This dissertation proposes a ‘cold compressor, colder expander’ concept. As a proof of the concept, a Stirling-type pulse tube refrigerator (PTR) is developed and tested in conjunction with two types of linear compressor (made of normal metal and superconductor, respectively) that produce a mass flow at ‘cold state’. The ‘cold state’ means colder than atmospheric temperature below 120 K. The mass flow generated at the ‘cold state’ by the cold compressor can be directly fed to a refrigeration system without undergoing an inevitable precooling process and it rejects compression heat at the ‘cold state’, simultaneously. This concept extends the temperature range of the refrigeration system and can readily create a ‘colder state’.
In this dissertation, as the first step, the performance of the PTR system is estimated by the numerical model which considers the dynamic characteristics of the linear compressor with thermo-hydraulic governing equations for each sub component of the PTR. The experimental validation as a proof of the concept is carried out to demonstrate the capability of the PTR operating between 80 K and 20 K. For the linear compressor which is submerged in liquid nitrogen ( $LN_2$ ), the electrical to mechanical work conversion efficiency is attained to exceed 85% for all the relevant frequency domain. The no-load temperature of 18.7 K is recorded and the nominal heat lift of 0.4 W is measured at the cold-end temperature of 20 K. This PTR including the linear compressor should be optimized and it is expected to produce higher thermal performance than the current PTR does. This dissertation also presents further parametric studies on the PTR system with the pre-developed numerical model. Next, the experimental validation of the superconducting cold linear compressor (SCLC) unit as an innovative concept is carried out for the pre-developed Stirling-type PTR system above. The SCLC stably operates without creating over-heat problem under $8.5 A_{rms}$. The compression efficiency is attained to be 70%, and this value shows lower than that of the non-superconducting linear compressor above. The loss mechanisms in the SCLC unit are furthermore investigated and it is found that the AC loss in the cooling structure for the HTS winding in the SCLC occupies over 50% of the total SCLC loss. The key features of this dissertation are summarized as follows;
(i) Development of a Stirling-type PTR system (including a cold linear compressor)
- Constructing and demonstrating of the Stirling-type PTR system
- Understanding major loss mechanisms in the Stirling-type PTR system
- Establishing a design methodology of the Stirling-type PTR system with reflecting dynamic characteristics of the cold linear compressor
- Parametric studies on the Stirling-type PTR system with the pre-mentioned design mythology
(ii) Development of a SCLC unit with a high temperature superconductor (HTS) coil
- Constructing the SCLC unit
- Integrating and demonstrating the SCLC unit with the pre-developed Stirling-type PTR
- Understanding major loss mechanisms in the SCLC unit
맥동관냉동기는 스털링냉동기와 달리 냉각이 일어나는 부분에 존재하는 피스톤을 제거한 형태로, 압축기를 제외하고는 움직이는 부품이 없어 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 다만, 별도의 예냉 (precooling) 과정이나 다단 (cascade) 구성 없이는 20 K 이하의 온도에 도달하기 어렵다는 단점이 있다. 이의 근본적인 이유는, 질량유량과 변동압을 생성시키는 온도와 실제 냉각이 일어나는 저온부의 온도차이가 너무 크기 때문에 작동유체가 재생기를 통과하면서 발생하는 열손실 그리고 압력손실이 커지기 때문이다. 본 학위논문에서는 이러한 손실들을 근본적으로 줄이기 위해, 저온압축 기술을 도입하였고 저온부에서 더 낮은 온도에 도달하려는 것을 목표로 ‘cold compressor, colder expander’ 개념을 제시하였다. 저온 혹은 극저온 환경에서 질량유량과 변동압을 생성하기 때문에, 불필요한 예냉과정을 거치지 않고 저온부에 압축일을 효율적으로 전달할 수 있게 된다. 이를 실험적으로 검증하기 위한 첫 번째 단계로, 극저온 환경에서 작동하는 선형 압축기를 포함한 맥동관냉동기를 개발하였다. 선형 압축기는 액화질소로 냉각되어 80 K 에서 질량유량과 변동압을 생성하고, 맥동관냉동기의 저온부에서는 20 K 이하의 목표온도를 가진다. 저온부의 온도뿐만 아니라 맥동관냉동기의 각 부분에서 생성되는 압력 그리고 선형 압축기의 피스톤 진폭을 실시간으로 측정하여 맥동관냉동기의 성능을 평가하는데 사용하였다. 선형 압축기는 48~52 Hz 주파수 영역에서 85% 이상의 압축효율을 보였으며, 평균 압축온도는 78.2 K 으로 측정되었다. 한편, 맥동관냉동기의 저온부에서는 동작 주파수 50 Hz 에서 최저온도 18.7 K 을 달성하였다. 또한 목표온도인 20 K 에서는 0.4 W 의 냉각성능을 보였다. 선형 압축기의 동특성을 고려하여 맥동관냉동기를 해석적으로 모사하고, 이를 실험결과와 비교분석 하여 해석모델의 신뢰성을 확인하였다. 구축된 해석모델을 통해 맥동관냉동기에서 발생하는 손실들을 세분화하고, 이들을 최소화할 수 있는 방안을 제시하였다. 다음 단계로, 선형 압축기의 전자코일을 초전도체로 대체한 형태인 초전도 선형 압축기를 개발하고 이를 맥동관냉동기에 적용한 내용이다. 초전도 선형 압축기는 50 Hz 주파수에서 70% 이상의 압축효율을 보였으며, 입력전류 $8.5 A_{rms}$ . 이하에서 온도상승에 의해 초전도 특성이 사라지는 현상 (quench) 없이 정상적으로 질량유량과 변동압을 생성하였다. 한편, 초전도 선형 압축기에서 발생하는 손실들을 세분화하고, 그 중에서도 초전도체를 냉각시키기 위해 설치했던 구조물에서 추가적인 손실이 지배적임을 확인하였다.
