KR20040033764A

KR20040033764A - 스털링사이클계 재생기

Info

Publication number: KR20040033764A
Application number: KR1020020063004A
Authority: KR
Inventors: 주명자
Original assignee: 주명자
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-28

Abstract

본 발명은 스털링기기에 사용되는 재생기의 구조에 관한 것으로, 종래의 재생기는 가늘고 긴 복수개의 부재를 수지 필름의 표면상에 리브가 형성되게 일정한 간격으로 서로 평형되게 접착하거나, 수지 필름의 표면상에 복수개의 리브를 일체로 성형하고, 이의 수지 필름을 원통형이 되게 감아서 재생기가 형성되기 때문에, 재생기의 제작공정이 복잡하고, 원통형으로 감겨진 재생기를 스털링기기에 조립할 때 수지 필름에 접착된 부재가 이탈되는 등의 문제점이 있었던 바. 본 발명에서는 수지 필름의 표면상 소정의 높이로 형성된 복수개의 스페이서가 가로방향과 세로방향으로 소정의 간격을 두고 성형되어 작동유체가 스페이서들과 충돌되면서 재생기 내부의 압력이 균일하게 분포되고, 압축공간과 팽창공간의 작동유체가 유동가능하고, 작동유체의 열에너지를 축적할 수 있도록 원통형이 되게 감아서 제작된다. 또한 상기 스페이서의 형상을 소정의 공간이 마련된 엠보형태의 스페이서를 형성하거나, 관통 공에 소정의 높이의 리브를 갖은 버어형태의 스페이서가 형성됨으로써 효율 높은 스털링사이클계 재생기를 값싸게 대량 생산할 수 있는 이점이 있다.

Description

스털링사이클계 재생기{STIRLING MACHINERY REGENERATOR}

본 발명은 스털링기기의 재생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 케이스 내부에 마련된 압축공간과 팽창공간에 고온열교환기와 저온열교환기가 각각 설치되고, 이의 고온열교환기와 저온열교환기 사이에 설치되어 압축공간 및 팽창공간의 열에너지가 저장되는 스털링사이클계의 재생기에 관한 것이다.

일반적으로 스털링기기는 수소가스 또는 헬륨가스등 작동유체의 압력을 주기적으로 변화시켜 매우 큰 온도 변화를 발생시키는 것으로써, 작동유체가 압축될 때 온도가 상승되고, 팽창될 때 온도가 떨어지는 원리를 이용하여 저온 또는 고온으로 온도를 변화시키는 장치이다.

스털링기기는 도 1에 도시한 바와 같이, 수소가스 또는 헬륨가스 등의 작동유체가 충진되는 케이스(1)내부에 피스톤실린더(7)가 설치되고, 충진공간(8)과 압축공간(8a)으로 구획되게 상기 피스톤실린더(7)내부에 피스톤(6)이 설치되는 동시에, 상기 피스톤(6)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지면서 왕복운동을 하게 되는 디스프레이서(4)가 디스프레이서실린더(5)내부에 설치되어 팽창공간(8b)과 압축공간(8a)으로 구획된다.

상기 스털링기기는 작동가스가 충진된 밀폐 케이스(1)와, 이의 케이스(1)내부에 설치된 피스톤실린더(7)와, 상기 케이스(1) 내부에 설치되어 구동력을 발생시키는 리니어모터(2)와, 이의 리니어모터(2)의 가동자(2a)에 결합되어 피스톤실린더(7)내부에서 직선왕복운동 되는 피스톤(6)과, 상기 리니어모터(2)의 가동자(2a)에 결합되어 가동자(2a)의 구동 에너지를 탄성 에너지로 저장하고 그 저장된 탄성 에너지를 직접 운동력으로 변환시켜 피스톤(6)의 공진운동을 유발시키는 피스톤공진스프링(6a)이 구비된다.

또한, 상기 피스톤실린더(7)의 일측에는 디스프레이서실린더(5)와, 이의 디스프레이서실린더(5)의 외주 면에 마련된 재생기(3)와, 상기 디스프레이서실린더(5) 내부에 삽입되어 팽창공간(8b)과 압축공간(8a)으로 구획하는 동시에 상기 피스톤(6)의 왕복운동에 의해 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지고 왕복운동을 하게 되는 디스프레이서(4)로 구성된다. 이때 재생기(3)는 팽창공간(8b)과 압축공간(8a)이 서로 연통되게 설치되고, 디스프레이서(4)는 공진스프링(4b)과 연결되게 피스톤(6)의 중심부를 관통하여 디스프레이서(4)의 일측 중심부에 연결로드(4a)가 결합되어 구성된다.

그리고,상기 디스프레이서실린더(5)의 외주 면에 설치된 재생기(3)의 양쪽 단 부에서 작동유체가 열교환 되도록 팽창공간(8b)에는 저온열교환기(9)와, 압축공간(8a)에는 고온열교환기(9a)가 설치된다.

이상과 같이 구성된 종래의 스털링기기는 리니어모터(2)의 가동자(2a)가 왕복운동을 함으로써 피스톤(6)이 피스톤실린더(7)내부에서 왕복운동을 하고, 상기 피스톤(6)을 관통하여 공진스프링(4b)과 연결된 디스프레이서(4)가 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지고 디스프레이서실린더(5) 내부를 왕복운동 하게 된다.

이에 따라 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)은 그 체적이 가변되고, 이의 체적가변에 의해 충진된 작동유체는 등온압축 및 등온팽창 된다. 즉, 압축공간(8a)의 작동유체는 재생기(3)에 열이 충진되며, 여기에 충진된 열은 고온열교환기(9a)를 통해 열교환을 하게되고, 팽창공간(8b)의 작동유체는 재생기(3)에 열이 흡수되고, 흡수된 열은 저온열교환기(9)를 통해 열 매체(미도시)를 냉각시킨다.

한편, 재생기(3)의 효율을 높이기 위해서는 피스톤(6)이 압축할 때 발생되는 압축공간(8a)의 열에너지와 팽창공간(8b)의 열에너지가 재생기(3)내부에 많이 축적되도록 하여야 된다.

그러나, 종래 스털링기기에 사용되는 재생기(3) 구조는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 플라스틱 필름(3a)의 표면상에 플라스틱 필름(3a)의 폭 길이 만큼 절단된 낚시 줄과 같은 플라스틱 줄(3b)들을 소정의 간격으로 접착제를 사용해 접착시키고, 플라스틱 필름(3a)을 원통형이 되게 감거나, 플라스틱 필름(3a)의 표면상에 리브(3c)가 플라스틱 필름(3a)의 폭 방향으로 폭 만큼 길게 일체로 형성되고, 이의 플라스틱 필름(3a)을 감아서 재생기(3)를 형성시키기 때문에, 재생기(3)를 제작하는데 많은 시간이 소요되거나, 재생기(3)를 생산하는데 막대한생산설비가 필요하게 되어 생산 원가를 상승시키는 요인이 되고, 재생기(3)내부에 형성된 리브형태의 스페이서(spacer)가 원주방향으로 밀폐되게 설치됨으로써 작동유체가 불 균일하게 유동되어 재생기의 효율을 감소시키게 되는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 열 에너지를 흡수하고 방출하는 스털링사이클시스템에 사용되는 재생기에 관한 것으로서, 효율높은 재생기를 값싸고 대량생산이 가능한 형태로 제작되는 스털링사이클계의 재생기를 제공하는 것이다.

도 1은 스털링기기를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2a는 스털링기기에 적용된 종래 재생기의 구조를 도시한 사시도.

도 2b는 종래 재생기의 작동가스의 유로를 개략적으로 도시한 단면도.

도 3a는 종래 재생기의 일부분을 발취하여 도시한 사시도.

도 3b는 종래 다른 실시예의 재생기 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도.

도 4a는 본 발명에 따른 재생기를 도시한 사시도.

도 4b는 본 발명에 따른 재생기의 작동가스의 유로를 개략적으로 도시한 단면도.

도 5a는 본 발명 제1 실시예의 재생기의 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도.

도 5b는 본 발명 제2 실시예의 재생기의 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도.

도 6a는 본 발명 제3 실시예의 재생기의 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도.

도 6b는 본 발명 제4 실시예의 재생기의 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1...케이스 2...리니어모터 2a...가동자

3...재생기 4...디스프레이서 4b...디스프레이서공진스프링

5...디스프레이서실린더 6...피스톤 6a...피스톤공진스프링

7...피스톤실린더 8...충진공간 8a...압축공간

8b...팽창공간 9...저온열교환기 9a...고온열교환기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 작동유체가 충진되는 케이스, 상기 케이스 내부에 원통형의 피스톤실린더가 마련되고, 상기 피스톤실린더에 설치된 리니어모터, 상기 퍼스톤실린더의 내부에 설치되고 리니어모터의 가동자 및 피스톤공진스프링과 연결되어 직선 왕복운동 되는 피스톤, 압축공간과 팽창공간으로 구획되도록 피스톤실린더내부에서 왕복운동되는 피스톤의 왕복운동력에 따라 디스프레이서실린더 내부에서 피스톤과 소정의 위상차를 가지고 왕복운동 되는 디스프레이서, 팽창공간에 형성된 열에너지를 열교환시키는 저온열교환기, 압축공간에 형성된 열에너지를 열교환시키는 고온열 교환기, 상기 팽창공간과 압축공간의 열 에너지를 흡수 및 재생하는 재생기 등을 구비한 스털링기기에 있어서,

플라스틱 필름의 표면상에 4방향으로 작동유체가 유동되게 소정의 높이로 복수개의 요철이 소정간격으로 형성되고, 이의 플라스틱 필름이 작동유체의 열에너지를 축적하는 기능을 하도록 원통형이 되게 감아서, 팽창공간과 압축공간 사이에 연통되게 설치함으로써, 스털링기기의 효율을 향상시키고, 대량생산이 가능한 형태로 제작되는 재생기를 제공하는 것을 특징으로 한다.

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

도 4a는 본 발명에 따른 스털링사이클시스템에 적용되는 재생기를 도시한 사시도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 재생기의 작동유체가 유동되는 유로를 도시한 단면도이다.

도 5a는 본 발명의 제1실시 예에 따른 엠보(emboss)구조의 재생기 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도이고, 도 5b는 본 발명의 제2실시 예에 따른 관통 공에 소정의 높이의 리브(rib)을 갖은 버어(burr)형태의 재생기 일부분을 발취하여 확대도시한 사시도이다. 그리고 도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 제3 및 제4 실시예의 재생기 구조를 발취하여 확대도시한 사시도이다.

본 발명의 재생기가 적용되는 스털링기기의 구조 및 작동원리를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

작동유체가 충진되는 케이스(1) 내부에 양단이 개방되게 형성된 피스톤실린더(7)가 설치되고, 이의 피스톤실린더(7)에 구동력을 발생시키는 리니어모터(2)가 설치되고, 이의 리니어모터(2)의 가동자(2a)에 결합되어 가동자(2a)의 직선왕복 운동에너지를 전달받아 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직접 운동력으로 변환시켜 피스톤(6)의 공진운동을 유발시키는 피스톤공진스프링(6a)이 마련된다. 상기 리니어모터(2)의 가동자(2a) 및 피스톤공진스프링(6a)과 결합되고 피스톤실린더(7)의 내부에 설치되어 직선 왕복운동 되는 피스톤(6)이 설치된다. 또한, 피스톤(6)의 일측에는 피스톤실린더(5)와 소정의 간격을 두고 양단부가 개방되게 디스프레이서실린더(24)가 직렬로 설치되고, 이의 디스프레이서실린더(5) 내부에 설치되어 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)으로 구획하는 동시에, 피스톤(6)의 압축력에 의해 피스톤(6)과 소정의 위상차를 가지고 왕복운동을 하는 디스프레이서(4)가 구비된다.

상기 디스프레이서실린더(5)의 외주면 양쪽 단 부에는 상기 디스프레이서(4)에 의해 구획된 팽창공간(8b)과 압축공간(8a)의 작동유체가 열교환이 되도록 저온열교환기(9)가 팽창공간(8b)부에, 고온열교환기(9a)가 압축공간(17a)부에 각각 설치되며, 이의 두 열 교환기 사이의 공간에는 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)을 연통시키고 열에너지를 흡수 및 재생시키는 재생기(30)가 설치되는데, 본 발명에 따른 스털링사이클계의 재생기의 상세한 구조는 다음과 같다.

도 5a을 참조하여 본 발명의 제1실시 예에 따른 재생기(30)는, 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 소정의 높이로 형성된 복수개의 스페이서(30b)가 재생기(30)의 횡방향과 종방향으로 소정의 간격을 두고 형성되고, 이의 플라스틱 필름(30a)을 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)의 작동유체가 유동 가능하고 작동유체의 열에너지를 축적할 수 있도록 원통형이 되게 감아서 제작된다.

상기 엠보형태의 스페이서(30b)는 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 관통되지않은 다각형 또는 원형의 공간(30b')이 형성되면서 소정의 높이를 갖은 스페이서(30b)가 형성되고, 이의 스페이서(30b)의 크기는 횡방향의 크기[A]를 종방향의 크기[B]보다 크지 않게하고 이의 높이는 균일하게하여 재생기(30)내부에서 유동되는 작동유체의 저항을 작게 한다. 또한, 작동유체가 종방향과 횡방향으로 유동되게 상기 스페이서(30b)가 소정의 간격으로 종방향과 횡방향으로 각각 성형됨으로써 작동유체가 스페이서(30b)들과 충돌되면서 재생기(30)내부의 압력이 균일하게 분포하게 된다.

재생기(30)를 형성하는 플라스틱 필름(30a)의 부재는 열을 축적하는 특성이 요구되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 플라스틱 부재로 제작되고, 플라스틱 필름(30a)에 형성된 스페이서(30b)의 형상은 요철이 형성된 금형을 사용해 제작되며, 플라스틱 필름(30a)의 표면에 형성된 스페이서(30b)의 분포는 팽창공간(8b)의 설정온도에 따라서 다르게 성형하기도 한다.

이와 같이 전술한 본 발명에 대한 재생기의 기술적 사상은 전술한 것에 국한하지 않고, 도 5b와 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 다른 실시예의 재생기 구조를 설명하면 다음과 같다.

전술한 본 발명의 제1 실시 예에서는 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 관통되지 않은 공간(30b')이 형성된 엠보형태의 스페이서(30b)가 압축공간(8a)과 팽창공간(8b)의 작동유체가 유동 가능하고 작동유체의 열에너지를 축적할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 재생기(30) 이나, 본 발명의 제2 실시 예에서는 도 5b에 도시한 바와 같이, 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 소정의 높이로 형성된 복수개의스페이서(30c)가 재생기(30)의 내부압력이 균일하게 분포되게 소정의 간격을 두고 횡방향과 종방향으로 각각 형성되고, 이의 플라스틱 필름(30a)을 원통형이 되게 감아서 제작된다. 상기 스페이서(30c)는 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 다각형 또는 원형으로 관통된 공간(30c')이 형성되면서 소정의 높이의 리브(rib)을 갖은 버어(burr) 형태의 스페이서(30c)가 형성되고, 이의 스페이서(30c)가 재생기 축에 대해 마름모형으로 배열되어져 있는 것 일뿐, 그 기본적인 사상은 본 발명의 제1 실시 예에서 설명한 것과 동일하다.

또한, 상기 제2 실시예의 재생기(30)는 플라스틱 필름(30a)의 표면을 관통하면서 버어형태의 스페이서(30c)가 제작됨으로써 종래 재생기보다 값싸고 대량생산이 가능한 형태로 제작될 수 있다.

그리고, 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 열에너지를 축적하는 성능을 향상시키기 위한 다른 실시예의 재생기 구조를 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 6a을 참조하여 제3 실시 예를 설명하면, 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 관통된 공간(30c')이 형성되면서 소정의 높이의 리브를 갖은 버어형태의 스페이서(30c)가 형성된 제2 실시예의 재생기구조에 열에너지를 축적하는 성능을 향상시키기 위한 재생기 구조로써, 상기 소정의 높이의 리브가 형성되면서 관통된 공간(30c')이 형성된 스페이서(30c)에 금속이나 비철금속부재(30d) 또는 분말금속이나 비금속분말이 혼합된 점착력있는 부재(30d) 또는 열에너지를 축적 가능한 부재(30d)로 몰딩시켜 제작되는 것 일뿐 그 기본적인 사상은 본 발명의 제1 실시 예에서 설명한 것과 동일하다. 또한, 제1 실시예의 재생기구조에 열에너지를 축적하는 성능을 향상시키기 위해 엠보형태의 스페이서(30b)에도 금속이나 비철금속 부재(30d) 또는 분말금속이나 비금속분말이 혼합된 점착력이 있는 부재(30d) 또는 열에너지를 축적 가능한 부재(30d)을 도포시켜 재생기를 제작할 수 도 있다.

또, 도 6b을 참조하여 본 발명의 제4 실시 예를 설명하면, 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 전술한 제1 실시 예에서 스페이서(30b)가 형성된 위치에 원형 또는 타원형 형태의 관통공을 형성하고 이의 관통된 구멍에 금속이나 비철금속 부재 또는 분말금속이나 비금속분말이 혼합된 점착력이 있는 부재 또는 열에너지를 축적 가능한 부재로 도포된 스페이서(30e)을 형성시켜 효율 높은 재생기를 제작하는 것을 특징으로 하는 것 일뿐 그 기본적인 사상은 본 발명의 제1 실시 예에서 설명한 것과 동일하다. 또한 제4 실시 예에서 플라스틱 필름(30a)의 표면상에 관통공을 형성하지 않을 경우(미도시)는 스페이서가 형성된 위치에 금속이나 비철금속 부재 또는 분말금속이나 비금속분말이 혼합된 점착력이 있는 부재 또는 열에너지를 축적 가능한 부재로 도포시켜 스페이서를 형성시키고, 이의 플라스틱 필름을 원통형이 되게 감아서 재생기를 제작할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 스털링사이클계 재생기구조는 왕복 운동되는 피스톤과 이의 피스톤과 소정의 위상차를 가치고 왕복 운동되는 디스플레이서에 의해 압축공간과 팽창공간에서 작동유체가 유동되면서 열에너지가 발생되고 이의 열에너지를 축적하는 본 발명에 따른 스털링사이클계의 재생기는, 플라스틱 필름의 표면상에 다각형 또는 원형으로 형성된 스페이서의 크기를 횡방향의크기[A]를 종방향의 크기[B] 보다 크지 않게하고 이의 높이는 균일하게하여 재생기 내부에서 유동되는 작동유체의 유동저항을 작게하고, 이의 스페이서가 횡방향과 종방향으로 소정의 간격을 두고 성형됨으로써 작동유체가 스페이서들과 충돌되면서 재생기 내부의 압력이 균일하게 분포하게 된다. 또한 스페이서의 형상을 소정의 공간이 마련된 엠보형태의 스페이서를 형성하거나, 관통공에 소정의 높이의 리브를 갖은 버어형태의 스페이서를 형성함으로써 효율 높은 재생기를 값싸게 대량생산할 수 있는 이점이 있다.

Claims

케이스 내부에 작동유체가 충진되고, 가동자와 결합되어 피스톤실린더 내부에서 왕복운동 되는 피스톤에 의해 열에너지가 발생되고, 이의 열에너지를 축적하면서 압축공간과 팽창공간의 작동유체가 유동되게 압축공간과 팽창공간사이에 설치된 스털링사이클계 재생기에 있어서,

상기 재생기의 플라스틱 필름의 표면에 소정의 높이로 형성된 스페이서가 종방향과 횡방향으로 소정의 간격을 두고 다수개 형성되고, 그 스페이서 사이로 작동유체가 유동되게 원통형으로 감아서 제작되는 것을 특징으로 하는 스털링사이클계 재생기.
제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 필름에 관통되어 형성된 스페이서가 일측방향으로 소정의 높이의 리브를 갖은 버어형태로 형성된 것을 특징으로 하는 스털링사이클계재생기.
제 1항에 있어서, 상기 플라스틱 필름의 표면에 형성된 복수개의 스페이서가 재생기 축에 대해 소정의 간격으로 떨어져 마름모형상이 되게 배열되어져 있는 것을 특징으로 하는 스털링사이클계 재생기.
열에너지를 축적하면서 압축공간과 팽창공간의 작동유체가 유동되게 압축공간과 팽창공간 사이에 설치된 스털링사이클계 재생기에 있어서,

플라스틱 필름의 표면에 종방향과 횡방향으로 소정의 간격을 두고 분말금속이나 비금속분말이 혼합된 점착력이 있는 부재를 소정의 높이로 도포시켜 형성된 스페이서가 다수개 형성되고, 그 스페이서 사이로 작동유체가 유동되게 원통형으로 감아서 제작되는 것을 특징으로 하는 스털링사이클계 재생기.