WO2010062134A2

WO2010062134A2 - 열펌프

Info

Publication number: WO2010062134A2
Application number: PCT/KR2009/007037
Authority: WO
Inventors: 채수조
Original assignee: Chae Soo Joh
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-03
Also published as: US20110225966A1; WO2010062134A3; CN102227553A

Abstract

이상적인 카르노 사이클(Carnot cycle)과 스터링 사이클(Stirling cycle)의 중간 형태를 따르면서 외부 동력에 의한 기체의 압축 및 팽창에 의한 열사이클로 저온에서 고온으로 열을 이동시키며 열효율이 높은 열펌프가 개시된다. 열펌프는, 내부에 작동기체가 수용되는 실린더, 상기 실린더의 전단부에 위치하며 상기 작동기체의 압축 시 상기 작동기체에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 열방출부, 상기 실린더의 후단부에 위치하며 상기 작동기체의 팽창 시 상기 작동기체가 외부로부터 열을 흡수하도록 형성된 열흡수부, 상기 실린더의 내부에 직선 왕복 운동 가능하게 수납되고 상기 작동기체가 상기 열방출부 또는 상기 열흡수부에 직접 접하도록 개구부가 형성되며 상기 작동기체의 압축 및 팽창을 유발하는 피스톤, 및 상기 피스톤이 상기 실린더에 대해 직선 왕복 운동하도록 상기 피스톤에 구동력을 제공하는 구동부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

열펌프

본 발명은 열펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이상적인 카르노 사이클(Carnot cycle)과 유사하게 외부에서 주어지는 동력에 의한 기체의 압축 및 팽창에 의한 열사이클로 저온에서 고온으로 열을 이동시키는 열펌프에 관한 것이다.

카르노 엔진(Carnot engine)은 열손실이 없는 이상적인 열효율 엔진으로서, 실제적인 모든 엔진은 카르노 엔진의 열효율을 넘을 수 없다. 일반적인 내연기관과는 달리 외연기관은 높은 열효율을 보이는데 그 중에서도 스터링 엔진(Stirling engine)은 상기 카르노 사이클과 유사한 높은 열효율을 가지며, 진동과 소음이 적다.

상기 카르노 엔진 및 스터링 엔진 등과 같은 모든 열기관(Heat engine)은 고온에서 저온으로 이동하는 열을 이용하여 동력을 얻는다. 반대로, 이러한 열기관에 역방향 사이클로 외부 동력을 제공하여 기체를 압축 및 팽창시키면 열을 이동시키는 열펌프(Heat pump)가 된다. 이러한 실질적인 열펌프의 예로는 스터링 냉각기(Stirling refrigerator)가 있다.

그러나, 상기와 같은 스터링 냉각기는 전체적인 장치가 크고 구조가 복잡하여 제작비용이 많이 들고 높은 기술 수준이 요구되며, 유지보수의 어려움으로 인해 극히 제한된 분야에서만 사용되는 문제가 있다. 또한, 일반적인 냉각기는 냉매를 써서 고압 응축시켜 만든 액체의 기화열로 냉각하는 것으로 콤프레서 등과 같은 복잡한 열 순환을 따르는 문제가 있다. 또한, 냉매의 환경적인 문제, 냉매에 따른 냉각 온도의 제한 등이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 카르노 사이클과 스터링 사이클의 중간 형태의 열사이클을 유사하게 따르면서 높은 열효율을 지닌 열펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 콤프레서/냉각기 등을 거치면서 상변환을 하는 것과 같은 복잡한 열순환 구조를 가지는 기존의 냉각기와 달리 구조가 간단하여 제작비용이 적게 들고 유지보수가 쉬운 열펌프(냉각장치)를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 작동기체가 수용되는 실린더; 상기 실린더의 전단부에 위치하며, 상기 작동기체의 압축 시 상기 작동기체에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 열방출부; 상기 실린더의 후단부에 위치하며, 상기 작동기체의 팽창 시 상기 작동기체가 외부로부터 열을 흡수하도록 형성된 열흡수부; 상기 실린더의 내부에 직선 왕복 운동 가능하게 수납되고, 상기 작동기체가 상기 열방출부 또는 상기 열흡수부에 직접 접하도록 개구부가 형성되며, 상기 작동기체의 압축 및 팽창을 유발하는 피스톤; 및 상기 피스톤이 상기 실린더에 대해 직선 왕복 운동하도록 상기 피스톤에 구동력을 제공하는 구동부를 포함하는 열펌프가 제공된다.

상기 구동부는 외부에서 제공되는 전기에너지를 상기 피스톤의 직선 왕복 운동을 위한 기계에너지로 전환할 수 있다.

상기 구동부는, 상기 피스톤의 외주면에 구비되는 마그넷; 및 상기 실린더의 외주면에 권선되며, 외부 전류를 인가할 때 상기 마그넷의 자력선의 변화에 따라 상기 피스톤이 직선 왕복 운동하도록 구동시키는 코일을 포함할 수 있다.

상기 구동부는, 회전력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 회전축에 연결되는 크랭크암; 및 상기 피스톤과 상기 크랭크암을 연결하며, 상기 피스톤이 직선 왕복 운동하도록 상기 모터의 회전에 따른 동력을 상기 피스톤에 전달하는 커넥팅로드를 포함할 수 있다.

상기 실린더는 상기 열방출부와 상기 열흡수부 사이에 배치된 단열부를 포함할 수 있다.

상기 실린더는 전단부가 외부로 개방되도록 형성되고, 상기 열펌프는, 상기 실린더의 전단부를 밀폐하도록 상기 실린더의 전단부와 결합하는 실린더 헤드부를 더 포함할 수 있다.

상기 피스톤은 전단부에 중공부를 구비하고, 상기 실린더 헤드부는 상기 실린더의 전단부와 결합하는 헤드커버와, 상기 헤드커버에서 돌출되고 상기 실린더의 내측면과 소정의 간격으로 이격되어 상기 피스톤의 전단부가 삽입되는 가이드홈을 형성하는 돌출부를 포함할 수 있다.

상기 열방출부 및 열흡수부는 상기 실린더의 외주면에 링형태로 설치될 수 있다.

상기 열방출부에서 방출되는 열을 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각부는, 상기 열방출부의 외경에 형성되는 냉각핀; 및 상기 냉각핀에 공기를 공급하여 냉각시키는 냉각팬을 포함할 수 있다.

상기 냉각부는, 상기 열방출부의 외경에 권선되는 냉각튜브; 및 상기 냉각튜브에 냉각수를 공급하는 냉각펌프를 포함하는 열펌프를 포함할 수 있다.

상기 열흡수부에 의해 냉각되는 외부의 공기를 순환시키는 냉각순환부를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각순환부는, 외부의 공기가 상기 열흡수부를 경유하도록 공기의 순환경로를 제공하는 순환경로챔버; 및 상기 순환경로챔버에 구비되며, 상기 공기를 강제 순환시키는 송풍팬을 포함할 수 있다.

상기 피스톤의 직선 왕복 운동이 지속적으로 유지되도록 상기 피스톤에 복원력을 제공하는 복원수단을 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 열펌프에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째, 카르노 사이클과 스터링 사이클의 중간 형태의 열사이클을 유사하게 따름으로써, 종래의 스터링 냉각기와 같은 높은 열효율을 기대할 수 있다.

둘째, 콤프레서 등과 같은 복잡한 열순환 구조를 가지는 기존의 냉각기와 달리 특별한 냉매가 필요없이 기체의 압축 및 팽창만으로 냉각이 가능하므로 간단한 구조로 제작이 용이하고 유지보수가 쉽다.

셋째, 기존의 콤프레서와 달리 냉매를 액화시키기 위한 상대적인 고압 압축이 필요없어 소음이나 진동이 적다.

넷째, 밀페된 실린더 내에서 자유 피스톤이 진동하는 에어 타이트한 구조로 고압의 기체로 가동하는 것이 용이하여 체적당 높은 냉각 효율을 얻을 수 있다.

다섯째, 피스톤 하단의 스프링부에 충진된 가스는 피스톤의 왕복으로 압축 팽창되므로 저절로 가스 스프링 역할을 하므로 보다 탄성적인 진동 운동을 가능하게 한다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프를 개략적으로 도시한 사시도이고,

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 실린더의 사시도이고,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 실린더의 단면도이고,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 사시도이며,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 단면도이다.

도 7 및 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 냉각부의 실시형태를 도시한 예시도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 냉각순환부의 실시형태를 도시한 예시도이다.

도 10 내지 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프의 동작을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이고,

도 14 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프의 냉동 사이클을 보여주는 그래프이고,

도 16는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열펌프를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열펌프를 개략적으로 도시한 사시도이고,

도 18은 도 17의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이고,

도 19는 본 발명의 또 다른 다른 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 사시도이며,

도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 단면도이다.

도 21 내지 24은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열펌프의 동작을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10,20,30 : 열펌프 100 : 실린더

120 : 실린더 헤드부 121 : 헤드커버

123 : 돌출부 124 : 가이드홈

140 : 단열부 200 : 피스톤

212 : 개구부 220 : 피스톤링

300 : 열방출부 310,320 : 냉각부

400 : 열흡수부 410 : 냉각순환부

500, 600 : 구동부 510 : 마그넷

520 : 코일 530 : 전류공급원

700 : 복원수단

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 열펌프를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 실린더의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 실린더의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 단면도이다.

도 1 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프(10)는 실린더(100), 피스톤(200), 열방출부(300), 열흡수부(400) 및 구동부(500) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

실린더(100)는 원통형으로 형성되며, 내부에 수소나 헬륨 등과 같은 작동기체가 수용된다.

본 실시예에 따르면, 실린더(100)는 전단부(111)가 외부로 개방되도록 형성될 수 있다. 다만, 이는 예시에 불과하며 전단부가 밀폐된 형태의 실린더가 제안될 수 있다.

실린더(100)의 전단부(111)의 개방부(111a)는 실린더 헤드부(120)에 의해 밀폐될 수 있다. 실린더 헤드부(120)는 헤드커버(121) 및 돌출부(123)를 포함할 수 있다.

헤드커버(121)는 소정 두께를 갖는 원판으로 형성되어 실린더(100)의 전단부(111)의 직경과 동일하거나 큰 직경을 가진다. 또한, 헤드커버(121)는 실린더(100)의 전단부(111)에 형성된 볼트구멍(112)과 대응되도록 가장자리를 따라 볼트구멍(122)이 다수 개 형성되고, 볼트(125) 등으로 실린더(100)의 전단부(111)에 결합된다.

이 경우, 헤드커버(121)와 실린더(100)의 전단부(111) 사이에는 원형의 씰링부재(130), 예컨대 고무패킹이 설치될 수 있다. 이에 따라 실린더(100)의 밀폐성이 향상되어 실린더(100) 내부의 작동기체가 외부로 누출되지 않는다. 씰링부재(130)는 중앙에 실린더 헤드부(120)의 돌출부(123)가 삽입될 수 있도록 원형의 중공부(130a)가 형성되며, 가장자리에 볼트(125)가 관통할 수 있도록 볼트구멍(132)이 형성될 수 있다.

돌출부(123)는 헤드커버(121)의 일면에 피스톤(200)과 대향되게 원기둥 형상으로 돌출되어 실린더(100)의 전단부(111)에 형성된 개방부(111a)에 삽입된다. 돌출부(123)는 실린더(100)의 전단부(111)의 내측면과 소정의 간격(G)으로 이격되고, 피스톤(200)의 전단부(211)가 삽입되는 가이드홈(124)을 형성한다. 이 경우, 돌출부(123)와 실린더(100) 사이의 간격(G)은 피스톤(200)의 전단부(211)의 두께에 대응하는 것이 바람직하다.

이 경우, 돌출부(123)의 길이, 즉 가이드홈(124)의 길이는 작동기체의 최소 체적 시, 즉 작동기체의 최대 압축 시 피스톤(200)의 개구부(212)가 열방출부(300)에 위치하도록 피스톤(200)의 선단부위에서 개구부(212)의 선단부위까지의 길이와 거의 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.

실린더(100)는 피스톤(200)이 내부로 삽입될 수 있도록 후단부(113)에 개방부(113a)가 형성될 수 있다.

실린더(100)는 후술할 열방출부(300)와 열흡수부(400)의 사이에 열을 차폐하기 위한 단열부(140)를 포함할 수 있다. 이 경우, 단열부(140)는 열방출부(300)와 열흡수부(400) 사이에 배치될 수 있다.

실린더(100)의 대부분 스테인레스 스틸(stainless steel) 재질로 이루어지고, 실린더(100) 중 단열부(140)는 세라믹(ceramic), 실리카(silica) 등의 재질로 이루어질 수 있다.

피스톤(200)은 실린더(100)와 피스톤(200) 사이에 밀봉되는 작동기체의 압축 및 팽창을 유발하기 위해 후술할 구동부(500)에 의해 직선 왕복 운동하도록 실린더(100)의 내부에 수납된다. 본 실시예에서는 자유 피스톤(200)을 적용하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 피스톤을 포함할 수 있다.

피스톤(200)은 실린더(100)의 내경에 대응하는 직경을 갖는 원통형으로 형성되며, 피스톤(200)의 전단부(211)는 열전도율이 낮은 금속 또는 세라믹 등과 같은 단열재질로 형성되는 것이 바람직하다.

피스톤(200)은 전단부(211)에 중공부(211a)를 구비할 수 있고, 후술할 개구부(212)의 후방부위부터 내부가 밀폐되는 형상을 가질 수 있다. 중공부(211a)에는 실린더 헤드부(120)의 돌출부(123)가 삽입될 수 있다. 또한, 개구부(212)의 후방부위에 단열부재(219)가 설치될 수 있다.

피스톤(200)은 작동기체가 열방출부(300) 또는 열흡수부(400)에 직접 접하도록 개구부(212)가 형성된다. 바람직하게는 개구부(212)가 피스톤(200)의 전단부(211)에 외경을 따라 다수 개 형성될 수 있다. 개구부(212)는 원형, 사각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

피스톤(200)의 전단부(211)는 실린더(100)의 내벽과 실린더 헤드부(120)의 돌출부(123) 사이에 형성되는 가이드 홈(124)의 간격(G)에 대응되는 두께(t)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 피스톤(200)의 전단부(211)는 작동기체의 최대 최적 시, 즉 피스톤(200)의 진동 폭이 최대가 될 때 열방출부(300)에 작동기체가 접하는 것을 차단하는 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 피스톤(200)의 전단부(211)는 열방출부(300), 단열부(140), 열흡수부(400) 세 영역의 길이가 동일하다고 할 때 이를 충분히 커버할 수 있는 길이를 가질 수 있다. 이 경우, 피스톤(200)의 전단부(211)는 실린더 헤드부(120)의 돌출부(123) 길이, 즉 가이드 홈(124)의 길이와 거의 동일한 길이를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

피스톤(200)은 전단부(211)의 후방 외주면에 후술할 마그넷(510)이 안착될 수 있도록 마그넷 안착홈(217)이 형성될 수 있다.

피스톤(200)의 후단부(213)에는 실린더(100)의 내벽과 피스톤(200)이 접하는 부위가 밀봉되도록 적어도 하나의 피스톤링(220)이 설치될 수 있다. 이를 위해 피스톤(200)의 외주면에는 피스톤링(220)을 안착하여 고정할 수 있는 피스톤링 안착홈(215)이 적어도 하나 형성되는 것이 바람직하다. 피스톤링(220)은 피스톤(200)의 직선 왕복 운동시 실린더(100)의 열흡수부(400) 안쪽에 위치하므로 테프론링과 같은 저온 영역에서 작동되는 재질도 사용 가능하다. 본 실시예에서는 피스톤 링(220)을 적용하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 피스톤 링(220) 대신에 실린더(100)의 내벽에 고정링을 수직 베어링 형태로 배치할 수도 있다.

열방출부(heat source)(300)는 실린더(100)의 전단부(111)에 위치하며, 작동기체의 압축 시 작동기체에서 발생하는 열을 외부로 방출시키기 위한 구성요소이다. 이러한 열방출부(300)는 열전달이 잘되는 금속재질로 이루어지고, 실린더(100)의 외주면에 링형태로 설치될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다양한 실시형태로 선택 가능하다.

본 실시예에 따른 열펌프(10)는 열방출부(300)에서 방출되는 열을 냉각시키는 냉각부(310,320)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각부(310)는 실린더(100)의 열방출부(300)의 외주면에 형성되는 냉각핀(311)과, 냉각핀(311)에 공기를 공급하여 냉각시키는 냉각팬(312) 등을 포함하여 공랭식 냉각 형태로 구성할 수 있다. 여기서, 냉각핀(311)은 대기하에서 보다 냉각이 신속히 이루어질 수 있도록 대기와 접촉하는 면적을 증가시키기 위해 요철형태로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각부(320)는 실린더(100)의 외주면에 권선되는 냉각튜브(321)와, 냉각튜브(321)에 냉각수를 공급하는 냉각펌프(322) 등을 포함하여 수냉식 냉각 형태로 구성할 수 있다. 다만, 냉각튜브(321)는 실린더(100)의 열방출부(300)의 외주면에 권선될 수도 있다.

열흡수부(heat sink)(400)는 실린더(100)의 후단부(113)에 위치하며, 작동기체의 팽창 시 작동기체가 외부로부터 열을 흡수하도록 하기 위한 구성요소이다. 이러한 열흡수부(400)는 실린더(100)의 외주면에 링형태로 설치될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 다양한 실시형태로 선택 가능하다.

본 실시예에 따른 열펌프(10)는 열흡수부(400)에 의해 냉각되는 외부의 공기를 순환시키는 냉각순환부(410)를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각순환부(410)는 외부의 공기가 열흡수부(400)를 경유하도록 공기의 순환경로를 제공하는 순환경로챔버(411)와, 순환경로챔버(411)의 내부에 구비되어 공기를 강제 순환시키는 송풍팬(412)을 포함할 수 있다. 순환경로챔버(411)는 하부에 공기가 흡입되는 흡입구(411a)를 구비하고, 상부에 열흡수부(400)에 의해 냉각된 냉기가 배출되는 토출구(411b)를 구비할 수 있다.

구동부(500)는 피스톤(200)이 작동기체의 압축 및 팽창을 유발하도록 피스톤(200)에 구동력을 제공하기 위한 구성요소이다. 즉, 피스톤(200)은 구동부(500)로부터 구동력을 제공받아 피스톤(200)을 실린더(100)에 대해 직선 왕복 운동시킨다.

본 실시예에 따른 구동부(500)는 외부에서 제공되는 전기에너지를 피스톤(200)의 직선 왕복 운동을 위한 기계에너지로 전환하는 역할을 하며, 마그넷(510), 코일(520) 등을 포함할 수 있다.

마그넷(510)은 피스톤(200)에 구비되며, 바람직하게는 피스톤(200)의 전단부(211) 후방 외주면에 형성된 마그넷 안착홈(217)에 길이방향으로 다수 개 설치될 수 있다.

코일(520)은 실린더(100)의 외주면에 권선될 수 있다. 이 경우, 코일(520)은 열방출부(300)와 열흡수부(400) 사이에서 마그넷(510)과 대응되도록 실린더(100)의 길이방향을 따라 권선된다.

코일(520)은 외부의 전류공급원(530)으로부터 전류가 인가될 때 마그넷(510)의 자력선 변화에 따라 플래밍 왼손법칙에 의해 피스톤(200)이 직선 왕복 운동하도록 구동력을 발생시킨다. 이 경우, 전류가 흐르는 코일(520)은 마그넷(510)의 자력선과 직각으로 놓이도록 배치된다. 플래밍 왼손법칙은 전동기의 원리에 적용될 수 있으며, 공지된 기술로 이해 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.

전류 공급원(530)은 코일(520)에 흐르는 전류의 방향을 반복 전환시켜 마그넷(510)의 자력선 변화를 유도함으로써, 피스톤(200)의 직선 왕복 운동을 가능하게 한다.

예를 들어, 도 2에서 볼 때, 전류 공급원(530)으로부터 코일(520)에 시계방향으로 전류가 공급되면, 피스톤(200)은 실린더(100)의 전단부(111) 로 이동하여(왼쪽방향) 작동기체를 압축하게 된다. 전류 공급원(530)으로부터 코일(520)에 반시계방향으로 전류가 공급되면, 즉, 전류의 방향이 반대로 전환되면, 피스톤(200)은 실린더(100)의 후단부(113)로 이동하여(우측방향) 작동기체를 팽창시키게 된다.

이하, 도 10 내지 15을 참조하여, 본 실시예에 따른 열펌프의 작동을 구체적으로 설명한다.

도 10 내지 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프의 동작을 순차적으로 설명하기 위한 예시도이며, 도 14 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프의 냉동 사이클을 보여주는 그래프이다.

먼저, 도 10에 도시된 바와 같이, 구동부(500)에 의해 제공된 구동력을 이용하여 실린더(100)와 피스톤(200) 사이의 공간에 밀봉되는 작동기체의 체적이 최소가 될 때까지 피스톤(200)을 실린더(100)의 전단부(111)쪽으로 이동시키면(도면에서 좌측방향), 작동기체는 고온 압축 상태가 된다.

이 경우, 작동기체는 피스톤(200)의 개구부(212)를 통해 열방출부(300)에 직접 접촉하면서 열에너지(Q1)를 방출하게 된다(도 14의 ② -> ① 고온 압축 과정).

열방출부(300)에서 방출되는 열에너지(Q1)는 도 7 및 8에 도시된 바 와 같은 냉각부(310,320)에 의해 냉각될 수 있다. 열방출부(300)와 열흡수부(400)의 사이에 배치되는 단열부(140)에 의해 열방출부(300)와 열흡수부(400)간 열전달이 차폐된다.

다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 피스톤(200)을 실린더(100)의 후단부(113)쪽으로 점차 이동시키면(도면에서 우측방향), 열방출부(300)에 노출된 작동기체는 냉각 팽창하면서 온도가 내려간다.

이 경우, 작동기체는 열방출부(300)를 통해 열에너지(Q4)를 방출하게 된다(도 14의 ① -> ④ 고온 팽창 과정).

다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 실린더(100)와 피스톤(200) 사이의 공간에 밀봉되는 작동기체의 최적이 최대가 될 때까지 피스톤(200)을 실린더(100)의 후단부(113)쪽으로 이동시키면(도면에서 우측방향), 작동기체는 저온 냉각 팽창 상태가 된다.

이 경우, 피스톤(200)의 개구부(212)가 열흡수부(400)에 직접 접촉하면서 작동기체 내부로 열에너지(Q3)가 흡수된다(도 14의 ④` -> ③ 저온 냉각 팽창 과정). 따라서, 작동기체가 열흡수부(400) 주변의 열에너지(Q3)를 흡수함에 따라 냉각 효과가 발생하게 되며, 열흡수부(400)에 의해 냉각되는 냉기는 도 9에 도시된 바와 같은 냉각순환부(410)에 의해 순환될 수 있다.

다음으로, 도 13에 도시된 바와 같이, 저온 팽창한 작동기체는 계속해서 열에너지(Q3)를 흡수하게 되며, 열방출부(300)가 차단되고 열흡수부(400)만 접촉하면서 작동기체는 가열 압축된다.

이 경우에도 작동기체의 내부로 열에너지(Q2)의 일부가 흡수된다(도 14의 ③ -> ②` 저온 냉각 압축 과정).

열방출부(300)와 열흡수부(400) 사이에 배치된 단열부(140)의 길이가 피스톤(200)의 개구부(212) 길이보다 길면 순간적으로 단열(adiabatic) 구간(도 14의 ② -> ②`, ④` -> ④과정)이 존재하여 전체적인 열사이클은 도 14의 ① -> ② -> ②` -> ③ -> ④` -> ④ -> ① 의 과정의 사이클이 완성된다.

단열부(140)의 길이가 피스톤(200)의 개구부(212) 길이와 같으면 단열구간이 없는(② = ②`, ④ = ④`) 도 15와 같은 이상적인 열사이클을 따른다.

단열부(140)의 길이가 피스톤(200)의 개구부(212) 길이보다 짧으면, 개구부(212)가 열방출부(300)와 열흡수부(400)를 동시에 접하므로 작동기체의 가열과 냉각이 동시에 일어나고, 단열 효과와 비슷한 효과를 가져온다. 이 경우의 열사이클은 도 14의 ① -> ② -> ②` -> ③ -> ④` -> ④ ->① 의 과정과 유사한 사이클이 완성된다(미도시).

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 열펌프(10)는 실린더(100)와 피스톤(200)으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등 작동기체를 밀봉하고, 외부의 선형 구동력을 통해 외부로부터 | W|의 일을 작동기체에 제공함으로써, 도 10 내지 15에서 도시된 바와 같이 열흡수부(400)로부터 Q2 및 Q3의 열에너지를 흡수하여 열방출부(300)에 Q1 및 Q4의 열에너지를 방출하는 과정을 통해 열흡수부(400)의 주변에 냉각효과를 발생시키게 된다.

이를 바탕으로 본 발명에 따른 열펌프(10)의 열효율은 아래의 수학식1과 같다.

수학식 1

수학식 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 열펌프(10)는 이상적인 열사이클 카르노 엔진과 스터링 엔진의 중간 형태에 거의 유사하므로 높은 열효율을 기대할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열펌프(10)는 기존의 콤프레서 등과 같은 복잡한 열순환 구조를 갖는 일반적인 냉각기와는 달리 특별한 냉매가 필요없이 기체의 압축 및 팽창만으로 냉각이 가능하므로 간단한 구조로 제작이 용이하다.

또한, 도면에는 도시된 바 없지만, 상술한 열펌프를 직렬로 대칭되는 구조로 채용하여 실린더의 양측 전단부에 각각 수용되는 작동기체를 외부의 선형 동력을 이용하여 압축 및 팽창시킴으로써, 피스톤의 직선 왕복 운동을 더욱 활발하게 하여 열펌프의 열효율을 향상시킬 수 있다.

도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열펌프(20)는 실린더(100), 피스톤(200), 열방출부(300), 열흡수부(400), 구동부(500) 및 복원수단(600) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 실린더(100)의 단열부(140), 피스톤(200)의 개구부(212) 및 열방출부(300)의 길이를 모두 동일하게 형성하는 구성과, 피스톤(200)의 후단부에 복원수단(700)을 더 구비하는 구성을 제외하고는 도 1 내지 9를 참조하여 설명한 일 실시예와 동일하다. 따라서, 상기 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따르면, 실린더(100)의 단열부(140), 피스톤(200)의 개구부(212) 및 열방출부(300)는 각각 그 길이가 동일하게 형성된다. 이 경우, 본 실시예에 따른 열펌프(20)는 도 14 내지 15에서 도시된 바와 같이 열흡수부(400)로부터 Q2 및 Q3의 열에너지를 흡수하여 열방출부(300)에 Q1 및 Q4의 열에너지를 방출하는 과정을 통해 열흡수부(400)의 주변에 냉각효과를 발생시킨다. 여기서, 열흡수부(400)의 길이는 단열부(140), 개구부(212) 및 열방출부(300)의 길이와 동일하거나 약간 크게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 피스톤(200)이 지속적인 직선 왕복 운동을 하기 위해서는 팽창된 작동기체를 다시 압축해주는 복원력이 필요하다. 복원수단(700)은 작동기체의 팽창 시 피스톤(200)에 복원력을 제공할 수 있도록 실린더(100)의 밀폐된 후단부와 피스톤(200)의 후단부 사이에 개재되는 코일 스프링, 판 스프링 또는 척력을 발생시키는 자석 등을 포함할 수 있다. 여기서, 복원수단(700)이 배치된 실린더(100)의 후단부는 피스톤(200)의 진동에 따라 밀폐된 가스를 압축 팽창시키는 가스스프링(gas spring) 역할을 하게 된다.

이와 같은 본 실시예에 따른 열펌프(20)는 앞선 실시예에 따른 열펌프(10)와 마찬가지로 도 14 또는 15와 같은 냉동 사이클을 갖도록 작동한다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열펌프를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 18은 도 17의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이고, 도 19는 본 발명의 또 다른 다른 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 사시도이며, 도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열펌프 중 피스톤의 단면도이다.

도 17 내지 20에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 열펌프(30)는 실린더(100), 피스톤(200), 열방출부(300), 열흡수부(400) 및 구동부(600) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

이하, 본 실시예를 도 17 내지 20을 참조하여 설명한다. 이 경우, 앞서 설명한 실시예(도 1 내지 9)와 동일한 구성에 대하여는 설명하지 아니하고, 각각의 구성에 대하여 특별한 설명이 없는 경우에는 앞선 실시예(도 1 내지 9)와 동일한 구성으로 간주하여 그 설명을 생략하고, 이하에서는 본 실시예에 따른 특징적인 구성을 중심으로 설명하도록 한다.

본 실시예에 따르면 피스톤(200)은 후단부(213)에 후술할 커넥팅로드(630)의 일단(631)과 힌지(631a)로 결합될 수 있다.

본 실시예에 따른 구동부(600)는 피스톤(200)이 작동기체의 압축 및 팽창을 유발하도록 피스톤(200)에 구동력을 제공하기 위한 구성요소이다. 즉, 피스톤은 구동부(600)로부터 구동력을 제공받아 피스톤을 실린더에 대해 직선 왕복 운동시킨다.

보다 상세히, 구동부(600)는 모터(610), 크랭크암(620) 및 커넥팅로드(630) 등을 포함할 수 있다.

모터(610)는 실린더(100)의 외부에 고정프레임(미도시)에 의해 고정되어 회전력을 발생시킨다. 모터(610)의 회전축(611)은 후술할 크랭크암(620)의 길이를 반지름으로 하는 원운동을 하면서 후술할 커넥팅로드(630)를 통해 직선운동으로 전환하여 커넥팅로드(630)에 연결된 피스톤(200)이 직선 왕복 운동 가능하도록 한다.

도면에는 도시된 바 없지만, 실린더(100)를 다수 개 구비하는 열펌프에서는 크랭크암(620)의 방향을 서로 다른 각도만큼 어긋나게 형성할 수 있다.

크랭크암(Crank arm)(620)은 모터(610)의 회전축(611)에 연결되며, 바람직하게는 회전축(611)에 대하여 수직방향으로 연결된다.

커넥팅로드(Connecting rod)(630)는 피스톤(200)이 직선 왕복 운동하도록 모터(610)의 회전에 따른 동력을 피스톤(200)에 전달하는 구성요소이다. 커넥팅로드(630)는 일단(631)이 피스톤(200)의 후단부(213)에 힌지(631a)로 결합되고, 타단(632)이 크랭크암(620)에 힌지(632a)로 결합된다.

커넥팅로드(630)는 압축 및 인장 하중을 받으므로 이에 견딜 수 있는 충분한 굵기여야 하고, 동력을 원활하게 전달하기 위해서는 충분한 길이로 형성되어야 한다. 커넥팅로드(630)의 길이는 보통 크랭크암(620) 길이의 3~4배로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구동부(600)는 피스톤(200)이 도 21 내지 24와 같이 실린더(100)에 대해 왕복 운동하도록 피스톤(200)에 구동력을 제공한다. 이러한 구동부(600)을 포함하는 본 실시예에 따른 열펌프(30)는 앞선 실시예에 따른 열펌프(10, 20)와 마찬가지로 도 14 또는 15와 같은 냉동 사이클을 갖도록 작동한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

내부에 작동기체가 수용되는 실린더;

상기 실린더의 전단부에 위치하며, 상기 작동기체의 압축 시 상기 작동기체에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 열방출부;

상기 실린더의 후단부에 위치하며, 상기 작동기체의 팽창 시 상기 작동기체가 외부로부터 열을 흡수하도록 형성된 열흡수부;

상기 실린더의 내부에 직선 왕복 운동 가능하게 수납되고, 상기 작동기체가 상기 열방출부 또는 상기 열흡수부에 직접 접하도록 개구부가 형성되며, 상기 작동기체의 압축 및 팽창을 유발하는 피스톤; 및

상기 피스톤이 상기 실린더에 대해 직선 왕복 운동하도록 상기 피스톤에 구동력을 제공하는 구동부를 포함하는 열펌프.
제1항에 있어서,

상기 구동부는 외부에서 제공되는 전기에너지를 상기 피스톤의 직선 왕복 운동을 위한 기계에너지로 전환하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제2항에 있어서,

상기 구동부는,

상기 피스톤의 외주면에 구비되는 마그넷; 및

상기 실린더의 외주면에 권선되며, 외부 전류를 인가할 때 상기 마그넷의 자력선의 변화에 따라 상기 피스톤이 직선 왕복 운동하도록 구동시키는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항에 있어서,

상기 구동부는,

회전력을 발생시키는 모터;

상기 모터의 회전축에 연결되는 크랭크암; 및

상기 피스톤과 상기 크랭크암을 연결하며, 상기 피스톤이 직선 왕복 운동하도록 상기 모터의 회전에 따른 동력을 상기 피스톤에 전달하는 커넥팅로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 실린더는 상기 열방출부와 상기 열흡수부 사이에 배치된 단열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 실린더는 전단부가 외부로 개방되도록 형성되고,

상기 열펌프는,

상기 실린더의 전단부를 밀폐하도록 상기 실린더의 전단부와 결합하는 실린더 헤드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제6항에 있어서,

상기 피스톤은 전단부에 중공부를 구비하고,

상기 실린더 헤드부는 상기 실린더의 전단부와 결합하는 헤드커버와, 상기 헤드커버에서 돌출되고 상기 실린더의 내측면과 소정의 간격으로 이격되어 상기 피스톤의 전단부가 삽입되는 가이드홈을 형성하는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열방출부 및 열흡수부는 상기 실린더의 외주면에 링형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열방출부에서 방출되는 열을 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제9항에 있어서,

상기 냉각부는,

상기 열방출부의 외경에 형성되는 냉각핀; 및

상기 냉각핀에 공기를 공급하여 냉각시키는 냉각팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제8항에 있어서,

상기 냉각부는,

상기 열방출부의 외경에 권선되는 냉각튜브; 및

상기 냉각튜브에 냉각수를 공급하는 냉각펌프를 포함하는 열펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열흡수부에 의해 냉각되는 외부의 공기를 순환시키는 냉각순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제12항에 있어서,

상기 냉각순환부는,

외부의 공기가 상기 열흡수부를 경유하도록 공기의 순환경로를 제공하는 순환경로챔버; 및

상기 순환경로챔버에 구비되며, 상기 공기를 강제 순환시키는 송풍팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피스톤의 직선 왕복 운동이 지속적으로 유지되도록 상기 피스톤에 복원력을 제공하는 복원수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열펌프.