KR20070022825A - 개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치 - Google Patents

Abstract

열 교환기 및 중심 축선을 가지며 축방향으로 대향하는 면들을 갖는 환형링을 고체 열 전도성 물질로 형성하는 단계를 포함하는 열 교환기 제조 방법이 개시된다. 복수의 통로가 상기 환형링 및 대향하는 면들을 통과하여 드릴링되어, 상기 통로를 통과하는 유체의 유동 및 상기 물질 및 유체 사이의 열 에너지 전달을 위해 통로를 제공한다. 바람직하게 이러한 통로는 축선에 평행하고 원형 단면을 가지며, 복수의 원주방향으로 이격된 통로 세트들 내에 배치되며, 각각의 세트는 복수의 반경방향으로 이격된 통로들을 갖는다.

Description

열 교환기 형성 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING A HEAT EXCHANGER}

본 발명은 일반적으로 열 교환기 및 열 교환기 제조 방법, 보다 상세하게는 자유 피스톤 스털링 사이클 장치용 내부 열 교환기에 관한 것이다.

많은 장치들은 장치 내부의 물질로부터 장치 외부의 물질까지로의 전달과 같이, 하나의 물질로부터 다른 물질로의 열 전달을 필요로 한다. 자유 피스톤 스털링 엔진(free piston Stirling engines), 열 펌프 및 냉각기는 일반적으로 밀폐형 압력 용기(hermetically sealed pressure vessel)의 외부로부터 압력 용기 벽부를 통과하여 압력 용기 내의 한 지점의 작동 가스로 열을 전달하여 열 억셉터 시스템(heat acceptor system)을 제공하도록 요구하고, 다른 지점에서 장치 내의 가스로부터 압력 용기의 벽부를 통과하여 냉각제와 같은 물질까지 압력 용기의 외부에서 열을 전달하여 열 리젝터 시스템(heat rejector system)을 형성하도록 요구한다. 열 전달의 효율 및 속도를 개선하기 위해, 일반적으로 열 교환기는 스털링 장치의 압력 용기의 내부적으로 및 외부적으로 모두 사용된다. 내부 열 교환기는 장치의 내부에서 작동 가스와 열을 교환하고, 압력 용기 벽부로 또는 벽부로부터 열을 전도한다. 외부 열 교환기는 공기 또는 순환 냉각제와 같은 외부 열 공급원 또 는 냉각제와 열을 교환하며, 압력 용기 벽부로 또는 벽부로부터 열을 전도한다. 두 프레(du Pre)의 미합중국 특허 제4,052,854호는 스털링 엔진 또는 히터에서의 열 전달에 관한 것이다.

모스크립(Moscrip)의 미합중국 특허 제4,429,732호는 열 교환기와 유사한 재생기를 설명하지만 이 재생기는 열을 저장하고 작동 가스로 및 작동가스로부터 교대로 열을 전달하며 작동 가스와 같이 재생기의 물질이 재생기를 통과하여 순환한다. 리프(Lipp)의 미합중국 특허 제5,373,634호는 스털링 장치에 대한 것은 아니지만, 직선 통로를 교차하는 구조물의 측면에 드릴링된 채널 또는 오리피스를 갖는 직선형의 단부가 개방된 통로를 갖는 열 교환기를 설명한다.

종래 기술에서, 대형 스털링 장치는 일반적으로 벽투과 열전달 표면적을 증가시키기 위해 압력 용기의 벽부에 전도성으로 연결되는 몇몇 평행한 관들로 구성된 내부 열 교환기가 사용된다. 그러나 이러한 관형 열 교환기는 이러한 관들을 벽부에 부착하기 위한 다수의 브레이즈 이음부(braze joints)를 필요로 한다. 또한, 다수의 이음부는 누수로 인한 고장 가능성을 매우 증가시키고, 또한 제조 비용을 증가시킨다.

일반적으로 유사한 스털링 장치는 장치의 압력 용기 벽부를 통과하여 열이 전달되는 모놀리식 헤드 구조를 사용한다. 모놀리식 헤드가 사용될 때, 종종 접힌 핀(folded fins) 형상인 내부 핀 표면(finned surface)을 압력 용기의 헤드에 브레이징하는 것이 통상적인 관행이다. 이러한 열 교환기에서는 평행판들 사이에서 가스가 유동하며, 이러한 유동의 균일성은 물질 유속이 핀 사이의 갭의 세제곱에 비 례하기 때문에 판(plate)들의 간격에 매우 민감하다. 따라서 코너를 통과하는 물질 유동이 제한된다. 접힌 핀은 접힌 재료 시트와 핀 사이에 통로를 갖는 복수의 핀으로 제조된다. 이러한 과정은 굽힘, 성형, 및 연결을 위해 시트 구성요소를 압력 용기의 헤드에 브레이징 하는 복수의 단계들을 필요로 한다. 또한, 접힌 핀은 일반적으로 스털링 장치가 필요로 하는 간격 내에서 이용할 수 없으므로, 종종 제 2 어닐링(annealing) 및 리사이징(resizing) 단계를 필요로 한다. 각각의 이들 제조 단계는 열 교환기 비용을 추가로 가중시킨다.

또한, 접힌 핀 외에 반경방향 핀(radial fins)이 열 교환기로 가공되었다.

따라서, 본 발명의 목적 및 특징은 보다 효율적이며 저 비용으로 제조되는 향상된, 특히 스털링 장치용 열 교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 특징은 저비용으로 효율적인 열 전달을 가능하게 하는 열 교환기를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 장치는 열 전도성 고체 물질로 형성된 환형링인 열 교환기이다. 상기 환형링은, 상기 통로를 통과하는 유체의 유동과 상기 물질 및 유체 사이의 열 에너지의 전달을 위해, 중심 축선 및 축방향으로 대향하는 면들을 가지며, 복수의 선형 통로들이 상기 링 및 대향하는 면들을 통과하여 형성되어 있다. 바람직하게 통로는 축선에 평행하며 원형 단면을 갖는다. 또한, 바람직하게 통로는 복수의 원주방향으로 이격된 통로 세트들 내에 배치되며, 각각의 세트는 복수의 반경방향으로 이격된 통로들을 갖는다.

열 교환기를 형성하는 방법은 중심 축선 및 축방향으로 대향하는 면들을 갖는 환형링을 열 전도성 고체 물질로 형성하는 단계, 및 상기 환형링 및 대향하는 면들을 통과하는 복수의 통로를 드릴링하는 단계;를 포함한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 평면도,

도 2는 실질적으로도 1의 2-2선을 따르는 도 1 실시예의 부분 확대 단면도, 및

도 3은 도 1의 실시예의 위치설정을 도시하는 스털링 장치의 단면도이다.

도면에 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 명확성을 위해 특정 용어가 사용될 것이다. 그러나 본 발명은 이렇게 선택된 특정 용어에 제한되지 않으며, 각각의 특정 용어는 유사한 목적을 이루기 위해 유사한 방법으로 작동하는 모든 상당 기술들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 본 발명은 스털링 사이클 장치의 내부와 외부 사이에서 열 에너지를 전달하기 위한 열 교환기(5)이다. 열 교환기(5)는 구리 또는 알루미늄과 같은 열 전도성 고체 재료로부터 중심 축선(7) 및 축방향으로 대향하는 면들(9,11)을 갖는 환형링으로 형성된다. 물질은 복수의 프레임 및/또는 벽 부재를 함께 연결함으로서 구성되기보다 일체형인 물질의 고체 단편으로서 시작하는 점에서 고체이다. 복수의 선형 통로(8)는 링(6) 및 대향면(9,11)들을 통과하여 형성되어 통로(8)를 통해 유체가 유동할 수 있게 하고 물질 및 유체 사이에서 열 에너지가 이동할 수 있게 한다.

바람직한 실시예에서, 통로(8)는 환형링의 중심 축선(7)에 평행하며, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 원형 단면을 갖는다. 통로(8)는 복수의 원주방향으로 이격된 통로(8) 세트들 내에 배치되며, 각각의 세트는 복수의 반경방향으로 이격된 통로(8)를 갖는다. 바람직하게, 각각의 통로(8) 세트는 도 1 및 도 2에 4개가 도시되어 있는 링의 반경을 따라 배치된 2개 내지 4개의 정렬된 통로(8)들을 포함한다. 그러나 다른 개수 및 배치를 갖는 통로들이 사용될 수 있고, 다른 개수 및 배치를 갖는 통로들은 열 교환기의 크기, 요구되는 유체 유동 특성을 이루기 위한 구멍의 크기, 및 요구되는 열 전달 특성의 함수로서 선택된다.

통로(8)를 형성하는 방법은 드릴링 단계 또는 주조(casting) 단계를 포함할 수 있다. 드릴링 단계는 회전 드릴 비트 또는 방전 가공(EDM)을 이용하는 드릴링 단계를 포함하는 통상적인 금속 성형 기술에 의해 이루어질 수 있다. 바람직하게 통로(8)는 바람직한 제조 방법에 따라 제조될 때, 원형 단면 및 원통형 벽부를 갖는다. 그러나 통로가 주조되거나 가공될 때, 다양한 형상이 가능하며, 예를 들면, 통로는 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 반경방향 슬롯 형상인 단면으로 주조될 수 있다.

바람직하게, 고체 열 전도성 물질은 단일편, 단일한 고체 물질 또는 환형링으로 형성되는 블록이다. 그러나 대안적으로, 환형링은 각각 고체 물질 또는 블록인 별도의 분리된 부분들로 형성될 수 있다. 예를 들면, 환형링은 2개의 180°인 1/2 링 부분들, 4개의 90 °인 링 부분들, 또는 6개의 60°인 링 부분들로 이루어 질 수 있다. 바람직하게 환형링은 이러한 복수의 구성요소 부분들로 이루어지지 않지만 이러한 구성요소 부분들로 링을 형성하는 단계는 본 발명의 개념을 벗어나지 않는다. 또한, 바람직한 경우, 환형링은 전체적으로 순환하거나 완결될 필요가 없다. 예를 들면, 축선에 평행하게 연장하는 다른 구조의 경우에, 링은 30°부분을 남기고 원을 둘러싸는 330°에만 연장될 수 있다. 일반적으로 링은 환형이지만, 탭, 핑거 또는 다른 돌출 구조 또는 홈 또는 채널과 같이 차단부(cut outs)를 포함하는 이상적으로 원형인 벽부로부터 약간 이탈될 수 있다. 바람직하게 링의 외부 윤곽(outer contour)은 열 전도성 연결을 최적화하기 위해 스털링 장치의 압력 용기의 내측 벽부의 윤곽에 정합되며, 바람직하게 이러한 벽부에 브레이징된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 특히 자유 피스톤 스털링 사이클 장치를 개선하기 위한 내부 열 교환기로서 적합화된다. 도 3을 참조하면, 스털링 장치(10)는 작동 가스를 함유하는 압력 용기(13) 내에서 왕복 가능한 변위기(12)를 갖는다. 내부 열 교환기(16,18)는 압력 용기의 내부와 외부 사이에서 열을 전달하기 위해 압력 용기(13)와 열 전도성 접촉한다. 내부 열 교환기(16,18)는 도 1의 열 교환기(5)와 같이 압력 용기(13)의 내측 벽부에 브레이징된 환형링이다. 보다 상세하게, 압력 용기(13) 내에는 내부 열 억셉터(16)와 내부 리젝터(18)가 장착된다.

대안적인 구성으로서, 열 억셉터 시스템(도 3에 도시되어 있는 바와 같은 장치내의 상부 열 교환기)의 내부 열 교환기를 형성하는 환형링의 주변 벽 표면은, 압력 용기(13)의 헤드의 유사한 윤곽의 내측 상부 벽부와 짝지어 맞물리도록 하기 위해, 원추대 또는 돔 형상 윤곽으로 형성될 수 있다. 또한, 전체 환형링은 유사 한 형상으로 형성될 수 있으며, 대향 면들은 꼭 평행하여야 하는 것은 아니다. 그러나 통로는 여전히 환형링의 대향면들 사이에서 연장될 것이다. 예를 들면, 환형링이 원추대 형상으로 제조되는 경우, 통로는 중심 축선에 평행하지 않을 수 있지만, 가상의 원뿔형 표면을 따라 놓이는 것처럼, 축선에 대해 기울어져서 정렬될 수 있다.

스털링 사이클 장치의 공지된 작동 원리에 따르면, 스털링 사이클 장치(10) 내에서 통상적으로 헬륨인 작동 가스는 작동중에 영역 A와 영역 B 사이에서 왕복된다. 본 발명은 장치의 작동중에 내부 억셉터(18)와 리젝터(18) 및 작동 가스 사이의 열 에너지 전달을 돕는다. 바람직한 실시예의 통로(8)를 통과하여 작동 가스가 변위되기 때문에, 열 에너지는 가스로 또는 가스로부터 통로(8)의 벽부로 전달되며, 또한 억셉터 및 리젝터를 통해 열 교환기(16,18)로 전도된다. 또한, 열 에너지는 압력 용기(13)를 통해 전도된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 여러 가지 이유로 인해 종래기술의 열 교환기에 비해 유리한 것으로 생각된다. 비용이 더 높은 경우에도 더 우수한 열 교환기가 바람직한 점에서, 종종 열 전달의 효율이 매우 중요하지만, 본 발명에 따른 열 교환기의 제조는, 현대적이며 컴퓨터 제어된 가공 설비가 복수의 구멍을 정확히 드릴링하는데 매우 시간 효율적이기 때문에, 비용이 덜 드는 것으로 생각된다. 또한, 이러한 구멍들이 재료의 고체 블록을 통과하여 드릴링되기 때문에, 나머지 금속은 압력 용기 및 구멍들로 이루어진 벽부들 사이의 열 전도를 위해 최대 단면을 갖는 열 전도성 경로를 제공한다.

임의의 열 교환기를 통과하는 가스 유동이 통로의 벽부들 사이의 간격에 민감하여 원통형 통로를 통과하는 가스 유동은 통로의 직경에 민감하지만, 바람직한 실시예의 통로는 통상적인 평행판 열 교환기(parallel plate heat exchanger) 내에 갭이 거의 두 배인 직경을 가질 것이다. 따라서, 유동 저항이 개선될 것이며, 가스는 원통형 통로의 전체 내부 벽부 표면에 동일하게 노출되어 이들 벽부와 가스 사이의 열 전달을 최대화할 것이다. 또한, 원통형 통로의 벽부로부터 복사된 임의의 열은 장치내의 다른 구조적 구성요소에 복사되는 대신 원통형 벽부의 다른 부분에 복사될 것이다.

본 발명의 바람직한 특정 실시예가 상세히 개시되었지만, 하기의 특허청구범위의 범주 또는 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다양한 변형예가 적용될 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (13)

1. (a) 중심 축선 및 축방향으로 대향하는 면들을 갖는 환형링을 열 전도성 고체 물질로 형성하는 단계; 및

   (b) 상기 환형링 및 대향하는 면들을 통과하는 복수의 통로를 드릴링하는 단계;를 포함하는

   열 교환기 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 통로가 상기 환형링의 축선에 평행하게 드릴링되는

   열 교환기 형성 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 통로가 복수의 원주방향으로 이격된 통로 세트들을 갖도록 드릴링되며, 각각의 세트는 복수의 반경 방향으로 이격된 통로들을 포함하는

   열 교환기 형성 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   각각의 세트가 상기 환형링의 반경을 따라 드릴링된 4개 이상의 정렬된 통로를 포함하는

   열 교환기 형성 방법.
5. 열 전도성 고체 물질로 형성된 환형링을 포함하며, 상기 환형링은 중심 축선 및 축방향으로 대향하는 면들을 가지며, 상기 통로를 통과하는 유체의 유동과, 상기 물질 및 유체 사이의 열 에너지 전달을 위해, 상기 환형링 및 대향하는 면들을 통과하는 복수의 통로들을 갖는

   열 교환기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 통로는 선형이고 상기 중심 축선에 대해 평행하며, 원형 단면을 갖는

   열 교환기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 통로가 복수의 원주방향으로 이격된 통로 세트들을 내에 배치되며, 각각의 세트는 복수의 반경방향으로 이격된 통로들을 포함하는

   열 교환기.
8. 제 7 항에 있어서,

   각각의 세트가 상기 환형링의 반경을 따라 배치된 둘 이상의 정렬된 통로들을 포함하는

   열 교환기.
9. 작동 가스를 함유하는 압력 용기 내에서 왕복 가능한 변위기를 갖고, 상기 압력 용기의 내부 및 외부 사이에서 열을 전달하기 위해 상기 압력 용기와 열 전도성으로 접촉하는 열 교환기들을 갖는, 개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치에 있어서,

   상기 열 교환기는, 열 전도성 고체 물질로 형성된 환형링을 포함하고, 상기 환형링은 중심 축선 및 축방향으로 대향하는 면들을 가지며, 상기 통로를 통과하는 작동 가스의 유동과, 상기 물질 및 작동 가스 사이의 열 에너지 전달을 위해, 상기 환형링 및 대향하는 면들을 통과하는 복수의 선형 통로를 갖는 것을 특징으로 하는

   개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 통로가 상기 중심 축선에 평행하며 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는

    개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 통로가 복수의 원주방향으로 이격된 통로 세트내에 배치되며, 각각의 세트는 복수의 반경방향으로 이격된 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는

    개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    각각의 상기 세트가 상기 환형링의 반경을 따라 배치된 둘 이상의 정렬된 통로들을 포함하는 것을 특징으로 하는

    개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 환형링이 상기 압력 용기의 내측 벽부에 브레이징되는 것을 특징으로 하는

    개선된 자유 피스톤 스털링 사이클 장치.

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