KR101175938B1 - 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기 - Google Patents

부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 부하 변동에 따라 가변압축하여 냉각 동작하는 가변압축 극저온 냉동기에 있어서, 가스가 내부에 채워지는 실린더(110); 상기 실린더(110)의 내주면에서 직선으로 왕복이동하며 상기 가스를 압축 또는 팽창시키는 피스톤(120); 상기 피스톤(120)에 일측이 고정장착되어 상기 피스톤(120)과 함께 이동하며, 타측에는 외주면을 따라 제1나사산(131)이 형성된 커넥팅로드(130); 상기 커넥팅로드(130)가 연장 형성된 방향에 대향하는 위치에 배치되며, 제어신호에 따라 모터축(141)을 상기 커넥팅로드(130) 방향으로 직선 왕복이동시키는 선형모터(140); 및 양측이 개구된 원통형상으로 형성되어 개구된 일측으로는 상기 모터축(141)의 단부가 지지되면서 삽입되고 개구된 타측으로는 상기 커넥팅로드(130)의 타측이 삽입되며, 내주면에는 상기 커넥팅로드(130)의 제1나사산(131)과 치합되는 제2나사산(151)이 형성되어 회전하면서 상기 모터축(141)과 커넥팅로드(130) 사이의 간격(D)을 조절하는 슬리브(150);를 포함하는 극저온 냉동기(100)를 개시한다.

Description

부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기{Cryocooler With Variable Compression Depending On Variations In Load}
본 발명은 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하 변동 및 설정된 온도제어 정보에 따라 능동적으로 가변압축하여 냉각 동작하는 가변압축 극저온 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 우주용으로 사용되는 극저온 냉동기는 우주공간에서 장시간 사용되어야 하므로, 동력 소모를 최소화하여야 한다. 상기 극저온 냉동기의 작동 초기에는 큰 냉각능력이 요구되나, 점차 시간이 지나면서 냉각부의 온도가 저하되면서 어느 정도 요구되는 온도와 냉각능력에 도달하면, 그 상태를 유지하기 위한 요구 냉각능력이 감소하게 되는데 이때 일정한 냉각을 계속하게 되면 불필요한 동력을 소모하게 된다.
따라서, 부하변동에 따라 요구 냉각량이 달라지는 상황에서 일정한 상태에 도달하면 점차 냉각능력을 줄여 불용한 동력을 감소시켜 효율을 향상시키고 극저온 냉동기의 수명시간을 확보하는 것이 중요하다.
이러한 극저온 냉동기의 냉각능력을 가변화하기 위해서는 압축기의 구동주기를 조정하거나, 피스톤의 변위를 변경에 따라 압축압력을 조절하여 냉각능력을 조정하거나, 관성관의 길이를 가변적으로 하여 필요한 길이를 조정하여 적용하게 되면 불필요한 동력을 줄여 효율을 향상시킬 수 있고, 한 시스템으로 다양한 냉각능력을 커버하여 활용도를 높일 수 있게 된다.
그러나, 상기 압축기를 구동하기 위한 선형모터에서 모터의 작동주기를 가변으로 압축주기를 변경하거나 피스톤의 변위를 조절하면, 작동유량과 압축압력의 변화로 냉각능력이 변하지만 이러한 변경은 맥동관이나 관성관의 매칭 문제로 최적점 찾기가 곤란하여 효율이 저하할 수도 있다. 즉, 각 주기에 맞는 크기가 달라져서 대응하기가 어렵게 된다. 또한 관성관의 길이 변경도 다양한 변경은 불가하여 제한적일 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
한국 공개특허공보 제2007-0017104호(2007.02.08), 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리에 대한 장치 및 방법
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 극저온 냉동기의 냉각능력을 부하의 변동과 냉각온도의 변화에 따라 능동적으로 가변압축 제어하여 불필요한 동력 손실을 최소화하고 냉각효율 및 수명시간을 극대화한 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기는, 부하 변동에 따라 가변압축하여 냉각 동작하는 가변압축 극저온 냉동기에 있어서, 가스가 내부에 채워지는 실린더(110); 상기 실린더(110)의 내주면에서 직선으로 왕복이동하며 상기 가스를 압축 또는 팽창시키는 피스톤(120); 상기 피스톤(120)에 일측이 고정장착되어 상기 피스톤(120)과 함께 이동하며, 타측에는 외주면을 따라 제1나사산(131)이 형성된 커넥팅로드(130); 상기 커넥팅로드(130)가 연장 형성된 방향에 대향하는 위치에 배치되며, 제어신호에 따라 모터축(141)을 상기 커넥팅로드(130) 방향으로 직선 왕복이동시키는 선형모터(140); 및 양측이 개구된 원통형상으로 형성되어 개구된 일측으로는 상기 모터축(141)의 단부가 지지되면서 삽입되고 개구된 타측으로는 상기 커넥팅로드(130)의 타측이 삽입되며, 내주면에는 상기 커넥팅로드(130)의 제1나사산(131)과 치합되는 제2나사산(151)이 형성되어 회전하면서 상기 모터축(141)과 커넥팅로드(130) 사이의 간격(D)을 조절하는 슬리브(150);를 포함한다.
여기서, 상기 슬리브(150)의 일측에 근접배치되며, 회전모터축(161)에는 모터축기어(162)가 형성된 회전모터(160);를 더 포함하며, 상기 슬리브(150)의 외주면에는 둘레를 따라 상기 모터축기어(162)와 치합되어 함께 회전하는 슬리브기어(152)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 모터축(141)의 단부에는, 상기 슬리브(150)의 내주면과 접촉되어 지지되면서 상기 슬리브(150)의 내부로 모터축(141)이 일정길이 이상 삽입되는 것을 차단하는 노치(142)가 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 슬리브(150)의 일측 내주면에는, 상기 모터축(141)의 노치(142)가 접촉되며 지지되는 지지턱(153)이 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 노치(142)는, 상기 모터축(141)의 단부 둘레를 따라 고리형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 슬리브(150)의 일측 단부에는 내부에 삽입된 모터축(141)의 노치(142)가 슬리브(150)의 외부로 이탈되는 것을 차단하기 위한 이탈방지턱(154)이 내측으로 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 슬리브(150)의 내주면에서, 상기 제2나사산(151)이 형성된 길이는 상기 피스톤(120)의 행정거리 내에서 정해질 수 있다.
또한, 상기 선형모터(140) 및 회전모터(160)의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부(170);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전모터(160)는, 상기 제어부(170)의 제어신호에 따라 회전방향 및 회전각이 조절되는 스텝모터 또는 서보모터일 수 있다.
한편, 상기 제어부(170)에는, 상기 회전모터(160)의 회전각별로 상기 가스의 압축 또는 팽창에 따른 냉각온도 변화데이터가 별도의 데이터 저장공간에 미리 저장되며, 설정된 온도제어 정보 또는 부하 변동 정보에 따라 대응되는 냉각온도 변화데이터를 상기 데이터 저장공간으로부터 독출하여 상기 회전모터(160)의 회전방향 또는 회전각을 제어하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기에 의하면,
첫째, 극저온 냉동기의 냉각능력을 부하의 변동과 냉각온도의 변화에 따라 능동적으로 가변압축 제어하여 불필요한 동력 손실을 최소화하고 냉각효율 및 수명시간을 극대화할 수 있다.
둘째, 가스의 유량압력 변동에 따른 성능변화만 나타내게 되어 맥동관이나 관성관을 변위에 따라 변경할 필요가 없게 되므로 냉각능력의 가변화에 유리한 효과가 있다.
셋째, Cold End에 필요한 온도에 도달하게 되면 더 이상 추가적인 냉각능력이 불필요하게 되고 현상유지만을 위한 동력을 필요로 하게 되는데, 이를 위해 피스톤의 작동변위(Stroke)를 선형모터의 모터축과 피스톤을 연결하는 커넥팅로드간의 간격(D)를 슬리브를 통해 조정하여 간극체적을 확장하면 압축비가 감소하게 되고 결과적으로 압축압력이 감소하게 되어 선형모터가 보다 적은 동력으로 압축기를 필요한 만큼만 작동하게 함으로써 불필요한 동력손시을 최소화하여 효율을 극대화할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기의 구성을 나타낸 사시도 및 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전모터의 회전에 따라 선형모터의 모터축과 커넥팅로드 간의 간격(D1)이 감소되어 실린더 내부의 간극체적(R1)이 증가하는 동작원리를 나타낸 단면도,
도 4는본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전모터의 회전에 따라 선형모터의 모터축과 커넥팅로드 간의 간격(D2)이 증가되어 실린더 내부의 간극체적(R2)이 감소하는 동작원리를 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기의 각 구성 및 기능을 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부하변동에 따른 가변압축 극저온 냉동기(이하에서는 '극저온 냉동기(100)'이라 함)는 극저온 냉동기의 냉각능력을 부하의 변동과 냉각온도의 변화에 따라 능동적으로 가변압축 제어하여 불필요한 동력 손실을 최소화하고 냉각효율 및 수명시간을 극대화한 부하변동에 따른 극저온 냉동기로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 실린더(110), 피스톤(120), 커넥팅로드(130), 선형모터(140), 슬리브(150), 회전모터(160) 및 제어부(170)를 포함하여 구비된다.
상기 실린더(110)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 냉동기(100)에 의한 냉각동작에 필요한 가스가 압축 또는 팽창되는 공간을 제공하는 구성요소로서, 밀폐된 내부공간에는 상기 가스가 채워지며 상기 내부공간 내에는 상기 피스톤(120)이 배치된다.
상기 피스톤(120)은 실린더(110) 내부에 배치되어 상기 가스를 밀폐된 내부공간 내에서 선택적으로 가압하여 압축 또는 팽창시키는 구성요소로서, 상기 실린더(110)의 내주면에서 직선으로 왕복이동하면서 일측면으로 상기 가스를 압축 또는 팽창시키며, 타측면에는 상기 커넥팅로드(130)가 체결된다.
상기 커넥팅로드(130)는 피스톤(120)의 타측면에 체결되어 상기 선형모터(140)의 직선 왕복이동에 의해 함께 이동하면서 상기 피스톤(120)을 가압하거나 당기면서 피스톤(120)에 의해 상기 가스가 압축 또는 팽착되도록 가압력 및 인력을 전달하는 구성요소로서, 상기 피스톤(120)에 일측이 고정장착되어 피스톤(120)과 함께 직선 왕복이동하며, 타측에는 외주면을 따라 제1나사산(131)이 형성된다.
여기서, 상기 제1나사산(131)은 상기 슬리브(150)의 회전에 의해 커넥팅로드(130)가 선형모터(140)의 모터축(141) 방향으로 당겨지거나 반대 방향으로 밀어지도록 동작하기 위한 기능으로 작용한다.
상기 선형모터(140)는 모터축(141)을 직선 방향으로 왕복이동시키면서 상기 커넥팅로드(130)의 단부를 직접 가압 및 인출하거나 상기 슬리브(150)를 통해 간접적으로 커넥팅로드(130)를 가압 및 인출하는 구성요소로서, 상기 커넥팅로드(130)가 연장 형성된 방향에 대향하는 위치에 배치되며, 제어신호에 따라 모터축(141)을 상기 커넥팅로드(130) 방향으로 직선 왕복시킨다.
여기서, 상기 모터축(141)의 단부에는, 상기 슬리브(150)의 내주면과 접촉되어 지지되면서 상기 슬리브(150)의 내부로 모터축(141)이 일정길이 이상 삽입되는 것을 차단하는 노치(142)가 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노치(142)는 상기 슬리브(150)의 내주면에 의해 지지되는 정도가 증대되도록 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 모터축(141)의 단부 둘레를 따라 고리 형태로 형성될 수 있다. 이로 인해 상기 슬리브(150)의 내부로 모터축(141)이 삽입되는 것을 보다 효율적으로 차단할 수 있다.
상기 슬리브(150)는 커넥팅로드(130)의 타측과 선형모터(140)의 모터축(141)의 단부를 동시에 둘러싸는 형태로 회전가능하게 배치되어 상기 회전모터(160)의 회동력에 의해 회전하면서 상기 커넥팅로드(130)와 모터축(141) 사이의 간격(D)을 선택적으로 조절하는 구성요소로서, 양측이 개구된 원통형상으로 형성되어 개구된 일측으로는 상기 모터축(141)의 단부가 지지되면서 삽입되고 개구된 타측으로는 상기 커넥팅로드(130)의 타측이 삽입되며, 내주면에는 상기 커넥팅로드(130)의 제1나사산(131)과 치합되는 제2나사산(151)이 형성되어 상기 회전모터(160)에 의한 회전방향에 따라 상기 모터축(141)과 커넥팅로드(130) 사이의 간격(D)을 늘리거나 줄이면서 조절되도록 동작한다.
여기서, 슬리브(150)의 내주면에서 상기 제2나사산(151)이 형성된 길이는 상기 피스톤(120)의 행정거리 내에서 정해지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬리브(150)의 일측 단부에는 내부에 삽입된 모터축(141)의 노치(142)가 슬리브(150)의 외부로 이탈되는 것을 차단하기 위한 이탈방지턱(154)이 내측으로 돌출 형성될 수 있다. 따라서, 상기 선형모터(140)에 의해 모터축(141)이 선형모터(140) 방향으로 당겨지는 직선이동시에 상기 모터축(141)의 단부에 형성된 노치(142)의 일측면이 상기 이탈방지턱(154)과 접촉되면서 지지되어 모터축(141)이 슬리브(150)의 외부로 이탈되는 것이 방지되는 것이다.
그리고, 상기 슬리브(150)의 일측 내주면에는 상기 모터축(141)의 노치(142)가 접촉되며 지지되는 지지턱(153)이 돌출 형성될 수 있는데, 이로 인해 상기 선형모터(140)에 의해 모터축(141)이 실린더(110) 방향으로 가압되는 직선이동시에 상기 모터축(141)의 단부에 형성된 노치(142)의 타측면이 상기 지지턱(153)과 접촉되면서 지지되어 상기 모터축(141)의 직선이동에 의한 가압력을 커넥팅로드(130)의 타측에 보다 효과적으로 전달할 수 있음은 물론, 상기 지지턱(153)의 후단에 형성된 슬리브(150)의 제2나사산(151)이 상기 모터축(141)의 노치(142)에 의해 가압되면서 변형 및 훼손되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
더불어, 상기 슬리브(150)의 외주면에는 상기 회전모터(160)의 구동력을 전달받아 슬리브(150)가 회전되도록 둘레면을 따라 상기 회전모터(160)의 모터축기어(162)와 치합되어 함게 회전하는 슬리브기어(152)가 형성된다.
상기 회전모터(160)는 슬리브(150)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 구성요소로서, 상기 슬리브(150)의 일측에 근접배치되며, 회전모터축(161)에는 상기 슬리브(150)의 슬리브기어(152)와 치합되며 맞물려 회전하면서 상기 슬리브(150)모터축기어(162)를 구동시키는 모터축기어(162)가 형성된다.
여기서, 상기 회전모터(160)는 제어부(170)의 제어신호에 따라 회전방향 및 회전각이 정밀하게 조절될 수 있는 스텝모터 또는 서보모터인 것이 바람직하다.
상기 제어부(170)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 냉동기(100)의 구동을 중앙제어하는 구성요소로서, 상기 선형모터(140) 및 회전모터(160)와 각각 신호연결된 신호라인을 통해 선형모터(140) 및 회전모터(160)의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 출력한다.
또한, 상기 제어부(170)에는 회전모터(160)의 회전각별로 상기 가스의 압축 또는 팽창에 따른 냉각온도 변화데이터가 별도의 데이터 저장공간에 미리 저장되며, 설정된 온도제어 정보(부하정보 또는 요구 냉각량 정보)에 따라 대응되는 냉각온도 변화데이터를 상기 데이터 저장공간으로부터 독출하여 상기 회전모터(160)의 회전방향 또는 회전각을 제어하기 위한 제어신호를 출력하여, 상기 회전모터(160)의 회전력에 의해 슬리브(150)가 회전하면서 상기 선형모터(140)의 모터축(141)과 커넥팅로드(130) 사이의 간격(D)이 적절하게 조절되도록 제어하며, 상기 간격(D)이 조절된 상태에서 상기 선형모터(140)의 모터축(141)을 커넥팅로드(130) 방향으로 직선이동시켜 상기 간격(D)의 조절에 의한 압축비로 실린더(110) 내부의 가스가 압축되어 요구되는 냉각능력에 부합되도록 냉각제어한다.
다음으로는 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 냉동기(100)의 동작원리를 설명하기로 한다.
먼저, 외부의 온도감지수단에 의해 측정된 냉각부의 현재 온도를 기준으로 요구되는 온도 및 냉각능력에 도달할 경우, 현재 냉각수준을 유지할 수 있도록 설정된 부하정보 또는 요구 냉각량 정보 등의 온도제어 정보에 따라 대응되는 냉각온도 변화데이터를 상기 데이터 저장공간으로부터 독출하여 상기 회전모터(160)의 회전방향 또는 회전각을 제어하기 위한 제어신호를 상기 회전모터(160)와 연결된 신호라인을 통해 출력한다.
상기 신호라인을 통해 제어신호를 전달받은 회전모터(160)는 제어신호에 대응하는 회전방향 및 회전각으로 회전구동하게 되며, 상기 회전모터(160)의 회전구동에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 슬리브(150)의 슬리브기어(152)가 회전모터(160)의 모터축기어(162)와 맞물려 함께 회전하면서 슬리브(150)가 회전동작하게 된다.
상기 슬리브(150)의 제2나사산(151)의 치합되어 맞물린 상태로 체결된 커넥팅로드(130)의 제1나사산(131)이 상기 슬리브(150)의 회전동작에 따라 회전하는 제2나사산(151)의 회전에 의해 안내되면서 모터축(141)의 단부 방향으로 이동하여 상기 모터축(141)의 단부와 슬리브기어(152) 사이의 간격(D1)이 감소하게 된다.
또한, 상기 간격(D1)이 감소함에 따라 상기 피스톤(120)은 커넥팅로드(130)의 인력에 의해 실린더(110)의 내주면에서 직선이동하게 되어 상기 실린더 내부의 간극체적(R1)이 증가하게 된다.
이때, 상기 슬리브(150)의 회전에 의해 간격(D1)이 감소하면서 상기 모터축(141)의 단부는 상기 커넥팅로드(130)의 단부와 접촉되면서 상기 모터축(141)의 가압력 및 인력이 직접 전달될 수 있으며, 모터축(141)과 커넥팅로드(130)가 상호 이격되어 상호간의 간격(D)이 존재할 경우 상기 모터축(141)은 단부에 형성된 노치(142)에 의해 상기 슬리브(150)의 지지턱(153)이 지지되어 가압되면서 슬리브(150)를 통해 모터축(141)의 가압력 및 인력을 커넥팅로드(130)로 간접적으로 전달되도록 동작할 수도 있다.
이와 같이, 상기 간격(D1)가 조절된 상태에서 상기 제어부(170)는 선형모터(140)와 신호연결된 신호라인을 따라 선형모터(140)를 구동시키기 위한 제어신호를 출력하며, 상기 신호라인을 통해 제어신호를 전달받은 선형모터(140)는 모터축(141)을 직선이동시켜 상기 커넥팅로드(130)를 가압하면서 증간된 간극체적(R1)에 따른 압축비로 상기 실린더(110)의 내부의 가스를 압축하도록 동작한다.
상기 피스톤(120)이 가스를 압축하면 가스의 온도는 상승하여 후냉각기(Aftercooler)에서 주위로 열을 방출하면서 온도를 하강시킨다. 증가된 시스템 내의 압력은 상대적으로 가스 저장조(Gas Reservoir)의 압력보다 높아 가스는 시스템의 끝에 있는 가스 저장조로 이동하게 된다. 또한, 가스가 재생기를 지나면서 재생기의 메트릭스(Matrix)는 가스로부터 열을 흡수하고 맥동관의 저온부로 들어가기 전에 예냉한다. 그리고, 맥동관 부위에서 작동가스의 압력이 증가함에 따라 가스의 온도도 상승하며, 상기 가스가 고온열교환기를 지나 가스 저장조로 유이되면서 추가적인 열이 주위로 방출된다.
한편, 외부의 온도감지수단에 의해 측정된 냉각부의 현재 온도를 기준으로 요구되는 온도 및 냉각능력에 미달될 경우, 현재 냉각수준보다 보다 낮은 온도로 냉각할 수 있도록 설정된 부하정보 또는 요구 냉각량 정보 등의 온도제어 정보에 따라 대응되는 냉각온도 변화데이터를 상기 데이터 저장공간으로부터 독출하여 상기 회전모터(160)의 회전방향 또는 회전각을 제어하기 위한 제어신호를 상기 회전모터(160)와 연결된 신호라인을 통해 출력한다.
상기 신호라인을 통해 제어신호를 전달받은 회전모터(160)는 제어신호에 대응하는 회전방향 및 회전각으로 회전구동하게 되며, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전모터(160)의 회전구동에 따라 슬리브(150)의 슬리브기어(152)가 회전모터(160)의 모터축기어(162)와 맞물려 함께 회전하면서 슬리브(150)가 회전동작하게 된다.
상기 슬리브(150)의 제2나사산(151)의 치합되어 맞물린 상태로 체결된 커넥팅로드(130)의 제1나사산(131)이 상기 슬리브(150)의 회전동작에 따라 회전하는 제2나사산(151)의 회전에 의해 안내되면서 실린더(110) 방향으로 이동하여 상기 모터축(141)의 단부와 슬리브기어(152) 사이의 간격(D2)이 증가하게 된다.
또한, 상기 간격(D2)이 증가함에 따라 상기 피스톤(120)은 커넥팅로드(130)의 가압력에 의해 실린더(110)의 내주면에서 직선이동하게 되어 상기 실린더 내부의 간극체적(R2)이 감소하게 된다.
이와 같이, 상기 간격(D2)이 조절된 상태에서 상기 제어부(170)는 선형모터(140)와 신호연결된 신호라인을 따라 선형모터(140)를 구동시키기 위한 제어신호를 출력하며, 상기 신호라인을 통해 제어신호를 전달받은 선형모터(140)는 모터축(141)을 직선이동시켜 상기 커넥팅로드(130)를 가압하면서 감소된 간극체적(R2)에 따른 압축비로 상기 실린더(110)의 내부의 가스를 압축하도록 동작한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 극저온 냉동기(100)의 각 구성 및 기능에 의해, 극저온 냉동기(100)의 냉각능력을 부하의 변동과 냉각온도의 변화에 따라 능동적으로 가변압축 제어하여 불필요한 동력 손실을 최소화하고 냉각효율 및 수명시간을 극대화할 수 있다.
또한, 가스의 유량압력 변동에 따른 성능변화만 나타내게 되어 맥동관이나 관성관을 변위에 따라 변경할 필요가 없게 되므로 냉각능력의 가변화에 유리함과 동시에 , Cold End에 필요한 온도에 도달하게 되면 더 이상 추가적인 냉각능력이 불필요하게 되고 현상유지만을 위한 동력을 필요로 하게 되는데, 이를 위해 피스톤(120)의 작동변위(Stroke)를 선형모터(140)의 모터축(141)과 피스톤(120)을 연결하는 커넥팅로드(130)의 간격(D)를 슬리브(150)를 통해 조정하여 간극체적(R)을 확장하면 압축비가 감소하게 되고 결과적으로 압축압력이 감소하게 되어 선형모터(140)가 보다 적은 동력으로 압축기를 필요한 만큼만 작동하게 함으로써 불필요한 동력손실을 최소화하여 효율을 극대화할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100...극저온 냉동기 110...실린더
120...피스톤 130...커넥팅로드
140...선형모터 150...슬리브
160...회전모터 170...제어부

Claims (10)

  1. 부하 변동에 따라 가변압축하여 냉각 동작하는 가변압축 극저온 냉동기에 있어서,
    가스가 내부에 채워지는 실린더(110);
    상기 실린더(110)의 내주면에서 직선으로 왕복이동하며 상기 가스를 압축 또는 팽창시키는 피스톤(120);
    상기 피스톤(120)에 일측이 고정장착되어 상기 피스톤(120)과 함께 이동하며, 타측에는 외주면을 따라 제1나사산(131)이 형성된 커넥팅로드(130);
    상기 커넥팅로드(130)가 연장 형성된 방향에 대향하는 위치에 배치되며, 제어신호에 따라 모터축(141)을 상기 커넥팅로드(130) 방향으로 직선 왕복이동시키는 선형모터(140); 및
    양측이 개구된 원통형상으로 형성되어 개구된 일측으로는 상기 모터축(141)의 단부가 지지되면서 삽입되고 개구된 타측으로는 상기 커넥팅로드(130)의 타측이 삽입되며, 내주면에는 상기 커넥팅로드(130)의 제1나사산(131)과 치합되는 제2나사산(151)이 형성되어 회전하면서 상기 모터축(141)과 커넥팅로드(130) 사이의 간격(D)을 조절하는 슬리브(150);를 포함하는 가변압축 극저온 냉동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 슬리브(150)의 일측에 근접배치되며, 회전모터축(161)에는 모터축기어(162)가 형성된 회전모터(160);를 더 포함하며,
    상기 슬리브(150)의 외주면에는 둘레를 따라 상기 모터축기어(162)와 치합되어 함께 회전하는 슬리브기어(152)가 형성되는 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모터축(141)의 단부에는, 상기 슬리브(150)의 내주면과 접촉되어 지지되면서 상기 슬리브(150)의 내부로 모터축(141)이 일정길이 이상 삽입되는 것을 차단하는 노치(142)가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 슬리브(150)의 일측 내주면에는, 상기 모터축(141)의 노치(142)가 접촉되며 지지되는 지지턱(153)이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 노치(142)는, 상기 모터축(141)의 단부 둘레를 따라 고리형태로 형성된 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 슬리브(150)의 일측 단부에는 내부에 삽입된 모터축(141)의 노치(142)가 슬리브(150)의 외부로 이탈되는 것을 차단하기 위한 이탈방지턱(154)이 내측으로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 슬리브(150)의 내주면에서, 상기 제2나사산(151)이 형성된 길이는 상기 피스톤(120)의 행정거리 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 선형모터(140) 및 회전모터(160)의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 제어부(170);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 회전모터(160)는,
    상기 제어부(170)의 제어신호에 따라 회전방향 및 회전각이 조절되는 스텝모터 또는 서보모터인 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부(170)에는,
    상기 회전모터(160)의 회전각별로 상기 가스의 압축 또는 팽창에 따른 냉각온도 변화데이터가 별도의 데이터 저장공간에 미리 저장되며, 설정된 온도제어 정보 또는 부하 변동 정보에 따라 대응되는 냉각온도 변화데이터를 상기 데이터 저장공간으로부터 독출하여 상기 회전모터(160)의 회전방향 또는 회전각을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 가변압축 극저온 냉동기.
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