KR101258820B1 - 맥동관 냉동기용 위상조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 맥동관 냉동기의 저온부에서 작동유체의 압력과 질량 유량 간의 위상차이를 조절하기 위해 종래의 큰 부피의 관성관과 저장소를 사용하는 대신, 기계적인 상사성의 원리를 이용해 간결하고 작은 부피를 가지는 위상 조절장치를 제안하는 것이다. 그로 인해 맥동관 냉동기의 전체크기가 대폭 줄어들어, 극저온 시스템에 대한 맥동관 냉동기의 실용성과 유용성 등을 많이 증가시킬 수 있는 특징이 있다.

Description

맥동관 냉동기용 위상조절장치{Compact phase controller of pulse tube refrigerator}

본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 맥동관 냉동기의 저온부에서 작동유체의 압력과 질량 유량 간의 위상차이를 조절하기 위해 종래의 큰 부피의 관성관과 저장소를 사용하는 대신, 기계적인 상사성의 원리를 이용해 간결하고 작은 부피를 가지는 위상 조절장치를 제안하는 것이다. 그로 인해 맥동관 냉동기의 전체크기가 대폭 줄어들어, 극저온 시스템에 대한 맥동관 냉동기의 실용성과 유용성 등을 많이 증가시킬 수 있는 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 관한 것이다.

맥동관 냉동기는 도 1과 같은 형상으로 극저온의 온도를 달성하기 위하여 활용되고 있다. 맥동관 냉동기(1)의 주요 요소 중, 위상 조절 장치(5)는 작동 유체의 압력과 질량 유량 간의 위상 차이를 조절함으로써, 저온부 열교환기(cold-end heat exchanger,6)에서 극저온을 형성하기 위해 필요한 팽창일(expansion work)을 최대화하고 맥동관 냉동기(1) 내에서 발생하는 주요 손실을 최소화시키는 장치이다.

여기서, 상기 맥동관 냉동기(1)에 설치되는 위상 조절 장치(5)는 도 2와 같이 저장소(reservoir,4)를 기본으로 하나의 구멍 크기를 조절하여 이용하는 오리피스(orifice,A)형과 또 다른 오리피스를 이용하여 후 냉각기로 연결되는 관을 가지는 더블 인넷 타입(double-inlet type,B), 마지막으로 긴 관으로 이루어진 관성관(inertance,C)형이 있다.

이러한 종래의 위상 조절 장치(5)는 각 장,단점이 있는데 그 중에서 가능한 위상 조절 범위가 가장 커서, 팽창일 최대화와 주요 손실의 최소화에 대한 최적점을 더욱 폭 넓은 범위에서 이룰 수 있게 하는 관성형 형이 최근 많이 사용되고 있는 추세이다.

또한, 긴 관과 저장소로 이루어진 관성관 형(C)은 도 3과 같이 RLC 전기회로(Resistor Lnductor Capacitor)로 묘사될 수 있고 이를 이용하여 설계가 된다. 이를 근거로 하여 필요한 관성관의 RLC를 만족시킬 수 있는 GAP을 이용하는 도 4와 같은 방안이 제안되어 긴 관성관을 줄이고자 하였다.

하지만, 이는 저장소(4)를 제외한 관성관 자체의 공간만 줄일 수 있었고 추가적인 전력 공급이 필요한 선형 모터가 사용되었으며 GAP의 교체에 어려움이 있다는 단점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

맥동관 냉동기의 저온부에서 작동유체의 압력과 질량 유량 간의 위상차이를 조절하기 위해 종래의 큰 부피의 관성관과 저장소를 사용하는 대신, 상사성의 원리를 이용하여, 종래의 위상조절장치에 비해 부피가 크게 줄어든 구조를 이용하는 것이다. 본 발명으로 인해 맥동관 냉동기의 전체크기가 대폭 줄어들어, 극저온 시스템에 맥동관 냉동기를 쉽게 적용할 수 있어서, 결국 극저온 시스템의 실용성과 유용성을 많이 향상시킬 수 있는 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 있어서,

상기 맥동관의 끝단부에 구비되는 지지케이스와;

상기 지지케이스의 내부에 구비되면서 맥동관의 끝단부에 형성된 주름관에 연결되어 작동유체의 유동을 발생시키는 질량부와;

상기 질량부의 일단부와 지지케이스 내부에 연결되어 맥동관의 저온부와 고온부서 발생하는 작동유체의 질량 유량과 압력 간의 위상 차이를 조절하는 감쇠기; 및 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치의 기본 형태를 제안한다.

또한, 본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 있어서,

상기 맥동관의 끝단부에 구비되는 지지케이스와;

상기 지지케이스의 내부에 구비되면서 맥동관의 끝단부에 형성된 주름관에 연결되어 작동유체의 유동을 발생시키는 질량부와;

상기 질량부의 일단부에 샤프트에 의해 연결되면서 지지케이스 내부에 설치되어 맥동관의 저온부와 고온부에서 발생하는 작동유체의 질량 유량과 압력 간의 위상 차이를 조절하는 감쇠기; 및 판형 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치의 상세한 형태를 설명한다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 맥동관 냉동기용 위상조절장치는 맥동관 냉동기의 저온부에서 작동유체의 압력과 질량 유량 간의 위상차이를 조절하기 위해 종래의 큰 부피의 관성관과 저장소를 사용하는 대신 기계적인 상사성의 원리를 이용한 구조로써, 종래의 위상조절장치에 비해 간결하여 부피가 크게 줄어들고, 그로 인해 맥동관 냉동기의 전체크기가 대폭 줄어들어 소형화로 극저온 시스템의 맥동과 냉동기에 적용할 수 있으며, 그에 따라 실용성과 유용성 등이 많이 증가되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 맥동관 냉동기의 형상을 나타낸 개략도이고,
도 2는 종래의 다양한 위상 조절 장치를 나타낸 개략도이고,
도 3은 종래의 관성관과 RLC회로를 나타낸 개략도이고,
도 4는 종래의 Gap 조절을 이용한 위상 조절 장치를 나타낸 개략도이고,
도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 RLC 회로와 MKC 회로와의 상사성을 나타낸 개략도이고,
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 위상 조절 장치를 나타낸 개략도이고,
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 위상 조절 장치를 나타낸 개략도이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 있어서,

상기 맥동관의 끝단부에 구비되는 지지케이스와;

상기 지지케이스의 내부에 구비되면서 맥동관의 끝단부에 형성된 주름관에 연결되어 작동유체의 유동을 발생시키는 질량부와;

상기 질량부의 일단부와 지지케이스 내부에 연결되어 맥동관의 저온부와 고온부서 발생하는 작동유체의 질량 유량과 압력 간의 위상 차이를 조절하는 감쇠기; 및 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 있어서,

상기 맥동관의 끝단부에 구비되는 지지케이스와;

상기 지지케이스의 내부에 구비되면서 맥동관의 끝단부에 형성된 주름관에 연결되어 작동유체의 유동을 발생시키는 질량부와;

상기 질량부의 일단부에 샤프트에 의해 연결되면서 지지케이스 내부에 설치되어 맥동관의 저온부와 고온부에서 발생하는 작동유체의 질량 유량과 압력 간의 위상 차이를 조절하는 감쇠기; 및 판형 스프링;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.

도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 RLC 회로와 MKC 회로와의 상사성을 나타낸 개략도이고, 도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 위상 조절 장치를 나타낸 개략도이다.

도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 맥동관 냉동기용 위상조절장치(100)는 맥동관 냉동기(1)에 설치되어 작동 유체의 압력과 질량 유량 간의 위상 차이를 조절함으로써, 저온부 열교환기(cold-end heat exchanger)에서 극저온을 형성하기 위해 필요한 팽창일(expansion work)을 최대화하고 맥동관 냉동기(1) 내에서 발생하는 주요 손실을 최소화시키는 장치이다. 상기 맥동관 냉동기용 위상조절장치(100)는 지지케이스(10)와, 질량부(20)와, 감쇠기(30)와, 스프링(40)과, 주름관(60)으로 구성된다. 이때, 상기 맥동관(2)의 끝단부(위상조절장치(100)가 설치되는 부위)에는 고온부 열교환기(3)가 설치되어 있다.

먼저, 맥동관(pulse tube) 냉동기란, 간략하게 설명하면, 도 1과 같이, 재생 기를 통하여 재생 과정을 거친 작동 유체(헬륨)가 위상조절 장치를 통하여 맥동관 내부에서 질량 유량과 압력 간의 위상이 제어되어 저온을 형성하는 원리로 되어 있다.

또한, 도 5는 전기 시스템과 역학 시스템의 상사성을 근본 개념으로 하여 출발하여 나타낸 것으로, 관성관(Inertance tube)은 RLC 회로로 묘사될 수 있다는 것은 많이 알려진 사실이며, 상사성 원리를 이용하여 설계된 관성관의 RLC 값을 역학적 시스템의 질량(mass,20), 스프링(spring,40), 감쇠기(damper,30), 주름관 (bellows, 60)으로 대체할 수 있다. 이로 인해 큰 부피를 차지하는 관성관 위상조절장치(100)를 작은 부피의 질량(20), 스프링(40), 감쇠기(30)로 이루어진 시스템으로 대체할 수 있고 각 부품의 교체도 쉬워 종래기술들의 단점을 보완할 수 있다.

여기서, 상기 상사성 원리(analogy)란, 간략하게 설명하면, 전기 시스템과 역학 시스템의 지배 방정식이 같은 형태를 보이고 있어, 이를 계산하는 과정이 동일하고 물리적으로 영향력을 미치는 요소가 같다면 상사성을 가지고 있는 두 시스템이 서로를 대체할 수 있다는 원리이다.

상기 지지케이스(10)는 맥동관(2)의 끝단부에 구비되는데, 도 6에서처럼, 맥동관(2)의 끝단부인 고온부 열교환기(3)와 연결되는 주름관(60)에 설치되어 상기 지지케이스(10)는 스프링(40)과, 감쇠기(30)를 지지한다.

상기 질량부(20)는 도 6에 도시한 바와 같이, 지지케이스(10)의 내부에 구비되면서 맥동관(2)의 끝단부인 고온부 열교환기(3)와 연결되는 주름관(60)에 연결되고, 상기 맥동관 냉동기(1)의 작동유체가 내부에 구비된다.

여기서, 상기 질량부(20)의 기능은 작동 유체의 관성을 유지시켜주는 요소로서, RLC 전기 회로의 인덕턴스와 같다.

상기 감쇠기(30)와 스프링 (40)은 도 6에 도시한 바와 같이, 질량부(20)의 일단부와 지지케이스(10) 내부에 연결되어 맥동관(2)의 저온부와 고온부에서 작동 유체의 질량 유량과 압력 간의 위상 차이를 조절하는 주된 장치이다.

이때, 상기 위상(phase, 位相])이란, 작동 유체의 압력 파형과 질량 유량 파형 간의 시간차이를 말한다.

좀 더 상세한 감쇠기(30)와 스프링(40) 기능을 설명하면, 작동 유체의 흐름이 압력의 변화에 정비례하여 나타나지 않고 지연시키게 하는 것으로써, RLC 전기 회로의 저항과 캐패시터와 같다.

도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 위상 조절 장치를 나타낸 개략도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 맥동관 냉동기용 위상조절장치(100)는 맥동관 냉동기(1)에 설치되어 작동 유체의 압력과 질량 유량 간의 위상 차이를 조절함으로써, 저온부 열교환기(cold-end heat exchanger)에서 극저온을 형성하기 위해 필요한 팽창일(expansion work)을 최대화하고 맥동관 냉동기(1) 내에서 발생하는 주요 손실을 최소화시키는 장치이다. 상기 맥동관 냉동기용 위상조절장치(100)는 지지케이스(10)와, 질량부(20)와, 감쇠기(30)와, 판형 스프링(50)과, 주름관(60)으로 구성되는데, 상기 지지케이스(10)와, 질량부(20)와, 감쇠기(30)와, 주름관(60)은 상기의 제 1실시예에서 기술한 것과 동일한 구조, 구성, 기능 및 도번이기에 별도의 기술은 하지 않는다.

다만, 상기 판형 스프링(50)은 도 7에 도시한 바와 같이, 질량부(20)의 일단부에 샤프트(70)에 의해 연결되는 감쇠기(30)에 설치되는데, 더 상세하게는, 상기 판형 스프링(50)은 샤프트(70)에 중앙부가 설치되어 양끝단부가 지지케이스(10)에 고정되고, 상기 샤프트(70)와 수직방향으로 형성되어 기존 도 6의 스프링(40)역할을 하는 동시에 주름관(60)의 휘어짐을 방지하는 장치이다.

10 : 지지케이스 20 : 질량부
30 : 감쇠기 40 : 스프링
50 : 판형 스프링 60 : 주름관
70 : 샤프트 100 : 위상조절장치

Claims (5)

1. 맥동관 냉동기용 위상조절장치(100)에 있어서,
   상기 맥동관(2)의 끝단부에 구비되는 지지케이스(10)와;
   상기 지지케이스(10)의 내부에 구비되면서 맥동관(2)의 끝단부에 연결되어 작동유체의 유동을 발생시키는 질량부(20)와;
   상기 질량부(20)의 일단부와 지지케이스(10) 내부에 연결되어 맥동관(2)의 저온부와 고온부에서 발생하는 작동유체의 압력과 질량 유량 간의 위상 차이를 조절하는 감쇠기(30); 및 스프링(40);
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
   
2. 맥동관 냉동기용 위상조절장치(100)에 있어서,
   상기 맥동관(2)의 끝단부에 구비되는 지지케이스(10)와;
   상기 지지케이스(10)의 내부에 구비되면서 맥동관(2)의 끝단부에 연결되어 작동유체의 유동을 발생시키는 질량부(20)와;
   상기 질량부(20)의 일단부에 샤프트(70)에 의해 연결되면서 지지케이스(10) 내부에 설치되어 맥동관(2)의 저온부와 고온부에서 발생하는 작동 유체의 압력과 질량 유량 간의 위상 차이를 조절하는 감쇠기(30); 및 판형 스프링(50);
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 맥동관(2)과 위상조절장치(100) 사이에는 고온부 열교환기(3)가 구비되고, 상기 고온부 열교환기(3)는 질량부(20)와 연결되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 고온부 열교환기(3)와 질량부(20) 사이에는 신축을 위한 주름관(60)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 판형 스프링(50)은 중앙부가 샤프트(70)에 연결되되, 상기 샤프트(70)와 수직방향으로 형성되어 스프링 역할을 하는 동시에 주름관(60)의 휘어짐을 방지하는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.

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