KR20140052432A

KR20140052432A - 차량용 스털링 냉동기

Info

Publication number: KR20140052432A
Application number: KR1020120118515A
Authority: KR
Inventors: 김태완; 안광원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: DE102012113222B4; JP2014084095A; CN103776190A; US20140109598A1; CN103776190B; DE102012113222A1; KR101405194B1; JP6125220B2

Abstract

차량용 스털링 냉동기가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기는 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트를 포함하여 구성되는 구동부; 상기 구동부와 연결되며, 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하는 압축부; 상기 압축부의 일측에 배치되며, 상기 회전 샤프트의 회전을 통해 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 등온 팽창 시켜 흡열하는 팽창부; 및 상기 팽창부의 일측에 배치되며, 상기 압축부에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부로 공급하도록 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함한다.

Description

차량용 스털링 냉동기{STIRLING REFRIGERATOR FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 스털링 냉동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 에어컨 시스템에서 기존의 냉매 순환방식을 대체해 헬륨 또는 질소를 작동유체로 하여 차량의 냉방을 수행하도록 하는 차량용 스털링 냉동기에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 에어컨 시스템은 외부의 온도변화에 관계없이 자동차 실내의 온도를 적당한 온도로 유지하여 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 팽창밸브, 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 에어컨 시스템이 설치된 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.

이와 같이 구성되는 에어컨 시스템은 증발기에서 나온 저압의 냉매가스를 압축기에서 고압으로 압축하여 응축기에 보내고, 응축기에서는 고온고압의 냉매가스가 외기에 의해 냉각되어 액화되며, 이 액체상태의 냉매는 팽창밸브에서 저압 무상(霧狀)의 상태로 변화되어 상기 증발기로 유입된 후 주위 열을 빼앗아 증발하게 되는 구조로 이루어져 있으며, 송풍기를 사용하여 증발기의 튜브 사이로 차 실내 공기를 불어 준 뒤, 이 공기를 다시 차내로 순환시킴으로써 실내의 온도를 낮추어 줄 수 있도록 되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 에어컨 시스템은 순환되는 작동유체인 냉매로서 CFC/HCFC계 화합물을 사용하고 있는 바, 이들은 화학적으로 매우 안정적이어서 대기 중으로 누출되었을 때 분해되지 않고 성층권에 도달하고, 여기서 햇빛의 자외선에 반응하여 염소 원자가 분리되며, 이 염소원자는 오존과 반응하여 일산화염소를 생성시키면서 점차 오존층을 파괴하게 되는 문제점이 있다.

또한, 이러한 CFC/HCFC계 화합물인 냉매를 대체냉매로 변경할 경우, 현재 사용중인 냉매 대비 비용이 20배 가량 상승됨에 따라, 원가가 상승되는 문제점도 있다.

또한, 상기 냉매들은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소에 비교해서 수천~수만 배의 적외선 흡수능력을 가지고 있고, 대기 중에서 수명이 길기 때문에 온난화에 미치는 이들의 영향을 무시할 수 없으므로, 종래 에어컨 시스템에 사용되는 냉매들은 오존층 파괴, 지구 온난화의 원인으로서 환경 파괴의 한 요인이 된다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체해 헬륨 또는 질소를 작동유체로 하여 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하고, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 동시에, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하고, 제작원가를 절감하도록 하는 차량용 스털링 냉동기를 제공하고자 한다.

또한, 내부에서 유동되는 작동유체를 이용함에 따라 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시키고, 환경오염 방지를 통해 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시키도록 하는 차량용 스털링 냉동기를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기는 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트를 포함하여 구성되는 구동부; 상기 구동부와 연결되며, 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하는 압축부; 상기 압축부의 일측에 배치되며, 상기 회전 샤프트의 회전을 통해 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 등온 팽창 시켜 흡열하는 팽창부; 및 상기 팽창부의 일측에 배치되며, 상기 압축부에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부로 공급하도록 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함한다.

상기 회전 샤프트는 상기 엔진과 벨트를 통해 연결되는 풀리가 일단에 장착되며, 타단부가 상기 압축부와 상기 팽창부를 관통하여 설치될 수 있다.

상기 압축부는 상기 회전 샤프트가 관통된 상태로 회전 가능하게 설치되며, 내부에 다수개의 압축실이 구비되는 제1 하우징; 상기 제1 하우징의 내부에서 상기 회전 샤프트에 소정각도로 경사진 상태로 장착되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전되는 제1 경사판; 상기 제1 경사판에 장착되는 다수개의 제1 슈; 및 상기 제1 경사판의 회전에 따라 상기 각 압축실에 선택적으로 삽입되면서 작동유체를 압축하도록 상기 제1 슈를 통해 상기 제1 경사판에 장착되는 다수개의 제1 피스톤을 포함할 수 있다.

상기 각 압축실은 상기 회전 샤프트를 중심으로 상기 제1 하우징의 내부에서 원주방향으로 이격되게 형성될 수 있다.

상기 각 압축실은 상기 제1 하우징의 내부에 6개가 이격되게 형성될 수 있다.

상기 각 제1 슈와 상기 각 제1 피스톤은 상기 각 압축실에 대응하여 상기 제1 경사판의 외주면 둘레를 따라 상기 회전 샤프트를 중심으로 설정각도로 이격되게 장착될 수 있다.

상기 팽창부는 상기 압축부의 일측에 배치되고, 상기 회전 샤프트가 관통된 상태로 회전 가능하게 설치되며, 내부에 상기 각 압축실에 대응하여 다수개의 팽창실이 구비되는 제2 하우징; 상기 제2 하우징의 내부에서 상기 회전 샤프트에 소정각도로 경사진 상태로 장착되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전되는 제2 경사판; 상기 제2 경사판에 장착되는 다수개의 제2 슈; 및 상기 제2 경사판의 회전에 따라 상기 각 팽창실에 선택적으로 삽입되면서 작동유체를 팽창시키도록 상기 제2 슈를 통해 상기 제2 경사판에 장착되는 다수개의 제2 피스톤을 포함할 수 있다.

상기 각 팽창실은 상기 회전 샤프트를 중심으로 상기 제2 하우징의 내부에서 원주방향으로 이격되게 형성될 수 있다.

상기 각 팽창실은 상기 제2 하우징의 내부에 6개가 이격되게 형성될 수 있다.

상기 각 제2 슈와 상기 각 제2 피스톤은 상기 각 팽창실에 대응하여 상기 제2 경사판의 외주면 둘레를 따라 상기 회전 샤프트를 중심으로 설정각도로 이격되게 장착될 수 있다.

상기 제1 경사판과 제2 경사판은 각각 설정각도의 위상을 가지며, 상기 회전 샤프트 상에서 상기 압축부와 상기 팽창부의 내부에 각각 반대방향으로 경사지게 장착될 수 있다.

상기 각 압축실과 상기 각 팽창실은 동일 선상에 각각 위치될 수 있다.

상기 재생부는 상기 압축부에서 공급되는 등온 압축 된 고온 상태의 상기 작동유체를 공급받아 열 흡수를 통해 저장하여 상기 작동유체의 온도를 저하시킨 상태로 상기 팽창부로 공급하고, 상기 팽창부로부터 배출되는 등온 팽창 된 저온 상태의 상기 작동유체에 저장된 열을 공급하여 상기 작동유체의 온도를 상승시킨 상태로 상기 압축부에 공급할 수 있다.

상기 압축부와 상기 팽창부와 상기 재생부는 순차적으로 배치되며, 상기 압축부와 재생부는 상기 각 압축실에 대응하여 상기 압축부의 외부에 장착되는 다수개의 연결관을 통해 상호 연결되어 작동유체가 유동될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기는 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트를 포함하여 구성되는 구동부; 상기 구동부와 연결되며, 상기 회전 샤프트의 일단부에 구성되어 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하는 압축부; 상기 회전 샤프트의 타단부에 구성되어 상기 압축부로부터 등온 압축된 작동유체를 등온 팽창 시켜 흡열하는 팽창부; 및 상기 압축부와 상기 팽창부 사이에 구성되며, 상기 압축부에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부로 공급하도록 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기에 의하면, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체해 헬륨 또는 질소를 작동유체로 하여 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하고, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

또한, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하여 협소한 엔진룸 내부에서의 공간 활용성을 증대시키며, 냉매의 대체로 인해 제작원가를 절감하는 효과도 있다.

또한, 등온 압축과 등온 팽창, 및 등적 과정이 내부에서 유동되는 작동유체를 통해 이루어짐으로써, 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시키는 효과도 있다.

또한, 냉매의 미사용으로 인해 환경오염을 방지할 수 있어 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 투영 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 투영 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 단면도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 작동 상태도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 사시도 및 투영 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 투영 측면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기(100)는 CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체해 헬륨 또는 질소를 작동유체로 하여 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하고, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지하는 동시에, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하고, 제작원가를 절감할 수 있는 구조로 이루어진다.

또한, 내부에서 유동되는 작동유체를 이용함에 따라 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시키고, 환경오염 방지를 통해 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기(100)는, 도 1 내지 도 5에서 도시한 바와 같이, 구동부(110), 압축부(120), 팽창부(130), 및 재생부(140)를 포함하여 구성되며, 이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 구동부(110)는 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트(112)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 회전 샤프트(112)는 상기 엔진(미도시)과 벨트(미도시)를 통해 연결되는 풀리(114)가 일단에 장착되며, 타단부가 상기 압축부(120)와 상기 팽창부(120)를 관통하여 설치될 수 있다.

즉, 상기와 같이 구성되는 구동부(110)는 엔진의 구동력을 벨트를 통해 상기 풀리(114)로 전달받아 상기 회전 샤프트(112)를 회전시키게 된다.

본 실시예에서, 상기 압축부(120)는 상기 구동부(110)와 연결되며, 상기 회전 샤프트(112)의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하게 된다.

이러한 압축부(120)는 제1 하우징(122), 제1 경사판(124), 제1 슈(126), 및 제1 피스톤(128)을 포함하여 구성되며, 이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 제1 하우징(122)은 상기 회전 샤프트(112)가 관통된 상태로 회전 가능하게 설치되며, 내부에 다수개의 압축실(121)이 구비된다.

여기서, 상기 각 압축실(121)은 상기 회전 샤프트(112)를 중심으로 상기 제1 하우징(122)의 내부에서 원주방향으로 이격되게 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 제1 하우징(122)의 내부에 6개가 소정각도로 이격되어 등간격으로 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 제1 경사판(124)은 상기 제1 하우징(122)의 내부에서 상기 회전 샤프트(112)에 소정각도로 경사진 상태로 장착되어 상기 회전 샤프트(112)와 함께 회전된다.

상기 제1 슈(126)는 다수개가 구성되며, 상기 제1 경사판(124)의 외주면 측에서 그 둘레를 따라 장착된다.

그리고 상기 제1 피스톤(128)은 상기 제1 경사판(124)의 회전에 따라 상기 각 압축실(121)에 선택적으로 삽입되면서 작동유체를 압축하도록 상기 제1 슈(126)를 통해 상기 제1 경사판(124)에 장착된다.

여기서, 상기 각 제1 슈(126)와 상기 각 제1 피스톤(128)은 상기 각 압축실(121)에 대응하여 상기 제1 경사판(124)의 외주면 둘레를 따라 상기 회전 샤프트(112)를 중심으로 설정각도로 이격되게 장착될 수 있다.

이러한 각 제1 슈(126)와 제1 피스톤(128)은 6개의 압축실(121)에 대응하여 상기 제1 경사판(124)의 외주면 둘레를 따라 60°각도로 이격된 위치에 장착된다.

이에 따라, 상기 각 제1 피스톤(128)은 상기 회전 샤프트(112)의 회전과 함께 회전되는 제1 경사판(124)에 의해 상기 각 압축실(121)로 삽입 및 인출을 반복하면서 상기 압축실(121)의 내부에서 작동유체를 등온 압축시킴으로써, 작동유체에서 발열이 발생된다.

이러한 작동유체의 발열 현상은 상기 압축부(120)를 고온 상태로 유지하게 된다.

여기서, 상기 작동유체는 헬륨 또는 질소 가스로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서, 상기 팽창부(130)는 상기 압축부(120)의 일측에 배치되며, 상기 회전 샤프트(112)의 회전을 통해 상기 압축부(120)에서 압축된 작동유체를 공급받아 등온 팽창 시켜 흡열하게 된다.

상기 팽창부(130)는 제2 하우징(132), 제2 경사판(134), 제2 슈(136), 및 제2 피스톤(138)을 포함하여 구성되며, 이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 제2 하우징(132)은 상기 압축부(120)의 일측에 배치되고, 상기 회전 샤프트(112)가 관통된 상태로 회전 가능하게 설치되며, 내부에 상기 각 압축실(121)에 대응하여 다수개의 팽창실(131)이 구비된다.

여기서, 상기 각 팽창실(131)은 상기 회전 샤프트(112)를 중심으로 상기 제2 하우징(132)의 내부에서 원주방향으로 이격되게 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 제2 하우징(132)의 내부에 6개가 소정각도로 이격되어 등간격으로 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 제2 경사판(134)은 상기 제2 하우징(132)의 내부에서 상기 회전 샤프트(112)에 소정각도로 경사진 상태로 장착되어 상기 회전 샤프트(112)와 함께 회전된다.

상기 제2 슈(136)는 다수개가 구성되며, 상기 제2 경사판(134)의 외주면 측에서 그 둘레를 따라 장착된다.

그리고 상기 제2 피스톤(138)은 상기 제2 경사판(134)의 회전에 따라 상기 각 팽창실(131)에 선택적으로 삽입되면서 작동유체를 팽창시키도록 상기 제2 슈(136)를 통해 상기 제2 경사판(134)에 장착된다.

여기서, 상기 각 제2 슈(136)와 상기 각 제2 피스톤(138)은 상기 각 팽창실(131)에 대응하여 상기 제2 경사판(134)의 외주면 둘레를 따라 상기 회전 샤프트(112)를 중심으로 설정각도로 이격되게 장착될 수 있다.

이러한 각 제2 슈(136)와 제2 피스톤(138)은 상기 제2 하우징(132)에 60°각도로 각각 이격되어 6개가 형성되는 각 팽창실(131)에 대응하여 상기 제2 경사판(134)의 외주면 둘레를 따라 60°각도로 이격되어 6개가 구비될 수 있다.

이에 따라, 상기 각 제2 피스톤(138)은 상기 회전 샤프트(112)의 회전과 함께 회전되는 제2 경사판(134)에 의해 상기 각 팽창실(131)로 삽입 및 인출을 반복하면서 상기 각 팽창실(131)의 내부에서 작동유체를 등온 팽창시킴으로써, 작동유체에서 흡열이 발생된다.

이러한 작동유체의 흡열현상은 상기 팽창부(130)를 극저온 상태로 유지하게 된다.

한편, 본 실시예에서, 상기 제1 경사판(124)과 제2 경사판(134)은 각각 설정각도의 위상을 가지며, 상기 회전 샤프트(112) 상에서 상기 압축부(120)와 상기 팽창부(130)의 내부에 각각 반대방향으로 경사지게 장착된다.

또한, 상기 각 압축실(121)과 상기 각 팽창실(131)은 동일 선상에 각각 위치될 수 있다.

그리고 상기 재생부(140)는 상기 팽창부(130)의 일측에 배치되며, 상기 압축부(120)에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부(130)로 공급하도록 상기 압축부(120)와 상기 팽창부(130)를 유체적으로 연통시키게 된다.

이러한 상기 재생부(140)는 상기 압축부(120)에서 공급되는 등온 압축 된 고온 상태의 상기 작동유체를 공급받아 열 흡수를 통해 저장하여 상기 작동유체의 온도를 저하시킨 상태로 상기 팽창부(130)로 공급하게 된다.

그런 후, 상기 재생부(140)는 상기 팽창부(130)로부터 배출되는 등온 팽창 된 저온 상태의 상기 작동유체에 저장된 열을 공급하여 상기 작동유체의 온도를 상승시킨 상태로 상기 압축부(120)에 공급하게 된다.

여기서, 상기 재생부(140)는 상기 각 압축실(121)과 각 팽창실(131)에 대응하여 6개의 재생필터(142)가 구비될 수 있다. 상기 각 재생필터(142)는 내부를 지나는 작동유체로부터 열을 흡수하거나 흡수된 열을 작동유체에 공급할 수 있도록 가느다란 철망이 뭉쳐진 상태로 형성될 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 압축부(120)와 상기 팽창부(130)와 상기 재생부(140)는 순차적으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 압축부(120)와 재생부(140)는 상기 각 압축실(121)에 대응하여 상기 압축부(120)의 외부에 장착되는 다수개의 연결관(150)을 통해 연결되어 상기 팽창부(130)의 각 팽창실(131)과 상호 연결되어 작동유체가 유동될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 상기 압축부(120)의 상기 제1 경사판(124)과, 상기 팽창부(130)의 제2 경사판(134)은 상기 회전 샤프트(112)의 회전과 함께 시, 서로 반대방향으로 경사지게 장착됨에 따라, 서로 반대 위상으로 회전된다.

이에 따라, 상기 압축부(120)는 상기 제1 경사판(124)에 장착된 각 제1 피스톤(128)이 순차적으로 각 압축실(121)로 삽입되어 작동유체를 압축시키게 된다.

그러면 상기 각 압축실(120)에서 압축된 작동유체는 상기 연결관(150)을 통해 재생부(140)로 유입되어 재생필터(142)를 통과하면서 일정량의 열이 흡수된 상태로, 상기 팽창부(130)의 팽창실(131)로 유입되며, 제1 경사판(124)과 반대 위상으로 회전되는 제2 경사판(134)에 의해 상기 각 팽창실(131)로 순차적으로 삽입 및 인출이 반복되는 각 제2 피스톤(138)에 의해 등온 팽창이 이루어지게 된다.

즉, 동축 선상에 각각 형성되는 각 압축실(121)과 팽창실(131)은 상기 압축실(121)에서 작동유체가 등온 압축될 경우, 동축 선상에 위치되는 팽창실(131)에서는 작동유체의 등온 팽창이 이루어지게 된다.

이러한 등온 압축과 등온 팽창은 상기 각 경사판(124, 134)의 회전에 의해 상기 각 제1 피스톤(128)과 각 제2 피스톤(138)을 통하여 각 압축실(121)과 팽창실(131)에서 순차적으로 이루어지며, 엔진으로부터 전달되는 구동력에 의해 연속해서 발생된다.

여기서, 상기 압축부(120)는 외부를 둘러싸는 미도시된 워터자켓을 통해 냉각장치(160)로부터 공급되는 냉각수와 열교환을 통해 열이 발산되면서, 냉각될 수 있다.

그리고 상기 팽창부(130)는 외부를 둘러싸는 미도시된 워터자켓을 통해 냉각수를 순환시키는 공조장치(170)로부터 공급되는 냉각수와 열교환을 통해 냉각수를 상온이하로 냉각하여 공조장치(170)로 공급함으로써, 공조장치(170)로 유입되는 외기를 상온 이하의 냉각수와 열교환시켜 차량의 실내를 냉방하게 된다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기(100)의 작동 및 작용을 설명한다.

도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기의 작동 상태도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기(100)는 미도시된 엔진으로부터 벨트를 통해 상기 구동부(110)의 풀리(114)로 엔진의 구동력이 전달되면, 상기 풀리(114)가 회전되면서, 상기 회전 샤프트(112)를 회전시키게 된다.

그러면, 상기 회전 샤프트(112)에 각각 장착된 압축부(120)의 제1 경사판(124)과 팽창부(130)의 제2 경사판(134)이 서로 반대 위상으로 회전되면서 상기 각 제1 피스톤(128)은 각 압축실(121)로 순차적으로 삽입 및 인출이 반복되고, 상기 각 제2 피스톤(138)은 상기 제1 피스톤(128)과는 반대로 상기 각 팽창실(131)로 인출 및 삽입이 반복된다.

먼저, 상기 제1 피스톤(128)이 압축실(121)로 삽입되면, 작동유체는 압축실(131)의 내부에서 압축됨에 따라 등온 압축이 이루어져 발열되고, 작동유체의 발열로 인해 상기 압축부(120)는 고온 상태가 된다.

여기서, 냉각장치(160)는 상기 압축부(120)를 감싸는 미도시된 워터자켓으로 냉각수를 공급하여 상기 압축부(120)를 냉각시키게 되며, 압축부(120)와의 열교환을 통해 수온이 상승된 냉각수는 냉각장치(160)에서 외부방열을 통해 냉각된다.

상기 압축부(120)에서 압축된 작동유체는 상기 각 연결관(150)으로 배출되어 상기 재생부(140)로 유입되고, 상기 각 압축실(121)과 팽창실(131)에 대응해 구비된 각 재생필터(142)를 통과하면서 열이 일정량 흡수된 후, 상기 팽창부(130)로 유입된다.

그러면, 상기 팽창부(130)로 유입된 작동유체는 상기 제1 피스톤(128)이 삽입되어 압축이 발생된 압축실(121)에 대응하는 팽창실(131)에서 상기 제2 피스톤(138)이 인출된 상태로 팽창이 이루어지면서 흡열이 발생된다.

이러한 등온 팽창에 의한 작동유체의 흡열은 상기 팽창부(130)를 냉각시켜 극저온 상태를 유지하게 한다.

여기서, 상기 공조장치(170)는 상기 팽창부(130)를 감싸는 미도시된 워터자켓으로 냉각수를 공급하여 상기 팽창부(130)와의 열교환을 통해 냉각수를 상온이하로 냉각하여 순환시킴으로써, 상온이하의 냉각수와 열교환된 외기를 차량의 실내로 유입시켜 차량의 실내를 냉방하게 된다.

이와 같이, 상기 각 제1 피스톤(128)은 상기 회전 샤프트(112)에 경사지게 장착된 제1 경사판(124)에 의해 각 압축실(121)로 삽입 및 인출이 순차적으로 반복되면서 각 압축실(121) 내부의 작동유체를 압축하고, 압축된 각 압축실(121) 내부의 작동유체는 각 연결관(150)을 따라 상기 재생부(140)를 통과한 후, 상기 팽창부(130)의 각 팽창실(131)로 유입된다.

이 때, 상기 팽창부(130)는 상기 재생부(140)를 통과한 작동유체가 각 팽창실(131)로 순차적으로 유입됨에 따라 상기 각 제2 피스톤(138)이 상기 회전 샤프트(112)에 의해 회전되며, 제1 경사판(124)과 반대 위상으로 경사지게 장착된 제2 경사판(138)에 의해 상기 각 제1 피스톤(128)과는 반대로 상기 각 팽창실(131)로 삽입 및 인출이 순차적으로 반복된다.

따라서, 작동유체는 상기 회전 샤프트(112)에 서로 반대 위상으로 장착된 제1, 제2 경사판(124, 134)이 회전되면서, 상기 각 압축실(121)과 각 팽창실(131)에서 서로 반대로 삽입과 인출이 반복되는 상기 각 제1, 제2 피스톤(128, 138)에 의해 상기 각 압축실(121)과 각 팽창실(131) 사이를 이동하게 된다.

즉, 상기 작동유체는 상기 압축부(120)로부터 상기 각 연결관(150)을 통하여 재생부(140)를 통과한 후, 상기 팽창부(130)로 유입되었다가, 다시, 상기 팽창부(130)로부터 재생부(140)를 통과한 후, 각 연결관(150)을 통해 압축부(120)로 이동되며, 이와 같은 작동유체의 이동은 상기 회전 샤프트(112)의 회전 작동에 의해 반복해서 수행된다.

즉, 작동유체는 압축부(120)에서 등온 압축이 이루어져 발열되고, 재생부(140)를 통과하면서 등적 과정을 거친 후, 상기 팽창부(130)에서 등온 팽창이 이루어져 흡열되었다가 다시 재생부(140)를 통과하면서 등적 과정을 거친 후, 상기 압축부(120)에서 등온 압축되어 발열되는 것으로, 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 등적 과정의 과정은 계속해서 반복된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기(200)는, 도 8에서 도시한 바와 같이, 구동부(210), 압축부(220), 팽창부(230), 및 재생부(240)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 구동부(210)는 차량의 엔진(미도시)으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트(212)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 압축부(220)는 상기 구동부(210)와 연결되며, 상기 회전 샤프트(212)의 일단부에 구성되어 상기 회전 샤프트(212)의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하게 된다.

상기 팽창부(230)는 상기 회전 샤프트(212)의 타단부에 구성되어 상기 압축부(220)로부터 등온 압축된 작동유체를 등온 팽창 시켜 흡열하게 된다.

그리고 상기 재생부(240)는 상기 압축부(220)와 상기 팽창부(230) 사이에 구성되며, 상기 압축부(220)에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부(230)로 공급하도록 상기 압축부(220)와 상기 팽창부(230)를 유체적으로 연통시키게 된다.

즉, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기(200)는 전술한 일 실시예와는 달리 상기 재생부(240)가 압축부(220)와 팽창부(230) 사이에 배치되며, 이를 제외한 내부 구성은 전술한 일 실시예와 동일하므로 이하, 그 구성 및 작동에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 스털링 냉동기(100, 200)를 적용하면, CFC/HCFC계 냉매의 순환방식을 대체해 헬륨 또는 질소를 작동유체로 하여 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하고, 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 이용해 차량의 냉방을 수행함으로써, 냉매에 의한 환경오염을 방지할 수 있다.

또한, 구성요소를 줄여 레이아웃을 간소화하여 협소한 엔진룸 내부에서의 공간 활용성을 증대시키며, 냉매의 대체로 인해 제작원가를 절감할 수 있다.

또한, 등온 압축과 등온 팽창, 및 등적 과정이 내부에서 유동되는 작동유체를 통해 이루어짐으로써, 별도의 복잡한 연결배관을 제거해 작동유체의 누기를 방지하여 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉매의 미사용으로 인해 환경오염을 방지할 수 있어 각종 환경규제에 대한 대응이 가능하여 전체적인 상품성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100, 200 : 스털링 냉동기 110, 210 : 구동부
112, 212 : 회전 샤프트 114 : 풀리
120, 220 : 압축부 121 : 압축실
122 : 제1 하우징 124 : 제1 경사판
126 : 제1 슈 128 : 제1 피스톤
130, 230 : 팽창부 131 : 팽창실
132 : 제2 하우징 134 : 제2 경사판
136 : 제2 슈 138 : 제2 피스톤
140, 240 : 재생부 142 : 재생필터
150 : 연결관 160 : 냉각장치
170 : 공조장치

Claims

차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트를 포함하여 구성되는 구동부;
상기 구동부와 연결되며, 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하는 압축부;
상기 압축부의 일측에 배치되며, 상기 회전 샤프트의 회전을 통해 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 등온 팽창 시켜 흡열하는 팽창부; 및
상기 팽창부의 일측에 배치되며, 상기 압축부에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부로 공급하도록 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부;
를 포함하는 차량용 스털링 냉동기.
제1항에 있어서,
상기 회전 샤프트는
상기 엔진과 벨트를 통해 연결되는 풀리가 일단에 장착되며, 타단부가 상기 압축부와 상기 팽창부를 관통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제1항에 있어서,
상기 압축부는
상기 회전 샤프트가 관통된 상태로 회전 가능하게 설치되며, 내부에 다수개의 압축실이 구비되는 제1 하우징;
상기 제1 하우징의 내부에서 상기 회전 샤프트에 소정각도로 경사진 상태로 장착되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전되는 제1 경사판;
상기 제1 경사판에 장착되는 다수개의 제1 슈; 및
상기 제1 경사판의 회전에 따라 상기 각 압축실에 선택적으로 삽입되면서 작동유체를 압축하도록 상기 제1 슈를 통해 상기 제1 경사판에 장착되는 다수개의 제1 피스톤;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제3항에 있어서,
상기 각 압축실은
상기 회전 샤프트를 중심으로 상기 제1 하우징의 내부에서 원주방향으로 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제4항에 있어서,
상기 각 압축실은
상기 제1 하우징의 내부에 6개가 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제3항에 있어서,
상기 각 제1 슈와 상기 각 제1 피스톤은
상기 각 압축실에 대응하여 상기 제1 경사판의 외주면 둘레를 따라 상기 회전 샤프트를 중심으로 설정각도로 이격되게 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제3항에 있어서,
상기 팽창부는
상기 압축부의 일측에 배치되고, 상기 회전 샤프트가 관통된 상태로 회전 가능하게 설치되며, 내부에 상기 각 압축실에 대응하여 다수개의 팽창실이 구비되는 제2 하우징;
상기 제2 하우징의 내부에서 상기 회전 샤프트에 소정각도로 경사진 상태로 장착되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전되는 제2 경사판;
상기 제2 경사판에 장착되는 다수개의 제2 슈; 및
상기 제2 경사판의 회전에 따라 상기 각 팽창실에 선택적으로 삽입되면서 작동유체를 팽창시키도록 상기 제2 슈를 통해 상기 제2 경사판에 장착되는 다수개의 제2 피스톤;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제7항에 있어서,
상기 각 팽창실은
상기 회전 샤프트를 중심으로 상기 제2 하우징의 내부에서 원주방향으로 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제8항에 있어서,
상기 각 팽창실은
상기 제2 하우징의 내부에 6개가 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제7항에 있어서,
상기 각 제2 슈와 상기 각 제2 피스톤은
상기 각 팽창실에 대응하여 상기 제2 경사판의 외주면 둘레를 따라 상기 회전 샤프트를 중심으로 설정각도로 이격되게 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제7항에 있어서,
상기 제1 경사판과 제2 경사판은
각각 설정각도의 위상을 가지며, 상기 회전 샤프트 상에서 상기 압축부와 상기 팽창부의 내부에 각각 반대방향으로 경사지게 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제7항에 있어서,
상기 각 압축실과 상기 각 팽창실은
동일 선상에 각각 위치되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제1항에 있어서,
상기 재생부는
상기 압축부에서 공급되는 등온 압축 된 고온 상태의 상기 작동유체를 공급받아 열 흡수를 통해 저장하여 상기 작동유체의 온도를 저하시킨 상태로 상기 팽창부로 공급하고,
상기 팽창부로부터 배출되는 등온 팽창 된 저온 상태의 상기 작동유체에 저장된 열을 공급하여 상기 작동유체의 온도를 상승시킨 상태로 상기 압축부에 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
제7항에 있어서,
상기 압축부와 상기 팽창부와 상기 재생부는 순차적으로 배치되며,
상기 압축부와 재생부는 상기 각 압축실에 대응하여 상기 압축부의 외부에 장착되는 다수개의 연결관을 통해 상호 연결되어 작동유체가 유동되는 것을 특징으로 하는 차량용 스털링 냉동기.
차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트를 포함하여 구성되는 구동부;
상기 구동부와 연결되며, 상기 회전 샤프트의 일단부에 구성되어 상기 회전 샤프트의 회전에 의해 내부에 충진된 작동유체를 등온 압축 시켜 발열하는 압축부;
상기 회전 샤프트의 타단부에 구성되어 상기 압축부로부터 등온 압축된 작동유체를 등온 팽창 시켜 흡열하는 팽창부; 및
상기 압축부와 상기 팽창부 사이에 구성되며, 상기 압축부에서 등온 압축된 작동유체를 상기 팽창부로 공급하도록 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부;
를 포함하는 차량용 스털링 냉동기.