This thesis describes the development of new pressure drop model and the invention of novel regenerator geometry.
The new pressure drop model is developed to overcome the inaccuracy of the conventional steady flow friction factor model when compared to the experimental data under oscillating flow and pulsating pressure conditions. The new pressure drop model is based on the non-dimensional parameters and one-dimensional governing equations. One of the parameters is the oscillating flow friction factor represented by the amplitudes of the pressure drop and the flow rate. The idea of the other important parameter is originated from the volume averaged continuity equation, which includes the characteristic of randomly oriented matrix geometry. This parameter is named as Breathing factor, which implies that the regenerator `breathe' artificially under oscillating flow and pulsating pressure. Empirical correlations of the parameters are obtained for screen regenerators not only at room temperature condition but also at cryogenic temperature.
Second research contribution of the thesis is the development of novel geometry for regenerator. Parallel wire geometry which is similar to the parallel plate or tube is conceived and tested. It is found that the friction factor of the parallel wire type is three to five times smaller than that of the screen mesh type. Oscillating flow friction factor and Breathing factor are obtained for the parallel wire regenerator. It is revealed that the new pressure drop model is also applicable to the parallel wire geometry. This result clearly demonstrates the validity of the proposed pressure drop model. Ineffectiveness is determined by measuring the instantaneous pressure, the flow rate and the gas temperature at the warm and cold sides of the regenerator. The measured ineffectiveness of the parallel wire regenerator is larger than that of the screen regenerator due to the excessive axial conduction loss. To alleviate the axial conduction loss of the parallel wire regenerator, segmentation is introduced and the experimental results show the favorable effect of the segmentation. Entropy generation rate calculation is adopted to compare the total losses between the screen regenerator and the parallel wire regenerator for various operating range. It is concluded that the parallel wire regenerator can be a possible candidate to improve the cryocooler performance when the flow rate increases and the cold-end temperature decreases.
The significance of this thesis is twofold. First, the proposed oscillating pressure drop model can be a powerful design tool for accurate prediction of PdV power (acoustic power) at the cold-end of the cryocooler. Second, parallel wire regenerator concept is verified experimentally and theoretically as an attractive replacing technology for the development of high efficient cryocooler.
본 논문은 극저온 냉동기의 재생기에서 압력강하의 새로운 모델과 고효율 재생기의 개발에 관하여 다루었다.
새로운 압력강하 모델은 기존의 정상유동 모델의 부정확성을 극복하기 위하여 제안되었다. 새로운 모델은 실험계수들과 1차원 지배 방정식을 바탕으로 한다. 두 개의 실험계수들 중에서 하나는 왕복유동 마찰계수로서, 압력강하와 유량의 진폭에 의해 표현된다. 다른 하나의 실험계수는 재생물질의 복잡한 형상의 특성을 표현하는 체적 평균된 질량보존식에서 유도되었다. 본 논문에서는 이러한 계수를 Breathing 계수라고 명명하였는데, 이것은 재생기가 왕복유동 및 맥동압력 조건에서 마치 숨을 쉰다는 것을 의미한다. 스크린 재생기에 대하여 두가지 계수들의 상관식을 구하였으며, 이들 상관식으로부터 수치 계산을 수행하여 실험 결과와 비교하였다. 구해진 상관식은 상온 환경뿐만 아니라, 극저온 환경에서도 적용 가능한 식이라는 것이 밝혀졌다.
본 논문의 두 번째 부분은 평행선 재생기의 개발에 관한 내용이다. 평행선 형상은 기존의 평행판 또는 평행관과 유사한 형상이다. 마찰계수를 측정한 결과, 평행선 재생기의 마찰계수가 스크린 재생기에 비해 1/3 ~ 1/5 정도로 매우 작게 나타났다. 또한, 앞서 제안한 압력강하 모델의 왕복유동 마찰계수와 Breathing 계수를 평행선 재생기에 대하여 구하였고, 계산 결과와 실험 결과를 비교하여 새로운 압력강하 모델이 평행선 재생기에 대해서도 적용할 수 있다는 것을 밝혔다. 이 결과는 압력강하 모델의 타당성과 신뢰성을 한층 더 높여주는 결과라고 할 수 있다. 평행선 재생기의 비유용도는 재생기 양단에서 가스 온도, 유량을 측정하여 구하였다. 평행선 재생기는 축방향의 과도한 열전도 손실이 발생하기 때문에 스크린 재생기보다 비유용도가 큰 것으로 나타났다. 이러한 열전도 손실을 감소시키기 위한 방법으로 본 논문에서는 분할 방법을 제안하였고, 분할의 효과를 실험적으로 증명하였다. 또한, 엔트로피 생성 계산 방법을 이용하여 평행선 재생기와 스크린 재생기의 특성을 다양한 작동 조건에서 비교하였다. 이러한 계산 결과로부터 평행선 재생기는 유량이 클수록 그리고 저온측 온도가 낮을수록 스크린 재생기보다 우수한 것으로 나타났다.
