KR101041839B1 - 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기는 작동가스가 압축 또는 팽창됨으로써 맥동관의 저온부 온도를 낮추는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 있어서, 상기 맥동관으로부터 배출되는 상기 작동가스를 임시 저장하는 저장부; 상기 맥동관의 단부와 상기 저장부의 단부를 상호 연결하여 상기 작동가스가 통과하는 유로를 형성하되, 상기 작동가스의 유량을 가변적으로 제어하는 유량 조절부; 상기 저온부의 온도를 측정하고, 측정된 온도에서의 상기 저온부의 감온율이 최대가 되도록 상기 유량 조절부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 최저온도에 신속하게 도달할 수 있는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기가 제공된다.

Description

유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기{PULSE TUBE REFRIGERATOR HAVING FLOW CONTROLLER}
본 발명은 맥동관 냉동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최저온도에 신속하게 도달할 수 있는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 전력 소모를 획기적으로 감소시킬 수 있는 고온 초전도체나 적외선 센서의 작동온도는 70 내지 100K 의 극저온이다. 이러한 장치들의 상용화를 위해서는 저렴하고, 소형인 극저온 냉동기의 개발이 필수적이다.
종래의 극저온 냉동기는 스털링 냉동기(Stirling Cryocooler), 맥동관 냉동기 등이 사용되고 있으며, 이러한 극저온 냉동기의 효율 향상을 위한 연구가 계속되고 있다. 이 중 고속 냉동이 가능하고, 장기간의 유지보수가 필요하지 않는 맥동관 냉동기가 최근들어 각광받고 있다.
도 1은 종래의 맥동관 냉동기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 맥동관 냉동기(10)는 실린더(13)와 피스톤(12)으로 구성되는 구동부(11)에 의하여 작동가스를 압축 또는 팽창시킴으로써 맥동압력을 생성시키고, 생성되는 맥동압력을 이용하여 맥동관(14)의 저온부를 냉각하는 형태로 구성된다.
특히, 이러한 맥동관 냉동기(10)에서는 일정한 유량의 작동가스가 맥동관(14)과 저장부(16)의 사이를 유동하면서, 소정의 오리피스(15)를 통과하도록 되어 있는데, 오리피스(15)의 단면적 및 이에 따른 작동가스의 유량은 맥동관 냉동기(10)의 냉동성능, 즉, 최종 도달온도 및 최저온도에 도달하는 시간에 영향을 미치게 된다.
도 5(a)는 종래의 유량 고정형 오리피스를 이용하는 경우의 맥동관 냉동기의 저온부의 온도변화를 그래프로 나타낸 것이다. 즉, 각각이 오리피스를 통과하는 작동가스의 유량을 달리 고정하여 작동시킨 맥동관 냉동기의 온도 변화 그래프를 나타내는 도 5(a)를 참조하면. 각각의 경우에 작동가스의 유량에 따라서 최종 도달온도 및 도달하는 시간이 달라짐을 알 수 있다.
따라서, 종래의 맥동관 냉동기는 작동가스가 고정적인 유량으로 동작되므로 맥동관 냉동기의 성능을 나타내는 두 가지 요소인 극저온의 도달 및 신속한 냉각을 동시에 구현하지 못하여 효율적이지 못하다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최저온도에 신속하게 도달하여 성능을 향상시킬 수 있는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 작동가스가 압축 또는 팽창됨으로써 맥동관의 저온부 온도를 낮추는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 있어서, 상기 맥동관으로부터 배출되는 상기 작동가스를 임시 저장하는 저장부; 상기 맥동관의 단부와 상기 저장부의 단부를 상호 연결하여 상기 작동가스가 통과하는 유로를 형성하되, 상기 작동가스의 유량을 가변적으로 제어하는 유량 조절부; 상기 저온부의 온도를 측정하고, 측정된 온도에서의 상기 저온부의 감온율이 최대가 되도록 상기 유량 조절부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 의해 달성된다.
또한, 상기 유량 조절부는 상기 작동가스가 흐르는 방향으로 관통되게 형성되는 유로부; 상기 유로부를 차단함으로써 상기 작동가스의 유량을 제어하는 차단부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유로부는 복수의 관통구를 포함하고, 상기 차단부는 상기 복수의 관통구 중 일부를 차단함으로써 상기 작동가스의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 차단부는 전자기력, 유압, 공압 중 어느 하나에 의한 구동력을 제공받음으로써 상기 관통구를 차단할 수 있다.
또한, 상기 차단부는 상기 작동가스의 이동방향의 수직면 상에서 이동하여 상기 유로부를 개폐식으로 차단함으로써, 상기 작동가스의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 맥동관의 온도를 감지하여 상기 차단부를 작동시킴으로써 상기 작동가스의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 맥동관으로부터 저장부를 통과하는 작동가스의 유량을 온도 구간별로 조절함으로써 최저온도에 신속하게 도달할 수 있는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기가 제공된다.
또한, 작동가스가 복수의 관통구를 통과하도록 하고, 관통구 중 일부를 차단함으로써 작동가스의 유량을 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 종래의 맥동관 냉동기를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기의 개략도이고,
도 3은 도 2의 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기의 유량 조절부의 사시도이고,
도 4는 도 3의 유량 조절부의 IV - IV' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이고,
도 5(a)는 종래의 유량 고정형 오리피스를 이용하는 경우의 맥동관 냉동기의 저온부의 온도변화를 그래프로 나타낸 것이고, 도 5(b)는 도 1의 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 의한 시간에 따른 맥동관 저온부의 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 제2실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기의 유량 조절부의 단면도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기(100)는 변위 발생부(110)와 재생기(130)와 맥동관(140)과 유량 조절부(150)와 저장부(160)와 제어부(170)를 포함한다.
상기 변위 발생부(110)는 작동가스를 압축 또는 팽창시킴으로써 맥동압력을 생성하기 위한 부재로서, 실린더(111)와 실린더(111)의 내부에 왕복 병진 운동 가능하도록 배치되는 피스톤(112)과 피스톤(112)이 왕복 이동할 수 있도록 구동력을 인가하는 임의의 구동부(미도시)를 포함한다.
상기 열교환부(120)는 작동가스가 토출되는 변위 발생부(110)의 단부에 구비되어 작동가스의 압축열을 제거하는 부재이다.
상기 재생기(130)는 변위 발생부(110)의 단부와 연결되어, 변위 발생부(110)에 의하여 압축 또는 팽창되는 작동가스를 수용하며, 변위 발생부(110)의 작동가스 압축시에는 고온의 작동가스로부터 현열을 흡수, 저장하고, 변위 발생부(110)의 팽창시에는 저장되어있던 현열을 작동가스에 제공함으로써 작동가스를 재생시키는 역할을 한다.
상기 맥동관(140)은 작동가스가 팽창할 때 저온부에서 외기의 열을 흡수함으로써 외기의 온도를 낮추는 냉동일을 수행하고, 작동가스가 압축될 때는 고온부(142)에서 열을 방출함으로써 상대적으로 고온인 작동가스의 온도를 낮춘다.
도 3은 도 2의 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기의 유량 조절부의 사시도이고, 도 4는 도 3의 유량 조절부의 IV - IV' 선을 따라 절단한 단면을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 유량 조절부(150)는 맥동관(140)과 후술하는 저장부(160)를 상호 연결하여 통과하는 작동가스에 대한 저항체로서의 기능을 수행하는 것으로서 통과하는 작동가스의 유량을 조절하여 맥동압력과 작동가스의 유동과의 위상차를 발생시키며, 작동가스가 최적의 유량으로 통과하도록 유량을 제어한다. 상기 유량 조절부(150) 케이스(151)와 작동가스가 이동하는 유로부(154)와 유로부(154)의 일부를 차단하는 차단부(156)를 포함한다.
상기 케이스(151)는 유량 조절부(150)의 외관을 형성하는 부재로서 속이 빈 원통의 실린더 형상을 가지며, 작동가스가 유입되는 유입구(152)와 토출되는 토출구(153)가 양단에 형성된다.
상기 유로부(154)는 케이스(151)의 내부에 밀착 수용되며, 원형의 중심판 상에, 작동가스가 이동하는 방향으로 관통되는 다수의 관통구(155)로 구성된다. 관통구(155)의 갯수는 작동가스의 최대 유량에 대응되게 결정되며, 관통구(155)의 단면의 형상은 소정 직경을 가지는 원 형태인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 차단부(156)는 관통구(155)의 내부로 작동가스가 통과하지 못하도록 각 관통구(155)의 내부에 밀착 삽입되는, 관통구(155)와 동일한 수로 구성되며, 각각의 차단부(156)는 관통구(155)의 내경에 대응되는 크기의 직경으로 단부쪽으로 갈수록 직경이 작아지는 핀 형태로 마련됨으로써, 관통구(155)에 용이하게 삽입되어 차단될 수 있도록 한다.
따라서, 정해진 작동가스의 유량에 따라서 핀 형태의 차단부(156)는 차단하고자 하는 관통구(155)의 내부에 삽입되며, 차단되는 관통구(155)의 수를 조절함으로써 통과하는 작동가스의 유량이 제어될 수 있다.
차단부(156)는 모터 등의 기계적인 구동원에 의하여 상기 관통구(155)에 삽입되거나, 코일등에 의하여 유도되는 전자기력 또는 유압, 공압 등의 방법 의하여 구동될 수 있으나, 관통구(155)를 차단하도록 차단부(156)를 작동할 수 있는 것이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 저장부(160)는 유량 조절부(150)를 거치는 작동가스를 임시적으로 저장하는 기능을 한다.
상기 제어부(170)는 맥동관(140) 저온부(141)의 온도를 감지하고, 각 온도 범위에 대응하여 유량 제어부(150)를 통과하는 작동가스의 최적유량을 계산하여, 이러한 최적 유량에 대응하는 작동가스가 유량 제어부(150)를 통과하도록 차단부(156)를 제어하는 기능을 한다.
지금부터는 상술한 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
본 실시예의 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기(100)의 동작은 기본적으로 사이클을 형성하며, 사이클이 반복적으로 수행된다. 이하, 본 실시예의 작동에 대해서는 각 사이클을 압축단계와 팽창단계로 크게 나누어 설명한다.
상기 압축단계는 변위발생기(110)에서 작동가스를 압축하여 재생기로 충진하는 단계이다. 본 실시예에서 작동가스는 헬륨(He)이 사용되나, 이에 제한되는 것은 아니다.
임의의 구동력에 의하여 피스톤(112)이 실린더(111)의 내부에서 직선 이동하고, 실린더(111) 내부의 작동가스를 재생기(130)쪽으로 압축함으로써 작동가스의 유동을 유발한다. 작동가스는 변위 발생기(110)의 단부에 부착된 열교환부(120)에 의하여 압축열이 제거된 채로 재생기(130)로 이동한다.
재생기(130)는 신속한 시간 내에 작동가스와 열교환하고 작동가스의 열을 저장한다. 재생기(130)를 통과하면서 소정의 열을 빼앗긴 고압의 작동가스는 냉각되어 맥동관(140)으로 유입된다. 이때, 유입되는 작동가스에 의하여 맥동관(140)의 압력이 저압에서 고압으로 증가하고, 특히, 맥동관(140)의 작동가스 이동방향의 후단부, 즉 고온부(142) 쪽에 가깝게 수용되는 작동가스가 상대적으로 크게 압축되며, 온도가 상승하므로 고온부(142)에서는 외부와 열교환을 통하여 작동가스의 열을 제거한다.
이러한 압축단계에 있어서, 고온부(142) 쪽의 작동가스 일부는 유량 조절부(150)를 통과하여 저장부(160)에 일시적으로 저장된다. 이때, 제어부(170)는 저온부(141)의 온도를 측정하고, 유량 조절부(150)를 통과하는 작동가스의 적절 유량을 계산하여 차단부(156)를 제어한다. 이러한, 유량 조절부(150)의 작동에 관해서는 후술하겠다.
상기 팽창단계는 변위발생기(110)에서 작동가스를 팽창시키는 단계이다.
상술한 압축과정이 완료되면, 피스톤(112)은 압축단계와의 반대방향으로 직선 이동하면서 작동가스를 팽창시킨다. 피스톤(112)의 직선이동으로 인하여 맥동관내의 작동가스는 단열 팽창하며 변위발생기 측으로 이동한다. 이때, 작동가스는 단열팽창으로 온도가 낮아지며, 온도가 낮아진 작동가스는 저온부(141)에서 외기와의 열교환을 통하여 냉각일을 하며, 냉각일을 마친 작동가스는 재생기(130)에서 저장되어 있던 열을 흡수하여 최초의 온도를 회복하여 변위 발생기(110)로 돌아가게 된다. 이러한 팽창과정에서 저장부(160)에 일시적으로 저장되어 있던 작동가스는 유량 조절부(150)를 통과하여 이동한다.
이때, 압축단계에서와 마찬가지로 제어부(170)는 저온부(141)의 온도를 측정하고, 유량 조절부(150)를 통과하는 작동가스의 적절 유량을 계산하여 차단부(156)를 제어한다.
따라서, 상술한 압축단계와 팽창단계로 구성되는 사이클을 반복적으로 수행하면서 맥동관(140)의 저온부(141) 온도를 극저온으로 낮추게 된다.
한편, 상술한 유량 조절부(150) 및 제어부(170)의 작동을 상세히 설명하면, 제어부(150)는 맥동관(140)의 저온부(141) 온도를 측정하고, 측정된 온도 구간에서 유량 조절부(150)를 통과하게 되는 작동가스의 최적 유량을 계산한다.
제어부(170)는 최적유량에 따라서 압축단계와 팽창단계에서 유량 조절부(150)의 차단부(156) 작동을 제어하며, 각 온도 구간에서의 개방되는 관통구(155)의 개수를 조절하여, 작동가스를 온도 구간에 따른 최적유량으로 조절함으로써, 맥동관(140)의 저온부(141)가 최저온도에 도달하도록 하는 동시에 그 도달시간을 최소화 할 수 있다.
도 5(a)는 종래의 유량 고정형 오리피스를 이용하는 경우의 맥동관 냉동기의 저온부의 온도변화를 그래프로 나타낸 것이고, 도 5(b)는 도 1의 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 의한 시간에 따른 맥동관 저온부의 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5(a)를 참조하면, 각 그래프는 맥동관과 저장부의 사이를 유동하는 작동가스의 유량이 각각 다른 경우에 따른 저온부의 온도변화를 나타내는 그래프인데, 각각의 경우에 단위 시간당 감온율(減溫率) 및 최종 도달온도가 차이난다.
즉, k1 구간에서 감온율이 가장 큰 경우에는 최종 도달온도가 상대적으로 높고, k3구간은 최저온도에 도달하나, k1 구간 및 k2 구간에서 감온율이 가장 높다.
따라서, k1 구간, k2 구간, k3 구간의 각 온도구간에서 감온율이 가장 큰 경우만을 조합하여 유량 조절부(150)에서 작동가스의 유량을 조절한 결과, 도 5(b)와 같은 결과가 나온다.
즉, 유량 고정형의 경우에는 도 5(a)에서와 같이 최저온도에 도달하기 위해서 t1의 시간이 소요되었으나, 본 실시예의 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기를 이용하여 유량을 각 구간별로 조절한 경우에는 도 5(b)에서와 같이 t1 보다 작은 t2의 시간만이 소요된다.
다시 설명하면, 제어부(170)는 각 온도 구간별로 단위 시간당 감온율(減溫率)이 가장 큰 경우의 유량을 계산하여, 이에 대응되는 유량의 작동가스가 통과하도록 개방되는 관통구(155)의 개수를 조절하게 되며, 최종구간에서는 최저 온도에 도달할 수 있도록 개방되는 관통구(155)의 개수를 조절한다.
따라서, 이를 이용하면 동일한 구조, 구성, 사이즈를 가지는 맥동관 냉동기에서 구현할 수 있는 최저온도에 도달하도록 하면서도, 최저 온도까지 도달하는 시간을 최소화 함으로써 냉각성능을 향상시킬 수 있다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기(200)에 대하여 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기(200)는 변위 발생부(110)와 재생(130)기와 맥동관(140)과 유량 조절부(240)와 저장부(160)와 제어부(170)를 포함한다.
다만, 변위 발생부(100)와 재생기(130)와 맥동관(140)과 저장부(160)와 제어부(170)는 제1실시예에서 설명한 바와 동일한 구성을 가지므로 중복설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기의 유량 조절부의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 유량 조절부(250)는 케이스(251)와 유로부(254)와 차단부(255)를 포함한다.
상기 케이스(241)는 전단부와 후단부에 각각 유입구(252)와 유출구(253)을 구비하며, 기본적으로는 제1실시예서와 동일한 형태를 가진다.
상기 유로부(254)는 상기 케이스(251)의 내부에 수용되며, 제1실시예와는 달리 별도의 관통구가 형성되는 것이 아니라, 관통 형성되는 원형의 단면의 통로 내부로 작동가스가 이동하도록 한다.
상기 차단부(255)는 판형으로 형성되어 작동가스의 이동방향과 수직을 이루는 단면상에서 확장 연장되거나 축소되어 상기 유로부(254)의 일면을 개방 또는 차단한다. 따라서, 차단부(255)가 유로부(254) 일면을 개폐함으로써 작동가스의 유량을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 유량 조절부의 형태는 제1실시예 및 제2실시예에서 설명한 구성 이외에도 작동가스의 유량을 조절하는 구성이라면 한정되지 않고 적용될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 제1실시예에 따른 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기
110 : 변위 발생부 154 : 유로부
120 : 재생기 156 : 차단부
130 : 열교환부 160 : 저장부
140 : 맥동관 170 : 제어부
150 : 유량 조절부

Claims (6)

  1. 작동가스가 압축 또는 팽창됨으로써 맥동관의 저온부 온도를 낮추는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기에 있어서,
    상기 맥동관으로부터 배출되는 상기 작동가스를 임시 저장하는 저장부;
    상기 맥동관의 단부와 상기 저장부의 단부를 상호 연결하여 상기 작동가스가 통과하는 유로를 형성하되, 상기 작동가스의 유량을 가변적으로 제어하는 유량 조절부;
    상기 저온부의 온도를 측정하고, 측정된 온도에서의 상기 저온부의 감온율이 최대가 되도록 상기 유량 조절부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유량 조절부는 상기 작동가스가 흐르는 방향으로 관통되게 형성되는 유로부; 상기 유로부를 차단함으로써 상기 작동가스의 유량을 제어하는 차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유로부는 복수의 관통구를 포함하고, 상기 차단부는 상기 복수의 관통구 중 일부를 차단함으로써 상기 작동가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차단부는 전자기력, 유압, 공압 중 어느 하나에 의한 구동력을 제공받음으로써 상기 관통구를 차단하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 차단부는 상기 작동가스의 이동방향의 수직면 상에서 이동하여 상기 유로부를 개폐식으로 차단함으로써, 상기 작동가스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 맥동관의 온도를 감지하여 상기 차단부를 작동시킴으로써 상기 작동가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 유량 조절부를 구비하는 맥동관 냉동기.
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