KR20220130924A

KR20220130924A - 초전도 한류기의 냉각 제어장치

Info

Publication number: KR20220130924A
Application number: KR1020210035775A
Authority: KR
Inventors: 유기남; 윤동진
Original assignee: 엘에스일렉트릭(주)
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-09-27
Also published as: CN116998080A; WO2022196952A1; KR102616056B1

Abstract

본 발명은 초전도 한류기의 냉각 제어장치에 관한 것으로, 포화 액체 냉각제를 냉동기로 냉각시켜, 초전도 소자가 침지된 과냉각 액체 냉각제의 온도를 유지하는 초전도 한류기와, 상기 초전도 한류기의 상기 포화 액체 냉각제가 수용된 제2용기의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 압력센서의 압력 검출결과를 이용하여, 상기 포화 액체 냉각제의 온도를 추정하고, 추정된 상기 포화 액체 냉각제의 온도에 따라 상기 냉동기의 온도 제어를 수행하는 제어장치부를 포함할 수 있다.

Description

초전도 한류기의 냉각 제어장치{Cooling control device for superconducting fault current limiter}

본 발명은 초전도 한류기의 냉각 제어장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 비순환식 초전도 한류기의 냉각 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 고장전류에 대한 제어를 수행하는 다양한 전력 계통 안정화 장치들이 제안되었다.

그 중 초전도 한류기는 초전도체의 초전도성을 이용하여 계통에 임피던스를 투입함으로써, 고장전류의 발생시 차단기가 차단 가능한 용량으로 제한하는 장치를 뜻한다.

초전도 한류기에 적용되는 초전도체는 특정 온도 및 특정 전류 이하에서 저항 제로 특성을 나타내며, 전력계통에 예상치 못한 사고가 발생했을 때 초전도 특성이 파괴되어 상전도 상태로 전이되면서 높은 저항을 나타낸다.

따라서 온도 또는 전류량에 따른 초전도체의 저항 특성 변화에 의하여 고장전류를 낮출 수 있다.

위의 설명과 같은 기본적인 초전도 한류기의 동작을 위하여 초전도 한류기의 초전도체는 평상시 냉각장치에 의하여 냉각되어 초전도 상태를 유지하여야 한다.

등록특허 10-1104234호(2012년 1월 10일, 초전도 한류기 내부 온도 제어 장치 및 방법, 2012년 1월 3일 등록)에는 냉동기와 전도 냉각 구리 밴드를 사용하여 초전도 소자가 침지된 액체 질소를 냉각시켜 온도를 유지하는 구성이 기재되어 있다.

그러나 구리 밴드의 길이가 길어질수록 구리 밴드 자체에 온도차가 발생하기 때문에 전체적으로 충분한 냉각 효과를 얻기 위해서는 냉동기의 운전 온도를 더욱 낮출 수밖에 없으며, 이는 냉동기의 전력 소비량을 증가시키게 된다.

즉, 냉동기는 온도가 낮을수록 성능과 효율이 감소된다. 예를 들어 절대온도 80K에서 70K로 낮추기 위한 전력 소비량에 비하여 60K에서 50K로 낮추기 위한 전력 소비량은 약 20% 정도 증가하게 되는 문제점이 있었다.

초전도 소자의 온도를 유지하기 위한 다른 냉각장치의 구성으로서, 공개특허 10-2008-0102157호(초전도체 냉각용 멀티 배쓰 장치 및 초전도체 냉각 방법, 2008년 11월 24일 공개)가 있다.

위의 공개특허에는 초전도체를 냉각하는 냉각 배쓰와 냉각 배쓰를 감싸는 쉴드 배쓰를 포함하고, 냉각 배쓰는 과냉각, 쉴드 배쓰는 포화상태가 유지되도록 압력을 조절한다.

냉동기는 쉴드 배쓰의 내측 상부에 위치한다. 냉동기는 쉴드 배쓰 내의 액체 질소에 접촉되지 않으며, 포화 상태의 액체 질소가 기체로 상변화된 상태에서 다시 액화하는 역할을 한다.

또한, 위의 공개특허는 극저온 저장 탱크를 별도로 마련하고, 쉴드 배쓰의 액위를 보상하기 위하여 액체 질소를 쉴드 배쓰로 공급하는 구성을 포함한다.

이와 같은 구성의 종래 기술은 액체 질소를 보관하는 극저온 저장 탱크의 운영에 따른 공간적, 비용적인 손실이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 종래 초전도 한류기의 운용을 위해서는 냉각 배쓰의 과냉각 온도 및 쉴드 배쓰의 포화상태 온도를 직접 검출하는 온도 센서를 구비하고, 검출된 온도에 따라 냉동기를 제어하도록 구성된다.

그러나 초저온의 온도를 검출하기 위한 온도 센서는 그 가격이 비싸기 때문에, 초전도 한류기의 제조 원가가 상승하게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 밀폐된 공간 내에 위치하는 온도 센서의 유지 및 보수가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

또한, 온도 센서를 액체 질소 내에 침지시키고, 온도 센서의 신호선을 한류기 외부로 유출시켜야 하기 때문에 한류기 내부의 압력 유지가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 보다 저비용의 수단을 이용하여 포화 액체 냉각제의 온도를 검출할 수 있는 초전도 한류기의 냉각 제어장치를 제공함에 있다.

구체적으로, 포화 액체 냉각제의 온도를 직접 검출하지 않고, 한류기 내부 압력을 검출하여 포화 액체 냉각제의 온도를 추정할 수 있는 초전도 한류기의 냉각 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명은 위의 목적과 함께 유지 보수가 용이하며, 압력 유지에 유리한 초전도 한류기의 냉각 제어장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

그리고 본 발명은 포화 액체 냉각제의 온도를 직접 검출하는 온도 센서를 함께 이용하여 온도 검출에 대한 리던던시를 제공할 수 있는 초전도 한류기의 냉각 제어장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 과냉각 액체 냉각제의 순환을 활성화하여 온도 균일성을 확보함으로써, 초전도 소자의 냉각 온도 균일성을 확보할 수 있는 초전도 한류기의 냉각 제어장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

아울러 본 발명의 다른 과제는 과냉각 액체 냉각제가 수용된 제1용기부의 압력 유지에 매우 유리한 초전도 한류기의 냉각장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 초전도 한류기의 냉각 제어장치는, 포화 액체 냉각제를 냉동기로 냉각시켜, 초전도 소자가 침지된 과냉각 액체 냉각제의 온도를 유지하는 초전도 한류기와, 상기 초전도 한류기의 상기 포화 액체 냉각제가 수용된 제2용기의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 압력센서의 압력 검출결과를 이용하여, 상기 포화 액체 냉각제의 온도를 추정하고, 추정된 상기 포화 액체 냉각제의 온도에 따라 상기 냉동기의 온도 제어를 수행하는 제어장치부를 포함할 수 있다.

본 발명은, 과냉각 액체 냉각제를 수용하는 제1용기와, 제1용기의 외부를 둘러싸며 포화 액체 냉각제를 수용하는 제2용기를 포함하되, 제2용기의 내부 압력을 검출하여, 포화 액체 냉각제의 온도를 추정함으로써, 비용을 줄일 수 있으며, 유지 및 보수가 용이하고, 제2용기의 내부 압력 유지에 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 제2용기를 제1용기의 상부측에만 접하도록 위치시킴으로써, 과냉각 액체 냉각제의 부분적인 온도차에 의한 제1용기 내의 순환을 활성화하여 초전도 소자의 온도 균일성을 확보할 수 있는 효과가 있다

또한, 본 발명은 제2용기의 포화 액체 냉각제의 액위가 제1용기의 과냉각 액체 냉각제의 액위에 비하여 더 높게 되도록 설정함으로써, 제1용기의 벽면을 응축면으로 작용시켜 제1용기 내부 압력 유지에 유리한 효과가 있다.

아울러, 본 발명은 제1용기의 내부 압력을 검출하고, 검출된 압력을 온도로 환산하여 초저온을 검출할 수 있는 온도 센서의 사용을 최소화함으로써 비용을 줄일 수 있으며, 또한 온도 센서의 삽입 설치 및 기밀 유지를 위한 복잡한 구성을 단순화하여 유지 보수가 유리하고, 압력 유지 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 한류기의 냉각 제어장치 구성도이다.
도 2는 포화선도 그래프이다.
도 3은 온도센서를 포함하는 본 발명의 다른 실시예의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 동작 순서도이다.
도 5와 도 6은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 한류기의 냉각 제어장치 구성도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 한류기의 냉각 제어장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 한류기의 냉각 제어장치 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명은, 초전도 소자(11)가 침지되는 과냉각 액체 냉각제(12)를 수용하는 제1용기(10)와, 상기 제1용기(10)의 측면 및 저면을 덮도록 제1용기(10)의 외면에 접하여 위치하며, 포화 액체 냉각제(21)를 수용하는 제2용기(20)와, 상기 제1용기(10) 및 제2용기(20)의 측면 및 저면에 접하는 제3용기(30)와, 상기 제2용기(20)에 삽입되어 기화된 포화 액체 냉각제(21)를 응축하는 냉동기(40)와, 상기 제2용기(20)의 압력을 검출하는 압력센서(50)와, 상기 압력센서(50)의 압력 검출결과를 입력받아 제2용기(20)의 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 추정하여 상기 냉동기(40)의 온도를 조절하는 제어장치부(60)를 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 초전도 한류기 냉각 제어장치의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 제1용기(10)는 원기둥형의 수용공간을 제공하며, 내측에 초전도 소자(11)가 마련되어 있다. 초전도 소자(11)는 전력계통의 상 수와 동 수로 마련될 수 있다.

즉, 3상 전력계통에는 3개의 초전도 소자(11)가 사용될 수 있다.

초전도 소자(11)는 제1용기(10)의 내에서 과냉각 액체 냉각제(12) 내에 침지되어 있으며, 과냉각 액체 냉각제(12)에 의해 온도가 유지되어 고장전류의 발생 전상태에서 저항이 0에 가까운 상태를 유지한다.

상기 과냉각 액체 냉각제(12)는 액체 질소일 수 있다.

제1용기(10)의 내부 압력(P1)은 3bar이며, 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도는 77K가 정상 기준온도가 된다.

제1용기(10)의 내부 압력(P1)을 유지하기 위하여 비응축 가스가 주입된다. 비응축 가스의 예로는 기체상의 네온과 헬륨이 있으며, 제1용기(10)의 과냉각 액체 냉각제(12)의 상부측 공간은 기체상의 네온과 기체상의 헬륨이 혼합된 가스가 충진되어 압력을 유지하는 것으로 이해될 수 있다.

제1용기(10)에 수용된 과냉각 액체 냉각제(12)는 특별한 이유가 없는 이상은 교환되지 않으며, 설치상태를 유지하면서 온도를 유지한다.

제1용기(10)의 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도는 제2용기(20)의 포화 액체 냉각제(21)와, 냉동기(40)의 작용에 의해 유지된다.

제2용기(20)의 압력(P2)은 1bar 미만으로 유지되며, 포화 액체 냉각제(21)의 온도는 77K 미만의 온도로 유지되어야 한다. 포화 액체 냉각제(21) 역시 액체 질소를 사용할 수 있다.

포화 액체 냉각제(21)의 온도는 바람직하게 75 내지 76K인 것으로 한다.

제2용기(20)의 내벽은 제1용기(10)의 외벽 일부를 그대로 사용하여 열교환에 유리하도록 할 수 있다.

제2용기(20)에 수용되는 포화 액체 냉각제(21)의 액위는 상기 제1용기(10)에 수용된 과냉각 액체 냉각제(12)의 액위와 동일한 것으로 할 수 있으며, 다른 예에 대해서는 이후에 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

상기 제2용기(20)의 일면, 예를 들어 상면에는 다수의 냉동기(40)가 결합되며, 냉동기(40)의 콜드 헤드는 제2용기(20)의 내측으로 인입되어 있다.

따라서, 제2용기(20)의 포화 액체 냉각제(21)와 제1용기(10)의 과냉각 액체 냉각제(12) 사이에 열교환이 이루어지며, 이때의 열교환은 포화 액체 냉각제(21)와 과냉각 액체 냉각제(12) 사이의 제1용기(10) 외벽 일부를 통해 이루어진다.

열교환에 의해 포화 액체 냉각제(21)의 일부는 기화되며, 과냉각 액체 냉각제(12)는 온도를 유지하게 된다.

기화된 포화 액체 냉각제(21)는 다시 냉동기(40)에 의해 응축되어 액화되고, 액화된 액체는 중력에 의해 낙하하여 포화 액체 냉각제(21)에 혼합되는 것을 반복한다.

따라서 본 발명은 포화 액체 냉각제(21)를 순환시키지 않고도 과냉각 액체 냉각제(12) 및 초전도 소자(11)의 온도를 유지할 수 있다.

즉, 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 상기 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도보다 낮은 온도로 유지하며, 이때 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 검출하여, 적정한 냉동기(40) 제어를 수행해야 한다.

이를 위하여 본 발명은 압력센서(50)를 사용하여 제2용기(20)의 내부 압력(P2)을 검출한다.

압력센서(50)의 압력 검출결과는 제어장치부(60)로 제공된다.

제어장치부(60)는 압력센서(50)의 아날로그 출력을 디지털신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(62)와, 압력과 온도의 상관 데이터 테이블을 저장하는 메모리(63)와, 상기 아날로그 디지털 변환부(62)의 압력정보를 입력받아 상기 메모리(63)에 저장된 테이블을 이용하여 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 추정하는 프로세서(61)와, 상기 프로세서(61)의 제어에 따라 냉동기(40)의 온도를 제어하는 온도제어기(64)를 포함한다.

이와 같은 구성에서 상기 메모리(63)에 저장되는 압력 온도 상관 데이터 테이블은, 포화 액체 냉각제의 상선도를 이용한다.

도 2는 포화 액체 냉각제(21)의 일예인 액체 질소의 포화선도를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 포화 액체 냉각제(21)는 온도와 압력에 따라 상이 결정된다. 대체로 액체 질소는 75 내지 76K의 온도에서 70 내지 90kPa(0.7 내지 0.9bar)의 압력일 때, 포화상태가 된다. 즉, 도면에서 포화선도의 구간(M)을 따라 온도와 압력을 결정해야 한다.

상기 포화 액체 냉각제(21)는 포화상태를 유지하며, 과냉각 액체 냉각제(12)와 열교환되어 온도가 높아지면, 기화가 된다.

이때 포화 액체 냉각제(21)의 온도가 위의 범위보다 높아지면, 기화가 활발하게 일어나게 되며, 제2용기(20) 내부의 압력은 증가하게 된다.

반대로, 냉동기(40)의 온도가 너무 낮은 경우, 기화된 액체 질소의 응축이 더 활발하게 발생하여, 제2용기(20) 내부의 압력은 감소하게 된다.

따라서, 포화 액체 냉각제(21)의 온도와 제2용기(20) 내부 압력간의 상관 관계가 성립되며, 제2용기(20)의 압력(P2)을 검출하여 온도와의 상관 관계에 따라 온도를 추정할 수 있다.

상기 프로세서(61)는 메모리(63)에 저장된 압력 온도 상관 데이터 테이블을 이용하여, 검출된 압력이 나타내는 온도를 검출하고, 그 검출된 온도에 따라 냉동기(40)의 온도를 높이거나 낮추는 제어를 수행한다.

즉, 프로세서(61)는 온도제어기(64)를 제어하여, 냉동기(40)의 온도를 제어함으로써, 기화된 액체 질소의 응축 발생 정도를 조절하여 압력(P2)을 유지할 수 있다.

이때 압력(P2)의 유지는 냉동기(40)의 온도와 관계되며, 냉동기(40)의 온도에 따라 포화 액체 냉각제(21)의 온도 또한 결정된다.

이처럼 본 발명은 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 직접 검출하지 않고, 압력(P2)을 검출하여 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 추정함으로써, 비용을 줄일 수 있다.

또한, 압력센서(50)는 포화 액체 냉각제(21)에 침지되지 않으며, 제2용기(20)의 일부에서 쉽게 교체 가능한 구조이기 때문에 유지 및 보수가 용이하여, 한류기 운용의 신뢰성과 편의성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명은 압력센서(50)와 함께 포화 액체 냉각제(21)에 침지되는 온도센서를 더 포함하여, 리던던시 구조로 운용될 수 있다.

이 경우 비용이 증가하기는 하지만, 온도센서에 이상이 발생한 경우에도 정상적인 온도제어가 가능하며, 온도센서에서 검출된 온도를 검증할 수 있다는 장점이 있다.

도 3에 온도센서(70)가 포함된 본 발명의 초전도 한류기 냉각 제어장치를 도시하였다.

이처럼 제2용기(20)의 내부 압력을 검출하는 압력센서(50)와, 제2용기(20) 내에 충진된 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 직접 검출하는 온도센서(70)를 모두 사용할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 온도센서(70)를 이용하여 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 검출하고, 그 검출결과에 따라 냉동기(40)의 동작을 제어할 수 있다.

이때, 압력센서(50)에서 검출된 제2용기(20) 내의 압력을 온도로 변환한 결과와 온도센서(70)에서 검출된 온도를 비교하여 설정값 이상 차이가 있으면, 온도센서(70)의 이상으로 판단할 수 있다.

상기 온도제어기(64)는 냉동기(40)를 제어할 뿐만 아니라 도면에는 도시하지 않았으나, 제2용기(20)를 가열하는 히터를 제어하여, 포화 액체 냉각제(21)의 온도가 설정온도에 비하여 낮은 경우에는 히터를 이용하여 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 정상 범위로 조정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 동작 순서도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 압력센서(50)를 이용하여 제2용기(20) 내의 압력(P)을 검출한다(S41).

검출된 압력(P)은 아날로그 디지털 변환부(62)를 통해 디지털신호로 변환되어, 프로세서(61)에 제공된다.

이때 프로세서(61)는 S42단계 및 S43단계와 같이 검출된 압력(P)을 포화 압력(Psat)과 비교한다. 포화압력(Psat)은 온도(T)가 75 내지 77K의 범위에서의 압력이며, S42단계와 같이 검출된 압력(P)이 온도가 77K일 때의 압력에 비해 더 큰지 판단한다.

검출된 압력(P)이 77K에서의 포화압력에 비하여 더 큰 경우, S44단계와 같이 온도 제어기(64)의 쿨링 파워를 높이고, S45단계와 같이 히터의 가동을 중단한다.

상기 S42단계의 판단결과 검출된 압력(P)이 77K에서의 포화압력에 비하여 작은 경우, S43단계와 같이 75K에서의 포화압력보다 검출된 압력(P)이 더 작은 지 판단하고, 작지 않으면 S41단계로 귀환한다.

더 작은 경우 S46단계 및 S47단계와 같이 온도 제어기(64)에서 냉동기(40)의 쿨링파워를 낮추고, 히터를 동작시켜, 포화 액체 냉각제(21)의 온도를 75 내지 77K의 범위로 조절하게 된다.도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 한류기 냉각 제어장치의 구성도이다.

도 5를 참조하면, 제2용기(20)는 제1용기(10)의 측면 상부측에만 위치하도록 구성할 수 있다.

즉, 제2용기(20)는 제1용기(10)의 측면 하부측 및 저면을 노출시키도록 위치되며, 따라서 포화 액체 냉각제(21)와의 열교환은 제1용기(10)에 수용된 과냉각 액체 냉각제(12)의 측면 측에서 일어나게 된다.

제2용기(20)는 제1용기(10)의 측면 상단으로부터 하향으로, 측면 높이의 50%정도를 덮는 것으로 할 수 있다. 좀 더 구체적으로 40 내지 60%를 덮을 수 있다.

제2용기(20)는 제1용기(10)의 측면 하부와 저면을 노출시키는 링타입 구조이며, 동일한 형태의 내부 공간을 제공한다.

상기 제1용기(10)의 과냉각 액체 냉각제(12)는 제2용기(20)가 덮여 있는 상부측에서 주로 열교환이 일어난다. 도 3에서 A영역은 제2용기(20)의 포화 액체 냉각제(21)와 열교환이 일어나는 상층 영역이며, 하층 영역(B)은 열교환이 일어나지 않는다.

그러나 상대적으로 하층 영역(B)의 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도가 상층 영역(A)의 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도보다 높으며, 따라서 상층 영역(A)과 하층 영역(B) 사이에 대류가 발생하게 된다.

즉, 본 발명은 제2용기(20)와 제1용기(10)의 접촉면을 일부로 제한하고, 열교환에 따른 제1용기(10) 내부의 과냉각 액체 냉각제(12)에 부분적인 열적 불균형을 유도하여, 대류를 형성한다.

이와 같은 대류의 형성에 의해 제1용기(10) 내의 과냉각 액체 냉각제(12)가 자체적으로 순환하면서 온도 평형을 이루게 되며, 따라서 온도 균일성을 높일 수 있는 특징이 있다.

이러한 온도 균일성은 초전도 소자(11)를 전체적으로 균일한 온도로 냉각시킬 수 있으며, 초전도 소자(11)의 온도 균일성 확보에 의해 초전도 소자(11) 자체의 저항 균일성도 확보할 수 있다.

제3용기(30)는 상기 제2용기(20)의 측면 및 저면과, 제1용기(10)의 노출된 측면과 저면을 모두 감싸는 구조이며, 내측이 진공(31) 상태로 열전달을 차단하여 제1용기(10) 및 제2용기(20)의 과냉각 액체 냉각제(12)와 포화 액체 냉각제(21)의 온도 유지에 유리하다.

이와 같은 구성에서도 압력센서(50)를 이용한 제2용기(20)의 압력 검출과, 검출된 압력으로 온도를 추정하여 냉동기(40)를 제어하는 구성과 작용은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 구성 및 작용이 그대로 적용되는 것으로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 한류기의 냉각 제어장치 구성도이다.

도 6에 도시한 구성은 도 3을 참조하여 설명한 예와 동일하게 제1용기(10)와, 제1용기(10)의 외측 일부 둘레에 위치하는 제2용기(20) 및 제1용기(10)와 제2용기(20)의 측면 및 저면을 감싸는 제3용기(30)를 포함한다.

상기 제1용기(10)의 내측 수용공간에는 초전도 소자(11)가 수용되고, 그 초전도 소자(11)는 과냉각 액체 냉각제(12)에 완전히 잠긴 상태가 된다.

즉, 과냉각 액체 냉각제(12)의 액위는 초전도 소자(11)에 비하여 더 높게 위치한다.

앞서 언급한 바와 같이 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도는 77K 정도가 적당하며, 과냉각 액체 냉각제(12)의 상부측 제1용기(10)의 공간에는 비응축 가스가 주입되어 3bar의 압력으로 유지될 수 있도록 한다.

과냉각 액체 냉각제(12)의 온도는 77K로 유지되고, 압력이 3bar인 경우 이론상은 과냉각 액체 냉각제(12)가 기화되지 않지만, 온도의 편차나 기타의 이유로 과냉각 액체 냉각제(12)가 기화되어 제1용기(10)의 압력이 증가하는 현상이 발생할 수 있다.

제1용기(10) 내부의 압력 변화는 전체적으로 상평형에 변화를 주는 요소가 되며, 압력을 일정하게 유지할 필요가 있다.

따라서, 도 6과 같이 제2용기(20) 내부의 포화 액체 냉각제(21)의 액위(L2)를 제1용기(10)의 과냉각 액체 냉각제(12)의 액위(L1)에 비하여 높게 유지하도록 설정한다.

포화 액체 냉각제(21)의 액위(L2)와 과냉각 액체 냉각제(12)의 액위(L1)의 차(L2-L1)에 해당하는 제1용기(10)의 외벽 일부 영역은 다른 외벽 영역에 비하여 온도가 더 낮은 영역이 되며, 이를 응축면(13)으로 명명한다.

응축면(13)의 높이, 즉 액체 냉각제(21)의 액위(L2)와 과냉각 액체 냉각제(12)의 액위(L2)의 높이차는 5 내지 30cm가 되도록 한다.

응축면(13)의 높이가 5cm 미만에서는 응축 효과가 낮으며, 30cm를 초과하는 경우 불필요한 에너지의 낭비가 발생할 수 있다.

따라서, 제1용기(10) 내에서 기화된 과냉각 액체 냉각제(21)인 기체 질소는 온도가 응축 온도 이하인 응축면(13)에서 응축되어, 다시 액화되고 중력에 의해 과냉각 액체 냉각제(21)로 유입된다.

이와 같은 과정은 계속 반복적으로 이루어지며, 따라서 기타의 이유로 기화된 과냉각 액체 냉각제(21)를 다시 응축시킴으로써, 제1용기(10)의 내부 압력을 유지할 수 있게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 상기 제2용기(20)에 수용된 포화 액체 냉각제(21)는 제1용기(10)의 과냉각 액체 냉각제(12)와 열교환됨과 아울러 상기 응축면(13)에서 기화된 과냉각 액체 냉각제(12)를 응축시키고, 온도가 높아져 기화된다.

기화된 포화 액체 냉각제(21)는 냉동기(40)의 콜드 헤드에 의해 응축되는 과정을 반복하여, 포화 액체 냉각제(21)와 과냉각 액체 냉각제(12)의 온도를 유지함과 아울러 제1용기(10) 내에서 압력을 유지할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10:제1용기 11:초전도 소자
12:과냉각 액체 냉각제 13:응축면
20:제2용기 21:포화 액체 냉각제
30:제3용기 31:진공
40:냉동기 50:압력센서
60:제어장치부 61:프로세서
62:아날로그 디지털 변환기 63:메모리
64:온도제어기

Claims

포화 액체 냉각제를 냉동기로 냉각시켜, 초전도 소자가 침지된 과냉각 액체 냉각제의 온도를 유지하는 초전도 한류기;
상기 초전도 한류기의 상기 포화 액체 냉각제가 수용된 제2용기의 압력을 검출하는 압력센서; 및
상기 압력센서의 압력 검출결과를 이용하여, 상기 포화 액체 냉각제의 온도를 추정하고, 추정된 상기 포화 액체 냉각제의 온도에 따라 상기 냉동기의 온도 제어를 수행하는 제어장치부를 포함하는 초전도 한류기의 냉각 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 제어장치부는,
상기 압력센서의 압력 검출 결과를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부;
상기 아날로그 디지털 변환부의 디지털 신호를 수신하여 상기 포화 액체 냉각제의 온도를 추정하는 프로세서; 및
상기 프로세서의 제어에 따라 상기 초전도 한류기의 냉동기를 제어하는 온도 제어기를 포함하는 초전도 한류기의 냉각 제어장치.
제2항에 있어서,
상기 포화 액체 냉각제의 온도를 직접 검출하는 온도센서를 더 포함하여,
상기 온도센서에서 검출된 온도와 상기 제어장치부에서 추정된 온도의 차가 설정값 이상이면 상기 온도센서에 이상이 있는 것으로 판단하는 초전도 한류기의 냉각 제어장치.
제 3항에 있어서,
상기 과냉각 액체 냉각제를 가열하는 히터를 더 포함하며,
상기 온도 제어기는, 상기 냉동기 및 상기 히터를 제어하여 상기 포화 액체 냉각제의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기의 냉각 제어장치.