KR20230050465A

KR20230050465A - 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 동축 이중 입구 밸브

Info

Publication number: KR20230050465A
Application number: KR1020237010053A
Authority: KR
Inventors: 티안 레이; 밍야오 수; 랄프 씨 롱스워드
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-04-14
Also published as: JP7507966B2; EP4204745A1; EP4204745A4; CN116249864A; WO2022046923A1; US11604010B2; JP2023540267A; US20220065500A1

Abstract

극저온의 온도로 냉각을 제공하는 GM(Gifford-McMahon) 타입 펄스 튜브 시스템이 제공된다. 그 시스템은 동축 이중 입구 밸브를 포함하며, 그 동축 이중 입구 밸브는, 조정 가능 포트를 갖는 베이스; 조정 가능 포트의 일단부에 부분적으로 맞물리는 고정 니들; 상기 조정 가능 포트의 타단부에 부분적으로 맞물리는 조정 가능 니들; 및 베이스, 고정 니들 및 조정 가능 니들을 수용하기 위한 본체를 갖는다. 베이스는 축 방향을 따라 조정 가능하도록 구성된다. 조정 가능 니들은 고정 니들과 동축으로 배치된다. 조정 가능 포트 및 조정 가능 니들은, 스템 포트와 단부 포트 간의 AC(교류) 흐름 및 DC(직류) 흐름을 제어하고, 스템 포트와 단부 포트 사이에서 어느 한 방향으로 DC 흐름을 생성하도록 구성된다.

Description

펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 동축 이중 입구 밸브

본 출원은 2020년 08월 27일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 제63/071,240호의 이익을 주장하며, 그 출원의 전체는 참조로 본 명세서에서 원용한다.

본 발명은, 우수한 냉각 용량을 얻기 위해 조정을 단순화하는 GM(Gifford-McMahon) 타입 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 개선된 이중 입구 밸브에 관한 것이다.

GM 타입 펄스 튜브 냉동기는, GM 냉동기와 유사한 극저온 냉각기이며, 공급 및 복귀 호스에 의해 팽창기에 연결된 압축기에서 가스 압축으로부터의 냉각을 유도하고, 팽창기는 입구 및 출구 밸브를 통해 재생기를 통과하는 저온 팽창 공간에 가스를 순환시킨다. GM 팽창기는 솔리드 피스톤(solid piston)(피스톤은, 피스톤 위쪽 및 아래쪽의 변위 체적이 재생기에 의해 연결되는 경우, 흔히 디스플레이서(displacer)로 지칭함)의 왕복 운동에 의해 실린더 내에 저온 팽창 공간을 생성하는 반면, 펄스 튜브 팽창기는 "가스 피스톤(gas piston)"의 왕복 운동에 의해 저온 팽창 공간을 생성한다. 펄스 튜브 냉동기는 그 저온 헤드에 가동 부품을 갖는 것이 아니라, 펄스 튜브 내에 압축 가능 피스톤으로서 기능하는 진동 가스 컬럼(oscillating gas column)을 갖는다. 그 피스톤은, 가압 및 감압될 때 펄스 튜브 내에 체류하는 가스를 포함한다. 펄스 튜브 냉동기의 저온 단부에 있는 가동 부품의 제거로 인해, 진동이 현저히 감소될 뿐만 아니라, 신뢰성과 수명이 보다 향상될 수 있다. 2단의 GM 타입 펄스 튜브 냉동기는, 통상적으로 오일 윤활 압축기를 사용하여 헬륨을 압축하고, 입력 전력이 5 내지 15 kW 또는 그 이상이다. 오늘날 주요 용례는 자기 공명 영상(MRI; Magnetic Resonance Imaging) 및 핵 자기 공명 영상(NMR; Nuclear Magnetic Resonance imaging) 자석을 냉각시키는 것이며, 여기서 열 차폐부를 약 40 K로 냉각시키고 헬륨을 약 4 K로 재응축시킨다. 그러한 냉동기는 양자 컴퓨터의 초기 개발에서도 사용되고 있다. 이러한 용례는 낮은 수준의 진동 및 낮은 수준의 전자파 장애(EMI; ElectroMagnetic Interference)를 요구한다.

GM 타입 펄스 튜브 냉각기는, 왕복 압축기 피스톤으로부터 재생기 및 펄스 튜브에 직접 압력 사이클을 제공하는 스털링(Stirling) 타입 펄스 튜브 냉각기와 병행하여 개발되었다. 이들은 지상 및 우주 기반 시스템에서 적외선 감지기를 70 K 가까이 냉각시키는 데에 널리 사용된다. 스털링 타입 펄스 튜브 냉각기는 통상 훨씬 작고, 훨씬 높은 속도, 예컨대 GM 타입 펄스 튜브의 경우 1 내지 2 Hz로 가동하는 데 반해 60 hz로 가동된다. 스털링 타입 펄스 튜브는, 팽창 일(work)의 대부분을 회수하기 때문에 GM 타입 펄스 튜브보다 더 효율적이지만, 펄스 튜브의 고온 단부(warm end)와 버퍼 체적 간의 흐름을 제어하는 수단이 상이하고, 저온에서는 효율적이지 않다.

GM 사이클 냉동기의 공동 발명자인 W. E. Gifford는, 솔리드 피스톤을 가스 피스톤으로 대체하여 "펄스 튜브" 냉동기라고 불리는 팽창기도 고안하였다. 이는, 펄스 튜브가 초기 GM 냉동기와 같이 밸브에 연결되는 것을 보여주는, 그의 미국 특허 제3,237,421호("'421 특허")에 처음 설명되었다. 펄스 튜브 팽창기의 초기 개발은, 저부에서 수직 배향된 튜브에 진입하여 흐름 원활 메시(flow smoothing mesh)를 통과해 흐르는 가스가 압축되어 상부쪽으로 밀려남에 따라 고온으로 되는 성층 가스 컬럼(stratified column of gas)을 생성한다는 것을 증명하였다. 튜브의 상부는, 가스가 튜브 밖으로 흘러나와 팽창함에 따라 냉각될 때, 저온 단부로 불리는 곳에서 흐름 스무서(flow smoother) 및 인접 구리를 냉각시키도록, 열의 일부를 흡수하는 구리 캡을 갖는다. 1984년에 보고된 바와 같이, 펄스 튜브의 고온 단부에 버퍼 체적을 추가하고 스로틀 밸브를 통해 가스를 내외로 흐르게 함으로써, Mikulin 등에 의해 기본 GM 타입 펄스 튜브에 대한 상당한 개선이 이루어졌다. 이는 이제 기본 오리피스 타입 펄스 튜브 또는 단일 입구 밸브 펄스 튜브라고 불린다. 후속 개발 작업을 통해, 펄스 튜브 팽창기의 성능을 향상시키는 다수의 상이한 흐름 스로틀링 수단의 설계가 이루어졌다. 대부분의 스털링 타입 펄스 튜브는 단일 입구 구조이다.

GM 타입 펄스 튜브의 경우, 펄스 튜브의 고온 단부와 재생기로의 입구 사이에 제2 오리피스의 추가로 인해, 성능이 향상되고, 2단 펄스 튜브에서 4 K 미만으로 될 수 있다는 것을 확인하였다. 이는, 이제 이중 입구 펄스 튜브라고 불리고, 제2 스로틀링 장치는 이중 입구 밸브라 불린다. 상이한 형태를 취하는 단일 입구 밸브의 경우와 같이, 이중 입구 밸브는 상이한 형태를 취한다. 본 발명은, 밸브의 설정을 용이하게 미세 조정함으로써 우수한 성능을 얻을 수 있도록 하는 새로운 이중 입구 밸브이다.

Gifford의 미국 특허 제3,205,668호("'668 특허")에는, 고온 단부에 부착된 스템을 갖는 솔리드 피스톤을 구비하는 GM 팽창기가 설명되어 있으며, 그 팽창기는 구동 스템 위의 압력을 팽창 공간에 대한 압력 사이클과 다른 위상으로 순환시킴으로써 디스플레이서를 상하로 구동시킨다. 회전식 밸브는 고압(Ph)과 저압(Pl) 사이에서 압력을 순환시키는 가장 일반적인 수단이다. 펄스 튜브의 고온 단부에서의 흐름 제어는, 가스 피스톤의 저온 경계가 본질적으로 솔리드 피스톤의 저온 단부와 동일한 패턴을 따르는 경우 최적화되는 것으로 생각할 수 있다. '688 특허에서 설명한 팽창기를 사용한 사이클은, 입구 밸브가 개방되어 압력을 Ph로 증가시키는 동안 디스플레이서가 아래에 유지된 상태로 시작한다. 이어서, 피스톤은 상향 이동하고, 그 경로의 약 3/4 지점에서 입구 밸브가 페쇄되며, 피스톤이 상부로 이동함에 따라 압력이 강하한다. 이어서, 출구 밸브는 개방되고, 압력이 Pl로 강하한다. 이어서, 피스톤은 하향 이동하고, 그 경로의 약 3/4 지점에서 출구 밸브가 폐쇄되며, 피스톤이 저부로 이동함에 따라 압력이 증가한다. P-V(압력-체적)의 면적은 사이클마다 생성되는 냉동의 척도이다. 솔리드 피스톤과 가스 피스톤 간의 차이는 많다. 그 차이는, 1) 길이 및 스트로크가 압력비뿐만 아니라, 펄스 튜브의 저온 단부의 내외로 얼마나 많은 양이 가스가 흐르도록 허용되는지에 의존하는 점, 2) 밸브 타이밍 및 흐름 저항에 있어서의 비대칭은, DC(직류) 흐름으로 지칭하는, 각 사이클 마다 펄스 튜브의 일단부의 밖으로 또는 안으로 흐르는 가스보다 더 많은 가스가 각 사이클마다 펄스 튜브의 일단부의 안 또는 밖으로 흐르게 할 수 있는 점, 3) 솔리드 피스톤의 이동과 P-V 관계를 시뮬레이션하는 저온 경계를 달성하기 위해, AC(교류) 흐름으로서 지칭되는, 저온 단부 및 고온 단부의 안과 밖으로의 흐름을 동시에 밸런싱하는 것이 매우 어렵다는 점을 포함한다. 단일 입구 밸브를 갖는 스털링 사이클 펄스 튜브는, 압축기 피스톤이 일정한 변위를 갖기 때문에 제1 문제를 방지하고, 버퍼 체적 내로 흐르는 가스와 동일한 양의 가스가 버퍼 체적 밖으로 흐르기 때문에 제2 문제를 방지한다.

솔리드 피스톤과 가스 피스톤의 그러한 유사성이 프로세스에 관한 물리적 설명을 제공하지만, 압력 사이클과 질량 흐름 사이클 간의 위상 관계의 측면에서 설명되는 흐름 패턴을 확인하는 것이 보다 일반적이다. Yuan 등의 미국 특허 출원 제2011/0100022호("'022 출원")는, 스털링 타입 단일 입구 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 위상 제어 장치에 관한 우수한 설명을 제공한다. '022 출원의 도 2는, 오리피스, 짧은 튜브 및 근접하게 이격된 플레이트들을 포함하는 것으로 설명한 저항 장치를 보여준다. 도 2는, 전기적 유사성에서 인덕턴스로서 작용하는 직경이 작고 긴 이너턴스 튜브(inertance tube)를 보여준다. '022 출원의 도 8은, 압력 사이클과 질량 흐름 사이클 간의 위상 관계를 최적화하여 최대 냉각을 제공하기 위해, 전기적 회로 유사성을 이용하여 그러한 장치들을 조합할 수 있는 방법을 보여준다. '022 출원의 도 7은, 이너턴스 장치와 병렬로 연결되는 저항 장치로 구성된 단일 입구 밸브의 개략도이다. 스털링 타입 펄스 튜브에서 이너턴스 튜브는 고주파로 작동하기 때문에 실용적이라는 점에 유의하는 것이 중요하다. GM 타입 펄스 튜브의 저주파수에서는, 저항 장치만이 실용적이다. ‘022 출원에 설명된 장치 모두가 어느 방향의 흐름에서든 동일한 흐름 특성을 갖는다는 점에 유의하는 것도 중요하다.

4 K에서 2단의 GM 타입 냉각기의 냉각 용량을 증가시키기 위한 노력은 4-밸브 구조의 개발을 포함하였다. Xu의 미국 특허 제10,066,855호("'855 특허")에는 4-밸브 펄스 튜브가 설명되어 있다. 이러한 명칭은, 재생기의 고온 단부에 연결되는 한 쌍의 입구 및 출구 밸브와, 펄스 튜브의 고온 단부에 연결되는 제2 쌍의 입구 및 출구 밸브를 포함하는 위상 변이(phase shifting) 메커니즘에 기인한다. '855 특허에는, 제2 단 및 제3 단 펄스 튜브로의 가스 흐름을 밸런싱하는 흐름 제어 메커니즘이 설명되어 있으며, 각각의 펄스 튜브는 추가 밸브 쌍을 필요로 한다. 4-밸브 펄스 튜브는 버퍼 체적을 사용하지 않으며, 당해 구조는 이중 입구 펄스 튜브의 기존 구조보다 약간 더 우수하게 작동한다. 그러나, 밸브 모터 및 로터리 밸브를 재생기로부터 분리해야 하는 경우 단점이 존재한다. 이중 입구 펄스 튜브는 밸브 조립체와 펄스 튜브/재생기 조립체의 사이에 저온 단부로 지칭되는 하나의 호스만을 필요로 하는 반면, 4-밸브 펄스 튜브는 재생기에 연결하기 위한 하나의 호스 및 다단의 펄스 튜브에서 각 펄스 튜브의 고온 단부에 연결되는 보다 작은 직경의 호스들을 필요로 한다. 본 발명에 의한 이중 입구 펄스 튜브의 개선된 성능으로 인해, 원격 밸브 조립체 및 단일 연결 호스를 갖는 유닛에서 4-밸브 펄스 튜브만큼 우수한 성능을 가질 수 있다. 개선된 연결 호스에 관한 특허 출원이 최근에 제출되었다.

Ogura의 일본(JP) 특허 제3917123호에는, 이중 입구 밸브용 니들 밸브 및 제1 입구 밸브를 위해 짧은 구멍이 통과하는 교체 가능 부싱의 용도가 설명되어 있다. 부싱을 통과하는 짧은 구멍은, 동일한 흐름 조건에 대해 어느 방향에서든 동일한 흐름 제한을 갖는다. 그 구멍은 대칭 흐름 제한기(Symmetric flow restrictor)이다. 다른 한편으로 니들 밸브는, 도시한 바와 같이 니들의 끝을 바라보는 단부에 포트 및 스템을 바라보는 측에 포트를 가지며, 이 흐름 제한은 동일한 조건에서 상이한 방향으로의 흐름에 대해 차이가 있다. 흐름 제한은 비대칭적이다. 비대칭 정도는, 포트에 대한 입구의 베벨링(beveling), 포트에서 구멍의 길이 등과 같은 다수의 요인에 의존한다. 조정 수단을 단순화하여 위상 변이의 개선이 이루어질 수 있었다.

4 K 부근에서 작동하는 GM 타입 펄스 튜브의 P-V 관계를 제어하는 위상 변이 메커니즘을 최적화하는 것 외에도, DC 흐름을 제어하는 것도 중요하다는 것이 확인되었다. Xu 명의의 미국 특허 제9,157,668호("'668 특허")는, 버퍼 체적과 압축기 복귀 라인 사이에 블리드 라인(bleed line)이 추가되어 있는 이중 입구 펄스 튜브를 설명한다. '668 특허의 도 1은, 종래기 기술의 기본 이중 입구 펄스 튜브를 보여주고, 이중 입구 밸브를 통한 흐름 패턴이 펄스 튜브의 고온 단부로부터 저온 단부로의 너무 많은 DC 흐름을 생성하는 것으로 설명한다. 버퍼 체적으로부터 다시 압축기의 복귀 측으로 흐르는 블리드 라인은, 냉각을 최적화하는 유량으로 DC 흐름을 감소시킨다. 이는, 밸브 조립체가 저온 단부로부터 멀리 떨어져 있는 경우 추가 연결 라인이 필요한 단점을 갖는다. 2단 이중 입구 펄스 튜브는 상온으로부터 제1 단 및 제2 단 온도로 연장되는 평행한 2개의 펄스 튜브를 갖는다. 각각의 고온 단부는 그 자신이 버퍼 체적에 연결되고, 그 자신의 이중 입구 밸브를 갖는다. 제2 단 재생기는 제1 단 재생기의 연장부이므로, 제1 단 재생기를 통한 제1 단 펄스 튜브의 저온 단부로의 압력 강하는, 제2 단 펄스 튜브의 저온 단부로의 압력 강하보다 작다. 2단 펄스 튜브에서 DC 흐름을 최적화하는 것은, 제2 단에서의 상향 DC 흐름 및 제1 단에서의 하향 DC 흐름을 갖는 것을 필요로 할 수 있다.

본 발명은 가용 냉각을 최적화하도록 AC 흐름 및 DC 흐름의 설정을 단순화하는 이중 입구 밸브이다. 또한, 본 발명은 원격 밸브 조립체와 저온 헤드 사이에 단일의 연결 호스만을 필요로 한다.

이중 입구 GM 타입 펄스 튜브 극저온 냉각기를 위한 동축 이중 입구 밸브는, 축방향 조정 가능한 포트 및 반대쪽 축방향 조정 가능한 니들과 직렬로 배치된 고정 니들을 포함한다. 전체 흐름 저항은 조정될 수 있으며, 흐름 비대칭은 양방향으로 조정될 수 있다. 밸브는 통상 저온 헤드의 고온 플랜지에 위치하며, 조정을 위해 일단부에서 접근할 수 있다. 표준 크기 밸브는 2단 펄스 튜브의 제1 및 제2 단 펄스 튜브 또는 상이한 크기의 펄스 튜브를 위해 사용될 수 있다. 이러한 밸브는, 가용 냉각을 최적화하도록 AC 흐름 및 DC 흐름의 설정을 단순화시킨다. 이중 입구 밸브 펄스 튜브는, 저온 헤드로부터 진동 및 EMI의 분리가 중요한 용례에서, 원격 밸브 조립체에 대해 단일 연결 호스만을 필요로 한다.

이러한 장점 및 기타 장점들은 극저온의 온도로 냉각을 제공하는 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템에 의해 달성된다. GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템은 동축 이중 입구 밸브를 포함하며, 그 동축 이중 입구 밸브는, 조정 가능 포트를 갖는 베이스; 조정 가능 포트의 일단부에 부분적으로 맞물리는 고정 니들; 상기 조정 가능 포트의 타단부에 부분적으로 맞물리는 조정 가능 니들; 및 베이스, 고정 니들 및 조정 가능 니들을 수용하기 위한 본체를 포함한다. 베이스는 축 방향을 따라 조정 가능하도록 구성된다. 조정 가능 니들은 고정 니들과 동축으로 배치된다. 베이스는 본체에 형성된 스템 포트에 연결되는 공동을 획정하며, 본체는 본체에 형성된 단부 포트에 연결되는 공동을 획정하고, 조정 가능 포트는 베이스의 공동과 본체의 공동 사이에 위치한다. 조정 가능 포트 및 조정 가능 니들은, 스템 포트와 단부 포트 간의 AC 흐름 및 DC 흐름을 제어하고, 스템 포트와 단부 포트 사이에서 어느 한 쪽 방향으로 DC 흐름을 생성하도록 구성된다.

도면들은 한정이 아니라 단지 예로서, 본 발명의 개념에 따른 하나 이상의 구현예를 도시한다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사한 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 동축 이중 입구 밸브를 갖는 1단 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 동축 이중 입구 밸브의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 2개의 동축 이중 입구 밸브를 갖는 2단 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템의 개략도를 도시한다.

본 섹션에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일부 실시예를 보다 상세히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 수많은 다른 형태로 실시될 수 있는 것으로, 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안될 것이다. 오히려, 그러한 실시예는, 본 개시가 구체적이면서 완벽하게 하고, 당업자에게 본 발명의 범위를 전달할 수 있도록 제공된다. 동일한 도면 부호는 전체적으로 동일한 요소를 가리키며, 프라임 부호의 표기는 대안적인 실시예에서 유사한 요소를 나타내는 데에 사용된다. 도면에서 동일 또는 유사한 부분은 동일한 참조 부호를 가지며, 통상 설명을 반복하지 않는다.

도 1을 참조하면, 개시된 발명의 동축 이중 입구 밸브(1)를 갖는 1단 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템(100)의 개략도가 도시되어 있다. 전체 시스템의 맥락에서 동축 이중 입구 밸브(1)가 도시되어 있다. 1단 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템(100)은, 압축기(10), 밸브(12a, 12b)를 포함하는 밸브 조립체(12), 및 연결 라인(7a)을 통해 밸브 조립체(12)에 연결되는 펄스 튜브 저온 헤드(101)를 포함한다. 압축기(10)는, 공급 라인(11a)을 통해 공급 밸브(12a, V1)에 연결되고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 밸브(12b, V2)에 연결된다. 라인(11a, 11b)은 통상 5 내지 20 미터의 길이를 갖는 가요성 금속 호스이고, 밸브(12a, 12b)는 통상 고정식 시트(seat)의 포트 위에서 회전하는 모터 구동식 회전 밸브의 슬롯이다. 통상 헬륨인 가스는, 연결 라인(7a)을 통해 이중 입구 펄스 튜브(17)의 고온 단부로 흐를 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력, 통상 2.2 MPa와 0.6 MPa 사이의 압력으로 순환한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 압력으로 가스를 공급하고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 압력으로 가스를 받아들인다. 밸브(12a, 12b)들은 각각 공급 라인(11a) 및 복귀 라인(11b)에 연결되어, 연결 라인(7a)을 통해 공급 압력과 복귀 압력 사이의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드(101)로 순환시킨다. 연결 라인(7a)은, 밸브(12a, 12b)가 저온 헤드(101)와 일체로 이루어지는 경우 수 밀리미터 길이일 수 있거나, 밸브가 멀리 떨어져 있는 경우 최대 0.5 미터 또는 그 이상의 길이를 갖는 단일 가요성 호스일 수 있다.

펄스 튜브 저온 헤드(101)는, 고온 단부(16a) 및 저온 단부(16b)를 갖는 재생기(16); 고온 단부에 고온 흐름 스무서(17a)와 저온 단부에 저온 흐름 스무서(17b)를 갖는 펄스 튜브(17); 재생기(16)의 재생기 저온 단부(16b)를 펄스 튜브(17)의 저온 흐름 스무서(17b)에 연결하는 라인(18); 연결 라인(7a)으로부터 재생기(16)의 고온 단부(16a)로 연장되는 라인(7b); 라인(7b)으로부터 동축 이중 입구 밸브(1)로 연장되는 라인(9a); 펄스 튜브(17)의 고온 흐름 스무서(17a)로부터 단일 입구 밸브(2)를 통과해 버퍼 체적(15)으로 연장되는 라인(8); 및 동축 이중 입구 밸브(1)로부터 라인(8)으로, 그리고 펄스 튜브(17)의 고온 흐름 스무서(17a)로 연장되는 라인(9b)을 포함한다. 순환 흐름이, 라인(7b)을 통과해 재생기(16)의 고온 단부(16a)로, 그리고 라인(9a)를 통과해 동축 이중 입구 밸브(1), 라인(9b) 및 라인(8)으로 계속된다. 라인(8)은, 일단부에서 고온 흐름 스무서(17a)를 포함하는 펄스 튜브(17)의 고온 단부에 연결되는 한편, 타단부에서는 단일 입구 밸브(2)에 연결되고, 이 단일 입구 밸브(2)는 또한 버퍼 체적(15)에 연결된다. 재생기(16)의 저온 단부(16b)는, 라인(18)을 통해, 저온 흐름 스무서(17b)를 수용하는 펄스 튜브(17)의 저온 단부에 연결된다.

도 2를 참조하면, 둥축 이중 입구 밸브(1)의 개략도가 도시되어 있다. 동축 이중 입구 밸브(1)의 밸브 본체(6)는, 통상 펄스 튜브 저온 헤드(101)의 고온 플랜지이지만, 외부 배관 조립체의 일부일 수 있다. 니들(5a)이 밸브 본체(6)에 고정된 니들 베이스(5)와 일체로 이루어진다. 가스가 통과해 흐르기 위한 구멍을 갖는 밸브 포트 베이스(4)가 니들(3a, 5a)과 동축으로 정렬되며, 그 밸브 포트 베이스(4)는 벨브 본체(6)에 나사식 맞물림에 의해 축방향으로 조정 가능하다. 니들(3a)은, 포트 베이스(4)에 나사식 맞물림에 의해 축방향으로 조정 가능한 조정 가능 니들 베이스(3)에 일체로 이루어진다. 포트 베이스(4)는, 니들(3a, 5a)이 부분적으로 삽입될 수 있는 조정 가능 포트(4a)를 갖는다. 슬롯(3b, 4b)은, 니들 베이스(3) 및 포트 베이스(4)를 조정하도록 밸브 본체(6)의 동일한 단부로부터 독립적으로 니들 베이스(3) 및 포트 베이스(4)를 회전시키는 도구의 맞물림을 허용한다. 시일(3c, 4c)이 동축 이중 입구 밸브(1)를 기밀 상태로 하는 데에 사용된다.

도 2를 참조하면, 본체(6)는 본체(6)의 내부에 구멍(6a)을 가지며, 고정 니들 베이스(5) 및 밸브 포트 베이스(4)는 그 구멍(6a)에 배치된다. 밸브 포트 베이스(4)는 밸브 포트 베이스(4) 내부에 조정 가능 포트(4a) 및 구멍(또는, 공동)(4d)을 가지며, 조정 가능 니들 베이스(3)는 그 구멍(4d)에 배치된다. 구멍(4d)은 라인(9a)에 연결되는 스템 포트(4e)에 연결되며, 그 라인(9a)은 도 1에 도시된 바와 같이 라인(7b)에 연결된다. 조정 가능 니들 베이스(3)로부터 연장되는 조정 가능 니들(3a)은, 구멍(4d)에 배치되고 조정 가능 포트(4a) 내에 부분적으로 배치된다. 고정 니들 베이스(5)로부터 연장되는 고정 니들(5a)은, 구멍(5b)에 배치되고 조정 가능 포트(4a) 내에 부분적으로 배치된다. 밸브 포트 베이스(4) 및/또는 조정 가능 니들 베이스(3)가 축 방향(Z)을 따라 조정되는 경우, 구멍(4d)의 크기 및 조정 가능 포트(4a) 내부에 배치되는 니들(3a)의 부분의 길이는 조정될 수 있다. 밸브 포트 베이스(4)가 축 방향(Z)을 따라 조정되는 경우, 조정 가능 포트(4a)가 축 방향(Z)을 따라 이동하고, 조정 가능 포트(4a) 내부에 배치되는 니들(5a)의 부분의 길이가 조정될 수 있다.

구멍(또는, 공동)(5b)은, 밸브 포트 베이스(4)와 고정 니들 베이스(5) 사이에 형성될 수 있으며, 조정 가능 포트(4a)를 통해 구멍(4d)에 연결된다. 고정 니들 본체(5)는, 구멍(5b)과 단부 포트(5c) 사이에 배치되며, 적어도 하나의 연결 포트(5d)를 갖는다. 단부 포트(5c)는 연결 포트(5d)를 통해 구멍(5b)에 연결된다. 단부 포트(5c)는 라인(9b)에 연결되며, 그 라인(9b)은 도 1에 도시된 바와 같이 라인(8)에 연결된다. 도면은 니들(3a, 5a) 및 포트(4a)의 크기는 아니고 특정 형상을 나타내지만, 기타 형상도 본 발명의 범위 내에 있다. 니들(3a, 5a)이 포트(4a)로부터 대칭적으로 인출되면 AC 흐름이 대칭적으로 증가하고, 하나가 다른 하나보다 더 개방되면 흐름이 비대칭이 되고, 보다 더 맞물린 니들로부터 베이스로의 흐름에 대한 저항이 덜 맞물린 니들로부터의 흐름에 대한 저항보다 더 커진다. 이러한 비대칭은 DC 흐름을 도입하며, 그 흐름은 2개의 니들 중 어느 니들이 보다 더 맞물리느냐에 따라 어느 한 방향으로 설정될 수 있다.

도 3을 참조하면, 개시된 발명의 복수의 동축 이중 입구 밸브(1a, 1b)를 갖는 2단 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템(200)이 도시되어 있다. 2단 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템(200)은, 압축기(10), 밸브(12a, 12b)를 포함하는 밸브 조립체(12), 및 연결 라인(7a)을 통해 밸브 조립체(12)에 연결되는 펄스 튜브 저온 헤드(101)를 포함한다. 압축기(10)는, 공급 라인(11a)을 통해 공급 밸브(12a, V1)에 연결되고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 밸브(12b, V2)에 연결된다. 라인(11a, 11b)은 통상 5 내지 20 미터의 길이를 갖는 가요성 금속 호스이고, 밸브(12a, 12b)는 통상 고정식 시트의 포트 위에서 회전하는 모터 구동식 회전 밸브의 슬롯이다. 통상 헬륨인 가스는, 연결 라인(7a)을 통해 이중 입구 펄스 튜브(17, 21)의 고온 단부로 흐를 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력, 통상 2.2 MPa와 0.6 MPa 사이의 압력으로 순환한다. 압축기(10)는 공급 라인(11a)을 통해 공급 압력으로 가스를 공급하고, 복귀 라인(11b)을 통해 복귀 압력으로 가스를 받아들인다. 밸브(12a, 12b)들은 각각 공급 라인(11a) 및 복귀 라인(11b)에 연결되어, 연결 라인(7a)을 통해 공급 압력과 복귀 압력 사이의 가스를 펄스 튜브 저온 헤드(201)로 순환시킨다. 연결 라인(7a)은 밸브(12a, 12b)가 저온 헤드(201)와 일체로 이루어지는 경우 수 밀리미터 길이일 수 있거나, 밸브가 멀리 떨어져 있는 경우 최대 0.5 미터 또는 그 이상의 길이를 갖는 단일 가요성 호스일 수 있다.

도 3을 참조하면, 펄스 튜브 저온 헤드(201)는, 고온 단부(16a') 및 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); 고온 단부에 고온 흐름 스무서(17a)와 저온 단부에 저온 흐름 스무서(17b)를 갖는 제1 단 펄스 튜브(17); 고온 단부에 고온 흐름 스무서(21a)와 저온 단부에 저온 흐름 스무서(21b)를 갖는 제2 단 펄스 튜브(21); 재생기의 저온 단부(16b')를 펄스 튜브(17)의 저온 흐름 스무서(17b)에 연결하는 라인(18); 제2 단 재생기(20)의 저온 단부(20b)를 펄스 튜브(21)의 저온 흐름 스무서(21b)에 연결하는 라인(22); 연결 라인(7a)으로부터 재생기(16')의 고온 단부(16a')로 연장되는 라인(7b); 그 라인(7b)으로부터 동축 이중 입구 밸브(1a)로 연장되는 라인(9a); 라인(7b)으로부터 동축 이중 입구 밸브(1b)로 연장되는 라인(9a'); 펄스 튜브(17)의 고온 흐름 스무서(17a)로부터 단일 입구 밸브(2)를 통과해 버퍼 체적(15)으로 연장되는 라인(8); 펄스 튜브(21)의 고온 흐름 스무서(21a)로부터 단일 입구 밸브(2a)를 통과해 버퍼 체적(15a)으로 연장되는 라인(8a); 동축 이중 입구 밸브(1a)로부터 라인(8) 및 펄스 튜브(17)의 고온 흐름 스무서(17a)로 연장되는 라인(9b); 및 동축 이중 입구 밸브(1b)로부터 라인(8a)으로, 그리고 펄스 튜브(21)의 고온 흐름 스무서(21a)로 연장되는 라인(9b')을 포함한다.

제1 동축 이중 입구 밸브(1a)가 제1 단 펄스 튜브(17)에 연결되고, 제2 동축 이중 입구 밸브(1b)가 제2 단 펄스 튜브(21)에 연결된다. 제2 동축 이중 입구 밸브(1b)는 제1 동축 이중 입구 밸브(1a)와 동일한 요소를 포함한다. 제2 동축 이중 입구 밸브(1b)의 단부 포트(5c)는 라인(9b')에 연결될 수 있으며, 제2 동축 이중 입구 밸브(1b)의 스템 포트(4e)는 라인(9a')에 연결될 수 있다. 제2 동축 이중 입구 밸브(1b)는, 제1 동축 이중 입구 밸브(1a)와 동일하지만, 조정 가능 포트(4a), 니들(3a) 및 니들(5a)의 크기가 상이할 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제2 단 재생기(20)는 제1 단 재생기(16')의 연장부이며, 제2 단 펄스 튜브(21)는 상온의 고온 단부를 가지며 제1 단 펄스 튜브(17)로부터 분리된다. 재생기(20)의 저온 단부(20b)는 라인(22)을 통해 펄스 튜브(21)의 저온 단부에 연결되며, 그 저온 단부는 흐름 스무서(21b)를 포함한다. 제2 단 펄스 튜브(21)의 고온 단부는 흐름 스무서(21a)를 갖고 라인(8a)에 연결되며, 그 라인(8a)은 단일 입구 밸브(2a)를 통해 동축 이중 입구 밸브(1b) 및 버퍼 체적(15a)에 연결된다.

본 명세서에서 사용한 용어 및 설명은 단지 예시로서 기술된 것이지, 한정으로서 의도한 것은 아니다. 당업자라면, 본 명세서에서 설명한 본 발명과 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 점을 인지할 것이다.

Claims

극저온의 온도로 냉각을 제공하는 GM(Gifford-McMahon) 타입 펄스 튜브 시스템으로서;
동축 이중 입구 밸브를 포함하며, 이 동축 이중 입구 밸브는,
조정 가능 포트를 가지며, 축 방향을 따라 조정 가능하도록 구성되는 베이스;
상기 조정 가능 포트의 일단부에 부분적으로 맞물리는 고정 니들;
상기 조정 가능 포트의 타단부에 부분적으로 맞물리며, 상기 고정 니들과 동축으로 배치되는 조정 가능 니들; 및
상기 베이스, 상기 고정 니들 및 상기 조정 가능 니들을 수용하기 위한 본체
를 포함하는 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 베이스 및 상기 조정 가능 니들은 상기 본체의 동일한 측으로부터 조정 가능한 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제1항에 있어서,
상기 베이스는 상기 본체에 형성된 스템 포트에 연결되는 공동을 획정하며, 상기 본체는 상기 본체에 형성된 단부 포트에 연결되는 공동을 획정하고, 상기 조정 가능 포트는 상기 베이스의 공동과 상기 본체의 공동 사이에 위치하는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제3항에 있어서,
상기 조정 가능 포트 및 상기 조정 가능 니들은, 상기 스템 포트와 상기 단부 포트 사이에서 AC(교류) 흐름 및 DC(직류) 흐름을 제어하도록 구성되는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제3항에 있어서,
상기 조정 가능 포트 및 상기 조정 가능 니들은, 상기 스템 포트와 상기 단부 포트 사이에서 어느 한 방향으로 DC 흐름을 생성하도록 구성되는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제3항에 있어서,
상기 동축 이중 입구 밸브는 상기 베이스의 공동에 위치하는 조정 가능 니들 베이스를 더 포함하고, 상기 조정 가능 니들은 상기 조정 가능 니들 베이스와 일체로 이루어지는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
극저온의 온도로 냉각을 제공하는 GM(Gifford-McMahon) 타입 펄스 튜브 시스템으로서,
공급 라인을 통해 공급 압력으로 가스를 공급하고, 복귀 라인을 통해 복귀 압력으로 가스를 받아들이는 압축기;
상기 공급 라인 및 상기 복귀 라인에 연결되는 밸브 조립체; 및
상기 밸브 조립체에 연결되는 펄스 튜브 저온 헤드
를 포함하고, 상기 밸브 조립체는 연결 라인을 통해 상기 공급 압력과 상기 복귀 압력 사이의 가스를 상기 펄스 튜브 저온 헤드로 순환시키며, 상기 펄스 튜브 저온 헤드는,
고온 단부(warm end) 및 저온 단부(cold end)를 갖는 재생기;
고온 단부 및 저온 단부를 갖는 펄스 튜브;
동축 이중 입구 밸브로서,
조정 가능 포트를 가지며, 축 방향을 따라 조정 가능하도록 구성되는 베이스;
상기 조정 가능 포트의 일단부에 부분적으로 맞물리는 고정 니들;
상기 조정 가능 포트의 타단부에 부분적으로 맞물리며, 상기 고정 니들과 동축으로 배치되는 조정 가능 니들; 및
상기 베이스, 상기 고정 니들 및 상기 조정 가능 니들을 수용하기 위한 본체를 포함하는, 동축 이중 입구 밸브;
상기 연결 라인으로부터 상기 재생기의 고온 단부로 연장되며, 상기 동축 이중 입구 밸브가 연결되는 제1 라인;
상기 재생기의 저온 단부를 상기 펄스 튜브의 저온 단부로 연결하는 제2 라인;
단일 입구 밸브를 통해 상기 펄스 튜브의 고온 단부로부터 버퍼 체적으로 연장되는 제3 라인; 및
상기 동축 이중 입구 밸브로부터 상기 펄스 튜브의 고온 단부로 연장되는 제4 라인
을 포함하는 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제7항에 있어서,
상기 베이스 및 상기 조정 가능 니들은 상기 본체의 동일한 측으로부터 조정 가능한 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제7항에 있어서,
상기 베이스는 상기 본체에 형성된 스템 포트에 연결되는 공동을 획정하며, 상기 본체는 상기 본체에 형성된 단부 포트에 연결되는 공동을 획정하고, 상기 조정 가능 포트는 상기 베이스의 공동과 상기 본체의 공동 사이에 위치하는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제9항에 있어서,
상기 스템 포트는 상기 제1 라인에 연결되고, 상기 단부 포트는 상기 제4 라인에 연결되는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제9항에 있어서,
상기 조정 가능 포트 및 상기 조정 가능 니들은, 상기 스템 포트와 상기 단부 포트 사이에서 AC(교류) 흐름 및 DC(직류) 흐름을 제어하도록 구성되는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제9항에 있어서,
상기 조정 가능 포트 및 상기 조정 가능 니들은, 상기 스템 포트와 상기 단부 포트 사이에서 어느 한 방향으로 DC 흐름을 생성하도록 구성되는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제9항에 있어서,
상기 동축 이중 입구 밸브는 상기 베이스의 공동에 위치하는 조정 가능 니들 베이스를 더 포함하고, 상기 조정 가능 니들은 상기 조정 가능 니들 베이스와 일체로 이루어지는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제7항에 있어서,
상기 밸브 조립체와 상기 펄스 튜브 저온 헤드 사이의 상기 연결 라인은 단일 가요성 호스인 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제7항에 있어서,
상기 밸브 조립체와 상기 펄스 튜브 저온 헤드 사이의 상기 연결 라인은 적어도 0.5 미터의 길이를 갖는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제7항에 있어서,
상기 펄스 튜브 저온 헤드는,
상기 재생기의 저온 단부에 연결되는 제2 단 재생기;
고온 단부 및 저온 단부를 갖는 제2 단 펄스 튜브;
상기 제1 라인에 연결되는 제2 단 동축 이중 입구 밸브로서,
조정 가능 포트를 가지며, 축 방향을 따라 조정 가능하도록 구성되는 베이스;
상기 조정 가능 포트의 일단부에 부분적으로 맞물리는 고정 니들;
상기 조정 가능 포트의 타단부에 부분적으로 맞물리며, 상기 고정 니들과 동축으로 배치되는 조정 가능 니들; 및
상기 베이스, 상기 고정 니들 및 상기 조정 가능 니들을 수용하기 위한 본체를 포함하는, 제2 단 동축 이중 입구 밸브;
상기 제2 단 재생기의 저온 단부를 상기 제2 단 펄스 튜브의 저온 단부에 연결하는 제5 라인;
상기 제2 단 단일 입구 밸브를 통해 상기 제2 단 펄스 튜브의 고온 단부로부터 제2 단 버퍼 체적으로 연장되는 제6 라인; 및
상기 제2 단 동축 이중 입구 밸브로부터 상기 제2 단 펄스 튜브의 고온 단부로 연장되는 제7 라인
을 더 포함하는 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.
제16항에 있어서,
상기 제2 단 동축 이중 입구 밸브의 상기 조정 가능 포트, 고정 니들 및 조정 가능 니들 중 적어도 하나는, 상기 동축 이중 입구 밸브의 조정 가능 포트, 고정 니들 및 조정 가능 니들 중 대응하는 것과 상이한 크기를 갖는 것인 GM 타입 이중 입구 펄스 튜브 시스템.