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문제 정의
- 본 연구에서는 불용 체적의 변화, 운전 주파수, 충전 압력, 관성관 및 맥동관의 형상, 재생기 망치수번호(mesh number)의 변화 등의 인자가 관성관형 맥동관 냉동기의 최저 도달온도에 미치는 영향을 실험적으로 고찰한다. 즉, 소형 맥동관 냉동기를 설계하고 이를 제작, 실험하였을 때 발생되는 손실을 해석하며, 최적의 운전조건을 찾아 보고, 냉동기의 성능으로 판단되는 저온부의 온도를 예측한 해석과 비교해 보고자 한다.
- 본 연구에서는 불용 체적의 변화, 운전 주파수, 충전 압력, 관성관 및 맥동관의 형상, 재생기 망치수번호(mesh number)의 변화 등의 인자가 관성관형 맥동관 냉동기의 최저 도달온도에 미치는 영향을 실험적으로 고찰한다. 즉, 소형 맥동관 냉동기를 설계하고 이를 제작, 실험하였을 때 발생되는 손실을 해석하며, 최적의 운전조건을 찾아 보고, 냉동기의 성능으로 판단되는 저온부의 온도를 예측한 해석과 비교해 보고자 한다.
- 본 연구에서는 소형선형 압축기를 이용하여 소형 관성관형 맥동관 냉동기를 제작하여 불용체 적의 변화, 운전 주파수, 충전압력, 관성관 및 맥동관의 형상, 재생기 망 치수번호(mesh number) 의 변화 등의 인자가 관성관형 맥동관 냉동기의 냉동능력에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. 또한 손실 해석을 통해 최적조건에 대한 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 최대 소비전력이 40W인 소형선형 압축기를 사용하여 작동하는 관성관형 맥동관 냉동기를 구현하여 실험을 수행하였다. 이러한 소형 맥동관 냉동기는 소형적외선 센서의 안정적인 냉각에 효과적이며, 특히 인공위성에서 소비전력의 제한이 있을 때 적외선 센서나 통신시스템의 냉각에 응용이 가능하다.
- l은 소형 관성관형 맥동관 냉동기의 실험 장치를 개략적으로 보여주는 그림이다. 불용 체적을 줄이기 위하여 본 논문에서는 세 가지 방법을 적용하였다. 첫째, 압축기와 재생기 사이의 간격을 최소화하도록 연결관(split tube)을 설계하였다.
- 불용 체적을 줄이기 위하여 본 논문에서는 세 가지 방법을 적용하였다. 첫째, 압축기와 재생기 사이의 간격을 최소화하도록 연결관(split tube)을 설계하였다. 둘째, 재생기 입구의 맥동 압력을 측정하기 위해 필요한 압력 센서는 후 냉각기(aftercooler)에 직접 홈을 내어서 일체형으로 부착하였다.
- 셋째, 냉동기 내부를 진공으로 유지하고, 작동유체 인 헬륨을 충전하기 위한 밸브는 저장소(reser- voir)에 설치하였다. 또한 재생기와 맥동관도 스테인리스 스틸관을 일체형으로 제작하여 이루어졌다. 재생기 내부에는 스테인리스 스틸망(stain less steel mesh #200, #400)이 적층되어 있으며, 재생물질이 아래로 이탈하지 않도록 재생기와 맥동관 사이에 턱을 내었다.
- 35mm 으로 고정하였고, 맥동관의 길이를 바꾸어 주기 위해 재생기와 맥동관이 일체형인 모델을 각각 3가지를 제작하였다. 각각에 해당하는 맥동관 길이는 40mm, 50mm, 60mm의 3가지이며, 교환의 용이성을 위해 일체형으로 제작된 재생기와 맥동 관은 플랜지 형식으로 고정하였다. 또한 관성관은 외경 2 mm, 내경 0.
- 9 mm인 튜브를 각각 40 cm, 60cm, 80cm, 100cm, 120cm 길이로 절단하여 사용하였고, 저장소의 체적은 Roach et al.⑸이 제안한 전기적 상사를 이용하여 150cc로 결정하였다⑻ 재생기 입구와 맥동관 출구, 저장소의 압력은 각각의 위치에 따로 설치된 압전 압력 센서 (PCB 111A26)를 이용하여 측정되었다. 온도측정 을 위하여 저온부와 고온부 열뇨환기, 그리고 저장소에 각각 E-type 열전대를 부착하였다.
- ⑸이 제안한 전기적 상사를 이용하여 150cc로 결정하였다⑻ 재생기 입구와 맥동관 출구, 저장소의 압력은 각각의 위치에 따로 설치된 압전 압력 센서 (PCB 111A26)를 이용하여 측정되었다. 온도측정 을 위하여 저온부와 고온부 열뇨환기, 그리고 저장소에 각각 E-type 열전대를 부착하였다. 또한 단열조건에서의 냉동기 특성을 파악하기 위해 진공실험을 수행하였고, 진공은 IO'3torr 이하를 유지하였다.
- 온도측정 을 위하여 저온부와 고온부 열뇨환기, 그리고 저장소에 각각 E-type 열전대를 부착하였다. 또한 단열조건에서의 냉동기 특성을 파악하기 위해 진공실험을 수행하였고, 진공은 IO'3torr 이하를 유지하였다. 자세한 실험조건과 형상은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 수행한 실험은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫째, 불용 체적의 효과를 고찰한 실험에서는 충전 압력 17.5atm, 운전 주파수 50Hz, 재생기 200메쉬 등의 조건을 고정하고, 불용 체적이 각각 1.6cc, 0.2cc인 경우에 대해서 관성관 길이의 변화에 따른 냉동기의 성능변화를 측정하였다. 둘째, 운전 주파수 및 충전 압력의 변화가 냉동기의 최저 도달온도에 미치는 영향을 분석한 실험에서는 재생기 200메쉬, 맥동관 길이 50mm 로 고정하고, 운전 주파수를 40, 45, 50, 55 Hz로 충전 압력을 15, 17.
- 2cc인 경우에 대해서 관성관 길이의 변화에 따른 냉동기의 성능변화를 측정하였다. 둘째, 운전 주파수 및 충전 압력의 변화가 냉동기의 최저 도달온도에 미치는 영향을 분석한 실험에서는 재생기 200메쉬, 맥동관 길이 50mm 로 고정하고, 운전 주파수를 40, 45, 50, 55 Hz로 충전 압력을 15, 17.5, 20atim으로 변화시키면서 냉동기의 성능변화를 확인하였다. 셋째, 재생기의 망 수(mesh number)의 변화가 냉동기의 성능에 미치는 영향을 측정한 실험에서는, 운전 주파수 45 Hz와 충전 압력 20 atm 등의 조건을 고정하고, #200메쉬망과 ・#400메쉬 망에 대해 맥동관과 관성관의 길이변화 영향을 고찰하였다.
- 5, 20atim으로 변화시키면서 냉동기의 성능변화를 확인하였다. 셋째, 재생기의 망 수(mesh number)의 변화가 냉동기의 성능에 미치는 영향을 측정한 실험에서는, 운전 주파수 45 Hz와 충전 압력 20 atm 등의 조건을 고정하고, #200메쉬망과 ・#400메쉬 망에 대해 맥동관과 관성관의 길이변화 영향을 고찰하였다. 이 실험 에서는 망치수 번호의 변화에 따른 냉동기의 최저 도달온도 변화뿐만 아니라 최대의 성능을 보이는 맥동관과 관성관의 길이, 즉 최적조건을 제시하였으며 손실해석을 통해 이를 분석하였다.
- 셋째, 재생기의 망 수(mesh number)의 변화가 냉동기의 성능에 미치는 영향을 측정한 실험에서는, 운전 주파수 45 Hz와 충전 압력 20 atm 등의 조건을 고정하고, #200메쉬망과 ・#400메쉬 망에 대해 맥동관과 관성관의 길이변화 영향을 고찰하였다. 이 실험 에서는 망치수 번호의 변화에 따른 냉동기의 최저 도달온도 변화뿐만 아니라 최대의 성능을 보이는 맥동관과 관성관의 길이, 즉 최적조건을 제시하였으며 손실해석을 통해 이를 분석하였다.
- 압축기와 고온부 열교환기 사이에 존재하는 불 용 체적의 효과를 파악하기 위하여, 압축기와 후 냉각기 사이의 불용 체적이 1.6cc인 기존의 실험 장치⑺와 2.1 절에서 설명한 여러 가지 방법으로 불용 체적을 0.2cc로 감소시킨 실험장치를 통하여 얻어진 실험결과를 비교하였다. 재생기 길이와 맥동관 길이가 각각 40mm인 경우에 대해서 관성관의 길이가 40cm에서 120cm까지 20cm 간격 으로 증가할 때 저온부의 온도를 Fig.
- 2cc로 감소시킨 실험장치를 통하여 얻어진 실험결과를 비교하였다. 재생기 길이와 맥동관 길이가 각각 40mm인 경우에 대해서 관성관의 길이가 40cm에서 120cm까지 20cm 간격 으로 증가할 때 저온부의 온도를 Fig. 2에 비교 하였다. 기존의 실험장치에서는 전체 부피(압축기, 관성관, 저장소의 부피 제외의 36.
- 2cc인 실험장치에서는 맥동관의 길이 50mm, 관성관의 길이 80 cm에서 가장 낮은 최저 도달온 도를 보였다. 따라서 다음 절에서는 모두 맥동관의 길이를 50mm로 하여 실험을 수행하였다.
- 운전 주파수 및 충전압력의 변화가 맥동관 냉동기의 성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 가장 최적의 성능을 보였던 조건, 즉 불용 체적이 0.2cc, 맥동관 길이 50mm, 관성관 길이 80 cm인 조건에 대해서 운전 주파수와 충전압력을 변화시키면서 냉동기의 최저 도달온도를 측정하였다. 그 결과는 Fig.
- 재생기 망 치수번호의 변화가 냉동기의 성능변화에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 망 치수번 호가 200과 400인 재생기에 대해서, 재생기와 맥동관이 일체형인 모델 각각 3가지를 부가적으로 제작하였다. Fig.
- 또한 동일한 관성관 길이에 대해서도 최저 도달온도를 만드는 맥동관 길이가 존재함을 알 수 있다. 이러한 결과를 정량적으로 분석하기 위하여 본 논문에서는 손실해석⑺을 수행하였고, 그 결과는 다음 절에서 논의하겠다.
- 본 연구에서는 소형선형 압축기를 이용하여 소형 관성관형 맥동관 냉동기를 제작하여 불용체 적의 변화, 운전 주파수, 충전압력, 관성관 및 맥동관의 형상, 재생기 망 치수번호(mesh number) 의 변화 등의 인자가 관성관형 맥동관 냉동기의 냉동능력에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. 또한 손실 해석을 통해 최적조건에 대한 해석을 수행하였다. 실험결과와 해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 이것은 소형 맥동관 냉동기에서 불용 체적을 최소화하는 유용한 방법이다.⑺ 재생기의 길이는 40mm, 지름은 6.35mm 으로 고정하였고, 맥동관의 길이를 바꾸어 주기 위해 재생기와 맥동관이 일체형인 모델을 각각 3가지를 제작하였다. 각각에 해당하는 맥동관 길이는 40mm, 50mm, 60mm의 3가지이며, 교환의 용이성을 위해 일체형으로 제작된 재생기와 맥동 관은 플랜지 형식으로 고정하였다.
성능/효과
- 즉, 본 실험장치는 기존의 장치에 비하여 30% 더 적은 부피를 가진다. 따라서 동일한 압축기에 대하여 불용 체적의 감소로 인하여 냉동기의 성능은 크게 향상되었다. 이러한 직접적인 원인은 압력 진폭이 기존 장치에서의 압력 진폭보다 대략 20% 정도 향상되었기 때문인데, 불용 체적의 감소 영향이 단순히 냉동기의 냉각능력 향상에만 국한된 것은 아니다.
- 이러한 직접적인 원인은 압력 진폭이 기존 장치에서의 압력 진폭보다 대략 20% 정도 향상되었기 때문인데, 불용 체적의 감소 영향이 단순히 냉동기의 냉각능력 향상에만 국한된 것은 아니다. 냉동기의 최저 도달온도가 더 낮아졌을 뿐만 아니라, 그러한 성능을 보이는 최적의 맥동관 길이와 관성관 길이도 변했음을 실험을 통해 알 수 있었다. 즉, 불용 체적이 L6cc인 장 치에서는 맥동관의 길이 40mm, 관성관의 길이 80cm에서 최대 성능을 보이지만, 불용 체적이 0.
- 냉동기의 최저 도달온도가 더 낮아졌을 뿐만 아니라, 그러한 성능을 보이는 최적의 맥동관 길이와 관성관 길이도 변했음을 실험을 통해 알 수 있었다. 즉, 불용 체적이 L6cc인 장 치에서는 맥동관의 길이 40mm, 관성관의 길이 80cm에서 최대 성능을 보이지만, 불용 체적이 0.2cc인 실험장치에서는 맥동관의 길이 50mm, 관성관의 길이 80 cm에서 가장 낮은 최저 도달온 도를 보였다. 따라서 다음 절에서는 모두 맥동관의 길이를 50mm로 하여 실험을 수행하였다.
- 5는 각각의 재생기 모델에서 맥동관 길이와 관성관 길이에 따른 냉동기 저온부의 온도변화를 나타낸다. 실험결과를 통해 재생기 망 치수번호가 증가하면 전체적인 냉동기 성능이 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 재생기 망 치수번호가 증가하면 재생기의 전열면적이 증가하여 비유용도 손실이 감소하기 때문이다.
- 7에서 보듯이 압력 진폭 의 크기가 작아지므로 PdV 팽창일은 감소하게 되고, 따라서 냉동효과가 저하되는 것이다. 즉, 맥동관 냉동기의 성능은 질량유량과 압력진폭, 각 부분의 손실 등을 고려해 분석할 수 있고, 이러한 여러 가지 인자들에 의해 최적의 냉동기 성능을 보이는 맥동관 길이와 관성관 길이가 존재함을 알 수 있다. 아울러 이러한 손실 해석을 통해 맥동관 냉동기의 설계시 최적의 성능을 보이는 맥동관과 관성관 길이를 예측할 수 있다.
- (1) 불용체적이 감소하면 냉동기 내의 압력진폭이 증가하여 냉동기의 최저 도달온도는 감소한다.
- (2) 적절한 운전 주파수(45Hz)와 충전압력(20 atm)에서 운전 주파수가 압죽기의 고유 주파수와 일치하면, 냉동기는 최대의 성능을 보인다.
- (3) 재생기 망 치수번호가 증가하면 비유용도 손실의 감소에 따라 냉동기의 최저 도달온도는 감소한다.
- (4) 최적의 성능을 보이는 맥동관과 관성관의 길이가 존재함을 확인하였으며, 그 조건을 손실 해석을 통해 분석하고, 최적조건의 예측 가능성을 제시하였다.
후속연구
- 이러한 소형 맥동관 냉동기는 소형적외선 센서의 안정적인 냉각에 효과적이며, 특히 인공위성에서 소비전력의 제한이 있을 때 적외선 센서나 통신시스템의 냉각에 응용이 가능하다.⑹ 이러한 작은 용량의 압축기에 대응하는 소형 관성관형 맥동관 냉동기는 비평형 상태의 운전조건을 가지므로, 그 성능은 여러 가지 인자에 매우 민감하게 반응하므로, 이에 대한 연구가 필요하다.
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