Joule-Thomson (JT) refrigerator is widely used for domestic fridge, air-conditioning systems for cars and buildings for its simple structure, low cost, high reliability, and high efficiency. JT refrigerator is also successfully applied in cryogenic refrigeration by adopting several modifications such as using heat exchanger, addition of precooling stage, using mixed refrigerant (MR), and a super insulation. Usual MR JT refrigerators exhibit good performance at refrigeration temperature above 80 K. A precooled neon and nitrogen MR JT refrigerator was designed for cooling temperature below 77 K. The coefficient of performance (COP) of the proposed MR JT refrigerator was predicted as 0.058 at 70 K (19.2% for Carnot efficiency) with the optimization of design parameters. COP could be improved further to 0.064 by enhancing the efficiency of precooling cycle. As the continuation effort of realizing the actual system, a small scale neon and nitrogen MR JT refrigerator was constructed to investigate the refrigeration characteristics and the performance. The compression system of the refrigeration circuit was accomplished by the modification of commercially available air-conditioning rotary compressors. Compressors stably operated at the maximum compression ratio of 31 when the suction pressure was 77 kPa. The achieved lowest temperature of MR JT refrigerator was 63.6 K when the cooling capacity was 35.9 W. The measured Carnot efficiency of the present system was 6.5% which was lower than that of the designed value of 17.4%. The low efficiency of compression system (34.5%), and the pressure drop in the compressor suction were the main reasons for this efficiency deterioration. The feasibility and usefulness of neon and nitrogen mixture for the MR JT refrigerator was validated because the achieved lowest temperature was 63.6 K even though the pressure after the JT expansion was maintained by 130 kPa. The comparison between the measurement and the calculation shows that each stream temperature of refrigeration cycle are well predictable within 5% error by Peng-Robinson equation of state. The ejector-MR JT system was also studied to investigate the effect of ejector on the refrigeration COP. The MR JT refrigerator was modified to adopt the ejector, and tested with the rectangular cross sectional ejector. Although the isentropic efficiency of nozzles and diffuser was proven to be 80%, COP of the ejector equipped MR JT refrigerator was decreased about 8% compared to the conventional MR JT refrigerator. This is caused by the large entropy generation during the mixing process in the ejector. In view of the overall refrigeration cycle, the installation place of ejector in the MR JT refrigerator is limited to avoid the composition shift of mixed refrigerant. Thus, ejector is more beneficial in single fluid JT refrigerator.
줄-톰슨 냉동기는 냉동기는 고압의 유체가 미소 면적의 오리피스를 통과하면서 저압으로 팽창할 때 유체의 온도가 떨어지는 효과에 의해 작동한다. 작동원리가 매우 간단하여 제작이 용이할 뿐만 아니라 압축기를 제외하고는 움직이는 부품이 전혀 없기 때문에 높은 신뢰도를 유지할 수 있어 일반적인 가정용 냉장고 및 에어컨 뿐만 아니라 극저온 냉동 분야에서도 널리 사용되고 있다. 하지만, 냉각 온도가 90 K (-183℃) 이하로 낮을 경우 효율이 급격히 감소하는 단점이 있어, 이와 같은 저온 영역에서는 다른 형식의 냉동기를 사용하고 있는 실정이다. 줄-톰슨 냉동기의 효율이 90 K 이하에서 낮은 근본적인 이유는 이 온도 영역에서 사용할 수 있는 극저온용 냉매 자체가 제한되어 있기 때문이다. 본 논문에서는 이러한 효율 저하 문제를 해결하고, 냉각온도를 70 K (-203℃) 까지 얻을 수 있는 새로운 줄-톰슨 냉동사이클을 제안하였다. 구제적으로 적용한 기술 및 설계 과정은 다음과 같다.
-Cascade 방식의 two-stage (예냉 사이클, 메인 사이클)로 구성
-예냉 사이클 및 메인 사이클 각각의 온도영역에 적합한 냉매를 선정하되, 혼합냉매를 사용하여 냉각효과를 최대화
-예냉 사이클: 질소, 메탄, 에탄, 프로판 혼합냉매 선정
-메인 사이클: 네온, 질소 혼합냉매 선정
-두 사이클을 조합하여 최적의 냉매조성 및 압축비, 예냉온도 제안
제안된 새로운 냉동사이클로 얻을 수 있는 최저온도는 64 K (-209℃) 이고, 카르노 대비 냉각효율은 17%~26% 수준으로 기존의 상용화된 다른 냉각방식의 냉동기와 대등한 수준에 도달할 수 있음을 이론적으로 확인하였다.
이를 실험적으로 검증하기 위한 첫 번째 단계로, 네온/질소 혼합냉매를 안정적으로 압축할 수 있는 압축 시스템을 구현하였다. 설계한 냉동기의 압축비는 24로 흡입 압력이 1기압, 토출 압력이 24 기압에 해당한다. 이러한 고압축비 조건에서 사용할 수 있는 압축기는 쉽게 구할 수 없을뿐더러 극저온 냉매 및 냉동기용으로 상용화된 압축기라 하더라도 압축비는 5 정도로 매우 낮다. 이러한 특수 조건을 만족시키기 위해서는 새로운 압축기를 주문 제작해야 하는 번거로움이 있으며, 제작 단가도 매우 높아지게 된다. 따라서, 일반 냉동공조용으로 사용되고 있는 압축기를 적절히 개조하여 극저온 냉동기에서도 사용할 수 있도록 새로운 압축 시스템을 개발하였다. 주요 개발 과정과 결과는 다음과 같다.
-3단계의 오일 미스트 필터 및 활성탄 계열의 흡착기를 설치하여 냉매에 포함된 유분을 효과적으로 제거하였고, 굳이 흡착기를 설치하지 않아도 유분의 동결에 의한 막힘 현상이 일어나지 않음을 실험으로 검증
-2단 로터리 방식의 압축기를 2개 연결하여 총 4단 압축 시스템을 구현하여 최대 압축비 31 까지 구현
-네온/질소 혼합냉매는 압축하는 동안 열이 많이 발생하므로 압축열에 의한 모터 및 압축기 손상을 방지할 수 있도록 중간냉각(intercooling)을 적용
-장시간 운전 (5~10시간/일, 50일/년) 및 극저온 냉각실험에서도 안정적으로 작동하는 것을 실험을 통해 확인
자체 개발된 4-단 압축기를 적용하여 혼합냉매 줄-톰슨 냉동기를 운전한 결과 최저 온도 63.6 K 을 달성하였고, 70 K 까지 상승하는 동안 36 W의 열을 흡수할 수 있었다. 측정된 압축기 소모 전력과 냉각용량을 통해 계산한 카르노 대비 냉각효율은 6.5%로 예측했던 효율 보다 낮았다. 그 이유는 자체 제작된 압축기의 총합 효율이 35%로 매우 낮았고, 열교환기 및 배관을 통한 압력강하가 발생하여 실제 압축비가 설계치에 해당하는 압축비인 24 보다 훨씬 높은 압축비인 31로 작동하였기 때문이다. 자체 제작한 하드웨어의 한계에 의해 목표로 한 효율을 달성하지는 못하였지만, 측정된 냉각 사이클 각 부의 온도분포 및 냉각 용량 특성은 예측한 결과와 3% 이내로 일치함을 확인하였다. 또한, 팽창부의 압력이 130 kPa 정도로 대기압 보다 높은 압력임에도 불구하고 64 K 이하의 냉각온도를 달성함으로 새롭게 제안된 네온/질소 이종 혼합냉매의 유용성을 확인할 수 있었다.
한편, 줄-톰슨 냉동기의 비가역적인 팽창과정에서의 손실을 줄이고자 이젝터를 적용할 수 있는 혼합냉매 줄-톰슨 냉동사이클을 설계하였고, 실제 이젝터의 내부 형상 설계 및 이에 따른 이젝터 성능을 예측할 수 있는 계산 모델을 개발하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
-극저온 및 기액 이상(two-phase) 유동 조건에서 이젝터의 성능을 예측할 수 있는 1차원적 모델링 방법 개발
-실험 데이터와 비교한 결과 단상(single-phase) 작동 조건에서 최대 오차 10% 이내, 이상(two-phase) 작동 조건에서는 최대오차 25% 이내의 정확도를 가짐을 확인
-주유동 노즐 직경이 0.2 mm 정도로 매우 작은 초음속 이젝터 제작방법 개발
-MEMS 공법에 의해 얇은 판에 원하는 모양을 식각하고, 이러한 판을 여러 장 쌓아 올려서 제작하는 방법을 통해 소형 이젝터를 성공적으로 제작
-제작된 이젝터는 유동 단면적이 사각형을 이룬다는 단점이 있으나, 두께가 서로 다른 판들을 적층한 결과 노즐 및 디퓨져 효율을 80%까지 달성
제작된 이젝터를 혼합냉매 줄-톰슨 냉동기에 적용한 결과 이젝터가 없는 냉동사이클에 비해 오히려 효율이 저하되는 결과를 가져왔다. 이는 혼합냉매 줄-톰슨 냉동기의 경우 냉매가 이상(two-phase)인 곳에 이젝터를 설치하면 기체 및 액체 상태의 조성 차이에 의해 냉매의 조성이 분리될 수 있으므로 실제로 이젝터를 설치할 수 있는 부분이 단상으로 한정되기 때문이다. 반면에 단일 냉매 줄-톰슨 냉동기에 이젝터를 적용할 경우 이러한 현실적인 문제를 해결할 수 있으며, 질소를 냉매로 하는 줄-톰슨 냉동기에 이젝터를 적용할 경우 효율이 50% 가량 개선될 뿐만 아니라 70 K 이하의 냉각온도를 예냉 단계 없이 구현할 수 있는 장점이 있다.
