KR20060022282A - 고온 초전도체 장치용 극저온 냉각 방법 및 장치 - Google Patents

고온 초전도체 장치용 극저온 냉각 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 HTS 장치(24)들, 특히 고전압 전력 응용예들에 사용되는 장치들에 극저온 냉각을 제공하는 방법 및 장치에 대한 것이다. 이 방법은 그 유전 강도(dielectric strength)를 개선하기 위해 1기압 이상으로 액체 냉각제(46, 48)를 가압하고, 장치의 HTS 구성요소(24)의 성능을 개선하기 위해 그 포화 온도 이하로 액체 냉각제를 과냉(subcooling)하는 것을 포함한다. 이러한 냉각 방법을 포함하는 장치(10)는 장치(10)에 사용되는 HTS 재료(24)의 성능을 개선하기 위해 그 비등점 이하의 온도로 액체 냉각제(46, 48)를 유지시키는 냉각 시스템, 액체 냉각제의 최적 유전 강도에 상응하는 범위의 값으로 냉각제의 압력을 유지시키기 위해 기체상태 냉각제 통기 스킴(30; cryogen venting scheme)과 커플링되는 액체 냉각제 가열부(52), 과냉된 액체 냉각제 수조(bath)와 가압된 기체상태 냉각제 영역(44)을 포함하는 용기로 구성된다.
극저온, 초전도, 고온, 냉각제, 질소

Description

고온 초전도체 장치용 극저온 냉각 방법 및 장치{Method and apparatus of cryogenic cooling for high temperature superconductor devices}
본 출원은 미합중국 2003년 6월 19일자로 출원된 미국 특허출원 10/465,089호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 고온 초전도(HTS) 장치들을 위한 극저온 냉각 시스템에 대한 것이고, 보다 상세하게는, 고전압 전력 응용예들을 갖는 HTS 장치들용 극저온 냉각 시스템에 대한 것이다.
극저온 냉각을 하기 위해 액체 질소의 특성들을 사용하는 HTS 냉각 시스템들이 존재한다. 통상적으로, 액체 질소는 1기압(0.1MPa)에서 사용되며, 이 때 그 작동 온도(비등점)는 77켈빈(Kelvin)이다. 그러나, HTS 재료의 임계 전류 밀도가 77K보다 낮은 온도에서 상당히 향상되므로, 그 작동 환경을 조작하여 액체 질소의 온도를 낮추는 방법들이 개발되었다. 도 1은 전형적인 물질의 p, T, 및 3상(고체, 액체, 및 수증기/가스) 간의 관계를 보이는 p(압력)-T(온도) 도표이다. 질소에 대해, "삼중점"은 12.53kPa에서 약 63.15K이다. 이는 액체 질소의 압력을 낮추어, 그 비등점 온도가 약 63K 아래로 낮춰질 수 있음을 보이며 여기서 고체 질소가 형성된다. 보다 낮은 작동 온도를 달성하기 위해 이러한 액체 질소의 특성들을 사용하는 일례가 미국 특허 제 5,477,693호에서 제공된다. 이는 액체와 기체상태 질소 모두를 포함하는 극저온 수용 용기(저온 장치)의 기체상태 질소 영역에 가압수송하기 위해 진공 펌프를 사용하는 방법을 사용한다. 가압수송은 액체 질소의 압력을 낮춰 그 온도(비등점)를 77K이하로 낮춘다. 그러면, 초전도체의 성능, 즉 그 임계 전류 레벨이 상당히 향상된다.
비록, 종래 기술은 그 압력을 낮춰 액체 질소의 비등점을 낮춰 HTS 재료의 성능을 증가시키지만, 액체 질소의 유전 강도를 크게 낮추게 되고 그 결과 이러한 냉각 시스템은 고전압 HTS 응용예들에는 적합하지 않다. 통상적으로, 고전압 HTS 장치용 액체 냉각제 기반의 냉각 시스템은 주 전기 절연 매체로서 액체 냉각제의 유전 특성들에 크게 의존한다. 액체 질소의 유전 특성들에 영향을 미치는 두가지 중요한 요인들이 있다. 하나는 압력에 의존하는 액체 질소의 고유 유전 강도이다. 도 2는 압력의 함수로서 액체 질소의 유전 강도를 도시한다. 압력이 1기압(0.1MPa) 아래일 때에, 강도는 급격히 감소하지만 최적값은 0.3MPa 내지 0.5MPa의 범위에 존재한다. 다른 중요한 요인은 액체 질소에서 발생하는 공기방울(bubbles)이다. 공기방울, 특히 큰 사이즈의 공기방울은 액체 질소의 유전 강도를 감소시키는 경향이 있다. 공기방울은 액체 질소에 잠긴 물체들이 액체 질소의 비등점 이상으로 가열될 때 생성된다. 따라서, 액체 질소에서 낮춰진 비등점은 공기방울이 보다 생성되기 쉽게 한다. 그러므로, 그 압력을 낮춰 액체 질소 온도를 낮추는 방법은 액체 질소의 유전 강도를 좌우하는 두 요인 모두에 부정적인 영향을 준다. 이러한 그리고 유사한 접근방법에 기반한 냉각 시스템들은 고전압 HTS 응용예들에 바람직하지 않다.
요약하면, 본 발명에 따라, HTS 재료의 임계 전류 밀도를 개선하기 위해 액체 냉각제(cryogen)의 보다 낮은 작동 온도의 특성들을 가지면서 동시에 액체 냉각제의 유전 강도를 크게 증가시켜 이러한 극저온 냉각 시스템이 고전압 응용예들에 적합하게 하는 HTS 장치용 액체-냉각제-기반의 극저온 냉각 시스템을 설계하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 냉각제의 액체 및 기체 상태 영역 모두를 포함하는 냉각제 수용 용기 내에 가압된 냉각제를 보유하는 단계들을 포함한다. 이는 극저온 냉각 수단을 사용하여 액체 냉각제의 일부분 또는 모두의 온도를 그 비등점(boiling temperature) 이하 및 과냉 온도 영역 내로 유지하는 단계들을 추가로 포함한다.
이러한 방법을 적용하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내측 용기, 하나 이상의 HTS 부재, 및 외측 용기를 갖는 극저온 냉각 시스템이 제공된다. 외측 용기와 내측 용기 사이의 공간은 진공 이하로 유지되고, 복사열 부하에 대해 단열을 제공하기 위해 다층 절연(MLI; multi-layer insulation) 재료가 사용되어 내측 용기를 둘러싼다. 내측 용기는 외부 용기 내부에 수납되고 액체 냉각제를 저장한다. 액체 냉각제 영역 상에 냉각제의 기체상태 영역이 있고, 1 절대 기압 이상으로 가압된다. 액체 가열 및 가스 배기 수단이 적소에 배치되어 내측 용기내의 압력을 제어 및 유지한다. 이 극저온 냉각 시스템의 고전압 절연 문제를 처리하기 위해, 유전체 재료로 만들어진 물통(bucket) 또는 유사한 구성이 사용되어 적절한 고전압 절연을 보장하기 위해 HTS 및 저온 장치 전체를 둘러싼다. 부가적으로, 작은 메쉬(mesh) 사이즈의 스크린들이 액체 냉각제 영역들에 걸쳐 전개되어 장치 작동 중에 생성되는 큰 사이즈의 공기방울들을 분해한다. 이 극저온 냉각 시스템의 다른 특징은 액체 냉각제를 2개의 영역으로 분할하기 위해 주변 둘레에서 내측 용기 내측에 배치되는 열전달 판이다. 판 아래 영역은 HTS의 성능을 향상시키는 온도로 과냉된다. 판 위의 영역은 버퍼(buffer) 영역이고, 여기서 액체와 가스 영역들의 경계와 버퍼 영역과 과냉된 액체 영역의 경계 사이에서 온도 천이가 일어난다. 또한, 열전달 판은 온도 천이 버퍼 영역 및 과냉된 영역 모두로부터 극저온 냉동기(극저온 냉각기)와 같은 냉각 수단에 열을 전달한다. 극저온 냉각기가 사용되어 판 아래 영역의 온도를 과냉된 액체 온도 범위 내, 그 압력에서의 비등점으로부터 액체 냉각제의 3중점까지 유지된다.
본 발명의 상술한 특징 및 다른 특징, 양태, 장점들은 하기의 상세한 설명을 첨부한 도면들을 참조하여 읽으면 보다 잘 이해될 것이며, 도면들에서 유사한 도면부호는 유사한 부재를 나타낸다.
도 1은 다양한 압력 및 온도 상황 하에서 물질의 상변화들을 나타내는 전형적인 p-T 도표.
도 2는 액체 질소의 유전 강도와 절대 압력 간의 관계를 나타내며 절대 압력이 아래에 있는 도표.
도 3은 본 발명의 극저온 냉각 시스템의 일 실시예의 도면.
도 4는 본 발명의 극저온 냉각 시스템의 일 실시예에 사용되는 냉각제의 상 태들의 개략도.
도 5는 액체 질소가 가장 안정된 상태에 있는 경우들에 대해, 다양한 열 입력 부하들 하에서 액체 질소 열구배층(TGL; thermal gradient-layer)의 두께를 나타내는 그래프.
도 6은 액체 질소가 가장 안정된 상태에 있는 경우들에 대해, 수증기 및 TGL 영역들에서 다양한 열 부하들 대 액체 질소의 TGL 두께의 관계를 나타내는 그래프.
본 발명은 다른 일반적인 목적을 갖는 HTS 장치들에도 응용될 수도 있지만, 일반적으로 고전압 응용예들을 갖는 HTS 장치용 극저온 냉각 시스템들에 대한 것이다. 이러한 극저온 냉각 시스템을 제공하는 방법은 액체 및 기체상태 영역을 포함하는 가압된 냉각제 영역을 1 절대 기압 이상으로 유지하는 것을 포함한다. 이 방법은 액체 냉각제 영역들의 일부 또는 모두의 온도를 극저온 냉동기(극저온 냉각기)와 같은 냉각 수단을 사용하여 (과냉된) 그 비등점 아래로 유지하는 것을 추가로 포함한다.
요약하면, 본 발명에 따르면, HTS 재료들의 임계 전류 밀도를 향상시키기 위해 액체 냉각제의 보다 낮은 작동 온도의 특성들을 가지면서 동시에 액체 냉각제의 유전 강도를 크게 증가시켜 이러한 극저온 냉각 시스템이 고전압 응용예들에 적합하게 하는 HTS 장치용 액체-냉각제 기반의 극저온 냉각 시스템 설계 방법이 제공된다. 이러한 방법은 냉각제의 액체 및 기체 상태 영역 모두를 포함하는 냉각제 수용 용기 내에 가압된 냉각제를 보유하는 단계들을 포함한다. 이는 극저온 냉각 수단을 사용하여 액체 냉각제의 일부분 또는 모두의 온도를 그 비등점 이하 및 과냉 온도 영역 내로 유지하는 단계들을 추가로 포함한다.
이러한 방법들을 적용하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내측 용기, 하나 이상의 HTS 부재, 및 외측 용기를 갖는 극저온 냉각 시스템이 제공된다. 외측 용기와 내측 용기 사이의 공간은 진공 이하로 유지되고, 복사열 부하에 대해 단열을 제공하기 위해 다층 절연(MLI) 재료가 사용되어 내측 용기를 둘러싼다. 내측 용기는 외측 용기 내부에 수납되고 액체 냉각제를 저장한다. 액체 냉각제 영역 상에 냉각제의 기체상태 영역이 있고, 1 절대 기압 이상으로 가압된다. 액체 가열 및 가스 배기 수단이 적소에 배치되어 내측 용기의 압력을 제어 및 유지한다. 가열은 액체 냉각제를 끓게 하고 기체 공간으로 증발하여 압력을 증가시킨다. 배기(venting)는 기체상태 냉각제를 외측 대기 중에 방출하여 용기 내의 압력을 감소시킨다. 이러한 가열 및 배기 과정은 자동 모니터링 및 피드백 시스템(feedback system)에 의해 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, 공기방울, 특히 큰 사이즈의 공기방울들은 액체 냉각제의 유전 강도를 감소시키는 경향이 있다. 공기방울은 액체 냉각제에 잠긴 물체가 그 끓는 점 이상으로 가열될 때 생길 수 있다. 가압은 액체 냉각제의 비등점을 상승시킨다. 상승된 비등점은 공기방울이 생성되기 어렵게 하여 액체 냉각제의 유전 특성을 개선한다. 이 극저온 냉각 시스템의 고전압 절연 문제를 처리하기 위해, 유전체 재료로 만들어진 물통 또는 유사한 구성이 사용되어 HTS 및 저온 장치 전체를 둘러싸 적절한 고전압 절연을 보장한다. 부가적으로, 작은 메쉬 사이즈의 스크린들이 액체 냉각제 영역들에 걸쳐 전개되어 장치 작동 중에 공기방울이 생성 되면 큰 사이즈의 공기방울들을 분해할 수 있다. 이 극저온 냉각 시스템의 다른 특징은 액체 냉각제를 2개의 영역으로 분할하기 위해 주변 둘레가 내측 용기 내측에 배치되는 열전달 판이다. 판 아래 영역은 HTS의 성능을 향상시키는 온도로 과냉된다. 판 위의 영역은 버퍼(buffer) 영역이고, 여기서 액체와 가스 영역들의 경계와 버퍼 영역과 과냉된 액체 영역의 경계 사이에서 온도 천이가 일어난다. 열전달 판은 온도 천이 버퍼 영역 및 과냉된 영역 모두로부터 극저온 냉동기(극저온 냉각기)와 같은 냉각 수단에 열을 전달한다. 극저온 냉각기가 사용되어 판 아래 영역의 온도를 과냉된 액체 온도 범위 내에서, 그 압력에서의 비등점으로부터 액체 냉각제의 3중점까지 유지한다. 액체 냉각제가 그 삼중점 온도 이하로 과냉되면, 고체 냉각제가 형성되기 시작하고 이는 원하는 결과이거나 또는 아닐 수 있다. 극저온 냉각기를 사용하여 과냉되는 경우에, 삼중점 온도에서 또는 미만에서 고체 냉각제가 극저온 냉각기에 대한 경계면 둘레에 형성되어 극저온 냉각기의 냉각 성능을 크게 감소시키므로 이러한 현상은 바람직하지 않다.
본 발명의 장치의 일 실시예가 도 3에 예시되어 있다. 본 발명의 극저온 냉각 시스템(10)은 외측 수용 용기(12), 외측 용기(12)의 내측에 수용되는 구성의 내측 수용 용기(18), 내측 용기에 고압적으로 커플링되는 배기 포트(30), 내측 용기(18)에 전기적으로 및 기계적으로 커플링되는 고전압 부싱(14; bushing), 내측 용기에 열적으로 및 기계적으로 커플링된 극저온 냉각기(20)를 포함한다. 고전압 부싱(14)은 HTS(24)에 전류를 공급하기 위해 사용될 수 있고 전력망(electric power grid)과 같은 외측 고전압 전력원에 연결되어 있다. HTS(24)는 HTS 지지부(32)에 커플링되어 있고, 이는 열전달 매체(26)에 커플링된다. 구리제 링(36)이 내측 용기의 외주 둘레를 따라 장착되고 열전달 매체(26)에 튼튼하게 부착된다. 내측 용기 지지부(34)는 내측 용기(18)에 커플링된다. HTS(24)는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본원에 참고문헌으로서 포함되는 미국 특허출원 제 2003/0021074A1호에 설명된 바와 같이 매트릭스 오류 전류 리미터(MFCL; matrix fault current limiter)의 HTS 조립체일 수 있다.
외측 용기(12)와 내측 용기(18) 간의 공간은 진공 이하로 유지되고, 방사열 부하에 대한 단열을 제공하기 위해 다층 절연(MLI) 재료(22)가 사용되어 내측 용기(18)를 둘러싼다.
내측 용기 배기 포트(30)는 내측 용기(18)의 가스 압력을 줄이기 위해 내측 용기(18)에 대한 가스-배기 수단을 제공한다. 부가적으로, 보조 가스 증발 가열기(52)가 사용되어 내측 용기(18)의 압력을 증가시키기 위해 액체 냉각제를 가열 및 끓일 수 있다. 저온 냉각장치의 이러한 두 가지 특징은 후술하는 바와 같이 내측 용기(18)의 최적 압력 레벨을 이루는 본 발명의 압력 제어 메커니즘의 기본을 형성한다.
내측 용기(18)의 사이즈는 HTS(24)의 냉각 요구조건을 만족하는 적절한 냉각 용량을 제공하도록 결정될 수 있다.
내측 용기(18)는 액체 및 기체 영역을 갖는 저온 냉각장치를 수납한다. 일 실시예에서, 냉각제는 질소이고, 도 2의 액체 질소의 최적 유전 강도를 이루기 위해 0.3MPa로 가압된다. 공기방울, 특히 액체 질소의 큰 사이즈의 공기방울은 그 유 전 강도를 감소시킬 수 있다. 공기방울은 HTS(24)에서 생성된 열이 그 온도를 HTS가 잠겨 있는 액체 질소의 비등점 이상이 되게 할 때 생성된다. 또한, 저온 냉각장치의 압력을 증가시키는 것은 액체 질소의 비등점을 증가시킨다. 액체 질소가 0.3MPa에서 유지될 때, 액체 질소의 끓는 온도는 0.1MP에서의 77K에 비해 88K로 상승한다. 이는 공기방울이 생성되기 어렵게 하여 액체 질소의 전기 절연 특성들을 개선한다. 부가적으로, HTS(24)와 내측 용기(18) 간의 전기 절연 파괴를 방지 하기 위해, HTS(24)는 전기 절연 장벽으로서 작용하는 유전체 매체(38)에 의해 둘러싸인다. 극저온 냉각 시스템의 고전압 절연을 개선하기 위한 다른 조치들에는 장치 작동 중에 공기방울이 생성되면 그 사이즈의 공기방울들을 파괴하는 메쉬를 갖는 구성의 유전체 재료들로 만들어진 물통, 관, 박스 또는 스트린 또는 유사한 물체를 배치하는 것을 포함한다. 메쉬 구조 또는 개구(aperture)들의 셀(cell) 치수들은 액체 질소의 유전강도를 크게 감소시키지 않고 HTS(24) 및 그 주변 환경 내에서 전압 절연 파괴가 일어나지 않도록 스크린을 관통하는 모든 공기방울이 충분히 작게 되도록 충분히 작게 선택된다. 일 실시예에서, 스크린 개구들은 5mm이하의 범위의 직경을 갖는다.
0.3MPa 압력에서, 액체 및 기체 질소 경계면(42)에서의 표면 온도는 끓는 액체 질소의 끓는(포화) 온도이고 이는 88K이다. 액체 질소 영역은 열전달 매체(26)에 의해 두 영역으로 추가로 분할된다. 판(26) 아래의 액체 영역은 과냉된 영역(48)이고 판(26) 위의 영역은 열 완충 영역(46)이다. 과냉된 영역(48)의 온도는 저온 냉각기(20)에 의해 약 65K로 유지된다. HTS(24)는 과냉된 액체 냉각제 영역에 잠겨 있다. 낮춰진 작동 온도(65K) 때문에, HTS(24)의 성능 즉 그 임계 전류 밀도 레벨이 상당히 개선된다. 저온 냉각기는 폐쇄-사이클 저온 냉각기일 수 있고, 이는 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 냉동기 또는 맥동관(pulse-tube) 냉동기 또는 이들 냉동기 시스템 모두의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
액체/가스 표면(42)에서의 88K로부터 열전달판(26)에서의 65K로의 열 천이가 있을 것이다. 액체/가스 경계면(42)을 따라 액체 증발 및 가스 응축(condensation) 과정이 동시에 일어나고 HTS 장치가 그 정상 상태에서 작동하고 저온 냉각기로부터의 열 입력과 저온 냉각기에 의한 냉각이 평형에 도달하면, 평형 상태가 최종적으로 형성된다. 영역(46)의 액체 질소는 이 영역에 존재하는 열 부하 및 패턴에 따라 가장 안정적인 상태 또는 난류 유동 상황일 수 있다. 그러므로, 열 버퍼 영역(46)은 상기 영역(46) 내의 상황으로부터 과냉된 영역(48)을 격리한다.
이러한 예에서, 열전달 매체(26)는 구리로 만들어지고, 이는 매우 좋은 열 전도 특성들을 갖고 두 액체 질소 영역들 간의 열전달 및 이들 두 영역으로부터 저온 냉각기(20)로의 열전달을 돕기 위해 그 표면을 따라 개구(도시않음)들을 갖는다. 본 발명의 극저온 냉각 시스템을 달성하는데 열전달 판(26)이 필수적이지는 않지만, 이것이 존재하면 이러한 시스템의 열전달 특성들을 크게 개선한다. 열전달 매체(26)는 판, 링, 봉(bar) 또는 유사한 구조일 수 있고, 이러한 열전달 매체는 냉각제 영역들로부터 저온 냉각 수단으로의 열전달을 돕기 위해 구리 또는 유사한 금속으로 이루어진다.
요약하면, 본 발명은 고전압 응용예에 보다 적합하며 동시에 HTS 재료의 성 능을 개선할 수 있는 몇가지 특징을 갖는다. 액체 냉각제 영역을 과냉하면서 냉각제를 가압하면 냉각제가 그 가장 최적의 유전 강도가 되게 하며, HTS가 존재하는 액체 냉각제 영역에서 HTS 재료의 임계 전류 밀도가 증가한다.
다음에, 본 발명의 극저온 냉각 시스템의 열구배 레벨(46; TGL) 영역 E는 열 완충 영역의 액체 냉각제가 가장 안정적인 상태에 있는 경우가 설명된다. TGL로의 전체 열 누설(heat leak)이 비교적 낮고 이 영역 내에서 대류 열전달이 거의 없거나 또는 전혀 없으면 이러한 환경이 존재할 수 있다. 이 실시예는 냉각 매체로서 액체 질소를 가정하고, 0.3MPa(이 아래에서 액체 질소의 비등점이 약 88K임)로 가압되고, 과냉된 액체 질소 영역은 약 65K이다. 예시적인 시스템 구성에 대해 다시 도 3을 참조한다. 액체 표면(42)으로부터 열전달 매체(26)로의 열전달 메커니즘이 후술된다. 가스 영역(44)으로 흐르는 모든 열은 기체 영역으로부터 바로 전달되어 나가지 않으면 가스의 온도를 상승시킨다. 가스/액체 경계면(42)에서, 가스는 냉각제의 표면에서 응축한다. 그 다음에, 응축열이 열전도에 의해 TGL(46)을 통해, 저온 냉각기(20)에 의해 유지되는 과냉된 액체 질소 영역(48)으로 전달된다. 구리 링(36)에 의해 한정되는 TGL(46)의 두께, 그 표면적은 층을 통해 전달가능한 열의 양을 정하며, 이는 상부 온도(88 켈빈)와 하부 온도(65 켈빈)가 효과적으로 설정되기 때문이다. 열 입력이 특정한 TGL(46) 두께에 대한 설정 열전도 값보다 크면, 과잉의 열은 냉각제를 증발시키고 TGL 두께를 감소시키므로, 새로운 평형에 도달할 때까지 열전달율을 증가시킨다. 열 입력이 TGL(46)을 통한 열전도값보다 작으면, 순(net) 응축이 TGL 두께를 증가시킨다. 그 결과가 표면(42)으로부터 열전달 매체 (26)로의 특정한 열 부하이고, 최적의 평형 TGL 두께(Lopt)가 전개될 것이다. 층 두께 "L" 전개의 시간 종속성은 하기에 수학식 1로 표현한 바와 같이 응축에 의한 TGL 증가 마이너스 열부하 "Q"에 의한 증발에 의한 TGL 감소로 주어진다:
dL/dt = k × (S/L) × ΔT × 1/(Sα) × Q/(Sα)
여기서, k = 액체 냉각제의 열전도성(액체 질소에 대해, k = 1.5 mWatt/cm/Kelvin);
여기서, S =TGL의 표면적(표면(42)의 직경이 100cm인 경우에 대해 π/4 × 1002 cm2)
여기서, ΔT = TGL의 상부 및 하부 경계면 간의 온도 차이(88K - 65K = 23켈빈)
여기서, α = 가스/액체 냉각제의 잠열(latent heat) 또는 응축열(질소에 대해, α = 162Joule/cm3).
TGL의 최적 두께는 dL/dt = 0일 때 실현되고, Lopt에 대해 풀면 Lopt = k × S × (ΔT)/Q이다.
도 5의 그래프는 계산된 데이터를 나타내고, 여기서 다양한 열부하에 대해 TGL의 평형 두께에 도달하는 시간의 관계가 얻어진다. 도 5는 3가지 상이한 열부하에 대한 시간 종속적인 "L"의 도표(60)를 예시하며, Lopt는 증발 및 응축에 대한 두 도표의 수렴부(convergence)에 나타난다. Lopt 대 "Q"의 도표, 그래프(62)가 도 6에 도시되며, Lopt는 TGL의 최적 두께이고, "Q"는 열부하이다. 이들 계산에서, 부가적인 증발 가열기는 포함되지 않았다.
그 결과의 과정이 수렴하는 자체-피드백 시스템이다. 그러나, 기대된 작동 조건에서, 시간 종속성은 매우 느려, 느린 반응을 갖는 시스템이 되었다. 이는 온도, 압력 및 냉각제 레벨과 같은 매개변수 제어가 시간에 걸친 변화에 대해 그리 민감하지 않음을 암시한다. 이 해석으로부터의 중요한 한가지 결과는, 100와트 경우에 최적 TGL 두께가 불과 수 cm라는 것이다. 열부하는 증가하면서 TGL 두께는 감소하는 추세는 열부하가 증가하면 작동 변수들의 변화에 보다 민감하게 되고 시스템이 보다 덜 안정적인 작동 상태가 되게 한다는 결론을 이끌어낸다.
본 발명의 상술한 실시예들은 가압된 냉각제 기체 영역 및 과냉된 액체 영역, 압력을 유지하기 위한 가열 및 배기 구조, 공기방울 사이즈 제어 메커니즘, 냉각제를 과냉된 온도 범위 내에서 그 비등점 이하의 온도로 유지하는 냉각 수단을 포함하는 많은 특징을 갖는다. 이들 특징 모두의 특성 및 효과들은 본 발명의 극저온 냉각 시스템이 고전압 HTS 응용예들에서 사용하기 보다 유익하게 한다.
본 발명의 몇가지 특징만이 본원에 예시 및 설명되었으나, 당업자에게는 많은 수정 및 변화가 떠오를 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진의 내에 있는한 이러한 모든 수정 및 변화를 포괄한다. 부가적으로, 본 발명을 설명할 때, 액체 및 기체 상태의 질소가 극저온냉각 매체로서 언급되었다. 본 발명의 극저 온 냉각 시스템에서 질소 대신에 다른 냉각제가 사용될 수도 있음이 이해될 것이다.

Claims (31)

  1. 액체 상태(46, 48)와 기체 상태(44)의 냉각제(cryogen)를 저장하는 냉각제 수용 용기(18)를 갖고, 하나 이상의 초전도체(24)를 갖는 극저온 냉각 시스템(10)을 위한 극저온 냉각을 달성 및 유지하는 방법으로서,
    상기 냉각제 수용 용기(18) 내에 가압된 냉각제 영역(44)을 유지하는 단계와;
    과냉 수단(sub-cooling means)(20)을 사용하여 액체 냉각제(48)의 일부의 온도를 그 비등점(boiling temperature) 이하로 유지하는 단계들을 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각제의 유전 강도(dielectric strength)를 개선하기 위해 냉각제의 압력을 1 절대 기압 이상으로 유지하는 단계를 추가로 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 기체상태 냉각제 영역(44)의 압력을 증가시키기 위해 상기 액체 냉각제를 가열 및 끓이는 단계를 추가로 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 액체 냉각제를 가열 및 끓이는 단계는 액체 냉각제 영역(46)에서 상기 액체 냉각제를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 기체상태 냉각제 영역(44)의 압력을 감소시키기 위해 기체상태 냉각제를 배기하는 단계를 추가로 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 기체상태 냉각제를 배기하는 단계는 상기 냉각제 수용 용기(18)의 배기 포트(30)의 사용을 추가로 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각제 수용 용기(18)는 진공을 유지하는 구조의 외측 용기(12)에 수납되는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 외측 용기(12)는 상기 내측 용기(18)에 포함된 액체 냉각제에 과냉 수단(20)을 제공하는 포화된 액체 냉각제를 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 과냉 수단(20)은 폐쇄-사이클 저온 냉각기(closed-cycle cryocooler)인 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 폐쇄-사이클 저온 냉각기는 기포드-맥마흔 냉동기(Gifford-McMahon refrigerator)인 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 폐쇄-사이클 저온 냉각기는 맥동관(pulse-tube) 냉동기인 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 과냉 수단(20)은 상기 내측 용기(18)에 포함된 액체 냉각제를 과냉시키는 포화된 액체 냉각제를 포함하는 외측 용기(12)인 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각제의 비등점을 높혀 상기 냉각제가 그 아래에서 공기방울을 생성하는 온도를 높이도록 상기 냉각제의 압력을 유지하는 단계를 추가로 포함하는 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 정적인(stagnant) 액체 냉각제의 경우에 열구배층(46; TGL)의 최적 두께를 유지하는 단계를 추가로 포함하고, 이러한 TGL(46)의 최적 두께는 수학식 k × S × (ΔT) / Q로 표현되며, "S"는 상기 TGL(46)의 표면적이고, "ΔT"는 상기 TGL 영역(46)에 걸친 온도 차이고, "k"는 상기 TGL(46)의 냉각제의 열 전도성이고, "Q"는 상기 TGL(46)과 기체 영역(44) 간의 경계면을 통한 TGL(46)로의 열 입력인 극저온냉각 달성 및 유지 방법.
  15. 내측 용기(18), 외측 용기(12), 및 하나 이상의 고온 초전도체(24)를 구비하고, 상기 내측 용기(18)는 액체 상태(46, 48)와 기체 상태(44)의 가압된 냉각제를 저장하고 상기 외측 용기(12) 내에 포함되는 극저온 냉각 시스템(10)으로서,
    상기 기체 영역(44)에서의 압력을 증가시키기 위해 액체 냉각제를 끓이는 액체 가열 수단(52)과;
    상기 기체 영역(44)에서의 압력을 감소시키기 위해 가스를 방출하는 가스 배기 수단(30)과;
    액체 냉각제(48)의 일부분을 그 비등점 이하의 과냉된 온도 범위 내로 유지하는 극저온 냉각 수단(20)을 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 외측 용기(12)는 진공 용기인 극저온 냉각 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 외측 용기(12)는 내측 압력 용기(18)에 포함된 액체 냉각제 수조에 과냉 수단을 제공하는 포화된 액체 냉각제를 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 냉각 수단(20)은 폐쇄-사이클 저온 냉각기인 극저온 냉각 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 폐쇄-사이클 저온 냉각기는 기포드-맥마흔 냉동기와 맥동관 냉동기를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 극저온 냉각 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 폐쇄-사이클 저온 냉각기는 폐쇄-사이클 냉동기와 외측 용기(12)에 수납되는 과냉된 액체 냉각제를 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  21. 제 15 항에 있어서, 판, 링, 또는 봉(bar) 구조의 열전달 매체(36)를 추가로 포함하고, 이러한 열전달 매체는 냉각제 영역으로부터 극저온 냉각 수단(20)으로의 열전달을 돕기 위해 구리 또는 구리 합금으로 만들어지는 극저온 냉각 시스템.
  22. 제 15 항에 있어서, 유전체 매체를 추가로 포함하고, 상기 유전체 매체는 고온 초전도체(24)를 둘러싸는 극저온 냉각 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 유전체 매체는 와이어 메쉬(wire mesh)(38)이고, 상기 메쉬(38)는 액체 냉각제 영역(46, 48)의 공기방울의 사이즈의 감소를 촉진하기 위해 5mm 이하의 개구들을 갖는 극저온 냉각 시스템.
  24. 외측 용기(12), 하나 이상의 고온 초전도체(24), 내측 용기(18)를 갖고, 상기 내측 용기(18)는 상기 외측 용기(12) 내측에 포함되고 액체 상태(46, 48) 및 기체 상태(44)의 가압된 냉각제를 보관하는 극저온 냉각 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 액체 냉각제 영역(46, 48)들 내의 열을 전달하기 위해 상기 내측 용기(18) 내에 배치되는 열전달 판(26)을 추가로 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서, 액체 냉각제(46, 48)의 일부분을 그 비등점 이하로 유지하기 위한 극저온 냉각 수단(20)을 추가로 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 액체 냉각제 영역(46) 내의 상기 내측 용기(18) 내에 배치되는 가스 증발용 가열기(52)를 추가로 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  28. 제 24 항에 있어서, 유전체 물통이 와이어 메쉬(38)이고, 상기 와이어 메쉬(38)는 액체 냉각제 영역(46, 48)의 공기방울의 사이즈의 감소를 촉진하기 위해 5mm 이하의 개구들을 갖는 극저온 냉각 시스템.
  29. 제 24 항에 있어서, 상기 내측 용기(18)로의 복사열 누설(radiation heat leak)을 감소시키기 위해 상기 내측 용기(18)를 둘러싸는 다층 절연부(22)를 추가로 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  30. 제 24 항에 있어서, 상기 극저온 냉각 수단(20)에의 열전달을 촉진하기 위해 열전달 판(26)에 커플링되는 바이메탈 경계면(bi-metal interface)을 추가로 포함하는 극저온 냉각 시스템.
  31. 제 24 항에 있어서, 상기 외측 용기(12)의 진공 공간 및 이 진공 공간을 유지하기 위한 상응하는 수단과는 독립적인 상기 극저온 냉각 수단(20)과 상기 내측 용기(18) 간의 경계면에 대해, 진공 공간 및 이 진공 공간을 유지하기 위한 상응하는 수단을 추가로 포함하는 극저온 냉각 시스템.
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