KR100314021B1 - 무윤활 맥동관 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 재생기 및 맥동관이 냉측열교환기의 내부에서 서로 연통되도록 하여 그 냉측열교환기의 일측면에 함께 설치하고, 상기 맥동관의 온측열교환기는 예냉기에 재생기와 함께 장착되며, 상기 온측열교환기에 연결되는 오리피스는 예냉기를 관통하여 설치되고, 상기 재생기 및 냉측열교환기 그리고 맥동관이 진공단열되도록 예냉기의 일측면에 밀봉셸을 긴밀하게 장착되도록 구성함으로써, 상기 냉측열교환기의 가용표면의 넓이가 확대되고, 냉동유니트의 길이가 짧아져 설치공간에 대한 제약이 감소함과 아울러 상기 밀봉셸의 긴밀성을 유지시키는 실링부재의 개수가 줄어 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

무윤활 맥동관 냉동기{LUBRICATIONLESS PULSE TUBE REFRIGERATOR}

본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 리니어 모터를 이용한 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품이나 초전도체 등의 냉각을 위하여 사용되는 저진동 고신뢰성의 냉동기로서, 주로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator)나 지엠 냉동기(GM Refrigerator) 또는 줄-톰슨 냉동기(Joule-Thomson Refrigerator) 등이 널리 알려져 있다. 이러한 냉동기들은 고속운전시 그 신뢰성이 저하되는 것은 물론 운전시 마찰부위의 마모에 대비하여 별도의 윤활을 실시하여야 하므로, 최근에는 고속운전에서도 신뢰성이 유지되고 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 단면하여 보인 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동유니트(10)와, 그 구동유니트(10)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동유니트(20)로 구성되어 있다.

상기 구동유니트(10)는 실린더(10a)가 구비되는 케이싱(11)과, 그케이싱(11)의 내부에 장착되는 리니어형 구동모터(12)와, 그 구동모터(12)에 결합되는 구동축(13)과, 그 구동축(13)에 연결되어 실린더(10a)의 내부에 삽입되는 피스톤(14)과, 상기 구동축(13)의 상,하단에 각각 결합되는 상판스프링(15) 및 하판스프링(16)으로 이루어져 있다.

상기 냉동유니트(20)는 구동유니트(10)와의 사이에 개재되는 예냉기(21)와, 그 예냉기(21)의 타측에 연통되는 재생기(22)와, 그 재생기(22)의 출구단에 연통되는 맥동관(23)과, 그 맥동관(23)의 타측에 연통되는 오리피스(24)와, 그 오리피스(24)의 타단에 연통되는 저장용기(25)와, 상기 재생기(22) 및 맥동관(23)을 수용하도록 감싸지는 냉동측 케이싱(26)으로 이루어져 있다.

상기 재생기(220와 연결되는 맥동관(23)의 입구측에는 냉측열교환기(23A)가 장착되는 반면, 상기 오리피스(24)에 연결되는 맥동관(23)의 출구측에는 온측열교환기(23B)가 장착되어 있다.

상기 냉동측 케이싱(26)은 그 일단이 예냉기(21)의 일측면에 결합되는 반면, 그 타단은 상기한 맥동관(23)의 온측열교환기(23B)에 결합되어 있다.

상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

상기 구동모터(12)에 전원이 인가되면, 상기 구동축(13)이 상판 및 하판스프링(15,16))에 의해 직선으로 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(13)에 일체로 결합된 피스톤(14)이 실린더(10a)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉동유니트(20)의 작동가스를 펌핑시켜 상기한 맥동관(23)의 냉측열교환기(23A)쪽에서 극저온부가 형성되도록 한다.

즉, 상기 피스톤(14)의 압축행정시 실린더(10a)에서 압축되어 밀려나는 작동가스는 예냉기(21)를 거치면서 적정온도로 냉각되어 재생기(22)로 유입되고, 상기 재생기(22)를 거친 작동가스는 맥동관(23)의 냉측열교환기(23A)쪽으로 유입되어 그 맥동관(23)에 채워져 있던 작동가스를 온측열교환기(23B)쪽으로 밀어내게 되며, 상기 맥동관(23)에서 밀려나는 작동가스는 오리피스(24)를 거쳐 저장용기(25)로 유입되면서 단열압축되어 방열된다. 이때, 상기 맥동관(23)으로 유입되는 작동가스의 질량유량 보다 오리피스(25)를 통해 유출되는 작동가스의 질량유량이 상대적으로 많으므로 맥동관(23)은 고압에서의 열적평형상태를 이루게 된다.

이후, 상기 피스톤(14)의 흡입행정시 맥동관(23)으로 유입되었던 작동가스가 다시 재생기(22)를 거치면서 실린더(10a)로 반출되면, 그 맥동관(23)으로부터 반출되는 작동가스의 질량유량 보다 오리피스(24)를 통해 맥동관(23)으로 반입되는 작동유량이 상대적으로 적어 맥동관(23)에서의 작동가스는 단열 팽창된다. 이 작동가스의 단열팽창은 통상 냉측열교환기(23A)쪽에서 급격하게 발생되어 극저온부가 형성된다.

이후, 상기 맥동관(23)은 피스톤(14)은 저압상태의 열적평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(24)를 통해 저장용기(25)에서 맥동관(23)으로 이동하면서 맥동관(23)내 작동가스의 압력을 높여 처음의 온도를 회복하는 일련의 과정을 반복하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 냉동유니트에서는, 실질적으로 전자소자가 부착되는 냉측열교환기(23A)의 표면적이 협소하여 다량의 전자소자를 냉각시키는데 한계가 있었다. 즉, 상기 냉측열교환기(23A)의 양측면에 재생기(22) 및 맥동관 본체(미부호)가 각각 장착되어 전자소자를 부착시킬 수 있는 가용면적은 냉측열교환기(23A)의 주면으로 한정되므로, 결국 가용면적이 협소해지는 것이었다.

또한, 상기 재생기(22)와 맥동관(23)과 오리피스(24) 그리고 저장용기(25)가 일렬로 길게 설치되어 냉동기의 전체길이가 길어지면서 넓은 면적의 설치공간이 필요하게 되는 문제점도 있었다.

또한, 구조적으로 재생기(22)와 맥동관(23)은 진공단열되어야 하는 반면 온측열교환기(23B) 및 오리피스(24) 그리고 저장용기(25)는 외부로 노출되어야 함에도 불구하고 상기한 각 부재들이 일렬로 설치됨에 따라 냉동측 케이싱(26)을 결합시키기 위하여는 적어도 두 개의 실링부재가 필요하게 되어 부품수가 과다하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 동일한 표면적을 갖는 냉측열교환기에 대하여 가용면적을 확대시킬 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 냉동유니트의 길이를 단축시켜 설치공간에 대한 제약을 감소시킬 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

또한, 냉동유니트를 진공단열시키기 위한 실링부재의 개수를 절감하여 생산비용을 절감시킬 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이있다.

도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 3은 본 발명 무윤활 맥동곤 냉동기에서 냉동부를 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

210 : 예냉기 211 : 가스통공

212 : 온측열교환기 장착홈 213 : 가스유로

214 : 예냉용 열교환기 220 : 재생기

230 : 맥동관 231 : 냉측열교환기

231a : 재생기 장착홈 231b : 맥동관 장착홈

231c,231d : 열교환기 장착홈 231e : 연통구

232 : 냉측열교환기 240 : 오리피스

250 : 저장용기 260 : 냉동측 밀봉셸

C : 열교환기 장착홈 마개 H : 열교환기

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 작동가스를 펌핑하는 구동유니트의 실린더에는 작동가스를 일정온도로 냉각시키는 예냉기가 연이어 설치되고, 그 예냉기에는 작동가스의 현열을 저장하는 재생기가 연이어 설치되며, 그 재생기에는 주위로부터 열을 흡수하여 극저온부를 형성하는 냉측열교환기가 연이어 설치되고, 그 냉측열교환기에는 작동가스가 채워지는 맥동관이 연이어 설치되며, 그 맥동관의 타단에는 작동가스의 열을 방출하는 온측열교환기가 연이어 설치되고, 그 온측열교환기에는 작동가스의 위상차를 발생시키는 오리피스가 연이어 설치되며, 그 오리피스에는 작동가스를 임시 수용하는 저장용기가 연이어 설치되되,

상기 재생기 및 맥동관이 냉측열교환기의 내부에서 서로 연통되도록 하여 그 냉측열교환기의 일측면에 함께 설치되고, 상기 온측열교환기는 예냉기에 재생기와 함께 장착되며, 상기 오리피스는 예냉기를 관통하여 설치되고, 상기 재생기 및 냉측열교환기 그리고 맥동관이 진공단열되도록 예냉기의 일측면에 밀봉셸이 긴밀하게 장착되는 것을 포함한 무윤활 맥동관 냉동기가 제공된다.

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

도 2는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 3은 본 발명 무윤활 맥동곤 냉동기에서 냉동부를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스를펌핑하는 구동유니트(10)와, 그 구동유니트(10)에 연결되어 극저온부가 형성되는 냉동유니트(200)로 구성된다.

상기 냉동유니트(200)는 구동유니트(10)의 실린더(10a)에서 펌핑되는 작동가스를 미리 일정온도로 냉각시키도록 예냉기(210)가 상기한 실린더(10a)에 연통되도록 하여 구동유니트(10)에 결합되고, 상기 구동유니트(10)의 토출행정시 작동가스의 현열을 축적하였다가 흡입행정시 작동가스를 예열시키는 재생기(220)가 상기한 예냉기(210)에 연통되게 결합되며, 상기 재생기(220)로부터 토출되거나 또는 후술할 맥동관(230)으로부터 반출되는 작동가스가 주위로부터 열을 흡수하는 냉측열교환기(231)가 상기한 재생기(220)의 타단에 결합되고, 그 재생기(220)가 장착되는 냉측열교환기(231)의 동일 측면에는 작동가스의 위상차가 발생되는 맥동관(230)이 결합되며, 그 맥동관(230)의 타단에는 작동가스의 열을 방출하도록 예냉기(210)에 삽입 장착되는 온측열교환기(232)가 결합되고, 그 온측열교환기(232)의 타단에는 작동가스의 위상차가 발생되도록 예냉기(210)의 내부에 장착되는 오리피스(240)가 결합되며, 그 오리피스(240)의 타단에는 작동가스가 일시 저장되는 저장용기(250)가 결합되고, 상기 예냉기(210)의 일측면에는 재생기(220) 및 냉측열교환기(231) 그리고 맥동관 본체(230)가 진공단열되도록 냉동측 밀봉셸(260)이 긴밀하게 결합되어 이루어진다.

상기 예냉기(210)는 구동유니트(10)에 고정된 예냉기 몸체의 중앙부에 실린더(10a)와 재생기(220)가 양쪽에 각각 연통되는 가스통공(211)이 형성되고, 그 가스통공(211)의 일측에는 온측열교환기(232)가 삽입 장착되는 열교환기장착홈(212)이 형성되며, 그 열교환기 장착홈(212)에 연통되어 오리피스(240)가 삽입되는 가스유로(213)가 형성되어 이루어진다.

또한, 상기 가스통공(211)에는 망상으로 된 방열용 열교환기(214)가 삽입 장착되고, 상기 열교환기 장착홈(212) 역시 망상으로된 온측열교환기(232)가 삽입 장착되며, 상기 가스유로(213)는 열교환기 장착홈(212)의 중앙에서 예냉기 몸체의 외주면으로 길게 관통 형성된다.

상기 냉측열교환기(231)는 그 열교환기 몸체의 중앙부 양측에 각각 재생기 장착홈(231a) 및 맥동관 장착홈(231b)이 동일 측면에 형성되고, 그 각각의 장착홈(231a,231b)에 대향되는 반대편 측면에서 상기한 재생기 장착홈(231a) 및 맥동관 장착홈(231b)과 단턱져 연통되도록 열교환기 장착홈(231c,231d)이 형성되며, 상기 열교환기 몸체의 일측 외주면에서 상기한 각 열교환기 장착홈(231c,231d)을 관통하는 연통구(231e)가 길게 형성된다.

또한, 상기 각 열교환기 장착홈(231c,231d)에 망상으로된 열교환기부재(H)가 단턱부에 걸리도록 삽입되고, 그 각 열교환기부재(H)의 타단은 전열성부재로된 열교환기 마개(C)에 눌려 지지된다. 상기 열교환기 마개(C)는 두 열교환기 장착홈(231c,231d)을 연통시키는 연통구(231e)가 차단되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 11은 케이싱, 12는 구동모터, 13은 구동축, 14는 피스톤, 15 및 16은 판스프링이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 구동유니트에 전원이 인가되면, 그 구동유니트의 구동모터(120)의 가동자 및 구동축 그리고 피스톤이 공진스프링(150)에 의해 직선으로 왕복운동을 하게 되고, 상기 피스톤(14)의 토출행정시 실린더(10a) 내의 작동가스가 예냉기(210)로 유입되어 일정온도로 냉각되어 재생기(220)로 유입되며, 그 재생기(22)로 유입된 작동가스는 다시 현열이 저장되면서 냉측열교환기(231)를 거쳐 맥동관(230)으로 유입되고, 그 맥동관(230)으로 새롭게 유입되는 작동가스에 의해 이미 맥동관(230)에 채워져 있던 작동가스는 온측열교환기(232)로 밀려나면서 오리피스(240)를 거쳐 저장용기(250)로 유입된다.

이때, 상기 재생기(220)에서 유출되는 작동가스는 냉측열교환기(231)의 재생기 장착홈(231a)을 거쳐 열교환기 장착홈(231c) 및 연통구(231e) 그리고 다시 맞은편 열교환기 장착홈(231d) 및 맥동관 장착홈(231b)을 통해 맥동관(230)으로 유입되었다가 예냉기(210)에 구비된 온측열교환기 장착홈(212) 및 가스유로(213)를 통과하여 저장용기(250)로 유입된다.

이후, 상기 피스톤(14)의 흡입행정시 저장용기(250)에 채워져 있던 작동가스가 오리피스(240)를 통해 맥동관(230)으로 반입되고, 그 맥동관(230)으로 반입되는 작동가스는 이미 맥동관(230)에 채워져 있던 작동가스를 밀어내 다시 실린더(10a)로 반입시키면서 냉측열교환기(231)가 극저온으로 급속하게 냉각되는 일련의 과정을 반복하게 된다. 이러한 작동가스의 반입과정은 전술한 작동가스의 토출행정시와 정반대의 유통경로를 갖게 된다.

이렇게, 상기 냉측열교환기의 일측면에 재생기 및 맥동관을 함께 장착시키게 되면, 그 냉측열교환기의 가용면적이 넓어지게 되어 보다 많은 량의 전자소자를 부착할 수 있게 된다.

또한, 상기 맥동관을 재생기의 일측에 'U'자 모양으로 배열하게 되면, 맥동관 냉동기의 냉동유니트 길이가 짧아지게 되어 상기한 맥동관 냉동기의 설치공간에 대한 제약이 감축되는 것과 동시에, 상기 냉동유니트를 진공단열시키기 위한 밀봉셸을 '캡'모양으로 구비하여 그 개구쪽을 예냉기에만 결합시켜도 상기한 냉동유니트가 진공단열이 되므로 실링부재가 하나만 필요하게 되어 부품수 및 공정수가 절감된다.

본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기는, 상기 재생기 및 맥동관이 냉측열교환기의 내부에서 서로 연통되도록 하여 그 냉측열교환기의 일측면에 함께 설치하고, 상기 맥동관의 온측열교환기는 예냉기에 재생기와 함께 장착되며, 상기 온측열교환기에 연결되는 오리피스는 예냉기를 관통하여 설치되고, 상기 재생기 및 냉측열교환기 그리고 맥동관이 진공단열되도록 예냉기의 일측면에 밀봉셸을 긴밀하게 장착되도록 구성함으로써, 상기 냉측열교환기의 가용표면의 넓이가 확대되고, 냉동유니트의 길이가 짧아져 설치공간에 대한 제약이 감소함과 아울러 상기 밀봉셸의 긴밀성을 유지시키는 실링부재의 개수가 줄어 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 작동가스를 펌핑하는 구동유니트의 실린더에는 작동가스를 일정온도로 냉각시키는 예냉기가 연이어 설치되고, 그 예냉기에는 작동가스의 현열을 저장하는 재생기가 연이어 설치되며, 그 재생기에는 주위로부터 열을 흡수하여 극저온부를 형성하는 냉측열교환기가 연이어 설치되고, 그 냉측열교환기에는 작동가스가 채워지는 맥동관이 연이어 설치되며, 그 맥동관의 타단에는 작동가스의 열을 방출하는 온측열교환기가 연이어 설치되고, 그 온측열교환기에는 작동가스의 위상차를 발생시키는 오리피스가 연이어 설치되며, 그 오리피스에는 작동가스를 임시 수용하는 저장용기가 연이어 설치되되,

   상기 재생기 및 맥동관이 냉측열교환기의 내부에서 서로 연통되도록 하여 그 냉측열교환기의 일측면에 함께 설치되고, 상기 온측열교환기는 예냉기에 재생기와 함께 장착되며, 상기 오리피스는 예냉기를 관통하여 설치되고, 상기 재생기 및 냉측열교환기 그리고 맥동관이 진공단열되도록 예냉기의 일측면에 밀봉셸이 긴밀하게 장착되는 것을 포함한 무윤활 맥동관 냉동기.