Most of small-scale cryogenic refrigerators utilize a regenerative refrigeration cycle. Such regenerative-cycle-based refrigerators have high performance at moderately low temperatures, but their performance decreases abruptly below 10 K. It is due to abrupt performance degradation of the installed regenerators. Common regenerator materials have too low specific heats below 10 K to work as a heat storage medium. In this thesis, a recuperative concept is adopted to resolve such a regenerator problem. The recuperative concept is to use helium itself as a heat storage medium. Oscillating flow in one side of a recuperator can work as a heat storage medium for helium flow of the other side. In this configuration, two regenerators (both second stage regenerators) of two regenerative refrigerators (pulse tube refrigerators) are replaced by one recuperator. Such a configuration, instead, produces two restraints. The first one is that the mass flow rates of two pulse tube refrigerators in the recuperative system have to be symmetric. Otherwise the recuperator is not fully counter-flow and the subsequent recuperation process is imperfect. The flow restraint is resolved by driving the two refrigerators with two pulsating pressures of opposite phases. For that, we devised a tandem rotary valve. In the recuperative configuration, the second restraint is that a high-effectiveness miniature recuperator is required for the second stage. But such a recuperator is not available right now. We conducted researches in a high-effectiveness miniature recuperator. Manufacturability was first considered. Then, a way of mitigating flow mal-distribution effect was investigated. The final result is a miniaturized transverse bypass PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger)-type recuperator. Since the recuperator has an etched core, miniaturization to the desired scale (sub-milimeter channel size) is accomplished. Performance reduction due to mal-distributed flow is alleviated by transvse bypass structure. The transverse bypass structure allows internal flow re-distribution and partial flow mixing in the recuperator. Thus, a recuperator with transverse bypass can be resistant to flow mal-distribution (small performance reduction even under mal-distributed flow condition). Finally, the recuperative pulse tube refrigerator system is constructed with the tandem rotary valve and the transverse bypass PCHE-type recuperator. The assembled system reached 7 K though it is a research model and not well optimized. If we can improve the system more, the system will reach lower temperature.
대부분의 소용량 극저온 냉동기는 재생식 사이클로 작동한다. 이러한 재생식 사이클의 극저온 냉동기는 저온에서 뛰어난 성능을 가지지만, 10 K이하의 극저온에서는 급격한 성능 저하를 보인다. 이는 냉동기에 장착된 재생기의 성능이 급격하게 감소하기 때문이다. 일반적인 재생기 물질은 10 K 이하의 극저온에서 낮은 비열로 인하여 열 저장 매체의 역할을 담당하기에는 문제를 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제를 극복하기 위하여 복열식 개념을 도입하였다. 열 저장 매체로 재생기 물질이 아닌 작동 유체인 헬륨을 사용하는 것이다. 복열기에서 한 쪽 통로의 작동 유체는 반대편 통로의 작동 유체에 대하여 열 저장 매체로 작용할 수 있다. 따라서 이러한 구조에서 두 재생식 극저온 냉동기(맥동관 냉동기)의 2단 재생기는 하나의 복열기로 대체된다. 대신 이러한 구조는 두 가지 제한 조건을 갖는다. 첫째, 복열식 시스템을 구성하는 두 맥동관 냉동기는 대칭적 유량을 가져야 한다. 그렇지 않은 경우 열 용량의 균형이 무너져 재생 효과가 불충분하게 발생한다. 이러한 대칭적 유동 조건은 대칭적 구동 압력 파형을 생성함으로써 해결하였다. 이를 위하여 탠덤형 회절 밸브라는 새로운 장치를 고안하였다. 둘째, 2단부에는 고성능 소형 복열기를 적용하여야 한다. 하지만 그러한 복열기가 현재는 나와 있지 않아, 그에 대한 연구를 직접 실시하였다. 우선 제작성을 중점적으로 고려하였고, 다음으로 고성능 다채널 열교환기에서 크게 문제가 되는 유동 불균일 효과를 완화시키는 방안에 대하여 강구하였다. 그 결과 에칭형 코어의 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)를 소형화하여 복열기로 사용하였다. 또한 유동 불균일에 의한 성능 저하 문제를 완화시키는 횡 바이패스 구조를 결합하였다. 횡 바이패스 구조는 같은 유체의 채널들 사이를 통로로 연결시킴으로써 내부 유동 재분배와 유동의 섞임을 가능하게 한다. 따라서 이러한 구조를 채용한 복열기는 유동 불균일이 발생하더라도 성능 감소가 크지 않다. 최종적으로는 고안된 탠덤형 회전 밸브와 횡 바이패스 PCHE형 복열기를 적용하여 복열식 2단 맥동관 냉동기를 구성하였다. 구성된 냉동 시스템은 연구용 모델임에도 불구하고 7 K에 도달하였다. 만약 충분한 성능 개선이 추가된다면 더 낮은 온도에 도달하는 것도 가능해 보인다.
