KR100557229B1 - 펄스 튜브식 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래에 비해 높은 냉동 효율을 얻을 수 있는, 스터링 사이클을 이용한 펄스 튜브식 냉동기를 제공하기 위한 것으로, 작동 가스의 송입 및 흡인을 반복하는 압축기와, 이 압축기에 방열부(12)를 통해서 연결되고, 내부에 축냉재가 채워진 축냉기(13)와, 이 축냉기에 냉각부(14)를 통해서 연결된 펄스 튜브(15)와, 이 펄스 튜브에 방열부(16) 및 이너턴스 튜브(17)를 통해서 연결된 버퍼 탱크(18)를 구비한 펄스 튜브식 냉동기(10)에 있어서, 펄스 튜브(15)의 공간 용적과 축냉기(13)의 공간 용적의 비를 0.75∼1.5가 되도록 형성한다. 다른 형태에 있어서는, 축냉기(13)의 내부 단면적과 동일한 면적의 원의 직경을 내부 직경으로 했을 때, 축냉기(13)의 길이를 상기 내부 직경의 제곱으로 나눈 값이 0.11~0.26이 되도록 형성한다.

Description

펄스 튜브식 냉동기 {PULSE TUBE CRYOCOOLER}

도 1은 본 발명의 펄스 튜브식 냉동기의 일 실시 형태를 도시하는 개략적인 구성도.

도 2는 스터링 사이클을 이용한 스터링식 냉동기의 동작 원리를 도시하는 개략적인 설명도.

도 3은 스터링 사이클에 있어서의 압축 피스톤과 디스플레이서의 위상 차를 나타내는 도표.

도 4는 펄스 튜브식 냉동기의 개략적인 구성도.

도 5는 실시예 1의 결과를 나타내는 도표.

도 6은 실시예 2의 결과를 나타내는 도표.

도 7은 실시예 3의 결과를 나타내는 도표.

도 8은 실시예 4의 결과를 나타내는 도표.

도 9는 실시예 5의 결과를 나타내는 도표.

* 도면의 주요부분에 대한 설명 *

10 : 펄스 튜브식 냉동기 11 : 압축기

11a : 접속관 12 : 방열부

13 : 축냉기 14 : 냉각부

15 : 펄스 튜브 16 : 방열부

17 : 이너턴스 튜브 18 : 버퍼 탱크

19a : 냉각 핀(fin) 19b : 콜드 헤드

19c : 방열용 헤드

본 발명은, 극저온 상태(cryogenic temperature state)를 형성하기 위한 냉동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스터링 사이클(stirling cycle)을 이용한, 펄스 튜브와 축냉기(regenerator)를 갖는 펄스 튜브식 냉동기에 관한 것이다.

스터링 사이클을 사용한 냉동 장치는, 작동 가스의 압축, 팽창의 반복을 이용하여 극저온을 얻을 수 있기 때문에, 초전도 소자의 냉각, 가스의 정제 분리, 적외선 센서 등의 분야에서 널리 이용되고 있다.

도 2 및 도 3을 이용하여, 이러한 스터링 사이클을 이용한 스터링식 냉동기의 동작 원리에 대해 설명한다. 여기에서, 도 2는 냉동 사이클의 개요를 나타낸 설명도이고, 또한 도 3은 냉동 사이클에 따른, 압축 피스톤, 디스플레이서(displacer)의 상승 및 하강 사이클을 나타낸 도표이다.

도 2에 있어서, 스터링식 냉동기(20)는, 내부에 압축 피스톤(22)을 가진 압축기(21)와, 내부에 축냉재(regenerating agent)가 채워진 축냉기(23)와, 팽창실(25) 및 압축실(28)을 형성하는 디스플레이서(24)와, 팽창실(25)과 축냉기(23) 사이에 형성된 냉각부(26)와, 압축실(28)의 외주에 형성된 방열부(27)에 의해 구성되어 있다. 그리고, 이러한 부재들로 구성되는 밀폐 유로 내에 작동 가스가 고압 봉입되어 있으며, 압축기(21)의 압축 피스톤(22)과, 디스플레이서(24)가 위상 차를 가지고 왕복 운동한다.

또한, 도 3에 있어서, 실선 22a는 압축 피스톤(22)의 상승 및 하강을 나타내고, 실선 24a는 디스플레이서(24)의 상승 및 하강을 나타낸다. 또한, 실선 29는 압축 피스톤(22)의 상승 및 하강에 따른 냉동기 내의 전체 용적 변화를 나타낸다.

도 2의 중앙부에 도시한 용적(P)-압력(V) 선도에서 볼 수 있듯이, 스터링 사이클은 2개의 등온(isothermal) 변화와, 2개의 정용량(constant volume) 변화로 이루어진 공정에 의해 구성되어 있다.

즉, 도 2 중의 a에서 b에 이르는 과정은 등온 팽창 과정으로서, 이 때, 압축 피스톤(22)이 상사점에서 하사점으로 하강함으로써 팽창실(25)내의 작동 가스가 팽창하고, 냉각실(26)로부터 열(Qc)이 흡열되어 냉각이 이루어진다(도 2(A)).

그 다음에, b에서 c에 이르는 과정은 등용량 가열 과정으로서, 디스플레이서(24)가 하사점에서 상사점으로 상승함으로써, 팽창실(25)내의 유체가 압출되고, 축냉기(23)를 통해서 압축실(28)측의 공간으로 이동해 압력이 상승한다(도 2(B)).

그리고, c에서 d에 이르는 과정은 등온 압축 과정으로서, 압축 피스톤(22)이 하사점에서 상사점으로 상승함으로써 압축실(28)내에 작동 가스가 송입(送入)되고, 방열부(27)에서 열(Qh)을 방열함으로써 등온적으로 압축된다(도 2(C)).

마지막으로, d에서 a에 이르는 과정은 등용량 냉각 과정으로서, 디스플레이서(24)가 상사점에서 하사점으로 하강함으로써, 압축실(28)내의 유체가 축냉기(23)를 통해서 팽창실(25)측으로 압출되어(도 2(D)), 압력이 하강하여 사이클이 종료된다.

한편, 이 사이클에 있어서는, 도 3의 실선 22a와 24a에 나타내는 바와 같이, 압축 피스톤(22)과 디스플레이서(24)의 위상 차는 약 90도로 설정되어 있다.

이처럼, 스터링식 냉동기는, 압축 피스톤을 기계적인 동력으로 변위시킴으로써 밀폐 공간 중의 작동 가스의 압력을 변동시키고, 이 압력의 주기적인 변동에 동조하여 움직이는 디스플레이서에 의해, 팽창실 내의 작동 가스를 팽창시켜서 냉각시키기 때문에, 높은 열 효율을 달성할 수 있다.

한편, 이러한 스터링 사이클을 응용한 냉동기로서, 도 4에 도시하는 바와 같은 펄스 튜브식 냉동기도 알려져 있다.

이 펄스 튜브식 냉동기(10)는, 작동 가스의 송입 및 흡인을 반복하는 압축기(11)와, 이 압축기(11)에 방열부(12)를 통해서 연결되며, 내부에 축냉재가 채워진 축냉기(13)와, 이 축냉기(13)에 냉각부(14)를 통해서 연결된 펄스 튜브(15)와, 이 펄스 튜브(15)에 방열부(16) 및 이너턴스 튜브(inertance tube; 17)를 통해서 연결된 버퍼 탱크(18)를 구비하고 있다.

이러한 펄스 튜브식 냉동기(10)의 밀폐 공간 내에는, 헬륨, 질소, 수소 등의 작동 가스가 고압으로 봉입되어 있다. 그리고, 전술한 스터링식 냉동기와 마찬가지로, 압축기(11)에 의해 작동 가스의 팽창 및 압축을 반복하여 압력 진폭을 형성 한다.

여기에서, 펄스 튜브식 냉동기(10)에 있어서는, 펄스 튜브(15)내의 작동 가스(30)가 유로 내에서 미세하게 진동함으로써, 상기 스터링식 냉동기에 있어서의 디스플레이서의 역할을 한다. 따라서, 진동하는 작동 가스(30)의 변위와 압력 변위의 위상을 제어함으로써 작동 가스(30)에 일을 시킬 수 있으며, 방열부(12와 16)에서는 열(Q1, Q3)을 방출하고, 냉동기의 콜드 헤드가 되는 냉각부(14)에서는 열(Q2)을 흡열하여, 극저온 상태를 형성할 수 있다. 한편, 이너턴스 튜브(17)와, 버퍼 탱크(18)는 상기 진동하는 작동 가스(30)의 변위와, 압축 피스톤의 변위의 위상을 제어하는 역할을 한다.

이러한 펄스 튜브식 냉동기는, 스터링식 냉동기에 설치되는 디스플레이서가 필요 없고, 디스플레이서 대신에 고압 가스가 미세하게 진동함으로써 작동 가스를 압축 및 팽창시키기 때문에, 저온부에 가동 부분이 없다. 이렇기 때문에, 냉각 헤드에서의 기계적인 진동이 없고, 기기 구성이 단순하며, 신뢰성이 높다는 특징을 가지고 있다.

상기 펄스 튜브식 냉동기에 있어서의 출력(냉동 출력)은, 펄스 튜브의 내부 공간의 압력 진폭과 유량 진폭의 곱에 비례하는 출력(이하, 도시된 냉동 출력이라고 함)과, 냉동기 내부에서 발생하는 각종 열 손실과의 차에 의해 결정되어, 다음과 같은 관계를 갖게 된다.

(냉동 출력)=(도시된 냉동 출력)-(열 손실)

따라서, 펄스 튜브식 냉동기의 냉각 효율을 향상시키기 위해서는, ① 압축기 의 압축 피스톤에 의해 주어지는 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브 내에 전달하여 도시된 냉동 출력을 증가시키는 것, ② 각 구성 장치 중에서, 특히 축냉기에 있어서의 열 전도에 따른 열 손실을 저감시키는 것, 이 2가지 점이 중요하다.

먼저, 축냉기에 대해서는, 상기의 열 손실을 저감시키기 위해서는, 도 4에 있어서의 방열부(12)와 냉각부(14)의 온도 차로 인한, 축냉기의 구성 부재를 통한 열 전도를 저감시킬 필요가 있다. 즉, 압축기(11)로부터 송배기(送排氣)되는 작동 가스의 보유열을 일시적으로 축열하고, 작동 가스를 통해서 고온측의 방열부(12)로부터, 저온측의 냉각부(14)로의 열의 유입을 저감시킬 필요가 있다.

이를 위해서는, 축냉기(13)의 내부 용적을 크게 해서 열 용량을 크게 하거나, 또는 축냉기(13)를 축방향으로 길게 함으로써, 열 저항을 크게 하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 한편, 도시된 냉동 출력의 관점에서는, 압축기(11)에서 발생한 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브(15)에 전달하기 위해서는, 축냉기(13)의 압력 손실이 작을 필요가 있다. 따라서, 이러한 점에서는, 축냉기(13)의 길이는 짧은 편이 바람직하다.

따라서, 축냉기(13)에 대해서는, 상기의 상반된 요구를 동시에 충족시키도록, 축냉기의 내부 용적, 길이 등을 최적화할 필요가 있다고 생각된다.

한편, 펄스 튜브(15)에 대해서도, 상기 열 손실을 저감시키기 위해서는, 방열부(16)와 냉각부(14)의 온도 차로 인한, 펄스 튜브의 구성 부재를 통한 열 전도를 저감시킬 필요가 있으며, 이를 위해서는, 펄스 튜브(15)내의 축방향의 열 저항 이 큰 것이 바람직하기 때문에, 펄스 튜브(15)를 축방향으로 길게 함으로써, 열 저항을 크게 하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 축냉기(13)와 마찬가지로, 도시된 냉동 출력을 증가시키기 위한 압력 진폭의 확보면에서는, 압축기(11)로부터의 압력 진폭에 대해, 펄스 튜브(15)내에서의 압력 진폭을 큰 값으로 유지할 필요가 있다. 이 때문에, 압력 손실의 면에서는 펄스 튜브(15)의 길이는 짧은 편이 바람직하다. 따라서, 펄스 튜브(15)에 대해서도, 상기의 상반된 요구를 동시에 충족시키도록, 펄스 튜브의 내부 용적, 길이 등을 최적화시킬 필요가 있다고 생각된다.

그리고, 상기 축냉기(13)와 펄스 튜브(15)는 일체가 되어 냉동기를 구성하기 때문에, 축냉기(13)와 펄스 튜브(15)의 상호의 용적, 길이 등의 관계에 대해서도, 최적의 범위가 존재한다고 생각되며, 이것에 의해 냉동기의 효율이 크게 영향을 받는다고 생각된다.

따라서, 본 발명의 제 1 과제는, 상기의 각각의 상반된 조건을 최적화시켜, 냉동 효율이 높은, 펄스 튜브식 냉동기를 제공하는 데 있다.

또한, 펄스 튜브식 냉동기는, 기계적 진동이 없고, 기기 구성의 간소화나 신뢰성의 향상을 꾀하기 쉬운 등의 뛰어난 특징을 갖는 한편, 설치 자세, 즉 설치시의 축냉기와 펄스 튜브와의 상대적인 위치 관계에 따라 냉동 출력이 변화하기 쉽다는 난점이 있어, 이 설치 자세의 영향이 적은 구성으로 할 필요가 있다.

상술한 바와 같이, 펄스 튜브식 냉동기의 냉동 출력은,

(냉동 출력)=(도시된 냉동 출력)-(열 손실)

이라는 관계식으로 주어지는데, 식 안의 열 손실 중에서, 냉동기의 설치 자세의 영향을 받는 열 손실로서, 내부에 봉입된 작동 가스가 펄스 튜브 내부 공간 및 축냉기 내부 공간에서 대류를 일으켜, 이 대류에 의해서 고온 단부에서 콜드 헤드(cold head)로 열이 침입하는 열 손실이 있다.

즉, 콜드 헤드는 예컨대 70K 정도의 극저온에 있고, 고온 단부는 통상적으로, 상온(약 300K)에 있기 때문에, 콜드 헤드와 고온 단부에서는 작동 가스의 밀도가 크게 달라, 이 때문에 중력에 의한 대류가 발생하게 되는데, 이 대류의 정도는 설치 자세에 따라 좌우되므로, 이러한 대류에 의한 열 손실도 설치 자세의 영향을 받게 된다.

이하, 펄스 튜브를 예로 들어, 설치 자세의 영향을 설명한다.

먼저, 펄스 튜브의 콜드 헤드가 고온 단부보다 높은 위치가 되도록 설치된 상태에 있어서는, 펄스 튜브의 내부 공간의 작동 가스의 온도는, 콜드 헤드에 접하는 상부에 비해 고온 단부에 접하는 하부가 높은 상태가 되므로, 펄스 튜브의 내부 공간의 작동 가스의 밀도는 상부가 크고, 하부가 작아지며, 작동 가스는 중력의 영향에 의해 대류를 일으키게 된다. 이 결과, 고온 단부에 접한 하부의 작동 가스가 상승하여 상부에 배치된 콜드 헤드로 열을 전달하고, 콜드 헤드에 접한 상부의 작동 가스가 하부에 배치된 고온 단부에 냉각열(cold heat)을 전달하기 때문에, 열 손실이 발생하여, 냉동기의 냉동 출력이 저하되게 된다.

한편, 펄스 튜브의 콜드 헤드가 고온 단부보다 낮은 위치가 되도록 설치된 상태에서는, 펄스 튜브의 내부 공간의 작동 가스의 온도는, 콜드 헤드에 접하는 하부에 비해 고온 단부에 접하는 상부가 높은 상태가 되므로, 펄스 튜브의 내부 공간의 작동 가스의 밀도는 하부가 크고, 상부가 작아진다. 따라서, 이러한 설치 자세에 있어서는, 작동 가스는 중력에 의한 대류를 일으키지 않고, 대류에 의한 열 손실은 무시할 수 있으므로, 높은 냉동 출력을 얻을 수 있게 된다.

본 발명은, 상기와 같은 종래의 펄스 튜브식 냉동기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 제 2 과제는, 설치 자세의 차이로 인한 냉동 출력의 차이가 경감되고, 여러 가지 설치 조건하에서도 안정된 냉동 출력을 얻을 수 있는 펄스 튜브식 냉동기를 제공하는 데 있다.

본 발명자들은, 상기 제 1 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 축냉기 및 펄스 튜브의 공간 용적, 길이, 단면적 등을 특정한 비율로 설정함으로써, 종래에 비해 높은 냉동 출력을 얻을 수 있게 됨을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명에 의한 펄스 튜브식 냉동기는, 작동 가스의 송입 및 흡인을 반복하는 압축기와, 이 압축기에 방열부를 통해서 연결되고, 내부에 축냉재가 채워진 축냉기와, 이 축냉기에 냉각부를 통해서 연결된 펄스 튜브와, 이 펄스 튜브에 방열부 및 이너턴스 튜브를 통해서 연결된 버퍼 탱크를 구비한 펄스 튜브식 냉동기에 있어서, 상기 펄스 튜브의 공간 용적과 상기 축냉기의 공간 용적의 비가 0.75∼1.5가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다(청구항 1의 발명).

상기 발명에 따르면, 펄스 튜브와 축냉기의 공간 용적의 비를 상기의 범위로 설정함으로써, 도시된 냉동 출력의 관점에서는, 압축기에서 발생한 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브에 전달할 수 있는 동시에, 열 손실의 발생을 억제할 수 있어, 냉동 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 발명에 있어서는, 상기 펄스 튜브의 길이와 상기 축냉기의 길이의 비가 0.9∼1.9가 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다(청구항 2의 발명). 이것에 의해, 압축기에서 발생한 압력 진폭의 손실을 더욱 저하시킬 수 있으므로, 도시된 냉동 출력을 높여서 냉동기의 냉동 효율을 향상시켜, 냉동 출력을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 펄스 튜브식 냉동기의 또 하나는, 작동 가스의 송입 및 흡인을 반복하는 압축기와, 이 압축기에 방열부를 통해서 연결되고, 내부에 축냉재가 채워진 축냉기와, 이 축냉기에 냉각부를 통해서 연결된 펄스 튜브와, 이 펄스 튜브에 방열부 및 이너턴스 튜브를 통해서 연결된 버퍼 탱크를 구비한 펄스 튜브식 냉동기에 있어서, 상기 축냉기의 내부 단면적과 동일한 면적의 원의 직경을 내부 직경으로 했을 때, 상기 축냉기의 길이를 상기 내부 직경의 제곱으로 나눈 값이 0.11~0.26이 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다(청구항 3의 발명).

상기 발명에 따르면, 축냉기의 길이와 단면적을 상기에서 규정된 범위가 되도록 설정함으로써, 축냉기 내의 축방향의 열 저항을 가능한 한 크게 해서 열 손실을 억제함과 동시에, 압력 손실도 가능한 한 억제하여 압축기에서 발생한 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브에 전달할 수 있으므로, 도시된 냉동 출력을 높여서, 냉동 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제 2 과제를 해결하기 위해 본 발명자들이 예의 검토를 한 결과, 설치 자세에 따른 냉동 출력의 차이를 종래의 펄스 튜브 냉동기에 비해 경감시킬 수 있는 조건이 발견되었다.

즉, 본 발명에 있어서는, 제 2 과제를 해결하기 위해, 펄스 튜브와 축냉기를 직선 형태로 배치한 펄스 튜브식 냉동기에 있어서, 펄스 튜브의 내부 단면적과 축냉기의 내부 단면적의 비를, 0.1 이상, 0.35 이하로 선정하여 형성하도록 한다(청구항 4의 발명).

혹은, 펄스 튜브와 축냉기를 가진 펄스 튜브식 냉동기에 있어서, 상기 펄스 튜브의 내부 직경을 12mm 이하로 설정하도록 한다(청구항 5의 발명).

펄스 튜브의 내부 단면적과 축냉기의 내부 단면적과의 비, 혹은 펄스 튜브의 내부 직경을 상기와 같은 값으로 선정하여 펄스 튜브식 냉동기를 구성하면, 후술하는 바와 같이, 펄스 튜브 내부 공간에서 발생하는 작동 가스의 자연 대류에 의한 열 손실과, 축냉기 내부 공간에서 발생하는 작동 가스의 자연 대류에 의한 열 손실이 같은 정도가 되어, 상하로 설치 자세를 바꿔도 양쪽의 열 손실이 상쇄되기 때문에, 설치 자세에 따른 냉동 출력의 차이가 경감되며, 여러 가지의 설치 조건하에서도 안정된 냉동 출력을 얻을 수 있는 펄스 튜브식 냉동기가 얻어지게 된다.

이하, 도 1에 의거하여 본 발명의 실시 형태를 설명하며, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 펄스 튜브식 냉동기의 개략적인 구조를 나타내는 것이다. 한편, 기본적인 구성은 도 4와 동일하므로, 도 4와 실질적으로 같은 부분에는 같은 부호를 붙이고 그 설명은 생략하기로 한다.

이러한 펄스 튜브식 냉동기(10)는, 도시하지 않은 압축기에 연결된 접속관(11a)과, 방열부(12)와, 축냉기(13)와, 냉각부(14)와, 펄스 튜브(15)와, 방열부(16)가 순서대로 접속되어 일체화되어, 전체적으로 원통 형상을 이루고 있다.

펄스 튜브(15)에는, 상기 방열부(16)를 통해서, 이너턴스 튜브(17)가 연결되며, 더욱이 이 이너턴스 튜브(17)를 통해서, 버퍼 탱크(18)가 연결되어 있다.

이러한 이너턴스 튜브(17) 및 버퍼 탱크(18)는, 펄스 튜브(15) 내에서 진동하는 작동 가스의 변위와, 접속관(11a)에 접속되는 압축기의 압축 피스톤(도시하지 않음)의 변위의 위상을 제어하는 역할을 한다.

더욱이, 방열부(12)의 외주에는 방열용 냉각 핀(19a)이, 냉각부(14)의 주위에는 콜드 헤드(19b)가 설치되고, 방열부(16)의 주위에는 방열용 헤드부(19c)가 설치되어 있다.

방열부(12), 냉각부(14), 방열부(16)에는, 작동 가스로부터의 열 전도를 돕기 위한 전열재(轉熱材)가 배치되어 있다. 여기에서, 전열재로서는, 예를 들어 열 전도가 뛰어난 구리, 알루미늄 등의 금속의 메쉬 등을 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명에서는, 축냉기(13)와의 관계에서, 펄스 튜브(15)내의 공간 용적, 및 펄스 튜브(15)의 길이가 중요하며, 이것이 도시된 냉동 출력과 열 손실에 의해 영향을 받는 냉동 효율을 정하는 요인이 됨을 알 수 있었다. 한편, 본 발명에서의 펄스 튜브의 길이라고 함은, 도 1에 있어서의 냉각부(14)와 방열부(16) 사이의 축방향의 거리(L2)를 의미한다.

펄스 튜브(15)의 재질은, 특별히 한정되지는 않지만, 강도, 열 전도 등의 점에서 금속이 바람직하고, 특히 스테인리스가 바람직하다. 또한, 펄스 튜브(15)의 길이(L2)는, 후술하는 바와 같이 축냉기(13)와의 관계에서 결정되기 때문에 특별히 한정되지 않지만, 냉동 출력이 2W 정도일 경우, 바람직하게는 40∼100mm의 범위이다. 또한, 펄스 튜브(15)의 공간 용적은 5∼30ml의 범위인 것이 바람직하다.

축냉기(13)의 내부 공간에는 열 용량이 큰 축냉재가 설치되어 있다. 여기에서, 축냉재로서는, 스테인리스 메쉬나 볼 등의 공지된 재료를 사용할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다. 또한, 충전량도 적당히 선정할 수 있는데, 바람직하게는, 축냉기(13)의 공간 용적에 대한 공극률이 60∼80 체적%이다.

본 발명에 있어서는, 축냉기(13)의 공간 용적, 내부 직경, 길이가, 펄스 튜브(15)와의 관계에서 중요하며, 도시된 냉동 출력과 열 손실에 의한 냉동 효율을 결정하는 요인이 된다. 여기에서, 본 발명에 있어서의 축냉기(13)의 길이란, 도 1에 있어서의 방열부(12)와 냉각부(14) 사이의 축방향의 거리(L1)를 의미한다. 또한, 내부 직경이란, 도 1에 있어서의 축냉기(13)의 내부 단면적을 원으로 환산했을 경우의 직경(D)을 의미한다.

축냉기(13)의 공간 용적은, 펄스 튜브(15)의 공간 용적이나 길이와의 관계에 의해 규정되기 때문에, 특별히 한정되지는 않지만, 바람직하게는 5∼30ml의 범위이다. 또한, 축냉기(13)의 길이(L1)는 40∼100mm의 범위인 것이 바람직하고, 축냉기(13)의 내부 직경(D)은 15∼20mm의 범위인 것이 바람직하다.

이하, 축냉기(13)와 펄스 튜브(15)의 관계에 대해 설명한다.

본 발명에 있어서는, 펄스 튜브(15)의 공간 용적과, 축냉기(13)의 공간 용적의 비가, 0.75∼1.5일 필요가 있으며, 0.8∼1.4인 것이 더 바람직하다. 이것에 의해, 도시된 냉동 출력의 관점에서는, 압축기에서 발생한 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브(15)에 전달할 수 있는 동시에, 축냉기(13)의 열 저항에 의해 열 손실을 억제할 수 있으므로, 펄스 튜브식 냉동기의 냉동 효율을 향상시켜, 냉동 출력을 높일 수 있다.

상기 비율이, 0.75 미만인 경우에는, 축냉기(13)의 공간 용적이 너무 크거나, 펄스 튜브(15)의 공간 용적이 너무 작아진다.

축냉기(13)의 공간 용적이 너무 클 경우에는, 열 용량 및 축냉재의 표면적이 증가하여 열 손실을 저감시키는 효과는 증가하지만, 그 이상으로, 압축기에서 발생한 압력 진폭과 펄스 튜브(15)에 전달되는 압력 진폭의 비(압축비)가 감소함으로써, 펄스 튜브(15)에 있어서의 압력 진폭이 감소하므로, 결과적으로 도시된 냉동 출력이 감소하여 냉동 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 펄스 튜브(15)의 공간 용적이 너무 작을 경우에는, 펄스 튜브(15)내에, 소위 가스 피스톤이 형성되지 않기 때문에, 역시 도시된 냉동 출력이 감소하여 냉동 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

한편, 상기 비율이 1.5를 초과하면, 축냉기(13)의 공간 용적이 너무 작거나 펄스 튜브(15)의 공간 용적이 너무 커지며, 전자의 경우에는 축냉기(13)의 열 용량 및 축냉재의 표면적이 감소하여 열 손실이 증가하고, 후자의 경우에는 펄스 튜브(15)의 공간 용적이 증가함으로써 압축비가 감소해서 도시된 냉동 출력이 감소 하여 냉동 효율이 저하되므로 바람직하지 않다.

또한, 본 발명에 있어서는, 펄스 튜브(15)의 길이(L2)와, 축냉기(13)의 길이(L1)의 비, 즉 L2/L1이 0.9∼1.9인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1.0∼1.7이다. 이것에 의해, 압축기에서 발생한 압력 진폭의 손실을 더욱 저하시킬 수 있으므로, 냉동 효율을 향상시키고, 냉동 출력을 높일 수 있다.

상기 비율이 0.9 미만일 경우, 축냉기(13)의 길이가 너무 커지고, 축냉기(13)내에 있어서의 압력 손실이 증가하여, 도시된 냉동 출력이 저하되므로 바람직하지 않고, 1.9를 넘으면, 축냉기(13)의 길이가 너무 작아져서, 축냉기(13)의 구성 부재를 전도하는 열량이 증가하여 축방향의 열 저항이 감소해, 열 손실이 증가하여 냉동 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

더욱이, 본 발명에 있어서는, 축냉기(13)의 길이(L1)를, 내부 직경(D)의 제곱으로 나눈 값이 0.11∼0.26인 것이 바람직하고, 0.15∼0.25인 것이 특히 바람직하다. 이것에 의해, 축냉기(13)의 축방향의 열 저항을 가능한 한 크게 해서 열 손실을 억제할 수 있는 동시에, 축냉기(13) 내부에서의 압력 손실을 가능한 한 억제하여, 압축기에서 발생한 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브(15)에 전달하여 도시된 냉동 출력을 높일 수 있다.

상기 비율이 0.11미만인 경우, 축냉기(13)의 길이가 너무 작아져서 축방향의 열 저항이 감소하여 열 손실이 증가하고, 또는 내부 직경(D)의 증대로 인해 공간 용적이 너무 커져서 압력비가 저하되어, 도시된 냉동 출력이 감소해 냉동 효율이 저하되므로 바람직하지 않고, 0.26을 넘으면, 축냉기(13)의 길이가 너무 커지게 되 므로 압력 손실이 증가하고, 역시 도시된 냉동 출력이 저하되어 냉동 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

이하, 이 펄스 튜브 냉동기(10)의 작용에 대해 설명한다.

접속관(11a)에, 도시하지 않은 압축기를 접속하여 밀폐 공간을 구성하고, 헬륨 등의 작동 가스를 상기 밀폐 공간에 봉입한다. 작동 가스로서는, 특별히 한정되지 않지만 헬륨, 질소, 수소, 산소 등을 사용할 수 있다. 70K 이하의 극저온에서 사용할 경우에는, 작동 가스가 액화되지 않도록 헬륨이나 수소를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 작동 가스의 봉입 압력은 2∼4MPa로 하는 것이 바람직하다.

압축기로부터 작동 가스에 압력 진폭을 인가하면, 상기 동작 원리에 의해 펄스 튜브(15)내의 작동 가스가 미세하게 진동하여, 방열부(16)로부터 열이 방출되어, 냉동기의 콜드 헤드가 되는 냉각부(14)에서 극저온 상태가 형성된다. 이 경우, 작동 가스에 인가하는 압력 진폭으로는, 0.1∼0.4MPa가 바람직하고, 주파수 45∼55Hz가 바람직하다.

그리고, 이 상태에서 냉각부(14)에 피냉각체를 배치하면, 피냉각체로부터 열이 빼앗겨지고, 방열부(16)로부터 열이 방출되어 시스템 밖으로 방열된다.

이 때, 펄스 튜브(15)의 공간 용적과, 축냉기(13)의 공간 용적의 비를, 0.75∼1.5의 범위로 함으로써, 압축기에서 발생한 압력 진폭을 효율적으로 펄스 튜브(15)에 전달하여 도시된 냉동 출력을 증가시킴과 동시에, 축냉기(13)의 열 저항을 적당히 부여하여 열 손실을 저하시킬 수 있으며, 그로 인해 냉동 효율이 높은 최적의 조건으로 운전시킬 수 있게 된다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.

<실시예 1>

도 1에 도시하는 바와 같은 펄스 튜브식 냉동기를 이용하여, 펄스 튜브의 공간 용적과 축냉기의 공간 용적의 비를 각종 조건으로 변경하여, 냉각 온도 70K에 있어서의 냉동 출력(W)을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.

한편, 냉동기의 작동 조건은, 작동 가스로서 헬륨 가스를 2.1MPa의 압력으로 봉입하고, 압력 진폭 0.2MPa, 주파수 50Hz의 조건으로 하였다. 또한, 축냉기 및 펄스 튜브의 재질은 스테인리스로 하고, 축냉기 중의 축냉재로서, 400메쉬의 스테인리스 메쉬를, 충전율이 60%가 되도록 배치하였다. 또한, 전열재로서는, 100메쉬의 구리 메쉬를 이용하였다.

도 5는, 펄스 튜브의 공간 용적과 축냉기의 공간 용적의 비와 냉동 출력과의 관계를 나타내는 그래프로서, 가로축은 펄스 튜브 공간 용적을 축냉기 공간 용적으로 나눈 값을 나타내고, 세로축은 냉각 온도 70K에 있어서의 냉동 출력을 나타내고 있다. 도면 중에서, 조건 1은 펄스 튜브의 내부 직경을 15mm, 축냉기의 내부 직경을 20mm로 했을 경우, 조건 2는 펄스 튜브의 내부 직경을 14mm, 축냉기의 내부 직경을 18mm로 했을 경우이다. 또한, 실선 1 및 실선 2는, 각각 조건 1 및 조건 2에서의 측정값의 2차 곡선으로의 회귀식이다.

도 5의 결과로부터, 펄스 튜브의 공간 용적과 축냉기의 공간 용적의 비에 대해 냉동 출력은 위로 볼록한 관계로 되어 있어, 본 발명의 범위 내인 0.75∼1.5에 있어서는 냉동 출력이 높은 것을 알 수 있다.

<실시예 2>

도 1에 도시하는 바와 같은 펄스 튜브식 냉동기를 이용하여, 펄스 튜브의 길이(L2)와 축냉기의 길이(L1)의 비(L2/L1)를 각종 조건으로 변경하여, 냉각 온도 70K에 있어서의 냉동 출력(W)을 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타낸다. 한편, 냉동기의 작동 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.

도 6은, 펄스 튜브 길이와 축냉기 길이의 비와 냉동 출력과의 관계를 나타내는 그래프로서, 가로축은 펄스 튜브의 길이를 축냉기의 길이로 나눈 값을 나타내고, 세로축은 냉각 온도 70K에 있어서의 냉동 출력을 나타내고 있다. 도면 중에서, 조건 3은 펄스 튜브의 내부 직경을 15mm, 축냉기의 내부 직경을 20mm로 했을 경우, 조건 4는 펄스 튜브의 내부 직경을 14mm, 축냉기의 내부 직경을 18mm로 했을 경우의 측정값이다. 또한, 실선 3 및 실선 4는, 각각 조건 3 및 조건 4에 있어서의 측정값의 2차 곡선으로의 회귀식이다.

도 6의 결과로부터, 펄스 튜브의 길이와 축냉기의 길이의 비에 대해서도 냉동 출력은 위로 볼록한 관계로 되어 있어, 본 발명의 범위 내인 0.9∼1.9에서는 냉동 출력이 높은 것을 알 수 있다.

<실시예 3>

도 1에 도시하는 바와 같은 펄스 튜브식 냉동기를 이용하여, 축냉기의 길이(L1)를 내부 직경(D)의 제곱으로 나눈 값을 각종 조건으로 변경하여, 냉각 온도 70K에 있어서의 냉동 출력(W)을 측정하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 한 편, 냉동기의 작동 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.

도 7은, 축냉기의 길이(L1)를 축냉기 내부 직경(D)의 제곱으로 나눈 값과 냉동 출력과의 관계를 나타내는 그래프로서, 가로축은 축냉기의 길이(L)를 축냉기 내부 직경(D)의 제곱으로 나눈 값을 나타내고, 세로축은 냉각 온도 70K에 있어서의 냉동 출력을 나타내고 있다. 도면 중에서, 조건 5는 축냉기의 내부 직경을 20mm로 했을 경우, 조건 6은 축냉기의 내부 직경을 18mm로 했을 경우의 측정값이다. 또한, 실선 5 및 실선 6은, 각각 조건 5 및 조건 6에 있어서의 측정값의 2차 곡선으로의 회귀식이다.

도 7의 결과로부터, 축냉기의 길이(L1)를 축냉기 내부 직경(D)의 제곱으로 나눈 값에 대해서도 냉동 출력은 위로 볼록한 관계로 되어 있어, 본 발명의 범위 내인 0.11∼0.26에서는 냉동 출력이 높은 것을 알 수 있다.

<실시예 4>

도 1의 구성의 펄스 튜브식 냉동기를 이용해, 펄스 튜브(15)의 내부 공간의 단면적과 축냉기(13)의 내부 공간의 단면적의 비를 변화시켜서 냉각 온도 70K에서 냉각 운전시켜, 펄스 튜브(15)가 냉각기(13)보다 상부에 위치하도록 설치한 경우와, 펄스 튜브(15)가 냉각기(13)보다 하부에 위치하도록 설치한 경우에 대해 냉동 출력을 측정하였다. 한편, 이 때, 작동 가스로서 헬륨 가스를 사용하고, 2.1MPa의 압력으로 봉입하여, 압력 진폭 0.2MPa, 주파수 50Hz로 작동시켰다. 또한, 축냉기(13) 및 펄스 튜브(15)는 스테인리스 스틸로 형성하고, 축냉재로는 400메쉬의 스테인리스 스틸 메쉬를 이용해, 축냉기(13) 안에 충전율이 60%가 되도록 채워 넣었다. 또한, 방열부(12), 냉각부(14), 방열부(16)의 전열재로는, 100메쉬의 구리 메쉬를 이용하였다.

도 8은, 본 측정 시험에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다. 본 도면에 있어서, 세로축은, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 상부에 위치하도록 설치했을 경우의 냉동 출력과, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 하부에 위치하도록 설치했을 경우의 냉동 출력의 차이를 나타내며, 가로축은, 펄스 튜브(15)의 내부 공간의 단면적과 축냉기(13)의 내부 공간의 단면적의 비를 나타내고 있다. 도면 중에서 ●로 나타낸 특성값(조건 1)은, 내부 직경 18mm의 축냉기를 이용했을 경우의 측정값이고, ▲로 나타낸 특성값(조건 2)은, 내부 직경 20mm의 축냉기를 이용했을 경우의 측정값이다. 또한 실선은 이들 측정값의 직선 회귀식이다.

도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명자 등의 시험 범위에서는, 설치 상태에 따른 냉동 출력의 차이는, 펄스 튜브의 단면적과 축냉기의 단면적의 비와 직선 관계에 있고, 특히 펄스 튜브의 단면적과 축냉기의 단면적의 비가 0.1∼0.35인 경우에는, 설치 상태에 따른 냉동 출력의 차이가 아주 작게 억제되는 것을 알 수 있다. 따라서, 펄스 튜브의 단면적과 축냉기의 단면적의 비를 0.1∼0.35의 범위 내로 선정하여 펄스 튜브 냉동기를 구성하면, 상하로 설치 자세를 바꿔도 얻어지는 냉동 출력의 변화는 아주 작게 억제되어, 안정된 냉동 출력을 얻을 수 있게 된다.

펄스 튜브식 냉동기에 있어서의 작동 가스의 자연 대류로 인한 열 손실은, 펄스 튜브(15)의 내부 공간에서의 작동 가스의 자연 대류로 인한 열 손실(A)과, 축냉기(13)의 내부 공간에서의 작동 가스의 자연 대류로 인한 열 손실(B)로 이루어지 며, 펄스 튜브(15)와 축냉기(13)에서 고온부와 저온부의 상하 방향의 위치가 반대 방향이 되기 때문에, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 상부에 위치하도록 설치했을 경우에는, 열 손실 A가 증대하고, 열 손실 B가 아주 작게 억제된다. 이에 반해, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 하부에 위치하도록 설치했을 경우에는, 열 손실 B가 증대하고, 열 손실 A가 아주 작게 억제되게 된다. 따라서, 상기와 같이, 펄스 튜브의 단면적과 축냉기의 단면적의 비를 0.1∼0.35로 선정하면, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 상부에 위치하도록 설치했을 경우의 열 손실(A)과, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 하부에 위치하도록 설치했을 경우의 열 손실(B)이 동등해지므로, 설치 자세를 상하 방향으로 바꿔도, 거의 동등한 냉동 출력을 얻을 수 있게 된다.

상기 펄스 튜브의 단면적과 축냉기의 단면적의 비가 0.1보다 작을 경우에는, 축냉기의 단면적이 상대적으로 너무 크게 되어, 상기 펄스 튜브가 축냉기보다 하부에 위치하도록 설치했을 경우의 열 손실(B)이, 펄스 튜브가 축냉기보다 상부에 위치하도록 설치했을 경우의 열 손실(A)에 비해 커지기 때문에, 펄스 튜브가 하부에 위치하도록 설치하면 냉동 출력은 크게 저하된다. 또한, 상기 펄스 튜브의 단면적과 축냉기의 단면적의 비가 0.35를 넘으면, 펄스 튜브의 단면적이 상대적으로 너무 커져서, 펄스 튜브의 열 손실(A)이 상대적으로 증대하므로, 펄스 튜브가 상부에 위치하도록 설치하면 냉동 출력은 크게 저하되게 된다.

<실시예 5>

도 1의 구성의 펄스 튜브 냉동기를 이용해, 펄스 튜브(15)의 내부 직경을 변화시켜서 냉각 온도 70K에서 냉각 운전시켜, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 상부에 위치하도록 설치했을 경우와, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 하부에 위치하도록 설치했을 경우에 대해 냉동 출력을 측정하였다. 한편, 이 때, 작동 가스로서 헬륨 가스를 이용하고, 3.1MPa의 압력으로 봉입하여, 압력 진폭 0.2MPa, 주파수 50Hz로 작동시켰다. 또한, 축냉기(13) 및 펄스 튜브(15)의 재질은 스테인리스 스틸로 하고, 축냉재로는 400메쉬의 스테인리스 메쉬를 이용해, 축냉기(13) 안에 충전율이 60%가 되도록 채워넣었다. 또한, 방열부(12), 냉각부(14), 방열부(16)의 전열재로는, 100메쉬의 구리 메쉬를 이용하였다.

도 9는, 본 측정 시험에서 얻어진 결과를 나타내는 특성도이다. 본 도면에 있어서, 세로축은, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 상부에 위치하도록 설치한 경우의 냉동 출력과, 펄스 튜브(15)가 축냉기(13)보다 하부에 위치하도록 설치한 경우의 냉동 출력의 차를 나타내고 있고, 가로축은, 펄스 튜브(15)의 내부 직경을 나타내고 있다. 도면 중에서 ●로 나타낸 특성값이 측정값이고, 또한 실선은 이들 측정값의 직선 회귀식이다.

도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 펄스 튜브(15)의 내부 직경이 감소할수록, 설치 상태에 따른 냉동 출력의 차이는 감소하고 있으며, 특히 펄스 튜브(15)의 내부 직경이 12mm 이하인 경우에는, 설치 상태에 따른 냉동 출력의 차가 아주 작게 억제됨을 알 수 있다. 따라서, 펄스 튜브의 내부 직경을 12mm 이하로 선정하여 펄스 튜브 냉동기를 구성하면, 설치 자세를 바꾸어도 얻어지는 냉동 출력의 변화는 아주 작게 억제되어, 안정된 냉동 출력을 얻을 수 있게 된다.

이상, 본 발명(청구항 1∼청구항 3의 발명)에 따르면, 축냉기 및 펄스 튜브의 공간 용적이나, 길이를 일정한 비율로 규정하여 최적화시킴으로써, 냉동 효율이 높은 펄스 튜브식 냉동기를 제공할 수 있다. 이것에 의해, 70K 부근의 저온을 효율적으로 얻을 수 있게 되므로, 예컨대 고온 초전도 소자의 냉각 등의 분야에 적절히 이용할 수 있다.

또한, 본 발명(청구항 4, 청구항 5의 발명)에 따르면, 펄스 튜브와 축냉기를 직선 형태로 배치한 펄스 튜브식 냉동기에 있어서, 펄스 튜브의 내부 단면적과 축냉기의 내부 단면적의 비나, 펄스 튜브의 내부 직경을, 소정의 값으로 선정하여 최적화시켰기 때문에, 설치 자세의 차이에 따른 냉동 출력의 차가 경감되어, 여러 가지 설치 조건하에서도 안정된 냉동 출력을 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 작동 가스의 송입(feed) 및 흡인(suction)을 반복하는 압축기와,

   상기 압축기에 방열부를 통해 연결되고, 내부에 축냉재가 채워진 축냉기와,

   상기 축냉기에 냉각부를 통해서 연결된 펄스 튜브와, 그리고

   상기 펄스 튜브에 방열부 및 이너턴스 튜브를 통해 연결된 버퍼 탱크를 포함하는 펄스 튜브식 냉동기로서,

   상기 펄스 튜브의 공간 용적과 상기 축냉기의 공간 용적의 비가 0.75∼1.5가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스 튜브식 냉동기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 튜브의 길이와 상기 축냉기의 길이의 비가 0.9 내지 1.9가 되도록 형성되어 있는 펄스 튜브식 냉동기.
3. 작동 가스의 송입 및 흡인을 반복하는 압축기와,

   상기 압축기에 방열부를 통해 연결되고, 내부에 축냉재가 채워진 축냉기와,

   상기 축냉기에 냉각부를 통해 연결된 펄스 튜브와, 그리고

   상기 펄스 튜브에 방열부 및 이너턴스 튜브를 통해서 연결된 버퍼 탱크를 포함하는 펄스 튜브식 냉동기로서,

   상기 축냉기의 내부 단면적과 동일한 면적의 원의 직경을 내부 직경으로 했을 때, 상기 축냉기의 길이를 상기 축냉기의 내부 직경의 제곱으로 나눈 값이 0.11 내지 0.26이 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스 튜브식 냉동기.
4. 펄스 튜브와 축냉기를 직선 형태로 배치한 펄스 튜브식 냉동기로서, 상기 펄스 튜브의 내부 단면적과 상기 축냉기의 내부 단면적의 비가, 0.1 이상, 0.35 이하임을 특징으로 하는 펄스 튜브식 냉동기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 튜브의 내부 직경이 12mm 이하임을 특징으로 하는 펄스 튜브식 냉동기.

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