KR20200125930A - 프로세스 매체의 극저온 냉동 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로세스 매체의 극저온 냉동을 위한 극저온 냉동 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 시스템 내의 엑서지 손실을 감소시키기 위한 역류 열교환기 구성 및 압력 조절기 배열에 관한 것이다. 따라서, 극저온 냉동 시스템으로서, 프로세스 매체의 공급 유동(10)을 제공하도록 구성된 도관(2), 역류 열교환기(3) - 역류 열교환기(3)는 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)에 열적으로 결합되고, 열교환기(3)의 저온 단부(30)에 있는 입구(34) 및 열교환기(3)의 고온 단부(32)에 있는 출구(36)를 포함함 -, 제1 압력 조절기(4) - 제1 압력 조절기(4)는 도관(2)과 유체 연통하고, 열교환기 섹션(2A)의 하류측에 배열됨 -, 및 용기(5) - 용기(5)는 도관(2)과 유체 연통하고, 제1 압력 조절기(4)의 하류측에 배열되며, 용기(5)는 열교환기(3)의 입구(34)와 유체 연통하고, 프로세스 매체로부터의 증발된 기체 유동을 열교환기(3)의 입구(34)에 제공하도록 구성됨 - 를 포함하는, 극저온 냉동 시스템이 제안된다. 또한, 도관(2)은 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)의 상류측에 임의의 증발 열교환기가 없다.

Description

프로세스 매체의 극저온 냉동

본 발명은 프로세스 매체(process medium)의 극저온 냉동(cryogenic refrigeration)을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 시스템 내의 엑서지 손실(exergetic loss)을 감소시키기 위한 역류 열교환기(counter flow heat exchanger) 구성 및 압력 조절기 배열에 관한 것이다.

대기압에서의 프로세스 매체의 포화 온도 아래의 등온 부하를 제공하는 냉동 플랜트는 일반적으로 증발기로서 구성된 역류 열교환기에 의해 공급 유동을 과냉각시킴으로써 구현된다. 예를 들어, 헬륨에 대해, 부하는 4.4K 아래에서 제공될 수 있는 반면 공급 유동은 일반적으로 대기압 초과에서 제공된다. 증발기 열교환기에서, 대기압 초과, 예컨대 1.05 내지 1.50 바(bar)의 공급 유동으로부터의 액체 상(liquid phase)의 일부가 터빈, 제어 밸브 또는 유사한 팽창 장치에 공급되고 열교환기에 진입하고 부분적으로 증발되며, 여기서 증발된 기체는 더 고온의 온도 레벨에서 열교환기 내로 방출되고 액체는 재순환되는데, 즉 증발기 열교환기를 빠져나가는 액체 상은 증발된 열교환기의 입구에서 증발된 열교환기에 재진입한다. 따라서, 헬륨을 프로세스 매체로서 사용할 때, 예컨대 4.26 내지 4.67K의 액체 상 온도가 제공될 수 있는 반면 공급 유동의 온도는 4.3 내지 4.7K이다. 이어서 공급 유동은 다른 하류측 역류 열교환기에서 추가로 냉각될 수 있다.

증발기 열교환기의 구현이 공급 유동의 사전 냉각을 제공할 수 있지만, 그러한 구현은 몇몇 불리한 점을 가지고 있다. 예를 들어, 터빈 및 열교환기 비효율성으로 인해 엑서지 손실이 발생한다. 그러한 엑서지 손실은 전형적인 헬륨 냉동 콜드박스(coldbox)에서 발생하는 비가역성의 95% 초과를 야기할 수 있다. 더욱이, 냉동 사이클은 큰 온도 계수, 예를 들어 헬륨에 대해 300K 및 1.0 내지 4.4K를 포함하며, 따라서 시스템의 효율, 예컨대 카르노 효율(Carnot efficiency)을 상승시켜서, 프로세스에 대한 전력 입력을 감소시키기 위해 엑서지 최적화에 대한 필요성이 존재한다.

더욱이, 증발기 열교환기는 대기압 레벨에서 플래시 가스 및 증발된 기체의 재순환을 필요로 하고, 또한 헬륨의 경우에, 둘 모두 4.5K 레벨에서, 상 분리기들을 필요로 한다. 따라서, 증발기 열교환기를 사용할 때 현재 요구되는 장비 카운트 및 크기를 감소시킬 필요성이 존재한다.

또한, 반전 온도 아래에서 다양한 압력에서의 프로세스 매체의 상이한 열 용량은 시스템의 고온 단부(warm end)에서, 즉 시스템을 빠져나가는 프로세스 매체와 시스템에 진입하는 프로세스 매체의 공급 유동 사이의 비교적 높은 온도 차이를 야기한다. 그러한 온도 차이는 일반적으로 시스템에서 비가역성을 야기한다.

상기의 문제들을 감소시키는 개선된 극저온 냉동 시스템 및 대응하는 극저온 냉동 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징을 포함하는 극저온 냉동 시스템 및 청구항 12의 특징을 포함하는 극저온 냉동 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시예가 종속 청구항에 그리고 명세서 및 도면에 의해 제공된다.

따라서, 제1 태양에서, 프로세스 매체의 공급 유동을 제공하도록 구성된 도관(conduit), 및 도관의 열교환기 섹션에 열적으로 결합된 역류 열교환기를 포함하는 극저온 냉동 시스템이 제안된다. 열교환기는 열교환기의 저온 단부(cold end)에 있는 입구 및 열교환기의 고온 단부에 있는 출구를 포함한다. 시스템은 또한 도관과 유체 연통하고 열교환기 섹션의 하류측에 배열된 제1 압력 조절기, 및 도관과 유체 연통하고 제1 압력 조절기의 하류측에 배열된 용기(vessel)를 포함한다. 용기는 열교환기의 입구와 유체 연통하고, 프로세스 매체로부터의 증발된 기체 유동을 열교환기의 입구에 제공하도록 구성된다. 도관은 도관의 열교환기 섹션의 상류측에 임의의 증발 열교환기가 없다.

따라서, 낮은 비엔탈피를 갖는 증발된 기체 유동을 포함하는 저온 역류 열교환기를 제공함으로써, 시스템은 공급 유동을 사전 냉각하기 위한 증발기를 필요로 하지 않는다. 이것은 헬륨을 사용할 때 특히 유리하며, 따라서 시스템은 4.5K 레벨에서 증발 열교환기 및 상 분리기를 필요로 하지 않고, 더욱이 대기압에서의 플래시 가스 또는 증발된 헬륨의 재순환이 발생하지 않는다. 또한, 압축기 및 열교환기와 같은 더 작은 장비가 제공될 수 있으며, 따라서 시스템의 치수가 감소될 수 있다.

따라서 열교환기의 저온 단부는 입구를 통해 열교환기에 진입하기 전에 더 낮은 온도 및 잠열을 갖는 증발된 기체 및 열교환기 섹션의 바로 하류측의 도관 내의 프로세스 매체의 온도 둘 모두에 관련된다. 본 문맥에서, 용어 "하류측"은 도관 내에 제공되는 그리고 시스템 내로의 공급 유동의 초기 진입에 관하여 공급 유동을 참조한다. 따라서, 시스템 내로의 공급 유동의 진입은 열교환기 섹션의 상류측에서 발생한다. 열교환기 섹션은 도관의 일부만을 포함할 수 있으며, 여기서 열교환기 섹션의 상류측에 배열된 도관의 부분 및 열교환기 섹션의 하류측에 그리고 제1 압력 조절기의 상류측에 배열된 도관의 부분들은, 각각, 열교환기의 출구 및 내에 평행하게 그리고 인접하게 배열되어 열 전달 효율을 더욱 개선한다. 그러나, 열교환기 섹션 및 열교환기는 또한 열교환기 섹션이 도관을 본질적으로 형성하도록, 예를 들어 다양한 특징부들 사이의 유체 결합의 크기 및 치수가 최소화되도록 구성될 수 있다.

마찬가지로, 열교환기의 고온 단부는 열교환기를 빠져나가고 프로세스 매체로부터 열을 흡수한 증발된 기체에 관련되며, 따라서 열교환기의 저온 단부에서의 증발된 기체에 대해 더 고온의 온도 및/또는 증가된 잠열을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 이어서 가온된 증발된 기체는 배기 기체로서 열교환기의 고온 단부에서 출구를 통해 시스템을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 배기 기체는 대기 중으로 직접 방출될 수 있거나, 추가의 목적 및 응용을 위해 시스템 내에 보유될 수 있다.

바람직하게는, 열교환기는 극저온 냉동 시스템의 정상 작동 동안 0.9 초과의, 열교환기의 핀치 포인트(pinch point)에서의 공급 유동의 프로세스 매체에 대한 열교환기의 핀치 포인트에서의 증발된 기체의 온도 계수를 제공하도록 구성된다. 바람직하게는, 상기 온도 계수는 0.98 초과이며, 따라서 열교환기의 핀치 포인트에서의 공급 유동의 프로세스 매체에 대한 열교환기의 핀치 포인트에서의 증발된 기체 사이의 온도 차이가 최소이고/이거나 무시해도 될 정도이며, 그에 의해 시스템에 영향을 미치지 않는다.

그러한 온도 계수는 시스템이 상류측 증발 열교환기를 필요로 하지 않기 때문에 가능하며, 이는 일반적으로 헬륨에 대해 약 예컨대 4.6K에 고정된 증발 열교환기를 통과한 후의 프로세스 매체의 온도를 제공하며, 여기서 저온 단부 및 고온 단부에서의 정상 상태 프로세스(steady state process)에서의 질량 유량(mass flow)들은 대체로 동일하고 일정하다. 대조적으로, 저온 역류 열교환기는 증가된 열 용량을 갖는 열교환기의 고온 단부에서 더 높은 온도 레벨에서 공급 유동 및 증발 기체를 제공할 수 있으며, 따라서 온도 차이가 최소화될 수 있다.

역류 열교환기의 전술된 온도 계수 FT는 열교환기의 핀치 포인트에서의 저온 스트림의 온도 T _c (x)(이때 0 ≤ x ≤ L) 및 고온 스트림의 온도 T _w (x)로 표현될 수 있으며 따라서 그곳에서 2개의 스트림의 온도 차이는 최소이다.

대안적으로 또는 추가적으로, 열교환기는 극저온 냉동 시스템의 정상 작동 동안 열교환기의 고온 단부에서의 프로세스 매체의 온도와 증발된 기체의 온도를 정합시키도록 구성된 NTU(Number of Transfer Units, 전달 유닛들의 수)를 포함한다.

요구되는 NTU를 포함하는 열교환기의 구현은 적어도 시스템이 열역학적으로 최적화될 수 있는 반면 소정의 변수, 예를 들어 열교환기 파라미터 및 경계 조건이 요구되지 않거나 알려질 필요가 없다는 이점을 갖는다. 따라서, NTU 구성은 열적으로 효율적인 극저온 냉동 시스템을 제공하기 위한 LMTD 구성에 대한 대안을 제공한다.

본 명세서에서의 용어 "정합한다"는 상기 온도와 본질적으로 정합하는 것으로 이해되어야 하며 따라서 또한 최소 차이, 예를 들어 최대 0.05K를 포함한다. 예를 들어, 열교환기의 면적, 예컨대 열교환기의 열 전달 면적 또는 길이는 대응하는 온도 범위를 제공하도록 크기 설정되고 치수 설정될 수 있으며, 여기서 프로세스 매체의 다양한 온도에서의 적어도 질량 유량 및 열 용량 값은 알려져 있는 것으로 간주된다.

NTU는 열교환기의 열 전달 면적에 의해, 바람직하게는 열교환기의 길이에 의해 제공될 수 있다. 큰 열 전달 면적을 제공하기 위해, 열교환기는 바람직하게는 관 형상(tube shape), 코일형 형상(coiled shape), 및/또는 플레이트 핀 형상(plate fin shape)을 갖고, 도관의 원주를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 이것은 큰 접촉 표면이 제공되고 열교환기의 길이를 증가시킴으로써 면적이 손쉽게 증가될 수 있다는 이점을 갖는다. 예를 들어, 열교환기는 도관의 원주를 완전히 둘러쌀 수 있으며, 여기서 열교환기의 고온 단부와 저온 단부 사이에서 연장되는 열교환기의 종축은 도관의 종축, 예컨대 프로세스 매체의 유동 방향과 일치할 수 있다. 그러나, 대신에, 예를 들어, 도관의 종축이 열교환기의 종축으로부터 이격된, 예컨대 상기 축에 대해 측방향 배열로 되어 있는 비대칭 배열이 또한 제공될 수 있다. 바람직하게는, 열교환기는, 예를 들어 더 큰 시스템 또는 플랜트를 위한, 플레이트 핀 열교환기로서, 또는 예를 들어 더 작은 시스템 또는 플랜트를 위한, 코일 핀형 관 열교환기로서 구성될 수 있다.

시스템의 초기 시동 동안, 일반적으로 정상 상태, 즉 정상 작동을 제공하기 위해 온도 및 압력의 정상화가 요구된다. 열교환기의 고온 단부에서의 프로세스 매체 및 증발된 기체 또는 배기 기체의 온도 차이를 최소화하거나 정합시킴으로써, 정상 작동 동안 엑서지 손실이 감소된다. 그렇기 때문에, 시스템에서의 비가역성의 발생 및 프로세스에 대한 전력 입력이 마찬가지로 감소된다. 더욱이, 요구되는 NTU 구성을 갖는 저온 역류 열교환기를 제공함으로써, 시스템은 공급 유동을 사전 냉각하기 위한 증발기를 필요로 하지 않는다. 이것은 액체 헬륨을 사용할 때 특히 유리하며, 따라서 시스템은 4.5K 레벨에서 증발 열교환기 및 상 분리기를 필요로 하지 않고, 더욱이 대기압에서의 플래시 가스 또는 증발된 헬륨의 재순환이 발생하지 않는다. 또한, 압축기 및 열교환기와 같은 더 작은 장비가 제공될 수 있으며, 따라서 시스템의 치수가 감소될 수 있다.

열교환기의 증가된 열 전달률 및 이에 따라 냉각 효율은 또한 열교환기의 고온 단부에서의 공급 유동의 온도가 포화점보다 훨씬 더 높을 수 있는, 즉 헬륨에 대해 그리고 프로세스 매체의 압력에 따라 4.5K 초과 그리고 바람직하게는 가능한 한 높을 수 있는 것을 제공한다. 그러나, 상기 온도 범위는 실제 기체 특성에 의해 제한될 수 있으며, 따라서 예를 들어 헬륨에 대해, 온도는 바람직하게는 4.5 내지 20K, 더 바람직하게는 8 내지 15K 또는 10 내지 13K이다. 대응하는 더 높은 온도가 다른 프로세스 매체, 예를 들어 질소에 대해 구현될 수 있다. 따라서, 대기압 초과의 상이한 공급 압력이 제공될 수 있다. 이것은 시스템의 작동 비용을 감소시킬 뿐만 아니라, 엑서지 면에서 유리한데, 왜냐하면 열이 주된 냉동 사이클 사이의 프로세스 내로 누출되었고, 예를 들어 부하가 증가된 온도 레벨 및 이에 따라 프로세스 매체의 더 높은 용량에서 발생하기 때문이다.

압력이 용기에 결합된 임의의 장치 또는 서브시스템, 예컨대 극저온 사용자 또는 초전도체와 같은 부하의 온도 및 물리적 거동에 영향을 미치거나 심지어 이를 결정하기 때문에, 그와 같이 구현될 때, 용기 내의 압력은 바람직하게는 일정한 레벨로 유지된다. 따라서, 프로세스 매체에 대한 연관된 포화 온도가 일반적으로 또한 알려져 있다.

따라서, 극저온 냉동 시스템의 효율을 증가시키기 위해, 열교환기의 출구는 용기 내에 일정한 압력을 제공하도록 구성된, 회복 시스템(recuperation system), 압축기 시스템, 진공 펌프, 및/또는 액화 시스템에 결합될 수 있다. 특히 4.5 내지 20K의 온도 범위에서, 열교환기의 고온 단부에서의 배기 기체와 공급 유동의 정합하는 온도는 시스템 내의 증발된 기체의 전환 및 재순환을 용이하게 한다. 예를 들어, 대기압보다 낮은 증발된 기체가 회복될 수 있고/있거나, 대기압보다 낮은 기체 유동의 고온, 저온, 또는 혼합 압축이 제공될 수 있다. 따라서, 열교환기의 출구는 시스템의 공급 유동 입구에 단속적으로 결합될 수 있으며, 따라서 폐쇄 극저온 냉동 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 제1 압력 조절기의 상류측에 제공되는 프로세스 매체는 가압 유체, 예를 들어 헬륨 또는 질소이다. 그러나, 상이한 프로세스 매체가 사용될 수 있다. 액체 프로세스 매체의 제공은 적어도 열교환기 섹션 내의 유동 파라미터가 제어되고 최적화될 수 있고 프로세스 매체와 열교환기 사이의 개선된 열 전달이 제공될 수 있다는 이점을 갖는다. 예를 들어, 공급 유동은 열 전달을 증가시키기 위해 난류 및 경계 층과 같은 요구되는 유동 특성을 제공하도록 구성될 수 있다. 도관 내의 프로세스 매체의 공급 압력은 그에 의해 바람직하게는 예컨대 안전 밸브와 같은 안전 메커니즘에 의해 300K-레벨로 야기될 수 있는 바람직하지 않은 열음향 진동으로 인한 압력 변동을 완화시키기 위해 일정한 값으로 유지된다. 또한, 가압 유체로서 프로세스 매체를 제공함으로써, 프로세스 매체의 열 용량은 제1 압력 조절기 내의 가압 액체의 완화 및/또는 공급 유동의 조정에 의해 변경될 수 있다. 또한, 제1 압력 조절기는 제1 압력 조절기의 하류측에서 2상(two-phase) 프로세스 매체 유동을 제공하기 위해 프로세스 매체의 압력을 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 압력 감소는 프로세스 매체의 감소된 포화 온도를 야기하며, 따라서 프로세스 매체의 적어도 일부가 액체 상으로부터 기체 상으로 전환된다. 프로세스 매체의 압력을 조정하기 위해, 압력 조절기는 바람직하게는 밸브, 팽창 밸브, 및/또는 터빈을 포함한다. 압력 조절기를 제공함으로써, 프로세스 매체의 비엔탈피 및 압력 조절기의 하류측의 액체 상의 질량 유량 둘 모두는, 예를 들어, 각각의 압력 레벨에서의 그리고 각각의 물리적 상태에 대한 상이한 열 용량으로 인한, 가변 조건에 적응하도록 적응될 수 있다.

바람직하게는, 용기는 액체 상을 수집하며, 여기서 용기는 부하에 열적으로 결합되거나, 부하가 등온 부하를 제공하기 위해 용기의 수집된 액체 상 내에 배치된다. 예를 들어, 용기는, 예를 들어 액체 상과 부하 사이의 열 전달 면적을 최대화하기 위해, 액체 상이 용기의 저부 상에 제공된 부하를 침지시키도록 치수 설정될 수 있다. 대안적으로, 부하는 예를 들어 유체 결합 및/또는 열 전도 표면에 의해 용기에 열적으로 결합될 수 있다. 마찬가지로, 용기는 부하를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 치수 설정될 수 있으며, 여기서 용기 내의 액체 상은 부하의 적어도 일부 주위에 수집되거나 순환될 수 있다. 또한, 소정 응용에 대해 액체 상이 바람직할 수 있지만, 대안적으로, 용기는 부하를 등온 냉각하는 데 사용될 수 있는 대기압보다 낮은 증발된 기체를 생성하고 부분적으로 보유하도록 치수 설정될 수 있다. 바람직하게는, 등온 부하는 대기압에서의 프로세스 매체의 포화 온도 미만에서 제공된다. 용기는 예컨대 초전도체와 같은 크라이오스탯(cryostat) 또는 극저온 사용자로서 구성될 수 있다.

프로세스 매체로부터의 증발된 기체는 바람직하게는 압력 조절기에 의해 제어되는 2상 프로세스 매체의 상태, 용기의 압력, 및 부하에 의해 제공되며, 여기서 발생된 증발된 기체는 대기압보다 낮은 증발된 기체이다. 따라서, 압력 조절기는 기체 상을 갖는 프로세스 매체의 일부를 제공하기 위해 프로세스 매체를 단열적으로 완화시킬 수 있으며, 여기서 압력 조절기의 하류측의 프로세스 매체의 상태 또는 비엔탈피는 압력 조절기에 의한 사전 정의된 팽창 또는 압력 완화, 및 압력 조절기의 상류측의 공급 유동의 일반적으로 사전 정의된 상태에 의존하며, 이는 보통 조절된 일정한 공급 압력 및 λ-온도를 약간 초과하는 온도에 의해 정의되는데, 왜냐하면 λ-라인 주위의 열 용량 피크 및 열 전도율 증가로 인해 열교환기에서 더 낮은 온도에 일반적으로 도달하지 않기 때문이다. 용기 내의 압력은 또한 바람직하게는 일정한 레벨로 유지되며, 따라서 용기 구성 및 압력이 프로세스 매체의 추가의 압력 강하를 야기하며, 따라서 대기압보다 낮은 압력에 있는 증발된 기체가 발생된다. 용기 내의 프로세스 매체의 갑작스러운 팽창은 주울-톰슨 팽창(Joule-Thomson expansion)으로부터 기인하는 액체 상으로부터의 증발된 기체 및 플래시 가스를 추가로 제공할 수 있다. 또한, 대기압보다 낮은 증발 기체의 발생은 부하에 의존하는데, 이는 바람직하게는 포화 온도 미만에서 제공되는 액체 상이 포화 온도 초과의 온도에 적어도 부분적으로 도달하게 한다. 대기압보다 낮은 증발된 기체는 후속하여 열교환기의 입구에 진입하여 도관의 열교환기 섹션 내의 공급 유동을 냉각할 수 있다. 이것은 적어도 증발된 기체의 잠열이 시스템에서 최저 레벨에 있으며, 따라서 개선된 열 흡수가 열교환기 내에서 일어난다는 이점을 갖는다. 또한, 증발 열교환기 내에서 발생하는 엑서지 손실이 공급 유동을 위한 냉각제 또는 냉매로서 대기압보다 낮은 증발된 기체를 사용하여 최소화된다.

극저온 냉동 시스템은 제어기 및 제어기와 연통하는 적어도 하나의 센서를 추가로 포함할 수 있다. 따라서, 시스템은 압력 조절기의 상류측에 그리고 열교환기 섹션의 하류측에 배열된 적어도 하나의 온도 센서를 포함할 수 있으며, 여기서 제어기는 2상 프로세스 매체의 상태를 제어하기 위해 적어도 하나의 온도 센서의 측정된 값에 기초하여 제1 압력 조절기를 제어하도록 구성된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 시스템은 용기 내에 배열된 적어도 하나의 충전 센서 및/또는 부하로의 프로세스 매체의 액체 상의 질량 유량을 측정하기 위해 압력 조절기의 하류측에 배열된 적어도 하나의 유량 센서(flow sensor) - 여기서 제어기는 적어도 하나의 충전 센서 및/또는 적어도 하나의 유량 센서의 측정된 값에 기초하여 질량 유량을 제어하도록 압력 조절기를 제어하도록 구성됨 -, 및/또는 용기와 연통하도록 배열된 적어도 하나의 압력 센서 및 열교환기의 출구에 결합된 압축기 시스템 - 여기서 제어기는 적어도 하나의 압력 센서의 측정된 값에 기초하여 압축기 시스템을 제어함으로써 용기 내의 압력을 제어하도록 구성됨 - 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공급 유동의 온도 및 압력이 일반적으로 일정한 레벨로 조절되며 이에 따라 고정 경계 조건으로 간주될 수 있기 때문에, 열교환기 섹션의 하류측에 그리고 압력 조절기의 상류측에 배열된 온도 센서에 의한 사전 정의된 온도로부터의 측정된 온도 편차는 압력 조절기의 하류측의 프로세스 매체의 상태, 예컨대 비엔탈피를 제어하도록 압력 조절기를 그에 맞춰 조정함으로써 보정될 수 있다. 용기 내의 압력 및 부하는 일정한 것으로 간주되기 때문에, 2상 프로세스 매체의 상태에 있어서의 변화는 그에 따라 저온 단부에서 열교환기에 진입하는 대기압보다 낮은 증발된 기체의 체적 유량(volume flow)을 변화시킨다. 따라서, 열교환기 섹션의 하류측의 프로세스 매체의 측정된 온도 편차는 보정된다.

마찬가지로, 충전 센서가 극저온 부하의 증가된 활동을 표시할 수 있으며, 따라서 부하로의 프로세스 매체의 증가된 질량 유량이 요구된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 그러한 표시는 부하로의 프로세스 매체의 액체 상의 질량 유량을 측정하기 위해 압력 조절기의 하류측에 배열된 유량 센서에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 제어기는 충전 센서 및/또는 유량 센서의 측정된 값에 대응하는 요구되는 등온 부하에 따라 예컨대 질량 유량을 증가시키도록 압력 조절기를 조정할 수 있다. 따라서 제어기는, 예컨대 부하에 의해 제공되는 증가된 증발된 기체 상 및 용기 내의 대응하는 액체 상 부족으로 인한, 액체 용기 내의 사전 정의된 레벨을 유지하는 데 필요한 질량 유량 사이의 차이를 압력 조절기를 통해 보상할 수 있다.

또한, 압력 센서에 의해 제어기에 제공되는 피드백이 용기 내의 바람직하지 않은 압력 강하 또는 과압을 나타낼 수 있으며, 이는 연속적인 조건 및 용기에 결합되거나 용기 내에 제공된 부하에 대한 예측가능한 물리적 영향을 제공하기 위해 일정한 압력으로 유지되는 데 바람직하다. 따라서, 열교환기의 출구에서 용기의 하류측에서 결합된 압축기 시스템이 용기의 압력 및 이에 따라 프로세스 매체 및 증발된 기체를 허용가능한 사전 정의된 범위로 정상화하도록 조정될 수 있다.

따라서, 제어기 및 센서 배열은 시스템의 경계 조건 및 파라미터를 사전 정의된 범위 내로 제어하기 위한 수단을 제공하는 피드백 메커니즘을 제공한다.

극저온 냉동 시스템은 제어기와 연통하고 제1 압력 조절기에 대해 병렬로 그리고 제1 압력 조절기의 상류측에 배열된, 공급 유동의 질량 유량을 제어하기 위한 제어 밸브를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 제어기는 적어도 하나의 온도 센서, 충전 센서, 및/또는 유량 센서의 측정된 값에 기초하여 제어 밸브를 통해 공급 유동의 질량 유량을 제어하도록 구성된다.

따라서 제어 밸브는 예를 들어 용기 내의 액체 상 및/또는 열교환기에 제공되는 증발된 기체의 체적을 조정하기 위해 시스템 변동에 응답하여 조정될 수 있다. 제어 밸브는 예컨대 도관 내의 과량의 체적 유량을 보정하기 위해 공급 유동의 부분 우회를 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기서 우회는 과량의 체적 유량을 인접 시스템에 전달할 수 있거나 상기 체적을 재수집할 수 있다. 마찬가지로, 병렬 공급 유동이 용기 내의 액체 상의 부족을 보상할 수 있으며, 이에 따라 병렬 제어 밸브를 통해 공급 유동에 부분적으로 공급될 수 있다. 대안적으로, 공급 유동은 부족의 발생을 보상하기 위해 요구되는 체적 유량을 약간 초과하는 체적 유량을 제공할 수 있으며, 여기서 병렬 제어 밸브는 과량의 공급 유동을 인접 시스템으로 연속적으로 우회시키고 용기 내의 검출된 부족의 경우에 상기 과량을 우회시키지 않는다.

예를 들어, 공급 유동의 일정한 압력을 유지하면서, 제어기는, 예를 들어 충전 센서가 용기 내의 프로세스 매체의 액체 상의 감소된 충전 상태를 나타낼 때, 제어 밸브를 그에 맞춰 조정함으로써 공급 유동의 체적 및/또는 유동률을 증가시킬 수 있다. 또한, 제어기는, 액체 상의 충전 상태가 정상 작동 동안 정상 범위를 나타내지만 증발된 기체의 증가된 질량 유량이 요구되는 때에도, 공급 유동의 유동률을 조정할 수 있다. 이어서 제어기는 제어 밸브를 상응하여 조정함으로써 냉각된 프로세스 매체의 압력 및 이에 따라 엔탈피가 감소되는 동시에 공급 유동의 체적 유량 또는 유동률이 증가되도록, 예를 들어 제1 압력 조절기의 현재 설정된 값 및 이에 따라 프로세스 매체의 특정 상태를 조정함으로써, 대기압보다 낮은 증발된 기체의 체적이 증가되는 반면 프로세스 매체의 액체 상의 레벨이 일정하게 유지되도록 제1 압력 조절기 및 제어 밸브를 제어할 수 있다. 이것은, 용기 내의 압력 및 부하가 일정하게 유지되면, 2상 프로세스 매체 내의 증가된 기체 상 및 대기압보다 낮은 증발된 기체의 더 큰 체적과, 반면에 용기 내에 수집된 프로세스 매체의 액체 상의 체적이 본질적으로 변함 없이 유지되는 결과를 가져온다.

극저온 냉동 시스템 내의 제어기는 또한 극저온 냉동 시스템의 정상 작동 동안 람다 포인트(lambda point)와 포화 온도 사이의 온도에서 도관의 열교환기 섹션의 하류측에서 프로세스 매체를 제공하도록 제1 압력 조절기를 조정하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 온도 범위는 제1 압력 조절기의 상류측에서 달성되며, 따라서 제1 압력 조절기의 하류측의 프로세스 매체의 기체 상은 용기 내로의 진입 전에 상기 범위 내의 온도를 포함한다. 용기 내의 압력 및 부하는 바람직하게는 일정하게 유지되는 반면, 용기 내에 제공되는 압력은 압력 조절기의 상류측의 압력과 비교해 더 낮다. 따라서, 갑작스러운 체적 팽창으로 인한 용기 내의 프로세스 매체의 추가의 완화는 추가의 압력 강하 - 이는 예를 들어 주울-톰슨 팽창으로 인한 증발된 기체의 잠열 및/또는 온도의 추가의 감소를 야기함 - 를 유발할 수 있고, 이에 따라 열교환기에 의한 공급 유동의 개선된 냉각을 제공할 수 있다. 열교환기 섹션의 하류측의 그리고 제1 압력 조절기의 상류측의 람다 포인트와 포화 온도 사이의 온도에서의 공급 유동의 고정 경계 조건으로서의 프로세스 매체의 고정 압력은 또한 프로세스 매체의 안정된 물리적 상태가 제공되는 것을 보장하며, 따라서 열 전달 변동이 최소화된다.

또한, 시스템은 열교환기의 고온 단부에서 열교환기의 출구 및 도관과 연통하는 적어도 하나의 고온 단부 온도 센서를 포함할 수 있으며, 여기서 제어기는 압력 조절기를 제어함으로써 적어도 하나의 고온 단부 온도 센서에 의해 측정된 온도 차이에 기초하여 증발 기체 유동을 조정하도록 구성된다.

열교환기의 고온 단부에서의 공급 유동의 온도는 일반적으로 고정 경계 조건으로 간주되지만, 열교환기의 고온에 있는 출구에서 센서에 의해 측정되는 온도는 예를 들어 열교환기 효율 또는 공급 유동의 제공되는 냉각 및 이에 따라 압력 조절기의 상류측의 프로세스 매체의 상태뿐만 아니라 극저온 부하 또는 질량 유량에 의존할 수 있다. 따라서, 열교환기의 고온 단부에서 검출되는 온도 차이를 최소화하기 위해, 제어기는, 예컨대, 바람직하게는 압력 조절기의 상류측에 그리고 열교환기 섹션의 하류측에 제공된 온도 센서에 의한 프로세스 매체의 측정된 온도에 기초하여, 압력 조절기 및/또는 제어 밸브를 조정함으로써, 위에서 약술된 바와 같이, 대기압보다 낮은 증발된 기체 유동 및/또는 부하를 향한 질량 유량을 증가시킬 수 있다.

또한, 액체 상의 달성된 온도 범위는 등온 부하를 제공하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어 람다 포인트에서의 헬륨-1로부터 헬륨 2로의 전이 및 초임계 온도에서의 헬륨의 초유동성 또는 점도 거동을 연구하기 위해, 예컨대 분자 상호작용 및 유체 특성을 연구하도록 구성된 시스템 내에 구현될 액체 상을 제공할 수 있다.

극저온 냉동 시스템의 열교환기는 도관에 대해 병렬로 그리고/또는 직렬로 배열된 복수의 열 교환 모듈로서 구성될 수 있다. 바람직하게는, 도관과 유체 연통하는 제2 압력 조절기가 각각의 직렬로 배열된 열 교환 모듈 사이에 배열된다.

예를 들어, 열교환기는 도관에 대해 직렬로 배열된 2개의 열 교환 모듈을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 열교환기 모듈들 사이에 제2 압력 조절기, 예컨대 밸브 또는 팽창 터빈이 배열되고 도관과 유체 연통한다. 이것은 적어도 제1 열교환기 모듈에 의한 냉각 후의 공급 유동이 제2 열교환기 모듈에 의한 냉각 전에 추가의 압력 조절기에 의해 중간 압력 레벨로 조절될 수 있고, 그에 의해 열 용량을 증가시키고 프로세스 매체의 점진적인 완화를 제공할 수 있다는 이점을 갖는다. 동시에, 제1 열교환기 모듈의 고온 단부 상의 온도 레벨은 단일 열교환기 구성에 대해 증가될 수 있다. 따라서, 복수의 열교환기 모듈의 제공은 프로세스의 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.

본 발명의 추가 태양에 따르면, 극저온 냉동 시스템에서 극저온 냉동을 제공하기 위한 방법이 제안되며, 여기서 본 방법은

- 도관 내에 프로세스 매체의 공급 유동을 제공하는 단계;

- 공급 유동을 역류 열교환기 내에서 냉각하는 단계;

- 압력 조절기에 의해 공급 유동의 압력을 감소시키는 단계; 및

- 용기 내에 공급 유동을 수용하는 단계 - 프로세스 매체로부터의 증발된 기체 유동은 공급 유동을 냉각하기 위해 열교환기에 의해 사용됨 - 를 포함하며,

공급 유동의 냉각은 임의의 증발하는 액체 상 없이 제공된다.

따라서, 공급 유동 또는 프로세스 매체의 냉각은 열교환기 내로의 진입 전에 증발된 낮은 엔탈피를 갖는 기체 유동에 의해 발생한다. 따라서, 액체 상이 열교환기에 진입하지 않으며, 따라서 증발 열교환기와는 대조적으로, 액체 상이 열교환기 내에서 증발되지 않는다. 이것은 액체 헬륨을 사용할 때 특히 유리하며, 따라서 시스템은 4.5K 레벨에서 증발 열교환기 및 상 분리기를 필요로 하지 않고, 더욱이 대기압에서의 플래시 가스 또는 증발된 헬륨의 재순환이 발생하지 않는다. 또한, 압축기 및 열교환기와 같은 더 작은 장비가 제공될 수 있으며, 따라서 시스템의 치수가 감소될 수 있다.

또한, 본 방법은 극저온 냉동 시스템의 정상 작동 동안 0.9 초과인, 열교환기의 고온 단부에서의 공급 유동의 프로세스 매체에 대한 열교환기의 고온 단부에서의 증발된 기체의 온도 계수가 열교환기에 의해 제공되는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 온도 계수는 0.98 초과이며, 따라서 열교환기의 고온 단부에서의 공급 유동의 프로세스 매체에 대한 열교환기의 고온 단부에서의 증발된 기체 사이의 온도 차이가 최소이고/이거나 무시해도 될 정도이며, 그에 의해 시스템에 영향을 미치지 않는다.

그러한 온도 계수는 시스템이 상류측 증발 열교환기를 필요로 하지 않기 때문에 가능하며, 이는 일반적으로 헬륨에 대해 약 예컨대 4.6K에 고정된 증발 열교환기를 통과한 후의 프로세스 매체의 온도를 제공하며, 여기서 저온 단부 및 고온 단부에서의 정상 상태 프로세스에서의 질량 유량들은 대체로 동일하고 일정하다. 대조적으로, 저온 역류 열교환기는 증가된 열 용량을 갖는 열교환기의 고온 단부에서 더 높은 온도 레벨에서 공급 유동 및 증발 기체를 제공할 수 있으며, 따라서 온도 차이가 최소화될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 증발된 기체의 온도는 열교환기의 NTU 구성에 의해 제공되는 극저온 냉동 시스템의 정상 작동 동안 열교환기의 고온 단부에서의 프로세스 매체의 온도에 정합된다.

요구되는 NTU를 포함하는 열교환기의 구현은 적어도 시스템이 열역학적으로 최적화될 수 있는 반면 소정의 변수, 예를 들어 열교환기 파라미터 및 경계 조건이 요구되지 않거나 알려질 필요가 없다는 이점을 갖는다. 따라서, NTU 구성은 열적으로 효율적인 극저온 냉동 시스템을 제공하기 위한 LMTD 구성에 대한 대안을 제공한다.

상기에 약술된 바와 같이, 요구되는 NTU를 포함하는 열교환기의 구현에 의한 정합하는 온도 또는 최소 온도 차이는 적어도 정상 작동 동안 엑서지 손실이 감소된다는 이점을 갖는다. 그렇기 때문에, 시스템에서의 비가역성의 발생 및 프로세스에 대한 전력 입력이 마찬가지로 감소된다.

본 방법은 또한 바람직하게는 공급 유동이 가압 액체, 바람직하게는 액체 헬륨을 포함하는 것을 제공하며, 여기서 압력 조절기에 의해 공급 유동의 압력을 감소시키는 것은 압력 조절기의 하류측에서 2상 프로세스 매체 유동을 제공하고, 용기 내의 증발된 기체는 대기압보다 낮은 압력에서 제공된다. 가압 액체로서 프로세스 매체를 제공하는 것은 도관의 열교환기 섹션에서의 열 전달 및 프로세스 매체의 취급, 예를 들어 공급 유동의 제공을 용이하게 할 수 있다.

바람직하게는, 공급 유동의 냉각은 도관의 열교환기 섹션의 하류측에서 람다 포인트와 포화 온도 사이의 프로세스 매체를 제공한다. 상기에 약술된 바와 같이, 그러한 온도 범위 및 경계 조건으로서 고정 압력을 갖는 것은 프로세스 매체의 안정된 물리적 상태가 유지되는 것을 보장하며, 이에 따라 시스템 내의 변동의 발생을 감소시킬 수 있다. 동시에, 열교환기 섹션의 하류측에서 프로세스 매체의 압력을 해제하는 것은 이어서 프로세스 매체의 상이한 물리적 상태를 유발할 수 있으며, 따라서 예컨대 액체 상 및 기체 상 둘 모두가 얻어진다.

본 방법은 또한 부하의 극저온 냉동을 제공할 수 있다. 따라서, 용기는 프로세스 매체의 액체 상을 수집하여 열적으로 결합된 부하, 또는 등온 부하를 제공하기 위해 용기 내의 프로세스 매체의 액체 상 내에 배치된 부하를 냉동할 수 있다.

극저온 냉동 방법의 효율을 더욱 최적화하기 위해, 공급 유동의 냉각은 직렬로 또는 병렬로 배열된 복수의 열교환기 모듈에 의해 직렬로 또는 병렬로 발생할 수 있다. 그러한 구성에서, 공급 유동의 압력은 바람직하게는 제2 압력 조절기에 의해 각각의 직렬로 배열된 열교환기 모듈 사이에서 감소된다. 열교환기 모듈들 사이에서의 프로세스 매체의 조절은 중간 압력 레벨이 얻어지고 열 용량이 증가되면서 또한 프로세스 매체의 점진적인 완화가 제공된다는 이점을 갖는다. 또한, 프로세스 매체의 직렬 냉각은 열교환기 배열의 고온 단부 상의 온도 레벨이 증가될 수 있으며, 따라서 프로세스의 효율이 증가되는 것을 제공한다.

본 개시는 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 더 손쉽게 인식될 것이다.
도 1은 극저온 냉동 시스템 내의 열교환기, 용기, 및 압력 조절기의 개략도이다.
도 2는 프로세스 매체를 사전 정의된 물리적 상태로 제공하도록 구성된 도 1에 따른 실시예의 개략도이다.
도 3a는 관형 열교환기의 개략 단면도이다.
도 3b는 열교환기의 저온 단부로부터 보이는 도 3a에 따른 관형 열교환기의 개략 평면도이다.
도 4는 제어기 및 부하를 갖는 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
도 5는 추가의 제어기 구성을 갖는 도 4에 따른 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
도 6a는 직렬 열교환기 및 압력 조절기 배열을 갖는 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
도 6b는 추가의 병렬 열교환기 배열을 포함하는, 도 6a에 따른 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.

하기에, 본 발명이 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 도면에서, 유사한 요소는 동일한 도면 부호에 의해 지시되며 그의 반복되는 설명은 중복을 피하기 위해 생략될 수 있다.

도 1에, 극저온 냉동 시스템(1)이 프로세스 매체를 사용하여 작동 중인 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 냉동을 제공하기 위해, 프로세스 매체의 공급 유동(10)이 도관(2) 내에 제공된다. 프로세스 매체가 다양한 화합물을 포함할 수 있고 또한 상이한 물리적 상태로 제공될 수 있지만, 도 1에 따른 예시적인 실시예에서의 프로세스 매체는 가압 액체 헬륨을 포함한다. 따라서 액체 헬륨은 대기압 초과의 압력, 바람직하게는 1.5 내지 10 바, 더 바람직하게는 1.5 내지 8.0 바에 있다.

시스템(1)의 모든 특징부 및 특히 도관(2)은 열적으로 격리되며, 따라서 시스템(1)에 진입하고 그를 떠나는 열의 양은 0 또는 무시해도 될 정도인 것으로 간주된다. 극저온 냉동 시스템(1)은 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)에 열적으로 결합된 역류 열교환기(3)를 포함하며, 따라서 공급 유동(10)은 역류 열교환기(3)에 의해 냉각된다. 열교환기(3)에 의한 냉각 후에, 공급 유동(10)은 도관(2)과 유체 연통하고 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)의 하류측에 배열된 제1 압력 조절기(4)에 도달한다. 본 문맥에서, 용어 "하류측"은 도관(2) 내에 제공되는 그리고 시스템(1) 내로의 공급 유동(10)의 초기 진입에 관하여 공급 유동(10)을 참조한다. 따라서, 시스템(1) 내로의 공급 유동(10)의 진입은 열교환기 섹션(2A)의 상류측에서 발생한다.

제1 압력 조절기(4)는 팽창 밸브 또는 밸브 배열로서 제공된다. 제1 압력 조절기(4)에 의해, 공급 유동(10) 내의 프로세스 매체의 압력은 대기압 약간 위의 압력, 예컨대 1.05 내지 1.2 바로 감소된다. 이어서 공급 유동(10)은 도관(2)과 유체 연통하고 따라서 제1 압력 조절기(4)의 하류측에 배열된 용기(5) 내로 유동한다. 제1 압력 조절기(4)와 용기(5) 사이의 유체 연통이 도 12에서 도관, 예컨대 제1 압력 조절기(4)의 출구 및/또는 용기(5)의 대응하는 입구를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 유체 연통은 또한 제1 압력 조절기(4)의 하류측 단부를 용기(5)의 대응하는 개구 또는 결합 요소에 직접 결합함으로써 제공될 수 있다.

용기(5)는 용기(5)의 상류측의 압력보다 낮은 일정한 압력을 포함하며, 액체 상을 수집하고 프로세스 매체로부터의 증발된 기체를 제공하도록 구성된다. 증발된 기체는 제1 압력 조절기(4)의 하류측의 프로세스 매체의 상태, 예를 들어 용기(5), 예컨대 부하(도시되지 않음)의 비엔탈피, 임의의 경계 활동 또는 구현, 및 일정하게 유지되는, 용기 내의 압력에 따라 발생된다. 제1 압력 조절기(4)의 하류측의 프로세스 매체의 체적에 비해 용기(5) 내의 갑작스러운 체적 증가로 인해, 프로세스 매체는 제1 압력 조절기(4)의 하류측에서 더욱 완화된다. 예를 들어, 용기(5)는 프로세스 매체를 즉시 팽창시키도록 크기 설정되고 치수 설정된다. 용기(5) 내의 프로세스 매체의 갑작스러운 체적 증가는 프로세스 매체의 신속한 압력 감소를 야기하며, 따라서 대기압보다 낮은 압력, 즉 1.0 바 아래의 압력을 포함하는 기체 상 또는 플래시 가스가 발생된다. 이러한 주울-톰슨 팽창에서, 대기압보다 낮은 증발된 기체의 온도는 일정하게 유지될 수 있거나, 증발된 기체의 잠열이 감소되는 동안 약간 감소된다. 또한, 상기에 약술된 바와 같이, 용기(5)의 구현은 용기 내의 액체 상이 또한 증발된 기체를 제공하게 할 수 있다. 따라서, 이어서 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 열교환기(3)의 입구(34)에 제공되어 프로세스 매체의 공급 유동(10)을 위한 냉각제 또는 냉매로서의 역할을 한다. 열교환기(3)의 입구(34)는 용기(5)에 직접 결합될 수 있거나, 도관 또는 관 섹션에 의해 용기(5)의 출구에 유체적으로 연결될 수 있다.

대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 잠열 및 온도가 열교환기(3)의 입구(34)에서 시스템(1) 내에서 그의 최저에 있는 것으로 간주되기 때문에, 이러한 영역은 열교환기(3)의 저온 단부(30)로 간주된다. 열교환기(3) 내의 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)에 의한 열교환기 섹션(2A) 내의 프로세스 매체의 공급 유동(10)의 냉각 동안, 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 프로세스 매체의 공급 유동(10)으로부터 열을 흡수하며, 따라서 열교환기(3)의 출구(36)는 열교환기(3)의 고온 단부(32)인 것으로 간주된다. 따라서, 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 열교환기(3)의 저온 단부(30)에 있는 입구(34)로부터 열교환기(3)의 고온 단부(32)에 있는 출구(36)로 유동하며, 그에 의해 프로세스 매체의 공급 유동(10)으로부터 열을 흡수하고 저온의 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)로부터 고온의 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)로 전이하며, 출구(36)에서 배기 기체(14)로서 시스템(1)을 떠난다.

극저온 냉동 시스템(1)이 작동의 초기 단계 또는 시동 동안 시스템(1) 내의 온도의 정상화 및 안정화를 필요로 하지만, 시스템(1) 내의 다양한 지점 또는 위치에서의 프로세스 매체의 온도는 정상 작동 동안 일정하고 예측가능한 것으로 간주된다. 따라서, 용기(5) 내의 프로세스 매체는 등온 조건, 예컨대 등온 부하(도시되지 않음)를 제공하는 데 사용될 수 있다.

도관(2)은 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)의 상류측에 임의의 증발 열교환기가 없다. 따라서, 낮은 비엔탈피를 갖는 증발된 기체 유동을 포함하는 저온 역류 열교환기(3)를 제공함으로써, 시스템은 공급 유동(10)을 사전 냉각하기 위한 증발기를 필요로 하지 않는다. 더욱이, 저온 역류 열교환기(3)는 증가된 열 용량을 갖는 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서 더 높은 온도 레벨에서 공급 유동(10) 및 증발된 기체(12)를 제공할 수 있으며, 따라서 온도 차이가 최소화될 수 있다.

특히, 시스템(1)의 열교환기(3)는 정상 작동 동안 배기 기체(14)의 온도가 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서의 프로세스 매체의 공급 유동(10)의 온도와 정합하도록 구성된다. 본 명세서에서 용어 "정합"은 최소 차이, 예를 들어 최대 0.5K, 바람직하게는 0.05 내지 0.2K를 또한 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 상기 온도들의 이러한 정합하는 최소 차이는 열교환기(3)의 구성에 의해 달성되며, 여기서 대응하는 NTU 또는 열 전달률은 그에 맞춰 적응된다. 예를 들어, 열교환기(3)의 면적, 예컨대 열교환기(3)의 열 전달 면적 또는 길이는 대응하는 온도 범위를 제공하도록 크기 설정되고 치수 설정될 수 있으며, 여기서 프로세스 매체의 다양한 온도에서의 적어도 질량 유량 및 열 용량 값은 알려져 있는 것으로 간주된다. 예를 들어, 열교환기(3)의 열 전달 면적은 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)의 하류측 및 제1 압력 조절기(4)의 상류측의 프로세스 매체가 2.14 내지 2.40K의 온도에서 람다 포인트 위에서 제공되도록 프로세스 매체의 충분한 냉각을 제공하는 동시에 4.5 내지 20K 또는 심지어 그보다 높은, 바람직하게는 약 12K의 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서의 열교환기 섹션(2A)의 상류측의 프로세스 매체의 온도와 정합하는 배기 기체(14)의 온도를 제공하기 위해 요구되는 NTU를 제공하도록 크기 설정될 수 있다. 따라서 열교환기(3)의 대응하는 NTU는 액체 헬륨의 상기 온도 범위에 대해 최적일 수 있다. 그러나, NTU는 다른 온도 범위 및/또는 화합물에 대해 적응될 수 있고, 또한, 예컨대 시스템(1)에 의해 냉각될 부하의, 시스템 변동 또는 변화 요구를 수용하기 위해 과량을 제공할 수 있다.

도 2에 따른 극저온 냉동 시스템(1)은 대체로 도 1에 도시된 실시예에 대응한다. 또 다시, 프로세스 매체는 공급 유동(10)에 의해 도관(2) 내에 제공되고, 전술된 바와 같이 열교환기(3)에 의해 냉각된다. 또한, 열교환기(3)의 열 전달 면적은 예컨대 람다 포인트 바로 위 그리고 공급 유동(10)의 대응하는 압력의 포화 온도 아래의 온도, 예를 들어 2.14 내지 2.40K를 포함하는 냉각된 프로세스 매체(11)를 야기하는 프로세스 매체의 냉각을 제공하는 열 전달률을 제공하도록 적응된다. 이어서 냉각된 프로세스 매체(11)의 압력은 제1 압력 조절기(4) 또는 팽창 밸브에 의해 감소되어 2상 프로세스 매체(13)를 획득한다. 다시 말해서, 공급 유동(10) 내의 가압 액체 헬륨은 먼저 열교환기(3)에 의해 사전 결정된 온도로 냉각되고, 후속하여 감압되어 액체 및 기체 상을 포함하는 프로세스 매체를 제공한다.

용기(5)의 구성은 2상 프로세스 매체(13)의 액체 상(15)이 용기(5) 내로의 진입 시에 수집되는 동시에 구성, 예컨대 용기(5) 내의 일정한 압력 및 치수 설정이 2상 프로세스 매체(13)의 각자의 상태에 따라 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 발생을 야기하도록 된다. 이어서 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 열교환기(3)의 저온 단부에서 입구(34)를 통해 열교환기(3) 내로 유동하여 공급 유동(10)을 냉각한다. 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서 열교환기(3)를 떠나고 출구(36)를 통해 배기 기체(14)로서 시스템(1)을 빠져나간다.

따라서, 도 2에 따른 극저온 냉동 시스템(1)은 2상 프로세스 매체(13)를 제공하기 위한 공급 유동(10)의 대응하는 감압, 용기(5)의 구성 및 일정한 압력, 및 예컨대 대응하는 NTU 또는 열 전달률에 의한, 열교환기(3)의 구성에 의해, 예컨대 추가 냉동 요건을 위한, 요구되는 온도에 있는 프로세스 매체의 액체 상(15)의 충분한 양 및 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)에 의한 공급 유동(10)의 충분한 냉각 둘 모두를 제공하도록 최적화된다.

도 3a 및 도 3b에, 역류 열교환기(3)가 더 상세히 개략적으로 도시되어 있다. 프로세스 매체는 공급 유동(10)에 의해 도관(2) 내에 제공된다. 열교환기(3)는 열교환기 섹션(2A)을 형성하는 도관(2)의 원주 영역을 둘러싸는 관 형상을 포함한다. 열교환기(3)가 원통형 형태를 포함하고 도관(2)을 완전히 둘러싸는 것으로 도시되어 있지만, 다른 형상 및 구성이 가능하다. 그러나, 임의의 경우에 열교환기(3)의 NTU는 그에 맞춰 공급 유동(10)을 냉각하고 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서의 배기 기체(14)와 공급 유동(10)의 온도 차이를 최소화하도록 사전 정의된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)은 열교환기(3)의 고온 단부(32)로부터 저온 단부(30)까지 열교환기(3)를 선형으로 횡단하고, 실질적으로 직선인 구성을 포함한다. 그러나, 열 전달률을 증가시키거나 열역학적으로 효율적인 다른 구성, 예를 들어 도관(2)의 구불구불한 형상, 사인파형 형상, 또는 코일형 형상이 가능하다. 열교환기(3)를 횡단하는 동안, 공급 유동(10)은 입구(34)를 통해 저온 단부(30)에서 열교환기(3)에 진입하는 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)에 의해 열교환기(3)에 의해 냉각된다.

공급 유동(10)의 냉각은 나선형으로 형성된 열교환기 요소(38)에 의해 열교환기(3)를 통해 분배되는 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)에 의해 제공된다. 따라서, 나선형으로 형성된 열교환기 요소(38)는 도관(2)의 역류 방향으로 열교환기(3)를 횡단하며, 여기서 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는, 직접 접촉 또는 열 전도 물질에 의한 열적 결합을 통해, 도관(2)의 열적으로 결합된 열교환기 섹션(2A) 내에 제공된 공급 유동(10)으로부터 열을 흡수한다. 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서, 이어서 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 출구(36)를 통해 배기 기체(14)로서 열교환기(3)를 빠져나간다.

열교환기(3)의 입구(34) 및 출구(36)는, 각각, 열교환기(3)의 저온 단부(30) 및 고온 단부(32)에서 도관(2)에 평행하게 그리고 인접하게 배열된다. 이러한 구성은 또한 도 3b에 도시되어 있으며, 이 도면은 열교환기(3)의 저온 단부(30)에서 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 유동 방향 및 냉각된 프로세스 매체(11)의 역류 방향의 관점으로부터 열교환기(3)를 도시한다. 도관(2)과 열교환기(3)의 입구(34)가 수직 배향으로 인접하게 배열되지만, 열교환기(3) 또는 나선형으로 형성된 열교환기 요소(38)의 연장 방향에 수직인 임의의 배향 또는 실질적인 측방향 배열이 제공될 수 있다. 마찬가지로, 나선형으로 형성된 열교환기 요소(38)는 나선형으로 형성된 열교환기 요소(38)와 도관(2) 사이의 직접 열 전달을 제공하도록 열교환기(3) 내의 도관(2)에 인접하게 배열될 수 있다. 따라서, 열교환기(3)는 반경 방향으로 더 작은 크기를 포함하도록 대안적으로 치수 설정될 수 있다.

그러나, 열교환기(3)의 다른 구성이 제공될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(3)는, 예를 들어 더 큰 시스템 또는 플랜트를 위한, 플레이트 핀 열교환기로서, 또는 예를 들어 더 작은 시스템 또는 플랜트를 위한, 코일 핀형 관 열교환기로서 구성될 수 있다. 플레이트 핀 열교환기에서, 열교환기는 서로 역류 배향으로 그리고 인접하게 배열된 복수의 격실(compartment)을 포함하며, 여기서 상기 격실은 대기압보다 낮은 증발된 기체 또는 공급 유동을 포함한다. 반면에 코일 핀형 관 열교환기로서 열교환기(3)를 구현할 때, 대기압보다 낮은 증발된 기체는 공급 유동(10)을 포함하는 도관(2)을 따라 코일형 방식으로 안내될 수 있으며, 여기서 코일형 배열은 또한 반경방향 외향으로 연장되는 복수의 루프 섹션(loop section)을 포함하며, 그에 의해 복수의 핀을 한정한다.

극저온 냉동 시스템(1)의 추가 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 도 2에 따른 시스템(1)에 본질적으로 대응하며, 따라서 유사한 특징 및 기능은 더 상세히 논의되지 않는다. 시스템(1)은, 제1 압력 조절기(4)와 연통하고, 제1 압력 조절기(4)의 하류측에서 2상 프로세스 매체(13)를 제공하기 위해 냉각된 프로세스 매체(11)를 완화시키거나 팽창시키기 위해서 제1 압력 조절기(4)를 제어하도록 구성된 제어기(7)를 포함한다. 냉각된 프로세스 매체(11)의 압력을 적절히 조정하기 위해, 제어기(7)는 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서 열교환기(3)의 출구(36) 및 도관(2)과 연통하는 온도 센서(70)와 연통한다. 따라서 상기 센서(70)는 시스템(1)에 진입하는 공급 유동(10) 및 출구(36)를 통해 시스템(1)을 빠져나가는 배기 기체(14)의 실제 온도를 제공한다. 센서(70)의 측정된 값은 제어기(7)에 제공되며, 여기서 제어기(7)는 적어도 센서(70)의 측정된 값, 2상 프로세스 매체(13)의 상태, 및 용기(5) 내의 압력에 기초하여 제1 압력 조절기(4)를 제어한다.

시스템(1)은 일반적으로 특정 경계 조건을 위해 설계되고 시스템(1)의 상태는 일정하게 유지되지만, 제어기(7) 및 온도 센서(70)의 제공은 시스템(1)이 예컨대 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 체적 유량을 조정함으로써 시스템(1) 내의 경미한 변동에 반응하거나 이를 방지할 수 있게 한다. 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 체적 유량은 2상 프로세스 매체(13)의 상태, 및 하류측 단부에서, 예컨대 출구(36)의 하류측에서 용기(5)와 연통하는 압축기(도시되지 않음)에 의해 일정한 레벨로 유지되는 용기(5) 내의 압력에 의존한다. 공급 유동(10)의 온도 및 압력 둘 모두가 고정 경계 조건이고 열교환기(3)의 냉각 효율 및 이에 따라 냉각된 프로세스 매체(11)의 상태가 일반적으로 알려져 있기 때문에, 2상 프로세스 매체의 상태 또는 비엔탈피는 압력 조절기(4)를 조정함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어기(7)는 배기 기체(14)와 공급 유동(10) 사이의 바람직하지 않은 온도 차이가 측정될 때, 예컨대 배기 기체(14)의 측정된 온도가 공급 유동(10)의 온도보다 높을 때 냉각된 프로세스 매체(11)의 압력을 더욱 감소시키도록 제1 압력 조절기(4)를 조정할 수 있으며, 따라서 2상 프로세스 매체(13)가 완화되고/되거나 기체 상이 증가되고, 이에 따라, 일정한 용기 압력에서, 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 더 큰 체적 유량이 열교환기(3)에 제공된다. 따라서, 공급 유동(10)의 개선된 냉각이 제공될 수 있는 동시에, 대기압보다 낮은 증발된 기체(12) 내의 흡수된 열은 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서의 배기 기체(14)와 공급 유동(10) 사이의 온도 차이를 없앤다.

용기(5) 내에 수집된 프로세스 매체의 액체 상(15) 내에 부하(6)가 제공된다. 부하는 또한 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 체적 유량에 영향을 미치는데, 왜냐하면, 부하(6)의 활동에 따라, 액체 상(15)은 포화 온도보다 높은 온도를 부분적으로 획득하고 이에 따라 기체 상에 진입할 수 있기 때문이다. 등온 부하(6)를 유지하기 위해, 제어기(7)는 따라서 예컨대 액체 상(15)의 손실을 보상하도록 제1 압력 조절기(4)를 그에 맞춰 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(7)는 용기(5) 내에 수집될 2상 프로세스 매체(13)의 액체 상(15)을 증가시키도록, 그리고 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 증가된 양 및 용기(5) 내의 액체 상(15)의 손실을 보상하도록 제1 압력 조절기(4)를 제어함으로써 2상 프로세스 매체(13)의 압력 및 이에 따라 비엔탈피를 조정할 수 있다. 마찬가지로, 부하(6)로의 질량 유량에 있어서의 변화가 온도 센서(70)에 의해 측정되는 온도의 변화에 의해 검출될 수 있고, 피드백으로서 제어기(7)에 제공될 수 있다.

온도 센서(70)에 더하여, 도 5에 따른 실시예는 제어기(7)와 연통하는, 용기(5) 내에 배치된 충전 센서(72) 및 압력 센서(74)를 포함한다. 따라서, 제어기(7)는 용기(5) 내의 충전 센서(72)에 의해 측정된 충전 상태에 기초하여 냉각된 프로세스 매체(11)의 압력을 조절함으로써 제1 압력 조절기(4)를 제어한다. 예를 들어, 부하(6)의 활동에 있어서의 증가는 프로세스 매체의 액체 상(15)의 유체 레벨을 감소시킬 수 있으며, 이는 충전 센서(72)에 의해 검출되고 시스템(1)에서 액체 상(15)의 부족이 존재함을 제어기에게 나타낸다. 이어서 제어기(7)는 2상 프로세스 매체(13)의 상태 및 이에 따라 용기(5)에 제공되는 액체 상(15)을 그에 맞춰 조정하도록 제1 압력 조절기(4)를 제어할 수 있다.

또한, 제어기(7)는 압력 조절기(4)에 대해 병렬로 그리고 그의 상류측에 배열된 제어 밸브(20)와 연통한다. 제어 밸브(20)는 3방향 밸브로서 구성되고 도관(2)을 병렬 시스템에 연결한다. 충전 센서(72)가 용기(5) 내의 프로세스 매체의 액체 상(15)의 부족 또는 과다를 표시한다면, 제어기(7)는 공급 유동의 일정한 압력 및 온도를 유지하면서 질량 유량을 그에 맞춰 조정하도록 제어 밸브(20)를 제어할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 그러한 표시는 제어기(7)와 연통하고 압력 조절기(4)의 하류측에 제공되고 부하(6)로의 질량 유량을 나타내는 유량 센서(76)에 의해 제공될 수 있다.

용기(5) 내의 압력은 또한 하류측 단부에서, 예컨대 출구(36)의 하류측에서 용기(5)와 연통하는 압축기(도시되지 않음)에 의해 일정한 레벨로 유지된다. 용기(5) 내의 압력은 압력 센서(74)에 의해 측정된다. 사전 정의된 범위 또는 임계치로부터의 압력 편차가 발생한다면, 상기 압력 센서(74)는 제어기(7)에 피드백을 제공하며, 제어기는 하류측 압축기를 통해 압력을 그에 맞춰 조정한다.

또한, 온도 센서(70)가 제공되며, 이는 열교환기 섹션(2A)의 하류측에 그리고 압력 조절기(4)의 상류측에 배열되고 제어기(7)와 연통한다. 공급 유동(10)의 온도 및 압력이 일반적으로 일정한 레벨로 조절되며 이에 따라 고정 경계 조건으로 고려될 수 있기 때문에, 사전 정의된 온도로부터의 측정된 온도 편차는 압력 조절기(4)의 하류측의 프로세스 매체의 상태, 예컨대 비엔탈피를 제어하도록 압력 조절기(4)를 그에 맞춰 조정함으로써 보정될 수 있다. 용기(5) 내의 압력 및 부하(6)는 일정한 것으로 간주되기 때문에, 2상 프로세스 매체(13)의 상태에 있어서의 변화는 그에 따라 저온 단부(30)에서 열교환기(3)에 진입하는 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)의 체적 유량을 변화시킨다. 따라서, 열교환기 섹션(2A)의 하류측의 프로세스 매체의 측정된 온도 편차는 감소된다.

부하(6)가 용기(5) 내의 프로세스 매체의 액체 상(15) 내에 배치될 수 있지만, 부하(6)는 또한 도 5에 도시된 바와 같이 용기(5)의 밖에 제공될 수 있다. 따라서 용기(5)에 진입하는 그리고 그를 빠져나가는 체적 유량은 부하(6)의 치수에 의해 영향을 받지 않는 반면, 용기(5)와 부하(6) 사이의 열적 결합은 예컨대 등온 부하(6)를 제공하도록 부하(6)의 유사한 냉동을 제공한다. 열적 결합은 용기(5)의 외측 표면과 부하(6) 사이의 직접 접촉에 의해 또는 예컨대 체크 밸브와 같은 유체 결합에 의해 제공될 수 있다.

열교환기(3)는, 예를 들어 대응하는 NTU 또는 열 전달률에 의해, 열교환기의 고온 단부에서 요구되는 온도 계수를 제공하기 위한 다양한 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열교환기(3)는 도 6a 및 도 6b에 따른 실시예에 도시된 바와 같이 직렬로 그리고/또는 병렬로 배열된 복수의 역류 열교환기 모듈(3A, 3B, 3C)을 포함할 수 있다. 도 6a에서, 열교환기는 직렬로 배열된 2개의 열 교환 모듈(3A, 3C)을 포함한다. 직렬 열교환기 모듈(3A, 3C)은 서로 유체적으로 결합되고, 프로세스 매체를 포함하는 도관(2)과 열적으로 결합된다.

작동 시, 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)는 저온 단부(30)에서 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)에 진입하고 상기 열교환기 모듈(3C)을 가로지르며, 그에 의해 도관(2) 내의 프로세스 매체로부터 열을 흡수한다. 따라서 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)을 빠져나가는 대기압보다 낮은 증발된 기체는 입구(34) 내에 제공된 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)와 비교해 상이한 잠열 및/또는 온도를 포함하며, 이에 따라 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체(17)로 간주된다. 이어서 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체(17)는 제1 직렬 열교환기 모듈(3A)에 진입하고, 출구(36)를 통해 고온 단부(32)에서 배기 기체(14)로서 시스템(1)을 빠져나간다. 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체(17)는 제1 직렬 열교환기 모듈(3A)에서 열을 흡수하는 반면, 공급 유동(10) 내의 프로세스 매체는 그에 따라서 냉각되며, 따라서 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)에 도달하는 도관(2) 내의 프로세스 매체는 과냉각된 프로세스 매체(16)인 것으로 간주된다. 이어서 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)에 의한 과냉각된 프로세스 매체(16)의 후속 냉각은 제2 직렬 열교환기(3C)의 하류측의 냉각된 프로세스 매체(11)를 야기한다.

시스템(1)은 또한 도관(2)과 유체 연통하는 제1 압력 조절기(4A) 및 제2 압력 조절기(4B)를 포함하는 압력 조절 배열을 포함한다. 제1 압력 조절기(4A)는 제1 압력 조절기(4A)의 하류측에서 2상 프로세스 매체(13)를 제공하도록 프로세스 매체(11)의 압력을 조정하기 위해 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)의 하류측에 그리고 제1 압력 조절기(4A)의 상류측에 배열된다. 제2 압력 조절기(4B)는 제1 및 제2 열교환기 모듈(3A, 3C) 사이에 배열된다. 이러한 배열은 프로세스 매체 또는 가압 액체의 압력이 냉각된 프로세스 매체(11)를 제공하도록 프로세스 매체의 과냉각 후에 그리고 제2 열교환기 모듈(3C)에 의한 냉각 전에 조정되거나 감소될 수 있는 것을 제공하며, 여기서 과냉각된 프로세스 매체(16)는 액체로서 또는 2상 프로세스 매체로서 제공될 수 있다. 따라서, 시스템(1)은 상이한 온도 및 압력에 대해 프로세스 매체의 상이한 열 용량 값을 최적으로 사용하여서, 고온 단부(32)에서의 배기 기체(14)와 공급 유동(10)의 온도들을 정합시키도록 열교환기의 NTU를 제공하도록 구성된다.

역류 열교환기 모듈의 병렬 및 직렬 배열의 조합이 도 6b에 도시되어 있다. 제1 및 제2 열교환기 모듈(3A, 3C)에 더하여, 시스템(1)은 병렬 열교환기 모듈(3B)을 포함하며, 따라서 제1 직렬 열교환기 모듈(3A)과 병렬 열교환기 모듈(3B)이 병렬로 배열된다. 극저온 냉동 시스템(1)의 그러한 배열을 제공하기 위해, 용기(5)는 용기(5)를 빠져나가는 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)를 제공하기 위해 입구(34)를 통해 제2 열교환기 모듈(3C)의 저온 단부(30)에 유체적으로 결합된다. 제2 열교환기 모듈(3C)을 횡단한 후에, 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체는 이어서 제1 및 제2 병렬 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체(17A, 17B)로 나뉘거나 분할되고, 병렬 유체 결합을 사용하여, 각각, 제1 직렬 교환기 모듈(3A) 및 병렬 열교환기 모듈(3B)에 도입된다. 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체(17A, 17B)는 후속하여 각각 제1 및 제2 배기 기체(14A, 14B)로서 각자의 제1 직렬 교환기 모듈(3A) 및 병렬 열교환기 모듈(3B)을 빠져나가며, 여기서 제1 및 제2 배기 기체(14A, 14B)는 고온 단부(32)에서 출구(36)에 결합되고 출구(36)를 통해 시스템(1)을 빠져나가는 배기 기체(14)를 제공하도록 조합된다.

병렬 냉각을 제공하기 위해, 도관(2)은 제1 직렬 교환기 모듈(3A) 및 병렬 열교환기 모듈(3B) 직전의 지점에서 병렬 교환기 모듈(3A, 3B)에 열적으로 결합되는 2개의 병렬 섹션으로 분할된다. 따라서 병렬 열교환기 모듈(3A, 3B)은 도 6a에 따른 실시예에 대해 더 상세히 설명되는 바와 같이 프로세스 매체의 과냉각을 제공한다. 이어서 도관(2)의 병렬 섹션들은 병렬 열교환기 모듈(3A, 3B)의 하류측에서 그리고 제2 압력 조절기(4B) 내로의 진입 전에 다시 병합된다. 제2 압력 조절기(4B)의 하류측에서, 도 6a에 관하여 설명된 바와 같이, 프로세스 매체는 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)에 의해 추가로 냉각되고 용기(5) 내로의 진입 전에 제1 압력 조절기(4A)를 통과한다.

도 6b의 실시예에 따르면, 제2 직렬 열교환기 모듈(3C)은 도관(2)의 원주를 둘러싸는 관 형상을 포함하는 반면, 병렬 열교환기 모듈(3A, 3B)은 인접한 방식으로 도관(2)의 병렬 섹션들에 열적으로 결합되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 도시된 것 이외의 구성이 가능한데, 예컨대 도관(2)의 원주를 단지 부분적으로 둘러싸는 복수의 관형 열교환기 모듈 및/또는 열교환기 모듈이 제공될 수 있다. 또한, 도관 섹션 및 유체 결합은 열 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 시스템(1)의 치수 및 크기를 감소시키기 위해 서로 인접하게 배열된다. 그러나, 예를 들어 도관 섹션과 유체 결합이 적어도 부분적으로 이격되는 다른 구성이 또한 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특히, 도 3a 및 도 3b의 도면에 묘사된 바와 같은 열교환기의 추가의 가능한 구성, 즉 플레이트 핀 열교환기 모듈 또는 코일 핀형 관 열교환기 모듈이 또한 구현될 수 있다.

이들 실시예 및 아이템은 단지 복수의 가능성의 예를 묘사할 뿐이다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서에 제시된 실시예는 이들 특징 및 구성의 제한을 형성하는 것으로 이해되어서는 안된다. 설명된 특징들의 임의의 가능한 조합 및 구성이 본 발명의 범위에 따라 선택될 수 있다.

도면 부호의 목록

1 극저온 냉동 시스템

10 프로세스 매체의 공급 유동

11 냉각된 프로세스 매체

12 대기압보다 낮은 증발된 기체

13 2상 프로세스 매체

14 배기 기체

14A 제1 병렬 배기 기체

14B 제2 병렬 배기 기체

15 프로세스 매체의 액체 상

16 과냉각된 프로세스 매체

17 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체

17A 제1 병렬 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체

17B 제2 병렬 가온된 대기압보다 낮은 증발된 기체

2 도관

2A 열교환기 섹션

20 제어 밸브

3 역류 열교환기

3A 제1 직렬 역류 열교환기 모듈

3B 병렬 역류 열교환기 모듈

3C 제2 직렬 역류 열교환기 모듈

30 열교환기의 저온 단부

32 열교환기의 고온 단부

34 입구

36 출구

38 나선형으로 형성된 열교환기 요소

4 제1 압력 조절기

4A 제1 압력 조절기

4B 제2 압력 조절기

5 용기

6 부하

7 제어기

70 온도 센서

72 충전 센서

74 압력 센서

76 유량 센서

Claims (15)

1. 극저온 냉동 시스템(cryogenic refrigeration system)(1)으로서,
   - 프로세스 매체(process medium)의 공급 유동(10)을 제공하도록 구성된 도관(conduit)(2);
   - 역류 열교환기(counter flow heat exchanger)(3) - 상기 역류 열교환기(3)는 상기 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)에 열적으로 결합되고, 상기 열교환기(3)의 저온 단부(cold end)(30)에 있는 입구(34) 및 상기 열교환기(3)의 고온 단부(warm end)(32)에 있는 출구(36)를 포함함 -;
   - 제1 압력 조절기(4) - 상기 제1 압력 조절기(4)는 상기 도관(2)과 유체 연통하고, 상기 열교환기 섹션(2A)의 하류측에 배열됨 -; 및
   - 용기(vessel)(5) - 상기 용기(5)는 상기 도관(2)과 유체 연통하고, 상기 제1 압력 조절기(4)의 하류측에 배열되며, 상기 용기(5)는 상기 열교환기(3)의 상기 입구(34)와 유체 연통하고, 상기 프로세스 매체로부터의 증발된 기체 유동을 상기 열교환기(3)의 상기 입구(34)에 제공하도록 구성됨 - 를 포함하며,
   상기 도관(2)은 상기 도관(2)의 상기 열교환기 섹션(2A)의 상류측에 임의의 증발 열교환기가 없는, 극저온 냉동 시스템(1).
2. 제1항에 있어서,
   - 상기 열교환기(3)는, 상기 극저온 냉동 시스템(1)의 정상 작동 동안, 0.9 초과, 바람직하게는 0.98 초과의, 상기 열교환기(3)의 상기 고온 단부(32)에서의 상기 공급 유동(10)의 상기 프로세스 매체에 대한 상기 열교환기(3)의 상기 고온 단부(32)에서의 상기 증발된 기체의 온도 계수를 제공하도록 구성되고/되거나,
   - 상기 열교환기(3)는 상기 극저온 냉동 시스템(1)의 정상 작동 동안 상기 열교환기(3)의 상기 고온 단부(32)에서의 상기 프로세스 매체의 온도와 상기 증발된 기체의 온도를 정합시키도록 구성된 NTU를 포함하는, 극저온 냉동 시스템(1).
3. 제2항에 있어서, 상기 온도 계수 및/또는 상기 NTU는 상기 열교환기(3)의 열 전달 면적에 의해, 바람직하게는 상기 열교환기의 길이에 의해 제공되고, 상기 열교환기(3)는 바람직하게는 핀형 관 형상(finned tube shape), 코일형 형상(coiled shape), 및/또는 핀 형상(fin shape)을 갖고, 상기 도관(2)의 원주를 적어도 부분적으로 둘러싸는, 극저온 냉동 시스템(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기(3)의 상기 출구(36)는 상기 용기(5) 내에 일정한 압력을 제공하도록 구성된, 회복 시스템(recuperation system), 압축기 시스템, 진공 펌프, 및/또는 액화 시스템에 결합되는, 극저온 냉동 시스템(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 압력 조절기(4)의 상류측에 제공되는 상기 프로세스 매체는 가압 액체, 바람직하게는 액체 헬륨 또는 액체 질소이고, 상기 제1 압력 조절기(4)는 상기 제1 압력 조절기(4)의 하류측에서 2상(two-phase) 프로세스 매체(13) 유동을 제공하기 위해 상기 프로세스 매체의 압력을 감소시키도록 구성되고, 상기 제1 압력 조절기(4)는 바람직하게는 밸브, 팽창 밸브, 및/또는 터빈을 포함하는, 극저온 냉동 시스템(1).
6. 제5항에 있어서, 상기 용기(5)는 액체 상(liquid phase)(15)을 수집하고, 상기 용기(5)는 부하(6)에 열적으로 결합되거나, 부하(6)가 등온 부하(6)를 제공하기 위해 상기 용기(5)의 상기 수집된 액체 상(15) 내에 배치되는, 극저온 냉동 시스템(1).
7. 제6항에 있어서, 상기 프로세스 매체로부터의 상기 증발된 기체는 상기 압력 조절기(4)에 의해 제어되는 상기 2상 프로세스 매체(13)의 상태, 상기 용기(5)의 압력, 및 상기 부하(6)에 의해 제공되고, 상기 증발된 기체는 대기압보다 낮은 증발된 기체(12)인, 극저온 냉동 시스템(1).
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 시스템(1)은 제어기(7) 및 상기 제어기와 연통하는 적어도 하나의 센서(70, 72, 74, 76)를 추가로 포함하고,
   - 상기 시스템(1)은 상기 압력 조절기(4)의 상류측에 그리고 상기 열교환기 섹션(2A)의 하류측에 배열된 적어도 하나의 온도 센서(70)를 포함하고, 상기 제어기(7)는 상기 2상 프로세스 매체의 상기 상태를 제어하기 위해 상기 적어도 하나의 온도 센서(70)의 측정된 값에 기초하여 상기 제1 압력 조절기(4)를 제어하도록 구성되고/되거나,
   - 상기 시스템(1)은 상기 용기(5) 내에 배열된 적어도 하나의 충전 센서(72) 및/또는 상기 부하로의 상기 프로세스 매체의 액체 상의 질량 유량(mass flow)을 측정하기 위해 상기 압력 조절기(4)의 하류측에 배열된 적어도 하나의 유량 센서(flow sensor)(76)를 포함하고, 상기 제어기(7)는 상기 적어도 하나의 충전 센서(72) 및/또는 상기 적어도 하나의 유량 센서(76)의 측정된 값에 기초하여 상기 질량 유량을 제어하도록 상기 압력 조절기(4)를 제어하도록 구성되고/되거나,
   - 상기 시스템(1)은 상기 용기(5)와 연통하도록 배열된 적어도 하나의 압력 센서(74) 및 상기 열교환기(3)의 상기 출구(36)에 결합된 압축기 시스템을 포함하고, 상기 제어기(7)는 상기 적어도 하나의 압력 센서(74)의 측정된 값에 기초하여 상기 압축기 시스템을 제어함으로써 상기 용기(5) 내의 압력을 제어하도록 구성되는, 극저온 냉동 시스템(1).
9. 제8항에 있어서, 상기 시스템(1)은 상기 제어기(7)와 연통하고 상기 제1 압력 조절기(4)에 대해 병렬로 그리고 상기 제1 압력 조절기(4)의 상류측에 배열된, 상기 공급 유동(10)의 상기 질량 유량을 제어하기 위한 제어 밸브(20)를 추가로 포함하고, 상기 제어기(7)는 상기 적어도 하나의 온도 센서(70), 충전 센서(72) 및/또는 유량 센서(76)의 측정된 값에 기초하여 상기 제어 밸브(20)를 통해 상기 공급 유동(10)의 상기 질량 유량을 제어하도록 구성되는, 극저온 냉동 시스템(1).
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 시스템(1)은 상기 열교환기(3)의 상기 고온 단부(32)에서 상기 열교환기(3)의 상기 출구(36) 및 상기 도관(2)과 연통하는 적어도 하나의 고온 단부 온도 센서(70)를 포함하고, 상기 제어기(7)는 상기 압력 조절기(4)를 제어함으로써 상기 적어도 하나의 고온 단부 온도 센서(70)에 의해 측정된 온도 차이에 기초하여 상기 증발 기체 유동을 조정하도록 구성되는, 극저온 냉동 시스템(1).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기(3)는 상기 도관(2)에 대해 병렬로 그리고/또는 직렬로 배열된 복수의 열 교환 모듈들(3A, 3B, 3C)로서 구성되고, 바람직하게는 상기 도관(2)과 유체 연통하는 제2 압력 조절기(4B)가 각각의 직렬로 배열된 열 교환 모듈(3A, 3C) 사이에 배열되는, 극저온 냉동 시스템(1).
12. 극저온 냉동 시스템(1)에서 극저온 냉동을 제공하기 위한 방법으로서,
    - 도관 내에 프로세스 매체의 공급 유동(10)을 제공하는 단계;
    - 상기 공급 유동을 역류 열교환기(3) 내에서 냉각하는 단계;
    - 압력 조절기(4)에 의해 상기 공급 유동(10)의 압력을 감소시키는 단계; 및
    - 용기(5) 내에 상기 공급 유동(10)을 수용하는 단계 - 상기 프로세스 매체로부터의 증발된 기체 유동은 상기 공급 유동(10)을 냉각하기 위해 상기 열교환기(3)에 의해 사용됨 - 를 포함하며,
    - 상기 공급 유동의 상기 냉각은 임의의 증발하는 액체 상 없이 제공되는, 방법.
13. 제12항에 있어서,
    - 상기 극저온 냉동 시스템(1)의 정상 작동 동안, 0.9 초과, 바람직하게는 0.98 초과인, 상기 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서의 상기 공급 유동(10)의 상기 프로세스 매체에 대한 상기 열교환기(3)의 상기 고온 단부(32)에서의 상기 증발된 기체의 온도 계수가 상기 열교환기에 의해 제공되고/되거나,
    - 상기 증발된 기체의 온도는 상기 열교환기(3)의 NTU 구성에 의해 제공되는 상기 극저온 냉동 시스템(1)의 정상 작동 동안 상기 열교환기(3)의 고온 단부(32)에서의 상기 프로세스 매체의 온도에 정합되는 것을 특징으로 하는, 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 공급 유동(10)은 가압 액체, 바람직하게는 액체 헬륨을 포함하고, 상기 압력 조절기(4)에 의해 상기 공급 유동(10)의 압력을 감소시키는 것은 상기 압력 조절기(4)의 하류측에서 2상 프로세스 매체(13) 유동을 제공하고, 상기 용기 내의 상기 증발된 기체는 대기압보다 낮은 압력에서 제공되고, 상기 공급 유동(10)의 상기 냉각은 바람직하게는 상기 도관(2)의 열교환기 섹션(2A)의 하류측에서 람다 포인트(lambda point)와 포화 온도 사이의 상기 프로세스 매체를 제공하고, 상기 용기(5)는 바람직하게는 상기 프로세스 매체의 액체 상(15)을 수집하여 열적으로 결합된 부하(6), 또는 등온 부하(6)를 제공하기 위해 상기 용기(5) 내의 상기 프로세스 매체의 상기 액체 상(15) 내에 배치된 부하(6)를 냉동하는, 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 유동(10)의 상기 냉각은 직렬로 또는 병렬로 배열된 복수의 열교환기 모듈들(3A, 3B, 3C)에 의해 직렬로 또는 병렬로 발생하고, 바람직하게는 상기 공급 유동(10)의 압력은 제2 압력 조절기(4B)에 의해 각각의 직렬로 배열된 열교환기 모듈(3A, 3C) 사이에서 감소되는, 방법.

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