KR20230121187A - Superconducting magnet cooling system using a heat pipe - Google Patents

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한승용
김석호
이재환
권용현
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Abstract

A superconducting magnet cooling system using a heat pipe is disclosed. An objective of the present invention is to provide the superconducting magnet cooling system that can efficiently cool superconducting magnets by using heat pipes with very high thermal conductivity instead of metal cooling channels used in an existing conduction cooling method. The superconducting magnet cooling system according to one example includes a cryogenic refrigerator, a vacuum vessel, a heat pipe, a superconducting magnet, a pressure reduction device, and a radiation shield.

Description

히트파이프를 이용한 초전도 자석 냉각 시스템{Superconducting magnet cooling system using a heat pipe}Superconducting magnet cooling system using a heat pipe}

본 발명은 히트파이프를 이용한 초전도 자석 냉각 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 전도냉각 방식에서 사용되는 금속 소재의 냉각 채널을 대신하여 열전도율이 아주 높은 히트파이프를 사용하여 초전도 자석을 효율적으로 냉각할 수 있는 초전도 자석 냉각 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting magnet cooling system using a heat pipe. More specifically, it relates to a superconducting magnet cooling system capable of efficiently cooling a superconducting magnet by using a heat pipe having a very high thermal conductivity instead of a metal cooling channel used in a conventional conduction cooling method.

초전도 자석을 포함하는 시스템의 냉각 방식은 저온 기체(헬륨, 네온, 수소)를 순환하여 냉각하는 냉매 순환 방식과 극저온 액체 속에서 냉각하는 방식과 극저온 냉동기를 직접 체결하여 냉각하는 방식으로 나눌 수 있다.The cooling method of the system including the superconducting magnet can be divided into a refrigerant circulation method in which low-temperature gas (helium, neon, hydrogen) is circulated and cooled, a method in which cooling is performed in a cryogenic liquid, and a method in which a cryogenic freezer is directly connected to the cooling method.

극저온 기체 순환방식은 기체를 냉각하기 위한 냉동기와 열교환기, 블로워 등의 장치가 추가된다. 극저온 액체로 직접 냉각하는 방식은 극저온 유체가 증발하여 기체가 발생하며, 증발로 발생되는 기체를 재응축하기 위한 재응축 시스템이 필요하다. 극저온 냉동기를 이용한 전도냉각 방식은 가장 단순한 시스템 구성을 가지며, 초전도 자석을 냉각하기 위해 필요한 동력도 가장 적게 사용된다. In the cryogenic gas circulation method, devices such as a refrigerator, a heat exchanger, and a blower are added to cool the gas. In the method of direct cooling with a cryogenic liquid, a gas is generated by evaporating the cryogenic fluid, and a recondensation system is required to recondense the gas generated by evaporation. The conduction cooling method using a cryogenic freezer has the simplest system configuration and uses the least amount of power required to cool the superconducting magnet.

하지만, 전도 냉각 방식은 냉각 대상의 온도 구배가 발생하며, 초전도 자석을 운전온도 이하로 냉각하기 위해서는 더 많은 동력을 사용하거나, 용량이 큰 냉동기를 선정해야 된다는 문제점을 가지고 있다. However, the conduction cooling method has a problem in that a temperature gradient occurs in the cooling object, and more power is used or a refrigerator with a large capacity is required to cool the superconducting magnet below the operating temperature.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 냉동기와 초전도 자석을 연결하는 냉각채널을 편조선이나 구리 블록 등을 사용하지 않고, 히트파이프를 사용할 수 있다. In order to solve this problem, a heat pipe may be used instead of a braided wire or a copper block in a cooling channel connecting the refrigerator and the superconducting magnet.

히트파이프는 열을 효율적으로 전달하기 위한 장치로 히트파이프 내부의 유체의 상변화에 의해 기체와 액체가 고온부와 저온부로 서로 이동하면서 열을 전달한다. 초전도 자석을 냉각하기 위한 히트파이프에 사용되는 유체는 헬륨(4 K), 수소(20 K), 네온(27 K)을 사용할 수 있다.A heat pipe is a device for efficiently transferring heat, and heat is transferred while gas and liquid move to a high temperature part and a low temperature part by a phase change of a fluid inside the heat pipe. Helium (4 K), hydrogen (20 K), and neon (27 K) may be used as the fluid used in the heat pipe for cooling the superconducting magnet.

초전도 자석은 임계온도 이하에서 초전도 상태를 유지하기 때문에 초전도 자석을 적용한 시스템에서는 냉각이 아주 중요하다. Since a superconducting magnet maintains a superconducting state below a critical temperature, cooling is very important in a system using a superconducting magnet.

초전도 자석을 냉각하기 위한 방법은 저온의 기체를 순환시켜 냉각하는 기체순환 냉각방식, 냉동기에 직접 체결하는 전도냉각방식 등이 있다. Methods for cooling superconducting magnets include a gas circulation cooling method in which low-temperature gas is circulated and cooled, and a conduction cooling method in which a superconducting magnet is directly coupled to a refrigerator.

기체순환 냉각방식은 냉각을 위한 시스템이 추가되며, 시스템을 구성하기 위한 금액도 증가하게 된다. In the gas circulation cooling method, a system for cooling is added, and the cost of configuring the system also increases.

전도냉각방식은 냉동기와 초전도 자석을 냉각채널로 직접 연결하여 전도에 의해 냉각되며, 냉각채널의 연결에 의한 열저항으로 온도차가 발생한다. In the conduction cooling method, a refrigerator and a superconducting magnet are directly connected to a cooling channel to be cooled by conduction, and a temperature difference occurs due to thermal resistance caused by the connection of the cooling channel.

초전도 자석은 목표 온도에 도달하지 못하면 목표 성능을 낼 수 없으며, 전도냉각 방식에서의 온도 제어는 가장 중요한 요소이다. A superconducting magnet cannot achieve its target performance if it does not reach its target temperature, and temperature control in the conduction cooling method is the most important factor.

이러한 문제는 냉동기와 초전도 자석을 연결하는 냉각 채널을 히트파이프로 대체하여 문제를 해결할 수 있다. This problem can be solved by replacing the cooling channel connecting the refrigerator and the superconducting magnet with a heat pipe.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 기존의 전도냉각 방식에서 사용되는 금속 소재의 냉각 채널을 대신하여 열전도율이 아주 높은 히트파이프를 사용하여 초전도 자석을 효율적으로 냉각할 수 있는 초전도 자석 냉각 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been conceived to solve the above problems, and a superconducting magnet capable of efficiently cooling a superconducting magnet by using a heat pipe having a very high thermal conductivity instead of a metal cooling channel used in the conventional conduction cooling method. It is an object to provide a magnetic cooling system.

일례에 따른 초전도 자석 냉각 시스템은, 극저온 냉동기와, 진공용기와, 히트파이프와, 초전도 자석과, 압력저감장치 및 복사차폐쉴드를 포함한다. A superconducting magnet cooling system according to an example includes a cryogenic freezer, a vacuum container, a heat pipe, a superconducting magnet, a pressure reducer, and a radiation shield.

본 발명을 이용하면, 기존의 전도냉각 방식에서 사용되는 금속 소재의 냉각 채널을 대신하여 열전도율이 아주 높은 히트파이프를 사용하여 초전도 자석을 효율적으로 냉각할 수 있는 초전도 자석 냉각 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다. The present invention provides a superconducting magnet cooling system capable of efficiently cooling a superconducting magnet by using a heat pipe having a very high thermal conductivity instead of a metal cooling channel used in the conventional conduction cooling method. there is

또한, 본 발명을 이용하면, 첫째, 극저온 냉동기에 부착되어 초전도 자석을 냉각할 수 있다. 둘째, 기존의 전도냉각방식에 사용되는 구리블럭이나 편조선에 비해 열전도율이 수십~수백배 높으며, 효과적인 냉각이 가능하다. 셋째, 사이즈가 작고 먼 거리까지 열전달이 가능하기 때문에 냉각대상의 여러곳에 부착하여 온도 구배를 줄일 수 있다. 넷째, 윅구조를 적용하여 열사이펀이 아닌 모세관력에 의한 펌핑력으로 히트파이프의 설치의 자유도를 높일 수 있다. 다섯째, 압력저감장치를 사용하여 온도 변화에 따른 히트파이프 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있다. In addition, if the present invention is used, first, the superconducting magnet can be cooled by being attached to a cryogenic refrigerator. Second, the thermal conductivity is tens to hundreds of times higher than that of copper blocks or braided wires used in the conventional conduction cooling method, and effective cooling is possible. Third, since the size is small and heat transfer is possible over a long distance, the temperature gradient can be reduced by attaching it to several places on the cooling target. Fourth, by applying the wick structure, the degree of freedom in installing the heat pipe can be increased by pumping force by capillary force rather than by thermosiphon. Fifth, the pressure inside the heat pipe according to the temperature change can be kept constant by using a pressure reducer.

도 1은 히트파이프를 이용한 초전도 자석 냉각 시스템의 일례를 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 초전도 자석 냉각 시스템에서의 히트파이프 내부의 유체의 흐름을 예시한 도면이다.
1 is a view showing an example of a superconducting magnet cooling system using a heat pipe;
FIG. 2 is a diagram illustrating a flow of a fluid inside a heat pipe in the superconducting magnet cooling system of FIG. 1 .

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

히트파이프를 냉각시스템에 적용하기 위해서는 초전도 자석의 운전온도에 따른 작동 유체의 선정, 냉각용량에 따른 히트파이프 내부의 유체의 충전량과 압력 등을 고려해야 한다. 본 발명자는 히트파이프를 이용한 열 저감 시스템에 대한 연구과제를 수행한 바 있으며, 초전도 자석 냉각 시스템의 효율적인 냉각을 위해서 히트파이프의 동작 특성과 운용에 대한 노하우를 보유하고 있다. In order to apply the heat pipe to the cooling system, it is necessary to consider the selection of the working fluid according to the operating temperature of the superconducting magnet, the filling amount and pressure of the fluid inside the heat pipe according to the cooling capacity. The present inventors have performed research tasks on heat reduction systems using heat pipes, and have know-how on operation characteristics and operation of heat pipes for efficient cooling of superconducting magnet cooling systems.

도 1은 히트파이프를 이용한 초전도 자석 냉각 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 히트파이프를 이용한 초전도 자석 냉각 시스템은, 극저온 냉동기와, 진공용기와, 히트파이프와, 초전도 자석과, 압력저감장치 및 복사차폐쉴드를 포함한다.
히트파이프는 일반적으로 사용하는 구리소재의 냉각채널에 비해 열전도율이 수십~수백배 높으며, 효과적인 냉각을 가능하게 한다. 히트파이프는 반영구적으로 사용 가능하며 소형으로 제작할 수 있기 때문에 초전도 자석에서 발생되는 온도구배가 높은 부분에 부착하여 초전도 자석 전체의 온도를 일정 범위 이내로 줄일 수 있다.
히트파이프는 중력에 의한 열 사이펀으로 작동하기 때문에 극저온 냉동기는 시스템의 상부에 설치해야되지만, 히트파이프 내부에 다공성의 윅을 사용하면 모세관력에 의한 펌핑으로 유체를 저온부와 고온부 사이를 이송할 수 있게 되며 극저온 냉동기의 설치 위치를 상부가 아닌 다른 위치에 설치할 수 있다.
히트파이프를 전도 냉각 시스템에 적용하였을 때 히트파이프 내부의 유체는 상온에서 극저온의 온도차에 의해 내부 압력이 줄어들게 된다. 이러한 문제는 압력저감장치(PRR)을 적용하여 온도 불균형을 해소할 수 있다.
히트파이프를 적용한 초전도 자석 냉각 시스템은 고온 초전도 자석을 적용하는 NMR(Nuclear magnetic resonance), MRI(Magnetic resonance imaging) 등에 적용할 수 있다.
도 2는 도 1의 초전도 자석 냉각 시스템에서의 히트파이프 내부의 유체의 흐름을 예시한 도면이다.
초전도 자석을 냉각하기 위해 히트파이프는 극저온 냉동기의 콜드헤드에 연결되며, 히트파이프는 열전도도가 높은 구리와 같은 금속 관 내부에 유체를 주입하여 온도차에 의해 열을 이송한다.
히트파이프의 저온부는 극저온 냉동기, 고온부는 초전도 자석에 부착되며 저온부에서는 극저온 냉동기에 의해 낮은 온도를 유지하기 때문에 히트파이프 내부의 유체가 액화되어 고온부로 이동하게 되고, 고온부로 이동한 유체는 상대적으로 높은 온도에 의해 증발되며, 증발잠열만큼 초전도 자석을 냉각하게 된다.
이러한 과정이 반복되면서 초전도 자석이 냉각된다. 냉각 시스템이 상온에서 극저온으로 냉각되면서 상온과 극저온의 온도차에 의한 히트파이프 내부의 압력이 낮아지게 되며, 압력저감장치를 히트파이프에 연결하여 히트파이프 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
압력저감장치는 히트파이프 내부의 체적에 비해 아주 큰 용기로 되어있으며, 온도 변화에 의한 히트파이프 내부의 압력변화에 영향을 주지 않도록 충분히 많은 양의 유체가 충전되어 있다.
히트파이프를 적용한 냉각시스템은 100 K 이하의 온도를 효율적으로 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 히트파이프 내부에 질소 (77 K), 네온(27 K), 수소(20 K), 헬륨(4 K)을 사용하여 다양한 온도에서 사용하기 위한 시스템에 적용할 수 있으며, 극저온의 유체 저장 시스템에서 일정한 온도를 유지하기 위한 시스템 등에 사용할 수 있다.
또한, 초전도 자석이 포함된 시스템에서 초전도 자석의 목표 성능에 도달하기 위해서는 운전온도로 냉각하는 것이 아주 중요하다. 기존의 사용되고 있는 냉각방식 중 전도냉각방식으로 초전도 자석을 냉각할 때 극저온 냉동기와 초전도 자석을 구리와 같이 열전도율이 높은 금속 소재로 제작된 냉각 채널로 연결하여 냉각하게 된다.
전도냉각은 열저항에 의해서 온도 구배가 발생하게 되며, 초전도 자석의 형상에 따라 큰 온도구배로 인한 시스템의 목표 온도로 냉각하지 못하는 경우도 발생하게 된다.
이러한 경우 냉각용량이 큰 냉동기를 선정하면 문제를 해결할 수 있지만. 극저온 냉동기는 높은 가격으로 인해 시스템 구성에 비용 증가로 이어지게 된다.
본 발명을 이용하면, 기존에 사용하고 있는 냉각채널을 열전달 효율이 뛰어난 히트파이프로 대체할 경우 저비용으로 온도구배를 줄일 수 있게 되며, 시스템 구성에 필요한 비용이 감소시킬 수 있다. 히트파이프는 전자제품, 우주선 등 다양한 분야에서 열을 제거하기 위해 사용되고 있으며, 히트파이프의 열수송 능력은 이미 많은 연구와 실제 사용된 제품 등으로 충분한 성능이 검증되었다.
또한 본 발명을 이용하면, 본 발명은 기존의 초전도 자석의 냉각방식을 개선하기 위해 열전도율이 높은 히트파이프를 적용하여 효과적인 냉각을 가능하게 하는 것으로, 전도냉각방식의 단점인 열저항에 의한 온도구배에 따른 냉각 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 의료, 항공, 수송, 에너지 분야 등에서 초전도 자석을 적용한 시스템을 적용할 수 있으며, 냉각을 위한 시스템의 가장 핵심적인 요소로 히트파이프가 사용될 수 있다. 히트파이프를 냉각 시스템에 적용하기 위해서는 목적에 따른 냉각 시스템의 설계가 필요하며, 상온에서 극저온의 온도까지 넓은 온도 범위에서 사용하기 위한 시스템을 구성하기 위한 기술력을 관련 기업에 기술이전 또는 창업등을 통해 이익을 창출할 수 있다.
1 is a diagram showing an example of a superconducting magnet cooling system using a heat pipe.
As shown in FIG. 1 , a superconducting magnet cooling system using a heat pipe includes a cryogenic freezer, a vacuum container, a heat pipe, a superconducting magnet, a pressure reducer, and a radiation shield.
The heat pipe has a thermal conductivity that is tens to hundreds of times higher than that of a cooling channel made of generally used copper material, and enables effective cooling. Since the heat pipe can be used semi-permanently and can be manufactured in a small size, the temperature of the entire superconducting magnet can be reduced within a certain range by attaching it to a part with a high temperature gradient generated by the superconducting magnet.
Since the heat pipe operates as a thermosiphon by gravity, the cryogenic freezer must be installed at the top of the system, but using a porous wick inside the heat pipe allows the fluid to be transported between the low temperature and high temperature sections by pumping by capillary force. And the installation location of the cryogenic freezer can be installed in a different location than the top.
When the heat pipe is applied to the conduction cooling system, the internal pressure of the fluid inside the heat pipe is reduced due to the temperature difference between normal temperature and cryogenic temperature. This problem can be solved by applying a pressure reducing device (PRR) to solve the temperature imbalance.
A superconducting magnet cooling system using a heat pipe can be applied to NMR (Nuclear magnetic resonance) and MRI (Magnetic resonance imaging) using high-temperature superconducting magnets.
FIG. 2 is a diagram illustrating a flow of a fluid inside a heat pipe in the superconducting magnet cooling system of FIG. 1 .
To cool the superconducting magnet, a heat pipe is connected to the cold head of the cryogenic freezer, and the heat pipe transfers heat by a temperature difference by injecting a fluid into a metal tube such as copper having high thermal conductivity.
The low-temperature part of the heat pipe is attached to the cryogenic freezer, and the high-temperature part is attached to the superconducting magnet. Since the low-temperature part is maintained at a low temperature by the cryogenic freezer, the fluid inside the heat pipe is liquefied and moves to the high-temperature part, and the fluid that has moved to the high-temperature part has a relatively high temperature. It evaporates according to the temperature and cools the superconducting magnet by the latent heat of vaporization.
As this process is repeated, the superconducting magnet is cooled. As the cooling system is cooled from room temperature to cryogenic temperature, the pressure inside the heat pipe due to the temperature difference between room temperature and cryogenic temperature is lowered, and the pressure inside the heat pipe can be kept constant by connecting a pressure reducer to the heat pipe.
The pressure reducing device is a container that is very large compared to the volume inside the heat pipe, and is filled with a sufficiently large amount of fluid so as not to affect the pressure change inside the heat pipe due to temperature change.
Cooling systems using heat pipes can be used to efficiently cool temperatures below 100 K. Nitrogen (77 K), neon (27 K), hydrogen (20 K), and helium (4 K) can be used inside the heat pipe to apply to a system for use at various temperatures, and in a cryogenic fluid storage system, constant It can be used for systems for maintaining temperature, etc.
In addition, it is very important to cool to operating temperature in order to reach the target performance of the superconducting magnet in the system including the superconducting magnet. When a superconducting magnet is cooled by the conduction cooling method among existing cooling methods, the cryogenic refrigerator and the superconducting magnet are connected to a cooling channel made of a metal material having high thermal conductivity such as copper to be cooled.
In conduction cooling, a temperature gradient is generated by thermal resistance, and depending on the shape of a superconducting magnet, cooling to the target temperature of the system may occur due to a large temperature gradient.
In this case, the problem can be solved by selecting a refrigerator with a large cooling capacity. Due to the high price of the cryogenic freezer, it leads to an increase in the cost of system configuration.
According to the present invention, when a previously used cooling channel is replaced with a heat pipe having excellent heat transfer efficiency, the temperature gradient can be reduced at low cost, and the cost required for system configuration can be reduced. Heat pipes are used to remove heat in various fields such as electronic products and spacecraft, and the heat transport ability of heat pipes has already been proven with sufficient performance through many studies and actually used products.
In addition, using the present invention, the present invention enables effective cooling by applying a heat pipe with high thermal conductivity to improve the existing cooling method of superconducting magnets, and the temperature gradient due to thermal resistance, which is a disadvantage of the conduction cooling method, is applied. cooling problem can be solved.
In addition, if the present invention is used, a system to which superconducting magnets are applied can be applied to medical, aviation, transportation, and energy fields, and a heat pipe can be used as the most essential element of a cooling system. In order to apply the heat pipe to the cooling system, it is necessary to design a cooling system according to the purpose, and technology to configure a system for use in a wide temperature range from room temperature to cryogenic temperature is transferred to related companies or through start-ups. can make a profit.

Claims (1)

극저온 냉동기와, 진공용기와, 히트파이프와, 초전도 자석과, 압력저감장치 및 복사차폐쉴드를 포함하는, 히트파이프를 이용한 초전도 자석 냉각 시스템.A superconducting magnet cooling system using a heat pipe, including a cryogenic freezer, a vacuum container, a heat pipe, a superconducting magnet, a pressure reducing device, and a radiation shield.
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