KR20000025823A - Cryogenic cooling device using centrifugal force of rotor - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A rotary cooling device employing the basic principle of a Roebuck cooling device using centrifugal force is provided to cool a rotating system. CONSTITUTION: A rotary cryogenic cooling device is composed of: a liquid helium storage tub(300) which is a cooling part, an eight-stage liquid neon re-condensing device(305) condensing gaseous helium to cryogenic liquid helium, a compressor(315) compressing gaseous helium mechanically, a liquid neon storage tub(320) absorbing heat generated by re-condensing gaseous helium to liquid helium, a three-stage liquid neon re-condensing device(325) condensing gaseous neon to liquid neon, another compressor(335) compressing gaseous neon mechanically, a liquid nitrogen storage tub(340) absorbing heat generated by re-condensing gaseous neon to liquid neon, and a liquid neon heat exchanger(310) and a liquid nitrogen heat exchanger(330) improving the efficiency of energy. Herein, the structure of a rotary cryogenic cooling device is simplified. And the cost for producing a device and maintaining is reduced.

Description

회전자의 원심력을 이용한 극저온 냉각기Cryogenic cooler using centrifugal force of rotor

본 발명은 극저온 냉각기에 관한 것이며, 특히 회전형 시스템에서 극저온으로 냉각하기 위한 회전형 극저온 냉각기에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to cryogenic coolers, and more particularly, to rotatable cryogenic coolers for cryogenic cooling in rotatable systems.

극저온 냉각기는 특히 액체 헬륨 공급을 전제로 하는 초전도 발전기에 사용되는 냉각기를 비롯하여 헬륨의 액화 온도인 4.2 K 까지의 극저온을 필요로 하는 분야에서 요구되고 있다.Cryogenic coolers are particularly required in applications requiring cryogenic temperatures up to 4.2 K, the liquefaction temperature of helium, including those used in superconducting generators that presuppose liquid helium supply.

현재의 초전도 발전기에 사용되는 냉각기는 외부로부터의 액체 헬륨 공급을 전제로 한다. 따라서 고진공을 요구하는 대부분의 저온 장치를 비롯한 초전도 발전기에 사용되는 냉각기의 구조는 헬륨 순환을 위한 여러 가지 연결 장치로 인하여 복잡할 수 밖에 없었고, 내구성 및 지속적인 액체 헬륨 공급에 따른 비용도 현실적인 문제로 작용하게 되었다.The coolers used in current superconducting generators assume the supply of liquid helium from the outside. Therefore, the structure of the cooler used in superconducting generators, including most low-temperature devices requiring high vacuum, is complicated by the various connections for helium circulation, and the cost of durability and continuous supply of liquid helium is a real problem. Was done.

초전도 발전기의 경우 현재 널리 보급된 전자석을 사용한 일반적인 발전기에 비하여 효율, 크기, 무게, 안정성의 측면에서는 장점을 가지고 있으나, 액체 헬륨 공급 장치가 발전기의 회전자 외부에 있어야 하기 때문에 냉각기 구조의 복잡함 등으로 인한 엄청난 가격 등의 문제로 상용화되지 못하고 있는 실정이다.Superconducting generators have advantages in terms of efficiency, size, weight, and stability compared to general generators using electromagnets, which are currently widely used, but due to the complexity of the cooler structure because the liquid helium supply device must be located outside the rotor of the generator. Due to the enormous price and the problem is not commercialized.

즉 회전하지 않는 외부와 회전하는 초전도 발전기 내부를 저온의 유체 냉매가 통과할 수 있도록 연결하는 장치가 필요하므로, 초전도 발전기 시스템 전체의 구조가 복잡하고 비효율적으로 구성된다는 문제점이 있었다.That is, since a device that connects the non-rotating outside and the inside of the rotating superconducting generator to allow the low-temperature fluid refrigerant to pass through is required, there is a problem that the entire structure of the superconducting generator system is complicated and inefficient.

종래의 헬륨을 액화시킬 수 있는 정도의 극저온 냉각기에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Looking at the cryogenic cooler to the extent that the conventional helium can be liquefied as follows.

종래의 극저온 냉각기는 단열 팽창시 냉각 효과가 발생하는 원리를 이용한 줄 - 톰슨(Joule - Thomson) 팽창 냉각기를 주로 사용하며, 도 1은 상기 종래 기술에 따른 극저온 냉각기의 각각의 장치의 기능을 개략적으로 나타낸 블록도이다.Conventional cryogenic chillers mainly use Joule-Thomson expansion chillers using the principle that the cooling effect occurs during adiabatic expansion, and FIG. 1 schematically shows the function of each device of the cryogenic chiller according to the prior art. The block diagram shown.

도 1에서 도시한 종래의 극저온 냉각기는 헬륨을 제 1 차 냉매로 사용하고, 열교환을 목적으로 질소를 제 2 차 냉매로 사용하였으며, 정지한 상태에서 열교환기, 팽창기등을 이용하여 액화기를 구성한 것이다. 이를 설명하면 다음과 같다.The conventional cryogenic cooler shown in FIG. 1 uses helium as the primary refrigerant, nitrogen as the secondary refrigerant for the purpose of heat exchange, and uses a heat exchanger, an expander, and the like to form a liquefier in a stopped state. . This is described as follows.

먼저 기체 상태의 헬륨은 압축기(110)를 통하여 압축이 되고, 그 후 팽창기들(125, 135, 145)을 통하여 다단 단열 팽창(줄 - 톰슨 팽창)된다.The gaseous helium is first compressed through the compressor 110 and then multistage adiabatic expansion (Jul-Thomson expansion) through the expanders 125, 135, 145.

도 1의 극저온 냉각기는 3 단계의 팽창 과정으로 이루어졌으며, 이 때 효율적인 에너지 관리를 위하여 각각의 팽창 직후의 헬륨 기체와 냉각부위를 순환한 후 냉각부위로부터 나오는 차가운 헬륨 기체가 서로 열교환을 하도록 열교환기(130, 140, 150)가 설치되어 있다. 또한, 이 때의 열교환이 부족한 경우를 대비하여 액체 질소를 냉매로 사용하는 예비 냉각 열교환기(115, 120)도 설치되어 있다.The cryogenic cooler of FIG. 1 is a three-stage expansion process, in which a heat exchanger is used to circulate the helium gas immediately after each expansion and the cooling region for efficient energy management, and then to exchange heat between the cold helium gas from the cooling region. 130, 140, 150 are provided. In addition, preliminary cooling heat exchangers 115 and 120 that use liquid nitrogen as a refrigerant are also provided in case a heat exchange at this time is insufficient.

상기의 다단 단열 팽창 및 열교환 과정을 끝낸 기체 헬륨은 줄 - 톰슨 밸브(155)를 통하여 교축 과정을 거치면서 액체 헬륨으로 응축되고, 상기의 차가운 액체 헬륨은 냉각하고자 하는 부위인 회전자(100)로 흘러들어가면서 냉각 효과를 발생시킨다.After completing the multi-stage adiabatic expansion and heat exchange process, the gas helium is condensed into liquid helium while undergoing a throttling process through the Joule-Thomson valve 155, and the cold liquid helium is cooled to the rotor 100, which is a portion to be cooled. As it flows in, it creates a cooling effect.

상기의 액체 헬륨은 냉각 과정을 끝낸 후, 기체 헬륨으로 기화되어, 위에서 서술하였다시피 열교환(150, 140, 130, 120)을 하면서 다시 처음 상태(110)로 복귀한다.The liquid helium, after completion of the cooling process, is vaporized with gaseous helium and returns to the initial state 110 with heat exchange (150, 140, 130, 120) as described above.

이상에서 서술한 종래 기술에 의한 일반적인 극저온 냉각기에 대하여는 영문 문헌 [Cryogenic Engineering, R.B.Scott]에서 보다 상세히 설명하고 있다.A general cryogenic cooler according to the prior art described above is described in more detail in Cryogenic Engineering, R. B. Scott.

상기에서 서술한 바와 같이, 회전하는 시스템을 냉각시키는 경우 종래 기술에 따른 극저온 냉각기는 정지 상태의 외부에서 헬륨을 액화하여, 회전하는 시스템 내부로 헬륨을 공급하고, 냉각 후 증발한 기체 헬륨을 외부로 방출하여 다시 액화기로 액화한다.As described above, in the case of cooling the rotating system, the cryogenic cooler according to the prior art liquefies helium outside the stationary state, supplies helium into the rotating system, and cools the gas helium evaporated after cooling to the outside. Release and liquefy again with a liquefier.

따라서, 정지된 헬륨 액화기를 사용하는 종래 기술의 경우, 저온에서 증발된 차가운 헬륨 증기의 엔탈피(Enthalpy)를 효율적으로 활용하지 못하고, 헬륨 증기의 온도가 상온까지 도달된 후, 헬륨 증기를 재압축시켜 액화과정을 거치게 되므로, 필요 이상의 큰 온도 폭을 거치면서 열교환 과정을 거치는데 따른 비가역적 손실일(Lost Work)의 증가로 전체적인 에너지 소비 효율이 좋지 않다는 문제점이 발생한다.Therefore, in the prior art using a stationary helium liquefier, the enthalpy of cold helium vapor evaporated at low temperature cannot be effectively utilized, and after the temperature of helium vapor reaches room temperature, the helium vapor is recompressed. Since the liquefaction process, the overall energy consumption efficiency is not good due to the increase of the irreversible loss work due to the heat exchange process over a large temperature range than necessary.

또한, 정지된 부위로부터 회전하는 저온 시스템으로의 액체 헬륨 공급은 여러 가지 복잡한 기계적 장치(헬륨 순환 장치, 회전형 진공 단열 장치 등)를 수반하므로 전체 구조가 복잡해지고, 시스템의 내구성도 떨어지며, 고가의 장비를 필요로 한다는 문제점이 발생한다.In addition, the supply of liquid helium from a stationary site to a rotating low temperature system involves a number of complex mechanical devices (helium circulators, rotary vacuum insulators, etc.), which complicates the overall structure, reduces the durability of the system, and The need arises for equipment.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회전하는 시스템을 냉각하기 위하여, 원심력을 이용하는 로벅 냉각 장치의 기본 원리를 사용하는 회전형 냉각기를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide a rotary cooler that uses the basic principle of a low-bucket cooling device using centrifugal force to cool a rotating system.

도 1은 종래 기술에 따른 액체 헬륨 냉각기의 각각의 장치의 기능을 개략적으로 나타낸 블록도이고,1 is a block diagram schematically showing the function of each device of a liquid helium cooler according to the prior art,

도 2a는 본 발명이 이용하는 로벅 냉각 장치(Roebuck Cooling Device)의 작동원리의 개념 설명도이고,2A is a conceptual explanatory diagram of the operating principle of a Roebuck Cooling Device used in the present invention;

도 2b는 도 2a에 도시된 로벅 냉각 장치를 다단으로 구성하였을 때의 개념 설명도이고,2B is a conceptual explanatory diagram when the rowbuck cooling device shown in FIG. 2A is configured in multiple stages,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 냉각기의 각각의 장치의 기능을 개략적으로 나타낸 블록도이고,Figure 3 is a block diagram schematically showing the function of each device of the rotary cooler according to an embodiment of the present invention,

도 4는 도 3에 도시된 회전형 냉각기의 열흐름의 설명도이고,4 is an explanatory view of the heat flow of the rotary cooler shown in FIG.

도 5a는 도 3에 도시된 8단 액체 헬륨 재응축 장치 및 3단 액체 네온 재응축장치의 정면도이고,5A is a front view of the eight stage liquid helium recondensation apparatus and the three stage liquid neon recondensation apparatus shown in FIG.

도 5b는 도 5a에 도시된 8단 액체 헬륨 재응축 장치의 일 단위를 나타낸 측면도이고,FIG. 5B is a side view showing one unit of the eight stage liquid helium recondensation apparatus shown in FIG. 5A;

도 5c는 도 5a에 도시된 3단 액체 네온 재응축 장치의 일 단위를 나타낸 측면도이고,FIG. 5C is a side view showing one unit of the three-stage liquid neon recondensation apparatus shown in FIG. 5A;

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따라 액체 헬륨이 재응축되는 열역학적 사이클을 나타낸 온도 - 엔트로피 그래프이고,6A is a temperature-entropy graph showing a thermodynamic cycle in which liquid helium is recondensed in accordance with one embodiment of the present invention,

도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 액체 네온이 재응축되는 열역학적 사이클을 나타낸 온도 - 엔트로피 그래프이다.6B is a temperature-entropy graph showing the thermodynamic cycle in which liquid neon is recondensed in accordance with one embodiment of the present invention.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠

200, 515, 545 : 등온 압축 과정200, 515, 545: isothermal compression process

210, 520, 550 : 단열 팽창 과정210, 520, 550: adiabatic expansion process

400 : 액체 헬륨 저장조 410 : 액체 네온 저장조400: liquid helium reservoir 410: liquid neon reservoir

420 : 핀형 열교환기 430, 440 : 기계적 압축기420: fin type heat exchanger 430, 440: mechanical compressor

500 : 8단 액체 헬륨 재응축 장치500: 8 stage liquid helium recondensing unit

505 : 3단 액체 네온 재응축 장치505: three stage liquid neon recondensing unit

510 : 고온, 고압의 기체 헬륨 유입510: high temperature, high pressure gas helium inflow

525, 555 : 기체의 분기 흐름 530, 560 : 대향류 열교환기525, 555: branch flow of gas 530, 560: counterflow heat exchanger

535, 540 : 저온, 저압의 기체 유입535, 540: low temperature, low pressure gas inlet

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 냉매 기체가 회전자의 반경 방향의 바깥쪽으로 흐르면서 압축되고, 그 후 회전자의 반경 방향의 안쪽으로 흐르면서 팽창하는 성질을 이용한 압축 - 팽창기 및 상기 기체가 서로 열교환을 하는 대향류 열교환기를 포함하는 회전형 냉각기에 있어서, 상기 압축 - 팽창기는 다단으로 구성하고, 냉매의 일부분을 추출하여 단순 줄 - 톰슨 팽창(Joule - Thomson Expansion)을 하는 분기 흐름(Bleeding)이 수반되는 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기가 제공된다.According to the present invention for achieving the object as described above, the compression-expander using the property that the refrigerant gas is compressed while flowing outward in the radial direction of the rotor, and then expands while flowing inwards in the radial direction of the rotor and the In a rotary cooler comprising a counterflow heat exchanger in which gases exchange heat with each other, the compression-expander includes a multi-stage, branched flow in which a portion of the refrigerant is extracted to perform a simple Joule-Thomson expansion. Bleeding) is provided with a rotary cooler.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 회전형 냉각기는 2 종 이상의 유체를 각각의 냉매로 하는 다수의 냉각셀을 포함하고, 냉각 부위와 직접 접촉하는 제 1 냉각셀은 헬륨을 냉매로 하며, 상기 제 1 냉각셀로부터 열을 추출하는 제 2 냉각셀은 네온을 냉매로 하는 것이 보다 바람직하다.According to the present invention, the rotary cooler includes a plurality of cooling cells each having at least two fluids as refrigerants, and the first cooling cell in direct contact with the cooling portion is helium as the refrigerant, and the first As for the 2nd cooling cell which extracts heat from a cooling cell, it is more preferable to use neon as a refrigerant.

본 발명에서 제안하는 회전형 극저온 냉각기의 기본 원리는 미국의 로벅(Roebuck)이 제안한 로벅 냉각 장치(Roebuck Cooling Device)의 기본 원리를 이용하는 것이다. 이를 설명하면 다음과 같다.The basic principle of the rotary cryogenic cooler proposed by the present invention is to use the basic principle of the Roebuck Cooling Device proposed by Roebuck of the United States. This is described as follows.

회전하는 시스템 내에서 고온의 기체를 냉각시키거나 재응축시키는데 있어서, 기체를 회전 중심의 반경 방향의 바깥쪽으로 향하는 통로를 통과시키면 원심력에 의하여 기체가 압축되고, 회전 중심의 반경 방향의 안쪽으로 향하는 통로를 통과시키면 원심력에 의하여 기체가 팽창하는 원리를 이용한 것이 로벅 냉각 장치의 기본 원리이다.In cooling or recondensing hot gases in a rotating system, passing the gas through a radially outward passageway of the center of rotation causes the gas to be compressed by centrifugal force and radially inwardly path of the center of rotation. The basic principle of the low buckles cooling device is to use the principle of expanding the gas by centrifugal force when passing through.

즉 회전 중심의 양방향으로 기체가 흐르는 통로를 구성하면, 기체가 압축, 팽창될 수 있다. 이 때, 기체의 압축 과정에서 발생하는 열은 역방향으로 이동하고 있는 보다 차가운 기체와 열교환을 통하여 흡수되고, 팽창 과정에서는 외부로부터의 열 유입을 차단하여 전체적으로 시스템이 등온 압축, 단열 팽창 과정이 되어 기체의 온도를 떨어뜨릴 수 있게 되는 것이다. 상기의 과정을 여러 번 반복한다면 고온의 기체를 점차적으로 원하는 온도까지 냉각시킬 수 있게 된다.That is, if the gas flows in both directions of the rotation center, the gas may be compressed and expanded. At this time, the heat generated in the compression process of the gas is absorbed through the heat exchange with the cooler gas moving in the reverse direction, in the expansion process to block the heat inflow from the outside, the system is isothermal compression, adiabatic expansion process as a whole Will be able to drop the temperature. If the above process is repeated several times, the hot gas can be gradually cooled to the desired temperature.

이를 도면으로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2a는 상기 로벅 냉각 장치의 작동 원리의 개념 설명도이다.2A is a conceptual explanatory diagram of the operating principle of the low-buckle cooling device.

냉각시키고자 하는 기체는 회전 중심으로부터 멀어지는 통로(200)를 통과하면서 압축이 된다. 이 때 (210)의 통로를 통과하는 보다 차가운 기체와 열교환을 하면서 적절하게 등온 압축이 되게끔 설계하면, (200)의 과정을 거치기 전 온도 T1은 (200)의 과정을 거친 후의 온도 T2와 같아지게 된다.The gas to be cooled is compressed while passing through the passage 200 away from the center of rotation. At this time, if the heat exchange with the cooler gas passing through the passage of 210 is designed to be properly isothermally compressed, the temperature T 1 before the process of (200) is the temperature T 2 after the process of (200) Will be equal to

그 후, (200)의 통로를 통과한 기체는 회전 중심으로 향하는 통로(210)를 통과하면서, (200)의 통로를 지나는 기체와 열교환함과 동시에 팽창된다.Thereafter, the gas passing through the passage of 200 passes through the passage 210 toward the center of rotation and expands at the same time as heat exchange with the gas passing through the passage of 200.

이 때 외부로부터의 열 유입을 최대한 차단하도록 설계하면, 시스템 전체적으로는 (200) 과정은 등온 압축 과정, (210) 과정은 단열 팽창 과정으로 설계할 수 있다. 따라서 (210)의 과정을 거친 후의 온도 T3는 (210)의 과정을 거치기 전의 온도 T2보다 낮아지게 되므로, 결과적으로 기체의 온도는 떨어지게 된다.At this time, if designed to block the heat inflow from the outside as much as possible, the system as a whole (200) process can be designed as an isothermal compression process, 210 process is adiabatic expansion process. Therefore, since the temperature T 3 after the process of 210 is lower than the temperature T 2 before the process of 210, the temperature of the gas is lowered as a result.

상기의 과정을 거칠 때의 온도(T)와 압력(P)을 위치별로 그 크기를 살펴보면 (수학식 1) 과 같다.Looking at the size of the temperature (T) and pressure (P) at the time of the above process by position as shown in Equation (1).

이와 같은 과정을 여러 단계 거치면 원하는 온도까지 냉각시킬 수 있게 된다. 이와 같은 여러 단계를 개념적으로 도시한 것이 도 2b 로서 n 번의 단계를 거친 경우이다.After several steps like this, it is possible to cool down to a desired temperature. Conceptually, these various steps are illustrated in FIG. 2B when n steps have been performed.

이상에서 서술한 바와 같이, 로벅 냉각 장치는 회전자의 원심력을 이용하여 냉각기를 구성하므로, 회전자 외부에 냉각기의 부대 장치를 설치할 필요가 없다는 장점이 있다. 한편 로벅 냉각 장치에 관하여는 [J. R. Roebuck, 1945, A novel form of refrigerator, Journal of Applied Physics. Vol. 16, May, pp. 285 - 295] 에서 보다 상세히 설명되어 있다.As described above, the low-bucket cooling device constitutes a cooler by using the centrifugal force of the rotor, and therefore, there is an advantage that it is not necessary to provide an additional device of the cooler outside the rotor. On the other hand, as for the Roebuck cooling unit, see R. Roebuck, 1945, A novel form of refrigerator, Journal of Applied Physics. Vol. 16, May, pp. 285-295, for example.

아래에서, 로벅 냉각 장치의 기본 원리를 이용한 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.In the following, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment according to the present invention using the basic principle of a low-bucket cooling device will be described in detail.

도면에서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 극저온 냉각기의 각각의 장치의 기능을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 헬륨을 액화시킬 정도의 극저온(약 4.2 K)까지 냉각시키기 위하여, 제 1 차 냉매는 헬륨(He), 제 2 차 냉매는 네온(Ne), 제 3 차 냉매는 질소(N2)를 사용하였다.3 is a block diagram schematically showing the function of each device of the rotary cryogenic cooler according to an embodiment of the present invention. In order to cool the helium to a cryogenic temperature (about 4.2 K), the primary refrigerant was helium (He), the secondary refrigerant was neon (Ne), and the tertiary refrigerant was nitrogen (N 2 ). .

본 실시예에 따른 회전형 극저온 냉각기는 냉각 부위에 해당하는 액체 헬륨 저장조(300), 기체 헬륨을 극저온의 액체 헬륨으로 응축시키는 8단 액체 헬륨 재응축 장치(305), 기체 헬륨을 기계적으로 압축시키는 압축기(315), 기체 헬륨을 액체 헬륨으로 재응축할 때 발생하는 열을 흡수하기 위한 액체 네온 저장조(320), 기체 상태의 네온을 액체 상태의 네온으로 응축시키는 3단 액체 네온 재응축 장치(325), 기체 네온을 기계적으로 압축시키는 압축기(335), 기체 네온을 액체 네온으로 재응축할 때 발생하는 열을 흡수하기 위한 액체 질소 저장조(340) 및 에너지의 효율을 높이기 위한 액체 네온 열교환기(310)와 액체 질소 열교환기(330)로 구성된다.The rotary cryogenic cooler according to the present embodiment is a liquid helium reservoir 300 corresponding to a cooling portion, an eight-stage liquid helium recondensing apparatus 305 for condensing gas helium to cryogenic liquid helium, and mechanically compressing gas helium. Compressor 315, liquid neon reservoir 320 for absorbing heat generated when recondensing gaseous helium into liquid helium, and three stage liquid neon recondensing device 325 for condensing gaseous neon to liquid neon. ), A compressor 335 for mechanically compressing gas neon, a liquid nitrogen reservoir 340 for absorbing heat generated when recondensing gas neon with liquid neon, and a liquid neon heat exchanger 310 for increasing energy efficiency. ) And a liquid nitrogen heat exchanger 330.

한편, 상기 액체 헬륨 저장조(300), 8단 액체 헬륨 재응축 장치(305), 압축기(315, 335), 액체 네온 저장조(320), 3단 액체 네온 재응축 장치(325), 액체 네온 열교환기(310) 및 액체 질소 열교환기는 냉각 부위인 회전자(350)에 설치되며, 액체 질소 저장조(340)는 냉각 부위의 외부에 설치된다. 그러나, 액체 질소 저장조와 회전자에 설치된 냉각기의 구성 장치간에는 물질 전달이 없다.Meanwhile, the liquid helium reservoir 300, the eight stage liquid helium recondensation unit 305, the compressors 315 and 335, the liquid neon reservoir 320, the three stage liquid neon recondensation unit 325, and the liquid neon heat exchanger The 310 and the liquid nitrogen heat exchanger are installed in the rotor 350 which is a cooling portion, and the liquid nitrogen storage tank 340 is installed outside the cooling portion. However, there is no mass transfer between the liquid nitrogen reservoir and the components of the cooler installed in the rotor.

상기와 같이 구성된 회전형 극저온 냉각기의 작동 원리를 상세히 살펴 보면 다음과 같다.Looking in detail the operating principle of the rotary cryogenic cooler configured as described above are as follows.

먼저 고온 상태(약 30 K)의 기체 헬륨은 기계적 압축기(315)를 통하여 압축되고, 이 때 발생하는 열은 액체 네온 열교환기(310)를 통하여 액체 네온 저장조(320)로 흡수된다. 상기 과정을 통하여 압축된 기체 헬륨은 8단 액체 헬륨 재응축 장치(305)로 유입되어, 위에서 서술한 로벅 냉각 방식에 의하여 액체 헬륨으로 응축된다. 상기 응축된 액체 헬륨은 냉각 부위로 유입되어, 냉각을 시키면서 기체 헬륨으로 기화하고, 다시 처음 상태로 복귀하여(315) 열역학적 사이클을 이루게 된다.First, gaseous helium in a high temperature state (about 30 K) is compressed through the mechanical compressor 315, and the heat generated at this time is absorbed into the liquid neon reservoir 320 through the liquid neon heat exchanger 310. The gas helium compressed through the above process is introduced into the eight stage liquid helium recondensing unit 305 and condensed into liquid helium by the low-buckling cooling method described above. The condensed liquid helium enters the cooling site, vaporizes with gaseous helium while cooling, and returns to its initial state (315) to achieve a thermodynamic cycle.

또한, 고온 상태(약 77 K)의 기체 네온은 기계적 압축기(335)를 통하여 압축되고, 이 때 발생하는 열(QN2)은 회전자 외곽에 설치된 액체 질소 열교환기(330)를 통하여 액체 질소 저장조(340)로 흡수된다. 상기 과정을 통하여 압축된 기체 네온은 3단 액체 네온 재응축 장치(325)로 유입되어, 위에서 서술한 로벅 냉각 방식에 의하여 액체 네온으로 응축된다. 상기 응축된 액체 네온은 액체 네온 저장조(320)로 유입되어, 상기 기체 헬륨이 기계적 압축이 될 때(315) 발생하는 열(QNe)을 액체 네온 열교환기(310)를 통하여 흡수하고, 기체 네온으로 기화한 후 다시 처음 상태로 복귀하여(335) 열역학적 사이클을 이루게 된다.In addition, the gas neon in a high temperature state (about 77 K) is compressed through the mechanical compressor 335, and the heat Q N2 generated at this time is transferred to the liquid nitrogen storage tank through the liquid nitrogen heat exchanger 330 installed outside the rotor. 340 is absorbed. The gas neon compressed through the above process is introduced into the three-stage liquid neon recondensing apparatus 325 and condensed into liquid neon by the low-buckling cooling method described above. The condensed liquid neon flows into the liquid neon reservoir 320 to absorb the heat (Q Ne ) generated when the gas helium is mechanically compressed (315) through the liquid neon heat exchanger (310), and the gas neon After evaporation, the process returns to the initial state (335) to achieve a thermodynamic cycle.

또한, 액체 질소 저장조(340)는 회전자 외곽에 구리 원판형 핀이 부착된 액체 질소 열교환기(330)를 통하여 상기 기체 네온이 기계적 압축이 될 때(335) 발생하는 열(QN2)을 흡수하며, 이 때 물질의 유동이 없도록 설계하였다.In addition, the liquid nitrogen reservoir 340 absorbs the heat Q N2 generated when the gas neon is mechanically compressed 335 through the liquid nitrogen heat exchanger 330 having a copper disk-shaped fin attached to the outer side of the rotor. At this time, it was designed so that there is no flow of the material.

결국 극저온(약 4.2 K)에서 발생하는 냉각 부하는 다단계 과정을 통하여 액체 헬륨 저장조(300)로부터 액체 네온 저장조(320)로, 그리고 마지막에는 구리 원판형 핀이 부착된 액체 질소 열교환기(330)를 통하여 외부의 액체 질소 저장조(340)로 전달됨을 알 수 있다.Eventually, the cooling load generated at cryogenic temperatures (approximately 4.2 K) is transferred from the liquid helium reservoir 300 to the liquid neon reservoir 320 and finally to the liquid nitrogen heat exchanger 330 having a copper disk fin through a multi-step process. It can be seen that through the external liquid nitrogen reservoir 340 through.

상기에서 서술한 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 냉각기의 열흐름을 나타낸 것이 도 4이다.4 shows the heat flow of the cryogenic cooler according to an embodiment of the present invention described above.

(400)은 액체 헬륨 저장조로서 냉각 부위에 해당되며, 여기서 추출된 열은 8단 액체 헬륨 재응축 장치를 경과하여 액체 네온 저장조(410)로 전달된다. 상기 전달된 열은 3단 액체 네온 재응축 장치를 경과하여 회전자 외곽에 설치된 구리핀으로 이루어진 액체 질소 열교환기(420)를 통하여 외부로 추출된다.400 is the liquid helium reservoir, which corresponds to the cooling zone, where the extracted heat is passed through the eight stage liquid helium recondensation apparatus to the liquid neon reservoir 410. The transferred heat is extracted to the outside through a liquid nitrogen heat exchanger 420 made of copper fins installed outside the rotor after passing through the three-stage liquid neon recondensation apparatus.

이와 같은 방법을 사용할 경우 회전자와 정지된 시스템 간의 복잡한 기계적 연결이 필요없고, 액체 헬륨의 재응축도 외부의 물질 유입에 따른 에너지 유입이 없이 회전자의 원심력만을 이용하며, 유지비의 측면에서도 값이 싼 액체 질소만을 사용하기 때문에 매우 유리하다.This method eliminates the need for complicated mechanical connections between the rotor and the stationary system, and recondensation of liquid helium uses only the centrifugal force of the rotor without the influx of energy from external inflows. It is very advantageous because it uses only cheap liquid nitrogen.

한편 본 실시예에 따른 회전형 극저온 냉각기의 8단 액체 헬륨 재응축 장치(305)와 3단 액체 네온 재응축 장치(325)는 로벅 냉각 방식을 사용하기 때문에 같은 구조를 가지며, 다만 설계에 있어서 본 발명에 적합하도록 약간의 변경은 있을 수 있다.Meanwhile, the eight-stage liquid helium recondensing unit 305 and the three-stage liquid neon recondensing unit 325 of the rotary cryogenic chiller according to the present embodiment have the same structure because they use a low-buckling cooling method. There may be minor changes to suit the invention.

도면에서, 도 5a는 8단 액체 헬륨 재응축 장치 및 3단 액체 네온 재응축 장치의 정면도이고, 도 5b는 8단 액체 헬륨 재응축 장치의 일 단위를 나타낸 측면도이며, 도 5c는 3단 액체 네온 재응축 장치의 일 단위를 나타낸 측면도이다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.5A is a front view of an eight stage liquid helium recondensation apparatus and a three stage liquid neon recondensation apparatus, FIG. 5B is a side view showing one unit of the eight stage liquid helium recondensation apparatus, and FIG. 5C is a three stage liquid neon condensation apparatus. It is a side view which shows one unit of a recondensation apparatus. This will be described in detail as follows.

도 5a에서 도시하였듯이, 각각의 재응축 장치 단위는 회전 중심으로부터 방사형으로 구성되어 원심력을 이용할 수 있도록 설계되었으며 (500)은 8단 액체 헬륨 재응축 장치를 표시한 것이고 (505)는 3단 액체 네온 장치를 표시한 것이다.As shown in FIG. 5A, each recondensing unit is constructed radially from the center of rotation and designed to take advantage of centrifugal force, where 500 represents an eight stage liquid helium recondensation unit and 505 represents a three stage liquid neon. The device is displayed.

각각의 재응축 장치 단위가 어떻게 작동되는지를 냉매의 흐름에 따라 설명하면 다음과 같다.The operation of each recondensing unit will be described according to the flow of refrigerant.

도 5b는 8단 액체 헬륨 재응축 장치의 일 단위의 구성의 개요를 나타낸 측면도이다.5B is a side view showing the outline of the configuration of one unit of the eight-stage liquid helium recondensing apparatus.

냉각시키고자 하는 기체 헬륨이 본 장치로 유입되면(510), 회전 중심의 반경 방향의 바깥쪽으로 흐르면서(515), 원심력에 의하여 압축된다. 이 때 압축열이 발생하므로 이를 제거하기 위하여 냉각을 마치고 처음 상태로 복귀하는 보다 차가운 기체 헬륨(535)과 열교환을 하기 위하여 대향류 열교환기(530)가 설치되어 있다. 원심력에 의하여 압축된 기체 헬륨은 회전 중심의 반경 방향의 안쪽으로 흐르면서 팽창을 하게 된다(520).When the gas helium to be cooled flows into the apparatus (510), it flows outward in the radial direction of the rotation center (515) and is compressed by centrifugal force. At this time, since the heat of compression is generated, the counterflow heat exchanger 530 is installed to exchange heat with the cooler gas helium 535 which is cooled and then returned to the initial state. The gas helium compressed by the centrifugal force flows inward in the radial direction of the rotation center to expand (520).

한편 상기 압축 과정에서 발생한 열은 일반적으로 매우 크기 때문에, 역방향으로 흐르는 보다 차가운 기체 헬륨(535)의 냉각 능력으로 모든 열을 흡수할 수 없다는 문제점이 발생한다. 즉, 단순한 로벅 냉각 방식으로는 4.2 K 라는 극저온을 만들 수 없다.On the other hand, since the heat generated during the compression process is generally very large, a problem arises in that all the heat cannot be absorbed by the cooling capacity of the cooler gas helium 535 flowing in the reverse direction. In other words, a simple low-buck cooling method cannot produce a cryogenic temperature of 4.2K.

따라서, 압축이 일어나기 전에 압축시키고자 하는 기체 헬륨의 일부를 저온부 단계로 분기 흐름(Bleeding, 525)시켜 압축시에 발생하는 열의 양을 감소시키고 분기 팽창하는 과정에서 생기는 냉각 효과를 이용하여 상기의 문제점을 해결하였다.Therefore, the above-mentioned problem is exploited by using a cooling effect generated in the process of reducing the amount of heat generated during compression and branching expansion by blowing a portion of the gas helium to be compressed to the low temperature stage before compression occurs. Solved.

이러한 분기 팽창의 경우에는 단순한 줄 - 톰슨 팽창이 되는데, 헬륨은 그 물질 특성상 줄 - 톰슨 팽창을 시키더라도 온도가 내려가지 않는 임계 온도가 존재한다. 이 임계 온도를 역전이 온도(Inversion Temperature)라 한다.In the case of such branched expansion, there is a simple Joule-Thomson expansion, and helium has a critical temperature at which the temperature does not drop even if Joule-Thomson expansion occurs due to its material properties. This critical temperature is called the inversion temperature.

따라서, 분기 흐름을 시키는 온도는 역전이 온도 이하이여야만 분기 흐름의 목적, 즉 압축열을 감소시키고 분기 팽창하는 과정에서 생기는 냉각 효과를 살릴 수 있으므로, 본 실시예에 따른 회전형 극저온 냉각기는 헬륨의 역전이 온도 이하에서 분기 흐름을 시키도록 설계되어야 한다.Therefore, the branching flow temperature must be equal to or lower than the inversion temperature, so that the purpose of the branch flow, that is, the cooling effect generated in the process of reducing the heat of compression and expanding the branch, can be utilized. It should be designed to allow branch flow below the inversion temperature.

한편, 상기의 역전이 온도의 영향으로 단순히 헬륨만을 이용하여 증발된 헬륨 기체를 완전히 재응축하는 냉각기를 만들 수는 없다. 따라서 기체 헬륨의 고온부로 흡수되는 열은 액체 헬륨 재응축 장치와 같은 원리로 제작된 액체 네온 재응축 장치에 의하여 고온부에서 흡수하도록 본 실시예는 구성되어 있다.On the other hand, it is not possible to make a cooler that completely recondenses evaporated helium gas using only helium under the influence of the reverse transition temperature. Therefore, this embodiment is configured such that the heat absorbed into the hot portion of the gas helium is absorbed in the hot portion by the liquid neon recondensation apparatus manufactured on the same principle as the liquid helium recondensation apparatus.

도 5c는 3단 액체 네온 재응축 장치의 일 단위의 구성을 측면에서 나타낸 개요도이다.FIG. 5C is a schematic diagram illustrating a side configuration of one unit of the three-stage liquid neon recondensing apparatus. FIG.

냉각시키고자 하는 기체 네온이 본 장치로 유입되면(540), 회전 중심의 반경 방향의 바깥쪽으로 흐르면서(545), 원심력에 의하여 압축된다. 이 때 압축열이 발생하므로 이를 제거하기 위하여 냉각을 마치고 처음 상태로 복귀하는 보다 차가운 기체 네온(565)과 열교환을 하기 위하여 대향류 열교환기(560)가 설치되어 있다. 원심력에 의하여 압축된 기체 네온은 회전 중심의 반경 방향의 안쪽으로 흐르면서 팽창을 하게 된다(550).When the gas neon to be cooled enters the apparatus (540), it flows outward in the radial direction of the rotation center (545) and is compressed by centrifugal force. At this time, since the heat of compression is generated, the counterflow heat exchanger 560 is installed to exchange heat with the colder gas neon 565 that is cooled and then returned to the initial state. The gas neon compressed by the centrifugal force expands while flowing inward in the radial direction of the rotation center (550).

또한 상기의 액체 헬륨 재응축 장치에서 설명한 바와 같은 목적을 위하여 본 액체 네온 재응축 장치에서도 분기 흐름(555)을 수반하도록 설계하였다. 그러나, 네온의 경우에는 역전이 온도를 가진다는 물질 특성이 없기 때문에, 헬륨처럼 역전이 온도 이하에서 분기 흐름을 시켜야 한다는 필수 조건은 필요없다.In addition, for the purpose as described in the liquid helium recondensation apparatus described above, the liquid neon recondensation apparatus is also designed to have a branch flow 555. However, in the case of neon, since there is no material property of having a reverse transition temperature, it is not necessary to require branch flow below the reverse transition temperature like helium.

한편, 본 실시예에서는, 헬륨의 액화 온도인 4.2 K 까지 온도를 낮추기 위하여 상기와 같은 액체 헬륨 재응축 장치를 8개, 액체 네온 재응축 장치는 3개를 설치하였다.On the other hand, in the present embodiment, in order to lower the temperature to 4.2 K, which is the liquefaction temperature of helium, eight liquid helium recondensation apparatuses and three liquid neon recondensation apparatuses were provided.

또한 최적의 냉각 효과를 나타내기 위하여, 헬륨 및 네온의 다단 압축 과정중 가장 저온인 단계에서 분기 흐름이 발생하도록 설계하였다.In addition, in order to show the optimal cooling effect, the branch flow is designed to occur in the lowest temperature stage of the multi-stage compression process of helium and neon.

한편, 도 6a는 본 실시예의 기본 원리에 의한 냉각기의 헬륨에 대한 온도 - 엔트로피 그래프(T-s 선도)이다. 이를 도 3과 연관지어 설명하면 다음과 같다.6A is a temperature-entropy graph (T-s diagram) of helium of the cooler according to the basic principle of the present embodiment. This will be described with reference to FIG. 3.

(610)과 (615) 과정은 기계적 압축 과정으로서, 도 3의 (315)에서 일어나는 현상이고, (615)부터 (630) 과정은 8단 액체 헬륨 재응축 장치(305)에서 일어나는 기체 헬륨의 다단 압축 - 팽창 과정이다. 본 과정에 의하여 헬륨의 온도는 계속 떨어져서 결국 헬륨의 액화 온도인 4.2 K 이하가 되어 기체 헬륨은 액화된다(630).Processes 610 and 615 are mechanical compression processes, which occur at 315 of FIG. 3, and processes 615 to 630 are multistages of gas helium occurring at the eight stage liquid helium recondensing apparatus 305. Compression-expansion process. By this process, the temperature of helium continues to drop, and eventually the gaseous helium is liquefied because the liquid temperature of helium becomes 4.2 K or less.

한편, (620)과 (621) 과정은 다단 팽창하는 기체 헬륨 중 일부를 분기시켜 줄 - 톰슨 팽창시키는 분기 흐름 과정이다. 이 때 분기 흐름의 온도, 즉 (620) 상태에 해당하는 온도는 헬륨의 역전이 온도 이하이어야 한다.On the other hand, the process 620 and 621 is a branch flow process for expanding thomson-which will diverge some of the multi-stage expanding gas helium. At this time, the temperature of the branch flow, that is, the temperature corresponding to the state (620) should be less than the reverse transition temperature of helium.

액화된 헬륨은 냉각 부위로 유입되어 시스템을 냉각(QHe)시키고 난 후 다시 처음 상태(610)로 복귀하며, 이 때 효율적인 에너지 관리를 위하여 8단 액체 헬륨 재응축 장치의 대향류 열교환기에서 다단 압축 - 팽창되는 기체 헬륨과 열교환을 한다. 또한 상기 기체 헬륨의 기계적 압축 과정(610 -> 615)에서 생성되는 압축열(QNe)은 3단 액체 네온 재응축 장치(325)로 액체 네온 열교환기(310)를 통하여 유입된다.The liquefied helium enters the cooling zone and cools the system (Q He ) and then returns to the initial state (610), where multiple stages in the counterflow heat exchanger of the eight stage liquid helium recondensing unit are used for efficient energy management. Compression-heat exchange with the expanding gas helium. In addition, the heat of compression (Q Ne ) generated during the mechanical compression process of the gas helium (610-> 615) is introduced through the liquid neon heat exchanger (310) to the three-stage liquid neon recondensing device (325).

한편, 도 6b는 본 실시예의 기본 원리에 의한 냉각기의 네온에 대한 온도 - 엔트로피 그래프(T-s 선도)이다. 이를 도 3과 연관지어 설명하면 다음과 같다.6B is a temperature-entropy graph (T-s diagram) for neon of the cooler according to the basic principle of the present embodiment. This will be described with reference to FIG. 3.

(650)과 (655) 과정은 기계적 압축 과정으로서, 도 3의 (335)에서 일어나는 현상이고, (655)부터 (670) 과정은 3단 액체 네온 재응축 장치(325)에서 일어나는 기체 네온의 다단 압축 - 팽창 과정이다. 본 과정에 의하여 네온의 온도는 계속 떨어져서 결국 네온의 액화 온도인 31 K 이하가 되어 기체 네온은 액화된다(670).Processes 650 and 655 are mechanical compression processes, which occur at 335 in FIG. 3, and processes 655 to 670 are multi-stages of gas neon occurring in the three-stage liquid neon recondensing unit 325. Compression-expansion process. By this process, the temperature of neon continues to drop, and eventually, the temperature of neon becomes less than or equal to 31 K, and the gas neon is liquefied (670).

한편, (660)과 (661) 과정은 다단 팽창하는 기체 헬륨 중 일부를 분기시켜 줄 - 톰슨 팽창시키는 분기 흐름 과정이다.On the other hand, the processes 660 and 661 are branch flow processes for expanding Thomson-which will diverge some of the multi-stage expanding gas helium.

액화된 네온은 액체 네온 열교환기(310)를 통하여 고온(32 K)의 기체 헬륨으로부터 압축열(QNe)을 흡수하고 난 후 다시 처음 상태(650)로 복귀하며, 이 때 효율적인 에너지 관리를 위하여 3단 액체 네온 재응축 장치의 대향류 열교환기에서 다단 압축 - 팽창되는 기체 네온과 열교환을 한다. 또한 상기 기체 네온의 기계적 압축 과정(650 -> 655)에서 생성되는 압축열(QN2)은 액체 질소 열교환기(330)를 통하여 액체 질소 저장조(340)로 방출된다.The liquefied neon absorbs compressed heat (Q Ne ) from the high-temperature (32 K) gas helium through the liquid neon heat exchanger (310), and then returns to the initial state (650), for efficient energy management. Heat exchange with multistage compression-expanding gas neon in a counterflow heat exchanger of a three stage liquid neon recondensing unit. In addition, the compression heat (Q N2 ) generated in the mechanical compression process of the gas neon (650-> 655) is discharged to the liquid nitrogen storage tank 340 through the liquid nitrogen heat exchanger (330).

위와 같은 본 실시예에 대하여 헬륨과 네온의 열역학적 물성, 그리고 재응축 과정의 열역학 관계식을 이용하여 상기 시스템을 이상적인 시스템(Ideal System)으로 가정하였을 때의 열역학적 해석(Thermodynamical Analysis)은 다음과 같다.The thermodynamic analysis when the system is an ideal system using the thermodynamic properties of helium and neon and the thermodynamic relationship of the recondensation process for the present embodiment is as follows.

본 발명에 대한 해석을 함에 있어서, 먼저 열교환기가 없다는 가정 하에 헬륨과 네온의 각 단계의 온도와 압력을 계산을 통하여 구할 수 있다.In the interpretation of the present invention, assuming that there is no heat exchanger, the temperature and pressure of each stage of helium and neon can be obtained through calculation.

재응축 시스템의 압력이 지나치게 높아지거나 엄청난 양의 질량 유량을 요구하게 될 경우, 혹은 다른 여러 가지 열역학적 조건을 비교하여 보기 위해, 각 단계에 대하여 최종 재응축 단계에서의 액화 비율(Yield)을 변화시키면서 온도와 압력을 구하여 보면, 액화 비율이 높아질수록 전체 시스템의 압력이 높아지는 경향이 있으나, 액화 비율이 낮아질수록 더 큰 질량 유량을 요구하게 되므로, 적당한 최적값의 액화 비율이 존재한다는 것을 알 수 있다.If the pressure in the recondensation system becomes too high or requires a large amount of mass flow, or to compare different thermodynamic conditions, vary the liquefaction rate in the final recondensation step for each step. In terms of temperature and pressure, the higher the liquefaction rate, the higher the pressure of the entire system, but the lower the liquefaction rate, the greater the mass flow rate.

본 실시예에서처럼 열교환기를 설치한 시스템의 열역학적 해석의 경우에는, 역방향으로 흐르는 상대적으로 차가운 기체의 냉각 능력 부족으로 인하여 저온부로 향하는 분기 흐름이 있어야 한다. 이로 인하여 전체 냉각기의 구조는 좀 더 복잡하여지나, 이 경우에도 최적의 액화 비율을 나타내는 시스템을 설계할 수 있다.In the case of thermodynamic analysis of a system equipped with a heat exchanger as in this embodiment, there must be a branching flow towards the cold section due to the lack of cooling capacity of the relatively cold gas flowing in the reverse direction. This makes the structure of the entire chiller more complicated, but even in this case it is possible to design a system that exhibits an optimum liquefaction rate.

전체적으로 시스템을 구성함에 있어서, 조절할 수 있는 값은 시스템의 회전 반경, 각속도, 각 단계에서의 액화 비율 및 고온부로 흐르는 열교환 기체 통로의 압력이다.In constructing the system as a whole, adjustable values are the radius of rotation of the system, the angular velocity, the liquefaction rate at each stage and the pressure of the heat exchange gas passages flowing into the hot zone.

본 실시예에서는 회전 반경을 0.5 m, 각속도를 3600 rpm 으로 하였고, 역방향으로 흐르는 기체 통로의 압력이 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다. 또한 헬륨 단계의 경우 재응축된 액체 헬륨의 온도가 4.2 K 가 되는 것이 초전도 자석 혹은 초전도 성질을 안정하게 유지하는데 필요하므로 여기서의 압력은 1 atm 으로 결정하였다. 왜냐하면 압력을 올리면 재응축 온도가 올라가므로 4.2 K 를 유지하는 것이 힘들어지기 때문이다.In this embodiment, the radius of rotation was 0.5 m, the angular velocity was 3600 rpm, and it was assumed that the pressure of the gas passage flowing in the reverse direction was kept constant. In addition, in the case of the helium stage, the temperature of the recondensed liquid helium is 4.2 K because it is necessary to maintain the superconducting magnet or superconducting property in a stable manner, and the pressure here is determined to be 1 atm. This is because increasing the pressure raises the recondensation temperature, making it difficult to maintain 4.2 K.

네온 압력의 경우, 헬륨 단계 재응축 지점의 액화 비율에 따라 헬륨 단계의 가장 고온부의 온도와 압력이 결정되고, 이것이 곧 바로 네온 단계의 액체 네온의 온도에 영향을 미치므로, 헬륨 단계의 최적화 작업이 끝난 다음에 결정하게 되었다.In the case of neon pressure, the liquefaction rate of the helium stage recondensation point determines the temperature and pressure of the hottest portion of the helium stage, which directly affects the temperature of the liquid neon in the neon stage, thus optimizing the helium stage. After the decision was made.

최적화 작업을 수행함에 있어서 가장 중요한 요소는 헬륨과 네온의 가장 고온부에서의 질량 유량, 액체 질소로 방출되는 열량 및 저온부 다음 단계로의 분기 흐름 횟수였다.The most important factors in the optimization were the mass flow rate at the hottest portion of helium and neon, the amount of heat released into liquid nitrogen, and the number of branch flows to the next stage of the cold portion.

본 실시예에서 전체적인 시스템의 열역학적 효율이 높아지기 위해서는 우선 헬륨 단계에서의 효율이 높아야 하기 때문에 헬륨 단계에 대한 최적화된 시스템을 먼저 구성하였다. 액화 비율을 0.1 에서 1 까지 0.1 단위로 변화시키면서 각 경우에 대하여 해석을 한 결과, 재응축 단계에서의 액화 비율이 0.8 인 경우에 가장 효율이 높은 결과를 얻을 수 있었다.In this embodiment, in order to increase the thermodynamic efficiency of the overall system, first, an optimized system for the helium stage was first configured because the efficiency at the helium stage must be high. As a result of analyzing each case by changing the liquefaction rate from 0.1 to 1 in 0.1 units, the most efficient result was obtained when the liquefaction rate in the recondensation step was 0.8.

1 W 의 냉각 부하가 4.2 K 에서 요구될 때, 최적화된 헬륨 단계는 8번의 등온 압축, 단열 팽창 과정으로 이루어지며, 가장 고온부의 온도는 32 K, 질량 유량은 0.72 g/s 가 되었다.When a cooling load of 1 W was required at 4.2 K, the optimized helium stage consisted of eight isothermal compression and adiabatic expansion processes with a temperature of 32 K at the hottest part and a mass flow rate of 0.72 g / s.

그 다음 단계는 여기에 대하여 최적화된 네온 단계를 구하였다. 네온의 경우 임계 압력(Critical pressure)이 26.2 atm 으로 헬륨의 2.26 atm 에 비하면 상당히 크기 때문에 역방향 기체 통로의 압력을 1 atm 으로 하는 경우, 액화 비율이 0.1 인 경우를 제외하면 마지막 단계에서 팽창하여 재응축되기 전에 이미 포화(Saturation) 영역에 있게 된다.The next step was to find an optimized neon step for this. In the case of neon, the critical pressure is 26.2 atm, which is considerably larger than 2.26 atm of helium, so when the pressure in the reverse gas passage is 1 atm, it expands and recondenses in the last stage except when the liquefaction rate is 0.1. It's already in the saturation region before it goes.

따라서, 역방향 기체 통로의 압력을 1 atm 으로 하는 경우에는, 액화 비율을 변화시키는 것이 0.1 의 경우를 제외하고는 큰 의미가 없으므로, 네온의 액화 온도를 28 K, 29 K, 30 K, 31 K 로 변화시켜서 그에 해당하는 포화 압력 1.3 atm, 1.7 atm, 2.2 atm, 2.8 atm 에 대한 해석을 진행하였다.Therefore, when the pressure of the reverse gas passage is 1 atm, it is not significant to change the liquefaction rate except in the case of 0.1, so the liquefaction temperature of neon is set to 28 K, 29 K, 30 K, 31 K. By changing the corresponding saturation pressure 1.3 atm, 1.7 atm, 2.2 atm, 2.8 atm were analyzed.

이러한 방법으로 최적화 구성을 하면, 네온 단계의 경우 역방향 기체 통로의 압력은 2.8 atm 이 된다. 네온 단계는 총 3 단계로 구성되며, 가장 고온부의 온도는 79.7 K, 질량 유량은 6.86 g/s 가 된다.Optimizing in this way, the pressure in the reverse gas passage is 2.8 atm for the neon stage. The neon stage consists of three stages, with the highest temperature at 79.7 K and a mass flow rate of 6.86 g / s.

본 실시예에서 최적화된 헬륨과 네온 단계에 대하여, 전체 시스템의 성적계수(FOM, Figure Of Merit)는 0.105 로 나타났다. 극저온부(4.2 K)에서 1 W 의 열량을 흡수하기 위하여 액체 네온부로 98 W 의 열량을 전달해야 하고, 이것은 다시 액체 질소로 171.8 W 의 열량을 방출하여야 한다.For the helium and neon stages optimized in this example, the figure of merit (FOM) of the overall system was 0.105. In order to absorb 1 W of heat from the cryogenic part (4.2 K), it is necessary to transfer 98 W of heat to the liquid neon part, which in turn releases 171.8 W of heat to liquid nitrogen.

본 발명에서 고려하지 않은 것이 있다면, 그것은 유체가 흐르면서 발생하는 압력 손실인데, 실제로 순환하는 질량 유량이 작으면 무시될 수 있을 정도이기도 하지만, 시제품으로 만들었을 때, 나타나는 결과는 이러한 압력 손실 때문에 시스템의 각 부분에서의 열역학적 상태가 약간 변화할 수 있고, 따라서 여기서 명시된 본 실시예의 최적화 조건들도 변경이 불가피할 것이다. 그러나, 본 발명에서 제시한 기본 아이디어와 열역학적 해석 방법론에 대해서는 틀린 점이 없고, 전체 시스템을 최적화하는 도구로서 유효할 것이다.If anything is not considered in the present invention, it is the pressure loss that occurs as the fluid flows, which is negligible if the circulating mass flow rate is small, but when prototyped, the result is that the pressure loss of the system The thermodynamic state in each part may change slightly, so the optimization conditions of the present embodiment specified here will also be inevitable. However, the basic idea and thermodynamic analysis methodology presented in the present invention are not wrong and will be effective as a tool for optimizing the whole system.

위에서 서술한 것을 토대로, 본 발명을 통하여 극저온 냉각 시스템을 구성함에 있어서, 이상적인 상태로 가정하였을 경우에, 액체 헬륨의 지속적인 공급이 필요없는 회전형 냉각기가 열역학적으로 구현 가능하다는 것을 알 수 있으며, 또한 비가역 과정(Irreversible Process)을 포함한 현실적인 요소들을 고려하여야 하겠지만, 본 발명에 따른 장치는 회전화는 부위와 정지한 부위간의 물질 전달이 필요없게 된다.Based on the above description, it can be seen from the present invention that a rotary cooler that does not require a continuous supply of liquid helium can be thermodynamically implemented, assuming an ideal state in constructing the cryogenic cooling system. Although realistic factors should be considered, including the Irresible Process, the device according to the invention does not require mass transfer between the site and the stationary site.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 초전도 발전기의 회전자를 비롯한 회전하는 극저온 냉각기의 구조를 간단히 하고, 그 제작 비용 및 유지 비용을 저렴하게 할 수 있으며, 또한 극저온 냉각기의 전체 크기가 소형화 되는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention simplifies the structure of the rotating cryogenic cooler, including the rotor of the superconducting generator, can reduce the manufacturing cost and the maintenance cost thereof, and also reduces the overall size of the cryogenic cooler. .

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is by way of example only for describing the best embodiment of the present invention and not for limiting the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (7)

냉매 기체가 회전자의 반경 방향의 바깥쪽으로 흐르면서 압축되고, 그 후 회전자의 반경 방향의 안쪽으로 흐르면서 팽창하는 성질을 이용한 압축 - 팽창기 및 상기 기체가 서로 열교환을 하는 대향류 열교환기를 포함하는 회전형 냉각기에 있어서,Rotation type including a compressor-expander using a property in which the refrigerant gas flows outward in the radial direction of the rotor and then expands inwardly in the radial direction of the rotor, and a counterflow heat exchanger in which the gases exchange heat with each other. In the chiller, 상기 압축 - 팽창기는 다단으로 구성하고, 냉매의 일부분을 추출하여 단순 줄 - 톰슨 팽창(Joule - Thompson Expansion)을 하는 분기 흐름(Bleeding)이 수반되는 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.The compression-expander comprises a multi-stage, rotary cooler characterized in that it is accompanied by a branching (Bleeding) to extract a portion of the refrigerant to perform a simple Joule-Thompson expansion. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 2 종 이상의 유체를 각각의 냉매로 하여 다유체 사이클을 형성하는 다수의 냉각셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.A rotary cooler comprising a plurality of cooling cells for forming a multi-fluid cycle using two or more kinds of fluids as respective refrigerants. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기의 다수의 냉각셀 중 냉각 부위와 직접 접촉하는 제 1 냉각셀은 헬륨을 냉매로 하고, 상기 제 1 냉각셀에서의 분기 흐름은 헬륨의 역전이 온도 이하에서 발생하는 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.Among the plurality of cooling cells, the first cooling cell which is in direct contact with the cooling part is helium as a refrigerant, and the branch flow in the first cooling cell is generated below the helium reverse transition temperature. . 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기의 다수의 냉각셀 중 헬륨을 냉매로 하는 제 1 냉각셀로부터 열을 흡수하는 제 2 냉각셀은 네온을 냉매로 하는 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.And a second cooling cell that absorbs heat from the first cooling cell of which helium is a refrigerant among the plurality of cooling cells is neon. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 회전형 냉각기 외부에 열을 방출하기 위하여 핀형 열교환기를 설치한 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.And a fin heat exchanger is installed to dissipate heat outside the rotary cooler. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 핀형 열교환기로부터 열을 추출하기 위하여 회전형 냉각기 외부에 고정형 냉각 장치를 포함한 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.And a stationary cooling device outside the rotary cooler to extract heat from the fin heat exchanger. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 회전형 냉각기 외부에 설치되는 고정형 냉각 장치는 질소를 냉매로 하는 것을 특징으로 하는 회전형 냉각기.The stationary cooling device installed outside the rotary cooler comprises nitrogen as a refrigerant.
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