KR102110437B1

KR102110437B1 - 유체 순환장치

Info

Publication number: KR102110437B1
Application number: KR1020130028749A
Authority: KR
Inventors: 한영희; 한상철; 박병준; 정세용
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2020-05-13
Also published as: KR20140114198A

Abstract

본 발명은 유체 순환장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 순환펌프를 사용하지 않고, 밸브의 개폐와 유체의 압력를 이용하여 유체를 순환시키는 시스템을 구비한 장치를 구성하여, 종래기술에서 발생되는 열 침입 발생을 방지하고, 별도의 펌프 사용에 따른 전력소모를 감소시킴으로써 전력효율향상을 도모하는 유체 순환장치에 관한 것이다.

Description

유체 순환장치{FULID CIRCULATOR}

전자제품의 내부에 조립된 회로는 저항을 가지고 있고, 이러한 회로가 사용되는 전자기기는 필연적으로 열을 수반하게 된다. 이러한 열을 전자기기로부터 방출하거나, 냉각시키는 정도가 높을수록 회로의 수명이 오래갈 수 있다.

전자기기에서 발생되는 열을 제거하기 위한 수단 중 하나는 유체를 순환시켜 온도는 낮추는 순환식이 있다. 이러한 방식은 과열된 전자기기와 순환유체 사이의 온도 차가 클수록 열 전달량이 클 수 있는 특징을 가진다.

특히, 극저온상태에서 전기저항이 0이 되는 초전도체는 온도의 영향이 크다. 따라서, 초전도 변압기, 초전도 모터, 초전도 한류기, 초전도 베어링과 같이 초전도체를 사용한 전자기기는 순환장치의 역할은 더욱 중요하며, 순환장치에 사용되는 냉매로는 액체질소가 대표적으로 사용된다.

일반적으로 액체질소를 순환시키기 위하여 액체질소 저장용기 내부에 순환펌프를 장착한다. 한국특허공개공보 제2007-0036027호의 초전도 전력기기용 냉각 시스템의 발명 역시 순환장치를 개시하며, 이러한 순환장치는 신속하게 액체질소를 초전도 전자기기로 이송할 수 있는 특징을 가지지만, 액체질소를 낮은 온도로 유지하기 위해 냉각기나 열 교환기 같이 별도의 장치가 요구되었고, 감압탱크의 설치가 필요하였다. 또한, 순환펌프는 통상적으로 기계식 순환펌프로 외부 전동기를 이용하기 때문에, 펌프 자체에서 소비되는 전력이 요구되었다.

이러한 문제점을 감소시키기 위해서는 장치가 복잡해지며, 순환시스템에 펌프를 이용할 경우, 전자기기 냉각 시 발생하는 기체가 유로 내 액체질소와 혼합되어 있는 경우가 발생하며, 이로 인하여 액체질소의 순환이 단절되는 현상이 발생하였다.

본 발명은 유체 순환장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 순환펌프를 사용하지 않고, 밸브의 개폐와 유체의 압력을 이용하여 유체를 순환시키는 시스템을 구비한 장치를 구성하여, 종래기술에서 발생되는 열침입 발생을 방지하고, 별도의 펌프 사용에 따른 전력소모를 감소시킴으로써 전력효율향상을 도모하는 유체 순환장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 유체 순환 장치는 내부에 유체를 보관할 수 있는 공간을 구비하는 주저장부; 상기 주저장부와 연결된 보조저장부; 상기 주저장부와 연결된 하나 이상의 관; 및 상기 관에 각각 결합된 하나 이상의 밸브를 포함하고, 상기 보조저장부는 상기 주저장부의 상단에 배치되고, 외부시스템으로부터 순환된 냉매가 유입되는 제3 유로 및 제2 배기밸브와 결합된 제2 배기관이 연결되며, 상기 관은, 상기 주저장부에 연결되는 가스유출입관; 상기 가스유출입관과 연결되고, 상기 주저장부와 기압공급부와 연결시키는 기압공급관; 상기 주저장부와 외부시스템을 연결시키는 제1 유로; 상기 주저장부와 상기 보조저장부를 연결시키는 제2 유로; 및 상기 가스유출입관과 연결되고, 대기 또는 외부장치와 연결되어 있는 제1 배기관으로 구성되고, 상기 밸브는, 상기 기압공급관에 결합된 공급밸브; 상기 제1 배기관에 결합된 제1 배기밸브; 상기 제1 유로에 결합된 제1 유로밸브; 및 상기 제2 유로에 결합된 제2 유로밸브로 구성되며, 상기 제1 배기밸브 및 상기 제2 배기밸브의 개폐가 제어되되, 상기 주저장부의 냉매가 상기 외부시스템으로 흐르는 순환단계에서, 상기 기압공급관으로부터 가스가 유입됨에 따라 상기 제1 배기밸브를 폐쇄시키고, 상기 외부시스템으로부터 상기 보조저장부 내부로 냉매가 유입됨에 따라 상기 제2 배기밸브를 개방시키며, 상기 보조저장부의 냉매가 상기 주저장부로 흐르는 순환단계에서, 상기 기압공급관으로부터 가스 유입이 차단됨에 따라 상기 제1 배기밸브를 개방시키고, 상기 외부시스템으로부터 상기 보조저장부 내부로 냉매 유입이 차단됨에 따라 상기 제2 배기밸브를 폐쇄시키되, 상기 공급밸브, 상기 제1 유로밸브 및 상기 제2 배기밸브는 NC(Normal Closed)형으로 구성되고, 상기 제1 배기밸브 및 상기 제2 유로밸브는 NO(Normal Open)형으로 구성되며, 상기 기압공급관은 상기 제1 유로밸브와 연결된 제1 유로밸브조절관, 상기 제2 유로밸브와 연결된 제2 유로밸브조절관에 연결되고, 상기 제1 유로밸브의 개폐는 상기 공급밸브의 조작에 의해 상기 제1 유로밸브조절관을 통한 가스공급에 의해 제어되며, 상기 제2 유로밸브의 개폐는 상기 공급밸브의 조작에 의해 상기 제2 유로밸브조절관을 통한 가스공급에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에 있어서, 주저장부는 저온냉각기 또는 열교환기와 연결된 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 밸브 또는 상기 제2 배기밸브는 내부에 니들을 상하로 이동시키는 전자석 코일, 니들의 말단이 안착되는 홀, 내부에 홀이 형성된 챔버부 및 전자석 코일의 측면에 배치된 코일제어부를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 액면높이 센서에 의해 개폐가 제어되고, 상기 액면높이센서는, 사용자가 미리 액면높이를 설정하는 액면높이 설정부, 액면높이 설정부에 설정된 액면높이를 저장하는 저장부, 주저장부 또는 보조저장부의 내부 액면높이를 측정하는 액면높이 측정부, 저장부에 저장된 액면높이값과 액면높이 측정부에 측정된 값을 비교하는 비교부 및 비교부의 결과에 따라 코일제어부로 신호를 전송하는 전류제어부를 포함하는 액면높이 센서로 작동되는 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 보조저장부는 상단부에서 하단부로 갈수록 단면적이 감소하는 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 주저장부는 상단부에서 하단부로 갈수록 단면적이 감소하는 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 관 중 적어도 하나 이상은 단열배관인 것으로 구성될 수 있다.

본 발명은 유체 순환장치에 따르면 순환펌프를 사용하지 않고, 밸브의 개폐와 유체의 압력를 이용하여 유체를 순환시켜, 열침입 발생을 방지할 수 있다.

또한, 별도의 펌프를 사용하지 않아도 냉매가 순환되는 구조로 기존의 펌프 사용에 따른 전력소모를 감소시킴으로써 전력효율향상을 도모할 수 있다.

또한, 펌프를 사용하지 않음으로써 기계식 펌프사용에 불가결하게 발생하는 순환의 단절현상을 방지할 수 있다.

또한, 순환과정 이후 전자기기로부터 열을 흡수한 냉매는 액화에 따른 기체와 혼합상태에 있지만, 본 발명은 보조저장부와 기체가 배출되는 관을 설치시킴으로써 기체와 액체를 분리시킬 수 있다.

또한, 순환펌프 시 존재하던 순환 끊김 현상을 관에 결합된 밸브를 조절함으로써 해결할 수 있고, 유체 순환의 불규칙한 패턴에도 밸브를 조작함으로써 순환 끊김 현상을 방지할 수 있는 유연성이 있다.

또한, 기존의 장치는 순환펌프를 장착하고, 순환펌프의 문제점을 개선하고자 별도의 추가장치가 요구되었으나, 본 발명은 순환펌프가 불필요하도록 유로를 구조적으로 개선시켰으므로, 이러한 추가장치 역시 불필요하게 되었다.

또한, 순환펌프를 제거한 만큼 확보되는 공간에 있어, 별도의 냉각기 또는 열 교환기를 설치하여 냉각효율을 극대화 시킬 수 있어, 종래의 순환장치보다 더욱 개선된 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 연결되는 관에 결합되는 각 밸브는 가스압으로 조작할 뿐 아니라, 전자식 코일, 타이머, 액면높이결정식 등 다양한 방식으로 조절할 수 있게 구성하여, 사용자의 편의성을 높이고, 보다 정밀한 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명인 유체 순환장치의 구조의 제1실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 중 밸브의 제1 실시예의 단면도이다.
도 3은 본 발명인 유체 순환장치에 따른 냉매의 제1 순환단계 및 제2 순환단계를 도시한 모습이다.
도 4는 본 발명의 구성 중 보조저장부의 제1 실시예 및 제2 실시예의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 구성 중 주저장부의 제1 실시예 및 제2 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 구성 중 밸브의 제2 실시예의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 구성 중 액면높이 결정식 밸브의 제어 알고리즘을 도시한다.
도 8은 본 발명인 유체 순환장치의 구조의 제2 실시예의 구조를 도시한다.

이하, 본 발명에 따른 유체 순환장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명인 유체 순환장치의 구조를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주저장부(10)는 기압공급부(13)와 기체가 흐를 수 있는 가스유출입관(20)을 통해 연결되어 있고, 외부시스템(14) 또는 보조저장부(16)와 액체가 흐를 수 있는 제1 유로(22) 또는 제2 유로(23)로 연결되어 있다.

주저장부(10)는 내부에 외부시스템(14)을 순환하며 열을 흡수하는 냉매를 저장하는 공간이 형성되어 있다. 또한 주저장부(10)의 내부공간은 외부로 기체가 유입되거나 유출될 수 있는 기압공급관(21)과 연결되어 있으며, 바람직하게 기체가 효과적으로 유동할 수 있게 하기 위해서 구조적으로 주저장부의 상단부(12)에 연결되어 있다.

상기 가스유출입관(21)은 기압공급관(21)과 연결되어 있고, 기압공급관(21)은 기압공급부(13)와 연결되어 있다. 기압공급부(13)는 사용자가 외부에서 기압공급부(13)를 조작하여 주저장부(10)에 기체를 유입하는 장치로, 주저장부(10)의 내부 기압을 상승시키기 위한 장치이다. 이때 사용되는 기체는 건조공기, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등 다양한 성분을 사용할 수 있으나, 경제성이나 냉매와의 관계를 고려할 때 바람직하게는 질소가스를 사용한다.

주저장부(10)와 기압공급부(13)는 기압공급관(21)으로 연결되어 있고, 기압공급관(21)의 어느 한 지점에는 공급밸브(40)가 배치되어 있다. 공급밸브(40)는 기압공급부(13)로부터 배출되어 기압공급관(21)을 통해 주저장부(10)로 유입되는 가스의 흐름을 제어하는 장치이다. 이러한 공급밸브(40)는 NC(Normal Closed)형 밸브로 구성될 수 있다.

공급밸브(40)의 내부는 평상시에 폐쇄되어 가스가 유동할 수 없는 상태로 유지되고, 외부에서 전류를 인가시킬 경우 전자석 코일(50)을 제어하여 공급밸브(40)가 열리게 하는 것으로 가스가 흐를 수 있는 상태가 되는 구조를 가진다.

주저장부(10)와 연결된 기압공급관(21)은 대기 또는 외부와 연결된 제1 배기관(25)과 연결되어 있다. 제1 배기관(25)은 주저장부(10)의 내부에 존재하는 기체를 배출하여 기압을 낮추기 위한 장치로써, 대기와 연결될 수도 있고, 기체를 배출하기 위한 다른 장치와 연결될 수도 있다.

주저장부(10)와 연결된 제1 배기관(25)은 배출되는 가스를 제어하기 위하여 제1 배기관(25)의 어느 한 지점에 제1 배기밸브(43)가 결합되어 있다. 제1 배기밸브(43)는 NO(Normal Open)형 밸브로 구성될 수 있다.

제1 배기밸브(43)의 내부는 평상시에 가스가 유동할 수 있는 상태로 유지되고, 외부에서 전류를 인가시킬 경우 전자석 코일(50)을 제어하여 제1 배기밸브(43)가 폐쇄되게 하여 유체의 흐름을 차단시키는 구조를 가진다.

기압공급부(13)와 주저장부(10)를 연결시키는 기압공급관(21)은 주저장부(10)뿐 아니라 제1 유로밸브(41)와 연결된 제1 유로밸브조절관(27)과 연결되어 있다. 제1 유로밸브(41)는 제1 유로(22)를 제어할 수 있는 장치로써, 제1 유로밸브(41)는 NC(Normal Closed)형 밸브이다. 외부가스공급에 의해 제어되며, 이러한 제1 유로밸브(41)에 연결된 관은 제1 유로밸브조절관(27)이다. 이러한 구조로 인하여, 사용자는 공급밸브(40)의 조작으로 제1 유로밸브(41)를 개폐할 수 있고, 제2 유로밸브(42)도 제어할 수 있는 구조를 가진다.

기압공급부(13)와 주저장부(10)를 연결시키는 기압공급관(21)은 주저장부(10)뿐만 아니라 제2 유로밸브(42)와 연결된 제2 유로밸브조절관(28)과 연결되어 있다. 제2 유로밸브(42)는 제2 유로(23)를 제어할 수 있는 장치로써, 제2 유로밸브(42)는 NO(Normal Open)형 밸브이다. 외부가스공급에 의해 제어되며, 이러한 제2 유로밸브(42)에 연결된 관은 제2 유로밸브조절관(28)이다. 이러한 구조로 인하여, 사용자는 기압공급부(13)의 조작으로 공급밸브(40)를 개폐할 수 있고, 제2 유로밸브(42)도 제어할 수 있는 구조를 가진다.

주저장부(10)는 냉각과정이 요구되는 초전도 전자기기 같은 외부시스템(14)으로 냉매를 유동할 제1 유로(22)와 연결되어 있다. 제1 유로(22)는 내부에 흐르는 냉매의 온도를 낮은 상태로 유지시켜 줄 수 있는 재질로 이루어져 있으며, 냉매가 주저장부(10)로부터 효과적으로 흐를 수 있도록 주저장부 하단(11)에 배치될 수 있다.

외부시스템(14)과 주저장부(10)는 제1 유로(22)로 이루어져 있고, 내부에 흐르는 냉매를 제어하기 위해 제1 유로(22)의 어느 한 지점에 제1 유로밸브(41)가 배치되어 있다. 이러한 제1 유로밸브(41)는 NC(Normal Closed)형 밸브로 구성될 수 있다. 즉, 제1 유로밸브(41)의 내부는 평상시에 폐쇄되어 냉매가 유동할 수 없는 상태로 유지되고, 외부에서 가스가 유입될 경우 증가한 기압으로 내부에 조립된 가압부(32)을 밀어 제1 유로밸브(41)가 열리게 하는 것으로 유체가 흐를 수 있는 상태가 되는 구조를 가진다.

보조저장부(16)는 냉각과정이 요구되는 초전도 전자기기 같은 외부시스템(14)으로부터 순환을 거친 냉매가 유입될 수 있도록 제3 유로(24)와 연결되어 있다. 제3 유로(24)는 내부에 흐르는 냉매의 온도를 낮은 상태로 유지 시켜 줄 수 있는 재질로 이루어져 있을 수 있으며, 바람직하게는 유입된 냉매가 제2 유로(23)를 통해 효과적으로 배출되게 하기 위하여 구조적으로 보조저장부(16)의 하단부(17)을 제외한 측면 또는 상단부(18)에 배치되어 있다.

다시 말해, 외부시스템(14)은 냉매가 내부로 유입되는 입구에 제1 유로(22)가 연결되어 있고, 냉매가 외부로 방출되는 출구에 제3 유로(24)가 연결되어 있다. 이러한 구조로 주저장부(10)에서 들어온 낮은 온도상태의 냉매는 외부시스템(14)의 열을 흡수하여 제3 유로(24)를 통해 보조저장부(16)로 유동하게 되는 순환구조를 가진다.

보조저장부(16)는 주저장부(10)와 제2 유로(23)를 통해 연결되어 있다. 제2 유로(23)는 외부시스템(14)으로부터 제3 유로(24)를 통해 보조저장부(16)로 유입된 냉매를 기체 분리 후 주저장부(10)로 흐르게 하는 관이다. 제2 유로(23) 내부에 흐르는 냉매의 흐름을 제어하기 위하여 제2 유로(23)의 어느 한 지점에는 제2 유로밸브(42)가 배치되어 있다. 이러한 제2 유로밸브(42)는 NO(Normal Open)형 밸브로 구성될 수 있다. 즉, 제2 유로밸브(42)의 내부는 평상시에 개방되어 냉매가 유동할 수 있는 상태로 유지되고, 외부에서 가스가 유입될 경우 증가한 기압으로 내부에 조립된 가압부(32)을 밀어 제2 유로밸브(42)가 폐쇄되게 하는 것으로 유체가 흐를 수 없는 상태가 되는 구조를 가진다.

보조저장부(16)는 대기 또는 외부장치와 연결된 제2 배기관(26)과 연결되어 있다. 제2 배기관(26)은 보조저장부(16)의 내부에 존재하는 기체를 배출하여 기압을 낮추기 위한 장치로써, 직접 대기와 연결될 수도 있고, 기체를 배출하기 위한 다른 장치와 연결될 수도 있다. 보조저장부(16)의 내부로 유입되는 냉매는 외부시스템(14)의 순환 과정을 거친 냉매로, 열 흡수로 인해 내부에서 발생된 기체를 포함하고 있을 수도 있다. 제2 배기관(26)은 냉매에 혼합되어 있는 기체를 외부로 배출시키고 유체의 순환이 원활하도록 보조저장부(16)의 압력을 낮게 유지시켜주는 장치이며, 바람직하게는 기체가 배출되기에 유리한 구조를 가지기 위해 보조저장부의 상단부(18)에 배치되어 있다.

보조저장부(16)와 연결된 제2 배기관(26)은 배출되는 가스를 제어하기 위하여 제2 배기관(26)의 어느 한 지점에 제2 배기밸브(44)가 결합되어 있다. 제2 배기밸브(44)는 NC(Normal Closed)형 밸브로 구성될 수 있다. 즉, 제2 배기밸브(44)의 내부는 평상시에 가스가 유동할 수 없는 상태로 유지되고, 외부에서 가스가 유입될 경우 증가한 기압으로 내부에 조립된 가압부(32)을 밀어 제2 배기밸브(44)가 개방되게 하는 구조를 가진다.

도 2는 본 발명의 밸브에 있어 기압으로 제어되는 밸브의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도 2(a)는 NO(Normal Open)형 밸브의 단면도이고, 도 2(b)는 NC(Normal Closed)형 밸브의 단면도를 도시한다.

도 2에 도시된 밸브는 외부에서 인가되는 가스로 인하여 밸브의 개폐가 제어되는 구조로, 제1 유로밸브 및 제2 유로밸브가 이러한 구조를 가진다.

도 2(a)는 유체의 압력에 의해 제어되는 밸브로 NO(Normal Open)형 밸브이다. 도시된 바와 같이 밸브는 외부에서 가스가 유입되는 가스유입부(31), 유입된 가스가 압력을 가하는 가압부(32), 가압부(32)와 접촉하고 가압부(32)에 복원력을 인가시키는 스프링(33), 가압부(32)와 결합되어 가압부(32)의 이동에 따라 상하로 움직이는 니들(34), 니들(34)의 말단에 형성되어 니들(34)의 상하이동에 따라 유체 통로가 개폐시키는 니들말단(35), 니들말단(35)이 안착될 수 있고 유체가 통과하는 홀(36) 및 니들말단(35) 말단과 홀(36)이 내부에 형성되어 있는 챔버부(29)로 구성되어 있다.

NO(Normal Open)형 밸브에 있어서, 가스유입부(31)에 가스가 유입되지 않는 경우, 스프링(33)의 탄성력에 의해 가압부(32)는 가스유입부(31) 내부의 상단에 위치해 있다. 가압부(32)와 연결된 니들말단(35) 역시 챔버부(29)의 상부에 위치하며, 홀(36)은 개방상태로 유지된다.

가스유입부(31)에 가스가 유입될 경우, 증가하는 가스압으로 인해 가압부(32)는 압력을 받아 아래로 움직이고, 이와 연결된 니들말단(35) 역시 아래로 움직인다. 그에 따라 니들말단(35)은 홀(36)에 안착되어 유로를 폐쇄하는 상태가 된다.

도 2(b)는 유체의 압력에 의해 제어되는 밸브로 NC(Normal Closed)형 밸브이다. 도시된 바와 같이, 밸브는 외부에서 가스가 유입되는 가스유입부(31), 유입된 가스가 압력을 가하는 가압부(32), 가압부(32)와 접촉하고 가압부(32)에 복원력을 인가시키는 스프링(33), 가압부(32)와 결합되어 가압부(32)의 이동에 따라 상하로 움직이는 니들(34), 니들(34)의 말단에 형성되어 니들(34)의 상하이동에 따라 유체 통로가 개폐시키는 니들말단(35), 니들말단(35)이 안착될 수 있고 유체가 통과하는 홀(36) 및 니들말단(35) 말단과 홀(36)이 내부에 형성되어 있는 챔버부(29)로 구성되어 있다.

NC(Normal Closed)형 밸브에 있어서, 가스유입부에 가스가 유입되지 않는 경우, 스프링(33)의 탄성력에 의해 가압부(32)는 가스유입부 내부의 하측에 위치해 있다. 가압부(32)와 연결된 니들말단(35) 역시 챔버부(29)의 하부에 위치하며, 홀(36)은 폐쇄상태로 유지된다.

가스유입부에 가스가 유입될 경우, 증가하는 가스압으로 인해 가압부(32)는 압력을 받아 위로 움직이고, 이와 연결된 니들말단(35) 역시 위로 움직인다. 그에 따라 니들말단(35)은 홀(36)에 개방되어 유로를 개방하는 상태가 된다.

도 3은 본 발명인 유체 순환장치에 따른 냉매의 순환 시 작동과정을 도시한 모습이다. 순환과정은 제1 순환단계, 제2 순환단계로 나누며, 도 3(a)는 주저장부(10)의 냉매가 외부시스템(14)으로 흐르는 제1 순환단계이고, 도 3(b)는 보조저장부(16)의 냉매가 주저장부(10)로 흐르는 제2 순환단계이다.

도 3(a)의 제1 순환단계에 있어서, 주저장부(10)와 연결된 기압공급부(13)에서 가스를 기압공급관(21)으로 유입한다. 공급밸브(40)는 NC(Normal closed)형 밸브로 평소에 폐쇄되어 있으나, 기압공급부(13)로부터 공급되는 가스로 인한 증가되는 가스압으로 인해 공급밸브(40)는 개방된다.

또한 기압공급관(21)과 연결된 제1 배기관(25) 내부로 가스가 유입되어 제1 배기관(25)과 연결된 제1 배기밸브(43)의 기압을 증가시킨다. 제1 배기밸브(43)는 NO(Normal Open)형으로 평소에는 개방되어 있으나, 전자적 코일(27)에 전류를 인가시켜 제1 배기관(25)을 폐쇄시킨다.

또한 기압공급관(21)과 연결된 제2 유로밸브조절관(28) 내부로 가스가 유입되어, 제2 유로밸브조절관(28)과 연결된 제2 유로밸브(42)에 압력을 인가시킨다. 제2 유로밸브(42)는 NO(Normal Open)형으로 평소에 개방되어 있으나, 증가되는 가스압으로 인해 제2 유로(23)를 폐쇄시킨다.

또한 기압공급관(21)과 연결된 제1 유로밸브조절관(27) 내부로 가스가 유입되어, 제1 유로밸브조절관(27)과 연결된 제1 유로밸브(41)에 압력을 인가시킨다. 제1 유로밸브(41)는 NC(Normal Closed)형으로 평소에 폐쇄되어 있으나, 증가되는 가스압으로 인해 제1 유로(22)를 개방시킨다.

이로써 제1 배기관(25), 제2 유로밸브조절관(28)은 폐쇄되고, 제1 유로(22)는 개방되며, 공급가스는 기압공급부(13)로부터 주저장부(10) 내부로 유입된다. 이에 주저장부(10) 내부의 기압은 증가하고 주저장부(10) 내부에 저장된 냉매는 유일하게 개방된 제1 유로(22)를 통하여 배출된다. 상기 냉매는 제1 유로(22)를 따라 흘러 외부시스템(14)으로 흐르며, 외부시스템(14) 내 발생된 열을 흡수하기 위하여 낮은 온도를 유지 시킬 필요가 있다. 이에 제1 유로(22)는 냉매의 낮은 온도를 유지시킬 수 있도록 단열성이 높은 재질로 구성될 수 있다.

도 3(b)의 제2 순환단계에 있어서, 외부시스템(14) 내에서 순환과정을 거친 냉매가 보조저장부(16)로 유입된다. 이러한 냉매는 외부시스템(14)에서 발생된 열을 전달받아 외부시스템(14)을 냉각시키므로, 흡수한 열에 의해 기화된 기체도 혼합되어 흐르게 된다. 이러한 냉매내부의 기체를 배출시킴으로서 유체의 원활한 흐름을 유지하기 위해 보조저장부(16)가 설치된다. 보조저장부(16)에는 냉매 내부에 있는 기체를 배출시키기 위한 제2 배기관(26)이 연결되며, 바람직하게는 기체 배출을 용이하게 하기 위한 구조로 보조저장부의 상단부(18)에 배치된다.

보조저장부(16)의 내부로 유입된 냉매는 내부에 기체를 포함하고 있으며, 제2 유로(23)는 폐쇄되어 있으므로, 외부시스템(14)으로부터 제3 유로(24)를 통해 냉매가 유입될 수록 보조저장부(16) 내부의 기압은 증가한다. 그에 따라, 제2 배기관(26)과 연결된 제2 배기밸브(44)에 인가되는 가스압도 증가하며, NC(Normal Closed)형 밸브인 제2 배기밸브(44)는 평소에 제2 배기관을 폐쇄하고 있지만, 제1 순환단계 초기에 전자석 코일(50)에 전류를 인가시켜 제2 배기관(26)을 개방시킨다. 이러한 과정으로 보조저장부(16)의 내부 가스압 상승을 방지하여 원활한 유체의 흐름을 도모할 수 있다.

개방된 제2 배기관(26)을 통하여 순환 후 냉매의 내부에 혼합되어 있는 기체는 보조장치로부터 대기 또는 외부장치로 배출되며, 이러한 과정에 있어, 보조저장부(16)는 기액분리기의 역할을 수행하게 된다.

또한, 제2 순환단계는 기압공급부(13)의 가스 공급이 제거된 상태이다. 기압공급관(21)과 결합된 공급밸브(40)는 NC(Normal Closed))형 밸브로 외부로부터 전류공급이 차단될 경우 다시 기압공급관(21)을 폐쇄한다. 이에 따라, 제1 유로(22)에 배치된 제1 유로밸브(41)도 NC(Normal Closed)형 밸브로 가스 공급이 차단된 상태가 되어 제1 유로(22)를 폐쇄시킨다. 또한, 제1 배기관(25)에 배치된 제1 배기밸브(43)는 NO(Normal Open)형 밸브로 외부에서 인가되는 전류공급을 차단시켜 제1 배기관(25)을 개방시킨다.

또한, 공급밸브(40)가 폐쇄됨에 따라 기압공급관(21)과 연결된 제2 유로밸브조절관(28)의 가스공급도 제거되어 NC(Normal Closed)형 밸브인 제2 유로밸브(42)는 제2 유로(23)를 개방시킨다. 이로써, 순환 후 냉매에 혼합되어 있던 가스를 제2 배기관(26)을 통해 배출하고, 보조저장부(16)에 저장된 냉매는 개방된 제2 유로(23)를 통하여 주저장부(10)에 유입되게 된다.

상기와 같은 제1 순환단계, 제2 순환단계를 통하여 밸브의 조작만으로 별도의 순환펌프장치 없이도 냉매를 순환시킬 수 있다. 따라서, 별도의 펌프를 사용하지 않아도 냉매가 순환되는 구조로 기존의 펌프 사용에 따른 전력소모를 감소시킴으로써 전력효율향상을 도모할 수 있다.

또한, 기계식 펌프를 사용하지 않게 구조적인 설계와 밸브조절을 이용하여 순환을 도모하였으며, 불규칙한 순환에도 밸브제어를 통해 원활한 냉매 순환을 가능하게 한다.

도 4는 본 발명의 구성 중 보조저장부(16)의 제1 실시예 및 제2 실시예의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도 4(a)는 보조저장부(16)의 제1 실시예의 단면도이고, 도 4(b)는 보조저장부(16)의 제2 실시예의 단면도이다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이, 보조저장부(16)는 외부시스템(14)으로부터 순환 후 냉매가 유입될 수 있도록 제3 유로(24)가 연결되고, 가스와 냉매가 분리된 냉매가 주저장부(10)로 흐를 수 있도록 제2 유로(23)와 결합되어 있다. 제2 배기관(26)은 순환 후 냉매 내부에 혼합되어 있는 가스를 제거하기 위한 관으로써, 배출에 유리하도록 보조저장부(16)의 상단부(18)에 결합되어 있다.

도 4(b)에 도시된 바와 같이, 보조저장부(16)의 하단부를 개선된 형상으로 구성하여 냉매의 배출을 유리하게 할 수 있다. 보조저장부(16)의 하단에 주저장부(10)와 연결되는 제2 유로(23)가 형성되며, 보조저장부의 상단부(18)에서 하단(17)으로 갈수록 단면적이 감소하는 형상으로 구조적인 개선을 할 수 있다. 이로써, 제1 실시예의 보조저장부(16)보다 효과적인 냉매 배출 효과를 도모할 수 있다.

도 5는 본 발명의 구성 중 주저장부(10)의 제1 실시예 및 제2 실시예의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도 5(a)는 주저장부(10)의 제1 실시예의 단면도이고, 도 5(b)는 주저장부(10)의 제2 실시예의 단면도이다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이, 주저장부(10)는 보조저장부(16)로부터 냉매가 유입될 수 있도록 제2 유로(23)가 연결되고, 외부시스템(14)으로 냉매가 흐를 수 있도록 제1 유로(22)와 결합되어 있다. 제1 배기관(25)은 주저장부(10) 내부에 기압공급부(13)로부터 유입된 가스를 제거하기 위한 관으로써, 냉매 배출에 유리하도록 주저장부(10)의 상단부(12)에 결합되어 있다.

도 5(b)에 도시된 바와 같이, 주저장부(10)의 하단부를 개선된 형상으로 구성하여 냉매의 배출을 유리하게 할 수 있다. 주저장부(10)의 하단에 외부시스템(14)과 연결되는 제1 유로(22)가 형성되며, 주저장부의 상단부(12)에서 하단부(11)으로 갈수록 단면적이 감소하는 형상으로 구조적인 개선을 할 수 있다. 이로써, 제1 실시예의 주저장부(10)보다 효과적인 냉매 배출 효과를 도모할 수 있다.

도 6은 본 발명의 밸브 중 전자석 코일(50)을 이용하여 유로 개폐를 제어하는 밸브의 단면을 도시한다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 밸브의 조작에 있어서, 전자석 코일(50)장치를 이용한 밸브의 단면으로써 NO(Normal Open)형 밸브이다. 제2 실시예는 가스압으로 제어하는 제1 실시예의 밸브와 달리, 전자석 코일(50)을 이용하기 때문에 가스유입부가 불필요하다.

밸브 상단에 배치된 전자석 코일(50), 전자석 코일(50) 내부를 관통하는 니들말단(35), 전자석 코일(50) 주변에 배치되어 전자석 코일(50)에 전류를 인가시켜 제어하는 코일제어부(51), 코일제어부(51)의 조작으로 니들말단(35)을 상하로 움직이며 니들말단(35)을 개폐시키기 위한 홀(36) 및 니들말단(35)과 홀(36)이 내부에 형성된 챔버부(29)로 구성되어 있다.

전류가 코일제어부(51)에 인가되면 전자석 코일(50)은 자기장을 발생시킨다. 이러한 자기장의 힘으로 전자석 코일(50)의 내부를 관통하고 있는 니들(34)이 아래로 움직이고, 챔버부(29) 내부에 형성된 홀(36)과 이격하고 있는 니들말단(35)이 접촉되어 홀(36)을 폐쇄하게 된다.

이러한 전자석 코일(50)을 내부에 조립하여, 외부에서 인가되는 전류로 밸브의 개폐를 제어하는 밸브는 공급밸브(40), 제1 배기밸브(43) 및 제2 배기밸브(44)가 있다. 사용자는 본 발명의 실시에 있어, 상기 밸브의 전류를 인가시키거나 차단시키는 조작으로 기존의 순환펌프 설치 없이 냉매를 순환시킬 수 있다.

또한, 외부에서 공급되는 가스로 제어되는 제1 유로밸브 및 제2 유로밸브도 전자석 코일(50)로 제어되는 밸브로 교체는 구조를 설계하여도, 종래의 별도 순환펌프를 설치하지 않고 냉매를 순환시킬 수 있다.

상기 전자석 코일(50)장치를 이용한 NO(Normal Open)형 밸브와 같은 원리로 NC(Normal Closed)형 밸브도 구성될 수 있다.

도 6(b)에 도시된 바와 같이, 밸브의 조작에 있어서, 전자석 코일(50)장치를 이용한 밸브의 단면으로써 NC(Normal Closed)형 밸브이다. 제2 실시예는 가스압으로 제어하는 제1 실시예의 밸브와 달리, 전자석 코일(50)을 이용하기 때문에 가스유입부가 불필요하다.

밸브 상단에 배치된 전자석 코일(50), 전자석 코일(50) 내부를 관통하는 니들말단(35), 전자석 코일(50) 주변에 배치되어 전자석 코일(50)에 전류를 인가시켜 제어하는 코일제어부(51), 코일제어부(51)의 조작으로 니들말단(35)을 상하로 움직이며 니들말단(35)으로 개폐시키기 위한 홀(36) 및 니들말단(35)과 홀(36)이 내부에 형성된 챔버부(29)로 구성되어 있다.

전류가 코일제어부(51)에 인가되면 전자석 코일(50)은 자기장을 발생시킨다. 이러한 자기장의 힘으로 전자석 코일(50)의 내부를 관통하고 있는 니들(34)이 위로 움직이고, 니들(34)의 말단(35)과 안착하고 있는 홀(36)이 개방되어 유체가 챔버부(29)를 지나갈 수 있는 상태가 된다.

도 7은 본 발명의 구성 중 액면높이 결정식 밸브의 제어 알고리즘을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 밸브의 조작에 있어서, 액면높이 센서(또는, 액면높이 결정식 제어장치)를 이용하여 전자석 코일(50)을 조작함으로써 밸브의 개폐를 제어한다. 즉, 사용자가 미리 설정한 액면높이가 되면 전류공급을 제어하도록 설계된 장치를 이용하여 밸브를 개폐시킨다.

제어장치 내부구조는 사용자가 액면높이를 미리 설정할 수 있는 액면높이설정부(61), 설정된 액면높이를 저장하는 저장부(62), 유체가 흐르는 관에 배치되어 유동하는 유체의 액면높이를 측정하거나 주저장부 또는 보조저장부의 내부에 배치되어 냉매의 액면높이를 측정하는 액면높이 측정부(63), 액면높이 측정부(63)에서 측정된 액면높이와 저장부(62)에 저장된 값을 비교하는 비교부(64) 및 비교부(64)의 결과값에 따라 전류신호를 코일제어부(51)로 전송하는 전류제어부(65)로 구성되어 있다.

이러한 액면높이 결정식 제어장치는 반드시 밸브내부에 배치될 필요는 없으며, 밸브와 별도로 연결되어 작동할 수도 있다.

또한, 이러한 장치는 전류제어부(65)의 신호에 따라 유로를 개폐하도록 설계되었으므로, 타이머(60)를 제어하는 방식과 동시에 결합될 수 있어, 제1 실시예 내지 제3 실시예와 호환이 가능하다.

도 8은 본 발명인 유체 순환장치의 제2 실시예의 구조를 도시한다. 조 7에 도시된 바와 같이, 주저장부(10)와 연결된 제1 유로(22)에 있어서 열 교환기(15) 또는 냉각기를 추가로 설치한 유체 순환장치이다.

본 발명은 순환펌프를 이용한 기존의 방식을 구조적으로 개선하여, 순환펌프의 설치를 불필요하게 하는데 그 목적이 있다. 따라서, 미 설치된 순환펌프에 의해 순환장치 내부는 공간을 확보할 수 있으며, 이러한 공간에 열 교환기(15)나 냉각기를 추가로 설치시켜 냉매의 냉각효율을 극대화 시킬 수 있다.

이러한 열 교환기나 냉각기는 본 발명인 유체순환장치와는 별도로 외부에 장착될 수도 있다.

본 발명에 있어서, 순환의 동력으로 사용되는 가스는 질소가스를 사용할 수 있으며, 냉매는 액화질소를 사용할 수 있고, 외부시스템은 초전도 전력기기가 될 수도 있다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 주저장부
13: 기압공급부
14: 외부시스템
16: 보조저장부
20: 가스유출입관
30: 밸브
40: 공급밸브
41, 42: 유로밸브
43, 44: 배기밸브
50: 전자석 코일

Claims

내부에 유체를 보관할 수 있는 공간을 구비하는 주저장부;
상기 주저장부와 연결된 보조저장부;
상기 주저장부와 연결된 하나 이상의 관; 및
상기 관에 각각 결합된 하나 이상의 밸브를 포함하고,
상기 보조저장부는 상기 주저장부의 상단에 배치되고, 외부시스템으로부터 순환된 냉매가 유입되는 제3 유로 및 제2 배기밸브와 결합된 제2 배기관이 연결되며,
상기 관은, 상기 주저장부에 연결되는 가스유출입관; 상기 가스유출입관과 연결되고, 상기 주저장부와 기압공급부와 연결시키는 기압공급관; 상기 주저장부와 외부시스템을 연결시키는 제1 유로; 상기 주저장부와 상기 보조저장부를 연결시키는 제2 유로; 및 상기 가스유출입관과 연결되고, 대기 또는 외부장치와 연결되어 있는 제1 배기관으로 구성되고,
상기 밸브는, 상기 기압공급관에 결합된 공급밸브; 상기 제1 배기관에 결합된 제1 배기밸브; 상기 제1 유로에 결합된 제1 유로밸브; 및 상기 제2 유로에 결합된 제2 유로밸브로 구성되며,
상기 제1 배기밸브 및 상기 제2 배기밸브의 개폐가 제어되되,
상기 주저장부의 냉매가 상기 외부시스템으로 흐르는 순환단계에서, 상기 기압공급관으로부터 가스가 유입됨에 따라 상기 제1 배기밸브를 폐쇄시키고, 상기 외부시스템으로부터 상기 보조저장부 내부로 냉매가 유입됨에 따라 상기 제2 배기밸브를 개방시키며,
상기 보조저장부의 냉매가 상기 주저장부로 흐르는 순환단계에서, 상기 기압공급관으로부터 가스 유입이 차단됨에 따라 상기 제1 배기밸브를 개방시키고, 상기 외부시스템으로부터 상기 보조저장부 내부로 냉매 유입이 차단됨에 따라 상기 제2 배기밸브를 폐쇄시키되,
상기 공급밸브, 상기 제1 유로밸브 및 상기 제2 배기밸브는 NC(Normal Closed)형으로 구성되고, 상기 제1 배기밸브 및 상기 제2 유로밸브는 NO(Normal Open)형으로 구성되며,
상기 기압공급관은 상기 제1 유로밸브와 연결된 제1 유로밸브조절관, 상기 제2 유로밸브와 연결된 제2 유로밸브조절관에 연결되고,
상기 제1 유로밸브의 개폐는 상기 공급밸브의 조작에 의해 상기 제1 유로밸브조절관을 통한 가스공급에 의해 제어되며,
상기 제2 유로밸브의 개폐는 상기 공급밸브의 조작에 의해 상기 제2 유로밸브조절관을 통한 가스공급에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 주저장부는 저온냉각기 또는 열교환기와 연결된 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 밸브 또는 상기 제2 배기밸브는,
내부에 니들을 상하로 이동시키는 전자석 코일;
상기 니들의 말단이 안착되는 홀;
내부에 상기 홀이 형성된 챔버부; 및
상기 전자석 코일의 측면에 배치된 코일제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.
청구항 6에 있어서
상기 밸브 또는 상기 제2 배기밸브는 액면높이 센서에 의해 개폐가 제어되고, 상기 액면높이센서는,
사용자가 미리 액면높이를 설정하는 액면높이 설정부;
상기 액면높이 설정부에 설정된 액면높이를 저장하는 저장부;
상기 주저장부 또는 상기 보조저장부의 내부 액면높이를 측정하는 액면높이 측정부;
상기 저장부에 저장된 액면높이값과 상기 액면높이 측정부에 측정된 값을 비교하는 비교부; 및
상기 비교부의 결과에 따라 상기 코일제어부로 신호를 전송하는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 보조저장부는 상단부에서 하단부로 갈수록 단면적이 감소하는 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 주저장부는 상단부에서 하단부로 갈수록 단면적이 감소하는 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.
청구항 1에 있어서,
상기 관 중 적어도 하나 이상은 단열배관인 것을 특징으로 하는 유체 순환장치.