KR101490733B1

KR101490733B1 - 유로 분리형 스터링냉각기

Info

Publication number: KR101490733B1
Application number: KR20140105606A
Authority: KR
Inventors: 유재신
Original assignee: 하나기술(주)
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2015-02-11

Abstract

본 발명은 유로 분리형 스터링냉각기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 유로와 체크밸브를 이용하여 등온 압축된 유체가 지나가는 유로와 회수용 유체가 지나가는 유로를 분리시켜 높은 효율로 냉각할 수 있는 유로 분리형 스터링냉각기에 관한 것이다.
또한, 크랭크 축의 회전에 따라 승,하강 되어 유체를 압축하거나 회수하기 위한 압축 피스톤과 상기 압축 피스톤의 상승에 의해 압축된 유체를 공급하기 위한 공급 유로와 상기 공급 유로를 통해 공급된 압축 유체가 팽창되며 열교환이 이루어지는 열교환부와 상기 압축 피스톤의 하강 시 열교환된 유체를 회수하기 위한 회수 유로를 포함하며, 상기 공급 유로의 폭 보다 회수 유로의 폭이 더 넓은 것을 특징으로 한다.

Description

유로 분리형 스터링냉각기{detached Flow path type stirling-cooler}

본 발명은 유로 분리형 스터링냉각기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 유로와 체크밸브를 이용하여 등온 압축된 유체가 지나가는 유로와 회수용 유체가 지나가는 유로를 분리시켜 높은 효율로 냉각할 수 있도록 하는 유로 분리형 스터링냉각기에 관한 것이다.

종래의 냉각기는 유체를 등온압축, 등적이동, 등온팽창, 등적이동으로 구성된 역스터링사이클을 이용하여 유체가 팽창되는 지점을 냉각시키게 되는데, 이는 유체의 팽창과정에서 주변의 열을 흡수하는 원리를 이용한 것이다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 스터링냉각기는 등온압축된 유체의 이동 유로와 등온팽창후 압축기로 이동하는 유체의 회수를 위한 유로가 일체형으로 구성되어 효율적인 냉각이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

보다 상세하게는, 냉각기의 주요성능인 등온압축 효율을 높이기 위해서는 압축된 가스가 이동하는 유로의 폭이 좁아야 압축기 가스의 압축시 가스 압축력이 높아져서 많은 압축열이 발생하며, 등온팽창 효율을 높이기 위해서는 유로의 폭이 넓은 팽창공간에서 압축가스의 팽창으로 압축열이 몸체를 통해 냉각(방열)이 이루어져야 하며, 열교환을 위해 가스 팽창을 통해 냉각된 가스는 압축기로 신속하게 회수되어 재압축되어야 한다.

이에 따라, 가스의 재생열교환기로 이동하는 통로가 작아야하며, 재생열교환기로부터 압축기로 회수되는 통로는 커야 냉각기의 효율을 극대화할 수 있음에 불구하고, 종래의 냉각기는 하나의 가스 통로를 공용으로 사용하여 냉각기의 효율이 낮은 단점이 있었다

즉, 압축된 유체의 공급을 위한 유로와 팽창된 유체의 회수를 위한 유로(20a)가 일체화되어 있음에 따라 회수를 위한 유로의 폭은 확보되었으나, 압축기에서 가스 압축시 가스유로의 폭은 넓어서 압축력이 크게 발생되지 못하여 (유로의 폭에 의한 압축 손실) 냉각 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2007-0066764호 "스터링 엔진 배열회수 장치"

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고효율로 열을 교환할 수 있도록 압축된 유체가 지나가는 유로는 폭을 좁게하고 팽창후 압축기로 회수되는 유체가 지나가는 유로는 폭을 넓게하여 냉각기 효율을 향상시킨 유로 분리형 스터링냉각기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기는 크랭크 축의 회전에 따라 승,하강 되어 유체를 압축하거나 회수하기 위한 압축 피스톤과 상기 압축 피스톤의 상승에 의해 압축된 유체를 공급하기 위한 공급 유로와 상기 공급 유로를 통해 공급된 압축 유체가 팽창되며 열교환이 이루어지는 열교환부와 상기 압축 피스톤의 하강 시 열교환된 유체를 회수하기 위한 회수 유로를 포함하며, 상기 공급 유로의 폭 보다 회수 유로의 폭이 더 넓은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환부는 열교환을 위해 금속재질로 구성되어 하부가 개방된 원통형의 몸체와 유체의 통과가 가능하도록 원 기둥 형태의 상면에서부터 측면으로 관통된 홀을 가진 가변부를 포함하며, 상기 가변부는 몸체의 내부에서 크랭크 축의 회전에 따라 승,하강 되어 관통된 홀이 공급 유로와 회수 유로 중 어느 하나와 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공급 유로를 통과하는 유체의 진행방향을 압축 피스톤 방향에서 열교환부 방향으로 제한하기 위한 제 1체크 밸브와 상기 회수 유로를 통과하는 유체의 진행방향을 열교환부 방향에서 압축 피스톤 방향으로 제한하기 위한 제 2체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변부는 상면에 열교환 접촉면적을 늘리기 위한 원기둥 형태의 외형에 스펀지와 같이 내부에 소정의 빈 공간이 형성된 그물망을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유체를 주입 또는 보충하기 위한 유체 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기에 의하면, 압축기와 재생열교환기 사이의 가스 유로는 폭을 작게 하여 압축기에서 가스압축시 높은 압축력이 발생되도록하고 고압으로 압축된 가스가 압력저하 없이 팽창기로 이동할수 있도록 하며, 재생기로부터 압축기로 회수되는 유로는 폭을 넓게 하여 사용된 가스를 압축기로 신속하게 회수되도록 함으로써 높은 냉각 효율을 가질 수 있는 효과가 얻어진다.

도 1은 기존의 스터링냉각기를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 제 1체크 밸브의 개방과 제 2체크 밸브의 폐쇄 동작을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 제 1체크 밸브의 폐쇄와 제 2체크 밸브의 개방 동작을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 동작을 도시한 도면.
도 10는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 유체 주입부를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 제 1체크 밸브의 개방과 제 2체크 밸브의 폐쇄 동작을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 제 1체크 밸브의 폐쇄와 제 2체크 밸브의 개방 동작을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 다른 실시예를 도시한 도면이고, 도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 동작을 도시한 도면이며, 도 10은 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 유체 주입부를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기는 크랭크 축(11)의 회전에 따라 승,하강 되어 유체를 압축하거나 회수하기 위한 압축 피스톤(10)과 상기 압축 피스톤(10)의 상승에 의해 압축된 유체를 공급하기 위한 공급 유로(21)와 상기 공급 유로(21)를 통해 공급된 압축 유체가 팽창되며 열교환이 이루어지는 열교환부(30)와 상기 압축 피스톤(10)의 하강 시 열교환된 유체를 회수하기 위한 회수 유로(41)를 포함하며, 상기 공급 유로(21)의 폭 보다 회수 유로(41)의 폭이 더 넓은 것을 특징으로 한다.

상기 공급 유로(21)의 폭보다 회수 유로(41)의 폭이 더 넓은 것은 동일한 질량의 유체가 압축되거나 팽창된 후의 부피가 다르기 때문에 압축된 유체 또는 팽창된 유체가 압축 또는 팽창된 상태로 부피 또는 압력의 변화 없이 이동할 수 있는 유로의 폭이 각각 다르기 때문에, 이를 반영한 것이다.

즉, 동일한 질량의 유체가 각각의 유로(21, 41) 내에서 부피 또는 압력의 변화 없이 이동되거나 정지(공급 유로 또는 회수 유로 내에 위치)하기 위해서는 압축되어 압력은 높고 부피가 작아진 유체의 공급에 필요한 공급 유로(21)의 폭보다 팽창되어 압력은 낮고 부피가 커진 유체의 회수에 필요한 회수 유로(41)의 폭이 더 넓게 필요하기 때문이다.

또한, 상기 공급 유로(21)를 통과하는 유체의 진행방향을 압축 피스톤(10) 방향에서 열교환부(30) 방향으로 제한하기 위한 제 1체크 밸브(22)와 상기 회수 유로(41)를 통과하는 유체의 진행방향을 열교환부(30) 방향에서 압축 피스톤(10) 방향으로 제한하기 위한 제 2체크 밸브(42)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환부(30)는 외부 또는 유체와의 열교환을 위해 금속재질로 구성되어 하부가 개방된 원통형의 몸체(32)와 유체의 통과가 가능하도록 원 기둥 형태의 상면에서부터 측면으로 관통된 홀을 가진 가변부(31)을 포함하여 구성되며, 상기 가변부(31)는 상면에 열교환 접촉면적을 늘리기 위한 원기둥 형태의 외형에 스펀지와 같이 내부에 소정의 빈 공간이 형성된 그물망(31a)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그물망(31a)은 스펀지와 같이 매쉬 형태로 구성되어 있음에 따라 부피에 비해 표면적이 크며, 내부의 빈 공간은 작은 행태로 구성되어 있다.

또한, 상기 열교환부(30)를 비롯한 압축 피스톤(10)을 감싸는 실린더 몸체(10a)는 높은 효율의 열교환을 위해 Al, Cu, Fe, Mg, W, Sn, Ti 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 금속재질로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 열교환부(30)의 가변부(31)(및 가변부에 포함되는 그물망(31a))이 몸체(32)의 내부에서 크랭크 축(11)의 회전에 따라 승,하강 됨에 따라 몸체(32) 내부의 공간의 크기는 크랭크 축(11)의 회전에 따라 변하게 된다.

즉, 크랭크 축(11)의 회전에 따라 가변부(31)(및 가변부에 포함되는 그물망(31a))이 승강될 경우, 내부의 공간의 크기는 줄어들고, 가변부(31)(및 가변부에 포함되는 그물망(31a))이 하강될 경우, 내부의 공간의 크기는 늘어나게 된다.

또한, 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기는 유체를 주입 또는 보충하기 위한 유체 주입부(52)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 유체를 주입 또는 보충할 수 있는 위치라면 특별한 제약은 없다.

예를 들면, 도시된 바와 같이 압축 피스톤(10)의 하사점에 위치하여 피스톤이 하사점에 위치할 때만 유체를 주입 또는 보충할 수 있는 구조이거나, 공급 유로(21) 또는 회수 유로(41) 상에 위치할 수도 있다.

또한, 상기 크랭크 축(11)에 의해 승,하강되는 압축 피스톤(10)과 열교환부(30)의 가변부(31)의 상사점의 위치 및 시기는 동일하지 않을 수도 있으며, 이는 크랭크 축(11)과 연결된 위치에 따라 상이할 수도 있으며, 보다 자세한 설명은 하기 아래에서 한다.

도 3은 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 제 1체크 밸브의 개방과 제 2체크 밸브의 폐쇄 동작을 도시한 것이며, 도 4는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 제 1체크 밸브의 폐쇄와 제 2체크 밸브의 개방 동작을 도시한 것이다.

공급 유로에 위치한 제 1체크 밸브(도 2의 22)와 회수 유로에 위치한 제 2체크 밸브(도 2의 42)는 각각의 유로를 통과하는 유체의 진행(흐름) 방향을 제한(고정)하게 된다.

또한, 상기 제 1체크 밸브(도 2의 22)는 제 1밸브(221)와 제 1탄성체(222)로 구성되어 있으며, 상기 제 2체크 밸브(도 2의 42)는 제 2밸브(421)와 제 2탄성체(422)로 구성되어 있다.

보다 상세하게는, 제 1밸브(221)는 제 1탄성체(222)에 의해 일측 방향으로 일정한 제 1탄성력(F4)을 받고 있으며, 제 2밸브(421)는 제 2탄성체(422)에 의해 일측 방향으로 일정한 제 2탄성력(F5)을 받고 있다.

또한, 상기 제 1탄성력(F4)과 제 2탄성력(F5)을 구분하였지만, 같은 탄성력을 가진 탄성체를 사용할 수도 있다.

또한, 압축 피스톤(도 2의 10)의 상승(밀어주는 힘)에 의해 발생되는 피스톤측 유로(101)의 유체 압력은 F1a이며, 압축 피스톤(도 2의 10)의 하강(당겨주는 힘)에 의해 발생되는 피스톤측 유로(101)의 진공 압력은 F1b이고, 공급 유로(21) 측의 유체 압력은 F2이며, 회수 유로(41)측 유체의 압력은 F3이다.

도 3에 도시된 바와 같이 압축 피스톤(도 2의 10)이 상승할 경우, 제 1밸브(221)와 제 2밸브(421)에는 피스톤측 유로(101)에 위치한 압축된 유체에 의한 압력(F1a)이 가해지며, 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1a)의 방향은 제 1탄성력(F4)의 힘의 방향과 반대이고, 제 2탄성력(F5)의 힘의 방향과는 동일한 방향이 된다.

압축 피스톤(도 2의 10)의 상승에 따라 상기 제 1밸브(221)에 가해지는 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1a)이 공급 유로(21)에 위치한 유체의 압력(F2)과 제 1탄성력(F4)의 합력(동일한 방향)보다 높을 경우, 피스톤측 유로(101)에 위치한 압축된 유체가 제 1밸브(221)를 공급 유로(21) 방향으로 소정의 거리만큼 밀어 제 1밸브(221)를 개방시키게 되며, 피스톤측 유로(101)에 위치한 유체는 공급 유로(21) 방향으로 이동할 수 있게 된다.

이와 같이, 제 1밸브(221)가 개방될 때(압축 피스톤이 상승할 때)에는 상기 제 2밸브(421)에 가해지는 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1)과 탄성력(F5)의 합력이 회수 유로(21)에 위치한 유체의 압력(F3)보다 크기 때문에 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1)과 탄성력(F5)의 합력이 제 2밸브(421)를 회수 유로(41) 방향으로 밀어 제 2밸브(421)를 폐쇄시키게 되며, 피스톤측 유로(101)에 위치한 유체는 회수 유로(41) 방향으로 이동할 수 없게 된다.

즉, 압축 피스톤(도 2의 10)이 상승할 경우, 피스톤측 유로(101)에 위치한 유체는 항상 공급 유로(21)로 이동된다.

반면, 도 4에 도시된 바와 같이 압축 피스톤(도 2의 10)이 하강할 경우, 제 1밸브(221)와 제 2밸브(421)에는 압축 피스톤(도 2의 10)의 하강에 따른 진공압(F1b)이 가해지며, 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1b)의 방향은 제 2탄성력(F5)의 힘의 방향과 반대이고, 제 1탄성력(F4)의 힘의 방향과는 동일한 방향이 된다.

압축 피스톤(도 2의 10)의 하강에 따라 피스톤의 당기는 힘에 따라 진공압이 발생하며, 상기 제 1밸브(221)에 가해지는 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1b)이 공급 유로(21)에 위치한 유체의 압력(F2)과 제 1탄성력(F4)의 합력(동일한 방향)보다 낮기 때문에 공급 유로(21) 측의 압력(F2)과 제 1탄성력(F4)의 합력이 제 1밸브(221)를 피스톤측 유로(101) 방향으로 밀어 제 1밸브(221)를 폐쇄시키게 되며, 공급 유로(21)에 위치한 유체는 피스톤측 유로(101) 방향으로 이동할 수 없게 된다.

이와 같이 제 1밸브(221)가 폐쇄될 때(압축 피스톤이 하강할 때)에는 제 2밸브(421)에 가해지는 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1b)과 회수 유로(21)에 위치한 유체의 압력(F3)의 합력이 제 2탄성력(F5)보다 크기 때문에 피스톤측 유로(101) 측의 압력(F1)과 회수 유로(41)에 위치한 유체의 압력(F3)의 합력이 제 2밸브(421)를 피스톤측 유로(101) 방향으로 밀어 제 2밸브(421)를 개방시키게 되며, 회수 유로(41)에 위치한 유체는 피스톤측 유로(101) 방향으로 이동할 수 있게 된다.

즉, 압축 피스톤(도 2의 10)이 하강할 경우, 회수 유로(41)에 위치한 유체는 항상 피스톤측 유로(101)로 이동된다.

상기 내용을 종합하면, 제 1밸브(221)는 압축 피스톤(도 2의 10)이 상승하여 유체를 압축할 때 개방되며, 제 2밸브(421)는 압축 피스톤(도 2의 10)이 하강하여 유체(회수 유로의 유체)를 회수할 때 개방된다.

도 5는 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 다른 실시예를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 압축 피스톤(10)과 가변부(31)는 크랭크 축(11)과 연결된 위치(11a, 11b) 또는 크랭크 축(11)의 직경(크랭크 축의 회전 반경)이 상이할 수도 있다.

이는 압축과 팽창을 반복하는 내부의 유체의 종류에 따라 다른 물리적 특성을 고려하기 위한 것이며, 유체의 흐름을 고려하여 바뀔 수도 있다.

예를 들면, 압축 피스톤(10)을 이용하여 유체를 압축함과 동시에 열교환부(30) 측으로 보내기 위해 압축 피스톤(10)과 가변부(31)가 크랭크 축(11)과 연결된 위치가 90도를 이루도록 구성될 수도 있다.

또 다른 예를 들면, 하기 아래에서 설명할 도 6과 같이 압축 피스톤(10)과 가변부(31)가 크랭크 축(11)과 연결된 위치가 동일한 각도를 이루도록 구성되고, 크랭크 축(11)의 직경이 상이하도록 구성될 수 있다.

또한, 제 1체크 밸브(22) 및 제 2체크 밸브(42)의 위치도 효율적인 공급 및 회수를 위해 그 위치가 바뀔 수도 있다.

즉, 도시된 바와 같이 공급 유로(21) 상에 위치한 제 1체크 밸브(22)가 가변부(31) 측 방향에 위치하고, 회수 유로(41) 상에 위치한 제 2체크 밸브(42)가 압축 피스톤(10) 측 방향에 위치하거나, 하기 아래에서 설명할 일 실시예와 같이 제 1체크 밸브(22)와 제 2체크 밸브(42)가 압축 피스톤(10) 측 방향에 위치할 수도 있다.

도 6 내지 도 9은 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 동작을 도시한 것으로서, 압축 피스톤(10)과 가변부(31)를 승,하강시키기 위한 크랭크 축(11)의 직경이 상이(예를 들어, 도7에 도시된 바와 같이 압축 피스톤(10)의 크랭크는 크랭크축의 최외각 직경에 위치하며, 가변부(31)의 크랭크는 크랭크축의 내부에 위치)하며, 제 1체크 밸브(22) 및 제 2체크 밸브(42)의 위치가 압축 피스톤(10) 방향 측에 위치한 일 실시예를 기준으로 설명한다.

본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 압축 피스톤(10)과 가변부(31)은 크랭크 축(11)의 회전에 의해 도 6에서부터 도 9까지의 과정을 차례대로 반복 수행하게 된다.

즉, 도 6에서부터 도 9까지의 과정을 수행한 후 다시 도 6에서부터 도 9까지의 과정을 수행하는 형태로 반복된다.

보다 상세하게는, 도 6에 도시된 바와 같이 크랭크 축(11)의 회전에 의해 하강한 압축 피스톤(10)은 다시 상승하게 되며, 압축 피스톤(10)의 하강 과정에서 발생되는 피스톤측 공간(100) 측의 압력저하에 의해 팽창된 유체는 A7과 같이 피스톤측 공간(100)으로 이동되거나, 회수 유로(41) 상에 위치하게 된다.

또한, 압축 피스톤(10)이 다시 상승하는 과정에서 피스톤측 공간(100) 및 피스톤측 유로(101)에 위치한 유체의 압력은 증가하게 된다.

또한, 하강하는 가변부(31)에 의해 열을 흡수한 팽창된 유체(하기 아래 설명)는 더욱 팽창하게 된다.

보다 상세하게는, 가변부(31)의 하강에 따라 형성되는 빈 공간에 의해 열을 흡수한 팽창된 유체는 더욱 팽창하게 되며, 이에 따라 압력 및 온도는 더욱 하강하게 된다.

즉, 더 낮은 온도로 하강한 팽창된 유체는 열교환부(30)와 열적평형을 이루기 위해 열교환부(30)의 열을 더 많이 흡수하게 되는 것이다.

또한, 스펀지와 같이 매쉬 형태로 구성된 그물망(31a) 내부의 빈 공간보다 가변부(31)의 하강에 따라 형성되는 공간이 더 클경우, 온도의 하강은 보다 커지게 된다.

또한, 하강하는 과정에서 회수 유로(41)와 연결되며, 압력이 낮은 상태(하기 아래 설명)의 회수 유로(41)에 의해 열교환부(30) 내의 팽창된 유체는 회수 유로(41)를 향해 이동된다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이 크랭크 축(11)의 회전에 의해 하강한 압축 피스톤(10)은 지속적으로 상승하게 되며, 이에 따라 피스톤측 공간(100) 및 피스톤측 유로(101)에 위치한 유체의 압력은 더욱 증가하게 된다.

또한, 상기 위에서 설명한 바와 같이 피스톤측 공간(100) 및 피스톤측 유로(101)의 압력이 소정의 압력 이상 올라가게 되면 제 1체크 밸브(22)가 개방되어 A1과 같이 피스톤측 공간(100) 측에서부터 피스톤측 유로(101), A2와 같이 피스톤측 유로(101)에서부터 공급 유로(21)로 압축된 유체가 이동된다.

또한, 압축된 유체는 열역학법칙에 따라, 압축되면서 압력이 상승하게 되며, 이에 비례하여 온도가 상승하게 된다.

상기와 같이 온도가 상승한 유체는 실린더 몸체(10a)와의 열역학법칙에 따른 열적평형(thermal equilibrium)에 의해 유체의 열이 실린더 몸체(10a) 및 외부로 전달된다.

또한, 가변부(31)는 하강을 완료한 후 다시 상승하게 되며, 상기 위에서 설명한 바와 같이 하강하는 과정에서 연결된 회수 유로(41)는 가변부(31)의 상승과정에서 연결이 해제될 때까지 압력이 낮은 상태(가변부의 유체 회수에 따른 낮은 압력)의 회수 유로(41)에 의해 열교환부(30) 내의 팽창된 유체는 A6와 같이 회수 유로(41)를 향해 이동된다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이 압축 피스톤(10)의 상승이 완료된 후 다시 하강하게 되며, 압축 피스톤(10)이 하강하더라도 압축된 유체의 이동은 제 1체크 밸브(22)의 폐쇄가 이루어질 때까지 지속적으로 이루어질 수 있다.

이는, 압축 피스톤(10)이 하강하더라도 피스톤측 유로(101) 측 압력과 공급 유로(21)측의 압력 차이로 인해 제 1체크 밸브(22)가 개방되어 있다면, 폐쇄가 이루어지기 전까지 압축된 유체가 지속적으로 이동되는 것이다.

또한, 가변부(31)가 상승하는 과정에서 도 7과 함께 설명한 가변부(31)와 회수 유로(41)와의 연결은 해제된다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이 압축 피스톤(10)이 하강하는 과정에서 발생되는 피스톤측 공간(100) 측의 압력저하에 의해 회수 유로(41)를 향해 이동된 팽창된 유체는 A7과 같이 이동되며, 도 6에서 설명한 압축 피스톤(10)에 의한 압축이 시작될 때까지 지속 된다.

보다 상세하게는, 피스톤측 공간(100)의 압력이 회수 유로(41)의 압력보다 낮음에 따라 제 2밸브(42)가 개방되어 회수 유로(41)에 위치하던 팽창된 유체가 피스톤측 공간(100)으로 회수되는 것이다.

또한, 회수된 유체는 상기 위에서 도 6과 함께 설명한 바와 같이 압축 피스톤(10)에 의해 압축되어 다시 순환하게 된다.

또한, 가변부(31)는 크랭크 축(11)의 회전에 의해 상승하던 중 가변부(31)에 형성된 관통된 홀이 압축된 유체가 위치한 공급 유로(21)와 연결된다.

이에 따라, 상기 위에서 설명한 바와 같은 압축 과정을 통해 공급 유로(21) 내부에 위치한 압축된 유체는 A3와 같이 가변부(31)에 형성된 관통된 홀을 향해 팽창하면서 A4와 같이 그물망(31a) 내부의 빈 공간까지 팽창되며, 팽창된 유체의 온도는 하강하게 된다.

또한, 상기 그물망(31a) 내부의 빈 공간은 상기 위에서 설명한 바와 같이 스펀지와 같이 매쉬 형태로 구성되어 있음에 따라 부피에 비해 표면적이 크며, 내부의 빈 공간은 작음에 따라 팽창된 유체와 몸체(32)사이의 열교환(팽창된 유체의 흡열)이 보다 효율적으로 이루어지게 된다.

또한, 상기 위의 열교환(팽창된 유체의 흡열)은 열역학법칙에 따른 열적평형(thermal equilibrium)에 의해 열교환부(30)의 열이 유체로 전달된 것이다.

또한, 상기 유체가 팽창하면서 압력이 낮아짐에 따라 상기 위에서 설명한 열역학법칙에 의해 낮아진 압력에 비례하여 팽창된 유체의 온도가 하강하게 되며, 하강한 온도를 가지는 팽창된 유체는 열교환부(30)의 열적평형에 의해 열을 흡수하게 된다.

즉, 압축과정에서 온도가 상승한 압축된 유체는 실린더 몸체(10a) 및 외부와 와 열적평형을 이루기 위해 실린더 몸체(10a) 및 외부로 열을 전달하게 되며, 팽창과정에서 온도가 하강한 팽창된 유체는 열교환부(30)와 열적평형을 이루기 위해 열교환부(30)의 열을 흡수하게 되는 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기의 유체 주입부를 도시한 것이며, 보다 높은 열교환 효율을 달성하기 하거나 냉각 효율을 높이기 위해 필요에 따라 냉각기 내부의 유체를 회수(제거) 및 추가 주입하기 위한 유체 주입구(52)를 더 구비할 수도 있다.

즉, 유체가 많으면 열교환 효율이 증가하게 되지만, 유체를 소정의 부피로 압축하기 위해서는 그만큼의 동력이 필요하며, 밀도가 높을수록 압축에 많은 힘이 들게 된다.

따라서, 이에 따라 적정량 이하의 낮은 온도를 유지할 필요가 없다면, 유체의 밀도를 줄여 압축에 소모되는 힘을 줄일 수 있으며, 이에 따라 소모되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있게 된다.

예를 들면, 외부의 온도가 낮은 겨울철에 본 발명에 따른 유로 분리형 스터링냉각기를 사용하여 냉각시키고자 한다면, 에너지를 절감시키기 위해 유체 주입구(52)를 통해 소정량의 유체를 회수(제거)한 후 사용할 수 있다.

또한, 보다 높은 냉각 온도가 필요하다면, 유체 주입구(52)를 통해 유체를 추가 주입한 후 사용할 수 있다.

상기와 같은 유체 주입구(52)의 형태는 (A)와 같은 형태를 가지고, 나사 결합방식을 이용하여 체결하는 방법이거나, (B)와 같은 형태로 상기위에서 설명한 제 1체크 밸브 또는 제 2체크 밸브와 같이 외부의 압력에 따라 개방되는 밸브 방식일 수도 있다.

보다 상세하게는, (A)와 같은 나사 결합방식의 유체 주입구(52)은 유지, 보수를 위한 유체의 회수(제거) 및 추가 주입이 어려움에 따라 (B)와 같이 체크밸브 방식의 유체 주입구(52)를 사용함이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

10 : 압축 피스톤
11 : 크랭크 축
21 : 공급 유로
22 : 제 1체크 밸브
30 : 열교환부
31 : 가변부
32 : 몸체
41 : 회수 유로
42 : 제 2체크 밸브
100 : 피스톤측 공간
101 : 피스톤측 유로
221 : 제 1밸브
222 : 제 1탄성체
421 : 제 1밸브
422 : 제 2탄성체

Claims

크랭크 축의 회전에 따라 승,하강 되어 유체를 압축하거나 회수하기 위한 압축 피스톤과;
상기 압축 피스톤의 상승에 의해 압축된 유체를 공급하기 위한 공급 유로와;
상기 공급 유로를 통해 공급된 압축 유체가 팽창되며 열교환이 이루어지는 열교환부와;
상기 압축 피스톤의 하강 시 열교환된 유체를 회수하기 위한 회수 유로를 포함하며,
상기 공급 유로의 폭 보다 회수 유로의 폭이 더 넓은 것을 특징으로 하는
유로 분리형 스터링냉각기.
제 1항에 있어서,
상기 열교환부는
열교환을 위해 금속재질로 구성되어 하부가 개방된 원통형의 몸체와;
유체의 통과가 가능하도록 원 기둥 형태의 상면에서부터 측면으로 관통된 홀을 가진 가변부를 포함하며,
상기 가변부는 몸체의 내부에서 크랭크 축의 회전에 따라 승,하강 되어 관통된 홀이 공급 유로와 회수 유로 중 어느 하나와 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는
유로 분리형 스터링냉각기.
제 1항에 있어서,
상기 공급 유로를 통과하는 유체의 진행방향을 압축 피스톤 방향에서 열교환부 방향으로 제한하기 위한 제 1체크 밸브와;
상기 회수 유로를 통과하는 유체의 진행방향을 열교환부 방향에서 압축 피스톤 방향으로 제한하기 위한 제 2체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는
유로 분리형 스터링냉각기.
제 2항에 있어서,
상기 가변부는 상면에 열교환 접촉면적을 늘리기 위한 원기둥 형태의 외형에 스펀지와 같이 내부에 소정의 빈 공간이 형성된 그물망을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
유로 분리형 스터링냉각기.
제 1항에 있어서,
상기 유체를 주입 또는 보충하기 위한 유체 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
유로 분리형 스터링냉각기.