KR100283156B1 - 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조에 관한 것으로, 종래에는 베이스 플레이트와 상부프레임의 간격이 좁아 예냉기 몸통의 체결작업 용이하지 못하게 되고, 상기 예냉기 몸통의 하단면과 상부프레임의 상면 사이에 개재된 오링에 의해 상기 상부프레임의 실린더부에서 발생되는 열이 예냉기 몸통으로 충분히 전달되지 못하여 작동가스의 온도를 상승시키게 되고, 이 작동가스의 온도가 상승됨에 따라 맥동관의 효율이 저하되는 문제점이 있었던 바, 본 발명에서는 리니어 압축기로 대표되는 구동부와 맥동관으로 대표되는 냉동부의 사이에 설치되어 상기 구동부에 의해 펌핑되는 작동가스 및 구동부에서 발생되는 열을 냉각시키는 예냉기의 예냉기 몸통을 상기한 구동부의 실린더부가 구비되는 상부프레임에 일체로 연장 형성하여 구성함으로써, 상기 예냉기의 설치가 간단하게 되는 것은 물론, 상기 실린더부에서 발생되는 열이 예냉기로 용이하게 전달되어 작동가스의 온도가 상부프레임에 의해 상승되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 예냉기를 구동부에 일체로 형성하여 전체 구조를 단순화하고 열전달이 용이하게 이루어지도록 한 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조에 관한 것이다.
일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품이나 초전도체 등의 냉각을 위하여 사용되는 저진동 고신뢰성의 냉동기로서 주로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator)나 지엠 냉동기(GM Refrigerator) 또는 줄-톰슨 냉동기(Joule-Thomson Refrigerator) 등이 널리 알려져 있다. 이러한 냉동기들은 고속운전시 그 신뢰성이 저하되고 운전시 마찰부위의 마모에 대비하여 별도의 윤활 실시하여야 하므로, 최근에는 고속운전에서도 신뢰성이 유지되고 별도의 윤활이 필요없어 장기간 보수를 하지 않아도 되는 극저온 냉동기가 요구되고 있는데, 이러한 극저온 냉동기중의 하나가 무윤활 맥동관 냉동기(Lubricationless Pulse Tube Refrigerator)이다.
도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 단면하여 보인 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동부(100)와, 그 구동부(100)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동부(200)와, 그 냉동부(200)의 재생기(240)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 펌핑되는 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 예냉기(300)로 크게 구분되어 있다.
상기 구동부(100)는 실린더부(110a)가 구비되는 밀폐케이스(110)와, 그 밀폐케이스(110)의 내부에 장착되는 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 연결되어 실린더부(110a)의 내부에서 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(140)과, 상기 밀폐케이스(110)와 구동축(130) 사이의 상,하부에 각각 결합되어 구동모터(120)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 피스톤(140)의 직진성을 안내하는 안내용 및 탄성용 지지부재(151,152)로 이루어져 있다.
상기 밀폐케이스(110)는 실린더부(110a)가 형성되는 상부프레임(111)과, 그 상부프레임(111)의 저면에 밀착 결합되어 내부에 상기 안내용 지지부재(151)가 체결됨과 아울러 상기한 구동모터(120)가 고정 장착되는 중간프레임(112)과, 그 중간프레임(112)의 저면에 밀착 결합되어 상기 탄성용 지지부재(152)가 체결되는 하부프레임(113)과, 상기 중간프레임(112) 및 하부프레임(113)을 감싸도록 상부프레임(111)의 하단면에 밀봉 결합되는 제1 밀봉셸(114)로 이루어져 있다.
한편, 상기 냉동부(200)는 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축부에서는 열을 방열시키는 반면 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(210)과, 그 맥동관(210)의 압축부에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스(220)와, 그 오리피스(220)에 연결되는 저장용기(230)와, 상기 맥동관(210)의 팽창부(212)에 연결되어 맥동관(210)으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 되돌아 가는 작동가스의 온도를 보상하는 재생기(240)와, 상기 맥동관(210) 및 오리피스(220) 및 저장용기(230) 그리고 재생기(240)를 외부와 차단 밀폐시키는 제2 밀봉셸(250)으로 이루어져 있다.
상기 예냉기(300)는 구리 등의 열전도율이 높은 재질의 원통형상으로 이루어져 그 상단면은 제2 밀봉셸(250)의 하단을 복개하는 베이스 플레이트(P)에 체결되는 반면 그 하단면은 밀폐케이스(110)의 상부프레임(111) 상면에 체결되는 예냉기 몸통(310)과, 그 예냉기 몸통(310)의 내주면에 장착되어 펌핑되는 작동가스의 열을 흡수하는 망상과 같이 다공질 부재의 내부 열교환기(320)와, 상기 예냉기 몸통(310)의 외주면에 부착되어 내부 열교환기(320)로부터 예냉기 몸통(310)으로 전달되는 열을 외부로 방열시키는 공랭식 또는 수냉식 외부 열교환기(도면에선, 공랭식)(330)로 이루어져 있다.
도면중 미설명 부호인 211은 온측 열교환기, 212는 냉측 열교환기, 341 및 342는 구멍이 형성된 덮개, F는 송풍팬이다.
상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 동작과정은 다음과 같다.
상기 구동모터(120)에 전원이 인가되어 가동자(미부호)가 직선 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(미부호)에 결합된 구동축(130) 역시 직선 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(130)에 일체로 결합된 피스톤(140)이 실린더부(110a) 내에서 직선 왕복운동을 하면서 냉동부(200)의 작동가스를 펌핑시키게 된다.
이렇게 펌핑되는 작동가스는 맥동관(210)의 냉측 열교환기(212)쪽과 온측 열교환기(211)쪽 사이를 왕복하면서 냉측 열교환기(212)쪽의 열을 온측 열교환기(211)쪽으로 펌핑하여 상기 냉측 열교환기(21)쪽에서 극저온부가 형성되도록 한다.
이때, 상기 피스톤(140)의 압축행정시 실린더부(110a)에서 밀려나는 압축된 작동가스는 예냉기(300)를 거치면서 소정의 온도로 냉각되면서 재생기(240)로 유입되고, 그 재생기(240)를 거치면서 열교환되어 내부의 현열을 저장한 상태로 맥동관(210)의 냉측 열교환기(212)쪽으로 유입되며, 이 유입되는 작동가스에 의해 상기 맥동관(210)에 충진되어 있던 작동가스가 온측 열교환기(211) 및 오리피스(220)쪽으로 밀리면서 압축되었다가 상기한 피스톤(140)의 흡입행정시 맥동관(210)의 냉측 열교환기(212)쪽에서 급격히 단열팽창하면서 극저온부를 형성하게 되고, 상기 맥동관(210)으로부터 반출되는 작동가스는 다시 재생기(240)를 거치면서 소정온도로 가열되나 이 작동가스는 상기한 예냉기(300)를 거치면서 방열되어 실린더부로 반입되는 것이었다.
그러나, 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기에 있어서는, 그 예냉기 몸통(310)의 상,하단부가 베이스 플레이트(P) 및 상부프레임(111)에 각각 체결되어야 하나, 상기 베이스 플레이트(P)와 상부프레임(111)의 간격이 좁아 예냉기 몸통(310)의 체결작업 용이하지 못하게 되는 문제점이 있었다. 이때, 상기 베이스 플레이트(P)와 상부프레임(111)이 간격을 넓히게 되는 경우에는 예냉기 몸통(310)의 내부체적이 증가하게 되어 작동가스를 펌핑하는 구동부(100)의 동력이 증가되어야 하므로 냉동기의 전체성능이 저하된다.
또한, 상기 예냉기 몸통(310)의 하단면과 상부프레임(111)의 상면 사이에는 작동가스의 누출을 방지하기 위한 오링(Ｏ-Ring)(미도시)이 개재되는데, 이 오링은 통상 예냉기 몸통(310) 및 상부프레임(111)과 다른 재질인 고무재질로 성형되므로, 상기 상부프레임(111)의 실린더부(110a)에서 발생되는 열이 예냉기 몸통(310)으로 충분히 전달되지 못하여 작동가스의 온도를 상승시키게 되고, 이 작동가스의 온도가 상승됨에 따라 맥동관의 효율이 저하되는 문제점도 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 예냉기 몸통을 베이스 플레이트와 상부프레임의 사이에 용이하게 장착시킬 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.
또한, 상기 상부프레임의 실린더부에서 발생되는 열이 예냉기 몸통으로 용이하게 전달되면서 외부로 방열되도록 하여 작동가스의 온도가 상부프레임에 의해 상승되는 것을 미연에 방지할 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.
도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.
도 2는 도 1의 'A'부를 확대하여 보인 상세도.
도 3은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.
도 4a는 도 3의 'B'부에 대한 일례를 확대하여 보인 상세도.
도 4b는 도 3의 'B'부에 대한 변형예를 확대하여 보인 상세도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 설명 ***
110a : 실린더부 111 : 상부프레임
240 : 재생기 300,400 : 예냉기
310.410 : 예냉기 몸통 320,420 : 내부 열교환기
330,430,430' : 외부 열교환기 341,342,441,442 : 덮개
450 : 단열재 P : 베이스 플레이트
S : 밀폐공간
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 맥동관 내부를 작동가스가 왕복하도록 펌핑하는 구동부와 상기 작동작스의 왕복에 의해 극저온부가 발생되는 냉동부의 사이에 설치되어 작동가스의 내부열이나 구동부 자체에서의 발생열을 냉각시키는 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기에 있어서 ; 상기 작동가스의 펌핑이 일어나는 실린더부가 구비되는 구동부의 상부프레임에 예냉기 몸통이 일체로 연장 형성되고, 그 예냉기 몸통의 내,외측에 각각 내부 열교환기 및 외부 열교환기가 장착되어 압축되는 작동가스 및 구동부에서 발생되는 열을 외부로 방열시키도록 한 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조가 제공된다.
이하, 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 4a는 도 3의 'B'부에 대한 일례를 확대하여 보인 상세도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동부(100)와, 그 구동부(100)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동부(200)와, 그 냉동부(200)의 재생기(240)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 펌핑되는 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 예냉기(400)로 크게 구분된다.
상기 구동부(100)는 실린더부(110a)가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스(110)와, 그 밀폐케이스(110)의 내부에 장착되는 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 연결됨과 아울러 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에 삽입되어 구동축(130)과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(140)과, 상기 밀폐케이스(110)와 구동축(130) 사이의 상,하부에 각각 결합되어 구동모터(120)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 피스톤(140)의 직진성을 안내하도록 동심상에 장착되는 안내용 및 탄성용 지지부재(151,152)로 이루어 진다.
상기 밀폐케이스(110)는 피스톤(140)이 삽입되어 직선 왕복운동을 하도록 실린더부(110a)가 형성되는 상부프레임(111)과, 그 상부프레임(111)의 저면에 밀착 결합되어 내부에 상기 구동축(130)의 상단이 결합된 안내용 지지부재(151)가 체결됨과 아울러 상기 구동모터(120)가 고정 장착되는 중간프레임(112)과, 그 중간프레임(112)의 저면에 밀착 결합되어 구동축(130)의 하단에 결합된 탄성용 지지부재(152)가 체결되는 하부프레임(113)과, 상기 중간프레임(112) 및 하부프레임(113)을 감싸도록 상부프레임(111)의 하단면에 밀봉 결합되어 밀폐케이스(110)로부터 작동가스가 누출되는 것을 방지하는 제1 밀봉셸(114)로 이루어 진다.
한편, 상기 냉동부(200)는 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(210)과, 그 맥동관(210)의 압축부에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스(220)와, 그 오리피스(220)에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기(230)와, 상기 맥동관(210)의 팽창부(212)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 맥동관(210)으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 맥동관(210)에서 구동부(100)의 실린더부(110a)로 되돌아 가는 작동가스의 온도를 보상하는 재생기(240)와, 상기 맥동관(210) 및 오리피스(220) 및 저장용기(230) 그리고 재생기(240)를 외부와 차단 밀폐시키는 제2 밀봉셸(250)으로 이루어 진다.
상기 예냉기(400)는 작동가스의 펌핑이 일어나는 실린더부(110a)가 구비된 구동부(100)의 상부프레임(111)에 일체로 연장되는 원통형의 예냉기 몸통(410)과, 그 예냉기 몸통(410)의 내측에 망상과 같이 다공질 부재로 이루어져 장착되는 내부 열교환기(420)와, 상기 예냉기 몸통(410)의 외측에는 도 4a에 도시된 바와 같이, 다수개의 냉각핀(431)이 외주면에 부착되어 팬(F)으로 방열시키도록 설치되는 공랭식의 외부 열교환기(430) 또는 도 4b에 도시된 바와 같이 냉각핀(431)의 외곽측에 일정한 밀폐공간(S)을 두고 단열재(450)로 감싸지며 그 밀폐공간(S)에 냉각수를 순환시키도록 설치되는 수냉식의 외부 열교환기(430')로 이루어 진다.
상기 예냉기 몸통(410)의 상단면은 냉동부(200)를 밀봉시키는 제2 밀봉셸(250)의 하단이 고정되는 베이스 플레이트(P)에 체결 고정된다.
도면중 미설명 부호인 211은 온측 열교환기, 212는 냉측 열교환기, 441 및 442는 구멍이 형성된 덮개, F는 송풍팬이다.
상기와 같은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일반적인 동작과정은 다음과 같다.
즉, 상기 구동모터(120)에 전원이 인가되어 가동자(미부호)가 직선 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(미부호)에 결합된 구동축(130) 역시 직선 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(130)에 일체로 결합된 피스톤(140)이 실린더부(110a) 내에서 직선 왕복운동을 하면서 냉동부(200)의 작동가스를 펌핑시키게 된다.
이때, 상기 피스톤(140)의 압축행정시는 실린더부(110a)의 작동가스가 예냉기(250)쪽으로 유출되고, 그 예냉기(250)에서 소정 온도로 미리 냉각된 작동가스는 재생기(240)를 거치면서 열교환되어 내부의 현열을 저장한 상태로 맥동관(210)으로 유입되는데, 이 유입되는 작동가스에 의해 맥동관(210)에 충진되어 있던 작동가스는 오리피스(220)쪽으로 밀리면서 압축되어 맥동관(210)의 압축부(211) 온도가 상승하게 되고, 그 상승된 온도는 작동가스가 오리피스(220)를 지나면서 단열팽창되어 외부로 방열된다.
이후, 상기 맥동관(210)은 피스톤(140)의 압축행정과 팽창행정간 사이에서 고압상태의 열적 평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(220)를 통해 맥동관(210)으로부터 저장용기(230)로 이동하여 맥동관(210)의 온도를 낮추게 된다.
이후, 상기 피스톤(140)의 팽창행정시는 맥동관(210)으로 유입되었던 작동가스를 흡입하면서 맥동관(210)내의 작동가스를 재생기(240)쪽으로 이동시키게 되는데, 이때 재생기(240)를 통해 맥동관(210)을 빠져나가는 작동가스의 질량유량에 비해 오리피스(220)를 통해 맥동관(210)으로 유입되는 작동가스의 질량유량이 훨씬 적기 때문에 상기 맥동관(210)에서의 작동가스는 단열 팽창된다. 이 작동가스의 열열팽창은 통상 냉측 열교환기(212)가 장착된 재생기(240)쪽에서 급격하게 발생되어 극저온부가 형성된다.
다음, 상기 맥동관(210)은 피스톤(140)의 팽창행정과 압축행정 사이에서 저압상태의 열적평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(220)를 통해 저장용기(230)에서 맥동관(210)으로 이동하면서 맥동관(210)내 작동가스의 압력을 높여 처음의 온도를 회복하게 되는 일련의 과정을 반복하면서 맥동관의 냉측 열교환기(212)쪽이 전술한 바와 같이 극저온부를 이루게 된다.
이렇게, 상기 맥동관의 냉측 열교환기(212)쪽이 극저온부를 이루는 과정에서 발생되는 작동가스 또는 구동부 자체의 열은 내부 열교환기(420)를 통해 예냉기 몸통(410)으로 전달되어 외부 열교환기(430)를 통해 방출되는데, 상기 예냉기 몸통(410)이 구동부(100)의 상부프레임(111)에 일체로 연장되어 성형되므로 상기 구동부(100)에서 발생되는 열이 원활하게 전달되어 열방출이 용이하게 이루어져 전체성능이 향상되는 것은 물론, 상기 예냉기 몸통(410)의 상단면만 베이스 플레이트(P)에 체결하게 되므로 설치작업이 용이하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조는, 리니어 압축기로 대표되는 구동부와 맥동관으로 대표되는 냉동부의 사이에 설치되어 상기 구동부에 의해 펌핑되는 작동가스 및 구동부에서 발생되는 열을 냉각시키는 예냉기의 예냉기 몸통을 상기한 구동부의 실린더부가 구비되는 상부프레임에 일체로 연장 형성하여 구성함으로써, 상기 예냉기의 설치가 간단하게 되는 것은 물론, 상기 실린더부에서 발생되는 열이 예냉기로 용이하게 전달되어 작동가스의 온도가 상부프레임에 의해 상승되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
Claims (3)
- 맥동관 내부를 작동가스가 왕복하도록 펌핑하는 구동부와 상기 작동작스의 왕복에 의해 극저온부가 발생되는 냉동부의 사이에 설치되어 작동가스의 내부열이나 구동부 자체에서의 발생열을 냉각시키는 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기에 있어서 ;상기 작동가스의 펌핑이 일어나는 실린더부가 구비되는 구동부의 상부프레임에 예냉기 몸통이 일체로 연장 형성되고, 그 예냉기 몸통의 내,외측에 각각 내부 열교환기 및 외부 열교환기가 장착되어 압축되는 작동가스 및 구동부에서 발생되는 열을 외부로 방열시키도록 한 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 외부 열교환기는 공랭식 방열을 위한 다수개의 방열핀이 예냉기 몸통의 외주면에 구비되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 외부 열교환기는 수냉식 방열을 위한 냉각수 순환관이 상기한 예냉기 몸통의 외주면에 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 예냉기 구조.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108253652A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-07-06 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种同轴型脉冲管制冷机的分体焊接式热端换热器 |
| WO2023096427A1 (ko) * | 2021-11-25 | 2023-06-01 | 한국기계연구원 | 냉각보조용 실린더구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프 |
-
1999
- 1999-02-01 KR KR1019990003252A patent/KR100283156B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN108253652A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-07-06 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种同轴型脉冲管制冷机的分体焊接式热端换热器 |
| WO2023096427A1 (ko) * | 2021-11-25 | 2023-06-01 | 한국기계연구원 | 냉각보조용 실린더구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프 |
| KR20230077793A (ko) * | 2021-11-25 | 2023-06-02 | 한국기계연구원 | 냉각보조용 실린더구조를 갖는 극저온 액체 왕복동 펌프 |
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