KR100571128B1 - 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기 - Google Patents

양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 초전도체 및 적외선 센서 등의 극저온 영역에서 사용되는 전자 장치의 냉각을 위한 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 이를 위해 내부에 충진된 작동가스를 주기적으로 압축과 팽창을 반복하여 압력파형을 생성하는 양방향 선형 압축기와, 상기 양방향 선형 압축기의 양측에 연결되어 외부 열을 흡수하며, 저온부에서는 작동가스가 팽창하여 작동가스의 온도를 낮추고, 고온부에서는 상온으로 열을 방출함으로써 저온 상태의 열을 고온 상태로 펌핑하는 제 1,2맥동관과, 상기 제 1,2맥동관에 각각 연결되어 왕복 운동하는 작동가스의 질량유동에 인위적인 저항을 주는 제 1,2오리피스와, 상기 제 1,2오리피스에 연결되어 작동가스를 일시저장하는 저장탱크와, 상기 제 1,2맥동관과 양방향 선형 압축기의 사이에 연결되어 제 1,2맥동관으로 유입되는 작동가스의 온도를 저장되어 있던 냉열을 이용하여 낮추고, 상기 제 1,2맥동관에서 상기 양방향 선형 압축기로 되돌아가는 작동가스의 냉열을 저장하는 제 1,2재생기와, 상기 제 1,2재생기와 상기 양방향 선형 압축기의 사이에 연결되어 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 제 1,2후열교환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
압축기, 극저온 냉동기, 열교환기, 작동가스, 맥동관, 재생기

Description

양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기{Pulse Tube Refrigerator Using Two-way Linear Compressor}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기를 나타낸 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 맥동관 냉동기에서 양방향 선형 압축기의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 양방향 선형 압축기 110: 케이스
111: 유출구 112: 실린더
120a: 고정자 120b: 가동자
130: 피스톤 140: 탄성부재
200a: 제 1후열교환기 200b: 제 2후열교환기
300a: 제 1재생기 300b: 제 2재생기
400a: 제 1맥동관 400b: 제 2맥동관
410: 저온부 420: 고온부
500a: 제 1오리피스 500b: 제 2오리피스
600: 저장탱크
본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 극저온 냉동기에서 사용되는 선형 압축기와 달리 피스톤의 양단을 압축 공간으로 사용하여 종래의 극저온 냉동기와 비슷한 성능을 보이면서 전체 크기를 소형화할 수 있는 구조의 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 전력 소모를 획기적으로 감소시킬 수 있는 고온 초전도체나 적외선 센서의 작동 온도는 약 70 ~ 100K의 극저온이다. 이러한 장치들의 상용화를 위해서는 저렴하면서 소형인 극저온 냉동기의 개발이 필수적이다.
종래에의 극저온 냉동기는 대부분 스털링 냉동기(Stirling Cryocooler)와, 맥동관 냉동기(Pulse Tube Refrigerator)를 사용하고 있다.
스털링 냉동기와 맥동관 냉동기는 효율 증대에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 상용화되어 있지만, 가격이 비싸 현재까지는 가격 경쟁력이 낮은 단점이 있다.
이러한 스털링 냉동기와 맥동관 냉동기는 일반적으로 선형 압축기를 이용하는데, 이 때 상기 선형 압축기는 코일 형태로 제작된 전자석과 자기장을 형성하는 영구자석 사이의 전자기력을 이용하여 압축기 내부의 피스톤을 구동하여 내부에 충진된 작동가스의 압력 파형을 생성한다. 이 때 상기 피스톤은 판형스프링에 의해 지지되며, 판형스프링과 가진되는 전자기력에 의하여 진동 운동을 한다.
종래의 선형 압축기의 피스톤 전단은 스털링 냉동기 혹은 맥동관 냉동기의 재 생기와 연결되어 냉동일을 생성하도록 압력 파형을 생성하는 압축 공간으로 이용되며, 피스톤의 후단은 압력 파형의 진폭이 압축 공간에 비하여 현저히 작도록 큰 체적의 바운스 공간(Bounce Space)으로 이용된다. 이러한 구조를 갖는 종래의 선형 압축기에서는 압축 공간의 체적에 비해 바운스 공간의 체적이 현저히 크게 구성되어 전체 압축기의 크기가 커지는 단점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공되는 것으로서, 본 발명의 목적은, 종래의 극저온 냉동기에서 사용되는 선형 압축기와 달리 피스톤의 양단을 압축 공간으로 이용하도록 제작되는 양방향 선형 압축기를 이용하여 종래의 극저온 냉동기와 비슷한 성능을 보이면서 전체 크기를 소형화할 수 있는 맥동관 냉동기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 아래의 특징을 갖는다.
본 발명은 내부에 충진된 작동가스를 주기적으로 압축과 팽창을 반복하여 압력파형을 생성하는 양방향 선형 압축기와, 상기 양방향 선형 압축기의 양측에 연결되어 외부 열을 흡수하며, 저온부에서는 작동가스가 팽창하여 작동가스의 온도를 낮추고, 고온부에서는 상온으로 열을 방출함으로써 저온 상태의 열을 고온 상태로 펌핑하는 제 1,2맥동관과, 상기 제 1,2맥동관에 각각 연결되어 왕복 운동하는 작동가스의 질량유동에 인위적인 저항을 주는 제 1,2오리피스와, 상기 제 1,2오리피스에 연결되어 작동가스를 일시저장하는 저장탱크와, 상기 제 1,2맥동관과 양방향 선 형 압축기의 사이에 연결되어 제 1,2맥동관으로 유입되는 작동가스의 온도를 저장되어 있던 냉열을 이용하여 낮추고, 상기 제 1,2맥동관에서 상기 양방향 선형 압축기로 되돌아가는 작동가스의 냉열을 저장하는 제 1,2재생기와, 상기 제 1,2재생기와 상기 양방향 선형 압축기의 사이에 연결되어 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 제 1,2후열교환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 양방향 선형 압축기는, 충진된 작동가스가 유입됨과 동시에 유출될 수 있도록 양측에 유출구가 형성되고, 상기 각 유출구측 내부로 실린더가 형성된 케이스와, 상기 케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시킬 수 있도록 가동자와 고정자로 구성되는 구동모터와, 상기 구동모터의 가동자에 고정되어 상기 각 실린더에 삽입되며, 상기 가동자의 직선 왕복 운동에 따라 작동가스를 주기적으로 압축 팽창시키는 피스톤과, 상기 피스톤의 양측을 지지하도록 결합되어 상기 가동자의 직선운동을 전달받아 탄성에너지로 저장하고 저장된 탄성에너지를 상기 피스톤의 직선 왕복운동으로 유도하면서 공진운동을 유발시키는 탄성부재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
아래에서는 본 발명에 따른 양방향 선형 압축기 및 이를 이용한 맥동관 냉동기의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기를 나타낸 개략도이며, 도 2는 도 1에 도시된 맥동관 냉동기에서 양방향 선형 압축 기의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 양방향 선형 압축기(100)를 중심으로 양측으로 제 1,2후열교환기(200a,200b), 제 1,2재생기(300a,300b), 제 1,2맥동관(400a,400b)과, 제 1,2오리피스(500a,500b) 및 저장탱크(600)가 연통되어 구성된다.
먼저 양방형 선형 압축기(100)는 충진된 작동가스가 유입됨과 동시에 유출될 수 있도록 양측에 유출구(111)가 형성되고, 상기 각 유출구측 내부로 실린더(112)가 형성된 케이스(110)와, 상기 케이스(110)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시킬 수 있도록 가동자(120b)와 고정자(120a)로 구성되는 구동모터와, 상기 구동모터의 가동자(120b)에 고정되어 상기 각 실린더(112)에 삽입되며, 상기 가동자(120b)의 직선 왕복 운동에 따라 작동가스를 주기적으로 압축 팽창시키는 피스톤(130)과, 상기 피스톤(130)의 양측을 지지하도록 결합되어 상기 가동자(120b)의 직선운동을 전달받아 탄성에너지로 저장하고 저장된 탄성에너지를 상기 피스톤(130)의 직선 왕복운동으로 유도하면서 공진운동을 유발시키는 탄성부재(140)로 구성된다.
여기서 상기 피스톤(130)과 실린더(112)의 사이는 작동가스의 누출로 인한 압축기(100)의 성능저하를 줄이기 위해 그 간극이 최소화되어야 하는 것을 자명하다.
아울러 구동모터는 상기 피스톤(130)에 고정되어 있는 영구자석이 가동자(120b)이며, 케이스(110)의 내부에 권선된 고정자(120a)가 전자석코일이다.
또한, 상기 양방형 선형 압축기(100)는 피스톤(130) 양단의 실린더(112)에서 동일한 진폭을 갖고 위상이 반대인 정현파의 압력파형이 생성되도록 대칭 구조를 갖는다.
그리고, 탄성부재(140)는 판형스프링인 것이 바람직하다. 이 때 상기 판형스프링은 축방향으로는 매우 작은 스프링 상수를, 종방향으로는 매우 큰 스프링 상수를 갖도록 제작되어 피스톤(130)의 횡방향 운동은 없고, 축방향 운동만 가능하도록 한다.
아울러 구동수단에 의해 피스톤(130)의 변위가 변함에 따라 각 실린더(112) 내부의 냉매는 체적 변화를 겪기 때문에 작동가스의 압력 파형이 생성되고, 이 때 양단의 압력 파형은 정반대의 위상차를 갖는다.
그리고 제 1,2후열교환기(200a,200b)는 상기 양방향 선형 압축기(100)의 양측에 연결되어 고온 고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 기능을 한다.
아울러 제 1,2재생기(300a,300b)는 제 1,2맥동관(400a,400b)과 제 1,2후열교환기(200a,200b)의 사이에 연결되어 제 1,2맥동관(400a,400b)으로 유입되는 작동가스의 온도를 저장되어 있던 냉열을 이용하여 낮추고, 제 1,2맥동관(400a,400b)에서 상기 양방향 선형 압축기(100)로 되돌아가는 작동가스의 냉열을 저장하는 기능을 한다.
그리고 제 1,2맥동관(400a,400b)은 제 1,2재생기(300a,300b)와 제 1,2오리피 스(500a,500b)의 사이에 연결되는데, 이 때 상기 제 1,2맥동관(400a,400b)은 외부와 열교환을 통하여 저온부(410)에서는 작동가스가 팽창하여 작동가스의 온도를 낮추고, 고온부(420)에서는 상온으로 열을 방출함으로써 저온 상태의 열을 고온 상태로 펌핑하는 기능을 한다.
그리고 상기 제 1,2오리피스(500a,500b)는 제 1,2맥동관(400a,400b)에 연결되어 왕복 운동하는 작동가스의 질량유동에 인위적인 저항을 주는 기능을 하고, 저장탱크(600)는 상기 제 1,2오리피스(500a,500b)에 연결되어 작동가스를 일시저장하는 기능을 한다.
더불어 상기 제 1,2오리피스(500a,500b)와 저장탱크(600)는 맥동관 냉동기에서 압력 파형과 질량유동 파형 사이에 위상차를 형성하는 기능을 한다.
이하에서는 본 발명의 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저 양방향 선형 압축기(100)의 구동모터에 전원이 인가되면, 구동모터의 가동자(120b)와 고정자(120a)에 형성되는 자기장에 의해 생성되는 전자기력에 의해 피스톤(130)이 변위를 유발하여 공진 운동한다. 이 때 케이스(110)의 실린더(112)에서 작동가스를 압축하고 팽창하여 냉매의 압력 파형을 생성한다. 생성된 압력 파형은 압축기(100)의 각 유출구(111)를 통하여 작동가스의 유동을 유발한다.
이 후 유출구(111)에 연결된 제 1후열교환기(200a)측으로 순환하면서 제 1후 열교환기(200a)에 의해 압축열이 제거된 후에 제 1재생기(300a)로 유입된다. 제 1재생기(300a)는 빠른 시간에 작동가스와 열교환하여 작동가스의 열을 저장한다.
그리고 제 1재생기(300a)를 통과하면서 고압의 작동가스는 냉각되어 제 1맥동관(400a)으로 유입된다.
유입된 작동가스는 제 1맥동관(400a) 내부의 작동가스를 제 1오리피스(500a)쪽으로 순차적으로 압축하여 제 1맥동관(400a) 끝단의 고온부(420)에서 외부와 열교환을 통하여 열이 제거된다.
이 후 상기 피스톤(130)의 팽창 파형 생성으로 제 1맥동관(400a)으로 유입되었던 작동가스를 흡입하면서 저온부(410)에서 작동가스가 단열 팽창되어 극저온부가 형성된다.
그리고 단열 팽창되어 온도가 낮아진 작동가스는 저온부(410)에서 열교환을 통하여 냉각일을 한다.
이 때 저온부(410)에서 냉각일을 마친 작동가스는 압축기(100)로 되돌아가는 과정에서 제 1재생기(300a)로부터 저장되어 있던 열을 받아서 처음의 온도를 회복한 후에 압축기(100)의 실린더(112) 내부로 다시 유입된다.
상기 과정에서 제 1오리피스(500a)와 저장탱크(600)는 맥동관 냉동기 내부에서의 압력파형과 질량유동 파형 사이의 위상차를 형성한다.
한편 상기 양방향 선형 압축기(100)의 반대측도 상기와 같은 과정을 거치게 되어 양측이 번갈아 가면서 상기와 같은 작용을 하게된다.
이와 같은 본 발명의 맥동관 냉동기는 양방향 선형 압축기을 이용함으로써, 종래의 선형 압축기에서 바운스 공간으로 인한 전체 크기가 증가했던 것과 달리, 바운스 공간 없이 피스톤 양단을 모두 실린더(압축공간)로 이용하여 압축기의 부피를 줄일 수 있고, 이로 인하여 전체 맥동관 냉동기의 크기를 줄일 수 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 양방향 선형 압축기를 구비한 맥동관 냉동기는 극저온 냉동기에서 사용되는 선형 압축기와 달리 피스톤의 양단을 압축공간(실린더)으로 사용하여 종래의 극저온 냉동기와 비슷한 성능을 보이면서 전체 크기를 소형화할 수 있는 특징이 있다.

Claims (3)

  1. 내부에 충진된 작동가스를 주기적으로 압축과 팽창을 반복하여 압력파형을 생성하는 양방향 선형 압축기(100)와,
    상기 양방향 선형 압축기(100)의 양측에 연결되어 외부 열을 흡수하며, 저온부(410)에서는 작동가스가 팽창하여 작동가스의 온도를 낮추고, 고온부(420)에서는 상온으로 열을 방출함으로써 저온 상태의 열을 고온 상태로 펌핑하는 제 1,2맥동관(400a,400b)과,
    상기 제 1,2맥동관(400a,400b)에 각각 연결되어 왕복 운동하는 작동가스의 질량유동에 인위적인 저항을 주는 제 1,2오리피스(500a,500b)와,
    상기 제 1,2오리피스(500a,500b)에 연결되어 작동가스를 일시저장하는 저장탱크(600)와,
    상기 제 1,2맥동관(400a,400b)과 양방향 선형 압축기(100)의 사이에 연결되어 제 1,2맥동관(400a,400b)으로 유입되는 작동가스의 온도를 저장되어 있던 냉열을 이용하여 낮추고, 상기 제 1,2맥동관(400a,400b)에서 상기 양방향 선형 압축기(100)로 되돌아가는 작동가스의 냉열을 저장하는 제 1,2재생기(300a,300b)와,
    상기 제 1,2재생기(300a,300b)와 상기 양방향 선형 압축기(100)의 사이에 연결되어 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 제 1,2후열교환기(200a,200b)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양방향 선형 압축기(100)는,
    충진된 작동가스가 유입됨과 동시에 유출될 수 있도록 양측에 유출구(111)가 형성되고, 상기 각 유출구측 내부로 실린더(112)가 형성된 케이스(110)와,
    상기 케이스(110)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시킬 수 있도록 가동자(120b)와 고정자(120a)로 구성되는 구동모터와,
    상기 구동모터의 가동자(120b)에 고정되어 상기 각 실린더(112)에 삽입되며, 상기 가동자(120b)의 직선 왕복 운동에 따라 작동가스를 주기적으로 압축 팽창시키는 피스톤(130)과,
    상기 피스톤(130)의 양측을 지지하도록 결합되어 상기 가동자(120b)의 직선운동을 전달받아 탄성에너지로 저장하고 저장된 탄성에너지를 상기 피스톤(130)의 직선 왕복운동으로 유도하면서 공진운동을 유발시키는 탄성부재(140)로 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄성부재(140)는 판형스프링인 것을 특징으로 하는 양방향 선형 압축기를 이용한 맥동관 냉동기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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