극저온 압축기 격납 장치 및 방법

극저온 압축기 격납 장치 및 방법{CRYOGENIC COMPRESSOR ENCLOSURE DEVICE AND METHOD}

본 발명은 일반적으로 극저온 장치용 격납에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압축기와 초전도 변압기의 기능을 지지하는 배관을 봉쇄하는 절연 하우징에 관한 것이다.

극저온 냉각기(cryocoolers)는 온도 저항점이 0에 근접하고 비교적 작은 단면 영역이 아주 많은 양의 전류량을 전도할 수 있는 초전도가 일어나는 온도 범위에서 초전도 장치의 저온 전도성 구성물질의 온도를 낮추는데 사용된다. 수 킬로와트의 산업적 혹은 주거용 전압 분배용 종래의 다용도 변압기에서, 예를 들면 15톤(ton) 이상의 구리가 요구전류를 흐르게 하는데 필요하고, 온도 균일화는 자동차 모터 오일과 비슷한 특성을 가지고 어떤 경우에는 열을 대기에 연결하도록 전기 팬이 장착된 외부 라디에이터로 냉각되는, 수 톤의 고도로 정제된 석유 증류(미네랄)오일에 변압기를 담금으로써 수행된다. 반대로, 동일한 다용도 부분의 초전도성 변압기는 중량이 일 톤 이하의 전도체를 갖고, 물리적 공간의 작은 부분을 차지하며, 미네랄 오일을 사용하지 않는다.

공지의 초전도 물질은 물질들의 특성으로 분류된다. 일부만이 근소한 초전도성이고, 많은 전류량이 초전도성의 손실을 유발하는 특성이 있다. 또 일부는 외부 환경의 온도에 대해 작업 온도를 유지하는 중요한 노력을 하며, 절대온도 0도(절대온도 0도 또는 섭씨 -273.15℃)의 일부에서만 초전도성을 띤다. 다른 일부는 취성이 커서 아주 작은 응력으로도 깨지는 경향이 있으므로 이러한 초전도체가 고전류 및 다양한 하중에 사용될 때, 초전도 부분 사이에서 저항성 있는 경계를 가져오고, 파괴적인 높은 열점을 유발할 수 있다. 이때, 20K의 온도에서, 산업 전류량을 수송하는 초전도체는 고온의 초전도체로 간주 된다. 더 높은 고온에서 더 큰 고전류를 수송하는 고온 초전도체는 미래에 상업적 성공을 얻을 수 있다.

대표적인 전기 초전도 장치는 냉각 매체 및 전력 수송용 와이어가 통과하지만 비교적 저효율로 열이 이동하는 경제적인 기능을 한다. 적어도 일부분이 증발되는 열 경계 영역을 사용하는 콘테이너를 일반적으로, 그리고 여기에서 듀어(Dewar)라고 한다.

액상 질소를 사용한 극저온 냉각기의 출력은 듀어의 외부 덮개 및 차례로 초전도 다용도 변압기에 필요한 온도를 유지할 수 있는, 가스의 헬륨-기반 시스템인 내부 사이에서 효과적인 열 장벽을 제공하는 데 적합한 열 싱크를 제공할 수 있다. 이러한 시스템에 이어, 상기 액상 질소 극저온 냉각기는 유용한 효율성으로 폐열을 다른 열 교환기에 결합할 만큼 충분히 높은 온도에서의 작동하는 저온, 고압의 액상 분열; 열 싱크로 다시 상 변환 질소를 운송하는 고온, 고압, 가스 분열(gaseous segment): 저온, 듀어로부터 흡수되는 질소의 증발열에서의 저압 가스 분열과 여압에 의한 열 베어링 가스 질소는 온도가 상승하는 압력기 분열을 포함한다.

열 교환 매체로서의 헬륨으로 작동하는 극저온 냉각기는, 약 200-400K의 온 도에서처럼 다소 광범위한 실온 내에서 폐열을 방출한다. 예를 들면, 이러한 극저온 냉각기는 둘러싸는 공기의 공간에 폐열을 성공적이고 안전하게 방출할 수 있다. 이러한 장치를 완전하게 작동할 때, 세계의 야외 온도는 스크롤 압축기와 다른 극저온 냉각기 기술 요소로부터 중요한 수행을 요구할 수 있다.

헬륨 극저온 냉각기 현재기술의 전형적인 헬륨 극저온 냉각기가 순환에서 상 변환을 사용하지 않는 것을 제외하고 실질적으로 상기 질소 극저온 냉각기와 같은 열 순환, 고온에서 절차를 수행하도록 하는 단일성 및 그로 인한 도전할 만한 적은 기술적 온도 범위를 사용한다. 초전도 변압기와 극저온 냉각기의 헬륨 사이의 열 결합은 가스 헬륨이 초전도 전력 관리 작업으로부터 폐열을 획득하기 위한 변압기를 가득 채우는 듀어 내부의, 더욱 절연된 챔버에서 일어난다. 열 결합은 상기 질소 극저온 냉각기의 열 교환기용 열 싱크와 같은 기능을 하는 헬륨 극저온 냉각기와 함께 일어난다.

따라서 직접적으로 대량의 높은 전력의 초전도체를 도와주고, 질소 시스템과 함께 쓰일 수 있으며, 통제되지 않은 환경에 소모 열을 효과적으로 방출하게 할 수 있는, 모든 기상 조건에 적합하게 내장된 견고하고 수명이 긴 압축기/열 교환 시스템에 대한 기술상의 요구가 있다.

상기 요구는 일면에서 보면 몇몇 실시예에서 기후 조절 하우징에서 복합 구성 단위의 헬륨 기반 냉각 장치로 초전도 변압기의 작동을 지지하는 장치가 설치되는 일측에서 본 발명에 의해 상당히 충족된다. 상기 하우징은 더욱이 가이드, 절연 및 헬륨 냉각 장치에서 질소 열 교환 공급부 까지 지나는 냉각기 배관 보호를 제공한다.

본 발명의 일 면에 따라, 내장된 초전도 변압기에 적어도 하나의 냉각기 압축기/냉각장치를 포함하는 격납은, 초전도 변압기의 절연 듀어에 결합 된 케비넷; 상기 케비넷에 부착된 공기 조화기; 적어도 하나의 압축기를 지지하는 랙(rack) 어셈블리; 및 케비넷 내에 위치한 다수의 냉각기 배관 가이드를 포함한다.

본 발명의 또 다른 일 면에 따라, 내장된 극저온 장치를 지지하는 적어도 하나의 냉각기 압축기/냉각장치를 포함하는 격납부는, 내장된 장치의 측면에 인접하는 냉각기 압축기/냉각 장치를 기계적으로 지지하는 수단; 상기 지지수단을 둘러싸는 열 절연체의 포위 수단; 포위 수단으로부터의 열을 제거하는 수단; 및 포위 수단 내의 수분응축을 조절하는 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 일 면에 따라, 내장된 극저온 장치를 지지하는 적어도 하나의 냉각기 압축기/냉각장치에 필요한 조절된 환경을 제공하는 방법은, 내장된 극저온 장치의 측면에 인접한 냉각기 압축기/냉각 장치를 지지하는 단계; 냉각기 압축기/ 냉각 장치를 포함하는, 열 절연체를 포위하는 단계; 포위된 체적에서 열을 제거하는 단계; 포위된 체적 내에서 수분응축을 조절하는 단계; 최소한 극저온 헤드(cryohead)를 향하는 도중에 선행하는 절연체 내에서 냉각기 배관을 포위하고 가이드하는 것을 포함한다.

그러므로 여기에서 발명의 상세한 설명에 따라 더 잘 이해되고, 본 발명의 효과에 따라 더 잘 이해되도록 하기 위해 다소 광범위하게 약술된다. 물론 본 발명의 추가적 실시예는 아래에 설명될 것이고, 해당 내용의 청구항도 첨부될 것이다.

이러한 점에서, 본 발명의 적어도 하나의 실시예를 자세히 설명하기에 앞서, 본 발명이 본 출원에서 다음의 설명이나 도시하는 도면에서 상세한 구조와 구성요소의 배치를 먼저 정하는 데에 제한되지 않는다. 본 발명은 다양한 방법으로 설명, 수행 및 이행되는 것들에 부가적인 실시예가 가능하다. 또한 여기에서 요약뿐만 아니라 사용된 용도와 기술은 기술의 목적으로 이해되어야 하고, 제약으로 간주 되지 않아야 한다.

이처럼 관련분야의 당업자들은 상기 격납부가 다른 구조의 디자인의 기초, 본 발명의 여러 가지 목적을 수행하는 방법 및 시스템으로 활용하는 개념을 쉽게 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 정신이나 범위를 벗어나지 않는 한, 청구항은 이러한 동등한 구조를 포함하는 것으로 간주하는 것이 중요하다.

본 발명은 이제 모든 부분에 걸친 참조 번호와 같은 도면의 참조번호로 설명될 것이다. 본 발명은 일부 실시예에서는 냉각기 배관을 통한 극저온 유체의 자유로운 흐름을 보장하기 위한 초전도 변압기의 외부 냉각기 배관을 보호하고 냉각기의 온도를 일정하게 유지하는 것이 가능하다.

다용도의 전력 분배를 위한 초전도 변압기용 동시대의 디자인 개념은 초전도 필름이 놓이는 와인딩(winding) 전도성 리본의 사용을 예측하는데, 이 방법은 시험, 동력적용 및 급정지와 같은 작동 동안에 서비스에의 축소 수행에도 불구하고 구조적 강도와 대체의 전류 통로를 제공한다. 상기 초전도 리본은 비록 본 기술이 작동 시에 열이 소산되는 비초전도성 경계를 떠나 초전도 분열의 효과적 길이를 제안할지라도, 초전도성이 손상되지 않은 영역에서 소량의 전류 저항성을 보여준다. 초전도 변압기 와인딩은 작동시에 전기에너지가 열처럼 소산되는 것과 같이 종래의 변압기 코어와 필적하여 코어를 둘러싼다. 일부 본 시스템 수행은 열 발생기를 실질적으로 서로 절연되고 최심부 열 교환 시스템 내에서 가스 헬륨에 의해 냉각되는 세 개의 영역으로 분할한다.

여기에서 설명하는 전형적인 시스템에서 열 교환기는, 초전도 변압기에 냉각절차의 각 부분을 수행하는, 헬륨 기반 및 질소 기반 형태를 포함한다. 상기 헬륨을 기반으로 하는 열 교환기는 직접적으로 초전도 변압기의 와인딩을 냉각시키고, 듀어의 벽을 통해, 질소를 기반으로 하는 열 교환기에 의해 먼저 흡수되는 열을 끌어와서 듀어로부터 제거되고 그 열을 대기중으로 방출하는 헬륨으로 결합된다.

질소를 기반으로 하는 열 교환기는 헬륨을 기반으로 하는 열 교환기 중 하나와 결합하는 유체에 의해 폐열을 방출하는, 듀어의 격납 내에서 전체적으로 내장되도록 충분히 조밀하다. 헬륨을 기반으로 하는 열 교환기는 실질적인 작업부피를 요구하고; 이전 모델 시스템에서 장치의 비슷한 구성요소는 듀어 외부에 장착된다. 여기에서 설명되는 전형적인 시스템에서 헬륨-공기 간 열 교환기는 변압기용 하우징을 포함하는 대량 듀어 내 일부, 듀어의 상면 위쪽 일부 및 바깥쪽 일부에 위치한다. 상기 물리적 레이아웃은 명확히 이동 상에 기계적 문제와 초전도 변압기용 생산 서비스를 이끌어 낸다.

어셈블리 내에서 냉각기 배관 경로는 냉각기 압축기/냉각장치로부터, 초전도 변압기 내부 어셈블리를 둘러싸는 변압기 탱크의 커버 어셈블리에 장착되는 적어도 하나의 극저온 냉각기 극저온 헤드(cryocooloer cryohead)까지 확장되는데, 여기에서 변압기 탱크라는 용어는 실링, 배출 혹은 변형이 일어나는 환경의 조절할 수 있는, 극저온 헤드라는 용어는 전형적으로 반드시 하우징의 상부에 위치하지 않지만 당해 기술분야에서 극저온 하우징에 극저온 냉각기 배관을 결합하는 내부 장치를 의미하고 변압기를 둘러싸는 하우징을 언급한다.

본 격납부의 실시예는 도 1에서 설명된다. 도 1에서, 하우징(10)은 다수의 냉각 유니트(12)를 둘러싸고 초전도 변압기(20)의 부속장치로서, 상기 냉각 유니트(12)로부터 그에 상응하는 극저온 헤드(18)까지 인도하는 냉각기 배관(16)용 가이드(14)를 제공한다. 냉각기 배관 가이드 격납부(14)는 바람직하게 절연 금속 케이싱이다. 격납부의 하우징(10)에 기본적으로 주거용 이동건물과 외부 환경에 드러나는 다른 격납부의 기후 조절기에 사용되는 것과 유사한 공기조화기(22)에 부착된다. 상기 하우징(10)은 검사와 서비스를 용이하게 하는 접근 도어(24)를 가진다. 하우징(10)은 차례로 변압기의 극저온 구성요소를 내장하는 듀어(26) 측면에 부착된다.

전형적인 실시예에서 냉각기 배관 가이드 격납부(14)의 외부 구조는 일반적으로 냉각기 배관(16)이 위치하는 경로에 따라 구성될 수 있다. 상기 하우징(10)에서 메이팅 오프닝(mating opening)에 접착되고, 냉각기 배관(16)의 경로 부분 위로 둘러싸는 냉각기 배관 가이드 격납부(14)는 외부 환경 변화로부터 안정과 보호를 제공한다. 연속되는 도시된 냉각기 배관 가이드 격납부(14)가 상기 저온 헤드(18)와 만나는 점에서 냉각기 배관(16)을 둘러싸도록 설치되고, 교환배열에서 저온 헤드(18)를 전부 둘러쌀 수 있다. 예를 들면, 메인 하우징(10)으로부터 덕트의 공기 경로는 헤드(18)의 주변으로 둘러싸인 부분(volume)이 과열되지 않도록 하는 것을 확실히 하기 위해 제공된다. 이러한 덕트의 공기 경로는 추가적인 냉각 기능을 요한다.

도 2는 다른 관점으로부터 냉각기 배관 가이드 격납(14)를 도시한다. 베이스 플렌지(30)는 구조적 안정성과 메인 하우징(10)의 실링을 제공한다. 상면(32)은 강제로 공기가 제공되면, 냉각기 배관 가이드 격납부(14)의 맨 끝으로 연장되는 메인 하우징(10) 내에서 열에 의한 조절을 가능하게 하는 냉각기 배관 가이드 격납(14)를 실링한다. 냉각기 배관 가이드 격납부(14)는 냉각기 배관(16)에 맞는 어떤 절연물에 부속물처럼 절연될 수 있다. 냉각기 배관 가이드 격납부(14) 내에서, 배관 지지 브래킷(34)은 온도 변화에 따라 팽팽하게 되고 수축하기 때문에 냉각기 배선(16)의 위치 이동을 수용하면서 분리를 유지할 수 있고 진동을 막을 수 있다. 입출구 모두를 통한 가스 흐름의 극도 냉각은 이 온도에서 대부분의 물질들이 단지 한계 강도를 나타내는 경향이 있기 때문에 배관 위에서 기계적 스트레스를 만들 수있다.

도 3은 하우징(10)의 다른 도면이다. 공기조화기 유니트(36)은 가스 헬륨-기반 냉각 유니트(12)가 작동하는 온도를 제한하기 위해서 형성될 수 있다. 상기 변압기(26)로부터 제거되는 대부분의 열은 헬륨 시스템에 직접적으로 방출되며; 외부로부터의 듀어를 통한 열의 누출은 질소 시스템에 의해 수립되고, 헬륨 시스템으로 결합되며, 유사하게 방출된다. 하지만 냉각 시스템 내의 헬륨은 변압기 영역에서 20K 이하로 유지되어야 하고, 직접적으로 질소 시스템과 결합하지 않은 변압기 열의 상당한 부분은 듀어 외부에 위치한 가스 헬륨 압력기에 의해 제거될 필요가 있다. 이것으로 독립형 스크롤 압력기 및 관련된 열 이동 장치의 사용이 이해될 수 있다.

스크롤 압력기 기반 냉각기 유니트(12)가 제한된 낮은 온도 범위, 일반적으로 섭씨 10~20도(약 화씨 50~70도 )에 걸쳐 차가운 공기를 흡입하는 것이 가능할 때, 효율이 바람직한 수준으로 기능 하기 때문에 실험실 환경이나 극심한 환경의 야외에 배치될 때 이러한 온도 범위에서 공기량을 유지하는데 적합한 공기조화기 유니트(36)가 바람직하다. 공기 조화기(36)가 상업적으로 유용한 크기, 형태요소, 성능의 광범위한 범위는 적절한 온도 조절을 수행하고, 이로 인해 초전도 변압기의 안정된 작동을 확고히 하는데 바람직하다. 상기 공기조화기 유니트(36)는 겨울에 냉각이 재개되는 동안처럼 초전도 변압기로부터 열을 제거하는 작업에도 불구하고 초전도 변압기가 환경에의 열 손실률이 최적범위 아래로 냉각장치 유니트(12)를 냉각하는데 충분하게 위치되면, 어떤 경우에는 바람직하게 하우징(10) 내부의 온도를 올릴 수 있는 열 펌프로 될 수 있다. 공기조화기 유니트(36)의 필수적인 냉각 능력은 일사율과 자연적으로 환경에 발생하는 범위의 주변 공기 온도를 기반으로 산출할 수 있고 기후에 의해 정해진다.

공기조화기는 둘러싸인 양에서 수분 양의 조정을 포함한다. 이러한 전형적인 기계적 장치에서, 수분의 바람직한 수준에 효과적인 하한이 없어서, 공기조화기는 서비스되는 동안에 누출과 공기의 교환을 통해서 격납부로 도입되는 수분처럼 제거되도록 형성된다. 어떤 환경에서는, 아주 적은 수분의 양은 예를 들면 민감한 전기 장치에 정전기 방출 위험의 증가와 같이 유해한데, 이러한 위험은 중요하므로 둘러싼 공기량에 계획적인 수분의 첨가가 필요하다.

도 3은 더욱이 공기조화기 유니트(12)와 냉각기 배관(16)에 근접하는 신속한 서비스를 제공하는 동안에 하우징(10)에 열 침투를 제한할 수 있는 절연도어(38)를 도시한다. 다수 유니트가 장착된 랙(42)이 냉각장치 유니트(12)에, 안정적인 지지를 제공하고, 잠재적으로 냉각기 배관(16)에 기계적인 스트레스를 가하는 적어도 일부의 이동을 작게 하도록 장착된다.

여기에서 설명한 바와 같이, 극저온 냉각기 관리 시스템의 추가적인 특징은, 수송할 동안에 시스템 일체성을 유지할 능력이라는 것을 알 수 있다. 그러므로 적합한 구조적 안정성을 지닌 시스템은 단일의, 실링된 단일 구조로 장거리 수송을 버틸 수 있고 이것에 의해서 오염 및 손상뿐 아니라 장착 및 시험 시간을 조절한다.

비록 하우징의 예가 전력을 이용한 공기조화기 유니트(36)를 사용해서 가시화되지만, 압축된 공기 선회부 열교환기 및 냉각된 물 열 교환기와 같은 다른 타입의 공기 냉각 유니트는 초전도 변압기에 요구되는 열 제거 기능을 제공할 수 있다. 또한 비록 하우징이 기본 초전도 변압기 환경에서 일정한 열 교환률을 제공하는데 적합할지라도, 연구용 원자로, 사이클로트론 및 다른 극저온 과학 장치와 같이 열적 임계 장치들을 포함한 다른 적용예들에 열 교환을 보장하기 위해 사용될 수 있다.

비록 지금 설명된 시스템이 당해 기술분야에서 공지된 헬륨-공기 간 열 교환기와 결합 되더라도 암모니아 또는 플루오르화 탄소와 같은 폐쇄 시스템이나 증발 또는 수분 방출과 같은 개방 시스템이든지, 다중 열 교환 공정에 내재적인 비효율성이 헬륨 시스템부터 교환 효율을 증대시키는 것이 가능한 유체까지 직접적으로 결합되는 열에 의해 감소되는 것이 이해된다.

발명의 많은 특징과 장점들은 발명의 상세한 설명으로부터의 명백해지고, 따라서 이것은 발명의 기술사상과 범위에 속하는 발명의 특징과 장점이 첨부된 청구항들에 의해 확고해진다. 더욱이 당해 기술분야에서의 전문가에 의해 여러 가지 변형 및 수정이 가능하므로 기술하고 설명한 엄밀한 구조 및 작동으로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 못하다; 따라서 모든 적절한 수정과 균등은 발명의 범위에 속하게 된다.

도 1은, 본 발명에 따라 내장된 가스 헬륨 냉각 장치를 가지는 초전도 변압기 시스템을 도시하는 사시도.

도 2는, 냉각기 배관 가이드 격납부의 사시도.

도 3은, 냉각기 장치 하우징의 사시도.