KR20100099129A - 극저온 냉각 방법 및 장치 - Google Patents

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파비앙 뒤랑
알랭 라벡스
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은 폐쇄 작동 회로(200)를 통해 유동하는 작동 유체에 의해 저온 소스(15)로부터 고온 소스(1)로 열을 전달하는 극저온 냉각 장치에 관한 것이며, 작동 회로(200)는 유체의 실질적인 등온 압축 부분, 유체의 실질적인 등압 냉각 부분, 유체의 실질적인 등온 팽창 부분, 및 유체의 실질적인 등압 가열 부분을 직렬로 포함한다. 작동 회로(200)의 압축 부분은 직렬로 배치된 둘 이상의 압축기(7, 5, 3)를 포함하며, 작동 회로(200)의 팽창 부분은 하나 이상의 팽창 터빈(9, 11, 13)을 포함하며, 상기 압축기(7, 5, 3) 및 팽창 터빈(들)(9, 11, 13)은 출력 샤프트를 포함하는 하나 이상의 고속 모터(70)에 의해 구동된다. 출력 샤프트의 일 단부는 직접 결합으로 제1 압축기(7, 5, 3)를 지지하고 회전시키고, 출력 샤프트의 다른 단부는 직접 결합으로 제2 압축기(7, 5, 3) 또는 팽창 터빈(9, 11, 13)을 지지하고 회전시킨다.

Description

극저온 냉각 방법 및 장치{CRYOGENIC REFRIGERATION METHOD AND DEVICE}
본 발명은 극저온 냉각 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 보다 구체적으로는 폐쇄 작동 회로에서 유동하는 작동 유체에 의해 저온 소스로부터 고온 소스로 열을 전달하는 극저온 냉각 장치에 관한 것이며, 작동 회로는 압축 부분, 냉각 부분, 팽창 부분 및 가열 부분을 직렬로 포함한다.
저온 소스는 예컨대 냉각을 위해 액체 질소일 수 있으며, 고온 소스는 물 또는 공기일 수 있다.
초전도체 요소를 냉각하는 것으로 공지된 냉각기는 대개 역 브레이톤 사이클(reverse Brayton cycle)을 이용한다. 공지된 냉각기들은 윤활식 회전 스크류 압축기, 역류 판형 열교환기 및 팽창 터빈을 사용한다.
공지된 냉각기들은 다음을 비롯한 많은 단점을 가지고 있다.
- 사이클의 낮은 에너지 효율 및 이에 따른 냉각기의 낮은 에너지 효율,
- 압축기의 냉각 및 윤활을 위한 오일의 사용 - 이는 압축 이후 작동 가스의 탈유(de-oiling)를 부과함 -,
- 전기 모터와 압축기 사이에 회전 시일의 사용,
- 압축기의 낮은 등온 압축 효율,
- 유지보수 작업의 빈도.
문헌 US-3 494 145호는 오일-윤활식 베어링을 필요로 하는 기어에 의한 커플링을 사용하는 냉각 시스템을 기술한다. 이러한 유형의 장치는 작동 가스와 기어 하우징 및 오일 베어링 사이의 기계적 시일과 같은 회전 시일을 사용한다. 이러한 구성은 작동 가스의 누출 및 오일에 의한 작동 가스의 잠재적 오염의 위험성을 증가시킨다. 이러한 시스템은 또한 저속 모터와 연계된다.
문헌 US-4 984 432호는 볼 베어링과 같은 종래의 베어링을 사용하는 저속 모터로 작동하는 액체 시일 터빈 또는 압축기를 사용하는 냉각 시스템을 기술한다. 이러한 기술은 정변위 압축기 및 터빈과 연계된다.
본 발명의 목적은 상기 기술된 종래 기술의 단점 모두 또는 그 일부를 극복하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 폐쇄 작동 회로를 통해 유동하는 작동 유체에 의해 저온 소스로부터 고온 소스로 열을 전달하는 극저온 냉각 장치를 제안하며, 작동 회로는 유체의 실질적인 등온 압축을 위한 부분, 유체의 실질적인 등압 냉각을 위한 부분, 유체의 실질적인 등온 팽창을 위한 부분 및 유체의 실질적인 등압 가열을 위한 부분을 직렬로 포함하며, 작동 회로의 압축 부분은 직렬로 배치된 2개 이상의 압축기 및 압축된 유체를 냉각하기 위해 각각의 압축기 출구에 배치된 하나 이상의 열교환기를 포함하며, 작동 회로의 팽창 부분은 하나 이상의 팽창 터빈 및 팽창된 유체를 가열하기 위한 하나 이상의 열교환기를 포함하며, 압축기 및 팽창 터빈(들)은, 일 단부에 의해 직접 결합으로 제1 압축기를 지지하고 회전시키고 다른 단부에 의해 직접 결합으로 제2 압축기 또는 팽창 터빈을 지지하고 회전시키는 출력 샤프트를 포함하는 하나 이상의 고속 모터에 의해 구동된다.
본 발명의 실시양태는 오일 오염이 없는, 그리고 접촉하지 않는 시스템을 얻게 한다. 이는 본 발명에 따른 원심 압축기, 구심 터빈 및 베어링의 조합이 고정식 부품 및 회전식 부품과의 접촉을 감소 또는 제거하기 때문이다. 이는 누출의 위험을 방지하는 역할을 한다. 전체 시스템은 실제로 기밀식으로 밀봉되며, 대기와 관련된 어떠한 회전 시일(예컨대, 기계식 시일 또는 건식 면 시일(dry face seal))도 포함하지 않는다.
또한, 본 발명의 실시양태는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
- 압축기는 원심 압축 형태를 갖고,
- 팽창 터빈(들)은 구심 압축 형태를 갖고,
- 모터의 출력 샤프트는 자기 베어링 또는 다이나믹 가스 베어링 상에 장착되고, 상기 베어링은 압축기 및 터빈을 지지하는데 사용되고,
- 냉각 부분 및 가열 부분은 공통의 열교환기를 포함하며, 이를 통해 작동 유체가 냉각될지 또는 가열될지에 따라 역류하여 유동하고,
- 작동 회로는 작동 유체에 대한 버퍼 저장 챔버를 형성하는 체적을 포함하고,
- 작동 유체는 가스상이며, 헬륨, 네온, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 메탄, 또는 저온 소스의 온도에서 가스 상을 갖는 임의의 다른 유체로부터 선택되는 순수 가스 또는 순수 가스의 혼합물로 구성된다.
본 발명은 또한 폐쇄 작동 회로를 통해 유동하는 작동 유체에 의해 저온 소스로부터 고온 소스로 열을 전달하는 극저온 냉각 방법을 제안하며, 작동 회로는 직렬로 배치된 2개 이상의 압축기를 포함하는 압축 부분, 유체 냉각 부분, 하나 이상의 팽창 터빈을 포함하는 팽창 부분 및 가열 부분을 직렬로 포함하며, 압축기의 출구에서 압축된 유체를 냉각시킴으로써 압축 부분의 유체를 실질적으로 등온 압축하는 제1 단계, 냉각 부분의 유체를 실질적으로 등압 냉각시키는 제2 단계, 터빈 출구에서 팽창된 유체를 가열함으로써 팽창 부분의 유체를 실질적으로 등온 팽창시키는 제3 단계, 및 저온 소스와 열 교환한 유체를 실질적으로 등압 가열하는 제4 단계를 포함하는 작동 사이클을 포함하며, 유체 작동 사이클 (온도 T, 엔트로피 S)은 역 에릭슨(reverse Ericsson) 형태이다.
또한, 본 발명의 실시양태는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
- 실질적으로 등온 압축하는 제1 단계 동안, 압축된 유체는 각각의 압축기 출구에서 냉각되어 각각의 압축기 입구 및 출구에서의 유체 온도를 실질적으로 동일하게, 바람직하게는 약 10 K의 범위 내에서 유지하고,
- 실질적으로 등온 팽창시키는 제3 단계 동안, 팽창된 유체는 각각의 터빈의 출구에서 냉각되어 각각의 터빈 입구 및 출구에서의 유체 온도를 실질적으로 동일하게, 바람직하게는 약 5 K의 범위 내에서 유지하고,
- 압축기 및 팽창 터빈(들)은, 일 단부에 의해 직접 결합으로 제1 압축기를 지지하고 회전시키고 다른 단부에 의해 직접 결합으로 제2 압축기 또는 팽창 터빈을 지지하고 회전시키는 출력 샤프트를 포함하는 하나 이상의 고속 모터로 구동되며, 출력 샤프트(들)에 의해 터빈(들)의 역학적 일의 일부를 압축기(들)로 전달시키는 단계를 포함하고,
- 제2 냉각 단계의 완료시, 작동 유체는 약 60 K의 저온으로 냉각되며, 작동 회로는 팽창 터빈의 개수보다 약 세 배 많은 개수의 압축기를 포함하고,
- 작동 유체는 저온의 초전도체 요소를 약 65 K의 온도로 냉각 또는 유지시키는데 사용되고,
- 저온 소스를 구성하는 유체의 온도 하강은 열 교환기 내의 작동 가스의 온도 상승과 실질적으로 동일하다.
본 발명은 다음의 장점 중 하나 이상을 가질 수 있다.
- 작동 유체 사이클 (역 에릭슨 형태)은 공지된 시스템보다 높은 효율을 얻게 하면서 본질적으로 다른 단점을 생성하거나 증가시키지 않고,
- 터빈의 팽창 일이 유익하게 이용될 수 있고,
- 윤활 또는 냉각을 위한 오일의 사용을 제거할 수 있어서, 압축기 하류의 탈유 설비, 및 또한 소비된 오일의 처리 및 재순환 작업을 제거하고,
- 본 시스템은 적은 개수의 운동 부품만을 필요로 하여, 단순성 및 신뢰성을 향상시키고, 본 발명 덕분에, 압축기는 증속 기어 또는 카던 조인트(Cardan joint) 등을 구비한 형태의 기계식 파워 트랜스미션 없이 작동할 수 있고,
- 유지보수 작업이 감소되거나 실질적으로 존재하지 않고,
- 본 시스템은 회전 시일을 방지하고, 외부에 대해 완벽히 기밀식 밀봉된 시스템을 사용하는 역할을 하고, 이는 작동 사이클 가스의 임의의 손실 또는 오염을 방지하고,
- 냉각기의 크기가 공지된 시스템에 비해 감소될 수 있다.
도면과 함께 제공되는 이하의 설명을 이해함으로써 다른 특징 및 장점들이 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 장치의 예시적인 제1 실시양태의 구조 및 작동을 나타내는 개략도이다.
도 2는 압축기-압축기 또는 압축기-터빈 조립체의 구동 모터의 배열을 나타내는, 도 1의 세부사항을 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1의 냉각기의 작동 유체의 작동 사이클의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각기의 예시적인 제2 실시양태의 구조 및 작동을 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 3의 냉각기의 작동 유체의 작동 사이클의 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 1의 예시적인 실시양태를 참조하면, 본 발명에 따른 냉각기는, 예컨대 극저온의 저온 소스(15)로부터 주위 온도의 고온 소스(1)로 열을 전달하기에 적합하다.
저온 소스(15)는 예컨대, 냉각을 위해 액체 질소일 수 있으며, 고온 소스(1)는 물 또는 공기일 수 있다. 이러한 열 전달을 수행하기 위해, 도 1에 도시된 냉각기는 이하에 열거된 성분을 포함하는 작동 가스의 작동 회로(200)를 사용한다.
회로(200)는 직렬로 배치되고 주위 온도에서 작동하는 복수의 원심 압축기(3, 5, 7)를 포함한다.
회로(200)는 압축기(3, 5, 7)의 출구에 각각 배치되고 주위 온도에서 작동하는 복수의 열교환기(2, 4, 6)를 포함한다. 각각의 압축단의 입구 및 출구에서 (즉, 각각의 압축기(3, 5, 7)의 입구 및 출구에서) 작동 가스의 온도는 열교환기에 의해 실질적으로 동일한 수준으로 유지된다 (기체 작동 사이클을 도시하는 도 3의 구역 A 참고: 엔트로피(S) (J/Kg)의 함수로서의 온도 (K)). 도 3에서, 톱니 형태의 구역 A의 상승 부분은 압축단에 각각 대응되며, 구역 A의 하강 부분은 열교환기에 의한 냉각에 각각 대응된다.
이러한 구성은 등온 압축에 근접하는 작용을 한다. 각각의 압축단의 입구 및 출구 온도는 실질적으로 동일하다.
열교환기(2, 4, 6)는 상이할 수 있거나, 고온 소스(1)와 열교환하는 동일한 열교환기의 개별적인 부분으로 구성될 수 있다.
냉각기는 복수의 고속 모터(70; 도 2 참조)를 포함한다. 본 발명의 구성에서, 고속 모터는 통상 그에 의한 회전 속도가 원심 압축단 또는 구심 압축단과의 직접 결합을 가능케 하는 모터를 의미한다. 고속 모터(70)는 바람직하게는 자기 베어링 또는 다이나믹 가스 베어링(171; 도 2)을 사용한다. 고속 모터는 통상 10,000 rpm 또는 수 만 rpm의 속도로 회전한다. 저속 모터는 수 천 rpm의 속도로 회전한다.
압축기를 직렬로 포함하는 압축 부분의 하류에서, 냉각기는 극저온의 요소 (도 1에 도시된 회로(200)의 하부)로부터 주위 온도의 요소 (회로(200)의 상부)를 분리하는, 바람직하게는 역류판 형태의 열교환기(8)를 포함한다. 유체는 냉각된다 (도 3의 구역 D에 대응됨). 주위 온도로부터 극저온으로의 가스의 냉각은, 저온 소스(15)와의 열교환 이후 팽창 부분으로부터 비롯되는 극저온에서의 동일한 작동 가스와의 역류 교환에 의해 일어난다.
판형 열교환기(8)을 포함하는 냉각 부분의 하류에서, 회로는 바람직하게는 구심 형태이며 직렬로 배치되는 하나 이상의 팽창 터빈(9, 11, 13)을 포함한다. 터빈(9, 11, 13)은 극저온에서 작동하며, 각각의 팽창단의 입구 및 출구(터빈 입구 및 출구) 온도는 터빈(들)의 출구에 배치되는 하나 이상의 극저온 열교환기(10, 12, 14)에 의해 실질적으로 동일하게 유지된다. 이는 도 3의 구역 C에 대응하며, 구역 C의 하강 부분은 팽창단에 각각 대응되고 이 구역의 상승 부분은 열 교환기(10, 12, 14) 내의 가열에 대응된다. 이러한 구성은 등온 팽창에 근접하는 작용을 한다. 각각의 팽창단의 입구 및 출구 온도는 실질적으로 동일하다. 또한, 냉각기 효율을 증가시키기 위해, 열교환기(들)(10, 12, 14)에서 작동 가스 온도의 증가는 냉각될 유체(15) (저온 소스)의 온도 하강과 실질적으로 동일할 것이다 (절대값).
이러한 열교환기(10, 12, 14)의 가열은 상이할 수 있거나 저온 소스(15)와 열 교환하는 동일한 열교환기의 개별적인 부분으로 구성될 수 있다.
팽창 및 저온 소스(15)와의 열 교환 부분의 하류에서, 작동 유체는 다시 판형 열교환기(8)와 열 교환한다(도 3의 구역 B). 유체는 압축 부분 이후의 통로로 열교환기(8) 내에서 역류하여 열을 교환한다. 가열 이후에, 유체는 압축 부분으로 복귀하며 그 사이클을 반복할 수 있다.
회로는 주위 온도에서 작동 가스의 챔버를 더 포함하여 (단순함을 위해 도시하지 않음), 예컨대 냉각기의 정지 중에 회로 내의 압력을 제한한다.
냉각기는 바람직하게는 작동 유체로서 폐쇄 회로에서 유동하는 가스상의 유체를 사용한다. 이러한 유체는 예컨대, 순수 가스 또는 순수 가스의 혼합물로 구성된다. 이러한 기술에 가장 적합한 가스는 특히, 헬륨, 네온, 질소, 산소 및 아르곤이다. 일산화탄소 및 메탄 또한 사용될 수 있다.
냉각기는 역 에릭슨 사이클에 근접하는 유체 작동 사이클을 얻도록 설계되며 이에 따라 작동된다. 이는 등온 압축, 등압 냉각, 등온 팽창 및 등압 가열을 의미한다.
유익한 특징에 따르면, 적어도 압축기(3, 5, 7)를 구동하기 위해 (즉, 압축기 임펠러를 구동하기 위해), 냉각기는 복수의 고속 모터(70)를 사용한다.
도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 각각의 고속 모터(70)는 출력 샤프트의 일 단부에 압축기 임펠러(31)를 수용하고, 출력 샤프트의 다른 단부에는 다른 압축기 임펠러 또는 터빈 휠(9)을 수용한다. 이러한 구성은 많은 장점을 제공한다. 이러한 구성은 냉각기에서 모터(70)와 압축기(3, 5, 7)의 임펠러 사이 또는 모터(70)와 터빈(9, 11, 13)의 휠 사이에 직접 결합을 가능케 한다. 이는 증속 기어 또는 감속기 없이 구동하는 역할을 한다 (따라서 필요한 운동 부품의 개수를 제한함). 이러한 구성은 또한 터빈(들) (9, 11, 13)의 역학적 일의 활용을 가능케 하며, 그 결과 냉각기의 총 에너지 효율을 증가시킨다. 이러한 구성에 따라, 냉각기는 오일없이 작동하며, 따라서 작동 가스의 순도를 보장하고 탈유 작업의 필요성을 제거한다.
고속 모터의 개수는 주로 냉각기에 필요한 에너지 효율에 의존한다. 이 효율이 높을수록, 고속 모터의 개수가 많다.
압축단 (압축기)의 수와 팽창단 (터빈)의 수 사이의 비율은 목표 저온에 의존한다. 예컨대, 저온 소스가 273 K인 냉각기의 경우, 압축단의 수는 팽창단의 수와 실질적으로 동일하다. 저온 소스가 65 K인 냉각기의 경우, 압축단의 수는 팽창단의 수보다 약 3배 많다.
도 4는 예컨대, 약 65 K의 극저온으로 초전도체 케이블의 온도를 유지 또는 냉각시키는데 사용될 수 있는 다른 실시양태를 도시한다. 이러한 온도 수준의 경우, 압축단 (압축기)의 수는 팽창단 (터빈)의 수보다 약 3배 많아야 한다. 이는 가능한 몇몇 구성에서 얻어질 수 있다. 예컨대, 세 개의 압축기와 하나의 터빈, 또는 여섯 개의 압축기와 두 개의 터빈.
유닛 개수의 선택은 원하는 에너지 효율에 의존한다. 따라서, 세 개의 압축기와 하나의 터빈을 사용하는 방법은 여섯 개의 압축기와 두 개의 터빈을 사용하는 방법보다 낮은 에너지 효율을 가질 것이다.
도 4의 예에서, 냉각기는 여섯 개의 압축기(101, 102, 103, 104, 105, 106), 두 개의 터빈(116, 111), 및 네 개의 고속 모터(107, 112, 114, 109)를 포함한다. 두 개의 제1 압축기(101, 102) (즉, 압축기 임펠러)는 제1 고속 모터(107)의 두 단부에 각각 장착된다. 다음 두 개의 압축기(103, 104)는 제2 고속 모터(112)의 두 단부에 각각 장착된다. 다음 압축기(105) 및 터빈(116) (즉, 터빈 휠)은 제3 고속 모터(114)의 두 단부에 각각 장착된다. 마지막으로, 마지막 터빈(111) 및 제6 압축기(106)는 제4 모터(109)의 두 단부에 각각 장착된다.
폐쇄 루프 회로의 사이클 동안 작동 가스의 경로는 다음과 같이 기술될 수 있다.
제1 단계에서, 가스는 직렬로 네 개의 압축기(101, 102, 103, 104, 105, 106)를 연속하여 통과함으로써 점진적으로 압축된다.
(각 압축기의 출구에서) 각 압축단의 완료시, 작동 가스는 각각의 열교환기(108)에서 (예컨대 공기 또는 물과의 열교환을 통해) 냉각되어 등온 압축에 근접한다. 이 압축 부분 이후에, 가스는 역류 판형 열교환기(103)를 통해 등압 냉각된다. 이 냉각 부분 이후에, 냉각 가스는 직렬의 두 구심 터빈(116, 111) 내에서 점진적으로 팽창된다. 각각의 팽창단 이후에, 실질적으로 등온 팽창을 얻기 위해 작동 가스는 열교환기(110) 내의 열교환(예를 들어, 저온 소스와의 열교환)에 의해 가열된다. 이러한 등온 팽창의 완료시, 작동 가스는 열교환기(113)에서 가열된 다음, 압축에 의해 새로운 사이클을 시작할 수 있다.
도 5는 도 5의 냉각기의 작동 유체의 사이클 (온도 T 및 엔트로피 S)을 도시한다. 이전의 도 3의 경우와 같이, 여섯 번의 연속적인 압축 및 냉각에 대응하는 여섯 개의 톱니가 압축 구역(A)에서 식별될 수 있다. 팽창 구역(C)에서, 두 번의 연속적인 팽창 및 가열에 대응하는 두 개의 톱니가 식별된다.
본 발명은 에너지 효율, 신뢰성 및 크기 면에서 극저온 냉각기를 개선한다. 본 발명은 유지보수 작업의 수를 감소시키고 오일의 사용을 제거하는 역할을 한다.
명백하게, 모터(들)의 출력 샤프트의 일 단부 또는 양 단부는 하나 이상의 휠 (즉, 복수의 압축기 또는 복수의 터빈)을 직접 구동할 수 있다.

Claims (10)

  1. 폐쇄 작동 회로(200)를 통해 유동하는 작동 유체에 의해 저온 소스(15)로부터 고온 소스(1)로 열을 전달하는 극저온 냉각 장치이며, 작동 회로(200)는 유체의 실질적인 등온 압축을 위한 부분, 유체의 실질적인 등압 냉각을 위한 부분, 유체의 실질적인 등온 팽창을 위한 부분, 및 유체의 실질적인 등압 가열을 위한 부분을 직렬로 포함하며, 작동 회로(200)의 압축 부분은 직렬로 배치된 둘 이상의 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 및 압축된 유체의 냉각을 위해 각각의 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 출구에 배치된 하나 이상의 열교환기(6, 4, 2, 108)를 포함하며, 작동 회로(200)의 팽창 부분은 하나 이상의 팽창 터빈(9, 11, 13, 116, 111) 및 팽창된 유체를 가열하기 위한 하나 이상의 열교환기(10, 12, 14, 110)를 포함하며, 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 및 팽창 터빈(들)(9, 11, 13)은, 일 단부에 의해 직접 결합으로 제1 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106)를 지지하고 회전시키고 다른 단부에 의해 직접 결합으로 제2 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 또는 팽창 터빈(9, 11, 13, 116, 111)을 지지하고 회전시키는 출력 샤프트를 포함하는 하나 이상의 고속 모터(70, 107, 112, 114, 109)에 의해 구동되며, 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106)는 원심 압축 형태를 가지며, 팽창 터빈(들)(9, 11, 13, 116, 111)은 구심 팽창 형태를 가지며, 모터(70, 107, 112, 114, 109)의 출력 샤프트(71)는 자기 베어링 또는 다이나믹 가스 베어링에 장착되고, 상기 베어링(171)은 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 및 터빈(9, 11, 13, 116, 111)을 지지하는데 사용되며, 냉각 부분 및 가열 부분은 냉각될지 또는 가열될지에 따라 작동 유체가 역류하여 유동하는 공통의 열교환기(8, 113)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 작동 회로는 작동 유체의 버퍼 저장 챔버를 형성하는 체적을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작동 유체는 가스상이며, 헬륨, 네온, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 메탄 또는 저온 소스의 온도에서 가스상을 갖는 임의의 다른 유체로부터 선택되는 순수 가스 또는 순수 가스의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 압축단의 수는 팽창단의 수보다 많은 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 출력 샤프트의 적어도 일 단부가 직접 결합에 의해 둘 이상의 휠(압축기 임펠러 및/또는 터빈 휠)을 회전시키는 하나 이상의 모터(70, 107, 112, 114, 109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 출력 샤프트의 일 단부가 직접 결합에 의해 두 개의 압축기 임펠러를 회전시키고, 출력 샤프트의 다른 단부가 직접 결합에 의해 터빈 휠을 회전시키는 하나 이상의 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 폐쇄 작동 회로(200)를 통해 유동하는 작동 유체에 의해 저온 소스(15)로부터 고온 소스(1)로 열을 전달하는 극저온 냉각 방법이며, 작동 회로(200)는 직렬로 배치된 둘 이상의 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106)를 포함하는 압축 부분, 유체 냉각 부분, 하나 이상의 팽창 터빈(9, 11, 13, 116, 111)을 포함하는 팽창 부분, 및 가열 부분을 직렬로 포함하며, 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 출구에서 압축된 유체를 냉각시킴으로써 압축 부분의 유체를 실질적으로 등온 압축하는 제1 단계, 냉각 부분의 유체를 실질적으로 등압 냉각시키는 제2 단계, 터빈 출구에서 팽창된 유체를 가열함으로써 팽창 부분의 유체를 실질적으로 등온 팽창시키는 제3 단계, 및 저온 소스(15)와 열 교환한 유체를 실질적으로 등압 가열하는 제4 단계를 포함하는 작동 사이클을 포함하며, 유체 작동 사이클(온도 T, 엔트로피 S)은 역 에릭슨 형태(reverse Ericsson type)를 가지며, 실질적으로 등온 압축하는 제1 단계 동안 압축된 유체는 각각의 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 출구에서 냉각되어 각각의 압축기 입구 및 출구에서의 유체 온도를 실질적으로 동일하게, 바람직하게는 약 10 K의 범위 내에서 유지하며, 실질적으로 등온 팽창시키는 제3 단계 동안 팽창된 유체는 각각의 터빈(9, 11, 13, 116, 111) 출구에서 냉각되어 각각의 터빈(9, 11, 13, 116, 111) 입구 및 출구에서의 유체 온도를 실질적으로 동일하게, 바람직하게는 약 5 K의 범위 내에서 유지하며, 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 및 팽창 터빈(들)(9, 11, 13, 116, 111)은, 일 단부에 의해 직접 결합으로 제1 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106)를 지지하고 회전시키고 다른 단부에 의해 직접 결합으로 제2 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106) 또는 팽창 터빈(9, 11, 13, 116, 111)을 지지하고 회전시키는 출력 샤프트를 포함하는 하나 이상의 고속 모터(70, 107, 112, 114, 109)에 의해 구동되며, 터빈(들)(9, 11, 13, 116, 111)의 역학적 일의 일부를 출력 샤프트(들)(71)를 거쳐 압축기(들)(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106)로 전달하는 단계를 포함하며, 모터(70, 107, 112, 114, 109)의 출력 샤프트(71)는 자기 베어링 또는 다이나믹 가스 베어링(171)에 장착되고, 상기 베어링(171)은 압축기 및 터빈을 지지하는데 사용되며, 냉각 부분 및 가열 부분은 냉각될지 또는 가열될지에 따라 작동 유체가 역류하여 유동하는 공통의 열교환기(8, 113)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제2 냉각 단계의 완료시, 작동 유체는 약 60 K의 저온으로 냉각되며, 작동 회로(200)는 팽창 터빈(9, 11, 13, 116, 111)의 개수보다 세 배 많은 개수의 압축기(7, 5, 3, 101, 102, 103, 104, 105, 106)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 작동 유체는 저온의 초전도체 요소를 약 65 K의 온도로 냉각시키거나 유지시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 저온 소스(15)를 구성하는 유체의 온도 하강은 열교환기 내 작동 가스의 온도 상승과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
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