KR100658262B1 - 고온 초전도를 위한 다단계 펄스 튜브 냉각 시스템 - Google Patents
고온 초전도를 위한 다단계 펄스 튜브 냉각 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
펄스 튜브 냉각 시스템에 관한 것으로서, 상기 냉각 시스템내에서는 펄스 튜브 작동 가스가 규정된 제 1 단계 온도로 냉각되고 재생기 및 펄스 튜브의 작동에 의해 규정된 제 2 단계 온도가 되며, 상기 재생기 및 펄스 튜브는 고온 초전도체에 냉각을 제공하기에 앞서서 저온 열교환기를 통해 유체연통한다.
Description
도 1 은 본 발명의 다단계 펄스 튜브 냉각 시스템의 일 실시예를 도시한 개략도.
도 2 는 제 1 단계 열교환기를 위한 냉각 유체가 냉각 시스템으로부터 제공되어 펄스 튜브 냉각기를 예비냉각하며, 이어서 고온의 초전도체 시스템을 냉각하기 위한 냉각을 제공하는 본 발명의 실시예를 도시한 개략도.
도 3 은 냉각기 또는 제 1 단계 열교환기가 펄스 튜브 냉각 시스템을 보조하여 고온 초전도 시스템에 냉각을 제공하는 제 1 냉각 시스템으로부터 제공되는 본 발명에 따른 실시예를 도시한 개략도로서, 상기 제 1 냉각기는 또한 고온의 초전도체를 위한 냉각을 공급하는 제 2 열교환기용 냉각을 제공하는 것을 도시한 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 초전도체 20, 21 : 냉각 시스템
22 : 제 1 단계 열교환기 23 : 제 2 단계 열교환기
30 : 펄스 발생기 32 : 고온 재생기
33 : 저온 재생기 34 : 펄스 튜브
본 발명은 대체적으로 고온 초전도 용도에 사용할 수 있는 펄스 튜브 냉각(pulse tube refrigeration)에 관한 것이다.
초전도는 특정 금속, 합금 및 화합물이 전기 저항을 잃어 무한의 전기 전도성을 가지는 현상이다. 최근까지, 초전도는 절대 영도 바로 위의 매우 낮은 온도에서만 관찰되었다. 그러한 저온에서 초전도체를 유지하는 것은 매우 비용이 많이 소요되고, 통상적으로 액체 헬륨의 사용을 필요로 하며, 그에 따라 이러한 기술의 상업적 이용을 제한하였다.
최근에는 15 내지 75K와 같은 비교적 고온에서도 초전도성을 나타내는 수 많은 재료가 개발되었다. 액체 헬륨이나 매우 낮은 온도의 헬륨 증기를 이용하여 그 재료를 초전도 온도에서 유지할 수 있을 지라도, 그러한 냉각은 매우 비용이 많이 소요된다. 불행하게도, 극저온 냉각을 비교적 저렴하게 제공할 수 있는 액체 질소는 대부분의 고온 초전도체를 초전도 온도이하로 냉각시킬 수 있는 냉각을 효과적으로 제공하지 못한다.
고온 초전도 재료로 만들어진 송전 케이블은 전력 손실이 극히 적은 상태로 대용량의 전기를 전송할 수 있는 상당한 이점을 제공한다. 일반적으로, 고온 초전도 재료 성능은 액체 질소에 의해 얻어질 수 있는 약 80K의 온도에서의 성능 보다 약 30 내지 60K의 온도에서 대략적으로 10 배 정도 개선된다.
냉각 생성 분야에서의 최근의 상당한 진보는 진동(oscillating) 가스를 이용 하여 펄스 에너지를 냉각으로 전환시키는 펄스 튜브 시스템에서 이루어졌다. 그러한 냉각은 고온 초전도 용도에 사용될 수 있다. 그러나, 저온에서의 성능 개선은 무시하고 공지된 펄스 튜브 시스템을 이용하여 보다 효율적인 고온 초전도 온도에서 사용하기 위한 냉각을 생성하는 것은 현재까지 매우 비용이 많이 소요된다.
따라서, 본 발명의 목적은 양호한 고온 초전도 성능을 제공하는 온도의 냉각을 제공할 수 있는 개선된 펄스 튜브 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 명세서로부터 소위 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 상기 목적 및 기타 목적들은 본 발명에 의해 달성될 수 있으며, 본 발명의 일 측면은 다음과 같다.
고온 초전도를 위한 냉각을 제공하는 방법으로서:
(A) 진동하는 펄스 튜브 작동 가스를 생성하고, 진동 펄스 튜브 작동 가스를 50 내지 150K의 제 1 단계 온도로 냉각하는 단계;
(B) 저온 펄스 튜브 가스를 생성하기 위해 저온 냉각기 매체와 직접 열교환함으로써 진동 펄스 튜브 작동 가스를 4 내지 70K의 제 2 단계 온도로 냉각하는 단계;
(C) 냉각 재생기(regenerator) 매체용 냉각을 생성하기 위해 펄스 튜브내의 저온 펄스 튜브 작동 가스를 팽창시키는 단계; 및
(D) 고온 초전도를 위해 저온 펄스 튜브 작동 가스로부터 냉각을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 다음과 같다.
고온 초전도를 위한 냉각을 제공하는 장치로서:
(A) 진동하는 펄스 튜브 작동 가스의 생성을 위한 펄스 발생기, 제 1 단계 열교환기, 진동 펄스 튜브 작동 가스를 상기 제 1 단계 열교환기로 전달하는 수단, 및 냉각을 상기 제 1 단계 열교환기로 전달하는 수단;
(B) 재생기, 및 진동 펄스 튜브 작동 가스를 상기 재생기로 전달하는 수단;
(C) 상기 재생기와 유체연통하는 펄스 튜브로서, 상기 유체연통은 제 2 단계 열교환기와의 유체연통을 포함하는, 펄스 튜브; 및
(D) 상기 제 2 단계 열교환기로 고온 초전도 매체를 제공하는 수단을 포함한다.
본 명세서에서 "펄스"라는 용어는 대량의 가스가 주기적인 방식으로 고압 레벨(level) 및 저압 레벨을 연속적으로 통과하도록 하는 즉, 진동하도록 하는 에너지를 의미한다.
본 명세서에서 "고온 초전도 매체"라는 용어는 고온 초전도체 재료에 직접적으로 또는 간접적으로 냉각을 제공하는 유체 또는 기타 열전달 매체를 의미한다.
본 명세서에서 "재생기"라는 용어는, 다공성 분산 질량체와의 직접적인 열교환을 통해 유입되는 고온 가스를 냉각하고 되돌아가는 저온 가스를 가열할 수 있도록 양호한 열용량을 가지는, 구체(球體), 적층된 스크린(stacked screen), 천공된 금속 시트 등과 같은 다공성 분산 질량체 또는 매체 형태의 열 장치를 의미한다.
본 명세서에서 "간접 열교환"이라는 용어는 서로간의 어떠한 물리적인 접촉 또는 유체의 혼합도 없이 유체들이 열교환 관계가 되도록 하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "직접 열교환"이라는 용어는 냉각 및 가열 본체의 접촉을 통해서 냉각을 전달하는 것을 의미한다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도 1 을 참조하면, 다단계 펄스 튜브 냉각 시스템(21)은 고온 재생기(32), 저온 재생기(33), 펄스 튜브(34), 제 1 단계 열교환기(22), 및 제 2 단계 열교환기(23)를 포함한다. 재생기들은 헬륨, 수소, 네온, 질소, 헬륨과 네온의 혼합물, 네온과 질소의 혼합물, 또는 헬륨과 수소의 혼합물일 수 있는 펄스 튜브 작동 가스를 포함한다. 순수 헬륨은 바람직한 펄스 튜브 작동 가스이다.
펄스 즉, 압축력은 펄스 발생기(30)에 의해 재생기(regenerator)(32)의 고온 단부에 인가되고, 그에 따라 진동하는 펄스 튜브 작동 가스를 생성하고 펄스 튜브 시퀀스(sequence)의 제 1 부분을 개시한다. 바람직하게, 도 1 에 도시된 바와 같이, 펄스는 재생기(32)와 유체연통하는 펄스 튜브 가스의 저장용기를 압축하는 피스톤에 의해 제공된다. 재생기에 펄스를 인가하는 다른 바람직한 수단은 재생기내의 가스에 음파 에너지를 가하는 열음향(thermoacoustic) 드라이버(driver)를 사용하는 것이다. 펄스를 인가하는 또 다른 방식은 선형 모터/압축기 장치를 이용하는 것이다. 펄스를 인가하는 또 다른 수단은 확성기(loudspeaker)를 이용하는 것이다. 펄스는 펄스 튜브 가스를 압축하여, 재생기(32)의 고온 단부에서 고온의 압축된 펄스 튜브 가스를 생성한다. 고온 펄스 튜브 가스는, 바람직하게 열교환기(31)내의 열전달 유체(40)와의 간접 열교환에 의해, 냉각되어 스트림(stream)(41)내의 가열된 열전달 유체를 생성하고 압축된 펄스 튜브 가스의 압축열을 냉각시킨다. 본 발명의 실시중에 열전달 유체(40, 41)로서 유용한 유체는 예를 들어 물, 공기, 에틸렌 글리콜 등을 포함한다.
재생기(32, 33)는 재생기 또는 열전달 매체를 포함한다. 본 발명의 실시에 적합한 열전달 매체는 예를 들어 강철 볼, 와이어 메시(mesh), 고밀도 하니콤 구조물, 팽창된 금속, 납 볼, 구리 및 구리 합금, 희토류 원소와 전이금속의 복합체가 있다.
펄스화된 또는 진동하는 펄스 튜브 작동 가스는 고온 재생기(32)내에서 냉각되고, 이어서 50 내지 150K의 제 1 단계 온도로 냉각된다. 이러한 냉각화, 즉 냉각의 제공은 전도성(conduction) 냉각과 같은 임의의 효과적인 수단에 의해 이루어질 수 있다. 도 1 에 도시된 본 발명의 실시예는 바람직한 실시예로서, 진동 펄스 튜브 작동 가스가 제 1 단계 열교환기(22)로 전달되고, 상기 제 1 단계 열교환기에서 상기 가스는 냉각 유체와의 간접적인 열교환에 의해 50 내지 150K의 제 1 단계 온도로 냉각된다. 도 1 에 도시된 본 발명의 실시예에서, 제 1 단계 열교환기(22)는 재생기(32, 33)를 유지하는 하우징내에 있는 것으로 도시되어 있다. 제 1 단계 열교환기(22)는 또한 이러한 하우징의 외부에 위치될 수도 있다. 냉각 유체는 스트림(60)으로 제 1 단계 열교환기(22)로 제공되고 스트림(61)으로 제 1 단계 열교환기(22)로부터 회수된다. 냉각 유체는 액체 질소와 같은 액체 냉각제일 수 있고, 또는 작동 유체의 터보팽창(turboexpansion)을 이용하는 냉각 사이클, 자기 냉각 시스템, 또는 혼합 가스 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템에 의해 생성된 냉각을 포 함하는 다른 유체일 수 있다. 열교환기(22)는 또한 전도(傳導)에 의해 냉각될 수도 있다.
결과적으로 냉각된 진동 펄스 튜브 작동 가스는 저온 재생기(33)를 통과하며, 그 저온 재생기내에서 상기 가스는 저온 냉각기 매체와의 직접 열교환에 의해 4 내지 70K의 제 2 단계 온도까지 냉각되어 저온 펄스 튜브 작동 가스가 된다.
펄스 튜브(34) 및 재생기(33)는 유체연통된다. 그러한 유체연통은 저온 또는 제 2 단계 열교환기(23)를 포함한다. 저온 펄스 튜브 작동 가스는 라인(2)을 통해 제 2 단계 열교환기(23)로 전달되고 라인(43)을 통해 상기 제 2 단계 열교환기(23)로부터 펄스 튜브(34)의 저온 단부(62)로 전달된다. 제 2 단계 열교환기(23)내에서, 저온 펄스 튜브 작동 가스는 고온의 초전도 매체와의 간접 열교환에 의해 가열되며, 그에 따라 고온 초전도 매체에 냉각을 제공하여 고온 초전도체를 제공한다. 고온 초전도 매체는 냉각된 초전도체 시스템으로부터 열교환기(23)로 열을 전달하는 고체 블록일 수도 있다. 도 1 에 도시된 본 발명의 실시예에서, 고온 초전도 매체는 라인(64)을 따라 제 2 단계 열교환기(23)로 전달되고 냉각된 상태에서 라인(63)을 따라 제 2 단계 열교환기(23)로부터 회수되는 유체이다. 이 경우, 고온 초전도 매체는 질소, 네온, 수소, 헬륨, 그리고 상기 종(species) 중 하나 이상과 아르곤, 산소 및 탄소 테트라플루오라이드 (tetrafluoride) 중 하나 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 고온 초전도 매체는 3 몰분율(mole percent) 이상의 네온을 포함하는 유체이다.
펄스 튜브 작동 가스는 재생기(33)로부터 펄스 튜브(34)의 저온 단부(62)로 전달된다. 펄스 튜브 작동 가스가 저온 단부(62)에서 펄스 튜브(34)내로 전달됨에 따라, 상기 작동 가스는 펄스 튜브내의 가스를 압축하고 열교환기(65) 및 오리피스(orifice)(36)를 통해 저장용기(37)내로 펄스 튜브내의 가스의 일부를 가압한다. 피스톤이 펄스 발생기(30)내에서 후방으로 이동할 때 또는 압축 펄스의 저압 지점에 있을 때, 펄스 튜브 작동 가스는 팽창되고, 펄스 튜브(34)의 고온 단부(65)를 향해 유동하는 가스 압력 파동(波動)을 생성하며, 펄스 튜브내의 가스를 압축하여 가열한다.
냉각 유체(44)는 열교환기(35)로 전달되며, 상기 열교환기내에서 냉각 유체는 펄스 튜브 작동 가스와의 간접 열교환에 의해 가열되거나 또는 기화되며, 그에 따라 펄스 튜브 작동 가스를 냉각시키는 히트 싱크(heat sink)로서 작용한다. 결과적인 고온의 또는 기화된 냉각 유체는 스트림(45)을 따라 열교환기(35)로부터 회수된다. 바람직하게, 냉각 유체(44)는 물, 공기, 에틸렌 글리콜 등이다.
펄스 튜브(34)의 고온 단부(65)에는 라인(47)을 통해 저장용기(37)에 연결되는 오리피스(36)를 가지는 라인(46)이 부착된다. 펄스 튜브 작동 가스의 압축 파동은 펄스 튜브의 고온 단부 벽에 접촉하고 펄스 튜브 시퀀스의 두번째 부분에서는 뒤쪽으로 진행시킨다. 압력 및 위상(phase) 형태의 흐름 파동을 유지하여 펄스 튜브(34)의 저온 단부(62)내에서의 팽창 및 압축 사이클중에 펄스 튜브가 순수 냉각을 발생시키도록, 오리피스(36) 및 저장용기(37)가 채용된다. 본 발명의 실시에 이용될 수 있는 것으로서, 압력 및 위상 형태의 흐름 파동을 유지하기 위한 다른 수단은 관성(inertance) 튜브 및 오리피스, 팽창기, 선형 교류발전기, 벨로우즈 장 치, 그리고 질량 플럭스 억압기(mass flux supperssor)를 가지는 작동 회수 라인을 포함한다. 팽창 시퀀스 중에, 펄스 튜브 작동 가스는 팽창되어 펄스 튜브(34)의 저온 단부(62)에서 저온 펄스 튜브 작동 가스를 생성한다. 팽창된 가스는 펄스 튜브로부터 재생기(33)를 향하도록 방향이 역전된다. 저장용기내의 비교적 높은 압력 가스는 밸브(36)를 통해 펄스 튜브(34)의 고온 단부로 유동한다.
열교환기(23)로부터 나오는 팽창된 펄스 튜브 작동 가스는 라인(42)을 통해 재생기(33)로 전달되며, 상기 재생기에서 그 가스는 재생기내의 열전달 매체와 직접 접촉하여 전술한 저온 열교환 매체를 생성하며, 그에 따라 펄스 튜브 냉각 시퀀스의 제 2 부분을 완료하고 재생기를 이어지는 펄스 튜브 냉각 시퀀스의 제 1 부분 상태가 되게 한다.
도 2 및 도 3 은 고온 냉각 시스템과 결합되어 고온 초전도 용도를 위한 냉각을 제공하는 본 발명의 다단계 펄스 튜브 냉각 시스템을 채용한 두개의 장치를 단순화한 형태로 도시한 것이다. 도 2 및 도 3 의 도면부호는 공통 부재에 대해서는 도 1 의 도면부호와 동일하다.
도 2 를 참조하면, 보다 높은 레벨의 냉각 시스템(20), 예를 들어 혼합식 가스 냉각 시스템이 열교환기(22)내의 제 1 단계 냉각을 위한 냉각 유체(60)를 생성하거나, 또는 전도 수단에 의해 열교환기(22)를 냉각시킨다. 이러한 실시예에서, 펄스 튜브 작동 가스는 라인(66)을 따라 제 1 단계 열교환기(22)에 공급되고 이어서 상기 열교환기(22)로부터 라인(67)을 따라 재생기로 전달된다. 라인(64)내의 냉각된 고온 초전도 매체는 고온 초전도체(11)로 공급되어 4 내지 70K, 통상적으로 는 30 내지 50K의 초전도 온도를 유지한다.
도 3 은 도 2 와 유사한 도면으로서, 고온 냉각 시스템(20)으로부터 제 2 고온 초전도 용도(12)로 냉각이 추가적으로 제공되는 것을 도시한 도면이며, 상기 초전도 용도(12)는 용도(11; 초전도체)와 분리된 본체일 수 있고 또는 두개의 온도 레벨의 냉각을 수용하는 단일 초전도 장치(10)로 통합된 것일 수도 있다. 도 3 에 도시된 실시예에서, 냉각 시스템(20)으로부터의 냉각 유체는 라인(68)을 통해 열교환기(24)로 공급되고, 상기 열교환기(24)내에서 유체(69)에 냉각을 제공하기 위해 그 유체는 가열된다. 가열된 냉각 유체는 라인(70)을 따라 냉각 시스템(20)으로 복귀되며, 냉각된 유체(71)는 고온 초전도 용도(12)로 전달되며, 그 고온 초전도 용도(12)내에서 상기 냉각된 유체는 초전도체(11)에 제공되는 것 보다 높은 온도, 통상적으로 약 80K의 냉각을 제공한다.
특정 실시예를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 소위 당업자는 청구범위에 기재된 범위 및 사상내에서도 본 발명의 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 1 에 도시된 실시예에서 제 2 단계인 최종 단계에 앞서서 하나 이상의 상류 냉각 단계를 도입할 수도 있을 것이다.
펄스 튜브 냉각 시스템을 개선하여 보다 저렴하고 보다 양호한 고온 초전도 성능을 제공하는 온도의 냉각을 제공한다.
Claims (7)
- 고온 초전도를 위한 냉각을 제공하는 방법으로서:(A) 진동하는 펄스 튜브 작동 가스를 생성하고, 진동 펄스 튜브 작동 가스를 50 내지 150K의 제 1 단계 온도로 냉각하는 단계;(B) 저온 펄스 튜브 가스를 생성하기 위해 저온 냉각기 매체와 직접 열교환함으로써 진동 펄스 튜브 작동 가스를 4 내지 70K의 제 2 단계 온도로 냉각하는 단계;(C) 냉각 재생기 매체용 냉각을 생성하기 위해 펄스 튜브내의 저온 펄스 튜브 작동 가스를 팽창시키는 단계; 및(D) 고온 초전도를 위해 저온 펄스 튜브 작동 가스로부터 냉각을 제공하는 단계를 포함하는 냉각 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 진동 펄스 튜브 작동 가스는 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 상기 제 1 단계 온도까지 냉각되는 냉각 제공 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 액체 냉각제인 냉각 제공 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 제 1 단계 냉각을 위해 냉각 시스템으로부터 제공되는 냉각 제공 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 저온 펄스 튜브 작동 가스에 의해 제공되는 것 보다 높은 온도의 다른 고온 초전도 용도를 위한 냉각을 제공하는 냉각 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 저온 펄스 튜브 작동 가스는 고온 초전도체에 제공되는 고온 초전도 매체를 냉각시킴으로써 고온 초전도를 위한 냉각을 제공하고, 상기 고온 초전도 매체는 3 몰분율 이상의 네온을 포함하는 유체인 냉각 제공 방법.
- 제 1 항에 있어서, 진동 펄스 튜브 작동 가스는 간접적인 전도 열교환 수단에 의해 제 1 단계 온도까지 냉각되는 냉각 제공 방법.
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