KR20000069785A - 반응성 열 탄성 크라이오스탯 - Google Patents

Abstract

감지된 온도에 반응하는 액추에이터(40)를 가진 크라이오스탯은 발생된 외부에서 제어되는 열적 가열을 통해서 변화한다. 액추에이터(40)는 높은 열 팽창 계수를 가진 물질로 구성된다. 가요성의 가열 소자(44)는 액추에이터 물질내에 매립된다. 온도 검출기(62)는 크라이오스탯 제어 전자 장치에 신호를 제공한다. 제어 회로(60)는 온도 신호에 응답하여 액추에이터(40)내의 가열 소자(44)에 대한 전류를 조정한다. 액추에이터의 온도가 가열 소자(44)에 의해서 발생된 열로 인하여 증가되면, 팽창하여 오리피스(30)에 관련되어 부착된 니들(50)를 개방시킴에 의해서 크라이오젠의 흐름을 증가시켜 냉각을 조정한다. 소망의 냉각 온도에 도달했을 때에 전류 및 가열이 중단된다. 크라이오젠의 흐름은 액추에이터를 단축시키고 부착된 니들을 오리피스속으로 당겨서 흐름을 조정하는 액추에이터를 냉각시키는 것이다. 가열 및 냉각 사이클은 감지된 온도가 수용불가한 값까지 증가될 때에 자체로 반복된다. 가열 소자(44)는 액추에이터의 가열을 제어하는 능력을 제공한다. 가열 소자는 수동 액추에이터 설계를 제한하는 크라이오젠의 온도 변화 보다 상당히 큰 액추에이터의 온도 변화율 및 크기를 유도함으로써 향상된 감도 및 행정(travel)을 제공한다.

Description

반응성 열 탄성 크라이오스탯{REACTIVE THERMO ELASTIC CRYOSTAT}

크라이오스탯은 제어된 온도 조건하에서 동작 또는 측정이 수행될 수 있는 국부 저온 환경을 제공하는 장치이다. 크라이오스탯은 유도탄에서 적외선 탐지기의 냉각에 사용된다. 예를 들어, 유도탄에는 탐지기 및 관련 전자 부품들이 작은 격납 패키지에 종종 밀집되어 있다. 크라이오스탯은 또한 제어된 매우 낮은 온도가 초전도 활성에 요구되는 초전도 시스템에도 사용된다.

줄 톰슨 크라이오스탯은 엔탈피(enthalpy)가 보존되는 변경불가한 쓰로틀링 프로세스(irreversible throttling process)를 통해 고압 크라이오젠이 팽창될 수 있게 하는 밸브(당업자에게는 "줄 톰슨 밸브"으로 공지됨)를 이용하여 온도를 저하시키는 냉각 장치이다.

종래 줄 톰슨 크라이오스탯의 가장 간단한 형태는 통상 크라이오스탯의 냉각 종료시에 열 교환기에서의 고정된 크기의 오리피스(orifice)를 갖고 있어서 크라이오스탯에 의한 냉각이 조절되지 않는다. 입력 압력 및 내부 크라이오젠 흐름 원동력이 크라이오스탯을 통해 크라이오젠의 흐름 파라미터를 설정한다. 당업자에게 잘 공지된 바와 같이, 급속한 냉각은 높은 비율의 가스 흐름 및 큰 사이즈의 오리피스를 필요로 하는 반면, 장기간의 냉각은 디맨드 흐름(demand flow)을 필요로 하며, 실제로 흐름 냉각 능력은 열 부하를 오프셋한다. 부동의 고정 오리피스 크라이오스탯에 따르면, 디맨드 흐름 동작은 고유한 것이 아니며, 동시적인 급속 냉각 및 장기간의 냉각은 상호 배타적이다. 이러한 두가지 조건은 고정 오리피스 크라이오스탯에서 동시에 만족될 수 없다. 따라서, 종래 줄 톰슨 크라이오스탯이 어떠한 이동 부분도 갖지 않는다는 점에서 간단한 장치일 것이지만, 고유의 제어되지 않는 흐름 특성은 제한된 크라이오젠을 수단으로 급속 냉각 및 장기 냉각 지속이 요구되는 많은 장치에 부적합한 고정-오리피스형 크라이오스탯을 만든다.

약 1950년대 이후로, 다양한 오리피스 크기의 내부 부동의, 자동 온도 조절 기능을 갖는 디맨드-흐름 줄 톰슨 크라이오스탯이 이용되어 왔다. 이러한 크라이오스탯은 최대 오리피스 크기로 냉각하기 시작하는 능력을 제공하는 유체 쓰로틀링 밸브를 구비하여, 급속 냉각을 위한 높은 비율의 크라이오젠 흐름 및 냉동을 제공한다. 냉각이 달성된 후, 오리피스 크기는 최소 크라이오젠 흐름율 및 열적 부하에 대한 유지 냉각용 밸브에 의해 감소된다.

유체 쓰로틀링 밸브는 일반적으로 크라이오젠 플레넘(plenum) 챔버 내/주위의 온도에 기초하여 크라이오젠 흐름의 자체 조절하게 하는 장치의 맨드릴(mandrel) 내의 부동 자동 온도 조절 액추에이터를 포함한다. 냉각율은 크라이오스탯을 통과하는 크라이오젠의 대량 흐름율에 비례한다. 자동 온도 조절 소자는 온도가 변화됨에 따라 수축하거나 팽창하는 통상 유체-충만 벨로스 또는 구체적으로 지정된 모놀리드식 액추에이터 물질의 세그먼트이다. 액추에이터가 온도를 변화시킴에 따라, 벨로스의 차지 유체에서 위상 변화에 기인하거나, 물질의 확산 특성에 기인하여 길이를 변화시킨다.

자동 온도 조절 액추에이터는 디맨드 흐름 니들 밸브 기구에 연결된다. 온도가 떨어짐에 따라, 액추에이터는 수축하도록 적응되고 니들로 하여금 줄 톰슨 오리피스로 뻗치어 오리피스를 부분적으로 닫는다. 선정된 임계 온도에서, 자동 온도 조절 소자는 니들 밸브 전체를 닫는다. 온도가 상승함에 따라, 소자는 다시 팽창하여 밸브 기구를 액추에이트하여, 새로운 크라이오젠을 오리피스를 통해 흐르게 하여 궁극적으로는 열 부하로 흐르게 한다.

미사일 장치와 같은 많은 장치는 장기적으로 요구되는 실행 시간을 달성하기 위해 낮은 유지 흐름율을 필요로 한다. 이러한 장치 형태에 대한 압력 용기 소스 또는 압축기 소스중 할당된 질량 및 부피는 운송 수단 제한때문에 급격히 감소되어 크라이오젠 공급이 제한된다. 이러한 응용은 크라이오젠 효율 디맨드 흐름 크라이오스탯의 개발에 박차를 가했고, 여기서 흐름 냉동 능력은 모든 환경 조건 전반에 대한 열 부하와 같다. 그 결과로서, 낮은 환경 온도와 같은 낮은 열 부하 조건 동안, 크라이오젠 흐름이 매우 낮은 값으로 감소되어 니들 밸브가 거의 닫혀지게 된다.

낮은 흐름 조건에서의 유지 동작과 부합하여, 자동 온도 조절 액추에이터는 니들 밸브를 완전히 개방시키고 급속 냉각을 위한 높은 초기 흐름율을 달성하도록 비교적 큰 운행(travel)을 필요로 한다. 이러한 조건을 양호하게 수행하는 크라이오스탯은 정확한 제조, 차지 유량 파라미터 및 초기 밸브 조절을 필요로 하는 벨로스형 자동 온도 조절 액추에이터를 포함한다.

최소 흐름율을 제공하기 위한 기술이 니들 밸브 내의 흐름 바이패스를 포함하는 것이다. 이는 벨브가 완전히 밀봉되었을 때 크라이오젠을 누설하는 니들 밸브의 니들 또는 오리피스중 하나에서 약간의 채널로 구성된다. 비록 이러한 특징이 낮은 흐름을 극단적으로 방지하더라도, 흐름은 과도한 크라이오젠 소비를 방지하도록 낮게 설정된다. 이러한 특징은 또한 견실히 제조하기에 어렵다.

이러한 유형의 크라이오스탯 및 낮은 흐름율을 나타내는 모든 크라이오스탯의 심각한 문제가 신뢰성의 결핍이다. 많은 이유로 인해, 흐름이 방해되고 액추에이터가 응답하며 흐름이 재개되기 전에 제어된 온도가 수용불가하게 증가한다. 가장 집요한 문제가 크라이오젠 오염이다. 크라이오젠에서의 불순물이 응결되어 구멍를 막고/또는 니들의 고정시켜, 밸브 동작 및 크라이오젠의 흐름을 방해한다. 추가적으로, 크라이오젠 자체가 오리피스의 상부로 응결할 수 있고 다음 니들 밸브 동작을 방해한다. 이러한 구체적인 현상은 과도한 냉각제가 생성될 때 냉각후 즉시 가장 일반적으로 나타나며 대부분 아르곤 작용에 관련된다. 자동 온도 조절 액추에이터의 응답 시간은 충분한 지속 시간의 흐름 방해를 막을 수 없을 정도로 너무 길어서 수용불가한 온도 상승을 유발한다.

또한, 벨로스형 크라이오스탯은 디자인 수명 전반에 걸쳐 매우 양호한 봉합을 유지해야만 하고, 벨로스는 크라이오스탯 장치가 요구하는 명세서에 따라 제조하기가 어렵다. 열 팽창의 물질 계수(CTE)를 이용하는 디자인은 벨로스 디자인보다 간단하지만, 낮은 감도 및 느린 열적 응답의 단점을 갖는다. 이는 낮은 흐름율 및 크라이오젠의 거의 최고 순도에서 이와 같은 디자인의 신뢰성을 제한한다.

벨로스형 크라이오스탯 이외에, 모놀리식 고 CTE 탄성 물질을 이용하는 크라이오스탯이 개발되어 왔다. 본 명세서에 참증으로 일체화되고, Ralph C. Longsworth에 의한 "Bimaterial Demand Flow Cryostat"이라는 제목의 USP 4,152,903(1979년 5월 8일자 등록)를 참조하라. 이러한 디자인은 급속 냉각 및 낮은 유지 흐름율을 달성하지만, 낮은 흐름율에서 완전히 덜 신뢰적임이 판명되었다. 그 성능은 대부분의 장치에 비실용적인 범위까지는 크라이오젠의 양에 민감하다. 그리고, 이러한 형태의 액추에이터가 크라이오젠의 한 형태에 대해 주의깊게 조절되더라도, 다중 형태의 크라이오젠에 대해서는 수정되지 않는다.

급속 냉각 및 신뢰성있는 긴 실행 시간을 달성하기 위한 또 다른 시도가 반-활성 액추에이터를 포함하는 것이다. 이러한 접근은 본 명세서에 참증으로 일체화되고, Matthew Skertic 등에 의한 "Adaptive Orifice Joule-Thomson Cryostat With Servo Control(PD 92396)"이라는 제목의 USP 출원 번호 08/469,163(1995, 6,6일자 출원)에 기술되고 청구되어 있다. 액추에이터는 그 물질이 크라이오스탯 동작 온도 근처에서 위상을 변화시키는 배선이다. 위상에서의 변화에 따라, 물질은 길이를 상당히 변화시킨다. 길이에서의 변화는 벨로스가 니들 밸브를 동작시키는 방식과 동일한 방식으로 니들 밸브를 동작시킨다. 전류가 배선을 통과할 때, 배선은 가열되어 온도를 변화시킨다. 전류를 인가를 외부적으로 제어함으로써, 배선의 가열이 제어되어 니들 열림 또는 닫힘이 제어된다. 이러한 접근법이 갖는 어려움은 배선이 구조적인 문제를 나타낸다는 것이다. 배선에서의 전압을 유지하고 동적 환경에서 디자인 작업을 하는 것이 강조되는 요건이다.

그래서, 급속 냉각, 신뢰성있는 디맨드 (낮은) 유지 흐름율, 및 다중 형태의 크라이오젠의 작용을 할 수 있는 줄 톰슨 크라이오스탯용 응답 열-활성 소자에 대한 필요성이 존재한다. 게다가, 낮은 크라이오젠 흐름율에서 크라이오젠 불순물의 범위를 다루는 로버스트 성능을 제공하는 자정 기능의 크라이오스탯에 대한 필요가 있다.

<발명의 요약>

개선된 온도 조절 성능, 크라이오젠 형태 및 불순물에 대해 감소된 감도 및 종래 디자인보다 잠재적으로 저렴한 비용을 제공하는 본 발명의 크라이오스탯에 의한 필요성이 기술 분야에 제기된다. 본 발명의 크라이오스탯은 종래 기술의 수동 액추에이터를, 크라이오젠 온도의 변화에 수동적으로 대응하는 것외에, 액추에이터에 발생되는 외부적으로 제어된 열적 히팅을 통해 원격 감지된 온도에 반응하는 액추에이터로 대체한다. 가장 일반적인 점에서, 액추에이터는 높은 열 팽창 계수를 갖는 중합체 물질 및 내장된 열 자극제로 구성되어 있다. 예시적인 실시예에서, 액추에이터는 반응성 열 탄성 크라이오스탯, 또는 RTEC이다.

구체적인 실시예에서, 본 발명은 구체적으로 선택된 CTE 액추에이터 물질에서의 내장된 신축성있는 가열 소자를 이용한다. 제어 온도 감지기는 냉각될 장치의 온도 변화를 가리키는 크라이오스탯 제어 전자 장치에 신호를 제공한다. 온도 신호에 응답하여, 제어 전자 장치는 액추에이터의 가열 소자에 전류를 조절한다. 액추에이터 온도는 가열 소자에 의해 발생된 열에 기인하여 급격히 증가한다. 액추에이터는 임의의 흐름 차단을 극복하는 니들 밸브를 팽창 및 개방시켜 흐름을 회복시킨다. 소정 장치의 온도가 얻어질 때, 전류 및 가열이 중단된다. 흐르는 크라이오젠은 부착 니들을 오리피스로 점차 짧게하고 끌어당기는 액추에이터를 점차적으로 냉각시켜 흐름을 조절한다. 감지 온도가 용인될 수 없는 값으로 상승하면, 가열 및 냉각 사이클이 자체적으로 반복한다. 가열 소자가 액추에이터 가열을 가속화하는 능력을 제공한다. 가열 소자는 수동적으로 응답하는 액추에이터 디자인보다 상당히 큰 액추에이터의 온도 비율 및 크기 변화를 생성함으로써 보다 빠르고 큰 운행을 제공한다.

본 발명은 줄 톰슨 크라이오스탯(Joule-Thomson cryostats)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 줄 톰슨 크라이오스탯의 성능을 향상시키기 위한 시스템 및 기술에 관한 것이다.

본 발명이 특정 장치에 대한 예시적인 실시예를 참조하여 본 명세서에 기술되지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않음을 알아야 한다. 기술 분야의 통상을 기술을 가지고 본 명세서에 제공된 기술을 이용하는 당업자라면 본 발명의 범위 및 본 발명이 상당한 유용성을 가지는 부수적인 응용 분야 내에서의 부가적인 변형, 응용, 및 실시가능함을 인식할 것이다.

도 1은 전형적인 디워(dewar)에 장착되는 바와 같이 본 발명의 크라이오스탯 시스템 일부의 측단면도.

도 2는 본 발명의 액추에이터 조립의 측단면도.

도 3은 도 2의 변형인, 본 발명의 압박된 탄성 중합 액추에이터의 측단면도.

본 발명이 특정 장치에 대한 예시적인 실시예를 참조하여 본 명세서에 기술되지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않음을 알아야 한다. 기술 분야의 통상을 기술을 가지고 본 명세서에 제공된 기술을 이용하는 당업자라면 본 발명의 범위 및 본 발명이 상당한 유용성을 가지는 부수적인 응용 분야내에서의 부가적인 변형, 응용, 및 실시가능함을 인식할 것이다.

도 1은 전형적인 검출기-디워 조립체에 설치되는 본 발명의 크라이오스탯 시스템을 도시하는 도면이다. 도 2는 크라이오스탯 액추에이터 서브-조립체를 상세화한 것으로, 이는 본 발명의 크라이오스탯의 특징적 형태이다. 도 3은 액추에이터 서브-조립체의 변형을 상세화한 것으로, 부가적인 본 발명의 액추에이터의 특징적 형태를 포함한다.

도 1은 본 발명의 크라이오스탯 시스템부에 대한 측단면도이다. 시스템(10)은 디워(14) 내에 배치된 크라이오스탯(12)을 포함한다. 디워(14)는 내부에 냉 웰(cold well;18)이 제공되는 외벽(16)을 갖는다. 검출기(20)는 냉 웰 단부(34) 상에 탑재된다. 검출기 조립체(20)는 전형적으로 디워(14)의 외벽(16)에 제공된 디워 윈도우(22)를 통해 입력 에너지를 받는 적외선 검출기의 어레이를 포함한다. 검출기 조립체(20)는 크라이오스탯(12)에 의한 극저온에서 유지된다. 고압 아르곤, 질소, 공기 또는 이들 임의의 조합과 같은 냉각제가 크라이오젠 입구(24)를 통해 지지 맨드릴(28)을 감싸는 회복력이 있는 핀형 튜브 열 교환기(26)로 공급된다.

열 교환기(26)는 기본적으로 맨드릴(28) 주위에 감싸진 카운터플로우 핀형 금속 배관을 구비한다. 이는 입구 크라이오젠이 확장 오리피스(30)을 향하여 흐를 때 고압 입구 크라이오젠을 배기 크라이오젠에 의해 냉각될 수 있게 한다. 열 교환기(26)는 맨드릴(28)의 단부에 있는 확장 오리피스(30)에서 끝난다. 확장 오리피스(30)는 줄 톰슨 유체 조절 밸브로서 역할을 한다. 크라이오젠이 확장 오리피스(30)를 통과하여 둘러싸인 크라이오젠 플레넘(32)으로 들어갈 때, 액체 및 가스 상태 모두로 이루어질 수 있는 저압, 저온 유체로 팽창한다. 유체의 증발 및 저온 가스로의 대류 열 교환은 직접 접촉하는 냉웰(34)-검출기 조립체(20)를 냉각시키는 근본적 열 전달 모드이다. 유체가 오리피스(30)로부터 냉웰 단부(34)로 뿌려져서 유체 검출기 조립체(20) 열 전달을 최소화한다. 다음 유체가 열 교환기를 거쳐 흐를 때 핀형 튜브 열 교환기를 통해 입구 크라이오젠을 냉각하는 양을 배기한다. 유체가 액체 및 가스 상태 모두로 이루어지는 한, 온도는 현재 백 압력에 대한 크라이오젠 포화 온도로 유지될 것이며, 이는 통상 1 대기압보다 약간 이상이다. 크라이오젠 흐름의 냉동력이 디워 조립체(16) 총 열 부하와 부합할 때, 디맨드 열 흐름이 달성된다. 냉동력이 열 부하를 초과하는 흐름은 온도를 포화 온도로 유지하지만, 크라이오젠을 낭비하고 실행시간을 줄인다.

자동 온도 조절 액추에이터는 크라이오젠 플레넘 내 및 주위에 유체 온도에 기초한 가스 흐름의 자체-조절을 제공하도록 설계된다. 크라이오젠 흐름이 부족하면 검출기 조립체 온도가 상승하고, 크라이오젠은 초과열 가스가 되고 자동 온도 조절 액추에이터를 가열시킨다. 액추에이터는 니들 밸브를 작용시킴으로써 길이를 변화시키고 크라이오젠 흐름율을 변화시킨다. 액추에이터가 냉각될 때, 이는 흐름을 수축 및 감소시킨다. 그래서 흐름의 수동 조절이 달성된다.

RTEC 액추에이터(40)에 탑재된 열 소자(44)에 더하여 액추에이터를 가열하고 니들 밸브를 통하는 흐름에 영향을 끼치는 제어가능한 수단을 제공한다. 제어 탄력성은 불순 장애물과 같은 치명적인 경우를 완화될 수 있게 한다. 검출기 조립체(20)의 온도는 오염 또는 크라이오젠 침전이 흐름을 혼란시키고 불안정한 자체-조절을 일으킬 때 상승한다. 온도 상승은 온도 감지기(62)에 의해 감지되고 제어 전자 장치(60)를 트리거한다. 제어 전자 장치(60)는 액추에이터(40)에 실장된 열 소자(44)에 공급되는 전류를 결정하고 제어한다. 히터(44)는 액추에이터 물질(42) 온도를 급격히 상승시키는데, 이는 교대로 급격히 팽창한다. 팽창은 확장 오리피스(30)를 개방하여 검출기 조립체(20)를 냉각하기에 충분한 크라이오젠 흐름을 회복시킨다. 회복된 냉각은 검출기 조립체(20)가 용인할 수 없게 더워지는 것을 방지하고 흐름 방해는 개방된 확장 오리피스(30)로부터 제거된다.

액추에이터 가열은 검출기 조립체(20) 온도가 그의 동작 온도 또는 근처가 되도록 결정될 때 끝난다. 섭동(perturbation)후 크라이오스탯이 정규 자체 조절 모드로 돌아오고 선정된 연속적 개폐 순환 모드로 돌아온다.

도 2는 본 발명의 중합 액추에이터 조립체의 측단면도이다. 액추에이터 소자(40)는 내부에 히터 소자(44)가 실장된 높은 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 액추에이터 물질(42)의 길이와 같은 로드로 이루어진다. 액추에이터 소자는 고정단에서의 중간 지지물(45)을 통해 맨드릴에 부착되어 있다. 니들(50)을 수용하는 니들 어댑터(52)가 자유 단부 상에 탑재되어 있다. 액추에이터 구조물(42)은 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 구조물(42)은 크라이오스탯 니들(50)을 액추에이트하는데 필요한 열적으로 유도된 운동의 적절한 레벨을 제공하고 동적 환경에서의 동작을 위한 적절한 구조 보존을 제공한다. 에폭시, 실리콘, 및 폴리우레탄 또는 적절한 CTE 및 강도를 갖는 열경화성 또는 열가소성 중합체와 같은 물질이 이용될 수 있다. 로드는 그 안에 플라스틱 튜브가 실장된 히터 소자를 갖는 부분을 캐스팅하고, 물질을 경화시킨 다음 플라스틱 튜브를 제거함으로써 제조될 수 있다. 기술 분야의 당업자라면 다른 제조 방법이 사용될 수 있음을 알 수 있다.

산업상 일반적인 바와 같이, 니들(50)은 어댑터(52)에 의해 액추에이터(40)에 연결되어 있다. 제어 니들(50)은 L자 형이며, 적절한 금속으로 이루어지며, 액추에이터(40)에 의해 액추에이트될 때 오리피스(30)와 맞물리는 쪽으로 그리고 바깥으로 운행시키는데 적용된다.

예시적인 실시예에서, 가열 소자(44)는 36 내지 24 게이지의 니크롬 또는 다른 적당한 금속의 저항성 배선의 코일이다. 가열 소자(44)는 액추에이터 표면에서 니크롬에서 일반 전기 배선으로 전이하고 크라이오스탯(12)의 중앙을 통해 그의 끝단부 바깥으로 제어 전자 장치(60)로 진행한다.

액추에이터 조립체의 디자인 변형이 도 3에 도시되어 있다. 탄성 중합체의 효과적인 선형 CTE를 증가시키기 위해, 액추에이터 물질이 하나의 소정 방향으로 팽창시키도록 지나치게 이용한다. 만약 억제되지 않으면 억제된 표면에서 달리 일어날 팽창을 보상하도록 억제되지 않은 표면이 팽창되게 한다. 이는 반-압박 용기 내의 부피 변화를 겪는 압축할 수 없는 물질로서 역할을 하는 엘라스토머의 원리를 이용한다. 액추에이터(가열 소자(44)에 실장)는 적절한 물질 또는 다른 적당한 저 CTE 물질로 구성된 컨테이너(46) 내에 압박된다. 예시된 바와 같이, 컨테이너(46)는 상부(47), 하부(48) 및 그 사이에 팽창 결합부(49)를 갖는 2부분 구조로 되어 있다. 기본적으로 액추에이터 물질의 모든 팽창은 물질의 부피 팽창 특성을 상당히 증가시키는 팽창 결합부(49)에서 일어나도록 한다. 컨테이너(46)의 하부(48)는 상기 기술된 제어 니들(50)에 연결되어 있다. 실장된 신축성 가열 소자의 코어 특징 및 이점이 유지된다.

가열 소자(44)로의 전류가 제어 전자 장치(60)에 의해 제공된다. 전자 장치(60)는 공유 마이크로프로세서, 전용 집적 회로 조립체, 또는 기술 분야의 당업자가 잘 알 수 있는 이산 소자로 이루어진 조립체일 수 있다. 제어 전자 장치(60)는 크라이오스탯(12)의 단부 및 디워 냉웰 단부(34) 사이의 공간에 있는 플레넘(32)에 배치된 종래 온도 감지기(62)로부터 신호를 수신한다. 온도 신호는 또한 검출기 조립체(20) 근처에 있는 디워(14)에 탑재된 온도 감지기로부터 제공될 수 있다. 선택적으로, 온도 신호는 검출기 온도를 상승시킴으로써 유발되는 노이즈와 같이, 열화된 비디오 파라미터의 인식을 통해 비디오 정보로부터 추정될 수 있다.

플레넘(32)에 위치한 온도 검출기(62)를 이용한 응용에서는 온도 검출기 배선이 크라이오스탯의 중심에서 제어 전자 장치(60)의 밖으로 연결되어 있다. 제어 전자 장치(60)는 온도 검출기 신호를 사용하여 히터의 전력을 조정한다. 조정에 관한 것은 열 시스템의 특성에 기초하여 구성된다. 적어도, 온도가 지나치게 높을 때에 전력이 공급되고 온도가 충분히 떨어졌을 때에 전력이 중단된다. 몇몇의 크라이오스탯 장치는 액추에이터가 개방 위치와 폐쇄 위치를 사이클로 하는 설계 방법을 가능하게 한다. 폐쇄 위치는 상술한 바와 같이 최적의 사이클링을 용이하게 하는 빌트인 리크(built in leak)를 포함할 수 있다.

자동 온도 조절 장치의 액추에이터내의 제어식 가열 소자의 구성은 고속의 액추에이터의 열 관리 및 이에 따른 흐름 조정을 제공한다. 본 발명은 많은 중합체 물질에 대하여 특정한 열 팽창 계수가 큰 트랜스듀서 물질을 선택할 수 있으므로 설계의 융통성을 제공한다. 액추에이터 물질은 구조적으로 가열 소자를 지지하며, 동적 환경에서 내구성이 있다. 액추에이터 재료 CTE은 니들 동작을 제어하는 CTE 파라미터이므로 가열 소자 자체가 특정한 CTE를 가질 필요성을 줄인다. 탄성 중합체 물질을 규정된 부피로 적절히 제한하는 것은 그의 실효 CTE를 3의 인수까지 더 증가시킬 수 있는 기술이다. 흐름 조정 니들의 제어는 온도 검출기를 통해서 제어되는 온도 및 고속 열-기계 액추에이터 응답에 긴밀하게 결합된다. 액추에이터 물질의 범위가 넓은 것은 소망의 전반적인 운행 감도 및 다른 열적 특성을 얻는데 유리하다.

또한, 상당히 큰 액추에이터 운행은 고 CTE를 가진 물질이 설계에 포함될 수 있기 때문에 달성될 수 있다. 열을 유도하는 방식을 이용함으로써 수동 액추에이터 설계에서 보다 더 높은 온도에서 변화를 시킬 수 있다. 대형의 액추에이터 CTE 및 유도된 온도 변화에 따른 제품으로 인하여 보다 대형의 애츄에이터 혹은 니들 운행을 달성할 수 있다. 니들 운동 대 크라이오젠 온도 변화를 나타내는 크라이오스탯 감도의 정량적 증가가 매우 바람직하다. 먼저 냉각 시간이 약간 개방된 위치에서 니들과 함께 개시됨으로써 개선될 수 있다. 이로써 냉각 시간을 단축시키는 높은 초기 흠름율이 가능하게 된다. 둘째로, 오리피스가 침전 또는 오염으로부터 차단되면, 니들은 보다 더 개방된 위치로 구동될 수 있다. 이로써 침전 혹은 오염이 신속하게 제거되어 수용이 불가능한 정도의 온도 상승을 방지할 수 있는 정도로 된다. 따라서, 증가된 니들 운행과 신속한 응답 시간으로 인하여 크라이오젠에서의 불순물의 존재에 대비하여 설계를 더욱 튼튼히 할 수 있다. 그리고, 낮은 크라이오스탯의 흐름이 불순물로 인해 막힘을 증가시키므로 자정기능의 크라이오스탯의 특징으로 인하여 저속의 흠름을 꾸준히 유지하여 신뢰성있는 성능을 달성한다.

다른 중요한 성능 특성은 본 발명의 설계가 공급되는 크라이오젠의 변형에 훨씬 덜 민감하다는 점이다. 본 발명의 액추에이터의 동작은 수동 시스템에 내제된 복잡한 크라이오스탯/디워/크라이오젠 열, 서모다이나믹 및 유체 다이나믹 특성에 종속적이지만은 않다. 액추에이터의 동작은 크라이오젠 공급 및 환경 조건의 변형에 덜 민감함으로 성능 의존성을 열화시키다. 조정중인 온도를 모니터하고 열적 속성을 외부적 지능으로 지배하는 성능을 능동적으로 제어하는 능력으로 인하여 보다 용이하게 성능을 관리할 수 있다. 이러한 증가된 성능 관리로 인하여 다수의 크라이오젠을 사용하여 동작하고 공급량의 변화 및 환경 조건에 따라 동작하는 크라이오스탯의 능력이 향상된다.

본 발명의 설계에 따른 향상된 액추에이터의 운행 및 감도는 내구성뿐만아니라 제작동안 임계의 초기 흐름 설정을 달성하는데의 어려움을 덜어준다. 이렇게 큰 내구성을 갖추고 있다고 하면, 현재의 광범위에 걸친 공정 및 수용 데스트의 필요성을 감소시킨다. 크라이오스탯 제작에 있어서 가장 비용이 많이 드는 소자는 흐름 세팅, 테스팅 및 낮은 수율과 관련되어 있기 때문에, 설계의 비용이 증가되는 소자의 축소는 본 발명의 설계에 필요한 제어 전자 장치 및 온도 검출기에 대한 추가의 비용 이상으로 잠재력이 크다. 전체 시스템의 비용은 크라이오스탯의 향상된 신뢰성과 순수 크라이오젠과 같은 시스템 요건의 잠재적인 완화로 인하여 감소될 수 있다. 이러한 요인은 호스트 시스템의 수명에 중요하다.

본 발명은 특정한 응용에 적합한 특정한 실시예와 관련하여 설명되어 있다. 본 교시에 따른 분야 및 접근에 통상의 지식을 가진 자는 본 교시의 범위내에서 추가의 변형, 응용 및 실시예를 인식할 것이다. 가령, 튜브 설계는 고체 실린더 대신에 액추에이터에 사용될 수 있다. 가열 소자는 실린더내에 배치되어 있고, 크라이오젠은 튜브의 외측으로 흐르도록 되어있다. 이것은 액추에이터 물질내에 가열 소자를 내장할 필요성을 줄인다. 다른 방법은 평편한 가열 소자에 코일을 감고 높은 CTE 탄성체로 가열 소자의 표면을 피복하는 것이다. 이 방법은 열 질량을 최소화하기 때문에 크라이오스탯을 고속화하고 에너지의 효율성을 향상시킬 수 있다. 본 발명은 한정된 공간에 포획된 중합체를 사용할 수도 있다. 따라서, 본 분야에 숙련된 자는 특정한 응용에 맞는 설계의 최적화가 여러가지 형태로 취해질 수 있음을 알 수 있을 것이다.

따라서, 첨부된 특허 청구의 범위는 본 발명의 영역내에서 이러한 모든 응용, 변형 및 실시예를 커버하도록 의도되었다.

Claims (9)

1. 유체의 흐름을 챔버(32)속으로 제어하기 위한 밸브(30, 50), 및

   상기 밸브(30, 50)를 작동시키기 위한 메카니즘

   을 포함하며, 상기 메카니즘은

   온도에 응답하여 상기 밸브(30, 50)를 작동시키기 위한 온도 감지 메카니즘(42), 및

   상기 온도 감지 메카니즘에 열을 인가하기 위한 히터(44)

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯
2. 제1항에 있어서, 상기 크라이오스탯의 온도를 감지하여 이에 응답하여 전기 신호를 제공하기 위한 메카니즘(62)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯
3. 제2항에 있어서, 상기 히터(44)를 작동시키기 위한 신호에 응답하는 회로(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
4. 제1항에 있어서, 상기 온도 감지 메카니즘(42)은 높은 열 팽창 계수를 가진 물질의 로드(rod)인 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
5. 제4항에 있어서, 상기 로드는 중합 탄성체인 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
6. 제4항에 있어서, 상기 히터(44)는 로드에 매립된 배선 코일인 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
7. 제6항에 있어서, 상기 로드를 보유하기 위한 컨테이너(46)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
8. 제7항에 있어서, 상기 컨테이너(46)는 팽창 결합부(49)를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯.
9. 유체의 흐름을 챔버(32)내로 제어하는 밸브(30, 50)를 제공하는 단계,

   상기 밸브(30, 50)를 작동시키기 위해서 높은 열 팽창 계수를 가진 물질의 로드(42)를 포함하는 액추에이터(40)를 제공하는 단계, 및

   상기 로드에 매립된 배선 코일(44)에 전류를 인가함으로써 상기 액추에이터에 열을 가하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오스탯 작동 방법.