[논문]일체형 스터링 냉동기 성능에 미치는 주요 인자에 관한 연구

김대웅; 박성제; 홍용주; 김효봉; 고상철

doi:10.9714/psac.2008.10.1.067

일체형 스터링 냉동기 성능에 미치는 주요 인자에 관한 연구
A Study on the Principal Factors for the Stirling Refrigerator Performance 원문보기

김대웅 (전주대 대학원 기계공학과) , 박성제 (한국기계연구원 열유체공정기술연구부) , 홍용주 (한국기계연구원 열유체공정기술연구부) , 김효봉 (한국기계연구원 열유체공정기술연구부) , 고상철 (전주대 공대 기계공학과)

Performance of integral type Stirling refrigerator used for cooling infrared detector is affected by principal factors such as design factors and operating factors. Operating factors include charging pressure and operating frequency. The purpose of this paper is to examine the basic design analysis on the integral type Stirling refrigerator and the changes in performance through experiments on operating factors.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 스터링 냉동기의 성능에 크게 영향을 미치는 운전인자인 충전압력과 운전주파수(구동전압) 에 대한 다양한 변화 실험을 통하여 그에 따른 운전 특성 및 성능변화를 고찰하고 최적의 성능 조건을 찾아내고자 한다.

제안 방법

스터링 냉동기의 성능을 평가하기 위해 입력전력을 20, 24, 28 VDC로 변화시키며 냉각시간 및 냉동능력을 측정하였고 또한 각각의 실험조건에서 충전압력을 20, 25, 30, 35, 40 bar로 변화시키며 냉각시간 및 냉동능력을 측정하였다. 스터링 냉동기의 작동유체로는 불순물의 유입으로 인한 성능저하를 억제하기 위해 고 순도의 헬륨 가스를 충분한 배기과정을 거친 후 충전하였다.
진공용기 에 연결된 스터링 냉동기 의 저 온부에 온도를 측정하기 위해 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 온도센서 (silicon diode : DT-670, 측정온도범위 : 1.4 K ~ 500 K)를 부착하였고, 저온부의 순수냉동능력 측정 및 온도조절을 위하여 망가닌 히터선(Model : MW-36-100, R = 36.5 Q/m @77 K)을 저온부에 일정한 저항만큼 감고 망가닌 선에 전류를 흘려 일정온도가 유지될 때 전류 및 전압을 측정하여 냉동능력으로 환산하였다. 이때 전원 장치로부터 공급되는 전류 및 전압, 전력을 동시에 Labview™ 프로그램을 이용하여 측정, 분석하였다.
크랭크 구동형 스터링 냉동기의 성능에 크게 영향을 미치는 운전인자에 대해 다양한 변화의 실험을 통한 성능변화의 고찰을 통해 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
냉동기를 항온. 항습 챔버에 설치하여 냉동기 주위의 온도를 23 ℃로 일정하게 유지하였으며, 주위 로부터 의 열 침 투를 차단하기 위해 팽 창기의 저 온부 (cold end)를 진공용기(simulation Dewar)내에 설치하였다.

대상 데이터

2와 같은 실험 장치를 구성하였다. 로터리형 압축기의 운전주파수와 정현파 입력전류, 전압의 공급 및 조절을 위해 Agilent Technologies의 전원 공급장치 (DC Power Supply, Model : E3634AX 사용하였다.

데이터처리

5 Q/m @77 K)을 저온부에 일정한 저항만큼 감고 망가닌 선에 전류를 흘려 일정온도가 유지될 때 전류 및 전압을 측정하여 냉동능력으로 환산하였다. 이때 전원 장치로부터 공급되는 전류 및 전압, 전력을 동시에 Labview™ 프로그램을 이용하여 측정, 분석하였다.

성능/효과

(1) 충전압력과 운전주파수(구동전압)가 증가할수록 냉각속도가 빨라졌고, 입력전력은 증가하였으며, 냉동능력 또한 증가하였다.
(2) 일정한 구동전압 인가 시 스터링 냉동기의 운전주파수는 초기의 운전주파수보다 감소하게 되고, 충전압력의 증가에 따라 운전주파수도 조금씩 감소하였다.
(3) 충전압력과 운전주파수(구동전압)가 증가할수록 COP는 증가하다 일정지점이상일 때, COP는 더 이상 증가하지 않는다.
4는 작동유체의 충전압력과 구동전압에 따른 스터링 냉동기의 냉각특성을 나타낸 그림으로 냉동기 주위 온도를 23 E로 일정하게 유지하였다. 실험 결과 충전압력과 구동전압이 증가함에 따라 최저 도달온도가 낮아짐을 알 수 있고, 냉각속도가 증가함을 알 수 있다. 충전압력 20 bar, 구동전압 20 VDC 조건에서 최저 도달온도는 84.
6은 충전압력과 구동전압에 따른 운전주파수 변화 특성을 나타낸 그림이다. 운전주파수는 운전 초기에는 높은 운전주파수로 구동되나 강온과정이 진행되면서 점차 낮아지는 것으로 나타났다. 이와 같은 냉동기의 운전특성은 냉동기 저온부 온도가 낮아지면서,
이러한 실험을 통한 성능변화 고찰의 결론을 토대로스터링 냉동기의 성능향상 방법을 고찰한 결과 작동 유체인 헬륨가스의 충전은 성능이 최대가 되는 압력 점을 찾아 충전하고, 운전주파수를 모터의 최대 회전수에 맞춰 적당한 회전수로 구동시킨다.
그림에서 나타난 바와 같이 냉동기 저온부 온도가 강온됨에 따라 입력전력은 점점 증가하는 것을 알 수 있고, 충전압력과 구동전압이 증가함에 따라 입력전력이 증가하는 것을 알 수 있다. 충전압력 20 bar, 구동전압 20 VDC 조건에서 저온부 온도가 84.1 K에서 입력전력은 5.7 W 이고, 충전압력 40 bar, 구동전압 28 VDC 조건에서 저온 부 온도가 80 K에서 입력전력은 15.0 W로 나타났음을 알 수 있다.
실험 결과 충전압력과 구동전압이 증가함에 따라 최저 도달온도가 낮아짐을 알 수 있고, 냉각속도가 증가함을 알 수 있다. 충전압력 20 bar, 구동전압 20 VDC 조건에서 최저 도달온도는 84.1 K로 80 K에 도달하지 못하였고, 충전압력 40 bar, 구동전압 28 VDC 조건에서 최저 도달온도는 57.1 K, 80 K 도달 시간이 3분 40초로 현저하게 차이가 나타나는 것을 알 수 있다.
그림에서 나타난 바와 같이 충전압력과 구동 전압이 증가함에 따라 냉동능력 또한 증가함을 알 수 있다. 충전압력 25 bar, 구동전압 20 VDC 조건에서 저온 부 온도가 80 K에서 냉동능력은 0.1 W 이고, 충전압력 40 bar, 구동전압 28 VDC 조건에서 저온부 온도가 80 K에서 냉동능력은 0.5 W로 5배 정도 차이가 나타났음을 알 수 있다.
7은 충전압력과 구동전압의 변화에 따른 저온 부 온도가 80 K에 도달하는데 걸리는 강온시간을 나타낸 그림이다. 충전압력과 구동전압이 증가할수록 저온 부 온도가 80 K에 도달하는데 걸리는 시간이 빠른 것으로 나타났다. 낮은 충전압력에서 충전압력의 증가는 급격한 냉각시간의 감소를 유발하나, 30bar 이상에서는 그 차이가 작아짐을 알 수 있고, 구동전압 또한 증가율은 낮은 구동전압에서 급격한 냉각시간의 감소를 유발하나, 어느 시점 이상에서는 그 차이가 작아짐을 알 수 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

일체형 스터링 냉동기 성능에 미치는 주요 인자에 관한 연구
A Study on the Principal Factors for the Stirling Refrigerator Performance 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

일체형 스터링 냉동기 성능에 미치는 주요 인자에 관한 연구 A Study on the Principal Factors for the Stirling Refrigerator Performance 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

일체형 스터링 냉동기 성능에 미치는 주요 인자에 관한 연구
A Study on the Principal Factors for the Stirling Refrigerator Performance 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper