KR100371188B1 - 맥동관 냉동기의 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관 냉동기의 열교환기에 관한 것으로, 본 발명은 작동가스가 연속적으로 압축 및 팽창되면서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 갖도록 하는 맥동관의 끝단에 장착되어 그 맥동관으로 유입되는 작동가스를 열교환시켜 팽창측에서 극저온부가 형성되도록 하는 맥동관 냉동기의 열교환기에 있어서, 상기 맥동관에 연통되도록 장착되는 관로(管路)상의 케이스와, 상기 케이스의 중심에서 일정 반경까지 관통되어 내장되거나 또는 상기 케이스의 중심에서 일정 반경까지의 조밀도가 여타의 조밀도에 비해 상대적으로 낮게 형성되어 내장된 열전달체로 이루어짐으로써, 상기 열전달체에 수분이 응결되는 것이 방지되고, 이를 통해 수분응결에 따른 열교환기의 막힘과 이로 인한 맥동관 냉동기의 효율저하 및 신뢰성 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Description

맥동관 냉동기의 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR PULSE TUBE REFRIGERATOR}

본 발명은 맥동관 냉동기의 열교환기에 관한 것으로, 특히 냉측열교환기에 적용되는 망사형의 열교환기에서 작동가스가 원활하게 유통될 수 있도록 가스통로를 갖는 맥동관 냉동기의 열교환기 구조에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기의 열교환기는 구리와 같이 열전도도가 높은 재질을 가는 눈의 망체로 엮어 맥동관 냉동기의 팽창부 또는 압축부에 장착하여 그 열교환기를 왕복 통과하는 작동가스로부터 열을 전달받거나 전달하도록 하는 것이다.

특히 팽창부에 장착되는 냉측열교환기는 그 냉측열교환기가 극저온부를 이루게 되므로 작동가스에 수분이 함유되는 경우 이 수분이 응결되면서 망체의 구멍을 막을 우려가 있으므로 가능한한 외표면에 수분이 응결되지 않도록 형성하는 것이 중요하다.

도 1은 종래 맥동관 냉동기를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 종래의 맥동관 냉동기는, 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, 그피스톤(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 극저온부를 갖는 맥동관(8)과, 그 맥동관(8)에 일단이 축소 연통되는 동시에 타단이 후술할 레버저(10)에 연통되어 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(innertance tube)(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되도록 압축부의 케이싱(1)에 장착되어 이너턴스 튜브(9)와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(reservoir)(10)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 맥동관(8)은 긴 원통형으로 된 스테인레스관의 양단에 냉측열교환기(11)와 온측열교환기(12)가 각각 장착되어 냉측열교환기(11)는 재생기(7)에 연통되는 반면 온측열교환기(12)는 이너턴스 튜브(9)에 연통되어 있다.

상기 냉측열교환기(11)는 구리관과 열전도도가 높은 재질로 된 원통형 케이스(11a)와, 상기 케이스(11a)의 내부에 역시 구리와 같이 열전도도가 높은 재질의 세선이 균일하게 가는 눈으로 엮여져 적층된 다수개의 망체(11b)로 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 13은 진공셸이다.

상기와 같은 종래 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

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 온측열교환기(12)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 냉측열교환기(11)를 통과하는 작동가스가 열을 흡수하여 상기한 냉측열교환기(11)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 냉측열교환기(11)에서는 온도구배가 발생되어 그 표면온도가 영하 200℃ 이하까지 내려가게 되어 그 냉측열교환기(11)에 부착되는 소형 전자부품이나 초전도체 소자 등을 극저온으로 냉각시키게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 맥동관 냉동기에 있어서는, 각 부재들에 이온화되어 붙어 있던 수분 분자들이 극저온기의 운전조건(특히, 저온운전)에 따라서는 각 부재들로부터 떨어져 작동가스에 혼합되고, 이후 작동가스와 함께 냉동부를 순환하다가 특히 냉측열교환기(11)에서 응결되면서 그 냉측열교환기(11)의 망체(11b)를 막아 작동가스의 왕복을 방해하게 되며, 이로 인해 극저온 냉동기의 성능을 크게저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 맥동관 냉동기의 열교환기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 작동가스와 함께 순환하는 수분이 외표면에 응결되는 것을 방지할 수 있는 맥동관 냉동기의 열교환기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 종래 맥동관 냉동기에서 냉측열교환기를 보인 사시도.

도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 일부를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명 맥동관 냉동기에서 냉측열교환기의 일례를 보인 사시도.

도 5는 본 발명 맥동관 냉동기에서 냉측열교환기의 변형예를 보인 사시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

7 : 재생기 8 : 맥동관

9 : 이너턴스 튜브 110,210 : 냉측열교환기

111,211 : 케이스 112,212 : 망체

112a,212a : 가스통로

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 작동가스가 연속적으로 압축 및 팽창되면서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 갖도록 하는 맥동관의 끝단에 장착되어 그 맥동관으로 유입되는 작동가스를 열교환시켜 팽창측에서 극저온부가 형성되도록 하는 맥동관 냉동기의 열교환기에 있어서, 상기 맥동관에 연통되도록 장착되는 관로(管路)상의 케이스와, 상기 케이스의 중심에서 일정 반경까지 관통되어 내장된 열전달체로 이루어진 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 열교환기가 제공된다.

또한, 작동가스가 연속적으로 압축 및 팽창되면서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 갖도록 하는 맥동관의 끝단에 장착되어 그 맥동관으로 유입되는 작동가스를 열교환시켜 팽창측에서 극저온부가 형성되도록 하는 맥동관 냉동기의 열교환기에 있어서, 상기 맥동관에 연통되도록 장착되는 관로(管路)상의 케이스와, 상기 케이스의 중심에서 일정 반경까지의 조밀도가 여타의 조밀도에 비해 상대적으로 낮게 형성되어 내장된 열전달체로 이루어진 것을 특징으로 하는 맥동관냉동기의 열교환기가 제공된다.

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

도 3은 본 발명 맥동관 냉동기의 일부를 보인 종단면도이고, 도 4는 본 발명 맥동관 냉동기에서 냉측열교환기의 일례를 보인 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 맥동관 냉동기는, 작동가스를 압축 펌핑하여 작동가스의 질량유동과 압력맥동을 일으키는 압축부와, 그 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동과 압력맥동에 의해 극저온부가 발생되는 냉동부로 구성된다.

상기 압축부는 실린더(도 1에 도시)(1a)가 구비된 케이싱(도 1에 도시)(1)의 내부에 리니어 모터(도 1에 도시)(2)와 실린더에서 왕복운동하는 피스톤(도 1에 도시)(3) 그리고 그 피스톤(3)의 직진성을 유지하는 판스프링(도 1에 도시)(4A,4B)이 장착되고, 상기 케이싱(1)의 외측에는 피스톤(3)의 왕복운동에 따른 진동을 제거하도록 패시브 밸런서(passive balancer)(도 1에 도시)(5)가 장착되어 이루어진다.

상기 냉동부는 압축부의 실린더(1a) 선단에 예냉기(도 1에 도시)(6)가 연통되고, 그 예냉기(6)에는 재생기(7)가 연통되며, 그 재생기(7)에는 극저온부를 갖는 맥동관(8)이 연통되고, 그 맥동관(8)에는 이너턴스 튜브(9)와 레저버(도 1에 도시)(10)가 연속적으로 연통되어 이루어진다.

상기 맥동관(8)은 긴 원통형으로 된 스테인레스관의 양단에 냉측열교환기(110)와 온측열교환기(120)가 각각 장착되어 냉측열교환기(110)는 재생기(7)에연통되는 반면 온측열교환기(120)는 이너턴스 튜브(9)에 연통된다.

상기 냉측열교환기(110)는 도 4에 도시된 바와 같이, 구리관과 열전도도가 높은 재질로 된 원통형 케이스(111)와, 상기 케이스(111)의 내부에 역시 구리와 같이 열전도도가 높은 재질의 세선이 가는 눈으로 엮여져 적층되되 그 중심에서 일정 반경까지 관통되어 가스통로(112a)가 형성되는 다수개의 망체(112)로 이루어져 있다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명의 열교환기가 구비된 맥동관 냉동기의 작용효과는 다음과 같다.

상기 맥동관 냉동기는 전술한 바와 같은 일련의 과정, 즉 압축부에서 작동가스를 압축하여 펌핑하게 되면 이 압축부에 연통된 냉동부에서는 작동가스가 예냉기(6)와 재생기(7)와 맥동관(8)과 이너턴스 튜브(9)와 레저버(10)를 왕복 순환하면서 압력맥동 및 질량유동 사이의 위상차가 발생되고, 이 과정에서 냉동부의 일부인 냉측열교환기(110)에서는 작동가스의 지속적인 팽창으로 표면온도가 200℃이하까지 내려가는 극저온부를 형성하게 된다.

이때, 상기 극저온 냉동기의 각 부재에서는 수분분자들이 분해되어 작동가스와 혼합되고, 이 수분분자들은 작동가스와 함께 냉동부의 각 부재 및 압축부의 실린더(C) 사이에서 왕복순환하는 과정에서 특히 극저온부인 냉측열교환기(110)에 응결되려고 하나, 상기 냉측열교환기(120)의 망체(112a)가 본 발명에서와 같이 중심측이 관통된 가스통로(112a)를 갖음에 따라 대부분의 수분분자들은 작동가스와 함께 상기한 가스통로(112a)를 통해 원활하게 유동되는 반면 일부의 수분분자들은 작동가스와 함께 망체(112)를 통과하면서 그 망체(112)에 열전달되어 열교환기로서의 본래 역할을 하게 된다.

즉, 상기 작동가스와 함께 냉측열교환기로 유입되는 수분분자들이 망체(112)에 접촉되어 수분응결되고 이로 인해 망체(112)가 작동가스의 유통을 방해하게 되더라도 상기한 가스통로(112a)는 항상 열린상태를 유지하게 되므로 냉측열교환기(110)에서의 작동가스 유통이 완전히 차단되는 것은 방지된다.

이때, 상기 냉측열교환기(110)와 작동가스 사이의 열교환은 주로 관로인 케이스(111)의 내벽에 인접하여 통과하는 작동가스에 의해서 이루어지는 반면 그 망체(112)의 중앙부를 통과하던 작동가스는 원래부터 열교환율이 극히 미비하기 때문에 상기한 냉측열교환기(110)의 망체 중앙에 가스통로(112a)를 구비하더라도 전체적인 냉측열교환기(110)의 효율은 저하되지 않는다.

한편, 상기 망체(112)는 전술한 바와 같이 중심측이 관통된 환형으로 형성될 수도 있으나, 경우에 따라서는 냉측열교환기(210)의 망체(212)가 도 5에 도시된 바와 같이 케이스(211)의 내벽측에서 중심측으로 갈 수록 그 조밀도가 점진적으로 낮아지게 엮여져 중심측이 성긴 가스통로(212a)가 형성될 수도 있다.

본 발명에 의한 맥동관 냉동기의 열교환기는, 망체의 중심부에 관통 또는 성긴 가스통로를 구비됨으로써, 상기 망체에 수분이 응결되는 것이 방지되고, 이를 통해 수분응결에 따른 열교환기의 막힘과 이로 인한 맥동관 냉동기의 효율저하 및신뢰성 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 작동가스가 연속적으로 압축 및 팽창되면서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 갖도록 하는 맥동관의 끝단에 장착되어 그 맥동관으로 유입되는 작동가스를 열교환시켜 팽창측에서 극저온부가 형성되도록 하는 맥동관 냉동기의 열교환기에 있어서,

   상기 맥동관에 연통되도록 장착되는 관로(管路)상의 케이스와,

   상기 케이스의 중심에서 일정 반경까지 관통되어 내장된 열전달체로 이루어진 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 열교환기.
2. 작동가스가 연속적으로 압축 및 팽창되면서 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 갖도록 하는 맥동관의 끝단에 장착되어 그 맥동관으로 유입되는 작동가스를 열교환시켜 팽창측에서 극저온부가 형성되도록 하는 맥동관 냉동기의 열교환기에 있어서,

   상기 맥동관에 연통되도록 장착되는 관로(管路)상의 케이스와,

   상기 케이스의 중심에서 일정 반경까지의 조밀도가 여타의 조밀도에 비해 상대적으로 낮게 형성되어 내장된 열전달체로 이루어진 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 열교환기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전달체는 망사형인 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 열교환기.