KR100891291B1 - 펄스 튜브 냉각이 제공된 극저온 용기 장치 - Google Patents

펄스 튜브 냉각이 제공된 극저온 용기 장치 Download PDF

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아차랴아룬
랭게리디.
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 용기 내부(2)의 적어도 일부분인 제1 저온 열 교환기(13)에 냉각을 제공하도록 펄스 튜브(10)의 저온 단부에서 팽창되는 작동 가스에 펄스를 제공하는 펄스 발생기(11)에 의해 제공된 에너지로부터 발생된 냉각에 의해 용기 내부(2)로의 열 누설이 차단되는, 극저온 유체(3)를 포함하는 극저온 용기 장치에 관한 것이다.
극저온 용기, 압축 작동 가스, 펄스 튜브, 냉각 작동 가스, 극저온 유체

Description

펄스 튜브 냉각이 제공된 극저온 용기 장치{CRYOGENIC VESSEL APPARATUS WITH PULSE TUBE REFRIGERATION}
본 발명은 통상적으로 저장이나 다른 목적을 위한 극저온 유체를 함유하는 것에 관한 것이다.
극저온 유체의 저장이나 다른 함유는 용기 내로의 열 누설에 기인하는 극저온 유체의 손실을 가능한 한 감소시키는 단열된 용기를 사용하는 것을 포함한다. 그러나 사용할 수 있는 가장 좋은 단열 장치를 사용해도, 함유된 극저온제의 상당한 부분은 열 누설에 의해 기화되어, 증기가 안전 밸브를 통해 대기로 발산되는 지점에서 컨테이너 내의 압력 증가가 일어난다. 극저온 유체의 이러한 손실은 특히 초전도체와 같은 응용에 사용되는 헬륨 및 네온과 같은 고비용의 극저온 유체의 경우 상당한 경제적 부담을 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 유체로의 열 누설에 기인한 손실을 감소시키거나 제거하는 극저온 유체를 저장하거나 담기 위한 장치를 제공하는 것이다.
이 개시 내용을 읽음으로써 당업자에게 명확해지는 상술된 목적과 다른 목적은 본 발명에 의해 달성된다. 일 태양은 다음과 같다.
열 차폐부(30)를 갖는 단열부를 포함하고 극저온 유체(3)를 수용하는 극저온 용기에 냉각을 제공하는 방법이며,
(A) 작동 가스에 펄스를 제공하여 압축된 작동 가스를 생성하고, 상기 압축된 작동 가스를 차갑게 하여 차가워진 작동 가스를 생성하는 단계와,
(B) 상기 차가워진 작동 가스를 펄스 튜브(10)의 저온 단부에서 팽창시켜 냉각을 발생시켜 추가로 냉각된 작동 가스를 생성하는 단계와,
(C) 상기 추가로 냉각된 작동 가스로부터 상기 냉각을 상기 단열부에 직접 제공하는 단계를 포함하는, 극저온 용기에 냉각을 제공하는 방법이다.
본 발명의 다른 일 태양은 다음과 같다.
극저온 용기 장치이며,
(A) 열 차폐부(30)를 갖는 단열부(21)를 포함하는 용기 내부(2)를 형성하는 외부 쉘(1)을 갖는 용기(20)와,
(B) 펄스 발생기(11)와, 재생기(12)와, 제1 저온 열 교환기(13)와, 상기 펄스 발생기(11)로부터 상기 재생기(12)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단과, 상기 재생기(12)로부터 상기 제1 저온 열 교환기(13)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단과,
(C) 저온 단부를 갖는 펄스 튜브(10)와,
(D) 상기 재생기(12)로부터 상기 열 차폐부(30)와 열 교환 관계에 있는 제2 저온 열 교환기(34)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단을 포함하고,
상기 저온 단부는 상기 제1 저온 열 교환기(13)와 유동 연통하고, 상기 제1 저온 열 교환기(13)는 적어도 부분적으로 상기 용기 내부(2) 내에 있는 극저온 용기 장치이다.
여기에 사용된 용어 "극저온 유체"는 대기압에서 240K 온도에서 가스인 유체를 의미한다.
여기에 사용된 용어 "재생기"는 다공성으로 분배된 질량체와 직접 열 전달을 통해 유입하는 고온 가스를 냉각시키고 그리고 반송되는 차가운 가스를 가열하기 위한 좋은 열 용량을 갖는, 구형 적층된 스크린 및 천공된 금속 시트 등과 같은 다공성으로 분배된 질량체 형태인 열 장치를 의미한다.
여기에 사용된 용어 "펄스 튜브"는 펄스 발생기를 포함하는 적절한 요소를 사용하여 저온 냉각을 생성하기 위한 냉각기 장치를 의미한다.
여기에 사용된 용어 "오리피스"는 펄스 튜브 팽창기의 고온 단부와 펄스 튜브 냉각기 내의 저장소 사이에 위치한 가스 유동 제한 장치를 의미한다.
여기에 사용된 용어 "압력파(pressure wave)"는 주기적으로 연속하여 고압 및 저압이 되는 가스 질량체를 의미한다.
도1은 본 발명의 극저온 용기 장치의 바람직한 일실시예의 단면도이다.
도2는 열 파이프가 채용된 본 발명의 극저온 용기 장치의 다른 바람직한 실시예의 단면도이다.
도3은 냉각이 용기 내부의 단열부에 직접적으로 제공되는 본 발명의 극저온 용기 장치의 다른 바람직한 실시예의 단면도이다.
본 발명은 고정 저장 탱크, 움직이는 탱크 설비, 듀어(dewar) 등과 같은 극저온 유체를 담을 수 있는 용기에 관한 것이다. 본 발명을 사용하여 효율적으로 담을 수 있는 극저온 유체로는 수소, 헬륨, 네온, 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 및 공기 및 천연 가스 등과 같은 혼합물이다.
본 발명은 도면을 참조로 더 상세히 설명될 것이다. 도1을 참조하면, 극저온 용기(20)는 용기 내부(2)를 형성하는 외부 쉘(1)을 구비한다. 용기 내부(2)는 도1에 도시된 본 발명의 실시예에서 용기 쉘(1)의 내부면에 인접하는 단열층인 단열부(21)를 포함한다. 또한, 용기 내부(2)는 일정량의 극저온 유체(3)를 포함한다. 본 발명의 펄스 튜브 냉각 설비가 없으면, 단열부를 통한 용기 내로의 주변 열 누설은 극저온 유체의 일부분을 기화시키고 결국 기화된 극저온 유체의 일부분은 안전 밸브(22)를 통해 발산될 것이다.
펄스 튜브 냉각 장치는 일반적으로 밀폐 사이클 내에서 작동 가스 또는 냉매를 진동시켜서 저온 섹션으로부터 고온 섹션으로 열 부하를 전달하는 폐쇄 냉각 장치이다. 펄스의 주파수 및 위상은 장치의 구성에 의해 결정된다. 펄스 튜브 냉각 장치의 일 실시예는 도1에 도시되어 있다.
도1에 도시된 펄스 튜브 냉각 장치에서 드라이버(driver, 11)는 피스톤 또는 다른 기계적 압축 장치, 또는 음향 또는 열 음향파 발생 장치 또는 작동 가스에 펄스 또는 압축파를 제공하기 위한 다른 적절한 장치일 수 있다. 즉, 펄스 발생기는 작동 가스에 압축 위상 및 팽창 위상을 제공한다. 극저온 용기가 트랙터-트레일러 상의 극저온 탱크와 같은 가동 탱크이면, 드라이버 또는 펄스 발생기는 가동 장치에 동력을 공급하는 엔진에 의해 바람직하게 구동될 수 있거나 열 음향파 발생 장치를 통해 엔진에 의해 발생된 열에 의해 구동될 수 있다. 드라이버 또는 펄스 발생기(11)는 작동 가스에 펄스를 제공하여 압축 작동 가스를 생성한다. 헬륨은 바람직한 작동 가스이지만 임의의 효과적인 작동 가스가 본 발명의 실시에서 사용될 수 있고, 그러한 작동 가스로서 공기, 질소, 산소, 아르곤 및 네온을 예로 들 수 있다.
압축 작동 가스는 후냉각기(aftercooler, 23) 내에서 냉각되고, 압축열은 물(24)과 같은 냉각제와 간접적인 열교환에 의해 제거되어, 최종 압축 작동 가스는 재생기(12) 내에서 처리된다. 재생기(12) 내에서 압축 작동 가스는 재생기 매체와 열교환에 의해 냉각된 후, 냉각된 압축 작동 가스는 제1 저온 열 교환기(13)에 제공되고 단열된 펄스 튜브(10)의 저온 단부에 제공된다.
펄스 튜브 냉각 장치의 형상 및 진동 구조는 작동 가스를 통과한 드라이버로부터의 압축 펄스가 펄스 튜브의 저온 단부에 도달하기 전에 드라이버가 팽창 위상을 기동시키도록 구성된다. 이 때문에 냉각된 압축 작동 가스가 펄스 튜브의 저온 단부에서 팽창한다. 펄스 튜브의 저온 단부는 저온 열 교환기에 인접한 단부이다. 이러한 팽창은 펄스 튜브 내의 작동 가스를 펄스 튜브의 승온 단부의 방향으로 압축시키고 물(26)과 같은 냉각제를 이용한 간접적인 열 교환에 의한 고온 열 교환기(25)를 사용하여 열을 일반적으로 고온 단부로부터 제거시킨다. 바람직하게는 펄스 튜브 냉각 장치는 오리피스(15) 및 저장소(14)를 채용하여 가스 변위 및 압력 펄스를 적절한 위상으로 유지한다.
펄스 튜브(10)의 승온 단부 내의 승온 압축 펄스 튜브 가스는 고온 열 교환기(25) 내에서 처리되고, 그 후 오리피스(15)를 통해 저장소(14)로 유입된다. 압력을 갖는 적절한 위상의 가스 이동은 오리피스 또는 밸브(15)와, 작은 변동을 갖는 평균 압력으로 가스가 저장된 저장소 체적(14)이 합체됨으로써 촉진된다. 저장소(14)의 크기는 충분히 커서 펄스 튜브 내의 맥동 유동 중에 기본적으로 매우 작은 압력 맥동이 발생한다. 웨이브 발생 장치/피스톤(11)으로부터 유입 유동은 정지하고, 튜브 압력은 더 낮은 압력으로 감소한다. 평균 압력의 저장소(14)로부터의 가스는 더 낮은 압력의 펄스 튜브로 오리피스를 통하여 진행한다. 펄스 튜브(10)의 저온 단부에서 추가적으로 냉각된 팽창 가스는 제1 저온 열 교환기(13)를 통하여 진행할 때 외부 부하에 냉각을 제공한다. 따라서, 상기 추가적으로 냉각된 작동 가스로부터의 냉각은 간접적인 열 교환에 의해 용기(20)의 내부(2)로 진행되어, 용기로의 열 누설을 상쇄시키고 이러한 열 누설에 기인한 용기로부터의 극저온 유체 손실을 감소시키거나 완전히 제거한다. 생성된 승온 작동 가스는 재생기를 냉각시킴으로써, 재생기(12) 내에서 처리되어 더욱 승온된다. 그 다음에 다음 펄스를 수용할 준비가 된다. 극저온 유체는 예컨대 관(27)을 통해서 용기(20)로부터 배출될 수 있다.
오리피스 펄스 튜브 재생기는 작동 유체가 펄스 튜브 내에서 주기적으로 압축 및 팽창될 때 냉각을 제공하도록 기능한다. 주기는 다음과 같다. 주기적인 압축 및 팽창 위상을 통한 펄스 발생기는 승온 단부에서 작동 가스를 압축하여 가열한다. 압축된 가스는 저장소 내의 평균 압력보다 더 높은 압력이기 때문에, 압축 가스는 오리피스를 통해 저장소로 유입되고 펄스 튜브의 고온 단부에 위치한 고온 열 교환기를 통해 열을 교환한다. 펄스 튜브 내의 압력이 평균 압력으로 감소하면 이러한 유동이 정지된다. 펄스 발생기는 후퇴하여, 승온 단부에서 작동 가스를 팽창시킨다. 펄스 튜브의 승온 단부 내의 저온 저압 가스는 오리피스를 통한 저장소로부터 펄스 튜브로의 가스 유동에 의해 펄스 튜브의 저온 단부 쪽으로 강압된다. 이는 차례로 펄스 튜브의 저온 단부의 상기 추가적으로 냉각된 가스를 펄스 튜브의 저온 단부에서 열 교환기를 통해 처리되도록 가압한다. 이 공정에서 열 교환기는 유체 또는 다른 물질로부터 열을 제거하여 냉각시킨다. 이러한 유동은, 펄스 튜브 내의 압력이 평균 압력으로 증가할 때 정지한다. 주기는 반복된다.
도1에는 저온 열 교환기가 증기에 의해 채워진 체적 내의 용기 내부(2)에 존재하는 것으로 도시된다. 또한, 저온 열 교환기는 적어도 일정 냉각을 용기 내부의 유체로 직접 전달하기 위해 위치될 수도 있다. 다른 실시예에서 저온 열 교환기는 용기 내부의 극저온 증기 및/또는 극저온 유체에 냉각을 전달하는 열 파이프 또는 다른 열 전달 장치로 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 저온 열 교환기가 용기 내부의 단열부로 냉각을 직접 전달하기 위해 위치될 수 있다.
도2는 열 파이프가 저온 열 교환기로부터 용기 내부의 극저온 유체로 냉각을 전달하기 위해 사용되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도2의 도면부호는 공통 요소에 대해 도1의 도면부호와 동일하고, 이들 공통 요소는 상세히 다시 설명되지 않는다.
열 파이프는 파이프의 일단부로부터 타단부까지 열을 효과적으로 전달하기 위한 열 장치이다. 일반적으로 상기 장치는 스텐레스강 파이프(50)와 같은 저 전도성 파이프를 포함하고 양단부에서 폐쇄되며 열 전달 유체를 포함한다. 이 열 파이프는 펄스 튜브의 저온 열 교환기와 접촉하는 단부(51)에서의 응축과 응축되거나 차냉각(subcool)되기 위해 극저온 유체와 간접적으로 접촉하는 타단부(52)에서의 비등에 의해 위상을 변화시키도록 적절한 압력 및 온도로 열 전달 유체, 즉 가스 또는 가스 혼합물로 충전된다. 예를 들어, 예를 들어 80K로 용기 내부(2)의 증기를 응축하거나 유체를 차냉각하기 위해, 열 파이프 내의 필요한 질소 가스량은 80K의 질소 위상 변화 조건에 상응하는 열 파이프 체적에 대해 설계된 증기 및 유체 부분에 의해 결정될 수 있다.
도3은 냉각이 용기 내부의 두 곳에 제공되고 그 중의 한 곳은 단열부 내의 열 차폐부(thermoshield)인 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도3의 도면부호는 공통 요소에 대해 도1의 도면부호와 동일하고, 이들 공통 요소는 상세히 다시 설명되지 않는다.
도3을 참조하면, 극저온 용기(20)는 용기 내부의 단열부(21) 내의 열 차폐부(30)를 구비한다. 열 차폐부는 용기로의 열 누설을 차단하는데 사용되는 임의의 물질일 수 있다. 예를 들어, 열 차폐부는 금속 재료 또는 액체 질소와 같은 냉매일 수 있다. 도3에 도시된 2 단계 펄스 튜브 냉각 장치에서, 재생기(12)로부터의 냉각 압축 작동 가스는 두 부분으로 분할된다. 제1 부분(32)은 제1 저온 열 교환기(13) 내에서 처리되기 전에 더 낮은 온도로 되는 제2 재생기(31) 내에서 처리된다. 펄스 튜브 냉각 장치의 이런 단계의 잔유물은 도1을 참조로 상술된 바와 유사한 방식으로 작동한다.
재생기(12)로부터의 냉각 작동 가스의 제2 부분(33)은 열 차폐부(30)와 열 교환 관계에 있는 제2 저온 열 교환기(34) 내에서 처리된다. 제2 펄스 튜브(35), 제2 뜨거운 열 교환기(36), 제2 오리피스(37) 및 제2 저장소(38)를 포함하는 도3에 도시된 펄스 튜브 냉각 장치의 제2 단계는 상기 제2 단계에 의해 생성된 냉각이 내부(2)의 극저온 유체가 아니라 내부(2)의 열 차폐부로 전달되는 것을 제외하고는 제1 펄스 튜브 단계와 유사한 방식으로 작동한다. 이러한 2 단계는 열 연동기 또는 다른 적절하고 효과적인 구성을 갖는 2개의 독립 펄스 튜브를 채용할 수 있다. 명확히 하기 위해, 2 단계 펄스 튜브 냉각 장치의 저온부의 부분을 덮는 단열부는 도3에 도시되지 않았다. 당업자는 정상 작동에서 그러한 부분이 단열되는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명이 임의의 바람직한 실시예를 참조로 상세히 설명되었지만, 당업자는 특허청구범위의 기술 사상과 범위 내에 본 발명의 다른 실시예가 있다는 것을 알 수 있을 것이다.











Claims (13)

  1. 열 차폐부(30)를 갖는 단열부를 포함하고 극저온 유체(3)를 수용하는 극저온 용기에 냉각을 제공하는 방법이며,
    (A) 작동 가스에 펄스를 제공하여 압축된 작동 가스를 생성하고, 상기 압축된 작동 가스를 차갑게 하여 차가워진 작동 가스를 생성하는 단계와,
    (B) 상기 차가워진 작동 가스를 펄스 튜브(10)의 저온 단부에서 팽창시켜 냉각을 발생시켜 추가로 냉각된 작동 가스를 생성하는 단계와,
    (C) 상기 추가로 냉각된 작동 가스로부터 상기 냉각을 상기 단열부에 직접 제공하는 단계를 포함하는, 극저온 용기에 냉각을 제공하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각은 또한 상기 극저온 유체에 직접 제공되는, 극저온 용기에 냉각을 제공하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각은 열 파이프에 제공되고, 이어서 상기 극저온 유체에 제공되는, 극저온 용기에 냉각을 제공하는 방법.
  4. 극저온 용기 장치이며,
    (A) 열 차폐부(30)를 갖는 단열부(21)를 포함하는 용기 내부(2)를 형성하는 외부 쉘(1)을 갖는 용기(20)와,
    (B) 펄스 발생기(11)와, 재생기(12)와, 제1 저온 열 교환기(13)와, 상기 펄스 발생기(11)로부터 상기 재생기(12)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단과, 상기 재생기(12)로부터 상기 제1 저온 열 교환기(13)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단과,
    (C) 저온 단부를 갖는 펄스 튜브(10)와,
    (D) 상기 재생기(12)로부터 상기 열 차폐부(30)와 열 교환 관계에 있는 제2 저온 열 교환기(34)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단을 포함하고,
    상기 저온 단부는 상기 제1 저온 열 교환기(13)와 유동 연통하고, 상기 제1 저온 열 교환기(13)는 적어도 부분적으로 상기 용기 내부(2) 내에 있는 극저온 용기 장치.
  5. 제4항에 있어서, 제2 재생기(31)를 더 포함하고, 상기 재생기(12)로부터 상기 제1 저온 열 교환기(13)까지 작동 가스를 통해 압력파를 통과시키기 위한 수단은 상기 제2 재생기(31)를 포함하는 극저온 용기 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 펄스 발생기는 열 음향 장치인 극저온 용기 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 펄스 발생기는 피스톤을 포함하는 극저온 용기 장치.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 오리피스(15)를 통해 상기 펄스 튜브(10)와 유동 연통되는 저장소(14)를 더 포함하는 극저온 용기 장치.
  9. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 저온 열 교환기(13)와 열 교환 관계에 있는 열 파이프(50, 51, 52)를 더 포함하는 극저온 용기 장치.
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