KR20020090622A

KR20020090622A - 스터링기기의 열교환기 구조

Info

Publication number: KR20020090622A
Application number: KR1020010029534A
Authority: KR
Inventors: 주명자
Original assignee: 주명자
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-12-05

Abstract

본 발명은 스터링기기의 열교환기 구조에 관한 것으로, 종래의 스터링기기의 열교환수단은 고온공간부와 저온공간부의 외주면에, 별도 제작된 열교환기 핀을 솔더링 또는 접착제로 부착시킨 열교환기를 결합시킴으로써 조립작업의 공수가 많게 되고, 열교환 효율이 저하되어 스터링기기의 효율이 저하되는 등의 문제점이 있었던 바. 본 발명에 따른 스터링기기의 열교환기 구조는, 저온공간부에 위치한 유체옅교환기는 외주면에 원주방향으로 골이 형성된 유체열교환기의 본체에 열교환기 핀을 직접 성형시킴으로써 작업성과 열교환 효율을 향상시키게 되고, 고온공간부에 위치한 외부열교환기는 열교환기 핀이 외부열교환기의 본체에 성형되고 이의 열교환기 핀에 보조열교환기 핀이 일체로 구성되게 직접 성형됨으로써 외부열교환기의 열전달 효율을 크게 향상시키게 된다.

또한, 저온공간부에 위치한 헤드의 중심부에 고정축을 마련하고, 이의 고정축으로 유체열교환기를 고정시킴으로써 유체열교환기와 저온 내부열교환기의 결합이 용이하고 견고하게 결합되어 열전달 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

스터링 기기의 열교환기 구조{STIRLING MACHINERY}

본 발명은 스터링기기의 열교환기 구조에 관한 것으로, 본 스터링기기의 팽창공간을 열교환시키기 위해 외주면에 원주방향으로 열교환기 핀과 골이 형성된 유체열교환기와, 압축공간을 열교환시키기 위해 열교환기 본체에 열교환기 핀과 보조핀이 성형되어, 열교환 매체와 열교환되는 열교환기의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 스터링기기는 수소가스 또는 헬륨가스등의 작동유체가 압축될 때 온도가 상승되고, 팽창될 때 온도가 떨어지는 원리를 이용하여 저온 또는 고온으로 온도를 변화시키는 장치이다.

종래 스터링 냉동기는 도 1a에 도시한 바와 같이 수소가스 또는 헬륨 등의 작동유체가 충진되는 케이스(1)내부를 충진공간(8)과 압축공간(8a) 및 팽창공간(8b)으로 구획되도록 실린더(7)내부에 디스플레이서(4)와 피스톤(6)이 설치되며, 팽창공간(8b)과 압축공간(8a) 사이에는 재생기(3)가 설치된다.

또한, 피스톤(6)은 케이스(1)내부에 설치된 리니어모터(2)의 가동자(2a)에 결합되어 왕복운동을 하게 되고, 디스플레이서(4)는 피스톤(6)의 중심부를 관통하여 연장되게 연결로드(4a)가 마련되며, 상기 연결로드(4a)의 단부가 공진스프링(5)과 연결되어 상기 피스톤(6)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지면서 왕복운동을 하게 된다.

이상과 같이 구성된 종래의 스터링기기는 리니어모터(2) 가동자(2a)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)이 실린더(7)내부에서 왕복운동을 하고, 상기 피스톤(6)을 관통하여 공진스프링(5)과 연결된 디스플레이서(4)가 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지고 실린더(7)내부를 왕복운동 하게 된다.

이에 따라 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)은 그 체적이 가변되고, 이의 체적가변에 의해 충진된 작동유체는 등온압축 및 등온팽창 된다. 계속하여 압축공간(8a)의 작동유체는 고온공간부(3a)를 지나 재생기(3)에 열이 충진되며, 여기에 충진된 열은 고온 내부열교환기(9a)와 고온 외부열교환기(9c)를 통해 열교환 된다. 그리고 팽창공간(8b)의 작동유체는 저온공간부(3b)를 지나 재생기(3)에 열이 흡수되고, 흡수된 열은 저온 내부열교환기(9b)와 저온 외부열교환기(9d)를 통해 열매체(미도시)로 열전달 된다.

상기 저온 외부열교환기(9d) 및 고온 외부열교환기(9c)는 저온 내부열교환기(9b)와 고온 내부열교환기(9a)가 결합된 케이스(1)의 외주면에 설치되고, 얇은 금속판재가 케이스(1)의 외주면에 소정회 반복하여 번갈아 절곡된 주름관이 설치되어 구성된다. 이때 주름관은 작동유체가 원활하게 유동되도록 소정의 공간이 형성되게 구성되어 있다. 또한 상기와 같이 절곡되어 형성된 저온 외부열교환기(9d) 및 고온 외부열교환기(9c)는 케이스(1)의 외주면에 브레이징 또는 접착제로 접착 등의 방법으로 결합되어 있다.

그러나 종래 스터링기기의 열교환기 구조에서는 얇은 금속판재가 절곡되어 주름관으로 형성된 저온 외부열교환기(9d)와 고온 외부열교환기(9c)가 케이스(1)의외주면에 브레이징 또는 접착 등의 방법으로 결합되어 있기 때문에 이들의 결합부위에서 열전달 효율이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 열교환 매체와 열교환 되는 열교환기의 구조에 관한 것으로서, 유체열교환기 및 외부열교환기의 외주면에 직접 열교환기 핀이 형성되어 압축공간의 열에너지와 팽창공간의 열에너지의 열교환 효율이 향상되도록 열교환기가 구성된 스터링기기의 열교환기를 제공하는 것이다.

도 1a는 종래 스터링기기를 개략적으로 도시한 단면도.

도 1b는 종래 스터링기기의 열교환기 구조를 도시한 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 스터링기기를 도시한 단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 외부열교환기의 구조를 도시한 종단도면.

도 3b와 도 3c 및 도 3d는 외부열교환기의 다른 실시 예에 따른 구조를 도시한 종단도면.

도 4a는 본 발명에 따른 유체열교환기의 구조를 도시한 도면.

도 4b는 도 4a의 B부를 발취하여 확대도시한 사시도.

도 5a는 유체열교환기의 다른 실시 예에 따른 구조를 도시한 도면.

도 5b는 도 5a의 C부를 발취하여 확대도시한 사시도.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유체열교환기의 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11...헤드 11a...고정축 13...유체열교환기

13g...구배부 14...외부열교환기 20...케이스

21...팽창공간 22...압축공간 23...충진공간

25...재생기 30...디스플레이서 31..디스플레이서실린더

40...피스톤 42...블럭 80a...열교환기 핀

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 작동유체가 충진되는 케이스, 상기 케이스 내부에 피스톤실린더와 모터 설치부가 마련된 블럭, 상기 블럭에 마련된 모터 설치부에 피스톤공진스프링(미도시)과 연결되어 왕복운동하는 리니어모터, 상기 블럭의 피스톤실린더 내부에 설치되고 리니어모터의 모터가동자와 연결되어 직선 왕복운동 되는 피스톤, 압축공간과 팽창공간으로 구획되도록 피스톤실린더와 동일한 축선상에 일정간격 이격되게 설치된 디스플레이서실린더, 피스톤의 왕복운동에 따라 디스플레이서 내부에서 디스플레이서공진스프링(미도시)과 연결되어 피스톤과 소정의 위상차를 가지고 왕복운전되는 디스플레이서, 상기 디스플레이서실린더의 외주면에 설치되어 압축공간과 팽창공간을 연통시키고 열에너지를 흡수 및 재생하는 재생기, 팽창공간에 형성된 저온공간부의 열에너지를 열교환시키는 저온 내부열교환기, 상기 저온 내부열교환기의 외주면에 설치되어 열교환 매체와 열교환되는 유체열교환기, 압축공간에 형성된 고온공간부의 열에너지를 열교환시키는 고온 내부열교환기, 상기 고온 내부열교환기의 외주면에 설치되어 열교환 매체와 열교환되는 외부열교환기 등을 구비한 스터링기기에 있어서,

상기 저온 공간부의 열교환 효율을 향상시키기 위해 저온 내부열교환기의 외주면에 설치된 유체열교환기는 외주면에 열교환기 핀이 직접 성형되고, 저온 내부열교환기와의 조립과 열전달이 용이하도록 유체열교환기의 내주면에 구배가 형성된다. 그리고 고온공간부의 열교환 효율을 향상시키기 위해 고온열교환기 케이스의 외주면에 설치되고 외주면에 열교환기 핀과 보조핀이 단일로 형성된 외부열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 스터링기기의 전적인 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3a은 본 발명에 따른 고온열교환기 케이스의 외주면에 설치된 외부열교환기의 구조를 도시한 종단면도이고, 도 3b와 도 3c 및 도 3d는 외부열교환기의 다른 실시 예와 또 다른 외부 열교환기의 변형 예에 따른 구조를 도시한 종단면도이다. 그리고 도 4a는 본 발명에 따른 저온 내부열교환기 외주면에 설치되는 유체열교환기의 열교환기 구조를 도시한 도면이고, 도 4b는 도 4a의 B부를 발취하여 확대도시한 사시도이며, 도 5a와 도 5b는 유체 열교환기의 다른 실시 예에 따른 열교환기 구조를 도시한 도면과 도 5a의 C부를 발취하여 확대도시한 사시도이다. 또한 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 저온 내부열교환기 및 고온열교환기 케이스의 외주면에설치된 유체열교환기의 분해상태를 도시한 단면도이다.

본 발명의 스터링기기는 도 2에 도시된 바와 같이 작동유체가 충진되도록 내부공간이 마련된 케이스(20) 내부에 피스톤실린더(42b)와 모터 설치부(42a)가 마련된 블럭(42)이 설치되고, 상기 블럭(42)에 마련된 모터 설치부(42a)에 리니어모터(60)가 설치되며, 계속해서 상기 블럭(42)에 마련된 피스톤실린더(42b)에는 리니어모터(60)의 모터가동자(60a)와 피스톤공진스프링(미도시)과 연결된 피스톤(40)이 설치되어 왕복운동을 하게된다. 상기 피스톤(40)의 외주면 및 피스톤실린더(42b) 내주면은 마찰을 최소화하기 위해 경질아노다이징 또는 테프론코팅 등과 같은 표면처리를 하기도 한다.

폴리카보네이트(PC)와 같은 열전도가 낮은 플라스틱으로 구성된 디스플레이서실린더(31)는 피스톤실린더(42)와 소정의 간격을 두고 양단부가 개방되게 직열로 설치되고, 디스플레이서실린더(31) 내부에는 디스플레이서(30)가 설치되고, 상기 디스플레이서(30)는 디스플레이서공진스프링(미도시)과 연결되어 피스톤(40)에 의해 압축공간(22)의 체적이 가변됨에 따라 디스플레이서(30)가 소정의 위상차를 가지며 디스플레이서실린더(31) 내부에서 왕복운동을 하게 된다.

그리고, 피스톤(40)과 디스플레이서(30) 사이에 압축공간(22)이 형성되고, 디스플레이서(30)와 헤드(11)사이에 팽창공간(21)이 형성되며, 리니어모터(60)가 설치된 케이스(20) 내부에 충진공간(23)이 형성된다.

또한, 디스플레이서실린더(31)의 외주면과 재생기케이스(25)와의 사이에 소정의 폭을 갖은 공간에 재생기(26)가 설치되어 압축공간(22)과 팽창공간(21)을 연통시키고 열에너지를 흡수 및 재생시켜 스터링기기 역할을 하게 된다.

팽창공간(21)과 재생기(26) 사이에 형성된 저온공간부(50)의 열에너지를 열교환시키기 위해 설치된 저온 내부열교환기(10)의 외주면에는 유체열교환기(13)와의 면 접촉율을 높게하여 열전달을 용이하게 하기 위해 도 2를 기준으로 좌측 단이 작고 우측 단이 큰 원뿔형상의 구배가 형성되도록 구배부(10i)가 마련되고, 이의 일측면에는 헤드(11)의 외주면과 결합될 수 있도록 원주방향으로 소정의 깊이를 갖은 단이 형성된 결합단차(10a)가 마련된다. 그리고 팽창공간(21)압력에 의한 변형을 최소화하기 위해 반구형상으로 형성된 헤드(11)의 일측면 중심부에는 고정축(11a)을 설치하고, 이의 고정축(11a)과 결합된 유체열교환기(13)를 고정부재(11b)를 사용해 견고하게 고정시킨다.

유체열교환기(13)는 저온 내부열교환기(10)에 형성된 구배부(10i)의 구배방향과 같은 방향으로 내주면에 구배가 형성된 구배부(13g)를 형성하여 저온 내부열교환기(10)와 결합이 용이하게 하고, 이의 외주면에는 도 4b에 도시된 것과 같이 소정의 폭과 깊이를 갖은 유체공간(80h)을 소정개소 성형시킨 다음 일정한 간격으로 유체가 통과될 수 있는 핀공간(80z)이 마련되게 소정의 두께를 갖은 원호 또는 직선형의 열교환기 핀(80a)을 직접 성형시킨다.

또한 원주방향으로 소정높이 돌출된 결합단a(13x)와 원주방향으로 확장형성된 결합단b(13y)가 마련되고, 이의 결합단a(13x)와 결합단b(13y)에 열교환기커버(13a)를 밀폐되게 결합시켜, 열교환기 핀(80a)사이에 형성된 핀공간(80z)과 유체공간(80h) 내부로 열을 흡수할 수 있는 유체가 통과될 수 있도록 하며, 이 열교환기커버(13a)는 별도의 열교환장치(미도시)를 이용 열교환된 유체가 열교환기커버(13a) 내부로 유입될 수 있는 유체입구(13b)와 흡수된 열 에너지를 가지고 빠져나갈수 있는 유체출구(13c)가 열교환장치(미도시)와 연통되어 열교환이 효율적으로 이루워지도록 하고, 상기 헤드(11)에 설치된 고정축(11a)과 결합되게 결합공(13d)이 열교환기커버(13a)의 중심쪽에 천공되어 있다.

원통파이프 형상의 고온열교환기 케이스(15)는 양단부가 개방되어 재생기케이스(25)와 케이스(20)사이에 설치되고, 상기 저온 내부열교환기(10)의 외경보다 내경이 크게 된 외부열교환기(14)가 저온 내부열교환기(10)를 지나 고온열교환기케이스(15)의 외주면에 결합될수 있도록 한다.

그리고 압축공간(22)과 재생기(26) 사이에 형성된 고온공간부(51)의 열에너지를 열교환시키기 위해 고온열교환기케이스(15)의 내주면에 고온 내부열교환기(12)가 설치된다.

고온열교환기케이스(15)의 외주면에 결합된 원통형의 외부열교환기(14)는 열교환기프레임(14a)의 외주면에 다수개의 열교환기 핀(14b)이 열교환기프레임(14a)과 같이 방사상으로 압출, 인발 또는 다이케스팅 등의 방법으로 성형되고, 이의 열교환기 핀(14b) 양쪽측면에 일정한 간격으로 유체가 통과될 수 있는 핀공간(14d)이 마련되게, 소정의 두께와 길이를 갖은 원호 또는 직선형의 보조핀(14c)을 직접 다수개씩 각각 성형시킨다.

그리고, 스터링기기의 설치공간이 좁은 공간에서도 충분한 효율을 얻고, 생산성 향상을 위해 도 3b와 도 3c 및 도 3d를 참조하여 다른 실시 예의 외부열교환기(400, 500, 600)를 설명하면 다음과 같다.

다른 실시 예의 외부열교환기(400)는 다수개의 열교환기 핀(400b)이 방사상으로 열교환기프레임(400a)의 외주면에 직접 성형되고, 상기 열교환기 핀(400b)의 양쪽측면에 일정한 간격으로 유체가 통과될 수 있는 핀공간(400d)이 마련되게, 소정의 폭과 두께를 갖은 보조핀(400c)이 원주방향으로 각각 소정개 성형되며, 이의 열교환기 핀(400b)의 단부에 유체가 핀공간(400d)내부로 원활하고 균일하게 통과되게 상기 열교환기 핀(400b)의 단부와 연결된 원통형의 열교환기보조프레임(400e)이 형성되어 열교환 효율을 향상시키게 된다.

또, 다른 변형 예의 외부열교환기(500)는 열교환기a와 열교환기b로 각각 구분되어 성형된 것을 결합시켜 열교환기 핀의 간격을 조밀하게 구성하여 열교환 효율을 향상시키는 것으로서, 원통형의 열교환기프레임a(500a)의 외주면에 다수개의 열교환기 핀(500b)이 방사상으로 열교환기프레임a(500a)와 같이 성형되고, 상기 열교환기 핀(500b)의 양쪽측면에 소정의 간격으로 유체가 통과될 수 있는 핀공간(500e)이 마련되게 소정의 폭과 두께를 갖은 보조핀(500c)이 원주방향으로 각각 소정개씩 성형되고, 상기 열교환기프레임a(500a) 외주면의 열교환기 핀(500b)사이에 소정의 깊이를 갖은 삼각형 모양의 결합홈(500d)이 마련된 열교환기a가 성형된다. 또한 열교환기프레임b(501a)의 내주면에 다수개의 열교환기 핀(501b)이 열교환기프레임b(501a)와 같이 성형되고, 상기 열교환기 핀(501b)의 양쪽측면에 소정의 간격으로 소정의 폭과 두께를 갖은 보조핀(501c)이 원주방향으로 각각 소정개씩 열교환기 핀(501b)과 같이 성형된 열교환기b가 성형된다. 상기 열교환기 핀(501b)의 단부는 상기 열교환기프레임a(500a)에 형성된 결합홈(500d)의 모양과 동일하게 형성되고, 열교환기프레임b(501a)의 내주면에 별도 조립부재(미도시)와 결합될 수 있는 결합홈(501d)이 소정개소 마련된다.

상기 열교환기프레임a(500a)의 결합홈(500d)에, 열교환기프레임b(501a)에 형성된 열교환기 핀(501b)의 단부가 결합되어 외부열교환기(500)가 형성된다.

또, 다른 변형 예의 외부열교환기(600)는 열교환기프레임a(600a)의 열교환기 핀(600b)에 형성된 보조핀(600c)이, 열교환기프레임b(601a)의 열교환기 핀(601b)단부에 형성된 결합홈(601d)과 결합되어 구성되는 것일 뿐 근본사상은 상기 외부열교환기(500)와 동일하다.

상기 외부열교환기(14, 400, 500, 600)를 성형하기 위해 사용되는 재료는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)로 한정되는 것이 아니고 열교환이 가능한 재질이면 다양하게 사용될 수 있다. 또한 스터링기기의 제작조건에 따라서, 상기 외부열교환기(14, 400, 500, 600)를 저온 내부열교환기(10) 외주면에 설치되는 유체열교환기(13)의 조립위치에 설치할 수도 있고, 저온 내부열교환기(10) 및 고온 내부열교환기(12)의 구조로도 사용될 수 있게 된다.

다음에서는 저온 내부열교환기(10) 외주면에 설치된 유체열교환기(13)와 고온열교환기케이스(15)의 외주면에 설치된 다른 실시 예의 유체열교환기(140)에 공통으로 적용된 도 4a의 열교환기 핀(80a)과 다른 실시 예인 도 5a의 열교환기 핀(90a)에 대한 구조와 제작방법을 상세히 설명한다.

먼저 도 4a와 도 4b에 도시한 유체열교환기(13),(140)의 열교환기 핀(80a)은외주면에 원주방향으로 소정의 깊이를 갖은 골이 형성된 유체공간(80h)이 소정개소 마련되고, 이의 외경 원통면에 일정한 간격으로 설정된 열교환기 핀 생성위치(80e)를 따라 유체가 통과될수 있는 핀공간(80z)이 마련되게 원호 또는 직선형의 열교환기 핀(80a)을 다수개 기계적인 물리력을 사용해 표면에 직접 성형시킨다.

그리고, 다른 실시 예인 도 5a와 도 5b에 도시한 유체열교환기(13),(140)의 열교환기 핀(90a)은 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 소기의 목적을 달성하고 제작이 용이한 구조로써, 외경 원통면이 평기어 또는 헬리컬 기어와 같은 모양의 열교환기 핀(90a)이 형성되고, 이의 외주면에 원주방향으로 소정의 깊이를 갖은 골이 형성된 유체공간(90b)을 소정개소 형성시켜 열교환기 산(90c)을 만들고, 이의 열교환기 산(90c) 외주면에 유체공간(90b)보다 깊지않게 원주방향으로 나사모양의 골을 소정개소 성형시켜 유체가 원활하게 통과될 수 있는 열교환기 핀(90a)이 형성된 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 따른 스터링기기의 열교환기는 팽창공간에 설치된 저온 내부열교환기의 외주면에 유체열교환기가 설치되고, 상기 유체열교환기의 본체에 작동유체가 통과되는 유로가 형성되게 열교환기 핀을 직접 성형시킴으로써 팽창공간의 열교환 효율이 크게 향상될 뿐만 아니라 유체열교환기의 재료비를 절감할수 있는 이점이 있다.

또한, 고온열교환기 케이스의 외주면에 외부열교환기가 설치되고, 상기 외부열교환기의 외주면에 열교환기 핀이 방사상으로 성형되고, 이의 열교환기 핀의 양쪽측면에 일정한 간격으로 작동유체가 통과될 수 있게 보조핀을 직접 성형시킴으로써 압축공간의 열교환 효율을 향상시키게 된다.

Claims

피스톤실린더 내부에 설치되고 리니어모터와 결합되어 작동유체를 압축 또는 팽창시키는 피스톤, 압축공간과 팽창공간으로 구획되게 디스플레이서 실린더 내부에서 피스톤과 소정의 위상차를 가지고 왕복운전되는 디스플레이서, 상기 압축공간과 팽창공간이 연통되게 설치된 재생기, 상기 압축공간에 설치되어 작동유체와 열교환을 하는 고온 내부열교환기와, 상기 팽창공간에 설치되어 작동유체와 열교환을 하는 저온 내부열교환기를 구비한 스터링기기에 있어서,

상기 팽창공간(21)공간에 설치된 저온 내부열교환기(10)와 결합되어, 외주면에 열교환 매체와 열교환 하는 유체가 원주방향으로 흘러갈 수 있는 유체공간(80h)이 성형되고 길이 방향으로 핀공간(80z)이 형성되게 외주면에 직접 열교환기 핀(80a)을 다수개 성형시킨 유체열교환기(13), 상기 고온열교환기 케이스(15)의 외주면에 설치되어, 소정의 두께를 갖은 다수개의 열교환기 핀(14a')이 방사상으로 외주면에 성형되고, 이 열교환기 핀(14a') 양쪽면에 소정의 두께를 갖은 보조핀(14b')이 다수개 성형된 외부열교환기(14)로 구성된 것을 특징으로 하는 스터링기기의 열교환기.
제 1항에 있어서, 외부 열교환 매체인 유체가 원활하게 흘러가도록 상기 유체열교환기(13)의 외주면에 원주방향으로 형성된 유체공간(80h)의 깊이가 열교환기 핀(80a)이 성형된 면보다 깊게 형성된 것을 특징으로 하는 스터링기기의 열교환기.
열교환기프레임(400a)의 외주면에 다수개의 열교환기 핀(400b)이 방사상으로 직접 성형되고, 상기 열교환기 핀(400b)의 양쪽 면에 유체가 균일하게 통과될 수 있는 핀공간(400d)이 형성되게 소정의 두께를 갖은 보조핀(400c)과 이의 열교환기 핀(400b)의 단부와 연결된 원통형의 열교환기보조프레임(400e)이 형성된 것을 특징으로 하는 스터링기기의 열교환기.