KR20120028888A

KR20120028888A - 초전도 기기의 냉각

Info

Publication number: KR20120028888A
Application number: KR1020117028118A
Authority: KR
Inventors: 하인츠 슈밋트; 하쎌트 페터 판
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2012-03-23
Also published as: DE102009022960A1; CA2763596A1; CN102449889A; WO2010136419A3; WO2010136419A2; RU2011153676A; JP2012528291A; AU2010252079A1; RU2550089C2; US20120073787A1; AU2010252079B2; EP2436108A2

Abstract

본 발명은 폐쇄된 열 사이펀 시스템(2)을 구비한 초전도 기기(1) 냉각 장치에 관한 것이며, 이러한 열 사이펀 시스템은 액체 냉각제(3)로 충전 가능하고, 액체 냉각제(3)의 증발을 위한 증발기(4)를 포함한다. 이러한 장치의 냉각 성능을 개선하기 위해, 본 발명에 따라 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 수단(7, 8)이 제공된다.

Description

초전도 기기의 냉각{COOLING FOR SUPERCONDUCTING MACHINES}

본 발명은 초전도 기기의 냉각 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 폐쇄된 열 사이펀 시스템을 포함하고, 이러한 열 사이펀 시스템은 액체 냉각제로 충전 가능하고, 액체 냉각제의 증발을 위한 증발기를 포함한다.

DE 102 44 428 A1호에는 기기 하우징 내의 고정자 및 회전자를 구비한 기기가 공지되어 있으며, 이러한 기기는 하우징 내부에 위치한 부분의 냉각을 위한 장치를 포함한다. 이러한 냉각 장치는 기기의 하나 이상의 단부측에 폐쇄된 라인 시스템을 포함하며, 이러한 라인 시스템은 하우징 외부에 위치한 응축기, 하우징 내부에 위치한 증발기, 및 응축기와 증발기 사이에서 연장된 연결 튜브를 구비하며, 이러한 시스템 내에서는 열 사이펀 효과에 따라 냉각제가 순환된다.

본 발명의 목적은 초전도 기기의 냉각을 위한 장치의 냉각 성능을 개선하는 것이다.

상기 목적은 폐쇄된 열 사이펀 시스템을 포함하는 초전도 기기 냉각 장치에 의해 달성되며, 이러한 열 사이펀 시스템은 액체 냉각제로 충전 가능하고, 액체 냉각제의 증발을 위한 증발기를 포함하며, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면을 확대하기 위한 수단이 제공된다.

본 발명은 초전도 기기의 냉각을 위한 장치 내에서 요구되는 냉각 성능을 달성하기 위해 제공되는 액체 냉각제의 절대량이 관건이 아니라, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면의 크기가 관건이라는 지식에 기초한다. 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면이 커질수록, 더 많은 냉각제가 증발할 수 있으며, 즉 이와 같이 제공된 적셔질 수 있는 표면을 통해 더 많은 열에너지가 증발하는 냉각제로 전달될 수 있다. 따라서, 적셔질 수 있는 증발기 표면의 확대를 통해, 초전도 기기의 냉각을 위한 장치의 사용 가능한 냉각 성능이 효과적으로 상승될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예들은 종속항에 제시되어 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 증발기는 초전도 기기의 회전자 내부 공간에 배치된다. 따라서, 초과 열 에너지는 회전자로부터 바로 배출될 수 있다. 본 발명에 따라 달성되는, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면의 확대는 특히 본 발명의 이러한 실시예에서 바람직한데, 이는 대체로 회전자의 치수가 비교적 작아짐으로써 회전자 내부 공간에 존재하는 증발기의 체적이 제한되고 이에 따라 표면도 제한되기 때문이다.

증발기는 대체로 공동으로서 형성되며, 이러한 공동의 경계는 증발기의 표면으로서 제공된다. 따라서, 액체 냉각제에 의한 충전도에 따라, 액체 냉각제의 증발을 위한 증발기의 다소 큰 표면이 제공된다. 액체 냉각제의 양이 증가할 필요없이 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 표면을 확대하기 위해, 본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예에 따라, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면을 확대하기 위한 수단은 액체 냉각제를 변위시키기 위한 하나 이상의 변위체를 포함하는 것이 제시된다. 이에 따라, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면이 확대됨과 동시에 냉각제가 절감된다.

본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예에 따라, 증발기와 하나 이상의 변위체가 실린더형, 특히 원통 실린더형으로 형성됨으로써 구조상 장점이 달성된다. 이러한 형상은 제조가 간단하면서도 액체 냉각제를 변위시키기에 효과적이다.

본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예에 따라, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면이 표면 구조부를 포함하며, 이러한 표면 구조부는 열전달을 위해 효과적으로 이용 가능한 표면이 확대되도록 형성된다. 이에 따라, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면이 특히 크게 확대됨과 동시에, 구조적으로는 그리 복잡하지 않은 것이 달성된다.

이 경우, 본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예에 따라, 1차원 부재, 특히 홈 형태 또는 돌출부 형태의 부재를 포함하는 표면 구조부가 제조 기술적으로 특히 간단하게 구현 가능하다.

냉각 성능을 추가로 상승시키기 위해, 표면 구조부는 본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예에 따라 2차원 부재, 특히 구멍 형태 또는 가시 형태의 부재를 포함한다.

본 발명의 추가의 일 실시예에 따라 액체 냉각제는 네온이다. 네온은 예를 들어 고온 초전도체의 냉각시에 특히 유리한 동작점을 가능하게 하지만 비교적 값이 비싸므로, 본 발명을 통해 달성되는 냉각제 감소는 특히 효과적이다.

이하에서, 본 발명은 도면에 개략적으로 도시된 실시예에 의해 더 상세히 기술되고 설명된다.

도 1은 초전도 기기 및 초전도 기기를 냉각하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 선행 기술에 따른 증발기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 액체 냉각제를 변위시키기 위한 변위체를 구비한 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 열전달을 위해 효과적으로 이용 가능한 증발기 표면이 확대된, 본 발명에 따른 장치의 추가의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 표면을 확대하기 위한 여러 가지 수단이 사용되는, 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 1에는 초전도 기기(1) 및 초전도 기기(1)를 냉각하기 위한 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 초전도 기기(1)의 종축을 따라 절개한 단면도가 도시된다. 도 1에 따른 실시예에 도시된 초전도 기기(1)는 회전하는 전기 기기, 특히 동기기, 예를 들어 모터 또는 제네레이터이다. 이러한 초전도 기기는 고정자(10) 및 회전자(6)를 포함한다. 또한, 초전도 기기는 고정자(10)의 수용과 회전자(6)의 지지를 위한 하우징(11)을 포함한다. 초전도 기기(1)는 폐쇄된 열 사이펀 시스템을 통해 냉각되며, 이러한 열 사이펀 시스템은 증발기(4), 응축기(9), 그리고 이러한 증발기(4)와 응축기(9)를 연결하는 부재, 예를 들어 튜브 연결부를 포함한다. 증발기(4), 연결용 부재, 그리고 응축기(9)는 액체 냉각제(3)의 수용을 위해 제공된 격리된 체적을 제한한다. 증발기(4)는 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 표면(5)을 포함하고, 이러한 표면을 통해서는 회전자 내에 생성되는 배출될 열 에너지가 냉각제(3)에 전달된다. 이 경우, 대체로 냉각제(3)는 전달되는 열 에너지를 통해 액체 상태에서 기체 상태로 전환되고, 즉 냉각제(3)는 증발되거나 비등한다. 기체 상태의 냉각제의 더 낮은 밀도에 의해, 이러한 냉각제는 연결된 부재를 통해 측지학적으로 더 높은 위치에 놓인 응축기(9)로 상승하고, 이러한 위치에서, 수용된 열 에너지의 제거를 거쳐 재차 기체 상태에서 액체 상태로 전환된다. 이러한 방식으로 재차 액화된 냉각제(3)는 중력에 의해 재차 증발기(4)로, 특히 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(3)으로 되돌아 흘러간다. 따라서, 상기 유형의 냉각 시스템은 소위 열 사이펀 효과를 사용한다. 이러한 냉각 회로는 상술한 밀도 차이 또는 중력을 통해 스스로 유지된다.

도 2에는 기기가 정지 상태일 때 초전도 기기의 증발기(4)를 축방향으로 절개한 단면도가 도시된다. 이러한 기기의 추가 부품들은 도 2에 명확하게 도시되지 않는다. 도 2에 따른 증발기(4)는 원통 실린더형 단면을 갖는다. 도시된 증발기(4)는 선행 기술에 공지되어 있다. 증발기(4)는 적어도 부분적으로 액체 냉각제(3)에 의해 충전된다. 이 경우, 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있거나 적셔진 증발기(4) 표면은 도면 부호 "5"로 표시되어 있다.

열 사이펀 시스템을 구비한 초전도 기기(1)의 냉각시에는 요구되는 냉각 성능을 달성하기 위해 증발기(4)의 특정한 최소 면적이 액체 냉각제(3)에 의해 적셔져야 한다. 냉각 단계 동안 통상적으로 막비등(film boiling)을 통해 제한되는 열전달과 관련한 증발기(4)의 정확한 기하 구조에 따라, 현재 설계된 초전도 기기에서는 이를 위해 비교적 많은 양의 액체 냉각제(예를 들어 네온, 질소 등)가 요구된다.

대체로, 현재 이러한 문제는 간단하게 (대체로 수평 배치된) 실린더 형태의 증발기(4) 내에서 충분히 넓은 표면을 적실 수 있는 상응하는 양의 냉각제(3)가 채워 넣어짐으로써 해결된다. 1회 충전되는 폐쇄된 열 사이펀 시스템의 개념을 고수하게 되면, 이러한 방법은 실온에서 비교적 큰 버퍼 용기(압력 용기)를 필요로 하는데, 냉각의 차단 또는 고장시 서서히 증발하는 액체 냉각제(3)는 허용 가능한 압력 상승시 이러한 용기 내에 수집될 수 있다. 물론, 대안적으로, 냉각제가 더 적게 충전됨으로써 냉각 과정이 원래 필요한 시간보다 더 오래 지속되는 것을 감수할 수도 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 증발기(4)가 도시되어 있다. 증발기(4)는 적어도 부분적으로 액체 냉각제(3)에 의해 충전된다. 부가적인 (바람직하게는 실린더형) 변위체(7)의 사용을 통해, 동일한 증발기 표면을 적시기 위해 요구되는 액체량은 훨씬 감소될 수 있다. 이러한 장치는 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 수단(7, 8)으로서, 액체 냉각제(3)를 변위시키기 위한 변위체(7)를 포함한다. 변위체(7)를 통해서, 냉각제(3)를 통해 실제로 적셔진 증발기(4) 표면(5)이 확대되도록 증발기(4) 내부의 액체 냉각제(3)에 제공되는 체적이 제한된다.

도 4에는 본 발명에 따른 장치의 추가 일 실시예의 증발기(4)가 도시되어 있다. 도 3에 따른 실시예에 부가적으로 또는 대안적으로, 상응하는 표면 구조부(8)가 효과적으로 작용하는 증발기 표면에 제공됨으로써 증발기 표면 자체도 훨씬 확대될 수 있다. 바람직한 구성은 홈 또는 돌출부와 유사한 1차원 구조이며, 이러한 구조에 의해 간단한 방식으로 표면이 훨씬 확대될 수 있다(3배 내지 5배). 도시된 실시예에 따라, 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 수단(7, 8)은 증발기 표면의 표면 구조부(8)로서 형성되며, 표면 구조부(8)는 열전달을 위해 효과적으로 이용 가능한 표면(5)이 확대되도록 형성된다. 도시된 실시예에서의 표면 구조부(8)는 1차원 부재, 여기서는 홈 형태 또는 돌출부 형태의 부재를 포함한다. 효과적인 표면의 더 큰 확대를 가능하게 하는, 표면 확대를 위한 2차원의, 약간 더 복잡하게 형성 가능한 변형예(예를 들어 구멍을 제공하거나 가시와 유사한 구조)도 바람직하다.

도 5에는 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 수단들(7, 8)의 조합을 포함하는, 본 발명에 따른 장치의 증발기(4)의 추가 실시예가 도시되어 있다. 도 3에 따른 수단, 즉 변위체(7) 뿐만 아니라, 도 4에 따른 수단, 즉 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 표면 구조부(8)도 도 5에 따른 실시예에 따라 조합된다.

본 발명의 도시된 실시예는 열 사이펀-냉각 회로의 일부로서 증발기(4)의 특정한 최소 표면을 적시기 위해 필요한 액체량을 감소시킬 수 있다. 필요한 버퍼 체적이 (전형적으로 수백 리터에서 이의 약 1/10로) 축소되는 효과가 직접적으로 수반되고, 이에 따라 더 적은 공간과 더 적은 비용이 요구된다는 장점이 있다. 이에 따라, 열 사이펀 시스템의 고유의 충전을 위한 비용도 감소된다[더 적은 냉각제(3)].

요컨대, 본 발명은 폐쇄된 열 사이펀 시스템(2)을 구비한 초전도 기기(1) 냉각 장치에 관한 것이며, 이러한 열 사이펀 시스템은 액체 냉각제(3)로 충전 가능하고, 액체 냉각제(3)의 증발을 위한 증발기(4)를 포함한다. 이러한 장치의 냉각 성능을 개선하기 위해, 본 발명에 따라 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 수단(7, 8)이 제공된다.

Claims

폐쇄된 열 사이펀 시스템(2)을 구비한 초전도 기기(1) 냉각 장치이며, 상기 열 사이펀 시스템은 액체 냉각제(3)로 충전 가능하고, 액체 냉각제(3)의 증발을 위한 증발기(4)를 포함하며, 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)을 확대하기 위한 수단(7, 8)이 제공되는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제1항에 있어서, 증발기(4)는 초전도 기기(1)의 회전자(6) 내부 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면을 확대하기 위한 수단(7, 8)은 액체 냉각제(3)를 변위시키기 위한 하나 이상의 변위체(7)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제3항에 있어서, 증발기(4)와 하나 이상의 변위체(7)는 실린더형, 특히 원통 실린더형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉각제를 통해 적셔질 수 있는 증발기 표면을 확대하기 위한 수단(7, 8)은 액체 냉각제(3)를 통해 적셔질 수 있는 증발기(4) 표면(5)의 표면 구조부(8)로서 형성되며, 상기 표면 구조부(8)는 열전달을 위해 효과적으로 이용 가능한 표면이 확대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제5항에 있어서, 표면 구조부(8)는 1차원 부재, 특히 홈 형태 또는 돌출부 형태의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서, 표면 구조부(8)는 2차원 부재, 특히 구멍 형태 또는 가시 형태의 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉각제(3)는 네온인 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 냉각 장치.