KR100871843B1 - Multi-type GM Chiller - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉동기를 여러 개 연결하여 사용하면서 냉각시간을 낮추는 것과 이러한 과정에서 발생하는 기체를 효과적으로 포집하여 재 냉각함으로써 냉각 효율을 향상시키는데 다중형 지엠 냉각장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 구체적인 수단은, n+1개로 직열 연결된 다수의 냉동기들과; 상기 냉동기들에 연결되어 냉매 가스를 공급하는 가스공급원과; 상기 냉동기들에 연결되어 냉동기들에서 생성된 액체 냉매를 열교환시켜 기체로 변환시킨 후 n+1번째의 냉동기로 재공급하는 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 따라서 다중 열교환기의 동일면상 설치를 통하여 동일면의 온도를 매우 빠른 속도로 낮출 수 있고, 부하의 냉각시간을 단축시키며, 냉매 공존에 따른 열 교환을 억제할 수 있고, 기체 상태로 전이되어 나오는 냉매기체를 별도로 포집하여 액화상태로 변환시킴으로서 냉각 효율이 극대화된다.The present invention is to provide a multiplex GM cooling device to improve the cooling efficiency by lowering the cooling time while using a plurality of refrigerators and collecting and re-cooling the gas generated in this process. Specific means of the present invention, a plurality of refrigerators connected in series by n + 1; A gas supply source connected to the refrigerators to supply a refrigerant gas; And a heat exchanger connected to the refrigerators to convert the liquid refrigerant generated in the refrigerators into heat by converting the liquid refrigerant into a gas and then resupplying the n + 1th refrigerator. Therefore, through the same plane installation of multiple heat exchangers, the temperature of the same plane can be lowered at a very high speed, the cooling time of the load can be shortened, the heat exchange due to the coexistence of the refrigerant can be suppressed, and the refrigerant gas is transferred to the gas state. By separately collecting and converting to a liquefied state, the cooling efficiency is maximized.
Description
본 발명은 다중형 지엠(GM) 냉각장치에 관한 것으로, 특히 냉각시간을 단축하고, 냉각 효율을 높일 수 있도록 한 다중형 지엠(GM) 냉각장치에 관한 것이다.The present invention relates to a multiple GM cooling system, and more particularly, to a multiple GM cooling device to shorten the cooling time and increase the cooling efficiency.
초전도 재료를 응용한 장치는 재료가 초전도 특성을 나타낼 수 있도록 초전도체를 임계온도까지 낮춰야 한다. 이러한 특성 때문에 초전도체의 온도를 낮추는 것은 매우 중요한 문제이며 이를 위한 방안으로써 액체 질소를 이용하여 냉각을 하기도 하지만 재료의 냉각 안전성을 위해 임계온도보다 낮은 온도로 냉각을 하는 것이 일반적이다.Devices using superconducting materials must lower the superconductor to critical temperatures so that the material exhibits superconducting properties. Because of these characteristics, it is very important to lower the temperature of the superconductor. As a solution for this, cooling is performed using liquid nitrogen, but cooling to a temperature lower than the critical temperature is generally required for cooling safety of the material.
대표적인 냉동기는 기기내부에 보유하고 있는 기체 헬륨의 팽창과 수축 과정에서의 열 교환을 이용하여 열을 흡수하는 역할을 한다. 냉동기의 끝단 부는 대부분의 기체가 기체 상태에서 액체 상태로 전이할 만큼의 충분한 열 흡수력을 갖고 있으며 액화하고자 하는 기체의 열 흡수면적을 넓히기 위하여 냉각핀 구조를 사용한다. 냉각핀에 응축된 액체 상태의 가스는 방울방울 아래로 떨어져 온도를 낮추고자 하는 곳으로 흘러 들어가게 되지만 내부에서 액체가 열 교환을 함에 따라 상당량의 저온기체가 외부로 빠져 나오게 된다. A typical refrigerator serves to absorb heat by using heat exchange during expansion and contraction of gas helium held in the apparatus. The tip of the refrigerator has a sufficient heat absorption capacity so that most of the gas transitions from the gas state to the liquid state and uses a cooling fin structure to increase the heat absorption area of the gas to be liquefied. The liquid gas condensed on the cooling fins falls under the droplets and flows into the place where the temperature is to be lowered. However, as the liquid exchanges heat inside, a large amount of cold gas escapes to the outside.
일반적으로 극저온 냉각장치는 냉동기의 끝단 부에 온도를 낮추고자 하는 물질을 부착하여 열전달을 통하여 온도를 떨어뜨린다.In general, the cryogenic cooler attaches a material to lower the temperature at the end of the freezer to lower the temperature through heat transfer.
종래에는 냉동회로에 냉동기가 하나만 연결되어 있어서 냉매 액체와 기체가 하나의 튜브를 통하여 왕복하여야만 했다.Conventionally, only one refrigerator is connected to the refrigeration circuit, so the refrigerant liquid and the gas have to reciprocate through one tube.
이러한 과정에서 냉매 액체가 기체의 열을 빼앗아 온도가 상승함으로써 열교환기 내부를 냉각시키는데 시간이 많이 걸리는 단점이 있었으며, 냉매 액체와 기체가 공존하는 튜브는 쉽게 얼어 버리는 단점이 있었다.In this process, the refrigerant liquid takes heat from the gas and the temperature rises, so that it takes a long time to cool the inside of the heat exchanger, and the tube in which the refrigerant liquid and the gas coexist has a disadvantage of freezing easily.
따라서 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창출된 것으로, 냉동기를 여러 개 연결하여 사용하면서 냉각시간을 낮추는 것과 이러한 과정에서 발생하는 기체를 효과적으로 포집하여 재 냉각함으로써 냉각 효율을 향상시키는데 다중형 지엠 냉각장치를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and uses multiple refrigerators to reduce cooling time, and efficiently collects and recools gases generated in the process to improve cooling efficiency. The object is to provide a device.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,Specific means of the present invention for achieving the above object,
n+1개로 직열 연결된 다수의 냉동기들과;a plurality of refrigerators connected in series with n + 1;
상기 냉동기들에 연결되어 냉매 가스를 공급하는 가스공급원과;A gas supply source connected to the refrigerators to supply a refrigerant gas;
상기 냉동기들에 연결되어 냉동기들에서 생성된 액체 냉매를 열교환시켜 기체로 변환시킨 후 n+1번째의 냉동기로 재공급하는 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.And a heat exchanger connected to the refrigerators to convert the liquid refrigerant generated in the refrigerators into heat by converting the liquid refrigerant into a gas and then resupplying the n + 1th refrigerator.
또한 본 발명에 따르면, 상기 냉동기들은 동일 평면상에 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the invention, the refrigerators are characterized in that installed on the same plane.
또한 본 발명에 따르면, 상기 열교환기의 출구와 n+1번째의 냉동기의 입구를 연결하는 관로에 설치되어 순환기체의 흐름을 개폐하는 가스밸브와;According to the present invention, there is provided a gas valve for opening and closing the flow of the circulating gas is installed in the pipeline connecting the outlet of the heat exchanger and the inlet of the n + 1 th freezer;
상기 냉동기들의 출구와 상기 열교환기의 입구를 연결하는 관로에 설치된 극저온밸브와;A cryogenic valve installed in a conduit connecting an outlet of the refrigerators and an inlet of the heat exchanger;
상기 가스밸브의 입구와 상기 극저온밸브의 출구측을 연결하는 관로에 설치된 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And a bypass valve installed in a conduit connecting the inlet of the gas valve and the outlet of the cryogenic valve.
또한 본 발명에 따르면, 상기 극저온밸브와 열교환기를 연결하는 관로에 구비되어 액화냉매를 저장하는 U자형 포집튜브가 더 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the cryogenic valve is characterized in that the U-shaped collection tube provided in the conduit for connecting the heat exchanger for storing the liquefied refrigerant is further installed.
또한 본 발명에 따르면, 상기 포집튜브에 액체냉매를 가열하는 히터가 더 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the collection tube is characterized in that the heater for heating the liquid refrigerant is further installed.
또한 본 발명에 따르면, 상기 포집튜브에 고여있는 액체냉매를 열교환기로 밀어넣기 위해 상기 히터를 가열할 때 극저온밸브와 바이패스밸브가 모두 닫아진 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the cryogenic valve and the bypass valve are both closed when the heater is heated to push the liquid refrigerant accumulated in the collection tube into the heat exchanger.
또한 본 발명에 따르면, 상기 열교환기에서 발생된 기체의 압력으로 포집튜브내 액체냉매를 열교환기 내부로 인입시킬 때 상기 극저온 밸브와 가스밸브가 잠가지고 동시에 바이패스밸브가 열려진 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, when the liquid refrigerant in the collecting tube is drawn into the heat exchanger by the pressure of the gas generated in the heat exchanger, the cryogenic valve and the gas valve are locked and the bypass valve is opened at the same time. do.
본 발명의 다중형 지엠 냉각장치에 따르면, 다중 열교환기의 동일면상 설치 를 통하여 동일면의 온도를 매우 빠른 속도로 낮출 수 있다. 그러므로 이면에 맞닿는 기체 냉매를 원활히 액화하여 부하에 공급함으로써 부하의 냉각시간을 단축시키고, 냉매 기체와 액체가 이동하는 경로를 별도로 설치함으로써 냉매 공존에 따른 열 교환을 억제할 수 있고, 기체 상태로 전이되어 나오는 냉매기체를 별도로 포집하여 액화상태로 변환시킴으로서 냉각 효율이 극대화된다. According to the multiple type GM cooling apparatus of the present invention, the temperature of the same surface can be lowered at a very high speed through the same surface installation of the multiple heat exchangers. Therefore, by smoothly liquefying and supplying the gas refrigerant to the load and supplying it to the load, it is possible to shorten the cooling time of the load, and by providing a separate path through which the refrigerant gas and liquid move, to suppress heat exchange due to the coexistence of the refrigerant, and to transfer to the gas state. The cooling gas is maximized by collecting the refrigerant gas separately and converting it into a liquefied state.
또한 냉매라인에 별도의 밸브를 설치함으로써 단순 밸브의 조작과 히터의 적절한 운용으로 부하 내부로 들어가는 액화 냉매의 양을 조절할 수 있다.In addition, by installing a separate valve in the refrigerant line, it is possible to control the amount of liquefied refrigerant entering the load by simple valve operation and proper operation of the heater.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 다중형 지엠 냉각장치는 도 1 내지 도 4와 같이 지엠냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)가 다수개로 연결된다. 바람직하게는 상기 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)들은 외부 열 침입에 안정적으로 동작하도록 동일 평면상에 설치됨이 좋다.In the multiple GM cooling apparatus of the present invention, as shown in FIGS. 1 to 4, the GM refrigerators C1,..., Cn, and Cn + 1 are connected in plural numbers. Preferably, the refrigerators C1, Cn, Cn + 1 are installed on the same plane to stably operate against external heat intrusion.
상기 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)들에는 냉매 가스를 공급하는 가스공급원(20)이 연결되어 있다.A
상기 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)들에는 열교환기(30)가 연결되어 있다. 상기 열교환기(30)는 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)들에서 생성된 액체 냉매를 열교환시켜 기체로 변환시킨 후 n+1번째의 냉동기(Cn+1)로 재공급하는 역할을 한다.The
상기 열교환기(30)의 출구와 n+1번째의 냉동기(Cn+1)의 입구를 연결하는 관 로(31)에는 순환기체의 흐름을 개폐하는 가스밸브(41)가 설치되어 있다.A
또한 상기 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)들의 출구와 상기 열교환기(30)의 입구를 연결하는 관로(32)에는 극저온밸브(42)가 설치되어 있다.In addition, the
또한 상기 가스밸브(41)의 입구와 상기 극저온밸브(42)의 출구측을 연결하는 관로(33)에는 바이패스밸브(43)가 설치되어 있다.In addition, a
상기 극저온밸브(42)와 열교환기(30)를 연결하는 관로(32)에는 액화냉매를 저장하는 U자형 포집튜브(50)가 설치되고, 상기 포집튜브(50)에는 액체냉매를 가열하는 히터(60)가 설치된다.In the
여기서, n+1번째의 냉동기(Cn+1)는 액화냉매가 열 교환을 거친 후 관로(31)를 통과하여 외부로 인출되는 냉매 기체를 다시 열 교환을 거쳐 냉매 액체로 만드는 역할을 한다.Here, the n + 1 th freezer (Cn + 1) serves to make the liquefied refrigerant through the
열 교환기(30)의 외형은 원형으로 구성되며 내부에는 무 산소 동 재질의 핀 구조로 구성된다.The outer shape of the
상기 극저온 밸브(42)는 포집튜브(50) 내에 채워져 있는 액체 상태의 냉매를 열교환기(30)의 내부로 밀어 넣을 때 내부압력이 새어나가는 것을 방지하기 위한 것이다.The
여기서, 가스밸브(41), 극저온밸브(42) 및 바이패스밸브(43)가 모두 잠긴 상태에서 가스공급원(20)을 통해 냉매 기체를 주입하면 포집튜브(50) 내부의 잔존 액화 냉매를 열교환기(30)내부로 주입할 수 있게 되어 있다.Here, when the
또한, 극저온밸브(42) 및 바이패스밸브(43)가 잠긴 상태에서 히터(60)를 가 열하여 포집튜브(50) 내부의 액화냉매를 열교환기(30)의 내부로 주입이 가능함은 물론이다.In addition, the
이같이 서로 연결된 여러대의 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1) 내부에서 열 교환을 거친 후 생성된 냉매 액체는 열교환기(30) 내부에서 열교환되어 기체 상태로 전이되고, 전이된 기체 상태의 가스는 관로(31)를 통하여 n+1번째의 냉동기(Cn+1)로 다시 유입되어 냉매 액체로 변하는 과정을 반복하게 된다.The refrigerant liquid generated after heat exchange in the plurality of refrigerators C1, ..., Cn, Cn + 1 connected to each other is heat-exchanged in the
이때, 극저온밸브(42)와 가스밸브(41)를 잠그면 기체 상태의 가스는 열교환기(30) 내부 압력에 의해 바이패스 밸브(43)를 통해 포집튜브(50)에 잔존해 있는 액화냉매를 열교환기(30)로 밀어 넣는 역할을 수행한다. At this time, when the
일정시간 냉각이 진행되면 여러 대의 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)에서 흘러나온 액체 냉매는 U자형 포집튜브(50) 내에 일정 부분 항상 존재하게 된다.When the cooling is performed for a predetermined time, the liquid refrigerant flowing out of the plurality of refrigerators C1, ..., Cn, Cn + 1 is always present in a certain portion in the U-shaped
이때 열교환기(30)에서 발생한 기체는 바이패스밸브(43)가 닫아져 있을 때 가스밸브(41)를 통하여 n+1번째의 냉동기(Cn+1)내로 공급된다. 이러한 구조로 인해 냉매 액체와 기체는 전혀 공존하는 영역이 없다.At this time, the gas generated in the
포집튜브(50) 내부에 존재하는 냉매 액체는 필요시 극저온밸브(42)를 잠근 후 히터(60)를 가열하여 열교환기(30)쪽으로 흐르게 할 수 있다. 히터(60)를 가열하면 극저온밸브(42)와 포집튜브(50)사이의 압력이 증가하여 포집튜브(50)내부의 냉매 액체는 열려 있는 열교환기(30) 쪽으로 흐르게 된다.Refrigerant liquid present in the
또한, 극저온밸브(42)와 바이패스 밸브(43)를 잠근 후 외부 가스공급원(20)의 가스 압에 의해 강제로 포집튜브(50) 내부의 액화 냉매를 열교환기(30) 내부로 밀어 넣을 수 있게 된다.In addition, after the
또한, 극저온 밸브(42)와 가스밸브(41)를 잠근 상태에서는 열교환기(30) 내부에서 생성된 기체의 압력에 의해 포집튜브(50) 내부의 액화 냉매가 열교환기(30)로 주입될 수 있다.In addition, in the state where the
이러한 모든 경우는 열교환기(30)에서 많은 양의 냉매를 원할 경우 공급할 수 있는 방법이고, 포집튜브(50)의 잔존냉매는 극저온밸브(42)와 바아패스밸브(43)를 잠근 상태에서 히터(60)의 단순 가열만으로도 제거할 수 있다.In all of these cases, the
이같이 본 발명은 여러 대의 냉동기(C1,···,Cn,Cn+1)가 연결되어 냉각시간이 단축된다. 또한 냉각 과정에서 발생된 기체를 효과적으로 포집하여 재 냉각 함으로써 냉각 효율이 향상된다.Thus, the present invention is connected to a plurality of refrigerators (C1, ..., Cn, Cn + 1) to shorten the cooling time. In addition, by efficiently collecting and recooling the gas generated in the cooling process, the cooling efficiency is improved.
또한, 냉동기의 전원이 꺼지더라도 히터(60)를 작동시켜 포집튜브(50)내 액화냉매를 열교환기(30)로 이동 공급시켜 일정시간 냉각작용을 지속시킬 수 있다.In addition, even when the power of the refrigerator is turned off, by operating the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.The following drawings, which are attached in this specification, illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention, serve to further understand the technical spirit of the present invention. It should not be construed as limited to.
도 1은 본 발명에 따른 다중형 지엠 냉각장치의 회로구성도.1 is a circuit diagram of a multiple GM cooling apparatus according to the present invention.
도 2는 본 발명에 적용되는 냉동기들의 설치상태도.2 is an installation state of the refrigerators applied to the present invention.
도 3은 본 발명에 적용되는 냉동기들의 배치상태도.3 is a layout view of the refrigerators applied to the present invention.
도 4는 본 발명에 적용되는 냉동기들의 정면도 배치상태도.Figure 4 is a front view arrangement state of the refrigerators applied to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
C1, Cn, Cn+1: 냉동기C1, Cn, Cn + 1: freezer
20: 가스공급원20: gas supply source
30: 열교환기30: heat exchanger
41: 가스밸브41: gas valve
42: 극저온밸브42: cryogenic valve
43: 바이패스밸브43: bypass valve
50: 포집튜브50: collection tube
60: 히터60: heater
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