KR100310819B1 - 역브레이튼사이클을이용한극저온냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형부피내에서 외부로부터의 전원공급에 의해 극저온을 형성하는 냉각기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 그 일측단에 전력이 인입되는 전력도입부가 설치되고, 그 내부에 전력도입부를 통하여 인입된 전력에 의하여 구동되는 원심압축기, 소형 냉각팬이 각각 설치되는 제 1 장치와; 고압과 저압의 가스가 열교환을 이루는 대향류열교환기와, 저온을 형성하는 팽창기가 각각 그 내부에 설치되는 제 2 장치와; 상기 원심압축기와 대향류 열교환기 사이에서 압축기를 구동하는 모터에 대한 전력을 제어하는 제 3 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기가 제공된다.

Description

역브레이튼 사이클을 이용한 극저온 냉각기

본 발명은 극저온 냉각장치에 관한 것이며, 특히, 역브레이튼 사이클을 이용하여 소형 부피내에서 의부로부터의 전원공급에 의하여 극저온을 형성하는 냉각기에 관한 것이다.

액체 질소 온도 정도(약 77K)의 냉각 효과를 유발하는 초소형 극저온 냉각기의 경우는 현재 주로 적외선 센서를 냉각하는데 사용되고 있으며 앞으로는 CMOS, GaAs, HEMT 등의 반도체 소자, 고온 초전도체를 사용하는 SQUID, RF 필터등으로 확대될 것이다.

예를 들자면 CMOS 논리 회로의 경우 80 K의 온도에서 작동될 때 그 연산 속도가 상온의 경우보다 2 ∼ 3 정도 빠르고, GaAs 소자로 이루어진 연산회로는 77 K에서 10 GHz의 작동률을 보인다. 상기한 바와 같이 극저온에서 작동되는 전자회로들은 반도체 소자 자체의 연산속도뿐만이 아니라, 그 밖에도 열적 잡음의 감소, 통신회로에서의 용량 증가, 감지 소자의 민감성 및 엉역 확대등의 부가적인 특성을 또한 이점으로 하고 있다.

한편, 상기한 극저온 냉동기 분야에서 중요한 기술 개발 내용은 극저온 냉각기의 소형화, 편리성, 가격, 내구성 등이다. 특히 상기한 전자소자 및 초전도소자를 냉각하는 경우에는 초소형 극저온 냉각기가 유리하므로, 기존의 냉각기를 어떻게 이 분야에 적용하는 것이 가능한 지가 가장 큰 문제이었다.

종래기술에 따른 초소형 극저온 냉각기로는 약 300 기압의 고압을 생성하는 압축기를 이용한 J-T(Joule - Thompson) 냉각기 혹은 선형 압축기를 이용하는 스터링(Stirling) 극저온 냉각기가 대부분이었다.

J-T 냉각기는 열교환부와 팽창부만을 초소형화시켜 단지 J-T 팽창(단열 팽창)시키는 냉각기인데, 약 300 기압의 압축가스를 필요로 하므로 압축기가 매우 커서 냉각부와 분리 설치하여야 하고 효율이 매우 낮다는 커다란 문제점을 안고 있었다.

한편 선형 압축기를 이용하는 초소형 스터링 극저온 냉각기의 경우는 잘 알려져 있다시피, 두 개의 정온과정과 두 개의 정적과정으로 구성되어 있는 스터링사이클을 역으로 동작시킨 냉각기로서 압축기, 팽창기 및 재생기 모두가 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술에 의하여 제작되고 있으며, 고주파의 맥동 흐름에 의존하여 작동한다.

이에 대한 상세한 설명은 미국 특허공보 5,457,956 "초소형 스터링 냉각기(Microminiature Stirling Cycle Cryocoolers And Engines)"를 보면 알 수 있다.

상기한 바와 같이 종래의 기술인 J-T 냉각기는 냉각부의 크기가 소형화될 수는 있었으나 냉각기를 구동하는 압축기가 항상 가장 큰 부피를 차지함에 따라 전체 냉각기의 크기가 커지고 사용이 불편한 문제점이 있으며, 초소형 스터링 사이클을 이용한 초소형 극저온 냉각기는 고주파의 맥동 흐름을 이용하므로 그 구조가 매우 복잡하고 유체 저항이 매우 큰 문게점이 있으며, 따라서 액체 질소 온도에서 사용이 가능한 고온 초전도체 응응 전자소자가 상용화되기 의하여는 보다 소형이고 편리한 극저온 냉각기의 대두가 필요하게 되었다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소형화된 부피 내에서 극저온을 형성하는 역 브레이튼 사이클을 이용한 초소형 극저온 냉각기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 역브레이튼 사이클을 이용한 극저온 냉각기를 나타내는 3차원 개요도이고,

도 1b는 도 1에 도시된 역브레이튼 사이클을 이용한 극저온 냉각기의 평면도이며,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 역브레이튼 사이클을 이용한 극저온 냉각기의 열역학 사이클을 나타낸 T-s 선도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 제 1 장치 102 : 전력 도입부

104 : 원심 압축기 106 : 소형 냉각팬

110 : 제 2 장치 112 : 전기 회로부

120: 제 3 장치 122 : 대향류 열교환기

124 : 진공 단열부 126 : 터보 팽창기

128 : 진공 단열용 보강체

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 그 일측단에 전력이 인입되는 전력도입부가 설치되고, 그 내부에 전력도입부를 통하여 인입된 전력에 의하여 구동되는 원심압축기, 소형 냉각팬이 각각 설치되는 제 1 장치와; 고압과 저압의 가스가 열교환을 이루는 대향류 열교환기와, 저온을 형성하는 팽창기가 각각 그 내부에 설치되는 제 2 장치와; 상기 원심압축기와 대향류 열교환기 사이에서 원심압축기를 구동하는 모터에 대한 전력을 제어하는 제 3 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 극저온 냉각기가 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 초소형 극저온 냉각기의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 초소형 극저온 냉각기는 3 개의 장치(100, 110, 120)로 구성되는 바, 제 1 장치(100)의 일측단에는 전력이 인입되는 전력도입부(102)가 설치되고, 내부에는 상기 전력도입부(102)를 통하여 인입된 전력에 의하여 구동되는 원심압축기(104), 소형 냉각팬(106)이 각각 설치된다.

상기 원심압축기(104)는 반지름 약 1 cm, 두께 약 5 mm로서, 고심도 이온 식각법(Deep Reactive Ion Etching)을 이용하여 제작되며, 작동유체인 질소가스가 압축되는 동안 바로 위에 위치한 소형 냉각팬(106)에 의하여 온도 상승이 최대한 억제된다. 상기 소형 냉각팬(106)은 초소형 축류팬으로서 원심압축기(104)와 같은 축에 설치되고 정전기형 마이크로모터가 약 100만 rpm의 회전속도를 가질 수 있도록 제작된다.

상기 제 3 장치 내부의 대향류 열교환기(122)는 마이크로 채널 형태로서 리소그라피(석판기술 : Lithography) 방법으로 제작이 되어 미로 형태를 가지면서 충분한 열교환 면적을 갖게된다.

또한, 상기 대향류 열교환기(122)와 터보 팽창기(126) 사이에는 외부로부터 극저온 냉각기로의 열전달을 최소화하기 위한 진공 단열부(124)가 설치되고, 상기 제 3 장치의 내부에는 기둥 형상을 갖는 진공 단열용 보강체(128)가 종방향으로 다수 설치된다.

한편, 상기 제 1 장치(100)와 제 3 장치(120)의 사이에는 상기 원심 압축기(104)와 대향류 열교환기(122) 사이에서 원심 압축기(104)를 구동하는 모터에 대한 전력 공급과 터보 팽창기(126)에서 재생된 전력을 제어하는 전기회로부가 그 내부에 설치된 제 2 장치가 제공된다.

상기 3개의 장치(100, 110, 120)는 그 일측 또는 양측면 둘레부가 용접등에 의하여 1 개의 구조물로 연결되었을 때, 그 전체 크기가 대략 2 cm ×10 cm ×1 cm의 소형 부피를 갖도록 하는 것이 바람직하며, 도면에는 직육면체 형상을 가지나 실린더처럼 둥근 형태의 단면 형상도 가능하다.

상기 원심 압축기(104)와 터보 팽창기(126)는 그 재질을 단결정 실리콘 또는 복합재료로 하여 단위 밀도당의 강도를 향상시키고, 고속 회전에서 가능한 가스 베어링 기술의 적용으로 마찰에 의한 손실을 줄이며, 단열 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

한편 본 실시예에서 구성된 역브레이튼 사이클을 이용한 초소형 극저온 냉각기는 전자소자용으로 사용되는 것으로서 그 크기를 매우 작게 하여야 하기 때문에 원심압축기, 팽창기, 대향류 열교환기는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술 및 LIGA(LIthography Galvanbformung Abfonnung) 기술로 제작하였다.

MEMS 기술 및 LIGA 기술에 의하여 제작되는 각 부품들의 제조공정 단계는 다음과 같다. 첫째, 냉매가 이동하는 공간을 설계하여 정교한 광학적인 건판을 뜬다. 둘째, 실리콘 또는 유리로 이루어진 재질을 부분적으로 식각하기 위하여 첫째 단계에서 준비된 건판을 이용하여 재질을 부분적으로 식각한다. 셋째, 부가적으로 필요한 구성요소를 별도로 제작하여 미세 조립 과정을 수행한다. 넷째, 냉매 및 진공 기밀을 위하여 장치에 덮개 구조를 씌우고 UV 접착제 또는 다른 EPOXY로 밀봉을 하여 완성한다.

본 실시예에서 설계한 기준 압력비는 약 10으로서 1 기압의 질소 가스를 마이크로 원심 압축기(104)에서 10 기압으로 압축하는 것인데,1 단계의 원심 압축으로 충분하지 않은 경우에는 2단 또는 3단까지의 다단 압축도 가능하도록 전체 냉각기의 두께가 크게(약 1cm) 설계되었으며, 한 압축단의 두께는 현 식각 기술을 고려할 때, 약 2 mm로 하였다.

또한, 본 실시예에 따르면 대향류 열교환기(122)와 고압 가스측과 저압 가스측의 두 채널을 나란히 형성시키면서 미로 형태로 구성되었는데, 서로의 열전달 면적이 충분히 확보되고 채널의 폭이 약 1 mm로서, 채널의 벅면 두께가 얇아도(약 0.1 mm 이하) 파열의 위험성이 없는 구조로 되어 있다.

아래에서는 본 실시예에 따른 전자소자용 극저온 냉각기를 이용하여 상온보다 훨씬 낮은 액체 질소 온도(77 K)에서 전자소자 멎 초전도 소자를 냉각, 작동시키는 작용에 대하여 설명하겠다.

도 1a 내지 도 1b에 도시된' 바와 같이, 전력 도입부(102)를 거쳐서 들어오는 전력은 먼저 원심 압축기(104)와 소형 냉각팬(106)을 구동시키고 대향류 열교환기(122) 공간에서 고압과 저압의 가스가 효과적인 열교환을 이루며, 터보 팽창기(126)에서 결국 저온을 형성하게 된다. 이 때 상온보다 낮은 온도 지역은 상기 진공 단열부(124)에 의하여 외부로부터 저온부로의 열전달이 최소화되고, 상기 기둥 형태를 갖는 진공 단열용 보강체(128)에 의하여 가스의 압력차에 의한 응력을 지탱하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역브레이튼 사이클을 이용한 극저온 냉각기의 열역학 사이클을 나타낸 T-s 선도로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상온 1 기압의 순수 질소 가스가 등온압축 과정을 거쳐 10 기압으로 압축되고(1 -＞ 2), 상기 대향류 열교환기(122)를 통하여 저압의 질소 가스에 의해 약 150K까지 냉각이 되며(2 -＞ 3), 단열팽창 과정(3 -＞ 4)에 의하여 저온을 형성한다.

이 때 전술한 (1 -＞ 2) 과징은 실제로 등온 과정이 되기에는 용이하지 않으며, 효과적인 냉각으로 인하여 가능한 최종 압축 과정에서의 가스 온도를 낮추도록 하여야 하고, 충분히 제거되지 못한 압축열은 그 다음 과정의 대향류 열교환 과정(2 -＞ 3)에서 처리되며, 저압 질소 가스의 가열 과정(4 -＞ 1)은 사실상 고압의 가스를 상기 대향류 열교환기(122)에서 냉각을 시키고 압축 과정으로 회귀하는 과정이다.

본 실시예에 따르면, 0.1g/s의 질소 가스가 작동 유체로 순환할 때, 80 K 영역에서 1 W 정도의 냉각 능력을 제공하도록 설계되어 있는데, 원심 압축된 질소 가스가 상기 대향류 열교환기(122)에서 냉각이 되어, 충분하게 차가와진 질소 가스가 상기 터보 팽창기(126)로 유입되면서 반경 방향의 날개를 회전시키며 엔탈피가 감소하게 된다.

이 때 터보 팽창기(126)에서 재생되는 일은 터보 팽창기(126)와 한축으로 연결된 정전기형 발전기에 의하여 흡수되어 팽창 과정을 끝낸 질소가스의 온도는 매우 낮아지게 된다.

상기 원심 압축기(104)를 구동하는 모터에 대한 전력 공급과 터보 팽창기(126)에서 재생된 전력의 제어는 상기 대향류 열교환기(122)와 원심 압축기(104)사이에 있는 전기 회로부(112)에서 담당하게 되며, 극저온 냉각기에서 문제시되는 외부로의 열손실을 최소화하기 위하여 냉각기의 가장 저온부인 터보 팽창기(126)는 가장 고온부인 원심 압축기(104)로부터 멀리 함으로써 전도에 의한 열전달을 억제하도록 되어 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 초기에 작동 유체가 점유하는 냉각기의 총 공간을 진공으로 만들고 순수 질소 가스를 충진하도록 되어 있으며, 이 때에 충진되는 질소 가스의 양은 사실상 냉각기가 정상상태에 도달하여 역 브레이튼 사이클을 형성하였을 때, 고압부와 저압부의 압력 상태를 결정하게 되므로 냉각기의 내부 용적과 제작 경험으로부터 그 충진량을 주의깊게 조절하여야 한다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 극저온을 생성시키는 저온 냉각기의 크기가 종래의 냉각기보다 훨씬 작아지고 그 구성이 간단함으로 인하여 전자소자 및 초전도소자용 극저온 냉각기에 적합하게 응용될 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 초소형 극저온 냉각기에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. 일측단에 전력이 인입되는 전력도입부가 설치되고, 그 내부에 상기 전력도입부를 릉하여 인입된 전력에 의하여 구동되는 압축기와 소형 냉각팬이 각각 설치되는 제 1 하우징; 고압과 저압의 가스가 열교환을 이루는 대향류 열교환기와, 저온을 형성하는 팽창기가 각각 그 내부에 설치되는 제 3 하우징; 및 상기 압축기와 대향류 열교환기 사이에서 압축기를 구동하는 모터에 대한 전력을 제어하는 제 2 하우징을 포함하며, 상기 압축기, 팽창기 및 대향류 열교환기는 MEMS 기술을 이용하여 냉매가 이동하는 공간을 설계하여 광학적인 건판을 제작한 후, 이를 식각하여 제작하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기는 다단 압축기인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 팽창기는 터보 팽창기인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 터보 팽창기에 의하여 발생한 일을 흡수하여 냉동기의 동력으로 사용하기 위한 전기를 발생시키는 정전기형 발전기를 설치한 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 대향류 열교환기와 상기 팽창기 사이에는 외부로부터 극저온 냉각기로 전달되는 열을 최소화하기 위한 진공 단열부가 설치된 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.