KR100310195B1

KR100310195B1 - 펄스튜브냉동기

Info

Publication number: KR100310195B1
Application number: KR1019940010867A
Authority: KR
Inventors: 츄샤오웨이
Original assignee: 아오키 히로시; 에어 워터 가부시키가이샤
Priority date: 1993-05-16
Filing date: 1994-05-16
Publication date: 2001-12-15
Also published as: HK1011721A1; US5481878A; JPH0749154A; EP0625683A1; DE69412171T2; CN1098192A; DE69412171D1; JP2553822B2; EP0625683B1; ES2119084T3

Abstract

본 발명은 펄스튜브냉동기에 관한 것으로써, 펄스튜브(7)의 열단에 고압가스저장부(12)와 저압가스저장부(13)를 접속 하는 동시에 상기 고,저압가스저장부와 펄스튜브의 사이에 밸브(10)(15)를 끼워 만들고, 오리피스를 이용하여 위상조정하는 것으로 한랭을 발생하는 타입의 펄스튜브냉동기에서는 오리피스를 가스가 통과할때에 불가역인 로스가 발생하여 효율이 나쁘지만 고압용, 저압용의 가스저장부와 개폐밸브로 구성되는 본 발명에서는 가스의 출입구에 있어서의 로스가 없고 펄스튜브 내에서의 가스의 팽창시에 모든 에너지의 변환이 실시되기때문에 이론효율이 100%가 되는 것을 특징으로 한다.

Description

펄스튜브 냉동기

제1도는 고,저압가스저장부를 구비한 본 발명의 한 실시예의 펄스 튜브 냉동기의 구체적인 구조를 도시한 종단면도,

제2도는 고,중,저압가스저장부를 구비한 본 발명의 다른 실시예의 펄스 튜브냉동기의 종단면도,

제3도는 제1도의 고,저압가스저장부냉동기의 작업과정중에 있어서의 펄스튜브내의 기체분포를 도시한 개략도,

제4도는 가스저장부대신에 가는 관을 사용한 또 다른 실시예의 구조도,

제5도는 회전식펄스튜브냉동기의 종단면도,

제6도는 제5도의 펄스튜브군의 A-A단면도,

제7도는 회전밸브코어 미끄럼운동 걸어맞춤면에 있어서, 개구를 도시한 개략도,

제8도는 회전가스저장부 미끄럼운동 걸어맞춤면에 있어서의 개구를 도시한 개략도,

제9도는 환상으로 밀접배열한 가는 펄스튜브의 단면을 도시한 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 고압급기밸브 2 : 저압배기밸브

7 : 펄스튜브 5,8 : 층류화부재

12 : 고압가스저장부 13 : 저압가스저장부

10,15 : 밸브

본 발명은 가스냉동기에 관한 것으로서, 특히 펄스튜브냉동기에 관한 것이다.

펄스튜브내에서 가스가 팽창하여 한랭을 발생시키기 위해서는, 진동하는 가스의 압력과 체적변화와의 사이에 적당한 시간적 어긋남(위상)을 발생시킬 필요가 있다. 이 때문에 종래의 오리피스(orifice)타입의 펄스튜브 냉동기는 주로 고압급기밸브, 저압배기밸브, 재생열교환기, 냉각기, 냉동열교환기와 층류화부재를 포함하고, 또 펄스튜브의 열단(Hot end)에 위상형성을 위한 오리피스를 설치하고, 또 가스저장부계통을 설치하고 있다. 또 오리피스의 조임작용에 의해 고압가스의 팽창 일은 열로서 외부로 흩어지고 그에따라 펄스튜브가 냉동효과를 발휘한다. 이때, 만약 펄스튜브의 열단에 이 종류의 불가역 로스가 존재하지않는 경우, 펄스 튜브는 한랭을 발생하지 않는다. 그러나 펄스튜브냉동기에 있어서, 단위질량기체의 총 냉동발생량은 매우 낮고, 따라서 이론효율이 낮다. 그 원인은 고압급기 밸브가 열린때, 부등압가스의 급기프로세스가 있기 때문이다. 이것은 일종의 불가역프로세스이다. 또 저압배기밸브가 열린때, 부등압 배기프로세스가 있다. 이것도 불가역 프로세스이다. 따라서 필연적으로 매우 큰 불가역로스를 조성한다. 상기 2개의 프로세스에 의해 오리피스 펄스튜브 냉동기의 이론한랭발생효율은 매우 낮은 것이 된다.

즉, 오리피스를 이용하여 위상형성함에 따라 한랭을 발생하는 타입의 펄스 튜브냉동기에서는, 오리피스를 가스가 통과하는 때에 불가역적인 로스가 발생하여 효율이 나쁘다. 그러나, 이상적인 사이클의 경우 이론한랭 발생효율은 100%에 달한다. 펄스튜브를 작은 한랭발생량으로 사용하는 경우, 상기의 결점은 특별히 문제는 되지않지만,큰 한랭발생량을 요구하는 경우, 그 결점은 현저히 나타난다.

본 발명은 종래의 펄스튜브한랭기의 고,저압 급,배기시에 발생하는 불가역 로스를 제거하고 등압팽창의 실현에 의해 최대의 온도저하와 단위한랭발생량을 얻음에 의해 펄스튜브냉동기의 이론한랭발생효율의 향상을 꾀할수 있는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 펄스튜브냉동기는 펄스튜브(7), 층류화부재(5)(8), 고압급기밸브(1)와 저압배기밸브(2)를 구비한 펄스튜브냉동기에 있어서,상기 펄스튜브(7)의 열단에 고압가스저장부(12)와 저압가스저장부(13)를 접속하고,또 상기 고,저압가스저장부와 펄스튜브의 사이에 밸브(10)(15)를 개재 장착시키는 구성을 취한다.

본 발명의 상기목적은 종래의 펄스튜브의 열단(고온측)에 하나의 고압 가스저장부와 하나의 저압가스저장부를 설치하는 동시에 고,저압가스 저장부와 펄스튜브사이에 밸브를 개재시킴으로써 달성된다.

또 본 발명에 따르면 펄스튜브의 압력이 높은 때, 고 저압가스저장부의 사이에 다시 몇개인가의 압력부동의 중압가스저장부를 아울러 설치하고, 중압가스저장부와 펄스튜브의 열단사이에 밸브를 설치하는 구성을 취한다.

다음에 실시예에 대해서 설명한다.

[실시예 1]

제1도에 있어서,펄스튜브(7)의 냉단(저온측ㆍ 가스의 입구측)(71)에 덮개체(4), 층류화부재(5)가 설치되어있다. 고압급기밸브(1)와 저압배기 밸브(2)는 각각 고압가스원(도시하지 않음)과 연통하는 급기관(21)과, 저압가스원(도시하지 않음)과 연통하는 배기관(22)을 통하여, 총관(3)을 지나 상기 냉단(71)에 연통되어 있다.

급배기는 통상 회전밸브에 의해 전환되지만,작업과정의 설명의 편의상, 급 배기관의 밸브(1)(2)를 분리식으로 하여 표시했다. 밸브튜브(7)의 열단(고온 측)(72)에 덮개체(9)와 층류화부재(8)가 설치되어 있다. 상기 열단에는 고압가스 저장부(버퍼탱크)(12)와 저압가스저장부(버퍼탱크)(13)가 각각 관(11)(14)을 통하고, 총관을 지나 연통되어있다. 상기 고압가스저장부(12)와 펄스튜브 열단간의 연접관(11)에 고압가스저장부 밸브(10)가 설치되어 있고, 저압가스저장부(13)과 펄스튜브 열단간의 연접관(14)에 저압가스저장부 밸브(15)가 설치되어 있다. 여기에서 고,저압가스저장부밸브(10)(15)는 분리식이지만, 하나의 회전밸브로 치환해도 좋다. 도면중의 고,저압가스저장부의 압력과 고,저압가스원의 압력은 기본적으로 동일하다.

또 고,저압가스저장부(12)(13)를 구비한 상기 펄스튜브냉동기의 작업과정(process)은 아래와 같다.

① 급,배기밸브(1)(2)를 닫고, 또 저압가스저장부밸브(15)도 닫는다. 이 때 펄스튜브(7)내에는 저압가스원과 동일압력으로 되어 있다. 다음에 고압가스저장부밸브(10)를 열면, 고압기체가 고압가스저장부(12)에서 펄스 튜브(7)의 열단(72)으로 유입되기 때문에, 펄스튜브(7)내의 기체압력은 고압가스저장부의 압력가까이까지 상승한다. 이 펄스튜브의 상태를 제3도-①에 도시한다. 도면에 있어서, Ⅳ는 고압가스저장부에서 도입된 고압가스이고, Ⅱ,Ⅲ은 저압에서 고압으로 된 튜브(7)내의 가스이다. Ph는 펄스튜브내의 고압력을 나타낸다.

② 밸브(10)를 연 상태에서 급기밸브(1)만을 연다(그외의 밸브는 원래대로). 그러면 고압가스가 급기밸브(1)에서 펄스튜브(7)의 냉단으로 유입된다. 고압가스원의 압력이 고압가스저장부의 압력보다 높기때문에 상기 과정①에서 상기 펄스튜브(7)의 냉단에 유입된 고압가스저장부의 가스(Ⅳ)(제3도-①참조)는 즉시 고압가스저장부(12)내에 복귀된다. 이 과정은 기본적으로는 등압급기과정이고, 그 기체분포는 제3도-②에 표시된다. 제3도-②에 있어서, Ⅰ는 고압가스원에서 펄스튜브(7)내로 도입된 고압가스를 나타낸다.

③ 고압가스저장부밸브(10)와 급기밸브(1)를 닫는다(배기밸브(2)는 닫힌 채), 이어서 저압가스저장부밸브(15)를 연다. 그러면 펄스튜브(7) 열단의 가스 (Ⅲ)(제3-②참조)가 저압가스저장부(13)에 유입되기(복귀되기) 때문에 펄스튜브(7)내의 압력이 저압가스저장부(13)의 압력까지 저하한다. 즉, 상기 과정②에 있어서 펄스튜브(7)의 냉단으로 들어간 고압가스(Ⅰ)는 가스(Ⅱ)와 동시에 저압가스 저장부(13)의 압력까지 팽창하고, 온도 강하하여 펄스튜브(7)의 냉단측(71)을 냉각한다. 이 과정의 기체분포는 제3도-③에 나타내어진다. PL은 펄스튜브내의 저압력을 나타낸다.

④ 저압배기밸브(2)를 열면(그외의 밸브는 원래대로), 상기 과정③에 있어서, 펄스튜브내에서 팽창한 가스(Ⅰ)가 배기밸브(2)를 통해서 저압 가스원으로 배출되고(제3도-④참조),저압가스저장부(13)의 저압가스가 펄스튜브(7)에 유입된다.

제3도에 도시한바와같이 펄스튜브(7)내의 기체는 고압가스원기체블럭(Ⅰ)과, 펄스튜브(7) 내에 있어서 가스피스톤으로서 작용하는 기체블럭(Ⅱ)과, 저압가스저장부 급기기체블럭(Ⅲ)과, 고압가스 저장부급기기체블럭(Ⅳ)으로 분할된다. 이들은 좌에서 우로 차례로 배열되고, 작업과정에 의해 펄스튜브(7)에서 유출되거나 또는 펄스튜브(7)에 유입된다. 작업 과정에 있어서, 초기의 상태는 제3도에 도시된다. 펄스튜브(7)내에 기체 블록(Ⅱ),(Ⅲ)이 있다. 과정①후, 기체블럭(Ⅳ)은 펄스튜브(7)로 유입하고, 그 관내의 압력이 Ph로 상승한다. 과정②후, 고압가스원에서 유입한 기체 블럭 I은 기체블럭(Ⅳ)을 펄스튜브(7) 밖으로 밀어낸다. 그 때 펄스튜브 (7)내의 압력은 원래대로 Ph이다. 과정③에 있어서, 저압가스저장부급기 기체블럭(Ⅲ)은 저압 가스저장부로 되돌아 흐르고, 펄스튜브(7)내의 압력이 PL로 된다. 과정④에 있어서, 고압가스원급기 기체블럭(Ⅰ)은 펄스튜브(7)밖으로 밀어내어진다. 이것으로 1사이클의 작업이 종료된다.

이렇게 1사이클이 종료되고, 이어서 새롭게 상기 과정①이 시작된다. 이와같이 순환하여 작동하기 때문에 고압가스는 부단히 팽창하여 저압이 된다. 기체의 펄스튜브(7)내에 있어서의 열전도, 혼합과 유동에 따른 로스를 고려하지 않은 경우, 고압가스저장부(12)내의 압력은 고압력가스원의 급기압력과, 또 저압 가스저장부(13)내의 압력은 저압가스원의 압력과 각각 같다. 상기 펄스튜브(7)의 급,배기의 전과정은 등(等)엔트로피 효율이다. 냉동기체(고압가스)의 팽창 일(expansion work)은 불가역의 가스저장부의 펄스튜브(7)로의 배기와 펄스튜브의 가스저장부으로의 배기에 의해 열로 변환되어, 대기중에 방출된다. 즉 상기와 같이 1사이클이 종료하면 결국 가스(Ⅰ)이 고압가스원에서 들어가 펄스튜브(7)내에서 단열팽창하여 한랭을 발생한 후, 저압가스원으로 배출되게 된다. 가스(Ⅱ)는 항상 펄스튜브(7)내에서 가스피스톤의 역할을 하고, Ⅲ,Ⅳ는 각각 각 가스저장부(버퍼탱크)(12)(13)에서 출입하고 있을 뿐이다.

이와같이 가스의 출입은 모두 가역적으로 로스없이 행해진 상태에서, 가스(Ⅰ)의 팽창이 행해진 것이 되기 때문에, 이 이론효율은 100%가 되는 것이다. 실제로는 밸브를 통과하는 가스의 밸브전후 압력차가 0이라는 것은 있을 수 없기 때문에, 엄밀히 100%는 되지 않지만, 오리피스형와 비교해서 원리적으로 로스가 없다.

또 제1도의 연통관(11)(14)과 그들에 부착된 밸브(10)(15)는 냉각기로서의 효과를 갖는다. 도면중의 고,저압가스저장부밸브(10)(15)는 분리식이지만, 1개의 2위치의 3방향밸브(Two position three-way valve)로 치환해도 좋다. 밸브의 타입으로서 전동밸브, 전자밸브, 기동밸브 또는 회전 밸브 등을 들 수 있다.

[실시예2]

펄스튜브의 급,배기압의 비가 지나치게 높으면 제3도의 과정①의 기체 블럭의 길이가 대폭 증대하는 동시에, 과정②의 고압가스블럭(Ⅰ)의 체적도 대폭 증대한다. 과정③의 뒤에 일부의 팽창후의 고압가스 블럭(Ⅰ)이 저압가스저장부로 유입된다. 그러나 저압가스저장부가 실온이기 때문에 작업(working process)은 예정된 효과를 얻을 수 없다. 그 때문에 1 또는 복수의 압력부동의 중압가스저장부를 설치하여 해결하지 않으면 안된다. 바꾸어 말하면 고,저압가스의 압력비를 크게 하면, 예를들면 고압의 가스탱크에서 저압의 펄스튜브내로 가스를 채워넣는 시간이 길어지게 되고 실제의 로스가 증가하게 된다. 그래서 제2도와 같이 중압 탱크(18)와 밸브(17)를 부가하여,1사이클의 고압,저압의 전환도중에 중압가스의 출입을 부가하면 각각 가스의 출입에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 이결과 가스피스톤이 이상적으로 움직이고 로스의 증가를 억제할 수 있다.

제2도는 고,중,저압가스저장부을 구비한 다른 실시예의 냉동기의 단면을 나타낸다. 즉 제1도의 고,저압가스저장부사이에 1개의 중압가스저장부(18)를 증설한 것으로, 이 가스저장부(18)의 압력은 고,저압가스저장부 사이의 압력으로 설정되어 있다. 상기 가스저장부(18)와 펄스튜브(7)사이에 접속관(17)과 밸브(16)가 설치되어 있다.

이하에 상기 중압가스저장부를 더 구비한 냉동기의 작업과정을 설명한다.

① 급기밸브(1), 배기밸브(2), 저압가스저장부밸브(15), 고압가스저장부밸브(10)를 닫고, 중압가스저장부밸브(16)만을 연다. 기체는 중압가스 저장부(18)에서 중압가스저장부밸브(16)를 지나 펄스튜브(7)의 열단에 유입된다. 그러면 펄스튜브내의 압력이 중압가스저장부의 압력까지 상승한다.

② 다음으로 중압가스저장부밸브(16)를 닫고 고압가스저장부밸브(10)를 연다(그 밖의 밸브는 원래대로). 그러면 고압가스저장부(12)내의 기체는 고압가스저장부밸브(10)를 거쳐서 펄스튜브의 열단에 유입되기 때문에 펄스튜브내의 압력이 고압가스저장부의 압력까지 상승한다.

③ 급기밸브(1)를 연다(그 밖의 밸브는 원래대로). 그러면 고압 가스원의 기체가 급기밸브(1)를 통하여 펄스튜브의 냉단(저온측)에 유입된다. 이때 과정②에 있어서 고압가스저장부에서 펄스튜브에 유입된 기체는 밸브(10)를 거쳐서 고압가스저장부로 되돌아 흘러간다.

④ 급기밸브(1)와 고압가스저장부밸브(10)를 닫고 중압가스저장부밸브(16)를 연다(그 밖의 밸브는 원래대로). 그러면 과정①에 있어서 중압 가스저장부에서 펄스튜브에 유입된 기체는 다시 밸브(16)를 거쳐서 중압 가스저장부(18)로 되돌아 흘러간다. 그 결과 펄스튜브내의 압력은 중압 가스저장부의 압력까지 하강하는 동시에 과정③에 있어서 고압가스원에서 펄스튜브의 냉단에 유입된 기체가 팽창하여 중압가스저장부의 압력에 이르고 온도가 저하한다.

⑤ 중압가스저장부밸브(16)를 닫고 저압가스저장부밸브(15)를 연다(그 밖의 밸브는 원래대로). 그러면 펄스튜브의 열단의 기체가 저압가스저장부(13)에 유입된다. 그 결과 펄스튜브(7)내의 압력이 저압가스저장부(13)의 압력까지 하강하고 과정⑤에 있어서 고압가스원에서 펄스튜브냉단에 유입된 기체가 더욱 팽창하여 저압가스저장부의 압력에 이르기 때문에 온도가 더욱 저하한다.

⑥ 배기밸브(2)를 연다(그 밖의 밸브는 원래대로). 그러면 기체가 저압가스저장부(13)에서 저압가스저장부밸브(15)를 거쳐서 펄스튜브의 열단에 유입된다. 그 결과 과정③에 있어서 고압가스원에서 펄스튜브의 냉단에 유입된 기체를 배기밸브(2)에서 배출하고 최초의 상태로 되돌아간다(즉 1사이클의 작업이 종료된다).

이와같이 펄스튜브냉동기가 주기적으로 순환작업하기 때문에 고압 가스원의 기체가 부단히 (단열)팽창하여 배기압력이 된다. 이때 유동 마찰, 열전도, 기체의 펄스튜브내에 있어서의 혼합로스를 고려하지 않는 경우 전체과정은 등(等)엔트로피 프로세스이다. 상기 과정의 기체 분포도는 상기 실시예1과 원리적으로 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

이상 고, 중, 저압가스저장부를 예로 멀티가스 저장부펄스튜브냉동기의 작업과정에 대하여 설명했다.

상기의 실시예2에 있어서, 압력이 또한 충분히 높은 경우, 필요하면 고,저압가스저장부의 사이에 압력부동의 가스저장부를 몇개인가 부가설치할 수 있다. 그 원리는 상기와 똑같기 때문에 본 발명의 범위에 속한다.

가스저장부밸브는 도면에 있어서 분리식밸브를 나타냈지만 다위치다패스(multi-position multi-pass) 전동회전밸브를 사용하면 하나의 밸브로써 다기관(多岐管)의 제어를 할 수 있기 때문에 작업이 간편해지고 구조도 간단해져서 보다 바람직하다.

[실시예3]

제4도에 나타내는 바와같이 가스저장부(12)(13)(18)와 연접관을 각각 길고 가는 관(40)(41)(42)으로 치환하고 단방향밸브(46)(47)를 통하여 각각의 가는 관의 양단을 펄스튜브의 열단에 접속하는 구성을 취할 수도 있다. 이 경우 각각의 가는 관은 가스저장부의 작용을 하고 냉각효과를 발휘한다.

[실시예4]

제5도는 펄스튜브를 원통상으로 복수 나열하고 개폐밸브를 회전밸브로 구성한 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 열단과 냉단의 밸브는 하나의 모터의 회전으로 개폐된다. 즉 이 실시예는 펄스튜브를 복수로 하는 것으로 장치를 콤팩트로 한 채로 대유량(대용량)화를 꾀한 것이다. 보다 상세하게 설명하면 도시한 바와같이 원통상펄스 튜브프레임(8')의 주위에 일군(복수)의 펄스튜브(2')를 설치한다. 각 펄스튜브(2')는 중심축(18')을 중심으로 하여 동일원주상에 위치하고 있다. 각 펄스튜브군의 단면은 제8도에 나타내는 대로이다. 펄스튜브 프레임(8')의 상단면과 회전가스저장부(5')의 하단면은 기밀하게 미끄럼 접합하고 있다. 상기 회전가스저장부(5')의 내부는 원주를 따라서 각각 2개의 고압가스저장부, 2개의 중압가스저장부, 2개의 저압가스 저장부로 6분할되고 각 압력의 가스저장부는 각각 같은 압력의 것마다 대략 축대칭으로 위치결정되고 파이프로 연통해 있다. 상기 회전가스저장부(5')의 미끄럼접합면(미끄럼운동걸어맞춤면)에는 제7도에 나타내는 바와같이 각 가스저장부의 개구부(101')(102')(103')…(294')가 설치되어 있다. 보다 상세하게 서술하면 고,중,저압가스저장부 개구는 차례로 중압가스저장부 출구(281'), 고압가스저장부 출구(102'), 고압가스저장부 입구(101'), 중압가스저장부 입구(284'), 저압가스저장부 입구(294'), 저압가스저장부 출구(293'), 중압가스저장부 출구(283'), 고압가스저장부 출구(104'), 고압가스저장부입구(103'), 중압가스저장부 입구(282'), 저압가스저장부 입구(292'), 저압가스저장부 출구(291')라는 배열을 취한다. 이들의 개구부와 펄스튜브군의 열단은 동일 원주상에 위치하고 있다. 조업시 각 가스저장부의 개구부는 각 펄스튜브(2')의 열단입구에 대하여 제7도의 화살표시방향으로 회전하고 차례로 연통한다. 개구부가 소정의 펄스튜브(2')와 대향했을때 밸브가 열린 것에 상당하고 떨어졌을때 밸브가 닫힌 것에 상당한다. 펄스튜브프레임(8')은 고정 부동이다. 회전가스저장부(5')와 펄스튜브프레임(8')의 축(18')은 키(6)를 통하여 일체로 연결되어 있다. 펄스튜브프레임(8')의 하단면과 흡,배기회전밸브코어(16')의 상단면은 미끄럼접합하고 있다. 상기 회전 밸브코어(16')도 키(17')를 통하여 전동기(26')로 구동되는 회전축(18')과 일체적으로 연결되어 있다. 따라서 회전가스저장부(5')와 회전밸브코어(16')는 회전축(18')의 회전에 동반하여 회전한다. 상기 밸브코어 (16')의 상단면에는 제6도에 나타내는 바와같이 고압흡기구멍(32')(33')과 저압배기구멍(47')(48')이 축대칭으로 설치되어 있다. 이들의 고압흡기 구멍(32')(33')과 저압배기구멍(47')(48')은 펄스튜브 군의 냉단입구에 대하여 회전하여 차례로 연통한다. 즉 고압흡기구멍(32')(33')은 제5도에 나타내는 고압가스통로(12')에 연통하고 저압배기구멍(47')(48')은 상기 밸브 코어(16')내에 설치되고 제6도에 점선으로 나타내어지는 저압배기로에 연통한다. 이 저압배기로는 제5도에 나타내는 저압저온실(22')에 연통한다. 보다 상세하게 서술하면 회전밸브코어(16') 내부의 고압 가스통로(12')는 회전축심구멍(19')에서 두곳으로 분기하여 소정의 펄스튜브(2')의 냉단에 연통한다. 상기 두곳의 고압가스통로(12')의 형상, 단면은 동일하다. 회전밸브코어(16')와 냉단의 벽(14')과의 사이에 저온저압실(22')이 형성되어 있다. 회전밸브코어(16')의 단면의 고압흡기구멍(32')(33')과 저압배기구멍(47')(48')의 위치는 제6도에 나타내는 대로이다. 그들은 동일원주상에 있으며 90도 간격으로 설치되어 있다. 상기 고압흡기구멍(32')(33')과 저압흡기구멍(47') (48')은 각각 1개씩 설치되고 서로 180도 간격으로, 즉 대향위치에 위치 결정되어도 좋다. 제6도에 있어서 저압배기로는 점선으로 나타내어지고 양측벽을 관통하여 저압저온실(22')과 연통한 후 또한 저압저온실(22')의 벽구멍(15')을 거쳐서 저압가스원(도시하지않음)에 연통한다. 회전밸브코어(16')의 중공회전축(45')과 냉단의 벽(14')과의 사이에 밀봉시일(20')이 설치되어 고압가스가 저압저온실(22')로 새지 않도록 하고 있다. 또 회전축(18')과 펄스튜브프레임(8')의 사이에 밀봉 시일(23')이 설치되고 이에 따라서 저온측과 고온측의 기체의 연락을 차단한다. 회전가스저장부(5')의 외부둘레에는 고온측의 기체를 밀봉하는 커버(4')가 펄스튜브프레임(8')상에 부착되어 있다.

회전가스저장부(5)에 설치된 각 가스저장부 입구, 출구(101')(102')(103')…(294')와 회전밸브코어(16')에 설치된 각 공기구멍(32')(33')(47')(48')과의 상호의 위치관계는 제6, 제7도에 나타내는 위치관계로 설정된다.

그리고 회전축(18')을 회전시키고 그에 따라서 회전가스저장부(5')및 회전밸브코어(16')를 고정상태의 펄스튜브(2')군에 대하여 회전시키고 가스저장부(5')의 입구, 출구(101')(102')(103')…(294')와 회전밸브 코어(16')의 공기구멍(32')(33')(47')(48')을 차례로 연통하게 함에 따라 고압가스를 차례로 펄스튜브(2') 내에서 단열팽창시키고, 한랭을 발생시킨다. 이 과정을 각각 1개의 펄스튜브(2')에 대하여 보면 실시예2의 과정 ①~ ⑥과같이 된다. 이 실시예에서는 복수의 펄스튜브(2')에 대하여 회전 가스저장부(5') 및 회전밸브코어(16')의 회전에 의해 연속적으로 차례로 상기 과정①~⑥이 발생하기 때문에 콤펙트한 장치로 대량의 한랭을 발생시킬 수 있다.

상기의 회전가스저장부(5')와 회전밸브코어(16')의 가스구멍의 위치는 펄스튜브의 작업(워크)공정에 의하여 설정되고 서로 일정한 배치관계가 있다. 이것은 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 것이다. 조립시 도면 중의 구멍(32')과 구멍(101')은 동일위상에 배치된다. 제6도, 제7도에 나타내어진 개구는 1주 회전할 때마다 2사이클 완료된다.

[실시예5]

가는 펄스튜브는 효율이 비교적 높기 때문에 제8도에 나타내는 펄스튜브(2')에 대신하여 제9도에 나타내는 바와같은 펄스튜브(51')를 이용해도 좋다. 즉 제9도의 것은 관직경이 매우 작은 펄스튜브(51')를 원환상으로 밀접하게 배열시킨 구성으로 하는 동시에 원환의 폭과 상기의 고,저압흡 배기구멍의 구멍직경에 상당하게 하고 있다. 즉 본래, 굵은 펄스튜브에 의하여 차지되어 있는 환상공간에 상기 제9도의 것을 끼운다. 이 가는 관은 직경1~4mm와같이 가는 것을 채용할 수 있다. "52'"는 환상공간에 있어서의 연접리브를 나타낸다.

또한 상기 실시예4의 회전식펄스튜브냉동기는 가스저장부와 밸브코어가 상대적으로 고정된 회전식펄스튜브쌍이건, 또는 펄스튜브쌍이 고정되고 가스저장부와 밸브코어가 회전하는 것이건, 요는 상대적운동을 하는 것이면 어느쪽이나 똑같은 목적을 달성할 수 있다. 후자의 원리와 구조는 유사하기 때문에 상세한 설명을 생략한다. 또 상기 실시예4의 축지지부(24')(25')는 전자축지지부를 사용할 수 있다. 이 경우 기름에 의한 오염문제를 회피할 수 있다. 또 고압가스흡기구, 저압가스배기 구멍 및 각 가스저장부개구의 위치를 개변하면 또한 G-M사이클의 실현이 가능하게 된다.

상기 실시예4의 회전식펄스튜브냉동기의 각 펄스튜브는 교체적으로 흡기하기 때문에 전체적으로 말하면 가스는 중단하는 일없이 흡기하고 연속적으로 팽창하여 한랭을 발생하는 상태에 있다. 흡기가 연속이기 때문에 단일 펄스 튜브에 비해 한랭 발생량이 대폭 향상된다. 상기 기재의 고압가스흡기구, 저압가스배기구, 각 가스저장부개구부와 펄스튜브구의 미끄럼운동개폐방식에 따르면 사(死)용적을 대폭 감소할 수 있기 때문에 펄스튜브의 효율이 향상한다. 나아가서는 복수의 펄스튜브가 가스 저장부와 회전밸브코어를 공용하기 때문에 장치의 체적의 증가가 적은 동시에 펄스튜브의 길이가 열분리기의 길이에 비하여 극단적으로 짧기 때문에, 체적이 작고 콤펙트하게 된다. 또 펄스튜브의 흡기속도는 열분리기에 비하여 낮다. 이것은 확실히 한랭발생량을 필요로 하는 많은 경우에 적합하고 한랭발생량의 선택범위를 확대할 수 있다. 나아가서는 상기 실시예4의 펄스튜브냉동기(한랭발생기)는 소음발생량이 작으며, 한편 이론효율이 100%에 이르기때문에 종래의 펄스튜브냉동기와 열분리기의 우수한 점을 겸비하고 양자의 결점이 없는 것이다.

이상과같이 본 발명은 펄스튜브의 열단에 고압용, 저압용 각각의 가스 저장부(버퍼탱크)와 개폐밸브를 설치하고 그 개폐타이밍을 냉단(가스의 입구측)의 고압, 저압용개폐밸브와 적당한 위상으로 연동시킴으로써 가스의 단열팽창에 의한 한랭의 발생을 효율 좋게 실시할 수 있다. 즉 오리피스를 이용하여 위상조정하는 것으로 한랭을 발생하는 타입의 펄스튜브냉동기에서는 오리피스를 가스가 통과할 때에 불가피한 로스가 발생하여 효율이 나쁘다. 그러나 고압용, 저압용의 가스 저장부와 개폐밸브로 구성되는 본 발명에서는 가스의 출입구에 있어서의 로스가 없고 펄스튜브내에서의 가스의 팽창시에 전부 에너지의 변환이 실시되기 때문에 이론효율이 100%이다. 또 고압용, 저압용 이외에 중압용의 가스저장부(버퍼탱크)를 이용한 것은 고저압가스의 압력비를 크게 해도 중압탱크의 작용에 의해 로스를 방지할 수 있다. 또 복수의 펄스튜브를 원주상으로 나열하는 동시에 개폐밸브를 회전밸브로 구성한 회전식의 펄스튜브냉동기는 콤팩트하고 또한 대량의 한랭을 연속적으로 제조할 수 있는 이점이 있다. 또한 본 발명과 열분리기는 어떤 점에 있어서는 유사한데 제냉원리와 구조에 있어서는 큰 차이가 있다. 구체적으로는 열분리기의 고압가스흡기구는 노즐을 사용하여 관내에 분사하는 기류의 속도는 음속이고 충격파와 팽창파를 이용하여 제냉한다. 이에 대하여 본 발명은 용적팽창원리를 이용하여 제냉한다. 이것은 피스톤팽창원리와 똑같다. 고압가스흡기구는 기류통로이다. 펄스 튜브에 유입하는 고압가스의 속도는 매우 낮고 기본적으로는 관로유속이며 약10~50m/초 정도이다. 열분리기의 관길이는 약1~2m인데 본 발명의 펄스튜브의 길이는 약10~20cm도에 지나지 않는다. 본 발명의 이론효율은 100%이고 이것은 열분리기가 도저히 이룰 수 없는 것이다.

Claims

펄스튜브(7), 층류화부재(5)(8), 고압급기밸브(1)와 저압배기밸브(2)를 구비한 펄스튜브냉동기에 있어서, 상기 펄스튜브(7)의 열단에 고압가스저장부(12)와 저압가스저장부(13)를 접속하는 동시에 상기 고,저압가스저장부와 펄스튜브의 사이에 밸브(10)(15)를 개재시켜 장착한 것을 특징으로 하는 펄스튜브냉동기.
제1항에 있어서, 상기 고,저압가스저장부(12)(13)의 사이에 압력부동의 중압가스 저장부(18)를 추가설치하는 동시에 해당 중압가스저장부와 펄스튜브의 열단과의 사이에 밸브(16)를 개재시켜 장착한 것을 특징으로 하는 펄스튜브냉동기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고,중,저압가스저장부(12)(13)(18)가 가는 관(40)(41)(42)으로 치환되는 동시에 단방향밸브(46)(47)를 통하여 각 가는 관의 양단을 각각 펄스튜브의 열단에 접속한 것을 특징으로 하는 펄스튜브냉동기.
펄스튜브프레임(8')의 원주를 따라서 설치된 펄스튜브군(2')과, 상기 펄스튜브군의 냉단측에 설치된 상대회전 가능한 밸브코어(16')와, 상기 밸브코어(16')상의 고압급기구(32')와 저압배기구(47')는 상기 펄스튜브군과 동일원주상에 있으며 차례로 각 펄스튜브의 냉단을 연통하고, 상기 펄스튜브프레임의 단부면과 밸브코어의 걸어맞춤면은 동(動)밀봉상태로 유지되는 동시에 상기 펄스튜브군(2')의 열단측에 가스저장부(5')가 상대회전 가능하게 배치되며. 상기 펄스튜브프레임의 단부면과 가스저장부(5')의 걸어맞춤면은 동밀봉상태로 유지되고, 상기 가스저장부(5')가 고압가스저장부와 저압가스저장부를 구비하고, 상기 고,저압가스저장부의 걸어맞춤면에 설치되는 개구는 상기 펄스튜브군과 동일 원주상에 있고, 차례로 펄스튜브군과 연통하는 것을 특징으로 하는 회전식펄스튜브 냉동기.
제4항에 있어서, 상기 가스저장부(5')가 고,중,저압멀티 회전식 가스저장부이며 각 가스저장부에 상기 펄스튜브군의 열단과 연통하는 개구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식펄스튜브냉동기.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 회전식밸브코어(16')의 걸어맞춤면에 설치된 고압급기구(32')와 저압배기구(47')가 각각 1개인 동시에 180도(대향위치)로 설치, 또는 각각 2개로 90도 간격으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식펄스튜브냉동기.
제6항에 있어서, 상기 고,중,저압가스저장부의 개구는, 중압가스저장부출구(281'), 고압가스저장부출구(102'), 고압가스저장부입구(101'), 중압가스저장부입구(284'), 저압가스저장부입구(294'), 저압가스저장부출구(293'), 중압가스저장부출구(283'), 고압가스저장부출구(104'), 고압가스저장부입구(101'), 중압가스저장부입구(282'), 저압가스저장부입구(292'), 저압가스저장부출구(291')의 순서로 가스저장부걸어맞춤면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전식펄스튜브냉동기.
제5항에 있어서, 상기 펄스튜브군(2')이 매우 가는 펄스튜브(51')를 밀접원환상으로 배열하여 이루어지는 것이며 해당 원환의 폭은 종래의 고,저압 급,배기구멍의 직경에 상당하는 것인 것을 특징으로 하는 회전식펄스튜브냉동기.