KR102155112B1 - 초전도성 케이블의 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 초전도성 케이블을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 케이블은 파이프에 의해 감싸져 있는 여유 공간을 갖고 하나 이상의 열 절연된 파이프를 구비하는 저온유지장치에 배열되어 있으며, 상기 여유 공간에는 케이블과 하나 이상의 파이프 형태의 구조물이 배열되어 있고, 상기 구조물을 통해 단부에 위치한 진입점으로부터 원 단부로 냉각제가 운반된다. 상기 냉각제는 케이블이 작동 온도로 냉각될 때까지 저온유지장치 및 파이프 형태의 구조물을 통해 한 쪽 방향으로만 운반되고 원 단부에서 주변으로 배출된다. 작동 온도에 도달하고 난 후에, 상기 냉각제는 시스템의 원 단부로부터 진입점까지 상기 파이프 형태의 구조물을 통해 재순환되는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도성 케이블의 냉각 방법{METHOD OF COOLING A SUPERCONDUCTING CABLE}

본 발명은 하나 이상의 초전도성 케이블 냉각 방법에 관한 것이며, 상기 케이블은 파이프에 의해 감싸져 있는 여유 공간을 갖고 하나 이상의 열 절연된 파이프를 구비하는 저온유지장치에 배열되어 있으며, 상기 여유 공간에는 케이블과 하나 이상의 파이프 형태의 구조물이 배열되어 있고, 상기 구조물을 통해 단부에 위치한 진입점으로부터 원 단부(far end)로 냉각제가 운반된다.

이러한 방법은 예를 들어 유럽특허공보 EP 2 200 048 A1에 공지되어 있다.

현재의 기술 수준에서, 초전도성 케이블은, 충분히 낮은 온도에서 초전도성 상태로 변하는 세라믹 재료를 포함하는 복합 재료로 구성된 전기 도체를 구비한다. 이러한 재료로 구성된 도체의 직류 저항은, 정해진 전류 강도가 초과 되지 않을 경우 충분히 냉각된 상태에서 0이다. 예를 들어, 적합한 세라믹 재료는 희토류로 도핑된 재료, 즉 ReBCO(희토류-바륨-구리-산화물)라는 명칭으로 공지된 재료가 있는데, 특히 YBCO(이트륨-바륨-구리-산화물)가 여기에 해당한다. 이러한 초 전도성 재료의 또 다른 재료는 예를 들어 BSCCO(비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물)가 있다. 이와 같은 재료를 초전도성 상태로 변화시키기 위한 충분히 낮은 온도는 예를 들어 67K 내지 110K이다. 적합한 냉각제는, 예를 들어 질소, 헬륨, 네온 및 수소 또는 이러한 물질들의 혼합물이 있다.

미국특허공보 US 3,800,062 A는 초전도성 케이블을 구비한 장치의 작동 방법을 공지하고 있다. 상기 장치의 경우, 예를 들어 파이프 형태의 코어(core)를 갖는 세 개의 초전도성 케이블이 저온유지장치에 배열되어 있다. 냉각 스테이션으로부터 제공된 냉각제는 상기 저온유지장치의 단부에서 상기 저온유지장치로 유입되고, 가열된 냉각제로서 상기 냉각제는 상기 저온유지장치의 원 단부로부터 분리된 파이프 또는 두 번째 저온유지장치를 통해 냉각 스테이션으로 재순환된다. 추가로 특수 파이프 시스템으로 가열된 냉각제는 케이블의 파이프 형태인 코어 단면을 통해 재순환되며, 상기 케이블은 서로 다른 지점에서 차단 장치 또는 봉쇄 장치를 사용하여 분리된 파이프 또는 두 번째 저온유지장치와 연결되어 있다.

전술한 방법은 예를 들어 EP 2 200 048 A1에 공지되어 있다. 이러한 선행 기술은 초전도성 케이블을 구비한 시스템을 공지하고 있으며, 상기 케이블은 냉각제를 운반하기 위한 여유 공간을 포함하여 상기 저온유지장치에 의해 감싸져 있으며, 상기 저온유지장치는 서로 동심으로 배열된 두 개의 금속 파이프로 구성되며, 상기 금속 파이프 사이에는 진공 절연체가 배열되어 있다. 그 외에, 상기 저온유지장치의 여유 공간에는 파이프가 구비되어 있으며, 상기 파이프를 통해 가까운 쪽 단부에서 저온유지장치로 유입된 냉각제가 시스템의 원 단부로부터 재순환될 수 있다. 상기 냉각제는 시스템의 원 단부로 운반되는 도중에 상기 저온유지장치의 여유 공간에서 이미 가열된다. 상기 냉각제의 또 다른 가열은 진입점에서 저온유지장치로 유입된 냉각제에 대응하여 영향을 주는 파이프를 통해 재순환할 때 발생한다. 이로 인해, 냉각 효과는 전체적으로 부정적인 영향을 준다.

본 발명의 목적은 작동 온도로 초전도성 케이블을 냉각할 때 전술한 방법의 효과를 개선하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은,

- 상기 케이블이 케이블의 작동 온도로 냉각될 때까지 냉각제는 저온유지장치 및 파이프 형태의 구조물을 통해 한쪽 방향으로만 운반되고, 원 단부에서는 주변으로 배출되며,

- 작동 온도에 도달하고 난 후에 상기 냉각제는 시스템의 원 단부로부터 파이프 형태의 구조물을 통해 진입점 방향으로 재순환됨으로써 해결된다.

이러한 방법을 사용할 때, 상기 냉각제는 매우 효과적인데, 그 이유는 외부의 열 침투로 인해 상기 냉각제가 미미하게 가열되기 때문이다. 따라서, 상기 초전도성 케이블은 가능하면 빨리 상기 케이블의 작동 온도로 매우 효과적으로 냉각될 수 있다. 이를 위해 상기 냉각제는 저온유지장치에 의해 감싸져 있는 여유 공간을 통해서만 가이드 될 수 있다. 이때, 상기 파이프 형태의 구조물은 사용되지 않는다. 추가로, 상기 케이블이 작동 온도에 도달할 때까지 상기 저온유지장치를 통해 운반될 때와 동일한 방향으로 상기 냉각제를 파이프 형태의 구조물을 통해 운반하는 것도 가능할 수 있다. 상기 냉각제는 원 단부에서 주변으로 배출된다. 상기 초전도성 케이블이 작동 온도에 도달하고 난 후에 상기 냉각제는 시스템의 원 단부로부터 진입점까지 상기 파이프 형태의 구조물을 통해 재순환된다. 상기 파이프 형태의 구조물로서 초전도성 케이블의 파이프 형태의 코어가 사용될 수 있다. 또한, 분리된 별도의 파이프가 파이프 형태의 구조물로서 상기 저온유지장치에 배열될 수도 있다.

본 발명은 실시 예에서 아래의 도면을 통해 상세하게 설명된다.

본 발명에 의하면, 초전도성 케이블의 냉각효율을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 시스템을 개략적으로 도시하고 있고,
도 2 및 도 3은 도 1에 따른 두 개의 시스템으로서, 서로 다르게 구성된 횡 단면을 갖는 시스템을 각각 도시하고 있다.

도 1에서 개략적으로 암시된 시스템은 두 개의 단부(termination)(1, 2)를 구비하며, 상기 단부 사이에는 저온유지장치(3)가 배열되어 있다. 상기 저온유지장치(3)는 도 2 및 도 3에 도시된 하나 이상의 초전도성 케이블을 감싸고 있다. 상기 단부(2)는 적어도 두 개의 초전도성 케이블을 포함하는 저온유지장치가 서로 연결되어 있는 연결 지점일 수도 있다.

상기 저온유지장치(3)는 도 2 및 도 3에서 단지 원형(4)으로만 암시되어 있다. 단순한 실시 형태에서 상기 저온유지장치는 바람직하게는 금속, 특히 스테인리스강으로 구성된 열 절연된 파이프일 수 있다. 또한, 상기 파이프는 플라스틱으로도 구성될 수 있다. 상기 파이프는 열에 효과적인 절연 재료로 구성된 하나 이상의 층(layer)에 의해 바깥쪽으로 감싸져 있다. 바람직한 실시형태에서 상기 저온유지장치(3)는 서로 동심의 간격으로 배열된 금속, 바람직하게는 스테인리스강으로 구성된 파이프로 구성되며, 상기 파이프 사이에는 스페이스 홀더(space holder) 및 진공 절연체가 있다. 상기 파이프는 상기 저온유지장치(3)의 두 실시 형태에서 상기 파이프의 종 방향에 대해 횡 방향으로 주름진 상태일 수 있다.

도 2에 의하면, 상기 저온유지장치(3)에는 초전도성 케이블(5)이 배열되어 있으며, 상기 초전도성 케이블은 파이프 형태의 코어(6)를 구비한다. 상기 케이블(5)의 구성은 모든 가능한 구성으로서, 공지된 실시 형태에 따른 임의적 구성에 해당한다. 따라서, 이러한 구성에 대한 설명은 하지 않도록 한다. 상기 저온유지장치(3)는 상기 냉각제를 운반하기 위한 여유 공간(FR)을 감싸고 있으며, 상기 여유 공간에는 상기 케이블(5)이 배열되어 있다. 상기 저온유지장치(3)에는 두 개 또는 그 이상의 초전도성 케이블이 배열될 수도 있으며, 상기 초전도성 케이블 중 적어도 하나는 파이프 형태의 코어(6)를 구비한다.

본 발명에 따른 방법은 도 1 및 도 2를 고려하여 예를 들어 아래와 같이 실시된다:

상기 단부(1)에는 화살표(P1)에 대응하여 냉각제, 예를 들어 냉각 질소가 상기 시스템으로 유입되고, 상기 저온유지장치(3)의 여유 공간(FR)을 통해 상기 단부(2)로 운반된다. 상기에서, 냉각제는 화살표(P2)에 대응하여 주변으로 배출된다. 이러한 작업 방식은 상기 초전도성 케이블(5)이 작동 온도, 예를 들어 77K의 온도로 냉각될 때까지 실시된다. 상기 케이블(5)의 파이프 형태의 코어(6)는 본 방법을 실시할 때 우선 사용되지 않은 상태로 존재할 수 있다. 그러나, 냉각 공정을 가속화하기 위해 단부(1)로부터 단부(2)로 여유 공간(FR)을 통해 운반되었던 것처럼 상기 냉각제를 코어(6)를 통해 운반하는 것도 가능할 수 있다.

상기 케이블(5)이 작동 온도에 도달하고 난 후에, 상기 케이블의 또 다른 냉각을 위해 냉각제가 상기 여유 공간(FR)을 통해 상기 단부(1)로부터 단부(2)로 운반되고, 상기 단부(2)로부터 케이블(5)의 코어(6)를 통해 상기 단부(1)로 재순환된다. 상기 냉각제는 배출되고, 상기 초전도성 케이블(5)의 냉각을 위해 필요한 온도로 다시 냉각된다.

도 3에 따른 시스템의 실시 형태에서, 상기 초전도성 케이블(7)과 함께 분리된 파이프(8)가 상기 저온유지장치(3) 또는 상기 저온유지장치의 여유 공간(FR)에 구비되어 있다. 도 3의 시스템을 갖는 본 발명에 따른 방법을 실시할 때, 도 1에서 설명된 방법과 유사하게 상기 케이블(7)이 상기 케이블의 작동 온도로 냉각될 때까지 상기 냉각제는 단지 여유 공간(FR)을 통해 운반되거나, 또는 동시에 상기 파이프(8)를 통해 단부(1)로부터 상기 단부(2)로 운반될 수도 있다. 상기 시스템의 이와 같은 실시 형태의 경우, 두 개 또는 그 이상의 초전도성 케이블이 상기 저온유지장치(3)에 제공될 수도 있다. 상기 케이블(7)이 작동 온도에 도달하고 난 후에, 도 2에서 설명된 방법과 유사하게 상기 냉각제는 단부(2)로부터 상기 단부(1)로 상기 파이프(8)를 통해 재순환된다.

Claims (3)

1. 파이프에 의해 감싸져 있는 여유 공간을 갖고 하나 이상의 열 절연된 파이프를 구비하는 저온유지장치에 케이블이 배열되어 있으며, 상기 여유 공간에는 상기 케이블과 하나 이상의 파이프 형태의 구조물이 구비되어 있고, 상기 여유 공간을 통해 냉각제가 한 단부에 있는 진입점으로부터 원 단부에 이르기까지 운반되는, 하나 이상의 초전도성 케이블을 냉각시키기 위한 방법에 있어서,
   - 상기 케이블(5, 7)이 상기 케이블의 작동 온도로 냉각될 때까지, 냉각제는 저온유지장치(3) 및 파이프 형태의 구조물(6, 8)을 통해 한쪽 방향으로만 운반되어, 원 단부에서 주변으로 배출되고,
   - 작동 온도에 도달하고 난 후에 상기 냉각제는 시스템의 원 단부로부터 파이프 형태의 구조물(6, 8)을 통해 진입점 방향으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 초전도성 케이블의 냉각 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이블(5)은 파이프 형태의 구조물로 제공된 파이프 형태의 코어(6)와 함께 사용되며, 작동 온도에 도달하고 난 후에 상기 냉각제는 상기 코어를 통해 시스템의 원 단부로부터 진입점까지 재순환되는 것을 특징으로 하는 초전도성 케이블의 냉각 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 케이블(7)과 함께 파이프 형태로 사용되는 하나 이상의 분리된 파이프(8)가 상기 저온유지장치에 배열되어 있으며, 작동 온도에 도달하고 난 후에 상기 냉각제는 상기 파이프를 통해 시스템의 원 단부로부터 진입점까지 재순환되는 것을 특징으로 하는 초전도성 케이블의 냉각 방법.
   

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