크라이오 펌프 냉동기 냉각용량 측정방안 논문자료

 

크라이오 펌프 냉동기 냉각용량 측정방안
Scheme for Measuring Refrigeration
Capacity of Cryopump Refrigerator

국내에서 개발 중인 맥동관형 냉동기 및 일반적인 GM 냉동기 성능평가를 위해 냉각용량 측정 장치를
제작한 후, 측정절차 검토 및 장치 성능확인의 일환으로 상용 냉동기의 냉각용량을 측정했다.
측정된 2차원 냉각용량 차트는 실험에 사용한 냉동기 모델이 가지는 고유 특성을 잘 나타냈다.
이 논문에서는 제작된 냉각용량 평가 장치의 설계사항 및 시운전 결과를 소개한다.

 

[연구 주제]

 

1. 문제 정의

냉각용량 측정장치를 꾸민 후 장치의 성능을 확인하는 시운전 및 예비실험을 위해 Table 4와 같이 측정절차를 정하고 실제 이를 적용했을 때 미비점이나 개선점이 없는지 알아보려고 했다.

실험의 목적은 냉각용량을 편리하면서도 정확하게 측정하는 방안을 수립하는 데 있지만 냉동기의 냉각용량을 제대로 구해 보는 것이 측정 장치 및 측정 절차가 바로 만들어졌는지 확인하는 가장 효과적인 방법이라고 할 수 있다.

이 논문에서는 제작된 냉각용량 측정 장치의 설계사항 및 시운전 결과를 소개하고 논의한다.

2. 가설 설정

1차 냉각단과 2차 냉각단 열부하 중 어떤 것을 고정시키고 어떤 것을 먼저 변화시킬 지는 중요한 사항이 아니지만 이 실험에서는 열부하량이 낮은 2차 냉각단 쪽을 먼저 변화시키는 것으로 정했다.

 

[연구 방법]

 

1. 제안 방법

따라서 진공용기 내벽에는 알루미늄이 증착되어 있는 마일러 필름으로 구성된 20겹 MLI를 사용해서 열차폐체를 시공했다.

만들어진 장치의 성능을 확인하고 냉각용량 측정 절차를 검토하기 위해 상용 냉동기를 사용하여 장치 시운전 및 예비실험을 수행했다.

앞서 언급했듯이 PNEUROP 규격에는 냉각용량 측정을 1차 냉각단은 80 K로, 2차 냉각단은 20 K로 유지하면서 히터 파워를 측정하여 냉각용량 값으로 보고하도록 기술되어 있으나 냉각단을 일정 온도로 유지하는 것이 일반적으로 어렵기 때문에, 순서를 바꿔서 각 냉각단에 일정한 열부하를 공급할 때 각 냉각단이 도달하는 온도를 측정하는 방식을 택했으며, 또 한 점이 아니라 두 냉각단의 모든 가능한 온도 범위에 대해서 2차원적인 측정을 실시했다.

열차폐체는 여러겹을 미리 블랭킷 형태로 묶은 것을 사용하지 않고 직접 손으로 한 겹씩 천장에 테이프로 고정하여 늘어뜨리는 방식으로 시공하여 가능하면 한겹한겹의 열차폐 능력을 최대한 활용하려고 했다.

열차폐체의 효과를 점검하기 위해 열차폐체가 없이 벽이 그대로 노출되어 있을 때 (A), MLI를 10겹 시공했을 때(F) 및 20겹 시공했을 때(G,H) 각각 냉각용량을 측정하여 비교 했다.

이 외에도 냉각단을 알루미늄 호일로 싸거나(B 이후), MLI로 벽을 두르기 전에 2차 냉각단을 1차 냉각단에 연결된 알루미늄 캡으로 씌운 것(C,D,E) 등 조건을 달리하며 측정을 했다.

펌프 개발과제와 별도로 펌프 및 핵심 부품의 성능평가 시스템 개발도 이루어지고 있는데, 새로 개발중인 맥동관형 냉동기뿐만 아니라 일반적인 GM 냉동기 성능평가도 가능하도록 냉각능력 측정 장치를 제작한 후, 측정 절차를 검토하며 장치 성능을 확인하는 시운전 및 예비 실험의 일환으로 일본 Ulvac사제 R-80 냉동기의 냉각용량을 측정했다.

히터 열량 외에 외부에서 투입되는 열부하가 크면 냉각 용량을 과소평가하게 되므로 복사열과 전도열에 의한 추가 열부하를 0.1 W로 제한하도록 설계요건을 정하고 계산 및 시공을 했다.

히터는 3Φ의 원통형 카트리지 여러 개를 냉각단 플랜지와 같은 직경으로 가공한 구리 디스크에 삽입하여 장착을 쉽게 하고 히터에서 발생된 열을 냉각단에잘 전달하도록 만들었다.

2. 대상 데이터

각 냉각단과 히터 표면에는 교정을 거친 SD 극저온 센서를 총 4개 장착했다.

국내에서 개발중인 크라이오 펌프 냉동기의 성능평가를 위해 냉각용량 측정장치를 제작했다.

냉각용량 측정장치는 기본적으로 냉동기를 장착할 수 있는 진공용기 및 배기장치와 냉동기의 두 냉각단에 설치하는 두개의 히터 및 전원과 SD(silicon diode) 극저온 온도센서로 구성되어 있다.

또 잠정적으로 정한 장치 사양이 불충분하거나 지나치지 않는지도 검토의 대상이다.

용기의 배기에는 30 L/s의 소형 TMP와 30 L/min의 로터리펌프를 사용했다.

히터와 냉각단 플랜지 사이에는 열전달을 증강시킬 목적으로 인듐 박판 대신 도전성 그리스를 사용했다.

 

[연구 결과]

 

1. 성능/효과

1차 및 2차 냉각단 히터 설계를 위해서는 얼마의 전류를 흘리면 발생하는 열이 얼마가 될지 예측이 필요한데 일반적으로 금속은 온도가 내려가면 열저항 및 전기저항이 줄어들지만 니크롬 히터선은 큰 영향을 받지 않기 때문에 온도가 큰 폭으로 변하는 경우에도 고정된 저항값을 가지고 예상 열량을 계산해도 실제 상황과 많이 어긋나지 않는 것으로 확인되었다.

냉동기 설치 플랜지는 ISO 200 LF 규격으로 만들었는데 냉동기가 바뀌어도 모두 이 규격으로 통일하는 것이 가능한 것으로 판단되었다.

2. 후속 연구

실험에 사용한 전원은 정전류(constant current, CC) 모드에서 0.02 W 정도로 조절이 가능했지만 냉동기 온도 및 히터 온도가 변할 때 히터선의 저항도 계속 변하면서 특정 파워를 얻기 위해 필요한 최종 전류 값을 찾고 정상상태에 도달할 때까지 많은 시행착오를 거쳐야 했다 한 번 실험을 진행한 후에는 적절한 설정 값을 이미 알고 있어서 별 어려움은 없었으나, 늘 새로운 냉동기를 다뤄야 한다면 정출력(constant power, CP) 모드 운전이 가능한 전원을 사용하면 더 편리하리라고 생각한다.

▼출처 및 바로가기 :
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201123163432950

[논문]크라이오 펌프 냉동기 냉각용량 측정방안