KR20230161000A - 독립된 복수의 디스플레이서를 사용하는 다단 스털링 냉동기 - Google Patents

독립된 복수의 디스플레이서를 사용하는 다단 스털링 냉동기 Download PDF

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KR20230161000A
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김보금
이정익
Jamal AQIL
박정환
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한국과학기술원
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Abstract

다단 스털링 냉동기는 축 방향으로 왕복 운동하여 내부 기체를 압축시키는 피스톤, 그리고 상기 내부 기체의 압축에 따른 양단의 압력 차이로 인해 힘을 받아 상기 피스톤과 동일한 방향으로 왕복 운동을 하는 복수의 디스플레이서를 이용하여 내부 기체를 팽창 및 냉각시키는 복수의 냉각부를 포함하고, 상기 복수의 디스플레이서는, 서로 구조적으로 분리되어 직렬로 배치되고, 개별적인 진폭과 위상을 가지며 구동된다.

Description

독립된 복수의 디스플레이서를 사용하는 다단 스털링 냉동기{MULTI-STAGE STIRLING CHILLERS USING MULTIPLE INDEPENDENT DISPLACERS}
본 개시는 독립된 복수의 디스플레이서를 사용하는 다단 스털링 냉동기에 관한 것이다.
스털링 냉동기는 내부 기체의 압축과 팽창을 이용하여 저온부에서 냉각 효과를 창출하는 기계적 장치이다.
초창기 개발된 스털링 냉동기는 주로 우주 및 군사 분야에서 센서 냉각을 위한 스털링 냉동기의 선냉각에 활용되었다. 그러나, 극저온 냉동기에 대한 수요가 증가함에 따라 초전도 자석용 냉각기나 극저온 액화기 등에도 사용되고 있다.
스털링 냉동기는 피스톤에 의한 압축과 디스플레이서에 의한 팽창 과정으로 이루어진 등온 과정, 그리고 내부 기체가 재생기를 통과하는 등적 과정으로 표현되는 열역학 사이클에 의해 동작한다.
일반적으로, 1단 구조를 채택한 스털링 냉동기의 경우, 30 K 이하의 냉각 온도를 생성하는 것이 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 2단의 구조로 스털링 냉동기를 제작하여 1단에서 적절한 선 냉각 온도를 제공한 후, 더욱 낮은 온도를 2단에서 생성한다.
종래에 제안된 다단 스털링 냉동기로서, 상호-동축(Co-axial)인 형태가 있다. 이러한 형태의 다단 스털링 냉동기는 동일한 축에 일치하도록 모든 스털링 냉동기 요소가 배치되고, 중심부에 디스플레이서가 배치되며, 고리 형태로 재생기와 열교환기가 설치될 수 있다.
이때, 다단 스털링 냉동기는 턱이 있는 디스플레이서를 사용하여 1단과 2단의 단면적에 차이를 두어 각 단에서 흐르는 질량 유량에 변화를 주고 각 단에서 발생하는 손실을 줄일 수 있다. 이를 통해 1단에 비해 효율적으로 30K 이하의 온도에 도달할 수 있다.
그런데, 이러한 다단 스털링 냉동기의 경우, 디스플레이서가 두개로 쪼개어져 있지 않고, 한 몸체로 이루어져 있다.
현재까지 진행된 연구에 따르면 스털링 냉동기의 효율은 피스톤과 디스플레이서의 위상 차이에 크게 영향을 받는다. 이러한 개념을 확장하여 적용하면 턱이 있는 디스플레이서 한 개를 통해 다단 스털링 냉동기를 작동하는 것은 상대적으로 불리하다. 왜냐하면, 턱이 있는 단일 디스플레이서로 2단의 스털링 냉동기를 작동하는 경우 1단과 2단 팽창부에 존재하는 디스플레이서의 표면이 동일한 진폭과 위상으로 움직이기 때문이다. 따라서, 1단 팽창 공간에서의 디스플레이서의 움직임과 2단 팽창 공간에서의 디스플레이서의 움직임이 동일한 위상을 가질 수밖에 없다.
피스톤과 1단 팽창부의 디스플레이서 표면의 경우 기존 1단 스털링 냉동기와 동일하게 특정한 위상 차이를 갖지만, 1단 팽창부와 2단 팽창부의 디스플레이서 표면은 동일한 위상만을 갖게 되고, 이는 2단부에서 발생하는 유동 조건이 제한됨을 의미한다.
따라서, 2단 재생기에서 손실을 줄이도록 질량 유량과 압력 사이의 위상 차이를 만드는 것이 어렵고, 스털링 냉동기의 2단부 재생기에서 손실이 상대적으로 크게 발생할 수 있다.
본 개시는 복수의 단(Stage) 별로 서로 구조적으로 분리되어 독립적으로 구동될 수 있는 복수의 디스플레이서를 직렬 배치하고 각 단에서 디스플레이서의 위상을 개별적으로 제어할 수 있는 다단 스털링 냉동기에 관한 것이다.
한 특징에 따르면, 다단 스털링 냉동기는 축 방향으로 왕복 운동하여 내부 기체를 압축시키는 피스톤, 그리고 상기 내부 기체의 압축에 따른 양단의 압력 차이로 인해 힘을 받아 상기 피스톤과 동일한 방향으로 왕복 운동을 하는 복수의 디스플레이서를 이용하여 내부 기체를 팽창 및 냉각시키는 복수의 냉각부를 포함하고, 상기 복수의 디스플레이서는, 서로 구조적으로 분리되어 직렬로 배치되고, 개별적인 진폭과 위상을 가지며 구동된다.
상기 복수의 냉각부는, 1단 냉각부 및 2단 냉각부를 포함하고, 상기 1단 냉각부는, 상기 피스톤과 인접하여 배치되고 상기 피스톤의 왕복 운동에 따른 양단의 압력 차이로 인해 상기 피스톤와 동일한 방향으로 왕복 운동을 하며, 내부 기체를 팽창시키는 1단 디스플레이서, 그리고 상기 1단 디스플레이서에 의해 팽창된 내부 기체를 냉각시키는 1단 저온부 열교환기를 포함하고, 상기 2단 냉각부는, 상기 1단 디스플레이서에 의해 내부 기체의 팽창에 따른 양단의 부피 차이로 인한 밀어내는 힘에 의해 상기 1단 디스플레이서와 동일한 방향으로 왕복 운동을 하고, 내부 기체를 팽창시키는 2단 디스플레이서, 그리고 상기 2단 디스플레이서에 의해 팽창된 내부 기체를 냉각시키는 2단 저온부 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 1단 냉각부는, 내부 기체가 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 상기 1단 냉각부와 상기 2단 냉각부를 향하는 방향으로 밀려났다가 다시 제자리로 돌아오는 기체 순환 과정에서 통과할 때 내부 물질을 통해 상기 내부 기체의 열을 흡수하여 냉각시키는 1단 재생기를 더 포함하고, 상기 2단 냉각부는, 상기 기체 순환 과정에서 통과할 때 내부 물질을 통해 상기 내부 기체의 열을 흡수하여 냉각시키는 2단 재생기를 더 포함할 수 있다.
상기 다단 스털링 냉동기는 상기 피스톤에 의해 압축된 내부 기체를 냉각시키는 후냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 다단 스털링 냉동기는 상기 복수의 디스플레이서에 각각 연결된 복수의 스프링을 더 포함하고, 상기 복수의 디스플레이서는, 각각 연결된 스프링의 계수 및 디스플레이서의 무게에 따라 개별적인 스트로크 위상을 가지며 구동될 수 있다.
상기 다단 스털링 냉동기는 상기 복수의 디스플레이서에 각각 연결된 복수의 선형 모터, 그리고 상기 복수의 선형 모터와 각각 연결되어 개별적인 교류 전류를 공급하는 전원 장치를 더 포함하고, 상기 복수의 디스플레이서는, 상기 개별적인 교류 전원에 의해 발생하는 선형 모터의 직선 왕복 운동으로 인한 힘을 받아 개별적인 스트로크 위상을 가지며 구동될 수 있다.
다른 특징에 따르면, 다단 스털링 냉동기는 교류 전원을 공급하는 전원 장치, 상기 전원 장치로부터 개별적인 교류 전원을 각각 공급받아 왕복 진동 운동을 하는 복수의 선형 모터, 서로 구조적으로 분리되어 직렬로 배치되고, 상기 복수의 선형 모터와 각각 연결되며, 연결된 선형 모터의 왕복 진동 운동으로 인한 힘을 받아 진동하여 내부 기체를 팽창시키는 복수의 디스플레이서, 그리고 상기 복수의 디스플레이서에 각각 연결되고, 각각의 디스플레이서에 의해 팽창된 내부 기체의 열을 내부 물질을 통해 흡수하여 냉각시키는 복수의 재생기를 포함하며, 상기 전원 장치는, 상기 복수의 디스플레이서가 서로 독립된 스트로크 위상을 가지며 구동되도록 상기 복수의 선형 모터에 공급되는 교류 전원의 위상을 개별적으로 제어할 수 있다.
상기 복수의 디스플레이서는, 상기 복수의 디스플레이서 각각을 상기 복수의 선형 모터에 고정시키기 위한 연결부가 각각 형성되어 있고, 상기 복수의 선형 모터 각각은, 케이스, 상기 케이스 내에 수용된 상기 전원 공급 장치로부터 공급되는 교류 전원에 의해 자기장을 형성하는 코일, 상기 코일과 인접한 지점에 위치하여 상기 코일에 의해 형성된 자기장으로 인한 힘을 받아 왕복 진동 운동을 하는 자석, 상기 자석 및 상기 연결부와 고정적으로 연결되어, 상기 자석과 상기 연결부를 상기 케이스에 고정시키는 자석 홀더, 상기 케이스에 고정되어 상기 코일을 수용하고, 상기 코일에서 발생한 자기장을 상기 자석을 향하는 방향으로 모아주는 아우터 스테이터, 그리고 일면이 상기 케이스에 고정되고 타면은 상기 자석 홀더에 근접하게 위치하여 상기 자기장을 상기 자석을 향하는 방향으로 모아주는 이너 스테이터를 포함할 수 있다.
상기 복수의 디스플레이서에 형성된 각각의 연결부는, 앞단에 배치된 디스플레이서 및 상기 앞단에 배치된 디스플레이서의 연결부를 관통하도록 형성될 수 있다.
상기 각각의 연결부는, 각각의 디스플레이서의 앞부분으로 돌출 형성된 봉 형상일 수 있다.
실시예에 따르면, 서로 분리되어 독립적으로 움직이는 디스플레이서의 위상을 개별적으로 제어함으로써, 각 단의 냉각 용량을 조절할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 측단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 압축공간, 1단 팽창 공간, 2단 팽창 공간의 열역학적 사이클을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 피스톤과 디스플레이서의 움직임 및 각 공간의 변화를 설명한 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 온도 분포를 설명하는 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 피스톤과 디스플레이서의 움직임을 나타낸 도면이다.
도 6는 한 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 수동적인 디스플레이서 제어 구조를 나타낸다.
도 7은 실시예에 따른 디스플레이서의 스트로크 위상을 나타낸 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기를 능동적으로 제어하는 구조를 나타낸다.
도 9는 도 8에서 디스플레이서들의 연결 구조를 나타낸다.
도 10은 도 9에서 C 부분의 측면을 확대한 도면이다.
도 11은 실시예에 따른 1단 디스플레이서와 2단 디스플레이서의 위상 제어에 따른 1단 팽창 공간의 냉각 용량 변화를 나타낸다.
도 12는 실시예에 따른 1단 디스플레이서와 2단 디스플레이서의 위상 제어에 따른 2단 팽창 공간의 냉각 용량 변화를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 도면에 관계없이 동일한 도면번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는" 은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 측단면도이고, 도 2는 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 압축공간, 1단 팽창 공간, 2단 팽창 공간의 열역학적 사이클을 나타낸 도면이고, 도 3은 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 피스톤과 디스플레이서의 움직임 및 각 공간의 변화를 설명하는 도면이고, 도 4는 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 온도 분포를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 다단 스털링 냉동기(100)는 피스톤(101), 후냉각기(Aftercooler)(102), 복수의 냉각부(A, B)를 포함할 수 있다.
피스톤(101)은 축 방향으로 왕복 운동하고, 피스톤(101)의 왕복 운동에 따라 압축 공간(109) 내 내부 기체가 압축된다.
후냉각기(102)는 압축 공간(109) 내 압축된 내부 기체를 냉각시킨다.
복수의 냉각부(A, B)는 후냉각기(102)에 의해 냉각된 내부 기체를 냉각시킨다.
실시예에서는 복수의 냉각부(A, B)를 2단으로 구성하였지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 2단 이상으로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 복수의 냉각부(A, B)는 1단 냉각부(A)와 2단 냉각부(B)를 포함한다.
1단 냉각부(A)는 1단 디스플레이서(103), 1단 재생기(regenerator)(104), 1단 저온부 열교환기(cold-end heat exchanger)(105)를 포함한다.
2단 냉각부(B)는 2단 디스플레이서(106), 2단 재생기(107), 2단 저온부 열교환기(108)를 포함한다.
이때, 종래와 달리, 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)는 구조적으로 상호 분리되어 직렬로 배치되고, 개별적인 진폭과 위상을 가지고 독립적으로 구동될 수 있다. 즉, 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)는 동일하거나 또는 서로 다른 위상을 가지고 독립적으로 움직일 수 있다.
피스톤(101)은 후냉각기(102)의 내측에 연결되어 있다. 후냉각기(102)는 1단 디스플레이서(103)가 장착된 1단 재생기(104)의 일측에 연결되어 있다. 1단 재생기(104)의 타측은 1단 저온부 열교환기(105)와 단차를 형성하며 연결되어 있다. 1단 저온부 열교환기(105)는 2단 디스플레이서(106)가 장착된 2단 재생기(107)의 일측에 연결되어 있다. 2단 재생기(107)의 타측에는 2단 저온부 열교환기(108)가 연결되어 있다.
압축 공간(109)은 피스톤(101), 후냉각기(102) 및 1단 디스플레이서(103)로 둘러쌓여 있다. 1단 팽창 공간(또는 1단 팽창 공간)(110)은 1단 디스플레이서(103), 1단 저온부 열교환기(105), 2단 디스플레이서(106), 2단 재생기(107)로 둘러쌓여 있다. 2단 팽창 공간(또는 2단 팽창 공간)(111)은 2단 디스플레이서(106), 2단 저온부 열교환기(108)로 둘러쌓여 있다.
도 2를 참조하면, 다단 스털링 냉동기(100)의 작동 과정을 압력-부피 도표에 나타낼 수 있다.
열역학적으로 압력-부피 도표의 폐곡선의 방향이 시계 방향인 경우 기체는 일을 하고 있는 것이며, 반시계 방향인 경우 일을 받고 있는 것이다.
압축 공간(도 1의 109)은 피스톤과 1단 디스플레이서(도 1의 103)를 통해 일을 공급받고 있으므로, 반시계 방향의 사이클을 형성한다.
1단 팽창 공간(도 1의 110)과 2단 팽창 공간(도 2의 111)은 1단 디스플레이서(도 1의 103)와 2단 디스플레이서(도 1의 106)에 일을 하게 되므로 시계 방향의 사이클을 형성한다. 각 팽창 공간(110, 111)은 일을 하기 위해 외부에서 일을 한 만큼 외부에서 열을 흡수한다. 이러한 과정을 통해 각 팽창 공간(110, 111)에서 냉각 효과가 발생한다.
도 3은 도 2의 각 과정에 해당하는 피스톤(도 1의 101), 디스플레이서들(도 1의 103, 106)의 움직임과 각 공간(도 1의 109, 110, 111)의 부피를 나타낸 것이다.
도 2와 3을 참조하면, 다단 스털링 냉동기(100)의 작동을 크게 네 과정, 즉, ①(Ⅰ→Ⅱ), ②(Ⅱ→Ⅲ), ③(Ⅲ→Ⅳ), ④(Ⅳ→Ⅰ)으로 설명할 수 있다.
압축 공간(109)은 양쪽의 피스톤(101)과 1단 디스플레이서(103)의 움직임에 따라 내부 부피가 변화한다. 1단 팽창 공간(110)은 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)의 움직임에 따라 내부 부피가 변화한다. 2단 팽창 공간(111)은 2단 디스플레이서(106)의 움직임에 따라 내부 부피가 변화한다.
각 과정(①, ②, ③, ④)에서 피스톤(101), 1단 디스플레이서(103), 2단 디스플레이서(106)는 정해진 평형점에서 멀어질수록 다시 돌아오게 되는 복원력을 받는다.
피스톤(101)의 경우, 피스톤(101)을 구동시키는 구동부, 즉, 피스톤(101)의 왼쪽(여기서, 피스톤(101)이 압축 공간(109)과 마주하거나 또는 맞닿은 부분이 피스톤(101)의 오른쪽이므로, 그 반대편이 왼쪽임)에서 받는 힘과 압축 공간(109)의 압력에 의해 복원력을 받게 된다.
한 실시예에 따르면, 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)는 그 움직임이 수동적으로 결정되는 경우, 연결된 스프링(도 5의 112)과 각 디스플레이서(103, 106) 앞뒤 공간의 압력차에 의해 복원력을 받는다.
다른 실시예에 따르면, 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)는 능동적으로 선형 모터에 의해 움직임이 결정되는 경우, 선형 모터(도 8의 200)에 연결된 봉(도 8의 114, 115)에 의해 받는 힘과 각 디스플레이서(103, 106)의 앞뒤 또는 좌우 공간의 압력차에 의해 복원력을 받는다.
압축 공간(109)과 1단 팽창 공간(110)은 후냉각기(도 1의 102), 1단 재생기(104), 1단 저온부 열교환기(105)를 통해 연결되어 있으며, 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)은 2단 재생기(107)와 2단 저온부 열교환기(108)를 통해 연결된다. 이와 같이, 연결된 부분들을 통해 각 공간(109, 110, 111)의 부피와 압력에 변화가 생길 때 내부의 기체가 이동하며, 이는 도 3에서 공간 사이의 기체 이동을 의미한다.
①(Ⅰ→Ⅱ) 과정에서, 피스톤(101)은 압축 공간(109) 방향으로 움직이며, 1단 디스플레이서(103)는 1단 팽창 공간(110) 쪽으로 움직이다 복원력을 받아 반대 방향으로 움직인다. 2단 디스플레이서(106)는 2단 팽창 공간(111) 방향으로 움직이다 복원력에 의해 반대로 1단 팽창 공간(110) 방향으로 움직인다. 이에 따라 압축 공간(109)의 부피는 줄어들고, 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창(111) 공간의 부피는 크게 변하지 않는다. 한편, 다단 스털링 냉동기(100)의 전체 부피는 줄어들었으므로, 다단 스털링 냉동기(100)의 내부 압력은 증가한다. 다단 스털링 냉동기(100)의 부피가 줄어든 압축 공간(109) 내부의 기체 일부가 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)으로 유입된다.
②(Ⅱ→Ⅲ) 과정에서, 피스톤(101)은 복원력을 받아 압축 공간(109)에서 멀어지는 방향으로 움직이기 시작하고, 1단 디스플레이서(103)는 압축 공간(109) 쪽으로 움직인다. ②(Ⅱ→Ⅲ) 과정의 초기에는 복원력을 받아 가속하였다가 ②(Ⅱ→Ⅲ) 과정의 후기에는 복원력이 반대 방향으로 바뀌며 감속한다. 또한, 동일하게 2단 디스플레이서(106)도 1단 팽창 공간(110) 쪽으로 움직이며 ②(Ⅱ→Ⅲ) 과정의 초기에 복원력을 받아 가속하였다가 ②(Ⅱ→Ⅲ) 과정의 후기에는 복원력이 반대 방향으로 바뀌며 감속한다. 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)의 부피가 증가하였기 때문에 압축 공간(109)에서 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)으로 내부 기체의 일부가 이동한다. 한편, 다단 스털링 냉동기(100)의 전체 부피는 증가하였으므로 다단 스털링 냉동기(100) 내부의 압력은 감소한다.
③(Ⅲ→Ⅳ) 과정에서, 피스톤(101)은 관성에 의해 압축 공간(109)에서 멀어지는 방향으로 움직이나 반대 방향으로 복원력을 계속해서 받으며 감속한다. 1단 디스플레이서(103)는 압축 공간(109)의 방향으로 움직이나 복원력에 의해 다시 1단 팽창 공간(110)의 방향으로 움직인다. 2단 디스플레이서(106)는 1단 팽창 공간(110)의 방향으로 움직이다가 복원력을 받아 2단 팽창 공간(111)의 방향으로 움직인다. 따라서, 압축 공간(109)의 부피는 증가하고, 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)의 부피는 크게 변하지 않는다. 또한, 압축 공간(109)의 부피가 증가하였으므로 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)에서 내부 기체의 일부가 압축 공간(109)으로 이동한다. 한편, 다단 스털링 냉동기(100)의 전체 부피는 증가하므로 압력은 감소한다.
④(Ⅳ→Ⅰ) 과정에서, 피스톤(101)은 복원력을 받아 압축 공간(109) 쪽으로 움직이기 시작하며, 1단 디스플레이서(103)는 ④(Ⅳ→Ⅰ) 과정의 초기에 복원력을 받아 1단 팽창 공간(110)의 방향으로 가속하였다가 ④(Ⅳ→Ⅰ) 과정의 후기에는 복원력이 반대 방향으로 바뀌면서 점차 감속한다. 또한, 2단 디스플레이서(106)도 ④(Ⅳ→Ⅰ) 과정의 초기에는 복원력을 받아 2단 팽창 공간(111)의 방향으로 가속하였다가 ④(Ⅳ→Ⅰ) 과정의 후기에는 복원력이 반대 방향으로 바뀌면서 점차 감속한다. 따라서, 압축 공간(109)의 부피는 크게 변하지 않고, 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)의 부피는 줄어든다. 부피가 줄어든 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)에서 내부 기체의 일부가 압축 공간(109)으로 이동한다. 한편, 다단 스털링 냉동기(100)의 전체 부피는 줄어들었으므로, 다단 스털링 냉동기(100)의 내부 압력은 증가한다. 이를 통해 다시 상태 I에 도달하고, 앞서 설명한 과정, 즉, ①(Ⅰ→Ⅱ), ②(Ⅱ→Ⅲ), ③(Ⅲ→Ⅳ), ④(Ⅳ→Ⅰ)을 반복하며 압축 공간(109)의 기체는 피스톤(101)에서 반복해서 일을 받아 내부 기체의 압력을 변화시키고, 각 단(A, B)의 팽창 공간(110, 111)의 기체는 각 디스플레이서(103, 106)에 일을 하여 주변의 열을 흡수하며 냉각 효과를 만들어낸다.
즉, 전술한 과정들, 즉, 여러 번 사이클을 반복하면서 각 단, 즉, 1단 팽창 공간(110)과 2단 팽창 공간(111)에서 냉각 효과가 발생하며, 이는 도 4와 같은 온도 분포로 귀결된다.
도 4를 참조하면, 다단 스털링 냉동기(100)의 내부 기체는 피스톤(101), 후냉각기(102), 압축 공간(109)에서 상온이 유지되고, 1단 재생기(104)에 의해 첫번째 온도 하강이 발생한다. 이처럼, 하강한 온도는 1단 팽창 공간(110)에서 유지되다가 2단 재생기(107)에서 2번째 온도 하강이 발생한다. 이렇게 하강한 온도는 2단 팽창 공간(111)에서 하강한 온도로 유지된다.
이와 같이, 1단 재생기(104), 2단 재생기(107)의 양단에서는 큰 온도 차이가 발생한다.
1단 재생기(104)의 경우, 피스톤(101)과 후냉각기(102)에 연결된 부분이 고온부에 해당하고, 1단 저온부 열교환기(105)에 연결된 부분이 저온부에 해당한다. 이때, 압축 공간(109)은 피스톤(101), 후냉각기(102), 1단 디스플레이서(103)에 의해 둘러쌓이고, 1단 팽창 공간(110)은 1단 디스플레이서(103), 1단 저온부 열교환기(105), 2단 디스플레이서(106), 2단 재생기(107)에 의해 둘러쌓인 공간이다.
1단 재생기(104)는 후냉각기(102)와 1단 저온부 열교환기(105) 사이에 위치하므로, 압축 공간(109)이 상대적으로 고온부에 해당하고, 1단 팽창 공간(110)이 상대적으로 저온부에 해당한다고 할 수 있다.
2단 재생기(107)의 경우, 1단 저온부 열교환기(105)에 연결된 부분이 고온부에 해당하고, 2단 저온부 열교환기(108)에 연결된 부분이 저온부에 해당한다. 이때, 2단 팽창 공간(111)은 2단 디스플레이서(106), 2단 저온부 열교환기(108)에 의해 둘러쌓인 공간이다. 따라서, 1단 팽창 공간(110)이 상대적으로 고온부에 해당하고, 2단 팽창 공간(111)이 상대적으로 저온부에 해당한다고 할 수 있다.
다단 스털링 냉동기(100)는 일반적으로 30 Hz 이상의 작동 주파수를 갖고 피스톤(101)과 디스플레이서(103, 106)가 왕복 운동을 하며 냉각 효과를 만들어낸다. 고효율로 작동하기 위해서는 피스톤(101)과 디스플레이서(103, 106)가 일정한 위상 차이를 두고 작동한다.
도 5를 참조하면, 피스톤(101)과 디스플레이서(103, 106)는 모두 사인(sine) 형태의 움직임을 보이며 진동하게 된다. 이러한 일정한 주기로 진동하는 신호는 진동하는 크기인 진폭, 진동의 단위 시간당 반복횟수를 나타내는 주파수, 그리고 진동하는 위상으로 표현할 수 있다.
피스톤(101)과 디스플레이서(103, 106)는 같은 주파수로 진동하고 있기 때문에 도 5와 같이 일정한 위상 차이를 보이며 주기적으로 동일하게 진동한다. 이러한 위상 차이가 효율에 큰 영향을 미치는 원인은 피스톤(101)과 디스플레이서(103, 106)의 상대적 움직임에 의해 내부 기체의 유동이 영향을 받기 때문이다. 이상적으로 가정하여 한 지점에서의 질량 유량이 시간에 따라 변화하는 것이 완벽한 사인파의 형태라면 시간에 대한 평균 질량 유량은 0이다. 하지만 질량 유량과 다르게 실제로는 소리에 의해 에너지가 전달되며, 이러한 에너지가 전달되는 수단이 음향 파워(acoustic power)이다.
특히, 이러한 유동 변화는 각 단의 재생기(104, 107)에서 발생하는 열전달과 고온부에서 저온부로 전달되는 음향 파워(acoustic power)에 영향을 미치기 때문에 최적의 위상 차이가 존재하게 된다.
다단 스털링 냉동기(100)가 효율적으로 냉각 효과를 만들기 위해서는 기체의 음향 파워를 상온의 압축 공간(109)에서 생성해서 극저온의 팽창 공간(110, 111)에 적은 손실로 전달해야 한다.
다단 스털링 냉동기(100)에서는 압축 공간(109)에서 피스톤(101)으로 생성한 음향 파워를 각 단의 재생기(104, 107)를 통해 저온부, 즉, 팽창 공간(110, 111)에 전달된다. 각 단의 재생기(104, 107)의 양단은 큰 온도차가 존재하기 때문에 내부 기체가 각 단의 재생기(104, 107)를 통과하면서 내부의 다공성 재생물질과 열교환을 해서 충분히 차가워진 상태에서 저온인 각 단의 디스플레이서(103, 106) 영역, 즉, 팽창 공간(110, 111)에 도달해야 한다.
이때, 내부 기체는 각 단의 재생기(104, 107)를 통과할 때마다 압력 강하가 발생하고, 이로 인해 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 양단의 압력 차이를 초래한다.
그런데, 열교환의 비효율성 때문에 미처 다 냉각되지 못한 내부 기체가 각단의 팽창 공간(110, 111)에 도달하게 되어 손실이 발생하게 된다. 이러한 손실이 각 단의 재생기(104, 107)에서 발생하는 큰 손실 중 하나이다. 다른 손실은 기체가 다공성의 재생 물질을 통과하면서 압력 강하가 발생하게 되어 음향 파워의 크기가 줄어드는 손실이다.
진동하는 압력과 질량 유량에 대해 시간에 대한 평균 음향 파워를 수식적으로 나타내면 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
여기서, 는 진동하는 압력파의 진폭이다. 는 진동하는 압력 유량의 크기이다. 는 압력파와 질량 유량 사이의 위상 차이이다. 는 기체의 밀도를 의미한다.
압력파의 진폭이 줄어드는 손실은 각 단의 재생기(104, 107) 내부에서 압력 강하로 인해 발생하게 된다. 이러한 손실들, 즉, 열 교환 비효율성에서 발생하는 손실과 압력 강하에 의한 손실을 줄이기 위해서 각 단의 재생기(104, 107)의 저온부에서 압력과 질량 유량 사이에 특정한 위상 차이가 필요하며, 이는 피스톤(101)과 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 움직임에 의해 형성된다.
각 단의 재생기(104, 107) 양끝은 피스톤이 있는 공간, 즉, 압축 공간(109)과 각 단의 디스플레이서(103, 106)가 있는 공간, 즉, 팽창 공간(110, 111)에 연결되어 있다. 피스톤(101)이 압축 공간(109) 내에서 움직이는 것과 각 단의 디스플레이서(103, 106)가 각 단의 팽창 공간(110, 111) 내에서 움직이는 것에 의해 그 사이에 존재하는 각 단의 재생기(104, 107)에서 발생하는 질량 유량이 결정된다. 따라서, 피스톤(101)과 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 움직임이 다단 스털링 냉동기(100)의 효율을 결정하고 피스톤(101)과 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 움직임에 위상 차이를 주어 각 단의 재생기(104, 107)에서 손실이 적은 질량 유량 조건이 발생하도록 할 수 있다.
주어진 각 단의 재생기(104, 107)의 형상이 있다고 가정하면, 앞에서 언급한 두 손실 압력 강하와 열교환 비효율성에 의한 손실은 질량 유량이 클수록 크게 발생하게 된다. 왜냐하면, 동일한 유로에서 더 큰 질량 유량이 흐르면 압력 강하가 크게 발생하게 되고, 각 단의 재생기(104, 107) 내부에 일정한 열 용량이 존재하는데 큰 질량 유량이 흐르면 흐르는 기체가 모두 냉각되지 못하여 뜨거운 상태로 저온부에 유입될 수 있기 때문이다. 그래서 전반적으로 동일한 음향 파워(acoustic power)를 저온부에 전달하면서도 가능한 질량 유량이 적게 흐르도록 해야 한다. 이러한 조건을 만족하려면 각 단의 재생기(104, 107)의 저온부에서 적절한 위상 차이를 만들어주어야 한다. 이러한 위상 차이는 피스톤(101)과 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상 차이에 해당한다.
또한, 각 디스플레이서(103, 106)에서 기체를 팽창하며 얻은 일은 압축 공간(109)에 다시 전달되어 재활용될 수 있다.
또한, 각 단에서 필요로 하는 냉각 용량에 맞추어 이를 만족하는 디스플레이서(103, 106)의 위상을 결정하고, 결정한 위상을 가지도록 디스플레이서(103, 106)를 구동시키면 효율적이면서도 자유도가 높은 다단 스털링 냉동기(100)의 운용이 가능하게 된다.
여기서, 냉각 용량은 위상에 의해 조절되는데, 위상을 수동적으로 제어하는 경우, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 무게와 스프링 계수를 통해 목표로 하는 냉각 용량이 산출되도록 위상을 제어하게 된다. 또한, 위상을 능동적으로 제어하는 경우, 각 단의 디스플레이서(103, 106)가 원하는 위상으로 움직이도록 전류 공급을 제어하게 된다.
도 6은 한 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기의 수동적인 디스플레이서 제어 구조를 나타내고, 도 7은 실시예에 따른 디스플레이서의 스트로크 위상을 나타낸 그래프이다.
이때, 도 6의 다단 스털링 냉동기(100)의 구성은 도 1의 구성과 거의 유사하므로, 도 1과 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 각 단의 디스플레이서(103, 106)에는 수평의 구조체가 연결되어 있는데, 이때, 수평의 구조체로 스프링이 이용될 수 있다. 즉, 압축 공간(109)의 1단 디스플레이서(103)에는 1단 스프링(112)이 연결되어 있고, 1단 팽창 공간(110)의 2단 디스플레이서(106)에는 2단 스프링(113)이 연결되어 있다.
피스톤(101)의 왕복 운동에 의해 다단 스털링 냉동기(100)의 내부에 압력 진동이 발생하고 이 압력 진동에 의해 스프링(112, 113)에 연결되어 있는 각 단의 디스플레이서(103, 106)가 힘을 받아 진동하게 된다. 즉, 각 단의 디스플레이서(103, 106)는 양단의 압력 차이에 의해 힘을 받아 진동하게 된다.
이때, 수동적으로 제어하고자 하는 경우 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 무게 및/또는 각 단의 디스플레이서(103, 106)에 연결된 스프링(112, 113)의 스프링 계수를 조절할 수 있다.
각 단의 디스플레이서(103, 106)의 무게를 m, 스프링 계수를 k, 힘을 받아 발생하는 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 스트로크를 x, 그리고 각 단의 디스플레이서(103, 106)가 받게 되는 힘의 주파수를 f라고 하면, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 공진 주파수 fn은 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
수학식 2에 따르면, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 무게(m)가 작아지거나 스프링 계수(k)가 상승한다면 공진 주파수의 값(fn)은 상승하게 된다. 따라서 압력이 동일한 주파수(f)로 각 단의 디스플레이서(103, 106)에 가해진다면, 주파수의 비율인 f/fn는 감소하게 되어 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 스트로크 위상은 감소하게 되며, 이는 도 7에 나타낸 바와 같다.
따라서, 각 디스플레이서(103, 106)의 무게와 스프링 계수를 적절하게 조절하여, 발생하는 스트로크의 위상을 개별적으로 또는 차등적으로 제어할 수 있다.
또한, 선형 모터를 이용하여 각 단의 디스플레이서(103, 106)를 능동적으로 제어할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 다단 스털링 냉동기를 능동적으로 제어하는 구조를 나타내고, 도 9는 도 8에서 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 연결 구조를 나타내며, 도 10은 도 9에서 C 부분의 측면을 확대한 도면이다.
이때, 도 8, 도 9 및 도 10에서 도 1과 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 각 단의 디스플레이서(103, 106)에는 연결부들(114, 115)이 일체로 형성되어 있다. 연결부들(114, 115)은 각 단의 디스플레이서(103, 106)를 각각의 선형 모터(200, 210, 220)에 연결시킨다.
1단 디스플레이서(103)에는 1단 연결부(114)가 연결되고, 2단 디스플레이서(106)에는 2단 연결부(115)가 연결되어 있다. 이때, 피스톤(101)과의 간섭 때문에 압축 공간(109)을 분리하는 형상을 취하게 된다. 즉, 압축 공간(109)은 선형 모터(200, 210, 220)에 의해 힘을 받아 내부 기체가 압축되는 공간과 피스톤(101)의 운동에 의해 힘을 받아 내부 기체가 압축되는 공간으로 분리되어 있다.
이때, 각 단의 디스플레이서(103, 106)는 선형 모터(200, 210, 220)와 피스톤(101)의 왕복 진동 운동에 의해 힘을 받아 진동하는데, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 개별적인 제어는 선형 모터(200, 210, 220)에 의해 이루어진다. 즉, 각 단의 디스플레이서(103, 106)에 연결된 각각의 선형 모터(210, 220)의 교류 전원의 위상을 개별적으로 제어함으로써, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 독립적인 위상과 진폭을 유도할 수 있다.
선형 모터(200, 210, 220)는 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 개수만큼 존재한다. 한 선형 모터(210)에는 1단 디스플레이서(103)의 1단 연결부(114)가 연결되고, 다른 선형 모터(220)에는 2단 디스플레이서(106)의 2단 연결부(115)가 연결된다.
이때, 1단 연결부(114), 2단 연결부(115)는 봉 형태일 수 있다.
도 9를 참고하면, 2단 연결부(115)는 1단 디스플레이서(103)와 1단 연결부(114)를 관통한다.
도 10을 참고하면, 2단 연결부(115)는 1단 연결부(114)와 내부에 공간(air)을 형성하며 관통함으로써, 2단 연결부(115)에 가해지는 진동의 힘이 1단 연결부(114)에 영향을 주지 않게 할 수 있다. 마찬가지로, 2단 연결부(115)는 1단 디스플레이서(103)를 통과할 때, 내부에 공간(air)을 형성하며 관통한다. 여기서 내부 공간(air)은 각 단의 디스플레이서(103, 106) 간의 움직임에 영향이 적으면서 내부 기체들의 기밀을 유지하기 위해 그 틈이 작도록 형성한다.
실시예에 따라, 3단 이상의 디스플레이서(103, 106)를 구성할 경우, 가장 앞에 있는 1단 디스플레이서(103)를 제외하고, 나머지 디스플레이서들(106)에 형성된 연결부(115)는 앞 단의 디스플레이서(103, 106)와 그 연결부(114, 115)를 내부에 공간을 형성하며 관통한다.
다시, 도 8을 참고하면, 선형 모터(200, 210, 220)는 케이스(201), 코일(202), 자석(203), 자석 홀더(204a, 204b), 아우터(outer) 스테이터(stator)(205), 이너(inner) 스테이터(206)를 포함한다.
케이스(201)는 선형 모터(200, 210, 220)의 내부를 외부와 차단하는 역할을 한다.
측면도이기에 코일(202)은 위, 아래 형성된 것으로 보이지만, 실질적으로가운데에 위치하는 연결부들(114, 115)을 감싸는 순환 구조로 이루어져 있다. 코일(202)은 케이스 내에 수용되어 전원 장치(300)에 케이블(미도시)을 통해 연결되고, 전원 장치(300)로부터 교류 전원을 공급받아 자기장을 형성한다.
코일(202)은 아우터 스테이터(205)에 수용되어 있다. 아우터 스테이터(205)는 강자성체로 이루어진 외부 고정자로서, 케이스(201)에 고정되어 코일(202)을 수용하고, 코일(202)에서 발생한 자기장을 자석(203)을 향하는 방향으로 모아주는 역할을 함으로써, 자석(203)이 받는 힘을 강화한다.
자석(203)은 코일(202)과 인접하는 상/하 지점에 위치하고, 코일(202)에 의해 형성된 자기장으로 인한 힘을 받아 직선 방향으로 왕복 진동 운동을 한다.
1단 디스플레이서(103)의 1단 연결부(114)와 연결되는 1단 선형 모터(210)의 자석 홀더(204a)는 자석(203) 및 1단 연결부(114)와 고정적으로 연결되어 있다. 자석 홀더(204a)는 자석(203)이 연결된 부분의 반대 부분이 이너 스테이터(206)에 인접하도록 케이스(201) 내에 수용된다. 이때, 자석 홀더(204a)와 이너 스테이터(206)는 접촉하지는 않고 약간의 거리를 두고 인접하게 위치한다.
마찬가지로, 2단 디스플레이서(106)의 2단 연결부(115)와 연결되는 2단 선형 모터(220)의 자석 홀더(204b)는 자석(203) 및 2단 연결부(115)와 고정적으로 연결되어 있다. 자석 홀더(204b)는 자석(203)이 연결된 부분의 반대 부분이 이너 스테이터(206)에 인접하도록 케이스(201) 내에 수용된다. 이때, 자석 홀더(204b)와 이너 스테이터(206)는 접촉하지는 않고 약간의 거리를 두고 인접하게 위치한다. 이너 스테이터(206)는 강자성체로 이루어진 내부 고정자로서, 일면이 케이스(201)에 고정되고 타면은 자석 홀더(204a, 204b)에 근접하게 위치하여 자기장을 자석(203)을 향하는 방향으로 모아주는 역할을 함으로써, 자석(203)이 받는 힘을 강화한다.
이와 같이, 아우터 스테이터(205)와 이너 스테이터(206)는 코일(202)에 의해 형성된 교류 자기장의 누설을 막아 자석이 효과적으로 힘을 받을 수 있도록 한다.
각 선형 모터(210, 220)의 코일(202)에 교류 전원을 공급하면, 코일(202)의 주위에 자기장이 발생한다. 이러한 자기장은 자석(203)에 힘을 가하여 자석(203)을 진동하게 한다. 자석(203)의 왕복 진동 운동으로 인해 자석(203)에 연결된 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106) 역시 힘을 받아 왕복 진동 운동을 하게 된다.
이와 같이, 선형 모터(200, 210, 220)는 전원 장치(300)에서 공급되는 교류 전원에 의해 작동을 한다. 공급된 교류 전원은 코일(202)에 유입되고 코일(202)에 의해 교류 자기장을 형성한다. 교류 자기장을 통해 자석(203)은 주기적으로 힘을 받아 진동하고, 이러한 진동에 따른 힘이 연결된 디스플레이서들(103, 106)에 전달되어 디스플레이서들(103, 106)이 움직인다.
이때, 전원 장치(300)는 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 움직임을 독립적으로 제어하기 위해 각 선형 모터(210, 220)의 코일에 공급하는 교류 전원의 위상에 차이를 둘 수 있다. 이를 통해 코일(202)에서 생성되는 교류 자기장의 위상에 차이가 발생하고, 결과적으로 각 단의 디스플레이서(103, 106)와 연결된 자석(203)이 받는 힘의 위상에 차이가 발생하여 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상에도 차이가 발생한다. 즉, 교류 전원의 위상 차이는 각각의 자기장의 위상 차이를 발생시키고, 이로 인해 자석(203)이 받는 힘에도 위상 차이가 발생하므로, 결국, 각 단의 디스플레이서(103, 106)에는 스트로크 위상 차이를 유도할 수 있다.
피스톤(101)이 동일하게 움직인다고 가정할 때, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상에 따라 피스톤(101)이 압축 공간(109)에 공급하는 음향 파워의 양이 변하기 때문에 1단 팽창 공간(110)에 도달하는 음향 파워의 양도 변하게 된다.
또한, 1단 팽창 공간(110)에서 음향 파워의 일부는 1단 디스플레이서(103)에 의해 사용되어 1단 팽창 공간(110)에서 냉각 효과를 야기하고, 1단 팽창 공간(110)에서 음향 파워의 나머지는 2단 재생기(107)를 통해 2단 팽창 공간(111)으로 유입되어 2단 디스플레이서(106)에 의해 사용되어 2단 팽창 공간(111)에서 냉각 효과를 야기한다. 여기서, 1단 팽창 공간(110)에 도달한 음향 파워 중 1단 디스플레이서(103)에서 사용되는 음향 파워의 비율이 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상에 따라 변화하게 된다.
전술한 바에 따르면, 동일한 피스톤(101)의 움직임에 대해 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상은 공급되는 음향 파워의 양, 1단 냉각부(A)와 2단 냉각부(B)에서 사용되는 음향 파워의 비율에 영향을 미쳐서 각 단에서의 냉각 용량을 조절하게 될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 도 6과 도 8의 실시예를 각 단의 디스플레이서(103, 106)에 각각 반영하여 운용할 수도 있다. 예를 들어, 1단 디스플레이서(103)는 도 6의 실시예를 적용하여 수동적으로 움직이도록 스프링만을 이용하고, 2단 디스플레이서(106)는 도 8의 실시예를 적용하여 선형 모터(200, 210, 220)에 연결시켜 능동적으로 제어할 수도 있다.
지금까지 설명한 다단 스털링 냉동기(100)를 통해 얻을 수 있는 냉각 용량의 변화를 1단 냉각부(A)와 2단 냉각부(B)로 구분하여 나타냈다.
도 11은 실시예에 따른 1단 디스플레이서와 2단 디스플레이서의 위상 제어에 따른 1단 팽창 공간의 냉각 용량 변화를 나타내고, 도 12는 실시예에 따른 1단 디스플레이서와 2단 디스플레이서의 위상 제어에 따른 2단 팽창 공간의 냉각 용량 변화를 나타낸다.
즉, 도 11 및 도 12는 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 스트로크 위상에 따른 냉각 용량을 나타낸다.
이때, 도 11 및 도 12의 그래프에서, 가로축은 1단 디스플레이서(103)의 스트로크 위상을 나타내고, 세로축은 2단 디스플레이서(106)의 스트로크 위상을 나타낸다. 피스톤(101)의 위상은 0이며, 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 스트로크 크기는 일정하다고 가정한다.
각 단의 냉각 용량은 각 디스플레이서(103, 106)의 위상에 따라 독립적으로 변화한다.
도 11은 1단 저온부 열교환기(105)에서 얻을 수 있는 냉각 용량을 나타낸다. 도 11을 참고하면, 1단 디스플레이서(103)의 스트로크 위상이 증가할수록, 그리고 2단 디스플레이서(106)의 스트로크 위상이 감소할수록 1단 냉각부(A)에서 얻을 수 있는 냉각 용량은 증가한다. 특히, 검은색 실선으로 표시된 등고선(D)을 따라 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상이 조절된다면, 1단 냉각부(A)에서 얻을 수 있는 냉각 용량은 변하지 않는다.
또한, 도 12는 2단 저온부 열교환기(108)에서 얻을 수 있는 냉각 용량이다. 도 12를 참고하면, 1단 디스플레이서(103)의 스트로크 위상이 감소할수록, 그리고 2단 디스플레이서(106)의 스트로크 위상이 증가할수록 2단 냉각부(B)에서 얻을 수 있는 냉각 용량은 증가한다. 검은색 실선으로 표시된 등고선(D)을 따라 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상이 조절된다면, 2단 냉각부(B)에서 얻을 수 있는 냉각 용량은 변하지 않는다.
이때, 도 11 및 도 12의 등고선(D)은 서로 동일하지 않으므로 만약 도 11의 특정 등고선에 맞추어 2단 디스플레이서(106)의 위상을 조절한다면, 1단 냉각부(A)의 냉각 용량은 동일하게 얻으면서 2단 냉각부(B)의 냉각 용량만 변한다. 따라서, 다단 스털링 냉동기(100)의 각 단에서 필요로 하는 냉각 용량에 맞추어 각 단의 디스플레이서(103, 106)의 위상을 결정하여 자유도 높은 운용이 가능하다. 예컨대, 도 11에서, 1단 냉각부(A)에서 목표로 하는 냉각 용량이 140W라면, 도 11에서 140W의 분포에 대응하는 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106) 각각의 위상 범위로 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)의 위상을 제어할 수 있다. 마찬가지로, 도 12에서 2단 냉각부(B)에서 목표로 하는 냉각 용량이 15W라면, 도 12에서 15W의 분포에 대응하는 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106) 각각의 위상 범위로 1단 디스플레이서(103)와 2단 디스플레이서(106)의 위상을 제어할 수 있다.
이상에서 본 개시의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 개시의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 개시의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 축 방향으로 왕복 운동하여 내부 기체를 압축시키는 피스톤, 그리고
    상기 내부 기체의 압축에 따른 양단의 압력 차이로 인해 힘을 받아 상기 피스톤과 동일한 방향으로 왕복 운동을 하는 복수의 디스플레이서를 이용하여 내부 기체를 팽창 및 냉각시키는 복수의 냉각부를 포함하고,
    상기 복수의 디스플레이서는,
    서로 구조적으로 분리되어 직렬로 배치되고, 개별적인 진폭과 위상을 가지며 구동되는, 다단 스털링 냉동기.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 냉각부는, 1단 냉각부 및 2단 냉각부를 포함하고,
    상기 1단 냉각부는,
    상기 피스톤과 인접하여 배치되고 상기 피스톤의 왕복 운동에 따른 양단의 압력 차이로 인해 상기 피스톤와 동일한 방향으로 왕복 운동을 하며, 내부 기체를 팽창시키는 1단 디스플레이서, 그리고
    상기 1단 디스플레이서에 의해 팽창된 내부 기체를 냉각시키는 1단 저온부 열교환기를 포함하고,
    상기 2단 냉각부는,
    상기 1단 디스플레이서에 의해 내부 기체의 팽창에 따른 양단의 부피 차이로 인한 밀어내는 힘에 의해 상기 1단 디스플레이서와 동일한 방향으로 왕복 운동을 하고, 내부 기체를 팽창시키는 2단 디스플레이서, 그리고
    상기 2단 디스플레이서에 의해 팽창된 내부 기체를 냉각시키는 2단 저온부 열교환기를 포함하는, 다단 스털링 냉동기.
  3. 제2항에서,
    상기 1단 냉각부는,
    내부 기체가 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 상기 1단 냉각부와 상기 2단 냉각부를 향하는 방향으로 밀려났다가 다시 제자리로 돌아오는 기체 순환 과정에서 통과할 때 내부 물질을 통해 상기 내부 기체의 열을 흡수하여 냉각시키는 1단 재생기를 더 포함하고,
    상기 2단 냉각부는,
    상기 기체 순환 과정에서 통과할 때 내부 물질을 통해 상기 내부 기체의 열을 흡수하여 냉각시키는 2단 재생기
    를 더 포함하는, 다단 스털링 냉동기.
  4. 제2항에서,
    상기 피스톤에 의해 압축된 내부 기체를 냉각시키는 후냉각기
    를 더 포함하는, 다단 스털링 냉동기.
  5. 제1항에서,
    상기 복수의 디스플레이서에 각각 연결된 복수의 스프링을 포함하고,
    상기 복수의 디스플레이서는,
    각각 연결된 스프링의 계수 및 디스플레이서의 무게에 따라 개별적인 스트로크 위상을 가지며 구동되는, 다단 스털링 냉동기.
  6. 제1항에서,
    상기 복수의 디스플레이서에 각각 연결된 복수의 선형 모터, 그리고
    상기 복수의 선형 모터와 각각 연결되어 개별적인 교류 전류를 공급하는 전원 장치를 더 포함하고,
    상기 복수의 디스플레이서는,
    상기 개별적인 교류 전원에 의해 발생하는 선형 모터의 직선 왕복 운동으로 인한 힘을 받아 개별적인 스트로크 위상을 가지며 구동되는, 다단 스털링 냉동기.
  7. 교류 전원을 공급하는 전원 장치,
    상기 전원 장치로부터 개별적인 교류 전원을 각각 공급받아 왕복 진동 운동을 하는 복수의 선형 모터,
    서로 구조적으로 분리되어 직렬로 배치되고, 상기 복수의 선형 모터와 각각 연결되며, 연결된 선형 모터의 왕복 진동 운동으로 인한 힘을 받아 진동하여 내부 기체를 팽창시키는 복수의 디스플레이서, 그리고
    상기 복수의 디스플레이서에 각각 연결되고, 각각의 디스플레이서에 의해 팽창된 내부 기체의 열을 내부 물질을 통해 흡수하여 냉각시키는 복수의 재생기를 포함하며,
    상기 전원 장치는,
    상기 복수의 디스플레이서가 서로 독립된 스트로크 위상을 가지며 구동되도록 상기 복수의 선형 모터에 공급되는 교류 전원의 위상을 개별적으로 제어하는, 다단 스털링 냉동기.
  8. 제7항에서,
    상기 복수의 디스플레이서는,
    상기 복수의 디스플레이서 각각을 상기 복수의 선형 모터에 고정시키기 위한 연결부가 각각 형성되어 있고,
    상기 복수의 선형 모터 각각은,
    케이스,
    상기 케이스 내에 수용된 상기 전원 공급 장치로부터 공급되는 교류 전원에 의해 자기장을 형성하는 코일,
    상기 코일과 인접한 지점에 위치하여 상기 코일에 의해 형성된 자기장으로 인한 힘을 받아 왕복 진동 운동을 하는 자석,
    상기 자석 및 상기 연결부와 고정적으로 연결되어, 상기 자석과 상기 연결부를 상기 케이스에 고정시키는 자석 홀더,
    상기 케이스에 고정되어 상기 코일을 수용하고, 상기 코일에서 발생한 자기장을 상기 자석을 향하는 방향으로 모아주는 아우터 스테이터, 그리고
    일면이 상기 케이스에 고정되고 타면은 상기 자석 홀더에 근접하게 위치하여 상기 자기장을 상기 자석을 향하는 방향으로 모아주는 이너 스테이터
    를 포함하는, 다단 스털링 냉동기.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 디스플레이서에 형성된 각각의 연결부는,
    앞단에 배치된 디스플레이서 및 상기 앞단에 배치된 디스플레이서의 연결부를 관통하도록 형성된, 다단 스털링 냉동기.
  10. 제9항에서,
    상기 각각의 연결부는,
    각각의 디스플레이서의 앞부분으로 돌출 형성된 봉 형상인, 다단 스털링 냉동기.
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