KR100953186B1 - 극저온 유지를 위한 다중 배관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온 유지를 위한 다중 배관에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 유지를 위한 다중 배관에 관한 것이다.

본 발명에 따른 극저온 유지를 위한 다중 배관은, 피냉각물을 냉각시키는 극저온 유체가 흐르는 제1 배관, 상기 제1 배관을 감싸는 제2 배관, 상기 제2 배관을 감싸고, 상기 극저온 유체가 상기 피냉각물을 냉각한 후에 전환된 저온 유체가 흐르는 제3 배관, 및 상기 제3 배관을 감싸는 제4 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다중으로 배관을 형성하여 저온 유체, 진공층에 의해 극저온 유체를 감싸 대기와 극저온 유체의 열전도를 최소화함으로써, 피냉각대상물의 냉각 시 냉각 효율을 높일 수 있다.

극저온, 다중 배관, 제1 배관, 제2 배관, 제3 배관, 제4 배관

Description

극저온 유지를 위한 다중 배관{MULTIPLEX PIPE FOR EXTREMELY LOW TEMPERATURE MAINTENANCE}

본 발명은 극저온 유지를 위한 다중 배관에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 유체로의 열 유입을 최소화 할 수 있는 다중 배관에 관한 것이다.

최근, 우주 산업의 발전에 따라, 우주의 극저온 환경에서도 아무런 문제없이 작동하는 우주 기술 개발을 위하여, 극저온 냉각 설비가 사용되고 있다.

이러한 극저온 냉각 설비는 액체헬륨과 같은 극저온 유체를 사용하여 피냉각물을 냉각시킨다.

도 1에는 극저온 유체를 수송하는 종래의 이중 배관의 일예가 도시되어 있다.

종래의 이중 배관은 극저온 유체가 흐르는 제1 배관(11), 제1 배관(11)을 둘러싼 제2 배관(12), 제2 배관(12)의 내부에 형성된 진공층(13), 제1 배관(11)과 제2 배관(12) 사이의 단열재(14)를 사용하여 극저온 유체와 대기의 열 교환을 최소화하였다.

그러나 종래의 이중 배관은 극저온 유체 층과 그 외부의 진공 층만 존재함으 로써, 전도 및 대류 열전달은 최소화 하나, 극저온 유체와 상온 대기와의 직접적인 복사 열전달이 이루어지기 때문에, 극저온 유체로 상대적으로 큰 열 유입이 발생하게 된다.

또한, 단열 역할을 수행하는 진공 층이 하나로 형성되기 때문에 배관이 파손될 경우 대기와 극저온 유체의 열전도가 용이해짐으로 극저온 유체의 온도 손실이 발생되었다.

그러나 종래의 이중 배관은 단열 역할을 수행하는 진공 층이 하나로 형성되기 때문에 배관이 파손될 경우 대기와 극저온 유체의 열전도가 용이해짐으로 극저온 유체의 온도 손실이 발생되었다.

또한 극저온 유체를 먼 거리로 이동 시 배관으로의 열 유입량이 상대적으로 크기 때문에 기화되기 쉬운 액체 헬륨을 극저온 유체로 사용하기 어려웠다.

따라서 이런 이유로 극저온 유체의 이동 중 대기와의 열전도로 인한 열손실을 최소화하기 위한 배관이 필요하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배관을 이용하여 다중으로 극저온 유체를 감싸도록 하고, 특히 극저온 유체가 피냉각물을 냉각시킨 후 전환된 저온 유체와 진공 층을 이용하여 극저온 유체를 감쌈으로써, 극저온 유체의 열 손실을 최소화 할 수 있는 다중 배관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 온도 유지를 위한 다중 배관은 피냉각물을 냉각시키는 극저온 유체가 흐르는 제1 배관, 상기 제1 배관을 감싸는 제2 배관, 상기 제2 배관을 감싸고, 상기 극저온 유체가 상기 피냉각물을 냉각한 후에 전환된 저온 유체가 흐르는 제3 배관, 및 상기 제3 배관을 감싸는 제4 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이와, 상기 제3 배관과 상기 제4배관 사이는 진공 상태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관 사이와, 상기 제3 배관 및 상기 제4배관 사이에는 단열재가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단열재는 다층 박막 단열재(multi-layer insulation)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 배관, 상기 제4 배관은 양끝단부에 열전도 지연 구조로 형성되고, 상기 제1배관의 외주 면, 상기 제3배관의 외주 면에 각각 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3배관의 양단에는 상기 저온 유체가 도입되는 도입관과 상기 저온 유체가 배출되는 배출관이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도입관과 상기 제3 배관이 연결되어 대기에 노출되는 노출 부위와, 배출관과 상기 제3 배관이 연결되어 대기에 노출되는 노출 부위를 감싸는 단열박스로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배출관을 통하여 배출되는 저온 유체는 냉동장치를 통하여 상기 극저온 유체로 전환되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 배관과, 상기 제4 배관에는 진공배기포트가 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따르면, 극저온 유체 층으로의 열 유입량을 결정하는 1차 진공 층 외각의 온도를 종래의 이중진공배관의 상온 대기 온도가 아닌 저온 유체의 온도로 함으로써, 극저온 유체로의 열 유입을 최소화 할 수 있다.

또한, 2개의 진공층을 사용함으로써, 제2 배관의 손상으로 인하여 1차 진공 층의 압력이 상승하더라도 저온 유체가 흐르는 제3 배관이 그 외부에 존재함으로써 상온 대기와의 직접적인 열 교환이 이루어지지 않도록 하여 갑작스러운 극저온 유체로의 열 유입을 방지할 수 있다.

또한, 다중으로 배관을 형성하여 저온 유체, 진공 층에 의해 극저온 유체를 감싸 대기와 극저온 유체의 열전도를 최소화함으로써, 피냉각물의 냉각 시 냉각 효율을 높일 수 있다.

또한, 극저온 유체의 온도를 보온할 수 있게 됨으로써, 극저온 유체의 원거리 이동을 가능하고, 기화되기 쉬운 액체 헬륨을 극저온 유체로서 사용할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 극저온 유지를 위한 다중 배관에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 극저온 유지를 위한 다중 배관의 단면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 극저온 유지를 위한 다중 배관은 제1 배관(110), 제2 배관(120), 제3 배관(130), 제4 배관(140)을 포함한다.

제1 배관(110)의 한쪽이 피냉각물(111)의 입구와 연결되고, 다른 한쪽이 냉동장치(113)의 배출구와 연결된다. 극저온 유체(112a)는 제1 배관(110)의 내부를 따라, 냉동장치(113)에서 피냉각물(111)의 방향으로 이동한다. 참고로, 도 3에는 저온 유체(112b)가 냉동장치(113)로 재투입되는 것으로 도시되어 있으나, 저온 유체(112b)가 배기되고 냉동장치(113)에서 새로운 극저온 유체(112a)로 공급하는 것으로 구성될 수도 있다. 또한, 제1배관(110)이 피냉각물(111)의 입구와 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 피냉각물(111)을 냉각시킨다는 목적이 달성되는 한, 제1배관(110)과 피냉각물(111)의 관련 구조는 다양하게 변경될 수 있다.

제2 배관(120)은 제1 배관(110)의 외주 면을 감싸고 있다. 여기서, 제2배관(120)과 제1배관(110)은 열전도 지연 구조(126)를 통하여 연결된다. 열전도지연 구조(126)는 열전도가 이루어지는 길이를 최대화 하도록, 굴곡지게 형성된다. 도 2에는 열전도 지연 구조(126)가 제2배관(120)의 내측으로 함몰되게 형성되어 있으나, 이와 반대로 제2배관(120)의 외측으로 돌출되게 형성될 수도 있다.

여기서 제1 배관(110)과 제2 배관(120) 사이는 밀폐된 공간으로 형성된다. 그리고 밀폐된 공간은 진공(122)(1차 진공 층) 상태로 형성된다.

이렇게 진공(122) 상태를 형성함으로써, 제1 배관(110)과 제2 배관(120) 사 이에 열을 전달할 수 있는 매체 즉, 공기가 없는 상태이기 때문에 대기 중의 높은 열이 제1 배관(110)의 극저온 유체(112a)로 전도 또는 대류를 통하여 전달되는 것을 차단하여 극저온 유체(112a)의 온도 손실을 최소화한다.

제2 배관(120)의 외주 면에는 진공배기포트(128)가 장착된다. 진공배기포트(128)는 진공(122) 상태를 유지하기 위해 외부에서 장치(도시되지 않음)를 연결하여 제2 배관(120) 내부의 공기를 배출시킬 수 있다.

또한 제1 배관(110)과 제2 배관(120)의 사이에는 단열재(124)가 설치된다. 즉, 단열재(124)는 제1 배관(110)을 둘러싸도록 장착되고, 진공(122) 상태의 공간에 위치하게 된다.

단열재(124)는 다층 박막 단열재(multi-layer insulation)로 형성되고, 대기 중의 높은 열과 제1 배관(110)의 극저온 유체(112a)의 열전도를 차단하고, 극저온 유체(112a)의 온도를 그대로 유지할 수 있도록 보온한다.

제3 배관(130)은 제2 배관(120)을 감싸고 있고, 제3배관(130)의 양단에는 저온 유체(112b)의 도입 및 배출을 위한 도입관(153)과 배출관(154)이 각각 연결되어 있다. 여기서 저온 유체(112b)는 극저온 유체(112a)와 피냉각물(111)의 열 교환인해 저온 상태로 전환된 유체이다.

도입관(153)은 피냉각물(111)의 배출구와 연결되고, 저온 유체(112b)를 유입시킨다. 도입관(153)의 외주 면에는 제1 진공관(156a)이 감싸여진다.

배출관(154)은 도입관(153)을 통해 제3배관(130)으로 유입된 저온 유체(112b)를 다시 냉각시키는 냉동장치(113)의 입구 측에 연결된다. 배출관(154)의 외주 면에는 제2 진공관(156b)이 감싸여진다.

제1 진공관(156a)과 도입관(153)과, 제2 진공관(156b)과 배출관(154)의 사이는 진공(152) 상태이다. 제1 진공관(156a)과 제2 진공관(156b)의 외주 면에 진공배기포트(158)가 장착된다. 이러한 진공(152) 상태, 진공배기포트(158)는 제2 배관(120)과 관련하여 이미 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.

도입관(153)과 배출관(154)은 양끝단부에 열전도 지연 구조(159a, 159b)가 형성되어 있고, 단열재(157a, 157b)가 도입관(153) 및 배출관(154)을 각각 감싸고 있다. 이러한 열전도 지연 구조(159a, 159b), 단열재(157a, 157b)는 제2 배관(120)과 관련하여 이미 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.

따라서 제3 배관(130)은 제2 배관(120)을 감싸고, 저온 유체(112b)를 이동되게 함으로써, 극저온 유체(112a)의 온도와 대기의 열전달을 방지하여 극저온 유체(112a)의 온도 손실을 방지할 수 있다.

제4 배관(140)은 제3 배관(130)의 대부분을 감싸고 있다. 즉, 제4 배관(140)은 제3 배관(130)의 대부분을 감싸고, 제3 배관(130)의 일부를 노출되게 한다.

제4 배관(140)은 양끝단부에 형성되는 열전도 지연 구조(146), 외주 면에 설치되는 진공배기포트(148)를 포함한다. 이러한 열전도 지연 구조(146), 진공배기포트(148)는 제2 배관(120)과 관련하여 이미 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.

제3 배관(130)과 제4 배관(140) 사이는 진공(142)(2차 진공층) 상태이고, 제3 배관(130)과 제4 배관(140) 사이에는 단열재(144)가 장착된다. 이러한 진공(142) 상태, 단열재(144)는 제2 배관(120)과 관련하여 이미 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.

제3 배관(130)과 도입관(153)이 연결되는 부위에서 대기 중에 노출되는 제3배관(130) 및 도입관(153)의 일부 노출 부위와, 제3 배관(130)과 배출관(154)이 연결되는 부위에서 대기 중에 노출되는 제3 배관(130)과 배출관(154)의 일부 노출 부위에는 단열 박스(160)가 장착되어, 저온 유체와 대기 간의 열전달을 최소화한다.

도 1은 종래의 배관의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 극저온 유지를 위한 다중 배관의 단면도이다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 절개한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제1 배관 111 : 피냉각물

112a : 극저온 유체 112b : 저온 유체

113 : 냉동장치 120 : 제2 배관

122,142, 152 : 진공 130 : 제3 배관

140 : 제4 배관 160 : 단열 박스

Claims (10)

1. 피냉각물을 냉각시키는 극저온 유체가 흐르는 제1 배관,

   상기 제1 배관을 감싸는 제2 배관,

   상기 제2 배관을 감싸고, 상기 극저온 유체가 상기 피냉각물을 냉각한 후에 전환된 저온 유체가 흐르는 제3 배관, 및

   상기 제3 배관을 감싸는 제4 배관

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
2. 제1항에서,

   상기 제1 배관과 상기 제2 배관 사이와, 상기 제3 배관과 상기 제4배관 사이는 진공 상태인 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 제1 배관 및 상기 제2 배관 사이와, 상기 제3 배관 및 상기 제4배관 사이에는 단열재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
4. 제3항에서,

   상기 단열재는 다층 박막 단열재(multi-layer insulation)인 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
5. 제1항에서,

   상기 제2 배관, 상기 제4 배관은 양끝단부에 열전도 지연 구조로 형성되고, 상기 제1배관의 외주 면, 상기 제3배관의 외주 면에 각각 장착되는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
6. 제5항에서,

   상기 열전도 지연 구조는 굴곡지게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
7. 제1항에서,

   상기 제3배관의 양단에는 상기 저온 유체가 도입되는 도입관과 상기 저온 유체가 배출되는 배출관이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
8. 제7항에서,

   상기 도입관과 상기 제3 배관이 연결되어 대기에 노출되는 노출 부위와, 상기 배출관과 상기 제3 배관이 연결되어 대기에 노출되는 노출 부위를 감싸는 단열박스를 포함하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
9. 제7항에서,

   상기 배출관을 통하여 배출되는 상기 저온 유체는 냉동장치를 통하여 상기 극저온 유체로 전환되는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.
10. 제1항에서,

    상기 제2 배관과, 상기 제4 배관에는 진공배기포트가 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 유지를 위한 다중 배관.

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