KR100348614B1 - 맥동관 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 본 발명은 작동가스를 펌핑하는 압축유니트에 재생기와 냉측열교환기와 맥동관과 온측열교환기와 위상제어수단과 그리고 저장용기가 연이어 설치되고 그 중 재생기와 맥동관이 나란하게 배치되어 냉측열교환기에서 극저온부를 이루도록 하는 맥동관 냉동기에 있어서, 상기 냉측열교환기는 양단면중에서 어느 한 쪽 단면은 평평하게 형성하고, 다른 한 쪽 단면에는 내부에서 절곡되어 주면쪽으로 관통되는 내부유로를 형성하며, 그 내부유로의 단면쪽 끝단은 맥동관에 직접 연결하는 반면 주면쪽 끝단은 일정 곡률을 갖는 원호형상의 연결관을 사이에 두고 상기한 재생기에 연결됨으로써, 상기 냉측열교환기의 가용면적이 확대되어 냉동기의 효용성이 향상되는 것은 물론 상기 연결관의 길이가 짧아져 사체적이 감소함에 따라 냉동기의 효율이 향상된다.

Description

맥동관 냉동기{PULSE TUBE REFRIGERATOR}

본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 재생기와 맥동관이 나란하게 배치되는 유(U)타입의 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 있으나, 이러한 냉동기들은 고속운전시 그 신뢰성이 저하되므로 최근에는 고속운전에서도 신뢰성이 유지되는 맥동관 냉동기가 새롭게 각광받고 있다.

상기 맥동관 냉동기는 작동가스가 펌핑되는 압축유니트와, 그 압축유니트에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동유니트로 크게 이루어져 있다. 이 중에서 냉동유니트는 압축유니트의 출구측에 재생기(예냉기가 재생기 앞에 구비된 경우도 있음), 맥동관, 위상제어기 그리고 저장용기가 연이어 연통 배치되고, 상기 재생기와 맥동관 사이에는 냉측열교환기가 장착되는 반면 상기 맥동관과 위상제어기 사이에는 온측열교환기가 장착되어 이루어져 있다.

상기 재생기에서 저장용기까지가 일렬로 배치되는 타입을 편의상 인라인 타입의 맥동관 냉동기라고 하는 반면 상기 재생기와 맥동관 사이가 절곡되어 서로 나란하게 배치되는 타입을 편의상 유(U) 타입 맥동관 냉동기라고 구분하고 있다.

상기 인라인 타입 맥동관 냉동기든 유 타입 맥동관 냉동기든 그 작동과정은 동일한데, 먼저 압축유니트의 압축행정시 작동가스는 압축되었다가 재생기를 거치면서 현열을 빼앗긴 상태로 냉측열교환기를 통해 맥동관으로 유입되어 그 맥동관에 채워져 있던 작동가스를 온측열교환기쪽으로 밀어내게 되고, 이 온측열교환기쪽으로 밀려나는 작동가스는 오리피스를 거쳐 저장용기로 유입되면서 단열압축되어 방열된다. 이때, 상기 맥동관으로 유입되는 작동가스의 질량유량이 오리피스를 통해 유출되는 작동가스의 질량유량보다 상대적으로 많으므로 맥동관은 고압에서의 열적평형상태를 이루게 된다.

이후, 상기 압축유니트의 흡입행정시 맥동관으로 유입되었던 작동가스가 다시 냉측열교환기 및 재생기를 거치면서 최초상태로 회복되어 반출되는 반면, 상기 맥동관에서는 그 맥동관으로부터 반출되는 작동가스의 질량유량이 오리피스를 통해 맥동관으로 반입되는 작동유량 보다 상대적으로 많아 결국 맥동관에서의 작동가스는 단열 팽창된다. 이 작동가스의 단열팽창은 통상 냉측열교환기쪽에서 급격하게 발생되어 그 냉측열교환기에서 극저온부가 형성된다.

이후, 상기 맥동관은 저압상태의 열적평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스를 통해 저장용기에서 맥동관으로 이동하면서 맥동관내 작동가스의 압력을 높여 맥동관내의 온도를 처음의 온도로 회복시키게 된다.

이러한 일련의 과정을 반복하면서 상기한 냉측열교환기에서는 점점 낮은 극저온부가 형성되는 것이었다.

한편, 상기 U타입의 맥동관 냉동기는 도 1에 도시된 바와 같이, 예냉기(1)의 냉동유니트쪽 측면에 재생기(2)와 맥동관(3)이 각각 나란하게 배치되어 삽입되고, 그 재생기(2)의 끝단에는 제1 냉측열교환기(4A)가 장착되며, 상기 맥동관(3)의 시작단에는 제2 냉측열교환기(4B)가 장착되고, 상기 제1 냉측열교환기(4A)의 끝단면과 제2 냉측열교환기(4B)의 시작단면은 그 각 냉측열교환기(4A,4B)를 연통시키는 연결관(5)의 양끝단이 각각 장착되어 있다. 도면중 미설명 부호인 6은 온측열교환기, 7은 위상제어기, 8은 저장용기이다.

그러나, 상기와 같은 종래 맥동관 냉동기에 있어서는, 실질적으로 극저온부가 형성되는 제2 냉측열교환기(4B)의 단면에 반원형 연결관(5)이 장착되므로 결국 제2 냉측열교환기(4B)의 가용면적이 좁아지게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 연결관(5)의 길이가 길어져 사체적이 증가함에 따라 외부로부터 열침투가 용이하여 재생기(2)에서 맥동관(3)으로 작동가스가 이동하는 중에 재가열되면서 냉동효율이 저하되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 냉측열교환기의 가용면적을 최대한으로 증가시킬 수 있는 맥동관 냉동기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 작동가스가 재생기에서 맥동관으로 이동하는 중에 재가열되는 것을 최소한으로 줄일 수 있는 맥동관 냉동기를 제공하려는데도 그 목적이 있다.

도 1은 종래 맥동관 냉동기의 냉동유니트를 보인 종단면도.

도 2는 종래 맥동관 냉동기에서 연결관의 길이를 보인 개략도.

도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 냉동유니트를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명 맥동관 냉동기에서 연결관의 길이를 보인 개략도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

2 : 재생기 3 : 맥동관

10 : 냉측열교환기 11 : 내부유로

12 : 열교환용 망상부재 20 : 연결관

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 작동가스를 펌핑하는 압축유니트에 재생기와 냉측열교환기와 맥동관과 온측열교환기와 위상제어수단과 그리고 저장용기가 연이어 설치되고 그 중 재생기와 맥동관이 나란하게 배치되어 냉측열교환기에서 극저온부를 이루도록 하는 맥동관 냉동기에 있어서, 냉측열교환기는 양단면중에서 어느 한 쪽 단면은 평평하게 형성하고, 다른 한 쪽 단면에는 내부에서 절곡되어 주면쪽으로 관통되는 내부유로를 형성하며, 그 내부유로의 단면쪽 끝단은 맥동관에 직접 연결하는 반면 주면쪽 끝단은 일정 곡률을 갖는 원호형상의 연결관을 사이에 두고 상기한 재생기에 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기가 제공된다.

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

도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 냉동유니트를 보인 종단면도이고, 도 4는 본 발명 맥동관 냉동기에서 연결관의 길이를 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와같이 본 발명에 의한 U타입 맥동관 냉동기는, 압축유니트(P)의 일측에 결합한 예냉기(1)의 냉동유니트쪽 측면에 재생기(2)와 맥동관(3)이 냉측열교환기(10)를 사이에 두고 서로 연통하도록 나란하게 배치되어 결합된다.상기 냉측열교환기(10)는 양측면이 평평한 봉형상으로 형성되되 그 내부에는 맥동관(3)이 결합하는 일측면에서 후술할 연결관(20)이 결합하는 주면쪽으로 상기한 내부유로(11)가 중간에 "ㄱ"자 모양으로 절곡하여 관통 형성되는 한편, 냉측열교환기(10)의 타측면은 평평한 상태로 형성된다.상기 내부유로(11)의 일단에는 상기한 맥동관(3)이 직접 연결되고, 상기 내부유로(11)의 타단에는 정면투영시 일정곡률을 갖는 "1/4 원호" 모양의 연결관(20)의 일단이 용접되어 장착되며, 상기 연결관(20)의 타단은 재생기(2)의 끝단에 용접으로 연결된다.상기 내부유로(11)의 맥동관측 출구단에는 열교환기용 망상부재(12)가 삽입되는 것이 바람직하다.또, 상기 맥동관(3)의 타단은 예냉기(1)에 삽입되어 그 예냉기(1)를 측면쪽으로 관통하는 위상제어기(7)와 연결되고, 그 위상제어기(7)는 소정의 내부체적을 갖는 저장용기(8)에 연결된다.도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 6은 온측열교환기이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 맥동관 냉동기의 작용효과는 다음과 같다.

즉, 상기 냉측열교환기(10)가 '봉'형상으로 형성되되 그 일측면에는 맥동관(3)이 연통되며 주벽면에 재생기(2)와 맥동관(3)을 연통시키는 연결관(20)이 장착되므로, 상기 맥동관(3)의 맞은편인 냉측열교환기(10)의 타측 면에는 아무것도 장착되지 않고 평평한 상태로 유지되어 소자들을 부착시키는 가용면적으로 활용할 수 있고 이를 통해 냉동기의 효용성이 향상된다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연결관(20)의 길이가 종래의 반원형에서 1/4원형으로 짧아지게 되므로 산술적으로도 사체적이 감소되어 외부로부터의 열침투가 줄어들게 되고 이로 인해 냉측열교환기(10)로 유입되는 작동가스의 온도가 상대적으로 저온상태를 유지할 수 있어 냉동기의 냉동효율이 향상된다.

본 발명에 의한 맥동관 냉동기는, 냉측열교환기의 양단면중에서 어느 한 쪽 단면은 평평하게 형성하고, 다른 한 쪽 단면에는 내부에서 절곡되어 주면쪽으로 관통되는 내부유로를 형성하며, 그 내부유로의 단면쪽 끝단은 맥동관에 직접 연결하는 반면 주면쪽 끝단은 일정 곡률을 갖는 원호형상의 연결관을 사이에 두고 상기한 재생기에 연결됨으로써, 상기 냉측열교환기의 가용면적이 확대되어 냉동기의 효용성이 향상되는 것은 물론 상기 연결관의 길이가 짧아져 사체적이 감소함에 따라 냉동기의 효율이 향상된다.

Claims (1)

1. 작동가스를 펌핑하는 압축유니트에 재생기와 냉측열교환기와 맥동관과 온측열교환기와 위상제어수단과 그리고 저장용기가 연이어 설치되고 그 중 재생기와 맥동관이 나란하게 배치되어 냉측열교환기에서 극저온부를 이루도록 하는 맥동관 냉동기에 있어서,

   냉측열교환기는 양단면중에서 어느 한 쪽 단면은 평평하게 형성하고, 다른 한 쪽 단면에는 내부에서 절곡되어 주면쪽으로 관통되는 내부유로를 형성하며, 그 내부유로의 단면쪽 끝단은 맥동관에 직접 연결하는 반면 주면쪽 끝단은 일정 곡률을 갖는 원호형상의 연결관을 사이에 두고 상기한 재생기에 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기.