KR20110073074A - 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템은 복수의 가속관과 상기 복수의 가속관에 냉각수를 공급하는 펌프, 히터, 열교환기 및 제어기를 포함하며, 상기 히터의 하류에는 가속관으로 연결되는 고온유로와 열교환기로 연결되는 저온유로로 분기되는 위치에 일차제어밸브가 배치되고, 상기 고온유로가 상기 복수의 가속관으로 분기되는 위치에 이차능동제어밸브가 배치되고, 상기 저온유로가 상기 열교환기를 거친 후 복수의 가속관으로 분기되는 위치에 이차수동제어밸브가 배치되며, 상기 제어기는 이차능동제어밸브의 개도비율을 일차제어밸브의 개도비율의 일의적 종속변수로 제어하며, 상기 이차수동제어밸브의 개도비율을 이차능동제어밸브의 개도비율과의 합이 1이 되도록 대칭 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 다수개 가속관에 대하여 냉각계통을 공통으로 이용한 단일 공진 주파수 제어를 가능하게 하여, 냉각 계통 부피와 제작 비용을 줄이는 효과가 있다.
공진 주파수, 제어, 가속관, 냉각, 온도

Description

가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 시스템{A cooling system for resonance frequency control of accelerating cavities}
본 발명은 가속관 공진 주파수 제어를 위하여 복수의 가속관의 냉각수 온도를 제어하는 시스템에 관한 것이다.
고주파 입자빔 가속기의 경우 효율적인 가속을 위하여 일반적으로 고주파 품질계수가 큰 가속관을 사용한다. 그런데 고주파품질계수가 큰 가속관일수록 공진주파수가 일정범위를 벗어나면 고주파 가속효율이 현저히 저하되기 때문에 가속기 운전중 가속관의 공진주파수를 일정 범위 이내에서 제어해 주어야 하며, 그 방법의 하나로서 가속관 냉각수의 온도를 제어한다. 종래의 가속관(10)의 냉각수 온도를 제어하는 시스템에는 도1과 같이 펌프(20), 히터(30), 제어밸브(40), 열 교환기(50), 냉각수 정화기(DI system, 60), 2차측 배관(55) 등이 포함되어 구성된다. 그런데 가속관의 열 부하가 작은 경우에도 냉각계통 부품들은 필수 부품으로서 반드시 포함되어야 하기 때문에 통상적으로 도1에 도시된 바와 같이 가속관 1기에 냉 각수 온도 제어 시스템 1기가 각각 설치되어 운영되어 왔다.
그런데 열 부하가 비교적 크지 않은 다수개의 가속관의 공진 주파수를 제어하는데 있어서 가속관 1기에 냉각수 온도 제어 시스템 1기를 설치하는 것은 비용이나 공간적 측면에서 매우 비효율적이라는 문제점이 있다. 그러나 다수개의 가속관은 각각 주파수 및 열적 특성이 다르기 때문에 1벌의 펌프, 열교환기, 히터를 공유하여 다수의 가속관의 냉각수 온도를 제어하는 데에는 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 다수의 가속관에 대하여 펌프, 열교환기, 히터 등은 공통으로 사용하고 이들을 복수의 가속관으로 연결하는 복수의 제어 밸브들을 제어하는 단일 공진 주파수 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템은 복수의 가속관과 상기 복수의 가속관에 냉각수를 공급하는 펌프, 히터, 열교환기 및 제어기를 포함하며, 상기 펌프는 상기 복수의 가속관으로부터 배출되는 냉각수를 가압하여 상기 히터에 공급하며, 상기 히터의 하류에는 가속관으로 연결되는 고온유로와 열교환기로 연결되는 저온유로로 분기되는 위치에 일차제어밸브가 배치 되고, 상기 고온유로가 상기 복수의 가속관으로 분기되는 위치에 이차능동제어밸브가 배치되고, 상기 저온유로가 상기 열교환기를 거친 후 복수의 가속관으로 분기되는 위치에 이차수동제어밸브가 배치되며, 상기 제어기는 이차능동제어밸브의 개도비율을 일차제어밸브의 개도비율의 일의적 종속변수로 제어하며, 상기 이차수동제어밸브의 개도비율을 이차능동제어밸브의 개도비율과의 합이 1이 되도록 대칭 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템에서 가속관의 개수는 2인 경우, 상기 이차능동제어밸브의 개도비율(F1)은
Figure 112009079918030-PAT00001
에 의하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 F0는 일차제어밸브의 개도비율, T1, T2는 각각 제1 및 제2가속관의 공진주파수에 해당되는 냉각수 온도, Q1, Q2는 각각 제1 및 제2가속관의 열부하, mt는 전체 가속관을 흐르는 냉각수 총 질량 유량, c는 냉각수의 열용량이다.
본 발명의 펌프의 상류단과 하류단 사이에는 수질정화부가 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 각 밸브는 3로 밸브이며, 이차능동제어밸브 및 이차수동제어밸브는 각각 상위 제어밸브가 2개의 하위 제어밸브로 연결되는 다단계 제어밸브인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 공진 주파수 제어 냉각시스템에 있어서 펌프, 열교환기, 히터 등 대부분의 부품은 공유하면서, 제어밸브를 부가하고, 이차제어밸브의 개도비율을 일차제어밸브 개도비율의 일의적 종속변수로 제어함으로써 단일 공진 주파수 제어 냉각 시스템을 가능하게 하여, 다수개 가속관의 공진주파수를 제어하는 방법으로서, 냉각 계통 부피와 제작 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명에 따른 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 시스템에 대한 구체적인 실시예가 설명된다. 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것이며, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수도 있다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공하는 것이고, 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
다수의 가속관에 대하여 펌프, 열교환기, 히터 등은 공통으로 사용하고 가속관으로 연결된 유로의 유량을 제어하는 복수의 제어 밸브들을 사용함에 있어, 각각의 가속관을 별개의 제어 로직으로 제어하는 것은 매우 비효율적일 뿐 아니라, 공통된 냉각 계통을 사용하는 이점을 충분히 살릴 수도 없기 때문에, 3로 밸브를 사용하여 일차제어밸브의 개도비율을 단일 제어 변수로 제어하는 방식을 채택함으로 써, 본 발명의 단일 공진 주파수 제어 시스템을 구현할 수 있게 되었다.
도2는 본 발명의 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템의 블럭도이다. 본 발명의 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템은 복수의 가속관(101,102)과 상기 복수의 가속관(101,102)에 냉각수를 공급하는 각각 1개의 펌프(200), 히터(300), 열교환기(500) 및 제어기(400)를 포함한다.
상기 펌프(200)는 상기 복수의 가속관(101,102)으로부터 배출되는 냉각수를 가압하여 상기 히터(300)에 공급한다. 상기 히터(300)의 하류에는 가속관으로 연결되는 고온유로(431)와 열교환기(500)로 연결되는 저온유로(432)로 분기되는 위치에 일차제어밸브(410)가 배치되고, 상기 고온유로(431)가 상기 복수의 가속관(101,102)으로 분기되는 위치에 이차능동제어밸브(421)가 배치되고, 상기 저온유로(432)가 상기 열교환기(500)를 거친 후, 복수의 가속관(101,102)으로 분기되는 위치에 이차수동제어밸브(422)가 배치된다.
상기 제어기(400)는 이차능동제어밸브(421)의 개도비율을 일차제어밸브(410)의 개도비율의 일의적 종속변수로 제어하며, 또한 상기 이차수동제어밸브(422)의 개도비율을 이차능동제어밸브(421)의 개도비율과의 합이 1이 되도록 대칭 제어하게 된다. 따라서 일차제어밸브(410)의 개도비율이 결정되면, 이차수동제어밸브(422) 및 이차능동제어밸브(421)의 개도비율은 자동적으로 결정된다. 상기 각 제어밸브는 제어기(400)에 의하여 개도비율이 제어되는 3로(3-way) 밸브이며, 개도비율은 각 3로밸브 하류의 좌로와 우로의 유량 분배비를 의미한다.
가속관의 공진주파수와 가속관 온도 사이에는 하기 수학식(1)이 성립하고, 가속관의 온도와 냉각수 온도 사이에는 하기 수학식 (2)가 성립한다.
Figure 112009079918030-PAT00002
Figure 112009079918030-PAT00003
여기서 df는 공진주파수 오차, S는 주파수 민감도, T0는 공진일 경우 가속관 온도, Tw는 현재 가속관 온도, Q는 가속관 열부하, (hA)는 면적 열전달 계수, Twater 는 냉각수 온도이다.
그러므로 상기 식에 따라 냉각수 온도를 제어함으로써 가속관의 공진주파수 제어가 가능함을 알 수 있다.
도2에서 제1가속관((101) 및 제2가속관(102)의 공진 주파수에 해당하는 냉각수 온도를 각각 T1, T2라고 한다면, T1, T2는 냉각 시스템 변수들의 열평형 관계로부터 하기 수학식 (3) 및 (4)와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009079918030-PAT00004
Figure 112009079918030-PAT00005
여기서, F0는 일차제어밸브(410)의 개도비율, F1은 이차능동제어밸브(421)의 개도비율, Tt는 일차제어밸브(410)로 급수되는 냉각수 온도, Q1, Q2는 각각 제1 및 제2가속관(101,102)의 열부하, mt는 전체 가속관을 흐르는 냉각수 총 질량 유량(mass flow rate), c는 냉각수의 열용량(heat capacity)이다.
상기 수학식 (3) 및 (4)를 이용하면 이차능동제어밸브의 개도비율(F1)는 하기 수학식 (5)와 같이 일차제어밸브(410)의 개도비율(F0)의 일의적 종속변수로 결정된다.
Figure 112009079918030-PAT00006
일차제어밸브(410)의 개도비율(F0)은 선형변형 범위에 해당되는 20 내지 80% 범위의 개도비율이 선택되는 것이 바람직하다.
한편, 이차능동제어밸브의 개도비율(F1)이 위와 같이 제어되면, 이차수동제어밸브의 개도비율(F2)은 이차능동제어밸브의 개도비율(F1)의 대칭함수로서 하기 수 학식 (6)과 같이 제어된다.
Figure 112009079918030-PAT00007
상기 열교환기(500)는 이차측 냉각 배관(550)에 의하여 열교환이 이루어지며, 펌프(200)의 상류단과 하류단 사이에는 수질정화부(DI system, 600)가 더 설치될 수 있다.
이와 같은 방법으로 제어밸브의 개도비율을 제어함으로써 서로 다른 고유의 특성을 갖는 독립된 복수의 가속관의 공진주파수를 용이하게 제어할 수 있다.
한편, 가속관의 개수가 더 증가되는 경우에는 이차능동제어밸브 및 이차수동제어밸브는 각각 상위 제어밸브가 2개의 하위 제어밸브로 연결되는 다단계 제어밸브를 적용함으로써 가속관 공진 주파수 제어가 가능하다. 도3은 이와 같은 방법이 적용된 4개의 가속관에 대한 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템의 예를 나타낸다.
본 발명은 공진 주파수 제어 냉각시스템에 있어서 펌프, 열교환기, 히터 등 냉각계통 부품은 공유하면서, 제어 밸브를 부가하고, 이차제어밸브의 개도비율을 일차제어밸브 개도비율의 일의적 종속변수로 제어함으로써 단일 공진 주파수 제어 냉각 시스템을 가능하게 하여, 다수개 가속관의 공진주파수를 제어하는 방법으로서, 시스템 부피와 제작 비용을 줄일 수 있는 장점이 있으며, 특히 열부하가 작은 다수개 가속관의 공진 주파수 제어에 효과적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 기본적인 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 따라서, 앞에서 개시된 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 일 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 한다. 첨부된 청구항의 균등물로의 치환도 청구항의 보호범위에 속하는 것이다.
도1은 종래의 가속관 냉각수 온도 제어 시스템의 블록도이다.
도2는 본 발명의 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템의 블럭도이다.
도3은 4개의 가속관이 적용된 본 발명의 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템의 블럭도이다.

Claims (5)

  1. 복수의 가속관과 상기 복수의 가속관에 냉각수를 공급하는 펌프, 히터, 열교환기 및 제어기를 포함하는 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템에 있어서,
    상기 펌프는 상기 복수의 가속관으로부터 배출되는 냉각수를 가압하여 상기 히터에 공급하며,
    상기 히터의 하류에는 가속관으로 연결되는 고온유로와 열교환기로 연결되는 저온유로로 분기되는 위치에 일차제어밸브가 배치되고, 상기 고온유로가 상기 복수의 가속관으로 분기되는 위치에 이차능동제어밸브가 배치되고, 상기 저온유로가 상기 열교환기를 거친 후 복수의 가속관으로 분기되는 위치에 이차수동제어밸브가 배치되며,
    상기 제어기는 이차능동제어밸브의 개도비율을 일차제어밸브의 개도비율의 일의적 종속변수로 제어하며, 상기 이차수동제어밸브의 개도비율을 이차능동제어밸브의 개도비율과의 합이 1이 되도록 대칭 제어하는 것을 특징으로 하는 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가속관의 개수는 2이며,
    상기 이차능동제어밸브의 개도비율(F1)은 다음 수식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템.
    Figure 112009079918030-PAT00008
    ,
    여기서 F0는 일차제어밸브의 개도비율, T1, T2는 각각 제1 및 제2가속관의 공진주파수에 해당되는 냉각수 온도, Q1, Q2는 각각 제1 및 제2가속관의 열부하, mt는 전체 가속관을 흐르는 냉각수 총 질량 유량, c는 냉각수의 열용량임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프의 상류단과 하류단 사이에는 수질정화부가 설치된 것을 특징으로 하는 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 밸브는 3로 밸브인 것을 특징으로 하는 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이차능동제어밸브 및 이차수동제어밸브는 각각 상위 제어밸브가 2개의 하위 제어밸브로 연결되는 다단계 제어밸브인 것을 특징으로 하는 가속관 공진 주파수 제어를 위한 냉각 제어 시스템.
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