KR102363609B1

KR102363609B1 - 냉각 시스템

Info

Publication number: KR102363609B1
Application number: KR1020210111530A
Authority: KR
Inventors: 박우성
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2022-02-16

Abstract

일 실시예에 따른 냉각 시스템은, 제1 하우징, 제1 하우징의 일 측에 배치되는 제2 하우징, 상기 제2 하우징의 일 측에 배치되어 시험체를 수용할 수 있는 제3 하우징, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 서로 연결하는 제1 전도체, 및 상기 제2 하우징과 제3 하우징을 서로 연결하는 제2 전도체를 포함하고, 상기 제1 하우징 및 상기 제2 하우징에는 각각 냉각제가 수용되고, 상기 시험체는 상기 제2 전도체와 맞닿아 냉각될 수 있다.

Description

냉각 시스템{Cooling system}

본 발명은 냉각 시스템에 관한 발명이다.

통상, 극저온 환경을 조성하는 냉각 시스템은 헬륨(He), 질소(N2)와 같은 낮은 끓는점을 가진 냉각제를 이용하는 것이 일반적이다.

극저온 환경을 조성하는 가장 직관적인 방법은 시험체를 극저온 저장장치(cryostat)에 담그는 것인데, 이러한 과정에 있어서 액체상태 냉각제의 이송 및 시험체의 냉각과정에서 많은 냉각제가 기화되어 소모되고, 기화된 냉각제의 재사용은 불가능한 실정이다.

미량의 소재나 시편의 극저온 특성을 시험하기 위해서는 금속선 등을 통해 극저온 냉각기와 연결되어 전도열을 이용한 냉각을 하는 경우도 있으나, 이러한 경우 극저온 냉각기의 진동이 직접적으로 시험체에 전달되는 단점이 있으며, 극저온 냉각기의 냉각성능의 한계로 냉각 가능한 시험체의 크기나 종류가 제한된다.

상기 이유로 인해, 최근에는 시험체의 냉각은 액체 냉각제(액체 헬륨 등)를 이용하되, 냉각과정 중 기화되는 냉각제를 포집하고 극저온 냉각기를 통해 재액화하여 사용하는 재액화장치의 사용이 늘고 있다.

종래기술의 일 예로서 한국등록특허 제10-1422231(공개일 200년 07월 15일) 에는 극저온저장장치(cryostat)을 이용한 냉각 설비에 관하여 기재되어 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.

일 실시예에 따른 목적은 냉각제의 유출입을 독립적으로 제어할 수 있는 별도의 수용공간(예를 들면, 후술할 제2 하우징)을 더 포함함으로써, 기화로 인한 냉각제의 손실을 줄이고, 수용공간 내의 냉각제의 유무에 따라 시험체의 냉각과 단열이 용이한 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 시험체를 수용할 수 있는 별도의 시험공간(예를 들면, 후술할 제3 하우징)을 포함함으로써 시험공간 내의 시험체를 용이하게 제어할 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 시험공간 내측에 배치된 시험체와 외부의 장치를 전기적으로 연결함으로써 시험체의 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 냉각 시스템은, 제1 하우징, 제1 하우징의 일 측에 배치되는 제2 하우징, 상기 제2 하우징의 일 측에 배치되어 시험체를 수용할 수 있는 제3 하우징, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 서로 연결하는 제1 전도체, 및 상기 제2 하우징과 제3 하우징을 서로 연결하는 제2 전도체를 포함하고, 상기 제1 하우징 및 상기 제2 하우징에는 각각 냉각제가 수용되고, 상기 시험체는 상기 제2 전도체와 맞닿아 냉각되는 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

상기 냉각 시스템은, 상기 제2 하우징 내에 수용되는 제2 냉각제의 존재 여부에 따라 상기 냉각 시스템의 상태가 제어될 수 있다.

상기 냉각 시스템의 제1 상태는 상기 제2 하우징 내에 제2 냉각제가 잔존하여, 제2 냉각제를 통하여 상기 제1 하우징 내의 제1 냉각제와 상기 시험체 사이의 열전도가 이루어져 상기 시험체에 대한 냉각이 이루어질 수 있다.

상기 냉각 시스템의 제2 상태는 제2 하우징 내에서 제2 냉각제가 모두 제거되어, 상기 제1 하우징 내의 제1 냉각제에 의한 상기 시험체에 대한 냉각이 중단되는 상태일 수 있다.

상기 제2 하우징은 일 부분에 배치되는 유로를 더 포함하고, 상기 유로를 통하여 제2 하우징 내에 상기 제2 냉각제를 공급하거나 배출할 수 있다.

상기 냉각 시스템은, 상기 제3 하우징의 일 부분에 배치되는 흡입부를 더 포함하고, 상기 흡입부는, 상기 냉각 시스템의 외측을 향해 연장되거나, 상기 제2 하우징 및 상기 제1 하우징을 관통하여 형성될 수 있다.

상기 냉각 시스템은, 상기 흡입부에 의하여 상기 제1 상태에서 상기 제3 하우징은 내측은 진공 상태로 형성될 수 있다.

상기 흡입부는, 상기흡입부 내에 상기 시험체와 연결될 수 있는 센서를 더 포함하고, 상기 센서는 상기 시험체의 전기적 상태를 실시간으로 체크할 수 있다.

상기 냉각 시스템에 있어서, 상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 연결하는 연결통로를 더 포함하고 상기 연결통로를 통해서 1 하우징 내의 제1 냉각제가 상기 제1 하우징으로부터 상기 제2 하우징으로 유동될 수 있다.

상기 연결통로는, 연결통로 내에 냉각제의 유동을 조절할 수 있는 개폐요소를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각 시스템은, 제2 상태에서는 제3 하우징이 제2 하우징으로부터 탈거되며, 상기 제3 하우징 내의 상기 시험체는 교체 또는 보수될 수 있다.

일 실시예에 따른 냉각 시스템은 냉각제의 유출입을 독립적으로 제어할 수 있는 별도의 수용공간(예를 들면, 후술할 제2 하우징)을 더 포함함으로써, 기화로 인한 냉각제의 손실을 줄이고, 수용공간 내의 냉각제의 유무에 따라 시험체의 냉각과 단열이 용이할 수 있다.

일 실시예에 따른 냉각 시스템은 시험체를 수용할 수 있는 별도의 시험공간(예를 들면, 후술할 제3 하우징)을 포함함으로써 시험공간 내의 시험체를 용이하게 제어할 수 있다.

일 실시예에 따른 냉각 시스템은, 시험공간 내측에 배치된 시험체와 외부의 장치를 전기적으로 연결함으로써 시험체의 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.

도1은 일 실시예에 따른 냉각 시스템을 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 제2 하우징으로의 냉각제 유출입 과정을 나타낸다.
도3및 도4는 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 제2 하우징의 냉각제 유무에 따른 작동 상태를 나타낸다.
도5는 제3 하우징이 탈거된 일 실시예에 따른 냉각 시스템을 나타낸다.
도6 및 도7은 흡입부 및 센서를 포함하는 일 실시예에 따른 냉각 시스템을 나타낸다.
도8 및 도9는 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 제1 하우징과 제2 하우징의 연결통로의 작동 상태를 나타낸다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.

다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도1은 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 기본적인 구조를 나타낸다. 구체적으로 도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 냉각 시스템은, 제1 하우징(100), 제1 하우징의 일 측에 배치되는 제2 하우징(200), 제2 하우징의 일 측에 배치되어 시험체(400)를 수용할 수 있는 제3 하우징(300), 제1 하우징과 제2 하우징을 서로 연결하는 제1 전도체(500), 및 제2 하우징과 제3 하우징을 서로 연결하는 제2 전도체(600)를 포함할 수 있다.

제1 하우징과 제2 하우징은 각각 제1 냉각제(F1)와 제2 냉각제(F2)를 수용할 수 있으며, 냉각제는 액체 헬륨(He)일 수 있다. 제1 전도체(500)와 제2 전도체(600)를 통하여 냉각제(F1, F2)와 제3 하우징(300)에 수용된 시험체(400) 사이의 열전도가 이루어져 시험체(400)를 냉각한다.

시험체를 포함하는 제3 하우징 내측의 공간, 즉 시험공간은 필요에 따라 후술할 흡입부(310)를 통하여 진공으로 유지될 수 있으며, 시험 공간과 외부와의 전기적 또는 자기적 차폐가 필요할 경우 이를 위한 소재를 제3 하우징(300) 내부에 적용하여, 전기적 또는 자기적 차폐 환경 또는 원하는 냉각 환경을 만든 상태로 냉각이 이루어질 수 있다.

일 실시예에 따른 냉각 시스템은 제2 하우징(200)의 상태를 제어함으로써 본 냉각 시스템 작동의 on/off를 통제하여 냉각제의 손실을 줄이고 보다 효율적인 시험체의 냉각이 이루어질 수 있게 한다.

구체적으로 도2를 참조하면, 제1 하우징은 제1 냉각제(F1), 제2 하우징은 제2 냉각제(F2)를 각각 수용할 수 있고, 제2 전도체를 통하여 제2 하우징 내의 제2 냉각제와 시험체 사이의 열교환이 이루어져 냉각이 이루어진다. 즉, 제1 냉각제에 의하여 발생되는 냉각효과는 제1 전도체를 통해서 제2 하우징으로 전달되고, 제2 냉각제에 의한 냉각효과는 제2 전도체에 의해서 제3 하우징 내의 시험체에 냉각 효과를 가져올 수 있다.

일 실시예에 따른 냉각 시스템은 제2 하우징의 일부분에 설치된 유로(210)를 더 포함할 수 있는데, 유로를 통하여 제2 하우징 내의 냉각제를 공급하거나 배출하여 냉각제의 유무 및 냉각제의 양을 필요에 따라 조절할 수 있다. 제2 하우징은 제1 하우징에 비해 내부 용량이 작은 형태로 형성될 수 있는데, 이러한 경우 제2 하우징 내의 소량의 제2 냉각제 유출입을 통제하는 것 만으로 제1 하우징 내부의 다량의 냉각제의 열용량을 이용한 냉각 효과를 가져올 수 있다.

즉, 제2 하우징이 없는 경우에는, 시험체가 제1 하우징과 직접 연결되므로 냉각을 위해서는 제1 하우징 내 다량의 제1 냉각제가 공급되어야 한다. 반면, 냉각을 중단하기 위해서는 제1 하우징 내에 수용된 다량의 제1 냉각제를 전량 배출시키는 과정이 필수적이므로 냉각제의 손실량이 상당할 수 있으며, 그로 인하여 효율이 감소한다.

그러나, 일 실시예에 따른 냉각 시스템과 같이 제2 하우징을 추가적으로 배치시킬 경우, 제1 하우징 내의 제1 냉각제를 모두 비우거나 채우지 않고도 제2 하우징 내 소량의 냉각제 유출입을 제어함으로써 제1 하우징 내의 제1 냉각제의 열용량을 활용한 냉각효과를 얻을 수 있다.

이하에서는 도3 내지 도5를 참조하여 일 실시예에 따른 냉각 시스템을 이용한 시험체에 대한 냉각 과정을 상세히 설명한다.

도3을 참조하면, 제2 하우징 일 부분에 배치된 유로(210)을 통하여 제2 하우징에 제2 냉각제(F2)가 가득 채워질 수 있다. 이러한 경우는 시험체(400)에 대한 냉각이 이루어지고 있는 상태로, 시험체는 제1 전도체 및 제2 전도체를 통하여 열용량이 큰 제1 하우징 내의 제1 냉각제 와도 열적으로 연결되어 있으므로 원하는 정도의 냉각 효과를 얻을 수 있어, 시험체를 기 설정된 온도로 냉각할 수 있다.

과도하게 낮은 온도로 시험체를 냉각시킬 필요가 없는 경우, 제1 하우징에 제1 냉각제가 채워져 있지 않은 상태에서 제2 하우징 내에 제2 냉각제를 공급하는 것 만으로도 제2 하우징과 제2 전도체로 맞닿아 있는 시험체에 대하여 일정량의 냉각이 이루어질 수 있다.

냉각대상인 시험체가 급격한 온도 변화에 취약할 경우, 제2 하우징 내부 냉각제의 증발 정도 또는 제2 하우징 내부 냉각제의 잔존량을 제어하여 급격한 냉각으로 인한 시험체의 손상을 방지할 수도 있다.

반면, 도4를 참조하면, 일 실시예에 따른 냉각 시스템은 유로(210)을 통하여 제2 하우징 내의 냉각제를 시스템의 외측으로 증발시켜 전량 제거할 수 있다. 이러한 경우 제2 전도체를 통해 시험체와 맞닿아 있는 냉각제가 존재하지 않으므로, 시험체에 대한 냉각이 중단된 상태 일 수 있다. 제2 하우징 내의 제2 냉각제를 모두 제거한 상태에서, 진공펌프를 이용하여 제2 하우징 내측을 진공으로 만들 수 있는데, 제2 하우징 내부 공간이 진공이 되므로 두 전도부(500, 600) 사이 제2 하우징의 단열 상태가 형성된다. 구체적으로 도4에서 도시하고 있는 바와 같이, 제1 하우징 내의 다량의 냉각제(F1)를 제거하지 않은 상태이더라도, 유로(210)를 통하여 제2 하우징 내의 제2 냉각제(F2)를 제거한 것만으로 시험체에 대한 냉각 중단 효과를 얻을 수 있다.

또한 제2 하우징 내의 제2 냉각제(F2)가 제거되어 냉각이 중단된 상태에서는, 냉각 대상인 시험체를 유지, 보수 또는 교체할 수 있다. 구체적으로 도5를 참조하면, 일 실시예에 따른 냉각 시스템은 제2 하우징 내의 제2 냉각제가 잔존하지 않는 상태에서, 시험체를 수용하는 제3 하우징(300)을 탈거할 수 있다. 제3 하우징이 탈거된 경우 시험체에 대한 접근성이 향상되어 시험체의 교체, 유지 및 보수가 용이하다.

도6을 참조하면, 일 실시예에 따른 냉각 시스템은 제3 하우징의 일 부분에 배치되는 흡입부(310)를 더 포함할 수 있다. 흡입부는 냉각 시스템의 외측을 향해 연장되거나, 도6에서 도시하고 있는 바와 같이 제2 하우징 및 제1 하우징을 관통하여 형성될 수 있다.

흡입부를 통하여 시험체를 수용하는 제3 하우징(300) 내측을 진공으로 형성할 수 있는데, 그에 따라 제2 하우징 내에 제2 냉각제(F2)가 잔존하며 제3 하우징 내측이 진공으로 형성된 상태로 시험체에 대한 냉각이 이루어질 수 있다. 제3 하우징 내측이 진공으로 형성된 상태로 시험체에 대한 냉각이 이루어지는 경우, 시험체가 대기중에 노출된 상태에서 냉각이 이루어지는 경우에 비해 대기 중 수증기로 인한 시험체 표면의 서리 발생, 외기(外氣)를 냉각하는데 발생하는 냉각제의 추가 손실, 기타 대기 성분으로 인한 물리적 화학적 반응으로 인한 노이즈(noise) 등을 줄이거나 예방할 수 있다.

도7을 참조하면, 일 실시예에 따른 냉각 시스템은 흡입부에 시험체와 연결된 센서(311)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 도7에서 도시한 바와 같이 상기 흡입부 내에 시험체와 연결될 수 있는 센서(311)를 더 포함하고, 센서를 통해 냉각에 따른 시험체의 측정하고자 하는 물성(physical properties), 기타 시험체의 전기적 상태 등을 실시간으로 체크할 수 있다. 흡입부 내의 센서는 도7에서와 같이 전선 또는 신호선의 형상일 수 있다.

흡입부 내에 센서를 배치하여 시험체의 전기적 상태 등을 실시간으로 체크하는 용도로 활용하는 경우, 시험체를 수용하는 제3 하우징 내부를 진공상태로 형성하기 위하여 제3 하우징의 일 부분에 별도의 진공형성부(312)를 더 포함할 수 있다. 진공형성부를 통하여 제3 하우징 내측을 진공으로 유지한 상태로, 시험체에 대한 냉각이 이루어지는 동시에 흡입부 내의 전선 또는 신호선을 통하여 시험체의 전기적 상태 등을 실시간으로 체크할 수 있는 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

도8을 참조하면, 냉각 시스템은 제1 하우징의 일 측과 제2 하우징의 일 측을 연결하는 연결통로(120)를 더 포함할 수 있다. 연결통로를 통해서 제1 하우징 내의 냉각제가 제2 하우징 내로 유동될 수 있는데, 이러한 경우 제2 하우징에 별도로 외부로부터 냉각제를 공급하는 과정 없이 제1 하우징 내의 제1 냉각제를 제2 하우징 내의 제2 냉각제로 운용할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다. 예를 들어 시험체에 대한 냉각 환경이 장기간 유지되어야 할 경우, 제2 하우징 내의 제2 냉각제의 양이 시간이 지남에 따라 충분하지 않은 경우가 발생할 수 있는데, 이러한 경우 제2 하우징에 별도의 투입구를 통해 냉각제를 자주 주입하는 대신, 단열성과 편의성 및 냉각제 손실을 고려하여 제1 하우징과 연결된 연결통로(120)를 이용하여 제1 하우징 내의 제1 냉각제를 제2 하우징으로 유입시킬 수 있다.

도9를 참조하면, 연결통로에는 냉각제의 유동을 조절할 수 있는 개폐요소(121)를 더 포함할 수 있는데, 개폐요소는 제1 하우징과 제2 하우징 사이 냉각제의 유동을 조절할 수 있다. 도9에서 도시하는 바와 같이 연결통로의 개폐요소(121)를 닫은 상태에서는 제2 하우징 내에 제2 냉각제가 잔존하지 않은 상태로 형성될 수 있고, 이 경우 유로(210)을 통하여 제2 하우징 내측을 진공 상태로 만들어 제1 하우징 내의 제1 냉각제(F1)와 시험체(400) 사이의 단열이 이루어져 시험체에 대한 냉각이 이루어지지 않는 상태일 수 있다.

이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 제1 하우징
120: 연결통로
121: 개폐요소
200: 제2 하우징
210: 유로
300: 제3 하우징
310: 흡입부
311: 센서
312: 진공형성부
400: 시험체
500: 제1 전도체
600: 제2 전도체
F1: 제1 냉각제
F2: 제2 냉각제

Claims

제1 하우징;
제1 하우징의 일 측에 배치되는 제2 하우징;
상기 제2 하우징의 일 측에 배치되어 시험체를 수용할 수 있는 제3 하우징;
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 서로 연결하는 제1 전도체; 및
상기 제2 하우징과 제3 하우징을 서로 연결하는 제2 전도체;
를 포함하고,
상기 제1 하우징 및 상기 제2 하우징에는 각각 냉각제가 수용되고,
상기 시험체는 상기 제2 전도체와 맞닿아 냉각되고,
상기 제2 하우징 내에 수용되는 제2 냉각제의 존재 여부에 따라 냉각 시스템의 상태가 제어될 수 있는,
냉각 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 냉각 시스템의 제1 상태는 상기 제2 하우징 내에 제2 냉각제가 잔존하여, 제2 냉각제를 통하여 상기 제1 하우징 내의 제1 냉각제와 상기 시험체 사이의 열전도가 이루어져 상기 시험체에 대한 냉각이 이루어지는,
냉각 시스템.
제3항에 있어서,
상기 냉각 시스템의 제2 상태는 제2 하우징 내에서 제2 냉각제가 모두 제거되어, 상기 제1 하우징 내의 제1 냉각제에 의한 상기 시험체에 대한 냉각이 중단되는 상태인,
냉각 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제2 하우징의 일 부분에 배치되는 유로;
를 더 포함하고,
상기 유로를 통하여 제2 하우징 내에 상기 제2 냉각제를 공급하거나 배출할 수 있는,
냉각 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제3 하우징의 일 부분에 배치되는 흡입부;
를 더 포함하고,
상기 흡입부는,
상기 냉각 시스템의 외측을 향해 연장되거나, 상기 제2 하우징 및 상기 제1 하우징을 관통하여 형성될 수 있는,
냉각 시스템.
제6항에 있어서,
상기 흡입부에 의하여 상기 제1 상태에서 상기 제3 하우징은 내측은 진공 상태로 형성될 수 있는,
냉각 시스템.
제7항에 있어서,
상기 흡입부는,
상기 흡입부 내에 상기 시험체와 연결될 수 있는 센서를 더 포함하고,
상기 센서는 상기 시험체의 전기적 상태를 실시간으로 체크할 수 있는,
냉각 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징을 연결하는 연결통로;
를 더 포함하고,
상기 연결통로를 통해서 1 하우징 내의 제1 냉각제가 상기 제1 하우징으로부터 상기 제2 하우징으로 유동될 수 있는,
냉각 시스템.
제9항에 있어서,
상기 연결통로는,
연결통로 내에 냉각제의 유동을 조절할 수 있는 개폐요소;
를 더 포함하는,
냉각 시스템.
제4항에 있어서,
제2 상태에서는 제3 하우징이 제2 하우징으로부터 탈거되며, 상기 제3 하우징 내의 상기 시험체는 교체 또는 보수될 수 있는,
냉각 시스템.