KR20030068378A - 스털링 엔진 또는 냉동기로 활용할 수 있는 스크롤형 열교환 시스템 - Google Patents

스털링 엔진 또는 냉동기로 활용할 수 있는 스크롤형 열교환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 교환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크롤 기구를 적용하여 스털링 엔진 또는 냉동기로 활용이 가능한 열 교환 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템은, 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비하여 작동유체를 압축시켜 토출하는 스크롤 압축기와, 고정 스크롤과 선회 스크롤을 구비하여 작동유체를 팽창시켜 토출하는 스크롤 팽창기와, 이들을 연결하는 연결부와, 그 사이에 설치되어 연결부를 지나는 작동유체 간의 열 교환이 이루어지는 재생기를 포함한다.
이러한 스크롤형 열 교환 시스템에서 스크롤 팽창기의 온도가 스크롤 압축기의 온도보다 높을 경우 스털링 엔진의 기능을 할 수 있고, 스크롤 팽창기의 온도가 스크롤 압축기의 온도보다 낮을 경우 스털링 냉동기의 기능을 할 수 있다.

Description

스털링 엔진 또는 냉동기로 활용할 수 있는 스크롤형 열 교환 시스템{SCROLL-TYPE HEAT EXCHANGE SYSTEM APPLICABLE TO STIRLING ENGINE OR REFRIGERATOR}
본 발명은 열 교환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크롤 기구를 적용하여 스털링 엔진 또는 냉동기로 활용이 가능한 열 교환 시스템에 관한 것이다.
스털링 엔진은 내부에 밀봉한 작동가스를 복수 개의 열 교환기를 설치하여 가열·냉각함으로써 동작하는 외연기관으로서, 종래에는 왕복 피스톤식의 체적형 외연기관이 주류를 이루고 있었다.
이러한 스털링 엔진은 외연기관이기 때문에 액체연료, 가스연료, 고체연료,산업 폐열, 태양열과 LNG 냉열 등 다종의 열원을 활용할 수 있으며, 히터와 쿨러 사이에 설치되는 재생기의 작용으로 원리적으로 가장 높은 효율을 가진다. 또한 밸브가 없고 압력변화가 매끄럽기 때문에 내연기관에 비해 소음과 진동이 적고, 연속연소이기 때문에 연소제어가 용이하며, 배기가스를 깨끗하게 할 수 있기 때문에 차세대 열기관으로 주목받고 있다.
종래의 왕복동식의 스털링 엔진(100)의 기본적인 구성은 도 6에 도시된 바와 같이 대략 90°정도의 위상차를 유지하면서 연동하는 팽창 피스톤(101)과 압축 피스톤(103)을 설치하고, 팽창공간(105)과 압축공간(107)을 만든 다음 그 사이를 통기성 있는 축열재를 충전시킨 재생기(109)로 접속하는 구조를 갖는다. 이 때, 전열 면적이 작은 실린더 벽을 통하여 작동가스를 충분히 가열·냉각하는 것은 어려우므로 일반적으로 도 7에 도시된 바와 같이 재생기(109)의 전후에 별도의 쿨러(112)와 히터(114)가 설치된다.
종래의 왕복동식의 스털링 엔진의 기계적인 구조를 단순화하고 진동을 줄여주기 위해서 미국특허 제6,109,040호에서는 로타리식의 두 개의 벤켈 로터(Wankel rotor)를 이용하면서 왕복동식의 스털링 엔진과 마찬가지로 위상차를 주어 압축과 팽창이 교대로 이루어지도록 하고 있다.
이와 같은 종래의 왕복동(또는 벤켈 로터리) 스털링 기기의 특징은 압축과 팽창과정이 위상차에 의해 이루어지기 때문에 압축과 팽창과정이 불연속적이며, 작동유체가 압축실과 팽창실 사이의 재생기를 왕복함에 따라 압력손실이 발생하기 때문에 회전수의 상승과 더불어 토크가 저하되는 것이 보통이다. 또한 전열 면적이작은 실린더 벽을 통하여 작동가스를 가열·냉각하는 것이 어렵기 때문에 도 7과 같이 재생기(109)의 전후에 히터(114)와 쿨러(112)가 설치되고, 엔진의 고출력화 또는 고속화를 위해 열전달이 빠른 수소나 헬륨과 같은 경분자량의 가스를 작동가스로 사용하여야 한다. 그러나 이러한 경분자량의 가스는 누출되기 쉬운 성질을 가졌기 때문에 가스시일(gas seal)의 고성능화가 매우 중요하다.
도 8은 이상적인 스털링 사이클의 작동과정을 단계적으로 도시한 개념도이고, 도 9는 이상적인 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이며, 도 10은 실제 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이다.
도 8에 도시된 바와 같은 이상적 스털링 사이클은 원리적으로 도 9와 같이 저온 압축부(123) 내에서 등온압축(I―II), 재생기(121)를 지나면서 등적가열(II―III), 고온 팽창부(124) 내에서 등온팽창(III―IV), 재생기(121)를 지나면서 등적방열(IV―I) 과정으로 구성되며, 재생기(121)의 작용으로 카르노사이클과 같은 가장 높은 효율을 가지게 된다.
그러나 실제 사이클에 있어서는 도 10에서 보는 바와 같이, 이상적인 경우보다 훨씬 낮은 효율을 나타낸다. 이렇듯 이상적 스털링 사이클과 실제 스털링 사이클의 차이가 발생하는 요인과 이상적 스털링 사이클 구현의 어려움은 다음과 같다.
먼저 이상적인 스털링 사이클의 등온압축(I―II)과 등온팽창(III―IV)과정을 실현하기 위해서는 실린더 내부벽면을 통해 빠른 열전달이 일어나야 하지만, 실린더 외부에 전열핀을 충분히 설치한다고 하더라도 작동가스와 접하는 실린더 내부벽면의 면적이 작기 때문에 내부 작동가스의 빠른 가열과 냉각은 어렵다. 특히 엔진이 고속화/대형화 될 수록 열전달은 더욱 어렵게 되어 실린더 내부에서는 등온과정이 아닌 단열과정에 가깝게 된다.
따라서 일반적으로는 작동가스의 효과적인 가열·냉각을 위해서 작동가스의 재생기(109)의 전후에 별도의 히터(114)와 쿨러(112)가 설치되게 되며 이를 통해 대부분의 열전달이 이루어지게 된다.
그러나 이러한 히터(114)와 쿨러(112)는 작동가스의 효과적인 가열·냉각을 가능케하여 비출력을 증가시키는 긍정적인 측면이 있는 반면, 다음과 같은 부정적인 측면을 가진다.
즉 압축·팽창 공간이 아닌 히터(114), 재생기(109), 쿨러(112) 등을 포함하는 사체적(dead volume)의 증가는 출력을 감소시키는 요인으로 작용하게 된다. 또한 히터(114)에서 가열된 작동가스가 실린더에서 팽창한 후 재생기(109)에 열을 저장하기 전에 히터(114)를 지나면서 재가열되고, 쿨러(112)를 지난 작동가스가 실린더에서 압축된 후 재생기(109)로부터 열을 되찾기 전에 쿨러(112)를 지나면서 재냉각되는 불필요한 과정으로 인한 사이클의 결함이 발생되어 유동저항이 증가하고 열효율이 감소하게 된다. 뿐만 아니라 구성부품의 열피로(thermal stress)를 증가시키게 되어 구성부품의 재질 선택과 제작에 있어 상당한 제약요인이 되고 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같은 이상적인 스털링 사이클에서는 피스톤(125, 127)이 비연속적으로 움직이기 때문에 저온부(123)에서는 압축과정만 일어나고 고온부(124)에서는 팽창과정만 일어나게 된다. 그러나 도 6에 도시된 바와 같은 실제 왕복동 피스톤 스털링엔진에서는 압축피스톤(103)과 팽창피스톤(101)이 연동되어 움직이기 때문에 저온부 피스톤(103)에 의한 압축과정 시 고온부 피스톤(101)에 의해서도 약간의 압축이 발생하고 고온부 피스톤(101)에 의한 팽창과정 시 저온부 피스톤(103)에 의해서도 약간의 팽창이 발생하게 된다. 이 또한 실제 스털링 엔진의 효율이 이상적인 카르노 사이클의 효율보다 상당히 작게 되는 주요인이 된다.
종래의 스털링 엔진은 연료량에 따라 빨리 반응하는 내연기관과 달리 엔진 제어가 쉽지 않다. 대표적인 제어방법으로는 내부 작동가스의 압력변화, 사체적 조절, 및 스트로크 조절에 의한 압축비의 변화 등이 있다. 그러나 스털링 엔진에서 효율감소가 적고 빠른 부하조절 방법은 모두 장치가 복잡하고 고가라는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기를 함께 구비하여 열 교환이 가능한 스털링 엔진 또는 냉동기로 응용됨으로써 고효율, 저소음, 저진동, 소형 및 경량 특성을 얻을 수 있는 스크롤형 열 교환 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템에 냉각기와 가열기를 더 구비한 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 바이패스 관이 설치된 스크롤 기구를 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 왕복동식 스털링 엔진의 구성도이다.
도 7은 히터와 쿨러가 구비된 종래의 왕복동식 스털링 엔진의 구성도이다.
도 8은 이상적인 스털링 사이클의 작동과정을 단계적으로 도시한 개념도이다.
도 9는 이상적인 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이다.
도 10은 실제 스털링 사이클에 대한 P-V 선도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 스크롤형 열 교환 시스템12: 스크롤 압축기
13, 33: 하우징14, 34: 고정 스크롤
16, 36: 선회 스크롤18: 냉각부
20: 재생기21: 제 1 연결부
23: 제 2 연결부25: 냉각기
27: 가열기32: 스크롤 팽창기
38: 가열부
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르는 스크롤형 열 교환 시스템은, 외부에 방열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축할 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 압축기와; 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 팽창기와; 상기 압축기와 팽창기의 선회 스크롤 각각에 연결되어 이를 구동시키는 구동부와; 상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 1 연결부와; 상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 2 연결부와; 상기 제 1 연결부와 제 2 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 재생기; 및 상기 스크롤 압축기에서 압축되어 상기 스크롤 압축기 중심부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 2 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고, 상기 스크롤 팽창기에서 팽창되어 상기 스크롤 팽창기 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 1 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하는 작동유체를 포함하여 이루어진다.
상기 스크롤형 열 교환 시스템은 스크롤 압축기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 압축될 때 발행하는 열을 방출시킬 수 있는 냉각부와, 상기 스크롤 팽창기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 팽창될 때 열을 공급할 수 있는 가열부를 더욱 포함할 수 있다.
상기 스크롤 압축기 외주부의 작동유체 입구에는 상기 재생기를 거쳐 스크롤 압축기로 유입되는 작동유체를 냉각시킬 수 있도록 냉각기가 더 형성될 수 있으며, 상기 스크롤 팽창기 중심부의 작동유체 입구에는 상기 재생기를 거쳐 상기 스크롤 팽창기로 유입되는 작동유체를 가열시킬 수 있도록 가열기가 더 형성될 수 있다.
본 발명에 따르는 스크롤형 열 교환 시스템은 상기 하우징의 중심부로부터 소정 거리만큼 떨어진 중간 압축부와 중심부의 작동유체 출입구에 연결되는 연결부 사이에 연통되도록 형성되는 바이패스관(bypass管)과, 상기 바이패스관에 설치되는 조절밸브를 더욱 포함함으로써, 상기 조절밸브에 의해 바이패스량을 조절하여 압축용량을 변화시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따르는 스크롤형 열 교환 시스템은 상기 스크롤 팽창기에 상기 스크롤 압축기보다 더 높은 온도의 열이 공급되고 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부로부터 동력이 출력되어 엔진 기능을 할 수 있으며, 반대로 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부에 동력이 입력되고 상기 스크롤 팽창기에서 상기 스크롤 압축기보다 더 낮은 온도의 열이 흡수되어 냉동기 기능을 할 수도 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)은 크게 스크롤 압축기(12), 스크롤 팽창기(32) 및 재생기(20)로 구성되며, 압축기(12)와 팽창기(32)는 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)를 통해 연결되어 있다.
스크롤 압축기(12)는 하우징(13)의 내부에 고정 스크롤(14)과 선회 스크롤(16)을 구비하여 외주부로부터 유입된 작동유체를 압축하여 중심부로 내보낸다. 이를 위하여 하우징(13)은 외주부에 하나의 작동유체 입구를 가지고 중심부에 하나의 작동유체 출구를 가지면서 외부로부터 밀폐되어 있으며, 고정 스크롤(14)이 하우징(13)의 내부에 고정되어 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장된다. 선회 스크롤(16)은 하우징(13)의 내부에서 고정 스크롤(14)과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 형성되며, 소정의 선회반경을 가지며 고정 스크롤(14)과의 사이공간에서 선회하여 하우징(13)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축하게 된다.
스크롤 압축기(12)의 하우징(13) 외측 둘레에는 냉각부(18)가 형성되어 작동유체가 압축될 때 발행하는 열을 외부로 방출시킬 수 있으며, 이를 위하여 하우징(13)은 외부에 방열면을 가진다.
스크롤 팽창기(32)는 하우징(33)의 내부에 고정 스크롤(34)과 선회 스크롤(36)을 구비하여 중심부로부터 유입된 작동유체를 팽창시켜 외주부로 내보낸다. 이를 위하여 하우징(33)은 중심부에 하나의 작동유체 입구를 가지고 외주부에 하나의 작동유체 출구를 가지면서 외부로부터 밀폐되어 있으며, 고정 스크롤(34)이하우징(33)의 내부에 고정되어 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장된다. 선회 스크롤(36)은 하우징(33)의 내부에서 고정 스크롤(34)과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 형성되며, 소정의 선회반경을 가지며 고정 스크롤(34)과의 사이공간에서 선회하여 하우징(33)의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시키게 된다.
스크롤 팽창기(32)의 하우징 외측 둘레에는 가열부(38)가 형성되어 작동유체가 팽창될 때 열을 공급할 수 있으며, 이를 위하여 하우징(33)은 외부에 가열면을 가진다.
압축기(12)와 팽창기(32) 각각의 선회 스크롤(16, 36)에는 외부에 별도로 구동부(미도시)가 연결되어 선회 스크롤(16, 36)을 구동시키게 된다.
스크롤 압축기(12)와 스크롤 팽창기(32)는 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)에 의하여 연결되는 바, 제 1 연결부(21)는 압축기(12)와 팽창기(32) 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하고, 제 2 연결부(23)는 압축기(12)와 팽창기(32) 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결한다.
이렇게 형성되는 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)는 재생기(20)에서 열 교환이 이루어지는 바, 재생기(20)의 내부를 제 1 연결부(21)와 제 2 연결부(23)가 서로 인접하도록 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어진다.
작동유체는 스크롤 압축기(12)에서 압축되어 중심부의 출구를 통해 토출된 다음 제 2 연결부(23)를 통해 이동하면서 재생기(20)를 지나 스크롤 팽창기(32)의중심부 입구를 통해 유입된다. 유입된 작동유체는 스크롤 팽창기(32)에서 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 제 1 연결부(21)를 통해 이동하면서 재생기(20)를 지나 스크롤 압축기(12) 외주부 입구를 통해 다시 유입됨으로써 순환하게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)에 냉각기(25)와 가열기(27)를 더 설치할 수 있다.
즉 냉각기(25)가 스크롤 압축기(12) 외주부의 작동유체 입구에 형성되어 재생기(20)를 거쳐 스크롤 압축기(12)로 유입되는 작동유체를 냉각시킬 수 있다. 또한 가열기(27)가 스크롤 팽창기(32) 중심부의 작동유체 입구에 형성되어 재생기(20)를 거쳐 스크롤 팽창기(32)로 유입되는 작동유체를 가열시킬 수 있다.
본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)은 스크롤 압축기(12)의 온도보다 스크롤 팽창기(32)의 온도가 높을 때에는 스털링 엔진방식으로 스크롤 팽창기(32)에서 열을 입력받고 스크롤 압축기(12)에서 열을 출력하며, 팽창 후의 작동유체와 압축 후의 작동유체간에 열 교환이 이루어지면서 구동부를 통해 동력이 출력되는 엔진으로 작동하게 된다.
반대로, 스크롤 압축기(12)의 온도보다 스크롤 팽창기(32)의 온도가 낮을 때에는 스털링 냉동기 방식으로 구동부를 통해 외부동력을 입력받아 온도가 낮은 스크롤 팽창기(32)에서 열을 입력받고 스크롤 압축기(12)에서 열을 출력하며 팽창 후의 작동유체와 압축 후의 작동유체간에 열 교환이 이루어지는 냉동기로서 작동하게 된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(40)은 제 1 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템(10)과 전체적인 구성은 유사하지만 압축기(41)와 팽창기(51)의 각각의 하우징(42, 52) 내에 상하로 한 쌍씩의 고정 스크롤(43, 53)과 선회 스크롤(45, 55)이 설치되어 전복 모멘트가 발생하지 않는다.
또한 압축기 하우징(42)의 외측면에는 다수 개의 냉각핀(49)들이 형성되고, 팽창기 하우징(52)의 외측면에는 다수 개의 가열핀(59)들이 형성되어 냉각 또는 가열이 더욱 원활하게 이루어지도록 한다.
스크롤 압축기(41)와 스크롤 팽창기(51)의 선회 스크롤(45, 55)은 두 개의 구동축(65)에 연결되어 구동되며, 압축기의 선회 스크롤(45)에 연결되는 구동축(65a)과 팽창기의 선회 스크롤(55)에 연결되는 구동축(65b)은 서로 180°의 위상차를 가지도록 형성됨으로써 회전운동에 의한 언밸런싱(unbalancing)을 줄여줄 수 있다.
이러한 2개의 구동축(65)은 벨트 또는 체인에 의해 연결되어 함께 구동되며, 구동축(65)이 외부로 연장된 동력축(67)을 통하여 외부로 동력을 전달하게 된다. 구동축(65)이 체결되어 회전하는 부분에는 베어링(69)이 각각 설치된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 교환 시스템에 있어서, 재생기(60)를 통과하여 압축부의 냉각실(47)을 지나면서 작동유체는 더욱 더 냉각되고, 이 작동유체는 제 1 연결부(61)를 통해 스크롤 압축기(41) 내로 유입되어 선회 스크롤(45)의 선회운동에 의해 압축이 일어난다. 압축과정동안 냉각실(47) 내의 하우징(42)에 형성된 냉각핀(49)에 의해 계속해서 냉각이 일어난다.
이렇게 압축된 작동유체는 제 2 연결부(62)를 통해 재생기(60)를 지나면서 제 1 연결부(61)를 지나는 고온의 작동유체와 열 교환을 통해 가열된 후 팽창부의 가열실(57)을 지나면서 더욱 더 가열되고, 스크롤 팽창기(51) 내로 유입되어 선회 스크롤(55)을 밀어내면서 팽창이 일어난다. 팽창과정동안 가열실(57) 내의 하우징(52)에 형성된 가열핀(59)에 의해 계속해서 가열이 일어난다.
이렇게 팽창된 작동유체는 다시 제 1 연결부(61)를 통해 재생기(60)를 지나면서 제 2 연결부(62)를 지나는 저온의 작동유체와 열 교환을 통해 냉각된 후 스크롤 압축기(41) 내로 공급됨으로써 사이클을 이루게 된다.
이 때, 스크롤 압축기(41)의 상하 냉각실(47)은 서로 연결되며, 스크롤 팽창기(51)의 상하 가열실(57)도 서로 연결된다. 또한, 스크롤 압축기(41)의 상하 중심부에서 토출되는 작동유체는 서로 합쳐져서 재생기(60)로 공급되고, 재생기(60)에서 스크롤 팽창기(51) 내부로 공급되는 작동유체도 서로 연결되어 공급된다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스크롤형 열 교환 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 열 교환 시스템은 가운데 스크롤 압축기(72)를 중심으로 일측에는 이 보다 높은 온도의 제 1 스크롤 팽창기(74)가 연결되고, 타측에는 스크롤 압축기(72)보다 낮은 온도의 제 2 스크롤 팽창기(76)가연결된다. 이렇게 구성되는 열 교환 시스템은 스털링 엔진 구동 냉동기로서 작용한다.
즉 고온의 제 1 스크롤 팽창기(74)와 스크롤 압축기(72)의 조합은 스털링 엔진으로 작동하며, 저온의 제 2 스크롤 팽창기(76)와 스크롤 압축기(72)의 조합은 스털링 냉동기로 작동한다.
이러한 구성은 스크롤 압축기(72)의 작동유체 출입구를 양측에 설치되는 제 1 스크롤 팽창기(74)와 제 2 팽창기(76)가 공유함으로써 가능하게 된다. 따라서, 작동유체는 스크롤 압축기(72)에서 압축되어 중심부의 출구를 통해 토출된 다음, 일부는 제 2 연결부(82)를 통해 이동하면서 제 1 재생기(85)를 지나 제 1 스크롤 팽창기(74) 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 제 1 연결부(81)를 통해 이동하면서 제 1 재생기(85)를 지나 스크롤 압축기(72) 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하게 된다. 작동유체의 나머지 일부는 제 4 연결부(84)를 통해 이동하면서 제 2 재생기(86)를 지나 제 2 스크롤 팽창기(76) 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 제 3 연결부(83)를 통해 이동하면서 제 2 재생기(86)를 지나 스크롤 압축기(72) 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하게 된다.
이렇게 스털링 엔진의 압축부와 스털링 냉동기의 압축부를 공유함으로써 매우 컴팩트하게 스털링 엔진 구동의 냉동기를 구성할 수 있으며, 냉동기 구동 외의 남는 동력은 발전기를 통해 전력으로 생산할 수 있기 때문에 냉난방과 동시에 발전이 가능한 시스템을 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 바이패스 관이 설치된 스크롤 기구를 도시한 도면이다.
종래의 왕복동 스털링 기기의 제어방법은 내부 작동가스 압력변화, 사체적 조절, 스트로크 조절에 의한 압축비 변화 등이 있으나 모두 장치가 복잡하고 고가였다. 본 발명에 따른 스크롤 기구를 적용한 스털링 사이클 기기의 제어방법은 도 5에 도시된 바와 같이 스크롤 압축기의 고정 스크롤(91) 중간 압축부에 바이패스관(bypass管)(93)을 설치하여 압축가스의 바이패스량을 조절함으로써 쉽게 압축용량 조절을 할 수 있다. 이를 통해 엔진 제어를 매우 신속하고 효과적으로 할 수 있다.
중간 압축부는 스크롤 압축기의 중심부로부터 소정 거리만큼 떨어진 부분에 위치하며, 바이패스관(93)은 압축기 중심부로 연결되는 연결부와 중간 압축부 사이에 연통되도록 형성되며, 조절밸브(95)를 더욱 포함하여 바이패스량의 조절을 가능하게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템에 의하면, 기계적인 구조가 간단하면서도 압축과 팽창과정이 연속적으로 이루어지기 때문에토크변화가 거의 없고 작동유체의 유동방향이 바뀌지 않기 때문에 유동저항이 작도록 유로 및 재생기를 구성하는 것이 가능하다.
또한 스크롤 랩(scroll wrap)을 통해서 압축기와 팽창기 내부 작동유체와 접하는 전열면적이 매우 넓기 때문에 이상적인 스털링 사이클에 근접한 고효율의 등온압축·팽창과정을 가능하게 하고, 히터와 쿨러를 없애거나 최소화함으로써 사체적이 줄어들어 출력을 향상시킬 수 있으며 고가의 구성부품인 히터를 최소화함으로써 제작비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템에서는 작동유체가 일방향(one-way)으로 이동되기 때문에 히터에서 가열된 작동유체가 팽창 후에 재가열 되지 않고 또한 쿨러에서 가열된 작동유체가 압축 후에 재냉각 되지 않기 때문에 사이클의 결함으로 인한 열손실, 유동저항, 열피로 등을 최소화할 수 있다.
뿐만 아니라 저온부 압축과 고온부 팽창이 완전히 분리되어 있기 때문에 이상적인 사이클에 가까운 고효율을 얻을 수 있으며, 압축기에서 바이패스에 의한 압축비 제어로 쉬우면서도 효과적인 엔진제어가 가능하다.
아울러 본 발명에 따른 스크롤형 열 교환 시스템은 연속적인 정상상태(steady state)로 운전되기 때문에 구성부품 내 주기적인 온도 압력변화가 거의 없어 구성부품의 재질 선택과 제작에 있어서의 제약요인도 상당히 줄일 수 있으며, 저소음, 저진동, 소형, 및 경량화를 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 외부에 방열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축할 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 압축기;
    외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 팽창기;
    상기 압축기와 팽창기의 선회 스크롤 각각에 연결되어 이를 구동시키는 구동부;
    상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 1 연결부;
    상기 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 2 연결부;
    상기 제 1 연결부와 제 2 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 재생기; 및
    상기 스크롤 압축기에서 압축되어 상기 스크롤 압축기 중심부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 2 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고, 상기 스크롤 팽창기에서 팽창되어 상기 스크롤 팽창기 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 1 연결부를 통해 이동하면서 상기 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하는 작동유체
    를 포함하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크롤 압축기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 압축될 때 발생하는 열을 방출시킬 수 있는 냉각부와, 상기 스크롤 팽창기의 하우징 외측 둘레에 형성되어 작동유체가 팽창될 때 열을 공급할 수 있는 가열부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생기를 거쳐 상기 스크롤 압축기로 유입되는 작동유체를 냉각시킬 수 있도록 상기 스크롤 압축기 외주부의 작동유체 입구에 형성되는 냉각기와, 상기 재생기를 거쳐 상기 스크롤 팽창기로 유입되는 작동유체를 가열시킬 수 있도록 상기스크롤 팽창기 중심부의 작동유체 입구에 형성되는 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크롤 압축기와 상기 스크롤 팽창기의 선회 스크롤은 각각 두 개의 구동축에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스크롤 압축기의 선회 스크롤에 연결되는 구동축과 상기 스크롤 팽창기의 선회 스크롤에 연결되는 구동축은 서로 180°의 위상차를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크롤 압축기의 하우징과 상기 스크롤 팽창기의 하우징 외부면에 형성되어 열 흡수 또는 열 방출이 더 용이하게 이루어지도록 다수개의 전열핀(傳熱 pin)을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징의 중심부로부터 소정 거리만큼 떨어진 중간 압축부와 중심부의 작동유체 출입구에 연결되는 연결부 사이에 연통되도록 형성되는바이패스관(bypass管)과, 상기 바이패스관에 설치되는 조절밸브를 더욱 포함하여, 상기 조절밸브에 의해 바이패스량을 조절함으로써 압축용량을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크롤 팽창기에 상기 스크롤 압축기보다 더 높은 온도의 열이 공급되고 상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부로부터 동력이 출력되어, 엔진 기능을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크롤 팽창기와 스크롤 압축기에 연결된 구동부에 동력이 입력되고 상기 스크롤 팽창기에서 상기 스크롤 압축기보다 더 낮은 온도의 열이 흡수되어, 냉동기 기능을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 스크롤형 열 교환 시스템.
  10. 외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 제 1 스크롤 팽창기;
    외부에 방열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 압축할 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 스크롤 압축기;
    외부에 가열면을 가지고 중심부와 외주부 각각에 적어도 하나씩의 작동유체 출입구를 갖는 밀폐된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정되고 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 고정 스크롤과, 상기 하우징의 내부에서 상기 고정 스크롤과 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되어 상기 하우징의 내부로 유입된 작동유체를 연속적으로 팽창시킬 수 있도록 소정의 선회반경을 가지며 선회하는 선회 스크롤을 포함하는 제 2 스크롤 팽창기;
    상기 압축기와 팽창기의 선회 스크롤 각각에 연결되어 이를 구동시키는 구동부;
    상기 스크롤 압축기와 제 1 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 1 연결부;
    상기 스크롤 압축기와 제 1 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 2 연결부;
    상기 제 1 연결부와 제 2 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 제 1 재생기;
    상기 스크롤 압축기와 제 2 스크롤 팽창기 각각의 외주부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 3 연결부;
    상기 스크롤 압축기와 제 2 스크롤 팽창기 각각의 중심부에 형성되는 작동유체 출입구를 서로 연결하는 제 4 연결부;
    상기 제 3 연결부와 제 4 연결부가 서로 인접하도록 내부를 관통하면서 작동유체 간의 열 교환이 이루어지도록 하는 제 2 재생기; 및
    상기 스크롤 압축기에서 압축되어 상기 스크롤 압축기 중심부의 출구를 통해 토출된 다음, 일부는 상기 제 2 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 1 재생기를 지나 상기 제 1 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 1 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 1 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입되며, 나머지 일부는 상기 제 4 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 2 재생기를 지나 상기 제 2 스크롤 팽창기 중심부 입구를 통해 유입되고 팽창되어 외주부의 출구를 통해 토출된 다음 상기 제 3 연결부를 통해 이동하면서 상기 제 2 재생기를 지나 상기 스크롤 압축기 외주부 입구를 통해 유입됨으로써 순환하는 작동유체
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