KR100336813B1

KR100336813B1 - 적응성 열 탄성 저온 유지 장치

Info

Publication number: KR100336813B1
Application number: KR1019997005925A
Authority: KR
Inventors: 로우렌쓰 에이. 주니어 웨스토번; 데이비드 알. 스미쓰
Original assignee: 글렌 에이치. 렌젠, 주니어; 레이티언 캄파니
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2002-05-16
Also published as: US6016659A; EP0950161B1; IL130589A0; KR20000069785A; WO1999023426A1; TW445368B; WO1999023426B1; DK0950161T3; EP0950161A1; IL130589A; TR199901519T1; DE69810074D1; DE69810074T2

Abstract

외부에서 제어되어 발생된 열적 가열을 통해서 감지된 온도 변화에 반응하는 액츄에이터(40)를 가진 저온 유지 장치(12)가 개시되었다. 액츄에이터(40)는 높은 열 팽창 계수를 가진 재료로 건조된다. 가요성의 가열 소자(44)는 액츄에이터 재료 내에 매립된다. 온도 검출기(62)는 저온 유지 장치의 제어 전자 장치에 신호를 제공한다. 제어 회로(60)는 온도 신호에 응답하여 액츄에이터(40)내의 가열 소자(44)에 흐르는 전류를 조정한다. 액츄에이터의 온도가 가열 소자(44)에 의해서 발생된 열로 인하여 증가되면, 액츄에이터는 팽창하여 부착된 니들(50)를 오리피스(30)에 대하여 개방시켜서 냉매의 유량을 증가시켜 냉각을 조정한다. 소망하는 냉각 온도에 도달했을 때에 전류 및 가열이 중단된다. 냉매의 유동은 액츄에이터를 냉각시켜 단축시키고 부착된 니들을 오리피스 쪽으로 잡아 당겨서 유량을 조절한다. 가열 및 냉각 사이클은 감지된 온도가 수용불가한 값까지 상승할 때마다 스스로 반복된다. 가열 소자(44)는 액츄에이터 가열을 제어하는 능력을 제공한다. 가열 소자는 냉매의 온도 변화보다 상당히 큰 액츄에이터의 온도 변화율 및 크기를 유도함으로써 향상된 감도 및 행정(travel)을 제공하는 데, 종래에는 이 감도 및 행정의 제한으로 인해 수동 액츄에이터의 설계에 제한이 많았다.

Description

적응성 열 탄성 저온 유지 장치{REACTIVE THERMO ELASTIC CRYOSTAT}

저온 유지 장치는 온도가 제어되는 조건 하에서 동작 또는 측정이 수행될 수 있도록 하는 국부 저온 환경을 제공하는 장치이다. 저온 유지 장치는 유도탄에서 적외선 탐지기의 냉각에 사용되는데, 예를 들어 이런 유도탄에는 탐지기 및 관련 전자 부품들이 종종 작은 격납 패키지에 밀집되어 있다. 저온 유지 장치는 또한 초전도 동작에서 매우 낮게 제어되는 온도를 요구하는 초전도 시스템에도 사용된다.

주울-톰슨 저온 유지 장치는 엔탈피(enthalpy)가 보존되는 비가역 쓰로틀링 과정(irreversible throttling process)을 통해 고압 냉매가 팽창될 수 있게 하는 밸브(당업자에게는 '주울-톰슨 밸브' 로 공지됨)를 이용하여 온도를 저하시키는 냉각 장치이다.

종래의 주울-톰슨 저온 유지 장치의 가장 간단한 형태의 장치는 통상 저온 유지 장치의 냉 단부(cold end)에 있는 열 교환기 내에 고정 크기의 오리피스(orifice)를 갖고 있어서 저온 유지 장치에 의한 냉각이 조절되지 않는다. 입력 압력 및 내부 냉매 유동 움직임이 저온 유지 장치를 통과하는 냉매의 유동 파라미터를 설정한다. 당업자에게 잘 공지된 바와 같이 급속 냉각은 높은 율의 가스 유동 및 큰 크기의 오리피스를 필요로 하는 반면, 장기간에 걸친 냉각은 요구 유량(demand flow)을 필요로 하는데, 여기서 유동 냉각 용량은 열 부하를 상쇄시킨다. 수동식 고정 오리피스 저온 유지 장치에 대해서 요구 유량 작동은 고유한 것이 아니며, 급속 냉각 및 장기간의 냉각은 상호 배타적이다. 이러한 두가지의 냉각 요구는 고정 오리피스 저온 유지 장치에서 동시에 만족될 수 없다. 따라서, 종래의 주울-톰슨 저온 유지 장치가 어떠한 이동 부분도 갖지 않는다는 점에서 간단한 장치이긴 하지만, 고유의 비제어 유동 특성은 고정 오리피스형 저온 유지 장치가 한계가 많은 냉각 장치가 되게 하여 급속 냉각과 지속적인 장기간 냉각을 하는 것이 요구되는 많은 응용예에 부적합하도록 만든다.

약 1950년대 이후로, 다양한 오리피스 크기를 가지며 내부 수동식 자동 온도 조절 기능을 갖는 요구 유량 주울-톰슨 저온 유지 장치가 이용되었다. 이러한 저온 유지 장치는 최대 오리피스 크기로서 냉각하기 시작하는 능력을 제공하는 유체 쓰로틀링 밸브를 구비하여, 급속 냉각을 위한 높은 율의 냉매 유량 및 냉각을 제공한다. 냉각이 달성된 후, 오리피스 크기는 최소 냉매 유량율 및 열적 부하 상쇄용의 유지 냉각을 제공하기 위해 밸브에 의해 작아진다.

유체 쓰로틀링 밸브는 일반적으로 냉매 플리넘(plenum) 챔버 내/주위의 온도에 기초하여 냉매 플로우의 자가 조정을 제공하는 장치의 맨드릴(mandrel) 내에 수동식 자동 온도 조절 액츄에이터를 포함한다. 냉각율은 저온 유지 장치를 통과하는 냉매의 전체 유량율에 비례한다. 자동 온도 조절 소자(thermostatic element)는 온도가 변화됨에 따라 수축하거나 팽창하는 유체 충진식 벨로우(bellow) 또는 특정하게 선택된 모놀리드식 액츄에이터 물질의 세그먼트이다. 온도가 변화함에 따라 액츄에이터는 벨로우의 전하 유체(charge fluid)의 위상 변화에 기인하거나 물질의 팽창 특성에 기인하여 길이를 변화시킨다.

자동 온도 조절 액츄에이터는 요구 유량 니들(neddle) 밸브 기구에 결합된다. 온도가 떨어짐에 따라 액츄에이터는 수축하도록 적응되고, 니들이 주울-톰슨 오리피스로 뻗치어 오리피스가 부분적으로 닫히게 만든다. 지정된 임계 온도에서, 자동 온도 조절 소자는 니들 밸브 전체를 닫는다. 온도가 상승함에 따라 소자는 다시 팽창하여 밸브 기구를 액츄에이트하여 새로운 냉매가 오리피스를 통해 흘러서 궁극적으로는 열 부하쪽으로 흐르게 한다.

미사일 장치와 같은 많은 장치는 장기의 실행 시간 요구를 충족시키기 위해 낮은 유지 유량율을 필요로 한다. 이러한 장치 형태가 갖는 압력 용기 소스 또는 압축기 소스에 대해 할당된 질량 및 부피는 운송 수단 제한 때문에 대폭 축소되어 냉매 공급도 제한된다. 이러한 응용예들은 냉매에 효율적인 요구 유량 저온 유지 장치의 개발에 박차를 가했고, 여기서 유동 냉각 용량은 모든 환경 조건 전반에 있어서의 열 부하와 같다. 그 결과로서, 주위 환경이 낮은 온도를 나타낼 때와 같은 낮은 열 부하 조건의 환경 하에서, 냉매 유량이 매우 낮은 값으로 감소되어 니들 밸브가 거의 닫혀지게 된다.

낮은 유량 조건에서의 유지 동작과도 부합하며, 자동 온도 조절 액츄에이터가 니들 밸브를 완전히 개방시키고 급속 냉각을 위한 높은 초기 유량율을 달성하기 위해서는 비교적 큰 행정(travel)을 필요로 한다. 이러한 조건을 양호하게 수행하는 저온 유지 장치는 정확한 제조, 전하 유동 파라미터 및 초기 밸브 조절을 필요로 하는 벨로우형 자동 온도 조절 액츄에이터를 포함한다.

최소 유량율을 제공하기 위한 기술로는 니들 밸브 내의 유동 바이패스를 포함하는 것이 있다. 이는 밸브가 완전히 밀봉되었을 때 냉매를 누설하는 니들 밸브의 니들 또는 오리피스 중 어느 하나에 있는 소규모의 채널로 구성된다. 비록 이러한 구성이 지극히 낮은 유량을 방지하기는 하나 유량은 과도한 냉매 소비를 방지하도록 여전히 낮게 설정된다. 이러한 특징을 살려 견실히 제조하는 것은 어렵다.

이러한 유형의 저온 유지 장치 및 낮은 유량율을 나타내는 모든 저온 유지 장치의 심각한 문제가 신뢰성의 결핍이다. 여러 이유로 인해, 유동이 중단될 수 있고 액츄에이터가 응답하여 유동이 재개되기 전에 제어되는 온도가 수용불가한 정도로 증가한다. 가장 집요하게 괴롭히는 문제가 냉매 오염이다. 냉매 내의 불순물이 응결되어 구멍를 막고 및/또는 니들을 고정시켜, 밸브 동작 및 냉매의 유동을 방해한다. 또한, 냉매 자체가 오리피스의 상부쪽으로 나아가 응결할 수 있고 그 다음 니들 밸브 동작을 중단시킬 수 있다. 이러한 구체적인 현상은 과도한 양의 냉매가 생성될 때 냉각 후 곧바로 가장 일반적으로 나타나며 대부분 아르곤 작용에 관련되어 있다. 자동 온도 조절 액츄에이터의 응답 시간은 과도하게 지속되는 유동 중단을 막을 수 없을 정도로 너무 길어서 수용 불가한 온도 상승을 유발한다.

또한, 벨로우형 저온 유지 장치는 디자인 수명 전반에 걸쳐 매우 양호한 봉합 상태를 유지해야만 하고, 벨로우는 저온 유지 장치 장치가 요구하는 사양에 따라 제조하기가 어렵다. 열 팽창 계수(CTE)를 이용하는 디자인은 벨로우 디자인보다 간단하지만, 낮은 감도 및 느린 열적 응답이라는 단점을 갖는다. 이는 낮은 유량율에서, 그리고 최고 순도의 냉매(cryogen)를 제외한 것에 대해서 이와 같은 디자인의 신뢰성을 전혀 보장해 주지 못한다.

벨로우형 저온 유지 장치 이외에, 모놀리드식 고 CTE 탄성 재료를 이용하는 저온 유지 장치가 개발되었다. 본 명세서에 참고자료로 기재되고, 랠프 시.롱스워드(Ralph C. Longsworth)에 의한 '양 재료성 요구 유량 저온 유지 장치(Bimaterial Demand Flow Cryostat)' 라는 제목의 미국 특허 번호 제 4,152,903 호(1979년 5월 8일자 등록)를 참조하라. 이러한 디자인은 급속 냉각 및 낮은 유지 유량율을 달성하지만, 낮은 유량율에서 완전히 신뢰할 수 없음이 판명되었다. 그 성능은 대부분의 장치에 대해 비실용적으로 만들 정도로 냉매의 품질에 민감하다. 그리고, 이러한 형태의 액츄에이터가 한 유형의 냉매에 대해 주의깊게 조절된다 하더라도 다수의 냉매 유형에 대해서는 조절되지 않는다.

급속 냉각 및 신뢰성있는 장기의 실행 시간을 달성하기 위한 또 다른 시도는 반-활성(semi-active) 액츄에이터를 포함시키는 것이다. 이러한 접근법은 본 명세서에 참고자료로 기재되고, 매튜 스커틱(Matthew Skertic) 등에 의한 ' 서보 제어를 받는 어댑티브 오리피스 쥴-톰슨 저온 유지 장치(Adaptive Orifice Joule-Thomson Cryostat With Servo Control(PD 92396))' 이라는 제목의 미국 출원 번호 제 08/469,163 호(1995, 6,6일자 출원)에 기술되고 청구되었다. 액츄에이터는 그 재료가 저온 유지 장치 동작 온도 근처에서 위상을 변화시키는 배선이다. 위상의 변화에 따라 재료는 길이를 상당히 변화시킨다. 길이의 변화는 벨로우가 니들 밸브를 동작시키는 방식과 동일한 방식으로 니들 밸브를 동작시킨다. 전류가 배선을 통해 흐를 때 배선은 가열되어 온도를 변화시킨다. 전류의 인가를 외부에서 제어함으로써 배선의 가열이 제어되고 니들의 개폐가 그에 따라 제어된다. 이러한 접근법이 갖는 어려움은 배선이 구조적인 문제를 나타낸다는 것이다. 배선의 장력을 유지하며 동적으로 변화하는 환경에서 이 설계물이 작동하도록 하는 것은 이루기 힘든 요구 조건들이다.

그래서, 급속 냉각, 신뢰성 있게 (낮게) 유지되는 요구 유량율, 및 다수의 냉매 유형과의 작동을 감당할 수 있는 주울-톰슨 저온 유지 장치 용의 적응성 열 활성 소자에 대한 기술적 필요성이 존재한다. 더 나아가, 낮은 냉매 유량율에서 소정 범위의 냉매 불순물을 취급할 수 있는 견조한 성능을 제공하는 자정 기능의 저온 유지 장치에 대한 필요가 있다.

<발명의 요약>개선된 온도 조절 성능과, 냉매 종류 및 불순물에 대한 민감도 저하와 종래 디자인보다 저렴한 제조 비용을 제공하는 본 발명의 저온 유지 장치에 의해 기술 분야의 필요가 해결된다. 본 발명의 저온 유지 장치는 종래 기술의 수동 액츄에이터를 대체하여 냉매 온도의 변화에 수동적으로 대응하는 것 외에도 액츄에이터 내에서 발생하는 외부 제어식 열 가열을 통해 원격 감지된 온도에 반응하는 액츄에이터를 제공한다. 가장 상식적인 면에서 액츄에이터는 높은 열 팽창 계수를 갖는 중합체 재료 및 내장된 열 자극제(thermal stimulus)로 구성되어 있다. 예시적인 실시예에서, 액츄에이터는 적응성 열 탄성 저온 유지 장치(Reactive Thermal Elastic Cryostat) 또는 RTEC 이다.>

구체적인 실시예에서, 본 발명은 특정하게 선택된 CTE 액츄에이터 재료로 된내장되고 신축성있는 가열 소자를 이용한다. 제어 온도 감지기는 냉각되는 장치의 온도 변화를 표시하는 저온 유지 장치 제어 전자 장치에게 신호를 제공한다. 온도 신호에 응답하여, 제어 전자 장치는 액츄에이터의 가열 소자로의 전류를 조절한다. 액츄에이터 온도는 가열 소자가 발생시킨 열에 기인하여 급격히 증가한다. 액츄에이터는 팽창하여 니들 밸브를 개방시켜서 어떠한 유동 방해도 극복하고 유동을 회복시킨다. 소망하는 온도가 획득되었을 때, 전류 및 가열이 중단된다. 흐르는 냉매는 액츄에이터를 냉각시키고, 액츄에이터는 이에 따라 점차적으로 짧아져서 부착된 니들을 오리피스 내로 잡아당겨 유량을 조절한다. 감지된 온도가 용인될 수 없는 값으로 상승했을 때, 가열 및 냉각 사이클이 자체적으로 반복된다. 가열 소자는 액츄에이터 가열을 가속화하는 능력을 가졌다. 가열 소자는 수동적으로 응답하는 액츄에이터 디자인보다 상당하게 큰 액츄에이터의 온도 레이트 및 크기 변화를 생성함으로써 보다 빠르고 큰 행정을 제공한다.

본 발명은 주울-톰슨 저온 유지 장치(Joule-Thomson cryostats)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 주울-톰슨 저온 유지 장치의 성능을 향상시키기 위한 시스템 및 기술에 관한 것이다.

본 발명이 특정 장치에 대한 예시적인 실시예를 참조하여 본 명세서에 기술되지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않음을 알아야 한다. 기술 분야의 통상의 기술을 습득하고 본 명세서에 제공된 기술에 접근 가능한 당업자라면 본 발명의 범위 및 본 발명이 크게 유용하게 쓰이는 부수적인 응용 분야에서 부가적인 변형, 응용, 및 실시예를 고안할 수 있을 것이다.

도 1은 전형적인 디워(dewar)에 장착되는 본 발명의 저온 유지 장치 시스템 일부의 측단면도.

도 2는 본 발명의 조립된 액츄에이터의 측단면도.

도 3은 도 2의 변형으로서, 본 발명의 압박된 탄성 중합 액츄에이터의 측단면도.

본 발명이 특정 장치에 대한 예시적인 실시예를 참조하여 본 명세서에 기술되지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않음을 알아야 한다. 기술 분야의 통상을 기술을 가지고 본 명세서에 제공된 기술을 이용할 수 있는 당업자라면 본 발명의 분야에서와 본 발명이 상당한 유용성을 가지는 부수적인 응용 분야에서 부가적인 변형예, 응용예, 및 실시예들을 인식할 것이다.

도 1은 전형적인 검출기-디워 조립체에 설치되는 본 발명의 저온 유지 장치 시스템을 도시하는 도면이다. 도 2는 저온 유지 장치 액츄에이터 하위 조립체를 상세화한 것으로, 이는 본 발명의 저온 유지 장치의 특징적 형태이다. 도 3은 액츄에이터 하위조립체의 변형을 상세화한 것으로, 본 발명의 액츄에이터의 부가적인 특징적 형태를 포함한다.

도 1은 본 발명의 저온 유지 장치 시스템부에 대한 측단면도이다. 시스템(10)은 디워(14) 내에 배치된 저온 유지 장치(12)를 포함한다. 디워(14)는 내부에 냉 웰(cold well;18)이 제공되는 외벽(16)을 갖는다. 검출기(20)는 냉 웰 단부(34) 상에 탑재된다. 검출기 조립체(20)는 전형적으로 디워(14)의 외벽(16)에 제공된 디워 윈도우(22)를 통해 입력 에너지를 받는 적외선 검출기의 어레이를 포함한다. 검출기 조립체(20)는 저온 유지 장치(12)에 의해 극저온으로 유지된다. 고압 아르곤, 질소, 공기 또는 이들의 임의의 조합인 냉매가 냉매 입구(24)를 통해 지지 맨드릴(28)을 감싸고 있고 회복력 있는 핀형 튜브 열 교환기(26)로 공급된다.

열 교환기(26)는 기본적으로 맨드릴(28) 주위를 감싸는 카운터플로우(counterblow) 핀형 금속 튜브를 구비한다. 이는 유입 냉매가 확장 오리피스(30)을 향하여 흐를 때 고압 유입 냉매가 배기 냉매에 의해 냉각될 수 있게 한다. 열 교환기(26)는 맨드릴(28)의 단부에 있는 확장 오리피스(30)에서 끝난다. 확장 오리피스(30)는 주울-톰슨 유체 조절 밸브로서 역할을 한다. 냉매가 확장 오리피스(30)를 통과하여 주위의 냉매 플리넘(32)으로 들어갈 때, 액체 및 가스 상태 모두에 있을 수 있는 저압의 저온 유체로 팽창한다. 유체의 증발 및 저온 가스의 대류식 열 교환은 가깝게 배치된 냉 웰 단부(34) - 검출기 조립체(20)를 냉각시키는 주요 열 전달 모드이다. 유체가 오리피스(30)로부터 냉 웰 단부(34)로 뿌려져서 유체 검출기 조립체(20)의 열 전달을 최대화한다. 다음으로 유체가 열 교환기 상에서 흐를 때 유입 냉매를 냉각하면서 핀형 튜브 열 교환기 몸체를 통해 배기된다. 유체가 액체 및 가스 상태 모두로 이루어지는 한, 온도는 현재의 후방 압력에 대한 냉매 포화 온도에 유지될 것이며, 이는 통상 1 대기압보다 약간 크다. 냉매 유동의 냉각 용량이 디워 조립체(16)의 총 열 부하와 정합될 때, 요구 열 유량(demand heat flow)이 달성된다. 냉각 용량이 열 부하를 초과하는 유동은 온도를 포화 온도로 유지하기는 하나 냉매를 낭비하고 실행 시간을 감소시킨다.

자동 온도 조절(thermostatic) 액츄에이터는 냉매 플리넘 내 및 주위에서 유체 온도에 기초하여 가스 유동을 자체-조절하는 것을 제공하도록 설계된다. 냉매 유량이 부족하면 검출기 조립체 온도가 상승하고 냉매는 초과 가열 가스가 되고 자동 온도 조절 액츄에이터를 가열시킨다. 액츄에이터는 길이를 변화시키고 니들 밸브를 조정함으로써 냉매 유량율을 변화시킨다. 액츄에이터가 냉각될 때 수축하면서 유량을 감소시킨다. 그래서 유량의 수동 조절이 달성된다.

RTEC 액츄에이터(40)에 내장형 열 소자(44)를 추가하는 것은 액츄에이터(40)를 가열하며 니들 밸브를 통하는 유동에 영향을 끼칠 수 있는 제어가능한 수단을 제공한다. 탄력적 제어는 불순물 장애와 같은 치명적인 경우를 완화될 수 있게 한다. 오염 또는 냉매 침전이 유동을 혼란시키고 불안정한 자체-조절을 발생시킬 때 검출기 조립체(20)의 온도는 상승한다. 온도 상승은 온도 감지기(62)에 의해 감지되고 제어 전자 장치(60)를 트�거한다. 제어 전자 장치(60)는 액츄에이터(40)에 내장된 열 소자(44)에 공급되는 전류를 결정하고 제어한다. 히터(44)는 액츄에이터 재료(42) 온도를 급격히 상승시키는데, 이에 따라 액츄에이터 재료는 급격히 팽창한다. 팽창은 확장형 오리피스(30)를 개방하게 만들어 검출기 조립체(20)를 냉각하기에 충분할 만큼 냉매 유량을 회복시킨다. 냉각 회복은 검출기 조립체(20)가 용인할 수 없을 만큼 뜨거워지는 것을 방지하고 유동 방해는 개방된 확장형 오리피스(30)로부터 제거된다.

액츄에이터 가열은 검출기 조립체(20)의 온도가 동작 온도 또는 그 부근의 온도가 되었다고 결정되었을 때 끝난다. 섭동(perturbation) 후 저온 유지 장치는 정규 자체 조절 모드로 회귀하거나 지정된 연속적 개폐 순환 모드로 회귀한다.

도 2는 본 발명의 중합 액츄에이터 조립체의 측단면도이다. 액츄에이터 소자(40)는 내부에 히터 소자(44)가 내장되고 높은 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 막대 모양의 액츄에이터 재료(42)로 구성된다. 액츄에이터 소자는 고정 단부에서 중간 지지물(45)을 통해 맨드릴에 부착되어 있다. 니들(50)을 수용하는 니들 어댑터(52)가 자유 단부 상에 탑재되어 있다. 액츄에이터 구조물(42)은 다양한 재료로 만들어질 수 있다. 구조물(42)은 저온 유지 장치 니들(50)을 작동시키는 데에 필요한 열적으로 유도된 적절 레벨의 운동을 제공하고 동적 환경에서의 동작을 위한 적절한 구조적 안정성을 제공한다. 에폭시, 실리콘, 및 폴리우레탄 또는 적절한 CTE 및 강도를 갖는 열경화성 또는 열가소성 중합체와 같은 재료가 이용될 수 있다. 로드는 플라스틱 튜브 내에서 히터 소자가 내장된 부분을 캐스팅하고, 재료를 경화시킨 다음 플라스틱 튜브 외부를 제거함으로써 제조될 수 있다. 기술 분야의 당업자라면 다른 제조 방법이 사용될 수 있음을 알 수 있다.

산업상 일반적인 바와 같이, 니들(50)은 어댑터(52)에 의해 액츄에이터(40)에 연결되어 있다. 제어 니들(50)은 L자 형이며, 적절한 금속으로 만들어지며, 액츄에이터(40)에 의해 작동되어 오리피스(30)와 맞물리거나 분리되는 동작을 하게끔맞추어져 있다.

예시적인 실시예에서, 가열 소자(44)는 36 내지 24 게이지의 니크롬 또는 다른 적당한 금속으로 된 저항성 배선 코일이다. 가열 소자(44)는 액츄에이터 표면에서 니크롬에서 일반 전기 배선으로 전이하고 저온 유지 장치(12)의 중앙을 통해 그의 후미 바깥으로 뻗어나가 제어 전자 장치(60)까지 연결된다.

액츄에이터 조립체의 또다른 디자인 형태가 도 3에 도시되어 있다. 하나의 소정 방향으로 팽창하도록 하여 탄성 중합체의 실효 선형 CTE를 증가시키기 위해, 액츄에이터 재료를 과도하게 구속(constraint)시키는 것을 이용한다. 만일 이들 표면이 구속되지 않았다면 구속된 표면에서 그와 달리 발생했을 팽창을 보상하기 위해 구속되지 않은 표면은 팽창하도록 강제된다. 이는 반-구속(semi-constraint) 용기 내에서 부피 변화를 겪는 비압축 재료로서 역할을 하는 탄성 중합체의 원리를 이용한다. 액츄에이터(가열 소자(44)를 내장)는 적절한 재료 또는 다른 적당한 낮은 CTE 재료로 구성된 컨테이너(46) 내에 구속된다. 예시된 바와 같이, 컨테이너(46)는 상부(47), 하부(48) 및 그 사이의 팽창 결합부(49)를 갖는 2 부분 구조로 되어 있다. 기본적으로 액츄에이터 물질의 모든 팽창은 물질의 부피 팽창 속성을 상당히 증가시키는 팽창 결합부(49)에서 일어나도록 한다. 컨테이너(46)의 하부(48)는 상기 기술된 제어 니들(50)에 연결되어 있다. 내장된 신축성 가열 소자의 코어 특징 및 이점이 유지된다.

제어 전자 장치(60)가 가열 소자(44)에게 전류를 제공한다. 전자 장치(60)는 공유 마이크로프로세서, 전용 집적 회로 조립체, 또는 기술 분야의 당업자에게 잘 알려져 있는 이산 소자로 구성된 조립체일 수 있다. 제어 전자 장치(60)는 저온 유지 장치(12)의 단부 및 디워 냉 웰 단부(34) 사이의 공간에 있는 플리넘(32)에 배치된 종래 온도 감지기(62)로부터 신호를 수신한다. 온도 신호는 또한 검출기 조립체(20) 근처에 있는 디워(14)에 탑재된 온도 감지기로부터 제공될 수 있다. 선택적으로, 온도 신호는 검출 온도 상승으로부터 유발되는 노이즈와 같이, 열화된 비디오 파라미터를 분별하여 비디오 정보로부터 추정될 수 있다.

플리넘(32)에 배치된 온도 검출기(62)를 이용한 응용에서는 온도 감지 배선이 저온 유지 장치의 중심에서 위로 뻗어나가 밖에 있는 제어 전자 장치(60)까지 연결되어 있다. 제어 전자 장치(60)는 온도 감지 신호를 사용하여 히터의 전력을 조정한다. 조정에 관한 상세 사항은 열 시스템의 특성에 기초하여 구성된다. 적어도, 온도가 지나치게 높을 때에 전력이 공급되고 온도가 충분히 떨어졌을 때에 전력이 중단된다. 몇몇의 저온 유지 장치 장치는 액츄에이터가 개방 위치와 폐쇄 위치를 왕복하는 설계 방법을 가능하게 한다. 폐쇄 위치는 상술한 바와 같이 최적의 사이클링을 이루는 빌트 인 리크(built in leak)를 포함할 수 있다.

자동 온도 조절 액츄에이터 내의 가열 제어식 소자의 구성은 고속의 액츄에이터의 열 관리 및 이에 따른 유량 조정을 제공한다. 본 발명은 많은 중합체 재료로서 열 팽창 계수가 큰 특정한 트랜스듀서 재료를 선택할 수 있으므로 설계에 융통성을 제공한다. 액츄에이터 재료는 구조적으로 가열 소자를 지지하며, 동적 환경에서도 내구성이 있다. 액츄에이터 재료 CTE 는 니들 동작을 제어하는 CTE 파라미터이므로 가열 소자 자체가 특정한 CTE 를 가질 필요성을 제거한다. 탄성 중합체 재료를 규정된 부피를 갖도록 적절히 제한하는 것은 그의 실효 CTE를 지수 3 까지 더 증가시킬 수 있는 기술이다. 플로우 조정 니들의 제어는 온도 검출기를 통해서 제어되는 온도 및 고속 열-기계 액츄에이터 응답과 긴밀하게 결합된다. 액츄에이터 재료의 범위가 넓은 것은 소망하는 전반적인 행정 감지도 및 다른 열적 특성을 얻는데 유리하다.

또한, 높은 CTE를 갖는 재료가 설계에 포함될 수 있기 때문에 상당히 큰 액츄에이터 행정이 달성될 수 있다. 유도 가열 방식을 이용함으로써 수동 액츄에이터 설계와 비교하여 보다 더 높은 온도에서 액츄에이터가 가변될 수 있도록 한다. 큰 액츄에이터 CTE 및 유도된 온도 변화의 산물은 휠씬 큰 액츄에이터 혹은 니들 행정이 된다. 니들 운동 대 냉매 온도 변화율인 저온 유지 장치 감도의 정량적 증가는 매우 바람직하다. 먼저 더 개방된 위치의 니들로써 동작을 개시함으로써 냉각 시간이 개선될 수 있다. 이로써 냉각 시간을 단축시키는 높은 초기 유량율이 가능하게 된다. 둘째로, 오리피스가 침전 또는 오염에 의해 막혀진다면, 니들은 보다 더 개방된 위치로 구동될 수 있다. 이로써 침전 혹은 오염이 신속하게 제거되어 수용이 불가능한 정도의 온도 상승을 방지할 수 있는 정도가 된다. 따라서, 증가된 니들 행정과 신속한 응답 시간으로 인하여 냉매 내에 불순물이 존재하더라도 구조물 설계를 더욱 튼튼한 형태로 할 수 있다. 그리고, 저온 유지 장치의 낮은 유동이 불순물로 인한 막힘 정도를 증가시킨다 하더라도 자정 기능의 저온 유지 장치 특징으로 인해 저속 유동의 정상 상태 설정에서도 신뢰성 있는 성능을 보장해 준다.

다른 중요한 성능 특성은 본 발명의 설계가, 공급되는 냉매의 변화에 대해 훨씬 덜 민감하다는 점이다. 본 발명의 액츄에이터 특징적인 동작은 수동 시스템에 내재된 복잡한 저온 유지 장치/디워/냉매들의 열, 열 역학 및 유체 역학 특성에만 완전히 의존하는 것은 아니다. 이 동작은 성능 의존성을 심화시키는 냉매 공급 및 환경 조건의 변동에 덜 민감하게 된다. 외부 논리 장치에 의해 조정중인 온도를 모니터하고 열적 속성을 지배하는 기능을 능동적으로 제어할 수 있어서 보다 용이하게 성능을 관리할 수 있다. 이러한 증가된 성능 관리성으로 인하여 다수의 냉매를 사용하여 공급량 및 환경 조건 변동에 따라 동작하게 되는 저온 유지 장치의 능력이 향상된다.

본 발명의 설계에 따른 향상된 액츄에이터의 행정 및 감도는 견조한 성능 뿐만 아니라 제작동안 미묘한 초기 유량 설정을 달성할 때의 어려움을 덜어준다. 이렇게 큰 견조한 성능을 갖추고 있어서, 종래의 광범위한 공정 중 및 공정 후 테스트의 필요성을 감소시킨다. 저온 유지 장치 제작에 있어서 가장 비용이 많이 드는 부분은 유량 세팅, 테스팅 및 낮은 수율과 관련되어 있기 때문에, 본 발명의 특징적 설계에 필요한 제어 전자 장치 및 온도 검출기에 드는 추가의 비용보다 본 디자인에 따른 비용 감소가 더 클 것이다. 전체 시스템의 비용은 저온 유지 장치의 신뢰성이 향상되고 냉매 순도와 같은 시스템 요건의 완화로 인하여 감소될 수 있다. 이러한 요인은 호스트 시스템의 수명에 중요하다.

본 발명이 특정한 응용 분야의 특정한 실시예와 관련하여 설명되었다. 본 분야에서 통상의 지식을 갖고 있고 본 개시를 이해할 수 있는 기술자는 추가의 변형, 응용 및 실시예를 인식할 것이다. 가령, 고체 실린더 대신에 액츄에이터에 튜브 설계가 사용될 수 있다. 가열 소자는 실린더 내에 배치될 수 있고, 냉매는 튜브의 외측으로 흐르도록 될 수 있다. 이것은 액츄에이터 재료 내에 가열 소자를 내장시킬 필요성을 없앤다. 다른 방법은 평편한 가열 소자에 코일을 감고 높은 CTE 탄성체로 상기 가열 소자의 표면을 피복하는 것이다. 이 방법은 열 전달 질량(thermal mass)을 최소화하기 때문에 저온 유지 장치를 고속화하고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 한정된 공간에 포획된 중합체를 사용할 수도 있다. 따라서, 본 분야에 숙련된 자는 특정한 응용에 맞는 최적화 설계가 여러가지 형태로 취해질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

따라서, 첨부된 특허 청구의 범위는 본 발명의 영역내에서 이러한 모든 응용, 변형 및 실시예를 포괄하도록 의도되었다.

RTEC 액츄에이터(40)에 내장형 열 소자(44)를 추가하는 것은 액츄에이터(40)를 가열하며 니들 밸브를 통하는 유동에 영향을 끼칠 수 있는 제어가능한 수단을 제공한다. 탄력적 제어는 불순물 장애와 같은 치명적인 경우를 완화될 수 있게 한다. 오염 또는 냉매 침전이 유동을 혼란시키고 불안정한 자체-조절을 발생시킬 때 검출기 조립체(20)의 온도는 상승한다. 온도 상승은 온도 감지기(62)에 의해 감지되고 제어 전자 장치(60)를 트리거한다. 제어 전자 장치(60)는 액츄에이터(40)에 내장된 열 소자(44)에 공급되는 전류를 결정하고 제어한다. 히터(44)는 액츄에이터 재료(42) 온도를 급격히 상승시키는데, 이에 따라 액츄에이터 재료는 급격히 팽창한다. 팽창은 확장형 오리피스(30)를 개방하게 만들어 검출기 조립체(20)를 냉각하기에 충분할 만큼 냉매 유량을 회복시킨다. 냉각 회복은 검출기 조립체(20)가 용인할 수 없을 만큼 뜨거워지는 것을 방지하고 유동 방해는 개방된 확장형 오리피스(30)로부터 제거된다.

본 발명이 특정한 응용 분야의 특정한 실시예와 관련하여 설명되었다. 본 분야에서 통상의 지식을 갖고 있고 본 개시를 이해할 수 있는 기술자는 추가의 변형, 응용 및 실시예를 인식할 것이다. 가령, 고체 실린더 대신에 액츄에이터에 튜브 설계가 사용될 수 있다. 가열 소자는 실린더 내에 배치될 수 있고, 냉매는 튜브의 외측으로 흐르도록 될 수 있다. 이것은 액츄에이터 재료 내에 가열 소자를 내장시킬 필요성을 없앤다. 다른 방법은 평편한 가열 소자에 코일을 감고 높은 CTE 탄성체로 상기 가열 소자의 표면을 피복하는 것이다. 이 방법은 열 전달 질량(thermal mass)을 최소화하기 때문에 저온 유지 장치을 고속화하고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 한정된 공간에 포획된 중합체를 사용할 수도 있다. 따라서, 본 분야에 숙련된 자는 특정한 응용에 맞는 최적화 설계가 여러가지 형태로 취해질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

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동작 또는 측정이 온도 제어 조건 하에서 실행될 수 있는 국소 저온 환경을 제공하기 위한 저온 유지 장치 시스템(10)에 있어서,

상기 저온 유지 장치 시스템(10)은 저온 유지 장치(12), 저온 유지 장치(12)에 위치한 디워(14), 디워(14)의 외벽상에 배치된 냉 웰(18), 및 저온 유지 장치(12)의 단부와 냉 웰(18)사이에 배치되어 국소 저온 환경을 제공하는 플리넘 챔버(32)를 포함하고,

상기 저온 유지 장치 시스템(10)은 냉매가 플리넘 챔버(32)내로 흐르도록 제어하기 위한 밸브(30,50), 플리넘 챔버(32)의 온도를 감지하기 위한 온도 센서(62), 및 밸브(30,50)를 액츄에이트하기 위한 액츄에이터(40)를 추가로 포함하고,

상기 액츄에이터(40)는 온도에 응답하여 밸브(30,50)를 움직이기 위하여 팽창 또는 수축하는 온도 감응 메커니즘(42), 및 플리넘 챔버(32)의 감지된 온도에 응답하여 온도 감응 메커니즘(42)으로 열을 가하는 히터(44)를 구비한 저온 유지 장치 시스템(10).
제10항에 있어서, 장비(20)는 냉 웰(18) 상에 장착되는 저온 유지 장치 시스템(10).
제11항에 있어서, 온도 감응 메카니즘(42)은 높은 열 팽창 계수를 갖는 재료로 된 로드를 포함하는 저온 유지 장치 시스템(10).
제12항에 있어서, 로드는 탄성 중합체로 만들어지는 저온 유지 장치 시스템(10).
제 12항 또는 제13항에 있어서, 히터(44)는 로드에 매립된 코일 배선을 포함하는 저온 유지 장치 시스템(10).
제14항에 있어서, 액츄에이터(40)가 구속되는 컨테이너(46)를 더 포함하는 저온 유지 장치 시스템(10).
제15항에 있어서, 컨테이너(46)는 그들 사이에 팽창 결합부(49)가 배치된 두개의 파트부(47,48)를 구비한 저온 유지 장치 시스템(10).
제 16항에 있어서, 밸브(30,50)는 오리피스(30), 및 액츄에이터(40)에 의해 오리피스(30)에 대해 상대적으로 이동하는 니들(50)을 포함하는 저온 유지 장치 시스템(10).
제17항에 있어서, 배기 유체가 밸브(30,50)쪽으로 움직이면서 유입 유체를 냉각시키도록 하여 주는 열 교환기(26)를 더 포함하는 저온 유지 장치 시스템(10).
제10항, 제11항, 제12항, 및 제13항 중 어느 한 항의 저온 유지 장치 시스템(10)과 유도 미사일이 결합된 장치에 있어서,

저온 유지 장치(12)는 검출기(20)를 냉각시키는 데에 사용되는 장치.
온도 제어 조건 하에서 작동 또는 측정이 수행될 수 있는 국소화된 저온 환경을 제공하여 주는, 제10항, 제11항, 제12항, 및 제13항 중 어느 한 항의 저온 유지 장치 시스템(10)을 사용하는 방법에 있어서,

밸브(30,50)를 통하여 냉매를 플리넘 챔버(32)로 주입하여 플리넘 챔버에서 냉매가 저압, 저온 유체가 되도록 팽창되어 냉 웰 단부(34)를 냉각시키는 단계, 및

온도 센서(62)에 의해 감지된 온도에 응답하여 전력을 히터(44)에게 공급하는 단계

를 포함하는 저온 유지 장치 시스템(10)을 사용하는 방법.
제20항에 있어서, 전력을 히터(44)에게 공급하는 단계는 온도 감응 재료(42)의 급속한 가열로 귀결되어 밸브(30,50) 내의 장애물들을 제거하도록 밸브(30,50)의 냉매의 상향 흐름의 체적을 급격히 증가시키는 저온 유지 장치 시스템(10)을 사용하는 방법.
제 21항에 있어서, 액츄에이터(40)는 히터(44)와 독립적으로 액츄에이터(40)의 온도에 의하여 온도 감응 재료(42)의 팽창/수축을 교시하여 밸브(30,50)를 개폐함으로써 밸브(30,50)를 자체 조정하는 저온 유지 장치 시스템(10)을 사용하는 방법.