5 K 용 줄-톰슨 흡착식 냉동기를 위한 흡착식 압축기 설계

Abstract

흡착식 줄-톰슨 냉동기는 냉매를 압축하기 위해 흡착제를 이용한 흡착 펌프를 사용한다. 흡착 펌프는 무진동 작동이 가능하기 때문에 우주 관측 시스템의 극저온 냉각 용도로 많이 활용되고 있다. 흡착 펌프는 작동 주기를 최소화하는 것이 냉동기의 성능 증가로 직결된다. 따라서 흡착 펌프의 열관성을 최소화하고 내부 흡착제로 열이 빠르게 확산되도록 구조를 설계하는 것이 중요하다. 이를 위해 본 연구에서는 흡착 펌프를 가로, 세로, 높이가 각각 100 mm, 100 mm, 4.3 mm 의 얇은 평판형 구조로, 내부에는 원활한 열 확산을 위해 가로, 세로, 높이가 각각 1 mm, 1 mm, 4 mm 의 사각 기둥을 배치하여 설계하였다. 목표 온도 5 K의 작동을 위해 흡착제와 작동 유체로 각각 활성탄과 헬륨을 사용하였다. 에너지 균형 식과 선행연구의 활성탄의 기체 헬륨 흡착 성능 상관식을 이용하여 작동 과정을 예측하였다. 계산된 결과로, 흡착 펌프 내부의 최고 압력과 최저 압력은 각각 1000 kPa, 111 kPa 이고 가열 및 냉동 소요 시간은 각각 110 초, 166 초다. 또한 최고 압력이 가해졌을 때 흡착 펌프의 최대 응력을 계산하여 흡착 펌프의 강성을 확인하였다.