KR101908147B1 - 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")는 각각 콜드 헤드(16, 16', 16")와 열 접촉하고, 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")는 각각 연결 라인(20, 20', 20")을 가지며, 상기 연결 라인에 의해 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")가 증발기 챔버(12)와 유체 연결되어 있다. 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")에서 온도차 및 이와 관련한 압력차에 의해 액상 냉각 유체(k)가 하나 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")로부터 증발기(12) 안으로 이동될 수 있거나 펌핑될 수 있다.

Description

초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COOLING A SUPER CONDUCTING MACHINE}
본 발명은 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 2개 이상의 응축기 챔버는 각각 콜드 헤드(cold head)와 열 접촉하고, 2개 이상의 응축기 챔버는 각각 연결 라인을 가지며, 상기 연결 라인에 의해 2개 이상의 응축기 챔버가 증발기 챔버와 유체 연결되어 있다.
초전도 기기는 일반적으로 초전도 코일을 포함하며, 이와 같은 코일은 적어도 기기의 작동 동안 신뢰성 있게 냉각되어야 한다. 1987년 이후 77K를 초과하는 임계 온도(Tc)를 갖는 금속 산화물 초전도 물질들이 알려져 있다. 이와 같은 물질들은 하이-Tc-초전도 물질 또는 HTS 물질이라고도 불리며 원칙적으로 액체 질소(LN2)를 이용하는 냉각 기술을 가능하게 한다. 그러므로 HTS 물질을 함유한 코일을 포함하는 기기들은 예를 들어 액체 질소(LN2) 또는 액체 네온(LNe)으로 냉각 또는 작동될 수 있다.
HTS 물질을 함유하는 권선들을 냉각하기 위해 바람직하게는 폐쇄된 He 압축 가스 회로를 가지는 소위 극저온 냉동기들의 형태를 갖는 냉동 장치가 이용된다. 그와 같은 극저온 냉동기들은 특히 GM(Gifford-McMahon)형이거나 스털링(Stirling)형이거나 소위 맥동관 냉동기로서 형성되어 있다. 냉동 장치들이 가지는 장점으로는 냉동 성능이 거의 단순 버튼 조작을 하는 것만으로 간편하게 이용되며 극저온 유체의 이용이 불필요하다는 것이다. 그와 같은 냉동 장치들을 이용하면, 초전도 권선이 예를 들어 냉동기의 콜드 헤드로의 열전도에 의해 간접적으로 냉각된다(참고, 예를 들어 "Proc.16th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996, Elsevier Science 출판사, 1997, 1109 내지 1129쪽).
예를 들어 DE 103 21 463 A1호에 기술된 것과 같은 냉각 기술은 전기 기기의 회전자의 냉각에 이용될 수 있다. 회전자는 HTS 전도체로 이루어지는 회전하는 권선을 포함하며, 이러한 초전도체는 열전도성 권선 캐리어 안에 위치한다. 이러한 권선 캐리어는 축방향으로 연장해 있는, 중앙의, 원통형 공동을 구비하며, 권선 캐리어 측면으로부터 나오는 관형상 파이프 영역들이 상기 공동에 연결되어 있다. 이들 파이프 영역들은 냉동 유닛에서 측지학적으로 더 높은 위치에 있는 응축기 챔버로 이어지고 이 응축기 챔버 및 중앙의 회전자 공동과 함께 폐쇄형 1-파이프 시스템을 형성한다. 이러한 파이프 시스템 안에 냉매 또는 냉각 유체가 있으며, 냉매나 냉각 유체는 소위 열사이펀 효과의 사용하에 순환된다. 이 경우 응축기 챔버에서 응축되는 냉각 유체는 관형상 파이프 영역들에 의해 중앙의 공동 안으로 이송되고, 거기에서 냉각 유체는 권선 캐리어 및 HTS 권선과의 열적 연결 때문에 열을 흡수하여 증발한다. 그런 경우 증발된 냉각 유체는 같은 파이프 영역들에 의해 응축기 챔버로 되돌아가 거기에서 재응축된다. 이를 위해 필요한 냉동 성능은 응축기 챔버에 열적으로 연결되어 있는 콜드 헤드를 가지는 냉동 기기에 의해 제공된다.
이 경우 냉매의 역류는 약간의 과압에 의해, 증발기 부재로서 작용하는 중앙 공동 안으로, 냉동 기기에서 응축기로서 작용하는 부재들 쪽으로 촉진된다. 증발기 부재 내에서의 가스의 발생 및 응축기 챔버 내에서의 액화에 의해 만들어지는 차압은 희망하는 냉매 역류를 야기한다. 상응하는 냉매 흐름들은 원칙적으로 소위 "히트 파이프(heat-pipes)"로 알려져 있다.
그러므로 대응 냉동 유닛에 의한 열사이펀 냉각을 사용하는 종래 기기에서 액상 냉매의 이송은 중력의 활용만으로 이루어지므로, 그외 펌프 시스템이 불필요하다. 이는 냉동 유닛 또는 응축기 챔버를 필요로 하며, 응축기 챔버는 필수적으로 기기 또는 권선 캐리어보다 측지학적으로 더 높이 배치되어야 한다. 이와 관련한 단점들은 특히 기기 구조 또는 냉동 유닛 구조의 공간적 제약에서 나타난다. 그러므로 예를 들어 수직으로 배치되는 기기 축을 갖는 기기의 경우에 기기로 구동되는 물체, 예를 들어 전동기가 기기 위에 배치될 수 있다. 기기는, 기기의 평면에서 빈 공간이 없도록, 이의 주위 영역에 설치된다. 측지학적으로 더 높은 위치는 구동되는 물체에 의해 점유되어 있으며 측지학적으로 더 높이 냉동 유닛을 배치하는 것은 이런 상황에서 불가능하다. 예를 들어 철도의 철도 차량의 경우처럼 복잡한 응용예들에서도, 예를 들어 가공 선로 높이 및/또는 터널 높이에 근거한 규정 때문에 철도 차량의 구조상 높이가 제한을 받을 수 있다. 높이 규정의 범위 내에 있는 기기 크기가 주어지면, 기기 축을 수평 배치할지라도 기기보다 측지학적으로 더 높은 냉동 유닛의 배치가 불가능할 수 있다.
순수하게 중력 구동되는 냉매 흐름에서 문제들이 발생하는 그외 경우는 선박 또는 해양 플랜트에 있다. 만약 전술한 기기 장치를 선박 또는 해양 플랜트에서 이용하려면, 종종 예를 들어 최고 ±5°의 정적 불균형, 소위 "트림" 및/또는 예를 들어 최고 ±7.5°의 동적 불균형이 종방향으로 고려되어야 한다. 그 결과, 선박 사용을 위해 선급 협회의 승인을 얻기 위해, 해양 선박에 탑재한 그와 같은 기기 장치의 냉각 시스템은 그와 같은 조건들 하에서도 신뢰성 있는 냉각을 보장하여야 한다. 만약 기기의 상기 불균형을 허용하면, 중앙의 회전자 공동과 냉동 유닛 사이에서 관형상 파이프 영역들의 범위가 중앙의 회전자 공동보다 측지학적으로 더 낮게 되는 위험이 생긴다. 그 결과, 냉매가 중력의 영향을 받아, 냉각하려는 회전자 공동에 도달할 수 없게 된다. 그러므로 기기의 냉각 및 기기의 작동은 더 이상 보장될 수 없을 것이다.
기기의 불균형에서도 신뢰성있는 냉각을 보장하기 위해, 열사이펀 파이프 시스템에서 트림 위치 또는 진동 진폭이 최대로 취해지는 경우에도 회전자 공동 방향으로 경사가 항상 존재하도록 기기를 수평에 대하여 기울어지게 배치하는 것이 가능하다. 상응하게 경사진 배치는 선박 건조에서 특히 더 큰 기기 길이의 경우 그런 경우 필요한 공간 조건이 커지기 때문에 바람직하지 않다. 대안으로서 응축기 챔버와, 액상 냉매 및 기체 냉매가 같은 파이프 영역들을 통해 응축기 챔버로 가고 오는 증발기 챔버 사이에서 냉매 순환을 위한 1-파이프 시스템 대신에 2-파이프 시스템이 사용될 수 있다. 이 경우 열사이펀 효과가 예를 들어 WO 00/13296 A호에 기술된 것처럼 사용된다. 그러나 회전자의 중공축의 영역에서 기체 냉매를 위한 파이프가 추가로 제공되어야 한다. 중력에 의해 응축기 챔버로부터 증발기 챔버로 냉각 유체의 신뢰성있는 흐름을 보장하기 위해, 응축기 챔버는 측지학적으로 증발기 챔버에 비해 충분히 높게 배치되어야 한다. 이는 예를 들어 선박에서 제한적으로만 사용될 수 있는 설치 공간을 요구한다.
그외 대안은 기계식 펌프 및/또는 기계식 밸브들의 사용이다. 냉매는 펌프 장치에 의해 강제 순환될 수 있다. 그러나 이를 위해, 특히 냉매가 예를 들어 25 내지 30K의 온도를 가지면, 상당한 장치 비용이 필요하다. 그와 같은 종류의 강제 순환 장치는 현저한 손실을 초래하고, 긴 유지 보수 주기를 갖는 선박 건조의 수명 조건을 거의 충족할 수 없다.
본 발명의 과제는 기기의 불균형에서도 신뢰성있는 냉각을 가능하게 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. 이 경우 기계적인 운동 부재들, 예를 들어 기계식 펌프들과 밸브들이 불필요한데, 이들이 극저온에서 복잡하고 비싸며 고장 나기 쉽기 때문이다. 본 발명의 그외 과제는 기계적인 운동 부재들, 예를 들어 기계식 펌프들과 밸브들 없이 중력의 방향 또는 작용에 반해서도 냉각 유체가 이동할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 데 있다.
상기 과제는 제1항의 특징들을 갖는 초전도 기기의 냉각을 위한 장치와 관련하여 그리고 제7항의 특징들 및 제8항의 특징들을 갖는 초전도 기기의 냉각을 위한 방법과 관련하여 해결된다.
초전도 기기의 냉각을 위한 본 발명에 따른 장치 및 방법의 유리한 실시예들은 각각 할당된 종속항들로부터 나온다. 이 경우 하위 청구항들의 특징들은 서로 조합될 수 있고 종속항들의 특징들과 조합될 수 있으며 종속항들의 특징들이 서로 조합될 수 있다.
초전도 기기의 냉각을 위한 본 발명에 따른 장치는 2개 이상의 응축기 챔버를 가지며, 응축기 챔버들은 각각 콜드 헤드와 열접촉한다. 이 경우 2개 이상의 응축기 챔버는 각각 연결 라인을 가지며, 이러한 연결 라인에 의해 2개 이상의 응축기 챔버가 증발기 챔버와 유체 연결되어 있다. 2개 이상의 응축기 챔버는 냉각 유체가 액체 형태로 중력에 반해서도 이동할 수 있도록, 즉 제1 응축기 챔버의 제1 압력과 제2 응축기 챔버의 제2 압력 사이의 압력차에 의해 하나 이상의 응축기 챔버로부터 증발기 챔버 안으로 이동할 수 있도록 형성된다. 이러한 압력들은 각각 응축기 챔버들 내 온도에 의해 결정된다(냉매의 비등점 곡선).
증발기 챔버에 대한 각각 하나의 연결 라인을 가지는 2개의 응축기 챔버들을 사용하면, 응축기 챔버들 내 온도는 각각 응축기 챔버들과 열적으로 연결되어 있는 콜드 헤드에 의해 다르게 조정될 수 있다. 이는 응축기 챔버들 또는 액상 및/또는 기상 냉각 유체로 채워지는 내실 체적들 사이에서 압력차의 형성을 가능하게 한다. 온도가 상승하는 응축기 챔버 안에서 액체가 증발하고 그리고/또는 기상 냉각 유체가 팽창하며 압력은 상승한다. 온도가 하락하는 또는 낮아지는 응축기 챔버에서 압력은 작아지는데, 기상 냉매가 응축되기 때문이다. 응축기 챔버들 내 온도 변화가 다르기 때문에 또는 콜드 헤드에 의해, 응축기 챔버들 사이에 압력차가 형성된다.
하나 이상의 연결 라인으로부터 증발기 챔버 안으로 액상 냉각 유체의 이동이 상기 압력차에 의해 야기된다. 이 경우 한 응축기 챔버 내 압력이 다른 응축기 챔버와 비교할 때 더 크기 때문에 생길 수 있는, 한 응축기 챔버 내 압력이 증발기 챔버와 비교할 때 더 크기 때문에, 압력차가 충분히 크면, 그 한 응축기 챔버의 연결 파이프 내 냉각 유체가 중력에 반해서도 증발기 안으로 이동할 수 있다. 이 경우 어떤 운동 부재들도, 예를 들어 밸브들 또는 기계식 펌프들도 불필요하다.
각각 하나의 콜드 헤드를 가지는 3개 이상의 응축기 챔버가 사용될 수도 있으며, 특히 3개 이상의 응축기 챔버들에서는 각각 할당된 콜드 헤드에 의해 서로 독립적으로 온도가 개루프 또는 폐루프 제어되어 조절될 수 있다. 그런 경우 유리하게는 2개의 응축기 챔버들에서 동시에 온도가 낮아지고 한 응축기 챔버에서는 온도가 상승한다. 이 경우 온도가 상승하고 하락하는 응축기 챔버들 사이에서 시간적으로 연속하여 스위칭이 이루어질 수 있지만, 항상 하나에서는 온도가 상승하고 다른 것들에서는 온도가 내려간다. 그러므로 그 결과 항상 연결 파이프로부터 액상 냉각 유체가 흘러나오며 신뢰성있는 냉각이 확실하게 보장된다. 온도가 내려가는 2개의 응축기 챔버들에서, 제3 응축기 챔버의 연결 라인으로부터 액상 냉각 유체가 증발기 챔버 안으로 흘러들어 오는 동안, 기상 냉각 유체는 액화될 수 있고 증발기 챔버로부터 2개의 이전 응축기 챔버들 안으로 흘러들어 온다.
폐쇄된, 특히 밀봉된 냉각 회로가 응축기 챔버들, 연결부들, 및 증발기 챔버에 의해 형성될 수 있다. 특히 적절한 크기의 보상 용기가 제공되면, 냉각 유체가 상실되지 않으며 냉매 회로의 유지 보수 또는 냉각 유체의 재충진이 불필요하다.
이러한 장치를 채울 수 있는 냉각 유체는 균질 액체, 특히 액체 질소 또는 액체 네온을 포함하거나 이들로 이루어질 수 있고 또는 응축 온도가 다른 냉각 액체들로 이루어진 혼합물을 포함한다. 냉각 유체의 증발 온도는 초전도 권선 또는 기기가 냉각될 수 있는 온도를 결정하고, 즉 어느 초전도 물질들이 이용될 수 있는지를 결정한다. 증발된 기상 냉각 유체를 다시 액화하기 위해, 냉각 유체의 응축 온도는 콜드 헤드가 응축기 챔버를 냉각해야 하는 온도를 결정한다. 냉각 유체들에 대한 첨가제 또는 혼합물에 의해, 냉각 유체가 증발 또는 액화되는 온도들 역시 조절될 수 있으며, 이러한 온도들은 순수 물질들, 예를 들어 순수 질소 또는 순수 헬륨이 증발 또는 액화되는 온도들 사이에 있다.
초전도 기기는 특히 하나 이상의 초전도 권선을 가지는 회전자를 포함하는 전동기 또는 발전기가 될 수 있으며, 이 회전자는 축을 중심으로 회전할 수 있게 배치되어 있다. 초전도 권선은 HTS 물질로 이루어질 수 있고 또는 HTS 물질을 포함할 수 있다. 이는 냉각 유체로서 질소의 사용을 가능하게 한다. 기기는 예를 들어 선박에서 사용될 수 있다.
응축기 챔버들 및 각각 할당된 콜드 헤드들은 회전자 외부에 고정 배치될 수 있으며, 증발기 챔버는 회전자 내에, 특히 원통형 공동으로서 회전자의 회전축을 따라서 회전할 수 있게 배치될 수 있다. 연결 파이프들은 열사이펀 원리에 따라 증발기 챔버 안으로 돌출하고 마찬가지로 고정될 수 있다. 그러므로 기기의 양호한 특성들이 달성된다.
특히 열사이펀 효과를 이용하는 초전도 기기의 냉각을 위한 본 발명에 따른 방법은 하기의 단계들을 포함한다.
A) 하나의 제1 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버에서 온도가 상승하고, 이때 압력이 상기 응축기 챔버에서 상승하며, 제1 응축기 챔버와 증발기 챔버 사이의 제1 연결 파이프 내 액상 냉각 유체가 온도 상승 및/또는 가스 팽창에 의해 증발기 챔버 안으로 이동하는 단계와,
B) 동시에 하나의 제2 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버에서 온도가 일정하게 유지되거나 하락하고, 특히 온도는 제1 응축기 챔버에서보다 더 낮으므로, 기상 냉각 유체가 제1 응축기 챔버 내 온도 상승 및/또는 제2 응축기 챔버 내 온도 하락을 통해 특히 증발기 챔버와 제2 응축기 챔버 사이 제2 연결 파이프에 의해 증발기 챔버로부터 제2 응축기 챔버 안으로 이동하는 단계.
이 경우 압력차는 제1 응축기 챔버 내 온도 상승에 의해 형성 또는 강화되므로, 제1 응축기 챔버에서의 과압을 통해, 증발기 챔버 내 압력과 비교할 때에도, 액상 냉각 유체가 증발기 챔버 안으로 가압된다. 온도 상승은 용이하고 신속하게 실현될 수 있으므로, 높은 압력차가 발생할 수 있고 액상 냉각 유체는 큰 높이차에 의해 수 센티미터부터 수 미터까지의 범위에서 중력에 반하여 연결 라인 안에서 이동할 수 있다.
특히 열사이펀 효과를 이용하는 초전도 기기의 냉각을 위한 대안적 방법은 하기의 단계들을 포함한다.
C) 하나의 제1 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있으며 하나의 제1 연결 파이프에 의해 증발기 챔버와 유체 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버에서 온도가 일정하게 유지되는 단계,
D) 동시에 제2 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버에서 온도가 하락하므로, 기상 냉각 유체는, 제2 응축기 챔버 내 온도 하락을 통해 증발기 챔버와 제2 응축기 챔버 사이의 제2 연결 파이프에 의해 증발기 챔버로부터 제2 응축기 챔버 안으로 이동되는 단계 및,
E) 이로써, 제1 응축기 챔버와 증발기 챔버 사이의 제1 연결 파이프 내 액상 냉각 유체는, 적어도 제2 응축기 챔버 내에서 온도 하락을 통해 증발기 챔버 안으로 이동하는 단계.
이 경우 압력차는 적어도 제2 응축기 챔버 안에서 온도 하락에 의해 형성되거나 강화되므로, 제1 응축기 챔버 내 과부하에 의해, 증발기 챔버 내 압력과 비교해서도, 액상 냉각 유체가 증발기 챔버 안으로 가압된다. 동시에 온도 하락시 기상의 냉각 유체는 적어도 제2 응축기 챔버 안에서 액화되고 나중 시점에 증발기 챔버 안으로 이동될 수 있다.
동시에 제3 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 적어도 제3 응축기 챔버 안에서 온도가 일정하게 유지되거나 하락할 수 있다. 그러므로 예를 들어 C) 단계 내지 E) 단계에서 더 높은 부압이 제1 응축기 챔버 안에서 만들어질 수 있고 단시간에 더 많은 액상 냉각 유체가 증발기 챔버 안으로 이동할 수 있다. A) 단계와 B) 단계에서 제1 응축기 챔버와 제2 응축기 챔버 사이의 압력차의 형성 효과는 제3 응축기 챔버에 의해 지지되고 역시 단시간에 더 많은 액상 냉각 유체가 증발기 챔버 안으로 이동할 수 있다.
A) 단계와 B) 단계 또는 C) 단계 내지 E) 단계의 시간에 온도가 상승하였거나 또는 일정하게 유지되었던 하나 이상의 응축기 챔버 안에서 시간상 A) 단계와 B) 단계 또는 C) 단계 내지 E) 단계 직후에 또는 후에 온도가 하락하거나 일정하게 유지될 수 있다. A) 단계와 B) 단계 또는 C) 단계 내지 E) 단계의 시간에 온도가 일정하게 유지되었거나 하락하였던 하나 이상의 제2 응축기 챔버, 특히 제2 및 제3 응축기 챔버 안에서 온도가 상승하거나 일정하게 유지될 수 있다.
특히 열사이펀 효과의 사용하에 초전도 기기의 냉각을 위한 그외 대안적 방법은 하나의 제1 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버에서, 그리고 동시에 하나의 제2 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버 안에서 온도가 상승하고, 이때 이러한 제2 응축기 챔버에서보다 이러한 제1 응축기 챔버에서 온도 및/또는 온도 상승이 더 크므로, 이러한 제2 응축기 챔버에서보다 이러한 제1 응축기 챔버에서 더 많은 냉각 유체가 증발하고 그리고/또는 가스가 더 많이 팽창하고 그리고/또는 이러한 제1 응축기 챔버와 이러한 제2 응축기 챔버 내 압력들 사이의 압력차가 생기거나 증가하므로, 이때 액상 냉각 유체(k)는 이러한 제1 응축기 챔버와 이러한 증발기 챔버 사이의 하나의 제1 연결 파이프 안에서 이동되고, 기상 냉각 유체(k')는 특히 하나의 제2 연결 파이프에 의해 이러한 증발기 챔버로부터 이러한 제2 응축기 챔버로 이동하는 단계들을 포함한다.
대안으로서 특히 열사이펀 효과의 사용하에 초전도 기기의 냉각을 위한 방법은 하나의 제1 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버 안에서, 그리고 동시에 하나의 제2 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버 안에서 온도가 하락하고, 이러한 제2 응축기 챔버 안에서보다 이러한 제1 응축기 챔버 안에서 온도가 더 낮으며 그리고/또는 상기 온도 하락은 이러한 제2 응축기 챔버에서보다 이러한 제1 응축기 챔버에서 더 크므로, 이러한 제2 응축기 챔버에서보다 이러한 제1 응축기 챔버에서 더 많은 냉각 유체가 응축되고 그리고/또는 가스가 더 많이 압축되고 그리고/또는 이러한 제1 응축기 챔버와 이러한 제2 응축기 챔버 내 압력들 사이의 압력차가 발생하거나 증가하며, 이로써 액상 냉각 유체(k)는 이러한 제2 응축기 챔버와 이러한 증발기 챔버 사이의 하나의 제2 연결 파이프 안에서 이동하고, 기상 냉각 유체(k')는 특히 하나의 제1 연결 파이프에 의해 이러한 증발기 챔버로부터 이러한 제1 응축기 챔버 안으로 이동하는 단계들을 포함할 수 있다.
마지막으로 언급한 양 방법의 경우에 동시에 제3 콜드 헤드와 열적으로 연결되어 있는 적어도 제3 응축기 챔버 안에서 온도가 상승하거나, 유지되거나, 하락할 수 있다.
온도가 상승하였던 응축기 챔버들에서 시간상 직후에 또는 후에 온도가 하락할 수 있고, 그리고/또는 온도가 하락하였던 응축기 챔버들에서 시간상 직후에 또는 후에 온도가 상승할 수 있다. 시간에 따라 역할이 서로 바뀌는 3개 이상의 응축기 챔버를 이용하는 방법에 대한 앞서 설명한 장점들은 이 경우에도 마찬가지로 유효하다.
이러한 방법은 증발기 챔버 안으로 액상 냉각 유체의 연속적 펌핑 프로세스로서 또는 펄스화된 펌핑 프로세스로서 실시될 수 있다.
온도 하락은 하나 이상의 콜드 헤드에 의한 냉각을 통해 이루어질 수 있다. 온도 상승은 하나 이상의 콜드 헤드에 의해 그리고/또는 가열 장치에 의한 가열을 통해 이루어질 수 있다.
냉각 유체의 이동은, 특히 냉각 유체의 이동에 의한 압력 보상에서 그리고/또는 특히 중력에 반하여, 응축기 챔버들과 증발기 챔버 내 온도차 및/또는 압력차에 의한 개루프 또는 폐루프 제어에 의해서만 이루어질 수 있다. 밸브들 또는 기계식 펌프들은 더 이상 이용될 필요가 없으므로, 액상 냉각 유체가 연결 라인에서 중력에 반해서도 증발기 챔버 안으로 이동될 수 있다. 극저온의 경우에 기계식 부재들에서 문제점들이 회피되고 유지 보수 시간 및 비용이 감소한다.
증발기 챔버에서 냉각 유체가 액상에서 기상으로 전이될 수 있으며, 회전하는 초전도 장치, 특히 전동기 또는 발전기의 회전자의 초전도 권선을 냉각할 수 있고, 초전도 권선은 특히 HTS 물질을 포함한다. 증발기 챔버는 회전자 내에서, 특히 원통형 공동으로서 회전자의 회전축을 따라서 회전가능하게 배치될 수 있다.
2개 이상의 콜드 헤드와, 2개 이상의 응축기 챔버와, 특히 연결 파이프들을 둘러싸는 복합 파이프가 포함하는 특히 2개 이상의 연결 파이프는 고정 배치될 수 있다. 복합 파이프에 의해 연결 파이프들을 둘러싸므로, 고정 부재들에서 회전 부재들로 전이 시에 씰 및 베어링의 수가 감소할 수 있다.
초전도 기기의 냉각을 위한 장치 및 초전도 기기의 냉각을 위한 방법과 관련된 장점들은 유추에 의해 서로에 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들의 특징들에 따른 바람직한 개선예들과 함께 하기에서 도면을 참고하여 상술되지만 그에 한정되지 않는다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉각용 장치를 가지는 초전도 기기(2)의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각용 장치를 단순화한 개략도이다.
도면들에서 대응 부재들은 동일한 도면 부호를 갖는다.
도면들에 상응하는 기기들은 각각 하나의 고정자와 회전자 및 이에 할당된 냉각 유닛을 포함한다. 하기에서 설명하는 기기의 실시예는 특히 동기 전동기 또는 발전기가 될 수 있다. 기기는 회전하는 초전도 권선을 포함하며, 이와 같은 권선은 원칙적으로 금속성 LTS 물질[로우-Tc-초전도체 물질] 또는 산화 HTS 물질[하이-Tc-전도체 물질]을 사용한다. 후자의 물질이 하기의 실시예들에 사용되는 것으로 가정한다. 권선은 하나의 코일로 이루어지거나 2극, 4극 또는 그 밖의 다극 배열의 코일 시스템으로 이루어질 수 있다. 대응 동기 전동기의 원칙적인 구조는, 종래 기술에 공지된 것처럼 도 1에 도시되어 있다.
도면 부호 "2"로 표시된 기기는 고정자 권선(4)을 포함하는, 실온에 있는 고정형 외측 하우징(3)을 포함한다. 외측 하우징 내에서 그리고 고정자 권선(4)에 의해 싸여 있는 회전자(5)가 회전축(A)을 중심으로 회전할 수 있게 베어링(6)에 지지되어 있다. 이러한 베어링들은 종래의 기계적 베어링이거나 또는 자기 베어링이 될 수 있다. 그외에도 회전자는 진공 용기(7)를 가지며, 이러한 진공 용기 내에 예를 들어 토크를 전달하는 중공 원통형 현수 부재(8)에 권선 캐리어(9)가 HTS 권선(10)과 함께 고정되어 있다. 이러한 권선 캐리어 안에 축방향으로 연장하는 중앙 공동(12)이 회전축(A)에 대하여 동심으로 제공되어 있으며, 중앙 공동은 예를 들어 원통 형상을 갖는다. 이 경우 권선 캐리어는 공동에 대하여 진공 밀봉되게 형성되어 있다. 권선 캐리어는 회전자의 한 쪽에서 공동을 밀폐하며, 회전자는 중실의 축방향 회전자 샤프트 부재(5a)에 의해 상기 쪽에 지지되어 있다. 맞은 편 쪽에서 중앙의 공동(12)은 직경이 비교적 더 작은 측면 공동(13)에 연결되어 있다. 이러한 측면 공동은 권선 캐리어의 영역으로부터 밖을 향해 외부 하우징(3)의 영역으로부터 연장한다. 측면 공동(13)을 에워 싸는, 베어링들 중 어느 하나에 지지되어 있는, 관형상의 회전자 샤프트 부재가 "5b"로 표시되어 있다.
열전도 부재들에 의해 HTS 권선(10)을 간접적으로 냉각하기 위해 냉동 유닛이 제공되어 있으며, 냉동 유닛의 콜드 헤드(16)만이 도시되어 있다. 이러한 냉동 유닛은 GM형의 극저온 냉동기이거나 또는 특히 재생기형 극저온 냉동기, 예를 들어 맥동관 냉동기 또는 분리형 스털링 냉동기가 될 수 있다. 이 경우 냉동 유닛의 콜드 헤드(16) 및 그외 중요한 모든 부재들은 회전자(5) 또는 이의 외측 하우징(3) 밖에 위치한다.
회전자(5)로부터 측면으로 예를 들어 수 미터 거리에 배치된 콜드 헤드(16)의 콜드 부재는 진공 용기(23) 안에서 열전도 물체(17)에 의해 냉매 응축 유닛과 우수한 열 접촉을 하며, 냉매 응축 유닛은 응축기 챔버(18)를 갖는다. 진공 절연된 고정형 히트 파이프(20)가 응축기 챔버에 연결되어 있으며 측면으로 축의 영역에서 함께 회전하는 측면 공동(13) 안으로 또는 중앙 공동(12) 안으로 돌출한다. 측면 공동(13)에 대하여 히트 파이프(20)를 밀봉하기 위해 하나 이상의 밀봉 부재를 가지는, 도면에 자세히 도시되지 않은 밀봉 장치(21)가 이용되며, 이러한 밀봉 부재는 페로 플루이드 씰(ferro fluid seal) 및/또는 래비린스 씰(labyrinth seal) 및/또는 갭 씰(gap seal)로서 형성될 수 있다. 히트 파이프(20) 및 측면 공동(13)에 의해 중앙 공동(12)이, 외부에 대하여 기밀하게 밀봉되어 응축기 챔버(18)의 열교환 영역과 연결되어 있다. 중앙 공동(12)과 응축기 챔버(18) 사이에 연장해 있는 관형상 부재들은 냉매의 수용에 사용되며 일반적으로 파이프 영역(22)으로 표시된다. 파이프 영역들은 응축기 챔버(18) 및 중앙 공동(12)과 함께 파이프 시스템으로 볼 수 있다.
이런 파이프 시스템의 챔버들을 채우고 있는 냉매는 HTS 권선(10)의 희망하는 작동 온도에 따라 선택된다. 그러므로 예를 들어 헬륨(상압에서 응축 온도 4.2K), 수소(상압에서 응축 온도 20.4K), 네온(상압에서 응축 온도 27.1K), 질소(상압에서 응축 온도 77.4K) 또는 아르곤(상압에서 응축 온도 87.3K)이 고려된다. 이들 가스의 혼합물들도 제공될 수 있다. 이 경우 냉매의 순환은 소위 열사이펀 효과를 사용하여 이루어진다. 이를 위해 응축 챔버(18)의 영역에서 콜드 헤드(16)의 콜드 표면에서 냉매가 응축된다. 이어 "k"로 표시된 액화 냉매가 파이프 영역들(22)을 통해 중앙 공동(12) 안으로 흘러간다. 이 경우 응축물의 이송은 중력의 영향을 받아 이루어진다. 이를 위해 유리하게는 히트 파이프(20)가 회전축(A)에 대하여 약간 (몇 도만큼) 지구 중심 방향으로 기울어질 수 있으므로, 파이프(20)의 개방 단부(20a)로부터 액상 냉매(k)의 흐름이 보조될 수 있다. 그런 경우 회전자의 내부에서 액상 냉매가 증발된다. 증기상 냉매는 "k'"로 표시되어 있다. 열을 흡수하여 증발된 냉매는 파이프 영역들(22)의 내부를 통해 응축기 챔버(18)로 역류한다. 이 경우 역류는 증발기로서 작동하는 공동(12)에서 응축기 챔버(18)의 방향으로 약간의 과압을 통해 촉진되며, 이러한 과압은 증발기 내에서의 가스의 발생 및 응축기 챔버 내에서의 액화를 통해 야기된다. 응축기 챔버(18)로부터 중앙 공동(12)으로의 액화된 냉매의 순환 및 이 공동으로부터 다시, 응축기 챔버(18), 파이프 영역들(22) 및 공동(12)으로 형성되는 관형상 파이프 시스템 안에 있는 응축기 챔버로 증발된 냉매(k')의 역류가 이루어지기 때문에, 이는 열사이펀 효과를 사용하는 냉매(k, k')의 순환을 포함하는 1-파이프 시스템이라 할 수 있다.
그외에도 도 1에 도시된 것처럼, 선박에서 또는 해양 플랜트에서 기기(2)를 사용하는 경우 불균형이 발생할 수 있으며, 수평(H)에 대하여 회전축(A)이 몇 도의 각도(
Figure 112013034527863-pct00001
)만큼 기울어져 있다. 그런 경우 냉매의 응축이 여전히 응축기 챔버(18) 안에서 이루어진다. 그러나 냉매가 더 이상 중앙 공동(12)에 도달할 수 없으므로, 파이프 영역들(20)이 점차 액상 냉매(k)로 채워진다. 냉매에 의한 파이프 시스템의 충진량이 비교적 작은 경우 회전자 내실 또는 공동(12)이 마를 수 있고 그 결과 더 이상 냉각되지 않는다. 파이프 시스템의 충진량이 더 큰 경우에도 파이프 영역들(20)에서 액상 냉매(k)의 흐름이 증발기 챔버(12) 쪽으로 일정 시간 후에 차단된다. 이 경우에도 회전자 또는 이의 초전도 권선의 확실한 냉각이 더 이상 보장되지 않는다.
그러므로 종래 기술에 따르면 이런 상태에서 가스 압력은 응축기 쪽에서 짧은 시간 동안 커질 수 있으므로, 액상 냉매가 중력[경사 각도(
Figure 112013034527863-pct00002
)가 있는 경우]에 반하여 파이프 영역들(20)로부터 중앙 공동(12) 안으로 가압된다. 그와 같은 압력 상승은 종래 기술에 따라 따뜻한 버퍼 체적(PVw)과 기계식 펌프(28)에 의해 이루어진다. 이런 수단에 의해 가스 압력은 응축기 챔버(18) 내에서 일시적으로 증가할 수 있으므로, 거기에 그리고 파이프 영역들(20)에 있는 액상 냉매(k)가 중앙 공동(12) 안으로 가압된다. 그러므로 과압의 버퍼 체적(PVw)과 응축기 챔버(18) 사이 연결 라인(24) 안에 제어 밸브(29)가 배치되어 펌프(28)와의 연결을 개방하고, 그런 경우 펌프는 버퍼 체적으로부터 응축기 챔버 안으로 가스(k')를 이송한다. 밸브(30)는 응축기 챔버(18)로부터 과잉 가스의 피드백을 허용한다.
그와 같이 발생하는 압력 진동은 계속 발생할 수 있고, 즉 (각각 짧은 시간 주기 동안) 짧은 주기적인 시간 간격으로 발생할 수 있거나 종래 방식의 위치 센서(26)를 통해 제어 유닛(27)에 의해 제어될 수 있다. 이와 같은 위치 센서는 기기(2)의 경사 각도(
Figure 112013034527863-pct00003
)를 갖는 불균형을 검출하고 제어 유닛(27)에 의해 이미 설명한 것처럼 압력 체적(가스 펄스)의 도입을 일으킨다.
도 1에서 연결 라인(24)에 의해 기상 냉매로 시스템을 채우는 예를 들어 충진 밸브에 의해 가스의 공급 및 제거를 위한 그외 부재들이 도면에 도시되어 있지 않은데, 이들 부재들은 일반적으로 알고 있는 것들이기 때문이다. 시스템에서 허용될 수 없는 과압이 있는 경우 반응하는 과압 밸브(31)만이 표시되어 있다.
물론 냉매(k 또는 k')를 에워 싸는 부재들 또는 리셉터클들은 열전도로부터 보호되어야 한다. 그러므로 열적 절연을 위해 진공 환경이 제공되는 것이 적절하며, 경우에 따라서는 대응 진공 챔버들 안에 추가로 절연 수단, 예를 들어 초단열 또는 단열 폼이 제공될 수 있다. 도 1에서 진공 용기(7)에 의해 밀봉된 진공이 "V"로 표시되어 있다. 그외에도 진공은 측면 공동(13)을 에워싸는, 씰(21)까지 연장해 있는 파이프를 에워싼다. 히트 파이프(20) 및 응축기 챔버(18)와 열전도 물체(17)를 에워싸는 진공이 "V'"로 표시되어 있다. 경우에 따라서는 회전자(5)를 에워싸는, 외측 하우징(3)에 의해 에워싸인 내실(32) 안에서도 부압이 발생할 수 있다.
기계식 펌프(28)와 밸브들(29, 30, 31)의 시스템에서 단점으로는 단순화를 위해 도시되지 않았지만 초저온 영역에 부재들을 배치하는 경우 초저온에서 이들 부재들이 높은 고장 가능성을 가지며 이와 같은 온도에서 운동 부재들의 설계는 복잡하고 비싸다는 것이다. 특히 선박에서 이용과 관련하여, 그러나 기기 관련 다른 이용들에서도 장시간에 걸쳐 유지 보수가 불필요한 작동이 필요하다. 그러므로 기계적 운동 부재들은 최소로 줄여질 수 있는데, 이런 부재들에서 일반적으로 문제가 발생하기 때문이다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따라 앞서 설명한 기기(2)에서 새로운 방식의 냉각 원리가 이용된다. 이 경우 펌프(28)와 밸브(29, 30, 31) 같은 부재들이 불필요할 수 있으며, 기기의 그외 모든 부재들은 다르게 언급되지 않는 한 도 1에서 이미 설명한 기기의 부재들과 유사하다.
콜드 헤드(16)와 응축기 챔버(18)를 포함하는 도 1에 도시된 장치와 반대로, 도 2에 도시된 본 발명에 따른 장치의 실시예는 초전도 기기(2)의 냉각을 위해 제1, 제2 및 제3 응축기 챔버(18, 18', 18") 및 이에 할당된 콜드 헤드(16, 16', 16")를 갖는다. 대안으로서 2개 또는 3개 이상의 응축기 챔버(18) 및 이에 할당된 콜드 헤드(16)가 제공될 수도 있으며, 이는 단순화를 위해 도면에 도시되지 않았다. 각 응축기 챔버(18, 18', 18")는 이하에서 공통적으로 연결 라인(20, 20', 20")이라고 하는 히트 파이프(20, 20', 20")에 의해, 도 1에서 중앙 공동(12)을 통해 제공된 증발기 챔버(12)와 유체 연결되어 있다. 연결 라인(20, 20', 20")은 경사져 변형된 형태로서 V 형상 또는 U 형상으로 형성되어 배치되어 있고, 즉 연결 라인은 도 1에 도시된 것처럼 가장 저점을 가지는 수평(H)에 대하여 약간 기울어져 있으며, 이 저점에서 중력의 영향으로 유체가 모아질 수 있다. 그러나 연결 라인(20, 20', 20")은 다른 형상을 가질 수도 있으며, 중요한 것은 U튜브 마노미터와 유사하게 액체가 연결 라인의 내부에 모아질 수 있다는 것이다.
응축기 챔버(18, 18', 18")는 이에 속하는 연결 라인(20, 20', 20") 및 증발기 챔버(12)와 함께 폐쇄 시스템을 형성하고, 즉 외부에 대하여 유체 밀봉된 내실을 형성한다. 내실은 이하에서 냉각 유체라고 하는 냉매(k, k')로 채워진다. 냉각 유체는 액체(k) 및/또는 기체(k') 집합 상태에서, 즉 액상 냉각 유체(k) 및/또는 기상 냉각 유체(k')로서 제공될 수 있다.
앞서 도 1에서 설명한 것처럼 회전자(5)의 초전도 권선(10)이 극저온(Tk)에서 또는 극저온 미만으로 냉각되는 기기의 작동 동안 증발기 챔버(12)는 부분적으로 액상 냉각 유체(k)로 채워진다. 냉각 유체(k)는 증발하고 그 결과 회전자(5)로부터 열량을 빼내거나 회전자(5)의 초전도 권선(10)을 냉각한다. 도 2에서 초전도 기기(2)의 냉각을 위한 본 발명에 따른 장치는 제1 시점에서 도시되어 있다. 이 시점에서, 증발된 기상 냉각 유체(k')는 증발기 챔버(12)로부터 연결 라인(20' 및 20")에 의해 응축기 챔버(18' 및 18") 안으로 이송된다. 응축기 챔버(18' 및 18")에서 온도(T2 및 T3)는 각각, 할당된 콜드 헤드(16' 및 16")의 도움으로 냉각 유체(k)의 응축 온도 아래에 있으므로, 기상 냉각 유체(k')에서 열량이 제거되고 기상 냉각 유체가 액상 냉각 유체(k)로 응축된다. 액상 냉각 유체(k)는 연결 라인(20' 및 20") 안에 모아진다.
제1 응축기 챔버(18)에서, 냉각 유체(k)의 응축 온도 아래에 있는 온도에서 시작하여 온도(T1)는 이에 할당된 콜드 헤드(16) 및/또는 단순화를 위해 도시되지 않은 가열 장치에 의해 냉각 유체(k)의 응축 온도 위에 있는 온도(
Figure 112013034527863-pct00004
)로 상승한다. 이 경우 액상 냉각 유체가 증발하고 및/또는 기상 냉각 유체(k')는 제1 응축기 챔버(18) 안에서 팽창하며, 즉 제1 응축기 챔버(18) 내 압력(p1)은, 증발기 챔버(12) 내 압력(pv) 및 2개의 그외 응축기 챔버(18', 18") 내 압력(p2 및 p3) 보다 더 높은 값으로 상승한다. 그러므로 연결 라인(20) 안에 있는 액상 냉각 유체(k)는 냉각 유체(k)의 중력보다 더 큰 압력에서 중력의 작용에 대하여 증발기 챔버(12) 안으로 가압된다. 응축기 챔버(18)와 연결 라인(20)으로부터 냉각 유체(k)가 증발기 챔버(12) 안으로 가압된다.
이런 효과는 추가로 응축기 챔버(18' 및 18") 내 부압(p1 및 p2)에 의해 강화되며, 이와 같은 부압은 응축기 챔버(18' 및 18")에서 냉각 및 응축의 경우에 기상 냉각 유체(k')의 체적의 감소를 통해 발생한다. 이런 부압은 기상 냉각 유체(k')를 증발기 챔버(12)로부터 연결 라인(20' 및 20") 안으로 흡입하여 증발기 챔버(12) 내 압력(pv)을 줄인다. 그러므로 제1 응축기 챔버(18)와 증발기 챔버(12) 사이의 압력차[Δp(p1-pv)]는 강화되고 추가로 액상 냉각 유체(k)가 압력 보상을 위해 연결 라인(20)으로부터 증발기 챔버(12) 안으로 이동한다.
앞서 설명한 프로세스는, 특히 액상 냉각 유체(k)가 연결 라인(20)으로부터 전부 또는 적어도 거의 전부 증발기 챔버(12) 안으로 이동하면, 종료한다. 액상 냉각 유체(k)의 연속적인 냉각 또는 증발기 챔버(12) 안으로 연속적인, 준연속적인 또는 펄스화된 냉각 유체 흐름을 보장하기 위해, 적시에 응축기 챔버(18, 18', 18") 내 온도(T1, T2, T3)의 교환이 콜드 헤드(16, 16', 16")에 의해 이루어질 수 있다. 이 경우 응축기 챔버(18)는 냉각 유체의 응축 온도 아래에 있는 온도로 콜드 헤드(16)에 의해 냉각될 수 있으며, 예를 들어 응축기 챔버(18 및 18")는 같은 온도를 갖는다. 응축기 챔버(18')는 콜드 헤드(16') 또는, 단순화를 위해 도시되지 않은 가열 장치에 의해, 냉각 유체의 응축 온도 위에 있는 온도로 가열될 수 있다. 그 결과 이 단락에서 설명한 제2 시점에서 응축기 챔버(18')가 제1 시점에서 응축기 챔버(18)처럼 작용하고 제2 시점에서 응축기 챔버(18 및 18")는 제1 시점에서 응축기 챔버(18' 및 18")처럼 작용한다. 응축기 챔버(18')에서 온도의 상승을 통해 과압이 형성되고 액상 냉각 유체(k)가 연결 라인(20')으로부터 증발기 챔버(12) 안으로 이동한다. 상황이 도 2에 도시된 상황과 유사하기 때문에, 단지 응축기 챔버들(18, 18' 및 18") 사이에서 바뀐 역할(온도, 압력 및 유체 흐름)과 함께, 이런 상황 또는 프로세스가 제2 시점에서 단순화를 위해 도면에 도시되어 있지 않다.
제3 시점에서 응축기 챔버(18, 18', 18")의 작용 역시 바뀔 수 있으며, 응축기 챔버(18")는 콜드 헤드(16")에 의해 냉각 유체(k)의 증발 온도 위에 있는 온도로 될 수 있다. 이 경우 응축기 챔버(18 및 18')는 예를 들어 같은 온도, 즉 냉각 유체(k')의 응축 온도 아래에 있는 온도를 가질 수 있다. 응축기 챔버(18")는 콜드 헤드(16") 또는 단순화를 위해 도시되지 않은 가열 장치에 의해, 냉각 유체의 응축 온도 위에 있는 온도로 가열될 수 있다. 그 결과, 제3 시점에서 응축기 챔버(18")는 제1 시점에서 응축기 챔버(18)처럼 작용하고 제3 시점에서 응축기 챔버(18 및 18')는 제1 시점에서 응축기 챔버(18' 및 18")처럼 작용한다. 응축기 챔버(18")에서 온도의 상승에 의해 과압이 형성되고 액상 냉각 유체(k)가 연결 라인(20")으로부터 증발기 챔버(12) 안으로 이동한다. 상황이 도 2에 도시된 상황과 유사하기 때문에, 단지 응축기 챔버들(18, 18', 18") 사이에서 바뀐 역할(온도, 압력 및 유체 흐름)과 함께, 이런 상황 또는 프로세스가 제3 시점에서 단순화를 위해 도면에 마찬가지로 도시되어 있지 않다.
제4 시점에서 제1 시점의 상태가 다시 만들어질 수 있다. 고정된 시간 주기 후에 또는 상이한 시간들 후에 응축기 챔버(18, 18', 18")의 작용들의 규칙적 교환에 의해 초전도 기기(2)의 냉각을 위한 장치의, 연속적인, 준연속적인 또는 펄스화된 작동이 보장될 수 있다.
응축기 챔버(18, 18', 18")의 작용이 바뀌는 경우 어떤 다른 순서도 가능하며, 기본 원리가 바뀌지 않는다. 확실한 냉각 작동은, 예를 들어 선박에서 이용하는 경우 기기(2)가 기울어질지라도 보장될 수 있다.

Claims (19)

  1. 초전도 기기(2)의 냉각을 위한 장치이며, 상기 장치는 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")를 가지며, 응축기 챔버는 각각 콜드 헤드(16, 16', 16")와 열 접촉하고, 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")는 각각 연결 라인(20, 20', 20")을 가지며, 상기 연결 라인에 의해 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")가 증발기 챔버(12)와 유체 연결되어 있는 초전도 기기의 냉각을 위한 장치에 있어서,
    2개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")는, 냉각 유체(k)가 액체 형태로 중력에 반해서, 제1 응축기 챔버(18, 18', 18")의 제1 압력(p1)과 제2 응축기 챔버(18, 18', 18")의 제2 압력(p2) 사이의 압력차에 의해 하나 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")로부터 증발기 챔버(12) 안으로 이동할 수 있도록 형성되며, 상기 압력들은 각각 응축기 챔버들(18, 18', 18") 내 온도에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 각각 하나의 콜드 헤드(16, 16', 16")를 가지는 3개 이상의 응축기 챔버(18, 18', 18")가 포함되며, 3개 이상의 응축기 챔버들(18, 18', 18")에서는 각각 할당된 콜드 헤드(16, 16', 16")에 의해 서로 독립적으로 온도(T1, T2, T3)가 개루프 또는 폐루프 제어되어 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폐쇄된 냉각 회로와 냉각 회로 중 적어도 하나가 응축기 챔버들(18, 18', 18"), 연결부들, 및 증발기 챔버(12)에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치는 냉각 유체(k, k')로 채워지며, 상기 냉각 유체는 균질 액체를 포함하거나, 응축 온도들이 다른 냉각 액체들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초전도 기기(2)는 하나 이상의 초전도 권선(10)을 가지는 회전자(5)를 포함하는 전동기 또는 발전기이며, 회전자(5)는 축(A)을 중심으로 회전할 수 있게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서, 응축기 챔버들(18, 18', 18") 및 각각 할당된 콜드 헤드들(16, 16', 16")은 회전자(5) 외부에 고정 배치되어 있으며, 증발기 챔버(12)는 회전자(5) 내에, 공동(12, 13)으로서 회전자(5)의 회전축(A)을 따라서 회전할 수 있게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치.
  7. 열사이펀 효과를 이용하는, 초전도 기기(2)의 냉각을 위한 방법이며,
    A) 하나의 제1 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하고, 이때 냉각 유체가 증발되거나, 또는 가스가 상기 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서 팽창하거나, 또는 압력(p1, p2 또는 p3)이 상기 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 상승하며, 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")와 증발기 챔버(12) 사이의 제1 연결 파이프(20, 20' 또는 20") 내 액상 냉각 유체(k)가 온도 상승, 증발 또는 가스 팽창에 의해 증발기 챔버(12) 안으로 이동하는 단계와,
    B) 동시에 하나의 제2 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 일정하게 유지되거나 하락하므로, 기상 냉각 유체(k')가 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내 온도 상승 또는 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내 온도 하락을 통해 제2 연결 파이프(20, 20' 또는 20")에 의해 증발기 챔버(12)로부터 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안으로 이동하는 단계를 포함하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  8. 열사이펀 효과를 이용하는, 초전도 기기(2)의 냉각을 위한, 제7항에 따른 방법이며,
    C) 하나의 제1 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있으며 하나의 제1 연결 파이프(20, 20' 또는 20")에 의해 증발기 챔버(12)와 유체 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 일정하게 유지되는 단계와,
    D) 동시에 하나의 제2 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 하락하므로, 기상 냉각 유체(k')는, 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내에서 온도 하락, 냉각 유체의 응축 또는 가스의 압축을 통해 상기 증발기 챔버(12)와 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 사이의 하나의 제2 연결 파이프(20, 20' 또는 20")에 의해 상기 증발기 챔버(12)로부터 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안으로 이동되는 단계와,
    E) 이로써, 상기 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")와 상기 증발기 챔버(12) 사이의 상기 제1 연결 파이프(20, 20' 또는 20") 내 액상 냉각 유체(k)는, 적어도 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내에서 온도 하락, 냉각 유체의 응축 또는 가스의 압축을 통해 증발기 챔버(12) 안으로 이동하는 단계를 포함하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 동시에 하나의 제3 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 적어도, 하나의 제3 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 일정하게 유지되거나 하락하는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, A) 단계와 B) 단계 또는 C) 단계 내지 E) 단계의 시간에 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하였거나 또는 일정하게 유지되었던 하나 이상의 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서 시간상 A) 단계와 B) 단계 또는 C) 단계 내지 E) 단계 직후에 또는 후에 온도(T1, T2 또는 T3)가 하락하거나 일정하게 유지되며, A) 단계와 B) 단계 또는 C) 단계 내지 E) 단계의 시간에 온도(T1, T2 또는 T3)가 일정하게 유지되었거나 하락하였던 하나 이상의 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하거나 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  11. 열사이펀 효과를 이용하는, 초전도 기기(2)의 냉각을 위한, 제7항 또는 제8항에 따른 방법이며,
    제1 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서, 그리고 동시에 제2 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하며, 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서보다 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 온도 또는 온도 상승이 더 크므로, 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서보다 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 더 많은 냉각 유체가 증발되거나 또는 가스가 더 많이 팽창하거나 또는 제1 응축기 챔버와 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내 압력들(p1, p2 또는 p3) 사이의 압력차가 생기거나 증가하므로, 이때 액상 냉각 유체(k)는 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")와 증발기(12) 사이의 제1 연결 파이프(20, 20' 또는 20") 안에서 이동되고, 기상 냉각 유체(k')는 제2 연결 파이프(20, 20' 또는 20")에 의해 증발기 챔버(12)로부터 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안으로 이동되는 단계들을 포함하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  12. 열사이펀 효과의 사용하에 초전도 기기(2)의 냉각을 위한, 제7항 또는 제8항에 따른 방법이며,
    하나의 제1 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나의 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서, 그리고 동시에 하나의 제2 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 하나 이상의 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 하락하고, 상기 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내의 온도가 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내의 온도보다도 낮거나, 상기 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내의 온도 하락이 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내의 온도 하락보다도 크거나 중 어느 하나 또는 이들 양자 이므로, 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서보다 상기 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")에서 더 많은 냉각 유체가 응축되거나, 또는 가스가 더 많이 압축되거나 또는 상기 제1 응축기 챔버와 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 내 압력들(p1, p2 또는 p3) 사이의 압력차가 발생하거나 증가하며, 이로써 액상 냉각 유체(k)는 상기 제2 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")와 상기 증발기 챔버(12) 사이의 하나의 제2 연결 파이프(20, 20' 또는 20") 안에서 이동하고, 기상 냉각 유체(k')는 하나의 제1 연결 파이프(20, 20' 또는 20")에 의해 상기 증발기 챔버(12)로부터 상기 제1 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안으로 이동하는 단계들을 포함하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서, 동시에 하나의 제3 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와 열적으로 연결되어 있는 적어도, 하나의 제3 응축기 챔버(18, 18' 또는 18") 안에서 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하거나, 일정하게 유지되거나, 하락하는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하였던 응축기 챔버들(18, 18' 또는 18")에서 시간상 직후에 또는 후에 온도(T1, T2 또는 T3)가 하락하거나, 또는 온도(T1, T2 또는 T3)가 하락하였던 응축기 챔버들(18, 18' 또는 18")에서 시간상 직후에 또는 후에 온도(T1, T2 또는 T3)가 상승하는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  15. 제7항 또는 제8항에 있어서, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법은 증발기 챔버(12) 안으로 액상 냉각 유체(k)의 연속적 펌핑 프로세스 또는 펄스화된 펌핑 프로세스로서 실시되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  16. 제7항 또는 제8항에 있어서, 온도 하락이 하나 이상의 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")에 의한 냉각을 통해 이루어지거나, 또는 온도 상승이 하나 이상의 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")에 의해 또는 가열 장치에 의한 가열을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  17. 제7항 또는 제8항에 있어서, 냉각 유체(k, k')의 이동은, 냉각 유체 이동에 의한 압력 보상에서 또는 중력에 반하여, 응축기 챔버들(18, 18' 또는 18")과 증발기 챔버(12) 내 온도차 또는 압력차에 의한 개루프 또는 폐루프 제어에 의해서만 이루어지는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  18. 제7항 또는 제8항에 있어서, 증발기 챔버(12)에서 냉각 유체는 액상(k)에서 기상(k')으로 전이되며, 전동기 또는 발전기의 회전자(5)의 초전도 권선(10)을 냉각하고, 증발기 챔버(12)는 회전자(5) 내에서 원통형 공동(12, 13)으로서 회전자(5)의 회전축(A)을 따라서 회전가능하게 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
  19. 제7항 또는 제8항에 있어서, 2개 이상의 콜드 헤드(16, 16' 또는 16")와, 2개 이상의 응축기 챔버(18, 18' 또는 18")와, 연결 파이프들(20, 20' 또는 20")을 둘러싸는 복합 파이프가 포함하는 2개 이상의 연결 파이프(20, 20' 또는 20")는 고정 배치되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각을 위한 방법.
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