This thesis describes the performance analysis and design methodology of Stirling-type PTR (pulse tube refrigerator) in conjunction with dynamics of the accompanied linear compressor.
The dynamic behavior of the piston in the linear compressor is directly influenced by the load condition of the PTR. The analysis code is developed with the linear analysis model. In the analysis code, the dynamic equation of the piston is simultaneously solved with the thermo-hydraulic governing equations of the PTR and all physical variables (input voltage, piston displacement, pressure, mass flow rate) in the Stirling-type PTR are calculated. Using the calculated waveform of the physical variables, the performance of the PTR is predicted with the accompanied thermal losses.
The developed analysis code is verified with the experimental results. In the experiments, the effect of the input current, operating frequency, cold-end temperature, inertance tube length is investigated for three different configurations of the PTR. The modification of the analysis code and the correction of the empirical correlations are introduced for the consideration of actual phenomena with the measured data and the logical basis.
From the simulation results, the effect of the inertance tube length, the pulse tube size and the regenerator size is investigated on the dynamic response of the linear compressor and the power transfer mechanism from the input power to the cooling capacity. It is shown that the optimum configuration and operating condition exist for the best cooling performance of the PTR. The developed analysis code in this thesis can be useful to find such an optimum design of the PTR.
이 논문은 선형 압축기를 포함한 스털링형 맥동관 냉동기의 성능 해석 및 설계 기법을 다루고 있다.
스털링형 맥동관 냉동기에서, 선형 압축기의 동적 거동은 맥동관 냉동기 부분의 부하 조건에 직접적으로 영향을 받는다. 선형 해석 모델을 이용하여 개발된 성능 해석 코드에서는, 선형 압축기의 운동 방정식과 맥동관 냉동기 부분의 열수력학적 지배 방정식을 연립하여 풀어 압축기의 입력 전압, 피스톤 변위, 압력 및 질량 유량 파형이 계산된다. 계산된 파형 정보로부터 열손실 및 일률을 계산하여 전체 냉동기의 성능을 예측한다.
개발된 성능 해석 코드는 실험 결과와 비교하여 검증된다. 실험에서는, 세 가지 다른 형상의 맥동관 냉동기에 대하여 입력 전류, 작동 주파수, 저온부 온도, 관성관 길이의 영향이 측정된다. 실제 현상을 모사하기 위하여, 측정된 데이터를 기반으로 실험적인 경험식을 제시하고 성능 해석 코드를 수정하였다.
실험 결과와의 비교를 통해 검증된 성능 해석 코드를 이용하여, 관성관 길이, 맥동관 및 재생기의 크기가 선형 압축기의 동적 거동 특성과 선형 압축기의 입력 전력으로부터 냉동 효과로의 일률 전달 과정에 미치는 영향을 조사한다. 그 결과, 최적의 냉각 성능을 위한 맥동관 냉동기의 최적 형상 및 작동 조건이 존재하는 것이 확인된다. 이 논문에서 개발된 성능 해석 코드는 스털링형 맥동관 냉동기의 설계에 유용한 설계 도구로 사용될 수 있다.
