KR20190135341A - 액체질소 냉각용 냉동기 헤더 - Google Patents

액체질소 냉각용 냉동기 헤더 Download PDF

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KR20190135341A
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 액체질소 냉각용 냉동기 헤더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일측이 폐쇄되고 타측이 개방되어 홈이 형성된 원기둥형상으로 형성된 바디부, 상기 바디부의 내부에 링형상으로 홈이 형성되어 냉매가 내부에 유동되도록 구비된 유체유동부, 상기 유체유동부에 상기 냉매를 공급하도록 상기 바디부의 측벽에 중공의 관형상으로 돌출되어 형성된 유체유입부 및 상기 유체유동부에 공급된 상기 냉매가 배출되도록 상기 바디부의 측벽에 중공의 관형상으로 돌출되어 형성된 유체배출부를 포함하고, 바디부에 열전달을 촉진하는 유체유입부를 일체화하여 반복적인 온도변화에도 일정한 형상을 유지할 수 있고, 냉각부 헤더 내부에 일정한 비율의 유체유입부를 형성시켜 최적의 열전달 효율을 달성할 수 있다.

Description

액체질소 냉각용 냉동기 헤더{HEADER OF REFRIGERATOR FOR COOLING LIQUID NITROGEN}
본 발명은 스터링 냉동기의 헤더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기에 일체로 제작된 헤더를 장착하여 열효율을 향상시킬 수 있는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더에 관한 것이다.
기존 액체질소의 과냉각을 위해 사용되는 스터링 냉동기는 열교환을 위해 냉각부 헤더에 전열관을 감은 열교환기를 사용하여 왔다. 이러한 열교환기는 열교환 용량이 수~수십 W로 작고, 냉각부 헤더의 크기가 수십mm 이내였기 때문에 전열관을 감은 단순한 구조가 가능하였다. 하지만, 이러한 구조는 열교환 과정 중 반복된 온도변화로 냉각부의 헤더로부터 전열관이 떨어지거나 접촉면적이 작아 열전달을 효율적으로 달성하는 방해되는 요소로 작용되었다.
따라서, 종래에는 냉각부 헤더의 열전달 촉진을 위해 전열관과 냉각부 헤더 사이에 납 충진재를 이용하여 접촉면을 늘리는 방법 등이 사용되어 왔지만, 극저온 열교환기의 성능이 일정하게 유지되지 못하는 점과 같은 부작용이 발생되고, 냉동기 운전 중 잦은 온도변화로 인해 냉각부 헤더로부터 납충진재가 떨어져서 열전달이 효율적으로 이루어지지 않는 문제 등이 발생되었다.
일본공개특허공보 제 1999-287526호(1999.10.19.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 열전달량을 달성하고, 반복적인 사용에도 냉각부의 헤더의 탈락을 방지할 수 있으며, 최적의 효율을 갖는 유로를 적용하여 높은 열교환 효율을 달성하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더는 액체질소를 냉각하는 극저온 열교환기로써, 열교환을 수행하는 스터링 냉동기의 헤더에 있어서, 일측이 폐쇄되고 타측이 개방되어 원기둥형상으로 형성된 바디부, 상기 바디부의 내부에 링형상으로 홈이 형성되어 냉매가 내부에 유동되도록 구비된 유체유동부, 상기 유체유동부에 상기 냉매를 공급하도록 상기 바디부의 측벽에 중공의 관형상으로 돌출되어 형성된 유체유입부 및 상기 유체유동부에 공급된 상기 냉매가 배출되도록 상기 바디부의 측벽에 중공의 관형상으로 돌출되어 형성된 유체배출부를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 바디부의 개방된 타측으로 작동유체가 유입되도록 홈형상의 저온부가 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 헤더의 냉매를 통한 열전달량은 식1에 따라, 1kW이상이고, 압력강하량은 식 2에 따라, 40kPa 이하로 설정된 것도 가능하다.
[식 1] 열전달량 = m LN2 · c p,LN2 · (T LN2,in - T LN2,out ) = U · A · LMTD
[식 2] 압력강하량 = ∫·
Figure pat00001
Figure pat00002
·
Figure pat00003
Figure pat00004
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유체유동부는 냉매를 통한 열교환의 효율을 향상시키도록 상기 유체유동부의 너비와 높이의 비가 각각 1 대 0.55로 설정된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유체유동부는 유체가 균일하게 분배되어 열교환을 이루도록 상기 바디부의 중심축방향을 기준으로 8개가 적층되어 형성된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유체유동부의 각각이 연결되도록 유로가 형성되고 상기 유로를 통해 상기 유체유동부의 내부를 냉매가 유동되어 열교환을 달성하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유체유동부는 냉매를 통한 열교환의 효율을 향상시키도록 상기 유체유동부의 너비와 상기 바디부 반경의 비가 1 대 15.2로 설정된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저온부의 표면온도는 최적의 열전달량을 만족하도록 74 K 내지 77 K 으로 설정된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 냉매가 유입되는 상기 유체유입부의 온도는 열전달량을 1kW이상으로 유지하도록 상기 저온부의 표면온도보다 9 K 이상 차이가 나도록 설정되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유체유동부의 내부에 유동되는 냉매 및 상기 저온부에 유동되는 작동유체는 액체질소로 구성된 것도 가능하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더에 의해서 초전도 케이블의 초전도 현상을 유지하는 극저온 열교환기를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 극저온 열교환기에 의해서 77 K 이하의 온도에서 구동되어 열교환이 이루어지는 스터링 냉동기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더는 바디부에 열전달을 촉진하는 유체유입부를 일체화하여 반복적인 온도변화에도 일정한 형상을 유지할 수 있고, 냉각부 헤더 내부에 일정한 비율의 유체유입부를 형성시켜 최적의 열전달 효율을 달성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더 의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더 의 측면도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 A-A의 단면도 및 부분확대도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정한 표이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수에 따라 열전달량 및 압력강하량에 미치는 효과를 도시한 주효과도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 개수와 바디부의 반경에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정한 표이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 개수와 바디부의 반경에 따라 열전달량 및 압력강하량에 미치는 효과를 도시한 주효과도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 7의 2-1 및 2-2의 유체유동부 내부의 액체질소 속도분포도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정한 표이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수가 열전달량 및 압력강하량에 미치는 효과를 나타내는 주효과도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 열전달량 및 액체질소 출구 온도에 미치는 효과를 나타내는 주효과도다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 바디부 표면온도와 유체유입부 입구온도에 따른 열전달량 및 액체질소 출구온도에 대한 반응 표면 분석결과를 나타낸 등고선도(contour plot)이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 바디부 표면온도와 유체유입부 입구온도에 따른 열전달량 및 액체질소 출구온도에 대한 반응 표면 분석결과를 나타낸 등고선도(contour plot)이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 반응값의 범위를 설정하여 반응값에 만족하는 범위를 보여주는 중첩등고선도(overlaid contour plot)이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더 의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더 의 측면도이며, 도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 A-A의 단면도 및 부분확대도이다.
본 발명에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)는 액체질소를 냉각하는 극저온 열교환기로써, 열교환을 수행하도록 타측이 개방된 원기둥형상으로 형성된 바디부(110)를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 바디부(110)는 원기둥형상으로 형성되고, 일측은 폐쇄되며 타측은 개방되어 개방된 타측으로 작동유체가 유입되도록 저온부(111)가 형성된다.
즉, 상기 바디부(110)는 스터링 냉동기의 열교환을 수행하도록 구비되고, 상기 바디부(110)의 일측에 개방되도록 형성된 상기 저온부(111)는 스터링 냉동기의 열교환 과정에서 작동유체가 유동되도록 홈 형상으로 형성된다.
상기 스터링 냉동기의 열교환 과정은 수소가스 또는 헬륨가스 등의 작동유체가 압축될 때 온도가 상승되고, 팽창될 때 온도가 떨어지는 원리를 이용하여 저온 또는 고온으로 온도를 변화시키는 일반적인 스터링 냉동기의 과정이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 바디부(110)의 내부에는 링형상으로 형성된 유체유동부(120)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 바디부(110)의 측벽의 내부에는 링형상으로 외주를 따라 유체유동부(120)가 형성되고, 상기 유체유동부(120)는 내부에 냉매가 유동된다. 따라서, 상기 냉매에 의해서 작동유체가 냉각됨으로써, 냉동기의 열교환이 수행된다.
즉, 스터링 냉동기는 압축공간과 팽창공간을 통해 열에너지를 흡수 및 재생시키고, 상기 바디부(110)에 형성된 저온부(111)를 냉각시키도록 상기 바디부(110)의 측벽 내부에 링형상으로 상기 유체유동부(120)가 형성되고, 상기 유체유동부(120)의 내부를 따라 냉매가 유동된다. 따라서, 상기 냉매가 상기 저온부(111)를 냉각시켜 작동유체를 냉각시키게 된다.
따라서, 상기 바디부(110) 측벽의 내부에 유체유동부(120)가 일체로 형성되어 반복적인 온도변화에도 일정한 형상을 유지할 수 있고, 최적의 열교환과정을 수행할 수 있다.
한편, 유체유동부(120)는 바디부(110)의 측벽을 따라 다수개가 적층된 형상으로 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 유체유동부(120)는 상기 바디부(110)의 측벽 내부에 링형상으로 형성되고, 상기 바디부(110)의 중심축을 따라 다수개가 적층되어 형성될 수 있다. 따라서, 상기 유체유동부(120)는 내부에 냉매가 유동됨으로써, 상기 저온부(111)를 냉각시키게 된다.
또한, 상기 다수의 유체유동부(120)는 내부에 냉매가 유동되도록 각각 연통된 구조로 형성된다.
즉, 링형상으로 형성된 유체유동부(120)의 측면과 수직된 방향으로 상기 유체유동부(120)의 각각 연결시켜 유체유동부(120)끼리 내부에 냉매가 유동되도록 유로(150)가 형성된다. 따라서, 상기 유체유동부(120)에 공급된 냉매가 상기 유로(150)를 통해 유체유동부(120)의 각각에 유동될 수 있고, 상기 바디부(110)의 전체에 균일하게 열교환을 수행할 수 있다.
상기 유체유동부(120)의 내부에 유동되는 냉매는 질소로 구성될 수 있고, 초전도 현상을 유지시키도록 극저온 상태를 위해 액체질소를 사용하여 냉각 순환시키도록 한다. 또한, 스터링 냉동기의 작동유체를 헬륨가스나 질소가스를 이용할 수 있고, 상기 액체질소의 순환에 의해서 열교환이 수행된다.
한편, 유체유동부의 일측에는 냉매가 공급되는 유체유입부 및 냉매가 배출되는 유체배출부가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 유체유입부(130)는 상기 유체유동부(120)의 원주방향과 평행으로 형성되고, 상기 유로(150)와 수직한 방향으로 상기 유로(150)의 일측에 돌출되어 중공의 관형상으로 형성되며, 상기 유체배출부(140)는 상기 유체유동부(120)의 원주방향과 평행으로 형성되고, 상기 유로(150)와 수직한 방향으로 상기 유로(150)의 타측에 돌출되어 중공의 관형상으로 형성된다.
즉, 상기 바디부(110)의 측벽을 따라 링 형상의 상기 유체유동부(120)가 다수 형성되고, 상기 유체유동부(120)의 원주방향과 수직으로 연결되어 상기 유체유동부(120)의 각각을 연결시키는 유로(150)가 상기 바디부(110)의 측벽 내부에 홈형상으로 형성되며, 상기 유체유동부(120) 및 유로(150)와 연결되도록 중공의 원기둥형상으로 유체유입부(130) 및 유체배출부(140)가 돌출되어 형성된다.
따라서, 상기 유체유입부(130)를 통해서 유입된 냉매가 상기 유체유동부(120) 및 유로(150)에 유동되어 상기 바디부(110)를 냉각시키고, 상기 유체배출부(140)를 통해서 냉매가 배출된다.
본 발명에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)의 열전달량은 1kW이상이고, 압력강하량은 40kPa 이하로 설정될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)는 하기의 식 1에 따라 열전달량이 1kW이상으로 설정되고, 하기의 식 2에 따라 압력강하량이 40kPa 이하로 설정된다.
[식 1] 열전달량 = m LN2 · c p,LN2 · (T LN2,in - T LN2,out ) = U · A · LMTD
[식 2] 압력강하량 = ∫·
Figure pat00005
Figure pat00006
·
Figure pat00007
Figure pat00008
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정한 표이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수에 따라 열전달량 및 압력강하량에 미치는 효과를 도시한 주효과도이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)의 열전달량은 유체유동부(120)의 개수에서 주효과도가 큰 것으로 나타났으며 압력강하량은 유체유동부(120)의 너비에 가장 큰 영향을 받을 수 있다. 따라서, 유체유동부(120)의 개수가 많을수록 열전달량을 증가시킬 수 있지만 유체유동부(120)의 개수를 증가시킬 경우 바디부(110)의 높이가 한정되어 있으며, 상기 바디부(110)의 측벽 내부에 형성된 유체유동부(120)의 높이가 줄어들어 압력강하량이 증가되는 결과를 나타낼 수 있고, 압력강하량은 채널의 너비가 넓을수록 수력직경이 커지므로 압력강하량이 줄어들 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 개수와 바디부의 반경에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정한 표이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 개수와 바디부의 반경에 따라 열전달량 및 압력강하량에 미치는 효과를 도시한 주효과도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 도 7의 2-1 및 2-2의 유체유동부 내부의 액체질소 속도분포도이다.
도 6내지 도 8을 참조하면, 열전달량 및 압력강하량은 바디부(110)의 반경 보다는 유체유동부(120)의 개수에 더욱 큰 영향을 받는다. 따라서, 바디부(110)의 반경이 커질수록 열저항을 증가시키기 때문에 열전달에 영향을 주지만 내부형상과는 관련이 없기 때문에 압력강하에는 영향을 미치지 못하게 된다.
또한, 도 8를 참조하면, 유체유동부(120)의 개수에 따른 열전달량은 유체유동부(120)의 개수가 작아질수록 열전달량이 증가하였으므로, 동일한 유량에서 유로(150)의 구성이 작아짐에 따라 수력직경이 작아진다. 이로 인해, 유체유동부(120)의 내부에 레이놀즈수가 증가되고, 레이놀즈수의 증가분이 관내측 열전달 계수의 상승분으로 이어져 열전달량이 증가될 수 있다. 또한 유체유동부(120)의 개수가 증가할수록 압력강하량이 감소된다. 이는 도 4 내지 도 5에서 유체유동부(120)의 너비가 넓어지는 것과 마찬가지로 유체유동부(120)의 개수를 증가시키면 수력직경이 커지므로 압력강하량이 감소하게 된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정한 표이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유체유동부의 너비와 개수가 열전달량 및 압력강하량에 미치는 효과를 나타내는 주효과도이다.
도9 내지 도 10을 참조하면, 도 4 내지 도 8의 측정값을 기초로 유체유동부(120)의 너비와 개수에 따른 열전달량 및 압력강하량을 측정하였고, 열전달량은 유체유동부(120)의 너비보다는 유체유동부(120)의 개수로 인한 영향이 큰 것으로 분석되었으며, 압력강하량은 유체유동부(120)의 너비 및 개수 모두 영향이 큰 것으로 측정값에서 나타났다. 또한, 유체유동부(120)의 개수가 적어질수록 열전달량은 증가하였고, 유체유동부(120)의 너비 및 개수에 따라 압력강하량에 영향을 미칠 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 열전달량 및 액체질소 출구 온도에 미치는 효과를 나타내는 주효과도고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 바디부 표면온도와 유체유입부 입구온도에 따른 열전달량 및 액체질소 출구온도에 대한 반응 표면 분석결과를 나타낸 등고선도(contour plot)이며, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 바디부 표면온도와 유체유입부 입구온도에 따른 열전달량 및 액체질소 출구온도에 대한 반응 표면 분석결과를 나타낸 등고선도(contour plot)이고, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 반응값의 범위를 설정하여 반응값에 만족하는 범위를 보여주는 중첩등고선도(overlaid contour plot)이다.
도 11를 참조하면, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)의 열전달량은 유체유입부(130)의 입구온도와 바디부(110) 표면온도 모두 영향이 큰 것으로 나타났지만 유체배출부(140) 출구온도의 경우 유체유입부(130) 입구온도보다 바디부(110) 표면온도가 미치는 영향이 더 클 수 있다.
도 13를 참조하면, 바디부(110) 표면온도가 낮고 유체유입부(130) 입구온도가 증가할수록 열전달량이 증가되고, 이는 바디부(110) 표면온도와 유체유입부(130) 입구온도의 대수평균 온도 차가 커지기 때문이다. 따라서, 바디부(110) 표면 온도와 유체유입부(130) 입구온도가 약 9K 이상의 차이를 보여야 1 kW 이상의 열전달량을 보일 수 있다.
도14를 참조하면, 열전달량 및 유체배출부(140)의 출구온도를 반응값으로 선정하고, 범위는 각각 1 kW 이상 및 76~78K이다. 이때, 반응값의 범위를 만족시켜주는 부분은 중첩등고선도의 흰색 부분이고, 목표가 되는 열전달량 및 압력강하량을 만족하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)에 대한 최적의 설계가 가능하다.
상기와 같은 측정값에 따라, 열전달량은 바디부(110) 표면 및 유체유입부(130) 입구온도 모두 큰 영향을 주었지만 유체배출부(140) 출구온도의 경우 유체유입부(130) 입구온도보다 바디부(110) 표면온도의 영향이 크다. 따라서, 냉각부 헤더 형상에서는 바디부(110) 표면온도가 74~77K이고, 바디부(110) 표면온도와 유체유입부(130) 입구온도가 약 9K 이상의 차이를 보여야 1 kW 이상의 열전달량을 달성할 수 있다.
결과적으로, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)를 최적의 열전달량은 1KW 이상이고 압력강하량은 40kPa 이하로 만족되도록 도 4 내지 도 14를 종합하면, 상기 유체유동부는 너비와 높이의 비가 각각 1 대 0.55로 설정될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 4 내지 도 5의 측정값에 따라 유체유동부(120)의 너비가 넓을수록 압력강하량이 감소되고, 높이가 줄어들면 압력강하량이 줄어들게 된다. 따라서, 도 5 내지 도 15의 측정값을 종합하여 너비와 높이의 비가 각각 1 대 0.55로 설정되고, 바람직하게는, 상기 유체유동부(120)의 너비는 0.01m이고, 높이는 0.0055m로 설정될 수 있다.
또한, 유체유동부(120)는 냉매를 통한 열교환의 효율을 향상시키도록 상기 유체유동부(120)의 너비와 바디부(110) 반경의 비가 1 대 15.2로 설정될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 6 내지 도 8를 참조하면, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)는 바디부(110)의 반경이 커질수록 열저항이 증가되고, 이에 따라, 열전달량에 영향을 주게 된다. 따라서, 최적의 열전달량 및 압력강하량을 만족하기 위해서 상기 유체유동부(120)의 너비와 바디부(110) 반경의 비가 1 대 15.2로 설정되고, 바람직하게는, 상기 유체유동부(120)의 너비는 0.01m이고, 상기 바디부(110) 반경은 15.2m로 설정될 수 있다.
한편, 상기 유체유동부는 유체가 균일하게 분배되어 열교환을 이루도록 상기 바디부의 중심축방향을 기준으로 8개가 적층되어 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 9 내지 도 10을 참조하면, 열전달량은 상기 유체유동부(120)의 너비나 높이보다 개수에 더 큰 영향을 받는 것으로 측정되었다. 따라서, 최적의 열전달량 및 압력강하량을 갖도록 상기 유체유동부(120)는 상기 바디부(110)의 중심축방향을 기준으로 8개가 적층되어 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)가 열전달량을 1kW이상으로 유지하도록 저온부(111)의 표면온도는 74 K 내지 77 K 로 설정될 수 있고, 유체유입부(130)의 온도는 저온부(111)의 표면온도보다 9 K 이상 차이가 나도록 설정될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 11내지 도 14를 참조하면, 저온부의 표면온도는 74 K 내지 77 K 로 설정되고, 유체유입부(130)의 온도는 저온부의 표면온도보다 9 K 이상 차이가 나도록 설정되어야 액체질소 냉각용 냉동기 헤더(100)가 열전달량을 1kW이상으로 유지가 가능하고, 이때, 압력강하량 또한 40kPa 이하로 설정 가능하다.
또한, 본 발명에 따른, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더는 고온 초전도 케이블의 초전도 현상을 유지하는 극저온 열교환기일 수 있고, 상기 극저온 열교환기는 77 K 이하의 온도에서 구동되어 열교환이 이루어지는 스터링 냉동기일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 액체질소 냉각용 냉동기 헤더
110: 바디부
111: 저온부
120: 유체유동부
130: 유체유입부
140: 유체배출부
150: 유로
A ：열전달 면적 [m2]
Cp ：비열 [kJ/kgK]
D h ：수력직경 [m]
dP : 압력 강하량 [kPa]
∫：마찰계수 [-]
H ：높이 [m]
L ：길이 [m]
N：개수 [-]
m：질량유량 [g/s]
P ：유로 [-]
Q ：열전달량 [kW]
r HEX ：바디부 반경 [m]
T ：온도 [K]
U ：총합열전달계수 [kW/m2K]
V ：속도 [m/s]
W ：너비 [m]
LMTD ：대수평균온도차 [-]
ρ ：밀도 [kg/m3]
LN2：액체질소
ch ：입구
in ：입구
out：출구
surface：표면

Claims (12)

  1. 액체질소를 냉각하는 극저온 열교환기에 사용되는 냉동기 헤더에 있어서,
    일측이 폐쇄되고 타측이 개방되어 원기둥형상으로 형성된 바디부;
    상기 바디부의 내부에 링형상으로 홈이 형성되어 냉매가 내부에 유동되도록 구비된 유체유동부;
    상기 유체유동부에 상기 냉매를 공급하도록 상기 바디부의 측벽에 중공의 관형상으로 돌출되어 형성된 유체유입부;
    상기 유체유동부에 공급된 상기 냉매가 배출되도록 상기 바디부의 측벽에 중공의 관형상으로 돌출되어 형성된 유체배출부;
    를 포함하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 바디부의 개방된 타측으로 작동유체가 유입되도록 홈형상의 저온부가 형성된 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 헤더의 냉매를 통한 열전달량은 1kW이상이고, 압력강하량은 40kPa 이하인 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유체유동부는 냉매를 통한 열교환의 효율을 향상시키도록 상기 유체유동부의 너비와 높이의 비가 각각 1 대 0.55로 설정된 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유체유동부는 유체가 균일하게 분배되어 열교환을 이루도록 상기 바디부의 중심축방향을 기준으로 8개가 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유체유동부의 각각이 연결되도록 유로가 형성되고 상기 유로를 통해 상기 유체유동부의 내부를 냉매가 유동되어 열교환을 달성하는 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 유체유동부는 냉매를 통한 열교환의 효율을 향상시키도록 상기 유체유동부의 너비와 상기 바디부 반경의 비가 1 대 15.2로 설정된 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 저온부의 표면온도는 최적의 열전달량을 만족하도록 74 K 내지 77 K 으로 설정된 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 냉매가 유입되는 상기 유체유입부의 온도는 열전달량을 1kW이상으로 유지하도록 상기 저온부의 표면온도보다 9 K 이상 차이가 나도록 설정되는 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 유체유동부의 내부에 유동되는 냉매 및 상기 저온부에 유동되는 작동유체는 액체질소로 구성된 것을 특징으로 하는 액체질소 냉각용 냉동기 헤더.
  11. 제 1 항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른, 액체질소 냉각용 냉동기 헤더에 의해서 초전도 케이블의 초전도 현상을 유지하는 것을 특징으로 하는 극저온 열교환기.
  12. 제 11항에 따른, 상기 극저온 열교환기에 의해서 77 K 이하의 온도에서 구동되어 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 스터링 냉동기.
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