KR100472636B1

KR100472636B1 - 스털링사이클계 열교환기

Info

Publication number: KR100472636B1
Application number: KR10-2002-0076080A
Authority: KR
Inventors: 주명자
Original assignee: 주명자
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2005-03-09
Also published as: KR20040048277A

Abstract

본 발명은 스털링사이클계의 열교환기 구조에 관한 것으로, 종래의 스털링사이클계의 열 교환수단은 고온공간부와 저온공간부의 내부 및 외부에, 별도 제작된 열교환기핀을 솔더링 또는 접착제로 부착시킨 열교환기를 결합시킴으로써 조립작업의 공수가 많게 되고, 열교환 효율이 저하되는 등의 문제점이 있었던 바. 본 발명에 따른 스털링사이클계의 열교환기 구조는, 원통형의 열교환기프레임의 외주면에 열교환기 핀이 방사상으로 형성된 열교환기a와 원통형의 열교환기프레임의 내주면에 열교한기 핀이 방사상으로 형성된 열교환기b로 각각 구분되어 성형되고, 이의 열교환기 핀의 간격이 조밀하게 구성되게 열교환기a와 열교환기b를 서로 결합시켜 형성된 열교환기를 압축공간부의 내,외부 및 팽창공간부의 내,외부에 설치됨으로서 열교환효율을 향상시키게 되고, 열교환기의 작업공수를 크게 단축할 수 있게 된다.

Description

스털링사이클계 열교환기{STIRLING CYCLE HEAT MACHINERY}

본 발명은 스털링사이클계의 열교환기 구조에 관한 것으로, 본 발명의 열교환기는 열교환기 핀이 외주면에 형성된 원통형의 열교환기a와 열교환기 핀이 내주면에 형성된 원통형의 열교환기b로 각각 구분되어 형성된 것을, 열교환기 핀이 조밀하게 구성되게 서로 결합시켜 형성된 열교환기의 구조에 관한 것이다.

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

종래 스털링 냉동기는 도 1a에 도시한 바와 같이 수소가스 또는 헬륨 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 스털링기기는 피스톤(6)과 결합된 가동자(2a)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)이 실린더(7)내부에서 왕복운동을 하게 되고, 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 내부열 교환기(9a)와 고온 외부열교환기(9c)를 통해 열교환 된다. 그리고 팽창공간(8b)의 작동유체는 저온공간부(3b)를 지나 재생기(3)에 열이 흡수되고,흡수된 열은 저온 내부열교환기(9b)와 저온 외부열교환기(9d)를 통해 열매체(미도시)로 열전달 된다.

상기 저온 외부열교환기(9d) 및 고온 외부열교환기(9c)는 저온 내부열교환기(9b)와 고온 내부열교환기(9a)가 결합된 케이스(1)의 외주면에 설치되고, 얇은 금속판재가 케이스(1)의 외주면에 소정회 반복하여 번갈아 겹쳐 주름관이 설치되어 구성된다. 이때 주름관은 작동유체가 원활하게 유동되도록 소정의 공간이 형성되게 구성되어 있다. 또한 상기와 같이 번갈아 겹쳐서 형성된 저온 외부열교환기(9d)및 고온 외부열교환기(9c)는 케이스(1)의 외주면에 브레이징 또는 접착제를 사용해 고정하게 된다.

그러나 종래 스털링기기의 열교환기 구조에서는 얇은 금속판재가 절곡되어 주름관으로 형성된 저온 외부열교환기(9d)와 고온 외부열교환기(9c)가 케이스(1)의 외주면에 브레이징 또는 접착 등의 방법으로 결합되어 있기 때문에 작업공수가 많아 생산성이 저하되고, 이들의 결합부위에서 열전달 효율이 떨어지는 등의 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 스털링사이클계 열교환기의 제작공정을 단순화 함으로서 열교환기의 생산성을 향상시키고, 열교환기a와 열교환기b를 서로 결합시켜 열교환기를 형성시킴으로서 열교환기 핀이 조밀하게 구성되어 열교환효율이 향상된 스털링사이클계의 열교환기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 작동유체가 충진되는 케이스, 상기 케이스 내부에 피스톤실린더가 마련된 블럭, 상기 블럭에 피스톤공진스프링(미도시)과 연결되어 왕복운동하는 리니어모터, 상기 블럭의 피스톤실린더 내부에 설치되고 리니어모터의 가동자와 연결되어 직선 왕복운동 되는 피스톤, 압축공간과 팽창공간으로 구획되도록 피스톤실린더와 동일한 축선상에 일정간격 이격되게 설치된 디스플레이서실린더, 피스톤의 왕복운동에 따라 디스플레이서 내부에서 디스플레이서공진스프링과 연결되어 피스톤과 소정의 위상차를 가지고 왕복운전 되는 디스플레이서, 상기 디스플레이서실린더의 외주면에 설치되어 압축공간과 팽창공간을 연통시키고 열에너지를 흡수 및 재생하는 재생기, 상기 팽창공간에 형성된 저온 열교환기프레임의 내주면에 설치되어 저온공간부의 열에너지를 열교환시키는 저온 내부열교환기, 상기 저온 열교환기프레임의 외주면에 설치되어 열교환 매체와 열교환되는 저온 외부열교환기, 상기 압축공간에 형성된 고온 열교환기프레임의 내주면에 설치되어 고온공간부의 열에너지를 열교환시키는 고온 내부열교환기, 상기 고온 열교환기프레임의 외주면에 설치되어 열교환매체와 열교환되는 외부열교환기 등을 구비한 스털링기기에 있어서,

상기 팽창공간에 마련된 저온 열교환기프레임의 내주면 및 외주면에 설치되는 저온 내,외부열교환기와, 상기 압축공간에 마련된 고온 열교환기프레임의 내주면 및 외주면에 설치되는 고온 내,외부열교환기의 제작공정을 단순화 하여 생산성을 향상시키고, 열교환효율을 향상시키기 위해 열교환기 핀이 외주면에 형성된 열교환기a와 열교환기 핀이 내주면에 형성된 열교환기b를 서로 결합시켜 열교환기를 구성시킨 것을 특징으로 한다.

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

도 2는 본 발명에 따른 스털링기기의 전적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3a와 3b는 본 발명에 따른 열교환기a와 열교환기b의 구조를 도시한 단면도이고, 도 3c는 본 발명에 따른 열교환기a와 열교환기b를 결합시켜 형성된 열교환기 구조를 도시한 단면도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열교환기 구조를 도시한 단면도이다.

본 발명의 스털링사이클계 스터링기기는 도 2에 도시된 바와 같이 작동유체가 충진되도록 내부공간이 마련된 케이스(17) 내부에 피스톤실린더(42a)가 마련된 블럭(42)이 설치되고, 상기 블럭(42)에 리니어모터(60)가 설치되며, 계속해서 상기 블럭(42)에 마련된 피스톤실린더(42a)에는 리니어모터(60)의 가동자(60a)와 피스톤공진스프링(미도시)과 연결된 피스톤(40)이 설치되어 왕복운동을 하게 된다.

열전도가 낮은 플라스틱으로 구성된 디스플레이서실린더(31)는 피스톤실린더(42)와 소정의 간격을 두고 양단부가 개방되게 직열로 설치되고, 상기 디스플레이서실린더(31) 내부에는 디스플레이서(30)가 설치되고, 상기 디스플레이서(30)는 디스플레이서로드(30a)와 디스플레이서공진스프링(70)과 연결되어 피스톤(40)에 의해 압축공간(22)의 체적이 가변됨에 따라 디스플레이서(30)가 피스톤(40)과 소정의 위상차를 가지며 디스플레이서실린더(31)내부에서 왕복운동을 하게 된다.

그리고, 피스톤(40)과 디스플레이서(30) 사이에 압축공간(22)이 형성되고, 디스플레이서(30)와 헤드(11)사이에 팽창공간(21)이 형성되며, 리니어모터(60)가 설치된 케이스(17) 내부에 충진공간(23)이 형성된다.

또한, 디스플레이서실린더(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 재생시키는 스털링사이클을 구성하게 된다.

상기 팽창공간(21)에 마련된 원통형의 저온 열교환기프레임(10)의 내주면 및 외주면에 설치되는 저온 내부열교환기(12) 및 저온 외부열교환기(13)와 상기 압축공간(22)에 마련된 원통형의 고온 열교환기프레임(15)의 내주면 및 외주면에 설치되는 고온 내부열교환기(16)및 고온 외부열교환기(14)에 적용되는 열교환기(100)는, 열교환기 핀(101b)이 외주면에 형성된 열교환기a(101)와 열교환기 핀(102b)이 내주면에 형성된 열교환기b(102)로 각각 구분되어 성형된 것을 서로 결합시켜 열교환기 핀의 간격을 조밀하게 구성되게 형성시킨 것이다.

상기 열교환기(100)를 구성하는 열교환기a(101)는 원통형의 열교환기프레임(101a)의 외주면에 다수개의 열교환기 핀(101b)이 방사상으로 열교환기프레임(101a)과 같이 성형되고, 상기 열교환기 핀(101b)의 양쪽측면에 소정의 간격으로 유체가 통과될 수 있는 핀공간(101e)이 마련되게 소정의 두께와 높이를 갖은 보조핀(101c)이 원주방향으로 각각 소정개씩 형성되며, 상기 열교환기프레임(101a)의 외주면에 형성된 열교환기 핀(101b)과 열교환기 핀(101b)사이에 소정의 깊이를 갖은 원호 모양의 결합홈(101d)이 마련되어 성형된다.

상기 열교환기(100)를 구성하는 열교환기b(102)는 원통형의 열교환기프레임(102a)의 내주면에 다수개의 열교환기 핀(102b)이 열교환기프레임(102a)과 같이 성형되고, 상기 열교환기 핀(102b)의 양쪽측면에 소정의 간격으로 소정의 두께와 높이를 갖은 보조핀(102c)이 원주방향으로 각각 소정개씩 형성된다. 또한, 상기 열교환기b(102)의 열교환기핀(102b)의 단부는 상기 열교환기a(101)의 열교환기프레임(101a)에 형성된 결합홈(101d)의 모양과 동일하게 형성되고, 이의 열교환기b(102)의 열교환기프레임(102a) 내주면에 형성된 열교환기 핀(102b) 사이에 소정의 깊이를 갖은 결합홈(102e)과, 별도 조립부재(미도시)와 결합될 수 있는 고정홈(102d)이 소정개소 마련된다.

즉, 상기 열교환기(100)는 열교환기a(101)의 열교환기프레임(101a)의 외주면에 형성된 결합홈(102d)에 열교환기b(102)의 열교환기프레임(102a)에 형성된 열교환기 핀(102b)의 단부가 밀착되게 결합되고, 상기 열교환기a(101)에 형성된 열교환기 핀(101b)의 단부가 상기 열교환기b(102)의 열교환기프레임(102a)의 내주면에 소정 깊게 형성된 결합홈(102e)에 밀착 결합되어 열교환기(100)가 구성된다.

또, 다른 변형 예의 열교환기(200)는 원통형의 열교환기프레임(201a)의 외주면에 열교환기 핀(201b)이 방사상으로 형성되고 이의 좌,우측면에 보조핀(201c)이 형성된 열교환기a(201)와, 원통형의 열교환기프레임(202a)의 내주면에 열교환기 핀(202b)이 방사상으로 형성되고 이의 좌,우측 면에 보조핀(202c)과 단부 좌,우측면에 결합홈(202d)이 형성된 열교환기b(202)가 결합되어 열교환기(200)가 제작되며, 상기 열교환기a(201)의 보조핀(201c)과 열교환기b(202)의 결합홈(202d)이 밀착 결합되어 구성되는 것일 뿐 근본사상은 상기 열교환기(100)와 동일하다.

상기 열교환기(100,200)를 제작하기 위해 사용되는 재료는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 한정되는 것이 아니고 열교환이 가능한 재질이면 다양하게 사용될 수 있다. 또한, 상기 열교환기(100,200)는 상기 팽창공간(21)에 마련된 저온 열교환기프레임(10)의 내주면과 압축공간(22)에 마련된 고온 열교환기프레임(15)의 내주면에만 설치되고, 상기 저온 열교환기프레임(10) 및 고온 열교환기프레임(15)의 외주면에는 별도의 열교환기(미도시)를 형성할 수도 있고, 상기 열교환기a(101)와 열교환기b(102)를 결합하지 않고 여러용도의 열교환기로도 사용될 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명에 따른 스털링사이클계의 열교환기는, 열교환기 핀을 조밀하게 구성시켜 열교환효율을 향상시키기 위해 열교환기 핀이 외주면에 형성된 열교환기a와 열교환기 핀이 내주면에 형성된 열교환기b를 서로 결합시켜 열교환기를 구성함으로서 제작공정을 단순화 하여 생산성을 향상시키고, 열교환효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 열교환기를 구성하는 열교환기a의 열교환기프레임과 열교환기b의 열교환기프레임에 형성된 열교환기 핀의 양쪽측면에 소정의 간격으로 유체가 통과될 수 있는 핀 공간이 마련되게 소정의 두께와 높이를 갖은 보조 핀을 원주방향으로 각각 직접 성형시킴으로써 팽창공간과 압축공간의 열교환효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1a는 종래 스털링기기를 개략적으로 도시한 단면도.

도 1b는 종래 스털링기기의 열교환기 구조를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 스털링기기를 도시한 단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 열교환기a의 구조를 도시한 단면도.

도 3b는 본 발명에 따른 열교환기b의 구조를 도시한 단면도.

도 3c는 본 발명에 따른 열교환기a와 열교환기b를 결합시켜 형성된 열교환기의 구조를 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열교환기의 구조를 도시한 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...저온 열교환기프레임 11...헤드

12...저온 내부열교환기 13...저온 외부열교환기

14...고온 외부열교환기 15...고온 열교환기프레임

16...고온 내부열교환기 17...케이스

21...팽창공간 22...압축공간

23...충진공간 25...재생기

30...디스플레이서 31...디스플레이서실린더

40...피스톤 42...블럭

60...리니어모터

Claims

압축공간 내부의 작동유체를 열교환시키기 위해 압축공간 내부 또는 외부에 설치되는 열교환기와, 팽창공간 내부의 작동유체를 열교환시키기 위해 팽창공간 내부 또는 외부에 설치되는 스털링사이클계의 열교환기에 있어서,

상기 열교환기(100)는 원통형의 열교환기프레임(101a)의 외주면에 소정의 두께를 갖은 다수개의 열교환기 핀(101b)이 성형된 열교환기a(101)와, 원통형의 열교환기프레임(102a)의 내주면에 소정의 두께를 갖은 다수개의 열교환기 핀(102b)이 성형된 열교환기b(102)가 서로 결합되어 제작되는 것을 특징으로 하는 스털링사이클계의 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 열교환기a에 형성된 열교환기 핀의 좌,우측면에 원주방향으로 보조 핀이 성형되고, 상기 열교환기b에 형성된 열교환기 핀의 좌,우측면에 원주방향으로 보조 핀이 성형되는 것을 특징으로 하는 스털링사이클계의 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 열교환기a에 형성된 열교환기 핀의 단부가 열교환기b의 열교환기프레임의 내주면에 밀착 결합되고, 상기 열교환기b에 형성된 열교환기 핀의 단부가 열교환기a의 열교환기프레임의 외주면과 밀착 결합되어 제작되는 것을 특징으로 하는 스털링사이클계의 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 열교환기a와 열교환기b는 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al) 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 스털링사이클계의 열교환기