KR20120123804A - 맥동관 냉동기의 맥동관 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동관 냉동기의 맥동관 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 맥동관에서 발생하는 셔틀 열전달 손실을 테프론 코팅을 이용하여 줄일 수 있어 맥동관 냉동기의 도달 가능한 최종 저온부 온도가 기존보다 더 낮아질 것이고 이는 냉동기의 성능향상과 직결된다. 따라서 상기 테프론 코팅이라는 간단한 방법으로 맥동관 냉동기의 성능을 향상시킬 수 있어 맥동관 냉동기의 개발자들에게 큰 접근성을 제공할 수 있는 특징이 있다.

Description

맥동관 냉동기의 맥동관 구조{Pulse tube structure of Pulse tube refrigerator}

본 발명은 맥동관 냉동기의 맥동관 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 맥동관에서 발생하는 셔틀 열전달 손실을 테프론 코팅을 이용하여 줄일 수 있어 맥동관 냉동기의 도달 가능한 최종 저온부 온도가 기존보다 더 낮아질 것이고 이는 냉동기의 성능향상과 직결된다. 따라서 상기 테프론 코팅이라는 간단한 방법으로 맥동관 냉동기의 성능을 향상시킬 수 있어 맥동관 냉동기의 개발자들에게 큰 접근성을 제공할 수 있는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품이나 초전도체 등의 극저온 냉각을 위하여 사용되는 냉동기로서, 주로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator)나 지엠 냉동기(GM Refrigerator) 또는 줄-톰슨 냉동기(Joule-Thomson Refrigerator) 등이 널리 알려져 있다. 이러한 냉동기들은 장시간 운전시 그 신뢰성이 저하되는 것은 물론 운전시 마찰부위의 마모에 대비하여 별도의 윤활을 실시하여야 하므로, 최근에는 고속운전에서도 신뢰성이 유지되고 별도의 윤활이 필요없어 장기간 보수를 하지 않아도 되는 극저온 냉동기가 요구되고 있는데, 이러한 극저온 냉동기중의 하나가 무윤활 맥동관 냉동기(Lubricationless Pulse Tube Refrigerator)이다.

상기 맥동관 냉동기는 고온부와 저온부 사이에서 온도 차이가 커서 맥동관 사이의 큰 온도 구배를 가지게 되는데, 맥동관의 관벽과 작동 유체의 각 온도 구배를 살펴보면 도 1과 같다.

상기 맥동관의 관벽이 왕복 운동을 하는 작동 유체의 평균 온도에 비해 큰 온도 구배를 가지고 있어, 고온부에서는 더 높은 온도를 저온부에서는 더 낮은 온도를 나타낸다. 이는 고온부에서의 열을 맥동관의 관벽이 작동 유체로 전달을 하고, 다시 작동 유체는 저온부에서 맥동관의 관벽으로 그 열을 전달하는 현상을 발생시킨다.

결국 맥동관의 관벽과 작동 유체 간에 전달된 열은 맥동관 냉동기의 저온부열교환기로 최종 전달이 되어 성능 저하의 원인이 된다.

이와 같은 열전달 효과를 셔틀 열전달 손실(shuttle heat transfer loss)이라고 한다. 상기 셔틀 열전달 손실은 맥동관 냉동기의 성능을 저하하는 것이 주요 손실 중의 하나로서, 맥동관 내에서 발생을 한다.

기존 연구로부터 셔틀 열전달 손실의 양을 해석적으로 측정하고자 하는 노력들이 진행되었고 그 결과, 결코 무시할 수 없는 양이어서 맥동관 냉동기의 성능을 향상시키기 위해서는 꼭 고려해야 할 요소라고 판단되고 있다.

하지만 셔틀 열전달 손실을 줄이기 위해 제안된 방법은 극히 드물다. 도 2는 Matthew P. Mitchell에 의해 제안된 방법으로 맥동관의 관벽과 작동 유체간의 열전달 효과를 저하하기 위해서 맥동관의 관벽에 얇은 금속막(foil)을 붙이는 것으로 이 막을 맥동관의 관벽과 결합시키는 방법과 형상에 대해 서술하고 있다.

하지만 내경이 작고 길이가 긴 맥동관의 내부에서 막의 결합이 이루어지고 관벽과 막 사이의 결합 또한 고려를 해야 한다는 점에서 어려움이 많아 이 방법은 현실성이 떨어진다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

맥동관에서 발생하는 셔틀 열전달 손실을 테프론 코팅을 이용하여 줄일 수 있어 맥동관 냉동기의 도달 가능한 최종 저온부 온도가 기존보다 더 낮아질 것이고 이를 통해 냉동기의 성능이 향상되는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 테프론 코팅이라는 간단한 방법으로 맥동관 냉동기의 성능을 향상시킬 수 있어 맥동관 냉동기의 개발자들에게 큰 접근성을 제공할 수 있는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 맥동관 냉동기의 맥동관 구조에 있어서,

상기 맥동관의 내부는 작동가스가 왕복 이동되면서 열교환되어 고온부와 저온부로 이루어지되, 상기 맥동관의 내주연에는 고온부와 저온부의 열원이 맥동관의 관벽으로 전달되지않도록 테프론이 코팅되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 맥동관 냉동기의 맥동관 구조는 맥동관에서 발생하는 셔틀 열전달 손실을 테프론 코팅을 이용하여 줄일 수 있어 맥동관 냉동기의 도달 가능한 최종 저온부 온도가 기존보다 더 낮아질 것이고 이는 냉동기의 성능이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 테프론 코팅이라는 간단한 방법으로 맥동관 냉동기의 성능을 향상시킬 수 있어 맥동관 냉동기의 개발자들에게 큰 접근성을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 기존의 맥동관 내에서 관벽과 작동 유체의 온도 구배를 나타낸 그래프도이고,
도 2는 기존의 맥동관을 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 맥동관을 나타낸 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 맥동관을 나타낸 사시도이고,
도 5는 도 4의 A부분을 나타낸 확대도이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 맥동관 냉동기의 맥동관 구조에 있어서,

상기 맥동관의 내부는 작동가스가 왕복 이동되면서 열교환되어 고온부와 저온부로 이루어지되, 상기 맥동관의 내주연에는 고온부와 저온부의 열원이 맥동관의 관벽으로 전달되지않도록 테프론이 코팅되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 맥동관을 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 맥동관을 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 A부분을 나타낸 확대도이다.

도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 맥동관 냉동기의 맥동관(10) 구조는 내부가 고온부와 저온부로 이루어져 있고, 상기 고온부와 저온부 사이에서 온도 차이가 커서 맥동관(10) 사이의 큰 온도 구배를 가지게 되는데, 상기 맥동관(10)의 내부를 왕복 운동을 하는 작동 가스의 평균 온도에 비해 맥동관의 관벽은 큰 온도 구배를 가지고 있어, 고온부에서는 더 높은 온도를 저온부에서는 더 낮은 온도를 나타낸다.

이는 고온부에서의 열을 맥동관(10) 내의 작동 가스로 전달을 하고, 다시 작동 유체는 저온부에서 맥동관(10)의 관벽으로 그 열을 전달하는 셔틀 열전달 손실(shuttle heat transfer loss) 현상을 발생한다.

본 발명은 맥동관(10)의 내부벽에 테프론(20) 코팅을 하여 셔틀 열전달 손실을 줄일 수 있게 하였다.

상기 테프론(20)은 작은 열전달 계수가 있어서 극저온 환경에서 외부로부터의 열유입을 줄이기 위하여 많이 사용되고 있는 물질이다. 또한 일상에서도 쉽게 구할 수 있고 관련된 가공 기술도 많이 발전되어 있다.

따라서 상기 맥동관(10)의 내주연에 테프론(20) 코팅을 한다면, 맥동관(10)과 왕복 유동을 하는 작동 가스의 열교환 양을 감소시킬 수 있어서 쉽게 맥동관(10) 내의 셔틀 열전달 손실을 저하시킬 수 있을 것이다.

또한, 상기 테프론(20)의 코팅 두께는 맥동관 냉동기의 작동 조건과 테프론(20)의 물성치를 이용하여 구할 수 있는 테프론(20)의 최대 열침투깊이(thermal penetration depth)를 통하여 결정될 수 있다. 그래서, 상기 테프론(20)의 코팅 두께는 50 ~ 60μM으로 구성된다.

그리고, 상기 테프론(20)은 맥동관(10)의 내주연에 열융착 접합으로 부착하는데, 이건 하나의 실시예이고, 다양한 접합방법으로 부착이 가능하다.

이때, 본 발명의 맥동관(10)은 작은 둘레로 형성되는데, 상기 맥동관(10)의 내부 둘레는 10㎝ 이하로 형성된 맥동관(10)에 테프론(20)을 부착하는 것이다.

10 : 맥동관 20 : 테프론

Claims (4)

1. 맥동관 냉동기의 맥동관(10) 구조에 있어서,
   상기 맥동관(10)의 내부는 작동가스가 왕복 이동되면서 열교환되어 고온부와 저온부로 이루어지되, 상기 맥동관(10)의 내주연에는 고온부와 저온부의 열원이 맥동관(10)의 관벽으로 전달되지않도록 테프론(20)이 코팅되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 테프론(20)의 코팅두께는 50 ~ 60μM인 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서
   상기 테프론(20)은 맥동관(10)의 내주연에 열융착 접합되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 맥동관(10)의 내부 둘레는 10㎝ 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 맥동관 냉동기의 맥동관 구조.
   

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