KR101464239B1

KR101464239B1 - 가스 평형 브레이턴 사이클 냉 수증기 저온 펌프

Info

Publication number: KR101464239B1
Application number: KR1020147001333A
Authority: KR
Inventors: 랄프 롱스워스
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-11-21
Also published as: EP2729705A4; WO2013006299A1; JP5657839B2; CN103930674B; JP2014523994A; EP2729705B1; KR20140031973A; CN103930674A; EP2729705A1; US9546647B2; US20130008190A1

Abstract

본 발명은 가스 평형 브레이턴 사이클 냉각기를 사용해 수증기 저온 펌프를 냉각시키는 것에 관한 것이다. 냉각기는 압축기, 가스 평형 왕복 엔진 및 역류 열 교환기를 포함하여 구성된다. 상기 냉각기는 단열된 트랜스퍼 라인을 통해 저온 펌프로 연결된다. 여기서 적어도 하나 이상의 옵션은 시스템 압력을 조절할 수 있는 적어도 하나 이상의 밸브가 있는 일정 용적을 가진 가스 저장부, 가변 속도의 엔진, 엔진을 바이패스하는 극저온 패널과 압축기 사이의 가스 라인 및 열 교환기를 바이패스하는 가스 라인을 포함한다는 것이다. 본 시스템은 빠르게 냉각하고 예열할 수 있으며, 엔진을 따뜻하게 하지 않고 극저온 패널을 빠르게 따뜻하게 하고 냉각할 수 있고, 그리고 극저온 패널 열 부하가 감소될 때 전력 입력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

가스 평형 브레이턴 사이클 냉 수증기 저온 펌프{GAS BALANCED BRAYTON CYCLE COLD WATER VAPOR CRYOPUMP}

본 발명은 전형적으로 입력 전력이 5에서 20 kW 범위에 있는 가스 평형 브레이턴 사이클 냉각기에 의해 냉각되는 수증기 저온 펌프에 관한 것이다.

스미토모 크라이어제닉스(SHI Cryogenics) 사에 의해서 지정된 3개의 최근 특허 출원은 가스 평형 브레이턴 사이클 팽창 엔진과 실온에서 극저온으로의 냉각시간(cool down time)을 최소화하는 제어 시스템을 기술한 것이다. 냉각을 위한 브레이턴 사이클에서 작동하는 시스템은, 차가운 흡입(inlet) 밸브를 통해 팽창 공간으로 가스를 받아들이는, 역류식(혹은 상대류 라고도 함)(counterflow) 열 교환기로 배출 압력에서 가스를 공급하는 압축기로 구성되고, 단열적으로 가스를 팽창하고, 출구(outlet) 밸브를 통해 (더 차가운) 팽창된 가스를 소모하고, 냉각되고 있는 부하를 통해 차가운 가스를 순환시키며, 그 다음에 압축기로 역류식(혹은 상대류) 열 교환기를 통해 가스를 돌려보낸다.

R. C. Longsworth에 의한 2010.03.15.자 특허출원번호 S/N 61/313,868에는 피스톤이 기계 구동이나 고압력과 저압력 사이를 오가는 가스 압력에 의해 구동되는 따뜻한 말단(고온부)(warm end)의 구동 축(drive stem)을 가지고, 구동 축 주위의 지역의 피스톤의 따뜻한 말단의 압력이 피스톤이 움직이는 동안 피스톤의 차가운 말단(저온부)(cold end)의 압력과 근본적으로 같은 브레이턴 사이클에서 작동하는 왕복 팽창 엔진에 대해서 기술하고 있다. R. C. Longsworth에 의한 2010.10.08자 특허출원번호 S/N 61/391,207은, 이전 출원에 서술된 대로, 질량체(mass)를 극저온까지 냉각시키는 시간을 최소화하는 것을 가능하게 하는, 브레이턴 사이클에서 작동하는 왕복 팽창 엔진의 제어에 대해서 기술하고 있다.

S, Dunn 등에 의한 2011. 05. 12.자 미국특허출원 S/N 13/106,218은 팽창기 피스톤을 작동시키는 대체 수단에 대해서 기술하고 있다. 특허출원 61/313,868 및 13/106,218에 기술된 엔진은 이 출원에서 “가스 평형 브레이턴 사이클 엔진”이라고 언급된다. 이 엔진은 110 K에서 170 K의 범위의 온도에서 수증기를 응결시키는 극저온 패널을 냉각하기 위해 사용될 때 많은 유리한 특징이 있다. 혁신적인 것을 보여주기 위해 이 출원에서 사용되는 압축기 시스템은 S. Dunn에 의해 2006. 04. 28.자 출원된 “오일 바이패스가 있는 압축기”라는 제목으로 공개된 특허출원 US 2007/0253854에 서술되어 있다. 1950년대 후반에 시작한 많은 일은 우주 프로그램을 지원하기 위한 저온 펌핑 기술의 일환으로 수행되었다. Schueller에 의한 1961. 11. 28.자 미국특허 3,010,220은 극저온 유체에 의해 냉각되는 극저온 패널이 있는 우주 챔버에 대해서 기술하고 있다. Holkeboer 등에 의한 1965. 03. 30.자 미국특허 3,175,373은 종래의 기계적인 확산 펌프와, 극저온 유체에 의해 냉각되는 극저온 패널을 가진 대형 진공 시스템에 대해서 기술하고 있다. Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 9, Plenum Press, New York(1964), pp. 496~506의 “10-30 K 범위에서 작동을 위한 헬륨 냉각기”라는 제목의 C. B. Hood 등에 의한 논문은, 20 K에서 1.0 kW 이상의 냉각이 가능한 왕복 팽창 엔진을 가진 대형 브레이턴 사이클 냉각기에 대해서 기술하고 있다. 액체 질소에 의해 냉각되는 초기의 소형 저온 펌프와 GM 냉각기는 Hogan등에 의한 1967. 08. 29.자 미국특허 3,338,063에 서술되어있다. 입력 전력의 10 kW 이하만 뽑는 GM 타입의 냉각기는, 예를 들어, Longsworth에 의한 1979년 04월의 미국특허 4,150,549 이후의, 모든 가스를 펌프하는 극저온 패널의 냉각을 위한 시장을 지배했다. 1970년대 초기에 시작해서, 120 K에서 170 K범위의 온도와 500에서 3000 W의 용량으로 수증기를 저온 펌핑하는 것은 Missimer에 의한 1973. 10. 30.자 미국특허 3,768,273에 기술된 혼합된 가스를 사용하는 냉각기에 의해 압도당했다. 더욱 최근의 특허인, Flynn 등에 의한 2003. 06. 10.자 미국특허 6,574,978은 이러한 타입의 냉각기를 냉각하고 가열하는 비율을 제어하는 수단에 대해서 기술하고 있다.

본 출원은, 일반적으로 헬륨을 순환시키는 가스 평형 브레이턴 사이클 냉각기를 사용하는 것에 의한, 수증기를 펌프하기 위한 약 150 K에서 약 500에서 3000 W의 용량을 가지는 혼합 가스 냉각기를 사용하는 실험을 제시하는 것에서 출발한다.

가스 평형 브레이턴 냉각기는, 진공 챔버에서, 수증기를 펌프하기 위해 110 K에서 170 K 범위의 온도에서 작동하는 극저온 패널을 냉각하는데 사용된다. 가스를 냉각기에서 탱크로 넣거나 냉각기로 돌려주는데 사용될 수 있는 가스 저장 탱크와 밸브의 추가는 시스템으로부터 가스의 손실 없이 높거나 낮은 압력이 조절되는 것을 가능하게 한다. 엔진의 속도 또한 다를 수 있다. 압력과 엔진 속도를 제어하는 능력은 냉각(cool down)하는 동안 최대 용량에서 압축기를 동작하는 것에 의해 빠른 냉각을 가능하게 한다. 압력과 엔진 속도를 제어하는 능력은 또한 부하 냉각이 감소 될 때 작동하는 동안 전력이 감소되는 것을 가능하게 한다. 작동 압력을 조절하는 것에 의해 극저온 패널의 주입구와 배출구 사이의 온도 차이를 조절하는 것이 나아가 가능하다. 게다가 극저온 패널의 빠른 예열과 냉각은, 차갑게 유지하기 위해 엔진과 열 교환기를 통한 약간의 흐름을 유지하는 동안 극저온 패널로의 압축기 흐름의 대부분을 순환(cycle)하는, 따뜻한 가스 라인과 밸브를 가짐으로써 성취된다. 또 다른 특징은 엔진과 열 교환기의 빠른 예열을 가능하게 하는 냉각기 열 교환기 주위의 바이패스 라인이다

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 창작된 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프는, 상대류 열교환기(counterflow heat exchanger)의 고압측(high pressure side)의 고온부(warm end)로 상온(room temperature)에서 압축된 가스를 출력하는 압축기를 포함하며, 상기 상대류 열교환기는 가스 평형 엔진에서 팽창된 후에 상대류 열교환기의 저압측(low pressure side)을 통해 압축기로 되돌아오는 가스에 의해 냉각되고, 가스 평형 엔진은 저압에서 진공 챔버(vacuum chamber)에 있는 극저온 패널로 제1 트랜스퍼 라인을 통해서 저온 가스(cold gas)를 출력하며, 저온 가스는 제2 트랜스퍼 라인을 통해서 상대류 열교환기의 저압측의 저온부로 되돌려 보내는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프는, 압축기로부터 가스 출력을 저장하기 위한 수단 및 압축기에 저장된 가스를 되돌려 주기 위한 수단을 포함하여, 정상동작 동안 가스가 첨가되거나 분출되지(vented) 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프는, 압축기로의 입력 전력은 압력을 줄이거나, 압력 비율을 줄이거나 또는 이들의 조합을 위해 가스를 저장함으로써 줄일 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프는, 압축기로의 입력 전력은 압력을 줄이거나, 압력 비율을 줄이거나 또는 이들의 조합을 통해서 최대치의 50% 이하로 감소될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프에서, 상기 가스 평형 엔진은, 가변 속도에서 작동되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프에서, 가스 평형 엔진, 상대류 열교환기, 제1 및 제2 트랜스퍼 라인 및 극저온 패널의 냉각 시간(cool down time)은 압축기 출력이 최대가 되도록 고압 및 저압을 제어하고 가스 평형 엔진의 속도를 제어함으로써 최소화되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프는, 극저온 패널을 통해 직접적으로 압축기로부터의 가스가 평형을 이루도록 순환하고 가스를 압축기로 직접적으로 되돌려주는 동안, 상대류 열교환기와 가스 평형 엔진을 통해서 압축기로부터 가스의 제1 일부를 출력함으로써, 가스 평형 엔진을 예열(warming)하지 않고도 극저온 패널을 신속하게 따뜻하게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프는, 가스의 제1 일부는 가스 평형 엔진의 출력으로부터 벨브 수단에 의해 상대류 열교환기로 직접적으로 되돌아가는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프에서, 상기 극저온 패널의 흡입과 출구 밸브 사이의 온도 차이는, 주어진 배출 온도의 최댓값으로부터 40% 이상 감소될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프에서, 상기 수증기 저온 펌프는, 상기 상대류 열교환기의 고온 흡입구와 배출구 사이 및 저온 펌프 코일 흡입구와 배출구 사이의 각각에 대한 적어도 하나 이상의 라인; 상기 적어도 하나 이상의 라인의 정상적으로 닫힌 밸브; 저온 가스 트랜스퍼 라인을 통한 흐름을 막을 수 있는 적어도 하나 이상의 밸브; 및 상기 가스 평형 엔진의 배출구와 상기 상대류 열교환기의 되돌아오는 부분으로의 흡입구 사이의 바이패스 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 저온 펌프에서, 상기 수증기 저온 펌프는, 상대류 열교환기의 고압측의 고온부(warm end)와 상대류 열교환기의 저압측의 저온부(cold end) 사이에 있는 바이패스 라인; 바이패스 라인에 있는 정상적으로 닫혀있는 밸브; 바이패스 라인의 고온부에서 저온부의 방향으로만 가스 흐름을 허용하는 바이패스 라인에 있는 압력 완화 밸브(pressure relief valve); 트랜스퍼 라인을 통해서 흐름을 막을 수 있는 적어도 하나 이상의 밸브; 및 가스 평형 엔진의 배출구와 상대류 열교환기의 저압측 저온부 사이에 있는 바이패스 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수증기 극저온 패널을 빠르게 예열하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 바이패스 밸브를 여는 단계; 상기 저온 가스 트랜스퍼 라인을 통한 흐름을 막을 수 있는 상기 적어도 하나 이상의 밸브를 닫는 단계; 상기 정상적으로 닫힌 밸브를 여는 단계; 및 상기 가스 평형 엔진을 작동시키는 단계;를 포함한 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가스 평형 엔진과 상대류 열교환기를 빠르게 예열하는 방법에 있어서, 상기 방법은, 바이패스 밸브를 여는 단계; 저온 가스 트랜스퍼 라인을 통한 가스 흐름을 막는 적어도 하나 이상의 밸브를 닫는 단계; 정상적으로 닫혀있는 밸브를 여는 단계; 및 상기 가스 평형 엔진을 작동시키는 단계;를 포함한 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 가스 평형 브레이턴 사이클 냉각기와 보조 장치에 의해 냉각되는 수증기 저온 펌프의 기본 요소를 포함하는 시스템 100을 도시한 것이다.

도 1은 시스템 100, 많은 새로운 특징들을 성취하는 것을 가능하게 하는 추가적인 파이핑과 제어를 포함하는 가스 평형 브레이턴 사이클 냉각기에 의해 냉각되는 수증기 저온 펌프의 도해이다.

가스 평형 브레이턴 사이클 냉각기의 기초 소요들은 압축기 1, 엔진 2, 역류 열 교환기 6, 고압력의 따뜻한 가스 라인 7과, 저압력의 따뜻한 가스 라인 8을 포함한다. 엔진 2는 회전 밸브 3에 의해 제어되는 가스에 의해 공기로 동작하는 흡입 밸브 4와 출구 밸브 5를 가지는 것으로 도시되어 있다. 이 엔진은 특허출원 S/N 13/106,218에 더 충분히 서술되어 있고 추가적인 디자인은 특허출원 S/N 61/313,868에 서술되어 있다. 엔진 2와 열 교환기 6은 진공 하우징 9에 마운트되어 있다. 특허출원공개번호 US 2007/0253854는 압축기 1을 포함하고, 본 발명의 특징을 나타내는데 사용되는 시스템과 오일 윤활식 수평 스크롤 압축기를 서술한다.

수증기 저온 펌핑 코일, 또는 극저온 패널, 21은 수증기 저온 펌프 진공 챔버 20에 마운트되어 있다. 단열된 라인 22는 엔진 2에서 코일 21로 차가운 가스를 옮기고 단열된 라인 23은 더 따뜻한 차가운 가스를 열 교환기 6으로 돌려보낸다. 단열된 라인 22와 23은 진공 하우징 9에 꽂는 커넥터에 의해서와 도시되지 않은 챔버 20에 비슷한 베이오넷(bayonet)에 의해 각 끝에 제거될 수 있도록 연결되는 것으로 도시되어있다. 엔진 2와 베이오넷 26 사이의 차가운 가스 라인 18은 차단 밸브 24를 가지고 있다. 비슷하게 베이오넷 27과 열 교환기 6 사이의 차가운 가스 라인 19는 차단 밸브 25를 가지고 있다. 바이패스 밸브 37은 엔진 출구 밸브 5에서 열 교환기 6의 되돌아오는 측으로의 차가운 가스 라인을 연결한다. 펌프 출구 밸브 28은 베이오넷 26 바로 아래에 차가운 라인 18로 연결한다.

저온 펌프 코일 21은 밸브 32와 33 각각을 통해 따뜻한 가스 라인 7과 8로 연결하는 코일 예열 라인 30과 31로의 연결을 가진다. 열 교환기 6은 라인에 정상적으로 닫힌 밸브 34와 압력 완화 밸브 35를 가진 바이패스 라인 36을 사용해서 예열된다. 가스는 저압력 라인 8에 연결된 외부 실린더로부터, 냉각(쿨다운) 되면서, 처음으로 연결될 때 시스템으로 공급되지만, 시스템이 따뜻해지면 소실될 수 있다. 탱크 10을 고압력 라인7과 저압력 라인 8로 각각 연결하는, 가스 저장 탱크 10과 밸브 11과 12의 추가는 이 시스템에서 가능한 약간의 혁신을 성취하기 위해 시스템의 압력을 조절하고, 정상적인 작동에서 가스가 저장되는 것을 허용한다. 약간의 가스는, 만약 차단밸브 24와 25 건너편의 어떤 요소가 제거되거나, 파이핑에서 실패가 있다면 소실될 수 있다.

시스템 제어기 16은 고압력 변환기 13, 저압력 변환기 14, 차가운 엔진 온도 센서 15와, 특정한 제어 기능을 위해 필요한 다른 센서로부터 입력을 받고, 회전 밸브 3, 압력 제어 밸브 11과 12, 코일 예열 밸브 32와 33, 열 교환기 예열 밸브 34, 차가운 공급과 되돌리는 밸브 34와 35, 바이패스 밸프 37과, 나타나지 않은 다른 선택적인 제어에 연결된 라인을 통해 엔진 속도를 제어하는 출력 신호를 준다.

냉각기를 진공 챔버 20에 연결하기 전에 냉각기가 가스로 충전되는 것을 가정한다. 단원자 기체인 헬륨, 이원자 기체인 질소 둘 다의 사용은 이 특허출원에 나타나 있다. 밸브 24, 25, 32와 33은 가스를 유지하기 위해 닫혀있다. 진공 챔버 20의 저온 코일 21은 냉각기 말단의 베이오넷 26과 27과 진공 챔버 20 말단의 비슷한 베이오넷 안의 단열된 라인 22와 23을 삽입하고 봉인함으로써 진공 하우징 9안의 라인 18과 19에 연결된다. 코일 예열 라인 30과 31은 밸브 32와 33에 연결된다. 그들이 연결된 시간에 이 라인의 가스가 무엇이든 펌프 아웃 포트(출구 벨브) 28에 연결된 소형 진공 펌프를 사용해 제거된다. 밸브 24와 25는 그 다음 열리고 냉각제는 저장 탱크 10과 아마 외부의 가스 실린더로부터 라인으로 흐른다. 진공 챔버 20은 쿨 다운 전에 비워진다.

저온 펌프 코일 21은 바이패스 밸브 32, 33, 34와 37이 닫힌 채로 쿨다운된다. 엔진 2, 열 교환기 6, 차가운 라인 18과 19, 단열된 라인 22와 23, 저온 펌프 코일 21의 최초의 빠른 쿨다운은 바이패스 밸브가 닫힌 채로와 밸브 24와 25가 열린 채로 완료된다. 빠른 쿨다운은 현재의 압축기를 위한 2.2 MPa 고압력과 0.8 저압력, 쿨다운 동안 최대의 입력 전력에서 압축기를 작동함으로써 달성된다. 이 시간의 기간 동안 가스는 시스템에 추가되고 엔진 2의 속도는 저온 펌프 코일 21의 절대온도에 거의 비례하여 줄어든다. 본 엔진 속도는 약 6 Hz에서 3 Hz로 떨어진다.

저온 펌프 코일 21의 빠른 재생은 시스템의 나머지로부터 그것을 격리시키고 차가운 요소의 나머지를 차갑게 유지하는 동안 그것을 따뜻하게 함으로써 성취된다. 차가운 공급 밸브 24와 차가운 반환 밸브 25는 닫히고, 바이패스 밸브 37은 열리고, 그 후 코일 예열 바이패스 밸브 32와 33이 열린다. 엔진 2의 속도는 그것의 작동 온도를 유지하도록 설정된다. 이것은 아마 본 엔진에서는 약 1Hz의 속도이다. 압축기로부터의 흐름의 대부분은 상온에서 저온 펌프 코일 21로 흐르고 그것을 따뜻하게 한다. 저온 펌프 코일 21을 통한 흐름 속도가 라인 30과 31과 밸브 32와 33의 제한의 부분으로 설정되거나, 분리된 제어 밸브가 추가될 수 있다(도시되지 않음). 압축기로부터의 흐름은, 예를 들어 0.8 MPa와 1.4 MPa각각의 낮은 높은 압력과 최대 밸브에 가까운 낮은 압력에서 작동함으로써 전력 입력을 낮에 유지하는 동안 최대화될 수 있다.

바이패스 라인 36을 결합부에서 다른 밸브와 사용함으로써 시스템의 전체 차가운 부분은 빠르게 따뜻해질 수 있거나, 엔진 2와 열 교환기는 독립적으로 따뜻해질 수 있다. 밸브의 전체 차가운 부분을 따뜻하게 하기 위해서 밸브는 열린 열 교환기 바이패스 밸브 34를 예외로 그들의 작동 조건에 남겨 진다. 안전 밸브 35는 약 0.5 MPa의 높은 것에서 낮은 압력차이를 유지하고 낮은 압력은 본 압축기의 빠른 예열을 위해 약 0.8 MPa로 설정된다. 엔진 2의 속도는 모든 요소의 예열 속도를 균일하게 하기 위해 바이패스 라인 36과 코일 21을 통한 흐름과 엔진 2를 통한 가스 흐름의 평형을 맞추기 위해 0.5 MPa 이상의 압력 차이를 유지할 수 있도록 충분히 낮게 설정된다. 차가운 요소들의 밸런스를 따뜻하게 하지 않고 엔진 2와 열 교환기 6을 예열하기 위해, 바이패스 밸브 34는 열리고, 밸브 24와 25는 닫히고, 바이패스 밸브 37은 열린다. 압력과 엔진 속도는 이전에 서술된 대로 설정된다.

냉각 부하가 감소 된다면 전력은 아낄 수 있다. 스크롤 압축기에서 첫 포켓에 들어가는 가스의 거의 대부분은 흘러나오고, 대량 흐름 속도는 흡입 압력에 거의 정비례한다. 입력 전력은 높고 낮은 압력의 함수이고 낮은 압력과 압력의 비율을 감소함으로써 감소 된다. 냉각 또한 감소 된다. 본 스크롤 압력을 위한 전력 감소의 한 예시는 Table 1에 주어져있다. 이 예시는 대량 흐름 속도를 계산하기 위해 압축기의 배수량을 이용했지만, 엔진 2에 들어가고 떠나고, 그 후 저온 펌프 코일 21을 통해 흐르면서 같은 양을 따뜻하게 하는 가스의 온도 변화와 냉각률, 전력 입력을 계산하는데 손실이 없는 단열 과정을 가정했다. 실질적인 입력 전력은 약 50%정도 높고 냉각기와 트랜스퍼 라인의 열손실은 온도 변화를 약 25%정도 감소시킨다. 엔진 2의 속도는 모든 흐름을 그들이 설정된 압력에서 사용하도록 조절되었다고 가정한다. 엔진 2의 다양한 속도가 가정되었지만, 차가울 때 예를 들어, 본 팽창기를 위해 약 3Hz의 최적 속도에 맞게 고정 속도가 설정되었다면, 전력 감소는 여전히 달성되지만 쿨다운과 따뜻하게 하는 것은 약간의 가스가 고압에서 압축기 1에서 바이패스되기 때문에 느리다.

본 시스템이 헬륨을 위해 디자인되었지만, [표 1]은 또한 질소를 위한 예시도 도시한다. 질소는 헬륨에 비해 압축되고 팽창될 때의 온도 변화가 더 작고, 그러므로 더욱 효율적인 냉각제이다. 두 예시는 흐름 속도를 계산하기 위해 압축기 배수량을 338 L/m로 사용했다.

이 예시는 저압을 변함없게 유지하는 동안 고압을 감소시키고, 저압을 감소시킴으로써 입력 전력이 감소될 수 있음을 보여준다. 입력 전력은 이 예시에서 50% 감소 된다. 본 압축기는 입력 전원이 매우 낮은 단계에서 작동할 수 있다. 냉각률 또한 감소 된다. 이 예시에서 2.75에서 1.75로의 압력 비율의 감소는 가스의 온도 변화의 약 40% 감소를 야기한다.

질소를 헬륨과 비교해보면 질소보다 입력 전력이 약간 적고 냉각률이 약간 높다는 것을 알 수 있다.

1: 압축기 2: 엔진
3: 벨브 4: 입력 벨브
5: 출력 벨브 6: 열 교환기
7: 고압력 가스 라인 8: 저압력 가스 라인
9: 진공 하우징 10: 탱크(가스 저장)
11, 12: 밸브 100: 시스템
13: 고압력 변환기 14: 저압력 변환기
15: 온도 센서 16: 시스템 제어기
18, 19: 가스 라인 20: 진공 챔버
21: 저온 펌프 코일 22, 23: 단열된 라인
24, 25: 차단 벨브 26, 27: 베이오넷
28: 출구 벨브 30, 31: 코일 예열 라인
32, 33, 34, 37: 바이패스 밸브 35: 압력 완화 벨브
36: 바이패스 라인

Claims

상대류 열교환기(counterflow heat exchanger)의 고압측(high pressure side)의 고온부(warm end)로 상온(room temperature)에서 압축된 가스를 출력하는 압축기를 포함하며,
상기 상대류 열교환기는 가스 평형 엔진에서 팽창된 후에 상대류 열교환기의 저압측(low pressure side)을 통해 압축기로 되돌아오는 가스에 의해 냉각되고,
가스 평형 엔진은 저압에서 진공 챔버(vacuum chamber)에 있는 극저온 패널로 제1 트랜스퍼 라인을 통해서 저온 가스(cold gas)를 출력하며,
저온 가스는 제2 트랜스퍼 라인을 통해서 상대류 열교환기의 저압측의 저온부로 되돌려 보내는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 1에 있어서,
압축기로부터 가스 출력을 저장하기 위한 수단 및 압축기에 저장된 가스를 되돌려 주기 위한 수단을 포함하여, 정상동작 동안 가스가 첨가되거나 분출되지(vented) 않도록 하는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 2에 있어서,
압축기로의 입력 전력은 압력을 줄이거나, 압력 비율을 줄이거나 또는 이들의 조합을 위해 가스를 저장함으로써 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 2에 있어서,
압축기로의 입력 전력은 압력을 줄이거나, 압력 비율을 줄이거나 또는 이들의 조합을 통해서 최대치의 50% 이하로 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 가스 평형 엔진은,
가변 속도에서 작동되는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 1에 있어서,
가스 평형 엔진, 상대류 열교환기, 제1 및 제2 트랜스퍼 라인 및 극저온 패널의 냉각 시간(cool down time)은 압축기 출력이 최대가 되도록 고압 및 저압을 제어하고 가스 평형 엔진의 속도를 제어함으로써 최소화되는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 1에 있어서,
극저온 패널을 통해 직접적으로 압축기로부터의 가스가 평형을 이루도록 순환하고 가스를 압축기로 직접적으로 되돌려주는 동안, 상대류 열교환기와 가스 평형 엔진을 통해서 압축기로부터 가스의 제1 일부를 출력함으로써, 가스 평형 엔진을 예열(warming)하지 않고도 극저온 패널을 신속하게 따뜻하게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 7에 있어서,
가스의 제1 일부는 가스 평형 엔진의 출력으로부터 벨브 수단에 의해 상대류 열교환기로 직접적으로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 2에 있어서,
상기 극저온 패널의 흡입과 출구 밸브 사이의 온도 차이는,
주어진 배출 온도의 최댓값으로부터 40% 이상 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 수증기 저온 펌프는,
상기 상대류 열교환기의 고온 흡입구와 배출구 사이 및 저온 펌프 코일 흡입구와 배출구 사이의 각각에 대한 적어도 하나 이상의 라인;
상기 적어도 하나 이상의 라인의 정상적으로 닫힌 밸브;
저온 가스 트랜스퍼 라인을 통한 흐름을 막을 수 있는 적어도 하나 이상의 밸브; 및
상기 가스 평형 엔진의 배출구와 상기 상대류 열교환기의 되돌아오는 부분으로의 흡입구 사이의 바이패스 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 10에 따른 수증기 극저온 패널을 빠르게 예열하는 방법에 있어서,
상기 방법은,
바이패스 밸브를 여는 단계;
상기 저온 가스 트랜스퍼 라인을 통한 흐름을 막을 수 있는 상기 적어도 하나 이상의 밸브를 닫는 단계;
상기 정상적으로 닫힌 밸브를 여는 단계; 및
상기 가스 평형 엔진을 작동시키는 단계;를 포함한 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수증기 극저온 패널을 빠르게 예열하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 수증기 저온 펌프는,
상대류 열교환기의 고압측의 고온부(warm end)와 상대류 열교환기의 저압측의 저온부(cold end) 사이에 있는 바이패스 라인;
바이패스 라인에 있는 정상적으로 닫혀있는 밸브;
바이패스 라인의 고온부에서 저온부의 방향으로만 가스 흐름을 허용하는 바이패스 라인에 있는 압력 완화 밸브(pressure relief valve);
트랜스퍼 라인을 통해서 흐름을 막을 수 있는 적어도 하나 이상의 밸브; 및
가스 평형 엔진의 배출구와 상대류 열교환기의 저압측 저온부 사이에 있는 바이패스 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수증기 저온 펌프.
청구항 12에 따른 가스 평형 엔진과 상대류 열교환기를 빠르게 예열하는 방법에 있어서,
상기 방법은,
바이패스 밸브를 여는 단계;
저온 가스 트랜스퍼 라인을 통한 가스 흐름을 막는 적어도 하나 이상의 밸브를 닫는 단계;
정상적으로 닫혀있는 밸브를 여는 단계; 및
상기 가스 평형 엔진을 작동시키는 단계;를 포함한 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 평형 엔진과 상대류 열교환기를 빠르게 예열하는 방법.