KR20240029887A - Gm 극저온 냉동기 - Google Patents

Gm 극저온 냉동기 Download PDF

Info

Publication number
KR20240029887A
KR20240029887A KR1020220108225A KR20220108225A KR20240029887A KR 20240029887 A KR20240029887 A KR 20240029887A KR 1020220108225 A KR1020220108225 A KR 1020220108225A KR 20220108225 A KR20220108225 A KR 20220108225A KR 20240029887 A KR20240029887 A KR 20240029887A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure
pipe
working fluid
low
scroll compressor
Prior art date
Application number
KR1020220108225A
Other languages
English (en)
Inventor
박지호
고준석
인세환
김효봉
추상윤
김종우
김주원
염한길
홍용주
박성제
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020220108225A priority Critical patent/KR20240029887A/ko
Publication of KR20240029887A publication Critical patent/KR20240029887A/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/004—Gas cycle refrigeration machines using a compressor of the rotary type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1411—Pulse-tube cycles characterised by control details, e.g. tuning, phase shifting or general control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1418—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines
    • F25B2309/14181—Pulse-tube cycles with valves in gas supply and return lines the valves being of the rotary type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Abstract

본 발명은 GM 극저온 냉동기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 GM 극저온 냉동기는 자유 피스톤(free-piston) 타입의 GM 극저온 냉동기에 있어서, 상기 GM 극저온 냉동기의 실린더로부터 저압 배관을 통해 저압의 작동 유체를 공급받아 압축시켜 고압의 작동 유체를 고압 배관을 통해 상기 실린더에 순환 공급하는 스크롤 압축기; 및 상기 스크롤 압축기로부터 일정한 압축비로 압축된 상기 작동 유체가 상기 고압 배관을 통해 상기 실린더에 공급되는 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

GM 극저온 냉동기{GM(GIFFORD-MCMAHON) CRYOCOOLER}
본 발명은 GM 극저온 냉동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자유 피스톤(free-piston) 타입의 GM 극저온 냉동기에 있어서 스크롤 압축기로부터 일정한 압축비로 압축된 작동 유체가 GM 극저온 냉동기에 공급될 때의 압력을 운전 조건에 따라 조절하도록 하여 냉각 중 피스톤이 실린더 내벽에 충돌하는 것을 방지할 수 있는 GM 극저온 냉동기에 관한 것이다.
GM 극저온 냉동기는 실린더 내에 배치되는 피스톤에 의해 팽창 공간이 구획되고, 작동 유체(예를 들어, 헬륨)로 GM(Gifford-McMahon) 사이클에 의해 피스톤을 왕복 이동시키며 작동 유체를 팽창시켜 복수의 단으로 구성된 2단 GM 극저온 냉동기의 경우 1단에서는 최저 30K, 2단에서는 10K 정도의 극저온으로 냉각시키는 장치이다.
이러한 GM 극저온 냉동기는 실린더의 구동 방식에 따라서 스카치 요크(scotch yoke) 구동 방식과 자유 피스톤(free-piston) 구동 방식으로 크게 나뉠 수 있다.
스카치 요크 구동 방식은 가장 기본적인 GM 극저온 냉동기의 구동 방식으로, 캠-크랭크축 조합과 유사한 구조로 캠의 회전에 따라 GM 극저온 냉동기 내부에 있는 피스톤을 상하 운동시키는 방식이다. 자유 피스톤 구동 방식은 피스톤 양단의 압력 차이(pressure difference)와 공진(resonance) 현상을 활용하여 기계적인 구동부 없이 피스톤을 상하 운동시키는 방식이다.
자유 피스톤 구동 방식은 기계적인 구동부가 없어서 신뢰성이 높고 구조가 단순하다는 장점이 있으나, 정상작동 온도범위를 벗어난 경우(예를 들어, 초기 냉각 과정) 피스톤의 진동 폭이 비정상적으로 커져서 실린더 벽에 충돌하는 현상이 빈번하게 발생하여 내구성에 문제가 있어 왔다. 이러한 충돌 현상에 의한 피스톤 파손을 방지하기 위해 피스톤 양단에 스프링 기구와 같은 완충 장치를 구비하여 왔으나, 상기 완충 장치로는 근본적인 해결책이 될 수 없어서 초기 냉각 운전을 반복하는 경우 피스톤 및 실린더가 파손될 수 밖에 없다.
한편, 스크롤 압축기는 가정 및 산업용 냉동 공조기기에 널리 활용되고 있다. 스크롤 압축기는 작동 유체의 기밀과 냉각을 위해 윤활유를 사용하고, 압축비가 3-4 정도이다. 또한, 내구성이 높으며 단가가 낮다는 장점이 있다.
GM 극저온 냉동기에는 3-4 정도의 압축비를 요구하여 작동 유체를 압축시키기 위한 압축기로 스크롤 압축기가 널리 사용되어 왔다. 하지만, 스크롤 압축기는 인버터를 사용하여 주파수 변조를 하더라도 유량만 변화시킬 수 있고 압축비는 고정되어 변화시킬 수 없다는 단점이 있다.
일본 공개특허 제2018-100793호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자유 피스톤(free-piston) 타입의 GM 극저온 냉동기에 있어서, 스크롤 압축기로부터 일정한 압축비로 토출되는 작동 유체가 고압 배관을 통해 실린더에 공급되는 압력을 조절하도록 제어하여 냉각 중 피스톤이 실린더 내벽에 충돌하는 문제를 해결할 수 있는 GM 극저온 냉동기를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 자유 피스톤(free-piston) 타입의 GM 극저온 냉동기에 있어서, 상기 GM 극저온 냉동기의 실린더로부터 저압 배관을 통해 저압의 작동 유체를 공급받아 압축시켜 고압의 작동 유체를 고압 배관을 통해 상기 실린더에 순환 공급하는 스크롤 압축기; 및 상기 스크롤 압축기로부터 일정한 압축비로 압축된 상기 작동 유체가 상기 고압 배관을 통해 상기 실린더에 공급되는 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함하는 GM 극저온 냉동기에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 압력 조절부는 상기 저압 배관과 상기 고압 배관 사이를 연결하는 연결 배관; 상기 연결 배관을 통해 상기 작동 유체를 임시 저장하는 버퍼 탱크; 상기 고압 배관의 작동 유체가 상기 버퍼 탱크로 이동하는 것을 제어하는 고압 밸브; 및 상기 버퍼 탱크에 저장된 작동 유체가 상기 저압 배관으로 이동하는 것을 제어하는 저압 밸브를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스크롤 압축기로부터 압축되어 토출되는 상기 작동 유체의 압력이 상기 GM 극저온 냉동기에 요구되는 압력보다 높으면 상기 고압 밸브를 열어 토출되는 상기 작동 유체의 일부를 상기 버퍼 탱크에 저장시키고, 상기 스크롤 압축기로부터 압축되어 토출되는 상기 작동 유체의 압력이 상기 GM 극저온 냉동기에 요구되는 압력보다 낮으면 상기 저압 밸브를 열어 상기 버퍼 탱크에 저장된 상기 작동 유체를 상기 저압 배관으로 공급할 수 있다.
여기서, 상기 압력 조절부는 상기 고압 배관 상에 형성된 압력 레귤레이터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압력 조절부는 상기 저압 배관과 상기 고압 배관 사이를 연결하는 연결 배관을 더 포함하고, 상기 압력 레귤레이터는 상기 고압 배관과 상기 연결 배관 사이 분기점에 형성되어, 압력 조절을 위해 상기 압력 레귤레이터로부터 배출되는 유량을 상기 연결 배관을 통해 저압 배관으로 공급할 수 있다.
여기서, 상기 압력 조절부는 상기 GM 극저온 냉동기의 피스톤이 상기 실린더 내부에 충돌하지 않도록 운전 조건에 따라 압력을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 운전 조건은 저온부 온도일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 GM 극저온 냉동기에 따르면 스크롤 압축기로부터 일정한 압축비로 토출되는 작동 유체의 압력을 조절하여 실린더에 공급할 수 있도록 하여, 운전 조건에 따라 동적 특성이 완전히 달라지는 자유 피스톤 타입의 GM 극저온 냉동기의 내구성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GM 극저온 냉동기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 GM 극저온 냉동기의 스크롤 압축기 부분을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 GM 극저온 냉동기의 스크롤 압축기 부분을 도시하는 도면이다.
도 4는 자유 피스톤 타입의 GM 극저온 냉동기의 피스톤 동작에 있어서, 주파수에 따른 피스톤 진폭의 변화를 감쇠비에 따라 도시한 그래프이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 GM 극저온 냉동기를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GM 극저온 냉동기를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 GM 극저온 냉동기의 스크롤 압축기 부분을 도시하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 GM 극저온 냉동기의 스크롤 압축기 부분을 도시하는 도면이고, 도 4는 자유 피스톤 타입의 GM 극저온 냉동기의 피스톤 동작에 있어서, 주파수에 따른 피스톤 진폭의 변화를 감쇠비에 따라 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 GM 극저온 냉동기는 제1 냉각 스테이지(132) 및 제2 냉각 스테이지(130)를 구비하는 2단식 극저온 냉동기이다. 제1 실린더(112)와 제2 실린더(110)는 직렬로 연결된다. 제1 실린더(112)는 모터 하우징(150)과 제1 냉각 스테이지(132)를 접속하고, 제2 실린더(110)는 제1 냉각 스테이지(132)와 제2 냉각 스테이지(130)를 접속할 수 있다.
제1 실린더(112)와 제2 실린더(110)에는 각각 제1 피스톤(122)과 제2 피스톤(120)이 상하 왕복 운동을 한다. 본 발명에서 제1 피스톤(122)과 제2 피스톤(120)은 피스톤 양단의 압력 차이(pressure difference)와 공진(resonance) 현상을 활용하여 기계적인 구동부 없이 피스톤을 상하 운동시키는 자유 피스톤(free-piston) 구동 방식으로 동작을 한다.
모터 하우징(150)에는 모터(170)와 작동 유체의 흐름을 제어하여 실린더(110, 112) 내부의 압력을 조절하는 밸브(160)가 형성되는데, 상기 모터(170)의 동작에 의해 상기 밸브(160)가 동작된다. 상기 밸브(160)는 로터리 밸브일 수 있다. 밸브(160)의 동작으로 작동 유체(예를 들어, 헬륨)의 팽창을 주기적으로 반복하게 된다. 상기 모터(170)는 제어부(300)의 제어 신호에 따라 동작하여 로터리 밸브(160)의 움직임을 제어할 수 있다.
제어부(300)에 의해 상기 로터리 밸브(160)는 압축기(200)와는 별도의 주파수로 회전하는데, 제어부(300)는 로터리 밸브(160)를 구동시키는 모터(170)가 스테핑 모터일 경우 펄스(pulse) 제어, synchronous 모터인 경우 인버터 제어의 방법으로 로터리 밸브(160)의 동작을 제어할 수 있다.
모터 하우징(150)에는 저압 배관(210)과 고압 배관(230)이 연결되는데, 압축기(200)에 의해 고압으로 압축된 작동 유체는 고압 배관(230)을 통해 GM 극저온 냉동기에 공급되어 GM 극저온 냉동기 내 팽창실에서 팽창되어 감압되어 제1 냉각 스테이지(132) 및 제2 냉각 스테이지(130)를 냉각시키고, 감압된 작동 유체는 저압 배관(210)을 통해 다시 압축기(200)로 공급되어 순환하게 된다.
제2 냉각 스테이지(130)는 제1 냉각 스테이지(132)보다 저온으로 냉각되는데, 예를 들어 제1 냉각 스테이지(132)는 40K, 제2 냉각 스테이지(130)는 15K로 냉각될 수 있다.
제1 냉각 스테이지(132)에는 제1 냉각 스테이지(132)의 온도를 측정하는 제1 온도 센서(141)가 장착되고, 제2 냉각 스테이지(130)에는 제2 냉각 스테이지(130)의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(140)가 장착될 수 있다.
본 발명에서 압축기(200)는 스크롤 압축기로서, 작동 유체인 헬륨을 고압으로 압축시켜 고압 배관(230)을 통해 GM 극저온 냉동기에 공급한다. GM 극저온 냉동기에서 팽창되어 감압된 작동 유체는 저압 배관(210)을 통해 다시 압축기(200)로 유입되어 순환 과정을 거치게 된다.
제어부(300)는 전술한 밸브(160)의 동작을 제어하는 모터(170) 및 후술하는 압력 조절부를 포함하는 압축기(200)의 동작을 제어할 수 있다. 본 발명에서 제어부(300)는 각종 연산 처리를 실행하는 CPU, 데이터 또는 프로그램의 저장을 위한 메모리 및 입출력 인터페이스 등을 구비한 컴퓨터, 데이터 획득장치, 유량계, 인버터, 전력계 등을 모두 포함하여 구성될 수 있으며, 이들의 기능을 합쳐 모듈화되어 구성될 수도 있다.
제어부(300)는 온도 센서(141, 140)로부터 제1 냉각 스테이지(132) 또는 제2 냉각 스테이지(130) 온도 값을 전송 받아 이를 기초로 압력 조절부를 포함하는 압축기(200)의 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 압력 조절부의 동작을 제어하여 스크롤 압축기(200)로부터 일정한 압축비로 압축되어 토출되는 작동 유체의 압력을 저온부인 냉각 스테이지(130, 132)의 냉각 상태에 따라서 조절하여 실린더(110, 112) 내부로 공급할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조로 압력 조절부를 포함하는 스크롤 압축기의 상세 구성을 설명하기로 한다.
먼저, 도 2를 참조로 설명을 하면, 저압 배관(210)을 통해 유입되는 헬륨 가스는 저장소(reservoir)(240)에 저장된 후 스크롤 압축기(200)로 일정량 공급시킬 수 있다. 저장소(240)에 의해 스크롤 압축기(200)에 일정량의 헬륨 가스가 공급되도록 함으로써 압력 섭동을 줄일 수 있다.
스크롤 압축기(200)는 나선형 권선의 곡선으로 구성된 고정 스크롤과 이와 거의 같은 형태로 선회하는 선회 스크롤의 조합으로 구성되고, 양쪽 스크롤 사이에 형성된 압축 공간을 양쪽 스크롤이 동시에 감소시켜 작동 유체인 헬륨을 압축시킨다. 압축 공간은 점차 감소되면서 중심부로 이동하게 되고, 최종적으로는 스크롤 중심에 있는 토출구로 압축된 헬륨이 토출될 수 있다. 이때, 스크롤의 설계 구조에 의해 압축 시작과 종료 시의 용적비가 결정되고, 용적비에 의해 스크롤 압축기(200)의 압축비가 결정되기 때문에, 스크롤 압축기(200)는 일정한 압축비로 헬륨을 압축시켜 토출시킬 수 있다.
스크롤 압축기 후방의 고압 배관(230)에는 고압으로 압축된 헬륨 가스를 냉각시키는 열교환기(heat exchanger)(250)가 배치될 수 있다.
작동 유체의 기밀과 스크롤 압축기(200)의 냉각을 위해 윤활유(oil)가 스크롤 압축기(200) 내부를 순환할 수 있다. 이때, 순환 경로 상에 윤활유가 상기 열교환기(250)를 통과하도록 하여 열교환기(250)에 의해 냉각될 수 있다.
또한, 스크롤 압축기(200)를 냉각시키기 위한 별도의 냉각수(CW)가 스크롤 압축기(200)에 순환 공급될 수 있는데, 상기 냉각수도 이동 경로 상에 열교환기(250)를 통과하도록 하여 열교환기(250)를 냉각할 수 있다.
스크롤 압축기(200)로부터 압축 후 토출되는 헬륨 가스에는 미세 윤활유 입자(oil mist)가 포함될 수 있다. GM 극저온 냉동기에는 헬륨 가스만 유입되어야 하므로 헬륨 가스에 포함된 미세 윤활유 입자를 제거하는 것이 필요하다. 이에, 열교환기(250) 후방에는 미세 윤활유 입자와 헬륨 가스를 분리하는 오일 리무버(oil remover)(260)가 형성될 수 있다. 오일 리무버(260)에서 자중에 의해 분리된 윤활유는 저압 배관(210)으로 유입시켜 헬륨 가스와 함께 스크롤 압축기(200) 내부로 다시 재공급될 수 있다.
오일 리무버(260)를 통해 헬륨 가스에 포함된 윤활유를 분리 제거함에도 불구하고, 일부 윤활유가 헬륨 가스에 포함될 수 있다. 이에, 오일 리무버(260) 후방에는 흡착재(adsorber)(270)가 배치되어 필터 방식으로 헬륨 가스에 포함된 윤활유를 완벽하게 제거하여 GM 극저온 냉동기 측으로 순수 헬륨 가스만 이동시킬 수 있다.
압력 조절부는 스크롤 압축기(200)로부터 일정한 압축비로 압축되어 토출되는 헬륨 가스가 고압 배관(230)을 통해 GM 극저온 냉동기의 실린더(110, 112)에 공급될 때의 압력을 조절한다.
도 2의 실시예에서 압력 조절부는 연결 배관(220), 버퍼 탱크(280), 고압 밸브(282), 및 저압 밸브(284)를 포함하여 구성될 수 있다.
연결 배관(220)은 저압 배관(210)과 고압 배관(230) 사이를 연결한다. 이때, 연결 배관(220)은 고압 배관(210) 상에 있는 오일 리무버(260)와 흡착재(270) 사이에서 분기되어 저압 배관(210) 상에 있는 저장소(240) 사이를 연결하도록 배치될 수 있다.
버퍼 탱크(280)는 연결 배관(220) 상에 배치되어 작동 유체인 헬륨을 임시 저장한다. 이때, 고압 배관(230)을 유동하는 헬륨 가스를 임지 저장하여 저압 배관으로 공급할 수 있다.
고압 밸브(282)는 버퍼 탱크(280)와 고압 배관(230) 사이의 연결 배관(220) 상에 형성되어, 고압 배관(230)을 유동하는 고압의 헬륨 가스가 버퍼 탱크(280)로 이동하는 것을 제어한다.
저압 밸브(284)는 버퍼 탱크(280)와 저압 배관(210) 사이의 연결 배관(220) 상에 형성되어, 버퍼 탱크(280)에 저장된 고압의 헬륨 가스가 저압 배관(210)으로 이동하는 것을 제어한다.
고압 밸브(282)와 저압 밸브(284)는 제어부(300)에 의한 제어 동작으로 자동으로 개폐량을 조절할 수 있는 전자 밸브로 형성되는 것이 바람직하다. 일 예로 솔레노이드 밸브일 수 있다.
이와 같이, 연결 배관(220), 버퍼 탱크(280), 고압 밸브(282) 및 저압 밸브(282)로 구성되는 압력 조절부의 구성에 의해 GM 극저온 냉동기로 공급되는 헬륨 가스의 압력을 제어할 수 있다.
만약, 스크롤 압축기(200)로부터 압축되어 토출되는 헬륨 가스의 압력이 GM 극저온 냉동기에 요구되는 압력보다 높으면 고압 밸브(282)를 열고 저압 밸브(284)를 닫아 고압 배관(230)를 통해 유동하는 고압의 헬륨 가스의 잉여 유량을 버퍼 탱크(280)에 저장시켜 GM 극저온 냉동기로 유입되는 헬륨의 압력을 낮출 수 있다.
또한, GM 극저온 냉동기로부터 저압 배관(210)을 통해 스크롤 압축기(200)로 유입되는 헬륨 가스의 압력 또는 유량이 GM 극저온 냉동기에 요구되는 압력을 생성하기에 부족한 경우에는 저압 밸브(284)를 열고 고압 밸브(282)를 닫아 버퍼 탱크(280)에 저장된 고압의 헬륨 가스를 저압 배관(210) 측으로 공급하여 스크롤 압축기(200)에 공급되는 헬륨 가스의 유량 및 압력을 보충할 수가 있다.
도 3에서는 도 2와 비교하여 압력 조절부의 구성을 제외한 나머지 구성은 동일하다. 따라서, 도 3의 설명에서는 도 2와 비교하여 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 실시예에서 압력 조절부는 고압 배관(230) 상에 형성된 압력 레귤레이터(290)로 구성될 수 있다. 압력 레귤레이터(290)는 스크롤 압축기(200)로부터 압축되어 고압 배관(230)을 통해 유동하는 고압의 헬륨 가스를 GM 극저온 냉동기에 필요한 수준의 압력으로 감소시켜 GM 극저온 냉동기에 공급한다. 이때, 압력 레귤레이터(290)는 제어부(300)의 제어 동작에 의해 개도를 조절하여 자동으로 압력을 조절하는 전자 제어 방식의 압력 레귤레이터(290)가 사용되는 것이 바람직하다.
전술한 실시예와 마찬가지로 저압 배관(210)과 고압 배관(230) 사이를 연결하는 연결 배관(220)이 형성될 수 있다. 이때, 압력 레귤레이터(290)는 고압 배관(230)과 연결 배관(220) 사이의 분기점에 형성되어, 압력 조절을 위해 압력 레귤레이터(290)로부터 배출되는 잉여 유량은 연결 배관(220)을 통해 저압 배관(210)으로 공급할 수가 있다.
자유 피스톤 타입의 GM 극저온 냉동기의 피스톤이 가지는 고유 주파수(natural frequency, ωn)는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 피스톤의 질량(mp)와 피스톤 양단에 가해지는 압력차(△P)에 의한 가스 스프링으로(kp) 표현될 수 있다. 여기서, Xp는 피스톤의 진폭, Ap는 피스톤의 단면적을 나타낸다.
도 4에서는 피스톤 양단의 압력차에 의한 피스톤의 주파수를 ω라고 할 때, 주파수 변화에 따른 피스톤 진폭의 변화를 도시한다. 피스톤의 고유 진동수를 기준으로 정상화한 주파수(ω/ωn)로 피스톤의 동작 주파수가 고유 주파수와 같을 때(ω/ωn=1 일때) 최대 진폭이 발생함을 확인 할 수 있다.
또한, 상기 동작 주파수에 따른 피스톤 진폭의 변화는 감쇠비(β)에 따라 달라질 수 있다. 이때, 감쇠비에 가장 큰 영향을 요인은 피스톤과 실린더 사이의 마찰 및 작동 유체인 헬륨의 냉각에 의한 감쇠 효과이다. 피스톤과 실린더 사이의 마찰은 온도의 변화에도 크게 바뀌지 않고 비슷하게 작용한다. 하지만, GM 극저온 냉동기의 냉각 온도에 따라 작동 유체인 헬륨의 냉각에 의한 감쇠 효과는 크게 달라진다. GM 극저온 냉동기가 초기 냉각시(즉, 상온 부근)에는 작동 가스인 헬륨의 냉각에 의한 감쇠 효과가 미미하고 온도가 내려감에 따라 감쇠 효과가 증가하게 된다. 즉, 도 4에서 GM 극저온 냉동기의 온도가 내려감에 따라서 감쇠비(β)는 증가하게 되어, GM 극저온 냉동기의 냉각에 의해 온도가 내려감에 따라서 피스톤의 진폭 변화가 점점 작아지게 되는데, GM 극저온 냉동기가 상온에서 동작할 때(냉각 초기)에는 헬륨의 냉각에 의한 감쇠 효과가 미미하여 피스톤이 실린더 내벽에 충돌할 수 있다. 냉각 효율을 위해서 GM 극저온 냉동기가 최저 온도 또는 충분히 냉각된 온도를 기준으로 공진 주파수에서 실린더에 충돌하지 않는 범위에서 피스톤 진폭의 크기가 최대가 되도록 설계는 것이 바람직한데, 냉각 초기에는 설계 기준이 된 온도에서의 감쇠비보다 작아서 공진 주파수로 피스톤을 동작시키면 피스톤이 실린더에 충돌하게 되는 것이다.
따라서, 자유 피스톤 타입의 GM 극저온 냉동기에서 고정된 압축비를 가지는 기존의 스크롤 압축기(200)만을 사용하는 경우, 항상 일정한 압력의 작동 가스가 실린더에 공급되어 운전 초기에 과도한 압력차에 의해 실린더 내벽이 피스톤과 충돌하여 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 스크롤 압축기(200)로부터 일정한 압축비로 압축되어 토출되는 헬륨 가스를 압력 변화 없이 GM 극저온 냉동기로 공급하는 것이 아니라, GM 극저온 냉동기의 운전 조건에 따라서 헬륨 가스의 압력을 조절하여 GM 극저온 냉동기로 공급할 수 있다. 전술한 바와 같이 냉동 초기에는 압력 조절부를 통해 헬륨 가스의 압력을 낮추어 공급함으로써 전술한 바와 같이 피스톤이 실린더에 충돌하는 현상을 방지할 수가 있다. 이때, 온도 센서로부터 측정된 저온부의 온도를 기초로 GM 극저온 냉동기의 운전 조건을 파악할 수 있고, 이에 따라 제어부(300)는 압력 조절부를 제어하여 동작시킬 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 제2 실린더
112: 제1 실린더
120: 제2 피스톤
122: 제1 피스톤
130: 제2 냉각 스테이지
132: 제1 냉각 스테이지
150: 모터 하우징
160: (로터리) 밸브
170: 모터
200: 압축기
210: 저압 배관
220: 연결 배관
230: 고압 배관
240: 저장소
250: 열교환기
260: 오일 리무버
270: 흡착재
280: 버퍼 탱크
282: 고압 밸브
284: 저압 밸브
290: 압력 레귤레이터
300: 제어부

Claims (7)

  1. 자유 피스톤(free-piston) 타입의 GM 극저온 냉동기에 있어서,
    상기 GM 극저온 냉동기의 실린더로부터 저압 배관을 통해 저압의 작동 유체를 공급받아 압축시켜 고압의 작동 유체를 고압 배관을 통해 상기 실린더에 순환 공급하는 스크롤 압축기; 및
    상기 스크롤 압축기로부터 일정한 압축비로 압축된 상기 작동 유체가 상기 고압 배관을 통해 상기 실린더에 공급되는 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함하는 GM 극저온 냉동기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압력 조절부는
    상기 저압 배관과 상기 고압 배관 사이를 연결하는 연결 배관;
    상기 연결 배관을 통해 상기 작동 유체를 임시 저장하는 버퍼 탱크;
    상기 고압 배관의 작동 유체가 상기 버퍼 탱크로 이동하는 것을 제어하는 고압 밸브; 및
    상기 버퍼 탱크에 저장된 작동 유체가 상기 저압 배관으로 이동하는 것을 제어하는 저압 밸브를 포함하는 GM 극저온 냉동기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 스크롤 압축기로부터 압축되어 토출되는 상기 작동 유체의 압력이 상기 GM 극저온 냉동기에 요구되는 압력보다 높으면 상기 고압 밸브를 열어 토출되는 상기 작동 유체의 일부를 상기 버퍼 탱크에 저장시키고,
    상기 스크롤 압축기로부터 압축되어 토출되는 상기 작동 유체의 압력이 상기 GM 극저온 냉동기에 요구되는 압력보다 낮으면 상기 저압 밸브를 열어 상기 버퍼 탱크에 저장된 상기 작동 유체를 상기 저압 배관으로 공급하는 GM 극저온 냉동기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 압력 조절부는
    상기 고압 배관 상에 형성된 압력 레귤레이터를 포함하는 GM 극저온 냉동기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 압력 조절부는
    상기 저압 배관과 상기 고압 배관 사이를 연결하는 연결 배관을 더 포함하고,
    상기 압력 레귤레이터는 상기 고압 배관과 상기 연결 배관 사이 분기점에 형성되어, 압력 조절을 위해 상기 압력 레귤레이터로부터 배출되는 유량을 상기 연결 배관을 통해 저압 배관으로 공급하는 GM 극저온 냉동기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 압력 조절부는 상기 GM 극저온 냉동기의 피스톤이 상기 실린더 내부에 충돌하지 않도록 운전 조건에 따라 압력을 조절하는 GM 극저온 냉동기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 운전 조건은 저온부 온도인 GM 극저온 냉동기.
KR1020220108225A 2022-08-29 2022-08-29 Gm 극저온 냉동기 KR20240029887A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220108225A KR20240029887A (ko) 2022-08-29 2022-08-29 Gm 극저온 냉동기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220108225A KR20240029887A (ko) 2022-08-29 2022-08-29 Gm 극저온 냉동기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240029887A true KR20240029887A (ko) 2024-03-07

Family

ID=90272310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220108225A KR20240029887A (ko) 2022-08-29 2022-08-29 Gm 극저온 냉동기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240029887A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018100793A (ja) 2016-12-20 2018-06-28 住友重機械工業株式会社 フリーピストン型冷凍機

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018100793A (ja) 2016-12-20 2018-06-28 住友重機械工業株式会社 フリーピストン型冷凍機

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1726892B1 (en) Refrigerant cycle apparatus
KR100360006B1 (ko) 초 임계 증기 압축 장치
JP3990186B2 (ja) 超臨界蒸気圧縮回路における高圧側圧力制御方法と回路装置
CN105579787A (zh) 冷冻循环装置
KR20120048039A (ko) 히트 펌프 장치, 2단 압축기 및 히트 펌프 장치의 운전 방법
CN1168943C (zh) 超临界冷冻装置
JP2014139498A (ja) 極低温冷凍機
EP1785681A1 (en) High pressure control valve
CN114087290B (zh) 用于悬浮轴承的供气系统及制冷系统
JPH10238872A (ja) 炭酸ガス冷凍サイクル
KR20110074708A (ko) 냉동장치
KR20240029887A (ko) Gm 극저온 냉동기
JP3573384B2 (ja) 極低温冷凍装置
JPH04288454A (ja) 毛細管と吸引ラインとの熱伝達を利用する冷凍装置
JP2006125843A (ja) 冷却サイクル及び冷蔵庫
JPH11304271A (ja) 蓄冷型冷凍機およびそれを用いた超電導マグネットシステム
JP3548017B2 (ja) 冷却装置
JPH062972A (ja) 極低温冷凍機
CN108603696B (zh) 冷冻装置
JP2016118372A (ja) 極低温冷凍機および極低温冷凍機の運転方法
JP3284484B2 (ja) 蓄冷式冷凍機による冷凍液化方法および装置
JP2007093120A (ja) パルスチューブ冷凍機
CN217686110U (zh) 一种蒸发式低温冷冻机组装置
JP3430159B2 (ja) 冷蔵庫
JP2576309B2 (ja) スクリュー冷凍装置