KR20110029128A - 선형 구동 극저온 냉동기 - Google Patents

선형 구동 극저온 냉동기 Download PDF

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Abstract

극저온 냉동기는 냉동 실린더 및 둘 이상의 디스플레이서를 갖는다. 각각의 디스플레이서는 냉동 실린더 내에서 왕복 운동하며, 냉동 실린더를 통하여 냉동 가스를 이동시킨다. 냉동기는 냉동 가스를 냉각시키고, 가스 제어 밸브들은 고압 가스를 냉동기 실린더로 들이며, 냉동 실린더로부터 가스를 배출한다. 냉동기는 또한 디스플레이서에 작동적으로 연결되는 선형 모터들을 가지며, 선형 모터들은 왕복 운동으로 디스플레이서를 구동시킨다. 위치 센서가 제공되어 왕복 운동중에 디스플레이서의 파라미터를 결정한다. 제어기는 선형 모터를 제어하도록 선형 모터에 작동적으로 연결된다. 제어기는 왕복 운동중에 2개의 디스플레이서의 파라미터를 제어한다. 파라미터는 극저온 냉동기의 온도 제어를 위한 디스플레이서의 행정 길이, 행정 속도, 행정 위상 또는 다른 파라미터일 수 있다. 극저온 냉동기는 진동을 제거하기 위한 장치를 포함할 수도 있다.

Description

선형 구동 극저온 냉동기 {LINEAR DRIVE CRYOGENIC REFRIGERATOR}
관련 출원
본 발명은 2008년 5월 21일 출원된 미국 가출원 제 61/128,380호의 우선권 이익을 주장한다.
상기 출원의 모든 내용은 본 명세서에 편입된 것으로 간주한다.
종전 타입의 극저온 냉동기에서는, 헬륨 등의 작동 유체가 실린더로 도입되고, 이 유체가 피스톤의 한 단부 또는 디스플레이서(displacer)에서 팽창되어 냉동 실린더를 냉각시킨다. 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 타입 냉동기에서는 고압의 작동 유체가 냉동기의 고온 단부(warm end)로 밸브 소통되고, 그런 다음 디스플레이서의 이동에 의해 냉동기를 통과한다. 냉동기 내에서 냉각된 이 유체는 다음으로 디스플레이서의 저온 단부(cold end)에서 팽창된다. 디스플레이서의 이동은 회전식 모터에 의해 구동된다.
1단 극저온 냉동기와 2단 극저온 냉동기도 알려져 있다. 통상적으로, 제1 단은 제1 디스플레이서를 포함한다. 제1 디스플레이서는 팽창과 압축 사이에서 작동 유체를 왕복 운동시킨다. 제2 단은 제2 디스플레이서를 포함한다. 제2 디스플레이서 또한 팽창과 압축 사이에서 작동 유체를 왕복 운동시킨다. 통상적으로, 제1 및 제2 디스플레이서는 상호 연결되고 공통의 회전식 모터에 의해 구동된다.
극저온 냉동기의 제1 단과 제2 단은 실제로 상이한 부하에서 작동하는 것으로 알려져 있는데, 다시 말해 제1 디스플레이서의 행정 길이, 행정 속도, 행정 변위 프로파일, 및 행정 위상이 제2 디스플레이서의 행정 길이, 속도, 변위 프로파일, 및 위상과 다르게 작동한다고 알려져 있다. 이것은 흔히 극저온 냉동기가 설계되고 실제 작동에 들어간 후에 발견되곤 한다. 일반적으로, 이러한 냉동기는 제1 단과 제2 단 모두에서 작동하는 기계적 회전식 구동기를 포함한다. 이러한 기계적 회전식 구동기는 상기 단들을 동일 행정 길이, 속도, 변위 프로파일, 및 위상으로 작동시킬 것이다. 종종 회전식 기계적 구동기의 작동 파라미터를 변경함으로써 극저온 냉동기의 효율을 증가시키는 것이 어렵다. 많은 경우, 효율을 증가시키려고 회전식 구동기의 작동 파라미터들을 약간 변경시키는 시도가 실패한 다음, 극저온 냉동기의 총 효율을 증가시키기 위한 솔루션은 염두에 둔 상이한 행정 파라미터들을 갖는 제2의 새로운 극저온 냉동기를 설계하는 것이다.
일반적으로, 행정 속도(rate), 실린더 부피 및 작동 유체의 온도가 극저온 냉동기 단계(stage)의 효율을 결정하는 파라미터들이다. 이것은 밸브들이 적절한 시간에 개방되는 것을 보장하도록 압력파(pressure wave)를 이용하여 반드시 적절한 타이밍의 밸브들로 달성되어야 한다. 일반적으로, 이 분야에서 문제점은 제2 단이 제1 단으로부터 전적으로 의존하고, 제2 단 디스플레이서 행정이 불행히도 제1 단의 성능에 연관된다는 것이다.
본 발명의 극저온 냉동기는 제2 단의 작업이 제1 단에 의해 제한되지 않기 때문에 종전의 냉동기에 비해 높은 효율을 갖는다. 각 단에 대한 상이한 작동 파라미터들(디스플레이서의 행정 길이 및 변위 프로파일, 디스플레이서 위상, 및 기타 디스플레이서 왕복 운동 파라미터 등)이 단계들 사이에 독립적이고 변화될 수 있다. 단계들의 독립적 작동은 냉동기의 완전한 재설계를 개입시키지 않고서도 제1 단과 제2 단에서 상이한 부하를 초래한다. 극저온 냉동기는 극저온 냉동기의 향상된 온도 제어를 위해 제2 단에 대해 독립적으로 작동하는 제1 단을 갖는다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 제1 단, 제2 단, 및 각 단계를 위한 선형 모터를 갖는 극저온 냉동기가 제공된다. 각 단계를 위한 선형 모터는 이들 두 단계를 독립적으로 제어할 수 있게 한다. 상기 선형 모터는 디스플레이서에 작동적으로 연결된다. 냉동기의 다른 단계에서, 제2 선형 모터가 제2 디스플레이서에 작동적으로 연결된다. 디스플레이서는 각 단계에서 냉동기 실린더 내를 왕복 운동하는 피스톤형 요소이다. 상기 선형 모터는 디스플레이서들 각각의 행정을 제어한다.
다른 실시예에서, 선형 모터가 제1 단에서 제1 행정 길이로 제1 디스플레이서를 작동하게 하고, 제2 단에서 제2 행정 길이로 제2 디스플레이서를 작동하게 한다. 제1 행정 길이 및 제2 행정 길이는 상이할 수도, 동일할 수도 있다.
이러한 냉동기는 기포드 맥마흔 냉동기로 제작될 수 있고, 가스 제어 밸브를 포함할 수 있다. 이 밸브는 고압 헬륨 작업 가스를 냉동기 실린더로 들이고, 제2 밸브가 상기 작업 가스를 냉동기 실린더로부터 배기한다. 이 밸브들은 전기 밸브, 기계 밸브, 그리고 스풀(spool) 밸브일 수 있다. 밸브 작동은 제어기에 의해 제어될 수 있고 디스플레이서들의 움직임에 의해 미리 정해지지 않을 수 있다.
극저온 냉동기는 바람직하게 두 개의 선형 모터를 가지고, 각각이 제1 단 및 제2 단 각각에 대한 디스플레이서에 작동적으로(operatively) 연결된다. 선형 모터는 제어될 수 있고 제1 디스플레이서가 제1 단에서 제1 행정 속도, 행정 길이, 변위 프로파일, 사이클 속도, 또는 위상으로 작동하도록 하고, 제2 디스플레이서가 제2 단에서 제2의 잠재적으로(potentially) 상이한 행정 속도, 길이, 변위 프로파일, 사이클 속도 또는 위상으로 작동하도록 한다. 상기 행정 속도, 길이, 위상, 프로파일 또는 사이클 속도는 경우에 따라 동일할 수도 있다.
극저온 냉동기는 또한 냉동기와 연관된 진동 감쇠 장치를 포함할 수 있다. 진동 감쇠 장치는 선형 모터에 의해 발생된 원치않는 진동을 제거하거나, 디스플레이서들의 왕복 운동과 연관된 진동을 제거한다. 이러한 감쇠 장치는 능동형(active)이거나 또는 수동형(passive)일 수 있다. 제1 또는 제2 디스플레이서의 위치를 측정하고 피드백 신호를 제공하기 위해 위치 센서가 디스플레이서들 상에 또는 극저온 냉동기의 다른 위치에 배열될 수 있다. 상기 피드백 신호가 수신될 수 있고, 이 피드백 신호를 기초로 제1 단 및 제2 단의 독립적 제어가 달성된다. 다른 실시예에서는 상기 시스템이 개방 루프로 작동될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 단으로 작동 유체가 도입될 수 있고, 이 작동 유체가 제2 단의 작동 유체와 열역학적으로 분리될 수 있다. 효율 증대를 위해 각 단계에서 상이한 작동 유체가 사용될 수 있다.
압력 대 부피의 도면에서 확인되는 영역은 냉동기의 일 사이클에서 발생되는 총 냉각(gross cooling)을 형성한다. 이는 냉동기의 각각의 단계에 대해서도 그러하다.
냉각 또는 단위 시간당 발생되는 냉각의 속도(rate)는 한 사이클을 형성하는데 사용된 시간으로 나눠지는 이러한 PV 영역이다. 그러므로, 각각의 단계에 대해:
Figure pct00001
이다.
완전 기체 법칙(perfect gas law)에 의하면,
Figure pct00002
이다.
따라서, 각각의 단계에서 발생된 총 냉각(Q)은 각각의 단계의 팽창 부피가 가스 또는
Figure pct00003
을 처리하는 속도에 비례한다.
또한, 압축기에 의해 제공되는 일, 그러므로 입력 전력은 공급하는 질량 유속
Figure pct00004
에 비례한다.
적용에 대해 산출되는(delivered) 실제 또는 순 냉각은 냉동기 자체 내의 다양한 손실 메커니즘(loss mechanisms)에 의해 감소되는 총 냉각이다. 냉동기의 저온 헤드(cold head)에서 손실 메커니즘의 일부는 사이클 속도(speed) 및/또는 행정의 기능이다. 행정 또는 속도를 감소시키면 손실 메커니즘의 일부뿐 아니라 총 냉각이 모두 감소한다. 극저온 냉동기의 각각의 사용자는 그들 자신의 특정한 극저온 냉각 요구조건을 갖는다. 극저온 냉동기의 각각의 단계에 대해, 이들은 특정한 온도에서의 특정한 부하[예를 들면, 와트]로서 확인될 수 있다. 통상의 2단 극저온 냉동기에서, 양 단은 운동학적으로 연결되어서, 동일한 행정 및 사이클 속도를 공유한다.
수많은 사용자의 냉각 요구조건 및 광범위한 여러 가지 제1 단 및 제2 단의 헤드 부하(head loads)를 충족시키는 것은 관례적으로 사용자의 요구를 넘는 크기의 극저온 냉동기를 사용하는 것을 의미해왔다. 이러한 초과 용량은 요구되는 것보다 더 저온인 온도 흐름(temperature run)을 의미하거나, 이러한 초과는 요구되는 온도를 유지하기 위해 히터를 사용함으로써 낭비되며; 이들 모두 비효율적이다. 지나치게 큰 냉동기는 또한 요구되는 것보다 많은 가스를 처리함을 의미하며, 이는 필요한 압축기보다 더 큰 것에 대한 필요성으로 해석된다. 증가된 냉동 용량은 때때로 하나 또는 그보다 많은 냉동 단계에 일시적으로 요구될 수 있다. 이는 행정 또는 사이클 속도의 증가에 의해 달성될 수도 있다. 따라서, 냉동기의 단계의 속도 및 행정 파라미터를 독립적으로 제어할 수 있으면, 광범위한 특정한 냉각 요구조건들이 충족될 수 있으며 시스템 효율이 향상될 수 있다. 제어는 또한 시스템이 냉동 요구조건의 단기 증가를 충족시킬 수 있도록 한다.
냉동기는 예를 들면 저온의 크라이오펌핑 표면(cryopumping surfaces), 초전도체, 기판, 탐지기, 의료 기기 또는 임의의 다른 품목일 수 있다. 냉각되는 임의의 품목은 중간 유체를 통하여 냉각될 수 있다.
전술한 바는 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 예시 실시예에 대한 하기의 보다 구체적인 설명으로부터 명확해질 것이며, 도면에서 동일한 참조 부호는 상이한 도면에 걸쳐서 동일한 부분을 지시한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않으며, 그 대신 본 발명의 실시예를 도시할 때 강조된다.
도 1a 내지 도 1d는 기포드-맥마흔 사이클에 따라 작동하는 2개의 디스플레이서 및 밸브를 도시하고,
도 1e는 제1 디스플레이서를 제어하는 제1 선형 모터 및 제2 디스플레이서를 독립적으로 제어하는 제2 선형 모터를 갖는 본 명세서의 실시예에 따른 극저온 냉동기의 다른 개략도이며,
도 1f는 수동의 동적 평형기(passive dynamic balancer)를 갖는 냉동기를 도시하며,
도 2 및 도 3은 본 명세서의 추가 실시예에 따른 극저온 냉동기의 다른 개략도이다.
본 발명의 실시예의 상세한 설명은 아래와 같다.
도 1a 내지 도 1d를 보면, 고압 밸브(10), 및 저압 밸브(20)를 가지며 그리고 냉동 실린더(50) 내에 제1 디스플레이서(30), 및 제2 디스플레이서(40)를 구비하는, 저압 밸브(20)를 가지는 극저온 냉동기의 수 개의 단가 도시된다. 바람직하게는, 도 1a에서, 고압 밸브(10)가 개방되고, 내부에 재생 재료(도시안됨)를 포함하는, 디스플레이서들(30, 40)이 하사점(bottom dead center)에서 최소 냉각 부피인 단계 1에서 최하 위치에 있다. 고압 작동 유체는 실린더(50)에 채워진다. 도 1b에서, 작동 유체는 디스플레이서(30, 40) 내의 재생기(도시안됨)를 통과함으로써 냉각되고, 디스플레이서(30, 40)는 하사점으로부터 상사점(top dead center)으로 이동한다. 도 1c에서, 고압 밸브(10)가 폐쇄되고, 저압 밸브(20)가 개방된다. 작동 유체는 팽창되고, 이는 냉각 효과를 일으킨다. 도 1d를 보면, 저압 냉각 유체는 디스플레이서(30, 40) 내의 재생기를 통하여 역으로 이동하며, 디스플레이서(30, 40)는 하사점으로 역으로 이동하며, 작동 유체는 저압 밸브(20)를 통하여 실린더(50)로부터 배출된다. 디스플레이서 변위 및 밸브 위치의 관계에서의 변화가 각각의 특별한 냉동기에 대한 압력-부피 다이어그램 및 냉각을 최적화하기 위해 요구되기 때문에, 고압 밸브 및 저압 밸브의 개방 및 폐쇄가 완전히 정렬되지 않을 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
지금부터 도 1e를 보면, 본 공개에 따른 극저온 냉동기(100)의 일 실시예를 보여준다. 이러한 실시예에서, 극저온 냉동기(100)는 제1 디스플레이서(150) 및 제2 디스플레이서(155)를 각각 독립적으로 제어하는 제1 모터(140a) 및 제2 모터(140b)를 포함한다. 이는 제1 디스플레이서(150)의 행정 길이가 제2 디스플레이서(155)의 행정 길이에 대해 독립적이고 상이하게 되도록 한다. 또한, 제어기(195)는 특별한 시스템에 따라 제1 단(130) 및 제2 단(135)의 온도를 독립적으로 제어하도록 디스플레이서(150, 155) 각각의 행정 속도, 디스플레이서(150, 155) 각각의 행정 프로파일, 또는 디스플레이서(150, 155) 각각의 행정 단계를 독립적으로 제어할 수 있다.
소정의 형태의 모터가 이용될 수 있지만, 모터(140a, 140b)는 영구 자석(138a, 138b) 및 코일(199a 및 199b)을 구비한 타입의 이동 자석의 선형 모터이다. 선택적인 일 실시예에서, 선형 모터(140a, 140b)는 가스를 제1 단 디스플레이서(150) 및 제2 단 디스플레이서(155)로 공급하기 위한 공기압 밸브 및 압축기(도시안됨)를 포함하는 시스템일 수 있다. 제1 디스플레이서(150) 및 제2 디스플레이서(155)의 행정 매개변수는 공기압 밸브의 개방 및 폐쇄의 시간 조절에 의해 제어될 수 있다. 선형 모터들의 독립적 작동은 유용하게는 독립 단계의 온도 제어를 위해 극저온 냉동기(100)를 재설계하지 않고 실시간으로 변화될 수 있다. 이는 극저온 냉동기(100)를 상이한 부하 및 조건으로 수용하기에 유용하다. 또한, 열은 작동 동안 제1 단의 최 냉각 부분의 요구된 작동 온도를 설정하기 위해 제1 단으로 부가되지 않고 제1 단 및 제2 단으로의 상이한 부하의 용량의 비율은 선형 모터(140a, 140b)들을 이용하기 때문에 조정가능하며, 냉동기 제어기는 상이한 부하를 선택적으로 제어할 수 있다.
이러한 배치는 제한되지 않으며, 배치가 역 배치될 수 있으며, 부가 동축 샤프트는 부가 단계들에서 부가 디스플레이서를 구동할 수 있거나, 모터들(140a, 140b)은 나란히, 또는 둘 이상의 디스플레이서(150, 155)를 구동시키도록 또 다른 구성으로 위치될 수 있다. 제1 모터(140a)는 출력 샤프트(145a)를 포함한다. 출력 샤프트(145a)가 제1 단 디스플레이서(150)로 결합되어 제1 모터는 하사점으로부터 상사점 위치로 제1 디스플레이서(150)를 왕복 운동시킬 때 제1 디스플레이서(150)의 행정을 제어할 수 있다.(여기서, 하사점 및 상사점은 최대 가능한 행정이 아니라 제어기에 의해 설정된 행정 길이에 대한 것이다.)
제2 모터(140b)는 제2 출력 샤프트(145b)를 포함한다. 제2 출력 샤프트(145b)는 핀 조인트(145c)에 의해 제2 단 디스플레이서(155)로 연결된다. 제2 출력 샤프트(145b)는 유용하게는 밀봉된 방식으로 샤프트(145a) 및 제1 디스플레이서(150)를 통하여 동축으로 작동된다. 따라서, 제2 모터(140b)는 제2 디스플레이서(155)의 행정을 제어할 수 있다. 제2 출력 샤프트(145b)는 제2 디스플레이서(155)를 제1 디스플레이서(150)를 통하여 동축으로 하사점 위치로부터 상사점 위치로 왕복 운동시킨다.
도 1e에 따른 극저온 냉동기(100)는 바람직하게는 기포드 맥마흔 사이클(Gifford McMahon cycle) 하에서 작동하고 고압 밸브(110)에 의해 냉동 실린더(105)로 들어가고 저압 밸브(115)에 의해 냉동 실린더(105)로부터 배출되는 작동 유체를 포함한다. 그러나, 이러한 실시예는 제한되지 않으며, 냉동기(100)는 다른 공지된 사이클 하에서 작동될 수 있고, 기포드 맥마흔 사이클은 단지 본 공개 하에서 일 실시예로서 제시된다. 극저온 냉동기(100)는 또한 라인들(160 및 162)에 의해 극저온 냉동기(100)와 소통되는, 압축기(120)를 포함한다. 라인(160)은 고압 밸브(110)에 연결되고, 라인(162)은 저압 밸브(115)에 연결된다. 밸브(115)로부터의 저압 가스는 라인(162)에 의해 압축기(120)로 회수되고, 압축되고 라인(160)에 의해 밸브(110)로 전달된다. 비록 단일 압축기 유닛으로서 제시되었지만, 압축기는 또한, 예를 들면, 병렬 매니폴드 압축기 유닛을 포함하거나 압축된 가스의 가변 공급을 위해 허용될 수 있다.
냉동기 실린더(105)는 부분들(105a 및 105b)을 가진다. 부분(105a)은 제1 단의 상부 고온 챔버(warm chamber; 165) 및 하부 저온 팽창 공간(170)을 형성한다. 상부 고온 챔버(165) 및 하부 저온 팽창 공간(170)은 재생 매트릭스(175)에 의해 유체 소통되는데, 재생 매트릭스는 디스플레이서(150) 내에 있거나, 선택적으로 재생 매트릭스(175)는 고정될 수 있고 디스플레이서(150)의 외부에 위치될 수 있다.
저온 팽창 공간(185)은 또한 제2 냉동기 실린더 부분(105b) 내의 제2 디스플레이서(155) 아래 위치되는데, 제2 냉동기 실린더 부분은 냉동기(100)의 최 냉각 부분이며, 약 4 Kelvin 만큼 낮은 온도를 달성할 수 있다. 제2 냉동기 실린더 부분(105b) 내의 제2 디스플레이서(155) 아래 부피는 저온 팽창 공간(185)을 형성한다. 제2 디스플레이서(155)에 대해, 챔버(170) 및 하부 저온 팽창 공간(185)은 제2 디스플레이서(155) 내에 위치하거나, 고정 위치로 배치될 수 있는, 재생 매트릭스(190)에 의해 유체 소통되는데, 고정 위치는 디스플레이서(155)의 외부이거나 디스플레이서로부터 먼 위치이다. 도 1e의 극저온 냉동기(100)의 작동이 지금부터 논의된다.
작동 중에, 제1 선형 모터(140a)는 리드(140c)를 따라 제어기(195)에 작동가능하게 커플링된다. 제어기는 냉동 실린더와 일체형이거나 원거리에 있을 수 있다. 제어기(195)는 제1 선형 모터(140a)를 제어하고, 이는 제1 디스플레이서(displacer, 150)의 행정에 대한 왕복 운동을 제어한다. 제어기(195)는 또한 고압 밸브(110) 및 저압 밸브(115)의 개방 및 폐쇄를 제어하여 적절한 간격에서 작동 유체를 도입한다. 밸브들(110, 115)은 전자 밸브들일 수 있고 스풀 밸브들(spool valves)일 수 있다. 덧붙여, 기계적 밸브들(110, 115)이 전자 밸브들(110, 115) 대신 사용할 수 있다. 제어기(195)는 리드(140d)를 통해 제2 모터(140b)에 작동가능하게 결합되고, 따라서 제어기(195)는 제2 모터(140b) 및 제2 디스플레이서(155)의 행정을 제어한다.
작동 중에, 고압 밸브(110)가 개방된다. 제1 디스플레이서(150) 및 제2 디스플레이서(155)는 최저 위치, 하사점(bottom dead center) 모두에 있으며, 헬륨 또는 다른 적절한 작동 유체가 압축기(120)로부터 고압 밸브(110)를 통해 상부 고온 챔버(warm chamber, 165)로 도입된다. 고압 작동 유체는 상부 고온 챔버(165)를 채우고 재생 매트릭스(175)내로 통과한다. 가스는 계속하여 제2 디스플레이서(155), 제2 재생기 매트릭스(190) 및 제2 팽창 공간(185) 위의 공간을 포함하는 제2 단에서 가스 공간을 가압한다. 다음으로, 제어기(195)는 샤프트(145a)를 왕복운동시키도록 제1 모터(140a)를 제어한다. 이것은 제1 단 샤프트(145a)를 이동시키고 제1 모터(140a)는 하사점으로부터 상사점 위치 쪽으로 제1 디스플레이서(150)를 구동한다. 디스플레이서 운동은 작동 유체가 상부 챔버(165)로부터 하부 챔버로 또는 재생 매트릭스(175)를 통해 실린더부(105a)의 팽창 공간(170)을 통과하게 하는 결과를 가져와서, 작동 유체는 상대적으로 저온인 매트릭스(175)에 대해 열을 빼앗긴다. 유체가 냉각되면서, 높은 압력이 유체 라인(160)을 통해 유지된다.
제1 단 디스플레이서(150)가 상사점 위치 쪽으로 오면서, 이후 제어기(195)는 제1 단 디스플레이서(150)에 대해 잠재적으로 상이한 행정 길이, 행정 속도, 변위 프로파일, 및/또는 왕복 위상을 갖는 제2 단 디스플레이서(155)를 제어한다. 이것이 제2 단(135)에 대해 요구되고/필요로 되는 별도의 온도 제어를 허용한다. 제어기(195)는 샤프트(145b)에 의해 제2 디스플레이서(155)를 이동시키도록 제2 모터(140b)를 제어할 것이다. 가스는 계속하여 제1 단(130)로부터 이동하여 제2 디스플레이서(155)의 운동에 의해 제2 재생 매트릭스(190)를 통해 제2 단 팽창 공간(185)에 전달된다.
각 디스플레이서의 사이클 비율은 잠재적으로 동일하나, 각 디스플레이서(150, 155)가 사이클 동안 얼마나 빨리 이동하는지는 잠재적으로 상이할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 고압 밸브(110)는 충분한 가스가 팽창하는 것을 보장하도록 고온 단부 쪽으로 디스플레이서들의 통과의 적어도 일부 동안 개방된 채로 남는다.
제1 디스플레이서(150) 및 제2 디스플레이서(155)는 이후 상사점 위치에 접근하거나 도달할 것이고 고압 밸브(110)가 폐쇄된다. 저압 밸브(115)가 개방됨에 따라 팽창 공간들(170, 185)의 가스는 팽창을 수행하고, 이는 냉각 효과를 가져온다.
이제 저압 밸브(115)가 개방되면서, 제어기(195)는 제1 선형 모터(140a) 및 제2 선형 모터(140b)를 제어하여서 제1 및 제2 디스플레이서들(150, 155)을 상사점 위치에서 하사점 위치의 하방으로 독립적으로 이동시키고, 이에 의해 작동 유체를 밀어내도록 작동 유체를 팽창 공간(170, 및 185)로부터 상방으로 저압 밸브(115)를 통해 라인(162)으로 이동시킨다. 이후 전술된 사이클이 반복된다. 다시, 밸브들의 개방 및 폐쇄는 압력-부피 다이어그램 및 특정한 냉동기를 위한 냉각을 최적화시킬 필요성으로 인해 변위의 극단에서 정밀하게 발생하는 않는다는 것을 인지해야 한다.
제1 및 제2 디스플레이서들(150, 155)의 독립적 작동은 제1 및 제2 단들(130, 135)의 독립적 온도 제어를 달성할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 작업 중 문제는 제1 및 제2 모터(140a, 140b)(및 상이한 시간들에서 왕복하는 동축으로(coaxially) 배치된 출력 샤프트들(145a, 145b))의 독립 왕복운동이 실린더(105), 및 가까이의 다른 구조물들에 전달되는 원치 않는 진동을 야기할 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명의 극저온 냉동기(100)는 원치 않는 진동을 제거하거나 그렇지 않을 경우 디스플레이서(150 또는 155)의 왕복운동에 의해 또는 제1 및 제2 모터들(140a, 140b)의 작동에 의해 부분적으로 야기된 진동을 감쇠시키기 위해 동적 평형 장치(105c)를 바람직하게 포함한다.
감쇠 장치(105c)는 바람직하게 냉동 실린더(105)에 또는 다른 적절한 위치에 작동가능하게 연결된다. 감쇠 장치(105c)는 능동 감쇠 장치 또는 수동 감쇠 장치(105c)일 수 있다. 능동 감쇠 장치(105c)는 바람직하게 다른 제2 교정 진동을 포함하여 원치 않는 진동을 상쇄할 수 있다. 이것은 능동적으로 원치 않는 진동을 상쇄하여 마운팅 플랜지(148)에 대한 거의 또는 전혀 전체 진동이 없게 한다. 수동 감쇠 장치(105c)는 원치 않는 진동을 제거할 수 있도록 목표된 위치에 냉동 실린더(105)에 체결되는 측정 분동(measured weight)을 포함한다. 바람직하게, 감쇠 장치(105c)는 동축을 갖는 방식으로 실린더(105), 또는 그 일부를 포함하는 무거운 분동이다.
위치 센서(147a, 147b)는 또한 제1 및 제2 디스플레이서들(150, 155)의 하나 또는 양쪽의 위치를 모니터링하고 제어기(195)에 각 피드백 신호들을 통신할 수 있다. 위치 센서의 트랜스듀서는 각 샤프트, 각 디스플레이서 상에, 또는 상방 또는 하방으로 이동하거나, 또는 이러한 운동을 검출하는 임의의 구성요소에 위치될 수 있다. 위치 센서들은 또한 선형 모터 내에 있을 수 있다. 위치 센싱은 또한 모터로부터, 예를 들어 모터 파워 또는 백 EMF(back EMF)를 모터터링하여 획득될 수 있다. 이러한 피드백 신호를 수신하면, 제어기(195)는 이후 제1 및 제2 단들(130, 135)의 온도 제어 또는 교정을 위해 수신된 피드백 신호들에 따라 제1 및 제2 단들(130, 135)를 독립적으로 또한 제어한다. 일 실시예에서, 센서는 홀 효과(Hall effect) 위치 트랜스듀서 엘리먼트를 포함할 수 있다.
다시 도 1f를 참조하면, 수동 감쇠 장치(105c, 도 2에서는 205C, 도 3에서는 305C로 도시됨)를 포함하는 냉동기(100)가 도시되는데, 이것은 선형 모터들에 대하여 반대 위상으로 진동하는 것에 의해서 진동을 상쇄하기 위한, 휨 조인트(105e)에 의해 연결된 복수의 분동들(105d)을 포함한다. 부가적으로, 밸브들(110 및 115)을 통해 실린더(105) 내로 및 실린더(105)로부터 냉각제(헬륨)를 도입하기 위한 관(tubing)(105f 및 105g)이 도시된다. 도 1f의 냉동기는 극저온 진공 펌프(크라이오펌프, cryopump) 내 냉각 크라이오펌핑(cyropumping) 표면들을 더 나타낸다. 제1 단은 방사 차폐물(radiation shield)(187)을 냉각시키고 제2 단은 저온 응축 및 흡착(condensing and adsorption) 크라이오 패널(189)를 냉각시킨다. 임의의 통상적인 크라이오 패널 구성이 냉동기에 의해서 냉각될 수 있다. 대안적으로 냉동기는 초전도체들을 냉각시키는 것과 같은 임의의 알려진 극저온 어플리케이션에 사용될 수 있다. 이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시된다. 이러한 실시예에 있어서, 극저온 냉동기(200)가 다시 고압 밸브(210)와 저압 밸브(215)를 구비한 기포드 맥마흔(Gifford McMahon) 냉동기로서 도시된다. 고압 밸브(210)는 압축기(220)와 연통된 라인(260)과 연통된다. 압축기(220)는 밸브(210)를 통해 극저온 냉동기(200)에 헬륨과 같은 작동 유체(working fluid)를 제공한다. 그러나, 이러한 기포드 맥마흔 사이클에 본 발명이 제한되는 것은 아니며 본 발명이 속한 기술 분야에서의 다른 사이클들도 본 발명에 포함될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 실시예에 있어서, 제2 선형 모터(240b)가 도 1e의 실시예와는 다르게 위치된다. 여기서, 제2 선형 모터(240b)은 제1 선형 모터(240a)에 인접하게 배치된다. 제2 선형 모터(240b)에 결부된 출력 샤프트(245b)는 제2 디스플레이서(displacer)(255)에 연결하기 위해 제1 디스플레이서(250)를 통해 동축으로 배치되지 아니한다. 이러한 실시예에 있어서, 제2 선형 모터(240b)에 결부된 제2 샤프트(245b)는 제1 디스플레이서(250)에 인접하게 배치된다.
이러한 실시예에 있어서, 바람직하게는, 극저온 냉동기(200)는 제1 냉동 실린더(205a) 내에 수납된 제1 디스플레이서(250)에 연결된 제1 선형 모터(240a)를 포함한다. 제1 냉동 실린더(205a)는 고온 상부 챔버(warm upper chamber)(265)와 저온 팽창 공간(cold expansion space)(270)을 포함한다. 제1 디스플레이서(250)는 또한 전술한 바와 같은 재생 물질(regenerative material)(275)을 포함한다. 바람직하게는, 상기 팽창 공간(270)은 제1 단 열 스테이션(290a) 내 유동 경로(288)과 연통되고 상기 유동 경로는 제2 단 냉동 실린더(205b)와 제2 디스플레이서(255)에 연통된다.
극저온 냉동기(200)는 제2 선형 모터(240b)를 더 포함한다. 제2 선형 모터(240b)는 제2 냉동 실린더(205b) 내에 수납된 제2 샤프트(245b)에 의해서 제2 디스플레이서(255)에 연결된다. 제2 냉동 실린더(205b)는 제1 단 열 스테이션(290a)에 연결된다. 제2 냉동 실린더(205b)는 공간(280)과 저온 팽창 공간(285)을 형성한다. 저온 팽창 공간(285)은 제2 디스플레이서(255)의 아래에 위치된다. 제2 디스플레이서(255)는 제2 디스플레이서(255)의 내부에 재생 물질(290)을 더 포함한다.
동작시, 고압 밸브(210)가 열린다. 제1 및 제2 디스플레이서들(250 및 255)은 가장 아래의 위치, 하사점(bottom dead center)에 있고, 헬륨 또는 다른 적절한 작동 유체가 고압 밸브(210)를 통해 도입된다. 작동 유체는 압축기(220)로부터 제1 냉동 실린더(205a)의 고온 상부 챔버(265) 내로 가로질러 간다.
고압 작동 유체가 고온 상부 챔버(265), 제1 디스플레이서(250)의 재생 매트릭스(275), 열 스테이션 경로(288), 공간(280), 제2 디스플레이서(255)의 재생 매트릭스(290), 및 팽창 공간(285)를 채우고 동작 유체가 저온 재생 매트릭스들(275 및 290)에 대하여 열을 방출한다. 유체가 냉각될 때, 유체 라인(26)을 통해 고압이 유지된다. 다음으로, 제1 디스플레이서(255)에 연결된 제1 샤프트(245a)를 왕복운동시키기 위해서 제1 모터(240a)를 제어한다. 제1 모터(240a)는 제1 디스플레이서(250)를 하사점으로부터 상사점을 향하여 윗방향으로 구동한다. 가압된 가스가 두 냉동 매트릭스들을 거쳐 이동하며 재생 매트릭스들에 의한 열 교환에 의해서 냉각된다.
이제 제2 단을 설명하면, 제1 냉동 실린더(205a)에 인접하게 위치된 출력 샤프트(245b)에 의해서 제2 디스플레이서(255)가 제2 선형 모터(240b)에 연결된다. 제2 선형 모터(240b)는 제1 디스플레이서(250)의 행정과는 상이할 수 있는 속도, 행정 거리(stroke length), 행정 프로파일 또는 왕복 상태(reciprocating phase)로 제2 디스플레이서(255)를 하사점으로부터 상사점을 향하여 이동시킨다.
제1 디스플레이서(250)와 제2 디스플레이서(255)가 상사점에 접근함에 따라서, 고압 밸브(210)가 닫히고 저압 밸브(215)가 열려서 가스가 팽창을 겪게 된다. 제1 디스플레이서(250)가 상사점 위치에 가져와질 때, 동시에 제어기(295)가 제1 단과는 상이할 수 있는 행정 거리, 행정 속도, 행정 프로파일 또는 행정 상태(stroke phase)로 그리고 제2 단에 대한 희망 온도에 따라서 제2 단을 제어한다. 제어기(295)는 제2 디스플레이서(255)를 이동시키기 위해 제1 단 선형 모터(240a)에 인접하게 배치된 제2 모터(240b)를 제어한다.
일단 저압 밸브(215)가 열리면 저온 팽창 공간들(285 및 270) 내에 있는 작동 유체가 팽창되고, 그 결과 냉각 효과가 얻어진다. 다음으로, 냉동 실린더들(205a, 205b)이 비워진다(exhausted). 제어기(295)는 상사점 위치로부터 하사점 위치를 향하여 아랫방향으로 제1 및 제2 디스플레이서들(250, 255)을 이동시키기 위해 제1 선형 모터(240a)와 제2 선형 모터(240b)를 제어한다. 이러한 이동은 작동 유체를 팽창 공간(270 및 285)로부터 디스플레이서들을 거쳐서 라인으로(262)로 구동하여서 작동 유체를 작동 유체를 압축기(220)로 귀환시킨다. 제1 및 제2 디스플레이서들(250, 255)의 독립적인 동작이 제1 및 제2 단들의 독립적인 온도 제어를 성취할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이제 도 3에 도시된 실시예를 참조하면, 바람직하게는 제2 단 냉동 실린더(305b)로의 가스 통로로서 역할을 하는 도 2의 제1 단 열 스테이션(290a) 대신에, 제1 단 열 스테이션(390a)이 제2 냉동 실린더(305b)로부터 유체소통관점에서 고립될(fluid isolated) 수 있고, 대신에 두 단들 간을 열적으로 연결하되 제1 단 작동 유체를 제2 단 작동 유체와 여전히 고립시키도록 열 전도 블록(390c)이 실린더들(305a,305b) 사이에 도입될 수 있다. 여기서, 극저온 냉동기(300)는 제2 냉동 실린더(305b)로부터 작동 유체를 도입하고 비워서 제1 단 유체가 제2 단의 작동 유체와 고립되고 독립적일 수 있도록 하는 제2 고압 밸브(310b)와 제2 저압 밸브(315b)를 포함할 수 있다. 이것이 가지는 이점은 고효율을 가지는 두 단들의 온도 제어를 성취할 수 있고, 이제 각각의 실린더가 독립적인 밸브 활성화(activation)와 잠재적으로 독립적인 사이클 속도를 가질 수 있다는 것이다.
비록 본 발명이 예시적인 실시예들과 관련하여 특정하게 도시되고 기술되었지만, 첨부된 청구항들에 의해서 범위가 정해지는 본 발명의 범주(scope)로부터 벗어남이 없이 그 형태와 상세에 있어서 다양한 변경들이 이루어질 수 있음을 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자는 이해할 수 있을 것이다.

Claims (41)

  1. 극저온 냉동기로서,
    제1 단(stage);
    제2 단;
    상기 제1 단 및 제2 단으로 고압 가스를 유입시키고 상기 제1 단 및 제2 단으로부터 상기 가스를 배출시키기 위한 가스 제어 밸브; 및
    상기 2개의 단의 독립적인 제어를 가능하게 하는, 상기 제1 단에 대한 제1 디스플레이서(displacer)에 연결되는 제1 선형 모터 및 상기 제2 단에 대한 제2 디스플레이서에 연결되는 제2 선형 모터;를 포함하는,
    극저온 냉동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선형 모터가 (i) 상기 제1 단의 제1 행정에서 상기 제1 디스플레이서의 작동, 및 (ii) 상기 제2 단의 제2 행정에서 상기 제2 디스플레이서의 작동을 허용하는,
    극저온 냉동기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단 및 제2 단으로 고압 가스를 유입시키기 위한 가스 제어 밸브 및 상기 제1 단 및 제2 단으로부터 상기 가스를 배출시키기 위한 제2 가스 제어 밸브를 더 포함하는,
    극저온 냉동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선형 모터는 상기 제1 단의 제1 행정 길이에서 상기 제1 디스플레이서의 작동, 및 상기 제2 단의 제2 행정 길이에서 상기 제2 디스플레이서의 작동을 허용하는,
    극저온 냉동기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선형 모터는 상기 제1 단의 제1 행정 변위 프로파일에서 상기 제1 디스플레이서의 작동, 및 상기 제2 단의 제2 행정 변위 프로파일에서 상기 제2 디스플레이서의 작동을 허용하는,
    극저온 냉동기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선형 모터는 상기 제1 단의 제1 행정 속도에서 상기 제1 디스플레이서의 작동, 및 상기 제2 단의 제2 행정 속도에서 상기 제2 디스플레이서의 작동을 허용하는,
    극저온 냉동기.
  7. 제1항에 있어서,
    진동을 제거하기 위하여 상기 냉동기에 연관되는 감쇠 장치를 더 포함하는,
    극저온 냉동기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 감쇠 장치가 능동형(active)인,
    극저온 냉동기.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 제1 또는 제2 디스플레이서의 위치를 측정하기 위한 위치 센서를 더 포함하는,
    극저온 냉동기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단으로 유입되는 작동 유체를 더 포함하고, 상기 제1 단의 작동 유체가 상기 제2 단의 작동 유체로부터 차단되는,
    극저온 냉동기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 선형 모터가 전자기 모터인,
    극저온 냉동기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 극저온 냉동기가 기포드 맥마흔(Gifford McMahon) 2단 냉동기인,
    극저온 냉동기.
  13. 극저온 냉동기로서,
    제1 단 냉동 실린더;
    상기 제1 단 냉동 실린더의 대향 단부 사이에서 냉동 가스를 이동시키는, 상기 제1 단 냉동 실린더 내에서 왕복 운동하는 제1 디스플레이서;
    이동된 냉동 가스를 냉각시키는 제1 재생기;
    상기 제1 디스플레이서에 작동적으로 연결되어 상기 제1 디스플레이서를 왕복 운동하도록 구동시키는 제1 선형 모터;
    제2 단 냉동 실린더;
    상기 제2 단 냉동 실린더의 대향 단부 사이에서 냉동 가스를 이동시키기 위한 제2 디스플레이서;
    상기 냉동 가스를 냉각시키는 제2 재생기;
    상기 제2 디스플레이서에 작동적으로 연결되어 상기 제2 디스플레이서를 왕복 운동하도록 구동시키는 제2 선형 모터;
    상기 제1 또는 제2 디스플레이서의 위치를 결정하기 위한 하나 이상의 위치 센서;
    상기 제1 단 및 제2 단 냉동 실린더로 고압 가스를 유입시키고 상기 제1 단 및 제2 단 냉동 실린더로부터 상기 가스를 배출시키기 위한 가스 제어 밸브; 및
    상기 하나 이상의 위치 센서 및 상기 제1 및 제2 선형 모터에 작동적으로 연결되어, 상기 제1 및 제2 선형 모터를 독립적으로 제어하는 제어기;를 포함하는,
    극저온 냉동기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 위치 센서의 출력에 따라 왕복 운동 동안에 상기 제1 및 제2 디스플레이서의 행정 파라미터를 제어하는,
    극저온 냉동기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 위치 센서의 출력에 따라 왕복 운동 동안에 상기 제1 및 제2 디스플레이서의 행정 파라미터를 독립적으로 제어하는,
    극저온 냉동기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2 선형 모터가 동축으로 상기 제1 디스플레이서를 통해 상기 제2 디스플레이서에 연결되는,
    극저온 냉동기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제2 선형 모터가, 상기 제1 디스플레이서에 대해 인접하여 배치되는 출력 샤프트에 의해서 상기 제2 디스플레이서에 연결되는,
    극저온 냉동기.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 제1 선형 모터를 제어함으로써 제1 단의 온도를 제어하는,
    극저온 냉동기.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 제1 단에 대해 독립적으로 상기 제2 선형 모터를 제어함으로써 제2 단의 온도를 제어하는,
    극저온 냉동기.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 제1 선형 모터에 대해 상기 제2 선형 모터의 행정 프로파일 및 길이를 독립적으로 변화시키도록 제어함으로써 제2 단의 온도를 제어하는,
    극저온 냉동기.
  21. 제13항에 있어서,
    진동을 제거하기 위하여 감쇠 장치를 더 포함하는,
    극저온 냉동기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 감쇠 장치가 능동형인,
    극저온 냉동기.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 제1 또는 제2 디스플레이서의 행정 길이, 행정 속도, 및 행정 위상(phase) 중 하나 이상을 변화시키는,
    극저온 냉동기.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 선형 모터가 전자기 모터인,
    극저온 냉동기.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 극저온 냉동기가 기포드 맥마흔 2단 냉동기인,
    극저온 냉동기.
  26. 2단 극저온 냉동기 작동 방법으로서,
    동일하거나 상이한 냉동 실린더 내에 2개 이상의 디스플레이서를 제공하는 단계;
    상기 2개 이상의 디스플레이서로의 가스 유입 및 상기 2개 이상의 디스플레이서로부터의 가스 배출을 밸브로 조절하는 단계; 및
    상기 2개 이상의 디스플레이서를 독립적으로 제어함으로써 온도를 제어하는 단계;를 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 2단 극저온 냉동기와 연관된 진동을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 진동을 능동적으로 제거하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 진동을 수동적으로 제거하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    제2 디스플레이서에 대해 디스플레이서 행정 파라미터를 변화시키도록, 하나 이상의 디스플레이서를 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  31. 제26항에 있어서,
    제2 디스플레이서에 대해 디스플레이서 속도를 변화시키도록, 하나 이상의 디스플레이서를 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  32. 제26항에 있어서,
    제2 디스플레이서에 대해 디스플레이서 위상을 변화시키도록, 하나 이상의 디스플레이서를 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  33. 제26항에 있어서,
    제2 디스플레이서에 대해 하나 이상의 디스플레이서의 왕복 운동 파라미터를 독립적으로 변화시킴으로써 2개의 단의 온도를 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  34. 제26항에 있어서,
    2개의 상기 디스플레이서 중 하나 이상의 위치를 검측하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 디스플레이서 중 하나 이상의 위치에 따라서 2개의 단을 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함하는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  36. 제26항에 있어서,
    상기 냉동기가 크라이오펌핑 표면(cyropumping surfaces)을 냉각시키는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  37. 제26항에 있어서,
    상기 냉동기가 반도체를 냉각시키는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  38. 제26항에 있어서,
    상기 디스플레이서가 전자기 모터에 의해 제어되는,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  39. 제26항에 있어서,
    상기 극저온 냉동기가 기포드 맥마흔 2단 냉동기인,
    2단 극저온 냉동기 작동 방법.
  40. 극저온 냉동기로서,
    제1 단;
    제2 단; 및
    상기 2개의 단을 독립적으로 제어하기 위한 수단;을 포함하는,
    극저온 냉동기.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 독립적인 제어는 행정 길이, 냉동기의 사이클 속도, 디스플레이서의 속도, 밸브가 상기 디스플레이서의 위치에 대해 작동되는 시간 중 하나 이상을 포함하는 변수를 제어하는 것을 포함하는,
    극저온 냉동기.
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