WO2021033890A1 - Stirling refrigerator - Google Patents

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WO2021033890A1
WO2021033890A1 PCT/KR2020/007386 KR2020007386W WO2021033890A1 WO 2021033890 A1 WO2021033890 A1 WO 2021033890A1 KR 2020007386 W KR2020007386 W KR 2020007386W WO 2021033890 A1 WO2021033890 A1 WO 2021033890A1
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WO
WIPO (PCT)
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displacer
piston
stirling refrigerator
axial direction
compression piston
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/007386
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
오성광
박성혁
이태환
이호채
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00Constructional features
    • F02G2270/30Displacer assemblies
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Definitions

  • It relates to a Stirling refrigerator having an improved structure to improve durability.
  • the Stirling refrigerator may be composed of a compressor that drives a piston and an expander that generates refrigeration.
  • Compressors are divided into a crank drive method and a linear motor drive method according to the driving method, and the expander is composed of a cylinder and a displacer including a regenerator serving as a storage cooling.
  • the Stirling chiller is the reverse operation of the Stirling thermal chiller and is operated by helium gas and is one of the most basic cryogenic chillers. It has high thermodynamic efficiency, is relatively easy to manufacture, and is widely used from small to large capacity. As the cycle is repeated, the temperature of the cooling unit is lowered in the subsequent cycle compared to the previous cycle, and the lowest temperature of the refrigerator becomes the temperature at which the refrigeration load and the refrigeration capacity are balanced.
  • Stirling refrigerators There are various types of Stirling refrigerators that operate on this principle, but there are ⁇ -type, ⁇ -type, and ⁇ -types depending on the correlation between the cylinder and the piston.
  • the ⁇ -type is a two-piston type, which is the basic type, and the ⁇ -type is an ⁇ -type expansion piston. As a structure that has been replaced with a displacer, the displacer acts only to move the working gas.
  • the ⁇ -type is a structure in which a piston and a displacer are combined in the same cylinder,
  • the next driving mechanism is divided into mechanical type and free piston type.
  • the piston is driven by a crank mechanism, so it has high reliability and good control performance.
  • the free piston type drives the piston by using a linear actuator and forced vibration by the repulsive force of a spring and a working gas. It is compact and has low noise, but the price is high. It is used for recondensing helium or cooling insulation surfaces of vacuum pumps for semiconductor manufacturing, MRI, SMES, and superconducting generators.
  • ⁇ -type free piston Stirling chillers have a constant phase angle with the compression piston by the pressure change of the cylinder gas due to the linear reciprocating motion of the compression piston and the spring reaction force connected to the displacer rod end without the displacer being connected to the actuator. And linearly reciprocate at the same period Since the displacer rod is configured to pass through the compression piston, there is a structural limitation in that the length of the displacer rod becomes longer.
  • the distance between the displacer rod and the compression piston through hole is manufactured to a level of 10-30 ⁇ m to prevent leakage of the operating gas, if the alignment of the displacer rod and the compression piston through hole is slightly misaligned, wear may proceed between the displacer rod and the compression piston through hole. . Therefore, the coaxiality of the displacer piston, the displacer rod, the compression piston, the through hole and the cylinder may be required. Due to this, precision processing and assembly are required, resulting in an increase in manufacturing cost, and a large assembly time, which may reduce productivity.
  • the Stirling refrigerator includes a case; A cylinder disposed in the case; A compression piston provided to reciprocate in the axial direction inside the cylinder and including a through hole; A displacer piston disposed to be spaced apart from the compression piston in the axial direction; A displacer rod connected to the displacer piston and extending in the axial direction to pass through the compression piston;
  • a sealing guide extending in the axial direction from the displacer piston so as to be inserted into the through hole and surrounding a portion of the displacer rod.
  • the compression piston may include a hollow portion in the interior spaced by a first distance from the surface of the compression piston facing the displacer piston.
  • the length of the sealing guide may be configured to be equal to the sum of the first distance and the second distance.
  • a gap may be formed between the inner peripheral surface of the through hole and the outer peripheral surface of the sealing guide.
  • the ratio of the diameter of the sealing guide to the diameter of the displacer piston may be composed of 15%-40%.
  • the displacer rod may further include a compensation unit configured to compensate for misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
  • the Stirling refrigerator may include a displacer spring spaced apart from the compression piston in the axial direction and disposed opposite the displacer piston; A coupling portion in which the displacer rod is coupled to the displacer piston or the displacer spring; It further includes, wherein the coupling unit may further include a compensation unit configured to compensate for a misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
  • the compensation unit may include one or more ball joints configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  • the compensation unit may include one or more links configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  • the displacer rod may contain resin.
  • the displacer rod may be disposed at the center of a spring having a diameter larger than that of the displacer rod.
  • the displacer rod may include a wire.
  • the wire may be disposed at the center of a spring having a diameter larger than that of the wire.
  • the Stirling refrigerator includes: a cylinder; A displacer piston provided to reciprocate in the axial direction inside the cylinder; A compression piston disposed to be spaced apart from the displacer piston in the axial direction and including a through hole extending along the axial direction from a surface of the compression piston facing the displacer piston; A displacer spring spaced apart from the compression piston in the axial direction and disposed on the opposite side of the displacer piston; A displacer rod connected to the displacer piston and extending in the axial direction to pass through the compression piston; And a sealing guide extending in the axial direction from the displacer piston so as to be inserted into the through hole and surrounding a portion of the displacer rod.
  • the compression piston may include a hollow portion spaced apart from the surface of the compression piston facing the displacer piston, and the hollow portion may be disposed to contact the through hole.
  • the through hole extends along the axial direction from a surface of the compression piston facing the displacer piston, and the extension is a point at which the extension of the sealing guide ends when the displacer piston and the compression piston are spaced apart from each other at a maximum distance and the The through hole and the hollow portion may be formed to be in contact with each other so that the point at which the step is formed is the same.
  • the displacer rod may further include a compensation unit configured to compensate for misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
  • the ratio of the diameter of the sealing guide to the diameter of the displacer piston may be composed of 15%-40%.
  • the compensation unit may include one or more ball joints configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  • the compensation unit may include one or more links configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  • It is composed of a displacer rod and a sealing guide that partially surrounds it, so that lower bending stiffness can be secured.
  • displacer piston compression piston
  • displacer rod misalignment between cylinders or warp of displacer rod.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows an enlarged view of area A of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 13 shows a cross-sectional view of Fig. 12
  • FIG. 14 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows a cross-sectional view of FIG. 14.
  • first and second used herein may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms, and the terms are It is used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
  • a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
  • the term "and/or” includes a combination of a plurality of related stated items or any of a plurality of related stated items.
  • the side on which the displacer piston 310 is disposed is set as the front side based on the axial direction X of the Stirling refrigerator 1, and left and right sides and upper and lower sides are defined.
  • a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • a Stirling refrigeration freezer among Stirling refrigerators is disclosed.
  • the Stirling engine is composed of a stationary cycle of the Stirling refrigerator. It may also be applicable to Stirling engines that are not limited.
  • 1 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is an exploded perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
  • the Stirling refrigerator 1 includes a case 10, a displacer piston 310, a displacer rod 100, a compression piston 320, and a displacer piston 310 disposed therein.
  • the cylinder 210, the second cylinder 220 in which the compression piston 320 is disposed therein, the actuator 50 for performing linear reciprocation through electrical interaction with the compression piston 320, the compression piston 320, and It may be composed of a compression piston spring 601 connected and a displacer piston spring 602 connected to the displacer rod 100.
  • the first cylinder 210 and the second cylinder 220 may be arranged in separate configurations as shown in FIGS. 1 and 3, but, unlike this, they may be formed as one cylinder 200 as an integral configuration. There is also.
  • the Stirling refrigerator 1 includes a compression piston 320 that linearly reciprocates by an actuator 50 such as a linear motor, and a displacer piston that linearly reciprocates while maintaining a constant phase angle difference from the compression piston 320. 310) may be included. At this time, the phase angle may achieve 90°.
  • the compression piston 320 and the displacer piston 310 may complete the stirring cycle by flowing a working gas between the compression unit and the expansion unit.
  • the working gas may be composed of He, but can be applied to other working gas.
  • the displacer piston 310 and the compression piston 320 may reciprocate the inside of the cylinder 200.
  • the compression piston 320 and the displacer piston 310 may compress the working gas.
  • the heat generated at this time may be discharged to the outside through the high-temperature heat exchanger 30. That is, the temperature of the working gas in the compression unit may increase, so that the temperature of the compression unit may increase, and heat generated at this time may be discharged to the outside through the high temperature unit heat exchanger 30.
  • the displacer piston 310 moves, the working gas of the expansion unit may expand. At this time, heat may be absorbed from the outside through the low-temperature heat exchanger 20 to serve as a refrigerator.
  • the temperature of the working gas in the expansion unit decreases, so that the temperature of the expansion unit may decrease.
  • the temperature of the compression unit may be lowered through external heat dissipation of the high temperature unit heat exchanger 30, and the temperature of the expansion unit may be lowered through external heat absorption of the low temperature unit heat exchanger 20. Cooling power can be generated by repeating such compression and expansion.
  • the cylinder 200 may be configured to have a cylindrical space.
  • the cylinder 200 may be formed by coupling separate cylinders with each other, such as the first cylinder 210 and the second cylinder 220.
  • the first cylinder 210 and the second cylinder 220 may be integrally formed.
  • the displacer piston 310 may be disposed inside the first cylinder 210 and the compression piston 320 may be disposed inside the second cylinder 220.
  • the displacer piston 310 may be disposed to be spaced apart from the compression piston 320 in an axial direction to be described later.
  • the displacer piston 310 or the compression piston 320 in the first cylinder 210 and the second cylinder 220 may reciprocate in the axial direction X as shown in FIG. 3.
  • An expansion portion may be formed in front of the displacer piston 310, and a compression portion may be formed in a gap between the displacer piston 310 and the compression piston 320.
  • a regenerator 40 may be disposed between the expansion unit and the compression unit.
  • a working gas such as helium can be filled in the gap.
  • the compression piston 320 may be reciprocated in the axial direction (X) by an actuator 50 such as a linear motor.
  • the reciprocating motion due to such external drive may be performed in various ways if it is possible to drive the compression piston 320 in the axial direction X in addition to the linear motor.
  • the reciprocating motion of the compression piston 320 may generate a periodic pressure fluctuation of the charged working gas and simultaneously cause a reciprocating motion of the displacer piston 310 in the axial direction.
  • the displacer rod 100 extends in an axial direction to pass through the compression piston, and may include one side connected to the displacer piston and the other side connected to the displacer spring.
  • the displacer piston 310 may have the same reciprocation cycle as the compression piston 320, but may reciprocate in a different phase.
  • the charged working gas generates a cooling effect in the expansion portion.
  • the regenerator 40 may be configured by a matrix of fine wires or an annular gap wound around a coil.
  • the regenerator 40 receives and stores heat.
  • the working gas passes through the regenerator 40 from the expansion part and returns to the compression part, it is possible to generate a heat storage action of imparting stored heat to the working gas.
  • the displacer 90 may specifically include a displacer piston 310, a displacer rod 100, a sealing guide 700, and a displacer piston spring 602.
  • the displacer piston 310 may have a cylindrical shape corresponding to the shape of the first cylinder 210 as shown in FIGS. 1, 3 and 4.
  • the displacer piston 310 may be configured to include an empty space therein. Through this configuration, the cooling efficiency can be increased by minimizing the energy required for the reciprocating motion of the displacer piston 310. However, depending on the material and shape of the displacer piston 310, it may be provided in a configuration that does not include an empty space therein.
  • the displacer rod 100 may include one side connected to the displacer piston 310 and the other side connected to the displacer piston spring 602.
  • the displacer piston 310 and the displacer rod 100 are connected to one side of the displacer rod 100 through the displacer piston 310 as shown in FIG. 1 to form a bolt and nut structure. It can be connected through.
  • the displacer piston 310 and the displacer rod 100 may be integrally formed. Contrary to this, any structure capable of interconnecting the displacer piston 310 and the displacer rod 100 is applicable. It may be connected through a sealing guide 700 to be described later.
  • a method in which the displacer rod 100 and the displacer piston spring 602 are connected may be connected through a fastening member such as a screw as shown in FIG. 1.
  • a fastening member such as a screw as shown in FIG. 1.
  • any structure capable of interconnecting the displacer rod 100 and the displacer piston spring 602 is applicable.
  • the displacer rod 100 may pass through the compression piston 320 and be connected to the displacer piston spring 602. Specifically, the displacer rod 100 may be connected to the displacer piston spring 602 by sequentially passing through the through hole 400 and the hollow part 500 formed in the compression piston 320.
  • the sealing guide 700 may extend in the axial direction from the displacer piston 310 to be inserted into the through hole 400. In addition, it may be configured to surround a portion of the displacer rod 100. When the sealing guide 700 is inserted into the through hole 400, the distance between the outer circumferential surface of the sealing guide 700 and the through hole 400 may be 10-30 ⁇ m so that the working gas does not leak.
  • the compression piston 320 may be disposed inside the second cylinder 220 and may be configured in a cylindrical shape corresponding to the shape of the second cylinder 220.
  • the compression piston 320 may be disposed to be located inside the actuator 50. That is, the actuator 50 may be positioned to surround the outer peripheral surface of the second cylinder 220.
  • the compression piston 320 located inside the second cylinder 220 may be supported by the first support part 60 as shown in FIGS. 1 and 3.
  • the first support may be referred to as a moving magnet.
  • the second support 70 may be disposed to fix the actuator and the compression piston spring 601. As shown in Figs. 1 and 3, the second support unit may have two configurations, and otherwise, it may be formed integrally.
  • a configuration facing the compression piston spring 601 may be referred to as a spring bracket 70.
  • the rest of the configuration may be referred to as the actuator bracket 70. That is, the actuator bracket 70 may be disposed to fix the actuator 50, and the spring bracket 70 may be disposed to fix the compression piston spring 601.
  • the compression piston 320 has one side connected to the compression piston spring 601 so that when the compression piston 320 is moved in the axial direction by the actuator 50, the compression piston 320 receives a restoring force in the opposite direction, so that a reciprocating motion may be possible.
  • the compression piston 320 may be configured to include an empty space 900 in an area close to the outer circumferential surface C. Through this configuration, it is possible to increase the cooling efficiency by minimizing the energy required for the reciprocating motion of the compression piston 320. However, depending on the material and shape of the compression piston 320, it may be provided in a configuration that does not include the empty space 900 therein.
  • the compression piston 320 may include a through hole 400 formed with a predetermined length L1 along the compression piston 320 axial direction X, as shown in FIGS. 1 and 4.
  • the through hole 400 may be formed in a cylindrical shape corresponding to the shape of the displacer rod 100 or the shape of the sealing guide 700 to be described later.
  • the length of the cylindrical shape, that is, the predetermined length L1 formed along the axial direction X may be specifically formed as follows.
  • a gap G3 between the sealing guide 700 and the through hole 400 shown in FIG. 4 may be formed to be about 10 to 30 ⁇ m. That is, it may be configured to prevent leakage of the working gas by maintaining the very small gap G3.
  • the compression piston 320 is a hollow portion 500 formed along the axial direction from the point where the through hole 400 ends to the point where the compression piston 320 is connected to the compression piston spring as shown in FIGS. 1 and 4 It may include.
  • the diameter of the hollow part 500 may be configured to be larger than the diameter of the through hole 400. Accordingly, a step may be formed by contacting the point at which the extension of the sealing guide 700 toward the displacer spring 602 ends and the through hole 400 and the hollow part 500 contact each other. It is not limited to the shape of the hollow portion 500 shown in FIG. 1 and may be configured in various shapes. Cooling efficiency can be increased by minimizing energy required for the reciprocating motion of the compression piston 320 through the hollow part 500. In addition, it is possible to prevent leakage of the operating gas through the sealing guide 700 and increase cooling efficiency by reducing the contact area between the displacer rod 100 and the compression piston 320 penetrating therethrough.
  • each of the gaps can be formed to a level of 10-30 ⁇ m.
  • the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder can be configured such that the exact alignment, that is, coaxiality, is consistent.
  • the alignment or coaxiality may be slightly twisted and inconsistent depending on the self-weight or external conditions, the spring, and the degree of processing of the connection portion of the displacer rod 100 during the reciprocating motion of the displacer piston 310 or the compression piston 320. have. If the reciprocating motion is continued in this state, wear may progress between the configurations in which the three gaps G1, G2, and G3 are formed. That is, when the displacer rod 100, the displacer piston 310, and the compression piston 320 are subjected to a significant side force, wear may proceed between the configurations in which the three gaps G1, G2, and G3 are formed. . Such wear may lead to a decrease in the cooling efficiency of the Stirling cooler (1). Therefore, precision processing and assembly may be required to match the distortion and coaxiality. As a result, manufacturing cost may increase and assembly time may be required. This could lead to a decrease in the productivity of the Stirling refrigerator.
  • the bending stiffness of a rod configured in the form of a cantilever is inversely proportional to three squares of the length of the rod.
  • the displacer rod 100 may have a structure capable of compensating for the above-described misalignment or warpage of the rod. 1, 6, and 7, the displacer rod 100 according to an embodiment of the present invention is directly connected to the displacer piston 310, as described above, and its outer circumferential surface is a sealing guide 700 ) May be enclosed and provided in a structure facing the through hole 400.
  • a gap of a predetermined length exists between the displacer rod 100 and the sealing guide 700.
  • This gap may be specifically set to about 20-40 ⁇ m.
  • it may be configured in a state in which a gap does not exist.
  • the diameter ratio of the sealing guide 700 and the displacer piston 310 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the diameter D1 of the sealing guide 700 compared to the diameter D2 of the displacer piston 310 may be configured within a certain range.
  • 5 is a table showing performance evaluation results assuming a diameter D2 of the displacer piston 310 of the Stirling refrigerator 1 according to an embodiment of the present invention is 35 mm. 5, when the diameter (D1) of the sealing guide 700 is 7 mm, that is, the length of 20% compared to the diameter (D2) of the displacer piston 310, COP (heat absorption and consumed It can be confirmed that the ratio of the work volume of the compressor) constitutes the maximum efficiency as the maximum.
  • the diameter D1 of the sealing guide 700 has a length of 12 mm, that is, 34% of the diameter D2 of the displacer piston 310, it can be seen that the maximum cooling power is configured. Therefore, it may be desirable that the diameter (D1) of the sealing guide 700 compared to the diameter (D2) of the displacer piston 310 constitutes about 15%-40%.
  • a distance between the displacer piston 310 and the compression piston 320 being the farthest apart in the axial direction may be defined as a second distance L2.
  • the compression piston 320 includes a through hole 400 formed with a predetermined length, that is, a first distance L1 along the axial direction located at the center of the compression piston 320 as shown in FIGS. 1 and 5. I can.
  • the length L3 of the sealing guide 700 may be formed to be equal to the sum of the first distance L1 and the second distance L2.
  • the contact area between the sealing guide 700 and the through hole 400 can be reduced, thereby increasing refrigeration efficiency due to friction reduction.
  • leakage of the working gas into the gap between the sealing guide 700 and the through hole 400 can be effectively prevented.
  • the book 90 is shown.
  • the compensation unit is aligned between the sealing guide 700 and the displacer rod 100, as well as the displacer piston 310, the compression piston 320, the displacer rod 100, and the cylinder 200 according to an embodiment of the present invention. It may contribute to compensate for the distortion of the displacer or the warpage of the displacer rod 100.
  • the compensation unit 110 may be disposed on one side connected to the displacer piston 310 and the other side connected to the displacer piston spring 602.
  • FIGS. 8 to 9 show a perspective view of a displacer 90 to which a ball joint 111 is applied, which is another embodiment of the present invention.
  • 9 shows a cross-sectional view of a displacer 90 to which a ball joint 111, which is another embodiment of the present invention, is applied.
  • the ball joint 111 may be configured to be rotatable about an axis perpendicular to an axial direction.
  • the alignment may be finely distorted and the coaxiality may not coincide depending on the self-weight, external conditions, the degree of processing of the connection part of the spring, and the displacer rod 100.
  • the ball joint 111 rotates based on an axis perpendicular to the axial direction, so that alignment misalignment or coaxiality mismatch may reduce side force generated.
  • a plurality of ball joints 111 may be disposed on the displacer rod 100.
  • the ball joint 111 may be integrally formed with the displacer rod 100 as shown in FIG. 9. Also, unlike this, it may be manufactured in a separate configuration and fastened to the displacer rod 100 in the form of a screw. In addition, the ball joint 111 and the displacer rod 100 may be formed in a variety of structures that can be rigidly fastened.
  • FIGS. 10 to 11 the applied displacer 90 including the link 112, which is another embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 10 to 11.
  • the displacer piston spring 602 is omitted.
  • 10 is a perspective view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is configured with links 112, which is another embodiment of the present invention.
  • 11 is a cross-sectional view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is configured as a link 112 according to another embodiment of the present invention.
  • the link 112 may be configured to be rotatable about an axis perpendicular to an axial direction.
  • the alignment may be finely distorted and the coaxiality may not coincide depending on the self-weight, external conditions, the degree of processing of the connection part of the spring, and the displacer rod 100.
  • the link 112 rotates based on an axis perpendicular to the axial direction, thereby reducing a side force caused by misalignment or coaxiality mismatch.
  • a plurality of links 112 may be disposed on the displacer rod 100. When a plurality of links 112 are disposed, the rotation axis directions of each link may be different.
  • the link 112 may be integrally formed with the displacer rod 100 as shown in FIG. 11. Also, unlike this, it may be manufactured in a separate configuration and fastened to the displacer rod 100 in the form of a screw. In addition, the link 112 and the displacer rod 100 may be formed in a variety of structures that can be rigidly fastened.
  • FIGS. 12 to 13 a displacer 90 including a wire 113 and a spring 114 in which the compensation unit 110, which is another embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 12 to 13.
  • the displacer piston spring 602 is omitted.
  • 12 is a perspective view of a displacer 90 in which the compensating part 110 is composed of a wire 113 and a spring 114, which is another embodiment of the present invention.
  • 13 is a cross-sectional view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is composed of a wire 113 and a spring 114, which is another embodiment of the present invention.
  • Part or all of the displacer rod 100 wrapped by the sealing guide 700 may be formed of a wire 113.
  • the displacer rod 100 may be configured to have lower bending stiffness compared to the case of the embodiment disclosed in FIGS. 6 and 7. Therefore, it is possible to more easily reduce the side force generated due to misalignment or coaxiality mismatch.
  • the spring 114 may be disposed on the outer peripheral surface of the wire 113. During axial compression, the spring 114 can bear the load and reduce the possibility of buckling.
  • the spring 114 may be composed of a leaf spring or a coil spring. In addition, any spring that can support compression in the axial direction may be composed of various types of springs.
  • FIGS. 14 to 15 a displacer 90 in which the compensation unit 110 is made of a resin 115 according to another embodiment of the present invention will be described.
  • the displacer piston spring 602 is omitted.
  • 14 is a perspective view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is made of a resin 115 according to another embodiment of the present invention.
  • 14 is a cross-sectional view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is made of a resin 115 according to another embodiment of the present invention.
  • Part or all of the displacer rod 100 may be made of a resin having lower bending stiffness than metal.
  • the bending stiffness may be formed at a level of 2%. Therefore, it is possible to more easily reduce the side force generated due to misalignment or coaxiality mismatch.
  • the above-described spring 114 may be disposed on the outer peripheral surface of the displacer rod 100. During axial compression, the spring 114 can bear the load and reduce the possibility of buckling.

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Abstract

A Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention can ensure a lower bending stiffness by comprising a displacer rod and a sealing guide partially surrounding the displacer rod. Further, the Stirling refrigerator can minimize friction by ensuring a hollow portion in a compression piston and appropriately selecting the length of the sealing guide which comes in direct contact with a through-hole. The Stirling refrigerator may further comprise a compensation part configured to compensate for misalignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder or bending of the displacer rod. The compensation part may comprise a ball joint, a link, a wire, a resin, a spring, etc. The ensured low bending stiffness and the minimized friction can reduce the precision and manufacturing time required for axial alignment in the manufacturing process. In addition, the refrigeration efficiency of the Stirling refrigerator can also be increased.

Description

스터링 냉동기Stirling freezer
내구성이 향상되도록 개선된 구조를 가지는 스터링 냉동기에 관한 것이다.It relates to a Stirling refrigerator having an improved structure to improve durability.
스터링 냉동기는 피스톤을 구동하는 압축기와 냉동을 발생하는 팽창기로 구성될 수 있다. 압축기는 구동 방식에 따라 크랭크 구동 방식, 선형 모터(linear motor) 구동 방식으로 나누어지며, 팽창기는 축냉 역할을 하는 재생기를 포함한 왕복기(displacer)와 실린더로 구성되어 있다. The Stirling refrigerator may be composed of a compressor that drives a piston and an expander that generates refrigeration. Compressors are divided into a crank drive method and a linear motor drive method according to the driving method, and the expander is composed of a cylinder and a displacer including a regenerator serving as a storage cooling.
스터링 냉동기는 스터링 열냉동기를 역으로 작동시킨 것으로 헬륨 가스로 작동되며 가장 기본적인 극저온 냉동기 중의 하나이다. 열역학적 효율이 높고 제작이 비교적 용이하며 소용량에서 대용량에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 사이클이 반복됨에 따라 후속 사이클은 선행 사이클에 비하여 냉각부의 온도가 더 낮아지고, 냉동기의 최저 온도는 냉동 부하와 냉동 용량이 균형을 이루는 상태에서의 온도가 된다. 이와 같은 원리로 작동하는 스터링 냉동기에는 다양한 종류가 있으나, 실린더와 피스톤의 상관관계에 따라 α형, β형, γ형이 있는데 α형은 2 피스톤 형으로 기본형이고, γ형은 α형의 팽창 피스톤을 디스플레이서(displacer)로 바꿔놓은 구조로서, 디스플레이서는 작동가스를 이동시키는 작용만 한다. β형은 동일 실린더 내에 피스톤과 디스플레이서를 함께 조합시킨 구조로서 콤팩트한 냉동기 구조로 된다. The Stirling chiller is the reverse operation of the Stirling thermal chiller and is operated by helium gas and is one of the most basic cryogenic chillers. It has high thermodynamic efficiency, is relatively easy to manufacture, and is widely used from small to large capacity. As the cycle is repeated, the temperature of the cooling unit is lowered in the subsequent cycle compared to the previous cycle, and the lowest temperature of the refrigerator becomes the temperature at which the refrigeration load and the refrigeration capacity are balanced. There are various types of Stirling refrigerators that operate on this principle, but there are α-type, β-type, and γ-types depending on the correlation between the cylinder and the piston. The α-type is a two-piston type, which is the basic type, and the γ-type is an α-type expansion piston. As a structure that has been replaced with a displacer, the displacer acts only to move the working gas. The β-type is a structure in which a piston and a displacer are combined in the same cylinder, and has a compact refrigerator structure.
다음 구동 기구에는 기계식과 프리 피스톤식(free piston type)으로 대별 되는데, 기계식은 크랭크 기구에 의해 피스톤을 구동하므로 신뢰성이 높고 제어 성능이 좋다. 그리고 프리 피스톤식은 리니어 액추에이터(linear actuator)와 스프링 및 작동 가스의 반발력에 의한 강제 진동을 이용하여 피스톤을 구동하는 방식으로, 콤팩트하고 소음이 적으나, 가격이 고가이다. 반도체 제조용 진공 펌프, MRI, SMES, 초전도 발전기 등의 헬륨 재응축 또는 단열면 냉각 등에 사용된다. The next driving mechanism is divided into mechanical type and free piston type. In the mechanical type, the piston is driven by a crank mechanism, so it has high reliability and good control performance. In addition, the free piston type drives the piston by using a linear actuator and forced vibration by the repulsive force of a spring and a working gas. It is compact and has low noise, but the price is high. It is used for recondensing helium or cooling insulation surfaces of vacuum pumps for semiconductor manufacturing, MRI, SMES, and superconducting generators.
상기의 스터링 냉동기 중 β방식 자유 피스톤 스터링 냉동기는 디스플레이서가 액추에이터와 연결되지 않고 압축피스톤의 직선왕복운동에 의한 실린더 기체의 압력변화와 디스플레이서 로드 끝단에 연결된 스프링 반력에 의해 압축 피스톤과 일정한 위상각을 가지며 동일한 주기로 직선 왕복운동한다. 디스플레이서 로드가 압축 피스톤을 관통해서 구성되어 있기 때문에 디스플레이서 로드의 길이가 길어지는 구조적 한계가 있다. 또한 디스플레이서 로드와 압축 피스톤 관통 홀 사이의 간격은 작동기체누설을 막기 위하여 10-30㎛ 수준으로 제작되기에, 디스플레이서 로드와 압축 피스톤 관통 홀의 정렬이 미소하게 틀어지면 양자간에 마모가 진행될 수 있다. 따라서 디스플레이서 피스톤, 디스플레이서 로드, 압축 피스톤, 관통 홀과 실린더의 동축도간의 일치가 요구될 수 있다. 이로 인하여 정밀 가공 및 조립이 필요하여 제작 단가가 상승하고, 조립 시간이 많이 소요되어 생산성이 저하될 수 있다.Among the above Stirling chillers, β-type free piston Stirling chillers have a constant phase angle with the compression piston by the pressure change of the cylinder gas due to the linear reciprocating motion of the compression piston and the spring reaction force connected to the displacer rod end without the displacer being connected to the actuator. And linearly reciprocate at the same period Since the displacer rod is configured to pass through the compression piston, there is a structural limitation in that the length of the displacer rod becomes longer. In addition, since the distance between the displacer rod and the compression piston through hole is manufactured to a level of 10-30㎛ to prevent leakage of the operating gas, if the alignment of the displacer rod and the compression piston through hole is slightly misaligned, wear may proceed between the displacer rod and the compression piston through hole. . Therefore, the coaxiality of the displacer piston, the displacer rod, the compression piston, the through hole and the cylinder may be required. Due to this, precision processing and assembly are required, resulting in an increase in manufacturing cost, and a large assembly time, which may reduce productivity.
내구성을 향상시킨 스터링 냉동기를 제공한다.Provides a Stirling refrigerator with improved durability.
구성요소간의 마찰을 최소화 하여 냉동효율을 증대시킨 스터링 냉동기를 제공한다.Provides a Stirling chiller with increased refrigeration efficiency by minimizing friction between components.
축 정렬에 소요되는 제조공정의 정밀성을 위한 인력과 제조시간을 줄일 수 있는 스터링 냉동기를 제공한다.It provides a Stirling chiller that can reduce manpower and manufacturing time for precision of the manufacturing process required for shaft alignment.
본 발명의 사상에 따른 스터링 냉동기는 케이스; 상기 케이스 내에 배치된 실린더; 상기 실린더의 내부에 축 방향으로 왕복 운동하도록 마련되고, 관통홀을 포함하는 압축 피스톤; 상기 축 방향으로 상기 압축 피스톤으로부터 이격되어 배치되는 디스플레이서 피스톤; 상기 디스플레이서 피스톤에 연결되고 상기 압축 피스톤을 관통하도록 상기 축 방향으로 연장되는 디스플레이서 로드;The Stirling refrigerator according to the spirit of the present invention includes a case; A cylinder disposed in the case; A compression piston provided to reciprocate in the axial direction inside the cylinder and including a through hole; A displacer piston disposed to be spaced apart from the compression piston in the axial direction; A displacer rod connected to the displacer piston and extending in the axial direction to pass through the compression piston;
상기 관통홀에 삽입되도록 상기 디스플레이서 피스톤으로부터 상기 축 방향으로 연장되고, 상기 디스플레이서 로드의 일부분을 감싸는 실링가이드;를 포함할 수 있다. And a sealing guide extending in the axial direction from the displacer piston so as to be inserted into the through hole and surrounding a portion of the displacer rod.
상기 관통홀의 상기 압축 피스톤 내에 형성된 길이를 제1거리라고 정의할 때, 상기 압축 피스톤은 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 제1거리만큼 떨어진 내부에 중공부를 포함할 수 있다. When the length of the through hole formed in the compression piston is defined as the first distance, the compression piston may include a hollow portion in the interior spaced by a first distance from the surface of the compression piston facing the displacer piston.
상기 디스플레이서 피스톤과 상기 압축 피스톤이 축 방향으로 가장 이격된 거리를 제2거리라고 정의할 때, 상기 실링가이드의 길이는 상기 제1거리와 상기 제2거리를 합한 길이와 같도록 구성될 수 있다. When the distance between the displacer piston and the compression piston is defined as the second distance, the length of the sealing guide may be configured to be equal to the sum of the first distance and the second distance. .
상기 관통홀의 내주면과 상기 실링가이드의 외주면 사이에는 간극이 형성될 수 있다. A gap may be formed between the inner peripheral surface of the through hole and the outer peripheral surface of the sealing guide.
상기 디스플레이서 피스톤의 직경대비 상기 실링가이드의 직경의 비율은 15% - 40%로 구성될 수 있다.The ratio of the diameter of the sealing guide to the diameter of the displacer piston may be composed of 15%-40%.
상기 디스플레이서 로드는, 상기 디스플레이서 피스톤, 상기 압축 피스톤, 상기 디스플레이서 로드, 상기 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 상기 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보상하도록 구성되는 보상부를 더 포함할 수 있다. The displacer rod may further include a compensation unit configured to compensate for misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
상기 스터링 냉동기는, 상기 축 방향으로 상기 압축 피스톤으로부터 이격되어 상기 디스플레이서 피스톤의 반대편에 배치되는 디스플레이서 스프링; 상기 디스플레이서 로드가 상기 디스플레이서 피스톤 또는 상기 디스플레이서 스프링과 결합되는 결합부; 를 더 포함하고, 상기 결합부는, 상기 디스플레이서 피스톤, 상기 압축 피스톤, 상기 디스플레이서 로드, 상기 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 상기 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보상하도록 구성되는 보상부를 더 포함할 수 있다.The Stirling refrigerator may include a displacer spring spaced apart from the compression piston in the axial direction and disposed opposite the displacer piston; A coupling portion in which the displacer rod is coupled to the displacer piston or the displacer spring; It further includes, wherein the coupling unit may further include a compensation unit configured to compensate for a misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 이상의 볼조인트를 포함할 수 있다. The compensation unit may include one or more ball joints configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 또는 복수의 링크를 포함할 수 있다.The compensation unit may include one or more links configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
상기 디스플레이서 로드는 수지를 포함할 수 있다.The displacer rod may contain resin.
상기 디스플레이서 로드의 직경보다 큰 직경의 스프링의 중심에 상기 디스플레이서 로드가 배치될 수 있다. The displacer rod may be disposed at the center of a spring having a diameter larger than that of the displacer rod.
상기 디스플레이서 로드는 와이어를 포함할 수 있다. The displacer rod may include a wire.
상기 와이어의 직경보다 큰 직경의 스프링의 중심에 상기 와이어가 배치될 수 있다. The wire may be disposed at the center of a spring having a diameter larger than that of the wire.
본 발명의 사상에 따른 스터링 냉동기는, 실린더; 상기 실린더의 내부에서 축 방향으로 왕복 운동하도록 마련되는 디스플레이서 피스톤; 상기 축 방향으로 상기 디스플레이서 피스톤과 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 상기 축 방향을 따라 연장된 관통홀을 포함하는 압축 피스톤; 상기 축 방향으로 상기 압축 피스톤으로부터 이격되어 상기 디스플레이서 피스톤의 반대편에 배치되는 배치되는 디스플레이서 스프링; 상기 디스플레이서 피스톤에 연결되고 상기 압축 피스톤을 관통하도록 상기 축 방향으로 연장되는 디스플레이서 로드; 상기 관통홀에 삽입되도록 상기 디스플레이서 피스톤으로부터 상기 축 방향으로 연장되고, 상기 디스플레이서 로드의 일부분을 감싸는 실링가이드;를 포함할 수 있다. The Stirling refrigerator according to the spirit of the present invention includes: a cylinder; A displacer piston provided to reciprocate in the axial direction inside the cylinder; A compression piston disposed to be spaced apart from the displacer piston in the axial direction and including a through hole extending along the axial direction from a surface of the compression piston facing the displacer piston; A displacer spring spaced apart from the compression piston in the axial direction and disposed on the opposite side of the displacer piston; A displacer rod connected to the displacer piston and extending in the axial direction to pass through the compression piston; And a sealing guide extending in the axial direction from the displacer piston so as to be inserted into the through hole and surrounding a portion of the displacer rod.
상기 압축 피스톤은 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 이격된 내부에 중공부를 포함하고, 상기 중공부는 상기 관통홀과 접하도록 배치될 수 있다. 상기 관통홀은, 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 상기 축 방향을 따라 연장되며, 상기 연장은 디스플레이서 피스톤과 압축 피스톤이 최대 이격되었을 때 실링가이드의 상기 연장이 종료되는 지점과 상기 관통홀과 상기 중공부가 접하여 단차가 형성되는 지점이 같아지도록 형성될 수 있다.The compression piston may include a hollow portion spaced apart from the surface of the compression piston facing the displacer piston, and the hollow portion may be disposed to contact the through hole. The through hole extends along the axial direction from a surface of the compression piston facing the displacer piston, and the extension is a point at which the extension of the sealing guide ends when the displacer piston and the compression piston are spaced apart from each other at a maximum distance and the The through hole and the hollow portion may be formed to be in contact with each other so that the point at which the step is formed is the same.
상기 디스플레이서 로드는, 상기 디스플레이서 피스톤, 상기 압축 피스톤, 상기 디스플레이서 로드, 상기 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 상기 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보상하도록 구성되는 보상부를 더 포함할 수 있다. The displacer rod may further include a compensation unit configured to compensate for misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
상기 디스플레이서 피스톤의 직경대비 상기 실링가이드의 직경의 비율은 15% - 40%로 구성될 수 있다. The ratio of the diameter of the sealing guide to the diameter of the displacer piston may be composed of 15%-40%.
상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 이상의 볼조인트를 포함할 수 있다.The compensation unit may include one or more ball joints configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 이상의 링크를 포함할 수 있다.The compensation unit may include one or more links configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
디스플레이서 로드 및 이를 일부 감싸는 실링가이드로 구성되어 더욱 낮은 굽힘강성을 확보할 수 있다.It is composed of a displacer rod and a sealing guide that partially surrounds it, so that lower bending stiffness can be secured.
압축 피스톤 내의 중공부를 확보하고, 관통홀과 직접 접촉하는 실링가이드의 적절한 길이 선정을 통하여 마찰을 최소화 할 수 있다. It is possible to minimize friction by securing a hollow part in the compression piston and selecting an appropriate length of the sealing guide that directly contacts the through hole.
디스플레이서 피스톤, 압축 피스톤, 디스플레이서 로드, 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보정할 수 있다.It is possible to correct displacer piston, compression piston, displacer rod, misalignment between cylinders or warp of displacer rod.
낮은 굽힘강성 확보하여 스터링 냉동기의 구성요소 간의 마찰을 최소화할 수 있다. 그 결과 스터링 냉동기의 냉동효율을 증대시킬 수 있다. By securing low bending stiffness, friction between the components of the Stirling refrigerator can be minimized. As a result, it is possible to increase the refrigeration efficiency of the Stirling refrigerator.
또한 디스플레이서 로드의 낮아진 굽힘강성으로 인하여 스터링 냉동기의 구성요소간에 발생될 수 있는 축 정렬 오차를 보상가능 할 수 있다. 그 결과 축 정렬에 소요되는 제조공정의 정밀성을 위한 인력과 제조시간을 줄일 수 있다.In addition, due to the lowered bending stiffness of the displacer rod, it may be possible to compensate for axial alignment errors that may occur between components of the Stirling refrigerator. As a result, it is possible to reduce manpower and manufacturing time for the precision of the manufacturing process required for axis alignment.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 단면도를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 사시도를 나타낸다.2 is a perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 분해 사시도를 나타낸다.3 is an exploded perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도1의 A영역 확대도를 나타낸다.4 shows an enlarged view of area A of FIG. 1.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스터링 냉동기의 디스플레이서 피스톤의 직경이 35mm일 경우를 가정한 성능평가 결과를 나타낸다.5 shows the results of performance evaluation assuming that the diameter of the displacer piston of the Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention is 35 mm.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 디스플레이서의 사시도를 나타낸다. 6 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
도 7은 도 6의 단면도를 나타낸다.7 shows a cross-sectional view of FIG. 6.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 기한 스터링 냉동기의 디스플레이서의 사시도를 나타낸다. 8 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
도 9는 도8의 단면도를 나타낸다.9 shows a cross-sectional view of FIG. 8.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 기한 스터링 냉동기의 디스플레이서의 사시도를 나타낸다.10 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
도 11은 도 10의 단면도를 나타낸다. 11 shows a cross-sectional view of FIG. 10.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 기한 스터링 냉동기의 디스플레이서의 사시도를 나타낸다. 12 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
도13은 도12의 단면도를 나타낸다. Fig. 13 shows a cross-sectional view of Fig. 12;
도14는 본 발명의 또 다른 또 다른 실시예에 기한 스터링 냉동기의 디스플레이서의 사시도를 나타낸다. 14 is a perspective view of a displacer of a Stirling refrigerator according to another embodiment of the present invention.
도 15는 도 14의 단면도를 나타낸다.15 shows a cross-sectional view of FIG. 14.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.The embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only preferred examples of the disclosed invention, and there may be various modifications that may replace the embodiments and drawings of the present specification at the time of filing of the present application.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.In addition, the same reference numerals or reference numerals shown in each drawing of the present specification indicate parts or components that substantially perform the same function.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.In addition, terms used in the present specification are used to describe the embodiments, and are not intended to limit and/or limit the disclosed invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It does not preclude the presence or addition of elements, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.In addition, terms including ordinal numbers such as "first" and "second" used herein may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms, and the terms are It is used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element. The term "and/or" includes a combination of a plurality of related stated items or any of a plurality of related stated items.
한편, 하기의 설명에서 사용된 용어 "상하 방향", "하측" 및 "전후 방향" 등은 도면을 기준으로 정의한 것이며, 이 용어에 의하여 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.Meanwhile, the terms "up-down direction", "lower side", and "front-back direction" used in the following description are defined based on the drawings, and the shape and position of each component are not limited by this term.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 스터링 냉동기(1)의 축 방향(X)을 기준으로, 디스플레이서 피스톤(310)이 배치되는 측을 전방으로 하여, 좌우측 및 상하측을 정의하도록 한다.Specifically, as shown in FIG. 3, the side on which the displacer piston 310 is disposed is set as the front side based on the axial direction X of the Stirling refrigerator 1, and left and right sides and upper and lower sides are defined.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1내지 도3에 기하여 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기에 관하여 설명한다. 본 발명에 기한 일 실시예에서는 스터링 냉동기 중 스터링 냉동냉동기에 관하여 개시되어 있다, 다만 후술하는 바와 같이 스터링 엔진은 스터링 냉동기의 역사이클로 구성되어 있으므로 본 발명의 일 실시예에 기한 기술적 특징은 스터링 냉동기에 국한된 것이 아닌 스터링 엔진에도 적용 가능할 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 단면도를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 사시도를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 기한 스터링 냉동기의 분해 사시도를 나타낸다.A Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In one embodiment of the present invention, a Stirling refrigeration freezer among Stirling refrigerators is disclosed. However, as will be described later, the Stirling engine is composed of a stationary cycle of the Stirling refrigerator. It may also be applicable to Stirling engines that are not limited. 1 is a cross-sectional view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention. 2 is a perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention. 3 is an exploded perspective view of a Stirling refrigerator according to an embodiment of the present invention.
도 1에 개시된 바와 같이 스터링 냉동기(1)는 케이스(10), 디스플레이서 피스톤(310), 디스플레이서 로드(100), 압축 피스톤(320), 디스플레이서 피스톤(310)이 내부에 배치되는 제1실린더(210), 압축 피스톤(320)이 내부에 배치되는 제2실린더(220), 압축 피스톤(320)와 전기적 상호작용을 통하여 직선 왕복운동을 하게 하는 액추에이터(50), 압축 피스톤(320)과 연결되는 압축 피스톤 스프링(601), 디스플레이서 로드(100)과 연결되는 디스플레이서 피스톤 스프링(602)로 구성될 수 있다. 제1실린더(210) 및 제2실린더(220)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 별개의 구성으로 배치될 수 도 있으나, 이와는 달리 일체의 구성으로서 하나의 실린더(200)로 형성될 수 도 있다. As disclosed in FIG. 1, the Stirling refrigerator 1 includes a case 10, a displacer piston 310, a displacer rod 100, a compression piston 320, and a displacer piston 310 disposed therein. The cylinder 210, the second cylinder 220 in which the compression piston 320 is disposed therein, the actuator 50 for performing linear reciprocation through electrical interaction with the compression piston 320, the compression piston 320, and It may be composed of a compression piston spring 601 connected and a displacer piston spring 602 connected to the displacer rod 100. The first cylinder 210 and the second cylinder 220 may be arranged in separate configurations as shown in FIGS. 1 and 3, but, unlike this, they may be formed as one cylinder 200 as an integral configuration. There is also.
상기 스터링 냉동기(1)는 리니어 모터 등의 액추에이터(50)에 의해 직선 왕복운동하는 압축 피스톤(320)과, 이러한 압축 피스톤(320)과 일정한 위상각 차이를 유지하며 직선 왕복운동하는 디스플레이서 피스톤(310)을 포함할 수 있다. 이때 위상각은 90°를 이룰 수 있다. The Stirling refrigerator 1 includes a compression piston 320 that linearly reciprocates by an actuator 50 such as a linear motor, and a displacer piston that linearly reciprocates while maintaining a constant phase angle difference from the compression piston 320. 310) may be included. At this time, the phase angle may achieve 90°.
상기 압축 피스톤(320)과 디스플레이서 피스톤(310)은 압축부와 팽창부 사이에서 작동 기체를 유동시켜 스터링 사이클을 완성할 수 있다. 이때 작동 기체는 He로 구성될 수 있으나, 이와 다른 작동기체에도 적용할 수 있다. The compression piston 320 and the displacer piston 310 may complete the stirring cycle by flowing a working gas between the compression unit and the expansion unit. At this time, the working gas may be composed of He, but can be applied to other working gas.
구체적으로는 디스플레이서 피스톤(310)과 압축 피스톤(320)이 실린더(200) 내부를 왕복 운동할 수 있다. 압축부에서 압축 피스톤(320)과 디스플레이서 피스톤(310)이 작동 기체를 압축할 수 있다. 이때 발생한 열을 고온부 열교환기(30)을 통하여 외부로 방출할 수 있다. 즉 압축부에서 작동 기체의 온도가 상승하여 압축부의 온도가 올라갈 수 있으며, 이때 발생한 열을 고온부 열교환기(30)을 통하여 외부로 방출할 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)이 이동하여 팽창부의 작동 기체가 팽창할 수 있다. 이때 저온부 열교환기(20)를 통하여 외부로부터 열을 흡수하여 냉동기의 역할을 수행할 수 있다. 즉 팽창부에서 작동 기체의 온도가 하강하여 팽창부 온도가 내려갈 수 있다. 정리하면 압축부 온도를 고온부 열교환기(30)의 외부 방열을 통하여 낮추고, 팽창부 온도를 저온부 열교환기(20)의 외부 흡열을 통하여 낮출 수 있다. 이와 같은 압축과 팽창을 반복하여 냉력을 발생시킬 수 있다. Specifically, the displacer piston 310 and the compression piston 320 may reciprocate the inside of the cylinder 200. In the compression unit, the compression piston 320 and the displacer piston 310 may compress the working gas. The heat generated at this time may be discharged to the outside through the high-temperature heat exchanger 30. That is, the temperature of the working gas in the compression unit may increase, so that the temperature of the compression unit may increase, and heat generated at this time may be discharged to the outside through the high temperature unit heat exchanger 30. As the displacer piston 310 moves, the working gas of the expansion unit may expand. At this time, heat may be absorbed from the outside through the low-temperature heat exchanger 20 to serve as a refrigerator. That is, the temperature of the working gas in the expansion unit decreases, so that the temperature of the expansion unit may decrease. In summary, the temperature of the compression unit may be lowered through external heat dissipation of the high temperature unit heat exchanger 30, and the temperature of the expansion unit may be lowered through external heat absorption of the low temperature unit heat exchanger 20. Cooling power can be generated by repeating such compression and expansion.
도3에 도시된 것과 같이 실린더(200)는 원통형의 공간을 갖도록 구성될 수 있다. 실린더(200)는 제1실린더(210) 및 제2실린더(220)와 같이 별개의 실린더가 서로 결합하여 형성될 수 있다. 또는 이와 달리 제1실린더(210)와 제2실린더(220)가 일체로써 형성 될 수 있다. 제1실린더(210)의 내부에는 디스플레이서 피스톤(310)이, 제2실린더(220)의 내부에는 압축 피스톤(320)이 배치되도록 할 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)은 후술하는 축 방향으로 압축 피스톤(320)으로부터 이격되어 배치 될 수 있다. As shown in Figure 3, the cylinder 200 may be configured to have a cylindrical space. The cylinder 200 may be formed by coupling separate cylinders with each other, such as the first cylinder 210 and the second cylinder 220. Alternatively, unlike this, the first cylinder 210 and the second cylinder 220 may be integrally formed. The displacer piston 310 may be disposed inside the first cylinder 210 and the compression piston 320 may be disposed inside the second cylinder 220. The displacer piston 310 may be disposed to be spaced apart from the compression piston 320 in an axial direction to be described later.
상기 제1실린더(210) 및 제2실린더(220)내의 디스플레이서 피스톤(310) 또는 압축 피스톤(320)은 도 3에 도시된 것과 같이 축 방향(X)으로 왕복 운동할 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)의 전방에는 팽창부가 형성될 수 있으며, 디스플레이서 피스톤(310) 및 압축 피스톤(320)사이의 간극에는 압축부가 형성될 수 있다. 팽창부와 압축부 사이에는 재생기(40)가 배치될 수 있다. 간극에는 헬륨 등의 작동 기체를 충전할 수 있다. 이후 압축 피스톤(320)을 리니어 모터와 같은 액추에이터(50)에 의하여 축 방향(X) 왕복 운동 시킬 수 있다. 이러한 외부 구동에 기한 왕복운동은 리니어 모터 외에도 압축 피스톤(320)을 축 방향(X)으로 구동시킬 수 있다면, 다양한 방식으로 이루어 질 수 있다. 압축 피스톤(320)의 왕복운동은 충전된 작동 기체의 주기적 압력 변동을 발생시킴과 동시에 디스플레이서 피스톤(310)의 축 방향으로의 왕복운동을 발생시킬 수 있다. The displacer piston 310 or the compression piston 320 in the first cylinder 210 and the second cylinder 220 may reciprocate in the axial direction X as shown in FIG. 3. An expansion portion may be formed in front of the displacer piston 310, and a compression portion may be formed in a gap between the displacer piston 310 and the compression piston 320. A regenerator 40 may be disposed between the expansion unit and the compression unit. A working gas such as helium can be filled in the gap. Thereafter, the compression piston 320 may be reciprocated in the axial direction (X) by an actuator 50 such as a linear motor. The reciprocating motion due to such external drive may be performed in various ways if it is possible to drive the compression piston 320 in the axial direction X in addition to the linear motor. The reciprocating motion of the compression piston 320 may generate a periodic pressure fluctuation of the charged working gas and simultaneously cause a reciprocating motion of the displacer piston 310 in the axial direction.
도 1을 참고할 때, 후술하는 바와 같이 디스플레이서 로드(100)는 압축 피스톤을 관통하도록 축 방향으로 연장되고, 디스플레이서 피스톤에 연결되는 일측과 디스플레이서 스프링에 연결되는 타측을 포함할 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)은 압축 피스톤(320)과 왕복 주기가 동일 할 수 있으나, 다른 위상으로 왕복 운동을 할 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)과 압축 피스톤(320)이 적절한 위상차를 유지하며 운동할 때, 충전된 작동 기체는 팽창부에 냉각효과를 발생시킨다. Referring to FIG. 1, as will be described later, the displacer rod 100 extends in an axial direction to pass through the compression piston, and may include one side connected to the displacer piston and the other side connected to the displacer spring. The displacer piston 310 may have the same reciprocation cycle as the compression piston 320, but may reciprocate in a different phase. When the displacer piston 310 and the compression piston 320 move while maintaining an appropriate phase difference, the charged working gas generates a cooling effect in the expansion portion.
상기 재생기(40)는 가는 철사의 매트릭스나 코일을 권취한 환형의 간극에 의하여 구성될 수 있다. 작동 기체가 압축부에서 재생기(40)를 통과하여 팽창부로 이동할 때 재생기(40)는 열을 수취하여 비축한다. 작동 기체가 팽창부로부터 재생기(40)를 통과하여 압축부로 되돌아갈 때에 비축된 열을 작동 기체에 부여하는 축열 작용을 발생시킬 수 있다. The regenerator 40 may be configured by a matrix of fine wires or an annular gap wound around a coil. When the working gas passes through the regenerator 40 from the compression section and moves to the expansion section, the regenerator 40 receives and stores heat. When the working gas passes through the regenerator 40 from the expansion part and returns to the compression part, it is possible to generate a heat storage action of imparting stored heat to the working gas.
다음으로 도 1내지 도3에 기하여 디스플레이서(90)의 구조에 관하여 구체적으로 설명한다. Next, the structure of the displacer 90 will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
상기 디스플레이서(90)는 구체적으로 디스플레이서 피스톤(310)과 디스플레이서 로드(100) 및 실링가이드(700), 디스플레이서 피스톤 스프링(602)을 포함할 수 있다. The displacer 90 may specifically include a displacer piston 310, a displacer rod 100, a sealing guide 700, and a displacer piston spring 602.
상기 디스플레이서 피스톤(310)은 도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 제1실린더(210)의 형상에 대응하여 원통형으로 구성될 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)은 내부에 빈 공간을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성을 통하여 디스플레이서 피스톤(310)의 왕복운동에 필요한 에너지를 최소화 함으로써 냉각효율을 증대시킬 수 있다. 다만 디스플레이서 피스톤(310)의 재질과 형상에 따라서 내부에 빈 공간을 포함하지 않는 구성으로 마련될 수도 있다. The displacer piston 310 may have a cylindrical shape corresponding to the shape of the first cylinder 210 as shown in FIGS. 1, 3 and 4. The displacer piston 310 may be configured to include an empty space therein. Through this configuration, the cooling efficiency can be increased by minimizing the energy required for the reciprocating motion of the displacer piston 310. However, depending on the material and shape of the displacer piston 310, it may be provided in a configuration that does not include an empty space therein.
상기 디스플레이서 로드(100)는 도 1에 도시된 것과 같이 디스플레이서 피스톤(310)에 연결되는 일측과 디스플레이서 피스톤 스프링(602)에 연결되는 타측을 포함할 수 있다. 구체적으로 디스플레이서 피스톤(310)과 디스플레이서 로드(100) 연결되는 방식은 도 1에 도시된 것과 같이 디스플레이서 피스톤(310)를 디스플레이서 로드(100)의 일측이 관통하여 볼트와 너트 구조 등을 통하여 연결될 수 있다. 또는 디스플레이서 피스톤(310)과 디스플레이서 로드(100)가 일체로 형성될 수 있다. 이와는 달리 디스플레이서 피스톤(310)과 디스플레이서 로드(100)를 상호 연결 시킬 수 있는 구조라면 적용 가능하다. 후술하는 실링가이드(700)을 매개로 하여 연결될 수도 있다. As shown in FIG. 1, the displacer rod 100 may include one side connected to the displacer piston 310 and the other side connected to the displacer piston spring 602. Specifically, the displacer piston 310 and the displacer rod 100 are connected to one side of the displacer rod 100 through the displacer piston 310 as shown in FIG. 1 to form a bolt and nut structure. It can be connected through. Alternatively, the displacer piston 310 and the displacer rod 100 may be integrally formed. Contrary to this, any structure capable of interconnecting the displacer piston 310 and the displacer rod 100 is applicable. It may be connected through a sealing guide 700 to be described later.
상기 디스플레이서 로드(100)와 디스플레이서 피스톤 스프링(602)가 연결되는 방식은 도 1에 도시된 것과 같이 나사와 같은 체결 부재를 통하여 연결될 수 있다. 또한 디스플레이서 로드(100)와 디스플레이서 피스톤 스프링(602)을 상호 연결 시킬 수 있는 구조라면 적용 가능하다. A method in which the displacer rod 100 and the displacer piston spring 602 are connected may be connected through a fastening member such as a screw as shown in FIG. 1. In addition, any structure capable of interconnecting the displacer rod 100 and the displacer piston spring 602 is applicable.
도1에 도시된 것과 같이 디스플레이서 로드(100)는 압축 피스톤(320)을 관통하여 디스플레이서 피스톤 스프링(602)에 연결될 수 있다. 구체적으로는 디스플레이서 로드(100)는 압축 피스톤(320)에 형성된 관통홀(400), 중공부(500)를 순차적으로 관통하여 디스플레이서 피스톤 스프링(602)에 연결될 수 있다. As shown in FIG. 1, the displacer rod 100 may pass through the compression piston 320 and be connected to the displacer piston spring 602. Specifically, the displacer rod 100 may be connected to the displacer piston spring 602 by sequentially passing through the through hole 400 and the hollow part 500 formed in the compression piston 320.
도 1에 도시된 것과 같이 실링가이드(700)는 관통홀(400)에 삽입되도록 디스플레이서 피스톤(310)으로부터 축 방향으로 연장될 수 있다. 또한 디스플레이서 로드(100)의 일부분을 감싸도록 구성 될 수 있다. 실링가이드(700)는 관통홀(400)에 삽입될 때, 작동 기체가 누설되지 않도록 실링가이드(700)의 외주면과 관통홀(400) 사이의 간격은 10-30㎛로 형성될 수 있다. As shown in FIG. 1, the sealing guide 700 may extend in the axial direction from the displacer piston 310 to be inserted into the through hole 400. In addition, it may be configured to surround a portion of the displacer rod 100. When the sealing guide 700 is inserted into the through hole 400, the distance between the outer circumferential surface of the sealing guide 700 and the through hole 400 may be 10-30 μm so that the working gas does not leak.
상기 압축 피스톤(320)은 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이, 제2실린더(220)의 내부에 배치될 수 있으며, 제2실린더(220)의 형상에 대응하여 원통형으로 구성될 수 있다. 압축 피스톤(320)은 액추에이터(50)의 내부에 위치하도록 배치될 수 있다. 즉 액추에이터(50)는 제2실린더(220)의 외주면을 감싸도록 위치할 수 있다. 제2실린더(220)의 내부에 위치한 압축 피스톤(320)은 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이 제1지지부(60)에 의하여 지지될 수 있다. 제1지지부는 무빙 마그넷으로 명명될 수 있다. 제2지지부(70)는 액추에이터와 압축 피스톤 스프링(601)을 고정하도록 배치될 수 있다. 도1 및 도3에 도시된 것과 같이 제2지지부는 두 개의 구성으로 이루어 질 수 있으며, 이와는 달리 일체로도 형성될 수 있다. 상기 두 개의 구성 중 압축 피스톤 스프링(601)과 마주하고 있는 구성은 스프링 브라켓(70)이라고 명명될 수 있다. 나머지 구성은 액추에이터 브라켓(70)이라고 명명될 수 있다. 즉 액추에이터 브라켓(70)은 액추에이터(50)를 고정시키도록 배치될 수 있으며, 스프링 브라켓(70)은 압축 피스톤 스프링(601)을 고정시키도록 배치될 수 있다. 또한 압축 피스톤(320)은 일측이 압축 피스톤 스프링(601)에 연결되어 압축 피스톤(320)이 액추에이터(50)에 의하여 축 방향으로 이동 시 그 반대방향으로의 복원력을 받게 되므로 왕복 운동이 가능할 수 있다. As shown in FIGS. 1 and 3, the compression piston 320 may be disposed inside the second cylinder 220 and may be configured in a cylindrical shape corresponding to the shape of the second cylinder 220. The compression piston 320 may be disposed to be located inside the actuator 50. That is, the actuator 50 may be positioned to surround the outer peripheral surface of the second cylinder 220. The compression piston 320 located inside the second cylinder 220 may be supported by the first support part 60 as shown in FIGS. 1 and 3. The first support may be referred to as a moving magnet. The second support 70 may be disposed to fix the actuator and the compression piston spring 601. As shown in Figs. 1 and 3, the second support unit may have two configurations, and otherwise, it may be formed integrally. Among the two configurations, a configuration facing the compression piston spring 601 may be referred to as a spring bracket 70. The rest of the configuration may be referred to as the actuator bracket 70. That is, the actuator bracket 70 may be disposed to fix the actuator 50, and the spring bracket 70 may be disposed to fix the compression piston spring 601. In addition, the compression piston 320 has one side connected to the compression piston spring 601 so that when the compression piston 320 is moved in the axial direction by the actuator 50, the compression piston 320 receives a restoring force in the opposite direction, so that a reciprocating motion may be possible. .
도 1에 도시된 것과 같이, 압축 피스톤(320)은 외주면(C)과 근접한 영역에 빈 공간(900)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성을 통하여 압축 피스톤(320)의 왕복운동에 필요한 에너지를 최소화 함으로써 냉각효율을 증대시킬 수 있다. 다만 압축 피스톤(320)의 재질과 형상에 따라서 내부에 빈 공간(900)을 포함하지 않는 구성으로 마련될 수 있다. As shown in FIG. 1, the compression piston 320 may be configured to include an empty space 900 in an area close to the outer circumferential surface C. Through this configuration, it is possible to increase the cooling efficiency by minimizing the energy required for the reciprocating motion of the compression piston 320. However, depending on the material and shape of the compression piston 320, it may be provided in a configuration that does not include the empty space 900 therein.
상기 압축 피스톤(320)은 도1 및 도 4에 도시된 것과 같이 압축 피스톤(320) 축 방향(X)을 따라 일정 길이(L1)로 형성되는 관통홀(400)을 포함할 수 있다. 관통홀(400)은 디스플레이서 로드(100)의 형상 또는 후술하는 실링가이드(700)의 형상에 대응하여 원통형으로 형성될 수 있다. 원통형상의 길이 즉 축 방향(X)을 따라 형성된 일정 길이(L1)는 구체적으로 다음과 같이 형성될 수 있다. 디스플레이서 피스톤(310)과 압축 피스톤(320)이 최대 이격되었을 때, 디스플레이서 스프링(602)를 향한 실링가이드(700)의 연장이 종료되는 지점과 관통홀(400) 및 중공부(500)이 접하여 단차가 형성되는 지점이 일치하도록 형성될 수 있다. 도4에 도시된 실링가이드(700)과 관통홀(400)의 간극(G3)는 10-30㎛ 정도로 형성될 수 있다. 즉 매우 작은 간극(G3)을 유지하여 작동기체의 누설을 방지하도록 구성될 수 있다. The compression piston 320 may include a through hole 400 formed with a predetermined length L1 along the compression piston 320 axial direction X, as shown in FIGS. 1 and 4. The through hole 400 may be formed in a cylindrical shape corresponding to the shape of the displacer rod 100 or the shape of the sealing guide 700 to be described later. The length of the cylindrical shape, that is, the predetermined length L1 formed along the axial direction X may be specifically formed as follows. When the displacer piston 310 and the compression piston 320 are separated at the maximum, the point at which the extension of the sealing guide 700 toward the displacer spring 602 ends, and the through hole 400 and the hollow part 500 are It may be formed so that the point where the step is formed in contact with each other is coincident. A gap G3 between the sealing guide 700 and the through hole 400 shown in FIG. 4 may be formed to be about 10 to 30 μm. That is, it may be configured to prevent leakage of the working gas by maintaining the very small gap G3.
상기 압축 피스톤(320)은 도 1 및 도 4에 도시된 것과 같이 관통홀(400)이 끝나는 지점부터 압축 피스톤(320)이 압축 피스톤 스프링이 연결되는 지점까지 축 방향을 따라 형성된 중공부(500)를 포함할 수 있다. 중공부(500)의 직경은 관통홀(400)의 직경보다 크도록 구성될 수 있다. 이로 인하여 디스플레이서 스프링(602)를 향한 실링가이드(700)의 연장이 종료되는 지점과 관통홀(400)과 중공부(500)이 접하여 단차가 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 중공부(500)의 형상에 국한되지 않으며 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 이러한 중공부(500)를 통하여 압축 피스톤(320)의 왕복운동에 필요한 에너지를 최소화 함으로써 냉각효율을 증대시킬 수 있다. 더불어 실링가이드(700)를 통하여 작동기체의 누설을 방지함과 동시에 디스플레이서 로드(100)와 관통되는 압축 피스톤(320)사이의 접촉면적을 축소하여 냉각효율을 증대 시킬 수 있다. The compression piston 320 is a hollow portion 500 formed along the axial direction from the point where the through hole 400 ends to the point where the compression piston 320 is connected to the compression piston spring as shown in FIGS. 1 and 4 It may include. The diameter of the hollow part 500 may be configured to be larger than the diameter of the through hole 400. Accordingly, a step may be formed by contacting the point at which the extension of the sealing guide 700 toward the displacer spring 602 ends and the through hole 400 and the hollow part 500 contact each other. It is not limited to the shape of the hollow portion 500 shown in FIG. 1 and may be configured in various shapes. Cooling efficiency can be increased by minimizing energy required for the reciprocating motion of the compression piston 320 through the hollow part 500. In addition, it is possible to prevent leakage of the operating gas through the sealing guide 700 and increase cooling efficiency by reducing the contact area between the displacer rod 100 and the compression piston 320 penetrating therethrough.
다음으로 도 4내지 도 5에 기하여 디스플레이서 피스톤(310)의 외주면과 제1실린더(210)의 내주면 사이의 간극(G1), 실링가이드(700)와 관통홀(400) 사이의 간극(G2), 압축 피스톤(320)과 제2실린더(220)간의 간극(G3)에 관하여 설명한다. 상술한 간극 들은 스털링 냉각기(1)가 스터링 사이클을 운행 시 상기 작동기체가 누설되지 않도록 극히 작게 설정할 필요가 있다. 따라서 각각의 간극 (G1, G2, G3)은 10-30㎛ 수준으로 형성될 수 있다. 따라서 디스플레이서 피스톤, 압축 피스톤, 디스플레이서 로드, 실린더 간의 정확한 정렬, 즉 동축도가 일치 되도록 구성될 수 있다. 정렬 또는 동축도는 디스플레이서 피스톤(310) 또는 압축 피스톤(320)의 왕복운동 중 자중이나 외적 조건, 스프링, 디스플레이서 로드(100)의 연결부의 가공 정도에 따라 미세하게 틀어지고 일치하지 않게 될 수 있다. 이러한 상태에서 왕복운동을 계속하게 될 경우, 세가지 간극(G1, G2, G3)이 형성된 구성 간에 마모가 진행 될 수 있다. 즉 디스플레이서 로드(100), 디스플레이서 피스톤(310), 압축 피스톤(320)이 상당한 측힘(Side Force)를 받게 되면, 세가지 간극(G1, G2, G3)이 형성된 구성 간에 마모가 진행 될 수 있다. 이러한 마모는 스털링 냉각기(1)의 냉각효율 저하로 이어질 수 있다. 따라서 틀어짐과 동축도의 일치를 위하여 정밀 가공 및 조립이 필요하게 될 수 있다. 그 결과 제작 단가가 상승하고 조립시간이 많이 필요하게 될 수 있다. 이는 곧 스털링 냉동기의 생산성 저하로 이어질 수 있다. Next, based on FIGS. 4 to 5, a gap G1 between the outer circumferential surface of the displacer piston 310 and the inner circumferential surface of the first cylinder 210, and a gap G2 between the sealing guide 700 and the through hole 400 , The gap G3 between the compression piston 320 and the second cylinder 220 will be described. The above-described gaps need to be set extremely small so that the working gas does not leak when the Stirling cooler 1 runs the Stirling cycle. Therefore, each of the gaps (G1, G2, G3) can be formed to a level of 10-30㎛. Thus, the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder can be configured such that the exact alignment, that is, coaxiality, is consistent. The alignment or coaxiality may be slightly twisted and inconsistent depending on the self-weight or external conditions, the spring, and the degree of processing of the connection portion of the displacer rod 100 during the reciprocating motion of the displacer piston 310 or the compression piston 320. have. If the reciprocating motion is continued in this state, wear may progress between the configurations in which the three gaps G1, G2, and G3 are formed. That is, when the displacer rod 100, the displacer piston 310, and the compression piston 320 are subjected to a significant side force, wear may proceed between the configurations in which the three gaps G1, G2, and G3 are formed. . Such wear may lead to a decrease in the cooling efficiency of the Stirling cooler (1). Therefore, precision processing and assembly may be required to match the distortion and coaxiality. As a result, manufacturing cost may increase and assembly time may be required. This could lead to a decrease in the productivity of the Stirling refrigerator.
다음으로 도 1, 도6, 도7에 에 기하여 디스플레이서 로드(100)의 길이와 굽힘강성에 관하여 설명한다. Next, the length and bending stiffness of the displacer rod 100 will be described with reference to FIGS. 1, 6, and 7.
일반적으로 외팔보 형태로 구성된 로드의 굽힘강성은 로드 길이의 세 제곱에 반비례한다. In general, the bending stiffness of a rod configured in the form of a cantilever is inversely proportional to three squares of the length of the rod.
로드의 굽힘강성을 낮추게 되면 디스플레이서 피스톤, 압축 피스톤, 디스플레이서 로드, 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 디스플레이서 로드의 휘어짐으로 인하여 발생되는 측힘(Side Force)를 감소시킬 수 있다. 다시 말하면, 낮아진 강성을 지니게 되는 구조로 인하여 디스플레이서 로드(100)가 상술한 정렬의 틀어짐 또는 로드의 휘어짐을 보상 가능한 구조를 이룰 수 있다. 도 1, 도 6, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 기한 디스플레이서 로드(100)는 상술한 바와 같이, 디스플레이서 피스톤(310)에 직접 연결되며, 그 외주면을 실링가이드(700)가 감싸며 관통홀(400)과 마주하는 구조로 마련 될 수 있다. 또한 디스플레이서 로드(100)와 실링가이드(700) 사이에 일정길이의 간극이 존재하도록 구성될 수 있다. 이러한 간극은 구체적으로 20-40㎛정도로 설정될 수 있다. 또한 상기의 실시예와는 달리 간극이 존재하지 않는 상태로 구성될 수도 있다. If the bending stiffness of the rod is lowered, it is possible to reduce the side force caused by the misalignment of the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or the warp of the displacer rod. In other words, due to the structure having lowered stiffness, the displacer rod 100 may have a structure capable of compensating for the above-described misalignment or warpage of the rod. 1, 6, and 7, the displacer rod 100 according to an embodiment of the present invention is directly connected to the displacer piston 310, as described above, and its outer circumferential surface is a sealing guide 700 ) May be enclosed and provided in a structure facing the through hole 400. In addition, it may be configured such that a gap of a predetermined length exists between the displacer rod 100 and the sealing guide 700. This gap may be specifically set to about 20-40 μm. Also, unlike the above embodiment, it may be configured in a state in which a gap does not exist.
다음으로 도 4및 도 5에 기하여 실링가이드(700)와 디스플레이서 피스톤(310)의 직경 비에 관하여 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이 디스플레이서 피스톤(310)의 직경(D2) 대비 실링가이드(700)의 직경(D1)은 일정 범위 내로 구성될 수 있다. 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 스터링 냉동기(1)의 디스플레이서 피스톤(310)의 직경(D2)이 35mm일 경우를 가정한 성능평가 결과를 도시한 표이다. 도 5의 실험 데이터에 기하면, 실링가이드(700)의 직경(D1)이 7mm, 즉 디스플레이서 피스톤(310)의 직경(D2) 대비 20%의 길이를 지닐 때, COP(흡열량과 소비된 압축기의 일량과의 비)가 최대로써 최대 효율을 구성하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 실링가이드(700)의 직경(D1)이 12mm, 즉 디스플레이서 피스톤(310)의 직경(D2) 대비 34%의 길이를 지닐 때, 최대의 냉력을 구성하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 디스플레이서 피스톤(310) 직경(D2) 대비 실링가이드(700)의 직경(D1)이 15%-40%정도를 구성하는 것이 바람직 할 수 있다. Next, the diameter ratio of the sealing guide 700 and the displacer piston 310 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. As shown in FIG. 4, the diameter D1 of the sealing guide 700 compared to the diameter D2 of the displacer piston 310 may be configured within a certain range. 5 is a table showing performance evaluation results assuming a diameter D2 of the displacer piston 310 of the Stirling refrigerator 1 according to an embodiment of the present invention is 35 mm. 5, when the diameter (D1) of the sealing guide 700 is 7 mm, that is, the length of 20% compared to the diameter (D2) of the displacer piston 310, COP (heat absorption and consumed It can be confirmed that the ratio of the work volume of the compressor) constitutes the maximum efficiency as the maximum. In addition, when the diameter D1 of the sealing guide 700 has a length of 12 mm, that is, 34% of the diameter D2 of the displacer piston 310, it can be seen that the maximum cooling power is configured. Therefore, it may be desirable that the diameter (D1) of the sealing guide 700 compared to the diameter (D2) of the displacer piston 310 constitutes about 15%-40%.
다음으로 도 1, 도 6 및 도7에 기하여 실링가이드(700)의 길이의 범위 및 에 관하여 설명한다. 도 1에 도시된 것과 같이 디스플레이서 피스톤(310)과 압축 피스톤(320)이 축 방향으로 가장 멀리 이격된 거리를 제2거리(L2)라고 정의 할 수 있다. 또한 압축 피스톤(320)은 도1 및 도 5에 도시된 것과 같이 압축 피스톤(320) 중심에 위치하는 축 방향을 따라 일정 길이 즉 제1거리(L1)로 형성되는 관통홀(400)을 포함할 수 있다. 이때 실링가이드(700)의 길이(L3)는 제1거리(L1) 및 제2거리(L2)를 합한 길이와 같도록 형성될 수 있다. 실링가이드(700)가의 길이(L3)를 확보하는 경우, 실링가이드(700)과 관통홀(400)의 접촉면적을 줄이게 되어 마찰 감소로 인한 냉동효율을 증대시킬 수 있다. 또한 작동 기체의 실링가이드(700)과 관통홀(400)사이의 간극으로의 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.Next, the range and the length of the sealing guide 700 will be described with reference to FIGS. 1, 6 and 7. As shown in FIG. 1, a distance between the displacer piston 310 and the compression piston 320 being the farthest apart in the axial direction may be defined as a second distance L2. In addition, the compression piston 320 includes a through hole 400 formed with a predetermined length, that is, a first distance L1 along the axial direction located at the center of the compression piston 320 as shown in FIGS. 1 and 5. I can. In this case, the length L3 of the sealing guide 700 may be formed to be equal to the sum of the first distance L1 and the second distance L2. When the length L3 of the sealing guide 700 is secured, the contact area between the sealing guide 700 and the through hole 400 can be reduced, thereby increasing refrigeration efficiency due to friction reduction. In addition, leakage of the working gas into the gap between the sealing guide 700 and the through hole 400 can be effectively prevented.
도 8 내지 도 15는 디스플레이서 피스톤(310)에 연결되는 일측과 디스플레이서 피스톤 스프링(602)에 연결되는 타측 사이의 디스플레이서 로드(100) 상에 배치된 보상부(110)를 더 포함된 디스플레이서(90)를 도시하고 있다. 보상부는 본 발명의 일 실시예에 기한 실링가이드(700) 및 디스플레이서 로드(100)와 더불어 디스플레이서 피스톤(310), 압축 피스톤(320), 디스플레이서 로드(100), 실린더(200) 간의 정렬의 틀어짐 또는 디스플레이서 로드(100)의 휘어짐을 보상하는데 기여할 수 있다. 또한 상술한 내용과는 달리 보상부(110)는 디스플레이서 피스톤(310)에 연결되는 일측과 디스플레이서 피스톤 스프링(602)에 연결되는 타측에 배치될 수도 있다. 8 to 15 are a display further including a compensation unit 110 disposed on the displacer rod 100 between one side connected to the displacer piston 310 and the other side connected to the displacer piston spring 602 The book 90 is shown. The compensation unit is aligned between the sealing guide 700 and the displacer rod 100, as well as the displacer piston 310, the compression piston 320, the displacer rod 100, and the cylinder 200 according to an embodiment of the present invention. It may contribute to compensate for the distortion of the displacer or the warpage of the displacer rod 100. In addition, unlike the above description, the compensation unit 110 may be disposed on one side connected to the displacer piston 310 and the other side connected to the displacer piston spring 602.
후술하는 내용에서 '축 방향'은 도 3에 도시된 축 방향(X)을 기준으로 설명한다. In the following description, the'axis direction' will be described based on the axis direction X shown in FIG. 3.
또한 후술하는 내용에서 '정렬' 및 '동축도'는 디스플레이서 피스톤, 압축 피스톤, 디스플레이서 로드, 실린더 간의 관계를 기준으로 설명한다. In addition, in the following description,'alignment' and'coaxiality' will be described based on the relationship between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder.
다음으로 도 8 내지 도 9에 기하여 본 발명의 다른 실시예인 보상부(110)가 볼 조인트(111)로 구성된 디스플레이서(90)를 설명한다. 도면의 간소화를 위하여 디스플레이서 피스톤 스프링(602)의 도시는 생략하였다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예인 볼 조인트(111)를 적용한 디스플레이서(90)의 사시도를 나타낸다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예인 볼 조인트(111)를 적용한 디스플레이서(90)의 단면도를 나타낸다. Next, a displacer 90 including a ball joint 111 in which the compensation unit 110 is another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 9. In order to simplify the drawing, the displacer piston spring 602 is omitted. 8 shows a perspective view of a displacer 90 to which a ball joint 111 is applied, which is another embodiment of the present invention. 9 shows a cross-sectional view of a displacer 90 to which a ball joint 111, which is another embodiment of the present invention, is applied.
상기 볼 조인트(111)는 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 압축 피스톤(320)의 왕복운동 과정 중, 자중이나 외적 조건, 스프링, 디스플레이서 로드(100)의 연결부의 가공 정도에 따라 미세하게 정렬이 틀어지고 동축도가 일치하지 않게 될 수 있다. 이러한 경우 볼 조인트(111)가 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전하여 정렬의 틀어짐 또는 동축도가 일치하지 않게 되어 발생되는 측힘(Side Force)을 감소시킬 수 있다. 볼 조인트(111)는 디스플레이서 로드(100)상에 복수개가 배치될 수 있다. The ball joint 111 may be configured to be rotatable about an axis perpendicular to an axial direction. During the reciprocating motion of the compression piston 320, the alignment may be finely distorted and the coaxiality may not coincide depending on the self-weight, external conditions, the degree of processing of the connection part of the spring, and the displacer rod 100. In this case, the ball joint 111 rotates based on an axis perpendicular to the axial direction, so that alignment misalignment or coaxiality mismatch may reduce side force generated. A plurality of ball joints 111 may be disposed on the displacer rod 100.
상기 볼 조인트(111)는 도 9에 도시된 바와 같이 디스플레이서 로드(100)와 일체로 형성될 수 있다. 또한 이와 달리 별개의 구성으로 제작되어 디스플레이서 로드(100)에 나사형식으로 체결될 수 도 있다. 또한 볼 조인트(111)과 디스플레이서 로드(100)을 견고하게 체결시킬 수 있는 다양한 구조로 이루어 질 수 있다.The ball joint 111 may be integrally formed with the displacer rod 100 as shown in FIG. 9. Also, unlike this, it may be manufactured in a separate configuration and fastened to the displacer rod 100 in the form of a screw. In addition, the ball joint 111 and the displacer rod 100 may be formed in a variety of structures that can be rigidly fastened.
다음으로 도 10 내지 도 11에 기하여 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 링크(112)를 포함하는 적용한 디스플레이서(90)을 설명한다. 도면의 간소화를 위하여 디스플레이서 피스톤 스프링(602)의 도시는 생략하였다. 도10은 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 링크(112)로 구성된 디스플레이서(90)의 사시도를 나타낸다. 도 11은는 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 링크(112)로 구성된 디스플레이서(90)의 단면도를 나타낸다. Next, the applied displacer 90 including the link 112, which is another embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 10 to 11. In order to simplify the drawing, the displacer piston spring 602 is omitted. 10 is a perspective view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is configured with links 112, which is another embodiment of the present invention. 11 is a cross-sectional view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is configured as a link 112 according to another embodiment of the present invention.
상기 링크(112)는 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 압축 피스톤(320)의 왕복운동 과정 중, 자중이나 외적 조건, 스프링, 디스플레이서 로드(100)의 연결부의 가공 정도에 따라 미세하게 정렬이 틀어지고 동축도가 일치하지 않게 될 수 있다. 이러한 경우 링크(112)가 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전하여 정렬의 틀어짐 또는 동축도가 일치하지 않게 되어 발생되는 측힘(Side Force)을 감소시킬 수 있다. 링크(112)는 디스플레이서 로드(100)상에 복수개가 배치될 수 있다. 링크(112)가 복수개로 배치되는 경우 각 링크의 회전 축 방향은 서로 다를 수 있다. The link 112 may be configured to be rotatable about an axis perpendicular to an axial direction. During the reciprocating motion of the compression piston 320, the alignment may be finely distorted and the coaxiality may not coincide depending on the self-weight, external conditions, the degree of processing of the connection part of the spring, and the displacer rod 100. In this case, the link 112 rotates based on an axis perpendicular to the axial direction, thereby reducing a side force caused by misalignment or coaxiality mismatch. A plurality of links 112 may be disposed on the displacer rod 100. When a plurality of links 112 are disposed, the rotation axis directions of each link may be different.
상기 링크(112)는 도 11에 도시된 바와 같이 디스플레이서 로드(100)와 일체로 형성될 수 있다. 또한 이와 달리 별개의 구성으로 제작되어 디스플레이서 로드(100)에 나사형식으로 체결될 수 도 있다. 또한 링크(112)와 디스플레이서 로드(100)을 견고하게 체결시킬 수 있는 다양한 구조로 이루어 질 수 있다.The link 112 may be integrally formed with the displacer rod 100 as shown in FIG. 11. Also, unlike this, it may be manufactured in a separate configuration and fastened to the displacer rod 100 in the form of a screw. In addition, the link 112 and the displacer rod 100 may be formed in a variety of structures that can be rigidly fastened.
다음으로 도 12 내지 도 13에 기하여 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 와이어(113) 및 스프링(114)으로 구성된 디스플레이서(90)를 설명한다. 도면의 간소화를 위하여 디스플레이서 피스톤 스프링(602)의 도시는 생략하였다. 도12는은 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 와이어(113) 및 스프링(114)으로 구성된 디스플레이서(90)의 사시도를 나타낸다. 도13은는 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 와이어(113) 및 스프링(114)으로 구성된 디스플레이서(90)의 단면도를 나타낸다. Next, a displacer 90 including a wire 113 and a spring 114 in which the compensation unit 110, which is another embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 12 to 13. In order to simplify the drawing, the displacer piston spring 602 is omitted. 12 is a perspective view of a displacer 90 in which the compensating part 110 is composed of a wire 113 and a spring 114, which is another embodiment of the present invention. 13 is a cross-sectional view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is composed of a wire 113 and a spring 114, which is another embodiment of the present invention.
상기 실링가이드(700)에 의하여 감싸지는 디스플레이서 로드(100)는 일부 또는 전부가 와이어(113)로 구성될 수 있다. 이러한 경우 디스플레이서 로드(100)가도 6 및 도7에 개시된 상기 일 실시예로 구성된 경우와 대비하여 굽힘 강성이 낮아지게 구성될 수 있다. 따라서 정렬의 틀어짐 또는 동축도가 일치하지 않게 되어 발생되는 측힘(Side Force)을 더욱 용이하게 감소시킬 수 있다.Part or all of the displacer rod 100 wrapped by the sealing guide 700 may be formed of a wire 113. In this case, the displacer rod 100 may be configured to have lower bending stiffness compared to the case of the embodiment disclosed in FIGS. 6 and 7. Therefore, it is possible to more easily reduce the side force generated due to misalignment or coaxiality mismatch.
또한 압축 시 좌굴 우려가 존재하는 경우 스프링(114)를 와이어(113)의 외주면에 배치할 수 있다. 축 방향 압축 시 스프링(114)를 통하여 하중을 견디고 좌굴 가능성을 낮출 수 있다. 스프링(114)는 판스프링 또는 코일스프링으로 구성될 수 있다. 또한 축 방향의 압축을 지지할 수 있는 스프링이라면 다양한 종류의 스프링으로 구성될 수 있다. In addition, when there is a risk of buckling during compression, the spring 114 may be disposed on the outer peripheral surface of the wire 113. During axial compression, the spring 114 can bear the load and reduce the possibility of buckling. The spring 114 may be composed of a leaf spring or a coil spring. In addition, any spring that can support compression in the axial direction may be composed of various types of springs.
다음으로 도 14 내지 도 15에 기하여 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 수지(115)로 구성된 디스플레이서(90)을 설명한다. 도면의 간소화를 위하여 디스플레이서 피스톤 스프링(602)의 도시는 생략하였다. 도14는은 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 수지 (115)로 구성된 디스플레이서(90)의 사시도를 나타낸다. 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예인 보상부(110)가 수지(115)로 구성된 디스플레이서(90)의 단면도를 나타낸다. Next, with reference to FIGS. 14 to 15, a displacer 90 in which the compensation unit 110 is made of a resin 115 according to another embodiment of the present invention will be described. In order to simplify the drawing, the displacer piston spring 602 is omitted. 14 is a perspective view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is made of a resin 115 according to another embodiment of the present invention. 14 is a cross-sectional view of a displacer 90 in which the compensation unit 110 is made of a resin 115 according to another embodiment of the present invention.
상기 디스플레이서 로드(100)의 일부 또는 전부를 금속보다 굽힘강성이 낮은 수지로 구성될 수 있다. 예를 들어 디스플레이서 로드(100)를 스테인레스 스틸 중 SUS 304로 구성한 경우와 대비할 때, PEEK와 같은 수지로 구성한 경우 굽힘강성은 2% 수준으로 형성될 수 있다. 따라서 정렬의 틀어짐 또는 동축도가 일치하지 않게 되어 발생되는 측힘(Side Force)을 보다 용이하게 감소시킬 수 있다. Part or all of the displacer rod 100 may be made of a resin having lower bending stiffness than metal. For example, in contrast to the case where the displacer rod 100 is made of SUS 304 out of stainless steel, when made of a resin such as PEEK, the bending stiffness may be formed at a level of 2%. Therefore, it is possible to more easily reduce the side force generated due to misalignment or coaxiality mismatch.
또한 압축 시 좌굴 우려가 존재하는 경우 상술한 스프링(114)를 디스플레이서 로드(100)의 외주면에 배치할 수 있다. 축 방향 압축 시 스프링(114)를 통하여 하중을 견디고 좌굴 가능성을 낮출 수 있다.In addition, when there is a risk of buckling during compression, the above-described spring 114 may be disposed on the outer peripheral surface of the displacer rod 100. During axial compression, the spring 114 can bear the load and reduce the possibility of buckling.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.In the above, specific embodiments have been illustrated and described. However, it is not limited to only one embodiment, and those of ordinary skill in the art to which the invention pertains will be able to perform various changes without departing from the gist of the technical idea of the invention described in the following claims.

Claims (20)

  1. 케이스;case;
    상기 케이스 내에 배치된 실린더;A cylinder disposed in the case;
    상기 실린더의 내부에 축 방향으로 왕복 운동하도록 마련되고, 관통홀을 포함하는 압축 피스톤;A compression piston provided to reciprocate in the axial direction inside the cylinder and including a through hole;
    상기 축 방향으로 상기 압축 피스톤으로부터 이격되어 배치되는 디스플레이서 피스톤;A displacer piston disposed to be spaced apart from the compression piston in the axial direction;
    상기 디스플레이서 피스톤에 연결되고 상기 압축 피스톤을 관통하도록 상기 축 방향으로 연장되는 디스플레이서 로드;A displacer rod connected to the displacer piston and extending in the axial direction to pass through the compression piston;
    상기 관통홀에 삽입되도록 상기 디스플레이서 피스톤으로부터 상기 축 방향으로 연장되고, 상기 디스플레이서 로드의 일부분을 감싸는 실링가이드;를 포함하는 스터링 냉동기.And a sealing guide extending in the axial direction from the displacer piston to be inserted into the through hole and surrounding a portion of the displacer rod.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 관통홀의 상기 압축 피스톤 내에 형성된 길이를 제1거리라고 정의할 때,When defining the length formed in the compression piston of the through hole as a first distance,
    상기 압축 피스톤은 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 제1거리만큼 떨어진 내부에 중공부를 포함하는 스터링 냉동기.The compression piston is a Stirling refrigerator including a hollow portion in the interior spaced by a first distance from the surface of the compression piston facing the displacer piston.
  3. 제2항에 있어서,The method of claim 2,
    상기 디스플레이서 피스톤과 상기 압축 피스톤이 축 방향으로 가장 이격된 거리를 제2거리라고 정의할 때, When the displacer piston and the compression piston are defined as the second distance the most spaced apart in the axial direction,
    상기 실링가이드의 길이는 상기 제1거리와 상기 제2거리를 합한 길이와 같도록 구성되는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator configured to have the same length as the sum of the first distance and the second distance.
  4. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 관통홀의 내주면과 상기 실링가이드의 외주면 사이에는 간극이 형성되는 스터링 냉동기.A Stirling refrigerator having a gap formed between the inner circumferential surface of the through hole and the outer circumferential surface of the sealing guide.
  5. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 디스플레이서 피스톤의 직경대비 상기 실링가이드의 직경의 비율은 15% - 40%로 구성되는 스터링 냉동기.A Stirling refrigerator consisting of 15%-40% of the diameter of the sealing guide relative to the diameter of the displacer piston.
  6. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 디스플레이서 로드는, The displacer load,
    상기 디스플레이서 피스톤, 상기 압축 피스톤, 상기 디스플레이서 로드, 상기 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 상기 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보상하도록 구성되는 보상부를 더 포함하는 스터링 냉동기.A Stirling refrigerator further comprising a compensation unit configured to compensate for a misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
  7. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 스터링 냉동기는,The Stirling refrigerator,
    상기 축 방향으로 상기 압축 피스톤으로부터 이격되어 상기 디스플레이서 피스톤의 반대편에 배치되는 디스플레이서 스프링;A displacer spring spaced apart from the compression piston in the axial direction and disposed on the opposite side of the displacer piston;
    상기 디스플레이서 로드가 상기 디스플레이서 피스톤 또는 상기 디스플레이서 스프링과 결합되는 결합부; 를 더 포함하고,A coupling portion in which the displacer rod is coupled to the displacer piston or the displacer spring; Including more,
    상기 결합부는, The coupling part,
    상기 디스플레이서 피스톤, 상기 압축 피스톤, 상기 디스플레이서 로드, 상기 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 상기 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보상하도록 구성되는 보상부를 더 포함하는 스터링 냉동기.A Stirling refrigerator further comprising a compensation unit configured to compensate for a misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
  8. 제6항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 6 or 7,
    상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 이상의 볼조인트를 포함하는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator comprising one or more ball joints configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  9. 제6항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,The method according to any one of claims 6 or 7,
    상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 또는 복수의 링크를 포함하는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator comprising one or a plurality of links configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  10. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 디스플레이서 로드는 수지를 포함하는 스터링 냉동기.The displacer rod is a Stirling refrigerator containing a resin.
  11. 제6항에 있어,In claim 6,
    상기 디스플레이서 로드의 직경보다 큰 직경의 스프링의 중심에 상기 디스플레이서 로드가 배치되는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator in which the displacer rod is disposed at the center of a spring having a diameter larger than that of the displacer rod.
  12. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 디스플레이서 로드는 와이어를 포함하는 스터링 냉동기.The displacer rod is a Stirling refrigerator comprising a wire.
  13. 제12항에 있어서, The method of claim 12,
    상기 와이어의 직경보다 큰 직경의 스프링의 중심에 상기 와이어가 배치되는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator in which the wire is disposed at the center of a spring having a diameter larger than that of the wire.
  14. 실린더;cylinder;
    상기 실린더의 내부에서 축 방향으로 왕복 운동하도록 마련되는 디스플레이서 피스톤;A displacer piston provided to reciprocate in the axial direction inside the cylinder;
    상기 축 방향으로 상기 디스플레이서 피스톤과 이격되어 배치되며, 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 상기 축 방향을 따라 연장된 관통홀을 포함하는 압축 피스톤;A compression piston disposed to be spaced apart from the displacer piston in the axial direction and including a through hole extending along the axial direction from a surface of the compression piston facing the displacer piston;
    상기 축 방향으로 상기 압축 피스톤으로부터 이격되어 상기 디스플레이서 피스톤의 반대편에 배치되는 배치되는 디스플레이서 스프링;A displacer spring spaced apart from the compression piston in the axial direction and disposed on the opposite side of the displacer piston;
    상기 디스플레이서 피스톤에 연결되고 상기 압축 피스톤을 관통하도록 상기 축 방향으로 연장되는 디스플레이서 로드;A displacer rod connected to the displacer piston and extending in the axial direction to pass through the compression piston;
    상기 관통홀에 삽입되도록 상기 디스플레이서 피스톤으로부터 상기 축 방향으로 연장되고, 상기 디스플레이서 로드의 일부분을 감싸는 실링가이드;를 포함하는 스터링 냉동기.And a sealing guide extending in the axial direction from the displacer piston to be inserted into the through hole and surrounding a portion of the displacer rod.
  15. 제14항에 있어서, The method of claim 14,
    상기 압축 피스톤은 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 이격된 내부에 중공부를 포함하고,The compression piston includes a hollow portion in the interior spaced apart from the surface of the compression piston facing the displacer piston,
    상기 중공부는 상기 관통홀과 접하도록 배치되는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator disposed so as to contact the hollow portion with the through hole.
  16. 제15항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 관통홀은, 상기 디스플레이서 피스톤과 마주한 상기 압축 피스톤의 면으로부터 상기 축 방향을 따라 연장되며,The through hole extends along the axial direction from a surface of the compression piston facing the displacer piston,
    상기 연장은 디스플레이서 피스톤과 압축 피스톤이 최대 이격되었을 때 실링가이드의 상기 연장이 종료되는 지점과 상기 관통홀과 상기 중공부가 접하여 단차가 형성되는 지점이 같아지도록 형성되는 스터링 냉동기.The extension is formed such that when the displacer piston and the compression piston are separated at a maximum distance, a point at which the extension of the sealing guide ends and a point at which a step is formed by contacting the through hole and the hollow portion are the same.
  17. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 디스플레이서 로드는, The displacer load,
    상기 디스플레이서 피스톤, 상기 압축 피스톤, 상기 디스플레이서 로드, 상기 실린더 간의 정렬의 틀어짐 또는 상기 디스플레이서 로드의 휘어짐을 보상하도록 구성되는 보상부를 더 포함하는 스터링 냉동기.A Stirling refrigerator further comprising a compensation unit configured to compensate for a misalignment of alignment between the displacer piston, the compression piston, the displacer rod, and the cylinder, or a warpage of the displacer rod.
  18. 제14항에 있어서,The method of claim 14,
    상기 디스플레이서 피스톤의 직경대비 상기 실링가이드의 직경의 비율은 15% - 40%로 구성되는 스터링 냉동기.A Stirling refrigerator consisting of 15%-40% of the diameter of the sealing guide relative to the diameter of the displacer piston.
  19. 제17항에 있어서,The method of claim 17,
    상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 이상의 볼조인트를 포함하는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator comprising one or more ball joints configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
  20. 제17항에 있어서,The method of claim 17,
    상기 보상부는 상기 축 방향과 수직한 축을 기준으로 회전 가능하도록 구성되는 하나 이상의 링크를 포함하는 스터링 냉동기.Stirling refrigerator comprising at least one link configured to be rotatable about an axis perpendicular to the axial direction.
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