KR100343740B1 - 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 관한 것으로, 본 발명은 구동모터와 그 구동모터의 가동자에 결합되어 함께 움직이는 피스톤과 그 피스톤이 삽입되어 작동가스가 압축 펌핑되도록 실린더를 갖는 압축부와, 그 압축부의 실린더에 연통되어 작동가스의 압축열을 방열시키는 예냉기 및 그 예냉기에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기 및 그 재생기에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부를 갖는 맥동관과 그 맥동관에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 동시에 작동가스가 질량유동과 압력맥동의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브 및 레저버를 갖는 냉동부로 이루어지되, 상기 이너턴스 튜브는 압축부의 외주면에 그 압축부로부터의 열전달을 차단하는 차단부재를 개재하여 감겨지고, 상기 압축부의 일측에는 그 압축부를 냉각시키는 냉각팬이 장착되어 구성됨으로써, 상기 압축부에서 발생되는 열에 의해 이너턴스 튜브 내 작동가스의 과열이 방지되어 냉동기의 성능이 향상되고, 상기 압축부 자체의 열변형에 따른 냉동기의 신뢰성 저하가 미연에 방지된다.

Description

맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치{COOLING APPARATUS FOR PULSTUBE CRYOGENIC REFRIGERATOR}

본 발명은 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 관한 것으로, 특히 무윤활 맥동관 냉동기를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품이나 초전도체 등의 냉각을 위하여 사용되는 저진동 고신뢰성의 냉동기로서, 작동가스를 압축하면서 펌핑시키는 압축부와 그 압축부로부터 펌핑되는 작동가스에 의해 극저온부를 갖는 냉동부로 크게 구성된다.

이러한 극저온 냉동기로는 주로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator)나 지엠 냉동기(GM Refrigerator)와 같은 열재생식 냉동기가 널리 알려져 있으나, 최근에는 스터링 냉동기의 변형으로서 냉동부에 구동유니트가 없어 구조적으로 단순하면서도 신뢰성이 우수한 맥동관 냉동기(Pulstube Refrigerator)에 관한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

도 1은 종래 극저온 냉동기중에서 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 전술한 바와 같이 작동가스를 압축 펌핑하여 작동가스의 질량유동과 압력맥동을 일으키는 압축부와, 그 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 발생되는 냉동부로 이루어져 있다.

상기 압축부는 일단에 실린더(1a)가 구비된 케이싱(1)과, 그 케이싱(1)의 내부에 장착되는 리니어 모터(2)와, 그 리니어 모터(2)의 가동자에 결합되어 실린더(1a)에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 압축하여 펌핑하는 피스톤(3)과, 그 피스톤(3)의 일측 양단에 결합되어 피스톤(3)의 직진성을 유지하는 판스프링(4A,4B)과, 상기 케이싱(1)의 외측단에 일체로 결합되어 피스톤(3)의 왕복운동에 따른 진동을 제거하는 패시브 밸런서(passive balancer)(5)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 냉동부는 압축부의 실린더(1a) 선단에 연통되어 작동가스의 온도를 낮추는 예냉기(after cooler)(6)와, 그 예냉기(6)에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기(7)와, 그 재생기(7)에 연통되어 작동가스의 질량유동 및 압력맥동에 의해 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 갖는 맥동관(8)과, 그 맥동관(8)에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(innertance tube)(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되어 이너턴스 튜브와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(reservoir)(10)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 이너턴스 튜브(9)와 레저버(10)는 냉동기의 전체 크기를 감안하여 출원번호 00-007593(2000,2,17)호에서는, 상기 레저버(10)가 압축부측 패시브 밸런서(5)를 밀봉하도록 케이싱(1)의 일단에 장착되고, 상기 이너턴스 튜브(9)는 그 일단이 맥동관(8)의 끝단에 연통되어 케이싱(1)의 외곽으로 인출된 다음 그 케이싱(1)의 압축부측 외주면에 수회 감긴 후 타단이 레저버(10)에 연통되어 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 진공셸이다.

즉, 상기 압축부의 리니어 모터(2)가 피스톤(3)과 함께 구동되어 작동가스를 압축하여 펌핑하게 되는데, 먼저 상기 피스톤(3)의 전진운동시에는 실린더(1a) 내의 작동가스가 냉동부의 예냉기(6) 및 재생기(7)를 거쳐 냉각되면서 맥동관(8)으로 유입되어 그 맥동관(8) 내의 작동가스를 압축시키게 되고, 이후 고압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 온측 열교환기(8b)에서 외부로 열을 방출하게 된다.

반면, 상기 피스톤(3)의 후진운동시에는 맥동관(8)내의 작동가스가 재생기(7)를 냉각시키면서 예냉기(6)를 거쳐 실린더(1a)로 반출되므로 상기한 맥동관(8)내의 작동가스가 단열 팽창되어 온도가 저하되고, 이 과정에서 상기 재생기(7)에 연결된 맥동관(8)의 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 통과하는 작동가스가 열을 흡수하여 상기한 극저온부(8a)는 냉동효과를 얻게 된다. 이후, 저압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 레저버(10) 및 이너턴스 튜브(9)를 통해 반입되는 작동가스에 의해 단열 압축되어 처음의 온도로 가열되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이러한 일련의 과정중에 상기 맥동관(8)의 극저온부(8a)에서는 온도구배가 발생되어 그 표면온도가 영하 250℃ 이하까지 내려가게 되어 그 극저온부(8a)에 부착되는 소형 전자부품이나 초전도체 소자 등을 극저온으로 냉각시키게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같이 압축부에 이너턴스 튜브가 감긴 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 압축부에서 구동모터(2)에서의 모터열이 발생됨에도 불구하고 상기 이너턴스 튜브(9)가 압축부측 케이싱(1)의 외주면에 밀착되어 감기게 되므로, 그 이너턴스 튜브(9) 내의 작동가스가 상기한 모터열에 의해 가열되면서 적정온도 이상으로 상승하여 냉동기 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 상기한 모터열에 의해 압축부의 각 부재간 열변형이 발생되어 신뢰성이 저하될 우려도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 압축부에서 발생되는 열을 용이하게 방열시켜 이너턴스 튜브 내의 작동가스가 적정온도 이상으로 과열되는 것을 방지함과 아울러 압축부의 각 부재가 열변형되는 것을 방지할 수 있는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2 및 도 3은 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 보인 반단면도 및 정면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 케이싱 1a : 실린더

2 : 리니어 모터 3 : 피스톤

6 : 예냉기 6a : 예냉기 방열핀

8 : 맥동관 8a : 극저온부

9 : 이너턴스 튜브 10 : 레저버

100 : 차단부재 200 : 압축부 냉각팬

310 : 유로덕트 320 : 예냉기 냉각팬

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 구동모터와 그 구동모터의 가동자에 결합되어 함께 움직이는 피스톤과 그 피스톤이 삽입되어 작동가스가 압축 펌핑되도록 실린더를 갖는 압축부와,

그 압축부의 실린더에 연통되어 작동가스의 압축열을 방열시키는 예냉기 및 그 예냉기에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기 및 그 재생기에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부를 갖는 맥동관과 그맥동관에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 동시에 작동가스가 질량유동과 압력맥동의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브 및 레저버를 갖는 냉동부로 이루어지되,

상기 이너턴스 튜브는 압축부의 외주면에 그 압축부로부터의 열전달을 차단하는 차단부재를 개재하여 감겨지고, 상기 압축부의 일측에는 그 압축부를 냉각시키는 냉각팬이 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치를 보인 반단면도 및 정면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 극저온 냉동기의 냉각장치가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스를 압축하여 펌핑하는 압축부와, 그 압축부에 연통되어 펌핑되는 작동가스의 질량유동 및 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부가 형성되는 냉동부를 포함하여 구성된다.

상기 압축부는 일단에 실린더(1a)가 구비된 케이싱(1)과, 그 케이싱(1)의 내부에 장착되는 리니어 모터(2)와, 그 리니어 모터(2)의 가동자에 결합되어 실린더(1a)에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 압축하여 펌핑하는 피스톤(3)과, 그 피스톤(3)의 일측 양단에 결합되어 피스톤(3)의 직진성을 유지하는 판스프링(4A,4B)과, 상기 케이싱(1)의 외측단에 일체로 결합되어 피스톤(3)의 왕복운동에 따른 진동을 제거하는 패시브 밸런서(5)를 포함하여 이루어진다.

상기 냉동부는 압축부의 실린더(1a) 선단에 연통되어 작동가스의 온도를 낮추는 예냉기(6)와, 그 예냉기(6)에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기(7)와, 그 재생기(7)에 연통되어 작동가스의 질량유동 및 압력맥동에 의해 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 갖는 맥동관(8)과, 상기 맥동관(8)에 축소 연통되어 케이싱(1)의 외곽으로 인출되고 그 중간부가 압축부측 케이싱(1)의 외주면에 수회 감겨져 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되는 동시에 패시브 밸런서(5)를 밀봉하도록 압축부측 케이싱(1)의 단부에 장착되어 이너턴스 튜브(9)와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(10)를 포함하여 이루어진다.

상기 케이싱(1)의 압축부측 외주면과 이에 감기는 이너턴스 튜브(9)의 사이에는 압축부로부터 발생되는 모터열이 이너턴스 튜브(9)로 전달되는 것을 차단하도록 환형 또는 원호형의 차단부재(100)가 개재된다. 상기 차단부재(100)는 플라스틱류와 같은 단열재질로 성형되는 것이 바람직하다.

상기 케이싱(1)의 일측에는 그 케이싱(1)의 외주면측에 감긴 이너턴스 튜브(9) 및 압축부에 공기를 불어주는 압축부 냉각팬(200)이 장착된다.

상기 압축부 냉각팬(200)은 이너턴스 튜브(9)의 직경이 작은 점을 감안하여 국부 냉각에 유리하도록 외부의 공기를 흡입하여 이너턴스 튜브(9)에 불어주는 흡입식으로 이루어지는 것일 바람직하다.

또한, 상기 예냉기(1)의 외주면에는 작동가스의 열을 방열하는 다수개의 예냉기 방열핀(6a)이 반경방향으로 장착되고, 상기 예냉기 방열핀(6a)의 일측에는 모든 예냉기 방열핀(6a)을 수용하여 양측에 공기통구(311,312)를 갖는 동시에 그 양측 공기통구(311,312) 중에서 어느 한 쪽에 예냉기 냉각팬(320)이 반경방향쪽으로 공기유동방향을 갖도록 장착된다.

상기 예냉기 냉각팬(320)은 공기가 외부로부터 흡입되어 각각의 예냉기 방열핀(6a)을 거친후 다시 외부로 토출되도록 팬(320)의 토출측이 외부를 향하도록 장착되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 압축부 냉각팬(200)과 예냉기 냉각팬(320)은 평면투영시 케이싱(1)을 기준으로 동일 측에 배치되거나 또는 서로 다른 측에 배치될 수 있다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 진공셸이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 일반적인 동작은 종래와 유사하다.

즉, 상기 압축부의 피스톤(3)이 실린더(1a)내에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 압축하여 펌핑하게 되는데, 상기 피스톤(3)의 전진운동시 실린더(1a) 내의 작동가스가 냉동부의 예냉기(6)와 재생기(7)를 거쳐 맥동관(8)으로 유입되어 그 맥동관(8) 내의 작동가스를 압축시키게 되고, 이후 고압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 온측 열교환기(8b)에서 외부로 열을 방출하게 되며, 이후 상기 피스톤(3)의 후진운동시 맥동관(8)내의 작동가스가 재생기(7)와 예냉기(6)를 거쳐 실린더(1a)로 반출되면서 상기한 맥동관(8)내의 작동가스가 단열 팽창되어 그 온도가 저하되며, 이후 저압과정 동안 상기 맥동관(8)내의 작동가스는 레저버(10) 및 이너턴스 튜브(9)를 통해 반입되는 작동가스에 의해 단열 압축되어 처음의 온도로 가열되는 일련의 과정을 반복하게 된다.

이러한 일련의 과정중에 상기 맥동관(8)으로부터 재생기로 반출되는 작동가스는 그 맥동관(8)의 극저온부(냉측 열교환기)(8a)를 통과하면서 극저온부(8a)의 열을 지속적으로 흡수하게 되어 영하 250℃ 이하로 냉각시키게 된다.

이때, 상기 압축부에서는 피스톤(3)을 왕복운동시키는 구동모터(2)로부터 모터열이 발생하게 되는 것은 물론 상기 피스톤(3)이 실린더(1a)에서 작동가스를 압축시키면서 압축열이 발생하게 되는데, 그 중 압축열의 일부는 예냉기(6)의 외주면에 구비되는 예냉기 방열핀(6a) 및 그 방열핀(6a)을 냉각시키는 예냉기 냉각팬(320)에 의해 외부로 방열된다.

반면, 상기 피스톤(3)의 토출행정시 실린더(1a)에서 토출되는 작동가스는 전술한 바와 같이 냉동부의 예냉기(6)와 재생기(7)와 맥동관(8) 그리고 이너턴스 튜브(9)를 통해 레저버(10)에 저장되는데, 이 과정에서 상기 이너턴스 튜브(9)가 압축부측 케이싱(1)의 외측에 감겨져 그 이너턴스 튜브(9) 내의 작동가스가 압축부의 모터열 등에 의해 가열될 우려가 있으나, 상기 이너턴스 튜브(9)와 압축부측 케이싱(1)의 사이에 단열재질로 된 차단부재(100)가 개재되어 압축부의 모터열 등이 이너턴스 튜브(9)에 전달되는 것이 일차적으로 방지된다. 또한, 상기 압축부측 케이싱(1)의 일측에 구비된 압축부 냉각팬(200)이 외부의 공기를 흡입하여 이너턴스 튜브(9)의 감긴 부위를 집중 냉각시키게 되므로 그 이너턴스 튜브(9) 내의 작동가스가 적정온도 이상으로 가열되는 것이 미연에 방지된다.

한편, 상기 압축부 냉각팬(200)과 예냉기 냉각팬(320)이 평면투영시 케이싱(1)을 기준으로 동일 측에 배치되는 경우에는 상기한 압축부 냉각팬(200)과 예냉기 냉각팬(320)이 근접 위치에 장착되고 그 두 냉각팬(200,320)의 공기유동 방향이 서로 반대이므로 상호 흡 토출되는 공기가 섞이지 않게 되어 냉각성능의 향상에 이점이 있는 반면, 상기 두 냉각팬(200,320) 서로 다른 측에 배치되는 경우에는 케이싱(1)을 기준으로 양측이 적절하게 균형을 이루게 되어 진동감소가 기대된다.

참고로, 본 발명의 실시예에서는 이너턴스 튜브가 압축부 케이싱에 감긴 경우를 일례로 들어 살펴보았으나, 경우에 따라서는 냉동부 셸의 외주면에 차단부재를 개재하여 감길 수도 있다. 이 경우는 압축부 냉각팬이 냉동부 일측에 부가로 장착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치는, 냉동부의 맥동관에 연통되어 압축부측 케이싱을 감싸도록 연장되는 이너턴스 튜브를 냉각시키도록 상기 이너턴스 튜브와 압축부측 케이싱의 사이에 차단부재를 개재시키는 동시에 상기 압축부측 케이싱의 일측에 압축부 냉각팬을 장착하고, 상기 압축부의 실린더 외주면에 구비되는 예냉기 방열핀을 냉각시키도록 그 방열핀을 수용하는 유로덕트 및 예냉기 냉각팬을 장착하여 구성함으로써, 상기 압축부에서 발생되는 열에 의해 이너턴스 튜브 내 작동가스의 과열이 방지되어 냉동기의 성능이 향상되고, 상기 압축부 자체의 열변형에 따른 냉동기의 신뢰성 저하가 미연에 방지된다.

Claims (3)

1. 구동모터와 그 구동모터의 가동자에 결합되어 함께 움직이는 피스톤과 그 피스톤이 삽입되어 작동가스가 압축 펌핑되도록 실린더를 갖는 압축부와,

   그 압축부의 실린더에 연통되어 작동가스의 압축열을 방열시키는 예냉기 및 그 예냉기에 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기 및 그 재생기에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부를 갖는 맥동관과 그 맥동관에 축소 연통되어 작동가스를 팽창시키는 동시에 작동가스가 질량유동과 압력맥동의 위상차를 발생시키는 이너턴스 튜브 및 레저버를 갖는 냉동부로 이루어지되,

   상기 이너턴스 튜브는 압축부의 외주면에 그 압축부로부터의 열전달을 차단하는 차단부재를 개재하여 감겨지고, 상기 압축부의 일측에는 그 압축부를 냉각시키는 냉각팬이 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각팬은 압축부와 이너턴스 튜브를 함께 냉각시키도록 이너턴스 튜브의 감긴부위 일측에 장착되는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 예냉기의 외주면에 다수개의 방열핀이 장착되고, 그방열핀의 일측에 예냉기를 냉각시키는 다른 냉각팬이 더 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 맥동관식 극저온 냉동기의 냉각장치.