KR20100047337A - 한제의 온도를 제어하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

유체 분사 장치 시스템(1)은 비례 밸브(22)를 이용하여 스로틀링 가스의 유량을 조절함으로써 방출되는 합성 유체 또는 이 합성 유체가 방출되는 재료를 설정점 온도로부터의 미리 정해진 범위 내에 유지한다. 합성 유체는 스로틀링 가스 성분 및 극저온 유체 성분을 갖는다. 스로틀링 가스와 극저온 유체는 모두 바람직하게는 단일 탱크(11)에서 공급되며, 극저온 유체 공급부는 압력에 의해 조절되는 것으로, 배압 조정기(54)가 있는 복귀 라인을 구비한 3축 급송 호스(33)를 포함한다.

Description

한제의 온도를 제어하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF A CRYOGEN}

본 발명은 한제(cryogen)의 흐름을 살포하는 극저온 냉각 작업 중에 온도를 제어하는 것에 관한 것으로, 구체적으로는 액상 한제와 기상 한제의 비례 혼합물을 이용하여 가변적인 온도 제어를 제공하되, 한제 흐름으로부터의 온도 피드백에 응답하여 조정되는 비례 밸브에 의해 가스의 분획을 제어하게 되는 2상 냉각 시스템에 관한 것이다.

제어된 냉각은 예를 들면 소정 제품의 절삭 가공 및/또는 압연, 용사(thermal spraying), 이형(de-molding), 담금질 및 기타 유사한 작업 동안과 같은 다양한 제조 및 작업 환경에서 중요하다. 수많은 절삭 가공 및 압연 작업 시에, 살포되는 극저온 냉각제의 온도를 정밀하게 제어하고 때로는 공구 표면을 따른 온도도 제어할 필요가 있다. 그러한 용례에서 극저온 냉각제를 사용하는 것은 (a) 절삭 가공 또는 압연 가공 중에 생성되는 열이 급송되는 냉각제의 열용량보다 더 크거나 더 작거나 하는 경우, 또는 (b) 한제에 의해 생성되는 매우 낮은 온도에서 제품의 벌크 또는 표면 특성에서의 비가역적 변화가 발생하는 경우 중 임의의 이유로, 타겟 제품 표면의 오버쿨링 또는 언더쿨링이 발생할 가능성으로 인해 그 적용성이 제한되어 있다. 폭넓은 온도 변동은 저온에 민감하여 제품에서 표면 손상 및/또는 재료 파괴가 초래될 수 있는 재료에는 유해하다.

제어된 극저온 냉각 온도를 타겟 표면 또는 인접한 환경에 제공하려던 종래의 시도에서는 타겟 표면에 보다 많거나 적은 한제를 급송하도록 한제의 유량을 변화시키는 것을 수반한다. 이는 상이한 노즐 오리피스 크기, 한제 공급 라인 내의 상이한 크기의 교축부, 극저온 냉각제의 흐름을 조정하는 극저온 솔레노이드의 주기적인 사이클링을 이용하여 달성된다. 그러한 경우, 한제의 유량이 작업 환경 내에서 생성되는 열과 부합하게 된다.

온도 제어를 제공하고자 가열기를 갖고 극저온의 온도를 변화시키는 것 또한 종래에 사용되어 왔다. 하지만, 그러한 방법은 온도 피드백을 포함하지 않아 가변적인 열부하에는 적합하지 못하다. 외부 가열기의 사용은 실행하기가 어렵고 번거로우며, 그 사용으로 인해 부정확하거나 대략적인 온도 제어를 제공하여 폭넓은 온도 변동을 초래한다. 또한, 내부 가열기의 사용도, 반응 시간이 느리며, 액상 한제의 배스 및 극저온용 고정구 내에 위치한 가열기와 관련한 설정 및 제어가 어렵다는 점에서 문제점이 있다.

극저온 냉각제에 사용하도록 비(非)극저온의 온도 피드백 시스템을 개조하려는 시도는 다수의 이유로 인해 성공하지 못하였다. 영하의 온도에서 저비등점의 극저온 냉각제의 정밀한 온도 제어는 주변 환경으로의 상당한 열손실로 인해 매우 어렵다. 극저온 액체가 낮은 유량으로 급송되는 경우에, 열손실(또는 히트 싱크 효과)이 매우 중대해진다. 게다가, 극저온 액체는 지속적으로 보다 큰 부피의 극저온 가스로 비등한다. 소정 한 부피의 액체 질소(liquid nitrogen : LIN)는 상온에서 693배의 부피를 갖는 질소 가스(nitrogen gas : GAN)로 전환된다. 이러한 큰 부피의 가스는 특히 극저온 유체가 장거리에 걸쳐 이송되는 경우에 극저온 액체의 흐름을 방해하여 온도 제어를 매우 곤란하게 만든다. 장거리에 걸친 액상 한제의 이송 동안에는 압력 강하도 종종 발생한다. 어떠한 갑작스런 압력 강하가 있는 경우, 극저온 액체의 일부분이 가스로 전환되어, 이 가스를 공급 라인으로부터 제거하지 않는다면 유량에서의 변동을 초래하게 된다. 또한, 극저온용 고정구에 조절 밸브를 사용하는 것이 어렵기 때문에, 극저온 냉각제의 급송 압력의 실시간 조절을 제공하는 데에 문제가 있다.

관련 종래 기술로는 미국 특허 제4,484,457호, 제4,848,093호, 제5,647,228호, 및 제6,513,336호가 있다.

하나의 양태에서, 본 발명은, 접촉 구역에 스로틀링 가스를 공급하도록 된 가스 공급 조립체; 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하도록 된 극저온 유체 공급 조립체; 접촉 구역으로부터 하류측에 위치하여 이 접촉 구역과 유체 연통하며, 접촉 구역으로부터 합성 유체를 받아들여 이 합성 유체를 방출하도록 된 노즐; 합성 유체의 온도 또는 이 합성 유체가 방출될 재료의 온도인 제1 온도를 측정하도록 된 센서; 및 센서로부터 신호를 수신하도록 된 제어기를 구비하는 유체 분사 장치를 포함한다. 제어기는 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 조절함으로써, 설정점 온도(set-point temperature)로부터의 미리 정해진 범위 내에 제1 온도를 유지하도록 프로그래밍된다.

다른 양태에서, 본 발명은, 가스 공급 조립체를 이용하여 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하는 단계; 극저온 유체 공급 조립체를 이용하여 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하는 단계; 접촉 구역으로부터 노즐을 통해 합성 유체를 방출하는 단계; 합성 유체의 온도 또는 이 합성 유체가 방출될 재료의 온도인 제1 온도를 측정하는 단계; 및 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 조절함으로써 설정점 온도로부터의 미리 정해진 범위 내에 제1 온도를 유지하는 단계를 구비하는 방법을 포함한다.

또 다른 양태에서, 가스 공급 조립체를 이용하여 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하는 단계; 극저온 유체 공급 조립체를 이용하여 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하는 단계; 접촉 구역으로부터 노즐을 통해 합성 유체를 방출하는 단계; 합성 유체의 온도 또는 이 합성 유체가 방출될 재료의 온도인 제1 온도를 측정하는 단계; 및 설정점 온도 아래위로 5℉(2.7℃)의 미리 정해진 범위 내로 제1 온도를 유지하는 단계를 구비하는 방법을 포함한다.

본 발명에 따르면, 액상 한제와 기상 한제의 비례 혼합물을 이용하여 가변적인 온도 제어를 제공하되, 한제 흐름으로부터의 온도 피드백에 응답하여 조정되는 비례 밸브에 의해 가스의 분획을 제어함으로써, 극저온 냉각 작업 중에 한제의 온도 제어를 개선할 수 있다.

도 1은 단일 노즐 방식의 가변 온도의 극저온 냉각제 급송 시스템의 개략도이며,
도 2는 대안적인 단일 노즐 방식의 가변 온도의 극저온 냉각제 급송 시스템의 개략도이고,
도 3은 다중 노즐 방식의 가변 온도의 극저온 냉각제 급송 시스템의 개략도이며,
도 4는 타겟 표면에 걸쳐 구역화된 냉각을 제공하는 노즐 그룹을 갖고 있고 퍼지 가스 공급부와 조합된 가변 온도의 극저온 냉각제 급송 시스템을 나타내는 도면이고,
도 5는 타겟 표면에 걸쳐 각각 개별적 냉각을 제공하는 다수의 노즐을 갖는 도 4와 유사한 가변 온도의 극저온 냉각제 급송 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 스로틀링 가스를 이용하여 냉각제의 온도를 제어하는 경우에 극저온 냉각제의 온도와 유량 변동을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비례 및 온도 설정점 피드백 시스템을 이용한 경우에 극저온 냉각제의 온도와 유량을 나타내는 그래프이다.

후술하는 상세한 설명은 단지 바람직한 예시적인 실시예만을 제공하는 것이지 본 발명의 범위, 적용성 또는 구성을 제한하고자 하는 것은 아니다. 오히려, 바람직한 예시적인 실시예의 후술하는 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예를 실시하는 데에 활용 가능한 설명을 당업자에게 제공할 것이다. 첨부된 청구 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 구성 요소들의 기능 및 배치에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다.

본 발명을 설명하는 데에 있어서 도움이 되도록 본 명세서 및 청구 범위에서는 본 발명의 부분들을 기술하는 데에 방향적 표현(예를 들면, 상측, 하측, 좌측, 우측 등)을 사용할 수 있다. 이러한 방향적 표현은 단지 본 발명을 기술하고 주장하는 데에 있어 도움이 되고자하는 것이지 본 발명을 어떠한 식으로든 한정하고자 하는 것은 아니다. 게다가, 도면과 관련하여 본 명세서에서 사용되는 도면 부호는 다른 구성들과의 관련성을 제공하도록 본 명세서에서 추가적인 설명이 없더라도 하나 이상의 후속 도면들에 반복될 수 있다. 도면 중에, 단면도에서의 해칭은 비다공성 재료를 나타내고 단면도에서의 크로스 해칭(cross-hatching)은 미세 다공성 재료를 나타낸다.

본 명세서에서 개시된 본 발명의 둘 이상의 실시예에 공통된 구성 요소들은 도면에서 100만큼 달리한 도면 부호를 이용하여 나타내고 있다. 예를 들면, 제1 실시예의 극저온 급송 시스템은 명세서 및 도 1에서 도면 부호 1로 확인할 수 있고, 제2 실시예의 극저온 급송 시스템은 명세서 및 도 2에서 도면 부호 101로 확인할 수 있다. 게다가, 하나의 실시예에 관하여 명세서에 설명하는 구성 요소는 그 구성 요소가 등장하지만 해당 명세서 부분에서 별도로 언급되지 않을 수 있는 다른 실시예에서는 동일 도면 부호로 확인할 수 있을 것이다.

본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "극저온 유체"란 용어는 온도가 -70℃보다 낮은 액상, 기상, 또는 혼합상 유체를 의미하고자 하는 것이다. 극저온 유체의 예로는 액체 질화(LIN), 액체 산소(LOX), 액체 아르곤(LAR), 액체 이산화탄소, 및 압축 혼합상 한제(예를 들면, LIN과 기상 질소의 혼합물)가 있다.

본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "극저온 냉각 장치"란 용어는 극저온 유체(액상, 혼합상 또는 기상 형태)를 방출 또는 분사하도록 구성되는 임의의 형태의 장치 또는 기계를 의미하고자 하는 것이다. 극저온 냉각 장치의 예로는, 극저온 분사 바아, 개개의 극저온 분사 노즐, 및 극저온 분사 노즐의 어레이를 갖는 장치가 있으며 이들에 한정되지는 않는다.

본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "노즐"이란 용어는 유체를 방출하기 위한 하나 이상의 개구를 지칭하고자 하는 것이다. 노즐의 예로는 단일의 원형 개구, 이 개구들의 어레이, 및 긴 슬롯이 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 한제 공급원(10), 스로틀링 가스 제어 및 급송 조립체(20), 극저온 유체 급송 조립체(50) 및 냉각제 방출 조립체(30)를 포함하는 극저온 냉각제 급송 시스템(1)에 관한 것이다.

한제 공급원(10)은 상 분리기(16)에 의해 액상과 기상으로 분리된 극저온 유체를 수용하는 탱크 또는 실린더(11)를 포함한다. 기화기(도시 생략)가 바람직하게는 탱크(11)의 내주 둘레에 배치되어, 기상을 상 분리기(16)에 공급한다. 이 실시예에서, 탱크(11)는 약 100 psig(7.0 ㎏/㎠)의 공급 압력을 제공한다. 액상은 바람직하게는 온/오프 밸브(13)에 의해 제어되는 극저온 유체 공급 라인(12)에 공급된다. 기상(이하에서는 "스로틀링 가스"로 칭함)은 바람직하게는 역시 온/오프 밸브(15)를 포함하는 스로틀링 가스 공급 라인(14)에 공급된다. 밸브(13, 15)는 바람직하게는 극저온 냉각제 급송 시스템(1)의 작동 전에 개방되고, 극저온 냉각제 급송 시스템(1)의 작동이 종료된 후에 폐쇄된다. 대안적인 실시예에서, 스로틀링 가스와 극저온 유체를 공급하도록 개별 탱크들이 마련될 수도 있다.

본 실시예에서, 극저온 유체는 액체 질소(LIN)이고, 스로틀링 가스는 기상 질소(GAN)이다. 그러나, 예를 들면 헬륨, 아르곤, 산소 등의 임의의 적절한 스로틀링 가스가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이용될 수 있다. GAN은 바람직하게는 예를 들면 약 60℉(16℃)의 주위 온도와 동일하거나 약간 높은 온도로 공급되며, 바람직하게는 극저온 유체가 공급되는 압력보다 높은 압력으로 공급된다. 게다가, 스로틀링 가스는 극저온 유체의 비등점보다 높지 않은 비등점을 갖는 것이 바람직하다.

스로틀링 가스는 스로틀링 가스 공급 라인(14)을 통해 압력 조정기(21)로 유입되어, 비례 밸브(22) 및 분배 라인(27)을 거쳐 접촉 구역(35)으로 흐른다. 비례 밸브(22)는 바람직하게는 프로그래밍 가능 논리 제어기(programmable logic controller : PLC)(23)에 의해 제어된다. PLC는 바람직하게는 라인(26)을 통해 사용자 패널(24)과 통신하도록 된다. 본 명세서에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, PLC(23)는 분배 라인(27)에서의 스로틀링 가스의 유랑을 증가 또는 감소시키도록 비례 밸브(22)를 조절할 수 있다. 본 실시예에서, 다른 형태의 비례 유체 제어 장치가 비례 밸브(22)를 대체할 수 있다.

본 명세서에서 비례 밸브(22)는 극저온 냉각 장치[장치(14) 포함]에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 조절하는 데에 이용하는 것으로 설명하고 있다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "유량"이란 용어는 체적 유량을 의미하는 것으로 이해해야 할 것이다. 또한, 비례 밸브(22)는 스로틀링 가스가 흘러 통과하는 개구의 크기를 증가 또는 감소시켜, 이에 대응하게 그 개구를 통과하는 스로틀링 가스의 흐름을 각각 증가 또는 감소시킴으로써 조절되는 것으로 이해해야 할 것이다. 또한, 개구의 크기가 증가하게 되면, 비례 밸브의 양단에서의 압력 강하를 감소시키고, 이에 따라 비례 밸브 하류측에서의 스로틀링 가스의 압력을 증가시킨다. 반대로, 개구의 크기를 감소시키게 되면, 비례 밸브의 양단에서의 압력 강하를 증가시키고 이에 따라 비례 밸브 하류측에서의 스로틀링 가스의 압력을 감소시킨다. 따라서, 스로틀링 가스의 유량과 하류측 압력 간의 직접적인 비례 관계로 인해, 비례 밸브(22)를 조절함으로써 극저온 냉각 장치에 제공되는 스로틀링 가스의 유량과 압력 모두를 조정하게 된다. 게다가, 직접적인 비례 관계로 인해, 스로틀링 가스와 극저온 유체의 공급 특성은 각각의 유량 또는 각각의 압력에 의해 본 명세서에 기술할 수도 있다.

극저온 유체는 극저온 유체 공급 라인(12)을 거쳐, 본 실시예에서 극저온 유체를 60 psig 내지 120 psig (4.2 ㎏/㎠ 내지 8.4 ㎏/㎠) 범위, 바람직하게는 약 80 psig(5.6 ㎏/㎠)로 유지하는 압력 조절기(51)를 통해 흐른다. 본 명세서에서 제시하는 모든 압력값은 상대 압력, 즉 "계기" 압력으로서 이해해야 할 것이다. 극저온 유체에 대한 바람직한 작동 압력 범위는 다른 실시예에서는 다를 수도 있다. 압력 조절기(51)의 하류측에 위치한 상 분리기(52)는 극저온 유체의 기상 부분을 분리시켜 통기구(53)를 통해 대기 중으로 배출한다.

그 극저온 유체는 상 분리기(52)로부터 내부 라인(32)을 거쳐 냉각제 배출 조립체(30)로 흐르며, 여기서 접촉 구역(35)을 가로지른다. 접촉 구역(35)의 바로 상류측에 접촉 구역(35) 내로의 극저온 유체의 흐름을 온/오프할 수 있는 솔레노이드 밸브(31)가 포함될 수 있다. 내부 라인(32)은 바람직하게는 극저온 유체가 내부 라인(32)을 통해 흘러 궁극적으로 접촉 구역(35)에 공급될 때에 극저온 유체를 유지하고 극저온 유체의 기상 대 액상의 비를 감소시키도록 구성된 3축 급송 호스(33)의 일부일 수 있다. 3축 급송 호스(33)는 복귀 라인(39), 이 복귀 라인(39) 내에 위치한 외부 라인(41), 및 이 외부 라인(41) 내에 위치한 내부 라인(32)을 포함한다. 이들 세 라인(32, 41, 39)은 바람직하게는 모두 동축으로 배치된다.

공급 라인(57)이 극저온 유체의 비교적 적은 부분이 내부 라인(32)과 외부 라인(41) 사이의 위치한 환형 공간 내로 흐를 수 있게 하고 있다. 그 환형 공간에 대한 극저온 유체의 흐름을 제어할 수 있도록 바람직하게는 계량 밸브(56)가 마련된다. 환형 공간(40) 내로 방향 전환된 극저온 유체의 부분은 바로 기화하여 내부 라인(32)의 통해 흐르는 극저온 유체의 압력보다 낮은 압력으로 유지되며, 그 결과 환형 공간(40) 내에 낮은 온도가 얻어진다. 이는 외부 라인(41)이 내부 라인(32)을 냉각시킬 수 있게 한다.

외부 라인(41)은 바람직하게는 가스를 복귀 라인(39)으로 배출하여, 외부 라인(41) 내에 상대적으로 낮은 압력(이에 따른 낮은 온도)이 유지될 수 있게 한다. 외부 라인(41)에서 복귀 라인(39)으로의 가스 배출은 통기구 또는 작은 구멍과 같은 임의의 적절한 수단을 이용하거나, 외부 라인(41)을 예를 들면 가스 투과성 재료로 제조함으로써 달성할 수 있다. 복귀 라인(39)은 통기구(55)를 이용하여 가스를 대기 중으로 배출한다. 복귀 라인(39)은 또한 바람직하게는 배압 조정기(54)를 포함하며, 이 배압 조정기(54)는 본 실시예에서 복귀 라인(39) 내의 압력을 약 2 psig 내지 약 15 psig(0.1 ㎏/㎠ 내지 1.1 ㎏/㎠) 범위로 유지하며, 바람직한 배압 범위는 약 6 psig 내지 약 8 psig(0.4 ㎏/㎠ 내지 0.6 ㎏/㎠)이다.

접촉 구역(35)("혼합 구역"이라고도 칭함)은 스로틀링 가스의 흐름과 극저온 유체의 흐름이 교차하는 영역이다. 접촉 구역(35)의 기능은, 노즐(34)에서 방출되는 극저온 유체의 속도를 제어하는 데에 스로틀링 가스[분배 라인(28)을 통해 공급됨]을 이용할 수 있게 하는 데에 있다. 이러한 "스로틀링 가스"의 개념은 2007년 8월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/846,116호에 보다 상세하게 기재되고 논의되어 있으며, 이에 그 특허 문헌은 본 명세서 완전히 기재된 것처럼 참조로서 인용된다. 미국 특허 출원 번호 제11/846,116호에서는 가능한 접촉 구역의 구성에 대한 몇 가지 예를 제공하고 있다. 가장 단순한 형태의 경우, 접촉 구역(35)은 스로틀링 가스를 위한 분배 라인(27)이 내부 라인(32)과 평행하지 않은 각도로, 바람직하게는 10°내지 90°로 교차하게 되는 조인트로 이루어질 수 있다. 도 1의 실시예에서, 스로틀링 가스의 분배 라인(27)은 내부 라인(32)에 대해 약 30°의 각도로 접촉 구역(35)과 교차한다.

접촉 구역에서 교차한 후에, 스로틀링 가스와 극저온 유체는 합성 유체를 형성하고, 이 합성 유체는 합성 유체 라인(44)을 통해 흘러 노즐(34)을 통해 방출된다. 합성 유체의 조성은 접촉 구역(35)에 공급되는 스로틀링 가스 및 극저온 유체의 온도 및 압력(압력은 전술한 바와 같이 유량과 관련이 있음)을 비롯하여 이들에 한정되지 않는 다수의 인자에 좌우될 것이다. 예를 들면, 스로틀링 가스가 극저온 유체의 압력 이하의 압력으로 접촉 구역(35)에 공급되는 경우, 합성 유체는 대부분의 작동 조건 하에서 거의 완전히 극저온 유체로 이루어질 것이다. 스로틀링 가스의 압력이 (극저온 유체의 압력에 비해) 상승함에 따라, 스로틀링 가스는 극저온 유체를 "스로틀링"시키기 시작하고, 이에 따라 합성 유체 내에서의 스로틀링 가스 대 극저온 유체의 비가 그에 상응하게 증가한다. 합성 유체의 온도는 주로 합성 유체 내의 극저온 유체의 비율에 좌우된다. 따라서, 합성 유체의 온도도 역시 접촉 구역(35)에 공급되는 스로틀링 가스의 유량(유량은 전술한 바와 같이 압력과 관련이 있음)의 함수이다.

전술한 바와 같이, 스로틀링 가스는 바람직하게는 극저온 유체보다 높은 압력으로 접촉 구역(35)에 제공된다. 본 실시예에서, 스로틀링 가스와 극저온 유체 간의 압력차는 바람직하게는 약 5.0 psig 내지 약 50.0 psig(0.4 ㎏/㎠ 내지 3.5 ㎏/㎠) 범위, 보다 바람직하게는 약 10.0 psig 내지 약 25.0 psig(0.7 ㎏/㎠ 내지 1.8 ㎏/㎠) 범위이다. 본 실시예에서, 극저온 유체가 스로틀링 가스 분배 라인(27) 내로 유입되는 것을 방지하도록 적어도 5 psig(0.4 ㎏/㎠)의 압력차가 바람직하다. 본 실시예에서, 약 20 psig(1.4 ㎏/㎠)의 압력차가 스로틀링 가스에 의해 극저온 유체의 흐름을 조이는(choking-off)(즉, 합성 유체가 극저온 유체를 있더라도 매우 약간 함유하도록 하는) 데에 요구된다.

스로틀링 가스 제어 및 급송 조립체(20) 및 극저온 유체 급송 조립체(50)는 접촉 구역(35)에서 극저온 유체를 조이기에 충분한 압력으로, 본 실시예에서 약 20 psig(1.4 ㎏/㎠)의 압력으로 스로틀링 가스를 공급하도록 구성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서와 같이 단일 탱크(11)가 스로틀링 가스 및 극저온 유체를 공급하는 데에 이용되는 경우, 스로틀링 가스의 공급 압력을 상승시키거나 (본 실시예에서와 같이) 극저온 유체의 공급 압력을 감소시킬 필요가 있다. 대부분의 용례에서, 극저온 유체의 공급 압력을 감소시키는 것이 보다 효율적일 것이다.

본 실시예에서, 온도 프로브(36)가 합성 유체 라인(44)에서 접촉 구역(35)과 노즐(34) 사이에 위치한 접속부(38)에 배치된다. 프로브(36)는 PLC(23)에 연속적인 실시간 온도 측정치를 전송하도록 구성된 열전쌍(37)의 일부분이다. 다른 실시예에서는 기타 온도 모니터링 방법이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 다이오드, 저항형 온도 검출기, 용량형 센서 온도계와 같은 선택적 온도 센서(42)가 타겟 표면 또는 인접한 환경을 모니터링하는 데에 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 선택적 온도 센서(42)는 본 실시예에서 설명하는 바와 같이 PLC(23)에 데이터 스트림을 전송할 것이다.

가변 온도의 극저온 냉각제 급송 시스템(1)의 작동은 특정 극저온 냉각 작동을 위한 목표 또는 설정점 온도를 결정함으로써 시작한다. 본 실시예에서, 원하는 설정점 온도가 조작자에 의해 사용자 패널(24)에 입력되어, 이 설정점 온도가 라인(26)을 통해 PLC(23)로 전송된다. 이 실시예에서, 설정점 온도는 약 -455℉ 내지 약 60℉(-271℃ 내지 15℃) 범위일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 설정점 온도는 고정되어 있거나, 사용자에 의해 조절 불가능할 수 있다. 그러한 실시예에서, 설정점 온도는 단지 PLC(23)의 프로그래밍의 일부분일 수 있다.

극저온 냉각제 급송 시스템(1)의 작동 중에, 열전쌍(37)에 의해 측정되는 바와 같은 합성 유체의 온도가 설정점으로부터 벗어난다면, PLC(23)는 합성 유체의 온도가 설정점 온도로 되돌아오도록 비례 밸브(23)를 조절하도록 프로그래밍된다. 합성 유체의 조성 및 이에 따른 그 온도가 적어도 부분적으로 접촉 구역(35)에서의 스로틀링 가스와 극저온 유체 간의 압력차에 좌우된다고 하면, 접촉 구역(35)에 공급되는 극저온 유체의 유량(또는 압력)이 가능한 한 일정하도록 하는 것이 바람직하다.

측정되는 온도가 합성 유체의 온도인 경우[즉, 온도 프로브(36)가 합성 유체의 방출 스트림에 위치하는 경우], 측정 위치에서의 합성 유체 내에 극저온 액체 액적이 존재하게 되면, 각각의 극저온 액체 액적의 온도가 합성 유체의 전체 (평균) 온도보다 훨씬 낮기 때문에, 부정확한 온도 판독값을 초래할 수 있음을 유념해야 할 것이다. 따라서, 극저온 액체 액적이 합성 유체 내에 존재할 것으로 예상된다면, 접촉 구역과 온도 프로브(36) 간에 충분한 거리를 제공하여, 모든 극저온 액체 액적이 온도 프로브(36)에 도달하기 전에 기화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 합성 유체가 냉각될 재료와 접촉할 때에 합성 유체 내에 상당한 극저온 액체 성분을 포함할 것이 요구되는 용례의 경우, 합성 유체 자체의 온도 대신에 그 재료의 일부분의 온도를 측정하는 것이 바람직할 것이다.

합성 유체의 온도를 제어하는 데에 PLC(23)에 의해 이용되는 알고리즘의 일례를 나타내는 흐름도가 도 2에 도시되어 있다. PLC(23)은 열전쌍(23)으로부터 온도 판독값을 받는 경우 측정된 온도와 설정점 온도 간의 차이를 결정하고 이 차이를 미리 정해진 범위와 비교한다(단계 60 참조). 그 차이가 미리 정해진 범위보다 크지 않은 경우에, PLC(23)에 의한 비례 밸브(22)의 어떠한 조절도 이루어지지 않는다(단계 61 참조). 그 차이가 미리 정해진 범위보다 큰 경우에, PLC(23)는 측정된 온도가 설정점 온도보다 높은 지의 여부를 결정한다(단계 62 참조). 만약 그러한 경우, PLC(23)은 비례 밸브(22)를 조절하여, 합성 유체의 측정 온도가 설정점 온도로 상승할 때까지(단계 66 참조) 스로틀링 가스의 유량을 증가시킨다(단계 64 참조). 만약 그렇지 않은 경우에, PLC(23)은 비례 밸브(22)를 조절하여 합성 유체의 측정 온도가 설정점 온도로 떨어질 때까지 스로틀링 가스의 유량을 감소시킨다(단계 64 참조).

PLC(23)는 또한 비례 밸브(22)의 조절 간에 딜레이(예를 들면, 2초)를 제공하도록 프로그래밍될 수 있다. 이리한 딜레이 구성은 도 2의 단계 62에 대한 대안으로서 이용될 수 있거나[즉, 2초마다, 측정 온도와 설정점 온도 간에 어떠한 차이가 있다면 PLC(23)가 비례 밸브(22)를 제어함], 단계 62와 조합하여 이용될 수 있다[즉, PLC(23)가 2초마다 측정 온도 간의 차이를 측정하고 그 차이가 미리 정해진 범위 이상이 되는 경우에만 비례 밸브(22)를 조절한다].

설정 온도를 허용 온도 범위(제1 미리 정해진 범위) 내에 유지하는 것이 요구되는 경우, 단계 62의 미리 정해진 범위(제2 미리 정해진 범위)는 허용 온도 범위보다 크지 않은 것이, 바람직하게는 허용 온도 범위보다 작은 것이 바람직하다. 예를 들면, 열전쌍(37)에 의해 측정되는 온도가 설정점 온도로부터 5℉(2.7℃) 내로 될 것을 요구하는 용례의 경우, 2℉(1.1℃)의 미리 정해진 범위가 이용될 수 있다.

극저온 냉각제 공급 시스템(1)의 작동 중에 극저온 유체의 유량 조절이 어렵다는 점으로 인해, 설정점 온도를 유지하기 위해 PLC(23)에 의해 접촉 구역(35)에 공급되는 극저온 유체의 유량을 조절하지는 않는 것이 바람직하다. 이러한 조절이 본 발명의 원리와는 일관되지 않더라도, 당업계의 현재의 상태에서는 실용적이지 않다.

비례 밸브(22)를 사용하여 스로틀링 가스의 유량을 제어하는 것이 극저온 냉각제 급송 시스템(1)에 현저히 개선된 온도 특성을 제공한다. 도 6은 비(非)비례 밸브(단지 온/오프만 수행)를 이용하는 극저온 냉각제 공급 시스템의 경우에 합성 유체의 측정 온도("T_actual")가 설정점 온도("T_set") 아래위로 비교적 크게 변동하는 것을 나타내는 그래프이다. 도 7은 도 6과 동일한 정보를 나타내지만, 스로틀링 가스의 유량을 제어하는 비례 밸브(22)를 포함하는 본 발명의 극저온 냉각제 공급 시스템(1)의 시제품을 이용한 경우의 그래프이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 극저온 냉각제 공급 시스템(1)은 합성 유체 온도에서 훨씬더 작은 변동을 제공한다. 극저온 냉각제 시스템(1)의 시제품의 테스트에 기초할 때에, 합성 유체의 온도는 설정점 온도로부터의 5℉(2.7℃)(즉, 설정점 온도로부터 ± 5℉/2.7℃) 내에 유지될 수 있다.

본 발명의 수많은 변형이 대안적인 실시예에 제공될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 복수의 노즐에 하나의 열전쌍이 마련되거나, 각 노즐마다 배치되게 열전쌍이 마련될 수 있다.

따라서, 본 발명은 그 바람직한 실시예 및 대안적인 실시예에 대해 개시하였다. 물론, 당업자라면 본 발명의 교시로부터의 다양한 수정, 변경 및 변형을 본 발명의 의도한 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 생각할 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부한 청구의 범위에 의해서만 한정될 것이다.

Claims (31)

1. 접촉 구역에 스로틀링 가스를 공급하도록 된 가스 공급 조립체;
   상기 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하도록 된 극저온 유체 공급 조립체;
   상기 접촉 구역으로부터 하류측에 위치하여 이 접촉 구역과 유체 연통하며, 접촉 구역으로부터 합성 유체를 받아들여 이 합성 유체를 방출하도록 된 노즐;
   상기 합성 유체의 온도 또는 이 합성 유체가 방출될 재료의 온도인 제1 온도를 측정하도록 된 센서; 및
   상기 센서로부터 신호를 수신하도록 된 제어기
   를 포함하며, 상기 제어기는 상기 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 조절함으로써, 설정점 온도로부터의 제1 미리 정해진 범위 내에 상기 제1 온도를 유지하도록 프로그래밍되는 것인 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 조립체는 비례 유체 제어부를 포함하며, 상기 제어기는 비례 유체 제어부를 조절함으로써 제1 온도를 설정점 온도로부터의 제1 미리 정해진 범위 내에 유지하도록 프로그래밍되는 것인 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어기는, (a) 상기 제1 온도가 설정점 온도보다 높게 상승하여 제2 미리 정해진 범위를 벗어나는 경우에 상기 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 증가시키고, (b) 상기 제1 온도가 설정점 온도보다 아래로 떨어져 제2 미리 정해진 범위를 벗어나는 경우에 상기 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 감소시키도록 프로그래밍되는 것인 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 미리 정해진 범위는 제1 미리 정해진 범위보다 작은 것인 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 접촉 구역에 공급되는 극저온 유체의 유량을 조절하지 않으면서 상기 제1 온도를 미리 정해진 범위 내로 유지하도록 프로그래밍되는 것인 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 미리 정해진 범위는 설정점 온도 아래위로 5℉(2.7℃) 이내인 것인 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 설정점 온도를 사용자가 선택할 수 있게 하는 입력 장치에 연결되는 것인 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 극저온 유체 공급 조립체는, 복귀 라인, 이 복귀 라인 내에 위치하는 외부 라인, 및 이 외부 라인 내에 위치하는 내부 라인을 갖는 3축 공급 라인(triaxial supply line)을 포함하며, 상기 내부 라인이 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하도록 되어 있는 것인 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 복귀 라인은 배압 조정기를 통해 배출이 이루어지는 것인 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 배압 조정기는 복귀 라인 내에 적어도 2 psig(0.1 ㎏/㎠)의 압력을 유지하는 것인 장치.
11. 제8항에 있어서, 상기 극저온 유체 공급 조립체는 상기 외부 라인에 극저온 유체의 일부를 공급하도록 된 것인 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 외부 라인은 내부 라인보다 낮은 작동 압력을 가지며, 상기 복귀 라인은 외부 라인보다 낮은 작동 압력을 갖는 것인 장치.
13. 제8항에 있어서, 상기 내부 라인의 적어도 일부는 통기성을 갖는 것인 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 조립체는 상기 극저온 유체 공급 조립체에 의해 상기 접촉 구역에 공급되는 극저온 유체의 제2 압력보다 높은 제1 압력으로 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하도록 된 것인 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 압력은 제2 압력보다 5 psig 내지 50 psig(0.4 ㎏/㎠ 내지 3.5 ㎏/㎠) 더 큰 것인 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 스로틀링 가스는 기상 질소를 포함하고, 상기 극저온 유체는 액상 질소를 포함하는 것인 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 센서는 열전쌍을 포함하는 것인 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도는 노즐로부터 방출되기 전의 합성 유체의 온도인 것인 장치.
19. 제1항에 있어서, 상기 설정점 온도는 -445℉ 내지 60℉(-271℃ 내지 16℃)인 것인 장치.
20. 가스 공급 조립체를 이용하여 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하는 단계;
    극저온 유체 공급 조립체를 이용하여 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하는 단계;
    상기 접촉 구역으로부터 노즐을 통해 합성 유체를 방출하는 단계;
    상기 합성 유체의 온도 또는 이 합성 유체가 방출될 재료의 온도인 제1 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 조절함으로써 설정점 온도로부터의 제1 미리 정해진 범위 내에 상기 제1 온도를 유지하는 단계
    를 포함하는 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는, 상기 가스 공급 조립체 내에 위치한 비례 유체 제어부를 조절함으로써 제1 온도를 설정점 온도로부터의 제1 미리 정해진 범위 내에 유지하는 것을 포함하는 것인 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는, 상기 제1 온도가 설정점 온도보다 높게 상승하여 제2 미리 정해진 범위를 벗어나는 경우에 상기 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 증가시키고, 상기 제1 온도가 설정점 온도보다 아래로 떨어져 제2 미리 정해진 범위를 벗어나는 경우에 상기 접촉 구역에 공급되는 스로틀링 가스의 유량을 감소시키는 것을 포함하는 것인 방법.
23. 제20항에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는, 접촉 구역에 공급되는 극저온 유체의 유량을 조절하지 않으면서 상기 제1 온도를 미리 정해진 범위 내로 유지는 것을 더 포함하는 것인 방법.
24. 제20항에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는, 설정점 온도 아래위로 5℉(2.7℃) 이내의 제1 미리 정해진 범위 내로 제1 온도를 유지하는 것을 더 포함하는 것인 방법.
25. 제20항에 있어서, 상기 극저온 유체를 공급하는 단계는, 복귀 라인, 이 복귀 라인 내에 위치하는 외부 라인, 및 이 외부 라인 내에 위치하는 내부 라인을 구비하고 이 내부 라인이 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하도록 되어 있는 3축 공급 라인을 이용하여 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하는 것을 포함하는 것인 방법.
26. 제20항에 있어서, 상기 스로틀링 가스를 공급하는 단계는, 상기 접촉 구역에 공급되는 극저온 유체의 제2 압력보다 높은 제1 압력으로 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하는 것을 포함하는 것인 방법.
27. 제26항에 있어서, 상기 스로틀링 가스를 공급하는 단계는, 상기 접촉 구역에 공급되는 극저온 유체의 제2 압력보다 5 psig 내지 50 psig(0.4 ㎏/㎠ 내지 3.5 ㎏/㎠) 더 큰 제1 압력으로 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하는 것을 포함하는 것인 방법.
28. 제20항에 있어서, 상기 제1 온도를 측정하는 단계는, 노즐로부터 방출되기 전의 합성 유체의 온도인 제1 온도를 측정하는 것을 포함하는 것인 방법.
29. 가스 공급 조립체를 이용하여 스로틀링 가스를 접촉 구역에 공급하는 단계;
    극저온 유체 공급 조립체를 이용하여 접촉 구역에 극저온 유체를 공급하는 단계;
    상기 접촉 구역으로부터 노즐을 통해 합성 유체를 방출하는 단계;
    상기 합성 유체의 온도 또는 이 합성 유체가 방출될 재료의 온도인 제1 온도를 측정하는 단계; 및
    설정점 온도 아래위로 5℉(2.7℃) 이내의 미리 정해진 범위 내로 제1 온도를 유지하는 단계
    를 포함하는 방법.
30. 극저온 유체 이송 장치로서,
    제1 압력으로 극저온 유체를 이송하도록 된 내부 라인;
    상기 내부 라인을 둘러싸고, 이에 의해 내부 라인과의 사이에 제1 환형 공간을 형성하며, 적어도 일부분이 가스 투과성을 갖는 외부 라인;
    극저온 유체의 일부를 내부 라인에서 제1 환형 공간 내로 흐르게 하여 그 극저온 유체의 일부가 제1 환형 공간에서 제2 압력을 갖게 하는 전환 라인;
    상기 외부 라인을 둘러싸고, 이에 의해 외부 라인과의 사이에 제2 환형 공간을 형성하는 복귀 라인; 및
    상기 제2 환형 공간 내에 최소 압력을 유지하는 배압 조정기
    를 포함하며, 상기 전환 라인 및 복귀 라인은 제2 압력이 제1 압력보다 낮게 되도록 작동적으로 구성되어 있는 것인 극저온 유체 이송 장치
31. 제30항에 있어서, 상기 내부 라인에서 제1 환형 공간 내로 흐르는 극저온 유체의 양을 조절하는 계량 밸브를 더 포함하는 것인 극저온 유체 이송 장치.

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