KR20210012068A - 자기적 왕복 피스톤을 가지는 극저온 냉각기 - Google Patents

자기적 왕복 피스톤을 가지는 극저온 냉각기 Download PDF

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Abstract

가스가 냉동(refrigeration) 장치의 표면으로 노출될 때 가스를 액화하기 위해서 이용될 수 있는, 냉동 장치(예를 들어, 콜드헤드(coldhead)) 및 압력 파동 발생기를 포함할 수 있는 극저온 냉각기가 설명된다. 압력 파동 발생기가 하나 이상의 모터를 포함할 수 있다. 각각의 모터가 고정자, 및 그러한 고정자의 일부 주위로 권선된 적어도 하나의 전기 코일을 포함할 수 있다. 교류가 전기 코일을 통과할 때, 전기 코일이 전도(reversing) 자기장을 생성할 수 있다. 모터가, 고정자에 의해서 봉입되는 공간 내에 배치될 수 있는 가압 용기, 및 가압 용기 내부에 배치될 수 있는 피스톤을 더 포함할 수 있다. 고정자가 가압 용기 외부에 배치될 수 있다. 피스톤이, 대향하고 횡방향인 극성들을 가지는 자석들을 조합하는 것에 의해서 제조되고, 공통 왕복 축 상에서 인접하여 조합된다.

Description

자기적 왕복 피스톤을 가지는 극저온 냉각기{CRYOCOOLER WITH MAGNETIC RECIPROCATING PISTON}
관련 출원
본 특허출원은, 기재 내용 전체가 본원에서 참조로서 포함되는, 2013년 8월 2일자로 출원되고 명칭이 “외부 구동 극저온 냉각기(External Drive Cryocooler)"인 미국 가특허출원 제61/861,588호에 대한 우선권을 주장한다.
본원에서 설명되는 청구 대상은, 가스가 냉동(refrigeration) 장치의 표면으로 노출될 때 가스를 액화하기 위해서 이용될 수 있는, 냉동 장치(예를 들어, 콜드헤드(coldhead)) 및 압력 파동 발생기를 포함하는 극저온 냉각기에 관한 것이다. 보다 특히, 압력 파동 발생기는, 가압 용기 외부의 전자기적 고정자(stator)를 가지는, 하나 이상의 왕복 모터를 포함하고, 그러한 왕복 모터의 각각이 횡방향으로 대향하는 극성들을 가지는 자석들로 제조된 자기 피스톤을 포함하고, 피스톤은, 그러한 피스톤과 가압 용기 사이의 마찰을 최소화하면서, 가압 용기 내에서 활주하도록 구성된다.
많은 수의 환자가 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)와 같은 호흡기 질병을 앓고 있다. 그러한 환자의 폐의 감소된 효율성으로 인해서, 그러한 환자는 편안함 및 활동성을 지원하기 위한 보충적인 산소를 필요로 한다. 전형적으로, 환자에 의해서 이용되는 산소가 가압 가스, 또는 액화 산소로서 제공되고, 가압 가스나 액화 산소는 기체 산소 보다 더 콤팩트하고 경량의 저장을 가능하게 하고, 특히 환자가 이동하는 동안 유용하다. 비록 대부분의 액체 산소가 중앙 공급원으로부터 전달되지만, 산소의 현장(on-site) 액화가 통상적인 극저온 냉각기에 의해서 실시되는 것으로 공지되어 있다. 그러한 통상적인 극저온 냉각기가, 모터에 의해서 동력을 공급 받는 냉동 사이클을 포함한다. 그러한 모터는 고정자 및 피스톤을 포함하고, 그러한 고정자 및 피스톤 양자 모두는, 모든 다른 물질이 액체 또는 고체가 되기 시작할 때 낮은 온도에서 기체로 잔류하는 고-순도 작업 가스, 전형적으로 초고순도(ultrapure) 헬륨을 내부에 수용하기 위한 가압 베슬(vessel) 내에서 수 많은 다른 요소(예를 들어, 철, 전기 스틸, 요크(yoke), 및 다른 유사 재료와 같은 고투자율(high permeability) 재료로 제조된 여러 가지 요소)와 함께 포함된다. 이러한 통상적인 모터의 구조는 매우 복잡하고, 와이어 또는 그러한 와이어의 절연에서 문제가 발생할 수 있는 전자기적 고정자는, 가압 베슬을 파괴 또는 개방하는 것에 의해서만 수리되거나 교체될 수 있다. 따라서, 통상적인 모터 및 연관된 극저온 냉각기가 매우 고가이다.
하나의 양태에서, 고정자, 전기 코일, 가압 용기, 및 피스톤을 포함할 수 있는 모터가 설명된다. 고정자가 고투자율 재료의 회로를 중단시키는(interrupting) 공간을 형성할 수 있다. 전기 코일이 고정자의 부분 주위로 권선될(wound) 수 있다. 교류가 전기 코일을 통과할 때, 전기 코일이 고정자 내에서 그리고 고정자에 의해서 형성된 공간 내에서 전도(reversing) 자기장을 생성할 수 있다. 가압 용기가 고정자에 의해서 봉입된(enclosed) 공간 내에 배치될 수 있다. 피스톤이 가압 용기 내부에 배치될 수 있다. 피스톤이, 전도 자기장에 응답하여, 가압 용기 내에서 활주할 수 있다.
일부 변형예에서, 이하 중 하나 이상이 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 피스톤이, 대향하고 횡방향인 극성들을 가지는 제1 자석 및 제2 자석의 조합을 포함할 수 있다. 제1 자석 및 제2 자석이 공통 축 상에서 조합될 수 있다. 제1 자석 및 제2 자석의 각각이 원통형일 수 있다. 가압 용기의 실질적인 부분이 원통형일 수 있다. 제1 자석 및 제2 자석의 각각의 직경이 가압 용기의 원통형 부분의 내경과 실질적으로 동일할 수 있다. 고정자에 의해서 형성된 공간의 표면과 제1 자석 및 제2 자석 중 적어도 하나의 외측 표면 사이의 거리가 2 밀리미터 미만일 수 있다. 적어도 피스톤의 원주방향 부분이 저마찰 재료로 코팅될 수 있고, 그러한 저마찰 재료는, 피스톤이 가압 용기 내에서 활주할 때, 피스톤의 외측 표면과 가압 용기의 내측 표면 사이의 마찰을 최소화할 수 있다. 가압 용기 내의 피스톤의 활주가 공진 왕복 운동일 수 있다.
가압 용기가, 위상 네트워크(phasing network)를 포함하는 콜드헤드로 연결될 수 있다. 가압 용기 내의 피스톤의 공진 왕복 운동이, 가압 용기 및 위상 네트워크 내의 작업 유체의 발진(oscillating) 유동을 유도할 수 있다. 위상 네트워크 내의 작업 유체의 발진 유동이 콜드헤드의 적어도 일부의 온도 하강을 유도할 수 있다. 콜드헤드의 적어도 일부의 낮아진 온도가, 콜드헤드의 외부 표면에 대해서 노출된 가스의 액화를 유도할 수 있다. 작업 유체가: 헬륨, 수소, 이산화탄소, 및 아르곤 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 콜드헤드의 외부 표면에 대한 노출에 의해서 액화되는 가스가 산소일 수 있다.
가압 용기가 저전도성(low-conductivity) 및 비-강자성(non-ferromagnetic) 재료로 제조될 수 있다. 저전도성 및 비-강자성 재료가: 스테인리스 스틸, 인코넬(Inconel), 유리, 탄소, 및 티탄 합금 중 하나일 수 있다. 피스톤을 피스톤의 중간-행정 위치로 복귀시키는 경향을 가지는 복원력을 생성하기 위해서 고정자와 연계되는 복수의 자석을 피스톤이 포함할 수 있다. 전도 자기장으로 인해서 피스톤이 가압 용기 내에서 활주할 때 고정자 및 전기 코일이 대기(ambient air) 내에 위치될 수 있다. 가압 용기를 개방하거나 파괴하지 않고도, 고정자가 제거 및 교체될 수 있다.
다른 양태에서, 압력 파동 발생기 및 압력 파동 발생기와 유체적으로 커플링된 음향 로드(acoustic load)를 포함할 수 있는 시스템이 설명된다. 압력 파동 발생기가 하나 이상의 모터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 모터 중 적어도 하나의 모터가 고정자, 전기 코일, 가압 용기, 및 피스톤을 포함할 수 있다. 고정자가 고투자율 재료의 회로를 중단시키는 공간을 형성할 수 있다. 전기 코일이 고정자의 부분 주위로 권선될 수 있다. 교류가 전기 코일을 통과할 때, 전기 코일이 고정자 내에서 그리고 고정자에 의해서 형성된 공간 내에서 전도 자기장을 생성할 수 있다. 가압 용기가 고정자에 의해서 봉입된 공간 내에 배치될 수 있다. 피스톤이 가압 용기 내부에 배치될 수 있다. 피스톤이, 전도 자기장에 응답하여, 가압 용기 내에서 왕복할 수 있다.
일부 변형예에서, 이하 중 하나 이상이 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 음향 로드가: 스터얼링 사이클(Stirling cycle) 냉동기 및 펄스-튜브 음향-스터얼링 냉동기 중 적어도 하나일 수 있다. 하나의 예에서, 음향 로드가 압축기 헤드일 수 있다. 하나 이상의 모터가 적어도 2개의 모터를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 모터가 포함될 때, 그러한 모터가 압력 파동 발생기 내의 기계적인 진동을 제거하도록 기능적으로 조합될 수 있다. 가압 용기가 음향 로드로만 개방된 기밀 외장(gas-tight enclosure)의 일부일 수 있다. 음향 로드가 콜드헤드일 수 있다. 콜드헤드가 위상 네트워크를 포함할 수 있을 것이다. 가압 용기가 콜드헤드로 연결될 수 있다. 가압 용기 내의 피스톤의 왕복 운동이, 콜드헤드 및 가압 용기 내의 작업 유체의 발진 유동을 유도할 수 있다. 음향 로드 내의 작업 유체의 발진 유동이 음향 로드의 일부의 온도 하강을 유도할 수 있다. 음향 로드의 일부의 낮아진 온도가, 음향 로드의 외부 표면에 대해서 노출된 가스의 액화를 유도할 수 있다.
또 다른 양태에서, 가스들의 혼합물로부터 가스를 분리하도록 구성된 가스 공급원, 및 가스의 액화를 위해서 가스 공급원으로부터의 분리된 가스를 수용하도록 구성된 극저온 냉각기를 포함할 수 있는 시스템이 설명된다. 극저온 냉각기가 압력 파동 발생기 및 냉동 장치를 포함할 수 있고, 그러한 냉동 장치는, 가스가 냉동 장치의 외측 표면에 대해서 노출될 때, 가스를 액화시킨다. 압력 파동 발생기가 하나 이상의 왕복 모터를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 왕복 모터가, 공간을 형성하는 고정자를 포함할 수 있다. 전기 코일이 고정자의 부분 주위로 권선될 수 있다. 교류가 전기 코일을 통과할 때, 전기 코일이 고정자 내에서 그리고 고정자에 의해서 형성된 공간 내에서 전도 자기장을 생성할 수 있다. 적어도 하나의 왕복 모터가, 고정자에 의해서 형성된 공간 내에 배치될 수 있는 가압 용기를 더 포함할 수 있다. 전도 자기장에 응답하여 가압 용기 내에서 활주하는 것에 의해서 피스톤이 왕복하도록, 가압 용기가 피스톤을 봉입할 수 있다.
일부 변형예에서, 이하 중 하나 이상이 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 냉동 장치가 위상 네트워크를 포함할 수 있을 것이다. 가압 용기 내의 피스톤의 왕복 운동이, 냉동 장치 및 가압 용기 내의 작업 유체의 발진 유동을 유도할 수 있다. 냉동 장치 내의 작업 유체의 발진 유동이 냉동 장치의 일부의 온도 하강을 유도할 수 있다. 냉동 장치의 일부의 낮아진 온도가, 위상 네트워크를 포함하는 음향 로드의 외부 표면에 대해서 노출된 가스의 액화를 유도할 수 있다. 시스템이, 액화된 가스를 수집 및 저장할 수 있는 저장 베슬을 더 포함할 수 있다. 가스 공급원이, 가스들의 혼합물로부터 가스를 분리하는 공기 분리 장치일 수 있다. 하나의 예에서, 공기 분리 장치가 분자체(molecular sieve)일 수 있다. 다른 예에서, 공기 분리 장치가 복수의 열 교환기 채널을 포함하는 열 교환기를 포함할 수 있다. 가스들의 혼합물이 압축기에 의해서 압축된 가스들을 포함할 수 있다. 가스 공급원이 압축기로부터 가스들의 혼합물을 수용할 수 있다. 가스들의 혼합물이 대기일 수 있다. 분리된 가스가 기체 산소일 수 있다. 액화된 가스가, 한명 이상의 환자가 사용하는 적어도 하나의 의료용 장치로 제공되는 액체 산소일 수 있다.
콜드헤드, 음향 로드, 및 냉동 장치라는 용어가 본원에서 설명된 극저온 냉각기에 관한 문맥에서 상호 교환 가능하게 사용되었다는 것을 주목하여야 할 것이다.
관련 장치, 시스템, 방법, 기술 및 물품이 또한 설명된다.
본원에서 설명된 청구 대상이 많은 장점을 제공한다. 예를 들어, 가압 용기 외부에 위치되는 극저온 냉각기의 모터는, 가압 용기에 의해서 캡슐화된 가압된 부피를 파괴하지 않고, 고정자가 유리하게 제거 및 교체될 수 있게 한다. 가압 용기를 파괴하지 않는 고정자의 제거 가능성 및 교체 가능성은, 중요 서비스 또는 유지보수를 필요로 하지 않는 극저온 냉각기의 계속적인 동작 가능 시간을 연장시킬 수 있고, 그리고 극저온 냉각기의 비용을 상당히 낮출 수 있다. 유리하게, 외부 고정자는 권선의 와이어 내의 전류로부터 초래되는 저항 열의 개선된 냉각을 제공하고 압력 베슬 내의 고비용의 그리고 까다로운 전기적 피드-스루(feed-through)의 필요성을 제거하며, 그러한 피드-스루는, 그렇게 제거되지 않은 경우에, 내부 모터 권선으로 전류를 이송하기 위해서 필요할 수 있을 것이다. 또한, (제조 보조물 및 행정-종료 범퍼(end-of-stroke bumper)로서의 역할을 하는 알루미늄 캡과 같은, 임의의 비-자기적 캡을 포함하여) 피스톤만을 캡슐화하는 가압 용기는, 유리하게, 전체 모터를 내부에 봉입하기에 충분한 크기의 베슬 보다 훨씬 더 작고 중량이 가벼우며 단순하고 거의 관형인 구조물을 제공하고, 그에 따라 제조가 용이하다. 또한, 본원에서 설명된 극저온 냉각기의 구조 및 재료는 유지보수가 없이도 몇 년의 동작 수명을 보장할 수 있고, 그러한 몇 년의 동작 수명이 중요할 수 있는데, 이는 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 같은 호흡기 질병을 치료하기 위한 평균 지속시간이 2 내지 3년일 수 있기 때문이다.
본원에서 설명된 청구 대상의 하나 이상의 변경에 관한 상세 내용이 첨부 도면 및 이하의 설명에서 기술된다. 본원에서 설명된 청구 대상의 다른 특징 및 장점이 설명 및 도면, 그리고 청구항으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 산소와 같은 가스를 액화하기 위해서 이용되는 극저온 냉각기를 포함하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 냉동 프로세스 및 극저온 냉각기의 연관된 구조적 양태를 도시한 도면이다.
도 3은 극저온 냉각기를 포함하는 대안적인 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 극저온 냉각기 내의 2개의 왕복 모터 중 하나의 왕복 모터를 도시한 도면이다.
도 5는 극저온 냉각기의 왕복 모터의 사시도를 도시한 도면이다.
도 6은 극저온 냉각기 내의 왕복 모터의 자기 피스톤을 도시한 도면이다.
도 7은, 극저온 냉각기의 왕복 모터의 가압 용기 내에 배치되도록 구성된 자기 피스톤의 내부 단면도를 도시한 도면이다.
도 8은 극저온 냉각기를 구축 또는 조립하기 위해서 이용되는 구성요소의 분해도를 도시한 도면이다.
도 9는 조립된 극저온 냉각기의 일부 구성요소를 도시한 도면이다.
도 10은 극저온 냉각기를 도시한 다른 도면이다.
도 11은 극저온 냉각기 내의 왕복 모터의 고정자의 대안적인 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 극저온 냉각기 내의 왕복 모터의 고정자의 다른 대안적인 구성을 도시한 도면이다.
유용할 때, 여러 도면들 내의 유사한 참조 번호 및/또는 참조 부호가 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 산소와 같은 가스를 액화하기 위해서 이용되는 극저온 냉각기(102)를 포함하는 시스템(101)을 도시한 도면(100)이다. 시스템(100)이 압축기(104), 공기 분리기(예를 들어, 압력-스윙(swing) 흡착성 산소 농축기와 같은; 그리고 또한 공기 분리 장치로서 지칭되는, 농축기)(106), 및 저장 베슬(예를 들어, 듀어(dewar)와 같은 플라스크)(108)을 더 포함할 수 있다. 압축기(104)가, 약 78% 질소, 약 21% 산소, 그리고 이산화탄소, 메탄, 수소, 아르곤, 및 헬륨으로 이루어진 나머지 1%의 혼합물일 수 있는 대기(110)를 수용할 수 있다. 압축기(104)가 대기(110)를 압축하여 압축 공기(112)를 형성할 수 있다. 공기 분리기(106)가 압축기로부터 압축 공기(112)를 수용할 수 있고, 산소와 같은 필요 가스(114)를 압축 공기(112) 내의 다른 가스(예를 들어, 질소, 이산화탄소, 메탄, 수소, 아르곤, 및 헬륨)로부터 실질적으로 분리할 수 있다. 공기 분리기(106)가, 그에 따라 배출 가스(116)로서 또한 지칭되는 이러한 다른 가스를 배기할 수 있다. 극저온 냉각기(102)가, 외부 표면(예를 들어, 저온 선단부)(120)을 가지는 냉동 장치(예를 들어, 핵심적인 저온-핑거(cold-finger)로 구성될 수 있는 콜드헤드)(118)를 포함할 수 있다. 가스(114)가 외부 표면(예를 들어, 저온 선단부)(120)과 접촉할 때, 가스(114)가 액화되어 액화 가스(122)를 형성할 수 있다. 저장 베슬(108)이 액화 가스(122)를 저장할 수 있다. 필요에 따라 그리고 필요할 때, 액화 가스(122)가 저장 베슬(108)로부터 추출될 수 있다.
극저온 냉각기(102)가, 약 150 켈빈(150 K) 미만의 온도에서 가스(114)를 액화시킬 수 있는 냉동기이다. 이러한 액화를 실시하면서, 극저온 냉각기(102)가 약 0 ℃ 내지 약 40 ℃의 일반적인 주변 온도로 열을 방출할 수 있다.
도면(200)(이하에서 설명됨)은 극저온 냉각기(102) 및 그러한 극저온 냉각기의 구조적 요소에 의해서 실시되는 냉동 프로세스를 설명하고; 도면(300)(이하에서 설명됨)은 전술한 시스템(101) 대신에 이용될 수 있는 대안적인 시스템을 설명하며; 도면(400 및 500)(이하에서 설명됨)은 극저온 냉각기(102)의 바람직한 구현예에서 2개의 왕복 모터 중 하나의 왕복 모터를 설명하며; 도면(600)(이하에서 설명됨)은 극저온 냉각기(102)의 각각의 왕복 모터 내에서 사용되는 자기 피스톤을 설명하며; 도면(700)(이하에서 설명됨)은 각각의 왕복 모터 내에서 사용되는 자기 피스톤의 다른 도면을 도시하며; 도면(800)(이하에서 설명됨)은 극저온 냉각기(102)의 바람직한 구현예를 구축하기 위해서 사용된 구성요소의 분해도를 설명하며; 도면(900)(이하에서 설명됨)은 극저온 냉각기(102)의 바람직한 구현예의 내부 구조를 설명하며; 도면(1000)(이하에서 설명됨)은 극저온 냉각기(102)의 바람직한 구현예의 외부도를 설명하고; 도면(1100) 및 도면(1200)(이하에서 설명됨)의 각각은 극저온 냉각기(102)의 각각의 왕복 모터 내에서 고정자 및 전기 코일(들)의 가능한 구성을 설명한다.
액화 가스(122)가, 저장 베슬(108)로부터 추출될 수 있고 산소 수용 장치로 제공될 수 있는 액화된 산소일 수 있고, 그러한 산소 수용 장치는, 예를 들어, 산소 증발기(또는 재증발기) 및 환자가 사용하는 연관된 흡입기를 구비하는 휴대용 액체 산소 병이다. 이러한 환자가 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)와 같은 호흡기 질병을 앓는 사람일 수 있다.
공기 분리기(106)가 분자체를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 공기 분리기가, 이하에서 도면(400)에 의해서 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 가스를 운송하도록 구성된 복수의 열 교환기 채널을 포함할 수 있다.
도 2는 냉동 프로세스 및 극저온 냉각기(102)의 연관된 구조적 양태를 도시한 도면(200)이다. 극저온 냉각기(102)가 압력 파동 발생기(202) 및 콤팩트한 냉동 장치(예를 들어, 콜드헤드)(118)를 포함할 수 있다. 압력 파동 발생기(202)가 선형 왕복 모터(204 및 206)에 의해서 구동될 수 있고, 선형 왕복 모터의 각각이 도면(500 및 600)에 의해서 이하에서 보다 구체적으로 설명된다. 냉동 장치(118)가 음향 스터얼링(펄스-튜브) 콜드헤드일 수 있다. 냉동 장치(118)가 온난(warm) 열 교환기(208), 재생기(210), 저온 열 교환기(212), 열적 버퍼 튜브(214), 제2 온난 열 교환기(216), 음향 관성(inertance) 튜브(218), 및 컴플라이언스(compliance) 탱크(220)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 냉동 장치(118)가 저온 열 교환기(212)에서 겹쳐져서(folded over) 핵심적인 저온 구역(즉, 저온 선단부(120))을 생성할 수 있다.
극저온 냉각기(102)에 의해서 실시되는 냉동 프로세스가 일반적으로 다음과 같은 기능을 한다. 압력 파동 발생기 내의 왕복 모터 내의 피스톤의 왕복 운동이, 극저온 냉각기(102) 내의 평균 압력(장입(charge) 압력)에 대해서 작업 유체(예를 들어, 헬륨, 또는 다른 구현예에서 임의의 다른 유사한 하나 이상의 가스)를 주기적으로 압축 및 팽창시킨다. 피스톤의 각각의 정방향 행정에서, 일부 작업 유체가 온난 열 교환기(208)를 통해서 이동하고, 그러한 온난 열 교환기에서 열이 제거된다. 작업 유체가 재생기(210)를 통해서 계속되고, 이는 저온 열 교환기(212)에 도달하기 전에 작업 유체를 미리 냉각시킨다. 작업 유체가 저온 열 교환기(212)를 향해서 이동함에 따라, 음향 네트워크(열적 버퍼 튜브(214), 제2 온난 열 교환기(216), 및 저장용기(220)를 포함한다) 내의 가스가 또한, 원거리의 컴플라이언스 탱크를 향한 피스톤 정방향 이동으로부터의 증가된 압력에 의해서 구동되어, 동일한 방향으로 이동할 수 있다. 피스톤이 그들의 상한선에 도달할 때 피스톤 및 열 교환기의 영역 내의 국소적인 작업 유체가 전진을 중단할 때에도, 음향 네트워크 내의 작업 유체가, 고속 음향 관성 튜브(218) 내의 그 자체 관성 및 컴플라이언스 탱크 내의 거의 일정한 평균 압력에 의해서 구동되어, 계속적으로 이동한다. 음향 관성 튜브(218) 내의 작업 유체의 이러한 이동이 가상의 피스톤과 같이 작용하여, 저온 교환기(212)로부터 멀리 이동하고, 해당 지역 내에서 작업 유체를 팽창시킨다. 작업 유체가 팽창함에 따라, 그러한 작업 유체가 그 주위 표면 및 외부 로드, 예를 들어 그러한 표면으로 노출된 그리고 냉각 또는 액화하고자 하는 가스(114)로부터 열을 수집한다. 피스톤이 후퇴하기 시작할 때, 압력을 평균 미만으로 국소적으로 낮추고, 이어서 작업 유체의 상당 부분이 재생기(210) 및 온난 열 교환기(208)를 통해서 뒤쪽으로 이동한다. 관성에 의해서 여전히 지연된 음향 네트워크 내의 작업 유체가 추후에 뒤따르고, 다시 가상의 피스톤으로서 작용하여, 보다 많은 유체를 온난 영역 내로 구동하고, 사이클이 온난 구역에서의 압축으로 다시 시작된다. 극저온 냉각기(102)의 왕복 모터 및 온난 배출(warm rejection) 열 교환기(208 및 216)이 국소적인 공기, 물 및/또는 선택적인 폐쇄 루프 냉각 시스템에 의해서 냉각될 수 있고, 그러한 폐쇄 루프 냉각 시스템이 저장용기, 펌프 및 액체-대-공기 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기(212)가, 냉동되는 저온 영역이고, 그에 따라 열적으로 커플링된 임의 로드로 냉각을 제공한다.
도 3은 극저온 냉각기(102)를 포함하는 대안적인 시스템(302)을 도시한 도면(300)이다. 그러한 시스템(302)이: 공기-전달 장치(304)(예를 들어, 공기 펌프 또는 송풍기); 유동-제어 밸브(306); 제1 채널(310), 제2 채널(312), 및 제3 채널(314)을 포함하는 관류식(recuperative) 열 교환기(308); 저장 베슬(108); 극저온 냉각기(102); 기체 산소 배출구(320); 액화 산소 배출구(122); 및 배기/폐기-공기 배출구(324)를 포함할 수 있다.
공기-전달 장치(304)가 질소, 산소, 미량(trace)의 아르곤, 수증기, 이산화탄소, 및 다른 소량의 원소를 포함할 수 있는 공기의 연속적인 유동을 제공할 수 있다. 공기가 열 교환기(308)의 제1 채널(310) 내로 지향될 수 있고, 그러한 열 교환기 내에서 제1 채널 내의 공기가 제2 채널(312) 내의 가스 스트림으로 그리고 가능하게는 제3 채널(314) 내의 가스 스트림으로 열을 제공할 수 있다. 제1 채널(310) 내의 공기가 열을 잃음에 따라, 공기의 온도가 낮아질 수 있다. 제1 채널(310) 내의 공기의 온도가 낮아질 때, 이러한 공기의 일부 구성요소(예를 들어, 물 및 이산화탄소)가 응축되거나 동결될 수 있는데, 이는 그러한 구성요소의 상-변화의 온도(이하에서 설명됨)가 질소, 산소, 및 아르곤과 같은 다른 구성요소의 상-변화의 온도(이하에서 설명됨) 보다 상당히 높기 때문이다. 예를 들어: 물이 273 K의 정상 응축 온도, 및 0.1 내지 2.8%의 표준 대기 내의 분율(fraction in standard atmosphere)을 가지고; 이산화탄소가 195 K의 정상 응축 온도, 및 0.035%의 표준 대기 내의 분율을 가지며(CO2 가 직접적으로 동결되고 승화되며, 액체 상은 없다); 산소가 90.2 K의 정상 응축 온도, 및 20.95%의 표준 대기 내의 분율을 가지며; 아르곤이 87.3 K의 정상 응축 온도, 및 0.93%의 표준 대기 내의 분율을 가지고; 질소가 77.4 K의 정상 응축 온도, 및 78.1%의 표준 대기 내의 분율을 갖는다.
잔류하는 냉각된 가스(즉, 질소, 아르곤, 산소, 및 미량 성분(trace))가 극저온 저장 베슬(108) 내로 전달될 수 있고, 그러한 가스가, 저장 베슬(108)에서, 극저온 냉각기(102)에 의해서 대략적으로 80 켈빈 내지 90 켈빈의 온도로 냉각된 냉동 표면으로 노출될 수 있다. 그러한 표면으로의 열 전달에 의해서 가스로부터 추출된 열이 산소, 아르곤, 및 소량의 질소를 용액으로 응축시킬 수 있다. 산소, 아르곤, 및 다른 소량의 구성요소의 미량 성분과 함께 응축되지 않은 질소가 저장 베슬(108)을 통과할 수 있고, 그리고 열 교환기(308)의 제2 채널(312)로 재진입할 수 있다. 제2 채널(312) 내에서, 산소, 아르곤 및 다른 소량의 구성요소의 미량 성분과 함께 질소가, 제1 채널(310) 내의 유입 스트림으로부터 열을 흡수할 수 있다. 이어서, 가스 스트림이 유동-제어 밸브(306)를 통과할 수 있고, 그리고 이어서 배기 배출구(324)를 통해서 빠져나갈 수 있다. 산소-부화(rich) 액체 응축물이 저장 베슬(108) 내에 부분적으로 축적될 수 있고, 열 교환기(308)의 제3 채널(314)을 통해서 부분적으로 지향될 수 있다. 제3 채널(314) 내의 산소-부화 액체 응축물이, 소모 요건에 따라서, 기체 산소 배출구(320)를 통해서 배출될 수 있다. 축적된 응축물이 요구될 때까지(예를 들어, 이동 환자에 의한 소비를 위해서 요구될 때까지) 저장될 수 있고, 이어서, 요구될 때, 소비를 위한 액체로서 인출된다.
열 교환기(308) 내의 온난한 응축물이 유입 공기의 연속되는 유동으로부터 축적됨에 따라, 유동을 유지하기 위해서 필요한 압력이 높아질 수 있다. 압력 상승, 고정된 압력에서의 유동의 감소, 및 미리 셋팅된 시간 간격의 경과 중 하나가 발생될 때, 제어기(미도시)가 유동-제어 밸브(306)를 다른 위치로 스위칭할 수 있다: 유동-제어 밸브(306)를 다른 위치로 스위칭하는 것이, 제1 채널(310) 및 제2 채널(312)에 대한 공기 유입구 및 배기부 사이의 각각의 연결을 반전시킬 수 있다. 이러한 반전은, 개방 채널 및 열 교환기(308)를 통한 자유로운 공기 유동을 유지하면서, 온난 응축물의 재-비말동반(entrainment)을 가능하게 할 수 있다.
시스템(302)의 일부 변형예에서, 이하 중 하나 이상이 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 공기-전달 장치(304)가 배기 배출구(324)의 다른 측부(side) 상에 위치되어 유동을 밀어내기 보다 유동을 끌어 당길 수 있다. 열 교환기(308)가, 열 교환기(308) 내에서 응축된 액체의 수집 및 제거를 중력이 도울 수 있도록 배향될 수 있고, 특히 종(species)의 분리(예를 들어, 분류기(fractionator))를 보조하기 위한 고-표면 충진 요소(high-surface filling element)를 구비할 수 있다. 시스템(302)이, 필요에 따라, 보조적인 전기 성에 제거(defrost) 사이클의 간헐적인 부가를 허용할 수 있다. 시스템(302)이 기체 및 액체 제품의 분배를 제어하기 위한 보다 많은 밸브를 포함할 수 있다. 시스템(302)이 제2의 휴대용 저장 베슬(예를 들어, 듀어) 또는 액체 산소 탭(tap)을 더 포함할 수 있다. 시스템(302)이, 응축수의 일부를 산소 스트림으로 다시 부가하기 위한 재가습기를 포함할 수 있다. 시스템(302)이, 필터 및/또는 응축기와 같은, 예비-정제기를 포함할 수 있다. 액체 산소가 유일한 희망 제품인 적용예에서, 기체 산소 탭 및 열 교환기(308)의 제3 채널(314)이 제거될 수 있다.
몇몇 변형예에서, 이하 중 하나 이상이 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 불완전한 열 교환으로 인해서 주변 유동 보다 여전히 저온일 수 있는 배기 공기가, 극저온 냉각기 열 방출을 위한 냉각 공기 유동으로서 이용될 수 있다. 그에 따라, 공기 펌프의 이중적 이용이 획득될 수 있고 방출 온도를 낮추는 것에 의해서 냉각기 효율이 개선될 수 있다. 역으로, 유입구 공기가 냉각기 방출 표면 위로 먼저 당겨질 수 있고, 그에 의해서 교환기 스트림들 사이의 온도 차이를 증가시켜 낮은 비용을 위한 보다 작은 교환기를 가능하게 할 수 있다. 열 교환기가 냉동 장치(예를 들어, 콜드헤드)(118)와 병렬로 그리고 열적으로 접촉하여 배치될 수 있고, 그에 의해서 열적 구배(thermal gradient)를 공유하고 (구배를 따른) 효과적으로 높은 온도 및 상응하는 높은 효율로 요구 냉동의 일부 부분을 제공한다. 기체 산소만이 요구되는 목적(예를 들어, 용접)의 경우에, 저장 베슬(108)이 생략될 수 있고, 열 교환기(308)의 제3 채널(314) 내에서의 산소의 재-기화에 앞서서, 액체 산소를 다른 가스로부터 분리하기 위한 작은 응축 챔버 만을 보유할 수 있다.
일부 변형예에서, 이하 중 하나 이상이 개별적으로 또는 임의의 가능한 조합으로 구현될 수 있다. 시스템(302)을 이용하여 다른 종을 공기 이외의 혼합물로부터 정제할 수 있다. 예를 들어, 시스템(302)을 이용하여, 온난 응축물을 위한 반전 유동-재-비말동반, 및 희망 순도 응축물을 위한 격리된 수집 챔버 및 배출구 스트림으로 유사한 순차적인 응축을 실시하는 것에 의해서, 천연 가스 내의 탄화수소의 혼합물로부터 부탄을 격리시킬 수 있다. 냉각되고 재-가열되는 공기의 질량을 최소화하기 위해서, 시스템(302)을 통해서 제공되는 공기 유량이 이용 가능한 냉각 용량 및 동작 온도와 관련하여 제어될 수 있다. 예를 들어, (하나의 단부 상에서 배기 배출구(324)로 부분적으로 그리고 유입구로 부분적으로 연결된) 유입구 매니폴드에 대해서 서서히 회전하는 회전식 열 교환기에서, 많은 채널의 각각이 일 단부에서 유입구 및 배기부와 순차적으로 접촉하게 하고, 타 단부에서 응축 챔버로 항상 연결되게 하는 것에 의해서, 유동-제어 밸브(306)가, 열 교환기(308)와 통합될 수 있다.
비록 전술한 변경의 일부가 시스템(302)에 대해서 설명되었지만, 가능하고 실행될 수 있을 때, 이러한 변경이 또한 시스템(101)에 대한 대안적인 구현예가 될 수 있다.
도 4는 극저온 냉각기(102)의 2개의 왕복 모터(204 및 206) 중 하나의 왕복 모터(204)를 도시한 도면(400)이다. 왕복 모터(204)가 가압 용기(예를 들어, 이하에서 설명되는 도면(500)에 의해서 보다 분명하게 도시되는 바와 같은, 기밀 실린더)(404) 내에 배치되는 영구-자석 피스톤(402)(이하에서 설명되는 도면(600 및 700)에 의해서 보다 분명하게 도시되는 바와 같다)을 포함할 수 있다. 피스톤(402)이 가압 용기(404) 내에서 선형적으로 활주하도록 구성된다. (도면(500)에서 더 분명하게 도시된) 고정자(406)가 빈 공간 주위로 대면하는 자극(磁極)의 쌍을 형성할 수 있고, 그러한 빈 공간 내에는 가압 용기(404)가 배치될 수 있다. 하나 이상의 전기 코일(408)이 고정자(406)의 하나 이상의 위치 주위로 권선될 수 있다. 고정자 코어의 형상 및 고정자(406)에 대한 전기 코일(408)의 위치에 관한 보다 많은 예가 도면(1100 및 1200)에 의해서 설명된다. 전류가 하나 이상의 전기 코일(408)을 통과할 때, 자기 피스톤의 적어도 일부를 밀어 내거나 끌어 당기고, 그에 의해서 자기 피스톤(402)의 이동을 유도하는 전자기장이 극 면(pole face) 사이의 공간 내에서 생성된다. 그에 따라, 고정자 코일(408) 내의 교류의 인가는 용기(404) 내의, 그리고 일반적으로 고정자(406)의 주요 평면을 가로지르는 자기 피스톤의 전도 운동(즉, 왕복)을 추진한다.
피스톤과 가압 용기(404) 사이의 갭이 매우 작도록, 자기 피스톤(402)이 가압 용기(404) 내에서 활주하게끔 구성될 수 있다. 작은 갭은 피스톤에 대한 가스 밀봉부로서의 역할을 하며, 피스톤 주위의 최소 우회 누설로, 압력의 효율적인 전달 및 피스톤으로부터의 유동을 보장한다. 예를 들어, 피스톤(402)과 가압 용기(404) 사이의 갭의 반경방향 폭에 대한 값의 범위가 0 미크론 내지 25 미크론 사이일 수 있다.
자석의 횡방향 당김이 고정자(406)의 보다 근접한 극(pole)을 향해서 더 강하고, 피스톤이 그 용기(404) 내에서 자유롭게 이동하기 때문에, 피스톤(402)이 일반적으로 실린더(404) 내에서 하나의 측부를 향해서 편승하고(ride) 터치하며(반경방향 간극이 0 미크론이 될 수 있다), 실린더(404) 내의 다른 대각선 방향으로 반대되는 측부로부터 더 멀어진다(반경방향 간극이 최대 값, 예를 들어 25 미크론이 될 수 있다). 실린더(404)와 계속적으로 터치하는 피스톤(402)의 측부 사이의 마찰을 최소화하기 위해서, 피스톤(402)의 외측 원주방향 표면이, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 화합물과 같은 저마찰 재료(512)(이하에서 설명되는 도면(600)에 도시됨)로 커버될 수 있다.
일반적으로 원통형인 피스톤(402)이 제1 자석 부분(602) 및 제2 자석 부분(604)(자석 부분(602 및 604)이 도면(600)에서 명백하게 도시되어 있다)을 포함할 수 있고, 피스톤(402)의 축방향 단부가 비-자기 캡(410)(예를 들어, 알루미늄 캡; 그리고 또한 도면(600 및 700)에서 도시됨)을 포함할 수 있고, 이는 제조자로 하여금 일반적인 도구로 자기 피스톤(402)을 보다 용이하게 취급하고 프로세스할 수 있게 한다. 제1 자석(602) 및 제2 자석(604)이 피스톤(402) 내에서 축방향으로 인접하고, 대향하는 그리고 횡방향적인 극성들을 가질 수 있다.
자기 피스톤(402)의 2개의 자석이, 모터(204 또는 206)의 피스톤 조립체의 이동 질량을 최소화할 수 있는 고강도 철-네오디뮴 재료로 제조될 수 있다. 적은 이동 질량이 이하의 관점에서 유리할 수 있다. 이러한 이동 질량은 약간의(some) 주파수의 공진을 달성하기 위해서 상응하는 경직성(stiffness)에 의해서 이동/스윙되어야 하고, 이동하는 질량의 모멘텀이 진동을 유도한다. 적은 이동 질량이 유리하게 진동을 작게 하고, 보다 가벼운 스프링(자기장 및 가스 압력 모두로부터 초래되는, 그러한 스프링을 제공하는 것과 연관된 적은 손실)을 요구한다.
자기 피스톤(402)의 자석이, 그들의 중심을 동축적으로 고정(key)하기 위해서 자기 피스톤(402)을 통한 타이-로드(tie-rod)를 이용하도록 축방향으로 보어 가공될(bored) 수 있다. 피스톤(402) 내의 자석의 길이가 자기 피스톤(402)의 행정의 길이 보다 길 수 있을 것이다(즉, 실질적으로 적어도 그러한 행정의 길이와 같다).
가압 용기(404)가 저전도성 및 비-강자성 재료로: 예를 들어, 스테인리스 스틸, 인코넬, 유리, 탄소, 티탄 합금, 및 임의의 다른 유사한 재료 중 하나 이상으로 제조될 수 있다. 저전도성 및 비-강자성 재료가 큰 인장 강도를 가질 수 있고, 그러한 큰 인장 강도는, 가압 용기(404)의 벽이 얇을 수 있도록 허용하고, 그에 의해서, 최적의 플럭시 연계(flux linking) 및 효율을 위한, 고정자(406)와 자기 피스톤(402) 사이의 연장 갭(running gap)의 최소화를 허용한다. 하나의 대안적인 구현예에서, 가압 용기(404)가 유리로 제조될 수 있다. 가압 용기(404)가 자속의 통과를 허용할 수 있으나, 변화되는 내부의 자속의 영향 하에서의 전도성 재료 내의 와전류 및 이력 현상(hysteresis)으로부터 초래되는 에너지 낭비를 제한하기 위해서 얇아야 할 뿐만 아니라 전기적으로 저항적이어야 한다. 보다 특히, 가압 용기(404)의 전기 비저항이 바람직하게 미터당 5e-7 오옴 초과이어야 한다.
고정자(406)가 철과 같은 고투자율의 전기 절연 분말로 몰딩될 수 있다. 하나의 구현예에서, 고정자(406)가, 전기 전도체(408) 주위에 적층, 본딩, 및 권선되는 고투자율 재료(예를 들어, ARMCO의 M-15와 같은 전기 스틸)의 라미네이트를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 왕복을 위해서, 몰딩된 또는 축방향 라미네이트 적층체인, 고정자(406)의 전체 두께가 자기 피스톤(402)의 최대 행정 보다 두꺼워야 하고, 이는 다시 자석(602 또는 604)의 길이 보다 짧아야 한다.
자기 피스톤(402)의 최대 행정 보다 큰 고정자(406)의 이러한 두께가 이하의 이유에 비추어 볼 때 유리할 수 있다. 양 자석의 일부 부분이 고정자(406)의 두께 내에서 유지되기만 한다면, 고정자(406)와 자석 사이의 플럭스 연계가 왕복 피스톤(402)의 위치(예를 들어 휴지기(rest)에 있고 작동 중이 아닐 때, 고정자에 대해서 일반적으로 축방향으로 센터링된다)에 대해서 거의 선형적이다. 즉, 모터가 휴지기에 있고 동작하지 않을 때 일반적인 바와 같이 고정자 두께가 각각의 자석과 절반씩(half-and-half) 정렬되는 경우에, 그들의 공통 접합부(joint)가 고정자(406)의 중간에 있기 때문에, 자석 상으로의 축방향 힘이 영이 된다. 그러나, 피스톤이 왕복함에 따라, 그리고 자석들 사이의 중간선 접합부가 고정자의 중간-평면으로부터 멀리 이동함에 따라, 피스톤과 고정자 사이의 축방향 힘이 이하에 따라 변화된다: (하나의 자석의 일부가 고정자(406)를 빠져나가도록 그리고 다른 자석의 상응하는 양이 고정자(406)로 진입하도록) 피스톤(402)이 이동함에 따라, 복원력이 발생하여 빠져나가는 자석을 역으로 당기고, 그러한 힘은, 다른 자석이 유입될 때 하나의 자석의 동일한 양이 빠져나가는 한, 변위에 비례한다. 만약 고정자(406)의 두께가 피스톤(402)의 행정 보다 짧다면, 더 이상 그러한 것이 이루어지지 않는데, 이는, 다른 자석이 고정자(406)와 정렬되어 완전히 내부에 있는 동안, 하나의 자석이 완전히 외부에 있을 것이고 여전히 멀리 이동할 것이기 때문이고, 추가적인 이동이 피스톤(402)과 고정자(406) 사이의 플럭스 연계의 변화를 생성하지 않기 때문이다.
고정자(406)가 공기-냉각될 수 있고, 공기 유동 및 팬(fan)을 공유하기 위해서 (도 300, 800, 및 900)과 관련하여 또한 설명되는 바와 같이) 극저온 냉각기(102) 내의 열적 섹션의 일차적인 열 방출기에 인접할 수 있다. 또한, 원통형 피스톤 외장을 벗어나 활주하는 것에 의해서, 가압 용기(404)에 의해서 캡슐화된 가압 부피 내로 침입하지 않고, 고정자(406)가 제거/교체될 수 있다. 고정자(406)를 형성하는 재료의 투자율이 다른 근접한 재료(예를 들어, 피스톤(402)을 캡슐화하는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 화합물, 또는 가압 용기(404)를 포함하는 스테인리스 스틸)의 투자율의 적어도 백배일 수 있다. 고정자(406) 및 연관된 전기 코일/권선(408)이 대기 중에 배치될 수 있고, 그러한 곳에서 그들이 용이하게 냉각되고 전원으로 용이하게 연결된다.
하나의 구현예에서, 피스톤(402)의 축방향 길이가 피스톤(402)의 최대 행정의 2배 보다 더 길 수 있다. 일부 구현예에서, 피스톤(402)의 축방향 길이가 고정자(406)의 축방향 길이 보다 길 수 있다.
도 5는 극저온 냉각기(102)의 왕복 모터(204 또는 206)의 사시도를 도시한 도면(500)이다.
도 6은 극저온 냉각기(102)의 왕복 모터(204 또는 206)의 자기 피스톤(402)을 도시한 도면(600)이다. 자기 피스톤(402)은, 전도 자기장들을 생성할 수 있는 2개의 횡방향으로 배향된 자석들(602 및 604)을 포함할 수 있다. 자기 피스톤(402)이 상당한 마찰이 없이 가압 용기(404) 내에서 용이하게 활주할 수 있도록, 자기 피스톤(402)이 저마찰 재료(412)(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 화합물)에 의해서 커버/캡슐화될 수 있다. 다른 화합물 또는 동일한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 화합물일 수 있는 상이한 또는 동일한 저마찰 재료를 이용하여 비-자기 캡(예를 들어, 알루미늄 캡)(410)을 커버/캡슐화할 수 있다. 자석(602 및 604)이 고정자(406)와 연계되어 복원력을 생성할 수 있고, 그러한 복원력은, 피스톤(402)이 가압 용기(404) 내에서 활주에 의해서 왕복할 때, 피스톤(402)의 중간-행정 위치 주위에서 피스톤이 계속 왕복하게 하는 경향을 갖는다.
도 7은, 극저온 냉각기(102)의 왕복 모터(204 또는 206)의 가압 용기(404) 내에 배치되도록 구성된 자기 피스톤(402)의 내부 단면도를 도시한 도면(700)이다. 가압 용기(404)가, 내부 작업 유체(가스 스프링으로서 기능한다)의 포획된 부피를 형성하기 위해서 일 단부에서 폐쇄되고 극저온 냉각기(102)의 냉동 부분과 유체적으로 연통하도록 타 단부에서 개방된 얇은 벽의 실린더로서 구성되고, 피스톤(402)에 대해서 밀접하게 피팅되어, 밀봉부를 제공하고 그에 의해서, 피스톤(402)이 용기(404) 내에서 왕복할 때, 용기 내부에서 압력 파동을 유도한다. 피스톤(402)과 가압 용기(404) 사이의 갭의 반경방향 폭이 전술한 바와 같이 0 미크론 내지 25 미크론일 수 있다.
도 8은 극저온 냉각기(102)의 바람직한 구현예를 구축 또는 조립하기 위해서 이용되는 구성요소(802)의 분해도를 도시한 도면(800)이다. 그러한 구성요소들(802)이 조합되어, 이하에서 설명되는 도면(900)에서 도시된 바와 같은, 극저온 냉각기(102)를 형성할 수 있다. 구성요소(802)가: 2개의 피스톤(402)으로서, 각각의 피스톤(402)이 (a) 대향되고 횡방향인 극성들을 가지는 2개의 자석들, 및 (b) 2개의 비-자기적 캡(예를 들어, 알루미늄 캡)으로 제조되는, 2개의 피스톤(402); 각각의 피스톤(402)을 캡슐화하도록 구성된 2개의 원통형 용기(404); 각각의 가압 용기(404)를 캡슐화하도록(보다 구체적으로, 각각의 가압 용기(404)의 일부 주위로 밀접하게 피팅하도록) 각각 구성된 모터 고정자(406); 모터 고정자(406)의 일부 주위로 권선된 전기 코일(408); 용기(404)를 따라서 미리 결정된 위치 위에 모터 고정자(406)를 배치하도록 각각 구성된 모터 이격부재(803); 고압이 가압 용기(404) 내에서 유지될 수 있게 보장하기 위해서 각각의 가압 용기(404)를 폐쇄하도록 각각 구성된 단부 캡(804); 가압 용기(404)의 다른 단부들에 연결된 피팅(806)으로서, 각각의 피팅(806)이, 헬륨(또는 극저온 냉각기(102) 내의 작업 유체로서 이용되는 임의의 다른 유사한 가스)이 피팅(806)을 통과할 수 있게 하는 홀을 가지는, 피팅(806)을 포함할 수 있다. 구성요소(802)가, 해당 냉동 장치로 유체적으로 커플링될 때 연관되는 가압 용기(404) 내의 피스톤(402)의 이동으로부터의 압력 파동에 의해서 구동되는 냉동 장치(예를 들어, 콜드헤드)(118)를 더 포함한다. 냉동 장치가: 저온 열 교환기(212), 재생기 디스크(808)(참조를 위해서 3개의 재생기 디스크(808)만이 도시되어 있고, 보다 많은 재생기 디스크(808)가 극저온 냉각기(102)를 조립하는데 있어서 요구된다); 버퍼 튜브(214); 주변(ambient) 열 교환기(216); 및 음향 관성 튜브(218)를 포함한다. 구성요소(802)가, 도면(900)에 의해서 도시된 바와 같이, 냉동 장치(118)와 컴플라이언스 탱크(220) 사이의 모든 구성요소를 포함하는, 메인 본체(812)를 포함한다. 구성요소(802)가 열 방출기(810)를 더 포함하고, 냉동 장치(118)로부터 열을 제거/방출하기 위해서, 각각의 열 방출기(810)가 냉동 장치(118)의 주변 열 교환기(216)에 근접하여(예를 들어, 인접하여 또는 밀접하게) 배치될 수 있다.
도 9는 (도면(800)에서 도시된 분해도에 의해서 도시된) 조립된 극저온 냉각기(102)의 일부 구성요소의 단면도를 도시하는 도면(900)이다.
도 10은 극저온 냉각기(102)를 도시한 다른 도면(1000)이다. 저온-선단부(120)가 특히 원형 형상을 갖는다.
도 11은 극저온 냉각기(102)의 왕복 모터(204)의 고정자(406)의 대안적인 구성을 도시한 도면(1100)이다. 자기 피스톤(402) 및 가압 용기(404)의 축이 지점(1102)과 일치될 수 있도록, 자기 피스톤(402) 및 가압 용기(404)가 배치될 수 있다.
도 12은 극저온 냉각기(102)의 왕복 모터(204)의 고정자(406)의 다른 대안적인 구성을 도시한 도면(1200)이다. 자기 피스톤(402) 및 가압 용기(404)의 축이 지점(1202)과 일치될 수 있도록, 자기 피스톤(402) 및 가압 용기(404)가 배치될 수 있다.
왕복 모터(204)가 극저온 냉각기(102)의 일부가 되는 것으로 설명되어 있지만, 다른 구현예에서, 왕복 모터(204)가 다른 장치와 함께 그리고 또한 다른 목적을 위해서 이용될 수 있다는 것을 주목할 수 있을 것이다. 또한, 비록 몇몇 변경예가 앞서서 구체적으로 설명되었지만, 다른 변경이 가능할 수 있다. 예를 들어, 본원에서의 설명 및/또는 도면으로부터 해석될 수 있는 로직 흐름(logic flow)이 희망하는 결과를 달성하기 위해서 도시된 특별한 순서, 또는 순차적인 순서를 필요로 하지 않을 수 있을 것이다. 또한, 상이한 참조 번호에 의해서 본원에서 언급된 동일한 요소가 일부 구현예들에서 상호 교환 가능할 수 있다.

Claims (20)

  1. 음향 로드(acoustic load)를 위한 압력 파동 발생기로서,
    적어도 하나의 외부 표면 및 그 사이에 공간을 형성하는 한 쌍의 자극면을 포함하는 고정자;
    길이방향 축을 가지며, 고정자의 한 쌍의 자극면 사이에 형성된 공간 내에 수용되는 압력 실린더로서, 한 쌍의 자극면은 압력 실린더 및 압력 실린더의 길이방향 축을 가로질러 실질적으로 반대쪽에 배치되는, 압력 실린더;
    압력 실린더의 외부에 있고 압력 실린더에 대해 동심을 이루지 않는, 고정자의 부분의 적어도 하나의 외부 표면 주위에 권선되고, 교류 방향의 전자기장이 한 쌍의 자극면 사이에 형성되도록 교류 전류를 수용하도록 구성되는, 전기 코일; 및
    압력 실린더 내에서 선형적으로 활주하도록 구성되고 그리고 길이방향 축에 평행한 피스톤으로서, 피스톤은 제1 방향으로 제1 자기장을 인가하는 제1 영구 자석 부분 및 제2 방향으로 제2 자기장을 인가하는 제2 영구 자석 부분을 포함하고, 제1 및 제2 영구 자석 부분은 제1 방향이 제2 방향에 반대가 되도록 횡방향으로 배향되고 그리고 교류 전류가 전기 코일에 인가될 때 피스톤이 압력 실린더 내에서 왕복하도록 구성되는, 피스톤;
    을 포함하고,
    압력 실린더는 밀봉된 제1 단부를 포함하고, 밀봉된 제1 단부와 피스톤 사이에 가스 스프링이 형성되도록 밀봉된 제1 단부와 피스톤 사이에 가스를 함유하고,
    압력 실린더는 피스톤이 왕복할 때, 피스톤과 압력 실린더의 제2 단부 사이의 압력 실린더 내에서 작업 유체의 압력 파동이 생성되도록 음향 로드와 연통하도록 구성되는 개구를 포함하는 제2 단부를 포함하며, 압력 파동은 개구를 통해 압력 실린더를 빠져 나가는, 압력 파동 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    압력 실린더는 고정자의 공간 내에 활주가능하게 수용되는, 압력 파동 발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    피스톤은 피스톤과 압력 실린더의 내부 표면 사이에 위치된 저마찰 재료에 의해 적어도 부분적으로 커버되는, 압력 파동 발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    압력 파동 발생기에 의해 발생된 압력 파동을 수용하는 극저온 냉각기의 열 방출기 및 고정자를 냉각하도록 구성되는 냉각 팬을 더 포함하는, 압력 파동 발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    고정자는 압력 실린더 내의 피스톤의 최대 행정보다 큰 두께를 갖는, 압력 파동 발생기.
  6. 제1항에 있어서,
    피스톤은 압력 실린더 내의 피스톤의 최대 행정의 2배보다 긴 축방향 길이를 갖는, 압력 파동 발생기.
  7. 제1항에 있어서,
    피스톤의 제1 및 제2 영구 자석 부분의 각각의 축방향 길이는 고정자의 축방향 길이보다 긴, 압력 파동 발생기.
  8. 제1항에 있어서,
    피스톤의 제1 및 제2 영구 자석 부분은 서로 접하도록 인접하는, 압력 파동 발생기.
  9. 제1항에 있어서,
    피스톤과 압력 실린더의 내부 표면 사이의 갭은 0 미크론 내지 25 미크론인, 압력 파동 발생기.
  10. 음향 로드(acoustic load)를 위한 압력 파동 발생기로서,
    압력 파동 발생기는 음향 로드 내에 수용된 압력 파동을 협력하여 발생시키도록 구성된 제1 및 제2 모터를 포함하고, 각각의 모터는,
    적어도 하나의 외부 표면 및 그 사이에 공간을 형성하는 한 쌍의 자극면을 포함하는 고정자;
    길이방향 축을 가지며, 고정자의 한 쌍의 자극면 사이에 형성된 공간 내에 수용되는 압력 실린더로서, 한 쌍의 자극면은 압력 실린더 및 압력 실린더의 길이방향 축을 가로질러 실질적으로 반대쪽에 배치되는, 압력 실린더;
    압력 실린더의 외부에 있고 압력 실린더에 대해 동심을 이루지 않는, 고정자의 부분의 적어도 하나의 외부 표면 주위에 권선되고, 교류 방향의 전자기장이 한 쌍의 자극면 사이에 형성되도록 교류 전류를 수용하도록 구성되는, 전기 코일; 및
    압력 실린더 내에서 선형적으로 활주하도록 구성되고 그리고 길이방향 축에 평행한 피스톤으로서, 피스톤은 제1 방향으로 제1 자기장을 인가하는 제1 영구 자석 부분 및 제2 방향으로 제2 자기장을 인가하는 제2 영구 자석 부분을 포함하고, 제1 및 제2 영구 자석 부분은 제1 방향이 제2 방향에 반대가 되도록 횡방향으로 배향되고 그리고 교류 전류가 전기 코일에 인가될 때 피스톤이 압력 실린더 내에서 왕복하도록 구성되는, 피스톤;
    을 포함하고,
    압력 실린더는 밀봉된 제1 단부를 포함하고, 밀봉된 제1 단부와 피스톤 사이에 가스 스프링이 형성되도록 밀봉된 제1 단부와 피스톤 사이에 가스를 함유하고,
    압력 실린더는 피스톤이 왕복할 때, 피스톤과 압력 실린더의 제2 단부 사이의 압력 실린더 내에서 작업 유체의 압력 파동이 생성되도록 음향 로드와 연통하도록 구성되는 개구를 포함하는 제2 단부를 포함하며, 압력 파동은 개구를 통해 압력 실린더를 빠져 나가는, 압력 파동 발생기.
  11. 제10항에 있어서,
    압력 실린더는 고정자의 공간 내에 활주가능하게 수용되는, 압력 파동 발생기.
  12. 제10항에 있어서,
    피스톤은 피스톤과 압력 실린더의 내부 표면 사이에 위치된 저마찰 재료에 의해 적어도 부분적으로 커버되는, 압력 파동 발생기.
  13. 제10항에 있어서,
    압력 파동 발생기에 의해 발생된 압력 파동을 수용하는 극저온 냉각기의 열 방출기 및 고정자를 냉각하도록 구성되는 냉각 팬을 더 포함하는, 압력 파동 발생기.
  14. 제10항에 있어서,
    고정자는 압력 실린더 내의 피스톤의 최대 행정보다 큰 두께를 갖는, 압력 파동 발생기.
  15. 제10항에 있어서,
    피스톤은 압력 실린더 내의 피스톤의 최대 행정의 2배보다 긴 축방향 길이를 갖는, 압력 파동 발생기.
  16. 제10항에 있어서,
    피스톤의 제1 및 제2 영구 자석 부분의 각각의 축방향 길이는 고정자의 축방향 길이보다 긴, 압력 파동 발생기.
  17. 제10항에 있어서,
    피스톤의 제1 및 제2 영구 자석 부분은 서로 접하도록 인접하는, 압력 파동 발생기.
  18. 제10항에 있어서,
    피스톤과 압력 실린더의 내부 표면 사이의 갭은 0 미크론 내지 25 미크론인, 압력 파동 발생기.
  19. 제1항에 있어서,
    음향 로드는 스터얼링 사이클(Stirling cycle) 극저온 냉각기의 열 교환기 부분을 포함하는, 압력 파동 발생기.
  20. 제10항에 있어서,
    음향 로드는 스터얼링 사이클 극저온 냉각기의 열 교환기 부분을 포함하는, 압력 파동 발생기.
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