KR20080079233A - 저온 냉각 시스템의 작동 방법 - Google Patents

저온 냉각 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

초전도 전기 기기용 저온 냉각 시스템(10)은, 제 1 회로(16)에 배치되고, 이 제 1 회로(16)에서 냉동제의 초전도 전기 기기(12)로의 유입 및 그로부터의 유출을 강제하기에 적합하고, 냉동제를 냉각하여 초전도 전기 기기(12)를 정상 작동 온도까지 냉각하기 위한 냉각 모드로 작동 가능한, 제 1 세트의 구성요소(14)와, 제 2 회로(20)에 배치되고, 이 제 2 회로(20)에서 냉동제의 초전도 전기 기기(12)로의 유입 및 그로부터의 유출을 강제하기에 적합하고, 냉동제를 유지하여 초전도 전기 기기(12)를 정상 작동 온도로 유지하기 위한 정상 모드로 작동 가능한, 제 2 세트의 구성요소(18)를 포함한다.

Description

저온 냉각 시스템의 작동 방법{METHOD OF OPERATING A CRYOGENIC COOLING SYSTEM}
본 발명은 냉동 시스템에 관한 것으로, 특히 초전도 전기 기기를 냉각하기 위한 냉각 및 안정 상태, 또는 정상 작동 모드를 갖는 저온 냉각 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "저온(cryogenic)"은 일반적으로 150K보다 낮은 온도를 설명하는 것으로 정의된다.
초전도 장치는 의학 진찰용 자기 공명 단층 촬영(MRI) 시스템과, 전기 발전기 및 모터용 초전도 로터와, 열차 운송용 자기 부상 장치를 포함한다. 초전도 장치용 초전도 자석의 초전도 코일 조립체는 초전도 와이어로 권선되고, 일반적으로 열차폐체로 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 초전도 코일을 포함한다. 이 조립체는 진공 밀폐부내에 수용된다.
일부 초전도 자석은 자석에 장착된 저온 냉동기의 콜드헤드(coldhead)[예를 들어, 종래의 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 저온 냉동기의 콜드헤드]에 의해 전 도 냉각된다. 그러나, 저온 냉동기 콜드헤드를 자석에 장착하는 것은 콜드헤드 모터상의 표유 자계(stray magnetic field), 콜드헤드로부터 자석으로의 진동 전달 및 콜드헤드와 자석 사이의 열 연결부를 따른 온도 구배 등의 악영향을 포함하는 어려움을 발생시킨다. 그러한 전도 냉각은 초전도 로터를 구성할 수 있을 정도로 회전 자석을 냉각하는데 일반적으로 적합하지 않다.
다른 초전도 자석은 자석과 직접 접촉하고 있는 액화 헬륨에 의해 냉각되며, 자석 냉각중 액화 헬륨은 헬륨 가스로 기화하고, 이 헬륨 가스는 전형적으로 자석으로부터 대기로 누출된다. 자석의 진공 밀폐부 내측에 액화 헬륨용 수납장치를 배치하는 것은 초전도 자석의 크기를 증가시키며, 이는 많은 응용에 있어서 바람직하지 못하다.
초전도 장치를 냉각하는데 유용한 저온 냉각 시스템의 발명이 요구된다. 그러한 냉각 시스템은 자석으로부터 멀리 떨어져 위치되어야 한다. 또한, 그러한 냉각 시스템은 발전기 로터 등의 것과 같은 회전 초전도 자석을 냉각할 수 있어야 한다.
이러한 요구에 대한 하나의 발명은 애커만(Ackermann) 등에게 허여되고, 의도된 양수인에게 양도된 미국 특허 제 5,513,498 호에 개시되어 있다. 이 발명은 초전도 장치를 냉각하기 위한 냉동제 회로에서 반대 방향으로 헬륨 등의 유체 냉동제(cryogen)의 교대 순환을 일으키기 위한 단일 압축기 및 로터리 밸브를 이용한다. 애커만 등에 허여된 특허에 개시된 발명은 전술한 문제들을 실질적으로 극복하지만, 초전도 발전기의 로터를 작동 온도까지 냉각시키고 로터를 정상 작동을 위 한 작동 온도로 유지시키도록 저온 냉각 시스템을 제공하는 목적에 부합하는 다른 발명이 여전히 필요하다.
냉각 및 정상 작동 모드를 갖는 저온 냉각 시스템은 회전 기계의 초전도 코일을 냉각하고 여분의 개선된 시스템 신뢰성을 제공하도록 냉각 및 정상 작동 모드를 모두 갖는 강제 유동 헬륨 냉각 시스템을 통해 이들 두 작동 모드를 달성하도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 초전도 전기 기기용 저온 냉각 시스템은 냉동제의 초전도 전기 기기로의 유입 및 그로부터의 유출을 강제하기에 적합하고 냉동제를 냉각하여 초전도 전기 기기를 정상 작동 온도까지 냉각하기 위한 냉각 모드에서 작동 가능한 제 1 회로를 규정하기 위한 수단과; 냉동제의 초전도 전기 기기로의 유입 및 그로부터의 유출을 강제하기에 적합하고 냉동제를 유지하여 초전도 전기 기기를 정상 작동 온도로 유지하기 위한 정상 모드에서 작동 가능한 제 2 회로를 규정하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 저온 냉각 시스템은 냉각 및 정상 작동 모드를 모두 갖는 강제 유동 헬륨 냉각 시스템을 통해 이들 두 작동 모드를 달성하여, 회전 기계의 초전도 코일을 냉각하고 개선된 시스템 신뢰성을 제공할 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 저온 냉각 시스템(10)은 초전도 발전기와 같은 초전도 전기 기기(12)와 결합된다. 냉각 시스템(10)은 헬륨과 같은 냉동제를 제 1 회로(16)에서 초전도 전기 기기(12)로 유입하고 그리고 그로부터의 유출하도록 강제하도록 구성된 제 1 장치에 제공되는 제 1 세트의 구성요소(14)와, 헬륨과 같은 냉동제를 제 2 회로(20)에서 초전도 전기 기기로 유입하고 그리고 그로부터 유출하도록 강제하도록 구성된 제 2 장치에 제공되는 제 2 세트의 구성요소(18)를 포함한다. 제 1 세트의 구성요소(14)는 초전도 전기 기기(12)를 정상 작동 온도까지 냉각시키기 위한 냉각 모드로 작동이 가능하다. 제 2 세트의 구성요소(18)는 초전도 전기 기기를 정상 작동 온도로 유지하기 위한 정상 모드로 작동이 가능하다.
저온 냉각 시스템(10)은 각각의 구성요소 세트(14, 18)의 구성요소 중 일부를 내장하는 콜드 박스(22)를 포함한다. 제 1 세트의 구성요소(14)는 콜드 박스(22)의 외측에 위치된 냉각 압축기(24) 및 한 쌍의 유량 제어 밸브(26, 28)와, 콜드 박스(22) 내측에 위치된 폐사이클 냉각 저온 냉동기(30), 냉각 열교환기(32) 및 열 제거 열교환기(34)를 포함한다. 또한, 제 1 세트의 구성요소(14)는 냉각 압축기(24)와 초전도 전기 기기(12) 사이에서 연장하는 제 1 쌍의 냉동제 공급 라인(36) 및 회수 라인(38)을 포함한다. 유량 제어 밸브(26, 28)는 냉각 압축기(24)로부터의 공급 라인(36) 및 냉각 압축기로의 회수 라인(38)에 각각 연결된다. 냉각 저온 냉동기(30)는 유량 제어 밸브(26, 28)와 병렬로 냉각 압축기(24)로부터의 공급 라인(36) 및 냉각 압축기로의 회수 라인(38)에 각각 연결된다. 냉각 열교환기(32)는 유량 제어 밸브(26, 28)와 초전도 전기 기기(12) 사이의 공급 라인(36) 및 회수 라인(38)에 연결된다. 열 제거 열교환기(34)는 냉각 저온 냉동기(30)에 열교환 관계로 결합되고, 냉각 열교환기(32)와 초전도 전기 기기(12) 사이의 공급 라인(36)에 연결된다.
제 2 세트의 구성요소(18)는 콜드 박스(22) 외측에 위치된 주 압축기(40)와, 콜드 박스(22) 내측에 위치된 폐사이클 주 저온 냉동기(42) 및 열 제거 열교환기(44)를 포함한다. 또한, 제 2 세트의 구성요소(18)는 주 압축기(40)로부터 연장하는 제 2 쌍의 냉동제 유동 공급 라인(46) 및 회수 라인(48)을 포함한다. 주 저온 냉동기(42)는 주 압축기로부터의 공급 라인(46) 및 주 압축기로의 회수 라인(48)에 각각 연결된다. 열 제거 열교환기(44)는 주 저온 냉동기(42)에 열교환 관계로 결합되며, 제 1 세트의 구성요소(14)와 병렬로 초전도 전기 기기로의 공급 라인(36) 및 초전도 전기 기기(12)로부터의 회수 라인(38)에 연결된다.
작동에 있어서, 냉각 압축기(24)는 헬륨과 같은 고압의 냉동제 가스를 제공하여, 냉각 저온 냉동기(30)를 작동시키고, 초전도 전기 기기(12)를 냉각시키기 위해 냉각 열교환기(32)와 열 제거 열교환기(34)를 통해 초전도 전기 기기(12)로의 가스의 유입 및 그로부터의 가스의 유출을 강제한다. 냉각 시스템(10)의 두 가지 작동 모드는 냉각 모드와 안정 상태 또는 정상 작동 모드이다.
냉각 모드동안에, 냉각 압축기(24)로부터 추출된 헬륨 가스는 냉각 열교환기(32) 및 냉각 저온 냉동기(30)에 의해 냉각되며, 상온으로부터 저온 작동 온도까 지 초전도 전기 기기(12)를 냉각하도록 사용된다.
정상 작동 모드동안에, 냉각 저온 냉동기(30)와, 냉각 압축기(24)로부터 추출된 가스는 유량 제어 밸브(26, 28)의 선택적 작동에 의해 차단되며, 그 후 냉각은 주 저온 냉동기(42)와 주 압축기(40)로부터만 제공된다. 이러한 작동 모드동안에, 헬륨 가스는 초전도 전기 기기(12)의 로터(도시되지 않음)의 회전에 의해 열 제거 열교환기(44)와 초전도 전기 기기(12) 사이의 냉각 루프에서 순환된다.
본 발명의 특정 바람직한 특징들만이 도시되고 설명되었지만, 많은 수정 및 변형이 당업자들에 의해 이루어질 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상의 범위에 있는 그러한 모든 수정과 변형을 포함하고자 의도된 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온 냉각 시스템으로, 초전도 전기 기기와 결합되어 있는 저온 냉각 시스템의 개략적인 다이어그램.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 저온 냉각 시스템 12 : 초전도 전기 기기
14 : 제 1 세트의 구성요소 16 : 제 1 회로
18 : 제 2 세트의 구성요소 20 : 제 2 회로
22 : 콜드 박스 24 : 냉각 압축기
26, 28 : 유량 제어 밸브 30 : 폐사이클 냉각 저온 냉동기
32 : 냉각 열교환기 34 : 열 제거 열교환기
36, 46 : 공급 라인 38, 48 : 회수 라인
40 : 주 압축기 42 : 주 저온 냉동기
44 : 열 제거 열교환기

Claims (11)

  1. 제 1 회로(16)에 배치되고, 냉동제의 초전도 전기 기기(12)로의 유입 및 상기 초전도 전기 기기(12)로부터의 유출을 강제하도록 구성되며, 상기 냉동제를 냉각하여 상기 초전도 전기 기기(12)를 정상 작동 온도보다 높은 온도에서 상기 정상 작동 온도까지 냉각하기 위한 냉각 모드로 작동 가능한 제 1 세트의 구성요소(14)와; 제 2 회로(20)에 배치되고, 냉동제의 상기 초전도 전기 기기(12)로의 유입 및 상기 초전도 전기 기기(12)로부터의 유출을 강제하도록 구성되며, 상기 냉동제를 유지하여 상기 초전도 전기 기기(12)를 상기 정상 작동 온도로 유지하기 위한 정상 상태 모드로 작동 가능한 제 2 세트의 구성요소(18)를 포함하는 초전도 전기 기기(12)용 저온 냉각 시스템(10)을 작동하는 방법에 있어서,
    ⓐ 상기 초전도 전기 기기(12)의 정상 작동 온도에 도달할 때까지 상기 제 1 회로(16)에 배치된 상기 제 1 세트의 구성요소(14)를 작동함으로써 상기 초전도 전기 기기를 냉각하는 단계와,
    ⓑ 상기 제 2 회로(20)에 배치된 상기 제 2 세트의 구성요소(18)를 작동함으로써 초전도 전기 기기(12)의 온도를 정상 작동 온도로 유지하는 단계를 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 냉각 시스템(10)은 상기 제 1 및 제 2 세트의 구성요소(14, 18) 중 일부를 수용하는 콜드 박스(22)를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 세트의 구성요소(14, 18) 중 나머지 부분은 상기 콜드 박스(22)의 외측에 배치되는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 회로(16)는 냉각 압축기(24)와, 상기 냉각 압축기(24)와 상기 초전도 전기 기기(12) 사이의 냉동제 유동 공급 라인 및 회수 라인(36, 38)을 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 회로(16)는 상기 냉각 압축기(24)로부터의 공급 라인(36) 및 상기 압축기로의 회수 라인(38)에 각각 연결된 유량 제어 밸브(26, 28)를 더 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 회로(16)는 상기 유량 제어 밸브(26, 28)와 병렬로 상기 냉각 압축기(24)로부터의 공급 라인(36) 및 상기 냉각 압축기(24)로의 회수 라인(38)에 연결된 냉각 저온 냉동기(30)를 더 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 회로(16)는 상기 유량 제어 밸브(26, 28)와 상기 초전도 전기 기기(12) 사이의 상기 공급 라인 및 회수 라인(36, 38)에 연결된 냉각 열교환기(32)를 더 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 회로(16)는, 상기 냉각 저온 냉동기(30)에 열교환 관계로 결합되고 상기 냉각 열교환기(32)와 상기 초전도 전기 기기(12) 사이의 상기 공급 라인(36)에 연결된, 열 제거 열교환기(34)를 더 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 회로(20)는 주 압축기(40)와, 상기 주 압축기(40)와 상기 초전도 전기 기기(12) 사이의 한 쌍의 냉동제 유동 공급 라인 및 회수 라인(46, 48)을 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 회로(20)는 상기 주 압축기(40)로부터의 공급 라인(46) 및 상기 주 압축기(40)로의 회수 라인(48)에 연결된 주 저온 냉동기(42)를 더 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 회로(20)는 상기 초전도 전기 기기(12)로의 그리고 상기 초전도 전기 기기(12)로부터의 제 2 쌍의 냉동제 유동 공급 라인 및 회수 라인(36, 38)에 연결된 열 제거 열교환기(44)를 더 포함하는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 저온 냉각 시스템(10)은 콜드 박스(22)를 더 포함하며,
    상기 주 저온 냉동기(42) 및 상기 열 제거 열교환기(44)는 상기 콜드 박스(22)의 내측에 배치되고, 상기 주 압축기(40)는 상기 콜드 박스(22)의 외측에 배치되는
    저온 냉각 시스템의 작동 방법.
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