KR100374826B1

KR100374826B1 - 극저온 냉동기의 단열구조

Info

Publication number: KR100374826B1
Application number: KR10-2000-0048661A
Authority: KR
Inventors: 김성태
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2003-03-04
Also published as: KR20020015532A

Abstract

본 발명은 극저온 냉동기의 단열구조에 관한 것으로, 본 발명은 구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와 상기 맥동관과 상기 커버 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에서, 상기 하우징과 밀폐판 사이에 열전달을 차단시키는 단열부재가 결합되도록 구성하여 극저온 냉동기의 운전 중 상기 압축기에서 발생되는 열이 상기 커버와 밀폐판으로 이루어지는 압력 저장용기로 전달되는 것을 차단시킴으로써 상기 압축기에서 발생되는 열이 압력 저장용기 내부의 작동가스를 가열시키는 것을 방지하여 시스템의 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

극저온 냉동기의 단열구조{STRUCTURE FOR PREVENTING THERMO-TRANSFER IN CRYO-COOLER}

본 발명은 극저온 냉동기의 단열구조에 관한 것으로, 특히 작동가스를 압축시키는 압축기가 작동하는 과정에서 발생되는 열이 압력 저장용기로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 한 극저온 냉동기의 단열구조에 관한 것이다.

일반적으로 소형 전자부품 및 초전도체 등의 냉각을 위하여 극저온 냉동기가 주로 사용된다. 상기 극저온 냉동기로는 스터링 냉동기, 맥동관 냉동기 등이 있다.

도 1은 상기 극저온 냉동기의 일례를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 극저온 냉동기는 직선 왕복 구동력을 발생시켜 작동가스를 압축하는 압축기(100)와 상기 압축기(100)에서 압축된 작동가스가 질량 유동되면서 그 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차로 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부(210)에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부(220)에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(Pulse Tube)(200)과, 상기 맥동관(200)에서의 질량유동과 압력맥동을 촉진시킴과 아울러 열적 평형을 이루도록 하는 이너턴스 튜브(Inertance Tube)(300) 및 상기 압축기(100)의 일측에 구비된 압력 저장용기(400)와 상기 맥동관(200)과 압축기(100)사이에 위치하여 압축기(100)에서 압축되어 맥동관(200)으로 오가는 작동가스의 현열을 저장 방출하는 재생기(500)와 상기 압축기(100)에서 밀려나가는 작동가스를 예냉시키는 예냉기(600)를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같은 극저온 냉동기의 작동은 다음과 같다.

먼저, 전원이 인가됨에 의해 상기 압축기(100)에서 작동가스를 압축하게 되면 그 압축되는 작동가스가 상기 예냉기(600)와 재생기(500)를 거쳐 맥동관(200)으로 유입 유출되면서 압력과 질량 유동의 위상차에 의해 상기 맥동관(200)의 팽창부(220)와 압축부(210)에서 각각 팽창과 압축이 일어나면서 상기 맥동관(200)의 팽창부(220)에서 온도가 급격히 떨어지게 된다. 상기 이너턴스 튜브(300)와 압력 저장용기(400)는 상기 맥동관(200)에서 작동가스의 팽창과 압축을 촉진시키게 되며 상기 예냉기(600)에서는 상기 압축기(100)에서 밀려나오는 작동가스를 예냉시키게 되고 상기 재생기(500)에서는 상기 압축기(100)에서 상기 맥동관(200)으로 오고가는 작동가스의 헌열을 저장 방출하게 된다.

이와 같은 과정이 반복되면서 상기 맥동관(200)의 팽창부(220)가 냉각되어 극저온 상태가 된다.

한편, 상기 압축기(100)는 실린더부(1)가 구비된 하우징(10)의 내부에 장착된 구동모터(20)가 직선 왕복 구동력을 발생시킴에 따라 그 구동모터(20)의 가동자(21)에 연결된 구동축(30)에 전달되며 그 구동축(30)에 전달되는 직선 왕복 구동력은 그 구동축(30)에 결합된 피스톤(40)에 전달되고 그 피스톤(40)이 상기 실린더부(1)에서 직선 왕복 운동하면서 작동가스를 압축하게 된다. 상기 구동축(30)에 소정의 간격을 두고 각각 결합된 지지부재(50)는 상기 구동모터(20)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(40)의 공진 운동을 유발시킴과 아울러 상기 구동축(30)에 결합된 피스톤(40)의 직진운동을 안내하게 된다.

그리고 상기 하우징(10)의 단부에 그 하우징(10)을 밀폐시키는 밀폐판(60)이 결합되고 그 밀폐판(60)에 소정의 형상으로 형성된 커버(410)가 결합되어 밀폐된 내부 공간(S)을 형성하게 되며 상기 밀폐판(60)과 커버(410)는 상기 압력 저장용기(400)를 구성하게 된다. 또한 상기 커버(410)의 일측에 연결포트(411)가 형성되어 그 연결포트(411)에 상기 이너턴스 튜브(300)가 연결된다.

그리고 상기 밀폐판(60)과 커버(410)의 내부에 상기 압축기(100)의 작동과정에서 발생되는 진동을 흡수하여 상기 압축기(100)에서 발생되는 진동을 저감시켜 주는 진동 저감장치(M)가 설치된다.

이와 같은 구조는 상기 압축기(100)의 일측을 이용하여 압력 저장용기(400)를 구성하게 됨으로써 별도의 압력 저장용기를 구비하지 않게 되어 구조가 컴팩트하게 되며 아울러 그 내부에 진동 저감장치(M)를 장착하게 되어 발생되는 진동을 저감시키고 또한 구조를 더욱 컴팩트하게 구성하게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 기술은 상기 압축기(100)를 구성하는 구동모터(20)의 직선 왕복 구동력으로 작동가스를 압축하는 과정에서 압축기(100)의 내부, 즉 하우징(10)의 내부에서 열이 발생되고 그 발생되는 열이 상기 하우징(10)의 단부에 결합된 밀폐판(60)과 커버(410)로 이루어지는 압력 저장용기(400)로 전달됨으로써 그 압력 저장용기(400) 내부의 작동가스 온도를 상승시키게 되어 시스템의 효율을 저하시키게 되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 작동가스를 압축시키는 압축기가 작동하는 과정에서 발생되는 열이 압력 저장용기로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 한 극저온 냉동기의 단열구조를 제공함에 있다.

도 1은 종래 극저온 냉동기를 개략적으로 도시한 정단면도,

도 2는 본 발명의 극저온 냉동기의 단열구조가 구비된 극저온 냉동기의 정단면도,

도 3은 본 발명의 극저온 냉동기 단열구조의 다른 실시예를 도시한 단면도,

도 4,5는 본 발명의 극저온 냉동기 단열구조의 다른 실시예를 각각 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ; 실린더부 10 ; 하우징

20 ; 구동모터 30 ; 구동축

40 ; 피스톤 60 ; 밀폐판

61 ; 제1 밀폐판 62 ; 제2 밀폐판

70 ; 단열부재 80 ; 단열판

100 ; 압축기 200 ; 맥동관

300 ; 이너턴스 튜브 410 ; 커버

F ; 단열막

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과, 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와, 상기 맥동관과 상기 커버의 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브와, 상기 하우징과 밀폐판 사이에 삽입되어 열전달을 차단시키는 단열부재를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에 있어서, 상기 단열부재는 상기 하우징 내부에 채워지는 고압의 작동가스에 대하여 가스가 분해되어 나오지 않는 세라믹판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조가 제공된다.

또한, 구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과, 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와, 상기 맥동관과 상기 커버의 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브와, 상기 하우징과 커버의 사이에 제 1, 제 2 밀폐판이 위치하고, 그 제 1, 제 2 밀폐판 사이에 삽입되어 열전달을 차단시키는 단열부재를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에 있어서, 상기 단열부재는 제 1, 제 2 밀폐판 사이에 공기층을 형성하도록 고리 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조가 제공된다.또한 구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과, 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와, 상기 맥동관과 상기 커버의 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브와, 상기 하우징과 밀폐판 사이에 삽입되어 열전달을 차단시키는 단열부재를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에 있어서, 상기 단열부재의 표면에 세라믹 코팅이 된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 극저온 냉동기 단열구조를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 극저온 냉동기 단열구조의 일례를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 먼저 극저온 냉동기는 작동가스를 압축하는 압축기(100)에 이어 작동가스를 예냉시키는 예냉기(600)가 결합되고 그 예냉기(600)에 이어 현열을 저장 및 방출하는 재생기(500)가 결합되며 그 재생기(500)에 이어 팽창부(220)와 압축부(210)가 구비되어 작동가스가 동시에 압축 팽창되는 맥동관(200)이 결합되고 상기 맥동관(200)에 이어 이너턴스 튜브(300)가 결합되며 그 이너턴스 튜브(300)의 일측은 상기 압축기(100)에 결합되는 압력 저장용기(400)에 결합된다.

상기 압축기(100)는 소정 형상으로 형성되며 그 일측에 실린더부(1)가 구비된 하우징(10)의 내부에 직선 구동력을 발생시키는 구동모터(20)가 장착되고 상기 실린더부(1)에 피스톤(40)이 삽입되며 상기 구동모터(20)의 구동력을 상기 피스톤(40)에 전달하도록 상기 구동모터(20)의 가동자(21)와 상기 피스톤(40)에 구동축(30)이 연결되고 상기 구동축(30)에 상기 피스톤(40)의 직선 운동을 안내함과 아울러 탄성력을 지닌 지지부재(50)가 결합되며 상기 하우징(10)의 단부에 그 하우징(10)을 밀폐시키는 밀폐판(60)이 결합된다.

그리고 상기 밀폐판(60)에 소정 형상을 갖는 커버(410)가 결합되고 그 커버(410)와 상기 밀폐판(60)이 상기 압력 저장용기(400)를 형성하게 된다. 상기 커버(410)의 일측에 연결포트(411)가 형성되어 그 연결포트(411)에 상기 이너턴스 튜브(300)가연결 결합된다. 상기 밀폐판(60)과 커버(410) 그리고 하우징(10)은 각각의 가장자리에 관통구멍이 형성되고 그 관통구멍에 볼트(2)와 너트(3)가 체결됨에 의해 결합된다.

그리고 상기 밀폐판(60)과 하우징(10)의 사이에 열전달을 차단시키는 단열부재(70)가 결합된다. 상기 단열부재(70)는 상기 하우징(10) 내부에 채워지는 고압의 작동가스에 대하여 가스가 분해되어 나오지 않는 세라믹판으로 이루어짐이 바람직하다. 상기 단열부재(70)는 일정 두께를 갖는 원판 형태로 형성되며 그 가장자리에 관통구멍이 형성되어 상기 볼트(2)와 너트(3)에 의해 하우징(10) 및 밀폐판(60)과 함께 고정 결합된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 도 3에 도시한 바와 같이, 극저온 냉동기의 단열구조는 상기 단열부재(70)가 배제되고 상기 하우징(10)측에 위치하는 상기 밀폐판(60)의 일면에 열전달을 차단시키는 단열막(F)이 형성되어 이루어진다. 상기 단열막(F)은 상기 하우징(10) 내부에 채워지는 고압의 작동가스에 대하여 가스가 분해되어 나오지 않는 재료로 코팅함이 바람직하다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 4에 도시한 바와 같이, 극저온 냉동기의 단열구조는 상기 하우징(10)과 커버(410)사이에 제1,2 밀폐판(61)(62)이 위치하고 그 제1,2 밀폐판(61)(62) 사이에 열전달을 차단시키는 단열판(80)이 삽입되어 결합되어 이루어진다. 상기 제1 밀폐판(61)과 제2 밀폐판(62)은 각각 일정 두께와 면적을 갖는 원판 형상으로 형성되며 그 형상은 서로 같게 형성됨이 바람직하다. 상기 단열판(80)은 상기 제1,2 밀폐판(61)(62)과 같이 일정 두께와 크기를 갖는 원판 형태로 형성된다. 상기 제1,2 밀폐판(61)(62)과 단열판(80)은 상기 커버(410) 및 하우징(10)과 함께 다수개의 볼트(2)와 너트(3)에 의해 체결 결합된다.

상기 단열판의 변형례로, 5에 도시한 바와 같이, 상기 단열판(80)은 상기 제1,2 밀폐판(61)(62) 사이에 공기층을 형성하도록 고리 형태로 형성된다. 상기 제1,2 밀폐판(61)(62) 사이에 결합되는 고리 형태의 단열판(80')에 의해 공기층이 형성되므로 그 공기층에 의해 하우징(10)내부에서 발생되는 열이 커버(410)의 내부로 전달되는 것을 차단시키게 된다.

상기 단열판(80)은 다양한 형태로 형성될 수 있다.

그리고 상기 밀폐판(60)과 커버(410)로 구성되는 압력 저장용기(400) 내부에 진동을 흡수 저감시키는 진동 저감장치(M)가 장착된다.

이하, 본 발명의 극저온 냉동기 단열구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 극저온 냉동기는 전원이 인가됨에 따라 상기 압축기(100)를 구성하는 구동모터(20)가 구동하여 직선 왕복 구동력을 발생시키게 되면 그 구동력이 구동축(30)을 통해 피스톤(40)에 전달되어 피스톤(40)이 실린더부(1)에서 직선 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시키게 된다. 상기 압축기(100)에서 압축되는 작동가스는 상기 예냉기(600)와 재생기(500)를 거쳐 맥동관(200)으로 유입 유출됨과 동시에 상기 이너턴스 튜브(300)를 통해 압력 저장용기(400)로 유입 유출되면서 상기 맥동관(200)에서 발생되는 압력과 질량 유동의 위상차에 의해 상기 맥동관(200)의 팽창부(220)와 압축부(210)에서 각각 팽창과 압축이 발생하게 되고 이와 같은 과정이 반복되면서 상기 맥동관(200)의 팽창부(220)에서 온도가 급격히 떨어져 극저온 상태가 된다.

그리고 상기 압축기(100)가 작동하면서 작동가스를 압축하는 과정에서 압축기(100)를 구성하는 구동모터(20)에서 열을 발생시키게 된다. 이와 같이 상기 구동모터(20)에서 발생되는 열은 상기 밀폐판(60)과 하우징(10) 사이에 위치하는 단열부재(70)에 의해 차단되어 상기 압력 저장용기(400)를 구성하는 상기 커버(410)와 밀폐판(60)에 의해 형성되는 밀폐공간(S)으로 전달되는 것이 방지된다.

또한, 다른 실시예들의 경우에도 상기 구동모터(20)에서 발생되는 열이 단열막(F) 또는 단열판(80)에 의해 차단되어 상기 압력 저장용기(400)를 구성하는 상기 커버(410)와 제1,2 밀폐판(61)(62)에 의해 형성되는 밀폐공간(S)으로 전달되는 것이 방지된다.

한편, 상기 커버(410)와 밀폐판(60)에 의해 형성되는 밀폐공간(S)에 설치되는 진동 저감장치(M)는 상기 압축기(100)의 작동시 발생되는 진동을 흡수 저감시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 극저온 냉동기의 단열구조는 극저온 냉동기의 운전 중 압축기에서 발생되는 열이 압력 저장용기로 전달되는 것을 차단시키게 됨으로써 상기 압축기에서 발생되는 열이 압력 저장용기 내부의 작동가스를 가열시키는 것을 방지하게 되어 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과, 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와, 상기 맥동관과 상기 커버의 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브와, 상기 하우징과 밀폐판 사이에 삽입되어 열전달을 차단시키는 단열부재를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에 있어서,

상기 단열부재는 상기 하우징 내부에 채워지는 고압의 작동가스에 대하여 가스가 분해되어 나오지 않는 세라믹판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조.
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구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과, 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와, 상기 맥동관과 상기 커버의 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브와, 상기 하우징과 커버의 사이에 제 1, 제 2 밀폐판이 위치하고, 그 제 1, 제 2 밀폐판 사이에 삽입되어 열전달을 차단시키는 단열부재를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에 있어서, 상기 단열부재는 제 1, 제 2 밀폐판 사이에 공기층을 형성하도록 고리 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조.
제 5항에 있어서, 상기 단열판의 표면에 세라믹 코팅이 된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조.
구동모터의 직선 왕복 운동이 구동축을 통해 피스톤에 전달되어 그 피스톤이 실린더부에서 왕복 운동하면서 작동가스를 압축시켜 맥동관에서 작동가스의 팽창과 압축을 유발시키는 압축기의 하우징과, 상기 하우징의 단부에 결합되어 그 하우징을 밀폐시키는 밀폐판과, 상기 밀폐판에 결합되어 그 밀폐판과 함께 소정의 밀폐 공간을 형성하는 커버와, 상기 맥동관과 상기 커버의 내부의 밀폐 공간을 연결시키는 이너턴스 튜브와, 상기 하우징과 밀폐판 사이에 삽입되어 열전달을 차단시키는 단열부재를 포함하여 구성된 극저온 냉동기에 있어서, 상기 단열부재의 표면에 세라믹 코팅이 된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 단열구조.