KR100367617B1 - 맥동관 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 본 발명은 피스톤의 왕복운동에 의해 유입되는 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 형성되는 맥동관과, 상기 맥동관에 연속적으로 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시키도록 직경이 상이하게 형성되는 이너턴스 튜브와, 상기 이너턴스 튜브의 타단에 결합되는 레저버를 포함함으로써, 상기 이너턴스 튜브의 범위내에서도 작동가스의 압력맥동과 질량유동 사이의 위상차가 발생되도록 하여 그 작동가스의 압력맥동과 질량유동 사이의 위상차가 좁게 형성되고 이로 인해 맥동관의 열펌핑율이 증가됨과 아울러 맥동관 냉동기의 냉동능력과 냉동효율이 향상된다.

Description

맥동관 냉동기{PULSTUBE REFRIGERATOR}

본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 피스톤 왕복운동에 의해 야기되는 압력변화와 질량유동율 사이의 위상차를 작게 하여 냉동능력과 냉동효율을 향상시키고자 하는 맥동관 냉동기에 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 그 작동가스의 질량유동과 압력맥동을 일으키는 압축부와, 상기 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가발생되는 냉동부로 구성되어 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)을 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)는 일종의 오리피스 역할을 하도록 맥동관(8)이나 레저버(10)에 비해 작은 직경으로 형성되는 것으로, 그 직경은 맥동관(8)과 레저버(10) 사이에서 모두 동일하게 형성되어 있다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 진공셸이다.

상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

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 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차가 발생되어 맥동관(8)의 극저온부(8a)에서는 온도구배가 발생되면서 표면온도가 영하 200℃ 이하까지 내려가게 되어 그 극저온부(8a)에 부착되는 소형 전자부품이나 초전도체 소자 등을 극저온으로 냉각시키게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 맥동관 냉동기에 있어서는, 전술한 바와 같이 작동가스와 맥동관(8) 관벽과의 사이에서 비가역적인 열전달이 발생되고, 이 비가역적 열전달에 의해 작동가스의 압력,온도,속도 사이에는 맥동관 냉동기의 열펌핑을 가능하게 하는 위상차가 존재하게 되며, 이 위상차가 0°일 경우에 작동가스의 엔탈피(enthalpy) 유동은 최대가 되므로 가능한한 작동가스의 질량유동과 압력맥동사이의 위상차를 0°에 가깝게 하여야 냉동기의 효율이 최대가 됨에도 불구하고, 종래와 같이 이너턴스 튜브(9)의 직경이 전체적으로 동일한 직경으로 형성되는 경우에는 상기한 작동가스의 위상차가 이너턴스 튜브(9)의 범위내에서는 발생되지 않아 도 2에 도시된 바와 같이 작동가스의 압력맥동과 질량유동 사이의 위상차가 약 60°정도에 그치게 되고 이로 인해 맥동관 냉동기의 냉동능력과 냉동효율을 향상시키는데 그 만큼 한계가 있었다.

본 발명은 종래 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 작동가스의 위상차가 좁게 형성되도록 하여 냉동능력과 냉동효율을 향상시킬 수 있는 맥동관 냉동기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 종래 맥동관 냉동기에서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차를 보인 그래프.

도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명 맥동관 냉동기에서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차를 보인 그래프.

도 5는 본 발명 맥동관 냉동기의 변형예를 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

6 : 예냉기 7 : 재생기

8 : 맥동관 10 : 레저버

100 : 이너턴스 튜브 110 : 제1 튜브

120 : 제2 튜브 200 : 이너턴스 튜브

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 피스톤의 왕복운동에 의해 유입되는 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 형성되는 맥동관과, 상기 맥동관에 연속적으로 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시키도록 직경이 상이하게 형성되는 이너턴스 튜브와, 상기 이너턴스 튜브의 타단에 결합되는 레저버를 포함한 맥동관 냉동기가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 맥동관 냉동기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 4는 본 발명 맥동관 냉동기에서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차를 보인 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 맥동관 냉동기는, 작동가스를 압축 펌핑하는 압축부와, 상기 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 발생되는 냉동부로 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 결합되는 피스톤(3)과, 그 피스톤(3)의 일측 양단에 결합되는 판스프링(4A,4B)을 포함하여 이루어진다.

상기 냉동부는 압축부의 실린더(1a) 선단에 연통되는 예냉기(6)와, 그 예냉기(6)에 연통되는 재생기(7)와, 그 재생기(7)에 연통되어 극저온부(냉측 열교환기)(8a)가 형성되는 맥동관(8)과, 그 맥동관(8)에 축소 연통되어 작동가스의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브(100) 및 레저버(10)를 포함하여 이루어진다.

상기 이너턴스 튜브(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 맥동관(8)의 온측열교환기(8b)쪽에 연통되는 제1 튜브(110)와, 상기 제1 튜브(110)에 연통됨과 아울러 레저버(10)에 연통되는 제2 튜브(120)로 이루어진다.

상기 제1 튜브(110)는 그 직경(D1)이 제2 튜브(120)의 직경(D2)보다 약 1/2 정도 작게 형성되는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명에 의한 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

먼저, 상기 구동부에 전원이 인가되어 구동모터(2)가 구동되면, 상기피스톤(3)이 구동모터(2)의 가동자(미부호)와 함께 왕복운동을 하면서 실린더 내의 작동가스를 압축하여 펌핑하게 되고, 이 작동가스가 예냉기(6)와 재생기(7)를 거쳐 맥동관(8)으로 유입되어 그 맥동관(8)에 채워져 있던 작동가스를 압축측인 온측열교환기(8b)쪽으로 밀어내게 되며, 이로 인해 맥동관(8)내의 작동가스는 이너턴스 튜브(100)를 거쳐 레저버(10)로 유입된다.

이때, 상기 맥동관(8)에서 이너턴스 튜브(100)로 유입되는 작동가스는 그 이너턴스 튜브(100)가 맥동관(8)에 비해 직경이 작아 유동압력은 강하되고 유동속도는 증가하게 되나 이후 다시 직경이 큰 레저버(10)로 유입되면서 유동압력은 증가하고 유동속도는 감소하게 되면서 질량유동과 압력맥동에 위상차를 갖게 되는데, 특히 상기 이너턴스 튜브(100)가 직경(D1)이 작은 제1 튜브(110)를 거쳐 직경(D2)이 큰 제2 튜브(120)로 이루어짐에 따라 작동가스가 이너턴스 튜브(100)를 거치면서도 상기한 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차를 갖게 된다.

이후, 상기 피스톤(3)의 흡입행정시 맥동관에 채워져 있던 작동가스가 급격하게 실린더로 흡입되면서 그 맥동관의 냉측열교환기쪽이 팽창되면서 극저온으로 냉각됨과 아울러 상기 레저버(10)에 채워져 있던 작동가스가 이너턴스 튜브(100)를 통해 맥동관(8)으로 반입되게 된다.

이 때에도, 상기 작동가스가 이너턴스 튜브(100)를 통과하면서 직경(D2)이 큰 제2 튜브(120)에서 직경(D1)이 작은 제1 튜브(110)로 이동을 하면서 상기한 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차를 발생시키게 된다.

즉, 상기 이너턴스 튜브(100)가 직경(D1,D2)이 서로 다른 제1 튜브(110)와제2 튜브(120) 또는 그 이상의 다단계 튜브로 배열됨에 따라 상기한 이너턴스 튜브(100)로 유입되는 작동가스의 유동압력과 유동속도가 가변되고, 이로 인해 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차가 작아져 맥동관에서의 엔탈피 유동이 증가하면서 열펌핑 효율이 높아지게 되므로 극저온부의 온도가 더욱 낮아지게 된다.

도 4는 이너턴스 튜브(100)의 전체길이는 종래와 동일한 상태에서 그 이너턴스 튜브(100)의 절반은 작은 직경(D1)을 갖는 제1 튜브(110) 그리고 나머지 절반은 제1 튜브(110)의 직경(D1) 보다 두 배 정도 큰 직경(D2)을 갖는 제2 튜브(120)를 연결하여 배열한 경우에 대한 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이의 위상차를 보인 그래프로서, 상기와 같은 조건을 갖는 이너턴스 튜브(100)를 장착하게 되면 그 위상차가 약 40°정도로 좁아지게 되어 그 만큼 맥동관 냉동기의 냉동능력과 냉동효율이 향상되게 된다.

이를 근거로 하여, 상기 이너턴스 튜브의 직경을 서로 달리 배열하게 되는 경우 작동가스의 압력맥동과 질량유량에 따른 위상차가 좁아지게 되고, 이를 통해 냉동기 효율의 향상을 기대할 수 있다.

한편, 상기 이너턴스 튜브(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 이너턴스 튜브(200)의 직경이 맥동관(8)에서 레저버(10)까지 일정하게 확관되도록 형성할 수도 있다.

본 발명에 의한 맥동관 냉동기는, 상기 레저버와 함께 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브의 직경을 서로 다르게 배열하여 그 이너턴스 튜브의 범위내에서도 작동가스의 압력맥동과 질량유동 사이의 위상차가 발생되도록 함으로써, 상기 작동가스의 압력맥동과 질량유동 사이의 위상차가 좁게 형성되도록 하여 맥동관의 열펌핑율이 증가되고 이를 통해 맥동관 냉동기의 냉동능력과 냉동효율이 향상된다.

Claims (3)

1. 피스톤의 왕복운동에 의해 유입되는 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 형성되는 맥동관과,

   상기 맥동관에 연속적으로 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시키도록 직경이 상이하게 형성되는 이너턴스 튜브와,

   상기 이너턴스 튜브의 타단에 결합되는 레저버를 포함한 맥동관 냉동기.
2. 제1항에 있어서, 상기 이너턴스 튜브는 맥동관에서 레저버쪽으로 가면서 그 직경이 일정 길이마다 단계별로 확대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기.
3. 제1항에 있어서, 상기 이너턴스 튜브는 맥동관에서 레저버쪽으로 가면서 그 직경이 일정하게 확대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기.