KR101339371B1 - 압전소자 발전형 맥동관 냉동기 - Google Patents

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Abstract

내부의 진동 에너지를 전기에너지로 재생함으로써, 열역학적 효율을 높이는 것이 가능하도록, 폐쇄된 한쪽 끝단이 관성관으로 연결되고, 개구 부위의 다른 쪽 끝단 외면에 체결플랜지가 구비된 저장소와, 개구 부위의 한쪽 끝단 외면에 상기 저장소의 체결플랜지에 대응하는 접합플랜지가 구비된 추가저장소와, 상기 체결플랜지 및 접합플랜지에 의해 고정, 설치되고, 상기 저장소 및 추가저장소 간의 공간을 분할하는 압전소자를 포함하는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기를 제공한다.

Description

압전소자 발전형 맥동관 냉동기{Electric Power Generation Type Pulse Tube Refrigerator Using Piezoelectric Element}
본 발명은 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 맥동관 냉동기 내부의 진동 에너지를 압전소자로부터 전기에너지로 재생할 수 있도록 하여 에너지 효율을 높이는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 맥동관 냉동기는 도 1에서와 같이 압축기와 재생기, 관 그리고 흡입 및 배기를 위한 밸브로 구성된다.
작동원리는 단순히 밸브의 개폐를 제어함으로써, 소정의 관 속으로 냉매 가스를 충진하거나 관에서 외부로 팽창 및 배출시키는 과정을 통해 저온의 냉매 가스를 생성할 수 있도록 이루어진다.
이외에도 흡입 및 배기를 위한 밸브를 선형 압축기로 대체하여 고주파수 영역에서도 작동가능하게 한 형태도 있다.
맥동관 냉동기의 경우, 냉매 가스 생성을 위한 소정의 사이클이 반복됨에 따라 후속 사이클은 선행 사이클에 비해 냉각부의 온도가 더 낮아지고, 냉동기의 최저 온도는 냉동 부하와 냉동 용량이 균형을 이루는 상태의 온도가 된다.
이와 같은 기술구성 및 작동원리에 따른 맥동관 냉동기는 구조가 간단하고, 작동상의 신뢰성은 물론, 특별히 수명이 우수하고, 가격 경쟁력과 함께 제작이 용이하므로 향후 종래의 여러 가지 극저온 냉동기를 대처할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
그러나, 종래 맥동관 냉동기는 스털링 냉동기에 비해 열역학적 효율이 떨어지는 문제점을 안고 있다. 즉, 압축기로부터 내부에서 전달되는 진동 에너지는 극저온의 냉매 가스를 생성하는데 활용되지만, 맥동관 후단으로 전달된 진동 에너지는 대부분 열로 소멸될 수밖에 없는 기술구성상의 한계를 안고 있다.
이러한 종래 맥동관 냉동기의 기술구성상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 맥동관 후단 부위에서 소멸하는 진동 에너지의 재생을 위한 연구가 다양한 형태로 진행되고 있다.
예를 들면, 맥동관 냉동기의 후단 부위에 소정의 팽창 피스톤(warm expander)를 설치하여 종래에 소멸 되었던 진동에너지를 피스톤의 운동 에너지로 재생시키는 방안을 들 수 있다.
그러나, 이것은 기계적인 움직임을 요구하는 피스톤을 적용함에 따라 종래 맥동관 냉동기의 구조를 복잡하게 만들어 버리는 단점이 있다.
이외에도, 피스톤으로부터 재생된 에너지를 유용하게 사용하기 위해서는 전기 에너지로의 전환을 위한 추가 장치가 더 필요하게 되므로 기술구성이 더 복잡해지게 되고, 이것은 결국 생산성이나 가격 경쟁력을 저해하는 결과를 초래하게 된다.
본 발명은 위와 같은 문제점에 착안하여 이루어진 것으로, 무엇보다도 기술구성이 간편하면서도 사용상 열역학적 효율을 극대화할 수 있는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기를 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 압전소자 발전기를 이용하여 소멸되는 진동에너지를 바로 전기에너지로 전환할 수 있도록 하는 것은 물론, 종래의 생산공정 라인 변동을 최소화하여 공정적용 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기를 제공하기 위한 것이기도 하다.
본 발명이 제안하는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기는 폐쇄된 한쪽 끝단이 관성관으로 연결되고, 개구 부위의 다른 쪽 끝단 외면에 체결플랜지가 구비된 저장소와, 개구 부위의 한쪽 끝단 외면에 상기 저장소의 체결플랜지에 대응하는 접합플랜지가 구비된 추가저장소와, 상기 체결플랜지 및 접합플랜지에 의해 고정, 설치되고, 상기 저장소 및 추가저장소 간의 공간을 분할하는 압전소자를 포함하여 이루어진다.
상기 체결플랜지 및 접합플랜지 간에는 상기 압전소자와 맞닿는 면상에 각각 환형의 씰링재를 더 포함하고, 상기 압전소자는 상기 체결플랜지 및 접합플랜지와 맞닿는 면상에 적어도 하나의 통기공이 더 구비된 형태 등 다양하게 실시할 수 있다.
상기 추가저장소는 외면에 상기 압전소자로부터 연계된 축전을 위한 배터리를 더 포함하는 형태로도 실시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 의하면, 압전소자로부터 상기 저장소 및 추가저장소 간의 압력 차이에 따른 진동에너지를 전기에너지로 전환함으로써, 열역학적 효율을 상승시킨다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 의하면, 별도의 제어밸브를 구비하지 않고, 압전소자 상의 통기공을 통해 저장소와 추가저장소 간의 냉매 가스에 의한 유량 조절이 가능하게 구성되어 생산성 향상은 물론, 제조단가를 절감하는 효과를 얻는다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 의하면, 추가저장소 외면에 축전을 위한 배터리를 구비하여 상기 압전소자에서 생성된 전기에너지를 맥동관 냉동기의 압축기나 콘트롤러(controler), 쿨링 팬(cooling fan) 및 각종 센서 등의 전력으로 활용하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 종래 발명의 실시예에 따른 맥동관 냉동기의 기술구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기를 나타내는 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기를 나타내는 결합 사시도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 대한 기술구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기는 도 2 내지 4에서 도시한 바와 같이, 한쪽이 개구된 소정 용량의 용기 형태인 저장소(10)와 추가저장소(20) 및 진동 에너지를 전기 에너지로 전환, 생성하는 압전소자(30)를 포함하여 이루어진다.
상기 저장소(10)는 위상 조절 장치로써, 폐쇄된 한쪽 끝단이 관성관(1)과 연결, 구성된다. 그리고, 개구 부위인 다른 쪽 끝단 외면에는 소정 폭의 체결플랜지(11)가 구비된다.
상기 추가저장소(20)는 개구 부위인 한쪽 끝단 외면에 상기 저장소(10)의 체결플랜지(11)에 대응하는 접합플랜지(21)가 구비된다.
상기 추가저장소(20)는 상기 저장소(10)와 마찬가지로 소정 깊이의 용기 형태로 구성된다. 즉, 상기 체결플랜지(11)와 접합플랜지(21)가 맞대어진 형태로 결합되어 상기 관성관(1)을 통해 유입되는 냉매 가스가 충진될 수 있는 하나의 완성된 공간을 형성하게 된다.
여기서, 상기 체결플랜지(11)와 접합플랜지(21)는 복수 개의 볼트 및 너트 등으로 체결, 결합하는 형태 등 다양하게 실시할 수 있다.
상기 압전소자(30)는 상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21) 간에 삽입, 고정된다. 상기 압전소자(30)는 상기 저장소(10) 및 추가저장소(20) 간의 공간을 분할하는 일종의 경계단 형태로 구성, 배치된다.
즉, 상기 압전소자(30)는 상기 저장소(10) 및 상기 추가저장소(20) 내부의 압력 변동(ΔP)에 따른 진동에 의해 소정의 전기를 일으킬 수 있도록 구성된다.
이때, 상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21) 간에는 도 2에서처럼 상기 압전소자(30)와 맞닿는 양쪽 면상에 각각 환형의 씰링재(40)를 더 포함하는 형태로 실시하는 것이 좋다.
상기 씰링재(40)는 탄력성이 뛰어난 고무나 연질의 합성수지 등의 소재로 형성된 것을 채택, 적용함으로써, 상기 저장소(10) 및 상기 추가저장소(20)의 압력이 외부 대기로 소실되는 것을 방지하는 기능을 도모한다.
나아가, 상기 압전소자(30)는 도 2나 도 3에서처럼 상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21)와 맞닿는 면상에 적어도 하나의 통기공(31)이 구비된 형태로도 실시가능하다.
이때, 상기 통기공(31)은 상기 저장소(10) 내의 충진 압력이 특정 범위를 초과하는 선에서 상기 추가저장소(20)로 냉매 가스가 충진되는 일종의 경로 역할을 하게 된다.
따라서, 상기 압전소자(30) 상에 상기 통기공(31)을 생략하는 경우에는 도 4에서처럼 상기 추가저장소(20)의 외측 면상에 내부로 소정의 냉매 가스를 충진하기 위한 추가밸브(22)가 별도로 더 구비되어야 하지만, 상기 압전소자(30) 상에 상기 통기공(31)을 형성하는 것만으로 상기 추가저장소(20)의 추가밸브(22)는 생략하는 것이 가능하다.
즉, 상기 통기공(31)은 맥동관 냉동기의 기술구성을 간소화함으로써, 생산성을 높이는 등의 기술적 효과를 얻는다.
여기서, 상기 추가밸브(22)는 추가적으로 분기된 관로 상에 형성된 형태 등 다양하게 실시할 수 있다. 나아가, 상기 추가밸브(22)는 전기전자적으로 제어가능한 밸브 등의 형태로 실시가능하다.
상기 통기공(31)은 상기 저장소(10) 내의 압력 변동(ΔP)에 따라 상기 저장소(10)에서 상기 추가저장소(20)로 전이되는 유량이 추가저장소(20) 내부의 압력변화에 거의 영향을 주지 못하는 정도의 크기 즉, 소정 밀리미터 단위의 크기로 형성하는 것이 좋다.
한 예로, 맥동관 냉동기의 작동 주파수가 약 60㎐라면, 상기 작동 주파수의 반주기 동안 상기 저장소(10)의 압력은 상승하고, 다른 반주기 동안 압력은 하강한다. 상기 저장소(10)의 압력 상승 및 하강에 따라 상기 추가저장소(20)의 내부 압력 변화에 영향을 주지 않는 상기 통기공(31)의 최대 지름을 구할 수 있다.
이것은 주어진 상기 통기공(31)의 크기에 따른 질량 유량 관계식과 작동 주파수 동안 상기 추가저장소(20)의 압력 변화를 일으키지 않는데, 필요한 최소 질량 유량을 통해서 구해진다. 이와 같이 산정되는 상기 통기공(31)의 지름은 약 0.1㎜ 이하로 하는 것이 좋다.
상기 압전소자(30) 상에서 상기 통기공(31)은 상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21)에 의해 맞물리는 면상에 위치하되, 상기 압전소자(30)의 정중앙을 기준으로 상기 씰링재(40)의 위치보다 더 내측에 배치하여 상기 저장소(10)와 상기 추가저장소(20) 간의 유량 조절이 가능하도록 구성한다.
이렇게 함으로써, 초기 충진 압력상태의 상기 저장소(10) 및 추가저장소(20) 간에는 작동 정도에 따라 내부 압력 차이를 가지면서 진동하게 되고, 이러한 진동 에너지는 곧 상기 압전소자(30)에 의해 전기 에너지로 전환되게 된다.
이때, 상기 압전소자(30)는 상기 저장소(10)와 상기 추가저장소(20) 간의 내부 압력 차이에 따라 소정의 변형 범위를 형성하게 된다.
즉, 상기 압전소자(30) 상에 통기공(31)이 형성된 실시 형태의 경우, 상기 추가저장소(20)의 내부 압력은 상기 압전소자(30)의 움직임에 따라 변하되, 결국 추가저장소(20)의 내부 압력이 상기 저장소(10)의 내부 압력과 동일한 상태에서 상기 압전소자(30)의 진폭이 최대가 된다.
이와 같은 상기 압전소자(30)로부터 소정의 진동 에너지가 전기 에너지로 재생함으로써, 본 발명의 실시 예에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기는 열역학적 효율을 높이는 것은 물론, 재생된 전기 에너지는 압축기나 콘트롤러(controler), 쿨링 팬(cooling fan) 및 각종 센서 등 다양한 전력으로 활용가능하게 된다.
이외에도 상기 추가저장소(20)는 외면에 상기 압전소자(30)로부터 연계된 축전을 위한 배터리(50)를 더 포함하는 형태로도 실시가능하다.
상기 배터리(50)는 상기 압전소자(30)에서 재생된 전기 에너지를 모아 필요한 곳으로 적절히 내보는 것을 가능하게 한다.
상기에서는 본 발명에 따른 압전소자 발전형 맥동관 냉동기에 대한 이해를 돕기 위해 구체적인 실시예를 들어 설명하였지만, 이러한 구체적인 실시예로부터 본 발명의 기술사상이 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명으로부터 통상의 지식을 가진 자가 변경 또는 변형 가능한 정도까지 아울러 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
1 : 관성관 10 : 저장소
11 : 체결플랜지 20 : 추가저장소
21 : 접합플랜지 22 : 추가밸브
30 : 압전소자 31 : 통기공
40 : 씰링재 50 : 배터리

Claims (5)

  1. 폐쇄된 한쪽 끝단이 관성관(1)으로 연결되고, 개구 부위인 다른 쪽 끝단 외면에 체결플랜지(11)가 구비된 저장소(10)와;
    개구 부위인 한쪽 끝단 외면에 상기 저장소(10)의 체결플랜지(11)에 대응하는 접합플랜지(21)가 구비된 추가저장소(20); 및
    상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21) 간에 삽입, 고정되어 상기 저장소(10) 및 추가저장소(20) 간의 공간을 분할하는 압전소자(30)를 포함하고,
    상기 압전소자(30)는 상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21)와 맞닿는 면상에 적어도 하나의 통기공(31)이 구비되며, 상기 추가저장소(20)는 외측 면상에 내부로 가스 충진을 위한 추가밸브(22)가 별도로 더 구비되는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 체결플랜지(11) 및 접합플랜지(21) 간에는 상기 압전소자(30)와 맞닿는 면상에 각각 환형의 씰링재(40)를 더 포함하는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 추가저장소(20)는 외면에 상기 압전소자(30)로부터 연계된 축전을 위한 배터리(50)를 더 포함하는 압전소자 발전형 맥동관 냉동기.
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