KR20140049015A - 냉각제 이송용 윅 형태의 재료를 포함한 냉각 장치 - Google Patents

냉각제 이송용 윅 형태의 재료를 포함한 냉각 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 특히 콜드 헤드(5)에 결합된, 기체 냉각제를 액화하기 위한 응축기(4)와, 냉각될 대상(9)을 냉각하기 위해 액체 냉각제(3)를 증발시키기 위한 증발기(8)와, 상기 응축기(4)와 증발기(8) 사이에서 냉각제(3)를 이송하기 위한 히트 파이프(7)를 포함하는 냉각 장치(1, 1', 1")에 관한 것으로, 상기 냉각 장치에서는 모세관 효과를 바탕으로 액체 냉각제(3)를 이송하기 위해 윅 형태의 재료 구조물(11)이 이용되며, 액체 냉각제(3)의 이송 방향으로 히트 파이프(7)를 관통하여 놓인 회전축을 중심으로 상기 재료 구조물(11)을 회전시키기 위한 회전 장치(13)가 제공된다.

Description

냉각제 이송용 윅 형태의 재료를 포함한 냉각 장치{COOLING DEVICE WITH WICK-LIKE MATERIAL FOR TRANSPORT OF COOLANT}
본 발명은, 특히 콜드 헤드(cold head)에 결합된, 기체 냉각제를 액화하기 위한 응축기와, 냉각될 대상을 냉각시키기 위해 액체 냉각제를 증발시키기 위한 증발기와, 상기 응축기와 증발기 사이에서 냉각제를 이송하기 위한 히트 파이프를 포함하는 냉각 장치에 관한 것으로, 상기 냉각 장치에서는 모세관 효과를 바탕으로 액체 냉각제를 이송하기 위해 윅(wick) 형태의 재료 구조물이 이용된다. 그 밖에도, 본 발명은 상기 유형의 냉각 장치를 포함하는 초전도 기기에 관한 것이다.
최근의 냉각 장치들에서는 주로 추가 에너지를 많이 소모하지 않는 냉각제 이송의 실현이 추구되고 있다. 특히 이와 관련하여, 다양한 효과를 바탕으로 특히 액체 냉각제가 증발기로 자동 이송될 수 있는 히트 파이프의 이용이 공지되었다. 이를 위해 종래 기술에서 기본적으로 공지된 가능성 중 하나는 모세관 효과를 이용하는 것이다. 이 경우, 내부에 중공 공간이 존재하는 윅 형태의 재료가 이용되며, 상기 중공 공간을 통해 액체 냉각제가 모세관 효과를 바탕으로 특히 중력의 반대 방향으로도 전진할 수 있다.
모세관 효과의 이용은, 특히 표면 장력이 극히 작은 극저온 냉각제의 경우에 문제가 되는 것으로 알려졌는데, 이는 특히 증발기에서 냉각제의 배출을 어렵게 한다.
이러한 문제는 예컨대 초전도 기기에서도 발생하는데, 예컨대 고온 초전도 기기의 경우 통상 액체 네온이 냉각제로 사용된다. 이 경우, 냉각제 이송은 중력에 의해 유동되는 방식으로 실현될 수 있다. 또는, 예컨대 냉각제 저장 탱크가 냉각될 대상, 특히 회전자보다 더 높게 배치되는 점이 항상 보장될 수는 없는 선박에 대한 적용이 공지되어 있다. 예컨대 고온 초전도 기기의 냉각될 회전자가 제공된 극저온 액체 냉각제보다 더 높게 위치한다면, 상기 극저온 냉각제는 상향으로 이송되어야 하는데, 이는 윅 형태의 재료에 의해서는 충분히 효과적으로 실현되지 못할 경우가 일부 있다. 따라서 극저온 냉각제를 상향으로 이송하기 위해 저온에 적합한 특수 펌프들을 이용하는 점이 제안되었으나, 이러한 펌프들은 비싸고 그 자체의 에너지 소모가 많기 때문에 초전도 기기의 효율이 저하된다.
그러므로 본 발명의 과제는, 냉각제, 특히 극저온 냉각제 및/또는 표면 장력이 작은 냉각제를 모세관 효과를 이용하여 효과적으로 이송하고, 증발을 위해 증발기 내로 전달할 수 있는 방법을 제시하는 것이다.
상기 과제의 해결을 위해, 도입부에 언급한 유형의 냉각 장치의 경우, 본 발명에 따라, 히트 파이프를 관통하여 액체 냉각제의 이송 방향으로 놓인 축을 중심으로 재료 구조물을 회전시키기 위한 회전 장치가 제공된다. 즉, 본 발명은 한편으로 액체 냉각제, 특히 극저온 냉각제, 예컨대 네온을 상향으로도 이송하기 위해 모세관 효과, 예컨대 일종의 윅을 이용한다. 냉각 장치의 작동 동안 재료 구조물이 본 발명에 따라 특히 냉각될 대상과 무관하게 또는 그 대상과 함께 회전함으로써, 작용하는 원심력에 의해 액체 냉각제는 특히 액적으로서 재료 구조물로부터 분리되어, 반경 방향으로 바깥쪽을 향해 증발기 내로, 특히 냉각될 대상의 증발 표면 또는 그 내부로, 예컨대 초전도 기기의 회전자의 중공 내부 챔버 내로 던져진다. 냉각될 대상은 증발하는 냉각제에 의해 냉각되고, 이때 발생하는 기체 냉각제는 히트 파이프를 통해 다시, 특히 콜드 헤드와 결합된 응축기로 안내되어, 거기서 다시 액화될 수 있다.
즉, 냉각액을 이송하기 위한 모세관 효과는, 특히 극저온 냉각제의 경우, 중력에 대항하여서도 이용되며, 이 경우 회전에 의해 원심력이 이용됨으로써 최초로 이송 구간의 단부에서 효과적인 방출이 가능해진다.
그러므로 바람직하게는 능동 냉각제 펌프가 불필요함에 따라, 이와 관련한 수고, 비용 및 고장 위험이 감소할 수 있다. 냉각될 대상, 예컨대 이미 회전하고 있는 초전도 기기의 회전자와 함께 재료 구조물을 가동하는 점이 고려될 수 있기 때문에, 추가적인 출력 손실은 극미하거나, 전혀 존재하지 않는다. 그러므로 냉각 장치의 매우 간단하고 경제적인 구성이 가능해진다. 액체 냉각제는 중력에 대항하여 상향으로도 이송될 수 있고, 그리고 나서 이송 구간의 단부에서 효과적으로 방출될 수 있다.
이 경우, 매우 바람직하게는, 재료 구조물이 증발기 측에서 회전축을 기준으로 반경 방향으로 펼쳐진다. 이는, 이송 구간의 단부에서 모세관들이 회전축으로부터 멀어지면서 펼쳐짐을 의미하며, 그 결과 모세관들 단부에서의 원심력이 현저히 증대됨에 따라 재료 구조물로부터 액체 냉각제의 방출이 명백히 개선된다. 그러므로 모세관들이 반경 방향으로 펼쳐지는 점, 그리고 모세관들의 단부에서 작용하는 원심력의 증대를 통해, 냉각제가 더욱 원활하게 방출되어 증발기의 증발 표면 으로 공급된다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 재료 구조물은 증발기 측 배출 영역 및 응축기 측 유입 영역의 외부에서 슬리브에 의해 바깥쪽을 향해, 특히 완전히, 둘러싸일 수 있다. 이러한 방식으로, 특히 전반적으로 개방 다공성인 구조의 경우, 액체 냉각제가 증발기에 도달하기도 전에, 특히 원심력으로 인해, 재료 구조물로부터 회전 배출되는 점이 방지될 수 있다. 다른 한편으로, 슬리브가 재료 구조물의 홀더로서 작용할 수도 있다. 예컨대 증발기 측에서 회전축을 기준으로 반경 방향으로 펼쳐지는 재료 구조물이 일종의 실 또는 직물 형태로 제공될 경우, 작용하는 힘에 의해 의도치 않게 더 많이 펼쳐지거나 흐트러지는 현상이 홀더로서 작용하는 슬리브에 의해 방지될 수도 있다.
또한, 슬리브는 파이프로서 형성될 수 있다. 이 경우 2가지 구현예가 가능하다. 그 중 하나로, 윅 형태의 재료 구조물이 예컨대 히트 파이프의 내벽에 부착되고, 그리고/또는 내벽 내에 통합되면, 히트 파이프의 벽부 자체가 바깥쪽을 향해 형성된 슬리브로서 작용할 수 있다. 또는, 독자적으로 안내되는 구조의 경우, 특히 배출 영역 및 유입 영역의 외부에서 액체 냉각제의 배출을 방지하고, 그리고/또는 재료 구조물을 안정화하고 파지하는 추가 파이프로 재료 구조물을 둘러싸는 점도 생각해볼 수 있다.
이미 언급한 것처럼, 재료 구조물은 히트 파이프 내에서 기체 냉각제를 이송하기 위한 빈 공간에 의해 둘러싸여 안내될 수 있다. 따라서 이 경우, 재료 구조물은 임의의 방식으로 히트 파이프의 내벽 등과 연결되지 않고 독자적으로 안내되며, 이는 회전을 간편화할 수 있다.
또한, 액체 냉각제는 액체 냉각제용 용기로부터 재료 구조물 내로 스며들 수 있다. 이 경우, 예컨대 재료 구조물의 이송 구간의 응축기 측 단부, 다시 말해 응축기 측 유입 영역이 완전히 액체 냉매의 내부에 위치될 수 있으며, 그럼으로써 냉각제는 계속해서 재료 구조물의 모세관들 내로 스며들어 이송될 수 있다. 이 경우, 재료 구조물이 히트 파이프 내에서 기체 냉각제를 이송하기 위한 빈 공간에 의해 둘러싸여 안내되면, 재료 구조물은 히트 파이프의 중심축에서 벗어난 방향으로 안내될 수 있다. 그러면 재료 구조물은, 더 낮게 위치하는 액체 냉각제 용기 내에 한쪽이 잠길 수 있도록, 말하자면 "비스듬하게" 히트 파이프를 관통하여 연장된다.
그 대안으로, 액체 냉각제가 재료 구조물 위에 제공될 수 있으며, 특히 적하(dripping)될 수 있다. 즉, 예컨대 응축기로부터 직접, 특히 액적의 형태로, 재료 구조물의 모세관들에 공급될 수 있다. 그에 따라, 회전하는 재료 구조물을 액체 냉각제용 용기 내로 복잡하게 안내할 필요가 없기 때문에, 전체 냉각 장치를 기본적으로 더 간단하게 구성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 재료 구조물은 냉각될 대상과 함께 회전할 수 있다. 이러한 유형의 구현예는 예컨대 초전도 기기의 경우에 생각해 볼 수 있는데, 상기 초전도 기기에서는 냉각할 초전도 코일이 이미 회전하고 있는 회전자의 내부에 제공됨으로써 예컨대 재료 구조물이 회전자의 중공 내부 챔버 내로 안내될 수 있고 이 회전자와 함께 회전할 수 있으며, 그럼으로써 증발기로서 작용하는 내부 챔버 내에서 원심력에 의해 액체 냉각제가 상응하게 분배된다. 이러한 경우, 재료 구조물을 위한 별도의 구동 장치가 배제될 수 있으므로, 전체 시스템의 매우 간단하면서도 경제적인 구성이 가능해진다.
냉각 장치 외에도, 본 발명은 회전자 또는 고정자의 극들에서 자속을 생성하도록 형성된 하나 이상의 초전도 코일과 이 코일의 냉각을 위해 형성된 본 발명에 따른 냉각 장치를 포함하는 초전도 기기에 관한 것이다. 냉각 장치와 관련한 모든 설명은 초전도 기기에도 유사하게 전용되므로, 언급한 장점들은 여기서도 달성될 수 있다. 이 경우, 초전도 코일의 도체들은 특히 고온 초전도체로 형성될 수 있다. 이 경우, 냉각제로서 네온이 이용될 수 있으나, 예컨대 수소 또는 헬륨 또는 질소를 이용한 작업도 생각해볼 수 있다.
상기 유형의 초전도 기기의 경우, 예컨대 회전하는 재료 구조물을 회전 덕트를 통해 연결된 히트 파이프를 통해 회전자의 중공 내부 챔버 내로 안내할 수 있으며, 그곳에서 액체 냉각제는 상응하게 분포된다. 또는, 예컨대 재료 구조물을 회전시키기 위해, 히트 파이프 및 그와 더불어 재료 구조물도 회전자와 함께 회전시키는 점도 생각해볼 수 있다. 그러나 이와 관련하여 주지할 사항은, 예컨대 초전도 기기의 정지 시에도 초전도 기기가 냉각되어야 하는 경우에 별도의 회전 장치를 이용하는 것이 전적으로 적합할 수 있다는 점이다.
본 발명의 추가 장점들 및 상세 내용들은 하기에 기술되는 실시예들로부터, 그리고 도면을 참고하여 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 장치의 제1 실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 장치의 제2 실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 장치의 제3 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 기기이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 냉각 장치(1)의 제1 실시예가 개략도로 도시되어 있다. 상기 냉각 장치는 액체 냉각제(3)용 용기(2)를 포함하며, 냉각제로는 여기에 도시된 실시예의 경우 네온이 사용된다. 용기(2)는 콜드 헤드(5)가 할당된 응축기(4)로부터 냉각제를 공급받는다(화살표 "6" 참조). 한편, 액체 냉각제(3)는 히트 파이프(7)를 경유하여 증발기(8) 내로, 여기서는 냉각될 대상(9)의 내부 챔버 내로 이송되며, 상기 대상의 벽부들 상에서 액체 냉각제(3)가 냉각 작용을 발휘하면서 증발되어, 화살표(10)에 따라 다시 응축기(4)로 안내된다.
냉각될 대상(9) 쪽으로 액체 냉각제(3)를 이송하기 위해, 여기서는 모세관들을 포함하는 윅 형태의 재료 구조물(11)이 제공되며, 그럼으로써 액체 냉각제(3)는 모세관 효과에 의해 중력에 대항하여서도 증발기(8)의 방향으로 이송된다. 도에서 알 수 있듯이, 재료 구조물(11)은 증발기 내부에서 방사상으로 펼쳐지며, 이때 홀더로서 작용하는 슬리브(12)는 여기서 실 형태의 재료가 더 많이 펼쳐지지 않도록 한다.
한편, 재료 구조물(11)로부터 증발기(8)의 벽부 상으로 액체 냉각제(3)를 이송하기 위해, 재료 구조물(11)이 회전 장치(13)에 의해 회전된다(화살표 "14" 참조). 이 경우, 회전축은 재료 구조물(11)의 이송 방향을 따라 연장된다.
펼쳐진 재료 구조물(11)의 단부들(15)에서는, 상기 재료 구조물이 반경 방향으로 펼쳐짐으로 인해, 액체 냉각제(3)의 액적들(16)들이 분리되어 냉각될 대상(9)의 벽부로 던져지기에(화살표 "17") 충분한, 더욱 높은 원심력이 발생한다.
도 2에는, 본 발명에 따른 냉각 장치(1')의 약간 변형된 추가 실시예가 개략도로 도시되어 있다. 냉각 장치(1)와 달리, 예컨대 모든 방향으로 개방된, 재료 구조물(11)의 윅 형태의 재료를 바탕으로, 슬리브(12')가 액체 냉각제(3)에 대해 밀폐되도록 형성되어 유입 영역(18) 및 배출 영역(19)에 이르기까지 재료 구조물(11)을 완전히 에워싼다. 이 경우, 슬리브(12')는 파이프(24)로서 형성된다.
도 3에는, 본 발명에 따른 냉각 장치(1")의 변형된 추가의 제3 실시예가 도시되어 있으며, 여기서는 재료 구조물(11)이 히트 파이프(7)의 중심에서 동축으로 안내된다. 회전 장치(13)도 여기서는 약간 변형되어 배치된다. 여기서 알 수 있듯이, 액체 냉각제(3)를 위한 용기(2)는 제공되지 않으며, 액체 냉각제는 콜드 헤드(5)를 구비한 응축기(4)로부터 직접 유입 영역(18) 내로 적하된다.
도 4에는, 마지막으로, 본 발명에 따른 초전도 기기(20)의 개략도가 도시되어 있으며, 여기서 초전도 기기는 고온 초전도 동기기로서 형성된다. 초전도 기기는 고정자(21)와 이 고정자(21)에 대해 상대 회전 가능한 회전자(22)를 포함하며, 회전자는 회전자 극들에 자속을 생성하기 위한 초전도 코일들(23)을 갖는다. 코일들(23)의 냉각을 위해, 본 발명에 따른 냉각 장치(1, 1' 또는 1")가 제공된다.
특히 선박에서는, 냉각제가 중력에 대항하여 이송되어야 하는 경사 배치가 구현될 수 있는 구성이 바람직하다.
이와 관련하여 주지할 사항은, 초전도 기기(20)의 경우, 재료 구조물(11)이 회전자(22)와 함께 회전함으로써 추가의 회전 장치(13)를 제공할 필요가 없다는 점이다.
비록 본 발명이 바람직한 실시예를 통해 더 상세하게 도시되고 기술되었을 지라도, 본 발명이 공개된 예시들에 의해 제한되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 또 다른 변형예들을 도출할 수 있다.

Claims (11)

  1. 특히 콜드 헤드(5)에 결합된, 기체 냉각제를 액화하기 위한 응축기(4)와, 냉각될 대상(9)의 냉각을 위해 액체 냉각제(3)를 증발시키기 위한 증발기(8)와, 상기 응축기(4)와 증발기(8) 사이에서 냉각제(3)를 이송하기 위한 히트 파이프(7)를 포함하는 냉각 장치(1, 1', 1")이며, 모세관 효과를 바탕으로 액체 냉각제(3)를 이송하기 위해 윅 형태의 재료 구조물(11)이 이용되는, 냉각 장치에 있어서,
    액체 냉각제(3)의 이송 방향으로 히트 파이프(7)를 관통하여 놓인 회전축을 중심으로 상기 재료 구조물(11)을 회전시키기 위한 회전 장치(13)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치(1, 1', 1").
  2. 제1항에 있어서, 재료 구조물(11)은 증발기 측에서 회전축을 기준으로 반경 방향으로 펼쳐지는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재료 구조물(11)은 증발기 측 배출 영역(19) 및 응축기 측 유입 영역(18)의 외부에서 바깥쪽을 향해 슬리브(12, 12')에 의해, 특히 완전히, 둘러싸이는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서, 슬리브(12, 12')는 재료 구조물(11)의 홀더로서 작용하고, 그리고/또는 파이프(24)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재료 구조물(11)은 히트 파이프(7) 내에서 기체 냉각제를 이송하기 위한 빈 공간으로 둘러싸여 안내되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉각제(3)는 액체 냉각제(3)용 용기(2)로부터 재료 구조물(11) 내로 스며드는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  7. 제5항 및 제6항에 있어서, 재료 구조물(11)은 히트 파이프(7)의 중심축에서 벗어난 방향으로 안내되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 냉각제(3)는 재료 구조물(11) 위로 전달되며, 특히 적하되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  9. 제8항에 있어서, 재료 구조물(11)은 히트 파이프(7)의 중심축에서 벗어난 방향으로 안내되는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 재료 구조물(11)은 냉각될 대상(9)과 함께 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
  11. 회전자(22) 또는 고정자(21)의 극들에서 자속을 생성하도록 형성된 하나 이상의 초전도 코일(23)과, 이 코일(23)을 냉각하기 위해 형성된, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 냉각 장치(1, 1', 1")를 포함하는 초전도 기기(20).
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