대용량 극저온 고진공펌프용 GM 극저온냉동기 설계 및 실험적 검증

2.1 변위기 및 재생기

각 단의 변위기는 가공이 용이하고, 극저온환경에서 기계적 강도가 뛰어나며 온도변화에 따른 수축률이 적어야 한다. 극저온냉동기의 특성 상 상온과 저온부의 온도차가 크기 때문에 열전도도를 낮은 소재를 사용하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 위 조건들을 만족시키는 linen phenolic resin을 사용하였다. 1, 2단 모두 변위기와 실린더 내벽과의 기밀성을 유지하기 위해 teflon 재질의 lip-seal 그리고 c-seal을 설치하였다.

GM 극저온냉동기의 사이클을 Fig. 2에 나타내었으며, 다음 ⓐ~ⓓ와 같이 설명할 수 있다. ⓐ 변위기가 저온부에 위치한 상태에서 고압헬륨이 유입되어 변위기의 고온부에 채워지고, 이때 변위기가 고온부로 이동하면서 고압헬륨은 재생기를 통과한다. ⓑ 고압헬륨이 재생기를 통과하면서(온도가 낮아지고) 부피가 축소하므로, 고압헬륨이 추가적으로 더 유입된다. ⓒ 고압헬륨이 가득 차 있는 상태에서 변위기가 고온부에 도달할 때 고압밸브가 닫히고, 저압배기밸브가 열린다. ⓓ 변위기의 저온부에 위치한 고압헬륨은 압력차에 의해 팽창하고, 동시에 변위기가 저온부로 이동하면서 저압헬륨은 재생기에 의해 가열된다. 즉, 재생기는 헬륨의 열을 빼앗거나 주는 동시에 이의 고온부와 저온부 사이의 온도구배를 적절하게 유지시키는 역할을 한다. 따라서 재생기는 GM 극저온냉동기의 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소이며, 이의 형상 결정과 적절한 재생물질(regenerative material)의 선정이 가장 중요하다. 따라서 재생기의 효율을 높이기 위해 각 단의 동작온도 영역에서 체적비열(volumetric specific heat)이 높은 재료를 재생물질로 사용해야 한다. 1단은 80 K 부근에서 비열이 높은 인청동(phosphor bronze, Cu0.948Sn 0.5Ph0.02)재질의 mesh, 2단은 20 K 부근에서 비열이 높은 납(lead, Pb0.95Sb0.05)구슬을 사용하였다. 팽창과정만 놓고 봤을 때, 고립된 공간에서 고압과 저압이 교반되면서 등 엔트로피(isentropic expansion)과정에 의해 냉각효과를 얻는다고 볼 수 있다. 즉, 헬륨이 고압상태로 유입되거나, 저압상태에서 빠져나가게 될 때 압력과 유량간의 위상차가 발생하지 않는다는 점에 착안하여 재생기를 설계할 필요가 있다. 재생기 성능예측을 위해 REGEN 3.3을 사용하였으며, GM 극저온냉동기가 충분히 냉각된 정상상태이기 때문에 각 재생기 모두의 저온부에서의 압력비를 3이 아닌 2.4로 가정하였다.⁶⁾ Fig. 3은 재생기 축 방향으로의 온도 분포를 나타낸 것이며, 두 단 모두 목표로 하는 온도범위에서 거의 선형적인 온도분포를 가지고 있는 사실을 확인할 수 있다. Fig. 4(a)와 (b)는 각각 1단과 2단의 양단에서의 PV(pressure-volume) 선도를 나타낸 것이며, 각 단의 고온부에서의 PV 선도 내측의 넓이는 압축일(compression work), 반대로 저온부에서는 팽창일(expansion work)을 의미한다. 순수 팽창일(gross expansion work)에서 재생기 손실을 제외한 값이 냉각능력(cooling capacity)이 되며, 1단과 2단 저온부에서 각각 42 W, 7.5 W로 예측할 수 있었다.

Fig. 2

Schematic diagrams of (a) a GM cryocooler and (b) its cycle (image from https://en.wikipedia.org/wiki/Cryocooler)

Fig. 3

Average temperature distributions of working fluid(helium) and regenerative material for two different stages

Fig. 4

Pressure-volume (PV) diagram for the both cold-ends at the cyclic steady-state

2.2 실린더

실린더는 고온부 온도가 300 K 그리고 각 저온부 온도가 80 K, 20 K로 온도차에 의한 열 변형이 거의 없는 재질을 사용해야 한다. 이러한 특성을 갖는 재료로 스테인리스강을 사용하고, 구조적 건전성을 위해 welding 및 brazing이 되는 부분을 제외하고는 전도 열전달을 최소화하기 위해 벽 두께를 최소화하여 설계하였다.

2.3 구동장치

구동장치는 실린더로 유입되는 헬륨의 압력을 제어하는 로터리밸브와 변위기의 상하운동을 가능케 하는 스카치 요크(scotch yoke)로 구성되어 있다. 앞서 설명한 것과 같이, GM 극저온냉동기가 이상적으로 동작하려면 재생기를 통과하는 헬륨의 유동이 펄스파형(pulse waveform) 형태로 반복되어야 바람직하지만, 실제 상황에서는 구현하기가 어렵기 때문에 로터리밸브의 개도와 개폐 시점의 위상각을 조절해야 한다.

로터리밸브와 변위기를 구동하기 위해 최대 토크는 9 N·m hybrid stepper 모터를 사용하였고, 모터의 원활한 냉각을 위해 헬륨압축기로 흘러 들어가는 저압헬륨이 모터 내부를 가로질러 흐를 수 있도록 유로를 배치하였다. 모터의 축에 연결된 캠의 회전운동에 의해 변위기가 상하운동을 하게 되는데, 이러한 기구를 스카치 요크라 한다. 모터의 축과 로터리 밸브는 동일한 축선에 놓여 있어, 변위기의 상하운동과 로터리 밸브의 개폐는 특정한 위상각을 가지며 구동된다. 본 연구에서 설계된 GM 극저온냉동기의 사양을 Table 1에 정리하였으며, Fig. 5는 제작된 GM 극저온냉동기의 시제품의 모습이다.

Table 1

Specifications of the designed 2-stage GM cryocooler

Fig. 5

Developed 2-stage GM cryocooler

3.1 성능시험 장치

GM 극저온냉동기의 1, 2단 저온부에는 실리콘 다이오드 온도센서(DT-670A, Lakeshore)를 부착하였고, 온도모니터(Model 218S, Lakeshore)를 사용하여 신호를 처리하였다. 동시에 냉각능력을 측정하기 위해 카트리지 히터를 설치하였으며, 히터에 공급되는 전력을 측정하기 위해 전력계(WT333E, Yokogawa)를 사용하였다. 헬륨압축기로 공급되는 전력 또한 함께 측정하였다. 흡기 및 배기시의 실린더 내부의 압력은 피에조 압력계(601A, Kistler)와 컨디셔너(5165A, Kistler)를 사용하였으며, 디지털 오실로스코프(DLE4038, Yokogawa)를 사용하여 기록하였다.

3.2 성능시험 방법

GM 극저온냉동기를 헬륨압축기와 연결하기 전에 실린더 내부의 수분이나 불순물을 제거하였다. 먼저 실린더 내부를 진공환경으로 조성한 후, 초고순도(N60) 헬륨을 사용하여 2.1 MPa로 가압한다. 시간이 충분히 흐른 후 순간적으로 대기압에 가깝도록 내부의 헬륨을 배기하고, 이 과정을 10회 정도 반복하였다. 이와 같이 실린더 내부의 불순물을 제거한 다음, GM 극저온냉동기의 정상 운전압력인 1.4 MPa로 실린더를 가압하고 헬륨압축기와 연결 후 헬륨압축기를 구동하였다. 동시에 구동장치의 모터에 펄스신호를 인가하여 GM 극저온냉동기의 설계 운전주파수인 1.2 Hz로 동작하도록 72 rpm으로 회전하도록 하였다.

3.3 결과 및 토론

Fig. 6은 GM극저온냉동기를 구동한 후 온도변화를 나타낸 것이다. 전원을 공급한 후 60분 이내에 각 단에서 최저도달온도로 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, 1단은 29.8 K, 2단은 8.4 K를 기록하였다. Fig. 7(a)은 GM 극저온냉동기의 온도가 안정화된 후 카트리지 히터에 공급되는 전력을, Fig. 7(b)은 열 부하에 따른 각 단의 온도변화를 나타낸 것이다. 최종적으로 각 단의 정상온도에 따른 정상 열 부하를 Fig. 7(c)에 나타내었으며, 이는 개발한 2단 GM 극저온냉동기의 냉각능력이다. 1단의 목표 온도인 80 K에서 40.04 W, 2단의 목표온도인 20 K에서 5.36 W의 냉각능력을 기록하였다. 1단의 경우 재생기 설계결과와 실험결과가 5% 이내의 오차로 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 반면에, 2단의 실험결과를 살펴보면 설계치의 70% 정도의 냉각능력을 나타냄을 확인할 수 있는데, 이는 재생기 설계 시 고려했던 손실보다 실제로 훨씬 더 많은 손실이 발생하는 것이 아니라, 2단 재생기를 통과하면서 압력강하가 발생하기 때문이다. 계산의 단순화를 위해 2단 재생기에서의 압력강하를 고려하지 않고 각 단의 저온부에서 모두 동일한 압력비인 2.4를 고려한 것이 오차의 주된 원인이라고 볼 수 있다. 구동장치의 회전속도를 60 rpm으로 할 경우에는 2단의 최저도달온도가 7.3 K로 더 낮아지는 것을 확인할 수 있었지만, 냉각능력은 72 rpm 대비 88% 수준으로 감소하는 경향을 보여 본 연구논문의 주제를 벗어나서 언급하지 않았다.

Fig. 6

First- and second-stage temperatures of the 2-stage GM cryocooler at the initial cooling

Fig. 7

(a) Heater profile supplied to the first and second stages, (b) the corresponding temperature and (c) cooling capacity with respect to the temperature at each stage

Author contributions

H. B. Kim; Experiments, Writing original draft. J. H. Park; Design, Experiments, Writing review&editing. J. W. Kim; Fabrication. S. Y. Choo; Fabrication. J. S. Ko; Validation. H. K. Yeom; Validation. Y. J. Hong; Validation. S. H. In; Validation. S. J. Park; Validation.