KR20110097065A

KR20110097065A - 극저온 냉동기

Info

Publication number: KR20110097065A
Application number: KR1020100016693A
Authority: KR
Inventors: 박성운
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-08-31
Also published as: CN102713467A; CN102713467B; WO2011105681A1

Abstract

본 발명에 따른 극저온 냉동기는 압축공간을 형성하는 실린더; 실린더 내측에서 축방향으로 왕복 직선 운동하는 피스톤; 피스톤과 연결된 영구자석; 영구자석과 간극을 유지하도록 설치되고, 상호 전자기력에 의해 영구자석을 왕복 구동시키는 이너스테이터 및 아우터스테이터; 그리고, 실린더 외주면에 구비되고, 이너스테이터를 실린더 외주면에 고정시키는 접착제가 수용되는 복수개의 접착홈;을 포함하도록 구성된다. 따라서, 실린더에 구비된 접착홈에만 접착제가 도포된 다음, 이너스테이터가 실린더에 접착되기 때문에 실린더와 이너스테이터 사이의 접착제가 빠져나가는 것을 방지하여 이너스테이터를 견고하게 고정시킬 뿐 아니라 작동 신뢰성을 보장할 수 있다.

Description

극저온 냉동기 {COOLER}

본 발명은 극저온 냉동기에 관한 것으로서, 특히 실린더와 이너스테이터 사이의 접착 구조를 개선하여 효율을 높일 수 있는 극저온 냉동기에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품 또는 초전도체 등을 냉각하기 위하여 사용되는 저진동 고신뢰성의 냉동기로서, 헬륨 혹은 수소 등의 작동유체가 압축 및 팽창 등의 과정을 통해 냉동출력을 발생시키며, 대표적으로 스터링 냉동기(Stirling refrigerator)와 지엠 냉동기(GM refrigerator) 또는 줄-톰슨 냉동기(Joule-Thomson refrigerator) 등이 널리 알려져 있다. 이러한 냉동기들은 고속 운전시 그 신뢰성이 저하되는 것은 물론 운전시 마찰부위의 마모에 대비하여 별도의 윤활을 실시해야 하는 문제점이 있다. 따라서, 고속 운전에서도 신뢰성이 유지될 뿐 아니라 별도의 윤활이 필요 없이 장기간 보수하지 않아도 되는 극저온 냉동기가 요구되고 있으며, 최근에는 고압의 작동유체가 일종의 베어링 역할을 하여 부품들 사이의 마찰을 저감시키는 무윤활 극저온 냉동기가 적용되고 있다.

이와 같은 극저온 냉동기는 냉매를 압축공간에서 압축하면서 펌핑시키고, 방열 및 재생 과정을 거친 다음, 팽창공간에서 팽창시키면, 주변과 열교환 작용을 통하여 주변 온도를 극저온 상태를 유지하도록 구성된다. 이때, 냉매의 압축공간을 형성하는 실린더와, 실린더 내측에서 왕복 직선 운동하는 피스톤과, 피스톤을 구동시키는 이너스테이터와 아우터스테이터 및 영구자석으로 이루어진 리니어 모터를 포함한다. 보다 상세하게, 이너스테이터는 실린더 외주면에 접착제에 의해 고정되고, 아우터스테이터는 이너스테이터 외측에 일정간격을 유지하도록 냉동기의 케이스 내주면에 고정되며, 이너스테이터와 아우터스테이터 사이의 간극을 유지하도록 영구자석이 설치된다.

그런데, 종래의 극저온 냉동기는 원통 형상의 실린더 외주면 전체에 에폭시가 도포된 다음, 원통 형상의 이너스테이터가 실린더 외주면에 끼워진 상태에서 접착된다. 따라서, 이너스테이터가 실린더에 끼워지면서 에폭시가 밀리거나, 실린더와 이너스테이터 사이의 에폭시가 초기 냉매를 주입하기 전인 진공 상태에서 빠져나가는 현상(Outgassing)이 많이 일어나기 때문에 다량의 접착제가 사용되더라도 실린더와 이너스테이터 사이의 접착 성능을 저하되고, 실린더로부터 이너스테이터가 탈거될 수 있어 극저온 냉동기의 작동 신뢰성을 보장하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소량의 접착제만으로도 실린더와 이너스테이터를 견고하게 고정시킬 수 있는 극저온 냉동기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 극저온 냉동기는 압축공간을 형성하는 실린더; 실린더 내측에서 축방향으로 왕복 직선 운동하는 피스톤; 피스톤과 연결된 영구자석; 영구자석과 간극을 유지하도록 설치되고, 상호 전자기력에 의해 영구자석을 왕복 구동시키는 이너스테이터 및 아우터스테이터; 그리고, 실린더 외주면에 구비되고, 이너스테이터를 실린더 외주면에 고정시키는 접착제가 수용되는 복수개의 접착홈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서, 접착홈들은 실린더 외주면을 따라 원주 방향으로 형성된 링 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서, 접착홈들은 실린더의 축방향으로 일정 간격을 두고 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서, 접착홈들은 그 단면이 실린더 외주면으로부터 깊이가 깊어질수록 폭이 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서, 접착홈들에만 에폭시가 도포되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 극저온 냉동기는 실린더 외주면에 구비된 접착홈들에만 에폭시와 같은 접착제가 도포된 다음, 이너스테이터가 실린더 외주면에 끼워져 접착되는 동시에 고정되기 때문에 접착제의 사용량을 저감시키는 동시에 이너스테이터와 실린더 사이로부터 접착제가 빠져나가는 것을 방지할 수 있으며, 이너스테이터를 견고하게 고정시킬 뿐 아니라 이너스테이터의 탈거를 방지할 수 있어 작동 신뢰성을 보장할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 일예가 도시된 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 일예가 도시된 측단면 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 일예가 도시된 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 이너스테이터의 고정 구조가 도시된 분해도.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 일예가 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 극저온 냉동기의 일예는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 외관을 형성하는 케이스(case : 10)와, 케이스(10) 내에 고정되어 소정 공간을 형성하는 고정부재(20)와, 고정부재(20) 내의 압축공간(C)에서 축방향으로 왕복 직선 운동하면서 냉매를 압축 및 팽창시키는 가동부재(30)와, 케이스(10)와 고정부재(20) 사이에 설치되어 가동부재(30)를 구동시키는 리니어 모터(linear motor : 40)와, 가동부재(30)의 축방향에 결합되어 서로 반대 방향으로 유동되는 냉매 사이에 등적 재생이 이뤄지는 재생기(50)와, 고정부재(20)와 가동부재(30) 및 재생기(50) 주변에 장착되어 압축되는 냉매의 열을 외부로 방열시키는 방열부(60)와, 재생기(50)의 축방향에 팽창공간(E)을 형성하도록 결합되어 팽창되는 냉매가 외부의 열을 흡열하는 냉각부(70)로 이루어진다.

케이스(10)는 재생기(50)와 방열부(60) 및 냉각부(70)와 동심을 이루는 프레임(frame : 11)과, 프레임(11)의 축방향에 연결 고정된 원통형의 쉘 튜브(shell tube : 12)를 포함한다. 프레임(11) 중 고정부재(20)가 볼트 체결되는 부분은 쉘 튜브(12)보다 직경이 작더라도 두께가 두껍게 형성되는데, 프레임(11) 중 방열부(60)가 장착되는 부분은 열교환 효율을 높이기 위하여 두께가 보다 얇게 형성된다. 쉘 튜브(12)에는 소정의 관(13)이 구비되는데, 케이스(10)의 내부가 거의 100% 가까운 진공 상태를 유지한 다음, 순정의 He 가스와 같은 냉매를 주입하기 때문에 진공 상태를 형성하기 위하여 공기를 빼주거나, 냉매를 주입하기 위한 관(13)이 구비된다. 그 외에도, 쉘 튜브(12)에는 리니어 모터(40)로 공급되는 전원을 공급하기 위한 전원 단자(14)가 구비된다.

고정부재(20)는 프레임(11)에 고정되는 동시에 쉘 튜브(12) 내측까지 연장된 실린더(cylinder : 21)와, 프레임(11) 내측에 맞물리도록 실린더(21)로부터 확장된 디스플레이서 하우징(displacer housing : 22)을 포함한다. 실린더(21)와 디스플레이서 하우징(22)은 단차진 원통 형상으로 형성되는데, 실린더(21)보다 디스플레이서 하우징(22)의 직경이 더 작게 형성되고, 실린더(21)의 외주면에 확장된 연결 부분이 프레임(11)에 볼트 고정된다. 이때, 실린더(21)와 디스플레이서 하우징(22)은 내부에 냉매가 압축되는 압축공간(C)을 형성하게 되는데, 방열부(60) 내측과 연통되는 통공(21h,22h)이 각각 구비된다.

가동부재(30)는 실린더(21) 내부에서 왕복 직선 운동하는 피스톤(piston : 31)과, 디스플레이서 하우징(22) 내부에서 피스톤(31)과 연동하여 왕복 직선 운동하는 디스플레이서(displacer : 32)를 포함한다. 피스톤(31)은 실린더(21) 내주면에 간극을 두고 설치된 피스톤 바디(piston body : 311)와, 피스톤 바디(311) 내측에 설치된 피스톤 플러그(piston plug : 312)로 이루어진다. 디스플레이서(32)는 피스톤 플러그(312) 중심을 관통하는 동시에 케이스(10)에 고정된 판 스프링(S)에 의해 완충 가능하게 지지된 디스플레이서 로드(displacer rod : 321)과, 디스플레이서 하우징(22)에 내장된 디스플레이서 로드(321)의 단부인 디스플레이서 바디(321a)에 축방향으로 수용/결합되어 냉매가 유동되는 소정의 공간을 형성하는 디스플레이서 커버(displacer cover : 322)로 구성되는데, 피스톤(31)과 디스플레이서 바디(321a) 사이에 압축공간(C)이 형성된다. 이때, 디스플레이서 바디(321a)는 단면이 'U' 자 형상으로 형성되는 동시에 방열부(60) 내측과 연통되는 제1,2통공(321h,321H)이 구비되고, 디스플레이서 커버(322)는 재생기(50)와 연통되는 흡입구(미도시)에 압력차에 의해 개폐되는 디스플레이서 밸브(323)가 구비될 뿐 아니라 디스플레이서 바디(321a) 내측과 연통되는 통공(322H)이 구비된다.

한편, 가동부재(30)가 왕복 직선 운동하기 때문에 판 스프링(S) 이외에도 서로 마찰되는 부품들을 윤활할 수 있는 가스 베어링이 적용되는데, 다음과 같이 구성될 수 있다. 압축공간(C)의 냉매가 유입될 수 있도록 피스톤 플러그(312)의 축 방향으로 구비된 유로(312a)를 비롯하여 이와 연통되도록 피스톤 플러그(312)의 외주면을 따라 원주 방향으로 형성된 복수개의 저장홈(312b)이 구비되고, 피스톤 플러그(312)의 저장홈(312b)에 저장된 냉매를 피스톤 바디(311)와 실린더(21) 사이의 공간으로 공급하도록 피스톤 바디(311)의 반경 방향으로 관통된 복수개의 홀(311h)이 구비되며, 피스톤 플러그(312)의 저장홈(312b)에 저장된 냉매를 피스톤 플러그(312)와 디스플레이서 로드(321) 사이의 공간으로 공급하도록 피스톤 플러그(312)의 반경 방향으로 관통된 복수개의 홀(312h)이 구비된다. 물론, 피스톤 플러그(312)의 저장홈(312b)에 저장된 냉매를 피스톤 바디(311)의 홀(311h) 또는 피스톤 플러그(312)의 홀(312h)로 안내하기 위하여 피스톤 플러그(312)의 외주면에는 원주 방향 또는 축 방향으로 다양한 형태의 그루브(미도시)가 구비된다.

리니어 모터(40)는 실린더(21) 외주면에 고정된 원통형 이너스테이터(inner stator : 41)와, 이너스테이터(41) 외측에 일정 간격을 유지하도록 쉘 튜브(12) 내주면에 고정된 원통형 아우터스테이터(outer stator : 42)와, 이너스테이터(41)와 아우터스테이터(42) 사이에 간극을 유지하도록 피스톤 바디(311)와 연결된 영구자석(permanent magnet : 43)을 포함한다. 물론, 아우터스테이터(42)는 코일 권선체(411)에 복수개의 코어 블록(sore black : 412)이 장착되는데, 코일 권선체(411)는 케이스(10) 측의 전원 단자(14)와 연결된다.

재생기(50)는 디스플레이서 하우징(321a)에 결합된 원통 형상의 재생 하우징(51)과, 디스플레이서 하우징(321a) 일부 및 재생 하우징(51) 내측에 삽입되는 축열재(52)와, 재생 하우징(51) 단부를 덮어주도록 부착된 앤드 캡(end cap : 53)으로 이루어지는데, 냉매가 축열재(52)와 엔드 캡(53)을 통과할 수 있도록 구성된다. 축열재(52)는 냉매가스와 접하여 열교환하면서 에너지를 받아 축적하였다가 되돌려주는 역할을 하기 때문에 열교환 면적 및 비열이 클 뿐 아니라 열전도 계수가 작으며, 균일한 통기성을 가진 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 일예로 미세한 실이 뭉쳐진 형태로 구성될 수 있다.

방열부(60)는 원통 형태의 베이스(61) 및 이에 원주 방향으로 촘촘하게 나열된 판 형태의 핀(62)으로 구성되는데, 열전달 효율이 높은 구리 등과 같은 금속 재질로 형성된다.

냉각부(70)는 앤드 캡(53)과 사이에 팽창공간(E)을 형성하도록 재생기(50) 단부에 장착되는데, 열교환 작용을 통하여 극저온을 유지하게 된다. 물론, 냉각부(70)는 내부의 냉매와 외부의 공기 사이에 열교환 작용을 위하여 보다 넓은 표면적을 형성하도록 구성될 수 있다.

그 외에도, 미도시된 도면 부호 80은 패시브 밸런서(passive balancer)를 나타내는데, 극저온 냉동기의 작동 시에 발생되는 진동을 저감시킨다.

상기와 같이 구성된 극저온 냉동기의 작동을 살펴보면, 다음과 같다.

먼저, 전원 단자(14)를 통하여 전류가 아우터스테이터(42)로 공급되면, 이너스테이터(41)와 아우터스테이터(42) 및 영구자석(43) 사이에 상호 전자기력이 발생되고, 이러한 전자기력에 의해 영구자석(43)이 왕복 직선 운동하게 된다. 이때, 영구자석(43)이 피스톤 바디(311) 및 이와 맞물린 피스톤 플러그(312)와 연결되기 때문에 영구자석(43)과 함께 피스톤(31)이 왕복 직선 운동하게 된다. 따라서, 실린더(21) 내부에서 피스톤(31)이 왕복 직선 운동하면, 관성력에 의해 디스플레이서(32)가 피스톤(31)의 움직임에 대해 반대 방향으로 움직이는 동시에 판 스프링(S)에 의해 탄성 지지된다.

따라서, 피스톤(31)과 디스플레이서(32)의 왕복 직선 운동에 의해 실린더(21) 내부의 압축공간(C)에 냉매가 압축되는 동시에 실린더(21)의 통공(21h)을 통과하여 프레임(12) 내측을 지나면서 방열부(60)에 의해 방열되는 등온압축과정을 거치게 된다. 이후, 등온압축과정을 거친 냉매는 디스플레이서 하우징(22)의 통공(22h) 및 디스플레이서 바디(321a)의 제1통공(321h)을 통하여 재생기(50) 내부를 유입되고, 서로 반대 방향으로 유동되는 냉매와 열교환 작용을 하면서 등적재생과정을 거치게 된다. 이후, 등적재생과정을 거친 냉매는 팽창공간(E)으로 빠져나와서 팽창되는 동시에 냉각부(70)에서 외부 공기를 냉각시키는 등온팽창과정을 거치게 된다. 이후, 등온팽창과정을 거친 냉매는 다시 재생기(50) 내부로 유입된 다음, 상기에서 설명한 바와 같이 반대 방향으로 유동되는 냉매에 의해 재생되는 등적재생과정을 거친다. 이때, 디스플레이서 커버(322)에 구비된 흡입구 및 디스플레이서 밸브(323)를 통하여 디스플레이서 바디(321a) 및 디스플레이서 커버(322) 내부를 지난 다음, 냉매는 디스플레이서 커버(322)의 통공(322H)과 디스플레이서 바디(321a)의 제2통공(321H)을 통하여 다시 압축공간(C)으로 유입된다. 물론, 리니어 모터(40)가 작동되는 동안 상기와 같은 등온압축과정, 등적재생과정, 등온팽창과정, 등적재생과정을 순차적으로 반복하고, 냉각부(70)에서 극저온 냉각이 이뤄지도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 이너스테이터의 고정 구조가 도시된 분해도이다.

본 발명의 극저온 냉동기에서 이너스테이터의 고정구조를 도 4를 참조하여 살펴보면, 원통 형상의 실린더(21) 외주면에 복수개의 접착홈들(21a)이 구비되고, 이러한 접착홈들(21a)에만 에폭시와 같은 접착제가 도포된 다음, 이너스테이터(41)가 실린더(21) 외주면에 맞물리도록 끼워지면, 이너스테이터(41)가 실린더(21)에 접착/고정된다. 물론, 에폭시 이외에 다른 접착제가 사용될 수도 있다.

보다 상세하게, 접착홈들(21a)은 실린더(21) 외주면에 원주 방향을 따라 링 형상으로 형성되는데, 실린더(21)의 축방향으로 일정 간격을 두고 형성된다. 이때, 접착력을 높이기 위하여 이너스테이터(41)의 내주면과 접촉하는 면을 보다 넓도록 접착홈들(21a)의 폭을 넓게 하는 것이 바람직하지만, 과도한 접착제가 사용되는 것을 방지하기 위하여 접착홈들(21a)의 단면이 실린더(21) 내측으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 일예로, 고정부재(20)는 알루미늄 바를 가공하여 실린더(21)와 디스플레이서 하우징(22)으로 일체로 제작되는데, 접착홈들(21a)은 실린더(21) 외주면에 그 단면이 '▽'와 같이 형상으로 세 개가 일정 간격을 두고 가공될 수 있다.

따라서, 실린더(21)에 구비된 접착홈들(21a)에만 에폭시와 같은 접착제가 도포되면, 접착제의 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 이너스테이터(41)가 접착홈들(21a)을 덮어주도록 실린더(21)의 외주면에 맞물리도록 끼워지면, 접착홈들(21a)에 수용된 접착제가 이너스테이터(41)와 실린더(21) 사이로 밀리거나, 빠져나가는 현상을 방지할 수 있어 접착 성능을 향상시킬 수 있으며, 나아가 이너스테이터(41)가 실린더(21)로부터 탈거되는 것을 방지하여 작동 신뢰성을 확보할 수 있다.

이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 예로 들어 상세하게 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

Claims

압축공간을 형성하는 실린더;
실린더 내측에서 축방향으로 왕복 직선 운동하는 피스톤;
피스톤과 연결된 영구자석;
영구자석과 간극을 유지하도록 설치되고, 상호 전자기력에 의해 영구자석을 왕복 구동시키는 이너스테이터 및 아우터스테이터; 그리고,
실린더 외주면에 구비되고, 이너스테이터를 실린더 외주면에 고정시키는 접착제가 수용되는 복수개의 접착홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제1항에 있어서,
접착홈들은 실린더 외주면을 따라 원주 방향으로 형성된 링 형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제1항에 있어서,
접착홈들은 실린더의 축방향으로 일정 간격을 두고 구비된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
접착홈들은 그 단면이 실린더 외주면으로부터 깊이가 깊어질수록 폭이 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
접착홈들에만 에폭시가 도포되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉동기.