KR20100030037A

KR20100030037A - 회전형 극저온 냉매 공급장치

Info

Publication number: KR20100030037A
Application number: KR1020080088796A
Authority: KR
Inventors: 정제헌; 이정현; 권운식; 박희주; 이치환; 김영춘
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2010-03-18
Also published as: US20100058790A1; US8739555B2; KR101014689B1

Abstract

본 발명은 냉동시스템에서 공급되는 극저온 액체 냉매와 증발기에서 증발된 극저온 기체 냉매가 각각 분리되어 강제 순환되도록 한 회전형 극저온 냉매 공급장치에 관한 것으로서, 극저온 냉매를 공급하는 냉동시스템과 초전도 회전자의 사이에 결합되어 극저온 냉매를 초전도 회전자의 내측에 형성된 증발기로 공급 및 회수하는 극저온 냉매 공급장치에 있어서, 상기 냉동시스템에서 냉각된 극저온 액체 냉매를 상기 증발기로 공급하고, 상기 초전도 회전자와 결합되어 회전되는 냉매도입관; 상기 냉매도입관과 이격 배치되고, 상기 증발기에서 증발된 극저온 기체 냉매를 회수하여 상기 냉동시스템으로 안내하며, 상기 냉매도입관과 함께 회전되는 냉매회수관; 상기 냉매도입관 및 냉매회수관의 외측에 고정 배치되고, 내부에 진공단열공간을 형성하는 진공하우징;을 포함하여 구성된다.

이에 따라, 냉매의 강제 순환이 가능해져 더욱 신속하고 원활한 냉각이 이루어지는 효과를 가지게 된다.

초전도 회전자, 냉매 공급장치, 냉매도입관, 극저온

Description

회전형 극저온 냉매 공급장치{Rotary type ultralow temperature refrigerant supplier}

본 발명은 회전형 극저온 냉매 공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉동시스템에서 공급되는 극저온 액체 냉매와 증발기에서 증발된 극저온 기체 냉매가 각각 분리되어 강제 순환되도록 한 회전형 극저온 냉매 공급장치에 관한 것이다.

일반적으로, 초전도 현상은 특정 물질이 일정 온도 이하에서 전기 저항이 0에 도달하는 현상을 일컫는 것으로서, 일반적인 초전도체는 통상적으로 온도가 매우 낮은 극저온 상태에서 초전도 현상을 일으키고 있다.

특히, 초전도체를 이용한 발전기 및 전동기 분야에서는 초전도체를 코일 형상으로 감은 초전도 회전자를 이용하고 있는데, 이러한 초전도 회전자는 초전도 현상을 위하여 극저온 상태를 유지시키는 것이 필수적으로 소요됨에 따라, 이에 따른 냉각장치 또한 필수적으로 요구되고 있다.

이러한 냉각장치 중 회전형 극저온 냉매 공급장치는 정지 상태의 냉동시스템으로부터 회전 상태의 초전도 회전자로 극저온 냉매를 공급하는 장치로서, 도 3에서 보인 것과 같이 회전축(201)의 내부에 증발기(202)가 형성되고 회전축(201)의 외측면에 다수의 초전도 코일(203)이 결합된 초전도 회전자(200)와 극저온 냉매를 공급하는 냉동시스템(100) 사이에 설치되어 극저온 냉매의 단열 상태를 유지하면서 초전도 회전자(200)의 내부에 형성된 증발기(201)에 극저온 냉매를 공급하고 배출되도록 한다.

특히, 상기와 같은 종래의 회전형 극저온 냉매 공급장치(300)는 냉매도입관(301)과, 냉매도입관(301)을 진공 단열시키기 위한 단열케이싱(302) 및 정지상태의 단열케이싱(302)과 회전상태의 초전도 회전자(200) 사이에서 극저온 냉매 증기의 밀봉을 위한 자성 유체씰(303)로 구성되어져 있다.

이에 따라, 냉동시스템(100)에서 액화된 극저온 냉매는 중력에 의하여 냉매도입관(301)을 따라 초전도 회전자(200) 내부의 증발기(202)로 공급되고, 증발기(202)에서는 액체 상태의 냉매가 증발하게 되며, 여기서 발생된 극저온 기체 냉매는 다시 냉매도입관(301)을 통하여 냉동시스템(100)으로 이동하게 되는데, 이때 냉매도입관(301)의 내부에서는 극저온 액체 냉매와 극저온 증기 냉매가 서로 반대 방향으로 흐르게 된다.

하지만, 이러한 자연 순환식 냉매 공급 장치는 중력을 이용하는 특성상 액화된 극저온 냉매를 냉매도입관 보다 낮은 위치로만 보낼 수 있음에 따라 초전도 회전자의 직경이 커져 전체적인 증발기의 직경이 커지는 경우에는 증발기에서 냉매가 접촉되는 접액부와 냉매가 접촉되지 않는 비접액부의 거리가 멀어지게 되고, 이에 의해 초전도 회전자의 균일한 냉각특성을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 냉동시스템에서 공급되는 극저온 액체 냉매와 증발기에서 증발된 극저온 기체 냉매가 각각 분리되어 강제 순환되도록 한 회전형 극저온 냉매 공급장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 초전도 회전자가 회전될 때 극저온 액체 냉매가 원심력에 의해 일측으로 쏠리면서 유속이 저하되는 것이 최소화되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 증발기의 내부에서 증발된 극저온 기체 냉매가 신속하게 증발기에서 배출됨과 동시에 회수된 극저온 기체 냉매가 원활하게 냉동시스템으로 회수되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 회전 작동되는 냉매도입관과 고정된 냉동시스템 사이에서 냉매가 누출되지 않도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 냉매회수챔버로 유입된 극저온 기체 냉매의 누출이 방지되도록 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 극저온 냉매를 공급하는 냉동시스템과 초전도 회전자의 사이에 결합되어 극저온 냉매를 초전도 회전자의 내측에 형성된 증발기로 공급 및 회수하는 극저온 냉매 공급장치에 있어서, 상기 냉동시스템에서 냉각된 극저온 액체 냉매를 상기 증발기로 공급하고, 상기 초전도 회전 자와 결합되어 회전되는 냉매도입관; 상기 냉매도입관과 이격 배치되고, 상기 증발기에서 증발된 극저온 기체 냉매를 회수하여 상기 냉동시스템으로 안내하며, 상기 냉매도입관과 함께 회전되는 냉매회수관; 상기 냉매도입관 및 냉매회수관의 외측에 고정 배치되고, 내부에 진공단열공간을 형성하는 진공하우징;을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 냉매도입관;은 상기 초전도 회전자의 회전중심과 동일한 회전중심으로 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉매회수관;은 상기 냉매도입관을 중심으로 다수개가 원형을 이루며 이격 배치되고, 상기 냉매회수관과 냉동시스템의 사이에 상기 냉매회수관을 통해 회수된 극저온 기체 냉매가 일시 저장되는 냉매회수챔버가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉매시스템에서 극저온 액체냉매를 공급하도록 고정 배치된 연결관이 구비되고, 상기 냉매회수챔버의 내측으로 상기 냉매도입관과 연결관 사이를 밀봉하는 미캐니컬씰이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 회전되는 상기 냉매도입관 및 냉매회수관과 고정된 상기 진공하우징 사이를 밀봉하는 자성 유체씰이 구비된 것을 특징으로 한다.

이에, 본 발명은 진공하우징의 내측에 각각 분리된 냉매도입관 및 냉매회수관을 구비하여 냉동시스템에서 공급되는 극저온 액체 냉매와 증발기에서 증발된 극저온 기체 냉매가 각각 분리되어 순환되도록 한 회전형 극저온 냉매 공급장치를 제 공함으로서, 냉매의 강제 순환이 가능해져 더욱 신속하고 원활한 냉각이 이루어지는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 냉매도입관이 초전도 회전자와 동일한 회전중심으로 배치되도록 하여 초전도 회전자가 회전될 때 극저온 액체 냉매가 원심력에 의해 일측으로 쏠리면서 유속이 저하되는 것을 최소화되도록 함으로써, 초전도 회전자의 중심에 형성된 증발기로 극저온 액체 냉매가 원활하게 유입되어 냉각 성능이 더욱 향상되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 냉매회수관을 다수개 형성하고 냉매회수챔버를 구비하여 증발기의 내부에서 증발된 극저온 기체 냉매가 신속하게 증발기에서 배출됨과 동시에 회수된 극저온 기체 냉매가 원활하게 냉동시스템으로 회수되도록 함으로서, 열교환 효율이 더욱 증대되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 미캐니컬씰 및 자성 유체씰을 구비하여 회전 작동되는 냉매도입관과 고정된 냉동시스템 사이에서 냉매가 누출되지 않도록 함으로서, 냉매의 누출에 따른 대기오염 및 냉각성능 저하를 방지하는 효과를 가지게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 개략 종단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도로서, 도시된 것과 같이 본 발명은 극저온 냉매가 공급되는 냉동시스템(10)과 초전도 발전기나 초전도 전동기 등에 이용되는 초전도 회전자(20) 사이에 설치되어 상기 초전도 회전자(20)와 함께 회전 작동되고, 냉동시스템(10)에서 공급되는 극저온 액체 냉매를 초전도 회전자(20)의 내부에 형성된 증발기(23)로 원활하게 공급함과 동시에, 증발기(23)의 내부에서 증발된 극저온 기체 냉매를 다시 냉동시스템(10)으로 회수하도록 한 회전형 극저온 냉매 공급장치에 관한 것으로서, 극저온 액체 냉매가 증발기(23)로 공급되도록 하는 냉매도입관(30)과, 극저온 기체 냉매가 냉동시스템(10)으로 이송되도록 하는 냉매회수관(40) 및 상기 냉매도입관(30)과 냉매회수관(40)을 진공 단열 시키는 진공하우징(50)을 포함하여 구성된다.

상기 냉동시스템(10)은 극저온 액체 냉매를 후술되는 초전도 회전자(20)의 증발기(23)로 공급하고, 증발기(23)에서 증발된 극저온 액체 냉매를 회수하여 다시 냉각시키는 것으로서, 냉동사이클을 이용하는 통상의 냉동기 또는 냉매 저장탱크에 저장된 극저온 액체 냉매를 통상의 이송펌프 등을 이용하여 증발기(23)로 강제 이송되도록 구성된다.

상기 초전도 회전자(20)는 회전축(21)의 외측으로 다수의 초전도 코일(22)이 적층 고정되고, 회전축(21)의 내부에는 극저온 액체 냉매가 증발되면서 초전도 회전자(20)를 냉각시키는 증발기(23)가 형성되어 증발기(23)로 극저온 액체 냉매가 유입되어 증발될 때 초전도 회전자(20)의 열을 흡수하면서 초전도 회전자(20)를 냉각시키도록 구성된다.

상기 냉매도입관(30)은 상기 냉동시스템(10)과 초전도 회전자(20)의 증발기(23) 사이에 결합되어 냉동시스템(10)에서 배출된 극저온 액체 냉매를 증발 기(23)로 공급하도록 양 단이 개방된 관 형상으로 형성되고, 상기 회전축(21)에 일체로 결합되어 회전축(21)이 회전됨에 따라 함께 회전되면서 그 내측을 통해 극저온 액체 냉매가 증발기(23)로 유입되도록 한다.

상기 냉매회수관(40)은 상기 증발기(23)로 유입된 극저온 액체 냉매가 증발된 극저온 기체 냉매를 다시 냉동시스템(10) 측으로 회수하는 것으로서, 상술한 냉매도입관(30)과 마찬가지로 양 측이 관통된 관 형상으로 형성되도록 하고, 일측 끝단이 상기 증발기(23)와 연통되도록 하며 타측 끝단은 냉동시스템(10)과 연통되도록 하여 극저온 기체냉매의 원활한 회수가 이루어지도록 한다.

상기 진공하우징(50)은 상기 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)을 흐르는 기체 냉매 및 액체 냉매의 단열이 이루어지도록 하여 냉기의 손실이 최소화되도록 하는 것으로서, 상기 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)을 일체로 감싸도록 하고, 내측으로는 진공 상태로 유지되는 진공단열공간(51)을 형성하며, 진공단열공간(51)에 상술한 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)이 배치되도록 한다.

이와 같이 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)을 각각 분리하여 형성함에 따라 하나의 관을 통해 중력에 의해 액체 및 기체 냉매가 이동되는 종래의 자연 순환식 냉매 공급 장치와는 달리 액체 냉매를 가압하여 강제로 증발기(23)로 유입시키고, 증발기(23)에서 기체 냉매를 강제로 회수하는 것이 가능해져 냉매의 순환이 더욱 신속하고 원활하게 이루어지게 되어 냉각 효율이 극대화되는 것이다.

또한, 상기 냉매도입관(30)은 상기 초전도 회전자(20)의 회전중심과 동일한 회전중심으로 배치되도록 함으로써, 증발기(23)로 유입되는 액체 냉매가 원심력에 의해 유속이 저하되는 것이 방지되도록 하는 것이 바람직하며, 상술한 냉매회수관(40)은 상기 냉매도입관(30)의 외측방에 일정 간격으로 이격되어 다수개가 배치되도록 함으로써, 더욱 원활한 기체 냉매의 회수가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

더불어, 상술한 냉매회수관(40)과 냉동시스템(10)의 사이에는 상술한 진공하우징(50)의 내측에 형성되고, 다수의 냉매회수관(40)을 통해 회수된 기체 냉매를 일시적으로 저장하면서 하나의 통로를 통해 냉동시스템(10)으로 유입되도록 하는 냉매회수챔버(41)를 형성함으로써, 회전형 극저온 냉매 공급장치와 냉동시스템(10)의 결합이 더욱 간편하게 이루어지면서도 기체 냉매의 원활한 회수가 가능해지도록 하는 것이 바람직하다.

더불어, 상술한 냉매시스템에는 극저온 액체 냉매를 토출하면서 냉매시스템에 고정되고, 상술한 냉매도입관(30)과 대응되는 직경으로 형성된 연결관(11)을 구비하고, 초전도 회전자(20)를 따라 회전 작동되는 상기 냉매도입관(30)이 연결관(11)과 결합되도록 하되, 냉매도입관(30)과 연결관(11) 사이에 액체 냉매의 누출을 방지하는 통상의 미캐니컬씰(31)을 구비함으로써, 냉매도입관(30)이 원활하게 회전 작동되면서도 안정적인 냉매의 흐름이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 고정 배치되는 상기 진공하우징(50)과 회전 작동되는 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)의 사이에는 진공 상태를 안정적으로 유지함과 동시에 냉매의 누출을 방지하는 통상의 자성 유체씰(52)을 결합함으로써, 진공 단열 효과가 극대화 됨과 동시에 안정적인 냉각이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 개략 종단면도.

도 2는 도 1의 A-A선 단면도.

도 3은 종래 회전형 극저온 냉매 공급장치의 일 예를 보인 개략 종단면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 냉동시스템

11 : 연결관

20 : 초전도 회전자

21 : 회전축 22 : 초전도 코일

23 : 증발기

30 : 냉매도입관

31 : 미캐니컬씰

40 : 냉매회수관

41 : 냉매회수챔버

50 : 진공하우징

51 : 진공단열공간 52 : 자성 유체씰

Claims

극저온 냉매를 공급하는 냉동시스템(10)과 초전도 회전자(20)의 사이에 결합되어 극저온 냉매를 초전도 회전자(20)의 내측에 형성된 증발기(23)로 공급 및 회수하는 극저온 냉매 공급장치에 있어서,

상기 냉동시스템(10)에서 냉각된 극저온 액체 냉매를 상기 증발기(23)로 공급하고, 상기 초전도 회전자(20)와 결합되어 회전되는 냉매도입관(30);

상기 냉매도입관(30)과 이격 배치되고, 상기 증발기(23)에서 증발된 극저온 기체 냉매를 회수하여 상기 냉동시스템(10)으로 안내하며, 상기 냉매도입관(30)과 함께 회전되는 냉매회수관(40);

상기 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)의 외측에 고정 배치되고, 내부에 진공단열공간(51)을 형성하는 진공하우징(50);

을 포함하는 회전형 극저온 냉매 공급장치.
제 1항에 있어서,

상기 냉매도입관(30);은

상기 초전도 회전자(20)의 회전중심과 동일한 회전중심으로 배치된 것을 특징으로 하는 회전형 극저온 냉매 공급장치.
제 2항에 있어서,

상기 냉매회수관(40);은

상기 냉매도입관(30)을 중심으로 다수개가 원형을 이루며 이격 배치되고, 상기 냉매회수관(40)과 냉동시스템(10)의 사이에 상기 냉매회수관(40)을 통해 회수된 극저온 기체 냉매가 일시 저장되는 냉매회수챔버(41)가 구비된 것을 특징으로 하는 회전형 극저온 냉매 공급장치.
제 3항에 있어서,

상기 냉매시스템에서 극저온 액체냉매를 공급하도록 고정 배치된 연결관(11)이 구비되고, 상기 냉매회수챔버(41)의 내측으로 상기 냉매도입관(30)과 연결관(11) 사이를 밀봉하는 미캐니컬씰(31)이 구비된 것을 특징으로 하는 회전형 극저온 냉매 공급장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

회전되는 상기 냉매도입관(30) 및 냉매회수관(40)과 고정된 상기 진공하우징(50) 사이를 밀봉하는 자성 유체씰(52)이 구비된 것을 특징으로 하는 회전형 극저온 냉매 공급장치.