KR101142901B1

KR101142901B1 - 초전도 전력기기용 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101142901B1
Application number: KR1020067019841A
Authority: KR
Inventors: 신이치 무코야마; 노보루 이시이; 마사시 야기; 사토루 마루야마; 타츠키 오카모토; 히로시 스즈키; 미치하루 이치카와; 토시히로 타카하시; 시라베 아키타
Original assignee: 자이단호징 덴료쿠추오켄큐쇼; 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2012-05-10
Also published as: WO2006001203A1; KR20070036027A; JP4728601B2; CN1969158A; EP1780482A4; EP1780482A1; CN1969158B; US20080202127A1; JP2006012654A

Abstract

액체 가스를 저장하는 리저버 탱크, 순환 펌프, 액체 가스를 냉각하는 열교환기 및 액화 가스가 순환되는 순환 루프를 구비하고, 상기 액화 가스를 순환 펌프를 이용하여 서브쿨 상태로 순환하여 초전도 전력기기를 냉각하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템으로서, 리저버 탱크를 상기 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 가압수단을 구비하며, 상기 액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이 순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면 이동 보정량만큼 상부에 위치하여 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템.

Description

초전도 전력기기용 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR SUPERCONDUCTING POWER APPARATUS}

본 발명은 액체 질소 등의 액화 가스에 의해 냉각되어 초전도 상태로 산업 이용될 수 있는 초전도 케이블, 초전도 패스라인, SMES, 초전도 변압기 등을 냉각하기 위한 냉각 시스템(system)에 관한 것이며, 특히 기기가 고전압 상태로 운전되는 초전도 전력기기를 냉각하기 위한 냉각 시스템에 관한 것이다

초전도 전력기기의 하나로 액체 질소 등의 액화 가스를 냉각에 이용하는 초전도 케이블(cable)을 예로서, 도 6을 참조해서 종래 기술을 설명한다. 초전도 케이블 냉각 시스템으로서는, 특개평08-148044호 공보에 기재된 것이 알려져 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 종래의 냉각 시스템은 리저버 탱크(reservoir tank)(101)로부터 서브쿨 상태(액화 가스가 액화 가스의 포화 온도보다도 낮게 냉각되어 있는 상태)의 액화 가스를 펌프(pump)(l05)에 의해 가압하여 냉동기(108)의 열교환기(107)에서 냉각한 후에 케이블(111)에 공급하고, 다시 리저버 탱크(101)로 되돌리는 순환 사이클(cycle)을 반복하는 것이다.

초전도 케이블 냉각의 경우에는, 순환하는 액화 가스가 기액 혼합 상태가 되면, 압력 손실이 증대하여 필요량의 액화 가스를 안정적으로 순환시킬 수 없어, 용량이 큰 대형의 순환 펌프를 준비할 필요가 있다. 더욱, 초전도 케이블은 액화 가스를 절연체 중에 함침시켜서 높은 전기 절연 성능을 유지하는 극저온 전기 절연 방식을 채용하고 있으므로, 액화 가스 중에 가스나 기포가 혼입하고 있으면, 전기절연 성능을 현저하게 저하시킨다고 하는 문제가 있었다.

그 때문에, 종래의 냉각 시스템에서는 항상 액화 가스를 서브쿨 상태로 유지하여 기화하지 않는 상태로 순환시키기 위해서, 예를 들면, 액화 가스로서 액체 질소를 사용할 경우에는, 리저버 탱크(101) 내부를 액화 가스보다도 3중점이 충분하게 낮은 가스인 수소(H₂)나 헬륨(He)을 봄베(123) 등으로부터 공급하여 가압 상태로 해서, 액화 가스의 비점을 높게 하여 순환 중에 액화 가스가 비등하지 않도록(즉, 기액 혼합 상태로 되지 않도록) 하고 있다.

특허문헌 1: 특개평08-148044호공보

종래 기술과 같이, 리저버 탱크 내를 액화 가스보다도 3중점이 충분히 낮은 가스, 예를 들면, 액화 가스로서의 액체 질소를 헬륨(He) 가스로 가압한 경우에 있어서, 액체 질소 중에 미량의 He 가스가 용해하는 현상이 일어나는 것을 알았다. 다시 말해, 헬륨(He)은 불활성 가스로서 널리 알려져 액체 질소 중에 용해하지 않는 것으로 인식되어 있었지만, 현실로는 액체 질소 중에 미량의 He 가스가 용해하는 것이 밝혀졌다.

액체 질소 중에 용해하는 양은 대단히 미량이지만, He 가스가 용해한 액화 가스를 순환시키면, 예를 들어, 배관이 펴져 비교적 액화 가스의 유속이 늦어지는 부분, 또는 예를 들어, 리저버 탱크에서 밸브 등으로 교축된 후 등 액화 가스의 압력이 급격하게 낮아지는 부분에서 용해된 He 가스가 액화 가스 중에 용해된 상태를 유지할 수 없게 되어 기포가 되고, 액체 질소 중에 혼입해서 기액 혼합 상태가 된다.

또한, 초전도 케이블이나 초전도 전력기기가, 그 설치 레이아웃(layout)의 상태에 따라서 냉각 시스템보다 높게 위치하는 부분이 있을 경우에는, 그 부분에 서 발생한 기포가 기기 내의 상부에 괴어 체류하고, 최종적으로는 액체 질소의 냉각 배관 중에 충만하여 액체 질소가 순환할 수 없게 되는 것을 알았다.

상술한 현상은 수개월의 긴 시간에 의해 일어나는 현상인 것이 발명자의 실험에 의해 밝혀졌다. He 가스가 액체 질소에 함유되어, 더욱 배관 중에 기액 혼합 상태 또는 냉각 배관에 가스상으로 충만하면, 액체 질소의 순환이 원활하게 되지 않는다. 더욱이, He 가스가 다른 액화 가스에 비해서 내전압 특성이 대단히 작으므로, 본래 액체 질소가 고절연 특성을 소유하고 있는데도 불구하고, 함유된 He 가스에 의해 절연 특성이 낮아져 초전도 전력기기의 절연 불량 또는 절연 파괴를 일으키는 원인이 된다.

이 대책으로서, 액화 가스와 같은 종류의 가스로 리저버 탱크를 가압하는 것이 고려되었지만, 리저버 탱크에 저장되는 액체 질소는 비점 이하 온도의 액체 질소이기 때문에, 가압에 사용할 수 있었던 질소 가스가 리저버 탱크 내에서 비점 이 하의 액체 질소에 접촉하면, 가압에 이용되었던 질소 가스가 냉각되어 액화한다. 그 때문에 가압한 압력이 감소하고, 항상 봄베로부터 질소 가스를 계속해서 공급하지 않으면 압력을 일정하게 유지할 수 없다고 하는 문제점이 있고, 그 결과 대량의 질소 가스를 소비하고, 그 때에 대량의 액화열을 냉각 시스템에 가지고 들어가 열부하가 증대한다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 가압에 사용한 액화 가스보다 비점이 낮은 가스가 액화 가스 중에 용해하여 액화 가스의 순환 불안정성 원인이나, 전기기기의 절연에 관한 트러블을 일으키지 않고, 액화 가스를 서브쿨 상태로 장기간 원활하게 순환을 행할 수 있는 초전도 전력기기의 냉각 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명자는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하도록 예의 연구를 거듭했다. 그 결과 종래 가압 가스로서 사용하고 있었던 헬륨 가스가 아니고, 리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압함으로써, 액체 질소 중에 미량의 He 가스가 용해하는 것을 배제할 수 있었다. 이것에 의해 액화 가스의 압력이 급격하게 낮아지는 부분에 있어서 He 가스가 기포가 되어 액체 질소 중에 혼입해서 기액 혼합 상태가 되고, 액체 질소의 순환이 원활하게 되지 않으며, 절연 특성이 열화한다고 하는 문제점을 해결할 수 있는 것이 밝혀졌다. 동일하게, 초전도 전력기기의 배치에 의한 고저 차이가 소정 값을 넘으면, 발생한 기포가 기기의 상부에 체류하고, 또 냉각 루프 중에 충만해서 액체 질소를 순환할 수 없게 하는 문제점도 해결할 수 있는 것이 밝혀졌다.

더욱이, 액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이, 순환하는 액화 가스의 리턴 라인(line)의 출구보다도 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큼 상부에 위치하고 있는 것에 의해 가압에 이용되었던 질소 가스가 액화되어 가압한 압력이 감소해 항상 봄베로부터 질소 가스를 계속해서 공급하지 않으면 압력을 일정하게 유지할 수 없다고 하는 문제점을 해결할 수 있는 것이 밝혀졌다. 따라서, 대량의 질소 가스를 소비하고, 그 때에 대량의 액화열을 냉각 시스템에 가지고 들어가 열부하가 증대한다고 하는 문제점이 해결된다.

본 발명은 상기 연구 결과에 기초하여 된 것으로, 본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 제 1 실시예는, 액화 가스를 저장하는 리저버 탱크, 순환 펌프, 액화 가스를 냉각하는 열교환기 및 액화 가스가 순환되는 순환 루프를 구비하고, 상기 액화 가스를 순환 펌프를 이용하여 서브쿨 상태로 순환시켜 초전도 전력기기를 냉각하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템에 있어서, 리저버 탱크를 상기 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 가압수단을 더 구비하며, 상기 액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이, 순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큼 상부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 제 2 실시예는, 리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 상기 가압수단은, 상기 액화 가스와 같은 종류의 가스를 고압으로 모아둔 가스 봄베로부터 압력조정밸브를 통하여 소정 압력으로 가압하는 것으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 제 3 실시예는, 리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 상기 가압수단은, 리저버 탱크에서 서브쿨 상태의 액화 가스를 송출하는 순환 펌프의 출구로부터 상기 초전도 전력기기로 보내는 액화 가스의 일부와 분기되어 리저버 탱크로 리턴되는 배관에 의해 순환 펌프의 토출 압력을 이용해서 리저버 탱크를 가압하는 것으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 제 4 실시예는, 리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 상기 가압수단은, 리저버 탱크에서 서브쿨 상태의 액화 가스를 송출하는 상기 순환 펌프의 출구로부터 초전도 전력기기로 보내는 액화 가스의 일부와 분기되어 리저버 탱크로 리턴되는 배관에 설치되어 액화 가스를 기화시키는 기화기와 압력조정용의 압력조정밸브로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 제 5 실시예는, 상기 가압수단의 보조수단을 더 구비하며, 상기 보조수단이 액화 가스와 같은 종류의 가스를 가스 봄베로부터 공급해서 가압하는 것으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 제 6 실시예는, 상기 가압수단의 보조수단을 더 구비하며, 상기 보조수단이 리저버 탱크의 기상부분에 가온장치를 배치하여 리저버 탱크 기상부의 가스를 과열 체적 팽창시키는 것으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

본 발명에 의하면, 리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하므로, 액체 질소 중에 기포가 혼입할 일이 없고, 액체 질소를 원활하게 순환시켜 절연 특성이 우수한 초전도 전력기기의 냉각 시스템을 제공할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 의하면, 액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이, 순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큰 상부에 위치하고 있으므로 리저버 탱크의 가압에 사용되었던 가스가 액화되지 않고 가압한 압력이 감소하는 일 없는 초전도 전력기기의 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 순환 펌프의 출구 압력으로 리저버 탱크를 가압하는 방법을 설명하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1을 설명하기 위한 냉각 시스템 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예 2를 설명하기 위한 리저버 탱크 근방의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예 3을 설명하기 위한 리저버 탱크 근방의 구성도이다.

도 5는 가압 가스 용해 깊이[m]와 압력 감소율[%]과의 관계를 나타내는 도이 다.

도 6은 종래의 초전도 케이블의 냉각 시스템을 설명하는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 리저버 탱크 1b: 리저버 탱크의 안쪽용기

2: 리저버 탱크내 액체질소액면 3 액취구

4, 6, 9: 이송측 액체질소순환 배관 5: 순환 펌프

5a: 순환 펌프 모터 5b: 순환 펌프 축

5c: 핀 5e: 진공용기

7: 냉동기 열교환기 8: 냉동기

10: 초전도 전력기기의 입구 11: 초전도 케이블

12: 초전도 케이블의 출구 13: 리턴측 액체질소순환 배관

14: 리저버 탱크 내의 질소리턴배관 15: 질소리턴배관 출구

16,18,20: 가압용 분기배관 17: 기화기

19: 밸브(valve) 21: 가압용 외부배관

22: 고압 질소 봄베(Bombe) 23: 리저버 탱크 내부의 히터

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템을 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 발명의 초전도 전력기기용 냉각 시스템은, 액체 가스를 저장하는 리저버 탱크, 순환 펌프, 액체 가스를 냉각하는 열교환기 및 액화 가스가 순환하는 순환 루프(loop)를 구비하고, 액화 가스를 순환 펌프를 이용하여 서브쿨(subcool) 상태로 순환시켜 초전도 전력기기를 냉각하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템으로서, 리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 가압수단을 더 구비하며, 액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이, 순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큼 상부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템이다.

액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이, 순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큼 상부에 위치하고 있는 것이 필요한 것을 이하에 설명한다. 가압 가스의 용해 깊이와 압력 감소율 간의 관계를 실험에 의해 조사했다. 도 5는 가압 가스 용해 깊이[m]와 압력 감소율[%]과의 관계를 나타내는 도면이다.

도 5에 있어서, 가압 가스가 리저버 탱크의 액면으로부터 용해 깊이(즉, 가압 가스 용해 깊이)를 횡축에, 액화에 의한 리저버 탱크 내의 압력 1시간당의 감소율을 종축에 각각 나타낸다. 실험 조건으로, 리저버 탱크의 내용적으로서 지름 1m, 높이 1m의 용기를 이용하고, 압력을 0.3MPa으로 했다. 그 결과 도 5로부터 명확한 바와 같이, 용해 깊이가 10cm까지는 압력의 감소율이 현저하게 크고, 용해 깊이가 대략 20cm까지는 가압에 사용한 기상의 질소 가스가 액으로 응축해서 가압한 압력의 감소가 여전히 빠르다. 한편, 용해 깊이를 20cm 이상으로 유지하면, 압력의 감소량을 1% 이하의 작은 값으로 유지할 수 있는 것을 알았다. 실제로는, 가압 가스 의 용해 깊이의 이외에, 액체 질소의 온도, 압력 등의 영향으로 액면이 바뀌기 때문에 액면이동 보정량을 고려할 필요가 있다.

따라서, 액화 가스를 가압 상태로 저장하는 리저버 탱크의 액면이, 순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큼 상부에 위치하고 있는 것이 필요하다. 구체적으로는, 가압 가스의 용해 깊이(20cm)+액면이동 보정량(30cm)로서 50cm 이상이 적합하다. 상술한 것은, 리저버 탱크 용기 형상에의 의존성은 작고, 사이즈(size)가 바뀌어도 필요 깊이는 대강 이대로가 된다. 따라서, 본원의 시스템에 있어서는, 리저버 탱크의 용기 높이로서 필요 깊이(50cm 이상이 바람직한)를 확보할 수 있는 높이가 필요하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 초전도 전력기기를 액화 가스로 냉각하는 시스템에 있어서, 가압에 사용한 액화 가스보다 비점이 낮은 가스가 액화 가스 중에 용해해서, 액화 가스의 순환의 불안정성 요인이나, 전기기기의 절연에 관한 트러블을 일으키지 않고, 액화 가스를 서브쿨 상태로 장기간 순환을 행할 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 상태로 가압하는 가압 수단은, 리저버 탱크에 저장하는 액화 가스와 같은 종류의 가스로 리저버 탱크를 소정의 압력으로 가압하는 것으로 되어 있다. 가압하는 가스가 액화 가스로 냉각되어 액화하는 것을 막기 위해서 리저버 탱크 내에 있는 순환 펌프의 리턴 배관 출구에 대하여 리저버 탱크의 액면이 적어도 20cm 이상, 바람직하게는 50cm 이상 높은 위치에 있다.

더욱이, 가압 수단으로서 고압 가스 봄베(Bombe)로 가압하는 수단에 더해서, 리저버 탱크의 압력보다 높은 순환 펌프 출구 압력을 리저버 탱크로 되돌리는 것으로 가압하는 수단이 있다. 순환 펌프 출구의 압력을 이용하는 구체적인 수단으로는 리저버 탱크로부터 액을 퍼내 가압해서 초전도 전력기기로 보내는 순환 펌프의 출구 배관을 분기하여 리저버 탱크의 압력에서 액화 가스의 일부를 꺼내고, 분기된 액화 가스를 기화기를 이용해서 가스화하며, 더욱 리저버 탱크의 압력을 소정의 압력으로 유지하기 위한 압력에 대응하여 개폐 동작하는 압력조정밸브를 개재하여 리저버 탱크로 되돌리는 수단이 있다.

본 발명의 작용을 설명하기 위해서, 액화 가스로서 액체 질소를 썼을 경우를 설명한다. 액체 질소의 대기압(1.013MPa)에 있어서의 비점은 77K이다. 이 액체 질소를 0.3MPa로 가압하면, 액체 질소의 비점은 90K 이상이 된다. 따라서, 77K의 액체 질소를 0.3MPa까지 가압하면, 액체 질소는 기포의 발생이 없는 서브쿨 상태가 된다. 순환 펌프의 액취부는 리저버 탱크의 밑바닥에 있어 배관으로 순환 펌프에 연결되어 있다.

한편, 순환 리턴 배관은 리저버 탱크에 접속되지만, 그 배관 출구의 위치는 액면보다 낮은 위치에 있다. 순환 펌프에서 송출된 액화 가스는 초전도 전력기기를 냉각하고 리저버 탱크로 되돌아온다. 그 때, 배관 출구는 액면보다 낮은 위치에 있어서 리턴 액화 가스는 리저버 탱크의 가압 가스상에 접하지 않고, 순환 펌프의 액체 질소 액취구로 이동하여 다시 순환한다.

본 발명에서는 액면의 위치를 배관 출구나 순환 펌프의 액취구로부터 소정높이(20cm) 이상으로 높게 하고 있으므로(즉, 소정의 액화 가스(gas)층을 마련하고 있는), 각각의 배관구에 있는 서브쿨의 찬 액체 질소에 대하여, 그 위에 있는 액체 질소의 온도가 액면을 향해서 순서대로 높아져, 액면부의 액체 질소 온도는 0.3MPa의 액화 가스의 비점 온도와 거의 같게 되어 있다. 그 때문에, 과거 동종의 가스로 리저버 탱크 내를 가압했을 경우, 가스가 액화하여 가스 공급이 충분하지 않고 압력이 저하하는 문제가 있었지만, 이번의 액화 가스층을 두는 것으로 대부분 가스가 액화되지 않는 것을 알았다.

본 발명에서는 가압 방법으로서 새롭게, 봄베로 가압하는 방법 이외의 방법에 대해서도 고찰했다. 본 발명에 있어서의 자기 압력으로 가압하는 방법에 대해서 도 1을 참조해서 설명한다. 최초, 대기압상태(a점)에 있는 리저버 내부에서 액체 질소를 퍼내서 순환 펌프로 보낸다. 순환 펌프의 출구에서는 액체 질소가 50L/min으로 흐르고, 입구에 대하여 액체 질소는 0.2MPa로 가압된다(b점). 출구부의 압력을 이용하기도 하고, 출구 배관에서 분기되어 가압된 액체질소를 도중 기화기에서 가스로 기화해서 리저버 탱크로 되돌리는 것으로, 리저버 탱크의 압력을 상승시킨다(화살표c).

거기에 대응하여 순환 펌프의 출구 압력도 상승하여(화살표d) 리저버 탱크를 항상 가압할 수 있다. 리저버 탱크의 압력이 상한 설정 압력(P2)을 초과하면(e점), 배관에 부착된 밸브(valve)가 닫히게 되고, 리저버 탱크로의 가스의 공급이 정지한다. 그 후, 리저버 내부에서는 가스상의 질소 가스가 질소 가스의 3중점 이하의 액체 질소로 차갑게 되어, 가스상의 질소 가스는 액화해서 액체 질소가 된다. 액화해서 가스 체적이 감소한 만큼 리저버 탱크의 압력이 감소한다(화살표f). 하한 설정 압력(Pl)이 되면(g점), 밸브가 개방되어 다시 순환 펌프 출구의 압력으로 리저버 탱크 내부에 질소 가스가 공급되어 리저버 탱크의 압력이 가압된다.

배관 내부를 저온의 질소 가스가 흐르기 때문에 배관이나 밸브를 얼게 할 우려가 있어, 기화기의 역할로서 그것을 막기 위해서 액체 질소를 가스화해서 실온까지 승온시킨다. 기화기로서 배관에 히터를 감거나 배관을 물 등을 통과시키거나, 또 배관에 핀(fin)을 달아서 외기와의 열교환으로 승온하는 방법이 있다. 또한, 밸브의 역할로서는, 간단히 펌프로부터 분기된 배관으로 가스를 계속해서 보내면, 리저버 탱크의 압력은 계속해서 상승해 리저버 탱크의 설계 압력 이상으로 될 가능성이 있기 때문에, 리저버 탱크의 압력이 소정 압력 이상이 되면 닫음 상태로 되어 가스에 의한 가압을 정지하고, 소정 압력 이하가 되면 개방 상태로 되어 가압해서 자동적으로 일정한 압력을 보유하는 기능을 가진다.

한편, 리저버 탱크의 용량이 클 경우에는, 소정의 압력까지 가압하는데도 대량의 질소 가스를 필요로 하므로, 달리 질소 봄베를 준비하여 리저버 탱크의 압력을 소정의 압력까지 가압할 수도 있다. 또한, 리저버 탱크 내부의 기상부분에 히터 등의 가온장치를 배치하여 리저버 탱크 내의 가스를 가압 팽창시켜서 가압하는 방법도 병용하는 것이 가능하다.

이하에, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 1

도 2는 본 발명의 초전도 전력기기의 냉각 시스템의 하나의 실시예를 나타낸 도면이다. 액화 가스로서는 액체 질소를 이용하고 있다. 액체 질소는 리저버 탱 크(1)에 저장되어 있다. 리저버 탱크(1)는 2중의 용기구조로 되어 있고, 2중 용기의 사이는 단열재료가 내측 용기(1b)를 둘러싸도록 시공되며, 더욱이 열 침입을 저감하기 위해서 진공상태로 유지되어 있다. 또한, 리저버 탱크는 밀봉 용기이며, 내부를 가압할 수 있도록 되어 있다.

리저버 탱크의 밑바닥에는 순환 펌프에 연결되는 액취구(3)가 있고, 거기에서 지름 3cm 구경의 배관(4)으로 순환 펌프(5)의 입구까지 연결되어 있다. 순환 펌프(5)는 와류식의 회전식 펌프이다. 팬(5c)을 회전시키기 위한 모터(5a)와 팬 사이는 전도에 의한 열의 유입을 억제하기 위해서 약 50cm의 긴 축(5b)으로 이어져 있다.

또한, 핀 자신은 진공 용기 내부(5e)에 배치되어 외계로부터의 열 침입을 억제하도록 되어 있다. 본 발명의 회전식 펌프는 50Hz의 회전수로 액체 질소 유량으로서 30L/min의 유량을 흐르게 할 수 있고, 또 입구와 출구의 압력차이로서 O.2MPa의 토출압을 얻을 수 있다. 펌프 출구에서는 지름 3cm의 배관(6)으로 그 앞 냉동기의 열교환기(7)에 연결되어 있다.

냉동기(8)는 GM냉동기 또는 스털링(sterling) 냉동기 등으로 이루어지고, 한랭을 만드는 저온 헤드(head)에 열교환기가 연결되어 순환하는 액체 질소를 저온으로 냉각하고 있다. 본 발명에서는 lkW의 냉동 능력을 가진 스털링 냉동기를 쓰고 있어, 30L/mim의 액체 질소가 냉동기로 냉각된 열교환기를 통과하는 것으로, 입구에서 77K이었던 것을 74K까지 냉각할 수 있다.

냉동기에서 냉각된 액체 질소는 지름 3cm의 배관(9)으로 초전도 전력기기의 입구(10)에 수밀하게 연결되어 있다. 본 실시예의 초전도 케이블(11)을 냉각하기 위한 냉각 시스템에 있어서는, 초전도 케이블 내를 냉동기에서 차갑게 된 액체 질소가 유통함으로써, 초전도 케이블을 냉각한다. 초전도 케이블을 냉각한 액체 질소는 온도가 상승하지만, 상승한 온도는 비점 이하이기 때문에 액체 질소 중에 기포의 발생이 없는 서브쿨 상태를 유지하고 있다. 그 때문에, 500m의 초전도 케이블이라도 압력 손실은 0.lMPa 이하로 충분히 작고, 안정해서 액체 질소를 흘려보낼 수 있다.

또, 기포 발생 없는 액체 질소가 초전도 케이블의 전기 절연층에 스며 있기 때문에, 양호한 전기 절연을 보유할 수 있다. 초전도 케이블의 출구(12)를 나간 액체 질소는 배관(13)에 의해 리저버 탱크(1)로 되돌아옴으로써 순환 루프가 형성된다. 리저버 탱크(1), 순환 펌프(2), 냉동기의 열교환기(3), 초전도 케이블(4) 및 이것들 기기를 묶는 질소 배관은 모두 외계에서의 침입 열을 저감하기 위해서 진공단열을 채용한 2중 용기구조로 되어 있다.

리저버 탱크 리턴 배관(13)은 리저버 탱크의 상부에서 저부까지 오는 배관(14)이며, 리저버 탱크의 저부에서 출구(15)로부터 액을 리저버 탱크로 되돌린다. 또, 순환 펌프에 연결된 액취구(3)도 리저버 탱크의 저부에 위치한다. 순환 중에 있어서, 리저버 탱크의 액체 질소는 출구(15)의 위치에 대하여 적어도 20cm 이상 높은 위치에 액면(2)이 있도록 질소가 잔류하고 있다.

본 발명의 순환 펌프의 출구 압력으로 리저버 탱크를 가압하는 방법은, 펌프 출구의 배관(6)으로부터 지름 6mm의 스텐레스(stainless)제 배관(16)이 분기되어져 서 꺼내져 있다. 배관(16)의 내부를 통과하는 액체 질소는 순환 펌프의 진공 용기에서 나간 후에, 기화기(17)를 거쳐 모두가 액체 질소에서 상온의 질소 가스로 변한다.

기화기로서, 본 실시예에서는 온수 용기의 내부에 동제의 6mm 배관이 6m 코일(coil) 형상으로 감긴 것을 사용하고 있으며, 온수에 담그어져서 내부의 액체 질소를 승온하고 있다. 기화기로서 본 실시예 이외에도 예를 들면 코일의 외측에 히터가 감아 설치되어 통전에 의한 히터 발열로 승온하는 방법이나, 배관에 핀(fin)을 부착하여 대기와의 열교환으로 따뜻하게 하는 방식 등, 내부의 액체 질소를 실온의 가스로 할 수 있는 것이면 좋다. 기화기(17)를 나간 배관(18)에는 출구 압력이 소정의 압력 이하가 되면 가스를 흘리고, 소정의 압력 이상이 되면 가스를 멎게 하는 압력제어 기능을 가지는 밸브(valve)(19)가 부착되어 있다. 밸브(19)을 나간 배관(20)은 리저버 탱크의 상부에 부착되어 리저버 탱크를 가압할 수 있게 되어 있다.

한편, 기화기(17)를 통과한 이후의 배관(18, 20)은 실온이므로 특히 단열구조로 할 필요는 없지만, 순환 펌프 출구로부터 기화기까지의 배관(16)은 발포 우레탄(urethane) 등의 단열재료로 둘러싸져 있는 쪽이, 배관(16)에 서리가 붙을 일이 없고 미관상 적합하다. 한편, 밸브(19)는 저온에서 동작하는 밸브를 이용하면, 밸브(19)와 기화기(17)의 위치를 반대로 할 수도 있지만, 저온용의 밸브는 상온용에 비하여 고가여서 경제적으로 적당한 배치로는 안된다. 한편, 본 실시예서는, 압력 취출 배관(16)을 펌프 출구의 배관(6)보다 꺼냈지만, 냉동기의 열교환기 출구의 배 관(9)으로도 초전도 기기의 입구부(10)로부터도 리저버 탱크의 압력보다 높은 부분이면, 어디에서 꺼내도 본 발명의 목적을 달성할 수 있으므로, 그 의미로 펌프 출구를 간단하게 펌프의 출구 근처를 나타낸 것이 아니고 펌프의 출구보다 하류의 모두를 총칭하고 있다.

실시예 2

실시예 1에서는, 순환 펌프가 리저버 탱크의 외에 있는 경우에 대해서 설명했지만, 순환 펌프가 리저버 탱크의 내부에 있는 경우에 있어서도 본 발명을 실시할 수 있다. 도 3은 본 발명의 초전도 전력기기의 냉각 시스템의 다른 하나의 실시예의 일부분을 나타내는 도면이다. 다시 말해, 도 3에 냉각 시스템 중 본 실시예를 설명하기 위해서, 리저버 탱크부의 추출도를 나타낸다. 순환 펌프(5) 중 액을 보내는 핀부(5c)가 리저버 탱크의 액 중에 있고, 모터(5a)의 회전을 축(5b)에서 전하고 있다. 액체 질소는 리저버 탱크로부터 퍼내져 배관(6)을 통해서 리저버 탱크를 나가고, 액체 질소를 냉각하는 냉동기로 연결된다. 가압용 배관은 이 경우, 리저버 탱크로부터 나온 배관(6) 부분에 부착되고, 그 후는 실시예 1과 같이, 기화기(17), 밸브(19)을 통하여 리저버 탱크로 되돌아온다.

실시예 3

실시예 1에서는 리저버 탱크의 가압 수단으로서, 펌프 출구로부터의 가스에 의한 것만이다. 이 경우, 배관이 6mm으로 가늘은 동시에 압력도 펌프의 토출 압력밖에 없기 때문에, 가스 공급도 적고, 소정의 압력으로 되는 것이 대단히 긴 시간이 걸린다. 특히 리저버 탱크가 대형으로 되면, 수십 시간이 걸린다. 그래서, 도 4 에 도시한 바와 같이, 보조 수단으로서 리저버 탱크에 외부배관(21)을 부쳐 고압의 질소 봄베(22)이나 질소 카틀로부터 가스를 공급한다. 또 리저버 탱크 내부의 기상부분이 저온으로 차가워지면, 액화가 촉진해 버리므로 기상부분에 히터(23)를 배치해서 액화를 억제해도 좋다.

본 발명에 의하면, 가압에 사용한 액화 가스에서 비점이 낮은 가스가 액화 가스 중에 용해해서, 액화 가스의 순환 불안정성 요인이나, 전기기기의 절연에 관한 트러블을 일으키지 않고, 액화 가스를 서브쿨 상태로 장기간 순환을 행할 수 있는 초전도 전력기기의 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

순환하는 액화 가스의 리턴 라인의 출구를 가짐과 동시에 액화 가스를 저장하는 리저버 탱크, 순환 펌프, 액화 가스를 냉각하는 열교환기 및 액화 가스가 순환하는 순환 루프를 구비하고, 상기 순환 루프를 순환하는 서브쿨 상태의 액화 가스에 의해 초전도 전력기기를 냉각하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템에 있어서,

(A) 상기 리저버 탱크를 상기 액화 가스와 동종의 가스로 가압하는 가압수단을 구비하고,

(B) 상기 가압수단에 의해 가압되는 상태에 놓여지는 상기 리저버 탱크는 밀봉 용기이고,

(C) 가압된 가스가 상기 리저버 탱크에서 액화하는 것을 억제하기 위하여, 상기 리저버 탱크의 액면보다 적어도 가압 가스의 용해 깊이 + 액면이동 보정량만큼 하부에 위치하는 상기 출구를 가지고, 상기 용해 깊이는 적어도 20cm인 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서,

리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 상기 가압수단은, 상기 액화 가스와 동종의 가스를 고압으로 모아둔 가스 봄베로부터 압력조정 밸브를 통하여 소정 압력으로 가압하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서,

리저버 탱크를 액화 가스와 같은 종류의 가스로 가압하는 상기 가압수단은, 리저버 탱크에서 서브쿨 상태의 액화 가스를 송출하는 순환 펌프의 출구로부터 상기 초전도 전력기기에 보내는 액화 가스의 일부를 분기하여 리저버 탱크에 리턴되는 배관, 및 상기 배관에 설치된 액화 가스를 기화시키는 기화기 및 압력조정용 압력 조정 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템.
제1항에 있어서,

가압된 가스가 상기 리저버 탱크에서 액화하는 것을 억제하기 위하여, 상기 리저버 탱크의 기상 부분에 배치한 가온장치를 가지고, 상기 가온장치에 의해 상기 리저버 탱크 기상 부분의 가스를 과열 체적 팽창시키는 것을 특징으로 하는 초전도 전력기기의 냉각 시스템.
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