맥동관 냉동기 Pulse-Tube Refrigeration

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맥동관 냉동기 Pulse-Tube Refrigeration

개요 

맥동관 냉동기는 작동유체를 특정한 주기로 주입하여, 압축 및 팽창을 통해 냉방효과를 얻는 장치를 일컫는다. 주로, 작동유체는 헬륨을 사용하며 극저온 영역을 위해 사용된다. 초전도분야(초전도발전기, 초전도 센서), 의료분야(MRI, 극저온 수술), 적외선센서 냉각, 인공위성용 열 영상시스템 등에 사용된다.  

맥동관 냉동기는 압축기를 제외하고는 움직이는 부품이 없어 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 

 

Pulse-tube refrigerators compress and expand a working fluid in a linear tube to provide cooling, particularly at low temperatures.

^[각주:1]

1960년대 중반 Gifford와 Longsworth가 고안하였으며, 주로 냉매는 헬륨을 사용한다. 헬륨은 단분자 이상기체 물성(monotonic ideal gas properties)과 낮은 응축온도를 가지기 때문이다.  

^[각주:2]

기본 맥동관 냉동기 (Basic Pulse Tube Refrigertator, PTR)의 작동원리

기본 맥동관 냉동기의 핵심 구성요소는 재생기(regenerator), 맥동관(pulse tube), 저온측 열교환기, 고온측 열교환기, 밸브 그리고 그림 1에서 나타나지 않는 압축기가 있다. 맥동관은 한쪽이 막혀있고 한쪽은 열려있는 관이며, 막혀있는 쪽이 고온측 열교환기가 위치하여 외기나 냉각수 등으로 열을 방출한다. 한편, 열려있는 쪽은 저온측 열교환기가 위치하는데, 이 곳에서 냉각효과를 가지게 된다.  

맥동관의 냉각효과를 얻게되는 작동원리는 그림 1과 같이 설명이 가능하다.

그림 1에서 실선은 작동유체가 압축이 되었을 때이고, 점선은 압력이 강하할 때의 온도분포이다. 

 

압축기에서 압축된 고압의 냉매가 밸브가 열리면, 재생기를 유입된다. 여기서 재생기는 반 사이클(half cycle)동안 열에너지를 저장하는 역할을 하기 때문에, 작동유체는 재생기에 열에너지를 저장하면서 저온측 온도 Tc로 냉각된다. 이 후 저온측 열교환기를 통과하며 맥동관(pulse tube) 내부에 있는 작동유체를 거의 단열적으로 압축하여, 온도가 상승된다. 작동유체들이 고온측 열교환기쪽으로 쏠리면서 더 압축이 되고, 온도는 Tm까지 상승된다. 이 고온의 작동유체는 고온측 열교환기에서 열을 방출해 Th까지 온도가 낮아지고, 다시 저온측 열교환기 방향으로 움직이면서 팽창하여 온도가 Tc보다 낮아진다. 그럼 저온열교환기에서 냉동효과를 얻을 수 있다.  

낮아진 작동유체는 재생기에 저장했던 열에너지를 되찾으면서 작동유체의 온도가 상승한다. 재생기의 관점에서는 열에너지를 빼앗겨 냉각이 되는 것인데, 다음 사이클에서 재생기를 통과하는 고압의 작동유체에서 냉각시키면서 열에너지를 흡수하기 때문에, 재생기 관점에서 한 사이클의 열출입은 0이된다. 

재열기(regenerator)는 주로 다공성 금속 메쉬(mesh)로 만들어진다. 이는 사이클 도중에 가스를 예난방(pre-heat) 혹은 예냉방(pre-cool)하여 열에너지를 저장하여 사이클의 효율을 향상시킨다. 

맥동관 내부의 유동이 난류 유동이 되면 냉동량은 감소하게 된다. 

낮은 온도를 얻기 위해 맥동관 냉동기를 다단계(multiple stage)로 사용할 수 있다. 단단(one stage) 기본 맥동관 냉동기는 124K, 이단(two stage) 기본 맥동관 냉동기는 79K까지 낮출 수 있다.

오리피스 맥동관 냉동기 (Orifice Pulse Tube Refrigertator, OPTR)의 작동원리

^{[각주:3][각주:4]}

Fig. Schematic of a pulse-tube refrigerator. source: Hooijkaas (2000)

1984년 Mikulin 등이 오리피스(orifice)를 추가한 오리피스 맥동관 냉동기(OPTR)를 도입하였고, 기본 맥동관 냉동기보다 더 낮은 온도까지 작동유체의 온도를 낮출 수 있었다. 

작동유체는 오리피스틑 통과하여 버퍼 리저버(buffer reservoir)에서 대기로 열을 방출한다. 피트톤은 튜브를 통해 다시 팽창하면 온도가 낮아지고 열교환기에서 열을 흡수한다. 

Similar to the Stirling cycle, pulse-tube refrigerators cyclically compress and expand a gas, typically helium, within several enclosed chambers to produce a usable temperature gradient. A piston compresses the gas through the tube, raising its pressure, and directs it through an orifice and into a buffer reservoir, where it rejects heat to ambient. The piston then expands the gas back through the tube, lowering its temperature, and accepting heat from a heat exchanger to provide cooling. A secondary fluid then distributes this cooling to the application. A regenerator, made of a porous metal mesh, stores a portion of the thermal energy to pre-heat or pre-cool the gas throughout the cycle for improved efficiency. Systems can use multiple stages of pulse-tubes to achieve lower temperatures. 

Whereas a Stirling cooler utilizes a moving displacer, the pulse tube itself contains no moving parts, offering inherently high reliability and low vibration, which is attractive for cryocooling applications. Pulse-tube refrigerators can achieve very low temperatures (4–100 K) for cryocooling applications such as gas liquefaction, and the cooling of sensors, superconductors, medical specimens, etc. Nevertheless, pulse-tube refrigerators are not considered a viable alternative for space conditioning applications due to their low efficiencies. Limited performance information exists for temperatures relevant for HVAC applications, but Fischer and Labinov (2000) estimated system COPs of 0.39 for cooling and 0.88 for heating. For low-temperature and cryocooling applications, most systems range from 0.5–100W with a cooling COP ranging from 0.01 (Wang 2007) to 0.10 (Unger and Wood 2000).

Technical Maturity and Current Developmental Status

Pulse-tube refrigerators are currently available for cryocooling applications from several vendors including: Sumitomo, Thales Cryogenics, Cryomech, and others.

Barriers to Market Adoption

The low efficiencies of pulse-tube refrigerators are impractical for space conditioning applications.

Energy Savings Potential

Potential Market and Replacement Applications

Pulse-tube refrigerators are not replacements for current space conditioning systems.

Energy Savings

Pulse-tube refrigerators offer no energy savings compared to current vapor-compression systems, and there is little research into its potential for space conditioning applications.

Cost, Size, and Complexity

Pulse-tube refrigerators operate similarly to other cryocoolers, but are simpler and more reliable as they do not have moving parts within the cooler itself.

Peak-Demand Reduction and Other Non-Energy Benefits

Simple design with no moving parts in the core system, ability to maintain low temperatures.

참고

http://large.stanford.edu/courses/2007/ph210/bert2/

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2014. 06. 13 작성

2019. 02. 23 추가 작성

1. Non-Vapor Compression HAVC Report, DOE [본문으로]
2. 맥동관 냉동기, 1992, 정은수, 공기조화냉동공학 [본문으로]
3. Operating characteristics of a single-stage Stirling-type pulse tube cryocooler with high cooling power at liquid nitrogen temperatures, Jiu-ce SunMarc DietrichLi-min Qiu, Guenter Thummes, 2015, Journal of Zhejiang University [본문으로]
4. Non-Vapor Compression HAVC Report, DOE [본문으로]