KR20230061000A - High temperature superconducting magnet cooling system equipped with liquid nitrogen bath for current lead cooling in helium heat exchanger - Google Patents

High temperature superconducting magnet cooling system equipped with liquid nitrogen bath for current lead cooling in helium heat exchanger Download PDF

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KR20230061000A
KR20230061000A KR1020210145792A KR20210145792A KR20230061000A KR 20230061000 A KR20230061000 A KR 20230061000A KR 1020210145792 A KR1020210145792 A KR 1020210145792A KR 20210145792 A KR20210145792 A KR 20210145792A KR 20230061000 A KR20230061000 A KR 20230061000A
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Abstract

The present invention relates to a helium gas heat exchange high temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen tank for current lead cooling, and more specifically, to a high temperature superconductor cooling system provided with a liquid nitrogen tank within a cryogenic vessel to reduce a load on a high temperature superconductor by cooling the current lead within the cryogenic vessel. According to an embodiment of the present invention, provided is the helium gas heat exchange high temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen tank for current lead cooling, comprising: a high temperature superconductor; a cryogenic vessel; a first heat exchanger; a cryo fan; a liquid hydrogen tank; a liquid nitrogen pre-cooler; a first helium piping; a second helium piping; a second heat exchanger; a hydrogen piping; a third heat exchanger; a nitrogen piping; a current lead; a liquid nitrogen tank; a liquid nitrogen supply piping; a liquid nitrogen level meter; and a nitrogen discharge pipe.

Description

전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템{High temperature superconducting magnet cooling system equipped with liquid nitrogen bath for current lead cooling in helium heat exchanger}High temperature superconducting magnet cooling system equipped with liquid nitrogen bath for current lead cooling in helium heat exchanger}

본 발명은 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 극저온 용기 내에서 전류리드를 냉각하여 고온초전도 마그넷의 부하를 저감시키도록 극저온 용기 내에 액체질소조를 구비하는 고온초전도 마그넷 냉각 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system having a liquid nitrogen bath for cooling a current lead, and more particularly, to a cooling system for a high-temperature superconducting magnet by cooling a current lead in a cryogenic container to reduce a load of a high-temperature superconducting magnet. It relates to a high-temperature superconducting magnet cooling system having a nitrogen bath.

초전도체는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하며, 액체헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도체(Low temperature superconductor, LTS), 액체 헬륨보다 고온의 액체질소 온도인 77K 근처에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도체(High temperature superconductor, HTS)라 일컫는다. 초전도체는 높은 임계온도, 임계전류밀도 및 임계자기장을 나타내기 때문에 초전도 코일 형태로 제작되어 많은 분야에 응용되고 있다.A superconductor is a material with zero electrical resistance. A material with a current resistance close to 0 near 4K, the temperature of liquid helium, is called a low temperature superconductor (LTS), and a material with a liquid nitrogen temperature higher than liquid helium, 77K. Materials that exhibit superconductivity in the vicinity are called high temperature superconductors (HTS). Since superconductors exhibit high critical temperatures, critical current densities, and critical magnetic fields, they are manufactured in the form of superconducting coils and applied to many fields.

상기와 같은 초전도체(초전도 코일)는 초전도 코일용 극저온 용기에서의 방사열, 상부 플랜지로부터의 전도에 의한 열침입 등을 지속적으로 제거하여 초전도체의 임계온도 이하로 낮추어야 정상적인 성능을 유지할 수 있으므로 냉각 시스템을 구성하는 것이 매우 중요하다.The superconductor (superconducting coil) as described above constitutes a cooling system because normal performance can be maintained only when the temperature of the superconductor (superconducting coil) is lowered below the critical temperature of the superconductor by continuously removing radiant heat from the cryogenic container for the superconducting coil and heat intrusion due to conduction from the upper flange. It is very important to do

특히,초전도 마그넷용 극저온 용기 내에 수용된 전류리드는 저항을 가진 상전도체이므로 초전도 코일에 전류를 흘리는 과정에서 많은 주울 열이 발생하여 전술한 방사열, 열침입 등과 주울열 등 모든 열이 합쳐지게 되면 초전도체를 냉각하는 열교환기의 부하가 크게 증가할 수 있다. 열교환기 설계 시에는 상기와 같은 변수를 모두 고려해야 하며, 이에 따른 열교환기의 부하/용량 증가가 불가피하다.In particular, since the current lead accommodated in the cryogenic container for the superconducting magnet is a normal conductor with resistance, a lot of Joule heat is generated in the process of passing current to the superconducting coil, and when all heat such as radiation heat, heat penetration, and Joule heat are combined, a superconductor is formed. The load on the cooling heat exchanger can increase significantly. When designing a heat exchanger, all of the above variables must be considered, and accordingly, an increase in load/capacity of the heat exchanger is inevitable.

일본공개특허 제1988-292610호(1988.11.29)에는 "초전도 장치용 전류 공급 리드"가 개시되어 있으며, 상기 특허문헌에서는 액체질소조 내부로 전류리드를 관통시킴으로써 전류리드 온도를 낮추고 있다. 한편 일본공개특허 제1996-069719호(1996.03.12)에는 "초전도 장치용 전류 리드"가 개시되어 있으며, 전술한 일본공개특허 제1988-292610호에 의한 한계점을 해결하기 위하여 특유한 전류 리드의 형상을 제안하고 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 1988-292610 (November 29, 1988) discloses a "current supply lead for a superconducting device", and in this patent document, the temperature of the current lead is lowered by penetrating the current lead into a liquid nitrogen tank. On the other hand, Japanese Patent Publication No. 1996-069719 (Mar. 12, 1996) discloses a "current lead for superconducting device", and in order to solve the limitations of the aforementioned Japanese Patent Publication No. 1988-292610, a unique shape of the current lead is provided. are proposing

다만, 상기와 같이 액체질소조 내부로 전류리드를 직접 관통시키는 구성에서는 전류리드와 액체질소가 직접 접촉(대류 열전달)함에 따라 일본공개특허 제1996-069719호에 기재된 바와 같이 전류리드의 일부분에서 열수축차이가 크게 발생하게 되므로 전류리드의 파손 현상과 리크(leak)에 의한 질소 가스의 누출이 발생할 가능성이 높으며, 일본공개특허 제1996-069719호와 같은 구조는 전류리드의 제조 및 고온초전도체 냉각 시스템의 설계와 유지관리에 어려움이 크다는 한계점이 있다.However, in the configuration in which the current lead passes directly into the liquid nitrogen tank as described above, as the current lead and the liquid nitrogen are in direct contact (convective heat transfer), as described in Japanese Patent Laid-Open No. 1996-069719, heat shrinks in a part of the current lead. Since the difference is large, there is a high possibility of leakage of nitrogen gas due to breakage of the current lead and leakage. There are limitations in design and maintenance.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 초전도체용 전류리드 냉각 장치(액체질소조)의 한계점을 개선하기 위하여, 열전도율이 높은 금속 소재(스테인레스)의 판으로 액체질소조를 구성하고, 액체질소조의 외부에 전류리드를 부착하되(액체질소를 관통하는 형태가 아닌) 전기적으로는 절연을 시키면서 열적으로는 전도가 양호한 물질을 전류리드와 액체질소조 외부 사이에 부착함으로써 액체질소에 의한 간접 냉각을 발생시키는 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to improve the limitations of the conventional current lead cooling device (liquid nitrogen tank) for superconductors as described above, constructing a liquid nitrogen tank with a plate of a metal material (stainless steel) having high thermal conductivity, Attach a current lead to the outside of the liquid nitrogen tank (not the type that penetrates the liquid nitrogen), but indirectly by liquid nitrogen by attaching a material that is electrically insulated and thermally conductive between the current lead and the outside of the liquid nitrogen tank. To provide a helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen bath for cooling a current lead that generates cooling.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 초전도체용 전류리드 냉각 장치(액체질소조)의 한계점을 개선하기 위하여, 고온초전도체; 외부에 대해 밀폐되는 소정의 내부공간을 구비하며 상기 고온초전도체를 수용하는 극저온 용기; 상기 고온초전도체에 결합되어 고온초전도체를 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기와 연결되어 헬륨을 순환시키는 크라이오팬(Cryo Fan); 상기 제1열교환기에 공급되는 헬륨을 냉각하는 액체수소조; 상기 액체수소조에 공급되는 수소를 예냉하는 액체질소 예냉기; 상기 제1열교환기에서 토출되는 헬륨을 액체수소조로 이송시키는 제1헬륨배관; 상기 제1열교환기로 공급되는 헬륨을 액체수소조로부터 이송시키는 제2헬륨배관; 상기 제1헬륨배관 및 제2헬륨배관 사이에 연결되며, 상기 액체수소조 내부에 수용되어 액체수소와 헬륨간 열교환을 발생시키는 제2열교환기; 상기 액체수소조로 수소를 이송시키는 수소배관; 상기 수소배관에 연결되며, 상기 액체질소 예냉기 내부에 수용되어 액체질소와 액체수소간 열교환을 발생시키는 제3열교환기; 상기 액체질소 예냉기에 질소를 공급하는 질소배관; 상기 고온초전도체에 연결되는 전류리드; 상기 극저온 용기 내에 수용되며, 상기 전류리드를 냉각시키도록 구비되는 액체질소조; 상기 액체질소조의 일측에 연결되는 액체질소공급배관; 상기 액체질소조에 구비되는 액체질소 레벨미터; 및 상기 극저온 용기의 일측에 구비되는 질소배출관;을 포함하여, 상기 액체질소조 내의 액체질소 양을 소정의 범위 내에서 유지시키며, 극저온 용기 내에서 기화된 질소는 극저온 용기 외부로 배출시키는, 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템을 제공한다.The present invention is a high-temperature superconductor; a cryogenic container having a predetermined inner space sealed against the outside and accommodating the high-temperature superconductor; a first heat exchanger coupled to the high-temperature superconductor to cool the high-temperature superconductor; a cryo fan connected to the first heat exchanger to circulate helium; a liquid hydrogen tank for cooling the helium supplied to the first heat exchanger; a liquid nitrogen pre-cooler for pre-cooling hydrogen supplied to the liquid hydrogen tank; a first helium pipe for transporting helium discharged from the first heat exchanger to a liquid hydrogen tank; a second helium pipe for transporting helium supplied to the first heat exchanger from the liquid hydrogen tank; a second heat exchanger connected between the first helium pipe and the second helium pipe and accommodated in the liquid hydrogen tank to generate heat exchange between liquid hydrogen and helium; a hydrogen pipe for transporting hydrogen to the liquid hydrogen tank; a third heat exchanger connected to the hydrogen pipe and accommodated in the liquid nitrogen pre-cooler to generate heat exchange between liquid nitrogen and liquid hydrogen; a nitrogen pipe supplying nitrogen to the liquid nitrogen pre-cooler; a current lead connected to the high-temperature superconductor; a liquid nitrogen bath accommodated in the cryogenic container and provided to cool the current lead; A liquid nitrogen supply pipe connected to one side of the liquid nitrogen tank; a liquid nitrogen level meter provided in the liquid nitrogen tank; and a nitrogen discharge pipe provided at one side of the cryogenic container, including a current lead for maintaining the amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank within a predetermined range and discharging nitrogen vaporized in the cryogenic container to the outside of the cryogenic container. Provided is a helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen bath for cooling.

또한, 상기 액체질소조는 금속 소재의 판으로 둘러쌓이도록 형성되고, 상기 액체질소조와 전류리드의 접합부위에는, 복수의 전류리드가 서로 절연되도록 소정의 절연체가 구비될 수 있다.In addition, the liquid nitrogen tank is formed to be surrounded by a plate of a metal material, and a predetermined insulator may be provided at a junction between the liquid nitrogen tank and the current lead to insulate the plurality of current leads from each other.

아울러, 상기 제1열교환기에 공급될 헬륨을 저장하는 헬륨탱크; 상기 헬륨탱크로부터 제1열교환기로 연결되는 제3헬륨배관; 상기 제3헬륨배관의 일측에 연결되는 진공펌프; 및 상기 제3헬륨배관의 다른 일측(상기 진공펌프가 연결된 제3헬륨배관의 일측과 제1열교환기 사이)에 구비되는 개폐밸브;를 더 포함하여, 상기 제1열교환기 내에 헬륨탱크로부터 새로운 헬륨을 공급하거나, 상기 제1열교환기 내의 헬륨 일부를 제거하도록 제어될 수 있다.In addition, a helium tank for storing helium to be supplied to the first heat exchanger; a third helium pipe connected from the helium tank to the first heat exchanger; a vacuum pump connected to one side of the third helium pipe; And an on-off valve provided on the other side of the third helium pipe (between the first heat exchanger and one side of the third helium pipe to which the vacuum pump is connected); further including, new helium from the helium tank in the first heat exchanger. or may be controlled to remove some of the helium in the first heat exchanger.

또한, 상기 액체수소조의 외부에 구비되어, 액체수소조와 외기 사이의 열전달을 차단하도록 소정의 격벽이 형성되며, 상기 격벽의 내측에 액체질소가 수용되는 액체질소 실드;를 더 포함할 수 있다.In addition, it is provided outside the liquid hydrogen tank, a predetermined partition is formed to block heat transfer between the liquid hydrogen tank and the outside air, and the liquid nitrogen shield is accommodated inside the partition wall; may further include.

본 발명의 실시 예에 따르면, 길이가 긴 금속관(구리튜브)을 나선형으로 감아서 금속판(구리판)에 끼운 형태로 열교환기를 만듦으로써, 극저온/고압 환경에 이용되는 종래 열교환기에 비해 은납 부분을 최소화할 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 금속관 내에 흐르는 기체의 압력이 튜브 면에 수직으로 작용하기 때문에 훨씬 내력이 강하다. (이에 비해 U-Band를 은납한 경우에는 기체의 압력을 튜브의 수평으로 힘을 받는 전단응력이 작용하게 되어 기계적 강도가 약하다.)According to an embodiment of the present invention, by making a heat exchanger in a form in which a long metal tube (copper tube) is spirally wound and inserted into a metal plate (copper plate), the solder portion can be minimized compared to conventional heat exchangers used in cryogenic / high pressure environments. can According to this structure, since the pressure of the gas flowing in the metal tube acts perpendicularly to the tube surface, the proof load is much stronger. (In contrast, in the case of U-Band storage, the mechanical strength is weak because the shear stress that receives the pressure of the gas in the horizontal direction of the tube acts.)

또한, 기체의 압력에 의한 수직응력은 대부분 금속관이 감당하기 때문에, 금속판과 금속관의 접합을 위해 기계적 강도가 뛰어난 은납을 사용하지 않고 납땜만 하여도 충분한 강도를 가질 수 있다. 이를 통해 열교환기에서의 크랙을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 공정이 까다롭고 비용이 고가인 은납을 공정이 간단하고 비용이 저렴한 납땜 공정으로 대체할 수 있다.In addition, since most of the vertical stress due to gas pressure is handled by the metal pipe, sufficient strength can be obtained by soldering alone without using silver solder having excellent mechanical strength for joining the metal plate and the metal pipe. Through this, cracks in the heat exchanger can be prevented, and silver solder, which is difficult and expensive to process, can be replaced with a simple and low-cost soldering process.

또한, 다단에 걸친 열교환 시스템을 통하여 헬륨 등 양을 무한정 증가시키기 어려운 냉매의 필요량을 절감시킬 수 있다.In addition, it is possible to reduce the required amount of refrigerant, which is difficult to increase the amount of helium indefinitely, through a multi-stage heat exchange system.

그리고, 금속판과 금속관 사이를 납땜함으로써 금속판과 금속관 사이의 유격을 메워, 냉매-금속관-금속판-초전도체 까지의 열전달 효율을 극대화할 수 있다.In addition, by soldering between the metal plate and the metal tube, the gap between the metal plate and the metal tube is filled, thereby maximizing heat transfer efficiency from the refrigerant to the metal tube to the metal plate to the superconductor.

아울러, 가연성 기체인 수소를 냉각에 활용하면서도 위험성을 저감시킬 수 있다.In addition, it is possible to reduce the risk while using hydrogen, which is a combustible gas, for cooling.

또한, 전류 리드를 액체질소조에 부착시킴으로 상온으로부터의 열을 차단하고 액체질소 온도인 77K 근처까지 온도를 내릴 수 있어 헬륨가스 냉각 열교환기의 냉각 부하를 줄일 수 있으며, 초전도 코일에 전류를 흘릴 때 전류리드에서 발생하는 주울 열을 액체질소조에 부착되어 있는 금속판을 통하여 제거할 수 있다. 따라서 초전도 코일용 극저온 용기 내에서의 열 부하를 최소화하여, 초전도체에 직접 접촉(부착)하는 열교환기(제1열교환기)의 부하를 현저하게 감소시킬 수 있다.In addition, by attaching the current lead to the liquid nitrogen bath, heat from room temperature can be blocked and the temperature can be lowered to near 77K, which is the liquid nitrogen temperature, reducing the cooling load of the helium gas-cooled heat exchanger. Joule heat generated in the lid can be removed through a metal plate attached to the liquid nitrogen bath. Therefore, by minimizing the heat load in the cryogenic container for the superconducting coil, the load of the heat exchanger (first heat exchanger) directly contacting (attached) to the superconductor can be significantly reduced.

그리고, 전류리드와 냉매(액체질소)가 직접 접촉하지 않도록 구성함으로써, 전류리드의 일부분의 열수축차이로 인해 발생하는 리크와 파손 등의 문제를 방지할 수 있다.In addition, by configuring the current lead so that the refrigerant (liquid nitrogen) does not come into direct contact with each other, problems such as leakage and breakage caused by difference in thermal contraction of a part of the current lead can be prevented.

아울러, 액체질소에 의해 열전달은 되면서 액체질소조 용기에는 전류가 흐르지 않도록 구성할 수 있다.In addition, while heat is transferred by liquid nitrogen, it may be configured so that current does not flow in the liquid nitrogen tank container.

또한, 액체질소조를 거친 전류리드가 초전도 마그넷에 연결되는 사이의 구간에 고온초전도 전류리드를 추가함으로써 초전도 마그넷에 전류를 흘리지 않을 때나 전류를 흘릴 때나 모두 열침입 양을 줄일 수 있다.In addition, by adding a high-temperature superconducting current lead to a section between the current lead passing through the liquid nitrogen bath and connecting to the superconducting magnet, the amount of heat penetration can be reduced both when current is not flowing to the superconducting magnet and when current is flowing.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 고온초전도체 냉각 시스템의 도면이다.
도 2 는 종래 기술에 따른 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 따른 초전도체 냉각용 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템의 주요부분을 나타낸 도면이다.
1 is a diagram of a high-temperature superconductor cooling system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a heat exchanger according to the prior art.
3 is a view showing a heat exchanger for cooling a superconductor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing the main parts of a helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen bath for cooling a current lead according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.Hereinafter, various embodiments of this document will be described with reference to the accompanying drawings. However, this is not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or alternatives of the embodiments of this document. . In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements.

본 문서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.In this document, expressions such as "has," "may have," "includes," or "may include" indicate the existence of a corresponding feature (eg, numerical value, function, operation, or component such as a part). , which does not preclude the existence of additional features.

본 문서에서 사용된 "제 1," "제 2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," as used in this document may modify various elements, regardless of order and/or importance, and refer to one element as It is used only to distinguish it from other components and does not limit the corresponding components. For example, a first user device and a second user device may represent different user devices regardless of order or importance. For example, without departing from the scope of rights described in this document, a first element may be called a second element, and similarly, the second element may also be renamed to the first element.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어(operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.A component (e.g., a first component) is "(operatively or communicatively) coupled with/to" or "connected" to another component (e.g., a second component). When referred to as "connected to", it should be understood that the certain component may be directly connected to the other component or connected through another component (eg, a third component).

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.Terms used in this document are only used to describe a specific embodiment, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field described in this document. Among the terms used in this document, terms defined in a general dictionary may be interpreted as having the same or similar meaning as the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this document, an ideal or excessively formal meaning. not be interpreted as In some cases, even terms defined in this document cannot be interpreted to exclude the embodiments of this document.

본 발명의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.Of course, various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims of the present invention, and these modifications are the technical spirit of the present invention or It should not be understood individually from the perspective.

본 발명의 설명에 기재된 초전도체는, 저온초전도체, 고온초전도체 또는 고온초전도 마그넷을 의미할 수 있다.The superconductor described in the description of the present invention may mean a low-temperature superconductor, a high-temperature superconductor, or a high-temperature superconducting magnet.

본 발명의 설명에 기재된 '고온', '저온', 및 '극저온' 등의 용어는 초전도체 분야에서 일반적으로 사용되는 용어로서의 고온, 저온 및 극저온을 의미한다. 예를 들어, 액체헬륨의 온도인 4K 근처는 '저온' 또는 '극저온' 범위로, 액체 헬륨보다 고온의 액체질소 온도인 77K 근처 또는 고온초전도체의 목표 온도인 30K 내지 40K는 '고온' 범위로 이해될 수 있다. 이러한 온도범위는 통상의 기술자에게 자명한 것이므로 후술하는 각 단어/구성마다의 온도범위는 기재를 생략한다.Terms such as 'high temperature', 'low temperature', and 'cryogenic temperature' described in the description of the present invention refer to high temperature, low temperature and extremely low temperature as terms commonly used in the field of superconductors. For example, near 4K, the temperature of liquid helium, is understood as the 'low temperature' or 'cryogenic' range, and near 77K, the temperature of liquid nitrogen, which is higher than liquid helium, or 30K to 40K, the target temperature of high-temperature superconductors, is understood as the 'high temperature' range. It can be. Since these temperature ranges are obvious to those skilled in the art, the description of the temperature ranges for each word/composition to be described later will be omitted.

한편, 후술하는 헬륨, 수소 및 질소 등에 '액체', '가스' 등의 명시적인 기재가 없는 경우에는, 통상의 기술자가 본 발명의 설명을 참조하여 설계 가능한 범위에서 액체, 가스 또는 혼합 상태 중 어느 하나로 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, if there is no explicit description of 'liquid' or 'gas' in helium, hydrogen and nitrogen to be described later, any of liquid, gas or mixed state within the range that can be designed by a person skilled in the art with reference to the description of the present invention. can be understood as one.

본 발명의 실시 예에 따르면, 고온초전도체(1); 외부에 대해 밀폐되는 소정의 내부공간을 구비하며 상기 고온초전도체(1)를 수용하는 극저온 용기(2); 상기 고온초전도체(1)에 결합되어 고온초전도체(1)를 냉각시키는 제1열교환기(3); 상기 제1열교환기(3)와 연결되어 헬륨을 순환시키는 크라이오팬(4)(Cryo Fan; 극저온 펌프; Cryogenic Blower); 상기 제1열교환기(3)에 공급되는 헬륨을 냉각하는 액체수소조(5); 상기 액체수소조(5)에 공급되는 수소를 예냉하는 액체질소 예냉기(6); 상기 제1열교환기(3)에서 토출되는 헬륨을 액체수소조(5)로 이송시키는 제1헬륨배관(7); 상기 제1열교환기(3)로 공급되는 헬륨을 액체수소조(5)로부터 이송시키는 제2헬륨배관(8); 상기 제1헬륨배관(7) 및 제2헬륨배관(8) 사이에 연결되며, 상기 액체수소조(5) 내부에 수용되어 액체수소와 헬륨간 열교환을 발생시키는 제2열교환기(9); 상기 액체수소조(5)로 수소를 이송시키는 수소배관(10); 상기 수소배관(10)에 연결되며, 상기 액체질소 예냉기(6) 내부에 수용되어 액체질소와 액체수소간 열교환을 발생시키는 제3열교환기(11); 및 상기 액체질소 예냉기(6)에 질소를 공급하는 질소배관(12); 상기 고온초전도체(1)에 연결되는 전류리드(16); 상기 극저온 용기(2) 내에 수용되며, 상기 전류리드(16)를 냉각시키도록 구비되는 액체질소조(17); 상기 액체질소조(17)의 일측에 연결되는 액체질소공급배관(26); 상기 액체질소조(17)에 구비되는 액체질소 레벨미터; 및 상기 극저온 용기(2)의 일측에 구비되는 질소배출관(27);을 포함하여, 상기 액체질소조(17) 내의 액체질소 양을 소정의 범위 내에서 유지시키며, 극저온 용기(2) 내에서 기화된 질소는 극저온 용기(2) 외부로 배출시키고, 상기 제1열교환기(3)는: 일면에 소정의 나선형 홈(14)이 형성되며, 타면에 상기 고온초전도체(1)가 부착되는 금속판(13); 및 상기 금속판(13)에 형성된 나선형 홈(14)에 결합되는 금속관(15);을 포함하여 구성되는, 고온초전도체 냉각 시스템을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, a high-temperature superconductor (1); a cryogenic vessel (2) having a predetermined inner space sealed against the outside and accommodating the high-temperature superconductor (1); A first heat exchanger (3) coupled to the high-temperature superconductor (1) to cool the high-temperature superconductor (1); a cryo fan 4 connected to the first heat exchanger 3 to circulate helium (cryo fan; cryogenic pump; cryogenic blower); a liquid hydrogen tank (5) cooling the helium supplied to the first heat exchanger (3); a liquid nitrogen pre-cooler (6) for pre-cooling the hydrogen supplied to the liquid hydrogen tank (5); A first helium pipe (7) for transferring the helium discharged from the first heat exchanger (3) to the liquid hydrogen tank (5); a second helium pipe 8 for transporting helium supplied to the first heat exchanger 3 from the liquid hydrogen tank 5; A second heat exchanger (9) connected between the first helium pipe (7) and the second helium pipe (8) and accommodated in the liquid hydrogen tank (5) to generate heat exchange between liquid hydrogen and helium; a hydrogen pipe 10 for transporting hydrogen to the liquid hydrogen tank 5; a third heat exchanger 11 connected to the hydrogen pipe 10 and accommodated inside the liquid nitrogen pre-cooler 6 to generate heat exchange between liquid nitrogen and liquid hydrogen; and a nitrogen pipe 12 supplying nitrogen to the liquid nitrogen pre-cooler 6; a current lead 16 connected to the high-temperature superconductor 1; a liquid nitrogen bath 17 accommodated in the cryogenic vessel 2 and provided to cool the current lead 16; A liquid nitrogen supply pipe 26 connected to one side of the liquid nitrogen tank 17; a liquid nitrogen level meter provided in the liquid nitrogen tank 17; and a nitrogen discharge pipe 27 provided at one side of the cryogenic container 2, to maintain the amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank 17 within a predetermined range, and to vaporize the liquid nitrogen in the cryogenic container 2. The nitrogen is discharged to the outside of the cryogenic container 2, and the first heat exchanger 3 is: a metal plate 13 having a predetermined spiral groove 14 formed on one surface and having the high-temperature superconductor 1 attached to the other surface. ); And a metal tube 15 coupled to the spiral groove 14 formed in the metal plate 13; it provides a high-temperature superconductor cooling system comprising a.

이러한 구성에 따르면, 고온초전도 전류리드(액체질소조(17)와 고온초전도체(1) 사이의 구간)의 상부는 액체질소조를 거친 후이기 때문에 고온초전도의 임계온도보다 낮아 초전도 상태를 유지할 수 있다.According to this configuration, since the upper part of the high-temperature superconducting current lead (the section between the liquid nitrogen bath 17 and the high-temperature superconductor 1) passes through the liquid nitrogen bath, it is lower than the critical temperature of high-temperature superconducting, so that the superconducting state can be maintained. .

상기 극저온 용기(2), 액체수소조(5) 및 액체질소 예냉기(6)는 외기와 단열되도록 구성하는 것이 바람직하다. 한편, 극저온 용기(2), 액체수소조(5) 및 액체질소 예냉기(6)는 각각 가스를 외부로 배출할 수 있는 배출배관이 구비될 수 있으며, 기화된 가스들로 인해 내부 압력이 소정의 수치 이상이 되는 경우에는 외부 또는 외부에 구비된 별도의 가스탱크(질소탱크, 수소탱크 등)로 이송될 수 있다.The cryogenic vessel 2, the liquid hydrogen tank 5, and the liquid nitrogen pre-cooler 6 are preferably configured to be insulated from outside air. Meanwhile, the cryogenic container 2, the liquid hydrogen tank 5, and the liquid nitrogen pre-cooler 6 may each be provided with a discharge pipe capable of discharging gas to the outside, and the internal pressure is reduced to a predetermined level due to the vaporized gas. If it exceeds the value of , it can be transferred to the outside or to a separate gas tank (nitrogen tank, hydrogen tank, etc.) provided outside.

상기 고온초전도체(1)의 제어 타겟 온도는 30K 내지 40K 사이이며, 이를 위해 상기 제1열교환기(3) 내부를 순환하는 헬륨가스의 온도가 20K 내지 30K 사이가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 헬륨가스의 압력은 9기압 내지 10기압 사이에서 제어될 수 있으며, 극저온/고압 가스를 크라이오팬(4)으로 유동시킴으로써 고온초전도체(1)로부터의 열전달률을 극대화할 수 있다.The control target temperature of the high-temperature superconductor 1 is between 30K and 40K, and for this purpose, it is preferable to control the temperature of the helium gas circulating inside the first heat exchanger 3 to be between 20K and 30K. The pressure of the helium gas can be controlled between 9 and 10 atm, and the heat transfer rate from the high-temperature superconductor 1 can be maximized by flowing the cryogenic/high-pressure gas into the cryopan 4.

상기 헬륨가스는 제1열교환기(3)에서 고온초전도체(1)의 열을 흡수하고, 제2열교환기(9)에서 액체수소에 열을 방출한다. 액체수소에 의해 냉각된 헬륨가스는 액체수소(끓는점 약 20K)에 의해 20K 내지 30K 사이의 온도로 냉각될 수 있다.The helium gas absorbs heat from the high-temperature superconductor 1 in the first heat exchanger 3 and releases heat to liquid hydrogen in the second heat exchanger 9. Helium gas cooled by liquid hydrogen may be cooled to a temperature between 20K and 30K by liquid hydrogen (boiling point of about 20K).

상기 액체수소는 액체수소탱크(미도시)에 의해 공급될 수 있으며, 기화된 수소가스를 상기 액체질소 예냉기(6)로 냉각시켜 액체수소조(5) 내부로 공급함으로써, 수소를 냉각에 다수회 활용할 수 있다.The liquid hydrogen may be supplied by a liquid hydrogen tank (not shown), and by cooling the vaporized hydrogen gas with the liquid nitrogen pre-cooler 6 and supplying it into the liquid hydrogen tank 5, a plurality of hydrogen for cooling session can be used.

고온초전도체(1)의 열을 흡수한 헬륨과 접촉한 액체수소가 흡열에 의해 기화되면, 기화된 수소가스는 외부 또는 수소가스탱크로 이송될 수 있다. 가열된 수소가스는 다시 액체질소 예냉기(6)에 투입되어 액체질소에 의해 냉각된 상태로 다시 액체수소조(5) 내부로 투입될 수 있다.When liquid hydrogen in contact with helium that has absorbed the heat of the high-temperature superconductor 1 is vaporized by endotherm, the vaporized hydrogen gas can be transported to the outside or to a hydrogen gas tank. The heated hydrogen gas may be put into the liquid nitrogen pre-cooler 6 again and put back into the liquid hydrogen tank 5 in a cooled state by liquid nitrogen.

액체질소 예냉기(6) 내의 액체질소 온도는 77K 내지 80K 범위 내에서 유지될 수 있다.The liquid nitrogen temperature in the liquid nitrogen pre-cooler 6 may be maintained within a range of 77K to 80K.

본 발명의 실시 예에 따른 열교환 과정을 다시 설명하면 다음과 같다. 액체수소조(5) 내에 있는 제2열교환기(9)에 의해 순환하는 헬륨가스가 냉각된다. 냉각된 헬륨가스는 순환 펌프(크라이오팬)에 의해 초전도마그넷(고온초전도체)이 장착된 제1열교환기(3, 구리판 열교환기)로 이송된다. 냉각된 헬륨가스는 구리판을 통해 고온초전도체(1)의 열을 흡수하여, 헬륨가스의 온도가 상승한다. 온도가 상승된 헬륨가스는 다시 액체수소조(5)의 제2열교환기(9)로 이송된다. 이런 과정을 반복하면서 초전도마그넷에 부착된 제1열교환기(3)는 액체수소를 통해 온도를 저하시킬 수 있다. 이러한 과정에서 액체수소는 증발하게 되며, 증발한 수소가스는 극저온 냉동기에 의해 재응축하게 된다.A heat exchange process according to an embodiment of the present invention will be described again as follows. The circulating helium gas is cooled by the second heat exchanger 9 in the liquid hydrogen tank 5. The cooled helium gas is transferred to the first heat exchanger (3, copper plate heat exchanger) equipped with a superconducting magnet (high-temperature superconductor) by a circulation pump (cryopan). The cooled helium gas absorbs heat of the high-temperature superconductor 1 through the copper plate, and the temperature of the helium gas rises. The helium gas whose temperature has risen is transferred to the second heat exchanger 9 of the liquid hydrogen tank 5 again. While repeating this process, the first heat exchanger 3 attached to the superconducting magnet can lower the temperature through liquid hydrogen. In this process, liquid hydrogen evaporates, and the evaporated hydrogen gas is recondensed by a cryogenic refrigerator.

그리고 고온초전도 전류리드의 하부는 헬륨 가스에 의한 제1열교환기(3)에 의해 온도가 30 K 근처에 도달하므로 초전도 마그넷(1)에 전류를 흘리는 동안 초전도 상태가 유지되고, 이에 따라 주울 열 발생이 없다.In addition, since the temperature of the lower part of the high-temperature superconducting current lead reaches around 30 K by the first heat exchanger 3 using helium gas, the superconducting state is maintained while current flows through the superconducting magnet 1, and thus Joule heat is generated. there is no

고온초전도 전류리드는 구리 전류리드에 비해 단면이 매우 작으므로 열침입 양도 최소로 유지할 수 있는 장점이 있다. 따라서 초전도 마그넷에 전류를 흘리지 않을 때나 전류를 흘릴 때 모두 열침입 양을 줄일 수 있다.Since the high-temperature superconducting current lead has a very small cross section compared to the copper current lead, it has the advantage of being able to keep the amount of heat penetration to a minimum. Therefore, the amount of heat penetration can be reduced both when current is not flowing to the superconducting magnet and when current is flowing.

또한, 상기 금속판(13)에 형성되는 소정의 홈은 나선형으로 형성되고, 상기 금속관(15)은: 적어도 상기 금속판(13)에 결합되는 부분이 일체형으로 형성되되, 상기 금속판(13)에 형성된 나선형 홈(14)에 대응되는 형상으로 절곡되어 구성되며, 상기 금속판(13) 및 금속관(15)의 결합부위에는 소정의 용재(18);가 납땜되도록 구성될 수 있다.In addition, the predetermined groove formed in the metal plate 13 is formed in a spiral shape, and the metal pipe 15 is: at least a portion coupled to the metal plate 13 is integrally formed, and the metal plate 13 is formed in a spiral shape. It is configured by being bent into a shape corresponding to the groove 14, and a predetermined slag 18 is soldered to the joint between the metal plate 13 and the metal pipe 15.

도 2에는 종래 열교환기의 구조가 도시되어 있다. 구리판에 중공을 뚫고, 각 중공을 연결하는 U-Band를 중공 사이사이에 결합한 뒤, 브레이징 공법으로 구리판과 U-Band를 접합시킨다.2 shows the structure of a conventional heat exchanger. Holes are drilled in the copper plate, U-Bands connecting each hole are joined between the holes, and then the copper plate and U-Band are joined using the brazing method.

상기와 같은 브레이징 공법에 따른 접합에서는 액상의 용재와 고상의 구리판(구멍)이 접합됨에 따라 물리적 접합이 이루어지게 되며, 도 2의 예시에서는 5개의 U-Band의 양 단부인 10개의 지점(나머지 2개의 구멍에도 엘보우가 브레이징 될 것이나, 설명의 단순화를 위해 생략함)에 브레이징이 이루어지게 된다.In the bonding according to the brazing method as described above, physical bonding is performed as the liquid slag and the solid copper plate (hole) are bonded, and in the example of FIG. 2, 10 points (the remaining 2 The elbow will be brazed even in the hole of the dog, but brazing is performed on the elbow (omitted for simplicity of description).

이러한 구조에서 극저온/고압의 헬륨을 유동시키게 되면 브레이징된 지점들에 응력이 집중될 수 있으며, 이에 따라 크랙이 발생할 확률이 매우 높아진다.In this structure, when cryogenic/high-pressure helium is flowed, stress may be concentrated at brazed points, and accordingly, the probability of occurrence of cracks is very high.

본 발명의 실시 예에 따르면, 열교환이 발생되는 금속관(15)의 길이를 연장시키기 위한 수단으로 브레이징을 사용할 필요가 없으며, 브레이징 등의 물리적 접합 방식으로 접합되지 않은 단일한(일체형) 금속관(15)을 나선형으로 절곡시킴으로써 열교환을 위한 표면적을 증대시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, there is no need to use brazing as a means for extending the length of the metal tube 15 in which heat exchange occurs, and a single (integral) metal tube 15 that is not joined by a physical bonding method such as brazing By bending it spirally, it is possible to increase the surface area for heat exchange.

종래 기술에서의 용재(브레이징)는 직접적으로 냉매의 압력을 버텨야 하나, 본 발명의 실시 예에 따라 사용되는 용재(18)는 냉매의 압력은 지지하지 않아도 되며, ①금속관(15)이 금속판(13)으로부터 탈거되지 않을 정도로 약한 결합(지지), 및 ②금속관(15)과 금속판(13) 사이의 열전달의 기능만 수행하게 된다.The smelting material (brazing) in the prior art should directly withstand the pressure of the refrigerant, but the smelting material 18 used according to the embodiment of the present invention does not have to support the pressure of the refrigerant, ① the metal pipe 15 is the metal plate 13 ), and performs only functions of heat transfer between the metal tube 15 and the metal plate 13.

상기와 같은 구성에 따르면, 극저온/고압의 헬륨에 의한 응력은 금속관(15)의 양 단부에서만 발생하게 되고, 이에 따라 금속관(15)의 양 단부에만 강한 접합 방식을 채용하더라도 제1열교환기(3) 및 연결배관(제1헬륨배관(7), 제2헬륨배관(8) 및 제2열교환기(9) 등) 전체에서 크랙이나 누설의 발생을 방지할 수 있다.According to the configuration as described above, the stress caused by the cryogenic/high pressure helium is generated only at both ends of the metal pipe 15, and accordingly, even if a strong bonding method is employed only at both ends of the metal pipe 15, the first heat exchanger (3 ) and connection pipes (such as the first helium pipe 7, the second helium pipe 8, and the second heat exchanger 9), cracks or leaks can be prevented from occurring.

상기 제2열교환기(9) 및 제3열교환기(11)는 도 1에 도시된 바와 같이 액체수소 및 액체질소와의 접촉면적(열교환 면적)을 증대시키기 위해 배관을 나선형( 또는 코일형)으로 꼬은 형상으로 형성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the second heat exchanger 9 and the third heat exchanger 11 spirally (or coiled) pipes to increase the contact area (heat exchange area) with liquid hydrogen and liquid nitrogen. It can be formed into a twisted shape.

또한, 상기 액체질소조(17)는 금속 소재의 판으로 둘러쌓이도록 형성되고, 상기 액체질소조(17)와 전류리드(16)의 접합부위에는, 복수의 전류리드(16)가 서로 절연되도록 소정의 절연체(19)가 구비될 수 있다.In addition, the liquid nitrogen tank 17 is formed to be surrounded by a plate made of a metal material, and a plurality of current leads 16 are insulated from each other at a junction between the liquid nitrogen tank 17 and the current lead 16. The insulator 19 of may be provided.

상기 액체질소조(17)를 구성하는 옆판 및 밑판에 전류리드(16)의 접촉면적(접촉길이)을 조절함으로써 전류리드(16)가 충분히 냉각되도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 전류리드(16)를 도 3에 도시관 금속관(15)과 유사한 형태의 나선형으로 절곡하여 액체질소조(17)에 부착하게 되면 전류리드(16)를 충분히 냉각시킬 수 있으며, 전류리드(16)의 위치별 열수축차이도 보상될 수 있다.By adjusting the contact area (contact length) of the current lead 16 to the side plate and bottom plate constituting the liquid nitrogen tank 17, the current lead 16 can be configured to be sufficiently cooled. For example, if the current lead 16 is bent in a spiral shape similar to the city tube metal tube 15 in FIG. 3 and attached to the liquid nitrogen tank 17, the current lead 16 can be sufficiently cooled, and the current Differences in heat shrinkage by position of the lead 16 can also be compensated for.

고온초전도체(1)로 연결되는 두 가닥의 전류리드(16)(신호선; SC Coil Current Lead)가 합선되지 않도록, 상기 액체질소조(17)와 각 전류리드(16) 사이의 부착면에는 절연체(19)가 구비되는 것이 바람직하다.In order to prevent the two strands of current lead 16 (signal line; SC Coil Current Lead) connected to the high-temperature superconductor 1 from being short-circuited, an insulator ( 19) is preferably provided.

그리고, 상기 금속관(15)은: 상기 금속판(13)에 형성된 나선형 홈(14)에 결합된 부분과 결합되지 않은 부분 사이의 경계면(20)을 기준으로, 금속판(13)에 대해 소정의 각도를 가지도록 절곡되고, 양 단부(21)가 VCR 피팅(Vacuum Coupling Radiation fitting), 브레이징(Brazing) 또는 고압 피팅으로 결합되도록 구성될 수 있다.Further, the metal pipe 15 is formed at a predetermined angle with respect to the metal plate 13 based on the boundary surface 20 between a portion coupled to the spiral groove 14 formed in the metal plate 13 and a portion not coupled thereto. It may be bent to have, and both ends 21 may be configured to be coupled with a VCR fitting (Vacuum Coupling Radiation fitting), brazing, or a high-pressure fitting.

전술한 바와 같이, 금속관의 단부(21)만을 온전하게 접합(연결/결합)하더라도 크랙/누설의 발생을 원천적으로 차단할 수 있으므로, 접합 지점 개수의 감소로 인한 열교환기/냉각 시스템(장치) 생산수율 증가 등의 효과가 있다.As described above, even if only the ends 21 of the metal tubes are perfectly joined (connected/combined), the occurrence of cracks/leakage can be fundamentally blocked, so the heat exchanger/cooling system (device) production yield due to the reduction in the number of junction points increase, etc.

도 3에는 금속판(13)에 대해 금속관(15)이 경계면(20)을 기준으로 90도 각도로 절곡된 예시가 도시되어 있다.3 shows an example in which the metal tube 15 is bent at an angle of 90 degrees with respect to the metal plate 13 based on the boundary surface 20 .

아울러, 상기 제1열교환기(3)에 공급될 헬륨을 저장하는 헬륨탱크(22); 상기 헬륨탱크(22)로부터 제1열교환기(3)로 연결되는 제3헬륨배관(23); 상기 제3헬륨배관(23)의 일측에 연결되는 진공펌프(24); 및 상기 제3헬륨배관(23)의 다른 일측(상기 진공펌프(24)가 연결된 제3헬륨배관(23)의 일측과 제1열교환기(3) 사이)에 구비되는 개폐밸브(25);를 더 포함하여, 상기 제1열교환기(3) 내에 헬륨탱크(22)로부터 새로운 헬륨을 공급하거나, 상기 제1열교환기(3) 내의 헬륨 일부를 제거하도록 제어될 수 있다.In addition, a helium tank 22 for storing helium to be supplied to the first heat exchanger 3; a third helium pipe 23 connected from the helium tank 22 to the first heat exchanger 3; a vacuum pump 24 connected to one side of the third helium pipe 23; And an on-off valve 25 provided on the other side of the third helium pipe 23 (between the first heat exchanger 3 and one side of the third helium pipe 23 to which the vacuum pump 24 is connected); Including further, it may be controlled to supply new helium from the helium tank 22 to the first heat exchanger 3 or to remove a part of the helium from the first heat exchanger 3.

상기 "상기 제1열교환기(3) 내에 헬륨탱크(22)로부터 새로운 헬륨을 공급하거나, 상기 제1열교환기(3) 내의 헬륨 일부를 제거하도록 제어"에서, 제1열교환기(3)는 제1 내지 제3헬륨배관(7, 8, 23), 제2열교환기(9)를 포함하는 의미일 수 있다(연결된 열교환 시스템 내에서 헬륨 일부/전부를 제거/투입).In the "control to supply new helium from the helium tank 22 to the first heat exchanger 3 or to remove a part of the helium in the first heat exchanger 3", the first heat exchanger 3 is It may mean including the first to third helium pipes 7, 8, and 23 and the second heat exchanger 9 (removing/injecting some/all of helium in the connected heat exchange system).

또한, 상기 액체수소조(5)의 외부에 구비되어, 액체수소조(5)와 외기 사이의 열전달을 차단하도록 소정의 격벽이 형성되며, 상기 격벽의 내측에 액체질소가 수용되는 액체질소 실드;를 더 포함할 수 있다.In addition, a liquid nitrogen shield provided outside the liquid hydrogen tank 5, having a predetermined barrier rib formed to block heat transfer between the liquid hydrogen tank 5 and the outside air, and containing liquid nitrogen inside the barrier rib; may further include.

도 1에는 상기 액체질소 실드가 포함된 실시 예가 도시되어 있다. 액체수소조(5)는 외벽 및 내벽을 가지는 이중 구조로 형성될 수 있으며, 외벽 및 내벽 사이에 상기 액체질소 실드가 구비될 수 있다. 액체질소 실드의 외부 및 내부에는 소정의 공간이 구비되도록 구성함으로써, 외벽 및 내벽을 액체질소 실드와 이격시켜 열전달을 현저하게 저감시킬 수 있다.1 shows an embodiment including the liquid nitrogen shield. The liquid hydrogen tank 5 may be formed in a double structure having an outer wall and an inner wall, and the liquid nitrogen shield may be provided between the outer wall and the inner wall. By configuring a predetermined space to be provided outside and inside the liquid nitrogen shield, heat transfer can be remarkably reduced by separating the outer wall and the inner wall from the liquid nitrogen shield.

상기 액체수소조(5), 액체질소 예냉기(6), 액체질소조(17) 및 액체질소 실드에는 각각 레벨미터, 액체탱크(수소탱크/질소탱크), 공급장치, 연결배관 및 기체배출관이 구비될 수 있다.The liquid hydrogen tank 5, the liquid nitrogen pre-cooler 6, the liquid nitrogen tank 17, and the liquid nitrogen shield each have a level meter, a liquid tank (hydrogen tank/nitrogen tank), a supply device, a connection pipe, and a gas discharge pipe. may be provided.

본 발명의 실시 예에 따르면, 초전도체 냉각용 열교환기의 제조방법에 있어서, 상기 초전도체에 부착되도록 일면에는 소정의 평면이 형성되고, 타면에는 소정의 나선형 홈(14)이 형성되는 금속판(13)을 제조하는 금속판제조단계; 상기 금속판(13)에 형성된 나선형 홈(14)에 대응되는 형상으로 금속관(15)을 절곡시키는 금속관절곡단계; 절곡된 상기 금속관(15)을 금속판(13)의 나선형 홈(14)에 삽입하는 체결단계; 및 상기 금속판(13)의 나선형 홈(14)과 금속관(15) 사이의 공간을 납땜하여 빈공간을 채우는 납땜단계;를 포함하는, 초전도체 냉각용 열교환기의 제조방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, in the method of manufacturing a heat exchanger for cooling a superconductor, a metal plate 13 having a predetermined flat surface formed on one surface and a predetermined spiral groove 14 formed on the other surface so as to be attached to the superconductor is used. A metal plate manufacturing step to manufacture; A metal joint bending step of bending the metal pipe 15 into a shape corresponding to the spiral groove 14 formed in the metal plate 13; A fastening step of inserting the bent metal pipe 15 into the spiral groove 14 of the metal plate 13; and a soldering step of filling the empty space by soldering the space between the spiral groove 14 of the metal plate 13 and the metal tube 15.

또한, 상기와 같은 초전도체 냉각용 열교환기의 제조방법에 따라 제조된, 초전도체 냉각용 열교환기를 제공한다.In addition, a heat exchanger for cooling a superconductor manufactured according to the method for manufacturing a heat exchanger for cooling a superconductor as described above is provided.

상기와 같은 초전도체 냉각용 열교환기를 전술한 초전도체 냉각 시스템에 적용함으로써, 본 발명의 기술적 사상을 구현할 수 있을 것이다.By applying the superconductor cooling heat exchanger as described above to the superconductor cooling system described above, the technical spirit of the present invention can be implemented.

1 : 고온초전도체 2 : 극저온 용기
3 : 제1열교환기 4 : 크라이오팬
5 : 액체수소조 6 : 액체질소 예냉기
7 : 제1헬륨배관 8 : 제2헬륨배관
9 : 제2열교환기 10 : 수소배관
11 : 제3열교환기 12 : 질소배관
13 : 금속판 14 : 나선형 홈
15 : 금속관 16 : 전류리드
17 : 액체질소조 18 : 용재
19 : 절연체 20 : 경계면
21 : 금속관 단부 22 : 헬륨탱크
23 : 제3헬륨배관 24 : 진공펌프
25 : 개폐밸브 26 : 액체질소공급배관
27 : 질소배출관
1: high-temperature superconductor 2: cryogenic container
3: first heat exchanger 4: cryopan
5: liquid hydrogen tank 6: liquid nitrogen pre-cooler
7: first helium pipe 8: second helium pipe
9: second heat exchanger 10: hydrogen pipe
11: third heat exchanger 12: nitrogen pipe
13: metal plate 14: spiral groove
15: metal tube 16: current lead
17: liquid nitrogen tank 18: solvent
19: insulator 20: interface
21: metal pipe end 22: helium tank
23: third helium pipe 24: vacuum pump
25: on-off valve 26: liquid nitrogen supply pipe
27: nitrogen discharge pipe

Claims (4)

고온초전도체;
외부에 대해 밀폐되는 소정의 내부공간을 구비하며 상기 고온초전도체를 수용하는 극저온 용기;
상기 고온초전도체에 결합되어 고온초전도체를 냉각시키는 제1열교환기;
상기 제1열교환기와 연결되어 헬륨을 순환시키는 크라이오팬(Cryo Fan);
상기 제1열교환기에 공급되는 헬륨을 냉각하는 액체수소조;
상기 액체수소조에 공급되는 수소를 예냉하는 액체질소 예냉기;
상기 제1열교환기에서 토출되는 헬륨을 액체수소조로 이송시키는 제1헬륨배관;
상기 제1열교환기로 공급되는 헬륨을 액체수소조로부터 이송시키는 제2헬륨배관;
상기 제1헬륨배관 및 제2헬륨배관 사이에 연결되며, 상기 액체수소조 내부에 수용되어 액체수소와 헬륨간 열교환을 발생시키는 제2열교환기;
상기 액체수소조로 수소를 이송시키는 수소배관;
상기 수소배관에 연결되며, 상기 액체질소 예냉기 내부에 수용되어 액체질소와 액체수소간 열교환을 발생시키는 제3열교환기;
상기 액체질소 예냉기에 질소를 공급하는 질소배관;
상기 고온초전도체에 연결되는 전류리드;
상기 극저온 용기 내에 수용되며, 상기 전류리드를 냉각시키도록 구비되는 액체질소조;
상기 액체질소조의 일측에 연결되는 액체질소공급배관;
상기 액체질소조에 구비되는 액체질소 레벨미터; 및
상기 극저온 용기의 일측에 구비되는 질소배출관;을 포함하여,
상기 액체질소조 내의 액체질소 양을 소정의 범위 내에서 유지시키며, 극저온 용기 내에서 기화된 질소는 극저온 용기 외부로 배출시키는, 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템
high-temperature superconductors;
a cryogenic container having a predetermined inner space sealed against the outside and accommodating the high-temperature superconductor;
a first heat exchanger coupled to the high-temperature superconductor to cool the high-temperature superconductor;
a cryo fan connected to the first heat exchanger to circulate helium;
a liquid hydrogen tank for cooling the helium supplied to the first heat exchanger;
a liquid nitrogen pre-cooler for pre-cooling hydrogen supplied to the liquid hydrogen tank;
a first helium pipe for transporting helium discharged from the first heat exchanger to a liquid hydrogen tank;
a second helium pipe for transporting helium supplied to the first heat exchanger from the liquid hydrogen tank;
a second heat exchanger connected between the first helium pipe and the second helium pipe and accommodated in the liquid hydrogen tank to generate heat exchange between liquid hydrogen and helium;
a hydrogen pipe for transporting hydrogen to the liquid hydrogen tank;
a third heat exchanger connected to the hydrogen pipe and accommodated in the liquid nitrogen pre-cooler to generate heat exchange between liquid nitrogen and liquid hydrogen;
a nitrogen pipe supplying nitrogen to the liquid nitrogen pre-cooler;
a current lead connected to the high-temperature superconductor;
a liquid nitrogen bath accommodated in the cryogenic container and provided to cool the current lead;
A liquid nitrogen supply pipe connected to one side of the liquid nitrogen tank;
a liquid nitrogen level meter provided in the liquid nitrogen tank; and
Including; nitrogen discharge pipe provided on one side of the cryogenic container,
A helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen tank for cooling a current lead, which maintains the amount of liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank within a predetermined range and discharges nitrogen vaporized in the cryogenic container to the outside of the cryogenic container.
청구항 1항에 있어서,
상기 액체질소조는 금속 소재의 판으로 둘러쌓이도록 형성되고,
상기 액체질소조와 전류리드의 접합부위에는, 복수의 전류리드가 서로 절연되도록 소정의 절연체가 구비되는, 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템
The method of claim 1,
The liquid nitrogen tank is formed to be surrounded by a plate of metal material,
A helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system equipped with a liquid nitrogen bath for cooling a current lead, in which a predetermined insulator is provided at the junction between the liquid nitrogen bath and the current lead to insulate a plurality of current leads from each other.
청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1열교환기에 공급될 헬륨을 저장하는 헬륨탱크;
상기 헬륨탱크로부터 제1열교환기로 연결되는 제3헬륨배관;
상기 제3헬륨배관의 일측에 연결되는 진공펌프; 및
상기 제3헬륨배관의 다른 일측(상기 진공펌프가 연결된 제3헬륨배관의 일측과 제1열교환기 사이)에 구비되는 개폐밸브;를 더 포함하여,
상기 제1열교환기 내에 헬륨탱크로부터 새로운 헬륨을 공급하거나,
상기 제1열교환기 내의 헬륨 일부를 제거하도록 제어되는, 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템
According to any one of claims 1 to 3,
a helium tank storing helium to be supplied to the first heat exchanger;
a third helium pipe connected from the helium tank to the first heat exchanger;
a vacuum pump connected to one side of the third helium pipe; and
An on-off valve provided on the other side of the third helium pipe (between the first heat exchanger and one side of the third helium pipe to which the vacuum pump is connected); further comprising,
New helium is supplied from the helium tank in the first heat exchanger,
A helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system having a liquid nitrogen bath for cooling a current lead, which is controlled to remove a part of helium in the first heat exchanger.
청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체수소조의 외부에 구비되어, 액체수소조와 외기 사이의 열전달을 차단하도록 소정의 격벽이 형성되며, 상기 격벽의 내측에 액체질소가 수용되는 액체질소 실드;를 더 포함하는, 전류리드 냉각용 액체질소조가 구비된 헬륨가스 열교환 고온초전도 마그넷 냉각 시스템
According to any one of claims 1 to 3,
A liquid nitrogen shield provided outside the liquid hydrogen tank, having a predetermined barrier rib formed thereon to block heat transfer between the liquid hydrogen tank and the outside air, and accommodating liquid nitrogen inside the barrier rib; further comprising a liquid for cooling the current lead. Helium gas heat exchange high-temperature superconducting magnet cooling system equipped with a nitrogen bath
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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