KR20230139118A - 직접 냉각 구조를 가지는 초전도 한류기 - Google Patents

직접 냉각 구조를 가지는 초전도 한류기 Download PDF

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KR20230139118A
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Abstract

본 발명은 초전도 한류기에 관한 것으로, 내부가 밀봉 처리되는 한류기 탱크와, 극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)를 구비하며, 상기 콜드헤드가 상기 한류기 탱크 내부로 인입되도록 배치되는 극저온 냉동기 및, 상기 한류기 탱크 내부에 밀봉된 상태로 구비되며, 초전도체 소자가 내부에 설치 및, 상기 초전도체 소자의 냉각을 위해 상기 초전도체 소자가 설치된 높이 이상의 높이로 충진된 액상 냉매를 포함하는 냉매 용기를 구비하며, 상기 냉매 용기의 일 측면은, 상기 콜드헤드가 인입된 상기 한류기 탱크 내부의 위치까지 돌출 및, 상기 액상 냉매가 충진되는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부의 상측을 통해 상기 냉매 용기의 내측으로 상기 콜드헤드가 인입되어, 상기 돌출부에 충진된 액상 냉매에 상기 인입된 콜드헤드의 적어도 일부가 수용되는 것을 특징으로 한다.

Description

직접 냉각 구조를 가지는 초전도 한류기{SUPERCONDUCTING CURRENT FAULT LIMITER WITH DIRECT COOLING STRUCTURE}
본 발명은 초전도 한류기에 대한 것으로, 보다 자세하게는 상기 초전도 한류기의 냉각 구조에 대한 것이다.
초전도체(Superconductor)는 특정 온도(초전도 임계 온도) 이하에서 전기 저항을 상실하는 물질을 의미하는 것으로, 상기 초전도 임계 온도 이하에서는 저항이 0(초전도)인 완전 도체(perfect conductor)가 되는 특징을 가진다. 이 경우 저항이 0인 상태이므로 전력의 손실이 없는 통전이 가능하게 된다. 반면 상기 초전도 임계 온도를 초과하는 온도에서는 상기 초전도성을 상실하게 되므로, 저항이 발생하게 된다.
한편 이처럼 온도에 따라 상반된 상변화 현상을 가지는 초전도체를 이용하여 통전 시에 전력의 손실을 최소화하면서도 지락, 단락, 낙뢰 등의 사고 시에 발생하는 이상 전류(fault current)시에 전력 계통의 기기를 보호할 수 있는 한류기(Fault Current Limiter)가 등장하고 있다.
이처럼 초전도체가 사용된 한류기를 초전도 한류기(Superconducting current fault limiter)라고 하는데, 상기 초전도 한류기의 경우, 상기 초전도 임계 온도 이하의 온도가 유지되는 극저온 환경에서는 초전도 특성을 유지하여 전력의 손실이 없는 통전이 가능하도록 한다. 그러나 상기 지락이나 단락, 또는 낙뢰 등의 이상 전류가 발생함에 따라 허용값 이상의 전류가 인입되면, 초전도체는 상기 초전도 임계 온도를 초과하여 초전도성을 상실하게 되고, 초전도체의 초전도성 상실에 따라 발생하는 저항은 전류의 통전을 제한할 수 있다.
이처럼 초전도 한류기는 초전도체의 초전도성 상실에 따라 발생하는 저항을 이용하므로, 이상 전류 발생 시 수밀리 초 이내의 매우 짧은 시간 내에 전류의 제한이 가능하다는 이점이 있으며, 극저온 상태가 유지되는 경우 전력 손실이 없는 통전이 이루어질 수 있으므로, 이상적인 한류기로서 각광받고 있다.
그런데 이처럼 초전도 한류기는 온도에 따른 초전도체의 상변화 현상을 이용하는 것으로, 초전도체를 상기 임계 온도 이하의 온도로 유지할 수 있어야 한다. 그런데 상기 임계 온도는 통상적으로 77K(Kelvin) 이하의 극저온이므로, 상기 초전도체를 상기 77K 이하의 극저온 상태로 유지하기 위한 극저온 냉각 시스템이 필요하다. 이를 위해 통상적인 초전도 한류기는 상기 초전도체를 과냉각된 액체 질소를 냉매에 넣어서 냉각하며, 상기 액체 질소가 수용된 용기의 열 부하는 밀폐 사이클(close cycle)로 운전되는 극저온 냉동기를 통해 제거되는 구성을 가진다.
한편 통상적인 초전도 한류기는, 이러한 극저온 냉동기를 이용한 액체 질소 수용 용기의 냉각을 위해, 상기 수용 용기의 외벽에 열전도율이 높은 매질로 형성된 열전도성 부재를 부착하고, 부착된 열전도성 부재에 극저온 냉동기의 콜드헤드(coldhead)를 연결함으로써 전도 냉각방식으로 상기 액체 질소 수용 용기를 냉각하는 구성을 가진다. 그러나 이처럼 열전도성 부재에 의한 전도 냉각 방식은 아무리 열전도율이 높다고 하더라도 매질 자체적으로 가지는 열저항 성분이 있으며, 이러한 열저항 성분으로 인하여 냉각 효율이 저하된다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 극저온 냉동기를 이용한 액체 질소 수용 용기 냉각 시에, 상기 극저온 냉동기의 냉각 효율을 극대화할 수 있는 냉각 구조를 가지는 초전도 한류기를 제공하는 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기는, 내부가 밀봉 처리되는 한류기 탱크와, 극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)를 구비하며, 상기 콜드헤드가 상기 한류기 탱크 내부로 인입되도록 배치되는 극저온 냉동기 및, 상기 한류기 탱크 내부에 밀봉된 상태로 구비되며, 초전도체 소자가 내부에 설치 및, 상기 초전도체 소자의 냉각을 위해 상기 초전도체 소자가 설치된 높이 이상의 높이로 충진된 액상 냉매를 포함하는 냉매 용기를 구비하며, 상기 냉매 용기의 일 측면은, 상기 콜드헤드가 인입된 상기 한류기 탱크 내부의 위치까지 돌출 및, 상기 액상 냉매가 충진되는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부의 상측을 통해 상기 냉매 용기의 내측으로 상기 콜드헤드가 인입되어, 상기 돌출부에 충진된 액상 냉매에 상기 인입된 콜드헤드의 적어도 일부가 수용되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 극저온 냉동기는, 상기 콜드헤드가, 상기 냉매 용기에 충진된 상기 액상 냉매의 저장 수위에 대응하는 높이에 도달하도록 상기 한류기 탱크에 인입되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 냉매 용기는, 기 설정된 압력과 단열 두께를 가지며, 상기 냉매 용기의 상부 커버와 상기 액상 냉매 사이를 단열하기 위한 단열 기체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 극저온 냉동기는, 중력에 수직한 방향으로 설치되도록, 상기 콜드헤드가 중력에 수직한 방향으로 상기 한류기 탱크에 인입되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 액상 냉매는, 상기 돌출부에 충진된 액상 냉매에 수용된 콜드헤드의 적어도 일부를 통해 상기 극저온 냉동기에서 배출되는 냉기를 직접 전달받는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 액상 냉매는, 과냉각된 액체 상태의 질소임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 단열 기체는, 기체 상태의 질소 및 기체 상태의 불응축헬륨 가스의 혼합 기체이며, 상기 불응축 가스는 질소보다 낮은 기화점을 가지는 수소, 헬륨, 네온 중 어느 하나임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 극저온 냉동기는, 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon, GM) 냉동 기술이 적용된 GM 냉동기임을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 한류기는, 내부가 밀봉 처리되는 한류기 탱크와, 극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)를 구비하며, 상기 콜드헤드가 상기 한류기 탱크 내부로 인입되도록 배치되는 극저온 냉동기 및, 상기 한류기 탱크 내부에 밀봉된 상태로 구비되며, 초전도체 소자가 내부에 설치 및, 상기 초전도체 소자의 냉각을 위해 상기 초전도체 소자가 설치된 높이 이상의 높이로 충진된 액상 냉매를 포함하는 냉매 용기를 구비하며, 상기 극저온 냉동기는, 'ㄴ'자 형태의 암을 통해, 냉기를 형성하는 냉동 모듈과 상기 콜드헤드가 연결되며, 상기 냉매 용기의 일 측면은, 상기 암에 연결된 콜드헤드가 삽입 가능하도록 형성되는 홀(hole)을 구비하고, 상기 홀을 통해 상기 냉매 용기의 내측으로 상기 콜드헤드가 인입되어, 상기 냉매 용기에 충진된 액상 냉매에 상기 인입된 콜드헤드의 적어도 일부가 수용되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 콜드헤드가 삽입되는 홀은, 상기 냉매 용기에 충진되는 액상 냉매의 수위에 대응하는 높이 이하에 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 액상 냉매는, 상기 액상 냉매에 수용된 콜드헤드의 적어도 일부를 통해 상기 극저온 냉동기에서 배출되는 냉기를 직접 전달받는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 극저온 냉동기는, 중력에 수직한 방향으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초전도 한류기에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 열전도성 부재 없이 극저온 냉동기의 냉기를 용기에 수용된 액체 질소에 바로 전달함으로써, 열전도성 부재의 매질 특성으로 인한 열 저항 없이 상기 용기 내의 액체 질소를 바로 냉각할 수 있다는 이점이 있다. 따라서 본 발명은 초전도 한류기에서 극저온 냉동기의 냉각 효과를 극대화할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 초전도 한류기의 일반적인 구조를 도시한 블록도이다.
도 2는 상기 일반적인 초전도 한류기에서, 열 전도성 부재를 통해 극저온 냉동기와 액체 질소 수용 용기가 연결되는 구조를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기의 구조를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 한류기의 구조를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초전도 한류기의 구조를 도시한 블록도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다
본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이하에서 설명되는 각각의 실시 예들 뿐만 아니라, 실시 예들의 조합은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물 내지 대체물로서, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 해당될 수 있음은 물론이다.
도 1은 초전도 한류기(1)의 일반적인 구조를 도시한 블록도이다. 그리고 도 2는 상기 일반적인 초전도 한류기(1)에서, 열 전도성 부재를 통해 극저온 냉동기와 액체 질소 수용 용기가 연결되는 구조를 도시한 예시도이다.
먼저 도 1을 참조하여 살펴보면, 일반적인 초전도 한류기(1)는 초전도 특성을 가지는 초전도체인 HTS(High Temperature Superconductivity) 소자(13)를 복수개 구비하며, 상기 HTS 소자(13)의 초전도 특성 유지를 위해 상기 HTS 소자(13)들을 과냉각 상태인 액체 질소(Sub Cooled LN2(Liquid Nitrogen 2)) 속에 보관하여 상기 HTS 소자(13)들이 극저온 상태를 유지할 수 있도록 한다.
이를 위해 통상적인 초전도 한류기(1)는 도 1에서 보이고 있는 바와 같이 내부가 밀봉 처리되는 한류기 탱크(20), 상기 한류기 탱크(20) 내부에 밀봉된 상태로 구비되며, 운전 전류에 의해 발열되는 HTS 소자들(13)을 냉각시키기 위한 액체 상태 및 기체 상태의 냉매들이 저장되는 냉매 용기(10), 상기 냉매 용기(10) 내부의 냉매에 냉기를 전도 전달함으로써 상기 HTS 소자들(13)을 냉각 유도하는 적어도 하나의 냉동기(Cryocooler)를 포함하여 형성될 수 있다.
보다 자세히 살펴보면, 한류기 탱크(20)의 상측은 덮개로 밀봉처리되도록 형성될 수 있으며 내부(21)가 진공 처리될 수 있다. 그리고 외부로부터의 열 전달을 최소화하기 위하여 단열처리될 수 있다. 그리고 상기 한류기 탱크(20)의 덮개 일부를 통해 밀폐된 냉매 용기(10)의 상부 커버가 외부로 노출될 수 있다.
그리고 상기 냉매 용기(10)는 상기 한류기 탱크(20) 내부에 밀봉된 상태로 구비될 수 있다. 또한 단열 처리될 수 있으며, 내부에 서로 다른 액체 상태의 냉매(11, 액상 냉매) 및 단열 기체(12)가 충진될 수 있다.
한편 복수의 HTS 소자(13)는 상기 냉매 용기(10) 내부에 설치될 수 있다. 또한 상기 냉매 용기(10)의 상부 커버는 외측으로 돌출된 복수의 외측 연결부(41)를 구비할 수 있다. 그리고 상기 복수의 HTS 소자(13) 각각과 상기 복수의 외측 연결부(41)를 연결하는 복수의 내부 연결부(42)를 구비할 수 있다. 즉, 상기 냉매 용기(10)의 내부에 설치되는 복수의 HTS 소자(13)는, 각 HTS 소자와 연결되는 내측 연결부들을 통해, 상기 냉매 용기(10) 외측으로 돌출되는 외측 연결부들과 연결될 수 있다. 따라서 초전도 한류기(1)는 일부의 외측 연결부와 일부의 내측 연결부를 통해 상기 냉매 용기(10) 외부로부터 전류(운전 전류)를 공급받을 수 있으며, 상기 공급된 운전 전류를 다른 일부의 외측 연결부와 다른 일부의 내측 연결부를 통해 상기 냉매 용기(10) 외부에 공급할 수 있다.
한편 상기 냉매 용기(10)에 충진되는 액상 냉매(11)는 상술한 바와 같이 과냉각 상태의 액체 질소일 수 있다. 이 경우 상기 액상 냉매(11)는 운전 전류에 의해 발열되는 복수의 HTS 소자(13)를 냉각시킬 수 있도록, 도 1에서 보이고 있는 바와 같이 상기 내부에 설치된 복수의 HTS 소자(13)가 설치된 높이 이상의 높이까지 충진될 수 있다. 이에 따라 상기 복수의 HTS 소자(13)가 액상 냉매(11)에 완전 수용되어, 운전 전류에 의해 상기 복수의 HTS 소자(13)에서 발생되는 열(주울 열(joule heat))을 흡수함으로써, 상기 복수의 HTS 소자(13)의 초전도 특성을 유지하도록 할 수 있다.
그리고 상기 단열 기체(12)는 상기 한류기 탱크(20)의 덮개를 통해 노출된 냉매 용기(10)의 상부 커버로부터 상기 액상 냉매(11)로의 열전달을 차단하기 위한 것으로, 기 설정된 압력(예 : 3 Bar)을 가지도록 충진된 단열성이 우수한 기체일 수 있다. 예를 들어 기체(Gas) 상태의 질소(GN2) 및 기체 상태의 불응측 가스의 헬륨(GHe)의 혼합 기체가, 상기 단열 기체(12)로서, 상기 열전달을 차단하기 위한 충분한 두께(d)(15)만큼 냉매 용기(10)에 충진될 수 있다. 여기서 상기 불응축 가스는, 질소보다 낮은 기화점을 가지는 수소 가스, 헬륨 가스, 및 네온 가스 중 어느 하나일 수 있다.
한편 냉매 용기(10)에 충진된 액상 냉매(11)는 상술한 바와 같이 운전 전류에 의해 상기 복수의 HTS 소자(13)에서 발생되는 열을 흡수할 수 있다. 따라서 액상 냉매(11)에서 흡수되는 열, 즉 열부하를 제거하기 위하여 초전도 한류기(1)는 적어도 하나의 극저온 냉동기(30)를 더 포함할 수 있다.
상기 극저온 냉동기(30)는 열순환하는 유체를 이용하여 극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)(31)를 구비하며, 상기 콜드헤드를 통한 냉기 전도 방식으로 접촉되는 대상을 극저온으로 냉동시킬 수 있다. 상기 극저온 냉동기(30)는 상기 열순환을 통한 극저온 냉동을 위해 GM(Gifford-McMahon)과 같은 냉동 기술을 이용할 수 있다. 이하, 상기 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 냉동 기술을 이용한 극저온 냉동기를 GM 냉동기라고 하기로 한다.
이처럼 극저온 냉동기(30)를 이용하여 상기 액상 냉매(11)의 열부하를 제거하기 위하여, 통상적인 초전도 한류기(1)는, 냉매 용기(10) 외부면에 열전도율이 높은 매질로 형성된 열전도성 부재(23)를 부착하고, 부착된 열전도성 부재(23)와 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)를 열전달 부재(22)를 통해 연결하여, 상기 콜드헤드(31)의 냉기를 상기 열전달 부재(22)를 통해 열전도성 부재(23)로 전달하는 구성을 가진다. 그러면 상기 콜드헤드(31)의 냉기에 의해 냉각된 열전도성 부재(23)가 상기 냉매 용기(10)를 냉각함으로써 상기 액상 냉매(11)의 열 부하가 제거되도록 하는 구성을 가진다.
이를 위해 도 2를 참조하여 보다 자세히 살펴보면, 도 2의 (a)에서 보이고 있는 바와 같은 한류기 탱크(20)의 내부에는, 도 2의 (b) 및, 상기 도 2의 (b)를 보다 자세히 도시하고 있는 도 2의 (c)에서 보이고 있는 바와 같이, 냉매 용기(10)를 둘러싸도록 형성된 열전도성 부재(23)가 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)와 연결된 열전달 부재(22)와 연결되도록 형성될 수 있다. 따라서 상기 열전달 부재(22)와 연결된 열전도성 부재(23)의 일 지점을 통해 열전도성 부재(23) 전체로 냉기가 전파되고, 냉매 용기(10)를 둘러싸도록 부착된 열전도성 부재(23)에 의하여 상기 냉매 용기(10) 내부의 액상 냉매(11)가 냉각될 수 있다.
그러나 이처럼 열전도성 부재(23) 및 열전달 부재(22)에 의한 간접 냉각 방식은 아무리 열전도율이 높은 재질의 매체를 사용한다고 하더라도, 매질 자체적으로 가지는 열저항 성분이 존재한다. 따라서 이러한 열저항 성분으로 인하여 극저온 냉동기(30)의 냉각 효율이 저하될 수 있다. 이러한 냉각 효율의 저하는 액상 냉매(11)의 냉각 성능 저하를 유발할 수 있으며, 더욱이 극저온의 경우 작은 온도 차이에서도 큰 냉각 성능의 차이가 발생한다는 문제가 있다. 이에 저하되는 냉각 효율을 보상하기 위해서 콜드헤드(31)가 더 낮은 온도로 냉각되도록 극저온 냉동기(30)를 구동하여야 하므로 극저온 냉동기(30)의 전력 소모가 더 커진다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기는 상기 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)를 액상 냉매(11)에 직접 접촉하도록 함으로써, 액상 냉매(11)를 직접 냉각하는 직접 냉각 구조를 통해 상기 액상 냉매(11)가 냉각될 수 있도록 한다.
그런데 극저온 냉동기(30)는 작동 원리상 위에서 아래로, 즉 중력에 수직한 방향으로 세워서 사용하여야 높은 효율의 운전이 가능하다. 그리고 중력에 수직한 방향으로 극저온 냉동기(30)가 설치되는 경우, 상기 극저온 냉동기가 냉매 용기(300) 상부에 구비되면, 전류가 흐르는 부분(외측 연결부(41))과 인접하게 되어 절연에 문제가 생길 수 있다.
또한 통상적인 초전도 한류기(1)의 구조 상, 극저온 냉동기(30)로부터 돌출되는 콜드헤드(31)의 길이가 짧으므로, 콜드헤드(31)에 액상 냉매(11)가 직접 닿을 수 있도록 액상 냉매(11) 수위를 높이는 경우, 액상 냉매(11) 위의 단열 기체(12)의 두께가 얇아질 수 있다. 그런데 단열 기체(12)는 단열에 큰 영향을 미치므로, 단열 기체(12)의 두께가 얇아지면 단열 효과가 낮아지고 열 유입이 증가될 수 있다. 따라서 단열 기체(12)의 두께(d)는 유지될 수 있어야 하며, 이에 따라 액상 냉매(11)의 최대 수위는 제한될 수 있다.
도 3은 이러한 조건을 충족할 수 있으며, 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 액상 냉매(11)를 직접 냉각할 수 있는 직접 냉각 구조를 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 냉매 용기(300)를 도시한 것이다.
도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기(100)는, 단열 기체(12)의 두께(d)(15)가 유지되는 상태에서 상기 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 액상 냉매(11)에 직접 닿을 수 있도록, 상기 극저온 냉동기(30)가 보다 낮은 위치, 즉 HTS 소자(13) 또는 상기 액상 냉매(11)와 보다 가까운 위치에 배치될 수 있다. 또한 상기 단열 기체(12)는 통상적인 초전도 한류기(1)과 동일한 압력(예 : 3 BAR)를 가지도록 충진될 수 있다. 이에 상기 단열 기체(12)는, 통상적인 초전도 한류기(1)와 동일한 단열 성능을 가질 수 있다.
보다 자세하게, 상기 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가, 상기 단열 기체(12)의 두께(d)(15)가 유지되는 상태에서 액상 냉매(11)의 수위에 대응하는 높이에 배치되도록, 상기 극저온 냉동기(30)가 배치될 수 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기(100)의 냉매 용기(300)는 상기 극저온 냉동기(30)가 인접한 냉매 용기(300)의 각 측면이, 각 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 인입된 높이까지 돌출되는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 상기 냉매 용기(300)의 각 측면에 형성된 돌출부들(301, 302)의 상측 각각에는 상기 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 각각 인입될 수 있다.
한편 상기 돌출부들(301, 302) 각각에는 액상 냉매(11)가 충진될 수 있다. 따라서 상기 돌출부들(301, 302) 각각에 충진된 액상 냉매(11)에 상기 콜드 헤드(100)의 적어도 일부가 수용될 수 있으며, 이에 따라 상기 각각의 콜드헤드(31)가 액상 냉매(11)에 직접 접촉될 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 초전저도 한류기(100)는, 단열 기체(12)의 두께(d)(15)가 유지되는 상태에서 액상 냉매(11)의 수위에 대응하는 높이에 상기 콜드헤드(31)가 위치하도록 상기 극저온 냉동기(30)가 배치되고, 상기 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 인입된 위치까지 돌출되는 돌출부들(301, 302)을 통해, 한류기 탱크(310) 내에서 상기 콜드헤드(31)가 인입된 부분까지 냉매 용기(300)가 확장될 수 있다. 또한 돌출부(301 또는 302)를 통해 확장된 부분까지 액상 냉매(11)가 충진되는 구성을 가짐으로써, 상기 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 액상 냉매(11)에 직접 접촉되는 구성을 가진다. 따라서 본 발명은, 매질 없이 콜드헤드(31)가 액상 냉매(11)에 직접 냉기를 전달하므로, 열전도성 부재 또는 열전달 부재의 열 저항 특성으로 인한 냉각 효율 저하가 발생하지 않는다는 이점이 있다.
한편 상술한 설명에서는 극저온 냉동기(30)의 냉각 모듈로부터 콜드헤드(31)가 돌출되는 길이 및 형상이 제한된 경우를 가정하였으나, 이와는 달리 상기 콜드헤드(31)가 돌출되는 길이가 연장가능한 경우라면, 상기 콜드헤드(31)가 연장되어 냉매 용기(300)내의 액상 냉매(11)를 직접 냉각할 수도 있음은 물론이다.
도 4는 이러한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 한류기(200)의 구조를 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 상기 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기(200)는 콜드헤드(31)가 'ㄴ'자 형태로 구부러지도록 형성된 극저온 냉동기(30)의 암(Arm)(401)에 형성되는 예를 도시한 것이다. 이러한 경우 상기 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기(200)의 냉매 용기(400)는 각 극저온 냉동기(30)가 배치되는 각 측면에, 각 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)가 삽입될 수 있도록 형성된 홀(hole)이 형성될 수 있다. 이 경우 상기 홀이 형성된 냉매 용기(400)는, 상기 콜드헤드(31)의 삽입으로 인해 밀봉되는 구조를 가질 수 있다.
한편 상기 극저온 냉동기(30)는, 상술한 'ㄴ'자 형상의 암(401)에 따라 콜드헤드(31)가 냉매 용기(400)의 측면에 삽입되는 구조를 가지면서도, 중력에 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 따라서 극저온 냉동기(30) 역시 고효율 운전이 가능할 수 있다. 또한 상기 콜드헤드(31)가 삽입되는 홀은, 상기 단열 기체(12)의 두께(d)(15)가 유지되는 상태에서, 액상 냉매(11)의 수위에 대응하는 높이 이하에 형성되므로, 상기 콜드헤드(31)는 냉매 용기(400)에 충진된 액상 냉매(11)에 직접 접촉될 수 있다. 따라서 상기 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초전도 한류기(200) 역시, 콜드헤드(31)가 매질 없이 액상 냉매(11)에 직접 냉기를 전달하므로, 매질(열전도성 부재 또는 열전달 부재)의 열 저항 특성으로 인한 냉각 효율 저하가 발생하지 않는다는 이점이 있다.
한편 상술한 설명에서는, 냉매 용기의 측면에 돌출부가 돌출되는 형태를 설명하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다. 예를 들어 냉매 용기의 측면이 아니라 냉매 용기의 일 부분이 액상 냉매가 충진된 수위에 근접한 높이까지 함몰되고, 함몰된 부분에 극저온 냉동기가 인입될 수도 있음은 물론이다.
도 5는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 한류기(300)의 구조를 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초전도 한류기(500)는 적어도 일부가 함몰된 형태의 냉매 용기(500)를 구비하는 한류기 탱크(510)을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 냉매 용기(500)의 일 부분은 상기 복수의 HTS 소자(13)이 수용된 액상 냉매(11)가 충진된 높이(한류기 탱크(510)의 기저면으로부터 수직 거리)에 인접한 높이까지 함몰될 수 있다. 그리고 상기 함몰 부분에는 극저온 냉동기(30)이 중력 방향으로 인입될 수 있다.
따라서 도 5에서 보이고 있는 바와 같이, 함몰된 냉매 용기(500) 일 부분에 인입된 극저온 냉동기(30)의 콜드헤드(31)는 상기 액상 냉매(11)에 적어도 일부가 접촉될 수 있다. 따라서 상기 콜드헤드(31)의 냉기가 상기 액상 냉매(11)에 직접 전달될 수 있다.
전술한 본 발명의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (13)

  1. 초전도 한류기에 있어서,
    내부가 밀봉 처리되는 한류기 탱크;
    극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)를 구비하며, 상기 콜드헤드가 상기 한류기 탱크 내부로 인입되도록 배치되는 극저온 냉동기; 및,
    상기 한류기 탱크 내부에 밀봉된 상태로 구비되며, 초전도체 소자가 내부에 설치 및, 상기 초전도체 소자의 냉각을 위해 상기 초전도체 소자가 설치된 높이 이상의 높이로 충진된 액상 냉매를 포함하는 냉매 용기를 구비하며,
    상기 냉매 용기의 일 측면은,
    상기 콜드헤드가 인입된 상기 한류기 탱크 내부의 위치까지 돌출 및, 상기 액상 냉매가 충진되는 돌출부가 형성되고,
    상기 돌출부의 상측을 통해 상기 냉매 용기의 내측으로 상기 콜드헤드가 인입되어, 상기 돌출부에 충진된 액상 냉매에 상기 인입된 콜드헤드의 적어도 일부가 수용되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 극저온 냉동기는,
    상기 콜드헤드가, 상기 냉매 용기에 충진된 상기 액상 냉매의 저장 수위에 대응하는 높이에 도달하도록 상기 한류기 탱크에 인입되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉매 용기는,
    기 설정된 압력과 단열 두께를 가지며, 상기 냉매 용기의 상부 커버와 상기 액상 냉매 사이를 단열하기 위한 단열 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 극저온 냉동기는,
    중력에 수직한 방향으로 설치되도록, 상기 콜드헤드가 중력에 수직한 방향으로 상기 한류기 탱크에 인입되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액상 냉매는,
    상기 돌출부에 충진된 액상 냉매에 수용된 콜드헤드의 적어도 일부를 통해 상기 극저온 냉동기에서 배출되는 냉기를 직접 전달받는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액상 냉매는,
    과냉각된 액체 상태의 질소임을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단열 기체는,
    기체 상태의 질소 및 기체 상태의 불응축헬륨 가스의 혼합 기체이며,
    상기 불응축 가스는,
    질소보다 낮은 기화점을 가지는 수소, 헬륨, 네온 중 어느 하나임을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 극저온 냉동기는,
    기포드-맥마흔(Gifford-McMahon, GM) 냉동 기술이 적용된 GM 냉동기임을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  9. 초전도 한류기에 있어서,
    내부가 밀봉 처리되는 한류기 탱크;
    극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)를 구비하며, 상기 콜드헤드가 상기 한류기 탱크 내부로 인입되도록 배치되는 극저온 냉동기; 및,
    상기 한류기 탱크 내부에 밀봉된 상태로 구비되며, 초전도체 소자가 내부에 설치 및, 상기 초전도체 소자의 냉각을 위해 상기 초전도체 소자가 설치된 높이 이상의 높이로 충진된 액상 냉매를 포함하는 냉매 용기를 구비하며,
    상기 극저온 냉동기는,
    'ㄴ'자 형태의 암을 통해, 냉기를 형성하는 냉동 모듈과 상기 콜드헤드가 연결되며,
    상기 냉매 용기의 일 측면은,
    상기 암에 연결된 콜드헤드가 삽입 가능하도록 형성되는 홀(hole)을 구비하고,
    상기 홀을 통해 상기 냉매 용기의 내측으로 상기 콜드헤드가 인입되어, 상기 냉매 용기에 충진된 액상 냉매에 상기 인입된 콜드헤드의 적어도 일부가 수용되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 콜드헤드가 삽입되는 홀은,
    상기 냉매 용기에 충진되는 액상 냉매의 수위에 대응하는 높이 이하에 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 액상 냉매는,
    상기 액상 냉매에 수용된 콜드헤드의 적어도 일부를 통해 상기 극저온 냉동기에서 배출되는 냉기를 직접 전달받는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 극저온 냉동기는,
    중력에 수직한 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
  13. 초전도 한류기에 있어서,
    극저온으로 냉각되는 콜드헤드(coldhead)를 구비하며, 상기 콜드헤드가 한류기 탱크 내부로 인입되도록 배치되는 극저온 냉동기;
    초전도체 소자가 내부에 설치되며, 상기 초전도체 소자의 냉각을 위해 상기 초전도체 소자가 설치된 높이 이상의 높이로 충진된 액상 냉매를 포함하는 냉매 용기를 구비하며,
    상기 냉매 용기의 상단 커버 일 부분은,
    상기 액상 냉매가 충진된 높이에 인접한 높이까지 상기 냉매 용기의 하부 방향으로 함몰되는 함몰부가 형성되고,
    상기 함몰된 냉매 용기 상단 커버를 통해 상기 극저온 냉동기가 인입되어, 상기 콜드헤드의 적어도 일부가 상기 액상 냉매에 수용되는 것을 특징으로 하는 초전도 한류기.
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