KR101298850B1 - 초전도 기계의 냉각 장치 및 냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 초전도 기계(2)의 초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치(1)에 관한 것이며, 상기 냉각 장치(1)는 특히 사전 결정된 열 저항체(33, 33')를 통해 단일의 콜드 헤드(16)에 열적으로 결합되는, 서로 열적으로 분리된 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18')를 포함하고, 상기 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18')는 액상 냉각 유체(k)를 위한 각각 하나의 수집 용기(34, 34')를 통해 각각 하나의 연결 라인(20, 20')과 연결되며, 상기 연결 라인을 통해 상기 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18')가 증발기 챔버(12)와 유체 연결되고, 상기 2개 이상의 수집 용기(34, 34')는 액상 형태의 냉각 유체(k, k')가 제1 수집 용기(34, 34') 내 제1 압력(p1)과 제2 수집 용기(34', 34) 내 제2 압력(p2) 사이의 압력 차이에 의해서 중력에 대항하여 하나 이상의 수집 용기(34, 34')로부터 증발기 챔버(12) 내로 이동될 수 있으며, 상기 압력들은 상기 수집 용기들(34, 34') 중 하나 이상의 수집 용기 내에서 주기적으로 작동될 수 있는 가열 수단(35, 35')에 의해 증발되는 냉각 유체(k, k') 비율에 의해 각각 결정된다.

Description

초전도 기계의 냉각 장치 및 냉각 방법{DEVICE AND METHOD FOR COOLING A SUPERCONDUCTING MACHINE}
본 발명은 초전도 기계를 냉각하기 위한 장치 및 냉각 방법에 관한 것이다.
초전도 기계는 대개 적어도 기계의 작동 중에 확실하게 냉각되어야만 하는 초전도 코일을 포함한다. 1987년부터 77K 보다 높은 전이 온도(Tc)를 갖는 금속 산화물 초전도 재료가 알려져 왔다. 상기 재료는 또한 고온(high)-Tc-초전도 재료 또는 HTS 재료로서 지칭되고, 기본적으로 액상 질소(LN2)를 이용한 냉각 기술을 가능하게 한다. 그에 따라 HTS 재료를 함유하는 코일을 포함하는 기계는 예컨대 액상 질소(LN2) 또는 액상 네온(LNe)에 의해 냉각되고 작동될 수 있다.
HTS 재료를 함유하는 권선들의 냉각을 위해, 바람직하게는 폐쇄된 헬륨-압축 가스 회로를 포함하는 이른바 극저온 냉각기(cryocooler) 형태의 냉각 장치가 이용된다. 상기 극저온 냉각기는 특히 지포드 맥마혼(Gifford-McMahon) 또는 스털링(Stirling) 타입에 의해 형성되거나 이른바 펄스 튜브 냉각기로서 형성된다. 상기 극저온 냉각기는, 이른바 버튼을 누를 때 자체 냉각 용량을 이용할 수 있는 상태가 될 수 있고 극저온 액체의 사용은 방지된다는 장점이 있다. 상기 냉각 장치를 이용할 경우 초전도 권선은 예컨대 냉각기의 콜드 헤드(cold head)로의 열 전도를 통해 간접적으로 냉각된다(예컨대 "제16회 국제 저온 공학회 회보(ICEC 16)" 일본, 키타큐슈, 1996년 5월 20~24일, Elsevier Science 출판사, 1997년, 1109 ~ 1129쪽 참조).
예컨대 DE 103 21 463 A1호에 기재된 것과 같은 냉각 기술은 전기 기계의 로터의 냉각을 위해 이용될 수 있다. 로터는, 열 전도성으로 형성된 권선 지지부(winding support) 내에 위치하는 HTS 도체들로 이루어진 회전식 권선을 포함한다. 상기 권선 지지부는 축 방향으로 연장되는 원통형의 중앙 중공 챔버를 구비하며, 이 중앙 중공 챔버의 측면에는 권선 지지부로부터 유도되어 나오는 튜브형 라인 부재들이 연결된다. 이런 라인 부재들은 측지학적으로 더 높게 위치하는 냉각 유닛의 응축기 챔버로 이어지면서, 상기 응축기 챔버 및 중앙 로터 중공 챔버와 함께 폐쇄된 단일-튜브 라인 시스템을 형성한다. 상기 라인 시스템 내에는 이른바 열 사이펀 효과를 이용하는 조건에서 순환하는 냉각제 또는 냉각 유체가 위치한다. 여기서 응축기 챔버 내에서 응축된 냉각 유체가 튜브형 라인 부재들을 통해 중앙 중공 챔버 내로 안내되며, 이 중앙 중공 챔버에서 냉각 유체는 권선 지지부 뿐만 아니라 HTS 권선에 열적 결합되는 것으로 인해 열을 흡수하여 증발된다. 그런 다음 증발된 냉각 유체는 다시 동일한 라인 부재들을 통해 응축기 챔버 내에 도달하고, 이 응축 챔버에서 냉각 유체가 다시 응축된다. 이를 위해 요구되는 냉각 용량은 냉각기에 의해 생성되며, 냉각기의 콜드 헤드는 응축기 챔버에 열적 결합되어 있다.
이 경우 냉각제의 역류는 약간의 초과 압력에 의해 증발기 부분으로서 작용하는 중앙 중공 챔버 내로, 그리고 응축기로서 작용하는 냉각기 부재들로까지 이동한다. 다시 말하면 이처럼 증발기 부분 내 가스의 발생과 응축기 챔버 내 액화를 통해 생성되는 차압이 목표하는 냉각제 역류를 발생시킨다. 대응하는 냉각제 흐름은 이른바 "히트 파이프(Heat-Pipes)"로부터 기본적으로 공지되었다.
또한, 대응하는 냉각 유닛에 의해 열 사이펀 냉각이 이루어지는 공지된 기계의 경우, 액상 냉각제의 운반은 중력을 이용하는 조건에서만 이루어지며, 그럼으로써 추가의 펌프 시스템은 요구되지 않게 된다. 이는 반드시 측지학적 측면에서 기계 또는 권선 지지부보다 더 높게 배치되어야 하는 냉각 유닛 또는 응축기 챔버를 필요로 한다. 이와 결부되는 단점들은 특히 기계 및 냉각 유닛의 구조가 공간적으로 제한될 경우 발생한다. 따라서 예컨대 기계 축이 수직으로 배치되는 기계의 경우 기계로 구동되는 객체, 예컨대 모터는 기계의 상부에 배치될 수 있다. 기계는 기계의 평면에 자유 공간이 존재하는 방식으로 기계의 주변에 장착된다. 측지학적으로 더 높은 위치는 구동되는 객체에 의해 점유되며, 이런 상황에서 측지학적으로 더 높은 냉각 유닛의 배치는 불가능하다. 또한, 예컨대 철도의 동력차(motor rail coach)에서와 같이 복합적인 적용에서도, 예컨대 상부 라인 높이 및/또는 터널 높이를 기반으로 하는 규정으로 인해 동력차의 전체 높이가 제한될 수 있다. 지정된 기계 크기(machine size)가 높이 규정의 범위 내에 놓이는 경우 기계 축을 수평으로 배치할 때에도 측지학적 측면에서 기계보다 냉각 유닛을 더 높게 배치하는 것이 불가능할 수 있다.
순수하게 중력으로만 이동하는 냉각제 흐름에서 문제가 발생하는 또 다른 경우는 선박이나 근해 시설에서 확인된다. 앞서 설명한 기계 장치를 선박이나 근해 시설에서 이용하고자 한다면, 길이 방향에서 예컨대 최대 ±5°의 정적 불균형, 이른바 "트림(Trim)" 및/또는 예컨대 최대 ±7.5°의 동적 불균형을 여러 차례 고려해야 한다. 결과적으로 선박 사용을 위해 등급 판정 협회(classification society)의 허가를 얻기 위해서는 선박에 내장된 상기 기계 장치의 냉각 시스템이 상기한 조건에서도 확실한 냉각을 보장해야 한다. 기계의 전술한 불균형을 허용하고자 한다면, 중앙 로터 중공 챔버와 냉각 유닛 사이의 튜브형 라인 부재들의 영역이 측지학적 측면에서 중앙 로터 중공 챔버보다 더 낮아지는 위험이 존재한다. 따라서 결과적으로 중력의 영향을 받는 조건에서는 냉각될 로터 중공 챔버에 냉각제가 도달할 수 없게 된다. 그러므로 기계의 냉각과 그에 따른 기계의 작동은 더 이상 보장되지 않을 수도 있다.
기계의 불균형 상태에서도 확실한 냉각을 보장하기 위해, 열 사이펀 라인 시스템 내에서 가정되는 최대 트림 상태 또는 진동 진폭에서도 항상 로터 중공 챔버의 방향으로 경사가 존재하도록 수평선에 대해 경사지게 기계를 배치할 수도 있다. 이에 상응하게 경사진 배치 구조는, 바로 선박 구조에서 특히 기계의 길이가 더 길 때 공간을 더 많이 필요로 하기 때문에 바람직하지 못하다. 이에 대한 대안으로, 액상 및 기상 냉각제가 동일한 튜브 부재들을 통해 응축기 챔버로부터 응축기 챔버로 흐르는, 응축기 챔버와 증발기 챔버 사이의 냉각제 순환용 단일 튜브 시스템 라인 대신에, 이중 튜브 라인 시스템이 이용될 수 있다. 이 경우 예컨대 WO 00/13296 A호에 기재된 바와 같은 열 사이펀 효과가 이용된다. 그러나 로터의 중공 샤프트의 영역에 기상 냉각제를 위한 추가 튜브를 제공해야만 한다. 응축기 챔버는, 중력을 통해 응축기 챔버로부터 증발기 챔버 내로 이루어지는 냉각 유체의 확실한 흐름을 보장하기 위해, 측지학적 측면에서 증발기 챔버에 비해 충분히 높은 위치에 배치되어야만 한다. 이는 예컨대 선박에서 제한적으로만 제공되는 장착 공간을 요구한다.
다른 대안 실시예는, 기계식 펌프 및/또는 기계식 밸브들을 이용하는 것이다. 냉각제는 펌프 시스템을 통해 강제 순환될 수 있다. 그러나 이를 위해, 특히 냉각제가 예컨대 25 내지 30K의 온도를 나타낼 때, 상당한 장치 비용이 소요된다. 상기 유형의 순환 시스템은 상당한 손실을 야기하고 유지보수 간격이 긴 선박 구조의 내구성 요건을 도저히 충족할 수 없다.
참조를 통해 본 발명의 공개 내용에 전체적으로 수용되고 후속 공개된 본 출원인의 독일 특허 출원 DE 10 2010 041 194.9호에는, 콜드 헤드와 각각 열적 접촉하는 2개 이상의 응축기 챔버를 냉각용 장치가 포함하고, 이 2개 이상의 응축기 챔버는 각각 하나의 연결 라인을 포함하며, 이 연결 라인을 통해 상기 2개 이상의 응축기 챔버가 증발기 챔버와 유체 연결되어 있는 배치 구조가 기재되어 있으며, 이 배치 구조는, 제1 응축기 챔버 내 제1 압력과 제2 응축기 챔버 내 제2 압력 사이의 압력 차이에 의해서 액상 형태의 냉각 유체가 중력에 대항하여 하나 이상의 응축기 챔버로부터 증발기 챔버 내로 이동 가능한 방식으로 상기 2개 이상의 응축기 챔버가 형성되며, 상기 압력들은 각각 응축기 챔버들 내 온도에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 복수의 콜드 헤드가 필요하며, 이런 점은 장치 비용 및 공간 소요를 증가시킨다. 각각의 응축기 챔버를 위한 분리된 콜드 헤드들의 이용은 응축기 챔버들 사이의 열 보상이 콜드 헤드를 통해 조정되는 점을 방지해야 한다.
그러므로 본 발명의 과제는, 기계의 불균형 시에도 확실한 냉각을 가능하게 하고 공간이 적게 필요하며 장치 비용이 적게 드는, 초전도 기계를 냉각하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 명시한 과제는 초전도 기계를 냉각하기 위한 장치와 관련하여 청구항 제1항의 특징들에 의해 해결되고, 초전도 기계를 냉각하기 위한 방법과 관련하여서는 청구항 제6항의 특징들에 의해 해결된다.
초전도 기계를 냉각하기 위한 본 발명에 따른 장치 및 방법의 바람직한 실시예들은 각각 해당 종속 청구항들로부터 제시된다. 여기서 대등의 청구항들의 특징들은 서로, 그리고 종속항들의 특징들과 조합될 수 있을 뿐 아니라, 종속항들의 특징들도 서로 조합될 수 있다.
그에 상응하게 초전도 기계의 초전도체를 냉각하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 특히 사전 결정된 열 저항체를 통해 단일의 콜드 헤드에 열적으로 결합되는, 서로 열적으로 분리된 2개 이상의 응축기 챔버를 포함하고, 상기 2개 이상의 응축기 챔버는 액상 냉각 유체를 위한 수집 용기를 통해 각각의 연결 라인과 연결되며, 연결 라인을 통해 2개 이상의 응축기 챔버가 증발기 챔버와 유체 연결되고, 상기 2개 이상의 수집 용기는 액상 형태의 냉각 유체가 제1 수집 용기 내 제1 압력과 제2 수집 용기 내 제2 압력 사이의 압력 차이에 의해서 중력에 대항하여 하나 이상의 수집 용기로부터 증발기 챔버로 이동될 수 있는 방식으로 형성되며, 상기 압력들은 수집 용기들 중 하나 이상의 수집 용기 내에서 주기적으로 작동될 수 있는 가열 수단에 의해 증발되는 냉각 유체 비율에 의해 각각 결정되는 것을 특징으로 한다.
다시 말하면 2개 이상의 응축기 챔버가 이용되고 이들 응축기 챔버에는 액상 냉각 유체를 위한 하나 이상의 수집 용기가 직접적으로 연결되거나, 간접적으로, 다시 말해 예컨대 튜브 피스(tube piece)를 통해 연결된다. 이는 수집 용기들에 할당된 가열 수단을 통해 수집 용기들 내 온도를 서로 다르게 조정하는 것을 가능하게 한다. 그럼으로써 재차 수집 챔버들(그리고 수집 용기들과 연결된 응축기 챔버들) 사이에 압력 차이가 형성될 수 있다. 가열에 의해 온도가 상승하는 수집 용기 내에서는 액체가 증발되고, 그리고/또는 기상 냉각 유체가 팽창되며, 그럼으로써 압력이 상승된다. 가열 수단이 작동되지 않으면, 특히 콜드 헤드로부터 출발하여 수집 용기 내에서도 온도가 다시 하강하고 압력은 감소하는데, 그 이유는 기상 냉각 유체가 응축되기 때문이다. 그러므로 상이한 응축기 챔버들의 수집 용기들 내 온도의 상이한 변화에 의해, 수집 용기들 사이에서, 그리고 그에 따른 다양한 시스템 부재들 사이에서 압력 차이를 형성할 수 있다. 달리 말하면, 본 발명에 따라, 2개 이상의 수집 용기 사이에서 온도 차이를 형성하고, 그에 따라 압력 차이도 생성된다.
상기 압력 차이는 하나 이상의 연결 라인을 통해 액상 냉각 유체를 증발기 챔버 내로 이동하게 한다. 여기서, 증발기 챔버와 비교할 때, 일측 수집 용기 내 압력이 더 높음으로써(이는 타측 수집 용기와 비교할 때 일측 수집 용기 내 압력이 더 높음으로써 발생할 수 있다), 압력 차이가 충분히 크다면, 상기 일측 수집 용기의 연결 라인 내 냉각 유체가 중력에 대항하여서도 증발기 챔버 내로 이동된다. 이런 경우 밸브나 기계식 펌프와 같은 이동식 부재들은 어느 것도 필요하지 않게 된다.
또한, 본 발명에 따라 수집 용기들 내에서는 가열 수단들이 이용되기 때문에, 2개 이상의 응축기 챔버를 동일한 콜드 헤드에 결합될 수 있다. 이런 경우, 콜드 헤드에 대한 결합은 열 저항체(열적 저항체)를 통해 이루어지고, 그럼으로써 수집 용기 내 온도 상승에 의해 유도되는 일측 응축기 챔버 내 온도 상승은 적어도 비-직접적으로(non-directly) 콜드 헤드를 통해 하나 이상의 타측 응축기 챔버로 계속해서 전달된다. 다시 말해 열 저항체는 종국에 소정의 시간 지연을 제공하고, 이런 시간 지연은 본 발명의 기본적인 기능성에 문제를 제기하거나 효율을 심하게 감소시키지 않으면서도 2개 이상의 응축기 챔버가 열적으로 결합되어 있는 단일의 콜드 헤드에 의한 작동을 가능하게 한다.
또한, 응축기 챔버들과 콜드 헤드 사이의 열적 저항체는 정의된 방식으로 선택될 수 있으며, 다시 말해 종국에는 사전 결정될 수 있는데, 그 이유는 최적화 방법에서 가열 수단의 가열 출력과 열적 저항체의 조정을 통해 최적화된 효율을 달성할 수 있기 때문이다. 다시 말하면, 콜드 헤드에 대한 응축기 챔버들의 열적 결합과 가열 출력은 "조정 나사"를 나타내는데, 그 이유는 값들이 최대 가능한 효율성과 관련하여 목표한 바대로 선택될 수 있기 때문이다.
다시 말해 최종적으로 본 발명에 따른 냉각 장치는, 예컨대 수집 용기들이 번갈아 가열되면서 작동된다. 이처럼 냉각 유체 중 소량이 증발되므로, 액상 냉각 유체는 가열된 수집 용기들로부터 냉각될 객체를 향해 증발기 챔버 내로 가압된다. 가열되지 않은 수집 용기들을 포함하는 응축기 챔버들에 의해서는, 냉각될 객체 내에서, 다시 말해 증발기 챔버 내에서 증발되는 기상 냉각 유체가 흡입되고 다시 액화된다.
여기서 구체적인 실시예에 따라, 연결 라인들은 용기 바닥부의 영역에서 각각의 수집 용기에 연결될 수 있고, 그리고/또는 가열 수단들은 각각의 수집 용기의 바닥면에 결합될 수 있다. 액화된 냉각 유체가 항상 수집 용기의 바닥부 영역에서 수집된 후에, 액상 냉각 유체만이 가열 시에 발생하는 압력에 의해 증발기 챔버 내로 송출될 수 있다. 가열 수단은 확실히 액상 냉각 유체에 작용하고, 그에 따라 소정의 증발을 달성한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따라, 가열 수단은 콜드 헤드 출력의 80% 내지 120%에, 특히 콜드 헤드 출력의 95% 내지 105%에 상응하는 가열 출력으로 작동될 수 있다. 콜드 헤드 출력의 범위 내에 놓이도록 가열 출력을 선택한다면, 액상 냉각 유체는 비교적 짧은 시간 이내에, 예컨대 20초 내지 40초 이내에 증발기 챔버 내로 가압된다. 그럼으로써 바람직하게는, 가열된 수집 용기에서 응축기가, 더 긴 시간에 걸쳐서, 가열에 의해 증발된 냉각 유체를 응축하고 그에 따라 가용한 냉각 용량이 너무 많이 감소되는 점은 방지된다.
본 발명의 사상의 개선예에 따라, 수집 용기들 내에서, 특히 수집 용기들의 바닥부에서 온도를 측정하는 센서들의 측정값들에 따라 가열 수단들, 특히 가열 수단들의 활성화 시간을 제어하기 위한 제어 장치가 제공될 수 있다. 센서들은 종국에 모든 액상 냉각 유체가 수집 용기로부터 송출되었는지를 검출하기 위한 일종의 검출기로서 작용한다. 액상 냉각 유체가 더 이상 존재하지 않으면 용기 바닥부에서의 온도가 빠르게 상승하기 때문에, 그에 따라 수집 용기가 비어 있다는 사실이 빠르게 인지될 수 있다. 그런 다음 예컨대 가열 수단은 스위치 오프될 수 있고, 또 다른 수집 용기의 또 다른 가열 수단은 다른 방식으로 진행되는 온도 차이의 형성을 위해 활성화될 수 있으며, 이는 곧바로 이루어질 수 있거나 소정의 시간 간격 후에 이루어질 수 있다.
응축기 챔버와 콜드 헤드 사이의 열 저항체들은 이미 공지되었으며, 앞서 언급한 최적화 과정과 관련하여 규정된 바대로 매칭될 수 있다. 예컨대 열 저항체로서는 인듐층(indium layer) 및/또는 나사 결합부(screw coupling)가 제공될 수 있다. 따라서 예컨대 콜드 헤드에 대한 결합을 위해, 항복점을 초과해서까지 부하를 받는 인듐층을 이용하는 점은 공지되었다.
이런 관점에서 재차 주지할 사항은, 할당된 수집 용기를 포함하는 응축기 챔버가 2개보다 많이 제공될 수 있고, 특히 이들 응축기 챔버는 동일한 모든 콜드 헤드와 열적 결합된다는 점이다. 2개 이상의 응축기 챔버가 제공되는지의 여부와 무관하게, 각각 할당된 수집 용기들 내 온도는 상호 간에 무관하게, 특히 가열 수단들의 상응하는 제어에 의해 조절될 수 있다. 3개 이상의 응축기 챔버가 제공된다면, 바람직하게는 2개의 수집 용기 내에서 동시에 온도가 감소되고 하나의 수집 용기 내에서는 온도가 상승될 수 있다. 여기서 시간상 후속하여 온도가 상승하고 감소하는 수집 용기들이 서로 바뀔 수 있지만, 하나의 수집 용기 내 온도가 항상 나머지 두 수집 용기 내 온도보다 더 높다. 따라서 항상 연결 라인으로부터 액상 냉각 유체가 흐르므로 신뢰성 높은 냉각이 보장된다. 더 낮은 온도를 나타내는 2개의 수집 용기 내에서는, 제 수집 용기의 연결 라인으로부터 액상 냉각 유체가 증발기 챔버 내로 흐르는 동안, 증발기 챔버로부터 2개의 일차 수집 용기 및 할당된 응축기 챔버들 내로 흐르는 기상 냉각 유체가 액화될 수 있다.
응축기 챔버들, 수집 용기들, 연결 라인들 및 증발기 챔버를 통해서는, 폐쇄된 냉각 회로, 특히 밀폐된 냉각 회로가 형성될 수 있다. 따라서, 특히 적합하게 크기가 설정된 보상 용기가 제공되어 있다면, 냉각 유체가 손실되지 않고 냉각제 회로의 유지보수나 냉각 유체의 보충도 필요하지 않다.
본원의 장치는 균질한 액체, 특히 액상 질소 또는 액상 네온을 함유하거나, 이들 액체로 구성되는 냉각 유체, 또는 서로 다른 응축 온도를 갖는 냉각 액체들로 이루어진 혼합물을 함유하는 냉각 유체로 충전될 수 있다. 냉각 유체의 증발 온도는, 초전도 권선 또는 초전도 기계가 냉각될 수 있는 온도, 다시 말하면 초전도 재료가 이용될 수 있는 온도를 결정한다. 냉각 유체의 응축 온도는, 증발된 기상 냉각 유체를 다시 액화시키기 위해 콜드 헤드가 응축기 챔버들을 냉각시켜야 하는 온도를 결정한다. 또한, 냉각 유체들의 혼합 또는 냉각 유체들에 대한 첨가제 첨가를 통해서, 냉각 유체가 증발되거나 액화되는 온도가 조절될 수도 있으며, 이런 온도는 순수 물질, 예컨대 순수 질소 또는 순수 헬륨이 증발되고 액화되는 온도 사이의 범위 이내이다.
초전도 기계는, 특히 하나 이상의 초전도 권선을 구비한, 특히 고온 초전도체를 포함하는 초전도 권선을 구비한 로터를 포함하는 모터 및/또는 제너레이터일 수 있으며, 로터는 축을 중심으로 회전 가능하게 배치된다. 다시 말해 초전도 권선은 HTS 재료로 구성될 수 있거나 이 HTS 재료를 포함할 수 있다. 이런 점은 냉각 유체로서 질소 또는 네온의 사용을 허용한다. 상기 유형의 초전도 기계는 예컨대 선박에서 이용될 수 있다.
여기서 콜드 헤드를 구비한 응축기 챔버들 및 각각 할당된 수집 용기들은 로터의 외부에 고정 배치될 수 있고, 증발기 챔버는 로터의 내부에 특히 로터의 회전 축을 따라 원통형 중공 챔버로서 회전 가능하게 배치될 수 있다. 연결 라인들은 열 사이펀 원리에 따라 증발기 챔버 안쪽으로 돌출될 수 있고 마찬가지로 고정될 수 있다. 그럼으로써 기계의 바람직한 특성들이 달성된다.
본 발명은, 냉각 장치 이외에도, 특히 열 사이펀 효과를 이용하는 조건에서 초전도 기계의 초전도체를 냉각하기 위한 냉각 방법에 관한 것이며, 이 경우 본 발명에 따른 냉각 장치가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은, 콜드 헤드에 열적 결합된 응축기 챔버와 연결되는 하나 이상의 제1 수집 용기와, 동일한 콜드 헤드에 열적 결합된 제2 응축기 챔버와 연결되는 하나 이상의 제2 수집 용기 사이의 온도 차이가 하나 이상의 가열 수단의 작동에 의해 야기되어, 더 고온인 수집 용기 내에서 냉각 유체가 증발되고 수집 용기 내 압력이 상승하며, 그럼으로써 더 고온인 수집 용기에 할당된 연결 라인 내 액상 냉각 유체가 더 고온인 수집 용기로부터 증발기 챔버 내로 이동하고, 이와 동시에 기상 냉각 유체는 더 저온인 수집 용기에 할당된 연결 라인을 통해 증발기 챔버로부터 더 저온인 응축기 챔버 내로 이동되는 단계들을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 대한 실질적인 사항은, 수집 용기들/응축기 챔버들 사이에서 온도 차이가 형성되고 이 온도 차이는 다시 압력 차이를 야기하며, 압력 차이는 특히 중력에 대항하여서도 증발기 챔버 내로 액상 냉각제의 송출을 허용하고, 이와 동시에 증발된 냉각 유체가 더 저온인 응축기 챔버 내로 흡입되게끔 하는 것에 있다. 여기서 상기 온도 차이를 구체적으로 어떻게 달성할 수 있는지의 방법에 대한 다양한 변형예를 생각해볼 수 있다.
따라서, 예컨대, 제1 응축기 챔버와 연결되는 제1 수집 용기 내에서 온도가 상승되고, 수집 용기 내 압력도 상승되며, 제1 수집 용기와 증발기 챔버 사이의 제1 연결 라인 내 액상 냉각 유체는 온도 상승 및/또는 가스 팽창에 의해 증발기 챔버 내로 이동되며, 동시에 제2 응축기 챔버와 연결된 하나 이상의 제2 수집 용기 내에서는 온도가 일정하게 유지되거나 감소되며, 특히 제1 수집 용기 내에서보다 더 낮은 온도가 설정되며, 그럼으로써 기상 냉각 유체는, 제1 수집 용기 내 온도 상승에 의해서, 그리고/또는 제2 수집 용기 내 온도 감소에 의해서, 증발기 챔버와 제2 수집 용기 사이의 제2 연결 라인을 통해 증발기 챔버로부터 제2 응축기 챔버 내로 이동될 수 있다. 여기서 압력 차이는 제1 수집 용기 내 온도 상승에 의해 형성되거나 증폭되므로, 그에 따라 증발기 챔버 내 압력과 비교해서도 제1 수집 용기 내에 존재하는 초과 압력에 의해서 액상 냉각 유체는 증발기 챔버 내로 가압된다. 온도 상승은 간단하면서도 빠르게 실현되며, 그럼으로써 높은 압력 차이가 생성될 수 있고 액상 냉각 유체는 중력에 대항하여 수 센티미터에서부터 수 미터까지 범위의 높은 높이 차이를 넘어 연결 라인 내에서 이동될 수 있다.
그러나 제1 및 제2 수집 용기 모두에서 온도가 상승되지만, 일측 수집 용기 내 온도 상승은 타측 수집 용기 내 온도 상승보다 더 적으며, 그럼으로써 종국에는 냉각 유체를 송출시킬 만큼 충분한 압력 차이가 설정되게 하는 것을 통해 온도 차이를 생성하는 점도 생각해볼 수 있다. 이런 경우 2개의 가열 수단이 작동된다.
그러나 종국에는, 온도 차이와 이에 수반되는 압력 차이를 달성하기 위해, 예컨대 낮은 출력 조건에서 가열 수단을 작동시킴으로써 일측 수집 용기 내 온도는 일정하게 유지하고, 타측 수집 용기 내에서는 가열 수단이 비활성화되어 그에 상응하게 온도가 하강될 수 있는 등의 모든 변형예를 생각해볼 수도 있다.
또한, 이런 관점에서 주지할 사항은, 제1 및/또는 제2 수집 용기가 복수 개인 경우, 원하는 냉각 유체 흐름이 형성되는 점에 한해서, 다양한 온도 차이가 형성될 수 있다는 점이다. 예를 들면, 이미 본 발명에 따른 냉각 장치와 관련하여 설명했듯이, 본 발명에 따른 냉각 장치의 실시예들은 자명한 사실로서 본 발명에 따른 방법에 유사하게 적용될 수 있으며, 콜드 헤드와 열적 결합된 제3 응축기 챔버와 연결되어 있는 하나 이상의 제3 수집 용기 내에서 마찬가지로 온도가 일정하게 유지되거나 감소되는 점도 생각해볼 수 있다.
또한, 여기서 본 발명에 따른 방법에서도, 여러 응축기 챔버가 결합되어 있는 단일의 콜드 헤드만을 이용할 수 있다. 이는 수집 용기들 내 가열 수단들이 작동 개시하여 서로 독립적으로 조절될 수 있게 된 후에 가능해지며, 그럼으로써 독립된 콜드 헤드들을 통한 독립적인 온도 조절은 더 이상 요구되지 않게 된다. 그러나 여기서, 응축기 챔버들과 콜드 헤드 사이의 경로 상에서 이용되는 시간 척도(time scale)에서 손실을 당할 필요가 없도록 하기 위해, 응축기 챔버들과 콜드 헤드 사이에 소정의 열적 저항체(열 저항체)가 제공되어야만 한다.
또한, 종국에 본 발명에 따른 방법은, 증발기 챔버 내로 냉각 유체의 거의 연속적인 공급을 위해, 온도 차이와 이에 수반되는 압력 차이가 교대로, 특히 번갈아 형성되며, 그럼으로써 지금까지 더 저온인 응축기 챔버들 내에서 재응축된 냉각 유체가 종국에 다시 반송될 수 있게 된다는 점을 기반으로 한다. 따라서 지금까지 설명한 단계들에 시간상 직접 또는 간접적으로 후속하여, 더 고온인 하나 이상의 수집 용기 내에서는 온도가 감소하거나 일정하게 유지될 수 있고, 더 저온인 하나 이상의 수집 용기에서는 온도가 상승되거나 일정하게 유지될 수 있다. 수집 용기가 2개인 경우 예컨대 온도 차이가 곧바로 반전되며, 이런 과정은 임의로 자주 반복될 수 있다. 따라서 본원의 방법은 액상 냉각 유체를 증발기 챔버 내로 펌핑하는 연속 프로세스 또는 펄스식 프로세스로서 실행될 수 있다.
특히 바람직하게는 냉각 유체의 이동은 수집 용기들과 증발기 챔버 내 압력 차이 및/또는 온도 차이를 통해 폐회로 제어 또는 개회로 제어식으로만 이루어질 수 있고, 특히 냉각 유체 이동을 통한 압력 보상 시에, 그리고/또는 특히 중력에 대항하여 이루어질 수 있다. 그리고 또한 중력에 대항하여 연결 라인 내 액상 냉각 유체를 증발기 챔버 내로 이동시키기 위해 밸브나 기계식 펌프는 더 이상 이용하지 않아도 된다. 따라서 극저온 온도 조건에서 기계식 부재들에서의 문제는 방지되고 유지보수 비용 및 운영 비용은 절감된다.
또한, 증발기 챔버 내에서 냉각 유체는 액상 상태로부터 기상 상태로 전환되면서, 초전도 기계의 로터의 회전하는 초전도 권선을 냉각시킬 수 있으며, 초전도 권선은 특히 고온 초전도체를 포함하고, 그리고/또는 증발기 챔버는 로터 내부에 특히 로터의 회전 축을 따라 원통형 중공 챔버로서 회전 가능하게 배치된다. 또한, 여기서 하나의 콜드 헤드와 각각 자체 수집 용기를 포함하는 2개 이상의 응축기 챔버뿐 아니라, 특히 연결 라인들을 둘러싸는 전체 튜브에 의해 둘러싸이는 2개 이상의 연결 라인은 고정 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에 따라, 각각의 수집 용기 내 온도는 특히 각각의 수집 용기의 바닥부에서 측정되고, 가열 수단들의 제어는 측정된 온도에 따라 이루어질 수 있다. 이미 본 발명에 따른 장치와 관련하여 설명한 것처럼, 액상 냉각 유체가 수집 용기로부터 가압되었다면, 용기 바닥부에서의 온도는 빠르게 상승한다. 이는 적합한 센서들을 통해 측정될 수 있고 특히 가열 수단들의 활성화 지속 시간의 제어를 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 개선 실시예에 따라, 수집 용기 내 온도의 상승을 위해 가열 수단은 콜드 헤드 출력의 80% 내지 120%, 특히 콜드 헤드 출력의 95% 내지 105%에 상응하는 출력으로 작동될 수 있다. 콜드 헤드 출력의 범위 내에 놓이는 가열 출력에 의해, 액상 냉각 매체는 비교적 짧은 시간 이내에 증발기 챔버 내로 가압되므로, 응축기 챔버 내에서 가열된 수집 용기에서는 가열 수단에 의해 증발된 냉각 유체가 더 긴 시간에 걸쳐 응축되고 그에 따라 가용한 냉각 용량이 너무 많이 억제되는 점은 방지되게 된다.
또한, 효율의 최적화를 위해, 콜드 헤드와 응축기 챔버들 사이에 제공되는 열 저항체와, 가열 수단들의 가열 출력은 서로에 대해 조정될 수 있다. 이미 본 발명에 따른 장치와 관련하여 설명한 것처럼, 열 저항과 가열 출력은, 최적의 효율을 고려하여, 다시 말해 본 발명에 따른 방법의 최적의 효율성을 고려하여 선택될 수 있는 변수를 나타낸다. 예컨대 적합한 값들은 최적화 방법의 범주에서 결정될 수 있으며, 그럼으로써 종국에는 가열 출력 및/또는 열 저항체가 정의된 바대로 선택될 수 있게 된다.
본 발명의 추가의 바람직한 장점들과 상세 내용은 다음에서 설명되는 실시예들로부터, 그리고 도면에 따라 제시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉각 장치를 구비한 초전도 기계의 개략적 단면도.
도 2는 본 발명에 상응하는 장치를 단순화하여 도시한 개략도.
도면들에서 대응하는 부재들은 동일한 도면 부호로 표시되어 있다.
도면들에 상응하는 기계들은 각각 스테이터와 로터뿐 아니라 할당된 냉각 유닛을 포함한다. 다음에서 명시되는 기계의 실시예는 특히 동기 모터 및/또는 제너레이터일 수 있다. 기계는 기본적으로 금속 LTS 재료(저온-Tc-초전도 재료) 또는 산화물 HTS 재료(고온-Tc-초전도 재료)를 이용하는 회전하는 초전도 권선을 포함한다. 상기 산화물 HTS 재료가 다음에 설명되는 실시예들의 기초가 된다. 권선은 2극, 4극 또는 기타 다극 배치 구조의 코일 시스템 또는 코일로 구성될 수 있다. 대응하는 동기 모터의 기본적인 구성은 종래 기술로부터 공지된 것처럼 도 1로부터 알 수 있다.
도면 부호 2로 표시된 기계는, 고정자 권선(4)을 구비하며 실온에 위치하는 고정형 외부 하우징(3)을 포함한다. 외부 하우징(3) 내부에서 고정자 권선(4)으로 둘러싸이는 상태로 로터(5)가 회전 축(A)을 중심으로 회전 가능하게 베어링들(6)에 지지된다. 상기 베어링들(6)은 종래의 기계식 베어링이거나 자석 베어링일 수 있다. 또한, 로터는 진공 용기(7)를 포함하고, 이 진공 용기 내부에서는 예컨대 토크를 전달하는 중공 원통형 서스펜션 부재들(8)에 HTS 권선(10)을 포함하는 권선 지지부(9)가 유지된다. 상기 권선 지지부(9) 내에는 회전 축(A)에 대해 동심으로, 축 방향으로 연장되고 예컨대 원통형 형태를 갖는 중앙 중공 챔버(12)가 제공된다. 여기서 권선 지지부(9)는 상기 중공 챔버(12)에 대해 진공 밀봉 방식으로 형성된다. 권선 지지부는 로터(5)의 일측 측면에서 상기 중공 챔버를 밀폐하고, 로터는 상기 측면에서 강고한 축 방향 로터 샤프트 부재(5a)에 의해 지지된다. 맞은편 측면에서는 중앙 중공 챔버(12)가 비교적 더 작은 지름을 갖는 측면 중공 챔버(13)에 연결된다. 상기 측면 중공 챔버(13)는 권선 지지부(9)의 영역으로부터 출발하여 바깥쪽을 향해 외부 하우징(3)의 영역 외부로 이어진다. 상기 측면 중공 챔버(13)를 둘러싸면서 베어링들(6) 중 하나의 베어링에 지지되는 튜브형 로터 샤프트 부재는 5b로 표시되어 있다.
열 전도 부재들을 통해 HTS 권선(10)을 간접적으로 냉각하기 위해 냉각 유닛이 제공되며, 도면에는 이 냉각 유닛 중 콜드 헤드(16)만이 도시되어 있다. 상기 냉각 유닛은 지포드 맥마혼 타입의 극저온 냉각기일 수 있거나 특히 예컨대 펄스 튜브 냉각기 또는 분할형 스털링 냉각기(split-stirling cooler)와 같은 재생형 극저온 냉각기일 수 있다. 여기서 콜드 헤드(16)와, 그에 따라 냉각 유닛의 모든 실질적인 추가 부재들은 로터(5) 또는 이 로터의 외부 하우징(3)의 외부에 위치한다.
로터(5)로부터 측면으로 예컨대 수 미터 이격 배치되는 콜드 헤드(16)의 저온부(cold part)는, 진공 용기(23) 내에서 열 전달 몸체(17)를 통해서, 응축기 챔버(18)를 포함하는 냉각제 응축 유닛과 양호하게 열적 접촉하고 있다. 상기 응축기 챔버에는 진공 절연되고 위치 고정된 히트 파이프(20)가 연결되며, 히트 파이프는 축 방향 영역에서 측면으로, 함께 회전하는 측면 중공 챔버(13) 또는 중앙 중공 챔버(12) 안쪽으로 돌출된다. 측면 중공 챔버(13)에 대해 히트 파이프(20)를 밀봉하기 위해, 도면에는 상세하게 도시되어 있지 않은 하나 이상의 실링 부재를 포함하는 실링 장치(21)가 이용되며, 실링 부재는 자성 유체 실링(ferro-fluid sealing) 및/또는 래버린스 실링(labyrinth sealing) 및/또는 분할 실링(split sealing)으로서 형성될 수 있다. 히트 파이프(20)와 측면 중공 챔버(13)를 통해서는 중앙 중공 챔버(12)가 바깥쪽을 향해 기밀하게 응축기 챔버(18)의 열 교환 영역과 연결된다. 중앙 중공 챔버(12)와 응축기 챔버(18) 사이에서 연장되고 냉각제를 수용하는 역할을 하는 튜브형 부재들은 일반적으로 라인 부재(22)로서 지칭된다. 상기 라인 부재들(22)은 응축기 챔버(18) 및 중앙 중공 챔버(12)와 함께 라인 시스템으로서 고려된다.
상기 라인 시스템의 챔버들은 HTS 권선(10)의 각각 목표하는 작동 온도에 따라 선택되는 냉각제로 충전된다. 따라서 예컨대 헬륨(정상 압력 조건에서 응축 온도 4.2K), 수소(정상 압력 조건에서 응축 온도 20.4K), 네온(정상 압력 조건에서 응축 온도 27.1K), 질소(정상 압력 조건에서 응축 온도 77.4K) 또는 아르곤(정상 압력 조건에서 응축 온도 87.3K)이 고려된다. 또한, 상기 가스들로 이루어진 혼합물이 제공될 수 있다. 여기서 냉각제의 순환은 이른바 열 사이펀 효과를 이용하는 조건에서 이루어진다. 이를 위해 응축기 챔버(18)의 영역 내 콜드 헤드(16)의 저온면(cold surface)에서 냉각제가 응축된다. 이어서 이처럼 액화되고 k로 표시되어 있는 냉각제가 라인 부재들(22)을 통해 중앙 중공 챔버(12) 내로 흐른다. 이때 응축액의 운반은 중력의 영향이 미치는 조건에서 이루어진다. 이를 위해 바람직하게는, 파이프(20)의 개방 단부(20a)로부터 액상 냉각제(k)의 유출을 보조할 수 있도록 하기 위해, 히트 파이프(20)는 극미하게 (수°만큼) 회전 축(A)에 대해 지구 중심의 방향으로 기울어질 수 있다. 그런 다음 로터(5)의 내부에서는 액상 냉각제(k)가 증발된다. 증기 형태의 냉각제는 k'로 표시되어 있다. 그런 다음 열을 흡수하면서 증발된 상기 냉각제(k')는 라인 부재들(22)의 내부를 통해 흘러 다시 응축기 챔버(18) 내로 유입된다. 이 경우 역류는 증발기로서 작용하는 중공 챔버(12) 내의 약간의 초과 압력에 의해 응축기 챔버(18) 쪽으로 개시되며, 상기 약간의 초과 압력은 증발기 내 가스의 발생과 응축기 챔버(18) 내 액화에 의해 야기된다. 응축기 챔버(18)로부터 중앙 중공 챔버(12) 내로 이루어진 액화된 냉각제(k)의 순환과, 상기 중공 챔버(12)로부터 다시 응축기 챔버(18)로 향하는 증발된 냉각제(k')의 역류는 응축기 챔버(18), 라인 부재들(22) 및 중공 챔버(12)로 형성되는 튜브형 라인 시스템 내에서 이루어지기 때문에, 열 사이펀 효과를 이용하는 조건에서 냉각제(k, k')의 순환이 이루어지는 단일 튜브 시스템이라고 말할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 것처럼, 선박이나 근해 시설에서 기계(2)를 이용하는 경우, 회전 축(A)이 수평선(H)에 대해 수°의 각도(δ)만큼 경사져 있는 불균형이 발생할 수 있다. 이런 경우 비록 언제나 냉각제의 응축이 응축기 챔버(18)에서 이루어지긴 하지만, 냉각제는 더 이상 중앙 중공 챔버(12)에 도달하지 못하며, 그럼으로써 라인 부재들(20, 22)이 점차로 액상 냉각제(k)로 가득 충전된다. 라인 시스템에서 냉각제(k, k')의 충전량이 비교적 적은 경우라면, 회전자 내부 챔버 또는 중공 챔버(12)가 건조한 상태로 작동할 수 있고, 그에 따라 더 이상 냉각되지 않게 된다. 라인 시스템의 충전량이 더 많은 경우에도, 라인 부재들(20, 22) 내에서 증발기 챔버(12)로 향하는 액상 냉각제(k)의 흐름은 소정의 시간 후 차단된다. 이런 경우 마찬가지로 로터(5)와 이 로터의 초전도 권선(10) 각각의 확실한 냉각은 더 이상 보장되지 않는다.
그러므로 종래 기술에 따라, 상기 상태에서 응축기 측에서의 가스 압력은, 가스 압력 상승에 의해 냉각제 액체가 [경사각(δ)이 존재하는 경우] 중력에 대항하여 라인 부재들(20, 22)로부터 중앙 중공 챔버(12) 내로 가압될 정도로, 짧은 시간 동안 상승할 수 있다. 상기 압력 상승은 종래 기술에 따라서 고온의 완충 체적(PVw)과 기계식 펌프(28)에 의해 이루어진다. 상기 수단에 의해 응축기 챔버(18) 내 가스 압력이 일시적으로 상승될 수 있으며, 그럼으로써 응축기 챔버와 라인 부재들(20) 내에 위치하는 액상 냉각제(k)는 중앙 중공 챔버(12) 내로 가압된다. 그러므로 초과 압력 상태에 있는 완충 체적(PVw)과 응축기 챔버(18) 사이의 연결 라인(24) 내에는 펌프(28)로 향하는 연결부를 개방하는 제어 밸브(29)가 배치되며, 그에 따라 펌프는 가스(k')를 완충 체적으로부터 응축기 챔버 내로 송출한다. 밸브(30)는 응축기 챔버(18)로부터 과량의 가스의 회수를 허용한다.
상기와 같이 야기되는 압력 진동(pressure oscillation)은 영구적으로, 다시 말하면 반복되는 짧은 시간 간격으로 (각각 짧은 주기 시간 동안) 이루어질 수 있거나, 또는 공지된 구조의 위치 센서(26)를 통해 제어 유닛(27)에 의해 제어될 수 있다. 상기 위치 센서는 기계(2)의 경사각(δ)을 갖는 불균형을 검출하고, 그에 따라 제어 유닛(27)을 통해 앞서 설명한 압력 체적(가스 펄스)의 도입을 야기한다.
도 1에서는 예컨대 시스템이 연결 라인(24)을 통해 기상 냉각제로 충전되게 하는 충전 밸브와 같은, 가스를 공급하고 배출하기 위한 추가 부재들의 도시는 제외되었는데, 그 이유는 상기 부재들은 일반적으로 공지되어 있기 때문이다. 다만 시스템 내에 허용되지 않은 초과 압력이 있을 경우 반응하는 초과 압력 밸브(31)만이 도시되어 있다.
자명한 사실로서 냉각제(k 또는 k')를 둘러싸는 부재들 또는 용기들은 열 도입으로부터 보호되어야만 한다. 그러므로 상기 부재들 또는 용기들의 열적 절연을 위해 바람직하게는 진공 환경이 제공되며, 경우에 따라 대응하는 진공 챔버들 내에 예컨대 초절연체 또는 절연 폼(isolation foam)과 같은 절연 수단이 추가로 제공될 수 있다. 도 1에는 진공 용기(7)에 의해 내포되는 진공부가 V로 표시되어 있다. 그 외에도 진공 용기는, 측면 중공 챔버(13)를 둘러싸면서 실링(21)에까지 연장되는 파이프를 둘러싼다. 히트 파이프(20)뿐 아니라 응축기 챔버(18)와 열 전달 몸체(17)를 둘러싸는 진공부는 V'로 표시되어 있다. 또한, 경우에 따라 로터(5)를 둘러싸면서 외부 하우징(3)에 의해 둘러싸인 내부 챔버(32)에서는 부압(underpressure)이 생성될 수도 있다.
기계식 펌프(28)와 밸브들(29, 30, 31)의 시스템에서 단점은, 편의상 미도시한 극저온 영역 내 부재들의 배치 구조의 경우 극저온 온도 조건에서 상기 부재들이 매우 쉽게 고장 날 수 있고 상기 온도에 부합하는 이동식 부재들의 설계가 복잡하고 비용 집약적이라는 점에 있다. 바로 선박에서의 이용을 고려할 경우, 그러나 또 다른 기계 타입의 이용 시에도, 오랜 시간에 걸쳐 유지보수가 필요 없는 작동이 필요하다. 그러므로 기계식으로 이동되는 부재들은 최소 한도로 줄어드는데, 그 이유는 상기 부재들이 일반적으로 쉽게 고장 날 수 있기 때문이다.
본 발명에 따라서는 도 2에 도시된 것처럼 앞서 설명한 기계(2)에 새로운 유형의 냉각 원리가 이용된다. 이 경우 펌프(28)와 밸브(29, 30, 31) 같은 부재들은 생략될 수 있으며, 그 외 기계의 모든 추가 부재들은 다음에서 별도로 언급하지 않는 한 도 1에서 설명한 기계의 부재들과 유사하다.
하나의 응축기 챔버(18)를 포함하는, 도 1에 도시된 장치와 달리, 초전도 기계(2)의 냉각을 위한 도 2에 도시된 본 발명에 따른 장치(1)의 실시예는 제1 및 제2 응축기 챔버(18, 18')를 포함하며, 이들 응축기 챔버는 각각 열 저항체(33, 33')를 통해 (단일의) 콜드 헤드(16)에 결합된다. 또한, 대체되는 실시예에 따라, 3개 이상의 응축기 챔버(18)가 제공될 수도 있으며, 이는 편의상 도면들에 도시되어 있지 않다. 각각의 응축기 챔버(18, 18')에는 액상 냉각 유체(k)를 위한 수집 용기(34, 34')가 할당된다. 다시, 수집 용기들(34, 34')은 히트 파이프로서 형성된 연결 라인(20, 20')을 통해 도 1에는 중앙 중공 챔버(12)로서 제공된 증발기 챔버(12)와 유체 연결된다. 연결 라인들(20, 20')의 수집 용기 측 개구부는 수집 용기들(34, 34')의 바닥부에 배치된다. 확인할 수 있는 점으로서 연결 라인들(20, 20')은 측지학적 측면에서 더 높게 위치하는 증발기 챔버(12) 내로 액상 냉각 유체(k)를 위쪽으로 송출하도록 형성된다.
해당 연결 라인들(20, 20') 및 증발기 챔버(12)와 함께 응축기 챔버들(18, 18')은 폐쇄된 시스템을, 다시 말하면 바깥쪽을 향해 유체가 유출되지 않는 기밀한 내부 챔버를 형성한다. 내부 챔버는 액상(k) 및/또는 기상(k') 응집 상태로, 다시 말하면 액상 냉각 유체(k) 및/또는 기상 냉각 유체(k')로서 존재하는 냉각 유체(k, k')(냉각제)로 충전된다.
수집 용기들(34, 34')의 바닥부에는 본 실시예의 경우 전기 가열부로서 형성되는 가열 수단(35, 35')이 배치되며, 이 가열 수단을 통해서는, 일측 수집 용기(34, 34') 내 위치하는 액상 냉각 유체(k)의 일부분이 증발될 수 있음으로써 해당 수집 용기(34, 34') 내 압력(p1, p2)이 상승하는 방식으로, 수집 용기들(34, 34') 내 온도(T1, T2)가 수집 용기들(34, 34')에 대해 서로 독립적으로 상승할 수 있다.
앞서 이미 도 1에서 설명한 것처럼 로터(5)의 초전도 권선(10)이 극저온 온도(Tk)로, 또는 그 미만으로 냉각되는 기계(2)의 작동 시에, 증발기 챔버(12)는 부분적으로 액상 냉각 유체(k)로 충전된다. 냉각 유체(k)는 증발되고 그럼으로써 로터(5)로부터 열량을 방출하거나 로터(5)의 초전도 권선(10)을 냉각한다. 도 2에는 제1 시점에 초전도 기계(2)를 냉각하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)가 도시되어 있다. 이와 같은 시점에서 증발된 기상 냉각 유체(k')는 증발기 챔버(12)로부터 연결 라인(20')을 통해 응축기 챔버(18') 내로 안내된다. 수집 용기(34')와 응축기 챔버(18') 내에서 온도(T2)는 냉각 유체(k)의 응축 온도 미만으로 존재하며, 이는 콜드 헤드(16)에 의해 달성되므로, 기상 냉각 유체(k')로부터 열량이 제거되고 상기 기상 냉각 유체는 액상 냉각 유체(k)로 응축된다. 액상 냉각 유체(k)는 수집 용기(34') 내에서 수집된다.
제1 수집 용기(34) 내에서 온도(T1)는 가열 수단(35)의 작동에 의해 냉각 유체(k)의 응축 온도를 초과하는 온도로 상승한다. 이 경우 제1 수집 용기(34) 내에서는 액상 냉각 유체(k)가 증발되고, 그리고/또는 기상 냉각 유체(k')가 팽창되며, 그럼으로써 제1 수집 용기(34) 내 압력(p1)은 증발기 챔버(12) 내 압력(pv) 및 응축기 챔버(18') 내 압력(p2)보다 더 높은 값으로 상승된다. 달리 말하면 압력 차이를 수반하는 온도 차이가 생성된다. 그럼으로써 수집 용기(34) 내에 위치하는 액상 냉각 유체(k)는 연결 라인(20)을 통해서 증발기 챔버(12) 내로 가압되는데, 더 정확하게 말하면 압력이 냉각 유체(k)의 중량보다 더 높으면 중력의 작용에 대항하여 상기 증발기 챔버 내로 가압된다.
여기서 주지할 사항은, 추가로 응축기 챔버(18') 내에서 냉각 및 응축 시에 기상 냉각 유체(k')의 체적 감소에 의해 발생하는 응축기 챔버(18') 내 부압(p2)에 의해 기재한 효과가 추가로 강화된다는 점이다. 상기 부압은 증발기 챔버(12)로부터 연결 라인(20') 내로 기상 냉각 유체(k')를 흡입하고 그에 따라 증발기 챔버(12) 내 압력(pv)을 감소시킨다. 그럼으로써 제1 응축기 챔버(18)와 증발기 챔버(12) 사이의 압력 차이[Δp = (p1 - pv)]는 증폭되고, 압력 보상에 추가로 액상 냉각 유체(k)는 연결 라인(20)으로부터 증발기 챔버(12) 내로 이동된다.
앞서 기재한 프로세스는, 액상 냉각 유체(k)가 수집 용기(34)로부터 완전하게, 또는 적어도 거의 완전하게 증발기 챔버(12) 내로 이동되었다면 종료된다. 연속적인 냉각 또는, 증발기 챔버 내로 액상 냉각 유체(k)의 연속적인, 거의 연속적인, 또는 펄스식 냉각 유체 흐름을 보장하기 위해, 응축기 챔버들(18, 18') 내에서 온도(T1, T2)의 교환은 가열 수단들(35, 35')의 작동과 콜드 헤드(16)의 작용을 통해 적시에 이루어질 수 있다. 여기서 응축기 챔버(18)는 콜드 헤드(16)를 통해 냉각 유체의 응축 온도 미만의 온도로 냉각될 수 있으며, 가열 수단(35)은 비활성화된다. 동시에 응축기 챔버(18')는 가열 수단(35')을 통해 냉각 유체(k)의 응축 온도를 초과하는 온도로 가열될 수 있다. 이로써, 상기 단락에서 기재한 제2 시점에 응축기 챔버(18')는 제1 시점의 응축기 챔버(18)처럼 작용하고, 제2 시점에 응축기 챔버(18)는 제1 시점의 응축기 챔버(18')처럼 작용한다. 응축기 챔버(18') 내에서는 온도 상승에 의해 초과 압력이 형성되고 액상 냉각 유체(k)는 연결 라인(20')으로부터 증발기 챔버(12) 내로 이동된다. 이러한 상황은, 응축기 챔버들(18, 18') 사이의 역할(온도, 압력 및 유체 흐름)이 서로 바뀌었을 뿐, 도 2에 도시된 상황과 유사하기 때문에, 제2 시점의 상황 또는 프로세스는 편의상 도면들에 도시하지 않았다.
여기서 주지할 사항은, 3개 이상의 응축기 챔버 및 수집 용기를 포함하는 구성의 경우, 추가의 시점에 추가의 수집 용기가 제1 시점의 수집 용기(34)의 역할을 수행할 수 있다는 점이다. 그러나 본 실시예에서는 제3 시점에 제1 시점의 상태가 다시 형성되므로, 고정된 시간 주기 후에, 또는 상이한 시간 후에 수집 용기들(34, 34') 및 응축기 챔버들(18, 18')의 작용의 규칙적인 교환을 통해, 초전도 기계(2)의 냉각을 위한 장치(1)의 연속적인, 거의 연속적인, 또는 펄스식 작동이 보장될 수 있게 된다.
여기서 가열 수단들(35)의 제어를 위해 본 실시예의 경우, 수집 용기들(34, 34')의 바닥부에서의 온도를 측정하는 온도 센서들(37, 37')의 데이터를 바탕으로 가열 수단들(35, 35')을 제어하는 제어 장치(36)가 제공된다. 수집 용기들(34, 34')의 바닥부에서 온도는, 액상 냉각 유체(k')가 완전하게, 또는 거의 완전하게 증발기 챔버(12) 내로 가압되었다면, 심하게 상승한다. 그런 다음 상기 시점에 가열 수단 작동의 전환이 간접 또는 직접적으로 이루어질 수 있다.
상기 실시예에서, 작동 시 가열 수단들(35, 35')의 가열 출력으로서, 실질적으로 콜드 헤드(16)의 출력에 상응하는 가열 출력이 일정하게 이용되며, 그럼으로써 곧바로 가열된 수집 용기(34, 34')는 비교적 빠르게 비워질 수 있게 된다.
마지막으로 주지할 사항은, 또한 항복점을 초과해서 부하를 받는 인듐층으로 구성된 열 저항체들(33, 33')이 본 실시예의 경우 규정된 대로 선택되었다는 점이다. 열 저항체들은 가열 수단들(35, 35')의 가열 출력과 매칭되는 방식으로 최적의 효율이 달성되도록 선택된다. 적합한 값들은 예컨대 시뮬레이션 및/또는 최적화 방법의 범주에서 결정될 수 있다.

Claims (13)

  1. 초전도 기계(2)의 초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치(1)이며,
    상기 냉각 장치(1)는 사전 결정된 열 저항체(33, 33')를 통해 단일의 콜드 헤드(16)에 열적으로 결합되는, 서로 열적으로 분리된 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18')를 포함하고, 상기 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18')는 액상 냉각 유체(k)를 위한 각각 하나의 수집 용기(34, 34')를 통해 각각 하나의 연결 라인(20, 20')과 연결되며, 상기 연결 라인을 통해 상기 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18')가 증발기 챔버(12)와 유체 연결되고, 상기 2개 이상의 수집 용기(34, 34')는, 액상 형태의 냉각 유체(k, k')가 제1 수집 용기(34, 34') 내 제1 압력(p1)과 제2 수집 용기(34', 34) 내 제2 압력(p2) 사이의 압력 차이에 의해 중력에 대항하여 하나 이상의 수집 용기(34, 34')로부터 상기 증발기 챔버(12) 내로 이동할 수 있도록 형성되며, 상기 압력들은 상기 수집 용기들(34, 34') 중 하나 이상의 수집 용기 내에서 주기적으로 작동될 수 있는 가열 수단(35, 35')에 의해 증발된 냉각 유체(k, k') 비율에 의해 각각 결정되는, 초전도 기계의 초전도체 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연결 라인들(20, 20')이 용기 바닥부의 영역에서 각각의 수집 용기(34, 34')에 연결되는 것과, 상기 가열 수단들(35, 35')이 상기 각각의 수집 용기(34, 34')의 바닥면에 결합되는 것 중 하나 이상이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 초전도체 냉각 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 수단들(35, 35')은 상기 콜드 헤드(16)의 출력의 80% 내지 120%에 상응하는 가열 출력으로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 초전도체 냉각 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수집 용기들(34, 34') 내에서 온도를 측정하는 센서들(37, 37')의 측정값들에 따라 상기 가열 수단들(35, 35')을 제어하기 위한 제어 장치(36)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 초전도체 냉각 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열 저항체(33, 33')로서 인듐층과 나사 결합부 중 어느 하나 또는 둘 다가 제공되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 초전도체 냉각 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 따른 초전도 기계의 초전도체 냉각 장치(1)를 이용하여 초전도 기계(2)를 냉각하기 위한 방법이며,
    A) 콜드 헤드(16)에 열적 결합된 응축기 챔버(18, 18')와 연결되는 하나 이상의 제1 수집 용기(34, 34')와 상기 동일한 콜드 헤드(16)에 열적 결합된 제2 응축기 챔버(18', 18)와 연결되는 하나 이상의 제2 수집 용기(34', 34) 사이의 온도 차이가 하나 이상의 가열 수단의 작동에 의해 야기되어, 더 고온인 수집 용기(34, 34') 내에서 냉각 유체(k)가 증발되고 수집 용기(34, 34') 내 압력(p1, p2)이 상승하며, 그럼으로써 더 고온인 수집 용기(34, 34')에 할당된 연결 라인(20, 20') 내 액상 냉각 유체(k)가 더 고온인 수집 용기(34, 34')로부터 증발기 챔버(12) 내로 이동하고, 이와 동시에 기상 냉각 유체(k')는 더 저온인 수집 용기(34', 34)에 할당된 연결 라인(20', 20)을 통해 상기 증발기 챔버(12)로부터 더 저온인 응축기 챔버(18', 18) 내로 이동하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
  7. 제6항에 있어서, 시간상 단계 A)에 직접 또는 간접적으로 후속하여, 더 고온인 하나 이상의 수집 용기(34, 34') 내에서 온도(T1, T2)가 감소하거나 일정하게 유지되며, 더 저온인 하나 이상의 수집 용기(34', 34) 내에서는 온도(T1, T2)가 상승하거나 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 냉각 방법은 액상 냉각 유체(k)를 상기 증발기 챔버(12) 내로 펌핑하는 연속적인 또는 펄스식 프로세스로서 실행되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
  9. 제6항에 있어서, 냉각 유체(k, k')의 이동은 상기 수집 용기들(34, 34') 및 상기 증발기 챔버(12) 내 압력과 온도 차이 중 어느 하나 또는 둘 다를 통해 폐회로 제어 또는 개회로 제어식으로만 이루어지며, 압력 보상 시에는 냉각 유체 이동에 의한 방식과, 중력에 대항하는 방식 중 하나 이상의 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 증발기 챔버(12) 내에서 냉각 유체(k, k')는 액상 상태로부터 기상 상태로 전환되면서, 상기 초전도 기계(2)의 로터(5)의 회전하는 초전도 권선(10)을 냉각하고, 상기 초전도 권선(10)은 고온 초전도체를 포함하거나, 상기 증발기 챔버(12)는 상기 로터(5) 내부에 상기 로터(5)의 회전 축(A)을 따라 원통형 중공 챔버(12)로서 배치되거나, 이 둘 모두가 가능한 것을 특징으로 하는,초전도 기계의 냉각 방법.
  11. 제6항에 있어서, 온도(T1, T2)는 각각의 수집 용기(34, 34') 내에서 측정되고, 상기 가열 수단들(35, 35')의 제어는 측정된 온도에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
  12. 제6항에 있어서, 일측 수집 용기(34, 34') 내에서 온도(T1, T2)의 상승을 위해, 상기 가열 수단(35, 35')은 상기 콜드 헤드(16)의 출력의 80% 내지 120%에 상응하는 출력으로 작동되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
  13. 제6항에 있어서, 효율의 최적화를 위해 콜드 헤드(16)와 응축기 챔버들(18, 18') 사이에 제공되는 열 저항체(33, 33')와 가열 수단들(35, 35')의 가열 출력이 서로에 대해 조정되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기계의 냉각 방법.
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