KR101921542B1

KR101921542B1 - 열교환기를 이용한 크라이오스탯

Info

Publication number: KR101921542B1
Application number: KR1020170005454A
Authority: KR
Inventors: 장원준; 이진환; 손동현; 세메르지디스 야니스
Original assignee: 한국과학기술원; 기초과학연구원
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-11-27
Also published as: KR20170085009A

Abstract

본 기술은 열교환기를 이용한 크라이오스탯이 개시되어 있다. 본 발명의 구체화에 따르면, 복수의 차폐부와 외부 및 듀어 간의 연결되는 단면적을 최소화하는 지지부에 의해 듀어에 공급되는 외부의 전도열 및/또는 복사열을 근본적으로 차폐할 수 있고, 아랫면과 윗면을 연결하는 통로를 가지는 양면형 열교환기를 의거 기체 헬륨의 열교환을 수행하므로 기체 헬륨의 열교환 면적이 증가되고 이에 극 저온 기체 헬륨으로 인한 크라이오스탯의 냉각 효율이 극대화할 수 있다.

Description

열교환기를 이용한 크라이오스탯{CRYOSTAT USING MULTIPLE NUMBER OF HEAT EXCHANGERS}

본 발명은 열교환기를 이용한 크라이오스탯에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 외부의 전도열 및/또는 복사열을 통해 저온유지 공간으로 유입되는 열을 최대한 감소하여 액체 헬륨이나 질소의 액체 냉매의 저장 효율을 높일 수 있는 기술에 관한 것이다.

극저온 환경이 필요할 때에 사용되는 크라이오스탯(cryostat, 저온 유지 장치)은 일반적으로 내부에 극저온의 액체 질소나 헬륨을 저장하는 듀어(dewar, 저장용기)와 이를 단열하는 차폐 실드(radiation shield)로 구성되어 있다.

하지만 다중의 차폐 실드 등을 통해서도 외부로부터 유입되는 열을 모두 차단할 수 없기에 내부의 액체 헬륨/질소는 서서히 증발하여 저장할 수 있는 기간이 한정되게 된다. 크라이오스탯이 액체 헬륨/질소를 유지할 수 있는 기간에 따라 극저온으로 작업할 수 있는 기간이 결정되므로 이전부터 많은 사람들이 크라이오스탯의 효율 개선에 힘써왔다.

이를 위해 외부에서 전도와 복사를 통해 유입되는 열을 최대한 감소시켜야 한다.

삭제

전도의 경우 외부와 내부를 직접 연결하는 부분들의 단면적과 길이에 비례하여 커지고, 복사의 경우 표면의 방사율(emissivity)과 겉면적에 비례하는 경향이 있다.

또한 극저온의 액체에서 증발해서 나온 기체 또한 극저온 상태이므로 이를 크라이오스탯의 냉각에 효율적으로 사용하여 저장 기간을 늘릴 수도 있다.

이에 본 발명에서는 이러한 요소들을 복합적으로 고려하여 보다 저장 효율을 극대화할 수 있는 크라이오스탯을 제안하고자 한다.

일본공개특허공보 제2007-088146호(2007.04.05)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 내부의 액체 냉매를 보관하는 듀어로 전달되는 전도열와 복사열을 근본적으로 차폐시켜 가능한 오랜 시간 동안 액체 냉매를 보관할 수 있고, 증발된 극저온의 기체 냉매를 이용하여 냉각 효율을 높일 수 있는 열교환기를 이용한 크라이오스탯을 제공하고자 함에 있다.

이에 따른 본 발명은,
저온유지 공간, 외부로부터의 전도열 및/또는 복사열로부터 상기 저온유지 공간을 차폐하는 제1 차폐 실드와, 상기 제1 차폐 실드의 내부에 장착되며 냉매가 통과하면서 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기를 포함하며, 상기 제1 열교환기는 상기 제1 열교환기의 일면에 설치되는 제1 통로와, 상기 제1 열교환기의 타면에 설치되는 제2 통로를 구비하고, 상기 제1 통로의 유출구는 상기 제2 통로의 유입구와 연통되며, 상기 제1 통로의 유입구를 통해 상기 냉매가 유입되는 것을 일 특징으로 한다.

삭제

바람직하게 상기 제1 차폐 실드를 통과한 외부의 전도열 및/또는 복사열로부터 상기 저온유지 공간을 차폐하는 제2 차폐 실드와, 상기 제2 차폐 실드의 내부에 장착되며 상기 액체 냉매가 통과하면서 열 교환이 이루어지는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 기 제1 통로 또는 상기 제2 통로는 나선형으로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 제1 통로의 유출구와 상기 제2 통로의 유입구 사이에서 상기 액체 냉매가 배출되는 것을 방지하기 위해 상기 제1 열교환기의 윗면 또는 아랫면을 덮는 덮개를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 제1 차폐 실드와 상기 제2 차폐 실드 사이의 간격을 유지하는 지지부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 제1 열교환기는 상기 저온유지 공간에 장착되며, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 차폐 실드에 장착될 수 있다.

삭제

본 발명에 의하면, 복수의 차폐부와 외부 및 저온유지 공간 간의 연결되는 단면적을 최소화하는 지지부에 의해 저온유지 공간에 공급되는 외부의 전도열 및 복사열을 근본적으로 차폐할 수 있는 효과를 얻는다.

또한, 아랫면과 윗면을 연결하는 통로를 가지는 양면형 열교환기를 의거 기체 헬륨의 열교환을 수행하므로 기체 헬륨의 열교환 면적이 증가되고 이에 극 저온 기체 헬륨으로 인한 크라이오스탯의 냉각 효율이 극대화할 수 있는 잇점을 가진다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중의 양면형 열교환기를 이용한 크라이오스탯의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중의 양면형 열교환기를 이용한 크라이오스탯의 상부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중의 양면형 열교환기를 이용한 크라이오스탯의 열교환기의 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중의 양면형 열교환기를 이용한 크라이오스탯의 상부 원판형 덮개의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조한 실시 예를 통하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열교환기를 이용한 크라이오스탯을 보인 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 크라이오스탯의 상부 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 열교환기의 수직 단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 크라이오스탯의 원판형 덮개 구성도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 열교환기를 이용한 크라이오스탯(S)은, 차폐부(100), 차폐부(200), 차폐부(300), 듀어(400), 및 지지부(500)를 포함할 수 있다.

여기서 차폐부(300)는 외부로부터 제공된 전도열 및 복사열이 듀어(400)의 내부로 전달되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 차폐부(300)는 차폐 실드(310) 및 열교환기(320)를 포함할 수 있다.

차폐 실드(310)는 내부의 구리 증착을 통해 스테인리스강보다 방사율을 낮춰 외부로부터 공급되는 복사열이 듀어(400)에 전달되는 것을 감소할 수 있다.

열교환기(320)는 다중 양면형으로 구비되고 이에 윗면과 아랫면의 양면에 기체 헬륨이 지나가면서 열을 교환할 수 있는 통로를 제공한다.

한편, 차폐부(200)는 차폐부(300)를 통과한 외부의 전도열 및 복사열이 듀어(400)의 내부로 전달되는 것을 차폐할 수 있으며, 이에 차폐부(200)는 차폐 실드(210) 및 열교환기(220)를 포함할 수 있다.

차폐 실드(210)는 가볍고 방사율이 낮은 알루미늄으로 제작되고, 차폐부(300)를 통과한 외부의 전도열이 듀어(400)에 전달되는 것을 방지할 수 있다.

열교환기(220)는 역시 다중 양면형으로 구비되고 이에 윗면과 아랫면의 양면에 기체 헬륨이 지나가면서 열을 교환할 수 있는 통로를 제공한다.

한편, 차폐부(100)는 차폐부(200)를 통과한 외부의 전도열이 듀어(400)에 전달되는 것을 방지할 수 있고, 이에 차폐부(100)는 차폐 실드(110) 및 열교환기(120)를 포함할 수 있다.

여기서, 차폐 실드(110)는 역시 차폐 실드(210)와 동일하게 가볍고 방사율이 낮은 알루미늄 재질로 제작되고, 열교환기(120) 역시 다중 양면형으로 구비되고 이에 윗면과 아랫면의 양면에 기체 헬륨이 지나가면서 열을 교환할 수 있는 통로를 제공한다.

이에 본 발명에 의거한 크라이오스탯(S)는 다수 차폐부를 마련하여 외부로부터 공급되는 전도열 및 복수열로부터 듀어(400)에 보관 중인 액체 헬륨을 완전하게 차폐할 수 있다.

또한 크라이오스탯(S)는 각 차폐 실드(110)(210)(310)와 각 열교환기(120)(220)(320)의 중간에 듀어(400) 및 각 차폐부(100)(200)(300)을 지지하는 지지부(500)를 더 포함할 수 있다.

한편, 각각의 열교환기는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 유입구(321)와 배출구(322)가 별도로 구비된 나선형 구조의 통로(323)가 윗면에 설치되고, 유입구(321')와 배출구(322')가 별도로 구비된 나선형 구조의 통로(323')가 아랫면에 설치되며, 통로(323')의 배출구(322')와 통로(323)의 유입구(321)사이에 별도의 이동통로(324)를 마련한다.

이에 듀어(400)에 보관 중인 액체 헬륨으로부터 생성된 기체 헬륨은 각 열교환기(320)의 아랫면의 유입구(321')를 통해 유입되고, 열교환기(320)의 아랫면의 유입구(321')로 유입된 기체 헬륨은 열교환기(320)의 아랫면의 통로(323')를 통과하면서 1차 열교환이 이루어진 후 아랫면의 배출구(322')로 배출된다.

그리고, 아랫면의 배출구(322')에서 배출된 기체 헬륨은 이동통로(324)를 통해 윗면 통로(323)의 유입구(321)로 전달되고, 윗면을 연결하는 통로(323)를 통과하면서 열교환이 이루어지며, 이러한 열교환이 이루어진 기체 헬륨은 열교환기의 배출구(322)를 통해 차폐부(200)의 차폐 실드(210)의 내부로 배출된다.

또한, 각각의 열교환기는 도 4에 도시된 바와 같이, 유입구(321)를 통해 제공된 기체 헬륨이 외부로 배출되는 것을 방지하기 위한 원판형 덮개(325)를 더 포함하고, 이에 따라 각 열교환기에 공급되는 기체 헬륨은 각각의 통로(323)(323')를 따라 순환하게 된다. 이러한 순환이 완료된 기체 헬륨은 배출구(322)를 통해 배출된다.

예를 들어, 열교환기(120)로부터 배출된 기체 헬륨은 차폐 실드(210)의 내부로 배출되고, 차폐 실드(210)의 내부로 배출된 기체 헬륨은 열교환기(220)의 아랫면 통로와 윗면 통로를 순차적으로 순환한 후 차폐 실드(310)로 전달되며, 차폐 실드(110)의 내부로 배출된 기체 헬륨은 열교환기(120)의 아랫면 통로 및 윗면 통로를 순차 순환한 후 외부로 배출된다.

이에 각 열교환기(120)(220)(320)의 아랫면과 윗면 양면의 통로를 통해 순환하면서 기체 헬륨의 열교환이 이루어지므로, 열교환 면적이 증가되고 이에 기체 헬륨이 극 저온 상태로 유지된다.

이러한 외부와 듀어(400) 간의 연결되는 단면적이 최소화됨에 따라 외부의 듀어(400)에 도달되는 복사열 및 전도열이 최소화될 수 있다.

또한, 각 차폐부(100)(200)(300)의 열 교환기(320)(220)(120)는 아랫면과 윗면을 연결하는 통로의 순환을 통해 양면형으로 기체 헬륨의 열교환을 수행하므로 기체 헬륨의 열교환 면적이 증가되고 이에 극저온의 기체 헬륨으로 인한 크라이오스탯(S)의 냉각 효율이 극대화된다.

한편, 열교환기(320)의 외측 면에는 적어도 하나의 중간 공간(711)(712)을 형성한다. 중간 공간(711)은 액체 헬륨 또는 질소를 듀어(400)에 주입하는 역할을 수행하고, 중간 공간(712)은 듀어(400)에 액체 헬륨 또는 질소를 주입할 때 개방하여 이에 액체 헬륨 또는 질소의 유입으로 발생된 듀어(400)의 압력 변화가 감소되어 듀어(400)의 내부 압력을 안정시킬 수 있다. 이러한 중간 공간(711)(712)는 전술된 기능을 완료된 후 밀봉하여 액체 헬륨 또는 질소가 외부로 배출되는 것을 차단할 수 있다.

본 발명에 따른 크라이오스탯(S)는 복수의 차폐부와 외부 및 듀어 간의 연결되는 단면적을 최소화하는 지지부에 의거 듀어로 공급되는 외부의 전도열 및 복사열을 근본적으로 차폐할 수 있고, 아랫면과 윗면을 연결하는 통로를 가지는 양면형 열교환기를 의거 기체 헬륨의 열교환을 수행하므로 기체 헬륨의 열교환 면적이 증가되고 이에 극 저온의 기체 헬륨으로 인한 크라이오스탯(S)의 냉각 효율을 극대화할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

복수의 차폐부와 외부 및 듀어 간의 연결되는 단면적을 최소화하는 지지부에 의해 듀어에 공급되는 외부의 전도열 및 복사열을 근본적으로 차폐할 수 있고,아랫면과 윗면을 연결하는 통로를 가지는 양면형 열교환기를 의거 기체 헬륨의 열교환을 수행하므로 기체 헬륨의 열교환 면적이 증가되고 이에 극저온 기체 헬륨으로 인한 크라이오스탯의 냉각 효율이 극대화할 수 있는 열교환기를 이용한 크라이오스탯에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 초전도체의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims

저온유지 공간
외부로부터의 공급된 전도열 및/또는 복사열로부터 상기 저온유지 공간을 차폐하는 제1 차폐 실드와,
상기 제1 차폐 실드의 내부에 장착되며 냉매가 통과하면서 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기를 포함하며,
상기 제1 열교환기는 상기 제1 열교환기의 일면에 설치되는 제1 통로와, 상기 제1 열교환기의 타면에 설치되는 제2 통로를 구비하고,
상기 제1 통로의 유출구는 상기 제2 통로의 유입구와 연통되며, 상기 제1 통로의 유입구를 통해 상기 냉매가 유입되며,
상기 제1 열교환기는 상기 제1 통로로 유입된 냉매를 열교환한 후 상기 연통된 제2 통로로 전달하고 상기 제2 통로로 유입된 냉매를 열교환함으로 양면형으로 열교환이 이루어지고,
상기 제1 열교환기는 상기 제1 통로의 유출구와 상기 제2 통로의 유입구 사이에서 상기 냉매가 배출되는 것을 방지하기 위해 상기 제1 열교환기의 일면 또는 타면을 덮는 덮개를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 크라이오스탯.
제1항에 있어서,
상기 제1 차폐 실드를 통과한 전도열 및/또는 복사열로부터 상기 저온유지 공간을 차폐하는 제2 차폐 실드와,
상기 제2 차폐 실드의 내부에 장착되며 상기 냉매가 통과하면서 열 교환이 이루어지는 제2 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 크라이오스탯.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 통로 또는 상기 제2 통로는 나선형인 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 크라이오스탯.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 통로의 유출구와 상기 제2 통로의 유입구 사이에서 상기 냉매가 배출되는 것을 방지하기 위해 상기 제1 열교환기의 일면 또는 타면을 덮는 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 크라이오스탯.
제2항에 있어서,
상기 제1 차폐 실드와 상기 제2 차폐 실드 사이의 간격을 유지하는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 크라이오스탯.
제2항에 있어서, 상기 제1 열교환기는
상기 제1 차폐 실드에 장착되고,
상기 제2 열교환기는
상기 저온유지 공간에 장착하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 크라이오스탯.