KR101691989B1 - 초전도 한류기 복귀 시스템 - Google Patents

초전도 한류기 복귀 시스템 Download PDF

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홍용주
염한길
고준석
김효봉
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 초전도 한류기 복귀 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초전도 한류기 복귀 시스템은 순환 냉매와 초전도 한류기가 수용되어 초전도 한류기의 초전도 상태를 유지하도록 하는 저온조 및 저온조로부터 배출된 순환 냉매를 냉각하여 저온조로 순환시켜 재공급하는 과냉각 유지부를 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템에 있어서, 과냉각 유지부는 저온조로부터 배출된 순환 냉매를 냉각시켜 재공급하는 냉각라인; 순환 냉매를 냉각시키는 냉각부를 포함하고, 냉각라인은 정상 상태에서 저온조로부터 배출된 순환 냉매가 흐르도록 하고 냉각부 내에서 열교환을 수행하는 제 1 열교환기가 형성된 제 1 분기라인과 ??치 발생시 저온조로부터 배출된 순환 냉매가 흐르도록 하고 냉각부 내에서 열교환을 수행하는 제 2 열교환기가 형성된 제 2 분기라인으로 분기되고, 제 2 열교환기는 제 1 열교환기 보다 더 큰 용량으로 냉각부에서 냉각되는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 한류기 복귀 시스템{RECOVERY SYSTEM FOR SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER}
본 발명은 초전도 한류기 복귀 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ??치(Quench) 후 초전도 한류기를 ??치 전 과냉각 생태로 신속히 복귀시킬 수 있는 초전도 한류기 복귀 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 초전도 현상은 어떤 물질이 특정조건(온도, 전류밀도, 자속밀도)에서 저항이 사라지고 완전 반자성 특성을 보이는 것을 말한다. 초전도 현상은 항상 가능한 것은 아니고, 일정 온도(임계온도 Tc) 이하, 일정 전류밀도 (임계전류밀도 Jc) 이하, 일정 자기장(임계자기장 Hc) 이하에서만 전기저항이 0이 된다. 특히, 통전전류밀도가 임계전류밀도(Jc)보다 크면 초전도성을 잃고 저항이 나타난다. 이러한 초전도성을 갖는 초전도체는 일반도체와 달리 전류를 흘려보내도 손실이 없고 많은 양의 전류를 보낼 수 있다.
초전도 한류기는 초전도체를 이용해 전력계통에서 발생하는 고장 전류(Fault Current)를 제한하는 기기이다. 초전류 한류기는 전선이 끊어지거나 벼락 등의 사 고시 발생하는 정상전류 수십 배의 고장 전류를 1000분의 1초 이내에 감지해 임피던스(Impedance)를 투입함으로써 고장 전류를 제한한다.
이러한 초전도 한류기로 인하여 고장 전류에 의한 전력기기의 파손 및 광역 정전사태 등의 대형 사고를 방지할 수 있다. 또 정상 상태에서는 추가적인 임피던스가 없으며 고장 전류 증가 시에도 기존 차단기의 용량증대 없이 고장 전류 제한이 가능하게 돼 차단기 교체로 인한 막대한 비용손실을 절감할 수 있게 된다.
그러나, 고장 전류에 의한 ??치(Quench) 시에는 초전도 한류기에서 상당히 큰 열(107J 이상)이 발생하며 초전도 한류기는 상온(300K) 이상으로 온도가 상승하게 된다. 초전도 한류기가 원래의 정상 상태로 돌아가기 위해서는 이 열을 흡수하여 초기 온도 조건으로 냉각시켜야 한다. 특히, 초전도 한류기는 수십 초 이내에 원래의 정상 상태로 복원되어야 한다.
도 1은 종래의 초전도 한류기 복귀 시스템을 개략적으로 도시한 장치도이다.
저온조(10)에 담긴 초전도 한류기(100)는 저온조(10) 내부의 냉매(200)에 의해 냉각되어 초전도 상태를 유지하게 된다. 이때, 저온조(10)에 수용된 냉매(200)는 냉각라인(20)을 통해 배출되어 극저온 냉동기(30)로부터 냉각되어 다시 저온조(10)로 순환시켜 재공급됨으로써 초전도 한류기(100)는 지속적으로 냉각을 유지하게 된다.
정상 상태에서 필요한 극저온 냉동기(30)의 냉동 용량은 수 kW에 불과하나 전술한 바와 같이 ??치 시 발생하는 열을 수십 초 이내에 흡수하기 위해서는 대용량의 극저온 냉동기를 사용해야 한다. 하지만, 극저온 냉동기는 냉동 용량에 따라서 가격이 기하급수적으로 증가하므로, 저용량의 극저온 냉동기를 활용하여 ??치 시 발생하는 열을 빠르게 흡수할 수 있도록 하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정상 상태에서는 저용량의 펌프와 저용량의 열교환기를 사용하도록 하고 ??치(Quench) 시에는 대용량의 펌프와 대용량의 열교환기를 사용하도록 하며, 과냉각 챔버 내에서 저용량의 극저온 냉동기에 의해 정상 상태에서 축적된 냉열을 이용하여 순환 냉매를 냉각시킴으로써, ??치 시에 초전도 한류기의 온도를 ??치 전 과냉각 생태로 신속히 복귀시킬 수 있는 수 있는 초전도 한류기 복귀 시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 순환 냉매와 초전도 한류기가 수용되어 상기 초전도 한류기의 초전도 상태를 유지하도록 하는 저온조 및 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매를 냉각하여 상기 저온조로 순환시켜 재공급하는 과냉각 유지부를 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템에 있어서, 상기 과냉각 유지부는 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매를 냉각시켜 재공급하는 냉각라인; 상기 순환 냉매를 냉각시키는 냉각부를 포함하고, 상기 냉각라인은 정상 상태에서 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매가 흐르도록 하고 상기 냉각부 내에서 열교환을 수행하는 제 1 열교환기가 형성된 제 1 분기라인과 ??치 발생시 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매가 흐르도록 하고 상기 냉각부 내에서 열교환을 수행하는 제 2 열교환기가 형성된 제 2 분기라인으로 분기되고, 제 2 열교환기는 제 1 열교환기 보다 더 큰 용량으로 상기 냉각부에서 냉각되는 초전도 한류기 복귀 시스템에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 냉각부는 상기 제 1 분기라인과 상기 제 2 분기라인이 각각 관통하여 지나가며 상기 제 1 열교환기 또는 상기 제 2 열교환기를 통해 상기 순환 냉매를 냉각시키도록 하는 냉각 냉매가 수용된 과냉각 챔버; 및 상기 냉각 냉매를 냉각시키는 극저온 냉동기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 극저온 냉동기는 상기 과냉각 챔버 내 증발된 냉각 냉매를 재액화 냉각방식으로 냉각시키는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 정상 상태에서 상기 냉각부에 축적된 냉열을 이용하여 상기 ??치 발생시에 상기 제 2 열교환기에서 열교환을 수행하여 상기 순환 냉매를 냉각시키는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제 2 열교환기는 제 1 열교환기보다 더 큰 열전달 면적을 가질 수 있다.
여기서, 상기 과냉각 유지부는 상기 정상 상태에서 상기 제 1 분기라인을 통해 상기 순환 냉매가 흐르도록 하고, 상기 ??치 발생시 상기 제 2 분기라인을 통해 상기 순환 냉매가 흐르도록 제어하는 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어 밸브는 상기 제 1 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매의 유량을 제어하는 제 1 밸브 및 상기 제 2 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매의 유량을 제어하는 제 2 밸브로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 과냉각 유지부는 상기 제 1 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매를 순환시키는 제 1 펌프; 및 상기 제 2 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매를 순환시키는 제 2 펌프를 더 포함할 수 있고, 상기 ??시 발생시에 작동하는 상기 제 2 펌프는 상기 제 1 펌프보다 더 큰 용량의 펌프인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 저온조 내부를 가압시키기 위해 상기 순환 냉매를 기화시켜 상기 저온조로 공급하는 가압부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가압부는 상기 냉각라인으로부터 분기된 제 3 분기라인을 통해 상기 순환 냉매를 공급받는 가압 챔버; 상기 가압 챔버에 수용된 순환 냉매를 기화시키는 기화부; 상기 기화된 순환 냉매를 상기 저온조로 공급하는 가압기체 공급라인; 및 상기 가압기체 공급라인에 형성되어 상기 기화된 순환 냉매의 유량을 제어하는 가압 밸브를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 초전도 한류기 복귀 시스템에 따르면 ??치(Quench) 시에 대용량의 펌프와 대용량의 열교환기를 사용하도록 하고 과냉각 챔버 내에서 저용량의 극저온 냉동기에 의해 정상 상태에서 축적된 냉열을 이용하여 대량의 순환 냉매를 빠르게 냉각시켜 저온조에 공급함으로써, 초전도 한류기를 ??치 전 정상 상태로 빠르게 복귀시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 초전도 한류기 복귀 시스템을 개략적으로 도시한 장치도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류기 복귀 시스템을 개략적으로 도시한 장치도이다.
도 3은 도 2에서 정상 상태의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에서 ??치(Quench) 시의 동작을 나타내는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 초전도 한류기 복귀 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류기 복귀 시스템을 개략적으로 도시한 장치도이고, 도 3은 도 2에서 정상 상태의 동작을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에서 ??치(Quench) 시의 동작을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류기 복귀 시스템은 저온조(110) 및 과냉각 유지부를 포함할 수가 있다. 또한, 제어부(150) 및 가압부(140)를 더 포함할 수 있다.
저온조(110)는 초전도 한류기(SFCL: Superconducting Fault Current Limiter)(100)의 초전도 상태를 유지하기 위한 것으로서, 내부에 초전도 한류기(100)를 수용하며, 초전도 한류기(100)의 초전도 상태를 유지하기 위한 액체 냉매(200)를 수용한다. 본 실시예에서 냉매(200)는 액체 질소(200)인 것으로 하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
초전도 한류기(100)는 초전도체를 이용해 전력계통에서 발생하는 고장 전류(Fault Current)를 제한하는 기기이다. 초전도 한류기(100)는 전선이 끊어지거나 벼락 등의 사고 시 발생하는 수십 배의 고장 전류를 1000분의 1초 이내에 감지해 임피던스를 투입함으로써 고장 전류를 제한한다.
일반적으로 초전도체는 온도(TC), 자속밀도(HC), 전류밀도(JC)의 조건이 만족할 경우 전기 저항이 거의 0인 초전도성을 가지게 되고, 이러한 조건을 만족하지 못할 경우 초전도체는 초전도성을 상실하여 전기 저항이 매우 큰 저항체가 된다. 초전도 한류기(100)는 이러한 원리를 이용하여 정상 상태에서는 초전도 상태(R = 0)가 유지되는 임계 전류(Critical current) 이하의 전류로 운전하다가, 사고가 발생하여 고장 전류가 임계 전류를 초과할 경우 그 즉시 초전도성을 잃게 되고(Quench, R≠0), 이때 발생되는 저항에 의해 고장 전류가 한류된다.
초전도 한류기(100)는 저온조(110) 내부의 액체 질소(200)에 담겨져 초전도 상태가 유지된다. 송전급이나 배전급 고전압 초전도 한류기(100)의 경우 전기 절연을 위해서는 초전도 한류기(100)가 절연 특성이 좋은 액체 질소(200)에 금속재질의 저온조(110)와 일정 거리를 유지하며 잠겨 있어야 한다. 한편 고장 전류에 의해서 초전도 한류기(100)에 ??치가 발생할 경우 큰 주울(Joule)열이 발생하여 주위의 액체 질소(200)가 기화하여 기포를 형성할 수 있다. 기체 질소의 절연 특성은 액체 질소의 수분의 일에 불과하기 때문에 ??치 시 액체 질소 기화에 의한 기포형성은 초전도 한류기(100)의 절연 파괴로 이어질 수 있다. 이러한 액체 질소(200) 내 기포형성을 억제하는 가장 효과적인 방법은 액체 질소(200)를 과냉각상태로 유지하는 것이다. 액체 질소(200)는 1 기압 하에 약 77 K 에서 끓게 되므로, 저온조(110)는 액체 질소(200)의 과냉각상태를 유지하기 위해 1 기압보다 높게 유지되어야 하며, 액체 질소(200)는 77 K 이하로 유지되어야 한다. 정상 상태에서 필요한 저온조(110) 내부의 압력은 후술할 가압부(140)에 의해 가압되어 유지될 수가 있다.
과냉각 유지부는 저온조(110)로부터 배출된 냉매(200)를 냉각시켜 저온조(110)로 다시 순환시켜 저온조(110)를 지속적으로 과냉각 상태로 유지시키도록 하는 구성이다. 과냉각 유지부는 제 1 분기라인(120a)과 제 2 분기라인(120b)을 포함하는 냉각라인(120), 냉각부(130), 제어 밸브(124a, 124b), 제 1 펌프(126a) 및 제 2 펌프(126b)를 포함하여 구성될 수가 있다.
냉각라인(120)은 저온조(110)로부터 배출된 냉매(200)를 과냉각상태의 온도로 냉각시켜 다시 저온조(110)로 공급하는 배관라인이다. 냉각라인(120)을 통해 순환하는 냉매(200)는 냉각라인(120)의 중간에 형성된 냉각부(130)에서 냉각된다. 냉각라인(120)은 냉매(200)의 단열을 위하여 단열성능이 우수한 단열배관으로 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 냉각라인(120)은 도시되어 있는 것과 같이 제 1 분기라인(120a)과 제 2 분기라인(120b)으로 각각 분기될 수가 있다. 제 1 분기라인(120a)은 정상 상태에서 냉매(200)가 흐르도록 하는 배관이며, 제 2 분기라인(120b)은 ??치 시에 냉매(200)가 흐르도록 하는 배관이다.
따라서, 정상 상태에서는 제 1 분기라인(120a)을 통해 냉매(200)가 흐르도록 하고 ??치 시에는 제 2 분기라인(120b)을 통해 냉매(200)가 흐르도록 제어하는 제어 밸브(124a, 124b)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제어 밸브(124a, 124b)는 도시되어 있는 것과 같이 제 1 분기라인(120a)에 형성되어 냉매(200)의 유량을 제어하는 제 1 밸브(124a) 및 제 2 분기라인(120b)에 형성되어 냉매(200)의 유량을 제어하는 제 2 밸브(124b)로 형성될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
정상 상태에서는 제 1 밸브(124a)를 열고 제 2 밸브(124b)를 닫음으로써 제 1 분기라인(120a)을 통해서만 냉매(200)가 흐르도록 하고, ??치 시에는 반대로 제 1 밸브(124a)는 닫고 제 2 밸브(124b)를 열어서 제 2 분기라인(120b)을 통해서만 냉매(200)가 흐르도록 하여 상황에 따라서 냉매(200)의 흐름을 제어할 수가 있다.
또한, 도시되어 있는 것과 같이 제 1 분기라인(120a) 및 제 2 분기라인(120b)에는 각각 제 1 펌프(126a)와 제 2 펌프(126b)가 형성되어, 각각의 분기라인(120a, 120b)을 통해 냉매(200)를 저온조(110)로 순환시키도록 한다. 이때, 본 발명에서는 ??치 시에 동작하는 제 2 펌프(126b)는 정상 상태에서 동작하는 제 1 펌프(126a)의 용량보다 더 큰 용량의 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 이에 관한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 도시되어 있는 것과 같이 제 1 분기라인(120a)에는 제 1 열교환기(122a)가 제 2 분기라인(120b)에는 제 2 열교환기(122b)가 형성될 수 있는데, 제 1 열교환기(122a)와 제 2 열교환기(122b)는 후술할 냉각부(130)의 과냉각 챔버(132) 내부에 형성될 수 있다. 즉, 제 1 분기라인(120a)과 제 2 분기라인(120b)은 모두 과냉각 챔버(132)를 관통하여 지나가고, 각각에 형성되는 제 1 열교환기(122a)와 제 2 열교환기(122b)는 과냉각 챔버(132) 내부에 위치하여 열교환을 수행하게 된다.
이때, 본 발명에서는 ??치 시에 열교환을 수행하는 제 2 열교환기(122b)의 용량이 정상 상태에서 열교환을 수행하는 제 1 열교환기(122a)의 용량보다 더 크도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 용량이 더 크다라고 하면 냉각부(130)를 통해 열교환을 하는 열전달 면적이 더 크게 형성됨을 의미할 수가 있다.
냉각부(130)는 저온조(110)로부터 배출되어 저온조(110)로 재공급되는 냉매(200)를 냉각하기 위한 구성이다. 저온조(110)는 초전도 한류기(100)의 냉각을 위하여 내부가 임계온도(Tc) 이하의 극저온 상태로 유지되나, 외부는 대기에 노출되므로 대기로부터 열을 받는다. 또한, 부싱, 조인트 등 초전도 한류기(100)를 연결하는 구성 등은 초전도가 아니다. 따라서, 냉각부(130)는 정상 상태에서는 대기로부터 받는 열, 초전도 상태가 아닌 구성 등에 의한 열을 흡수하여 저온조(110) 내부가 극저온 상태로 유지될 수 있도록 한다. 또한, 냉각부(130)는 ??치 시에 대량의 냉매(200)를 빠르게 냉각시켜 저온조(110)에 다시 공급함으로써 초전도 한류기(100)를 ??치 전 정상 상태로 빠르게 복귀시킬 수 있도록 한다.
냉각부(130)는 과냉각 챔버(132) 및 극저온 냉동기(134)를 포함하여 구성될 수가 있다.
과냉각 챔버(132)는 내부에 냉매(300)를 수용하고 과냉각 챔버(132)에는 제 1 분기라인(120a)과 제 2 분기라인(120b)이 관통하여 지나간다. 제 1 분기라인(120a)과 제 2 분기라인(120b)에 각각 형성된 제 1 열교환기(122a)와 제 2 열교환기(122b)는 과냉각 챔버(132) 내부에 위치하는데, 제 1 열교환기(122a)와 제 2 열교환기(122b)는 과냉각 챔버(132) 내부에 수용된 냉매(300)에 의해 열교환을 수행하게 된다. 즉, 과냉각 챔버(132) 내부의 냉매(300)에 의해 제 1 열교환기(122a)와 제 2 열교환기(122b) 내부를 흐르는 냉매(200)가 냉각되게 된다.
과냉각 챔버(132) 내부의 냉매(300)와 냉각라인(120)을 통해 순환하는 냉매(200)는 동일 물질일 수 있으나 서로 다른 물질일 수도 있다. 본 실시예에서는 동일한 액체 질소를 사용하기로 한다. 또한, 과냉각 챔버(132) 내부의 냉매(300)를 이용하여 냉각라인(120)을 통해 순환하는 냉매(200)가 냉각되므로, 과냉각 챔버(132) 내부의 냉매(300)는 더 낮은 온도로 유지되어야 한다. 즉, 과냉각 챔버(132) 내부의 냉매(300)는 초전도 한류기(100)를 임계온도 이하로 냉각시키기 위한 온도상태를 유지하여야 한다. 이하 설명에서는 두 냉매(200, 300)를 구분하기 위해 과냉각 챔버(132) 내부의 냉매(300)를 냉각 냉매(300)라고 하고, 냉각라인(120)을 통해 순환하는 냉매(200)를 순환 냉매(200)라고 칭하기로 한다.
극저온 냉동기(134)는 과냉각 챔버(132) 내부에 담긴 냉각 냉매(300)를 냉각시켜 과냉각 챔버(132) 내부에 현열로서 냉열이 축적되도록 한다. 이때, 본 발명에 따른 극저온 냉동기(134)는 소용량의 극저온 냉동기(134)로서 과냉각 챔버(132) 내부에 증발된 냉각 냉매(300)를 재액화 냉각방식으로 냉각하여 냉열을 축적시킬 수가 있다.
정상 상태에서 극저온 냉동기(134)는 재액화 냉각방식으로 과냉각 챔버(132) 내에 냉열을 현열로서 축적하도록 하고, ??치 시에는 축적된 냉열을 이용하여 순환 냉매(200)를 빠르게 냉각시킬 수 있도록 한다.
가압부(140)는 저온조(110) 내부의 액체 질소(200)가 과냉각상태를 유지하도록 저온조(110) 내부를 가압시킨다. 이때, 가압부(140)는 기화된 질소를 저온조(110)의 기체 공간에 공급하여 저온조(110) 내부의 압력을 제어할 수가 있다.
본 실시예에서 정상 상태는, 저온조(110) 내부의 액체 질소의 온도는 약 71 K이며 저온조(110) 내부의 압력은 약 5기압인 것으로 하나, 설계에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
가압부(140)는 가압 챔버(142), 기화부(144), 가압기체 공급라인(146) 및 가압 밸브(148)를 포함하여 구성될 수가 있다.
가압 챔버(142)의 내부에는 액체의 냉매가 수용되며 수용된 냉매는 기화부(144)로부터 열을 제공받아 기화될 수가 있다. 이때, 가압 챔버(142) 내부의 냉매는 도시되어 있는 것과 같이 냉각라인(120)으로부터 분기한 제 3 분기라인(128)으로부터 공급될 수가 있다.
기화부(144)는 가압 챔버(142)로 공급된 액체 냉매에 열을 가하여 냉매를 기화시킨다.
가압기체 공급라인(146)은 가압 챔버(142)와 저온조(110) 사이를 연결하는 배관으로 기화된 냉매를 저온조(110)로 공급할 수 있도록 한다. 가압기체 공급라인(146)도 단열성능이 우수한 단열배관으로 마련되는 것이 바람직하다.
가압 밸브(148)는 가압기체 공급라인(146)에 형성되어 저온조(110)로 공급되는 기화된 냉매의 유량을 제어한다.
기화된 냉매의 공급에 의하여 저온조(110)가 정상 상태시 압력, 본 실시예의 경우 약 5기압이 되면 후술할 제어부(150)에 의해 신호를 전달받아 가압 밸브(148)를 폐쇄시킬 수가 있다. 물론, 내부 압력이 5기압보다 떨어지게 되면 가압 밸브(148)를 다시 개방하여 5기압이 유지되도록 할 수 있다. 즉, 가압 밸브(148)에 의해 기화된 냉매가 저온조(110)로 공급되는 유량을 제어하여, 정상 상태에서는 저온조(110) 내부의 압력이 일정 압력을 유지하도록 할 수 있다.
제어부(150)는 전술한 바와 같이 가압 밸브(148)를 제어하여 가압부(140)로부터 가압기체 공급라인(146)을 통해 저온조(110)로 공급되는 기체 냉매의 유량을 제어할 수가 있다. 또한, 제어부(150)는 가압부(140)의 기화부(144)를 제어하여 냉매가 기화되는 양을 제어할 수도 있다. 이때, 제어부(150)는 저온조(110) 내부의 압력을 측정하는 압력 측정부로부터 측정된 값을 전송받아, 이에 따라 가압 밸브(148) 및 기화부(144)를 제어하도록 하여 전술한 바와 같이 저온조(110) 내부의 압력을 조절할 수가 있다.
또한, 제어부(150)는 과냉각 유지부의 제 1 밸브(124a), 제 2 밸브(124b), 제 1 펌프(126a), 제 2 펌프(126b)를 제어할 수가 있는데, 정상 상태에서는 제 1 밸브(124a)와 제 1 펌프(126a)만 동작시켜 순환 냉매(200)가 제 1 분기라인(120a)을 통해서만 흐르도록 제어하고 ??치 시에는 제 2 밸브(124b)와 제 2 펌프(126b)만 동작시켜 순환 냉매(200)가 제 2 분기라인(120b)을 통해서만 흐르도록 제어할 수가 있다. 이때, 제어부(150)는 제 1 분기라인(120a)과 제 2 분기라인(120b)에 각각 형성되어 내부의 유량을 측정하는 유량 측정부로부터 측정된 값을 전송받아, 이에 따라 제 1 밸브(124a), 제 1 펌프(126a), 제 2 밸브(124b) 및 제 2 펌프(126b)를 제어하여 각각의 분기라인(120a, 120b)을 통해 흐르는 유량을 제어할 수가 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 한류기 복귀 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3을 참조로 정상 상태의 작동을 설명하기로 한다.
저온조(110)로부터 순환 냉매(200)인 액체 질소가 배출되고, 배출된 액체 질소는 냉각라인(120)을 따라 이동하며 제어 밸브(124a, 124b)의 제어에 의해 제 1 분기라인(120a)을 통해 흐르게 되고 제 1 펌프(126a)의 동작으로 저온조(110)로 재공급될 수 있다.
저온조(110)는 초전도 한류기(100)의 냉각을 위하여 내부가 임계온도(Tc) 이하의 극저온 상태로 유지되나, 외부는 대기에 노출되므로 대기로부터 열을 받는다. 또한, 부싱, 조인트 등 초전도 한류기(100)를 연결하는 구성 등은 초전도가 아니다. 따라서, 대기로부터 받는 열, 초전도 상태가 아닌 구성 등에 의한 열을 흡수하면서 저온조(110) 내부는 극저온 상태로 유지되어야 한다. 따라서, 냉각라인(120)에서 분기된 제 1 분기라인(120a)을 따라 흐르는 순환 냉매(200)를 냉각부(130)에서 냉각시켜 다시 저온조(110)로 재공급시킴으로써, 저온조(110) 내부를 극저온 상태로 유지시킬 수가 있다.
이때, 과냉각 챔버(132) 내의 냉각 냉매(300)에 의해 제 1 열교환기(122a)에서 순환 냉매(200)는 냉각되게 된다.
이때, 극저온 냉동기(134)는 재액화 냉각방식으로 냉각 냉매(300)를 냉각시켜 70 K 이하의 포화 액체질소 상태를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 극저온 냉동기(134)의 냉각에 따라 과냉각 챔버(132) 내에는 냉각 냉매(300)의 현열로서 냉열을 축적시킬 수가 있다.
한편, 냉각라인(120)으로부터 분기된 제 3 분기라인(128)을 통하여 저온조(110)에서 배출된 순환 냉매(200) 중 일부가 가압부(140) 측으로 이동하게 된다. 이때, 압력측정부는 저온조(110) 내부의 압력을 측정하며, 측정된 압력정보는 제어부(150)로 전송된다. 제어부(150)는 압력정보에 따라 가압 밸브(148)의 개도 및 기화부(144)를 제어하여 가압부(140)로부터 저온조(110)로 공급되는 기체 질소의 유량을 제어한다. 따라서, 가압부(140)에 의해 정상 상태에서 요구되는 저온조(110)의 압력(약 5기압)을 유지할 수가 있다.
이와 같은, 과냉각 유지부 및 가압부(140)의 동작에 따라 정상 상태에서는 저온조(110) 내부의 액체 질소의 온도를 약 71 K로 저온조(110) 내부의 압력은 약 5기압으로 유지시켜 초전도 한류기(100)를 냉각시킬 수가 있다.
다음, 도 4를 참고로 ??치 시의 작동을 설명하기로 한다.
??치 시에는 저온조(110)로부터 배출된 액체 질소는 냉각라인(120)을 따라 이동하며 제어 밸브(124a, 124b)의 제어에 의해 제 2 분기라인(120b)을 통해 흐르게 되고 제 2 펌프(126b)의 동작으로 저온조(110)로 재공급될 수 있다.
이때, 과냉각 챔버(132) 내에 형성된 제 2 열교환기(122b)에서 정상 상태에서 과냉각 챔버(132) 내에 현열로서 축적된 냉열을 이용하여 열교환이 일어나서 제 2 분기라인(120b)를 통해 흐르는 순환 냉매(200)를 냉각시킬 수가 있다. 전술한 바와 같이 제 2 열교환기(122b)는 제 1 열교환기(122a)와 비교하여 더 큰 용량의 대용량의 열교환기이기 때문에, 정상 상태에서 과냉각 챔버(132) 내에 축적된 냉열로부터 많은 양의 순환 냉매(200)를 빠르게 냉각시킬 수가 있다.
또한, 전술한 바와 같이 제 2 펌프(126b)는 정상 상태에서 동작하는 제 1 펌프(126a)와 비교하여 더 큰 용량의 펌프이기 때문에, 더 많은 양의 순환 냉매(200)를 더 빠르게 제 2 분기라인(120b)을 따라서 순환시킬 수가 있다.
따라서, ??치 시에는 대용량의 제 2 열교환기(122b)와 제 2 펌프(126b)를 동작시키고, 정상 상태에서 과냉각 챔버(132)에 축적시킨 냉열을 활용하여 순환 냉매(200)를 냉각시킴으로써, 대량의 순환 냉매(200)를 저온조(110)로 빠르게 재공급시킬 수가 있다. 그러므로, 초전도 한류기(100)의 온도를 정상 상태의 온도로 빠르게 회복시킬 수가 있다.
상기와 같은 방법으로 초전도 한류기(100)가 정상 상태의 온도조건으로 복귀되면, 제어부(150)는 다시 정상 상태의 운전으로, 즉 제 1 펌프(126a)를 가동시키고 제 1 밸브(124a)를 열고 제 2 펌프(126b)의 가동을 중단시키고 제 2 밸브(124b)를 닫음으로써, 복귀하여 다시 극저온 냉동기(134)로부터 과냉각 챔버(132) 내에 냉열을 축적시키며 제 1 분기라인(120a)을 통해 순환 냉매(200)를 저온조(110)로 재공급할 수 있도록 한다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10: 저온조 20: 냉각라인
30: 극저온 냉동기 100: 초전도 한류기
110: 저온조 120: 냉각라인
120a: 제 1 분기라인 120b: 제 2 분기라인
122a: 제 1 열교환기 122b: 제 2 열교환기
124a: 제 1 밸브 124b: 제 2 밸브
126a: 제 1 펌프 126b: 제 2 펌프
128: 제 3 분기라인 130: 냉각부
132: 과냉각 챔버 134: 극저온 냉동기
140: 가압부 142: 가압 챔버
144: 기화부 146: 가압기체 공급라인
148: 가압 밸브 150: 제어부
200: 순환 냉매 300: 냉각 냉매

Claims (10)

  1. 순환 냉매와 초전도 한류기가 수용되어 상기 초전도 한류기의 초전도 상태를 유지하도록 하는 저온조 및 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매를 냉각하여 상기 저온조로 순환시켜 재공급하는 과냉각 유지부를 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템에 있어서,
    상기 과냉각 유지부는
    상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매를 냉각시켜 재공급하는 냉각라인;
    상기 순환 냉매를 냉각시키는 냉각부를 포함하고,
    상기 냉각라인은 정상 상태에서 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매가 흐르도록 하고 상기 냉각부 내에서 열교환을 수행하는 제 1 열교환기가 형성된 제 1 분기라인과 ??치 발생시 상기 저온조로부터 배출된 순환 냉매가 흐르도록 하고 상기 냉각부 내에서 열교환을 수행하는 제 2 열교환기가 형성된 제 2 분기라인으로 분기되고,
    제 2 열교환기는 제 1 열교환기 보다 더 큰 용량으로 상기 냉각부에서 냉각되는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 제 1 분기라인과 상기 제 2 분기라인이 각각 관통하여 지나가며 상기 제 1 열교환기 또는 상기 제 2 열교환기를 통해 상기 순환 냉매를 냉각시키도록 하는 냉각 냉매가 수용된 과냉각 챔버; 및
    상기 냉각 냉매를 냉각시키는 극저온 냉동기를 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 극저온 냉동기는 상기 과냉각 챔버 내 증발된 냉각 냉매를 재액화 냉각방식으로 냉각시키는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정상 상태에서 상기 냉각부에 축적된 냉열을 이용하여 상기 ??치 발생시에 상기 제 2 열교환기에서 열교환을 수행하여 상기 순환 냉매를 냉각시키는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 제 1 열교환기보다 더 큰 열전달 면적을 가지는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 과냉각 유지부는 상기 정상 상태에서 상기 제 1 분기라인을 통해 상기 순환 냉매가 흐르도록 하고, 상기 ??치 발생시 상기 제 2 분기라인을 통해 상기 순환 냉매가 흐르도록 제어하는 제어 밸브를 더 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어 밸브는
    상기 제 1 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매의 유량을 제어하는 제 1 밸브 및
    상기 제 2 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매의 유량을 제어하는 제 2 밸브로 형성되는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 과냉각 유지부는
    상기 제 1 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매를 순환시키는 제 1 펌프; 및
    상기 제 2 분기라인에 형성되어 상기 순환 냉매를 순환시키는 제 2 펌프를 더 포함하고,
    상기 ??치 발생시에 작동하는 상기 제 2 펌프는 상기 제 1 펌프보다 더 큰 용량의 펌프인 초전도 한류기 복귀 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온조 내부를 가압시키기 위해 상기 순환 냉매를 기화시켜 상기 저온조로 공급하는 가압부를 더 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가압부는
    상기 냉각라인으로부터 분기된 제 3 분기라인을 통해 상기 순환 냉매를 공급받는 가압 챔버;
    상기 가압 챔버에 수용된 순환 냉매를 기화시키는 기화부;
    상기 기화된 순환 냉매를 상기 저온조로 공급하는 가압기체 공급라인; 및
    상기 가압기체 공급라인에 형성되어 상기 기화된 순환 냉매의 유량을 제어하는 가압 밸브를 포함하는 초전도 한류기 복귀 시스템.
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