KR20190116366A - 부하장치를 냉각시키기 위한 방법 및 장치와, 대응하는 장치 및 부하장치를 포함하는 시스템 - Google Patents

부하장치를 냉각시키기 위한 방법 및 장치와, 대응하는 장치 및 부하장치를 포함하는 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회로 내에서 이송되는 액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이며, 부하장치는 냉각된 액체 질소와의 간접적인 열 교환에 의해 냉각되고, 상기 부하장치와의 열 교환을 받는다. 본 발명에 따르면, 냉각된 액체 질소는 순환 이송되는 액체 질소를 냉각시키는데 사용되고, 감압, 및 형성된 질소 증기의 배출에 의해 개방형 냉각 시스템(10)에서 제1 비율이 냉각되고, 특히 네온 및/또는 헬륨을 사용하여 작동되는 하나 이상의 브레이턴 냉각 유닛들 및/또는 하나 이상의 스털링 냉각 유닛들을 포함하는 하나 이상의 냉각 유닛들을 사용하여 폐쇄형 냉각 시스템(20)에서 제2 비율이 냉각되며, 개방형 냉각 시스템(10) 및 폐쇄형 냉각 시스템(20)은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 전력 공급장치(1)의 냉각에 사용되며, 개방형 냉각 시스템(10)은 전력 공급장치(1)의 제1 단부에 배열되고, 폐쇄형 냉각 시스템(20)은 전력 공급장치(1)의 제2 단부에 배열되며, 냉각력은 제1 시간 기간에 제1의 보다 적은 총 냉각력 양으로서 제공되고, 제2 시간 기간에 제2의 보다 많은 총 냉각력 양으로서 제공되며, 총 냉각력 양의 제1 비율은 개방형 냉각 시스템(10)에 의해 제공되고, 총 냉각력 양의 제2 비율은 폐쇄형 냉각 시스템(20)에 의해 제공되며, 제1 시간 기간에서의 제1 비율은 제2 시간 기간보다 적은 값으로 설정된다. 본 발명은 또한 대응하는 장치와, 그러한 장치 및 대응하는 부하장치를 포함하는 시스템(100)에 관한 것이다.

Description

부하장치를 냉각시키기 위한 방법 및 장치와, 대응하는 장치 및 부하장치를 포함하는 시스템
본 발명은 각각의 독립 청구항들의 전제부들에 따른, 부하장치(load)를 냉각시키기 위한 방법 및 장치와, 대응하는 장치를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
고전압 및 중전압 케이블들(high and medium voltage cables) 및 전도체 레일들(conductor rails)은 고온 초전도체(high temperature superconductors; HTS) 형태로 구성될 수 있다. 그러한 케이블들 및 전도체 레일들은 직류 및 교류 둘 모두를 전달할 수 있으며, 하기의 본문에서는 "HTS 전력 공급장치들(HTS power supplies)"로 지칭된다. 이들은 100 K 미만, 바람직하게는 80 K 미만의 온도로 냉각될 필요가 있다.
본 발명은 하기에서 부하장치로서 HTS 전력 공급장치들을 참조하여 주로 설명되지만, 필적하는 냉각 레벨까지의 냉각력(cooling power)을 필요로 하는 다른 부하장치들, 특히 초전도체 재료들뿐만 아니라, 예를 들어, 구리 및 알루미늄과 같은 종래의 금속들로 제조된 케이블들, 전류 캐리어들(current carriers) 및 다른 구조물들을 냉각시키기에 또한 동등하게 적합하다.
대응하는 부하장치들을 냉각시키기 위한 관련 기술로부터 매우 다양한 방법들 및 장치들이 알려져 있다. 요약하면, 이들은 예를 들어, 하기의 원리에 따라 기능한다:
● 전형적으로, 펌프에서 상승된 압력 하에 배치되고 과냉각기(supercooler)에서 필요한 냉각 온도로 냉각된 액체 질소는 부하장치로 이송되고, 여기서 가온되고(warmed up), 최종적으로 펌프로 복귀된다.
● 펌프의 상류에서의 재순환 질소의 과냉각이 펌프의 하류에서의 과냉각과 조합되는 회로들이 또한 알려져 있다. 이러한 목적을 위해, 2 개의 과냉각 열 교환기들이 필요하고, 이 열 교환기들은 과냉각기 내에 배치된다.
● 가장 간단한 형태로, 과냉각기의 열 교환기는 액체 질소 배스( "배스 질소(bath nitrogen)")에 위치결정된 튜브 코일(tube coil)이다. 보다 고온인 재순환 질소는 튜브 코일을 통과하고, 외부의 보다 저온인 배스 질소에 의해 냉각된다. 이 프로세스에서 배스 질소가 기화한다. 다른 유형들의 열 교환기들이 또한 튜브 코일 열 교환기들에 대한 대안들로서 사용될 수 있다.
● 배스 질소의 기화로 인해 과냉각기에서 발생하는 손실들은 전형적으로 저장 탱크(reserve tank)로부터 신선한 액체 질소를 보급함으로써 보충된다.
● 펌프의 하류에서의 냉각제 회로의 압력은, 재순환 질소가 항상 액체 상태로 유지되고 증기 기포들이 형성되지 않도록 선택된다. 열역학적 관점에서, 이것은 회로 내의 압력이 항상 과냉각기 배스보다 높아야 하고, 재순환 질소가 그의 비등점을 초과하여 가열되어야 한다는 것을 의미한다.
● 재순환 질소는 과냉각기로부터의 출구에서 그의 최저 온도에 도달한다. 이러한 온도는 과냉각기(및 과냉각기에서의 열 전달)에 사용된 배스 질소의 온도에 의해 실질적으로 결정된다.
● 온도를 하강시키기 위해, 배스 질소가 배치되는 압력은 기계식(전형적으로 오일-윤활식) 진공 펌프를 사용하여 연속적으로 펌핑함으로써 감소된다. 도달될 수 있는 온도의 하한은 약 63 K이며, 이는 약 0.13 bar의 증기압에 대응한다. 보다 낮은 온도들에서는, 배스 질소가 동결될 것이다.
● 배스 질소의 온도는 과냉각기에 하나 이상의 냉각 유닛들(cooling units)(극저온 냉동기들(cryocoolers)로도 불림)을 통합함으로써 또한 하강될 수 있다. 하나 이상의 냉각 유닛들은 요구되는 냉각 온도에 도달할 때까지의 냉각 동안에 기화하는 배스 질소를 냉각 및 액화/재응축시키며; 이러한 경우, 진공 펌프가 필요하지 않다. 전형적으로, "브레이턴(Brayton)" 또는 "스털링(Stirling)" 냉각 유닛들이 극저온 냉동기들로서 사용된다. 대응하는 냉각 시스템들은 폐쇄형 시스템들(closed systems)로서 구성된다.
DE 10 2013 01 1 212 A1은 설명된 유형의 장치를 개시하며, 여기서 주요 관점은 재순환 질소의 체적 변화가 어떻게 처리될 수 있는지에 있다. 저장 탱크와 질소 회로 사이에 있고 그 개구가 펌프의 상류에 있는 라인(line)을 사용하는 것이 제안되어 있다. 유사한 목적을 달성하기 위해, EP 1 355 1 14 A3은 회로 내에 팽창 탱크를 형성하는 것을 제안한다. 팽창 탱크들은 또한 상업적으로 입수 가능한 시스템들에도 사용되지만, 전형적으로 과냉각기에 통합되어 있다.
DE 197 55 484 A1은 주로 질소 및 산소로 이루어진 액체 혼합물이 재순환 질소 대신에 사용되는 방법을 설명하고 있다.
과냉각기에서 냉기를 생성시키기 위해 기계식 진공 펌프를 사용하는 것은 (투자 비용들의 관점에서) 비교적 저렴한 해결책에 해당하지만, 에너지 면에서 비효율적인 해결책에 해당한다. 이것은 특히, 흡출된(sucked out) 냉각 질소 증기의 가치있는(이는 매우 낮은 온도들로 존재하기 때문임) 냉기가 사용되지 않고 대신에 제거된다는 사실에 기인한다. 원칙적으로, 냉각 유닛들의 사용은 에너지 면에서 유리하지만, 적절한 디바이스들이 상대적으로 비싸며, 그래서 이들의 사용은 종종 경제적이지 않다.
따라서, 본 발명은 대응하는 부하장치들을 냉각시키기 위한 개선된 방법들 및 장치들을 제공하는 문제를 해결하도록 의도된다.
이러한 맥락에서, 본 발명은, 독립 청구항들의 특징들을 갖는, 부하장치, 특히 전력 공급장치, 바람직하게는 HTS 전력 공급장치를 냉각시키기 위한 방법 및 장치와, 대응하는 장치 및 부하장치를 갖는 시스템을 제안한다. 바람직한 변형예들은 종속 청구항들 및 하기의 설명의 대상들이다.
본 발명은 하나의 개방형 냉각 시스템(open cooling system)과 하나의 폐쇄형 냉각 시스템(closed cooling system)의 조합을 사용하여 대응하는 부하장치를 냉각시키는 것이 특히 유리하다는 인식에 기초한다. 그러한 배열에서, 개방형 냉각 시스템은 앞서 설명된 바와 같이, 액체 질소의 기화에 기초하고, 폐쇄형 냉각 시스템은 통합된 냉각 유닛을 사용하여 작동한다.
폐쇄형 및 개방형 냉각 시스템이 부하장치의 상이한 위치들에 배열되는 경우에, 전력 공급장치를 특히 그것의 상이한 단부들에서 냉각시킬 때, 특별한 이점들이 얻어진다. 따라서, 이것은 본 발명에 따라 제공된다.
이러한 상황에서, 설명된 바와 같이, 보다 많은 투자 비용을 수반하는 폐쇄형 냉각 시스템은 그것의 냉각력이 전체 냉각 시스템들, 즉 개방형 및 폐쇄형 냉각 시스템들의 조합의 이용 가능한 냉각력의 25% 내지 75%와 동일하도록 하는 방식으로 설계된다.
개방형 냉각 시스템은, 적어도 재순환 질소가 순환되는 최소 부하 모드에서 작동될 수 있도록 하는 방식으로 설계된다. 최소 부하 모드에서, 배스 질소를 펌핑함으로써 능동 냉각이 시스템-특정 최소값으로 감소된다.
냉각 시스템들(개방형 및 폐쇄형 냉각 시스템) 둘 모두는 연속적으로 작동된다. 이러한 맥락에서, 부하장치의 냉각 요구는 바람직하게는 폐쇄형 냉각 시스템의 냉각력에 의해 공급된다. 개방형 냉각 시스템은 전술한 최소 부하 모드에서 작동된다. 그것의 냉각력은 단지 폐쇄형 냉각 시스템이 제공할 수 없는 냉각력만을 공급한다.
본 발명에 따라 제안된 수단들에 의해 다수의 이점들이 얻어질 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 냉각 요구의 일부는 주로 효율적인 폐쇄형 냉각 시스템에 의해 공급될 수 있다. 이것은 냉각 시에 에너지 효율을 증가시키는 효과를 갖는다. 덜 효율적인 개방형 냉각 시스템에 의해 필요할 시에만 전력 피크들이 커버된다. 하나의 개방형 냉각 시스템 및 하나의 폐쇄형 냉각 시스템으로 이루어진 본 발명에 따라 제안된 전체 시스템은 완전 폐쇄형 냉각 시스템보다 실질적으로 비용 효율적인데, 이는 훨씬더 적은 양들의 질소가 순환되어야 하기 때문이다. 냉각될 수 있는 길이는 부하장치의 상이한 위치들에서 상이한 냉각 시스템들을 사용함으로써 상당히 증가될 수 있다. 예를 들어, HTS 전력 공급장치의 경우, 냉각력의 전달을 위한 길이가 상당히 증가될 수 있다.
HTS 전력 공급장치들은 전형적으로 상이한 부하 모드들에서 작동된다. 이들은 상이한 냉각 요구들을 초래하는 저부하, 설계 부하 및 과부하를 포함한다. 본 발명의 실질적인 이점은, 또한 HTS 전력 공급장치의 과부하 동안에 일어나는 냉각력 요구의 피크들이 개방형 냉각 시스템의 출력 증가에 의해 처리될 수 있다는 것에 있다.
전체적으로, 본 발명은 회로 내에서 이송되는 액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법을 제안하며, 액체 질소는 냉각된 액체 질소와의 간접적인 열 교환에 의해 냉각되고 부하장치와의 열 교환을 수행한다. 이전에 언급된 바와 같이, 보다 냉각된 질소와의 간접적인 열 교환에 의해 대응하는 "재순환 질소"를 냉각시키는 것이 알려져 있다.
이제, 본 발명의 범위 내에서, 회로 내에서 이송되는 액체 질소를 냉각시키는데 사용되는, 냉각된 액체 질소의, 제1 부분은 감압, 및 감압의 결과로서 형성된 질소 증기의 제거에 의해 개방형 냉각 시스템에서 냉각되고, 제2 부분은 하나 이상의 냉각 유닛들을 사용하여 폐쇄형 냉각 시스템에서 냉각되는 것이 제공된다.
일반적으로 본 발명의 범위 내에서, "개방형" 냉각 시스템은 냉각제가 기화되고 기화에 의해 형성된 냉각 증기들이 냉각 시스템으로부터 제거되는 냉각 시스템인 것으로 이해된다. 따라서, 개방형 냉각 시스템은 예를 들어, 보관 저장조로부터 보급되는 냉각제의 연속 소비를 특징으로 한다.
대조적으로, 이러한 맥락에서 "폐쇄형" 냉각 시스템은 냉각제가 회로 내에서 이송되고 프로세스 동안에 냉각되는 것인 것으로 이해된다. 폐쇄형 냉각 시스템에서는, 일반적으로 냉각제의 불가피한 소비가 없다.
본 발명의 범위 내에서, 폐쇄형 냉각 시스템에 사용되는 하나 이상의 냉각 유닛들은, 특히 네온 및/또는 헬륨에 의해 구동되는 하나 이상의 브레이턴 냉각 유닛들 및/또는 하나 이상의 스털링 냉각 유닛들을 포함한다. 그러한 종류의 냉각 유닛들은 관련 기술로부터 알려져 있다.
스털링 냉각 유닛은 스털링 엔진(Stirling engine)의 작동 원리에 기초하는 냉각 유닛이다. 브레이턴 냉각 유닛들은 작동 가스로서 헬륨 및/또는 네온과 같은 희가스 또는 희가스 혼합물에 의해 작동한다. 이것은 압축기 "웜(warm)"에 공급되고 그 내에서 압축된다. 압축 열은 물, 공기 또는 액체 질소와 같은 적합한 냉각제를 사용하여 소산된다. 작동 가스는 이완되고, 냉각에 사용된 후에, 다시 압축기로 복귀된다. 작동 가스는 이완되기 전에, 이전에 냉각에 사용된 작동 가스와 역류로 냉각된다.
앞서 설명된 바와 같이, 개방형 냉각 시스템에서 질소를 냉각시키기 위해, 노출되는 압력이 감소될 수 있고, 결과적으로 기화된 질소가 멀리 이송될 수 있다. 그러나, 대응하는 개방형 냉각 시스템에서, 전반적으로 다른 감압 디바이스들이 사용되는 것이 가능하다.
앞서 지적된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 개방형 냉각 시스템 및 폐쇄형 냉각 시스템을 부하장치 상의 상이한 위치들에 배열하는 것을 포함한다. 이러한 방식으로, 냉각될 부하장치들은 단 하나의 위치에의 배열로 가능한 것보다 훨씬더 큰 치수들을 가질 수 있으며, 이는 이것이 냉각 세그먼트(cooling segment)에 걸쳐 발생하는 냉기 손실들이 보다 양호하게 보상될 수 있게 하기 때문이다. 이러한 경우, 주 냉각력이 제1 위치에 인가될 수 있고, 다음에 제2 위치에서는 냉기 손실들을 보상하는 것만이 필요하다.
본 발명에 따른 방법은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 전력 공급장치를 냉각시키는데 사용되며, 개방형 냉각 시스템은 전력 공급장치의 제1 단부에 배열되고, 폐쇄형 냉각 시스템은 전력 공급장치의 제2 단부에 배열된다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 관련 기술에 따른 방법들로 가능한 것보다 상당히 긴 라인 길이들이 생성될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 특히 HTS 전력 공급장치들은 다양한 부하 모드들에서 작동될 수 있다. 그러나, 원칙적으로 본 발명의 범위 내에서 냉각될 수 있는 다른 부하장치들에 대해서도 동일한 것이 적용된다. 따라서, 상이한 냉각 요구들을 서비스하기 위해, 냉각력을 공급하기 위한 방법은 제1 시간 기간에 제1의 보다 적은 총 냉각력 양으로, 그리고 제2 시간 기간에 제2의 보다 많은 총 냉각력 양으로 사용되는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, 공급된 냉각력은 냉각 요구에 신속하고 유연하게 적합화될 수 있다.
이전에 대체로 논의된 바와 같이, 이러한 맥락에서, 총 냉각력 양의 제1 부분이 개방형 냉각 시스템에 의해 공급되고 총 냉각력 양의 제2 부분이 폐쇄형 냉각 시스템에 의해 공급되며, 제1 부분은 제1 시간 기간에서 제2 시간 기간보다 적은 값으로 조정되는 것이 특히 유리하다. 따라서, 이것이 또한 본 발명에 따라 제공된다. 다시 말해, 이에 따라, 덜 에너지 효율적인 개방형 냉각 시스템은 유리하게는 요구 피크들을 서비스하도록 기능하는 반면, 보다 에너지 효율적인 폐쇄형 냉각 시스템은 냉각에 대한 주 요구를 충족시킨다. 그러한 설정을 가능하게 하기 위해, 예를 들어, 입력 변수로서 HTS 전력 공급장치의 전류 강도를 평가하는, 예를 들어, 적합한 제어 또는 조절 시스템이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 제2 부분은 유리하게는 제1 시간 기간에서 제2 시간 기간과 동일한 값으로 설정된다.
특히, 본 발명에 따라 제안된 방법으로 회로 내에서 이송되는 액체 질소는 개방형 및 폐쇄형 냉각 시스템들 각각에서 70 K 내지 78 K, 예를 들어, 74 K의 온도 레벨로부터, 65 K 내지 70 K, 예를 들어, 약 67 K의 온도 레벨로 냉각될 수 있다. 부하장치를 냉각시킴으로써, 회로 내에서 운반되는 액체 질소는, 예를 들어, 약 74 K로 가열된다. 개방형 냉각 시스템에서, 진공 펌프의 도움으로 펌핑함으로써 약 0.2 bar의 압력이 되고, 그래서 예를 들어, 약 65 K의 온도에 도달하는 액체 질소를 보유하는 과냉각기가 사용될 수 있다. 액체 질소로 충전된 극저온 용기는 유리하게는 진공 펌프의 도움으로 약간의 진공 상태로 유지된다. 회로 내에서 이송되는 액체 질소는 유리하게는 개방형 및 폐쇄형 냉각 시스템들에서 5 bar 내지 20 bar의 압력 레벨로 냉각되며, 개방형 및 폐쇄형 냉각 시스템들에는 대응하는 (순환) 펌프가 제공된다.
본 발명은 또한 액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 회로 내에서 액체 질소를 이송하여, 냉각된 액체 질소와의 간접적인 열 교환을 통해 액체 질소를 냉각시키고, 액체 질소를 부하장치와의 열 교환에 노출시키도록 설계된다.
상기 장치는, 회로 내에서 이송되는 액체 질소를 냉각시키도록 제공되는 액체 질소의 제1 부분을 냉각시키기 위해, 감압시키고 이에 의해 형성된 질소 증기를 멀리 이송함으로써 액체 질소의 제1 부분을 냉각시키도록 설계된 개방형 냉각 시스템이 제공되며, 회로 내에서 이송되는 액체 질소를 냉각시키도록 제공되는 액체 질소의 제2 부분을 냉각시키기 위해, 특히 네온 및/또는 헬륨을 사용하여 작동하는 하나 이상의 브레이턴 냉각 유닛들 및/또는 하나 이상의 스털링 냉각 유닛들을 포함하는 하나 이상의 냉각 유닛들을 포함하는 폐쇄형 냉각 시스템이 제공되며, 개방형 냉각 시스템 및 폐쇄형 냉각 시스템이 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 전력 공급장치를 냉각시키도록 설계되고, 개방형 냉각 시스템이 전력 공급장치의 제1 단부에 배열되고 폐쇄형 냉각 시스템이 전력 공급장치의 제2 단부에 배열되며, 상기 장치가 제1 시간 기간 동안에 제1의 보다 적은 총 냉각력 양으로, 그리고 제2 시간 기간에 제2의 보다 많은 총 냉각력 양으로 냉각력을 공급하도록 설계되며, 총 냉각력 양의 제1 부분이 개방형 냉각 시스템에 의해 공급되고, 총 냉각력 양의 제2 부분이 폐쇄형 냉각 시스템에 의해 공급되고, 제1 시간 기간에서 제1 부분이 제2 시간 기간보다 적은 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 제안된 장치의 특징들 및 이점들과 관련하여, 본 발명에 따른 방법에 관한 이전의 언급들이 명시적으로 참조된다.
대응하는 설명들은, 냉각될 부하장치를 포함하고 본 발명에 따라 방금 설명된 종류의 장치를 구비하는, 본 발명에 따라 또한 제안된 시스템에도 또한 적용된다.
하기의 본문에서, 본 발명은, 본 발명의 실시예들이 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 관련 기술에 따른 시스템을 단순화된 개략도로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 단순화된 개략도로 도시한다.
도면들에서, 동일하거나 기능적으로 동등한 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시된다. 명확화를 위해, 그러한 요소들에 대한 설명은 반복되지 않는다.
도 1a는 전체적으로 200으로 지시된 관련 기술에 따른 시스템의 단순화된 개략도를 도시하고 있다.
시스템(200)은 특히 (HTS) 케이블 시스템일 수 있는 부하장치(1)를 포함한다. 이것은 순환 유동(2)으로 이송되는 액체 질소를 사용하여 냉각된다. 부하장치(1)의 냉각 후에, 순환 유동(2) 내의 액체 질소는, 예를 들어, 약 73 K의 온도 레벨 및 예를 들어, 약 10 bar의 압력 레벨로, 압력 조절 시스템(pressure regulating system)(4)에 의해 조절될 수 있는 액체 질소 펌프 또는 순환 펌프(3)에 공급된다.
이에 의해, 순환 유동(2) 내의 질소의 온도는, 예를 들어, 약 74 K로 상승된다. 다음에, 순환 유동(2) 내의 질소는 전체적으로 10으로 지시된 개방형 냉각 시스템의 과냉각기(11)에서 과냉각되도록 보내지고, 여기서 과냉각 열 교환기(15)에서, 예를 들어, 약 67 K의 온도 레벨로 냉각된다. 과냉각기(11)로부터의 하류에서, 순환 유동(2) 내의 질소는 이러한 온도 레벨, 및 예를 들어, 약 15 bar의 압력 레벨에 있으며, 다시 부하장치(1)를 냉각시키는데 사용된다.
개방형 냉각 시스템(10)은, 과냉각기(11) 또는 그것의 기화 챔버로부터 질소 증기를 추출하고, 이에 의해 과냉각기(11) 또는 그것의 기화 챔버 내의 압력 레벨을, 예를 들어, 약 0.2 bar의 값으로 하강시키는 기계식 진공 펌프(12)를 포함한다. 이에 의해, 과냉각기(11) 또는 그것의 기화 챔버 내에 존재하는 액체 질소("배스 질소")의 온도 레벨은 예를 들어, 약 65 K의 값으로 하강된다.
대응하는 기화 손실들을 보상하기 위해, 예를 들어, 공기 분리 플랜트(air separation plant)를 사용하여, 그리고/또는 외부 재충전에 의해 충전될 수 있는 액체 질소 저장조(liquid nitrogen reservoir)(13)가 제공된다. 도시된 예에서, 액체 질소 저장조(13)는 압력 축적 기화를 위한 디바이스(14)를 포함한다.
앞서 언급된 바와 같이, 대응하는 개방형 냉각 시스템(10)의 작동은 에너지 관점에서 다소 바람직하지 않은데, 이는 진공 펌프(12)에 의해 흡인된 질소가 여기서 전형적으로 대기(amb)로 배출되기 때문이다.
따라서, 대안적으로, 그러나 대응하는 개방형 냉각 시스템(10)에 부가하지 않고서, 관련 기술은 여기서 부분적으로 도시된 바와 같이, 과냉각기(11) 및 과냉각 열 교환기(17)를 갖는 폐쇄형 냉각 시스템(20)을 또한 이용할 수 있다.
시스템에서, 설명된 바와 같이, 특히 네온 및/또는 헬륨을 사용하여 구동되는 하나 이상의 브레이턴 냉각기들 및/또는 하나 이상의 스털링 냉각기들을 포함할 수 있는 적합한 냉각 유닛을 사용하여 개방형 냉각 시스템의 과냉각기(11)와 대체로 필적하는 설계를 가질 수 있는 과냉각기(11)에서 질소가 냉각된다.
도 1b는 전체적으로 300으로 지시된 관련 기술에 따른 시스템의 단순화된 개략도를 도시하고 있다. 시스템(300)은 도 1a의 시스템(200)과 유사하게 구성되지만, 시스템(300)에는, 펌프(3)의 상류에서 개방형 냉각 시스템(10)에 추가적인 과냉각 열 교환기(16)(또는 폐쇄형 냉각 시스템(20)에 추가적인 과냉각 열 교환기(18))가 장비되어 있다.
도 2는 전체적으로 100으로 지시된 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 단순화된 개략도를 도시하고 있다.
시스템(100)은 본질적으로 도 1a 및 도 1b와, 그에 예시된 시스템들(200 및 300)을 참조하여 설명된 구성요소들을 포함한다. 그러나, 개방형 냉각 시스템(10) 및 폐쇄형 냉각 시스템(20) 둘 모두가 시스템(100)에 제공되어 있다.
시스템(100)에서, 개방형 냉각 시스템(10)의 과냉각기(11) 또는 그의 과냉각 열 교환기(15)에서 과냉각된 후에, 순환 유동(2)의 액체 질소는 부하장치(1)를 냉각시키는데 사용되지만, 그 후에는 펌프(3)로 복귀되지 않고, 그 대신에 먼저 폐쇄형 냉각 시스템(20)의 과냉각기(11)에서 다시 냉각된다.
도 1a의 시스템(200)을 참조하여 이전에 논의된 개방형 냉각 시스템(10)의 과냉각기(11)로의 진입 및 과냉각기(11)로부터의 진출시의 온도 및 압력 레벨들도 또한 시스템(100)에 존재한다. 순환 유동(2)의 액체 질소는, 부하장치(1)를 냉각시키는데 사용된 후에, 그리고 폐쇄형 냉각 시스템(20)의 과냉각기(11)로 진입하기 전에, 예를 들어, 약 73 K의 온도 레벨을 갖는다.
폐쇄형 냉각 시스템(20)의 과냉각기(11)에서, 순환 유동(2)의 액체 질소는, 예를 들어, 약 67 K의 온도 레벨로 냉각되고, 이러한 온도 레벨로 다시 부하장치(1)를 냉각시키는데 사용된다. 순환 유동(2)의 질소는, 예를 들어, 약 10 bar의 압력 레벨, 및 예를 들어, 약 73 K의 온도 레벨로 펌프(3)로 복귀되고, 그 이전에 개방형 냉각 시스템(10)의 과냉각기(11) 또는 그것의 과냉각 열 교환기(16)에서 다시 냉각된다.

Claims (8)

  1. 액체 질소(liquid nitrogen)를 사용하여 부하장치(load)를 냉각시키기 위한 방법으로서,
    상기 액체 질소는 회로(circuit) 내에서 이송되고, 냉각된 액체 질소와의 간접적인 열 교환에 의해 냉각되며, 상기 부하장치와의 열 교환에 노출되고,
    상기 회로 내에서 이송되는 상기 액체 질소를 냉각시키는데 사용되는 상기 액체 질소의 제1 부분은 감압, 및 형성된 질소 증기의 제거에 의해 개방형 냉각 시스템(open cooling system)(10)에서 냉각되고, 상기 액체 질소의 제2 부분은 하나 이상의 냉각 유닛들(cooling units)을 사용하여 폐쇄형 냉각 시스템(closed cooling system)(20)에서 냉각되며,
    상기 개방형 냉각 시스템(10) 및 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 전력 공급장치(power supply)(1)를 냉각시키는데 사용되고, 상기 개방형 냉각 시스템(10)은 상기 전력 공급장치(1)의 제1 단부 상에 배열되고, 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)은 상기 전력 공급장치(1)의 제2 단부 상에 배열되며,
    냉각력(cooling power)은 제1 시간 기간에 제1의 보다 적은 총 냉각력 양으로 공급되고, 제2 시간 기간에 제2의 보다 많은 총 냉각력 양으로 공급되며, 총 냉각력 양의 제1 부분이 상기 개방형 냉각 시스템(10)에 의해 공급되고, 총 냉각력 양의 제2 부분이 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)에 의해 공급되고, 상기 제1 부분은 상기 제1 시간 기간에서 상기 제2 시간 기간보다 적은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 부분은 상기 제1 시간 기간에서 상기 제2 시간 기간과 동일한 값으로 설정되는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 회로 내에서 이송되는 상기 액체 질소는, 상기 개방형 냉각 시스템(10) 및 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)에서 각각의 경우에 70 K 내지 78 K의 온도 레벨로부터 65 K 내지 70 K의 온도 레벨로 냉각되는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로 내에서 이송되는 상기 액체 질소는, 상기 개방형 냉각 시스템(10) 및 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)에서 5 bar 내지 20 bar의 압력 레벨로 냉각되는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용되는 냉각 유닛 또는 냉각 유닛들은, 네온 및/또는 헬륨을 사용하여 작동되는 브레이턴(Brayton) 또는 스털링(Stirling) 냉각 유닛을 포함하는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 방법.
  6. 액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 장치로서,
    상기 장치는 회로 내에서 상기 액체 질소를 이송하고, 상기 액체 질소를 냉각된 액체 질소와의 간접적인 열 교환에 의해 냉각시키며, 상기 액체 질소를 상기 부하장치와의 열 교환에 노출시키도록 구성되고,
    상기 액체 질소의 제1 부분을 냉각시키도록 제공된, 감압시키고 형성된 질소 증기를 멀리 이송함으로써 상기 액체 질소의 제1 부분을 냉각시키도록 설계된 개방형 냉각 시스템(10)―상기 제1 부분은 상기 회로 내에서 이송되는 상기 액체 질소를 냉각시키도록 제공됨―, 및
    상기 회로 내에서 이송되는 상기 액체 질소를 냉각시키도록 제공되는 상기 액체 질소의 제2 부분을 냉각시키도록 제공된 하나 이상의 냉각 유닛들을 포함하는 폐쇄형 냉각 시스템(20)을 포함하며,
    상기 개방형 냉각 시스템(10) 및 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)은 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 전력 공급장치(1)를 냉각시키도록 설계되고, 상기 개방형 냉각 시스템(10)은 상기 전력 공급장치(1)의 제1 단부 상에 배열되고, 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)은 상기 전력 공급장치(1)의 제2 단부 상에 배열되며,
    상기 장치는 제1 시간 기간 동안에 제1의 보다 적은 총 냉각력 양으로, 그리고 제2 시간 기간에 제2의 보다 많은 총 냉각력 양으로 냉각력을 제공하도록 설계되며, 총 냉각력 양의 제1 부분이 상기 개방형 냉각 시스템(10)에 의해 공급되고, 총 냉각력 양의 제2 부분이 상기 폐쇄형 냉각 시스템(20)에 의해 공급되고, 상기 제1 부분은 상기 제1 시간 기간에서 상기 제2 시간 기간보다 적은 값으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    사용되는 냉각 유닛 또는 냉각 유닛들은 네온 및/또는 헬륨을 사용하여 구동되는 브레이턴 또는 스털링 냉각 유닛을 포함하는,
    액체 질소를 사용하여 부하장치를 냉각시키기 위한 장치.
  8. 냉각될 전력 공급장치(1)를 갖는 시스템(100)으로서,
    제6 항 또는 제7 항에 따른 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각될 전력 공급장치를 갖는 시스템.
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