KR101658737B1 - 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기 - Google Patents

맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동과 냉동기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치는 실린더, 피스톤, 스프링 및 기체저장소를 포함하여 구성되며, 피스톤 질량, 스프링 강성, 내부 공간의 체적, 피스톤 직경, 피스톤과 실린더 사이의 간극, 및 오리피스 홀 직경 또는 홀의 수 중 어느 하나 이상을 조절하여 유동 저항을 독립 변수로 조절할 수 있다

Description

맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기{APPARATUS FOR CONTROLLING PHASE IN PULSE TUBE REFRIGERATOR AND PULSE TUBE REFRIGERATOR}
본 발명은 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 맥동관 저온부를 냉각시키기 위해 맥동관에서 작동 기체의 압력과 질량 유량 사이에 위상차를 발생시키는 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 전력 소모를 획기적으로 감소시킬 수 있는 고온 초전도체나 적외선 센서의 작동온도는 극저온이다. 이러한 장치들의 상용화를 위해서는 저렴하고, 소형인 극저온 냉동기의 개발이 필수적이다. 극저온 냉동기로 스털링 냉동기(Stirling Cryocooler), 맥동관 냉동기(PTR: Pulse Tube Refrigerator) 등이 알려져 있으며, 이러한 극저온 냉동기의 효율 향상을 위한 연구가 계속되고 있다. 이 중 고속 냉동이 가능하고, 진동 및 소음이 적으며, 장기간의 유지보수가 필요하지 않는 맥동관 냉동기가 최근에 각광을 받고 있다.
도 1 내지 도 2는 종래의 맥동관 냉동기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 맥동관 냉동기(10)는 실린더(13)와 피스톤(12)으로 구성되는 구동부(11)에 의하여 작동 기체를 압축 또는 팽창시킴으로써 맥동 압력을 생성시키고, 생성되는 맥동 압력을 이용하여 작동 기체가 유입되는 맥동관(14) 전단의 맥동관 저온부에서 팽창에 의해 냉각 능력이 생성된다. 이때, 맥동관(14)에서 작동 기체의 압력과 질량 유량은 주기적으로 변하는 파형으로 나타나는데, 냉각 효율을 향상시키기 위해서는 작동 기체의 압력과 질량 유량 사이의 위상차가 중요한 것으로 알려져 있다. 따라서, 맥동관 냉동기(10)에서는 작동 기체의 압력과 질량 유량 사이의 위상차를 조절하기 위해 맥동관(14)과 기체저장소(18) 사이에 위상조절장치(17)를 형성한다.
맥동관 냉동기(10)에 설치되는 위상조절장치(17a, 17b)에 따라 도 1의 오리피스 밸브가 형성된 오리피스 타입의 맥동관 냉동기(Orifice PTR) 및 도 2의 긴 관으로 이루어진 관성관 타입의 맥동관 냉동기(Inertance tube PTR)가 알려져 있다.
도 2의 관성관 타입의 맥동관 냉동기(10)에서 관성관(17b)에서의 압력 강하는 관성관(17b)에서의 질량유량에 비례하는 유동 저항, 질량유량의 1차 미분에 비례하는 유동 인덕턴스, 질량유량의 1차 적분에 비례하는 유동 컴플라이언스의 합으로 결정된다.
하지만, 관성관 타입에서는 직경이 동일한 튜브를 관성관(17b)으로 이용하기 때문에 유동 저항, 유동 인덕턴스, 유동 컴플라이언스 성분을 각각 분리하여 조절할 수 없다는 단점이 있다. 예를 들면, 유동 인덕턴스 성분을 증가시키기 위해 관성관(17b)의 길이를 증가시키면 유동 저항 및 유동 컴플라이언스 성분도 또한 증가하게 되어 유량이 줄어드는 결과로 나타날 수가 있다.
따라서, 본 발명에서는 독립적인 변수 조정이 가능한 새로운 타입의 위상조절장치를 구비한 맥동관 냉동기를 제안하고자 한다.
등록특허 10-1041839
본 발명의 목적은 피스톤, 실린더, 스프링 및 기체저장소로 구성되는 신규한 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 작동 기체를 압축 및 팽창을 반복시킴으로써 맥동관 저온부의 온도를 낮추는 맥동관 냉동기의 위상조절장치에 있어서, 상기 맥동관의 후단과 상기 맥동관으로부터 배출되는 상기 작동 기체를 임시 저장하는 기체저장소 사이를 연결하는 실린더; 상기 실린더 내부에서 상기 작동 기체의 유동으로 이동하는 피스톤; 및 상기 피스톤에 탄성력을 가하는 스프링을 포함하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 실린더와 상기 피스톤의 외주면 사이에 상기 작동 기체가 관통하여 지나가도록 간극을 가질 수 있다.
여기서, 상기 피스톤에는 상기 작동 기체가 상기 피스톤의 일단과 타단 사이를 관통하여 지나가도록 오리피스 홀이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 스프링은 가장자리가 고정되는 판형 스프링이고, 상기 판형 스프링의 중심과 상기 피스톤의 일단을 연결하는 연결부재를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스프링은 상기 피스톤의 일단과 연결되는 제 1 스프링 및 상기 피스톤의 타단과 연결되는 제 2 스프링으로 구성되며, 상기 제 1 스프링과 상기 제 2 스프링은 코일 스프링일 수 있다.
여기서, 상기 피스톤의 질량, 상기 스프링의 강성, 상기 맥동관과 상기 피스톤 사이의 실린더 체적, 상기 피스톤의 직경 및 상기 간극 중 어느 하나 이상을 변경 설계하여 상기 작동 기체의 압력과 상기 작동 기체의 유량 사이의 위상을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 피스톤의 질량, 상기 스프링의 강성, 상기 맥동관과 상기 피스톤 사이의 실린더 체적, 상기 피스톤의 직경, 상기 오리피스 홀의 직경, 및 상기 오리피스 홀의 수 중 어느 하나 이상을 변경 설계하여 상기 작동 기체의 압력과 상기 작동 기체의 유량 사이의 위상을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 스프링과 상기 피스톤은
Figure 112015087888638-pat00001
식을 만족할 수 있고, 여기서 km은 스프링 상수이고 mp는 피스톤 질량이고 ω는 피스톤의 각진동수이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 작동 기체의 맥동압력을 발생시키는 구동부; 상기 구동부와 연결되며 상기 작동 기체의 열을 흡수하거나 상기 작동 기체로 열을 제공하는 재생부; 상기 재생부와 연결되며 상기 작동 기체의 압축과 팽창으로 냉동일을 발생시키는 맥동관; 상기 맥동관과 연결되며 상기 작동 기체의 압력 파형과 질량 유량 사이에 위상차를 조절하는 위상조절부; 및 상기 위상조절부와 연결되며 상기 작동 기체를 저장하거나 배출하는 기체저장소를 포함하며, 상기 위상조절부는 상기 위상조절장치인 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기에 의해 달성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기에 따르면 피스톤 질량, 스프링 강성, 내부 공간의 체적, 피스톤 직경, 실린더와 피스톤 사이의 간극, 및 오리피스 홀 직경 또는 홀의 수 중 어느 하나 이상을 조절하여 유동저항과 유동 인덕턴스를 독립 변수로 조절할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 조건 변경을 통해 맥동관 저온부에서의 질량 유량과 맥동관 내부의 압력의 위상이 일치하도록 설계할 수가 있어서 맥동관 저온부에서의 냉각일을 최적화할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 종래의 오리피스 타입의 맥동관 냉동기를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 관성관 타입의 맥동관 냉동기를 도시한 도면이다.
도 3은 맥동관에서의 작동 기체의 질량 유량을 도시한 도면이다.
도 4는 맥동관 후단의 질량 유량에 따른 위상자 선도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 도시한 도면이다.
도 6은 수학식 3에 따른 위상자 선도를 도시한 도면이다.
도 7은 수학식 3 및 수학식 4에 따른 위상자 선도를 함께 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기를 도시한 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 맥동관 냉동기용 위상조절장치 및 맥동관 냉동기를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 설명하기에 앞서 본 발명과 관련된 배경 이론을 먼저 설명하기로 한다.
도 3은 맥동관에서의 작동 기체의 질량 유량을 도시한 도면이다.
맥동관 냉동기에서 저온부 열교환기(150)와 고온부 열교환기(160)는 각각의 작동 온도로 유지되고, 이에 따라 맥동관(140)의 양단은 온도구배가 존재한다. 이 때, 저온부 열교환기(150)와 맞닿은 맥동관 저온부에서의 PV 팽창일에 의해 냉각일이 생성되는데, 맥동관 저온부에서의 PV 팽창일은 아래의 수학식 1과 같이 맥동관에서의 압력 진폭의 크기
Figure 112015087888638-pat00002
, 맥동관(140)으로 유입되는 질량유량의 진폭의 크기
Figure 112015087888638-pat00003
및 맥동관(140) 내부의 압력과 맥동관(140)으로 유입되는 질량 유량 사이의 위상차의 코사인 값에 비례한다.
Figure 112015087888638-pat00004
(여기서,
Figure 112015087888638-pat00005
은 일률,
Figure 112015087888638-pat00006
는 맥동관(140)에서의 압력 진폭의 크기,
Figure 112015087888638-pat00007
는 맥동관(140)으로 유입되는 질량유량의 진폭의 크기,
Figure 112015087888638-pat00008
는 맥동관(140)에서의 압력,
Figure 112015087888638-pat00009
는 맥동관(140)으로 유입되는 질량 유량,
Figure 112015087888638-pat00010
는 맥동관(140)에서 작동 기체의 압력 파형의 위상,
Figure 112015087888638-pat00011
는 맥동관(140)으로 유입되는 질량 유량 파형의 위상이다.)
따라서, 수학식 1에 따르면 냉각일은 맥동관(140)에서의 압력 진폭의 크기
Figure 112015087888638-pat00012
및 맥동관(140)으로 유입되는 질량 유량의 진폭의 크기
Figure 112015087888638-pat00013
이 클수록, 작동 기체의 압력과 질량 유량 사이의 위상차가 0에 가까울수록 증가한다. 따라서, 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 맥동관(140) 내부 기체의 압력과 맥동관(140)으로 유입되는 작동 기체의 질량 유량 사이의 위상차를 0에 가깝게 하는 것이 중요하고, 이를 위해 고온부 열교환기(160)의 후단에 위상조절장치를 설치하여 위상차를 조절한다.
도 4는 맥동관 후단의 질량 유량에 따른 위상자 선도를 도시한 도면이다. 도 4의 (a)는 맥동관(140) 후단이 막혀있는 경우, (b)는 맥동관 후단에 위상조절장치를 설치하여
Figure 112015087888638-pat00014
이
Figure 112015087888638-pat00015
보다 위상이 앞서는 경우를, (c)는
Figure 112015087888638-pat00016
이
Figure 112015087888638-pat00017
보다 위상이 느린 경우의 위상자 선도를 각각 도시하고 있다.
도 4에서 맥동관(140) 내부 기체의 질량 보존 관계 및 기체 방정식에 따라 다음과 같은 수학식 2가 도출된다. 맥동관(140)으로 유입되는 질량과 유출되는 질량의 차이만큼 맥동관(140) 내부의 기체 질량이 변화하고 이는 맥동관(140) 내부의 기체 압력 변화에 비례하는 관계이다.
Figure 112015087888638-pat00018
(여기서,
Figure 112015087888638-pat00019
는 맥동관(140)으로 유입되는 작동 기체의 질량 유량이고,
Figure 112015087888638-pat00020
은 맥동관(140)에서 유출되는 작동 기체의 질량 유량이고,
Figure 112015087888638-pat00021
는 맥동관(140) 내부에서 작동 기체의 압력이며, C는 비례상수이다.)
맥동관(140) 후단이 막혀 있다면 후단에서의 질량 유량
Figure 112015087888638-pat00022
이며, 따라서 수학식 2에 대입하면
Figure 112015087888638-pat00023
이 되고, 압력
Figure 112015087888638-pat00024
의 크기와 위상이 도 4의 (a)와 같을 때 위 식에 따라서
Figure 112015087888638-pat00025
의 위상은 압력
Figure 112015087888638-pat00026
보다 90도 앞서게 된다. (왜냐하면, 정현파를 미분하는 경우 위상이 90도 앞서게 되므로,
Figure 112015087888638-pat00027
의 위상은
Figure 112015087888638-pat00028
의 위상보다 90도 앞서야 한다.) 따라서, 도 4의 (a)에 도시되어 있는 것처럼, 이 경우에는 맥동관(140) 전단의 맥동관 저온부에서 작동 기체의 압력
Figure 112015087888638-pat00029
과 질량 유량
Figure 112015087888638-pat00030
사이의 위상차가 90도 이므로 위 수학식 1에 따라 팽창에 의한 냉각일이 발생하지 않는다.
다음, 고온부 열교환기(160)의 후단에 위상조절장치를 설치하여
Figure 112016056064945-pat00031
와
Figure 112016056064945-pat00032
사이에 위상차가 존재하는 조건에서, 도 4의 (b)와 같이
Figure 112016056064945-pat00033
가
Figure 112016056064945-pat00034
보다 위상이 앞서는 경우에는 위 수학식 2를 만족하기 위해
Figure 112016056064945-pat00035
의 위상이
Figure 112016056064945-pat00036
보다 앞서야 하며, 이 경우
Figure 112016056064945-pat00037
과
Figure 112016056064945-pat00038
사이의 위상차는 90도 보다는 작아질 수 있으나(즉, 냉각일은 발생시킬 수 있으나) 최적의 조건인 위상차를 0으로 설계할 수는 없다.
마지막으로, 도 4의 (c)와 같이
Figure 112016056064945-pat00039
가
Figure 112016056064945-pat00040
보다 위상이 느린 경우에는 위 수학식 2를 만족하기 위해
Figure 112016056064945-pat00041
의 위상이
Figure 112016056064945-pat00042
보다 앞서야 하며, 이 경우 조건에 따라서
Figure 112016056064945-pat00043
과
Figure 112016056064945-pat00044
사이의 위상차를 0 또는 0에 가깝게 설계할 수가 있다. 참고로, 도 4의 (c)에서는
Figure 112016056064945-pat00045
과
Figure 112016056064945-pat00046
사이의 위상차가 0인 경우를 도시하고 있다.
따라서, 맥동관 저온부에서 작동 기체의 압력
Figure 112015087888638-pat00047
과 질량 유량
Figure 112015087888638-pat00048
사이의 위상차를 0 또는 0에 근접하게 설계하기 위해서는
Figure 112015087888638-pat00049
의 위상이
Figure 112015087888638-pat00050
의 위상보다 지연되게 설계하는 것이 무엇보다도 중요하다.
전술한 바와 같이 도 2의 관성관 타입의 맥동관 냉동기에서 관성관(17b)에서의 압력 강하는 관성관(17b)에서의 질량유량에 비례하는 유동 저항, 질량유량의 1차 미분에 비례하는 유동 인덕턴스, 질량유량의 1차 적분에 비례하는 유동 컴플라이언스의 합으로 결정된다. 이는 저항, 코일, 축전기로 이루어진, RLC 전기회로와 유사하게 해석될 수가 있다.
이때, 유동 인덕턴스 성분에 의해 압력이 질량 유량보다 위상이 앞서게 되는데, 이 경우, 도 4의 (c)를 참조로 전술한 바와 같이 조건에 따라서
Figure 112016056064945-pat00051
과
Figure 112016056064945-pat00052
사이의 위상차를 0 또는 0에 근접하게 설계하는 것이 가능하다.
하지만, 관성관 타입에서는 직경이 동일한 튜브를 관성관(17b)으로 이용하기 때문에 유동 저항, 유동 인덕턴스, 유동 컴플라이언스 성분을 각각 분리하여 조절할 수 없다는 단점이 있다. 예를 들면, 유동 인덕턴스 성분을 증가시키기 위해 관성관(17b)의 길이를 증가시키면 유동 저항 및 유동 컴플라이언스 성분도 또한 증가하게 되어 유량이 줄어드는 결과로 나타날 수가 있다. 따라서, 맥동관 저온부의 질량 유량
Figure 112015087888638-pat00053
과
Figure 112015087888638-pat00054
사이의 위상차를 0 또는 0에 근접하게 설계할 때 독립적인 변수 조정이 안 된다는 단점이 있다. 이를 위해 직경이 다른 다수의 관성관을 직렬 또는 병렬로 연결하는 것을 고려할 수 있지만, 이 경우 관성관이 차지하는 공간이 증가하며 연결 부위의 처리에 대한 문제 등이 발생하였다. 따라서, 본 발명에서는 관성관 타입의 맥동관 냉동기용 위상조절장치와 달리 독립적인 변수 조정이 가능한 위상조절장치를 제안하게 되었다.
이하, 본 발명에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥동과 냉동기용 위상조절장치는 실린더(210), 피스톤(220) 및 스프링(230)을 포함하며 구성될 수 있다.
도 5에 도시되어 있는 것과 같이 실린더(210)는 고온부 열교환기(160)와 맥동관(140)으로부터 배출되는 작동 기체를 임시 저장하는 기체저장소(240) 사이를 연결하며, 실린더(210) 내부에서는 피스톤(220)이 작동 기체의 유동으로 이동할 수가 있다.
피스톤(220)은 실린더(210) 내부에서 이동하며 스프링(230)에 연결되어 탄성력을 제공받을 수 있다. 보다 자세히는 피스톤(220)을 중심으로 기체저장소(240) 쪽에 가장자리가 고정된 판형 스프링(230)이 형성되고, 판형 스프링(230)의 중심과 기체저장소(240)를 향하는 피스톤(210)의 일단을 연결하는 연결부재(237)에 의해 피스톤(220)은 판형 스프링(230)의 탄성력을 제공받게 된다. 도면에서는 판형 스프링(230)을 고정시키기 위한 고정부재(235)를 기체저장소(240) 내부에 설치하여 기체저장소(240) 입구 쪽에 판형 스프링(230)이 형성되어 있는데, 판형 스프링(230)는 실린더(210) 내부에 고정될 수도 있다.
이때, 상기 피스톤(220)의 운동 방정식은 다음의 수학식 3으로 정의될 수 있다.
Figure 112015087888638-pat00055
(여기서,
Figure 112015087888638-pat00056
는 피스톤(220) 질량이고,
Figure 112015087888638-pat00057
는 피스톤(220) 변위,
Figure 112015087888638-pat00058
은 스프링 상수,
Figure 112015087888638-pat00059
은 댐핑 계수,
Figure 112015087888638-pat00060
는 맥동관 고온부(160)와 피스톤(220) 사이 내부 공간(215)의 압력,
Figure 112015087888638-pat00061
는 피스톤(220) 단면적이다.)
또한, 내부 공간(215)으로 유입되는 질량 유량
Figure 112015087888638-pat00062
와 피스톤(220)과 실린더(210) 사이의 간극(221)을 통해 내부 공간(215)에서 기체저장소(240)로 유출되는 질량 유량
Figure 112015087888638-pat00063
의 차이만큼 내부 공간(215)의 기체 질량은 변화하는데, 이는 피스톤(220)의 운동에 의한 내부 공간(215)의 체적 변화와 내부 공간(215)의 기체 압력 변화로 나타나고 다음의 수학식 4와 같이 피스톤(220) 변위의 1차 미분
Figure 112015087888638-pat00064
과 기체 압력의 1차 미분
Figure 112015087888638-pat00065
의 비례 성분의 합으로 표현된다.
Figure 112015087888638-pat00066
(여기서,
Figure 112015087888638-pat00067
은 고온부 열교환기(160)에서 내부 공간(215)으로 유입되는 작동 기체의 질량 유량 이고,
Figure 112015087888638-pat00068
는 내부 공간(215)에서 기체저장소(240)로 유출되는 질량 유량이고,
Figure 112015087888638-pat00069
는 피스톤(220) 변위이고,
Figure 112015087888638-pat00070
는 내부 공간(215)의 기체 압력이고,
Figure 112015087888638-pat00071
과
Figure 112015087888638-pat00072
는 비례 상수이다.)
이 때, 내부 공간(215)에서 유출되는 기체는 피스톤(220)과 실린더(210) 사이의 간극(221)을 통해서 흐르기 때문에 유동 저항 성분만 있는 것으로 생각할 수 있으며, 때문에 질량유량
Figure 112015087888638-pat00073
은 내부 공간(215)의 압력
Figure 112015087888638-pat00074
에 비례하며 동일한 위상을 갖는 것으로 생각할 수 있다.
도 6은 수학식 3에 따른 위상자 선도를 도시한 도면이고, 도 7은 수학식 3 및 수학식 4에 따른 위상자 선도를 함께 도시한 도면이다.
먼저, 도 6에서는 수학식 3에 따른 위상자 선도를 도시하고 있는데, 피스톤(220)의 변위의 진폭을
Figure 112015087888638-pat00075
, 각진동수를
Figure 112015087888638-pat00076
라고 할 때, 수학식 3의
Figure 112015087888638-pat00077
성분의 크기는
Figure 112015087888638-pat00078
가 되고,
Figure 112015087888638-pat00079
성분의 크기는
Figure 112015087888638-pat00080
가 되며,
Figure 112015087888638-pat00081
성분의 크기는
Figure 112015087888638-pat00082
가 된다. 전술한 바와 같이 정현파의 미분 성분은 90도씩 위상이 앞서게 되므로 각각 90도씩 꺽이는 형상의 벡터를 띄게 된다. 따라서, 세 벡터의 합은 수학식 3에서
Figure 112015087888638-pat00083
성분과 같아야 하므로, 도 6과 같은 위상자 선도를 나타내게 된다. 이때, 도 6의 (a), (b) 및 (c)는 (a)
Figure 112015087888638-pat00084
, (b)
Figure 112015087888638-pat00085
, (c)
Figure 112015087888638-pat00086
조건에서의 위상자 선도를 각각 도시하고 있다.
도 7은 수학식 3과 수학식 4를 함께 고려한 위상자 선도를 도시하고 있는데, 먼저, (a)
Figure 112015087888638-pat00087
인 경우인 도 7의 (a)를 참조하여 설명을 하면, 수학식 3에 의해 압력 성분
Figure 112015087888638-pat00088
의 위상이 도면과 같을 때, 수학식 4의
Figure 112015087888638-pat00089
는 위상은
Figure 112015087888638-pat00090
의 위상보다 90도 앞서게 된다. 마찬가지로
Figure 112015087888638-pat00091
성분은
Figure 112015087888638-pat00092
위상보다 90도 앞서게 된다. 따라서, 수학식 4에 의해 두 벡터의 합은
Figure 112015087888638-pat00093
를 나타내게 되는데, 벡터의 크기를
Figure 112015087888638-pat00094
로 나타내면 도 7의 (a)와 같이 도시될 수 있다.
Figure 112015087888638-pat00095
는 압력
Figure 112015087888638-pat00096
와 위상이 동일하므로
Figure 112015087888638-pat00097
의 위상은 도 7의 (a)와 같이 나타날 수가 있다.
이때,
Figure 112016056064945-pat00098
의 위상이 압력
Figure 112016056064945-pat00099
보다 위상이 느리므로 도 4의 (c)를 참조로 전술한 바와 같이 조건(각 벡터의 크기 및 위상을 변경)에 따라서
Figure 112016056064945-pat00100
과
Figure 112016056064945-pat00101
사이의 위상차를 0 또는 0에 근접하게 설계할 수가 있다. 왜냐하면, 저온부 열교환기(150)에서의 압력 P1, 맥동관 내부의 압력 P2, 고온부 열교환기(160)에서의 압력 P3, 및 내부 공간(215)에서의 압력 P4의 위상은 동일하고, 고온부 열교환기(160)의 체적이 크기 않기 때문에
Figure 112016056064945-pat00102
와
Figure 112016056064945-pat00103
는 진폭과 위상이 모두 거의 비슷한 것으로 해석할 수 있기 때문이다.
도 7의 (b)와 (c)는 (b)
Figure 112015087888638-pat00104
, (c)
Figure 112015087888638-pat00105
조건에서의 위상자 선도를 각각 도시하고 있는데, 도 7의 (a)에서와 같이 해석을 하면 도면과 같은 위상자 선도를 나타낼 수 있다. 하지만, 두 경우 모두
Figure 112015087888638-pat00106
이 압력보다 위상이 앞서므로
Figure 112015087888638-pat00107
과
Figure 112015087888638-pat00108
사이의 위상차를 0 또는 0에 근접하게 설계할 수가 없다.
따라서, 전술한 바와 같이 본 발명에서 최적의 냉각 조건인
Figure 112015087888638-pat00109
과
Figure 112015087888638-pat00110
사이의 위상차를 0 또는 0에 근접하도록 설계하기 위해서는 기본적으로
Figure 112015087888638-pat00111
식, 즉
Figure 112015087888638-pat00112
를 만족하도록 설계를 하여야 한다.
도 5의 실시예에서는
Figure 112015087888638-pat00113
조건을 만족시키는 범위에서 피스톤(220) 질량, 스프링(230) 강성, 내부 공간(215)의 체적, 피스톤(220) 직경, 및 피스톤(220)과 실린더(210) 사이의 간극(221) 중 어느 하나 이상을 변경하면서 유동 저항을 독립적으로 조절하여 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 설계할 수가 있다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조해서 본 발명에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치의 다른 실시예들을 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 도시한 도면이다.
도 8에서는 도 5과 비교하여 차이점 중심으로 설명을 하면 피스톤(220)의 일단과 타단 사이에 작동 기체가 관통하여 지나가도록 오리피스 홀(222)이 형성될 수 있다.
도 8의 실시예에서도 전술한 바와 같이
Figure 112015087888638-pat00114
조건을 만족시키는 범위에서 피스톤(220) 질량, 스프링(230) 강성, 내부 공간(215)의 체적, 피스톤(220) 직경, 오리피스 홀(222)의 직경 및 오리피스 홀(222)의 수 중 어느 하나 이상을 변경하면서 유동 저항을 독립적으로 조절하며 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 설계할 수가 있다.
도 9에서는 실린더(210)와 피스톤(220)의 외주면 사이에 작동 기체가 관통하여 지나가도록 미세한 간극(224)을 가지도록 하고, 피스톤(220)의 일단과 연결하는 제 1 스프링(231)과 피스톤(220)의 타단과 연결되는 제 2 스프링(232)이 형성되며, 이때 제 1 스프링(231)과 제 2 스프링(232)은 각각 코일 스프링으로 형성하는 것이 바람직하다. 도면에서 제 1 스프링(231)은 별도의 고정부재(239)를 형성하여 위치가 고정되고 제 2 스프링(232)은 맥동관 고온부(160)에 위치가 고정되도록 도시되어 있으나, 각각의 스프링(231, 232)을 고정하는 방법은 이에 한정되지 않고 다양하게 변경이 가능하다.
도 9의 실시예에서도 전술한 바와 같이
Figure 112015087888638-pat00115
조건을 만족시키는 범위에서 피스톤(220) 질량, 스프링(231, 232) 강성, 내부 공간(215)의 체적, 피스톤(220) 직경 및 피스톤(220)과 실린더(210) 사이의 간극(224) 중 어느 하나 이상을 변경하면서 유동 저항을 독립적으로 조절하며 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 설계할 수가 있다.
이하, 본 발명에 따른 맥동관 냉동기용 위상조절장치를 사용하는 맥동관 냉동기를 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥동관 냉동기는 구동부(1110), 재생부(130), 맥동관(140), 위상조절부(200), 및 기체저장소(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
구동부(1110)는 실린더(1130)와 피스톤(1120)으로 구성되어 작동 기체를 압축 또는 팽창시켜 맥동 압력을 생성하는 기능을 수행한다.
재생부(130)는 맥동관 저온부(150)와 연결되는데 구동부(1110)에 의해 압축 또는 팽창되는 작동 기체를 수용하며, 구동부(1110)의 압축시에는 고온의 작동 기체로부터 열을 흡수하고 구동부(1110)의 팽창시에는 저온의 작동 기체에 열을 제공함으로써 작동 기체를 재생시키는 기능을 수행한다.
맥동관(140)은 재생부(130)와 연결되는 일단부에는 맥동관 저온부(150), 후술할 위상조절부(200)와 연결되는 타단부에는 맥동관 고온부(160)가 형성되는데, 작동 기체가 팽창할 때 맥동관 저온부(150)에서 냉동일을 수행하고, 작동 기체가 압축될 때에는 맥동관 고온부(160)에서 열을 방출함으로써 상대적으로 고온인 작동 기체의 온도를 낮춘다.
위상조절부(200)는 맥동관(140)과 연결되며 작동 기체의 압력 파형과 질량 유량 사이의 위상차를 조절하는 기능을 수행하고, 본 발명에서는 도 3 내지 도 9를 참조로 전술한 맥동관 냉동기용 위상조절장치가 사용될 수가 있다.
기체저장소(240)는 위상조절부(200)의 단부와 연결되어 작동 기체를 저장하거나 배출한다.
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.
140: 맥동관 150: 저온부 열교관기
160: 고온부 열교환기 210: 실린더
220: 피스톤 230: 스프링
231: 제 1 스프링 232: 제 2 스프링
235: 고정부재 237: 연결부재
239: 고정부재 240: 기체저장소

Claims (9)

  1. 작동 기체를 압축 및 팽창을 반복시킴으로써 맥동관 저온부의 온도를 낮추는 맥동관 냉동기의 위상조절장치에 있어서,
    상기 맥동관의 후단과 상기 맥동관으로부터 배출되는 상기 작동 기체를 임시 저장하고 상기 작동 기체의 유량 변화에 따른 압력변화를 상쇄시키도록 하는 부피의 기체저장소 사이를 연결하는 실린더;
    상기 실린더 내부에서 상기 작동 기체의 유동으로 이동하는 피스톤; 및
    상기 피스톤에 탄성력을 가하는 스프링을 포함하고,
    상기 스프링과 상기 피스톤은
    Figure 112016056064945-pat00127
    식을 만족하는, 여기서 km은 스프링 상수이고 mp는 피스톤 질량이고 ω는 피스톤의 각진동수인 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더와 상기 피스톤의 외주면 사이에 상기 작동 기체가 관통하여 지나가도록 간극을 가지는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤에는 상기 작동 기체가 상기 피스톤의 일단과 타단 사이를 관통하여 지나가도록 오리피스 홀이 형성된 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링은 가장자리가 고정되는 판형 스프링이고,
    상기 판형 스프링의 중심과 상기 피스톤의 일단을 연결하는 연결부재를 더 포함하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 피스톤의 일단과 연결되는 제 1 스프링 및 상기 피스톤의 타단과 연결되는 제 2 스프링으로 구성되며,
    상기 제 1 스프링과 상기 제 2 스프링은 코일 스프링인 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 피스톤의 질량, 상기 스프링의 강성, 상기 맥동관과 상기 피스톤 사이의 실린더 체적, 상기 피스톤의 직경 및 상기 간극 중 어느 하나 이상을 변경 설계하여 상기 작동 기체의 압력과 상기 작동 기체의 유량 사이의 위상을 조절하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 피스톤의 질량, 상기 스프링의 강성, 상기 맥동관과 상기 피스톤 사이의 실린더 체적, 상기 피스톤의 직경, 상기 오리피스 홀의 직경, 및 상기 오리피스 홀의 수 중 어느 하나 이상을 변경 설계하여 상기 작동 기체의 압력과 상기 작동 기체의 유량 사이의 위상을 조절하는 맥동관 냉동기용 위상조절장치.
  8. 삭제
  9. 작동 기체의 맥동압력을 발생시키는 구동부;
    상기 구동부와 연결되며 상기 작동 기체의 열을 흡수하거나 상기 작동 기체로 열을 제공하는 재생부;
    상기 재생부와 연결되며 상기 작동 기체의 압축과 팽창으로 냉동일을 발생시키는 맥동관;
    상기 맥동관과 연결되며 상기 작동 기체의 압력 파형과 질량 유량 사이에 위상차를 조절하는 위상조절부; 및
    상기 위상조절부와 연결되며 상기 작동 기체를 저장하거나 배출하는 기체저장소를 포함하며,
    상기 위상조절부는 상기 청구항 1항 내지 7항 중 어느 한 항의 위상조절장치인 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기.
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