KR100482012B1 - 스털링 냉각기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스털링 사이클(stirling cycle)을 활용하여 광범위하면서도 효율적인 저온환경을 구현할 수 있도록 한 스털링 냉각기(stirling cooler)에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 저온부와 고온부 사이에서 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)와; 상기 디스플레이서에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유도하는 작동부재를 포함하는 스털링 냉각기에 있어서, 상기 작동부재는 구동수단(60)에 의해 전·후진 작동되는 다이어프램(diaphram)(50)인 것에 그 특징이 있다. 이에 따라, 스털링 냉각기의 마찰손실 및 마멸로 인한 성능저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라 기존에 비해 냉각 효율성을 증가시킬 수 있다.

Description

스털링 냉각기 {STIRLING COOLER}
본 발명은 스털링 냉각기(srirling cooler)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스털링 사이클(stirling cycle)을 활용하여 광범위하면서도 효율적인 저온환경을 구현할 수 있도록 한 스털링 냉각기에 관한 것이다.
일반적으로, 스털링 냉각기는 이상기체의 압축 또는 팽창시 기체에서 주위로 열을 방출·흡수하는 열역학적 성질을 이용하여 저온부(팽창공간)에서 고온부(압축공간)로 열을 펌핑하는 기기로서, 그 구조에 따라 스플릿 타입(Split Type), 피스톤(Piston Type) 등으로 구분된다.
이러한 스털링 냉각기는 종래의 스털링 냉각기에 비해 상대적으로 사용온도가 광범위할 뿐 아니라 성적계수 및 에너지 효율이 높아 여러 산업분야의 냉열기기에 적용되고 있다.
종래의 스털링 냉각기는 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더하우징(1) 내부의 저온부(팽창공간)(2)와 고온부(압축공간)(3) 사이의 경계가 되어 왕복운동하는 디스플레이서(4)와; 저온부(팽창공간)(2) 및 고온부(압축공간)(3) 사이에서 작동유체의 통로가 되며, 작동유체의 열을 일시적으로 저장 및 회생하는 재생기(5)와; 작동유체의 압축과 팽창을 유발하는 피스톤(6) 및 실린더(7)와; 피스톤(6)을 의도한 가진력과 작동변위로 가진하는 구동수단(8)과; 고압의 작동유체를 밀봉하는 케이스(9)를 포함하여 구성된다.
그러나 상기와 같은 구조의 스털링 냉각기는 실린더(7) 내부에서 왕복운동하는 피스톤(6)을 통하여 작동유체의 압축을 유발함으로 인해, 실린더(7) 및 피스톤(6)의 접촉부위에서 발생하는 마찰에 의해 진동, 소음 등과 같은 마찰손실이 발생될 뿐 아니라 장기간 작동시에는 마멸 등에 의하여 성능이 저하될 수 있다.
또한, 일정한 체적변화에 대하여 피스톤의 보어(직경) 및 스트로크(작동변위)에 대한 설계상의 제한이 있으므로 이를 구동하기 위한 구동부에도 요구구동변위가 일정치 이상이 되어야 하는 등의 제한 조건이 발생한다. 이러한 경우, 스털링 냉각기에 사용 가능한 구동수단에도 제한을 받을 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 다이어프램을 작동수단으로 채택함으로써 성능개선은 물론이고 소형화·경량화를 구현할 수 있는 스털링 냉각기를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 저온부와 고온부 사이에서 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)와; 상기 디스플레이서에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유발하는 작동부재를 포함하는 스털링 냉각기에 있어서, 상기 작동부재는 구동수단에 의해 전·후진 작동되는 다이어프램(diaphram)인 것을 그 특징으로 한다.
상기 다이어프램은 대칭형으로 복수개 설치되며, 상기 구동수단은 압전장치를 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 스털링 냉각기를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 3의 (a),(b),(c),(d)는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 작동상태를 도시한 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 스털링 냉각기는 실린더하우징(20) 내부의 저온부(팽창공간)(22)와 고온부(압축공간)(24) 사이의 경계가 되어 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)(30)와; 저온부(팽창공간)(22)와 고온부(압축공간)(24) 사이에서 작동유체의 통로가 되며, 작동유체의 열을 일시적으로 저장 및 회생하는 재생기(regenerator)(40)와; 디스플레이서(30)에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유발하는 다이어프램(diaphram)(50)과; 다이어프램(50)과 연결 설치되어, 다이어프램(50)을 의도한 가진력과 작동변위로 가진하는 구동수단(60)과; 고압의 작동유체를 밀봉하는 케이스(70)를 포함하여 구성된다.
디스플레이서(30)는 저온부(팽창공간)(22)와 고온부(압축공간)(24) 사이를 이동하며 두 공간을 구분함과 동시에 상호 열교환이 발생되지 않도록 단열시키는 역할을 수행한다.
재생기(40)는 작동유체가 고온부(압축공간)(24)에서 저온부(팽창공간)(22)로 이동할 때에는 작동유체로부터 열을 수취하여 비축하여 두고, 작동유체가 저온부(팽창공간)(22)에서 고온부(압축공간)(24)로 되돌아올 때에는 이 열을 작동유체에 부여하는 축열작용을 한다.
저온부(팽창공간)(22)는 디스플레이서(30)와 실린더하우징(20) 끝 부분의 벽 사이 공간이며, 이 공간의 주위에서 열을 흡수한다.
고온부(압축공간)(24)는 디스플레이서(30)와 다이어프램(50) 사이의 공간이며, 이 공간의 주위에서 열이 방출된다.
구동수단(60)은 모터장치, 크랭크장치 및 기타 압전장치 등을 비롯한 전기에너지를 기계에너지로 변환할 수 있는 여러 종류의 것을 선택적으로 적용할 수 있다.
그리고 디스플레이서(30)와 다이어프램(50)의 운동은 90도 정도의 위상 차이를 가지는 것이 바람직하다.
한편, 미설명 도면부호 80은 디스플레이서(30)를 지지하는 공진스프링을 도시한 것이며, 본 발명의 기술적 요지를 제외한 스털링 냉각기의 기술적 부분은 이미 공지된 기술이므로 그 구체적 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 스털링 냉각기의 작동원리를 도 3에 도시된 바와 같이 4단계로 구분하여 간단히 살펴보면 하기와 같다.
1. 등온압축과정(a)
디스플레이서(30)가 저온부(팽창공간)(22)로 이동하여 일정 체적의 고온부(압축공간)(24)를 형성한 상태에서 다이어프램(50)의 전진에 의한 작동유체의 압축이 이루어지고, 그와 동시에 고온부(압축공간)(24) 주위의 실린더하우징(20) 벽으로 열을 방출한다.
2. 등적재생과정(b)
압축된 고온의 작동유체가 재생기(40)를 통과하여 저온부(팽창공간)(22)로 이동하며, 이 과정에서 작동유체가 가진 열을 재생기(40)에 일시 저장하여 저온으로 냉각한다. 저온부(팽창공간)(22)로 이동한 작동유체에 의하여 디스플레이서(30)는 고온부(압축공간)(24)로 이동하여 일정 체적의 저온부(팽창공간)(22)가 형성된다.
3. 등온팽창과정(c)
다이어프램(50)의 후진에 의해 작동유체의 팽창이 저온부(팽창공간)(22)에서 이루어지며, 작동유체가 팽창하며 저온부(팽창공간)(22) 주위의 실린더하우징(20) 벽으로부터 열을 흡수한다.
4. 등적재생과정(d)
저온부(팽창공간)(22)에서 팽창한 저온의 기체가 다시 재생기(40)를 통과하여 고온부(압축공간)(24)로 이동함으로써 디스플레이서(30)를 다시 저온부(팽창공간)(22)로 밀어낸다. 이 과정에서 작동유체는 등적재생과정(b)에서 재생기(40)에 저장하여 두었던 열을 재흡수하여 고온으로 가열된다.
한편, 도면부호 60은 다이어프램(50)을 전·후진시키는 구동수단을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 다른 실시예를 도시한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 구동수단(60)에 의해 작동되는 다이어프램(50)이 대칭형으로 복수개 설치되어 체적변화를 분산시킴으로써 각 다이어프램(50)을 구동하기 위한 구동수단(60)의 작동변위를 상대적으로 줄일 수 있다. 그로 인해, 작동변위가 작은 소형의 압전장치 등을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
다이어프램(50)은 그 수가 많을수록 체적변화의 분산은 커지나, 여러 조건을 감안한다면 대칭형으로 2개 설치하는 것이 바람직하다.
한편, 다이어프램의 배치구조 외에는 도 2 내지 도 3에서 설명한 스털링 냉각기와 그 구조 및 기능이 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 다이어프램이 적용된 스털링 냉각기는 일 실시예에 불과한 것이며, 압축 및 팽창을 유발하는 작동부재가 요구되는 스플릿(split) 냉각기 등에 다양하게 적용 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 피스톤을 사용하는 스털링 냉각기의 마찰손실 및 마멸로 인한 성능저하를 방지하고, 피스톤에 해당하는 작동부재를 저관성의 다이어프램으로 대체하여 스털링 냉각기의 효율성을 증가시킬 수 있다.
또한, 피스톤 실린더 부품의 제거로 스털링 냉각기의 소형화 설계가 가능할 뿐 아니라 작은 작동변위에서도 작동 가능하여 구동수단에 대한 활용성이 높아진다.
도 1은 종래의 스털링 냉각기를 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 스털링 냉각기를 개략적으로 도시한 구성도이고,
도 3의 (a),(b),(c),(d)는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 작동상태를 도시한 부분단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 스털링 냉각기의 다른 실시예를 도시한 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20 : 실린더하우징 22 : 저온부
24 : 고온부 30 : 디스플레이서
40 : 재생기 50 : 다이어프램
60 : 구동수단 70 : 케이스
80 : 공진스프링

Claims (4)

  1. 실린더하우징과; 상기 실린더하우징 내부의 저온부와 고온부 사이에서 왕복운동하는 디스플레이서(displacer)와; 상기 디스플레이서에 대응하여 작동유체의 압축 및 팽창을 유발하는 작동부재를 포함하는 스털링 냉각기에 있어서,
    상기 작동부재는 상기 실린더하우징에 연결 설치되며, 구동수단의 구동에 의해 전·후진 작동되어 작동유체의 압축 및 팽창을 유발시키는 다이어프램(diaphram)인 것을 특징으로 하는 스털링 냉각기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램이 대칭형으로 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉각기.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 구동수단은 압전형 구동기인 것을 특징으로 하는 스털링 냉각기.
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