KR102095739B1 - 2단 극저온 냉동기 및 관련 장착 설비를 포함하는 조립체 - Google Patents

2단 극저온 냉동기 및 관련 장착 설비를 포함하는 조립체 Download PDF

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Abstract

2단 극저온 냉동기(17)와 관련 장착 설비를 포함하는 조립체는 냉동기(17)의 제 1 단(30) 및 제 2 단(32)에 대응하는 제 1 단(61) 및 제 2 단(68)을 갖는 소크(15)(sock)을 포함하며, 냉동기의 제 1 단이 소크의 제 1 단과 열 접촉하며 냉동기의 제 2 단이 소크의 제 2 단과 열 접촉한다.

Description

2단 극저온 냉동기 및 관련 장착 설비를 포함하는 조립체 {AN ASSEMBLY COMPRISING A TWO-STAGE CRYOGENIC REFRIGERATOR AND ASSOCIATED MOUNTING ARRANGEMENT}
본 발명은 극저온 냉동기와 냉각 구성요소들 사이에 열적 연결을 제공하기 위한 개선된 설비들에 관한 것으로서, 냉동기는 제거가능하며 열적 연결은 열적 저항의 확실한 증가 없이 차단 및 재-형성될 수 있어야 한다.
본 발명은 특히, MRI 시스템(system)들을 위한 초전도 자석들을 냉각하는데 사용되는 저온유지장치(cryostat)에서 헬륨을 재응결시키기 위해 약 4.2K의 온도로 냉각하는 2단 극저온 냉동기의 맥락에서 설명된다.
도 1은 냉각제 용기(12)를 포함하는 저온유지장치의 종래의 설비를 도시한다. 냉각된 초전도 자석(10)이 외측 진공 챔버(OVC; outer vacuum chamber)(14) 내에 자체 보유되는 냉각제 용기(12) 내에 제공된다. 하나 또는 그 초과의 열 복사(radiation) 차폐물(16)들이 냉각제 용기(12)와 외측 진공 챔버(14) 사이의 진공 공간 내에 제공된다. 몇몇 공지된 설비들에서, 냉동기(17)는 저온유지장치 쪽을 향해서 그런 목적으로 제공되는 터릿(turret)(18) 내에 위치된 냉동기 소크(15)(sock)에 장착된다. 이와는 달리, 냉동기(17)는 저온유지장치의 상부에 장착되는 접근 목부(20; neck)(통풍 튜브(tube))를 유지하는 접근 터릿(19) 내에 위치될 수 있다. 냉동기(17)는 몇몇 설비들에서 극저온 가스(gas)를 액체로 응결시킴으로써 냉각제 용기(12) 내의 극저온 가스를 냉각시키기 위한 능동 냉동을 제공한다. 냉동기(17)는 또한 복사 차폐물(16)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 냉동기(17)는 2단(two-stage) 냉동기일 수 있다. 제 1 냉각 단(30)은 복사 차폐물(16)과 열적으로 연결되며 제 1 온도, 통상적으로 80 내지 100K 범위로의 냉각을 제공한다. 제 2 냉각 단(32)은 훨씬 더 낮은 온도, 통상적으로 4 내지 10K 범위로의 극저온 가스에 대한 냉각을 제공한다. 현재의 극저온 냉동기들에 있어서, 제 1 단은 약 50K에서 약 44W의 냉각을 그리고 약 4K에서 약 1W의 냉각을 제공할 수 있다.
음(negative) 전기 연결부(21a)는 보통, 저온유지장치의 본체를 통해서 자석(10)에 제공된다. 양(positive) 전기 연결부(21)는 보통, 통풍 튜브(20)를 통해 통과하는 전도체에 의해 제공된다.
US 4 667 487, US 4 986 077, JP HO5 245394A는 극저온 냉동기를 장착하기 위한 종래의 설비들을 설명한다.
본 발명은 특히, 극저온 냉동기(17)를 위한 장착 설비들 및 냉동기 소크(15)와 극저온 냉동기의 간섭에 관한 것이다.
냉동기(17)의 제 1 단(30)은 일반적으로 소크의 제 1 단과 접촉하게 압착된다. 소크의 상기 제 1 단은 일반적으로 열 복사 차폐물(16)과 열 접촉한다. 측면소크의 하부 폐쇄 단부에, 냉동기의 제 2 단(32)이 제공된다. 제 위치에 있을 때, 냉동기(17)의 제 2 단(22)은 소크(15)의 제 2 단과 접촉하게 압착될 수 있다. 소크의 제 2 단은 통상적으로, 냉각제 용기(12) 내의 극저온 냉각제에 노출되는 열 교환기에 열적으로 연결된다. 몇몇 설비들에서, 열 교환기는 냉각제 용기의 내측에 직접적으로 노출된다. 다른 설비들에서, 열 교환기는 하나 또는 그 초과의 통로들에 의해서 주 냉각제 용기에 연결되는 작은 재응결 챔버 내에 위치된다.
그러한 설비들에서, 사용시 극저온 온도로 유지되어야 하는 소크(15)의 단들과 냉동기(17)의 단들 사이에 효과적인 열 접촉을 제공하기 위해서 냉동기의 제 1 단 및 제 2 단 모두에 적합한 기계 압력을 갖는 것이 중요하다.
냉동기 소크(15)는 조립 공차(build tolerance)들로 인한 구성요소 크기들의 변동들에도 불구하고 효과적인 기계 연결을 보장하기 위한 시도로, 몇몇 빌트 인(built in) 종류의 가요성 연결부를 가질 수 있다.
냉동기(17)의 제 1 단 및 제 2 단은 도 2에서 더 명확히 볼 수 있다. 냉동기와 소크 사이의 불충분한 열 접촉의 경우에, 효과적인 냉각이 열 복사 차폐물과 열 교환기에 제공되지 않을 것이며, 냉각제 용기 내에 요구되는 온도를 유지하는 것이 불가능할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(32)의 제 2 단이 열 교환기와 기계식으로 접촉하게 압착되는 단단한 기계식 접촉이 사용될 수 있다. 이는 통상적으로, 소크(15)의 길이에 대한 신중한 선택에 의해서 특히 소크의 제 1 단과 제 2 단 사이의 거리가 냉동기의 제 1 단과 제 2 단 사이의 거리에 대응하도록 배열된다. 냉동기의 제 1 단과 소크의 제 1 단 사이의 열 접촉은 냉동기의 제 1 단과 소크의 제 1 단이 상보적인 테이퍼(taper)들을 갖는 중실형 금속 단편에 의해 제공되는 직접적인 기계식 접촉에 의해 달성될 수 있다. 제작 공정들에 내재된 치수 편차로 인해서, 열 버스 바(thermal bus bar)와 접촉되게 배열되는, 냉동기의 제 2 단과 소크의 제 2 단 사이의 적합한 기계 압력뿐만 아니라, 냉동기의 제 1 단과 소크의 제 1 단 사이의 적합한 기계 압력을 신뢰성 있게 달성하는 것이 어렵다. 냉동기의 단들과 소크의 단들의 맞물림 면들이 조립 공차로 인해 정확히 형성되지 않는다면, 열 접촉 표면적과 따라서 재응결 성능이 감소될 수 있다. 소크의 제 2 단은 통상적으로 소크의 폐쇄 단부에 놓이며, 따라서 소크의 제 1 단과 소크의 제 2 단 사이의 거리는 소크의 조립 중에 일정하다. 이는 또한, 냉동기가 재설치될 때 열 버스 바와의 허용가능한 열 접촉을 여전히 달성하면서, 서비스를 위해(for servicing) 소크로부터 냉동기를 제거하고, 이를 교체 또는 대체하는 것이 가능해야만 한다.
도 13은 제 1 단(H1) 및 제 2 단(H2)을 갖는 극저온 냉동기(R)가 제 1 단(F1) 및 제 2 단(F2)을 갖는 소크(2) 자체 내에 위치되는, US 2005/0166600 호에 설명된 바와 같은 예시적인 종래 기술의 설비를 도시한다. 각각의 제 1 단과 제 2 단 사이의 효과적인 열 결합부들을 만들기 위해서, 통상적으로 극저온유지장치(100)에 부착되는, 소크의 상부에 있는 장착 지점(F3)에 상부 플랜지(flange)를 볼트결합(bolting)시킴으로써 냉동기의 상부 플랜지(4)에 압력이 가해진다. 이는 냉동기를 소크의 내측으로 압착하며 냉동기의 제 1 단(H1)과 소크의 제 1 단(F1) 사이 및 냉동기의 제 2 단(H2)과 소크의 제 2 단(F2) 사이에 접촉 압력을 제공한다. 관련된 다양한 구성요소들의 조립 공차에 따라서, 제 1 단과 제 2 단 사이의 접촉력의 분포가 변화할 것이다. 냉동기와 소크의 각각의 단 사이의 인듐 와셔(3a,3b)(indium washer) 또는 열 전도성 그리스(grease) 층을 제공하는 것이 신중한 것임을 알 수 있지만, 냉동기가 서비스(service) 및 교체를 위해 제거될 때 그와 같은 인듐 와셔 또는 그리스는 제거하는 것이 어렵다. 더욱 중요하게는, 상대적으로 큰 힘이 플랜지(4)에 가해지며, 이는 압축력을 냉동기에 그리고 인장력을 소크에 부과한다. 냉동기(R)는 취약한 정밀 기계이며, 상당한 힘들이 냉동기의 몸체에 부과되는 것을 예방하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 냉동기의 제 2 단과 열 교환기와 같은 냉각 구성요소 사이에 효과적인 열적 접합부를 제공한다. 본 발명은 상당한 힘이 냉동기의 몸체에 부과되는 것을 예방한다.
본 발명은 위에서 설명된 문제점들을 다루며 첨부된 특허청구범위에 정의된 바와 같은 장치를 제공한다.
본 발명의 전술한 그리고 추가의 목적들, 특징들 및 장점들은 첨부 도면들과 함께 단지 비-제한적인 예들로 주어진 다음의 특정 실시예들에 대한 설명으로부터 더욱 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 변형될 수 있는 종래의 극저온 냉각 초전도 자석 조립체를 개략적으로 예시하며,
도 2는 본 발명의 설비에 사용될 수 있는 상업적으로 이용가능한 극저온 냉동기를 예시하며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 특정 특징들에 따라 변형된 도 2의 냉동기를 도시하며,
도 4는 본 발명의 특정 특징들에 따른, 극저온 냉동기를 수용하기 위한 소크를 도시하며,
도 5는 도 4의 도면과 유사하지만, 특정 특징들의 속이 보이게 도시된 도면을 도시하며,
도 6은 도 4 및 도 5에 예시된 것과 같은 소크를 통한 축방향 횡단면을 도시하며,
도 7은 도 5에 도시된 것과 같은 소크의 내측에 조립되는 도 3a 및 도 3b의 냉동기를 도시하는 도면이며,
도 8은 도 7의 조립체를 통한 축방향 횡단면을 도시하며,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉동기 및 장착 설비를 통한 횡단면을 예시하며,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 극저온 냉동기를 위한 장착 설비의 횡단면을 나타내며,
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예들의 개략도들을 도시하며,
도 13은 위에서 논의된, 2단 극저온 냉동기 및 관련 장착 설비를 포함하는 종래의 조립체를 도시한다.
본 발명은 2단 극저온 냉동기의 단들과 냉동기 소크의 대응하는 단들 사이의 효과적인 열 접촉을 보장하기 위해서 개선된 냉동기 소크 및 개선된 상호관련 설비들을 제공한다.
본 발명의 특징에 따라서, 냉동기의 제 2 단은 하나 또는 그 초과의 볼트(bolt)들 또는 유사한 기계적 체결기들에 의해서 냉각 구성요소에 기계식으로 부착된다. 바람직하게, 기계식 체결기는 소크 및 OVC의 외측으로부터 접근가능하다. 극저온 냉동기의 제거 또는 설치가 요구될 때 체결기로의 접근을 허용하도록 밀봉된 포트(port)가 제공될 수 있다.
본 발명의 예에서, 냉동기는 빈 냉동기 소크 내에 장착되지만, 냉동기와 소크의 열 접촉 표면들은 볼트들 또는 유사한 기계식 체결기들에 의해 함께 압착된다. 다른 유사한 고정 수단이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다. 냉동기의 몸체에 축방향 압축 하중을 요구함이 없이 냉동기의 제 2 단과 소크의 제 2 단 사이에 제어된 클램핑력(clamping force)이 제공될 수 있게 하는 하나 또는 그 초과의 체결기가 사용된다. 제어된 클램핑력은 필요하다면, 냉동기의 하나 또는 그 초과의 단 및/또는 소크의 하나 또는 그 초과의 단에 대한 약간의 변형을 제공하며, 그에 의해서 냉동기와 소크 사이에 증가된 접촉 면적을 제공한다. 이는 효과적인 열 접촉이 심지어 냉동기의 일부 부품들을 통하여 제공될 수 있거나/있으며 소크가 허용된 제조 공차 내에서 부정확하게 조립될 수 있기 때문에 유리하다.
도 2 내지 도 8은 대략 수평인 그들의 축선(A-A)을 갖는 냉동기(17) 및 냉동기 소크(15)를 도시한다. 본 발명의 실시예들에서, 사용시 축선(A-A)은 도 1에 도시된 바와 같이 통상적으로 대략 수직일 것이나, 표시의 용이함을 위해서 도면들에 대략 수평으로 도시된다. 소크는 냉동기가 도 1에 도시된 바와 같이 "직립(upright)" 또는 역전(inverted) 상태인 수직에서 더 양호하게 작동하지만 임의의 각을 이룰 수 있다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는, 상업적으로 이용가능한 바와 같은 2단 극저온 냉동기(17)를 도시한다. 냉동기는 제 1 단(30) 및 제 2 단(32)을 가진다. 냉동기를 OVC(14)에 부착하기 위해서 OVC 플랜지(34)(flange)가 제공되며, 상기 플랜지는 냉동기 소크(15)에 진공 밀봉을 제공하는데 사용된다. 작동시, 제 1 단(30)은 약 50 내지 80K의 온도로 냉각되며, 제 2 단은 약 4K의 온도로 냉각되어서, 헬륨에 대한 재응결을 제공한다. 극저온 냉동기(17)의 내측 작동들은 본 발명의 요지가 아니다.
도 3a 및 도 3b는 두 개의 관점들로부터, 본 발명의 양태에 따라 변경된 도 2에 도시된 것과 유사한 극저온 냉동기(17)를 도시한다. 브레이싱 피스(bracing piece)(36)가 제 2 단(32)에 부착된 것으로 도시된다. 제 2 단의 하부 표면(44)은 브레이싱 피스(36)를 넘어 돌출한다. 브레이싱 피스(36)는 체결기(45)들에 의해서 제 2 단 주위에 함께 조립되고 추가의 체결기(42)에 의해서 제 2 단에 기계식으로 부착되는 하나 이상의 피스(piece)로 형성된 것으로 도시된다. 제 2 단으로부터 반경방향으로 멀어지게 연장하는 브레이싱 피스의 부품들인 3 개의 돌기(48)들이 도시된다. 3개보다 더 많거나 적은 것이 제공될 수 있으나 3 개가 현재 바람직한 개수이다. 각각의 돌기들은 캡티브 체결기(captive fastener; 40)를 휴대한다. 전용 체결기는 오목한 6각형 헤드(head)를 갖춘 볼트일 수 있으나, 등가의 체결기들이 사용될 수 있다. 브레이싱 피스 및 체결기들의 목적은 아래에서 설명될 것이다.
도 4는 본 발명의 양태에 따른 냉동기 소크(15)의 예를 도시한다. 제 1 단(61)이 도시된다. 극저온유지장치 내에 설치될 때, 제 1 단(61)은 열 복사 차폐물(16)과 열 접촉할 것이다. 열 교환기(70)는 소크의 폐쇄 단부에 제공되며, 소크의 제 2 단(68)에 열적으로 연결되나, 재응결 챔버(50)가 열 교환기 주위에 위치되므로 도 4에서는 보이지 않는다. 냉각제 공급 및 복귀 파이프(pipe)(52)들이 도시된다. 사용시, 이들은 냉각제 용기(12)와 재응결 챔버(50) 사이에 접근을 제공할 것이다. 벨로우즈(bellows) 설비(54)는 소크(15)의 하부 섹션(section)(57)의 벽(56)에 제공되며, 상기 하부 섹션은 제 1 단(61)과 제 2 단(68) 사이로 연장한다. 소크의 상부 부품(59)의 벽(58)은 벨로우즈 섹션을 요구하지 않는데, 이는 조립 공차 내의 편차가 OVC와 냉동기 플랜지(34) 사이의 경계면에서 (예시되지 않은)O-링 시일(o-ring seal)에 의해 OVC와 제 1 단 사이에서 조절될 수 있기 때문이다. 기계식 타이 로드(60)(tie rod)들은 제 2 단 유지 구조물(63)에 대해 소크의 제 1 단(61)을 조인다. 도시된 바와 같이, 타이 로드들은 치형 단부들을 갖춘 간단한 로드(60)들이며, 너트(62)(nut) 또는 유사한 체결기들이 소크의 제 1 단(61) 및 제 2 단 구조물(63)에 대해 떠받쳐서, 타이 로드에 인장력을 제공한다. 예시된 실시예에서, 4 개의 타이 로드(60)들이 도시되지만, 더 많거나 더 적은 타이 로드가 사용될 수 있다. 상부 경계면 피스(64)가 도시된다. 사용시, 경계면 피스(64)가 통상적으로, OVC(14) 내의 대응하는 구멍 내측으로 용접되어서, OVC의 내측으로부터 소크의 내측을 밀봉하고 OVC 플랜지(34)에 장착 지점을 제공할 것이다.
도 5는 재생기 소크(15)의 유사 도면을 도시하며, 이때 도시된 소크의 벽(58)들은 속이 다 보인다. 본 도면에서, 소크의 제 1 단(61)에는 냉동기(17)에 부착되는 브레이싱 피스(36)가 통과되기에 적합한 형상 및 크기의 절취부(66)가 제공된 것으로 도시된다. 제 2 단(68)은 제 2 단에 열적으로 연결되는 열 교환기(70)와 함께 보인다. 소크의 단부를 폐쇄하며 유지 구조물(63)과 타이 로드(60)들에 의해 제 1 단(61)에 대해 조여지는 단부 피스(72)가 도시된다. 단부 피스(72)는 아래에서 설명되는 바와 같이, 체결기(40)들을 수용하기 위한 나사 구멍들 또는 오목부(74)들을 포함한다. 아이템(item)(64)이 OVC에 용접되며, 브레이싱 피스(36)와 제 1 단 경계면 피스(38)가 통과하기에 충분히 큰 구멍인 중앙 구멍을 가질 필요가 있을 것이다.
도 6은 축선(A-A)을 포함하는 평면에서 취한, 도 5의 구조물을 통한 횡단면을 도시한다. 위에서 설명된, 소크의 하부 섹션(57)의 상세한 구조는 본 도면에서 더욱 명확하게 예시된다.
도 7은 도 5의 도면과 유사한 도면을 도시하며, 여기서 소크의 벽(56,58)은 속이 다 보이게 도시된다. 도 8은 축선(A-A)을 포함하는 평면에서 취한 횡단면인 유사한 도면을 도시한다. 냉동기(17)는 제 위치에 도시된다. 브레이싱 피스(36)의 돌기(48)는 예를 들어, 오목한 6각형 헤드의 M8 또는 M10 볼트들일 수 있는 체결기(40)들에 의해서 단부 피스(72)에 기계식으로 부착된다. 위에서 언급한 바와 같이, 냉동기의 제 2 단(32)은 브레이싱 피스(36)를 넘어서 돌출한다. 체결기(40)의 인장력은 냉동기의 제 2 단(32)의 단부 표면(44)이 냉동기 소크의 제 2 단(68)의 노출된 표면 상으로 압착되게 한다. 이는 소크의 제 2 단(68) 및 열 교환기(70)와 효과적으로 열 접촉되게 냉동기의 제 2 단을 배치한다. 소크의 하부 섹션(57)의 벽(56)의 축방향 길이 및 벨로우즈(54)를 변형시키는데 요구되는 힘의 적절한 선택에 의해서, 냉동기(17)의 제 2 단과 소크의 제 2 단(68) 사이에 효과적인 열 접촉이 제공되게 함과 동시에, 냉동기의 제 1 단(30), 제 1 단 경계면 피스(38) 및 소크의 제 1 단(61) 사이에 적합한 압력이 제공되게 하는 것을 보장할 수 있다.
체결기(40)들은 냉동기(17)가 소크(15) 내에 배치된 이후에 조여져야 한다. 냉동기가 제위치에 있다면 공구가 체결기(40)들의 헤드(head)들에 도달하도록 접근이 제공되어야 한다. 통상적으로, 체결기(40)들의 헤드들은 OVC의 표면 아래 약 400 mm에 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 8에 도시된 바와 같이, 긴 앨런 키(Allen key)와 같은 공구가 체결기(40)들의 헤드들에 도달하여 그들을 조이는 것을 허용하도록 제 1 단 경계면 피스(38)와 경계면 피스(64) 내에 제공된다. 유사하게, 도 7에 도시된 바와 같이, 소크(15)의 제 1 단(61) 내의 절취부(66)는 체결기(40)와 정렬된다. 이들은 또한 체결기(40)와 정렬된다. 따라서, 냉동기(17)가 소크(15) 내에 위치되면, 선택된 체결기(40)의 형태에 적절하기 때문에 긴 앨런 키 또는 스크류 드라이버(screwdriver)와 같은 공구가 체결기(40)에 도달하도록 접근 구멍(76,74) 및 절취부(66)를 통해 통과한다. 체결기(40)들은 그 후에 제 2 냉동기 단(32)의 단부 표면(44)과 소크의 제 2 단(68)의 인접 표면 사이에 유효 접촉 표면적을 보장하기에 충분한 예정된 토크(torque)로 조여진다.
바람직하게, 벨로우즈(54)를 포함한 소크의 하부 벽(56)의 길이는 체결기(40)들에 대한 조임으로 벨로우즈(54)들에 대한 약간의 압축을 초래할 정도이다. 이와는 달리 또는 추가로, 구성요소들 간의 상대적인 열 팽창 계수들은 냉동기가 그의 작동 온도로 냉각될 때 벨로우즈(54)들의 약간의 압축을 유발한다. 벨로우즈(54)들의 압축은 적절한 경계면 압력(interface pressure)이 냉동기의 제 1 단(30)과 소크의 제 1 단(61) 사이에 제공되는 것을 보장한다. 그와 같은 경계면 압력은 비록 냉동기의 제 1 및 제 2 단들과 소크의 제 1 및 제 2 단들 사이의 정밀한 축방향 분리가 조립 공차로 인해 변할 수 있더라도 공차 범위 내에서 유지된다. 나중에, 진동이 소크 내에 펌프되며(pumped), 벨로우즈들은 아래에서 더욱 구체적으로 논의되는 바와 같이, 내측 기압의 손실로 인해 이완될 것이다.
체결기(40)들은 상부 경계면 피스(64)를 통해 접근된다. 바람직하게, 체결기들은 전용이며, 클램핑력의 제공에 부가하여 이들은 냉동기의 제거를 위한 잭킹 스크류(jacking screw)들로서 사용될 수 있다.
이러한 설계의 다른 특징은 소크(15)의 제 1 단(61)과 제 2 단(68)에 걸쳐지는 타이 로드(60)이다. 냉동기(17)가 피팅될(fitted) 때, 소크(17)는 OVC의 내측에 노출되는 표면에 대해 내측에는 기압을 그리고 외측에는 진공을 가진다. 소크(15)의 기저부에 작용하는 기압은 벨로우즈들을 연장시키는 경향이 있을 것이다. 이들 조건들 하에서, 타이 바(tie bar)(60)들 및 유지 구조물(63)은 벨로우즈(54)들의 과-연장(over-extension)을 방지하도록 단부 피스(72)를 억제한다. 냉동기(17)가 피팅되고 진공이 소크(15) 내부로 흡인될 때, 벨로우즈들은 약간 압축되어서, 단부 피스(72)가 억제 구조물(63)로부터 분리되게 하며 타이 바(60)들이 움직이지 않게 하며 따라서 냉동기(17)의 작동 중에 타이 바(60)가 열 전달 통로로서 작용하는 것을 방지한다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, 약 4K의 온도에서 사용하기에 적합한 인듐 정합(conformal) 층 또는 열 전도성 그리스가 소크의 제 1 단(61)과 냉동기의 제 1 단(30) 사이에 제공될 수 있다. 이러한 정합 층은 냉동기의 제 1 단(30)과 소크의 제 1 단(61) 사이의 효과적인 열 접촉을 보장하는 것을 돕는다. 유사하게, 약 4K의 온도에서 사용하기에 적합한 인듐 정합 층 또는 열 전도성 그리스가 냉동기의 제 2 단(32)과 소크의 제 2 단(68) 사이에 배치될 수 있다. 피스톤-형(piston-type) O-링 시일은 조립 공차가 제 1 단에서 받아들여질 수 있도록 OVC에 제공될 수 있다.
위의 실시예들에서, 상기 체결기 또는 각각의 체결기는 소크의 제 1 단과 소크의 제 2 단 사이로 연장하는 소크의 섹션 내에 위치된다. 체결기(들)는 소크의 제 2 단과 접촉되게 냉동기의 제 2 단을 기계식으로 클램프(clamp)하도록 냉동기의 제 2 단 및 소크의 제 2 단에 작용한다.
도 9는 냉동기의 제 2 단(124)이 냉동기의 제 1 단(122) 위에 있고 소크(15)의 폐쇄 단부가 개방 단부 위에 있도록 극저온 냉동기(17)가 역전되어 있는 본 발명의 다른 전형적인 실시예를 예시한다. 그와 같은 설비는 열 교환기(130)가 써머싸이폰(thermosiphon)의 상부에 더욱 쉽게 위치될 수 있게 허용하나, 본 발명은 또한 제 1 단(122) 아래의 제 2 단(124)에 그리고 소크의 개방 단부 아래의 소크(15)의 폐쇄 단부에 더욱 편리하게 장착되는 설비들로 연장한다.
도 9에 예시된 실시예에서, 써머싸이폰 냉각 루프 설비(thermosiphon cooling loop arrangement)의 일부인 열 교환기(130)가 제공된다. 써머싸이폰 튜브(132)들이 소크(15)의 벽을 통해서 열 교환기(130)에 연결된다. 열 교환기(130)는 소크의 폐쇄 단부와 제 1 단(152) 사이로 연장하는 소크의 섹션 내에 배치된다. 열 교환기(130)는 극저온 냉동기(17)에 의해 냉각되는 챔버(135)를 한정한다. 사용시, 상대적으로 따뜻한 냉각제 가스가 입구 포트(134)를 통해서 열 교환기(130)의 챔버(135)로 진입할 것이다. 냉동기(17)의 제 2 단(124)에 의해 냉각제로부터 열이 추출된다. 냉각된 냉각제는 액체로 재응결될 수 있다. 냉각된, 바람직하게 액체인 냉각제가 튜브(132)들을 통해 써머싸이폰 냉각 루프 주위로 재순환하도록 출구 포트(136)로부터 유동한다. 입구 및 출구 포트(134,136)들은 바람직하게, 예시된 벨로우즈들과 같은 가요성 요소를 포함한다. 이는 기계적 오정렬 및 열 수축의 차이를 보상하기 위해서 열 교환기(130)의 약간의 상대적 운동을 허용한다. 본 발명의 특징에 따라서, 열 교환기(130)는 제어된 경계면 압력이 열 교환기(130)와 냉동기의 제 2 단(124) 사이에서 달성될 수 있게 허용하는 하나 또는 그 초과의 볼트(138)들 또는 유사한 기계식 체결에 의해서 냉동기의 제 2 단(124)에 부착된다. 본 발명은 냉동기의 몸체에 충분한 힘들이 배치되는 것을 예방한다. 페그(peg) 및 공동과 같은 위치선정 수단이 냉동기의 제 2 단(124)에 열 교환기(130)의 위치선정을 돕도록 제공될 수 있다.
바람직하게, 열 교환기의 위치는 소크의 폐쇄 단부의 위치에 무관하게 특정 범위만큼 이동될 수 있다.
일 실시예에서, 열 교환기(130) 및 내측 및 외측 포트(134,136)들은 그의 제작 중에 소크의 내측으로 조립된다. 소크는 그 후에 OVC(14) 내에, 바람직하게 터릿(18) 내부에 조립된다. 후의 조립 공정 중에, 냉동기의 제 2 단(124)이 열 교환기(130)와 간섭하도록 냉동기(17)가 소크(15) 내부에 설치된다. 체결기(138)는 그 후에 열 교환기(130)와 냉동기의 제 2 단(124) 사이에 요구되는 경계면 압력을 가하도록 조여진다. 바람직하게, 체결기는 이런 조립 단계를 용이하게 하기 위해서 열 교환기에 전용이다. 대안의 설비에서, 열 교환기(130)에는 관통-구멍이 제공될 수 있으며, 냉동기의 제 2 단으로부터 돌출하는 치형 스텃(threaded stud)이 제공될 수 있어서 설치시 치형 스텃이 열 교환기 내의 구멍을 통해 통과하며 치형 너트가 요구되는 기계적 체결을 제공하도록 스텃에 적용될 수 있다.
재-밀봉가능한 접근 포트(140)가 제공되며, 기술자가 OVC의 외측으로부터 소크 내의 체결기(138)로의 접근을 획득할 수 있게 한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이는 체결기(138)(들)의 정반대 쪽에 접근 포트를 배치함으로써 간단히 달성될 수 있다. 포트는 OVC(14)의 내측으로부터 소크(15)의 내측을 격리시키도록 배열되어야 한다. 예시된 바와 같이, 이는 소크 내측으로의 접근과 OVC 내의 포트(140) 사이에 벨로우즈(142)들을 부착함으로써 달성될 수 있다. 벨로우즈들은 포트의 재료를 통한 전도에 의한 열의 유입을 제한하기 위해서 열 절연 재료이어야 한다. 제거가능할 수 있는 배플(baffle)들이 포트(140)로부터의 복사에 의한 열 유입을 감소시키기 위해서 포트 내부에 위치될 수 있다. 열 복사 차폐물(16)들은 OVC의 재료로부터 소크로 열 유입을 감소시키기 위해서 소크(15)와 OVC(14) 사이에 배치되어야 한다. 통상적으로, 알루미늄 처리된 폴리에스테르(aluminized polyester)의 시이트(sheet)들과 같은 다층 절연체가 또한 OVC(14)와 열 복사 차폐물(16) 사이에 제공될 것이다.
포트(140)는 자체적으로 다양한 형태들을 취할 수 있다. 예시된 예에서, 플러그(plug)(144)에는 O-링 시일(146)(seal)들이 제공되며 차압에 의해서 제 위치에 대부분 유지된다. 기압은 플러그(144)의 외측 표면에 작용하는 반면에, 소크 내부의 진공은 플러그의 내측 표면에 작용한다. 바람직하게, 밸브(valve)(148)가 플러그(144) 내에 제공되어서 소크(15) 내부의 진공이 냉동기의 제거를 준비하기 위해 해제될 수 있다. 동일한 밸브가 진공을 소크 내에 최초로 흡입하는데 사용될 수 있다.
도 10은 도 9의 도면과 유사한 도면을 도시하지만, 단지 장착 설비(150)만을 도시하며 냉동기(17)와 포트 플러그(144)는 제거되어 있다. 소크의 제 1 단(152)이 도시되며 테이퍼가 보인다. 위에서 설명된 바와 같이, 이러한 테이퍼는 소크(15) 내부에 냉동기(17)의 위치선정을 도우며 냉동기의 제 1 단(122)과 소크의 제 1 단 사이의 효과적인 열적 접촉을 제공하는 것을 돕는다. 소크의 제 1 단(152)은 열 복사 차폐물(16)에 열적으로 결합(153)되어서 대략적으로 냉동기의 제 1 단(122)의 온도로 열 복사 차폐물에 대한 냉각을 제공한다.
열 교환기(130)가 써머사이폰 냉각 루프의 일부를 형성하는, 도 9 및 도 10에 도시된 설비가 매우 효율적인데, 이는 냉각제의 완전한 유동이 열 교환기를 통과할 수 있기 때문이다. 본 발명의 범주 내에서 다른 설비들이 제공될 수 있으며, 예를 들어 열 교환기(130)가 하나 또는 그 초과의 튜브(132)들에 의해서 도 1에 도시된 바와 같은 냉각제 용기(12)에 연결될 수 있다.
도 9의 실시예에서, 상기 체결기 또는 각각의 체결기가 소크의 제 1 단과 소크의 폐쇄 단부 사이로 연장하는 소크의 섹션(section of the sock) 내부에 위치된다. 체결기(들)는 열 교환기와 접촉하게 냉동기의 제 2 단을 기계식으로 클램프하도록 냉동기의 제 2 단과 열 교환기에 작용한다.
도 11은 냉각제 유동을 운반하는 열 교환기(130)가 냉동기의 제 2 단(124)과 기계식으로 접촉하게 열 버스 바(155)에 의해 대체된 실시예를 나타낸다. 소크(15)는 제 2 단(154)에 의해 종래대로 폐쇄될 수 있으며, 전용 볼트(138)와 같은 기계식 체결기는 소크의 제 2 단 내의 구멍을 통해 냉동기의 제 2 단(124) 내의 치형 구멍으로 연장하도록 열 버스 바 내에 제공될 수 있다.
도 11에서, 소크(15)는 제 1 단(152) 및 제 2 단(154)을 가지며, 이들 각각은 사용시 극저온 냉동기(17)의 대응하는 제 1 단(122) 및 제 2 단(124)과 접촉하며, 여기서 하나 또는 그 초과의 기계식 체결기(138)들이 제공되어서 냉동기의 제 2 단(124)과 소크의 제 2 단(154) 사이에 효과적인 열 접촉이 보장된다. 그러나, 요구에 따라 체결기들을 조이고 해체하기 위한 접근을 제공하도록 재밀봉가능한 포트(144)를 통해서 접근이 제공되어야 한다.
도 11의 실시예에서, 상기 체결기 또는 각각의 체결기는 냉동기의 제 2 단 및 소크의 제 2 단에 작용하여 소크의 제 2 단과 접촉하게 냉동기의 제 2 단을 기계식으로 클램프하도록 소크의 제 2 단(154)을 횡단한다.
도 12에 나타낸 설비에 있어서, 소크(15)의 제 2 단(154)은 예를 들어, 구리의 열 전도성 블록(block)을 포함한다. 냉동기의 제 2 단(124)에 인접하게 연장하는 돌기(156)들이 제공된다. 일반적으로 공지된 주빌리 클립(Jubilee clip)과 같은 해제가능한 압축 밴드(158)(band)가 돌기들 주위에 제공된다. 제 위치에 있는 냉동기(17) 및 접근을 제공하도록 개방된 포트(예시 않음)에, 해제가능한 압축 밴드(158)가 적절한 방식으로 예를 들어, 드라이브 스크류(160)(drive screw)를 조임으로써 조여질 수 있다. 포트는 그 후에 폐쇄되어야 하며, 진공이 소크 내측으로 흡인된다. 포트의 구조는 도 9 및 도 11에 예시된 대로일 수 있고 그 도면들을 참조하여 설명되지만, 도 12에 도시된 바와 같은 설비를 위한 소크의 측벽에 더욱 편리하게 위치될 수 있다.
도 12의 실시예들에서, 상기 체결기 또는 각각의 체결기가 소크의 제 1 단과 소크의 제 2 단 사이로 연장하는 소크의 섹션 내부에 위치된다. 체결기(들)는 냉동기의 제 2 단에 그리고 소크의 제 2 단에 작용함으로써 냉동기의 제 2 단을 소크의 제 2 단과 접촉하게 기계식으로 클램프한다.
따라서, 본 발명은 2단 극저온 냉동기의 제 2 단이 소크의 제 2단 또는 열 교환기와 같은 냉각 구성요소와 접촉되게 클램프되는 설비들을 제공한다.
본 발명의 설비는 냉동기의 구성이 그와 같은 설비를 허용할 것이라는 가정하에, 실행가능하다면 자석 상의 임의의 방위 또는 위치에 사용될 수 있다. 가능한 한 높게 위치될 열 교환기(130)에 대한 높이 제한 또는 요건을 극복하기 위한 가능성을 예시하기 위해서 냉동기는 도 9 및 도 10에서 거꾸로 도시된다.
각각의 실시예에서, 본 발명은 상당한 힘들이 냉동기의 몸체에 놓여지는 것을 예방한다.

Claims (23)

  1. 2단 극저온 냉동기(two-stage cryogenic refrigerator; 17) 및 관련 장착 설비를 포함하는 조립체(assembly)로서,
    상기 2단 극저온 냉동기(17)의 제 1 단(122)에 대응하는 제 1 단(152) 및 폐쇄 단부를 갖는 소크(15)(sock)를 포함하며,
    상기 2단 극저온 냉동기의 제 1 단이 소크의 제 1 단과 열 접촉하며, 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단(124)이 소크의 제 1 단과 소크의 폐쇄 단부 사이에서 상기 소크 내부에 제공된 열 교환기(130)와 열 접촉하는, 조립체에 있어서,
    하나 또는 그 초과의 체결기(138)들이 소크의 제 1 단과 소크의 폐쇄 단부 사이로 연장하는 소크의 섹션(section) 내부에 제공되며, 상기 체결기(들)는, 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단을 상기 열 교환기와 접촉하게 기계식으로 클램프(clamp)하도록, 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단에 그리고 상기 열 교환기에 작용하고(도 9, 도 10),
    상기 열 교환기(130)는 상기 2단 극저온 냉동기(17)에 의해 냉각되는 챔버(135)(chamber)를 한정하고, 극저온 가스(cryogen gas)는 상기 열 교환기(130)의 챔버(135) 내의 유동 경로를 통해 유동하는 것을 특징으로 하는,
    조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2단 극저온 냉동기는, 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단(124)이 상기 2단 극저온 냉동기의 제 1 단(122) 위에 있고 소크(15)의 폐쇄 단부가 개방 단부 위에 있도록 소크 내에 장착되는 것을 특징으로 하는,
    조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환기(130)는 써머사이폰 설비(thermosiphon arragement)의 일부로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    써머사이폰 튜브(thermosiphon tube)(132)들이 소크(15)의 벽을 통해서 열 교환기(130)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    조립체.

  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    입구 포트(port)(134) 및 출구 포트(136)가 제공되어서, 써머사이폰 튜브(132)를 열 교환기(130)에 연결하며 상기 포트들 각각은 열 교환기의 위치가 소크의 폐쇄 단부의 위치에 무관하게 어느 정도만큼 이동될 수 있도록 가요성 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    조립체.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버(135)는 초전도 자석(10)을 둘러싸는 냉각제 용기(cryogen vessel; 12)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    조립체.
  8. 2단 극저온 냉동기(17) 및 관련 장착 설비를 포함하는 조립체(assembly)로서,
    상기 2단 극저온 냉동기(17)의 제 1 단(22) 및 제 2 단(124)에 대응하는 제 1 단(52) 및 제 2 단(154)을 갖는 소크(15)(sock)를 포함하며,
    상기 2단 극저온 냉동기의 제 1 단이 소크의 제 1 단과 열 접촉하며 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단이 소크의 제 2 단과 열 접촉하며,
    하나 또는 그 초과의 체결기(40)들이 소크의 섹션(section) 내부에 제공되며, 상기 섹션은 소크의 제 1 단과 소크의 제 2 단 사이로 연장하며, 상기 체결기(들)는 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단을 소크의 제 2 단과 접촉하게 기계식으로 클램프(clamp)하도록 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단에 그리고 소크의 제 2 단에 작용하는, 조립체에 있어서,
    상기 소크(15)의 제 2 단(154)은 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단(124)에 인접하게 연장하는 돌기들(156)을 포함하는 열 전도성 블록(block)을 포함하며,
    기계식인 상기 체결기는 상기 돌기들 주위에 제공되는 해제가능한 압축 밴드(band; 158)를 포함하고, 상기 압축 밴드(158)는, 상기 돌기들이 상기 2단 극저온 냉동기의 제 2 단과 열적 및 기계적 접촉을 유지하도록, 조여지는 것을 특징으로 하는,
    조립체.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
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