KR20180049204A

KR20180049204A - 하이브리드 브레이튼-기퍼드-맥마흔 팽창기

Info

Publication number: KR20180049204A
Application number: KR1020187012182A
Authority: KR
Inventors: 랄프 롱스워쓰
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2018-05-10
Also published as: CN106062491B; GB2535083B; GB2535083A; US20150176867A1; KR102046020B1; KR102059088B1; KR20160089401A; US10794616B2; JP2017500526A; GB201608098D0; CN106062491A; WO2015095707A1; KR20190025767A; DE112014005935T5; JP6400100B2

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 팽창기는, 하나 이상의 원위의 히트 스테이션(heat station)에서의 냉장(refrigeration)을 제공하기 위해 브레이튼 엔진으로부터의 유동을 이용하는 하나 이상의 GM 저온단과 브레이튼 엔진 제1단을 조합한다.

Description

하이브리드 브레이튼-기퍼드-맥마흔 팽창기{HYBRID BRAYTON-GIFFORD-MCMAHON EXPANDER}

본 발명은 제1단 브레이튼 사이클 엔진을 하나 이상의 기퍼드-맥마흔("GM"; Gifford-McMahon) 팽창기와 조합함으로써 2 이상의 극저온 온도에서의 냉장(refrigeration)을 구현하는 냉장장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 냉장장치로서, 브레이튼 사이클 엔진을 통해 순환하는 저온 가스가 하나 이상의 GM 팽창기에 의해 더 냉각되어 하나 이상의 열 교환기에 대해 냉장을 전달하는 것인 냉장장치에 관한 것이다. 여기서는, 30 K에서의 초전도 자석 및 70 K에서의 주변 차폐부를 냉각하는 것이 예로서 사용될 수 있다.

브레이튼 사이클에서 작동하는 냉장 시스템은, 배출 압력에서 대항류 열 교환기에 가스를 공급하는 압축기를 포함하며, 이 냉장 시스템은 가스가 저온 입구 밸브를 통해 팽창 공간으로 향하도록 허용하고, 이 가스를 단열 팽창시키며, 팽창된 가스(보다 저온의 된 가스)를 출구 밸브를 통해 배기하고, 이 저온 가스를 냉각 중인 부하(load)를 통해 순환시키며, 이후 이 가스를 대항류 열 교환기를 통해 복귀 압력에서 압축기로 복귀시킨다.

더블유. 이. 기퍼드 및 에이치. 오. 맥마흔에게 허여된 미국 특허 제3,045,436호는 기퍼드-맥마흔("GM") 사이클을 설명하고 있다. 이러한 냉장 시스템은 또한 방출 압력에서 팽창기로 가스를 공급하는 압축기를 포함하며, 상기 냉장 시스템은 가스가 입구 밸브를 통해 냉장장치 열 교환기의 중온 단부(warm end)로 향하도록 허용하고, 이후 피스톤의 저온 단부에서 팽창 공간 내로 향하도록 허용하며, 이로부터 가스는 다시 냉장장치 및 중온 출구 밸브를 통해 복귀 압력에서 압축기로 복귀하게 된다. 현재 구축되어 있는 전형적인 GM 유형의 팽창기는 피스톤 내부에 위치하는 냉장장치를 구비하여, 피스톤/냉장장치는, 저온 단부로부터 중온 단부로 높은 압력의 가스를 이동시킨 다음 중온 단부로부터 저온 단부로 낮은 압력의 가스를 이동시키는 디스플레이서(displacer)가 된다. GM 유형의 냉장장치와 브레이튼 유형의 냉장장치의 주요한 차이점은, 브레이튼 유형의 냉장장치가 저온 가스를 원위의 부하로 분배할 수 있는 반면, GM 팽창기에서의 저온의 팽창된 가스는 팽창 공간 내에 수용된다는 것이다.

알. 씨. 롱스워스에 의한 2011년 9월 15일자 미국 특허 출원 공보 제2011/0129810호는, 브레이튼 사이클에서 작동하는 왕복식 팽창 엔진을 설명하고 있으며, 여기서 피스톤은 기계적인 구동부에 의해 구동되는 구동 스템(drive stem)을 중온 단부에 구비하거나, 또는 고압과 저압 사이에서 교호하는 가스 압력 및 구동 스템 주위의 영역에서 피스톤의 중온 단부에서의 압력은 피스톤이 이동하는 동안 피스톤의 저온 단부에서의 압력과 실질적으로 동일하다. 에스. 던 등에 의한 2011년 5월 12일자 미국 특허 출원 제13/106,218호는 팽창기 피스톤을 구동시키는 교호 수단(alternate means)을 설명하고 있다. 이들 엔진에 가스를 공급하기 위해 사용될 수 있는 압축기 시스템은, 에스. 던에 의해 2006년 4월 28일자로 출원된, 발명의 명칭이 "오일 바이패스를 갖춘 압축기"인 미국 특허 출원 공보 제2007/0253854호에 설명되어 있다. 이들 출원에서 설명되는 엔진은, 본 발명에서 사용될 수 있는 예시적인 브레이튼 엔진을 제공한다.

브레이튼 엔진에 제2 피스톤을 추가하는 것은, 제2 쌍의 밸브 및 이에 관한 액추에이터를 필요로 하는 반면, 브레이튼 피스톤에 GM 디스플레이서를 추가하면, 제2단으로 압력을 순환시키기 위해 제1단 밸브를 이용한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 브레이튼 엔진에 GM 냉각의 하나 이상의 추가적인 단(stage)을 추가하는 간단한 구성과, 원위의 히트 스테이션(heat station)으로 순환될 수 있는 저온 가스를 출력하는 브레이튼 엔진의 장점을 조합하고, 보다 낮은 온도에서 하나 이상의 원위의 히트 스테이션을 냉각하기 위해 순환 가스를 이용하는 것이다.

본 발명은, 하나 이상의 원위의 히트 스테이션에서의 냉장을 제공하기 위해 브레이튼 엔진으로부터의 유동을 이용하는 하나 이상의 GM 저온단과 브레이튼 엔진 제1단을 조합한다.

극저온 온도에서의 냉장을 구현하기 위한 하이브리드 팽창기는, 제1 압력에서 소스(source)로부터 공급되어 제2 압력에서 소스로 복귀하는 가스로 작동된다. 상기 제2 압력은 제1 압력보다 낮다. 상기 하이브리드 팽창기는,

제1 온도에서의 냉장을 구현하는 브레이튼 팽창 엔진으로서, 피스톤 중온 단부 및 피스톤 저온 단부를 갖춘 왕복 피스톤를 포함하는 브레이튼 팽창 엔진;

제2 온도에서의 냉장을 구현하는 기퍼드-맥마흔 팽창기로서, 상기 제2 온도는 제1 온도보다 낮고, 상기 기퍼드 맥마흔 팽창기는 디스플레이서를 포함하며, 상기 디스플레이서는 피스톤 저온 단부에 부착되어 피스톤과 동시에 왕복하는 것인 기퍼드-맥마흔 팽창기

를 포함한다.

도 1은, 브레이튼 엔진 제1단, GM 제2단, 원위 제1단 열 교환기 및 원위 제2단 열 교환기에 의해 밸런싱(balancing)되며 공압식으로 구동되는 가스를 포함하는 하이브리드 팽창기(100)의 개략도이다.
도 2는, 브레이튼 엔진 제1단, GM 제2단, 원위 제1단 열 교환기 및 일체형 제2단 열 교환기를 포함하는 하이브리드 팽창기(200)의 개략도이다.
도 3은, 브레이튼 엔진 제1단, GM 제2단, GM 제3단, 원위 제1단 열 교환기 및 원위 제3단 열 교환기를 포함하는 하이브리드 팽창기(300)의 개략도이다.
도 4는, 브레이튼 엔진 제1단, GM 제2단, 및 원위 제2단 열 교환기를 포함하는 하이브리드 팽창기(400)의 개략도이다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 도 1 내지 도 4는 등가의 부분을 나타내기 위해 동일한 도면부호 및 동일한 도식적 표시를 이용한다.

팽창 엔진은 열 교환기에서의 대류 손실을 최소화하기 위해 보통 저온 단부를 아래로 하여 배향되기 때문에, 저온 단부로부터 중온 단부를 향한 피스톤의 이동은 흔히 상향 이동으로 불리며, 이에 따라 피스톤은 위아래로 또는 상하로 이동하게 된다. 도면은 중온 플랜지(7)가 장착되는 중온 장착 플레이트, 그리고 중온 플랜지 아래에서 외부 공기로부터 저온 구성요소를 분리시키는 진공 하우징을 도시하고 있지 않다.

도 1은, 발명의 명칭이 "가스 밸런싱 저온 팽창 엔진"이며 2012년 11월 14일 공개된 미국 특허 출원 공보 제2012/0285181호에서 설명되는 브레이튼 엔진 구동 메커니즘을 예시한 것인 반면, 도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 변형에 따른 일반적인 구동 메커니즘을 예시하고 있다.

도 1에서, 하이브리드 팽창기(100)는 브레이튼 피스톤/GM 디스플레이서 조립체, 중온 단부에서의 구동 조립체, 실린더 조립체, 및 다수의 열 교환기를 포함하는 배관 조립체를 포함한다. 브레이튼 피스톤(1)은 중온 단부에서 구동 스템(2)에 부착되며, 저온 단부에서의 커플링(coupling; 60)에 의해 냉장장치(21)를 포함하는 GM 디스플레이서(20)에 연결된다. 시일(51)은, 구동 스템(2) 위에 배치되는 변위 체적(DVs; 5)으로부터 브레이튼 피스톤(1) 위에 배치되는 변위 체적(DVw; 4)으로 가스가 우회하지 못하도록 한다. 시일(50)은 DVw(4)로부터 브레이튼 피스톤(1) 아래에 있는 변위 체적(DVc; 3)으로 가스가 우회하지 못하도록 한다. 시일(52)은 변위 체적(DVc; 3)으로부터 디스플레이서(20) 아래에 있는 변위 체적(23)으로 가스가 우회하지 못하도록 한다. 이러한 피스톤/디스플레이서 조립체는 실린더 조립체 내에서 왕복하게 된다. 실린더 조립체는, 중온 플랜지(7), 제1단 실린더(6), 제1단 단부 캡(end cap; 9), 제2단 실린더(22), 및 제2단 단부 캡(24)을 포함한다.

공압식 구동 조립체는, 도시되어 있지 않으며 피스톤(1)이 저온 단부 부근에 있을 때 입구 밸브(Vi; 10)를 개방시키고 피스톤(1)이 상부 부근에 있을 때 입구 밸브를 폐쇄시키며 피스톤(1)이 상부에 있을 때 출구 밸브(Vo; 11)를 개방시키고 피스톤(1)이 하부 부근에 있을 때 출구 밸브를 폐쇄시키는 구성요소를 포함한다. 변위 체적(3 및 23)에서의 가스 압력뿐만 아니라 냉장장치(21)에서의 가스 압력은 거의 동일하며, 단지 가스가 이동할 때 냉장장치(21)를 통한 압력 강하로 인해 차이가 있을 뿐이다.

피스톤(1)이 상부에 도달하면, 변위 체적(DVc; 3 및 DVw; 4)은 이들 체적 내에서 고압(Ph) 부근의 압력인 가스를 갖는다. 입구 밸브(Vi; 10)가 폐쇄되어 있을 때, 출구 밸브(Vo; 11)는 개방되어 저온 가스가 저압(Pl)으로 유동해 나갈 수 있도록 허용한다. 변위 체적(DVw; 4)과 변위 체적(DVc; 3) 사이의 압력차로 인해, 피스톤(1)은 하방으로 이동하여 중온 입구 밸브(Vwi; 15), 입구 체크 밸브(CVi; 13) 및 연결 라인(33)을 통해 고압 공급 라인(30)으로부터 변위 체적(DVw; 4) 내로 가스를 유입시키게 된다. 피스톤(1)이 하방으로 이동하는 속력은 중온 입구 밸브(Vwi; 15)의 설정에 의해 제어된다.

피스톤(1)이 하부에 도달하면, 출구 밸브(Vo; 11)는 폐쇄되고, 압력이 고압(Ph) 부근의 압력으로 될 때까지 가스가 지속적으로 DVw(4) 내로 유동하는 것이 허용된다. 입구 밸브(Vi; 10)는 이후 개방되어 고압(Ph)에서의 가스를 허용한다. 피스톤(1)의 저온 단부에서 작용하는 압력(Ph)과 구동 스템(2)에 작용하는 압력(Pl)으로 인한 힘의 불균형은, 변위 체적(DVw; 4) 내의 가스를 고압(Ph) 이상으로, 즉 제3 압력으로 압축시키고, 출구 체크 밸브(CVo; 12), 중온 출구 밸브(Vwo; 14), 애프터쿨러(aftercooler; 48) 및 고압 라인(30)에 대한 연결 라인(34)을 통해 가스를 밀어낸다.

피스톤(1)이 상방으로 이동하는 속력은 중온 출구 밸브(Vwo; 14)의 설정에 의해 제어된다. 변위 체적(DVs; 5)은 라인(32)을 통해 저압 복귀 라인(31)에 연결되며, 이에 따라 변위 체적은 항상 압력(Pl)을 나타낸다.

배관 조립체는,

실온과 제1단 온도 사이에서의 대항류 열 교환기(40);

제1단 온도와 제2단 온도 사이에서의 대항류 열 교환기(41);

온도(T1)에서 부하로부터의 열을 받아들이는 원위 열 교환기(43);

온도(T2)에서 부하로부터의 열을 받아들이는 원위 열 교환기(44);

순환 가스로부터 GM 팽창 공간(23) 내의 가스로 제2단 저온 단부(24)를 통해 열을 전달하는 열 교환기(46);

연결 배관

을 포함한다.

상기 배관은 시스템에서 앞서 나열된 구성요소들을 연결하는 것으로 간주된다. 여기서,

라인(30)은 압력(Ph)으로 압축기로부터 입구 밸브(Vi; 10)까지 열 교환기(40)를 통해 가스를 운반하며,

라인(35)은 압력(Pl)으로 출구 밸브(Vo; 11)로부터 유동 분리기(16)까지 가스를 운반하고,

라인(36)은 유동 분리기(16)로부터 열 교환기(43)를 통해 T자관(tee; 17)까지 가스의 제1 분류(fraction)를 운반하며,

라인(37)은 열 교환기(41, 46, 44, 및 41)를 통해 T자관(17)까지 나머지 가스를 운반하고,

라인(31)은 T자관(17)으로부터 열 교환기(40)를 통해 압축기로 가스를 복귀시킨다.

도 2는, 브레이튼 피스톤/GM 디스플레이서 조립체, 실린더 조립체, 및 다수의 열 교환기를 포함하는 배관 조립체를 포함하는 하이브리드 팽창기(200)를 도시한 것이다. 피스톤/디스플레이서 조립체를 상하로 구동하기 위한 구동 수단은 도시되어 있지 않지만, 기계적인 메커니즘 또는 공압식 메커니즘일 수 있다. 브레이튼 피스톤/GM 디스플레이서 조립체 및 실린더 조립체는 팽창기(100)에서와 동일하다. 팽창기(200)는, 배관 조립체가 단지 하나의 원위의 히트 스테이션(heat station)을 구비한다는 점에서 팽창기(100)와 상이하다. 저온 가스는 출구 밸브(Vo; 11)로부터 원위 열 교환기(43)를 통해 열 교환기(40)까지 라인(38)을 통해 유동한다. 열은 온도(T1)에서 부하로부터 열 교환기(43) 내로 흐르며, 온도(T2)에서 보다 저온인 부하로부터 저온 단부(24) 내로 직접 흐른다.

도 3은, 브레이튼 피스톤/GM 디스플레이서 조립체, 실린더 조립체, 및 다수의 열 교환기를 포함하는 배관 조립체를 포함하는 하이브리드 팽창기(300)를 도시한 것이다. 피스톤/디스플레이서 조립체를 상하로 구동하기 위한 구동 수단은 도시되어 있지 않지만, 기계적인 메커니즘 또는 공압식 메커니즘일 수 있다. 브레이튼 피스톤/GM 디스플레이서 조립체의 제1의 2개 단은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 동일하다. 본 발명의 이러한 실시예는, 냉장장치(26) 및 시일(53)을 포함하는 제3단 GM 디스플레이서(25)를 포함하며, 이 제3단 GM 디스플레이서는 커플링(61)에 의해 제2단 디스플레이서(20)에 결합되고 실린더(27) 및 저온 단부(29)로 이루어지는 실린더 조립체의 연장부 내에서 왕복하게 된다. 냉장은 변위 체적(28) 내에서 팽창하는 가스에 의해 구현된다.

팽창기(300)에서의 배관은, 보다 저온인 원위 열 교환기에 대한 배관이 상이하다는 점에서 팽창기(100)에서와 상이하다. 유동 분리기(16)로부터 원위 열 교환기(43)를 통해 T자관(17)까지 라인(36)을 통해 유동하는 저온 가스의 제1 분류는 동일하다. 나머지 유동은, 유동 분리기(16)로부터 열 교환기(41, 46, 42 및 47)를 통해 라인(39)에서 유동하는 동안 보다 낮은 온도로 냉각되며, 이후 T자관(17)에서 유동의 제1 분류와 합류되기 이전에 열 교환기(45, 42 및 41)를 통해 유동할 때 가온된다. 열은 온도(T1)에서의 부하로부터 열 교환기(43)로 그리고 온도(T3)에서의 부하로부터 열 교환기(45)로 전달된다.

도 4는, 팽창기(100)에서와 동일한 브레이튼 피스톤/GM 디스플레이서 조립체 및 실린더 조립체를 포함하는 하이브리드 팽창기(400)를 도시한 것이다. 피스톤/디스플레이서 조립체를 상하로 구동하기 위한 구동 수단은 도시되어 있지 않지만, 기계적인 메커니즘 또는 공압식 메커니즘일 수 있다. 배관 조립체는, 온도(T2)에서의 단일 원위 열 교환기를 통해 압력(Ph)에서 가스를 순환시키는 선택사항을 도시한 것이다. 압력(Ph)에서의 가스는 압력(Pl)에서의 가스보다 높은 밀도를 가지며, 이에 따라 배관은 더 작아지게 될 수 있다. 도 4는 열 교환기(40)에서의 열 손실을 없애기 위해 제1단 냉장 모두를 사용하고 엔진에 의해 순환되는 유동 전체가 온도(T2)에서 열 교환기(44)를 통과하는 것인 선택사항을 도시한 것이다. 팽창기(400)에서의 배관은, 압축기로부터 열 교환기(40, 41, 44, 46 및 41)를 통해 입구 밸브(Vi; 10)까지 연장되는 라인(30)을 포함한다. 압력(Pl)에서의 가스는 라인(38)을 통해 출구 밸브(Vo; 11)로부터 열 교환기(40)까지 유동한다.

이들 실시예는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 기본적인 사상, 즉 브레이튼 엔진 피스톤의 저온 단부에 대한 GM 디스플레이서의 적용이 구현될 수 있는 다수의 방식의 예를 제시한 것이며, 이에 따라 피스톤 및 디스플레이서에 의해 변위되는 체적에 대해 가스를 순환시키기 위해 브레이튼 엔진의 입구 밸브 및 출구 밸브를 이용하고 있다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 가스는 브레이튼 엔진에 의해 순환되어 하나 이상의 원위 위치로부터 열을 제거하며, 이 가스는 고압 또는 저압의 상태이다. 대항류 열 교환기는 GM 팽창기 단들 사이에서 사용될 수 있어, 대항류 열 교환기(들)에 의해 GM 단(들)에 부과되는 열 손실을 작게 하면서 가스가 원위 부하로부터 GM 팽창기(들)의 저온 단(들)에 열을 전달할 수 있도록 한다. 대안으로, 열은 GM 히트 스테이션에 직접 전달될 수 있다. 브레이튼 엔진에 대한 구동 메커니즘, 그리고 입구 밸브 및 출구 밸브를 개방 및 폐쇄시키기 위한 수단은 선택의 문제이다. 헬륨은, 대부분의 극저온 냉장장치에 바람직한 가스이지만, 수소 및 네온과 같은 다른 가스가 사용될 수도 있다.

실온에서 11 g/s의 헬륨을 0.8 MPa로부터 2.2 MPa로 압축하고 약 14kW의 파워를 발생시키는 압축기로부터 하이브리드 팽창기(100 및 400)에 대해 냉각에 관한 계산을 행하였다. 직경이 100 mm인 브레이튼 엔진 피스톤 및 직경이 50 mm인 GM 디스플레이서를 갖춘 하이브리드 팽창기(100)는 80 K에서는 원위 열 교환기에서 약 200 W의 냉각을 제공하며, 30 K에서는 원위 열 교환기에서 100 W의 냉각을 제공한다. 직경이 100 mm인 브레이튼 엔진 피스톤 및 직경이 75 mm인 GM 디스플레이서를 갖춘 하이브리드 팽창기(400)는 30 K에서는 원위 열 교환기에서 약 175 W의 냉각을 제공하며, 100 K에서는 어떠한 냉각도 제공하지 않는다. 이러한 구성에 있어서, 브레이튼 엔진으로부터의 냉각은 단지 열 교환기(40)에서의 열 손실을 없애기 위해서만 사용된다.

Claims

극저온 온도에서의 냉장(refrigeration)을 구현하기 위한 하이브리드 팽창기로서, 상기 하이브리드 팽창기는 제1 압력으로 소스(source)로부터 공급되어 제2 압력으로 소스로 복귀되는 가스로 작동되며, 상기 제2 압력은 제1 압력보다 낮은 것인 하이브리드 팽창기에 있어서,
제1 온도에서의 냉장을 구현하는 브레이튼 팽창 엔진으로서, 피스톤 중온 단부(piston warm end) 및 피스톤 저온 단부를 갖춘 왕복 피스톤을 포함하는 브레이튼 팽창 엔진;
제2 온도에서의 냉장을 구현하는 기퍼드-맥마흔 팽창기(Gifford-McMahon Expander)로서, 상기 제2 온도는 제1 온도보다 낮고, 상기 기퍼드 맥마흔 팽창기는 디스플레이서(displacer)를 포함하며, 상기 디스플레이서는 피스톤 저온 단부에 부착되어 피스톤과 동시에 왕복하는 것인 기퍼드-맥마흔 팽창기; 및
상기 피스톤 저온 단부에 연결되는 단일한 한 쌍의 입구 밸브 및 출구 밸브
를 포함하는 하이브리드 팽창기.
제1항에 있어서,
상기 제1 온도 부근의 온도에서 브레이튼 팽창 엔진을 통한 유동 이전에 또는 이후에 가스에 의해 냉각되는 제1 저온 히트 스테이션(heat station)
을 더 포함하는 하이브리드 팽창기.
제2항에 있어서,
상기 제2 온도 부근의 온도에서 가스에 의해 냉각되는 제2 저온 히트 스테이션
을 더 포함하는 하이브리드 팽창기.