KR101368734B1

KR101368734B1 - 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치

Info

Publication number: KR101368734B1
Application number: KR1020120097439A
Authority: KR
Inventors: 최연석; 김동락; 최명철; 이정민; 이경재
Original assignee: 한국기초과학지원연구원
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-03
Also published as: WO2014038743A1

Abstract

본 발명은 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전도방식에 의해 냉기와 온기를 열교환하여, 냉매의 순환효율 및 에너지효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
또한, 본 발명은 외부에서 공급되는 냉기와 내부에서 발생되는 온기를 열교환하는 열전도구간을 독립된 단열구간으로 구성하여, 에너지의 낭비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 열전도구간을 중심으로 외부와 내부에 별도의 냉매순환루프를 구성하고, 내부의 냉매순환루프를 독립적으로 구성함으로써, 냉각장치를 반영구적으로 사용할 수 있다.
특히, 본 발명은 미시적인 영역의 데이터를 처리하는 전자장비는 물론, 일정한 온도의 유지와 더불어 밀폐성이 요구되는 장치나 구조물 등에도 용이하게 적용할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 계측용 전자장비 및 계측시스템 분야를 포함하는 다양한 분야에서의 범용성, 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Description

질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치{Two step cold feeder for mass spectrometer and cooling equipment using the same}

본 발명은 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전도방식에 의해 냉기와 온기를 열교환하여, 냉매의 순환효율 및 에너지효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

특히, 본 발명은 외부에서 공급되는 냉기와 내부에서 발생되는 온기를 열교환하는 열전도구간을 독립된 단열구간으로 구성하여, 에너지의 낭비를 최소화할 수 있는 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치에 관한 것이다.

대부분의 전자장비들은 구동시 내부에서 열이 발생되며, 이러한 열은 전자장비 및 내부전자부품의 동작에 악영향을 미치게 된다.

특히, 열에너지에 의해 발생되는 잡음은 전자장비의 데이터처리에 영향을 미치며, 이러한 영향은 해당 전자장비가 처리하는 신호의 크기가 작을수록 더 크게 작용한다.

따라서, 많은 양의 열이 발생하거나 미시적인 영역에 대한 데이터를 처리하는 전자장비들은 내부 온도를 낮추기 위한 냉각장치가 구비되어 있다.

예를 들어, 대한민국 등록특허공보 제10-0933726호 "극저온 초단증폭기를 이용한 고감도 푸리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기"에서도 측정감도를 향상시키기 위하여 열잡음을 최소화할 수 있는 냉각장치가 구비되어 있다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 도 1에 나타난 바와 같이 이온화원(10); 질량선택관(21), 충돌관(22), 이온전송관(23), ICR트랩(24) 및 극저온초단증폭기(25)를 포함하는 초고진공용기(20); 극저온냉각기(31) 및 냉각관(32)을 포함하는 극저온 냉각장치(30); 초전도자석(41)(42)으로 구성된 질량분석기에서, 극저온초단증폭기(25)에 의한 측정감도를 향상시키기 위하여 냉각장치(30)가 사용되고 있음을 알 수 있다.

그러나, 도 2에 나타난 바와 같이 대한민국 등록특허공보 제10-0933726호에서 사용되는 냉각장치의 경우, 냉매의 이동방향이 단방향('302-1'로 유입된 냉매는 '302-2'를 거쳐 '302-3'으로 배출됨)이기 때문에 냉매의 사용효율이 낮고, 고정부(34)는 용접에 의해 형성되기 때문에 냉각용 플렌지(33)의 내부와 외부 간의 열차단성도 낮은 문제점이 있었다.

또한, 냉매의 이동이 단방향이기 때문에, 냉매에 의한 열교환이 충분히 이루어지지 않은 상태에서 냉매가 외부로 배출될 경우, 냉기가 그대로 외부로 방출되어 에너지의 낭비를 초래하는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0933726호 "극저온 초단증폭기를 이용한 고감도 푸리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기"

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 냉매를 순환방식으로 적용하고, 열전도방식에 의해 냉기와 온기를 열교환함으로써, 냉매의 순환효율 및 에너지효율을 향상시킬 수 있는 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치를 제공하는데 목적이 있다.

특히, 본 발명은 열전도구간의 외부와 내부에서 각각 별도의 냉매를 독립적으로 순환시키면서 열교환함으로써, 충분한 열교환이 이루어지지 않은 냉기가 외부로 방출되는 것을 방지하여, 냉매의 순환에 따른 에너지의 낭비를 미연에 방지할 수 있는 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 외부에서 공급되는 냉기와 내부에서 발생되는 온기를 열교환하는 열전도구간을 독립된 단열구간으로 구성하여, 에너지의 낭비를 최소화할 수 있는 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 질량분석기용 2중 냉기 공급구는, 중공의 냉기유입홀이 상부로 개방되도록 형성되며 상기 냉기유입홀을 통해 외부냉기를 공급받고 내부온기를 배출하는 몸체; 상기 몸체의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 냉기유입홀로 유입되는 외부냉기와 내부온기를 열교환하는 열교환부; 상기 열교환부의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 열교환부에서 열교환된 외부냉기를 하부로 이동시키고 내부온기를 상기 열교환부로 이동시키는 열전도부; 및 상기 열전도부의 하부에 구성되어 상기 열전도부를 통해 공급되는 외부냉기를 하부로 방출하고 내부온기를 흡수하는 냉기방출부를 포함한다.

또한, 상기 몸체의 외주면 일측에는 고정판이 구성될 수 있다.

또한, 상기 열교환부의 외주면 일측에는 적어도 하나의 제1 걸림턱이 구성될 수 있다.

또한, 상기 냉기방출부의 외주면 일측에는 적어도 하나의 제2 걸림턱이 구성될 수 있다.

또한, 상기 열교환부, 열전도부 및 냉기방출부의 중심축을 따라 열전도부재가 구성될 수 있다.

또한, 상기 열전도부재의 상부는 상기 냉기유입홀의 하부에 노출되고, 상기 열전도부재의 하부는 상기 냉기방출부의 하부에 노출되도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 질양분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치는, 외부에서 냉기를 공급받는 냉기공급모듈; 상기 냉기공급모듈의 하부에 구성되는 저온유지탱크; 상기 저온유지탱크의 내부에 구성되는 극저온유지탱크; 상기 극저온유지탱크의 내부에 구성되어 냉매를 저장하는 냉매저장탱크; 상기 냉기공급모듈의 하부에 결합되고 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크의 상부를 이어서 관통하여 고정되도록 설치되는 2중 냉기 공급구; 및 상기 냉매저장탱크의 냉매를 순환시키는 냉매순환관을 포함한다.

또한, 상기 냉매순환관은, 상기 냉매저장탱크의 내측하부에서 상기 저온유지탱크의 외측을 연결하도록 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크를 관통하여 설치되는 냉매공급관; 및 상기 냉매저장탱크의 내측상부에서 상기 저온유지탱크의 외측을 연결하도록 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크를 관통하여 설치되는 냉매유입관을 포함할 수 있다.

또한, 상기 극저온유지탱크의 외부면을 감싸도록 구성되는 단열커버를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 2중 냉기 공급구는, 상기 저온유지탱크의 내측상부와 상기 극저온유지탱크의 외측상부 사이에 구성되는 몸체; 상기 몸체의 하부에 연장되도록 구성되어 열교환부; 상기 극저온유지탱크의 내측상부와 상기 냉매저장탱크의 외측상부 사이에 구성되는 열전도부; 및 상기 냉매저장탱크의 내측상부에 개방되도록 구성되는 냉기방출부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 열교환부는 상기 극저온유지탱크의 외측상부로 노출되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 몸체의 외주면에는 상기 저온유지탱크의 외측상부면에 고정되는 고정판이 구성될 수 있고, 상기 열교환부의 외주면에는 상기 극저온유지탱크의 내측상부면이 걸려지는 적어도 하나의 제1 걸림턱이 구성될 수 있으며, 상기 냉기방출부의 외주면에는 상기 냉매저장탱크의 내측상부면이 걸려지는 적어도 하나의 제2 걸림턱이 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치가 구비되는 질량분석기는, 극저온 측정기를 포함하고, 상기 냉기 공급구를 이용한 냉각장치의 냉매순환관이 상기 극저온 측정기의 주위를 감싸도록 설치되어 상기 극저온 측정기의 동작온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 해결수단에 의해, 본 발명은 열전도구간을 중심으로 외부와 내부에 별도의 냉매순환루프를 구성하고, 열전도방식에 의해 냉기와 온기를 열교환함으로써, 냉매의 순환효율 및 에너지효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

더불어, 내부의 냉매순환루프를 독립적으로 구성함으로써, 냉각장치를 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 외부에서 공급되는 냉기와 내부에서 발생되는 온기를 열교환하는 열전도구간을 독립된 단열구간으로 구성하여, 에너지의 낭비를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 극저온 측정기를 이용한 고감도 푸리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기와 같이 미시적인 영역의 데이터를 처리하는 전자장비는 물론, 일정한 온도의 유지와 더불어 밀폐성이 요구되는 장치나 구조물 등에도 용이하게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

따라서, 계측용 전자장비 및 계측시스템 분야를 포함하는 다양한 분야에서의 범용성, 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 냉각장치를 이용한 질량분석기를 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 냉각장치를 설명하는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 설명하는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타난 2중 냉기 공급구의 일 실시예와 그 기능을 설명하는 부분절개사시도이다.
도 5는 도 3에 나타난 2중 냉기 공급구의 다른 일 실시예와 그 기능을 설명하는 부분절개사시도이다.
도 6은 도 3의 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치를 설명하는 부분절개사시도이다.
도 7은 도 6에 나타난 냉각장치에 냉기를 공급하는 방법을 설명하는 부분절개사시도이다.
도 8은 도 7의 부분확대도이다.
도 9는 도 6에 나타난 냉각장치의 열교환 방법을 설명하는 부분단면도이다.
도 10은 도 9에서 냉기의 흐름을 설명하는 부분단면도이다.
도 11은 도 9에서 온기의 흐름을 설명하는 부분단면도이다.
도 12는 본 발명에 의한 냉각장치를 구비하는 질량분석기를 설명하는 구성도이다.

본 발명에 따른 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다. 한편, 이하의 도면을 설명함에 있어, 외부냉기는 외부의 냉각장치에서 공급되는 냉기를 말하고, 내부온기는 계측장치 등의 냉각대상물에서 발생하는 온기를 말한다.

도 3은 본 발명에 따른 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 설명하는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 2중 냉기 공급구(100)는 몸체(110), 열교환부(120), 열전도부(130) 및 냉기방출부(140)를 포함한다.

몸체(110)는 중공의 냉기유입홀(111)이 상부로 개방되도록 형성되며, 냉기유입홀(111)을 통해 외부냉기를 공급받고 내부온기를 배출한다. 여기서, 외부냉기는 외부의 냉각장치에서 공급되는 냉기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 외부 냉각장치의 증발기가 냉기유입홀(111)의 내부에 구성될 수 있다. 또한, 내부온기는 도 2에 나타난 질량분석기의 극저온 초단증폭기(25)에서 발생되는 열을 포함할 수 있다.

열교환부(120)는 몸체(110)의 하부에 연장되도록 구성되어, 냉기유입홀(111)로 유입되는 외부냉기와 내부온기를 열교환한다. 여기서, 열교환은 열교환부(120)의 상부면 중 냉기유입홀(111)의 내부와 이어지는 부분에서 이루어질 수 있다.

또한, 열교환부(120)는 효율적인 열교환을 위하여, 열교환부(120)에 상부로 개방되는 다수의 홀 또는 슬릿을 형성함으로써, 냉기유입홀(111)과 접촉되는 면적을 증가시킬 수 있다.

열전도부(130)는 열교환부(120)의 하부에 연장되도록 구성되어, 열교환부(120)에서 열교환된 외부냉기를 하부로 이동시키고 내부온기를 열교환부(120)로 이동시킨다. 이때, 열전도부(130)는 열전도현상에 의해 외부냉기와 내부온기를 이동시키므로, 열전도도가 높은 재질로 구성될 수 있다.

냉기방출부(140)는 열전도부(130)의 하부에 구성되어, 열전도부(130)를 통해 공급되는 외부냉기를 하부로 방출하고 내부온기를 흡수하여 열전도부(130)로 이동시킨다.

도 3에서, 2중 냉기 공급구(100)는 크게 냉기유입구간(S1), 열전도구간(S2) 및 냉기공급구간(S3)으로 구분할 수 있으며, 각 구간은 밀폐된 용기(예를 들어, 도 6에 나타난 각각의 탱크)에 의해 구획될 수 있다.

이때, 각각의 용기들과의 밀폐성을 향상시키기 위하여, 몸체(110)의 외주면 일측(예를 들어, 상측종단)에는 고정판(112)을 구성할 수 있고, 열교환부(120)의 외주면 일측(예를 들어, 하측)에는 제1 걸림턱(121)을 구성할 수 있으며, 냉기방출부(140)의 외주면 일측(예를 들어, 하측종단)에는 제2 걸림턱(141)을 구성할 수 있다.

또한, 제1 걸림턱(121) 및 제2 걸림턱(141)은 도 3에 나타난 바와 같이, 복수 개로 분할하여 구성할 수 있다.

도 4는 도 3에 나타난 2중 냉기 공급구의 일 실시예와 그 기능을 설명하는 부분절개사시도이다.

도 4를 참조하면, 2중 냉기 공급구(100)의 몸체(110), 열교환부(120), 열전도부(130) 및 냉기방출부(140)가 일체로 구성될 수 있다.

도 4에서, 외부냉기가 공급되는 흐름을 살펴보면, 외부냉기는 냉기유입홀(111)을 따라 하부로 이동한 후, 열교환부(120)와 열전도부(130)를 이동하여 냉기방출부(140)의 하부로 방출될 수 있다.

한편, 도 3의 열전도구간(S2)은 외부인 냉기유입구간(S1)과 내부인 냉기공급구간(S3)의 사이에서 단열기능을 수행할 수 있다. 따라서, 열전도구간(S2)의 온도는 냉기유입구간(S1) 온도와 냉기공급구간(S3) 온도의 중간을 유지하는 것이 바람직하다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 2중 냉기 공급구(100)는 냉기유입홀(111)로 유입되는 외부냉기의 일부를 열전도부(130)의 측면부를 통해서도 방출할 수 있으며, 이와 같이 방출되는 일부의 외부냉기에 의해 도 3의 열전도구간(S2)이 냉기유입구간(S1)과 냉기공급구간(S3)의 중간 온도를 유지할 수 있다.

이때, 열전도부(130)의 측면부를 통해서 방출되는 외부냉기가 많아질 경우, 냉기방출부(140)로 방출되는 외부냉기가 부족할 수 있다. 다시 말해, 외부냉기와 내부온기의 열교환이 효율적으로 이루어지지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이를 개선하기 위하여, 열전도부(130)는 상하방향으로의 열전도도를 높임으로써, 열전도부(130)의 측면부를 통해서 방출되는 외부냉기의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 외부냉기와 내부온기의 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

도 5는 도 3에 나타난 2중 냉기 공급구의 다른 일 실시예와 그 기능을 설명하는 부분절개사시도이다.

도 5를 참조하면, 2중 냉기 공급구(100)의 몸체(110), 열교환부(120), 열전도부(130) 및 냉기방출부(140)를 일체로 구성하면서, 열교환부(120), 열전도부(130) 및 냉기방출부(140)의 중심축을 따라 열전도부재(150)를 구성할 수 있다.

바람직하게는, 열전도부재(150)의 상부는 냉기유입홀(111)의 하부에 노출되도록 구성할 수 있고, 열전도부재(150)의 하부는 냉기방출부(140)의 하부에 노출되도록 구성할 수 있다.

또한, 열전도부재(150)의 길이를 조절함으로써, 냉기유입홀(111)로 유입된 외부냉기 중 열전도부(130)의 측면부로 방출되는 양과 냉기방출부(140)의 하부로 방출되는 양의 비율을 조절할 수 있다.

예를 들어, 도 4에서 냉기유입홀(111)로 유입된 외부냉기 중 열전도부(130)의 측면부로 방출되는 양과 냉기방출부(140)의 하부로 방출되는 양이 50:50이라하고, 도 5에서 냉기유입홀(111)로 유입된 외부냉기 중 열전도부(130)의 측면부로 방출되는 양과 냉기방출부(140)의 하부로 방출되는 양이 20:80이라하면, 열전도부재(150)의 길이를 도 5의 절반으로 줄일 경우, 냉기유입홀(111)로 유입된 외부냉기 중 열전도부(130)의 측면부로 방출되는 양과 냉기방출부(140)의 하부로 방출되는 양을 35:65로 조절할 수 있다.

도 6은 도 3의 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치를 설명하는 부분절개사시도이다.

도 6을 참조하면, 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치(A)는 2중 냉기 공급구(100), 냉기공급모듈(200), 저온유지탱크(300), 극저온유지탱크(400), 냉매저장탱크(500) 및 냉매순환관(600)을 포함한다.

2중 냉기 공급구(100)는 냉기공급모듈(200)의 하부에 결합되고 저온유지탱크(300), 극저온유지탱크(400) 및 냉매저장탱크(500)의 상부를 이어서 관통하여 고정되도록 설치된다. 예를 들어, 2중 냉기 공급구(100)는 도 3과 같이 구성될 수 있다.

냉기공급모듈(200)은 외부에서 냉기를 공급받아 2중 냉기 공급구(100)로 유입시키며, 연결구(210)를 통해 외부의 냉각장치(도시하지 않음)와 연결될 수 있다. 또한, 외부 냉각장치의 증발기는 냉기공급모듈(200)의 내부 또는 냉기공급모듈(200)를 통과하여 2중 냉기 공급구(100)의 냉기유입홀(111) 내부에 위치할 수 있다.

저온유지탱크(300)는 냉기공급모듈(200)의 하부에 구성되고, 극저온유지탱크(400)는 저온유지탱크(300)의 내부에 구성되며, 냉매를 저장하는 냉매저장탱크(500)는 극저온유지탱크(400)의 내부에 구성된다.

또한, 저온유지탱크(300)와 극저온유지탱크(400) 사이의 공간부(350) 및 극저온유지탱크(400)와 냉매저장탱크(500) 사이의 공간부(450)는, 단열효과를 향상시키기 위하여 진공상태로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 극저온유지탱크(400)의 외부면에는 단열커버(410)를 설치하여, 단열효과를 보다 더 향상시킬 수 있다. 이러한 단열커버(410)는 저온유지탱크(300) 및 냉매저장탱크(500) 중 적어도 하나의 외부면에 더 설치될 수 있다.

냉매순환관(600)은 냉매저장탱크(500)의 냉매를 순환시키는 것으로, 순환되는 냉매는 극저온 측정기를 이용한 고감도 푸리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기와 같은 전자계측장비 등에 공급되어, 전자계측장비의 내부온도를 저온 또는 극저온으로 일정하게 유지하는 역할을 수행할 수 있다.

한편, 냉매저장탱크(500)에 저장되는 냉매는 액상으로, 냉매공급관(610)을 통해 액상으로 공급되고, 냉매순환관(600)을 순환하여 열을 흡수하면 기화하여 냉매유입관(620)으로 유입된다.

따라서, 냉매공급관(610)은 냉매저장탱크(500)의 내측하부에서 저온유지탱크(300)의 외측을 연결하도록 저온유지탱크(300), 극저온유지탱크(400) 및 냉매저장탱크(500)를 관통하여 설치될 수 있고, 냉매유입관(620)은 냉매저장탱크(500)의 내측상부에서 저온유지탱크(300)의 외측을 연결하도록 저온유지탱크(300), 극저온유지탱크(400) 및 냉매저장탱크(500)를 관통하여 설치될 수 있다. 여기서, 냉매는 액상의 질소, 네온, 헬륨 등을 이용할 수 있다.

또한, 냉매순환관(600)은 냉매공급관(610)이 냉매유입관(620)의 내부에 위치하는 튜브 인 튜브(Tube in tube)의 형태로 구성될 수 있다. 이와 같이, 튜브 인 튜브(Tube in tube)의 형태로 냉매순환관(600)을 구성하게 되면, 냉매공급관(610)의 외부로 유출될 수 있는 냉기가 외부로 배출되지 않고, 냉매유입관(620)으로 회수되므로, 향상된 단열효과를 얻을 수 있다.

도 7은 도 6에 나타난 냉각장치에 냉기를 공급하는 방법을 설명하는 부분절개사시도이다.

도 7에서, 외부의 냉각장치(도시하지 않음)에서 공급되는 냉기는 연결구(210) 및 냉기공급모듈(200)을 통해 2중 냉기 공급구(100)의 상부에서 열교환이 이루어지고, 열교환된 온기는 다시 냉기공급모듈(200) 및 연결구(210)를 통해 외부의 냉각장치로 이동될 수 있다.

따라서, 외부 냉각장치의 증발기는 열교환이 이루어지는 'a'영역에 위치하는 것이 바람직하다.

도 8은 도 7의 부분확대도이다.

도 8을 참조하면, 2중 냉기 공급구(100)의 몸체(110)는, 저온유지탱크(300)의 내측상부와 극저온유지탱크(400)의 외측상부 사이에 위치하도록 구성될 수 있고, 2중 냉기 공급구(100)의 열전도부(130)는 극저온유지탱크(400)의 내측상부와 냉매저장탱크(500)의 외측상부 사이에 구성될 수 있으며, 2중 냉기 공급구(100)의 냉기방출부(140)는 냉매저장탱크(500)의 내측상부에 개방되도록 구성될 수 있다.

또한, 2중 냉기 공급구(100)의 열교환부(120)는 몸체(110)의 하부에 연장되도록 구성될 수 있다. 이때, 열교환부(120)에서 열교환된 내부온기 중 일부가 극저온유지탱크(400)의 내부로 방출되면, 극저온유지탱크(400) 내부의 온도가 상승할 수 있고, 이로 인해 냉매저장탱크(500)에 저장된 냉매에 영향을 미칠 수 있다.

따라서, 2중 냉기 공급구(100)의 열교환부(120)는 극저온유지탱크(400)의 외측상부로 노출되도록 구성됨이 바람직하다.

또한, 2중 냉기 공급구(100)의 몸체(110) 외주면에는, 저온유지탱크(300)의 외측상부면에 고정되는 고정판(112)이 구성될 수 있고, 2중 냉기 공급구(100)의 열교환부(120)의 외주면에는, 극저온유지탱크(400)의 내측상부면이 걸려지는 적어도 하나의 제1 걸림턱(121)이 구성될 수 있으며, 2중 냉기 공급구(100)의 냉기방출부(140) 외주면에는, 냉매저장탱크(500)의 내측상부면이 걸려지는 적어도 하나의 제2 걸림턱(141)이 구성될 수 있다.

또한 고정판(112), 제1 걸림턱(121) 및 제2 걸림턱(141)은 각각의 탱크에 의해 구획되는 공간과의 밀폐성을 향상시키기 위하여, 저온유지탱크(300), 극저온유지탱크(400) 및 냉매저장탱크(500)와 밀착고정되는 부분에 별도의 밀폐부재를 설치하여 고정결합될 수 있다.

도 9는 도 6에 나타난 냉각장치의 열교환 방법을 설명하는 부분단면도이고, 도 10은 도 9에서 냉기의 흐름을 설명하는 부분단면도이며, 도 11은 도 9에서 온기의 흐름을 설명하는 부분단면도이다.

도 9를 참조하면, 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치(A)는 'b'영역 및 'c'영역에서 열교환이 이루어질 수 있다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 도 10에 나타난 바와 같이 외부의 냉각장치에서 공급되는 외부냉기는 냉기공급모듈(200)을 통해 몸체(110)의 냉기유입홀(111) 하부로 이동하고 열교환부(120)에서 열교환된다.

그리고, 열교환부(120)에서 열교환된 외부냉기는 열전도부(130)를 따라 하부로 이동하면서 냉기방출부(140)의 하부로 방출된다.

이와 같이 유입되는 외부냉기에 의해 냉매저장탱크(500)의 내부온도는 극저온으로 유지되며, 냉매저장탱크(500)에 저장된 액상의 냉매는 냉매공급관(610)을 통해 냉각대상물(도시하지 않음)로 공급될 수 있다.

또한, 냉각대상물로 공급된 냉매는 냉각대상물에서 발생하는 열(내부온기)을 흡수하여 기화한 후, 냉매유입관(620)을 통해 냉매저장탱크(500)로 유입된다. 이때, 냉매저장탱크(500)로 유입된 기체의 냉매는 냉기방출부(140)의 하부에서 열교환되면서 액화하여 냉매저장탱크(500)에 저장되고, 냉기방출부(140)에서 열교환된 내부온기는 열전도부(130)를 따라 상부로 이동한다.

그리고, 열전도부(130)를 따라 이동한 내부온기는 열교환부(120)에서 열교환되고, 냉기공급모듈(200)을 통과하여 외부의 냉각장치로 이동한다.

이와 같은 열교환 및 냉매의 순환을 통해, 냉매저장탱크(500)에 저장된 냉매의 유실을 미연에 방지하여 반영구적으로 사용할 수 있도록 함은 물론, 2중 열교환 방식을 통해 외부로 유실되는 에너지(냉기)를 현저히 줄임으로써, 에너지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

이하에서, 상기한 냉각장치(A)가 도 1에 나타난 질량분석기에 적용되는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 12는 본 발명에 의한 냉각장치를 구비하는 질량분석기를 설명하는 구성도이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 기술이 적용되는 질량분석기는 이온화원(10), 초고진공용기(20) 및 초전도자석(41)(42)을 포함하며, 초고진공용기(20)에는 질량선택관(21), 충돌관(22), 이온전송관(23), ICR트랩(24) 및 극저온 측정기(26)를 포함한다. 여기서, 질량분석기의 각 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 또한, 당업자의 요구에 따라 질량분석기의 적어도 일부 구성에 대해서는 변경 및 치환이 가능함은 물론이다.

극저온 측정기(26)는 질량분석을 위한 센서를 포함할 수 있으며, 극저온 측정기(26)는 센서의 감도를 향상시키기 위하여 일정한 극저온상태를 유지해야만 한다.

따라서, 도 6 내지 도 11에 나타난 냉각장치(A)의 냉매순환관(600)이 극저온 측정기(26)의 주위를 감싸도록 설치되며, 냉매순환관(600)에 의한 열교환을 통해 극저온 측정기(25)의 동작온도를 일정하게 유지하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 냉매순환관(600)의 냉매공급관(610)과 냉매유입관(620) 사이에 구성되는 증발기(630)가 극저온 측정기(26)에 인접되도록 설치될 수 있다.

이상에서 본 발명에 의한 질량분석기용 2중 냉기 공급구 및 이를 이용한 냉각장치에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

A : 냉각장치
100 : 2중 냉기 공급구
110 : 몸체 111 : 냉기유입홀
112 : 고정판
120 : 열교환부 121 : 제1 걸림턱
130 : 열전도부
140 : 냉기방출부 141 : 제2 걸림턱
150 : 열전도부재
200 : 냉기공급모듈 210 : 연결구
300 : 저온유지탱크 400 : 극저온유지탱크
500 : 냉매저장탱크
600 : 냉매순환관
610 : 냉매공급관 620 : 냉매유입관
630 : 증발기

Claims

중공의 냉기유입홀이 상부는 개방되고 하부는 폐쇄되도록 형성되며 상기 냉기유입홀을 통해 외부냉기를 공급받고 내부온기를 배출하는 몸체;
상기 몸체의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 냉기유입홀로 유입되는 외부냉기와 열전도부를 통해 이동한 내부온기를 서로 열교환하는 열교환부;
상기 열교환부의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 열교환부에서 열교환된 외부냉기를 하부로 이동시키고 냉기방출부에서 흡수한 내부온기를 상기 열교환부로 이동시키는 열전도부;
상기 열전도부의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 열전도부를 통해 공급되는 외부냉기를 하부로 방출하고, 방출된 외부냉기와 냉매저장탱크에 존재하는 냉매와의 열교환에 의해 내부온기를 흡수하는 냉기방출부; 및
상기 열교환부, 열전도부 및 냉기방출부의 중심축을 따라 구비되는 열전도부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구.
제 1항에 있어서,
상기 몸체의 외주면 일측에는 고정판이 구성되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구.
제 1항에 있어서,
상기 열교환부의 외주면 일측에는 적어도 하나의 제1 걸림턱이 구성되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구.
제 1항에 있어서,
상기 냉기방출부의 외주면 일측에는 적어도 하나의 제2 걸림턱이 구성되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구.
제 1항에 있어서,
상기 열전도부는 상기 외부냉기의 일부를 측면부를 통해 방출하되,
상기 열전도부재의 길이를 조절하여 상기 외부냉기 중 상기 열전도부의 측면부로 방출되는 양과 상기 냉기방출부의 하부로 방출되는 양의 비율을 조절가능한 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구.
제 1항에 있어서,
상기 열전도부재의 상부는 상기 냉기유입홀의 하부에 노출되고,
상기 열전도부재의 하부는 상기 냉기방출부의 하부에 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구.
외부냉기를 공급받는 냉기공급모듈;
상기 냉기공급모듈의 하부에 구성되는 저온유지탱크;
상기 저온유지탱크의 내부에 구성되는 극저온유지탱크;
상기 극저온유지탱크의 내부에 구성되어 냉매를 저장하는 냉매저장탱크;
상기 냉기공급모듈의 하부에 결합되고 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크의 상부를 이어서 관통하여 고정되도록 설치되는 2중 냉기 공급구; 및
상기 냉매저장탱크의 냉매를 순환시키는 냉매순환관;을 포함하고,
상기 2중 냉기 공급구는
상기 저온유지탱크의 내측상부와 상기 극저온유지탱크의 외측상부 사이에 위치되고, 중공의 냉기유입홀이 상부는 개방되고 하부는 폐쇄되도록 형성되며, 상기 냉기유입홀을 통해 외부냉기를 공급받고 내부온기를 배출하는 몸체;
상기 몸체의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 극저온유지탱크의 외측상부에 노출되고, 상기 냉기유입홀로 유입되는 외부냉기와 열전도부를 통해 이동한 내부온기를 서로 열교환하는 열교환부;
상기 열교환부의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 극저온유지탱크의 내측상부와 상기 냉매저장탱크의 외측상부 사이에 위치되고, 상기 열교환부에서 열교환된 외부냉기를 하부로 이동시키고 냉기방출부에서 흡수한 내부온기를 상기 열교환부로 이동시키는 열전도부;
상기 열전도부의 하부에 연장되도록 구성되어 상기 냉매저장탱크의 내측상부에 노출되고, 상기 열전도부를 통해 공급되는 외부냉기를 하부로 방출하고, 방출된 외부냉기와 상기 냉매와의 열교환에 의해 내부온기를 흡수하는 냉기방출부; 및
상기 열교환부, 열전도부 및 냉기방출부의 중심축을 따라 구비되는 열전도부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치.
제 7항에 있어서,
상기 냉매순환관은,
상기 냉매저장탱크의 내측하부에서 상기 저온유지탱크의 외측을 연결하도록 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크를 관통하여 설치되는 냉매공급관; 및
상기 냉매저장탱크의 내측상부에서 상기 저온유지탱크의 외측을 연결하도록 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크를 관통하여 설치되는 냉매유입관을 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치.
제 7항에 있어서,
상기 극저온유지탱크의 외부면을 감싸도록 구성되는 단열커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치.
제 8항에 있어서,
상기 냉매순환관은 상기 냉매공급관이 상기 냉매유입관의 내부에 위치하는 튜브 인 튜브(Tube in tube)의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치.
제 7항에 있어서,
상기 몸체의 외주면 일측에는 고정판이 구성되고,
상기 열교환부의 외주면 일측에는 적어도 하나의 제1 걸림턱이 구성되며,
상기 냉기방출부의 외주면 일측에는 적어도 하나의 제2 걸림턱이 구성되되,
상기 고정판, 제1 걸림턱 및 제2 걸림턱은 각각 상기 저온유지탱크, 극저온유지탱크 및 냉매저장탱크와 밀착고정되는 부분에 별도의 밀폐부재가 설치되어 고정결합되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치.
제 7항에 있어서,
상기 외부냉기는 냉기공급모듈을 통해 몸체의 냉기유입홀 하부로 이동하여 열교환부에서 열교환된 후 열전도부를 따라 냉기방출부로 이동하여 냉매저장탱크로 방출되고,
상기 냉매저장탱크에 저장된 냉매는 냉매순환관을 통해 냉각대상물로 공급되어 냉각대상물에서 발생하는 열을 흡수하여 기화한 후 냉매저장탱크로 다시 유입되며,
상기 냉매저장탱크로 유입된 냉매는 냉기방출부의 하부에서 열교환되면서 액화하여 냉매저장탱크에 저장되고, 냉기방출부에서 열교환된 내부온기는 열전도부를 따라 열교환부로 이동하여 열교환된 후 냉기공급모듈을 통해 외부의 냉각장치로 배출되는 것을 특징으로 하는 질량분석기용 2중 냉기 공급구를 이용한 냉각장치.
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