KR20020091060A - 스털링 냉동기 - Google Patents

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Abstract

실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간의 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서, 재생기의 팽창 공간측 및 압축 공간측의 일방 또는 양방에 재생기 내를 통과하는 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 정류기를 설치한다. 이에 의해, 재생기 내를 통과하는 작동 매체의 흐름의 불균일이 개선되기 때문에, 재생 열효율을 향상시키는 것이 가능하고, 더 나아가서는 냉동기의 성능을 높이는 것이 가능하다.

Description

스털링 냉동기{STIRLING REFRIGERATING MACHINE}
도3은 종래의 스털링 냉동기의 일예의 개략적인 단면도이다. 이하, 이러한 종래의 스털링 냉동기의 구성에 관해서는 도3을 참조하여 설명한다. 내부에 원통형의 공간을 갖는 실린더(1)의 상기 공간 내에 디스플레이서(2) 및 피스톤(3)을 설치함으로써, 상기 공간 내에 형성된 압축 공간과 팽창 공간(7)의 사이에 재생기(8)를 설치하여 폐회로를 형성하고, 이 폐회로의 작동 공간에 헬륨 등의 작동 가스를 충전하는 것과 동시에, 상기 피스톤(3)을 리니어 모터(도시 생략) 등의 외부 구동에 의해 축방향(F 방향)으로 왕복 운동시킨다. 이 피스톤(3)의 왕복 운동은 작동 공간에 봉입된 상기 작동 가스에 주기적 압력 변동을 가져옴과 동시에, 디스플레이서(2)에 축방향의 주기 운동을 발생시킨다.
디스플레이서 로드(4)는, 그 일단이 디스플레이서(2)에 고정되는 동시에 피스톤(3)을 관통하며, 타단에 있어서 스프링(5)과 접속된다. 디스플레이서(2)는 피스톤(3)과 동일한 주기이지만 다른 위상으로 실린더(1)내를 축방향으로 왕복 운동한다. 디스플레이서(2) 및 피스톤(3)이 적당한 위상차를 유지하며 운동할 때 상기 작동 공간 내부에 봉입된 작동 가스는 역 스털링 사이클로서 공지의 열역학적 사이클을 구성하며, 주로 팽창 공간(7)에 있어서 냉열을 발생한다.
재생기(8)는 가는 철사의 매트릭스나 코일을 권취한 환형의 간극에 의해 구성되고, 작동 가스가 압축 공간(6)에서부터 팽창 공간(7)으로 이동할 때에 작동 가스로부터 열을 수취하여 비축하여 두고 작동 가스가 팽창 공간(7)으로부터 압축 공간(6)으로 되돌아갈 때에, 이 열을 작동 가스에 부여하는 축열 작용을 갖는다.
또한, 도면 부호9는 고온측 열교환기이며, 압축 공간에서 작동 가스가 압축될 때에 발생하는 열의 일부를 이 고온측 열교환기(9)를 통해 방출한다. 또한, 도면 부호10은 저온측 열교환기이며, 팽창 공간(7)에서 작동 가스가 팽창할 때에 이 저온측 열교환기(10)를 통해 외부로부터 열을 빼앗는다.
이하에, 그 동작 원리에 대해 간단히 설명한다. 피스톤(3)에 의해 압축된 압축 공간(6) 내의 작동 가스는, 도면의 실선 화살표(A)와 같이, 재생기(8)를 경유하여 팽창 공간(7)으로 이동할 때에, 고온측 열교환기(9)를 통해 외부로 열을 방출하고, 상기 재생기(8)에 열을 보관하는 형식으로 예냉된다. 대부분의 작동 가스가 팽창 공간(7)에 유입되면, 팽창이 시작되며, 상기 팽창 공간(7) 내에 냉열을 발생한다.
다음에, 작동 가스는 도면의 점선 화살표(B)와 같이, 재생기(7)를 경유하여 압축 공간(6)으로 되돌아갈 때에, 저온측 열교환기(10)를 통하여 외부로부터 열을 빼앗으며, 재생기(8)에 반 사이클 전에 보관되어 있는 열을 회수하여 압축 공간(6)으로 들어간다. 대부분의 작동 가스가 압축 공간(6)에 되돌아가면, 다시 압축이 시작되고 다음 사이클로 이행된다. 이상과 같은 사이클이 연속적으로 반복되는 것에 의해, 극저온의 냉열을 얻을 수 있다.
여기서, 상기 재생기(8)로서는, 예를 들어 폴리에스테르 등으로부터 만들어진 필름을 원통형에 권취한 것 등이 사용되어 있으나, 귄취된 필름 사이의 간극에 불규칙성이 있고, 그 때문에 이를 스털링 냉동기에 조립한 경우, 간극의 비교적 큰 부분에 많은 작동 가스가 흐르고, 그 이외의 부분은 가스가 흐르기 어렵게 되어, 재생기(8) 내에 작동 가스의 흐름이 불균일하게 되는 문제가 있다. 이러한 결과, 재생기(8)의 전체가 쓸데없이 축열에 사용되어 없어지기 때문에 재생 열교환 효율이 저하되고, 이에 의해 냉열기의 성능의 열화를 초래한다.
또한, 실린더(1) 내에 충전된 작동 가스에는 수분이 포함되어 있는 경우가 있지만, 이러한 수분은 팽창 공간(7) 내에서 동결되어 디스플레이서(2)에 붙는 것에 의해, 디스플레이서(2)와 실린더(1)와의 사이에 마찰을 발생시켜 매끄러운 미끄러짐이 저해되어 이것 역시 냉동기의 성능을 열화시키는 원인이 된다.
또는 수분이 팽창 공간(7) 내에서 응축하여 재생기(8)의 필름 사이의 간극으로 유입되고, 상기 간극 부분에 작동 가스가 흘러 없어지기 때문에, 재생기(8) 전체가 쓸데없이 축열에 사용되어 없어지고, 이것 역시 냉동기의 성능을 열화시키는 원인이 된다.
본 발명은 스털링 냉동기에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 스털링 냉동기의 개략 단면도이다.
도2는 본 발명의 스털링 냉동기에 사용되는 정류기의 사시도이다.
도3은 종래의 스털링 냉동기의 일예의 개략 단면도이다.
본 발명은 상기 종래의 문제점에 비추어, 재생기내를 통과하는 작동 가스의 흐름의 불균일을 개선하는 것에 의해, 재생 열교환 효율을 높인 스털링 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 작동 가스 중에 포함된 수분을 제거하는 것에 의해, 수분의 응축, 동결에 의한 냉동기의 성능 열화를 방지하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 작동 가스 중에 포함된 불순물을 제거하는 것에 의해, 불순물에 의한 재생기의 눈 막힘을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간의 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기내를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 정류 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체가 재생기에 유입되기 직전에, 정류 수단을 통과한다. 따라서, 정류 수단에 의해 재생기를 통과하는 작동 매체의 흐름의 불균일이 개선된다.
또한, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 작동 매체 중에 포함된 수분을 제거하는 흡습 수단을 설치한 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체가 재생기에 유입되기 직전에, 흡습 수단을 통과한다. 따라서, 흡습 수단에 의해 작동 매체 중에 포함된 수분이 제거된다.
또한, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기 내를 통과하는 상기 작동 매체 중에 포함된 불순물을 제거하는 필터를 설치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체는 재생기에 유입되기 직전에 필터를 통과한다. 따라서, 필터에 의해 작동 매체 중의 불순물이 제거된다.
또한, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기 내를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 동시에, 상기 작동 매체 중에 포함된 수분을 제거하는 정류 겸 흡습 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체가 재생기에 유입되기 전에 정류 겸 흡습 수단을 통과한다. 따라서, 정류 겸 흡습 수단에 의해 재생기를 통과하는 작동 매체의 흐름의 불균일이 개선되는 동시에, 작동 매체 중에 포함된 수분이 제거된다.
또한, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기 내를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 동시에 상기 작동 매체중에 포함된 불순물을 제거하는 정류 수단 겸 필터를 설치한 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체가 재생기에 유입되기 직전에, 정류 수단 겸 필터를 통과한다. 따라서, 정류 겸 흡습 수단에 의해 재생기를 통과하는 작동 매체의 흐름의 불균일이 개선되는 동시에, 작동 매체 중에 포함된 불순물이 제거된다.
또한, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간의 일방 또는 양방에상기 작동 매체 중에 포함된 수분 및 불순물을 제거하는 흡습 수단 겸 필터를 설치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체는 재생기에 유입되기 직전에, 흡습 수단 겸 필터를 통과한다. 따라서, 흡습 겸 흡습 수단에 의해 작동 매체 중에 포함된 수분 및 불순물이 제거된다.
또한, 상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간의 일방 및 양방에 상기 재생기 내를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 동시에 상기 작동 매체 중에 포함된 수분 및 불순물을 제거하는 정류 겸 흡습 수단 겸 필터를 설치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 팽창 공간과 압축 공간의 사이를 왕복하는 작동 매체가 재생기에 유입되기 직전에, 정류 겸 흡습 수단 겸 필터를 통과한다. 따라서, 정류 겸 흡습 수단 겸 필터에 의해 재생기를 통과하는 작동 매체의 흐름의 불균일을 개선하는 동시에 작동 매체 중에 포함된 수분 및 불순물이 제거된다.
또한, 상기 정류 수단, 상기 흡습 수단, 상기 필터, 상기 정류 겸 흡습 수단, 상기 정류 수단 겸 필터, 상기 흡습 수단 겸 필터 또는 상기 정류 겸 흡습 수단 겸 필터를 적당한 열용량을 갖는 재료로 형성하고, 이들에 대해서 어느 정도의 축열 작용을 아울러 갖게 하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도1은 본 발명의 스털링 냉동기의 개략 단면도이고, 도2는 본 발명의 스털링 냉동기에 사용되는 정류기의 사시도이다. 또한, 도1에 있어서, 도3에 도시한 종래의 스털링 냉동기와 공통되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여, 그 상세한 설명을 생략한다.
도1에 있어서, 재생기(8)의 팽창 공간(7)측 및 압축 공간(11)측에 정류기(11)를 인접하여 설치한 것 이외에는 도3에 도시된 종래의 스털링 냉동기의 구성과 같은 형태이다. 본 발명에 관한 정류기(11)는, 도2에 도시된 바와 같이, 도넛 형상의 부재이고, 약 1 ㎜ 내지 5 ㎜의 두께를 갖고 있다. 이러한 정류기(11)는 예를 들어 폴리우레탄 포움으로 형성된 필터이고, 그 눈의 거칠기는, 재생기(8), 고온측 열교환기(9), 저온측 열교환기(10) 및 정류기(11)를 연결하여 작동 가스의 유통로를 형성하여 결정되는 압축 공간(6)과 팽창 공간(7)의 사이의 압력 손실이 원하는 값이 되도록 조정된다.
이러한 구성의 스털링 냉동기를 구동하는 것은, 도면의 화살표(A 또는 B)와 같이 압축 공간(6) 및 팽창 공간(7)의 일방 또는 타방으로 작동 가스가 이동하지만, 이때 통과 저항이 있는 정류기(11)에 의해, 작동 가스는 정류기(11)의 전체에 걸쳐 분산되면서 상기 정류기(11) 내를 통과하기 때문에 통과 후의 유속은 재생기(8)의 입구부에서 대략 같게 된다. 이에 따라, 재생기(8) 내의 어느 부분을 취해도 작동 가스가 균일하게 흐르기 때문에, 적절한 정류 효과가 얻어진다.
표1은 이 정류기(11)를 배치한 경우와 배치하지 않은 경우(즉, 도3에 도시한 종래예)에 있어서의 스털링 냉동기의 성능 계수(COP)를 도시한다. 여기서, 온도 조건으로는, 고온측(압축 공간(6)측)은 30℃, 저온측(팽창 공간(7)측)은 -23℃로 설정되어 있는 것으로 가정한다.
정류기 COP(저온측 -23℃/ 고온측 30℃)
유무 0.890.66
표1로부터 명확한 바와 같이, 정류기(11)를 배치함으로써, 재생기(8) 내를 통과하는 작동 가스의 흐름이 균일화되고, 재생기(11) 전체가 낭비 없이 축열에 이용된 결과, 냉동기의 성능을 향상하는 것이 뒷받침된다.
또한, 정류기(11)의 재료에 있어서는, 폴리우레탄 포움에 한정되지 않는 것은 물론이고, 압력 손실이 극단적으로 높아지지 않는 적당한 메쉬를 갖는 것이면, 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 언급할 필요도 없다.
그런데, 정류기(11)의 재료로써, 우수한 흡습성, 흡수성을 갖는 재료를 사용함으로써 상술한 바와 같은 작동 가스의 정류 효과에 더하여, 작동 가스 중에 포함된 수분을 제거하는 것이 가능하다.
이러한 재료의 예는 면, 양모, 비단, 레이온, 아세테이트, 셀룰로오스, 친수성/흡수성 폴리에스테르, 흡습성/흡수성 나일론 등의 섬유나, 가교(架橋) 폴리에스테르 산염계 섬유 등의 고흡수성 고분자 재료, 제오라이트, 실리카, 규조토, 앨러페인(allophane), 알루미나 실리카, 인산 지르코늄, 다공질 금속 재료 등의 다공질 재료 등을 들 수 있다.
이러한 재료 중에서, 섬유는 시트형, 허니컴형 또는 코르겟형 등으로 가공함으로써, 비섬유는 도넛형으로 구워서 굳히거나, 분말을 결합제와 함께 부직포에 끼워 정착시킴으로써, 도2에 도시된 바와 같은 형상을 갖는 흡습성의 정류기(11)를 용이하게 만들 수 있다.
이렇게 해서 형성한 정류기(11)를 미리 충분히 건조한 후에, 도1에 도시한 바와 같이 냉동기 내에 배치함으로써, 작동 가스 중에 포함된 수분을 흡습하거나, 수분이 응축하더라도 이를 빨리 흡수할 수 있기 때문에, 수분이 팽창 공간(7)측에서 동결하여 디스플레이서(2) 등에 붙는 것에 의한 냉동기의 냉동 성능의 저하를 방지할 수 있고, 또는 수분이 팽창 공간(7) 내에서 응축하여 재생기(8)의 필름 사이의 간극을 막는 것에 의한 냉동 성능의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 상기와 같이, 정류기(11)에 정류성과 흡습성을 함께 갖게 하거나 정류기와 흡습제를 별도로 구성하더라도 좋다.
또한, 정류기(11)의 재료로써, 제오라이트나 여과지 등을 사용함으로써, 상술한 바와 같은 작동 가스의 정류 효과나 흡습, 흡수 효과에 더하여, 작동 가스에 의해 매개되는 부품의 깎인 찌꺼기나 부품 표면으로부터 박리된 코팅재 등의 불순물을 흡착, 제거할 수 있고, 이러한 불순물이 재생기(8)의 눈 막힘을 일으켜 냉동기의 성능이 저하하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기한 바와 같은 정류기(11)에 정류성, 흡습 ·흡수성 및 필터 기능을 함께 갖게 하는 것 이외에, 정류기, 흡습재 및 필터 중에서 2개를 적당히 선택하여 조합하거나, 각각을 전부 별도로 구성하더라도 좋다.
또, 정류기(11)를 적당한 열용량을 갖는 재료(예를 들면, 폴리에스테르계의 재료)로 구성하면, 재생기(8) 뿐만 아니라 정류기(11)에도 어느 정도의 축열이 가능하기 때문에, 재생 열교환율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태로서는 재생기의 팽창 공간측 및 압축 공간측에 정류기를 설치하는 경우에 대해 설명했지만, 반드시 양방일 필요는 없고, 어느 쪽이던지 일방에 배치하더라도 좋다. 이 경우는, 부품 개수가 삭감되어 비용 절감이 도모된다.
상기 설명으로부터, 본 발명에 대해서 여러 가지 수식이나 변형이 가능한 것은 명백하다. 따라서, 본 발명은 구체적인 설명 내용에 한정되지 않고 부기한 청구의 범위 내에서 실시되는 것으로 이해되어야 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 스털링 냉동기의 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로를 이루는 재생기에 인접하여 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 정류 수단을 설치하는 것에 의해, 상기 재생기 내를 통과하는 작동 매체의 흐름의 불균일이 개선되기 때문에, 재생 열교환 효율을 향상시키는 것이 가능하고, 나아가서는 냉동기의 성능을 높이는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 정류 수단을 작동 매체 중에 포함된 수분을 제거하는 흡습 작용을 하는 정류 겸 흡습 수단으로 함으로써, 팽창 공간측에서 수분이 동결되는 것에 의한 냉동 성능의 저하를 방지하는 것이 가능하고, 또는 수분이 팽창 공간(7) 내에서 응축하여 재생기(8)의 필름 사이의 간극을 막는 것에 의한 냉동 성능의 저하를 방지할 수 있다.

Claims (14)

  1. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간측 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기 내를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 정류 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정류 수단은 적당한 열용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  3. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간측 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 작동 매체 중에 포함된 수분을 제거하는 흡습 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 흡습 수단은 적당한 열 용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  5. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간측 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 작동 매체 중에 포함된 불순물을 제거하는 필터를 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 필터는 적당한 열용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  7. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간측 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 동시에, 상기 작동 매체 중에 포함된 수분을 제거하는 정류 겸 흡습 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 정류 겸 흡습 수단은 적당한 열용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  9. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기 내를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 동시에, 상기 작동 매체 중에 포함된 불순물을 제거하는 정류 수단 겸 필터를 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 정류 수단 겸 필터는 적당한 열용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  11. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간측 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 작동 매체 중에 포함된 수분 및 불순물을 제거하는 흡습 수단 겸 필터를 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 흡습 수단 겸 필터는 적당한 열용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  13. 실린더 내에 형성된 팽창 공간과 압축 공간 사이를 왕복하는 작동 매체의 유통로에 재생기를 구비한 스털링 냉동기에 있어서,
    상기 재생기의 상기 팽창 공간측 및 상기 압축 공간측의 일방 또는 양방에 상기 재생기를 통과하는 상기 작동 매체의 흐름을 균일하게 하는 동시에, 상기 작동 매체 중에 포함된 수분 및 불순물을 제거하는 정류 겸 흡습 수단 겸 필터를 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 정류 겸 흡습 수단 겸 필터는 적당한 열용량을 갖는 재료로 된 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기.
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