KR100339602B1 - 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 관한 것으로, 본 발명은 구동모터와 그 구동모터의 가동자에 결합되어 함께 움직이는 피스톤과 그 피스톤이 삽입되어 작동가스가 압축 펌핑되도록 실린더를 갖는 압축부와, 그 압축부의 실린더에 연통되어 작동가스의 압축열을 방열시키는 예냉기 및 그 예냉기에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기 및 그 재생기에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부를 갖는 맥동관과 그 맥동관에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 동시에 작동가스가 질량유동과 압력맥동의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브 및 레저버를 갖는 냉동부로 이루어지되, 상기 예냉기의 외주면에는 예냉기 방열핀이 장착되고, 그 예냉기 방열핀의 외주면에 상기한 이너턴스 튜브의 중간부가 감겨지며, 상기 예냉기의 일측에 그 예냉기와 함께 이너턴스 튜브를 냉각시키도록 유로덕트를 갖는 냉각팬이 장착되어 이루어짐으로써, 상기 작동가스의 과열에 따른 냉동기의 성능저하는 물론 모터의 과열에 따른 성능저하 또는 각 부품의 열변형에 따른 신뢰성 저하 등을 미연에 방지할 수 있다.

Description

맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치{COOLING APPARATUS FOR PULSTUBE CRYOGENIC REFRIGERATOR}

본 발명은 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 무윤활 맥동관 냉동기를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품이나 초전도체 등의 냉각을 위하여 사용되는 저진동 고신뢰성의 냉동기로서, 작동가스를 압축하면서 펌핑시키는 압축부와 그 압축부로부터 펌핑되는 작동가스에 의해 극저온부를 갖는 냉동부로 크게 구성된다.

이러한 극저온 냉동기로는 주로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator)나 지엠 냉동기(GM Refrigerator)와 같은 열재생식 냉동기가 널리 알려져 있으나, 최근에는 스터링 냉동기의 변형으로서 냉동부에 구동유니트가 없어 구조적으로 단순하면서도 신뢰성이 우수한 맥동관 냉동기(Pulstube Refrigerator)에 관한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

도 1은 종래 극저온 냉동기중에서 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 전술한 바와 같이 작동가스를 압축 펌핑하여 작동가스의 질량유동과 압력맥동을 일으키는 압축부와, 그 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 발생되는 냉동부로 이루어져 있다.

상기 압축부는 일단에 실린더(1a)가 구비된 케이싱(1)과, 그 케이싱(1)의 내부에 장착되는 리니어 모터(2)와, 그 리니어 모터(2)의 가동자에 결합되어 실린더(1a)에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 압축하여 펌핑하는 피스톤(3)과, 그 피스톤(3)의 일측 양단에 결합되어 피스톤(3)의 직진성을 유지하는 판스프링(4A,4B)과, 상기 케이싱(1)의 외측단에 일체로 결합되어 피스톤(3)의 왕복운동에 따른 진동을 제거하는 패시브 밸런서(passive balancer)(5)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 냉동부는 압축부의 실린더(1a) 선단에 연통되어 작동가스의 온도를 낮추는 예냉기(after cooler)(6)와, 그 예냉기(6)에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기(7)와, 그 재생기(7)에 연통되어 작동가스의 질량유동 및 압력맥동에 의해 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 갖는 맥동관(8)과, 그 맥동관(8)에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(innertance tube)(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되어 이너턴스 튜브와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(reservoir)(10)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 이너턴스 튜브(9)와 레저버(10)는 냉동기의 전체 크기를 감안하여 출원번호 00-007593(2000,2,17)호에서는, 상기 레저버(10)가 압축부측 패시브 밸런서(5)를 밀봉하도록 케이싱(1)의 일단에 장착되고, 상기 이너턴스 튜브(9)는 그 일단이 맥동관(8)의 끝단에 연통되어 케이싱(1)의 외곽으로 인출된 다음 그 케이싱(1)의 압축부측 외주면에 수회 감긴 후 타단이 레저버(10)에 연통되어 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 냉동부 셸이다.

즉, 상기 압축부의 리니어 모터(2)가 피스톤(3)과 함께 구동되어 작동가스를 압축하여 펌핑하게 되는데, 먼저 상기 피스톤(3)의 전진운동시에는 실린더(1a) 내의 작동가스가 냉동부의 예냉기(6) 및 재생기(7)를 거쳐 냉각되면서 맥동관(8)으로 유입되어 그 맥동관(8) 내의 작동가스를 압축시키게 되고, 이후 고압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 온측 열교환기(8b)에서 외부로 열을 방출하게 된다.

반면, 상기 피스톤(3)의 후진운동시에는 맥동관(8)내의 작동가스가 재생기(7)를 냉각시키면서 예냉기(6)를 거쳐 실린더(1a)로 반출되므로 상기한 맥동관(8)내의 작동가스가 단열 팽창되어 온도가 저하되고, 이 과정에서 상기 재생기(7)에 연결된 맥동관(8)의 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 통과하는 작동가스가 열을 흡수하여 상기한 극저온부(8a)는 냉동효과를 얻게 된다. 이후, 저압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 레저버(10) 및 이너턴스 튜브(9)를 통해 반입되는 작동가스에 의해 단열 압축되어 처음의 온도로 가열되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이러한 일련의 과정중에 상기 맥동관(8)의 극저온부(8a)에서는 온도구배가 발생되어 그 표면온도가 영하 250℃ 이하까지 내려가게 되어 그 극저온부(8a)에 부착되는 소형 전자부품이나 초전도체 소자 등을 극저온으로 냉각시키게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같이 압축부에 이너턴스 튜브가 감긴 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 압축부에서 구동모터(2)에서의 모터열이 발생됨에도 불구하고 상기 이너턴스 튜브(9)가 압축부측 케이싱(1)의 외주면에 밀착되어 감기게 되므로, 그 이너턴스 튜브(9) 내의 작동가스가 상기한 모터열에 의해 가열되면서 적정온도 이상으로 상승하여 냉동기 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 상기한 모터열에 의해 압축부의 각 부재간 열변형이 발생되어 신뢰성이 저하될 우려도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 압축부에서 발생되는 열을 용이하게 방열시켜 압축부 및 이너턴스 튜브 내의 작동가스가 적정온도 이상으로 과열되는 것을 방지할 수 있는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 보인 반단면도.

도 3a 및 도 3b는 도 2의 "A"부를 보인 각 상세도.

도 4는 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 대한 변형예를 보인 반단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 케이싱 1a : 실린더

2 : 리니어 모터 3 : 피스톤

4A,4B : 판스프링 5 : 패시브 밸런서

6 : 예냉기 6a : 예냉기 방열핀

7 : 재생기 8 : 맥동관

8a : 극저온부 8b : 온측 열교환기

9 : 이너턴스 튜브 10 : 레저버

100 : 예냉기측 유로덕트 200 : 예냉기측 냉각팬

300 : 압축부 냉각용 방열핀 400 : 압축부 냉각용 히트파이프

510 : 압축부측 유로덕트 520 : 압축부측 냉각팬

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 구동모터와 그 구동모터의 가동자에 결합되어 함께 움직이는 피스톤과 그 피스톤이 삽입되어 작동가스가 압축 펌핑되도록 실린더를 갖는 압축부와,

그 압축부의 실린더에 연통되어 작동가스의 압축열을 방열시키는 예냉기 및 그 예냉기에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기 및 그 재생기에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부를 갖는 맥동관과 그 맥동관에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 동시에 작동가스가 질량유동과 압력맥동의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브 및 레저버를 갖는 냉동부로 이루어지되,

상기 예냉기의 외주면에는 예냉기 방열핀이 장착되고, 그 예냉기 방열핀의 외주면에 상기한 이너턴스 튜브의 중간부가 감겨지며, 상기 예냉기 방열핀의 일측에 그 예냉기와 함께 이너턴스 튜브를 냉각시키도록 유로덕트를 갖는 냉각팬이 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 보인 반단면도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 "A"부를 보인 각 상세도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 극저온 냉동기의 냉각장치가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스를 압축하여 펌핑하는 압축부와, 그 압축부에 연통되어 펌핑되는 작동가스의 질량유동 및 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부가 형성되는 냉동부를 포함하여 구성된다.

상기 압축부는 일단에 실린더(1a)가 구비된 케이싱(1)과, 그 케이싱(1)의 내부에 장착되는 리니어 모터(2)와, 그 리니어 모터(2)의 가동자에 결합되어 실린더(1a)에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 압축하여 펌핑하는 피스톤(3)과, 그 피스톤(3)의 일측 양단에 결합되어 피스톤(3)의 직진성을 유지하는 판스프링(4A,4B)과, 상기 케이싱(1)의 외측단에 일체로 결합되어 피스톤(3)의 왕복운동에 따른 진동을 제거하는 패시브 밸런서(5)를 포함하여 이루어진다.

상기 냉동부는 압축부의 실린더(1a) 선단에 연통되어 작동가스의 온도를 낮추는 예냉기(6)와, 그 예냉기(6)에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기(7)와, 그 재생기(7)에 연통되어 작동가스의 질량유동 및 압력맥동에 의해 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 갖는 맥동관(8)과, 상기 맥동관(8)에 축소 연통되어 케이싱(1)의 외곽으로 인출되고 그 중간부가 예냉기 방열핀(6a)의 외주면에 수회 감겨져 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되는 동시에 패시브 밸런서(5)를 밀봉하도록 압축부측 케이싱(1)의 단부에 장착되어 이너턴스 튜브(9)와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(10)를 포함하여 이루어진다.

상기 예냉기 방열핀(6a)은 축방향으로 나란하게 돌출 형성되고, 상기 예냉기 방열핀(6a)의 외곽에는 이너턴스 튜브(9)와 함께 그 각각의 예냉기 방열핀(6a)이 모두 수용되는 동시에 양측이 반경방향으로 개구되어 입 출구를 갖는 유로덕트(100)가 장착되며, 그 유로덕트(100)의 어느 한 쪽 개구부에는 상기한 예냉기 방열핀(6a)과 함께 이너턴스 튜브(9)를 냉각시키는 냉각팬(200)이 장착된다.

한편, 상기 케이싱(1)의 압축부 외주면에는 그 압축부에서 발생되는 모터열을 냉각시키도록 도 3a에서와 같이 다수개의 압축부 냉각용 방열핀(300) 또는 도 3b에서와 같이 압축부 냉각용 히트파이프(400)가 장착된다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 냉동부 셸이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 일반적인 동작은 종래와 유사하다.

즉, 상기 압축부의 피스톤(3)이 실린더(1a)내에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 압축하여 펌핑하게 되는데, 상기 피스톤(3)의 전진운동시 실린더(1a) 내의 작동가스가 냉동부의 예냉기(6)와 재생기(7)를 거쳐 맥동관(8)으로 유입되어 그 맥동관(8) 내의 작동가스를 압축시키게 되고, 이후 고압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 온측 열교환기(8b)에서 외부로 열을 방출하게 되며, 이후 상기 피스톤(3)의 후진운동시 맥동관(8)내의 작동가스가 재생기(7)와 예냉기(6)를 거쳐 실린더(1a)로 반출되면서 상기한 맥동관(8)내의 작동가스가 단열 팽창되어 그 온도가 저하되며, 이후 저압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 레저버(10) 및 이너턴스 튜브(9)를 통해 반입되는 작동가스에 의해 단열 압축되어 처음의 온도로 가열되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이러한 일련의 과정중에 상기 맥동관(8)으로부터 재생기로 반출되는 작동가스는 그 맥동관(8)의 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 통과하면서 극저온부(8a)의 열을 지속적으로 흡수하게 되어 영하 250℃ 이하로 냉각시키게 된다.

이때, 상기 예냉기(6)의 외주면에는 예냉기 냉각용 방열핀(6a)이 장착됨과 아울러 별도의 유로덕트(100)를 갖는 냉각팬(200)이 장착되므로, 그 예냉기(6)가 흡입하는 작동가스의 압축열을 용이하게 방열시킬 수 있게 되는 것은 물론, 상기 예냉기 방열핀(6a)의 외주면에 이너턴스 튜브(9)가 감겨져 있어 상기한 냉각팬(200)에 의해 예냉기 방열핀(6a)과 함께 이너턴스 튜브(9)도 용이하게 냉각되면서 작동가스가 저온상태를 유지하게 된다.

또한, 상기 케이싱(1)의 압축부측 외주면에도 압축부 냉각용 방열핀(300) 또는 히트파이프(400)가 장착되어 그 압축부측에서 발생되는 모터열이 용이하게 방출된다.

이렇게 하여, 상기 작동가스가 항상 적정온도를 유지하게 되어 작동가스의 과열에 따른 냉동기의 성능저하를 미연에 방지할 수 있다.

또한, 상기 압축부의 과열을 방지하여 모터의 성능저하 또는 각 부재의 열변형에 따른 신뢰성 저하 등을 미연에 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 변형예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 일례에서는 냉각팬이 예냉기 방열핀의 일측에만 장착되었으나, 본 변형예는 도 4에 도시된 바와 같이 압축부측 외주면에 구비되는 방열핀(300) 또는 히트 파이프(400)의 일측에 유로덕트(510)를 갖는 냉각팬(520)이 장착될 수도 있다. 이 경우 상기 압축부에서 발생되는 열이 냉각팬(520)에 의해 용이하게 방열되므로 냉동기 효율이 더욱 향상될 수 있다.

본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 냉각장치는, 예냉기 외주면에 예냉기 방열핀을 장착하고, 그 예냉기 방열핀의 외주면에 이너턴스 튜브의 중간부를 감아 고정시키며, 상기 예냉기 방열핀의 일측에 이너턴스 튜브의 감긴부위를 수용하도록 유로덕트를 갖는 예냉기 냉각팬을 장착하여 그 이너턴스 튜브를 상기한 예냉기 방열핀과 함께 냉각시키고, 상기 케이싱의 압축부측 외주면에 압축부 방열핀 또는 히트 파이프를 장착하여 압축부와 이너턴스 튜브의 작동가스를 냉각시킴으로써, 상기 작동가스의 과열에 따른 냉동기의 성능저하는 물론 모터의 과열에 따른 성능저하 또는 각 부품의 열변형에 따른 신뢰성 저하 등을 미연에 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 구동모터와 그 구동모터의 가동자에 결합되어 함께 움직이는 피스톤과 그 피스톤이 삽입되어 작동가스가 압축 펌핑되도록 실린더를 갖는 압축부와,

   그 압축부의 실린더에 연통되어 작동가스의 압축열을 방열시키는 예냉기 및 그 예냉기에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기 및 그 재생기에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부를 갖는 맥동관과 그 맥동관에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 동시에 작동가스가 질량유동과 압력맥동의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브 및 레저버를 갖는 냉동부로 이루어지되,

   상기 예냉기의 외주면에는 예냉기 방열핀이 장착되고, 그 예냉기 방열핀의 외주면에 상기한 이너턴스 튜브의 중간부가 감겨지며, 상기 예냉기 방열핀의 일측에 그 예냉기와 함께 이너턴스 튜브를 냉각시키도록 유로덕트를 갖는 냉각팬이 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 압축부의 외주면에 방열부재가 장착되는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 방열부재의 일측에 그 방열부재를 냉각시키도록 유로덕트를 갖는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치.