KR100893047B1 - 초전도 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로서, 초전도체의 특성이 나타나도록 액체질소의 온도를 저하시키는 냉매시스템을 단순하게 구성한 초전도 케이블을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초전도 케이블은 초전도 케이블에 설치되는 냉동기와, 상기 초전도 케이블에 설치되는 진공질소조와, 냉각수가 상기 냉동기를 거쳐 순환하도록 상기 냉동기를 거쳐 지나가도록 설치된 수배관과, 질소가스를 배출하기 위해 상기 진공질소조에서 대기 중으로 연장된 배기관 및, 상기 수배관을 따라 유동하는 냉각수와 상기 배기관을 따라 유동하는 질소가스를 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

초전도 케이블, 열교환기, 냉동기, 진공질소조, 수배관, 배기관

Description

초전도 케이블{Superconducting Cable}

본 발명은 초전도 케이블에 관한 것으로서, 특히 초전도체의 특성이 나타나도록 액체질소의 온도를 저하시키는 냉매시스템을 단순하게 구성한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 케이블을 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 케이블(10)은 그 양단에 단말부(11)가 장착된다. 그리고 초전도 케이블(10)에는 질소를 냉각시키는 냉각시스템(20)과, 가열되어 부피가 팽창한 질소를 배출시키는 배출시스템(30)이 장착된다.

보다 구체적으로, 냉각시스템(20)은 초전도 케이블(10)에 장착되어 질소와 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 냉동기(21)와, 냉매로부터 열을 빼앗은 냉각수를 냉각시키는 칠러(Chiller)(27)와, 상기 냉각수가 냉동기(21)와 칠러(27)를 통해 순환하도록 작동하는 수펌프(23) 및, 상기 냉동기(21)와 칠러(27) 및 수펌프(23)를 따라 냉각수가 순환하도록 배관된 수배관(25)을 포함한다.

그리고 배출시스템(30)은 초전도 케이블(10)에 설치되어 진공을 유지시키면서 저온상태를 유지하는 진공질소조(31)와, 상기 진공질소조(31)의 진공상태를 유지하며 열에 의해 가스로 기화된 질소가스를 추기하여 대기 중으로 방출하는 진공 펌프(23)와, 상기 진공질소조(31)에서 배출된 질소가스에 의해 상기 진공펌프(23)가 손상을 입지 않도록 배출된 질소가스에 열을 가하는 히터(35)를 포함한다.

이와 같이 구성된 초전도 케이블은 저온(고온초전도:대략 100K 이하, 저온초전도 : 대략20K 이하)에서 저항이 급격히 감소하여 저항이 0에 가까워지는 초전도선재의 성질을 이용한 고밀도 전류 송전케이블로서, 차세대 케이블로 주목받고 있다.

이와 같은 초전도 케이블 중에서 고온초전도 케이블은 구하기 쉽고 저렴한 액체질소로도 초전도 성질을 유지시킬 수 있기 때문에, 급속도로 개발이 진행되고 있으며, 본 발명에서 또한 언급하고 있는 초전도 케이블은 고온초전도 케이블이다.

하지만 종래의 기술에 따른 초전도 케이블은 냉각시스템과 배출시스템이 너무 복잡하게 구성된다.

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 냉각시스템과 배출시스템에서 필요한 부분을 연계하여 구성요소를 단순화할 뿐만 아니라, 제조비용을 절감할 수 있게 구성한 초전도 케이블을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초전도 케이블은 초전도 케이블에 설치되는 냉동기와, 상기 초전도 케이블에 설치되는 진공질소조와, 냉각수가 상기 냉동기를 거쳐 순환하도록 상기 냉동기를 거쳐 지나가도록 설치된 수배관과, 질소가스를 배출하기 위해 상기 진공질소조에서 대기 중으로 연장된 배기관 및, 상기 수배관을 따라 유동하는 냉각수와 상기 배기관을 따라 유동하는 질소가스를 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 열교환기는 원통다관식 열교환기, 이중관식 열교환기, 평판형 열교환기 중 어느 한 열교환기이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 배기관에는 상기 열교환기 전방에 히터 또는 상온기화기를 설치하여 질소가스에 열을 공급한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 초전도 케이블은 냉각수의 열을 질소가스로 전달하여 냉각수의 온도를 낮춘 상태로 냉각수가 냉동기의 냉매와 열교환하고, 또한 가열된 질소가스는 진공펌프를 통해 배기됨으로써 진공펌프의 안전성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 초전도 케이블은 종래 기술에 따른 칠러 및 히터의 기능을 열교환기가 수행함으로써, 초전도 케이블의 구성을 단순화할 수 있다.

아래에서는 본 발명에 따른 초전도 케이블의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초전도 케이블을 나타낸 개념도이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 열교환기의 형태를 나타낸 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 단말부(101)를 연결하는 초전도 케이블(100)에는 냉동기(110)와 진공질소조(120)가 장착된다. 그리고 냉동기(110)에는 수배관(113)이 냉각수를 순환하도록 연결되며, 수배관(113)에는 수펌프(115) 및 열교환기(130)가 장착된다.

한편, 진공질소조(120)에서 연장된 배기관(123)은 상기 열교환기(130)를 거쳐 대기 중으로 연장되며, 배기관(123)에는 진공펌프(125)가 장착되어 진공질소조(120)를 진공상태로 유지하면서 기화된 질소가스를 대기 중으로 배기시킨다.

이와 같이 열교환기(130)를 냉각수 및 질소가스가 지나가면서 상호 열교환을 하게 되는데, 질소가스는 액체질소에서 기체로 기화할 정도로 가열된 상태이지만, 열교환기(130)를 지나가는 냉각수보다 훨씬 낮은 온도이다.

따라서 냉각수의 열은 질소가스로 전달되어 온도가 떨어진 상태로 냉동 기(110)로 진입하고, 반대로 질소가스는 상대적으로 열을 받아 온도가 높아진 상태로 진공펌프(125)로 유동하게 된다.

이와 같이 냉각수와 질소가스가 지나는 열교환기(130)는 냉각수와 질소가스를 열교환시킴으로써, 종래 기술에 따른 칠러(27) 및 히터(35)의 기능을 열교환기(130)가 수행한다.

한편, 본 발명에 따른 초전도 케이블에 사용되는 열교환기는 도 3a에 도시된 바와 같은 원통다관식 열교환기를 사용할 수 있고, 도 3b에 보이듯이, 이중관식 열교환기를 사용할 수 있으며, 도 3c에 도시한 바와 같이 평판형 열교환기를 사용할 수 있다.

여기에서, 도 3a에 도시된 원통다관식 열교환기는 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있어 적용범위가 넓고, 신뢰성 및 효율이 좋다.

그리고 도 3b에 도시된 이중관식 열교환기는 구조가 간단하며 가격이 저렴하다. 이와 같은 이중관식 열교환기를 사용함에 있어서, 상대적으로 온도가 낮은 질소가스는 열교환기의 내관을 따라 진행하며, 온도가 높은 냉각수는 열교환기의 외관을 따라 유동하는 것이 바람직하다. 그 이유는 질소가스의 온도에 의해 냉각수가 너무 온도가 낮아져 얼어버리지 않도록 대기 중으로 열을 방출할 수 있기 때문이다.

또한 도 3c의 (a) 내지 (e)에 도시된 평판형 열교환기는 열교환기의 설치공간이 작다는 장점이 있다.

이와 같이 열교환기들 중 어느 한 열교환기를 사용함으로써, 종래의 초전도 케이블의 한 구성요소인 칠러와 히터의 구성을 하나의 열교환기로 단순화하여 제작비용 및 운전비용을 절감할 수 있다.

또한 냉동기 등의 열을 식혀주는 냉각수는 보통 10~30℃의 온도로 공급되어지며, 온도상승은 2~20℃정도로 이루어지므로, 이 열을 냉각시켜야 한다.

진공질소조에서 빠져나온 질소가스는 보통 -200~-50℃이며, 질소가스가 진공펌프로 진입할 때의 바람직한 온도는 0℃ 이상이여야 한다.

이때 필요한 열량 및 냉각량은 mCΔT로 계산되고, 실제로 열교환기에 의해 서로 교환하는 열량은 UAΔT_LMTD 이다.

여기에서, m은 유량(Kg/s)이고, C는 비열(J/Kg K), ΔT는 온도차(℃)이고, U는 열교환기 전열 계수(W/m² ℃)이고, A는 전열면적(m²), ΔT_LMTD는 대수평균 온도차(℃)이다.

각 열량은 운전조건 및 용량 등에 따라 달라질 수 있으며, 위의 열교환기 열량 계산식에 의해 설계할 수 있으며, 냉각수가 냉각되어야 하는 열량은 정량으로 정해지나 질소가스가 승온되어야 하는 열량은 최소값으로만 제시된다.

또한 냉각수 열량이 더 크면 냉각수 열량을 열교환기 열량으로 선정하여 열교환기를 설계하며, 질소가스의 최소 열량이 더 크면 냉각수 열량을 열교환기 열량으로 선정하고, 질소가스의 유로에 히터나 상온기화기(evaporizer) 등을 추가로 설치하여 필요 열만큼 더 승온시킨다.

도 1은 종래 기술에 따른 초전도 케이블을 나타낸 개념도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초전도 케이블을 나타낸 개념도이고,

도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 열교환기의 형태를 나타낸 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 초전도 케이블 101 : 단말부

110 : 냉동기 113 : 수배관

115 : 수펌프 120 : 진공질소조

123 : 배기관 125 : 진공펌프

130 : 열교환기

Claims (3)

1. 초전도 케이블(100)에 설치되는 냉동기(110)와,

   상기 초전도 케이블에 설치되는 진공질소조(120)와,

   냉각수가 상기 냉동기를 거쳐 순환하도록 상기 냉동기를 거쳐 지나가도록 설치된 수배관(113)과,

   질소가스를 배출하기 위해 상기 진공질소조에서 대기 중으로 연장된 배기관(123) 및,

   상기 수배관을 따라 유동하는 냉각수와 상기 배기관을 따라 유동하는 질소가스를 상호 열교환시키는 열교환기(130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열교환기는 원통다관식 열교환기, 이중관식 열교환기, 평판형 열교환기 중 어느 한 열교환기인 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.
3. 제1항에 있어서,

   상기 배기관에는 상기 열교환기 전방에 히터 또는 상온기화기를 설치하여 질소가스에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 초전도 케이블.

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