[논문]크라이오 펌프 냉동기 냉각용량 측정방안

인상렬; 조희승; 정승호

doi:10.5757/jkvs.2011.20.4.243

초록
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국내에서 개발 중인 맥동관형 냉동기 및 일반적인 GM 냉동기 성능평가를 위해 냉각용량 측정 장치를 제작한 후, 측정절차 검토 및 장치 성능확인의 일환으로 상용 냉동기의 냉각용량을 측정했다. 측정된 2차원 냉각용량 차트는 실험에 사용한 냉동기 모델이 가지는 고유 특성을 잘 나타냈다. 이 논문에서는 제작된 냉각용량 평가 장치의 설계사항 및 시운전 결과를 소개한다.

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An apparatus for measuring the refrigeration capacity of cryopump refrigerators including the pulse tube type being developed domestically and the GM type has been designed, manufactured, and tested. The refrigeration capacity of a commercial refrigerator was evaluated for confirming the measurement...

An apparatus for measuring the refrigeration capacity of cryopump refrigerators including the pulse tube type being developed domestically and the GM type has been designed, manufactured, and tested. The refrigeration capacity of a commercial refrigerator was evaluated for confirming the measurement procedure and the operation performance of the apparatus. The measured 2-D refrigeration capacity chart showed the intrinsic characteristics of the refrigerator model used in the experiment. In this paper, design specifications and test results of the refrigeration capacity measurement system is reported and discussed.

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문제 정의

실험의 목적이 냉각용량 측정 자체에 있는 것은 아니지만 평가 장치의 실용성을 판단하는 유일한 방법이라고 할 수 있다. 이 논문에서는 제작된 냉각용량 측정 장치의 설계사항 및 시운전 결과를 소개하고 논의한다.
냉각용량 측정장치를 꾸민 후 장치의 성능을 확인하는 시운전 및 예비실험을 위해 Table 4와 같이 측정절차를 정하고 실제 이를 적용했을 때 미비점이나 개선점이 없는지 알아보려고 했다. 또 잠정적으로 정한 장치 사양이 불충분하거나 지나치지 않는지도 검토의 대상이다.
또 잠정적으로 정한 장치 사양이 불충분하거나 지나치지 않는지도 검토의 대상이다. 실험의 목적은 냉각용량을 편리하면서도 정확하게 측정하는 방안을 수립하는 데 있지만 냉동기의 냉각용량을 제대로 구해 보는 것이 측정 장치 및 측정 절차가 바로 만들어졌는지 확인하는 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다.

가설 설정

1차 냉각단과 2차 냉각단 열부하 중 어떤 것을 고정시키고 어떤 것을 먼저 변화시킬 지는 중요한 사항이 아니지만 이 실험에서는 열부하량이 낮은 2차 냉각단 쪽을 먼저 변화시키는 것으로 정했다.

제안 방법

현재 국내에서는 종래의 GM 냉동기 대신 맥동관(pulse tube) 형 [2] 냉동기를 채택한 크라이오 펌프 국산화 과제가 수행되고 있다. 펌프 개발과제와 별도로 펌프 및 핵심 부품의 성능평가 시스템 개발도 이루어지고 있는데, 새로 개발중인 맥동관형 냉동기뿐만 아니라 일반적인 GM 냉동기 성능평가도 가능하도록 냉각능력 측정 장치를 제작한 후, 측정 절차를 검토하며 장치 성능을 확인하는 시운전 및 예비 실험의 일환으로 일본 Ulvac사제 R-80 냉동기의 냉각용량을 측정했다. 실험의 목적이 냉각용량 측정 자체에 있는 것은 아니지만 평가 장치의 실용성을 판단하는 유일한 방법이라고 할 수 있다.
1처럼 냉동기를 장착할 수 있는 진공용기 및 배기장치와 냉동기의 두 냉각단에 설치하는 두개의 히터 및 전원과 SD(silicon diode) 극저온 온도센서로 구성되어 있다. 앞서 언급했듯이 PNEUROP 규격에는 냉각용량 측정을 1차 냉각단은 80 K로, 2차 냉각단은 20 K로 유지하면서 히터 파워를 측정하여 냉각용량 값으로 보고하도록 기술되어 있으나 냉각단을 일정 온도로 유지하는 것이 일반적으로 어렵기 때문에, 순서를 바꿔서 각 냉각단에 일정한 열부하를 공급할 때 각 냉각단이 도달하는 온도를 측정하는 방식을 택했으며, 또 한 점이 아니라 두 냉각단의 모든 가능한 온도 범위에 대해서 2차원적인 측정을 실시했다. 이렇게 얻어지는 결과는 크라이오 펌프 제조회사에서 냉동기와 함께 제공하는 냉각용량 차트와 동일하다.
히터 열량 외에 외부에서 투입되는 열부하가 크면 냉각 용량을 과소평가하게 되므로 복사열과 전도열에 의한 추가 열부하를 0.1 W로 제한하도록 설계요건을 정하고 계산 및 시공을 했다. 하지만 계산과 달리 복사열이 실제로 얼마나 되는지를 알기는 어렵다.
전항에서 언급한 대로 열차폐는 냉각용량 측정의 정확성을 좌우하는 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서 진공용기 내벽에는 알루미늄이 증착되어 있는 마일러 필름으로 구성된 20겹 MLI를 사용해서 열차폐체를 시공했다. 열차폐체는 여러겹을 미리 블랭킷 형태로 묶은 것을 사용하지 않고 직접 손으로 한 겹씩 천장에 테이프로 고정하여 늘어뜨리는 방식으로 시공하여 가능하면 한겹한겹의 열차폐 능력을 최대한 활용하려고 했다.
따라서 진공용기 내벽에는 알루미늄이 증착되어 있는 마일러 필름으로 구성된 20겹 MLI를 사용해서 열차폐체를 시공했다. 열차폐체는 여러겹을 미리 블랭킷 형태로 묶은 것을 사용하지 않고 직접 손으로 한 겹씩 천장에 테이프로 고정하여 늘어뜨리는 방식으로 시공하여 가능하면 한겹한겹의 열차폐 능력을 최대한 활용하려고 했다. 블랭킷 형태로 만들면 시공은 간편하지만 MLI를 압축함에 따라 차폐효율이 급격히 떨어지기 때문이다.
히터는 Fig. 3과 같이 3Φ의 원통형 카트리지 여러 개를 냉각단 플랜지와 같은 직경으로 가공한 구리 디스크에 삽입하여 장착을 쉽게 하고 히터에서 발생된 열을 냉각단에잘 전달하도록 만들었다.
이 외에도 냉각단을 알루미늄 호일로 싸거나(B 이후), MLI로 벽을 두르기 전에 2차 냉각단을 1차 냉각단에 연결된 알루미늄 캡으로 씌운 것(C,D,E) 등 조건을 달리하며 측정을 했다.
열차폐체의 효과를 점검하기 위해 열차폐체가 없이 벽이 그대로 노출되어 있을 때 (A), MLI를 10겹 시공했을 때(F) 및 20겹 시공했을 때(G,H) 각각 냉각용량을 측정하여 비교 했다.
장치는 정확한 냉각 용량 측정을 위해 크라이오스태트 개념을 채택하여 열차폐 시공이 된 진공용기로 만들어졌다. 만들어진 장치의 성능을 확인하고 냉각용량 측정 절차를 검토하기 위해 상용 냉동기를 사용하여 장치 시운전 및 예비실험을 수행했다.

대상 데이터

냉각용량 측정장치는 기본적으로 Fig. 1처럼 냉동기를 장착할 수 있는 진공용기 및 배기장치와 냉동기의 두 냉각단에 설치하는 두개의 히터 및 전원과 SD(silicon diode) 극저온 온도센서로 구성되어 있다. 앞서 언급했듯이 PNEUROP 규격에는 냉각용량 측정을 1차 냉각단은 80 K로, 2차 냉각단은 20 K로 유지하면서 히터 파워를 측정하여 냉각용량 값으로 보고하도록 기술되어 있으나 냉각단을 일정 온도로 유지하는 것이 일반적으로 어렵기 때문에, 순서를 바꿔서 각 냉각단에 일정한 열부하를 공급할 때 각 냉각단이 도달하는 온도를 측정하는 방식을 택했으며, 또 한 점이 아니라 두 냉각단의 모든 가능한 온도 범위에 대해서 2차원적인 측정을 실시했다.
냉각용량 측정장치를 꾸민 후 장치의 성능을 확인하는 시운전 및 예비실험을 위해 Table 4와 같이 측정절차를 정하고 실제 이를 적용했을 때 미비점이나 개선점이 없는지 알아보려고 했다. 또 잠정적으로 정한 장치 사양이 불충분하거나 지나치지 않는지도 검토의 대상이다. 실험의 목적은 냉각용량을 편리하면서도 정확하게 측정하는 방안을 수립하는 데 있지만 냉동기의 냉각용량을 제대로 구해 보는 것이 측정 장치 및 측정 절차가 바로 만들어졌는지 확인하는 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다.
히터와 냉각단 플랜지 사이에는 열전달을 증강시킬 목적으로 인듐 박판 대신 도전성 그리스를 사용했다.
2). 용기의 배기에는 30 L/s의 소형 TMP와 30 L/min의 로터리펌프를 사용했다. 냉동기 설치 플랜지는 ISO 200 LF 규격으로 만들었는데 냉동기가 바뀌어도 모두 이 규격으로 통일하는 것이 가능한 것으로 판단되었다.
각 냉각단과 히터 표면에는 교정을 거친 SD 극저온 센서를 총 4개 장착했다. 히터에 장착한 센서는 히터와 사이의 열전달 계수 값을 추정하기 위해 참고용으로 단 것이다.
국내에서 개발중인 크라이오 펌프 냉동기의 성능평가를 위해 냉각용량 측정장치를 제작했다. 장치는 정확한 냉각 용량 측정을 위해 크라이오스태트 개념을 채택하여 열차폐 시공이 된 진공용기로 만들어졌다.

성능/효과

냉동기 설치 플랜지는 ISO 200 LF 규격으로 만들었는데 냉동기가 바뀌어도 모두 이 규격으로 통일하는 것이 가능한 것으로 판단되었다.
3과 같이 3Φ의 원통형 카트리지 여러 개를 냉각단 플랜지와 같은 직경으로 가공한 구리 디스크에 삽입하여 장착을 쉽게 하고 히터에서 발생된 열을 냉각단에잘 전달하도록 만들었다. 1차 및 2차 냉각단 히터 설계를 위해서는 얼마의 전류를 흘리면 발생하는 열이 얼마가 될지 예측이 필요한데 일반적으로 금속은 온도가 내려가면 열저항 및 전기저항이 줄어들지만 니크롬 히터선은 큰 영향을 받지 않기 때문에 온도가 큰 폭으로 변하는 경우에도 고정된 저항값을 가지고 예상 열량을 계산해도 실제 상황과 많이 어긋나지 않는 것으로 확인되었다. 히터와 냉각단 플랜지 사이에는 열전달을 증강시킬 목적으로 인듐 박판 대신 도전성 그리스를 사용했다.

후속연구

실험에 사용한 전원은 정전류(constant current, CC) 모드에서 0.02 W 정도로 조절이 가능했지만 냉동기 온도 및 히터 온도가 변할 때 히터선의 저항도 계속 변하면서 특정 파워를 얻기 위해 필요한 최종 전류 값을 찾고 정상상태에 도달할 때까지 많은 시행착오를 거쳐야 했다 한 번 실험을 진행한 후에는 적절한 설정 값을 이미 알고 있어서 별 어려움은 없었으나, 늘 새로운 냉동기를 다뤄야 한다면 정출력(constant power, CP) 모드 운전이 가능한 전원을 사용하면 더 편리하리라고 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	크라이오 펌프는 어떤 펌프인가?	크라이오 펌프는 표면에 활성탄이 접착되어 있는 구리 패널 또는 어레이를 냉동기의 10 K 냉각단에 붙여서 가동하면 패널의 온도가 15 K 정도의 극저온까지 내려가서 기체를 흡착 또는 응축하여 배기하는 펌프다. 질소, 산소, 알곤같은 응축성 기체들을 배기하려면 활성탄이 꼭 필요하지는 않고, 맨살의 금속면이라도 30 K 정도로 온도가 내려가기만 하면 괜찮고, 수소, 네온, 헬륨같은 흡착성 기체들은 활성탄을 20 K 이하로 온도를 낮춰야만 배기가 가능하다.
	국내에서 개발중인 크라이오 펌프 냉동기의 성능평가를 위해 본 연구에서 제작한 냉각용량 측정장치는 정확한 냉각 용량 측정을 위해 어떻게 제작되었는가?	국내에서 개발중인 크라이오 펌프 냉동기의 성능평가를 위해 냉각용량 측정장치를 제작했다. 장치는 정확한 냉각 용량 측정을 위해 크라이오스태트 개념을 채택하여 열차폐 시공이 된 진공용기로 만들어졌다. 만들어진 장치의 성능을 확인하고 냉각용량 측정 절차를 검토하기 위해 상용 냉동기를 사용하여 장치 시운전 및 예비실험을 수행했다.
	크라이오 펌프의 냉동기의 역할은 무엇인가?	크라이오 펌프의 냉동기는 압축기에서 공급된 20기압 정도의 고압 헬륨을 저압 쪽으로 확산팽창시켜서 냉각단의 온도를 낮추어 주는 기기로서 소비전력 대비 냉각능력의 효율이 매우 낮기 때문에 10 K 냉각단이 가지는 냉각용량이 10 W라면 압축기의 소비전력은 보통 10 kW에 이른다. 만일 15 K 패널에 어떤 이유로 총 10 W 이상의 열부하가 가해지면 온도는 20 K보다 더 상승하게 되고 필요한 기체들을 배기할 수 없는 상태가 될 수도 있다.

참고문헌 (4)

Vacuum pumps acceptance specifications part 5-Refrigerator cooled cryopumps, PNEUROP PN5ASRCC/5(1989).
T. Nishitani, Recent topics of the pulse tube refrigerator, J. J. Vac. Soc. 43, 477(2000).
인상렬, 정승호, 2008년 고진공펌프 종합특성평가시스템 설계, 진단 기술개발과제 위탁연구보고서, 한국표준과학연구원, 45쪽(2009)
D. Muller, Oerlikon Leybold Vacuum GMBH, Private communication.

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