KR100304569B1 - 무윤활맥동관냉동기의가스누설저감구조 - Google Patents

무윤활맥동관냉동기의가스누설저감구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조에 관한 것으로, 본 발명은 맥동관으로 대표되는 냉동부와 연통되는 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 실린더부에 미소틈새를 두고 삽입됨과 아울러 상기 밀폐케이스에 장착되는 직선형 구동모터의 가동자 및 복수개의 탄성용 및 안내용 지지부재에 결합되어 실린더부 내에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 냉동부로 펌핑하는 피스톤을 포함한 무윤활 맥동관 냉동기에 있어서 ; 상기 피스톤의 압축행정시 압축된 작동가스의 일부가 실린더부와 피스톤 사이로 압력강하되면서 바이패스되도록 상기한 실린더부의 압축공간 보다 단면적이 좁은 배압유로가 실린더부의 압축공간과 피스톤의 외주면 사이에 연통 형성되고, 상기 배압유로의 출구단에 대응되는 피스톤의 외주면에는 그 배압유로를 통해 압력강하되어 유도되는 중압의 작동가스가 채워지도록 일정체적을 갖는 배압포켓이 음각지게 형성되어 이루어짐으로써, 상기 피스톤의 압축행정시 고압부인 실린더부의 압축공간과 저압부인 배압포켓 사이의 압력차가 줄어들어 압력차에 의해 상기한 압축공간에서 실린더부와 피스톤 사이로 누설되는 작동가스를 억제하여 작동가스의 부족에 따른 냉동효율의 저하를 방지할 수 있다.

Description

무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조{STRUCTURE FOR REDUCING GAS-LEAKAGE OF IOL-FREE PULSE TUBE REFRIGERATOR}
본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 실린더부와 피스톤 사이로 작동가스가 누설되는 것을 방지하여 효율을 향상시키고자 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조에 관한 것이다.
일반적으로 소형 전자부품 및 초전도체의 냉각을 위한 극저온 냉동기로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator) 및 지엠 냉동기(GM Refrigerator)등의 열재생식 냉동기가 주로 사용되고 있으나, 이러한 냉동기들은 그 신뢰성을 높이기 위해서 운전속도를 낮추어야 하거나, 또는 작동가스의 펌핑시 마찰부위의 마모에 대비하여 윤활을 실시하여야 했다.
이에 최근에는 냉동기의 높은 신뢰성을 유지하면서도 고속운전이 가능하여 냉동효율이 향상되는 것은 물론, 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 종단면하여 보인 개략도이다.
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)로 크게 구분되어 있다.
상기 구동부(100)는 실린더부(110a)가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스(110)와, 그 밀폐케이스(110)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)의 가동자에 결합되어 직진 왕복운동을 하는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 연결됨과 아울러 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에 삽입되어 구동축(130)과 함께 직진 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(140)과, 상기 밀폐케이스(110)와 구동축(130) 사이의 상,하부에 각각 결합되어 구동모터(120)의 가동자의 직진 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 구동모터(120)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 구동모터(120)의 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(140)의 직진성을 안내하는 지지부재(151,152)로 이루어져 있다.
상기 실린더부(110a)는 그 주면이 편평한 원통형으로 형성되는 반면, 상기 피스톤(140)은 실린더부(110a)와 일정간격을 두고 삽입되도록 봉형으로 형성되어 있다.
한편, 상기 냉동부(200)는 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부(211)에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부(212)에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(210)과, 그 맥동관(210)의 압축부(211)에 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, 그 재생기(240)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 펌핑되는 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 예냉기(250)로 구성되어 있다.
도면중 미설명 부호인 111은 상부프레임, 112는 중간프레임, 113은 하부프레임, 114는 밀봉셸, 112b 및 113a는 지지부재 장착부, 121은 고정자, 121A 및 121B는 내측 및 외측 라미네이션, 121b는 권선코일, 122a는 영구자석, 123은 연결링, 160은 체결부재이다.
상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 동작과정은 다음과 같다.
즉, 상기 구동모터(120)에 전원이 인가되어 가동자(122)가 직진 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(122)에 결합된 구동축(130) 역시 직진 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(130)에 일체로 결합된 피스톤(140)이 실린더부(110a) 내에서 직진 왕복운동을 하면서 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 오리프스(220)를 통해 맥동관(210)으로 유입되는 작동가스의 질량유량이 훨씬 적기 때문에 상기 맥동관(210)에서의 작동가스는 단열 팽창된다. 이 작동가스의 단열팽창은 통상 냉측 열교환기(미부호)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 된다.
상기 구동축(130)의 상,하단부에 결합된 상,하부 지지부재(151,152)는 구동축(130)의 왕복운동을 받아 가동자(122)의 직진 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고, 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(140)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(140)이 실린더부(110a)의 내주벽과 항상 일정한 공차를 두고 직선운동을 할 수 있도록 안내하게 되는 것이었다.
그러나, 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기에서는 피스톤(140)이 실린더부(110a)내에서 미세한 간격을 두고 직진 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 것이나, 상기 피스톤(140)의 상,하부간 압력차에 의해 피스톤의 압축행정시 작동가스의 일부가 상기한 피스톤(140)과 실린더부(110a) 사이의 틈새를 통해 저압측인 밀폐케이스쪽으로 누설되는데, 이 작동가스의 누설에 의해 맥동관으로 유입되는 작동가스의 양이 부족하게 되어 맥동관 냉동기의 냉동효율이 저하될 우려가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 피스톤이 실린더부내에서 직진 왕복운동을 하는 과정에서 작동가스가 피스톤의 양단간 압력차에 의해 피스톤과 실린더부 사이의 틈새로 누설되는 것을 억제하여 작동가스의 부족에 따른 냉동효율의 저하를 방지할 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조를 제공하려는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.
도 2는 도 1의 "A"부를 상세히 보인 종단면도.
도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.
도 4는 도 3의 "A"부를 상세히 보인 종단면도.
도 5는 본 발명의 실린더부를 파단하여 보인 사시도.
도 6은 본 발명에 의한 가스누설 저감구조의 효과를 설명하기 위해 보인 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
310 : 밀폐케이스 311 : 상부프레임
340 : 피스톤 341 : 배압포켓
400 : 실린더부 410 : 배압유로
411 : 배압공 420 : 다공질부재
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 맥동관으로 대표되는 냉동부와 연통되는 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 실린더부에 미소틈새를 두고 삽입됨과 아울러 상기 밀폐케이스에 장착되는 직선형 구동모터의 가동자 및 복수개의 탄성용 및 안내용 지지부재에 결합되어 실린더부 내에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 냉동부로 펌핑하는 피스톤을 포함한 무윤활 맥동관 냉동기에 있어서 ; 상기 피스톤의 압축행정시 압축된 작동가스의 일부가 실린더부와 피스톤 사이로 압력강하되면서 바이패스되도록 상기한 실린더부의 압축공간 보다 단면적이 좁은 배압유로가 실린더부의 압축공간과 피스톤의 외주면 사이에 연통 형성되고, 상기 배압유로의 출구단에 대응되는 피스톤의 외주면에는 그 배압유로를 통해 압력강하되어 유도되는 중압의 작동가스가 채워지도록 일정체적을 갖는 배압포켓이 음각지게 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조가 제공된다.
이하, 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 4는 도 3의 "A"부를 상세히 보인 종단면도이며, 도 5는 본 발명의 실린더부를 파단하여 보인 사시도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스누설 저감구조가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는, 실린더부(400)가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스(310)와, 그 밀폐케이스(310)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(320)와, 그 구동모터(320)의 가동자에 결합되어 직진 왕복운동을 하는 구동축(330)과, 그 구동축(330)에 연결됨과 아울러 밀폐케이스(310)의 실린더부(400)에 삽입되어 구동축(330)과 함께 직진 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(340)과, 상기 밀폐케이스(310)와 구동축(330) 사이의 상,하부에각각 결합되어 구동모터(320)의 가동자의 직진 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 구동모터(320)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 구동모터(320)의 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(340)의 직진성을 안내하는 안내용 지지부재(351) 및 탄성용 지지부재(352)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 밀폐케이스(310)에는 압축행정시 실린더부(400)의 압축공간(미부호)에서 압축된 작동가스의 일부를 피스톤(340)의 중간부위로 압력강하시키면서 바이패스시켜 피스톤(340)의 상,하부간 압력차를 완화시키기 위한 배압유로(410)가 형성되고, 상기 배압유로(410)의 출구측에 대응되는 피스톤(340)의 외주면 중앙에는 상기한 배압유로(410)를 통해 고압측에서 저압측으로 흘러나오는 작동가스를 가둬 중압부가 이루어지도록 하는 배압포켓(341)이 음각지게 형성된다.
상기 배압유로(410)는 그 단면적이 실린더부(400)의 압축공간 단면적에 비해 좁게 형성되는 것이 작동가스의 압력강하에 바람직하다.
또한, 상기 배압유로(410)의 출구측은 배압포켓(341)쪽으로 흘러나가는 작동가스가 피스톤(340)의 방사상 균일하게 새도록 다수개의 배기공(411)이 실린더부(400) 내주면의 동일 원주상에 균일하게 형성된다. 상기 배기공(411)의 위치는 피스톤(340)의 정지시 배압포켓(341)의 중심위치에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배압유로(410)의 입구측에는 배압포켓(341)에서의 압력이 실린더부(400)에서의 압축압력 보다 낮게 되도록 다공질부재(420)가 부가되어 장착될 수도 있다.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
도면중 미설명 부호인 210은 맥동관, 211 및 212는 온측부 및 냉측부, 220은 오리피스, 230은 저장용기, 240은 재생기, 250은 예냉기, 312는 중간프레임, 312a는 모터장착부, 312b는 지지부재 장착부, 313은 하부프레임, 313a는 지지부재 장착부, 321은 고정자, 321A 및 321B는 내측 및 외측 라미네이션, 321b는 권선코일, 322a는 영구자석, 323은 연결링, 360은 체결부재이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는 다음과 같이 동작된다.
즉, 상기 구동모터(320)에 전원이 인가되어 가동자(322)가 직진 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(322)에 결합된 구동축(330) 역시 직진 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(330)에 일체로 결합된 피스톤(340)이 실린더부(400) 내에서 직진 왕복운동을 하면서 작동가스를 맥동관으로 펌핑하게 된다.
여기서, 상기 구동축(330)의 하단부에 결합된 탄성용 지지부재(352)는 구동축(330)의 왕복운동을 받아 가동자(322)의 직진 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고, 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(340)의 공진운동을 유발시키는 반면, 상기 구동축(330)의 상단부에 결합된 안내용 지지부재(351)는 가동자(322)의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(340)이 실린더부(400)의 내주벽과 항상 일정한 공차를 두고 직선운동을 할 수 있도록 안내하게 된다.
이때, 상기 피스톤(340)이 상승하면서 압축행정을 실시하는 경우에는 피스톤(340) 상부의 압력이 피스톤(340) 하부의 압력에 비해 상대적으로 고압이 되어 압축되는작동가스의 일부가 실린더부(400)의 배압유로(410)쪽으로 흘러나가 배기공(411)을 통해 피스톤(340)의 배압포켓(341)에 충진되는데, 이 배압포켓(341)으로 흘러드는 작동가스는 배압유로(410)의 단면적이 실린더부(400)의 압축공간 단면적 보다 좁게 형성되어 작동가스의 압력강하가 발생되기도 하지만, 상기 배압유로(410)의 입구측에 다공질부재(420)가 장착되는 경우 그 다공질부재(420)를 통과하면서 압력이 피스톤(340)의 상하부간 압력의 중간정도로 강하된다.
이렇게, 상기 피스톤(340)의 중간위치에 중압부를 이루는 배압포켓(341)을 형성하여 압축행정시의 고압가스를 일부 중압부쪽으로 빼내 일종의 라비린스 실(Labyrinth Seal)을 형성하게 되면, 도 6에 도시된 그래프와 같이 고압부에서 저압부로 누설되는 작동가스가 배압포켓(341)에서 중압이 된 상태로 머무르게 되어, 작동가스의 누설을 감소시킬 수가 있게 된다.
즉, 고압부(PH)에서 중압부(PM) 사이의 압력차, 그리고 그 중압부(PM)에서 저압부(PO) 사이의 압력차가 고압부(PH)에서 저압부(PO)사이의 압력차보다 작기 때문에 고압부(PH)에서 중압부(PM), 그리고 그 중압부(PM)에서 저압부(PO) 사이에서 누출되는 작동가스의 양이 고압부(PH)에서 저압부(PO) 사이에서 누출되는 작동가스의 양보다 더 적게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조는, 피스톤의 압축행정시 압축된 작동가스의 일부가 실린더부와 피스톤 사이로압력강하되면서 바이패스되도록 상기한 실린더부의 압축공간 보다 단면적이 좁은 배압유로가 실린더부의 압축공간과 피스톤의 외주면 사이에 연통 형성되고, 상기 배압유로의 출구단에 대응되는 피스톤의 외주면에는 그 배압유로를 통해 압력강하되어 유도되는 중압의 작동가스가 채워지도록 일정체적을 갖는 배압포켓이 음각지게 형성되어 이루어짐으로써, 상기 피스톤의 압축행정시 고압부인 실린더부의 압축공간과 저압부인 배압포켓 사이의 압력차가 줄어들어 압력차에 의해 상기한 압축공간에서 실린더부와 피스톤 사이로 누설되는 작동가스를 억제하여 작동가스의 부족에 따른 냉동효율의 저하를 방지할 수 있다.

Claims (2)

  1. 맥동관으로 대표되는 냉동부와 연통되는 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 실린더부에 미소틈새를 두고 삽입됨과 아울러 상기 밀폐케이스에 장착되는 직선형 구동모터의 가동자 및 복수개의 탄성용 및 안내용 지지부재에 결합되어 실린더부 내에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 냉동부로 펌핑하는 피스톤을 포함한 무윤활 맥동관 냉동기에 있어서 ;
    상기 피스톤의 압축행정시 압축된 작동가스의 일부가 실린더부와 피스톤 사이로 압력강하되면서 바이패스되도록 상기한 실린더부의 압축공간 보다 단면적이 좁은 배압유로가 실린더부의 압축공간과 피스톤의 외주면 사이에 연통 형성되고, 상기 배압유로의 출구단에 대응되는 피스톤의 외주면에는 그 배압유로를 통해 압력강하되어 유도되는 중압의 작동가스가 채워지도록 일정체적을 갖는 배압포켓이 음각지게 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배압유로에는 배압포켓에서의 압력이 실린더부의 압축압력보다 낮게 되도록 다공질부재가 부가되어 장착되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 가스누설 저감구조.
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