Optimum Size Combination of Heat Exchangers in a Small Gifford-Mchon/ Joule-Thomson Refrigerator

소형 Gifford-McMahon/Joule-Thomson 냉동기에서 열교환기의 최적 조합

The optimum size combination of heat exchangers in a Joule-Thomson(J-T) circuit for small cryogenic systems has been sought analytically, when the circuit is combined with a two-stage Gifford-McMahon(GM) cooler. Full thermodynamic cycle analysis was carried out to predict the performance of the combined refrigeration system. Relevant convective heat transfer coefficients, the computerized properties of helium, and the refrigeration capacity curve of a typical GM cooler have been used in the analysis. The result showed that, by changing the configuration(heat exchanger area ratio) of the system, the performance of the commonly-used GM/J-T refrigerators could be optimized. For the maximum refrigeration performance, the optimum mass flow rate of the refrigerant and the relative size between the heat exchangers have been obtained, when the cooling load was 0.1W at 3.995K with the total heat exchanger area being given.

본 연구에서는 초전도 양자 간섭장치(SQUID, superconductiong quantum inte- rference device)를 냉각시킬 수 있는 정도의 소용량(3.995K에서 0.1W)의 GM/J-T 냉동 기에 대하여 요구되는 냉각용량을 만족시키면서 최대의 성능을 나타낼 수 있는 열교환 기의 면적배분 조건을 구하였다. 즉 냉동 성능을 알고 있는 상용 2단 GM 냉동기와 소형 극저온 냉동기에 널리 사용되는 열교환기로 이루어진 복합적인 GM/J-T 냉동기에 대하여 열교환기 총면적이 주어졌을 때, J-T 회로내의 냉매(헬륨)의 유량과 각 열교환 기 전열 면적의 비를 변수로 최적설계를 행하였다.