KR20240026226A - 직렬로 배치되는 순환형 극저온 냉각기 시스템 - Google Patents

직렬로 배치되는 순환형 극저온 냉각기 시스템 Download PDF

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스티븐 비 던
산토시 케이 간들라
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스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
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Abstract

원격 위치로 냉동을 운반하기 위한 순환 루프가, GM(Gifford-McMahon) 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드와 압축기 사이에 직렬로 연결된다. 압축기로부터의 고압 가스가 저온 헤드로 복귀하기 전에 원격 히트 스테이션을 통과해 흐를 수 있거나, 저압 가스가 압축기로 복귀하기 전에 저온 헤드로부터 원격 히트 스테이션으로 흐를 수 있다. 상온의 가스 전부를 포함할 수 있는 가스의 제1 분획이, 대향류 열교환기(counter-flow heat exchanger)에 들어가며, 저온 헤드에 의해 냉각되고, 원격 부하로 흐른 다음, 대향류 열교환기를 통해 흐름에 따라 상온으로 복귀한다. 고압 또는 저압 라인은, 제2 분획의 가스를 방향 전환시키는 순환 제어 밸브를 구비하여 저온 헤드와 압축기 사이에서 직접 흐를 수 있다. 제어기는 순환 제어 밸브를 조절하여 부하의 냉각을 최적화한다.

Description

직렬로 배치되는 순환형 극저온 냉각기 시스템
본 출원은 2021년 07월 29일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 제63/226,851호의 이익을 주장하며, 그 출원의 전체는 참조로 본 명세서에서 원용한다.
본 발명은 GM(Gifford-McMahon) 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드(팽창기)로부터 멀리 떨어진 부하의 냉각에 관한 것이다.
GM(Gifford-McMahon) 또는 펄스 튜브 극저온 냉각기와 같은 밸브식 축열 사이클 극저온 냉동기(valved, regenerative-cycle cryogenic refrigerator)(극저온 냉각기)는 그 상대 효율, 컴팩트한 크기 및 상대적 저렴한 비용으로 인해 1 kW 미만의 냉동 부하에 극저온 냉동을 제공하는 데에 일반적이다. 이러한 극저온 냉각기는 저온 헤드에 고압 가스를 제공하고 저온 헤드로부터 나오는 저압 가스를 수용하는 압축기를 구비하는 것에 의해 정의되며; 저온 헤드는, 축열기(regenerator)를 통해 고온 변위 체적과 저온 변위 체적 사이에서 가스를 전달하는 왕복동 변위기(reciprocating displacer)로 가스를 순환시키는 밸브를 포함한다. 이러한 유형의 극저온 냉각기의 단점은, 제공되는 냉동이 단지 저온 헤드 상에 위치하는 저온 표면에서만 이용 가능하다는 점이다. 원격 부하로 순환할 수 있는 저압의 저온 가스를 방출하는 브레이튼 사이클 팽창기(Brayton cycle expander)와 달리, 그러한 축열 타입 팽창기는 실온(room temperature)의 저압 가스를 복귀시킨다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 냉각 유체를 저온 헤드의 저온 표면으로부터 저온 헤드로부터 멀리 떨어진 위치로 순환시킴으로써 냉동을 운반하는 유체 함유 루프(fluid-containing loop)와 축열 사이클 극저온 냉각기를 조합하는 시스템이 개발되었다. 넓은 온도 범위에 걸쳐 냉동이 필요한 경우, 또는 냉각 대상의 특성이 액체에 의한 또는 액체에서 가스로의 상(phase) 변화에 의한 냉각을 배제하는 경우, 그러한 루프에서 유체로서 가스가 사용된다. 이 경우에, 냉동은 루프의 한 부분에서 온도가 하강(냉각)되고 루프의 다른 부분에서 그 온도가 상승(가열)됨에 따라, 가스의 현열(sensible heat)에 의해 운반된다.
순환 유체로서 가스를 사용하는 2가지 유형의 순환 루프가 공지되어 있다. 저온 순환기를 구비하는 하나의 유형은, 그 루프를 통해 저온 유체를 이동시키는 메커니즘을 비롯하여, 전체 순환 루프가 저온이다. 고온 순환기를 구비하는 다른 하나의 유형은, 저온 헤드 및 저온의 원격 부하를 포함하는 루프의 부분과, 고온(예컨대, 실온 이상)의 유체를 이동시키는 메커니즘을 포함하는 부분을 구비한다. 2개의 부분들 사이와 루프 내에는, 루프의 저온 부분이 순환기 온도보다 상당히 낮은 온도에서 작동하게 하는 복열 스타일 열교환기(recuperative style heat exchanger)가 있다. 복열 스타일 열교환기는, 순환기로부터 유입되는 유체를 냉각시키고, 순환기로 복귀하는 유체를 가열한다.
저온 순환기를 구비하는 시스템의 예는, 미국 특허 제6,347,522호, 영국 특허 제2,433,581호 및 Cryocoolers 18에서 Kim 등에 의한 "Cryogenic Thermal Studies on Cryocooler-Based Helium Circulation Systems for Gas Cooled Superconducting Power Devices"와 같은 수많은 기술 논문들에 설명되어 있다. 미국 특허 제10,704,809호에는, 저온 순환기를 갖는 GM 팽창기를 구비하는 시스템 및 그 시스템을 사용하여 원격 부하를 냉각시키거나 가열하기 위한 수단이 설명되어 있다. 이러한 시스템들에서, 순환 루프는 극저온 냉각기로부터 분리되어 그들이 유체를 공유하거나 교환하지 않도록 한다. 극저온 냉각기와 유체를 공유 및 교환하는 저온 순환 메커니즘을 구비하는 시스템의 변형예가, Cryocoolers 16에서 Maddocks 등에 의한 "Performance Test of Pulse Tube Cooler with Integrated Circulator"에 설명되어 있다. 이 변형예에서, 순환 유체는 극저온 냉각기의 저온 표면으로부터 나오고 그 내부로 배출되며; 극저온 냉각기의 내부 압력 요동(swing)에 의해 이동되는 유체는 체크 밸브에 의해 DC 흐름으로 정류된다.
고온 순환기를 구비하는 시스템의 예는, 미국 특허 제5,889,456호, 제9,612,062호 및 Cryocoolers 17에서 Trollier 등에 의한 기술 논문 "Remote Helium Cooling Loops for Laboratory Applications"에 설명되어 있다. 미국 특허 제7,003,977호에는 고온 또는 저온 순환기를 구비할 수 있는 저온 저장 구성요소를 구비하는 순환 시스템이 설명되어 있다. 이러한 예에서, 극저온 냉각기 및 순환 루프는 전술한 바와 같이 분리되어 있다. 순환 루프와 극저온 냉각기가 유체를 공유 및 교환하는 고온 순환기를 구비하는 시스템의 예는, 미국 특허 제7,474,099호 및 Cryocoolers 15에서 Michaelian 등에 의한 기술 논문 "Remote Cooling with the HEC Cooler"에 설명되어 있다. 미국 특허 출원 공개 제2021/0025624호에는 이젝터를 사용하여 압축기 흐름의 일부를 순환시켜 원격 부하로의 저온 유량을 증가시키기는 것이 설명되어 있다. 이러한 예에서, 하나의 압축기가 저온 헤드 및 순환 루프 모두에 사용되며, 순환 루프는 저온 헤드와 병렬로 배치된다. 극저온 냉각기가 팽창 가능한 극저온 유체에 의해 냉각되는 열교환기로 대체되는 고온 순환기를 갖는 시스템의 예가 미국 특허 제6,923,009호에 설명되어 있다.
이러한 종래의 개시들에 교시되지 않았으며, 본 발명으로서 개시하는 것은, 순환 루프와 극저온 냉각기가 유체를 공유 및 교환하며, 순환 루프가 극저온 냉각기 저온 헤드의 고온측 흡입부 또는 배출부와 직렬 흐름 배치로 있는 시스템이다.
원격 위치로 냉동을 운반하기 위한 순환 루프가 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드와 압축기 사이에 직렬로 연결된다. 압축기와 저온 헤드 사이에 흐르는 가스의 일부분 또는 전부가 우회되어 저온 헤드에 의해 냉각되고, 이어서 저온 헤드로 또는 저온 헤드로부터 직접 흐르는 부분과 다시 합류하도록 복귀하기 전에 원격 부하를 냉각시킨다. 압축기로부터 나오는 고압 가스가 저온 헤드(팽창기)로 복귀하기 전에 원격 히트 스테이션(remote heat station)을 통과해 흐를 수 있거나, 저압 가스가 압축기로 복귀하기 전에 저온 헤드로부터 원격 히트 스테이션으로 흐를 수 있다. 순환 가스는, 저온 헤드와 압축기에 연결된 상온의 라인들과, 저온 헤드의 저온 표면 또는 표면들 및 원격 부하 사이에 위치한 대향류 열교환기(counter-flow heat exchanger)를 통과해 흐른다. 압축기로 또는 압축기로 직접 흐르는 가스가 통과하는 라인은, 흐름을 순환 루프로 우회시키는 한편, 순환 루프를 통해 그 흐름을 구동하는 압력 강하를 제어하는 순환 제어 밸브를 구비할 수 있다. 다양한 센서들로부터의 입력을 갖는 제어기가 순환 제어 밸브를 조절하여 부하의 냉각을 최적화한다. 부하로 순환하는 가스를 제1 분획(fraction)으로서 지칭하며, 압축기와 저온 헤드 사이에서 직접 흐르는 나머지 가스를 제2 분획으로서 지칭한다.
순환 루프는 격리 밸브, 흡착제, 충전 및 배기 포트, 베이어닛(bayonet) 및 진공 재킷 전달 라인, 그리고 히터 등의 요소를 포함하여, 원격 부하를 극저온 온도로 냉각시키고 그 원격 부하를 다시 실온으로 가열하는 기능을 지원할 수 있다.
전술한 이점 및 기타 이점들은, 예컨대, 원격 부하로 가스를 순환시키는 극저온 냉동 시스템에 의해 달성된다. 극저온 냉동 시스템은, 저압으로부터 고압으로 가스를 압축시키는 압축기; 고압의 라인에서 상기 압축기로부터 나오는 상온의 가스를 수용하며 저압의 라인에서 가스를 복귀시키는 적어도 하나의 GM(Gifford-McMahon) 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드로서, GM 또는 GM 타입 펄스 튜브의 하나 이상의 저온 표면에서 냉동을 생성하는, 적어도 하나의 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드; 및 상기 고압 및 저압의 라인들 중 하나의 라인에서 상기 가스의 전부 또는 일부가 통과해 흐르는 순환 루프를 포함한다. 순환 루프는 상기 하나 이상의 저온 표면으로부터 원격 부하로 냉동을 운반한다. 전술한 이점 및 기타 이점들은, 예컨대, 원격 부하의 냉각을 제어하기 위해 순환 제어 밸브를 조절하는 방법에 의해 달성된다.
도면들은 한정이 아니라 단지 예로서, 본 발명에 따른 하나 이상의 구현예를 도시한다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사한 요소를 가리킨다.
도 1은 저압 가스의 일부 또는 전부를 순환시켜 가스가 저온 헤드를 떠난 후에 그리고 가스가 압축기로 복귀하기 전에 원격 부하를 냉각시키는 실시예를 나타낸 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
도 2는 고압 가스의 전부를 순환시켜 가스가 압축기를 떠난 후에 그리고 가스가 저온 헤드로 복귀하기 전에 원격 부하를 냉각시키는 실시예를 나타낸 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
도 3은 1개 경로의 루프에 대한 순환 유량 및 열교환의 함수로서 원격 부하에서 이용 가능한 냉각의 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 고압 가스의 일부 또는 전부를 순환시켜 가스가 압축기를 떠난 후에 가스가 저온 헤드로 복귀하기 전에 원격 부하를 냉각시키는 실시예를 나타낸 극저온 냉동 시스템의 개략도이다. 순환 가스는 열교환기로 복귀하기 전에 저온 헤드와 부하 사이에서 2회 흐른다.
도 5는 2개의 경로의 루프에 대한 순환 유량 및 열교환의 함수로서 원격 부하에서 이용 가능한 냉각의 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은 원격 부하를 냉각 및 가열하도록 임의의 실시예가 변경될 수 있는 다수의 다양한 방식들을 예시하는 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
본 섹션에서, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일부 실시예를 보다 상세히 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 수많은 다양한 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. 도면에서 동일 또는 유사한 부분은 동일한 참조 부호를 가지며, 통상 설명을 반복하지 않는다.
실시예들은, 극저온 온도에서 작동하며 그리고 GM(Gifford-McMahon) 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드(팽창기)로부터 멀리 떨어져 있는 부하를 헬륨을 순환시킴으로써 냉각시키는 시스템을 제공한다. 도 1을 참조하면, 순환 루프를 저온 헤드(40)와 직렬로 배치함으로써 원격 부하(80)로 냉동을 제공하는 극저온 냉동 시스템(100)이 도시되어 있다. 구체적으로, 압축기(20)는 라인(10)을 통해 저온 헤드(팽창기)(40)의 고온 단부 내로 직접 흐르도록 고압 및 상온(실온)의 헬륨 흐름을 제공한다. 저온 헤드(40)는 고압의 헬륨 가스를 받아들여, 그 가스를 팽창시켜 저온 표면(42)에서 냉동을 제공하는 한편, 제1 저압(P1') 및 거의 상온(실온)의 가스를 라인(13)으로 배출하도록 작동된다. 저온 헤드(40)로부터 배출되는 헬륨 흐름의 일부 또는 전부는 라인(14)을 통해 순환 루프 내로 흐르고, 그 나머지는 순환 제어 밸브(90) 및 복귀 압력(P1)의 라인(12)을 통해 압축기(20)로 복귀한다. 저온 헤드와 직렬로 배치되는 순환 루프는, 라인(14)에 들어갔다 라인(16)을 떠나는 흐름을 포함하는 시스템의 부분이다.
라인(14)을 통해 순환 루프에 들어가는 헬륨은, 복열 열교환기(60)의 공급측을 통과해 흐르며, 여기서 그 헬륨은 반대쪽 헬륨 흐름에 의해 순환 루프의 저온 작동 온도에 근접한 온도로 냉각된다. 헬륨은 복열 열교환기(60)의 공급측으로부터 열교환기(44)로 흐르며, 여기서 그 헬륨은 저온 헤드(40)의 저온 표면(42)에서 제공되는 냉동에 의해 추가로 냉각된다. 순환하는 헬륨은 이어서 라인(15)을 통해 원격 부하(80)를 냉각시키는 열교환기(72)로 흐른다. 그로부터, 헬륨은 열교환기(60)를 통과해 복귀하며, 여기서 그 헬륨은 공급측 헬륨을 냉각시킨 다음, 라인(16)을 통과해 라인(12)에서 합류하여 압력(P1)으로 압축기(20)로 복귀한다. 라인(14, 16)은, 상온에서 작동하는 구성요소와 진공(22)에 의해 단열되는 저온의 구성요소를 분리하는 고온 플랜지(21)를 통과한다. 대부분의 GM 및 GM 타입 펄스 튜브 극저온 냉각기는 10℃ 내지 40℃ 사이의 상온에서 작동하도록 설계되지만, 일부는 그러한 범위 밖에서 작동하도록 설계될 수도 있다.
압축기의 라인(10, 12)들 내의 헬륨 압력은, 통상 각각 2 내지 3MPa 및 0.5 내지 1MPa의 범위에 있다. 순환 제어 밸브(90)에 걸친 압력차는, 시스템이 그 작동 온도에 있는 경우 통상 약 0.1MPa이지만, 냉각(cool down) 또는 예열(warm up) 중에 보다 높을 것이다. 순환 제어 밸브(90)는 라인(13)에서의 저온 헤드의 출구(P1'(P1+dP))와 압축기(20)의 라인(12)(P1) 사이의 압력 강하(dP)를 조절한다. 압력 강하를 증가시키면, 순환 루프를 통해 보다 많은 흐름을 유도하며, 저온 헤드(40)의 냉동 속도(refrigeration rate)를 감소시킨다. 능동 제어의 이점은, 극저온 냉동 시스템이 상온으로부터 원격 부하를 냉각시키기 위해 사용되는 경우 확인할 수 있다. 원격 부하(80)가 고온(실온에 가까운 온도)인 경우, 가스는 그 가스가 저온일 때보다 낮은 밀도 및 높은 점도를 갖기 때문에, 순환 루프에서의 압력 손실은 상대적으로 높다. 저온 헤드(40)에서의 열 손실이 낮기 때문에, 냉동도 상대적으로 높다. 순환 제어 밸브(90)를 통과하는 흐름을 감소시킴으로써, 순환 루프를 통과하는 흐름이 증가되며, T1의 저온 표면(42)과 T1+dT의 부하(80) 사이의 온도차(dT)가 최소화된다. 가스의 순환하는 제1 분획은 저온 표면(42)에서 냉각되고, 부하(80)에서 그 분획이 가열됨에 따라 부하(80)에 냉동을 운반한다고 한다. 온도 센서(42a, 80a)들은 그러한 2개의 위치의 온도를 각각 측정한다.
순환 제어 밸브(90)를 사용하여 순환을 능동적으로 제어함으로써, 순환 루프를 통과하는 흐름과 저온 헤드(40)를 통과하는 흐름이 주어진 작동 조건들의 세트에 대해 최적화될 수 있다. 유량, 온도, 압력, 차압의 측정 또는 이들의 조합이 순환 제어 밸브(90)의 유동 제어 결정을 내리는 데에 사용될 수 있다.
바람직한 방법은, 순환 제어 밸브(90)를 조절하는 제어기(도시 생략)를 사용하여 센서(42a, 80a)들 간의 온도차를 최소화하는 것이다. 센서들의 위치 및 유형은, 도 1에 도시한 바와 같이 온도 센서(42a 및 80a)로 제한되는 것이 아니라, 순환 루프 내의 압력, 온도 및/또는 가스 유량을 효과적으로 검출하기 위한 임의의 위치 및 임의 유형의 센서일 수 있다. 순환 루프를 통과해 흐르는 가스의 분획의 양은, 원격 부하(80)의 온도를 최소화하기 위해, 또는 원격 부하(80)가 냉각되는 냉각 속도를 최대화하기 위해 결정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 극저온 냉동 시스템(200)이 도시되며, 이 극저온 냉동 시스템(200)은, 압축기(20)로부터의 고압의 가스가 저온 헤드(40)로 들어가기 전에 그 가스를 원격 부하(80)로 순환시킨다는 점에서 시스템(100)과는 상이하다. 저압의 가스는 라인(12)을 통해 저온 헤드(40)로부터 압축기(20)로 바로 복귀한다. 시스템(200)이 도 1에 도시한 바와 같은 순환 제어 밸브(90)를 구비할 수도 있지만, 도 2는 압축기(20)로부터 나오는 흐름 전부를 순환시키는 것을 도시한다. 고압 또는 저압의 가스를 순환시키는 지에 관계 없이, 시스템은 시스템(100)에 대해 도시한 바와 같이 순환 제어 밸브(90)를 구비할 수 있거나(도 4 역시 참조), 시스템(200)에 대해 도시한 바와 같이 구비하지 않을 수 있다. 가스는 Ph의 라인(10)을 통해 압축기(20)를 떠나며, Ph'의 라인(11)을 통해 저온 헤드(40)로 복귀하고, 압력차(dP)는 순환 루프의 압력 강하이다. 순환 루프는 통상적으로 Ph-P1의 약 10% 미만의 압력 강하(dP)를 갖도록 구성된다.
저온 표면(42)에서 2.0/0.8 MPa에서 10 g/s 유량으로 80 K에서 600 W의 냉각을 생성하지만, 80 K 아래에서 약 10 W/K 덜 생성하는 GM 냉동기를 사용하여 80 K의 부하를 냉각하는 예를 제시한다. 순환 루프는, 예컨대 0.1 MPa 미만의 낮은 압력 강하 및 높은 열교환기 효율을 갖도록 설계되는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 98.5% 및 99%의 열교환기 효율에 대해 순환 유량의 함수로서 80 K의 원격 부하(80)에서 이용 가능한 냉각을 나타내는 그래프가 도시된다. 80 K의 원격 부하(80)를 냉각시키기 위해 가스를 순환시키는 것은 그 가스를 80 K 미만으로 냉각시킬 것을 필요로 한다. 또한, 도 3은 가스가 그러한 온도로 냉각된다는 것을 가정하여 저온 표면(42)의 온도를 도시한다. 6 g/s의 순환 유량 및 98.5%의 열교환기(60) 효율에 대해, 열교환기(60) 이외의 손실이 없다고 가정하면 원격 부하(80)에서 이용 가능한 냉각은 최대 375 W이다. 손실의 2가지 주요 소스는, 열교환기에서 105W와, 팽창기(40)가 68 K에서 작동하기 때문에 냉각 용량의 120 W 감소이다. 99%의 열교환기 효율의 경우, 최적 순환 유량은 약 8 g/s이다. 열교환기 손실은 94 W이며 팽창기(40)는 70.2 K로 작동하여, 냉각 용량의 감소는 98 W이며, 따라서 원격 부하(80)를 냉각시키는데 408 W를 이용할 수 있게 한다. 순환 제어 밸브(90)가 폐쇄되어 모든 흐름이 순환 루프를 통과하는 경우, 부하(80)에서 이용 가능한 냉각은 404 W이다. 설계자는 순환 제어 밸브(90)를 구비하지 않고 모든 흐름을 순환시키도록 선택할 수도 있다.
전술한 예에서, 저온 표면(42)과 부하(80) 사이의 온도차를 최소화하는 유량은, 순환 제어 밸브(90)를 사용하여 순환 유량을 조절하는 제어기(도시 생략)를 사용하여 얻어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 순환 제어 밸브(90)를 구비하며, 저온 표면(42)과 원격 부하(80) 사이에 "2 경로" 순환 루프를 갖는 극저온 냉동 시스템(250)이 도시되어 있으며, 이 극저온 냉동 시스템은, 라인(15a)에 의해 연결되는 제1 경로 열교환기(44a, 72a); 및 복귀 라인(17) 및 라인(15b)에 의해 연결되는 제2 경로 열교환기(44b, 72b)를 포함한다. 도 5는 99%의 효율을 갖고 도 3과 동일하게 가정한 열교환기(60)에 대한 시스템(250)으로부터 이용 가능한 냉각의 그래프이다. 최적의 순환 유량은 6 g/s 부근이며, 이에 대한 열교환기 손실이 71 W이고, 팽창기가 72.7 K이므로 냉각 용량의 감소가 73 W이고, 따라서 원격 부하(80)를 냉각하는 데에 457 W를 이용할 수 있게 된다.
도 6을 참조하면, 기본 순환 시스템이 상이한 용례들에 맞도록 어떻게 변경될 수 있는지를 보여주는 극저온 냉동 시스템(300)의 개략도가 도시된다. 순환 루프는 시스템(200)에서와 같이 고압으로 도시되지만, 그 변경은 저압의 가스를 순환시키는 것을 도시하는 시스템(100)에 동일하게 잘 적용될 수 있다.
수많은 용례들이 프로세스의 일부로서 또는 유지보수를 위해 부하를 예열할 필요성을 갖는다. 일부 GM 및 GM 타입 펄스 튜브는 "역방향으로 가동"될 수 있으며 냉각보다는 가열을 생성할 수 있다. 이들은 시스템(100, 200)에 대한 수정은 필요로 하지 않는다. 역방향으로 가동될 수 없는 저온 헤드의 경우, 라인(15) 내의 가스 및 이에 따라 부하(80)를 가열할 히터(54)는 가스가 저온 헤드를 우회하여 순환할 것을 필요로 한다. 바이패스 밸브(94)가 저온 헤드(40)를 오프시킨 상태에서 가스가 순환할 수 있게 한다.
극저온 냉동기의 저온 구성요소들은 그 자신의 진공 하우징(62) 내에 수용되어 진공 단열(또는 재킷) 전달 라인(74a, 74b)을 통해 원격 부하(80)로 가스를 순환시키는 것이 일반적이다. 전달 라인들은, 베이어닛(70a, 70b)을 사용하여 냉동기와 탈착 가능하게 연결되거나 냉동기와 공통 진공(22)을 공유할 수 있다. 원격 부하(80)는 열교환기(72)에 의해 또는 그 부하를 통과해 가스를 흐르게 함으로써 냉각될 수 있다. 부하를 통과해 흐르는 가스를 순환시킴으로써 원격 부하(80)를 냉각시키는 것에 대한 하나의 관심사는 가스를 깨끗하게 유지하는 것이다. 격리 밸브(68a, 68b)는, 폐쇄된 경우 원격 부하(80)를 연결하는 동안에 냉동기 내의 가스가 깨끗하게 유지될 수 있게 한다. 원격 부하에 연결이 이루어진 후, 회로를 청소할 필요가 있다. 이는, 통상 밸브(64a, 64b)를 통해 라인을 충전 및 배기(venting)시킴으로써 행해진다. 흡착기(52)는 가스를 깨끗하게 유지하는 것을 돕기 위해 라인(15)에 추가될 수 있다. 시스템이 냉각됨에 따라, 가스는 밸브(64a 또는 64b)를 통해 추가될 수 있다.
시스템(300)은 순환 제어 밸브(90)와 저온 헤드(40) 사이에 버퍼 체적(96)을 포함한다. 버퍼 체적(96)은 저온 헤드로 들어가는 흐름을 평활화시키는 역할을 한다. 시스템(200)의 경우에, 그 버퍼 체적은 라인(11)에 추가될 것이다. 앞서 도시 또는 논의하지 않은 옵션들은, 하나 보다 많은 저온 헤드를 사용하는 것; 하나보다 많은 압축기를 병렬로 작동시키는 것; 2개 이상의 저온 표면을 구비하며 상이한 온도로 원격 부하로 가스를 순환시키는 다단 저온 헤드를 사용하는 것; 상이한 속도로 저온 헤드를 작동시키는 것; 가스를 시스템에 추가하거나 시스템으로부터 제거할 수 있게 하는 가스 저장 시스템을 추가하는 것, 또는 네온, 아르곤 또는 질소와 같은 다른 가스를 사용하는 것을 포함한다.
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 (15)

  1. 원격 부하로 가스를 순환시키는 극저온 냉동 시스템으로서:
    저압에서 고압으로 가스를 압축시키는 압축기;
    고압의 라인에서 상기 압축기로부터의 상온의 가스를 수용하며 저압의 라인에서 상기 가스를 복귀시키는 적어도 하나의 GM(Gifford-McMahon) 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드로서, 상기 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브의 하나 이상의 저온 표면에서 냉동(refrigeration)을 생성하는, 적어도 하나의 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드; 및
    상기 고압 및 저압의 라인들 중 하나의 라인 내의 상기 가스의 전부 또는 일부가 통과해 흐르게 되는 순환 루프로서, 상기 순환 루프는 상기 하나 이상의 저온 표면으로부터 상기 원격 부하로 냉동을 운반하는 것인, 순환 루프
    를 포함하는 극저온 냉동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고압 및 저압의 라인들 중 하나는, 센서에 연결되는 제어기에 의해 제어되는 순환 제어 밸브를 구비하는 것인, 극저온 냉동 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상온과 상기 하나 이상의 저온 표면의 온도 사이에 위치하는 상기 순환 루프 내의 복열 열교환기(recuperative heat exchanger)를 더 포함하는, 극저온 냉동 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시스템의 다른 부분들로부터 상기 원격 부하에 연결되는 라인들을 격리하는 격리 밸브를 더 포함하는, 극저온 냉동 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원격 부하에 연결되는 상기 라인들 내에 가스를 추가 또는 제거하도록 구성되는 하나 이상의 포트를 더 포함하는, 극저온 냉동 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 순환 루프는, 순환 가스를 상기 원격 부하로부터 상기 하나 이상의 저온 표면으로 다시 복귀시킨 다음, 상기 원격 부하로 다시 복귀시키는 제2 경로를 더 포함하는 것인, 극저온 냉동 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저온 헤드는 상이한 온도를 갖는 2개의 저온 표면을 구비하는 것인, 극저온 냉동 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 헬륨, 네온, 질소 및 아르곤으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 가스인 것인, 극저온 냉동 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    가스 흐름 맥동을 평활화시키기 위해 상기 저온 헤드와 연통하는 하나 이상의 버퍼 체적을 더 포함하는, 극저온 냉동 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원격 부하와 상기 하나 이상의 저온 표면 사이의 베이어닛 연결부를 더 포함하는, 극저온 냉동 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 원격 부하와 상기 하나 이상의 저온 표면 사이에 진공 재킷 전달 라인을 더 포함하는 것인, 극저온 냉동 시스템.
  12. 원격 부하로 가스를 순환시키는 극저온 냉동 시스템을 사용하여 원격 부하를 냉각시키는 방법으로서, 상기 시스템은:
    저압에서 고압으로 가스를 압축시키는 압축기; 및
    고압의 라인에서 상기 압축기로부터의 가스를 수용하며 저압의 라인에서 상기 가스를 복귀시키는 적어도 하나의 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드로서, 상기 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브의 적어도 하나의 저온 표면 상에 냉동을 생성하는, 적어도 하나의 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브 저온 헤드
    를 포함하며, 상기 고압 및 저압의 라인들 중 하나는, 상기 저온 표면으로부터 원격 부하로 냉동을 운반하는 순환 루프를 통과해 흐르도록 상기 가스의 제1 분획을 우회시키는 순환 제어 밸브를 구비하고;
    상기 방법은;
    상기 원격 부하의 냉각을 제어하기 위해 상기 순환 제어 밸브를 조절하는 것
    을 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고압 및 저압의 라인들에서 측정된 압력, 온도 또는 유량 중 적어도 하나에 기초하여 상기 가스의 제1 분획의 양을 결정하는 것인, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 원격 부하의 온도를 최소화하도록 상기 가스의 제1 분획의 양을 결정하는 것인, 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 원격 부하가 냉각되는 냉각 속도를 최대화하도록 상기 가스의 제1 분획의 양을 결정하는 것인, 방법.
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