KR19980067649A - Combined Regenerator for Stirring Cycle Machines - Google Patents
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator
Abstract
본 발명은 재생사이클로 운전되는 스터링 사이클 기기에 사용되는 재생기에 있어서, 상기 재생기의 내부 공간이 복수개의 영역으로 구분되며, 상기 각각의 영역에는 상호 상이한 기공률을 갖는 다공성 물질이 각각 충전되어 있어, 작동유체의 유동 손실이 감소되고 재생기의 축열 및 방열 성능이 우수하게 됨에 따라 스터링 사이클 기기의 성능도 향상되는 신규한 조합형 재생기에 관한 것이다.The present invention relates to a regenerator for a stir cycle machine operated by a regeneration cycle, wherein the internal space of the regenerator is divided into a plurality of regions, each of which is filled with a porous material having a different porosity. It is a novel combination regenerator which also improves the performance of the Stirring cycle machine as the flow loss of the regenerator is reduced and the regenerative and heat dissipation performance of the regenerator is excellent.
Description
본 발명은 스터링 엔진, 스터링 냉동기, VM(Vuilleumier) 사이클 열펌프 등의 스터링 사이클 기기(Stirling cycle machine)에 사용되는 재생기(regenerator)에 관한 것으로, 특히 스터링 사이클 기기 내부의 작동유체가 재생기를 통해 고온 및 저온 공간을 왕복 유동할 때 발생되는 유동 손실이 감소되고 재생기의 유용도(effectiveness)가 향상된 조합형 재생기에 관한 것이다.The present invention relates to a regenerator used in a Stirling cycle machine, such as a Stirling engine, a Stirling freezer, a VM (Vuilleumier) cycle heat pump, and in particular, a working fluid inside the Stiring cycle machine And a combined regenerator which reduces the flow loss generated when reciprocating the cold space and improves the effectiveness of the regenerator.
스터링 사이클 기기는 고온 및 저온 영역으로 구분되며, 각각의 영역 사이에 위치된 재생기에 의한 재생사이클로 구동된다. 고온 및 저온으로 유지되는 각각의 영역 내부의 작동유체는 재생기를 통해 각각의 영역을 왕복 유동함으로써, 작동유체와 재생기 사이에 열전달이 이루어지게 된다. 고온 영역의 작동유체는 재생기를 통해 저온 영역으로 이동할 때는 재생기에 축열이 되면서 온도가 낮아지고, 저온 영역의 작동유체가 고온 영역으로 이동할 때는 재생기로부터 방열되어 작동유체의 온도가 상승하게 된다.Stirling cycle machines are divided into hot and cold zones and are driven by regeneration cycles by regenerators located between each zone. The working fluid inside each zone maintained at high and low temperatures reciprocates through each zone through the regenerator, whereby heat transfer occurs between the working fluid and the regenerator. When the working fluid in the high temperature region moves to the low temperature region through the regenerator, the temperature is lowered while being regenerated in the regenerator. When the working fluid in the low temperature region moves to the high temperature region, the working fluid is radiated from the regenerator to increase the temperature of the working fluid.
재생기는 주로 작동유체가 통과할 수 있는 유로 면적이 상당히 작은 금망(wire mesh)을 이용하여 제작되므로, 스터링 사이클 기기 내부에서 왕복 유동하는 작동유체의 유동 손실은 대부분 재생기에서 발생한다. 따라서, 재생기에 의한 재생사이클로 구동되는 스터링 사이클 기기의 성능을 향상시키기 위해서는, 유동 손실이 작고 유용도가 양호한 재생기를 장착하는 것이 필수적이다.Since the regenerator is mainly manufactured using a wire mesh with a considerably small flow area through which the working fluid can pass, most of the flow loss of the working fluid reciprocating inside the Stirling cycle machine occurs in the regenerator. Therefore, in order to improve the performance of the Stirling cycle machine driven by the regeneration cycle by the regenerator, it is essential to equip the regenerator with small flow loss and good usability.
재생기 형태로는 금망, 하니콤(honeycomb), 스펀지 메탈(sponge metal) 등이 있으나, 통상적으로는 60에서 300 사이의 메쉬수(mesh number)를 갖는 금망이 사용된다. 여기서, 금망의 메쉬수는 1 인치의 길이에 배치된 와이어의 개수를 나타내며, 금망의 메쉬수가 클수록 사용하는 와이어의 직경은 작아지지만 와이어 사이의 거리는 좁혀져 유로 면적이 작아지게 된다.Regenerator types include a gold mesh, honeycomb, sponge metal, and the like, but a metal mesh having a mesh number of 60 to 300 is generally used. Here, the number of meshes of the gold mesh represents the number of wires arranged in the length of 1 inch, and the larger the number of meshes of the mesh, the smaller the diameter of the wire to be used, but the smaller the distance between the wires, the smaller the flow path area.
스터링 사이클 기기가 운전 중일 때 기기 내부의 작동유체는 재생기를 분당 300회 이상 왕복 유동한다. 이때, 메쉬수가 낮은 금망으로 구성된 재생기를 사용하는 경우에는 유동 손실이 감소하지만 재생기의 유용도는 불량하게 된다. 이와 반대로, 메쉬수가 높은 금망으로 구성된 재생기를 사용하는 경우에는 재생기의 유용도는 양호하게 되지만 유동 손실이 증가하게 된다. 따라서, 재생기에 의한 재생사이클로 구동되는 스터링 사이클 기기의 성능을 증가시키기 위해서는, 유동 손실과 유용도라는 2개의 상충되는 조건을 절충시켜 유동 손실은 작으면서 유용도가 큰 재생기를 장착하는 것이 필요하다. 여기서, 재생기의 유용도는 재생기의 축열과 방열 성능을 무차원화된 수치로 나타내는 것으로서, 예컨대 고온 영역의 작동유체가 재생기를 통해 저온 영역으로 이동할 때 재생기에 축열된 열량이 저온 영역의 작동유체가 고온 영역으로 이동할 때 재생기로부터 작동유체로 완전 방열된다면 재생기의 유용도는 1이 되며, 축열 열량의 절반만이 방열된다면 유용도는 0.5가 된다.When the Stirling Cycle unit is in operation, the working fluid inside the unit reciprocates the regenerator at least 300 times per minute. At this time, in the case of using a regenerator composed of a low mesh number, the flow loss is reduced, but the usefulness of the regenerator is poor. In contrast, in the case of using a regenerator composed of a gold mesh having a high mesh number, the usefulness of the regenerator becomes good, but the flow loss is increased. Therefore, in order to increase the performance of the Stirling cycle machine driven by the regeneration cycle by the regenerator, it is necessary to equip the reproducer having a low flow loss and a high usefulness by tradeoff between two conflicting conditions of flow loss and usefulness. Here, the usefulness of the regenerator indicates the heat storage and heat dissipation performance of the regenerator as a dimensionless value, for example, when the working fluid in the high temperature region moves to the low temperature region through the regenerator, the working fluid in the low temperature region has a high temperature. If the heat is transferred from the regenerator to the working fluid, the usefulness of the regenerator is 1, and if only half of the heat storage heat is released, the usefulness is 0.5.
도1에는 스터링 사이클 기기에 장착되는 종래의 재생기(4)가 개략적으로 도시되어 있다. 도1에서, 고온측 열교환기(2)와 저온측 열교환기(9) 내부의 고온 작동유체(3) 및 저온 작동유체(8)는 각각의 열교환기 양단에 배치된 고온측 피스톤(1)과 저온측 피스톤(10)에 의해 재생기(4)를 통해 왕복 유동하며 재생기와 열전달을 하게 된다. 종래의 재생기(4)는 동종의 기공률이 같은 다공성 물질 또는 다공성 구조물로 제조된다. 이러한 종래의 재생기는 유동 특성 및 열전달 특성 중 어느 하나의 특성이 불량하게 되는 단점을 갖는다. 현재까지, 재생기에 의한 유동 손실을 줄이기 위한 방법으로 재생기의 두께를 줄이거나 기공률이 높은 다공성 물질 또는 다공성 구조물로 제작하는 방법을 사용하여 왔고, 반면에 재생기의 축열 및 방열 특성을 향상시키기 위해서 재생기의 두께를 증가시키거나 기공률이 낮은 다공성 물질 또는 다공성 구조물로 제작하는 방법을 사용하여 왔다. 즉, 이들 방법으로는 재생기에서의 유동 손실 저감과 재생기의 유용도 향상이라는 두 가지 측면을 모두 충족시키지는 못하였다.1 schematically shows a conventional regenerator 4 mounted on a stirling cycle machine. In Fig. 1, the high temperature working fluid 3 and the low temperature working fluid 8 inside the high temperature side heat exchanger 2 and the low temperature side heat exchanger 9 are connected to the high temperature side piston 1 disposed at each end of each heat exchanger. The low temperature side piston 10 reciprocates through the regenerator 4 and heat transfers with the regenerator. The conventional regenerator 4 is made of a porous material or a porous structure of the same porosity. Such a conventional regenerator has a disadvantage in that any one of flow characteristics and heat transfer characteristics becomes poor. Until now, a method of reducing the thickness of the regenerator or manufacturing a porous material or a porous structure having a high porosity has been used as a method for reducing the flow loss caused by the regenerator. On the other hand, in order to improve the heat storage and heat dissipation characteristics of the regenerator, It has been used to fabricate porous materials or porous structures of increased thickness or low porosity. That is, these methods did not meet both aspects of reducing the flow loss in the regenerator and improving the usefulness of the regenerator.
본 발명의 목적은 동종의 다공성 물질 또는 다공성 구조물로만 구성된 종래의 재생기 대신에 여러 종류의 다공성 물질 또는 다공성 구조물을 조합한 재생기를 제공함으로써 재생기를 통한 유동 손실을 줄이고 재생기의 유용도를 향상시키기 위한 것이다.An object of the present invention is to reduce the flow loss through the regenerator and improve the usefulness of the regenerator by providing a regenerator combining several kinds of porous materials or porous structures instead of the conventional regenerator consisting only of homogeneous porous materials or porous structures. .
도1은 종래의 재생기의 개략도.1 is a schematic diagram of a conventional regenerator;
도2는 본 발명에 따른 조합형 재생기의 개략도.2 is a schematic diagram of a combined player according to the present invention;
도3a는 작동유체의 재생기 왕복 유동 횟수에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 양단에서의 압력차를 비교 시험한 결과를 나타내는 그래프.Figure 3a is a graph showing the results of a comparative test of the pressure difference between the conventional regenerator and the regenerator of the present invention according to the number of reciprocating reciprocating flow of the working fluid.
도3b는 작동유체의 재생기 왕복 유동 횟수에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 유용도를 비교 시험한 결과를 나타내는 그래프.3B is a graph showing the results of comparative tests of the regenerator usefulness of the conventional regenerator and the present invention according to the number of reciprocating reciprocating flows of the working fluid.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1, 10 : 피스톤1, 10: Piston
2, 9 : 열교환기2, 9: heat exchanger
3, 8 : 작동유체3, 8: working fluid
4 : 재생기4: player
5 : 제1 재생기 영역5: first player area
6 : 제2 재생기 영역6: second player area
7 : 제3 재생기 영역7: third player area
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 재생사이클로 운전되는 스터링 사이클 기기에 사용되는 재생기에 있어서, 상기 재생기는 복수개의 영역으로 구분되며, 상기 각각의 영역에는 상호 상이한 기공률을 갖는 다공성 물질이 각각 충전되어 있는 신규한 조합형 재생기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the regenerator used in the Stirling cycle machine operating in the regeneration cycle, the regenerator is divided into a plurality of regions, each of the porous material having a different porosity mutually Provided is a novel combined player that is charged.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2에는 여러 다공성 물질 또는 다공성 구조물들 중에서 메쉬수가 상이한 금망을 선택하여 제작된 본 발명에 따른 조합형 재생기(4)의 개략도가 도시되어 있다. 재생기(4) 내부는 설치된 금망의 메쉬수에 따라 제1 재생기 영역(5), 제2 재생기 영역(6) 및 제3 재생기 영역(7)으로 구분된다. 본 실시예에서 고온의 작동유체가 있는 쪽의 제1 재생기 영역(5)에는 메쉬수가 60인 금망(기공률이 큰 다공성 물질), 제2 재생기 영역(6)에는 메쉬수가 120인 금망, 그리고 저온의 작동유체가 있는 쪽의 제3 재생기 영역(7)에는 메쉬수가 200인 금망(기공률이 낮은 다공성 물질)이 채워져 있다. 그리고, 본 실시예에서는 작동유체로서, 고온에서 점도가 크고 저온에서 점도가 낮은 헬륨 가스가 사용된다.2 shows a schematic view of the combined regenerator 4 according to the invention, which is made by selecting a gold mesh having a different mesh number among various porous materials or porous structures. The inside of the player 4 is divided into a first player area 5, a second player area 6 and a third player area 7 according to the number of meshes of the installed gold mesh. In the present embodiment, the first regenerator region 5 on the side of the high temperature working fluid has a mesh of 60 meshes (a porous material having a high porosity), the second regenerator region 6 has a mesh of 120 meshes, and The third regenerator region 7 on the side with the working fluid is filled with a gold mesh having a mesh number of 200 (a porous material having a low porosity). In this embodiment, helium gas having a high viscosity at high temperature and a low viscosity at low temperature is used as the working fluid.
작동유체가 고온측 열교환기(2)로부터 저온측 열교환기(9)로 유동할 때, 점도가 큰 고온의 작동유체는 메쉬수가 60인 성긴 제1 재생기 영역(5)을 통과하고 이어서 제2 재생기 영역(6) 및 제3 재생기 영역(7)을 통과하면서 재생기(4)와 열전달이 이루어져 작동유체의 온도가 상당히 낮아지면서 점도도 점차적으로 낮아지게 된다. 즉, 제1 재생기 영역(5)으로부터 제3 재생기 영역(7)으로 갈수록 조밀한 재생기로 채워져 있으나 작동유체의 점도가 충분히 낮아져 작동유체는 이들 영역을 용이하게 통과하게 된다. 이와 반대로, 작동유체가 저온측 열교환기(9)로부터 고온측 열교환기(2)로 유동할 때, 점도가 낮은 저온의 작동유체는 큰 유동 저항 없이 조밀한 제3 재생기 영역(7)을 통과하고 이어서 제2 재생기 영역(6) 및 제1 재생기 영역(5)을 통과하면서 재생기(4)와 열전달이 이루어져 작동유체의 온도는 상당히 증가하면서 점도도 점차적으로 높아지게 된다. 즉, 작동유체가 제3 재생기 영역(7)으로부터 제1 재생기 영역(5)으로 유동함에 따라 점도가 점차적으로 높아지지만, 제2 재생기 영역(6) 및 제1 재생기 영역(5)은 메쉬수가 작은 성긴 금망으로 되어 있으므로, 작동유체는 용이하게 재생기(4)를 통과할 수 있다. 이에 따라 재생기 전체 영역이 동일한 메쉬수로 구성된 종래의 재생기에 비해 유동 손실이 작아지게 된다.When the working fluid flows from the high temperature side heat exchanger (2) to the low temperature side heat exchanger (9), the hot working fluid having a high viscosity passes through the coarse first regenerator region (5) having a mesh number of 60 and then the second regenerator. As heat passes through the regenerator 4 as it passes through the region 6 and the third regenerator region 7, the temperature of the working fluid is significantly lowered and the viscosity is gradually lowered. That is, the denser regenerator is filled from the first regenerator region 5 to the third regenerator region 7, but the viscosity of the working fluid is sufficiently low so that the working fluid easily passes through these regions. On the contrary, when the working fluid flows from the low temperature side heat exchanger 9 to the high temperature side heat exchanger 2, the low temperature low temperature working fluid passes through the dense third regenerator region 7 without large flow resistance. Subsequently, heat transfer is carried out with the regenerator 4 while passing through the second regenerator region 6 and the first regenerator region 5, and the viscosity of the working fluid increases considerably while gradually increasing. That is, the viscosity gradually increases as the working fluid flows from the third regenerator region 7 to the first regenerator region 5, but the second regenerator region 6 and the first regenerator region 5 have a small mesh number. Because of the sparse gold mesh, the working fluid can easily pass through the regenerator 4. As a result, the flow loss is smaller than that of the conventional regenerator in which the entire regenerator region is composed of the same mesh number.
종래의 재생기와 본 발명의 조합형 재생기의 평균 기공률이 동일하다면, 본 발명의 조합형 재생기를 구성하는 메쉬수가 큰 조밀한 금망을 사용할 수 있으므로 조합형 재생기는 종래의 재생기보다 축열 및 방열 성능이 우수하게 된다. 이는 금망의 메쉬수가 클수록 와이어의 직경이 작아져 작동유체와 열을 주고받는 열관성이 줄어들어 재생기의 유용도가 증가하기 때문이다.If the average porosity of the conventional regenerator and the combined regenerator of the present invention is the same, a dense gold mesh having a large mesh number constituting the combined regenerator of the present invention can be used, so that the combined regenerator has better heat storage and heat dissipation performance than the conventional regenerator. This is because the larger the number of meshes of the gold mesh, the smaller the diameter of the wire, the less the thermal inertia to exchange heat with the working fluid increases the usefulness of the regenerator.
도3a 및 도3b는 메쉬수가 120인 단일 종류의 금망으로 구성되고 기공률이 0.7인 종래의 재생기(A형)와, 메쉬수가 각각 60, 120 및 200인 세 종류의 금망이 조합되어 구성되고 평균 기공률이 0.7인 조합형 재생기(B형)를 비교 시험한 결과를 나타내는 그래프이다. 도3a는 작동유체가 재생기를 통해 왕복 유동하는 횟수(또는 운전 회전수)에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 양단에서의 압력차, 즉 재생기를 통한 유동 손실을 비교 시험한 결과를 나타내며, 도3b는 작동유체가 재생기를 통해 왕복 유동하는 횟수(또는 운전 회전수)에 따른, 종래의 재생기 및 본 발명의 재생기 유용도를 비교 시험한 결과를 나타낸다.3A and 3B are composed of a single type of gold mesh having a mesh number of 120 and a conventional regenerator (type A) having a porosity of 0.7, and a combination of three kinds of gold meshes having a mesh number of 60, 120, and 200, respectively, and having an average porosity. It is a graph which shows the result of the comparative test of this 0.7 type | mold combination type | system | group regenerator (B type). Fig. 3a shows the result of a comparative test of the pressure difference across the regenerator and the regenerator of the conventional regenerator and the regenerator of the present invention, ie, the flow loss through the regenerator, according to the number of times the working fluid reciprocates through the regenerator (or the operating speed). Fig. 3b shows the results of comparative tests of the regenerator utilization of the conventional regenerator and the present invention according to the number of times the working fluid reciprocates through the regenerator (or the operating speed).
도3a에서 알 수 있는 바와 같이, 작동유체가 재생기를 왕복 유동하는 횟수가 400 rpm이하인 구역에서는 조합형 재생기(B형)에서의 유동 손실은 종래의 재생기(A형)에서의 유동 손실과 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 그러나, 400 rpm 이상의 구역에서는 조합형 재생기의 유동 손실이 종래의 재생기에 비해 작아짐을 알 수 있다. 스터링 사이클 기기의 운전 범위가 300 rpm ∼ 800 rpm임을 고려할 때 조합형 재생기를 스터링 사이클 기기에 적용할 경우에 스터링 사이클 기기의 성능이 향상될 수 있음은 명백하다.As can be seen in Fig. 3a, in the region where the working fluid reciprocates the regenerator less than 400 rpm, the flow loss in the combined regenerator (type B) is almost the same as that in the conventional regenerator (type A). Turned out to be absent. However, it can be seen that in the region of 400 rpm or more, the flow loss of the combined regenerator is smaller than that of the conventional regenerator. Considering that the operating range of the Stirling cycle machine is 300 rpm to 800 rpm, it is obvious that the performance of the Stirring cycle machine can be improved when the combined regenerator is applied to the Stirling cycle machine.
재생기의 유용도를 비교한 도3b를 참조하면, 종래의 재생기(A형) 및 본 발명의 조합형 재생기(B형) 모두 작동유체가 재생기를 왕복 유동하는 횟수가 증가할수록 재생기의 유용도가 감소됨을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 통상적으로 공지된 결과로서, 스터링 사이클 기기의 운전 범위에서도 동일한 경향이 나타나므로 300 rpm 이하의 구역으로 한정하여 시험을 수행하였다. 도3b에 도시된 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 조합형 재생기는 종래의 재생기보다 유용도가 높을 뿐만 아니라, 운전 회전수가 증가하여도 유용도의 감소율이 작다.Referring to Figure 3b comparing the usefulness of the regenerator, both the conventional regenerator (type A) and the combined regenerator (type B) of the present invention show that the usefulness of the regenerator decreases as the number of times the working fluid reciprocates. Able to know. This tendency is a commonly known result, and since the same tendency appears in the operating range of the Stirling cycle machine, the test was limited to an area of 300 rpm or less. As can be seen from the results shown in Fig. 3B, the combined type regenerator is not only more useful than the conventional type regenerator, but also the rate of decrease of the usefulness is small even when the operation speed is increased.
이상, 본 발명을 양호한 실시예를 들어 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 이 밖에도 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일이 없이 여러 가지로 변경 또는 변형시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 조합형 재생기를 구성하는 영역의 개수를 2개 내지 5개로 할 수 있으며, 또한 작동유체로서, 헬륨 가스 이외의, 고온에서 점도가 낮아지고 저온에서 점도가 높아지는 작동유체를 사용하고 조합형 재생기를 구성하는 영역의 순서를 본 발명의 실시예와 역순으로 구성할 수도 있다.As mentioned above, although this invention was demonstrated to the preferred embodiment, this invention is not limited to this, In addition, it is possible to change or modify in various ways, without deviating from the range of this invention. For example, the number of regions constituting the combined regenerator may be 2 to 5, and as the working fluid, a combined regenerator using a working fluid having a low viscosity at a high temperature and a high viscosity at a low temperature other than helium gas is used. The order of the regions constituting the symbol may be configured in the reverse order of the embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 조합형 재생기를 재생기에 의한 재생사이클로 구동되는 스터링 사이클 기기, 예컨대 스터링 엔진, 스터링 냉동기, VM 사이클 열펌프 등에 적용하면, 작동유체의 유동 손실이 감소되고 재생기의 축열 및 방열 성능이 우수하게 됨에 따라 스터링 사이클 기기의 성능도 향상된다.When the combined regenerator according to the present invention is applied to a stir cycle device driven by a regeneration cycle by a regenerator, such as a stir engine, a stir freezer, a VM cycle heat pump, etc., the flow loss of the working fluid is reduced and the heat storage and heat dissipation performance of the regenerator is excellent As a result, the performance of the Stirring cycle machine is also improved.
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CN112654778A (en) * | 2018-09-04 | 2021-04-13 | 戈兰尼亚家用电器有限公司 | Heat transfer method in embedded structure of thermal regenerator and design thereof |
CN112654778B (en) * | 2018-09-04 | 2023-08-15 | 戈兰尼亚家用电器有限公司 | Heat transfer method in embedded structure of heat regenerator and design thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR100204849B1 (en) | 1999-06-15 |
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