KR101393569B1

KR101393569B1 - 스털링 냉동기용 정류 유닛

Info

Publication number: KR101393569B1
Application number: KR1020120157477A
Authority: KR
Inventors: 김태완; 안광원
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-05-12
Also published as: JP2014129995A; DE102013225929A1; CN103913021A; JP6239293B2; US20140182311A1

Abstract

스털링 냉동기용 정류 유닛이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛은 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 하우징 내부에 충진된 작동유체를 피스톤의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 피스톤의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 압축부에서 발열하고, 팽창부에서 흡열하는 스털링 냉동기에서 상기 압축부와 팽창부 사이를 유동하는 작동유체의 압력의 흐름을 균일하게 하기 위한 것으로, 상기 하우징의 내부에서 상기 압축부와 팽창부에는 각각 열교환부가 구비되고, 상기 열교환부의 양단부에 각각 배치되며, 압축부와 팽창부로부터 배출되어 상기 열교환부를 통과하는 작동유체를 정류하는 정류부재; 및 상기 각 정류부재를 상기 열교환부의 양단에 각각 고정시키는 고정 플레이트를 포함한다.

Description

스털링 냉동기용 정류 유닛{RECTIFICATION UNIT FOR STIRLING REFRIGERATOR}

본 발명은 스털링 냉동기용 정류 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스털링 냉동기에서 압축부와 팽창부에 적용되는 피스톤의 왕복 이동에 따라 등온압축 또는 등온팽창 된 작동유체의 흐름을 원활하게 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 에어컨 시스템은 외부의 온도변화에 관계없이 자동차 실내의 온도를 적당한 온도로 유지하여 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 팽창밸브, 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 에어컨 시스템이 설치된 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.

그러나 종래의 에어컨 시스템은 순환되는 작동유체인 냉매로서 CFC/HCFC계 화합물을 사용하고 있는 바, 이들은 화학적으로 매우 안정적이어서 대기 중으로 누출되었을 때 분해되지 않고 성층권에 도달하고, 여기서 햇빛의 자외선에 반응하여 염소 원자가 분리되며, 이 염소원자는 오존과 반응하여 일산화염소를 생성시키면서 점차 오존층을 파괴하게 되는 단점이 있다.

이와 같이 냉매에 의한 환경오염을 방지하기 위해 최근에는 냉매를 대신하여 내부에 충진된 작동유체로서 헬륨가스나 질소가스를 사용하고, 이 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 통해 작동유체를 초저온 상태로 냉각하여 차량의 냉방에 이용하기 위한 스털링 냉동기에 대한 개발이 이루어지고 있다.

그러나 상기와 같은 스털링 냉동기에서 작동유체의 등온압축 및 등온팽창 시, 상호간에 이동되는 작동유체가 각각의 압축부와 팽창부로부터 재생부를 통과하여 이동할 경우, 작동유체의 유동 경로 상에서 압력 불균형 발생으로 원활한 흐름이 이루어지지 못함에 따라, 스털링 냉동기의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스털링 냉동기에서 압축부와 팽창부에 적용되는 피스톤의 왕복 이동에 따라 등온압축 또는 등온팽창 된 작동유체의 흐름을 원활하게 함으로써, 작동유체의 유동 시에 압력 평형을 이루도록 하여 스털링 냉동기의 전체적인 효율을 향상시키도록 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛은 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 하우징 내부에 충진된 작동유체를 피스톤의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 피스톤의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 압축부에서 발열하고, 팽창부에서 흡열하는 스털링 냉동기에서 상기 압축부와 팽창부 사이를 유동하는 작동유체의 압력의 흐름을 균일하게 하기 위한 것으로, 상기 하우징의 내부에서 상기 압축부와 팽창부에는 각각 열교환부가 구비되고, 압축부와 팽창부로부터 배출되어 상기 열교환부를 통과하는 작동유체를 정류하는 정류부재; 및 상기 각 정류부재를 상기 열교환부의 양단에 각각 고정시키는 고정 플레이트를 포함한다.

상기 정류부재는 와이어가 불규칙적으로 뭉쳐져 형성될 수 있다.

상기 고정 플레이트는 상기 정류부재가 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.

상기 고정 플레이트는 상기 삽입홈에 대응하여 상기 작동유체가 유동되도록 다수개의 관통홀이 형성되어 상기 열교환부와 연통될 수 있다.

상기 고정 플레이트는 외주면에 상기 하우징의 내주면 사이를 시일하기 위한 시일링이 개재될 수 있다.

상기 열교환부는 상기 고정 플레이트와 접촉되는 일면과 상기 고정 플레이트 사이를 시일하기 위한 시일링이 개재될 수 있다.

상기 하우징은 상기 정류부재를 통과한 작동유체의 배출 시, 배출 압력을 균일하게 하도록 작동유체가 유입 및 배출되는 유동홀을 중심으로 상기 열교환부를 향하는 일면이 경사진 경사면으로 형성될 수 있다.

상기 경사면은 상기 유동홀을 중심으로 상기 유동홀로부터 상기 정류부재 측을 향하여 갈수록 그 직경이 점차 넓어지도록 경사지게 형성될 수 있다.

상기 고정 플레이트는 상기 하우징의 내부에 형성된 링홈에 장착되는 스냅링을 통하여 상기 열교환부의 양단부에 각각 고정될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛에 의하면, 스털링 냉동기에서 압축부와 팽창부에 구비되는 피스톤의 왕복 이동에 따라, 등온압축 또는 등온팽창된 작동유체가 각각의 열교환부를 통과한 후, 압력이 고루 분포되도록 함으로써, 압축부, 팽창부, 및 재생부 사이에서 유동되는 작동유체의 흐름을 원활하게 하는 효과가 있다.

또한, 작동유체의 원활한 흐름은 작동유체의 유동 경로 상에서 압력평형을 이루게 되는 바, 압축부와 팽창부에서 작동유체의 압축률과 팽창률을 더욱 향상시킬 수 있어 스털링 냉동기의 전체적인 효율을 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛이 적용되는 스털링 냉동기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛이 적용된 스털링 냉동기의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛이 적용된 스털링 냉동기의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛과 열교환부의 분해 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛이 적용되는 스털링 냉동기의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛이 적용된 스털링 냉동기의 부분 절개 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛이 적용된 스털링 냉동기의 부분 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛과 열교환부의 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛(10)이 적용되는 상기 스털링 냉동기(100)는 차량의 엔진(미도시)으로부터 구동력을 풀리(101)를 통해 전달받아 회전되는 회전 샤프트(103)를 통해 작동되며, 하우징(109) 내부에 충진된 작동유체를 피스톤(107)의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부(110)와, 상기 압축부(110)에서 압축된 작동유체를 피스톤(107)의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부(120)와, 상기 압축부(110)와 상기 팽창부(120)를 유체적으로 연통시키는 재생부(130)를 포함하여 구성된다.

이러한 스털링 냉동기(100)는 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 압축부(110)에서 발열하여 작동유체의 온도가 상승하고, 온도가 상승된 작동유체를 연결배관(140)을 통해 연결된 재생부(130)에서 재생시킨 후, 상기 팽창부(120)에서 흡열을 통해 작동유체의 온도를 초저온 상태로 낮추게 된다.

여기서, 상기 팽창부(120)에서 온도가 낮아진 작동유체는 차량에 구비된 내부 열교환기를 순환하는 다른 작동유체와 열교환되며, 열교환을 통해 냉각된 다른 작동유체가 차량의 실내로 유입되는 외기를 냉각시킴으로써, 차량의 냉방이 이루어지게 된다.

여기서, 상기 피스톤(107)은 상기 압축부(121)에서 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부(123)에서 팽창이 이루어지도록 상기 압축부(110)와 팽창부(120)를 관통하여 설치된 상기 회전 샤프트(103) 상에 상호 설정 위상을 가지며, 압축부(110)와 팽창부(120)에 각각 구비되는 한 쌍의 경사판(105)을 통해 장착된다.

그리고 상기 압축부(110)와 팽창부(120)는 피스톤(107)이 왕복 이동되면서 작동유체를 압축 또는 팽창시키기 위한 압축실(111)과 팽창실(121)이 구비된다.

또한, 상기 압축부(110)와 팽창부(120)에는 상기 하우징(109)에 각각 구비되는 열교환부(150)를 더 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성을 갖는 스털링 냉동기(100)에서 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛(10)은 압축부(110)와 팽창부(120)에 적용되는 피스톤(107)의 왕복 이동에 따라 등온압축 또는 등온팽창 된 작동유체의 흐름을 원활하게 함으로써, 작동유체의 유동 시에 압력 평형을 이루도록 하여 스털링 냉동기(100)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛(10)은, 도 2 내지 도 4에서 도시한 바와 같이, 정류부재(11)와 고정 플레이트(13)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 정류부재(11)는 상기 열교환부(150)의 양단부에 각각 배치되며, 압축부(110)와 팽창부(120)로부터 배출되어 상기 열교환부(150)를 통과하는 작동유체를 정류하게 된다.

여기서, 상기 정류부재(11)는 상기 압축부(110) 또는 팽창부(120)를 순환하는 작동유체가 압축부(110)와 팽창부(120)에서 배출 시, 작동유체의 유동압력이 고르게 분포되도록 가느다란 와이어가 불규칙적으로 뭉쳐져 형성될 수 있다.

그리고 상기 고정 플레이트(13)는 상기 각 정류부재(11)를 상기 열교환부(150)의 양단에 각각 고정시키게 된다.

여기서, 상기 고정 플레이트(13)는 상기 열교환부(150)의 양단에 배치된 상기 정류부재(11)가 삽입되는 삽입홈(15)이 형성되며, 상기 삽입홈(15)에 대응하는 일면에는 작동유체가 유동되도록 다수개의 관통홀(17)이 형성되어 상기 열교환부(150)와 연통될 수 있다.

이에 따라, 상기 고정 플레이트(13)는 각 관통홀(17)을 통하여 상기 열교환부(150)로 정류부재(11)를 통과한 작동유체를 유입시키고, 상기 열교환부(150)로부터 배출되어 정류부재(11)를 통과하면서 유동 압력이 고르게 분포된 작동유체를 원활하게 유동시키게 된다.

이러한 고정 플레이트(13)는 외주면에 상기 하우징(109)의 내주면 사이를 시일하기 위한 시일링(19)이 개재될 수 있다.

또한, 상기 열교환부(150)는 상기 고정 플레이트(13)와 접촉되는 일면과 상기 고정 플레이트(13) 사이를 시일하기 위한 시일링(19)이 개재될 수 있다.

상기 각각의 시일링(19)들은 상기 고정 플레이트(13)의 외주면과 하우징(109)의 내주면 사이와, 상기 고정 플레이트(13)와 열교환부(150)의 일면 사이에서 작동유체가 누출되는 것을 방지하는 기능을 하게 된다.

이와 같이 형성된 상기 고정 플레이트(13)는 상기 하우징(109)의 내부에 형성된 링홈(21)에 장착되는 스냅링(23)을 통하여 상기 열교환부(150)의 양단부에 장착되어 상기 하우징(109)의 내부에서 고정될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 스냅링(23)은 상기 정류부재(11)와 고정 플레이트(13)를 열교환부(150)의 양단부에 각각 고정시키는 기능과 함께, 상기 열교환부(150)를 상기 압축부(110)와 팽창부(120)에서 각각 고정시키는 기능도 하게 된다.

한편, 본 실시예에서, 상기 하우징(109)은 상기 정류부재(11)를 통과한 작동유체의 배출 시, 배출 압력을 균일하게 하도록 작동유체가 유입 및 배출되는 유동홀(25)을 중심으로 상기 열교환부(150)를 향하는 일면이 경사진 경사면(27)으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 경사면(27)은 상기 유동홀(25)을 중심으로 상기 유동홀(25)로부터 상기 정류부재(11) 측을 향하여 갈수록 그 직경이 점차 넓어지도록 경사지게 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 열교환부(150)를 통과한 작동유체는 상기 정류부재(11)를 통과하면서 압력이 고르게 분포되어 배출되고, 상기 유동홀(25)을 통해 배출 시에는 상기 경사면(27)을 따라 상기 유동홀(25)에서 균일한 압력이 발생되도록 유도된다.

즉, 상기 경사면(27)은 정류부재(11)를 통과한 작동유체가 직경이 좁아지는 연결배관(140)을 통과할 경우, 균일한 압력으로 연결배관(140)을 통과하도록 유도함으로써, 상기 정류부재(11)와 함께 작동유체의 압력분포를 고르게 하여 유동흐름을 원활하게 하는 기능을 하게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 정류 유닛(10)을 적용하면, 스털링 냉동기(100)에서 압축부(110)와 팽창부(120)에 구비되는 피스톤(107)의 왕복 이동에 따라, 등온압축 또는 등온팽창된 작동유체가 각각의 열교환부(150)를 통과한 후, 압력이 고루 분포되도록 함으로써, 압축부(110), 팽창부(120), 및 재생부(130) 사이에서 상호 유동되는 작동유체의 흐름을 원활하게 할 수 있다.

또한, 작동유체의 원활한 흐름은 직경이 작은 연결배관(140)을 통과하는 작동유체의 유동 경로 상에서 압력평형을 이루게 되는 바, 압축부(110)와 팽창부(120)에서 작동유체의 압축률과 팽창률을 더욱 향상시킬 수 있어 스털링 냉동기(100)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 정류 유닛
11 : 정류부재
13 : 고정 플레이트
15 : 삽입홈
17 : 관통홀
19 : 시일링
21 : 링홈
23 : 스냅링
25 : 유동홀
27 : 경사면

Claims

차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 하우징 내부에 충진된 작동유체를 피스톤의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 피스톤의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 압축부에서 발열하고, 팽창부에서 흡열하는 스털링 냉동기에서 상기 압축부와 팽창부 사이를 유동하는 작동유체의 압력의 흐름을 균일하게 하기 위한 것으로,
상기 하우징의 내부에서 상기 압축부와 팽창부에는 각각 열교환부가 구비되고,
상기 열교환부의 양단부에 각각 배치되며, 압축부와 팽창부로부터 배출되어 상기 열교환부를 통과하는 작동유체를 정류하는 정류부재; 및
상기 각 정류부재를 상기 열교환부의 양단에 각각 고정시키는 고정 플레이트;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제1항에 있어서,
상기 정류부재는
와이어가 불규칙적으로 뭉쳐져 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제1항에 있어서,
상기 고정 플레이트는
상기 정류부재가 삽입되는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제3항에 있어서,
상기 고정 플레이트는
상기 삽입홈에 대응하여 상기 작동유체가 유동되도록 다수개의 관통홀이 형성되어 상기 열교환부와 연통되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제1항에 있어서,
상기 고정 플레이트는
외주면에 상기 하우징의 내주면 사이를 시일하기 위한 시일링이 개재되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제1항에 있어서,
상기 열교환부는
상기 고정 플레이트와 접촉되는 일면과 상기 고정 플레이트 사이를 시일하기 위한 시일링이 개재되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제1항에 있어서,
상기 하우징은
상기 정류부재를 통과한 작동유체의 배출 시, 배출 압력을 균일하게 하도록 작동유체가 유입 및 배출되는 유동홀을 중심으로 상기 열교환부를 향하는 일면이 경사진 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제7항에 있어서,
상기 경사면은
상기 유동홀을 중심으로 상기 유동홀로부터 상기 정류부재 측을 향하여 갈수록 그 직경이 점차 넓어지도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.
제1항에 있어서,
상기 고정 플레이트는
상기 하우징의 내부에 형성된 링홈에 장착되는 스냅링을 통하여 상기 열교환부의 양단부에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 정류 유닛.