KR20000009342A - 무윤활 맥동관 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 종래에는 그 구동부가 압축기, 고/저압용기, 기름제거기 등으로 구성되므로, 다른 극저온 냉동기와 마찬가지로 크기가 크고, 하나의 구동부를 이루기 위한 각각의 부품을 별도로 조립하여야 하므로 조립공수가 많아질 뿐만 아니라 조립시간이 길어지게 되며, 특히 기름제거기의 필터를 주기적으로 교체시켜야 하므로 유지보수가 잦아지게 되고, 상기 구동부와 냉동부를 차별적으로 연결시키는 밸브의 작동속도에 대한 제약 및 밸브를 통과하는 작동가스의 팽창으로 인해 효율이 낮게 되는 문제점이 있었던 바, 본 발명에서는 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 상기 밀폐케이스의 내부에 결합되어 구동모터의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤의 직진성을 안내하는 지지부재와, 상기 밀폐케이스의 실린더부에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관과, 그 맥동관의 압축부에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스와, 그 오리피스에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기와, 그 맥동관의 팽창부와 구동부 사이에 연결되어 맥동관으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 맥동관에서 구동부로 되돌아 가는 작동가스의 온도를 보상하는 재생기가스를 우선 냉각시키는 예냉기를 포함하여 구성함으로써, 맥동관 냉동기를 소형화할 수 있게 되는 것은 물론 조립 부품수가 줄어들어 조립공수 및 조립시간이 현저하게 단축되고, 피스톤의 직선 왕복운동을 이용하여 작동가스를 펌핑하므로 별도의 밸브를 사용하지 않게 되어 냉동기의 효율이 향상되며, 구동축에 결합된 지지부재를 이용하여 피스톤을 공진운동 및 직진운동시키므로, 별도의 윤활이 필요없게 되어 유지보수의 주기가 길어지는 효과가 있다.

Description

무윤활 맥동관 냉동기

본 발명은 구멍식 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 리니어 모터를 이용하여 무윤활 구동부를 이룬 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것이다.

일반적으로 소형 전자부품 및 초전도체의 냉각을 위한 극저온 냉동기로는 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator) 및 지엠 냉동기(GM Refrigerator)등의 열재생식 냉동기가 주로 사용되고 있는데, 이러한 냉동기들은 그 신뢰성을 높이기 위해서 운전속도를 낮추어야 하고, 작동가스의 펌핑시 발생되는 마찰부위의 마모에 대비하여 실(seal) 재료를 향상시키거나 또는 운동부를 제거한 냉동기 등이 모색되고 있다.

최근에는 냉동기의 고신뢰성을 유지하면서도 장기간 유지보수가 필요없는 냉동기도 요구되고 있는데, 이러한 극저온 냉동기중의 하나가 맥동관 냉동기(Pulse Tube Refrigerator)이다.

이 맥동관 냉동기는 한 쪽이 막힌 관에 일정한 온도를 갖는 가스를 주기적으로 주입하여 압력을 변화시키면 가스의 유동에 난류성분이 적을 때 매우 큰 온도구배를 얻을 수 있다는 원리를 이용하여 관의 열린 쪽에서 냉동을 구현하는 장치로서, 통상적인 스터링 냉동기와 유사하나, 종래 스터링 냉동기가 피스톤과 디스플레이서 등 두 개의 운동부를 갖는 데 비하여 맥동관 냉동기는 별도의 압축기 하나만을 운동부로 갖는 차이가 있다.

이러한 맥동관 냉동기로는 압축기로 구동되는 기본형 맥동관 냉동기, 음향학적 구동부를 갖는 공명식 맥동관 냉동기, 기본형 맥동관 냉동기에다 압력강하용 오리피스 및 저장용기를 부가한 구멍식 맥동관 냉동기가 주로 알려져 있는데, 이하에서는 기본형 및 구멍식 맥동관 냉동기를 예로 들어 살펴본다.

도 1은 종래 기본형 맥동관 냉동기의 일례를 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 기본형 맥동관은 소정의 구동부(M)와, 그 구동부(M)에서 펌핑되는 작동가스에 의해 압축/팽창되면서 온측부(또는, 압축부)(1a) 및 냉측부(또는, 팽창부)(1b)를 갖게 되는 맥동관(1)과, 그 맥동관(1)을 출입하는 작동가스의 온도를 일정온도로 유지하는 재생기(2)로 구성되어 있다.

이러한 기본형 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

먼저, 상기 구동부(M)에서 작동가스를 밀어내게 되면, 그 밀려나는 고온고압의 작동가스가 재생기(2)를 거치면서 현열이 저장된 상태로 맥동관(1)으로 유입되어 맥동관(1)내의 작동가스를 압축하게 되고, 그 압축되는 맥동관(1)내의 작동가스는 막힌 쪽으로 이동을 하면서 더욱 압축되어 온측부(1a)에서는 관벽과의 열전달에 의해 열을 방출하게 되며, 이후 상기 구동부(M)에서 작동가스를 흡입하게 되면, 맥동관(1)으로 유입되었던 가스가 다시 유출됨과 함께 맥동관(1)내의 작동가스가 팽창되어 관벽과의 열전달에 의해 냉측부(1b)에서는 열을 흡수하는 일련의 과정을 지속적으로 반복하면서 냉측부에서 극저온을 얻게 되는 것이었다. 이때, 상기 맥동관(1)으로부터 유출되는 작동가스는 재생기(2)에 저장되었던 열을 흡수하여 소정 온도로 예열되어 구동부(M)로 유입된다.

한편, 상기 구멍식 맥동관 냉동기는 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 구동부(M)와, 그 구동부(M)에 의해 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부(3a)에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부(3b)에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(3)과, 그 맥동관(3)의 압축부(3a)에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스(4)와, 그 오리피스(4)에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기(5)와, 상기 맥동관(3)의 팽창부(3b)와 구동부(M) 사이에 연결되어 맥동관(3)으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 작동가스가 맥동관(3)에서 구동부(M)로 되돌아 갈때 저장했던 열을 공급하는 재생기(6)로 이루어져 있다.

상기와 같은 구멍식 맥동관 냉동기의 일반적인 동작은 기본형 맥동관 냉동기와 비슷하나, 기본형 맥동관 냉동기에서는 작동가스가 맥동관(1)의 관벽에 열을 방출하여 냉각되는데 반해, 구멍식 맥동관 냉동기에서는 작동가스가 오리피스(4)를 지나면서 단열팽창하여 온도가 내려가게 된다. 즉, 상기 구동부(M)에 의해 작동가스가 밀려나면서 재생기(6)를 통과하여 맥동관(3)으로 유입되면, 그 맥동관(3)에 충진되어 있던 작동가스가 단열압축되면서 온도가 상승하여 오리피스(4)로 스며들게 되고, 그 오리피스(4)에서 팽창되어 저장용기(5)에 채워지는 것이다.

또한, 기본형 맥동관 냉동기에서는 작동가스가 관벽에서 열을 받아 재가열되는데 반해, 구멍식 맥동관 냉동기에서는 저장용기(5)에 있던 작동가스가 오리피스(4)를 통과하여 맥동관(3)내의 가스들을 단열압축하는 과정에서 온도가 상승하게 된다. 즉, 상기 구동부(M)에 의해 작동가스가 흡입되면, 맥동관(3)내의 작동가스는 재생기(6)쪽으로 이동을 하게 되는 과정에서 맥동관(3)을 빠져나가는 작동가스와 오리피스(4)를 통해 맥동관(3)으로 유입되는 작동가스간 질량유량의 차이에 의해 단열팽창하게 되어 온도가 하강하게 된다.

이후, 상기 맥동관(3)내의 작동가스는 오리피스(4)를 통해 지속적으로 유입되는 작동가스에 의해 압축되어 처음온도로 가열되는 일련의 과정을 반복하면서 맥동관의 입구측에서 극저온의 냉동효과를 얻게 되는 것이다.

이러한 구멍식 맥동관 냉동기는 그 냉동용량이 기본형을 포함한 다른 맥동관 냉동기에 비해 훨씬 크기 때문에, 이하에서는 이 구멍식 맥동관 냉동기(이하, 맥동관 냉동기로 약칭함)에 대하여 살펴본다.

종래의 맥동관 냉동기는 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동부(10)와, 그 구동부(10)에 의해 관내를 왕복운동하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동부(20)와, 상기 구동부(10)와 냉동부(20)를 선택적으로 연통시키는 밸브(30)로 구분되어 있다.

상기 구동부(10)는 윤활유를 사용하는 일반 냉동공조용 압축기(11)와, 그 압축기(11)의 흡입구에 연통 설치되어 저압의 흡입가스를 저장하는 저압용기(12)와, 상기 압축기(11)의 토출구에 연통설치되어 고압의 토출가스를 저장하는 고압용기(13)와, 그 고압용기(13)와 압축기(11)의 토출구 사이에 연통 설치되어 토출되는 작동가스에 함유된 기름을 분리 제거하여 다시 압축기(11)로 공급하는 기름제거기(14)로 이루어져 있다.

상기 냉동부(20)는 구동부(10)에 의해 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부(21a)에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부(21b)에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(21)과, 그 맥동관(21)의 압축부(21a)에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스(22)와, 그 오리피스(22)에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기(23)와, 상기 맥동관(21)의 팽창부(21b)와 구동부(10) 사이에 연결되어 맥동관(21)으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 맥동관(21)에서 구동부(10)로 되돌아 가는 작동가스의 온도를 보상하는 재생기(24)와, 그 재생기(24)와 구동부(10) 사이에 연결되어 펌핑되는 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 예냉기(25)로 이루어져 있다.

상기 밸브(30)는 저압용기(12)와 예냉기(또는, 냉동부로 통칭하기도 함)(25) 또는 고압용기(13)와 예냉기(25)를 일정 시간차를 두고 차별적으로 반복 연통시키는 회전밸브로서, 상기 구동부(10)의 저압용기(12) 및 고압용기(13) 그리고 냉동부(20)의 예냉기(25) 사이에 설치되어 있다.

도면중 미설명 부호인 15는 구동부 케이스이다.

상기와 같이 구성된 종래의 맥동관 냉동기는 다음과 같이 동작된다.

먼저, 상기 저압용기(12)에 충진되었던 저온저압의 작동가스가 압축기(110에 의해 고온고압의 작동가스로 압축되어 기름제거기(14)를 통과한 다음에 고압용기(13)로 토출 저장된다. 이때, 상기 기름제거기(14)에서는 토출되는 작동가스에 함유되어 있던 기름을 분리하여 압축기(11)로 되돌려 보내는 반면, 가스만 고압용기(13)로 보낸다.

상기 밸브(30)가 고압용기(13)와 냉동부(20)를 연통시키게 되면, 고압의 작동가스가 예냉기(25) 및 재생기(24)를 통과하면서 냉각되어 맥동관(21)으로 유입되고, 그 맥동관(21)으로 유입된 작동가스는 맥동관(21)에 충진되어 있던 작동가스를 오리피스(22)쪽으로 밀게 되는데, 이때 맥동관(21)에 충진되어 있던 작동가스는 관벽과 열적 평형상태에 있다가 오리피스(22)쪽으로 이동을 하면서 단열 압축되어 온도가 상승하게 된다.

이후, 상기 밸브(30)가 닫혀 맥동관(21)내의 압력이 고압상태로 일정하게 유지되면, 그 맥동관(21)내의 작동가스는 오리피스(22)를 통해 저압측인 저장용기(23)쪽으로 이동하게 되고, 이 과정에서 작동가스는 단열 팽창되어 외부로 열을 방출하게 되므로, 맥동관(21)내의 작동가스는 처음보다 낮은 온도에서 열적 평형상태에 도달하게 된다.

이후, 상기 밸브(30)가 저압용기(13)와 냉동부(10)를 연통시키게 되면, 맥동관(21)내에 충진되어 있던 저온의 작동가스가 저압용기(12)쪽으로 빠져나가게 되면서 저장용기(23)쪽으로 이동하였던 작동가스가 다시 맥동관(21)으로 이동을 하게 되는데, 이때 재생기(24)를 통해 맥동관(21)을 빠져나가는 작동가스의 질량유량이 오리피스(22)를 통해 맥동관(21)으로 유입되는 작동가스의 질량유량보다 크게 되어 맥동관(21)의 팽창부(21b)에서의 작동가스는 급격하게 단열 팽창되면서 온도가 극저온까지 떨어지게 된다.

다음, 상기 밸브(30)가 닫혀 맥동관(21)내의 압력이 저압상태로 일정하게 유지되면, 저장용기(23)로부터 작동가스가 오리피스(22)를 통해 맥동관(21)으로 유입되어 맥동관(21)내의 작동가스를 압축시키면서 처음의 온도로 상승시키는 하나의 사이클을 이루게 된다.

한편, 상기 재생기(24) 및 예냉기(25)를 거쳐 저압용기(12)로 반입된 작동가스는 압축기(11)로 흡입되어 다시 압축되고, 그 압축된 작동가스는 고압용기(13)에 충진되었다가 밸브(30)의 오픈시 다시 맥동관(21)으로 유입되는 일련의 사이클과정을 반복하면서 맥동관(21)의 팽창부(21b)의 온도는 약 200℃까지 낮아지게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 맥동관 냉동기는, 그 냉동부(20)의 구조가 간단함에도 불구하고 구동부(10)가 압축기(11), 고/저압용기(12,13), 기름제거기(14) 등으로 구성되므로, 다른 극저온 냉동기와 마찬가지로 크기가 크고, 하나의 구동부(10)를 이루기 위하여는 압축기(11), 고/저압용기(12,13), 기름제거기(14) 등 각각의 부품을 별도로 조립하여야 하므로 조립공수가 많아질 뿐만 아니라 조립시간이 길어지는 문제점이 있었다.

또한, 상기 구동부(10)의 기름제거기에는 기름과 가스를 분리하기 위한 필터(미도시)가 구비되어 있는데, 이 필터를 주기적으로 교체시켜야 하는 냉동기의 유지보수 측면에서도 문제점이 있었다.

또한, 상기 구동부(10)와 냉동부(20)를 차별적으로 연결시키는 밸브(30)가 그 작동속도에 대한 제약이 있어 냉동부에 작동가스를 자주 공급할 수 없게 되는 것은 물론, 상기 밸브(30)를 통과하는 작동가스가 그 밸브(30)를 통과하면서 단열팽창되어 냉동기의 효율이 저하되는 문제점도 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 소형이면서도 별개로 조립하여야 하는 부품수를 줄여 조립공수 및 조립시간을 단축할 수 있는 맥동관 냉동기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

또한, 구동부에 대한 별도의 유지보수 없이도 장시간 사용할 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

또한, 구동부와 냉동부를 직접 연결시켜 작동가스의 질량유량을 증가시킴과 아울러 냉동부로의 유입전 팽창손실을 저감시켜 냉동기의 효율을 높일 수 있는 맥동관 냉동기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 기본형 맥동관 냉동기를 보인 개략도.

도 2는 종래 구멍식 맥동관 냉동기를 보인 개략도.

도 3은 종래 구멍식 맥동관 냉동기의 전체 배관도.

도 4는 본 발명 구멍식 무윤활 맥동관 냉동기의 전체 구성을 개략적으로 보인 종단면도.

도 5는 본 발명 구멍식 무윤활 맥동관 냉동기의 구동부를 보인 종단면도.

도 6은 도 5의 각 "A - A"를 보인 횡단면도.

도 7은 본 발명 구멍식 무윤활 맥동관 냉동기의 변형예를 개략적으로 보인 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 구동부 110 : 밀폐케이스

110a : 실린더부 111 : 상부프레임

112 : 중간프레임 112a : 모터지지부

112b : 지지부재 장착부 113 : 하부프레임

113a : 지지부재 장착부 114 : 밀봉셸

120 : 구동모터 121 : 고정자

121A,121B : 내,외측 라미네이션 121b : 코일

122 : 가동자 122b : 마그네트

130 : 구동축 130a,130b : 상,하부 지지턱

140 : 피스톤 151,152 : 안내용,탄성용 지지부재

151a,152a : 구동축 장착공 160 : 고정부재

200 : 냉동부 210 : 맥동관

211,212 : 압축,팽창부 220 : 오리피스

230 : 저장용기 240 : 재생기

250 : 예냉기 260 : 연결관

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 상기 밀폐케이스의 내부에 결합되어 구동모터의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤의 직진성을 안내하는 지지부재와, 상기 밀폐케이스의 실린더부에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관과, 그 맥동관의 팽창부와 구동부 사이에 연결되어 맥동관으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 작동가스가 맥동관에서 구동부로 되돌아 갈때 저장했던 열을 공급하는 재생기를 포함하여 구성한 무윤활 맥동관 냉동기가 제공된다.

또한, 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 상기 밀폐케이스의 내부에 결합되어 구동모터의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤의 직진성을 안내하는 지지부재와, 상기 밀폐케이스의 실린더부에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관과, 그 맥동관의 압축부에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스와, 그 오리피스에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기와, 상기 맥동관의 팽창부와 구동부 사이에 연결되어 맥동관으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 작동가스가 맥동관에서 구동부로 되돌아 갈때 저장했던 열을 공급하는 재생기를 포함하여 구성한 무윤활 맥동관 냉동기가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 구멍식 무윤활 맥동관 냉동기의 전체 구성을 개략적으로 보인 종단면도이고, 도 5는 본 발명 구멍식 무윤활 맥동관 냉동기의 구동부를 보인 종단면도이며, 도 6은 도 5의 각 'A - A'를 보인 횡단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 맥동관 냉동기는 구동모터의 가동자에 결합된 피스톤이 별도의 윤활작용 없이 실린더를 직선 왕복운동하면서 작동가스를 펌핑시킬 수 있도록 한 것으로, 상기 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동부(100)와, 그 구동부(100)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동부(200)로 크게 구분된다.

상기 구동부(100)는 실린더부(100a)가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스(110)와, 그 밀폐케이스(110)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 연결됨과 아울러 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에 삽입되어 구동축(130)과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(140)과, 상기 밀폐케이스(110)와 구동축(130) 사이의 상,하부에 각각 결합되어 구동모터(120)의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(140)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 구동모터(120)의 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(140)의 직진성을 안내하는 상,탄성용 지지부재(151,152)로 구성된다.

상기 밀폐케이스(110)는 피스톤(140)이 삽입되어 직선 왕복운동을 하도록 실린더부(110a)가 형성되는 상부프레임(111)과, 그 상부프레임(111)의 저면에 밀착 결합되어 내부에 상기 구동축(130)의 상단이 결합된 안내용 지지부재(151)가 체결됨과 아울러 상기 구동모터(120)가 고정 장착되는 중간프레임(112)과, 그 중간프레임(112)의 저면에 밀착 결합되어 구동축(130)의 하단에 결합된 탄성용 지지부재(152)가 체결되는 하부프레임(113)과, 상기 중간프레임(112) 및 하부프레임(113)을 감싸도록 상부프레임(111)의 하단면에 밀봉 결합되어 밀폐케이스(110)로부터 작동가스가 누출되는 것을 방지하는 밀봉셸(114)로 이루어진다.

상기 중간프레임(112)은 그 내주면 중간에 구동모터(120)를 장착시키기 위한 모터장착부(112a)가 환형으로 돌출 형성되고, 그 모터장착부(112a)의 상측에는 안내용 지지부재(151)가 얹혀져 체결되기 위한 수개의 돌기형 지지부재 장착부(112b)가 동일한 높이의 원주상에 형성되는데, 상기 지지부재 장착부(112b)의 내경은 지지부재(151)의 직경이 지나치게 크게 될 때에 발생되는 직진성 보장 및 동심도 유지능력의 저하를 감안하여 통상 구동모터(120)의 외경보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 하부프레임(113)은 그 내주면에 탄성용 지지부재(152)를 체결시키기 위한 수개의 돌기형 지지부재 장착부(113a)가 중간프레임(112)의 지지부재 장착부(112b)와 마찬가지로 동일한 높이의 원주상에 형성되는데, 이 지지부재 장착부(113a)의 내경 역시 구동모터(120)의 외경보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구동모터(120)는 다수개의 철편이 원통형으로 적층된 내,외측 라미네이션(121A,121B)과, 그 중에서 외측 라미네이션(121B)에 수개의 코일(121b)이 장착된 고정자(121)와, 그 고정자(121)의 내,외측 라미네이션(121A,121B) 사이에 개재되어 구동축(130)과 결합되고 상기 코일(121b)에 대향되도록 마그네트(112b)가 장착된 가동자(122)로 이루어지는 통상적인 리니어 모터로서, 상기 외측 라미네이션(121B)이 밀폐케이스(110)의 중간프레임(112)에 체결되고, 상기 내측 라미네이션(121A)은 별도의 연결링(123)에 의해 외측 라미네이션(121B)과 일체로 결합된다.

상기 구동축(130)은 전술한 바와 같이 구동모터(120)의 가동자(122)에 일체되는 것으로, 그 상단은 안내용 지지부재(151)를 관통하여 피스톤(140)에 일체로 결합되는 반면, 그 하단은 탄성용 지지부재(152)의 중앙을 관통하여 별도의 고정부재(160)로 체결된다.

여기서, 상기 구동축(130)이 공진운동 및 직진운동을 하기 위하여는 구동축(130)과 상,탄성용 지지부재(151,152)가 일체로 결합되어야 하는데, 이를 위해 구동축(130)의 상부에는 피스톤(140)과의 사이에 안내용 지지부재(151)를 체결 고정시키기 위한 상부 지지턱(130a)이 형성되는 반면, 하부에는 고정부재(160)와의 사이에 탄성용 지지부재(152)를 체결 개재시키기 위한 하부 지지턱(130b)이 형성된다.

상기 상,탄성용 지지부재(151,152)는 모두 통상적으로 사용되고 있는 원판형의 판스프링으로서, 그 각각의 중앙에 형성되는 구동축 장착공(151a,152a)은 피스톤(140)의 직진성이 유지되도록 상부프레임(111)의 실린더부(110a)와 함께 동심상에 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 냉동부(200)는 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부(211)에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부(212)에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(210)과, 그 맥동관(210)의 압축부(211)에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스(220)와, 그 오리피스(220)에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기(230)와, 상기 맥동관(210)의 팽창부(212)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 맥동관(210)으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 맥동관(210)에서 구동부(100)의 실린더부(110a)로 되돌아 가는 작동가스의 온도를 보상하는 재생기(240)와, 그 재생기(240)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 펌핑되는 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 예냉기(250)로 구성된다.

상기 냉동부(200)의 예냉기(250)는 본 실시예에서와 같이 그 저면이 상부프레임(111)의 선단면에 압착되어 장착될 수도 있거니와, 도 7에 도시된 바와 같이 별도의 연결관(260)을 이용하여 실린더부(110a)와 소정 간격을 두고 연통 설치될 수도 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 조립된다.

먼저, 상기 중간프레임(112)의 모터지지부(112a)에 구동모터(120)의 외측 라미네이션(121B)을 체결하고, 그 외측 라미네이션(121B)에 내측 라미네이션(121A)을 삽입한 다음에 연결링(123)을 이용하여 내,외측 라미네이션(121A,121B)을 일체로 체결하며, 상기 내,외측 라미네이션(121A,121B) 사이의 공극에 구동축(130)이 결합된 원통형의 가동자(122)를 개재시키고, 상기 구동축(130)이 중앙을 관통하도록 하여 안내용 지지부재(151)를 중간프레임(112)의 지지부재 장착부(112b)에 얹어 체결시키며, 상기 중간프레임(112)의 하단에는 하부프레임(113)을 체결시키고, 그 하부프레임(113)의 지지부재 장착부(113a)에는 구동축(130)의 하단이 중앙을 관통하는 탄성용 지지부재(152)를 체결시키며, 상기 구동축(130)의 상단에는 구동축(130)의 상부 지지턱(130a)과의 사이에 안내용 지지부재(151)가 밀착 개재된 상태로 피스톤(140)을 결합시키는 반면, 하단에는 구동축(130)의 하부 지지턱(130b)과의 사이에 탄성용 지지부재(152)가 개재된 상태로 고정부재(160)를 결합시킨다.

이때, 상기 피스톤(140)은 직선 왕복운동시 실린더부(110a)와의 간극이 약 5μm를 유지하도록 상,탄성용 지지부재(151,152)의 구동축 장착공(151a,152a) 및 실린더부(110a)가 동심도를 유지하도록 조립되어야 한다.

이후, 상기 중간프레임(112)의 상단에는 피스톤(140)이 실린더부(110a)에 삽입되도록 하여 상부프레임(111)을 체결시키고, 그 상부프레임(111)의 하단에는 중간프레임(112)과 하부프레임(113)을 감싸는 밀봉셸(114)을 결합시킨다.

다음, 상기 실린더부(110a)의 선단면에 예냉기(250)를 직접 밀착시켜 체결시키고, 그 예냉기(250)에 재생기(240), 맥동관(210), 오리피스(220), 저장용기(230) 등을 차례대로 결합시키는데, 경우에 따라서는 상기 실린더부(110a)와 예냉기(250) 사이에 별도의 연결관(260)을 개재시켜 결합시킬 수도 있다. 이는 상기 실린더부(110a)에서 발생되는 열이 예냉기(250)로 직접 전달되지 아니하고 외부로 방열되도록 하기 위함이다.

한편, 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 동작과정은 다음과 같다.

즉, 상기 구동모터(120)에 전원이 인가되어 가동자(122)가 직선 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(122)에 결합된 구동축(130) 역시 직선 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(130)에 일체로 결합된 피스톤(140)이 실린더부(110a) 내에서 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑시키게 된다.

이때, 상기 피스톤(140)의 압축행정시는 실린더부(110a)의 작동가스가 예냉기(250)쪽으로 유출되고, 그 예냉기(250)에서 소정 온도로 미리 냉각된 작동가스는 재생기(240)를 거치면서 열교환되어 내부의 현열을 저장한 상태로 맥동관(210)으로 유입되는데, 이 유입되는 작동가스에 의해 맥동관(210)에 충진되어 있던 작동가스는 오리피스(220)쪽으로 밀리면서 압축되어 맥동관(210)의 압축부(211) 온도가 상승하게 되고, 그 상승된 온도는 작동가스가 오리피스(220)를 지나면서 단열팽창되어 외부로 방열된다.

이후, 상기 맥동관(210)은 피스톤(140)의 압축행정과 팽창행정간 사이에서 고압상태의 열적 평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(220)를 통해 맥동관(210)으로부터 저장용기(230)로 이동하여 맥동관(210)의 온도를 낮추게 된다.

이후, 상기 피스톤(140)의 팽창행정시는 맥동관(210)으로 유입되었던 작동가스를 흡입하면서 맥동관(210)내의 작동가스를 재생기(240)쪽으로 이동시키게 되는데, 이때 재생기(240)를 통해 맥동관(210)을 빠져나가는 작동가스의 질량유량에 비해 오리프스(220)를 통해 맥동관(210)으로 유입되는 작동가스의 질량유량이 훨씬 적기 때문에 상기 맥동관(210)에서의 작동가스는 단열 팽창된다. 이 작동가스의 단열팽창은 통상 냉측 열교환기(미부호)가 장착된 재생기(240)쪽에서 급격하게 발생되어 극저온부가 형성된다.

다음, 상기 맥동관(210)은 피스톤(140)의 팽창행정과 압축행정 사이에서 저압상태의 열적평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(220)를 통해 저장용기(230)에서 맥동관(210)으로 이동하면서 맥동관(210)내 작동가스의 압력을 높여 처음의 온도를 회복하게 된다.

한편, 상기 구동축(130)의 상,하단부에 결합된 상,탄성용 지지부재(151,152)는 구동축(130)의 왕복운동을 받아 가동자(122)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고, 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(140)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(140)이 실린더부(110a)의 내주벽과 항상 일정한 공차를 두고 직선운동을 할 수 있도록 안내하게 되는 것이다.

이와 같이, 종래의 맥동관 냉동기는 그 구동부가 압축기, 고압용기, 저압용기, 기름제거기 등으로 이루어져 있어 맥동관 냉동기의 전체 크기가 비대하였으나, 본 발명에서의 구동부는 리니어 모터를 이용한 압축기 하나로 구성으로써 맥동관 냉동기를 소형화할 수 있게 되는 것은 물론 조립 부품수가 줄어들어 조립공수 및 조립시간이 현저하게 단축된다.

또한, 종래에는 작동가스를 펌핑하기 위하여 고압용기 및 저압용기를 냉동부와 차별 연통시키는 밸브를 별도로 장착하였으나, 이로 인해 상기 밸브를 통과하는 작동가스가 팽창되어 냉동기의 효율이 저하되었던 바, 본 발명에서는 피스톤의 직선 왕복운동을 이용하여 작동가스를 펌핑하므로 별도의 밸브를 사용하지 않게 되어 냉동기의 효율이 향상된다.

또한, 종래에는 압축기에서 토출되는 기름이 냉동기로 유입되지 않도록 별도의 기름제거기를 설치하여 주기적으로 그 기름제거기를 교체하였으나, 본 발명의 구동부는 구동축에 결합된 지지부재로 피스톤을 공진운동 및 직진운동시키므로, 별도의 윤활이 필요없게 되어 유지보수의 주기가 길어짐에 따라 인공위성등의 센서 냉각용으로 폭넓게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기는, 그 구동부를 리니어 압축기 하나로 구성하여 맥동관 냉동기를 소형화할 수 있게 되는 것은 물론, 고/저압용기 및 기름제거기 등을 제거하여 조립 부품수를 줄임으로써 조립공수 및 조립시간이 현저하게 감축되고, 상기 실린더부에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤이 복수개의 지지부재에 의해 공진운동 및 직진운동을 유지하도록 하여 별도의 윤활이 필요없게 되므로 윤활에 따른 유지보수 주기가 연장되며, 상기 구동부와 냉동부를 직접 연결시켜 피스톤의 왕복운동만으로 작동가스를 펌핑하므로 별도의 밸브를 사용하지 않게 되어 냉동기의 효율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 상기 밀폐케이스의 내부에 결합되어 구동모터의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤의 직진성을 안내하는 지지부재와, 상기 밀폐케이스의 실린더부에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관과, 그 맥동관의 팽창부와 구동부 사이에 연결되어 맥동관으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 작동가스가 맥동관에서 구동부로 되돌아 갈때 저장했던 열을 공급하는 재생기를 포함하여 구성한 무윤활 맥동관 냉동기.
2. 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 상기 밀폐케이스의 내부에 결합되어 구동모터의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤의 직진성을 안내하는 지지부재와, 상기 밀폐케이스의 실린더부에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관과, 그 맥동관의 압축부에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스와, 그 오리피스에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기와, 상기 맥동관의 팽창부와 구동부 사이에 연결되어 맥동관으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 작동가스가 맥동관에서 구동부로 되돌아 갈때 저장했던 열을 공급하는 재생기를 포함하여 구성한 무윤활 맥동관 냉동기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지부재는 밀폐케이스의 일측에 고정되어 구동모터의 가동자의 공진운동을 유발시키면서 피스톤이 지속적으로 왕복운동을 하도록 유도하는 탄성용 지지부재와, 그 탄성용 지지부재와는 별개로 밀폐케이스의 타측에 고정되어 피스톤이 지속적으로 직진운동을 하도록 유도하는 안내용 지지부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.
4. 제3항에 있어서, 상기 탄성용 지지부재는 구동모터의 하측에 배치되도록 구동축의 하단부에 체결되는 반면, 상기 안내용 지지부재는 구동모터의 상측에 배치되도록 구동축의 상단부에 체결되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.
5. 제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 밀폐케이스는 피스톤이 삽입되어 직선 왕복운동을 하기 위한 실린더부가 형성된 상부프레임과, 그 상부프레임의 저면에 밀착 결합되어 내부에 상기 구동축의 상단이 결합된 안내용 지지부재가 체결됨과 아울러 상기 구동모터가 고정 장착되는 중간프레임과, 그 중간프레임의 저면에 밀착 결합되어 구동축의 하단에 결합된 탄성용 지지부재가 체결되는 하부프레임과, 상기 중간프레임 및 하부프레임을 감싸도록 상부프레임의 저면에 밀봉 결합되어 밀폐케이스로부터 작동가스가 누출되는 것을 방지하는 밀봉셸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.
6. 제5항에 있어서, 상기 중간프레임의 내주면에는 구동모터의 고정자를 얹어 체결시키기 위한 환형의 모터지지부가 형성됨과 아울러 상기 안내용 지지부재를 밀착 체결시키기 위한 수개의 돌기형 지지부재 장착부가 동일한 높이의 원주상에 형성되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.
7. 제2항에 있어서, 상기 하부프레임의 내주면에는 탄성용 지지부재를 얹어 체결시키기 위한 수개의 돌기형 지지부재 장착부가 동일한 높이의 원주상에 형성되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 실린더부에서 펌핑되는 고온고압상태의 작동가스를 우선 냉각시키기 위한 예냉기가 실린더부의 선단면에 직접 결합되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 실린더부에서 펌핑되는 고온고압상태의 작동가스를 우선 냉각시키기 위한 예냉기가 실린더부와의 사이에 별도의 연결관이 개재되어 결합되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기.