KR100482012B1

KR100482012B1 - Stirling cooler

Info

Publication number: KR100482012B1
Application number: KR10-2003-0011220A
Authority: KR
Inventors: 위훈; 주재만; 강정훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-02-22
Filing date: 2003-02-22
Publication date: 2005-04-14
Also published as: KR20040075636A

Abstract

본 발명은 스털링 사이클(stirling cycle)을 활용하여 광범위하면서도 효율적인 저온환경을 구현할 수 있도록 한 스털링 냉각기(stirling cooler)에 관한 것이다. The present invention relates to a stirling cooler that can realize a wide range of efficient low temperature environment by utilizing a stirling cycle.

본 발명에 따르면, 저온부와 고온부 사이에서 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)와; 상기 디스플레이서에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유도하는 작동부재를 포함하는 스털링 냉각기에 있어서, 상기 작동부재는 구동수단(60)에 의해 전·후진 작동되는 다이어프램(diaphram)(50)인 것에 그 특징이 있다. 이에 따라, 스털링 냉각기의 마찰손실 및 마멸로 인한 성능저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라 기존에 비해 냉각 효율성을 증가시킬 수 있다.According to the present invention, there is provided a displacer which reciprocates between a low temperature portion and a high temperature portion; In the Stirling cooler comprising an operating member for inducing compression and expansion of the working fluid corresponding to the displacer, the operating member is a diaphragm (50) which is operated forward and backward by the drive means (60) It has its features. Accordingly, performance degradation due to friction loss and abrasion of the Stirling cooler can be prevented as well as the cooling efficiency can be increased compared to the conventional.

Description

Sterling chiller {STIRLING COOLER}

본 발명은 스털링 냉각기(srirling cooler)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스털링 사이클(stirling cycle)을 활용하여 광범위하면서도 효율적인 저온환경을 구현할 수 있도록 한 스털링 냉각기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sterling cooler, and more particularly, to a sterling cooler capable of realizing a wide range of efficient low temperature environments by utilizing a stirling cycle.

일반적으로, 스털링 냉각기는 이상기체의 압축 또는 팽창시 기체에서 주위로 열을 방출·흡수하는 열역학적 성질을 이용하여 저온부(팽창공간)에서 고온부(압축공간)로 열을 펌핑하는 기기로서, 그 구조에 따라 스플릿 타입(Split Type), 피스톤(Piston Type) 등으로 구분된다. In general, a Stirling cooler is a device that pumps heat from a low temperature part (expansion space) to a high temperature part (compression space) by using a thermodynamic property of releasing and absorbing heat from a gas to the surroundings when an ideal gas is compressed or expanded. Therefore, it is divided into split type and piston type.

이러한 스털링 냉각기는 종래의 스털링 냉각기에 비해 상대적으로 사용온도가 광범위할 뿐 아니라 성적계수 및 에너지 효율이 높아 여러 산업분야의 냉열기기에 적용되고 있다.Such sterling coolers have a wider use temperature than conventional sterling coolers, and have high grade coefficients and energy efficiency, and thus are being applied to cooling devices in various industrial fields.

종래의 스털링 냉각기는 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더하우징(1) 내부의 저온부(팽창공간)(2)와 고온부(압축공간)(3) 사이의 경계가 되어 왕복운동하는 디스플레이서(4)와; 저온부(팽창공간)(2) 및 고온부(압축공간)(3) 사이에서 작동유체의 통로가 되며, 작동유체의 열을 일시적으로 저장 및 회생하는 재생기(5)와; 작동유체의 압축과 팽창을 유발하는 피스톤(6) 및 실린더(7)와; 피스톤(6)을 의도한 가진력과 작동변위로 가진하는 구동수단(8)과; 고압의 작동유체를 밀봉하는 케이스(9)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the conventional Stirling cooler is a boundary between the low temperature part (expansion space) 2 and the high temperature part (compression space) 3 inside the cylinder housing 1, and the displacer 4 reciprocates. Wow; A regenerator 5 serving as a passage of the working fluid between the low temperature part (expansion space) 2 and the high temperature part (compression space) 3, and temporarily storing and regenerating the heat of the working fluid; A piston 6 and a cylinder 7 causing compression and expansion of the working fluid; Drive means (8) for bringing the piston (6) into the intended excitation force and operating displacement; And a case 9 for sealing the high-pressure working fluid.

그러나 상기와 같은 구조의 스털링 냉각기는 실린더(7) 내부에서 왕복운동하는 피스톤(6)을 통하여 작동유체의 압축을 유발함으로 인해, 실린더(7) 및 피스톤(6)의 접촉부위에서 발생하는 마찰에 의해 진동, 소음 등과 같은 마찰손실이 발생될 뿐 아니라 장기간 작동시에는 마멸 등에 의하여 성능이 저하될 수 있다.However, the Stirling cooler of the above structure causes the compression of the working fluid through the piston 6 reciprocating inside the cylinder 7, and is caused by friction generated at the contact portion of the cylinder 7 and the piston 6. Not only friction loss such as vibration and noise are generated, but performance may be degraded due to abrasion and the like in a long time operation.

또한, 일정한 체적변화에 대하여 피스톤의 보어(직경) 및 스트로크(작동변위)에 대한 설계상의 제한이 있으므로 이를 구동하기 위한 구동부에도 요구구동변위가 일정치 이상이 되어야 하는 등의 제한 조건이 발생한다. 이러한 경우, 스털링 냉각기에 사용 가능한 구동수단에도 제한을 받을 수 있다.In addition, since there is a design limitation on the bore (diameter) and the stroke (operational displacement) of the piston with respect to a constant volume change, a restriction condition such that the required driving displacement must be greater than or equal to a certain value also occurs in the drive unit for driving it. In this case, the driving means usable with the Stirling cooler may also be restricted.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 다이어프램을 작동수단으로 채택함으로써 성능개선은 물론이고 소형화·경량화를 구현할 수 있는 스털링 냉각기를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a sterling cooler that can realize miniaturization and weight reduction as well as performance improvement by adopting a diaphragm as an operation means.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 저온부와 고온부 사이에서 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)와; 상기 디스플레이서에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유발하는 작동부재를 포함하는 스털링 냉각기에 있어서, 상기 작동부재는 구동수단에 의해 전·후진 작동되는 다이어프램(diaphram)인 것을 그 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a displacer (reciplacer) reciprocating between the low temperature portion and the high temperature portion; In the Stirling cooler comprising an operating member for causing the compression and expansion of the working fluid corresponding to the displacer, the operating member is characterized in that the diaphragm (forward and backward operation) by the drive means.

상기 다이어프램은 대칭형으로 복수개 설치되며, 상기 구동수단은 압전장치를 사용하는 것이 바람직하다.The diaphragm is provided in plural in a symmetrical manner, and the driving means preferably uses a piezoelectric device.

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

도 2는 본 발명에 따른 스털링 냉각기를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3의 (a),(b),(c),(d)는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 작동상태를 도시한 단면도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a Stirling cooler according to the present invention, Figure 3 (a), (b), (c), (d) is a cross-sectional view showing the operating state of the Stirling cooler according to the present invention. to be.

도면에 도시된 바와 같이, 스털링 냉각기는 실린더하우징(20) 내부의 저온부(팽창공간)(22)와 고온부(압축공간)(24) 사이의 경계가 되어 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)(30)와; 저온부(팽창공간)(22)와 고온부(압축공간)(24) 사이에서 작동유체의 통로가 되며, 작동유체의 열을 일시적으로 저장 및 회생하는 재생기(regenerator)(40)와; 디스플레이서(30)에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유발하는 다이어프램(diaphram)(50)과; 다이어프램(50)과 연결 설치되어, 다이어프램(50)을 의도한 가진력과 작동변위로 가진하는 구동수단(60)과; 고압의 작동유체를 밀봉하는 케이스(70)를 포함하여 구성된다.As shown in the figure, the Stirling cooler becomes a boundary between the low temperature part (expansion space) 22 and the high temperature part (compression space) 24 inside the cylinder housing 20 and reciprocates the displacer 30. Wow; A regenerator 40 serving as a passage of the working fluid between the low temperature part (expansion space) 22 and the high temperature part (compression space) 24, and temporarily storing and regenerating the heat of the working fluid; A diaphragm 50 which causes compression and expansion of the working fluid in response to the displacer 30; A driving means (60) connected to the diaphragm (50) and configured to bring the diaphragm (50) to an intended excitation force and an operating displacement; It comprises a case 70 for sealing the high-pressure working fluid.

디스플레이서(30)는 저온부(팽창공간)(22)와 고온부(압축공간)(24) 사이를 이동하며 두 공간을 구분함과 동시에 상호 열교환이 발생되지 않도록 단열시키는 역할을 수행한다.The displacer 30 moves between the low temperature part (expansion space) 22 and the high temperature part (compression space) 24 and separates the two spaces and serves to insulate each other so that mutual heat exchange does not occur.

재생기(40)는 작동유체가 고온부(압축공간)(24)에서 저온부(팽창공간)(22)로 이동할 때에는 작동유체로부터 열을 수취하여 비축하여 두고, 작동유체가 저온부(팽창공간)(22)에서 고온부(압축공간)(24)로 되돌아올 때에는 이 열을 작동유체에 부여하는 축열작용을 한다.The regenerator 40 receives and stores heat from the working fluid when the working fluid moves from the high temperature part (compression space) 24 to the low temperature part (expansion space) 22, and stores the working fluid in the low temperature part (expansion space) 22. When returning to the high temperature section (compression space) 24 at the heat storage action to give this heat to the working fluid.

저온부(팽창공간)(22)는 디스플레이서(30)와 실린더하우징(20) 끝 부분의 벽 사이 공간이며, 이 공간의 주위에서 열을 흡수한다. The low temperature part (expansion space) 22 is a space between the wall of the displacer 30 and the end of the cylinder housing 20, and absorbs heat around the space.

고온부(압축공간)(24)는 디스플레이서(30)와 다이어프램(50) 사이의 공간이며, 이 공간의 주위에서 열이 방출된다.The high temperature portion (compression space) 24 is a space between the displacer 30 and the diaphragm 50, and heat is released around the space.

구동수단(60)은 모터장치, 크랭크장치 및 기타 압전장치 등을 비롯한 전기에너지를 기계에너지로 변환할 수 있는 여러 종류의 것을 선택적으로 적용할 수 있다.The driving means 60 may selectively apply various kinds of electric energy, including a motor device, a crank device, and other piezoelectric devices, which can be converted into mechanical energy.

그리고 디스플레이서(30)와 다이어프램(50)의 운동은 90도 정도의 위상 차이를 가지는 것이 바람직하다.And the movement of the displacer 30 and the diaphragm 50 preferably has a phase difference of about 90 degrees.

한편, 미설명 도면부호 80은 디스플레이서(30)를 지지하는 공진스프링을 도시한 것이며, 본 발명의 기술적 요지를 제외한 스털링 냉각기의 기술적 부분은 이미 공지된 기술이므로 그 구체적 설명은 생략하기로 한다.On the other hand, reference numeral 80 denotes a resonant spring for supporting the displacer 30, and the technical part of the Stirling cooler except for the technical gist of the present invention is already known, so the detailed description thereof will be omitted.

이상에서 설명한 스털링 냉각기의 작동원리를 도 3에 도시된 바와 같이 4단계로 구분하여 간단히 살펴보면 하기와 같다.The operation principle of the sterling cooler described above is briefly divided into four steps as shown in FIG. 3.

1. 등온압축과정(a)1. Isothermal compression process (a)

디스플레이서(30)가 저온부(팽창공간)(22)로 이동하여 일정 체적의 고온부(압축공간)(24)를 형성한 상태에서 다이어프램(50)의 전진에 의한 작동유체의 압축이 이루어지고, 그와 동시에 고온부(압축공간)(24) 주위의 실린더하우징(20) 벽으로 열을 방출한다.When the displacer 30 moves to the low temperature portion (expansion space) 22 to form a volume of the high temperature portion (compression space) 24, the working fluid is compressed by the advancement of the diaphragm 50. At the same time, heat is released to the wall of the cylinder housing 20 around the hot portion (compression space) 24.

2. 등적재생과정(b)2. Volumetric regeneration process (b)

압축된 고온의 작동유체가 재생기(40)를 통과하여 저온부(팽창공간)(22)로 이동하며, 이 과정에서 작동유체가 가진 열을 재생기(40)에 일시 저장하여 저온으로 냉각한다. 저온부(팽창공간)(22)로 이동한 작동유체에 의하여 디스플레이서(30)는 고온부(압축공간)(24)로 이동하여 일정 체적의 저온부(팽창공간)(22)가 형성된다.The compressed high temperature working fluid passes through the regenerator 40 and moves to the low temperature part (expansion space) 22. In this process, the heat of the working fluid is temporarily stored in the regenerator 40 and cooled to a low temperature. The displacer 30 moves to the high temperature portion (compression space) 24 by the working fluid moved to the low temperature portion (expansion space) 22 to form a predetermined volume of the low temperature portion (expansion space) 22.

3. 등온팽창과정(c)3. Isothermal Expansion Process (c)

다이어프램(50)의 후진에 의해 작동유체의 팽창이 저온부(팽창공간)(22)에서 이루어지며, 작동유체가 팽창하며 저온부(팽창공간)(22) 주위의 실린더하우징(20) 벽으로부터 열을 흡수한다.The expansion of the working fluid takes place in the low temperature part (expansion space) 22 by the reverse of the diaphragm 50, the working fluid expands and absorbs heat from the wall of the cylinder housing 20 around the low temperature part (expansion space) 22. do.

4. 등적재생과정(d)4. Volumetric regeneration process (d)

저온부(팽창공간)(22)에서 팽창한 저온의 기체가 다시 재생기(40)를 통과하여 고온부(압축공간)(24)로 이동함으로써 디스플레이서(30)를 다시 저온부(팽창공간)(22)로 밀어낸다. 이 과정에서 작동유체는 등적재생과정(b)에서 재생기(40)에 저장하여 두었던 열을 재흡수하여 고온으로 가열된다.The gas of low temperature expanded in the low temperature part (expansion space) 22 passes again through the regenerator 40 and moves to the high temperature part (compression space) 24 to move the displacer 30 back to the low temperature part (expansion space) 22. Push out. In this process, the working fluid is reabsorbed the heat that was stored in the regenerator 40 in the process of equal recovery (b) is heated to a high temperature.

한편, 도면부호 60은 다이어프램(50)을 전·후진시키는 구동수단을 도시한 것이다.On the other hand, reference numeral 60 shows a driving means for moving the diaphragm 50 forward and backward.

도 4는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 다른 실시예를 도시한 구성도이다.Figure 4 is a block diagram showing another embodiment of the Stirling cooler according to the present invention.

도면에 도시된 바와 같이, 구동수단(60)에 의해 작동되는 다이어프램(50)이 대칭형으로 복수개 설치되어 체적변화를 분산시킴으로써 각 다이어프램(50)을 구동하기 위한 구동수단(60)의 작동변위를 상대적으로 줄일 수 있다. 그로 인해, 작동변위가 작은 소형의 압전장치 등을 사용할 수 있다는 장점이 있다.As shown in the figure, a plurality of diaphragms 50 actuated by the drive means 60 are symmetrically arranged to disperse the volume change so that the operation displacement of the drive means 60 for driving each diaphragm 50 is relatively relative. Can be reduced. Therefore, there is an advantage in that a small piezoelectric device having a small operating displacement can be used.

다이어프램(50)은 그 수가 많을수록 체적변화의 분산은 커지나, 여러 조건을 감안한다면 대칭형으로 2개 설치하는 것이 바람직하다.As the number of diaphragms 50 increases, the dispersion of volume change increases, but considering two conditions, it is preferable to provide two diaphragms 50 symmetrically.

한편, 다이어프램의 배치구조 외에는 도 2 내지 도 3에서 설명한 스털링 냉각기와 그 구조 및 기능이 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.On the other hand, except for the arrangement structure of the diaphragm, the structure and function of the Stirling cooler described in FIGS.

이상에서 설명한 다이어프램이 적용된 스털링 냉각기는 일 실시예에 불과한 것이며, 압축 및 팽창을 유발하는 작동부재가 요구되는 스플릿(split) 냉각기 등에 다양하게 적용 가능하다.The sterling cooler to which the diaphragm described above is only one embodiment, and can be variously applied to a split cooler that requires an operation member that causes compression and expansion.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 피스톤을 사용하는 스털링 냉각기의 마찰손실 및 마멸로 인한 성능저하를 방지하고, 피스톤에 해당하는 작동부재를 저관성의 다이어프램으로 대체하여 스털링 냉각기의 효율성을 증가시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to prevent performance deterioration due to friction loss and abrasion of the Stirling cooler using the piston, and to increase the efficiency of the Stirling cooler by replacing the operation member corresponding to the piston with a low inertia diaphragm. Can be.

또한, 피스톤 실린더 부품의 제거로 스털링 냉각기의 소형화 설계가 가능할 뿐 아니라 작은 작동변위에서도 작동 가능하여 구동수단에 대한 활용성이 높아진다.In addition, the miniaturized design of the Stirling cooler can be achieved by the removal of the piston cylinder parts, and can be operated at a small operating displacement, thereby increasing the utility of the driving means.

도 1은 종래의 스털링 냉각기를 개략적으로 도시한 구성도이고,1 is a configuration diagram schematically showing a conventional Stirling cooler,

도 2는 본 발명에 따른 스털링 냉각기를 개략적으로 도시한 구성도이고,Figure 2 is a schematic diagram showing a Stirling cooler according to the present invention,

도 3의 (a),(b),(c),(d)는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 작동상태를 도시한 부분단면도이고,Figure 3 (a), (b), (c), (d) is a partial cross-sectional view showing the operating state of the Stirling cooler according to the present invention,

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

20 : 실린더하우징 22 : 저온부 20: cylinder housing 22: low temperature part

24 : 고온부 30 : 디스플레이서 24: high temperature part 30: displacer

40 : 재생기 50 : 다이어프램 40: player 50: diaphragm

60 : 구동수단 70 : 케이스 60: driving means 70: case

80 : 공진스프링 80: resonant spring

Claims

Cylinder housing; A displacer reciprocating between the low temperature part and the high temperature part inside the cylinder housing; In the Stirling cooler comprising an operating member for causing the compression and expansion of the working fluid corresponding to the displacer,

The operating member is connected to the cylinder housing, the sterling cooler, characterized in that the diaphragm (diaphram) is driven forward and backward by the drive of the drive means to cause the compression and expansion of the working fluid.

The method of claim 1,

Stirling cooler, characterized in that a plurality of diaphragms are installed symmetrically.

delete

The method of claim 2,

Stirling cooler, characterized in that the drive means is a piezoelectric drive.