KR20190015202A - 콤팩트한 교환기를 갖는 극저온 장치 - Google Patents

Abstract

이러한 냉기 생성 장치는 "줄-톰슨" 팽창 원리("Joule-Thomson" expansion principle)를 시행한다. 상기 장치는 내부를 역류로 순환하는 저압 하의 그리고 고압 하의 유체를 갖는 열 교환기(1)를 포함한다. 상기 열 교환기는, 다공성 재료 및 특히 소결된 재료로 구성되며, 원통형 맨드릴(mandrel)을 형성하는 펠릿(pellet)(5)들의 적층으로 형성되고, 상기 원통형 맨드릴은 둘레에 감겨 접촉하는 모세관(capillary)(10)을 가지며, 상기 모세관은 내부를 통해 순환하는 고압 유체를 갖고, 이렇게 형성된 다공성 맨드릴의 내부에서 저압 유체가 역류로 순환한다.

Description

콤팩트한 교환기를 갖는 극저온 장치

본 발명은 냉동기의 일반적인 분야, 더욱 상세하게는 특정 유형의 감지기의 그리고 특히 양자 적외선 감지기로도 불리는 냉각된 유형의 적외선 감지기의 작동을 허용하도록 의도되는 냉기 생성 장치에 관한 것이다.

소위 "줄-톰슨" 팽창의 원리를 냉기원(cold source)로서 구현하는 현안의 유형의 장치를 대상으로 한다.

적외선 감지기의 특정 맥락에서, 명백한 부피상의 이유로, 극저온원(cryogenic source)의 부피를 제한하는 것이 바람직하다. 실제로, 소형 극저온 기계는 "줄-톰슨" 팽창 원리를 자주 사용하여, 특히, 비교적 저온으로 작동하는 것을 그 작동에 있어서 요하는 전자 부품의 또는 적외선 감지기의 높은 극저온 파워 및 따라서 고속 냉각을 가능하게 한다.

이러한 극저온 기계의 성능은 유체의 팽창이 일어나기 전에 고압 유체와 저압 유체 사이의 일어나는 열교환 효율에 의존하는 것으로 알려졌다. 따라서 열교환의 효율은 필수적이다.

이를 위해, 선행 기술의 장치는, 고압 유체가 절연 발포체(insulating foam)에 의해 폐쇄된 원통형 슬리브 또는 맨드릴을 둘러싸는 모세관 내로 유동하는 Hampson형 역류 교환기를 사용한다. 열교환은 저압 유체가 역류로 순환하는 레벨에서 슬리브의 주변에서 발생한다.

이러한 열 교환을 최적화하기 위해, 모세관에 방사방향 핀(radial fin)을 제공하여, 고압 유체와 저압 유체 사이의 교환의 표면적을 증가시키도록 규정된다. 실제로 열 교환 표면적이 이로써 증가할 경우, 그러나, 그 두께로 인해 핀의 존재가 2개의 연속하는 나선 사이의 간격을 증가시켜서 맨드릴의 주어진 길이에 대한 모세관의 나선의 수를 증가시키고, 교환의 원하는 최적화를 적어도 부분적으로 상쇄시킨다.

동일한 목적을 위해, 교환기의 길이, 특히 모세관의 길이를 증가시키는 것이 이미 규정되었다. 상기 교환기의 부피(bulk), 즉 냉동기의 문제가 발생한다.

맨드릴의 사용과 효율성 손실 소스(source)에 고유한 열 교환기의 축 방향 전도를 줄이는 것이 이미 규정되었다.

본 발명은, 기존 장치의 부피를 변경하지 않고, 특히 설치의 냉각 시간을 감소시켜서 이러한 장치의 효율을 향상시키는 것 또는 반대로 일정한 냉각 시간을 갖고 이러한 장치의 부피를 줄이는 것 모두를 가능하게 하는 현안의 타입의 장치를 목표로 한다.

이를 위해, 본 발명은 내부를 역류로 순환하는 저압 하의 그리고 고압 하의 유체를 갖는 교환기를 포함하는, "줄-톰슨" 팽창 원리("Joule-Thomson" expansion principle)를 시행하는 냉기 생성 장치(cold generation device)를 제공한다.

본 발명에 있어서, 열 교환기는 다공성 재료 및 특히 소결된 재료로 구성되며, 원통형 맨드릴(mandrel)을 형성하는 펠릿(pellet)들의 적층으로 형성되고, 상기 원통형 맨드릴은 둘레에 감겨 접촉하는 모세관(capillary)을 가지며, 상기 모세관은 내부를 통해 순환하는 고압 유체를 갖고, 이렇게 형성된 다공성 맨드릴의 내부에서 저압 유체가 역류로 순환한다.

또한, 소결된 재료로 구성된 각각의 상기 펠릿들 사이에 열적 절연 다공성 패브릭, 특히 유리 섬유가 개재되어 있다.

환언하면, 본 발명은 기본적으로 상기 재료와 접촉하는 주변 모세관에서 순환하는 고압 유체와 저압 유체의 열적 교환을 돕는, 선행 기술의 맨드릴과 핀을 다공성 소결 재료의 스택으로 대체하는 것을 포함한다.

이러한 교환의 최적화는 맨드릴을 형성하는 재료의 성질에 기인하고, 또한 선행 기술의 열 교환을 최적화하는 핀을 제거할 수 있게 하며, 따라서 내부에서 순환하는 고압 유체를 갖는 모세관의 나선형 집중(spiral concentration)을 최적화하여 냉기 생성 장치의 컴팩트함을 최적화할 수 있다.

또한, 통상적으로 열을 전도하지 않는 유리 섬유로 구성된 열적 절연 그리드의 소결된 재료의 펠릿들 사이의 인터포지션(interposition)으로 인해, 축방향 전도가 감소되며 냉기 생성 장치의 작동이 따라서 최적화된다.

유리하게, 펠릿들은 소결된 은 또는 소결된 구리로 구성된다.

모세관은 금속, 통상적으로 구리, 스테인레스 스틸 또는 큐프로니켈 합금으로 구성된다.

본 발명의 유리한 특징에 있어서, 모세관의 나선은 서로 접촉하지 않는다. 이를 성취하기 위해, 통상적으로 유리 섬유로 구성되고 스페이서로 사용되는 열적 절연 사(yarn)가 상기 모세관과 함께 감긴다. 이러한 사는 이하의 상이한 기능을 보장한다:

모세관의 2개의 연속하는 나선들을 열적 절연함;

본 발명의 장치가 도입될 수 있는 외부 튜브 또는 웰(well)의 상기 나선을 열적 절연함;

이러한 외부 튜브 또는 웰을 갖는 본 발명의 장치의 견고함을 보장하여 저압 유체가 소결된 재료 펠릿을 통과하게 하여 효율의 최적화를 유도함.

본 발명이 구현될 수 있는 방식 및 그로 인한 장점은 첨부 도면과 관련하여 이하의 비 제한적인 설명으로부터보다 잘 알려질 것이다 :
- 도 1은 냉기 발생 장치의 레벨에서 구현되는 "줄-톰슨" 팽창 원리를 설명하는 도면이다.
- 도 2는 본 발명의 장치의 단순화된 표현이다.
- 도 3은 고압 유체 및 저압 유체의 각각의 회로를 도시하는 도 2와 유사한 도면이다.
- 도 4는 저온 유지 장치의 단순화된 도면이다.
- 도 5는 도 4의 저온 유지 장치의 부분들 중 하나의 부분의 부분적인 사지털(sagittal) 단면도의 단순화된 도면이다.

"줄-톰슨(Joule-Thomson)" 팽창을 구현하는 장치의 작동 다이어그램이 도 1과 관련하여 도시되었다. 상기 다이어그램은 고압 유체(HP)의 소스를 도시하고, 이러한 유체는 가스, 일반적으로 아르곤, 질소 또는 공기 및 팽창 후 상기 유체의 반환일 수 있다.

고압 공급원(HP)로부터 유래된 고압 유체와 저압 유체 사이의 역류 열 교환기는 증발기(2)의 레벨에서 팽창한 후, 이중 코일(1)에 의해 도시된다 - 상기 증발기 앞에 팽창 밸브(3)가 장착됨 - . 어셈블리는 진공 인클로저(4) 내에 통합된다.

본 발명에 따른 교환기의 코어는 도 2에 도시된다. 다공성 재료 특히 은으로 구성된 소결된 재료로 구성된 펠릿(5)의 적층에 의해 형성된다. 은은 실제로 상당히 미세한 열 전도체이며 소결하기 더욱 용이하다. 은을 대체하기 위해 구리를 사용하는 것 또한 고려될 수 있다.

통상적으로, 이러한 펠릿의 다공성은 약 100나노미터이다. 즉, 펠릿의 소결에 의해 생성된 오리피스는 100나노미터의 통상적인 직경을 갖는다.

일반적으로 원통형 형상의 이러한 펠릿(5)은 예를 들어 고압 커넥터(7)로부터 시작하고 그 하부 베이스에서 너트(nut)(8)를 제공받는 고정 로드(6)에 의해 서로 조립된다. 변형으로서, 펠릿은 함께 접착될 수 있다.

본 발명에 있어서, 펠릿(5)은 비전도성 다공성 재료로 구성된, 통상적으로 유리 섬유 직조 재료로 형성되는 개재물(intercalary) 또는 그리드(9)에 의해 서로로부터 분리된다. 이러한 개재물은 통상적으로 0.3 밀리미터 두께를 갖는다. 이러한 개재물의 사용은 임의의 축방향 열 전도에 대항하여 개별적으로 저압과 고압에서의 2개의 흐름 사이에서의 열 교환의 표면적을 최적화한다.

펠릿들과 개재물에 의해 형성된 어셈블리는 고압 유체가 모세관을 따라 흐르는, 그와 접촉하여 감기는 모세관(10)을 갖는 원통형 맨드릴을 형성한다. 모세관은 예컨대 구리, 스테인리스 강 또는 큐프로니켈 합금으로 구성된다. 통상적으로, 이것은 0.5밀리미터의 외경 및 0.3밀리미터의 내경을 갖는다.

펠릿(5)의 다공성으로 인하여, 저압 유체가 이것을 가로질러서 냉각시킨다. 결과적으로, 그 우수한 열 전도성으로 인해, 펠릿이 모세관을 통해 흐르는 고압 유체를 식힌다. 실제로, 우수한 열적 접촉이 모세관과 펠릿 사이에 필수적이다.

이러한 장치의 제조는 이하와 같이 수행될 수 있다.

먼저, 펠릿(5)은 상기 펠릿의 원하는 형상으로 인해 성형된 몰드에 의해 형성될 수 있다. 은 파우더가 몰드에 부어지고, 몰드의 온도가 은의 용융점보다 낮은 온도로 상승되어서 파우더의 용융을 유발하지 않고 단순한 소결을 얻는다.

제조된 후, 펠릿은 열적 절연 요소(9)들 사이에 개재됨으로써 적층되고, 상기 소자는 펠릿(5)의 외경보다 작거나 같은 외경을 가지므로, 모세관(10)과 접촉할 수 없다.

펠릿 및 개재물은 고정 로드(6) 상에서 미끄러지고, 예컨대 스레드 연결되며 너트(8)에 의해 잠금된다. 따라서 맨드릴이 실질적으로 형성된다.

예컨대 큐프로니켈 합금으로 구성된 미세관은 펠릿이 소결된 은으로 구성되는 경우 예컨대 전기 분해에 의해 은 퇴적물로 구성되는 처리에 따른다. 이러한 퇴적은 특히 납땜 또는 용접에 의해 상기 미세관이 고정될 때 펠릿(5)과의 후속 접촉을 촉진하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 맨드릴 주변에 모세관(10)을 감은 후, 어셈블리가 솔더링 현상을 생성하도록 용광로에 위치된다.

변형으로서, 열적 절연 바인더에 의해 형성된, 예컨대 미세관/펠릿 영역에 적용되는 금속 파우더로 충전된 "솔겔(solgel)"-타입의 글루로 형성된 어셈블리를 굳히는 것이 고려될 수 있다.

본 발명의 유리한 특징에 있어서, 그 사이의 임의의 열적 브릿지를 회피하기 위하여 모세관의 연속하는 나선들 사이의 임의의 접촉을 회피하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 본 발명의 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 저온 유지 장치의 원통형 웰(cylindrical well)에 통합되는 것을 목적으로 하는 것이 상기되어야 한다. 이러한 저온 유지 장치(11)는 통상적으로 진공에서 유지된다. 이는, 감지된 방사선에 투과성이 있는 윈도우(13)에 따라 수직으로 위치되는 적외선 감지기(12)를 한정하는 인클로저에서 수용된다. 최종적으로, 이는, 상기 감지기의 작동에 필수적인 냉기를 생성하도록 그들 각각에서 삽입되는 본 발명에 따른 장치를 갖는 2개의 웰(14)을 포함한다.

도 5는 본 발명의 장치가 제공되는 웰(14)들 중 하나의 벽의 부분적인 사지털 단면도의 단순화된 도면을 도시한다.

따라서, 저압 유체, 특히 저압 가스가 다공성 펠릿(5)을 통과하게 하기 위해, 모세관(10)의 2개의 연속하는 나선 사이에서, 즉, 상기 나선들을 나누는 간격으로 그리고 상기 원통형 웰(14)의 내벽(16)에 마주하여 지탱하는, 절연 물질로 구성된, 예컨대 상표 terylene®로 상용화된 폴리에스테르 섬유 또는 유리 섬유로 구성된 사(yarn)(15)가 위치된다. 사(15)는 따라서 맨드릴을 따라 감기며, 일반적으로 그 2개의 양단에 접착제로 고정된다.

따라서, 사(15)의 배치로 인해, 한편으로는 나선들 사이에 그리고 나선들과 웰(14) 사이에 임의의 열적 브릿지가 제거된다.

따라서, 미세관(10)의 연속하는 나선은 서로 열적 절연된다. 또한, 미세관(10)의 나선은 브릿지(14)로부터 열적 절연된다.

마지막으로, 사(15)의 존재는 상기 웰에 관한 장치의 견고함을 제공하여, 저압 유체가 펠릿(5)을 가로지르도록 가압하여 본 발명의 장치의 효율을 최적화한다.

적외선 감지기를 위한 본 발명의 장치의 구현의 특정한 경우, 그의 작동 온도는 통상적으로 77K부터 250K의 범위에 있다. 고압 유체의 압력은 통상적으로 수십 내지 수백 bar의 범위에 있다.

본 발명에 따른 장치는, 핀을 갖는 모세관을 포함하는 유형의, 통상적으로 일정한 부피에서 1000배인, 선행 기술의 장치와 비교하여 열교환 표면을 상당히 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 냉동기의 효율 자체가 증가되거나, 또는 냉동기의 부피가 현저히 감소되면서 선행 기술의 장치의 동일한 성능은 유지될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다. 이러한 결과는 냉각된 적외선 감지기와 관련하여 특히 유리하다.

Claims (8)

1. "줄-톰슨" 팽창 원리("Joule-Thomson" expansion principle)를 시행하는 냉기 생성 장치(cold generation device)로서, 내부를 역류로 순환하는 저압 하의 그리고 고압 하의 유체를 갖는 열 교환기(1)를 포함하고,
   상기 열 교환기는, 다공성 재료 및 특히 소결된 재료로 구성되며, 원통형 맨드릴(mandrel)을 형성하는 펠릿(pellet)(5)들의 적층으로 형성되고, 상기 원통형 맨드릴은 둘레에 감겨 접촉하는 모세관(capillary)(10)을 가지며, 상기 모세관은 내부를 통해 순환하는 고압 유체를 갖고, 이렇게 형성된 다공성 맨드릴의 내부에서 저압 유체가 역류로 순환하는 것; 그리고
   각각의 상기 펠릿(5)들 사이에 열적 절연 다공성 요소(9)가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 열적 절연 다공성 요소(9)는 패브릭(fabric)으로, 특히 유리 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 펠릿(5)들이 원통 형상을 갖는 것, 열적 절연 개재된 요소(9)가 원통 형상을 갖는 것, 그리고 개재된 상기 요소(9)의 직경이 상기 펠릿(5)들의 외경보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠릿(5)들이 소결된 은 또는 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모세관(10)이 금속, 특히 구리, 스테인리스 강 또는 큐프로니켈(cupronickel) 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 모세관(10)은, 상기 펠릿(5)들의 적층에 의해 형성되는 상기 맨드릴에 감기기 전에 상기 펠릿(5)들을 형성하는 재료의 고유한 펑션(function)인 은 퇴적물을 받는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펠릿(5)들의 적층에 의해 형성된 상기 맨드릴 주변에 상기 모세관(10)을 감는 것에 의해 규정되는 나선(spiral)들이 서로 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.
8. 청구항 7에 있어서, 열적 절연 사(絲; yarn)(15)가 상기 나선들을 분리하는 간격들에 감기며 상기 사는 특히 유리 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉기 생성 장치.

Images