KR20050113675A - 열 저장 매체 - Google Patents

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KR20050113675A
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한스-울리히 해프너
에른스트 슈나케
귄터 툼메스
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라이볼트 바쿰 게엠베하
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Abstract

희토류 화합물의 알갱이는 15 캘빈 이하의 저온 범위용 열 저장 매체로서 이용된다. 희토류에 대한 재료 비용은 높다. 더욱이, 희토류는 자기성이 있어서 모든 응용례에 적합하지 않다. 매우 저온인 범위에 대한 본 발명에 따른 열 저장 매체는 주입성의 기밀 밀봉된 중공체(30) 세트(22)로 구성되며, 각각의 중공체(30)는 저장 매체와 같이 저-비등 가스의 충전재를 포함하고, 중공체 벽(32)은 금속으로 만들어 진다. 그러므로 상대적으로 값싼 열 저장 매체가 제공되며 이의 물리적, 화학적, 자기적 및 기계적 특성은 상응하는 재료 선택에 의해 각각의 이용에 채택될 수 있다.

Description

열 저장 매체{HEAT-STORING MEDIUM}
본 발명은 저온 범위용 열 저장 매체, 저온 냉각 장치용 축열기, 및 저온 냉각 장치에 관한 것이다.
저온 냉각 장치는 이에 의해 15 캘빈 이하의 범위의 온도가 발생될 수 있는 보통 다단식 가스 냉각 장치이다. 이러한 가스 냉각 장치는 다양한 원리에 따라 작동하며, 예를 들면, 기포드 맥마혼(Gifford-Mcmahon), 스터링 또는 펄스 튜브 원리에 따라 작동한다. 작동 원리와 독립적으로, 이러한 냉각 장치는 고열 면과 냉각 면 사이의 소위 냉각 헤드의 영역에, 작업 유체가 흐르는 체적을 공통적으로 포함하고, 상기 체적은 열 저장 매체로 충전되며 축열기라고 불린다. 작업 유체는 축열기를 통해 양 방향으로 교대로 흐르며 작업 유체에 의해 흡수되거나 소산되는 열을 중간 저장한다. 그러므로 축열기는 압축기-사이드 고열 챔버의 작업 유체와 냉각 챔버의 작업 유체를 열적으로 분리시키는 일을 한다. 이러한 목적을 위해, 축열기는 축열기를 통해 흐르는 유체와 비교하여 가능한 고열용량을 가져야 한다. 15 캘빈까지의 온도에 대해 고급 강철, 청동, 납 또는 다른 금속체가 이용될 수 있지만, 헬륨의 열용량에 비하여 상술된 금속의 비열용량(specific heat capacity)이 30 캘빈 이하로부터 대폭 감소하여, 5 캘빈 이하의 범위에서 0 에 근접하기 때문에, 이것은 15 캘빈보다 상당히 낮은 온도에서는 불가능하다. 그러므로, 매우 낮은 온도 범위, 즉, 15 캘빈 이하 범위에서, 예를 들면 유럽 특허 EP-A-0 411 591에서 설명된 바와 같이, 희토류 화합물(rare earth compounds) 충전재가 예를 들면, 축열기에서 열 저장 매체로서 이용된다. 희토류 화합물을 이용할 때 발생되는 단점은 화합물이 강한 자기장에서, 예를 들면 자기 공명 단층 사진 촬영 장치에서 쓰여질 때 문제를 일으키는 자기(magnetism)이다. 더욱이, 희토류는 산화되기 쉽고, 진동이 발생할 때 부분 취성(brittleness)에 의해 깨지는 경향이 있으며 고가이다.
헬륨 및 다른 저-비등 가스는 또한 매우 저온의 범위에 대해 적합한 저장 매체이다. 예를 들면, 헬륨은 15 캘빈 이하의 범위에서, 대략 9 캘빈에서 압력-종속 최대치의 높은 비열용량을 갖게 되어, 이러한 온도 범위에서 상기 열용량은 금속 열용량이상으로 훨씬 높다. 독일 특허 DE-A-199 24 184호로부터 축열기는 헬륨이 열 저장 매체로서 이용된다는 것이 공지되었는데, 여기서 헬륨은 열 교환기에서와 같이, 나선형으로 굽은 튜브 또는 축열기 하우징의 튜브 다발에 정적으로 저장된다. 선택적으로, 축열기 하우징은 저장 매체로서 헬륨으로 충전될 수 있고, 작업 유체는 축열기 하우징을 통해 튜브에 흐른다.
이러한 구성의 축열기에서 시험은 4.2 캘빈의 목표 온도에 도달될 수 없다는 것을 보여 주었으며, 이는 금속 나선 및 튜브 재료 및 너무 작은 접촉 표면 때문이다.
미국 특허 US-A-4,359,872호는 열 저장 매체로서 헬륨 충전 유리구로 구성된 충전재를 기술하고 있다. 유리구의 벽 두께는 요구되는 내부 압력 및 저온에서 적합한 힘을 제공하도록 상대적으로 커야만 한다.
도 1은 냉각 장치의 개략적인 설명이고,
도 2는 헬륨-충전 중공체 세트로 구성된 충전재를 갖는 냉각 장치 축열기의 단면도이고,
도 3은 헬륨-충전 중공체의 단면도이다.
본 발명의 목적은 매우 낮은 온도 범위에서 높은 열용량을 갖는 열 저장 매체, 축열기 및 매우 낮은 온도에 대한 높은 열용량을 갖는 열 저장 매체를 포함하는 저온 축열기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 목적은 청구항 1항, 10항, 11항 및 12항의 특징에 의해 달성된다.
저온 범위, 즉, 15 캘빈 이하의 온도를 목표한 본 발명에 따른 열 저장 매체는 작업 유체가 투과할 수 있는 기밀 밀봉된 중공체 세트를 포함하고, 여기서 각각의 중공체는 열 저장 매체로서 저-비등 가스의 충전재를 내포한다. 저-비등 가스는 30 캘빈 이하의 비등점을 갖는 가스이다. 이것은 예를 들면, 수소 가스, 헬륨 및 네온, 및 사실상 이들의 동위 원소에 유효하다. 저-비등 가스는 이들 고유 특성에 의해 저온에서 높은 비열용량을 갖게 되어 30 캘빈 이하 온도에서 저장 매체로서 매우 적합하다. 저-비등 가스는 상대적으로 값싸고 비-자성체의 중공체 벽, 기계적으로 적합한, 비-산화성 및 저비용 재료를 포함하는 중공체에 밀폐된다. 그러므로 열 저장 매체는 화학적, 기계적 및 자기적 특성의 관점에서, 어떤 이용에서도 구조적으로 채택될 수 있다. 더욱이, 튜브 및/또는 나선형체와 비교할 때, 기밀 밀봉된 중공체는 상당히 더 큰 표면을 제공하고 이 표면을 통한 열교환은 효율적이다. 이것은 열 전달을 상당히 촉진시킨다.
바람직하게, 저장 매체는 중공체 헬륨 충전재이다. 헬륨 충전재는 헬륨 동위 원소, 예를 들면, 3He, 4He의 충전재이다. 저장 매체 헬륨은 15 캘빈 이하의 온도에서 상대적으로 높은 비열용량을 갖게 되어 2 캘빈 범위 아래까지의 온도에서 저장 매체로서 매우 적합하다. 더욱이, 헬륨은 저비용으로 얻을 수 있다.
바람직하게, 4 캘빈의 온도에서 헬륨 충전재는 0.5 바아(bar) 보다 더 큰 압력, 특히 임계 압력 이상의 압력을 갖는다. 0.5 바아 보다 큰 헬륨 충전 압력에서, 절대 열용량(absolute heat capacity)은 생산된 열량이 상대적으로 작은 축열기에 저장되도록 한다. 이러한 축열기는 금속 축열기와 비교하여 매우 콤팩트한 구성이다.
바람직하게, 중공체 벽의 재료 및 벽 두께는 열 투과 깊이가 한 배 이상의 벽 두께가 되도록 선택된다. 열 투과 깊이 μ는 다음 방정식에 의해 표현된다.
여기서 a는 작업 온도(예를 들면, 2 캘빈)에서 선택된 중공체 벽 재료의 온도 전도율이고, fmod는 작업 가스가 열 저장 매체를 통해 주기적으로 교대로 흐르는 변조 주파수(modulation frequency)이다. 작업 주파수 fmod는 예를 들면, 저온 냉각 장치용으로 대략 1.0Hz 내지 10.0Hz에 이르도록 가정되어야 한다.
중공체 벽은 금속으로 구성된다. 금속 및 금속 합금은 양호한 열 전도성 및 양호한 기계적 특성을 제공하여, 작은 중공체 벽 두께가 가능하게 한다. 중공체 벽은 구리, 알루미늄, 은, 황동, 강철로 만들어질 수 있거나, 또는 다른 금속이나 금속 합금으로 만들어질 수 있다. 선택적으로, 중공체 벽은 세라믹 재료로 만들어질 수 있다.
중공체 벽용 재료로서 비-강자성체 금속을 선택하여, 강한 자기장에서의 이용, 예를 들면 자기 공명 단층 사진 촬영 장치에서의 이용에, 어떤 더 다른 조치를 취할 필요없이, 적합한 열 저장 매체가 제공될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 각각의 중공체는 3.0mm 미만의 직경을 갖는다. 3.0mm 미만의 직경에서 중공체 세트는 큰 비용적 표면(volume-specific surface)을 갖게 되어 충분히 빠른 열 흡수 또는 소산이 보장된다. 일반적인 직경은 0.2mm 내지 0.7mm 범위이다.
바람직하게, 각각의 중공체는 대략 구 형상이다. 구 모양의 선택은, 중공체로 구성된 충전재에서, 중공체 표면, 전체 중공체 체적과 전체 충전재 재료 체적을 가로지르는 충전 재료 체적 사이의 대략적인 일정 비율을 보장한다.
본 발명에 따른 축열기는 전술된 열 저장 매체로 충전된 하우징을 포함한다. 본 발명에 따른 저온 냉각 장치는 전술된 축열기를 포함하고 축열 사이클, 바람직하게 기포드-맥마혼, 스터링 또는 펄스 튜브로 구성되며, 여기서 헬륨은 작업 유체로 이용된다. 따라서 헬륨은 저장 매체 및, 개별적으로, 작업 유체 양자로서 이용된다.
다음부터 본 발명의 실시예는 다음 도면을 참조하여 상세하게 기술된다.
도 1은 실질적인 구성 요소로서, 압축기(12), 축열기(14) 및 냉각 헤드를 포함하는 팽창 챔버(16)를 포함하는 냉각 장치(10)를 도시한다. 축열기(14)와 마찬가지로 압축기(12) 및 팽창 챔버(16)는 라인(18, 20)에 의해 상호 연결된다.
압축기(12)는 압축을 하고, 필요하면, 작업 유체, 바람직하게는 헬륨을 미리 냉각시킨다. 연속적으로, 압축된 작업 유체는 가스 라인(18) 및 축열기(14)에 포함된 열 저장 매체에 열을 소산시키는 축열기(14)를 관통해 흐른다. 작업 유체는 계속해서 팽창을 허용하는 팽창 챔버(16)로 흐른다. 냉각 작업 유체는 특히 냉각 표면을 통해, 주위로부터 열을 흡수하고, 이어서 라인(20)을 통해 축열기(14)에 회수된다. 작업 유체가 축열기(14)를 통해 흐를 때, 이는 열 저장 매체에 저장된 열을 흡수하고, 라인(18)을 통해 압축기(12)에 회수된다. 축열기(14)는 압축기(12)와 팽창 챔버(16) 사이에서 열 단열체로 작용한다.
냉각 장치(10)는 기포드-맥마혼, 스터링 또는 펄스 튜브 냉각 장치로 구성될 수 있으나, 이것은 일반적으로 어떤 다른 축열식 사이클로 작동할 수 있으며, 축열기(14)는 저온 범위에서 열의 중간 저장 목적으로 이용된다. 저온 범위는 0 캘빈과 15 캘빈 사이의 온도이다.
도 2에 도시된 길이 방향 단면인, 축열기(14)는 원통형의 타원 하우징(24)을 필수 구성으로 하며 하우징의 가로 측이 하우징 벽(26, 27)에서 라인(18, 22)이 종결된다. 축열기 하우징(24)은 열 저장 매체로서, 주입성(pourable)의 기밀 밀봉된(gastight sealed) 중공체(30)의 세트(22)를 포함하며, 중공체는 작업 유체로 가스-투과 가능하다. 축열기(14)는 균일하게 충전되거나 상이한 열 저장 매체의 다양한 층을 갖는 층에 충전될 수 있다.
모든 중공체(30)는 대략 동일한 크기이고 대략 구 형태로 만들어 진다. 충전재는 다양한 직경으로 된 중공체의 혼합으로 더 구성될 수 있다. 중공체 벽(32)은 구리 또는 다른 어떤 재로 또는 금속 합금으로 구성되며, 대략 0.2 mm이하의 두께를 갖는다. 중공체(30)의 직경은 0.2mm 내지 2.0mm의 범위이나, 더 클 수 있고, 3.0mm보다 더 크지는 않다. 중공체(30)는 기밀 밀봉되고 헬륨 충전재(34)를 포함한다. 실온에서, 헬륨 충전재(34)는 대략 200 바아(bar)의 압력을 갖고, 4 캘빈의 온도에서 몇몇 바아의 압력(a pressure of several bars)을 갖는다. 헬륨 충전재(34)를 포함하는 중공체(30)는, 예를 들면, 용해된 중공체 벽 재료의 방울이 헬륨 가스로 충전된 냉각 챔버를 통해 흐르는 생산 공정에 의해 생산될 수 있다. 중공체 충전재는 단일 헬륨 동위 원소 또는 상이한 헬륨 동위 원소의 혼합 또는 수소 동위 원소 또는 네온 또는 전술된 구성 요소의 혼합물로 구성될 수 있다. 중공체 벽용 재료, 작업 가스가 축열기를 통해 교대로 흐르는 변조 주파수, 및 중공체의 벽 두께는 투과 깊이(penetration depth) μ가 벽 두께의 한 배 이상이 되도록 선택되어 져야 한다. 투과 깊이 μ는 다음 방정식에 의해 표현된다.
여기서 a는 작업 온도(예를 들면, 4 캘빈)에서 선택된 중공체 벽 재료의 온도 전도율이고, fmod는 작업 가스가 열 저장 매체를 통해 순환하여 교대로 흐르는 변조 주파수이다. 작업 주파수 fmod는 예를 들면, 저온 냉각 장치용으로 대략 1.0Hz에 이르도록 가정되야 한다.
기밀 밀봉되고 헬륨-충전의 중공체(30)로 구성된 열 저장 매체는 작은 체적에서 15 캘빈 미만의 매우 낮은 온도에서, 헬륨이 이러한 온도 범위에서 높은 비열용량을 갖기 때문에 높은 절대 온도의 열 저장 능력을 갖는다. 중공체 벽(32)을 위한 적합한 금속을 선택하여, 열 저장 매체는 전기적, 기계적 및 화학적 요구 사항의 관점에서, 어떠한 이용에서도, 예를 들면, 비자성 재료가 중공체 벽용으로 선택되는 자기 공명 단층 사진 촬영에서 냉각 목적으로, 최적으로 채택될 수 있다.
헬륨-충전 중공체(30)이외에도, 축열기 하우징은 분리층으로 배치되거나 헬륨-충전된 중공체(30)와 섞인, 예를 들면, 희토류 합금으로 구성된 열 저장 구성 요소와 섞인 다른 열 저장 구성 요소를 포함할 수 있다.

Claims (12)

  1. 주입성(pourable) 바디 세트(22)를 포함하며,
    상기 바디는 기밀 밀봉된 중공체(30)이고 각각의 중공체(30)가 저장 매체로서 저-비등 가스의 충전재(34)를 내포고 있는, 저온 범위용 열 저장 매체에 있어서,
    상기 중공체의 벽(32)이 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공체 벽(32)이 구리로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중공체 벽(32)의 재료 및 벽 두께는 상기 열 투과 깊이가 상기 벽 두께의 한 배 이상이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 매체가 헬륨 충전재(34)인 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 헬륨 충전재(34)가 4 캘빈 온도에서 0.5 바아 초과의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 헬륨 충전재(34)가 실온에서 약 200 바아의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공체 벽(32)의 벽 두께가 1.0mm보다 작은 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공체(30)가 대략 구 형상으로 만들어지는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 중공체(30)가 3.0mm 미만의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  10. 주입성(pourable) 바디 세트(22)를 포함하며,
    상기 바디는 기밀 밀봉된 중공체(30)이고 각각의 중공체(30)가 저장 매체로서 저-비등 가스의 충전재(34)를 내포하고 있는, 저온 범위용 열 저장 매체에 있어서,
    상기 중공체의 벽(32)이 세라믹 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    저온 범위용 열 저장 매체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 열 저장 매체(22)로 충전되는 하우징(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    저온 냉각 장치(10)용 축열기(14).
  12. 제 11 항에 따른 축열기(14)를 포함하는 저온 냉각 장치(10)에 있어서,
    기포드-맥마혼, 스터링 또는 펄스 튜브 냉각 장치로서 구성되며,
    헬륨 가스가 작업 유체로서 사용되는 것을 특징으로 하는,
    저온 냉각 장치.
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