KR102133684B1 - 초전도 자석을 가온 및 냉각시키기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

히터를 구비한 극저온 냉각기 시스템은, 목표 대상물을 이동시키거나 그 진공을 중단하는 일 없이, 목표 대상물 저온 유지 장치를 통해 기체 극저온 유체를 순환시킴으로써, 목표 대상물을 가온한 후 냉각하는 휴대용 정비 시스템의 역할을 하도록 모듈 형태로 구성된다. 메인 모듈은, 히터에 의해 그리고 하나 이상의 GM 또는 브레이턴 사이클 팽창기에 의해 가스를 가온시키거나 냉각시킬 수 있는 열교환기를 통과하게 가스를 순환시키는 팬이 들어 있는 냉각기 저온 유지 장치이다. 하나 이상의 압축기, 가스 충전 및 배기 어셈블리, 제어 시스템, 가스 라인, 파워 라인 및 진공 자켓형 이송 라인을 비롯한 추가적인 구성요소가 메인 모듈 또는 추가적인 모듈에 조립될 수 있다. 일례로는, MRI 저온 유지 장치를 정비하도록 병원에서 끌고 다닐 수 있는 시스템이 있다.

Description

초전도 자석을 가온 및 냉각시키기 위한 시스템

본 발명은, 저온 유지 장치를 이동시키는 일 없이 그리고 진공을 중단하는 일 없이, 정비한 후 극저온으로 냉각할 수 있도록, 극저온 냉각 시스템에 의해, 즉 저온 유지 장치의 극저온 유체에 의해, 냉각된 목표 대상물을 극저온으로부터 주위 온도로 가온시키는 것에 관한 것이다.

극저온 냉각 시스템은, 예를 들어 자기 공명 영상(MRI) 저온 유지 장치의, 초전도 자석을 극저온으로 냉각시킬 수 있다. 초전도 자석은 통상적으로 액체 헬륨의 조(槽)에서 작동되고 극저온 냉각 시스템에 의해 냉각된다. 초전도 자석은 때때로, 정비되도록 상온으로 가온되고, 정비 이후에는 다시 냉각될 필요가 있다. 이론적으로 이는, 자석이 이동되는 일 없이 그리고 진공을 중단하는 일 없이 달성된다.

여기서, 극저온은 100 K 또는 -173℃ 미만으로 정의되며 주위 온도는 273 K 또는 0℃ 이상이다. 하나 이상의 극저온 냉각 시스템에 의해 냉각되는 장치, 시스템, 또는 대상물을 하나 이상의 "목표 대상물" 또는 하나 이상의 "저온 대상물"이라 한다. 목표 대상물 또는 저온 대상물은 통상적으로 헬륨 등과 같은 극저온 유체 내에 직접적으로 또는 간접적으로 배치된다. 목표 대상물 또는 저온 대상물은 극저온 유체에 의해 냉각된다.

추가적으로, 소형 스털링 또는 GM 타입 냉각기(즉, 극저온 냉각 시스템)의 저온 단부에 대한 직접 접촉에 의해 냉각되는 소형 적외선 탐지에서부터, 대형 터보-브레이턴 타입 냉각기에 의해 냉각되는 헬륨을 순환시킴으로써 냉각되는 가속기의 초전도 자석의 대형 어셈블리에 이르기까지, 극저온으로 작동되는 다수의 목표 대상물이 존재한다. 간단히 냉각기를 끄는 것, 냉각기를 끄고 히터로 목표 대상물을 가온하는 것, 목표 대상물에 전류를 통과시키는 것, 고온 가스를 순환시키는 것, 그리고 진공을 중단하는 것을 비롯한, 목표 대상물을 가온시키는 많은 다양한 방식들이 존재한다.

Longsworth의 미국 특허 제8,448,461호에는, MRI 자석을 40 K 미만으로 급속 냉각시키도록 구성된, 브레이턴 사이클에서 작동하는 엔진이 기술되어 있다. 이러한 브레이턴 사이클 엔진을 포함하는 냉각기는, 향류형 열교환기에 가스를 약 2 ㎫의 토출 압력으로 공급하는 압축기를 포함하는데, 이 압축기로부터 가스는 입구 밸브를 통과하여 엔진의 저온 단부에 있는 팽창 공간에 들어가게 되고, 이 가스는 약 0.8 ㎫까지 단열 팽창되며, 이렇게 팽창된(차가워진) 가스는 출구 밸브를 통해 배기되고, 이 저온 가스는 진공 자켓형 이송 라인을 통해 자석 저온 유지 장치로 순환된 후, 상기 가스는 상기 향류형 열교환기를 통해 압축기로 되돌아간다.

1 ㎫에 달하는 압력의 헬륨에 의해 냉각될 수 있는 MRI 저온 유지 장치가 최근에 개발되었다. 지금까지 만들어진 MRI 자석의 대부분은, 0.1 ㎫의 대기압의 헬륨으로 작동되어 약 0.3 ㎫의 최대 압력을 견뎌내도록 구성되었다. 0.8 ㎫의 배기 압력을 갖는 브레이턴 사이클 엔진은, 자석의 저온 유지 장치를 통과하게 저압으로 순환되는 가스로부터 고압인 냉각기의 가스로 향류형 열교환기에서 열을 전달함으로써, 저압의 가스를 냉각시키는 데 사용될 수 있다. Longsworth의 미국 특허 출원 제2015/0354865호에 기술된 바와 같이, 자석을 냉각시키기 위해 상기한 열교환기를 자석의 저온 유지 장치에 두는 것이 가능하지만, 상기 자석을 정비하는 데 필요한 추가적인 구성요소들과 보다 용이하게 통합될 수 있는 냉각기 저온 유지 장치에 상기한 열교환기를 두는 것이 바람직하다.

상기 '461 특허의 팽창기가 급속 냉각시키는 것을 가능하게 하는 원리로는, 1) 극저온보다 높은 온도에서 가스가 고압으로부터 저압으로 우회하는 것을 허용하지 않는 속도로 냉각을 진행시킬 수 있는 능력과, 2) 고압과 저압(공급 압력과 리턴 압력)을 일정하게 유지하기 위해 가스가 가스 저장 탱크로부터 추가되는 동안 냉각의 진행에 따라 속도를 감소시키는 것이 있다. 통상적으로 별도의 가스 저장 탱크가 불필요할 정도로 GM 냉각기의 저온 체적이 충분히 작다는 점을 제외하고는, 상기한 바와 동일한 원리가 GM 사이클 냉각기에 적용된다. 이는, 압축기, 오일 분리기 및 흡착기에서의 가스 체적이, 냉각 중에 냉각 용량이 조금만 줄어들게 할 정도로 충분히 작은 압력 감소를 유지하기에 충분하기 때문이다.

GM 사이클 냉각기는, 왕복 피스톤/재생기 어셈블리가 들어 있는 실린더의 고온 단부에 입구 밸브 및 출구 밸브를 구비하는 팽창기에, 가스를 가스 라인을 통해 약 2 ㎫의 토출 압력으로 공급하는 압축기를 포함하는데, 피스톤이 저온 단부에 있는 동안 그리고 피스톤이 고온 단부를 향해 이동할 때에는, 상기 입구 밸브는 토출 압력의 가스를 재생기를 통해 저온 단부에 공급하고, 피스톤이 고온 단부에 있는 동안 그리고 피스톤이 저온 단부를 향해 이동할 때에는, 출구 밸브를 통해 약 0.8 ㎫의 리턴 압력으로 가스를 압축기로 복귀시킨다. GM 사이클 팽창기의 바람직한 구성의 일례가 미국 특허 제6,256,997호에 기술되어 있다.

Maguire 등의 미국 특허 제6,347,522호에는, 초전도 로터가 들어 있는 저온 유지 장치에 연결된 공급 이송 라인 및 리턴 이송 라인을 통하여, 팽창기에 의해 냉각된 가스를 순환시키는 수단과 함께, 복수의 GM 팽창기를 냉각기 저온 유지 장치에 포함하는, HTS 기계용 냉각 시스템이 기술되어 있다. 상기 GM 팽창기들은, 매니폴드형 가스 라인을 통해 가스를 팽창기에 공급하는 일련의 압축기에 연결되어 있다. 가스를 순환시키는 수단은, 냉각 중에는 냉각기 저온 유지 장치의 하나 이상의 팬을 포함하고, 냉각 이후에는 초전도 로터의 회전으로 이루어진다.

냉매로서 헬륨을 이용하여 작동되는 1단 GM 및 브레이턴 사이클 냉각기가 약 12 K 정도의 저온 냉각을 제공할 수 있다. 액체 질소를 사용하는 보다 간단한 냉각 시스템이 사용될 수 있지만, 이 냉각 시스템은 목표 대상물을 약 80 K까지만 냉각할 수 있다. 이러한 시스템은 Kudaravalli의 미국 특허 제6,940,009호에 기술되어 있다. 이 시스템은 상온의 순환기와, 공급 가스를 리턴 가스로 예냉하는 향류형 열교환기와, 액체 질소에 의해 냉각된 열교환기, 그리고 저온 가스가 자석을 관류할 수 있게 하는 라인을 포함한다.

'522 특허 또는 '009 특허에는 순환 가스의 압력이 명시되어 있지 않지만, 이 순환 가스는 대기압보다 약간 높은 것으로 보여진다. Atkins 등의 영국 특허 G 2 433 581호에는, 대기압보다는 높고 200 ㎪보다는 낮은 압력으로 저온 유지 장치에 연결되는 라인을 통하여, 저온 표면에 의해 냉각된 가스를 순환시키는 일반적인 시스템이 기술되어 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따르면, 상기 정비 시스템은, 액체 헬륨의 조에서 작동되며, 본원에서는 시스템 저온 유지 장치라고 하는, MRI 저온 유지 장치의 초전도 자석을 가온 및 냉각시키도록 구성되어 있는 것으로, 네온 및 질소 등과 같은 다른 극저온 가스 또는 액체에 의해 냉각되는 초전도 모터, 발전기, 변압기, 고장 전류 제한기 등과 같은 다른 시스템을 가온 및 냉각시키는 데에도 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 100 K보다 낮은 온도에서 작동하는 시스템을 가온 및 냉각하는 데 가장 잘 사용될 수 있다.

본 발명은, 저온 유지 장치를 이동시키거나 그 진공을 중단하는 일 없이, 저온 유지 장치를 통해 기체 극저온 유체를 순환시킴으로써, 가온 및 냉각될 수 있는, 목표 대상물을 가온한 후 냉각하는 휴대용 정비 시스템이다. 통상적으로, 저온 유지 장치는 별도의 냉각기에 의해 극저온으로 유지된다. 정비 시스템은, 정비가 요구되는 목표 대상물 저온 유지 장치의 현장으로 용이하게 이동될 수 있는 수 개의 모듈을 포함한다.

메인 모듈은, 가스를 가온시키는 수단을 구비하는 하나 이상의 열교환기를 통하여 그리고 가스를 냉각하는 하나 이상의 GM 또는 브레이턴 사이클 팽창기에 의해 냉각되는 하나 이상의 열교환기를 통하여, 순환 회로에서 가스를 순환시키는 팬을 포함하는 냉각기 저온 유지 장치로서, 상기 순환 회로는 목표 대상물 저온 유지 장치에 연결되는 진공 자켓형 라인을 포함하는 것이다. 하나 이상의 압축기 모듈은 고압 및 저압 가스 라인을 통해, 바람직하게는 공급 및 리턴 매니폴드에 연결되어 있는 압축기 및 팽창기와는 달리 하나의 팽창기에 연결된 하나의 압축기로부터의 라인들을 통해, 하나 이상의 팽창기에 연결되어 있다.

휴대용 정비 시스템은, 모두가 별개의 모듈의 일부분이거나 바람직하게는 냉각기 모듈의 일부분일 수 있는, 필수적인 센서, 충전 배기 및 안전 밸브, 및 진공 펌프에 연결된 제어기를 포함한다. 제어 시스템은, 가온 시간 및 냉각 시간이 최소화되도록 팬 속도, 히터 파워 및 팽창기 속도를 제어함으로써 목표 대상물의 가온 및 냉각을 제어한다. 가스는 200 ㎪ 미만의 압력으로 순환되고, 이에 따라 보다 높은 압력에서 작동하도록 구성되어 있는 임의의 목표 대상물 저온 유지 장치에서 사용될 수 있다.

본 발명은, 가스를 순환시킴으로써 가온 및 냉각될 수 있고, 시스템의 모듈이 1명 또는 2명의 인원에 의해 폭 76 ㎝의 문을 통하여 이동될 수 있는 요건으로 제한되는 본 발명의 냉각 용략만큼 허용 온도로 냉각될 수 있는 중간 크기의 극저온 시스템을 위한 정비 시스템으로서 구성되어 있다. 상기 정비 시스템은, 정비를 받는 저온 유지 장치 상의 2개의 베이어닛 포트에 삽입될 필요가 있는 2개의 진공 자켓형 이송 라인을 구비한다. 상기한 2개의 베이어닛 중 어느 하나 또는 양자 모두는, 저온 유지 장치 상의 기존의 커버를 대체하는 정비 저온 유지 장치에 또는 저온 유지 장치에 설계될 수 있다. 하나의 포트가 저온 유지 장치의 하단으로 가스를 전달하거나 저온 유지 장치의 하단으로부터 가스를 복귀시키고, 다른 포트가 저온 유지 장치의 상단으로 가스를 공급하거나 저온 유지 장치의 상단으로부터 가스를 복귀시키는 것이 바람직하다. 시스템 저온 유지 장치를 통과하는 흐름의 방향을 역전시키도록, 전송 라인을 어느 한 포트에 끼워 넣기 위해, 2개의 이송 라인 상의 베이어닛은 동일할 필요가 있고, 시스템 저온 유지 장치 상의 2개의 리셉터클은 이송 라인의 베이어닛과 호환 가능할 필요가 있다.

본 발명의 냉각기는 시스템을 저온으로 유지시키는 것이 아니라, 시스템을 냉각시키도록 구성되어 있다. 예를 들어, 구축된 시스템은 일주일 이내에 초전도 MRI 자석을 40 K보다 낮은 온도로 냉각하도록 구성되어 있다. 그 시점에, 상기 시스템은 제거되고, 남아 있는 4 K로의 냉각은 액체 헬륨으로 실시된다. 특정 자석을 295 K에서부터 4 K로 냉각하는 데, 예를 들어 2,000 L의 액체 헬륨이 필요한 경우, 상기 특정 자석이 (액체 질소에 의해) 80 K로 사전에 냉각된다면 약 780 L를 필요로 할 것이고, 또는 (냉각기에 의해) 40 K로 냉각된다면 약 170 L를 필요로 할 것이며, 또는 30 K로 냉각된다면 약 100 L만을 필요로 할 것이다. 통상적으로 자석을 저온으로 유지시키는 냉각기는 냉각에 있어서의 어느 순간에 켜지고, 정비 시스템이 제거된 이후에는 냉각을 지속시키는 데 사용된다.

도 1은 냉각기 저온 유지 장치에 있어서의 하나 이상의 GM 타입 팽창기에 연결된 하나 이상의 압축기를 구비하고, 진공 자켓형 이송 라인을 통해 가열 또는 냉각되는 가스를 목표 대상물 저온 유지 장치로 순환시키는 순환기도 또한 포함하는 시스템(100)의 개략도이다.
도 2는 냉각기 저온 유지 장치에 있어서의 하나 이상의 브레이턴 타입 팽창기에 연결된 하나 이상의 압축기를 구비하고, 진공 자켓형 이송 라인을 통해 가열 또는 냉각되는 가스를 목표 대상물 저온 유지 장치로 순환시키는 순환기도 또한 포함하는 시스템(200)의 개략도이다.

도 1과 도 2에 도시되어 있는 구성요소들은 등가의 부품을 식별하기 위해 동일한 도면부호와 동일한 도해적 표현을 사용한다. 저온 가스는 고온 가스보다 밀도가 높으므로, 구성요소들의 대부분은 저온 단부가 아래에 있는 것으로 도시되어 있다. 극저온, 즉 본원의 경우 100 K보다 낮은 온도의 구성요소들은, 하우징 내에서 0.1 Pa보다 낮은 진공에 의해 주위 분위기로부터 단열되어 있으며, 이러한 어셈블리를 저온 유지 장치라 한다.

도 1은 하나의 GM 냉각기는 식별 번호와 함께 도시하고 추가적인 냉각기를 나타내는 제2 냉각기는 식별 번호없이 도시하는 시스템(100)의 개략도이다. 통상의 GM 냉각기는 압축기(1), 약 0.8 ㎫의 저압 (리턴) 라인(2), 약 2 ㎫의 고압 (공급) 라인(3), 및 팽창기(5)로 구성된다. 구축되어 테스트된 본 정비 시스템은, 약 12 K의 최저 온도를 갖도록 구성된 4개의 1단 GM 팽창기를 사용한다. 본 출원의 경우, 재료의 비열이 극저온에서보다는 상온에서 더 높기 때문에, 냉각기가 상온에 가까운 고용량을 갖는 것이 보다 중요하다. 예를 들어, 300 K 내지 4 K에서 300 MJ의 열이 제거되는 MRI 자석은, 100 K 내지 4 K에서는 겨우 약 55 MJ의 열이 제거된다.

본 시스템에 있어서의 팽창기는, 100 K 미만인 경우보다 상온에 가까운 상태에서 보다 빠른 속도로 작동하도록 구성되어 있다. GM 냉각기에서는, 통상적으로 구리 슬리브인 저온 단부(6)에서 냉각이 이용 가능하다. 팬(18)에 의해 순환되며 목표 대상물 저온 유지 장치(20)로부터 저온 단부(6)로 열을 전달할 수 있는 가스가 통과하는 슬롯 또는 구멍을 포함하는 열교환기(7)를 저온 단부(6)에 마련하는 것이 바람직하다. 목표 대상물 저온 유지 장치(20)에서 목표 대상물(21)을 가온하기 위해서는, 구리 슬리브의 외부 주위에 둘러싸인 전기 히터(8)를 구비하고, 가열된 가스를 순환 팬(18)을 사용하여 공급 가스 라인(27), 공급 진공 자켓형 이송 라인(16)을 지나, 목표 대상물 저온 유지 장치(20), 리턴 진공 자켓형 이송 라인(17)을 지나, 그리고 가스 리턴 라인(28)을 지나 팬(18)으로 순환시키는 것이 바람직하다. 본 특허문헌에서는 이러한 회로를 팬 회로 또는 순환 회로라고 하는데, 양자 모두가 목표 대상물 저온 유지 장치(20)를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 이송 라인(16, 17)은 냉각기 저온 유지 장치(4)의 베이어닛 리셉터클(46, 47)로부터 그리고 목표 대상물 저온 유지 장치(20)의 포트(25, 26)로부터 제거 가능하다. 히터(8)는 라인(27)을 따라 다른 곳에 배치될 수 있다.

1개의 팽창기(5)만 있는 경우, 가스는 하나의 가스 열교환기(7)를 통해서만 순환된다. 2개의 팽창기가 있는 경우, 열교환기들(7)을 연속적으로 통과하는 순환 가스 흐름을 갖는 것이 바람직하다. 열교환기들이 병렬로 연결되어 있고 하나의 냉각기가 오프 상태인 경우, 순환 흐름은 나누어지고 절반만이 냉각된다. 이는, 열교환기들이 직렬로 연결되어 있고 하나의 냉각기만이 작동하는 경우에 모든 순환 가스가 동일한 온도로 냉각되는 것보다 덜 효율적이다. 이와 동일한 논리가 냉각기를 더 추가하는 데 적용된다. 냉각기는 둘씩 짝을 지어 추가되는 것이 바람직하다.

저온 구성요소 목표 대상물 저온 유지 장치(20)는, 작동하는 동안에 목표 대상물(21)을 저온으로 유지하는 일반적인 저온 유지 장치로서 도시되어 있다. 목표 대상물(21)은 용기(22) 내부에 도시되어 있고, 극저온 유체(24), 예를 들어 헬륨, 네온, 또는 질소 등에 의해 둘러싸여 있다. 저온 구성요소 목표 대상물 저온 유지 장치(20)는 진공(40), 저온 차폐부(23), 및 도시 생략된 방사선 차폐부에 의해 상온으로부터 단열되어 있다. 이송 라인(16, 17)이 삽입되어 있는 목표 대상물 저온 유지 장치(20)의 포트(25, 26)는, 저온 유지 장치의 상단과 하단 부근에서 종단되는 것으로 도시되어 있다. 가스가 용기(22) 내에서 층을 이루고 있으므로, 목표 대상물(21)을 냉각하는 경우에는, 화살표로 표시된 바와 같이, 저온 가스가 저온 유지 장치의 하단으로 유동하게 하고 더 따뜻한 가스는 상단으로부터 제거되게 하는 것이 바람직하고, 자석을 가온하는 경우에는, 따뜻한 가스가 저온 유지 장치의 상단으로 유동하고 저온 가스가 하단으로부터 유출되도록 상기 흐름을 역전시키는 것이 바람직하다. 팬(18)은 가스를 한 방향으로만 순환시키므로, 목표 대상물을 가온하는 것으로부터 목표 대상물을 냉각하는 것으로 전환할 때 이송 라인들(16, 17)이 포트(25, 26)에서 전환될 수 있도록, 베이어닛들은 동일할 필요가 있다.

도 2는 하나의 브레이턴 사이클 냉각기를 보여주는 시스템(200)의 개략도이다. 추가적인 브레이턴 사이클 냉각기가, 브레이턴 냉각기 저온 유지 장치(9)에 각각 장착되는 팽창기(엔진)와 함께 추가될 수 있다. GM 팽창기는, 가스를 재생기 열교환기를 거쳐 저온 단부로 순환시키는 팽창기의 고온 단부의 내부에 밸브를 구비한다. 브레이턴 팽창기에서, 이러한 기능들은 왕복 피스톤이 들어 있는 실린더의 외부에 있다. 향류형 열교환기(10)는 GM 재생기와 동일한 기능을 하며, 저온 단부에 있는 입구 밸브(12) 및 출구 밸브(13)는 GM 팽창기에 있어서의 고온 밸브와 동일한 기능을 한다. 브레이턴 팽창기는, 라인(39) 등과 같은 라인을 통해 저온 가스를 원격 부하로 순환시키는 점에서 GM 팽창기보다 유리하다. 이러한 경우에, 가스 라인(39)은 향류형 열교환기(14)를 통과하는데, 향류형 열교환기에서 가스 라인은 팬(18)에 의해 순환되고 있는 가스를 냉각시켜 목표 대상물 저온 유지 장치(20) 내의 목표 대상물(21)을 냉각시킨다. 열교환기(14)는 통상적으로, 금속 박판 사이로 유동하는 유체들을 열 접촉시키는 평행판 타입의 열교환기이다. 추가적인 브레이턴 냉각기가 추가되는 경우, 상기 냉각기 내의 가스는 임의의 다른 냉각기로부터 분리된 채로 유지될 것이다. 제2 저온 가스 라인(39)을 통해 유동하는 저온 가스는 열교환기(14)의 별개의 채널을 통해 유동할 것이다. 목표 대상물(21)을 가온하기 위해, 히터(15)가 공급 라인(27)의 가스와 열 접촉하게 놓여 있다. 이는, 평행판 열교환기가 열교환기(14)용으로 사용되는 경우에는 평행판 열교환기 둘레에 전기 히터를 감싸는 것에 의해, 또는 라인(27)에 별도의 열교환기를 추가하는 것에 의해, 실시될 수 있다. 압축기(들)(1)와 가스 라인(2, 3)은 도 1에 도시된 것과 동일한 것일 수 있다. GM 냉각기 저온 유지 장치(4) 및 브레이턴 냉각기 저온 유지 장치(9)에 있어서의 저온 구성요소들은 진공(45)과 도시 생략된 방사선 차폐부에 의해 상온으로부터 단열되어 있다. 커버 플레이트(19), 베이어닛 리셉터클(46, 47), 및 온도 센서(42, 43)를 비롯한 그 밖의 구성요소들은 상기한 두 냉각기 저온 유지 장치에 대해 동일하다.

시스템(100, 200)은, 라인(29)을 통해 냉각기 저온 유지 장치 내의 리턴 라인(28)에 연결되는 동일한 가스 공급/배기 어셈블리를 구비한다. 냉각 중에, 또는 밸브(34)를 개방함으로써, 조절기(37)에 의해 조절되는 압력으로 가스 실린더(36)로부터 라인들을 퍼징하는 동안에, 가스가 가스 순환 라인들에 추가된다. 가온 중에, 가스를 라인(38)을 통해 대기 또는 가스 회수 시스템으로 배기하는 밸브(32)를 개방함으로써, 가스가 가스 순환 라인들로부터 제거된다. 과압의 경우에, 가스가 압력 릴리프 밸브(31)를 통해 배기 라인(38)으로 배기된다. 통상적으로, 가스는 대기압보다 높은 약 100 ㎪의 압력에서 순환 라인들을 통해 순환하고, 릴리프 밸브(31)는 약 200 ㎪에서 개방된다. 목표 대상물이 가온된 후, 이송 라인(16, 17)이 제거된 경우, 진공 펌프(35)는 냉각이 시작되기 전에 가스 순환 라인들 및 용기(22)를 비우는 데 사용된다. 라인(29)은, 결국에는 라인(38)으로 배기하는 진공 펌프(35)에 대한 유입 라인에 있는, 밸브(33)에 연결되어 있다. 밸브들(32, 33, 34)은 모두, 도시 생략된 가온/냉각 정비 시스템의 일부인 제어 시스템에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있는 솔레노이드 타입 밸브이다. 압력 센서(41)는 가스 순환 라인에 있어서의 압력을 측정하고, 센서(42, 43)는 시스템을 제어하는 데 필요한 주요 온도를 측정한다.

가온/냉각 정비 시스템은, 1명 또는 2명의 정비 인원에 의해 평평한 바닥을 따라 그리고 문을 통과하여 운반되거나 또는 모바일 카트에서 운행됨으로써, 극저온 목표 대상물의 위치로 이동될 수 있는 모듈들로 구성된다. 이러한 기준은 모듈의 최대 무게 400 kg 그리고 문을 통과하여 지나가는 최대 폭 76 ㎝로 규정된다. 휠 상의 모듈은, 바람직하게는 가스 공급/배기 어셈블리(30), 각각의 압축기(1)를 포함하고, 그리고 하나는 제어기와 전기 라인 및 냉각기 가스 라인(2, 3)을 갖는 것인, 냉각기 저온 유지 장치(4, 9)이다. 부피가 큰 경향이 있는 진공 자켓형 이송 라인(16, 17)은 운반될 수 있다.

정비 시스템의 구성요소들을 현장으로 옮긴 후에, 즉 정비 시스템이 가스의 실린더(36)와 더불어 이동식인 경우에, 자체-밀봉 커플링을 구비하는 가스 라인(2, 3)은 전기 라인과 더불어 압축기 및 팽창기에 연결된다. 이송 라인(16, 17)은 각각 베이어닛(46, 47)에 삽입되고, 캡이 반대쪽 끝에 씌워진다. 작동되는 경우에, 제어 시스템은 진공 펌프(35)를 기동시키고, 압력 센서(41)에 의해 측정된 값이 미리 정해 놓은 압력에 도달할 때까지 가스 순환 라인을 비우도록 밸브(33)를 개방한다. 그 후에, 밸브(33)가 폐쇄되고 밸브(34)가 개방되어, 가스 실린더(36)로부터 가스를 추가한다. 그 후에, 밸브(34)가 폐쇄되고, 라인에 소기의 극저온 유체만을 남겨두기 위하여 프로세스가 수 회 반복된다. 정비를 받고 있는 저온 유지 장치의 압력은 대기압으로 되고, 그 후에 포트(25, 26)를 갖는 정비 시스템이 저온 유지 장치에 설치된다. 그 후에, 퍼지를 포트(25)에 삽입하는 동안 퍼지가 유지될 때, 캡은 공급 이송 라인(16)으로부터 제거된다. 그 후에, 퍼지를 포트(26)에 삽입하는 동안 퍼지가 유지될 때, 캡은 리턴 이송 라인(17)으로부터 제거된다.

빠르게 가열되는 경우에 압력의 급격한 상승을 야기할 수 있는 액체 극저온 유체가 용기(22) 내에 존재할 수 있으므로, 목표 대상물의 가온을 시작할 때에는 주의가 요구된다. 극저온을 이용한 저온 유지 장치는 고가의 안전 파열 디스크를 구비하므로; 갑작스러운 압력의 급증을 회피할 필요가 있다. 가스를 대기로 또는 대기압에 가까운 가스 회수 시스템으로 배기하는 밸브(32)를 개방함으로써, 가온이 시작된다. 그 후에, 순환기 팬(18)이 기동되고, 센서(41)에서의 압력이, 가스가 릴리프 밸브(31)를 통해 배기되는 것을 유발하지 않는 압력인, 약 100 ㎪가 될 때까지, 속도가 서서히 증가된다.

가스 순환 라인에 있어서의 배관이 냉각되고 압력이 감소함에 따라, 팬(18)의 속도는 제어기에 의해 증가된다. 팬이 그 최대 속도에 도달하고 압력이 약 100 ㎪ 미만으로 된 경우, 제어기는 히터(8 또는 15)를 켜고 약 100 ㎪의 압력이 유지되도록 파워 입력을 제어한다. 제어기는 목표 대상물 저온 유지 장치(20)로 가는 가스의 온도를 센서(42)에서 모니터링하고, 목표 대상물(21)이 미리 정해 놓은 온도보다 높은 온도로 가열되지 않도록 열 입력을 감소시킨다. 히터(8 또는 15)가 꺼진 경우에는, 온도 센서(42)와 온도 센서(43) 간에 차이가 거의 없을 것이며, 이들 온도 센서는 또한 목표 대상물(21)의 온도일 것이다.

이송 라인(16, 17)은 냉각을 위해 서로 다른 포트에 삽입될 것이므로, 즉 이송 라인(16)은 포트(26)에 이송 라인(17)은 포트(25)에 삽입될 것이므로, 이송 라인(16, 17)은 목표 대상물 저온 유지 장치(20)의 정비 중에 제거되는 것이 바람직하다. 냉각을 시작하기 이전에, 목표 대상물 저온 유지 장치(20)의 가스 용기(22)와 가스 순환 라인은 비워질 필요가 있고 깨끗한 극저온 유체로 충전될 필요가 있다. 가온 이전에 가스 순환 라인을 비우고 충전하는 제어기의 프로그램과 동일한 프로그램이, 상기한 가스 순환 라인뿐만 아니라 용기(22)를 비우고 충전하는 데 사용된다.

깨끗한 가스를 가스 순환 회로에 두고, 가스가 회로에 공급되는 것을 허용하도록 밸브(34)를 개방한 상태에서, 냉각기는 기동되고 팬(18)은 켜진다. 제어기는 팽창기(5 또는 11) 및 팬(18)을 최대 속도로 기동하고, 목표 대상물(21)이 차가워짐에 따라 냉각 시간을 최소화하도록 팽창기 및 팬의 속도를 줄인다. 냉각 중에는, 순환 가스의 질량 유량을 최대화하기 위해, 팬을 통과하는 가스의 밀도가 가능한 높도록, 순환 회로 내의 압력이 배기 압력에 가깝게 유지된다. 목표 대상물(21)이 최저 온도에 도달할 때, 대기압까지 낮추기 위해 가스를 배기할 필요가 없도록, 가스의 추가적인 냉각에 의해 대기압으로 되는 온도에서, 밸브(34)는 폐쇄된다.

이제, 도 1에 도시된 바와 같이 GM 냉각기를 사용하여 구축 및 테스트된 정비 시스템을 설명한다. 정비 시스템은 출원인에 의해 제조된 4개의 모델 CH110LT 팽창기와 4개의 모델 F70 압축기를 구비한다. 각 팽창기는 300 K에서 약 400 W의 용량을 갖고, 무부하 상태에서 12 K의 최저 온도를 갖는다. 각 압축기는 휠이 달린 베이스 상에 장착된다. 4개의 압축기는 냉각기 저온 유지 장치의 커버 플레이트(19)에 장착되고, 팬 회로에 병렬 관계의 두 쌍으로 연결된다. 각 저온 단부(6)는, 순환 헬륨을 냉각시키기 위한 열교환기(7)를 형성하는 채널을 구비한다. 400 W 히터(15)가 각 저온 단부의 주위에 둘러싸여 있다.

또한, 커버 플레이트(19)에는 가스 순환 팬인, Cryozone Nodin 85 ㎜ cryofan이 장착되어 있다. 이러한 팬은 0 내지 18,000 rpm의 속도로 작동될 수 있고, 최대 속도에서는 0 유량에서 325 m의 수두를 그리고 0 수두에서 78 ㎥/hr의 유량을 갖는다. 이러한 팬은, 상온에서 팬의 속도를 18,000 rpm으로 한 상태에서 100 ㎪의 계기 압력으로 약 3 g/s의 헬륨을 순환시킬 수 있도록, 상대적으로 압력 강하가 적은 순환 회로를 필요로 한다. 시스템이 냉각되고 가스의 밀도가 높아짐에 따라, 팬 속도가 감소되고 유속이 증가된다. 진공 펌프(35)는, 약 50분 동안 1,000 L의 양을 100 ㎪에서 10 ㎪로 펌프다운할 수 있는 Edwards nXDS 15i이다. 각 압축기는 그 무게가 150 kg 미만이고 그 폭이 100 ㎝ 미만이다. 충전 배기 어셈블리도 또한 갖는 (가스 탱크 제외) 냉각기 저온 유지 장치는 그 무게가 375 kg이고 그 폭이 76 ㎝이다. 진공 자켓형 이송 라인의 길이는 5 m이다.

본 발명의 하나 이상의 실시형태에 따르면, 정비 시스템을 사용하여 방법이 수행될 수 있다. 상기 방법은 실질적으로 또는 부분적으로, 수행된 테스트를 포함한다. 먼저 초전도 MRI 자석을 냉각한 후 가온함으로써, 테스트를 진행하였다. 베이어닛을 위한 2개의 포트를 갖는 정비 시스템이 자석 저온 유지 장치의 포트에 삽입되었다. 그 후에, 전술한 절차가 이어져, 가스 및 전기 라인을 연결하고, 그 후에 이송 라인을 연결하며, MRI 저온 유지 장치를 포함하여 가스 순환 회로를 비우고 충전한다. 그 후에, 냉각기 시스템을 켜고, 헬륨을 100 ㎪의 계기 압력으로 유지하며, 자석을 3.2일 동안 30 K 미만으로 냉각하였다. MRI 저온 유지 장치는, 이후에 켜졌을 때 자석을 저온으로 유지하고 이송 라인들이 제거되기 전에 온도를 22 K로 만드는 RDK 415 팽창기가 장착되어 있다. 그 후에, 자석을 4.2 K로 만들기 위해 약 100 L의 액체 헬륨이 추가되었다. 가온 테스트를 시작하기 전에, 일부 추가 액체 헬륨이 추가되었다. MRI 저온 유지 장치는, 가온/냉각 정비 시스템에서 릴리프 밸브보다 높은 압력으로 설정된 파열 디스크를 구비하였다.

전술한 절차에 뒤이어, 먼저 이송 라인에서 캡을 벗긴 후, 이송 라인을 비우고 충전하며, 그 후에 이송 라인을 MRI 저온 유지 장치 상의 베이어닛 포트에 삽입함으로써, 가온이 수행되었다. 이 테스트는, 저온 용기에 접합된 게터에 일부 가스가 흡착될 수 있고, 그 결과 탈기가 일어나 절연 진공 상태가 끝날 수 있어, 터보분자 진공 펌프가 진공 펌프아웃 포트에 연결되어 작동된다는 상정하에 진행되었다. 배기 밸브(32)를 개방하고 팬(18)을 저속으로 기동하였다. 가스가 배기 밸브(32)를 통해 배기될 때 순환 회로를 약 100 ㎪의 압력으로 유지하는 것에 기초하여, 팬의 속도를 서서히 증가시켰다. 팬의 속도가 18,000 rpm에 도달하고 압력이 강하하기 시작한 경우, MRI 저온 유지 장치 내의 온도의 모니터링 결과에 따라, 히터(8)에 대한 파워를 서서히 증가시키고, 속도를 제어하여, 큰 온도 구배를 회피하였다. 순환 회로에 있어서의 질량 유량을 증가시키기 위하여, 배기 밸브(32)를 폐쇄하고, 가스가 증가된 압력으로 릴리프 밸브(31)를 통해 배기되는 것을 허용하였다. 가온 중에 최대 파워 입력은 1,500 W이었다. 1.2일 동안 MRI 자석을 230 K로 가온하였고, 이때 팬에 들어가는 온도 Tr 43은 290 K에 도달하였으며, 다음 2.4일 동안 MRI 자석을 280 K로 가온하면서 Tr 43을 290 K로 유지하도록 히터의 파워를 서서히 감소시켰다. 이 실험에서 사용한 가온/냉각 정비 시스템은, 310 K의 최대 회수 온도를 갖도록 세팅될 수 있었다.

이 테스트는, 100 K 미만에서 작동하는 다양한 극저온 목표 대상물을 가온 및 냉각하는 데 상기한 정비 시스템을 사용함에 있어서의 융통성을 보여준다. 복수의 냉각기를 갖는 정비 시스템이, 모든 압축기를 현장으로 옮기는 일 없이 사용될 수 있다. 가온 속도는 팬의 속도와 히터의 파워를 조정함으로써 제어될 수 있다. 목표 대상물 저온 유지 장치에 있어서의 열 손실에 따라, 냉각 후의 최저 온도는 20 K까지 낮아질 수 있다.

Claims (8)

1. 목표 대상물 저온 유지 장치에 배치된 목표 대상물을 정비하기 위한 정비 시스템으로서:
   적어도 압축기와 팽창기를 각각 포함하는, 상기 목표 대상물을 극저온까지 냉각하기 위한 하나 이상의 냉각기;
   상기 목표 대상물을 상기 극저온으로부터 가온하기 위한 하나 이상의 히터;
   팬과 팬 회로로서, 상기 팬은 가스를 상기 팬 회로를 통해 순환시키는 것인 팬과 팬 회로;
   상기 팽창기와 상기 팬을 진공 상태로 수용하는 냉각기 저온 유지 장치;
   상기 목표 대상물을 가온하는 동안에는 열을 히터로부터 팬 회로 내의 가스로 전달하고, 상기 목표 대상물을 냉각하는 동안에는 열을 목표 대상물로부터 팬 회로 내의 가스로 전달하기 위한 복수의 열교환기;
   제어기와 복수의 센서로서, 상기 복수의 센서는 팬 회로에 있어서의 온도 및 압력을 측정하기 위한 것이고, 상기 제어기는 상기 복수의 센서에 대해 응답하여 적어도 팬의 속도, 팽창기의 속도 및 히터의 파워를 제어하는 것인 제어기와 복수의 센서;
   가스를 팬 회로에서부터 목표 대상 저온 유지 장치로 운반하기 위한 제거 가능한 공급 이송 라인;
   가스를 목표 대상물에서부터 팬 회로로 리턴시키기 위한 제거 가능한 리턴 이송 라인;
   상기 팬 회로에 있어서의 과잉 압력을 완화시키기 위한 압력 릴리프 밸브; 및
   대기압과 가스 회수 시스템 중의 하나에 통하도록 작동될 수 있는 배기 밸브
   를 포함하고, 상기한 두 이송 라인은 상기 목표 대상물 저온 유지 장치에 상호 교환 가능하게 연결되는 것인 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 정비 시스템을 이동시키기 위한 카트를 더 포함하고, 상기 카트와 정비 시스템은 폭 76 ㎝, 높이 160 ㎝의 출입구를 통과하여 지나가는 것인 시스템.
3. 제1항에 있어서, 각 팽창기는 GM 타입 팽창기이고, 각 열교환기는 팽창기의 각 저온 단부와 일체로 된 부분인 것인 시스템.
4. 제1항에 있어서, 각 팽창기는 브레이턴 타입 팽창기이고, 각 열교환기는 팽창기의 각 저온 단부로부터 분리되어 있는 것인 시스템.
5. 제1항에 있어서, 가스를 냉각하기 위한 열교환기는 가스를 가온하는 열교환기와 다른 것인 시스템.
6. 제1항에 있어서, 압력 릴리프 밸브는 대기압보다는 높고 200 ㎪보다는 낮은 팬 회로 내의 과잉 압력을 완화시키도록 세팅되어 있는 것인 시스템.
7. 목표 대상물 저온 유지 장치에 배치된 목표 대상물을 정비 시스템을 사용하여 정비하는 방법으로서; 상기 목표 대상물 저온 유지 장치는 냉각 중에 저온 가스를 받아들이기 위한 공급 포트와 리턴 포트를 구비하고, 상기 정비 시스템은,
   적어도 압축기와 팽창기를 각각 포함하는, 상기 목표 대상물을 극저온까지 냉각하기 위한 하나 이상의 냉각기;
   상기 목표 대상물을 상기 극저온으로부터 가온하기 위한 하나 이상의 히터;
   팬과 팬 회로로서, 상기 팬은 가스를 상기 팬 회로를 통해 순환시키는 것인 팬과 팬 회로;
   상기 팽창기와 상기 팬을 진공 상태로 수용하는 냉각기 저온 유지 장치;
   상기 목표 대상물을 가온하는 동안에는 열을 히터로부터 팬 회로 내의 가스로 전달하고, 상기 목표 대상물을 냉각하는 동안에는 열을 목표 대상물로부터 팬 회로 내의 가스로 전달하기 위한 복수의 열교환기;
   제어기와 복수의 센서로서, 상기 복수의 센서는 팬 회로에 있어서의 온도 및 압력을 측정하기 위한 것이고, 상기 제어기는 상기 복수의 센서에 대해 응답하여 적어도 팬의 속도, 팽창기의 속도 및 히터의 파워를 제어하는 것인 제어기와 복수의 센서;
   가스를 팬 회로에서부터 목표 대상 저온 유지 장치로 운반하기 위한 제거 가능한 공급 이송 라인;
   가스를 목표 대상물에서부터 팬 회로로 리턴시키기 위한 제거 가능한 리턴 이송 라인;
   상기 팬 회로에 있어서의 과잉 압력을 완화시키기 위한 압력 릴리프 밸브; 및
   대기압과 가스 회수 시스템 중의 하나에 통하도록 작동될 수 있는 배기 밸브를 포함하고, 상기한 두 이송 라인은 상기 목표 대상물 저온 유지 장치에 상호 교환 가능하게 연결되는 것인 시스템이며,
   상기 방법은,
   (a) 상기 이송 라인의 근위 단부를 냉각기 저온 유지 장치에 삽입하는 단계,
   (b) 상기 이송 라인의 원위 단부에 캡을 씌우는 단계,
   (c) 냉각기 저온 유지 장치의 팬 회로와 이송 라인을 비운 후 목표 대상물 저온 유지 장치에 배치된 극저온 유체를 충전하는 단계,
   (d) 리턴 이송 라인을 목표 대상물 저온 유지 장치의 공급 포트에 연결하면서, 단계 (c)에서와 동일한 극저온 유체로 퍼지를 유지하는 단계,
   (e) 공급 이송 라인을 목표 대상물 저온 유지 장치의 리턴 포트에 연결하면서, 단계 (c)에서와 동일한 극저온 유체로 퍼지를 유지하는 단계,
   (f) 배기 밸브를 개방하는 단계,
   (g) 가스가 릴리프 밸브를 통해 배기되지 않도록 팬 속도를 증가시킨 후 제어하는 단계,
   (h) 목표 대상물을 가온시키도록 팬 속도 및 히터 파워를 제어하는 단계, 및
   (i) 상기 목표 대상물 저온 유지 장치로부터 상기 공급 이송 라인과 리턴 이송 라인을 제거하는 단계
   를 포함하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 목표 대상물 저온 유지 장치를 정비하는 단계,
   상기 목표 대상물 저온 유지 장치의 공급 포트에 상기 공급 이송 라인을 연결하는 단계,
   상기 목표 대상물 저온 유지 장치의 리턴 포트에 상기 리턴 이송 라인을 연결하는 단계,
   냉각기 저온 유지 장치의 팬 회로와 목표 대상물 저온 유지 장치를 비운 후 목표 대상물 저온 유지 장치에 사용된 것과 동일한 가스를 충전하는 단계,
   목표 대상물 저온 유지 장치를 냉각시키는 데 사용된 것과 동일한 가스를 공급하면서, 냉각기(들)를 작동시키고 팬 속도와 팽창기 속도를 제어하는 단계
   를 더 포함하는 방법.

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