KR100874303B1 - 냉각 유체 시스템 및 초전도 기계 냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

고온 초전도 기계에 저온 냉각 유체를 제공하는 냉각 유체 시스템이 개시되며, 상기 시스템은 주 저온 냉각 시스템(52, 88)과 제 2 냉각 시스템을 구비하고, 상기 제 2 냉각 시스템은 제 1 저온 유체를 갖는 저장 장치와, 저장 장치로부터의 제 1 저온 유체와 주 저온 냉각 시스템을 통해 흐르는 제 2 저온 유체와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 커플링을 포함한다.

Description

냉각 유체 시스템 및 초전도 기계 냉각 방법{CRYOGENIC COOLING REFRIGERATION SYSTEM AND METHOD HAVING OPEN-LOOP SHORT TERM COOLING FOR A SUPER-CONDUCTING FIELD WINDING}
도 1은 스테이터내에 도시된 개략적인 초전도 로터의 개략적인 측면도,
도 2는 냉각 기체 통로를 갖는 레이스트랙형 초전도 코일의 개략적인 사시도,
도 3은 초전도 로터에 냉각 유체를 공급하는 저온 냉각 시스템의 개략도,
도 4는 저온 냉각 시스템의 제 2 실시예의 개략도,
도 5는 제 2 실시예의 구성요소인 이젝터의 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 스테이터 14 : 로터
22 : 코어 26 : 냉각제 이송 커플링
34 : 계자 코일 권선 52 : 주 저온 냉각 시스템
54 : 임시 냉각 시스템 56 : 콜드 헤드
58 : 재순환 압축기 60 : 냉각 유체 저장 탱크
62 : 입구 라인 64 : 열교환기
66 : 복귀 라인 68 : 냉각 코일 커플링
76, 78 : 플로우 밸브 84 : 벤트
본 발명은 일반적으로 고온 초전도(high temperature super-conducting; 이하 'HTS'로 함) 구성요소를 구비한 로터를 갖는 동기 기계용 저온 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 HTS 기계의 로터에 저온 유체를 제공하고 로터로부터 복귀된 사용된 냉각 유체를 재냉각하는 냉각 시스템에 관한 것이다.
초전도 로터는 액체 헬륨에 의해 냉각되는 초전도 코일을 가지며, 사용된 헬륨은 상온의 기체 헬륨으로서 복귀된다. 저온 냉각에 대하여 액체 헬륨을 사용하는 것은 복귀된 상온의 기체 헬륨의 지속적인 재액화를 필요로 한다. 그러므로, 재액화는 현저한 신뢰성 문제를 가지며, 헬륨 냉각 시스템용의 상당한 보조 동력을 필요로 한다. 따라서, 로터로부터 복귀된 고온의 사용된 냉각 유체를 재액화하는 저온 냉각 시스템이 요구된다. 재액화된 냉각 유체는 HTS 로터를 계속해서 냉각하기 위해 재사용 가능해야 한다.
초전도 전기 기계용 저온냉동 시스템은 저온 온도로 냉각되고 기계 부품, 즉 전도성 로터 코일의 초전도 특성을 유지하도록 냉각 유체를 제공한다. 경제적 이 유로, 전기 기계는 가용성과 신뢰성이 높아야 하는 것으로 기대된다. 그러나, 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 냉각 시스템에서의 콜드 헤드(cold head)와 압축기와 같은, 저온냉동 구성요소의 일부는 마멸로 인한 짧은 작동 수명을 가지며 냉각 시스템의 구성요소의 기계적 왕복 운동의 결과로서 냉각 유체 누설을 경험한다. 콜드 헤드와 기포드-맥마흔 시스템의 신뢰성은 일부 기계, 특히 동력 발전기와 같은 산업용 동력 기계의 신뢰성 요건이 높기 때문에 충분하지 않을 수도 있다.
고온 초전도 발전기는 상업 제품으로서 성공하려면 신뢰성이 높고 저렴한 저온냉동 설비를 필요로 한다. 종래에는 기존의 저온 냉각 설비의 경우 높은 신뢰성을 달성하기 위해 중복(redundant) 저온냉동 구성요소가 사용되었다. 개별 냉각 구성요소의 부적합한 신뢰성과 HTS 로터가 차단되지 않는 냉각 유체의 공급을 가져야 한다는 요건이 종래에 HTS 로터용 저온냉동 시스템에 중복 구성요소가 포함되게 하는 것을 피할 수 없게 했다.
냉각 시스템은 초전도 구성요소를 갖는 기계내에서 지속적으로 작동해야 한다. 저온 냉각 구성요소가 고장일 때, 냉각 유체는 기계로 올바르게 흐를 수 없고 기계내의 초전도 구성요소는 온도가 상승하게 된다. 이들 온도가 상승된 구성요소는 이들의 초전도성을 잃게 되고 초전도의 손실 때문에 기계 작동이 차단된다. 따라서, 부적합한 신뢰성을 갖는 냉각 시스템은 기대되지 않고 바람직하지 않는 기계 중지(machine shut-down)를 일으킬 것이다. 시스템 가용성을 유지하기 위해, 종래에는 최대 중복의 냉각 시스템 경로가 통상 사용되어 냉각 시스템의 신뢰성을 향상했다. 중복 시스템 구성요소 때문에, 초전도 기계용의 저온냉동 시스템의 비용이 거의 두 배가 된다.
저온냉동 시스템의 비용은 중복 저온냉동 구성요소에 대한 요구 때문에 실질적으로 증가된다. 더욱이, 기존의 저온냉동 시스템은 이들이 부적합한 신뢰성과 시스템 중복성 때문에 빈번한 유지보수가 필요하다. 따라서, 이들 저온 냉각 시스템의 자본 및 운전 비용은 비교적 높다.
20 내지 30°Kelvin(K)의 온도 범위에 대한 통상적인 저온냉동 설비는 제한된 냉동기 용량을 갖고 대략 일년에 한번 유지보수를 필요로 하는 기포드 맥마흔 콜드 헤드 기술에 근거한다. 다수의 유닛이 비용 증가를 무릅쓰고 시스템의 용량과 신뢰성을 향상하기 위해 조합될 수 있다. 다수의(중복의) 콜드 헤드에 부가하여, 폐루프 순환 시스템은 고효율의 역류형 열교환기(counter-flow heat exchanger)를 구비한 콜드 재순환 팬 또는 웜 재순환 팬을 필요로 한다. 이들 구성요소는, 모든 구성요소가 식스 시그마(six sigma) 품질로 구성될 수 없다면, 고 신뢰성 때문에 중복성이 요구될 때 시스템에 비용과 복잡성을 증가시킨다.
기존의 저온냉동 시스템의 구입 및 운전 비용이 HTS 로터를 갖는 기계의 비용을 현저하게 증가시킨다. 이러한 높은 비용이 상업적으로 판매될 수 있는 동기 기계에 HTS 로터를 합체시키는 것에 대해 상업적인 비실용성을 준다. 따라서, 덜 비싸고, 저렴하게 작동하며 HTS 로터에 저온 냉각 유체를 신뢰성 있게 제공하는 저온 냉각 시스템에 대한 실질적이고 종래에는 충족되지 않은 요구가 있다.
계자 코일 권선을 갖는 동기 전기 기계는 로터리 발전기, 로터리 모터 및 리니어 모터가 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 이들 기계는 일반적으로 전자기 적으로 결합되어 있는 스테이터와 로터를 포함한다. 로터는 다극 로터 코어와 로터 코어상에 장착된 코일 권선을 구비할 수 있다. 로터 코어는 철 단조물과 같은 투자 가능한 솔리드 재료를 포함할 수 있다.
초전도 기계용 단기 임시 냉각 시스템이 개시된다. 임시 냉각 시스템은 주 저온 냉각 시스템의 유지보수 또는 고장 동안, 주 저온 냉각 시스템이 수리될 수 있고 작동될 수 있을 때까지 작동한다. 임시 냉각 시스템은 종래의 중복 냉각 경로 시스템의 비용에 비해 낮은 초기 비용과 낮은 수명 작동 비용을 갖는다.
임시 냉각 시스템은 SC 기계를 통과하는 냉각 유체의 몇 시간의 저온 냉각을 제공할 수 있다. 주 저온 냉각 시스템이 적어도 부분적으로 작동중인 동안의 이러한 냉각 시간이 초전도 기계의 연속적인 작동을 가능하게 한다. 임시 냉각 시스템이 작동하는 동안, 확립된 초전도 기계 서비스 네트웍이 고장난 주 저온 냉각 시스템 구성요소를 수리하고 주 저온 냉각 시스템의 작동을 회복(또한 그 후 임시 냉각 시스템을 정지)할 수 있어야 한다. 따라서, 임시 냉각 시스템은 규정된 몇 시간의 시간 동안 SC 기계에 대하여 연속적인 저온 냉각 유체를 제공한다.
제 1 실시예에 있어서, 본 발명은 고온 초전도 기계에 저온 냉각 유체를 제공하는 냉각 유체 시스템으로서, 상기 시스템은 주 저온 냉각 시스템(52, 58)과 제 2 냉각 시스템(임시 냉각 시스템)을 구비하며, 상기 제 2 냉각 시스템은 제 1 저온 유체를 갖는 저장 장치와 저장 장치로부터의 제 1 저온 유체와 주 저온 냉각 시스템을 통해 흐르는 제 2 저온 유체와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 커플링을 포함하며, 상기 제 2 냉각 시스템은 제 1 저온 유체가 적어도 하나의 냉각 커플링을 통해 흐르지 않는 제 1 작동 모드와 제 1 저온 유체가 적어도 하나의 냉각 커플링을 통해 흐르는 제 2 작동 모드를 가지며, 상기 제 2 냉각 시스템은 주 저온 냉각 시스템에서 고장이 발생할 때 제 1 작동 모드에서 제 2 작동 모드로 전환된다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 동기 기계용 고온 초전도 로터에 결합된 냉각 유체 시스템으로서, 상기 시스템은, 재순환 압축기와 재순환 압축기로부터 로터로 흐르는 제 2 냉각 유체용 유체 통로를 제공하고 콜드 헤드 유닛을 통과하는 입구 라인을 포함하는 주 저온 냉각 시스템과; 제 1 저온 냉각 유체용 저장 탱크와, 상기 저장 탱크 및 상기 입구 라인과 유체 연통하는 적어도 하나의 열교환기와, 탱크와 적어도 하나의 열교환기 사이의 밸브로서, 제 1 저온 냉각 유체가 탱크로부터 적어도 하나의 열교환기로 흐를 수 있는 개방 위치와 제 1 저온 냉각 유체를 적어도 하나의 열교환기와 격리시키는 폐쇄 위치를 갖는 밸브를 포함하는 임시 냉각 시스템을 포함하며, 콜드 헤드 유닛이 고장일 때 밸브의 개방 위치가 선택되고 콜드 헤드 유닛이 제 2 냉각제 냉각 유체를 냉각하도록 작동할 때 밸브의 폐쇄 위치가 선택된다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 주 저온 냉각 시스템과 임시 냉각 시스템을 사용하는 초전도 기계를 냉각하는 방법으로서, 제 1 저온 냉각 유체를 상기 임시 냉각 시스템에 저장하는 단계와, 기계의 초전도 구성요소를 저온 냉각하기 위해 상기 주 저온 냉각 시스템과 상기 기계 사이에 제 2 저온 냉각 유체를 순환시키는 단계와, 제 2 저온 냉각 유체를 상기 주 저온 냉각 시스템내의 냉각 유닛으로 냉각하는 동시에 제 1 저온 냉각 유체를 상기 제 2 저온 냉각 유체와 격리시키는 단계를 포함하며, 상기 냉각 유닛이 고장인 동안, 제 1 저온 냉각 유체가 제 2 냉각 유체를 저온 냉각하는 것이 가능하다.
도 1은 스테이터(12)와 로터(14)를 갖는 모범적인 동기 발전기 기계(10)를 도시한다. 로터는 스테이터의 원통형 로터 진공 공동(16) 내부에 끼워지는 계자 코일 권선(34)을 구비한다. 로터(14)는 스테이터의 로터 진공 공동(16) 내부에 끼워진다. 로터가 스테이터내에서 회전함에 따라, 로터와 로터 코일에 의해 발생된 자계(18)(점선으로 도시되어 있음)가 스테이터를 통과해 이동하여 스테이터 코일(19)의 권선내에 전류를 생성한다. 이 전류가 발전기에 의해 전력으로서 산출된다.
로터(14)는 대체로 종방향으로 연장되는 축(20)과 솔리드 로터 코어(22)를 갖는다. 솔리드 코어(22)는 높은 투자율을 가지며, 대체로 철과 같은 강자성 재료로 제조된다. 낮은 전력 밀도의 초전도 기계에 있어서, 로터의 철 코어는 기자력(magnetomotive force; MMF)을 감소시키도록 사용되며, 따라서, 코일 권선의 사용을 최소화한다. 예컨대, 로터의 철은 약 2 텔사(Telsa)의 공극 자계 강도에서 자기 포화될 수 있다.
로터(14)는 대체로 종방향으로 연장되고 레이스트랙 형상인 고온 초전도(HTS) 코일 권선을 지지한다. 변형예로서, HTS 코일 권선은 새들 형상 코일 또는 특정한 HTS 로터 설계에 적합한 다른 코일 권선 형상을 가질 수 있다. 본 명세서에 개시된 냉각 시스템은 솔리드 코어 로터상에 장착된 레이스트랙형 코일 이외의 코일 권선과 로터에 적합할 수도 있다.
로터는 코어(22)를 떠받치고 베어링(25)에 의해 지지되는 단부 샤프트(24, 30)를 구비한다. 컬렉터 단부 샤프트(24)는 로터내의 SC 코일 권선을 냉각하는데 사용되는 저온 냉각 유체의 공급원에 연결된 냉각제 이송 커플링(26)을 갖는다. 냉각제 이송 커플링(26)은 저온 냉각 유체의 공급원에 결합된 고정 세그먼트와 HTS 코일에 냉각 유체를 제공하는 회전 세그먼트를 구비한다. 모범적인 냉각제 이송 커플링은, "초전도 코일을 구비한 로터에 연결된 저온 가스 이송 커플링을 갖는 동기 기계(Synchronous Machine Having Cryogenic Gas Transfer Coupling to Rotor With Super-conducting Coils)"라는 명칭의 미국 특허 제 6,412,289 호(현재는, 2001년 5월 15일에 출원된 미국 특허 출원 제 09/854,931 호임)에 개시되어 있으며, 이 특허의 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용 합체된다. 컬렉터 단부 샤프트는 또한 로터 코일을 외부 전기 장치 또는 전원에 연결하기 위한 컬렉터 링(27)을 구비할 수 있다. 드라이브 단부 샤프트(30)는 동력 터빈 커플링(32)이 될 수 있다.
도 2는 모범적인 HTS 레이스트랙형 계자 코일 권선(34)을 도시한다. 로터의 SC 계자 코일 권선(34)은 고온 초전도 코일(36)을 구비한다. 각 HTS 코일은 솔리드 헤에폭시 함침 권선 합성물내에 적층된 BSCCO(BixSrxCaxCuxOx) 도체 권선과 같은 고온 초전도 권선을 구비한다. 예컨대, 일련의 BSCOO 2223 와이어가 적층되고 서로 접합되어 솔리드 에폭시 함침 코일로 권취될 수 있다.
HTS 와이어는 취성이고 손상을 입기 쉽다. HTS 코일은 통상 HTS 테이프로 권취된 후 에폭시가 함침된 층이다. HTS 테이프는 정밀한 코일 형상으로 감겨져 정밀한 치수 공차를 얻게된다. 테이프는 나선으로 권취되어 레이스트랙형 SC 코일(36)을 형성한다.
레이스트랙형 코일의 치수는 로터 코어의 치수에 따른다. 일반적으로, 각 레이트트랙형 코일은 로터 코어의 자극을 둘러싸며, 로터 축에 평행하다. HTS 코일 권선은 레이스트랙 둘레에 연속한다. 코일은 로터 코어 둘레에 코어의 자극 사이에 저항이 없는 전류 경로를 형성한다.
저온 냉각 유체용의 유체 통로(38)가 계자 코일 권선(34)내에 구비된다. 이들 통로는 SC 코일(36)의 외부 에지 둘레로 연장될 수 있다. 통로는 저온 냉각 유체를 코일에 제공하고 이들 코일로부터 열을 제거한다. 냉각 유체는, 코일내에 전기 저항을 존재하지 않는 것을 비롯한 초전도 상태를 조성하기 위해 필요한 SC 코일 권선내에 낮은 온도, 즉 27°K를 유지한다. 냉각 통로는 로터 코어의 일 단부에 입구 입력 및 출력 포트(39)를 갖는다. 이들 포트(39)는 SC 코일상의 냉각 통로(38)를 냉각제 이송 커플링(26)에 연결한다.
도 3은 HTS 발전기(10)용 저온 기체 재순환 냉각 시스템(50)의 개략도이다. 시스템은 주 저온 냉각 시스템(52)과, 제 2 냉각 시스템으로도 언급될 수 있는 임시 냉각 시스템(54)을 구비한다. 주 저온 냉각 시스템은 냉각 유체를 전기 기계를 통해 순환시키며, 냉각 유체를 저온 온도로 냉각하는 냉각 유닛인 콜드 헤드(56) 유닛을 갖는다. 콜드 헤드가 고장이거나 또는 유지보수를 위해 정지된 경우, 임시 냉각 시스템이 콜드 헤드 유닛의 기능을 수행하여 주 저온 냉각 시스템을 순환하는 냉각 유체를 냉각한다.
저온 기체 재순환 냉각 시스템(50)은 고온 초전도(HTS) 로터용으로 개발되어 왔다. 냉각 시스템은 주 저온 냉각 시스템(52) 즉, 재순환 냉각 시스템과 임시 냉각 시스템(54)을 구비한다. 주 저온 냉각 시스템은 일반적으로 재순환 압축기(58), 역류형 열교환기(64), 및 콜드 헤드(56) 유닛을 포함한다. 주 저온 냉각 시스템에 있어서, 냉각제 냉각 유체는 재순환 압축기로부터 열교환기와 콜드 헤드 유닛(콜드 헤드 유닛에서 유체가 저온 온도로 냉각됨)을 통과한 후 로터(14)와 그 초전도 계자 코일 권선(34)으로 흐른다. 사용된 냉각 유체는 로터로부터 열교환기(열교환기에서 로터로 통과하는 압축된 냉각 유체의 열이 사용된 기체로 전달된다)를 통해 복귀되고 재순환 압축기를 통해 입구 라인으로 재순환된다.
임시 냉각 시스템(54)은 예컨대 몇 시간인 제한된 작동 기간을 가질 수 있다. 임시 냉각 시스템은 주 저온 냉각 시스템(52)내의 냉각 유체를 콜드 헤드 유닛을 수리하고 재가동하는 합당한 시간을 초과하는 시기 동안 냉각하기 위해 설계된다. 따라서, 임시 냉각 시스템으로 인해 콜드 헤드 유닛의 일시적인 고장 또는 정지일 때에도 기계(10)의 연속적인 작동이 가능하다.
주 저온 냉각 시스템(52)은 재순환 압축기(58)와 냉각 유체를 제공하고 주 저온 냉각 시스템을 통해 냉각 유체를 순환시키는 냉각 유체 저장 탱크(60)를 구비한다. 재순환 시스템내의 저온 냉각 유체는 헬륨이 바람직하나 HTS 로터 작동 온도가 77°K, 27°K, 또는 20°K 아래로 떨어지지 않는다면, 각각 질소, 네온, 또는 수소가 또한 사용될 수 있다.
주 저온 냉각 시스템은 냉각 유체가 주 저온 냉각 시스템과 로터와 코일 권선을 통해 순환하는 폐루프 시스템이다. 냉각 유체가 재순환 압축기를 빠져나오고 압축기와 역류형 열교환기(64) 사이의 입구 라인(62)을 통과할 때, 냉각 유체는 고압 하에 있으며 그 온도는 주위 온도, 즉, 300°K에 있다. 기계(10)로부터 재순환 압축기(58)로 복귀하는 사용된 냉각 유체는 복귀 라인(66)을 통해 흐른다. 열교환기를 통과하는 복귀 라인내의 사용된 냉각 유체는 여전히 비교적 차가우며 재순환 압축기에서 일어나는 가압에 의해 주위 온도로 가열되지 않았다. 차가운 사용된 냉각 유체는 압축기를 빠져나가는 냉각 유체를 냉각하는데 사용된다. 열교환기는 압축기로부터 흐르는 냉각 유체내의 열을 복귀 라인내의 사용된 냉각 유체로 전달한다. 따라서, 입구 라인(62)내의 냉각 유체는 실질적으로 주위 온도 아래에서 열교환기를 빠져나온다.
입구 라인내의 냉각 유체는 열교환기로부터 콜드 헤드(56) 유닛을 구비한 냉각 코일 커플링(68)으로 흐른다. 주 저온 냉각 시스템내에서 순환하는 냉각 유체는 질소 기체 또는 액체, 네온 기체 또는 액체, 또는 수소 기체 또는 액체일 수 있다. 냉각 유체는 콜드 헤드 유닛의 출구에서 액체일 수도 있고, 로터로부터 기체로서 복귀할 수도 있다. 콜드 헤드 유닛은 입구 라인내의 냉각 유체를 저온 온도, 즉, 30°K 이하로 냉각한다. 저온 냉각 유체는 HTS 발전기로 입구 온도(Tin)에서 제공되어 HTS 로터 권선을 냉각한다. 로터로부터의 복귀 기체는 온도(Tout)에서 나오고 역류형 열교환기(64)를 통해 진행하여 재순환 압축기(58)로 복귀한다.
냉각 유체는 액체로서 로터(14)에 들어가고, 로터 SC 계자 코일 권선(34)의 냉각 통로(38)를 통해 흐르면서 증발될 수 있다. 통로(38)내의 냉각 유체의 증발이 SC 코일을 냉각하여 코일이 초전도 상태에서 작동하는 것을 확실히 한다. 증발된 냉각 유체는 차가운 기체로서 HTS 로터로부터 복귀 라인(66)을 통해 흐른다. 복귀 라인은 로터로부터 재순환 압축기로 차가운 냉각 기체를 통과시키도록 크기가 형성된다.
콜드 헤드(56) 유닛은 저온냉동기(cryorefrigerator) 일 수 있거나 또는 단식 스테이지의 기포드-맥마흔 저온 냉각기 또는 단식 스테이지에 부착된 재응축기 유닛과 분리되어 있거나 일체로 된 저온 냉각기 압축기를 구비한 펄스 튜브일 수 있다. 단식 또는 다중 저온냉동기 콜드 헤드 유닛(이중 하나만이 도 3에 도시되어 있음)이 로터(14)와 그 SC 계자 코일 권선(34)내의 냉각 통로로의 입구(Tin)에서 냉각 유체를 저온 온도로 냉각하는데 사용될 수 있다.
콜드 박스(72)가 열교환기, 콜드 헤드 유닛, 및 로터에 출입하는 입구 및 복귀 라인을 둘러싸고 절연할 수 있다. 콜드 박스는 진공에서 주 저온 냉각 시스템의 저온 구성요소를 절연하며 냉각 시스템으로의 열전달을 최소화한다. 냉각 박스는 진공 재킷형 냉각 유체 라인과 열교환기 및 콜드 헤드내의 격리된 구성요소를 구비할 수 있다. 콜드 박스는 열이 헛되이 냉각 시스템으로 전달되지 않는 것을 확실히 하고 냉각 유체의 저온 온도를 유지하도록 로터에 연결된 냉각 시스템 커플링(26)으로 연장된다.
주 저온 냉각 시스템의 입구 및 복귀 라인은 로터(14)에서 냉각제 이송 커플링(26)에 결합된다. 이송 커플링과 로터에 있어서, 냉각 유체는 단부 샤프트(24)내의 진공 재킷형 냉각 통로를 통과하고 SC 코일(36) 둘레의 냉각 통로(38)를 통과한다. 냉각 유체는 증발 냉각에 의해 로터내의 SC 코일(36)을 저온 온도로 유지하여 코일이 초전도 상태에서 작동하는 것을 확실히 한다.
사용된 냉각 유체는, 통상 차가운 기체의 형태로 코일의 냉각 통로(38)를 빠져나오고, 단부 샤프트내의 진공 재킷형 통로를 통과하고 냉각 커플링(26)을 통과해 로터(14)를 빠져나간다. 복귀 이송 라인(66)은 로터로부터 열교환기(64)를 통해 재순환 압축기(58)로의 복귀 냉각 유체용 통로를 제공한다. 콜드 박스(72)내의 입구 및 복귀 라인은 진공 재킷형이며 강하게 격리되어 있다. 입구 및 복귀 라인의 진공 격리 및 콜드 박스에 의해 냉각 유체가 주 저온 냉각 시스템과 로터 사이에서 순환할 때 냉각 유체내의 열전달 손실이 최소화된다. 콜드 박스와 재순환 압축기 사이에서 재킷형 라인을 진공으로 하는 것은 반드시 필요하지는 않다. 플로우 밸브(flow valve)(76)가 주 저온 냉각 시스템(52)내의 냉각 유체의 흐름을 조절한다.
주 저온 냉각 시스템(52)은 HTS 로터에 냉각 유체의 일정한 공급을 제공한다. 더욱이, 순환 주 저온 냉각 시스템은 많은 중복 냉각 시스템을 필요로 하지 않으므로 그 구성과 작동에서 경제적이다. 냉각 시스템의 전체 신뢰성은 주 저온 냉각 시스템의 콜드 헤드 유닛이 고장이더라도 냉각 기능을 계속해서 제공하는 임시 냉각 시스템의 의해 향상된다. 냉각 시스템의 신뢰성과 경제성이 상업적으로 성공할 수 있는 HTS 로터를 갖는 동기 기계의 개발을 용이하게 한다.
임시 냉각 시스템(54)은 주 저온 냉각 시스템이 완전히 작동하는 동안, 특히 콜드 헤드(56) 유닛이 작동하는 동안은 작동하지 않는다. 작동하지 않는 동안에는, 임시 냉각 시스템은 주 저온 냉각 시스템을 통해 순환하는 냉각 유체를 냉각하지 않으며, 임시 냉각 시스템은 임시 냉각 시스템(54)을 주 저온 냉각 시스템(52)내의 냉각 유체에 열적으로 결합시키는 열교환기(82)와 냉각제 저장 탱크(74) 사이의 플로우 밸브(78)에 의해 주 저온 냉각 시스템과 격리되어 있다. 냉각제 저장 탱크는 종래의 저온 유체용의 장기 격리 저장 탱크이다.
임시 냉각 시스템(54)은 저온 냉각 유체(70)("제 1 저온 유체")의 저장 탱크(74)와, 저장 탱크로부터 주 저온 냉각 시스템의 입구 라인(62)에 열적으로 결합된 제 2 열교환기(82)로 연장되는 유체 라인(80)과, 벤트(vent)(84)를 구비한다. 저장 탱크내의 냉각 유체는 주 저온 냉각 시스템내의 재순환하는 냉각 유체와는 분리되어 있고 혼합되지 않는다. 임시 냉각 유체는 임시 냉각 시스템이 주 저온 냉각 시스템의 콜드 헤드 유닛의 고장에 응답하여 작동되기 전까지는 탱크내에 저장된다.
주 저온 냉각 시스템의 정상 작동 도중, 저온 유체는 사용되지 않은 채로 임시 저장 탱크내에 저온 온도로 유지된다. HTS 로터가 로터 커플링(26)(Tin)에서 80°K로 냉각되어야 하는 경우, 액체 질소가 개방 회로의 임시 냉각 시스템내의 임시 저온 유체로서 사용될 수 있다. HTS 로터가 Tin에서 약 30°K로 냉각되어야 하는 경우 액체 네온이 저온 냉각 유체로서 사용될 수 있고, 로터가 Tin에서 약 20°K로 냉각되어야 하는 경우 액체 수소 또는 액체 헬륨이 저온 냉각 유체로서 사용될 수 있다.
작동되었을 때, 임시 냉각 유체는, 탱크(74)로부터, 유체 라인(80)을 통해, 임시 냉각 유체가 주 저온 냉각 시스템내의 냉각 유체의 저온 온도로 냉각되는 적어도 하나의 열교환기(82)로 흐른다(배출된다). 임시 냉각 유체는 또한 주 저온 냉각 시스템내의 재순환 압축기를 떠나면서 순환하는 냉각 유체를 냉각하도록 주 저온 냉각 시스템내의 열교환기(64)를 통해 흐른다. 하나 이상의 열교환기를 통과한 후, 임시 냉각 유체는 벤트(84)에 의해 임시 냉각 시스템으로부터 배출된다. 임시 냉각 시스템이 개루프 모드에서 몇 시간동안 작동하기에 충분한 임시 냉각 유체가 저장 탱크내에 있다. 개루프 모드에서 작동한 후, 임시 시스템의 작동 도중 사용되고 배출된 유체를 보충하기 위해 추가적인 임시 냉각 유체가 저장 탱크에 추가될 수 있다.
주 저온 냉각 시스템의 콜드 헤드 유닛이 고장이거나 정지되거나, 또는 냉각 요구가 높은 로터의 초기 쿨다운(cool-down) 동안, 또는 다른 의외의 환경이 주 저온 냉각 시스템내에 전개되어 로터로의 입구 라인(62)내의 냉각 유체가 과열되거나 로터(14)내의 SC 권선을 적절히 냉각할 수 없을 때, 임시 냉각 시스템이 전환된다[차단된 플로우 밸브(78)를 개방함으로써 전환됨]. 차단된 유동 밸브(78)는 수동으로 조작될 수 있거나 또는 기계나 냉각 시스템용의 컴퓨터 제어 시스템에 의해 자동으로 개방될 수도 있다.
임시 냉각 시스템(54)은 개루프 모드에서 작동한다. 작동시, 저온 냉각 유체는 임시 저장 탱크로부터 냉각제 라인(80)을 거쳐, 개방된 밸브(78)를 통해 흐르고, 임시 냉각 시스템을 주 저온 냉각 시스템내의 순환하는 냉각 유체에 열적으로 결합시키는 열교환기(82)를 통과한다. 임시 냉각 열교환기(82)는 초기 쿨다운과 콜드 헤드 유닛 고장과 같은 냉각 구성요소의 정지를 제외하고는 정상적인 작동 도중 차단되어 있다. 저온 유체가 일 방향으로 역류형 열교환기를 통해 흐를 때 저온 유체는 주 저온 냉각 시스템의 입구 라인(62)을 냉각하고 이에 의해 재순환하는 냉각 유체로부터의 열을 임시 냉각 시스템내의 저온 냉각 유체로 전달한다.
벤트(84)는 온도가 상승된 저온 냉각 유체를 대기 또는 다른 환경으로 방출하여, 온도가 상승된 저온 냉각 유체(즉, 수소 또는 헬륨 기체)가 안전하게 방출될 수 있다. 배출된 저온 액체는, 콜드 헤드 유닛과 같은 주 저온 냉각 시스템이 정상 작동으로 되돌아 간 후에 저장 탱크를 재충전함으로써 보충된다. 저온 냉각 유체가 임시 열교환기와 주 역류형 열교환기를 통과함으로써 저온 냉각 유체는 주 저온 냉각 시스템내의 순환 냉각 유체의 저온 작동 온도를 유지하며 이 냉각 유체가 기계내로 통과한다.
임시 냉각제 저장 탱크(74)는 콜드 헤드(56) 유닛이 유지보수 또는 교체를 이유로 정지중일 때, 저온 냉각 유체(70)를 저온으로 냉각할 수 있도록 충분한 저장 용량을 갖는다. 예를 들면, 저장 탱크는 수 시간(예를 들어, 5 내지 10시간) 동안 정상적인 기계(10) 작동의 냉각 유체를 냉각하기에 충분한 저온 유체(예를 들어, 100리터)를 가질 수도 있다.
임시 냉각 시스템은 신뢰성 있고, 간단하며 저렴한 보조 냉각 시스템이다. 중복 콜드 헤드 유닛과 다른 고가의 중복 유닛이 냉각 시스템내에 요구된다. 콜드 헤드 유닛이 유지보수 또는 교체를 이유로 로터의 작동에 영향을 주지 않고 정지할 수 있도록 임시 개방 회로 냉각 시스템(54)이 충분한 냉각 용량을 갖기 때문에 과도한 정상 냉각 용량은 신뢰성을 이유로 필요하지 않다. 따라서, 저온 기체 재순환 냉각 시스템(50)[주 저온 냉각 시스템(52)과 임시 냉각 시스템(54)]은 비용이 적고 중복 구성요소가 없으며 냉각 신뢰성이 높다.
도 4는 저온 냉각 시스템(86)의 제 2 실시예의 개략도이다. 제 2 냉각 시스템(86)내의 제 1 냉각 시스템(저온 기체 재순환 냉각 시스템)(50)과 공통되는 구성요소는 도 3 및 도 4에서 공통의 참조부호로 표시되어 있다. 특히, 제 2 실시예의 임시 냉각 시스템(54)은 냉각 시스템의 제 1 실시예의 임시 냉각 시스템(54)과 개념적으로 동일하다.
도 4에 도시된 주 저온 냉각 시스템(88)은 사용된 냉각 유체를 복귀 라인(66)으로부터 입구 라인(62)으로 주입하는 이젝터(90)를 더 구비한다. 복귀 라인으로부터 이젝터를 통해 입구 라인으로 다시 들어가는 냉각 유체는 재순환 압축기(58)와 열교환기(64)를 우회한다. 따라서, 이젝터를 사용할 때 압축기와 열교환기상의 유체 부하는 저감된다. 이젝터(90)는 이젝터를 갖지 않는 주 저온 냉각 시스템(52)내에 필요한 열교환기 및 압축기 보다 작은 열교환기 및 압축기의 사용을 주 저온 냉각 시스템(88)내에 가능하게 한다.
도 5는 기본적으로 냉각 유체용의 정압 펌프인 이젝터(90)의 상세한 개략도를 도시한다. 이젝터는 제 1 수렴-확산 노즐(92), 디퓨저 영역(94) 및 제 2 수렴-확산 노즐(96)을 구비한다. 제 1 노즐로의 입구(98)는 입구 라인(62)에 연결되어 있고 열교환기(64)로부터 고압의 냉각 유체 유동을 수용한다. 고압의 유동이 제 1 노즐(92)을 통과할 때, 유동이 노즐의 출구(100)로부터 비교적 낮은 정압에서 디퓨저(94)내로 분사되므로 유동의 속도가 실질적으로 증가한다. 이 저압 디퓨저가 사용된 냉각 유체를 복귀 라인(66)으로부터 입구 포트(102)를 거쳐 디퓨저(94)내로 끌어들인다.
포트(102)로 들어가는 사용된 냉각 유체는 제 1 노즐로부터의 냉각 유체 제트와 함께 디퓨저(94)내에서 비말동반된다. 냉각 유체의 두가지 스트림이 비교적 큰 직경의 출구(104)를 갖는 제 2 수렴-확산 노즐(96)을 통과하는 혼합 냉각 유체 스트림을 형성한다. 제 2 노즐은 제 1 노즐로부터의 제트 스트림(복귀 유체를 포함하고 있음)을 느리게 하고 스트림이 이젝터의 출구(104)에서 입구 라인(62)으로 재진입할 때 스트림의 압력을 증가시킨다(디퓨저와 복귀 라인내의 압력보다 크게 증가시킴). 디퓨저의 하류에서의 입구 라인(62)내의 냉각제의 압력은 냉각제를 콜드 헤드 유닛, 로터, SC 코일 권선 및 복귀 라인을 통해 이동시키기에 충분하다.
이젝터가 큰 체적의 유체를 복귀 라인으로부터 입구 라인으로 주입시키도록 재순환 압축기로부터의 비교적 작은 체적의 고압 냉각 유체 유동이 사용될 수 있다. 입구 라인에서, 열교환기(64)로부터의 고압 유동 스트림은 제 1 수렴-확산 노즐(92)로 진입한다. 노즐 출구(100)에서 또한 디퓨저(94)내에서, 스트림의 유압은 낮아지고 그 속도는 높아진다. 디퓨저내의 저압이 사용된 냉각 유체가 복귀 라인으로부터 입구 포트(102)를 통해 이젝터내로 흐르게 한다.
냉각 유체가 이제터를 통과해 흐를 때 이젝터내의 유체 운동량은 보전된다(마찰에 의한 손실은 제외함). 입구 라인 냉각제 스트림의 고압은 제 1 노즐에서 고속의 스트림으로 전환된다. 이젝터의 축(X축)을 따라서 스트림의 운동량은 보전된다. 디퓨저로 진입하는 복귀 라인의 냉각 유체 유동이 제 1 노즐을 빠져나오는 고속의 스트림과 합체된다. 2개의 스트림의 합계 운동량은 실질적으로 이젝터 축을 따르는 2개의 스트림의 각각의 운동량의 합이다. 이 합계 운동량이, 스트림 속 도를 압력으로 전환하기 위해 큰 직경을 갖는 제 2 노즐(96)을 통해 합체 스트림을 움직인다. 출구 스트림의 압력이 이젝터 하류의 입구 라인내의 냉각 유체를 코일, 로터 및 복귀 라인을 통해 이동시킨다.
제 1 노즐(92)을 통과하는 유동은 통상 이젝터를 통해 주입되는 유동 및 추출기를 빠져나오는 혼합 유동의 일 부분이다. 입구 라인(62)내의 열교환기로부터의 유동 스트림의 고압이, 복귀 라인내의 냉각 유체의 대부분을 끌어들이고 냉각 유체의 혼합 스트림을 이젝터로부터 주 저온 냉각 시스템(88)의 나머지 부분을 통해 움직이게 하기에 충분한 운동량을 비교적 낮은 체적의 스트림내에 생성한다.
비교적 작은 냉각 유체의 유동이 제 1 노즐에 필요하기 때문에, 재순환 펌프와 열교환기를 통하는 냉각 유체 유동은 단지 HTS 로터를 통한 냉각 유체의 유동 순환의 일 부분일 뿐이다. 따라서, 열교환기의 크기는 상당히 감소되고 그 효율은 전체 주 저온 냉각 시스템의 효율만큼 중요하지 않다. 마찬가지로, 재순환 압축기는 작아질 수 있으며 이젝터가 없는 주 저온 냉각 시스템내의 압축기보다 작은 동력을 필요로 한다. 따라서, 주 저온 냉각 시스템내에 이젝터를 사용하는 하나의 장점은 열교환기 및 압축기에서의 크기 및 비용의 현저한 감소와, 열교환기 손실과 압축기 동력 요건에서의 감소로 인한 시스템의 고효율이다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 정신내에 속하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명에 따르면, 고온 초전도 기계에 있어서, 주 저온 냉각 시스템의 유지보수 또는 고장시, 주 저온 냉각 시스템이 수리되고 재작동 될 때까지 초전도 기계의 연속적인 초전도 작동을 가능하게 하는 초전도 기계용 단기 임시 냉각 시스템을 제공한다.

Claims (18)

  1. 저온 냉각 유체(cryogenic cooling fluid)를 고온 초전도 기계에 제공하는 냉각 유체 시스템에 있어서,
    상기 시스템은 주 저온 냉각 시스템과 제 2 냉각 시스템을 구비하며,
    상기 제 2 냉각 시스템은,
    제 1 저온 유체를 갖는 저장 장치와,
    상기 저장 장치로부터의 상기 제 1 저온 유체 및 상기 주 저온 냉각 시스템을 통해 흐르는 제 2 저온 유체와 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 커플링을 포함하고,
    상기 제 2 냉각 시스템은 상기 제 1 저온 유체가 상기 적어도 하나의 냉각 커플링을 통해 흐르지 않는 제 1 작동 모드와, 상기 제 1 저온 유체가 상기 적어도 하나의 냉각 커플링을 통해 흐르는 제 2 작동 모드를 가지며,
    상기 제 2 냉각 시스템은, 상기 주 저온 냉각 시스템이 사용 불능일 때 상기 제 1 작동 모드에서 상기 제 2 작동 모드로 전환되는
    냉각 유체 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 시스템은 상기 제 1 저온 유체용의 유체 통로를 상기 저장 장치로부터 상기 냉각 커플링까지 제공하는 냉각제 라인을 더 포함하고, 상기 냉각제 라인은 상기 라인을 통한 상기 제 1 저온 유체의 흐름을 방지하는 제 1 밸브 위치와, 상기 라인을 통한 상기 제 1 저온 유체의 흐름을 개방하는 제 2 밸브 위치를 갖는 밸브를 구비하는
    냉각 유체 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 커플링은 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기이며, 상기 제 1 열교환기는 상기 제 2 작동 모드에서 작동하고 상기 제 1 작동 모드에서는 작동하지 않으며, 상기 제 2 열교환기는 상기 제 1 및 제 2 작동 모드 모두에서 작동하는
    냉각 유체 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 동기 기계용 고온 초전도 로터에 결합되는 냉각 유체 시스템에 있어서,
    주 저온 냉각 시스템과, 임시 냉각 시스템을 포함하며,
    상기 주 저온 냉각 시스템은, 재순환 압축기와, 상기 재순환 압축기로부터 상기 로터까지 흐르는 제 2 저온 유체용 유체 통로를 제공하고 콜드 헤드 유닛(cold head unit)을 통과하는 입구 라인을 포함하고,
    상기 임시 냉각 시스템은, 제 1 저온 유체용 저장 탱크와, 상기 저장 탱크 및 상기 입구 라인과 유체 연통하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 탱크 및 상기 적어도 하나의 열교환기 사이의 밸브로서, 상기 제 1 저온 유체가 상기 탱크로부터 상기 적어도 하나의 열교환기로 흐르게 하는 개방 위치와, 상기 제 1 저온 유체를 상기 적어도 하나의 열교환기와 격리시키는 폐쇄 위치를 갖는, 상기 밸브를 포함하고,
    상기 밸브가 개방 위치에 있는 제 2 작동 모드가 상기 콜드 헤드 유닛이 작동 불능인 경우에 선택되고, 상기 밸브가 폐쇄 위치에 있는 제 1 작동 모드가 상기 콜드 헤드 유닛이 상기 제 2 저온 유체를 냉각하도록 작동중인 경우에 선택되는
    냉각 유체 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 주 저온 냉각 시스템은 상기 로터와 상기 재순환 압축기 사이에 상기 제 2 저온 유체용의 유체 통로를 제공하는 복귀 라인을 더 포함하는
    냉각 유체 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 임시 냉각 시스템은 상기 저장 탱크로부터 상기 적어도 하나의 열교환기까지 상기 제 1 저온 유체용의 유체 통로를 제공하는 냉각제 라인을 더 포함하는
    냉각 유체 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열교환기는 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기이며, 상기 제 1 열교환기는 상기 제 2 작동 모드에서 작동하고 상기 제 1 작동 모드에서는 작동하지 않으며, 상기 제 2 열교환기는 상기 제 1 및 제 2 작동 모드 모두에서 작동하는
    냉각 유체 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 주 저온 냉각 시스템과 임시 냉각 시스템을 사용하여 초전도 기계를 냉각하는 방법에 있어서,
    (a) 제 1 저온 냉각 유체를 상기 임시 냉각 시스템내에 저장하는 단계와,
    (b) 상기 기계의 초전도 구성요소를 저온 냉각하기 위해 상기 주 저온 냉각 시스템과 상기 기계 사이에서 제 2 저온 냉각 유체를 순환시키는 단계와,
    (c) 상기 제 2 저온 냉각 유체를 상기 주 저온 냉각 시스템내의 냉각 유닛으로 냉각하는 동시에 상기 제 1 저온 냉각 유체를 상기 제 2 저온 냉각 유체로부터 단열시키는 단계와,
    (d) 상기 냉각 유닛이 작동불능일 때, 상기 제 1 저온 냉각 유체가 상기 제 2 냉각 유체를 저온 냉각하는 단계를 포함하는
    초전도 기계 냉각 방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 저온 냉각 유체를 냉각한 후 상기 제 1 저온 냉각 유체를 배출하는 단계를 더 포함하는
    초전도 기계 냉각 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 임시 냉각 시스템은 저장 탱크 및 적어도 하나의 열교환기를 포함하며, 상기 제 1 저온 냉각 유체는 상기 탱크내에 저장되고, 상기 적어도 하나의 열교환기를 통해 흐를 때 상기 제 2 저온 냉각 유체를 냉각하는
    초전도 기계 냉각 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
KR1020020040296A 2001-07-12 2002-07-11 냉각 유체 시스템 및 초전도 기계 냉각 방법 KR100874303B1 (ko)

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US09/902,586 2001-07-12
US09/902,586 US6442949B1 (en) 2001-07-12 2001-07-12 Cryongenic cooling refrigeration system and method having open-loop short term cooling for a superconducting machine

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Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7018249B2 (en) * 2001-11-29 2006-03-28 Siemens Aktiengesellschaft Boat propulsion system
DE10243775B4 (de) * 2002-09-20 2004-09-30 Siemens Ag Redundante Kühlvorrichtung für einen elektrischen U-Boot-Antriebsmotor
US6640552B1 (en) * 2002-09-26 2003-11-04 Praxair Technology, Inc. Cryogenic superconductor cooling system
US6708503B1 (en) 2002-12-27 2004-03-23 General Electric Company Vacuum retention method and superconducting machine with vacuum retention
US7003977B2 (en) * 2003-07-18 2006-02-28 General Electric Company Cryogenic cooling system and method with cold storage device
US7059138B2 (en) * 2003-09-23 2006-06-13 Praxair Technology, Inc. Biological refrigeration system
US6930471B2 (en) * 2003-10-06 2005-08-16 General Electric Company Hybrid synchronous/induction generator power plant
US6989621B2 (en) * 2004-03-23 2006-01-24 General Electric Company Module winding system for electrical machines and methods of electrical connection
US6952070B1 (en) 2004-04-29 2005-10-04 General Electric Company Capped flat end windings in an electrical machine
US6972507B1 (en) * 2004-05-21 2005-12-06 General Electric Company End winding restraint in an electrical machine
US6977459B1 (en) * 2004-05-26 2005-12-20 General Electric Company Apparatus and methods for anchoring a modular winding to a rotor in an electrical machine
US7078845B2 (en) * 2004-05-26 2006-07-18 General Electric Company Optimized drive train for a turbine driven electrical machine
US6965185B1 (en) 2004-05-26 2005-11-15 General Electric Company Variable pitch manifold for rotor cooling in an electrical machine
US6977460B1 (en) 2004-08-26 2005-12-20 General Electric Company Spacer for axial spacing enclosure rings and shields in an electrical machine
US7263845B2 (en) * 2004-09-29 2007-09-04 The Boc Group, Inc. Backup cryogenic refrigeration system
WO2007001432A2 (en) * 2004-11-12 2007-01-04 Praxair Technology, Inc. Hydrogen cooling system for superconducting equipment
DE102004058006B3 (de) * 2004-12-01 2006-06-08 Siemens Ag Supraleitungseinrichtung mit Kryosystem und supraleitendem Schalter
US7994664B2 (en) * 2004-12-10 2011-08-09 General Electric Company System and method for cooling a superconducting rotary machine
US7185501B2 (en) * 2004-12-16 2007-03-06 General Electric Company Cryogenic cooling system and method with backup cold storage device
US8511100B2 (en) * 2005-06-30 2013-08-20 General Electric Company Cooling of superconducting devices by liquid storage and refrigeration unit
US20070000258A1 (en) * 2005-07-01 2007-01-04 Bonaquist Dante P Biological refrigeration sytem
US7228686B2 (en) * 2005-07-26 2007-06-12 Praxair Technology, Inc. Cryogenic refrigeration system for superconducting devices
GB2433581B (en) * 2005-12-22 2008-02-27 Siemens Magnet Technology Ltd Closed-loop precooling of cryogenically cooled equipment
US7466046B2 (en) * 2006-07-05 2008-12-16 General Electric Company Methods and apparatus for operating an electric machine
US7821164B2 (en) * 2007-02-15 2010-10-26 General Electric Company Method and apparatus for a superconducting generator driven by wind turbine
WO2011132231A1 (ja) * 2010-04-23 2011-10-27 住友重機械工業株式会社 冷却システム及び冷却方法
US8338979B2 (en) * 2011-06-30 2012-12-25 General Electric Company Method and apparatus for a superconducting direct current generator driven by a wind turbine
FR2981442A1 (fr) * 2011-10-17 2013-04-19 Bruker Biospin Dispositif d'alimentation en gaz froids et installation rmn comprenant un tel dispositif
WO2013149625A1 (de) * 2012-04-03 2013-10-10 Babcock Noell Gmbh Vorrichtung zur herstellung, verbesserung und stabilisierung des vakuums im gehäuse einer schwungmasse
US9078733B2 (en) * 2012-08-08 2015-07-14 Galil Medical Inc. Closed-loop system for cryosurgery
US9567913B2 (en) 2013-01-28 2017-02-14 General Electric Company Systems and methods to extend gas turbine hot gas path parts with supercharged air flow bypass
EP3523582B1 (en) 2016-10-06 2022-05-18 Koninklijke Philips N.V. Passive flow direction biasing of cryogenic thermosiphon
EP3361187A1 (de) * 2017-02-08 2018-08-15 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines verbrauchers sowie system mit entsprechender vorrichtung und verbraucher
CN109350220A (zh) * 2018-07-23 2019-02-19 山前（珠海）医疗科技有限公司 一种制冷设备
CN109009406B (zh) * 2018-07-23 2020-02-21 山前（珠海）医疗科技有限公司 一种冷冻消融装置及冷冻消融方法
CN110398131B (zh) * 2019-07-24 2020-06-02 西安交通大学 一种引射式冷能回收低温冷却装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5697220A (en) * 1994-01-14 1997-12-16 Phpk Technologies, Inc. Refrigeration of superconducting magnet systems

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH675791A5 (ko) * 1988-02-12 1990-10-31 Sulzer Ag
DE3916212A1 (de) * 1989-05-18 1990-11-22 Spectrospin Ag Verfahren und vorrichtung zum vorkuehlen des heliumtanks eines kryostaten
JPH0626459A (ja) * 1992-07-09 1994-02-01 Hitachi Ltd 極低温冷却装置およびその冷却方法
US5606870A (en) * 1995-02-10 1997-03-04 Redstone Engineering Low-temperature refrigeration system with precise temperature control
US5848532A (en) * 1997-04-23 1998-12-15 American Superconductor Corporation Cooling system for superconducting magnet
JPH10311618A (ja) 1997-05-09 1998-11-24 Sumitomo Heavy Ind Ltd 熱輻射シールド板冷却装置
CA2295565A1 (en) * 1998-05-22 1999-12-02 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Method and device for cooling superconductor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5697220A (en) * 1994-01-14 1997-12-16 Phpk Technologies, Inc. Refrigeration of superconducting magnet systems

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Publication number Publication date
US6442949B1 (en) 2002-09-03
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