KR100454814B1 - Scroll-type heat exchange system applicable to stirling engine or refrigerator - Google Patents

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KR100454814B1 KR10-2002-0068455A KR20020068455A KR100454814B1 KR 100454814 B1 KR100454814 B1 KR 100454814B1 KR 20020068455 A KR20020068455 A KR 20020068455A KR 100454814 B1 KR100454814 B1 KR 100454814B1
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Abstract

본 발명은 열 교환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크롤 기구를 적용하여 스털링 엔진 또는 냉동기로 활용이 가능한 열 교환 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat exchange system, and more particularly to a heat exchange system that can be utilized as a Stirling engine or a freezer by applying a scroll mechanism.

본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템은, 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비하여 작동유체를 압축시켜 토출하는 스크롤 압축기와, 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비하여 작동유체를 팽창시켜 토출하는 스크롤 팽창기와, 이들을 연결하는 연결부와, 그 사이에 설치되어 연결부를 지나는 작동유체 간의 열 교환이 이루어지는 재생기를 포함한다.A scroll heat exchange system according to the present invention includes a scroll compressor having a fixed scroll and a swing scroll to compress and discharge a working fluid, a scroll expander having a fixed scroll and a swing scroll to expand and discharge the working fluid, And a regenerator provided therebetween, and a heat exchanger between the connecting fluid and the working fluid passing through the connecting part.

이러한 스크롤형 열 교환 시스템에서 스크롤 팽창기의 온도가 스크롤 압축기의 온도보다 높을 경우 스털링 엔진의 기능을 할 수 있고, 스크롤 팽창기의 온도가 스크롤 압축기의 온도보다 낮을 경우 스털링 냉동기의 기능을 할 수 있다.In such a scroll type heat exchange system, when the temperature of the scroll expander is higher than the temperature of the scroll compressor, it may function as a Stirling engine, and when the temperature of the scroll expander is lower than the temperature of the scroll compressor, it may function as a sterling refrigerator.

Description

스털링 엔진 또는 냉동기로 활용할 수 있는 스크롤형 열 교환 시스템{SCROLL-TYPE HEAT EXCHANGE SYSTEM APPLICABLE TO STIRLING ENGINE OR REFRIGERATOR}SCROLL-TYPE HEAT EXCHANGE SYSTEM APPLICABLE TO STIRLING ENGINE OR REFRIGERATOR}

본 발명은 열 교환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크롤 기구를 적용하여 스털링 엔진 또는 냉동기로 활용이 가능한 열 교환 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat exchange system, and more particularly to a heat exchange system that can be utilized as a Stirling engine or a freezer by applying a scroll mechanism.

스털링 엔진은 내부에 밀봉한 작동가스를 복수 개의 열 교환기를 설치하여 가열·냉각함으로써 동작하는 외연기관으로서, 종래에는 왕복 피스톤식의 체적형 외연기관이 주류를 이루고 있었다.The Stirling engine is an external combustion engine which operates by heating and cooling a working gas sealed therein by installing a plurality of heat exchangers. Conventionally, a reciprocating piston type external combustion engine has been mainstream.

이러한 스털링 엔진은 외연기관이기 때문에 액체연료, 가스연료, 고체연료,산업 폐열, 태양열과 LNG 냉열 등 다종의 열원을 활용할 수 있으며, 히터와 쿨러 사이에 설치되는 재생기의 작용으로 원리적으로 가장 높은 효율을 가진다. 또한 밸브가 없고 압력변화가 매끄럽기 때문에 내연기관에 비해 소음과 진동이 적고, 연속연소이기 때문에 연소제어가 용이하며, 배기가스를 깨끗하게 할 수 있기 때문에 차세대 열기관으로 주목받고 있다.Since the Stirling engine is an external combustion engine, it can utilize various heat sources such as liquid fuel, gas fuel, solid fuel, industrial waste heat, solar heat and LNG cold heat, and in principle, the highest efficiency is achieved by the action of a regenerator installed between the heater and the cooler. Has In addition, since there is no valve and the pressure change is smooth, the noise and vibration are less than that of the internal combustion engine, and because of the continuous combustion, the combustion control is easy and the exhaust gas can be cleaned.

종래의 왕복동식의 스털링 엔진(100)의 기본적인 구성은 도 6에 도시된 바와 같이 대략 90°정도의 위상차를 유지하면서 연동하는 팽창 피스톤(101)과 압축 피스톤(103)을 설치하고, 팽창공간(105)과 압축공간(107)을 만든 다음 그 사이를 통기성 있는 축열재를 충전시킨 재생기(109)로 접속하는 구조를 갖는다. 이 때, 전열 면적이 작은 실린더 벽을 통하여 작동가스를 충분히 가열·냉각하는 것은 어려우므로 일반적으로 도 7에 도시된 바와 같이 재생기(109)의 전후에 별도의 쿨러(112)와 히터(114)가 설치된다.The basic configuration of a conventional reciprocating Stirling engine 100 is provided with an expansion piston 101 and a compression piston 103 to cooperate with each other while maintaining a phase difference of approximately 90 degrees, as shown in FIG. 105 and the compression space 107, and then connected therebetween by a regenerator 109 filled with a breathable heat storage material. At this time, since it is difficult to sufficiently heat and cool the working gas through the cylinder wall having a small heat transfer area, as shown in FIG. 7, a separate cooler 112 and a heater 114 are provided before and after the regenerator 109. Is installed.

종래의 왕복동식의 스털링 엔진의 기계적인 구조를 단순화하고 진동을 줄여주기 위해서 미국특허 제6,109,040호에서는 로타리식의 두 개의 벤켈 로터(Wankel rotor)를 이용하면서 왕복동식의 스털링 엔진과 마찬가지로 위상차를 주어 압축과 팽창이 교대로 이루어지도록 하고 있다.In order to simplify the mechanical structure and reduce vibration of the conventional reciprocating Stirling engine, US Patent No. 6,109,040 uses two rotary Wankel rotors to give a phase difference as in a reciprocating Stirling engine. And inflation are alternating.

이와 같은 종래의 왕복동(또는 벤켈 로터리) 스털링 기기의 특징은 압축과 팽창과정이 위상차에 의해 이루어지기 때문에 압축과 팽창과정이 불연속적이며, 작동유체가 압축실과 팽창실 사이의 재생기를 왕복함에 따라 압력손실이 발생하기 때문에 회전수의 상승과 더불어 토크가 저하되는 것이 보통이다. 또한 전열 면적이작은 실린더 벽을 통하여 작동가스를 가열·냉각하는 것이 어렵기 때문에 도 7과 같이 재생기(109)의 전후에 히터(114)와 쿨러(112)가 설치되고, 엔진의 고출력화 또는 고속화를 위해 열전달이 빠른 수소나 헬륨과 같은 경분자량의 가스를 작동가스로 사용하여야 한다. 그러나 이러한 경분자량의 가스는 누출되기 쉬운 성질을 가졌기 때문에 가스시일(gas seal)의 고성능화가 매우 중요하다.The characteristics of the conventional reciprocating (or Benkel rotary) sterling machine are that the compression and expansion process is discontinuous because the compression and expansion process is made by phase difference, and the working fluid reciprocates the regenerator between the compression chamber and the expansion chamber. Since a loss occurs, it is common for the torque to decrease with the increase of the rotational speed. In addition, since it is difficult to heat and cool the working gas through a cylinder wall having a small heat transfer area, a heater 114 and a cooler 112 are installed before and after the regenerator 109 as shown in FIG. For this purpose, a light-molecular gas such as hydrogen or helium, which has high heat transfer, should be used as the working gas. However, since the light molecular weight gas is easy to leak, high performance of the gas seal is very important.

도 8은 이상적인 스털링 사이클의 작동과정을 단계적으로 도시한 개념도이고, 도 9는 이상적인 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이며, 도 10은 실제 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이다.8 is a conceptual diagram showing the operation of an ideal Stirling cycle step by step, FIG. 9 is a P-V diagram for an ideal Stirling cycle, and FIG. 10 is a P-V diagram for an actual Stirling cycle.

도 8에 도시된 바와 같은 이상적 스털링 사이클은 원리적으로 도 9와 같이 저온 압축부(123) 내에서 등온압축(I―II), 재생기(121)를 지나면서 등적가열(II―III), 고온 팽창부(124) 내에서 등온팽창(III―IV), 재생기(121)를 지나면서 등적방열(IV―I) 과정으로 구성되며, 재생기(121)의 작용으로 카르노사이클과 같은 가장 높은 효율을 가지게 된다.The ideal sterling cycle as shown in FIG. 8 is an isothermal compression (II-II) in the low temperature compression unit 123, the inlet heating (II-III), high temperature in principle as shown in FIG. It is composed of isothermal expansion (III-IV) and isothermal heat dissipation (IV-I) process while passing through isothermal expansion (III-IV) and regenerator 121 in the expansion portion 124, and has the highest efficiency such as carnocycle by the action of regenerator 121 do.

그러나 실제 사이클에 있어서는 도 10에서 보는 바와 같이, 이상적인 경우보다 훨씬 낮은 효율을 나타낸다. 이렇듯 이상적 스털링 사이클과 실제 스털링 사이클의 차이가 발생하는 요인과 이상적 스털링 사이클 구현의 어려움은 다음과 같다.However, in the actual cycle, as shown in Fig. 10, the efficiency is much lower than the ideal case. As such, differences between the ideal sterling cycle and the actual sterling cycle and the difficulty of implementing the ideal sterling cycle are as follows.

먼저 이상적인 스털링 사이클의 등온압축(I―II)과 등온팽창(III―IV)과정을 실현하기 위해서는 실린더 내부벽면을 통해 빠른 열전달이 일어나야 하지만, 실린더 외부에 전열핀을 충분히 설치한다고 하더라도 작동가스와 접하는 실린더 내부벽면의 면적이 작기 때문에 내부 작동가스의 빠른 가열과 냉각은 어렵다. 특히 엔진이 고속화/대형화 될 수록 열전달은 더욱 어렵게 되어 실린더 내부에서는 등온과정이 아닌 단열과정에 가깝게 된다.First, in order to realize the ideal isothermal compression (I-II) and isothermal expansion (III-IV) processes of the ideal sterling cycle, fast heat transfer must occur through the inner wall of the cylinder. Due to the small area of the inner wall of the cylinder, fast heating and cooling of the internal working gas is difficult. In particular, as the engine speeds up and becomes larger, heat transfer becomes more difficult, and thus the inside of the cylinder becomes closer to the heat insulation process than to the isothermal process.

따라서 일반적으로는 작동가스의 효과적인 가열·냉각을 위해서 작동가스의 재생기(109)의 전후에 별도의 히터(114)와 쿨러(112)가 설치되게 되며 이를 통해 대부분의 열전달이 이루어지게 된다.Therefore, in general, a separate heater 114 and a cooler 112 are installed before and after the regenerator 109 of the working gas for effective heating and cooling of the working gas, and thus most of the heat transfer is achieved.

그러나 이러한 히터(114)와 쿨러(112)는 작동가스의 효과적인 가열·냉각을 가능케하여 비출력을 증가시키는 긍정적인 측면이 있는 반면, 다음과 같은 부정적인 측면을 가진다.However, while the heater 114 and the cooler 112 have a positive side to increase the specific power by enabling effective heating and cooling of the working gas, it has the following negative side.

즉 압축·팽창 공간이 아닌 히터(114), 재생기(109), 쿨러(112) 등을 포함하는 사체적(dead volume)의 증가는 출력을 감소시키는 요인으로 작용하게 된다. 또한 히터(114)에서 가열된 작동가스가 실린더에서 팽창한 후 재생기(109)에 열을 저장하기 전에 히터(114)를 지나면서 재가열되고, 쿨러(112)를 지난 작동가스가 실린더에서 압축된 후 재생기(109)로부터 열을 되찾기 전에 쿨러(112)를 지나면서 재냉각되는 불필요한 과정으로 인한 사이클의 결함이 발생되어 유동저항이 증가하고 열효율이 감소하게 된다. 뿐만 아니라 구성부품의 열피로(thermal stress)를 증가시키게 되어 구성부품의 재질 선택과 제작에 있어 상당한 제약요인이 되고 있다.In other words, the increase in the dead volume including the heater 114, the regenerator 109, the cooler 112, and the like rather than the compression / expansion space acts as a factor of reducing the output. In addition, after the working gas heated in the heater 114 expands in the cylinder and reheats through the heater 114 before storing heat in the regenerator 109, the working gas passing through the cooler 112 is compressed in the cylinder. Before recovering heat from the regenerator 109, a cycle defect occurs due to an unnecessary process of being recooled while passing through the cooler 112, thereby increasing flow resistance and decreasing thermal efficiency. In addition, the thermal stress of the component is increased, which is a significant constraint in the material selection and fabrication of the component.

한편, 도 8에 도시된 바와 같은 이상적인 스털링 사이클에서는 피스톤(125, 127)이 비연속적으로 움직이기 때문에 저온부(123)에서는 압축과정만 일어나고 고온부(124)에서는 팽창과정만 일어나게 된다. 그러나 도 6에 도시된 바와 같은 실제 왕복동 피스톤 스털링엔진에서는 압축피스톤(103)과 팽창피스톤(101)이 연동되어 움직이기 때문에 저온부 피스톤(103)에 의한 압축과정 시 고온부 피스톤(101)에 의해서도 약간의 압축이 발생하고 고온부 피스톤(101)에 의한 팽창과정 시 저온부 피스톤(103)에 의해서도 약간의 팽창이 발생하게 된다. 이 또한 실제 스털링 엔진의 효율이 이상적인 카르노 사이클의 효율보다 상당히 작게 되는 주요인이 된다.Meanwhile, in the ideal sterling cycle as shown in FIG. 8, since the pistons 125 and 127 move discontinuously, only the compression process occurs in the low temperature part 123 and only the expansion process occurs in the high temperature part 124. However, in the actual reciprocating piston sterling engine as shown in FIG. 6, since the compression piston 103 and the expansion piston 101 move in conjunction with each other, the compression part by the low temperature piston 103 may also be slightly affected by the high temperature piston 101. Compression occurs and a slight expansion occurs by the low temperature piston 103 during the expansion process by the high temperature piston 101. This is also a major factor in the efficiency of the actual Stirling engine being significantly less than the efficiency of an ideal Carnot cycle.

종래의 스털링 엔진은 연료량에 따라 빨리 반응하는 내연기관과 달리 엔진 제어가 쉽지 않다. 대표적인 제어방법으로는 내부 작동가스의 압력변화, 사체적 조절, 및 스트로크 조절에 의한 압축비의 변화 등이 있다. 그러나 스털링 엔진에서 효율감소가 적고 빠른 부하조절 방법은 모두 장치가 복잡하고 고가라는 단점이 있다.Conventional Stirling engines are not easy to control the engine unlike internal combustion engines that react quickly according to the amount of fuel. Representative control methods include a change in the compression ratio by the pressure change, the dead body control, and the stroke control of the internal working gas. However, in the Stirling engine, the efficiency reduction and the fast load control method are both complicated and expensive.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기를 함께 구비하여 열 교환이 가능한 스털링 엔진 또는 냉동기로 응용됨으로써 고효율, 저소음, 저진동, 소형 및 경량 특성을 얻을 수 있는 스크롤형 열 교환 시스템을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to provide a high efficiency, low noise, low vibration, small size and light weight by being applied as a Stirling engine or a freezer capable of heat exchange by providing a scroll compressor and a scroll expander together It is to provide a scrollable heat exchange system that can be obtained.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing a scroll heat exchange system according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템에 냉각기와 가열기를 더 구비한 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.2 is a block diagram showing a heat exchange system further comprising a cooler and a heater in a scroll heat exchange system according to a first embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a scroll heat exchange system according to a second embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.4 is a block diagram showing a scroll heat exchange system according to a third embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 바이패스 관이 설치된 스크롤 기구를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a scroll mechanism provided with a bypass tube according to the present invention.

도 6은 종래의 왕복동식 스털링 엔진의 구성도이다.6 is a block diagram of a conventional reciprocating Stirling engine.

도 7은 히터와 쿨러가 구비된 종래의 왕복동식 스털링 엔진의 구성도이다.7 is a block diagram of a conventional reciprocating Stirling engine equipped with a heater and a cooler.

도 8은 이상적인 스털링 사이클의 작동과정을 단계적으로 도시한 개념도이다.8 is a conceptual diagram illustrating the operation of an ideal stirling cycle step by step.

도 9는 이상적인 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이다.9 is a P-V diagram for an ideal sterling cycle.

도 10은 실제 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이다.10 is a P-V plot for the actual sterling cycle.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10: 스크롤형 열 교환 시스템 12: 스크롤 압축기10: scroll type heat exchange system 12: scroll compressor

13, 33: 하우징 14, 34: 고정 스크롤13, 33: housing 14, 34: fixed scroll

16, 36: 선회 스크롤 18: 냉각부16, 36: swing scroll 18: cooling section

20: 재생기 21: 제 1 연결부20: player 21: first connection portion

23: 제 2 연결부 25: 냉각기23: second connection portion 25: cooler

27: 가열기 32: 스크롤 팽창기27: heater 32: scroll inflator

38: 가열부38: heating unit

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르는 스크롤형 열 교환 시스템은, 외부에 방열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축할 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 압축기와; 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 팽창기와; 상기 압축기와 팽창기의 선회 스크롤 각각에 연결되어 이를 구동시키는 구동부와; 상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 1 연결부와; 상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 2 연결부와; 상기 제 1 연결부와 제 2 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 재생기; 및 상기 스크롤 압축기에서 압축되어 상기 스크롤 압축기 중심부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 2 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고, 상기 스크롤 팽창기에서 팽창되어 상기 스크롤 팽창기 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 1 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하는 작동유체를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, a scroll type heat exchange system according to the present invention includes a sealed housing having a heat dissipating surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, and fixed to the inside of the housing. A fixed swing spirally extending from the center to the outer periphery of the housing and spirally extending from the center to the outer periphery of the housing to continuously compress the working fluid introduced into the housing; A scroll compressor having a radius and rotating pivot scroll; A sealed housing having a heating surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, a fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center to the outer circumference; A scroll expander including a swing scroll which is pivoted from a central portion in engagement with a fixed scroll and extends to an outer circumferential portion to swing the working fluid introduced into the housing continuously; A driving unit connected to each of the turning scrolls of the compressor and the expander to drive the rotating scroll; A first connection part connecting the fluid fluid inlets formed in the outer circumference of each of the scroll compressor and the scroll expander; A second connection portion connecting the working fluid inlets formed at the center of each of the scroll compressor and the scroll expander; A regenerator for allowing heat exchange between working fluids while penetrating the inside of the first and second connecting portions so as to be adjacent to each other; And is compressed by the scroll compressor and discharged through an outlet of the scroll compressor center, and then flows through the second connecting portion, passes through the regenerator, through the scroll expander center inlet, expands in the scroll expander, and expands around the scroll expander. And a working fluid circulated by being discharged through an outlet of the inlet and flowing through the regenerator and through the inlet of the scroll compressor outer periphery while moving through the first connection unit.

상기 스크롤형 열 교환 시스템은 스크롤 압축기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 압축될 때 발행하는 열을 방출시킬 수 있는 냉각부와, 상기 스크롤 팽창기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 팽창될 때 열을 공급할 수 있는 가열부를 더욱 포함할 수 있다.The scroll type heat exchange system includes a cooling unit which is formed around the outer side of the housing of the scroll compressor to release heat generated when the working fluid is compressed, and is formed around the outer side of the housing of the scroll expander when the working fluid is expanded. It may further include a heating unit capable of supplying heat.

상기 스크롤 압축기 외주부의 작동유체 입구에는 상기 재생기를 거쳐 스크롤 압축기로 유입되는 작동유체를 냉각시킬 수 있도록 냉각기가 더 형성될 수 있으며, 상기 스크롤 팽창기 중심부의 작동유체 입구에는 상기 재생기를 거쳐 상기 스크롤 팽창기로 유입되는 작동유체를 가열시킬 수 있도록 가열기가 더 형성될 수 있다.A cooler may be further formed at a working fluid inlet of an outer circumference of the scroll compressor to cool the working fluid flowing into the scroll compressor via the regenerator, and at the inlet of the working fluid at the center of the scroll expander via the regenerator to the scroll expander. A heater may be further formed to heat the working fluid flowing therein.

본 발명에 따르는 스크롤형 열 교환 시스템은 상기 하우징의 중심부로부터 소정 거리만큼 떨어진 중간 압축부와 중심부의 작동유체 출입구에 연결되는 연결부 사이에 연통되도록 형성되는 바이패스관(bypass管)과, 상기 바이패스관에 설치되는 조절밸브를 더욱 포함함으로써, 상기 조절밸브에 의해 바이패스량을 조절하여 압축용량을 변화시킬 수 있다.A scroll heat exchange system according to the present invention includes a bypass pipe formed to communicate between an intermediate compression part separated by a predetermined distance from a center part of the housing and a connection part connected to a working fluid outlet of the center part. By further including a control valve installed in the pipe, it is possible to change the compression capacity by adjusting the bypass amount by the control valve.

한편, 본 발명에 따르는 스크롤형 열 교환 시스템은 상기 스크롤 팽창기에 상기 스크롤 압축기보다 더 높은 온도의 열이 공급되고 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부로부터 동력이 출력되어 엔진 기능을 할 수 있으며, 반대로 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부에 동력이 입력되고 상기 스크롤 팽창기에서 상기 스크롤 압축기보다 더 낮은 온도의 열이 흡수되어 냉동기 기능을 할 수도 있다.On the other hand, in the scroll type heat exchange system according to the present invention, the scroll expander is supplied with heat at a higher temperature than the scroll compressor, and power is output from a drive unit connected to the scroll expander and the scroll compressor to function as an engine. Power may be input to a driving unit connected to the scroll expander and the scroll compressor, and the scroll expander may absorb heat at a lower temperature than the scroll compressor to function as a freezer.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)은 크게 스크롤 압축기(12), 스크롤 팽창기(32) 및 재생기(20)로 구성되며, 압축기(12)와 팽창기(32)는 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)를 통해 연결되어 있다.Referring to FIG. 1, the scroll heat exchange system 10 according to the first embodiment of the present invention is largely composed of a scroll compressor 12, a scroll expander 32, and a regenerator 20. The inflator 32 is connected via the first connecting portion 21 and the second connecting portion 23.

스크롤 압축기(12)는 하우징(13)의 내부에 고정 스크롤(14)과 선회 스크롤(16)을 구비하여 외주부로부터 유입된 작동유체를 압축하여 중심부로 내보낸다. 이를 위하여 하우징(13)은 외주부에 하나의 작동유체 입구를 가지고 중심부에 하나의 작동유체 출구를 가지면서 외부로부터 밀폐되어 있으며, 고정 스크롤(14)이 하우징(13)의 내부에 고정되어 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장된다. 선회 스크롤(16)은 하우징(13)의 내부에서 고정 스크롤(14)과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 형성되며, 소정의 선회반경을 가지며 고정 스크롤(14)과의 사이공간에서 선회하여 하우징(13)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축하게 된다.The scroll compressor 12 includes a fixed scroll 14 and a revolving scroll 16 inside the housing 13 to compress the working fluid introduced from the outer circumferential portion to the central part. For this purpose, the housing 13 is sealed from the outside with one working fluid inlet at the outer circumference and one working fluid outlet at the center, and the fixed scroll 14 is fixed inside the housing 13 to form a spiral from the center. Extends to the outer periphery. The swinging scroll 16 is formed in a spiral form from the center and extends to the outer circumference thereof in engagement with the fixed scroll 14 inside the housing 13, and has a predetermined turning radius and pivots in a space between the fixed scroll 14 and the fixed scroll 14. The working fluid introduced into the housing 13 is continuously compressed.

스크롤 압축기(12)의 하우징(13) 외측 둘레에는 냉각부(18)가 형성되어 작동유체가 압축될 때 발행하는 열을 외부로 방출시킬 수 있으며, 이를 위하여 하우징(13)은 외부에 방열면을 가진다.A cooling unit 18 is formed at the outer circumference of the housing 13 of the scroll compressor 12 to dissipate heat generated when the working fluid is compressed to the outside. Have

스크롤 팽창기(32)는 하우징(33)의 내부에 고정 스크롤(34)과 선회 스크롤(36)을 구비하여 중심부로부터 유입된 작동유체를 팽창시켜 외주부로 내보낸다. 이를 위하여 하우징(33)은 중심부에 하나의 작동유체 입구를 가지고 외주부에 하나의 작동유체 출구를 가지면서 외부로부터 밀폐되어 있으며, 고정 스크롤(34)이하우징(33)의 내부에 고정되어 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장된다. 선회 스크롤(36)은 하우징(33)의 내부에서 고정 스크롤(34)과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 형성되며, 소정의 선회반경을 가지며 고정 스크롤(34)과의 사이공간에서 선회하여 하우징(33)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시키게 된다.The scroll inflator 32 has a fixed scroll 34 and a pivoting scroll 36 inside the housing 33 to expand the working fluid introduced from the center and to send it out to the outer circumference. To this end, the housing 33 is sealed from the outside with one working fluid inlet at the center and one working fluid outlet at the outer circumference, and is fixed to the inside of the housing 33 by a fixed scroll 34 and spirals from the center. Extends to the outer periphery. The swinging scroll 36 is formed in the housing 33 by engaging with the fixed scroll 34 helically from the center and extending outwardly, and having a predetermined turning radius and pivoting in the space between the fixed scroll 34 and the fixed scroll 34. The working fluid introduced into the housing 33 is continuously expanded.

스크롤 팽창기(32)의 하우징 외측 둘레에는 가열부(38)가 형성되어 작동유체가 팽창될 때 열을 공급할 수 있으며, 이를 위하여 하우징(33)은 외부에 가열면을 가진다.A heating unit 38 is formed around the outer side of the housing of the scroll expander 32 to supply heat when the working fluid is expanded. For this purpose, the housing 33 has a heating surface on the outside.

압축기(12)와 팽창기(32) 각각의 선회 스크롤(16, 36)에는 외부에 별도로 구동부(미도시)가 연결되어 선회 스크롤(16, 36)을 구동시키게 된다.The turning scrolls 16 and 36 of the compressor 12 and the expander 32 are separately connected to a driving unit (not shown) to drive the turning scrolls 16 and 36.

스크롤 압축기(12)와 스크롤 팽창기(32)는 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)에 의하여 연결되는 바, 제 1 연결부(21)는 압축기(12)와 팽창기(32) 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하고, 제 2 연결부(23)는 압축기(12)와 팽창기(32) 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결한다.The scroll compressor 12 and the scroll expander 32 are connected by the first connecting portion 21 and the second connecting portion 23, and the first connecting portion 21 is an outer circumferential portion of each of the compressor 12 and the expander 32. The working fluid inlet formed in the connection to each other, the second connecting portion 23 connects the working fluid inlet formed in the center of each of the compressor 12 and the expander (32).

이렇게 형성되는 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)는 재생기(20)에서 열 교환이 이루어지는 바, 재생기(20)의 내부를 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)가 서로 인접하도록 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어진다.The first connection part 21 and the second connection part 23 formed as described above are heat exchanged in the regenerator 20, and thus the first connection part 21 and the second connection part 23 are formed inside the regenerator 20. Heat is exchanged between working fluids while penetrating adjacent.

작동유체는 스크롤 압축기(12)에서 압축되어 중심부의 출구를 통해 토출된 다음 제 2 연결부(23)를 통해 이동하면서 재생기(20)를 지나 스크롤 팽창기(32)의중심부 입구를 통해 유입된다. 유입된 작동유체는 스크롤 팽창기(32)에서 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 제 1 연결부(21)를 통해 이동하면서 재생기(20)를 지나 스크롤 압축기(12) 외주부 입구를 통해 다시 유입됨으로써 순환하게 된다.The working fluid is compressed by the scroll compressor 12, discharged through the outlet of the center portion, and then flows through the second connecting portion 23 and passes through the regenerator 20 through the center inlet of the scroll expander 32. The introduced working fluid is expanded in the scroll expander 32 and discharged through the outlet of the outer circumference, and then flows through the regenerator 20 through the regenerator 20 while moving through the first connecting portion 21 and is circulated again through the inlet of the outer circumference of the scroll compressor 12. Done.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)에 냉각기(25)와 가열기(27)를 더 설치할 수 있다.Referring to FIG. 2, a cooler 25 and a heater 27 may be further installed in the scroll heat exchange system 10 according to the first embodiment of the present invention.

즉 냉각기(25)가 스크롤 압축기(12) 외주부의 작동유체 입구에 형성되어 재생기(20)를 거쳐 스크롤 압축기(12)로 유입되는 작동유체를 냉각시킬 수 있다. 또한 가열기(27)가 스크롤 팽창기(32) 중심부의 작동유체 입구에 형성되어 재생기(20)를 거쳐 스크롤 팽창기(32)로 유입되는 작동유체를 가열시킬 수 있다.That is, the cooler 25 may be formed at the working fluid inlet of the outer circumference of the scroll compressor 12 to cool the working fluid flowing into the scroll compressor 12 through the regenerator 20. In addition, a heater 27 may be formed at the inlet of the working fluid at the center of the scroll expander 32 to heat the working fluid flowing into the scroll expander 32 via the regenerator 20.

본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)은 스크롤 압축기(12)의 온도보다 스크롤 팽창기(32)의 온도가 높을 때에는 스털링 엔진방식으로 스크롤 팽창기(32)에서 열을 입력받고 스크롤 압축기(12)에서 열을 출력하며, 팽창 후의 작동유체와 압축 후의 작동유체간에 열 교환이 이루어지면서 구동부를 통해 동력이 출력되는 엔진으로 작동하게 된다.In the scroll heat exchange system 10 according to the present invention, when the temperature of the scroll expander 32 is higher than the temperature of the scroll compressor 12, the scroll expander 32 receives heat from the scroll expander 32 by the Stirling engine method. Heat is output from the heat exchange between the working fluid after expansion and the working fluid after compression is made to operate as an engine that outputs power through the drive unit.

반대로, 스크롤 압축기(12)의 온도보다 스크롤 팽창기(32)의 온도가 낮을 때에는 스털링 냉동기 방식으로 구동부를 통해 외부동력을 입력받아 온도가 낮은 스크롤 팽창기(32)에서 열을 입력받고 스크롤 압축기(12)에서 열을 출력하며 팽창 후의 작동유체와 압축 후의 작동유체간에 열 교환이 이루어지는 냉동기로서 작동하게 된다.On the contrary, when the temperature of the scroll expander 32 is lower than the temperature of the scroll compressor 12, the external power is input through the driving unit in the Stirling freezer method to receive heat from the scroll expander 32 having a low temperature, and the scroll compressor 12 is operated. It outputs heat and operates as a refrigerator in which heat is exchanged between the working fluid after expansion and the working fluid after compression.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a scroll heat exchange system according to a second embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(40)은 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)과 전체적인 구성은 유사하지만 압축기(41)와 팽창기(51)의 각각의 하우징(42, 52) 내에 상하로 한 쌍씩의 고정 스크롤(43, 53)과 선회 스크롤(45, 55)이 설치되어 전복 모멘트가 발생하지 않는다.Referring to FIG. 3, the scroll heat exchange system 40 according to the second embodiment of the present invention is similar in structure to the scroll heat exchange system 10 according to the first embodiment, but has a compressor 41 and an expander. A pair of fixed scrolls 43 and 53 and pivoting scrolls 45 and 55 are provided in each of the housings 42 and 52 of the 51 so that the tipping moment is not generated.

또한 압축기 하우징(42)의 외측면에는 다수 개의 냉각핀(49)들이 형성되고, 팽창기 하우징(52)의 외측면에는 다수 개의 가열핀(59)들이 형성되어 냉각 또는 가열이 더욱 원활하게 이루어지도록 한다.In addition, a plurality of cooling fins 49 are formed on the outer surface of the compressor housing 42, and a plurality of heating fins 59 are formed on the outer surface of the inflator housing 52 to make the cooling or heating more smoothly. .

스크롤 압축기(41)와 스크롤 팽창기(51)의 선회 스크롤(45, 55)은 두 개의 구동축(65)에 연결되어 구동되며, 압축기의 선회 스크롤(45)에 연결되는 구동축(65a)과 팽창기의 선회 스크롤(55)에 연결되는 구동축(65b)은 서로 180°의 위상차를 가지도록 형성됨으로써 회전운동에 의한 언밸런싱(unbalancing)을 줄여줄 수 있다.The swing scrolls 45 and 55 of the scroll compressor 41 and the scroll expander 51 are driven in connection with two drive shafts 65, and the drive shaft 65a and the swing of the expander are connected to the swing scroll 45 of the compressor. The drive shaft 65b connected to the scroll 55 may be formed to have a phase difference of 180 ° from each other, thereby reducing unbalancing due to rotational movement.

이러한 2개의 구동축(65)은 벨트 또는 체인에 의해 연결되어 함께 구동되며, 구동축(65)이 외부로 연장된 동력축(67)을 통하여 외부로 동력을 전달하게 된다. 구동축(65)이 체결되어 회전하는 부분에는 베어링(69)이 각각 설치된다.The two drive shafts 65 are connected together by a belt or a chain to be driven together, and the drive shafts 65 transmit power to the outside through the power shaft 67 extended to the outside. Bearings 69 are respectively provided at portions where the drive shaft 65 is fastened and rotated.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 교환 시스템에 있어서, 재생기(60)를 통과하여 압축부의 냉각실(47)을 지나면서 작동유체는 더욱 더 냉각되고, 이 작동유체는 제 1 연결부(61)를 통해 스크롤 압축기(41) 내로 유입되어 선회 스크롤(45)의 선회운동에 의해 압축이 일어난다. 압축과정동안 냉각실(47) 내의 하우징(42)에 형성된 냉각핀(49)에 의해 계속해서 냉각이 일어난다.In the heat exchange system according to the second embodiment of the present invention, the working fluid is further cooled while passing through the regenerator 60 and passing through the cooling chamber 47 of the compression section, and the working fluid is further connected to the first connecting portion 61. Compressed into the scroll compressor 41 through the compression is caused by the swinging movement of the swinging scroll (45). During the compression process, cooling continues by the cooling fins 49 formed in the housing 42 in the cooling chamber 47.

이렇게 압축된 작동유체는 제 2 연결부(62)를 통해 재생기(60)를 지나면서 제 1 연결부(61)를 지나는 고온의 작동유체와 열 교환을 통해 가열된 후 팽창부의 가열실(57)을 지나면서 더욱 더 가열되고, 스크롤 팽창기(51) 내로 유입되어 선회 스크롤(55)을 밀어내면서 팽창이 일어난다. 팽창과정동안 가열실(57) 내의 하우징(52)에 형성된 가열핀(59)에 의해 계속해서 가열이 일어난다.The compressed working fluid is heated through heat exchange with a high temperature working fluid passing through the first connecting portion 61 through the regenerator 60 through the second connecting portion 62, and then passes through the heating chamber 57 of the expansion portion. And further heats up and expands into the scroll expander 51 and pushes the pivoting scroll 55 out. During the expansion process, heating continues by the heating fins 59 formed in the housing 52 in the heating chamber 57.

이렇게 팽창된 작동유체는 다시 제 1 연결부(61)를 통해 재생기(60)를 지나면서 제 2 연결부(62)를 지나는 저온의 작동유체와 열 교환을 통해 냉각된 후 스크롤 압축기(41) 내로 공급됨으로써 사이클을 이루게 된다.The expanded working fluid is cooled through heat exchange with the low temperature working fluid passing through the regenerator 60 through the first connecting portion 61 and passing through the second connecting portion 62 and then supplied into the scroll compressor 41. Cycle.

이 때, 스크롤 압축기(41)의 상하 냉각실(47)은 서로 연결되며, 스크롤 팽창기(51)의 상하 가열실(57)도 서로 연결된다. 또한, 스크롤 압축기(41)의 상하 중심부에서 토출되는 작동유체는 서로 합쳐져서 재생기(60)로 공급되고, 재생기(60)에서 스크롤 팽창기(51) 내부로 공급되는 작동유체도 서로 연결되어 공급된다.At this time, the upper and lower cooling chambers 47 of the scroll compressor 41 are connected to each other, and the upper and lower heating chambers 57 of the scroll expander 51 are also connected to each other. In addition, the working fluids discharged from the upper and lower centers of the scroll compressor 41 are combined with each other and supplied to the regenerator 60, and the working fluids supplied from the regenerator 60 into the scroll expander 51 are also connected to each other.

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.4 is a block diagram showing a scroll heat exchange system according to a third embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 열 교환 시스템은 가운데 스크롤 압축기(72)를 중심으로 일측에는 이 보다 높은 온도의 제 1 스크롤 팽창기(74)가 연결되고, 타측에는 스크롤 압축기(72)보다 낮은 온도의 제 2 스크롤 팽창기(76)가연결된다. 이렇게 구성되는 열 교환 시스템은 스털링 엔진 구동 냉동기로서 작용한다.Referring to FIG. 4, in the heat exchange system according to the present embodiment, the first scroll expander 74 having a higher temperature is connected to one side of the center scroll compressor 72 and the other side of the heat exchange system 72. The low temperature second scroll expander 76 is connected. The heat exchange system thus constructed acts as a Stirling engine driven chiller.

즉 고온의 제 1 스크롤 팽창기(74)와 스크롤 압축기(72)의 조합은 스털링 엔진으로 작동하며, 저온의 제 2 스크롤 팽창기(76)와 스크롤 압축기(72)의 조합은 스털링 냉동기로 작동한다.That is, the combination of the high temperature first scroll expander 74 and the scroll compressor 72 operates as a Stirling engine, and the combination of the low temperature second scroll expander 76 and the scroll compressor 72 operates as a Stirling refrigerator.

이러한 구성은 스크롤 압축기(72)의 작동유체 출입구를 양측에 설치되는 제 1 스크롤 팽창기(74)와 제 2 팽창기(76)가 공유함으로써 가능하게 된다. 따라서, 작동유체는 스크롤 압축기(72)에서 압축되어 중심부의 출구를 통해 토출된 다음, 일부는 제 2 연결부(82)를 통해 이동하면서 제 1 재생기(85)를 지나 제 1 스크롤 팽창기(74) 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 제 1 연결부(81)를 통해 이동하면서 제 1 재생기(85)를 지나 스크롤 압축기(72) 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하게 된다. 작동유체의 나머지 일부는 제 4 연결부(84)를 통해 이동하면서 제 2 재생기(86)를 지나 제 2 스크롤 팽창기(76) 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 제 3 연결부(83)를 통해 이동하면서 제 2 재생기(86)를 지나 스크롤 압축기(72) 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하게 된다.This configuration is made possible by sharing the working fluid entrance and exit of the scroll compressor 72 with the first scroll expander 74 and the second expander 76 provided on both sides. Thus, the working fluid is compressed in the scroll compressor 72 and discharged through the outlet of the center portion, and then a portion thereof moves through the second connection portion 82 and passes through the first regenerator 85 to the center portion of the first scroll expander 74. It enters through the inlet, expands, is discharged through the outlet of the outer peripheral portion, and then moves through the first connecting portion 81 and passes through the first regenerator 85 through the outer peripheral inlet of the scroll compressor 72 to circulate. The remaining portion of the working fluid flows through the fourth connecting portion 84, passes through the second regenerator 86 through the central inlet of the second scroll expander 76, expands and is discharged through the outlet of the outer peripheral portion, and then the third connecting portion. As it moves through 83, it passes through the second regenerator 86 and flows through the inlet of the outer peripheral portion of the scroll compressor 72 to circulate.

이렇게 스털링 엔진의 압축부와 스털링 냉동기의 압축부를 공유함으로써 매우 컴팩트하게 스털링 엔진 구동의 냉동기를 구성할 수 있으며, 냉동기 구동 외의 남는 동력은 발전기를 통해 전력으로 생산할 수 있기 때문에 냉난방과 동시에 발전이 가능한 시스템을 구성할 수 있다.In this way, the compression unit of the Stirling engine and the compression unit of the Stirling freezer can be configured very compactly to configure the refrigerator of the Stirling engine. The remaining power outside the freezer drive can be produced by electric power through a generator, so the system can be heated and cooled simultaneously. Can be configured.

도 5는 본 발명에 따른 바이패스 관이 설치된 스크롤 기구를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a scroll mechanism provided with a bypass tube according to the present invention.

종래의 왕복동 스털링 기기의 제어방법은 내부 작동가스 압력변화, 사체적 조절, 스트로크 조절에 의한 압축비 변화 등이 있으나 모두 장치가 복잡하고 고가였다. 본 발명에 따른 스크롤 기구를 적용한 스털링 사이클 기기의 제어방법은 도 5에 도시된 바와 같이 스크롤 압축기의 고정 스크롤(91) 중간 압축부에 바이패스관(bypass管)(93)을 설치하여 압축가스의 바이패스량을 조절함으로써 쉽게 압축용량 조절을 할 수 있다. 이를 통해 엔진 제어를 매우 신속하고 효과적으로 할 수 있다.Conventional control method of the reciprocating sterling machine includes internal operating gas pressure change, dead volume adjustment, compression ratio change due to stroke adjustment, etc., but the apparatus is complicated and expensive. In the control method of the Stirling cycle apparatus applying the scroll mechanism according to the present invention, as shown in FIG. 5, a bypass pipe 93 is installed in the intermediate compression section of the fixed scroll 91 of the scroll compressor to remove the compressed gas. By adjusting the bypass amount, the compression capacity can be easily adjusted. This makes engine control very fast and effective.

중간 압축부는 스크롤 압축기의 중심부로부터 소정 거리만큼 떨어진 부분에 위치하며, 바이패스관(93)은 압축기 중심부로 연결되는 연결부와 중간 압축부 사이에 연통되도록 형성되며, 조절밸브(95)를 더욱 포함하여 바이패스량의 조절을 가능하게 한다.The intermediate compression unit is located at a portion away from the center of the scroll compressor by a predetermined distance, and the bypass pipe 93 is formed to communicate between the connection unit and the intermediate compression unit connected to the compressor center, and further includes a control valve 95 Allows adjustment of the bypass amount.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템에 의하면, 기계적인 구조가 간단하면서도 압축과 팽창과정이 연속적으로 이루어지기 때문에토크변화가 거의 없고 작동유체의 유동방향이 바뀌지 않기 때문에 유동저항이 작도록 유로 및 재생기를 구성하는 것이 가능하다.As described above, according to the scroll type heat exchange system according to the present invention, since the mechanical structure is simple and the compression and expansion processes are continuously performed, there is almost no torque change and the flow direction of the working fluid is not changed, so the flow resistance is small. It is possible to configure the flow path and the regenerator.

또한 스크롤 랩(scroll wrap)을 통해서 압축기와 팽창기 내부 작동유체와 접하는 전열면적이 매우 넓기 때문에 이상적인 스털링 사이클에 근접한 고효율의 등온압축·팽창과정을 가능하게 하고, 히터와 쿨러를 없애거나 최소화함으로써 사체적이 줄어들어 출력을 향상시킬 수 있으며 고가의 구성부품인 히터를 최소화함으로써 제작비용을 절감할 수 있다.In addition, the scroll wrap provides a very large heat transfer area in contact with the working fluid inside the compressor and inflator, enabling a highly efficient isothermal compression and expansion process close to the ideal sterling cycle and eliminating or minimizing the heater and cooler. It can be reduced to improve output, and manufacturing cost can be reduced by minimizing expensive component heaters.

본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템에서는 작동유체가 일방향(one-way)으로 이동되기 때문에 히터에서 가열된 작동유체가 팽창 후에 재가열 되지 않고 또한 쿨러에서 가열된 작동유체가 압축 후에 재냉각 되지 않기 때문에 사이클의 결함으로 인한 열손실, 유동저항, 열피로 등을 최소화할 수 있다.In the scroll type heat exchange system according to the present invention, since the working fluid is moved in one-way, the working fluid heated in the heater is not reheated after expansion, and the working fluid heated in the cooler is not recooled after compression. Heat loss, flow resistance and thermal fatigue due to cycle failure can be minimized.

뿐만 아니라 저온부 압축과 고온부 팽창이 완전히 분리되어 있기 때문에 이상적인 사이클에 가까운 고효율을 얻을 수 있으며, 압축기에서 바이패스에 의한 압축비 제어로 쉬우면서도 효과적인 엔진제어가 가능하다.In addition, since the low temperature compression and the high temperature expansion are completely separated, high efficiency close to the ideal cycle can be obtained, and the compression ratio control by bypass in the compressor enables easy and effective engine control.

아울러 본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템은 연속적인 정상상태(steady state)로 운전되기 때문에 구성부품 내 주기적인 온도 압력변화가 거의 없어 구성부품의 재질 선택과 제작에 있어서의 제약요인도 상당히 줄일 수 있으며, 저소음, 저진동, 소형, 및 경량화를 달성할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the scroll heat exchange system according to the present invention is operated in a continuous steady state, there is almost no periodic temperature and pressure change in the component, thereby significantly reducing the constraints on the material selection and fabrication of the component. And, there is an effect that can achieve low noise, low vibration, small size, and light weight.

Claims (10)

외부에 방열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축할 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 압축기;A sealed housing having a heat dissipation surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, a fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center to the outer circumference; A scroll compressor including a swinging scroll which has a predetermined turning radius to continuously compress the working fluid introduced into the housing helically from the center in a spiral form in engagement with the fixed scroll; 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 팽창기;A sealed housing having a heating surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, a fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center to the outer circumference; A scroll expander including a swing scroll which pivots from a central portion and extends to an outer circumference thereof and engages with the fixed scroll and has a predetermined swing radius to continuously expand the working fluid introduced into the housing; 상기 압축기와 팽창기의 선회 스크롤 각각에 연결되어 이를 구동시키는 구동부;A driving unit connected to each of the turning scrolls of the compressor and the expander to drive the same; 상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 1 연결부;A first connection part connecting the fluid fluid inlets formed in the outer circumference of each of the scroll compressor and the scroll expander; 상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 2 연결부;A second connection portion connecting the working fluid inlets formed in the centers of the scroll compressor and the scroll expander to each other; 상기 제 1 연결부와 제 2 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 재생기; 및A regenerator for allowing heat exchange between working fluids while penetrating the inside of the first and second connecting portions so as to be adjacent to each other; And 상기 스크롤 압축기에서 압축되어 상기 스크롤 압축기 중심부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 2 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고, 상기 스크롤 팽창기에서 팽창되어 상기 스크롤 팽창기 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 1 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하는 작동유체Compressed by the scroll compressor and discharged through the outlet of the scroll compressor center, and then flows through the second connection portion and flows through the regenerator through the scroll expander center inlet, is expanded in the scroll expander to the outer peripheral portion of the scroll expander A working fluid circulated by being discharged through an outlet and then flowing through the regenerator and through the inlet of the outer portion of the scroll compressor while moving through the first connection part. 를 포함하는 스크롤형 열 교환 시스템.Scroll type heat exchange system comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스크롤 압축기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 압축될 때 발생하는 열을 방출시킬 수 있는 냉각부와, 상기 스크롤 팽창기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 팽창될 때 열을 공급할 수 있는 가열부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.A cooling unit which is formed around a housing outer side of the scroll compressor to release heat generated when the working fluid is compressed, and a heating unit which is formed around the housing outer side of the scroll expander to supply heat when the working fluid is expanded A scroll heat exchange system further comprising a portion. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 재생기를 거쳐 상기 스크롤 압축기로 유입되는 작동유체를 냉각시킬 수 있도록 상기 스크롤 압축기 외주부의 작동유체 입구에 형성되는 냉각기와, 상기 재생기를 거쳐 상기 스크롤 팽창기로 유입되는 작동유체를 가열시킬 수 있도록 상기스크롤 팽창기 중심부의 작동유체 입구에 형성되는 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.The cooler is formed at the working fluid inlet of the outer peripheral portion of the scroll compressor to cool the working fluid flowing into the scroll compressor through the regenerator, and the scroll to heat the working fluid flowing into the scroll expander through the regenerator. And a heater formed at the inlet of the working fluid at the center of the expander. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스크롤 압축기와 상기 스크롤 팽창기의 선회 스크롤은 각각 두 개의 구동축에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.And the orbiting scrolls of the scroll compressor and the scroll expander are each connected to two drive shafts and driven. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 스크롤 압축기의 선회 스크롤에 연결되는 구동축과 상기 스크롤 팽창기의 선회 스크롤에 연결되는 구동축은 서로 180°의 위상차를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.And a drive shaft connected to the swing scroll of the scroll compressor and a drive shaft connected to the swing scroll of the scroll expander have a phase difference of 180 ° with each other. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스크롤 압축기의 하우징과 상기 스크롤 팽창기의 하우징 외부면에 형성되어 열 흡수 또는 열 방출이 더 용이하게 이루어지도록 다수개의 전열핀(傳熱 pin)을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.And a plurality of heat transfer fins formed on the housing of the scroll compressor and the outer surface of the housing of the scroll expander to facilitate heat absorption or heat dissipation. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 하우징의 중심부로부터 소정 거리만큼 떨어진 중간 압축부와 중심부의 작동유체 출입구에 연결되는 연결부 사이에 연통되도록 형성되는바이패스관(bypass管)과, 상기 바이패스관에 설치되는 조절밸브를 더욱 포함하여, 상기 조절밸브에 의해 바이패스량을 조절함으로써 압축용량을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.And a bypass pipe formed to communicate between the intermediate compression part separated by a predetermined distance from the center of the housing and a connection part connected to the working fluid entrance and exit of the center, and a control valve installed on the bypass pipe. And a compression capacity can be changed by adjusting the bypass amount by the control valve. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스크롤 팽창기에 상기 스크롤 압축기보다 더 높은 온도의 열이 공급되고 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부로부터 동력이 출력되어, 엔진 기능을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.The scroll expander is supplied with heat at a higher temperature than the scroll compressor, and power is output from a drive unit connected to the scroll expander and the scroll compressor to function as an engine. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부에 동력이 입력되고 상기 스크롤 팽창기에서 상기 스크롤 압축기보다 더 낮은 온도의 열이 흡수되어, 냉동기 기능을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.And power is supplied to a drive unit connected to the scroll expander and the scroll compressor, and the scroll expander absorbs heat at a lower temperature than the scroll compressor, thereby functioning as a freezer. 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 제 1 스크롤 팽창기;A sealed housing having a heating surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, a fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center to the outer circumference; A first scroll expander comprising a pivoting scroll which has a predetermined pivot radius to continuously expand the working fluid introduced into the housing helically from the central portion in a spiral form from a central portion in engagement with the fixed scroll; 외부에 방열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축할 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 압축기;A sealed housing having a heat dissipation surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, a fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center to the outer circumference; A scroll compressor including a swinging scroll which has a predetermined turning radius to continuously compress the working fluid introduced into the housing helically from the center in a spiral form in engagement with the fixed scroll; 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 제 2 스크롤 팽창기;A sealed housing having a heating surface on the outside and at least one working fluid entrance to each of the center and the outer circumference, a fixed scroll fixed to the inside of the housing and spiraling from the center to the outer circumference; A second scroll expander including a swing scroll having a predetermined swing radius to continuously expand the working fluid introduced into the housing in a spiral form from a central portion in a spiral form with a fixed scroll; 상기 압축기와 팽창기의 선회 스크롤 각각에 연결되어 이를 구동시키는 구동부;A driving unit connected to each of the turning scrolls of the compressor and the expander to drive the same; 상기 스크롤 압축기와 제 1 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 1 연결부;A first connection part connecting the hydraulic fluid inlet and the outer circumference of each of the scroll compressor and the first scroll expander; 상기 스크롤 압축기와 제 1 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 2 연결부;A second connection part connecting the working fluid entrance and exit formed in the center of each of the scroll compressor and the first scroll expander; 상기 제 1 연결부와 제 2 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 제 1 재생기;A first regenerator for allowing heat exchange between working fluids while passing through the first and second connecting portions so as to be adjacent to each other; 상기 스크롤 압축기와 제 2 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 3 연결부;A third connection part connecting the fluid fluid inlets formed in the outer circumference of each of the scroll compressor and the second scroll expander; 상기 스크롤 압축기와 제 2 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 4 연결부;A fourth connection part connecting the fluid fluid inlets formed in the centers of the scroll compressor and the second scroll expander to each other; 상기 제 3 연결부와 제 4 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 제 2 재생기; 및A second regenerator for allowing heat exchange between working fluids while passing through the third connection portion and the fourth connection portion so as to be adjacent to each other; And 상기 스크롤 압축기에서 압축되어 상기 스크롤 압축기 중심부의 출구를 통해 토출된 다음, 일부는 상기 제 2 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 1 재생기를 지나 상기 제 1 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 1 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 1 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입되며, 나머지 일부는 상기 제 4 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 2 재생기를 지나 상기 제 2 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 3 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 2 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하는 작동유체Compressed in the scroll compressor and discharged through the outlet of the scroll compressor center, and then a portion is passed through the first regenerator, through the first scroll inflator center inlet and expanded while moving through the second connection portion, the outlet of the outer peripheral portion Is discharged through the first regenerator while passing through the first regenerator and through the scroll compressor outer periphery inlet, and the other part is moved through the fourth receptacle while passing through the second regenerator and the second scroll. Working fluid circulated by flowing through the inlet of the expander, inflated and discharged through the outlet of the outer peripheral portion, and then flowing through the scroll compressor outer peripheral portion through the second regenerator while moving through the third connecting portion. 를 포함하는 스크롤형 열 교환 시스템.Scroll type heat exchange system comprising a.
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