KR20070017104A

KR20070017104A - 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리에 대한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20070017104A
Application number: KR1020067013433A
Authority: KR
Inventors: 암르 하산 오바이드; 마크 하네스
Original assignee: 슈파컨덕터 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2007-02-08

Abstract

극저온 냉각기 냉각 단 어셈블리가 개시된다. 이 어셈블리는 일체형 외부 하우징을 포함한다. 단일 일체형 금속 쉘(shell)로부터 하우징을 제조함으로써, 파트의 수는 종래의 어셈블리들에 비해 감소한다. 또한, 종래에는 구성들을 고정하고 밀봉하기 위해 필수적이었던 모든 경납땜에 대한 요구가 제거되었다. 추가로, 외부 밀봉 하우징을 제조/형성하는 단계 뒤에 하나 이상의 가공 단계를 거치기 때문에 허용오차가 개선된다. 이러한 것은 수 개의 구성을 쉬링커 피트 시킬 수 있도록 하고, 피스톤 보어 및 디스플레이서 실린더 사이의 라인 일치의 정확성을 개선하는 결과를 가져온다. 후자의 개선 때문에 디스플레이서 라이너의 요구가 제거된다.

극저온 냉각기, 냉각 단, 외부 하우징, 열교환기, 디스플레이서 실린더 어셈블리

Description

극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리에 대한 장치 및 방법{CRYOCOOLER COLD-END ASSEMBLY APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 일반적으로 극저온 냉각기에 관계하고, 보다 상세하게는 일체형 극저온 냉각기 냉각 단 어셈블리 하우징(unitary cryocooler cold-end assembly housing)에 관계하고, 보다 더 상세하게는 경납땜을 제거/최소화하고 가스를 방출하는 구성들(components)을 내부 또는 외부 어느 곳에라도 탄력적으로 위치시킬 수 있는 설계를 제공하는 데 있다.

초전도체(superconductor) 제품 시장은 계속 성장하고 있는데 특히 팽창하고 있는 상업적 응용분야에서 상당히 빠른 속도로 성장하고 있다. 더 상세하게는 고온 초전도체(high temperature superconductor) ("HTS") 장치 및 시스템은 셀룰러 통신 기지국 필터(cellular communication base station filters)에 성공적으로 사용되고 있다. 이러한 필터들은 신호장애를 줄이고 기지국의 민감성을 증가시키기 위해 설계된다.

의도된 방식으로 작동하기 위해, 초전도체 장치는 일반적으로 극저온(extremely low temperatures)까지 냉각되어야 한다. 현재의 HTS 장치에 있어서, 이들 장치들은 약 77K 이하로 냉각되어야 한다. 이들 극저온의 온 도(cryogenic temperatures)는 극저온 냉각기(cryocooler)를 사용하거나 저온에서 끓는 유체에 이 장치를 침수시켜 도달될 수 있다. 극저온 온도를 달성하기 위해 일반적으로 사용되는 액체는 77K에서 끓는 질소 및 4K에서 끓는 헬륨이다. 극저온 냉각기는 휘발성 액체의 증발을 제어하고(액체의 기화열을 이용하여 이 장치를 냉각하는), 초기에 고압(150에서 200기압처럼)으로 구속된 가스들의 팽창을 제어하거나, 밀폐 사이클에서 히트 펌프(heat-pump)를 작동시켜 교대로 냉각 지점 부근(소위 팽창열에 의해 열을 흡수함으로서 냉각되는)에서 가스를 팽창시키거나, 또 다른 지점(압축열에 의한 열을 제거하는)에서 가스를 압축함으로서 일반적으로 작동한다. 고효율 극저온 냉각기 중 하나는 교반 사이클에 기초한 밀폐 사이클 극저온 냉각기(closed-cycle cryocooler)이다.

교반 사이클 냉각 유닛(stirling cycle refrigeration units)(또는 교반 사이클 극저온 냉각기(Stirling cycle cryocoolers))은 디스플레이서 어셈블리(displacer assembly) 및 컴프레서 어셈블리(compressor assembly)를 포함하고,여기서 두 개의 어셈블리는 서로 유체를 전달할 수 있다. 이 어셈블리는 프라임 작동기(prime mover)에 의해 동작한다. 이 프라임 작동기는 전자기 선형 또는 로터리 모터에 의해 실행될 수 있다.

종래의 디스플레이서 어셈블리는 일반적으로 냉각 단("cold" end) 및 가열 단("hot" end)을 가진다. 가열 단은 컴프레서 어셈블리와 서로 유체를 전달할 수 있다. 디스플레이서 어셈블리는 디스플레이서 어셈블리의 한 단(즉 냉각 단)으로부터 디스플레이서 어셈블리의 다른 단(즉 가열 단)으로 헬륨 같은 유체를 대체하 기 위해 그곳에 설치된 재생기를 구비하는 디스플레이서를 포함한다. 컴프레서 어셈블리는 유체가 디스플레이서 어셈블리의 가열 단 내에 실질적으로 위치될 때 추가 압력을 유체에 가하고, 유체가 디스플레이서 어셈블리의 냉각 단 내에 실질적으로 위치될 때 압력을 유체로부터 방출하는 기능을 한다. 이러한 유형에서는, 예를 들면 디스플레이서 어셈블리의 냉각 단은 77K에서 유지될 수 있으나, 반면 디스플레이서 어셈블리의 가열 단은 주위 온도보다 15℃ 높게(즉, 약 313K) 유지될 수 있다.

현재 극저온 냉각기의 단점 중 하나는 많은 구성을 사용한다는 점이다. 특히, 외부 하우징(external houseing)을 구성하는 많은 구성들이 있다. 상기 극저온 냉각기는 유체를 압축 및 팽창하여 작동하기 때문에 완전히 밀봉되어야 한다. 실제로, 많은 구성들은 이러한 요구를 달성하기 위해 서로 경납땜 되어야 한다(예를 들면, 주위 압력으로부터 극저온 냉각기를 밀봉시키기 위해). 그러나 경납땜은 매우 노동 집약적이다. 더 나아가, 경납땜 작업은 어셈블리의 선형성에 있어서 원하지 않는 분산을 종종 도입한다. 이것은 상기 장치의 요구되는 허용오차를 증가시키므로, 더 큰 허용오차 및 비선형성을 수용하기 위해 추가 구성 파트를 포함하도록 하는 원인이 되고 있다.

현재 극저온 냉각기의 다른 단점은 극저온 냉각기의 내부에 많은 구성을 포함하는 것이다. 많은 수의 이러한 구성들은 가스방출성을 보인다(예를 들면, 각 구성으로부터 극저온 냉각기의 내부의 밀봉된 환경으로 가스의 확산). 가스를 방출할 수 있는 구성의 예는 모터 코일, 외부 라미네이션 및 많은 구성들을 서로 결 합하기 위해 사용하는 에폭시를 포함한다. 원하지 않는 가스를 내부의 밀봉된 환경 속으로 도입함으로써, 이러한 가스 방출은 극저온 냉각기의 효율을 종종 떨어뜨린다.

따라서, 당해 기술분야에서 이런 문제를 개선하기 위해 외부 밀봉된 하우징을 형성하는 최소의 구성을 가진 극저온 냉각기에 대한 요구가 있다. 이렇게 함으로써, 각 구성 사이의 동심 배열(concentricity alignment)이 개선될 수 있다. 더 나아가, 내부 및 외부의 모터를 함께 이용하는 것과 관련되는 외부의 밀봉된 하우징의 설계 가요성에 대한 요구가 있다. 본 발명은 종래기술의 단점을 직접적으로 문제삼고 이를 극복한다.

[발명의 요약]

본 발명은 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리의 허용오차 및 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 더 상세하게는 상기 어셈블리의 구성 파트(parts)의 수가 감소되고 노동 집약적인 경납땜 및 접합 단계가 제거된다. 이것은 극저온 냉각기의 제조시간 및 비용의 감소를 가져온다. 상기 파트의 수는 두 가지 면에서 감소된다. 첫째, 극저온 냉각기의 외부 밀봉된 하우징을 형성하는 구성이 감소한다. 둘째로, 원통형 구성(예를 들면, 디스플레이서, 실린더 보어(cylinder bore) 및 피스톤 보어(piston bore))은 설치 후에 가공함으로써 서로 일치한다. 각 구성을 일치시킴으로써, 종래의 디스플레이서 실린더 보어(디스플레이서 라이너(displacer liner))와 같은 어떤 구성 파트들이 제거될 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 종래의 경납땜은 많은 수의 구성을 접합하고 밀봉 하기 위한 제조 방법으로서 종종 사용되었다. 그러나 본 발명은 바람직하게는 경납땜의 요구가 제거된다. 더 나아가, 상기 하우징의 최종 임계지름을 가공함으로써, 동심 배열이 개선된다. 어떤 점에서는, 구성이 감소되어 부싱 (bushing) 및 다른 마찰이 제거될 수 있다. 다른 구성들은 에폭시 결합을 요구한다. 구성을 조립하는 이러한 형태에 대한 필요를 제거함으로써, 또 다른 가스 방출의 요인이 제거된다. 외부용으로 설계된 모터인 경우에는 가스를 방출하는 구성이 외부 밀봉된 하우징의 외부로 이동될 수 있다. 이런 점에서, 내부 유체/가스 환경 오염이 덜 발생하게 된다. 이런 점에서, 원하는 내부 유체/가스 환경이 특정 레벨로 거의 유지되면, 극저온 냉각기의 효율도 개선됨을 인식할 수 있다.

본 발명의 원리에 따라 제조된 바람직한 구현예에 있어서, 외부 밀봉된 하우징은 단일의 일체형 금속 쉘로 형성된다. 이렇게 함으로써, 종래 극저온 냉각기 냉각 단 어셈블리의 구성을 10개까지 단일 파트로 통합할 수 있다. 또한 종래에 구성들을 밀봉하고 고정하기 위해 필수적이었던 모든 경납땜의 요구가 제거된다. 더 나아가, 외부 밀봉된 하우징을 제조 및 형성하는 단계에 뒤따르는 하나 이상의 가공 단계로 인해, 허용오차가 감소된다. 이것은 몇 개의 구성에 대한 어셈블리를 일치시키기 위한 수축을 허용하고, 피스톤 보어 및 디스플레이서 실린더 사이의 직선(straight-line)의 정확성을 개선하는 결과가 된다. 이러한 후자의 개선으로 디스플레이서 라이너의(displacer liner)요구가 제거된다.

본 발명의 원리에 부합하여 형성된 냉각 단 어셈블리는 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(compressor and linear motor assembly), 열교환 유닛(heat exchanger unit), 디스플레이서 어셈블리(displacer assembly)를 포함한다. 이들 구성들이 조립되고 외부 밀봉된 하우징 내에 위치된다. 모터용 진공플랜지, 외부 히트 리젝트(external heat rejector), 외부 라미네이션 어셈블리(external lamination assembly) 및 모터용 코일은 외부 모터 설계에 대한 구현예의 경우에 외부 밀봉 하우징의 외측에 배치되고 형성된다. 내부 모터 설계에 대한 구현예의 경우에는, 단지 진공 플랜지 및 히트 리젝터 만이 외부 밀봉 하우징의 외측에 배치되고 형성된다. 다른 구현예에서, 외부의 밀봉된 하우징의 어떤 부분들을 가공하고, 및 이것에 의해 허용오차를 개선 및 제어함으로써, 수개의 어셈블리들의 공정을 일치시키기 위해 수축상태에서 외부 밀봉 하우징 내 또는 상에 일치되어 장착될 수 있다. 이 공정은 가열된 부분이 팽창하고, 이 장착 부위에 피팅되도록 압력을 가하는 파트/어셈블리를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 파트 및 어셈블리들의 치수를 정확히 측정함으로써, 파트/어셈블리가 냉각되면 이것은 확실히 외부 밀봉된 하우징 내 또는 그 위에 장착된다.

본 발명의 특징은 비 경납땜 내장 열 교환기의 사용에 있다. 바람직한 열 교환기는 쉽게 가공 또는 압출성형 되는 알루미늄 합금이다. 그러나 열교환기는 좋은 열전도 특성을 나타내는 임의의 물질로 만들어질 수 있다. 종래 사용된 경납땜 핀은 시간 집약적인 조립 공정 및 필수적으로 허용오차의 증가를 초래하였다. 가공되고 압출 성형된 열 교환기는 개선된 수율, 열 관리, 및 더욱 잘 일치되는 파트를 제공한다.

본 발명의 다른 특징은 외부 모터 구현예에 대한 외부 밀봉된 하우징에서 전 기적 공급-관통(electrical feed-throughs)의 제거, 플렉셜 베어링(flexure bearing), 가스베어링 또는 다른 베어링 설계의 선택적 이용 및 이동 코일 모터, 이동 자석 모터, 또는 다른 모터 설계들의 선택적인 이용을 포함한다.

선택적인 가스 베어링의 경우, 이러한 베어링들은 바람직하게는 컴프레서를 포함하는 피스톤 및 실린더 사이의 마찰을 감소시키거나 이상적으로는 완전히 제거하기 위해 작동 유체(working fluid)를 사용한다. 가스 베어링을 실행시키기 위해서는 가압된 가스가 체크 밸브를 통해 피스톤의 밀봉된 내부로 통과될 수 있을 것이다. 이것은 컴프레서 어셈블리의 압축 챔버내에 존재하는 임의의 가스 압력으로 인해 큰 변동(출렁임)이 없도록 하는 가스 베어링용 가압 가스의 소스를 제공한다. 다른 극저온 냉각기 설계는 작동 유체 순도에 영향을 주는 윤활제나, 작동 수명 능력에 영향을 주는 마찰 표면을 이용한다.

그러므로, 본 발명의 하나의 양상에 따르면, 열교환기, 디스플레이서 실린더 어셈블리(displacer cylinder assembly) 및 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기(displacer cylinder primary mover)를 포함하는 형태인 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리(cold-end assembly of a cryocooler) 용 외부 하우징에 있어서,

외부 하우징은 열교환기, 디스플레이서 실린더 어셈블리 및 하나 이상의 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기 부분을 수용하기 위해 배치되고 형성된 실질적으로 일체형인 하우징(unitary housing)을 포함한다. 본 발명의 다른 양상은 상기 장치는 상기 하우징을 포함하고, 냉각 핑거(cold finger)로서 작용하고 디스플레이서 실린더 어셈블리를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 1 섹 션(first section) ; 열교환기를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 2 섹션(second section) ; 및 하나 이상의 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기 부분을 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 3 섹션(third section)을 추가로 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 열교환기, 디스플레이서 실린더 어셈블리(displacer cylinder assembly) 및 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기(displacer cylinder primary mover)를 포함하는 형태인 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리(cold-end assembly of a cryocooler) 용 하우징에 있어서, 상기 장치는 냉각 핑거로서 작용하고 디스플레이서 실린더 어셈블리를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 1 섹션 ; 열교환기를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 2 섹션(second section) ; 및 하나 이상의 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기 부분을 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 3 섹션을 포함하고 ; 및 여기서 제 1 섹션, 제 2 섹션 및 제 3 섹션 중 적어도 2개는 서로 이음매 없이 연결된다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 가열 단(hot end)에서 유체를 압축하고 냉각된 유체를 냉각 단(cold end)으로 이송하는 냉각 단 어셈블리(cold end assembly)에 있어서, 상기 냉각 단 어셈블리는 프라이머리 작동기(primary mover) ; 압축하기 위해 프라이머리 작동기에 작동할 수 있게 연결된 디스플레이서 실린더(displacer cylinder) ; 열교환기 ; 및 상기 디스플레이서 실린더 및 상기 열교환기를 지지 및 실질적으로 둘러싸고, 및 하나 이상의 상기 프라이머리 작동기 부분을 지지 및 둘러싸기 위해 배치되고 형성된 이음매 없는 하우징을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상은 극저온 냉각기용 냉각 단 어셈블리를 제조하는 방법으로서 냉각 단 어셈블리용 일체형 하우징을 드로잉(drawing)하는 단계 ; 상기 하우징의 선택된 내부 직경 중 하나 이상을 가공하는 단계 ; 가공된 내부 직경들 중 하나 이상에 인접하게 진공 플랜지를 설치하는 단계 ; 상기 하우징의 선택된 외부 직경 중 하나 이상을 가공하는 단계 ; 및 선택된 외부 직경들 중 하나 이상에 인접하게 진공 플랜지를 설치하는 단계를 포함한다.

발명에 바람직한 구현예의 구조 및 본원에서 사용된 특정 장치에 관해 본원에 기재하고 있어도, 본 발명이 본원에서 기술된 이러한 구조 또는 구성 중 어느 하나에 의한 임의의 방법만으로 이해되어서는 아니 된다. 또한 밀봉 외부 하우징의 특정 형상 및 일체형의 특성이 본원에 기술되었어도, 그러한 특정 형상 및 일체형 구조는 제한된 방법으로 이해되어서는 아니 된다. 그 대신, 본 발명의 원리는 경납땜을 제거 및/또는 허용오차를 개선하기 위해 밀봉 외부 하우징을 만들기 위한 구성의 수를 최소화하는 것까지 연장된다. 추가적으로, 본 발명의 바람직한 구현예는 셀룰러 기지 환경상의 극저온 냉각기의 사용에 관하여 일반적으로 기재되었다고 하여도, 본 발명의 범위가 그렇게 제한될 수 없음을 이해하여야 한다. 본 발명의 이러한 다양성은 더 자세한 상세한 설명에 의해 당해 기술 분야의 당업자에게 명백해질 것이다.

본 발명을 특징짓는 장점 및 특성이 특히 여기에 첨부되고 본원의 한 부분을 형성하는 청구범위에 나타내었다. 본 발명의 더 나은 이해를 위해, 본원의 일부를 구성하는 도면 및 설명 자료를 수반하고, 본원에서 설명되고 기재된 바람직한 구현예를 참고하여야 한다.

도면을 참조하면, 여기서 수치는 여러 각도를 통한 파트들을 나타낸다.

도 1은 종래 기술의 냉각 단 어셈블리의 단면도이다.

도 2a는 도 1의 냉각 단 어셈블리의 외부 구성의 단면도이다.

도 2b는 본 발명의 원리에 따라 형성된 본 발명의 실시예의 구성에 의해 대체되는 도 1의 냉각 단 어셈블리의 다양한 구성의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 원리에 따라 형성된 냉각 단 어셈블리의 단면도이고, 여기서 모터는 밀봉된 외부 챔버 외부에 부분적으로 위치된다.

도 4는 도 3의 밀봉된 외부 챔버의 사시도이다.

도 5a~5f는 본 발명의 원리에 따라 형성된 냉각 단 어셈블리의 가공 및 조립에 따른 일련의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 원리에 따라 형성된 다른 구현예인 냉각 단 어셈블리의 단면도이고, 여기서 모터는 밀봉된 외부 챔버에 내부에 위치된다.

도 7a~7f는 도 6의 다른 구현예인 냉각 단 어셈블리의 가공 및 조립에 따른 일련의 단면도이다.

본 발명의 원리에 따라 형성된 냉각 단 어셈블리를 포함하는 극저온 냉각기는 다양한 환경 및 다양한 다른 구성과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 상기 원리는 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리의 허용오차 및 효율을 개선하기 위한 방법 및 장치에 적용된다. 상기 개선은 극저온 냉각기의 외부 밀봉된 하우징을 형성하는 구성을 최소화하고 가스를 방출하는 구성들을 외부 밀봉된 하우징의 외부에 위치시켜 실현될 수 있다.

냉각 단 어셈블리(cold-end assembly)의 바람직한 구현예에 대한 논의는 도 1에 도시된 종래의 냉각 단 어셈블리의 논의를 먼저 한 후 하기로 한다. 대표적인 종래 기술로서 교반 사이클 극저온 냉각기(Stirling cycle cryocooler)를 기술하였다. 상기의 극저온 냉각기(10)는 발명의 명칭이 "최적화된 냉각 단 설계에 의한 교반 사이클 극저온 냉각기"로서 미국 특허 제 6,327,862호에 상세히 기재되어 있고, 본 발명의 양수인에게 권리가 속해 있다. 이 발명은 본 발명의 명세서에 편입되어 있고, 한 파트로서 구성된다. 따라서, 모든 극저온 냉각기의 구성 또는 작동에 대해 본원에서 논의될 수는 없다. 도 1의 극저온 냉각기는 일반적으로 디스플레이서 유닛(displacer unit)(12), 열교환기 유닛(14), 및 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(16)를 포함한다.

디스플레이서 유닛(12)은 종래 방법에 따라 기능을 하고 바람직하게는 디스플레이서 하우징(18), 내부에 재생기 유닛(regenerator unit)(22)이 설치되는 디스플레이서 실린더 어셈블리(displacer cylinder assembly)(20) 및 디스플레이서 로드 어셈블리(displacer rod assembly)(24)를 포함한다. 디스플레이서 실린더 어셈블리(20)는 디스플레이서 하우징(18) 내에서 축 방향 상으로(즉 Z축 상으로) 미끄러질 수 있게 설치되고 디스플레이서 하우징(18)의 내측 면에 부착된 디스플레이서 라이너(displacer liner) 대향하여 놓여 있다. 스플레이서 엔드 캡(displacer end cap)(27)은 디스플레이서 실린더 어셈블리(20)의 원위 단(distal end) 내에 제공된다. 디스플레이서 로드 어셈블리(24)는 디스플레이서 실린더 어셈블리(20)의 일 단에 연결되고 디스플레이서 플렉서 스프링 어셈블리(displacer flexure spring assembly)(32)의 타 단(34)에 결합한다. 따라서, 적절한 조건하에서, 디스플레이서 실린더 어셈블리(20)가 디스플레이서 하우징(18)내에서 진동하는 것이 가능하다.

열교환기(14)는 디스플레이서 유닛(12) 및 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(16) 사이에 위치한다. 상기 열교환기 유닛은 열교환 블럭(heat exchanger block)(38), 흐름 전환기(flow diverter) 또는 이와 동등한 구조 및 열교환기 설치 플랜지(heat exchanger mounting flange)(42)를 포함한다. 열교환기 설치 플랜지(42)는 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(16)의 압력 하우징(pressure housing)(44)의 원위 단(distal end)에 결합된다. 열교환기 블럭(38)은 복수의 내부 열교환기 핀(46) 및 복수의 외부 리젝터 핀(external heat rejector fins)(48)을 포함한다. 따라서, 열교환기 유닛(14)은 디스플레이서 유닛(12) 및 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(16) 사이의 접합점에 위치된 영역에서 압축되는 헬륨과 같은 가스로부터 열 소산을 촉진하기 위해 설계된다(이 영역(P_HOT)은 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(16)의 압축 챔버로서 간주 될 수 있다). 열교환기 블럭(38), 내부 열교환기 핀(internal heat exchanger fins)(46) 및 외부 히트 리젝터 핀(48)은 일반적으로 고순도 구리로 만든다.

컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(16)는 압력 하우징(44)을 포함하고, 이 압력 하우징에는 피스톤 어셈블리(piston assembly)(50)가 설치된다. 피스톤 어셈블리(50)는 실린더(52), 피스톤(54), 피스톤 어셈블리 설치 브래킷트(piston assembly mounting bracket)(56) 및 스프링 어셈블리(spring assembly)(58)를 포함한다. 피스톤 어셈블리 설치 브래킷트(56)는 피스톤(54) 및 스프링 어셈블리(58) 사이의 결합을 제공하고 피스톤(54)은 실린더(52) 내에서 왕복 운동하기에 적합하다. 다수의 가스베어링(60)은 피스톤(54)의 외벽(62) 내측에 제공되고, 가스 베어링(60)은 피스톤(54) 내에서 제공받는 밀봉된 캐비티(cavity)(61)로부터 헬륨과 같은 가스를 수용한다. 체크 밸브(63)는 그 영역 내의 가스의 압력이 캐비티(61) 내의 압력을 초과하면(예를 들면, 상기 피스톤의 저장 압력을 초과할 때) 밀봉된 캐비티(61) 및 실린더의 압축 챔버(예를 들면, P_HOT로 지정된 영역) 사이에 일 방향 유체 전달 도관(unidirectional fluid communication conduit)을 제공한다.

바람직하게는 피스톤(54) 위에 다수의 자석(74)이 설치된다. 내부 라미네이션(72)은 실린더(52)의 외면에 고정된다. 외부 라미네이션(73)은 압력 하우징(44) 내에 고정되고 자석(74)의 바깥쪽에 위치한다. 바람직하게는 외부 라미네이션(73)은 설치 플랜지(42)에 고정된다. 바람직하게는 외부 및 내부 라미네이션(72, 73)은 철을 함유하는 물질로 만들어진다. 바람직하게는 모터 코일(70)은 외부 라미네이션(73) 내에 놓여 있고, 피스톤(54)에 둘러 쌓여 있다. 바람직하게는 모터 코일(70)은 자석(74)의 바깥쪽 및 외부 라미네이션(73) 내에 형성된 홈 내에 위치된다. 따라서, 피스톤(54)이 실린더 (52) 내에서 이동할 때, 자석(74)은 갭(75) 내에서 이동하게 됨을 알 수 있다.

수많은 구성이 외부 밀봉된 하우징을 구성함을 상기의 기재로부터 알 수 있다. 도 2a는 외부 밀봉된 하우징을 구성하는 다양한 구성들을 더욱 상세히 기술한다. 경납땜은 수 개의 다양한 구성들을 서로 결합하고 밀봉하기 위해 이용된다. 더 나아가, 다양한 에폭시 결합을 사용하는 조립된 수 개의 구성들이 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 제조된 극저온 냉각기 어셈블리의 냉각 단의 단면도이다. 이 극저온 냉각기는 100으로 표시되고 일반적으로 냉각 단 어셈블리의 다양한 구성들, 파트 및 각 어셈블리들의 구조적 지지를 제공하는 외부 밀봉된 하우징(201)을 포함한다. 냉각 단 어셈블리의 주요 어셈블리들은 디스플레이서 유닛(112), 열교환기 유닛(114) 및 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(116)를 포함한다. 선형 모터 어셈블리는 컴프레서의 프라임 작동기(prime mover)로서 작용한다. 어셈블리들 각각은 아래에서 매우 상세하게 논의된다.

도 4는 외부 밀봉된 하우징(201)을 사시도로 나타낸 것이다. 도 5a는 외부 밀봉된 하우징(201)의 단면도이다. 도 4 및 도 5a로부터, 하우징(201)는 "스테인레스 스틸 304"의 일체형 구조임을 알 수 있다. 이 물질은 스테인레스 스틸로서 광범위하게 사용되고, 일반적으로 약 18 내지 8%의 크롬 및 니켈의 함량을 상대적으로 가진다. 이 물질은 우수한 제조 특성뿐 아니라 강도 및 내부식성의 우수한 조합을 제공한다. 이 물질은 적절한 환원력과 약간의 산화력 사이에서 광범위한 범위에 대해 저항력이 있다. 본 발명의 경우에, 이것은 헬륨가스의 내부 압력을 밀봉하는 하우징(201)용 물질을 형성한다. 또한 이 물질은 다양한 하위 어셈블리에 대한 적절한 구조적인 지지를 제공한다. 바람직한 구현예에서, 이 물질은 약 8과 3/4인치인 쉬트 메탈의 출발판(starting disk of sheet metal)로부터 얻어진다. 바람직한 구현예에서, 얻어진 물질의 최종적으로 최대 외경은 약 3.442"이고, 하우징(201)은 대략 8.546"의 높이를 가진다.

하우징(201)용에 적합한 필수적인 특성들을 가지는 다른 물질들은 티타늄(Titanium), 인코넬(Inconel), 코발트(Cobalt)를 포함한다. 다른 물질들도 또한 이용될 수 있다. 상기 물질의 바람직한 특징은 구조적인 안정성, 낮은 열 전도도, 고투과 저항성(high permeability resistance) 및 용접 및 가공성이 좋도록 하는 물질적 특성이다.

도 4 및 5a를 참고하면, 하우징(201)은 다른 서브-어셈블리(sub-assemblies)를 지지 및/또는 수용하기 위해 배치되고 구성된 수개의 섹션들을 포함한다. 구조적 지지 및 밀봉 기능에 덧붙여 하우징(201)은 하우징의 닫힌 제 1 단(213)으로부터 하우징의 열린 제 2 단(214)으로 이동시키는 기능도 한다. 하우징(201)의 닫힌 단(213)은 배열용 최종 가공 시퀀스(sequence)를 단순화하기 위해 열린 상태로 유지될 수 있으나, 용접, 경납땜, 에폭싱 또는 임의의 밀폐 열 충격 저항 처리를 함으로써 최종적으로는 닫힘 상태로 되어야 한다.

제 1 섹션(215)은 제 1단(213)에 가장 근접한 단부(end)에 위치된다. 제 1 섹션(215)는 그 외부 주위에 냉각 핑거(cold finger)로서 작용하도록 배치 및 형성된다. 바람직한 구현예로서, 제 1 섹션(215)은 진공 플랜지(200)를 관통하여 신장한다(도 3 참고). HTS필터(도시되지 않음)는 제 1단(213) 상(또는 근접한)에 있는 설치 브래킷(mounting bracket)(252) 바로 뒤에 부착된다(도 3 참고). 또한 제 1 섹션(215)은 재생기 유닛(regenerator unit)(122) (도 3 참고)을 수용하기 위해 배치되고 형성된다. 바람직하게는, 제 1 섹션(215)은 원형이고, 바람직한 구현예에서, 하우징(201)의 다른 섹션들보다 더 작은 직경을 가진다.

제2 섹션(217)은 제 1 섹션과의 사이에 위치한 제 1 전이 섹션(216)과 함께 제 1 섹션(215) 옆에 위치한다. 진공 플랜지(200)는 제 2 섹션(217)의 외부에 설치된다. 바람직하게는, 진공 플랜지(200)가 상기 제조 공정에 일치되도록 수축을 통해(쉬링크 피트(shrink fit)) 설치한다. 따라서, 바람직하게는 제 2 섹션(217)의 외면은 이 연결을 달성하기 위해 적절한 직경으로(조정된 허용오차로) 가공된다. 진공 플랜지(200) 및 제 2 섹션(217) 사이의 연결은 냉각 핑거(예를 들면, 제 1 섹션(215))가 신장하는 진공 환경을 위한 밀봉을 제공함을 알 수 있다. 제 2 섹션(217)의 내부는 일반적으로 열교환기 유닛(114)과 협력하고 이를 지지한다. 바람직하게는 제 2 섹션(217)은 원형이고, 바람직한 구현예에서, 제 1 섹션(215)보다 더 큰 직경을 가진다.

제 3 섹션(219)은 제 2 섹션과의 사이에 위치한 제 2 전이 섹션(218)과 함께 제 2 섹션(217) 옆에 위치한다. 제 3 섹션(219)의 외면상에서, 코일(170) 및 외부 라미네이션(external laminations)(204)이 지지된다. 제 3 섹션(219)의 내부는 일반적으로 선형 모터(116)의 내부 구성과 협력하고 이를 지지한다. 바람직하게는 제 3 섹션(219)은 원형이고, 바람직한 구현예에서, 제 2 섹션(217)보다 더 큰 직경을 가진다.

제 4 섹션(221)은 제 3 섹션과의 사이에 위치한 제 3 전이 섹션(220)과 함께 제 3 섹션(217) 옆에 위치한다. 제 4 섹션(221)은 열려있는 제 2 단(214)에 또는 근처에 위치한다. 제 4 섹션 (221)은 디스플레이서 어셈블리용 스프링 어셈블리를 지지한다. 또한 제 4 섹션은 냉각 단 어셈블리를 밀봉하기 위해 엔드 캡(250)과 밀착하여 체결한다(도 3 참고). 바람직하게는, 제 4 섹션(221)은 일반적으로 원추대(frusto-conical) 형상이다. 바람직한 구현예에서 제 4 섹션(221)의 가장 작은 단은 제 3 섹션(219)보다 더 큰 직경을 가진다.

위에서 지적한 것처럼, 각 섹션들(215, 217, 219 및 221)은 바람직하게는 일체형 및 이음매 없는 하우징(201)을 형성하도록 설계된다. 그러나, 각 섹션들은 선택적으로 두 개 이상의 구성 단위(component pieces)로 얻어진 후 이어서 조립될 수 있다. 이러한 선택적인 제조방법이 이음의 수를 최소화하고, 냉각 단 어셈블리(100)의 제조공정을 개선하기 위해 사용될 수 있지만, 단일 공정상에서 일체형 하우징(201)을 얻는 것이 바람직하다.

제 1 단(213)은 닫힌 상태인 것이 특징이고, 반면, 제 2 단(214)는 열린 상태인 것이 특징이다. 그러나, 이러한 특징들이 제한된 방법으로서 해석되어서는 안 된다. 바람직한 구현예에서, 제 2 단(214)은 조립하기 위해 열려 있어야 한다. 그러나, 만약 하우징(201)이 두 개 이상의 구성 단편으로 제조된다면(예를 들면, 전이 섹션 218 및/또는 220에 이음매를 제공하는 경우), 제 2 단(214)은 닫힌 형태로 제조될 수 있다. 더 나아가, 전이 섹션 216, 218 및 220은 형상 및 구조의 수에 따라 선택적으로 제거 및/또는 유지될 수 있다. 이러한 섹션들의 주요 기능은 하우징(201)의 기능 섹션(functional sections)들 사이에서 전이부를 제공한다.

도 5a - 5b는 바람직하게는 드로잉 공정(drawing process)에 뒤이어 일어나는 다양한 가공 단계를 나타낸다. 도 5a에서, 하우징(201)의 내부 표면들은 수동으로 연마되고, 내부 직경은 301, 303 및 305에서 가공된다. 도 5b에서, 내부 피스톤 보어 어셈블리(inner piston bore assembly)(307), 열 교환 블럭(heat exchanger block)(309) 및 스프링 스택 설치 지지부(spring stack mounting support)(308)는 하우징(201)에 삽입된다. 도 5c에서, 하우징(201)의 외부는 311 (외부 하우징 물질 두께를 통한 열전달 경로를 감소시키기 위해서), 313(타이트한 쉬링커 피트(shrink fit) 연결을 위한 적절한 치수를 제공하기 위해), 및 315(외부 모터 설계를 위해 맴돌이 전류 손실 경로(Eddy current loss path)를 감소시키기 위해 - 이 가공 단계는 아래에 기술되는 또 다른 구현예와 관련하여 내부 모터 설계를 위해 필수적인 단계는 아니다)의 위치에서 가공된다. 이 세 가지 위치들(311, 313, 315)은 일반적으로 제 1 섹션(215), 제 2 섹션(217) 및 제 3 섹션(219)에 각각 대응된다. 도 5d에서, 진공 플랜지(200)는 바람직하게는 플랜지(200)를 가열 및 하우징 쪽으로 압착 피팅함으로써 하우징(201)위에 쉬링크 피트(shrink fit) 된다. 도 5e에서, 317로 표시되는 진공 플랜지(200) 표면은 가공된다. 이 표면(317)은 외부 히트 리젝터(148)(도 3 참고)를 수용하게 된다. 최종적으로, 도 5f에서, 추가로 세 개의 내부 표면이 가공된다. 이들 세 개의 표면은 319, 321, 323으로 표시된다. 이들 마지막 가공은 피스톤, 컴프레서 및 배치 어셈블리(displacement assemblies)사이의 배치를 최대화하는 것을 돕는 기능을 한다. 도 5f에서 도시된 각 구성들이 도 2b에서 도시된 종래기술의 구성들을 대체한다.

상기의 도 5a - 5f와 관련하여 설명된 것처럼 각 구성들을 가공함으로써 각 구성의 동심 배치(concentricity alignment)가 개선된다. 예를 들면, 종래기술에서, 동심은 대략 0.0015" 이었지만, 본원에 기술된 것처럼 하우징(201)을 제조하였을 경우에는 그 총괄 동심(overall concentricity)이 약 0.0007"로 개선되었다. 이 동심 상의 개선은 제조공정상의 기타 허용 오차들를 개선하고, 조립을 더 용이하게 하고, 및 상당한 일관성을 제공한다.

다시 도 3을 참고하면, 간략한 논의가 조립된 냉각 단 어셈블리(100)을 기술하는 데 있어 제출될 수 있다. 디스플레이서 유닛(112)은 당업자에게 알려진 방법으로 기능을 하고, 바람직하게는 디스플레이서 하우징(118), 그 내부에 설치된 재생기 유닛(122)를 가지는 디스플레이서 실린더 어셈블리(displacer cylinder assembly)(120) 및 디스플레이서 로드 어셈블리(displacer rod assembly)(124)를 포함한다. 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)는 디스플레이서 하우징(118) 내에 미끄러질 수 있게 설치된다. 디스플레이서 엔드 캡(127)은 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)의 원위 단(distal end) 내에 설치된다. 디스플레이서 로드 어셈블리(124)는 제 1 단에서 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)의 베이스 섹션(base section)(미도시)에 결합되고 제 2 단(134)에서 디스플레이서 플렉서 스프링 어셈블리(displacer flexure spring assembly)(132)에 결합된다. 따라서, 주어진 적절한 조건 속에서 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)는 디스플레이서 하우징(118)내에서 진동한다. 개선된 허용오차와 디스플레이서 실린더 어셈블리(120) 및 피스톤 보어 사이의 라인 일치 정확성 때문에 종래 기술에서 요구되었던 디스플레이서 라이너(displacer liner)가 필요하지 않게 된다.

도 3을 계속 참고하면, 열교환기 유닛(114)은 디스플레이서 유닛(112) 및 컴프레서 및 선형모터(116) 사이에 위치된다. 열교환기 유닛은 열교환기 블럭(309) 및 다수의 외부 히트 리젝터 핀(external heat rejector fins)(148)을 포함한다. 따라서 열교환기 유닛(114)은 디스플레이서 유닛(112) 및 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(116) 사이의 접합점에 위치된 영역에서 압축되는 헬륨과 같은 가스로부터 열 소산을 촉진하기 위해 설계된다(즉,P_HOT _, 압축 챔버). 바람직하게는 열교환기 블럭(309)은 고순도 구리로 만들어지고, 하우징(201)(위에서 기술된) 내의 구성으로서 설치된다. 바람직하게는, 외부 히트 리젝터 핀(148)은 또한 고순도 구리로 형성된다. 또한 우수한 열 전도 특성을 나타내는 다른 물질들도 사용될 수 있다. 밀봉 챔버(201)에 진공 플랜지(200)를 쉬링크 피트 결합시키기 때문에 종래 기술처럼 열교환기 설치 플랜지가 필요 없게 된다.

컴프레서 및 선형 모터 어셈블리(116)는 밀봉 챔버(201) 내에 설치되고 피스톤 어셈블리(150)를 포함한다. 피스톤 어셈블리(150)는 실린더(152), 피스톤(154), 피스톤 어셈블리 설치 브래킷트(155) 및 스프링 어셈블리(156)를 포함한다. 피스톤 어셈블리 설치 브래킷트(155)는 피스톤(154) 및 스프링 어셈블리(156) 사이의 결합을 제공한다. 피스톤(154)은 실린더(152) 내에서 왕복 운동하기에 적합하다. 하나 이상의 가스베어링(160)은 피스톤(154)의 외벽 내에 제공된다. 가스 베어링(160)은 밀봉된 캐비티(162)로부터 헬륨과 같은 가스를 수용한다. 체크 밸브(163)는 그 영역 내의 가스의 압력이 캐비티(162) 내의 압력을 초과하면(예를 들면, 상기 피스톤의 저장 압력을 초과할 때) 밀봉된 캐비티(61) 및 실린더의 압축 챔버(예를 들면, P_HOT로 지정된 영역) 사이에 일방향 유체 전달 도관(unidirectional fluid communication conduit)을 제공한다.

선형 모터 어셈블리(116)는 다수의 외부 코일(170) 및 외부에 위치된 외부 라미네이션(204)를 포함한다. 내부 라미네이션(208)은 내부 피스톤 보어 어셈블리(inner piston bore assembly)(307) 위에 설치된다. 이동 자석(moving magnets)(210)은 코일(170) 아래에 위치되고, 이들 사이에는 밀봉 챔버(201)가 위치한다. 따라서, 피스톤(154)이 실린더(152) 내에서 이동하는 것처럼, 내부의 이동 자석(210) 또한 움직인다.

다른 타입 및 종류의 모터들은 냉각 단 어셈블리(100)에 선택적으로 이용될 수 있다. 예를 들면, 모터 어셈블리(116)는 미국 특허 제 4,602,174; 6,141,971; 6,427,450; 및 6,483,207의 모터 설계를 포함하기 위해 변경될 수 있다.

작동에 있어서

작동 동안, 피스톤(154) 및 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)는 일반적으로 약 60Hz의 공진 진동수(resonant frequency)로 진동하고 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)의 진동이 피스톤(154)의 진동과 약 90도 정도의 위상차가 발생하는 방식으로 진동한다. 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)의 운동은 피스톤(154)의 운동을 약 90도 간격으로 유도함을 알 수 있다.

디스플레이서 실린더 어셈블리(120)가 디스플레이스 하우징(118)의 냉각 단으로 이동할 때, 시스템 내의 헬륨과 같은 유체의 대부분이 디스플레이서 하우징(118)의 온 단(warm end)으로 치환되거나 또는 흐름 전환기(flow diverter) 또는 유사한 구조로 이동하고 내부의 열 교환기 핀을 통해 피스톤 어셈블리(150)의 압축 영역으로 이동하게 됨을 당업자가 인식할 수 있다. 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)와 피스톤(154)의 운동 사이의 위상차 때문에, 피스톤(154)은 디스플레이서 실린더 어셈블리(120)가 디스플레이서 하우징(118) 냉각 단에 위치될 때 중간 행정(mid-stroke)에 위치해야 하고 흐름 전환기(140) 방향으로 이동해야 한다. 이것은 헬륨이 그 영역에서 압축되도록 하고, 따라서 헬륨의 온도를 증가시킨다. 압축 열은 압축된 헬륨으로부터 내부의 열 교환 핀으로 이동하고 여기서 다시 열교환 블럭(309), 및 외부 히트 리젝터 핀(148)으로 이동한다. 히트 리젝터 핀(148)으로부터, 주위 공기로 이동된다. 디스플레이서 어셈블리(120)가 디스플레이서 하우징(118)의 온 단(warm end)으로 이동할 때, 헬륨은 디스플레이서 하우징(118)의 냉각 단으로 치환된다. 헬륨이 디스플레이서 실린더(120)을 통과할 때, 이것은 재생기(122) 내에 열을 쌓고, 약 77K에서 디스플레이서 하우징(118)의 냉각 단으로 배출된다. 이때, 바람직하게는 압축 피스톤(154)은 중간 행정에 있어야 하고 피스톤 플렉서 스프링(156)의 방향으로 이동한다. 이것은 디스플레이서 하우징(118)의 냉각 단 내의 헬륨을 팽창시켜 헬륨의 온도를 더 낮추게 하고 헬륨이 열을 흡수하도록 한다. 이러한 유형에 있어서, 냉각 단은 냉동기로서 기능하고 냉각(cold) 소스로서 작용할 수 있다.

다른 구현예(제 2 구현예 )

도 6은 본 발명의 원리에 부합하여 형성된 다른 구현예(제 2 구현예)의 단면도이다. 상기 다른 구현예는 내부 모터 설계 또는 배열을 포함한다. 더 바람직하게는 선형 모터 어셈블리(116)의 모든 구성들이 외부 밀봉된 하우징(201') 내에 위치된다. 선형 모터 어셈블리(116')의 다양한 구성의 위치 및 밀봉된 하우징(201')의 형상 이외의 극저온 냉각기(100')의 다른 구성 및 작동은 그대로 유지된다. 극저온 냉각기(100')의 다른 구성 및 작동은 극저온 냉각기(100)와 관련하여 위에서 상세히 설명되었다. 따라서, 그러한 구성들은 다른 구현예와 관련하여 상세히 설명하지 않을 것이다. 그러나, 외부 밀봉된 하우징(201')의 논의는 아래에 의한다.

도 7a-7f는 바람직하게는 하우징(201')의 드로잉 공정에 뒤이어서 일어나는 다양한 가공 단계를 나타낸다. 도 7a에서, 하우징(201')의 내부 표면은 수동으로 연마되고 그 내경은 301, 303' 및 305' 위치에서 가공된다. 하우징(201') 내부에 선형 모터 어셈블리(116')의 파트들을 위치시키기 때문에, 제 3 섹션(219')의 직경은 위에서 언급한 하우징(201)의 제 3 섹션(219)보다 크다. 유사하게, 전이 섹션(218')이 제 2섹션(217) 및 제 3 섹션(219') 사이에서 전이하기 위해 변한다. 더 나아가, 섹션 219'의 더 큰 원주 때문에, 전이 섹션 (220)은 제거될 수 있다. 그 대신, 원추대(frusto-conical) 형상의 제 4 섹션(221')은 바로 제 3 섹션(219')에 연결될 수 있다. 제 3 섹션(210')의 증가한 직경 및 제 4 섹션(221')의 형상 때문에, 구현예에서 일치하는 가공 위치들은 303' 및 305'로 각각 표시된다. 그러나, 그러한 위치들은 위의 303 및 305의 위치에서처럼 유사한 목적으로 가공된다.

도 7b에서, 내부 피스톤 보어 어셈블리(inner piston bore assembly)(307)는 하우징(201')에 삽입된다. 또한 열 교환기 블럭(heat exchanger block)(309) 및 스프링 스택 설치 지지부(spring stack mounting support)(308)가 하우징(201')에 삽입된다. 도 7c에서, 하우징(201')의 외부는 311(외부 하우징 물질 두께를 통한 열전달 경로를 감소시키기 위해서), 313(타이트한 쉬링커 피트(shrink fit) 연결을 위한 적절한 치수를 제공하기 위해), 및 선택적으로 315'(위에서 지적한 대로, 이 위치는 내부 모터 구조의 경우에 는 가공될 필요가 없다)의 위치에서 가공된다. 이 위치들은 일반적으로 제 1 섹션(215), 제 2 섹션(217) 및 제 3 섹션(219')에 각각 대응된다. 도 7d에서, 진공 플랜지(200)는 바람직하게는 플랜지(200)를 가열 및 하우징 방향으로 압착 피팅함으로써 하우징(201')위에 쉬링크 피트(shrink fit) 된다. 도 7e에서, 317로 표시되는 진공 플랜지(200) 표면은 가공된다. 이 표면(317)은 외부 히트 리젝터 핀(148)을 수용하게 된다. 최종적으로, 도 7f에서, 추가로 세 개의 내부 표면이 가공된다. 이들 세 개의 표면은 319, 321, 323으로 표시된다. 이들 마지막 가공은 피스톤, 컴프레서 및 디스플레이서 어셈블리(displacement assemblies)사이의 배열을 최대화하는 것을 돕는 기능을 한다. 도 7f에서 도시된 각 구성들이 도 2b에서 도시된 종래기술의 구성들을 대체함을 알 수 있다.

본 발명의 특정 구현예들이 본 발명의 응용에 관해 기술되었더라도, 당해 본원발명이 본원에서 개시 및 기술된 이러한 응용예, 구현예 또는 특정 구성에 의해 그 범위가 제한되지 않는다는 것을 당해 기술분야의 당업자는 이해하여야 한다. 본원에서 기술된 것 이외의 본 발명의 원리를 구현하는 다른 구성들 및 응용은 본 발명의 사상 및 목적 내에서 만들어질 수 있다는 것은 당해 기술분야의 당업자에게는 자명하다. 본원에서 기술된 장치는 본 발명의 원리를 구체화하고 실시하는 단지 하나의 구현예로서 제공된다. 다른 수정이나 변경이 당해 기술분야의 당업자의 지식 내에서 이루어질 수 있고 첨부된 청구항의 넓은 범위 내에서 포함될 수 있다.

Claims

열교환기, 디스플레이서 실린더 어셈블리(displacer cylinder assembly) 및 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기(displacer cylinder primary mover)를 포함하는 형태인 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리(cold-end assembly of a cryocooler)용 외부 하우징에 있어서,

상기 열교환기, 상기 디스플레이서 실린더 어셈블리 및 하나 이상의 상기 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기 부분을 수용하기 위해 배치되고 형성된 실질적으로 일체형인 하우징(unitary housing)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 1항에 있어서, 상기 장치는 냉각 핑거(cold finger)로서 작용하고 디스플레이서 실린더 어셈블리를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 1 섹션(first section) ;

열교환기를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 2 섹션(second section) ; 및

하나 이상의 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기(primary mover) 부분을 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 3 섹션(third section)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 2항에 있어서, 상기 장치는 엔드 캡에 협동적으로 부착하기 위해 배치되고 형성된 제 4 섹션(fourth section)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 2항에 있어서, 상기 제 2 섹션이 진공 플랜지와 맞물리도록 체결하기 위해 추가로 배치되고 형성된 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 4항에 있어서, 상기 제 2 섹션 및 상기 진공 플랜지의 조합이 진공 플랜지의 외면 주위에 위치한 히트 리젝터(heat rejector)에 구조적 지지를 제공하기 위해 배치되고 형성된 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 5항에 있어서, 상기 제 1 섹션, 상기 제 2 섹션 및 상기 제 3 섹션 각각은 일반적으로 원형의 단면(round cross section)을 가지는 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 6항에 있어서, 상기 제 2 섹션은 상기 제 1 섹션보다 더 큰 단면을 가지고, 상기 제 3 섹션은 상기 제 2 섹션보다 더 큰 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 2항에 있어서, 상기 제 1 섹션은 제 1 전위 섹션(first transition section)과 함께 상기 제 2 섹션에 이음매 없이 연결된 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 2항에 있어서, 상기 제 2 섹션은 제 2 전위 섹션(second transition section)과 함께 상기 제 3 섹션에 이음매 없이 연결된 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 2항에 있어서, 상기 제 3 섹션은 제 3 전위 섹션(third transition section)과 함께 상기 제 4 섹션에 이음매 없이 연결된 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
제 2항에 있어서,

a) 상기 제 1 섹션은 제 1 전위 섹션과 함께 상기 제 2 섹션에 이음매 없이 연결되고 ;

b) 상기 제 2 섹션은 제 2 전위 섹션과 함께 상기 제 3 섹션에 이음매 없이 연결되고 ; 및

c) 상기 제 3 섹션은 제 3 전위 섹션과 함께 상기 제 4 섹션에 이음매 없이 연결된 것을 특징으로 하는 외부 하우징.
열교환기, 디스플레이서 실린더 어셈블리(displacer cylinder assembly) 및 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기(displacer cylinder primary mover)를 포함하는 형태인 극저온 냉각기의 냉각 단 어셈블리(cold-end assembly of a cryocooler) 용 하우징에 있어서, 상기 장치는

a) 냉각 핑거로서 작용하고 디스플레이서 실린더 어셈블리를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 1 섹션 ;

b) 열교환기를 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 2 섹션(second section) ; 및

c) 하나 이상의 디스플레이서 실린더 프라이머리 작동기 부분을 실질적으로 수용하기 위해 배치되고 형성된 제 3 섹션을 포함하고 ; 및 여기서 제 1 섹션, 제 2 섹션 및 제 3 섹션 중 적어도 2개는 서로 이음매 없이 연결된 것을 특징으로 하는 하우징.
제 12항에 있어서, 상기 제 1 섹션은 상기 제 2 섹션에 이음매 없이 연결되고 제 2 섹션은 제 3 섹션에 이음매 없이 연결되는 것을 특징으로 하는 하우징.
제 13항에 있어서, 상기 장치는

a) 상기 제 1 섹션 및 상기 제 2 섹션 사이의 제 1 전위 섹션 ; 및

b) 상기 제 2 섹션 및 상기 제 3 섹션 사이의 제 2 전위 섹션을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 하우징.
가열 단(hot end)에서 유체를 압축하고 냉각된 유체를 냉각 단(cold end)으로 이송하는 냉각 단 어셈블리(cold end assembly)에 있어서, 상기 장치는

a) 프라이머리 작동기(primary mover) ;

b) 압축하기 위해 프라이머리 작동기에 작용할 수 있게 연결된 디스플레이서 실린더(displacer cylinder) ;

c) 열교환기 ; 및

d) 상기 디스플레이서 실린더 및 상기 열교환기를 지지 및 실질적으로 둘러싸고, 및 하나 이상의 상기 프라이머리 작동기 부분을 지지 및 둘러싸기 위해 배치되고 형성된 이음매 없는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 단 어셈블리.
제 15항에 있어서, 상기 하우징은 제 1 단(first end)에서 제 2 단(second end)까지 이음매가 없고, 상기 하우징이 조립 단계(assembly stage) 동안 상기 제 1 단에서 닫혀 있고, 상기 제 2 단에서 열려있는 것을 특징으로 하는 냉각 단 어셈블리.
제 16항에 있어서, 상기 장치가 엔드 캡(end cap)을 추가로 포함하고, 상기 엔드 캡은 상기 하우징의 상기 제 2 단과 체결하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 냉각 단 어셈블리.
교반 사이클 극저온 냉각기(Stirling cycle cryocooler)에 있어서, 상기 장치는 a) 디스플레이서 유닛(displacer unit) ;

b) 열교환기 유닛 ;

c) 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리 ; 및

d) 일체형 밀봉 하우징(unitary sealed housing)을 포함하고, 여기서 상기 하우징이 적어도 디스플레이서 유닛, 열교환기 및 컴프레서 및 선형 모터 어셈블리의 각 부분을 지지 및 둘러싸기 위해 배치되고 형성된 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
제 18항에 있어서, 상기 하우징은 제 1 단(first end)에서 제 2 단(second end)까지 이음매가 없고, 상기 하우징이 조립 단계(assembly stage) 동안 상기 제 1 단에서 닫혀 있고, 상기 제 2 단에서 열려있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
제 19항에 있어서, 상기 장치가 엔드 캡(end cap)을 추가로 포함하고, 상기 엔드 캡은 상기 하우징의 상기 제 2 단과 체결하여 밀봉하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기.
a) 냉각 단 어셈블리용 일체형 하우징을 드로잉(drawing)하는 단계 ;

b) 상기 하우징의 선택된 하나 이상의 내부 직경을 가공하는 단계 ;

c) 가공된 내부 직경들 중 하나 이상에 인접하게 피스톤 보어 어셈블리를 설치하는 단계 ;

d) 상기 하우징의 선택된 하나 이상의 외부 직경을 가공하는 단계 ; 및

e) 선택된 외부 직경들 중 하나 이상에 인접하게 진공 플랜지를 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기 용 냉각 단 어셈블리를 제조하는 방법.