The MR JT (mixed refrigerant Joule-Thomson) refrigeration cycle for a cryosurgical probe is developed in this thesis. The mixed refrigerant is composed of absolutely non-flammable and environmentally-friendly (zero ozone depletion potential) components for the clinical purpose, which is one of the most distinguishable essence of this thesis. The simplified design methodology of the JT refrigeration cycle is proposed in this thesis. The developed design method is worthwhile in that it is not only simple but also useful for determining the design values despite its roughness. The mixed refrigerant composition is designed as the combination with Ar, R14, R23, and R218 based on 20%, 20%, 30%, and 30% molar fraction, respectively. It is applied to developing the MR JT refrigeration system based on the developed design method. A heat exchanger, which is one of the most important parts in the MR JT refrigerator, is designed and fabricated to achieve the desired refrigeration capability. Several heat exchangers with different types and performances are used in the experiments. They are the brazed plate heat exchanger, two tubes-in-tube heat exchangers, and the PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger). The heat exchanger performances used in this thesis are specifically investigated in the experimental test facility. The prototype MR JT refrigeration system is constructed based on the calculated design values. The extensive experiments are conducted with the different heat exchangers, the different expansion devices (the adjustable expansion device and the capillary tube), and the various mixture compositions. The prototype MR JT refrigerator operates successfully with the designed mixed refrigerant. The cold-end temperature of 136 K is measured at no load condition with the properly designed heat exchanger whose effectiveness is higher than 95%. The cooling power is measured as about 10 W at the cold end temperature of 150 K. It shows a prospective possibility of MR JT refrigeration system for the cryoprobe application. The extensive experimental results clearly show the effect of the heat exchanger performance on the MR JT refrigerator capability as well as the vulnerability of clogging. It is believed that the developed design methodology and the extensive experimental results provide useful information in the research of an MR JT refrigeration system.
본 논문에서는 극저온 수술 프로브용 혼합 냉매 JT (Joule-Thomson) 냉동 사이클을 개발하였다. 혼합 냉매는 의료 목적에 적합하도록 완전한 비가연성, 환경 친화적 냉매 (오존 파괴지수가 0) 로 구성하였으며, 이는 본 연구의 주요 핵심 중 하나이다. 본 논문에서 제안되는 JT 냉동 사이클의 설계법은 단순하여 쉽게 사용할 수 있을 뿐 아니라 설계의 초기치를 구하는데 유용하게 사용할 수 있다는 점에 매우 의미가 있다. 제안된 설계법에 따라 Ar, R14, R23, R218 냉매가 20%, 20%, 30%, 30% 몰분율로 혼합된 혼합 냉매를 조성하여 혼합 냉매 JT 냉동 시스템을 개발하는데 적용하였다. 혼합 냉매 JT 냉동기의 가장 중요한 요소인 열교환기는 원하는 냉동 요건에 맞추어 직접 설계 및 제작되었다. 브레이징 판형 열교환기, 두 개의 튜브-튜브형 열교환기들, PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger) 의 다른 형태와 성능을 가지는 열교환기들이 실험에 사용되었는데, 다양한 열교환기의 성능을 알아 보기 위해 별도의 성능 실험 장치를 구축하였고, 그 성능을 구체적으로 분석하였다. 설계값을 바탕으로 구축된 프로토타입의 혼합 냉매 JT 냉동 시스템을 통해 다양한 열교환기와 2 개의 팽창부 (유량 조절 형태, 모세관 형태), 다양한 혼합 냉매 조성을 사용하는 광범위한 실험을 수행하였다. 구축된 혼합 냉매 JT 냉동 시스템은 설계된 혼합 냉매를 사용하여 성공적으로 작동되었다. 유용도가 95% 이상으로 잘 설계된 열교환기를 사용한 경우, 열 유입이 없는 경우 136 K 의 최저 도달 온도를, 약 10 W 의 열유입 조건에 대해서는 150 K 이하의 온도를 가지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구의 혼합 냉매 JT 냉동 시스템이 극저온 수술 프로브에 충분히 사용될 수 있는 가능성을 보여준다. 또한, 수행된 많은 실험 결과들은 열교환기의 성능이 어떻게 혼합 냉매 JT 냉동기의 성능에 영향을 주는지와 막힘 현상 (clogging) 에 대한 취약성을 분명히 보여 주었다. 본 연구에서 개발된 설계법과 다양한 실험 결과는 향후 혼합 냉매 JT 냉동 시스템의 연구에 매우 귀중한 정보를 제공한다고 사료된다.
