KR100200255B1 - Adaptive orifice joule-thomson low temperature sustaining apparatus having servo control - Google Patents

Abstract

부하 온도 조절식 적응 오리피스 주울-톰슨 저온 유지 장치는 주울-톰슨 저온 유지 장치의 팽창 또는 교축 오리피스에서의 서보 제어식 가스 유동 조절에 의해 냉동 출력을 제어한다. 교축 기구는 열부하 지점에서의 온도를 감시하고 열부하(15)에서 요구되는 저온을 일정하게 유지하도록 가스량을 조절하는 폐회로식 피드백 제어부(59)를 사용함으로써, 전기 구동되는 소형 변환기(41)에 의해 제어되는 팽창 오리피스를 갖는 가변 구멍 니들 밸브(19)를 포함한다.The load temperature controlled adaptive orifice Joule-Thompson cryostat controls the refrigeration output by servo-controlled gas flow regulation at the expansion or throttle orifice of the Joule-Thompson cryostat. The throttling mechanism is controlled by a small converter 41 which is electrically driven by monitoring the temperature at the point of the heat load and using a closed loop feedback control unit 59 which adjusts the amount of gas to keep the low temperature required at the heat load 15 constant. A variable bore needle valve 19 having an expansion orifice that is configured.

Description

서보 제어를 갖는 적응 오리피스 주울-톰슨 저온 유지 장치Adaptive Orifice Joule-Thompson Cryostat with Servo Control

제Ia도는 통상적인 종래의 저온 유지 장치의 단면도.Is a cross-sectional view of a conventional conventional cryostat.

제Ib도는 제Ia도의 통상적인 종래의 저온 유지 장치에 이용된 통상의 요구 유량 니들 밸브의 단면도.FIG. Ib is a cross sectional view of a conventional required flow rate needle valve used in the conventional conventional cryostat of FIG.

제2a도는 주울-톰슨 저온 유지 장치 내에 합체된 본 발명의 단면도2a is a cross-sectional view of the present invention incorporated in a Joule-Thompson cryostat.

제2b도는 제2a도에 도시된 본 발명의 일부분의 상세도.FIG. 2B is a detail of a portion of the present invention shown in FIG. 2A.

제3도는 제2a도에 도시된 본 발명의 개략 선도.3 is a schematic diagram of the invention shown in FIG. 2A.

제4도는 제2도 및 제3도에 도시된 본 발명의 작동의 개략 흐름 선도.4 is a schematic flow diagram of the operation of the invention shown in FIGS. 2 and 3;

제5도는 제2a도에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 개략 선도.5 is a schematic diagram of another embodiment of the present invention shown in FIG. 2A.

제6도는 제5도에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 작동의 개략 흐름 선도.6 is a schematic flow diagram of the operation of another embodiment of the present invention shown in FIG.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

3 : 열교환기 5 : 지지 맨드릴3: heat exchanger 5: support mandrel

15 : 열부하 16 : 오리피스15: heat load 16: orifice

19 : 니들 밸브 29 : 냉매 플리넘 챔버19: needle valve 29: refrigerant plenum chamber

57 : 밸브 제어 작동기 51 : 열 센서57: valve control actuator 51: thermal sensor

본 발명은 주울-톰슨 저온 유지 장치(Joule-Thomson cryostat)에 관한 것으로, 특히 주울-톰슨 저온 유지 장치의 성능을 향상시키는 시스템 및 기술에 관한 것이다.The present invention relates to Joule-Thomson cryostats, and more particularly to systems and techniques for improving the performance of Joule-Thomson cryostats.

본 발명은 특정 적용을 위한 예시적인 실시예들을 참조하여 본 명세서에서 설명되지만, 본 발명이 이러한 실시예들로 제한되지 않는다는 것을 알아야 한다. 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 갖고 본 명세서에 기재된 기술에 접근할 수 있는 자는 본 발명의 범주 및 본 발명이 중요하게 이용되는 추가 분야 내에서 추가의 수정, 적용 및 실시예들을 인식할 수 있을 것이다.Although the invention has been described herein with reference to exemplary embodiments for a particular application, it should be understood that the invention is not limited to these embodiments. Those having ordinary skill in the art and having access to the techniques described herein will be able to recognize further modifications, applications and embodiments within the scope of the invention and further fields in which the invention is of importance. .

저온 유지 장치는 작동 또는 측정이 제어 온도 조건 하에서 수행될 수 있는 국부적인 저온 환경을 제공하는 장치이다. 저본 유지 장치는 예컨대 검출기 및 관련 전자 구성 요소들이 작은 밀봉 패키지 내로 밀집하여 내장된 유도 미사일 내의 적외선 검출기를 냉각시키기 위해 사용된다. 또한, 저온 유지 장치는 초전도 작용을 위해 극저온으로의 제어가 요구되는 초전도체 시스템에서도 사용된다.A cryostat is a device that provides a local cold environment where operation or measurement can be performed under controlled temperature conditions. The low-maintenance device is used, for example, to cool the infrared detector in an embedded guided missile, where the detector and related electronic components are packed into a small sealed package. Cryostats are also used in superconductor systems where cryogenic control is required for superconducting action.

주울-톰슨 저온 유지 장치는 엔탈피가 보존되는 비가역 교축 과정을 통해 고압가스가 팽창되게 하여 가스의 온도를 강하시키는 (당해 기술 분야에서 주울-톰슨 밸브로서 공지된) 밸브를 사용하는 냉각 장치이다.The Joule-Thompson cryostat is a cooling device using a valve (known in the art as Joule-Thompson valves) that causes the high pressure gas to expand through an irreversible throttling process in which enthalpy is preserved.

종래의 가장 간단한 형태의 주울-톰슨 저온 유지 장치는 통상적으로 저온 유지장치의 저온 단부에 있는 열교환기 내의 고정 크기형 오리피스를 가져, 저온 유지장치에 의한 냉각이 조절되지 않게 되어 있었다. 입력 압력 및 내부 가스 유동 역학은 저온 유지 장치를 통한 냉매의 유동 매개 변수를 성립시켰다. 종래의 주울-톰슨 저온 유지 장치는 가동 부품을 갖지 않으므로 간단한 장치이기는 하지만, 제한된 크기의 가스 공급원으로부터의 급속 냉각 및 장시간의 냉각 유지가 요구되는 많은 적용에 대해 상기 장치의 고유의 비제어 유동 특성이 고정 오리피스형 저온 유지 장치를 적당하지 않게 한다. 급속 냉각은 높은 가스 유량 및 크기가 큰 오리피스를 필요로 하는 반면에, 장시간의 냉각 유지는 낮은 가스 유량 및 크기가 작은 오리피스를 필요로 한다. 이러한 2가지 조건은 고정 오리피스 저온 유지 장치에서 동시에 충족될 수 없다.The simplest form of Joule-Thompson cryostat of the prior art typically had a fixed size orifice in the heat exchanger at the cold end of the cryostat, such that cooling by the cryostat was not controlled. The input pressure and internal gas flow dynamics established the flow parameters of the refrigerant through the cryostat. Conventional Joule-Thompson cryostats are simple devices because they do not have moving parts, but the inherent uncontrolled flow characteristics of the devices for many applications that require rapid cooling from limited size gas sources and long-term cooling maintenance are required. The fixed orifice type cryostat is not suitable. Rapid cooling requires high gas flow rates and large orifices, while long cooling maintenance requires low gas flow rates and small orifices. These two conditions cannot be met simultaneously in a fixed orifice cryostat.

1950년대 무렵에, 가변 오리피스 크기의 내부 수동 자동 온도 조절 제어(internal passive thermostat control)를 갖는 요구 유량 주울-톰슨 저온 유지 장치가 사용되었다. 이러한 저온 유지 장치는 최대 오리피스 크기를 가지고 냉각을 시작할 수 있으며, 이에 의해 급속 냉각을 위한 높은 가스 유량 및 냉동을 제공할 수 있다. 냉각이 성취된 후에, 오리피스 크기는 열부하에 필요한 최소 가스 유량 및 냉동을 위하여 감소된다. 장치의 맨드릴(mandrel) 내의 자동 온도 조절 요소는 가스 플리넘 챔버(plenum chamber) 내부 및 주위 온도를 기초로 가스 유동을 자동 조절한다. 냉각율은 저온 유지 장치를 통한 가스 질량 유량에 비례한다. 가스 충진식 벨로우즈 또는 온도에 따라 수축 또는 팽창하는 물질로 된 부품일 수 있는 자동온도 조절 요소는 요구 유동 니들 밸브에 연결된다. 온도가 하강함에 따라, 벨로우즈는 수축하여 니들이 주울-톰슨 오리피스 내로 연장하여 오리피스를 부분 폐쇄하게 한다. 설정된 임계 온도에서, 자동 온도 조절 벨로우즈 기구는 니들 밸브를 완전히 폐쇄할 수 있다. 온도가 상승함에 따라, 벨로우즈는 다시 팽창하여 니들 밸브를 작동시켜, 새로운 냉매가 오리피스를 통해 궁극적으로는 열부하까지 유동하게 한다.By the 1950s, the required flow rate Joule-Thompson cryostats with internal passive thermostat control of variable orifice sizes were used. Such cryostats can start cooling with a maximum orifice size, thereby providing high gas flow rates and refrigeration for rapid cooling. After cooling is achieved, the orifice size is reduced for refrigeration and the minimum gas flow required for heat load. The thermostat element in the mandrel of the device automatically regulates the gas flow based on the temperature inside and around the gas plenum chamber. The cooling rate is proportional to the gas mass flow rate through the cryostat. A thermostatic element, which may be a gas-filled bellows or a part made of a material that contracts or expands with temperature, is connected to the required flow needle valve. As the temperature falls, the bellows contract and cause the needle to extend into the joule-thomson orifice to partially close the orifice. At the set threshold temperature, the thermostatic bellows mechanism may close the needle valve completely. As the temperature rises, the bellows expand again to actuate the needle valve, allowing fresh refrigerant to flow through the orifice and ultimately to the heat load.

자동 조절 요구 유동 저온 유지 장치는 냉매 유동에 대하여 제어하지만, 온도 변동이 작동에 있어서 임계적인 경우에 시스템에서 받아들일 수 없는 제한이 여전히 존재한다.Although the automatic cryostat flow cryostat controls the refrigerant flow, there are still limitations that are unacceptable in the system when temperature fluctuations are critical to operation.

자동 온도 조절 벨로우즈 기구(및 일종의 플라스틱과 같은 재료의 팽창 및 수축에 의존하는 유사한 대체 장치)는 본질적으로 성능 허용 오차가 크게 된다. 이러한 것은 니들 밸브에 대한 임계 온-오프 온도에서 불안정성 및 변동을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 저온 유지 장치는 예측되는 전체 작동 범위에 대한 가스 유송 조절에 있어서 비례적이지 못하다는 것을 알았다.Thermostatic bellows mechanisms (and similar alternatives that rely on expansion and contraction of materials such as plastics) inherently have high performance tolerances. This can cause instability and fluctuations at critical on-off temperatures for the needle valve. Thus, it has been found that such cryostats are not proportional to gas flow control over the expected overall operating range.

게다가, 이러한 저온 유지 장치는 상이한 한제(cryogen)를 사용하면 상이하게 반응한다. 따라서, 시스템 성능은 임의의 단일 작동 중에 사용될 때 특정 한제에 의존한다. 열수축 연결의 설계 기본이 된 냉매를 대신하여 대체 냉매가 사용된다면, 저온 유지 장치는 설계 설정 온도를 찾으려고 하며 오류를 반복할 수 있다.In addition, such cryostats react differently with the use of different cryogens. Thus, system performance depends on certain limitations when used during any single operation. If an alternative refrigerant is used in place of the refrigerant that is the design basis of the heat shrink connection, the cryostat will try to find the design set temperature and repeat the error.

더욱이, 플리넘 챔버 내의 온도파는 벨로우즈 기구의 열 사이클링을 야기할 수 있다. 더구나, 로케트 분야에서, 상기 벨로우즈 기구는 가속 및 감속 효과를 받게 된다. 적외선 검출기 냉각에서, 저온 유지 장치에 의한 냉동에서의 변동으로 인한 검출기의 불안정성은 결합된 비디오 디스플레이에서 열 음향(thermophonics)으로서 공지된 일종의 열 소음을 발생시킬 수 있다.Moreover, the temperature waves in the plenum chamber can cause thermal cycling of the bellows mechanism. Moreover, in the field of rockets, the bellows mechanism is subject to acceleration and deceleration effects. In infrared detector cooling, the instability of the detector due to fluctuations in refrigeration by the cryostat can generate a kind of thermal noise known as thermophonics in the combined video display.

플리넘 챔버 내에서 포화 조건에 도달된 때 액체 가스의 풀링(Pooling)은, 액체풀(pool)이 주위 힘의 영향하에 이동한다면, 저온 유지 장치 니들 밸브 작동의 성능에 상당한 악영향을 끼칠 수 있다. 이러한 것은 열교환기의 저압측에서의 급격한 기화 또는 가스 유동 저항을, 그리고 결과적인 액체 증기압 변화 및 니들 밸브의 갑작스런 개방을 야기할 수 있다. 열부하가 확대된 경우에는 다른 작동 제한에 직면한다. 가스 플리넘 챔버의 온도는 열부하의 극단 이전에 하강하며, 열부하가 완전히 냉각되기 이전에 니들 밸브가 조기에 폐쇄하게 한다.Pooling of liquid gas when saturation conditions are reached in the plenum chamber can have a significant adverse effect on the performance of cryostat needle valve operation if the liquid pool moves under the influence of ambient forces. This can cause rapid vaporization or gas flow resistance on the low pressure side of the heat exchanger, and the resulting liquid vapor pressure change and sudden opening of the needle valve. If thermal loads are enlarged, other operational limitations are encountered. The temperature of the gas plenum chamber drops before the extreme of the heat load, causing the needle valve to close prematurely before the heat load is completely cooled.

이러한 예시적인 조건의 태양들 어느 것에서도 니들 밸브 위치 설정 및 가스 유량에 있어서 조기 폐쇄 또는 바람직하지 않은 변동을 야기할 수 있다. 이러한 것은 열부하 인자 및 냉매 매개 변수에 대해 부합하도록 된 복수개의 주울-톰슨 저온 유지 장치 요소들이 제조 설계되게 한다.Either aspect of these exemplary conditions can cause premature closure or undesirable variation in needle valve positioning and gas flow rates. This allows a plurality of Joule-Thompson cryostat elements to be manufactured designed to match the heat load factor and refrigerant parameters.

따라서, 냉각 동안의 최대 개방으로부터 설정된 가스 팽창 밸브 오리피스 크기를 열부하의 지속적인 냉각을 위한 감소된 최소 개방으로 조절하기 위하여, 가스 플리넘 챔버 온도가 아닌 열부하의 감지된 온도를 사용할 수 있는 저온 유지 장치용 능동 기구가 필요하게 된다. 더욱이, 안정된 가스 유동, 결국은 안정된 냉동율 및 온도 제어를 위하여 가스 팽창 밸브 오리피스 크기의 안정된 시간 평균 비례 제어를 제공하는 저온 유지 장치용 능동 기구가 필요하게 된다. 이상적으로는, 이러한 제어는 변화하는 열적 환경뿐만 아니라 변화하는 열부하 및 입력 압력 조건에 대해 연속적이고 점진적이며 중단 없는 방식으로 조절할 수 있어야 하며, 이는 안정된 저온을 얻는다. 이상적으로는, 이러한 제어는 다중 냉매 가스와 작동하여 안정된 저온과 최적 성능을 제공할 수 있어야 한다. 게다가, 관성 가속 등의 외부 환경 효과에 의해 야기되는 플리넘 챔버 내에서의 온도 변동, 내부 열파, 또는 압력 변동에 대한 민감성을 최소화하는 저온 유지 장치용 능동 기구가 필요하게 된다.Thus, for cryostats that can use the sensed temperature of the heat load rather than the gas plenum chamber temperature to adjust the gas expansion valve orifice size set from maximum opening during cooling to a reduced minimum opening for continuous cooling of the heat load. Active mechanisms are needed. Moreover, there is a need for an active mechanism for cryostats that provides stable time average proportional control of the gas expansion valve orifice size for stable gas flow, eventually stable refrigeration rate and temperature control. Ideally, such control should be able to adjust in a continuous, gradual, uninterrupted manner, as well as changing thermal loads and input pressure conditions, resulting in stable low temperatures. Ideally, such control should work with multiple refrigerant gases to provide stable low temperatures and optimum performance. In addition, there is a need for an active mechanism for cryostats that minimizes susceptibility to temperature fluctuations, internal heat waves, or pressure fluctuations within the plenum chamber caused by external environmental effects such as inertial acceleration.

당해 기술 분야에서의 이러한 필요성은 저온 유지 장치용 능동 가스 교축 기구를 제공하는 본 발명에 의해 해결되며, 열부하를 냉각시키기 위하여 니들 밸브 제어식 주울-톰슨 효과 저온 유지 장치를 사용한다. 본 발명의 장치는 냉매의 관통 유동을 제어하도록 니들 밸브에 연결된 작동 장치를 포함한다. 열 센서 또는 온도 센서는 온도 센서 부근의 열부하에 연결된다. 온도 센어는 감지된 온도를 나타내는 신호를 제공한다. 서보 제어기는 신호를 받아 신호에 응답하여 작동 장치로의 냉매 유동을 조절한다.This need in the art is addressed by the present invention, which provides an active gas throttling mechanism for cryostats, and uses a needle valve controlled Joule-Thomson effect cryostat to cool the heat load. The apparatus of the invention comprises an actuating device connected to the needle valve to control the through flow of refrigerant. The thermal sensor or temperature sensor is connected to a heat load near the temperature sensor. The temperature sensor provides a signal indicative of the sensed temperature. The servo controller receives the signal and regulates the refrigerant flow to the actuating device in response to the signal.

따라서, 열부하를 냉각시키기 위하여 니들 밸브 제어식 주울-톰슨 효과 저온 유지 장치를 사용하는 본 발명의 저온 유지 장치용 교축 기구는 통과하는 냉매 유동을 제어하도록 상기 니들 밸브에 연결된 냉매 유동 제어 수단과, 상기 열부하 부근의 온도를 감지하여 감지된 온도를 나타내는 신호를 제공하도록 열부하에 연결된 온도 감지 수단과, 상기 니들 밸브를 통해서 냉매 유동을 제어하기 위하여 상기 온도 감지 수단으로부터의 신호를 수신하고 이 신호에 응답하여 상기 냉매 유동 제어수단을 조절하는 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.Thus, the throttling mechanism for cryostat according to the present invention which uses a needle valve controlled Joule-Thomson effect cryostat to cool the heat load comprises refrigerant flow control means connected to the needle valve to control the refrigerant flow therethrough, and the heat load. Temperature sensing means connected to a heat load to sense a temperature in the vicinity to provide a signal indicative of the sensed temperature, and receiving a signal from the temperature sensing means in response to the signal to control refrigerant flow through the needle valve; And adjusting means for adjusting the refrigerant flow control means.

작동에 있어서, 본 발명은 (a) 열부하의 근사 온도를 감지하는 단계와 (b) 근사 온도와 관련한 제1 신호를 전송하는 단계와, (c) 제1 신호를 저온 유지 장치에서 냉매 유동을 조절하기 위한 제2 신호로 변환하는 단계와, (d) 제1 신호와 직접 관련하여 냉매 유동을 조절하는 단계를 포함하는, 주울-톰슨 효과 저온 유지 장치에 의해 열부하의 냉동을 제어하는 폐회로식 방법을 제공한다.In operation, the present invention comprises the steps of (a) sensing the approximate temperature of the heat load, (b) transmitting a first signal relating to the approximate temperature, and (c) regulating the refrigerant flow in the cryostat. And (d) adjusting the refrigerant flow in direct relation with the first signal to control the refrigeration of the heat load by the Joule-Thomson effect cryostat. to provide.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

통상적인 종래의 주울-톰슨 저온 유지 장치(10)가 제Ia도 및 제Ib도에 도시되어 있다. 고압 아르곤 또는 질소 가스, 또는 공기 등의 냉매는 가스 유입 부속품(1)을 통해, 듀워 패키지(Dewar package, 9)의 저온 핑거(7) 내의 지지 맨드릴(5)을 둘러싸는 회복 가능 열교환기(3) 내로 도입된다. 열교환기(3)는 기본적으로 맨드릴(5)둘레에 감겨진 역류식 핀-형성 금속 튜브(4)를 포함하며, 튜브(4)는 고압 가스가 저온 핑거(7)의 하단부를 향해 이동함에 따라 상당히 냉각되게 한다. 열교환기 튜브(4)는 통상적으로 저온 유지 장치의 저온 단부로 불리는 맨드릴(5)의 하단부에 있는 오리피스(16)에서 종료한다. 오리피스(16)는 주울-톰슨 가스 교축 밸브로서 작용한다. 가스가 오리피스(16)를 통과하여 주변 가스 플리넘 챔버(29)로 들어감에 따라, 저압 가스로 팽창하여 액체 형태가 생성된다. 증발된 액체 및 저압 가스는 듀워 창(11) 부근에 배치된 열부하(15)를 냉각시키는 데 사용된다. 열부하(15)의 냉각은 열부하(15)와 접촉하여 배치된 저온 핑거(7)의 부분 상으로의 오리피스(16)로부터의 액체 냉매 분무에 의해 성취된다. 챔버(29)로부터의 가스는 열교환기(3)의 다른 저압분기관을 통해 재순환된 후에 저온 유지 장치(10)의 상부 고온 단부에 있는 유출구(13)를 통해 대기 중으로 빠져나간다.A conventional conventional Joule-Thompson cryostat 10 is shown in FIGS. Ia and Ib. Refrigerant, such as high pressure argon or nitrogen gas, or air, is passed through the gas inlet accessory (1) to the recoverable heat exchanger (3) surrounding the support mandrel (5) in the low temperature finger (7) of the Dewar package (9). ) Is introduced into. The heat exchanger 3 basically comprises a countercurrent fin-forming metal tube 4 wound around the mandrel 5, which tube 4 moves as the high pressure gas moves towards the lower end of the cold finger 7. Allow it to cool significantly. The heat exchanger tube 4 ends at an orifice 16 at the lower end of the mandrel 5, commonly referred to as the cold end of the cryostat. Orifice 16 acts as a joule-thomson gas throttling valve. As the gas passes through the orifice 16 into the surrounding gas plenum chamber 29, it expands to a low pressure gas to produce a liquid form. Evaporated liquid and low pressure gas are used to cool the heat load 15 disposed near the duer window 11. Cooling of the heat load 15 is accomplished by spraying the liquid refrigerant from the orifice 16 onto the portion of the cold finger 7 disposed in contact with the heat load 15. The gas from the chamber 29 is recirculated through another low pressure branch of the heat exchanger 3 and then exits into the atmosphere through the outlet 13 at the upper high temperature end of the cryostat 10.

전술한 바와 같이, 가장 간단한 형태의 종래의 주울-톰슨 저온 유지 장치는 통상적으로 저온 유지 장치의 저온 단부에 있는 열교환기(3) 내의 고정 크기형 오리피스(16)를 가져, 저온 유지 장치에 의한 냉각이 조절되지 않게 되어 있다. 입력 압력 및 내부 가스 유동 역학은 저온 유지 장치를 통한 냉매의 유동 매개 변수를 성립시켰다. 종래의 주울-톰슨 저온 유지 장치는 가동 부품을 갖지 않으므로 간단한 장치이기는 하지만, 제한된 크기의 가스 공급원으로부터의 급속 냉각 및 장시간의 냉각 유지가 요구되는 많은 적용에 대해 상기 장치의 고유의 비제어 유동 특성이 고정 오리피스형 저온 유지 장치를 적당하지 않게 한다. 급속 냉각은 높은 가스 유량 및 크기가 큰 오리피스를 필요로 하는 반면에, 장시간의 냉각 유지는 낮은 가스 유량 및 크기가 작은 오리피스를 필요로 한다. 이러한 2가지 조건은 고정 오리피스 저온 유지 장치에서 동시에 충족될 수 없다.As noted above, the simplest form of the conventional Joule-Thompson cryostat typically has a fixed size orifice 16 in the heat exchanger 3 at the cold end of the cryostat, so that it is cooled by the cryostat. This is not controlled. The input pressure and internal gas flow dynamics established the flow parameters of the refrigerant through the cryostat. Conventional Joule-Thompson cryostats are simple devices because they do not have moving parts, but the inherent uncontrolled flow characteristics of the devices for many applications that require rapid cooling from limited size gas sources and long-term cooling maintenance are required. The fixed orifice type cryostat is not suitable. Rapid cooling requires high gas flow rates and large orifices, while long cooling maintenance requires low gas flow rates and small orifices. These two conditions cannot be met simultaneously in a fixed orifice cryostat.

약 1950년대 이래로, 제Ib도에 도시된 바와 같은 가변 오리피스 크기의 내부수동 자동 온도 조절 제어를 갖는 요구 유량 주울-톰슨 저온 유지 장치가 사용되었다. 이러한 저온 유지 장치는 최대 오리피스 크기를 가지고 냉각을 시작할 수 있으며, 이에 의해 급속 냉각을 위한 높은 가스 유량 및 냉동을 제공할 수 있다. 냉각이 성취된 후에, 오리피스 크기는 열부하에 필요한 최소 가스 유량 및 냉동을 위하여 감소된다.Since the about 1950s, the required flow rate Joule-Thompson cryostats have been used with internally controlled thermostatic control of variable orifice sizes as shown in FIG. Such cryostats can start cooling with a maximum orifice size, thereby providing high gas flow rates and refrigeration for rapid cooling. After cooling is achieved, the orifice size is reduced for refrigeration and the minimum gas flow required for heat load.

맨드릴(5) 내의 자동 온도 조절 요소는 가스 플리넘 챔버(29) 내부 및 주위 온도를 기초로 가스 유동을 자동 조절한다. 냉각율은 저온 유지 장치를 통한 가스 질량 유량에 비례한다. 가스 충진식 벨로우즈 또는 온도에 따라 수축 또는 팽창하는 물질로 된 부품일 수 있는 자동 온도 조절 요소는 요구 유동 니들 밸브(19)에 연결된다. 온도가 하강함에 따라, 벨로우즈는 수축하여 니들이 주울-톰슨 오리피스(16)내로 연장하여 오리피스를 부분 폐쇄하게 한다. 설정된 임계 온도에서, 자동 온도조절 벨로우즈 기구(17)는 니들 밸브(19)를 완전히 폐쇄할 수 있다. 온도가 상승함에 따라, 벨로우즈는 다시 팽창하여 니들 밸브(19)를 작동시켜, 새로운 냉매가 오리피스를 통해 궁극적으로는 열부하(15)까지 유동하게 한다.The thermostat element in the mandrel 5 automatically regulates the gas flow based on the ambient temperature inside the gas plenum chamber 29. The cooling rate is proportional to the gas mass flow rate through the cryostat. A thermostatic element, which may be a gas-filled bellows or a component of a material that contracts or expands with temperature, is connected to the required flow needle valve 19. As the temperature falls, the bellows contract and cause the needle to extend into the joule-thomson orifice 16 to partially close the orifice. At the set threshold temperature, the thermostatic bellows mechanism 17 can close the needle valve 19 completely. As the temperature rises, the bellows expand again to actuate the needle valve 19, allowing fresh refrigerant to flow through the orifice and ultimately to the heat load 15.

전술한 바와 같이, 자동 조절 요구 유동 저온 유지 장치는 냉매 유동에 대하여 제어하지만, 온도 변동이 작동에 있어서 임계적인 경우에 시스템에서 받아들일 수 없는 제한이 여전히 존재한다.As mentioned above, the automatic regulation required flow cryostat controls the refrigerant flow, but there are still limitations that are unacceptable in the system when temperature fluctuations are critical in operation.

자동 온도 조절 벨로우즈 기구(17)(및 일종의 플라스틱과 같은 재료의 팽창 및 수축에 의존하는 유사한 대체 장치)는 본질적으로 성능 허용 오차가 크게 된다. 이러한 것은 니들 밸브에 대한 임계 온-오프 온도에서 불안정성 및 변동을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 저온 유지 장치는 예측되는 전체 작동 범위에 대한 가스 유동 조절에 있어서 비례적이지 못하다는 것을 알았다.The thermostatic bellows mechanism 17 (and similar alternative devices that rely on the expansion and contraction of a material such as a kind of plastic) inherently has a high performance tolerance. This can cause instability and fluctuations at critical on-off temperatures for the needle valve. Thus, it has been found that such cryostats are not proportional to gas flow regulation over the expected overall operating range.

게다가, 이러한 저온 유지 장치는 상이한 한제를 사용하면 상이하게 반응한다. 따라서, 시스템 성능은 임의의 단일 작동 중에 사용될 때 특정 한제에 의존한다. 열수축 연결의 설계 기본이 된 냉매를 대신하여 대체 냉매가 사용된다면, 저온 유지 장치는 설계 설정 온도를 찾으려고 하며 오류를 반복할 수 있다.In addition, such cryostats react differently with the use of different cold agents. Thus, system performance depends on certain limitations when used during any single operation. If an alternative refrigerant is used in place of the refrigerant that is the design basis of the heat shrink connection, the cryostat will try to find the design set temperature and repeat the error.

더욱이, 플리넘 챔버 내의 온도파는 벨로우즈 기구의 열 사이클링을 야기할 수 있다. 더구나, 로케트 분야에서, 상기 벨로우즈 기구는 가속 및 감속 효과를 받게된다. 적외선 검출기 냉각에서, 저온 유지 장치에 의한 냉동에서의 변동으로 인한 검출기의 불안정성은 결합된 비디오 디스플레이에서 열 음향으로서 공지된 일종의 열 소음을 발생시킬 수 있다.Moreover, the temperature waves in the plenum chamber can cause thermal cycling of the bellows mechanism. Moreover, in the field of rockets, the bellows mechanism is subject to acceleration and deceleration effects. In infrared detector cooling, the instability of the detector due to fluctuations in refrigeration by the cryostat can generate a kind of thermal noise known as thermal sound in the combined video display.

플리넘 챔버(29) 내에서 포화 조건에 도달된 때 액체 가스의 풀링은, 액체 풀이 주위 힘의 영향 하에 이동한다면, 저온 유지 장치 니들 밸브 작동의 성능에 상당한 악영향을 끼칠 수 있다. 이러한 것은 열교환기(3)의 저압측에서의 급격한 기화 또는 가스 유동 저항을, 그리고 결과적인 액체 증기압 변화 및 니들 밸브의 갑작스런 개방을 야기할 수 있다.Pulling of liquid gas when saturation conditions are reached in the plenum chamber 29 can have a significant adverse effect on the performance of the cryostat needle valve operation if the liquid pool moves under the influence of ambient forces. This may cause a sudden vaporization or gas flow resistance on the low pressure side of the heat exchanger 3 and the resulting liquid vapor pressure change and sudden opening of the needle valve.

열부하(15)가 확대된 경우에는 다른 작동 제한에 직면한다. 가스 플리넘 챔버(29)의 온도는 열부하(15)의 극단 이전에 하강하며, 열부하가 완전히 냉각되기 이전에 니들 밸브(19)가 조기에 폐쇄하게 한다.If the thermal load 15 is enlarged, other operational limitations are encountered. The temperature of the gas plenum chamber 29 drops before the extreme of the heat load 15, causing the needle valve 19 to close prematurely before the heat load is completely cooled.

이러한 예시적인 조건의 태양들 어느 것에서도 니들 밸브 위치 설정 및 가스 유량에 있어서 조기 폐쇄 또는 바람직하지 않은 변동을 야기할 수 있다. 이러한 것은 열부하 인자 및 냉매 매개 변수에 대해 부합하도록 된 복수개의 주울-톰슨 저온 유지 장치 요소들이 제조 설계되게 한다.Either aspect of these exemplary conditions can cause premature closure or undesirable variation in needle valve positioning and gas flow rates. This allows a plurality of Joule-Thompson cryostat elements to be manufactured designed to match the heat load factor and refrigerant parameters.

따라서, 냉각 동안의 최대 개방으로부터 설정된 가스 팽창 밸브 오리피스 크기를 열부하의 지속적인 냉각을 위한 감소된 최소 개방으로 조절하기 위하여, 가스 플리넘 챔버 온도가 아닌 열부하의 감지된 온도를 사용할 수 있는 저온 유지 장치용 능동 기구가 필요하게 된다.Thus, for cryostats that can use the sensed temperature of the heat load rather than the gas plenum chamber temperature to adjust the gas expansion valve orifice size set from maximum opening during cooling to a reduced minimum opening for continuous cooling of the heat load. Active mechanisms are needed.

더욱이, 안정된 가스 유동, 결국은 안정된 냉동율 및 온도 제어를 위하여 가스팽창 밸브 오리피스 크기의 안정된 시간 평균 비례 제어를 제공하는 저온 유지 장치용 능동 기구가 필요하게 된다. 이상적으로는, 이러한 제어는 변화하는 열적 환경뿐만 아니라 변화하는 열부하 및 입력 압력 조건에 대해 연속적이고 점진적이며 중단 없는 방식으로 조절할 수 있어야 하며, 이는 안정된 저온을 얻는다. 이상적으로는, 이러한 제어는 다중 냉매 가스와 작동하여 안정된 저온과 최적 성능을 제공할 수 있어야 한다.Moreover, there is a need for an active mechanism for cryostats that provides stable time average proportional control of the gas expansion valve orifice size for stable gas flow, eventually stable refrigeration rate and temperature control. Ideally, such control should be able to adjust in a continuous, gradual, uninterrupted manner, as well as changing thermal loads and input pressure conditions, resulting in stable low temperatures. Ideally, such control should work with multiple refrigerant gases to provide stable low temperatures and optimum performance.

게다가, 관성 가속 등의 외부 환경 효과에 의해 야기되는 플리넘 챔버 내에서의 온도 변동, 대부 열파, 또는 압력 변동에 대한 민감성을 최소화하는 저온 유지 장치용 능동 기구가 필요하게 된다.In addition, there is a need for an active mechanism for cryostats that minimizes sensitivity to temperature fluctuations, most heat waves, or pressure fluctuations in the plenum chamber caused by external environmental effects such as inertial acceleration.

본 발명은 이러한 필요성을 해결한다. 본 발명은 제Ia도에 도시된 유형의 저온 유지 장치의 형태에 적용될 수 있다. 제2a도는 이러한 주울-톰슨 저온 유지 장치 내로 합체된 본 발명을 도시한다.The present invention addresses this need. The present invention can be applied to the form of a cryostat of the type shown in FIG. Figure 2a shows the invention incorporated into this Joule-Thompson cryostat.

본 발명은 제Ia도의 종래 기술과 동일한 방식의 진공 듀워 패키지(9)의 저온핑거(7) 내에 내장된다.The present invention is embedded in the cold finger 7 of the vacuum Duo package 9 in the same manner as in the prior art of FIG.

제2a도를 다시 참조하면, 맨드릴 캡 부재(21)는 맨드릴 챔버(23)를 밀봉한다. 통상적으로, 캡 부재(21)는 챔버(23)로부터의 열누출을 방지하기 위하여 폴리우레탄과 같은 캡슐화된 폼 단열체(25)를 포함한다.Referring again to FIG. 2A, the mandrel cap member 21 seals the mandrel chamber 23. Typically, the cap member 21 includes an encapsulated foam insulator 25 such as polyurethane to prevent heat leakage from the chamber 23.

양호하게는 스테인레스강 등으로 제조된 밀봉 외장 튜브(27)는 캡 부재(21)로부터 맨드릴 챔버(23)의 길이만큼 연장되고, 저온 유지 장치의 저온 단부에 있는 냉매플리넘 챔버(29) 내에서 개방 연결된다. 냉매 플리넘 챔버(29)는 고정 장착된 벨로우즈 스프링(31)을 내장한다. 양호한 실시예에서, 질량이 작고 스프링 상수가 큰 장치가 벨로우즈 스프링(31)으로 사용된다.The sealing sheathing tube 27, preferably made of stainless steel or the like, extends from the cap member 21 by the length of the mandrel chamber 23, in the refrigerant plenum chamber 29 at the cold end of the cryostat. Open connection. The refrigerant plenum chamber 29 contains a bellows spring 31 fixedly mounted. In the preferred embodiment, a device of low mass and high spring constant is used as the bellows spring 31.

맨드릴 캡 부재(21)의 캡 챔버(33) 내부에는 전기 관통 커넥터(35)가 배치된다. 양호한 실시예에서, 상기 커넥터는 유리-금속 관통 커넥터(35)이다. 관통 커넥터(35)는 맨드릴 캡 부재(21)의 외부에서 종료하는 전기 도선(55)을 갖는다. 벨로우즈 스프링 작동기 기구는 관통 커넥터(35)의 제1 단부(39)에서 종료된다. 벨로우즈 스프링 작동기는 양호한 실시예에서 변환기 요소로서의 바이메탈 와이어 로브(41)인 제1부분을 포함한다. 로드(41)는 맨드릴 캡 부재(21)의 길이에 걸쳐 외장 튜브(27)를 향해 연장되고, 양호한 실시예에서는 병진 요소로서의 강철 와이어 로드(45)에 전기 귀환 접속부(43)에서 결합된다. 비교적 단단한 로드(45)로 인해, 외장 튜브(27)가 제거될 수 있음을 알아야 한다. 접속부(43)에 연결된 전기 귀환 와이어(55')는 맨드릴 캡 부재(21) 외부로 연장된다.An electrical through connector 35 is disposed in the cap chamber 33 of the mandrel cap member 21. In a preferred embodiment, the connector is a glass-metal through connector 35. The through connector 35 has an electrical conductor 55 terminating outside of the mandrel cap member 21. The bellows spring actuator mechanism terminates at the first end 39 of the through connector 35. The bellows spring actuator comprises a first portion, which in the preferred embodiment is a bimetal wire lobe 41 as transducer element. The rod 41 extends towards the sheath tube 27 over the length of the mandrel cap member 21, and in a preferred embodiment is coupled at the electrical return connection 43 to the steel wire rod 45 as a translational element. It should be noted that due to the relatively rigid rod 45, the outer tube 27 can be removed. The electrical return wire 55 ′ connected to the connecting portion 43 extends out of the mandrel cap member 21.

바이메탈 와이어 로드(41)는 변환기(transducer)로서 작용한다. 양호한 실시예에서, (당해 기술 분야에서 마르텐사이트-오오스테나이트 상 전이로서 공지된) 바이메탈 와이어 로드(41)는 전류가 통과하여 가열되는 동안에 수축하는 일종의 티타늄-니켈 형상 기억 합금이다. 작은 비율의 직류 또는 펄스폭이 변조된 전류는 전기 또 선(55, 55') 쌍을 경유해 로드(41)를 통해 제공될 수 있다. 따라서, 로드(41)는 부착된 병진 요소인 강철 와이어 로드(45)를 사용하여 냉매 플리넘 챔버(29) 내의 니들밸브(19)로 병진 운동하게 하는 소형 변환기 요소로서 작용한다. 바이메탈에 대한 대안으로서는 솔레노이드 또는 자기 변형 합금 등의 고체 상태 전자기 장치, 또는 압전식 변환기 등의 고체 상태 전자 기계 장치일 수 있다. 저온 유지 장치의 적용은 어떠한 대안이 가장 적당한 가를 요구할 수 있다. 제2a도에서, 전류는 관통 커넥터(35)를 통해 와이어 로드(41)에 인가된다. 전류는 와이어(62, 63)에 의해서 발열소자(6b)에도 공급된다.The bimetal wire rod 41 acts as a transducer. In a preferred embodiment, the bimetal wire rod 41 (known in the art as a martensite-austenite phase transition) is a type of titanium-nickel shape memory alloy that contracts while current is passed through and heated. A small percentage of direct current or pulse width modulated current can be provided through rod 41 via electrical or wire pairs 55 and 55 '. Thus, the rod 41 acts as a small transducer element which translates to the needle valve 19 in the refrigerant plenum chamber 29 using the attached steel wire rod 45. Alternatives to bimetals may be solid state electromagnetic devices such as solenoids or magnetostrictive alloys, or solid state electromechanical devices such as piezoelectric transducers. Application of the cryostat may require which alternative is most suitable. In FIG. 2A, current is applied to the wire rod 41 through the through connector 35. The current is also supplied to the heat generating element 6b by the wires 62 and 63.

제2b도를 참조하면, 전기 귀환 접속부(43)에서 바이메탈 와이어 로드(41)에 연결된 강철 와이어 로드(45)는 벨로우즈 스프링(31)의 가동 단부에 연결된 밸브 작동기 수단으로서의 벨로우즈 가압판(47)까지 외장 튜브(27)를 통해 연장된다.Referring to FIG. 2B, the steel wire rod 45 connected to the bimetal wire rod 41 in the electrical return connection 43 is sheathed to the bellows press plate 47 as a valve actuator means connected to the movable end of the bellows spring 31. It extends through the tube 27.

벨로우즈 스프링(31)은 벨로우즈 가압판(47)을 통해 냉매 플리넘 챔버(29) 내의 니들 밸브(19)에 연결된다. 강철 와이어 로드(45)를 통해 바이메탈 로드(41)에 연결된 스프링(31) 및 가압판(47)의 조합체는 냉매 유동 제어 수단으모서의 밸브 작동기 기구를 형성한다 제2b도에 도시된 바와 같이, 니들 밸브 기구(19)와 벨로우즈 스프링(31)의 연결은 제Ib도에 예시된 바와 같이 당해 기술 분야의 숙련자가 알 수 있는 것과 유사하거나 동일하다.The bellows spring 31 is connected to the needle valve 19 in the refrigerant plenum chamber 29 via the bellows press plate 47. The combination of the spring 31 and the pressure plate 47 connected to the bimetal rod 41 via the steel wire rod 45 forms the valve actuator mechanism of the refrigerant flow control means, as shown in FIG. 2B. The connection of the valve mechanism 19 to the bellows spring 31 is similar or identical to that known to those skilled in the art, as illustrated in FIG.

제2a도를 다시 참조하면, 온도 감지 수단으로서의 온도 센서 또는 열 센서(51)는 (특정 부하와 일체로 될 수 있는) 열부하 장착대(15') 상에, 또는 그 부근에 장착된다. 양호한 실시예에서, 실리콘 다이오드 온도 센서(51)는 열부하(15)에 매우 근접하여 열부하 장착대(15') 상에 고정 장착된다.Referring again to FIG. 2A, a temperature sensor or thermal sensor 51 as temperature sensing means is mounted on or near the heat load mount 15 '(which can be integrated with a specific load). In a preferred embodiment, the silicon diode temperature sensor 51 is fixedly mounted on the heat load mount 15 ′ in close proximity to the heat load 15.

텍사스 인스트루먼트사에 의해 제조된 IN914 다이오드와 같은 상업적으로 입수가능한 센서는 본 발명의 사용에 있어서 적당하다. 다르게는, 트랜지스터형 센서가 본 발명에 채용될 수 있다. 온도 센서(51)는 플리넘 챔버(29) 내의 온도보다는 부하 주변의 주위 온도에 민감하도록 장착된다.Commercially available sensors, such as the IN914 diode manufactured by Texas Instruments, are suitable for use in the present invention. Alternatively, transistor-type sensors can be employed in the present invention. The temperature sensor 51 is mounted to be sensitive to the ambient temperature around the load rather than the temperature in the plenum chamber 29.

제3도를 참조하면, 본 발명이 그 작동의 이해를 돕도록 개략 선도로 나타나 있다.Referring to FIG. 3, the present invention is shown in schematic diagrams to help understand its operation.

온도 제어를 요구하는 열부하(15), 예컨대 미사일 적외선 검출기 또는 초점면 어레이는 열부하 장착대(15') 상에 고정 장착된다. 그리고 나서, 장착대(15')는 제2a도에 도시된 오리피스(16) 부근의 저온 유지 장치에 인접하여 배치된다.A heat load 15 requiring a temperature control, such as a missile infrared detector or focal plane array, is fixedly mounted on the heat load mount 15 '. Then, the mounting table 15 'is disposed adjacent to the cryostat near the orifice 16 shown in FIG. 2A.

서보 제어기(53)는 전기 도선[55, 55'(귀환)]에 의해 변환기 작동기 수단으로서의 밸브 제어 작동기 또는 벨로우즈 스프링 작동기(57) 및 열 센서(51)에 연결되며, 서보 제어기(53) 및 밸브 제어 작동기(57)는 조절 수단을 형성한다. Qx로 나타낸 화살표로 도시한 바와 같이, 부차를 구성하는 열원이 많이 있다. 열부하(15) 및 장착대(15')는 Qfpa로, 다른 부하 주위 열원은 Qrad, Qcond 및 Qvalve로서 도시되어 있는데, Qvalve는 밸브 작동기 자체로부터 발생된 열을 나타낸다. 저온 유지 장치에 의해 제거될 열은 -Qcryo로 도시되어 있다. 열 센서(51)는 부하(15, 15') 주변으로 부터 밸브 제어 작동기(57)의 서보 제어기(53)로의 피드백을 제공한다. 서보 제어기(53)의 작동 때개 변수는 감지된 온도를 기초로 하여 바이메탈 와이어 로드(41)의 길이 치수를 제어하도록 설계된다. 전기 도선(55, 55')에 의해 바이메탈 와이어 로드(41)에 연결된 서보 제어기(53) 전류는 바이메탈 와이어 로드(41)의 변환기 작동을 구동한다. 이어서, 바이메탈 와이어 로드(41)에 부착된 강철 와이어 로드(45)는 벨로우즈 스프링(31)을 제어하여 결국은 니들 밸브(19)의 주울-톰슨 오리피스를 제어하며, 따라서 열부하(15)로의 냉매의 유동을 제어한다.The servo controller 53 is connected to the valve control actuator or the bellows spring actuator 57 and the thermal sensor 51 as a transducer actuator means by electric conductors 55, 55 '(return), and the servo controller 53 and the valve. The control actuator 57 forms an adjustment means. As shown by the arrows indicated by Qx, there are many heat sources constituting the secondary. The heat load 15 and mount 15 ′ are shown as Qfpa and other heat sources around the load as Qrad, Qcond and Qvalve, where Qvalve represents the heat generated from the valve actuator itself. The heat to be removed by the cryostat is shown as -Qcryo. The thermal sensor 51 provides feedback from the valve control actuator 57 to the servo controller 53 from around the load 15, 15 ′. The operating timing parameter of the servo controller 53 is designed to control the length dimension of the bimetal wire rod 41 based on the sensed temperature. The servo controller 53 current connected to the bimetal wire rod 41 by electrical leads 55, 55 ′ drives the transducer operation of the bimetal wire rod 41. Subsequently, the steel wire rod 45 attached to the bimetal wire rod 41 controls the bellows spring 31 to eventually control the joule-thompson orifice of the needle valve 19, thus reducing the refrigerant's charge to the heat load 15. To control the flow.

작동 방법은 제4도에 도시된 블럭 선도로 설명된다. 참조 부호 101로 나타낸 것으로서, 밸브 제어 작동기(57)의 서보 제어기(53)는 냉매 가스가 가스 유입 부속품(1)을 통해 열교환기(3) 내로 유입될 때 작동된다. 바이메탈 로드(41)로의 전류는 로드(41)에 사용된 미리 선택된 바이메탈 재료의 상 전이 온도 바로 아래의 소정 온도에 도달하도록 온 상태로 된다. 냉동 사이클의 냉각 단계 중에, 니들 밸브(19)는 통상적으로 가스 유동 및 냉동 유효성을 최대로 하기 위해 완전 개방된다. 참조 부호 103으로 나타낸 것으로서 부하 온도가 소정 기준치에 도달한 때, 열 센서(51)는 참조 부호 105로 나타낸 바와 같이 밸브 제어 작동기(57)의 서보 제어기(53)에 온도 에러 피드백 신호를 제공한다. 이어서, 서보 제어기(53)는 전기 도선(55) 및 관통 커넥터(35)를 통해 바이메탈 와이어 로드(41)로의 부가적인 전류를 발생시키기 시작한다. 로드(41)가 가열됨에 따라, 바이메탈 재료는 수축한다. 강철 와이어 로드(45) 및 벨로우즈 가압판(47)을 통해 전달된 이러한 수축은 결합된 니들 밸브를 오리피스내로 교축시켜 가스 유동을 감소시킴으로써 주울-톰슨 저온 유지 장치의 냉동 효과를 감소시킨다.The method of operation is illustrated by the block diagram shown in FIG. As indicated by the reference numeral 101, the servo controller 53 of the valve control actuator 57 is operated when the refrigerant gas is introduced into the heat exchanger 3 through the gas inlet accessory 1. The current into the bimetal rod 41 is turned on to reach a predetermined temperature just below the phase transition temperature of the preselected bimetal material used in the rod 41. During the cooling phase of the refrigeration cycle, the needle valve 19 is typically fully open to maximize gas flow and refrigeration effectiveness. When the load temperature reaches a predetermined reference value as indicated by 103, the thermal sensor 51 provides a temperature error feedback signal to the servo controller 53 of the valve control actuator 57 as indicated by 105. Subsequently, the servo controller 53 begins to generate additional current to the bimetal wire rod 41 through the electrical conductor 55 and the through connector 35. As the rod 41 is heated, the bimetallic material shrinks. This contraction transmitted through the steel wire rod 45 and the bellows press plate 47 reduces the refrigeration effect of the Joule-Thompson cryostat by throttling the combined needle valve into the orifice to reduce gas flow.

가스 유동 감소는 부하 온도가 열 센서(51)에 의해 검출된 기준 레벨 이상으로 상승할 때까지 계속된다. 결국, 바이메탈 와이어 로드(41)로의 전류는 감소되어, 역작용을 일으키고 니들 밸브(19)가 오리피스를 개방하여 냉동 효과를 증대시킨다The gas flow reduction continues until the load temperature rises above the reference level detected by the thermal sensor 51. As a result, the current to the bimetal wire rod 41 is reduced, causing a reaction and the needle valve 19 opens the orifice to increase the freezing effect.

온도는, 밸브 제어 작동기(57)를 통한 피드백이 니들 밸브(19)를 냉동율이 요구되는 기준 온도 범위 내의 열부하와 부합하는 크기로 조절하였을 때 온도 에러 신호가 적당히 0(zero)으로 될 때까지만 변동할 수 있다.The temperature is only until the temperature error signal is adequately zero when the feedback through the valve control actuator 57 adjusts the needle valve 19 to a magnitude that matches the heat load within the reference temperature range for which the freezing rate is required. Can fluctuate.

제5도는 전기 도선 쌍(56)에 의해 온도 센서(51)에 연결된 미세 서보 제어기(61)를 포함하는 밸브 제어 작동기(57)의 다른 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이,미세 서보 제어기(61)는 맨드릴 챔버(23)의 저온 단부 내부에 배치되거나 제5도에 도시된 바와 같이 열부하(15) 부근에 장착된 발열 소자(64)를 구동한다. 제2 미세 서보 제어기(61)의 기능은 부하 온도를 특정 부하에 대한 미세 허용 오차 기준 온도 범위 내에서 유지하도록 임의의 부가적인 필요한 열을 부가하는 것이다.5 shows another embodiment of a valve control actuator 57 comprising a fine servo controller 61 connected to a temperature sensor 51 by an electrical wire pair 56. As shown, the micro servo controller 61 drives the heat generating element 64 disposed inside the cold end of the mandrel chamber 23 or mounted near the heat load 15 as shown in FIG. The function of the second fine servo controller 61 is to add any additional necessary heat to keep the load temperature within the fine tolerance reference temperature range for the particular load.

마찬가지로, 제5도의 다른 실시예의 작동은 제6도의 블럭 선도로 설명된다. 따라서, 피드백을 갖는 2차 서보 루프는 온도 상수를 더 좁은 허용 오차 내에서 유지하도록 열부하에 부가되는 소량의 히터 전력을 사용한다.Likewise, the operation of another embodiment of FIG. 5 is described by the block diagram of FIG. Thus, the secondary servo loop with feedback uses a small amount of heater power added to the thermal load to keep the temperature constant within narrower tolerances.

이러한 방식으로, 열부하에 대하여 정상 상태 온도 환경을 유지하는 능동 서보제어식 저온 유지 냉동은 불포화 한제 작동 모드에 의해 성취된다. 불포화 한제 작동 모드에서, 과도한 액체 한제는 발생되지 않고, 따라서 플리넘 챔버(29) 내에서 액체 산제의 풀링은 없게 된다. 본 발명이 불포화 모드에서 작동할 때 본 발명은 진공을 포함한 광범위한 주변 압력에 걸쳐 작동하여야 하는데, 그 이유는 기준 온도가 한제 비등점 범위를 초과하는 한, 한제 비등 압력 또는 온도에 크게 의존하지 않기 때문이다.In this way, active servo controlled cold hold refrigeration which maintains a steady state temperature environment with respect to heat load is achieved by the unsaturated cold working mode. In the unsaturated cryogen mode of operation, no excessive liquid cryogen is generated, and therefore there is no pooling of liquid powder in the plenum chamber 29. When the present invention is operated in unsaturated mode, the present invention must operate over a wide range of ambient pressures, including vacuum, because it does not depend heavily on the cold boiling temperature or temperature as long as the reference temperature exceeds the cold boiling range. .

본 발명은 준포화(near-saturated) 작동 모드로 포화된 때에도 작동할 수 있다. 예컨대, 서보 제어기를 제로 탐색 모드로부터 한계 온도가 도달된 때 고정된 소정의 출력 전류를 전달하는 모드로 변환하지 않고, 액체 한제 비등 온도 약간 위의 서보 제어 기준 온도를 사용함으로써, 저온 유지 장치는 지속된 냉각 동안에 감소되어 고정된 오리피스를 가지고서 작동하여 약간 과도한 액체 한제를 발생시키게 한다.The present invention can operate even when saturated in a near-saturated mode of operation. For example, by using the servo control reference temperature slightly above the liquid cryogen boiling temperature, without changing the servo controller from the zero seek mode to a mode that delivers a fixed, predetermined output current when the limit temperature is reached, the cryostat is maintained. During reduced cooling, it is reduced to operate with a fixed orifice, which results in slightly excessive liquid cryogen.

이러한 특징으로 인해, 본 발명은 예컨대 미사일 시스템에서 최소 크기 및 중량의 가스 공급 시스템으로부터 신속한 냉각 및 장시간의 냉각 유지를 제공하는 주울-톰슨 저온 시스템에서 유용하다.Due to this feature, the present invention is useful in Joule-Thompson low temperature systems, for example, which provide rapid cooling and long term cooling maintenance from gas supply systems of minimum size and weight in missile systems.

본 발명은 특정 적용을 위한 특정 실시예를 참조하여 본 명세서에서 설명되었다. 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 갖고 본 발명에 접근할 수 있는 자는 본 발명의 범주 내에서 추가적인 수정, 적용 및 실시예들을 인식할 수 있다.The present invention has been described herein with reference to specific embodiments for specific applications. Those skilled in the art and having access to the present invention may recognize further modifications, applications and embodiments within the scope of the present invention.

따라서, 본 발명의 범주 내에서 임의의 모든 이러한 적용, 수정 및 실시예들은 첨부된 특허 청구의 범위에 포함된다.Accordingly, all such applications, modifications and embodiments are within the scope of the appended claims within the scope of the invention.

Claims (5)

열부하(15)를 냉각시키기 위하여 니들 밸브 제어식 주울-톰슨 효과 저온유지 장치를 사용하는 저온 유지 장치용 교축 기구에 있어서, 통과하는 냉매 유동을 제어하도록 상기 니들 밸브(19)에 연결된 냉매 유동 제어수단(31,41,45,47)과, 상기 열부하(15) 부근의 온도를 감지하여 감지된 온도를 나타내는 신호를 제공하도록 열부하(15)에 연결된 온도 감지 수단(51)과, 상기 니들 밸브(19)를 통해서 냉매 유동을 제어하기 위하여 상기 온도 감지 수단(51)으로부터의 신호를 수신하고 이 신호에 응답차여 상기 냉매 유동 제어 수단(31,41,45,47)을 조절하는 저온(53,57)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 유지 장치용 교축 기구.A throttling mechanism for a cryostat using a needle valve controlled Joule-Thomson effect cryostat to cool the heat load 15, the refrigerant flow control means connected to the needle valve 19 to control the refrigerant flow therethrough ( 31, 41, 45, 47, temperature sensing means 51 connected to the heat load 15 to sense a temperature near the heat load 15 to provide a signal indicating the sensed temperature, and the needle valve 19 A low temperature 53, 57 for receiving a signal from the temperature sensing means 51 and controlling the refrigerant flow control means 31, 41, 45, 47 in response to the signal to control the refrigerant flow through A throttling mechanism for a cryostat, characterized in that it comprises a. 제1항에 있어서, 상기 냉매 유동 제어 수단은 조절 신호를 수신하는 변환기 수단(41,45)과, 상기 니들 밸브 내의 니들을 이동시키도록 상기 변환기 수단의 말단부에 연결된 니들 밸브 작동기 수단(47)도 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 유지 장치용 교축 기구.2. The refrigerant flow control means according to claim 1, further comprising transducer means (41, 45) for receiving an adjustment signal and needle valve actuator means (47) connected to the distal end of the transducer means to move the needle in the needle valve. A throttling mechanism for a cryostat, characterized in that it comprises a. 제1항에 있어서, 상기 온도 감지 수단은 실리콘 다이오드 온도 센서(51)도 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 유지 장치용 교축 기구.2. A throttling instrument according to claim 1, wherein said temperature sensing means also comprises a silicon diode temperature sensor (51). 제1항에 있어서, 상기 조절 수단은 상기 온도 감지 수단으로부터의 상기 신호를 수신하고 신호에 응답하여 출력 신호를 제공하도록 된 서보 제어기(53)와, 작동 신호에 응답하여 상기 냉매 유동 제의 수단에 작동 신호를 제공하도록 상기 서보 제어기(53)로부터 상기 출력 신호를 수신하도록 된 변환기 작동기 수단(57)도 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 유지 장치용 교축 기구.2. The control apparatus according to claim 1, wherein said regulating means is adapted to receive said signal from said temperature sensing means and to provide an output signal in response to said signal, and to said means of said refrigerant flow agent in response to an operating signal. And a transducer actuator means (57) adapted to receive said output signal from said servo controller (53) to provide an actuation signal. 제2항에 있어서, 상기 변환기 수단은 상기 조절 신호와 관련하여 팽창 또는 수축하는 변환기 요소(41)와, 변화기 팽창 및 수축을 상기 니들 밸브(19)로 전달시키도록 제1 단부가 변화기 수단에 연결되고 말단부가 상기 니들 밸브 작동기 수단에 연결된 병진 요소(45)도 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 유지 장치용 교축 기구.3. The transducer means according to claim 2, wherein the transducer means is connected to the transducer element (41) which expands or contracts with respect to the regulating signal, and the first end is connected to the transducer means to transmit transducer expansion and contraction to the needle valve (19). And a translational element (45) whose distal end is connected to said needle valve actuator means.