This study describes the design process of linear compressor to increase the output power so that pulse tube refrigerator obtains the larger cooling capacity at 20 K, and the results of the experimental demonstration. The piston movement’s variation is analyzed by commercialized numerical tool to increase the output power of the linear compressor using same linear motor. The effect of piston diameter, mass and the dimensions of the pulse tube refrigerator components are considered in the analysis. Based on the analysis results, the output power becomes the maximum when the phasor difference between the current and the piston movement is about 90 degree with the given current and piston movement. In consequence, the piston diameter and the mass are selected so that the phase difference between the current and the piston movement becomes 90 degree. The piston diameter and the mass are 33 mm and 413 g respectively. In addition, the loss from the regenerator is considered to enhance the efficiency of the pulse tube refrigerator. The maximum cooling capacity is obtained when the 30 mm part of regenerator length is filled with stainless steel mesh and the other 10 mm part of that is filled with lead powder with diameter of 86 $\mu$m. The experimental equipment is manufactured based on these analysis. The linear compressor, using manufactured piston with diameter of 33 mm, produces output power of 80 W at 20 bar and 50 Hz. This output power is about 60 % larger than that of previous linear compressor with piston diameter of 27 mm. The cooling performance of the pulse tube refrigerator is also tested by using the manufactured piston. The no load temperature reaches 16 K, and the cooling capacity at 20 K is 1.9 W at 18 bar and 46 Hz. The Carnot COP is 10.1%.
본 연구는 액체 질소 온도에서 작동하는 선형 압축기의 출력을 증가시켜 20 K에서 더욱 큰 냉각 용량 및 높은 효율을 얻는 맥동관 냉동기의 설계 과정과 실험적 검증에 대해 다룬다. 동일한 선형 모터를 이용하여 선형 압축기의 출력을 증가시키기 위해 피스톤의 직경, 무게와 맥동관 요소들의 규격 등에 변화를 주어 선형 압축기의 내의 피스톤 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통해 전류와 피스톤의 진폭의 위상 차이가 $90^\circ$일 때 선형 압축기의 출력이 동일한 입력하는 전류의 크기 및 피스톤의 진폭에 대해 최대가 되는 것을 확인하였다. 따라서 진행한 분석을 토대로 선형 압축기 내부에 흐르는 전류와 피스톤의 진폭의 위상 차이가 $90^\circ$가 되도록 피스톤의 직경과 무게를 선정하였다. 선정된 피스톤의 직경은 33 mm였으며 그 무게는 413 g이었다. 또한 맥동관 냉동기의 효율을 높이기 위하여 재생기에서 발생하는 손실에 대해 분석하였다. 재생기의 형상을 400번의 스테인리스 스틸 망으로 30mm를 채우고 86 $\mu$m 직경의 납 구슬로 10 mm 를 채웠을 때, 가장 큰 냉각 용량과 높은 효율을 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 이러한 수치해석 결과를 바탕으로 실제 장치를 제작하고 실험적으로 검증하였다. 제작한 33 mm 직경의 피스톤을 통해 선형 압축기는 20 bar의 내부 압력과 50 Hz 작동 주파수에서 80 W의 출력을 생성하였다. 이는 기존의 27 mm 직경의 피스톤을 사용하였을 때보다 약 60% 증가한 값이다. 제작한 피스톤을 이용한 맥동관 냉동기의 성능도 실험적으로 검증하였다. 저온부는 내부 압력 18 bar, 46 Hz에서 무부하 온도 16 K을 달성하였다. 이때 20 K에서 측정한 냉각 용량은 1.9 W, 카르노 COP는 10.1%였다.
