KR19980042401A - 스터링 사이클 기관 - Google Patents

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KR19980042401A
KR19980042401A KR1019970059866A KR19970059866A KR19980042401A KR 19980042401 A KR19980042401 A KR 19980042401A KR 1019970059866 A KR1019970059866 A KR 1019970059866A KR 19970059866 A KR19970059866 A KR 19970059866A KR 19980042401 A KR19980042401 A KR 19980042401A
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piston
compression
displacer
cylinder
cycle engine
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KR1019970059866A
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세키야히로시
이노우에다카시
Original Assignee
다카노야스아키
산요덴키가부시키가이샤
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

간단한 구성과 저렴한 비용으로서, 소망하는 성능을 발휘하는 기관(機關)을 얻는 것을 가능하게 하는 스터링사이클기관(Stirling cycle engine)을 제공한다.
하우징(1)내에 전동요소(6)와, 이 전동요소(6)에 의해서 구동되는 냉동기부와, 병설된 복수의 실린더를 가지며, 이 실린더가 피스톤 또는 디스플레이서 피스톤(36)의 크로스가이드로서 구성된다.
또, 상기 전동요소(6)을 발전기로 사용하여 하우징(1)내에 전동요소(6)과, 냉동기부와 병설된 복수의 실린더를 갖고, 이 실린더가 피스톤 또는 디스플레이서 피스톤(36)의 크로스가이드로서 구성하여도 좋다.
이 외에, 병설된 실린더내를 왕복동작하는 피스톤에는 위상차이를 갖도록 하는 등의 각종 변형을 고려할 수 있다.

Description

스터링 사이클 기관(Stirling cycle engine)
본 발명은 스터링사이클기관에 관한 것으로, 간단한 구성으로서 저렴하게 소망하는 스터링냉동기, 스터링엔진발전기 등의 스터링사이클기관을 제공할 수 있도록 연구한 것이다.
스터링냉동기나, 스터링엔진발전기등의 스터링사이클기관으로서는 예를들면, 「T. OTAKA, et al., EXPERIMENTAL STUDY ON A 100W CLASS STIRLING CYCLE COOLER, Proc. 7th ICSC, 95088, 1995 」(이하, 문헌 A라고 함)나, 「 A. BAUMULLER, et al., SOLAR STIRLING R ＋ D － ACTIVITIES IN GERMANY, Proc. 7th ICSC, 95IP02, 1995 」(이하, 문헌 B라 함)에 개시한 것이 있다.
즉, 상기 문헌 A에는 도14에 나타내는 바와 같은 프로토타입(proto-type)의 스터링냉동기가 기재되어 있다.
상기 도면에 있어서, 201은 진공절연케이스, 202는 냉각벽, 203은 팽창실, 204는 실린더, 205는 휜(fin), 206은 디스프레이서, 207은 재생기, 208은 라디에이터, 209는 파이프, 210은 압축실, 211은 피스톤, 212는 피스톤로드, 213은 구동디스크, 214는 크랭크샤프트, 215는 구동용모터, 216은 크랭크박스, 217은 로터리엔코더, 218은 밸런스웨이트이다.
또, 이 스터링냉동기에서는 작동매체로서는 헬륨을 사용하며, 냉동능력으로서는 100W의 능력이 나올 수 있다고 기재되어 있다.
한편, 문헌 B에는 도15에 나타내는 바와 같은 솔러시스템에 적용되는 스터링엔진이 기재되어 있다.
상기 도면에 있어서, 크랭크샤프트(221)을 기점으로 하여 압축피스톤(222)측에 실린더블럭(223), 물파이프(224), 가스냉각기(225), 재생기(226)이 배치되어 있다.
또한 227은 시일링유니트이다.
또, 팽창피스톤(228)측에도 시일링유니트(229)가 설치되어 있다.
230은 저유조(oil tank), 230은 오일필터, 232는 태양광 채광부이다.
상기의 종래 구성에 의하면, 다음과 같은 문제가 있었다.
상기한 문헌 A나, 문헌 B에 기재되어 있는 스터링사이클기관은 어느 것이나 실용화에는 많은 문제점이 있고, 특히, 구동부의 부품조달이나, 구동부를 구성하는 구성부품의 구입에 곤란을 겪게 되어, 결국 비용이 상승하는 문제가 있었다.
본 발명은 이와같은 점을 감안하여 이루워진 것으로서 그 목적으로 하는 바는 간단한 구성으로, 또, 저렴한 비용으로 소망하는 성능을 발휘하는 기관을 얻는 것을 가능하게한 스터링사이클기관을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 제1의 실시형태를 스터링냉동기로 한 경우의 스터링사이클
기관의 구성을 나타내는 종단정면도.
도2는 본 발명의 제1의 실시형태를 나타내며, 도1을 II-II방향에서 보아,
그 절반을 끊어서 나타내는 도면.
도3은 본 발명의 제1의 실시형태를 나타내며, 도1의 스터링사이클기관의
구성을 간략화한 도면.
도4는 본 발명의 제1의 실시형태를 스터링엔진발전기(Stirling engine
generator)로 한 경우의 스터링사이클기관의 구성을 나타내는
종단정면도.
도5는 본 발명의 제1의 실시형태를 나타내며, 도4를 V-V방향에서 보아,
그 절반을 끊어서 나타내는 도면.
도6은 본 발명의 제1의 실시형태를 나타내며, 도4, 도5에 도시한
스터링사이클기관의 냉동능력-온도특성을 나타내는 특성도.
도7은 본 발명의 제1의 실시형태를 나타내며, 도4, 도5에 도시한
스터링사이클기관의 성적계수-온도특성을 나타내는 특성도.
도8은 본 발명의 제2의 실시형태를 나타내며, 스터링사이클기관의 구성을
간략화한 도면.
도9는 본 발명의 제3의 실시형태를 나타내며, 스터링사이클기관의 구성을
간략화한 도면.
도10은 본 발명의 제4의 실시형태를 나타내며, 스터링사이클기관의 구성을
간략화한 도면.
도11은 본 발명의 제5의 실시형태를 나타내며, 스터링사이클기관의 구성을
간략화한 도면.
도12는 본 발명의 제5의 실시형태를 나타내며, 도11의 스터링사이클기관의
구성을 간략화한 도면.
도13은 본 발명의 제6의 실시형태를 나타내며, 스터링사이클기관의 구성을
간략화한 도면.
도14는 종래예의 문헌 A의 프로토타입(proto-type)(原型)의 스터링냉동기의
구성을 나타내는 종단정면도.
도15는 종래예의 문헌 B의 솔러시스템(Solar system)에 적용되는
스터링엔진(Stirling engine)의 구성을 나타내는 종단정면도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 하우징
2 실린더
6 전동요소
7 압축요소(기구부)
12 크랭크 샤프트
13 고정자(stator)
14 회전자(rotor)
16a,16b 크랭크부
17a,17b 커넥트 로드(Connect rod)
18a,18b 크로스가이드 헤드(Cross guide head)
19a,19b 크로스가이드 라이너(Cross guide liner)
28 압축피스톤(파워피스톤)
36 디스플레이서 피스톤(displacer piston)
52 팽창피스톤
43 쿨러(히터)
44 축냉기(재생기)
45 라디에이터(쿨러)
51 플라이 휠(fly-wheel)
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 청구항 1에 의한 스터링사이클기관에서는 적어도 하나의 실린더를 갖는 하우징과, 이 하우징내에 수용되어 있는 전동요소와, 이 전동요소로 구동되는 스터링냉동기부를 구비하며, 상기 실린더를 스터링냉동기부의 피스톤 또는 디스플레이서의 크로스가이드로 한 것을 특징으로 한 것이다.
본 발명의 청구항 2에 기재한 스터링사이클기관에서는 적어도 하나의 실린더를 갖는 하우징과, 이 하우징내에 수용되어 있는 전동요소와, 스터링냉동기부를 구비하며, 상기 실린더를 상기 스터링냉동기부의 피스톤 또는 디스플레이서의 크로스가이드로함과 동시에 상기 전동요소를 발전기로 한 것을 특징으로 한 것이다.
본 발명의 청구항 3및 4에 기재한 스터링사이클기관에서는 청구항 1또는 2에 기재한 스터링사이클기관에 있어서, 병설된 실린더내를 왕복운동하는 피스톤 또는 디스플레이서는 위상차(位相差)를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 5 및 6에 의한 스터링사이클기관에서는 청구항 1 또는 2에 기재한 스터링사이클기관에 있어서, 하우징의 시일면에 작동가스의 누출을 방지하는 기밀 시일(seal)을 설치한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 7에 의한 스터링사이클기관에서는 청구항 1 또는 2에 기재한 스터링사이클기관에 있어서, 피스톤 또는 디스플레이서를 연결한 크랭크축의 적어도 한 끝에 플라이 휠(fly-wheel)을 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
즉, 본 말명에 의한 스터링사이클기관은 기존의 반 밀폐형 컴프레셔를 스터링사이클기관의 구동부로서 사용하도록한 것이며, 컴프레셔의 압축요소측에 스터링사이클기구부를 연결한 것이다.
이에 의해서, 간단한 구성으로 소망하는 스터링사이클기관, 예를들면, 스터링냉동기, 스터링엔진발전기를 얻을 수가 있게 된다.
(발명의 실시형태)
(제1의 실시형태)
이하, 도1 내지 도7을 참조하여 본 발명의 제1의 실시형태를 설명한다.
우선, 도1 및 도2를 참조하여, 본 실시의 형태인 스터링냉동기로서 기능하는 스터링사이클기관의 구성부터 설명한다.
본 실시형태의 스터링냉동기(100)은 그 구동부로서 기존의 컴프레셔, 예를들면, 반 밀폐형 컴프레셔를 사용하고 있으며, 그 컴프레셔측부터 설명한다.
도1 및 도2에 나타내는 바와 같이, 1은 실린더(2)를 갖는 주물로 형성된 하우징으로서, 이 하우징(1)내는 구획벽(3)에 의해서 모터실(4)와 크랭크실(5)로 구획되고, 이 모터실(4)에는 전동요소(6)이, 크랭크실(5)에는 회전운동을 왕복운동으로 변환하는 기구부(7)이 각각 수용되어 있다.
이 기구부(7)은 반밀폐형 컴프레셔로서 사용하는 경우에는 압축요소로서 기능을 한다.
모터실(4)의 개방구 및 크랭크실(5)의 개구부는 각각 폐쇄부재(8)로 폐쇄되고, 이들 폐쇄부재(8)은 고기밀가스켓(9)를 끼워서 복수의 볼트(10)에 의해 하우징(1)에 고정되어 있다.
또, 고밀도가스켓(9)는 각각의 부품접합부의 사이에 끼워져서 시일(seal)되고 있다.
하우징(1)내에는 구획벽(3)의 축받이부(11)에 축지지된 크랭크샤프트(12)가 회전이 가능하게 배치되어 있다.
전동요소(6)은 하우징(1)의 모터실(4)의 내부둘레벽에 고정된 스테이터(고정자)(13)과, 이 고정자(13)의 내부둘레측에 회전이 가능하게 배치된 회전자(rotor)(14)로 구성되며, 이 회전자(14)의 중앙에 크랭크샤프트(12)가 고정되어 있다.
15는 단자함으로서 전동요소(6)과 외부전원(도시하지 않음)을 접속하고 있다.
기구부(7)은 크랭크샤프트(12)의 크랭크실(5)내에 뻗은 크랭크부(16a), (16b)와, 이 크랭크부(16a),(16b)에 연결된 커넥트로드(17a),(17b)와, 이 커넥트로드(17a),(17b)의 선단에 설치된 크로스가이드 헤드(18a),(18b)로 구성되며, 후에 설명하게 될 스터링냉동기부의 구동수단으로서 작용을 하고 있다.
또, 크랭크샤프트(12)에는 스터링냉동기부와의 균형을 잡아주는 균형추(ba -lance weight)(12a),(12b)가 부착되어 있다.
크로스가이드 헤드(18a),(18b)는 하우징(1)의 실린더(2)의 내벽에 설치된 크로스가이드 라이너(19a),(19b)내를 왕복동작이 가능하게 배치되어 있다.
그리고, 실린더(2)는 크로스가이드 헤드(18a),(18b)를 안내하는 크로스가이드로서 기능을 하고 있다.
크랭크부(16a),(16b)는 90。의 위상차를 두고 형성되어 있다.
스터링냉동기부(20)은 하우징(1)의 크랭크실(5)의 상부에 압축실린더(21)과, 이 압축실린더의 위에 팽창실린더(22)를 배치하여 형성된다.
압축실린더(21)은 하우징(1)에 볼트(23)으로 고정되는 압축실린더블럭(24)와, 이 압축실린더블럭의 공간(25)내를 왕복으로 슬라이딩동작하여 이 공간을 압축공간(26)으로하여 압축시켜서 고온실(27)로하는 압축피스톤(28)과, 이 압축피스톤에 한끝을 고정하고, 다른끝을 핀(29a)로 크로스가이드 헤드(18a)에 회전이 자유롭게 연결된 압축피스톤으로드(30)으로 구성되어 있다.
공간(25)를 왕복운동하는 압축피스톤(28)은 상사점 및 하사점에서 슬라이딩동작방향이 반전하기 때문에, 속도가 제로로 되고, 상사점 및 하사점부근에서는 속도가 느리고 단위시간당 용적의 변화량도 작고, 하사점에서 상사점 및 상사점에서 하사점으로 향해서 이동할때의 각각의 중간점에서 최고속도로 되며, 단위시간당의 피스톤의 이동에 의한 용적의 변화량도 최대로 된다.
팽창실린더(22)는 압축실린더(21)의 상부에 볼트(도시하지않음)에 의해서 고정되는 팽창실린더블럭(31)과, 이 팽창실린더블럭의 공간(32)내를 왕복으로 슬라이딩동작하여 이 공간의 상부를 팽창공간(33)으로하여 팽창시켜서 저온실(34)로 함과 동시에, 하부를 작동공간(35)로하는 디스플레이서 피스톤(36)과, 이 디스플레이서 피스톤에 한끝을 고정하고, 다른끝을 압축실린더블럭(24)를 관통하여 핀(29b)에 의해 크로스가이드 헤드(18b)에 회전이 자유롭게 연결된 디스플레이서 피스톤으로드(37)로 구성되어 있다.
디스플레이서 피스톤으로드(37)은 압축실린더블럭(24)의 관통구멍(38)에 축봉장치(39)를 끼워서 밀봉되어 있다.
압축피스톤(28)은 디스플레이서 피스톤(36)보다 90。위상이 늦도록 되어 있다.
또, 압축피스톤(28)과 디스플레이서 피스톤(36)의 슬라이딩동작면에는 각각 시일링(40)이 설치되어 있다.
압축실린더블럭(24)와 팽창실린더블럭(30)에는 압축공간(26)과 작동공간(35)를 연통하는 연통구멍(41)이 형성되어 있다.
팽창실린더블럭(31)에는 팽창공간(33)과 작동공간(35)를 연통하는 통로(42)가 형성되고, 이 통로에는 외부를 냉각시키는 쿨러(cooler)(43)과, 축냉기(44)와 라디에이터(45)가 차례로 설치되어 있다.
스터링냉동기(100)의 작동가스나 하우징(1)내의 밀봉가스로서는 예를들면, 헬륨, 수소, 질소 등이 사용가능하며 실시예에서는 헬륨을 사용하고 있다.
또, 하우징(1)내의 밀봉가스는 압축피스톤(28)로부터 하우징(1)내에로의 작동가스의 누설이 피할 수 없기 때문에 작동가스와 동일한 가스를 사용하고 있다.
다음에, 이하의 각 실시형태를 간략도로 설명하는 편의상 도1의 스터링냉동기의 구성을 간략화한 도3에 대하여 설명한다.
이 스터링냉동기(100)은 「 1 디스플레이서 ＋ 1 피스톤, 열교환기 에뉼러(annular)배치 」로 구성되는 것이다.
먼저, 전동요소(6)에 의해 크랭크샤프트(12)가 회전하고, 크랭크실(5)내의 크랭크부(16a),(16b)가 90。위상을 어긋나게 하여 회전하고 있다.
이 크랭크부(16a),(16b)에 회전이 자유롭게 연결된 코넥트로드(17a),(17b)가 슬라이딩동작하여 이 커넥트로드의 선단에 설치된 크로스가이드 헤드(18a),(18b)가 실린더(2)에 설치된 크로스가이드 라이너(19a),(19b)내를 왕복슬라이딩 동작한다.
크로스가이드 헤드(17a)에 압축피스톤으로드(30)을 통해서 연결된 압축피스톤(28)에서 압축실린더블럭(24)내의 압축공간(26)의 작동가스는 압축피스톤(28)이 상사점을 향할때에 압축되고, 연통구멍(41)에서 작동공간(35)내로 도입되고 있다.
이 작동공간(35)내로 도입된 작동가스는 크로스가이드 헤드(17b)에 디스플레이서 피스톤으로드(37)을 통해서 연결된 디스플레이서 피스톤(36)이 아랫방향으로 이동하므로서 라디에이터(45)로 배출된다.
그리고, 이 라디에이터(45)에서 외부로 방열된 작동가스는 축냉기(44)에서 냉각되어, 쿨러(43)을 통해서 팽창공간(33)내로 유입한다.
작동공간(35)와 팽창공간(33)은 디스플레이서 피스톤(36)의 이동방향에 따라서 작동가스가 이동하는 것 뿐이므로, 팽창공간(33)과 작동공간(35)의 사이의 이동으로서는 압력변동이 생기지 않도록 되어 있다.
즉, 디스플레이서 피스톤(36)만으로는 압축이나 팽창이 일어나지 않토록 되어 있다.
그리고, 디스플레이서 피스톤(36)이 하사점을 향해서 90。의 위치에서 속도가 최대일 때 압축피스톤(28)은 상사점에 도달하고 속도가 제로(zero)로 된다.
그리고, 압축피스톤(28)이 하사점을 향해서 이동할 때의 속도가 늦고, 압축공간(26)내의 용적증대의 변화가 작은데 대하여 디스플레이서 피스톤(36)의 속도가 최대일 때 작동공간(35)와 팽창공간(33)의 용적변화가 크기 때문에, 작동공간(35)내의 작동가스는 팽창공간(33)내로 이동한다.
또, 디스플레이서 피스톤(36)이 하사점부근이 되면, 팽창공간(33)내의 용적도 최대가 된다.
그때에, 압축피스톤(28)이 하사점을 향해서 중간위치의 회전각 90。부근의 위치로 되어 있으며 속도도 최대로 된다.
그 때문에, 압축공간(26)내의 작동가스가 팽창을 시작하여 이 작동가스의 압력이 저하하면, 팽창공간(33)내의 작동가스가 압축공간(26)내로 순간에 이동함과 동시에, 팽창을 시작하여 냉열이 발생한다.
팽창공간(33)내에서 냉각된 작동가스는 디스플레이서 피스톤(36)이 상사점으로 이동하여 팽창공간(33)이 축소되므로서 팽창공간(33)으로부터 쿨러(43)으로 배출되며, 쿨러(43)에서 외부와 열교환을 하여 냉각물을 냉각하고, 축냉기(44)에 축열하고, 라디에이터(45)에서 외기 또는 물등매체와 열교환을 하여 작동공간(35)로 유입하며, 이 작동공간(35)에서 압축공간(26)으로 연통구멍(4)을 통해서 흡입된다.
이후, 위와 같은 사이클을 반복하여 스터링냉동기(100)에서 －30℃내지 －200℃의 초저온까지 냉각할 수 있도록 하고 있다.
압축피스톤(28)과 디스플레이서 피스톤(36)과는 90。위상을 어긋나게 한다고 설명한 바 있으나, 60。∼120。정도의 위상차이를 두어도 스터링사이클기관으로서 기능을 한다.
또, 스터링엔진발전기(Stirling engine generator)로서 구성하는 경우에는 압축피스톤(28)이 파워피스톤과, 저온실(34)가 고온실과, 쿨러(43)이 히터와, 또, 축냉기(44)가 재생기로 되도록 구성하면 된다.
상기와 같은 구성을 이루는 스터링엔진발전기로서 기능하는 스터링사이클기관(101)의 실시형태를 도 4 및 도 5에 구체적으로 도시한다.
또한, 도 4 및 도 5에 있어서, 도 1 및 도 3과 대응하는 구성은 도 1, 도 2 및 도 3과 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도 4, 도 5에 있어서, 46은 역U자 형태의 히터로서, 이 히터(46)은 버너등의 열원(46A)에 의해서 가열되고 있다.
47은 재생기로서, 이 재생기(47)은 상기 열원(46A)에 의해 히터(46)으로 가열된 작동가스의 열을 축열하고 있다.
48은 쿨러(Cooler)이다.
49는 파워피스톤으로, 작동가스의 가열에 의한 팽창이 압력으로서 작용하도록 되어 있다.
50은 발전기로서, 외부에 전력을 공급한다.
또, 51은 플라이휠로서, 이 플라이휠(51)은 스터링엔진의 토크(torque)가 변동하는 것을 제어하고 있다.
이와 같이 구성하므로서, 스터링엔진발전기는 히터(46)을 열원(46A)의 버너로 가열하면, 팽창공간(33)의 작동가스가 흡열하여 팽창한다.
이 때, 디스플레이서 피스톤(36)이 하사점을 향해서 밀어내려진다.
그리고, 하사점에 도달하여 방향이 변한 디스플레이서 피스톤이 상사점을 향해서 이동하면 팽창공간(33)내의 작동가스는 히터(46)으로부터 재생기(47), 쿨러(48)을 통과하여 압축공간(26)으로 유입한다.
그때, 작동가스의 온열이 재생기(47)에 축열된다.
이 압축공간(26)내에 유입한 작동가스는 그 자체의 압력이 높아져 있기 때문에 압축피스톤(28)을 하사점을 향해서 밀어내려, 이 압축피스톤(28)의 정상면(top face)에 작용하는 압력으로 크랭크샤프트(12)를 회전시키고, 발전기(50)을 구동시키고 있다.
또, 파워피스톤(49)에 작용한 작동가스는 디스플레이서 피스톤(36)이 하사점을 향해서 이동함에 따라서 쿨러(48), 재생기(47), 히터(46)을 통과하여 팽창공간(33)내로 유입한다.
이때 작동가스는 재생기(47)에서 축열된 열로 가열되고, 다시, 열원(46A)의 버너로 가열된다.
이와같은 행정(stroke)을 반복하므로서, 파워피스톤(49)가 왕복운동하여 커넥트로드(17a) 및 크랭크부(16a)에 의해 크랭크샤프트(12)를 회전시켜서 발전기(50)을 구동한다.
이 발전기(50)으로 얻어진 전력은 단자함(15)로부터 외부로 공급된다.
도6 및 도7은 본 실시의 형태에 의한 스터링냉동기의 특성도로서, 그중에, 도6은 저온실 평균가스온도(℃)와, 냉동능력(W)의 관계를 나타내는 특성도이며, 또, 도7은 저온실 평균가스온도(℃)와 성적계수(COP)와의 관계를 나타내는 특성도이다.
도6 및 도7의 각 특성도에 도시하는 바와 같이 본 실시형태에 있어서는 －100 ∼ －200℃라는 초저온의 평균가스온도에 있어서도, 높은 냉동능력과 성적계수를 갖는다는 것을 확인해 주고 있다.
(제2의 실시형태)
다음에, 도8을 참조하여 스터링냉동기(102)로서 기능하는 본 발명의 제2의 실시형태를 설명한다.
이 제2의 실시형태에 의한 스터링냉동기(102)는 「 2피스톤, 열교환기 에뉼러배치 」로 구성되어 있는 것이다.
또한, 상기 제1의 실시형태의 경우와 대응하는 부분에는 도3과 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도8에 있어서, 52는 팽창피스톤으로서, 이 팽창피스톤(52)는 상기 제1의 실시형태에서 나타낸 바 있는 디스플레이서 피스톤(36)의 위치에 배치되어, 팽창피스톤(52)가 압축피스톤(28)과 동일한 기능을 갖도록 구성하므로서, 스터링냉동기(102)내의 작동가스의 충전된 공간에서의 용적변동을 크게 하는 것으로, 냉동능력이 큰 스터링냉동기(102)를 제공할 수 있게 하고 있다.
또, 열교환을 하기 위한 기기가 환상(環狀)으로 배치되어 있기 때문에, 상기 제1의 실시형태의 경우와 같이, 「 열교환기 에뉼러배치 」로 되고, 팽창실린더(22)의 팽창실린더블럭(24)에는 쿨러(43)과 축냉기(44)와, 라디에이터(45)가 차례로 배치되어 있다.
그리고 라디에이터(45)의 하단에는 압축공간(26)에 연이어 통하는 메니폴드(manifold)(53)이 배치되어 있다.
이와같은 구성으로, 압축피스톤(28)에서 압축공간(26)내의 작동가스가 압축되어, 연통구멍(41)로부터 메니폴드(53)을 통해서 라디에이터(45)에 배출된다.
그리고, 이 라디에이터(45)에서 외부로 방열된 작동가스는 축냉기(44)에서 냉각되어, 쿨러(43)을 통과하여 팽창공간(33)내로 유입한다.
이 팽창공간(33)은 팽창피스톤(52)의 하향 슬라이딩동작에 의해 압축공간(26)내에서 압축된 작동가스가 유입한다.
그리고 압축피스톤(28)은 팽창피스톤(52)보다 위상이 90。늦게 이동하기 때문에, 팽창피스톤(52)가 하사점부근일 때, 압축피스톤(28)이 중간점부근에 있으며, 압축공간(26)내의 압력이 급격히 저하하여 팽창공간(33)내의 작동가스가 압축공간(26)내로 순간적으로 이동함과 동시에 팽창을 시작하여 냉열이 발생한다.
또, 압축피스톤(28)과 팽창피스톤(52)가 압축공간(26)과 팽창공간(33)에서 작동가스를 압축하기 때문에, 동일한 규격의 1피스톤과 1디스플레이서로서 구성되는 스터링냉동기에 대하여 작동가스의 체적변동이 커서 스터링냉동기(102)의 냉동능력이 향상된다.
또, 제2의 실시형태의 경우에도, 스터링엔진발전기로서 구성하는 경우에는 압축피스톤(28)과 팽창피스톤(52)가 파워피스톤과, 전온실(34)가 고온실과, 쿨러(43)이 히터와, 다시 축냉기(44)가 재생기로 되도록 구성하면 된다.
그리고, 압축피스톤(28)과 팽창피스톤(52)의 양쪽에는 가열에 의한 작동가스의 팽창에 의한 압력이 작용하여 각각의 피스톤(28),(52)를 하향으로 밀어내려서 크랭크샤프트(12)를 회전시켜, 발전기(50)을 구동하도록 하고 있다.
(제3의 실시형태)
다음에, 도9를 참조하여 스터링냉동기로서 기능하는 본 발명의 제3의 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에 의한 스터링냉동기(103)은 「 2피스톤, 열교환기 캐니스터(Canister)배치 」로 구성되어 있다.
또, 본 실시형태의 경우에는 상기 제1의 실시형태에 있어서의 쿨러(43), 축냉기(44), 라디에이터(45)의 구성을 변경시킨 것이며, 도9에 도시하는 바와 같이 역U자형태의 쿨러(54)를 통해서 축냉기(55)와 라디에이터(56)을 연결하도록 압축실린더블럭(24)의 상방에 별도로 배치한 것이다.
그밖의 구성은 상기 제1 및 제2의 실시형태의 경우와 같으며, 대응하는 부분에는 도3, 도8과 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
그리고, 이 경우에는 상기 제2의 실시형태의 경우와 마찬가지로, 팽창피스톤(52)가 압축피스톤(28)과 동일한 기능을 갖도록 구성하므로서, 동일규격의 1피스톤과 1디스플레이서로 구성되는 스터링냉동기에 대하여 스터링냉동기(103)내의 작동가스가 충전된 공간의 용적변동을 크게 하므로서, 냉동능력이 큰 스터링냉동기(103)을 제공할 수 있게 하고 있다.
또, 열교환을 하기 위한 기기는 환상으로 배치되어 있지 않고, 별도로 배치된 구성으로 되어 있어서, 역U자형태의 쿨러(54), 축냉기(55), 라디에이터(56)을 직렬로 배치하고 있다.
그리고, 이를 「 연교환기 캐니스터배치 」라고 부르고 있다.
또한, 제3의 실시형태의 경우에도, 스터링엔진발전기로서 구성하는 경우에는 상기 압축피스톤(28)과 팽창피스톤(52)가 파워피스톤과, 저온실(34)를 고온실과, 쿨러(54)를 히터와, 축냉기(55)를 재생기와, 다시 라디에이터(56)을 쿨러가 되도록 구성하면 된다.
(제4의 실시형태)
다음에 도10을 참조하여 본 발명의 스터링냉동기(104)로서 기능하는 제4의 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에 의한 스터링냉동기(104)는 「 1 디스플레이서 ＋ 피스톤, 열교환기 캐니스터배치 」로 구성되어 있다.
또, 이 실시형태의 경우에는 압축실린더(57)과 팽창실린더(58)이 각각 2개조 설치되어 있다.
각각의 압축피스톤(59), 디스플레이서 피스톤(60)이 배치 되어 있는 것이다.
그리고, 컴프레셔측과의 연결에 있어서는 먼저, 좌우의 각 압축피스톤(59)가 각각 2개의 압축피스톤으로드(61), 크로스가이드 헤드(62), 커넥트로드(63)을 통해서 크랭크샤프트(12)의 크랭크부(64)에 연결되어 있다.
또, 좌우의 각 디스플레이서 피스톤(60)은 디스플레이서 피스톤으로드(65)를 압축피스톤(59)의 중앙을 관통하여 크랭크샤프트(12)의 크랭크부(66)에 연결되어 있다.
열교환기 캐니스터배치는 역U자형의 쿨러(54), 축냉기(55), 라디에이터(56)을 직렬로 접속하고 있다.
이 경우, 압축피스톤(59)와 디스플레이서 피스톤(60)의 위상차이는 90。가 되도록 설정된다.
그리고, 2개조의 스터링사이클기관은 180。위상차를 두어 배치되어 있는 바, 이 배치는 2개조의 스터링사이클기관의 밸런스를 고려하여 설정하면 좋다.
또, 이 경우에는 「 1 디스플레이서 ＋ 1 피스톤 」이 되는 구성을 2개조 설치하고 있으며, 또한 열교환하기 위한 기기는 환상(環狀)이 아니고, 별도로 배치된 구성으로 되어 있기 때문에, 「 열교환기 캐니스터배치 」로 되어 있으나 열교환기를 에뉼러(annular)배치로 해도 좋다.
또한 이 제4의 실시형태의 경우에도, 스터링엔진발전기로서 구성하는 경우에는 압축피스톤(28)을 파워피스톤과, 저온실(34)를 고온실과, 쿨러(54)를 히터와, 축냉기(55)를 재생기로, 다시 라디에이터(56)을 쿨러가 되도록 구성하면 된다.
(제5의 실시형태)
다음에, 도11을 참조하여 본 발명의 스터링냉동기(105)로서 기능하는 제5의 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에 의한 스터링냉동기(105)는 「 1 디스플레이서 ＋ 1 피스톤, 열교환기 에뉼러배치 」로 구성되어 있다.
또, 상기 제1의 실시형태의 경우와 대응하는 부분에는 도1과 동일부호를 붙여서 설명을 생략한다.
도11에 있어서, 압축실린더(21)의 압축실린더블럭(24)내에는 압축피스톤(28)과 이 압축피스톤(28)의 사이에서 밸런스를 잡는 밸런스피스톤(67)이 피스톤으로드(68a),(68b)를 통해서 크로스가이드 헤드(18a)(18b)에 연결되어 슬라이딩운동이 자유롭게 배치되어 있다.
압축피스톤(28)과 밸런스피스톤(67)은 크랭크샤프트(12)의 크랭크부(69a), (69b)에서 180。위상을 어긋나게 하여 슬라이딩동작하고 있다.
팽창실린더(22)의 팽창실린더블럭부(31)내에는 내부를 중공실(hollow cham ber) (70)으로 한 프리타입(free type)의 디스플레이서 피스톤(71)이 배치되어 있다.
이 디스플레이서 피스톤(71)은 압축실린더블럭(24)의 상단에 고정된 디스플레이서 안내로드(72)를 중공실(70)에 면하게 하여, 이 디스플레이서 안내로드(72)의 선단에 대향하여 설치된 2개의 압축스프링(73a),(73b)로 슬라이딩동작이 자유롭게 설치되어 있다.
디스플레이서 안내로드(72)의 압축스프링(73a),(73b)의 설치부에는 중공실(70)내를 양분하여 각각의 압축스프링(73a),(73b)가 수용되어 있는 방(chamber)을 가스스프링실(74a),(74b)로 칸막이하는 칸막이부재(75)가 설치되어 있다.
도11의 스터링냉동기(105)의 구성을 간략화하여 도시한 도12에 대하여 설명한다.
디스플레이서 피스톤(71)은 압축피스톤(28)에의해 압축공간(26)내의 작동가스가 압축되면, 이 압축된 작동가스가 작동공간(35)와 팽창공간(33)으로 공급된다.
그 때문에, 작동공간(35)내와 팽창공간(33)내가 동일한 고압압력으로 되지만, 디스플레이서 안내로드(72)의 굵기 몫만큼 팽창공간(33)측의 디스플레이서 피스톤(71)의 정상면(top face)보다 작동공간(35)측의 디스플레이서 피스톤(71)의 정상면의 압력을 받는 면적이 작기 때문에, 디스플레이서 피스톤(71)은 하사점측에 이동하여 팽창공간(33)내의 용적이 크게 되고, 작동공간(35)내의 용적이 작게 된다.
이때의 팽창공간(33)과 작동공간(35)와의 압력차는 중공실(70)내의 압축스프링(73a)와 가스스프링실(74a)와의 스프링정수(定數)보다 크기 때문에, 디스플레이서 피스톤(71)이 하사점측으로 이동한다.
또, 디스플레이서 피스톤(71)은 압축피스톤(28)에 의해서 압축공간(26)내로 작동가스가 흡입되면, 이 작동가스의 흡입에 의해서 팽창공간(33)내의 작동가스의 압력이 저하하고, 이 팽창공간(33)내의 압력이 중공실(70)내의 압축스프링(73a)와 가스스프링실(74a)의 스프링정수(定數)보다 작게되어 디스플레이서 피스톤(71)이 상사점을 향해서 이동한다.
그리고, 압축피스톤(28)의 압축, 흡입행정과, 중공실(70)내의 압축스프링(73a),(73b) 및 가스스프링실(74a),(74b)에 의해서 디스플레이서 피스톤(71)은 왕복으로 슬라이딩동작하게 된다.
디스플레이서 피스톤(71)은 이 디스플레이서 피스톤(71)의 자체중량, 압축스프링(73a),(73b)의 스프링정수, 가스스프링실(74a),(74b)의 스프링정수와 디스플레이서 안내로드(72)의 굵기(디스플레이서 피스톤(71)의 정상면(top face)의 면적차)를 적정하게 하여 압축피스톤(28)보다 위상을 90。진행시켜 왕복으로 슬라이딩동작하도록 되어 있다.
밸런스피스톤(67)은 압축피스톤(28)과 위상을 180。어긋나게 하여 왕복슬라이딩동작시키므로서, 크랭크샤프트(12)의 밸런스웨이트를 폐지할 수 있도록 하고 있다.
또한, 제5의 실시형태의 경우도, 스터링엔진발전기로서 구성하는 경우에는 상기 압축피스톤(28)을 파워피스톤과, 저온실(34)를 고온실과, 쿨러(43)을 히터와, 축냉기(44)를 재생기와, 다시 라디에이터(45)를 쿨러가 되도록 구성하면 된다.
(제6의 실시형태)
다음에, 도13을 참조하여 본 발명의 스터링냉동기(106)으로서 기능하는 제6의 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에 의한 스터링냉동기(106)은 「 1 디스플레이서 ＋ 1 피스톤, 열교환기 캐니스터배치 」로 구성되어 있다.
또, 이 실시형태의 경우에는 압축실린더(57)과 팽창실린더(58)이 각각 2개조 설치되어 있어서, 각각 압축피스톤(59), 프리타입의 디스플레이서 피스톤(71)이 배치되어 있는 것이다.
그리고, 컴프레셔측과의 연결에 있어서는 먼저, 좌우의 각 압축피스톤(59)가 압축피스톤으로드(61), 크로스가이드 헤드(62), 커넥트로드(63)을 통해서 크랭크샤프트(12)의 크랭크부(64)에 연결되어 있다.
또, 좌우의 각 팽창실린더(58)의 팽창실린더블럭(75)내에는 프리타입의 내부를 중공실(hollow chamber)(76)으로 한 디스플레이서 피스톤(77)이 배치되어 있다.
이 디스플레이서 피스톤(77)은 압축공간(26)과 작동공간(35)의 사이에 설치된 칸막이판(78)에 고정된 디스플레이서 안내로드(79)를 중공실(76)내로 면하게 하여 이 디스플레이서 안내로드(79)의 선단에 대향하여 설치된 2개의 압축스프링(80a),(80b)로 슬라이딩동작이 자유롭게 설치되어 있다.
디스플레이서 안내로드(79)의 압축스프링(80a),(80b)의 설치부에는 중공실(76)을 양분하여 각각의 압축스프링(80a),(80b)가 수용되어 있는 방(Chamber)을 가스스프링실(81a),(81b)로 칸막이하는 칸막이부재(82)가 설치되어 있다.
이 경우도, 압축피스톤(59)와 디스플레이서 피스톤(77)의 위상차이는 90。가 되도록 설정된다.
그리고, 2개조의 스터링사이클기관은 180。의 위상차이를 두고 배치되어 있다.
이 배치는 2개조의 스터링사이클기관의 균형을 고려하여 설정되어 있다.
또, 이 경우에는 「 1 디스플레이서 ＋ 1 피스톤 」으로 되는 구성을 2개로 설치하고 있으며, 또, 열교환하기위한 기기는 환상이 아니고 별도로 배치된 구성으로 되어 있으므로 「 열교환기 캐니스터 배치 」로 되어 있으나, 열교환기를 에뉼러배치로 하여도 좋다.
또한, 상기 제6의 실시형태의 경우에도 스터링엔진발전기로서 구성하는 경우에는 압축피스톤(28)을 파워피스톤과, 저온실(34)를 고온실과, 쿨러(54)를 히터와, 축냉기(55)를 재생기와, 다시 라디에이터(56)을 쿨러가 되도록 구성하면 된다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 스터링사이클기관에 의하면, 다음과 같은 효과를 발휘 할 수가 있다.
(1) 기존하는 반밀폐형 컴프레셔를 스터링사이클기관의 구동부로서 사용하도록 하며, 그 때문에, 컴프레셔의 압축요소측에 스터링사이클기구부를 연결하도록 한것이므로 간단한 구성으로 소망하는 스터링냉동기 또는 스터링엔진발전기 등의 스터링사이클기관을 얻을 수가 있게 된다.
(2) 컴프레셔의 실린더부를 크로스가이드로서 사용한 경우에는 중심진동을 없게 하여, 기계손실의 저감과 실린더의 손상방지를 꾀할 수 있게 된다.
(3) 컴프레셔의 하우징 시일면에 기밀시일을 설치한 경우에는 작동가스의 불의의 누설을 방지할 수가 있게 된다.

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 실린더(2)를 갖는 하우징(1)과, 이 하우징(1)내에 수용되어 있는 전동요소(6)와, 이 전동요소(6)에 의해서 구동되는 스터링냉동기부를 구비하며, 상기 실린더(2)는 상기 스터링냉동기부의 피스톤 또는 디스플레이서의 크로스가이드로 되어 있는 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
  2. 적어도 하나의 실린더(2)를 갖는 하우징(1)과, 이 하우징(1)내에 수용되어 있는 전동요소(6)와, 스터링냉동기부를 구비하며, 상기의 실린더(2)를 상기 스터링 냉동기부의 피스톤 또는 디스플레이서의 크로스가이드로함과 동시에, 상기 전동요소(6)를 발전기로 한 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
  3. 제1항에 있어서,
    병설된 실린더(2)내를 왕복동작하는 피스톤 또는 디스플레이서는 위상차이를 갖는 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
  4. 제2항에 있어서,
    병설된 실린더내를 왕복동작하는 피스톤 또는 디스플레이서는 위상차이를 갖는 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
  5. 제1항에 있어서,
    하우징(1)의 시일(Seal)면에 밀봉가스의 누설을 방지하는 기밀시일을 설치한 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
  6. 제2항에 있어서,
    하우징(1)의 시일(Seal)면에 밀봉가스의 누설을 방지하는 기밀시일을 설치한 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
  7. 적어도 하나의 실린더(2)를 갖는 하우징(1)과, 이 하우징(1)내에 수용되어 있는 전동요소(6)와, 이 전동요소(6)에 의해서 구동되는 스터링냉동기부를 구비하며, 상기의 실린더(2)를 상기 스터링냉동기부의 피스톤 또는 디스플레이서의 크로스가이드로함과 동시에, 상기 전동요소(6)를 발전기로하는 스터링사이클기관에 있어서 피스톤 또는 디스플레이서를 연결한 크랭크축의 적어도 한 끝에 플라이 휠(fly-wheel)(51)을 설치한 것을 특징으로 하는 스터링사이클기관.
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