Cryocoolers are widely used in application areas such as space exploration, military, medicine, energy in-dustry and laboratory. A pulse tube refrigerator (PTR) has several inherent advantages compared to Stirling and Gifford-McMahon (GM) cryocoolers such as no moving parts in the cold stage, low manufacturing cost, high frequency of operation and long operation life. There have been great research interest and development efforts so far due to such advantages. The previous works are mostly concerned about the development and performance analysis of each component in conjunction with the simulation method for improving its cooling power and efficiency. The approaches for theoretical study and analysis on PTR are mostly conducted by numerical simulation. There is no systematic design method explained by a step-by-step procedure and experimental measurement of detailed physical properties of working fluid. Most of developers and researchers need straightforward design process and want to know the operating principles and loss mechanisms for developing the PTR satisfying the required cooling capacity and efficiency. However, the developers and researchers cannot fulfill their demands easily.
In this dissertation, two topics are investigated to develop a design method of efficient PTR and better un-derstand the operating principles and the energy conversion process. First, the systematic design process for developing an efficient Stirling-type PTR is suggested. The process is composed of three parts, and the con-tents are as follows: 1) specific design and fabrication of each component, 2) modeling and configuration optimization of Stirling-type PTR, and 3) experimental verification. Each part provides a step-by-step procedure for manufacturing an efficient Stirling-type PTR. It can contribute to increasing its usefulness and the practicality of Stirling-type PTR in various fields. Second, this dissertation focuses on the instantaneous measurement and analysis of energy flow in Stirling-type PTR. Operating principles and loss mechanisms of cryocoolers can be described from a view point of energy flow. A stable instrumentation at cryogenic envi-ronment with minimal void volume is developed for real-time measurement of physical properties in Stirling-type PTR. Two Stirling-type PTRs with the developed instrumentation are fabricated and the detailed physical properties of working fluid are measured at each critical component by varying operating frequency and charging pressure. From the measured physical properties, the energy flows are identified so that we can precisely know the energy conversion process in two Stirling-type PTRs. The results are the first experimental results of energy flows that are successfully obtained in the actual configurations of Stirling-type. The pro-posed method can be useful for clarifying energy conversion process and analyzing the tendency of physical conditions in cryogenic refrigerators.
극저온 냉동기는 현재 우주, 군사, 의료, 기초과학, 산업 전반에 걸쳐서 극저온을 생성하는 도구로서 광범위하게 사용되고 있다. 그 중 맥동관 냉동기는 기존의 스털링 및 GM 냉동기와는 달리 저온부에 기계적인 팽창 피스톤이 없어 수명이 길고 기계적인 안정성이 매우 우수한 장점이 있다. 맥동관 냉동기는 그 유용성으로 인해 다른 극저온 냉동기를 대체할 것으로 판단되고 있지만, 현재까지 문서화되어 공개된 체계화된 설계 방법이 전무한 상태이며, 대부분 이론적인 해석을 기반으로 맥동관 냉동기의 성능 향상을 위해 노력해왔다. 즉 고효율의 달성을 위하여 각 구성 요소들의 성능 향상과 이론적인 근거에 바탕을 둔 성능 해석 방법에 대한 것이 주를 이루었으며 이에 대한 체계적인 설계 방법을 제시하고 있지 않다. 더불어 현재까지 진행된 연구들은 실제 맥동관 냉동기 내의 작동 유체에 대한 거동의 측정과 이해가 없이 진행된 것으로, 발전 가능성의 한계가 있다고 할 수 있다. 이로 인해 필요한 요구 조건에 알맞은 고효율의 맥동관 냉동기 제작을 위해, 설계에서 완제품 생산까지 걸리는 시간과 노력이 클 뿐만 아니라, 새로운 연구자들의 접근을 방해하고 있다. 따라서 고효율 맥동관 냉동기의 체계적인 설계 방법의 정립이 절실히 필요하며, 실제의 맥동관 냉동기 내에서 작동 유체의 열역학적 상태량을 정확히 측정하기 위한 방법이 필요하다.
본 학위 연구는 두 가지의 목표를 가지고 진행되었다. 첫 번째는 고효율 스털링형 맥동관 냉동기의 체계적인 설계 방법의 제시이다. 각 구성 요소의 설계서부터 최종적으로 고효율 맥동관 냉동기의 제작까지 모든 과정을 체계적으로 정리하여, 이 과정을 최종적으로 검증하였다. 더불어 맥동관 냉동기의 효율을 보다 높이기 위한 새로운 방법을 제안하여 이를 실험적, 해석적으로 확인하였다. 두 번째는 실제로 작동하는 스털링형 맥동관 냉동기 내에서 작동 유체의 실시간 물성치 측정과 에너지 흐름 계산이다. 이를 위해 왕복하는 작동 유체의 열역학적 상태량을 순간적으로 빠르게 측정하기 위한 실시간 측정 장치를 개발하였고, 이 장치의 저온 안정성을 확인하였다. 실제로 작동하고 있는 두 맥동관 냉동기의 주요 구역에서 작동 유체의 열역학적 상태량을 안정적이게 측정할 수 있었고, 이를 통해 맥동관 냉동기 내에서 작동 유체가 어떻게 거동하는지 확인할 수 있었다. 특히 기존의 이론적 연구 결과와 비교해봄으로써, 실제로 맥동관 냉동기 내에서의 작동 유체가 이론적으로 예측한 것과 비슷한 거동을 하는지 확인할 수 있었다. 측정된 실시간 측정 결과는 맥동관 냉동기 내의 에너지 흐름을 계산하는데 활용되어, 공급된 에너지가 맥동관 냉동기 내에서 어떻게 전달되는지 살펴볼 수 있었다. 이 과정을 통해 극저온 생성에 활용되는 에너지량과 각 구성 요소에서 발생하는 손실량을 정량적으로 살펴볼 수 있었다.
