KR20060098356A - 스털링 사이클 머신용 충돌식 열교환기 - Google Patents

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working fluid
stirling cycle
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로베르토 오. 펠리짜리
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티악스 엘엘씨
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Abstract

스털링 사이클 머신용 열교환기는 작동 유체를 수용하는 입구, 복수의 홈(265)이 형성되어 있는 충돌 배플(215), 및 상기 스털링 사이클 머신의 내벽(240)과 충돌 배플(215) 사이의 공간에 형성된 매니폴드(235)를 포함하며; 작동 유체는 제 1 방향으로 유동될 때 상기 스털링 머신의 내벽상에서 충돌되며, 제 2 방향으로 유동될 때는 상기 스털링 사이클 머신의 챔버내로 향하는 것을 특징으로 한다.
스털링 사이클 머신, 충돌식 열교환기

Description

스털링 사이클 머신용 충돌식 열교환기{IMPINGEMENT HEAT EXCHANGER FOR A STIRLING CYCLE MACHINE}
본 발명은 스털링 사이클 머신에 관한 것이며, 특히 작동시에 작동 유체로 그리고 작동 유체로부터 열을 전달하기 위해 사용되는 스털링 사이클 머신(stirling cycle machine)에 있어서의 열교환기에 관한 것이다.
스털링 사이클 엔진(stirling cycle engine)은 19세기 초기에 Robert Stirling에 의해 원래 고안되었다. 19세기 중반에는 고온 가스 엔진(hot gas engine)의 상업적 응용이 밀(mill)에 회전 동력을 제공하기 위해 고안되었다. 엔진 및 냉각기를 포함하는 스털링 사이클 머신은 참고로서 여기에 포함된 Walker, Stirling Engines, Oxford University Press(1980)에 상세히 설명되어 있다.
스털링 사이클 엔진의 기본적인 원리는 스털링 열역학 사이클의 기계적인 실현이다[ 1) 실린더내에서의 가스의 등적 가열, 2) 가스의 등온 팽창(피스톤을 구동함으로써 작업이 수행되는 동안), 3) 등온 냉각, 및 4) 등온 압축]. 스털링 사이클 머신의 실시형태에 관한 부가적인 배경기술과 이에 대한 개선책은 여기에서 참고로서 포함된 Hargreaves, The Phillips Stirling Engine(Elsevier, Amsterdam, 1991)에서 논의되었다.
스털링 엔진의 고 이론 효율은 최근에 상당한 관심을 불러일으켰다. 스털링 엔진은 연소 배출물의 용이한 제어, 안전하고 저렴하며 보다 용이하게 이용될 수 있는 연료의 잠재적인 사용 및 정적인 주행 작동의 부가적인 장점을 부가시키며, 이들 부가적인 장점은 결합되어 많은 응용을 위해 내연 기관에 대한 매우 바람직한 대체품으로 스털링 엔진을 만든다.
이와 같은 장점에도 불구하고, 스털링 엔진의 개발은 달리 기대될 수 있는 것보다 매우 느리게 진행되었다. 보다 심각한 몇몇 문제점은 작업 공간내에서 고압으로 작동 가스를 밀봉할 필요성, 열원으로부터 작동 가스로 히터 헤드(heater head)를 통해 고 온도으로 열을 전달할 필요성, 및 부하의 변동에 따라 동력을 조절하는 단순하고 신뢰성있는 경제적인 수단에 대한 필요성을 갖는다는 것이다.
다양한 적용에 가장 적합한 하나의 설계는 프리-피스톤 스털링 엔진(free-piston stirling engine)이다. 프리-피스톤 스털링 엔진은 기계적으로 동력 출력 부재와 독립적인 디스플레이서(displacer)를 사용한다. 동력 출력 부재와 관련한 디스플레이서의 움직임 및 페이징(phasing)은 기계적인 연결보다도 스프링 및 메스(mass)의 균형 동적 시스템(balanced dynamic system)의 상태에 의해서 달성된다.
스털링 엔진은 광 범위한 응용에 사용하기 위해 제안되었다. 예는 외부공간에 있어서의 응용, 냉각 시스템 및 자동차의 응용을 포함한다. 파워 포터블 전자 장비(power portable electronics equipment), 통신 장치, 의료 장치 및 원격 분야의 서비스에 있어서의 타 장비에 대한 필요성은 다른 기회를 제공한다. 이는 이들 응용이 고 출력 및 에너지 밀도를 제공하는 전력원을 요구하는 한편, 최소 사이즈 및 중량, 저 배출물 및 비용을 필요로 하기 때문이다.
지금까지, 배터리는 휴대용 전원을 공급하는 주요 수단이었다. 그러나, 배터리의 재충전을 위해 필요한 시간은 연속적인 사용을 위해 장애가 됨이 판명되었다. 더욱이, 휴대용 배터리는 통상 수 밀리와트 내지 수 와트의 범위로 전력 생산에 있어서 제한되어 있음으로써 이동기기의 상당한 레벨, 경량의 전력 생산에 대한 필요성을 제기할 수 없다.
가솔린기관인지 디젤기관인지 간에 내연 기관에 의해 동력이 공급되는 소형 발전기가 또한 사용되었다. 그러나, 이 소형발전기의 소음 및 배출 특성에 의해 광범위한 이동기기의 전력 시스템에 대해서 전적으로 부적절하며, 실내에서 사용하기에 안전하지 못하다. 고 에너지 밀도의 액체 연료에 의해 동력이 공급되는 종래의 열기관이 사이즈에 있어서 장점을 제공하는 반면, 열역학적 스케일링(thermodynamic scaling) 및 단가에 대한 배려는 대형의 발전소에서 사용되는 것으로 편중되는 경향이 있다.
엔진 설비에 있어서 전력을 생산할 목적으로 또는 냉각 설비에 있어서 냉각을 목적으로 스털링 사이클을 실행하기 위해 이들 기계들은 외부 열원 및 외부 히드 싱크(heat sink) 둘 다를 구비해야 한다. 기계의 외부 압력 관벽과 작동 유체간의 열전달은 전형적으로 내부 열교환기를 사용하여 달성될 수 있다. 가능한 한 많은 열이 엔진의 구성요소 또는 타 흡열체보다는 오히려 작동유체에 전달될 때 최대 효율이 얻어진다.
작동 유체로의 열 전달은 3가지 열교환기의 특성에 의해 영향을 받는다: 1) 열원/히트 싱크 및 작동 유체와 접촉하게 되는 열교환기의 표면적, 2) 작동 유체와 표면간의 열 전달율, 3) 열교환기의 표면과 작동 유체간의 온도차. 개선된 열 전달은 이들 3가지 파라미터중 어느 것 또는 모두를 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
스털링 엔진에 있어서의 고열효율에 대한 욕구는 고축열기 효율에 영향을 주며, 결과적으로 축열기로부터 인출되어 핫 엔드 열교환기(hot end heat exchanger)[이후, "히터(heater)"로서 언급됨]로 인입되는 유체는 히터 벽(heater wall)의 온도 근방에 있다는 것을 나타낸다. 마찬가지로, 축열기로부터 인출되어 콜드 엔드 열교환기(cold end heat exchanger)[여기서 "쿨러(cooler)"로 언급됨]로 인입되는 작동 유체의 온도는 쿨러 벽의 온도 근방을 나타낸다. 또한, 엔진의 압력 변화는 프리-피스톤 스털링 머신의 실시형태에 있어서 특히 전형적으로 작기 때문에, 엔드 상태(end state)의 팽창 또는 압축된 유체 온도는 각각 히터 및 쿨러의 벽 온도를 향하는 경향이 있다. 또한, 종래의 히터 또는 쿨러 열교환기에 있어서의 작동 유체의 온도는 각각의 열교환기의 입구에서 열교환기의 벽과 작동 유체 간의 온도차에 의해 공간적으로 변화되며, 열교환기의 출구에서 최소로 도달할 때까지 열교환기의 길이를 따라 감소하며, 여기서, 열교환기가 적절하게 잘 설계되었다면 작동 유체는 열교환기의 벽 온도 근방에 거의 도달하게 되었다. 따라서, 잘 설계된 스털링 사이클 머신에 있어서 작동 유체와 히터/쿨러 열교환기 간의 효율적인 온도 차이는 설계상 작다.
종래의 스털링 사이클 머신용 열교환기의 설계는 관, 또는 대안으로 다양한 타입의 휜(fin)등의 유로내의 연장면, 두꺼운 벽내의 슬롯 또는 홀을 채용한다. 스 털링 사이클 머신내에 사용된 전통적인 열교환기의 설계는 상기에 논의된 바와 같은 작동 유체와 열원간의 낮은 온도차에 의해 작동된다. 열원/히트 싱크와 작동 유체간의 낮은 온도차를 보상하기 위해 스털링 사이클 머신과 관련하여 전통적인 열교환기의 응용은 다른 교환을 겪게 된다.
예컨대, 몇몇 경우, 열교환기 구조는 효과적인 열 전달을 위해 필요한 증가된 면적을 제공하도록 소망하는 것보다 커야한다. 이는 보다 큰 엔진 사이즈, 다른 엔진 구성부품을 위한 작은 공간, 또는 이들 모두를 야기시킨다. 또한, 몇몇 경우, 필요한 열 전달을 달성하기 위해 설계된 해결책은 고가의 재료 때로는 외부의 재료 뿐 아니라 신뢰성 있는 제조 공정 및 설계에 비해 고가이며 시간의 소비가 크며 때로는 신뢰성이 낮은 재료에 대한 사용을 필요로 한다.
또한, 종래의 열교환기의 설계에 다른 결점도 존재한다. 예컨대, 최소 열 저항을 달성하기 위해 압력 용기와 열교환기의 벽 간의 금속-금속 접촉의 필요성은 제조하기 어려우며 따라서 고가의 설계를 야기시킨다.
필요한 열 전달을 달성하기 위해 큰 표면적을 제공하는 대신에 열교환기는 어느 정도의 고 압력 저하의 비용에도 불구하고, 고 열 전달율을 발생시키도록 설계될 수 있다. 그러나, 상당한 제조, 조립 및 단가의 이득은 연장된 면의 열교환기에 대한 필요성을 제거함으로써 생길 수 있다.
본 발명의 일실시형태는 필요한 열 전달 용량을 제공하는 스털링 사이클 머신의 사용을 위한 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시형태는 단가가 효과적이며 기능적으로 신뢰성있는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 용이하게 제조될 수 있으며 설치될 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 경제적으로 제조되며 설치될 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 열 전달을 최대화시키고 온도 증감을 조절하기 위해 외부 열교환기의 공간적인 열 전달 특성과 부합시키도록 열 전달을 국부적으로 변화시킬 수 있는 능력을 제공하는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 유동방향에 따라 매우 상이한 속도로 작동 유체로/작동 유체로부터 열을 전달하는 능력을 제공하여 향상된 효율 및/또는 출력을 위해 열 역학 사이클을 향상 및/또는 수정할 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 형태는 상당한 열 전달 개선 및 단가 감소를 제공할 수 있는 충돌식 열교환기를 포함한다. 본 발명의 열교환기는 작동 유체가 압력 용기 면 상에 충돌하는 스털링 사이클 부분 동안 열원과 작동 유체간의 대량의 열 전달이 발생하도록 작동한다. 이 충돌식 열교환기는 상기 압력 용기 면상에서의 작동 유체의 충돌이 어느 한쪽의 유동방향으로 발생하도록 구성될 수 있다. 상기 히터에 있어서, 충돌식 열교환기는 유체가 팽창 공간으로 인입되거나 이로부터 인출되는 사이클 동안에 유체로 전달될 대량의 열을 발생하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 쿨러에 있어서, 충돌식 열교환기는 유체가 압축 공간으로 인입되거나 이로부터 인출되는 사이클 동안에 유체로부터 전달되는 대량의 열이 발생하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 두개의 상이한 충돌식 열교환기 구성이 가능하다. 첫째로, 히터와 쿨러 응용을 위한 순방향 유동 충돌식 열교환기(forward flow impingement heat exchanger)("FFIHX") 구성으로 언급된 것에 있어서는 충돌 열 전달은 유체가 순방향으로 이동하는 동안 발생되어 압력 용기 내의 팽창 공간을 향한다. 한편, 본 발명의 열교환기의 두번째 구성과 관련하여 히터와 쿨러 응용을 위한 역방향 유동 충돌식 열교환기(backward flow impingement heat exchanger)("BFIHX") 구성으로서 언급된 것에 있어서, 충돌식 열 전달은 작동 유체가 역방향으로 이동하는 동안 발생되어 압력 용기의 압축 공간을 향한다.
본 발명의 열교환기의 FFIHX 구성은 쿨러나 히터와 관련하여 사용될 수 있다. 히터의 일실시형태에 있어서, FFIXX는 열교환기와 압력 용기 벽 사이의 매니폴드에 의해 압력 용기의 팽창 공간에 인접하여 위치된다. 이와 같은 방식으로, 축열기로부터의 작동 유체는 순방향 유동 열교환기로 인입되어 충돌 포트를 통과하여서 용기 벽의 가열 면 상에 충돌되는 바와 같이 가열될 수 있다. 작동 유체가 팽창 공간으로부터 축열기를 통해 압축 공간으로 제공되어 냉각이 요망되면 작동 유체는 순방향 유동 열교환기를 통과하여 열교환기의 쿨러 내부면상에 충돌된다. FFIHX 히터 구성에 의하면 작동 유체로 전달되는 대량의 사이클 열은 유동이 팽창 공간을 향하게 될 때 달성된다. 압력 용기로부터 FFIHX 히터내의 작동 유체로 전달되는 전체 열의 마찰은 사이클의 역방향 유동부에 반대되는 사이클의 순방향 유동부분 동안 FFIHX의 특정 설계를 통해 맞추어질 수 있다.
본 발명의 열교환기의 BFIHX 구성은 쿨러나 히터와 관련하여 사용될 수 있다. 전자의 경우, BFIHX는 압축 공간에 인접한 축열기 아래에 배치된다. 상대적으로 가열된 상태에 있는 작동 유체는 압축 공간으로부터 엔진의 팽창 공간을 향하게 되기 때문에 BFIHX를 통해 압축 공간에 인접한 열교환기의 상대적으로 뜨거운 표면상에 충돌된다. 유체가 팽창 공간으로부터 압축 공간으로의 상기와 다른 방향으로 유동되어 냉각이 요구되면 유체는 상기 쿨러 기구의 상대적으로 차가운 면인 압력 용기상에 충돌된다. BFIHX 쿨러의 구성에 의하면 작동 유체로부터 인출된 대량의 사이클 열은 유동이 압축 공간을 향하게 될 때 달성된다. 작동 유체로부터 BFIHX 쿨러내의 압력 용기벽으로 전달되는 전체 열의 마찰은 사이클의 순방향 유동부에 반대되는 사이클의 역방향 유동부분 동안에 BFIHX의 특정 설계를 통하여 맞추어질 수 있다.
또한, BFIHX 구성은 히팅 커패시티(heating capacity)에 사용될 수 있다. 이경우, 본 발명의 이와 같은 형태의 열교환기는 팽창 공간에 인접한 압력 용기의 상부에 배치된다. 작동 유체가 압축 공간으로부터 팽창 공간을 향하여 유동된 후 축열기를 통과하게 되면, 이 유체는 충돌 포트를 통해 팽창 공간으로 인입되기에 앞서 압력 용기 벽의 상대적으로 뜨거운 면과 충돌 배플사이를 유동한다는 사실에 의해 열 전달을 달성할 수 있다. 작동 유체가 팽창 공간으로부터 압축 공간을 향하게 될 때 압력 용기 벽상에 충돌되어 유체가 가열된다. 유체는 압축 공간을 통해 연속적으로 유동되기 때문에 역류시 되찾을 수 있는 많은 열을 빼앗을 수 있는 축열기를 통과한다.
이에 따라, 작동 유체의 압축 및 팽창을 통해 작동하는 스털링 사이클 머신이 제공되며,
이 스털링 사이클 머신은 피스톤에 의해 제 1 실린더내에 형성된 팽창 챔버, 및 상기 피스톤에 의해 제 2 실린더내에 형성된 압축 챔버를 포함하며,
상기 팽창 챔버 및 압축 챔버는 하나이상의 유로를 통해 연통되어 있으며,
상기 유로는 하나이상의 열교환기를 포함하며, 이 하나이상의 열교환기는 상기 압축 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때와 반대 방향인 상기 팽창 챔버를 향하는 방향으로 작동 유체가 유동될 때 보다 높은 열 전달 기능을 제공한다.
또한, 작동 유체를 수용하는 입구,
복수의 홈이 형성된 충돌 배플, 및
상기 스털링 사이클 머신의 내벽과 상기 충돌 배플 사이의 공간에 형성된 매니폴드를 포함하는 스털링 사이클 머신용 열교환기가 제공되며:
상기 작동 유체는 제 1 방향으로 유동될 때 상기 스털링 사이클 머신의 내벽상에 충돌되며, 제 2 방향으로 유동될 때 상기 스털링 사이클 머신의 챔버를 향하게 된다.
또한, 피스톤에 의해 실린더내에 형성된 팽창 챔버를 제공하는 단계,
상기 피스톤에 의해 상기 실린더내에 형성된 압축 챔버를 제공하는 단계, 및
하나이상의 유로를 통해 상기 압축 챔버와 상기 팽창 챔버사이를 작동 유체가 유동하게 하는 단계를 포함하는 스털링 사이클 머신내에서 작동 유체의 온도를 조절하는 방법이 제공되며;
상기 유로는 하나이상의 열교환기를 포함하며, 이 하나이상의 열교환기는 상기 압축 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때와 반대 방향인 상기 팽창 챔버를 향하는 방향으로 작동 유체가 유동될 때 보다 거의 높은 열 전달 기능을 제공한다.
또한, 하기에 더욱 상세히 설명되며 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같은 본 발명의 다른 실시형태가 가능하다.
도 1은 BFIHX 히터와 BFIHX 쿨러의 실시형태를 나타내는 본 발명에 의한 스털링 엔진의 부분 단면도,
도 2는 본 발명의 열교환기에 있어서의 BFIHX 히터의 실시형태의 상세 단면도,
도 3은 본 발명의 열교환기에 있어서의 BFIHX 쿨러의 실시형태의 상세 단면도,
도 4는 본 발명의 열교환기에 있어서의 FFIHX 히터의 실시형태의 상세 단면도.
이하, 예로서 주어진 본 발명의 바람직한 형태와 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1 ~ 도 4에 도시된 실시형태를 참조해보자. 여기서 동일 부호는 동일 부분을 나타내기 위해 사용되었다. 본 발명은 프리 피스톤 스털링 엔진의 내용에 대 해서 설명하지만 본 발명은 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 다양한 다른 애플리케이션(application)은 엔진 또는 머신이 스털링 사이클에 의거하여 작동하는지의 여부에 관계없이 예컨대, 다양한 히트 엔진(heat engine) 및 쿨러 머신(cooler machine)과 관련한 애플리케이션를 포함한다.
도 1은 본 발명에 의해 설계된 프리 피스톤 스털링 엔진(FPSE)(100)의 부분 단면도이다. FPSE(100)는 디스플레이서 피스톤(displacer piston)(150)이 축방향으로 왕복운동하는 실린더(170)를 포함한다. 디스플레이서 피스톤(150)은 이 디스플레이서 피스톤(150)과 실린더 헤드(140) 사이에서 가변적인 부피를 갖는 팽창 챔버(180)를 형성한다. 팽창 챔버(180)의 부피는 디스플레이서 피스톤(150)이 실린더 헤드(140)를 향해 그리고 이 실린더 헤드(140)로부터 멀어지는 방향으로 왕복운동하는 바와 같은 엔진 작동시에 변경된다. 디스플레이서 피스톤(150)은 디스플레이서 피스톤 로드(160) 상에 놓인다. 디스플레이서 피스톤(150) 아래에 있는 압축 챔버(190)는 또한, 디스플레이서 피스톤(150) 및 파워 피스톤(power piston)(도시 안됨)과 관련하여 부피가 변한다. 압축 챔버(190)는 통상, 일단에는 디스플레이서 피스톤(150)이 형성되어 있으며, 타단에는 파워 피스톤의 상면이 형성되어 있다.
도 1에 도시된 FPSE(100)의 작동은 통상 다음과 같이 진행된다. 열원은 FPSE(100)의 실린더 헤드에 도시된 바와 같이 적용된다. 결과적인 열 에너지는 실린더 헤드(140)에 있어서의 압력 용기를 통해 전달되며, 하기에 보다 상세히 설명된 바와 같이 열교환기(130)를 통해 작동 유체에 분배된다. 스털링 사이클을 달성하기 위해 머신 내에서의 압축 및 팽창 부피의 움직임 그리고 열교환기를 통한 작 동 유체의 움직임은 디스플레이서 피스톤(150)의 동작에 의해 현저하게 구동된다. 스털링 사이클동안에 디스플레이서 피스톤(150)이 상방으로 움직이기 때문에 팽창 챔버(180)내의 작동 유체는 팽창 챔버(180)로부터 역방향으로 이동하여 열교환기(130), 축열기(110), 열교환기(120)를 통해 압축 챔버(190)로 이동된다. 이상적인 스털링 사이클에 있어서, 파워 피스톤(도시안됨)은 디스플레이서 피스톤(150)의 상방 운동 다음에 최대량의 작동 유체가 압축 공간(190)내에 놓일 때 작동 유체를 압축하도록 이동된다. 당업자는 스털링 사이클의 실제 실시형태에 있어서 디스플레이서 피스톤(150) 및 파워 피스톤의 움직임은 서로 단절되거나 또는 완전히 분리되어 있는 것은 아니다.
디스플레이서 피스톤(150)이 하방으로 움직임에 따라 압축 챔버(190)내의 작동 유체는 순방향으로 이동하여 열교환기(120), 축열기(110), 열교환기(130)를 통해 팽창 챔버(180)로 인입된다. 작동 유체의 순방향으로의 이동중에 작동 유체는 가열되며, 파워피스톤이 팽창 방향으로 작동 유체에 의해 밀림에 따라 작동 유체의 팽창 결과로서 사이클로부터 기계적인 작업이 생략될 수 있다.
도 1에 도시된 특정 실시형태는 열교환기(120)로서 BFIHX와 열교환기(130)로서 BFIHX를 채용한다. 다음의 논의를 목적으로, 본 실시형태에서의 각각의 기능에 따라 열교환기(120)는 "쿨러"로서 언급되며, 열교환기(130)는 "히터"로서 언급된다. 이하, FPSE(100)의 동작과 관련한 각 열교환기의 동작에 대해서 모두 논의될 것이다.
도 1에 있어서의 BFIHX 히터(130)는 도 2에 매우 상세히 도시되어 있다. 도 2를 상세히 참조하여 보면, BFIHX 충돌 배플(215)은 축열기(210)에 고착되어 지지된다. 구리 도금(도시안됨)은 실린더 헤드(240)의 내면을 따라 "핫 스팟(hot spot)"의 완화를 돕기 위해 필요한 압력 용기 벽(240)의 내면을 따라 선택적으로 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 충돌 배플(215)에는 복수의 홈(265)이 형성되어 압력 용기 벽(240) 또는 디스플레이서(250)의 표면에 대해 제트 충돌 열 전달(jet impingement heat transfer)을 제공한다. 하기에 상세히 설명된 바와 같이, 유체 유동 방향은 "순방향" 또는 "역방향"이든 간에 작동 유체가 충돌하는 면을 결정한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, BFIHX 충돌 배플(215)에는 특정 수의 홈(265)이 특정 홈 간격 및 패턴으로 형성되어 제트 충돌을 통해 열 전달을 최대화한다. 예컨대, 제트 충돌 기능을 최대화시키는 기술을 설명하는, G. Failla 등에 의한 "Enhanced Jet Impingement Heat Transfer with Crossflow at Low Reynolds Numbers"(published in the Journal of Electronics Manufacturing, Vol.9, No.2, June 1999)와, D.M. Kercher 및 W.Tabakoff에 의한 "Heat Transfer by a Square Array of Round Air Jets Impinging Perpendicular to a Flat Surface Including the Effect of Spent Air"(published in the Journal of Engineering Power, January 1970) 등의 제트 충돌 기술과 관련한 많은 문서 및 다른 정보원이 존재한다. 본 발명의 목적을 위해 1~3mm 범위를 가지며, 중심에서 중심까지 6~10mm범위로 이격되어 있는 충돌 배플의 면을 통해 상당히 균일한 형태로 이격되어 있는 홈 직경이 채용될 수 있다. 충돌 배플(215)은 스테인레스 스틸로 제조될 수 있으며, 스피닝(spinning), 드로잉(drawing), 딥 드로잉(deep drawing), 하이드로-폼잉 또는 솔리드 스톡(solid stock)으로부터의 기계가공 등의 다양한 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 신규한 열교환기의 설계에 의하면, 작동 유체로 그리고 작동 유체로부터의 열 전달량은 작동 유체의 방향[즉, 팽창 챔버(280)를 향하는 "순방향" 또는 팽창 챔버(280)로부터 멀어지는 "역방향"]에 따라 변화된다. BFIHX 히터 구성에 의하면, 상기 사이클동안 작동 유체로 전달된 대량의 외부열은 유동이 역방향에 있을 때 발생된다. 작동 유체는 팽창 공간(280)으로부터 충돌 배플(215)을 통해 역방향으로 유동될 때 압력 용기 벽(240)상에 충돌된다. 팽창 공간(280)으로부터 팽창된 작동 유체와 압력 용기 벽(240)사이의 상당한 큰 온도차와 결합된 충돌에 의해 달성될 수 있는 높은 열 전달 속도는 다음 충돌되는 작동 유체가 압력 용기 벽 온도 근처의 온도에 도달하게 한다. 이후, 작동 유체는 BFIHX 쿨러(120)에 인입되기전에 많은 에너지를 빼앗는 축열기(210)내로 나아간다. 잘 설계된 기계에 있어서, 작동 유체가 팽창 공간(280)으로 복귀될 때 축열기(210)에 의해서 열은 작동 유체로 복귀된다.
작동 유체는 축열기(210)로부터 매니폴드(235), 충돌 배플(215)을 통해 순방향으로 유동될 때 디스플레이서(250)상에 충돌되거나 또는 제트(jet)가 팽간 공간(280)내에서 유체를 소산시킨다. 각 경우에 있어서, 매니폴드(235)내의 작동 유체와 압력 용기 벽(240) 간의 유로 열 전달이 작고, 연이은 충돌 열 전달이 작동 유 체와 디스플레이서(250) 사이에서 낮은 온도차로 발생하거나 전혀 발생하지 않는다.
BFIHX 쿨러(120)는 다양한 기능의 구성요소를 포함한다. 특히, 도 3을 참조하여보면, BFIHX 충돌 배플(315)은 BFIHX 쿨러(120)의 부피를 내부 매니폴드(325)와 외부 매니폴드(335)로 분할하도록 실린더(370)와 압력 용기 벽(340) 사이를 지향한다. 내부 매니폴드(325)는 축열기(310)로 개방되며 충돌 포트(365)를 통해 압축 공간(390)으로 개방되는 외부 매니폴드(335)와 연통되어 있다.
BFIHX 쿨러의 구성에 의하면, 상기 사이클 동안에 작동 유체로부터 빠져나오는 대량의 열은 유동이 역방향일 때 발생된다. 작동 유체는 축열기(310)로부터 내부 매니폴드(325), 충돌 배플(315)을 통해 역방향으로 유동될 때 압력 용기 벽(340)상에 충돌된다. 축열기(310)로부터 이동하는 작동 유체와 압력 용기 벽(340) 사이의 상당히 높은 온도차와 결합된 충돌에 의해 달성될 수 있는 높은 열전달 속도는 외부 매니폴드(335)내의 다음 충돌 작동 유체는 압력 용기 벽 온도 근처의 온도에 도달됨을 야기시킨다. 작동 유체는 이후, 압축 공간(390)내로 진행된다.
하기에 설명된 바와 같이, 역 유동 방향에 있어서 축열기로부터의 배출 온도는 압력 용기 벽 온도보다 상당히 높다. 압축 공간(390)으로부터 외부 매니폴드(335) 및 충돌 배플(315)를 통해 순방향으로 유동되는 다음의 압축 작동 유체는 압력 용기 벽(340)보다 높은 온도에 있는 내부 매니폴드(325)의 벽 상에 충돌된다. 외부 매니폴드(335)내의 작동 유체와 압력 용기 벽(340) 사이의 유로 열 전달은 낮고, 연이은 충돌 열 전달이 작동 유체와 내부 매니폴드(325)의 벽사이에서 낮은 온 도 차로 발생하기 때문에 이 사이클부 동안에 작은 열이 작동 유체로부터 빠져나온다. 이어서, 축열기(310)는 종래의 열교환기가 채용하는 것보다 냉각 단부(cold end)에서 고온 유체로 충전된다. 본 발명의 BFIHX 쿨러의 바람직한 실시예에 있어서, 종래의 열교환기의 바람직한 실시형태에서의 압력 용기 벽(340)의 온도보다는 오히려 다음의 압축 온도에서 가스는 압축 공간(390)으로부터 축열기(310)의 냉각 단부로 전달된다.
도 4로 되돌아가서 FFIHX 열교환기의 실시형태를 논의할 것이다. 본 실시형태에 있어서, BFIHX 쿨러의 구성에서와 같이, 두개의 매니폴드가 순방향 및 역방향으로 열 전달을 조절하기 위해 사용된다. BFIHX 히터의 구성에 의하면, 상기 사이클동안에 작동 유체로 전달되는 대량의 외부 열은 유동이 순방향에 있을 경우 발생한다. 작동 유체는 축열기(410)로부터 내부 매니폴드(435) 및 충돌 배플(415)을 통해 순방향으로 유동될 때 압력 용기 벽(440)상에 충돌된다. 축열기(410)로부터 이동하는 압축된 작동 유체와 압력 용기 벽(440)사이의 상당히 높은 온도차와 함께 결합된 충돌에 의해서 달성될 수 있는 고열 전달 속도에 의해 다음에 충돌되는 작동 유체는 압력 용기 벽 온도에 근접한 온도에 도달된다. 이후, 유체는 외부 매니폴드(425)로부터 팽창 공간(480)으로 이동한다. 또한, 도 4에 도시된 BFIHX 히터의 실시형태는 바람직하게는 사이클 압력 변동에 있어서 상호작용하는 것으로부터 체적을 격리시키기 위해 사용된 공동(445)을 포함한다.
하기에 설명된 바와 같이, 순방향에 있어서의 축열기(410)로부터의 출구 온도는 압력 용기 벽의 온도보다 상당히 낮다. 팽창 공간(480)으로부터 외부 매니폴 드(425), 충돌 배플(415), 내부 매니폴드(435)를 통해 역방향으로 유동되어 축열기(410)로 인입되는 다음에 팽창될 작동 유체는 열원, 압력 용기 벽(440)으로부터 작은 열을 수집한다. 역 유동 방향에 있어서, 매니폴드내의 유로 열 전달은 낮고, 다음에 팽창되는 작동유체와 내부 매니폴드 벽(435)사이에서 충돌 열 전달이 낮은 온도 차로 발생한다. 이어서, 축열기(410)는 종래의 열교환기 또는 본 발명의 BFIHX가 채용된 것보다 핫 단부(hot end)에서 낮은 온도 유체로 충전된다. 따라서, FFIHX 히터의 바람직한 실시형태에 있어서, 작동 유체는 종래의 열교환기의 바람직한 실시형태에 있어서의 압력 용기 벽(440)의 온도보다는 오히려 다음의 팽창온도에서 팽창 공간(490)으로부터 축열기(410)의 핫 단부로 전달된다.
히터로서의 FFIHX 실시형태의 사용은 히터로서의 BFIHX의 사용을 통해 보다 큰 열역학 사이클의 장점을 제공한다. 이와 같이, FFIHX에 의하면 유체가 축열기(410)에 도달할 때까지 냉각되어 소형이며 저렴한 축열기의 사용을 허용한다. 또한, BFIHX의 실시형태보다 FFIHX의 사용을 통해 압력 강하의 불이익이 조금 부과된다.
BFIHX는 FFIHX의 실시형태와 비교해볼 때 역 유동 방향의 작동 유체로의 열 전달을 최소화한다는 점에 있어서 통상 덜 효과적인 반면, BFIHX 실시형태는 매우 단순하고 보다 신뢰성있는 제조 및 설치 공정 뿐 아니라 구성을 위해 금속을 덜 필요로 한다는 장점을 제공한다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다.
본 발명의 개시된 열교환기는 예컨대, 구성과 관련하여 매우 감소된 단가, 작동에 있어서의 부가적인 신뢰성, 및 사이즈의 유닛당 향상된 열전달 특성을 포함 하는 중요한 장점을 제공한다. 다양한 실시형태의 본 발명의 열교환기는 상당히 저렴한 300시리즈 스테인레스 스틸로 구성될 수 있다.
또한, 열교환기의 구성 및 설치와 관련된 고 단가 및 위험한 브레이징(brazing) 동작은 특히, 본 발명의 BFIHX 실시형태의 사용을 통해 제거될 수 있다. 대신에, 저 단가 기계가공 및 폼잉 기술이 사용될 수 있으며, 본 발명의 FFIHX 및 BFIHX 실시형태는 압력 용기 어셈블리에 용이하게 삽입될 수 있다.
스털링 사이클 머신의 히터 헤드 및 쿨링 새그먼트와 관련하여 사용하기 위한 다양한 실시형태의 신규한 열교환기의 설계가 여기에 개시되었다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 여기에 개시된 특정 실시형태로 반드시 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 범위 및 사상에서 벗어나지 않는 한 다양한 타 실시형태가 가능하다.

Claims (20)

  1. 작동 유체의 압축 및 팽창을 통해 작동하는 스털링 사이클 머신으로서:
    피스톤에 의해 제 1 실린더내에 형성된 팽창 챔버, 및
    상기 피스톤에 의해 제 2 실린더내에 형성된 압축 챔버를 포함하며;
    상기 팽창 챔버 및 압축 챔버는 하나이상의 유로를 통해 연통되어 있으며,
    상기 유로는 하나이상의 열교환기를 포함하며, 이 하나이상의 열교환기는 상기 압축 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때와 반대 방향인 상기 팽창 챔버를 향하는 방향으로 작동 유체가 유동될 때 보다 높은 열 전달 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열교환기는 상기 팽창 챔버에 인접한 순방향 유동 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열교환기는 상기 팽창 챔버에 인접한 역방향 유동 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열교환기는 상기 압축 챔버에 인접한 역방향 유동 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열교환기는 표면에 대한 상기 작동 유체의 제트 충돌을 야기시키는 복수의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 팽창 챔버를 향하여 작동 유체가 유동될 때 제 1 면을 포함하며, 상기 표면은 상기 작동 유체가 상기 압축 챔버를 향하여 유동될 때 제 2 면을 포함하며, 상기 제 1 면은 상기 제 2 면과 동일한 면이 아닌 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 팽창 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때 상기 스털링 사이클 머신의 내벽에 인접한 도금을 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 팽창 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때 상기 스털링 사 이클 머신의 내벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 열교환기의 벽을 포함하며, 상기 벽은 상기 압축 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때 상기 팽창 챔버에 인접한 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열교환기는 제 1 열교환기와 제 2 열교환기를 포함하며, 상기 제 1 열교환기는 상기 팽창 챔버에 인접하여 배치되며, 상기 제 2 열교환기는 상기 압축 챔버에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 순방향 유동 열교환기이며, 상기 제 2 열교환기는 역방향 유동 열교환기인 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 역방향 유동 열교환기이며, 상기 제 2 열교환기는 역방향 유동 열교환기인 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기 및 상기 제 2 열교환기는 축열기를 통해 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신.
  14. 작동 유체를 수용하는 입구,
    복수의 홈이 형성된 충돌 배플, 및
    상기 스털링 사이클 머신의 내벽과 상기 충돌 배플 사이의 공간에 형성된 매니폴드를 포함하는 스털링 사이클 머신용 열교환기로서:
    상기 작동 유체는 제 1 방향으로 유동될 때 상기 스털링 사이클 머신의 내벽상에 충돌되며, 제 2 방향으로 유동될 때 상기 스털링 사이클 머신의 챔버를 향하게 되는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신용 열교환기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 스털링 사이클 머신의 챔버는 팽창 챔버이며, 상기 제 2 방향은 상기 팽창 챔버를 향하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신용 열교환기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 스털링 사이클 머신의 챔버는 압축 챔버이며, 상기 제 2 방향은 상기 압축 챔버를 향하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신용 열교환기.
  17. 피스톤에 의해 실린더내에 형성된 팽창 챔버를 제공하는 단계,
    상기 피스톤에 의해 상기 실린더내에 형성된 압축 챔버를 제공하는 단계, 및
    하나이상의 유로를 통해 상기 압축 챔버와 상기 팽창 챔버사이를 작동 유체가 유동하게 하는 단계를 포함하는 스털링 사이클 머신내에서 작동 유체의 온도를 조절하는 방법으로서:
    상기 유로는 하나이상의 열교환기를 포함하며, 이 하나이상의 열교환기는 상기 압축 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때와 반대 방향인 상기 팽창 챔버를 향하는 방향으로 작동 유체가 유동될 때 거의 보다 높은 열 전달 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신내에서 작동 유체의 온도를 조절하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열교환기는 표면에 대해 작동 유체의 제트 충돌을 야기시키는 복수의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신내에서 작동 유체의 온도를 조절하는 방법
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 압축 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때와 반대방향인 상기 팽창 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때 상대적으로 뜨거운 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신내에서 작동 유체의 온도를 조절하는 방법
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 팽창 챔버를 향해 작동 유체가 유동될 때 상기 스털링 사이클 머신의 내벽에 인접한 도금을 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 사이클 머신내에서 작동 유체의 온도를 조절하는 방법.
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