KR20230039719A

KR20230039719A - 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 하이브리드 이중 유입 밸브

Info

Publication number: KR20230039719A
Application number: KR1020237005585A
Authority: KR
Inventors: 밍야오 수; 티안 레이; 랄프 씨 롱스워드
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-03-21
Also published as: WO2022035756A1; EP4196728A1; JP2023538861A; CN116171365A; US20220049878A1

Abstract

극저온 온도의 냉각을 제공하는 GM(Gifford-McMahon) 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템를 위한 이중 유입 밸브는 고정식 흐름 제한 장치와, 이 고정식 흐름 제한 장치에 병렬로 커플링되는 니들 밸브를 포함한다. 니들 밸브는 비대칭 흐름을 형성한다. 고정식 흐름 제한 장치와, 비대칭 흐름을 갖는 니들 밸브의 조합은, 향상된 교류(AC) 흐름 특징과 직류(DC) 흐름의 조정성을 제공하여, 가용 냉각을 증가시킨다.

Description

펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 하이브리드 이중 유입 밸브

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2020년 8월 12일자로 출원된 미국 가출원 제63/064,528호에 관한 우선권을 주장하며, 상기 미국 출원은 전체 내용이 참조에 의해 여기에 포함된다.

기술분야

본 발명은, 주로 직류(DC) 흐름의 바람직한 제어에 의해 성능을 향상시키는, GM(Gifford-McMahon) 타입 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 개선된 이중 유입 밸브에 관한 것이다.

GM 타입 펄스 튜브 냉동기는 GM 냉동기와 유사한 극저온 냉각기이며, 공급 및 복귀 호스에 의해 팽창기에 연결되는 압축기에서의 가스 압축으로 인해 냉각을 유도한다. 팽창기는 냉동기를 관통하는 저온 팽창 공간에 공통인 회전식 밸브를 사용하여 유입 및 유출 밸브를 통해 가스를 순환시킨다. GM 팽창기는 실린더 내에서의 고체 피스톤(피스톤은 종종 피스톤 위 아래의 변위 체적이 냉동기에 접속되는 경우에 변위기라고도 함)의 왕복동에 의해 저온 팽창 공간을 형성하고, 그 동안 펄스 튜브 팽창기는 “가스 피스톤”의 왕복동에 의해 저온 팽창 공간을 형성한다. 펄스 튜브 냉동기는 그 저온 헤드에 이동부를 갖는 것이 아니라, 펄스 튜브 내에 압축 피스톤으로서 기능하는 진동 가스 컬럼을 갖는다. 피스톤은, 압축 및 감압될 때에 펄스 튜브 내에 체류하는 가스를 포함한다. 펄스 튜브 냉동기의 저온 단부에 있는 이동부의 제거로 인해, 진동이 현저히 감소되고, 신뢰성과 수명이 더 커진다. 진동을 더 제거하기 위해, 회전식 밸브는 전형적으로 가요성 호스에 의해 팽창기에 연결된다. 2단 GM 펄스 튜브 냉동기는 전형적으로 헬륨을 압축하고 5 내지 15 kW 이상의 입력 파워를 얻기 위해 오일 윤활 압축기를 사용한다. 오늘날 주요 어플리케이션은 MRI(Magnetic Resonance Imaging; 자기 공명 영상) 및 NMR(Nuclear Magnetic Resonance imaging; 핵자기 공명 영상) 자석을 냉각하는 것이며, 이 경우 차열부를 약 40 K로 냉각하고 약 4 K에서 헬륨을 재응결한다. 상기 냉동기는 양자 컴퓨터의 초기 개발에서도 사용되고 있다. 이들 어플리케이션은 낮은 수준의 진동 및 낮은 수준의 전자파 장애(ElectroMagnetic Interference; EMI)를 요구한다.

GM 타입 펄스 튜브 냉각기는 스털링(Stirling) 타입 펄스 튜브 냉각기 - 이 냉각기는 왕복동 피스톤으로부터 직접 재생기와 펄스 튜브에 압축 사이클을 제공함 - 와 함께 개발되었다. 스털링 타입 냉각기는 지면 공간계 시스템의 적외선 검출기를 70 K 가까이 냉각하는 데에 널리 사용된다. 이 냉각기는 통상 GM 타입 펄스 튜브보다 훨씬 작고, GM 타입 펄스 튜브보다 훨씬 높은 속도, 예컨대 GM 타입 펄스 튜브의 경우 1 내지 2 Hz로 작동하는 데 대해 60 Hz로 작동한다. 스털링 타입 펄스 튜브는 팽창일을 회수하지만, 펄스 튜브의 가온 단부와 완충 체적부 사이의 흐름 제어 수단이 상이하기 때문에 GM 타입 펄스 튜브보다 효율적이고, 저온에서는 효율적이지 않다.

GM 사이클 냉동기의 공동 발명자인 W.E. Gifford는 또한 고체 피스톤을 가스 피스톤으로 교체하고, “펄스 튜브” 냉동기라고 하는 팽창기도 또한 구상하였다. 이것은 그의 미국 특허 제3,237,421호(“ ‘421 특허”)에 최초로 설명되었고, 이 미국 특허는 펄스 튜브가 초기의 GM 냉동기와 같이 밸브에 연결되는 것을 보여준다. 펄스 튜브 팽창기의 초기 개발은, 수직 배향 튜브의 저부에 진입하여 흐름 원활화 매시를 통해 흐르는 가스가, 압축되고 상부를 향해 압박될 때에 고온으로 되는 가스의 층상화 컬럼을 형성한다는 것을 증명하였다. 튜브의 상부는 구리 캡을 가지며, 구리 캡은 일부 열을 흡수하여, 가스가 튜브 밖으로 흘러나와 팽창함에 따라 냉각될 때에 흐름이 더 원활하고 저온 단부라고 하는 곳에서 인접한 구리를 냉각한다. 1984년에 보고된 바와 같이, Mikulin 등에 의해 펄스 튜브의 가온 단부에 완충 체적부를 추가하고, 스로틀 밸브를 통해 가스를 유입 및 유출시킴으로써, 기본 GM 타입 펄스 튜브가 상당히 개선되었다. 이것은 이제 기본 오리피스 타입 펄스 튜브 또는 단일 유입 밸브 펄스 튜브라고 부른다. 후속 개발 작업을 통해 펄스 튜브 팽창기의 성능을 향상시키는, 흐름을 스로틀링하는 다수의 상이한 수단의 설계가 이루어졌다. 대부분의 스털링 타입 펄스 튜브는 단일 유입 구성이다.

GM 타입 펄스 튜브의 경우, 펄스 튜브의 가온 단부와 냉동기에 대한 유입구 사이에 제2 오리피스를 추가하는 것이 성능을 향상시키고, 2단 펄스 튜브에서 4 K 미만으로 하는 것이 가능함을 확인하였다. 이것은 이제 이중 유입 펄스 튜브라고 하고, 제2 스로틀링 디바이스는 이중 유입 밸브라고 한다. 상이한 형태의 단일 유입 밸브의 경우와 같이, 이중 유입 밸브는 상이한 형태를 취한다. 본 발명은 성능이 향상된 것으로 입증된 신규한 이중 유입 밸브이다.

Gifford 명의의 미국 특허 제3,205,668호(“‘668 특허”)에는, 구동 스템이 가온 단부에 부착된 고체 피스톤을 갖는 GM 팽창기가 설명되어 있으며, 고체 피스톤은 팽창 공간에 대한 압력 사이클과 함께 구동 스템 위의 압력을 역위상으로 순환시키는 것에 의해 변위기를 상하로 구동한다. 회전식 밸브는 압력을 고압(Ph)과 저압(Pl) 사이에서 순환시키는 가장 일반적인 수단이다. 펄스 튜브의 가온 단부에서의 흐름 제어는, 가스 피스톤의 저온 경계가 기본적으로 고체 피스톤의 저온 단부와 동일한 패턴을 따르는 경우에 최적화되는 것으로 생각할 수 있다. ‘668 특허에 설명된 팽창기에 있어서의 사이클은, 유입 밸브가 개방되어 압력이 Ph로 증가하는 동안 변위기가 아래에 유지되어 있는 것에서 시작한다. 그 후, 피스톤은 상향 이동하여, 그 도중의 약 3/4에서 유입 밸브가 폐쇄되고, 피스톤이 상부로 이동함에 따라 압력이 강하한다. 그 후, 유출 밸브가 개방되고, 압력이 Pl로 강하한다. 그 후, 피스톤은 하향 이동하여, 그 도중의 약 3/4에서 유출 밸브가 폐쇄되고, 피스톤이 저부로 이동함에 따라 압력이 상승한다. 압력-체적(P-V) 면적은 사이클마다 형성되는 냉동의 척도이다. 고체 피스톤과 가스 피스톤의 차이는 여러가지이다. 상기 차이는 1) 길이와 스트로크는 압력비와 펄스 튜브의 저온 단부 내외로의 흐름이 가능한 가스의 양에 좌우되는 것과, 2) 밸브 타이밍과 흐름 저항의 비대칭으로 인해, DC 흐름으로서 칭하는 흐름보다 보다 많은 가스가 펄스 튜브의 일단부 내외로 흐를 수 있는 것, 및 3) 저온 경계를 형성하는 동시에, 고체 피스톤의 이동 및 P-V 관계를 모의하는 저온 단부 및 가온 단부 내외로의 흐름 - 교류(alternating current; AC) 흐름 - 을 밸런싱하기가 매우 어렵다는 것이다. 단일 유입 밸브를 지닌 스털링 사이클 펄스 튜브는 압축기 피스톤이 고정된 변위를 갖기 때문에 제1 문제를 방지하고, 유입된 것과 동일한 양의 가스가 완충 체적부에서 흘러나가기 때문에 제2 문제를 방지한다.

가스 피스톤과 고체 피스톤의 이러한 유사점이 프로세스에 관한 물리적 설명을 제공하지만, 압력 사이클과 질량 유량 사이클 간의 위상 관계 면에서 설명되는 흐름 패턴을 확인하는 것이 보다 일반적이다. Yuan 등의 명의의 미국 특허 출원 공개 제2011/0100022호(“‘022 공개”)는 스털링 타입 단일 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 위상 제어 디바이스에 관한 우수한 설명을 제공한다. ‘022 공개의 도 2는 오리피스, 짧은 튜브 및 조밀하게 이격된 플레이트를 포함하는 것으로 설명된 저항 디바이스를 보여준다. 도 2는 전기적 상사(相似)에서 인덕턴스로서 작용하는 직경이 작고 긴 튜브인 이너턴스 튜브(inertance tube)를 보여준다. ‘022 공개의 도 8은, 압력 사이클과 질량 유량 사이클 간의 위상 관계를 최적화하여 최대 냉각을 제공하기 위해, 이러한 디바이스들을 전기 회로 상사를 사용하여 조합할 수 있는 방법을 보여준다. ‘022 공개의 도 7은 이너턴스 디바이스와 함께 저항 디바이스로 구성된 단일 유입 밸브의 개략도이다. 스털링 타입 펄스 튜브에서는 인너턴스 디바이스가 고주파로 작동하기 때문에 실용적이라는 점에 주목하는 것이 중요하다. GM 타입 펄스 튜브의 저주파에서는, 단지 저항 디바이스만이 실용적이다. ‘022 공개에 설명된 디바이스 모두가 양방향으로의 흐름에 있어서 동일한 흐름 특징을 갖는다는 점에 주목하는 것도 또한 중요하다.

4 K의 2단 GM 타입 냉각기의 냉각 용량을 증가시키기 위한 노력은 4개 밸브 구성의 개발을 포함하였다. Xu 명의의 미국 특허 제10,066,855호(“‘855 특허”)에는 4개 밸브 펄스 튜브가 설명되어 있다. 이러한 명칭은, 재생기의 가온 단부에 연결되는 유입 밸브 및 유출 밸브 쌍과, 펄스 튜브의 가온 단부에 연결되는 제2의 유입 밸브 및 유출 밸브 쌍을 포함하는 위상 변위 메커니즘에서 유래되었다. ‘855 특허에는, 제2 및 제3 단 펄스 튜브 - 이들 펄스 튜브 각각은 추가의 밸브 쌍을 요구함 - 로의 가스의 흐름을 밸런싱하는 흐름 제어 메커니즘이 설명되어 있다. 4개 밸브 펄스 튜브는 완충 체적부를 사용하지 않고, 현 구성은 이중 유입 펄스 튜브의 현 구성보다 약간 우수하게 일을 수행한다. 그러나, 이러한 펄스 튜브는, 밸브 모터 및 회전식 밸브가 재생기로부터 분리되어야만 하는 경우에 호스의 빈 체적이 압력 맥동과 성능을 감소시킨다는 단점이 있다. 이중 유입 펄스 튜브는 저온 단부로 칭하는 펄스 튜브/재생기 조립체와 밸브 조립체 사이에 단 하나의 호스를 필요로 하는 한편, 4개 밸브 펄스 튜브는 재생기에 연결되는 하나의 호스와, 다단 펄스 튜브에 있는 각각의 펄스 튜브의 가온 단부에 연결되는 소직경 호스를 필요로 한다. 본 발명에 따른 이중 유입 펄스 튜브의 향상된 성능으로 인해 원격 밸브 조립체와 단일 연결 호스를 지닌 유닛에서 4개 밸브 펄스 튜브만큼 우수한 성능을 얻을 수 있다. 개선된 연결 호스를 위한 특허 출원이 최근에 제출되었다. 이러한 호스는 밸브-모터 조립체로부터 저온 헤드로 전달되는 진동을 줄이고, 빈 체적을 줄여, 효율을 향상시킨다.

Ogura 명의의 일본(JP) 특허 제3917123호에는, 이중 유입 밸브를 위한 니들 밸브와, 제1 유입 밸브를 위한, 짧은 구멍이 관통하는 교체 가능한 부싱을 사용하는 것이 설명되어 있다. 부싱을 관통하는 짧은 구멍은 동일한 흐름 조건에 있어서 양방향으로 동일한 흐름 제한을 갖고, 대칭형 흐름 제한 장치이다. 다른 한편으로 니들 밸브는 도시한 바와 같이, 니들의 뾰족한 끝을 바라보는 단부에 있는 포트와 스템을 바라보는 측부에 있는 포트를 갖는다. 흐름 제한은 동일한 조건에서 상이한 방향의 흐름마다 달라지기 때문에, 흐름 제한 장치는 비대칭이다. 비대칭 정도는 유입구에서 포트까지의 경사, 포트에 있는 구멍의 길이 등과 같은 여러 요인에 좌우된다. 위상 변위에서의 개선은 조정 수단을 단순화하는 것에 의해 가능해졌다.

거의 4 K에서 작동하는 GM 타입 펄스 튜브에서의 P-V 관계를 제어하는 위상 변위 메커니즘을 최적화하는 것뿐만 아니라, DC 흐름을 제어하는 것도 또한 중요한 것으로 확인되었다. Xu 명의의 미국 특허 제9,157,668호(“‘668 특허”)에는, 완충 체적부와 압축기 복귀 라인 사이에 블리드 라인이 추가된 이중 유입 펄스 튜브가 설명되어 있다. ‘668 특허의 도 1은 종래기술의 기본적인 이중 유입 펄스 튜브를 보여주고, 펄스 튜브의 가온 단부에서 저온 단부로의 훨씬 많은 DC 흐름을 생성하는 이중 유입 밸브를 통한 흐름 패턴이 묘사되어 있다. 완충 체적부로부터 압축기의 복귀측까지의 블리드 라인은 DC 흐름을 냉각을 최적화하는 속도로 감소시킨다. 이것은, 밸브 조립체가 저온 단부로부터 멀리 떨어져 위치하는 경우에 추가의 연결 라인을 필요로 한다는 단점을 갖는다. 2단 이중 유입 펄스 튜브는 실온에서 제1 단 온도 및 제2 단 온도로 연장되는 평행한 2개의 튜브를 갖는다. 각각의 가온 단부는 그 전용 완충 체적부에 연결되고, 그 전용 이중 유입 밸브를 갖는다. 제2 단 재생기는 제1 단 재생기의 연장부이기 때문에, 제1 단 재생기를 통한 제1 단 펄스 튜브의 저온 단부에 대한 압력 강하는 제2 단 펄스 튜브의 저온 단부에 대한 압력 강하 미만이다. 2단 펄스 튜브에서의 DC 흐름 최적화는 제2 단에서는 상향 DC 흐름을, 제1 단에서는 하향 DC 흐름을 가질 것을 요구할 수 있다.

본 발명은, 우수한 AC 흐름 특징을 갖고 DC 흐름 조정성을 제공하여, 가용 냉각을 증가시키는 이중 유입 밸브이다. 본 발명은 또한 원격 밸브 조립체와 저온 헤드 사이에 단 하나의 연결 호스만을 필요로 한다.

이중 유입 밸브는 조정식 니들 밸브와 함께 고정식 흐름 제한 장치를 포함한다. 니들 밸브를 통한 흐름은 비대칭으로, 즉 주어진 조건에서 가스가 하나의 포트로 진입하는 경우에 다른 포트에 진입하는 것에 비해 더 많은 압력 강하가 일어난다. 고정식 흐름 제한 장치는 양방향으로의 흐름에 있어서 동일한 대칭 압력 강하를 갖는 짧은 구멍일 수도 있고, 비대칭 흐름을 갖는 테이퍼진 구멍일 수도 있다. 이러한 조합은 우수한 AC 흐름 특징과 DC 흐름의 조정성을 제공하여, 가용 냉각을 증가시킨다. 본 발명은 또한 원격 밸브 조립체와 저온 헤드 사이에 단 하나의 연결 호스만을 필요로 한다.

이들 장점 및 다른 장점은 극저온 온도의 냉각을 제공하는 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템에 의해 달성된다. GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템은 공급 라인을 통해 공급 압력의 가스를 공급하고, 복귀 라인을 통해 복귀 압력의 가스를 받아들이는 압축기, 공급 라인 및 복귀 라인에 연결되는 밸브 조립체, 및 밸브 조립체에 연결되는 펄스 튜브 저온 헤드를 포함한다. 밸브 조립체는 연결 라인을 통해 공급 압력과 복귀 압력 사이의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드로 순환시킨다. 펄스 튜브 저온 헤드는 가온 단부와 저온 단부를 갖는 적어도 하나의 재생기, 가온 단부와 저온 단부를 갖는 적어도 하나의 펄스 튜브, 적어도 하나의 이중 유입 밸브, 펄스 튜브의 가온 단부에 연결되는 완충 체적부, 연결 라인으로부터 재생기의 가온 단부 및 이중 유입 밸브로 연장되는 제1 라인, 재생기의 저온 단부를 펄스 튜브의 저온 단부에 연결하는 제2 라인, 및 펄스 튜브의 가온 단부로부터 이중 유입 밸브로 그리고 단일 유입 밸브를 통해 완충 체적부로 연장되는 제3 라인을 포함한다.

도면은 제한이 아닌 단지 예로써 본 발명의 개념에 따른 하나 이상의 구현예를 도시한다. 도면에서, 유사한 참조부호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
도 1은 개시된 발명의 제1 실시예의 이중 유입 밸브를 갖는 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템의 개략도를 보여준다.
도 2는 개시된 발명의 제2 실시예의 이중 유입 밸브를 갖는 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템의 개략도를 보여준다.
도 3은 개시된 발명의 제3 실시예의 이중 유입 밸브를 갖는 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템의 개략도를 보여준다.
도 4는 개시된 발명의 실시예의 이중 유입 밸브를 갖는 2단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템의 개략도를 보여준다.
도 5a 내지 도 5c는 이중 유입 밸브의 제1, 제2 및 제3 실시예의 개략도를 보여준다.

본 섹션에서는, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 몇몇 실시예를 더욱 충분히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 여러 상이한 형태로 구현될 수 있고, 여기에 기술되는 실시예로만 제한되는 것으로 이해해서는 안 된다. 오히려, 그러한 실시예는 본 발명이 철저하고 완전해지고 또한 당업자들에게 본 발명의 범위를 전달할 수 있도록 제공된다. 유사한 참조부호는 도면 전반에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하고, 프라임 표기는 변형예에서 유사한 요소를 나타내는 데 사용된다. 도면에 있어서 동일하거나 유사한 부분은 동일한 참조부호를 갖고, 설명은 통상 반복되지 않는다.

도 1을 참고하면, 개시된 발명의 이중 유입 밸브에 관한 제1 실시예를 갖는 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(100)의 개략도가 도시되어 있다. 도 5a를 참고하면, 이중 유입 밸브(1a)의 제1 실시예에 관한 개략도가 도시되어 있다. 이중 유입 밸브(1a)는 전체 시스템과 관련하여 도시되어 있다. 도 1 및 도 5a를 참고하면, 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(100)은 압축기(10), 밸브(12a, 12b)를 포함하는 밸브 시스템(12) 및 펄스 튜브 저온 헤드(101)를 포함한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 밸브(12a, V1)에 그리고 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 밸브(12b, V2)에 연결된다. 라인(11b)은 전형적으로 길이가 5 내지 20 미터인 가요성 금속 호스이고, 밸브(12a, 12b)는 전형적으로 고정식 시트에 있는 포트에 대해서 회전하는 모터 구동식 회전 밸브의 슬롯이다. 가스, 통상 헬륨은, 연결 라인(13)을 통해 재생기(16)의 가온 단부(16a)로 그리고 이중 유입 밸브(1a)를 통해 펄스 튜브(17)의 가온 단부로 흐를 때에 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력, 전형적으로 2.2 MPa 내지 0.6 Mpa의 압력으로 순환한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 압력의 가스를 공급하고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 압력의 가스를 받아들인다. 밸브(12a, 12b)는 각각 공급 라인(11a) 및 복귀 라인(11b)에 연결되어, 연결 라인(13)을 통해 공급 압력 내지 복귀 압력의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드(101)로 순환시킨다. 연결 라인(13)은, 밸브(12a, 12b)가 펄스 튜브 저온 헤드(101)에 일체화되는 경우에 수 밀리미터의 길이일 수도 있고, 밸브가 멀리 떨어져 있는 경우에 최대 소정 미터의 길이일 수도 있다.

펄스 튜브 저온 헤드(101)는 가온 단부(16a)와 저온 단부(16b)를 갖는 재생기(16), 가온 단부에는 가온 흐름 스무더(smoother)(17a)를 그리고 저온 단부에는 저온 흐름 스무더(17b)를 갖는 펄스 튜브(17), 재생기(16)의 재생기 저온 단부(16b)를 펄스 튜브(17)의 저온 흐름 스무더(17b)에 연결하는 라인(18), 연결 라인(13)에서 재생기(16)의 가온 단부(16a)로 연장되는 라인(7), 라인(7)에서 이중 유입 밸브(1a)로 연장되는 라인(6a, 9a), 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)에서 단일 유입 밸브(4)를 거쳐 완충 체적부(15)로 연장되는 라인(5), 및 이중 유입 밸브(1a)에서 라인(5)으로 그리고 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)로 연장되는 라인(8a, 9b)을 포함한다. 순환 흐름은 라인(7)을 통해 재생기(16)의 가온 단부(16a)로 계속되고, 이중 유입 밸브(1a)를 통해 라인(5)으로 계속된다. 라인(5)은 일단부에서, 가온 흐름 스무더(17a)를 포함하는 펄스 튜브(17)의 가온 단부에 연결되고, 타단부에서, 단일 유입 밸브(4)에 연결되고, 결국 완충 체적부(15)에 연결된다. 재생기(16)의 저온 단부(16b)는 라인(18)을 통해, 저온 흐름 스무더(17b)를 포함하는 펄스 튜브(17)의 저온 단부에 연결된다.

도 1 및 도 5a를 참고하면, 이중 유입 밸브(1a)는 고정식 흐름 제한 장치(3a)와, 양방향으로부터의 흐름량을 조절하도록 조정 가능한 니들 밸브(2a)를 포함한다. 니들 밸브(2a)와 고정식 흐름 제한 장치(3a)는 병렬로 연결된다. 니들 밸브(2a)는 베이스(30)와, 베이스(30)로부터 연장되는 니들(31)을 포함하고, 베이스와 니들 모두는 니들 밸브(2a) 내에 형성된 공동(32) 내부에 배치된다. 니들 밸브(2a)는 라인(6a)을 통해 라인(7)에 연결되는 니들 단부 포트(33)와 라인(8a)을 통해 라인(5)에 연결되는 스템 포트(34)를 포함한다. 니들(31)은 니들 단부 포트(33)를 향해 돌출하는 한편, 베이스(30)는 공동(32)을 실링하여, 니들 단부 포트(33)와 스템 포트(34) 사이에 공동(32)을 관통하는 유체 유로가 형성된다. 니들(31)이 니들 포트(33)를 향해 또는 니들 포트(33)로부터 멀어지게 이동함으로써, 흐름 채널의 개구가 변하고, 이로 인해 양방향으로의 유량과 양방향 흐름들 사이의 비대칭 정도가 변한다. 니들(31)과 니들 포트(33)의 크기 및 형상은 양방향으로의 유량과 니들 밸브(2a)의 비대칭 정도, 그리고 이에 따라 AC 및 DC 흐름 특징을 변화시키도록 변경될 수 있다는 점이 주목된다.

고정식 흐름 제한 장치(3a)는 라인(7)에 연결되는 라인(9a)과, 라인(5)에 연결되는 라인(9b)에 접속되는 구멍(유로)(35a)을 갖는다. 구멍(35a)은 구멍의 길이 전반에 걸쳐 동일한 단면적을 가질 수 있고, 그 결과 흐름 제한 장치(3a)를 통한 흐름은 대칭이다. 대칭 흐름이란, 일방향으로의 가스 흐름이 반대 방향으로의 가스 흐름과 동일한 흐름 저항을 갖는다는 것을 의미한다. 비대칭 흐름이란, 일방향으로의 가스 흐름이 반대 방향으로의 가스 흐름과 상이한 흐름 저항을 갖는다는 것을 의미한다. 비대칭 흐름에서, 일방향으로 흐르는 가스의 흐름 저항은 반대 방향으로 흐르는 가스의 흐름 저항보다 작다. 니들 밸브(2a)를 통한 흐름은 비대칭이다. 라인(6a)을 통해 니들 포트(33)에 진입하는 가스의 흐름은 라인(8a)을 통해 스템 포트(34)에 진입하는 가스의 흐름보다 제한된다. 그 결과, 니들 포트(33)에서 스템 단부 포트(34)로의 가스 흐름은 스템 포트(34)에서 니들 포트(33)로의 가스 흐름보다 높은 흐름 저항을 받는다. 즉, 니들(31)에서 베이스(30) 방향으로의 흐름은 반대 방향보다 높은 흐름 저항을 갖는다.

도 2를 참고하면, 개시된 발명의 이중 유입 밸브(1b)에 관한 제2 실시예를 갖는 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(200)의 개략도가 도시되어 있다. 도 5b를 참고하면, 이중 유입 밸브(1b)의 제2 실시예에 관한 개략도가 도시되어 있다. 이중 유입 밸브(1b)는, 니들 단부 포트(33)가 라인(6b)을 통해 라인(5)에 연결되고, 스템 포트(34)가 라인(8b)을 통해 라인(7)에 연결되도록 니들 밸브(2b)가 역전되었다는 점에서 이중 유입 밸브(1a)와 상이하다. 고정식 흐름 제한 장치(3a)의 구멍(35a)은 구멍의 길이 전반에 걸쳐 동일한 단면적을 가질 수 있고, 그 결과 흐름 제한 장치(3a)를 통한 흐름은 대칭이다. 니들 밸브(2b)를 통한 흐름은 비대칭이다. 라인(6b)을 통해 니들 포트(33)에 진입하는 가스의 흐름은 라인(8b)을 통해 스템 포트(34)에 진입하는 가스의 흐름보다 제한된다. 니들 포트(33)에서 스템 포트(34)로의 가스 흐름은 스템 포트(34)에서 니들 포트(33)로의 가스 흐름보다 높은 흐름 저항을 받는다.

1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(200)은 압축기(10), 벨브(12a, 12b)를 포함하는 밸브 시스템(12) 및 펄스 튜브 저온 헤드(201)를 포함한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 압력의 가스를 공급하고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 압력의 가스를 받아들인다. 밸브(12a, 12b)는 각각 공급 라인(11a) 및 복귀 라인(11b)에 연결되어, 연결 라인(13)을 통해 공급 압력 내지 복귀 압력의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드(201)로 순환시킨다. 펄스 튜브 저온 헤드(201)는 가온 단부(16a)와 저온 단부(16b)를 갖는 재생기(16), 가온 단부에는 가온 흐름 스무더(17a)를 그리고 저온 단부에는 저온 흐름 스무더(17b)를 갖는 펄스 튜브(17), 재생기(16)의 저온 단부(16b)를 펄스 튜브(17)의 저온 흐름 스무더(17b)에 연결하는 라인(18), 연결 라인(13)에서 재생기(16)의 가온 단부(16a)로 연장되는 라인(7), 라인(7)에서 이중 유입 밸브(1b)로 연장되는 라인(8b, 9a), 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)에서 단일 유입 밸브(4)를 거쳐 완충 체적부(15)로 연장되는 라인(5), 및 이중 유입 밸브(1b)에서 라인(5)으로 그리고 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)로 연장되는 라인(6b, 9b)을 포함한다.

도 3을 참고하면, 개시된 발명의 이중 유입 밸브(1c)에 관한 제3 실시예를 갖는 1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(300)의 개략도가 도시되어 있다. 도 5c를 참고하면, 이중 유입 밸브(1c)의 제3 실시예에 관한 개략도가 도시되어 있다. 이중 유입 밸브(1c)는, 고정식 흐름 제한 장치(3b)가 비대칭 흐름 패턴을 형성하는 테이퍼진 구멍(35b)을 갖는다는 점에서 이중 유입 밸브(1a)와 상이하다. 이 실시예에서, 구멍(35b)의 단면적은 라인(9a)의 연결 지점에서 라인(9b)의 연결 지점으로 갈수록 증가한다. 이 구성에서, 고정식 흐름 제한 장치(3b)는 라인(9a)에서 라인(9b)으로의 흐름의 흐름 저항이 반대 방향보다 낮다. 비대칭 흐름 제한 장치(3b)는 조정식 흐름 제한 장치(2a 또는 2b)와 함께 어느 한 방향으로 배향될 수 있다. 예컨대, 고정식 흐름 제한 장치(3b)가 도 2에 도시한 실시예의 니들 밸브(2b)와 조합되면, 구멍(35b)의 단면적은, 라인(9a)의 연결 지점에서 라인(9b)의 연결 지점으로 갈수록 감소할 수 있다.

1단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(300)은 압축기(10), 밸브(12a, 12b)를 포함하는 밸브 시스템(12) 및 펄스 튜브 저온 헤드(301)를 포함한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 압력의 가스를 공급하고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 압력의 가스를 받아들인다. 밸브(12a, 12b)는 각각 공급 라인(11a) 및 복귀 라인(11b)에 연결되어, 연결 라인(13)을 통해 공급 압력 내지 복귀 압력의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드(301)로 순환시킨다. 펄스 튜브 저온 헤드(301)는 가온 단부(16a)와 저온 단부(16b)를 갖는 재생기(16), 가온 단부에는 가온 흐름 스무더(17a)를 그리고 저온 단부에는 저온 흐름 스무더(17b)를 갖는 펄스 튜브(17), 재생기(16)의 저온 단부(16b)를 펄스 튜브(17)의 저온 흐름 스무더(17b)에 연결하는 라인(18), 연결 라인(13)에서 재생기(16)의 가온 단부(16a)로 연장되는 라인(7), 라인(7)에서 이중 유입 밸브(1c)로 연장되는 라인(6a, 9a), 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)에서 단일 유입 밸브(4)를 거쳐 완충 체적부(15)로 연장되는 라인(5), 및 이중 유입 밸브(1c)에서 라인(5)으로 그리고 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)로 연장되는 라인(8a, 9b)을 포함한다.

도 4를 참고하면, 2개의 펄스 튜브(17, 21)를 포함하는 2단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(400)의 개략도가 도시되어 있다. 이중 유입 밸브(1a)는 제1 단 펄스 튜브 시스템(17)에 연결되고, 이중 유입 밸브(1d)는 제2 단 펄스 튜브(21)에 연결된다. 이중 유입 밸브(1d)는 구조에 있어서 이중 유입 밸브(1a)와 동일하지만, 상이하게 배치된다. 구체적으로, 이중 유입 밸브(1a, 1d)는 라인(7)에 대하여 거울 대칭으로 배치된다. 흐름 순환은 라인(7)을 통해 제1 단 재생기(16’)의 가온 단부(16a’)와 제2 단 재생기(20)로 계속되고, 이중 유입 밸브(1a)를 통해 라인(5)으로 그리고 제2 단 이중 유입 밸브(1d)를 통해 라인(5a)으로 계속된다. 라인(5)은 일단부에서, 가온 흐름 스무더(17a)를 포함하는 제1 단 펄스 튜브(17)의 가온 단부에 연결되고, 타단부에서, 단일 유입 밸브(4)에 연결되고, 결국 완충 체적부(15)에 연결된다. 라인(5a)은 일단부에서, 가온 흐름 스무더(21a)를 포함하는 제2 단 펄스 튜브(21)의 가온 단부에 연결되고, 타단부에서, 단일 유입 밸브(4a)에 연결되고, 결국 완충 체적부(15a)에 연결된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 2단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(400)은 제1 단 재생기(16’)의 연장부로서 제2 단 재생기(20)를 포함한다. 제2 단 펄스 튜브(21)는 실온의 가온 단부에 의해 제1 단 펄스 튜브(17)로부터 분리된다. 재생기(16’)의 저온 단부(16b’)는 라인(18)을 통해, 저온 흐름 스무더(17b)를 포함하는 제1 단 펄스 튜브(17)의 저온 단부에 연결된다. 제2 단 재생기(20)의 저온 단부(20b)는 라인(22)을 통해, 저온 흐름 스무더(21b)를 포함하는 펄스 튜브(21)의 저온 단부에 연결된다. 제1 단 펄스 튜브(17)의 가온 단부는 흐름 스무더(17a)를 갖고, 라인(5)에 연결되며, 이 라인은 제1 이중 유입 밸브(1a)에 그리고 단일 유입 밸브(4)를 통해 완충 체적부(15)에 연결된다. 제2 단 펄스 튜브(21)의 가온 단부는 흐름 스무더(21a)를 갖고, 라인(5a)에 연결되며, 이 라인은 이중 유입 밸브(1d)에 그리고 단일 유입 밸브(4a)를 통해 완충 체적부(15a)에 연결된다.

2단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템(400)은 압축기(10), 벨브(12a, 12b)를 포함하는 밸브 시스템(12) 및 펄스 튜브 저온 헤드(401)를 포함한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 압력의 가스를 공급하고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 압력의 가스를 받아들인다. 밸브(12a, 12b)는 각각 공급 라인(11a) 및 복귀 라인(11b)에 연결되어, 연결 라인(13)을 통해 공급 압력 내지 복귀 압력의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드(401)로 순환시킨다. 펄스 튜브 저온 헤드(401)는 가온 단부(16a’)와 저온 단부(16b’)를 갖는 제1 단 재생기(16’), 제1 단 재생기(16’)의 저온 단부(16b’)에 부착되고, 저온 단부(20b)를 갖는 제2 단 재생기(20), 가온 단부에는 가온 흐름 스무더(17a)를 그리고 저온 단부에는 저온 흐름 스무더(17b)를 갖는 제1 단 펄스 튜브(17), 가온 단부에 가온 흐름 스무더(21a)를 그리고 저온 단부에 저온 흐름 스무더(21b)를 갖는 제2 단 펄스 튜브(21), 재생기(16’)의 저온 단부(16b’)를 펄스 튜브(17)의 저온 흐름 스무더(17b)에 연결하는 라인(18), 재생기(20)의 저온 단부(20b)를 펄스 튜브(21)의 저온 흐름 스무더(21b)에 연결하는 라인(22), 연결 라인(13)에서 재생기(16)의 가온 단부(16a’)로 연장되는 라인(7), 라인(7)에서 이중 유입 밸브(1a)로 연장되는 라인(6a, 9a), 라인(7)에서 이중 유입 밸브(1d)로 연장되는 라인(6a’, 9a’), 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)에서 단일 유입 밸브(4)를 거쳐 완충 체적부(15)로 연장되는 라인(5), 펄스 튜브(21)의 가온 흐름 스무더(21a)에서 단일 유입 밸브(4a)를 거쳐 완충 체적부(15a)로 연장되는 라인(5a), 이중 유입 밸브(1a)에서 라인(5)으로 그리고 펄스 튜브(17)의 가온 흐름 스무더(17a)로 연장되는 라인(8a, 9b), 및 이중 유입 밸브(1d)에서 라인(5a)으로 그리고 펄스 튜브(21)의 가온 흐름 스무더(21a)로 연장되는 라인(8a’, 9b’)을 포함한다.

이중 유입 밸브(1a)는 본 구성을 위한 최상의 결과를 제공하는 것으로 확인되었다. 상이한 펄스 튜브 및 재생기 크기를 갖는 다른 구성에 있어서, 이중 유입 밸브(1b, 1c)가 바람직할 수 있다. 이중 유입 밸브(1a 또는 1d)는 2단 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 저온 헤드(401)의 제1 단이나 제2 단에서 단독으로 사용되고, 다른 단에서는 종래의 이중 유입 밸브(2a)가 사용되는 것이 조합될 수 있다.

여기에서 사용되는 용어 및 설명은 단지 예시로서 기술된 것이며, 제한의 의미는 아니다. 당업자라면, 여기에서 설명한 본 발명과 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims

극저온 온도의 냉각을 제공하는 GM(Gifford-McMahon) 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템를 위한 이중 유입 밸브로서,
고정식 흐름 제한 장치; 및
고정식 흐름 제한 장치에 병렬로 커플링되는 니들 밸브
를 포함하고, 니들 밸브를 통한 흐름은 비대칭인 것인 이중 유입 밸브.
제1항에 있어서, 고정식 흐름 제한 장치를 통한 흐름은 대칭인 것인 이중 유입 밸브.
제1항에 있어서, 고정식 흐름 제한 장치를 통한 흐름은 비대칭인 것인 이중 유입 밸브.
제1항에 있어서, 니들 밸브는 니들 단부 포트와 스템 포트를 갖는 공동을 획정하고, 니들 밸브는
공동을 실링하는 베이스; 및
베이스에서 니들 단부 포트를 향해 연장되는 니들
을 포함하며, 니들 단부 포트에서 스템 포트 방향으로의 흐름은 스템 포트에서 니들 단부 포트 방향으로의 흐름보다 높은 흐름 저항을 갖는 것인 이중 유입 밸브.
제4항에 있어서, 니들 밸브는 니들 단부 포트와 스템 포트 사이의 흐름량을 조절하도록 조정 가능한 것인 이중 유입 밸브.
극저온 온도의 냉각을 제공하는 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템으로서,
공급 라인을 통해 공급 압력의 가스를 공급하고, 복귀 라인을 통해 복귀 압력의 가스를 받아들이는 압축기;
공급 라인과 복귀 라인에 연결되는 밸브 조립체; 및
밸브 조립체에 연결되는 펄스 튜브 저온 헤드
를 포함하고, 밸브 조립체는 연결 라인을 통해 공급 압력과 복귀 압력 사이의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드로 순환시키며, 펄스 튜브 저온 헤드는
가온 단부 및 저온 단부를 갖는 적어도 하나의 재생기;
가온 단부 및 저온 단부를 갖는 적어도 하나의 펄스 튜브;
적어도 하나의 이중 유입 밸브로서,
고정식 흐름 제한 장치; 및
고정식 흐름 제한 장치에 병렬로 커플링되는 니들 밸브를 포함하고, 니들 밸브를 통한 흐름은 비대칭인 것인 이중 유입 밸브;
펄스 튜브의 가온 단부에 연결되는 완충 체적부;
연결 라인에서 재생기의 가온 단부로 연장되고, 이중 유입 밸브가 연결되는 제1 라인;
재생기의 저온 단부를 펄스 튜브의 저온 단부에 연결하는 제2 라인; 및
펄스 튜브의 가온 단부에서 이중 유입 밸브로 그리고 단일 유입 밸브를 통해 완충 체적부로 연장되는 제3 라인
을 포함하는 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제6항에 있어서, 고정식 흐름 제한 장치를 통한 흐름은 대칭인 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제6항에 있어서, 고정식 흐름 제한 장치를 통한 흐름은 비대칭인 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제6항에 있어서, 니들 밸브는 니들 단부 포트와 스템 포트를 갖는 공동을 획정하고, 니들 밸브는
공동을 실링하는 베이스; 및
베이스에서 니들 단부 포트를 향해 연장되는 니들
을 포함하며, 니들 단부 포트에서 스템 포트 방향으로의 흐름은 스템 포트에서 니들 단부 포트 방향으로의 흐름보다 높은 흐름 저항을 갖는 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제9항에 있어서, 니들 밸브는 니들 단부 포트와 스템 포트 사이의 흐름량을 조절하도록 조정 가능한 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제9항에 있어서, 니들 단부 포트는 제1 라인에 연결되고, 스템 포트는 제3 라인에 연결되는 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제11항에 있어서, 고정식 흐름 제한 장치는 제3 라인에서 제1 라인으로의 흐름에서보다 제1 라인에서 제3 라인으로의 흐름에서 흐름 저항이 더 낮은 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제9항에 있어서, 니들 단부 포트는 제3 라인에 연결되고, 스템 포트는 제1 라인에 연결되는 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제6항에 있어서, 펄스 튜브 저온 헤드는
재생기의 저온 단부에 연결되는 제2 단 재생기;
가온 단부 및 저온 단부를 갖는 제2 단 펄스 튜브;
제1 라인에 연결되는 제2 단 이중 유입 밸브;
제2 단 펄스 튜브의 가온 단부에 연결되는 제2 단 완충 체적부;
제2 단 펄스 튜브의 저온 단부를 제2 단 재생기의 저온 단부에 연결하는 제4 라인; 및
제2 단 펄스 튜브의 가온 단부에서 제2 단 이중 유입 밸브로 그리고 단일 유입 밸브를 통해 제2 단 완충 체적부로 연장되는 제5 라인
을 더 포함하는 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제6항에 있어서, 밸브 조립체와 펄스 튜브 저온 헤드 간의 연결 라인은 단일 가요성 호스인 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.
제6항에 있어서, 밸브 조립체와 펄스 튜브 저온 헤드 간의 연결 라인은 길이가 적어도 0.5 미터인 것인 GM 타입 이중 유입 펄스 튜브 극저온 냉각기 시스템.