KR20120061904A - 초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치의 작동 방법 및 그에 적합한 냉각 장치 - Google Patents

초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치의 작동 방법 및 그에 적합한 냉각 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도체(5)를 냉각하기 위한 냉각 장치(20)에 관한 것으로, 상기 냉각 장치(20)는 작동 매체를 압축하기 위한 리니어 컴프레서(23) 및 상기 작동 매체를 팽창시켜 초전도체(5)의 극저온 냉각제에 냉각력을 제공하기 위한 냉각 유닛(22)을 포함하며, 상기 리니어 컴프레서(23)는 2개의 피스톤(31)을 포함하고, 이들 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두가 서로 동기화되어 하나의 주파수(f) 및 행정(H)에서 각각 다른 피스톤에 대해 선형으로 상대 운동을 할 수 있으며, 이때 소정의 냉각력이 우수한 효율로 발생할 수 있기 때문에 상기 냉각 장치(20)는 특히 이동 시설(예: 선박)에서 사용되기에 적합하다. 이를 위해 본 발명에 따라 하나 이상의 가동 피스톤(31)의 행정이 바람직하게는 사전 설정 가능한 목표값으로 제어된다.

Description

초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치의 작동 방법 및 그에 적합한 냉각 장치{METHOD FOR OPERATING A COOLING DEVICE FOR COOLING A SUPERCONDUCTOR AND COOLING DEVICE SUITABLE THEREFOR}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른, 초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치의 작동 방법에 관한 것이다. 상기 유형의 냉각 장치는 EP 1 526 625 A2호로부터 공지되었다. 또한, 본 발명은 청구항 제9항에 따른, 상기 방법을 수행하기에 적합한 냉각 장치에 관한 것이다.
예컨대 엔진, 제너레이터 또는 초전도 전류 제한기와 같이 초전도체들을 구비한 전기 장치나 전기 기계에서는 초전도체가 냉각되어야 하고, 이를 위해 초전도체는 통상 액체 네온이나 액체 질소와 같은 극저온 냉각제가 내포된 저온 유지 장치(cryostat) 내에 배치된다. 이 경우, 냉각 장치는 저온 유지 장치 내에 존재하는 증발된 냉각제의 재응축에 이용된다. 냉동기라고도 종종 지칭되는 냉각 장치는 통상 폐쇄 회로를 포함하며, 상기 폐쇄 회로 내에서 작동 매체, 예컨대 헬륨 가스가 컴프레서에서 압축되고 냉각 유닛에서 다시 팽창되며, 그로 인해 냉각력이 저온 유지 장치 내에 존재하는 냉각제로 공급된다. 냉각 장치는 예컨대 기포드-맥마흔(Gifford McMahon) 원리, 맥동관(pulse tube) 원리, 또는 스털링(Stirling) 원리에 따라 작동될 수 있다.
초전도체들을 구비한 전기 장치나 전기 기계는 그들의 고출력 밀도와, 적은 공간 수요와, 기타 초전도체의 특수성들로 인해 예컨대 선박 또는 해양 구조물과 같은 이동 시설에서 사용하기에 매우 적합하다. 따라서 DE 10 2004 023 481 A1호 및 WO 03/047961 A2호는 저온 유지 장치 내에 배치된 회전형 고온 초전도체 계자 권선을 구비한 선박 추진 기계 및 제너레이터를 공개하고 있으며, 상기 저온 유지 장치 내에는 초전도체용 냉각제로서 25K의 온도의 네온이 존재한다. 저온 유지 장치는 극저온 열파이프를 통해 냉각 장치의 냉각단(cold head)에 연결되며, 상기 냉각 장치에는 컴프레서도 속한다.
EP 1 526 625 A1호로부터 공지된, 초전도 전류 제한기를 구비한 선박 및 해양 시설의 단락 전류 보호 시스템에서는 액체 질소가 77K의 온도로 초전도체 냉각제로서 보유된 저온 유지 장치 내에 초전도체가 배치된다. 증발된 냉각제의 재응축을 위해, 저온 유지 장치 내로 돌출하는 냉각단 및 컴프레서를 포함하는 냉각 장치가 사용된다. 냉각 장치 자체는 제어될 수 없고, 오히려 제어는 냉각단에 부착된 재가열 장치에 의해 간접적으로 실시된다. 재가열 장치는 온도 조절기에 의해 스위치 온/오프되므로, 주변 압력 하에서 액체 질소의 온도는 77K이다. 컴프레서로서 유지보수 요구도가 낮다는 이유에서 바람직하게 오일-프리 리니어 컴프레서가 사용된다.
초전도체들을 구비한 전기 장치나 전기 기계를 특히 선박 또는 해양 구조물과 같은 이동 시설에서 사용하기 위해서는, 구성 부품들이 기울어진 상태에서도 냉각 장치의 작동이 보장되어야 한다. 즉, 예컨대 선박에서 사용될 경우 22.5°의 경사각에서도 작동이 보장되어야 한다. 이 경우, 왕복 운동 피스톤 원리에 따라 작동되는 컴프레서 또는 헬리컬 컴프레서는 적합하지 않은데, 그 이유는 그러한 컴프레서들은 오일로 윤활되므로 작동 시 기울어지면 안 되기 때문이다. 그에 반해 오일-프리 리니어 컴프레서는 적합하다. 이러한 리니어 컴프레서는 통상 2개의 피스톤을 포함하며, 그 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두가 서로 동기화되어 리니어 모터에 의해 하나의 주파수 및 행정에서 각각 다른 피스톤에 대해 선형으로 상대 운동을 할 수 있다.
그러한 컴프레서의 출력은 모터 전압 및 피스톤 주파수의 변동에 의해 수동으로 또는 자동으로 제어된다고 알려져 있다. 그러나 입증된 바와 같이, 그러한 제어는 예컨대 회로 내 충전 압력 및 작동 매체의 온도에 대한 피스톤 공진 주파수의 의존도를 고려하지 않기 때문에 선박에는 부적합하다. 게다가 컴프레서의 기울어짐 또는 경사 상태가 컴프레서의 작동점의 변위를 야기하기도 한다. 그로 인해 한편으로는 정의된 냉각력이 세팅될 수 없게 된다. 다른 한편으로는, 냉각 장치가 매우 악화된 효율로 작동하며 전기 에너지에 대한 수요가 비교적 높아지는 작동점들이 세팅된다. 작동점의 변위로 인해 컴프레서 하우징에 피스톤이 충돌할 위험이 있을 수 있고, 그 결과 컴프레서의 안전 차단이 실시될 수 있다.
이러한 배경에서 본 발명의 과제는, 청구항 제1항의 전제부에 따라 정의된 냉각력을 높은 효율로 발생시킬 수 있는 냉각 장치 작동 방법을 제공함으로써, 냉각 장치가 특히 선박과 같은 이동 시설에서 사용하기에 적합하도록 하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 상기 방법을 수행하기에 적합한 냉각 장치를 제공하는 것이다.
방법과 관련한 과제는 청구항 제1항에 따른 방법으로 해결된다. 상기 방법의 바람직한 실시예들은 각각 종속 청구항 제2항 내지 제8항의 대상이다. 냉각 장치와 관련한 과제는 청구항 제9항에 따른 냉각 장치에 의해 해결된다. 냉각 장치의 바람직한 실시예들은 각각 종속 청구항 제10항 내지 제15항의 대상이다.
본 발명에 따른 방법에서는 하나 이상의 가동 피스톤의 행정이 바람직하게는 사전 설정 가능한 목표값으로 제어된다. 여기서 피스톤의 행정이란 피스톤이 피스톤 왕복 운동의 제1 사점(전환점)으로부터 제2 사점(전환점)까지 이동한 구간을 의미한다. 이러한 행정의 제어를 통해 냉각 장치의 고정된 작동점이 온도와, 작동 매체의 충전 압력과, 예컨대 컴프레서의 경사 상태와 같은 다른 영향과 무관하게 세팅될 수 있다. 이때, 피스톤 행정 및 주파수에 기초하여 발생한 냉각력의 정확한 추론이 가능하다. 따라서 정의된, 특히 사전 설정 가능한 냉각력이 높은 효율로 발생하는 작동점이 세팅될 수 있다. 그러므로 상기 방식으로 작동되는 냉각 장치는 예컨대 선박과 같은 이동 시설에서 사용하기에 특히 적합하다.
한 바람직한 실시예에 따라, 행정 목표값은 냉각력의 목표값으로부터 도출되고, 사전 설정 가능한 목표값으로의 행정 제어를 통해 냉각력이 상기 목표값으로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어된다.
2개의 피스톤이 상호 동기화되어 선형으로 왕복 운동을 할 경우, 상기 두 피스톤의 행정의 평균값이 피스톤 행정의 제어를 위한 제어 변수로서 사용될 수도 있다.
상기 또는 각각의 가동 피스톤이 각각 하나의 모터에 의해 구동될 경우, 각각의 모터에 인가된 전압이 피스톤 행정의 제어를 위한 제어 변수로 사용됨으로써 피스톤 행정의 제어가 매우 정밀하게 수행될 수 있다.
피스톤 행정의 제어 시, 왕복 운동의 주파수는 사전에 확정될 수 있다.
매우 바람직한 한 실시예에 따라, 피스톤 행정의 제어 시 왕복 운동의 공진 주파수가 검출되고, 하나 이상의 가동 피스톤의 왕복 운동의 주파수가 상기 공진 주파수로 세팅된다. 그로 인해 작동 시 작동점이 자동으로 최적의 효율로 세팅될 수 있다.
공진 주파수는 모터 전류와 모터 전압 사이의 위상 편이를 통해 매우 간단하게 검출될 수 있다. 그 대안으로, 공진 주파수는 피스톤 행정의 제어를 위한 제어값을 통해서도 검출될 수 있다.
바람직하게는, 2개의 피스톤이 상호 동기화되어 선형으로 왕복 운동을 할 경우, 피스톤 행정의 제어 시 예컨대 컴프레서의 경사 상태로 인한, 피스톤들의 제로 위치와 관련한 편차 및 불규칙성이 보상된다. 왕복 운동이 수평 방향 성분뿐만 아니라 수직 방향 성분도 포함하는 컴프레서의 경사 상태에서는, 모터 동력도 수평 성분과 수직 성분을 모두 갖는다. 이 경우, 수직 성분은 중력과 상호작용한다. 그럼으로써 특정 시점에 모터 동력이 피스톤들 중 하나에서는 중력과 상호작용하는 반면, 다른 피스톤에서는 중력에 대해 반작용한다. 그 결과, 피스톤들 중 하나에서는 사점에 도달하기 위해 다른 피스톤에서보다 더 적은 구동력을 필요로 한다. 따라서, 2개의 모터에 대해 일정한 제어 변수(예: 모터 전압)로 작동될 경우 피스톤의 트래블이 변동될 수 있고, 그 결과 최대 냉각력을 감소시키는 피스톤의 제로 위치 변위가 일어나게 된다. 이는 예컨대 두 모터가 적절히 상이하게, 예컨대 두 모터의 제어 변수들의 오프셋 형태로 구동됨으로써 (예를 들어 모터 전압 내 직류 전압 성분에 의해) 보상될 수 있다.
본 발명에 따른, 초전도체를 냉각하기 위한 냉각 장치는 작동 매체의 압축을 위한 리니어 컴프레서와, 작동 매체를 팽창시켜 초전도체의 극저온 냉각제에 냉각력을 공급하기 위한 냉각 유닛을 포함하며, 상기 리니어 컴프레서는 2개의 피스톤을 포함하고, 이들 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두가 서로 동기화되어 하나의 주파수 및 행정에서 각각 다른 피스톤에 대해 선형으로 상대 운동을 할 수 있다. 상기 냉각 장치는 하나 이상의 가동 피스톤의 행정을 바람직하게 사전 설정 가능한 목표값으로 제어하도록 설계된 제어 장치를 포함한다.
바람직하게는 상기 제어 장치 내에 냉각력과 피스톤 행정 사이의 상관관계를 기술하는 데이터들이 저장된다.
한 바람직한 실시예에 따라, 냉각 장치는 피스톤 행정의 제어를 통해 냉각력을 사전 설정 가능한 목표값으로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어하기 위한 중첩형 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치를 포함한다.
하나 이상의 가동 피스톤의 피스톤 행정을 측정하기 위해, 제어 장치는 측정 장치, 바람직하게 자계 센서 또는 광학 센서를 포함할 수 있다.
상기 또는 각각의 가동 피스톤의 정밀한 고출력 구동을 위해, 냉각 장치는 바람직하게 각각 하나의 전기 모터와, 상기 모터에 사전 설정 가능한 전압 및 주파수에서 전류를 공급하기 위한 주파수 변환기를 포함한다.
한 실시예에서, 냉각 장치는 각각 하나의 주파수 변환기를 통해 주파수 동기 전압에서 각각 하나의 전기 모터에 의해 구동될 수 있는 2개의 가동 피스톤을 포함하며, 상기 모터들은 2상 교류 모터로서 형성되고, 상기 주파수 변환기들은 중간 전압 회로를 구비한 3상 변환기로서 형성되며, 상기 변환기들은 입력측에서 3상 전력망과 연결될 수 있고 출력측에서 2개의 위상을 통해 각각의 모터와 연결되며, 중간 전압 회로들에 대해 병렬로 추가 커패시터가 접속된다.
최적의 효율로 작동점을 자동 세팅하는 것은, 제어 장치가 피스톤 행정의 제어 시 왕복 운동의 공진 주파수를 검출하여 왕복 운동의 주파수를 상기 공진 주파수로 세팅하도록 설계됨으로써 가능하다.
하기에서는 도면들에 도시된 실시예들을 토대로 본 발명 및 종속 청구항들의 특징들에 따른 본 발명의 또 다른 바람직한 구성들을 더 상세히 설명한다.
도 1에는 초전도체를 구비한 모터를 포함하는 선박 추진 시스템의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 리니어 컴프레서의 개략적인 단면도이다.
도 3은 피스톤 행정에 대한 냉각력의 의존도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 리니어 컴프레서의 구동 및 제어를 위한 부품들의 개략도이다.
도 5는 리니어 컴프레서의 피스톤 행정에 대한 측정값들이 기입된 그래프이다.
도 6은 제어 프로세스의 블록회로도이다.
도 7은 주파수에 대한 냉각력 및 행정의 의존도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 2상 모터 및 3상 변환기를 포함하는 실시예의 개략도이다.
도 1에 도시된, 종래 기술로부터 공지된 선박 추진 시스템(1)은, 선체 본체 외부의 곤돌라(3) 내에 배치되며 포드 드라이브(pod drive)라고도 지칭되는 고온 초전도체 모터(HTS 모터, 2)를 포함한다. 물론 HTS 모터(2)는 선박 내부에 배치될 수도 있다. HTS 모터(2)는, 25K의 온도를 갖는 네온이 초전도체의 냉각제로서 내포되어 있는 저온 유지 장치(6) 내에 배치된 회전형 고온 초전도체 계자 권선(5)을 구비한 회전자(4)를 포함한다. 회전자(4)는 고정자(7)로 둘러싸인다. 이들 사이에는 공극이 존재한다. HTS 모터의 전류 공급은 케이블(8)을 통해 이루어진다. HTS 모터(2)는 프로펠러 샤프트(9)를 통해 프로펠러(10)와 연결된다.
저온 유지 장치(6)는 극저온 열파이프(12)를 통해 냉각 장치(20)의 냉각 유닛(22)에 연결된다. 냉각 장치(20)는 작동 매체를 위한 폐쇄 열역학 회로(21)를 포함하며, 상기 회로 내에는 냉각 유닛(22) 외에 오일-프리 리니어 컴프레서(30)와 열교환기(24)가 추가로 접속된다. 상기 회로(21)에서는 작동 매체가 컴프레서(30) 내에서 압축되고, 열교환기(24) 내에서 냉각되어, 냉각 유닛(22) 내에서 팽창됨으로써, 초전도체의 냉각제로 냉각력이 공급된다. 저온 유지 장치(6) 내에서는 증발된 냉각제가 극저온 열파이프(12)를 통해 냉각 유닛(22)에 공급되며, 상기 냉각 유닛(22)의 냉각된 표면에서 다시 재응축된다.
냉각 장치(20)가 기포드-맥마흔 원리에 따라 작동되는 경우, 냉각 유닛(22)은 소위 냉각단이다. 작동 매체로는 예컨대 헬륨 가스가 사용된다. 냉각 장치는 예컨대 맥동관 원리 또는 스털링 원리에 따라 작동될 수도 있다.
도 2에는 리니어 컴프레서(30)의 세부 사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 리니어 컴프레서(30)는 2개의 피스톤(31)을 포함하며, 상기 피스톤들은 하우징(34) 내에서 하나의 주파수(f) 및 행정(H)에서 각각 다른 피스톤(31)에 대해 화살표들(32)로 표시된 방향으로 선형으로 상대 운동을 할 수 있다. 한 변형예에서는 상기 두 피스톤(31) 중 하나는 고정 상태로 보유되고, 다른 피스톤(31)만 주파수(f) 및 행정(H)에서 상기 고정 피스톤을 향해 선형으로 움직일 수 있다.
상기 두 피스톤(31)의 구동은 각각 하나의 리니어 모터(33)에 의해 수행된다. 피스톤들의 운동에 의해, "35"로 표시된 공급관을 통해 저압 헬륨 가스가 흡입된다. 흡입된 헬륨 가스는 피스톤(31)에 의해 압축되어 "36"으로 표시된 배출관을 통해 다시 배출된다.
입력측에서는 모터들(33)로 모터 전류(I)를 발생시키는 2상 모터 전압(U)이 인가된다.
본 발명에 따라, 상기 두 피스톤(31)의 행정은 사전 설정 가능한 목표값으로 제어된다. 이 경우, 행정 목표값은 냉각 유닛(22)에 의해 초전도체(5)를 위한 냉각제(여기서는 네온)로 공급되어야 하는 냉각력의 목표값으로부터 도출된다. 이를 위해, 예컨대 도 3의 그래프는 피스톤(31)의 왕복 운동의 주파수(f)가 일정할 때 냉각력(K)과 행정(H) 사이의 상관관계를 보여준다. 여기서 알 수 있듯이, 피스톤(31)의 행정(H)이 커짐에 따라 냉각력(K)이 증가한다. 따라서 피스톤(31) 행정(H)의 제어를 통해 냉각력이 목표값으로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어될 수 있다.
피스톤(31)의 행정을 측정하기 위해, 리니어 컴프레서(30) 내부에서 두 피스톤(31) 각각에 각각의 피스톤(31)의 행정을 측정하기 위한 측정 장치(37)가 배치된다. 측정 장치(37)는 바람직하게 자계 센서(예: 홀 센서)이거나 광학 센서(예: 레이저 다이오드)이다.
도 4에는 리니어 컴프레서의 제어 및 구동을 위한 냉각 장치(20)의 또 다른 부품들이 도시되어 있다. 제어 장치(40)는 피스톤(31)의 행정을 사전 설정 가능한 목표값으로 제어하도록 설계된다. 제어 장치(40)는 조작자에 의해 수동으로 또는 냉각력의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어를 위한 중첩형 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치(50)에 의해 냉각력의 목표값(K)을 수신한다. 상기 목표값을 토대로 제어 장치(40)에서 피스톤(31)의 행정을 위한 목표값 및 피스톤(31) 왕복 운동의 주파수가 도출된다. 이를 위해 제어 장치(40)에는 냉각력과, 피스톤 행정과, 공진 주파수 사이의 상관관계를 기술하는 데이터들(41)이 저장된다. 상기 상관관계는 경우에 따라 사전에 실험을 통해 검출된 것들일 수 있다.
리니어 모터(33)에 주파수(fU)를 갖는 사전 설정 가능한 전압(U)을 공급하기 위해 각각 하나의 주파수 변환기(43)가 이용된다. 주파수 변환기(43)의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어를 위해 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 유닛(44)이 이용된다.
피스톤 행정의 제어를 위한 제어 변수로서 두 피스톤(31)의 행정의 평균값이 사용된다. 이를 위해 제어 장치(40)는 측정 장치(37)로부터 신호 라인(42)을 통해 피스톤 위치들의 실제값을 포착하여, 그로부터 두 피스톤(31) 행정의 평균값을 검출한다. 측정 장치(37)의 출력 신호들, 예컨대 전압은 행정의 적어도 하나의 주기, 즉 하나의 완전한 왕복 운동에 걸쳐, 측정된다.
이때, 상기 두 피스톤의 행정은 한 번의 왕복 운동 주기 내에서 피스톤들의 운동 방향이 전환되는 피스톤들의 2개의 사점 사이의 편차로부터 측정된다. 이와 관련하여 도 5에는 예컨대 하나의 왕복 운동 주기 내에서 시간(t)에 걸쳐 두 피스톤(31)의 행정(H)의 거동을 나타내는 상이한 측정값들이 도시되어 있다. 상기 측정 지점들로부터 각각의 피스톤(31)의 피스톤 행정의 최소값과 최대값, 그리고 주기 당 피스톤들의 행정이 산출된다.
주기 당 두 피스톤의 행정의 평균값으로부터 제어 장치(40)의 제어기(45)에 공급되는 실제값(HIm)이 도출된다. 이와 관련하여 도 6에는 제어기(45) 및 제어 구간(46)을 이용하는 제어 프로세스의 블록회로도가 도시되어 있다. 제어기(45)는 피스톤 행정의 실제값(HIm)과 목표값(HS) 사이의 편차로부터 제어값[여기서는 모터 전압(U)의 목표값(US)]을 결정하며, 이 목표값(US)은 제어 장치(20)에 의해 모터 전압의 주파수의 목표값(fs)과 함께 주파수 변환기(43)의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 유닛(44)으로 전달된다. 그에 후속하여 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 유닛(44)은 두 주파수 변환기(43)의 출력 전압을 요구된 목표값(US 및 fs)으로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어하며, 이때 2개의 리니어 모터(33)에 주파수 동기 전압이 공급된다.
제어기(45)는 예컨대 I 제어기이다. 제어기(45)의 정확한 설계는 바람직하게 제어 구간의 계단 응답들 및 전체 시스템의 안내 거동의 평가 후에 실시된다.
따라서 피스톤 행정의 제어를 위한 제어 변수로서 모터들(31)에 인가되는 모터 전압(U)이 사용된다. 이 경우, 피스톤 행정의 제어 시 왕복 운동의 주파수가 확정될 수 있다. 물론 예컨대 온도 및 충전 압력과 같은 상이한 작동 매개변수들의 공진 주파수로 인해, 냉각 장치(20)가 악화된 효율로 구동될 위험이 있다. 이와 관련하여 도 7에는 주파수(f)에 걸쳐 행정(H)과 냉각력(K) 사이의 가능한 상관관계의 예가 도시되어 있다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 냉각력과 행정의 최대치는 공진 주파수(fo)의 범위 내에 위치한다. 그러므로 바람직하게는 피스톤 행정의 제어 시 제어 장치(20)에 의해 왕복 운동의 공진 주파수가 검출되고, 왕복 운동의 주파수가 상기 공진 주파수로 세팅된다. 이로써 냉각 장치(20)는 임의의 작동점에서 최적의 효율로 작동될 수 있다.
공진 주파수는 제어 장치(40) 내에 저장된, 공진 주파수와 작동 매개변수들(예: 온도) 사이의 상관관계를 토대로 검출되고 제어될 수 있다. 바람직하게는 공진 주파수가 자동으로 최적값으로 제어된다. 이를 위해 제어 장치(40)에 의해 모터 전압의 주파수에 대한 목표값(fs)이 변동됨으로써, 모터 전압(U)의 사전 설정된 일정한 진폭에서 정해진 시간 간격으로 모터 전압의 주파수(fU)가 더 큰 주파수 및 더 작은 주파수로 자동으로 변동하며, 이때 모터 전압(U)과 모터 전류(I) 사이의 위상 편이가 검출된다. 상기 위상 편이가 최대일 때 공진 주파수가 존재한다.
이를 위해 제어 장치(40)는 주파수 변환기(43) 또는 상기 변환기의 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 유닛(44)으로부터 모터 전압(U) 및 모터 전류(I)의 측정값들을 수신하여 위상 편이를 검출한다. 위상 편이의 검출은 변환기들(43) 또는 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 유닛(44)에서 직접 실행되어 제어 장치(40)로 전송될 수도 있다.
그 대안으로 공진 주파수는 피스톤 행정의 제어를 위한 제어값을 통해서도 검출될 수 있다. 이 경우, 공진 주파수는 제어값(여기서는 모터 전압)이 최소일 때의 주파수이다.
바람직하게는, 피스톤 행정의 제어 시 제어 장치(40)에 의해 예컨대 컴프레서(20)의 경사 상태로 인한, 피스톤(31)의 제로 위치와 관련한 편차 및 불규칙성이 고려된다. 상기 편차 및 불규칙성은 두 변환기(43)의 상이한 목표값 세팅들에 의해 (예컨대 모터 전압 내 직류 전압 성분의 형태로) 보상될 수 있다.
추가로 제어 장치(40)는, 목표값 감소를 통해 하우징 벽들로의 피스톤 충돌 및 과도한 모터 전류를 방지하는 모니터링 장치를 더 포함할 수 있다. 이를 위해 제어 장치(40)는 측정 장치(37)에 의해 측정된 극한값들이 사전 설정된 한계값을 초과하는지 모니터링한다.
2개의 리니어 모터(33)에 단일 주파수 변환기(43)에 의해 공동으로 전력이 공급될 수도 있다. 그러나 이 경우, 피스톤 행정의 제어 시 예컨대 컴프레서가 기울어진 경우 피스톤의 제로 위치와 관련한 편차 및 불규칙성의 보상을 위해 상기 두 모터가 상이하게 구동되지 못할 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에 따르면 모터들(33)은 2상 교류 모터로서 형성된다. 예컨대 선박과 같은 대형 시설의 에너지 공급망은 대개 3상 교류 전력망(60)으로 형성되기 때문에, 전력망(60)의 대칭 부하를 보장하기 위해 주파수 변환기(43)는 각각 하나의 전력망측 변환기(61)와, 모터측 변환기(62)와, 이들 사이에 배치된 중간 전압 회로(63)로 구성된다.
그러나, 시중의 변환기(43)를 사용할 경우 상기 변환기가 중간 회로(63)의 2상 부하를 전력망의 위상 에러로서 인식하여 상기 전력망을 차단할 위험이 있다. 이를 해결하기 위해, 두 변환기(43)의 중간 회로(63)에 대해 병렬로 접속되는 추가의 커패시터(64)를 통해 두 변환기(43)의 중간 회로 전압이 안정화된다.
냉각 장치(20)에 의해 생성된 냉각력은 이제 행정 제어를 통해 개회로 제어 또는 폐회로 제어될 수 있다. 이 경우, 컴프레서의 효율은 단지 약 1%에 불과하기 때문에, 공급 전력의 막대한 잠재적 절약이 제공된다. 시중의 컴프레서들은 항상 전부하 상태에서 가동되며, 불필요한 냉각력은 재가열에 의해 보상되거나 소멸된다. 이때, 1W의 소멸 냉각력은 전력망으로부터 제공된 100W의 소멸 전력에 상응한다. 본 발명에 따른 제어 및 구동을 통해, 온도 변화 또는 다른 작동상의 영향들(예: 컴프레서의 경사 상태)로 인해 작동점이 변동하지 않으면서, 컴프레서가 고정 작동점에 유지될 수 있다. 피스톤들의 충돌 및 그에 수반되는 컴프레서의 안전 차단도 방지될 수 있다.
이 경우, 컴프레서가 기울어지거나 경사 상태에 있을 때에도 고정 세팅된 작동점은 유지될 수 있다. 이는 선박에서 컴프레서를 사용하는 데 있어 중요한 전제 조건이다. 제어 및 구동을 위해 사용되는 부품들의 경우 이미 선박에 적합하게 설계되어 상용화되어 있으므로, 본 발명에 따른 냉각 장치는 선박에 매우 적합하게 설계될 수 있다.
컴프레서의 작동점은 작동 주파수의 자동 재조정을 통해 항상 공진 지점 근처에서 작동될 수 있다. 그로 인해, 컴프레서가 항시 공진점에서, 즉 최적의 효율로, 작동되는 점이 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 장치를 이용하여, 하나의 그룹으로서 작동되는 복수의 컴프레서가 동시에 개회로 제어 또는 폐회로 제어될 수도 있다. 예컨대 HTS 동기기의 경우 냉각 장치(냉동기)가 4개까지 필요하고, 이들 중 예컨대 2개는 여유분으로서 제공된다. 이제 그러한 2개의 장치가 전부하 상태로 가동될 수 있도록 하는 대신, 모든 4개의 장치가 부분 부하 상태로 가동될 수 있다. 그 결과, 모든 4개의 장치가 효율에 유리한 범위 내에서 작동될 수 있다.

Claims (15)

  1. 초전도체(5)를 냉각하기 위한 냉각 장치(20)의 작동 방법이며,
    상기 냉각 장치(20)는 작동 매체를 압축하기 위한 리니어 컴프레서(23) 및 상기 작동 매체를 팽창시켜 초전도체(5)의 극저온 냉각제에 냉각력(K)을 제공하기 위한 냉각 유닛(22)을 포함하며, 상기 리니어 컴프레서(23)는 2개의 피스톤(31)을 포함하고, 이들 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두가 서로 동기화되어 하나의 주파수(f) 및 행정(H)에서 각각 다른 피스톤에 대해 선형으로 상대 운동을 할 수 있는, 냉각 장치의 작동 방법에 있어서,
    하나 이상의 가동 피스톤(31)의 행정(H)이 바람직하게는 사전 설정 가능한 목표값으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 행정(H) 목표값은 냉각력(K)의 목표값으로부터 도출되고, 사전 설정 가능한 목표값으로의 행정(H) 제어를 통해 냉각력(K)이 상기 목표값으로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 2개의 피스톤(31)이 상호 동기화되어 선형으로 왕복 운동을 할 경우, 상기 두 피스톤의 행정의 평균값이 피스톤 행정의 제어를 위한 제어 변수로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 가동 피스톤(31)이 각각 하나의 모터(33)에 의해 구동되며, 각각의 모터(33)에 인가된 전압(U)이 피스톤 행정(H)의 제어를 위한 제어 변수로 사용되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 행정(H)의 제어 시, 왕복 운동의 주파수(f)는 사전에 확정되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 행정(H)의 제어 시, 왕복 운동의 공진 주파수(fo)가 검출되고, 상기 왕복 운동의 주파수(f)가 상기 공진 주파수(fo)로 세팅되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 공진 주파수(fo)는 모터 전류(I)와 모터 전압(U) 사이의 위상 편이를 통해, 또는 피스톤 행정의 제어를 위한 제어값을 통해 검출되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 행정(H)의 제어 시 피스톤들(31)의 제로 위치와 관련한 편차 및 불규칙성이 보상되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치의 작동 방법.
  9. 작동 매체를 압축하기 위한 리니어 컴프레서(23) 및 상기 작동 매체를 팽창시켜 초전도체(5)의 극저온 냉각제에 냉각력(K)을 제공하기 위한 냉각 유닛(22)을 포함하는, 초전도체(5)를 냉각하기 위한 냉각 장치(20)이며,
    상기 리니어 컴프레서(23)는 2개의 피스톤(31)을 포함하고, 이들 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두가 서로 동기화되어 하나의 주파수(f) 및 행정(H)에서 각각 다른 피스톤에 대해 선형으로 상대 운동을 할 수 있는, 냉각 장치에 있어서,
    하나 이상의 가동 피스톤(31)의 행정(H)을 바람직하게는 사전 설정 가능한 목표값으로 제어하도록 설계된 제어 장치(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
  10. 제9항에 있어서, 제어 장치(40) 내에는 냉각력(K)과 피스톤 행정(H) 사이의 상관관계를 기술하는 데이터들(41)이 저장되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 피스톤 행정(H)의 제어를 통해 냉각력(K)을 사전 설정 가능한 목표값으로 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어하기 위한 중첩형 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어 장치(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 장치(40)는, 하나 이상의 가동 피스톤(31)의 피스톤 행정(H)을 측정하기 위해, 측정 장치(37), 특히 자계 센서 또는 광학 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또는 각각의 가동 피스톤(31)의 구동을 위해, 각각 하나의 전기 모터(33) 및 상기 모터(33)에 사전 설정 가능한 전압 및 주파수에서 전류를 공급하기 위한 주파수 변환기(43)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
  14. 제13항에 있어서, 각각 하나의 주파수 변환기(43)를 통해 주파수 동기 전압에서 각각 하나의 전기 모터(33)에 의해 구동될 수 있는 2개의 가동 피스톤(31)을 포함하며, 상기 모터들(33)은 2상 교류 모터로서 형성되고, 상기 주파수 변환기들(43)은 중간 전압 회로(63)를 구비한 3상 변환기로서 형성되며, 상기 변환기들(43)은 입력측에서 3상 전력망(60)과 연결될 수 있고 출력측에서 2개의 위상을 통해 각각의 모터(33)와 연결되며, 중간 전압 회로들(63)에 대해 병렬로 추가 커패시터(65)가 접속되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 장치(40)는, 피스톤 행정(H)의 제어 시 왕복 운동의 공진 주파수(fo)를 검출하여 왕복 운동의 주파수(f)를 상기 공진 주파수(fo)로 세팅하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(20).
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