홍 용 주 한국기계연구원 극한기계부품연구본부, 책임연구원ㅣ e-mail : yjhong@kimm.re.kr 박 성 제 한국기계연구원 극한기계부품연구본부, 책임연구원ㅣ e-mail : sjpark@kimm.re.kr 염 한 길 한국기계연구원 극한기계부품연구본부, 책임연구원ㅣ e-mail : hkyeom@kimm.re.kr
이 글에서는 120 K 이하의 온도를 생성, 유지하기 위한 극저온 냉동/냉각기술 및 관련 국내 기술개발 현황을 소개하 고자 한다.
극저온은 통상 천연가스의 액화온도인 120 K(-153
℃) 이하의 온도영역을 의미하며, 극저온 냉동/냉각 기 술은 120 K 이하의 저온환경을 생성하고 유지하는 기 술을 지칭한다. 극저온 냉동기술은 군사, 진공, 의료, 운 송, 전력, 우주, 에너지 등 산업계 전반에 활용되고 있 다.
극저온의 온도영역에서는 금속의 기계적, 열적 특성 뿐만 아니라 전기, 자기 특성의 급격한 변화를 수반하 게 되며, 생물학적 종보존, 액화 및 분리공정에서의 고 밀도화, 초유동 및 초전도 특성, 열잡음 감소, 증기압력 의 감소, 냉동수술을 통한 조직제거 등이 가능하게 된 다. 반면 극저온 냉동/냉각 시스템의 성능 제약으로 인 해 고성능의 단열 및 열침입 제어기술이 요구되며 높은 설치 및 운전비용을 지불하여야만 한다.
극저온 냉동기에서 냉동은 가스의 압축, 팽창과정에 서 발생하는 온도변화에 기반을 두고 있으며, 산업현장 에서 많이 사용되는 액체헬륨 온도(4.2 K)로부터 액체 질소 온도(77 K)까지의 영역에서 동작하는 대표적인 극 저온 냉동기로는 스털링(Stirling)냉동기, G-M(Gifford- McMahon)냉동기, 맥동관(Pulse Tube)냉동기, 쥴톰슨 (Joule-Thomson)냉동기, 역브레이튼(Reverse-Brayton) 냉동기를 들 수 있다. 이들 극저온 냉동기는 극저온의 온도영역에서 안정적인 운전특성 및 소형화를 달성하
기 위해 작동유체로 주로 수십 기압의 고순도 헬륨가스 를 사용한다. 냉동기는 헬륨가스의 고유한 특성으로 인 해 압축과정에서 발생하는 과도한 열을 제거하기 위해 열교환기가 요구되며, 가스의 누설을 억제하기 위한 구 조, 불순물로 인한 가스오염을 방지하는 기술 등이 부 가적으로 요구되며 이는 냉동기의 구조, 비용, 수명 측 면에서의 부담으로 작용하게 된다. 또한 압축과정에서 는 무윤활 또는 윤활유를 사용하는 경우 냉동기의 저온 부로의 유입을 방지하기 위한 유분리과정이 요구된다.
이와 같은 기술적인 제약에도 불구하고 현재 극저온 냉동기는 냉동능력 수 W급의 소형 냉동기뿐만 아니라 수십 kW급의 대형 냉동기까지 다양한 형태의 고효율 의 냉동기가 개발되어 활용되고 있다. 극저온 냉동기는 기술적 특징에 따라 냉각온도, 냉동능력, 소모전력, 진 동/소음 수준, 신뢰성, 온도/냉동능력 제어, 중량 및 설 치 공간, 비용 등에서 장단점을 지니고 있어, 응용분야 에 따라 적합한 냉동기가 선정되어야 한다.
극저온 냉동기
극저온 냉동기는 사용하는 열교환기의 방식에 따라
재열(recuperative) 사이클과 재생(regenerative) 사이클
로 구분할 수 있다. 재열식 냉동기로는 쥴톰슨냉동기와
역브레이튼냉동기를 들 수 있으며 작동온도에 따라 아 르곤, 질소, 네온, 헬륨 등의 가스를 작동유체로 사용하 며, 압축기에서 고압으로 압축된 가스가 일정하게 저온 의 팽창기로 공급되는 구조를 지니고 있어 저온부의 진 동이 작고 온도안정성이 높은 장점이 있으며, 특히 저 온부의 기계적 구동부가 없는 쥴톰슨냉동기의 경우 초 소형 냉동기의 구현이 가능하다.
쥴톰슨냉동기는 수백기압의 고압 가스가 급속히 팽 창할 때 발생하는 냉각효과를 이용하는 냉동기로서, 구 조가 단순하고, 소형일 뿐만 아니라 수 초 수준의 급속 한 냉각이 가능한 장점이 있어 주로 유도무기용 적외선 검출기의 냉각에 사용되고 있다.
재생식냉동기는 재생방식의 열교환기 및 팽창부의 왕복유동을 통해 냉동을 발생시키며, G-M냉동기 및 G- M 방식 맥동관냉동기의 경우 팽창기에서 수 Hz 주파수 의 왕복유동을 생성하기 위해 가스의 고압과 저압을 전 환하는 밸브를 사용하며, 스털링냉동기 및 스털링 방식 맥동관냉동기의 경우 압축기에서 생성된 수 십 Hz 주 파수의 왕복유동을 직접 팽창기에서 사용한다.
또한 재생식냉동기는 2단 이상의 다단 팽창기를 사 용함으로써 광범위한 온도영역에 대해 활용이 가능하 다. 1단 팽창기를 사용하는 재생식냉동기의 경우 20 K 이하의 온도에서 유효한 냉동능력을 얻는 것은 거의 불 가능하나, 2단의 팽창기를 도입함으로써 4.2 K의 온도 영역에서 수 W 수준의 냉동능력뿐만 아니라 20 K 이상 의 온도영역에서도 유효한 냉동능력을 동시에 사용할 수 있다. 이와 같은 다단 팽창기의 경우 G-M냉동기를 통한 예냉과 쥴톰슨냉동기의 도입을 통해 4.2 K의 온도 영역에서 수 W 수준의 냉동능력을 구현한 G-M/JT냉동 기, 1단에는 스털링 방식, 2단에는 맥동관 방식 팽창기 를 사용하는 다단 복합팽창기 등도 최근에 개발된 바 있다.(표 1)
스털링냉동기는 연속적인 등온압축 / 등적이동 / 등 온팽창/ 등적이동으로 구성된 스털링 사이클을 이용하 는 기계식 냉동기로서, 이론적인 효율이 높고, 빠른 냉 동능력 제어가 가능하며, 소형화가 용이할 뿐만 아니라 수 kW에 이르는 대용량의 냉동기로도 구현이 가능하 여, 77 K의 온도영역에서 1 W 미만의 냉동능력을 요구
냉동기 구분
쥴톰슨냉동기
스털링 냉동기
맥동관 냉동기
회전 압축기
선형 압축기
스털링 방식 G-M 방식
G-M냉동기
장 점 급속냉각(수초) 저소음/저진동 초소형/단순 구조/신뢰성 냉각유지시간/용량제어 소형, 경량/저전력
냉각유지시간/용량제어 저진동/수명/신뢰성 냉각유지시간 저진동/수명/신뢰성
큰 냉동능력 냉각유지시간/수명 냉각유지시간/소형 용량제어
수명/신뢰성(수만시간)
단 점
고압가스용기/압축기 필요 짧은 냉각 유지시간
냉각시간(수분) 수명/소음/진동
냉각시간(수분) 효율
냉각시간(수십분)/효율 큰 설치공간
냉각시간(수십분)/효율 큰 설치공간 냉각시간(수분) 진동/효율
활용분야 가스액화/저온수술 분석기기 유도무기
휴대/이동용 열상장비 초전도전력기기 냉각
우주용 열상장비 저진동센서냉각 초전도 전력기기 냉각 초전도 자석 냉각 초전도 전력기기 냉각 초전도 자석 냉각 진공펌프 열상장비 표 1주요 소형 극저온 냉동기의 특징
하는 적외선검출기 냉각뿐만 아니라 kW급의 냉동능력 을 요구하는 초전도케이블, 한류기 등의 초전도전력기 기 냉각용으로 사용되고 있다. 일반적으로 적외선검출 기 및 초전도 RF 필터 냉각기로 사용되는 스털링냉동기 는 가스의 압축/팽창을 수행하는 피스톤/실린더와 이를 구동하는 구동기구로 구성된 압축기와 재생기(rege nerator), 변위기(displacer) 등으로 구성되는 팽창기로 구성되어 있다. 압축기 피스톤을 구동하는 구동기구는 주로 휴대용 열상장비에 많이 사용되어 지는 초소형 스 털링냉동기(냉동능력 0.5 W 미만)의 경우 고효율과 경 량화를 위해 회전모터를 통해 동력을 생성하고, 크랭크 기구를 이용하여 피스톤을 구동하는 방식이 많이 사용 되고, 지상군수 및 우주용 열상장비에 많이 사용되는 비교적 큰 냉동능력을 요구하는 스털링냉동기의 경우 (통상 냉동능력 1 W 이상) 고효율 및 운용신뢰성의 확 보를 위해 선형모터(linear motor) 구동 방식의 스털링 냉동기가 주로 사용되고 있다. 선형압축기를 채용한 자 유피스톤 방식의 스털링냉동기는 탄성(flexure) 또는 가 스 베어링의 도입을 통해 피스톤을 무윤활의 비접촉상 태로 구동할 수 있기 때문에 저진동 특성과 높은 신뢰 성 및 긴 수명 구현이 가능한 장점을 지니고 있어, 최근 군수용 및 민수용 소형 스털링냉동기(온도영역 : 30~100 K, 냉각능력 : 1~10 W)의 주류를 이루고 있다.
G-M냉동기는 1980년대 고진공펌프의 일종인 크라이 오펌프(cryopump)의 냉각장치로 보급되기 시작하였으 며, 자기공명영상(MRI) 장치의 복사차폐막 냉각을 위해 도입되었다. G-M냉동기는 스털링냉동기와는 달리 기 존의 냉동공조용 압축기를 개조하여 사용함으로써 높 은 운용신뢰성과 용이한 유지/보수의 장점이 있고, 77 K 부근의 온도영역에서 수백 W(~600 W)의 냉동능력 을 얻을 수 있다. 반면 스털링냉동기에 비해 낮은 효율 로 인해 소모전력이 크고, 팽창기의 크기가 커 냉각시 간이 길고, 냉동기 자체적인 냉동능력의 조절이 불가능 한 단점을 지니고 있다. G-M냉동기는 재생물질로 희토 류 물질을 도입함으로써 헬륨가스의 재응축이 가능한
4.2 K의 온도에서 냉동능력의 확보가 가능하고 이를 기 반으로 MRI용 초전도자석의 전도냉각이 가능하여 MRI 장치의 보급에 큰 기여를 하고 있다.
최근 극저온에서 발생하는 초전도현상을 이용한 초 전도전력기기의 개발이 활발히 진행됨에 따라 초전도 전력기기용 냉각장치에 대한 수요가 크게 증가하고 있 다. 크라이오펌프, MRI 장치에서 주로 사용되는 2단 G- M냉동기는 4.2 K의 온도에서 최대의 냉동능력을 얻기 위해 작은 재생열교환기 및 팽창부를 채택하고 4.2 K 이상의 중간온도에서는 1단 냉동기에 비해 작은 냉동능 력을 지니고 있어, 큰 열용량의 냉각대상을 냉각하는 데 상당한 시간이 소요된다. 이와 같은 특성은 초전도 전력기기 특히 고온초전도전력기기 냉각에서 G-M냉동 기의 활용도를 제한시키는 주요한 요인으로 작용하고 있다. 이를 보완하기 위해 최근에는 20 K 부근의 온도 영역에서 1단 냉동기에서 수십 W 이상의 냉동능력을 얻을 수 있는 G-M냉동기의 개발이 진행되어 일부 제작 사를 통해 상용화된 바 있다.
맥동관냉동기는 스털링냉동기 및 G-M냉동기와는 달 리 냉동을 생성하는 저온부에 구동부(변위기)가 없고, 상대적으로 낮은 운전 압력비와 충전압력, 또한 다양한 냉각조건에 대해 적용이 가능한 장점으로 인하여, 기존 의 극저온 냉동기의 수요를 대체할 수 있을 것으로 기 대되어져, 활발한 개발이 진행되고 있다. 또한 맥동관 냉동기는 저온부의 구동기구가 없기 때문에, 상대적으 로 단순한 구조를 지니고 있어, 정밀한 가공 및 조립기 술이 요구되지 않을 뿐만 아니라, 높은 신뢰성을 확보 할 수 있으며, 낮은 진동수준, 저렴한 제작단가 등 스털 링 냉동기 및 G-M냉동기에 비해 여러가지 장점을 지닌 극저온 냉동기이다.
맥동관냉동기는 냉각을 발생시키는 압력원에 따라
크게 스털링형, G-M형으로 나눌 수 있으며, 수 Hz의 저
주파수로 운전되는 G-M형 맥동관냉동기는 2~200 K의
넓은 냉각온도 범위에 대해 적용이 가능하다. G-M형
맥동관냉동기는 G-M냉동기와 동일하게 고・저압을 조
절하는 밸브를 장착하며, 급유방식 헬륨압축기를 사용 하기 때문에 높은 신뢰성의 장점을 지니고 있고, 다단 화가 용이하고, 냉각부 구조가 간단하고 진동이 작기 때문에 큰 설치공간 및 설치 방향의 제한성과 낮은 냉 각효율의 문제점을 지니고 있음에도 불구하고 많은 응 용분야에서 G-M냉동기를 대치하여 활용되고 있다.
한편 수십 Hz의 고주파수로 운전되는 스털링형 맥동 관냉동기는 주로 스털링냉동기의 활용분야인 77 K 부 근의 냉각온도(40~200 K)에 적용되며, 압축기에 밸브 가 없는 구조를 채택하고 있어 G-M형에 비해 설치공간 및 설치방향의 제한이 작고, 스털링냉동기와 대등한 높 은 효율의 장점을 지니고 있으며, 스털링냉동기와 팽창 기의 외형적 구조가 유사한 동축형 팽창기가 도입됨으 로써 스털링냉동기의 활용을 대치할 수 있게 되었다.
스털링형 맥동관냉동기는 스털링냉동기에서 높은 운용 신뢰성을 확보하고 있는 선형압축기를 사용함으로써 높은 운전신뢰성과 수명을 확보함으로써, 최근에는 우 주용 열상장비 냉각 분야에서 크게 활용되고 있다. 또 한 대용량 선형압축기가 개발됨에 따라 고온초전도 전 력기기 냉각용(77 K) 냉동능력 1 kW급의 맥동관냉동 기가 개발된 바 있다.
국내 극저온 냉동기 개발 현황
국내에서의 극저온 냉동기 개발은 1980년대 후반 크 라이오펌프용 2단 G-M냉동기로부터 시작되었다. 이후 1990년대 초반 세계적인 다단 맥동관냉동기 개발 추세 를 따라 잡기 위해 1단, 2단, 3단 맥동관냉동기를 잇달 아 제작・시험함으로써 국내 극저온 냉동기 개발의 기 초를 마련하였다. 그러나 초기의 맥동관냉동기 개발은 특정한 응용분야를 목적으로 하기보다는 보다 낮은 최 저도달온도를 달성하기 위한 목표로 수행되어 실제적 인 냉동기의 상용화로 이어지지는 못하였다.(그림 1, 2) 국내에서의 본격적인 극저온 냉동기의 개발은 적외 선검출기 및 초전도 RF 필터 냉각용 스털링냉동기 개발 로, 77 K의 온도영역을 대상으로 하고 선형압축기를 사 용하는 스털링냉동기가 국산화되었으나, 시장 전반의 여건으로 인해 실제적인 활용도는 크지 못하였다. 이후 이동 및 휴대용 열상장비의 냉각을 목적으로 회전압축 기를 사용하는 일체형 스털링냉동기(냉동능력 500 mW@ 80 K)가 개발되었으며, 군사용 적외선 검출기 냉 각용으로 상용화된 바 있다. 또한 적외선검출기의 급속 냉각용으로 아르곤을 작동유체로 하는 소형 쥴톰슨냉
(가) 선형 압축기형 냉동기 (나) 회전 압축기형 냉동기
그림 1국내 개발 스털링냉동기
동기(냉각온도 90 K)를 개발하여 수 초 수준의 냉각성 능을 입증한 바 있다.
또한 초전도전력기기에 대한 연구개발이 진행됨에 따라 고온 초전도 전력기기 냉각을 위한 역브레이튼 냉 동기, 메탄 액화를 위한 역브레이튼 냉동기 개발, 크라 이오펌프용 2단 맥동관냉동기(냉동능력 40 W@ 82.9 K, 10 W@ 20.5 K)의 개발이 수행된 바 있다.
적외선검출기, 크라이오펌프의 보급확대, 고온초전 도 전력기기의 실용화 등으로 인해 향후에도 관련 극저 온 냉동기의 수요는 증가될 것으로 예측되며, 보다 높 은 효율 및 신뢰성을 갖는 극저온 냉동기에 대한 지속 적인 연구개발을 통해 극저온 냉동/냉각 기술의 보급이 활발히 진행되기를 기대한다.
그림 2개발된 회전압축기형 스털링냉동기의 냉각특성
