KR20140043300A - 극저온 요소를 위한 단열재 - Google Patents

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루번 페어
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Abstract

본 발명은 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1)를 제공한다. 이 단열재는 금속화 폴리머 필름과 폴리머 네팅의 교번층들을 포함하는 다층의 단열 재료로 형성된 내측부(4)를 포함한다. 외측의 서포팅 메쉬(5)가 내측부(4)를 둘러싸며 스테인리스강으로 형성된다. 단열재(1)는, 서포팅 메쉬(5)가 극저온 요소(2)의 움직임에 기인한 힘에 의해 유발되는 손상에 대항하여 내측부(4)를 지지하도록 작용하므로, 동작 중에 움직이는 극저온 요소(2)를 단열하기에 특히 적합하다.

Description

극저온 요소를 위한 단열재{INSULATION FOR A CRYOGENIC COMPONENT}
본 발명은, 극저온으로 차가운 요소의 단열재에 관한 것이다.
어떤 기계들에 있어서, 요소들은, 적절히 동작하기 위해 극저온으로 추운 온도 범위에서 유지될 것이 요구된다. 예를 들면, 초전도 전기 기계의 초전도 요소들은, 그들이 초전도성을 나타내는 온도에서 유지될 것이 요구된다. 어떤 요소를 극저온 온도 범위에 유지시키기 위해서는, 당해 요소를 냉각시키는 일과, 당해 요소를 동일 온도 범위에 유지되지 않는 인접한 요소들로부터 단열시키는 일의 양방이 필요하다. 극저온 요소가 진공 챔버 내에 들어있다고 하더라도, 그 요소의 가열을 최소화하기 위해서는, 그 요소를 데우는 복사열 부하를 방지하기 위해 그 요소를 더욱 단열시키는 일이 일반적으로 필요하다.
종래, 극저온 요소들은, 그 요소를 다층의 단열재에 랩핑(wrapping)함으로써 단열되었다. 이 단열재는 알루미나이즈드(aluminized) 이축 연신(biaxially-oriented) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(예컨대, Mylar®)와 폴리에스테르 네트의 교번적인 얇은 시트들로 구성된다. 다층의 단열재는 필연적으로 매우 가볍고 연약하다.
다수의 정지상태의 극저온 요소들에 있어서는, 다층의 단열재가 그 요소 둘레에 랩핑되고 극저온 테이프에 의해 적절한 위치에 유지되는 것으로 충분하다. 그러나, 동작 중에 정지상태가 아니라 움직이는 극저온 요소들에 있어서는, 그 요소의 동작 중에 다층의 단열재가 피로해질 수 있고 심지어는 찢어지거나 갈라질 수 있다. 이것은, 다층의 단열재의 단열 효율에 있어서의 심각한 감소를 초래할 수 있다. 이 효과는 동작 중에 회전하며 큰 원심력을 받는 극저온 요소들에 있어서 특히 나타난다. 이러한 극저온 요소들의 일례는, 고속 초전도 회전 전기 기계에서 찾을 수 있는 극저온 요소들일 수 있다.
상기한 바를 감안하여, 동작 중에 극저온 요소의 움직임에 기인한 힘에 대해 향상된 저항성을 제공하는 극저온 요소를 위한 향상된 단열재가 요구된다. 특히, 고속 초전도 회전 전기 기계의 극저온 요소를 위한 향상된 단열재가 요구된다.
본 발명은, 금속화(metalized) 폴리머 필름과 폴리머 네팅(netting)의 교번층들을 포함하는 다층의 단열 재료로 형성되는 내측부와, 상기 내측부를 실질적으로 둘러싸는 스테인리스강으로 형성된 외측의 서포팅 메쉬를 포함하는, 극저온 요소를 위한 단열재를 제공한다.
본 발명의 단열재는, 극저온 요소의 움직임에 기인하는 힘들에 대항하여 다층의 단열 재료의 내측부를 보호하도록 작용하는 외측의 서포팅 메쉬를 추가적으로 포함하는 점에 있어서, 종래 기술에 따른 단열재보다 유리하다.
본 발명의 단열 재료는 다층의 단열 재료이다. 다층의 단열 재료들은, 단층으로 형성된 단열재보다 훨씬 양호한 단열을 제공할 수 있으므로, 일반적으로 바람직하다. 이 다층의 재료는 금속화 폴리머 필름과 폴리머 네팅(netting)의 교번층들을 포함한다. 이 층들은 임의의 적합한 금속화 폴리머 필름과 임의의 적합한 폴리머 네팅으로 형성될 수 있다. 그러나, 금속화 폴리머 필름이 알루미나이즈드 이축 연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트(예컨대, Mylar®)인 것이 바람직하며, 또한 폴리머 네팅이 폴리에스테르 네트인 것이 바람직하다. 이들 재료 중 하나 또는 둘 모두가, 당업자에게 알려진 임의의 실질적으로 대등한 재료로 대체될 수 있음을 쉽게 알 수 있다.
본 발명의 서포팅 메쉬는 스테인리스강으로 형성되는데, 왜냐하면 그 상대적으로 높은 강도와, 우수한 내부식성과, 극저온 온도에서 그리고 고진공에서 사용함에 있어서의 적합성 때문이다. 차량 소음기나 작은 포유동물을 위한 울타리(fencing) 제조시에 사용되는 것 등, 실질적으로 종래의 스테인리스강 메쉬가 본 발명에 따른 단열재에서 사용될 수 있다. 그러나, 특별히 설계되고 본 발명에서 사용하려고 의도된 특별히 제조된 스테인리스강 메쉬를 사용하는 것이 바람직하다.
유리하게는, 본 발명의 단열재는 내측부를 극저온 요소 둘레의 적절한 위치에 유지하기 위한 접착 테이프를 더 포함할 수 있다. 이 접착 테이프는, 그 접착 테이프가 극저온 요소 둘레에 위치된 후, 그리고 외측의 서포팅 메쉬가 내측부 둘레에 랩핑되기 전에, 내측부에 적용될 수 있다. 이 접착 테이프는, 극저온 온도에서 그리고 고진공에서 사용하기에 적합한 임의의 테이프일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시형태에서, 상기 접착 테이프는 알루미나이즈드 이축 연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트 테이프를 포함할 수 있다.
단열재는, 극저온 요소의 표면으로부터 상기 내측부를 이격시키기 위한, 저열전도율 재료의 밴드들로 형성되는 것이 바람직한, 복수의 스페이스를 더 포함할 수 있다. 스페이서들은, 극저온 요소의 표면으로부터 떨어뜨려 단열 재료의 내측부를 유지하도록 작용할 수 있다. 당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 극저온 요소 둘레에 직접적으로 랩핑되어 있는 단열 재료에 대해 스페이서들을 사용하는 것은, 극저온 요소의 향상된 단열을 제공할 수 있으므로 바람직하다.
본 발명의 단열재가 스페이서들을 포함할 경우, 이들은 극저온 온도에서 그리고 고진공에서 사용하기에 적합한 임의의 재료로 형성될 수 있다. 유리하게는, 상기 스페이서들은 유리 강화 플라스틱(GRP) 또는 탄소 강화 플라스틱(CRP)으로 형성될 수 있다.
사용시에, 본 발명의 서포팅 메쉬는, 당업자에게 자명한 방법 또는 임의의 수단을 사용하여 내측부 둘레의 적절한 위치에 유지될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 단열재는, 본 발명의 일부를 이룰 수 있는 임의의 스페이서들을 먼저 위치시킴으로써 극저온 요소 둘레에 위치될 수 있다. 이어서, 내측부는 스페이스들 위에 놓여지고, 접착 테이프 또는 임의의 다른 적합한 수단을 사용하여 차단(closed off)되고 적당한 위치에 유지된다. 최종적으로, 서포팅 메쉬는 내측부 둘레에 느슨하게 랩핑되고 적합한 방식으로 적당한 위치에 고정될 수 있다. 상기 서포팅 메쉬를, 당해 서포팅 메쉬가 적당한 위치에 유지되기 위해 요구되는 최소의 장력으로 랩핑함으로써, 바람직하게는, 내측부 둘레의 서포팅 메쉬의 랩핑에 의한 내측부의 압축이 최소화될 것이다. 내측부의 지나친 압축은, 내측부의 단열 특성을 감소시킬 수 있으므로, 바람직하지 않다. 스페이서들의 활용은 내측부의 압축을 최소화하는 것을 도울 수 있는데, 왜냐하면 스페이서들의 활용은, 스페이서들에 의해 직접적으로 서포트되는 내측부의 섹션들에 내측부의 압축이 국한되도록 보장할 수 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에서, 단열재는 내측부 둘레에 서포팅 메쉬를 유지하기 위한 와이어 타이들을 더 포함한다. 와이어 타이들은, 당업자에게 즉시 자명한 방식으로 상기 와이어 메쉬를 적절한 위치에 묶는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 와이어 타이들은 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 그러나, 임의의 적합한 재료로 와이어 타이들을 형성할 수 있음을 이해할 수 있다.
또한, 본 발명은, 극저온 요소를 단열하는 방법으로서, 금속화 폴리머 필름과 폴리머 네팅의 교번층들을 포함하는 다층의 단열 재료로 형성된 내측부로 상기 극저온 요소를 둘러싸는 단계와, 스테인리스강으로 형성된 서포팅 메쉬에 상기 내측부를 랩핑하는 단계를 포함하는, 극저온 요소를 단열하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은, 서포팅 메쉬에 내측부를 랩핑함은, 극저온 요소의 움직임에 기인한 힘들에 대항하여 단열 재료의 내측부를 보호하도록 작용하므로 유리하다.
유리하게는, 본 발명의 방법은, 극저온 요소를 내측부로 둘러싸기 전에 저열전도율 재료로 형성된 스페이서들에 의해 극저온 요소를 오버바인딩(over-binding)하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 방법을 사용하여 극저온 요소를 단열할 경우에, 내측부는 당업자에게 자명한 임의의 적합한 방식으로 적절한 위치에 유지될 수 있다. 그러나, 내측부가 접착 테이프에 의해 적절한 위치에 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 서포팅 메쉬는 당업자에게 자명한 임의의 적합한 방식으로 적절한 위치에 유지될 수 있다. 그러나, 서포팅 메쉬가 적어도 하나의 와이어 타이를 사용하여 적절한 위치에 유지되는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 방법은, 본 발명에 따른 단열재에 의해 극저온 요소를 단열하는 단계를 실질적으로 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상술한 단열재의 모든 특징 및 재료들이 본 발명의 방법에 적용가능하다. 예를 들어, 내측부는 알루미나이즈드 이축 연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 폴리에스테르 네트의 교번층들로 형성된 다층의 단열재로 형성되는 것이 바람직하며, 임의의 스페이서들은 탄소 강화 플라스틱 또는 유리 강화 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다.
단열재는, 진공 챔버 또는 크라이오스탯(cryostat)(예컨대, 구조적 마운팅) 또는 크라이오스탯 자체의 일부 내에 위치되는 임의의 요소를 포함할 수 있는, 임의의 적합한 극저온 요소 둘레에 위치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 동작 중에 극저온 요소의 움직임에 기인한 힘에 대해 향상된 저항성을 제공하는 극저온 요소를 위한 향상된 단열재, 특히, 고속 초전도 회전 전기 기계의 극저온 요소를 위한 향상된 단열재가 제공된다.
도면에 도시되고 이하 논의되는 바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명으로부터, 본 발명의 추가의 상세 및 이점이 분명해진다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 단열재에 의해 단열된 극저온 요소의 개략적인 단면이다.
도 1에는, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 단열재(1)가 도시되어 있다. 단열재(1)는, 극저온 요소(2) 둘레에 위치된 상태로 도시되어 있다. 도 1은 개략적인 도면이므로, 단열재(1)의 서로 다른 층들의 상대적인 두께는 정확하게 도시되어 있지 않음을 이해해야한다.
단열재(1)는 복수의 스페이서(3)와, 다층의 단열재로 형성된 내측부(4)와, 서포팅 메쉬(5)를 포함한다. 스페이서(3)들은 유리 강화 플라스틱(GRP:glass reinforced plastic)의 밴드(band)들이다. 내측부(4)는, 알루미나이즈드 이축 연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터 네트의 교번층들을 포함하는 종래의 다층의 단열재로 형성된다. 서포팅 메쉬(5)는 스테인리스강으로 형성된다.
단열재(1)는 다음의 방식으로 극저온 요소(2) 둘레에 랩핑된다.
우선, 스페이서(3)들에 의해 극저온 요소(2)를 오버바인딩한다. 스페이서(3)들은 단열재(1)의 내측부(4)를 서포트하기에 적합한 위치들에 배치된다. 구체적으로는, 스페이서(3)들은 서로에 대해 실질적으로 평행하며, 극저온 요소의 외면 둘레에 실질적으로 규칙적 간격으로 배치된다.
이어서, 단열재의 내측부(4)가 스페이서들 위에 놓여지고, 종래 방식으로 알루미나이즈드 이축 연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트 테이프(도시하지 않음)를 사용하여 차단(closed off)되고 적절한 위치에 유지된다.
최종적으로, 서포팅 메쉬(5)가 내측부(4) 둘레에 느슨하게 랩핑되고 스테인리스강(도시하지 않음)의 짧은 길이를 사용하여 적절한 위치에 묶여진다.
서포팅 메쉬(5)가 내측부(4) 둘레에 랩핑되는 장력은 중요하다. 서포팅 메쉬(5)가 지나치게 타이트하게 랩핑되면, 이는 내측부(4)를 과도하게 압축하여 단열재(1)에 의해 제공되는 단열의 량을 감소시킬 것이다. 그러나, 서포팅 메쉬(5)가 지나치게 느슨하게 랩핑되면, 이는 극저온 요소의 움직임(예컨대, 회전)에 의해 생성되는 힘들에 대항하여 내측부(4)에 적당한 서포트를 제공하지 못할 것이다.
또한, 서포팅 메쉬(5)의 구멍 사이즈도 중요한 고려사항이다. 이 구멍 사이즈는, 내측부에 과도한 압축이 인가되지 않음을 보장할 정도로 충분히 커야한다. 그러나, 상기 구멍 사이즈는, 서포팅 메쉬(5)가 내측부(4)에 부적합한 서포트를 제공할 정도로 커서는 안 된다. 서포팅 메쉬(5)의 적절한 구멍 사이즈는, 단열되는 극저온 요소(2)와, 그 극저온 요소가 동작하는 조건에 좌우될 것이다. 서포팅 메쉬(5)의 상기 적절한 구멍 사이즈는 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있어야 한다.

Claims (13)

  1. 금속화(metalized) 폴리머 필름과 폴리머 네팅(netting)의 교번층들을 포함하는 다층의 단열 재료로 형성되는 내측부(4)와,
    상기 내측부를 실질적으로 둘러싸는 스테인리스강으로 형성된 외측의 서포팅 메쉬(5)를 포함하는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다층의 단열 재료는 알루미나이즈드(aluminized) 이축 연신(biaxially-oriented) 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 폴리에스테르 네트의 교번층들을 포함하는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 극저온 요소(2) 둘레의 위치에 상기 내측부(4)를 유지하기 위한 접착 테이프를 더 포함하는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접착 테이프는 알루미나이즈드 이축 연신 폴리에틸렌 테레프탈레이트 테이프인, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극저온 요소(2)의 표면으로부터 상기 내측부(4)를 이격시키기 위한, 저열전도율 재료의 밴드(band)들로 형성된 복수의 스페이서(3)를 더 포함하는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스페이서(3)들은 유리 강화 플라스틱으로 형성되는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스페이서(3)들은 탄소 강화 플라스틱으로 형성되는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서포팅 메쉬(5)를 상기 내측부(4) 둘레에 유지하기 위한 와이어 타이(wire tie)들을 더 포함하는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 와이어 타이들은 스테인리스강으로 형성되는, 극저온 요소(2)를 위한 단열재(1).
  10. 극저온 요소(2)를 단열하는 방법으로서,
    금속화 폴리머 필름과 폴리머 네팅의 교번층들을 포함하는 다층의 단열 재료로 형성된 내측부(4)로 상기 극저온 요소(2)를 둘러싸는 단계와,
    스테인리스강으로 형성된 서포팅 메쉬(5)에 상기 내측부(4)를 랩핑하는 단계를 포함하는, 극저온 요소(2)를 단열하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 극저온 요소(2)를 상기 내측부(4)로 둘러싸기 전에 저열전도율 재료의 밴드들로 형성된 스페이서(3)들에 의해 상기 극저온 요소(2)를 오버바인딩(over-binding)하는 단계를 더 포함하는, 극저온 요소(2)를 단열하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 내측부(4)는 접착 테이프에 의해 위치가 유지되는, 극저온 요소(2)를 단열하는 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서포팅 메쉬(5)는 적어도 하나의 와이어 타이(wire tie)를 사용하여 위치가 유지되는, 극저온 요소(2)를 단열하는 방법.
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