KR100551663B1

KR100551663B1 - 핀 구조를 지닌 열 교환기를 이용한 스털링 장치

Info

Publication number: KR100551663B1
Application number: KR1019990004164A
Authority: KR
Inventors: 세끼야히로시; 고오모또노부오; 후꾸다에이찌; 이노우에다까시
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1999-02-06
Publication date: 2006-02-13
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: AU739636B2; KR19990072470A; EP0935063A2; CN1231407A; EP0935063A3; AU1548199A; TW426798B; US6161389A; NZ334088A

Abstract

스털링 장치의 저온측 열교환기를 구성하는 정상부 열교환 하우징에, 그 외면과 내면에 냉열 냉매 냉각용의 핀과 작동 가스 유로를 일체로 로스트 왁스 단조에 의해 형성하는 동시에, 고온측 열교환기(방열 열교환기)도 그 내외에 핀과 작동 가스 유로를 마찬가지로 일체로 형성한다. 스털링 장치의 열교환기 구조를 간단하면서도 로스트 왁스 단조에 의해 제조함으로써, 가공성을 개선하여 저가격화하는 동시에, 가공 정밀도를 개선하여 열교환 성능과 신뢰성을 향상한다.

스털링 장치, 핀 구조, 열 교환기, 냉동기, 프레온, 인버터 제어

Description

핀 구조를 지닌 열 교환기를 이용한 스털링 장치 {STIRLING DEVICE USING HEAT EXCHANGER HAVING FIN STRUCTURE}

도1은 종래의 셸 앤드 튜브식 열 교환기의 정면도.

도2는 도1의 열 교환기의 A-A 단면도.

도3은 본 발명에 관한 스털링 냉동기를 설명하는 전체도.

도4는 본 발명에 관한 열 기관용 실린더 블록의 실시예로서 팽창 실린더 블록을 설명하는 도면이며 그 단면도.

도5a, 5b, 5c는 도4의 팽창 실린더 블록의 저온측 열 교환 하우징(상부 열 교환 하우징)을 설명하는 단면도 및 평면도.

도6a, 6b, 6c는 도4의 팽창 실린더 블록의 고온측 열 교환 하우징(환상 열 교환 하우징)을 설명하는 단면도 및 평면도.

도7a, 7b는 본 발명의 실시예인 팽창 실린더 블록의 저온측 열 교환 하우징의 제1 및 제2 변형예를 설명하는 단면도.

도8은 본 발명의 열 교환기에서 이용되는 플레이트 핀 단일 부재의 일예의 평면도.

도9는 도8의 플레이트 핀 및 스페이서의 단면도.

도10은 본 발명의 열 교환기의 플레이트 핀의 단일 부재 및 핀의 다른 예의 단면도.

도11은 본 발명의 열 교환기의 플레이트 핀의 단일 부재 및 스페이서의 다른 예의 단면도.

도12는 본 발명의 열 교환기에 이용되는 오프 셋 스트립 핀을 도시한 도면면.

도13은 도12의 요부 확대도.

도14는 오프 셋 스트립 핀을 장착한 열 교환기의 평면도.

도15는 도14의 요부 확대도.

도16은 도14의 열 교환기의 C-C 단면도.

도17은 도14에서 도시된 열 교환기의 변형예를 도시한 도면.

도18은 도17의 D-D 단면도.

도19는 도18의 요부 확대도.

도20은 본 발명의 열 교환기의 일예인 냉각 헤드내에 오프 셋 스트립 핀을 배치한 구조의 측부 단면도.

도21은 도20의 냉각 헤드를 스털링 냉동기의 저온 실린더에 부착한 상태를 도시한 정면 단면도.

도22는 본 발명의 열 교환기를 이용한 스털링 냉각 시스템의 전체 개념도.

도23은 도22에서 이용되는 스털링 냉각 장치를 도시한 도면.

도24는 도22의 스털링 냉각 시스템의 온도 제어를 도시한 도면.

도25는 본 발명의 열 교환기를 이용한 스털링 냉각 가열 시스템의 전체 개념 도.

도26은 도25의 스털링 냉각 가열 시스템에서 이용되는 스털링 냉각 가열 장치를 도시한 도면.

도27은 도25의 스털링 냉각 가열 시스템의 온도 제어를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 냉동기

2 : 하우징

4 : 모터실

5 : 크랭크실

6 : 모터

10, 11 : 크랭크부

12 : 압축 실린더

13 : 팽창 실린더

16 : 고온실

18 : 크로스 가이드 헤드

22 : 저온실

27 : 방열용 열교환기

28 : 재생기

40 : 냉각 헤드

본 발명은 스털링 사이클 기기(스털링 엔진, 스털링 냉동기 등), 빌미에 사이클 기기, 쿠크 야보로프 사이클 기기 등의 열 기관에 장착되는 열 교환기를 이용한 식품 유통, 환경 시험, 의료, 바이오 산업, 반도체 제조 등의 산업용 또는 가정용 기기 등의 모든 산업 분야의 냉동, 냉각에 사용할 수 있는 스털링 장치에 관한 것이다.

종래부터 스털링 사이클 기기(스털링 기관 엔진, 스털링 냉동기 등), 빌미에 사이클 기기, 쿠크 야보로프 사이클 기기 등의 열 기관이 일본 특허 공개 평7-293334 공보, 특허 공개 평9-151792 공보, 특허 공개 평8-158939 공보 등에 있어서 공지되어 있다.

특히, 최근 지구 환경 문제에 있어서의 프레온 대체의 냉동 장치로서 또는 종래의 냉각 장치보다 사용 온도가 광범위하고, 냉동고, 냉장고, 투입식 쿨러 등의 업무용 또는 가정용 냉열 이용 기기를 비롯해 항온액 순환기, 저온 항온기, 항온조, 히트 쇼크 시험 장치, 동결 건조기, 온도 특성 시험 장치, 혈액·세포 보존 장치, 콜드 쿨러, 그 이외에 각종 냉동·냉각 장치 등의 모든 산업 분야의 냉열 이용 기기에 적용 가능한 소형이고, 게다가 성적 계수가 높고 에너지 효율이 양호해지는 열 기관으로서 스털링 냉동기가 각광을 받고 있다.

그런데, 스털링 냉동기에서는 작동 가스가 압축실(고온실)과 팽창실(저온실) 사이를 유동하고, 이 유로를 따라 배치된 흡열용 열 교환기(저온측 열 교환기) 및 방열용 열 교환기(고온측 열 교환기)에 의해 각각 냉열 냉매 및 방열용 냉매와의 열 교환이 행해진다. 종래의 열 교환기로서는, 예를 들어 셸 앤드 튜브식 열 교환기나 플레이트 핀식 열 교환기 등이 이용되고 있다.

도1 및 도2에 도시된 종래의 셸 앤드 튜브식 열 교환기(122)는 내측 슬리브(123)와 외측 슬리브(124) 사이에 냉각수 등의 열 교환 매체가 흐르는 환상의 유로(125)가 형성되고, 그 유로(125) 내에 헬륨 등 열 기관의 작동 가스가 흐르는 다수개의 튜브(126)가 셸(127)을 거쳐 고정되어 구성된다. 그러나, 셸 앤드 튜브식 열 교환기(122)는 성능면에서는 우수하지만, 제작에 시간이 걸리고 비용이 높다.

스털링 냉동기 등의 스털링 장치에 있어서의 열 교환기는 열 교환 성능 및 신뢰성을 향상시키기 위해, 작동 가스의 흐름이 부분적으로 저해되지 않고 균일하게 흐르는 유로와 두께가 균일한 정밀하게 형성된 핀 등이 요구되고, 그리고 저비용화를 실현하기 위해 열 교환기 자체의 가공성이 우수하고, 게다가 스털링 장치의 전체 구조를 간단하게 하는 구성이 요구된다. 그러나, 상술한 바와 같이 셸 앤드 튜브식 열 교환기는 조립에 시간이 걸리고, 저비용화에서는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 종래의 열 교환기에 비해 전열 성능 등의 성능면에서 우수하고, 게다가 제작이 용이하고 가공성이 우수한, 비용이 저렴한 열 교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명의 다른 목적은 상기 열 교환기를 이용함으로써 프레온을 사용하지 않고, 광범위한 사용 온도에서의 사용이 가능하며, 모든 분야의 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기의 적어도 한 쪽에 착탈 가능하게 접속하여 이용할 수 있고, 범용성 및 소형성이 있고, 발생하는 냉열 및 온열의 양 쪽을 동시에 사용 가능하여 에너지의 유효한 이용을 꾀할 수 있는 스털링 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상술한 목적을 달성하기 위해 저온측 열 교환기와 고온측 열 교환기를 구비하고, 작동 가스와 열 교환 냉매의 열 교환에 의해 냉각 및/또는 가열 동작을 행하는 열 교환기를 이용한 스털링 장치에 있어서, 상기 저온측 열 교환기는 상기 스털링 장치의 피스톤 또는 디스플레이서가 미끄럼 이동하는 내측 실린더를 그 내부에 배치하고, 상부 벽 및 측벽을 구비한 원통 형상의 상부 열 교환 하우징으로 이루어지고, 상기 고온측 열 교환기는 상기 내측 실린더의 외측에 배치된 원통 형상의 환상 열 교환 하우징과 그 내측에 삽입 고정된 열 교환기 본체로 이루어지고, 상기 저온측 열 교환기의 상기 상부 열 교환 하우징과 상기 고온측 열 교환기의 상기 열 교환기 본체의 적어도 한 쪽 내주면에는 상기 내측 실린더의 외주면과 함께 작동 가스용 유로를 형성하는 핀이 형성되어 있고, 그리고 상기 상부 열 교환 하우징, 상기 환상 열 교환 하우징 및 상기 열 교환기 본체의 적어도 하나는 주조에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치를 제공한다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 저온측 열 교환기와 상기 고온측 열 교환기의 적어도 한 쪽 내주면에 형성된 핀은 축방향으로 직선 형상으로 형성된 가는 홈으로 이루어지고, 상기 가는 홈과 상기 내측 실린더의 외주면에 의해 상기 작동 가스용 유로가 형성되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 열 교환기 본체의 적어도 내주면에는 상기 작동 가스용 유로에 면하도록 오프 셋 스트립 핀이 고착되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 열 교환기 본체의 외주면에는 열 교환 매체에 면하도록 오프 셋 스트립 핀이 고착되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 저온측 열 교환기의 상기 상부 열 교환 하우징 및 상기 고온측 열 교환기의 상기 열 교환기 본체의 적어도 한 쪽에는 그 외주면에 일체로 형성된 핀, 또는 별개 부재로 형성되어 나중에 부착된 핀이 설치되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 일체 또는 별개 부재로 형성된 핀은 환상의 핀이다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 저온측 열 교환기의 상기 열 교환 하우징의 선단측에 배치된 냉각 헤드를 또한 구비하고, 상기 냉각 헤드는 그 내부를 관통하는 열 교환 매체를 유동시키기 위한 열 교환 매체용 유로를 구비하고 있고, 상기 열 교환 매체용 유로내에는 열 교환 효율을 높이기 위한 핀이 설치되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 핀은 오프 셋 스트립 핀으로 이루어진다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 저온측 열 교환기에 있어서 냉각되는 열 교환 매체가 흐르는 냉열 교환 매체 관로와, 상기 냉열 교환 매체 관로의 일단부에 형성된 냉열 교환 매체의 입구 마개 및 타단부에 형성된 출구 마개를 구비하고, 상기 냉열 교환 매체의 출구 마개 및 입구 마개를 냉열 이용 기기의 냉열 교환 매체 관로에 착탈 가능하게 접속함으로써 상기 스털링 장치와 상기 냉열 이용 기기 사이에서 냉열 교환 매체의 순환 관로를 형성하여 상기 냉열 이용 기기에 냉열을 반송한다. 또, 상기 스털링 장치의 모터를 역회전시킴으로써 온열을 반송한다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 냉열 이용 기기로부터의 온도 검출 신호에 의거해서 상기 스털링 장치의 동작 능력을 제어함으로써 상기 냉열 이용 기기의 온도 제어를 행하는 온도 제어 장치를 또한 구비하고 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 고온측 열 교환기에 있어서 방열되는 열 교환 매체가 흐르는 가열 교환 매체 관로와, 상기 가열 교환 매체 관로의 일단부에 형성된 가열 교환 매체의 입구 마개 및 타단부에 형성된 출구 마개를 구비하고, 상기 가열 교환 매체의 출구 마개 및 입구 마개에 온열 이용 기기를 착탈 가능하게 접속함으로써 상기 온열 이용 기기에 온열을 반송한다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 온열 이용 기기로부터의 온도 검출 신호에 의거해서 상기 스털링 장치의 동작 능력을 제어함으로써 상기 온열 이용 기기의 온도 제어를 행하는 온도 제어 장치가 상기 냉열 이용 기기에 대한 상기 온도 제어 장치와 일체 또는 별개 부재로 설치되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 스털링 장치의 모터를 역회전하도록 제어하고, 상기 냉열 이용 기기 및/또는 저온 열 교환기의 성에를 제거하는 성에 제거용 제어 회로가 또한 설치되어 있다.

상기 스털링 장치에 있어서, 상기 상부 열 교환 하우징, 상기 환상 열 교환 하우징 및 상기 열 교환기 본체의 적어도 하나는 로스트 왁스 주조에 의해 형성되 어 있다.

본 발명의 실시 형태를 실시예에 의거해서 도면을 참조하여 이하에 설명한다.

도3 내지 도7b는 본 발명에 관한 열 교환기의 제1 실시예를 설명하는 도면으로서, 도3은 본 발명에 관한 열 교환기의 열 기관용 실린더 블록이 적용되는 열 기관의 일예인 스털링 냉동기(1)를 설명하는 전체도이다.

스털링 냉동기(1)의 하우징(2)은 주물로 형성되고, 그 내부는 반밀폐 상태로 보유 지지된다. 이 하우징(2) 내부는 구획벽(3)에 의해 모터실(4)과 크랭크실(5)로 구획되어 있다. 이 모터실(4)에는 정역 회전 가능한 모터(6)가 배치되어 있고, 또한 크랭크실(5)에는 모터(6)의 회전 동작을 왕복 이동으로 변환시키는 크랭크축(7)과 콘로드(8)와 크로스 가이드 헤드(9)가 배치되어 스털링 냉동기(1)의 구동 수단으로서 기능하고 있다.

크랭크축(7)의 두개의 크랭크부(10, 11)는 모터(6)의 정회전시에 크랭크부(11)가 크랭크부(10)보다 선행하여 이동하도록 위상차를 두고 형성되어 있다. 이 위상차는 일반적으로는 약 90도의 위상차가 채용된다.

크랭크실(5)의 상부에는 압축 실린더(12)와 압축 실린더(12)의 약간 상방에 연신하여 위치한 팽창 실린더(13)가 배치되어 있다. 압축 실린더(12)와 팽창 실린더(13) 및 하우징(2) 내에는 작동 가스로서 예를 들어 헬륨, 수소, 질소 등이 봉입되어 있다. 압축 실린더(12)는 하우징(2)에 볼트 등에 의해 고정되는 압축 실린더 블록(14)을 구비하고, 이 압축 실린더 블록(14)의 공간 내부를 압축 피스톤(15)이 왕복한다. 이 공간의 상부(압축 공간)가 고온실(16)이고, 이 내부의 작동 가스는 압축되어 고온이 된다.

압축 피스톤 로드(17)는 압축 피스톤(15)과 크로스 가이드 헤드(9)를 연결하고, 압축 실린더(12)와 크랭크실(5) 사이를 오일 시일(19)을 통해 연신하고 있다. 왕복 이동하는 압축 피스톤(15)은 상사점 및 하사점에서 미끄럼 이동 방향이 반전하므로 속도가 제로가 되고, 상사점 및 하사점 부근에서는 속도가 느려 단위 시간당 용적의 변화량도 적고, 하사점으로부터 상사점 및 상사점으로부터 하사점을 향해 이동할 때의 각각의 중간점에서 최고 속도가 되어 단위 시간당 압축 피스톤(15)의 이동에 의한 용적의 변화량도 최대가 된다.

한편, 팽창 실린더(13)는 하우징(2)에 볼트 등에 의해 고정되는 팽창 실린더 블록(20)을 구비하고, 이 팽창 실린더 블록(20)의 공간 내부를 팽창 피스톤(21)이 왕복 미끄럼 이동하고, 이 공간의 상부(팽창 공간)가 저온실(22)이고, 이 내부의 작동 가스가 팽창하여 저온이 된다. 팽창 피스톤 로드(23)는 팽창 피스톤(21)과 크로스 가이드 헤드(18)를 연결하고, 팽창 실린더(13)와 크랭크실(5) 사이를 오일 시일(25)을 통해 연장되어 있다. 팽창 피스톤(21)은 압축 피스톤(15)보다 90도의 위상만큼 선행하여 이동한다.

팽창 실린더 블록(20)에는 압축 실린더(12)의 압축 공간에 작동 가스를 유입 유출하는 매니폴드(26)가 연통하도록 형성되어 있고, 그리고 방열용 열 교환기(고온측 열 교환기)(27), 재생기(28) 및 냉각용 열 교환기(저온측 열 교환기)(29)가 서로 순차적으로 연통하여 환상으로 배치되어 있다.

압축 실린더 블록(14)의 상단부 근방에는 고온실(16)과 매니폴드(26)를 연통하는 연통 구멍(30)이 형성되어 있고, 이에 의해 고온실(16)과 저온실(22)은 연통 구멍(30), 매니폴드(26), 방열용 열 교환기(27), 재생기(28) 및 냉각용 열 교환기(29)를 거쳐 서로 순차적으로 연통하도록 구성되어 있다.

본 발명에 관한 열 기관용 실린더 블록을 그 일예로서 상기 팽창 실린더 블록(20)에 의해 도4 내지 도7b를 참조하여 상세하게 설명한다.

도4에 있어서, 팽창 실린더 블록(20)은 내측 실린더(31)와 내측 실린더(31)의 하부 외측에 동심적으로 배치된 방열용 열 교환기(27) 및 그 상부에 배치된 저온측 열 교환 하우징(상부 열 교환 하우징)(32)으로 구성된다.

내측 실린더(31)는 팽창 피스톤(21)이 왕복하는 실린더 공간을 형성하고 있고, 상부(33) 및 하부(34)가 O링(24)을 거쳐 조합되어 구성되거나 또는 일체로 제조해도 된다.

도5a는 저온측 열 교환 하우징(32)을 도시하고 있고, 도5b는 도3A의 A-A 절단 평면이고, 도5c는 요부(C)의 확대도이다. 도4 및 도5a, 5b, 5c에 있어서 저온측 열 교환 하우징(32)은 원통 형상을 이루고 있고, 상부 벽(35), 측벽(36) 및 하단 플랜지부(37)로 구성된다. 측벽(36)의 선단측(도면중 상측) 외주면에는 핀(38) 및 중간 플랜지(38')가 형성되어 있다. 상부 벽(35)은 플랜지 상부 벽(35')과 중앙 상부 벽(35")으로 구성되고, 중앙 상부 벽(35")은 도4중 W로 도시한 바와 같이 측벽(36)의 상단부 내면에 용착되어 일체화된다. 또, 상부 벽(35)은 측벽(36)과 함께 후술하는 로스트 왁스 주조에 의해 일체로 형성해도 된다.

측벽(36)의 선단측 내주면에는 내측 실린더(31)의 외면과 밀착하는 동시에 긴 축방향의 가는 홈(39)이 원주 방향으로 간극을 두어 다수개 형성되어 있다(도5c). 가는 홈(39)과 내측 실린더(31)의 외면에 의해 작동 가스의 유로가 형성된다. 이와 같이 해서 저온측 열 교환 하우징(32)의 상부(냉각 헤드(40))는 냉각용 열 교환기(저온측 열 교환기)(29)를 형성하고 있다. 이 냉각 헤드(40)는 공기, 물, 알코올, 그 이외의 냉열 냉매와 접촉하여 냉열 냉매의 냉각을 행한다.

저온측 열 교환 하우징(32)의 중앙부 내주면에는 환상의 오목부(41)가 형성되어 내측 실린더(31)와 함께 환상 공간(42)을 형성하고, 그 내부에 금속 메쉬 등의 재생기 재료가 충전되어 재생기(28)가 형성되어 있다. 저온측 열 교환 하우징(32)의 하단 플랜지부(37)는 방열용 열 교환기(27)의 상단 플랜지부(43)에 적재된다.

본 발명의 저온측 열 교환 하우징(32)은 SUS계 등의 재료로 로스트 왁스법에 의해 주조된다. 즉, 본 발명의 저온측 열 교환 하우징(32)은 외주면에 냉각 핀(38)이, 그리고 내주면에 작동 가스의 유로용 가는 홈(39)이 형성되도록 로스트 왁스 주조에 의해 일체로 제작된 것인 구성을 특징으로 한다.

이와 같이 로스트 왁스 주조로 제작된 저온측 열 교환 하우징(32)은 그 외면에 형성되는 냉각 핀(38)이 가는 주름 형상으로 정밀하게 주조되므로 극히 방열 성능이 우수하고, 또 내면에 형성되는 축방향의 가는 홈(39)도 정밀하게 주조되므로 작동 가스의 흐름을 부분적으로 저해하지 않고 균일하게 흐르도록 할 수 있어 냉동 성능을 향상시킨다. 그리고, 상술한 예에서는 로스트 왁스 주조에 의해 저온측 열 교환 하우징(32)의 외면과 내면의 각각에 냉각 핀(38)과 가는 홈(39)을 형성했지만, 적어도 저온측 열 교환 하우징(32)의 내면 축방향으로 가는 홈(39)을 형성하면 어느 정도 열 교환 효율을 높일 수 있다.

도6a는 팽창 실린더 블록의 고온측 열 교환 하우징(환상 열 교환 하우징)의 종단면도이고, 도6b는 도6a의 B-B 절단 평면이고, 도6c는 요부(D)의 확대도이다. 도4 및 도6a, 6b, 6c에 있어서, 방열용 열 교환기(27)는 도4 및 도6a, 6b, 6c에 도시된 바와 같은 환상의 열 교환기이고, 이 방열용 열 교환기(27)는 고온측 열 교환 하우징(환상 열 교환 하우징)(44)과 그 내부에 동심적으로 삽입된 열 교환기 본체(45)를 구비하고, 고온측 열 교환 하우징(44)과 열 교환기 본체(45) 사이에 냉각수 등의 열 교환 매체용 유로(46)가 형성되고, 상하 단부는 시일(47)로 밀봉되어 있다. 이 유로(46)에 연통하도록 유입구(48) 및 유출구(49)가 형성되어 있다.

이 유로(46)에 면하여 열 교환기 본체(45)의 외주벽에 다수의 방열 핀(50)이 형성되어 있고, 열 교환기 본체(45)의 내주 벽면에는 축방향을 따라 가는 홈(51)이 다수 원주 방향으로 일정 간극을 두어 형성되고, 내측 실린더(31)와의 사이에서 헬륨 등의 작동 가스(열 교환 유체)의 유로를 구성하고 있다.

도3에 있어서, 방열용 열 교환기(27)는 냉각수 순환 관로(52) 및 냉각수용 펌프(P1)를 거쳐 방열기(라디에이터)(53)와 접속하고 있으며, 냉각수를 순환시키고 있다. 방열용 열 교환기(27)에서 열 교환되어 가열된 냉각수는 방열기(53)의 냉각 팬(54)으로 냉각된다. 냉각수 순환 관로(52)는 저장소 밸브(55)를 거쳐 저장소 탱크(56)가 접속되어 있다. 또, 방열기(53)에는 공기 빠짐부(57)가 접속되어 있는 동시에 드레인 밸브(58)가 접속되어 있다.

본 발명의 방열용 열 교환기(27)의 열 교환기 본체(45)는 SUS, 구리, 알루미늄, 또는 그 이외의 재료로 로스트 왁스법에 의해 주조되어 있고, 열 교환기 본체(45)의 외면에 형성되는 방열 핀(50)은 가는 주름 형상으로 정밀하게 주조되므로 극히 방열 성능이 우수하다. 또, 내면에 형성되는 축방향의 가는 홈(51)도 정밀하게 일체적으로 주조되므로 작동 가스의 흐름을 부분적으로 저해하지 않고 균일하게 흐르도록 할 수 있어 냉동 성능을 향상시킨다. 고온측 열 교환 하우징(44)은 상기와 같이 로스트 왁스 주조로 형성해도 되고, 통상의 주철에 의해 제작해도 된다. 또, 저온측 열 교환 하우징과 마찬가지로 적어도 고온측 열 교환 하우징(44)의 열 교환기 본체(45)의 내주 축방향으로 가는 홈(51)을 형성하면 어느 정도 열 교환 효율을 높일 수 있다.

이상의 실시예에서는 저온측 열 교환 하우징과 고온측 열 교환 하우징(열 교환기 본체)에 대하여 그 내면에 가는 홈을, 그리고 그 외면에 핀을 각각 열 교환 하우징(열 교환기 본체)과 일체로 형성했지만(로스트 왁스법), 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 이하에 설명하는 바와 같이 외부 핀을 열 교환 하우징(열 교환기 본체)에 별개 부재로 형성해도 된다.

도7a, 7b는 본 발명에 관한 팽창 실린더 블록(20)의 저온측 열 교환 하우징의 변형예를 설명하는 도면이다. 도7a는 제1 변형예인 저온측 열 교환 하우징(32')을 도시하고, 이 저온측 열 교환 하우징(32')은 그 외주면에 핀과 플랜지가 로스트 왁스 주조에 의해 일체로 형성되어 있지 않은 것이다(내면에는 가는 홈이 형성되어 있다). 이 제1 변형예에서는 핀 등이 부설되지 않은 상태(도7a 상태)로 사용되고, 그 주위면에 접촉하는 공기 등의 냉매와 열 교환이 행해지거나, 또는 그 외주면에 열 교환되는 냉매 등을 흘려 보내는 열 교환용 튜브를 권취하여(도시 생략) 사용되거나, 그 주위면에 나중에 외부 핀 및 플랜지를 형성하여 사용되거나 한다(즉, 외부 핀을 열 교환 하우징과 일체가 아니라 별개 부재로 부착한다).

이렇게 나중에 외부 핀 및 플랜지를 형성한 것을 제2 변형예로서 도7b에 도시한다. 제2 변형예인 저온측 열 교환 하우징(32")은 그 주위면에 Cu, Al, SUS 등의 재료에 의해 원 형상으로 제조된 외부 핀(59) 및 하우징과 동일한 재료의 플랜지(60, 61)를 용착 등에 의해 부착하여 구성된다. 이와 같은 외부 핀은 나선형 및 그 이외의 형상이라도 된다.

도8 내지 도11은 상술한 제2 변형예에서 외부 핀으로서 열 교환 하우징의 주위면에 별개 부재로 부착되는 환상 플레이트 핀 단일 부재와, 환상 플레이트 핀 사이에 삽입되는 스페이서의 구체적인 구조를 도시한 것이다.

도8은 환상의 플레이트 핀(45')의 평면도이고, 도9는 그 단면과 스페이서(46')를 도시하고 있다. 도9에 도시한 것은 프레스 또는 절삭 가공 등의 기계 가공에 의해 제조되고, 직경 방향으로 충분한 폭을 구비하는 환상의 플레이트 핀(45')의 단일 부재 및 환상의 스페이서(46')가 별개 부재로 형성된 것이다. 이와 같은 환상의 플레이트 핀(45') 및 스페이서(46')가 열 교환 하우징의 축방향으로 번갈아 복수 적층되고, 열 교환 하우징의 외면에 납땜 또는 압입 등에 의해 접합된다. 도10에 도시한 것은 절삭 등의 기계 가공에 의해 플레이트 핀(45')과 스 페이서(46')가 일체로 형성된 스페이서 일체 플레이트 핀(47')이고, 이를 복수장 열 교환 하우징의 외주에 축방향으로 적층하여 열 교환 하우징의 외주에 접합하고 있다. 도11에 도시한 것은 프레스 가공에 의해 플레이트 핀(45')과 스페이서(46')가 일체로 형성된 스페이서 일체 플레이트 핀(47")이고, 마찬가지로 이를 열 교환 하우징의 외주에 축방향으로 복수매 적층하여 열 교환 하우징의 외주에 접합하고 있다.

그리고, 상술한 예에서는 플레이트 핀과 스페이서를 번갈아 적층하는 구조이었지만, 스페이서를 사용하지 않고 각 환상 플레이트 핀을 소정 간극으로 도7b와 같이 배치한 구조라도 된다.

상술한 변형예는 저온측 열 교환 하우징에 대하여 기술한 것이지만, 고온측 열 교환 하우징에 대해서도 동일한 구성으로 할 수 있는 것이다. 또, 고온측 열 교환기와 저온측 열 교환기의 적어도 하나의 내면측에 가는 홈 구조를 구비하도록 제작함으로써 열 효율을 어느 정도 높일 수 있는 것이다. 물론, 외면측에 핀 구조를 형성함으로써 열 효율이 한층 더 향상하는 것은 당연한 일이다.

다음에, 본 발명의 상기 각 열 교환기를 구비한 스털링 냉동기의 작용을 도3을 참조하여 설명한다.

모터(6)에 의해 크랭크축(7)이 정방향으로 회전하여 크랭크실(5) 내의 크랭크부(10, 11)가 90도 위상이 어긋나 회전한다. 이 크랭크부(10, 11)에 회전 가능하게 연결된 커넥팅 로드(8, 8')를 거쳐 크로스 가이드 헤드(9, 18)가 왕복 이동한다. 크로스 가이드 헤드(9, 18)의 각각에 압축 피스톤 로드(17) 및 팽창 피스톤 로드(23)를 거쳐 연결된 압축 피스톤(15) 및 팽창 피스톤(21)이 서로 90도의 위상차를 갖고 왕복 이동한다.

팽창 피스톤(21)이 90도 선행하여 상사점 부근에서 천천히 이동중, 압축 피스톤(15)은 중간 부근을 상사점을 향해 급속하에 이동하여 작동 가스의 압축 동작을 행한다. 압축된 작동 가스는 연통 구멍(30) 및 매니폴드(26)를 통해 방열용 열 교환기(27)의 가는 홈(51) 내로 유입된다. 방열용 열 교환기(27) 내에서 냉각수로 방열된 작동 가스는 재생기(28)에서 냉각되어 냉각용 열 교환기(29)의 홈 내부를 통해 저온실(22)(팽창 공간) 내로 유입된다.

압축 피스톤(15)이 상사점 근방에서 천천히 이동하고 있을 때에 팽창 피스톤(21)은 급격하게 하사점을 향해 이동하여 저온실(22)(팽창 공간)에 유입된 작동 가스는 급격하게 팽창하여 냉열이 발생한다. 이에 의해, 냉각 헤드(40)는 냉각되어 저온이 된다.

그리고, 냉각 헤드(40)에 있어서 냉각 핀(38)에 접촉하는 냉열 냉매를 냉각한다. 팽창 피스톤(21)이 하사점에서 상사점으로 이동할 때에는 압축 피스톤(15)은 중간 위치에서 하사점을 향하고 있고, 작동 가스는 저온실(22)로부터 냉각 헤드(40)의 가는 홈(39)을 통해 재생기(28)에 유입되어 작동 가스가 지니는 냉열을 재생기(28)에 축열한다. 재생기(28)에 축열된 냉열은 상기와 같이 고온실(16)로부터 방열용 열 교환기(27)를 거쳐 이송되어 오는 작동 가스를 다시 냉각하기 위해 재이용된다.

그리고, 냉각 헤드(40)에 있어서 냉각된 냉열 냉매는 각종 냉열 이용 기기를 냉각한다. 예를 들어, 냉열 냉매는 냉동고 등의 냉열 이용 기기내의 냉열 냉매 배관으로 보내져 냉열 이용 기기내에서 냉동 또는 냉각 작용을 행한다. 냉각 헤드(40)에 순환하여 복귀되어 다시 냉각된다.

방열용 열 교환기(27)에서 열 교환된 냉각수는 냉각수 순환 관로(52)로부터 방열기로 흐르고, 그곳에서 냉각 팬에 의해 냉각되어 다시 방열용 열 교환기(27)로 순환한다.

한편, 상기 실시예에서는 2피스톤형 스털링 냉동기(1)를 사용했지만, 디스 플레서형 등 다른 형식의 스털링 냉동기(1)를 사용해도 좋다는 것은 물론이다.

본 실시예의 스털링 냉각 장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 달성할 수 있다.

(1) 팽창 실린더 블록을 구성하는 상부 열교환 하우징에, 그 내면에 작동 가스 유로를 일체로 형성하고, 또는 이 내면의 작동 가스 유로에 더하여 외면에 냉열 냉매 냉각용의 핀을 일체로 형성하는 것으로, 특히 로스트 왁스 주조에 의해 정밀하게 형성함으로써, 가공성이 개선되고, 스털링 냉동기 자체의 구조가 매우 간단화하고 저가격화됨과 동시에, 홈내의 작동 가스의 흐름이 부분적으로 저해되지 않고 균일하게 흐르고, 균일한 두께를 갖고, 정밀하게 형성된 핀으로 열교환 성능, 신뢰성이 향상된다.

(2) 방열 열교환기의 환상 열교환 하우징 및 열교환기 본체도, 각각 일체로 형성했기 때문에, 특히 로스트 왁스 주조로 정밀하게 형성함으로써, 가공성이 개선되고, 저가격을 실현하고, 홈내의 작동 가스의 흐름이 부분적으로 저해되는 것이 아니라 균일하게 흐르도록 하여, 열교환 성능, 신뢰성이 향상한다.

(3) 프레온 이외의 냉매로서 에틸 알콜, 질소, 헬륨등의 저융점 냉매를 작동 가스로 사용함으로써, 환경성이 우수한 프레온 대체 냉동기를 제공할 수 있다.

이어서, 본 발명의 열교환기의 다른 실시예를 도12 내지 도19를 참조하여 설명한다. 본 실시예의 포인트는 열교환기 성능을 향상시키기 위해, 열교환기 본체를 형성하는 열교환기통의 내면 또는 외면 혹은 그들의 양쪽에, 핀 구조로서 오프셋 스트립 핀을 배치한 점이다.

도12 및 도13에 의해 오프셋 스트립 핀의 구조를 설명한다. 도12는 오프셋 스트립 핀(235)를 내외 2장의 지지판(236, 237)의 사이에 설치한 열교환기를 도시하고 있고, 도13은 오프셋 스트립 핀(235)의 일부를 확대한 도면이다.

오프셋 스트립 핀(235)은 전열 성능이 우수한 긴 띠형상판(238)이 직사각형으로 지그재그형으로 구부러지고, 직사각형의 단면을 갖는 구획로(239)가 긴 띠형상판(238)의 길이 방향으로 복수 형성되도록 지지판에 납땜된다. 이와같은 긴 띠판(238)이 그 길이 방향으로 직각인 방향에 복수매 연속적으로 게다가 서로 인접하는 길이 띠판에 의해 형성되는 구획로(239)가 서로 엇갈려(오프셋 상태로) 배치되어 있다.

이와 같은 오프셋 스트립 핀(235)을 스털링 사이클 열기관(1) 등의 열교환기에 적용한 실시예를 도14 내지 도16에 도시한다. 이 실시예의 열교환기(240)는 아우터 슬리브(241)와, 아우터 슬리브(241) 내에 삽입된 원통형의 열교환통(242)을 갖고, 이너 실린더(라이너)를 통해 혹은 통하지 않고, 도3에 도시한 바와같은 열기 관의 고온측 실린더 및/또는 저온측 실린더의 외주에 끼워맞춰 부착된다.

열교환통(242)은 적당한 두께를 갖는 원통상으로 형성되어 있고, 열교환통(242)의 상하 단부의 각각에는 환상의 봉지부(243)가 형성되어 있다. 이 환상의 봉지부(243)의 각각은 아우터 슬리브(241) 내면에 당접하는 대경부(244)와, 이 대경부 외면에 형성된 시일(245)을 끼워넣는 홈(246)으로 구성되어 있고, 이 상하의 봉지부(243)와, 열교환통(242)의 외면과, 아우터 슬리브(241) 내면으로 싸여진 환상의 공간이 냉각수 등의 열교환 매체가 흐르는 열교환 매체용 유로(247)를 형성한다. 한편, 시일(245)에 의한 봉지 구조는 필요에 따라 채용된다.

열교환통(242)의 외면에는 복수의 환상 열교환용의 핀(248)이 열교환 매체용 유로(247)에 돌출하도록 형성되어 있다. 아우터 슬리브(241)에는 아우터 슬리브(241)의 축심에 대해 서로 반대측에 위치하고, 그 길이 방향의 상하 단부 또는 중앙부에 열교환 매체의 유입공(251) 및 유출공(252)이 설치되어 있다. 열교환 매체는 유입공(251)에서 열교환 매체용 유로(247) 내로 유입하여 열교환용 핀(248)에 접하여 흐르고, 열교환기(240) 내에서 열교환되어 유출공(252)에서 유출한다.

열교환통(242)과 그 내측에 배치되는 이너 실린더 또는 디스 플레서 실린더(253)으로 형성되는 공간이 헬륨 가스 등 열기관의 작동 가스 유로(254)로 된다. 이 작동 가스 유로(254)에 면하여 오프셋 스트립 핀(235)이 배치된다.

구체적으로는 열교환통(242)의 내면에, 오프셋 스트립 핀(235)이 긴 띠형상판(238)의 길이 방향이 열교환통(242)의 원주 방향으로 되도록, 열교환통(242)의 내면에 따라 납땜된다. 이로써, 열교환통(242)의 장축 방향으로, 오프셋 스트립 핀(235)의 구획로(239)의 방향이 일치하도록 열교환통(240)의 내면에 오프셋 스프립 핀(235)이 배치되는 구성으로 된다.

이상의 실시예의 열교환기(240)에 의한 작용을 스털링 장치의 작동 가스가 냉각수 등의 열교환 매체에 의해 냉각되는 것같은 열교환이 행하여지는 경우를 예로서 설명한다. 열교환 매체는 화살표(250)와 같이, 유입공(251)에서 열교환 매체용 유로(247) 내로 유입하고, 열교환 매체용 유로(247) 내를 흐르고, 유출공(252)에서 유출한다. 열교환 매체가 열교환 매체용 유로(247) 내를 흐를 때에, 열교환통(242)의 외면에 형성된 환형의 열교환 핀(248)에 접촉하여 열교환이 행하여진다.

한편, 열교환기(240) 내에 유입한 작동 가스는 작동 가스용 유로(254) 내를 화살표(249)와 같이 구획로(239)에 따라 축방향으로 흐른다. 이 때에, 작동 가스는 오프셋 스트립 핀(235)에 접촉하여 열교환이 행하여진다. 작동 가스는 큰 면적을 갖고 오프셋 스트립 핀(35)에 접촉할 수 있기 때문에, 전열 면적이 크게되고 열교환 성능이 향상한다.

도17 내지 도19는 본 발명의 상술한 열교환기의 변형예를 도시한다. 이 변형예의 열교환기(255)는 아우터 슬리브(256)와, 아우터 슬리브(256) 내로 삽입된 원통형의 열교환통(257)을 갖고, 이너 실린더(258:라이너)를 통해, 혹은 통하지 않고, 도3에 도시한 바와같은 열기관의 실린더의 외주에 끼워맞춰 부착된다.

열교환통(257)은 도14 내지 도16의 실시예와 동일하게, 적당한 두께를 갖는 원통형에 형성되어 있고, 열교환통(257)의 상하 단부의 각각에는 도14 내지 도16의 실시예와 동일한 시일을 끼워넣은 환상의 봉지부(259)가 형성되어 있다. 상하의 봉지부(259)와, 열교환통(257) 외면과 아우터 슬리브(256) 내면으로 싸여지는 환상의 공간이 냉각수 등의 열교환 매체가 흐르는 열교환 매체용 유로(260)를 형성한다.

이 변형예에서는 도14 내지 도16의 실시예와 다르고, 열교환통(257)의 외면, 즉, 열교환 매체용 유로(260)에 면하여 오프셋 스트립 핀(235)을 배치한 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 오프셋 스트립 핀(235)이 그 구획로(239)의 방향과 열교환통(257)의 축방향을 일치시켜서, 열교환통(257)의 외면(261)에 납땜하여 배치되어 있다.

아우터 슬리브(256)의 축방향 일단부(도면중 상단부)에는, 열교환 매체의 유입공(262)이 설치되어 있고, 한편, 아우터 슬리브(256)의 축방향 타단부(도면중 하단부)에는 열교환 매체의 유출공(263)이 설치되어 있다. 열교환 매체는, 유입공(262)에서 열교환기(255) 내로 유입하여, 열교환 매체용 유로(260) 내를 통하고, 열교환되어 유출공(263)에서 유출한다.

열교환통(257)과 그 내측에 배치되는 이너 실린더(258) 또는 디스 플레서 실린더에 의해 형성되는 공간이 헬륨 가스 등 열기관의 작동 가스 유로(264)가 형성되고, 이 작동 가스 유로(264)에 면하여 스플라인형상의 냉각 핀이 형성되어 있다. 구체적으로는 열교환통(257)의 내주 전면에 와이어 커트 가공에 의해 축방향으로 신장하는 미소홈(265)이 다수개 형성되어 스플라인형상의 냉각 핀(266)이 형성된다.

이상의 변형예 구성에 의한 작용을 설명한다. 열교환기(255)에 의해 스털링 기관(1)의 작동 가스가 냉각수 등의 열교환 매체에 의해 냉각되는 것같은 열교환이 행하여지는 경우로 설명한다. 열교환 매체는 유입공(262)에서 열교환 매체용 유로(260) 내로 유입하고, 열교환 매체용 유로(260) 내를 흐르고, 유출공(263)에서 유출한다. 열교환 매체가 열교환 매체용 유로(260) 내를 흐를 때, 열교환통(257)의 외면에 형성된 오프셋 스트립 핀(235)에 접촉하고 열교환이 행하여진다.

한편, 작동 가스는 작동 가스용 유로(264) 내에서 스플라인 형상의 핀(266)에 접촉하면서 축방향으로 흐르고, 열교환이 행하여진다.

한편, 도14 내지 도19에서 도시된 실시예 및 그 변형예는 열교환통의 내면 또는 외면에 오프셋 스트립 핀을 배치한 것이지만, 열교환통의 내면 및 외면의 양면에 오프셋 스트립 핀을 배치하고, 작동 가스 및 열교환 매체가 각각의 오프셋 스트립 핀에 접촉하는 것같은, 열교환기를 구성해도 좋다.

또한, 본 발명은 스털링 기관의 실린더의 외주에 배치된 환상의 열교환기에 대해서 설명했지만, 이와같은 환상의 열교환기가 아니라, 일본 특허 공개 평9-152210호 공보의 열교환기와 같이 작동 가스의 흐름 관로에 배치되는 통상의 열교환기로서도 좋다.

즉, 열교환통의 내측에 중실의 스플라인축을 끼워맞추고, 그 외면에 형성된 스플라인홈과 열교환통의 사이에서 작동 가스의 흐름 유로를 형성함과 동시에, 열교환통 외주위에 오프셋 스트립 핀(235)을 배치한 통형상의 열교환기로 해도 좋다.

이상의 실시예는 본 발명의 열교환기를 스털링 기관의 열교환기에 적용한 예이지만, 그밖에 빌미에 사이클 기기, 쿠크 야보로프 사이클 기기 등의 열기관의 열교환기에 적용되는 것은 물론이다.

상술한 실시예는 상기와 같이, 열교환통의 외면 또는 내면의 어느것, 혹은 양쪽에, 오프셋 스트립 핀을 고착하여 열기관의 작동 가스용 유로 및 열교환 매체용 유로의 양쪽 혹은 그 어느것에, 오프셋 스트립 핀을 배치하는 구성으로 했기 때문에, 열교환기의 제작이 간단하고, 비용이 싸게됨과 동시에 긴 띠형상체를 지그재그 형상으로 절곡하여 접촉 면적을 증가시키고 있기 때문에, 열교환기의 열교환 성능을 향상할 수 있다.

도20, 도21은 상술한 오프셋 스트립 핀을 스털링 냉동기의 냉각 헤드에 적용한 경우의 실시예이다.

도20, 도21에 있어서, 331은 도3에서 도시되는 스털링 장치와 거의 동일한 구성의 콜 헤드이고, 열교환 매체 유로(328) 중에 오프셋 스트립 핀(332)이 배치되어 있다.

오프셋 스트립 핀(332)을 배치한 열교환기(냉각 헤드)의 구조를 간단하게 이해하기위해, 도12, 도13을 참조하여 설명한다. 오프셋 스트립 핀(332)의 구조는 도12, 도13에 도시한 것과 동일하기 때문에 여기에서는 중복 기재를 생략한다.

오프셋 스트립 핀(332)을 열교환 매체용 유로에 적용하여 이루어진 냉각 헤드(331)에서는, 오프셋 스트립 핀(332)의 구획로(337)의 방향이 열교환 매체용 유로(328)의 진행 방향과 일치하도록, 저면(328a) 상에 납땜된다. 열교환 매체는 유입공(329)에서 열교환 매체용 유로(328) 내에 유입하고, 오프셋 스트립 핀(332)에 접촉하면서 열교환 매체 유로(328) 내를 흐르고, 유출공(329)에서 유출한다. 열교 환 매체가 열교환 매체 유로(328)를 흐를 때에, 오프셋 스트립 핀(332)에서 크게 면적 접촉하기 때문에, 열교환 성능이 개선되고, 냉동기의 냉동 능력이 향상한다.

팽창 공간(309)의 상부는 돔형상의 상면에 따라, 열교환 매체용 유로를 그 저벽의 두께가 거의 일정하게 되도록 만곡형상으로 관통하여 형성하고, 그 열교환 매체용 유로에 따라 오프셋 스트립 핀을 배치하면, 보다 한층 효율적인 열교환이 행하여진다.

한편, 상기 실시예는 본 발명의 열교환기를 스털링 냉동기의 냉각 헤드에 적용한 예이지만, 그밖에, 빌미에 사이클 기기, 쿠크 야보로프 사이클 기기등의 열을 발생하는 실린더에 본 발명의 열교환기를 적용할 수 있는 것은 물론이다.

본 실시예의 열교환기에서는, 열교환 매체용 유로가 실린더의 헤드, 냉각 헤드에 관통하여 형성되어 있기 때문에, 열교환 매체용 유로를 흐르는 열교환 매체는 유로를 화성하는 모든 면에 접하기 때문에, 접촉 면적이 증대하여, 보다 효과적인 열교환이 달성된다. 또한, 유로의 형상에 의해서는 열교환 매체의 유속을 상승시킴으로써, 열교환을 향상시킬 수도 있다.

또한, 상기 열교환 매체용 유로에 따라 오프셋 스트립 핀이 배치되어 있기 때문에, 열교환 매체는 유로를 흐를 때에 오프셋 스트립 핀에 접촉함으로써, 열교환 성능이 개선되고, 열기관의 능력, 예를들면 냉동기의 냉동 능력이 향상한다.

게다가, 오프셋 스트립 핀을 납땜하여 열교환 매체용 유로에 배치한다고 하는 비교적 간단한 제작 공정에 의해, 저비용으로 열교환 성능이 우수한 열교환기를 실현할 수 있다.

또한, 냉각 헤드 중에, 열교환 매체용 유로를 팽창 공간 상부의 돔형상의 상면에 따라 그 저벽의 두께가 거의 일정하게 되도록 곡면상에 관통하여 형성하면, 유로에 따라 보다 효율적인 열교환이 이루어진다.

이어서, 본 발명의 열교환기을 이용한 스털링 냉동기를 냉각 이용 기기와 조합시킨 구성의 스털링 냉각 시스템에 대해서 설명한다.

도22는 본 발명의 스털링 냉각 장치의 개략을 설명하는 도면이다. 본 발명의 스털링 냉각 장치(401)은 상자형의 케이스(402)를 갖고, 이 케이스(402) 내에 냉동기(403)를 배치하여 구성된다.

스털링 냉동기(403)는 전술한 바와같은 냉각 헤드(404)를 갖는다. 냉각 헤드(404)에는 냉열 냉매(스털링 냉동기(403)에서 발생한 냉열을 냉동고 등의 열이용 기기로 반송하기 위한 냉매(2차 냉매)를 순환시키는 냉열 냉매 관로(405)가 접속되어 있고, 이 냉열 냉매 관로(405)의 양단은 케이스(402)를 관통하고, 케이스(402)의 외부에 있어서 냉열 냉매의 입구전(406)과 출구전(407)이 설치되어 있다.

본 발명의 냉각 장치의 사용에 있어서는 이 입구전(406)과 출구전(407)에는, 냉동고 등의 냉열 이용 기기(408)의 냉열 냉매 배관의 출구단(409), 입구단(410)이 착탈 자유롭게 접속된다. 냉열 냉매관로(405)의 도중에는 냉열 냉매용 펌프(P2)가 배치되어 있고, 냉열 냉매를 스털링 냉동기(403)의 냉각 헤드(404)와 냉열 이용 기기(408)의 사이를 순환시키고 있다.

냉열 이용 기기(408)로서는, 냉동고 이외에도, 냉장고, 투입식 쿨러, 항온액 순환기, 각종 온도 특성 시험용 저온 항온기, 항온조, 히트 쇼크 시험 장치, 동결 건조기, 콜드 쿨러 등이 있고, 본 발명의 냉각 장치(401)는 이들 냉열 이용 기기를 상기 입구전(406), 출구전(407)에 접속함으로써 이용이 가능하다.

도23에 있어서, 본 발명의 스털링 냉각 장치(401)를 상세하게 설명한다. 스털링 냉동기(403)의 하우징(411)은, 주물로 형성되고, 하우징(411)의 상부에는 실린더(412)가 형성되어 있다.

전술한 바와같이, 이 하우징(411) 내는, 구획벽(413)에 의해 모터실(414)와 크랭크실(415)로 구획되고, 이 모터실(414)에는 정역 회전 가능한 모터(416)가 크랭크실(415)에는 모터(416)의 회전 동작을 왕복 운동으로 변환하는 회전 왕복 변환 기기부(417)가 각각 배치되어 있다. 모터실이 개구(418) 및 크랭크실의 개구(419)는 각각 덮개(420, 421)로 폐지되고, 하우징(411) 내가 반밀폐 상태로 유지된다.

하우징(411) 내에는 구획벽(413)을 관통하고, 하우징벽, 구획벽(413) 및 덮개(420, 421)의 베어링부(422)에 피봇된 크랭크 샤프트(423)가 회전 가능하게 배치되어 있다. 모터(416)은 스테이터(424a)와, 이 스테이터의 내주측에 회전 가능하게 배치된 로우터(424b)로 구성되고, 이 로우터(424b)의 중앙에 크랭크 샤프트(423)가 고정되어 있다.

회전 왕복 변환 기구부(417)은 크랭크실(145) 내로 신장된 크랭크 샤프트(423)의 크랭크부(425)와, 이 크랭크부(425)에 연결된 커넥팅 로드(426, 427)와, 이 커넥팅 로드(426, 427)의 선단부에 부착된 크로스 가이드 헤드(428, 429)로 구성되고, 스털링 냉동기(403)의 구동 수단으로서 기능하고 있다.

크로스 가이드 헤드(428, 429)는 하우징(411)의 실린더(412)의 내벽에 설치 된 크로스 가이드 라이너(430, 431) 내를 왕복 운동 가능하게 배치되어 있다. 크랭크부는 모터(416)의 정전시에 크랭크(425b)가 크랭크(425a)보다 선행하여 이동하도록 위상차를 두고 형성되어 있다. 이 위상차는 일반적으로는 90도의 위상차가 채용된다.

스털링 냉동기(403)는 하우징(411)의 크랭크실(415)의 상부에는 압축 실린더(432)와, 압축 실린더(432)의 약간 상방에 위치한 팽창 실린더(33)가 배치되어 있다. 압축 실린더(432)와 팽창 실린더(433)를 포함시켜 하우징 내에는 작동 가스로서, 예를들면, 헬륨, 수소, 질소 등이 봉입되어 있다. 압축 실린더(432)는 하우징(411)에 볼트 등에 의해 고정되는 압축 실린더 블록(434)을 갖고, 이 압축 실린더 블록(434)의 공간 내를 피스톤 실린더(435)의 부설된 압축 피스톤(436)이 왕복 미끄럼 이동하여, 이 공간의 상부(압축 공간)이 고온실(437)이고, 이 중의 작동 가스는 압축되어 고온으로 된다.

압축 피스톤 로드(438)는 일단부가 압축 피스톤(436)에 고정하고, 타단부가 오일 시일(439)를 통해 신장하고, 핀에 의해 크로스 가이드 헤드에 회동 자유롭게 연결되어 있다. 왕복 운동하는 압축 피스톤(436)은 상사점 및 하사점에서 미끄럼 이동 방향이 반전하기 때문에 속도가 제로로 되고, 상사점 및 하사점 부근에서는 속도가 늦고 단위 시간당의 용적의 변화량도 작고, 하사점에서 상사점 및 상사점에서 하사점으로 향하여 이동할 때의 각각의 중간점에서 최고 속도로 되고, 단위 시간당 피스톤의 이동에 의한 용적의 변화량도 최대로 된다.

한편, 팽창 실린더(433)는 압축 실린더(432)의 상부에 볼트 등에 의해 고정 되는 팽창 실린더 블록(440)을 갖고, 이 팽창 실린더 블록(440)의 공간내를 피스톤 링(435')에 부설된 팽창 피스톤(442)이 왕복 미끄럼 이동하여, 이 공간의 상부(팽창 공간)이 저온실(441)이고, 이 안의 작동 가스가 팽창하여 저온으로 된다. 팽창 피스톤(442)에는 팽창 피스톤 로드(443)의 일단부가 고정되고, 팽창 피스톤 로드(443)의 타단부는 오일 시일(444)은, 압축 피스톤(436) 보다 90도의 위상 만큼 선행하여 이동한다.

팽창 실린더 블록(440)에는 도면 아래에서 압축 실린더(432)의 압축 공간에 작동 가스가 유입 유출하는 매니 홀드(445)가 연통하도록 설치되어 있고, 또한 방열용 열교환기(446), 축냉기(447) 및 고온실(437)로의 통로(448)가 서로 차례로 연통하여 환상으로 배치되어 있다. 압축 실린더 블록(434)의 상단부 근처에는 고온실(437)과 매니 홀드(445)를 연통하는 연통공(449)이 형성되어 있고, 이로써 고온실(437:압축 공간)과 저온실(441:팽창 공간)은, 연통공(449), 매니 홀드(445), 방열용 열교환기(446), 축냉기(447) 및 통로(448)를 통해 서로 차례로 연통하도록 구성되어 있다. 상기 통로(448)는 이 부분에 열교환기를 배치하여 쿨러로 하는 것도 가능하다.

여기서, 방열용 열교환기(446)로서, 도4 내지 도11, 도14 내지 도19에서 도시한 타입의 열교환기, 혹은, 환상의 작동 가스 유로의 주위에 환상의 쟈켓을 배치하고, 이 쟈켓 내에 냉각수를 흐르게하여 작동 가스의 냉각을 행하는 열교환기 등을 이용할 수 있다.

방열용 열교환기(446)는 냉각수 순환관로(454) 및 냉각수용 펌프(P1)를 통해 방열기(455)와 접속하고 있고, 냉각수를 순환하고 있다. 방열용 열교환기(446)로 열교환되어 가열된 냉각수는 방열기의 냉각 핀으로 냉각된다. 냉각수 순환관로는 배관이 분기 접속되어 있고, 이 배관에는 리저버 밸브(456)를 통해, 수용 리저버 탱크(457)가 접속되어 있다. 또한, 방열기에는 공기 빠짐부(458)가 접속되어 있음과 동시에, 드레인 밸브(459)가 접속되어 있다.

방열용 열교환기(446)는 상기와 같이 수냉식이 아니라, 팽창 실린더 블록(440)의 작동 가스 유로(460)의 외벽면에 공냉 핀을 형성하게 되는 공냉식 구조로도 좋다.

팽창 실린더 블록(440)의 상부에는 냉각 헤드(404)가 형성되어 있다. 냉각 헤드(404)는 예를들면, 도20, 도21에 도시한 바와같이 오프셋 스트립 핀을 내부에 배치한 구조를 이용하는 것으로 열교환 능력을 높일 수 있다.

이미 설명한 바와같이, 냉각 헤드(404)는 냉열 냉매관로(405) 및 냉열 냉매용 펌프(P2)를 통해 냉열 이용 기기(8)와 접속되어 냉열 냉매를 순화하고 있다. 냉열 냉매관로(405)에는 흡입 탱크(465)가 배치되어 있다. 이 흡인 탱크(465)에는 리저버 밸브(466)를 통해, 냉열 냉매 리저버 탱크(467)가 접속되어 있다. 흡인 탱크(465)에는 드레인 밸브(468)가 접속되어 있다. 또한, 냉열 냉매관로(405)에는 공기 빠짐부(469)가 접속되어 있다.

본 발명의 스털링 냉각 장치(401)는 스털링 냉동기(403)를 압축 실린더(432)와 팽창 실린더(433)의 2피스톤으로 함으로써, 스털링 냉동기(403) 내의 작동 가스가 충전된 공간의 용적 변동을 크게함으로써, 냉동 능력이 큰 스털링 냉동기(403) 를 제공할 수 있도록 하고 있다.

한편, 본 발명의 스털링 냉각 장치(401)에 온도 제어 장치를 설치하면 냉열 이용 기기(408) 측에 온도 센서를 설치하는 것 만으로도 스털링 냉각 장치(401) 측에서 냉열 이용 기기(408)의 온도 제어를 행할 수 있다. 즉, 도24에 있어서 냉열 이용 기기(408)에는 온도 센서를 배치하고 스털링 냉각 장치에는 온도 설정 패널에 의해 온도 설정을 가능하게 하는 온도 제어 장치를 배치한다.

이 온도 제어 장치를 구성하는 온도 제어 회로내의 비교 회로에 있어서, 온도 센서에서 검지한 냉열 이용 기기(408)의 온도 신호를 설정된 온도와 비교하여 설정된 온도를 중심으로 하는 허용 온도 범위에 있는가 아닌가를 판단하고, 그 결과에 따라 스털링 냉동기(403)의 모터(416)를 온오프 제어 또는 인버터 제어하고, 혹은 모터(416)를 역회전시켜서 스털링 냉동기의 냉동 능력을 조절하고(냉매 온도의 조절), 이로써 냉열 이용 기기를 상기 허용 온도 범위 내의 온도를 유지하면서 운전을 행할 수 있다.

또한, 전열 히터식 가열기를 구비한 냉열 이용 기기(408)에 본 발명의 스털링 냉각 장치(401)를 이용하는 경우는, 상기와 같은 스털링 냉동기(403)의 모터(416)의 운전 제어에 의한 온도 제어에 더하여, 상기 온도 센서로 부터의 온도 신호와 설정 온도를 제어 장치에 있어서 비교 연산하고, 그 차이에 의거하여 가열기를 PID제어하고, 냉열 이용 기기에 대해서 더욱 정밀한 온도 콘트롤을 꾀할 수 있다.

이어서, 본 발명의 상기 실시예의 스털링 냉각 장치(401)의 작용을 설명한 다. 모터(4016)에 의해 크랭크 샤프트(423)가 정방향으로 회전하고, 크랭크실(415) 내의 크랭크(425a, 425b)가 90도 위상이 엇갈려 회전한다. 이 크랭크부(425a, 425b)에 회전 자유롭게 연결된 커넥팅 로드(426, 427)를 통해 이 커넥팅 로드(426, 427)의 선단부에 부착된 크로스 가이드 헤드(428, 429)가 크로스 가이드 라이너(430, 431) 내를 왕복 미끄럼 이동한다. 크로스 가이드 헤드(428, 429) 각각에 압축 피스톤 로드(438) 및 팽창 피스톤 로드(443)을 통해 연결된 압축 피스톤(436) 및 팽창 피스톤(442)이 서로 90도의 위상 차이를 갖고 왕복 운동한다.

팽창 피스톤(442)이 90도 선행하여 상사점 부근에서 천천히 이동중, 압축 피스톤(436)은 중간 부근을 상사점으로 향하여 급속히 이동하여 작동 가스의 압축 동작을 행한다. 압축된 작동 가스는 연통공(449) 및 매니홀드(445)를 통해 방열용 열교환기(446)에 유입한다. 방열용 열교환기(446) 내에서 냉각수에 방열한 작동 가스는 축냉기(447)에서 냉각되고, 통로(448)를 통해 저온실(441:팽창 공간) 내로 유입한다.

압축 피스톤(436)이 상사점 근변에서 천천히 이동하고 있을 때에 팽창 피스톤(442)은 급격하게 하사점을 향하여 이동하고 저온실(441)(팽창 공간)에 유입한 작동 가스는 급격하게 팽창하여 냉열이 발생한다. 이에 따라, 팽창 공간을 둘러싸는 냉각 헤드(404)부의 팽창 실린더 블럭(440)의 정상부는 냉각되어 저온이 된다.

그리고, 냉각 헤드(404)에서 냉열 냉매 관로를 순환하는 냉열 냉매를 냉각한다. 팽창 피스톤(442)이 하사점에서 상사점으로 이동할 때에는 압축 피스톤(436)은 중간 위치로부터 하사점을 향하고 있고, 작동 가스는 팽창 공간으로부터 통로를 지나 축냉기(447)에 유입하여 작동 가스를 가지는 냉열을 축냉기(447)에 축열한다. 축냉기(447)에 축열된 냉열은 상기한 바와 같이 고온실(437)로부터 방열용 열교환기(446)를 지나 이송되어 오는 작동 가스를 재차 냉각하기 때문에 재이용된다.

그리고, 냉각 헤드(404)에서 냉각된 냉열 냉매는 냉열 냉매 관로(405), 냉열 냉매 출구 마개(407)로부터, 예컨대 냉동고 등의 냉열 이용 기기(408)내의 냉열 냉매 배관으로 이송되고, 냉열 이용 기기(408) 내에서 냉동 혹은 냉각 작용을 행한다. 냉열 이용 기기(408) 내에서 냉열 냉매는 열을 흡수하여 냉각 작용을 하여, 냉열 냉매 배관으로부터 냉각 장치의 냉열 냉매 입구 마개(406)에 이송되고, 냉열 냉매 배관(405)을 지나 냉각 헤드(404)로 복귀되어 거기에서 냉각된다. 이와 같이, 냉열 냉매가 스털링 냉동기(403)의 냉각 헤드(404)와 냉열 이용 기기(408) 사이에서 순환하여, 스털링 냉동기(403)에서 냉열 냉매는 냉각되고, 이 냉열 냉매가 냉열 이용 기기(408)에서 냉각 작용을 한다. 이하, 마찬가지의 사이클이 반복된다.

방열용 열교환기(446)에서 열교환된 냉각수는 냉각수 순환 관로(454)로부터 방열기(455)로 흘러 거기서 냉각 팬에 의해 냉각되고, 재차 방열용 열교환기(446)로 순환한다.

다음에, 냉열 이용 기기(408)의 냉열 교환기에 생기는 서리의 서리 제거 작용에 대해서 설명하기로 한다. 서리 제거를 행할 때에는 냉열 이용 기기에 설치한 착상 센서에 의해 착상을 검지하여 서리 제거용의 제어 회로에 의해 스털링 냉동기(403)의 모터(416)를 역회전한다. 그러면, 압축 피스톤(436) 및 팽창 피스 톤(442)은 90°의 위상차를 갖고 상기 모터(416)의 정회전 동작일 경우와 전혀 거꾸로 압축 피스톤(436)은 팽창 피스톤으로서 작용하고, 팽창 피스톤(442)은 압축 피스톤으로서 작용한다.

이에 따라, 팽창 실린더(433)의 팽창 공간내의 작동 가스는 팽창 피스톤(442)에 의해 압축되어 열을 발생하고, 냉각 헤드(404)에 의해 냉열 냉매를 가열하여 냉열 이용 기기(408)에 순환시켜, 열 이용 기기의 열교환기에 생긴 서리를 제거할 수 있다. 따라서, 열교환기 표면에 히터선이 장착되어 있지 않은 냉열 이용 기기(408)의 경우라도 효과적으로 서리 제거가 가능하다.

또, 냉열 이용 기기(408)가 냉각 상온조일 경우, 상기 모터(416)의 역회전에 의한 가열 운전을 이용할 수 있다. 즉, 본 발명의 냉각 장치를 통상의 냉각 운전을 행하면서 상온조의 온도를 측정하여, 그 결과에 따라 온도 제어 장치의 온도 제어 회로에 의해 수차 모터(416)를 역회전 제어하여 가열 운전을 행하여 상온을 유지할 수 있다.

또, 상기 실시예에서는 2피스톤형의 스털링 냉동기(403)를 사용했지만, 디스프레이서형 등 외의 형식의 스털링 냉동기(403)를 사용하여도 되는 것은 당연한 일이다.

다음에, 도22에 도시되어 있는 스털링 장치에 또 온열 이용 기기를 조립한 구성의 스털링 냉각 가열 시스템에 대해서 도25 내지 도27을 참조하여 설명하기로 한다.

도25는 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기와 조립하여 이용되는 스털링 냉각 가열 장치의 개략도이다. 도22 내지 도24에서 도시되어 있는 실시예와 동일 부재에는 동일한 참조 부호를 붙이고 있다. 또, 스털링 장치의 기본적인 구성 및 작용에 관해서는 이미 도22 내지 도24의 실시예를 이용하여 설명하고 있으므로, 여기에서는 중복 기재를 생략하고, 상기 실시예와 다른 점(온열 이용 기기와의 열교환)만을 설명하기로 한다.

본 실시예의 스털링 냉각 가열 장치(501)는 상술한 스털링 냉각 장치의 저온측 열교환기(냉각 헤드)와 냉열 이용 기기를 순환하는 냉매에 의한 열교환기뿐만 아니라, 고열측 열교환기(방열용 열교환기)와 온열 이용 기기를 순환하는 냉매의 열교환기도 이용하는 것이다.

즉, 스털링 냉동기(403)의 방열용 열교환기(고온 열교환기)(446)에는 방열 냉매(스털링 냉동기에서 발생한 열을 외부에 반송하기 위한 냉매로서, 물 등이 사용된다)를 순환시키기 위한 방열 냉매 관로(513) 및 방열 냉매용 펌프(P3)가 접속되어 있다. 방열 냉매 관로(513)의 양쪽단은 케이스(502)를 관통하여 입구 마개(514) 및 출구 마개(515)가 설치되어 있다.

본 실시예의 스털링 냉각 가열 장치(501)를 사용함에 있어서는, 이 입구 마개(514)와 출구 마개(515)에 온열 이용 기기(516)의 방열 냉매 배관(517)의 출구단(518), 입구단(519)이 착탈 가능하게 접속되고, 이에 따라 스털링 냉동기(403)의 방열용 열교환기(446)의 방열 냉매 관로(513)와 온열 이용 기기의 방열 냉매 배관(517) 사이에서 순환 회로가 형성되고, 스털링 냉각 가열 장치(501)에 의해 온열 이용 기기(516)가 가온된다. 온열 이용 기기(516)로서는 상온조, 난 방 기기, 가열 시험 장치, 급유기 등이 있다.

냉각 헤드(404)는 냉열 냉매 관로(405) 및 냉열 냉매용 펌프(P2)를 거쳐서 냉열 이용 기기(408)와 접속되어 냉열 냉매를 순환하고 있는 것은 이미 기술한대로이다. 또, 냉열 냉매 관로(405)에는 절환 밸브로서의 삼방 밸브(560)를 거쳐서 팬(561)을 가지는 외부와 열교환을 행하는 열교환기(562)(흡열기)가 접속되어 있다. 삼방 밸브(560)를 절환함으로써, 냉각 헤드(404)는 흡열 냉매 관로(405) 및 삼방 밸브(560)를 거쳐서 열교환기(562)에 접속되고, 냉열 냉매 순화로가 형성된다.

또, 방열용 열교환기(446)는 방열 냉매 관로(513) 및 방열 냉매용 펌프(P3)를 거쳐서 입구 마개(514) 및 출구 마개(515)와 접속하고 있어, 방열 냉매를 흐르게 하고 있다. 방열용 열교환기(512)로 가열된 방열 냉매는 입구 마개(514) 및 출구 마개(515)를 거쳐서 온열 이용 기기(516)의 방열 냉매 배관(517)에 접속되어, 방열 냉매 순환로가 형성된다.

또, 방열 냉매 관로(513)에는 절환 밸브로서의 삼방 밸브(565)를 거쳐서 방열 팬(566)을 가지는 방열기(567)가 접속되어 있다. 삼방 밸브(565)를 절환함으로써, 방열용 열교환기(446)는 방열 냉매 관로(513) 및 삼방 밸브(565)를 거쳐서 방열기(567)에 접속되고, 방열용 열교환기(446)에서 가열된 방열 냉매 순환로가 형성된다.

또, 본 실시예의 스털링 냉각 가열 장치(501)에 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기용의 온도 제어 장치를 설치하면, 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516) 각각에 온도 센서를 설치하는 것만으로 스털링 냉각 가열 장치(501)쪽으로부터의 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516) 각각에 대해서 상술한 실시예와 마찬가지인 온도 제어를 행할 수 있다.

즉, 도27에 있어서 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516) 각각에 온도 센서를 배치하고, 스털링 냉각 가열 장치에 온도 설정 패널에 의해 온도 설정을 가능하게 하는 온도 제어 장치를 배치한다. 이 온도 제어 장치를 구성하는 온도 제어 회로내의 비교 회로에서, 각각에 온도 센서로 검지한 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516)의 온도 검출 신호와 온열 설정 패널에 의해 설정된 온도를 비교하여, 각각 설정된 온도를 중심으로 하는 허용 온도 범위에 있는지 아닌지를 판단하고, 그 결과에 따라 스털링 냉동기(403)의 모터(425)를 온·오프 제어 또는 인버터 제어하여, 상기 허용 온도 범위내의 온도를 유지하면서 운전을 행할 수 있다.

또, 모터(416)를 역회전시키면 압축 피스톤(436) 및 팽창 피스톤(442)은 위상차를 갖고 상기 모터(416)의 정회전 동작일 경우와는 완전히 반대로 압축 피스톤(436)은 팽창 피스톤으로서 작용하여 냉열을 발생하고, 팽창 피스톤(442)은 압축 피스톤으로서 작용하여 온열을 발생한다. 따라서, 상기 온도 제어 장치의 비교 회로 결과에 따라 모터(416)를 역회전시키면, 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516)의 온도를 급속하게 제어하는 것을 가능하게 하고, 상기 허용 온도 범위내의 온도를 유지하면서 운전을 행할 수 있다.

또, 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516)를 동시 사용할 경우에는, 한쪽의 온도 제어를 행하면 다른쪽의 온도가 설정 온도 범위로부터 벗어나는 것을 생각할 수 있다. 예컨대, 냉열 이용 기기(408)의 온도가 허용 범위보다 상승한 경우, 모터(416)의 출력을 증가시키면 냉열 이용 기기(408)는 허용 온도 범위로 저하시켜서 복귀시킬 수 있지만, 온열 이용 기기(516)의 온도가 허용 범위보다 일시적으로 상승하는 경우가 생긴다.

이와 같은 경우의 대책으로서 몇가지의 수단이 있다. 예컨대, 온도 제어의 중점을 냉열 이용 기기(408) 또는 온열 이용 기기(516) 중 어느 한쪽으로 좁힌다. 또는, 삼방 밸브(565)(또는 560)를 절환하여 방열용 열교환기(또는 냉각 헤드)를 방열기(또는 흡열기)에 접속하여, 방열 냉매(냉열 냉매)의 온열 이용 기기(516)(또는 냉열 이용 기기(408))에 온열(또는 냉열)의 반송을 정지시킨다. 또는, 온열 이용 기기(516)(또는 냉열 이용 기기)에 전열 히터식 가열기 등의 보조 가열 수단을 이용하여 보조적인 온도 제어를 한다.

그리고, 전열 히터식 가열기를 구비한 냉열 이용 기기(408)에 본 발명의 스털링 냉각 가열 장치(501)를 이용할 경우에는, 상기와 같은 스털링 냉동기(403) 모터(416)의 운전 제어에 의한 온도 제어에 보태어, 상기 온도 센서로부터의 온도 신호와 설정 온도를 제어 장치에서 비교 연산하고, 그 차이를 기초로 하여 가열기를 PID 제어하고 더욱 정밀한 온도 제어를 도모할 수 있다.

또, 도27에서 온도 설정 패널을 스털링 냉각 가열 장치에 설치했지만, 온도 설정 패널을 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516) 각각에 부설하고, 각각에 이용 기기쪽으로부터 온도 설정을 행하는 구성으로 하여도 좋다.

이상, 스털링 냉각 가열 장치(501)는 케이스(502)를 가지는 실시예에 대해서 설명했지만, 케이스를 특히 가지지 않는 실시예의 경우에는 냉열 냉매 및 방열용의 입구 마개, 출구 마개 등은 스털링 냉동기 등의 스털링 냉각 가열 장치의 구성 부분에 적당히 지지 부재를 설치 부착하여 유닛화하면 된다.

다음에, 스털링 냉각 가열 장치(501)를 이용하여 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516)의 동시 사용을 행하는 경우에 대해서 이하에 설명하기로 한다. 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기의 동시 사용을 행할 경우에는 삼방 밸브를 도25, 도26의 상태로 한다.

냉각 헤드(404)에서 냉각된 냉열 냉매는 냉열 냉매 관로(405), 출구 마개(407)로부터, 예컨대 냉동고 등의 냉열 이용 기기(408)내의 냉열 냉매 배관(509)에 이송되고, 냉열 이용 기기(408)내에서 냉동 혹은 냉각 작용을 행한다. 냉열 이용 기기(408)내에서 냉열 냉매는 냉각 작용을 행하여 냉열 냉매 배관(409)으로부터 입구 마개(406)에 이송되고, 냉열 냉매 관로(405)를 지나 냉각 헤드(404)에 복귀되어 거기에서 냉각된다. 이와 같이 냉열 냉매가 스털링 냉동기(403)의 냉각 헤드(404)와 냉열 이용 기기(408) 사이에서 순환하고, 스털링 냉동기(403)에서 냉열 냉매는 냉각되어, 이 냉열 냉매가 냉열 이용 기기(408)에서 냉각 작용을 한다. 이하, 마찬가지의 사이클이 반복된다.

방열용 열교환기(446)에서 가열된 방열 냉매는 방열 냉매 관로(513), 출구 마개(515)로부터, 예컨대 상온조 등의 온열 이용 기기(516)내의 흡열 냉매 배관(517)으로 이송되어, 온열 이용 기기(516)내에서 가열 작용을 행한다. 그리고 방열 냉매는 방열 냉매 배관(517)으로부터 가열 장치의 방열 냉매 입구 마개(514) 에 이송되고, 방열 냉매 관로(513)를 지나 방열용 열교환기(446)에 복귀되어 거기에서 가열된다. 이와 같이, 방열 냉매는 스털링 냉동기(403)의 방열용 열교환기(446)와 온열 이용 기기(516) 사이에서 순환하고, 스털링 냉동기(3)에서 가열되어 온열 이용 기기(16)에서 가열 작용을 한다. 이하, 마찬가지의 사이클이 반복된다.

다음에, 스털링 냉각 가열 장치(501)를 이용하여 냉열 이용 기기(408)만 사용할 경우에는, 절환 밸브(560, 560)는 도25, 도26의 상태를 보유하여 냉열 이용 기기(408)를 사용 상태로 한다. 한 편, 절환 밸브(565)를 절환하여 방열 냉매를 방열용 열교환기(446)와 방열기(567) 사이에서 순환시켜서 온열 이용 기기(516)는 불사용 상태로 한다.

또, 스털링 냉각 가열 장치(501)를 이용하여 온열 이용 기기(516)만 사용할 경우에는, 절환 밸브(565)는 도25, 도26의 상태를 보유하여 온열 이용 기기를 사용 상태로 한다. 한 편, 절환 밸브(560)를 절환하여 냉열 냉매를 냉각 헤드(404)와 흡열기(562) 사이에서 순환시키고 냉열 이용 기기(408)는 불사용 상태로 한다.

스털링 냉각 가열 장치의 온도 설정 패널에 의해 냉열 이용 기기(408), 온열 이용 기기(516)의 온도 설정을 행한다. 온도 설정 패널에 의해 설정된 온도와, 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(416) 각각의 온도 센서로 검지한 온도 검출 신호가 온도 제어 회로내의 비교 회로에서 비교되고, 각각 설정된 온도를 중심으로 하는 허용 온도 범위에 있는지 아닌지를 판단하여, 그 결과에 따라 스털링 냉동기(3)의 모터(416)를 온·오프 제어 또는 인버터 제어하여, 혹은 모터(416)를 역회전시켜서 상기 허용 온도 범위내의 온도를 유지하면서 운전을 행할 수 있다.

그리고, 전열 히터식 가열기를 보조적으로 구비한 냉열 이용 기기(408) 및 온열 이용 기기(516)에 본 발명의 스털링 냉각 가열 장치(501)를 이용할 경우에는, 상기와 같은 스털링 냉동기(403) 모터(446)의 운전 제어에 의한 온도 제어에 보태어, 상기 온도 센서로부터의 온도 검출 신호와 설정 온도를 제어 장치에서 비교 연산하여, 그 차이를 기초로 하여 전열 히터식 가열기를 PID 제어하고, 또 정밀한 온도 제어를 도모할 수 있다.

다음에, 냉열 이용 기기(408)의 냉열 교환기, 냉각 헤드(404) 등에 생기는 서리의 서리 제거 작용에 대해서 설명하기로 한다. 서리 제거를 행할 때에는 냉열 이용 기기(408) 및 냉각 헤드(404)에 설치한 착상 센서에 의해 착상을 검지하여, 서리 제거용의 제어 회로에 의해 스털링 냉동기(403)의 모터(446)를 역회전한다. 이에 의해, 팽창 실린더의 팽창 공간내의 작동 가스는 팽창 피스톤(442)에 의해 압축되어 열을 발생하고, 냉각 헤드(404)에서 냉열 냉매를 가열하여 냉열 이용 기기(408)에 순환시켜, 냉열 이용 기기(408)의 열교환기, 냉각 헤드(404) 등에 생긴 서리를 제거할 수 있다. 또, 냉열 이용 기기(408)의 냉열 교환기 등의 서리가 발생하는 장소에 히터선을 장착하고, 장착 센서에 의해 착상을 검지하여 이 히터선에 의해 서리 제거가 가능하다.

본 실시예에 의한 스털링 냉각 장치(401)에 의하면, 다음과 같은 효과를 이룰 수 있다.

(1) 스털링 냉동기(403)를 사용하여 냉각 장치를 구성하도록 했으므로, 플론 이외의 냉매로서 에틸 알콜, 질소, 헬륨 등 저융점의 냉매를 작동 가스로서 사용함으로써, 종래의 냉각 장치보다 사용 온도가 광범위해지고, 광범위한 용도의 냉열 이용 기기에 적용할 수 있는 동시에, 지구 환경 문제에 적응한 냉동 장치를 제공할 수 있다.

(2) 본 발명의 냉각 장치는 냉열 냉매용의 입구 마개(406) 및 출구 마개(407)를 구비하고 있고, 이들 마개에 냉열 이용 기기(8)의 냉열 냉매 배관을 착탈 가능하게 접속함으로써, 냉각 장치와 냉열 이용 기기(408) 사이에 냉열 냉매의 순환로를 간단하게 형성할 수 있도록 했으므로, 각종 냉열 이용 기기(408)에 간단하면서 범용적으로 이용할 수 있다.

(3) 본 발명의 냉각 장치의 스털링 냉동기(403)를 역회전 또는 온도 제어하여 간단한 구성으로 서리 제거 및 상온 냉각, 또는 온열 이용을 가능하게 한다.

(4) 본 발명의 스털링 냉각 장치(401)는 스털링 냉동기(403)를 압축 실린더(432)와 팽창 실린더(433)의 2피스톤으로 함으로써, 스털링 냉동기(3)내의 작동 가스가 충전된 공간의 용적 변동을 크게 할 수 있고, 소형인데 비해 냉동 능력이 큰 스털링 냉동기(403)를 제공할 수 있다.

본 실시예에 의한 스털링 냉각 가열 장치에 의하면, 다음과 같은 효과를 이 룰 수 있다.

(1) 스털링 냉동기를 사용하여 냉각 가열 장치를 구성하도록 했으므로, 플론 이외의 냉매로서 에틸 알콜, 질소, 헬륨 등 저융점의 냉매를 작동 가스로서 사용함으로써, 종래의 냉각 장치보다 사용 온도가 광범위해져 광범위한 용도의 냉열 이용 기기 및 가열 이용 장치에 적용할 수 있는 동시에, 지구 환경 문제에 적응한 스털링 냉각 가열 장치를 제공할 수 있다.

(2) 본 실시예의 스털링 냉각 가열 장치는 냉열 냉매용 및 온열 냉매용 각각의 입구 마개 및 출구를 구비하고 있고, 이들의 마개에 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기 각각의 냉매 배관을 착탈 가능하게 접속하여, 스털링 냉각 가열 장치와 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기의 각각과 냉매의 순환로를 간단하게 형성할 수 있도록 했으므로, 각종의 냉열 이용 기기 및 온열 이용 기기에 간단하면서 범용적으로 이용할 수 있다.

(3) 스털링 냉동기의 냉각 헤드의 냉열을 냉열 이용 기기에 이용할 수 있고, 방열용 열교환기의 온열을 온열 이용 기기에 이용할 수 있으므로, 발생하는 냉열 및 온열을 헛되지 않게 사용할 수 있어 높은 COP를 얻을 수 있다.

(4) 스털링 냉동기의 구동 모터를 온·오프 또는 인버터 제어함으로써, 혹은 역회전함으로써 온도 제어를 가능하게 한다. 또, 본 발명의 냉각 가열 장치의 스털링 냉동기를 역회전시켜, 간단한 구성으로 서리 제거를 가능하게 한다.

(5) 본 실시예의 스털링 냉각 가열 장치는 스털링 냉동기를 압축 실린더와 팽창 실린더의 2피스톤형으로 함으로써, 스털링 냉동기내의 작동 가스가 충전된 공 간의 용적 변동을 크게 할 수 있어, 소형인데 비해 냉동 능력이 큰 스털링 냉동기를 제공할 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 스털링 장치에서 이용되는 냉열 냉매 및 방열 냉매(2차 냉매)로서는 에틸 알콜, HFE(하이드로플루오로 에테르), PFC(파플루오로 카본), PFG(파플루오로 글리콜), 기름(가열용), 질소, 헬륨, 물 등이 사용된다. 또, 작동 가스(1차 냉매)로서는 질소, 헬륨, 수소 등이 사용된다.

Claims

저온측 열교환기와 고온측 열교환기를 가지고, 작동 가스와 열교환 매체의 열교환에 의해 냉각 및·또는 가열 동작을 행하는 열교환기를 이용한 스털링 장치에서, 상기 저온측 열교환기는 상기 스털링 장치의 피스톤 또는 디스프레이서가 미끄럼 이동하는 내측 실린더를 그 내부에 배치하고, 정상벽 및 측벽을 가지는 원통형의 정상부 열교환 하우징으로 이루어지고, 상기 고온측 열교환기는 상기 내측 실린더의 외측에 배치된 원통형의 환형 열교환 하우징과 그 내측에 삽입 고정된 열교환기 본체로 이루어지고, 상기 환형 열교환 하우징과 상기 열교환기 본체 사이에 열교환 매체의 유로를 형성하고, 상기 저온측 열교환기의 상기 정상부 열교환 하우징과 상기 고온측 열교환기의 상기 열교환기 본체 중 적어도 한쪽의 내주면에는 상기 내측 실린더의 외주면과 함께 작동 가스용의 유로를 형성하는 핀이 형성되어 있고, 또 상기 정상부 열교환 하우징, 상기 환형 열교환 하우징 및 상기 열교환기 본체 중 적어도 1개는 주조에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 정상부 열교환 하우징과 상기 열교환기 본체 중 적어도 한쪽의 내주면에 형성된 핀은 축방향에 직선형으로 형성된 가는 홈으로 이루어지고, 그 가는 홈과 상기 내측 실린더의 외주면에 의해 상기 작동 가스용의 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 열교환기 본체 중 적어도 내주면에는 상기 작동 가스용 유로를 향하도록 오프셋 스트립 핀이 고정 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제3항에 있어서, 상기 열교환기 본체의 외주면에는 열교환 매체를 향하도록 오프셋 스트립 핀이 고정 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 저온측 열교환기의 상기 정상부 열교환 하우징 및 상기 고온측 열교환기의 상기 열교환기 본체 중 적어도 한쪽에는 그 외주면에 일체로 형성된 핀, 또는 별체로 형성되어 후방 부착된 핀이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제5항에 있어서, 상기 일체 또는 별체로 설치된 핀은 환형의 핀인 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 저온측 열교환기의 상기 열교환 하우징의 선단측에 배치된 냉각 헤드를 또 가지고, 그 냉각 헤드는 그 내부를 관통하는 열교환 매체를 유동시키기 위한 열교환 매체용 유로를 가지고 있고, 그 열교환 매체용 유로내에는 열교환 효율을 높이기 위한 핀이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제7항에 있어서, 상기 핀은 오프셋 스트립 핀으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 저온측 열교환기에서 냉각되는 열교환 매체가 흐르는 냉열 교환 매체 관로와, 그 냉열 교환 매체 관로의 한쪽단에 설치된 냉열 교환 매체의 입구 마개 및 다른쪽 단에 설치된 출구 마개를 구비하고, 상기 냉열 교환 매체의 출구 마개 및 입구 마개를 냉열 이용 기기의 냉열 교환 매체 관로에 착탈 가능하게 접속함으로써, 상기 스털링 장치와 상기 냉열 이용 기기 사이에서 냉열 교환 매체의 순환 관로를 형성하여, 상기 냉열 이용 기기에 냉열을 반송하는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제9항에 있어서, 상기 냉열 이용 기기로부터의 온도 검출 신호를 기초로 하여 상기 스털링 장치의 동작 능력을 제어함으로써, 상기 냉열 이용 기기의 온도 제어를 행하는 온도 제어 장치를 또 가진 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제9항에 있어서, 상기 고온측 열교환기에서 방열되는 열교환 매체가 흐르는 가열 교환 매체 관로와, 그 가열 교환 매체 관로의 한쪽단에 설치된 가열 교환 매체의 입구 마개 및 다른쪽 단에 설치된 출구 마개를 구비하고, 상기 가열 교환 매체의 출구 마개 및 입구 마개에 온열 이용 기기를 착탈 가능하게 접속함으로써, 그 온열 이용 기기에 온열을 반송하는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제11항에 있어서, 상기 온열 이용 기기로부터의 온도 검출 신호를 기초로 하여 상기 스털링 장치의 동작 능력을 제어함으로써, 상기 온열 이용 기기의 온도 제어를 행하는 온도 제어 장치를 상기 냉열 이용 기기에 대한 상기 온도 제어 장치와 일체 혹은 별체로 설치된 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제9항에 있어서, 상기 스털링 장치의 모터를 역회전함으로써 제어하고, 상기 냉열 이용 기기 및·또는 저온 열교환기의 서리를 제거하는 서리 제거용 제어 회로를 또 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 정상부 열교환 하우징, 상기 환형 열교환 하우징 및 상기 열교환기 본체 중 적어도 1개는 로스트 왁스 단조에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 정상부 열교환 하우징과 상기 열교환기 본체 중 적어도 한쪽에 형성된 핀은 로스트 왁스 주조에 의해 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.
제1항에 있어서, 상기 열교환 매체는 에틸 알코올, HFE(하이드로플루오로 에테르), PFC(파플루오로 카본), PFG(파플루오로 글리콜), 기름(가열용), 질소, 헬륨, 또는 물이 사용되고, 상기 작동 가스는 질소, 헬륨, 또는 물이 사용되는 것을 특징으로 하는 스털링 장치.