KR20130041395A

KR20130041395A - 고속 냉각 극저온 냉동기

Info

Publication number: KR20130041395A
Application number: KR1020137008921A
Authority: KR
Inventors: 랄프 씨. 롱스워스
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-04-24
Also published as: EP2625474B1; EP2625474A1; WO2012047838A1; US20120085121A1; CN103261816A; US8448461B2; EP2625474A4; CN103261816B; KR101342455B1

Abstract

본 발명은 콤프레서; 익스팬더; 가스 저장 탱크; 상호 연결 가스 라인; 및 제어 시스템을 포함하는 극저온으로 덩어리(매스: mass)의 냉각 시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템에 관한 것이다. 콤프레서의 출력은 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 근처를 유지하기 위해 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되어나 배출되며, 일정한 저압 근처를 유지하기 위해서 상기 익스팬더의 속도가 조절되며, 고압과 저압 사이에서 가스 바이패스가 없는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

고속 냉각 극저온 냉동기{FAST COOL DOWN CRYOGENIC REFRIGERATOR}

본 발명은 브레이튼(Brayton) 혹은 GM 사이클에서 동작하는 냉동기(refrigerator)를 사용하여 극저온(cryogenic temperature)으로 매스(mass)를 냉각시키는 시간을 최소화하기 위한 수단에 관한 것이다.

대부분의 극저온 냉동기들은 장시간에 걸쳐 저온에서 냉동을 제공하도록 설계되어 있으며, 시스템은 단순하게 냉각하는 동안의 효율을 우선시한다.

대부분의 익스팬더(expander)와 콤프레서(compressor)들은 일정한 속도로 작동하도록 설계되어 있으며, 대부분의 시스템은 보통 헬륨과 같은 가스를 고정되게 충전하고 있다. 익스팬더를 통과하는 질량유량(mass flow rate)은 가스의 밀도에 비례하고, 따라서 익스팬더가 가열된 상태에서 동작하고 있는 때에는 냉각되어 있을 때보다 훨씬 더 낮은 유량(flow rate)를 가진다. 콤프레서는 장치(unit)가 냉각되어 있을 때 필요한 유량을 제공하기 위한 크기로 맞춰져 있고, 시스템은 보통 가열되어 있을 때 가스가 초과되어 흐르는 것을 바이패스하도록 내부에 압력 릴리프 밸브를 가지도록 설계된다. 냉동기가 냉각됨에 따라 차가운 쪽의 가스는 더 밀도가 높아지므로 시스템에 있는 가스의 고압과 저압은 떨어진다. 압력차는 떨어지게 되고 냉동기가 설계된 동작 온도에 접근함에 따라, 모든 콤프레서 흐름은 익스팬더를 통해서 흐르게 되고, 아무것도 바이패스되지 않게 된다. 냉각하는 동안 가스압력이 떨어짐에 따라, 입력파워도 또한 떨어진다. 사실상 오직 출력 흐름의 일부만 활용되는 스타트업때 콤프레서에 가장 센 부하가 발생한다.

덩어리(이하 매스(mass)라고 함)를 극저온으로 냉각시키는 데에 있어서의 문제는 냉각된 매스로부터 열을 뺏는 문제와 다르며, 이는 전도, 방사 및 내부열 생성으로부터 열부하에 제한을 받는다. 대부분의 냉동기들은 부하를 냉각 상태로 유지하고 가끔 가변 열부하를 가지도록 설계되어 왔다. 미국특허 5,386,708호는 익스팬더의 속도를 조절함으로써 일정한 온도로 유지되는 극저온 펌프의 일례이다. 미국특허 제7,127,901호는 다중(multiple) 극저온 펌프에 가스를 공급하는 하나의 콤프레서를 포함하는 시스템을 기재하고 있다. 개별적인 익스팬더의 속도는 서로 다른 극저온 펌프들의 열부하에 균형을 이루도록 제어된다. 미국특허 제4,543,794호는 콤프레서 속도를 조절함으로써 초전도 마그넷으로 압력(두개의 위상 영역에서 온도를 조절함)을 조정하는 것을 기재하고 있다. 익스팬더와 콤프레서의 속도는 또한 파워 입력을 최소화하도록 조절되어 왔다.

가스 밀도가 증가하는 것을 보상하기 위해서 시스템에 가스를 유입시키는(adding) 것은 미국특허 4,951,471호에 기재된바 있다. 파워를 보존할 목적으로 가스 저장 탱크를 사용하는 시스템에서 가스를 추가하고 제거하는 용법은 미국특허 6,530,237호에 기재된바 있다.

일반적으로 지금부터 본 발명에서 기재하는 시스템은 5~15kW의 범위에 있는 입력 파워를 가지나, 더 크거나 더 작은 시스템에 대해서도 본 발명의 범위내에 들어갈 수 있다. 냉동을 생성하도록 브래이튼 사이클에서 동작하는 시스템은 역류식(counterflow) 열교환기로 고압력에서 가스를 공급하는 콤프레서, 저압에서 단열적으로 가스를 팽창시키고 팽창된 가스(더 차가운)를 배기시키며, 냉각되어 있는 부하를 통해서 차가운 가스를 순환시킨 다음 가스를 역류식 열교환기를 통해서 콤프레서로 반환하는 익스팬더를 포함하여 구성된다. 왕복 익스팬더는 차가운 가스를 팽창 공간으로 유입하고 더 차가운 가스를 부하로 환기하도록 흡입(inlet)과 배출(outlet) 밸브를 가진다. S. C. Collins의 미국특허 2,607,322호는 헬륨을 액화하는데 광범위하게 사용되어온 초기의 왕복 팽창 엔진의 설계에 대해 기재하고 있다. 이 초기 설계에서의 팽창 피스톤은 가변 속도로 동작할 수 있는 플라이 휠 및 발전기/모터에 연결된 크랭크 기구(mechanism)에 의한 왕복운동으로 구동되는 것이다. 콤프레서의 입력 전력은 보통 현재까지 구축된 시스템에 대해서 15에서 50kW의 범위에 있다. 더 높은 전력의 냉동기는 보통 터보-익스팬더를 사용하여 브레이튼 또는 클로드(Claude) 사이클에서 동작한다.

15kW 미만을 출력하는 냉동기는 보통 GM, 펄스튜브 또는 스털링(Stirling) 사이클에서 동작한다. W. E. Gifford와 H. O. McMahon의 미국특허 제3,045,436호는 GM 사이클에 대해 기재하고 있다. 이 냉동기들은 가스가, 차가운 가스가 익스팬더의 차가운 쪽을 절대 떠나지 않는, 충전층을 통해서 후방 및 전방으로 흐르는 재생기에서의 열 교환을 이용한다. 이는 차가운 가스를 원격 부하에 분배하는 브래이튼 사이클 냉동기와 대조적이다. GM 익스팬더는 미국특허 제3,620,029호에 기재되어 있는 것과 같이, 기계적인 드라이브, 보통 스카치 요크 기구(Scotch Yoke mechanism)라고 하고, 또한 공기압(pneumatic) 드라이브를 탑재하여 구축되어왔다. 미국특허번호 제5,582017호는 극저온 펌프의 재생 시간을 최소화하기 위한 수단으로 스카치 요크 드라이브를 가지고 있는 GM 익스팬더의 속도를 제어하는 것에 대해 기재하고 있다. 미국특허 제3,620,029호 타입 공기압으로 구동되는 GM 사이클 익스팬더에서 디스플레이서(displacer)가 상하로 움직이는 속도는 보통 고정되어 있는 오리피스(orifice)에 의해 설정된다. 이는 큰 손실을 유발함이 없이 속도가 변화될 수 있는 범위를 재한하게 된다. 본 발명의 출원인의 출원 PCT/US0,787,409는 약 0.5에서 1.5Hz 정도의 속도 범위에서 작동하지만, 효율은 최고의 오리피스 설정에서 떨어지는 고정된 오리피스를 장착한 미국특허 제3,620,029호 타입 공기압으로 구동되는 익스팬더에 대한 속도 제어기를 기재하고 있다. 이 익스팬더의 속도 범위는 오리피스를 조절가능하도록 함으로써 효율을 희생하지 않고 증가될 수 있다.

본 특허의 출원인은 최근 5에서 5kW의 전원 입력 범위에서 GM 쿨러(cooler)와 경쟁할 압력 균형잡힌 브레이튼 사이클 엔진에 대한 특허 SN 61/313,868을 출원하였다. 기계식 및 공기압식 드라이브가 모두 포함되어 있다. 공압 드라이브는 피스톤 속도를 제어하기 위한 오리피스를 포함한다. 이 오리피스는 가변될 수 있어 속도가 변함에 따라 설정이 최적화될 수 있다.

이 냉동기 시스템에 대한 특허출원들은 약 40K까지 초전도 마그넷을 냉각하고 다음으로 다른 수단을 이용하여 이를 더 냉각하고 및/또는 이를 냉각 상태로 유지하거나, 극저온 패널을 125K까지 냉각하며 냉동기를 동작시켜 수증기를 펌프하는 것을 포함할 수 있다. 헬륨은 전형적인 냉매로 사용되겠지만, 어떤 응용에서는 Ar과 같은 다른 가스가 사용될 수도 있다.

본 발명은 a) 상온 근처에서 최대 속도로 익스팬더를 작동시킨 다음 부하가 냉각되면서 속도를 낮춤으로써, b) 콤프레서에 일정한 압력 공급을 유지하기 위해 가스를 가스 저장 탱크에서 시스템으로 전달함으로써 냉동 속도를 극대화하가 위해 극저온으로 냉각하는 동안 콤프레서의 최대 출력 파워를 활용하는 것이다. 익스팬더 엔진 혹은 예를 들어 GM 익스팬더는 300K에서 약 9Hz로 작동하고 40K에서 거의 1Hz까지 떨어지며, 콤프레서에서 공급과 회수 가스 압력 상이의 거의 일정한 압력차를 유지하는 속도로 작동하도록 설계된다. 익스팬더는 가변 속도 모터를 장착한 기계식 드라이브나, 로터리 밸브를 튜닝하고 익스팬더 속도가 변함에 따라 피스톤 혹은 디스플레이서 속도를 최적화하도록 조절 가능한 오리피스를 가진 가변 속도 모터를 장착한 공압식 드라이브를 포함할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템은 콤프레서; 익스팬더; 가스 저장 탱크; 상호 연결 가스 라인; 및 제어 시스템을 포함하며, 콤프레서의 출력은 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 부근를 유지하기 위해 상기 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되거나 배출되며, 일정한 저압 부근을 유지하기 위해서 고압과 저압 사이의 가스 바이패스 없이 상기 익스팬더의 속도가 조절되는 것을 특징으로 하며, 상기 익스팬더는 브래이턴(Brayton) 사이클 타입 엔진인 것을 특징으로 하고, 상기 익스팬더는 GM 타입 엔진인 것을 특징으로 하며, 가스는 상기 고압에서 라인에 연결된 배압 레귤레이터에 의해서 상기 가스 저장 탱크에 주입되고, 가스는 상기 저압에서 라인에 연결된 솔레노리드 밸브에 의해서 상기 가스 저장 탱크로부터 배출되며, 상기 솔레노이드 밸브는 상기 제어 시스템에 의해서 활성화되며, 공기압으로 구동되는 피스톤을 더 포함하고, 상기 피스톤의 속도는 가변 오리피스에 의해서 제어되며, 상기 제어 시스템은 압력기를 향하는 고압 및 저압 가스 라인에 압력 드랜스듀서들을 포함하고, 상기 익스팬더는 70K와 100K 사이의 온도에서 최대 열역학적 효율을 갖는 것이며, 상기 익스팬더의 속도는 6:1 이상의 동작 속도 범위를 갖고, 상기 익스팬더의 속도는 3.5:1 이상의 동작 속도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템은 콤프레서; 익스팬더; 가스 저장 탱크; 상호 연결 가스 라인; 및 제어 시스템을 포함하며, 콤프레서의 출력은 극저온으로 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 부근을 유지하기 위해 상기 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되어나 배출되며, 일정한 저압 부근을 유지하기 위해서 상기 익스팬더의 속도가 조절되는 것을 특징으로 한다. 또한 약 250K 이하의 온도에서 고압에서 저압으로 바이패스하는 가스가 없는 것을 특징으로 하며, 상기 극저온은 100K 이하인 것이며, 상기 익스팬더는 2.4:1 이상의 동작 속도 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템은 콤프레서; 익스팬더; 가스 저장 탱크; 상호 연결 가스 라인; 및 제어 시스템을 포함하며, 콤프레서의 출력은 100K 이하로 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 부근을 유지하기 위해 상기 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되거나 배출되며, 일정한 저압 부근을 유지하기 위해서 상기 익스팬더의 속도가 조절되며, 약 250K 이하의 온도에서 고압과 저압 사이의 가스 바이패스가 없는 것을 특징으로 하며, 상기 익스팬더는 2.4:1 이상의 동작속도 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 콤프레서; 익스팬더; 가스 저장 탱크; 상호 연결 가스 라인; 및 제어 시스템을 포함하는 냉동 시스템에 관한 것으로 극저온으로 매스의 냉각 시간을 최소화하는 효과가 있다. 콤프레서의 출력은 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 근처를 유지하기 위해 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되어나 배출되며, 일정한 저압 근처를 유지하기 위해서 상기 익스팬더의 속도가 조절되며, 고압과 저압 사이에서 가스 바이패스가 없다는 특징을 가지는 효과가 있다.

도 1은 브레이튼 사이클 엔진을 탑재한 고속 냉각 냉동기 어셈블리(100)의 개략적인 계통도이다.
도 2는 GM 사이클 익스팬더를 탑재한 고속 냉각 어샘블리(200)의 개략적인 계통도이다.
도 3은 도 2에서 나타낸 브래이튼 사이클의 바람직한 실시 예에 대한 개략적인 계통도이다.

도 1, 2 및 3에 나타낸 본원 발명의 실시 예들은 동일한 등가의 부분들에 대해서 동일한 번호와 동일한 도식적 표헌을 사용한다.

카르노(Carnot) 사이클에서 무손실로 작동하는 시스템의 경우, 이상적인 냉동 속도, Q는, 다음 관계식에 의해서, 입력 전력, Pwr과 같다.

Q = Pwr * (Tc / (Ta - Tc))

여기서 Ta는 주위 온도, Tc는 냉동이 가용한 저온을 말한다. 가스가 단열적으로 압축되고 팽창되는 브래이튼 사이클 시스템의 경우, 관계식은,

Q = Pwr * (Tc / Ta) 와 같다.

이로부터, 콤프레서를 처리하도록 설계된 최대 입력 파워에서 작동시킴으로써 Q가 극대화되는 것을 알 수 있다. 이것은 입력 파워를 최대로 하는 상수값으로 고압과 저압, Ph 및 Pl을 유지함으로써 이루어진다. 콤프레서로부터의 질량 유량은 일정하다. 이 가스의 대부분은 팽창 공간으로 및 팽창공간 밖으로 흐르며, 팽창 공간은 보통 고정된 볼륨을 가지고, 그래서 익스팬더가 냉각되고 가스의 밀도가 더 증가함에 따라 익스팬더의 속도는 거의 Tc에 비례하여 줄어들 필요가 있다. 공압으로 구동되는 GM 혹은 브래이튼 익스팬더의 경우에, 아마 5%의 가스가 피스톤을 구동하는데 유용되며, GM 익스팬더의 경우에는 가스의 약 30% 만 재생기의 내외에 흐른다. 실제 기기에서, 다른 손실은 압력 강하, 열전도 온도차, 가스의 불완전한 팽창, 전기 저항 등으로 인한 것들을 포함한다.

도 1에 도식적으로 나타나 있는 고속 냉각 냉동기 어샘블리에 있는 주요 구성요소들은 콤프레서(1), 가변 속도 팽창 엔진(2), 가스 저장 탱크(10), 가스 공급 컨트롤러(16), 익스팬더 속도 컨트롤러(17)를 포함한다. 압력 트랜스듀서(13)는 콤프레서 근처에서 고압, Ph를 측정하고, 압력 트랜스듀서(14)는 콤프레서 근처에서 저압, Pl을 측정한다. 시스템이 예열될 때와 같이 고압의 가스 라인(20)에서의 압력이 필요한 Ph의 값을 초과할 때 배압 레귤레이터(11)를 통해 가스가 가스 저장 탱크(10)로 흘러들어간다. 가스 공급 솔레노이드 밸브(12)가 원하는 값 이하로 압력 Ph에 드롭이 생기는데 응답하여 가스 공급 컨트롤러(16)에 의해 오픈될 때, 가스는 가스 저장 탱크(10)에서 밖으로 흘러나오고 그리고 저압 라인(21)으로 흘러들어간다. 라인(21)에 있는 저압 Pl은 익스팬더 속도 조절기(17)에 의해서 제어되는데, 여기서 익스팬더 속도 조절기(17)는 압력 트랜스듀서(14)로부터 Pl을 감지하고 만약 Pl이 원하는 값보다 아래에 있으면 엔진(2)의 속도를 증가시키거나 만약 Pl이 원하는 값보다 위에 있으면 속도를 줄인다.

팽창 엔진(2)는 익스팬더 드라이브(4), 내부에 왕복 피스톤이 있는 실린더(5), 차가운 쪽(6), 역류 열교환기(7), 흡기 밸브(8) 및 배기 밸브(9)를 포함한다. 차가운 쪽(6)은 Tc를 측정하기 위해 그 위에 설치된 온도 센서(15)를 가지고 있다. 밸브(9)를 통해 빠져나오는 차가운 가스는 매스(26)를 냉각하는 열교환기(27)를 통해서 흐른다. 냉각된 모든 구성요소들은 진공 하우징(25)에 둘러싸인 것으로 도시되어 있다. 바이패스 가스 라인 22와 23은 엔진(2)을 정지시키고 솔레노이드 밸브(24)를 열어 매스(26)의 고속 예열을 위해 포함될 수 있다. 이러한 바이패스 회로는 극저온 패널을 예열하는데 사용될 수 있을 것이다.

도 2에 도식적으로 보여준 고속 냉각 냉동기 어셈블리(200)는 가변 속도 브래이튼 사이클 엔진(2)를 가변 속도 GM 사이클 엔진(3)로 대치한 점이 어셈블리(100)와 다르다. 실린더(5) 내부에 재생기를 장착한 디스플레이서가 있으며, 재생기는 엔진(2)에 있는 열 교환기(7)과 동일한 기능을 제공한다. GM 익스팬더(3)은 차가운 쪽(6)의 내부에 냉동을 생성하고, 그래서 냉각되어 있는 매스(26)가 차가운 쪽(6)에 직접적으로 부착되어야 한다. 매스(26)의 고속 예열을 위한 바이패스 회로의 옵션은 솔레노이드 밸브(24), 가스 라인 22 및 23 그리고 열교환기(28)로 구성되는 것으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 나머지 구성요소들은 도 2에 도시된 것들과 동일하다.

도 3은 도 1에 가변 속도 팽창 엔진(2)로 도시된 브레이튼 사이클 엔진(2a)의 바람직한 일 실시 예의 개략적인 계통도이다. 엔진 (2a)의 동작은, 공기압과 기계적으로 구동되는 피스톤들에 대한 옵션들을 포함하는 압력 균형 브레이튼 사이클 엔진에 대해서, 본 출원인의 특허출원 SN 61/313,868호에 더 완전하게 설명되어 있다. 기계적으로 구동되는 피스톤은 가변 스피드 동작에 더 쉽게 적용되나 공기압으로 구동되는 피스톤은 만약 피스톤 속도를 제어하는 오리피스(33)가 제어될 수 있다면, 적용될 수 있다. 온도 센서(15)를 제어에 대한 기본으로 사용하는, 오리피스 컨트롤러(18)는 오리피스 뚜껑을 조정하여 거의 일정한 값으로 유지되는 압력과 유량을 위해서 생성되는 냉각을 극대화하도록 엔진을 냉각시킨다. 이런 공기압으로 구동되는 엔진은 기계적으로 구동되는 엔진보다 기계적으로 간단하며 이와 같은 이유로 인해서 공기압으로 구동되는 엔진이 더 바람직하다.

피스톤(30)의 차가운 쪽에 위치한 볼륨(40)의 압력은 재생기(32)를 통해 가스 통로를 연결함으로써 피스톤(30)의 따뜻한 쪽에 위치한 볼륨(41)에서의 압력과 거의 같다. 인입 밸브, Vi(8) 및 배기 밸브, Vo(9)는 가스 라인, 38 및 39에 있는 Ph와 Pl 사이의 가스 압력 사이클링에 의해서 활성화(actuated)된다. 액츄에이터는 도시되어 있지 않다. 개략적으로 도시되어 있는 로터리 밸브(37)는 밸브 액추에이터들을 위해 4개의 포트(36)을 포함하고, 피스톤(30)을 왕복 운동시키는 드라이브 축(31)에 가스 압력을 스위치 하는 두 개의 포트, 34 및 35를 포함한다.

익스팬더 엔진(2a)으로 설계된 시스템(100)의 일례는 5.6 L/s의 변위와 2.2 Mpa의 Ph 및 0.7 Mpa의 Pl에서 6 g/s의 헬륨 질량 유량 및 8.5kW의 파워 입력을 가지는 스크롤 콤프레서(1)를 포함한다. 엔진(2a)는 0.19 L의 변위 볼륨(40)을 가진다. 주위 온도는 300K를 가진다. 실제 손실은 콤프레서, 가스 라인들, 열 교환기 및 밸브들에서의 압력 떨어짐, 열전달 손실, 전기 손실, 콤프레서에서 오일 순환과 연관된 손실 및 공기압의 액추에이션에 사용되는 가스를 포함한다. 엔진 성능에 이러한 손실들을 고려하는 것은 [표 1]에 리스트된 바와 같이 계산된다. 효율은 카르노(Carnot)를 기준으로 계산된다.

최고 효율(peak efficiency)은 80K 근처이고, 손실은 대부분 열교환기에서 일어나며 시스템이 약 30K 이하로 내려가는 것을 방지한다. 속도는 약 7:1의 비율로 변화한다. 더 낮은 온도에서 효율적으로 작동하도록 최적화된 익스팬더는 더 작은 변위와 더 큰 열교환기를 가지게 될 것이다. 또한 상온 근처에서 높은 용량을 가지도록 더 넓은 범위의 속도에 걸쳐서 작동하도록 해야할 것이다. 만약 위에서 설명한 예에서 익스팬더가 9.0Hz의 최대 속도와 2.6Hz의 최소 속도, 3.5:1의 속도 범위를 가지고 있다면, 그것은 최대 콤프레서 파워를 약 80K까지 떨어뜨리는데 사용할 것이다. 이 온도 이하에서, 저압은 증가할 것이고, 고압은 낮아질 것이며, 입력 파워와 냉동은 감소하게 될 것이다. 40K에서, 냉동속도가 약 40%까지 줄어들고 입력 파워가 25%까지 줄어들 것이라는 것이 계산된다. 만약 위의 예에서 익스팬더가 7.6Hz의 최대 속도와 1.9Hz의 최소 속도 및 4:1의 속도 범위를 가지고 있다면, 가스는 250K로 냉각하고 다음으로 최대 콤프레서 파워에서 약 60K까지 떨어뜨리는데 모든 가스를 사용하는 동안에 콤프레서에서 바이패스할 것이다. 250K 이상에서, 냉동 속도는 250K에서의 속도보다 단지 약간 더 빠를 것이나, 입력 파워는 8.5kW에 남아 있을 것이다. 만약 이 마지막 예에서 최소 속도가 3.2 Hz이고, 약 2.4:1의 속도 범위를 가지고 있다면, 그때는 250K에서 약 100K까지 떨어뜨리는데 최대 익스팬더 파워에서 모든 가스를 사용하게 될 것이다.

시스템 100과 200은 모두 엔진(2) 혹은 익스팬더(3)를 정지시키고 밸브(24)를 열어서 매스(26)의 고속 예열에 사용될 수 있는 옵션 가스 바이패스 라인 22 및 23을 장착한 것으로, 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 유량과 압력은 밸브(24) 혹은 도시되어 있지 않은 분리(separate) 밸브들에 있는 오리피스의 크기에 의해서 설정된다. 라인 21에 있는 저압은 냉동의 질량유량을 증가시키고 입력 파워를 줄이기 위해서 냉각하는 동안 보다 더 높아질 수 있다. 시스템이 예열함에 따라, 가스는 배압 레귤레이터(11)을 통해서 가스 저장 탱크(10)로 다시 흐르게 된다.

아래 청구항들은 인용되는 특정 구성요소에 한정되지 아니한다. 예를 들어 배압 레귤레이터(11) 및 솔레노이드 밸브(12)는 동일한 기능을 제공하는 액티브하게 제어되는 밸브들로 대체될 수 있다. 기계적인 설계를 단순화하는데 최적인 것보다 미만인 동작 한계를 포함하는 것은 이러한 청구항들의 범위 내에 있는 것이다.

1: 콤프레서 2: 가변 속도 익스팬더 엔진
3: 가변 속도 GM 익스팬더 4: 익스팬더 드라이브
5: 실린더 6: 차가운 쪽
7: 열교환기 8: 흡기 밸브
9: 배기 밸브 10: 가스 저장 탱크
11: 배압 레귤레이터 12, 24: 솔레노이드 밸브
13, 14: 압력 트랜스듀서 15: 온도 센서
16: 가스 공급 컨트롤러 17: 익스팬더 속도 컨트롤러
18: 오리피스 컨트롤러 20 ~ 23: 가스 라인
25: 진공 하우징 26: 매스
27, 28: 열교환기 30: 피스톤
31: 드라이브 축 32: 재생기
33: 오리피스 34 ~ 37: 포트

Claims

콤프레서;
익스팬더;
가스 저장 탱크;
상호 연결 가스 라인; 및
제어 시스템을 포함하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템에 있어서,
콤프레서의 출력은 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 부근을 유지하기 위해 상기 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되거나 배출되며, 일정한 저압 부근을 유지하기 위해서 고압과 저압 사이의 가스 바이패스 없이 상기 익스팬더의 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 익스팬더는 브래이튼(Brayton) 사이클 타입 엔진인 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 익스팬더는 GM 타입 엔진인 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
가스는 상기 고압에서 라인에 연결된 배압 레귤레이터에 의해서 상기 가스 저장 탱크에 주입되는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
가스는 상기 저압에서 라인에 연결된 솔레노이드 밸브에 의해서 상기 가스 저장 탱크로부터 배출되며, 상기 솔레노이드 밸브는 상기 제어 시스템에 의해서 활성화되는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 2에 있어서,
공기압으로 구동되는 피스톤을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 피스톤의 속도는 가변 오리피스에 의해서 제어되는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 시스템은 콤프레서를 향하는 고압 및 저압 가스 라인에 압력 드랜스듀서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 익스팬더는 70K와 100K 사이의 온도에서 최대 열역학적 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 익스팬더의 속도는 6:1 이상의 동작 속도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 익스팬더의 속도는 3.5:1 이상의 동작 속도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
콤프레서;
익스팬더;
가스 저장 탱크;
상호 연결 가스 라인; 및
제어 시스템을 포함하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템에 있어서,
콤프레서의 출력은 극저온으로 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 부근을 유지하기 위해 상기 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되거나 배출되며, 일정한 저압 부근을 유지하기 위해서 상기 익스팬더의 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 12에 있어서,
약 250K 이하의 온도에서 고압에서 저압으로 바이패스하는 가스가 없는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 극저온은 100K 이하인 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 익스팬더는 2.4:1 이상의 동작 속도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
콤프레서;
익스팬더;
가스 저장 탱크;
상호 연결 가스 라인; 및
제어 시스템을 포함하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템에 있어서,
콤프레서의 출력은 100K 이하로 냉각하는 동안에 일정한 고압 및 저압 부근을 유지함으로써 그의 최대 용량 부근으로 유지되고, 일정한 고압 부근을 유지하기 위해 상기 가스 저장 탱크로부터 가스가 주입되거나 배출되며, 일정한 저압 부근을 유지하기 위해서 상기 익스팬더의 속도가 조절되며, 250K 부근 이하의 온도에서 고압과 저압 사이의 가스 바이패스가 없는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각 시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 익스팬더는 2.4:1 이상의 동작속도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 극저온으로 매스의 냉각시간을 최소화하기 위한 냉동 시스템.