KR20160086841A

KR20160086841A - 극저온 냉동기를 위한 저온 헤드

Info

Publication number: KR20160086841A
Application number: KR1020167012996A
Authority: KR
Inventors: 게르하르트 빌헬름 발터; 홀게르 디에츠
Original assignee: 욀리콘 라이볼트 바쿰 게엠베하
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-07-20
Also published as: WO2015071418A1; KR102248108B1; DE202013010352U1; EP3071903B1; JP6525998B2; CN105814375B; EP3071903A1; JP2016537604A; US20160273809A1; CN105814375A

Abstract

극저온 기계를 위한 저온 헤드는 하우징(34, 36)의 작동 챔버(38, 40, 46) 내에 장착된 디스플레이서(72, 76)를 포함한다. 저온 헤드는 또한 고도로 압축된 냉매를 공급하기 위한 고압 연결부(64) 및 팽창된 냉매를 배출하기 위한 저압 연결부(60)를 갖는다. 냉매의 공급 및 배출을 제어하기 위한 제어 밸브 장치(58)가 또한 제공된다. 본 발명에 따르면, 고압 연결부를 저압 연결부에 연결하는 바이패스 채널(80)이 존재한다.

Description

극저온 냉동기를 위한 저온 헤드{COLD HEAD FOR CRYOGENIC REFRIGERATING MACHINE}

본 발명은 극저온 냉동기(cryogenic refrigerating machine)를 위한 저온 헤드(cold head)에 관한 것이다.

국제 공개 제 WO 94/29653 호는 작동 가스로서 헬륨으로 작동되고 고압 소스(source) 및 저압 소스에 연결된, 극저온 냉동기를 위한 저온 헤드를 기술한다. 저온 헤드는 피스톤-실린더 유닛에 대한 그리고 고온측의 저온 핑거(finger)의 작동 챔버(working chamber)에 대한 고압 입구 및 저압 입구의 각자의 연결을 제어하는 다수-채널 제어 밸브를 포함한다. 그것의 단부 중 하나에서, 재생기(regenerator)를 포함할 수 있는 디스플레이서(displacer)는 고온측 작동 챔버의 경계를 정하고, 반대편 단부에서 디스플레이서는 저온측 작동 챔버의 경계를 정한다. 디스플레이서가 피스톤-실린더 유닛에 의해 주기적으로 왕복되는 동안, 열이 저온 헤드의 하우징으로부터 끊임없이 인출된다. 단일-스테이지 디스플레이서를 갖는 저온 헤드에서, 약 30K에 이르기까지의 온도가 발생될 수 있다. 2-스테이지 또는 3-스테이지 디스플레이서에서, 1K 미만의 온도가 발생될 수 있다. 열역학 사이클 공정(스털링 공정(Stirling process) 또는 기포드-맥마흔 공정(Gifford-McMahon))이, 일반적으로 헬륨인, 공정 가스를 사용하여 저온 헤드에서 수행되며, 공정 가스는 폐회로 내에서 안내된다. 그 결과, 열이 디스플레이서를 둘러싸는 하우징의 하나의 단부 영역으로부터 인출된다.

저온 헤드는 압축기에 연결된다. 회로가 폐회로이기 때문에, 저온 헤드의 고압 연결부 및 저압 연결부 둘 모두가 압축기에 연결된다. 그러한 압축기는 전형적으로 오버플로우 밸브(overflow valve)를 포함한다. 그것은 고압측과 저압측 사이에 배열된 복귀 유동 도관(conduit) 내에 배열된다. 전형적으로, 오버플로우 밸브는, 일반적으로 예를 들어 18 바(bar)의 압축기의 고압과 저압 사이의 차압을 위해 설계된 스프링-로딩된(spring-loaded) 체크 밸브(check valve)이다. 저항이 매우 높은 저온 헤드가 압축기에 연결될 때, 압축기에서 고압측에서 작동 압력이 과도하게 증가한다. 이러한 과도한 에너지를 방출하기 위해, 오버플로우 밸브가 개방되어, 특히 헬륨인 냉매가 복귀 유동 도관을 통해 압축기의 저압측으로 유동한다. 저온 헤드의 순환 공정으로 인해, 압축기로부터 저온 헤드로의 펄스식(pulsed) 가스 공급이 실현된다. 여기서, 가스 진동이 일어날 수 있다. 특히, 보다 긴 기간에 걸쳐, 이것은 오버플로우 밸브의 빈번한 개방 및 폐쇄를 야기할 수 있다. 이에 의해, 오버플로우 밸브에는 상당한 과부하(overload)가 가해진다. 이것은 오버플로우 밸브의 밸브 시트(valve seat)에 대한 손상, 또는 심지어 그것의 파괴로 이어질 수 있다. 또한, 이것은 상당한 노이즈의 발생 및 성능에 있어서의 손실을 유발한다. 오버플로우 밸브가 손상될 때, 오일이 냉동 회로에 들어가는 일이 발생할 수 있다. 다른 불리한 점은 개방 압력과 폐쇄 압력 사이의 오버플로우 밸브의 기존의 히스테리시스(hysteresis)로 인해 성능 손실이 일어나는 것이다.

오버플로우 밸브 상의 부하를 감소시키는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 제 1 항에 한정된 바와 같은 저온 헤드에 의해 해결된다.

본 발명의 극저온 냉동기를 위한 저온 헤드는 하우징, 가능하게는 다수-부품 하우징 내의 작동 챔버를 갖는다. 단일-스테이지 또는 다수-스테이지 디스플레이서가 작동 챔버 내에 배열된다. 저온 헤드는 고도로 압축된 냉매를 작동 챔버에 공급하기 위한 고압 연결부, 및 팽창된 또는 저압 냉매를 배출하기 위한 저압 연결부를 추가로 포함한다. 또한, 제어 밸브 장치가 제공된다. 제어 밸브 장치는 작동 챔버 내로의 냉매의 공급 및 작동 챔버로부터의 냉매의 방출을 제어하는 역할을 한다. 여기서, 제어 장치는 복수의 밸브, 예를 들어 입구 밸브 및 출구 밸브를 포함할 수 있다. 제어 밸브 장치가 고압 연결부, 저압 연결부 및 작동 챔버 사이의 연결을 제어하는 다수-채널 제어 밸브를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 저온 헤드는, 고압 연결부와 저압 연결부 사이에 배열되고 이들 두 연결부를 연결하는 바이패스 채널(bypass channel)을 갖는다. 필요하다면, 과량의 냉매가 저온 헤드를 통해 유동함이 없이 고압 연결부로부터 저압 연결부로 직접 상기 채널을 통해 유동할 수 있다. 이에 따라 그러한 발생하는 과잉 에너지가 바이패스를 통해 배출될 수 있다. 그 결과, 압축기에 통합된 오버플로우 밸브가 완화된다. 가능하게는, 오버플로우 밸브가 압축기로부터 완전히 생략될 수 있거나, 오버플로우 밸브가 단지 안전 장치로서 제공될 수 있다. 그 결과, 적어도 상당히 비용이 덜 드는 오버플로우 밸브를 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 특히 바람직한 구현에서, 관류 조절 장치(throughflow regulation device)가 바이패스 채널 내에 배열된다. 이것은 예를 들어 노즐 및/또는 밸브일 수 있다. 관류 조절 장치는 조정가능하다. 이러한 상황에서, 작동 전에 고정된 설정이 이루어지는 것이 가능하여, 밸브는 예를 들어 소정 압력차가 초과되는 경우에 개방된다. 또한, 외부로부터의, 즉 저온 헤드의 외부로부터의, 관류 조절 장치의 조정을 허용하는 것이 가능하다. 그렇기 때문에, 아마도 작동 동안에 또한 대응하는 조정을 하는 것이 허용될 수 있다.

본 발명이 바람직하게는 압력 조절 장치를 포함하는 바이패스를 저온 헤드 내에 제공하기 때문에, 사용되는 압축기에 대한 상당한 비용 감소를 달성하는 것이 가능하다. 또한, 압축기의 작동 안전성이 향상될 수 있고, 압축기 성능이 증가될 수 있다. 압축기 내의 손상된 오버플로우 밸브에 의해 야기되는 오일 돌파(breakthrough)의 위험성이 또한 감소된다. 또한, 사용 수명이 연장되고, 일정한 노이즈 거동이 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현에서, 저온 헤드는 디스플레이서를 이동시키기 위한 이동 장치를 갖는다. 이동 장치는 모터일 수 있다. 예를 들어 전기 모터일 수 있는 모터에 의해, 디스플레이서는 슬롯형 가이드(slotted guide)를 사용해 이동될 수 있다. 이것은 모터의 회전 운동이 간단한 방식으로 디스플레이서의 종방향 이동으로 변환되도록, 예를 들어 편심부(eccentric)를 통해 수행될 수 있다. 대안으로서, 디스플레이서를 이동시키기 위한 피스톤/실린더 유닛이 제공될 수 있다. 피스톤-실린더 유닛은 예를 들어 별개의 유입 시스템에 의해 구동될 수 있다. 그러나, 이동의 목적을 위해, 피스톤-실린더 유닛은 고압 연결부 및 저압 연결부에 연결하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 피스톤-실린더 유닛의 작동 및 이에 따라 디스플레이서의 이동은 냉매에 의해 실현된다.

저온 헤드는 적어도 제 1 연결 채널이 내부에 제공되는 분배기 몸체(distributor body)를 갖는 것이 또한 바람직하다. 제 1 연결 채널은 고압 연결부를 작동 챔버에 연결하는 역할을 한다. 바람직하게는, 이러한 연결은 제어 밸브 장치를 통해 이루어져, 제 1 연결 채널이 제어 밸브 장치와 작동 챔버 사이에 배열된다. 바람직하게는, 분배기 몸체는 제어 밸브 장치와 저압 연결부 사이에 배열된 제 2 연결 채널을 추가로 갖는다.

특히 바람직한 실시예에서, 밸브 몸체는 그것이 또한 제어 채널을 포함하도록 설계된다. 제어 채널은 제어 매체를 이동 장치에, 즉 특히 피스톤-실린더 유닛에 공급 및 배출하는 역할을 한다. 제어 매체는 바람직하게는 냉매이다.

본 발명이 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명될 것이다.

도 1은 종래 기술의 극저온 냉동기의 개략적 예시,
도 2는 본 발명의 극저온 냉동기의 개략적 예시, 및
도 3은 본 발명에 따른 저온 헤드의 실시예의 개략 단면도.

종래 기술의 극저온 냉동기(도 1)는 헬륨과 같은 냉매를 압축하는 압축기(10)를 포함한다. 고압측에서, 압축기(10)는 도관(12)을 통해 저온 헤드(16)의 고압 연결부(14)에 연결된다. 저온 헤드(16)의 저압 연결부(18)는 도관(20)을 통해 압축기(10)의 저압측에 연결된다. 압축기(10) 상의 과부하를 회피하기 위해, 체크 밸브(check valve)(24)가 압축기(10)의 고압측을 압축기(10)의 저압측에 연결하는 복귀 유동 도관(22) 내에 배열된다.

저온 헤드(16) 내부에, 도 1에 예시되지 않은 디스플레이서 피스톤(displacer piston)이 내부에 배열되는 작동 챔버(26)가 제공된다. 입구 밸브(28)가 고압 연결부(14)에 연결되어, 입구 밸브(28)가 개방될 때, 압축된 냉매가 작동 챔버(26) 내로 유동한다. 팽창된 냉매가 출구 밸브(30)를 통해 저압 연결부(18)로 안내될 수 있다.

도 2에 예시된 본 발명의 시스템의 기본 구성에서, 유사한 구성요소 및 동일한 구성요소가 동일한 도면 부호로 식별된다.

개략적으로 예시된 본 발명에 따르면, 바이패스 채널(bypass channel)(32)이 저온 헤드(16)의 입구 밸브(28)와 저온 헤드(16)의 출구 밸브(30) 사이에 제공되며, 여기서 바이패스 채널 내에는 관류 조절 장치가 아마도 배열될 수 있다. 도 2에 파선으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이패스 채널(32)을 제공하는 것은 복귀 유동 도관(22) 및 오버플로우 밸브(24)를 생략하는 것을 가능하게 한다.

저온 헤드(16)의 바람직한 실시예가 도 3에 개략 단면도로 예시된다.

저온 헤드(16)는 2개의 하우징 부분(34, 36)에 의해 형성된 하우징이다. 하우징 부분(34) 내에, 2개의 원통형 저온측 작동 챔버(38, 40)가 2개의 디스플레이서 스테이지(42, 44)를 위해 제공된다.

상부 디스플레이서 스테이지(42)는 고온측 작동 챔버(46)의 경계를 정하고, 상부 디스플레이서 스테이지에는 분배기 몸체(distributor body)(52)의 실린더(50) 내에 배열된 구동 피스톤(48)이 제공된다. 따라서, 디스플레이서(42, 44)는 복수의 부분 챔버에 의해 형성된 작동 챔버(38, 40, 46) 내에 배열된다.

분배기 몸체(52)는 고온측 작동 공간(46)의 경계를 정한다. 그것에는, 제어 채널(54), 제 1 연결 채널(56)뿐만 아니라, 제 2 연결 채널(57)을 형성하는 보어가 제공된다. 제 1 연결 채널(56)은 작동 챔버(46) 내로 개방되고, 작동 가스를 이러한 챔버에 공급하는 역할을 한다. 3개의 채널 모두가 제어 밸브(58)에 의해 제어된다. 제 1 연결 채널(56)은 제어 밸브(58)를 고온측 작동 챔버(46)에 연결하고, 제어 채널(54)은 밸브(58)를 실린더(50)에 연결하고, 제 2 연결 채널(57)은 밸브(58)를 저압 연결부(60)에 연결한다. 제어 밸브(58)는 또한 고압 연결부(64)와 연통하는 채널(62)에 연결된다. 고압 연결부(64)는 약 20 바의 압력의 헬륨 가스를 공급하는 반면, 저압 연결부(18)에서는 약 5 바의 압력의 헬륨이 지배한다. 양자의 압력이, 각각, 챔버(62) 및 제 2 연결 채널(57)을 통해 제어 밸브(58)의 대응하는 연결부(예시되지 않음)에 공급된다. 모든 도관이 분배기 몸체(52)의 상부측 내로, 그리고 이 상부측으로부터 밸브(58)로 이어진다.

하우징 부분(36)은 샤프트(68)를 통해 제어 밸브(58)를 구동시키는 모터(66)를 수용한다. 밸브는 압축 스프링(70)에 의해 작동된다.

예시된 실시예에서, 열역학 사이클 공정을 겪는 공정 가스와 피스톤-실린더 유닛(48, 50)을 위한 구동 가스가 동일하다. 적합하게는, 헬륨이 사용된다. 구동 가스로서 공정 가스와는 상이한 가스를 사용하는 것이 가능하다.

디스플레이서(72, 76)를 이동시키기 위해 예시된 실시예에서 제공된 피스톤-실린더 유닛(48, 50) 대신에, 디스플레이서(72, 76)는 또한 모터에 의해, 예컨대 전기 모터를 사용하여 이동될 수 있다. 이러한 목적으로, 전기 모터에는 편심부(eccentric) 및 슬롯형 가이드(slotted guide)가 제공될 수 있어서, 편심부의 회전이 선형 운동으로 변환된다.

원통형 작동 챔버(46) 내에서, 디스플레이서 스테이지(42)는 가스에 대해 투과성인 열 재생기(74)로 충전된 관형 디스플레이서(72)를 갖는다. 재생기(74)는 저온의 것을 저장하고 저장된 저온의 것을 유입되는 고온 가스에 방출하는 역할을 한다.

유사하게, 디스플레이서 스테이지(42)보다 작은 직경을 갖는 디스플레이서 스테이지(44)는 원통형 작동 챔버(40) 내에서 축방향으로 이동가능한 관형 디스플레이서(76)를 포함하며, 상기 디스플레이서는 디스플레이서(72)에 연결되고, 또한 가스-투과성 재생기(78)로 충전된다.

저온 핑거의 작동 시에, 고온측에 있는 작동 챔버(46)는 먼저 제 1 연결 채널(56) 및 제어 밸브(58)를 통해 고압 연결부(64)에 연결된다. 동시에, 고압이 제어 채널(54)을 통해 실린더(50) 내로 도입된다. 디스플레이서(72, 76)가 저온측을 향해 (하향으로) 이동된다. 고압하의 가스가 재생기(74, 78)를 통해 저온측으로 또한 유동한다. 그렇게 함으로써, 그것은 냉각하는 동안 팽창하며, 추가의 팽창이 재생기와의 열교환에 의해 수행된다.

제 2 단계에서, 제어 채널(54)이 저압 연결부에 연결된다. 고압의 영향하에서, 디스플레이서(72, 76)가 고온측을 향해 이동되어, 고온측에 있는 작동 챔버(46)가 보다 작아지고 가스가 재생기(74, 78)를 통해 저온측에 있는 작동 챔버(40) 내로 유동한다.

제 3 단계에서, 제어 밸브(58)는 도관(56)을 통한 저압 연결부(60)에 대한 작동 챔버(40)의 연결을 유발한다. 이에 의해, 저온 헤드의 모든 작동 챔버 내의 가스가 냉각하면서 팽창한다.

그 후에, 디스플레이서(72, 76)가 저온측으로 이동되며, 이에 의해 저온측 작동 챔버(40)의 체적이 수축하여 다음 사이클에 대해 준비된다. 이러한 단계에서, 저온 가스가 작동 챔버(40)로부터 재생기(74, 78) 내로 유동하며, 재생기는 이에 의해 추가로 냉각된다.

기술된 작동 사이클의 주파수는 약 2 Hz이다.

또한, 예시된 실시예에서, 본 발명에 따른 바이패스 채널(80)이 분배기 몸체(52) 내에 제공된다. 바이패스 채널(80)은 제 2 제어 채널(57)을 챔버(62)에 연결한다. 바이패스 채널(80)은 이에 따라 고압 연결부(64)를 저압 연결부(60)에 연결한다. 개략적으로 예시된 바와 같이, 밸브(82)와 같은 관류 조절 장치가 바이패스 채널(80) 내에 배열된다. 챔버(62) 내에서의 바람직하지 않은 고압 증가의 경우에, 냉매의 일부가 이에 따라 바이패스 채널(80)을 통해 직접, 저압 연결부(60)에 연결된 채널(57) 내로 다시 유동한다.

Claims

극저온 냉동기(cryogenic refrigeration machine)를 위한 저온 헤드(cold head)로서,
하우징(34, 36)의 작동 챔버(38, 40, 46) 내에 장착된 디스플레이서(displacer)(72, 76),
고도로 압축된 냉매를 상기 작동 챔버(38, 40, 46) 내로 공급하기 위한 고압 연결부(64),
상기 작동 챔버(38, 40, 46)로부터 팽창된 냉매를 배출하기 위한 저압 연결부(60), 및
상기 작동 챔버(38, 40, 46) 내로의 냉매의 공급 및 상기 작동 챔버(38, 40, 46)로부터의 냉매의 배출을 제어하기 위한 제어 밸브 장치(28, 30; 58)를 포함하는, 극저온 냉동기를 위한 저온 헤드에 있어서,
상기 고압 연결부(64)를 상기 저압 연결부(60)에 연결하는 바이패스 채널(bypass channel)(80)을 포함하는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 1 항에 있어서,
관류 조절 장치(throughflow regulation device)(82)가 상기 바이패스 채널(80) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 2 항에 있어서,
상기 관류 조절 장치(82)는 특히 작동 동안에 조정가능한 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디스플레이서(72, 76)를 이동시키기 위한 이동 장치(48, 50)를 포함하는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 4 항에 있어서,
상기 이동 장치는, 작동을 위해, 바람직하게는 상기 고압 연결부(64) 및 상기 저압 연결부(60)에 연결된 피스톤-실린더 유닛(48, 50)으로서 구성되는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 4 항에 있어서,
상기 이동 장치는 모터, 특히 전기 모터를 갖는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 6 항에 있어서,
상기 전기 모터는 상기 디스플레이서(72, 76)의 선형 이동을 유발하도록 슬롯형 가이드(slotted guide)에 작용하는 편심부(eccentric)를 구동시키는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 밸브 장치(28, 30; 58)는 고압 연결부(64) 및 저압 연결부(60)에 대한 작동 챔버(38, 40, 46)의 연결을 제어하는 주기적으로 작동하는 다수-채널 제어 밸브(58)를 갖는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 8 항에 있어서,
상기 제어 밸브(58)는 상기 피스톤-실린더 유닛(48, 50)의 연결을 제어하는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고압 연결부(64)를 상기 작동 챔버(38, 40, 46)에 연결하기 위해 적어도 제 1 연결 채널(56)이 제공되는 분배기 몸체(distributor body)(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 연결 채널(56)은 상기 제어 밸브(58)와 상기 작동 챔버(38, 40, 46) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 분배기 몸체(52)는 상기 제어 밸브(58)와 상기 저압 연결부(60) 사이의 제 2 연결 채널(57)을 갖는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분배기 몸체(52)는 상기 피스톤-실린더 유닛(48, 50)으로 제어 매체, 특히 냉매를 공급하고 그리고/또는 상기 피스톤-실린더 유닛(48, 50)으로부터 제어 매체, 특히 냉매를 배출하기 위한 제어 채널(54)을 갖는 것을 특징으로 하는
극저온 냉동기를 위한 저온 헤드.