KR20050052961A

KR20050052961A - 재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기

Info

Publication number: KR20050052961A
Application number: KR1020030086559A
Authority: KR
Inventors: 김선영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-07
Also published as: US7275375B2; CN1624403A; JP4664045B2; KR100539756B1; EP1538406A2; CN1287120C; JP2005164225A; EP1538406A3; US20050223715A1

Abstract

본 발명은 재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기에 관한 것으로, 본 발명은 압축부와 냉동부 사이에 축열재를 배치하여 그 축열재가 작동가스와 열교환하면서 열에너지를 축적/방출하도록 하는 재생기에 있어서, 축열재는 아라미드 섬유(aramid fiber)로 구성하거나 또는 이를 이용하여 밀폐용기의 내부에 구비하여 구동력을 발생하는 구동모터와, 구동모터의 일측에 배치하여 작동가스를 충진하는 실린더와, 구동모터의 가동자에 결합하여 상기 실린더에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 실린더의 일측에 미끄러지게 삽입하여 피스톤과 함께 연동하면서 작동가스를 압축/팽창시키는 디스플레이서와, 실린더의 일측에 밀봉 결합하여 극저온부를 가지는 콜드핑거튜브와, 디스플레이서의 일측에 결합하여 콜드핑거튜브의 내부에서 왕복운동을 하면서 작동가스의 열에너지를 축적/방출하도록 아라미드 섬유(aramid fiber)로 된 재생기를 포함함으로써, 재생기의 무게를 줄여 디스플레이서와 함께 왕복운동을 하는 극저온 냉동기에 적용할 때 이를 지지하는 실린더나 콜드핑거튜브와의 마모를 줄여 냉동기의 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 아라미드 섬유의 특성상 고온에 강하고 재생성능이 우수하여 냉동기 성능을 현격하게 향상시킬 수 있다.

Description

재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기{REGENERATOR AND STIRLING REFRIGERATOR WITH THIS}

본 발명은 재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기에 관한 것으로, 특히 비금속 물질인 아라미드 섬유(aramid fiber)를 축열재로 이용하여 성능을 높이고 무게를 줄인 재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기에 관한 것이다.

일반적으로 재생기는 재생사이클의 핵심부품으로서 냉동부와 압축부를 왕래하는 작동가스와 열교환을 하면서 열에너지를 축적/방출하는 기기이다. 재생기는 작동가스와의 열교환이 원활하게 이루어지도록 비교적 열교환 면적이 넓은 얇은 스테인레스 섬유를 주로 축열재로 사용하고 있다. 이러한 축열재는 스테인레스 섬유를 그물모양으로 짠 망형태 또는 직물형태를 절개하여 사용하거나 섬유의 초기 상태인 솜형태를 그대로 압착하여 사용하고 있다.

그러나 금속계 섬유를 축열재로 사용하는 재생기는 축열재의 무게가 과중하여 스털링 냉동기와 같이 윤활유를 사용할 수 없는 경우에는 재생기가 처지면서 이를 지지하는 부재와의 사이에서 마모가 발생할 우려가 있었다.

이를 감안하여 윤활유 대신 가스베어링을 사용하여 재생기를 윤활하거나 또는 축열재로 비금속 섬유를 사용하여 무게를 줄이는 방안을 고려할 수 있으나, 우선 가스베어링의 경우에는 윤활 성능이 상대적으로 낮아 마모를 효과적으로 줄이는데 한계가 있는 반면 축열재로 비금속 섬유를 사용하는 경우에는 재생기의 무게를 줄일 수는 있지만 이 비금속 섬유가 고온에서 변형되는 특성으로 인해 압축부가 고온이 되는 현재의 스털링 냉동기에는 적합하지 않을 뿐만 아니라 지금까지 알려진 비금속 재질의 축열재는 재생 성능도 스테인레스 섬유로된 축열재에 비해 낮은 단점이 있어 거의 사용하지 않고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 극저온기의 재생기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 무게를 줄이면서도 재생 성능이 우수한 비금속 재질의 재생기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

또, 가볍고 재생 성능이 우수한 비금속 재질의 재생기를 구비한 극저온 냉동기를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 압축부와 냉동부 사이에 축열재를 배치하여 그 축열재가 작동가스와 열교환하면서 열에너지를 축적/방출하도록 하는 재생기에 있어서, 축열재는 아라미드 섬유(aramid fiber)인 것을 특징으로 하는 재생기를 제공한다.

또, 밀폐용기의 내부에 구비하여 구동력을 발생하는 구동모터와, 구동모터의 일측에 배치하여 작동가스를 충진하는 실린더와, 구동모터의 가동자에 결합하여 상기 실린더에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 실린더의 일측에 삽입하여 피스톤과 함께 연동하면서 작동가스를 압축/팽창시키는 디스플레이서와, 실린더의 일측에 밀봉 결합하여 극저온부를 가지는 콜드핑거튜브와, 디스플레이서의 일측에 결합하여 콜드핑거튜브의 내부에서 왕복운동을 하면서 작동가스의 열에너지를 축적/방출하도록 아라미드 섬유(aramid fiber)로된 재생기를 포함한 극저온 냉동기를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 스털링 냉동기의 일례를 보인 단면도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명 스털링 냉동기에서 재생기와 디스플레이서를 결합한 상태를 보인 단면도이며, 도 4는 본 발명 스털링 냉동기의 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명의 재생기를 구비한 스털링 냉동기는, 소정의 내부공간을 가지는 밀폐용기(10)와, 밀폐용기(10)의 내부에 구비하여 가동자(23)가 직선으로 왕복운동을 하는 왕복동모터(20)와, 밀폐용기(10)에 고정하여 그 내부에 작동가스를 충진하는 실린더(30)와, 왕복동모터(20)의 가동자(23)에 결합하고 상기 실린더(30)의 일측에 직선으로 왕복운동을 할 수 있도록 삽입하여 상기한 실린더(30)의 작동가스를 펌핑하는 피스톤(40)과, 실린더(30)의 타측에 미세한 공극을 가지도록 삽입하여 상기 피스톤(40)과 연동하면서 냉매가스를 압축/팽창시키는 디스플레이서(50)와, 디스플레이서(50)의 일측을 탄력 지지하여 동심도를 유지하도록 밀폐용기(10)에 고정하는 지지스프링(60)과, 실린더(30)의 출구측에 연결하여 밀봉 결합하여 극저온부(71)를 가지는 콜드핑거튜브(70)와, 콜드핑거튜브(70)에 미세한 공극을 가지도록 삽입하고 디스플레이서(50)에 결합하여 상기한 작동가스의 열에너지를 축적/방출하는 재생기(80)를 포함한다.

재생기(80)는 소정의 내부공간을 구비하여 디스플레이서(50)의 몸체부(51)에 결합하는 하우징(81)과, 하우징(81)의 내부공간에 삽입하여 작동가스의 열에너지를 축적/방출하는 축열재(82)로 이루어진다.

하우징(81)은 원통의 중공체로 형성하는 하우징몸체(83)와, 하우징몸체(83)의 일측을 복개하되 다수 개의 제2 가스통공(84a)을 형성하여 콜드핑거튜브(70)의 내부와 상기한 하우징몸체(83)의 내부공간을 연통하는 하우징덮개(84)로 이루어진다.

하우징몸체(83)는 디스플레이서(50)의 몸체부(51)에 구비하는 제1 가스통공(51a)에 연통하도록 그 디스플레이서(50) 측을 열린 구조로 형성한다.

하우징덮개(84)는 하우징몸체(83)가 상기 콜드핑거튜브(70)의 내주면과 미세한 공극을 가지도록 상기한 하우징몸체(83)의 끝단 내부에 삽입하여 접착제 등으로 고정한다.

축열재(82)는 비금속 재질이면서 고온에서도 변형되지 않고 열교환 면적도 넓은 아라미드 섬유를 도 2에서와 같이 솜 형태로 제작하여 상기한 하우징(81)의 내부공간에 삽입하거나 도 3에서와 같이 직물 형태로 제작하여 다수 장을 상기한 하우징(81)의 내부공간에 층층이 적층되도록 삽입한다.

여기서, 축열재(82)는 솜 형태의 경우에는 하우징(81)에 삽입하는 양에 따라 그 공극률이 달라지게 되는 반면 직물 형태인 경우에는 삽입량은 거의 동일한 대신 눈의 크기에 따라 공극률을 달리할 수 있으므로 냉동기의 종류에 따라 축열재(82)의 공극률을 적절하게 조절하는 것이 바람직하다. 예컨대, 맥동관 냉동기의 경우에는 축열재의 공극률을 대략 45% ~ 65%, 보다 정확하게는 50% ~ 60% 정도로 조절하는 한편 본 실시예와 같은 스털링 냉동기의 경우에는 축열재의 공극률을 대략 75% ~ 95%, 보다 정확하게는 80% ~ 90% 정도로 조절하는 것이 바람직하다.

도면중 미설명 부호인 31은 가스통로, 52는 디스플레이서 로드, 91은 내측방열부, 92는 외측방열부, S1은 압축공간, S2는 팽창공간이다.

상기와 같은 본 발명 재생기 및 이를 적용한 스털링 냉동기는 다음과 같은 작용 효과가 있다.

즉, 왕복동모터(20)에 전원을 인가하면, 피스톤(40)이 왕복동모터(20)의 가동자(23)와 함께 전진운동을 하여 압축공간(S1) 내의 작동가스를 압축하고, 압축공간(S1)에서 압축된 작동가스가 실린더(30)의 가스통로(31)와 디스플레이서(50)의 제1 가스통공(51a)을 통해 재생기(80)의 하우징(81)으로 유입되며, 이 작동가스는 재생기(80)의 축열재(82)를 통과하면서 열에너지를 그 축열재(82)에 축적한 후에 반대쪽 팽창공간(S2)으로 배출되고, 디스플레이서(50)는 피스톤(40)을 따라 팽창공간(S2) 쪽으로 이동을 하였다가 피스톤(40)이 후진운동을 할 때 팽창공간(S2)의 압력과 지지스프링(60)의 복원력에 의해 다시 압축공간(S1)쪽으로 이동을 한다. 이때, 팽창공간(S2)의 작동가스는 급격하게 팽창을 하면서 콜드핑거튜브(70)의 극저온부(71)를 냉각한다.

다음, 팽창공간(S2)의 작동가스는 재생기(80)의 제2 가스통공(84a)을 통해 하우징(81)으로 유입되고, 이 작동가스는 하우징(81) 내부의 축열재(82)를 다시 통과하면서 열에너지를 전달받은 상태로 실린더(30)의 압축공간(S1)으로 반출되어 피스톤(40)이 전진운동을 할 때 다시 압축되는 일련의 과정을 반복한다.

여기서, 디스플레이서(50)는 그 외주면이 실린더(30)의 내주면에 미세한 공극을 가지도록 제작되어 지지스프링(60)에 의해 동심도를 유지하면서 왕복운동을 하도록 조립되나, 실제 횡방향으로 설치하여 구동할 때에는 디스플레이서(50)의 자중에 의해 처짐이 발생하고 이 처짐에 의해 디스플레이서(50)와 실린더(30) 사이의 마모가 증가하는 것은 물론 디스플레이서(50)의 끝단에 결합하는 재생기(80)와 콜드핑거튜브(70) 사이의 마모가 증가하여 냉동기 전체의 신뢰성에 큰 악영향을 끼치게 된다. 따라서 가급적이면 재생기(80)의 무게가 가벼워야 디스플레이서(50)와 실린더(30) 사이의 마찰은 물론 재생기(80)와 콜드핑거튜브(70) 사이의 마찰을 최소화할 수 있다. 이를 감안할 때 도 2 및 도 3에서와 같이 재생기(80)의 축열재(82)로 비금속 재질을 사용하는 경우에는 재생기(80) 전체의 무게를 금속 대비 약 1/4 수준으로 현격하게 줄일 수 있어 디스플레이서(50)의 처짐을 낮출 수 있고 이를 통해 실린더(30)와 디스플레이서(50) 사이의 마모는 물론 재생기(80)와 콜드핑거튜브(70) 사이의 마모를 낮춰 극저온 냉동기의 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 비금속 재질로서 아라미드 섬유를 사용함에 따라 고온에서도 쉽게 변형되지 않고 재생기 성능도 오히려 스테인레스 계열의 금속 물질을 사용하는 것에 비해 약 50% 정도 증가하여 냉동기 성능이 2배 정도 향상될 수 있다.

예를 들어, 스테인레스 섬유의 금속 재질을 축열재로 사용하는 경우와 아라미드 섬유를 축열재로 사용하는 경우를 비교하면 다음과 같다.

즉, 스테인레스 섬유는 그 재질을 스테인레스(이하, 예①로 약칭함)로 형성한 경우를 실험한 반면 아라미드 섬유는 그 재질을 아라미드(이하, 예②로 약칭함)로 형성한 경우를 실험한 것이다.

먼저, 각 예에 대하여 축열재의 질량과 전열 면적을 비교하여 보면 예①의 경우는 공극률을 90%로 가정했을 때 축열재 질량은 약14.5g 정도가 되고 전열 면적은 약 0.5296㎡ 정도가 된다. 반면, 예②의 경우는 공극률을 80%로 가정했을 때 축열재의 질량이 약 4.4g 정도이고 전열 면적은 1.0592㎡ 정도가 된다. 즉, 전술한 바와 같이 질량은 동일 선경일 때의 약 1/4 정도로 감소하는 반면 전열 면적은 동일 선경일 때의 2.5배 정도 증가하여 열전달 면적이 상승함을 실례를 들어 알 수 있다.

한편, 본 발명의 재생기를 스털링 냉동기에 적용한 경우 이에 대한 진폭비와 위상각의 변화를 살펴보면 도 5 및 도 6에서와 같다.

먼저, 진폭비(X_d/X_p)는 예①의 경우는 0.425정도이며 예②의 경우는 0.682정도이다. 즉, 예②의 경우는 재생기의 무게가 다른 예에 비하여 약 1/5 ~ 1/4 정도로 감소함에 따라 재생기의 진폭이 그만큼 증가할 수 있고 이로 인해 작동가스에 대한 팽창효과가 높아져 재생 성능이 향상될 수 있음을 예측할 수 있다.

반면, 위상각(Φ)은 예①은 89.65이고 예②는 47.12로서, 이는 예②의 경우가 처짐량이 가장 적고 이를 통해 재생기와 콜드핑거튜브 사이 또는 디스플레이서와 실린더 사이의 마모를 줄일 수 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 재생기에 대한 비유용도(ineffectiveness)를 측정해 보면 도 6에서와 같다.

여기서, λ는 비유용도,

m은 질량,

h는 엔탈피,

c(cold-end)는 냉측부,

w(warm-end)는 온측부,

윗 식을 참조하여 각 예들의 비유용도를 측정하면 도 7에서와 같이 예①는 0.45%, 예②은 0.20%로서 비유용도 역시 예②의 경우가 낮은 수치를 보임에 따라 예②의 재생기가 가장 우수한 성능을 나타낼 것으로 예측할 수 있다.

결론적으로, 아래의 표1과 도 8에서와 같이

종 류	일 률(이상)	일 률(손실)	일 률	냉각능력(COP)
스테인레스(예①)	28.02	12.16	15.86	0.167
아라미드(예②)	33.80	5.34	28.46	0.249

각 예에 대한 냉각능력을 실험해 보면 스테인레스 섬유의 경우는 약 15.86W 정도의 일률을 나타내는데 반해 아라미드 섬유는 약 28.46W 정도의 일률을 나타내었다. 이를 근거로 할 때 상기한 바와 같이 동일한 선경의 경우 스테인레스 섬유 보다 아라미드 섬유의 일률이 거의 2배에 이르는 것을 알 수 있다.

본 발명은 스털링 냉동기에 한정되는 것이 아니라 극저온 냉동기로 알려진 펄스튜브 냉동기나 GM 냉동기에도 적용할 수 있다.

본 발명에 의한 재생기 및 이를 적용한 극저온 냉동기는, 비금속 물질인 아라미드 섬유를 재생기로 활용함으로써, 재생기의 무게를 줄여 디스플레이서와 함께 왕복운동을 하는 극저온 냉동기에 적용할 때 이를 지지하는 실린더나 콜드핑거튜브와의 마모를 줄여 냉동기의 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 아라미드 섬유의 특성상 고온에 강하고 재생성능이 우수하여 냉동기 성능을 현격하게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명 스털링 냉동기의 일례를 보인 단면도,

도 2 및 도 3은 본 발명 스털링 냉동기에서 재생기와 디스플레이서를 결합한 상태를 보인 단면도,

도 4는 본 발명 스털링 냉동기의 개략도,

도 5 및 도 6은 본 발명의 재생기를 스털링 냉동기에 적용한 경우 이에 대한 진폭비와 위상각의 변화를 종래와 비교하여 보인 그래프,

도 7은 본 발명의 재생기에 대한 비유용도를 종래와 비교하여 보인 그래프,

도 8은 본 발명 스털링 냉동기의 재생기에 대한 효율을 종래와 비교하여 보인 그래프.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 밀폐용기 20 : 왕복동모터

30 : 실린더 40 : 피스톤

50 : 디스플레이서 60 : 지지스프링

70 : 콜드핑거튜브 80 : 재생기

81 : 하우징 82 : 축열재

Claims

압축부와 냉동부 사이에 축열재를 배치하여 그 축열재가 작동가스와 열교환하면서 열에너지를 축적/방출하도록 하는 재생기에 있어서,

축열재는 아라미드 섬유(aramid fiber)인 것을 특징으로 하는 재생기.
제1항에 있어서,

아라미드 섬유의 공극률은 40% ~ 95% 인 것을 특징으로 하는 재생기.
제2항에 있어서,

아라미드 섬유는 솜 형태로 제작하여 소정의 하우징에 적정량을 삽입하는 것을 특징으로 하는 재생기.
제2항에 있어서,

아라미드 섬유는 직물 형태로 제작하여 소정의 하우징에 다층으로 적층하는 것을 특징으로 하는 재생기.
밀폐용기의 내부에 구비하여 구동력을 발생하는 구동모터와,

구동모터의 일측에 배치하여 작동가스를 충진하는 실린더와,

구동모터의 가동자에 결합하여 상기 실린더에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과,

실린더의 일측에 미끄러지게 삽입하여 피스톤과 함께 연동하면서 작동가스를 압축/팽창시키는 디스플레이서와,

실린더의 일측에 밀봉 결합하여 극저온부를 가지는 콜드핑거튜브와,

디스플레이서의 일측에 결합하여 콜드핑거튜브의 내부에서 왕복운동을 하면서 작동가스의 열에너지를 축적/방출하도록 아라미드 섬유(aramid fiber)로된 재생기를 포함한 극저온 냉동기.
제5항에 있어서,

재생기는 소정의 내부공간을 구비하고 실린더와 콜드핑거튜브에 연통하도록 가스통공을 구비하여 디스플레이서와 결합하는 하우징과, 아라미드 섬유로 형성하여 상기 하우징의 내부공간에 삽입하는 축열재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제6항에 있어서,

축열재는 공극률이 75% ~ 95% 인 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제7항에 있어서,

축열재는 솜 형태로 제작하여 소정의 하우징에 적정량을 삽입하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제7항에 있어서,

축열재는 직물 형태로 제작하여 소정의 하우징에 다층으로 적층하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.