KR100633223B1 - 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극저온 냉동기를 유지 보수함에 있어서, 저온부 측으로 침입된 열이 열교환기로 침입되는 것을 방지하기 위해서,
극저온 냉동기에 있어서,
냉동기 본체부 ;
보다 낮은 온도 영역의 액체 냉매가 순환되는 저온부 ;
상기 저온부에서 순환되는 액체 냉매보다 높은 온도 영역의 액체 냉매가 순환되는 열교환기 ;
상기 저온부와 상기 열교환기의 열교환 접촉면 사이에 개재되며, 상측부, 하측부, 만곡부로 이루어져서 내부에 공동부가 형성되어 있으며, 가스가 유입 또는 배출될 수 있는 도관을 갖춘 분리 수단 ;을 포함하며,
상기 가스가 상기 도관을 통해 상기 분리 수단의 공동부에 유입될 때는 상기 분리 수단의 공동부에 상기 가스가 채워져서, 상기 저온부와 열교환기를 이격시키고, 상기 가스가 상기 도관을 통해 상기 분리 수단에서 빠져나갈 때는, 상기 분리 수단의 공동부가 비워지면서 진공을 이루어 분리 수단의 상측부와 하측부가 서로 밀착하여 상기 저온부와 열교환기가 접촉되어 열교환이 이루어지도록 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기를 제공함에 의해,
유지 보수를 위해 극저온 냉동기를 해체 하여 수리하는 동안, 저온부에서 열교환기로의 열침입을 방지할 수 있어서, 상온에서 극저온 냉동기를 유지 보수할 수 있는 효과가 있다.
극저온, 헬륨, 냉매, 질소, 가스, 기체, 유지, 보수, 냉동,

Description

분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기{Cryogenic Refrigerators Having Dividing Means}
도 1a는 본 발명의 일 실시예의 분리 수단에 의해 저온부와 열교환기가 접촉되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예의 분리 수단을 갖추어 저온부와 열교환기가 분리되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예의 분리 수단을 예시한 측단면도이다.
도 1d는 본 발명 일 실시예의 저온부와 유입부를 갖춘 분리 수단의 배치를 예시한 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예의 분리 수단에 의해 저온부와 열교환기가 접촉되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예의 분리 수단을 갖추어 저온부와 열교환기가 분리되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 도면이다.
도 2c는 가스 배출부 및 유입부를 갖춘 분리 수단과, 저온부의 배치를 예시한 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
1 ; 저온부 2 ; 열교환기
3 ; 분리수단 4 ; 도관
5 ; 지지 바아 6a ; 상측부
6b ; 하측부 7 ; 만곡부
8 ; 점착부 10 ; 본체부
본 발명은 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 저온부와 열교환기 사이에 분리 수단을 개재하여, 유지 보수시 분리 수단으로 접촉되어 있던 상기 저온부와 열교환기를 이격 분리시키도록 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기에 관한 것이다.
극저온 환경은 고진공 관련산업, 에너지 관련 산업, 의료 산업, 수송 관련 산업, 식품 관련 산업, 우주 항공 산업, 통신 산업등 여러분야에 필요하며, 이 분야의 기술발전이 이루어지면서 점차 그 활용 범위가 넓어지고 있다.
냉동 기술은 질소, 아르곤, 헬륨등을 액화하여, 적절한 방법으로 이들 액체를 순환, 저장하고 냉동이 필요한 부분에 주기적으로 공급하여 극저온 환경을 달성하는 기술이다. 극저온 냉동기는 예컨데, 온도 영역이 상대적으로 높은 76 - 77 K도인 액체 질소 냉매 밀폐 시스템 영역(이후에는, 열교환기로 명기) 및 온도 영역이 0 K도에 가장 가까운 약 4.2 K 도인 액체 헬륨 냉매 밀폐 시스템 영역(이후에는 저온부로 명기)으로 구분되며, 최근들어서, 이들 2개의 냉매 영역을 병합한 극저온 냉동기가 사용되고 있다. 예시하지 않았지만, 상기 저온부 및 열교환기는 각각의 냉매 유입 및 배출부를 구비하고 있다.
상기와 같은 극저온 냉동기의 구성에 의해, 열은 온도 구배에 따라, 열교환기로부터 저온부로 전달되게 된다. 그러나, 저온부와 열교환기로 구성된 극저온 냉동기의 유지 보수를 위해서는, 본체부에 인접한 저온부 쪽을 해체하게 되는데, 해체 하여 수리하는 동안, 저온부 쪽의 온도가 상승됨으로 인해, 온도 구배가 역전되어, 저온부에서 냉동 목적물에 직접 접촉되어 있는 열교환기로의 열침입이 발생할 수 있다. 이에따라, 상온에서 극저온 냉동기를 유지 보수하는 것이 매우 어렵다.
이에따라, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 극저온 냉동기를 유지 보수함에 있어서, 저온부 측으로 침입된 열이 열교환기로 침입되는 것을 방지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 극저온 냉동기에 있어서,
냉동기 본체부 ;
보다 낮은 온도 영역의 액체 냉매가 순환되는 저온부 ;
상기 저온부에서 순환되는 액체 냉매보다 높은 온도 영역의 액체 냉매가 순환되는 열교환기 ;
상기 저온부와 상기 열교환기의 열교환 접촉면 사이에 개재되며, 상측부, 하 측부, 만곡부로 이루어져서 내부에 공동부가 형성되어 있으며, 가스가 유입 또는 배출될 수 있는 도관을 갖춘 분리 수단 ;을 포함하며,
상기 가스가 상기 도관을 통해 상기 분리 수단의 공동부에 유입될 때는 상기 분리 수단의 공동부에 상기 가스가 채워져서, 상기 저온부와 열교환기를 이격시키고, 상기 가스가 상기 도관을 통해 상기 분리 수단의 공동부에서 빠져나갈 때는, 상기 분리 수단의 공동부가 비워지면서 진공을 이루어 분리 수단의 상측부와 하측부가 서로 밀착하여 상기 저온부와 열교환기가 접촉되어 열교환이 이루어지도록 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기를 제공함에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 분리 수단은 상기 도관에 대응되는 다른 부분에 한개의 도관을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스는 질소 또는 헬륨을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리 수단의 상측부 및 하측부의 내측에 점착제층이 도포 되어 있으며, 상기 점착제층은 인듐으로 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 분리 수단이 알루미늄, 동, 스테인레스 또는 무산소동 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예의 분리 수단에 의해 저온부와 열교환기가 접촉되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 단면도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예의 분리 수단을 갖추어 저온부와 열교환기가 분리되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 단면도이다. 도 1c는 본 발명의 일 실시예의 분리 수단을 예시한 측단면도이다. 도 1d는 본 발명 일 실시예의 저온부와 유입부를 갖춘 분리 수단의 배치를 예시한 평면도이다.
본 발명의 일 실시예의 분리 수단(3)을 갖춘 극저온 냉동기는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 본체부(10), 저온부(1), 열교환기(2), 분리 수단(3), 행거(11), 지지 바아(5), 완충기(15), 보조 지지 바아(16)로 이루어져 있다. 상기 완충기(15)는 스프링을 사용할 수 있다. 상기 본체부(10)에 연결되어 있는 저온부(1) 및 열교환기(2)는 행거(11)에 의해 지지된다. 상기 열교환기(2)는 저온부(1)에 접촉되게 배치되며, 특히, 극저온 냉동기가 단열 팽창과정의 반복 조작을 통해 작동되기 때문에, 진동이 발생되는데, 상기 지지 바아(5)와 완충기(15)가 행거(11)에 결합되어 보조 지지 바아(16)에 의해 열교환기(2)와 연결되어 있어서, 극저온 냉동기에서 발생되는 진동을 완충기(15)가 완충 역할을 하여 진동을 감소시킨다.
본 발명의 저온기(1)와 열교환기(2) 사이에는 도 1c에 도시된 바와 같은, 분리 수단(3)이 개재된다. 상기 분리 수단(3)은 상측부(6a), 하측부(6b), 만곡부(7)로 이루어진 내측에 공동부(20)가 형성된 구조물이다. 상기 분리 수단(3)의 만곡부(7)는 측단면이‘C’자 형태이거나 또는‘>’자 형태를 이루고 있으며, 만곡부(7)와 동일재질로 일체식으로 이루어진 상측부(6a) 및 하측부(6b)의 면이 서로 맞닿을 수 있거나 또는 서로 이격되도록 상기 만곡부(7)를 중심으로 분리 수단(3)의 외형이 변형될 수 있는 구조로 이루어진다. 상기 분리 수단(30)은 바람직하게는, 알루미늄, 동, 스테인레스 또는 무산소동 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 분리 수단(3)에는 도 1c에 도시된 바와 같이, 상측부(6a)의 공동부(20) 내측면 및 하측부(6b)의 공동부(20) 내측부에 점착제층(8)이 형성되어 있으며, 이 점착제층을 이루는 소재로는 바람직하게는 인듐이 사용된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시예의 분리 수단(3)의 상측부(6a)와 하측부(6b)가 서로 맞닿아서, 상기 상측부(6a)에 결합된 저온부(1)와 하측부(6b)에 결합된 열교환기(2)가 서로 접촉되어 열교환이 이루어지게 되는 것을 예시한 것이다.
한편, 상기 도 1a, 도 1c, 및 도 1d에 도시된 바와 같이, 분리 수단(3)의 상측부(6a)에 도관(4)이 연결되어 배치된다. 도면에 예시하지는 않았지만, 도관(4)은 외부의 가스 공급부에 연결되어 있다.
상기 분리 수단(3)은 도 1c에 도시된 바와 같이, 이 분리 수단(3)의 축 방향의 단면은 원형으로 이루어질 수 있으며, 형태는 원형에 제한되지는 않으며, 만곡부(7)를 중심으로 상측부(6a) 및 하측부(6b)가 만곡되어, 서로 접촉되거나 이격이 용이한 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
극저온 냉동기를 유지 보수하기 위해서 극저온 냉동기를 해체하여 저온부(1)가 노출되게 될 때에, 본 발명의 분리 수단(3)의 배치에 따라, 열교환기(2)로의 열침입을 방지할 수 있다.
극저온 냉동기가 작동되는 동안에는 도 1a에 도시된 바와 같이 분리 수단(3)의 상측부(6a) 및 하측부(6b)는 서로 맞닿아서 접촉되어 있어서, 상기 상측부(6a) 에 결합된 저온부(1)와 상기 하측부(6b)에 결합된 열교환기(2)는 서로 접촉되어 열교환이 이루어지게 된다.
극저온 냉동기를 보수할 필요가 있을 때에는, 상기 분리 수단(3)의 상측부(6a)의 일측에 형성된 도관(4)을 통해 소정의 가스를 상기 분리 수단(3)의 공동부(20)에 주입한다. 소정의 가스가 상기 분리 수단(3)의 공동부(20)를 채움에 따라 내부가 팽창되면서, 점착층(8) 및 진공상태에 의해 만곡부(7)를 중심으로 상측부(6a) 및 하측부(6b)이 눌려져 있는 상기 분리 수단(3)은 도 1b 및 도 1c와 같은 형태로 외형이 변형되어 상기 분리 수단(3)의 상측부(6a)와 하측부(6b)가 서로 분리 이격된다. 상기 분리 수단(3)의 공동부(20)에 주입되는 가스는 바람직하게는, 질소 또는 헬륨이다.
이에따라, 도 1b에서와 도시된 바와 같이, 상기 상측부(6a)에 결합된 저온부(1)와 상기 하측부(6b)에 결합된 열교환기(2)는 서로 이격되어, 저온부(1)과 열교환기(2)와의 열 전달이 이루어지지 않아서, 해체된 저온부(1)에 침입된 열이 열교환기(2)로 침입될 수 없게 된다. 이에따라, 상온에서도 극저온 냉동기의 유지 보수가 가능하게 된다.
상기 극저온 냉동기의 유지 보수가 완료된 후에는, 상기 분리 수단(3)의 공동부(20)내에 있던 가스를 유입 했던 도관(4)을 통해 다시 뽑아내어서, 상기 분리 수단(3)의 공동부(20)를 진공화하며, 이에따라, 분리 수단(3)의 공동부(20)가 축소되려는 힘에 따라, 도 1a에 도시된 바와 같이, 분리 수단(30)은 만곡부(7)를 중심으로 상측부(6a) 및 하측부(6b)가 맞닿게 되며, 이때 상측부(6a) 및 하측부(6b)에 도포되어 있던 점착제층에 의해 상측부(6a)와 하측부(6b)가 점착되어 이들에 각각 결합되어 있던 저온부(1)와 열교환기(2)는 서로 접촉되어 열교환이 이루어지게 된다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예의 분리 수단에 의해 저온부와 열교환기가 접촉되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 단면도이다. 도 2b는 본 발명의 다른 실시예의 분리 수단을 갖추어 저온부와 열교환기가 분리되어 있는 극저온 냉동기를 예시한 도면이다. 그리고, 도 2c는 가스 배출부 및 유입부를 갖춘 분리 수단과, 저온부의 배치를 예시한 평면도이다.
도 2a 및 도 2b의 극저온 냉동기의 경우, 분리 수단(3)의 구조를 제외한 부분은 도 1a의 극저온 냉동기와 동일하다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 분리 수단(3)은 도 1a 의 분리 수단(3)과 달리, 일측의 도관(4)에 대칭되는 부분에 또 하나의 도관(4)이 연결되어 있다.
먼저 도 2a를 이용하여 극저온 냉동기가 작동되는 동안에 저온부와 열교환기가 접촉되어 열교환 하는 방식에 대하여 설명하면 다음과 같다. 일측의 도관(4)을 폐쇄하고 타측의 도관(4)을 통하여 상기 분리 수단(3) 내부의 가스를 배출하게 되면, 도 2a에 도시된 바와 같이 분리 수단(3)의 상측부(6a) 및 하측부(6b)는 서로 맞닿아서 접촉되어 있어서, 상기 상측부(6a)에 결합된 저온부(1)와 상기 하측부(6b)에 결합된 열교환기(2)는 서로 접촉되어 열교환이 이루어지게 된다.
도 2b를 이용하여 극저온 냉동기를 보수할 필요가 있을 때에 저온부(1)와 열교환기(2)를 분리함으로써, 저온부(1)와 열교환기(2) 사이의 열 전달을 차단하는 방식에 대하여 설명하면 다음과 같다. 소정의 가스를 일측의 도관(4)을 통하여 상기 분리 수단(3) 내부로 유입시키고 다시 타측의 도관(4)을 통하여 배출시킴으로써 상기 분리 수단(3)의 공동부(20) 내의 가스 점유 용적을 계속해서 유지시키면 도 2b와 같이 상기 분리 수단(3)의 상측부(6a)와 하측부(6b)가 서로 분리 이격됨으로써 상기 상측부(6a)에 결합된 저온부(1)와 상기 하측부(6b)에 결합된 열교환기(2)는 서로 분리 이격됨으로써 열교환이 차단되게 된다. 이에 따라, 해체된 저온부(1)에 침입된 열이 열교환기(2)로의 침입 없이 상온에서도 극저온 냉동기의 유지 보수가 가능하게 된다.
특히, 도관(4)이 한 개만 설치된 경우에, 유지 보수시, 분리 수단(3)에 가스가 유입되어 있을 경우 하측부(6b)에 결합된 열교환기(2)에 의해 상기 가스가 응축될 수 있으며, 이에따라, 분리 수단(3)의 내측공간내의 가스 점유 용적이 줄어들어서, 상측부(6a) 및 하측부(6b)가 서로 점착되려는 경향이 있을 수 있다. 그러나, 상기 도 2a, 도 2b, 도 2c에 도시된 바와 같이 도관(4)이 2개가 설치된 경우 도관(4)으로 필요에 따라 계속해서 가스를 유입함으로 인해서 분리 수단(3)의 공동부(20)내의 가스 점유 용적을 계속해서 유지할 수 있도록 할 수 있다는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 분리 수단을 극저온 냉동기의 저온부와 열교환기사이에 개재하여, 유지 보수를 위해 극저온 냉동기를 해체 하여 수리하는 동안, 저온부에서 열교환기로의 열침입을 방지할 수 있어서, 상온에서 극저온 냉동기를 유지 보수할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 편의상 첨부된 예시도면에 의거 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 여러가지 변형 및 수정이 가능함은 자명한 사실이다.

Claims (6)

  1. 극저온 냉동기에 있어서,
    냉동기 본체부 ;
    보다 낮은 온도 영역의 액체 냉매가 순환되는 저온부 ;
    상기 저온부에서 순환되는 액체 냉매보다 높은 온도 영역의 액체 냉매가 순환되는 열교환기 ;
    상기 저온부와 상기 열교환기의 열교환 접촉면 사이에 개재되며, 상측부, 하측부, 만곡부로 이루어져서 내부에 공동부가 형성되어 있으며, 가스가 유입 또는 배출될 수 있는 도관을 갖춘 분리 수단 ;을 포함하며,
    상기 가스가 상기 도관을 통해 상기 분리 수단의 공동부에 유입될 때는 상기 분리 수단의 공동부에 상기 가스가 채워져서, 상기 저온부와 열교환기를 이격시키고, 상기 가스가 상기 도관을 통해 상기 분리 수단의 공동부에서 빠져나갈 때는, 상기 분리 수단의 공동부가 비워지면서 진공을 이루어 분리 수단의 상측부와 하측부가 서로 밀착하여 상기 저온부와 열교환기가 접촉되어 열교환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스가 질소 또는 헬륨인 것을 특징으로 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동부가 형성되어 있는 상기 분리 수단의 상측부 및 하측부의 내측에 점착제층이 도포 되어 있는 것을 특징으로 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 점착제층이 인듐으로 이루어진 것을 특징으로 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 수단이 상기 도관에 대응되는 다른 부분에 또 다른 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 수단이 알루미늄, 동, 스테인레스 또는 무산소동 중 어느 하나로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 분리 수단을 갖춘 극저온 냉동기.
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