KR100393791B1 - 극저온 냉동기의 방열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온 냉동기의 방열 장치에 관한 것으로, 본 발명은 열전도 성질을 갖는 재질로 형성되어 그 내부에 냉동기 본체가 내장되는 외부케이싱과, 상기 냉동기 본체의 발열부에 접촉됨과 아울러 상기한 외부케이싱에 접촉되어 냉동기 본체로부터 발생되는 열을 외부케이싱으로 전달하는 전열부재로 구성함으로써, 상기 냉동기 본체의 발열부에서 발생되는 열을 외부케이싱에 전달하여 자연 대류로 방열시키게 됨에 따라 별도의 냉각팬 등의 사용으로 인한 외부케이싱의 비대화 또는 냉각팬의 구동에 필요한 전력소비 및 이로 인한 2차 발열 그리고 냉각팬의 고장으로 인한 냉동기 전체의 신뢰성 저하 등을 미연에 방지할 수 있다.

Description

극저온 냉동기의 방열 장치{RADIATING APPARATUS FOR CRYOCOOLER}

본 발명은 극저온 냉동기의 방열 장치에 관한 것으로, 특히 외부케이싱을 이용하여 극저온 냉동기를 방열하도록 하는 극저온 냉동기의 방열 장치에 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, 작동가스를 압축하여 펌핑하는 압축부 및 그 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동 및 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부가 형성되는 냉동부로 된 냉동기 본체(R)가 공기통구(h)를갖는 외부케이싱(C)의 내부에 장착되어 이루어져 있다.

상기 압축부는 일단에 실린더(1a)가 구비된 밀폐용기(1)와, 그 밀폐용기(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 밀폐용기(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(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 밀폐용기(1)의 외곽으로 인출되고 그 중간부가 밀폐용기(1)의 외주면에 수회 감겨져 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(innertance tube)(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되는 동시에 패시브 밸런서(5)를 밀봉하도록 압축부측 밀폐용기(1)의 단부에 장착되어 이너턴스 튜브(9)와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(reservoir)(10)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 예냉기(6)의 외주면에는 원판형으로 된 다수개의 예냉기 방열핀(6a)이 축방향으로 나란하게 돌출 형성되고, 상기 예냉기 방열핀(6a)의 외곽에는 그 예냉기 방열핀(6a)이 모두 수용되는 동시에 양측이 반경방향으로 개구되어 입 출구를갖는 유로덕트(12)가 장착되며, 그 유로덕트(12)의 어느 한 쪽 개구부에는 상기한 예냉기 방열핀(6a)을 냉각시키는 냉각팬(13)이 장착되어 이루어져 있다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 냉동부 셸이다.

상기와 같은 종래 무윤활 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 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.

이때, 상기 냉각팬(13)이 구동됨에 따라 외부케이싱(C)의 공기통구(h)를 통해 외부로부터 유입되는 찬공기가 상기한 유로덕트(12)를 통과하면서 예냉기 방열핀(6a)을 냉각시키게 되므로, 상기 예냉기(6)가 흡입하는 작동가스의 압축열을 용이하게 방열시켜 작동가스가 적정온도를 유지하게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 외부케이싱(C)의 내부에 유로덕트(12)와 냉각팬(13)이 구비되어 외부로부터 공기를 흡입하여 냉동기를 냉각시킨 다음에 배출시키는 것이나, 실제로는 외부케이싱(C)의 내부공간이 협소하여 공기의 순환이 미비하게 되고, 이를 감안하여 외부케이싱(C)의 내부공간을 확대하는 경우에는 그 외부케이싱(C)을 포함하는 냉동기가 시스템에서 차지하는 면적이 넓어져 설치공간의 제약을 받게 되는 문제점이 있었다.

또한, 이러한 강제 대류 방식은 냉각팬(13)의 구동으로 인한 전력소비량이 증가하게 되고 2차 발열로 인해 외부케이싱(C) 내의 온도가 상승하게 되는 것은 물론, 상기 냉각팬(13)의 고장시 냉동기 전체가 파손되거나 정지하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 외부케이싱을 확대하지 않고도 맥동관 냉동기를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 극저온 냉동기의 방열 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 냉각팬의 사용을 배제하여 2차 발열의 소지를 없애고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 극저온 냉동기의 방열 장치를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

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

도 2는 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 일례를 보인 횡단면도.

도 3은 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기에서 냉동기 본체를 단면하여 보인 횡단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 밀폐용기 1a : 실린더

2 : 리니어 모터 3 : 피스톤

6 : 예냉기 7 : 재생기

8 : 맥동관 8a : 극저온부

9 : 이너턴스 튜브 10 : 레저버

100 : 외부케이싱 200 : 히트파이프

R : 냉동기 본체

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 열전도 성질을 갖는 재질로 형성되어 그 내부에 냉동기 본체가 내장되는 외부케이싱과, 상기 냉동기 본체의 발열부에 접촉됨과 아울러 상기한 외부케이싱에 접촉되어 냉동기 본체로부터 발생되는 열을 외부케이싱으로 전달하는 전열부재로 구성한 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 냉각 장치가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 극저온 냉동기의 방열 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기의 일례를 보인 횡단면도이고, 도 3은 본 발명 무윤활 맥동관식 극저온 냉동기에서 냉동기 본체를 단면하여 보인 횡단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 냉각 장치가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스를 압축하여 펌핑하는 압축부 및 그 압축부에 연통되어 작동가스의 질량유동 및 압력맥동의 위상차에 의해 극저온부가 형성되는 냉동부로 된 냉동기 본체(R)가 열전도성 재질로 된 외부케이싱(100)에 내장되어 이루어진다.

상기 압축부는 일단에 실린더(1a)가 구비된 밀폐용기(1)과, 그 밀폐용기(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 밀폐용기(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 저장하는재생기(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 밀폐용기(1)의 외주면에 감겨져 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브(9)와, 그 이너턴스 튜브(9)의 끝단에 확장 연통되는 동시에 패시브 밸런서(5)를 밀봉하도록 압축부측 밀폐용기(1)의 단부에 장착되어 이너턴스 튜브(9)와 함께 작동가스의 위상차를 발생시키는 레저버(10)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 예냉기(6)의 외주면에는 전열부재인 히트파이프(200)의 일단이 수회 감겨져 결합되고, 그 히트파이프(200)의 타단은 열전도성 재질인 외부케이싱(100)에 연결되어 결합된다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 8b는 온측 열교환기, 11은 냉동부 셸이다.

상기와 같은 본 발명 극저온 냉동기의 방열 장치는 다음과 같은 작용효과를 갖는다.

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 결국 극저온부(8a)의 표면온도를 영하 200℃ 이하까지 냉각시키게 된다.

이때, 상기 압축부의 실린더(1a)에서는 작동가스가 압축되면서 고온의 압축열을 발생시키게 되나, 상기 압축열은 상기 예냉기(6)의 외주면에 감겨진 히트파이프(200)로 전달되고, 상기 히트파이프(200)로 전달된 열은 그 히트파이프(200)를 통해 외부케이싱(100)에 전달되어 공기중으로 자연 방열된다.

이렇게, 상기 외부케이싱을 열교환기로 활용함에 따라 예냉기의 외주면에 별도의 예냉기 방열핀을 장착하지 않고 또 그 예냉기에 유로덕트와 냉각팬을 구비하지 않더라도 상기 냉동기 본체에서 발생되는 압축열을 용이하게 방열시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의한 극저온 냉동기의 방열 장치는, 냉동기 본체의 발열부와 그 냉동기 본체가 내장되는 외부케이싱을 전열부재로 연결함으로써, 상기 냉동기 본체의 발열부에서 발생되는 열을 외부케이싱에 전달하여 자연 대류로 방열시키게 됨에 따라 별도의 냉각팬 등의 사용으로 인한 외부케이싱의 비대화 또는 냉각팬의 구동에 필요한 전력소비 및 이로 인한 2차 발열 그리고 냉각팬의 고장으로 인한 냉동기 전체의 신뢰성 저하 등을 미연에 방지할 수 있다.

Claims (2)

1. 구동부의 실린더 선단에 연통되어 피스톤에 의해 압축 펌핑되는 작동가스의 온도를 낮추는 예냉기와, 그 예냉기에 병렬로 연통되어 작동가스의 현열을 저장하는 재생기와, 그 재생기에 연통되고 양단에 각각 냉측열교환기와 온측열교환기를 구비하여 그 중 냉측열교환기가 작동가스의 연속적인 압축 및 팽창에 의해 극저온부를 이루도록 형성되는 맥동관과, 상기 맥동관에 연통되어 작동가스를 팽창시키는 이너턴스 튜브와, 그 이너턴스 튜브의 끝단에 확장 연통되어 이너턴스 튜브와 함께 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시키는 레저버를 포함한 냉동기 본체와;

   열전도 성질을 갖는 재질로 형성되어 상기한 냉동기 본체를 수용하는 외부케이싱과;

   상기 냉동기 본체의 발열부인 예냉기의 외주면에 일단이 접촉됨과 아울러 상기한 외부케이싱에 타단이 접촉되어 냉동기 본체로부터 발생되는 열을 외부케이싱으로 전달하는 전열부재;로 구성한 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 방열 장치.
2. 제1항에 있어서,

   전열부재는 히트파이프 인 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 방열 장치.