Free-piston Stirling cryocoolers operate without physical linkages. They rely only on the gas pressures to make the correct motions of the reciprocating elements. The estimation of the pressure drop across a regenerator is very crucial in analyzing dynamic motion of the expander and predicting the performance of the cryocooler. This thesis proposes a new model of the pressure drop for more accurate description of oscillating flow in contrast to an existing model based on steady flow. To validate the new model, the analysis of dynamics of the Stirling cryocooler is carried out. For the universal uses of the oscillating flow model, non-dimensional parameters are derived from capillary tube model of the regenerator prior to experiments. And correlation equations of the model are obtained from the experiments for three types of wire-screen regenerator under various operating frequencies and inlet mass flow rates. These equations shall be useful for not only Stirling cryocooler but also pulse tube refrigerator design.
자유 피스톤형 스털링 극저온 냉동기(Free-piston Stirling cryocooler)는 피스톤과 변위기 사이에 기계적 링크 장치 없이 가스의 압력에 의해 변위가 구동 됨으로써 냉각이 이루어지는 장치이다. 따라서, 변위기 양단의 압력강하를 정확히 예측하는 것은 냉동기 설계에 있어 매우 중요한 일이다. 실제, 재생기를 흐르는 유체는 왕복유동(oscillating flow)이지만 기존의 많은 연구들은 정상유동(steady flow)을 가정하고 있다. 본 연구는 압력강하에 관한 복소수 형태의 왕복 유동 모델을 제안하며, 그 모델의 검증을 위해 두 모델에 대하여 변위기의 동특성 해석을 실행하였다. 또한, 왕복 유동 모델의 일반적 사용을 위하여, 먼저 다공성 물질의 재생기에 대해 가정된 모세관 모델로부터 무차원 변수를 유도하였고, 세가지 종류의 재생기에 대하여 작동 주파수와 입구측 유량을 변화 시켜 가며 실험을 실행하여 그 모델에 대한 상관식(correlation equation)을 찾았다. 이러한 상관식은 스털링 냉동기뿐만 아니라, 펄스 튜브 냉동기의 설계에 있어 매우 유용할 것으로 생각된다.
