KR101905141B1 - 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법 - Google Patents

극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법이 제공된다. 여기서, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기는 고압 기체가 내부로 유입될 때 상승하고, 상기 고압 기체가 외부로 배출될 때 하강하는 자유피스톤을 내부에 포함하는 실린더, 상기 실린더의 일측과 연결되고, 상기 고압 기체를 상기 실린더의 내부로 유입시키기 위하여 개방되는 흡기 밸브, 상기 실린더의 일측과 연결되고, 상기 실린더 내부의 팽창된 고압 기체를 외부로 배출시키기 위하여 개방되는 배기 밸브, 그리고 상기 실린더와 연결되고, 상기 자유피스톤이 상승하여 상기 실린더로부터 고압 기체가 유입될 때 또는 상기 자유피스톤이 하강하여 상기 고압 기체가 상기 실린더로 배출될 때, 상기 고압 기체에 유동 저항을 제공하는 압력 위상 조절기를 포함한다.

Description

극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법{CRYOGENIC FREE PISTON RECIPROCATING TYPE EXPANDER AND METHOD OF OPERATING THEREOF}
본 발명은 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
팽창기는 고압의 가스를 팽창시켜 유용 일 추출 및 저온에 도달시키는 기계적 기구이며 고효율의 극저온 냉각 시스템에 필수적으로 적용된다.
팽창기는 다양한 방식이 존재하는데, 그 중에서도 자유피스톤(free-piston) 왕복동식(reciprocating type) 팽창기는 피스톤을 움직일 수 있는 연결부가 없기 때문에 피스톤 양단(고온부 및 저온부)의 압력 차이에 의해서만 피스톤이 움직이게 되며 이 압력 차이를 조절하여 팽창 사이클을 구성하는 것이 자유피스톤 방식의 주요 기술이다.
자유피스톤 왕복동식 팽창기는 피스톤에 기계적 연결부를 제거한 형태로 마찰력을 감소시켜 내구성을 높일 수 있다. 극저온 영역에서는 내구성이 주요한 고려 사항이므로 극저온용에 자유피스톤 왕복동식 팽창기가 적용되는 것이 유리하다.
도 1은 종래에 자유피스톤 왕복동식 팽창기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 자유피스톤 왕복동식 팽창기(10)는 다수의 저장소(reservoir)(11), 다수의 솔레노이드 밸브(solenoid valve)(13), 자유피스톤(15)을 내부에 포함하는 실린더(Cylinder)(17), 흡기 밸브(19) 및 배기 밸브(21)를 포함한다.
자유피스톤(15)은 기계적 연결부가 없기 때문에 자유피스톤(15)의 양단 압력 차이에 의해서 움직인다. 이때, 그 압력 차이를 미리 설정한 다수의 저장소(11) 각각의 압력(PA, PB, PC, PD)과, 각각의 솔레노이드 밸브(13)의 작동을 조절하여 자유피스톤(15)의 움직임을 제어하여 팽창 사이클을 구성한다. 흡기 밸브(19) 및 배기 밸브(21)는 고압의 가스를 흡기 및 저압의 가스를 배기하는 역할을 담당한다.
이러한 자유피스톤 왕복동식 팽창기(10)는 다수의 저장소(11) 및 솔레노이드 밸브(13)를 이용해야 하기 때문에 시스템의 복잡성이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단순한 형태의 위상 조절기를 이용한 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기는 고압 기체가 내부로 유입될 때 상승하고, 상기 고압 기체가 외부로 배출될 때 하강하는 자유피스톤을 내부에 포함하는 실린더, 상기 실린더의 일측과 연결되고, 상기 고압 기체를 상기 실린더의 내부로 유입시키기 위하여 개방되는 흡기 밸브, 상기 실린더의 일측과 연결되고, 상기 실린더 내부의 팽창된 고압 기체를 외부로 배출시키기 위하여 개방되는 배기 밸브, 그리고 상기 실린더와 연결되고, 상기 자유피스톤이 상승하여 상기 실린더로부터 고압 기체가 유입될 때 또는 상기 자유피스톤이 하강하여 상기 고압 기체가 상기 실린더로 배출될 때, 상기 고압 기체에 유동 저항을 제공하는 압력 위상 조절기를 포함한다.
상기 압력 위상 조절기는, 상기 실린더와 연결되고, 상기 흡기 밸브가 폐쇄되면, 상기 실린더로부터 고압 기체가 유입되고, 상기 배기 밸브가 개방되면, 상기 유입된 고압 기체를 상기 실린더로 배출하는 저장소, 그리고 상기 실린더와 상기 저장소 사이에 연결되고, 상기 실린더와 상기 저장소 간의 고압 기체 유입 및 배출시, 상기 실린더 내부의 압력과 상기 저장소 내부의 압력 간에 위상 차이가 발생하도록 유동 저항을 제공하는 유동 저항 밸브를 포함할 수 있다.
상기 실린더는, 상기 자유피스톤의 상부인 고온부와, 상기 자유피스톤의 하부인 저온부로 구분되고, 상기 유동 저항 밸브는 상기 고온부에 연결되고, 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는 상기 저온부에 연결되며, 상기 유동 저항은, 상기 고온부와 상기 저장소 간의 압력 위상 차이를 발생시킬 수 있다.
상기 압력 위상 조절기는, 상기 저장소 및 상기 유동 저항 밸브를 각각 1개씩 포함할 수 있다.
상기 유동 저항 밸브는, 오리피스(Orifice) 밸브를 포함할 수 있다.
상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는, 전자식 자동 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 동작 방법은 상기 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기는, 자유피스톤을 내부에 포함하는 실린더와, 상기 실린더와 각각 연결되는 흡기 밸브 및 배기 밸브와, 상기 실린더로부터 고압 기체가 유입되거나 또는 상기 고압 기체를 상기 실린더로 배출하는 저장소와, 상기 실린더와 상기 저장소 사이에 연결되어 상기 저장소에 유입 및 배출되는 고압 기체의 유동 저항을 발생시키는 유동 저항 밸브를 포함하고, 상기 흡기 밸브를 개방하고 상기 배기 밸브를 폐쇄시키면, 상기 자유피스톤을 상승시키면서 상기 실린더 내부로 상기 고압 기체가 유입되는 흡기 과정으로 동작하는 단계, 상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브를 모두 폐쇄하면, 상기 실린더 내부에 유입된 고압 기체가 팽창하는 팽창 과정으로 동작하는 단계, 그리고 상기 흡기 밸브는 폐쇄하고 상기 배기 밸브를 개방하면, 상기 자유피스톤을하강시키면서 상기 실린더 내부의 고압 기체가 외부로 배출되는 배기 과정으로 동작하는 단계를 포함하고, 상기 흡기 과정 및 상기 팽창 과정은, 상기 실린더 내부에 유입된 고압 기체가 상기 저장소로 유입되고, 상기 배기 과정은, 상기 저장소에 유입된 고압 기체가 상기 실린더 내부로 배출되며, 상기 저장소의 압력과 상기 실린더의 압력은, 상기 유동 저항으로 인하여 위상 차이가 발생한다.
상기 유동 저항 밸브는, 오리피스(Orifice) 밸브를 포함하고, 상기 유동 저항은, 오리피스 크기 또는 개수에 따라 저항 크기가 조절될 수 있다.
상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는, 미리 설정된 시간에 따라 자동으로 개폐될 수 있다.
상기 배기 과정으로 동작하는 단계 이후, 상기 자유피스톤이 하강하여 상기 실린더의 바닥에 닿으면, 상기 배기밸브를 폐쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 정교한 제어 시스템을 수반하지 않으므로, 시스템 구조는 단순화시키고, 내구성은 향상시킬 수 있다.
또한, 시스템의 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 경량화가 요구되는 발사체 및 우주 냉각시스템에 적용 가능하고, 궁극적으로 우주발사체 분야 뿐만 아니라 극저온 냉각이 요구되는 산업 전반에 적용 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 터보 팽창기를 적용 할 수 없는 이상 유동이 발생하는 영역에서도 사용가능 할 것으로 기대된다.
도 1은 종래에 자유피스톤 왕복동식 팽창기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 위상 차이를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 팽창 사이클을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 팽창 사이클의 시간(t)-압력(P) 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사이클 평형상태에 도달하기까지의 저장소 압력-시간 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실험 장치를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오리피스 밸브의 개도율(orifice valve opening)에 따른 배기 온도(exhaust temperature)를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 팽창 사이클의 PV(Pressure Volume) work 생성 개념을 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 여러 가지 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 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기 및 그 동작 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 구성을 나타내고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압력 위상 차이를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기(이하, '극저온 팽창기'로 통칭하여 기재함)(100)는 실린더(101), 압력 위상 조절기(103), 흡기 밸브(105) 및 배기 밸브(107)를 포함한다.
실린더(101)는 자유피스톤(109)을 내부에 포함하며, 자유피스톤 양단의 압력차이에 의해 왕복운동한다.
실린더(101)는 자유피스톤(109)을 기준으로 고온부(warm-end)(111) 및 저온부(cold-end)(113)로 구분된다. 자유피스톤(109)의 위쪽인 실린더 상부가 고온부(111)에 해당되고, 자유피스톤(109)의 아래쪽인 실린더 하부가 저온부(113)에 해당된다.
고온부(111)는 압력 위상 조절기(103)와 연결되는데, 압력 위상 조절기(103)는 하나의 저장소(115) 및 하나의 유동 저항 밸브(117)를 포함한다. 이러한 구성은 여러 개의 저장소와 각각의 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 구성되는 종래 구성과 차별된다.
저장소(115)는 일정 부피의 실린더로서, 관(미도시)을 통해 고온부(111)와 연결된다. 관(미도시)을 통해 고온부(111)로부터 저장소(115)로 고압 기체가 유입된다.
유동 저항 밸브(117)는 관(미도시)에 연결되어 고온부(111)로부터 저장소(115)로 유입되는 고압 기체의 유동 저항을 발생시킨다.
유동 저항 밸브(117)는 고압 기체의 유입 경로의 개폐(開閉)를 조절하거나 또는 유입 경로의 면적을 달리하여 유동 저항을 제어할 수 있다.
한 실시예에 따르면, 유동 저항 밸브(117)는 오리피스(orifice) 밸브 일 수 있다. 이때, 오리피스 크기 및 오리피스 개수 등을 조절하여 유동 저항을 다르게 할 수 있다.
유동 저항 밸브(117)의 유동 저항으로 인하여, 고온부(111)와 저장소(115) 간에 압력 위상 차이가 발생한다. 즉, 유동 저항으로 인하여 고온부(111)의 기체가 저장소(115)에 빠르게 유입되지 못하므로, 동일 시점을 기준으로 할 때 압력 차이가 발생한다.
도 3을 참조하면, t1-t2 구간, t3-t4 구간에 각각 저장소 압력(P1)과 고온부 압력(P2)은 위상이 서로 다르며, 위상차이가 발생함을 알 수 있다.
이와 같은 압력 위상 차이는 저온부(113)로 유입된 고압 기체가 팽창하는 이유가 된다.
흡기 밸브(105)는 고압의 기체를 흡기하는 역할을 한다. 흡기 밸브(105)는 고압 기체를 실린더(101)의 저온부(113)에 유입시키기 위해 개방되고, 고압 기체를 팽창시키기 위하여 폐쇄된다.
배기 밸브(107)는 고압 기체를 배기하는 역할을 한다. 배기 밸브(107)는 고압 기체를 실린더(101)의 저온부(113)로부터 외부로 배출시키기 위하여 개방된다.
흡기 밸브(105) 및 배기 밸브(107)는 전기·전자적으로 제어 가능한 밸브의 형태로 실시 가능하다. 예를들면, 흡기 밸브(105) 및 배기 밸브(107)는 솔레노이드 밸브일 수 있다.
흡기 밸브(105) 및 배기 밸브(107)의 개폐는 자유피스톤(109)의 위치 및 고온부(111)의 압력 정보를 피드백 받아 미리 설정한 조건을 만족할 경우 전기적 능동제어에 의해 이루어진다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 팽창 사이클을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 팽창 사이클의 시간(t)-압력(P) 그래프를 나타내고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사이클 평형 상태에서의 저장소 압력-시간 그래프이다.
도 4를 참조하면, 압력 위상 조절기(도 3의 103)를 이용한 팽창 사이클은 흡기 과정, 팽창 과정 및 배기 과정으로 이루어진다.
이때, (a)-(b)는 흡기 과정을 나타내고, (b)-(c)는 팽창 과정을 나타내고, (c)-(d)는 배기 과정을 나타내고, 흡기 과정, 팽창 과정, 배기 과정 각각의 압력 위상은 도 5와 같다.
흡기 과정은 흡기 밸브(105)가 열려 고압의 작동유체가 저온부(113)로 들어오는 과정이다.
팽창 과정은 흡기 밸브(105)가 닫힌 상태로 저온부(113)에 유입되는 질량이 없고 누설로 인해 유출되는 질량만 존재하는 과정이다.
배기 과정은 흡기 과정과 반대의 과정으로 배기 밸브(017)가 열려 상대적으로 외부의 압력보다 높은 저온부(113)의 작동유체가 외부로 유출되는 과정이다.
배기 과정이 끝나면 1 사이클(cycle)이 완료가 된 것을 의미하며, 동일한 방식으로 다음 사이클이 진행된다. 사이클은 흡기/팽창/배기되는 과정의 연속으로, 미리 설정한 밸브 시간에 따라 달라지고 수많은 사이클이 진행되면서 도 6과 같이 사이클 평형 상태에 도달한다.
도 4의 (a)-(b)를 참조하면, 팽창 사이클의 시작은 흡기 밸브(105)가 개방되면서 진행된다. 흡기 압력(Pin)은 저온부 압력(P3)보다는 초기 높게 설정되기 때문에 흡기 밸브(105)가 개방되면 고압 기체가 실린더(101) 내 자유피스톤(109)을 상승시키면서 저온부(113)로 유입된다. 상승하는 자유피스톤(109)에 의해 저온부 압력(P3)뿐만 아니라 고온부 압력(P2)도 함께 증가하는 반면, 저장소 압력(P1)은 유동 저항 밸브(117)에 의해 고온부 압력(P2) 및 저온부 압력(P3)과 같이 상승하지 못한다. 따라서, 도 5와 같이, 고온부(111)와 저장소(115) 사이의 △P 만큼의 압력 차이가 흡기과정 동안 발생하며 이 압력 차이가 결국 저온부(113)가 팽창할 수 있는 가능성을 제공한다.
도 4의 (b)-(c)를 참조하면, 팽창 과정은 흡기 밸브(105)가 닫히는 순간 진행된다. 배기 밸브(107)는 계속 닫혀 있기 때문에 흡기 밸브(105) 및 배기 밸브(107) 모두 닫힌 상태다. 팽창 과정 동안 유동 저항 밸브(117)는 계속 저항 역할을 하기는 하지만 고온부(111)의 질량은 흡기 과정에서 발생한 압력 차이에 의해서 저장소(115)로 천천히 유입되며 고온부 압력(P2)은 저장소(115)와 고온부(111)의 평형 압력까지 감소한다. 저온부 압력(P1)은 고온부 압력(P2)이 감소하기 때문에 고온부 압력(P2)인 평형압력까지 감소하며 저온부(113) 부피는 팽창하게 된다. 여기서, 팽창 과정이 끝난 순간 자유피스톤(109)은 자유피스톤(109)의 관성에 의해 추가적으로 상승할 수 있는 가능성이 있다. 자유피스톤(109) 양단의 압력 차이는 없어도 움직임이 바로 멈춰지는 것이 아니기 때문이다.
또한, 팽창 과정에는 저온부 압력(P3)이 감소함에 따라 저온부 부피는 팽창하고, 저온부(111)에 유입된 고압 기체의 온도가 하강한다.
도 4의 (c)-(d)를 참조하면, 배기 과정은 배기 밸브(107)가 열리는 순간 진행된다. 배기 밸브(107)가 개방된 시점에 저장소 압력(P1)은 최대치가 된다.
배기 압력(Pout)은 저온부 압력(P3)보다 낮게 설정되기 때문에 저온부 질량이 배기 밸브(107)를 통해 배기된다. 배기 과정 동안 고온부 압력(P2) 및 저온부 압력(P3)은 급격히 감소하는 반면, 저장소 압력(P1)은 천천히 감소하는데, 흡기 과정과 동일한 이유 때문이다. 즉, 유동 저항으로 인하여 저장소(115)의 기체가 천천히 감소한다.
자유피스톤(109)이 실린더(101)의 밑단에 도달하면 배기 밸브(107)는 닫히고 배기 과정이 종료되며, 한 팽창 사이클이 완료된다. 팽창 사이클은 흡기/팽창/배기되는 과정의 연속으로, 미리 설정한 밸브 시간에 따라 달라지게 되고 수많은 사이클이 진행되면서 사이클 평형 상태(cyclic steady state)에 도달하게 된다.
여기서, 흡기 밸브(105) 및 배기 밸브(107)의 개방 시점은 미리 설정된 특정 시간일 수 있다. 그리고 배기 밸브(107)의 폐쇄 시점은 자유피스톤(109)이 저온부(113) 바닥에 닿으면 자동으로 폐쇄되도록 설정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 위상조절기(103)를 이용한 팽창 사이클이 인위적인 밸브(105, 107) 조작을 통해 구성할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 팽창 사이클 동안 자유피스톤(109)의 움직임에 대해서 살펴보면, 자유피스톤(109)은 팽창 사이클에 따라 왕복운동을 한다.
흡기 과정에서부터 팽창 과정까지 자유피스톤(109)은 계속해서 상승하다가 배기 밸브(107)가 개방되면, 하강한다. 자유피스톤(109)이 실린더 밑단, 즉, 저온부(113)의 밑단에 도달하면 배기 밸브(107)는 폐쇄되고, 배기 과정이 종료되어, 하나의 팽창 사이클이 완료된다.
이러한 왕복운동이 실린더(101)의 고압 기체를 주기적으로 압축 및 팽창 시킨다. 여기서, 고압 기체는 헬륨, 또는 다른 구현예에서 임의의 다른 유사한 하나 이상의 가스일 수 있다.
자유피스톤(109)의 왕복운동에 따른 주기적인 압축 및 팽창 과정을 통하여 실린더(101)의 고온부(111) 내 고압 기체는 압축되어 온도가 상승한다. 이때, 압축된 고압 기체는 저장소(115) 내의 평균 압력보다 더 높은 압력이므로, 유동 저항 밸브(117)를 통하여 저장소(115)로 유입된다. 저장소 압력(P1)과 고온부 압력(P2)이 평형을 이루면, 실린더(101) 내 압력은 감소한다. 그리고 자유피스톤(109)의 왕복운동이 정지한다.
도 6을 참조하면, 저장소 압력(P1)을 나타낸 것으로서, 어느 시점(T)부터는 저장소 압력(P1)이 동일한 형태로 반복되는 사이클 평형 상태가 된다. 이는 저온부 압력(P3) 및 고온부 압력(P2)의 경우도 마찬가지로서, 어느 시점(T)부터는 그 위상이 동일한 형태로 반복되는 사이클 평형 상태가 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 극저온 팽창기(100)를 실험장치로 구성하여 개념적으로만 가능한 것이 아니라 실제 가능함을 증명하였으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실험 장치를 나타내고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오리피스 밸브의 개도율(orifice valve opening)에 따른 배기 온도(exhaust temperature)를 나타내고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 팽창 사이클의 PV(Pressure Volume) work 생성 개념을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 진공 챔버(Vacuum chamber)(119) 내에 전술한 극저온 팽창기(100)를 구현한다. 이때, 실린더(101) 내부에 자유피스톤(109) 위에는 영구자석(permanent magnet)(121)이 위치한다. 압력 위상 조절기(103)는 진공 챔버(119)의 외부에 위치해 있다.
유동 저항 밸브(117)는 오리피스 밸브를 사용하였고, 정확하게 고온부(111)와 저장소(115) 사이의 오리피스 개도를 조절하기 위해 선정되었다.
진공 챔버(119) 내에는 다수의 센서들(T1, T2, P1, P2, P3, P4, P5)이 위치해 있다. 온도센서(T1)는 흡기온도를 측정하기 위해 흡기되는 튜브 표면에 설치되고, 온도센서(T2)는 배기온도를 측정하기 위해 배기되는 튜브 표면에 설치된다. 압력센서(P1, P2, P3, P4, P5)는 흡기, 배기, 저온부(113), 고온부(111) 및 저장소(115)의 압력을 측정하기 위해 각각 설치되었다.
자유피스톤(109)의 변위를 측정하기 위해서 변위 측정 센서(Hall) 및 영구자석(Neodymium)을 이용하였다. 변위 측정 센서(Hall)는 자기장의 세기에 따라 전압이 변하는 소자이다. 자유피스톤(109)의 위에 영구자석(121)을 고정시키고 변위 측정 센서(Hall)를 실린더(101) 외벽에 부착시켜 자유피스톤(109)의 변위에 따라 변위 측정 센서(Hall)가 받는 자기장 세기를 변화시킬 수 있다.
이러한 극저온 팽창기(100)의 작동조건은 다음과 같다.
흡기/배기 압력: Pin = 10 bar, Pout = 1 bar
밸브 타이밍: tin = 0.3 s, texp= 0.15 s, texh = 0.4 s
오리피스 개도 및 흡기온도: 100% (= Φ1.42 mm), Tin= 293 K
이때, 압력 위상 조절기(103)의 역할을 확인하기 위해 오리피스 밸브 개도(Orifice valve opening) 조절을 통한 배기 온도(Exhaust temperature)의 변화를 확인하였는데, 도 8과 같다.
도 8을 참조하면, 오리피스 밸브 개도만 변화시킨 결과를 나타낸다. 오리피스 밸브의 개도율이 커질수록 배기 온도는 더 낮아진다.
오리피스 밸브 개도가 증가할수록 고온부(111)와 저장소(115)의 질량 교환이 더 쉽게 가능해져(유동 저항 감소) 고온부 부피가 자유피스톤에 의해 압축되는 영향이 감소된다. 그래서 흡기 과정에서 자유피스톤(109)이 쉽게 상승할 수 있게 한다.
오리피스 밸브 개도가 20% 인 경우, 배기 온도가 가장 높고, 오리피스 밸브 개도가 80% 인 경우, 배기 온도가 가장 낮다.
또한, 극저온 팽창기(100)로서 작동 가능함을 확인할 수 있는 지표인 PV work을 생성하는지에 대해서 확인하였는데, 도 9와 같다.
도 9를 참조하면, 팽창 사이클 동안 압력-부피 일(PV work)이 생성됨을 확인할 수 있다. PV work을 생성하는 것은 결국 고압의 엔탈피를 갖는 기체의 온도를 낮출 수 있는 가능성을 의미한다.
이와 같이, 실험을 통해서 본 발명의 실시예에 따른 극저온 팽창기(100)는 PV work 생성이 가능하며, 압력 위상 조절기(103)를 통해 배기 온도를 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 팽창기보다 훨씬 단순한 극저온 팽창기를 구성할 수 있고, 복잡한 제어 시스템을 필요로 하지 않는다.
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.
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 (10)

  1. 고압 기체의 유동으로 상승 또는 하강하는 자유피스톤을 내부에 포함하는 실린더,
    상기 실린더의 일측과 연결되고, 상기 고압 기체를 외부로부터 상기 실린더의 내부로 유입시키기 위하여 개방되는 흡기 밸브,
    상기 실린더의 일측과 연결되고, 상기 실린더 내부의 팽창된 고압 기체를 외부로 배출시키기 위하여 개방되는 배기 밸브,
    상기 실린더와 연결되어, 상기 흡기 밸브가 폐쇄될 때 상기 실린더로부터 유입된 고압 기체를 상기 배기 밸브가 개방될 때 상기 실린더로 배출하는 저장소,
    상기 실린더와 상기 저장소 사이에 연결되어, 상기 자유피스톤이 상승하여 상기 고압 기체가 상기 실린더로부터 상기 저장소로 유입될 때 또는 상기 자유피스톤이 하강하여 상기 고압 기체가 상기 저장소로부터 상기 실린더로 배출될 때, 상기 실린더 내부의 압력과 상기 저장소 내부의 압력 간에 위상 차이가 발생하도록 상기 고압 기체에 유동 저항을 제공하는 유동 저항 밸브를 포함하고,
    상기 유동 저항은,
    상기 고압 기체가 상기 저장소로 유입되는 시간 또는 속도를 감소시켜 상기 위상 차이를 발생시키는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 실린더는,
    상기 자유피스톤의 상부인 고온부와, 상기 자유피스톤의 하부인 저온부로 구분되고,
    상기 유동 저항 밸브는 상기 고온부에 연결되고,
    상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는 상기 저온부에 연결되며,
    상기 유동 저항은,
    상기 고온부와 상기 저장소 간의 압력 위상 차이를 발생시키는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기.
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 유동 저항 밸브는,
    오리피스(Orifice) 밸브를 포함하는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기.
  6. 제1항에서,
    상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는,
    전자식 자동 밸브를 포함하는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기.
  7. 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 동작 방법으로서,
    상기 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기는,
    고압 기체의 유동으로 상승 또는 하강하는 자유피스톤을 내부에 포함하는 실린더와, 상기 실린더와 각각 연결되는 흡기 밸브 및 배기 밸브와, 상기 실린더로부터 유입된 고압 기체를 상기 실린더로 배출하는 저장소와, 상기 실린더와 상기 저장소 사이에 연결되어 상기 저장소에 유입 및 배출되는 고압 기체의 유동 저항을 발생시키는 유동 저항 밸브를 포함하고,
    상기 흡기 밸브를 개방하고 상기 배기 밸브를 폐쇄시키면, 상기 자유피스톤을 상승시키면서 상기 실린더 내부로 상기 고압 기체가 유입되는 흡기 과정으로 동작하는 단계,
    상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브를 모두 폐쇄하면, 상기 실린더 내부에 유입된 고압 기체가 팽창하는 팽창 과정으로 동작하는 단계, 그리고
    상기 흡기 밸브는 폐쇄하고 상기 배기 밸브를 개방하면, 상기 자유피스톤을 하강시키면서 상기 실린더 내부의 고압 기체가 외부로 배출되는 배기 과정으로 동작하는 단계를 포함하고,
    상기 흡기 과정 및 상기 팽창 과정은,
    상기 실린더 내부에 유입된 고압 기체가 상기 저장소로 유입되고,
    상기 배기 과정은,
    상기 저장소에 유입된 고압 기체가 상기 실린더 내부로 배출되며,
    상기 유동 저항 밸브는,
    상기 실린더와 상기 저장소 사이에 연결되어, 상기 자유피스톤이 상승하여 상기 고압 기체가 상기 실린더로부터 상기 저장소로 유입될 때 또는 상기 자유피스톤이 하강하여 상기 고압 기체가 상기 저장소로부터 상기 실린더로 배출될 때, 상기 실린더 내부의 압력과 상기 저장소 내부의 압력 간에 위상 차이가 발생하도록 상기 고압 기체에 유동 저항을 제공하고,
    상기 유동 저항은,
    상기 고압 기체가 상기 저장소로 유입되는 시간 또는 속도를 감소시켜 상기 위상 차이를 발생시키는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 동작 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 유동 저항 밸브는, 오리피스(Orifice) 밸브를 포함하고,
    상기 유동 저항은,
    오리피스 크기 또는 개수에 따라 저항 크기가 조절되는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 동작 방법.
  9. 제7항에서,
    상기 흡기 밸브 및 상기 배기 밸브는,
    미리 설정된 시간에 따라 자동으로 개폐되는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 동작 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 배기 과정으로 동작하는 단계 이후,
    상기 자유피스톤이 하강하여 상기 실린더의 바닥에 닿으면, 상기 배기밸브를 폐쇄시키는 단계
    를 더 포함하는, 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기의 동작 방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2830379B2 (ja) * 1990-05-25 1998-12-02 ダイキン工業株式会社 極低温膨張機
JP2000130874A (ja) 1998-10-28 2000-05-12 Aisin Seiki Co Ltd 蓄冷型冷凍機
JP2001099506A (ja) 1999-09-29 2001-04-13 Aisin Seiki Co Ltd パルス管冷凍機
JP3314769B2 (ja) * 1999-10-28 2002-08-12 アイシン精機株式会社 パルス管冷凍機
KR101041841B1 (ko) * 2010-10-06 2011-06-17 한국기계연구원 하이브리드 맥동관 냉동기

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2830379B2 (ja) * 1990-05-25 1998-12-02 ダイキン工業株式会社 極低温膨張機
JP2000130874A (ja) 1998-10-28 2000-05-12 Aisin Seiki Co Ltd 蓄冷型冷凍機
JP2001099506A (ja) 1999-09-29 2001-04-13 Aisin Seiki Co Ltd パルス管冷凍機
JP3314769B2 (ja) * 1999-10-28 2002-08-12 アイシン精機株式会社 パルス管冷凍機
KR101041841B1 (ko) * 2010-10-06 2011-06-17 한국기계연구원 하이브리드 맥동관 냉동기

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