를 갖은 원호 또는 직선형의 열교환기 핀(70a)을 (도 3a의 구조도와 확대도시한 도 3b의 사시도 참조)직접 성형시키고, 이의 외주면에는 도 2를 기준으로 좌측 단이 작고 우측 단이 큰 원뿔형상의 구배가 형성되도록 구배부(11c)를 마련해서, 저온 외부열교환기(13)와의 면 접촉율을 높게하여 저온 내부열교환기(11)와 저온 외부열교환기(13)와의 열전달을 용이하게 한다.

또한 저온 내부열교환기(11)의 일측면에는 원통파이프 형상의 재생기케이스(25)가 결합될수 있도록 원주방향으로 소정깊이 단이 형성된 결합단차(11a)가 마련되고, 팽창공간압력에 의한 변형을 최소화하기 위해 내측면이 소정 깊게 반구형상의 헤드부(11b)가 형성된다.

원통파이프 형상의 고온열교환기케이스(15)는 양단부가 개방되어 재생기케이스(25)와 케이스(20)사이에 설치되고, 이의 외주면에 저온 내부열교환기(11)와 같은 방향으로 소정각도 구배가 형성된 구배부(15c)가 마련되며, 상기 저온 내부열교환기(11)의 외경보다 외경을 크게하여 고온 외부열교환기(14)가 저온 내부열교환기(11)를 지나 구배부(15c)가 형성된 외주면에 결합될수 있도록 한다. 또한 일측면에는 재생기케이스(25)가 결합될 수 있도록 원주방향으로 소정깊이 단이 형성된 결합단차(15a)가 마련되고, 일측 반대면은 케이스(20)와 결합될수 있도록 원주방향으로 소정깊이 단이 형성된 결합단차(15b)가 마련된다.

그리고 압축공간(22)과 재생기(26) 사이에 형성된 고온공간부(51)의 열에너지를 열교환시키기 위해 고온열교환기케이스(15)의 내주면에 설치된 고온 내부열교환기(12)는 열교환 효율을 높이기 위해 이의 내주면에 일정한 간격으로 소정의 폭을 갖은 핀공간(70z)이 형성되게 소정의 두께를 갖은 원호 또는 직선형의 열교환기 핀(70a)을 (도 3a의 구조도와 확대도시한 도 3b의 사시도 참조)직접 다수개 성형시켜, 고온열교환기 케이스(15)의 내측 원주면에 견고하게 억지끼움 한다.

소정의 크기를 갖은 공간이 마련된 케이스(20)는 일측면이 고온열교환기케이스(15)와 결합되고 일측반대면은 원주방향으로 소정높이 단이 형성된 결합돌기(20a)가 마련되고, 상기 리니어모터(60)에 전원이 공급되는 전원단자(28)와 충진공간으로 가스를 충진하는 충진파이프(24)가 설치된 케이스커버(27)는 상기 케이스(20)에 마련된 결합돌기(20a)와 결합밀폐되어 충진공간(23)을 형성시킨다.

다음은 저온 내부열교환기(11)와 고온 내부열교환기(12)에 적용된 열교환기 핀(70a)에 대한 구조와 제작방법을 상세히 설명한다.

먼저 저온 내부열교환기(11)와 고온 내부열교환기(12)등에 공통으로 적용된 열교환기 핀(70a)을 보다 상세하게 도시한 도 3a와 도 3b을 참조하여 설명하면, 내측 원주면에 일정한 간격으로 핀 생성위치(70d)를 다수개 설정한 다음 열교환기 핀(70a)과 열교환기 핀(70a)사이에 핀공간(70z)이 마련되게 원호 또는 직선형의 열교환기 핀(70a)을 다수개 원주방향으로 기계적인 물리력을 사용해 표면에 직접 성형시키거나, 저온 내부열교환기(11) 및 고온 내부열교환기(12)의 본체와 동시에 열교환기 핀(70a)이 성형되게 한다.

또한, 저온 내부열교환기(11)및 고온 내부열교환기(12)의 열교환 효율을 향상시키고 열교환기 핀 제작을 용이하게 하기 위해 본 발명의 다른 실시 예를 설명하면, 도 3c(도 3a구조도의 A부위를 발취하여 보인 확대사시도)에 도시한 바와 같이 내측 원주면에 원주방향으로 소정깊이 가공공간(70h)을 1개소 또는 소정개소 마련하고 원주방향으로 일정한 간격의 핀 생성위치(70e)를 다수개소 설정한 다음 핀공간(70y)이 마련되게 원호 또는 직선형의 복수열교환기 핀(70b,70c)을 기계적인 물리력을 사용해 표면에 직접 성형시킨다.

그리고 기계적인 물리력으로 열교환기 핀(70a) 또는 복수열교환기 핀(70b), (70c)성형이 어려운 구간이 발생할때는 도 3a구조도에 도시된 것과 같이 핀 보조부재(71) 또는 다공성부재등을 결합응착시켜 균일한 열교환이 가능하도록 하거나, 이의 공간에 별도의 부자재(미도시)를 사용해 밀폐시켜 무효공간을 최소화 시킨다.

이와 같이 본 발명에 대한 기술적 사상은 전술한 것에 국한하지 않고, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 저온 및 고온 내부열교환기의 구조를 설명하면 다음과 같다.

전술한 본 발명의 실시 예에서는 상기 저온 내부열교환기(11)의 내측 원주면에 직접 열교환기 핀(70a)을 성형시켜 팽창공간(21)의 저온공간부(50)를 열교환시키고, 압축공간(22)에 형성된 고온공간부(51)를 열교환시키기 위해 고온열교환기 케이스(15)의 내측 원주면에 설치된 고온 내부열교환기(12)는 내측 원주면에 직접 열교환기 핀(70a)을 성형시켜, 열교환 효율을 향상시키는 것이나, 본 발명의 다른 실시 예에서는 고온 내부열교환기의 생산성을 향상시키기 위해 피스톤실린더(420b)와 모터 설치부(420a)가 형성된 블럭(420)의 일측면에 고온 내부열교환기(420c)를마련하고, 상기 고온 내부열교환기(420c)의 내측 원주면에 직접 열교환기 핀(70a)을 다수개 성형시킨다. 이 때 고온 내부열교환기(420c)의 재질이 블럭(420)과 일치되게 하는 것이 바람직하나, 서로 성분이 상이한 재질을 일체로 결합시켜 열교환기 핀(70a)을 직접 성형시킴으로써 고온 내부열교환기(420c)의 생산성을 높일 수 있게 되기도 한다. 그리고 상기 고온열교환기케이스(15)의 내측 원주면에 상기 블럭(420)과 단체로 형성된 고온 내부열교환기(420c)의 외주면을 견고하게 억지끼움 시켜, 압축공간(22)에 형성된 고온공간부(51)를 열교환시키기는 것일뿐 그 기본적인 사상은 전술한 것과 동일하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 스터링기기는 팽창공간과 재생기 사이의 저온공간부에 위치한 저온 내부열교환기와, 압축공간과 재생기 사이의 고온공간부에 위치한 고온 내부열교환기의 본체에 열교환기 핀을 각각 직접 성형시킴으로써, 팽창공간과 압축공간의 열교환 효율을 향상시키게 되고, 저온공간부 및 고온공간부의 무효공간을 최소화시켜 스터링기기의 효율을 향상시킨다.

또한, 저온 외부열교환기와 결합되는 저온 내부열교환기의 외주면 및 고온 외부열교환기와 결합되는 고온열교환기케이스의 외주면에 구배부를 마련하여 조립을 용이하게 하고 결합면의 면 접촉율을 높게하여 열전달 효율을 향상시킴으로써 스터링기기의 전체적인 효율을 향상시키게 된다.

Claims (3)

1. 리니어모터와 결합되어 피스톤실린더 내부에서 왕복운전되는 피스톤, 압축공간과 팽창공간으로 구획되도록 디스플레이서실린더 내부에서 피스톤과 소정의 위상차를 가지고 왕복운전되는 디스플레이서, 상기 압축공간과 팽창공간이 연통되게 설치된 재생기, 상기 재생기와 블럭사이에 설치되고 압축공간을 열교환시키는 고온열교환기케이스와 고온 내부열교환기, 상기 팽창공간에 설치되어 열교환시키는 저온 내부열교환기를 구비한 스터링기기에 있어서,

   작동유체와 열교환 되도록 내측 원주면에 열교환기 핀(70a)이 직접 성형되어, 상기 팽창공간(21)을 열교환시키는 저온 내부열교환기(11), 상기 고온열교환기 케이스(15)의 내측 원주면에 끼워지고 작동유체와 열교환 되도록 열교환기 핀(70a)이 내측 원주면에 직접 성형되어, 상기 압축공간(22)을 열교환시키는 고온 내부열교환기(12)로 구성된 것을 특징으로 하는 스터링기기의 열교환기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저온 내부열교환기(11)와 상기 고온 내부열교환기(12)의 내측 원주면에 작동유체가 지나다닐 수 있는 핀공간(70z)이 마련되게 열교환기 핀(70a)을 다수개 성형시킨 것을 특징으로 하는 스터링기기의 열교환기.
3. 압축공간(22)을 열교환시키기 위해, 블럭(420)의 일측면에 형성된 고온 내부열교환기(420c)의 내측 원주면에 작동유체가 지나다닐 수 있게 열교환기 핀(70a)이 직접 성형된 것을 특징으로 하는 스터링기기의 열교환기.