KR20170013224A - 극저온에서 냉각되는 부품으로부터 연장되는 열 전도성 구조의 효과적인 냉각을 위한 극저온 액체 순환 설계 - Google Patents

Abstract

극저온 시스템은 극저온 챔버 하우징, 극저온 챔버 냉각원, 극저온 챔버에서 냉각되는 부품들과 냉각원 간에 극저온 액체를 순환하는 순환 루프를 포함한다. 상기 부품은 따뜻한 환경에서 늘어나 연장되는 열 전도성 구조이다.
상기 구조의 냉각 조절을 위해, 극저온 액체의 유입 스트림이 부품의 연장되는 상기 구조의 길이를 따라 연결되어 있고, 상기 스트림은 부품의 제 1 위치에서 제 1 유출 스트림으로 분리되고 부품에서 떨어진 2 위치에서 제 2 유출 스트림으로 분리되고, 상기 조절 밸브는 제 2 유출 스트림으로 되는 유입스트림의 분율을 조절한다.

Description

극저온에서 냉각되는 부품으로부터 연장되는 열 전도성 구조의 효과적인 냉각을 위한 극저온 액체 순환 설계{Cryogenic fluid circuit design for effective cooling of an elongated thermally conductive structure extending from a component to be cooled to a cryogenic temperature}

본 발명은 극저온 시스템에서 극저온 액체의 순환과 따뜻한 환경에서 냉각되도록 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 효과적인 냉각을 위한 액체 순환 설계에 관한 것이다. 상기 구조는 전류 리드, 기계적 지지체, 기계적 피드스루, 회전 베이링에 한정하지 않는다.

일반적인 재료의 특성은 극저온에서 냉각될 때 변화하고, 이러한 변화는 극저온 장치의 설계를 복잡하게 한다. 이러한 변화는 약 150K 이하의 온도 아래에서 실질적으로 일어난다. 그러므로 본 발명의 "극저온"은 150K 이하의 온도와 관련된다. 예를 들어 "극저온 기체"는 150K 이하의 끓는점을 갖는 물질의 기체이거나 150K 이하의 어는점을 갖는 물질의 액체이다. 극저온 기체의 예는 헬륨, 수소, 네온, 질소, 불소, 아르곤, 산소, 크립톤을 포함한다. 70K 이하의 사용을 위한 극저온 장치의 설계는 매우 어렵고, 단지 극소수의 물질만 70K 이하의 끓는점을 갖는다. 이러한 극소수의 물질은 20.3K에서 끓는 수소와 4.2K에서 끓는 헬륨과 27.1K에서 끓는 네온이 있다.

극저온 시스템은 흔히 극저온 챔버 하우징, 냉각원, 냉각원과 극저온 챔버 내부 극저온 온도에서 냉각되는 물질 사이로 극저온 액체를 순환시키는 순환 루프를 포함한다. 전형적으로 헬륨은 순환루프에서 극저온 액체로 사용되는데, 헬륨이 가장 낮은 끓는 점을 갖고, 최저 온도의 달성이 가능하고, 수소와 비교하여 비활성이고 비가연성이며, 네온보다 저렴하기 때문이다.

예를 들어, 극저온 장치의 기체 순환 루프는 극저온 온도에서 냉각되는 물질과 냉각원 사이로 헬륨 가스를 순환하기 위해 극저온 팬을 원심펌프로 사용한다. 또한, 수동적, 중력보조 열순환 루프가 극저온 온도에서 냉각되는 물질과 냉각원 사이에 헬륨 기체와 액체를 순환하기 위해 사용된다.

극저온 시스템은 흔히 극저온 온도에서 냉각되는 부품, 따뜻한 환경에서 극저온 챔버의 부품으로 부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조를 포함한다. 연장되는 열 전도성 구조는 극저온 챔버 내의 부품을 지지하고 부품에 전력을 공급하고 부품의 액체와 기체를 공급하고 부품을 조절, 제어, 점검을 하기위해 요구된다.

예를 들어, 극저온 온도에서 냉각되는 부품은 전자적 또는 전기적이고, 연장되는 열 전도성 구조는 부품과 외부환경 사이에 전기적 신호를 운반하거나 부품에 전류를 공급하는 전기적인 리드를 포함한다. 한가지 구체적인 예로, 부품은 전기적 특성이 온도의 작용으로 측정되어 분석되는 물질의 일종이다. 또 다른 예로, 부품은 부품이 극저온 상태에서 냉각될 때 극저온 상태를 이용하는 장치의 초전도 부품이다.

예를 들어, 초전도성 부품은 전자석 또는 초전도 양자 간섭 소자(SQUID) 또는 초전도 필터 요소 또는 초전도 전자 처리 장치(예를 들어, 아날로그/디지털 변환기) 또는 요소를 계산하는 고속 단일 자속 양자(RSFQ)이다. 또한, 전기적 부품은 낮은 온도에서 개선되기 때문에 극저온 온도에서 냉각될 수 있다. 예를 들어, 종래의 전자 증폭기 및 검출기의 열 잡음이 저온에서 감축되고, 트랙 저항 및 중앙 처리 장치(CPU)의 방열이 더 높은 속도를 허용하도록 감소된다.

극저온 시스템 설계의 일반적인 문제는 시스템 외부(상온)로부터 시스템 중심의 전기적 또는 전자적 부품(극저온)까지 운반하기 위해 의도된 전류 리드를 냉각하는 것이다. 그 특성상, 이러한 전류 리드는 시스템의 중앙으로 상당한 열 누출을 일으키므로 이러한 누출을 최소화하기 위해 적절히 냉각되어야 한다.

전류가 전류 리드를 통해 흐를 때, 저항 손실로 인한 열이 전기적 또는 전자적 부품을 냉각하기 위해 제거되어야 할 필요가 있다. 저항 손실로 인한 방열량은 전기 저항 및 전기 저항을 통해 흐르는 전류의 제곱의 산물이다. 저항 손실을 줄이기 위해, 전류의 상당한 양을 운반하는 전류 리드는 흔히 고온 초전도(HTS) 와이어로 형성된다. 기존의 HTS 와이어는 약 77K 아래에서 초전도화 되는 전이온도를 갖고, 초전도 전류 캐퍼시티는 와이어의 온도가 전이온도보다 낮을 때 더 높아지고 많아진다. 그러므로 77K 아래의 극저온 온도에서 냉각되는 전기적 또는 전자적인 부품에 기존의 전류 리드를 위한 HTS 와이어의 사용이 일반적이고, 전기적 또는 전자적 부품과 더불어 전류 리드 자체를 냉각시키는 것도 더욱 중요하다.

본 발명은 극저온 챔버의 냉각원의 열 부하를 줄이기 위하여 극저온 챔버의 부품으로부터 주변 환경으로 확장하여 연장되는 열 전도성 구조에 적용되는 냉각도를 조절하는데 효과적인 방법을 포함한다. 상기 열 부하를 줄임으로써 시스템의 낮은 극저온 기반의 온도에 도달할 수 있거나 감소된 냉각 캐퍼시티를 가진 냉각원을 사용할 수 있거나, 냉각원을 유지하기 위해 소모되는 전력을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에서 극저온 시스템은 따뜻한 환경에서 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조를 가진 부품을 포함하는 극저온 챔버 하우징, 극저온 챔버 내부의 냉각원, 극저온 챔버 내의 부품과 냉각원 사이의 극저온 액체를 순환하는 순환루프를 포함한다. 상기 순환 루프는 극저온 액체의 유입스트림을 유도하기 위한 부품으로부터 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따르는 유로관을 포함한다. 냉각량을 조절하기 위해, 순환 루프는 냉각원으로 되돌아가는 극저온 액체의 제 1 유출스트림을 제어하기 위해 유로관의 길이를 따른 제 1 위치에서 유로관으로 부터 분기하는 제 1 유출 스트림 도관을 더 포함하고, 냉각원으로 되돌아가는 극저온 액체의 제 2 유출스트림을 제어하기 위해 제 2 위치에서 유로관으로부터 연장된 제 2 유출스트림 도관, 극저온 액체의 제 2 유출 스트림이 되는 극저온 액체의 유입 스트림의 분율을 조절하기 위해 1 이상의 제 1 유출 스트림 도관 및 제 2 유출 스트림 도관에 연결되는 1 이상의 조절 밸브를 포함한다.

일실시예로, 조절 밸브는 극저온 액체의 제 1 유출을 받는 제 1 유출 스트림 도관과 연결된 제 1 포트, 극저온 액체의 제 2 유출을 받는 제 2 유출 스트림 도관과 연결된 제 2 포트 및 극저온 액체의 결합된 스트림을 유출하는 제 3 포트를 포함하는 쓰리-포트 조절밸브이다. 예를 들면, 극저온 액체의 결합된 스트림이 순환 루프의 극저온 펌프입구로 들어간다.

또 다른 일실시예로, 조절 밸브는 제 2 유출 스트림 도관의 제어를 조절하는 제 2 유출 스트림 도관의 투-포트 조절 밸브이다. 예를 들어, 순환 루프의 가스펌프가 하우징 외부에 있고, 역류 열 교환기가 제 1 유출 스트림 도관에서 가스 펌프 입구까지 역류 열 교환기를 통하는 극저온 액체의 유출을 유도하기 위해 제 1 유출스트림 도관과 가스 펌프 사이에 연결되고, 또한 가스펌프의 출구로부터 냉각원까지의 극저온 액체의 유출을 유도하기 위해 가스펌프와 냉각원 사이에서 연결된다. 제 2 유출 스트림 도관은 제 2 유출 스트림을 유도하기 위해 가스 펌프의 입구에 연결된다.

순환 루프에 사용되는 조절 밸브의 유형에 상관없이, 조절 밸브는 요구되는 연장되는 열 전도성 구조의 냉각량을 달성하기 위하여 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 극저온 시스템은 연장되는 열 전도성 구조의 길이에 따른 위치에 온도센서를 포함하고, 조절 밸브는 온도 설정점에서 온도센서에 의해 감지된 온도를 유지하는 온도 제어기에 의해 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 극저온 시스템에서 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 냉각 방법을 설명한다. 극저온 시스템은 따뜻한 환경에서 연장되는 열정 전도성 구조가 연장하는 부품을 포함하는 극저온 챔버 하우징과 극저온 챔버 냉각원, 극저온 챔버의 부품과 냉각원 사이에 극저온 액체를 순환시키는 순환 루프를 포함한다. 그 방법은 냉각원으로부터 부품에서 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 길이 방향을 따라, 극저온 액체의 유입 스트림을 유도하고, 연장되는 열 전도성 구조의 길이 방향을 따른 1 위치에서 연장되는 열 전도성 구조의 길이방향으로부터 극저온 액체의 제 1 유출 스트림으로 연장되는 열 전도성 구조를 따라 극저온 액체의 스트림을 분리한다. 극저온 액체의 1 유출스트림은 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 제 1 위치에서 연장되는 열 전도성 구조의 길이로부터 분기하고, 극저온 액체의 제 2 유출스트림은 제 1 위치보다 연장되는 열 전도성 구조의 길이방향으로 더 멀어진 제 2 위치에서 연장되는 열 전도성 구조로부터 벗어난다. 그 방법은 극저온 액체의 제 2 유출스트림이 되는 극저온 액체의 유입스트림의 분율을 조절하는 조절 밸브를 조절하는 것을 포함한다.

도 1은 극저온 챔버의 전기 또는 전자부품에 전류 리드의 냉각을 위해 조절가능한 쓰리-포트 혼합 밸브 및 극저온 챔버의 부품들 간 극저온 액체를 순환시키는 극저온 펌프를 이용한 극저온 시스템의 개략도이다.
도 2는 전기 또는 전자부품의 전류 리드 냉각 자동화 제어 시스템의 개략도이다.
도 3은 극저온 챔버의 전기 또는 전자부품에 전류 리드의 냉각을 위한 조절 가능한 투-포트 밸브 및 극저온 챔버의 부품들 간 극저온 가스를 순환시키기 위해 상온 가스 펌프와 역류 열 교환기를 사용한 극저온 시스템의 개략도이다.
도 4는 도 3의 극저온 시스템과 유사한 극저온 시스템의 구체적인 예시를 보여주는 개략도이다.
도 5는 도 4에 나타난 나선형의 역류 열 교환기의 사시도이다.
도 6은 도 5의 열 교환기의 하단부 측면 단면도이다.

설명을 쉽고 명확하게 하기 위해, 적절한 경우에는 이해되는 것이고, 참조 번호는 대응하거나 유사한 요소를 나타내기 위해 다른 도면 간에 반복된다. 또한 다수의 특정 세부 사항이 본 명세서에 기재된 실시 형태의 완전한 이해를 제공하기 위해 포함된다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예는 이러한 특정 세부사항 없이 실시할 수 있는 것은 당업자에 의해 이해되는 것이다. 기재되어 있는 관련 기능을 불명료하게하지 않도록 다른 예에서, 방법 및 절차 및 구성 요소는 구체적으로 설명하지 않는다. 또한, 설명은 본 명세서에 기재된 실시 예의 범위를 한정하는 것으로 간주되지 않는다. 도면은 반드시 일정한 축척이 아닌 특정 부분의 비율은 더 좋은 본 발명의 상세 및 특징을 설명하기 위해 과장되어 있다.

도 1은 극저온에서 냉각되는 부품(23)을 포함하는 극저온 챔버(22)의 하우징(21)을 포함하는 극저온 시스템(20)을 나타낸다. 하우징(21)은 실질적으로 극저온 이상의 외부 환경으로부터 부품(23)을 열적으로 절연하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 하우징(21)의 외부 환경은 실온이며, 하우징(21)의 내부 공간은 극저온 챔버(22)로의 외부 환경에서의 대류 열전달을 감소시키기 위해 진공 펌프로 배기하고, 극저온 챔버(22) 내부의 극저온 부품으로 외부 환경으로부터의 복사열 전달을 줄이기 위해 절연층을 포함하고, 부품(23)으로의 복사열 전달을 줄이기 위해 절연재에 싸아 포장할 수도 있다. 예를 들어, 절열재는 금속화 플라스틱 필름의 여러층을 포함하는 초단열재가 있다.

극저온 부품(23)을 냉각하기 위해 극저온 시스템(20)은 극저온 챔버(22) 내의 냉각원(25)을 포함하고, 냉각원(25)는 극저온 냉각기(24)의 냉각 헤드이다. 극저온 냉각기(24)는 냉각헤드의 온도를 부품(23)이 냉각될 극저온 아래로 낮추기 위해 냉각헤드(25)로부터 방열판(26)으로 열을 펌핑한다. 방열판(26)은 열을 외부 환경으로 방출한다.

예를 들면, 방열판(26)은 공냉식 라디에이터이며, 방열판 (26)은 탭 물의 유동에 의해 냉각되는 열교환기이다. 대체 시스템은 냉각기(24)는 극저온 챔버에서 냉각원을 제공하는 장치의 다른 유형으로 바꿀 수 있다. 예를 들어, 냉각원은 액체 질소의 용기일 수 있으며, 열이 액체 질소의 용기로 흐를 때 액체 질소가 끓고 질소 가스가 외부 환경으로 배출된다.

부품(23)에서 냉각 헤드(25)로 열을 전달하기 위해, 극저온 시스템(20)은 부품(23)과 냉각 헤드(25) 사이에 극저온 액체를 순환시키는 순환 루프(27)를 포함한다. 예를 들어, 순환 루프(27)는 냉각 헤드(25)에 고정된 열교환기(28)를 포함하고, 극저온 액체가 열교환기(28)를 통해 유동하고, 열 교환기로부터 부품(23)으로 유동하여, 부품으로부터 열을 픽업함으로써 부품을 냉각시킨다. 예를 들어, 극저온 액체는 부품(23)에 직접 접촉하거나 부품(23)에 부착된 열 교환기와 접촉한다.

도 1의 실시예에서 순환루프(27)는 극저온 액체를 루프를 통해 순환시키기 위한 원동력을 제공하는 극저온 펌프(29)를 포함한다. 예를 들어 극저온 펌프는 네덜란드 Son의 CryoZone BV에서 판매하는 극저온 팬이다. 그러나, 극저온 펌프는 극저온 시스템에서 생략될 수 있으며, 여기서 냉각 헤드(25)는 부품(23)보다 높이가 높아서 중력 보조 대류가 순환 루프(27)를 통해 극저온 액체를 순환시킨다.

중력 보조 대류는 순환 루프(27)가 극저온 가스가 냉각 헤드(25)에서 액체로 응축되는 열 사이펀으로서 구성될 때 가장 효과적이고, 액체는 중력에 의해 부품(23)으로 흐르고, 여기서 액체는 비등하여 극저온 기체가 냉각 헤드 (25)로 역류한다.

본 발명은 하우징 외부의 외부 환경인, 따뜻한 환경에서, 부품(23)으로부터 확장하여 연장되는 구조(31,32)의 냉각 문제에 직면한다. 연장되는 구조(31,32)는 극저온 챔버 내의 극저온 부품을 지지 또는 장착하도록 작용하거나, 기계적 제어 샤프트의 경우에 극저온 부품을 기계적으로 조절하거나 제어하는 방식을 제공할 수 있거나, 극저온 액체 또는 진공을 전달하기 위한 관을 포함하거나, 전력 또는 전기 신호를 전달하기 위한 전기 리드를 포함하거나, 광 신호를 전달하기 위한 광섬유를 포함할 수 있다.

도 1의 일실시예에서 연장되는 구조는 전류원(33)으로부터 부품(23)으로 전류를 공급하기 위해 부품(23)을 하우징(21) 외부의 전류원(33)에 연결하는 전기 리드를 포함한다. 예를 들어, 부품(23)은 초전도 전자석이고, 전류원(33)은 초전도 전자석에 의해 생성된 자기장의 강도를 조절하기 위해 초전도 전자석에 가변적인 전류를 제공한다. 또 다른 예에서, 부품(23)은 테스트 대상 물질의 견본이고, 전류원(33)은 견본의 전류 - 전압 특성을 온도 및 자기장의 강도의 함수로서 측정하기 위해 견본에 견본의 위치에서 전류를 공급한다. 다른 예에서, 부품(23)은 전자 회로의 성능을 향상시키도록 냉각되는 전자 회로이고, 전류원(33)은 전자 회로에 전력을 공급하기 위해 전자 회로에 전류를 공급한다.

전류 리드(31, 32)는 상온의 하우징(21) 외부로부터 극저온 챔버(22)로의 상당한 열 누출을 나타낸다. 이는 극저온보다 높은 온도에서 전기 전도체인 현재 알려진 물질이 우수한 열 전도체이기도 함에 기인한다. 또한, 종래의 고온 초전도 (HTS) 와이어는 와이어가 초전도가되는 전이 온도가 약 77K이다.

전류 리드(31, 32)가 전적으로 HTS 와이어로 이루어지더라도, 각각의 전류 리드(31, 32)의 길이는 하우징(21)의 외부로 확장하고 하우징(21)의 벽을 통과하여 하우징의 내부에서 전기 전도체가 전이 온도 77K 이하로 내려갈 때까지 확장한다. 결과적으로, 전류가 전류 리드(31, 32)를 통해 흐르는 경우, 전류 리드의 전기 저항 및 전류의 제곱에 비례하여 열이 발생한다. 이 열의 일부는 하우징(21) 내부에서 생성되고,이 열의 일부는 하우징(21)의 외부에서 생성되고 전류 리드(31, 32)를 통해 전도되어 하우징(21) 내부로 흐른다.

하우징(21) 내부의 전류 리드(31, 32)를 냉각시키기 위해, 순환 루프(27) 내의 극저온 액체의 흐름(34)은 부품(23)으로부터 연장되는 전류 리드(31, 32)의 길이를 따라 지향된다.

도 1의 일실시예에서 부품 (23)은 캐니스터 (30)의 내부에 배치되고, 하우징 (21) 내의 전류 리드의 일부는 캐니스터 (30)의 내부에도 배치된다. 열교환기(28) 및 냉각 헤드(25)로부터의 극저온 액체는 부품(23) 부근의 입구 포트(35)로부터 캐니스터(30)로 들어간다. 상기 전류 리드들은 캐니스터(30)의 상부에 있는 캡(38)내의 각각의 가스 시일(36, 37)을 통해 캐니스터 (30)로 진입 또는 배출한다.

캐니스터(30)의 캡(38)은 하우징(21)으로부터 돌출하고, 캡(38)은 캐니스터 (30)로부터 제거 가능하여, 부품(23)과 전류 리드(31, 32)의 조립이 극저온 시스템(20)으로부터 극저온 챔버 내의 진공을 파괴하지 않으면서 쉽게 제거될 수 있다. 예를 들어, 캐니스터(30)는 스테인리스 스틸로 제조되고 극저온 챔버(22)가 비워 질 때 대기압보다 약간 높은 온도에서 극저온 액체를 담을 수 있을 정도로 두껍다. 캐니스터(30)는 강도를 위해 필요한 것보다 두껍지 않고 그 길이를 따라 열 전도를 감소시키기 위해 스테인리스 스틸로 만들어진다.

상온환경으로부터 전류리드를 통해 전도되거나 또는 전류리드에 의해 생성되는 열량에 기초하여 전류리드를 따르는, 극저온 액체가 캐니스터를 빠져나오는 위치를 조절함이 바람직하다. 예를 들어, 전류 리드(31, 32)의 조성이, 전류 리드가 부품(23)의 위치로부터 위치(39)까지 HTS 와이어로 또는, 전류 리드가 위치(39)부터 전류원(33)의 위치까지 구리로 만들기 위해, 위치(39)에서 변화할 수도 있다. 이 경우 위치(39)는 77K 전이 온도 바로 아래의 온도로 유지되어야 한다. 그러므로, 극저온 액체가 캐니스터(30)를 나가는 위치는 77K 전이 온도 바로 아래의 온도로 위치(38)를 유지하는데 필요한 것보다 전기 또는 전자 부품(23)으로부터 더 멀지 않도록 위치함이 바람직하다. 반면에, 전류 리드(31, 32)가 모두 구리로 제조된다면, 원하는 위치는 전류 리드가 하우징(21)을 빠져나가는 위치에 훨씬 더 가깝게 될 수 있다. 또한, 상온환경으로부터 전류 리드(31, 32)에 의해 생성된 열량의 변화가 있을 경우 또는 전류 리드를 통해 전도되는 열량의 변화가 있을 경우 바람직한 위치가 변경될 것이다. 전류 리드(31, 32)를 통해 흐르는 전류가 없을 때, 전류 리드를 통해 흐르는 전류량이 최대인 부품(23)으로부터 더 멀리 떨어져 있을 때 바람직한 위치는 부품(23)에 더 가깝다.

극저온 시스템(20)의 작동 중에 실내 온도가 변화하거나 전류 리드(31, 32)를 통해 흐르는 전류가 변하기 때문에, 위치를 극저온 챔버의 진공을 파괴함이 없이 극저온 액체가 캐니스터(30)에서 빠져 나오는 전류 리드(31, 32)를 따라 조절하는 것이 바람직하다. 이 경우, 캐니스터(30)의 액체 출구 포트를 병진 이동시키는 것은 비실용적이다. 그러나, 이 문제에 대한 현실적인 해결책은 캐니스터(30)에 전류 리드(31, 32)의 길이를 따라 2 이상의 출구 포트를 제공하고, 적어도 하나의 밸브를 조절하여 각각의 출구 포트로부터 나오는 유동(34)의 각 분율을 엄선하는 것이다.

예를 들어, 도 1에 도시 된 바와 같이, 캐니스터(30)에는 부품(23)으로부터 연장되는 전류 리드(31, 32)의 길이를 따라 제 1 위치에 제 1 출구 포트(41)가 제공되고, 제 1 위치보다 전류 리드의 길이를 따라 더 멀어진 제 2 위치에 제 2 출구 포트(42)가 제공된다.

예를 들어, 제 1 위치는 부품(23)과 제 2 위치 사이에 전류 리드(31, 32)의 길이를 따라 위치되고, 제 2 위치는 전류 리드의 길이를 따라 제 1 위치와 전류리드가 하우징을 나오는 위치 사이에 위치한다. 순환 루프(27)는 제 2 출구 포트(42)로부터 배출되는 캐니스터 입구 포트 (35)로부터 극저온 액체의 유입스트림의 분율을 조절하기 위한 조절 밸브(43)를 더 포함한다. 이 예에서, 제 2 입구 포트(42)로부터 나오는 유입스트림의 분율의 조절은 또한 제 1 입구 포트(41)로부터 나오는 유입스트림의 대응 분율을 조절하는데, 이는 두 분율의 합이 1이기 때문이다. 제 1 유출스트림 도관(44)은 캐니스터로부터 극저온 액체의 제 1 유출 스트림을 전달하기 위해 제 1 유출 포트(41)에서 캐니스터(30)로부터 분기하고, 제 2 유출 스트림 도관(45)은 캐니스터로부터 극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 전달하기 위해 제 2 유출 포트(42)로부터 연장한다. 조절 밸브(43)는 제 1 유출 스트림 도관(44) 및 제 2 유출 스트림 도관(45) 중 적어도 하나에 연결된다.

도 1의 일실시예에서 조절 밸브(43)는 극저온 액체의 제 1 유출 스트림을 수용하도록 제 1 유출 스트림 도관(44)에 연결된 제 1 포트, 극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 수용하기 위해 제 2 유출 도관(45)에 연결된 제 2 포트 및 극저온 액체의 결합된 스트림을 하우징 내부의 극저온 펌프 (29)의 유입 포트로 배출하기 위한 도관(46)에 의해 결합된 제 3 포트를 가진 쓰리-포트 혼합 밸브이다. 예를 들어, 쓰리-포트 혼합 밸브(43)는 제어 샤프트(49)가 회전될 때 스크류(48)에 의해 축 방향으로 병진되는 스풀(47)을 갖는 스풀 밸브이다. 제어 샤프트(49)는 하우징(21) 내의 시일(50)을 관통하여 밸브(43)의 수동 조절을 위한 손잡이(knob)(54)로 연장된다. 하부 위치에서, 스풀(47)은 제 2 유출 스트림 도관(45)으로부터의 유동을 차단하고 제 1 유출 스트림 도관으로부터 유동할 수 있다. 상부 위치에서, 스풀(47)은 제 1 유출 스트림 도관(44)으로부터의 유동을 차단하고 제 2 유출 스트림 도관(45)으로부터의 유동을 가능하게 한다. 중간 위치에서, 스풀(47)은 제 1 유출 스트림 도관(44)과 제 2 유출 스트림 도관으로부터 유동을 가능하게 한다.

도 1의 예에서 온도 센서(52)는 캐니스터의 상부와 제 2 출구 포트(42) 사이의 위치에서 캐니스터(30) 내에 배치된다. 온도 센서(52)는 하우징 (21) 외부에 위치한 온도 디스플레이(53)에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 온도 센서(52)는 실내 온도보다 약간 낮은 온도를 감지하고, 하우징(31)의 외부로부터 전류 리드(31, 32)를 통해 전도된 열 및 전류 리드를 통해 전류의 전도에 의해 발생 된 열을 나타낸다. 따라서, 온도 센서(52)에 의해 감지된 온도를 설정 온도와 비교함으로써 전류 리드를 냉각시킬 필요가 있다.

예를 들어, 실시자는 온도 디스플레이(53)로부터 감지된 온도를 판독하고,이 온도가 설정 온도보다 높으면, 손잡이(54)를 반시계 방향으로 돌려서 제 1 출구 포트 (41)를 통한 유동을 감소시키고, 제 2 출구(42)를 통한 유동을 증가시키고, 이 온도가 설정점 온도보다 낮으면 실시자는 손잡이(54)를 시계 방향으로 돌려서 제 1 출구(41)를 통한 유동을 증가시키고 제 2 출구(42)를 통한 유동을 감소시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이 온도 제어기(61) 및 밸브 작동기(62)가 전류 리드 냉각의 자동 제어를 위해 극저온 시스템에 추가된다. 온도 센서(52)는 온도 제어기 (61)에 전기적으로 연결되어 온도 신호를 제공한다. 예를 들어, 온도 센서(52)는 일정한 전류를 전도하고 절대 온도에 비례하는 전압을 제공하는 실리콘 다이오드이다. 온도 제어기(61)는 온도 신호에 대한 아날로그 입력 및 밸브 작동기(62)를 제어하기 위한 디지털 입력 및 디지털 출력을 갖는 프로그램된 마이크로 제어기 또는 프로그램된 범용 디지털 컴퓨터이다. 밸브 작동기(62)는 스테퍼 모터(63), 밸브 제어 샤프트(49)에 스테퍼 모터를 기계적으로 연결하는 기어(64, 65)와, 밸브 제어 샤프트(49)의 이동 한계를 검출하기 위한 리미트 스위치(66, 67)를 포함한다.

예를 들어, 온도 제어기는 온도 센서(52)에 의해 감지된 온도를 주기적으로 판독하고, 이 온도와 온도 설정점 사이의 차이를 계산한다. 그 차이가 양수이고 잡음 레벨 임계 값보다 큰 크기를 갖고 상한 스위치(66)가 상한에 도달함을 나타내지 않는 경우, 온도 제어기(61)는 스테퍼 모터(63)를 펄스화 하여 제어 샤프트(49)를 반시계방향으로 구동시키고, 제 2 출구 포트(42)를 통한 극저온 액체의 유동을 증가시키고 제 1 출구 포트(41)를 통한 극저온 액체의 유동을 감소시킨다. 상기 차이가 음수이고, 잡음 레벨 임계 값보다 크고, 하한 스위치(67)가 하한에 도달함을 지시하지 않는다면, 온도 제어기(61)는 스테핑 모터 (63)를 펄스화하여 제어 샤프트(49)를 시계 방향으로 구동시키고, 제 1 출구 포트(44)를 통한 극저온 액체의 유동을 증가시키고 제 2 출구 포트(42)를 통한 극저온 액체의 유동을 감소시킨다.

도 3은 극저온 시스템(70)의 다른 실시 예를 도시한다. 극저온 시스템(70)은 외부 실온 환경으로부터 열적으로 절연된 극저온 챔버(72)를 포함하는 하우징(71)을 포함한다. 극저온으로 냉각되는 전기 또는 전자 부품(73)은 캐니스터(80)에 삽입된다. 극저온 시스템(70)은 극저온 냉각기 (74)를 포함한다.

극저온 냉각기(74)는 극저온 챔버 내에 냉각 헤드(75) 및 외부 환경으로 열을 방출하기 위한 방열판(76)를 갖는다. 극저온 시스템(70)은 전기 또는 전자 부품 (73)과 냉각 헤드(75) 사이에 극저온 가스를 순환시키는 순환 루프(77)를 포함한다. 예를 들어, 순환 루프(77)는 냉각 헤드 (75)에 고정된 열 교환기(78)를 포함한다. 극저온 가스는 열교환기(78)를 통과하여 열교환기로부터 캐니스터(80)의 바닥에 있는 입구 포트(99)로 흐른다.

도 3의 일실시예에서 극저온 순환 루프(77)는 하우징(71) 외부의 실온에서 작동되는 종래의 가스 펌프(79)를 포함한다. 하우징(71) 내부에 역류 열교환기 (96)가 설치되어 가스 펌프(79)의 출구와 열교환기(78) 사이에 연결되고, 열교환기는 가스펌프(79)로부터 캐니스터에서 극저온 가스를 유출하는 냉각헤드까지 극저온 가스의 유출을 냉각한다.

부품(73)으로부터 하우징(71) 외부의 전류원(83)으로 연장되는 전류 리드(81, 82)를 갖는다.

전류 리드(81,82)를 냉각시키기 위해， 부품으로부터 연장하는 전류리드의 길이를 따라 극저온 가스의 흐름을 안내하도록 리드는 하우징 내의 부품(73)으로부터 하우징 내의 상단의 캡(84)으로 연장한다

전류 리드(81,83)의 냉각을 조절하기 위해，순환 루프(77) 는 캐니스터(80) 로부터 분기하는 제 1 유출 스트림 도관(85) 및 캐니스터(80)로부터 연장되는 제 2 유출 스트림 도관(86) 을 더 포함한다 .

제 1 유출 스트림 도관은 전류 리드(81,82)의 길이를 따라 제 1 위치 (87)에서 캐니스터(80)로부터 분기하고， 제 2 유출 스트림 도관(86) 은 캐니스터(80)로부터 제 2 위치(88)에서 분기하고， 제 l 위치(87)보다 더 전류 리드의 길이방향을 따라 멀어져있다. 즉， 제 l 위치(87) 는 부품(73)과 제 2 위치(88) 사이의 전류 리드(81,82)의 길이를 따라 위치되고， 제 2 위치(88) 는 제 l 위치(87)와 전류 리드가 하우징 (71)을 빠져나가는 위치 사이의 전류 리드의 길이를 따라 위치한다. 순환 루프(77)는 도관(86)을 통한 극저온 가스의 제 2 유출 스트림이 되는 하부 포트(99)로부터의 극저온 가스의 유입 스트림의 분율을 조절하기 위한 조절 밸브(89)를 더 포함한다

도 3에서 보듯， 조절 밸브(89)는 제 2 유출 스트림 도관의 제한을 조절하기 위해 제 2 유출 스트림 도관(86)의 투-포트 조절 밸브이다. 투- 포트 조절 밸브 (89)는 하우징(71) 내의 시일(91)을 통해 연장되는 제어 샤프트(90) 를 갖는다.

수동 조절을 위해，제어 샤프트(90)는 손잡이(92)에 의해 종단되고，온도 디스플레이(93)는 캐니스터의 상부와 제 2 출구 포트의 위치 사이의 캐니스터(80)에 배치된 온도 센서(94) 에 전기적으로 연결된다. 도 2에 도시되고 위에서 설명한 바와 같이， 자동 조절을 위해 제어 샤프트(90)는 온도 센서(94)에 개별적으로 작동하는 온도 제어기에 의해 작동되는 밸브작동기에 의해 종결될 것이다.

도 3의 실시예에서, 제 2 유출 스트림 도관(86)은 가스 펌프(79)의 입구에 결합되어 제 2 유출 스트림을 캐니스터(80)로부터 가스 펌프의 입구로 향하게 한다. 예를 들어, 제 2 유출 스트림 도관(86)은 제 2 유출 스트림 도관의 길이를 따른 열 흐름을 감소시키기 위해 역류 열교환기(96) 상의 탭(95)에서 종료된다. 제 1 유출 스트림 도관(85)으로부터의 극저온 가스의 흐름에 대한 역류 열교환기(96)의 저항은 제 2 유출 스트림 도관(86) 및 투-포트 조절 밸브(89)를 통한 극저온 가스의 흐름을 유도하기 위한 약간의 압력 강하를 제공한다. 제 2 투- 포트 조절 밸브(97)는 제 1 유출 스트림 도관(85)에 삽입되어 제 1 유출 스트림 도관을 통한 극저온의 제 l 유출 스트림의 유동을 조절 가능하게 제한함으로써 제 1 유출 스트림에 비해 극저온 가스의 제 2 유출 스트림을 더 증가시키는 방식을 제공한다. 예를 들어 , 투-포트 조절 밸브 (89 및 97)는 모두 니들 밸브이다. 대안적인 배열에서， 탭이 열교환기(90) 상에 사용되지 않고，대신에 제 2 유출 도관(86)이 하우징(71) 을 빠져나오고 투-포트 조절 밸브(90)는 하우징 외부의 도관(86)에 위치되고， 제 l 유출 스트림 도관(85)을 통한 극저온 가스의 제 l 유출 스트림은 가스 펌프(79)의 입구에서 극저온 가스의 제 2 유출 스트림과 결합한다. 대부분의 경우，조절 밸브(89)를 하우징 외부에 위치시키는 것이 가장 실용적 일 수 있는데， 이는 제어 샤프트 시일(91) 뿐만 아니라 열교환기(96) 상의 탭(95)을 제거하기 때문이다.

도 4의 실시예는 도 3의 실시예와 유사하다. 도 4는 캐니스터(104) 내에 전기 또는 전자 부품(103)을 수용하는 극저온 진공 챔버(102)의 하우징(101)을 포함하는 극저온 시스텝(100)을 도시한다. 시스템(100)은 극저온에서 제 1 스테이지 냉각 헤드(106), 제 1 스테이지 냉각 헤드보다 저온인 제 2 스테이지 냉각 헤드(107) 를 갖는 2 단 냉각 냉각기(105) 및 외부 환경에 대한 방열기(108)를 포함한다. 순환 루프(109) 는 제 l 스테이지 냉각 헤드(106)에 고정된 열교환기(110)를 통해 극저온 가스를 순환시킨다. 열교환기(110)로부터, 극저온 가스는 제 2 스테이지 냉각 헤드 (107)에 고정된 열교환기(111)로 순환된다. 극저온 가스는 열교환기(111)를 통해 캐니스터(104)의 입구 포트(112) 및 캐니스터로 유동하여 극저온 가스가 극저온으로 냉각될 부품(103)과 직접 접촉하게 된다. 그 다음， 극저온 가스는 캐니스터(104)의 제 1 상부 포트(113)로부터 극저온 챔버(102)의 극저온 환경과 외부 실온 환경 사이에 배치된 역류 열교환기(130)의 제 1 통로로 흐른다. 극저온 가스는 실내온도 환경에서 역류 열교환기(130)의 제 l 통로로부터 가스 펌프 (115) 로 흐른다. 가스 펌프(115)로부터, 극저온 가스는 제 1 스테이지 냉각 헤드(106) 상의 열교환기(110)로 되돌아 오는 역류 열교환기(130)의 제 2 통로 내로 유동한다.‘

도 4에 도시된 바와 같이， 역류 열교환기(130)는 나선형으로 권취되고, 각각의 쓰리-포트 T-연결기 이음쇠(117,118)로 종결된 두 개의 단부를 갖는 관형 섹션(116)을 포함한다. 순환 루프(109)를 헬륨과 같은 극저온 가스로 충전하기 위해， 밸브(121)가 개방되어 T- 연결기 이음쇠(120)를 통해 극저온 가스를 루프로 유입시킨다. 극저온 가스를 수용하기 전에, 루프(109)는 밸브(122)를 개방함으로써 진공 펌프(123)로 배기된다. 퍼지 라인(124)은 밸브(122)를 캐니스터(104)에 연결한다.

전기 또는 전자 부품(103)에 전류를 공급하는 전류 리드(131,132)의 냉각을 조절하기 위해 ， 캐니스터(104)는 캐니스터의 상부 부근에 제 2 출구 포트(1l4)를 갖는다. 도관(134)은 제 2 출구 포트(114)를 역류 열 교환기(130) 상의 탭(135)에 연결시킨다. 역류 열교환기(130)에서, 제 1 출구 포트(113)로부터의 극저온 가스의 유출은 제 2 출구 포트(1l4)로부터의 극저온 가스의 유출과 혼합되어 하우징(101)으로부터 합쳐진 출구 유동을 제공한다. 하우징(101)으로부터 합쳐진 출구 유동은 가스 펌프(115)의 입구 포트에 수용된다

제 2 출구 포트(1l4)로부터의 출구 유동이 되는 전류 리드(131,132)를 따라 극저온 가스 유동 (137)의 분율을 조절하기 위해 도관(134) 내에 투-포트 조절밸브(136)가 배치된다 . 예를 들어 , 밸브(136)는 니들 밸브이다.

도 5는 꼬인 역류 열교환기(130)를 보다 상세하게 도시한다. 이 예에서, 관형 섹션(116)의 나선은 10 회 회전을 포함한다 인접한 꼬임 사이의 열 전달을 감소시키기 위해 인접한 꼬임 사이에 실질적으로 균일한 갭이 존재한다.

도 6은 열교환기(130)의 관형 섹션(116)이 외측 관(141) 및 외측 관 내에 중첩된 내측 관(142)을 포함하는 한 쌍의 동축관을 포함하는 것을 도시한다. 관(141,142) 사이의 환형 영역(143)은 (도 5의 하부 쓰리-포트 T-연결기 이음쇠 (117)로부터 상부 쓰리 포트 T-연결기 이음쇠(118)까지) 극저온 시스템의 하우징으로부터 하우징 외부의 가스 펌프(도 4의 115)의 입구로의 고온의 극저온 가스를 수용하는 열교환기(130)를 통한 하나의 통로를 제공하고，내부 관(142)의 중앙 영역(144)은 가스 펌프의 출구로부터의 극저온 가스의 유입을 위해 (도 5의 상부 T- 연결기 이음쇠(118) 부터 하부 쓰리-포트 T-연결기 이음쇠(117)까지) 열교환기를 통과하는 또 다른 통로를 제공한다. 쓰리-포트 T-연결기 이음쇠(117, 118) 는 2개의 역류의 혼합을 방지하면서, 열교환기를 통한 역류를 위해 각각의 중첩된 관(141,142)에 독립적으로 접근할 수있는 밀봉된 환경을 제공한다. 쓰리-포트 T- 연결기 이음쇠는 관(141,142)을 독립적으로 밀봉하고 순환 루프 내의 나머지 구성 요소에 부착되도록 한다. 바람직한 배열에서, 2개의 관(141,142)의 내부 직경은 2 개의 통로(143,144)의 단면적이 대략 동일하도록 선택된다. 예를 들어 , 외부 관(141)은 5/16 인치 관이고， 내부 관(142)은 3/16 인치 관이다. 관의 전체 길이는 고온 단부로부터 저온 단부를 적절하게 열적으로 분리시키고 가스 스트림 사이에 적절한 열교환을 제공하기에 충분하도록 선택된다. 예를 들어， 관(141,142)의 전체 길이는 약 6 피트(183cm)이다. 소형화를 위해, 관(141,142)은 2.5 인치(6.4cm) 직경을 갖는 나선형으로 감겨 있고， 나선형은 약 3.5 인치(8.9 cm)이다. 외측 관(141)은 바람직하게는 낮은 열 전도성 재료로 제조된다 . 예를 들어， 외측 관(141)은 304 또는 316 스테인레스강 유형이며 외경이 5/16 인치(8.0mm)이고 벽 두께가 0.035 인치(0.89mm)이다. 외측 관(141)은 극저온 챔버가 비워질 때 극저온 가스를 수용하고 나선형 역류 열교환기(130)의 형상을 유지하기 위해 그 두께를 통해 기계적 강도를 제공한다.

내측 관(142)은 열 전도성이어야 하고, 2 개의 통로(143. 144) 사이의 열 전달을 최대화하고 관 길이를 따른 열 전달을 최소화하도록 구조적 완전성을 유지하면서 가능한 한 앓은 벽을 가져야 한다. 내부 관(142)에 적합한 재료는 구리이다. 예를 들어, 내부 관(142)은 3/16 인치(4.8mm)의 외경 및 0.028 인치(O.71mm)의 벽 두께를 갖는 표준 구리 관이다. 전해 터프 피치(ETP) 또는 무산 고 전도성 (OFHC) 구리와 같은 고순도 구리는 특히 더 낮은 극저온에서 높은 열 전도성을 제공하는 데 사용될 수 있다.

높은 열 전도성 내부 관(142)의 앓은 벽을 가로 질러 극저온 가스의 역류 사이의 열 전달은 내부 튜브(142)의 길이를 따라 임의의 주어진 포인트에서 역류의 온도를 균등하게 한다. 동시에, 외부 관(141) 및 내부 관의 앓은 벽의 낮은 열 전도성과 결합된 내부 관(142) 및 외부 관(141)의 전체 길이는 열교환기(130)의 고온 단부로부터 저온 단부로의 온도의 균등화를 방지한다.

쓰리- 포트 연결기 이음쇠(1l7,1l8)는 반대 흐름이 극저온 챔버 또는 실내 온도 외부 환경으로 혼합되거나 누출되지 않도록 보장한다. 나선의 최소 실제 직경은 주로 외부 관의 최소 굽힘 직경에 의해 결정된다. 관의 최소 굽힘 직경은 관이 붕괴되지 않고 일치하는 원통형 그루브 벤더 다이 주위에 관을 감아 만들 수 있는 굽힘의 최소 직경이다. 예를 들어 표준 5/16 인치(8.0 mm) 스틸 또는 스테인레스 스틸 관의 최소 굽힘 직경은 l 및 7/8 인치(4.8 cm)이다. 쓰리-포트 T- 연결기 이음쇠는 중앙 본체(145) 및 3개의 관형 부문(146，147，148)을 포함한다. 각각의 관형 부문(146,147,148)은 각각의 포트를 정의한다. 부문(146,147) 중 2개는 "T" 의 대향 부문이고， 다른 부문(148) 은 "T"의 베이스이다. 원래 T의 반대 부문들 사이에서 본체(145)를 관통하는 균일한 직경의 원통형 보어(bore)는 부문(148)으로부터 보어(150)와 직각으로 교차한다. 내부 관(142)은 이들 보어의 직경과 일치하는 외경을 갖는다. 부문(146)의 원래 보어는 열교환기(130)의 관형 섹션(116)을 수용하는 부문(146)의 보어(149)를 제공하기 위해 "T" 의 교차점을 넘어서 천공함으로써 확대된다. 보어(149)는 보어(150)와 부문(148)의 포트를 통해 극저온 가스의 유동을 위한 통로(143)를 연장시키기 위해 외부 관(141)의 내부 직경과 동일한 직경을 갖는다.

제 2 통로(144)는 부문(147)의 포트를 통해 극저온 가스의 흐름을 위해 부문(147)의 포트까지 계속 연장된다.

도 6에서처럼, 외부 관(141)은 예를 들어 용접, 브레이징 합금 솔기 또는 솔더 솔기(151)에 의해 부문(146)에 외부적으로 부착된다. 내부 관(142)은 예를 들어 용접 , 브레이징 합금 솔기 또는 솔더 솔기(152)에 의해 부문(147)에 내부적으로 부착된다.

외부 관(141) 및 내부 관(142)은 상부 쓰리-포트 T-이음쇠(도 3의 118)와 유사한 방식으로 부착된다. 쓰리-포트 T-이음쇠(117,118)은 1/4 인치 유니온 티 피팅, 부품 번호 SS-400-3 또는 SS-4-VCR-T와 같은 Swagelok Company, Solon, Ohio에서 판매한 SWAGELOK® 브랜드 T-이음쇠로 만들 수 있다. 이 경우， 각각의 이음쇠에 대해， 외부 관(141)에 부착되지 않은 이음쇠의 2개의 단부는 표준 스크류-온 튜브 커넥터 또는 금속 개스킷 피팅을 사용하여 순환 루프의 다른 구성 요소에 연결될 수 있다. 각 피팅의 이 두 끝은 순환 루프의 다른 구성 요소에 용접， 브레이징 또는 납땜될 수 있으며， 또는 각 피팅의 두 끝단에는 순환 루프의 다른 구성 요소에 연결하기 위한 사용자 정의 종단이 제공 될 수 있다.

쓰리-포트 T-이음쇠(117,118)는 나선형을 형성하기 위해 원통형 그루빙 된 벤더 다이 둘레에 관형 섹션(116)을 권취하기 전 또는 후에 관형 섹션(116)의 외부 및 내부 관(141,142)에 부착될 수 있다. 관형 섹션(116)을 나선형으로 감기 전에 쓰리-포트 이음쇠(117,118)를 관형 섹션(116)에 부착하면 외측 관(141)과 내측 관(142) 사이에 동심원 관계가 더 생길 수 있다.

도 4의 극저온 시스템의 특정 예에서, 전기 또는 전자 부품(103)은 구리 전류 리드(131, 132) 사이에 연결된 초전도 와이어의 견본이다. 하우징(101)은 높이가 약 25 센티미터, 폭이 30 센티미터, 깊이가 20 센티미터이다， 내부 극저온 진공 챔버(102)의 부품은 초전도체로 싸여있다. 견본의 길이는 약 4 센티미터이다. 견본 및 견본의 전류 리드는 캐니스터(104)를 통한 헬륨 가스의 흐름과 직접 접촉하고 순환 루프(109)에서 순환함으로써 냉각된다.

2 단 극저온 냉각기(105)는 펜실베니아，알렌 타운의 스미토모 (SHI) Cryogenics of America , Inc 에 의해 판매된 모델 SHI CH-204 10K이다. 상기 모델 SHI CH-204 극저온 냉각기는 약 9-10 K의 부하가 없는 제 2 단 냉각 헤드(107)에서의 기저 온도와 20K에서 약 7 와트의 냉각 용량을 가져야한다.

제 1 스테이지 열교환기(110)는 제 1 스테이지 냉각 헤드(106) 주위에 나선형 경로를 가지며, 제 2 스테이지 열교환기(111)는 제 2 스테이지 냉각 헤드(107) 아래에 구불 구불한 경로를 갖는다. 가스 펌프(115)는 NJ 의 Trenton에 소재한 KNF Neuberger,Inc 에 의해 판매된 실온 다이어프램 펌프， 모델 KNF N022AN.18이다. 순환 루프(109)는 진공 퍼지되고 대기압에 대해 약 0.3 bar의 헬륨 가스로 충전된다. 가스 펌프(109) 를 가로지르는 헬륨 가스 압력차는 분당 10-15 리터의 유량에서 약 0.1-0.2 bar(1.5-3psi)이다，

다수의 예들이 본 병세서의 이해를 돕기 위해 여기에 제공된다 특정 예제 세트가 다음과 같이 제공된다.

제 1 예에서, 본 발명의 극저온 시스템은 포함한다. 보다 따뜻한 환경에서 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조를 갖는 냉각될 부품을 수용하기 위한 극저온 챔버의 하우징; 극저온 챔버의 냉각원; 상기 극저온 챔버 내의 상기 부품과 상기 냉각원 사이의 극저온 액체를 순환시키기 위한 순환 루프를 포함하고， 상기 순환 루프는 상기 극저온 액체의 유입 스트림을 상기 극저온 챔버로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따라 유도하기 위한 유로관 포함하며， 극저온 액체의 제 1 유출 스트림을 냉각원으로 복귀시키기 위해 유로관의 길이를 따라 제 1 위치에서 유로관으로부터 분기하는 제 1 유출 스트림 도관과， 상기 극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 상기 냉각원으로 복귀시키기 위한 제 2 위치에서 유로관으로부터 연장하는 제 2 유출 스트림 도관과, 상기 제 1 유출 스트림 도관 및 상기 제 2 유출 스트림 도관 중 적어도 하나에 결합되어 극저온 액체의 제 2 유출 스트림이 되는 극저온 액체의 유입 스트림의 분율을 조절하는 적어도 하나의 조절 밸브를 포함한다.

제 2 예에서， 상기 제 1 실시 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며， 상기 적어도 하나의 조절 밸브는 상기 제 1 유출 스트림 도관에 연결된 제 1 포트를 갖는 쓰리-포트 조절 밸브를 포함하며， 극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 수용하기 위해 제 2 유출 스트림 도관에 연결된 제 2 포트，및 극저온 액체의 결합 된 스트림을 유출하기 위한 제 3 포트를 포함한다

제 3 예에서， 상기 제 2 실시 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며， 상기 순환 루프는 극저온 챔버 내에 극저온 펌프를 포함하고， 극저온펌프의 입구에 극저온 액체의 결합된 스트림을 운반하기 위하여 상기 극저온 시스템은 상기 조절 밸브의 제 3 포트를 극저온 펌프의 입구에 연결하는 관을 더 포함한다.

제 4 예에서， 전술한 제 l 실시 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며， 상기 적어도 하나의 조절 밸브는 제 1 유출 스트림 도관 및 제 2 유출 스트림 도관 중 적어도 하나를 통한 극저온 액체의 흐름에 대하여 조절가능한 제한을 제공하는 제 l 유출 스트림 도관 및 제 2 유출 스트림 도관 중 적어도 하나에 투-포트 조절 밸브를 포함한다.

제 5 예에서， 이전의 제 4 실시 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며， 투-포트 조절 밸브는 니들 밸브이다

제 6 예에서， 제 1 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며，상기 적어도 하나의 조절 밸브는 상기 극저온 액체의 상기 제 1 유출 스트림의 흐름에 조절 가능한 제한을 제공하기 위해 상기 제 1 유출 스트림 도관 내에 제 l 투- 포트 조절 밸브를 포함하고， 극저온 액체의 제 2 유출 유동 흐름에 조절 가능한 제한을 제공하기 위 한 제 2 유출 스트림 도관 내의 제 2 투 포트 조절 밸브를 포함한다.

제 7 예에서 , 이전의 제 6 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며 , 투-포트 조절 밸브는 니들 밸브이다

제 8 예에서, 제 1, 제 2, 제 4, 제 5, 제 6 또는 제 7 예 중 어느 하나에 따른 극저온 시스탬이 개시되며， 상기 순환 루프는 하우징 외부의 가스 펌프와， 상기 제 1 유출 스트림 도관과 상기 가스 펌프 사이에 연결되어 상기 제 1 유출 스트림 도관과 상기 제 2 유출 스트림 도관 사이의 상기 역류 열교환기를 통해 상기 극저온 액체의 유출을 유도하는 역류 열 교환기를 포함한다. 상기 순환 루프는 상기 하우징 외부의 가스 펌프를 포함하고， 상기 제 l 유출 스트림 도관과 상기 가스 펌프 사이에 연결되어 상기 제 1 유출 스트림 도관으로부터 상기 가스 펌프의 입구까지 상기 극저온 액체의 유출을 상기 역류 열교환기를 통해 유도하는 역류 열교환기를 포함하고， 역류 열교환기는 가스펌프와 냉각원 사이에 극저온 액체의 유출을 가스펌프 입구로부터 냉각원으로 유도하며， 상기 제 2 유출 스트림 도관은 가스 펌프의 입구에 결합되어 상기 극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 가스 펌프의 유입구로 유도한다.

제 9 예에서， 상기 제 8 실시 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며， 상기 제 2 유출 스트림 도관은 역류 열교환기 상의 탭에서 종료된다.

제 10 예에서 , 제 1 내지 제 9 실시 예 중 어느 하나에 따른 극저온 시스템이 개시되어 있으며， 상기 연장되는 열 전도성 구조의 온도를 감지하기 위한 온도센서를 더 포함한다.

제 11 예에서, 제 10 실시 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며, 조절 밸브의 자동 조절을 위해 조절 밸브에 기계적으로 결합된 벨브 작동기와 온도 센서에 전자적으로 결합되고 감지된 온도를 온도 설정점에 유지하기 위해 조절 밸브의 자동 제어를 위한 밸브 작동기에 전자적으로 결합된 온도제어기를 더 포함한다.

제 12 실시 예에서, 선행하는 제 10 또는 제 11 예에 따른 극저온 시스템이 개시되며, 상기 온도 센서는 극저온 챔버 내의 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 위치， 상기 제 2 위치와 부품으로부터 연장되는 열 전도성 구조를 더 멀리 진행한 위치 사이에 위치한다.

제 13 실시 예에서, 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법이 개시되며, 상기 극저온 시스템은 연장되는 열 전도성 구조가 따뜻한 환경에서 연장되는 부품을 포항하는 극저온 챔버의 하우징, 상기 극저온 챔버 내의 부품과 냉각원 사이의 극저온 액체를 순환시키는 순환 루프를 포함하며， 상기 방법은， 상기 부품으부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따라 냉각원으로부터 극저온 액체의 유입스트림을 유도하는 단계; 상기 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따라 상기 극저온 액체의 스트림을 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 제 l 위치에서 상기 연장되는 열 전도성 구조의 길이로부터 분기하는 극저온 액체의 제 l 유출 스트림 및 상기 제 1 위치보다 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 제 2 위치에서 상기 연장되는 열 전도성 구조의 길이로부터 벗어나는 극저온 액체의 제 2 유출 스트림으로 분할하는 단계; 극저온 액체의 제 2 유출 스트림이 되는 극저온 액체의 유입 스트림의 분율을 조절하도록 조절 밸브를 조절하는 단계를 포함한다

제 14 예에서， 전술 한 제 13 예에 따른 방법이 개시되며， 상기 연장되는 열 전도성 구조의 온도를 감지하는 단계와， 상기 감지된 온도를 온도 설정점 에 유지하도록 상기 조절 밸브를 조절하는 단계를 더 포함한다.

제 15 예에서， 제 14 예에 따른 방법이 개시되며， 상기 감지된 온도는 상기 제 2 위치에서 연장되는 열 전도성 구조의 온도에 응답하는 것이다.

제 16 예에서 ， 제 14 또는 제 15 예에 따른 방법이 개시되며， 상기 감지된 온도는 제 2 위치와 연장되는 열 전도성 구조를 따라 상기 부품으로부터 더 먼 위치의 사이의 위치에서 상기 연장되는 열 전도성 구조를 따라 배치된 온도 센서의 온도이다

제 17 실시 예에서 , 이전의 제 14 내지 제 16 실시 예 중 어느 하나에 따른 방법이 개시되며, 조절 밸브는 극저온 챔버에 배치되고 극저온 시스템은 극저온 챔버의 외부에 있는 조절 손잡이 및 조절 손잡이를 조절 밸브에 기계적으로 연결되는 제어 샤프트를 포함하고， 상기 조절 손잡이는 수동으로 조절되어 조절 밸브를 조절한다.

제 18 실시 예에서， 이전의 제 17 실시 예에 따른 방법이 개시되며， 상기 극저온 시스템은 상기 연장되는 열 전도성 구조의 온도를 감지하는 온도 센서와 ，상기 온도 센서에 의해 감지된 온도를 디스플레이하는 디스플레이를 포함하며， 상기 방법은 온도 센서에 의해 감지된 온도의 디스플레이를 관찰하는 것에 응답하여 수동으로 조절 손잡이를 조절하는 단계를 포함한다.

제 19 예에서， 제 14 내지 제 16 예 중 어느 하나의 방법에 따른 방법이 개시되며, 상기 극저온 시스템은 상기 조절 밸브의 자동 조절을 위해 상기 조절 밸브에 기계적으로 결합된 밸브 작동기를 더 포함하고， 상기 온도 센서에 전기적으로 결합되고 상기 조절 밸브의 자동 제어를 위해 상기 밸브 작동기에 전기적으로 결합되는 온도 제어기를 포함하며， 상기 방법은 온도 설정점에서 감지된 온도를 유지하도록 온도 제어기를 작동시키는 단계를 포함한다.

제 20 예에서, 상기 제 13 내지 제 19 예 중 어느 하나에 따른 방법이 개시되며， 상기 연장되는 열 전도성 구조는 상기 부품과 하우징 외부의 환경 사이에 전류를 전달하는 전류 리드를 포함하고， 상기 전류 리드는 상기 부품으로부터 연장하고 하우징 내에 포함된 초전도체의 세그먼트를 포함하며, 상기 초전도체는 초전도체가 초전도화 되는 전이 온도를 가지며, 상기 방법은 전이 온도 바로 아래 초전도체 세그먼트의 최고 온도를 유지하도록 상기 조절 밸브를 조절하는 단계를 포함한다.

전술한 다양한 실시 예는 단지 설명을 위해 제공되며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 따라서 많은 세부 사항이 표시되거나 설명되지 않는다. 본 명세서의 구조 및 기능의 세부 사항과 함께， 비록 본 발명의 많은 특성들 및 장점들이 전술 한 설명에서 설명되었지만， 이 개시는 단지 예시적인 것이며， 세부 사항에서 변경이 이루어질 수 있으며， 특히 첨부된 청구범위에서 사용된 용어의 넓은 의미에 의해 지시되는 최대한의 범위에서 본 개시의 원리 내 부분의 형상， 크기 및 배열에 관한 것을 포함한다，

따라서, 상술 한 실시 예는 첨부된 청구항의 범위 내에서 변형될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

1. 극저온 시스템에 있어서,
   따뜻한 환경에서 냉각되는 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조를 가진 냉각되는 부품을 포함하는 극저온 챔버 하우징;
   극저온 챔버 냉각원;
   극저온 챔버의 부품과 냉각원 간에 극저온 액체를 순환하는 순환 루프;
   상기 순환 루프는 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따라 극저온 액체의 유입스트림을 유도하는 유로관을 포함하고,
   극저온 액체의 제 1 유출 스트림을 냉각원으로 복귀시키기 위해 제 1 위치에서 유로관의 길이를 따라 유로관으로부터 분기하는 제 1 유출 스트림 도관;
   극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 냉각원으로 복귀시키기 위해 제 2 위치에서 유로관의 길이를 따라 유로관으로부터 연장된 제 2 유출 스트림 도관; 및
   극저온 액체의 제 2 유출 스트림이 되는 극저온 액체의 유입 스트림의 분율을 조절하기 위해 적어도 하나의 제 1 유출 스트림 도관 및 제 2 유출 스트림 도관에 연결되는 1 이상의 조절 밸브를 포함하는 극저온 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1 이상의 조절 밸브는 극저온 액체의 제 1 유출을 수용하는 제 1 유출 스트림 도관과 연결된 제 1 포트, 극저온 액체의 제 2 유출을 수용하는 제 2 유출 스트림 도관과 연결된 제2 포트 및 극저온 액체의 결합된 스트림을 유출하는 제 3 포트를 포함하는 쓰리-포트 조절 밸브를 포함하는 극저온 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 순환 루프는 극저온 챔버의 극저온 펌프를 포함하고,
   상기 극저온 시스템은 극저온 액체의 결합된 스트림을 전달하기 위해 극저온 펌프의 입구에 조절 밸브의 제 3 포트와 연결되는 관을 더 포함하는 극저온 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 1 이상의 조절 밸브는 적어도 하나의 제 1 유출 스트림 도관과 제 2 유출 스트림 도관을 통하는 극저온 액체의 유동의 조절가능한 제한을 위해 적어도 하나의 제 1 유출 스트림 도관 및 제 2 유출 스트림 도관에 투-포트 조절 밸브를 포함하는 극저온 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 투-포트 조절 밸브는 니들 밸브인 것을 특징으로 하는 극저온 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 1 이상의 조절 밸브는 극저온 액체의 제 1 유출 스트림 유동의 조절가능한 제한을 위해 제 1 유출 스트림 도관에 제 1 투-포트 조절 밸브와 극저온 액체의 제 2 유출 스트림 유동의 조절가능한 제한을 위해 제 2 유출 스트림 도관에 제 2 투-포트 조절 밸브를 포함하는 극저온 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 투-포트 조절 밸브는 니들 밸브인 것을 특징으로 하는 극저온 시스템.
8. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 순환 루프는 하우징 외부의 가스 펌프와,
   상기 제 1 유출 스트림 도관과 가스 펌프 사이에 연결되어 제 1 유출 스트림 도관에서 가스 펌프 입구로 극저온 액체의 유출을 유도하는 역류 열교환기를 포함하고,
   상기 역류 열교환기는 가스 펌프와 냉각원 사이에 연결되어, 극저온 액체의 유출을 가스 펌프 입구로부터 냉각원으로 유도하며, 상기 제 2 유출 스트림 도관은 가스 펌프의 입구에 결합되어 극저온 액체의 제 2 유출 스트림을 가스 펌프의 입구로 유도하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제 2 유출 스트림 도관은 역류 열 교환기의 탭에서 종단하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연장되는 열 전도성 구조의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하는 극저온 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 조절 밸브의 자동 조절을 위해 조절 밸브에 기계적으로 연결된 밸브 작동기와 온도 센서에 전자적으로 결합되고, 감지된 온도를 온도 설정점에 유지하기 위해 조절 밸브의 자동 제어를 위한 밸브 작동기에 전자적으로 결합된 온도 제어기를 더 포함하는 극저온 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 온도 센서는 극저온 챔버 내의 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 위치로, 제 2 위치와 부품으로부터 연장되는 열 전도성 구조를 더 멀리 진행한 위치 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템.
13. 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법으로,
    상기 극저온 시스템은 연장되는 열 전도성 구조가 따뜻한 환경에서 연장되는 부품을 포함하는 극저온 챔버의 하우징, 상기 극저온 챔버 내의 부품과 냉각원 사이의 극저온 액체를 순환시키는 순환 루프를 포함하며，
    상기 방법은 상기 부품으로부터 확장하여 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따라 냉각원으로부터 극저온 액체의 유입스트림을 유도하는 단계; 상기 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 극저온 액체의 스트림을 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 제 l 위치에서 연장되는 열 전도성 구조의 길이로부터 분기하는 극저온 액체의 제 l 유출 스트림 및 상기 제 1 위치보다 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 따른 제 2 위치에서 상기 연장되는 열 전도성 구조의 길이를 벗어나는 극저온 액체의 제 2 유출 스트림으로 분할하는 단계; 극저온 액체의 제 2 유출 스트림이 되는 극저온 액체의 유입 스트림의 분율을 조절하도록 조절 밸브를 조절하는 단계를 포함하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 연장되는 열 전도성 구조의 온도를 감지하고, 온도 설정점에서 감지된 온도를 유지하도록 조절 밸브를 조절하는 단계를 더 포함하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 감지된 온도는 제 2 위치에서 연장되는 열 전도성 구조의 온도에 응답하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 감지된 온도는 제 2 위치와 연장되는 열 전도성 구조를 따라 부품으로부터 더 먼 위치의 사이 위치에서, 연장되는 열 전도성 구조를 따라 배치된 온도 센서의 온도인 것을 특징으로 하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 조절 밸브는 극저온 챔버에 배치되고,
    상기 극저온 시스템은 극저온 챔버의 외부에 있는 조절 손잡이 및 조절 손잡이를 조절 밸브에 기계적으로 연결하는 제어 샤프트를 포함하고,
    상기 조절 손잡이는 수동으로 조절되어 조절밸브를 조절하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 극저온 시스템은 연장되는 열 전도성 구조의 온도를 감지하는 온도 센서와 온도 센서에 의해 감지된 온도를 보여주는 디스플레이를 더 포함하고,
    상기 방법은 온도 센서에 의해 감지된 온도의 디스플레이를 관측하여 수동으로 조절 손잡이를 조절하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
19. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 극저온 시스템은 조절 밸브의 자동 조절을 위해 조절 밸브에 기계적으로 연결된 밸브 작동기와 온도센서에 전기적으로 연결되고 조절 밸브의 자동 조절을 위해 밸브 작동기에 전기적으로 연결된 온도 제어기를 더 포함하고,
    상기 방법은 감지된 온도를 온도 설정점에서 유지하도록 온도 제어기를 작동하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.
20. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연장되는 열 전도성 구조는 부품과 하우징 외부 환경 사이에서 전기적인 전류를 운반하는 전류 리드를 포함하고,
    상기 전류 리드는 부품으로부터 연장하고 하우징 내부에 포함되는 초전도체 부분을 포함하고,
    상기 초전도체는 초전도체가 초전도화되는 하향 전이 온도를 포함하고,
    상기 방법은 전이 온도 바로 아래 초전도체 부분의 최고 온도를 유지하도록 조절밸브를 조절하는 것을 포함하는 극저온 시스템에서 연장되는 열 전도성 구조의 냉각시키는 방법.

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