KR101562887B1

KR101562887B1 - 왕복 유동 장치, 상기 왕복 유동 장치를 이용한 능동형 자기재생식 냉동 시스템 및 왕복 유동 방법

Info

Publication number: KR101562887B1
Application number: KR1020140028465A
Authority: KR
Inventors: 정상권; 박인명
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-10-26
Also published as: KR20150106225A

Abstract

극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 왕복 유동 장치는 활성탄의 흡착 성질을 이용하는데, 활성탄을 이용하여 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부, 그리고 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 사이에 연결되어 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 각각의 냉각 및 가열에 따라 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 간에 상기 작동유체의 왕복 유동 경로를 형성하는 유로관을 포함한다.

Description

왕복 유동 장치, 상기 왕복 유동 장치를 이용한 능동형 자기재생식 냉동 시스템 및 왕복 유동 방법{OSCILLATING FLOW APPARATUS, ACTIVE MAGNETIC REGENERATIVE REFRIGERATOR SYSTEM THE OSCILLATING FLOW APPARATUS AND OSCILLATING FLOW METHOD}

본 발명은 왕복 유동 장치, 상기 왕복 유동 장치를 이용한 능동형 자기재생식 냉동 시스템 및 왕복 유동 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 극저온에서 작동유체의 왕복 운동에 의해 동작하는 능동형 자기재생식 냉동 기술에 관한 내용이다.

극저온(70K 이하)에서 작동유체의 왕복유동(Oscillating flow)을 발생시켜야 할 때가 있다. 예를들면, 극저온에서 작동하는 능동형 자기재생식 냉동기(AMRR, Active magnetic regenerative refrigerator)은 작동유체인 헬륨(He) 가스가 왕복 유동하는 것을 필요로 한다.

일반적으로 상온에서는 피스톤과 같은 디스플레이서(Displacer)를 사용하여 왕복유동을 발생시킨다. 디스플레이서는 축냉식 냉동기의 고온인 압축부와 저온인 팽창부와의 사이에서 냉매를 왕래시킴으로써 냉각하는 역할을 한다.

극저온 환경에서도 이러한 디스플레이서가 적용되기는 하지만 극저온 환경에서는 크리오스태트(Cryostat) 내부의 진공 상태가 필수적인데 피스톤 마찰 부분에서 항상 누설(leak) 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉각 상태에서 기체를 흡착한 후 가열 상태에서 흡착된 기체를 배출하는 활성탄을 이용하여 극저온에서 작동유체의 왕복유동(Oscillating flow)을 발생시키는 왕복 유동 장치, 상기 왕복 유동 장치를 이용한 능동형 자기재생식 냉동 시스템 및 왕복 유동 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 특징에 따르면, 왕복 유동 장치는 극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 장치로서, 활성탄을 이용하여 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부, 그리고 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 사이에 연결되어 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 각각의 냉각 및 가열에 따라 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 간에 상기 작동유체의 왕복 유동 경로를 형성하는 유로관을 포함한다.

상기 작동유체는,

헬륨(He) 가스를 포함할 수 있다.

상기 제1 작동유체 발생부의 하단에 상기 제2 작동유체 발생부가 위치할 수 있다.

상기 제1 작동유체 발생부는,

냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 활성탄 베드, 극저온 냉동기와 연결되어 상기 제1 활성탄 베드를 냉각시키는 휜, 상기 제1 활성탄 베드를 가열시키는 제1 히터, 그리고 상기 제1 활성탄 베드를 내부에 포함하고, 상기 유로관과 연결되어 상기 제1 활성탄 베드가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로 배출하고, 상기 제2 작동유체 발생부가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로부터 흡수하는 제1 보관 용기를 포함하고,

상기 제2 작동유체 발생부는,

냉각 상태에서 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제2 활성탄 베드, 상기 극저온 냉동기와 연결되어 상기 제2 활성탄 베드를 냉각시키는 휜, 상기 제2 활성탄 베드를 가열시키는 제2 히터, 그리고 상기 제2 활성탄 베드를 내부에 포함하고, 상기 유로관과 연결되어 상기 제2 활성탄 베드가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로 배출하고, 상기 제1 작동유체 발생부가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로부터 흡수하는 제2 보관 용기를 포함할 수 있다.

상기 제1 히터는 상기 제1 활성탄 베드를 가열시키거나 가열을 멈추는 동작을 반복하고, 상기 제2 히터는 상기 제2 활성탄 베드를 가열시키거나 가열을 멈추는 동작을 반복하며,

상기 제1 히터가 상기 제1 활성탄 베드를 가열시킬 때, 상기 제2 히터는 가열을 멈추고, 상기 제2 히터가 상기 제2 활성탄 베드를 가열시킬 때, 상기 제1 히터는 가열을 멈출 수 있다.

상기 제1 히터 및 상기 제2 히터는,

상기 제1 활성탄 베드 및 상기 제2 활성탄 베드 각각에 연결된 열선이 전위차에 따른 열을 발생시키며 정해진 주기에 따라 온오프를 반복할 수 있다.

상기 휜은,

구리 재질로 이루어질 수 있다.

상기 제1 보관 용기 및 상기 제2 보관 용기는,

외부와 밀폐될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 능동형 자기재생식 냉동 시스템은 열전달 작동유체가 통과되는 자성 냉매가 내부에 설치되고, 상기 열전달 작동유체의 왕복 운동에 의해 상기 자성 냉매가 자화되거나 또는 탈자화되는 능동형 자기 재생기, 상기 자성 냉매를 자화시키기 위한 자성 물체, 그리고 상기 능동형 자기 재생기의 양단에 연결되고, 상기 열전달 작동유체의 왕복 운동을 발생시키는 왕복 유동 장치를 포함한다.

상기 왕복 유동 장치와 연결된 극저온 냉동기를 더 포함하고,

상기 능동형 자기 재생기는 두 개의 자성 물체 사이에 위치하며,

상기 왕복 유동 장치는,

활성탄을 이용하여 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부, 그리고 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 사이에 연결되어 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 각각의 냉각 및 가열에 따라 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 간에 상기 작동유체의 왕복 유동 경로를 형성하는 유로관을 포함하고,

상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부는

상기 활성탄의 냉각 및 가열을 반복하고, 상기 제1 작동유체 발생부가 상기 활성탄을 냉각시킬 때 상기 제2 작동유체 발생부는 상기 활성탄을 가열시키고, 상기 제2 작동유체 발생부가 상기 활성탄을 냉각시킬 때 상기 제1 작동유체 발생부는 상기 활성탄을 가열시킬 수 있다.

상기 극저온 냉동기, 상기 능동형 자기 재생기, 상기 자성 물체 및 상기 기체 왕복 유동 장치를 내부에 포함하여 상기 내부를 진공 상태로 유지시키는 크라이오스태트를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 왕복 유동 방법은 극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 방법으로서, 제1 작동유체 발생부가 내부에 포함된 활성탄을 이용하여 냉각상태에서 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계, 배출된 작동유체가 유로관을 통하여 상기 유로관과 연결된 제2 작동유체 발생부로 이동하는 단계, 상기 제2 작동유체 발생부가 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계, 그리고 상기 제2 작동유체 발생부가 배출하는 작동유체가 상기 유로관을 통하여 상기 유로관과 연결된 상기 제1 작동유체 발생부로 이동하는 단계를 포함한다.

상기 제1 작동유체 발생부는 외부와 밀폐되고 상기 유로관과 연결된 제1 보관용기의 내부에 제1 활성탄 베드, 제1 히터 및 휜을 포함하고, 상기 제2 작동유체 발생부는 외부와 밀폐되고 상기 유로관과 연결된 제2 보관용기의 내부에 제2 활성탄 베드, 제2 히터 및 휜을 포함하며,

상기 제1 작동유체 발생부가 내부에 포함된 활성탄을 이용하여 냉각상태에서 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계는,

상기 제1 히터를 온시키고, 상기 제2 히터를 오프시키는 단계, 상기 제1 히터에 의해 상기 제1 활성탄 베드가 가열되는 단계, 그리고 상기 제1 활성탄 베드가 상기 흡착된 작동유체를 배출하는 단계를 포함하고,

상기 제2 작동유체 발생부가 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계는,

상기 제1 히터를 오프시키고, 상기 제2 히터를 온시키는 단계, 상기 제2 히터에 의해 상기 제2 활성탄 베드가 가열되는 단계, 그리고 상기 제2 활성탄 베드가 상기 흡착된 작동유체를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 활성탄 베드는 냉각상태에서 작동유체를 흡착하는 단계를 더 포함하고,

상기 제1 활성탄 베드는 냉각상태에서 작동유체를 흡착하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 히터를 온시키고, 상기 제2 히터를 오프시키는 단계 및 상기 제1 히터를 오프시키고, 상기 제2 히터를 온시키는 단계는 반복될 수 있다.

상기 제1 작동유체 발생부의 하단에 상기 제2 작동유체 발생부가 위치하고,

상기 작동유체는,

상기 제1 작동유체 발생부와 상기 제2 작동유체 발생부 사이에서 왕복 운동에 의해 능동형 자기 재생기의 자성 냉매를 자화시키거나 또는 탈자화시키며,

상기 능동형 자기 재생기는 상기 유로관에 연결되며,

상기 능동형 자기 재생기는 상기 자성 냉매를 자화시키기 위한 자성 물체의 사이에 위치할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 열 에너지로만 작동하기 때문에 진동이 없어 진동에 민감한 장비와 함께 사용할 수 있다.

또한, 헬륨 압축기(Helium compressor)가 필요없고 상온에 노출된 장비가 따로 없어 소형화가 가능하다.

또한, 피스톤의 마찰면적으로 인하여 진공상태에서 누설 문제(leak problem)가 발생하는 디스플레이서(Displacer)와는 달리 기계적으로 움직이는 부분이 없어 안정성이 좋다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 자기재생식 냉동(Active magnetic regenerative refrigerator, AMRR) 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 왕복 유동 장치의 세부적인 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 왕복 유동 장치의 왕복 유동 발생을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복 유동 장치의 왕복 유동 발생을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고압에서 활성탄의 흡착 능력을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 저압에서 활성탄의 흡착 능력을 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 왕복 유동 장치, 상기 왕복 유동 장치를 이용한 능동형 자기재생식 냉동 시스템 및 왕복 유동 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 자기재생식 냉동(Active magnetic regenerative refrigerator, AMRR) 시스템을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 능동형 자기재생식 냉동(AMRR) 시스템은 왕복 유동(oscillating flow) 장치(100), 자성 물체(200), 능동형 자기 재생기(Active magnetic regenerator, AMR)(300), 열 경로(thermal path)(400), 극저온 냉동기(Cryocooler)(500) 및 크라이오스태트(Cryostat)(600)를 포함한다.

왕복 유동 장치(100)는 능동형 자기 재생기(AMR)(300)의 양단에 연결되어 극저온(70K 이하)에서 열전달 작동 유체(working fiuid)의 왕복 유동을 발생시킨다. 이때, 작동 유체는 기체 헬륨(He)을 포함할 수 있다.

자성 물체(200)는 능동형 자기 재생기(AMR)(300)의 내부에 포함된 자성 냉매를 자화시키기 위한 것으로서, 초전도 자석(HTS magnet, High-Tc superconducting magnet)일 수 있다. 이때, 자성 물체(200)는 능동형 자기 재생기(AMR)(300)를 감싸며 각각 두개가 설치되어 있다.

능동형 자기 재생기(AMR)(300)는 열전달 작동유체가 통과되는 자성 냉매를 내부에 포함하는 재생기이다. 여기서, 자성 냉매는 고체 자성 냉매 파우더일 수 있다.

이때, 자성 냉매는 열전달 작동유체의 왕복 운동에 의해 자화되거나 또는 탈자화된다. 자성 물체(200)로 자성 냉매가 자화될 때, 작동 유체는 한 방향으로 흘러야 한다. 그리고 탈자화될때에는 자화시킬때와 반대 방향으로 흘러야 한다. 그러면, 능동형 자기 재생기(AMR)(300)는 온도 구배가 발생하면서 고온부와 저온부가 발생한다.

열 경로(400)는 왕복 유동 장치(100) 및 극저온 냉동기(500)와 연결되어 극저온 냉동기(500)에 의해 왕복 유동 장치(100)를 냉각시키기 위한 경로를 제공한다.

극저온 냉동기(500)는 극저온(70K 이하)으로 왕복 유동 장치(100)를 냉각시키는 장치이다.

크라이오스태트(600)는 실험을 할 때 시료를 저온상태로 유지하기 위하여 사용하는 장치를 말하며, 특히, 저온실험을 할 때 시료의 주변환경을 진공 상태로 유지하여 외부의 열침입을 최소화하기 위한 중요한 장치이다. 크라이오스태트(600)는 왕복 유동 장치(100), 자성 물체(200), 능동형 자기 재생기(AMR)(300), 열 경로(400) 및 극저온 냉동기(500)를 내부에 포함하고 외부로부터 밀폐시켜 진공 상태를 유지시킨다.

여기서, 능동형 자기재생식 냉동(AMRR) 시스템을 작동하려면 극저온에서 왕복유동을 시켜야 하는데, 이를 왕복 유동 장치(100)가 구현한다.

이러한 왕복 유동 장치(100)의 구성에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 왕복 유동 장치의 세부적인 구성을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 왕복 유동 장치(100)는 제1 보관 용기(reservoir)(101), 제2 보관 용기(103), 유로관(105), 제1 히터(heater)(107), 제2 히터(109), 제1 활성탄 베드(Charcoal bed)(111), 제2 활성탄 베드(113), 휜(fin)(115)를 포함한다.

여기서, 제1 보관 용기(101)의 내부에는 제1 히터(107), 제1 활성탄 베드(111)를 포함하고, 제2 보관 용기(103)의 내부에는 제2 히터(109), 제2 활성탄 베드(113)를 포함한다. 그리고 제1 활성탄 베드(111) 및 제2 활성탄 베드(113)는 휜(115)과 연결된다.

이때, 제1 보관 용기(101), 제1 히터(107), 제1 활성탄 베드(111) 및 휜(115)은 제1 작동유체 발생부를 구성한다. 그리고 제2 보관 용기(103), 제2 히터(109), 제2 활성탄 베드(113) 및 휜(115)은 제2 작동유체 발생부를 구성한다.

제1 보관 용기(101) 및 제2 보관 용기(103)는 내부에 제1 활성탄 베드(111)및 제2 활성탄 베드(113)가 있고 외부와 밀폐되어 있다. 그리고 유로관(105)을 통해 서로 연결되어 있다. 또한, 제1 보관 용기(101)의 하단에 제2 보관 용기(103)가 위치한다.

여기서, 제1 보관용기(101)는 내부에 포함된 제1 활성탄 베드(111)가 배출하는 작동유체를 유로관(105)으로 배출하고, 제2 보관용기(103)의 제2 활성탄 베드(113)가 배출하는 작동유체를 유로관(105)으로부터 흡수한다.

또한, 제2 보관용기(103)는 내부에 포함된 제2 활성탄 베드(113)가 배출하는 작동유체를 유로관(105)으로 배출하고, 제1 보관용기(101)의 제1 활성탄 베드(111)가 배출하는 작동유체를 유로관(105)으로부터 흡수한다.

유로관(105)은 제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부 간의 작동유체가 왕복유동하기 위한 경로를 형성한다. 여기서, 제1 활성탄 베드(111) 및 제2 활성탄 베드(113)가 냉각 및 가열을 반복함에 따라 작동유체의 흡착율이 변화하여 왕복유동이 발생된다. 이때, 작동유체는 기체 헬륨(He)일 수 있으며, 유로관(105)은 헬륨 가스 라인(Helium gas line)일 수 있다.

또한, 도 1에서 보인 바와 같이, 능동형 자기재생식 냉동(AMRR) 시스템에 적용될 경우, 유로관(105)은 능동형 자기 재생기(300)에 연결되어 있다.

제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부를 구성하는 요소들(101, 103, 107, 109, 111, 113)은 쌍으로 이루어져 작동한다.

제1 히터(107) 및 제2 히터(109)는 휜(115)으로 인해 냉각된 활성탄 베드(111, 113)를 다시 가열시키기 위한 용도로 사용된다.

즉, 제1 히터(107)는 제1 활성탄 베드(111)를 가열시키거나 가열을 멈추는 동작을 반복한다. 그리고 제2 히터(109)는 제2 활성탄 베드(113)를 가열시키거나 가열을 멈추는 동작을 반복한다. 이때, 왕복유동 발생을 위해서 제1 히터(107)가 제1 활성탄 베드(111)를 가열시킬 때, 제2 히터(109)는 가열을 멈춘다. 그리고 제2 히터(109)가 제2 활성탄 베드(113)를 가열시킬 때, 제1 히터(107)는 가열을 멈춘다.

또한, 제1 히터(107) 및 제2 히터(109)는 각각 연결된 열선이 전위차에 따른 열을 발생시키며 정해진 주기에 따라 온오프를 반복한다. 이때, 니크롬선(nichrome wire)과 같은 저항이 큰 열선이 사용될 수 있다. 그리고 직류전원 공급기(DC Power supply)에서 전위차를 주어 열을 발생시킨다.

활성탄 베드(111, 113)가 휜(115)으로 인해 지속적으로 냉각되는 것에 반하여 제1 히터(107) 및 제2 히터(109)는 직류전원 공급기(DC power supply)에 인가되는 전압을 제어하여 일정한 주기로 켜졌다 꺼졌다를 반복함으로써, 활성탄 베드(111, 113)를 가열시켰다 멈췄다를 반복한다.

제1 활성탄 베드(111) 및 제2 활성탄 베드(113)는 냉각 상태에서 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출한다.

제1 활성탄 베드(111) 및 제2 활성탄 베드(113)는 활성탄 가루를 모아둔 것으로써 메쉬(mesh)와 같은 재질로 활성탄 가루가 빠져나가지 못하게 포장되어 있다. 이때, 활성탄 가루는 메쉬 포장을 빠져나갈 수 없지만 공기는 통할 수 있도록 되어 있다.

휜(115)은 도 1에서와 같이 극저온 냉동기(500)와 열 경로(400)를 통해 열적으로 연결되어 있다. 그리고 연결된 제1 활성탄 베드(111) 및 제2 활성탄 베드(113)를 극저온 냉동기(500)를 통해 냉각시킨다.

이러한 휜(115)은 열전도도가 높은 구리(Copper) 재질로 배열된 구리 휜(Copper fins)의 형태일 수 있다.

한편, 극저온 냉동기(400)가 연결된 휜(115)으로 지속적으로 활성탄 베드(111, 113)를 15K 정도까지 냉각시킨다. 이때, 왕복 유동 장치(100)의 작동 방식은 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 왕복 유동 장치의 왕복 유동 발생을 나타내고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 왕복 유동 장치의 왕복 유동 발생을 나타낸다.

먼저, 도 3을 참조하면, 제1 히터(107)가 휜(115) 냉각용량의 두배로 가열되어 제1 활성탄 베드(111)를 가열시킨다. 활성탄은 온도가 낮을수록 헬륨의 흡착능력이 좋은데 가열되면서 흡착되었던 작동유체를 배출한다.

그러면 가열되는 쪽의 보관용기(101)의 압력이 발생하면서 가열되지 않는 쪽의 보관용기(103) 방향(①)으로 유로관(105)을 따라 작동유체가 이동한다.

즉, 제1 작동유체 발생부 -> 제2 작동유체 발생부로의 작동유체의 유동이 발생한다.

다음, 도 4를 참조하면, 도 3에서 가열되었던 제1 히터(107)를 끄고, 반대편 히터인 제2 히터(109)를 휜(115) 냉각용량의 두배로 가열하여 제2 활성탄 베드(113)를 가열시킨다. 그러면 여태까지 제1 히터(107)로 인하여 가열 상태에 있다가 가열이 멈춘 제1 활성탄 베드(111)는 다시 냉각되면서 작동유체를 흡착한다. 그리고 현재 제2 히터(109)에 의해 가열되고 있는 제2 활성탄 베드(113)는 작동유체를 배출한다. 이때, 제2 보관용기(103)의 압력이 더 높아지므로, 도 3과는 반대 방향, 즉 제2 보관용기(103)에서 제1 보관용기(101)를 향하는 방향(②)으로 유로관(105)을 따라 작동유체가 이동한다. 즉, 제2 작동유체 발생부 -> 제1 작동유체 발생부로의 작동유체의 유동이 발생한다.

이와 같이, 왕복 유동 장치(100)는 활성탄(active carbon)이 히터(Heater)로 인해 온도가 올라가면 흡착능력이 떨어지고, 냉동기로 인해 온도가 내려가면 흡착능력이 커지는 원리를 응용하여 작동유체의 왕복유동을 발생시킨다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 방법을 나타낸 순서도이다. 이때, 도 1 내지 도 4의 구성과 연계하여 동일한 도면부호를 사용한다.

도 5를 참조하면, 제1 히터(107)는 온(on)되고 제2 히터(109)는 오프(off)된다(S101). 제1 활성탄 베드(111)는 제1 히터(107)에 의해 가열되면서 냉각 상태에서 흡착해둔 작동유체를 배출한다(S103). 배출된 작동유체는 유로관(105)를 통해 제2 보관용기(103) 방향으로 유동이 발생한다(S105).

그러면, 제2 활성탄 베드(113)는 냉각상태에서 S105 단계에서 유동되는 작동유체를 흡착한다(S107).

이후, 제1 히터(107)는 오프되고, 제2 히터(109)가 온된다(S109). 그러면, 제2 활성탄 베드(113)가 냉각상태에서 흡착해둔 작동유체를 배출한다(S111). 배출된 작동유체는 유로관(105)을 통해 제1 보관용기(101) 방향으로 유동이 발생한다(S113).

그러면, 제1 활성탄 베드(111)는 냉각상태에서 S113 단계에서 유동되는 작동유체를 흡착한다(S115).

이처럼, 제1 보관용기(101) 및 제2 보관용기(103) 간에 유로관(105)을 통해 작동유체의 왕복유동이 발생한다.

한편, 작동유체의 하나의 실시예인 헬륨은 극저온 상태(70K) 이하에서 활성탄(Charcoal)에 흡착되는 성질을 가진다. 그리고 이러한 흡착성질에 의해 압력차가 발생하며, 압력차를 이용하여 왕복유동을 발생시킨다. 도 6 및 도 7은 활성탄의 흡착능력을 설명하기 위한 도면으로서, 헬륨을 실시예로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고압에서 활성탄의 흡착 능력을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 저압에서 활성탄의 흡착 능력을 나타낸 그래프이다. 이때, 도 6 및 도 7은 활성탄의 흡착 능력을 실험적으로 보인 것이다.

여기서, Y축은 활성탄 질량당 흡착할 수 있는 기체 헬륨의 질량을 나타낸 것이다. 예를들어, 10g의 활성탄이 있는데 특정 온도와 압력에서 Y축의 값(C 또는 Charge)이 0.1이라면 1g의 기체헬륨을 흡착할 수 있다는 것을 나타낸다.

도 6 및 도 7의 그래프를 통하여 활성탄이 극저온(70K 이하)에서 기체 헬륨을 흡착할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 이와 같은 극저온에서 활성탄의 흡착 능력을 이용하여 작동유체의 왕복유동(Oscillating flow)을 발생시킨다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.

또한, 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 장치로서,
활성탄을 이용하여 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부, 그리고
상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 사이에 연결되어 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 각각의 냉각 및 가열에 따라 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 간에 상기 작동유체의 왕복 유동 경로를 형성하는 유로관
를 포함하는 왕복 유동 장치.
제1항에 있어서,
상기 작동유체는,
헬륨(He) 가스를 포함하는 왕복 유동 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 작동유체 발생부의 하단에 상기 제2 작동유체 발생부가 위치하는 왕복 유동 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 작동유체 발생부는,
냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 활성탄 베드,
극저온 냉동기와 연결되어 상기 제1 활성탄 베드를 냉각시키는 휜,
상기 제1 활성탄 베드를 가열시키는 제1 히터, 그리고
상기 제1 활성탄 베드를 내부에 포함하고, 상기 유로관과 연결되어 상기 제1 활성탄 베드가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로 배출하고, 상기 제2 작동유체 발생부가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로부터 흡수하는 제1 보관 용기를 포함하고,
상기 제2 작동유체 발생부는,
냉각 상태에서 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제2 활성탄 베드,
상기 극저온 냉동기와 연결되어 상기 제2 활성탄 베드를 냉각시키는 휜,
상기 제2 활성탄 베드를 가열시키는 제2 히터, 그리고
상기 제2 활성탄 베드를 내부에 포함하고, 상기 유로관과 연결되어 상기 제2 활성탄 베드가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로 배출하고, 상기 제1 작동유체 발생부가 배출하는 작동유체를 상기 유로관으로부터 흡수하는 제2 보관 용기
를 포함하는 왕복 유동 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 히터는 상기 제1 활성탄 베드를 가열시키거나 가열을 멈추는 동작을 반복하고, 상기 제2 히터는 상기 제2 활성탄 베드를 가열시키거나 가열을 멈추는 동작을 반복하며,
상기 제1 히터가 상기 제1 활성탄 베드를 가열시킬 때, 상기 제2 히터는 가열을 멈추고, 상기 제2 히터가 상기 제2 활성탄 베드를 가열시킬 때, 상기 제1 히터는 가열을 멈추는 왕복 유동 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 히터 및 상기 제2 히터는,
상기 제1 활성탄 베드 및 상기 제2 활성탄 베드 각각에 연결된 열선이 전위차에 따른 열을 발생시키며 정해진 주기에 따라 온오프를 반복하는 왕복 유동 장치.
제4항에 있어서,
상기 휜은,
구리 재질로 이루어진 왕복 유동 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 보관 용기 및 상기 제2 보관 용기는,
외부와 밀폐된 왕복 유동 장치.
열전달 작동유체가 통과되는 자성 냉매가 내부에 설치되고, 상기 열전달 작동유체의 왕복 운동에 의해 상기 자성 냉매가 자화되거나 또는 탈자화되는 능동형 자기 재생기,
상기 자성 냉매를 자화시키기 위한 자성 물체, 그리고
상기 능동형 자기 재생기의 양단에 연결되고, 상기 열전달 작동유체의 왕복 운동을 발생시키는 왕복 유동 장치
를 포함하는 능동형 자기재생식 냉동 시스템.
제9항에 있어서,
상기 왕복 유동 장치와 연결된 극저온 냉동기를 더 포함하고,
상기 능동형 자기 재생기는 두 개의 자성 물체 사이에 위치하며,
상기 왕복 유동 장치는,
활성탄을 이용하여 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착하고, 흡착된 작동유체를 가열 상태에서 배출하는 제1 작동유체 발생부 및 제2 작동유체 발생부, 그리고
상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 사이에 연결되어 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 각각의 냉각 및 가열에 따라 상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부 간에 상기 작동유체의 왕복 유동 경로를 형성하는 유로관을 포함하고,
상기 제1 작동유체 발생부의 하단에 상기 제2 작동유체 발생부가 위치하는 능동형 자기재생식 냉동 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 작동유체 발생부 및 상기 제2 작동유체 발생부는 상기 활성탄의 냉각 및 가열을 반복하고, 상기 제1 작동유체 발생부가 상기 활성탄을 냉각시킬 때 상기 제2 작동유체 발생부는 상기 활성탄을 가열시키고, 상기 제2 작동유체 발생부가 상기 활성탄을 냉각시킬 때 상기 제1 작동유체 발생부는 상기 활성탄을 가열시키는 능동형 자기재생식 냉동 시스템.
제11항에 있어서,
상기 극저온 냉동기, 상기 능동형 자기 재생기, 상기 자성 물체 및 상기 왕복 유동 장치를 내부에 포함하여 상기 내부를 진공 상태로 유지시키는 크라이오스태트
를 더 포함하는 능동형 자기재생식 냉동 시스템.
극저온에서 작동유체의 왕복유동을 발생시키는 방법으로서,
제1 작동유체 발생부가 내부에 포함된 활성탄을 이용하여 냉각상태에서 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계,
배출된 작동유체가 유로관을 통하여 상기 유로관과 연결된 제2 작동유체 발생부로 이동하는 단계,
상기 제2 작동유체 발생부가 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계, 그리고
상기 제2 작동유체 발생부가 배출하는 작동유체가 상기 유로관을 통하여 상기 유로관과 연결된 상기 제1 작동유체 발생부로 이동하는 단계
를 포함하는 왕복 유동 방법.
제13항에 있어서,
상기 제1 작동유체 발생부는 외부와 밀폐되고 상기 유로관과 연결된 제1 보관용기의 내부에 제1 활성탄 베드, 제1 히터 및 휜을 포함하고, 상기 제2 작동유체 발생부는 외부와 밀폐되고 상기 유로관과 연결된 제2 보관용기의 내부에 제2 활성탄 베드, 제2 히터 및 휜을 포함하며,
상기 제1 작동유체 발생부가 내부에 포함된 활성탄을 이용하여 냉각상태에서 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계는,
상기 제1 히터를 온시키고, 상기 제2 히터를 오프시키는 단계,
상기 제1 히터에 의해 상기 제1 활성탄 베드가 가열되는 단계, 그리고
상기 제1 활성탄 베드가 상기 흡착된 작동유체를 배출하는 단계를 포함하고,
상기 제2 작동유체 발생부가 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계는,
상기 제1 히터를 오프시키고, 상기 제2 히터를 온시키는 단계,
상기 제2 히터에 의해 상기 제2 활성탄 베드가 가열되는 단계, 그리고
상기 제2 활성탄 베드가 상기 흡착된 작동유체를 배출하는 단계
를 포함하는 왕복 유동 방법.
제14항에 있어서,
상기 제1 작동유체 발생부가 내부에 포함된 활성탄을 이용하여 냉각상태에서 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계는,
상기 제2 활성탄 베드는 냉각상태에서 작동유체를 흡착하는 단계를 더 포함하고,
상기 제2 작동유체 발생부가 냉각 상태에서 상기 작동유체를 흡착한 후, 가열 상태에서 흡착된 작동유체를 배출하는 단계는,
상기 제1 활성탄 베드는 냉각상태에서 작동유체를 흡착하는 단계
를 더 포함하는 왕복 유동 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 히터를 온시키고, 상기 제2 히터를 오프시키는 단계 및 상기 제1 히터를 오프시키고, 상기 제2 히터를 온시키는 단계는 반복되는 왕복 유동 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 작동유체 발생부의 하단에 상기 제2 작동유체 발생부가 위치하고,
상기 작동유체는,
상기 제1 작동유체 발생부와 상기 제2 작동유체 발생부 사이에서 왕복 운동에 의해 능동형 자기 재생기의 자성 냉매를 자화시키거나 또는 탈자화시키며,
상기 능동형 자기 재생기는 상기 유로관에 연결되며,
상기 능동형 자기 재생기는 상기 자성 냉매를 자화시키기 위한 자성 물체의 사이에 위치하는 왕복 유동 방법.