KR101761378B1 - 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템 - Google Patents

통합형 초전도 케이블 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

통합형 초전도 케이블 냉각 시스템이 개시된다. 여기서, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템은 초전도 케이블, 저압 질소 가스를 토출하는 진공 펌프, 상기 저압 질소 가스를 압축하여 냉동 사이클로 동작하는 중압1의 작동유체를 토출하는 압축기1, 상기 압축기1이 토출하는 상기 중압1의 작동유체와, 상기 초전도 케이블을 순환한 중압1의 질소 가스를 혼합하는 믹서1, 상기 믹서1이 제공하는 중압1의 통합된 질소 가스를 압축하여 고압의 통합된 질소 가스를 토출하는 압축기2, 그리고 상기 압축기2에서 토출된 고압의 통합된 질소 가스를 팽창시켜 중압2의 질소 가스를 상기 초전도 케이블로 토출하는 팽창기를 포함한다.

Description

통합형 초전도 케이블 냉각 시스템{INTEGRATED HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR POWER CABLE COOLING SYSTEM}
본 발명은 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템에 관한 것이다.
초전도 현상이란 극저온 상태에서 도체에 흐르는 전기적 저항이 0인 특성을 말하며, 초전도 케이블은 이러한 특성을 구현하기 위해 제작된 전력 케이블이다. 이와 같은 초전도 현상을 구현하기 위해서 액체 질소를 사용하며 도체는 액체 질소의 극저온에 의해 초전도체의 특성을 갖는다.
도 1은 종래에 초전도 케이블(High Temperature Superconductor power cable 또는 HTS power cable) 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 보인 바와 같이, 일반적으로 초전도 케이블(HTS power cable) 냉각 시스템은 초저온 냉동기(Cryogenic refrigeration)(10), 순환 파이프(20, 60), 초전도 케이블(HTS Power Cable)(30), 저장 유닛(Reservoir Unit)(40) 및 순환 펌프(Circulation Pump)(50)를 포함한다.
여기서, 초저온 냉동기(10)의 순환 파이프(60)에 흐르는 유체(Working fluid)는, 예를 들면 헬륨 또는 혼합 냉매 등으로 이루어진다.
초저온 냉동기(10)는 극저온 유체를 냉각시킨다. 다양한 초저온 냉동기(10)가 사용될 수 있으나, 77K 부근 10kW 급인 대용량의 냉각 용량으로 인하여 줄톰슨(Joule-Thomson) 냉동기나 역브레이튼(Reverse Brayton) 냉동기가 사용될 수 있다.
순환 파이프(20)는 과냉각된 극저온 냉각제(Subcooled cryogenic coolant)가 순환하기 위한 경로를 제공한다. 초전도 케이블(30)은 과냉각된 극저온 냉각제(일반적으로 액체질소)에 의해 냉각된다.
저장 유닛(Reservoir Unit)(40)은 극저온 상황을 유지하기 위해 단열 구축 및 유지하는 역할을 담당한다.
순환 펌프(Circulation Pump)(50)는 과냉각된 극저온 냉각제를 순환시키는 역할을 수행한다.
여기서, 극저온 냉각제는 일반적으로 과냉각 액체 질소(Subcooled LN2)를 이용하며, 액체 질소를 순환하기 위해서 극저온용 순환 펌프(50)를 사용한다.
극저온 냉각 시스템으로 구현해야 하는 온도는 사용하는 액체질소의 압력에 따라 변화할 수 있다. 하지만 초전도 케이블의 특성상 송전 효율을 높이기 위해서 도달할 수 있는 가장 낮은 온도를 구성하여야 초전도 케이블의 효율이 좋아진다. 즉, 질소의 어는점 온도인 64K 이상, 과냉각 상태를 유지하기 위한 3기압 기준 88 K 이하로 순환하는 액체 질소를 유지하는 것이 중요하다. 물론, 출구측 온도는 질소의 압력에 따라 변할 수 있다.
초전도 케이블(30)을 냉각 시키기 위해서는 2가지의 사이클이 필요하다. 초전도 케이블 냉각을 위한 냉각제(과냉각 액체질소, Subcooled Liquid nitrogen) 순환 사이클과, 이 냉각제를 냉각시키기 위한 냉각 사이클로 나눌 수 있다.
여기서, 초전도 케이블 냉각을 위한 냉각제는 액체질소만을 사용한다. 이는, 큰 전류가 흐르는 초전도 케이블의 전기적 절연을 위하여 액체질소를 이용하는 것이 다른 냉매에 비해 효율적이기 때문이다.
그런데 종래에는 도 1에 도시한 바와 같이, 초전도 케이블의 순환하는 냉매인 액체질소 순환 시스템과 냉각 시스템이 따로 구성되어 있으므로, 이러한 두가지 싸이클이 따로 운용된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초전도 케이블을 냉각시키는 극저온 냉각 시스템과 초전도 케이블 냉매 순환 시스템을 통합하여 한번에 동작시키는 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템은 초전도 케이블, 저압 질소 가스를 토출하는 진공 펌프, 상기 저압 질소 가스를 압축하여 냉동 사이클로 동작하는 중압1의 작동유체를 토출하는 압축기1, 상기 압축기1이 토출하는 상기 중압1의 작동유체와, 상기 초전도 케이블을 순환한 중압1의 질소 가스를 혼합하는 믹서1, 상기 믹서1이 제공하는 중압1의 통합된 질소 가스를 압축하여 고압의 통합된 질소 가스를 토출하는 압축기2, 그리고 상기 압축기2에서 토출된 고압의 통합된 질소 가스를 팽창시켜 중압2의 질소 가스를 상기 초전도 케이블로 토출하는 팽창기를 포함한다.
또한, 상기 압축기2에서 토출된 고압의 통합된 질소 가스를 저온으로 냉각시켜 상기 팽창기로 토출하는 열교환기1, 상기 팽창기로부터 토출된 중압2 질소 가스를 냉각시키는 초전도 액화 열교환기, 그리고 상기 초전도 액화 열교환기에서 냉각된 중압2 질소 가스를 상기 초전도 케이블의 냉각 지점까지 냉각시켜 상기 초전도 케이블로 투입하는 초전도 과냉 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기1에서 토출된 저온 고압의 통합된 질소 가스를 저온으로 냉각시키는 열교환기2, 상기 열교환기1이 토출하는 저온 고압의 질소 가스를 상기 팽창기 및 상기 열교환기2로 각각 분기시키는 티이(Tee), 상기 열교환기2에서 토출되는 고압 질소 가스를 팽창시키는 줄톰슨(J-T) 밸브1, 상기 줄톰슨(J-T) 밸브1에서 팽창된 중압1의 질소 가스를 기액 혼합 상태로 형성하고, 기체 상태의 중압1의 질소 및 액체 상태의 중압1의 질소로 각각 토출하는 상 분리기, 그리고 상기 상 분리기에서 토출된 액체 상태의 중압1의 질소를 팽창시켜 상기 초전도 액화 열교환기로 저압의 질소를 토출하는 줄톰슨(J-T) 밸브2를 더 포함할 수 있다.
상기 상 분리기에서 토출된 기체 상태의 중압1의 질소 및 상기 초전도 케이블에서 토출되는 중압1의 질소 가스를 혼합하여 상기 초전도 액화 열교환기로 토출하는 믹서2를 더 포함하고,
상기 믹서 2에서 토출되는 혼합된 중압1의 질소 가스는, 상기 열교환기2 및 상기 열교환기1을 거쳐 상기 믹서1으로 공급될 수 있다.
상기 줄톰슨(J-T) 밸브2에서 토출된 저압의 질소 가스는,
상기 초전도 과냉 열교환기, 상기 초전도 액화 열교환기, 상기 열교환기2 및 상기 열교환기1을 거쳐 상기 진공 펌프로 투입될 수 있다.
상기 진공 펌프에서 토출되는 저압의 질소 가스를 냉각시켜 상기 압축기1으로 토출하는 냉각기1, 상기 압축기1에서 토출된 중압1의 질소 가스를 냉각시켜 상기 믹서1으로 토출하는 냉각기2, 상기 압축기2에서 1차로 압축된 고압의 질소 가스를 냉각시키는 냉각기3, 상기 냉각기3에서 냉각된 1차로 압축된 고압의 질소 가스를 지정된 압력 범위에 이르도록 압축시키는 압축기3, 그리고 상기 압축기3에서 압축된 고압의 질소 가스를 냉각시켜 상기 열교환기1으로 토출하는 냉각기4를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 통합된 형태의 초전도 케이블 극저온 냉각 시스템을 제시하여 기존보다 간단한 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 초전도 케이블은 초전도성을 유지하기 위해 극저온으로 냉각이 되어야 하고, 특히 송전을 위한 초전도 케이블은 현재 과밀화된 대도시 인근 전력 송배전에 중요한 역할을 할 것이다.
초전도 케이블을 냉각시키기 위해 본 시스템이 필수적이며, 기존의 형태와 다른 시스템으로 원천기술 확보가 가능하다.
또한, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템은 구성이 단순하여, 기존 냉동기 부착형 시스템과 비교해 시스템 제작이 손쉽다.
도 1은 종래에 초전도 케이블(High Temperature Superconductor power cable 또는 HTS power cable) 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템에서 각 위치별 T-S 다이어그램(Diagram)을 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템(100)은 믹서1(Mixer)(101), 메인 압축기(Main Compressor)1(103), 메인 압축기2(105), 메인 압축기3(107), 복수의 냉각기(after cooler)(109, 111, 113, 115), 진공 펌프(Vacumn pump)(117), 메인 제1 열교환기(Main 1st HX)(119), 티이(Tee)(121), 팽창기(Expander)(123), 메인 제2 열교환기(Main 2st HX)(125), HTS 액화 열교환기(127), 믹서2(129), 초전도(HTS) 케이블(131), 초전도(HTS) 과냉 열교환기(subcool HX)(133), 상분리기(phase separator)(135), J-T 밸브1(valve)(137) 및 J-T 밸브2(valve)(139)를 포함한다.
이때, 초전도 케이블 냉각제 순환부는 초전도(HTS) 액화 열교환기(127), 초전도(HTS) 과냉 열교환기(133) 및 초전도 케이블(131)로 구성된다.
또한, 초전도 케이블(131)을 통과한 냉각제의 복귀 라인(또는 냉각 사이클 순환부)는 메인 제1 열교환기(119), 메인 제2 열교환기(125), 초전도(HTS) 액화 열교환기(133), 초전도(HTS) 과냉 열교환기(133), 믹서2(129), 상 분리기(135), J-T 밸브(137, 139)로 구성된다.
이와 같이, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템(100)은 액체 질소 순환 시스템과 초전도 케이블 냉각 시스템을 하나로 합쳐 극저온 냉각 시스템의 작동 유체를 순수 질소를 이용하는 간단한 시스템이다.
극저온 냉각 시스템의 순환 유체를 질소로 통일하여 과냉각 액체 질소를 초전도 케이블 냉각에 사용함과 동시에 이 초전도 케이블을 냉각하는 유체를 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 믹서1(Mixer)(101)는 냉동 사이클로 동작하는 작동유체와 초전도 케이블(131) 냉각에 사용한 냉각제를 함께 회수하는 기구이다.
믹서1(101)는 냉각기(115)를 통과하여 상온으로 냉각된 중압1의 작동유체와, 메인 제1 열교환기(119)를 통과한 중압1의 상온 질소 가스를 공급받는다. 그리고 공급받은 상온의 작동유체와 상온 냉각제인 질소 가스를 혼합하여 중압1 상태의 통합된 질소 가스를 메인 압축기2(105)로 공급한다.
메인 압축기2(105)는 중압1의 통합된 질소 가스를 압축하는 압축기이다.
메인 압축기2(105)는 믹서1(101)에서 공급된 중압1 상태의 통합된 질소 가스를 압축하여 고압의 통합된 질소 가스를 공급한다.
이때, 한번에 원하는 압력으로 올라가려면 질소 가스에서 너무 많은 열이 발생한다. 따라서, 메인 압축기2(105)를 통해 임의의 압력, 예를 들면, 약 1300kPa인 고압의 질소 가스로 1차로 압축한 이후, 메인 압축기3(107)에서 원하는 고압이 되도록 다시 압축한다.
냉각기(109)는 메인 압축기2(105)에서 압축된 통합된 1차 고압 질소 가스를 상온으로 냉각시킨다. 냉각기(109)는 질소 압축시 많은 열이 발생하므로 이를 상온으로 냉각시키기 위한 구성이다.
메인 압축기3(107)은 메인 압축기2(105)와 동일한 역할을 수행한다. 통합된 질소 가스를 압축하기 위한 구성이다. 이러한 형태는 전술한 바와 같이, 기체 질소를 압축할시 다량의 열이 발생하기 때문에 여러 번 압축 시키기 위함이다.
메인 압축기3(107)는 메인 압축기2(105)에서 1차로 압축된 고압의 상온 질소 가스를 원하는 고압으로 압축한다.
여기서, 메인 압축기2(105) 및 메인 압축기3(107)는 질소 압축시 고온을 감당하기 위해 다단으로 구성한 것이며, 질소 가스를 원하는 고압, 예를 들면, 1300kPa 이상까지 압축하도록 구성할 수 있다.
냉각기(111)는 냉각기(109)와 마찬가지로 압축기3(107)에서 압축된 고압 질소 가스를 상온으로 냉각시킨다. 냉각기(111)는 고온, 고압의 통합된 질소 가스를 상온, 고압 가스로 냉각시키기 위한 구성이다.
냉각기(111)는 냉각시킨 상온의 고압 질소 가스를 메인 제1 열교환기(119)로 공급한다.
메인 제1 열교환기(119)는 냉각기(111)로부터 상온의 통합된 고압 질소 가스를 공급받아 티이(121)로 공급한다.
메인 제1 열교환기(119)는 통합된 고압의 질소가스를 회수되는 저온, 중압의 냉각제 및 저온, 저압의 작동유체로 냉각을 하기 위한 구성이다.
냉각기(111)가 공급한 상온의 고압 질소는 메인 제1 열교환기(119)를 통과한 후 팽창되어 티이(121)를 거쳐 팽창기(123)로 투입된다.
메인 제1 열교환기(119)를 통과한 고압 질소 가스는 중온, 예를 들면, 약 140K의 고압 상태로 티이(121)로 공급된다.
티이(121)는 공급받은 중온 고압의 상태인 질소 가스를 냉각 사이클로 동작할 작동유체와 초전도 케이블(131)로 순환할 냉각제로 나누는 역할을 담당한다.
티이(121)는 냉각 사이클을 구성할 작동유체인 질소 가스와 초전도 케이블(131)의 냉각제로 동작할 질소 가스를 분기하기 위한 구성이다.
티이(121)는 메인 제1 열교환기(119)로부터 공급된 중온, 예를 들면, 140K의 통합된 고압 질소 가스를 팽창기(123)와 메인 제2 열교환기(125)로 각각 분기시킨다. 이때, 팽창기(123)와 메인 제2 열교환기(125)로 분기되는 것은 동일한 고압 질소 가스로, 서로 유량만 다르게 분기된다.
팽창기(123)는 초전도 케이블(131)로 공급되기전 고압, 중온의 냉각제를 중압2 저온의 가스로 구성하면서 효율적인 사이클 구성을 위해 일(work)을 회수하는 장치로 구성된다.
팽창기(123)는 티이(121)로부터 공급받은 초전도 케이블 냉각제의 고압 질소 가스를 팽창시켜 중압2의 질소 가스를 HTS 액화 열교환기(127)로 공급한다.
초전도(HTS) 액화 열교환기(127)는 초전도 케이블 냉각제로 쓰일 중압2의 질소가스를 액화시키기 위한 구성이다.
초전도(HTS) 액화 열교환기(127)는 팽창기(123)로부터 공급받은 중압2 질소 가스를 액화시켜 초전도(HTS) 과냉 열교환기(133)로 공급한다.
초전도(HTS) 액화 열교환기(127)를 통과한 중압2 질소 가스는 여기서 저온, 예를 들면, 약90K인 저온의 액체 상태가 된다.
초전도(HTS) 과냉 열교환기(133)는 공급받은 중압2의 냉각제 액체 질소를 과냉각시켜 초전도 케이블(131)을 냉각시키는데 필요한 저온, 예를 들면, 67K에 도달하도록 한다.
초전도 케이블(131)을 통과한 중압2의 액체질소는 압력강하 및 초전도 케이블 냉각을 수행하면서 중압1, 저온, 예를 들면 78K의 액체 질소로 변화되어 믹서2(129)로 공급된다.
여기서, 초전도 케이블(131)로 투입되는 중압2의 액체 질소의 온도는 67K이고, 초전도 케이블(131)을 통과한 중압1의 질소의 온도는 78K이다. 여기서, 67K, 78K는 하나의 실시예로서, 이에 국한되는 것은 아니나, HTS 케이블(131)은 질소의 어는 점 온도인 64K 이상 그리고 과냉각 상태를 유지하기 위한 3기압 기준 88K 이하로 순환하는 액체 질소를 유지하도록 구현될 수 있다.
이와 같이 열교환기(119, 125, 127, 133)에서는 압축되기 전의 중압1, 저압 가스와 냉각기(111)를 거친 압축된 고압 가스를 열교환시켜 이 고압 상태의 증발가스를 냉각 및 액화, 과냉각 시킨다. 이때 메인 제 1, 2 열교환기(119,125)는 가스가 냉각되는 부분이고, HTS 액화 열교환기(127)는 초전도 케이블로 들어가는 냉각제를 액화시키는 열교환기, HTS 과냉 열교환기(133)는 액화된 냉각제를 과냉시키는 열교환기이다.
한편, 티이(121)에서 분기된 작동유체인 고압 질소 가스는 메인 제2 열교환기(125)를 거쳐 고압, 저온의 기체-액체 혼합물(기액 혼합물)의 상태로 J-T 밸브(137)로 이동된다.
티이(121)에서 분기된 작동유체 고압 질소 가스는 메인 제2 열교환기(125)를 거친 기액 혼합물 상태의 고압 질소는 J-T 밸브(137)를 통과하여 중압1의 기액 혼합물 질소 형태로 상 분리기(135)에 공급된다.
J-T 밸브(137)는 단순히 고압의 유체를 팽창시키면 온도가 떨어지는 줄톰슨(Joule-Thomson, J-T) 현상을 이용한 것으로, 고압의 기액 혼합물을 팽창시키면서 중압, 혹은 저압으로 변화하면서 온도가 떨어진다.
메인 제2 열교환기(125)에서 냉각되어 적어도 부분적으로 액화된 질소 가스가 J-T 밸브(137)를 통과하면서 저압 상태의 기액 혼합물의 질소로 상 분리기(135)에 공급된다.
메인 제2 열교환기(125)에서 냉각되어 적어도 부분적으로 액화된 증발가스는 J-T 밸브(137)를 통과하면서 기액 혼합상태로 상 분리기(135)에 공급된다. 액화된 증발가스는 상 분리기(135)에서 기체와 액체 성분이 분리되어 액체 성분은 액체 질소 냉각 사이클 즉, J-T 밸브(139)를 통해 HTS 과냉 열교환기(133)로 이송되고, 기체성분, 즉 증발가스는 초전도 케이블(131)에서 토출된 중압1의 냉각제 액체질소와 혼합되어 열교환기(127)로 이송된다.
상 분리기(135)는 공급된 중압1의 기액 혼합상태의 작동유체인 질소를 기체와 액체 성분으로 분리한다. 그리고 중압1의 작동유체 질소 가스는 믹서2(129)로 공급한다. 그리고 중압1의 액체 질소는 J-T 밸브(139)로 공급한다.
J-T 밸브(139)는 중압1의 액체 질소를 저압의 기액 혼합물의 액체 질소로 초전도(HTS) 과냉 열교환기(133)로 공급한다. 중압1에서 액체만 추출하여 팽창시켜 1기압보다 낮은 저압에 도달시켜 초전도 케이블(131)에서 요구되는 냉각 온도를 감당할 수 있게 저압의 기액 혼합상태의 질소인 작동유체를 구성한다.
초전도(HTS) 과냉 열교환기(133)는 초전도 케이블(131)로 공급될 냉각제를 J-T 밸브(139)에서 공급된 저온, 저압의 기액 혼합물로 냉각시켜 초전도 케이블(131)에서 요구하는 저온의 과냉각 액체질소로 구성한다.
또한, HTS 과냉 열교환기(133)로 이송된 작동유체 기액 혼합물 질소는 초전도 케이블(131)의 요구 온도 조건을 만족하기 위해서 초전도(HTS) 액화 열교환기(127)에서 액화된 냉각제 액체질소와 열교환 하여 초전도 케이블로 들어가기 전 냉각제를 과냉시킨다. 이후 작동유체 기액 혼합물 질소는 남은 냉열을 이용하기 위해 초전도 액화 열교환기(127)로 이송된다.
전술한 바와 같이, 압축기(103, 105, 107)에서 토출된 고압 가스가 열교환기(119, 125, 127, 133)를 통과한 후 팽창되면 저온, 저압에 도달하여, 냉각사이클 구성에 필요한 작동 유체임과 동시에, 초전도 케이블을 냉각시키는 냉각제 역할을 동시에 감당하게 된다.
이러한 냉매, 즉 액체 질소는 냉각 부하를 일정 감당하고 여전히 저온을 유지하고 있다. 이 저온, 저압의 냉매는 열교환기(119, 125, 127, 133)로 다시 들어가 들어오는 냉매를 예냉하는데 이용되며, 모든 열교환을 마친 저압의 냉매는 압축기(103, 105, 107)에서 다시 압축되어 고압의 냉매로 사용되게 된다.
믹서2(129)는 초전도 케이블(131)에서 공급된 중압1의 질소 가스와 상 분리기(135)에서 공급된 중압1의 분리된 질소 가스를 혼합하여 초전도(HTS) 액화 열교환기(127)로 공급한다. 효율을 높이고 유량을 보존하기 위하여 저온, 중압의 기체 질소도 함께 순환하도록 구성한다.
초전도(HTS) 액화 열교환기(127)는 믹서2(129)에서 공급된 중압1의 혼합된 질소 가스를 열교환한다.
이때, 순수 질소를 액화시키기 때문에, 여기서 많은 냉열이 필요하며, 초전도 케이블 냉각제로 순환하였던 액체질소와 상 분리기(135)에서 공급된는 기체를 모두 포함한 기액 혼합물이 증발과정을 거치며 열교환이 된다.
메인 제2 열교환기(125)는 초전도(HTS) 액화 열교환기(127)로부터 열교환된 중압1의 혼합된 질소 가스를 공급받아 열교환 처리한다.
초전도(HTS) 액화 열교환기(127)를 통과하고 난 혼합된 질소가스도 여전히 중압, 중온 예를 들면, 90K이기 때문에, 공급되는 냉각 사이클의 작동유체인 고압 기체질소를 냉각시키는데 사용한다.
또한, 초전도(HTS) 과냉 열교환기(133)를 통과한 냉각 사이클의 작동유체도 여전히 저온, 저압의 기체질소이기 때문에 이 저온을 활용하기 위해 동시에 메인 제2 열교환기(125)로 공급되어 냉각사이클 작동유체인 고압 기체질소를 함께 냉각시킨다.
HTS 과냉 열교환기(133)가 토출하는 저압 상태의 질소는 메인 제3 열교환기(127), 메인 제2 열교환기(125), 메인 제1 열교환기(119)를 거쳐 진공 펌프(117)로 투입된다.
메인 제1 열교환기(119)는 통합된 고압의 질소가스를 회수되는 저온, 중압의 냉각제 및 저온, 저압의 작동유체로 냉각을 하기 위한 구성이다.
메인 제1 열교환기(119)는 메인 제2 열교환기(125)로부터 열교환된 중압1의 혼합된 질소 가스를 공급받아 열교환 처리한다. 메인 제 2 열교환기(125)를 통과한 중압1의 냉각제 질소가스는 중온, 예를 들면, 140K의 온도를 가지고 있으므로, 여기서 전술한 바와 같이 통합된 고압가스를 냉각시키고자 사용한다. 마찬가지로 저압의 작동유체 질소가스도 중온, 예를 들면, 140K의 온도를 가지고 있으므로, 통합된 고압가스를 동시에 냉각시킨다.
메인 제1 열교환기(119)가 열교환처리한 상온, 중압1의 냉각제 질소 가스는 믹서1(101)으로 공급된다.
또한, 메인 제1 열교환기(119)는 메인 제2 열교환기(125)를 통과한 중압1 질소 가스를 공급받아 믹서1(101)으로 공급한다. 이때, 메인 제1 열교환기(119)를 통과한 중압1 냉각제인 질소 가스는 중압, 상온의 기체상태로 믹서1(101)으로 공급된다.
메인 제2 열교환기(125)를 통과하고 난 중압1의 냉각제 질소 가스는 중온인 (예를들면, 135K)상태인데, 메인 제1 열교환기(119)로 공급되는 고압의 통합된 질소가스를 냉각시키기 위해 이 저온의 가스를 열교환을 통해 상온의 가스로 열교환 된다.
메인 제1 열교환기(119)는 메인 제2 열교환기(125)를 통과한 저압, 중온(예시, 135K)의 작동유체 질소 가스를 공급받아 진공 펌프(117)로 공급한다. 이때, 메인 제1 열교환기(119)를 통과한 저압 질소 가스는 상온, 저압의 상태로 진공 펌프(117)로 공급된다. 메인 제1 열교환기(119)에서 공급된 냉각 사이클 작동 유체인 저압 질소 가스는 진공 펌프(117)로 공급된다.
진공 펌프(117)는 냉각 사이클에서 대기압보다 낮은 저압을 유지하기 위한 구성이다.
진공 펌프(117)에서 공급된 저압의 작동유체 질소 가스는 냉각기(113)를 통과하여 상온, 대기압으로 압축기1(103)에 공급 된다.
냉각기(113)는 진공 펌프(117)에서 토출된 온도가 높아진 냉각 사이클의 작동유체인 기체질소를 상온으로 냉각시키기 위한 구성이다.
압축기1(103)은 대기압 질소 가스를 공급받아 압축하여 중압1의 질소 가스를 냉각기(115)로 공급한다. 메인 압축기1(103)은 진공 펌프(117)에서 토출된 압력과, 중압1을 맞춰주기 위한 압축기이다.
냉각기(115)는 메인 압축기1(103)이 질소 가스를 압축시 발생하는 많은 열을 감당하기 위해 상온으로 냉각시킬 수 있는 열교환기의 형태이다. 고온의 압축된 가스를 상온 압축된 가스로 구성하는 역할을 담당한다.
전술한 구성에 따르면, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템(100)은 3단계의 압력 범위를 가진다. HTS 케이블(131)을 과냉시키기 위한 압력 범위(저압부, 14kPa), 액체 질소 순환을 위한 압력 범위(중압부1, 중압부2, 300kPa ~ 700kPa), 줄-톰슨(J-T) 냉각을 위한 압력 범위(고압부, 1300kPa 이상)로 구성된다.
이처럼, 압력이 3단계로 나뉘는 이유는 온도 조건을 맞추기 위해 중요한 부분이다. 순수 질소를 이용하기 때문에 질소를 65K 부근으로 온도를 낮추기 위해서 포화압력 15kPa 수준을 유지하여야 한다.
또한, 과냉각 액체 질소를 HTS 케이블(131)로 보내 케이블 냉각을 하려면, 적정 압력(400kPa ~700kPa)을 이용하여야 한다. 그러므로 3단의 압력범위(저압, 중압, 고압)를 구성해야 한다.
질소는 이상 기체에 가깝기 때문에 압축시 열이 많이 난다. 그러므로 다단 (3단 이상)의 압축기(103, 105, 107) 및 진공 펌프(117)를 이용하여 고압, 중압 및 저압의 압력범위를 구성한다.
초전도(HTS) 케이블(131)로 공급되는 과냉각 액체질소와, 냉각에 사용될 질소 순환부로 가는 티이(Tee)(121)가 구성된다. 압력을 맞추고 효율을 높이고자, 초전도 케이블(131)로 들어가는 질소는 팽창기(Expander)(123)를 거쳐 중압2로 팽창된다. 초전도 케이블(131)을 냉각하기 위한 액체를 냉각시키는 질소는 줄-톰슨 밸브(J-T valve)(139)를 거쳐 저압으로 팽창되어 요구하는 저온을 달성한다.
이때, 액체 질소를 과냉각시키기 위하여 요구되는 저온 조건을 맞추기 위해서는 1기압 보다 낮은 저압을 저온부에서 구성해야 한다. 따라서, 이러한 저압 조건을 만족하기 위해 진공 펌프(117)가 적용된다.
초전도(HTS) 케이블(131)로는 순환시 일정 압력 조건 및 압력 강하량이 요구되기 때문에 중압 라인이 중압1, 중압2로 구성되었다.
진공 펌프(117)에서 토출된 저압 질소는 냉각기(113)를 통과하여 냉각된다. 그리고 메인 압축기1(103)은 증발가스를 중압1(300kPa ~ 700kPa)까지 압축하도록 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템에서 각 위치별 T-S 다이어그램(Diagram)을 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상온부를 제외한 사이클을 고려해 보면, 효율을 높이고자 팽창기를 적용하였고, 초전도 케이블로 들어가는 부분을 약 7기압, 초전도 케이블을 통과하고 난 부분을 약 3 기압으로 고려했을 때이다. 즉, 초전도 케이블 냉각을 통합형으로 구성하는 것은 열역학적으로 충분히 가능한 사이클임을 알 수 있다.
도 4에 나타낸 바는 질소의 T-S 다이어그램으로, 각 부분이 어떤 상태를 갖는지 자세히 설명하고 있다.
여기서, 나타난 곡선은 포화 상태의 돔(Saturation dome)이다.
예시로, 메인 제1 열교환기(119)를 통과하고 난 상태인 11번 위치의 경우, 약 1300 kPa, 150 K 부근의 순수 기체에서 티이(121)를 통해 분기한다.
이 분기된 순수 질소는 팽창기(123)로 일부가 통과하여 HTS1번 상태로 변화하고, 일부는 메인 제 2 열교환기(125)를 거치며 12번부터 17번 상태를 거치며 냉각 사이클을 구성한다.
팽창기(123)를 통과한 질소는 HTS2, HTS3 상태를 거쳐 과냉되어 초전도 케이블을 냉각시키는 냉각제로 사용되고, 메인 제 2 열교환기(125) 를 거친 질소는 다른 열교환기 (127, 133) 및 J-T 밸브(137, 139)를 통과하며 냉동 사이클의 작동 유체로 동작한다.
즉, 도 4는 각 위치에서 질소의 상태를 나타낸 것이며, 초전도 케이블을 냉각제로 쓰이는 질소는 HTS0부터 HTS4까지로 구분되고, 전체 냉각을 감당하기 위한 작동 유체는 12번 부터 20번 상태 및 MP1부터 MP4 상태로 구분된다.
또한, 초전도 케이블로 들어가는 냉각제의 과냉각된 상태를 HTS 3, 4의 형태로 도 4에서 자세히 보여준다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 초전도 케이블,
    저압 질소 가스를 토출하는 진공 펌프,
    상기 저압 질소 가스를 압축하여 냉동 사이클로 동작하는 중압1의 작동유체를 토출하는 압축기1,
    상기 압축기1이 토출하는 상기 중압1의 작동유체와, 상기 초전도 케이블을 순환한 중압1의 질소 가스를 혼합하는 믹서1,
    상기 믹서1이 제공하는 중압1의 통합된 질소 가스를 압축하여 고압의 통합된 질소 가스를 토출하는 압축기2, 그리고
    상기 압축기2에서 토출된 고압의 통합된 질소 가스를 팽창시켜 상기 중압1보다 압력이 높은 중압2의 질소 가스를 상기 초전도 케이블로 토출하는 팽창기를 포함하고,
    상기 중압1 및 상기 중압2는, 기 설정된 압력 범위에 속하고,
    상기 압력 범위의 최소값은, 상기 저압 질소 가스의 압력보다 높은 압력값으로 설정되고,
    상기 고압은, 상기 압력 범위의 최대값보다 높은 압력값으로 설정되는, 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축기2에서 토출된 고압의 통합된 질소 가스를 중온으로 냉각시켜 상기 팽창기로 토출하는 열교환기1,
    상기 팽창기로부터 토출된 중압2 질소 가스를 냉각시키는 초전도 액화 열교환기, 그리고
    상기 초전도 액화 열교환기에서 냉각된 중압2 질소 가스를 상기 초전도 케이블의 냉각 지점까지 냉각시켜 상기 초전도 케이블로 투입하는 초전도 과냉 열교환기
    를 더 포함하는 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환기1에서 토출된 중온 고압의 통합된 질소 가스를 중온으로 냉각시키는 열교환기2,
    상기 열교환기1이 토출하는 저온 고압의 질소 가스를 상기 팽창기 및 상기 열교환기2로 각각 분기시키는 티이(Tee),
    상기 열교환기2에서 토출되는 고압 질소 가스를 팽창시키는 줄톰슨(J-T) 밸브1,
    상기 줄톰슨(J-T) 밸브1에서 팽창된 중압1의 질소 가스를 기액 혼합 상태로 형성하고, 기체 상태의 중압1의 질소 및 액체 상태의 중압1의 질소로 각각 토출하는 상 분리기, 그리고
    상기 상 분리기에서 토출된 액체 상태의 중압1의 질소를 팽창시켜 상기 초전도 액화 열교환기로 저압의 질소를 토출하는 줄톰슨(J-T) 밸브2
    를 더 포함하는 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상 분리기에서 토출된 기체 상태의 중압1의 질소 및 상기 초전도 케이블에서 토출되는 중압1의 질소 가스를 혼합하여 상기 초전도 액화 열교환기로 토출하는 믹서2를 더 포함하고,
    상기 믹서 2에서 토출되는 혼합된 중압1의 질소 가스는,
    상기 열교환기2 및 상기 열교환기1을 거쳐 상기 믹서1으로 공급되는 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 줄톰슨(J-T) 밸브2에서 토출된 저압의 질소 가스는,
    상기 초전도 과냉 열교환기, 상기 초전도 액화 열교환기, 상기 열교환기2 및 상기 열교환기1을 거쳐 상기 진공 펌프로 투입되는 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진공 펌프에서 토출되는 저압의 질소 가스를 냉각시켜 상기 압축기1으로 토출하는 냉각기1,
    상기 압축기1에서 토출된 중압1의 질소 가스를 냉각시켜 상기 믹서1으로 토출하는 냉각기2,
    상기 압축기2에서 1차로 압축된 고압의 질소 가스를 냉각시키는 냉각기3,
    상기 냉각기3에서 냉각된 1차로 압축된 고압의 질소 가스를 지정된 압력 범위에 이르도록 압축시키는 압축기3, 그리고
    상기 압축기3에서 압축된 고압의 질소 가스를 냉각시켜 상기 열교환기1으로 토출하는 냉각기4
    를 더 포함하는 통합형 초전도 케이블 냉각 시스템.
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