KR102398432B1 - 순환하는 한제를 냉각하기 위한 히트 스테이션 - Google Patents

Abstract

GM 또는 Stirling 사이클 팽창기용 히트 스테이션은, 순환하는 한제에 의해 냉각되는 극저온의 원격 부하로부터의 열을, 해당 열이 축열기와 행적 체적 사이에서 흐를 때 GM 또는 Stirling 사이클 팽창기의 가스로 전달하는 다목적이고 효율적이며 비용 효율적인 수단을 제공한다. 열교환기는 쉘을 포함하고, 해당 쉘은 쉘의 축선에 평행하게 정렬되고 하우징 바닥에 유입 포트와 유출 포트를 갖는 하우징에 둘러싸이도록 쉘에 열 접합된 외부 및 내부 핀을 가진다.

Description

순환하는 한제를 냉각하기 위한 히트 스테이션

본 발명은, 외부 부하를 냉각시키는 순환하는 한제(cryogen)로부터 열을, 극저온에서 냉동(refrigeration)을 생성하는 GM 또는 Stirling 사이클에서 작동하는 고용량 팽창기의 저온단(cold end) 내의 왕복 유동 가스로 전달하는 히트 스테이션의 구성을 개선하는 것에 관한 것이다.

GM 및 Stirling 사이클 냉동기는, 행적 체적(displaced volume)이 증가함에 따라 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤의 저온단으로 축열기(regenerator)형 열교환기를 통해 고압의 가스를 흐르게한 다음 압력을 낮추고, 피스톤이 행적 체적을 줄임에 따라 축열기를 통해 다시 가스를 유동시킴으로써, 팽창기 내에서 극저온의 냉각을 생성한다. 냉동은 저온측 행적 체적을 둘러싸는 실린더의 저온단 캡의 벽을 통한 열 전도에 의해 부하를 냉각할 수 있다. 저온단 캡과, 팽창기 내의 가스로 열을 전달하는 수단이 냉각 히트 스테이션으로 지칭된다.

저온 펌프(cryopump), 초전도 MRI 자석 및 실험실 연구 기기를 냉각하는 데 사용되는 대부분의 극저온 냉동기는 GM-형 냉동기를 사용한다. 이러한 용례 대부분은 전도에 의해 냉동기 히트 스테이션으로 전달되는 4-70K의 온도에서의 1-50 W의 비교적 적은 양의 냉각을 필요로 한다. 75K 근처의 온도에서 300-1,000 W의 부하를 냉각할 수 있는 냉동기에 대한 필요성이 증가하고 있는데, 이는 순환하는 한제(cryogen)에 의해 가장 실질적으로 냉각될 수 있다. 한제는 냉각 팬이나 상온 압축기에 의해 가스로서, 펌프에 의해 액체로서, 또는 자연 대류에 의해 가스 또는 액체로서 순환될 수 있다. 자연 대류의 가장 간단한 형태는, 한제를 응축시키고, 그 액체가 증발하게 되는 부하로 액체를 배출시킨 후, 가스로서 응축 표면으로 복귀시키는 것이다.

본 발명의 목적은, 한제를 냉각 또는 응축시킬 수 있고, 콤팩트하고 효율적이며, 또한 순환 배관에 장착 및 연결이 용이한 냉각 히트 스테이션을 갖춘 고용량 GM 팽창기를 제공하는 것이다. 이를 위해서는 히트 스테이션을 통해 흐르는 순환 한제의 압력 강하를 최소화하면서 순환 한제와 팽창기 내의 가스 사이의 온도 차이를 최소화하는 것이 필요하다. 냉각 팬이나 펌프에 입력되는 전력은 냉동기에 대한 열 부하의 일부가 되므로 압력 강하를 최소화하는 것이 중요하다. 온도 차이를 최소화하려면 열을 팽창기 내의 가스로 전달하는 내부 열 교환기로 순환 가스의 열을 저온단 캡을 통해 전달하는 내부 및 외부 열 교환기의 구성이 포함한다.

Longsworth에 허여된 미국 특허 제4,277,949호는 팽창기 히트 스테이션 주위를 감싸는 튜브에 의해 냉각되고 상온의 압축기에 의해 순환되는 헬륨을 사용하여 원격 부하로부터 열을 전달하는 시스템을 예시한다. 서로 다른 온도의 부하들은, 부하가 냉동기로부터 열적으로 분리될 수 있게 하는 대류 커플링에 의해, 순환하는 헬륨에 연결된다. 응축되는 한제의 자연 대류에 의해 원격 부하를 냉각하는 시스템의 예가 Wang에게 허여된 미국 특허 제8,375,742호에 설명되어 있다. 도 7은 단열 슬리브에 장착된 저온단에 확장된 표면을 가지는 팽창기를 예시한다. 한제는 저온단에서 응축되고 단열 튜브를 통해 듀어(dewar)(부하를 냉각할 수 있는 곳)로 하강 배출되고, 비등된 가스가 재응축되도록 단열 튜브로 상승 복귀된다. 소량의 가스 흐름을 상온으로 되게 한 후(열 누설을 차단하기 위해) 재응축시키는 것을 모두 자연 대류에 의해 행하는 옵션도 예시하고 있다.

본 발명의 히트 스테이션은, 팽창기를 장착하는 유리한 방법을 가능케 하는 여러 구성 요소의 새로운 조합을 포함한다. 팽창기를 장착하는 유리한 방법은 장착 플레이트의 구멍 크기가 최소화되고 순환 튜브의 부착이 간단해지도록 팽창기의 저온단에 콤팩트한 히트 스테이션을 필요로 한다. 축열형 팽창기에서 축열기와 팽창 공간 사이에 사용되는 것으로 알려진 열교환기는, 환형 갭, 천공 플레이트, 와이어 스크린, 주름진 시트 금속, 및 와이어 방전 가공(EDM), 밀링 또는 소잉 가공으로 절단되는 슬롯을 포함한다. 슬롯 사이에 핀(fin)을 형성하는 좁은 슬롯은 압력 강하 및 공극 부피에 대해 최상의 열 전달을 가지는 크기를 가질 수 있다.

접힌 구리 리본(folded copper ribbon)을 사용하여 좁은 간격의 핀을 형성하는 것이 유리하다. 리본은 어떤 가공 방법보다 훨씬 저렴한 비용으로 3가지 기능적 특성인 열 전달, 압력 강하 및 공극 부피 간에 균형을 잘 잡도록 형성될 수 있다. 기계 가공될 수 있는 것보다 더 좁은 간격으로 형성될 수도 있고, 상기 3가지 기능 특성 간의 관계를 변화시키기 위해 연신 또는 압축될 수 있다.

접힌 리본은 팽창기 저온단에서 열 전달을 최적화하는 데 사용될 수 있으며, 더 유리하게는 원격 부하로부터 팽창기 저온단 외부로 열을 전달하는 한제의 순환 흐름으로부터 열을 전달하도록 최적화될 수 있다. 최적의 기하학적 형상은 원통형 냉각 히트 스테이션의 외부에 열적으로 접합된 부하로부터 열을 제거하는 외부 접힌 리본을 가지며, 기계 가공된 슬롯 또는 내부의 접힌 리본에 의해 형성되어 냉각 히트 스테이션의 내부에 열적으로 접합된 핀을 갖도록 하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 열은 최소한의 온도 차이로 (구리) 히트 스테이션 쉘 상의 외부 접힌 리본으로부터 내부 핀으로 직접 반경 방향으로 전달된다. 접힌 리본에 의해 형성된 핀이 내부보다 냉각 히트 스테이션의 외부에서 더 유리한 이유는 외부 핀의 공극 부피에 대한 우려가 없어서 표면적과 유동 면적이 클 수 있고 비용적 장점이 훨씬 더 크기 때문이다. 접힌 리본은 기계 가공된 핀보다 재료가 덜 필요하므로 더 콤팩트하다. 내부 및 외부의 열교환기의 이러한 구성은 저온단의 직경을 최소화할 수 있어서 진공 하우징의 장착 구멍이 최소화될 수 있다. 그러나, 냉각 히트 스테이션에 반경 방향 부착구(radial fitting)가 없는 경우에만 작은 장착 구멍이 가능하다. 외부 하우징 내에서 한제를 순환시키는 새로운 방법은 순환하는 한제에 연결되는 튜브를 바닥 상에 장착되게 할 수 있다.

순환하는 한제가 외부 핀에서 응축되어 부하에서 증발하면 열이 부하로부터 가장 효율적으로 전달된다. 질소가 약 65K 내지 85K의 온도 범위에서 부하에 대해 응축 및 증발하는 데 사용할 수 있으며, 네온이 약 22K 내지 35K의 온도 범위에서 부하에 대해 사용될 수 있다. 헬륨은 헬륨을 냉매로 사용하는 냉동기의 범위 내의 모든 온도에서 사용될 수 있다.

본 발명은 순환하는 한제를 냉각하도록 GM 팽창기 상에 히트 스테이션을 포함하며, 이 히트 스테이션은 콤팩트하고 효율적이며 순환 배관에 장착 및 연결이 용이하다. 히트 스테이션은 순환 가스 배관에 연결되는 입구 및 출구 포트가 있는 원통형 하우징에서 쉘의 축선에 평행하게 정렬된 외부 및 내부 핀이 열적으로 연결된 쉘을 포함한다. 외부 열교환기에 접힌 리본을 사용하고 저온 유지 장치(cryostat)의 고온측(warm) 플랜지에 팽창기를 장착하기 위한 구멍의 직경이 최소화되도록 하우징의 바닥에 입구 및 출구 포트를 배치하는 것에 의해 하우징의 직경이 최소화된다. 외부 열교환기의 핀은 서로 다른 한제 및 배향에 대해 하우징 내에 서로 다른 순환 패턴을 허용하도록 구성될 수 있다.

도 1a는 미국 특허 제6,256,997호에 기술된 것과 같은 내부 저온단 열교환기를 가지는 종래 기술의 공압 구동식 GM 사이클 팽창기의 개략도를 예시한다. 원으로 표시된 영역은 도 3-5에 예시된 새로운 구성을 위해 표시한다.
도 1b는 외부 열교환기로서 핀을 형성하는 기계 가공 슬롯을 갖는 저온단과 외부 하우징의 부분 단면의 평면도를 예시한다.
도 2는 접힌 리본의 단면을 예시한다.
도 3a는, 가스를 축열기에서부터 실린더의 바닥으로 보낸 후, 원형 쉘 내부에 기계 가공 핀이 있는 환형 공간을 통해 위로 복귀시켜 팽창 공간 내로 보내는 튜브를 가지는 GM 팽창기(100)의 저온단의 개략도를 예시한다. 쉘 외부에는 질소와 같은 한제를 재응축시키도록 구성된 하우징 내의 접힌 리본이 제공된다.
도 3b는 원형 쉘 내부에 기계 가공 핀이 있고 외부에는 접힌 리본 핀이 있는 GM 팽창기(100)의 저온단 열교환기의 단면의 확대도를 예시한다.
도 4a는 내부 및 외부 열교환기 모두에 접힌 리본 핀과 2개의 포트가 있는 하우징을 구비한 GM 팽창기(200)의 저온단의 개략도를 예시한다. 외부 접힌 리본에서의 중단부(break)는 가스가 바닥으로부터 유입된 후 상부로 유동할 수 있게 하며, 상부에서는 가스가 핀을 통해 바닥으로 다시 하강 유동하도록 분배된다. 이 구성은 순환 가스 또는 응축 한제를 냉각하는 데 사용될 수 있다.
도 4b는 접힌 리본과, 복귀 가스가 상부로 흐르게 되는 외부 접힌 리본에서의 중단부를 갖는 GM 팽창기(200)의 환형 갭의 단면을 나타낸 확대도이다.
도 5a는, GM 팽창기(200)와 동일한 내부 및 외부 접힌 리본 열교환기를 가지지만 변위기(displacer)의 연장부 및 시일은 축열기로부터의 가스를 저온단 내의 내부 환형 공간을 통해 팽창 공간으로 하강 유동하게 하는 GM 팽창기(300)의 저온단의 개략도를 예시한다. 하우징은 바닥을 가로지르는 파티션을 구비하며, 파티션의 일측의 포트를 통해 바닥으로 유입되는 가스는 외부 핀의 약 절반을 통과해 상승 유동하고 나머지 절반을 통해 하강 유동한 후, 출구 포트를 통해 흐르게 된다.
도 5b는 접힌 리본과, 시일이 부착된 내부 접힌 리본 내의 슬리브를 가지는 GM 팽창기(300)의 환형 갭의 단면의 확대도를 예시한다.
도 6은 팽창기가 저온단을 아래쪽으로 한 상태와 수평 상태 사이에서 배향되는 경우에 하우징으로 유입되는 한제 가스가 외부 핀에서 응축되어 포트를 통해 액체로 배출될 수 있도록 위치된 하우징의 단부에 단일 포트를 가지는 GM 팽창기(400)의 저온단의 개략도를 예시한다.

도면은 동일한 참조 번호를 사용하여 동일한 부분을 나타내며, 위쪽과 상부는 고온단(warm end)을, 아래쪽과 바닥은 저온단(cold end)을 나타낸다.

도 1은 오늘날 가장 널리 사용되는 저온단 열교환기 구성을 갖는 종래 기술의 공압 구동식 GM 사이클 팽창기의 개략도를 보여준다. 본 발명은 부하로부터 열을 팽창기의 저온단에서 원으로 표시된 영역에서 팽창기 내의 가스로 전달하기 위한 새로운 구성을 기재한다. 도 1은 사이클을 설명하고 저온단을 맥락에 맞추기 위해 전형적인 공압 구동식 GM 팽창기를 전체적으로 보여준다. 시스템은 라인(31)을 통해 고압 가스를 팽창기로 공급하는 압축기(40)를 포함하거나 바람직하게는 그 압축기로 이루어지며, 팽창기는 가스가, 고온측(warm) 유입 밸브(44)를 통해 고온측 행적 체적(30)으로 그리고 변위기(1)의 축열기(3)로, 축열기를 통해 변위기 연장부(12a)의 저온단의 팽창 공간(5)으로 유동하도록 허용한다. 변위기(1)는 실린더(2) 내부에서 상승 이동하여 행적 체적(5)을 고압의 저온 가스로 충전한다. 이후, 유입 밸브(44)가 폐쇄되고 유출 밸브(45)가 개방되어 행적 체적(5)의 가스가 저압으로 떨어지면서 더 낮은 온도로 강하된다. 저압의 저온 가스는 변위기(1)가 하강 이동함에 따라 저온측 행적 체적(5) 외부로 밀려난다. 저온단(37)에 연결된 부하로부터의 열은, 변위기 연장부(12a)와 저온단(22) 사이의 환형 갭(7)을 통과한 후, 반경 방향 포트(15), 축열기(3), 고온측 행적 체적(30), 유출 밸브(45) 및 저압 라인(32)을 통해 압축기(40)로 흐름에 따라, 저온 가스로 전달된다. 실린더(2)는 저온 유지 장치 플랜지(47)에 장착되는 고온측 실린더 플랜지(46)를 구비한다. 변위기(1)는 고온측 헤드(41)의 구동 스템 보어(36)에서 왕복 운동하도록 상단에 부착된 구동 스템(35)을 구비한다. 변위기(1)의 왕복 운동은, 밸브(42, 43)를 밸브(44, 45)와 위상을 달리하여 개폐함으로써 가스가 라인(34)을 통해 구동 스템 공간(36)으로 흐를 때 교대로 고압 상태와 저압 상태가 된다.

도 1a는 저온 유지 장치(26)에서 장치(25)를 냉각시키기 위해 한제를 순환시키도록 종래에 구축된 시스템의 개략도를 포함한다. 저온단(37)은 저온단 캡(22)(도 1b 참조)의 외부에 외부 열교환기로서 핀을 형성하는 기계 가공 슬롯 및 외부 하우징(16)을 구비하며, 외부 하우징은 순환하는 가스를 상기 핀 위로 반경 방향으로 유도하는 유입 포트(21a)와 외부 하우징(16)의 바닥에 있는 핀 아래의 유출 포트(21b)를 가진다. 진공 단열된 연결 튜브(28 및 29)를 통해 한제를 구동시키는 팬 또는 펌프일 수 있는 순환기(27)가 제공된다. 이 저온단은 낮은 압력 강하로 열을 전달하는 데 매우 효과적이지만 반경 방향 유입 포트는 팽창기의 나머지가 저온 유지 장치 플랜지(47)의 포트를 통해 삽입된 후 저온단(37)에 추가되어야 하므로 조립이 복잡해지게 한다. 또한, 기계 가공 핀은 비용과 크기를 증가시킨다. 본 발명의 주요 장점은 저온단(37)의 직경을 최소화함으로써 해당 저온단의 경우 부하에 연결되는 배관이 저온단(37)에 연결되기 전에 추가 조립 작업을 필요로 하지 않고 상당히 작은 저온 유지 장치 플랜지(47)의 포트를 통해 맞춰지는 것이다.

도 2는 일반적으로 구리 시트로 형성된 접힌 리본(13)의 단면을 예시한다. 접힌 리본의 형태는 두께(T), 폭(W), 높이(H) 및 갭(G)으로 정해진다. 접힌 구리 리본은 종래에 기계 가공될 수 있는 것보다 더 얇고 갭이 좁은 시트를 사용하여 제조되고 있다. 두께가 0.3 mm 내지 1.0 mm 범위인 시트는 약 15의 H/T 비율 및 0.6 < G/(G + T) 비율로 접혀질 수 있다. 시트를 접은 후 접힌 부분을 함께 눌러 갭을 더 줄일 수 있다. 갭은 접힌 리본을 늘려서 교대로 증가될 수 있다.

도 3a에 도시된 팽창기(100)의 실린더(2)의 저온단에서의 압력 경계는 원통형 쉘(4) 및 단부 플레이트(10)로 구성된다. 도 3b는 쉘(4)에 압입되는 코어(9)의 기계 가공 슬롯에 의해 형성된 내부 열교환기(6) 및 쉘(4)의 외부에 열 접합된 접힌 리본을 포함하는 외부 열교환기(14)를 상세하게 보여준다. 코어(9)는 튜브(8)와 충분히 밀착 맞춤(close fit)되어 대부분의 가스를 축열기(3)에서 엔드 플레이트(10)의 상부로 유도한 후 유동 채널(11)을 통해 반경 방향으로 그리고 다시 내부 열교환기(6)를 통해 저온측 행적 체적(5)으로 상승 유동되게 한다. 하우징(16)은 외부 접힌 리본(14)을 둘러싸고, 하부에 유입 포트(21) 및 유출 포트(22)를 구비하고, 실린더(2)의 저온측 플랜지(48)에 장착되어 있다. 이들은 질소와 같은 한제 가스가 유입 포트(21)를 통해 매니폴드(20)로 흐르고, 매니폴드에서 접힌 리본(14)으로 분배되어 응축된 후 유출 포트(22)를 통해 냉각되고 있는 부하로 액체로서 배출되도록 배열된다. 접힌 리본(14) 위의 매니폴드(19)는 가장 차가운 표면에 가스를 분배하는 데 작은 역할을 한다. 열은 응축하는 한제로부터 외부 열교환기(14), 원통형 쉘(4), 내부 열교환기(6)을 통해, 저온측 행적 체적(5) 내외로 유동하는 가스로 흐른다. 열을 전도하는 구성 요소인 내부 및 외부 열교환기(6, 14) 및 쉘(4)은 열전도도가 높은 재료로 제조되며, 구리가 선호되는 반면, 하우징(16)과 포트(22, 21)는 바람직하게 SS로 제조될 수 있다. 열전도도가 높은 금속의 열 접합 공정은 일반적으로 연납땜 또는 경납땜을 포함하지만, 접합부에 걸친 온도차가 외부 및 내부 가스 흐름 사이의 온도차에 비해 작은 경우 압입과 같은 다른 방법으로 수행될 수 있다. 부하를 가온하기 위해 하우징(16) 주위에 히터를 감싸는 옵션은 도시하진 않았다.

도 4a 및 도 4b에 예시된 팽창기(200)는 내부 열교환기(14)로서의 접힌 리본을 예시하지만, 외부 구성 요소가 한제를 응축시키기보다는 순환하는 기체 한제를 냉각시키도록 구성된다는 점을 제외하고는 팽창기(100)와 유사하다. 그러한 점은 부하를 냉각시킨 가스를 하우징(16)의 바닥을 통해 유로(18)로 유도하는 복귀 포트(21a)에 의해 이루어지는데, 그 유로(18)는 외부 접힌 리본(14)의 상부에 있는 매니폴드(19)에 연결되어 해당 가스를 접힌 리본을 통해 다시 하강 유동하록 분배하게 된다. 이후. 냉각된 가스는 유출 포트(21b)를 통해 유출된다. 유로(18)는 장벽(23)에 의해 유출 매니폴드(20)로부터 분리된다.

순환하는 기체 한제를 외부 열교환기(14)를 통해 유도하는 다른 수단이 팽창기(300)의 저온단에 대해 도 5a에 예시되어 있다. 유입 포트(21a)를 통해 흐르는 가스는 하부 플레넘(20a)에서 분배되어 외부 열교환기(14)의 일측에 있는 핀을 통해 상부 플레넘 공간(19)으로 상승 유동하는 한편, 타측에 있는 핀, 하부 플레넘 공간(20b) 및 유출 포트를 통해 하강 복귀한다.

팽창기(300)는 축열기(3) 아래에 연장부(12b)를 가지며, 이 연장부는 슬리브(17) 내에 밀착 결합되고, 이 슬리브는 또한 내부 열교환기(6) 내에 밀착 결합된다. 연장부(12b)는 변위기(1)보다 직경이 작기 때문에 저온측 행적 체적을 내부 행적 체적(5a) 및 외부 행정 체적(5b)으로 분할한다. 시일(49)은 행적 체적(5a 및 5b) 간에 가스가 누출되는 것을 방지하고, 가스가 반경 방향 통로(15)를 통해 저온측 행적 체적(5b)으로 흐르도록 하고, 저온측 행적 체적에서 일부는 남고 나머지는 내부 열교환기(6)를 통해 저온측 행적 체적(5a)으로 흐른다. 행정 체적(5b)는 총 저온측 행적 체적의 15%이고, 이는, 팽창기(100 및 200)에서 내부 열교환기(6)을 통해 흐를 가스의 약 85%만이 팽창기(300)에서 내부 열교환기(6)로 흐른다는 것을 의미한다. 이는 열역학적으로 유리할 수 있는 데, 축열기(3)에서 흘러 나온 가스의 마지막 15%는 처음 85%보다 훨씬 더 따뜻하므로 내부 열교환기(6)를 통해 흐르는 가스가 적더라도 평균적으로 더 차기 때문이다.

도 6은 하우징(16)의 외부 바닥에 단일 포트(21)를 갖는 팽창기(400)의 저온단의 개략도를 예시한다. 팽창기(400)는 기체 한제(39a)가 그 내에서 흐르는 동안에 액체 한제(39b)가 포트(21)를 통해 배출될 수 있도록 수평으로 장착될 수 있다. 냉각되고 있는 장치가 포트(21) 아래에 있으면, 질소와 같은 한제는 자연 대류에 의해 순환할 수 있다.

표 1은 쉘(4) 외부에 핀을 기계 가공하여 만든 외부 열교환기를 접힌 리본과 비교 한 예를 나타낸다. 이 구성은 200 kPa에서 5g/s의 헬륨을 순환시켜 80K에서 400W의 냉각을 전달하는 것에 기초하며, 2가지 구성 모두 가스와 핀에서 동일한 온도차를 갖고 또한 동일한 압력 강하를 갖는다. 기계 가공 핀의 두께는 그 뿌리부에서의 두께이며, 기계 가공 핀의 구리의 중량은 홈에서 제거된 재료를 포함한다.

표 1 - 접힌 리본 핀과 기계 가공 핀 간의 비교

기계 가공 핀 리본

쉘(4)의 외경 - mm 115 115

하우징(16)의 내경 - mm 140 131

핀의 폭(W) - mm 100 100

갭(G) - mm 1.0 0.8

두께(T) - mm 2.0 0.5

갭의 수 120 310

핀을 형성하는 구리의 중량 - kg 4.0 1.0

접힌 리본은 하우징(16)의 직경과 핀을 만드는 데 필요한 재료의 양을 크게 감소시키는 것으로 보인다.

청구범위에서 상부와 하부 및 위와 아래는 축이 저온단 아래와 수직인 경우의 팽창기를 말한다.

Claims (14)

1. 순환하는 한제(circulating cryogen)를 냉각시키도록 GM 또는 스털링 사이클에서 작동하는 극저온 팽창기로서:
   고온단(warm end)에 장착 플랜지를 갖는 실린더;
   상기 실린더 내에서 고온단과 저온단(cold end) 사이에서 왕복 운동하고 이 왕복 운동에 의해 저온측 행적 체적(cold displaced volume)을 생성하는 변위기(displacer);
   축열기(regenerator)로서, 이 축열기를 통해 제1 가스가 상기 저온측 행적 체적 내외로 흐르는 것인 축열기; 및
   원통형 쉘의 외부에 있는 제2 열교환기 내의 제2 가스로부터 상기 제1 가스로 상기 원통형 쉘을 통해 반경 방향으로 열을 전달하는 제1 열교환기로서, 상기 제1 가스가 상기 제1 열교환기를 통해 상기 축열기와 상기 저온측 행적 체적 사이에서 흐르는 것인 제1 열교환기
   를 포함하며,
   상기 제2 열교환기는 상기 제2 가스를 위한 유입 포트 및 유출 포트를 갖는 하우징에 둘러싸이며;
   상기 하우징은 상기 제2 열교환기 위의 상부 플레넘 공간과 상기 제2 열교환기 아래의 하부 플레넘 공간을 가지며
   상기 유입 포트 및 유출 포트는 상기 하우징의 바닥에 배치되는 한편, 상기 제2 가스 전체를 상기 제2 열교환기를 통해 흐르도록 유도하는 것인 극저온 팽창기.
2. 제1항에 있어서, 상기 포트들은 응축 가능 가스가 상기 유입 포트를 통해 복귀하고 액체가 상기 유출 포트를 통해 배출되도록 배치되는 것인 극저온 팽창기.
3. 제2항에 있어서, 상기 팽창기는 상기 저온단을 아래쪽으로 한 상태와 수평 상태 사이에서 배향될 수 있는 것인 극저온 팽창기.
4. 제2항에 있어서, 상기 순환하는 한제는 액체 펌프에 의해 순환되는 것인 극저온 팽창기.
5. 제2항에 있어서, 상기 순환하는 한제는 자연 대류에 의해 순환되는 것인 극저온 팽창기.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2 열교환기는, 상기 원통형 쉘에 기계 가공된 슬롯과, 상기 원통형의 쉘의 외부 표면에 열 접합된 구리의 접힌 리본(folded ribbon) 중 하나에 의해 형성되고 상기 팽창기의 축선에 평행한 핀(fin)을 포함하는 것인 극저온 팽창기.
7. 제6항에 있어서, 상기 유입 포트를 통해 흐르는 가스는 상기 제2 열교환기의 일측에 있는 핀을 통과해 상기 상부 플레넘 공간으로 상승 유동하는 한편, 타측의 핀, 상기 하부 플레넘 공간 및 상기 유출 포트를 통해 하강 복귀되는 것인 극저온 팽창기.
8. 제1항에 있어서, 상기 유입 포트를 통해 흐르는 가스는 상기 하우징 내의 우회 통로를 통해 상기 상부 플레넘 공간으로 상승 유동되고, 상기 제2 열교환기, 상기 하부 플레넘 및 상기 유출 포트를 통해 하강 복귀되는 것인 극저온 팽창기.
9. 제8항에 있어서, 상기 순환하는 한제는 자연 대류에 의해 순환되는 것인 극저온 팽창기.
10. 제1항에 있어서, 상기 제2 가스는 팬, 액체 펌프 및 자연 순환 중 하나에 의해 순환되는 것인 극저온 팽창기.
11. 제1항에 있어서, 히터가 상기 제2 열교환기와 열 접촉하는 것인 극저온 팽창기.
12. 제1항에 있어서, 상기 저온측 행적 체적은, 상기 축열기와 상기 제1 열교환기 사이의 제1 체적을 가지며, 이 제1 체적은 전체의 20% 미만인 것인 극저온 팽창기.
13. 순환하는 한제를 냉각시키도록 GM 또는 스털링 사이클에서 작동하는 극저온 팽창기로서:
    실린더 내에서 고온단과 저온단 사이에서 왕복 운동하고 이 왕복 운동에 의해 저온측 행적 체적을 생성하는 변위기;
    축열기로서, 이 축열기를 통해 제1 가스가 상기 저온측 행적 체적의 내외로 흐르는 것인 축열기; 및
    원통형 쉘의 외부에 있는 제2 열교환기 내에서 응축되는 제2 가스로부터 상기 제1 가스로 상기 원통형 쉘을 통해 반경 방향으로 열을 전달하는 제1 열교환기로서, 상기 제1 가스가 상기 제1 열교환기를 통해 상기 축열기와 상기 저온측 행적 체적 사이에서 흐르는 것인 제1 열교환기
    를 포함하며,
    상기 제2 열교환기는 상기 제2 가스를 위한 단일 포트를 가지는 하우징에 둘러싸이며,
    상기 포트는 상기 하우징의 바닥에 배치되는 것인 극저온 팽창기.
14. 제12항에 있어서, 상기 포트는 상기 팽창기의 축선이 수평일 때 상기 하우징으로부터 액체를 배출하는 것인 극저온 팽창기.

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