KR101422231B1 - 고온 연결 부재 및 저온 연결 부재를 구비하고 상기 연결 부재들에 연결되는 열교환 튜브를 구비하는 냉각 설비 - Google Patents

고온 연결 부재 및 저온 연결 부재를 구비하고 상기 연결 부재들에 연결되는 열교환 튜브를 구비하는 냉각 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 연결 부재(101) 및 저온 연결 부재(103) 그리고 상기 연결 부재(101, 103)들 사이에 배치된 열 교환 튜브(105)를 포함하는 냉각 설비(100)에 관한 것이다. 열 교환 튜브(105)는 열사이펀 효과에 의해서 열 교환 튜브(105) 내에서 순환될 수 있는 액체(106)로 적어도 부분적으로 충진된다. 특히 초전도 기술에서 이용되는 장치의 냉각될 부분(102)들이 고온 연결 부재(101)에 연결되고, 히트 싱크(104)가 저온 연결 부재(103)에 연결된다. 연결 부재(101, 103)들을 열적으로 격리시키기 위해서, 열 교환 튜브(105) 내부에 연결된 파이프라인(107)에 의해서 액체(106)가 외부로 펌핑될 수 있다.

Description

고온 연결 부재 및 저온 연결 부재를 구비하고 상기 연결 부재들에 연결되는 열교환 튜브를 구비하는 냉각 설비{REFRIGERATING ARRANGEMENT COMPRISING A HOT CONNECTION ELEMENT AND A COLD CONNECTION ELEMENT AND A HEAT EXCHANGER TUBE CONNECTED TO THE CONNECTION ELEMENTS}
본 발명은 냉각 설비에 관한 것으로서, 상기 냉각 설비가 적어도:
- 장치(device)의 냉각될 부분들에 열적으로 연결되는 하나의 고온(warm) 연결 부재,
- 히트 싱크(heat sink)에 열적으로 연결되는 저온(cold) 연결 부재,
- 제 1 단부가 상기 고온 연결 부재에 연결되고 제 2 단부가 상기 저온 연결 부재에 연결되며, 내부가 열사이펀 효과(thermosiphon effect)를 기초로 순환될 수 있는 유체로 적어도 부분적으로 충진되고, 열 전도성이 낮은 물질로 구성되는, 히트 파이프를 포함한다.
상기와 같은 특징을 가지는 냉각 설비가, 예를 들어, DE 102 11 568 B4에 개시되어 있다.
저온화(cooling) 시스템, 예를 들어 초전도 자석을 위한 저온화 시스템은 소위 배스 쿨링(bath cooling; 수조형 냉각)을 주로 구비한다. 예를 들어, 통상 온 도가 4.2K인 헬륨과 같은 유체 냉매가 이와 같은 배스 쿨링에서 이용될 수 있다. DE 10 2004 060 832 B3에는 NMR 분광계(spectrometer)가 개시되어 있으며, 그러한 분광계의 초전도 자석 코일 시스템이 배스 쿨링을 구비하고 있다. 순환 루트 중에 순환 냉매가 NMR 분광계의 여러 부재들을 커버링(covering)하도록 NMR 분광계의 냉각 설비가 디자인된다. 이와 같은 냉매 순환은 NMR 분광계의 다수의 부재들을 하나의 냉각기에 의해서 다양한 온도 레벨로 냉각하는 것을 가능하게 한다.
그러나, 배스 쿨링을 위해서는 다량의 적절한 냉매가 필요하다. 초전도 자석의 경우에, 예를 들어 임계 자기장 또는 대응하는(corresponding) 초전도 물질에 대한 임계 전류(current)를 초과함으로써, 자석이 초전도 특성을 상실할 수도 있을 것이다. 그와 같은 경우에, 초전도 물질 내에서 단시간에 많은 열이 발생된다. 이렇게 발생되는 열은, 배스 쿨링의 경우에, 크라이요스탯(cryostat) 내의 냉매의 비등(boiling)을 초래한다. 다량으로 발생하는 기체 상태의 냉매는 크라이요스탯내의 압력을 급격하게 상승시킨다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 그리고 동시에 냉매에 대한 비용을 절감하기 위해서, 냉매 배스(냉매 수조) 없이 쿨링 시스템이 디자인된다. 이와 같은 쿨링 시스템은 어떠한 냉매도 필요로 하지 않는다. 이와 같은 경우에, 냉각 파워(power)는 단지 고형-본체(solid body) 열전도에 의해서 냉각되는 영역으로 도입된다. 이와 같은 쿨링 시스템의 경우에, 냉각되는 영역들은 구리로 제조된 소위 고형-본체 크라이요버스(cryobus)에 의해서 예를 들어 냉각 기계(machine)에 연결될 수 있다. 추가적인 선택사항으로서, 냉각될 영역과 냉각 기계를 소량의 냉매가 순환하는 폐쇄형 파이프라인 시스템에 연결한다. 또한, 냉매 배스가 없는 이와 같은 쿨링 시스템의 이점은, 냉각되어야 하는 가변 로드(moving loads)에 매칭시키는 것이 냉매 배스를 가지는 쿨링 시스템 보다 더 용이할 수 있다는 것이다. 그에 따라, 냉매 배스가 없는 쿨링 시스템은, 암 치료를 위한 이온 비임 시술(ion beam therapy)을 이용할 때 사용되는 것과 같은, 소위 갠트리(gantry)에서의 초전도 자석에 특히 적합하다. 통상적으로, 전술한 쿨링 시스템에서의 냉각 파워는 저온 헤드(cold head), 특히 스털링 쿨러(Stirling cooler)를 가지는 냉각 기계에 의해서 제공될 수 있다.
저온 헤드의 제 2 스테이지가 초전도 자석 와인딩(winding)의 홀딩(holding) 구조물에 직접적으로 기계적으로 그리고 열적으로 연결되는 초전도 자석이 예를 들어 US 5,396,206에 개시되어 있다. 전술한 초전도 자석의 경우에, 필요로 하는 냉각 파워는 고형-본체 열전도에 의해서 초전도 자석 와인딩으로 직접적으로 도입된다. 그러나, 예를 들어 유지보수를 목적으로 저온 헤드가 교체되어야 한다면, 초전도 자석을 위한 전술한 쿨링 장치는 중대한 기술적 문제에 봉착하게 된다. 교체 프로세스 동안에, 공기나 기타 기체가 매우 저온인 접촉 표면 상에서, 이러한 경우에는 초전도 와인딩의 홀딩 구조물 상에서 동결될 수 있다. 이러한 지점들에서의 결빙 생성은 다시 사용되는 저온 헤드와 와인딩의 홀딩 구조물 사이의 열악한(poor) 열전도를 초래한다.
매우 저온인 접촉 표면에서 기체가 동결되는 것을 방지하기 위해서, 대략적인 상온까지 그들을 가열할 수 있을 것이다. 일반적으로, 이는, 저온 헤드의 교체 이전에 상온으로 승온되어야 했던 장치의 모든 부품들, 예를 들어 자석의 초전도 와인딩의 모든 부품들을 냉각시켜야 한다는 것을 의미한다. 특히 대형 시스템의 경우에, 이와 같은 가열(warm-up) 단계 및 후속하는 냉각 단계는 상당한 시간을 필요로 한다. 이는, 시스템의 오랜 시간 동안의 중단을 초래한다. 또한, 가열 및 냉각 단계는 에너지 소모를 크게 증대시킬 것이다.
대안적으로, 매우 낮은 온도의 접촉 표면상에서 주변 가스가 동결되는 것은 이러한 접촉 표면 주위의 영역을 가스로 주의깊게 플러딩(flooding)함으로써 방지될 수 있을 것이다. 그러나, 이는 복잡하고 그리고 이러한 목적을 위해서 기화되는 냉매 또는 퍼징 가스의 다량의 소모를 초래한다.
EP 0 696 380 B1은 크라이요젠-프리(cryogen-free; 한제(寒劑)가 없는) 냉각 설비를 가지는 초전도 자석을 개시하고 있다. 개시된 냉각 설비는 초전도 자석에 연결된 구리와 같은 높은 열전도도의 물질로 이루어진 열적인 버스(thermal bus)를 가진다. 열적인 버스는 또한 두 개의 저온 헤드에 연결될 수 있다. 두 개의 저온 헤드는 열적 버스에 대해서 대칭적으로 정렬된다. 그들 각각의 헤드는 양 측부들로부터(from opposite sides) 열적 버스에 대해서 이동될 수 있다. 이러한 방식에서, 저온 헤드들 중 하나 또는 둘 모두가 열적 버스와 열적으로 접촉될 수 있다. 그에 대응하여, 냉각 파워가 저온 헤드들 중 하나 또는 양자에 의해서 열적 버스내로 도입된다.
공지된 설비내의 두개의 저온 헤드들 중 하나를 교체하기 위해서, 열적 버스로부터 뒷쪽으로 기계적으로 이동될 수 있으며, 그 결과로 대응하는 저온 헤드가 유사하게 열적 버스로부터 열적으로 격리된다. 이러한 경우에, 냉각 파워는 하나의 잔류하는 저온 헤드에 의해서만 이용가능하게 될 것이다. 뒷쪽으로 이동된 저온 헤드는 초전도 자석을 가열할 필요 없이 교체될 수 있을 것이다. 그러나, EP 0 696 380 B1에 개시된 냉각 설비에서, 저온 헤드는 그 저온 헤드들이 기계적으로 이동될 수 있도록 반드시 디자인되어야 하며, 그리고 이는 저온에서 사용될 수 있는(compatible) 다수의 부품들 및 대응하는 기계적 시스템을 필요로 하며, 이는 취약한 부분이 될 수 있을 것이다.
JP 2000-146333 A에는 크라이요쿨러(cryocooler)의 유지보수를 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다. 크라이요쿨러 또는 저온 헤드의 교체에 앞서서, 대응하는 물리적으로 동일한 저온 헤드가 액체 질소 수조(bath) 내에서 미리 냉각된다. 물리적으로 동일한 저온 헤드를 미리 냉각함으로써, 저온 연결 부재의 부품들이 교체되어야 하는 대응 부품들의 온도와 유사한(comparable) 온도까지 도달할 수 있게 된다. 이는, 고체 내상의 저온 헤드를 가지는 설비 내의 극저온(cryogenic) 조건이 실질적으로 변화되지 않고 유지될 수 있게 허용한다.
DE 102 11 568 B4에는 열사이펀 효과를 기초로 냉매가 내부에서 순환될 수 있는 파이프라인 시스템에 의해서 장치의 냉각될 부분에 연결된 두 개의 저온 헤드를 가지는 냉각 설비가 개시되어 있다. 파이프라인 시스템은 브랜치(branch; 분지)를 가진다. 각각의 경우에 저온 헤드에 연결되는 냉매 영역이 각 브랜치의 단부에 위치된다. 이러한 냉매 영역들 중 하나로부터 시작하여, 중력에 의해서, 유체 냉매가 장치의 냉각될 부분으로 낙하되고, 그곳에서 열 전달이 발생된다. 기체 상 냉매는 다시 파이프라인 시스템 내에서 두 개의 저온 헤드까지 상승하며, 그 곳에서 다시 액화된다. 이와 같은 냉매 회로는 하나의 저온 헤드만이 작동되는 상황과 양 저온 헤드가 작동되는 상황 모두에서 파이프라인 시스템 내에서 이용될 수 있을 것이다. 하나의 저온 헤드가 장치의 냉각될 부품에 대해서 요구되는 냉각 파워를 제공하도록 냉각 설비가 디자인된다면, 추가적인 저온 헤드가 냉각 설비의 작동 중에 교체될 수 있을 것이다. 열 손실을 최소화하기 위해서, 저온 헤드에 각각 연결되는 냉매 영역과 브랜치 사이의 파이프라인 시스템은 열전도도가 낮은 물질로 제조된다. 이는, 고형-본체 열 전도로부터 초래되는 손실을 제한할 수 있게 만든다. 그러나, 기체상 냉매는 저온 헤드가 위치되지 않는 또는 스위치-오프된(switch-off) 저온 헤드가 위치되는 지점까지 항상 상승할 것이다. 그에 따라, 고형-본체 열 전도로부터 초래되는 손실은 분명하게 제한될 수 있으나, 순환 냉매에 의해서 유발되는 손실은 그렇지 아니하다.
DE 101 04 653 A1은 포트(pot) 형태를 가지고 인터록킹(interlocking; 연동) 방식으로 제 2 금속 본체를 둘러쌀 수 있는 제 1 금속 본체를 포함하는 기계적인 열 스위치를 개시하고 있다. 이를 위해, 상기 제 1 금속 본체는 제 2 금속 본체의 외측 케이싱과 함께 인터록을 형성할 수 있는 자유 단부를 가진다. 제 4 금속 본체가 포트 형태인 제 1 금속 본체 내로 도입되고, 제 3 금속 본체가 포트 형태인 제 1 금속 본체를 외측에서 둘러싼다. 제 4 금속 본체가 가열되었을 때, 그러한 제 4 금속 본체가 팽창하고 제 1 금속 본체의 포트 내측 벽을 가압하여, 제 1 금속 본체의 자유 단부가 이동되게 하고 그에 따라 제 2 금속 본체에 대한 연결이 해제 되게 한다. 이는, 제 1 금속 본체와 제 2 금속 본체 사이의 열적 접촉을 개방(open)할 수 있게 한다. 제 1 금속 본체가 냉각되었을 때, 링 형태이고 제 1 금속 본체를 둘러싸는 제 3 금속 본체가 수축하고 제 1 금속 본체의 자유 단부를 제 2 금속 본체에 대해서 가압한다. 열 스위치가 이러한 방식으로 폐쇄될 수 있다.
본 발명의 목적은 장치 중의 냉각될 부분들이 히트 파이프에 의해서 히트 싱크에 연결되는 냉각 설비를 구체화하는 것으로서, 상기 히트 파이프 내에서 유체가 열사이펀 효과를 기초로 순환될 수 있으며, 이러한 경우에 장치의 냉각될 부분들은 기계적인 분리(disconnect) 없이 히트 싱크로부터 대략적으로 열적으로 분리(largely thermally decoupled)될 수 있을 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항에 구체적으로 기재된 수단들에 의해서 달성된다. 이러한 경우에, 발명은 다음과 같은 개념을 기초로 한다. 즉: 히트 싱크와 장치의 냉각될 부분들 사이의 열 교환은 열사이펀 효과를 기초로 히트 파이프 내에서 순환될 수 있는 유체에 의해서 본질적으로 이루어진다. 장치의 냉각될 부분들로부터 히트 싱크를 열적으로 격리시키기 위해서, 히트 파이프는 내부에 연결된 파이프라인을 통해서 펌핑 배출(pumped out)될 수 있다. 동시에, 히트 파이프는 열전도도가 낮은 물지롤 제조될 것이다. 이러한 수단은 히트 싱크와 장치의 냉각될 부분들 사이의 열적인 연결을 감소시키며, 이때 히트 파이프의 고형-본체 열 전도에 의한 소량의 열적 연결은 예외가 된다. 본 발명에 따라, 냉각 설비는 장치의 냉각될 부분들에 열적으로 연결된 하나 이상의 고온 연결 부재, 그리고 히트 싱크에 열적으로 연결된 저온 연결 부재를 포함한다. 열전도도가 낮은 물질로 제조된 히트 파이프가 제 1 단부에서 고온 연결 부재에 연결되고 제 2 단부에서 저온 연결 부재에 기계적으로 분리가능하게 연결된다. 히트 파이프 내부는 열사이펀 효과를 기초로 순환될 수 있는 유체로 적어도 부분적으로 충진된다. 또한, 냉각 설비는 제 1 단부가 히트 파이프의 내부와 연결되는 파이프라인을 포함하며, 그러한 파이프라인은 파이프라인의 적어도 일부가 측지학적으로(geodetically) 액체 높이 보다 높도록 디자인된다. 본 발명에 따라, 연결 부재들의 열적 격리를 위해서 파이프라인을 통해서 히트 파이프의 외부로 유체를 펌핑할 수 있다.
전술한 특징들을 가지는 냉각 설비의 이점은, 특히, 히트 파이프의 내부로부터 유체가 외부로 펌핑되어 히트 파이프를 통한 열 전달이 상당히 감소된다는 것이다. 이는, 제 2 히트 싱크에 대한 필요성이 없이 그리고 하나 이상의 히트 싱크가 기계적으로 이동될 필요 없이, 장치의 냉각될 부분들이 히트 싱크로부터 대체적으로(largely) 열적으로 분리될 수 있게 허용한다. 저온 연결 부재에 대해 기계적으로 분리가능하게 연결되는 히트 싱크가 냉각 설비로부터 제거된다면, 특히 주변 대기중에 포함된 공기나 다른 가스들 중 적은 정도 만이 저온 연결 부재의 표면 상에서 동결될 정도로 짧은 시간 내에 저온 연결 부재가 가열될 수 있게 된다. 이는, 저온 연결 부재와 히트 싱크 사이의 접촉 표면들 상에서 얼음이 형성되는 것을 대부분 피할 수 있게 한다. 감소된 얼음 형성의 결과로서, 히트 싱크가 다시 삽입될 때의 열적 접촉은 접촉 표면 상에 상당량의 어름이 형성되는 경우 보다 상당히 양호해질 것이다. 또한, 장치의 냉각될 부분들이 위치되는 극저온 영역은 이 영역으로 유입되는 열 유동에 대해서 열적으로 분리됨으로써 보호될 수 있을 것이다. 이러한 방식에서, 장치의 냉각될 부분들은 히트 싱크가 교체되는 경우에도 희망하는 낮은 온도로 유지된다. 전술한 수단은, 하나의 히트 싱크를 이용하는 경우에도 냉각 대상 부분들을 가열할 필요가 없이, 히트 싱크의 교체, 또는 서비스, 또는 일시적인 분리를 가능하게 하는 냉각 설비를 구현할 수 있게 한다. 본 발명에 따른 냉각 설비는 초전도 기술 분야의 장치들에서 특히 적합하다.
본 발명에 따른 냉각 설비의 바람직한 실시예들이 특허청구범위 제1항의 종속항에 기재되어 있다. 이러한 경우에, 제1항에 기재된 실시예는 종속항들 중 하나의 특징들 또는 바람직하게 다수의 종속항들의 특징들과 조합될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명에 따른 냉각 설비는 이하의 특징들을 추가적으로 가질 수 있을 것이다. 즉:
- 장치의 냉각될 부분들이 소개(evacuate; 疎開)될 수 있는 크라이요스탯 내에 정렬될 수 있으며, 파이프라인의 제 2 단부가 상기 크라이요스탯의 외부에 위치될 수 있다. 특히 바람직하게, 장치의 매우 저온인 부분들은 소개될 수 있는 크라이요스탯에 의해서 분위기로부터 열적으로 격리될 수 있다. 이러한 열적 격리는 장치의 매우 저온인 부분들에 대한 특히 효과적인 격리를 나타낸다. 특히, 이러한 장치와 같이 매우 저온인 부분들의 경우에, 저온 연결 부재의 접촉 표면들 상에 얼음이 형성되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 전술한 예시적인 실시예에 따른 냉각 설비의 이용은 특히 매우 저온인 부분들을 가지는 장치에서 특히 유용하다.
- 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지를 가지는 다수 스테이지(multistage) 냉각 기계가 제공될 수 있으며, 그러한 경우에 히트 싱크가 제 2 스테이지에 의해서 형성될 수 있고 제 1 스테이지는 크라이요스탯 내에 정렬된 열 차폐부(heat shield)에 대해서 기계적으로 분리가능하게 연결될 수 있다. 다수 스테이지 냉각 기계는 매우 저온으로 냉각되어야 하는 장치의 부분들에 대해서 특히 적합하다. 열적 격리를 위한 추가적인 수단으로서 열 차폐부를 이용하는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에 따른 냉각 기계의 제 2 스테이지의 장치의 냉각될 부분들에 대한 열적 격리가 특히 바람직한데, 이는, 특히 기계적으로 복잡한 쿨링 시스템의 경우에, 부분들의 이동이 없이 열적 격리를 가능하게 하는 이점을 제공할 수 있기 때문이다.
- 냉각 기계의 적어도 부분들이 소개될 수 있는 유지보수 영역내에서 교체가능하게 장착(fit)될 수 있으며, 상기 유지보수 영역은 소개될 수 있고 또 소개될 수 있는 크라이요스탯으로부터 분리된다. 냉각 기계의 교체 프로세스는 추가적인 유지보수 영역의 도움으로 크라이요스탯의 진공을 손상시키지 않고 실시될 수 있으며, 상기 유지보수 영역은 유사하게 소개될 수 있고 그리고 크라이요스탯과 별개로 소개될 수 있다. 이는, 유지보수 프로세스가 특히 용이하고도 효과적으로 실시될 수 있게 한다.
- 유체는 2-상(相) 혼합물 형태가 될 수 있다. 만약, 히트 파이프 내의 유체가 2개의 상이라면, 유체의 순환이 피트 파이프 내에서 이루어질 수 있고, 그에 따라 히트 파이프의 저온 단부에서 기체상 유체가 응축되고 그리고 히트 파이프의 고온 단부에서 액체 유체가 증발된다. 이는, 열 전달을 위해서 상 변태의 잠열을 이용할 수 있게 한다. 그러나, 밀도차를 기초로 하는 자연적인 대류의 결과로서, 단일-상 유체에서도 대응하는 순환이 이루어질 수 있을 것이다.
- 히트 파이프의 대칭 축선에 본질적으로 평행하게 연장하는 축선을 중심으로 냉각 설비가 회전될 수 있다. 히트 파이프는 저온 연결 부재에 연결되는 제 2 영역에서 보다 고온 연결 부재에 연결되는 제 1 영역에서 더 큰 단면을 가질 수 있다. 제 2 영역 내에서 응축된 냉매들이 중력의 영향하에서 어떠한 장애물도 없이 제 1 영역으로 통과할 수 있도록, 제 1 영역 및 제 2 영역을 서로 연결하는 히트 파이프의 이들 부분들이 디자인될 수 있을 것이다. 전술한 특징들을 가지는 냉각 설비는 이동 부분들의 경우에 특히 유리하게 이용될 수 있을 것이며, 이러한 경우에 상기 이동 부분들은 회전될 수 있고 그리고 장치의 냉각될 부분들이 될 수 있을 것이다. 히트 파이프의 구체적인 구성은, 냉각 기계와 장치의 냉각될 부분들 사이의 열적 접촉이 언제든지, 심지어는 장치의 냉각될 부분들의 회전 중에도 보장된다는 것을 의미한다.
- 히트 파이프의 대칭 축선에 인접한 단부들에서, 파이프라인이 히트 파이프 및 크라이요스탯의 외부에 연결될 수 있다. 또한, 파이프라인은, 연장 방향을 따라, 상기 축선에 인접한 하나 이상의 중간 영역을 구비할 수 있다. 전술한 바와 같은 파이프라인의 구성은, 장치의 냉각될 부분들이 회전될 때, 냉매가 파이프라인을 통해서 크라이요스탯의 외부에 장착되는 파이프라인의 고온 단부로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이는, 크라이요스탯 외부에 장착된 파이프라인의 단부와 히트 파이프 내에 위치되는 매우 저온인 영역 사이의 파이프라인 내에서 냉매가 순환되는 것을 방지한다. 전술한 바와 같은 파이프라인의 구성은, 전술한 바와 같은 냉매의 순환으로부터 초래되는 열 손실이 특히 바람직한 방식으로 방지될 수 있게 한다.
- 파이프라인의 중간 영역은 축선(A) 방향의 V-형상 프로파일을 가질 수 있다. V-형상으로 벤딩된 파이프라인은 특히 단순하고 효과적인 파이프라인의 실시예를 나타낸다.
- 히트 파이프는 본질적으로 원뿔대(truncated cone) 형태로 디자인될 수 있다. 원뿔대 형태의 히트 파이프의 실시예는 특히 단순하고, 저비용의 그리고 효과적인 히트 파이프 형태를 구현할 수 있게 한다.
- 냉각 설비는 적어도 이하의 특징들을 가지는 부가적인 쿨링 시스템을 포함할 수 있다. 즉: 저온 연결 부재에 연결된 냉매 영역; 공급 라인으로서, 상기 공급 라인을 통해서 상기 냉매 영역이 크라이요스탯 외부의 측지학적으로 높은 지점으로부터 제 2 냉매로 충진될 수 있는, 공급 라인; 넓은 영역에 걸쳐 장치의 냉각될 부분들에 열적으로 연결되고 그리고 열사이펀 효과에 의해서 제 2 냉매가 내부에서 순환될 수 있는 파이프라인 시스템; 오프-가스(off-gas) 라인으로서, 상기 오프-가스 라인을 통해서 기체상의 제 2 냉매가 상기 파이프라인 시스템으로부터 배출될 수 있는, 오프-가스 라인을 포함한다. 전술한 바와 같은 특징을 가지는 부가적인 쿨링 시스템은, 특히 큰 질량이 냉각되어야 하는 경우에, 냉각 단계를 가속화할 수 있다. 냉매 영역이 크라이요스탯 외부의 측지학적으로 높은 지점으로부터 공급 라인을 경유하여 제 2 냉매로 충진되기 때문에, 부가적인 쿨링 파워가 장치의 냉각될 부분들에 대해서 제공된다. 증발되는 제 2 냉매는 오프-가스 라인을 경유하여 파이프라인 시스템으로부터 배출될 수 있다. 이는, 파이프라인 시스템 내에 과압이 형성되는 것을 방지한다. 제 2 냉매는 파이프라인 시스템 내에서 열사이펀 효과를 기초로 순환될 수 있으며, 그에 따라 효과적인 냉각을 보장한다.
- 연결 부재들은 열전도도가 높은 물질, 바람직하게 구리로 이루어진다. 히트 파이프는 구리 보다 열전도도가 낮은 물질, 바람직하게 스테인리스 스틸로 이루어진다. 구리와 같은 높은 열전도도 물질로 이루어진 이와 같은 연결 부재들에 대한 실시예는 히트 싱크에 대한 그리고 장치의 냉각될 부분들에 대한 특히 효과적인 열적 커플링을 달성할 수 있게 한다. 히트 파이프의 열 전도도는 히트 파이프 내에서 순환하는 냉매에 의해서 일차적으로 좌우된다. 만약, 히트 파이프 자체가 스테인리스 스틸과 같이 열전도도가 낮은 물질로 제조된다면, 열전도의 특히 큰 감소가 냉매의 펌핑 배출에 의해서 달성될 수 있을 것이다.
- 장치는 비임 치료를 위한 갠트리 장치일 수 있고, 냉각될 부분들은 입자 비임의 편향(deflection)을 위한 캔드리의 자석일 수 있다. 본 발명에 따른 냉각 설비는 갠트리에 특히 적합한데, 이는 냉각되어야 하는 자석이 갠트리의 회전축을 중심으로 회전되기 때문이다.
본 발명에 따른 냉각 설비 실시예의 추가적인 이점들이 이상에서 설명되지 않은 청구항들에 기재되어 있으며, 이하의 설명과 첨부 도면으로부터 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 냉각 설비의 바람직한 실시예가 첨부 도면에 개략적으로 도시되어 있다.
도면들에서, 대응하는 부분들은 동일한 도면부호로 도시하였다. 구체적으로 설명되지 않은 부분들은 일반적으로 종래 기술에 관한 것이다.
도 1은 냉각 설비를 통한 단면도이다.
도 2는 회전될 수 있는 냉각 설비를 통한 단면도이다.
도 3은 회전될 수 있고 부가적인 쿨링 시스템을 구비하는 냉각 설비를 통한 단면도이다.
도 1은 하나의 예시적인 실시예에 따른 냉각 설비(100)의 개략적인 디자인을 도시한다. 장치의 냉각될 부분(102)이 크라이요스탯(108) 내에 위치된다. 장치의 냉각될 부분(102)은, 예를 들어, 초전도 자석의 자석 와인딩 또는 초전도 기술의 다른 부분일 수 있다. 열적인 격리를 개선하기 위해서, 열 차폐부(112)가 크라이요스탯(108) 내에 장착된다. 장치의 냉각될 부분(102)에 대한 쿨링 파워가 냉각 기계(109), 예를 들어 저온 헤드 또는 스털링 쿨러에 의해서 제공된다. 바람직하게, 저온 헤드가 이용될 수 있으며, 그에 따라 기포드-맥마흔 원리(Gifford McMahon principle)에 따라 작동될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에 따라, 이와 같은 2-스테이지 냉각 기계의 제 1 스테이지(111)가 열 차폐부(112)에 열적으로 연결될 수 있다. 냉각 기계(109)의 제 1 스테이지(111)와 열 차폐부(112) 사이의 연결은 바람직하게 분리가능하면서도 동시에 부품들 사이의 양호한 열적 접촉을 보장하는 기계식 연결부, 예를 들어 나사식 연결부나 클램핑 연결부일 수 있다. 냉 각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)는 냉각 설비(100)의 실제 히트 싱크(104)를 나타낸다. 냉각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)는 저온 연결 부재(103)에 열적으로 연결된다. 바람직하게, 대응 연결부는 나사식 연결부가 될 수 있을 것이다. 이는, 냉각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)가 저온 연결 부재(103)에 착탈가능하게 나사식으로 연결된다는 것을 의미한다. 탈부착이 가능하고 동시에 냉각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)와 저온 연결 부재(103) 사이의 양호한 열적 접촉을 보장하는 다른 기계적 연결부도 도 1에 도시된 예시적인 실시예에 적합하게 적용될 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 연결 부재들(101 및 103)은 히트 싱크(104) 또는 장치의 냉각될 부분(102)들 중 하나의 부분일 수 있다. 또한, 그들은 대응 부품들에 통합될 수 있고 또는 영구적으로 그리고 견고하게 대응 부품들에 연결될 수도 있을 것이다.
냉각 기계(109)는 소개될 수 있는 독립적인 유지보수 영역(113) 내에 부분적으로 위치된다. 이러한 유지보수 영역(113)은 크라이요스탯(108)의 소개될 수 있는 다른 영역과 분리된다. 저온 연결 부재(103)는 열전도도가 높고 바람직하게는 히트 파이프(105)에 기계적으로 연결된다. 반대쪽에서, 히트 파이프(105)는 고온 연결 부재(101)에 연결된다. 유사하게, 이러한 연결은 높은 열 전도도를 제공하도록 디자인되고 그리고 바람직하게는 기계적 연결부가 될 수 있을 것이다. 고온 연결 부재(101)는 다시 높은 열전도 방식으로 장치의 냉각될 부분(102)으로 연결된다. 히트 파이프(105) 내에서 열사이펀 효과를 기초로 하여 순환될 수 있는 유체(106)가 히트 파이프(105) 내에 위치된다. 그러나, 히트 파이프(105) 장체는 열 전도도가 낮은 물질로 구성된다.
만약, 히트 파이프(105)가 유체로 완전히 충진된다면, 온도로 인해서, 히트 파이프(105)의 아래쪽의 고온 영역 보다 히트 파이프(105)의 위쪽의 저온 영역의 밀도가 보다 높을 것임을 예상할 수 있을 것이다. 소위 열사이펀 효과를 기초로 하는 순환이 유체(106)의 밀도차로 인해서 히트 파이프(105) 내에서 발생될 수 있으며, 그 결과로 장치의 냉각될 부분(102)으로부터 히트 싱크(104)로 열이 전달된다.
또한, 히트 파이프(105)가 유체(106)로 일부만이 충진될 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 유체(106)는 2개의 상이한 상으로, 예를 들어 액체-기체로 순환될 수 있을 것이다. 기체상의 유체는 저온 연결 피스(piece)(103)와 열적으로 접촉하는 히트 파이프(105)의 부분내에서 액화된다. 응축된 유체(106)는 중력에 의해서 구동되어 도 1과 관련하여 이하에서 추가로 설명되고 고온 연결 피스(101)와 열적으로 접촉하는 히트 파이프(105)의 부분내로 이동된다. 히트 파이프(105)의 이러한 부분 내에서, 유체는 고온 연결 피스(101)로 (그리고, 그에 다라 장치의 냉각될 부분(102)으로) 쿨링 파워를 방출하며, 이에 응답하여 기체상 유체(106)가 다시 히트 파이프의 위쪽 부분으로 상승한다. 이러한 경우에, 저온 연결 피스(103)가 응축기로서 작용하고, 고온 연결 피스는 증발기로서 작용한다. 이는, 냉각 기계(109), 보다 정확하게는 제 2 스테이지(110)와 장치의 냉각될 부분(102) 사이의 양호한 열적 연결을 보장할 수 있게 한다.
냉각 설비(100)의 작동 중에, 예를 들어 유지보수를 위해서 또는 결함으로 인해서, 냉각 기계(109)를 교체할 필요가 있을 수 있을 것이다. 냉각 기계(109)가 냉각 설비(100)로부터 제거되기에 앞서서, 히트 파이프(105) 내에 위치된 유체(106)가 외부로 연결된 파이프라인(107)을 통해서 펌핑 배출된다. 많은 경우에, 히트 파이프(105)의 외부로 유체(106)의 대부분을 펌핑하는 것으로 충분하지만; 또한 히트 파이프(105)로부터 유체를 완전히 제거할 수도 있을 것이다. 유체(106)가 히트 파이프(105)로부터 제거되기 때문에, 히트 파이프(105)의 열전도도가 상당히 감소된다. 결과적으로, 저온 연결 부재(103)와 고온 연결 부재(101) 사이의 열 전도는 히트 파이프(105)의 물질을 통한 고형-본체 열 전도에 의해서만 이루어진다. 만약, 히트 파이프(105)가 스테인리스 스틸과 같이 낮은 열전도도의 물질로 제조된다면, 연결 부재들(101 및 103) 사이의 열 전도가 최소로 감소될 수 있을 것이다. 스테인리스 스틸에 더하여, 여러 가지 플라스틱, 세라믹 또는 저온에 적합한 다른 물질을 히트 파이프(105)용 물질로서 이용할 수 있을 것이다. 열전도를 최소화하기 위한 추가적인 수단은 작은 측지학적 치수(dimentions) 및/또는 특히 얇은 벽들을 가지는 히트 파이프(105)를 제조하는 것이다.
유체(106)가 파이프라인(107)을 통해서 히트 파이프(105)로부터 펌핑되면, 유지보수 영역(113)이 환기(ventilate)될 수 있다. 유지보수 영역(113) 내로 유동하는 주변 공기는 저온 연결 부재(103) 및 냉각 기계(109)의 온도가 낮았던 부분들을 가열하기 시작한다. 유사하게, 유지보수 영역(113)은 건조 공기, 질소 또는 헬륨과 같은 특정 퍼지 가스로 플러딩(flooded)될 수 있다. 유지보수 영역(113)이 환기되면, 냉각 기계(109)가 냉각 설비(100)로부터 분리될 수 있다. 종전에 매우 저온이었던 저온 연결 부재(103)가 여전히 저온인 다른 부분으로부터 특히, 고온 연결 부재(101) 및 장치의 냉각될 부분(102)으로부터 열적으로 분리되고, 그리고 그에 따라 상온에 가까운 온도까지 신속하게 가열될 것이다. 저온 연결 부재(103)가 승온되기 때문에, 전술한 바와 같이, 이는 바람직하게 주변 공기와 같은 가스의 응축으로 인한 결빙을 대체적으로 방지한다. 그에 따라, 냉각 기계(109)가 재삽입되었을 때 냉각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)와 저온 연결 부재(103) 사이에서 양호한 열적 및 기계적 접촉이 보장된다.
초전도 자석 와인딩은 예를 들어 암 치료와 같은 입자 치료에서 이용되는 것과 같은 방사선 설비에 특히 적합하다. 이와 같은 초전도 자석 와인딩은 고정 축선을 중심으로 회전될 수 있는 소위 갠트리 내에 바람직하게 장착된다.
도 2는 냉각 설비(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시하며, 상기 전체적인 냉각 설비(100)는 축선(A)을 중심으로 회전될 수 있도록 정렬된 냉각될 부분(102)들을 포함한다. 도 2에 도시된 냉각 설비(100)의 실시예에 따라, 냉각될 부분(102)은 열 차폐부(112)를 부가적으로 구비하는 크라이요스탯(108) 내에 위치된다. 바람직하게, 냉각 기계(109)는 추가적인 축선(B)에 대해서 회전 대칭적이 되도록 디자인된다. 냉각 기계(109)는 크라이요스탯(108)으로부터 독립적으로 소개될 수 있는 유지보수 영역(113) 내에 수용된다. 냉각 기계(109)의 제 1 스테이지(111)가 열 차폐부(112)에 연결되고, 냉각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)가 저온 연결 부재(103)에 연결된다. 히트 파이프(105)는 저온 연결 부재(103)에 열적으로 연결되고 그리고 바람직하게 기계적으로도 연결된 제 1 부분(202)과 함께 배 치된다. 히트 파이프(105)의 추가적인 제 2 부분(201)은 고온 연결 부재(101)와 열적으로 접촉되고 그리고 바람직하게는 기계적으로도 접촉된다. 히트 파이프(105)의 제 1 부분(202)은 히트 파이프(105)의 제 2 부분(201) 보다 작은 단면을 가진다. 히트 파이프(105)의 제 1 부분(202)과 제 2 부분(201)을 연결하는 히트 파이프(105)의 제 3 부분(203)은, 중력에 의해서 제 3 부분(203)을 통해서 제 1 부분(202)으로부터 제 2 부분(201)까지 응축된 유체(106)가 어떠한 장애물도 없이 통과할 수 있도록, 디자인된다. 바람직하게, 전체적인 히트 파이프(105)는 양 단부가 폐쇄된 원뿔대 형태일 수 있다. 또한, 이와 같은 히트 파이프(105)는, 원뿔대의 대칭 축선이 축선(B)과 일치되도록, 냉각 기계(109)에 연결될 수 있을 것이다.
파이프라인(107)은 이러한 축선(B)의 영역 내에서 히트 파이프(105)에 연결된다. 유체(106)는 이러한 파이프라인을 통해서 히트 파이프(105)의 외부로 펌핑될 수 있다. 히트 파이프(105)로부터 파이프라인(107)으로 유입되는 유체(106)가 크라이요스탯(108)에 연결된 파이프라인(107)의 외측 부분까지 방해받지 않고 통과할 수 없도록 파이프라인(107)이 성형된다. 이를 위해서, 파이프라인(107)은 축선(A)을 따라 벤딩된 부분(204)을 구비한다. 전체 냉각 설비(100)가 축선(A)을 중심으로 회전되더라도, 이와 같은 파이프라인(107)의 실시예는 유체(106)가 파이프라인(107)을 통해서 파이프라인(107)의 외측 부분과 계속적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있을 것이다.
도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 유체(106)는 파이프라인(107)을 통해서 히트 파이프(105)의 외부로 펌핑될 수 있다. 이는, 장치의 냉각될 부분(102)과 히 트 싱크(104) 사이의 열적 격리를 초래한다. 예를 들어 유지보수를 목적으로, 냉각 기계(109)의 교체를 추가적으로 허용하기 위해서, 축선(A)을 중심으로 회전될 수 있는 이와 같은 냉각 설비(100)의 경우에, 유체(106)가 외부로 펌핑된 후에 작업 영역(113)이 환기된다. 열 차폐부(112)가 크라이요스탯(108)에 견고하게 연결된 상황에서, 열 차폐부(112)를 가지는 냉각 기계의 제 1 스테이지(111)의 장착 플랜지와 응축기(103) 사이에 정렬되는 작업 영역(113)의 부분들이 가요성(flexible)을 가지도록 디자인될 수 있다. 이와 같은 가요성 구성은, 예를 들어 벨로우즈의 도움으로, 달성될 수 있을 것이다. 냉각 기계(109)의 제 2 스테이지(110)와 응축기(103) 사이의 격리를 허용하기 위해서, 히트 파이프(105)의 가요성 구성에 의해서, 응축기(103)가 축선(B)을 따라서 이동될 수 있다. 유사하게, 이러한 목적을 위해서 히트 파이프(105)가 벨로우즈를 구비할 수 있을 것이다.
도 3은 냉각 설비(100)의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 냉각 설비(100)는, 도 2에 도시된 것과 비교할 때, 부가적인 쿨링 시스템을 포함한다. 냉매 영역(301)이 저온 연결 부재(103)와 열적으로 접촉하고 그리고 바람직하게는 기계적으로도 접촉한다. 이러한 냉매 영역(301)은 측지학적으로 보다 높은 지점으로부터 공급 라인(302)을 통해서 충진될 수 있다. 히트 파이프(105)에서 사용되는 것과 동일한 냉매, 또는 유사한 냉매가 그러한 냉매로서 사용될 수 있을 것이다. 예로서, 헬륨, 네온 또는 질소가 이용될 수 있다. 파이프라인 시스템(303)이 냉매 영역(301)에 연결되고 큰 면적에 걸쳐서 장치의 냉각될 부분(102)에 연결된다. 이는, 장치의 냉각될 부분(102)으로 추가적인 쿨링 파워가 공급될 수 있게 허용한다. 이는, 예를 들어 초전도 자석에 대한 냉각 시간을 상당히 단축시킬 수 있다. 파이프라인 시스템(303) 내에서 증발될 수 있는 냉매는 오프-가스 라인(304)을 통해서 파이프라인 시스템(303)으로부터 배출될 수 있을 것이다. 이는, 파이프라인 시스템(303) 내의 과압을 방지한다.
냉각될 부분(102)들이 냉각 기계(109)의 도움으로 보다 낮은 온도까지 냉각되기에 앞서서, 예를 들어 장치의 냉각될 부분(102)이 첫번째로 질소로 초기에 냉각되도록 부가적인 쿨링 장치를 이용할 수 있을 것이며, 이는 비용을 절감할 수 있고 널리 이용될 수도 있을 것이다. 부가적인 쿨링 장치를 이용하기 위해서, 파이프라인 시스템(303) 내에서 중력에 의해서 구동되고 열사이펀 효과를 기초로 하는 냉매 회로가 발생될 수 있도록, 축선(A)을 중심으로 한 냉각 설비(100)의 회전을 정지시킬 필요가 있거나 또는 적어도 이동을 느리게 만들 필요가 기술적으로 요구된다.

Claims (15)

  1. 냉각 설비(100)로서, 적어도
    a. 장치의 냉각될 부분(102)들에 열적으로 연결되는 하나의 고온 연결 부재(101),
    b. 히트 싱크(104)에 열적으로 연결되는 저온 연결 부재(103),
    c. 제 1 단부가 상기 고온 연결 부재(101)에 연결되고 제 2 단부가 상기 저온 연결 부재(103)에 기계적으로 탈착가능하게 연결되며, 내부가 열사이펀 효과(thermosiphon effect)를 기초로 순환될 수 있는 유체(106)로 적어도 부분적으로 충진되고, 열 전도성이 낮은 물질로 구성되는, 히트 파이프(105), 및
    d. 상기 히트 파이프(105)의 내부에 제 1 단부가 연결되는 파이프라인(107)으로서, 적어도 상기 파이프라인(107)의 부분들이 액체 높이보다 측지학적으로 높도록 디자인되는, 파이프라인(107)을 포함하며,
    e. 이러한 경우에, 상기 연결 부재들(101, 103)의 열적 격리를 위해서 상기 유체(106)가 상기 파이프라인(107)을 통해서 외부로 펌핑될 수 있으며,
    f. 상기 히트 파이프(105)의 대칭 축선(B)에 평행하게 연장하는 축선(A)을 중심으로 회전될 수 있으며, 그리고
    g. 상기 히트 파이프(105)는 상기 저온 연결 부재(103)에 연결되는 제 2 영역(202)보다 상기 고온 연결 부재(101)에 연결되는 제 1 영역(201)에서 더 큰 단면을 가지며, 상기 제 1 영역(201)과 상기 제 2 영역(202)을 서로 연결하는 히트 파이프의 부분(203)들은 상기 제 2 영역(202) 내에서 응축된 냉매(106)가 중력의 영향하에서 어떠한 장애물도 없이 상기 제 1 영역(201)으로 통과할 수 있도록 디자인되는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치의 냉각될 부분(102)들이 소개(evacuate)될 수 있는 크라이요스탯(108) 내에 배열되며, 상기 파이프라인(107)의 제 2 단부가 상기 크라이요스탯(108)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 스테이지(111) 및 제 2 스테이지(110)를 가지는 다수 스테이지 냉각 기계(109)가 제공되며, 상기 히트 싱크(104)가 상기 제 2 스테이지(110)에 의해서 형성되고 그리고 상기 제 1 스테이지(111)가 상기 크라이요스탯(108) 내에 배열된 열 차폐부(112)에 기계적으로 탈착가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  4. 제 3 항에 있어서,
    적어도 상기 냉각 기계(109)의 부분들은 소개될 수 있는 유지보수 영역(113) 내에 교체가능하게 장착되며, 상기 유지보수 영역은 소개될 수 있는 크라이요스탯(108)과 분리되는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체(106)가 2-상 혼합물 형태인 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(105)의 대칭 축선(B)에 인접한 단부들에서, 상기 파이프라인(107)이 상기 히트 파이프(105) 및 상기 크라이요스탯(108)의 외부에 연결될 수 있으며, 그리고, 상기 파이프라인(107)은, 상기 파이프라인의 연장 방향을 따라, 상기 축선(A)에 인접한 하나 이상의 중간 영역(204)을 구비하는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 중간 영역(204)은 상기 파이프라인(107)이 연장하는 방향을 따라 상기 축선(A) 방향으로 V-형상으로 벤딩된 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(105)가 원뿔대 형태인 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  10. 제 2 항에 있어서,
    부가적인 쿨링 시스템을 특징으로 하며,
    상기 부가적인 쿨링 시스템이
    a. 상기 저온 연결 부재(103)에 연결된 냉매 영역(301),
    b. 공급 라인(302)으로서, 상기 냉매 영역(301)은 상기 공급 라인을 통해서 상기 크라이요스탯(108) 외부의 측지학적으로 더 높은 지점으로부터의 제 2 냉매로 채워질 수 있는, 공급 라인(302);
    c. 넓은 영역에 걸쳐 상기 장치의 냉각될 부분(102)들에 열적으로 연결되고 그리고 열사이펀 효과에 의해서 상기 제 2 냉매가 내부에서 순환될 수 있는 파이프라인 시스템(303), 및
    d. 오프-가스 라인(304)으로서, 상기 오프-가스 라인을 통해서 기체상의 제 2 냉매가 상기 파이프라인 시스템(303)으로부터 배출될 수 있는, 오프-가스 라인(304)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 부재(101, 103)들이 열 전도성이 높은 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(105)가 구리의 열 전도성보다 낮은 열 전도성을 가지는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 초전도 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 비임 치료를 위한 갠트리(gantry) 장치인 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉각될 부분(102)들이 입자 비임을 편향시키기 위한 자석인 것을 특징으로 하는
    냉각 설비(100).
KR1020097008609A 2006-09-29 2007-09-05 고온 연결 부재 및 저온 연결 부재를 구비하고 상기 연결 부재들에 연결되는 열교환 튜브를 구비하는 냉각 설비 KR101422231B1 (ko)

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